JP4186306B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオードや半導体レーザ等の発光装置、およびトランジスタ等の窒素を含む半導体装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
GaN,InN,AlN等の窒素化合物(以下、窒化物と記す)半導体は、高密度光情報記録装置等に用いられる紫色半導体レーザ装置や、紫色、青色、緑色等の光を放射する可視光発光ダイオード材料として好適である。
【0003】
図13には従来の窒化物半導体を用いた発光素子(特開平9−153642号公報)を示し、これを参照して説明する。
【0004】
この従来の半導体装置は、サファイア基板1の上に多結晶またはアモルファスのGaNバッファ層2、n型(以降n−と記す)GaNクラッド層3、InGaN活性層4、p型(以降p−と記す)GaAlNクラッド層5、p−GaNコンタクト層6が順次積層されたものである。
【0005】
窒化物半導体では、InGaNはGaNよりもバンドギャップが小さく、AlGaNはGaNよりもバンドギャップが大きいため、発光素子はInGaNを活性層とし、AlGaNをクラッド層とする構成となっている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の半導体装置には、以下に示す2つの課題があった。
【0007】
すなわち、窒化物半導体の窒素の蒸気圧が高いため、窒化物半導体層を形成したときに窒素のベーカンシ(空孔、以下窒素ベーカンシという)が生じやすく、各成長層に1015cm-3程度の窒素ベーカンシが発生し、これが欠陥の種となって深い準位を作り発光を吸収し、半導体装置の発光効率が低下するという課題があった。
【0008】
また、InGaNの格子定数がGaNの格子定数より大きいため、InGaN活性層が歪みを受け、ピエゾ効果によりInGaN活性層内に内部電界を生じ、この内部電界により電子と正孔が互いに反対方向の力を受けて互いに活性層中の反対側に集中して分布し、その結果、活性層中での電子と正孔の結合確率が低下して半導体装置の発光効率を低下させる。そのために半導体装置の特性を悪化させ、動作電流を増大させ、かつ信頼性を悪化させるという課題があった。
【0009】
本発明は以上のような事情を鑑みてなされたものであり、窒化物半導体を用いる半導体装置において、その各層における窒素ベーカンシの個数を低減させ、かつ各層にかかる歪によるピエゾ効果を緩和して低動作電流で高信頼性を有する半導体装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、基板と、前記基板の上に形成された半導体層とを有し、前記半導体層はホウ素、アルミニウム、ガリウムおよびインジウムからなる群より選ばれた1つ以上の元素と、燐、砒素およびアンチモンからなる群より選ばれた1つ以上の元素と、窒素とからなる化合物よりなり、前記化合物中に含まれる燐、砒素およびアンチモンの原子数の総和が前記化合物中に含まれる窒素の原子数よりも小さいものである。
【0011】
この構成により、燐、砒素およびアンチモンは同一温度における平衡蒸気圧が窒素より低いので、半導体層を高温で成長させたとき半導体層中に発生する窒素ベーカンシを燐、砒素およびアンチモンのうちのいずれかによって埋めることができ、窒素ベーカンシのほとんどない半導体層を有する半導体装置が得られる。
【0012】
本発明の半導体装置は、かかる構成につき、前記化合物中に含まれる燐、砒素およびアンチモンの原子数の総和が前記化合物中に含まれる窒素の原子数の25%以下であるものである。
【0013】
この構成により、半導体層のバンドギャップの低下を抑えることができて半導体装置の発光効率を向上させることができる。
【0014】
本発明の半導体装置は、かかる構成につき、半導体層の上に形成された半導体素子を有するものである。
【0015】
この構成により、半導体素子が窒素ベーカンシのほとんどない半導体層の上に形成されているので、動作の安定した半導体装置が得られる。
【0016】
本発明の半導体装置は、基板と、前記基板の上に形成されたダブルヘテロ構造とを有し、前記ダブルヘテロ構造は前記基板側より形成された第1のクラッド層、活性層および第2のクラッド層を備え、かつ前記第1のクラッド層、前記活性層および前記第2のクラッド層のうちの少なくとも1層が、ホウ素、アルミニウム、ガリウムおよびインジウムからなる群より選ばれた1つ以上の元素と、燐、砒素およびアンチモンからなる群より選ばれた1つ以上の元素と、窒素とからなる化合物より形成され、かつ前記化合物中に含まれる燐、砒素およびアンチモンの原子数の総和が前記化合物中に含まれる窒素の原子数よりも小さいものである。
【0017】
この構成により、燐、砒素およびアンチモンは同一温度における平衡蒸気圧が窒素より低いので、半導体層を高温で成長させるとき、半導体層中に発生する窒素ベーカンシを燐、砒素またはアンチモンのいずれかによって埋めることができ、ダブルヘテロ構造のすべての層に用いるならば第1または第2のクラッド層中に深い準位をほとんど消滅させることができるとともに、活性層中に欠陥をほとんど発生させないので、高効率高信頼性の半導体装置が得られる。
【0018】
本発明の半導体装置は、かかる構成につき、前記化合物中に含まれる燐、砒素およびアンチモンの原子数の総和が前記化合物中に含まれる窒素の原子数の25%以下であるものである。
【0019】
この構成により、半導体層のバンドギャップの低下を抑えることができて半導体装置の発光効率を向上させることができる。
【0020】
本発明の半導体装置は、かかる構成につき、活性層が前記化合物より形成されたものである。
【0021】
この構成により、活性層中の窒素ベーカンシを燐、砒素およびアンチモンのいずれかによって埋めることができるので、活性層中に窒素ベーカンシをほとんど発生させないとともに活性層内部の電界を緩和して半導体装置の発光効率を向上させることができる。
【0022】
本発明の半導体装置は、かかる構成につき、第1のクラッド層が第1導電型のAlx1Ga1-x1N(0≦x1≦1)よりなり、前記活性層がAlaGabIncN1-zAszまたはAlaGabIncN1-zPz(0≦a、b、c≦1、0<z≦0.2、a+b+c=1)よりなる層を少なくとも1層含み、かつ前記第2のクラッド層が、前記第1導電型とは反対の導電型を有する第2導電型のAlx2Ga1-x2N(0≦x2≦1)よりなるものである。
【0023】
この構成により、活性層中の窒素ベーカンシを砒素または燐によって埋めることができるので、活性層中に窒素ベーカンシをほとんど発生させないとともに、砒素または燐は、窒素に比べて電気陰性度等の性質がAl、GaまたはInに近いので、活性層におけるピエゾ電界をほとんど生じさせることがなく、活性層内部の電界をいっそう緩和することができて半導体装置の発光効率を向上させることができる。
【0024】
本発明の半導体装置は、かかる構成につき、第1のクラッド層が第1導電型のAlx1Ga1-x1N(0≦x1≦1)よりなり、前記活性層がAlaGabIncN1-z1Asz1またはAlaGabIncN1-z1Pz1(0≦a、b、c≦1、0<z1≦0.2、a+b+c=1)よりなる層を少なくとも1層含み、前記第2のクラッド層が前記第1導電型とは反対の導電型を有する第2導電型のAlx2Ga1-x2N(0≦x2≦1)よりなるとともに、さらに前記第2のクラッド層の上に、前記活性層より放射される光のエネルギーよりも大きなバンドギャップを有し、かつ第1導電型または高抵抗のAlyGa1-yN1-z2Asz2またはAlyGa1-yN1-z2Pz2(0≦y≦1、0<z2≦0.2)よりなる電流ブロック層が形成され、前記電流ブロック層にはストライプ状の窓が形成され、前記ストライプ状の窓を含む前記電流ブロック層の上に第2導電型のAlx3Ga1-x3N(0≦x3≦1)よりなる第3のクラッド層が形成され、かつ0≦X1、X2、X3<yの関係が成立するものである。
【0025】
この構成により、活性層と電流ブロック層中の窒素ベーカンシを砒素または燐によって埋めることができるので、無効電流を低減し低動作電流、高効率の半導体装置が得られる。
【0026】
本発明の半導体装置は、かかる構成につき、前記ストライプ状の窓を含み、かつ前記活性層の主面に対して垂直な方向の実効屈折率をn1、前記ストライプ状の窓を含まずかつ前記活性層の主面に対して垂直な方向の実効屈折率をn2としたとき、n2<n1で、かつ3×10-3≦n1−n2≦8×10-3の関係が成立するものである。
【0027】
この構成により、5μm以下の非点隔差が得られるとともに高次モードをカットオフし、特に高出力動作時において、空間的ホールバーニングを抑制して安定な横モードを有する半導体装置が得られる。
【0028】
本発明の半導体装置は、かかる構成につき、第2導電型がp型であり、活性層と第2のクラッド層との間に第2のクラッド層よりバンドギャップの大きな障壁層が挿入されたものである。
【0029】
この構成により、第2のクラッド層よりバンドギャップの大きな障壁層を活性層と第2のクラッド層との間に設けているので、活性層から第2のクラッド層へのキャリアの拡散を抑制することができ、半導体装置の発光効率を増大させることができる。
【0030】
本発明の半導体装置は、かかる構成につき、障壁層がAla1Gab1Inc1N1-z1Asz1またはAla1Gab1Inc1N1-z1Pz1(0≦a1、b1、c1≦1、0<z1≦0.2、a1+b1+c1=1)よりなるものである。
【0031】
この構成により、障壁層中の窒素ベーカンシを砒素または燐によって埋めることができるので、さらに発光効率を向上させることができる。
【0032】
本発明の半導体装置は、かかる構成につき、第1導電型がp型であり、活性層と第1のクラッド層との間に第1のクラッド層よりバンドギャップの大きな障壁層が挿入されたものである。
【0033】
この構成により、第1のクラッド層よりバンドギャップの大きな障壁層を活性層と第1のクラッド層との間に設けているので、活性層から第1のクラッド層へのキャリアの拡散を抑制することができ、半導体装置の発光効率を増大させることができる。
【0034】
