JP3719467B2 - 光半導体装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は良好な通電部を有する半導体装置、および半導体発光装置に関するものである。更には、光情報処理装置、光表示の光源等に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
GaInN/GaN/AlGaN系材料を用いた青色発光ダイオードの構造について、例えば、ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス1993年,32巻,8頁(Jpn J.Appl. Phys., 32, L8−L11(1993) 刊行物にみられる。また、同系統の材料による青色の半導体レーザ装置については、例えば、ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス1996年,35巻,74頁(Jpn J.Appl. Phys., 35, L74(1996).)にみられる。
【０００３】
従来の上記GaInN/GaN/AlGaN系青色発光ダイオード及び上記青色半導体レーザ装置は次のような構造を有している。図１はこの従来例に見られる構造の断面図である。サファイヤ基板１０１上にAlNバッファ層１０２、シリコンAlGaNクラッド層１０４、アンドープGaN光ガイド層１０５、アンドープGaInN活性層１０６、アンドープGaN光ガイド層１０７、マグネシウムドープAlGaNクラッド層１０８、マグネシウムドープGaNキャップ層１が、積層して順次結晶成長される。結晶成長は通例の有機金属気相成長法によっている。この積層体を窒素中で熱処理することによりマグネシウムドープAlGaNクラッド層１０８、マグネシウムドープGaNキャップ層１中のｐ型不純物であるマグネシウムを活性化させる。こうして、半導体積層体内にp-n接合を形成して発光素子とする。
また、本材料系の発光素子は青紫色から黄色までの広い波長範囲の発光が可能である。この特徴をいかした多色発光デバイスの提案もなされている。このような提案の一例として特開平０６ー５３５４９があげられる。
【０００４】
この例の半導体発光素子は次のような構造を有している。基板上に発光部を有するＩｎxＧａ1-xＮ系半導体層が複数積層形成されている。言うまでもなく各ＩｎxＧａ1-xＮ系半導体層の積層体は内部にPN接合を有する。各半導体層の間に高抵抗のＡｌＮ層またはＧａＮ層バッファ層が介在され、各半導体層の発光部の上方が露出されている。これは各半導体層の光を取り出す領域を一部、欠落させることにより達成できる。こうして同一基体上に複数の波長の発光部を有する半導体発光素子を形成出来る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の半導体レーザ装置で報告されている動作電圧は、１０Ｖ以上という大きなものである。これは、金属電極と電気的接触をとるマグネシウムがドープされた半導体層の電気抵抗が大きく、同時に電極金属との低抵抗接触も難しいのが大きな要因である。これは同層のホール濃度が大きくて２ｘ１０17ｃｍ-3程度である為である。
【０００６】
また、前述のようにGaInN系材料では青紫色領域から黄色領域まで広い波長領域の発光素子が可能であり、実用的な半導体装置が形成できれば多くの応用が期待できる。しかし、上述のように動作電圧が高く、この点が実用的な半導体装置の実現の障害になっていた。
【０００７】
本発明の目的は、窒素を含むIII-V族化合物半導体層間の接触抵抗を低下させる技術を提供することである。
【０００８】
本発明の別な目的は、低抵抗な半導体膜の形成あるいは低抵抗電極の形成が困難なｐ型化合物半導体層の使用を最小限にとどめて、外部に接続可能な低抵抗な化合物半導体膜の形成あるいは化合物半導体になる低抵抗電極を実現する技術を提供することである。
【０００９】
本発明の別な目的は、組成の異なる化合物半導体各層の連続結晶成長を可能ならしめながら、所望の化合物半導体層間に低抵抗な化合物半導体膜の形成あるいは化合物半導体になる低抵抗電極を実現する技術を提供することである。
【００１０】
本発明の別な目的は、外部に接続可能な低抵抗なこうした化合物半導体膜あるいは化合物半導体になるこうした低抵抗電極を利用した低動作電圧の半導体装置を提供することである。
【００１１】
本発明の別な目的は、外部に接続可能な低抵抗なこうした化合物半導体膜あるいは化合物半導体になるこうした低抵抗電極を利用した低動作電圧の半導体発光装置を提供することである。
【００１２】
本発明の更に別な目的は、低駆動電圧の光情報処理装置を提供するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を説明すれば、下記の通りである。
【００１４】
（１）本発明の一つの形態は、n導伝型で窒素を含有するIII-V族化合物半導体層を介して、外部より通電される半導体装置である。この手段によれば、窒素を含有するIII-V族化合物半導体を用いた半導体装置において、難点のあったp型層側での低接触抵抗での電極形成が可能となる。もって、当該半導体装置の低駆動電圧を達成することが出来る。
【００１５】
（２）本発明の他の形態は、少なくとも窒素を含有するIII-V族化合物半導体により形成されるpn接合部を少なくとも有し、このpn接合は印加電圧に対して逆接合となり、且つこのpn接合の界面に禁制対幅が実質的に零なるIII-V族化合物半導体層を有することを特徴とする半導体装置である。
【００１６】
（３）本発明の他の形態は、少なくとも窒素を含有するIII-V族化合物半導体により形成されるpn接合部を少なくとも有し、このpn接合は印加電圧に対して逆接合となり、且つこのpn接合の界面にAs,P,およびSbの群から選ばれた少なくとも１者を含有するIII-V族化合物半導体層を有することを特徴とする半導体装置である。
【００１７】
（４）本発明の他の形態は、少なくとも窒素を含有するIII-V族化合物半導体により形成されるpn接合部を少なくとも有し、このpn接合は印加電圧に対して逆接合となり、且つこのpn接合の界面に母材を構成するV族元素とは異なるV族元素の少なくとも１者を含有しその禁制対幅が実質的に零なるIII-V族化合物半導体層を有することを特徴とする半導体装置である。
【００１８】
（５）本発明の他の形態は、前記pn接合部のn型の半導体層を介して金属層に接触することを特徴とする前記（２）、（３）、または（４）項に記載の半導体装置である。
【００１９】
（６）本発明の他の形態は、少なくとも窒素を含有するIII-V族化合物半導体により形成されるpn接合部を少なくとも有し、このpn接合は印加電圧に対して逆接合となり、且つこのpn接合の界面に禁制対幅が実質的に零なるIII-V族化合物半導体層を有し、前記pn接合部のn型の半導体層を介して金属層に接触することを特徴とする半導体発光装置である。
【００２０】
（７）本発明の他の形態は、少なくとも窒素を含有するIII-V族化合物半導体により形成されるpn接合部を少なくとも有し、このpn接合は印加電圧に対して逆接合となり、且つこのpn接合の界面にAs,P,およびSbの群から選ばれた少なくとも１者を含有するIII-V族化合物半導体層を有し、前記pn接合部のn型の半導体層を介して金属層に接触することを特徴とする半導体発光装置である。
【００２１】
（８）本発明の他の形態は、少なくとも窒素を含有するIII-V族化合物半導体により形成されるpn接合部を少なくとも有し、このpn接合は印加電圧に対して逆接合となり、且つこのpn接合の界面に母材を構成するV族元素とは異なるV族元素の少なくとも１者を含有しその禁制対幅が実質的に零なるIII-V族化合物半導体層を有し、前記pn接合部のn型の半導体層を介して金属層に接触することを特徴とする半導体発光装置である。
【００２２】
（９）本発明の他の形態は、少なくとも窒素を含有するIII-V族化合物半導体により形成されるpn接合部を少なくとも有し、このpn接合は印加電圧に対して逆接合となり、且つこのpn接合の界面に禁制対幅が実質的に零なるIII-V族化合物半導体層を有し、前記pn接合部のn型の半導体層を介して金属層に接触することを特徴とする半導体レーザ装置である。
【００２３】
（１０）本発明の他の形態は、少なくとも窒素を含有するIII-V族化合物半導体により形成されるpn接合部を少なくとも有し、このpn接合は印加電圧に対して逆接合となり、且つこのpn接合の界面にAs,P,およびSbの群から選ばれた少なくとも１者を含有するIII-V族化合物半導体層を有し、前記pn接合部のn型の半導体層を介して金属層に接触することを特徴とする半導体レーザ装置である。
【００２４】
（１１）本発明の他の形態は、少なくとも窒素を含有するIII-V族化合物半導体により形成されるpn接合部を少なくとも有し、このpn接合は印加電圧に対して逆接合となり、且つこのpn接合の界面に母材を構成するV族元素とは異なるV族元素の少なくとも１者を含有しその禁制対幅が実質的に零なるIII-V族化合物半導体層を有し、前記pn接合部のn型の半導体層を介して金属層に接触することを特徴とする半導体レーザ装置である。
