JP3898786B2 - 半導体デバイス - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体デバイスに関し、特に基板に対して歪みを有する層を備えた量子井戸レーザ、擬似格子整合高電子移動度トランジスタ、及びヘテロ接合バイポーラトランジスタ等の半導体デバイスに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
InGaAsは、GaAsより格子定数が大きいが、格子不整転位発生の臨界膜厚以下であれば、GaAs基板上に高品質の結晶を擬似格子整合的に、即ちGaAs基板表面と平行な方向の格子定数を基板の格子定数と強制的に同じになるように整合させてエピタキシャル成長させることが可能である。この格子不整転位の発生の臨界は、P.M.J.Maree et al.,Journal of Applied Physics vol.62(11),(1987)pp.4413-4420 によると、次の式(1) で表される。
【0003】
【数1】
【0004】
ここで、tは例えばInGaAs層等のIII-V族混晶半導体層の膜厚、fはInGaAsの基板の材料であるGaAsに対する格子不整合度、νはポアッソン比、b0 ,bp はそれぞれ完全転位、部分転位のバーガースベクトルの大きさで、b0 =√3×bp の関係を満たすもの、rc は転位のハーフループの半径で、
【0005】
【数2】
【0006】
を解くことにより得られるもの、μは剛性率(Sheet modules) 、γは単位面積当たりの積層欠陥のエネルギー、dは一組の部分転位の間の距離で、
【0007】
【数3】
【0008】
を解くことにより得られるもの、τはハーフループの発生により開放される滑り面の剪断応力の大きさで、
【0009】
【数4】
【0010】
を解くことによって得られるものとする。
【0011】
例えば、III-V族混晶半導体層においては一般的な物質定数である、b0 =4.0オングストローム、ν=0.31、μ=3.2×1011erg/cm3 、γ=18erg/cm2 という値を採用すると、格子不整合度f、即ち歪みが0.01ないし0.05の範囲では、式(1) は、厚さの単位をオングストロームとして、近似的に、
t<0.0116f-2.31
で表される。図10に上記式(1) で表される格子不整転位の発生の臨界を、膜厚tと格子不整合度fとの関係において実線で示す。
【0012】
このような格子不整転位の発生の臨界以下の条件でGaAs基板上に成長した歪みを備えた高品質なInGaAs薄膜を用いることにより、InGaAs薄膜のGaAsより小さなバンドギャップエネルギーや電子有効質量を有する性質を生かしたデバイスが開発されている。このような基板に擬似格子整合したInGaAs歪み層を備えたデバイスとしては、例えば、歪み量子井戸レーザ、擬似格子整合高電子移動度トランジスタ(pseudomorphic high-electron-mobility transistor:以下、p−HEMTと称す)、歪みベース層を備えたヘテロ接合バイポーラトランジスタ(heterojunction bipolar transistor:以下、HBTと称す)がある。
【0013】
基板としてGaAs基板を用いた歪み量子井戸レーザは、歪みを有するInGaAs層を活性層の量子井戸として用いることで、半導体基板結晶と格子定数の整合した材料を活性層として用いた,従来の半導体レーザでは実現できなかった波長範囲で発振可能なレーザとして、すでに重要な位置を占めている。例えば、基板としてGaAs基板を用い、活性層としてInGaAs井戸層とAlGaAs障壁層とからなるInGaAs/AlGaAs歪み量子井戸構造を用いることにより、従来のGaAs/AlGaAs量子井戸構造を活性層として有するレーザでは発振不可能な0.87μm以上の波長、例えば0.98μmの波長で発振する半導体レーザが実現されている。また、このような歪みを活性層に加えることにより、歪みのない活性層を備えた半導体レーザよりもしきい値電流等の動作特性に優れた半導体レーザが得られることもわかっている。
【0014】
図7は従来の歪み量子井戸レーザの構造を示す断面図であり、図において、1はn型(以下、n−と称す)GaAs基板、2はn−Al0.3 Ga0.7 As下側クラッド層、3はアンドープGaAs下側ガイド層兼障壁層、41はアンドープIn0.23Ga0.77As量子井戸層、5はアンドープGaAs上側ガイド層兼障壁層で、下側ガイド層兼障壁層3と、量子井戸層41と、上側ガイド層兼障壁層5とにより量子井戸構造の活性層を構成している。6はp型(以下、p−と称す)Al0.3 Ga0.7 As上側クラッド層、7はp−GaAsコンタクト層、8は絶縁膜、9は表面オーミック電極、10は裏面オーミック電極である。
【0015】
この半導体レーザは基板1上に順次半導体層を結晶成長させた後、コンタクト層7と上側クラッド層6の上部を絶縁膜等を用いて選択的にエッチングして、リッジ構造を形成し、さらに表面を絶縁膜8で覆った後、電極9,10を形成することにより得られるものであり、この半導体レーザの発振波長は1.02μmである。
【0016】
このようなInGaAs/AlGaAs歪み量子井戸レーザでは、InGaAs歪み量子井戸層41のIn組成を大きくするか、もしくは井戸幅を広く,つまり井戸層の厚さを厚くすることで、活性層の実効的バンドギャップエネルギーを小さくすることができ、発振可能な波長範囲をさらに長波長側ヘ拡大することができる。
【0017】
しかしながら、たとえば、和田他、1995年秋季応用物理学会講演予稿集27a-ZA-7に記載されているように、InGaAs量子井戸層のIn組成を大きくすることや井戸幅を広くすることは、格子不整合度が大きくなり、格子不整転位を発生しやすくし、閾値電流密度などの特性劣化や経時的な信頼性劣化などの問題があった。従って、このような従来の構造の半導体レーザにおいては、量子井戸層41の組成や厚さを調整しても、1.1μm以上の波長の半導体レーザを得ることは非常に困難であった。
【0018】
一方、InGaAs電子走行層とAlGaAs電子供給層とを積層してなるInGaAs/AlGaAs構造のp−HEMTにおいては、その高速化,低雑音化のためには、InGaAs電子走行層における電子移動度を大きくすることが効果的である。電子移動度は電子の有効質量が小さくなるほど大きくなり、また、永井治男,安達定雄,福井孝志、「III-V族半導体混晶」、コロナ社、(1985)p.71に記載されているように、一般にInGaAs等の閃亜鉛鉱型化合物半導体の電子有効質量は、バンドギャップエネルギーが小さいほど小さくなることが知られている。InGaAs層においては、そのバンドギャップエネルギーはIn組成が大きいほど小さくなり、電子の有効質量もIn組成が大きいほど小さくなるので、散乱が同じであればIn組成を大きくするほど電子移動度が大きくなる。
【0019】
図8は従来のp−HEMTの構造を示す断面図であり、図において、11は半絶縁性GaAs基板、12はアンドープGaAsバッファ層、31はアンドープIn0.26Ga0.74As電子走行層、14はアンドープAl0.25Ga0.75Asスペーサ層、15はn−Al0.25Ga0.75As電子供給層、61は高濃度n型(以下、n+ −と称す)InGaAsコンタクト層、17はソース電極、18はゲート電極、19はドレイン電極である。
【0020】
この従来のp−HEMTは、電子供給層15のドナー不純物から発生した電子が電子走行層31側に移動する結果として電子走行層31の上側に形成される2次元電子ガス層を電子が高電子移動度で移動できるようにしたものであり、この2次元電子ガス層の電子の濃度をゲート電圧を印加することによりソース電極17,ドレイン電極19間の電流を制御するようにしたものである。このp−HEMTはGaAs基板11上に上記各半導体層を連続して結晶成長させた後、コンタクト層16上にオーミック接触するソース電極17とドレイン電極19とを形成し、コンタクト層16にゲート電極18を形成するための電子供給層15に達する深さの開口部を形成し、該開口部の底面に露出した電子供給層15上に、ショットキ接触するゲート電極18を形成することにより得られる。
【0021】
