JPH07170026A - Ｉｉ−ｖｉ族化合物半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体装置におけるｐ側
電極部のコンタクト抵抗、格子整合、動作電圧の改善を
はかる。 【構成】 ｐ側電極部を金属電極をオーミックコンタク
トしにくいｐ型の第１の半導体層１１と、これの上に形
成される金属電極をオーミックコンタクトできるｐ型の
第２の半導体層１２と、第１および第２の半導体層１１
および１２間に介在される超格子構造部１３とを有する
構成とし、この超格子構造部１３を少なくとも価電子帯
に量子井戸を形成する第１の半導体薄層１３１と伝導帯
に量子井戸を形成する第２の半導体薄層１３２の各１層
以上の超格子層によって構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＩＩ−ＶＩ族化合物半
導体装置、例えばＩＩ−ＶＩ族化合物半導体発光素子に
係わる。

【０００２】

【従来の技術】レーザ光によって記録あるいは再生、も
しくはその双方を行う例えば光磁気記録において、記録
密度の向上からその光源のレーザとして、短波長例えば
青色半導体レーザを用いることの要求が高まっており、
この種の半導体レーザとしてＩＩ−ＶＩ族のＺｎ_A Ｍｇ
_1-A Ｓ_B Ｓｅ_1-B 系の半導体レーザが注目されている。

【０００３】このＺｎＭｇＳＳｅ系ＩＩ−ＶＩ族半導体
レーザは、一般にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に例えばＧ
ａＡｓ，ＩｎＰ等の基板上にＩＩ−ＶＩ族の各半導体層
をエピタキシーする構成が採られる。この場合、ｐ型基
板上にｐ型のＩＩ−ＶＩ族のエピタキシャル層すなわち
クラッド層をエピタキシーして目的とする半導体レーザ
を構成すると、基板とエピタキシャル層との間に正孔に
対するバリアが発生して動作電圧を高めることから、こ
の種のＩＩ−ＶＩ族半導体レーザにおいては、ｎ型基板
上にＩＩ−ＶＩ族化合物半導体層をエピタキシーして形
成するという構成が採られる。

【０００４】したがってこの構成による場合、エピタキ
シーされたＩＩ−ＶＩ族化合物半導体層の上層すなわち
いわゆるキャップ層側に電極を設けてｐ側電極部を構成
することになる。

【０００５】そして、このｐ側電極部においても、その
コンタクト抵抗はできるだけ小さくすることが望まれ
る。これは、この電極部においてのコンタクト抵抗が大
となると、発熱によってレーザの寿命を低下させると
か、動作電圧を高める等の問題を来すことによる。

【０００６】このＩＩ−ＶＩ族化合物半導体のＺｎＭｇ
ＳＳｅ系半導体レーザは、例えば図９に示すように、ｎ
型ＧａＡｓ基板１の１の面上に順次ｎ型のＺｎＳｅバッ
ファ層２、ｎ型のＺｎＭｇＳＳｅによる第１のクラッド
層３、ＺｎＳＳｅによる第１のガイド層４、ＺｎＣｄＳ
ｅ活性層５、ＺｎＳＳｅによる第２のガイド層６、ｐ型
のＺｎＭｇＳＳｅによる第２のクラッド層７と、更に或
る場合はこれの上にバッファ効果およびクラッド効果を
有するｐ型のＺｎＳＳｅによる中間層８が形成されたＩ
Ｉ−ＶＩ族化合物半導体素子部２３を有して成る。そし
てこれの上にキャップ層としてのｐ型のＳを含むか含ま
ないＺｎＳｅ（以下Ｚｎ（Ｓ）Ｓｅと記す）による第１
の半導体層１１と、ｐ型のＺｎＴｅ層による第２の半導
体層１２いわば電極コンタクト層とが順次エピタキシー
され、この第２の半導体層１２上にＰｄ，Ｐｔ，Ａｕが
順次被着形成された多層構造によるｐ側の金属電極９が
オーミックにコンタクトされてなるｐ側電極部１４が構
成される。また、基板１の他の面には、例えばＩｎによ
る電極１０がオーミックにコンタクトされる。

【０００７】ところで、この種のＩＩ−ＶＩ族化合物半
導体装置において、上述したようにｐ側電極部１４にお
いてキャップ層すなわち第１の半導体層１１上に直接的
に金属電極９を被着することなく第２の半導体層１２を
設けるのは、Ｚｎ_A Ｍｇ_1-AＳ_B Ｓｅ_1-B 系において、
Ａ＝１，Ｂ≦１のＺｎ（Ｓ）Ｓｅによる第１の半導体層
１１に対して充分高濃度にｐ型不純物をドープすること
ができず、またこれに対して低抵抗接触をもってオーミ
ックにコンタクトできる電極金属材が現存していないこ
とから、これの上に上述の例えばＡｕ／Ｐｔ／Ｐｄの金
属電極９を充分低抵抗をもってオーミックコンタクトで
きるＺｎＴｅ層を第２の半導体層１２として設けるとい
う構成を採るものである。