本発明の半導体装置は、かかる構成につき、障壁層がAla1Gab1Inc1N1-z1Asz1またはAla1Gab1Inc1N1-z1Pz1(0≦a1、b1、c1≦1、0<z1≦0.2、a1+b1+c1=1)よりなるものである。
【0035】
この構成により、障壁層中の窒素ベーカンシを砒素または燐によって埋めることができるので、さらに発光効率を向上させることができる。
【0036】
【発明の実施の形態】
(実施の形態1)
図1は、本発明の第1の実施の形態における半導体装置の断面図である。
【0037】
この構造は、サファイア等の基板7の上に砒素を含むGaN(以下GaN(As)と記す)よりなる半導体層8が形成され、この半導体層8の上に電解効果トランジスタやバイポーラトランジスタの能動素子またはコンデンサや抵抗等の受動素子の半導体素子(図示せず)が形成されたものである。ここで、半導体層8を形成する化合物に含まれる窒素および砒素の量について、窒素のほうが砒素よりも多くしてある。
【0038】
この構造により、砒素は同一温度における平衡蒸気圧が窒素より低いので、GaN(As)を高温で成長させたとき、半導体層8中に発生する窒素ベーカンシを砒素によって埋めることができ、窒素ベーカンシのほとんどない半導体層8を有する半導体装置が得られ、高温下において半導体装置の動作を安定にさせることができて半導体装置の信頼性を向上させることができる。
【0039】
なお、半導体層8に含まれる砒素の量は、窒素ベーカンシを埋める程度より少し多い程度であればよい。
【0040】
また、半導体層8に砒素を含む代わりに、燐またはアンチモンのいずれかを含めてもよいし、または燐、砒素およびアンチモンのうちの2つ以上の元素を半導体層8に含ませても同様の効果が得られる。
【0041】
さらに、半導体層8にホウ素、アルミニウム、ガリウムおよびインジウムのうちのいずれか1つ以上の元素を含んでも同様の効果が得られる。
【0042】
(実施の形態2)
図2は、本発明の第2の実施の形態における半導体レーザ装置の断面図である。
【0043】
この構造は、サファイア基板9の上にGaN(As)のバッファ層10とn−GaN(As)のコンタクト層11が形成され、その上にSiドープのn−Ga0.9Al0.1N(As)の第1のクラッド層12、アンドープのIn0.2Ga0.8N(As)/In0.01Ga0.99N(As)の量子井戸構造の活性層13およびMgドープのp−Ga0.9Al0.1N(As)の第2のクラッド層14が積層され、その上にMgドープのp−GaN(As)のコンタクト層15が形成されたものである。ここで、バッファ層10、コンタクト層11、n型の第1のクラッド層12、活性層13、p型の第2のクラッド層14およびコンタクト層15を形成する化合物に含まれる窒素および砒素の量について、窒素のほうが砒素よりも多くしてある。
【0044】
この構造により、n型の第1のクラッド層12、活性層13、p型の第2のクラッド層14およびコンタクト層15に砒素が含まれており、砒素は同一温度における平衡蒸気圧が窒素より低いので、これら半導体層中に存在する窒素ベーカンシを砒素によって埋めることができ、n型の第1のクラッド層12およびp型の第2のクラッド層14における深い準位をほとんど消滅させることができるとともに、窒素ベーカンシのほとんどない活性層13を有する半導体レーザ装置が得られ、高効率かつ高信頼性の半導体装置を得ることができる。
【0045】
なお、バッファ層10、コンタクト層11、n型の第1のクラッド層12、活性層13、p型の第2のクラッド層14およびコンタクト層15のうちの少なくとも1層に砒素を含む代わりに、燐またはアンチモンのいずれかを含めてもよいし、または燐、砒素およびアンチモンのうちの2つ以上の元素を含ませても同様の効果が得られる。
【0046】
また、バッファ層10、コンタクト層11、n型の第1のクラッド層12、活性層13、p型の第2のクラッド層14およびコンタクト層15のうちの少なくとも1層にホウ素、アルミニウム、ガリウムおよびインジウムのうちのいずれか1つ以上の元素を含んでも同様の効果が得られる。
【0047】
次に、この半導体レーザ装置の製造方法を、図3を用いて説明する。まず、サファイア基板9の上に有機金属化学気相成長(MOCVD)法により、成長用原料として、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム、アンモニア、アルシン(AsH3)を用いてn−GaN(As)のバッファ層10を製造する(図3(a))。
【0048】
次に、コンタクト層11としてn−GaN(As)を1000℃の結晶成長温度(以下成長温度という)にて1μmの厚さに結晶成長させる。この際の砒素の添加量は、成長温度が1000℃における窒素ベーカンシが約1015cm-3であるので、約1015cm-3程度にすればよい(図3(b))。
【0049】
その後、1000℃の成長温度でSiドープn−Ga0.9Al0.1N(As)の第1のクラッド層12を0.5μmの厚さに成長させ、次に成長温度を800℃に下げて活性層13となるアンドープのIn0.2Ga0.8N(As)/In0.01Ga0.99N(As)の量子井戸構造の活性層13(各層の厚さを5nmとして、3重量子井戸構造とする)を成長させ、再び成長温度を1000℃に上げて、Mgドープp−Ga0.9Al0.1N(As)の第2のクラッド層14を0.5μmの厚さに成長させる。
【0050】
最後にMgドープのp−GaN(As)コンタクト層15を0.1μmの厚さに成長させることにより半導体レーザ装置が完成する(図3(c))。
【0051】
なお、GaNについて、成長温度600℃、800℃および1000℃のとき窒素ベーカンシの密度はそれぞれ約1019cm-3、約1017cm-3および約1015cm-3であるので、それらの値に対応する量の砒素を添加すれば窒素ベーカンシを埋めることができる。
【0052】
上記第1および第2の実施の形態において、半導体装置または半導体レーザ装置に窒素ベーカンシのほとんどないGaN(As)よりなる層を用いることにより高効率かつ高信頼性の半導体装置または半導体レーザ装置を得ることができることを説明した。この窒素ベーカンシのほとんどないGaN(As)よりなる層は、トランジスタを構成する層として用いることが可能であり、そのような場合、高周波領域におけるトランジスタの特性を向上させることができて高効率かつ高信頼性のトランジスタを得ることができる。
【0053】
(実施の形態3)
図4は、本発明の第3の実施の形態における青色発光ダイオード装置の断面図である。
【0054】
この構造は、n−GaN基板16の上に厚さ1μmのn−GaN層17、厚さ0.5μmのn−Al0.1Ga0.9Nよりなる第1のクラッド層18、厚さ10nmのアンドープAl0.01Ga0.89In0.1N1-zAsz(0<z≦0.2)よりなる活性層19、厚さ0.5μmのp−Al0.1Ga0.9Nよりなる第2のクラッド層20、厚さ0.1μmのp−GaNよりなるコンタクト層21が形成されたものである。
【0055】
この構造により、活性層19中の窒素ベーカンシを砒素によって埋めることができるので、活性層19中に窒素ベーカンシをほとんど発生させないとともに活性層19内部の電界を緩和して青色発光ダイオード装置の発光効率を向上させることができる。特に砒素は、窒素に比べて電気陰性度等の性質がAl、GaまたはInに近いので、活性層19におけるピエゾ電界をほとんど生じさせることがなく、青色発光ダイオード装置の発光効率を向上させることができる。さらに活性層19に窒素および砒素のうち、砒素の占める割合は窒素の占める割合の25%以下であるので、活性層19のバンドギャップの低下を抑えることができて青色発光ダイオード装置の発光効率を向上させることができる。
【0056】
この青色発光ダイオード装置の製造方法として、第2の実施の形態と同様のMOCVD法を用いる。なお、n−GaN層17はn−GaN基板16の上に結晶性のよい活性層19を形成するために導入されたものであり、また、コンタクト層21は、p型側の電極のコンタクト抵抗を低減するために導入されたものである。
【0057】
活性層19におけるAsの組成比zと青色発光ダイオード装置の発光効率との関係を図5に示す。なお、z=0のときの発光効率の値を1とし、このz=0は従来の青色発光ダイオード装置の場合を表す。
【0058】
図5によると、0<z≦0.2の範囲で従来よりも発光効率が向上したことがわかる。より詳しくは、0<z≦0.001において発光効率が上昇しているのは、AsがNのベーカンシに導入されることにより、発光を吸収する準位が減少するためであると考えられる。z=0.001付近で発光効率の向上が一旦飽和する。それより高い領域で再び発光効率が向上しているが、これはAsの導入によりピエゾ効果が緩和されるためであると考えられる。この理由は、AsはNに比べて電気陰性度等の性質がAlやGaやInに近いので、ピエゾ電界がほとんど生じないためである。なお、0.1<zの領域では青色発光ダイオード装置の発光効率が減少し、さらに0.2<zの領域では発光効率が従来以下となることがわかった。これは、活性層19のバンドギャップが0.1<z、特に0.2<zの領域で急激に小さくなり、金属的な性質を示すためであると考えられる。
【0059】
(実施の形態4)
本発明の第4の実施の形態における青色発光ダイオード装置は、前記第3の実施の形態における半導体装置の活性層19を、厚さ10nmのAl0.01Ga0.89In0.1N1-zPz(0<z≦0.2)層でおきかえたものである。また、成長用原料にはアルシンに代えてホスフィン(PH3)を用いた。
【0060】
この構造により、活性層19中の窒素ベーカンシを燐によって埋めることができるので、活性層19中に窒素ベーカンシをほとんど発生させないとともに活性層19内部の電界を緩和して青色発光ダイオード装置の発光効率を向上させることができる。特に燐は、窒素に比べて電気陰性度等の性質がAl、GaまたはInに近いので、活性層19におけるピエゾ電界をほとんど生じさせることがなく、青色発光ダイオード装置の発光効率を向上させることができる。さらに活性層19に窒素および燐のうち、燐の占める割合は窒素の占める割合の25%以下であるので、活性層19のバンドギャップの低下を抑えることができて青色発光ダイオード装置の発光効率を向上させることができる。