上述したように、このようなInGaAs層を電子走行層15として備えたp−HEMTにおいては、電子走行層15のバンドギャップエネルギーを小さくするほど電子移動度が大きくなる。しかしながら、たとえば、J.Dickmann et al. Inst. Phys. Conf. Ser. No.129 (1992)pp.723-728に記載されているように、電子走行層の厚さを一定にしたままIn組成を大きくしてバンドギャップエネルギーを大きくしようとすると、電子走行層とGaAs基板との格子不整合が大きくなり、格子不整転位が発生し、それによる散乱が増加するため、かえって移動度が低下し、p−HEMTの高周波特性が劣化することが知られている。さらに、Inの組成を高くすると、合金比率が高くなり、その結果、伝導電子が合金散乱されてしまい、電子移動度が小さくなってしまう。従って、一般的な構造のp−HEMTにおいては充分なシート電子濃度を得るのに必要なInGaAs電子走行層の厚さは約12nmであるが、従来のp−HEMTにおいては、この厚さを保ったままInGaAs電子走行層15のIn組成を0.27以上に大きくしてバンドギャップエネルギーを大きくすることはできなかった。
【0022】
また、p−HEMTの高出力動作のためには、InGaAs電子走行層15を厚くして、シート電子濃度を大きくすることが有利である。しかしながら、たとえば、L.D. Nguyen et al.IEEE Trans.Electron.Device 36 (1989)pp.833-837に記載されているように、InGaAs電子走行層15のIn組成を一定にしたまま厚さを厚くすると、格子不整転位発生に対する臨界膜厚を越え、格子不整転位が発生し、高周波特性が劣化することが知られている。従って、従来は、所定のバンドギャップエネルギーを得るために充分なIn組成を保ったまま、InGaAs電子走行層15の膜厚を12nm以上に大きくすることはできなかった。例えば、膜厚12nm、In組成比0.25としたInGaAs(f=0.018)を上述した図10に示すと、点(a) となり、格子不整転位の発生の臨界近傍であることがわかる。
【0023】
さらに、この従来のp−HEMTのように、GaAs基板上に半導体層を積層してなる半導体デバイスでは、オーミック電極の抵触抵抗を小さくするために、バンドギャップエネルギーが小さいInGaAs層をコンタクト層として用いることがよく行われ、この従来のHEMTにおいても、n+ −In0.5 Ga0.5 As層をコンタクト層61として用いている。このような場合には、コンタクト層自体は特に高品質結晶でなくてもよく、従って格子不整転位が発生するような、In組成の大きなInGaAs、例えば、In0.5 Ga0.5 Asが用いられる。しかし、コンタクト層のIn組成をこれ以上大きくすると、格子不整が大きくなりすぎ、エピタキシャル成長表面に大きな凸凹が現れ、その後のウエハプロセスに支障を来たすため、In組成をあまり大きくはできず、バンドギャップエネルギーを十分に小さくすることが困難であった。
【0024】
また、AlGaAsエミッタ層とInGaAsベース層とを積層したGaAs/InGaAs構造をGaAs基板上に備えたHBTにおいては、その動作の高速化を図るためには、ベース走行時間を短縮することが有効である。ベース走行時間の短縮のためには、ベース層内に少数キャリアに対するドリフト電界を設けることが有効である。
【0025】
図9は従来のHBTの構造を示す断面図であり、図において、21は半絶縁性GaAs基板、22はn+ −GaAsコレクタコンタクト層、23はn−GaAs第1コレクタ層、71はIn組成比xが基板側から成長方向に向かって0から0.2まで増加しているn−Inx Ga1-x As第2コレクタ層、51はIn組成比xが基板側から成長方向に向かって0.2から0まで減少しているp−Inx Ga1-x Asベース層、26はn型Al0.3 Ga0.7 Asエミッタ層、27はn+ −GaAsコレクタコンタクト層、28はエミッタ電極、29はベース電極、30はコレクタ電極である。この従来のHBTは、GaAs基板21上に上記半導体層を順次結晶成長させ、上記各電極を配置することにより形成される。
【0026】
従来のHBTにおいては、ベース走行時間の短縮のために、ベース層51のエミッタ側をGaAsとするとともに、コレクタ側に近づいて行くにつれてIn組成が大きくなるようにして、ベース層のInGaAsの混晶組成に傾斜をつけることで、ベース層のポテンシャルに傾斜をつけドリフト電界を得ていた。このような構造のHBTにおいては、ベース層51のポテンシャル勾配を大きくするほど、電子速度が加速され、ベース走行時間が短縮される。このため、ポテンシャルの傾斜を急にするためには、ベース層51のコレクタ側のInGaAsのIn組成を大きくすればよいが、In組成を大きくしすぎると、格子不整が大きくなり、格子不整転位が発生し特性が劣化するため、ある程度以上にはポテンシャル傾斜を大きくできず、ベース走行時間を短縮することは非常に困難であった。
【0027】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来のGaAs基板を用いるとともに、GaAs基板に対して歪みを有する層を備えた半導体デバイスにおいては、InGaAs層のIn組成を増やして十分にバンドギャップエネルギーを小さくしたり、GaAsに対する格子不整を小さくしてInGaAs層の厚さを十分に厚くしたりすることができず、所望の特性を備えた半導体デバイスが得られないという問題があった。
【0028】
特に、GaAs基板を用いた半導体デバイスのなかでも、半導体レーザにおいては、活性層を構成する量子井戸層の組成や厚さを調整しても、1.1μm以上の波長の半導体レーザを得ることは非常に困難であるという問題や、発振波長が長波長になると量子井戸層の格子不整が大きくなり、経時的な信頼性が低くなるという問題があった。
【0029】
また、GaAs基板を用いたHEMTにおいては、電子走行層としてInGaAsを用いているため、In組成を増やしてバンドギャップエネルギーを小さくして電子の有効質量を増やすことが十分にできず、電子移動度を大きくすることができないという問題や、電子走行層として十分なバンドギャップエネルギーを得るためにInの比率を大きくすると合金散乱が起こり、電子移動度を大きくできないという問題や、充分なIn組成を保ったままInGaAs電子走行層の膜厚を大きくすることができないため、シート電子濃度を大きくすることができず、高出力動作させることができないという問題があった。
【0030】
また、GaAs基板を用いるとともに、ベース層にポテンシャル傾斜を有するHBTにおいては、ベース層のコレクタ側のInGaAsのIn組成を大きくすると、格子不整が大きくなり、格子不整転位が発生し特性が劣化するため、ベース層のポテンシャル傾斜を大きくして、ベース走行時間を短縮することが困難であるという問題があった。
【0031】
また、コンタクト層としてInGaAsを備えたGaAs基板を用いた半導体デバイスにおいては、エピタキシャル成長表面に大きな凸凹が現れるため、コンタクト層のIn組成を増やしてバンドギャップエネルギーを十分に小さくすることが困難であるという問題があった。
【0032】
この発明は上記のような課題を解消するためになされたものであり、InGaAs層よりも、GaAs基板に対する格子不整を小さくするとともに、バンドギャップエネルギーを小さくすることが可能な歪みを有する半導体層を備えたGaAs基板を用いた半導体デバイスを提供することを目的とする。
【0033】
また、特性や信頼性を劣化させることなく、活性層の実効的バンドギャップエネルギーを小さくできるGaAs基板を用いた半導体デバイスを提供することを目的とする。
【0034】
また、特性や信頼性を劣化させることなく、電子走行層の金属比率,バンドギャップエネルギー及び電子有効質量を小さくできるGaAs基板を用いた半導体デバイスを提供することを目的とする。
【0035】
また、特性や信頼性を劣化させることなく、ベース層のポテンシャル傾斜を大きくできるGaAs基板を用いた半導体デバイスを提供することを目的とする。
【0036】
また、表面荒れを起こすことなく、コンタクト層のバンドギャップエネルギーを小さくすることができるGaAs基板を用いた半導体デバイスを提供することを目的とする。
【0037】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体デバイスは、GaAs基板と、該GaAs基板上に配置された、III 族元素としてTl(タリウム)及びGa(ガリウム)を含み、V族元素としてAs(砒素)を含む、格子定数がGaAsより大きいIII-V族混晶半導体層を備えるようにしたものである。
【0038】
また、この発明に係る半導体デバイスは、第1導電型GaAs基板と、該GaAs基板上に配置された、第1導電型下側クラッド層と、該下側クラッド層上に配置された、III 族元素としてTl及びGaを含み、V族元素としてAsを含み、格子定数がGaAsより大きく、GaAsと疑似格子整合するIII-V族混晶半導体層を有する活性層と、該活性層上に配置された第2導電型上側クラッド層と、該上側クラッド層上に配置された第2導電型コンタクト層とを備えるようにしたものである。
