JP3595097B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁性又は導電性単結晶基板上に成長したＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、又はＩｎＧａＡｌＮ等の窒化物化合物半導体層、及びＺｎＳｅ系ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体層からなる半導体装置に係り、特に化合物半導体層と成長基板との間、化合物半導体層と金属電極との間、成長基板と金属電極との間又は化合物半導体層の層間のいずれかに抵抗を大幅に低減するのに役立つ金属酸化物層を形成することにより、動作電圧を大幅に低減することができる半導体装置に関するもので、例えば長寿命の連続動作青色レーザ（以下ＬＤと略称）、長寿命の高輝度青色発光ダイオード（以下ＬＥＤと略称）等に使用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＧａＮ系化合物からなる半導体装置には、サファイア等の単結晶絶縁基板上に前記ＧａＮ系化合物層を成長し、メサ加工した後、電流供給用の第１の電極をメサの頂上部に設け、電流供給用の第２の電極を前記メサの下部から絶縁基板上に横に引き出す構造を有するものが多く用いられてきた。同様な構造は、ＺｎＳｅ系化合物からなる半導体装置にも用いられている。
【０００３】
このような電極構造を有する半導体装置は、半導体層を導電性基板上に成長して第１の電極をその最上層に設け、第２の電極を前記導電性基板の下部に設けたもの比べて、構造上高抵抗になりやすい欠点があった。
【０００４】
以下、前記第１の電極を上部電極、前記第２の電極を下部電極と呼ぶことにする。また簡単のため、混晶化合物半導体の組成を表すサフィックスは、特に必要な場合以外は省略することにする。
【０００５】
半導体装置の電極のコンタクト領域が高抵抗となれば、装置の動作電圧が高くなり、長寿命の連続動作が不可能となる。また装置内部の電流密度分布にも影響を与えて装置の動作特性そのものに悪影響を及ぼす。
【０００６】
図２５はサファイア基板上に成長した、従来のＧａＮ系ＬＤの内部の電流密度分布を模式的に示した断面図である。多層構造の内部の曲線群は電流密度の分布状況をを示している。青色から紫色のＧａＮ系ＬＤまたはＬＥＤは、ＩｎＧａＮからなる活性層７を有し、活性層７の上下にはそれぞれｎ型及びｐ型ＧａＮ（以下ｎ−ＧａＮ、ｐ−ＧａＮ等と略称）から成る光ガイド層６及び８が形成され、これに隣接してｎ−ＡｌＧａＮ、及びｐ−ＡｌＧａＮから成る光閉じ込め用クラッド層５及び９が形成される。
【０００７】
ＬＤの主要部をなす上記のダブルヘテロ構造に対して、電極のオーミック抵抗を低減することを目的として、それぞれ上下にｎ−ＧａＮ、及びｐ−ＧａＮから成るコンタクト層４及び１０を形成する。動作電流を流す下部電極３はサファイア基板上に最初に成長するｎ−ＧａＮコンタクト層４を横方向に引き出し、その上に形成される。なお図２５において、ストライプ状に形成されたＳｉＯ_２ 膜１１は、活性層７に供給する電流をその中央部に狭窄することにより、動作電流の低減を図るための電流阻止用絶縁膜である。
【０００８】
ｎ−ＧａＮコンタクト層４は横方向にシート抵抗を有するため、装置のカソード面となる前記ｎ−ＧａＮコンタクト層４の横方向に沿って電位降下を生ずる。このため理想的には、電流密度分布は装置のアノード、カソード間で縦方向にほぼ一様でなくてはならないが、絶縁基板上に多層の化合物半導体を成長した図２５に示す構造の装置では、下部引き出し電極３を設けたメサの裾野方向に向かって動作電流の流線が大きく曲げられる。
【０００９】
この現象が装置の発光パターンに与える影響を図２６に示す。横軸ｘは図２５の横方向の距離、縦軸は発光の開口部に近接して測定した発光強度である。
図２６の実線で示すように、前記電流密度分布の偏りによって発光強度分布にも偏りを生じ、ＬＤの特性に悪影響を及ぼす。
【００１０】
特に図２５とは逆にサファイア基板上のＧａＮ系多層構造をｐ−ＧａＮから順に成長し、最初に成長したｐ−ＧａＮ層から電流を引き出す構造を有する場合には、正孔の移動度が小さいためＬＤ、ＬＥＤの動作電圧が高くなり易く、また前記電流密度の偏りも大となる。
【００１１】
従って低電圧で動作する理想的なＬＤ、ＬＥＤを実現するためには、例えばＳｉＣのように、ＧａＮ系化合物と格子整合する導電性基板を用いる方が優れている。しかし、ＳｉＣ基板は高価であり、また量産性に優れた大口径の単結晶を得ることができない。またＳｉＣ基板上にＧａＮ層を成長するとき、理論的には電子障壁が生じない筈であるにもかかわらず、実際上は電子の流れに対して界面が高抵抗になり易い。これはＳｉＣ基板とＧａＮ層との界面反応により、高抵抗の界面層を生ずることによるものである。
【００１２】
このため従来からＧａＮ系半導体装置の製作には安価なサファイア基板が使用されてきたが、ＧａＮとサファイア基板との間には約１６％の格子不整が存在し、成長層に大きな格子歪を発生させる。従来実用的なＧａＮ系のＬＤ、ＬＥＤの製作が困難であった理由の一つは、格子歪により成長層中に格子欠陥が発生することによる。
【００１３】
またサファイアが絶縁基板であるため、基板上に最初に成長するｎ−ＧａＮ層の上に電流供給用の下部電極を引き出さなければならないが、比較的比抵抗が低いｎ−ＧａＮ層を前記電流引き出しに用いる場合でも、サファイア基板上に下部電極を引き出す構造を有するＬＤ、ＬＥＤは、導電性の基板を用いる場合に比べて装置の抵抗が大となり動作電圧を増加させる。
【００１４】
上記のように下部電極の構造に問題があるばかりでなく、上部電極についても高密度の動作電流により、電極を形成する原子半径の小さい金属原子がＧａＮ又はその混晶の中に容易にマイグレートし、装置の機能を劣化させるという問題を生じていた。この問題は必ずしも通常エレクトロマイグレーションに関与する原子半径の小さい金属原子のみならず、例えばバリアメタルのように原子半径の大きい金属電極材料を用いてエレクトロマイグレーションによる金属原子の移動を防止しようとしても良好な結果が得られず、解決が極めて困難な問題となっていた。
【００１５】