【００２５】
（１２）本発明の他の形態は、禁制対幅が実質的に零なるIII-V族化合物半導体層を介して複数の半導体装置部が所望位置に配置されていることを特徴とする半導体装置である。
【００２６】
（１３）本発明の他の形態は、As,P,およびSbの群から選ばれた少なくとも１者を含有するIII-V族化合物半導体層を介して複数の半導体装置部が所望位置に配置されていることを特徴とする半導体装置である。
【００２７】
（１４）本発明の他の形態は、母材を構成するV族元素とは異なるV族元素の少なくとも１者を含有しその禁制対幅が実質的に零なるIII-V族化合物半導体層を介して複数の半導体装置部が所望位置に配置されていることを特徴とする半導体装置である。
【００２８】
上記（１２）―（１４）の技術によれば、各特徴を有するIII-V族化合物半導体層を介して複数の半導体装置、例えばダイオード型素子が直列に形成することが出来る。
【００２９】
このように、本発明は固体化光源を提供する。青色、赤色、緑色の半導体発光装置を合わせて用い、三原色を全半導体化することが出来る。また、３原色の各発光素子領域を一つの半導体基板に組み込んだ半導体集積回路装置としての光源を実現することが出来る。この半導体集積回路装置としての光源の製造は通常の半導体集積回路分野の技術でもって十分である。この場合、光源の使用個所によって、コヒーレント光、あるいは非コヒーレント光を選択して適用することが出来る。特に、肉眼がさらされる一般照明などにおいては非コヒーレント光として用いる。
【００３０】
これらの光源の代表的な例は、以下に半導体発光装置および半導体レーザ装置等として詳細に説明される。本発明に係わる半導体発光装置、特に半導体レーザ装置は、下記の光情報処理装置など各種用途に用いて極めて有用であるが、本発明に係わる半導体発光装置は勿論、その発光波長に応じたその他の一般的目的に用い得ることは言うまでもない。
【００３１】
次に本発明に係わる低抵抗部の構成を具体例をもって詳細に説明する。本発明の代表的な一つの形態は、上述したごとくn導伝型で窒素を含有するIII-V族化合物半導体層を介して、外部より通電される半導体装置である。この形態は例えば次の手段によって実現できる。
【００３２】
pn接合を形成する２つの導伝型を有する III-V族化合物半導体層にボーイング(bowing)現象によって禁制体幅が小さくなる III-V族化合物半導体層を介在せしめ、この積層体を逆接合として使用して、半導体装置のコンタクト層に供するものである。 pn接合の界面に介在されたIII-V族化合物半導体層はボーイング(bowing)現象によって禁制体幅をほぼ零にすることが出来るので、逆電界の印加によってトンネル電流が流れ、実質的な低抵抗部材を提供できる。尚、ボーイング現象自体の物理的な報告は、例えば、ジャーナル・オブ・ジャパニーズ・アップライド・フィジクス３２巻（１９９３）４４１３頁（Jpn.J.Appl.Phys. 32(1993)4413.）になされている。
【００３３】
これまで窒素を含む化合物半導体層は、特にp型の場合、高濃度ドーピングができず、従って低抵抗の実現が困難であった。この為、 p型層に対して低接触抵抗の金属電極を形成することが難しかった。しかし、本発明にかかわる低抵抗部材を用いることに依って、これまでのp型層側に電極を形成することが可能となった。
【００３４】
本発明を利用すれば半導体装置の、特に電極部の抵抗低減のみならず、例えば複数のダイオード型素子が直列に形成することも可能となる。即ち、複数の波長の発光ダイオードや半導体レーザダイオードを直列に形成することが可能となる。
【００３５】
本発明に係わる半導体装置の母材に供する窒素を含有するIII-V族化合物半導体として、Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，ＩｎなどのIII族元素の少なくとも１者とＮ，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ、ＢｉなるV族元素の少なくとも１者とを有して構成される所謂III―V族化合物であり且つV族元素としてＮ（窒素）を含む半導体結晶を用い得る。これらの材料は通例六方晶系の構造を有する。現在、緑色より紫外線領域までの波長の光を放出する半導体発光装置の材料として注目される窒化物半導体、即ち、III族元素（とりわけ、Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ）の少なくとも１者とＮ（窒素）元素とで構成される半導体結晶を用いることができる。このIII-V族化合物半導体層具体の最も有用な例は窒化ガリウム系化合物半導体で、最も多用されている。具体的にはAlxGa1-x-yInyN (0≦x<1, 0≦y<1)を挙げることができる。即ち、GaN,GaAlN,GaInN,GaAlInN,AlN,InN,GaAlInN,およびInAlNなどである。 窒化ガリウム系化合物半導体をn型あるいはp型とせしむる為に、所定の不純物元素が添加される。ドーパントとしては、 n型はＳｉが代表例であり、原料にはＳｉ２Ｈ６（ジシラン）が良い。又、 p型はＭｇが代表例であり、原料はＣｐ２Ｍｇ（ジシクロペンタジエニルマグネシウム）が良い。
【００３６】
本発明に係わる pn接合の界面に介在させるIII-V族化合物半導体層に供するIII-V族化合物半導体は、上記窒化化合物半導体に母材のＶ族元素とは別異のＶ族元素を少量添加する。このＶ族元素の最も有用な例はAS,P,およびSbで、これらの群から選ばれた少なくとも一者を、前記III-V族化合物半導体層に含有せしめるものである。勿論、このIII-V族化合物半導体層は、上記Ｖ族元素の添加によっても、組成の異なる化合物半導体各層の連続結晶成長が可能なものである。このIII-V族化合物半導体層具体の最も有用な例は窒化ガリウム系化合物半導体である。具体的にはAlxGa1-x-yInyN (0≦x<1, 0≦y<1)を挙げることができる。即ち、GaN,GaAlN,GaInN,GaAlInN,AlN,InN,GaAlInN,およびInAlNなどである。尚、上記添加元素のなかでは、Asが最も製造過程における制御が容易である。
【００３７】
このIII-V族化合物半導体層の設定は、少量添加する上記Ｖ族元素の添加量は、この層の禁制体幅が実質的に零となる領域となす。また、この層の厚さは、このＶ族元素の添加の基本思想に基づき、逆電界印加時この層においてトンネル効果が生ずるごと設定するものである。その具体的値は、層の材料、添加元素の種類、添加元素の添加量などによって、細かくは異なるが、概ね40A以上で使用する。この層を余り厚く結晶成長すると結晶の質の低下を招くので、実用上２ミクロン―３ミクロンの厚さの止めるのが好ましい。
【００３８】
結晶成長方法自体は、これまで知られた有機金属気相成長方法にしたがって良い。例えば、有機金属気相成長方法である。また、周知の分子線エピタキシー法などを用いることも勿論可能である。
【００３９】
本発明の半導体発光装置は、光情報処理装置の光源に用いて好適である。本発明の光情報処理装置の例として、コンパクト・デイスク（ＣＤ）やデイジタルビデオ・デイスク（ＤＶＤ）などの光デイスク装置あるいはレーザ・ビーム・プリンタ装置などの光記録装置をあげることができる。光ディスク装置は、記録媒体に光を照射するための光源と、記録媒体からの反射光を検出する検出器を少なくとも有する光記録装置である。また、光によって記録媒体の一部の状態を変化させて記録を行う場合にも同様にこの光源を用いることが出来ることは言うまでもない。一方、レーザ・ビーム・プリンタはレーザ光を照射して印字情報を記録媒体としての光導電体の上に書き込み、電子写真方式によって印字画像を得る印写装置である。これらの光情報処理装置のより具体的構成については、実施例において詳細に説明される。
【００４０】
本発明の光源によれば、コンパクト・低駆動電圧の光源が実現し，光情報処理装置をはじめ、その他スキャナー，プロジェクションテレビなどのマン・マシーンインタフェース関係や照明用光源などその産業上の利用価値は非常に大きい。
【００４１】
【発明の実施の形態】
本願発明は半導体装置に適用して有用であるが、まず始めに、最もその実現が望まれている半導体発光装置について、その個別的事項を説明する。半導体発光装置の代表的な例は、半導体レーザ装置であるが、本発明に係わるその他の半導体発光装置の例としては、ｐｎ接合またはｐｉｎ接合などのヘテロ接合を有し、光を発光する半導体装置、具体的には発光ダイオード装置あるいはスーパルミネッセントダイオード(SLD; Super Luminescent Diode)などをあげることが出来る。
【００４２】
半導体発光装置の発光領域たる活性層領域は通例の構成を用いて充分である。即ち、活性層領域は、通例のバルク状活性層、単一量子井戸活性層、多重量子井戸活性層、歪単一量子井戸活性層、歪多重量子井戸活性層、歪補償単一量子井戸活性層、歪補償多重量子井戸活性層などが要求に応じて用いられる。