【0061】
活性層19におけるP組成比zと青色発光ダイオード装置の発光効率との関係は、図5とほぼ同様な結果になり、燐を用いた場合でも発光効率の向上が図れることがわかった。なお、0.1<zの領域では青色発光ダイオード装置の発光効率が減少し、さらに0.2<zの領域では発光効率が従来以下となることがわかった。これは、活性層19のバンドギャップが0.1<z、特に0.2<zの領域で急激に小さくなり、金属的な性質を示すためであると考えられる。なお、砒素や燐の代わりにアンチモンを用いても図5とほぼ同様の結果となった。
【0062】
(実施の形態5)
図6は、本発明の第5の実施の形態に係る半導体レーザ装置の断面図である。
【0063】
この構造は、n−GaN基板16上に、厚さ1μmのn−GaN層17、厚さ0.5μmのn−Al0.1Ga0.9Nよりなる第1のクラッド層22、活性層23、厚さ0.2μmのp−Al0.1Ga0.9Nよりなる第2のクラッド層24が形成され、第2のクラッド層24の上に厚さ0.5μmのn−Al0.2Ga0.8N0.99As0.01よりなる電流ブロック層25が形成され、電流ブロック層25にはストライプ状の窓26が形成され、電流ブロック層25の上に窓26を埋めるように最小の厚さ0.7μmのp−Al0.1Ga0.9Nよりなる第3のクラッド層27が形成され、さらにその上に厚さ0.1μmのp−GaNよりなるコンタクト層21が形成されたものである。活性層23は、厚さ5nmのAl0.01Ga0.97In0.02N0.99As0.01よりなる障壁層と厚さ3nmのAl0.01Ga0.89In0.1N0.99As0.01よりなる井戸層により構成された3重量子井戸層である。ストライプ状の窓26は電流狭窄のために設けられており、その幅wは3μmである。また、共振器の長さは1mmで、基板を劈開することにより共振器を形成している。
【0064】
この構造により、活性層23と電流ブロック層25中の窒素ベーカンシを砒素によって埋めることができるので、半導体レーザ装置の無効電流を低減し、低動作電流、高効率の半導体レーザ装置が得られる。
【0065】
この第5の実施の形態における半導体レーザ装置について、窓26を含む活性層23の主面に対し垂直方向の実効屈折率をn1、窓26を含まない活性層23の主面に対し垂直方向の実効屈折率をn2としたとき、n1−n2=Δnの値は、Δn=5.75×10-3であった。
【0066】
この第5の実施の形態に係る本発明の半導体レーザ装置の電流−光出力特性と従来の半導体レーザの電流−光出力特性とを比較した結果を図7に示す。図7において、曲線Aが本発明の半導体レーザ装置の電流−光出力特性を、曲線Bが従来の半導体レーザ装置の電流−光出力特性をそれぞれ表す。ここで、従来の半導体レーザ装置は、活性層23および電流ブロック層25に砒素を含まないものである。すなわち活性層23は、厚さ5nmのAl0.01Ga0.97In0.02Nよりなる障壁層と厚さ3nmのAl0.01Ga0.89In0.1Nよりなる井戸層により構成された3重量子井戸層であり、電流ブロック層25はn−Al0.2Ga0.8Nよりなるものである。
【0067】
図7より、本発明の半導体レーザ装置は従来の半導体レーザ装置よりも閾値電流が小さく、かつ量子効率がよいことがわかる。これは、次の3つの理由からであると考えられる。
【0068】
すなわち、第2のクラッド層24および第3のクラッド層27よりもAl組成比の大きい、すなわちバンドギャップの大きい電流ブロック層25を設けたことにより、電流ブロック層25において光がほとんど吸収されず、かつ無効電流が小さくなったためであると考えられる。特に、電流ブロック層25に砒素が導入されているので、電流ブロック層25中に窒素ベーカンシがほとんど存在せず、電流ブロック層25において光がいっそう吸収されなくなったことも考えられる。
【0069】
また、本発明の半導体レーザ装置は活性層23に砒素が導入されたことにより、活性層23中に窒素ベーカンシがほとんど存在しないとともに活性層23内部の電界を緩和して半導体レーザ装置の発光効率が向上し、従来の半導体レーザ装置よりも動作電流が低減したためであると考えられる。
【0070】
本発明の半導体レーザ装置のビーム形状を測定したところ、単峰性のビーム形状が得られた。これは、第2のクラッド層24および第3のクラッド層27よりもバンドギャップの大きい電流ブロック層25を設け、n2<n1とすることにより窓26の部分における光閉じ込めの効果が向上したものと考えられる。
【0071】
なお、電流ブロック層25のAl組成比を第3のクラッド層27のAl組成比より高く設定するのがよい。電流ブロック層25のAl組成比が第3のクラッド層27のAl組成比と同様または低い場合は、電流注入時のプラズマ効果によりn1の値が低下してアンチガイド型の導波機構となり、単一横モード特性が得られなくなることがある。
【0072】
この第5の実施の形態に係る本発明の半導体レーザ装置に関する非点隔差と光出力との関係を図8に示す。
【0073】
図8より、1mW以上の光出力で1μm以下の非点隔差が得られており、光ディスクシステムの光源として必要な基本特性を備えた半導体レーザ装置が実現されていることがわかった。
【0074】
この第5の実施の形態に係る本発明の半導体レーザ装置に関するΔnと非点隔差との関係を図9に示す。なお、Δnの調整は、電流ブロック層25のAl組成比、第2のクラッド層24のAl組成比および膜厚、第3のクラッド層27のAl組成比を変更するだけで、活性層23その他の構成は上記と全く同じ構成にして実現することができる。
【0075】
図9によれば、Δn<3×10-3になると非点隔差が5μmより大きくなることから、光ディスクシステムの光源として必要な5μm以下の非点隔差を実現するためには、Δnを3×10-3以上とすればよいことがわかった。
【0076】
第2のクラッド層24の層厚をパラメータとして窓26の幅を変化させたときの閾値電流の変化を図10に示す。ここで、窓26の幅とは、図6に示した窓26における最小の幅wのことをいう。また、図10において、第2のクラッド層24の層厚が0.1μm、0.15μm、0.2μmおよび0.25μmのときの曲線をそれぞれC、D、EおよびFと表す。
【0077】
図10より、閾値電流が最小となるような窓26の幅は、第2のクラッド層24の層厚が0.1〜0.25μmの範囲では1.5〜2.3μmであることがわかった。なお、第2のクラッド層24の膜厚をあまり大きくすると無効電流が増加し、閾値電流および動作電流の増大を招くので、第2のクラッド層24の膜厚として0.2μm以下であればよい。
【0078】
なお、この第5の実施の形態において、Δn≦8×10-3であればよい。そのようにすれば、高次モードをカットオフし、特に高出力動作時において、空間的ホールバーニングを抑制して安定な横モード特性を有する半導体レーザ装置を得ることができる。
【0079】
また、Δnの調整を、電流ブロック層25のAl組成比、第2のクラッド層24のAl組成比、第3のクラッド層27のAl組成比等を変化させることによって行っても同様の効果が得られる。
【0080】
さらに、ストライプ領域の電流ブロック層25の形状は、窓26に対して対称であればよい。電流ブロック層25の形状が窓26に対して対称であれば安定な横モード特性を得ることができる。
【0081】
なお、この第5の実施の形態においては3重量子井戸層を用いたが、3重量子井戸層に代えて単一量子井戸層、2重量子井戸層、4重以上の量子井戸層またはバルク活性層を用いても同様の効果が得られる。
【0082】
なお、この第5の実施の形態において、電流ブロック層25として発振波長の光のエネルギーより大きなバンドギャップを有する半導体を用い、かつ3×10-3≦Δn≦8×10-3であれば、第1のクラッド層22、第2のクラッド層24、第3のクラッド層27または電流ブロック層25にはGaNやAlN等、AlやGaの一方しか含まない半導体を用いてもよい。
【0083】
なお、この第5の実施の形態において、電流ブロック層25として発振波長の光のエネルギーより大きなバンドギャップを有する半導体を用い、かつ3×10-3≦Δn≦8×10-3であれば、第1のクラッド層22、第2のクラッド層24、第3のクラッド層または電流ブロック層25を多層構造にしてもよい。例えば、第1のクラッド層22がn−GaN基板16側から厚さ0.5μmのn−Al0.1Ga0.9N層と厚さ60nmのn−GaN層とを順次積層して形成され、第2のクラッド層24がn−GaN基板16側から厚さ60nmのp−GaN層と厚さ0.13μmのp−Al0.1Ga0.9N層とを順次積層して形成されることで、分離光閉じ込め構造とし、活性層23に垂直な方向の光閉じ込め率を向上させることができる。
【0084】
なお、この第5の実施の形態において、量子井戸層のすべてに砒素を添加しているが、少なくとも1層に砒素を添加すれば、半導体レーザ装置の特性を改善することができる。ただし、望ましくは量子井戸層の少なくとも障壁層のすべてに砒素を添加するのがよく、さらに望ましくは、量子井戸層のすべてに砒素を添加するのがよい。
【0085】
なお、この第5の実施の形態において、活性層23にAl、Ga、Inのいずれか1つまたは2つを含まない混晶、例えばGa0.9In0.1N0.99As0.01やGaN0.99As0.01を用いてもよく、Al、Ga、Inの組成比を制御して、GaN基板と格子定数を一致させてもよい。
【0086】
なお、この第5の実施の形態において、砒素の代わりに燐またはアンチモンを用いてもよいし、砒素、燐およびアンチモンのうちいずれか2つ以上を用いてもよい。
【0087】
なお、この第5の実施の形態において、導電型をすべて反転させてもよい。
【0088】
なお、電流ブロック層25として高抵抗の半導体層、例えばアンドープAl0.2Ga0.8Nよりなる層を用いてもよい。
【0089】
(実施の形態6)
図11は、本発明の第6の実施の形態における青色発光ダイオード装置の断面図である。
【0090】