ＧａＮ系の材料は転位密度が１０^８ ｃｍ^−２程度の高い値をもち、特に結晶の成長方向に沿って転位が増大するという欠点がある。図２７に示すように、電極材料として例えばＡｕを用いる場合、Ａｕイオンが電流によりマイグレートして、前記転位線に沿って堆積する。Ａｕの堆積量が増加するとＧａＮ系の多層構造を短絡し、装置の突発不良の発生要因となる。図２８は短絡的不良を生じた装置の断面形状を示す略図である。図のような電流路に沿ってＡｕイオンが運ばれた状況を顕微鏡により観察することができる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来、下部電極を絶縁基板上に引き出す構造を有する半導体装置は、直列抵抗により過剰な動作電圧を生ずるという問題があった。また高密度の動作電流により、上部電極から金属原子が半導体層中にマイグレートするという問題があった。
【００１７】
本発明は上記の問題点を解決すべくなされたもので、絶縁性又は導電性単結晶基板上に形成したＧａＮ系又はＺｎＳｅ系多層構造からなる半導体装置において、極めて低抵抗な導電性の酸化物層を電流供給用金属電極の下地とし、あるいはこれを前記多層構造と前記単結晶基板との界面、成長層相互の界面に形成することにより、前記半導体装置の動作電圧を大幅に低減することを目的とする。
【００１８】
本発明の他の目的は、前記導電性の酸化物層を電流供給用金属電極の下地として用いることにより、ＧａＮ系又はＺｎＳｅ系半導体装置の電極からの金属原子のマイグレーションを防止して、長寿命の半導体装置を得ようとするものである。
【００１９】
また本発明の他の目的は、複数の導電性酸化物薄層とＧａＮ系薄層からなる超格子構造等を活性層又は導波層として含むＬＤ、ＬＥＤを形成し、これを前記動作電圧の低減に役立つ構造とすることにより、従来得られなかった波長領域で動作する高効率で長寿命な半導体装置を得ようとするものである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、多層構造の化合物半導体層が形成された基板と、ＧａＮ、ＺｎＳｅおよびＺｎＳ _x Ｓｅ _1-x （０．７＜ｘ＜１）からなる群より選択される化合物半導体コンタクト層と、前記化合物半導体層を介して電流が流される第１及び第２の金属電極と、前記基板と前記化合物半導体コンタクト層との間、前記化合物半導体コンタクト層と前記第１の金属電極との間、又は前記第２の金属電極と前記基板との間、の少なくとも１つに上下両面が接するように形成された、Ａｌを添加したＺｎＯ層とを具備することを特徴とする。
【００２１】
また本発明の半導体装置は、絶縁性の単結晶基板、クラッド層、導波層、活性層、並びにＧａＮ、ＺｎＳｅおよびＺｎＳ _x Ｓｅ _1-x （０．７＜ｘ＜１）からなる群より選択される化合物半導体コンタクト層を含む多層構造と、前記多層構造上に形成された電流が流される第１の金属電極と、前記絶縁性の単結晶基板上において電流が横方向に流される第２の金属電極と、前記多層構造の上部の化合物半導体コンタクト層と前記第１の金属電極との間、前記絶縁性の単結晶基板と前記第２の金属電極との間、又は前記絶縁性の単結晶基板と前記多層構造の下部のコンタクト層との間、の少なくとも１つに上下両面が接するように形成された、Ａｌを添加したＺｎＯ層とを具備することを特徴とする。
【００２２】
また本発明の半導体装置は、導電性の単結晶基板、クラッド層、導波層、活性層、並びにＧａＮ、ＺｎＳｅおよびＺｎＳ _x Ｓｅ _1-x （０．７＜ｘ＜１）からなる群より選択される化合物半導体コンタクト層を含む多層構造と、前記多層構造の上部に形成された第１の金属電極と、前記導電性の単結晶基板の下部に形成された第２の金属電極と、前記導電性の単結晶基板と前記多層構造の下部の化合物半導体コンタクト層との間、又は前記多層構造の上部の化合物半導体コンタクト層と前記第１の金属電極との間、の少なくとも１つに上下両面が接するように形成された、Ａｌを添加したＺｎＯ層とを具備することを特徴とする。
【００２５】
本発明の半導体装置は、単結晶基板、クラッド層、導波層、活性層、化合物半導体コンタクト層、第１及び第２の金属電極を有し、活性層がＩｎ_ｘ Ｇａ_１−ｘ Ｎ（０．１≦ｘ≦０．３）であり、導波層が複数のＺｎＯ薄層と、複数のＧａＮ薄層とが交互に積層された超格子であることを特徴とする。
【００２６】
また本発明の半導体装置は、活性層が複数のＺｎＯ薄層と複数のＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ薄層とが交互に積層された超格子であり、導波層がＧａＮであることを特徴とする。
【００２７】
また本発明の半導体装置は、導波層が複数のＺｎＯ薄層と、複数のＧａＮ薄層とが交互に積層された短周期超格子であることを特徴とする。
また本発明の半導体装置は、活性層が複数のＺｎＯ薄層と複数のＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０．１＜ｘ＜０．３又はｘ＝１）薄層とが交互に積層された短周期超格子であることを特徴とする。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態であるサファイア基板上に成長したＧａＮ系ＬＤの構造を示す断面図である。
【００２９】
ＧａＮ系多層構造を形成するに当り、まずサファイア基板上にＡｌを多量に添加した低抵抗の導電性ＺｎＯ層２を成長した後、ｎ−ＧａＮコンタクト層４を成長する。この方法によりＺｎＯ層２とｎ−ＧａＮコンタクト層４との間には良好なオーミックコンタクト形成される。図１に示すように、Ａｕから成る前記多層構造の下部電極３は、サファイア基板１の上に引き出された前記ＺｎＯ層２の上に形成される。このとき電極３とＺｎＯ層２との電気的な接触は、高濃度のＡｌ添加により前記ＺｎＯ層がメタリックとなるため極めて良好なものとなる。
【００３０】
本発明の第１の実施の形態において、Ａｕから成る上部電極１３を形成するとき、その下地としてＡｌを多量に添加したＺｎＯ層１２をｐ−ＧａＮコンタクト層１０の上に成長し、その上にＡｕ電極１３を形成する。このようにｐ−ＧａＮコンタクト層の上に導電性のＺｎＯ層１２を重ねることにより、ＺｎＯ層１２が存在しない従来の場合に比べて、上部電極１３の示すオーミック抵抗を大幅に低減することができる。
【００３１】