【0039】
また、この発明に係る半導体デバイスは、半絶縁性GaAs基板と、該GaAs基板上に配置された、III 族元素としてTl及びGaを含み、V族元素としてAsを含み、格子定数がGaAsより大きく、GaAsと疑似格子整合するIII-V族混晶半導体層からなる電子走行層と、該電子走行層上に配置されたn型不純物を有する電子供給層と、該電子供給層上に配置されたn型不純物を有するコンタクト層と、該コンタクト層上に配置された該コンタクト層とオーミック接触するソース電極,及びドレイン電極と、上記コンタクト層の該ソース電極とドレイン電極とに挟まれた領域に設けられた、該コンタクト層の厚さよりも深い深さの開口部と、該開口部の底面上に配置された、該開口部の底面に露出した半導体層とショットキ接触するゲート電極とを備えるようにしたものである。
【0040】
また、この発明に係る半導体デバイスは、半絶縁性GaAs基板と、該基板上に配置された第1導電型不純物を含む第1のコレクタ層と、該第1のコレクタ層上に配置された、III 族元素としてTl及びGaを含み、V族元素としてAsを含むとともに、上記Tlの組成比が上記第1のコンタクト層から離れるにしたがって所定の値となるまで増加している、格子定数がGaAsより大きく、GaAsと疑似格子整合するIII-V族混晶半導体層からなる第1導電型不純物を含む第2のコレクタ層と、該第2のコレクタ層上に配置された、III 族元素としてTl及びGaを含み、V族元素としてAsを含むとともに、上記Tlの組成比が上記第2のコンタクト層から離れるにしたがって上記所定の値から連続的に減少している、格子定数がGaAsより大きく、GaAsと疑似格子整合するIII-V族混晶半導体層からなる高濃度に第2導電型不純物を含むベース層と、該ベース層上に配置された、第1導電型不純物を含むエミッタ層と、上記第1のコレクタ層,ベース層,及びエミッタ層のそれぞれに取り付けられた、コレクタ電極、ベース電極、及びエミッタ電極とを備えるようにしたものである。
【0041】
また、この発明に係る半導体デバイスは、半絶縁性GaAs基板と、該基板上に配置された、第1導電型不純物を含むエミッタ層と、該エミッタ層上に配置された、III 族元素としてTl及びGaを含み、V族元素としてAsを含むとともに、上記Tlの組成比が上記エミッタ層から離れるにしたがって上記所定の値となるまで連続的に増加している、格子定数がGaAsより大きく、GaAsと疑似格子整合するIII-V族混晶半導体層からなる高濃度に第2導電型不純物を含むベース層と、該ベース層上に配置された、III 族元素としてTl及びGaを含み、V族元素としてAsを含むとともに、上記Tlの組成比が上記ベース層から離れるにしたがって上記所定の値から減少している、格子定数がGaAsより大きく、GaAsと疑似格子整合するIII-V族混晶半導体層からなる第1導電型不純物を含む第2のコレクタ層と、該第2のコレクタ層上に配置された第1導電型不純物を含む第1のコレクタ層と、上記第1のコレクタ層,ベース層,及びエミッタ層のそれぞれに取り付けられた、コレクタ電極、ベース電極、及びエミッタ電極とを備えるようにしたものである。
【0042】
また、この発明に係る半導体デバイスは、GaAs基板と、該GaAs基板上に配置された、III 族元素としてTl及びGaを含み、V族元素としてAsを含む、格子定数がGaAsより大きいIII-V族混晶半導体層からなるコンタクト層と、該コンタクト層上に配置されたオーミック電極とを備えるようにしたものである。
【0043】
また、上記半導体デバイスにおいて、上記III-V族混晶半導体層の厚さを、格子不整合による転位が発生する臨界膜厚以下の厚さとしたものである。
【0044】
また、上記半導体デバイスにおいて、上記III-V族混晶半導体層をTlGaAs層としたものである。
【0045】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係る歪み量子井戸レーザの構造を示す断面図であり、この実施の形態1に係る歪み量子井戸レーザは、GaAs基板を用いた歪み量子井戸レーザにおいて、活性層の歪み量子井戸層としてTlGaAs層を用いるとともに、該量子井戸層のTl組成比を大きくして、従来の半導体レーザよりも発振波長の長い歪み量子井戸レーザを得られるようにしたものである。
【0046】
図1において、1はn型GaAs基板、2は厚さ約3μmでn型不純物濃度が約4x1017cm-3のn型Al0.3 Ga0.7 As下側クラッド層、3は厚さ約24nmのアンドープGaAs下側ガイド層兼障壁層、4は厚さ約7nmのアンドープTl0.23Ga0.77As量子井戸層で、この量子井戸層の厚さは臨界膜厚以下の厚さとし、この量子井戸層4が疑似的に基板やクラッド層に格子整合するようにする。5は厚さ約24nmのアンドープGaAs上側ガイド層兼障壁層、6はp型不純物濃度が約2x1018cm-3である厚さ約3μmのp型Al0.3 Ga0.7 As上側クラッド層、7はp型GaAsコンタクト層、8はSiNやSiO2 等の絶縁膜、9は表面オーミック電極、10は裏面オーミック電極をそれぞれ表している。
【0047】
次に製造方法について説明する。まず、n型GaAs基板1を用意し、該基板1上に、n型Al0.3 Ga0.7 As下側クラッド層2、アンドープGaAs下側ガイド層兼障壁層3、アンドープTl0.23Ga0.77As量子井戸層4、アンドープGaAs上側ガイド層兼障壁層5、p型Al0.3 Ga0.7 As上側クラッド層6、及びp型GaAsコンタクト層7を順次エピタキシャル成長させた後、絶縁膜等からなるマスク(図示せず)を用いて、コンタクト層7と、上側クラッド層6の上部を選択的にエッチングしてリッジ構造を形成し、上記マスクを除去した後、SiNやSiO2 等の絶縁膜8を表面に形成し、表面オーミック電極9及び裏面オーミック電極10を形成して、図1に示すような歪み量子井戸レーザを得る。
【0048】
本実施の形態1のような歪み量子井戸レーザでは、歪み量子井戸層の組成をバンドギャップエネルギーが小さくなるように変化させるか、もしくは井戸幅を広く,つまり井戸層の厚さを厚くすることで、活性層の実効的バンドギャップエネルギーを小さくすることができ、発振可能な波長範囲をさらに長波長側ヘ拡大することができる。
【0049】
ここで、L.Pauling 「化学結合論」共立出版p.224 によると、Tl(タリウム)の共有結合半径は、Inにくらべてわずかに2%大きいだけであり、したがって、InAsやInPのInをTlで置き換えても、格子定数は1%程度大きくなるに過ぎないことが期待される。また、TlはInよりも原子番号が大きいので、InAsやInPのInをTlで置き換えると、これらの材料のバンドギャップエネルギーは小さくなることが期待される。
【0050】
実際、van Schilfgaarde et al., Applied Physics Letters, vol.65 (1994)pp.2714-2716によれば、van Schifgaarde らは、このTlを含む化合物半導体材料についてより詳しい理論的計算をし、TlP、TlAsの格子定数は、それぞれ5.96オングストローム,6.18オングストロームと、InP、InAsの格子定数の5.87オングストローム,6.06オングストロームとくらべてそれぞれ1.5%および2%しか違わないと予測している。さらに彼らは、TlP、TlAsのバンドギャップエネルギーも計算により予測しており、それぞれ−0.27eV、−1.34eVと、負のバンドギャップエネルギーをもつ半金属になると予測している。彼らは、この計算結果をもとに、Hg0.78Cd0.22Teに替わる赤外線検出器の材料として、InP基板に成長したIn0.33Tl0.67P、もしくは、InAs基板上に成長したIn0.15Tl0.85Asを用いることを提唱している。すなわち、彼らの計算によると、これらの混晶のバンドギャップエネルギーはともに0.1eVとなり、また、基板との格子不整合も、それぞれ0.5%および0.3%しかないため、In0.33Ta0.67P、In0.15Ta0.85AsのInP基板,InAs基板の上への成長は充分可能であるとしている。
【0051】
実際、山本他、1996年春季応用物理学会講演予稿集26p-ZC-10 において、山本らは、InP基板上にTlInPを成長させている。さらに山本らは、従来のInGaAsPにかわる材料として、InP基板に完全に格子整合するTlInGaPを、波長1μm以上のレーザの材料として提案している。この材料では、従来のInGaAsPと異なり、V族元素が1種類ですむ利点がある。