この構造は、n−GaN基板16の上に厚さ1μmのn−GaN層17、厚さ0.5μmのn−Al0.1Ga0.9Nよりなる第1のクラッド層22、厚さ10nmのアンドープAl0.01Ga0.89In0.1N0.99As0.01よりなる活性層28、厚さ10nmのアンドープAl0.2Ga0.79In0.01N0.99As0.01よりなる障壁層29、厚さ0.5μmのp−Al0.1Ga0.9Nよりなる第2のクラッド層30、厚さ0.1μmのp−GaNよりなるコンタクト層21が順次形成されたものである(以下この青色発光ダイオード装置をサンプルAという)。
【0091】
この構造により、活性層28と第2のクラッド層30との間に活性層28よりバンドギャップの大きな障壁層29を用いているので、活性層28から第2のクラッド層30へのキャリアの拡散を抑制することができ、青色発光ダイオード装置の発光効率を向上させることができる。特に障壁層29としてAl0.2Ga0.79In0.01N0.99As0.01を用いているので、青色発光ダイオード装置の発光効率をより向上させることができる。
【0092】
図12は、サンプルA、障壁層29のAl0.2Ga0.79In0.01N0.99As0.01に代えて厚さ10nmのAl0.2Ga0.79In0.01Nを用いた場合(サンプルB)および障壁層29がない場合(サンプルC)の、青色発光ダイオード装置の発光効率を比較した図である。なお、図12中の白丸は、それぞれのサンプルに対する発光効率の測定結果を表す。
【0093】
図12より、活性層28の第2のクラッド層30側に、第2のクラッド層30よりバンドギャップの大きな障壁層29を用いることにより発光効率が増大し、Asを含むAl0.2Ga0.79In0.01N0.99As0.01層とすることによりさらに発光効率が増大することがわかった。
【0094】
なお、この第6の実施の形態において、障壁層29に含まれる砒素に代えて燐またはアンチモンを用いてもよい。また、砒素、燐およびアンチモンのうちからいずれか2つ以上を用いてもよい。
【0095】
また、この第6の実施の形態において、障壁層29として、p型の導電性を有する層、例えばp−Al0.2Ga0.79In0.01N0.99As0.01よりなる層を用いても同様の効果が得られる。
【0096】
さらに、この第6の実施の形態において、導電性が基板を含めて逆にしたような場合、すなわちp−GaN基板の上に順次形成された厚さ0.5μmのp−Al0.1Ga0.9Nよりなる第1のクラッド層および厚さ10nmのアンドープAl0.01Ga0.89In0.1N0.99As0.01よりなる活性層の間に、厚さ10nmのアンドープAl0.01Ga0.89In0.1N0.99As0.01よりなる障壁層を挿入したような場合においても同様の効果が得られる。また、以上に示した障壁層は図6に示した第5の実施の形態においても利用できる。
【0097】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体装置は、半導体層としてホウ素、アルミニウム、ガリウムおよびインジウムからなる群より選ばれた1つ以上の元素と、燐、砒素およびアンチモンからなる群より選ばれた1つ以上の元素と、窒素とからなり、かつ燐、砒素およびアンチモンの原子数の総和を窒素の原子数よりも小さくした化合物を用いることにより、半導体層中の窒素ベーカンシをほとんどなくすことができて信頼性の向上が可能となったものになる。
【0098】
また、本発明の半導体装置は、ダブルヘテロ構造を構成する活性層として、ホウ素、アルミニウム、ガリウムおよびインジウムからなる群より選ばれた1つ以上の元素と、燐、砒素およびアンチモンからなる群より選ばれた1つ以上の元素と、窒素とからなり、かつ燐、砒素およびアンチモンの原子数の総和を窒素の原子数よりも小さくした化合物を用いることにより、活性層中の窒素ベーカンシを減少させると同時に活性層中のピエゾ効果を緩和させることができ、発光効率等の特性を向上させることができて信頼性の向上が可能となったものになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態における半導体装置の断面図
【図2】同第2の実施の形態における半導体レーザ装置の断面図
【図3】同第2の実施の形態における半導体レーザ装置の製造工程を示す断面図
【図4】同第3の実施の形態における青色発光ダイオード装置の断面図
【図5】同青色発光ダイオード装置に関する、活性層における砒素の組成比zと発光効率との関係を示す図
【図6】同第5の実施の形態における半導体レーザ装置の断面図
【図7】同第5の実施の形態における半導体レーザ装置および従来の半導体レーザ装置の電流−光出力特性を比較して示した図
【図8】同第5の実施の形態における半導体レーザ装置の光出力と非点隔差との関係を示した図
【図9】同第5の実施の形態における半導体レーザ装置に関するΔnと非点隔差との関係を示した図
【図10】同第5の実施の形態における半導体レーザ装置に関する第2のクラッド層の膜厚をパラメータにしてストライプ領域の窓の幅を変化させたときの閾値電流の変化を示す図
【図11】同第6の実施の形態における発光ダイオードの断面図
【図12】同第6の実施の形態における青色発光ダイオード装置に関する障壁層の条件による発光効率の違いを比較して示した図
【図13】従来の半導体装置の断面図
【符号の説明】
7 基板
8 半導体層
9 サファイア基板
10 バッファ層
11、15、21 コンタクト層
12、18、22 第1のクラッド層
13、19、23、28 活性層
14、20、24、30 第2のクラッド層
16 n−GaN基板
17 n−GaN層
25 電流ブロック層
26 窓
27 第3のクラッド層
29 障壁層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a light emitting device such as a light emitting diode or a semiconductor laser, and a semiconductor device containing nitrogen such as a transistor.
[0002]
[Prior art]
Nitrogen compounds (hereinafter referred to as nitride) semiconductors such as GaN, InN, and AlN are violet semiconductor laser devices used in high-density optical information recording devices and the like, and visible light emission that emits light such as purple, blue, and green Suitable as a diode material.
[0003]
FIG. 13 shows a conventional light emitting device using a nitride semiconductor (Japanese Patent Laid-Open No. 9-153642), which will be described with reference to FIG.
[0004]
This conventional semiconductor device includes a polycrystalline or amorphous
[0005]
In a nitride semiconductor, InGaN has a smaller band gap than GaN, and AlGaN has a larger band gap than GaN. Therefore, the light emitting element has a configuration in which InGaN is an active layer and AlGaN is a cladding layer.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Such a conventional semiconductor device has the following two problems.
[0007]
That is, since the vapor pressure of nitrogen in the nitride semiconductor is high, nitrogen vacancy (vacancies, hereinafter referred to as nitrogen vacancy) is likely to occur when the nitride semiconductor layer is formed. 15 cm -3 There was a problem that a certain amount of nitrogen bakery was generated, which became a seed of defects and formed a deep level to absorb light emission, thereby reducing the light emission efficiency of the semiconductor device.
[0008]
In addition, since the lattice constant of InGaN is larger than the lattice constant of GaN, the InGaN active layer is distorted, and an internal electric field is generated in the InGaN active layer due to the piezo effect. As a result, they are concentrated and distributed on the opposite sides in the active layer, and as a result, the probability of bonding of electrons and holes in the active layer is lowered and the luminous efficiency of the semiconductor device is lowered. Therefore, there are problems that the characteristics of the semiconductor device are deteriorated, the operating current is increased, and the reliability is deteriorated.