【００４３】
尚、歪量子井戸活性層とは格子歪みを導入した量子井戸活性層を意味する。また歪補償量子井戸活性層とは、格子歪みを導入した歪量子井戸層と格子歪みを導入した歪量子障壁層で構成する歪量子井戸活性層であって、且つ歪量子井戸層と歪量子障壁層に導入する格子歪みの符号を反対、即ち格子にかかる伸張、圧縮の応力を反対としたものである。
【００４４】
半導体レーザ装置とする場合の共振器長としては通常の知識に従って良い。それは、例えば200μmより1500μmの範囲のものが用いられる。又、実用的な共振器長は400μmより700μmの程度である。共振器の幅は半導体レーザ装置の通常の知識に従って良い。レーザ共振器の帰還手段は、一般的なファブリ・ペロー共振器(Fabry-Perot resonator)で十分である。また、DFB(Distributed Feedback),DBR(Distributed Gragg Reflector)などこれまで知られた手段を用い得ることは言うまでもない。また、半導体発光装置あるいは半導体レーザ装置におけるその他の部材の構成については、通例の技術に従って良い。
【００４５】
また、本発明の半導体装置の製造に当たっては、結晶成長用の基板は、ジンク・ブレンド(Zinc Blende)、六方晶系(Hexagonal system)の単結晶が好適である。わけても、サファイア（α―Ａｌ2Ｏ3）とＳｉＣとが有用で実用的である。より具体的に例を示せば、（０００１）Ｃ面を有するサファイア（α―Ａｌ2Ｏ3）、（１１―２０）Ａ面を有するサファイア（α―Ａｌ2Ｏ3）、（１―１００）Ｍ面を有するサファイア（α―Ａｌ2Ｏ3）、Ｃ面を有する６Ｈ−ＳｉＣ、 Ａ面を有する６Ｈ−ＳｉＣ、 Ｍ面を有する６Ｈ−ＳｉＣなどを挙げることが出来る。 尚、有機金属気相成長方法を用いる際の原料を具体的に例示すれば、 GaNAs活性層領域には、 TMAl(トリメチルアルミニウム)、 TMGa(トリメチルガリウム)、NH3 （アンモニア）、AsH3（アルシン）である。更なる例での原料は、 TMAl(トリメチルアルミニウム)、TMIn(トリメチルインジウム)、及びドーピング元素用としてのCp2Mg（シクロペンタジニルマグネシウム）、SiH4並びにC3H6である。
【００４６】
実施例１
本発明の第１の実施例は半導体レーザ装置の例である。本実施例を図２から４を用いて説明する。図２は本半導体レーザ装置のレーザ光の光軸と交差する方向の断面図である。図３はＧａＮ1-xＡｓx混晶の禁制帯幅と格子常数の関係を示す図、図４は本半導体レーザ装置のコンタクト部のバンド構造を示す図である。
【００４７】
まず、良く洗浄したサファイア基板（Ｃ面）１０１をＭＯＣＶＤ装置のリアクターにセットし、リアクターを水素で良く置換する。そして、水素を流しながら温度を１０５０℃まで上昇させ２０分間保持し、サファイア基板のクリーニングを行う。
【００４８】
その後、温度を５１０℃まで下げ、水素に加え、モノシラン（ＳｉＨ4）、アンモニア（ＮＨ3）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を流しながら１分間保持してｎ型不純物であるＳｉがドープされたＧａＮバッファー層１０２を約２００オングストロームの膜厚で成長させる。ＴＭＧ、 ＳｉＨ4を止めて、温度を１０３０℃まで上昇させる。温度が１０３０℃になったら、再びＴＭＧ、 ＳｉＨ4を流して６０分間成長させ、Ｓｉドープのn型ＧａＮ層１０３を３μｍの膜厚で成長させる。次に、導入ガスにトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を加え、Ga0.8Al0.2Nクラッド層１０４を１．５μｍ成長する。次にＴＭＡを停止して膜厚０．１μｍ のn型GaN光ガイド層１０５を成長後、温度を７１０度として膜厚３００〜６００ÅのＩｎＧａＮ活性層１０６を成長した。
【００４９】
次に温度を再び１０３０℃まで上昇させ、Ｃｐ2Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）をリアクターに導入し膜厚が０． １μｍのマグネシウムをドープしたp型ＧａＮ光ガイド層１０７を成長後、膜厚が１．５μｍのGa0.8Al0.2Nクラッド層１０８を成長した。次に、上記ガスにアルシン（ＡｓＨ3）を加えてＧａＮ0.2Ａｓ0.8層１０９を約２００オングストロームとｎ−ＧａＮキャップ層１１０を成長した。
【００５０】
次に、このn型のＧａＮ層６の表面にストライプ状のＳｉＯ2 マスクを形成し、このＳｉＯ2 をマスクとしてリアクエティブイオンエッチング法によりＡｌＧａＮクラッド層まで除去する。、図２において、ストライプ状のＳｉＯ2 マスクは紙面に垂直に形成されている。尚、ストライプ状のＳｉＯ2 マスクは通常の気相化学堆積法及びフォトリソグラフ技術を用いて形成する。
【００５１】
次に、リッジ状に残ったＡｌＧａＮクラッド層などの層をポリイミド樹脂（１１２）により埋め込んだ。ポリイミド樹脂のエッチバックによりリッジ先端を露出させて導波路の形成と電流通路の形成を自己整合的に行った。次にアノード電極取り出しのために発光領域以外のウエハの一部でＧａＮ層１０３に達するエッチングを行い、ｎ−ＧａＮ層１０３及びｎ型のＧａＮキャップ層１１０の表面にタングステン電極９を形成した。更に、リアクティブイオンビームエッチング法により共振器の鏡面を構成する垂直端面を形成して半導体レーザ構造とした。
【００５２】
ＧａＮ1-xＡｓxは、図３に示すように混晶の禁制帯幅が混晶化により２元結晶の禁制帯幅の荷重平均に比べ小さくなるいわゆるボウイング現象が強く起こり0.2<x<0.8の範囲で禁制帯幅がほとんどゼロの半金属状態となる。このため、上記ＧａＮ0.2Ａｓ0.8半金属層は半導体結晶層でありながら金属の性質を示す。このときの半導体結晶のバンド配置図を図４に示す。尚、積層体の本発明に直接関係のない一部は図４では省略されている。BGaNAsを中心に、n-GaNキャップ層１１０が電極形成層、p-AlGaN層１０８がp型クラッド層である。ＧａＮ0.2Ａｓ0.8半金属層を介してｎ型半導体からｐ型半導体にトンネル電流が流れる。これによりキャップ層がｎ型であっても、 ｐ−Ga0.8Al0.2Nクラッド層にほとんど電圧降下なしに電流注入が行われる。
【００５３】
本半導体レーザ装置は、発光領域近傍の一部を除いて高濃度ドーピングが容易で移動度も小さく電極形成も容易なｎ型層にできるので大幅な素子抵抗の低減が実現できた。しかも、本構造では通常結晶成長が困難なGaNAs層の厚さを１nm以下としたので結晶欠陥等の問題も全く引き起こさなかった。
【００５４】
尚、本発明において、pn接合の界面に介在させるIII-V族化合物半導体層に供するIII-V族化合物半導体には、上記窒化化合物半導体に母材のＶ族元素とは別異のＶ族元素を少量添加するが、例えば、このＶ族元素としてAS,P,およびSbの内の複数、たとえば２者添加することも可能である。しかし、一般には、複数元素の添加は、その制御が面倒である。
【００５５】
実施例２
本発明の第２の実施例は多色発光の半導体レーザ装置の例である。本実施例を図５を用いて説明する。図５は本半導体レーザ装置のレーザ光の光軸と交差する方向の断面図である。
【００５６】
まず、サファイア基板（Ｃ面）１０１上にＳｉドープＡｌＮバッファー層１０２を約２００オングストロームの膜厚で成長させる。次に、 Ｓｉドープのn型ＧａＮ層１０３（３μｍ）、n型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層１０４、ｎ型GaN光ガイド層１０５、ＩｎＧａＮ活性層１０６、ｐ型GaN光ガイド層１０７、p型ＡｌＧａＮクラッド層１０８、 ＧａＮ0.2Ａｓ0.8層１０９の順に三周期積層した。さらに、最上のダブルヘテロ構造の上にはn型ＧａＮ層１１０が設けられており、最上部ダブルヘテロ構造への電極形成層となっている。このとき、ＩｎＧａＮ活性層１０６は各周期ごとに異なった組成を有しており、その発光波長は４５０ｎｍ、５２０ｎｍ、及び６００ｎｍであった。
【００５７】
発光領域以外のウエハの一部を、図５にみられるようにエッチングして各ダブルヘテロ構造のｎ型GaN層１１０を露出させる。そして、この露出されたｎ型GaN層１１０にタングステン電極１１３を形成する。更に、半導体レーザ装置の発光領域となるストライプ状領域のみに電子ビーム照射し、 ＭｇドープGaN層をｐ型化してレーザストライプを形成した。図５において活性化されていない領域を丸印を付した領域である。各電極形成層は活性化されていない高抵抗のMgドープAl0.2Ga0.8N層により電気的に分離されているので、n型Al0.2Ga0.8Nクラッド層はn型GaN電極形成層から直接的に、 p型Al0.2Ga0.8Nクラッド層にはn型GaN電極形成層からＧａＮ0.2Ａｓ0.8半金属層１０９を介して電流注入を行うことができる。本構造にリアクティブイオンビームエッチング法により垂直端面を形成して半導体レーザ構造とした。本半導体レーザは所望の波長のダブルヘテロ構造に接続したn-GaN電極形成層に通電を行うことにより前記３波長のレーザ光を同一の半導体レーザチップから放射可能であった。