【0052】
しかし、InPに疑似格子整合する系では、半導体レーザのクラッド層として用いることのできる最もバンドギャップエネルギーの大きい材料はAlInAsであり、このバンドギャップエネルギーは1.47eVしかない。したがって、実際には、高温動作時や高注入時のキャリアオーバーフローを考慮すると、従来のInP基板上に作製したInGaAsPを活性層とするレーザと同様に、InP基板上に作製したTlInGaPを用いても、波長1.2μm以下のレーザとしては実用上問題がある。
【0053】
これに対し、本発明の実施の形態1に係る歪み量子井戸レーザにおいては、GaAs基板上に格子不整転位の発生しないような組成比でTlを含むTlGaAsを活性層の量子井戸層として成長している。つまり、GaAs基板を用いているため、クラッド層として、活性層よりもバンドギャップエネルギーの充分大きいAlGaAsやAlGaInPを用いることができ、高温動作時や高注入時のキャリアオーバーフローが無視できる。
【0054】
また、量子井戸層厚7nmの活性層で発振波長を1070nmとする場合を例として考えると、InGaAsを量子井戸層として用いると、InGaAsのIn組成は0.33となり、GaAs基板との格子不整は2.4%となって、格子不整転位の発生の臨界を越え、閾値電流などのレーザ特性が劣化する。例えば、従来の技術の説明に用いた図10に、膜厚7nm,In組成比0.33のInGaAs(f=0.024)の点を示すと、点(b) となる。これに対し、TlGaAsを活性層の量子井戸層として用いると、TlGaAsのTl組成は0.165となり、GaAs基板との格子不整は1.5%しかなく、格子不整転位が発生しないので、特性のよい半導体レーザが作製できる。例えば、従来の技術の説明に用いた図10に、膜厚7nm,Tl組成比0.165のTlGaAs(f=0.015)の点を示すと、点(c) となる。
【0055】
さらに、Tl組成を増加させて、活性層の実効的なバンドギャップエネルギーを小さくして発振波長を長波長とすることが十分可能であり、従来の半導体レーザにおいては、発振波長が約1.1μm以上の半導体レーザを得ることが非常に困難であったが、この実施の形態1に係る歪み量子井戸レーザにおいては、Tl組成比をさらに増加させることで発振波長が1.1μm以上の半導体レーザを容易に得ることができる。
【0056】
例えば、図1に示すこの実施の形態1に係る歪み量子井戸レーザにおいては、TlGaAs量子井戸層4の格子不整は約1.6%であり、バンドギャップエネルギーは約1.11eVとなり、従来の技術の説明に用いた図10に量子井戸層4の材料である膜厚7nm,Tl組成比0.23のTlGaAs(f=0.016)の点を示すと点(d) となって、格子不整転位が発生していないことがわかるので、InGaAs層を量子井戸層として用いた従来の半導体レーザにおいては実現が困難であった,発振波長が1.12μmである半導体レーザを実現することが可能である。
【0057】
このように、本実施の形態1に係る半導体レーザにおいては、GaAs基板を用いるとともに、TlGaAs量子井戸層を含む活性層を備えるようにしたから、従来は実現の困難であった、1.1μm以上の波長の半導体レーザを得ることができる効果がある。
【0058】
実施の形態2.
図2は本発明の実施の形態2に係る歪み量子井戸レーザの構造を示す断面図であり、この実施の形態1に係る歪み量子井戸レーザは、GaAs基板を用いた歪み量子井戸レーザにおいて、活性層の歪み量子井戸層としてTlGaAs層を用いるとともに、該量子井戸層のTl組成比を従来の半導体レーザの活性層の量子井戸層のバンドギャップエネルギーと同じバンドギャップエネルギーとなるように調整して、従来の半導体レーザよりも格子不整の少ない量子井戸層を備えた歪み量子井戸レーザを得るようにしたものである。図において、図1と同一符号は同一又は相当する部分を示しており、4aは厚さ約7nmのアンドープTl0.11 5 Ga0.885 As量子井戸層であり、この歪み量子井戸レーザは、上記実施の形態1の歪み量子井戸レーザと同様の製造方法により作製される。
【0059】
ここで、発振波長が1017nmのレーザを例にとって、格子不整合度を、従来の歪み量子井戸レーザのInGaAs量子井戸と本実施の形態2に係る歪み量子井戸レーザのTlGaAs量子井戸とにつき比較すると、障壁層をGaAsとし、量子井戸層厚を約8nmとした場合、InGaAsを量子井戸活性層の量子井戸層として用いると、InGaAsのIn組成は0.23となり、GaAs基板との格子不整は1.6%になるのに対し、TlGaAsを量子井戸層として用いると、TlGaAsのTl組成は0.115となり、GaAs基板との格子不整は0.8%とInGaAsの半分ですむ。従って、同じ発振波長を得る場合、InGaAs量子井戸のかわりにTlGaAs量子井戸を用いることにより、格子不整を小さくすることができる。一般に格子不整が大きいほど、デバイスを長時間使用した時に転位が発生しやすいことから、TlGaAsを量子井戸層として用いることで、格子不整により長時間使用時に転位が発生するといったデバイスの経時的な信頼性の低下を防止することができる。
【0060】
例えば、図2に示したこの実施の形態2に係る歪み量子井戸レーザは発振波長が1.02μmとなるものであるが、この半導体レーザにおいても、従来の同じ発振波長を有する半導体レーザと比較すると格子不整を大幅に低減できるため、発振波長が1.02μmである半導体レーザの信頼性を向上させることができる。
【0061】
このように、本実施の形態2に係る歪み量子井戸レーザにおいては、GaAs基板を用いるとともに、TlGaAs歪み量子井戸層を含む活性層を備えるようにしたから、量子井戸層の格子不整を、同じ発振波長が得られるInGaAs量子井戸層を備えた半導体レーザよりも小さくすることができ、信頼性の高い歪み量子井戸レーザが得られる効果がある。
【0062】
なお、上記実施の形態1,2においては、TlGaAs量子井戸層を1層備えた構造の歪み量子井戸レーザについて説明したが、本発明は、TlGaAs量子井戸層と障壁層とを複数交互に備えてなる、多重量子井戸構造の活性層を備えた歪み量子井戸レーザにも適用できるものであり、このような場合においても上記実施の形態1,2と同様の効果を奏する。
【0063】
また、上記実施の形態1,2においては、歪み量子井戸レーザについて説明したが、本発明は、光変調器や光増幅器等の、歪み量子井戸レーザと同様の構造からなる光半導体デバイスにも適用できるものであり、このような場合においても上記実施の形態1,2と同様の効果を奏する。
【0064】
また、上記実施の形態1,2においては、TlGaAs量子井戸層を備えた歪み量子井戸レーザについて説明したが、本発明は、III 族元素としてTl及びGaを含み、V族元素としてAsを含む、格子定数がGaAsよりも大きく、GaAsと疑似格子整合するIII-V族混晶半導体層、特に閃亜鉛鉱型III-V族混晶半導体層を量子井戸層として備えた歪み量子井戸レーザにも適用できるものであり、このような場合においても上記実施の形態1,2と同様の効果を奏する。例えば、歪みを有するAlx1Gax2Inx3Tlx4Asy P1-y (x1+x2+x3+x4=1,0≦x1<1,0<x2<1,0≦x3<1,0<x4<1)からなる層を量子井戸層として用いた場合においても上記実施の形態1,2と同様の効果を奏する。ただし、このIII-V族混晶半導体層の厚さは、GaAs基板との格子不整合による転位が発生する臨界膜厚以下の厚さとする必要がある。即ち、III-V族混晶半導体層の厚さt,及びGaAsに対する格子不整合度fを、格子不整転位発生の臨界を定義する以下の式を満たすものとなるようにする必要がある。
【0065】
【数5】
【0066】
ただし、νはポアッソン比、b0 ,bp はそれぞれ完全転位、部分転位のバーガースベクトルの大きさで、b0 =√3×bp の関係を満たすもの、rc は転位のハーフループの半径で、
【0067】
【数6】
【0068】
を解くことにより得られるもの、μは剛性率(Sheet modules) 、γは単位面積当たりの積層欠陥のエネルギー、dは一組の部分転位の間の距離で、
【0069】
【数7】
【0070】
を解くことにより得られるもの、τはハーフループの発生により開放される滑り面の剪断応力の大きさで、
【0071】
【数8】
【0072】
を解くことによって得られるものとする。
【0073】
また、このIII-V族混晶半導体層のV族元素としては、Asのみを用いるようにする方が、AsとPとの両方を用いる場合と比較して、製造装置を簡略化できるとともに、製造時の制御が容易となる点で好ましい。
【0074】
実施の形態3.