[0009]
The present invention has been made in view of the circumstances as described above. In a semiconductor device using a nitride semiconductor, the number of nitrogen vacancy in each layer is reduced, and the piezoelectric effect due to strain applied to each layer is reduced to reduce the piezo effect. It is an object to provide a semiconductor device having high reliability with an operating current.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The semiconductor device of the present invention includes a substrate and a semiconductor layer formed on the substrate, and the semiconductor layer includes one or more elements selected from the group consisting of boron, aluminum, gallium, and indium; It consists of a compound consisting of one or more elements selected from the group consisting of phosphorus, arsenic and antimony and nitrogen, and the total number of atoms of phosphorus, arsenic and antimony contained in the compound is contained in the compound It is smaller than the number of nitrogen atoms.
[0011]
With this configuration, phosphorus, arsenic, and antimony have an equilibrium vapor pressure at the same temperature lower than that of nitrogen. Thus, a semiconductor device having a semiconductor layer that can be filled with nitrogen and has almost no nitrogen vacancy is obtained.
[0012]
In the semiconductor device of the present invention, the total number of atoms of phosphorus, arsenic and antimony contained in the compound is 25% or less of the number of nitrogen atoms contained in the compound.
[0013]
With this configuration, it is possible to suppress a decrease in the band gap of the semiconductor layer and improve the light emission efficiency of the semiconductor device.
[0014]
The semiconductor device of the present invention has a semiconductor element formed on a semiconductor layer with such a configuration.
[0015]
With this configuration, since the semiconductor element is formed on the semiconductor layer having almost no nitrogen vacancy, a semiconductor device with stable operation can be obtained.
[0016]
The semiconductor device of the present invention has a substrate and a double heterostructure formed on the substrate, and the double heterostructure includes a first cladding layer, an active layer, and a second layer formed from the substrate side. One or more elements selected from the group consisting of boron, aluminum, gallium, and indium, wherein the cladding layer includes at least one of the first cladding layer, the active layer, and the second cladding layer. And the total number of atoms of phosphorus, arsenic and antimony contained in the compound and one or more elements selected from the group consisting of phosphorus, arsenic and antimony, and nitrogen. It is smaller than the number of nitrogen atoms contained therein.
[0017]
With this configuration, phosphorus, arsenic and antimony have an equilibrium vapor pressure lower than that of nitrogen at the same temperature. Therefore, when a semiconductor layer is grown at a high temperature, nitrogen vacancy generated in the semiconductor layer is filled with either phosphorus, arsenic or antimony. If it is used for all the layers of the double hetero structure, it is possible to eliminate the deep level in the first or second cladding layer and to generate almost no defects in the active layer. A highly reliable semiconductor device can be obtained.
[0018]
In the semiconductor device of the present invention, the total number of atoms of phosphorus, arsenic and antimony contained in the compound is 25% or less of the number of nitrogen atoms contained in the compound.
[0019]
With this configuration, a reduction in the band gap of the semiconductor layer can be suppressed, and the light emission efficiency of the semiconductor device can be improved.
[0020]
In the semiconductor device of the present invention, an active layer is formed of the above compound with respect to such a configuration.
[0021]
With this configuration, the nitrogen vacancy in the active layer can be filled with either phosphorous, arsenic, or antimony, so that almost no nitrogen vacancy is generated in the active layer and the electric field in the active layer is relaxed to emit light from the semiconductor device. Efficiency can be improved.