【００５８】
実施例３
本発明の第３の実施例は多色発光の半導体ダイオードの例である。本実施例を図６を用いて説明する。図６は本発光ダイオードの断面図である。
【００５９】
まず、サファイア基板（Ｃ面）１０１上にＳｉドープＡｌＮバッファー層１０２を約２００オングストロームの膜厚で成長させる。次に、 Ｓｉドープのn型ＧａＮ層１０３（３μｍ）、n型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層１０４、ｎ型GaN光ガイド層１０５、ＩｎＧａＮ活性層１０６、ｐ型GaN光ガイド層１０７、p型ＡｌＧａＮクラッド層１０８、 ＧａＮ0.2Ａｓ0.8層１０９の順に三周期積層した。さらに、最上のダブルヘテロ構造の上にはn型ＧａＮ層１１０が設けられており、最上部ダブルヘテロ構造への電極形成層となっている。このとき、ＩｎＧａＮ活性層１０６は各周期ごとに異なった組成を有しており、その発光波長は４５０ｎｍ、５２０ｎｍ、及び６００ｎｍであった。
【００６０】
発光領域以外のウエハの一部を、図５にみられるようにエッチングして各ダブルヘテロ構造のｎ型GaN層１１０を露出させる。そして、この露出されたｎ型GaN層１１０にタングステン電極１１３を形成する。更に、発光ダイオードの発光領域となる円形状領域のみに電子ビーム照射し、 ＭｇドープGaN層をｐ型化して発光領域を形成した。図５において活性化されていない領域を丸印を付した領域である。各電極形成層は活性化されていない高抵抗のMgドープAl0.2Ga0.8N層により電気的に分離されているので、n型Al0.2Ga0.8Nクラッド層はn型GaN電極形成層から直接的に、 p型Al0.2Ga0.8Nクラッド層にはn型GaN電極形成層からＧａＮ0.2Ａｓ0.8半金属層１０９を介して電流注入を行うことができる。
【００６１】
本発光ダイオードは所望の波長のダブルヘテロ構造に接続したn-GaN電極形成層に通電を行うことにより前記３波長の光を同一の半導体チップから放射可能であった。
【００６２】
実施例４
上述した各実施例の半導体発光装置を、光ディスクシステムあるいはレーザ・ビーム・プリンターなどの光記録装置の光源に用いることにより、高性能なシステムを構成することができる。この具体的構成を以下に述べる。
【００６３】
図７は光デイスク装置の例を示す基本構成図である。６１は光記録の為の光記録媒体が設けられたデイスク、６２はデイスクを回転させるためのモータ、６３は光ピックアップ、６７はこれらを制御する制御部である。光ピックアップ６３はレンズ系６４、半導体レーザ装置などの光源６５、そして光検出器６６を有して構成される。こうした光デイスク装置の一般的事項については、種々報告があるが略述する。
【００６４】
記録材料の種類によって、光デイスク装置は大別して読み取り専用形（ＲＯＭ形）、追記形、および書き換え可能形に分けられる。前述の図6は光デイスク装置の一例である。この例での情報の再生は、デイスク６１に記録された微細小孔（記録媒体の状態変化部）からの反射光変化を光検出器６６にて光学的に読み取って行う。尚、光記録媒体は通例のものを用いることが出来る。読み取り専用形の場合、記録情報は予め記録媒体に記録されており、例えば、読み取り専用形記録媒体の代表例として、アルミニウム、プラスチックなどをあげることが出来る。
【００６５】
また、記録する場合は、レーザ光をデイスク上の記録媒体に微細光点に絞り込み、記録すべき情報に従ってレーザ光を変調させることに依って、熱的に記録材料の状態を変化させて列状に記録を行う。この記録はデイスクをモータによって回転（移動）させながら行われる。
【００６６】
こうした光デイスク装置の光源に、実施例１に従って製造した半導体レーザ装置を適用して好都合である。例えば、活性層領域としてGaN0.97As0.03―GaNよりなる歪量子井戸構造(各膜厚5nm,3周期) の青色系の半導体レーザ装置を用いた。発光が可視光の為、光ディスク装置の記録媒体、あるいは光学系、レンズ等の損傷が極めて抑制される。
【００６７】
図８はレーザ・ビーム・プリンタの例を示すシステム構成図である。
【００６８】
レーザビームプリンタ(LBP)装置では、半導体レーザ装置のビームをミラーとレンズ系を用いて感光ドラムを走査し、情報を記録する。そして、感光ドラムに記録された情報を、感光紙等に転写して、印刷するものである。
【００６９】
制御部１１３によって制御されている半導体レーザ装置１０１よりのレーザ光１０２はレンズ系（図示の例では次の構成である。１０３：凸レンズ、１０４：アパーチャ、１０５：偏光子、および１０６：シリンドリカル・レンズ）を経由して、ポリゴンミラー１０７に照射される。ポリゴンミラー１０７によって反射されたレーザ光はトロイダルレンズ１１６およびｆθレンズ１０８を通して感光ドラム１０９に照射される。この時、レーザ光は感光ドラム１０９上をビーム・スキャン１１０に示すごとく走査される。
【００７０】
尚、制御部１１３は所定の信号１１２により動作する。一般に光検出器よりの信号によっている。又、半導体レーザ装置は駆動電流１１４、および制御信号１１５を制御部１１３より受けて動作する。
【００７１】
従って、記録に用いるレーザ光の波長が短波長であるほど高精細な記録が可能となる。こうした光源に本発明の窒素含有化合物半導体よりなる半導体発光装置が好適である。例えば、活性層領域としてGaN0.97As0.03―GaNよりなる歪量子井戸構造(各膜厚5nm,3周期)の青色系の半導体レーザ装置を用いた。半導体レーザ装置の他の構成は実施例１と同様である。本発明の低抵抗部を用いたコンタクト領域と電極取り出しによって、十分低電圧駆動が可能である。さらに、本例によれば、発光が可視光の為、レーザ・ビーム・プリンタの記録媒体、あるいは光学系、レンズ等の損傷が極めて抑制される。
【００７２】
【発明の効果】
本発明によれば、窒素を含むIII-V族化合物半導体層間の接触抵抗を低下させる技術を提供することが出来る。
【００７３】
本発明によれば、低抵抗な半導体膜の形成あるいは低抵抗電極の形成が困難なｐ型の窒素を含むIII-V族化合物半導体層の使用を最小限にとどめて、外部に接続可能な低抵抗な化合物半導体膜の形成あるいは化合物半導体になる低抵抗電極部およびこうした低抵抗電極部を有する半導体装置を実現する技術を提供することが出来る。
【００７４】
本発明によれば、外部に接続可能な低抵抗なこうした化合物半導体膜あるいは化合物半導体になるこうした低抵抗電極を利用し、これまでよりも低動作電圧の半導体発光装置を提供することが出来る。
【００７５】
更に、これら低抵抗部材の実現の技術によって複数の半導体装置を所定位置に配置、例えば直列に形成することも可能となる。
【００７６】
本発明によれば、これまでよりも低駆動電圧の光情報処理装置を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の半導体レーザ装置の断面図である。
【図２】第１の実施例の半導体レーザ装置の断面図である。
【図３】 BGaAlNAs混晶の禁制帯幅と格子常数の関係を示す図である。
【図４】第１の実施例の半導体レーザ装置の低抵抗部のバンド構造を示す図である。
【図５】第２の実施例の半導体レーザ装置の断面図である。
【図６】第３の実施例の半導体レーザ装置の断面図である。
【図７】光ディスク装置の例を示す基本構成図である。
【図８】レーザ・ビーム・プリンタの例を示す基本構成図である。
【符号の説明】
１０１：サファイア基板（Ｃ面）、１０２：ＧａＮバッファー層
１０３：Ｓｉドープのn型ＧａＮ層、１０４：GaAlNクラッド層
１０５：n型GaN光ガイド層、１０６：ＩｎＧａＮ活性層
１０７：p型ＧａＮ光ガイド層、１０８：GaAlNクラッド層
１０９：ＧａＮ0.2Ａｓ0.8半金属層、１１０：ｎ−ＧａＮキャップ層
１１１：ポリイミド樹脂層、１１３：タングステン電極、２０１：活性化領域
６１：光記録媒体が設けられたデイスク、６２：モータ、６３：光ピックアップ、６７：制御部、６３：光ピックアップ、６４：レンズ系
６５：半導体レーザ装置などの光源、６６：光検出器、８１：光拡散板
８２：電源、８３：リードフレーム、８４：赤色LED、８５：緑色LED
８６：青色LED、８７：スクリーン、８８：レンズ、８９：プリズム
９０：液晶パネル、９１：赤色SLD、９２：緑色SLD、９３：青色SLD
１０１：半導体レーザ装置、１０２：レーザ光
１０３、１０４、１０５、１０６：レンズ系、１０７：ポリゴンミラー１０７
１０８：トロイダルおよびｆθレンズ１０８、１０９：感光ドラム
【発明の属する技術分野】
本発明は良好な通電部を有する半導体装置、および半導体発光装置に関するものである。更には、光情報処理装置、光表示の光源等に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