上記したように、上部及び下部の電極形成にＡｌを多量に添加して低抵抗にした導電性ＺｎＯ（以下Ａｌ添加ＺｎＯと略称）を用いることにより、サファイア基板上に形成したＧａＮ系ＬＤ、ＬＥＤの動作電圧を大幅に低減することができる。図２はＡｌ添加ＺｎＯ上のＧａＮ系多層構造の成長を、図１とは逆にｐ側から始める場合を示す断面図である。
【００３２】
図３は前記Ａｌ添加ＺｎＯバッファ層２の導入による、ＧａＮ系発光装置内の電流密度分布の偏りの改善効果を示す断面図である。Ａｌ添加ＺｎＯバッファ層２が極めて低抵抗であるため、これが装置のカソード側の等電位面に近い働きをし、従来の図２５に比べて多層構造内の電流密度分布の偏りが大幅に改善される。
従って図４に示すように発光強度分布も従来の図２６に比べて偏りのないものとなる。このように対称性に優れた発光強度分布を有するＧａＮ系ＬＤは、活性層内の光利得が大きく、また発光モードが安定し、非点収差等も小さいため高密度な光記録の書き込み、読み出し用として優れており、かつ長寿命の連続動作が可能である。
【００３３】
図１、図２においては、サファイア基板上に直接Ａｌ添加ＺｎＯ層２を形成し、これを横方向に引き出して、その上に下部電極３を直接設けた例を示したが、必ずしも直接設ける必要はなく、多層構造をメサ形のストライプ形状に加工する際、サファイア基板上に最初に成長したｎ−ＧａＮコンタクト層４を下部電極３の形成領域まで残すようにして、その上に前記電極３を設けることもできる。このようにすれば、下部電極３とｎ−ＧａＮコンタクト層４とのコンタクト抵抗は高くなるが、ＧａＮコンタクト層の下にはシート抵抗の小さいＡｌ添加ＺｎＯ層２が存在するので、ＧａＮコンタクト層のみを用いて下部電極を引き出す従来の方法に比べて、引き出し面に沿う方向の抵抗を低減することができる。
【００３４】
次に図５、図６に基づき本発明の第２の実施の形態について説明する。
図５は、ＳｉＣ基板上に前記Ａｌ添加ＺｎＯとＧａＮを引き続き成長したときのエネルギー帯の構造を示している。図に示すようにＳｉＣ、ＺｎＯ、ＧａＮの禁制帯幅はそれぞれ３．０ｅＶ、３．２ｅＶ、３．４ｅＶである。Ｅ_Ｃ 、Ｅ_Ｖ は伝導帯の底と価電子帯の頂上のエネルギーを与える。ＺｎＯのエネルギー帯はＳｉＣ及びＧａＮに対して相対的に大きく下がり、ＺｎＯの導電帯の底がＧａＮの価電子帯の頂上よりも約０．６ｅＶ高い位置で接続される。
【００３５】
従ってもしｐ−ＺｎＯが得られれば、前記ｐ−ＺｎＯからＧａＮへの正孔注入は、正孔に対する障壁が存在しないため容易に行うことができる。しかし、現在の技術ではｐ−ＺｎＯを成長することは不可能であるため、通常ＺｎＯをｐ−ＧａＮに対するオーミックコンタクトの材料として用いることができない。
【００３６】
しかしＺｎＯに数％のＡｌを添加することにより、ＺｎＯはメタリックなものとなり、通常ｎ形のＺｎＯから、ｐ−ＧａＮへ正孔を注入する場合に現れる障壁を生じない。すなわち、ＺｎＯへの多量のＡｌの添加により、前記ＺｎＯの導電帯の直下に、図５に示すような不純物帯を生じ、このとき前記不純物帯のエネルギー値が丁度ＧａＮの価電子帯の頂上に近いので、正孔は前記不純物帯を通じてｐ−ＧａＮに流れ、オーミックコンタクトを形成することができる。前記不純物帯とＧａＮの価電子帯の頂上には０．３〜０．４ｅＶの障壁が残留するが、通常用いるＧａＮのｐ形添加量の値を考慮すれば、正孔は室温で容易にこの障壁を越すことができると考えられる。
【００３７】
上記の議論から、逆にＧａＮの導電帯に対して２．５ｅＶ以上に及ぶ導電帯のエネルギー差を有するＺｎＯを用いて、ｎ−ＧａＮに対するオーミックコンタクトを形成することは通常不可能と考えられる。しかしｎ−ＧａＮには１０^１９ｃｍ^−３の桁の高濃度の不純物を添加することができる。このため空乏層が薄くなって前記障壁はトンネル効果により通過することができるので、ＺｎＯを室温でｎ−ＧａＮのオーミックコンタクトとして使用することができる。同様に前記ＺｎＯは、ＳｉＣに対するオーミックコンタクトとして用いることができる。
【００３８】
ＧａＮ及びＳｉＣに対して金属電極を直接合金する方法でオーミックコンタクトを形成することも可能である。しかし合金の熱歪みにより合金部分に欠陥を生じ、ＧａＮ系多層構造の内部に向けて欠陥が増殖し装置の寿命を低下させる。Ａｌ添加ＺｎＯをオーミックコンタクトの材料として用いる場合には、ＺｎＯの成長温度が３００℃程度と低いので、熱歪みによる欠陥を生ずることはない。またオーミック特性の安定化のための熱処理を行う必要もない。
【００３９】
図６はＡｌ添加ＺｎＯオーミックコンタクトを有するｎ−ＳｉＣ導電性基板上のＧａＮ系ＬＤの断面構造を示す図である。Ａｌ添加ＺｎＯ層２はｎ−ＳｉＣ基板１５とｎ−ＧａＮコンタクト層４との間に形成され、Ａｌ添加ＺｎＯ層１２はｐ−ＧａＮコンタクト層１０とＡｕから成る上部金属電極１３との間に形成されている。
【００４０】
Ａｌ添加ＺｎＯ層はウルツ鉱形の結晶構造を持ち、ＳｉＣやＧａＮ系結晶に近い格子定数を有するため、ＳｉＣ上にＧａＮ層を成長するときのバッファ層としての役割を果たす利点がある。すなわちＺｎＯという異種物質を介在させることにより、良好なオーミックコンタクトが得られると同時に、ＳｉＣ上に直接ＧａＮを成長する場合に比べて、欠陥の少ない良質の成長層を得ることができる。
【００４１】
図５を見れば、ＧａＮとＳｉＣの導電帯の底のエネルギー差は０．４ｅＶに過ぎないが、ＺｎＯとＧａＮの導電帯の底のエネルギー差は２．５ｅＶ以上に達するので、通常ＧａＮとＳｉＣを直接結合する方がオーミック特性が得やすいように思われる。しかし、実際にはＳｉＣ基板上に直接ＧａＮを成長すれば、サファイア上に成長した場合に比べて、みかけ上結晶性が良好な成長層が得られるが、成長層の界面が高抵抗になる欠点がある。これは気相成長の原料ガスの一つである窒素とＳｉＣ基板の構成元素であるＳｉとの反応性が、Ｇａとの反応性よりも高いために、界面にＳｉＮ_ｘ 等の絶縁性の界面層を生ずるためである。
【００４２】
上記のように、Ａｌ添加ＺｎＯ層はＳｉＣ基板の表面清浄化、表面安定化に寄与し、ＳｉＣとＧａＮに対して共に格子整合した低抵抗なコンタクトを形成することができる。第２の実施の形態ではｎ−ＳｉＣ基板上にＧａＮ系多層構造をｎ側から成長する場合について述べたが、逆にｐ−ＳｉＣ基板上にｐ側から成長して同様に良好な特性を示すＧａＮ系発光装置を得ることができる。