[0022]
In the semiconductor device of the present invention, the first clad layer is Al of the first conductivity type. x1 Ga 1-x1 N (0 ≦ x1 ≦ 1), and the active layer is made of Al a Ga b In c N 1-z As z Or Al a Ga b In c N 1-z P z (0 ≦ a, b, c ≦ 1, 0 <z ≦ 0.2, a + b + c = 1) at least one layer, and the second cladding layer is opposite to the first conductivity type Second conductivity type Al having conductivity type x2 Ga 1-x2 N (0 ≦ x2 ≦ 1).
[0023]
With this configuration, the nitrogen vacancy in the active layer can be filled with arsenic or phosphorus, so that almost no nitrogen vacancy is generated in the active layer, and arsenic or phosphorus has properties such as electronegativity compared to nitrogen. Since it is close to Ga or In, almost no piezo electric field is generated in the active layer, the electric field inside the active layer can be further relaxed, and the light emission efficiency of the semiconductor device can be improved.
[0024]
In the semiconductor device of the present invention, the first clad layer is Al of the first conductivity type. x1 Ga 1-x1 N (0 ≦ x1 ≦ 1), and the active layer is made of Al a Ga b In c N 1-z1 As z1 Or Al a Ga b In c N 1-z1 P z1 (0 ≦ a, b, c ≦ 1, 0 <z1 ≦ 0.2, a + b + c = 1) including at least one layer, and the second cladding layer has a conductivity type opposite to the first conductivity type Al of the second conductivity type having x2 Ga 1-x2 N (0 ≦ x2 ≦ 1), and has a band gap larger than the energy of light emitted from the active layer on the second cladding layer, and has a first conductivity type or a high resistance. Al y Ga 1-y N 1-z2 As z2 Or Al y Ga 1-y N 1-z2 P z2 (0 ≦ y ≦ 1, 0 <z2 ≦ 0.2) is formed, a stripe-shaped window is formed in the current block layer, and the current block layer includes the stripe-shaped window. On top of the second conductivity type Al x3 Ga 1-x3 A third cladding layer made of N (0 ≦ x3 ≦ 1) is formed, and a relationship of 0 ≦ X1, X2, X3 <y is established.
[0025]
With this configuration, the nitrogen vacancy in the active layer and the current blocking layer can be filled with arsenic or phosphorus, so that the reactive current is reduced and a low operating current and high efficiency semiconductor device can be obtained.
[0026]
The semiconductor device according to the present invention includes the stripe-shaped window and has an effective refractive index n1 in a direction perpendicular to the main surface of the active layer, does not include the stripe-shaped window, and the active When the effective refractive index in the direction perpendicular to the main surface of the layer is n2, n2 <n1 and 3 × 10 -3 ≦ n1-n2 ≦ 8 × 10 -3 The relationship is established.
[0027]
With this configuration, an astigmatic difference of 5 μm or less is obtained, and a higher-order mode is cut off. In particular, during high-power operation, a semiconductor device having a stable lateral mode can be obtained by suppressing spatial hole burning.
[0028]
In the semiconductor device of the present invention, the second conductivity type is p-type and a barrier layer having a larger band gap than the second cladding layer is inserted between the active layer and the second cladding layer. It is.
[0029]
With this configuration, since a barrier layer having a larger band gap than the second cladding layer is provided between the active layer and the second cladding layer, carrier diffusion from the active layer to the second cladding layer is suppressed. And the light emission efficiency of the semiconductor device can be increased.
[0030]
In the semiconductor device of the present invention, the barrier layer is made of Al in such a configuration. a1 Ga b1 In c1 N 1-z1 As z1 Or Al a1 Ga b1 In c1 N 1-z1 P z1 (0 ≦ a1, b1, c1 ≦ 1, 0 <z1 ≦ 0.2, a1 + b1 + c1 = 1).
[0031]
With this configuration, the nitrogen vacancy in the barrier layer can be filled with arsenic or phosphorus, so that the light emission efficiency can be further improved.
[0032]
In the semiconductor device of the present invention, the first conductivity type is p-type and a barrier layer having a larger band gap than the first cladding layer is inserted between the active layer and the first cladding layer. It is.
[0033]
With this configuration, since a barrier layer having a larger band gap than the first cladding layer is provided between the active layer and the first cladding layer, carrier diffusion from the active layer to the first cladding layer is suppressed. And the light emission efficiency of the semiconductor device can be increased.
[0034]
In the semiconductor device of the present invention, the barrier layer is made of Al in such a configuration. a1 Ga b1 In c1 N 1-z1 As z1 Or Al a1 Ga b1 In c1 N 1-z1 P z1 (0 ≦ a1, b1, c1 ≦ 1, 0 <z1 ≦ 0.2, a1 + b1 + c1 = 1).
[0035]
With this configuration, the nitrogen vacancy in the barrier layer can be filled with arsenic or phosphorus, so that the light emission efficiency can be further improved.
[0036]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
[0037]
In this structure, a
[0038]
With this structure, since the equilibrium vapor pressure at the same temperature is lower than that of nitrogen, arsenic can fill nitrogen vacancy generated in the
[0039]
It should be noted that the amount of arsenic contained in the
[0040]
Further, instead of containing arsenic in the
[0041]
Furthermore, the same effect can be obtained even if the
[0042]
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a cross-sectional view of a semiconductor laser device according to the second embodiment of the present invention.
[0043]
In this structure, a GaN (As)
[0044]
With this structure, the n-type
[0045]
Instead of containing arsenic in at least one of the
[0046]
Further, at least one of the
[0047]
Next, a method for manufacturing this semiconductor laser device will be described with reference to FIG. First, trimethylgallium, trimethylaluminum, trimethylindium, ammonia, arsine (AsH) are grown on the
[0048]
Next, n-GaN (As) is grown as a
[0049]
Thereafter, Si-doped n-Ga at a growth temperature of 1000 ° C. 0.9 Al 0.1 An N (As)
[0050]
Finally, the semiconductor laser device is completed by growing the Mg-doped p-GaN (As)
[0051]
For GaN, when the growth temperature is 600 ° C., 800 ° C., and 1000 ° C., the density of nitrogen bakery is about 10 respectively. 19 cm -3 , About 10 17 cm -3 And about 10 15 cm -3 Therefore, nitrogen bakery can be filled by adding arsenic in an amount corresponding to these values.
[0052]
In the first and second embodiments, a highly efficient and highly reliable semiconductor device or semiconductor laser device is obtained by using a layer made of GaN (As) having almost no nitrogen vacancy in the semiconductor device or semiconductor laser device. Explained that you can. This layer made of GaN (As) having almost no nitrogen vacancy can be used as a layer constituting a transistor. In such a case, the characteristics of the transistor in a high frequency region can be improved, and the efficiency is high. A reliable transistor can be obtained.
[0053]
(Embodiment 3)
FIG. 4 is a cross-sectional view of a blue light-emitting diode device according to the third embodiment of the present invention.
[0054]
In this structure, an n-
[0055]
With this structure, the nitrogen vacancy in the
[0056]
As a manufacturing method of this blue light emitting diode device, the MOCVD method similar to that of the second embodiment is used. The n-
[0057]
FIG. 5 shows the relationship between the composition ratio z of As in the
[0058]
According to FIG. 5, it can be seen that the luminous efficiency is improved over the conventional range in the range of 0 <z ≦ 0.2. More specifically, the reason why the light emission efficiency is increased in the case of 0 <z ≦ 0.001 is considered to be that the level of absorbing light emission is reduced by introducing As into the N vacancy. In the vicinity of z = 0.001, the improvement in luminous efficiency is once saturated. The luminous efficiency is improved again in a higher region, which is considered to be because the piezo effect is alleviated by the introduction of As. This is because As has properties such as electronegativity close to that of Al, Ga, and In as compared with N, so that a piezo electric field hardly occurs. It has been found that the light emission efficiency of the blue light emitting diode device decreases in the region of 0.1 <z, and the light emission efficiency becomes lower than the conventional one in the region of 0.2 <z. This is presumably because the band gap of the
[0059]
(Embodiment 4)
The blue light-emitting diode device according to the fourth embodiment of the present invention has an
[0060]
With this structure, the nitrogen vacancy in the
[0061]
The relationship between the P composition ratio z in the
[0062]
(Embodiment 5)
FIG. 6 is a cross-sectional view of a semiconductor laser device according to the fifth embodiment of the present invention.