GaInN/GaN/AlGaN系材料を用いた青色発光ダイオードの構造について、例えば、ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス1993年,32巻,8頁(Jpn J.Appl. Phys., 32, L8−L11(1993) 刊行物にみられる。また、同系統の材料による青色の半導体レーザ装置については、例えば、ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス1996年,35巻,74頁(Jpn J.Appl. Phys., 35, L74(1996).)にみられる。
【０００３】
従来の上記GaInN/GaN/AlGaN系青色発光ダイオード及び上記青色半導体レーザ装置は次のような構造を有している。図１はこの従来例に見られる構造の断面図である。サファイヤ基板１０１上にAlNバッファ層１０２、シリコンAlGaNクラッド層１０４、アンドープGaN光ガイド層１０５、アンドープGaInN活性層１０６、アンドープGaN光ガイド層１０７、マグネシウムドープAlGaNクラッド層１０８、マグネシウムドープGaNキャップ層１が、積層して順次結晶成長される。結晶成長は通例の有機金属気相成長法によっている。この積層体を窒素中で熱処理することによりマグネシウムドープAlGaNクラッド層１０８、マグネシウムドープGaNキャップ層１中のｐ型不純物であるマグネシウムを活性化させる。こうして、半導体積層体内にp-n接合を形成して発光素子とする。
また、本材料系の発光素子は青紫色から黄色までの広い波長範囲の発光が可能である。この特徴をいかした多色発光デバイスの提案もなされている。このような提案の一例として特開平０６ー５３５４９があげられる。
【０００４】
この例の半導体発光素子は次のような構造を有している。基板上に発光部を有するＩｎxＧａ1-xＮ系半導体層が複数積層形成されている。言うまでもなく各ＩｎxＧａ1-xＮ系半導体層の積層体は内部にPN接合を有する。各半導体層の間に高抵抗のＡｌＮ層またはＧａＮ層バッファ層が介在され、各半導体層の発光部の上方が露出されている。これは各半導体層の光を取り出す領域を一部、欠落させることにより達成できる。こうして同一基体上に複数の波長の発光部を有する半導体発光素子を形成出来る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の半導体レーザ装置で報告されている動作電圧は、１０Ｖ以上という大きなものである。これは、金属電極と電気的接触をとるマグネシウムがドープされた半導体層の電気抵抗が大きく、同時に電極金属との低抵抗接触も難しいのが大きな要因である。これは同層のホール濃度が大きくて２ｘ１０17ｃｍ-3程度である為である。
【０００６】
また、前述のようにGaInN系材料では青紫色領域から黄色領域まで広い波長領域の発光素子が可能であり、実用的な半導体装置が形成できれば多くの応用が期待できる。しかし、上述のように動作電圧が高く、この点が実用的な半導体装置の実現の障害になっていた。
【０００７】
本発明の目的は、窒素を含むIII-V族化合物半導体層間の接触抵抗を低下させる技術を提供することである。
【０００８】
本発明の別な目的は、低抵抗な半導体膜の形成あるいは低抵抗電極の形成が困難なｐ型化合物半導体層の使用を最小限にとどめて、外部に接続可能な低抵抗な化合物半導体膜の形成あるいは化合物半導体になる低抵抗電極を実現する技術を提供することである。
【０００９】
本発明の別な目的は、組成の異なる化合物半導体各層の連続結晶成長を可能ならしめながら、所望の化合物半導体層間に低抵抗な化合物半導体膜の形成あるいは化合物半導体になる低抵抗電極を実現する技術を提供することである。
【００１０】
本発明の別な目的は、外部に接続可能な低抵抗なこうした化合物半導体膜あるいは化合物半導体になるこうした低抵抗電極を利用した低動作電圧の半導体装置を提供することである。
【００１１】
本発明の別な目的は、外部に接続可能な低抵抗なこうした化合物半導体膜あるいは化合物半導体になるこうした低抵抗電極を利用した低動作電圧の半導体発光装置を提供することである。
【００１２】
本発明の更に別な目的は、低駆動電圧の光情報処理装置を提供するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を説明すれば、下記の通りである。
【００１４】
（１）本発明の一つの形態は、n導伝型で窒素を含有するIII-V族化合物半導体層を介して、外部より通電される半導体装置である。この手段によれば、窒素を含有するIII-V族化合物半導体を用いた半導体装置において、難点のあったp型層側での低接触抵抗での電極形成が可能となる。もって、当該半導体装置の低駆動電圧を達成することが出来る。
【００１５】
（２）本発明の他の形態は、少なくとも窒素を含有するIII-V族化合物半導体により形成されるpn接合部を少なくとも有し、このpn接合は印加電圧に対して逆接合となり、且つこのpn接合の界面に禁制対幅が実質的に零なるIII-V族化合物半導体層を有することを特徴とする半導体装置である。
【００１６】
（３）本発明の他の形態は、少なくとも窒素を含有するIII-V族化合物半導体により形成されるpn接合部を少なくとも有し、このpn接合は印加電圧に対して逆接合となり、且つこのpn接合の界面にAs,P,およびSbの群から選ばれた少なくとも１者を含有するIII-V族化合物半導体層を有することを特徴とする半導体装置である。
【００１７】
（４）本発明の他の形態は、少なくとも窒素を含有するIII-V族化合物半導体により形成されるpn接合部を少なくとも有し、このpn接合は印加電圧に対して逆接合となり、且つこのpn接合の界面に母材を構成するV族元素とは異なるV族元素の少なくとも１者を含有しその禁制対幅が実質的に零なるIII-V族化合物半導体層を有することを特徴とする半導体装置である。
【００１８】
（５）本発明の他の形態は、前記pn接合部のn型の半導体層を介して金属層に接触することを特徴とする前記（２）、（３）、または（４）項に記載の半導体装置である。
【００１９】
（６）本発明の他の形態は、少なくとも窒素を含有するIII-V族化合物半導体により形成されるpn接合部を少なくとも有し、このpn接合は印加電圧に対して逆接合となり、且つこのpn接合の界面に禁制対幅が実質的に零なるIII-V族化合物半導体層を有し、前記pn接合部のn型の半導体層を介して金属層に接触することを特徴とする半導体発光装置である。
【００２０】
（７）本発明の他の形態は、少なくとも窒素を含有するIII-V族化合物半導体により形成されるpn接合部を少なくとも有し、このpn接合は印加電圧に対して逆接合となり、且つこのpn接合の界面にAs,P,およびSbの群から選ばれた少なくとも１者を含有するIII-V族化合物半導体層を有し、前記pn接合部のn型の半導体層を介して金属層に接触することを特徴とする半導体発光装置である。
【００２１】
（８）本発明の他の形態は、少なくとも窒素を含有するIII-V族化合物半導体により形成されるpn接合部を少なくとも有し、このpn接合は印加電圧に対して逆接合となり、且つこのpn接合の界面に母材を構成するV族元素とは異なるV族元素の少なくとも１者を含有しその禁制対幅が実質的に零なるIII-V族化合物半導体層を有し、前記pn接合部のn型の半導体層を介して金属層に接触することを特徴とする半導体発光装置である。
【００２２】
（９）本発明の他の形態は、少なくとも窒素を含有するIII-V族化合物半導体により形成されるpn接合部を少なくとも有し、このpn接合は印加電圧に対して逆接合となり、且つこのpn接合の界面に禁制対幅が実質的に零なるIII-V族化合物半導体層を有し、前記pn接合部のn型の半導体層を介して金属層に接触することを特徴とする半導体レーザ装置である。
【００２３】
（１０）本発明の他の形態は、少なくとも窒素を含有するIII-V族化合物半導体により形成されるpn接合部を少なくとも有し、このpn接合は印加電圧に対して逆接合となり、且つこのpn接合の界面にAs,P,およびSbの群から選ばれた少なくとも１者を含有するIII-V族化合物半導体層を有し、前記pn接合部のn型の半導体層を介して金属層に接触することを特徴とする半導体レーザ装置である。
【００２４】
（１１）本発明の他の形態は、少なくとも窒素を含有するIII-V族化合物半導体により形成されるpn接合部を少なくとも有し、このpn接合は印加電圧に対して逆接合となり、且つこのpn接合の界面に母材を構成するV族元素とは異なるV族元素の少なくとも１者を含有しその禁制対幅が実質的に零なるIII-V族化合物半導体層を有し、前記pn接合部のn型の半導体層を介して金属層に接触することを特徴とする半導体レーザ装置である。
【００２５】
（１２）本発明の他の形態は、禁制対幅が実質的に零なるIII-V族化合物半導体層を介して複数の半導体装置部が所望位置に配置されていることを特徴とする半導体装置である。
【００２６】
（１３）本発明の他の形態は、As,P,およびSbの群から選ばれた少なくとも１者を含有するIII-V族化合物半導体層を介して複数の半導体装置部が所望位置に配置されていることを特徴とする半導体装置である。