【０００８】そこで、上述したように、ｐ側電極部１４
において、ＺｎＳｅ層による第１の半導体層１１（キャ
ップ層）上にＺｎＴｅ層による第２の半導体層（電極コ
ンタクト層）を設けるが、この場合、ｐ型のＺｎＳｅに
よる第１の半導体層１１と、ｐ型のＺｎＴｅによる第２
の半導体層１２との界面における価電子帯の不連続によ
るポテンシャル障壁の発生に基く空乏層の発生が問題と
なり、動作電圧の低減化を充分はかることができないと
いう問題がある。

【０００９】そこで本出願人による特願平４−１８５８
２１号出願の「発光素子」に提案の発明においては、そ
の第１および第２の半導体層１１および１２、すなわち
ＺｎＳｅ層とＺｎＴｅ層との界面における空乏層の広が
りを実質的に減少させるために、ｐ型のＺｎＳｅ層とｐ
型のＺｎＴｅ層との間にｐ型のＺｎＳｅによる半導体薄
膜層とｐ型のＺｎＴｅ薄膜層とによる超格子層を介在さ
せる構成を採っている。

【００１０】この場合、そのＺｎＳｅと、ＺｎＴｅの各
エネルギーバンドモデルは、図１０に各伝導帯の底Ｅｃ
と価電子帯の頂上Ｅｖを示し、図１１にこれらによる超
格子構造のバンドモデルを示すように、超格子構造によ
る量子井戸の形成によって図１１に矢印ａをもって示す
正孔ｈのトンネルの確率を高め、エネルギーバンド的に
ポテンシャル障壁の改善をはかり、空乏層の幅の実質的
減少をはかることができるという効果を有するものの、
実際上この構成によっても必ずしも充分な動作電圧の低
減化がはかられていない。

【００１１】また、この場合構造的にＺｎＴｅ( 格子定
数6.101 Å) とＺｎＳｅ( 格子定数5.667 Å) との格子
不整合性が７％も存在することから、両者間に両者の超
格子層を介在させても、素子の動作時の昇温、外部から
の熱衝撃等によって転位などの格子欠陥の発生を必ずし
も完全に回避できないという問題がある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述したＩ
Ｉ−ＶＩ族化合物半導体装置における電極部特にｐ側電
極部におけるコンタクト抵抗の問題、格子整合の問題、
動作電圧の問題をすべて改善することのできるＩＩ−Ｖ
Ｉ族化合物半導体装置を提供するものである。

【００１３】すなわち、本発明者等は、上述したように
ｐ側電極部１４において第１および第２の半導体層１１
および１２間に、これら半導体薄層による超格子構造を
介在させる場合、ポテンシャル障壁の改善をはかること
ができて、ある程度の動作電圧の低減化をはかることが
できるものの、これだけでは充分ではないことについて
の研究、考察、実験を行った結果、図１１に示すバンド
モデルにおいて、第１の半導体層ＺｎＴｅ側からの矢印
ａで示す上述した正孔ｈのトンネルによる電流のほか
に、同図中矢印ｂで示すように、電子ｅが価電子帯から
直接伝導帯に突き抜けることによって発生する正孔が寄
与するもであることを究明するに至り、、これによって
動作電圧の改善を充分はかることのできるＩＩ−ＶＩ族
化合物半導体装置、例えば半導体レーザを構成できるに
至った。

【００１４】更に、この場合、同時にその材料の選定に
よって格子整合の問題を同時に改善できる構成を見い出
すに至り、これによって上述した各課題の改善をはかる
ことのできるＩＩ−ＶＩ族半導体装置を構成できるに至
った。

【００１５】

【課題を解決するための手段】第１の本発明は、図１に
その一例の概略断面図を示すように、ＩＩ−ＶＩ族化合
物半導体素子部２３に対するｐ側電極部１４が、金属電
極９をオーミックコンタクトしにくいｐ型の第１の半導
体層１１と、これの上に形成される金属電極９をオーミ
ックコンタクトできるｐ型の第２の半導体層１２と、第
１および第２の半導体層１１および１２間に介在される
超格子構造部１３とを有する構成とする。

【００１６】この超格子構造部１３は、図２にその一例
の概略断面図を示すように、少なくとも価電子帯に量子
井戸を形成する第１の半導体薄層１３１と伝導帯に量子
井戸を形成する第２の半導体薄層１３２の各１層以上、
例えば各複数層が交互に積層された超格子層によって構
成される。

【００１７】第２の本発明は、超格子構造部１３を、図
３にその一例の概略断面図を示し、図４にその一例の相
互のエネルギーバンドを相対的に比較して示し、図５に
そのバイアス印加状態での超格子構造部のバンドモデル
図を示すように、第１の半導体薄層１３１と第２の半導
体薄層１３２との間に、これら第１および第２の半導体
薄層１３１および１３２とを分離する第３の半導体薄層
１３３を介在させた構成とする。

【００１８】第３の本発明は、第２の半導体層１２と超
格子構造部１３の第１の半導体薄層１３１をＺｎＴｅに
よって構成し、第２の半導体薄層１３２をＺｎ_1-X Ｃｄ
_X Ｓｅ（０＜ｘ≦１）によって構成する。

【００１９】第４の本発明は、第３の半導体薄層１３３
をＺｎＳ_1-y Ｓｅ_y （０＜ｙ≦１）によって構成する。

【００２０】第５の本発明は、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導
体素子を半導体発光素子例えば発光ダイオードあるいは
半導体レーザとして構成する。