【００４３】
次に図７、図８を用いて本発明の第３の実施の形態を説明する。
図７は、ＧａＮ系多層構造から成るＬＤ、ＬＥＤの上部Ａｕ電極１３とｐ−ＧａＮコンタクト層１０との間にＡｌ添加ＺｎＯ層を形成すれば、エレクトロマイグレーションにより、電極を構成するＡｕ原子がｐ−ＧａＮ層の転位に取り込まれる現象が防止されることを示す部分拡大図である。Ａｌ添加ＺｎＯ層は、オーミック特性を改善すると同時に、ＧａＮ層中に多数存在する転位線による装置の劣化を防止する、金属イオンのマイグレーションバリアとして用いることができる。従って上部Ａｕ電極１３とｐ−ＧａＮコンタクト層１０との間にＡｌ添加ＺｎＯ層を形成すれば、装置の電流変化は従来の突発的なものから漸進的なものに改善される。
【００４４】
図８は上部Ａｕ電極とＧａＮコンタクト層との間に、前記Ａｌ添加ＺｎＯ層が有るものと無いものについて、ＧａＮ系ＬＤの劣化の状況を比較した略図である。
図の横軸は時間、縦軸は出力光が一定になるよう動作電流を制御するＡＰＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ） の条件で求めた動作電流の経時変化である。Ａｌ添加ＺｎＯ層が有るものについては、直接Ａｕ電極をｐ−ＧａＮに設けた従来のものに比べて、ＡＰＣ条件で求めた動作電流の経時変化が大幅に改善されていることがわかる。
【００４５】
なお前記Ａｌ添加ＺｎＯ層の代わりに、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｔｉ等の原子半径が大きくマイグレーションを生じ難い金属材料をバリアメタルとして用いることも有効と考えられるが、ＧａＮ系の材料の転位密度が非常に大きいため、前記バリアメタルでは、Ａｌ添加ＺｎＯ層のように金属イオンのマイグレーションを完全に防止することができない。
【００４６】
次に図９に基づき本発明の第４の実施の形態を説明する。
図９はサファイア基板上に形成したＧａＮ−ＭＯＳＦＥＴの構成を示す鳥瞰図である。サファイア基板１の上に前記Ａｌ添加ＺｎＯ層２を成長し、その上にＧａＮ−ＭＯＳＦＥＴの基板となるｐ−ＧａＮ層２０ａを形成する。前記ｐ−ＧａＮ層２０には、ソースとドレインのｎ^＋ 領域を形成し、その上にＡｌ添加ＺｎＯ層２２を介してソースとドレインの金属電極２５、２７を設ける。前記ソースとドレインの金属電極間にゲート絶縁膜２３を形成し、その上にチャネル２４を制御するゲート電極２６を設ける。ソース電極２５を接地し、ゲート、ドレイン電極にそれぞれ電圧Ｖ_Ｇ 及びＶ_Ｄ を印加する。
【００４７】
前記ＭＯＳＦＥＴの基板となるｐ−ＧａＮ層の一部をメサエッチングにより除去し、基板電圧制御電極２８を前記Ａｌ添加ＺｎＯ層２の上に設ける。ソース、ドレイン電極の下に設けたＡｌ添加ＺｎＯ層２２は、前述のように金属電極からの金属原子がｐ−ＧａＮ基板中にマイグレートするのを防止する役割を果たす。
【００４８】
またサファイア基板１の上に形成したＡｌ添加ＺｎＯ層２は、ｐ−ＧａＮ基板２０ａの結晶性を改善すると同時に、基板電圧−Ｖ_ＢＳがｐ−ＧａＮ−ＭＯＳＦＥＴ基板２０の全域にわたって一様に印加されるのに役立つ。ｐ−ＧａＮ２０ａは比較的高抵抗であるため、基板電流によりｐ−ＧａＮ２０ａ内に電位降下を生じ、ＭＯＳＦＥＴの正常な動作が妨げられる。
【００４９】
すなわち、ゲート領域全体に均一な電位降下を生じなくなり、電位降下は主としてメサの終端部に近い下部電極２８と上部電極２５との間に生じるようになる。
導電性のＡｌ添加ＺｎＯ層２をサファイア基板上に形成することによりｐ−ＧａＮが等電位となり、ＭＯＳＦＥＴの正常な動作が保証される。
【００５０】
次に図１０〜図１３に基づき本発明の第５の実施の形態を説明する。
これまでＡｌ添加ＺｎＯ層及び他の関連する酸化物層をＧａＮ系化合物からなる半導体装置に適用する手段についてのべたが、Ａｌ添加ＺｎＯ層の適用範囲は必ずしもＧａＮ系化合物からなる半導体装置に限定されるものではない。
【００５１】
Ａｌ添加ＺｎＯ層の他の適用対象としてＺｎＳｅ系のＩＩ−ＶＩ族化合物からなる半導体装置があげられる。導電性のｎ−ＧａＡｓ基板上に形成した最初のＺｎＳｅ系半導体発光装置の断面構造を図１０に示す。
【００５２】
図１０のＺｎＳｅ系半導体発光装置は、ＣｄＺｎＳｅ活性層３５、ＺｎＳｅ導波層３４、３６、ＭｇＺｎＳＳｅクラッド層３３、３７、ＧａＡｓ基板３０と下部のＭｇＺｎＳＳｅクラッド層３３との間のバッファ層３１，３２からなっている。Ａｌ添加ＺｎＯ層１２は、上部ＭｇＺｎＳＳｅクラッド３７の上のｐ−ＺｎＳｅ層３８と上部Ａｕ電極１３との間に形成される。
【００５３】
ＺｎＳｅ系発光装置を製造する際の主な問題点は、ｐ−ＺｎＳｅに対して良好なオーミックコンタクトが形成されないことである。このため動作電圧が高くなり、これに伴う過剰発熱のために寿命時間が短くなる。良好なオーミック特性が得られない理由は、通常電極に用いる金属の仕事関数がＺｎＳｅの価電子帯よりも高いためである。
【００５４】
このとき金属電極とｐ−ＺｎＳｅとの間に、中間層として作用し得る半導体材料はｐ型の不純物添加が困難であるか、又は価電子帯がＺｎＳｅの価電子帯よりも少なくとも１ｅＶ浅くなっているため、オーミック特性の改善に役立てることはできない。
【００５５】
図１１に示すように、Ａｌ添加ＺｎＯを用いれば、上記の問題を克服することができる。図に示されているように、例えば導電性のＳｉＣ基板を用い、ＳｉＣ基板とＺｎＳｅコンタクト層との間にＡｌ添加ＺｎＯを用いれば、ＺｎＯ中のＡｌの不純物帯とＺｎＳｅの価電子帯の上端とのずれは０．０２ｅＶと非常に小さい。このため室温でオーミック特性が得られる。
【００５６】
図１０に示すＺｎＳｅ系発光装置において、最後に堆積したｐ−ＺｎＳｅ層３８の上に前記Ａｌ添加ＺｎＯ層１２が形成され、その上にＡｕ電極１３を設けている。このようにすれば上記の理由により、良好なオーミックコンタクトを得ることができる。このときＺｎＳｅは立方晶系、Ａｌ添加ＺｎＯはウルツ型、と結晶系が異なるため、ｐ−ＺｎＳｅ上には多結晶のＡｌ添加ＺｎＯしか堆積することができない。しかし、Ａｌ添加ＺｎＯはｐ−ＺｎＳｅに対して金属的なコンタクトとして作用するため、その結晶性が良好でないことは製造上の妨げとはならない。