【００２７】
（１４）本発明の他の形態は、母材を構成するV族元素とは異なるV族元素の少なくとも１者を含有しその禁制対幅が実質的に零なるIII-V族化合物半導体層を介して複数の半導体装置部が所望位置に配置されていることを特徴とする半導体装置である。
【００２８】
上記（１２）―（１４）の技術によれば、各特徴を有するIII-V族化合物半導体層を介して複数の半導体装置、例えばダイオード型素子が直列に形成することが出来る。
【００２９】
このように、本発明は固体化光源を提供する。青色、赤色、緑色の半導体発光装置を合わせて用い、三原色を全半導体化することが出来る。また、３原色の各発光素子領域を一つの半導体基板に組み込んだ半導体集積回路装置としての光源を実現することが出来る。この半導体集積回路装置としての光源の製造は通常の半導体集積回路分野の技術でもって十分である。この場合、光源の使用個所によって、コヒーレント光、あるいは非コヒーレント光を選択して適用することが出来る。特に、肉眼がさらされる一般照明などにおいては非コヒーレント光として用いる。
【００３０】
これらの光源の代表的な例は、以下に半導体発光装置および半導体レーザ装置等として詳細に説明される。本発明に係わる半導体発光装置、特に半導体レーザ装置は、下記の光情報処理装置など各種用途に用いて極めて有用であるが、本発明に係わる半導体発光装置は勿論、その発光波長に応じたその他の一般的目的に用い得ることは言うまでもない。
【００３１】
次に本発明に係わる低抵抗部の構成を具体例をもって詳細に説明する。本発明の代表的な一つの形態は、上述したごとくn導伝型で窒素を含有するIII-V族化合物半導体層を介して、外部より通電される半導体装置である。この形態は例えば次の手段によって実現できる。
【００３２】
pn接合を形成する２つの導伝型を有する III-V族化合物半導体層にボーイング(bowing)現象によって禁制体幅が小さくなる III-V族化合物半導体層を介在せしめ、この積層体を逆接合として使用して、半導体装置のコンタクト層に供するものである。 pn接合の界面に介在されたIII-V族化合物半導体層はボーイング(bowing)現象によって禁制体幅をほぼ零にすることが出来るので、逆電界の印加によってトンネル電流が流れ、実質的な低抵抗部材を提供できる。尚、ボーイング現象自体の物理的な報告は、例えば、ジャーナル・オブ・ジャパニーズ・アップライド・フィジクス３２巻（１９９３）４４１３頁（Jpn.J.Appl.Phys. 32(1993)4413.）になされている。
【００３３】
これまで窒素を含む化合物半導体層は、特にp型の場合、高濃度ドーピングができず、従って低抵抗の実現が困難であった。この為、 p型層に対して低接触抵抗の金属電極を形成することが難しかった。しかし、本発明にかかわる低抵抗部材を用いることに依って、これまでのp型層側に電極を形成することが可能となった。
【００３４】
本発明を利用すれば半導体装置の、特に電極部の抵抗低減のみならず、例えば複数のダイオード型素子が直列に形成することも可能となる。即ち、複数の波長の発光ダイオードや半導体レーザダイオードを直列に形成することが可能となる。
【００３５】
本発明に係わる半導体装置の母材に供する窒素を含有するIII-V族化合物半導体として、Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，ＩｎなどのIII族元素の少なくとも１者とＮ，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ、ＢｉなるV族元素の少なくとも１者とを有して構成される所謂III―V族化合物であり且つV族元素としてＮ（窒素）を含む半導体結晶を用い得る。これらの材料は通例六方晶系の構造を有する。現在、緑色より紫外線領域までの波長の光を放出する半導体発光装置の材料として注目される窒化物半導体、即ち、III族元素（とりわけ、Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ）の少なくとも１者とＮ（窒素）元素とで構成される半導体結晶を用いることができる。このIII-V族化合物半導体層具体の最も有用な例は窒化ガリウム系化合物半導体で、最も多用されている。具体的にはAlxGa1-x-yInyN (0≦x<1, 0≦y<1)を挙げることができる。即ち、GaN,GaAlN,GaInN,GaAlInN,AlN,InN,GaAlInN,およびInAlNなどである。 窒化ガリウム系化合物半導体をn型あるいはp型とせしむる為に、所定の不純物元素が添加される。ドーパントとしては、 n型はＳｉが代表例であり、原料にはＳｉ２Ｈ６（ジシラン）が良い。又、 p型はＭｇが代表例であり、原料はＣｐ２Ｍｇ（ジシクロペンタジエニルマグネシウム）が良い。
【００３６】
本発明に係わる pn接合の界面に介在させるIII-V族化合物半導体層に供するIII-V族化合物半導体は、上記窒化化合物半導体に母材のＶ族元素とは別異のＶ族元素を少量添加する。このＶ族元素の最も有用な例はAS,P,およびSbで、これらの群から選ばれた少なくとも一者を、前記III-V族化合物半導体層に含有せしめるものである。勿論、このIII-V族化合物半導体層は、上記Ｖ族元素の添加によっても、組成の異なる化合物半導体各層の連続結晶成長が可能なものである。このIII-V族化合物半導体層具体の最も有用な例は窒化ガリウム系化合物半導体である。具体的にはAlxGa1-x-yInyN (0≦x<1, 0≦y<1)を挙げることができる。即ち、GaN,GaAlN,GaInN,GaAlInN,AlN,InN,GaAlInN,およびInAlNなどである。尚、上記添加元素のなかでは、Asが最も製造過程における制御が容易である。
【００３７】
このIII-V族化合物半導体層の設定は、少量添加する上記Ｖ族元素の添加量は、この層の禁制体幅が実質的に零となる領域となす。また、この層の厚さは、このＶ族元素の添加の基本思想に基づき、逆電界印加時この層においてトンネル効果が生ずるごと設定するものである。その具体的値は、層の材料、添加元素の種類、添加元素の添加量などによって、細かくは異なるが、概ね40A以上で使用する。この層を余り厚く結晶成長すると結晶の質の低下を招くので、実用上２ミクロン―３ミクロンの厚さの止めるのが好ましい。
【００３８】
結晶成長方法自体は、これまで知られた有機金属気相成長方法にしたがって良い。例えば、有機金属気相成長方法である。また、周知の分子線エピタキシー法などを用いることも勿論可能である。
【００３９】
本発明の半導体発光装置は、光情報処理装置の光源に用いて好適である。本発明の光情報処理装置の例として、コンパクト・デイスク（ＣＤ）やデイジタルビデオ・デイスク（ＤＶＤ）などの光デイスク装置あるいはレーザ・ビーム・プリンタ装置などの光記録装置をあげることができる。光ディスク装置は、記録媒体に光を照射するための光源と、記録媒体からの反射光を検出する検出器を少なくとも有する光記録装置である。また、光によって記録媒体の一部の状態を変化させて記録を行う場合にも同様にこの光源を用いることが出来ることは言うまでもない。一方、レーザ・ビーム・プリンタはレーザ光を照射して印字情報を記録媒体としての光導電体の上に書き込み、電子写真方式によって印字画像を得る印写装置である。これらの光情報処理装置のより具体的構成については、実施例において詳細に説明される。
【００４０】
本発明の光源によれば、コンパクト・低駆動電圧の光源が実現し，光情報処理装置をはじめ、その他スキャナー，プロジェクションテレビなどのマン・マシーンインタフェース関係や照明用光源などその産業上の利用価値は非常に大きい。
【００４１】
【発明の実施の形態】
本願発明は半導体装置に適用して有用であるが、まず始めに、最もその実現が望まれている半導体発光装置について、その個別的事項を説明する。半導体発光装置の代表的な例は、半導体レーザ装置であるが、本発明に係わるその他の半導体発光装置の例としては、ｐｎ接合またはｐｉｎ接合などのヘテロ接合を有し、光を発光する半導体装置、具体的には発光ダイオード装置あるいはスーパルミネッセントダイオード(SLD; Super Luminescent Diode)などをあげることが出来る。
【００４２】
半導体発光装置の発光領域たる活性層領域は通例の構成を用いて充分である。即ち、活性層領域は、通例のバルク状活性層、単一量子井戸活性層、多重量子井戸活性層、歪単一量子井戸活性層、歪多重量子井戸活性層、歪補償単一量子井戸活性層、歪補償多重量子井戸活性層などが要求に応じて用いられる。
【００４３】
尚、歪量子井戸活性層とは格子歪みを導入した量子井戸活性層を意味する。また歪補償量子井戸活性層とは、格子歪みを導入した歪量子井戸層と格子歪みを導入した歪量子障壁層で構成する歪量子井戸活性層であって、且つ歪量子井戸層と歪量子障壁層に導入する格子歪みの符号を反対、即ち格子にかかる伸張、圧縮の応力を反対としたものである。
【００４４】