【００２１】第６の本発明は、超格子構造部１３の第２
の半導体薄層１３２のＺｎ_1-X Ｃｄ _X Ｓｅのｘ値を、第
２の半導体層１２側に向かって大とする。

【００２２】第７の本発明は、図６にその一例の概略断
面図を示すように、超格子構造部１３の第１の半導体薄
層１３１のＺｎＴｅ層の膜厚を第２の半導体層１１側に
向かって大とする。

【００２３】

【作用】本発明によれば、金属電極９をオーミックコン
タクトしにくいｐ型の第１の半導体層１１と、これの上
に形成される金属電極９をオーミックコンタクトできる
ｐ型の第２の半導体層１２との間に、少なくとも価電子
帯に量子井戸を形成する第１の半導体薄層１３１と伝導
帯に量子井戸を形成する第２の半導体薄層１３２の各１
層以上、例えば各複数層が交互に積層された超格子構造
部１３を介在させたことにより、図５のバンドモデル図
に示すように、第１の半導体薄層１３１による価電子帯
の頂上に形成される量子井戸と、第２の半導体薄層１３
２による伝導帯の底に形成される量子井戸を通じて矢印
ｂで示す価電子帯から伝導帯への電子ｅのトンネルの確
率が増大することと、図５の矢印ａで示す超格子構造に
よる量子井戸による正孔ｈのトンネルの確率が高められ
ることとが相俟って電流の増大化をはかることができ、
ひいては動作電圧の低下をはかることができる。

【００２４】また、第２の本発明によれば、超格子構造
部１３を構成する第１および第２の各半導体薄層１３１
および１３２の間にこれらを分離する第３の半導体薄層
１３３を介存させるもので、この構成によれば、第１お
よび第２の各半導体薄層１３１および１３２の例えばエ
ピタキシャル成長時における各構成材料の相互の混入に
よる各量子井戸のだれを回避できて各薄膜層１３１およ
び１３２による量子井戸の設定を確実にできて、これに
より上述した正孔および電子のトンネル確率を確実に高
めることができる。

【００２５】また、第３の本発明の構成では、第２の半
導体層１２と、超格子構造部１３の第１の半導体薄層１
３１を同一の材料ＺｎＴｅによって構成するものである
が、これは第２の半導体層１２が本来金属電極９と良好
にオーミックコンタクトできる材料、すなわちその価電
子帯の頂上のエネルギーが少なくとも第１の半導体層１
１のそれより高いものであって、それ故この第２の半導
体層１２と同一材料をもって超格子構造部１３の第１の
半導体薄層１３１を構成することができるものであるこ
とによる。そしてこのように第２の半導体層１２と同一
材料によって、超格子構造部１３の第１の半導体薄層１
３１を構成することによって、第１の半導体層１１と第
２の半導体層１２の格子不整合性を効果的に緩和するこ
とができる。

【００２６】すなわち、図７に代表的なＩＩ−ＶＩ族混
晶のバンド・ギャップ・エネルギー（ｅＶ）と、格子定
数とを示すように、ＩＩ族元素としてＣｄを含むＣｄＳ
ｅは、やＺｎＳｅに比し、その格子定数が高められるも
のであることからわかるように、Ｚｎ_1-X Ｃｄ_X Ｓｅに
おいて、そのＣｄ量すなわちｘ値を選定することによっ
てその格子定数をＺｎＳｅに近い値からＺｎＴｅの格子
定数に近づけることができるので、ＺｎＳｅ層とＺｎＴ
ｅ層との間にＺｎＴｅとＺｎＣｄＳｅとの超格子構造を
介在させることによって冒頭に述べたＺｎＳｅ層とＺｎ
Ｔｅ層との超格子構造を介在させる場合に比し、より効
果的にＺｎＳｅ層とＺｎＴｅ層との格子不整合を緩和で
きることがわかる。図７において各破線は、基板として
良く用いられるＩｎＰ，ＧａＡｓ，ＧａＰの各格子定数
を示したものである。

【００２７】そして、第６の本発明では、その超格子構
造部１３の第１の半導体薄層Ｚｎ_{1- X} Ｃｄ_X Ｓｅのｘ値
が第２半導体層ＺｎＴｅ層１２側に向かって大にすなわ
ちＣｄの組成を大とする構成とするものであるが、この
構成によって格子定数の大きいＺｎＴｅ側に向かってＺ
ｎＣｄＳｅ障壁層１３２の格子定数を漸次大にすること
ができるので、より第１の半導体層１１のＺｎＳｅ層と
第２の半導体層１２のＺｎＴｅ層との格子不整合の緩和
がはかられる。

【００２８】また、第７の本発明では、超格子構造部１
３において、その第１の半導体薄層１３１のＺｎＴｅ層
の膜厚を第２の半導体層１２のＺｎＴｅ層側に向かって
大となる構成とするものであり、このようにして価電子
帯の各量子井戸における量子準位を第２の半導体層１２
の価電子帯のエネルギーレベルにほぼ一致させることが
できる。そして、この場合においてもＺｎ_1-X Ｃｄ_X Ｓ
ｅにおいて、ｘ値を小とするものは、ＺｎＳｅに良く整
合させることができるので、ｘ値の選定によって、超格
子層１３においてＺｎＳｅ層１１とＺｎＴｅ層１２との
格子不整合の緩和を効果的にはかることができる。