【００５７】
図１２は、サファイア基板上に形成したＺｎＳｅ系ＬＤに、前記Ａｌ添加ＺｎＯ層を適用する場合の構造を示す図である。ＺｎＳＳｅ活性層４１の上下に隣接してＺｎＳ導波層４０、４２と、その上下に隣接してＭｇＺｎＳＳｅからなるクラッド層３３、３７が形成される。
【００５８】
さらにその上下に隣接してＺｎＳＳｅからなるコンタクト層３９、４３が形成されるが、このとき下部のｎ−ＺｎＳＳｅコンタクト層３９とサファイア基板１との間、及び上部のｐ−ＺｎＳＳｅコンタクト層４３と上部Ａｕ電極との間に、Ａｌ添加ＺｎＯ層２、及び１２が形成される。
【００５９】
図１２において、Ａｌ添加ＺｎＯ層２の上に単結晶のＺｎＳＳｅ層３９を形成することは、前述の結晶系の相違の説明と矛盾するように思われるかもしれない。
【００６０】
しかし、この場合前記ＺｎＳ_ｘ Ｓｅ_１−ｘ 層のｘの値は０．７＜ｘ＜１と非常にＳの組成比が大きいことに注目しなければならない。このとき、前記ＺｎＳＳｅ層の結晶系は立方晶系からウルツ型に変化し、同様にウルツ型のＺｎＯと格子整合するので、Ａｌ添加ＺｎＯ層の上に単結晶のＺｎＳＳｅ層を形成することができる。図１２に示すウルツ型ＩＩ−ＶＩ族化合物からなる発光装置は、紫外領域の波長のＬＤとして動作することが確かめられた。
【００６１】
このときＡｌ添加ＺｎＯ層２は、下部のｎ−ＺｎＳＳｅコンタクト層３９に対して低抵抗のコンタクトを形成し、電流狭窄ストライプ領域全面にわたって均一なＬＤ発光をすることがわかった。このような優れたＬＤ発光特性はＡｌ添加ＺｎＯ層を導入することにより始めて得られたものである。またｎ−ＺｎＳＳｅは比較的抵抗が高いので、前記Ａｌ添加ＺｎＯ層の導入により装置全体の動作抵抗が低減し、低消費電力で長寿命の半導体装置が得られることはいうまでもない。
【００６２】
図１３に示すように、ＳｉＣ基板とＳ組成の大きいＺｎＳＳｅ層との間に、Ａｌ添加ＺｎＯ層を低抵抗層として導入することが注目される。このとき価電子帶の端のエネルギー差は０．７２ｅＶであるが、Ａｌ添加ＺｎＯの示す不純物帯伝導を利用すれば、このエネルギー差は約１／２にすることができる。ＳｉＣ基板は導電性であるから、このことから引き出し電極を必要としない導電性基板上の縦型の低抵抗なＩＩ−ＶＩ族系発光装置が得られることが示される。
【００６３】
次に本発明の第６の実施の形態について説明する。
上記第１〜第５の実施の形態においては、半導体装置に動作電流を供給するための金属電極の下地として、又は単結晶基板上に化合物半導体からなるエピタキシャル層を成長する時のバッファ層として、前記Ａｌ添加ＺｎＯ層を用いることを説明したが、Ａｌ添加ＺｎＯ層の用途はこれに限られるものではない。
【００６４】
図１、図２及び図６において、ＩｎＧａＮ活性層７の上下に隣接するｎ−ＧａＮ層６とｐ−ＧａＮ層８からなる導波層を、それぞれＡｌ添加ＺｎＯ層とｎ−ＧａＮ層からなるｎ型超格子導波層と、Ａｌ添加ＺｎＯ層とｐ−ＧａＮ層からなるｐ型超格子導波層とに置き換えることにより、ＬＤのしきい値電流密度を低減し、発光効率の向上により最大出力を増加することができる。このときＩｎ_ｘ Ｇａ_１−ｘ Ｎ活性層の組成を与えるｘの値は、０．１≦ｘ≦０．３の範囲である。図１、図２及び図６に示すように、Ａｌ添加ＺｎＯ層２、１２を導入することによりさらに発光装置の直列抵抗を低減することができる。
【００６５】
また、ＩｎＧａＮ活性層７をアンドープＺｎＯ層とＩｎ_ｘ Ｇａ_１−ｘ Ｎ層（０≦ｘ≦０．３）からなる超格子活性層に置き換え、ｎ−ＧａＮ層６とｐ−ＧａＮ層８とをそれぞれ導波層として用いることにより、発光効率を大幅に向上することができる。このときＡｌ添加ＺｎＯ層２、１２を導入することにより、さらに発光装置の直列抵抗を低減することができることはいうまでもない。
【００６６】
次に図１４〜２４に基づき、本発明の第７の実施の形態について説明する。
前記第６の実施の形態において、活性層、及び導波層にＺｎＯを含む超格子層を導入することをのべたが、ＺｎＯの用途はこれに限られるものではない。次に示すように、超格子層の構成要素としてＺｎＯ薄層と組み合わせる化合物半導体薄層の種類を選定し、かつ超格子層を構成するの薄層の厚さを数ｎｍ以下と極度に小さくすることにより、超格子層をバンドフォールディング（ブリルアン帯域の折り返し）型とし、従来不可能であった長波長領域のＧａＮ系発光装置を形成することができる。
【００６７】
以下極度に薄い複数の層からなり、バンド構造が混成されてあたかも単一の半導体材料のように作用するバンドフォールディング型超格子を、短周期超格子とよぶことにする。
【００６８】
第７の実施の形態においては、活性層としてＺｎＯとＩｎ_ｘ Ｇａ_１−ｘ Ｎ（０．１≦ｘ≦０．３）又はＩｎＮからなる短周期超格子を用い、導波層としてＺｎＯとＧａＮからなる短周期超格子を用いることにより、短波長側で得られる高効率の発光を維持しつつ、従来に比べて長波長領域の発光が可能なＧａＮ系発光装置を得ることができる。また前記短周期超格子を導波層として用いることにより、より一般的な構造で従来困難であった高出力ＬＤや、オーバフロー電流が抑制された高効率のＬＤを形成することができる。
【００６９】
従来ＧａＮ系発光装置は、紫外から青色領域の可視ＬＤ、ＬＥＤとして開発されてきた。開発における問題点の１つは、ＬＤ発光が可能な波長領域が３９０ｎｍ〜４２０ｎｍと極めて狭いことである。その主な理由は活性領域が理論的にはＩｎ組成範囲ｘが０．１＜ｘ＜１のＩｎ_ｘ Ｇａ_１−ｘ Ｎで形成されるが、実際上はＩｎの組成範囲に大きな制約があることによる。
【００７０】
前記ｘの全範囲が許容されれば、ＧａＮ系発光装置は紫外から赤までの極めて広い可視領域でＬＤ発光可能な発光装置となる。しかし、Ｉｎ組成が１に近付くに従い、次の２つの要素が発光可能な波長領域を厳しく制限する。
【００７１】
その１は、前記ＩｎＧａＮ活性層とＧａＮ導波層との間の格子不整合により、歪みが次第に増加し、転位により前記活性領域が破壊するのを防止するために、活性領域の厚さを極めて小さくしなければならないことである。このため実際上、活性領域として許されるＩｎ組成の範囲は０＜ｘ＜０．３に限られる。
【００７２】