半導体レーザ装置とする場合の共振器長としては通常の知識に従って良い。それは、例えば200μmより1500μmの範囲のものが用いられる。又、実用的な共振器長は400μmより700μmの程度である。共振器の幅は半導体レーザ装置の通常の知識に従って良い。レーザ共振器の帰還手段は、一般的なファブリ・ペロー共振器(Fabry-Perot resonator)で十分である。また、DFB(Distributed Feedback),DBR(Distributed Gragg Reflector)などこれまで知られた手段を用い得ることは言うまでもない。また、半導体発光装置あるいは半導体レーザ装置におけるその他の部材の構成については、通例の技術に従って良い。
【００４５】
また、本発明の半導体装置の製造に当たっては、結晶成長用の基板は、ジンク・ブレンド(Zinc Blende)、六方晶系(Hexagonal system)の単結晶が好適である。わけても、サファイア（α―Ａｌ2Ｏ3）とＳｉＣとが有用で実用的である。より具体的に例を示せば、（０００１）Ｃ面を有するサファイア（α―Ａｌ2Ｏ3）、（１１―２０）Ａ面を有するサファイア（α―Ａｌ2Ｏ3）、（１―１００）Ｍ面を有するサファイア（α―Ａｌ2Ｏ3）、Ｃ面を有する６Ｈ−ＳｉＣ、 Ａ面を有する６Ｈ−ＳｉＣ、 Ｍ面を有する６Ｈ−ＳｉＣなどを挙げることが出来る。 尚、有機金属気相成長方法を用いる際の原料を具体的に例示すれば、 GaNAs活性層領域には、 TMAl(トリメチルアルミニウム)、 TMGa(トリメチルガリウム)、NH3 （アンモニア）、AsH3（アルシン）である。更なる例での原料は、 TMAl(トリメチルアルミニウム)、TMIn(トリメチルインジウム)、及びドーピング元素用としてのCp2Mg（シクロペンタジニルマグネシウム）、SiH4並びにC3H6である。
【００４６】
実施例１
本発明の第１の実施例は半導体レーザ装置の例である。本実施例を図２から４を用いて説明する。図２は本半導体レーザ装置のレーザ光の光軸と交差する方向の断面図である。図３はＧａＮ1-xＡｓx混晶の禁制帯幅と格子常数の関係を示す図、図４は本半導体レーザ装置のコンタクト部のバンド構造を示す図である。
【００４７】
まず、良く洗浄したサファイア基板（Ｃ面）１０１をＭＯＣＶＤ装置のリアクターにセットし、リアクターを水素で良く置換する。そして、水素を流しながら温度を１０５０℃まで上昇させ２０分間保持し、サファイア基板のクリーニングを行う。
【００４８】
その後、温度を５１０℃まで下げ、水素に加え、モノシラン（ＳｉＨ4）、アンモニア（ＮＨ3）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を流しながら１分間保持してｎ型不純物であるＳｉがドープされたＧａＮバッファー層１０２を約２００オングストロームの膜厚で成長させる。ＴＭＧ、 ＳｉＨ4を止めて、温度を１０３０℃まで上昇させる。温度が１０３０℃になったら、再びＴＭＧ、 ＳｉＨ4を流して６０分間成長させ、Ｓｉドープのn型ＧａＮ層１０３を３μｍの膜厚で成長させる。次に、導入ガスにトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を加え、Ga0.8Al0.2Nクラッド層１０４を１．５μｍ成長する。次にＴＭＡを停止して膜厚０．１μｍ のn型GaN光ガイド層１０５を成長後、温度を７１０度として膜厚３００〜６００ÅのＩｎＧａＮ活性層１０６を成長した。
【００４９】
次に温度を再び１０３０℃まで上昇させ、Ｃｐ2Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）をリアクターに導入し膜厚が０． １μｍのマグネシウムをドープしたp型ＧａＮ光ガイド層１０７を成長後、膜厚が１．５μｍのGa0.8Al0.2Nクラッド層１０８を成長した。次に、上記ガスにアルシン（ＡｓＨ3）を加えてＧａＮ0.2Ａｓ0.8層１０９を約２００オングストロームとｎ−ＧａＮキャップ層１１０を成長した。
【００５０】
次に、このn型のＧａＮ層６の表面にストライプ状のＳｉＯ2 マスクを形成し、このＳｉＯ2 をマスクとしてリアクエティブイオンエッチング法によりＡｌＧａＮクラッド層まで除去する。、図２において、ストライプ状のＳｉＯ2 マスクは紙面に垂直に形成されている。尚、ストライプ状のＳｉＯ2 マスクは通常の気相化学堆積法及びフォトリソグラフ技術を用いて形成する。
【００５１】
次に、リッジ状に残ったＡｌＧａＮクラッド層などの層をポリイミド樹脂（１１２）により埋め込んだ。ポリイミド樹脂のエッチバックによりリッジ先端を露出させて導波路の形成と電流通路の形成を自己整合的に行った。次にアノード電極取り出しのために発光領域以外のウエハの一部でＧａＮ層１０３に達するエッチングを行い、ｎ−ＧａＮ層１０３及びｎ型のＧａＮキャップ層１１０の表面にタングステン電極９を形成した。更に、リアクティブイオンビームエッチング法により共振器の鏡面を構成する垂直端面を形成して半導体レーザ構造とした。
【００５２】
ＧａＮ1-xＡｓxは、図３に示すように混晶の禁制帯幅が混晶化により２元結晶の禁制帯幅の荷重平均に比べ小さくなるいわゆるボウイング現象が強く起こり0.2<x<0.8の範囲で禁制帯幅がほとんどゼロの半金属状態となる。このため、上記ＧａＮ0.2Ａｓ0.8半金属層は半導体結晶層でありながら金属の性質を示す。このときの半導体結晶のバンド配置図を図４に示す。尚、積層体の本発明に直接関係のない一部は図４では省略されている。BGaNAsを中心に、n-GaNキャップ層１１０が電極形成層、p-AlGaN層１０８がp型クラッド層である。ＧａＮ0.2Ａｓ0.8半金属層を介してｎ型半導体からｐ型半導体にトンネル電流が流れる。これによりキャップ層がｎ型であっても、 ｐ−Ga0.8Al0.2Nクラッド層にほとんど電圧降下なしに電流注入が行われる。
【００５３】
本半導体レーザ装置は、発光領域近傍の一部を除いて高濃度ドーピングが容易で移動度も小さく電極形成も容易なｎ型層にできるので大幅な素子抵抗の低減が実現できた。しかも、本構造では通常結晶成長が困難なGaNAs層の厚さを１nm以下としたので結晶欠陥等の問題も全く引き起こさなかった。
【００５４】
尚、本発明において、pn接合の界面に介在させるIII-V族化合物半導体層に供するIII-V族化合物半導体には、上記窒化化合物半導体に母材のＶ族元素とは別異のＶ族元素を少量添加するが、例えば、このＶ族元素としてAS,P,およびSbの内の複数、たとえば２者添加することも可能である。しかし、一般には、複数元素の添加は、その制御が面倒である。
【００５５】
実施例２
本発明の第２の実施例は多色発光の半導体レーザ装置の例である。本実施例を図５を用いて説明する。図５は本半導体レーザ装置のレーザ光の光軸と交差する方向の断面図である。
【００５６】
まず、サファイア基板（Ｃ面）１０１上にＳｉドープＡｌＮバッファー層１０２を約２００オングストロームの膜厚で成長させる。次に、 Ｓｉドープのn型ＧａＮ層１０３（３μｍ）、n型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層１０４、ｎ型GaN光ガイド層１０５、ＩｎＧａＮ活性層１０６、ｐ型GaN光ガイド層１０７、p型ＡｌＧａＮクラッド層１０８、 ＧａＮ0.2Ａｓ0.8層１０９の順に三周期積層した。さらに、最上のダブルヘテロ構造の上にはn型ＧａＮ層１１０が設けられており、最上部ダブルヘテロ構造への電極形成層となっている。このとき、ＩｎＧａＮ活性層１０６は各周期ごとに異なった組成を有しており、その発光波長は４５０ｎｍ、５２０ｎｍ、及び６００ｎｍであった。
【００５７】
発光領域以外のウエハの一部を、図５にみられるようにエッチングして各ダブルヘテロ構造のｎ型GaN層１１０を露出させる。そして、この露出されたｎ型GaN層１１０にタングステン電極１１３を形成する。更に、半導体レーザ装置の発光領域となるストライプ状領域のみに電子ビーム照射し、 ＭｇドープGaN層をｐ型化してレーザストライプを形成した。図５において活性化されていない領域を丸印を付した領域である。各電極形成層は活性化されていない高抵抗のMgドープAl0.2Ga0.8N層により電気的に分離されているので、n型Al0.2Ga0.8Nクラッド層はn型GaN電極形成層から直接的に、 p型Al0.2Ga0.8Nクラッド層にはn型GaN電極形成層からＧａＮ0.2Ａｓ0.8半金属層１０９を介して電流注入を行うことができる。本構造にリアクティブイオンビームエッチング法により垂直端面を形成して半導体レーザ構造とした。本半導体レーザは所望の波長のダブルヘテロ構造に接続したn-GaN電極形成層に通電を行うことにより前記３波長のレーザ光を同一の半導体レーザチップから放射可能であった。
【００５８】
実施例３
本発明の第３の実施例は多色発光の半導体ダイオードの例である。本実施例を図６を用いて説明する。図６は本発光ダイオードの断面図である。
【００５９】