【００２９】

【実施例】本発明の一実施例を図１を参照して説明す
る。この例においては、半導体発光素子、例えば半導体
レーザに適用した場合で、この場合、例えばＳｉドープ
のｎ型の単結晶ＧａＡｓよりなる基板１を用意する。こ
の基板１の１主面上に必要に応じてｎ型の例えばＺｎＳ
ｅによるバッファ層２をエピタキシーし、続いて順次Ｃ
ｌドープのｎ型のＺｎＭｇＳＳｅ：Ｃｌによる第１のク
ラッド層３、ＺｎＳ_0.06Ｓｅ_0.94による第１のガイド層
４、Ｚｎ_0.85Ｃｄ_0.15Ｓｅによる活性層５、ＺｎＳ_0.06
Ｓｅ_0.94による第２のガイド層６、窒素Ｎドープのｐ型
のＺｎＭｇＳＳｅ：Ｎによる第２のクラッド層７、更に
必要に応じてバッファ効果とクラッド効果とを有するＺ
ｎＳＳｅ：Ｎのｐ型中間層８をエピタキシーして半導体
素子部２３、この例では半導体レーザ部を形成する。

【００３０】続いてこの半導体素子部２３上にｐ側電極
部１４を構成する。このｐ側電極部１４は、中間層８上
に続いて窒素Ｎドープのｐ型のＺｎＳｅ：Ｎによる第１
の半導体層１１すなわちキャップ層、超格子構造部１３
と、窒素Ｎドープのｐ型のＺｎＴｅ層による第２の半導
体層１２すなわち電極コンタクト層とを順次エピタキシ
ーし、この第２の半導体層１２上に、例えば下からＰ
ｄ，Ｐｔ，Ａｕが積層される多層構造による金属電極９
をオーミックにコンタクトすることによって形成する。

【００３１】基板１の他方の主面には、Ｉｎによる他方
の電極１０をオーミックにコンタクトする。

【００３２】超格子構造部１３は、図２に示すように、
少なくとも価電子帯に量子井戸を形成する第１の半導体
１３１と伝導帯に量子井戸を形成する第２の半導体薄膜
１３２とによって構成する。

【００３３】このｐ側電極部１４を構成する各第１の半
導体層１１、超格子構造部１３の各半導体薄層１３１，
１３２、更にこれの上に形成する第２の半導体層１２
は、半導体素子部２３を構成する各半導体層例えば図１
における半導体層２，３，４，５，６，７，のＭＢＥ，
ＭＯＣＶＤ等によるエピタキシーに続いて連続エピタキ
シーによって形成できる。

【００３４】ここに、第１の半導体層１１は、超格子構
造部１３の結晶に転位等の結晶欠陥を含むことのないよ
うな厚さの０．１μｍ〜２μｍ，望ましくは０．３μｍ
〜１．０μｍに選定する。

【００３５】また、第２の半導体層１２は、これの上に
形成する金属電極９が、この層１２を透過拡散すること
を回避できる程度に厚く、また結晶性が低下するおそれ
が生じない程度の厚さの１０ｎｍ〜５００ｎｍ望ましく
は５０ｎｍ〜２００ｎｍの厚さに形成する。

【００３６】超格子構造部１３の第１の半導体薄膜１３
１は、第２の半導体層１２と同一の材料ＺｎＴｅによっ
て構成し、第２の半導体薄膜１３２は、Ｚｎ_1-X Ｃｄ_X
Ｓｅ（０＜ｘ≦１）によって構成し得る。

【００３７】このように、格子定数が異なるｐ型のＺｎ
Ｓｅによる第１の半導体層１１とｐ型のＺｎＴｅによる
第２の半導体層１２との間に、ＺｎＳｅに比して格子定
数を高めることのできるＺｎ_1-X Ｃｄ_X Ｓｅによる第１
の半導体薄層１３１とＺｎＴｅによる第２の半導体薄層
１３２との超格子構造部１３を介在させたことにより格
子不整合の緩和をはかることができる。

【００３８】そしてこの構成の超格子構造において、そ
の障壁層１３のＺｎ_1-X Ｃｄ_X Ｓｅの組成のｘ値を上記
ＺｎＴｅ層１２側に向かって例えばｘ＝０．０５からｘ
＝０．６の間で漸次大とする。すなわち、例えばＺｎ
_1-X Ｃｄ_X Ｓｅ障壁層１３のｘ値をＺｎＳｅ層１１側か
らＺｎＴｅ層１２側に向かってｘ₁ 、ｘ₂ 、ｘ₃ ．．．
ｘ_n とするとき、例えばｘ₁ ＝0.10, ｘ₂ ＝0.20, ｘ₃
＝0.30, ．．．のようにｘ₁ ＜ｘ₂ ＜ｘ₃ ＜．．．＜ｘ
_n とする。

【００３９】このようにするときは、障壁層１３として
Ｃｄを含む混晶としたことによってそのバンドギャップ
が大となること、さらにそのＣｄ量をＺｎＴｅ側に向か
って大にして格子定数を漸次大にしたことによって、よ
り良好に格子整合することができる。