その２は、Ｉｎ_ｘ Ｇａ_１−ｘ Ｎ系にはいわゆるミッシビリティギャップが存在することである。すなわち０．３＜ｘ＜０．８５のＩｎ組成範囲では、高品質な混晶を得ることができず、従って活性領域の材料として前記ミッシビリティギャップに基づく制約がある。
【００７３】
以上のべたように、ＩｎＧａＮはＬＤ、ＬＥＤの活性領域材料としてＩｎ組成範囲に制約があるが、このことから次の２つの問題点が生じる。
その１は、活性層として許容されるＩｎ組成ｘの値が小さいため、導波層と活性層との間のバンドのずれ量が小さく、いわゆるキャリアオーバーフロー現象を生じて、発光効率が低下することである。実際問題として現在開発中のＧａＮ系短波長ＬＤにおいても、かなりのキャリアオーバーフローによる電流が含まれている。
【００７４】
その２は、実用的な導波層の材料としてＧａＮか又はＩｎ組成の極めて小さいＩｎＧａＮに限定され、このためＡｌＧａＮクラッド層と導波層との間の屈折率差がある程度固定されることにある。この問題については、ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成を変化することによりある程度回避することができるが、成長温度の問題や格子不整合の問題が前記Ａｌ組成ｘの最大値を０．２に制限する。また前記Ｉｎ組成の最小値は、活性層からのキャリアオーバフローを防止するための条件から０．１程度に限定される。
【００７５】
このように導波層とクラッド層との間の屈折率差の制御ができないため、高出力のＬＤを製造することができない。その理由は、現状においては屈折率の差が過大であるためＬＤ発光が活性層に強く閉じ込められ、非常に小さい出力レベルにおいて、光を放射するＬＤの開口面に損傷を生じるからである。
【００７６】
第７の実施の形態においては、上記のように活性層や導波層に極めて狭い混晶の組成範囲しか使用できないこと、このため発光の波長範囲が狭いこと、キヤリアオーバーフローによる発光効率の低下や、光閉込めが強すぎてＬＤ開口面に損傷を生じること等の問題点を解決するために、ＧａＮ系ＬＤにＺｎＯとＩｎＧａＮからなる短周期超格子層、及びＺｎＯとＧａＮからなる短周期超格子層を導入する。
【００７７】
図１４、図１６、及び図１８は、通常のＧａＮ系ＬＤ構造に本第７の実施の形態の種々の構成を適用した例を示す図である。図１５、図１７、及び図１９は、Ａｌ添加ＺｎＯをコンタクト層に適用した例を示す図である。
【００７８】
図１４ではＺｎＯとＩｎＧａＮからなる短周期超格子層１７が活性層として用いられ、図１６ではＺｎＯとＧａＮからなる短周期超格子層１９、２０が導波層として用いられ、さらに図１８では短周期超格子層１７、１９、２０が活性層及び導波層として用いられた場合が示されている。
【００７９】
図１５、図１７、図１９では、上記の場合についてそれぞれコンタクト層にＡｌ添加ＺｎＯ層を用いている。前記短周期超格子構造を活性層、及び導波層として用いる場合についてさらに詳細に説明する。
【００８０】
図２０、図２１は、長波長の黄緑領域のＧａＮ系ＬＤを得ようとするとき、通常考えられる活性層及び導波層のバンド構造図である。このとき活性層となるＩｎ_ｘ Ｇａ_１−ｘ ＮのＩｎ組成は、ｘ＝０．８となるが、このように高いＩｎ組成の層が高密度の転位や欠陥を生ずることなく形成できるとは考えられない。
【００８１】
その理由は、前記Ｉｎ組成が大きいために隣接するＧａＮ導波層との間に過大な格子不整合を生ずることと、Ｉｎと酸素との親和性が高いので、Ｉｎを介して酸素が不純物として活性層中に取り込まれるためである。
【００８２】
この問題を解決するために、図２１に示すように、ＺｎＯとＩｎＮの短周期超格子活性層を用いた。このときＺｎＯ層の厚さは０．６ｎｍ、ＩｎＮ層の厚さは１．８ｎｍであった。このような短周期超格子では、バンドフォールディング効果によりＺｎＯとＩｎＮとのバンドが混成され、実効禁制帯幅２．２６ｅＶの半導体材料となる。
【００８３】
このような活性層は超格子構造を有するため、ＩｎＮ層の合計した厚さはＩｎ組成０．８のＩｎＧａＮ活性層の厚さに比べてずっと小さくなり、前記格子不整合の問題は回避することができる。またＮ組成の大きいＩｎＧａＮ活性層の発光効率は前記欠陥の導入により低くなるが、バンドフオールディング効果は、例えばＧａＰとＡｌＰの場合、直接再結合過程をかなり高めるので、前記短周期超格子を用いれば、ＬＤのしきい値電流密度を低減することができる。
【００８４】
図２２と図２３は、短波長レーザに対してＺｎＯとＧａＮからなる短周期超格子を導波層として用いた時のバンド構造図である。図２２は、ＧａＮ導波層による光閉じ込めを用いた標準的なＬＤ構造である。図２３では、前記導波層の１つがＺｎＯとＧａＮからなる短周期超格子導波層に置き換えられている。このときＺｎＯ層の厚さは０．３ｎｍ、ＧａＮ層の厚さは１．８ｎｍであった。またサファイア基板は、表面がｃ軸に垂直なものを用いた。
【００８５】
図２３より、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層からＩｎＧａＮ活性層に注入された正孔が０．４３ｅＶの障壁に阻まれ、この障壁高さは図２２に示す対応する部分の障壁高さ０．１６ｅＶに比べて大きいことがわかる。このため、活性層からｎ−ＡｌＧａＮクラッド層への正孔のオーバーフローは完全に防止される。
【００８６】
また、前記ＺｎＯとＧａＮからなる短周期超格子導波層の使用により、前記導波層とクラッド層間の屈折率の差が低下し、このため活性層への光閉じ込め効果が弱められ、前記クラッド層への出力光の広がりを生じることにより、ＬＤ開口面における光出力密度が低減される。このことから、ＬＤ開口面の光出力による損傷が除去され、ＬＤ装置の破壊を防止することができる。
【００８７】
図２４は前記ＺｎＯとＧａＮからなる短周期超格子導波層と、ＺｎＯとＩｎＮからなる短周期超格子活性層を共に備えたＧａＮ系ＬＤのバンド構造を示す図である。この構造により、図２１及び図２３で説明した効果が相乗的に得られることはいうまでもない。
【００８８】
次に第８の実施の形態として本発明のＡｌ添加ＺｎＯ層を有する半導体装置の製造方法について説明する。
Ａｌ添加ＺｎＯ層の製造方法は、その用途により異なる。半導体装置の最上層の例えばＧａＮのようなｐ型層と、例えばＡｕのような金属電極との間に、前記Ａｌ添加ＺｎＯ層を形成する場合には、形成されたＡｌ添加ＺｎＯ層が多結晶か又は単結晶であるかは製造上余り問題にしなくてもよい。