まず、サファイア基板（Ｃ面）１０１上にＳｉドープＡｌＮバッファー層１０２を約２００オングストロームの膜厚で成長させる。次に、 Ｓｉドープのn型ＧａＮ層１０３（３μｍ）、n型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層１０４、ｎ型GaN光ガイド層１０５、ＩｎＧａＮ活性層１０６、ｐ型GaN光ガイド層１０７、p型ＡｌＧａＮクラッド層１０８、 ＧａＮ0.2Ａｓ0.8層１０９の順に三周期積層した。さらに、最上のダブルヘテロ構造の上にはn型ＧａＮ層１１０が設けられており、最上部ダブルヘテロ構造への電極形成層となっている。このとき、ＩｎＧａＮ活性層１０６は各周期ごとに異なった組成を有しており、その発光波長は４５０ｎｍ、５２０ｎｍ、及び６００ｎｍであった。
【００６０】
発光領域以外のウエハの一部を、図５にみられるようにエッチングして各ダブルヘテロ構造のｎ型GaN層１１０を露出させる。そして、この露出されたｎ型GaN層１１０にタングステン電極１１３を形成する。更に、発光ダイオードの発光領域となる円形状領域のみに電子ビーム照射し、 ＭｇドープGaN層をｐ型化して発光領域を形成した。図５において活性化されていない領域を丸印を付した領域である。各電極形成層は活性化されていない高抵抗のMgドープAl0.2Ga0.8N層により電気的に分離されているので、n型Al0.2Ga0.8Nクラッド層はn型GaN電極形成層から直接的に、 p型Al0.2Ga0.8Nクラッド層にはn型GaN電極形成層からＧａＮ0.2Ａｓ0.8半金属層１０９を介して電流注入を行うことができる。
【００６１】
本発光ダイオードは所望の波長のダブルヘテロ構造に接続したn-GaN電極形成層に通電を行うことにより前記３波長の光を同一の半導体チップから放射可能であった。
【００６２】
実施例４
上述した各実施例の半導体発光装置を、光ディスクシステムあるいはレーザ・ビーム・プリンターなどの光記録装置の光源に用いることにより、高性能なシステムを構成することができる。この具体的構成を以下に述べる。
【００６３】
図７は光デイスク装置の例を示す基本構成図である。６１は光記録の為の光記録媒体が設けられたデイスク、６２はデイスクを回転させるためのモータ、６３は光ピックアップ、６７はこれらを制御する制御部である。光ピックアップ６３はレンズ系６４、半導体レーザ装置などの光源６５、そして光検出器６６を有して構成される。こうした光デイスク装置の一般的事項については、種々報告があるが略述する。
【００６４】
記録材料の種類によって、光デイスク装置は大別して読み取り専用形（ＲＯＭ形）、追記形、および書き換え可能形に分けられる。前述の図6は光デイスク装置の一例である。この例での情報の再生は、デイスク６１に記録された微細小孔（記録媒体の状態変化部）からの反射光変化を光検出器６６にて光学的に読み取って行う。尚、光記録媒体は通例のものを用いることが出来る。読み取り専用形の場合、記録情報は予め記録媒体に記録されており、例えば、読み取り専用形記録媒体の代表例として、アルミニウム、プラスチックなどをあげることが出来る。
【００６５】
また、記録する場合は、レーザ光をデイスク上の記録媒体に微細光点に絞り込み、記録すべき情報に従ってレーザ光を変調させることに依って、熱的に記録材料の状態を変化させて列状に記録を行う。この記録はデイスクをモータによって回転（移動）させながら行われる。
【００６６】
こうした光デイスク装置の光源に、実施例１に従って製造した半導体レーザ装置を適用して好都合である。例えば、活性層領域としてGaN0.97As0.03―GaNよりなる歪量子井戸構造(各膜厚5nm,3周期) の青色系の半導体レーザ装置を用いた。発光が可視光の為、光ディスク装置の記録媒体、あるいは光学系、レンズ等の損傷が極めて抑制される。
【００６７】
図８はレーザ・ビーム・プリンタの例を示すシステム構成図である。
【００６８】
レーザビームプリンタ(LBP)装置では、半導体レーザ装置のビームをミラーとレンズ系を用いて感光ドラムを走査し、情報を記録する。そして、感光ドラムに記録された情報を、感光紙等に転写して、印刷するものである。
【００６９】
制御部１１３によって制御されている半導体レーザ装置１０１よりのレーザ光１０２はレンズ系（図示の例では次の構成である。１０３：凸レンズ、１０４：アパーチャ、１０５：偏光子、および１０６：シリンドリカル・レンズ）を経由して、ポリゴンミラー１０７に照射される。ポリゴンミラー１０７によって反射されたレーザ光はトロイダルレンズ１１６およびｆθレンズ１０８を通して感光ドラム１０９に照射される。この時、レーザ光は感光ドラム１０９上をビーム・スキャン１１０に示すごとく走査される。
【００７０】
尚、制御部１１３は所定の信号１１２により動作する。一般に光検出器よりの信号によっている。又、半導体レーザ装置は駆動電流１１４、および制御信号１１５を制御部１１３より受けて動作する。
【００７１】
従って、記録に用いるレーザ光の波長が短波長であるほど高精細な記録が可能となる。こうした光源に本発明の窒素含有化合物半導体よりなる半導体発光装置が好適である。例えば、活性層領域としてGaN0.97As0.03―GaNよりなる歪量子井戸構造(各膜厚5nm,3周期)の青色系の半導体レーザ装置を用いた。半導体レーザ装置の他の構成は実施例１と同様である。本発明の低抵抗部を用いたコンタクト領域と電極取り出しによって、十分低電圧駆動が可能である。さらに、本例によれば、発光が可視光の為、レーザ・ビーム・プリンタの記録媒体、あるいは光学系、レンズ等の損傷が極めて抑制される。
【００７２】
【発明の効果】
本発明によれば、窒素を含むIII-V族化合物半導体層間の接触抵抗を低下させる技術を提供することが出来る。
【００７３】
本発明によれば、低抵抗な半導体膜の形成あるいは低抵抗電極の形成が困難なｐ型の窒素を含むIII-V族化合物半導体層の使用を最小限にとどめて、外部に接続可能な低抵抗な化合物半導体膜の形成あるいは化合物半導体になる低抵抗電極部およびこうした低抵抗電極部を有する半導体装置を実現する技術を提供することが出来る。
【００７４】
本発明によれば、外部に接続可能な低抵抗なこうした化合物半導体膜あるいは化合物半導体になるこうした低抵抗電極を利用し、これまでよりも低動作電圧の半導体発光装置を提供することが出来る。
【００７５】
更に、これら低抵抗部材の実現の技術によって複数の半導体装置を所定位置に配置、例えば直列に形成することも可能となる。
【００７６】
本発明によれば、これまでよりも低駆動電圧の光情報処理装置を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の半導体レーザ装置の断面図である。
【図２】第１の実施例の半導体レーザ装置の断面図である。
【図３】 BGaAlNAs混晶の禁制帯幅と格子常数の関係を示す図である。
【図４】第１の実施例の半導体レーザ装置の低抵抗部のバンド構造を示す図である。
【図５】第２の実施例の半導体レーザ装置の断面図である。
【図６】第３の実施例の半導体レーザ装置の断面図である。
【図７】光ディスク装置の例を示す基本構成図である。
【図８】レーザ・ビーム・プリンタの例を示す基本構成図である。
【符号の説明】
１０１：サファイア基板（Ｃ面）、１０２：ＧａＮバッファー層
１０３：Ｓｉドープのn型ＧａＮ層、１０４：GaAlNクラッド層
１０５：n型GaN光ガイド層、１０６：ＩｎＧａＮ活性層
１０７：p型ＧａＮ光ガイド層、１０８：GaAlNクラッド層
１０９：ＧａＮ0.2Ａｓ0.8半金属層、１１０：ｎ−ＧａＮキャップ層
１１１：ポリイミド樹脂層、１１３：タングステン電極、２０１：活性化領域
６１：光記録媒体が設けられたデイスク、６２：モータ、６３：光ピックアップ、６７：制御部、６３：光ピックアップ、６４：レンズ系
６５：半導体レーザ装置などの光源、６６：光検出器、８１：光拡散板
８２：電源、８３：リードフレーム、８４：赤色LED、８５：緑色LED
８６：青色LED、８７：スクリーン、８８：レンズ、８９：プリズム
９０：液晶パネル、９１：赤色SLD、９２：緑色SLD、９３：青色SLD
１０１：半導体レーザ装置、１０２：レーザ光
１０３、１０４、１０５、１０６：レンズ系、１０７：ポリゴンミラー１０７
１０８：トロイダルおよびｆθレンズ１０８、１０９：感光ドラム
Claims (1)
- 基板上にｎ型窒化物半導体クラッド層、活性層およびｐ型窒化物半導体クラッド層が順次設けられ、
前記ｐ型窒化物半導体クラッド層に接するように禁制帯幅が零になるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が設けられ、
前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上にｎ型窒化物半導体キャップ層および電極が順次設けられ、
前記ｎ型窒化物半導体キャップ層と前記ｐ型窒化物半導体クラッド層との間にはｐ−ｎ接合に対し逆方向の電流が流れ、かつ、前記ｐ型窒化物半導体クラッド層と前記ｎ型窒化物半導体クラッド層の間には順バイアス電圧が印加されることを特徴とする光半導体装置。
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