【００４０】また、このように、ｘ₁ ＜ｘ₂ ＜ｘ
₃ ＜．．．＜ｘ_n の関係とした状態で、あるいはｘ₁ ＝
ｘ₂ ＝ｘ₃ ＝．．．＝ｘ_n の関係とした状態で、図６に
示すように、Ｚｎ_1-X Ｃｄ_X Ｓｅによる第２の薄層１３
２の膜厚をＺｎＳｅによる第１の半導体層１１側に向か
って大し、更にＺｎＴｅによる第１の薄層１３１の膜厚
をＺｎＴｅによる第２の半導体層１２に向かって大とす
る。

【００４１】この場合、第１および第２の薄層１３１お
よび１３２の各厚さを、第１の半導体層１１側からそれ
ぞれＤ₁₁およびＤ₂₁，Ｄ₁₂およびＤ₂₂，Ｄ₁₃および
Ｄ₂₃，．．．Ｄ_1n-2およびＤ_2n-2，Ｄ_1n-1および
Ｄ_2n-1，Ｄ_1nおよびＤ_2nとするとき、Ｄ ₁₁＋Ｄ₂₁＝Ｄ₁₂
＋Ｄ₂₂＝Ｄ₁₃＋Ｄ₂₃，．．．Ｄ_1n-2＋Ｄ_2n-2＝Ｄ_1n-1＋
Ｄ_2n-1＝Ｄ_1n＋Ｄ_2nとして、Ｄ₂₁＞Ｄ₂₂＞Ｄ₂₃＞．．．
_. ＞Ｄ_2n-2＞Ｄ_2n-1＞Ｄ_2nとし得る。図８は、この構成
のエネルギー・バンド・モデル図を示すのもので、この
ようにしてそれぞれの量子井戸の量子準位が第２の半導
体層１２の価電子帯の頂上のエネルギーレベルとほぼ一
致するようにすることができる。

【００４２】この構成は、擬似グレーデッド構造の場合
であるが、第１および第２の半導体薄層１３１および１
３２すなわち価電子帯における井戸および障壁の厚さを
共に選定することによって、共鳴トンネル条件を満たす
ようにすることもできる。

【００４３】このようにすることによって、第１の半導
体層１１と第２の半導体層１２との間のポテンシャル障
壁を実効的に消滅させることができる。

【００４４】上述したように、本発明構成によれば、キ
ャリア濃度を高く選定できるｐ型ＺｎＴｅ層１２を設け
てこれにｐ側電極９を被着した構成とするので、良好な
オーミックコンタクトを行うことができ、またこのｐ型
ＺｎＴｅ層１２とｐ型ＺｎＳｅ層１２との界面の格子不
整合を緩和することができ、さらにこの界面に生じる価
電子帯のポテンシャル障壁による空乏層の幅を実質的に
狭くするとかあるいはこの障壁の高さを実質的に低める
効果が得られる。

【００４５】また、上述の例では、第１の半導体層１１
をＺｎＳｅによって構成した場合であるが、ＺｎＳＳｅ
すなわちＺｎＳ_z Ｓｅ_1-z とすることもでき、この場合
のｚの値は、この第１の半導体層１１の格子定数が、こ
の半導体層１１が形成される半導体素子部２３の表面層
の格子定数に近似するようにそのｚ値は例えば０．０５
〜０．１０の範囲で選定される。この格子定数は、一般
には基板１の格子定数、上述の例ではＧａＡｓ基板の格
子定数あるいはこれに格子整合した格子定数であって、
この場合ＺｎＳ_z Ｓｅ_1-z のｚ値は例えば０．７に選定
される。

【００４６】上述した例では、ｐ側電極部１４を構成す
る超格子構造部１３が、第１および第２の半導体薄層１
３１および１３２によって構成した場合であるが、他の
本発明装置においては、これら第１および第２の半導体
薄層１３１および１３２の各量子井戸構造が確実にステ
ップ構造を形成することができるように両者の構成材料
の相互の混入を分離する第３の半導体層１３３を設ける
構造とする。

【００４７】この場合の実施例を説明する。この場合に
おいても、例えば図１に示すように、上述の実施例にお
けると同様に例えばＳｉドープのｎ型の単結晶ＧａＡｓ
よりなる基板１を用意する。この基板１の１主面上に必
要に応じてｎ型のＺｎＳｅによるバッファ層２をエピタ
キシーし、これの上に順次Ｃｌドープのｎ型のＺｎＭｇ
ＳＳｅ：Ｃｌによる第１のクラッド層３、ＺｎＳ_0.06Ｓ
ｅ_0.94による第１のガイド層４、Ｚｎ_0.85Ｃｄ_0.15Ｓｅ
による活性層５、ＺｎＳ_0.06Ｓｅ_0.94による第２のガイ
ド層６、窒素Ｎドープのｐ型のＺｎＭｇＳＳｅ：Ｎによ
る第２のクラッド層７、更に或る場合はバッファ効果と
クラッド効果とを有するＺｎＳＳｅ：Ｎのｐ型中間層８
をエピタキシーして半導体素子部２３、この例では半導
体レーザ部を形成する。