[0063]
In this structure, an n-
[0064]
With this structure, the nitrogen vacancy in the
[0065]
In the semiconductor laser device according to the fifth embodiment, the effective refractive index in the direction perpendicular to the main surface of the
[0066]
FIG. 7 shows the result of comparison between the current-light output characteristics of the semiconductor laser device of the present invention according to the fifth embodiment and the current-light output characteristics of the conventional semiconductor laser. In FIG. 7, curve A represents the current-light output characteristic of the semiconductor laser device of the present invention, and curve B represents the current-light output characteristic of the conventional semiconductor laser device. Here, in the conventional semiconductor laser device, the
[0067]
FIG. 7 shows that the semiconductor laser device of the present invention has a smaller threshold current and better quantum efficiency than the conventional semiconductor laser device. This is considered to be due to the following three reasons.
[0068]
That is, by providing the
[0069]
Further, in the semiconductor laser device of the present invention, since arsenic is introduced into the
[0070]
When the beam shape of the semiconductor laser device of the present invention was measured, a unimodal beam shape was obtained. This is because the
[0071]
The Al composition ratio of the
[0072]
FIG. 8 shows the relationship between the astigmatic difference and the optical output regarding the semiconductor laser device of the present invention according to the fifth embodiment.
[0073]
From FIG. 8, it was found that an astigmatic difference of 1 μm or less was obtained with an optical output of 1 mW or more, and a semiconductor laser device having basic characteristics necessary as a light source for an optical disk system was realized.
[0074]
FIG. 9 shows the relationship between Δn and astigmatic difference regarding the semiconductor laser device of the present invention according to the fifth embodiment. In order to adjust Δn, only the Al composition ratio of the
[0075]
According to FIG. 9, Δn <3 × 10 -3 Since the astigmatic difference becomes larger than 5 μm, Δn is set to 3 × 10 in order to realize the astigmatic difference of 5 μm or less necessary as a light source of the optical disk system. -3 I understood that it should be the above.
[0076]
FIG. 10 shows changes in the threshold current when the width of the
[0077]
10 that the width of the
[0078]
In the fifth embodiment, Δn ≦ 8 × 10 -3 If it is. By doing so, it is possible to obtain a semiconductor laser device having a stable transverse mode characteristic by cutting off the higher-order mode and suppressing spatial hole burning particularly during high-power operation.
[0079]
The same effect can be obtained by adjusting Δn by changing the Al composition ratio of the
[0080]
Further, the shape of the
[0081]
Although the triple quantum well layer is used in the fifth embodiment, a single quantum well layer, a double quantum well layer, a quadruple or more quantum well layer or a bulk is used instead of the triple quantum well layer. The same effect can be obtained even when an active layer is used.
[0082]
In the fifth embodiment, a semiconductor having a band gap larger than the energy of light having an oscillation wavelength is used as the
[0083]
In the fifth embodiment, a semiconductor having a band gap larger than the energy of light having an oscillation wavelength is used as the
[0084]
In this fifth embodiment, arsenic is added to all of the quantum well layers. However, if arsenic is added to at least one layer, the characteristics of the semiconductor laser device can be improved. However, arsenic is preferably added to at least all of the barrier layers of the quantum well layer, and more preferably arsenic is added to all of the quantum well layers.
[0085]
In the fifth embodiment, the
[0086]
In the fifth embodiment, phosphorus or antimony may be used instead of arsenic, or any two or more of arsenic, phosphorus and antimony may be used.
[0087]
In the fifth embodiment, all the conductivity types may be reversed.
[0088]
As the
[0089]
(Embodiment 6)
FIG. 11 is a cross-sectional view of a blue light emitting diode device according to a sixth embodiment of the present invention.
[0090]
In this structure, an n-
[0091]
With this structure, a barrier layer 29 having a larger band gap than the
[0092]
FIG. 12 shows sample A, Al of the barrier layer 29 0.2 Ga 0.79 In 0.01 N 0.99 As 0.01 Instead of 10 nm thick Al 0.2 Ga 0.79 In 0.01 It is the figure which compared the luminous efficiency of the blue light emitting diode device when N is used (sample B) and when there is no barrier layer 29 (sample C). In addition, the white circle in FIG. 12 represents the measurement result of the luminous efficiency with respect to each sample.
[0093]
From FIG. 12, the luminous efficiency is increased by using a barrier layer 29 having a larger band gap than the
[0094]
In the sixth embodiment, phosphorus or antimony may be used in place of arsenic contained in the barrier layer 29. Further, any two or more of arsenic, phosphorus and antimony may be used.
[0095]
In the sixth embodiment, the barrier layer 29 is a p-type conductive layer such as p-Al. 0.2 Ga 0.79 In 0.01 N 0.99 As 0.01 The same effect can be obtained even if a layer made of the same is used.
[0096]
Further, in the sixth embodiment, when the conductivity is reversed including the substrate, that is, 0.5 μm thick p-Al formed sequentially on the p-GaN substrate. 0.1 Ga 0.9 First cladding layer made of N and 10 nm thick undoped Al 0.01 Ga 0.89 In 0.1 N 0.99 As 0.01 10 nm thick undoped Al between active layers made of 0.01 Ga 0.89 In 0.1 N 0.99 As 0.01 The same effect can be obtained even in the case where a barrier layer is inserted. The barrier layer described above can also be used in the fifth embodiment shown in FIG.
[0097]
【The invention's effect】
As described above, the semiconductor device of the present invention has one or more elements selected from the group consisting of boron, aluminum, gallium and indium as the semiconductor layer, and 1 selected from the group consisting of phosphorus, arsenic and antimony. By using a compound consisting of two or more elements and nitrogen, and having the total number of atoms of phosphorus, arsenic and antimony smaller than the number of atoms of nitrogen, nitrogen vacancy in the semiconductor layer can be almost eliminated. Reliability can be improved.
[0098]
The semiconductor device of the present invention is selected from the group consisting of one or more elements selected from the group consisting of boron, aluminum, gallium and indium, and the group consisting of phosphorus, arsenic and antimony as the active layer constituting the double heterostructure. Reducing the nitrogen vacancy in the active layer by using a compound comprising one or more elements selected from the group consisting of nitrogen and the total number of atoms of phosphorus, arsenic and antimony being smaller than the number of nitrogen atoms At the same time, the piezo effect in the active layer can be relaxed, the characteristics such as light emission efficiency can be improved, and the reliability can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view of the semiconductor laser device according to the second embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the semiconductor laser device according to the second embodiment.
FIG. 4 is a sectional view of a blue light emitting diode device according to the third embodiment;
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the arsenic composition ratio z in the active layer and the light emission efficiency for the blue light emitting diode device;
FIG. 6 is a sectional view of the semiconductor laser device according to the fifth embodiment.
FIG. 7 is a diagram showing a comparison of current-light output characteristics of the semiconductor laser device according to the fifth embodiment and a conventional semiconductor laser device.
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the optical output of the semiconductor laser device and the astigmatic difference in the fifth embodiment
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between Δn and astigmatism regarding the semiconductor laser device according to the fifth embodiment;
FIG. 10 is a diagram showing a change in threshold current when the width of the stripe region window is changed using the thickness of the second cladding layer as a parameter for the semiconductor laser device according to the fifth embodiment;
FIG. 11 is a sectional view of a light emitting diode according to the sixth embodiment.
FIG. 12 is a diagram showing a comparison of light emission efficiency depending on the conditions of a barrier layer in the blue light emitting diode device according to the sixth embodiment.
FIG. 13 is a sectional view of a conventional semiconductor device.