【００８９】
例えば電子ビーム蒸着法を用いて、前記Ａｌ添加ＺｎＯ層を直接蒸着すればよい。このとき蒸着源としては、Ｚｎ０とＡｌ_２ ０_３ を用い、基板を１００℃〜３００℃に加熱すれば良好な結果が得られる。
【００９０】
前記Ａｌ添加ＺｎＯ層を形成した上に、引き続き単結晶の多層構造を成長する必要がある場合には、半導体装置の品質を確保するために、良好な単結晶を成長しなければならない。このときは、例えばＭＢＥやＭＯＣＶＤ、又はＬＰＥ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）のような高度なＺｎＯ層の形成技術を使用することにより、ＺｎＯ層の結晶性は大幅に向上する。
【００９１】
ＭＢＥ法を用いる場合には、酸素プラズマ中のＺｎ源とＯ_２ 又はＯ_３ 源、及び不純物添加用のＡｌ源を用いて、基板温度を６００℃〜８００℃としてエピタキシャル成長する。ＭＯＣＶＤ法を用いる場合には、ＺｎソースとしてＤＭＺ（ｄｉ−ｍｅｔｈｙｌ−ｚｉｎｃ）又はヂエチルジンク（ｄｉ−ｅｔｈｙｌ−ｚｉｎｃ） 、酸素のソースとして純Ｏ_２ ガス、不純物添加用のＡｌソースとしてＴＭＡ（ｔｒｉ−ｍｅｔｈｙｌ−ａｌｕｍｉｎｕｍ） 又はＤＭＡＨ（ｄｉ−ｍｅｔｈｙｌ−ａｌｕｍｉｎｕｍ−ｈｙｄｒｉｄｅ）を用い、これらのソースガスの温度を全て室温としてエピタキシャル成長を行う。
【００９２】
ＬＰＥの場合には、２０００℃におけるＡｌ添加ＺｎＯのメルトを用いるか又は酸素過剰の雰囲気において温度４５０℃のＡｌ添加Ｚｎのメルトを用いてエピタキシャル成長する。
【００９３】
ＧａＮ層上にＺｎＯ層を形成する場合には、ウルツ型結晶系が強固であるため、単にＺｎＯをスパッタし、その後熱処理すればよい。スパッタ法を用いるときにはＡｌ添加ＺｎＯのペレットをスパッタソースとして用いる。しかしこのようにして製造した半導体装置の品質はＭＢＥ、ＭＯＣＶＤ、ＣＶＤ、ＬＰＥ法等を用いて製造したＡｌ添加ＺｎＯ層を有する半導体装置に及ばない。
【００９４】
なお本発明は上記の実施の形態に限定されることはない。例えば上記第１乃至第３の実施の形態において、化合物半導体材料はＧａＮに限らずＡｌＮ、ＩｎＮ、Ｉｎ_ｘ Ｇａ_１−ｘ Ｎ、Ｉｎ_ｘ Ａｌ_１−ｘ Ｎ、Ｇａ_ｘ Ａｌ_１−ｘ Ｎ、Ｉｎ_ｘ Ｇａ_ｙ Ａｌ_{１−ｘ−ｙ} Ｎ、を用いることができる。また第５及び第６の実施の形態において、ＺｎＳｅに限らずＺｎＳ、Ｚｎ_ｘ Ｓ_１−ｘ Ｓｅ、Ｍｇ_ｘ Ｚｎ_１−ｘ Ｓｅ、Ｃｄ_ｘ Ｚｎ_１−ｘ Ｓｅ、Ｍｇ_ｘ Ｚｎ_ｙ Ｓ_{１−ｘ−ｙ} Ｓｅ（０≦ｘ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を用いることができる。
【００９５】
また導電性酸化物層としてＡｌ添加ＺｎＯに限らずＩｎ_ｘ Ｚｎ_１−ｘ Ｏ、Ａｌ添加Ｉｎ_ｘ Ｚｎ_１−ｘ Ｏ、Ｓｎ_ｘ Ｚｎ_１−ｘ Ｏ、Ａｌ添加Ｓｎ_ｘ Ｚｎ_１−ｘ Ｏ、Ｉｎ_ｘ Ｓｎ_ｙ Ｚｎ_{１−ｘ−ｙ} Ｏ、及びＡｌ添加Ｉｎ_ｘ Ｓｎ_ｙ Ｚｎ_{１−ｘ−ｙ} Ｏ（０≦ｘ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１を用いることができる。
【００９６】
また上記第１乃至第４及び第６、第７の実施の形態において、前記導電性酸化物の下地となる化合物半導体材料は、ＧａＮの他Ｉｎ_ｘ Ｇａ_１−ｘ Ｎ（０≦ｘ≦０．２）を用いることができる。その他本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【００９７】
【発明の効果】
上述したように本発明によれば、ｐ形及びｎ形の化合物半導体層に対してＡｌを高濃度に添加したＺｎＯをオーミックコンタクトの形成材料として用いることにより、サファイヤ基板上又はＳｉＣ基板上に形成したＧａＮ系又はＺｎＳｅ系半導体装置の動作電圧を大幅に低減することができる。また前記ＺｎＯ層を用いて、電極からの金属原子のエレクトロマイグレーションを防止することにより、長寿命なＧａＮ系半導体装置を実現することができる。
【００９８】
このほかＩｎＧａＮを活性層とする発光装置において、前記ＺｎＯ層を含む超格子層又は短周期超格子層を導波層として用いることにより、あるいは前記ＺｎＯ層を含む超格子層又は短周期超格子層を活性層とすることにより、動作電圧が低くかつ長寿命でかつ発光波長範囲の広い発光装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るサファイア基板上のＧａＮ系ＬＤの構造を示す断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の変形例を示す断面図。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るＧａＮ系発光装置の内部電流密度分布を示す図。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るＧａＮ系発光装置の近接発光強度分布を示す図。
【図５】ＧａＮ、ＺｎＯ、ＳｉＣのバンド構造の相互関係を示す図。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る導電性ｎ−ＳｉＣ基板上のＧａＮ系発光装置の構造を示す断面図。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係るＡｌ添加ＺｎＯ層の電極金属マイグレーションに対するバリア効果を示す部分拡大図。
【図８】Ａｌ添加ＺｎＯ層の寿命改善効果を示す図。
【図９】本発明の第４の実施の形態に係るサファイア基板上のｐ−ＧａＮから成るＭＯＳＦＥＴの構造を示す鳥瞰図である。
【図１０】本発明の第５の実施の形態に係るＧａＡｓ基板上のＺｎＳｅ系発光装置の構造を示す断面図。
【図１１】ＺｎＳｅ、ＺｎＯ、ＳｉＣのバンド構造の相互関係を示す図。
【図１２】本発明の第５の実施の形態に係るサファイア基板上のＺｎＳｅ系発光装置の構造を示す断面図。
【図１３】ＺｎＳＳｅ、ＺｎＯ、ＳｉＣのバンド構造の相互関係を示す図。
【図１４】ＺｎＯ／ＩｎＧａＮ短周期超格子活性層を具備するＧａＮ系発光装置の構造を示す断面図。
【図１５】ＺｎＯ／ＩｎＧａＮ短周期超格子活性層と、Ａｌ添加ＺｎＯ層とを具備するＧａＮ系発光装置の構造を示す断面図。