【００４８】続いてこの半導体素子部２３上にｐ側電極
部１４を構成する。このｐ側電極部１４は、中間層８上
に続いて窒素Ｎドープのｐ型のＺｎＳｅ：Ｎによる第１
の半導体層１１すなわちキャップ層、超格子構造部１３
と、窒素Ｎドープのｐ型のＺｎＴｅ層による第２の半導
体層１２すなわち電極コンタクト層とを順次エピタキシ
ーし、この第２の半導体層１２上に、例えば下からＰ
ｄ，Ｐｔ，Ａｕが積層される多層構造による金属電極９
をオーミックにコンタクトする。

【００４９】基板１の他方の主面には、Ｉｎによる他方
の電極１０をオーミックにコンタクトする。

【００５０】この例では、その半導体素子部２３に対す
るｐ型側電極部１４を構成する金属電極９をオーミック
コンタクトしにくいｐ型の第１の半導体層１１と金属電
極をオーミックコンタクトできるｐ型の第２の半導体層
１２との間に形成する超格子構造部１３を、図３に示す
ように第１および第２の半導体薄層１３１および１３２
間に第３の半導体薄層１３３を介在させて積層した構成
とする。

【００５１】この場合においても、第１の半導体薄層１
３１は価電子帯に量子井戸を形成する半導体例えばこの
超格子構造部１３上にエピタキシーされる第２の半導体
層１２と同一の材料ＺｎＴｅによって構成し、第２の半
導体１３２は伝導帯に量子井戸を形成する例えばＺｎ
_1-X Ｃｄ_X Ｓｅ（０＜ｘ≦１）例えばＣｄＳｅによって
構成し得る。

【００５２】また、第３の半導体層１３３は、例えば第
１の半導体層１１と同一材料の例えばＺｎＳｅによって
構成し得る。

【００５３】この超格子構造部１３は、第１の半導体薄
層１３１−第３の半導体薄層１３３−第２の半導体薄層
１３２−第３の半導体薄層１３３−の構造を１〜５０回
繰り返した構成とし、更に第２の半導体層１２と接する
側において、この第２の半導体層１２に向かって図５に
示すように、第２の半導体薄層１３２−第３の半導体薄
層１３３−第２の半導体層１２となるように積層するこ
とが望ましい。

【００５４】このｐ側電極部１４を構成する各第１の半
導体層１１、超格子構造部１３の各半導体薄層１３１，
１３２，１３３、更にこれの上に形成する第２の半導体
層１２は、半導体素子部２３を構成する各半導体層例え
ば図１における半導体層２，３，４，５，６，７，のＭ
ＢＥ，ＭＯＣＶＤ等によるエピタキシーに続いて連続エ
ピタキシーによって形成する。

【００５５】この例においても、第１の半導体層１１
は、超格子構造部１３の結晶に転位等の結晶欠陥を含む
ことのないような厚さの０．１μｍ〜２μｍ，望ましく
は０．３μｍ〜１．０μｍに選定する。

【００５６】また、第２の半導体層１２は、これの上に
形成する金属電極９が、この層１２を透過拡散すること
を回避できる程度に厚く、また結晶性が低下するおそれ
が生じない程度の厚さの１０ｎｍ〜５００ｎｍ望ましく
は５０ｎｍ〜２００ｎｍの厚さに形成する。

【００５７】超格子構造部１３の全体の厚さは、第１お
よび第２の半導体層１１および１２間に生じるエネルギ
ーバンドの曲がり（空乏化層）の幅に応じて選定され、
この幅は第１の半導体層１１の不純物濃度によって決ま
るものの例えば０．４〜１００ｎｍに選定され、例えば
第１の半導体層１１の不純物濃度が１０¹⁷atoms/cm³オ
ーダである場合例えば５０ｎｍの厚さに選定される。

【００５８】また、超格子構造部１３の各半導体薄層１
３１，１３２および１３３の厚さは、電子および正孔の
トンネルを大きくする上である程度の井戸幅を形成でき
る厚さとし、しかも電子および正孔が井戸内に蓄積され
ることのない程度の厚さの０．２ｎｍ〜４ｎｍ望ましく
は２〜３ｎｍに選定する。

【００５９】図４は、超格子構造部１３の第１、第２お
よび第３の各半導体薄層１３１、１３２および１３３を
それぞれＺｎＴｅ、ＣｄＳｅ、ＺｎＳｅによって形成し
た場合の各価電子帯の頂上のエネルギーレベルＥｃおよ
び伝導帯の底のエネルギーレベルＥｖを相対的に示した
ものであり、図５はこの構成によるｐ側電極部１４すな
わち超格子構造部１３の動作電圧印加状態でのエネルギ
ー・バンド・モデルを示すものである。

【００６０】図５より明らかなように、本発明装置によ
れば、矢印ａで示す価電子帯における第２の半導体層１
２側からの正孔ｈのトンネルの発生のみならず、伝導帯
における量子井戸の存在によって矢印ｂで示す価電子帯
から伝導帯への電子ｅのトンネルが増大し、この電子の
トンネルによって生じた正孔ｈが第１の半導体層１１に
流れ込むことになり、同一バイアス電圧での動作で多く
の電流を流すことができることになる。すなわち、この
半導体装置、この例では半導体レーザの動作に必要な電
流量を得るに必要な電圧の低減化をはかることができる
ことになる。