図3は本発明の実施の形態3に係る擬似格子整合高電子移動度トランジスタ(pseudomorphic high-electron-mobility transistor:以下、p−HEMTと称す)の構造を示す断面図であり、この実施の形態3に係るp−HEMTは、GaAs基板を用いたp−HEMTにおいて、電子走行層として歪みを有するTlGaAsを用いるとともに、TlGaAs電子走行層のTl組成比を、このTlGaAs電子走行層と等しいバンドギャップエネルギーを有するInGaAs電子走行層を用いた従来のp−HEMTのIn組成比よりも小さくするようにしたものである。図において、11は半絶縁性GaAs基板、12は厚さ約500nmのアンドープGaAsバッファ層、13は厚さ約12nmのアンドープTl0.13Ga0.87As電子走行層、14は厚さ約3nmのアンドープAl0.25Ga0.75Asスペーサー層、15は不純物濃度が2x1018cm-3である厚さ約40nmのn型Al0.25Ga0.75As電子供給層、16は厚さ約30nmのn+ 型Tl0.4 Ga0.6 Asコンタクト層、17はコンタクト層16にオーミック接触する材料からなるソース電極、18はゲート電極、19はコンタクト層16にオーミック接触する材料からなるドレイン電極である。
【0075】
このp−HEMTは、電子供給層15のドナー不純物から発生した電子が電子走行層31側に移動する結果として電子走行層13の上側に形成される2次元電子ガス層を電子が高電子移動度で移動できるようにし、ゲート電圧により、2次元電子ガス層の電子の濃度を変化させて、ソース電極17とドレイン電極19との間の2次元電子ガス層を流れる電流を変化させるようにしたものであり、GaAs基板11上に上記アンドープGaAsバッファ層12、アンドープTl0.13Ga0.87As電子走行層13、アンドープAl0.25Ga0.75Asスペーサー層14、n型Al0.25Ga0.75As電子供給層15、及びn+ 型Tl0.4 Ga0.6 Asコンタクト層16を順次エピタキシャル成長させた後、コンタクト層16上にオーミック接触するソース電極17とドレイン電極19とを形成し、コンタクト層16にゲート電極18を形成するための電子供給層15に達する深さの開口部を形成し、該開口部の底面に露出した電子供給層15上に、ショットキ接触するゲート電極18を形成することにより得られる。
【0076】
本発明の実施の形態3に係るp−HEMTにおいては、電子走行層として、TlGaAsを電子走行層として用いている。このTlGaAsと、これと同程度のバンドギャップエネルギーを有するInGaAsとを比較すると、バンドギャップエネルギーが等しいから、両者の電子有効質量はほぼ等しいが、InよりもTlのほうがバンドギャップエネルギーが小さいため、Tl組成比はIn組成比に比べて少なくなる。このため、TlGaAs内のTlの合金比率はInGaAs内のInの合金比率に比べて少なく、TlGaAs内の伝導電子の合金散乱はInGaAsに比べて少なくなる。つまり、TlGaAsを電子走行層として用いたこの実施の形態1に係るp−HEMTは、従来の電子走行層としてInGaAsを用いた従来のp−HEMTと比較して、電子走行層内における合金散乱が少なく、電子移動度を向上させることが可能となる。
【0077】
したがって、図3に示すこの実施の形態3に係るアンドープTl0.13Ga0.87As電子走行層13を備えたp−HEMTにおいては、電子走行層13の合金比率が、これと等しいバンドギャップエネルギーをもつIn0.26Ga0.86As電子走行層にくらべて小さいので、伝導電子に対する合金散乱が小さく、電子移動度が大きいので、高周波においても低雑音のp−HEMTが得られる。
【0078】
また、本実施の形態3に係るp−HEMTにおいては、図8に示す従来のp−HEMTのようにIn0.5 Ga0.5 Asコンタクト層を用いる代わりに、Tl0.4 Ga0.6 Asをコンタクト層16として用いている。このTlは、上述したように、Inとほぼ同じ格子定数を有するとともに、Inよりも小さいバンドギャップエネルギーを有しているので、格子不整を大きくすることなく、バンドギャップエネルギーを小さくすることができるため、表面荒れなしにコンタクト層のバンドギャップエネルギーを小さくでき、オーミック電極の抵触抵抗を小さくできる。
【0079】
このように、本実施の形態3のp−HEMTにおいては、GaAs基板を用いるとともに、TlGaAs電子走行層13を用いるようにしたから、電子走行層13の合金比率を、同じバンドギャップエネルギーを有する従来のp−HEMTの電子走行層の合金比率よりも小さくすることができ、電子走行層内での伝導電子の合金散乱を小さくして、電子移動度の大きい、低雑音なp−HEMTが得られる効果がある。
【0080】
また、TlGaAsコンタクト層16を備えるようにしたから、表面荒れを起こすことなくコンタクト層のバンドギャップエネルギーを小さくすることができ、オーミック電極の接触抵抗を小さくすることができる効果がある。
【0081】
実施の形態4.