[Explanation of symbols]
7 Substrate
8 Semiconductor layer
9 Sapphire substrate
10 Buffer layer
11, 15, 21 Contact layer
12, 18, 22 First cladding layer
13, 19, 23, 28 Active layer
14, 20, 24, 30 Second clad layer
16 n-GaN substrate
17 n-GaN layer
25 Current blocking layer
26 windows
27 Third cladding layer
29 Barrier layer
Claims (4)
前記第1のクラッド層が第1導電型のAlx1Ga1-x1N(0≦x1≦1)よりなり、前記活性層がAlaGabIncN1-z1Asz1またはAlaGabIncN1-z1Pz1(0≦a、b、c≦1、0<z1≦0.2、a+b+c=1)よりなる層を少なくとも1層含み、前記第2のクラッド層が前記第1導電型とは反対の導電型を有する第2導電型のAlx2Ga1-x2N(0≦x2≦1)よりなるとともに、さらに前記第2のクラッド層の上に、前記活性層より放射される光のエネルギーよりも大きなバンドギャップを有し、かつ第1導電型または高抵抗のAlyGa1-yN1-z2Asz2またはAlyGa1-yN1-z2Pz2(0≦y≦1、0<z2≦0.2)よりなる電流ブロック層が形成され、前記電流ブロック層にはストライプ状の窓が形成され、前記ストライプ状の窓を含む前記電流ブロック層の上に第2導電型のAlx3Ga1-x3N(0≦x3≦1)よりなる第3のクラッド層が形成され、かつ0≦X1、X2、X3<yの関係が成立することを特徴とする半導体装置。A double heterostructure formed on the substrate, the double heterostructure comprising a first clad layer, an active layer and a second clad layer formed from the substrate side; and One or more elements selected from the group consisting of boron, aluminum, gallium, and indium, and at least one of the first cladding layer, the active layer, and the second cladding layer; and phosphorus, arsenic, and antimony A nitrogen atom which is formed from a compound consisting of one or more elements selected from the group consisting of and nitrogen, and the total number of atoms of phosphorus, arsenic and antimony contained in the compound is contained in the compound A semiconductor device characterized by being smaller than a number,
Wherein the first clad layer made of a first conductivity type Al x1 Ga 1-x1 N ( 0 ≦ x1 ≦ 1), the active layer is Al a Ga b In c N 1 -z1 As z1 or Al a Ga b At least one layer of In c N 1-z1 P z1 (0 ≦ a, b, c ≦ 1, 0 <z1 ≦ 0.2, a + b + c = 1), and the second cladding layer is the first cladding layer. It is made of Al x2 Ga 1-x2 N (0 ≦ x2 ≦ 1) of the second conductivity type having a conductivity type opposite to that of the conductivity type, and is further emitted from the active layer on the second cladding layer. Al y Ga 1 -y N 1 -z 2 As z2 or Al y Ga 1 -y N 1 -z2 P z2 (0 ≦≦ 1 ) having a band gap larger than the energy of light and having the first conductivity type or high resistance. y ≦ 1, 0 <z2 ≦ 0.2), and a stripe-shaped window is formed in the current blocking layer. , The third cladding layer of the second conductivity type Al x3 Ga 1-x3 N ( 0 ≦ x3 ≦ 1) is formed on the current blocking layer including a stripe-shaped window, and 0 ≦ X1, A semiconductor device characterized in that a relationship of X2, X3 <y is established.
とを特徴とする半導体装置であって、
前記第1のクラッド層が第1導電型のAl x1 Ga 1-x1 N(0≦x1≦1)よりなり、前記活性層がAl a Ga b In c N 1-z As z またはAl a Ga b In c N 1-z P z (0≦a、b、c≦1、0<z≦0.2、a+b+c=1)よりなる層を少なくとも1層含み、かつ前記第2のクラッド層が、前記第1導電型とは反対の導電型を有する第2導電型のAl x2 Ga 1-x2 N(0≦x2≦1)よりなり、
前記第2導電型がp型であり、前記活性層と前記第2のクラッド層との間に前記第2のクラッド層よりバンドギャップの大きな障壁層が挿入され、
前記障壁層がAla1Gab1Inc1N1-z1Asz1またはAla1Gab1Inc1N1-z1Pz1(0≦a1、b1、c1≦1、0<z1≦0.2、a1+b1+c1=1)よりなることを特徴とする半導体装置。 A double heterostructure formed on the substrate, the double heterostructure comprising a first clad layer, an active layer and a second clad layer formed from the substrate side; and One or more elements selected from the group consisting of boron, aluminum, gallium, and indium, and at least one of the first cladding layer, the active layer, and the second cladding layer; and phosphorus, arsenic, and antimony A nitrogen atom which is formed from a compound consisting of one or more elements selected from the group consisting of and nitrogen, and the total number of atoms of phosphorus, arsenic and antimony contained in the compound is contained in the compound Smaller than number
A semiconductor device characterized by:
Wherein the first clad layer made of a first conductivity type Al x1 Ga 1-x1 N ( 0 ≦ x1 ≦ 1), the active layer is Al a Ga b In c N 1 -z As z , or Al a Ga b Including at least one layer of In c N 1-z P z (0 ≦ a, b, c ≦ 1, 0 <z ≦ 0.2, a + b + c = 1), and the second cladding layer includes A second conductivity type Al x2 Ga 1-x2 N (0 ≦ x2 ≦ 1) having a conductivity type opposite to the first conductivity type ,
The second conductivity type is p-type, and a barrier layer having a larger band gap than the second cladding layer is inserted between the active layer and the second cladding layer;
The barrier layer is Al a1 Ga b1 In c1 N 1 -z1 As z1 or Al a1 Ga b1 In c1 N 1 -z1 P z1 (0 ≦ a1, b1, c1 ≦ 1, 0 <z1 ≦ 0.2, a1 + b1 + c1 = A semiconductor device comprising 1).
前記第1のクラッド層が第1導電型のAl x1 Ga 1-x1 N(0≦x1≦1)よりなり、前記活性層がAl a Ga b In c N 1-z As z またはAl a Ga b In c N 1-z P z (0≦a、b、c≦1、0<z≦0.2、a+b+c=1)よりなる層を少なくとも1層含み、かつ前記第2のクラッド層が、前記第1導電型とは反対の導電型を有する第2導電型のAl x2 Ga 1-x2 N(0≦x2≦1)よりなり、
前記第1導電型がp型であり、前記活性層と前記第1のクラッド層との間に前記第1のクラッド層よりバンドギャップの大きな障壁層が挿入され、
前記障壁層がAla1Gab1Inc1N1-z1Asz1またはAla1Gab1Inc1N1-z1Pz1(0≦a1、b1、c1≦1、0<z1≦0.2、a1+b1+c1=1)よりなることを特徴とする半導体装置。 A double heterostructure formed on the substrate, the double heterostructure comprising a first clad layer, an active layer and a second clad layer formed from the substrate side; and One or more elements selected from the group consisting of boron, aluminum, gallium, and indium, and at least one of the first cladding layer, the active layer, and the second cladding layer; and phosphorus, arsenic, and antimony A nitrogen atom which is formed from a compound consisting of one or more elements selected from the group consisting of and nitrogen, and the total number of atoms of phosphorus, arsenic and antimony contained in the compound is contained in the compound A semiconductor device characterized by being smaller than a number,
Wherein the first clad layer made of a first conductivity type Al x1 Ga 1-x1 N ( 0 ≦ x1 ≦ 1), the active layer is Al a Ga b In c N 1 -z As z , or Al a Ga b Including at least one layer of In c N 1-z P z (0 ≦ a, b, c ≦ 1, 0 <z ≦ 0.2, a + b + c = 1), and the second cladding layer includes A second conductivity type Al x2 Ga 1-x2 N (0 ≦ x2 ≦ 1) having a conductivity type opposite to the first conductivity type ,
The first conductivity type is p-type, and a barrier layer having a larger band gap than the first cladding layer is inserted between the active layer and the first cladding layer;
The barrier layer is Al a1 Ga b1 In c1 N 1 -z1 As z1 or Al a1 Ga b1 In c1 N 1 -z1 P z1 (0 ≦ a1, b1, c1 ≦ 1, 0 <z1 ≦ 0.2, a1 + b1 + c1 = A semiconductor device comprising 1).
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