【図１６】ＺｎＯ／ＧａＮ短周期超格子導波層を具備するＧａＮ系発光装置の構造を示す断面図。
【図１７】ＺｎＯ／ＧａＮ短周期超格子導波層と、Ａｌ添加ＺｎＯ層とを具備するＧａＮ系発光装置の構造を示す断面図。
【図１８】ＺｎＯ／ＩｎＧａＮ短周期超格子活性層と、ＺｎＯ／ＧａＮ短周期超格子導波層とを具備するＧａＮ系発光装置の構造を示す断面図。
【図１９】ＺｎＯ／ＩｎＧａＮ短周期超格子活性層と、ＺｎＯ／ＧａＮ短周期超格子導波層と、Ａｌ添加ＺｎＯ層とを具備するＧａＮ系発光装置の構造を示す断面図。
【図２０】長波長ＧａＮ系発光装置のバンド構造図。
【図２１】ＺｎＯ／ＩｎＮ短周期超格子活性層を具備するＧａＮ系発光装置のバンド構造図。
【図２２】短波長ＧａＮ系発光装置のバンド構造図。
【図２３】ＺｎＯ／ＧａＮ短周期超格子導波層を具備するＧａＮ系発光装置のバンド構造図。
【図２４】ＺｎＯ／ＩｎＮ短周期超格子活性層とＺｎＯ／ＧａＮ短周期超格子導波層を具備するＧａＮ系発光装置のバンド構造図。
【図２５】従来のサファイア基板上のＧａＮ系発光装置の構造を示す断面図。
【図２６】従来のＧａＮ系発光装置の近接発光強度分布を示す図。
【図２７】従来のサファイア基板上のＧａＮ系発光装置における転位とＡｕ原子のマイグレーションとの関連を示す図。
【図２８】従来のサファイア基板上のＧａＮ系発光装置におけるＡｕ原子のマイグレーションと電流分布との関連を示す図。
【符号の説明】
１…サファイア基板
２…Ａｌ添加ＺｎＯ導電層
３…Ａｕ電極
４…ｎ−ＧａＮコンタクト層
５…ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
６…ｎ−ＧａＮ導波層
７…ＩｎＧａＮ活性層
８…ｐ−ＧａＮ導波層
９…ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
１０…ｐ−ＧａＮコンタクト層
１１…ＳｉＯ_２ 電流阻止層
１２…Ａｌ添加ＺｎＯ導電層
１３…Ａｕ電極
１４…Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極
１５…ｎ−ＳｉＣ基板
１６…Ｔｉ／Ａｕ電極
１７…ＺｎＯ／ＩｎＧａＮ短周期超格子活性層
１８…Ｎｉ／Ａｕ又はＴｉ／Ａｕ
１９、２０…ＺｎＯ／ＧａＮ短周期超格子導波層
２０ａ…ｐ−ＧａＮ基板
２１…ｎ^＋ 領域
２２…Ａｌ添加ＺｎＯ層
２３…ゲート絶縁膜
２４…チャネル層
２５…ソース電極
２６…ゲート電極
２７…ドレイン電極
２８…基板バイアス電極

Claims (7)

1. 多層構造の化合物半導体層が形成された基板と、
   ＧａＮ、ＺｎＳｅおよびＺｎＳ _x Ｓｅ _1-x （０．７＜ｘ＜１）からなる群より選択される化合物半導体コンタクト層と、
   前記化合物半導体層を介して電流が流される第１及び第２の金属電極と、
   前記基板と前記化合物半導体コンタクト層との間、前記化合物半導体コンタクト層と前記第１の金属電極との間、又は前記第２の金属電極と前記基板との間、の少なくとも１つに上下両面が接するように形成された、Ａｌを添加したＺｎＯ層と
   を具備することを特徴とする半導体装置。
2. 絶縁性の単結晶基板、クラッド層、導波層、活性層、並びにＧａＮ、ＺｎＳｅおよびＺｎＳ _x Ｓｅ _1-x （０．７＜ｘ＜１）からなる群より選択される化合物半導体コンタクト層を含む多層構造と、
   前記多層構造上に形成された電流が流される第１の金属電極と、
   前記絶縁性の単結晶基板上において電流が横方向に流される第２の金属電極と、
   前記多層構造の上部の化合物半導体コンタクト層と前記第１の金属電極との間、前記絶縁性の単結晶基板と前記第２の金属電極との間、又は前記絶縁性の単結晶基板と前記多層構造の下部のコンタクト層との間、の少なくとも１つに上下両面が接するように形成された、Ａｌを添加したＺｎＯ層と
   を具備することを特徴とする半導体装置。
3. 導電性の単結晶基板、クラッド層、導波層、活性層、並びにＧａＮ、ＺｎＳｅおよびＺｎＳ _x Ｓｅ _1-x （０．７＜ｘ＜１）からなる群より選択される化合物半導体コンタクト層を含む多層構造と、
   前記多層構造の上部に形成された第１の金属電極と、
   前記導電性の単結晶基板の下部に形成された第２の金属電極と、
   前記導電性の単結晶基板と前記多層構造の下部の化合物半導体コンタクト層との間、又は前記多層構造の上部の化合物半導体コンタクト層と前記第１の金属電極との間、の少なくとも１つに上下両面が接するように形成された、Ａｌを添加したＺｎＯ層と
   を具備することを特徴とする半導体装置。
4. 単結晶基板、活性層、クラッド層、導波層、化合物半導体コンタクト層、第１及び第２の金属電極を有し、
   前記導波層が複数のＺｎＯ薄層と、複数のＧａＮ薄層とが交互に積層された超格子であり、
   前記活性層がＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦０．３）であることを特徴とする半導体装置。
5. 単結晶基板、活性層、クラッド層、導波層、化合物半導体コンタクト層、第１及び第２の金属電極を有し、
   前記活性層が複数のＺｎＯ薄層と複数のＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦０．３）薄層とが交互に積層された超格子であり、
   前記少なくとも１つの導波層がＧａＮであることを特徴とする半導体装置。
6. 単結晶基板、活性層、クラッド層、導波層、化合物半導体コンタクト層、第１及び第２の金属電極を有し、
   前記導波層が複数のＺｎＯ薄層と、複数のＧａＮ薄層とが交互に積層された短周期超格子であることを特徴とする半導体装置。
7. 単結晶基板、活性層、クラッド層、導波層、化合物半導体コンタクト層、第１及び第２の金属電極を有し、
   前記活性層が複数のＺｎＯ薄層と複数のＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０．１＜ｘ＜０．３又はｘ＝１）薄層とが交互に積層された短周期超格子であることを特徴とする半導体装置。

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