図4は本発明の実施の形態4に係るp−HEMTの構造を示す図であり、この実施の形態4に係るp−HEMTは、GaAs基板を用いたp−HEMTにおいて、電子走行層として歪みを有するTlGaAsを用いるとともに、このTlGaAs電子供給層のTl組成を調整して、TlGaAs電子走行層のバンドギャップエネルギーを、同じ厚さの従来のp−HEMTのInGaAs電子走行層のバンドギャップエネルギーよりも小さくするようにしたものである。図において、図3と同一符号は同一又は相当する部分を示しており、13aは厚さ約12nmのアンドープTl0.2 Ga0.8 As電子走行層、16aは厚さ約30nmのn+ 型GaAsコンタクト層である。
【0082】
この実施の形態4においては、電子走行層としてTlGaAs層を用いている。このため、従来の電子走行層としてInGaAs層を用いたHEMTにおいては、格子不整転位が発生するために、電子走行層の厚さを充分なシート電子濃度を得るのに必要な厚さである約12nmの厚さに保ったまま、In組成を0.27以上としてバンドギャップエネルギーを小さくすることができなかったが、この実施の形態4においては、電子走行層13aの厚さを充分なシート電子濃度を得るのに必要な約12nmに保ったまま、格子不整転位の発生無しにTlGaAsのTl組成を0.14以上として、In組成が0.27であるInGaAsよりもバンドギャップエネルギーを小さくできる。このため、本実施の形態4に係るp−HEMTにおいては、例えば、図4に示すように、電子走行層13aの厚さを12nmとしてTlの組成比を0.2とすることにより、従来の電子走行層としてInGaAs層を用いたHEMTよりも、電子走行層の厚さを十分な厚さに保ったまま、電子走行層のバンドギャップエネルギーを小さくでき、その結果、電子有効質量を小さくできる。
【0083】
以上のように、この実施の形態4によれば、GaAs基板11を用いるとともに、TlGaAs電子走行層13aを用いるようにしたから、電子走行層13aのバンドギャップエネルギーを、同じ厚さの従来のp−HEMTの電子走行層のバンドギャップエネルギーよりも小さくでき、電子の有効質量を小さくでき、高周波においても低雑音であるp−HEMTが得られる効果がある。
【0084】
実施の形態5.
図5は本発明の実施の形態5に係るp−HEMTの構造を示す断面図であり、この実施の形態5に係るp−HEMTは、GaAs基板を用いたp−HEMTにおいて、電子走行層として歪みを有するTlGaAsを用い、このTlGaAs電子走行層の厚さを、同じバンドギャップエネルギーを有する従来のp−HEMTのInGaAs電子走行層の厚さよりも厚くするようにしたものである。図において、図3と同一符号は同一又は相当する部分を示しており、13bは厚さ約18nmのアンドープTl0.13Ga0.87As電子走行層である。
【0085】
従来の電子走行層としてInGaAs層を用いたp−HEMTにおいては、格子不整転位が発生するために、必要なバンドギャップエネルギーを保ったまま、電子走行層の厚さを厚くすることは困難であり、例えば、In組成を0.26に保ったまま、InGaAs電子走行層の膜厚を12nm以上とすることは臨界膜厚を越えてしまうので非常に困難であったが、この実施の形態5においては、電子走行層13bとして、Inの代わりに、同じ III族に属するがInよりも原子番号が大きく、かつ共有結合半径がほぼ等しいTlを含むTlGaAs層を用いているため、所定のバンドギャップエネルギーを得るために必要なTl組成比を、Inを用いた場合の組成比よりも小さくすることができ、電子走行層13bの臨界膜厚を厚くして、格子不整転位の発生無しにTlGaAsの厚さを厚くすることができる。例えば、従来の技術の説明に用いた図10に、本実施の形態5の電子走行層13bの材料である膜厚18nm,Tl組成比0.13のTlGaAs(f=0.011)を示すと、点(e) となり、格子不整転位の発生の臨界を越えていないことがわかる。これに対し、Tl組成比0.13のTlGaAsと同じバンドギャップをもつIn0.26Ga0.74Asで膜厚を18nmとすると、図10の点(f) となり、格子不整転位の臨界を越えてしまうことがわかる。したがって、この実施の形態5においては、図5に示すように、バンドギャップエネルギーがIn0.26Ga0.86As層と同程度に十分小さい、Tl組成0.13のTlGaAs電子走行層の厚さを12nm以上にすることができる。
【0086】
以上のようにこの実施の形態5に係るp−HEMTによれば、GaAs基板11を用いるとともに、TlGaAs電子走行層13bを用いるようにしたから、従来のInGaAs電子走行層をもつp−HEMTにくらべて、電子走行層の厚さを厚くすることができ、シート電子濃度を高くすることができ、高周波で高出力のp−HEMTが得られる効果を奏する。
【0087】
なお、上記実施の形態3〜5においては、TlGaAs電子走行層,及びTlGaAsコンタクト層を備えたp−HEMTについて説明したが、本発明は、TlGaAs層を備えたその他の半導体デバイスにも適用できるものであり、このような場合においても上記実施の形態3〜5と同様の効果を奏する。
【0088】
また、上記実施の形態3〜5においては、TlGaAs電子走行層、及びTlGaAsコンタクト層を備えたp−HEMTについて説明したが、本発明は、III 族元素としてTl及びGaを含み、V族元素としてAsを含む、格子定数がGaAsよりも大きく、GaAsと疑似格子整合するIII-V族混晶半導体層、特に閃亜鉛鉱型III-V族混晶半導体層を電子走行層,及びコンタクト層として備えたp−HEMTにも適用できるものであり、このような場合においても上記実施の形態3〜5と同様の効果を奏する。例えば、歪みを有するAlx1Gax2Inx3Tlx4Asy P1-y (x1+x2+x3+x4=1,0≦x1<1,0<x2<1,0≦x3<1,0<x4<1)からなる層を電子走行層,及びコンタクト層として用いた場合においても上記実施の形態3〜5と同様の効果を奏する。ただし、このIII-V族混晶半導体層のうちの電子走行層の厚さは、GaAs基板との格子不整合による転位が発生する臨界膜厚以下の厚さとする必要がある。
【0089】
実施の形態6.