【００６１】そして、この場合、超格子構造部１３にお
ける第１および第２の半導体層１１および１２との格子
定数の相違に基づく結晶の品質の低下を回避し、また正
孔および電子のトンネルの増加の効果を考慮して第２の
半導体層１２に向かってＺｎＴｅによる第１の半導体薄
層１３１および（Ｚｎ）ＣｄＳｅによる第２の半導体薄
層１３２の厚さを漸次大とし、一方第３の半導体薄層１
３３を第２の半導体層１２に向かって小とする構成とす
ることもできる。

【００６２】また、この実施例においても、第１の半導
体層１１をＺｎＳＳｅすなわちＺｎＳ_z Ｓｅ_1-z とする
こともでき、この場合のｚ値は、この第１の半導体層１
１の格子定数が、この半導体層１１が形成される半導体
素子部２３の表面層の格子定数に近似するようにそのｚ
値は例えば０．０５〜０．１０の範囲で選定される。こ
の格子定数は、一般には基板１の格子定数、上述の例で
はＧａＡｓ基板の格子定数あるいはこれに格子整合した
格子定数であって、この場合ＺｎＳ_z Ｓｅ_1-zのｚ値は
例えば０．７に選定される。

【００６３】また、この場合超格子構造部１３の第３の
半導体薄層１３３も、第１の半導体層１１と同一材料の
ＺｎＳ_z Ｓｅ_1-z とすることができるが、この第３の半
導体薄層１３３は、第１および第２の半導体薄層１３１
および１３２を分離する機能を有する範囲で充分小さく
できることから、必ずしも第１の半導体層１１と同一材
料によって構成する必要はなく、例えばｚ＝０としても
結晶の品質への影響は小さい。

【００６４】尚、上述の超格子構造部１３を構成する第
１および第２の半導体薄層１３１および１３２、あるい
は第１、第２および第３の半導体薄層１３１、１３２お
よび１３３は、ｐ型とすることもアンドープとすること
もできる。

【００６５】また、超格子構造部１３を、第１および第
２の半導体薄層１３１および１３２によって構成する場
合、あるいは第１、第２、第３の半導体薄層１３１、１
３２、１３３によって構成する場合のいづれにおいて
も、その第２の半導体薄層１３２のＺｎ_1-X Ｃｄ_X Ｓｅ
のｘ値は、主として２つの要件から決定される。第１の
要件は、超格子構造部１３を構成している他の各半導体
薄層の格子定数の違いにより生じる結晶歪による内部応
力を小さくすることで、第１の半導体薄層１３１がＺｎ
Ｔｅであり、また第３の半導体薄層１３３を設ける場合
において、これをＺｎＳ_z Ｓｅ_1-z とするときは、第２
の半導体薄層１３２のＺｎの比率を大にすなわちｘ値を
小にすることになる。また、第２の要件は、伝導帯側に
形成する量子井戸を深くすることで、そのためには、Ｚ
ｎの比率を小にすなわちｘ値を大とする必要がある。し
たがって、これらの第１および第２の要件を勘案してｘ
値を決定することになる。そこで、このＺｎ_1-X Ｃｄ_X
Ｓｅにおいてはその膜厚を充分小さく選定するとともに
ｘ値を大とすることで、上記第２の要件を最大限に満た
すように考慮することが望まれる。

【００６６】また、図５および図３で説明した例では、
第１および第２の半導体薄層１３１および１３２を分離
する第３の半導体薄層１３３を介在させた場合で、この
ようにすることにより量子井戸を確実に形成することが
できるものであるが、そのエピタキシーを原子オーダで
制御できる例えばＭＥＥ（Migration Enhanced Epitax
y）やＡＬＥ（Atomic Layer Epitaxy）等によって行う
ときは、分離層の第３半導体薄層１３３の形成を省略す
ることができる。

【００６７】また、上述した各実施例では、ＺｎＭｇＳ
Ｓｅ系半導体レーザに本発明を適用した場合であるが、
他のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体による半導体レーザを始
めとし、更に本発明はｎ型のＺｎＳｅ層とｐ型のＺｎＳ
ｅ層とを有し両者間にｐ−ｎ接合を形成してなる発光ダ
イオード等の半導体発光素子に適用することもできるも
ので、この場合においても、そのｐ側の電極コンタクト
を良好に行うべく、ｐ型のＺｎＳｅ層上に電極コンタク
ト層としてｐ型のＺｎＴｅ層を設ける構成とし、このｐ
型ＺｎＳｅとｐ型ＺｎＴｅとの界面に上述した超格子構
造部１３を設ける構成とする。

【００６８】

【発明の効果】上述したように、本発明構成によれば、
金属電極９を良好にオーミックコンタクトできる第２の
半導体層１２を設ける構成を採ることから、ｐ型側電極
部１４における低抵抗化をはかることができる。