図6は本発明の実施の形態6に係る歪みベース層を備えたヘテロ接合バイポーラトランジスタ(heterojunction bipolar transistor:以下、HBTと称す)の構造を示す断面図であり、図において、21は半絶縁性GaAs基板、22はn+ 型GaAsコレクタコンタクト層、23はn型GaAs第1コレクタ層、24はTl組成比xが0から0.2までベース層側に向かって連続的に増加しているn型Tlx Ga1-x As第2コレクタ層、25はTl組成比xが0.2から0までコレクタ側からエミッタ側に向かって連続的に減少しているp+ 型Tlx Ga1-x Asベース層で、ここでは、第2コレクタ層24とベース層25のTl組成の変化する値は0から0.2の範囲としているが、この値は必要に応じて変化させるようにしてもよい。但し、ベース層23と第2コレクタ層25とが接する部分のTl組成比は共に同じ値としておく必要がある。26はn型Al0.3 Ga0.7 Asエミッタ層、27はn+ 型GaAsエミッタコンタクト層、28はエミッタ電極、29はベース電極、30はコレクタ電極である。このHBTは、GaAs基板21上に、n+ 型GaAsコレクタコンタクト層22、n型GaAs第1コレクタ層23、n型Tlx Ga1-x As第2コレクタ層24、p+ 型Tlx Ga1-x Asベース層25、n型Al0.3 Ga0.7 Asエミッタ層26、及びn+ 型GaAsエミッタコンタクト層27を順次エピタキシャル成長させた後、エミッタ電極28、ベース電極29、及びコレクタ電極30を設けることにより形成される。
【0090】
本実施の形態6に係るHBTは、ベース層25としてTlGaAsのTl組成比が傾斜的に減少している、いわゆる傾斜ベース層を用いたものであり、図9に示した従来のInGaAsからなる傾斜ベース層を用いたHBTと異なり、Inよりもバンドギャップエネルギーが小さく、かつ格子定数がInとほぼ同じであるTlを含むTlGaAs層を用いているため、ベース層の厚さを変化させることなく、格子不整転位の発生なしにベース層のコレクタ側のバンドギャップエネルギーを小さくすることができ、これによりベース層のポテンシャル勾配を大きくすることができ、ベース層での電子速度を加速し、ベース走行時間を短縮することができる。
【0091】
また、ポテンシャル傾斜を保ったまま格子不整転位を発生させることなくベース層を厚くすることも可能となるため、このベース層25の厚さを厚くして、図9に示した従来のHBTと比べてベース抵抗を小さくすることができる。
【0092】
このように本発明の実施の形態6によれば、GaAs基板21を用いたHBTにおいて、Tl組成比xがコレクタ側からエミッタ側に向かって連続的に減少しているp+ 型Tlx Ga1-x Asベース層25を用いるようにしたから、ベース層25のポテンシャル勾配を大きくすることができ、ベース層内での電子速度を加速することができ、ベース走行時間を短縮できる効果がある。
【0093】
また、ポテンシャル傾斜を保ったまま格子不整転位を発生させることなくベース層25を厚くすることにより、ベース抵抗を小さくすることができる効果がある。
【0094】
なお、本実施の形態6においては、Tl組成比xがベース層側に向かって連続的に増加しているn型Tlx Ga1-x As第2コレクタ層と、Tl組成比xがコレクタ側からエミッタ側に向かって連続的に減少しているp+ 型Tlx Ga1-x Asベース層25とを用いた場合について説明したが、本発明においては、第2コレクタ層は、ベース層側に向かってTl組成比xが増加していれば、連続的な増加である必要はなく、例えば非線形的な増加であってもよく、また、ベース層は、エミッタ側に向かってTl組成比xが減少していれば、連続的な減少である必要はなく、例えば非線形的な増加であってもよく、このような場合においても上記実施の形態6と同様の効果を奏する。
【0095】
また、本実施の形態6においては、TlGaAsからなるベース層、及びTlGaAsからなる第2コレクタ層を備えたHBTについて説明したが、本発明は、III 族元素としてTl及びGaを含み、V族元素としてAsを含む、格子定数がGaAsよりも大きく、GaAsと疑似格子整合するIII-V族混晶半導体層、特に閃亜鉛鉱型III-V族混晶半導体層をベース層,及び第2コレクタ層として備えたHBTにも適用できるものであり、このような場合においても上記実施の形態6と同様の効果を奏する。例えば、歪みを有するAlx1Gax2Inx3Tlx4Asy P1-y (x1+x2+x3+x4=1,0≦x1<1,0<x2<1,0≦x3<1,0<x4<1)からなる層をベース層,及び第2コレクタ層として用いた場合においても上記実施の形態6と同様の効果を奏する。ただし、これらのIII-V族混晶半導体層の厚さは、GaAs基板との格子不整合による転位が発生する臨界膜厚以下の厚さとする必要がある。
【0096】
また、本実施の形態6においては、ベース層をp型とし、第1コレクタ層23,第2コレクタ層24,及びエミッタ層26をn型とした場合について説明したが、本発明は、ベース層をn型とし、第1コレクタ層23,第2コレクタ層24,及びエミッタ層26をp型とした場合においても適用できるものであり、このような場合においても上記実施の形態6と同様の効果を奏する。
【0097】
また、本実施の形態6においては、GaAs基板21上に、第1コレクタ層23、第2コレクタ層24、ベース層25、及びエミッタ層26を順次積層してなるHBTについて説明したが、本発明は、GaAs基板21上に、エミッタ層26、ベース層25、第2コレクタ層24、及び第1コレクタ層23を積層してなる構造のHBTにおいても適用できるものであり、このような場合においても上記実施の形態6と同様の効果を奏する。
【0098】
また、本実施の形態6においては、HBTについて説明したが、本発明は他のポテンシャル傾斜を有する層を備えた半導体デバイスにおいても適用できるものであり、このような場合においても本実施の形態6と同様の効果を奏する。
【0099】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、GaAs基板と、該GaAs基板上に配置された、III 族元素としてTl及びGaを含み、V族元素としてAsを含む、格子定数がGaAsより大きいIII-V族混晶半導体層を備えるようにしたから、このIII-V族混晶半導体層の、GaAsに対する格子不整をInGaAs層よりも小さくするとともに、バンドギャップエネルギーをInGaAs層よりも小さくすることができ、動作特性,及び信頼性に優れた半導体デバイスを提供できる効果がある。
【0100】
また、この発明によれば、第1導電型GaAs基板と、該GaAs基板上に配置された、第1導電型下側クラッド層と、該下側クラッド層上に配置された、III 族元素としてTl及びGaを含み、V族元素としてAsを含み、格子定数がGaAsより大きく、GaAsと疑似格子整合するIII-V族混晶半導体層を有する活性層と、該活性層上に配置された第2導電型上側クラッド層と、該上側クラッド層上に配置された第2導電型コンタクト層とを備えるようにしたから、活性層内のIII-V族混晶半導体層のGaAsに対する格子不整を小さくでき、信頼性に優れた半導体デバイスを提供できるとともに、活性層内のIII-V族混晶半導体層のバンドギャップエネルギーを小さくして、活性層の実効的バンドギャップエネルギーを小さくでき、特性に優れた半導体デバイスを提供できる効果がある。
【0101】
また、この発明によれば、半絶縁性GaAs基板と、該GaAs基板上に配置された、III 族元素としてTl及びGaを含み、V族元素としてAsを含み、格子定数がGaAsより大きく、GaAsと疑似格子整合するIII-V族混晶半導体層からなる電子走行層と、該電子走行層上に配置されたn型不純物を有する電子供給層と、該電子供給層上に配置されたn型不純物を有するコンタクト層と、該コンタクト層上に配置された該コンタクト層とオーミック接触するソース電極,及びドレイン電極と、上記コンタクト層の該ソース電極とドレイン電極とに挟まれた領域に設けられた、該コンタクト層の厚さよりも深い深さの開口部と、該開口部の底面上に配置された、該開口部の底面に露出した半導体層とショットキ接触するゲート電極とを備えるようにしたから、電子走行層の合金比率,GaAsに対する格子不整,及びバンドギャップエネルギーをInGaAs層を電子走行層とした場合と比較して小さくすることができ、特性や信頼性を劣化させることなく、電子走行層の合金比率,電子有効質量,及びシート電子濃度を改善することができ、高性能な半導体デバイスを提供できる効果がある。
【0102】