【００６９】加えて、金属電極９をオーミックコンタク
トしにくいｐ型の第１の半導体層１１と、これの上に形
成される金属電極９をオーミックコンタクトできるｐ型
の第２の半導体層１２との間に、少なくとも価電子帯に
量子井戸を形成する第１の半導体薄層１３１と伝導帯に
量子井戸を形成する第２の半導体薄層１３２の各１層以
上、例えば各複数層が交互に積層された超格子構造部１
３を介在させたことにより、価電子帯における正孔のト
ンネルを増大させることができるとともに、価電子帯か
ら伝導帯への電子ｅのトンネルの発生を増大できること
から、これによる正孔の発生とが相俟って電流の増大ひ
いては動作電圧の低下をはかることができる。

【００７０】また、超格子構造部１３を構成する第１お
よび第２の各半導体薄層１３１および１３２の間にこれ
らを分離する第３の半導体薄層１３３を介存させること
によって、第１および第２の各半導体薄層１３１および
１３２の各構成材料の相互の混入を分離することができ
て各薄膜層１３１および１３２による価電子帯の頂上の
各量子井戸の形成を確実に設定できて、これにより上述
した正孔および電子のトンネル確率を確実に高めること
ができる。

【００７１】また、第１および第２の半導体層１１およ
び１２間に超格子構造部１３が介在されたことにより、
両層１１および１２の格子不整合性を効果的に緩和する
ことができる。

【００７２】このように、本発明によれば、ＩＩ−ＶＩ
族化合物半導体装置において、電極部の抵抗の低減化に
よって、動作電圧の低減化、動作時の温度上昇の低減化
したがって寿命の改善をはかることができる。また、格
子不整合の改善によって結晶性の低下を回避できるとと
もに素子の動作時の昇温、外部からの熱衝撃等によって
転位などの格子欠陥の発生を回避でき、この格子欠陥等
による特性、例えば発光半導体装置においては、その発
光特性等の低下、寿命の低下等を改善できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明装置の一例の略線的断面図である。

【図２】本発明装置の一例の超格子構造部の略線的断面
図である。

【図３】本発明装置の一例の超格子構造部の略線的断面
図である。

【図４】超格子構造部の各構成半導体薄層のバンドの相
対的関係を示す図である。

【図５】本発明装置の超格子構造部の一例のエネルギー
・バンド・モデル図である。

【図６】本発明装置の一例の超格子構造部の略線的断面
図である。

【図７】ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体のバンド・ギャップ
・エネルギーと格子定数の関係を示す図である。

【図８】本発明装置の超格子構造部の一例のエネルギー
・バンド・モデル図である。

【図９】従来のＩＩ−ＶＩ族半導体装置の略線的断面図
である。

【図１０】本発明装置と比較する半導体装置の超格子構
造部の構成半導体薄層のバンドの相対的関係を示す図で
ある。

【図１１】本発明装置と比較する半導体装置の超格子構
造部のエネルギー・バンド・モデル図である。

【符号の説明】

１ 基板 ３ ｎ型クラッド層 ４ ガイド層 ５ 活性層 ６ ガイド層 ７ ｐ型クラッド層 ９ ｐ側電極 １１ 第１の半導体層 １２ 第２の半導体層 １３１ 第１の半導体薄層 １３２ 第２の半導体薄層 １３３ 第３の半導体薄層 １４ ｐ側電極部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石橋 晃 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 浮田 昌一 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 樋江井 太 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体素子に対する
   ｐ側電極部が、 金属電極をオーミックコンタクトしにくいｐ型の第１の
   半導体層と、 これの上に形成される金属電極をオーミックコンタクト
   できるｐ型の第２の半導体層と、 上記第１および第２の半導体層間に介在される少なくと
   も価電子帯に量子井戸を形成する第１の半導体薄層と伝
   導帯に量子井戸を形成する第２の半導体薄層とが積層さ
   れてなる超格子構造部とを有してなることを特徴とする
   ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体装置。
2. 【請求項２】 上記超格子構造部の上記第１の半導体薄
   層と上記第２の半導体薄層との間にこれら第１および第
   ２の半導体薄層を分離する第３の半導体薄層が介在され
   てなることを特徴とする請求項１に記載のＩＩ−ＶＩ族
   化合物半導体装置。
3. 【請求項３】 上記第２の半導体層と上記第１の半導体
   薄層がＺｎＴｅよりなり、 上記第２の半導体薄層がＺｎ_1-X Ｃｄ_X Ｓｅ（０＜ｘ≦
   １）よりなることを特徴とする請求項１または２に記載
   のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体装置。
4. 【請求項４】 上記第３の半導体薄層が、ＺｎＳ_1-y Ｓ
   ｅ_y （０＜ｙ≦１）よりなることを特徴とする請求項２
   に記載のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体装置。
5. 【請求項５】 ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体素子が半導体
   発光素子であることを特徴とする請求項１、２、３また
   は４に記載のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体装置。
6. 【請求項６】 上記超格子構造部の上記第２の半導体薄
   層のＺｎ_1-X Ｃｄ_X Ｓｅのｘ値を上記第２の半導体層側
   に向かって大としたことを特徴とする請求項３に記載の
   ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体装置。
7. 【請求項７】 上記超格子構造部の上記第１の半導体薄
   層の膜厚を上記第２の半導体層側に向かって大としたこ
   とを特徴とする請求項１または６に記載のＩＩ−ＶＩ族
   化合物半導体装置。