また、この発明によれば、半絶縁性GaAs基板と、該基板上に配置された第1導電型不純物を含む第1のコレクタ層と、該第1のコレクタ層上に配置された、III 族元素としてTl及びGaを含み、V族元素としてAsを含むとともに、上記Tlの組成比が上記第1のコンタクト層から離れるにしたがって所定の値となるまで増加している、格子定数がGaAsより大きく、GaAsと疑似格子整合するIII-V族混晶半導体層からなる第1導電型不純物を含む第2のコレクタ層と、該第2のコレクタ層上に配置された、III 族元素としてTl及びGaを含み、V族元素としてAsを含むとともに、上記Tlの組成比が上記第2のコンタクト層から離れるにしたがって上記所定の値から連続的に減少している、格子定数がGaAsより大きく、GaAsと疑似格子整合するIII-V族混晶半導体層からなる高濃度に第2導電型不純物を含むベース層と、該ベース層上に配置された、第1導電型不純物を含むエミッタ層と、上記第1のコレクタ層,ベース層,及びエミッタ層のそれぞれに取り付けられた、コレクタ電極、ベース電極、及びエミッタ電極とを備えるようにしたから、特性や信頼性を劣化させることなく、ベース層のポテンシャル傾斜を大きくでき、電子速度を加速してベース走行時間の短い高性能な半導体デバイスを提供できる効果がある。
【0103】
また、この発明によれば、半絶縁性GaAs基板と、該基板上に配置された、第1導電型不純物を含むエミッタ層と、該エミッタ層上に配置された、III 族元素としてTl及びGaを含み、V族元素としてAsを含むとともに、上記Tlの組成比が上記エミッタ層から離れるにしたがって上記所定の値となるまで連続的に増加している、格子定数がGaAsより大きく、GaAsと疑似格子整合するIII-V族混晶半導体層からなる高濃度に第2導電型不純物を含むベース層と、該ベース層上に配置された、III 族元素としてTl及びGaを含み、V族元素としてAsを含むとともに、上記Tlの組成比が上記ベース層から離れるにしたがって上記所定の値から減少している、格子定数がGaAsより大きく、GaAsと疑似格子整合するIII-V族混晶半導体層からなる第1導電型不純物を含む第2のコレクタ層と、該第2のコレクタ層上に配置された第1導電型不純物を含む第1のコレクタ層と、上記第1のコレクタ層,ベース層,及びエミッタ層のそれぞれに取り付けられた、コレクタ電極、ベース電極、及びエミッタ電極とを備えるようにしたから、特性や信頼性を劣化させることなく、ベース層のポテンシャル傾斜を大きくでき、電子速度を加速してベース走行時間の短い高性能な半導体デバイスを提供できる効果がある。
【0104】
また、この発明によれば、GaAs基板と、該GaAs基板上に配置された、III 族元素としてTl及びGaを含み、V族元素としてAsを含む、格子定数がGaAsより大きいIII-V族混晶半導体層からなるコンタクト層と、該コンタクト層上に配置されたオーミック電極とを備えるようにしたから、GaAs基板に対する格子不整を小さくしたまま、コンタクト層のバンドギャップエネルギーを小さくすることができ、表面荒れを起こすことなく、バンドギャップエネルギーを小さくしたコンタクト層が得られ、高性能な半導体デバイスを提供できる効果がある。
【0105】
また、この発明によれば、上記半導体デバイスにおいて、上記III-V族混晶半導体層の厚さを、格子不整合による転位が発生する臨界膜厚以下の厚さとしたから、動作特性,及び信頼性に優れた半導体デバイスを提供できる効果がある。
【0106】
また、この発明によれば、上記半導体デバイスにおいて、上記III-V族混晶半導体層をTlGaAs層としたから、動作特性,及び信頼性に優れた半導体デバイスを提供できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態1に係る歪み量子井戸レーザの構造を示す断面図である。
【図2】 本発明の実施の形態2に係る歪み量子井戸レーザの構造を示す断面図である。
【図3】 本発明の実施の形態3に係るp−HEMTの構造を示す断面図である。
【図4】 本発明の実施の形態4に係るp−HEMTの構造を示す断面図である。
【図5】 本発明の実施の形態5に係るp−HEMTの構造を示す断面図である。
【図6】 本発明の実施の形態6に係るHBTの構造を示す断面図である。
【図7】 従来の歪み量子井戸レーザの構造を示す断面図である。
【図8】 従来のp−HEMTの構造を示す断面図である。
【図9】 従来のHBTの構造を示す断面図である。
【図10】 従来の半導体デバイスにおける疑似格子整合的に形成された半導体層の格子不整転位発生の臨界を示す図である。
【符号の説明】
1 n型GaAs基板、2 n型Al0.3 Ga0.7 As下側クラッド層、3 アンドープGaAs下側ガイド層兼障壁層、4 アンドープTl0.23Ga0.77As量子井戸層、4a アンドープTl0.115 Ga0.885 As量子井戸層、5 アンドープGaAs上側ガイド層兼障壁層、6 p型Al0.3 Ga0.7 As上側クラッド層、7 p型GaAsコンタクト層、8 絶縁膜、9 表面オーミック電極、10 裏面オーミック電極、11 半絶縁性GaAs基板、12 アンドープGaAsバッファ層、13 アンドープTl0.13Ga0.87As電子走行層、 13a アンドープTl0.2 Ga0.8 As電子走行層、13b アンドープTl0.13Ga0.87As電子走行層、14 アンドープAl0.25Ga0.75Asスペーサ層、15 n型Al0.25Ga0.75As電子供給層、16 n+ 型Tl0.4 Ga0.6 Asコンタクト層、16a n+ 型GaAsコンタクト層、17 ソース電極、18 ゲート電極、19 ドレイン電極、21 半絶縁性GaAs基板、22n+ 型GaAsコレクタコンタクト層、23 n型GaAs第1コレクタ層、24 n型Tlx Ga1-x As第2コレクタ層(x=0→0.2)、25 p型Tlx Ga1-x Asベース層(x=0.2→0)、26 n型Al0.3 Ga0.7 Asエミッタ層、27 n+ 型GaAsエミッタコンタクト層、28 エミッタ電極、29 ベース電極、30 コレクタ電極、31 アンドープIn0.26Ga0.74As電子走行層、41 アンドープIn0.23Ga0.77As量子井戸層、51p型Inx Ga1-x Asベース層(x=0.2→0)、61 n型In0.4 Ga0.6 Asコンタクト層、71 n型Inx Ga1-x As第2コレクタ層(x=0→0.2)。
Claims (5)
- 半絶縁性GaAs基板と、
該基板上に配置された第1導電型不純物を含む第1のコレクタ層と、
該第1のコレクタ層上に配置された、III 族元素としてTl及びGaを含み、V族元素としてAsを含むとともに、上記Tlの組成比が上記第1のコンタクト層から離れるにしたがって所定の値となるまで増加している、格子定数がGaAsより大きく、GaAsと疑似格子整合するIII-V族混晶半導体層からなる第1導電型不純物を含む第2のコレクタ層と、
該第2のコレクタ層上に配置された、III 族元素としてTl及びGaを含み、V族元素としてAsを含むとともに、上記Tlの組成比が上記第2のコンタクト層から離れるにしたがって上記所定の値から連続的に減少している、格子定数がGaAsより大きく、GaAsと疑似格子整合するIII-V族混晶半導体層からなる高濃度に第2導電型不純物を含むベース層と、
該ベース層上に配置された、第1導電型不純物を含むエミッタ層と、
上記第1のコレクタ層,ベース層,及びエミッタ層のそれぞれに取り付けられた、コレクタ電極、ベース電極、及びエミッタ電極とを備えたことを特徴とする半導体デバイス。 - 半絶縁性GaAs基板と、
該基板上に配置された、第1導電型不純物を含むエミッタ層と、
該エミッタ層上に配置された、III 族元素としてTl及びGaを含み、V族元素としてAsを含むとともに、上記Tlの組成比が上記エミッタ層から離れるにしたがって上記所定の値となるまで連続的に増加している、格子定数がGaAsより大きく、GaAsと疑似格子整合するIII-V族混晶半導体層からなる高濃度に第2導電型不純物を含むベース層と、
該ベース層上に配置された、III 族元素としてTl及びGaを含み、V族元素としてAsを含むとともに、上記Tlの組成比が上記ベース層から離れるにしたがって上記所定の値から減少している、格子定数がGaAsより大きく、GaAsと疑似格子整合するIII-V族混晶半導体層からなる第1導電型不純物を含む第2のコレクタ層と、
該第2のコレクタ層上に配置された第1導電型不純物を含む第1のコレクタ層と、
上記第1のコレクタ層,ベース層,及びエミッタ層のそれぞれに取り付けられた、コレクタ電極、ベース電極、及びエミッタ電極とを備えたことを特徴とする半導体デバイス。 - GaAs基板と、
該GaAs基板上に配置された、III 族元素としてTl及びGaを含み、V族元素としてAsを含む、格子定数がGaAsより大きいIII-V族混晶半導体層からなるコンタクト層と、
該コンタクト層上に配置されたオーミック電極とを備えたことを特徴とする半導体デバイス。 - 請求項1または請求項2のいずれかに記載の半導体デバイスにおいて、
上記III-V族混晶半導体層の厚さを、格子不整合による転位が発生する臨界膜厚以下の厚さとしたことを特徴とする半導体デバイス。 - 請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の半導体デバイスにおいて、
上記III-V族混晶半導体層をTlGaAs層としたことを特徴とする半導体デバイス。
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