(57)【要約】半導体デバイスは、ｎ側導波路層と、ｎ側導波路層と接触する活性層と、活性層と接触するｐ側導波路層とを備える。電子ブロック層が、ｐ側導波路層と接触し、周期表のＩＩＩ族からの２つの元素と、周期表のＶ族からの１つの元素との第１の組成物を含む。クラッド層が、電子ブロック層と接触するクラッド副層を含む。クラッド副層は、周期表のＩＩＩ族からの２つの元素と、周期表のＶ族からの１つの元素との第２の組成物を含む。第２の組成物は、第１の組成物とは異なる。
2009538527.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ側導波路層と、
前記ｎ側導波路層と接触する活性層と、
前記活性層と接触するｐ側導波路層と、
前記ｐ側導波路層と接触する電子ブロック層であって、周期表のＩＩＩ族からの２つの元素と、周期表のＶ族からの１つの元素との第１の組成物を含む電子ブロック層と、
前記電子ブロック層と接触するクラッド副層を含むクラッド層であって、前記クラッド副層が、周期表のＩＩＩ族からの２つの元素と、周期表のＶ族からの１つの元素との第２の組成物を含み、前記第２の組成物が前記第１の組成物とは異なるクラッド層とを備える、半導体デバイス。
【請求項２】
前記半導体デバイスが、レーザを備える、請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項３】
前記電子ブロック層が、前記クラッド副層よりも高い伝導帯レベルを有する、請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項４】
前記電子ブロック層が、前記活性層および前記ｐ側導波路層から、前記クラッド層への電子の流れに対してポテンシャル障壁を形成するように構成される、請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項５】
前記ポテンシャル障壁が、少なくとも約５０ミリ電子ボルトの高さを有する、請求項４に記載の半導体デバイス。
【請求項６】
前記電子ブロック層が、厚さ約１０ナノメートルよりも大きい、請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項７】
前記電子ブロック層が、マグネシウムでドープされる、請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項８】
前記活性層が、１つまたは複数の量子井戸を備える、請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項９】
前記クラッド層が、歪層超格子である、請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項１０】
前記歪層超格子が、窒化アルミニウム・ガリウムを含む複数の副層と、窒化ガリウムを含む複数の副層とを備える、請求項９に記載の半導体デバイス。
【請求項１１】
電流が、前記半導体デバイスの少なくとも一部分を通って流れることを可能とするように動作する、２つ以上の電気接点をさらに備える、請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項１２】
ｎ側導波路層と、
前記ｎ側導波路層と接触する活性層と、
前記活性層と接触するｐ側導波路層と、
前記ｐ側導波路層と接触する電子ブロック層であって、第１の組成物の窒化アルミニウム・ガリウムを含む電子ブロック層と、
前記電子ブロック層と接触するクラッド副層を含むクラッド層であって、前記クラッド副層が、前記第１の組成物とは異なる第２の組成物の窒化アルミニウム・ガリウムを含むクラッド層とを備える、半導体デバイス。
【請求項１３】
前記第２の組成物の前記窒化アルミニウム・ガリウムが、前記第１の組成物の前記窒化アルミニウム・ガリウムよりも低いアルミニウム原子百分率を有する、請求項１２に記載の半導体デバイス。
【請求項１４】
前記第２の組成物の前記窒化アルミニウム・ガリウムが、前記第１の組成物の前記窒化アルミニウム・ガリウムよりも低いアルミニウム濃度を有する、請求項１２に記載の半導体デバイス。
【請求項１５】
ｎ側導波路層を形成するステップと、
前記ｎ側導波路層と接触する活性層を形成するステップと、
前記活性層と接触するｐ側導波路層を形成するステップと、
前記ｐ側導波路層と接触する電子ブロック層を形成するステップであって、前記電子ブロック層が、周期表のＩＩＩ族からの２つの元素と、周期表のＶ族からの１つの元素との第１の組成物を含むステップと、
前記電子ブロック層と接触するクラッド副層を含むクラッド層を形成するステップであって、前記クラッド副層が、周期表のＩＩＩ族からの２つの元素と、周期表のＶ族からの１つの元素との第２の組成物を含み、前記第２の組成物が前記第１の組成物とは異なるステップとを含む、半導体デバイスを形成する方法。
【請求項１６】
前記方法が、有機金属化学気相成長を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記方法が、分子線エピタキシを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記方法が、サファイヤ上での窒化ガリウムのエピタキシャル横方向成長を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
ｎ側導波路層と、
前記ｎ側導波路層と接触する活性層と、
前記活性層と接触するｐ側導波路層と、
前記ｐ側導波路層と接触する電子ブロック層であって、周期表のＩＩＩ族からの２つの元素と、周期表のＶ族からの１つの元素との第１の組成物を含む電子ブロック層と、
前記電子ブロック層と接触するクラッド副層を含むクラッド層であって、前記クラッド副層が、周期表のＩＩＩ族からの２つの元素と、周期表のＶ族からの１つの元素との第２の組成物を含み、前記第２の組成物が前記第１の組成物とは異なるクラッド層とを備える半導体デバイスと、
前記半導体デバイスを制御するように動作可能な制御回路とを備える、装置。
【請求項２０】
前記装置が、ブルーレイ・ディスク形式、および高密度デジタル多用途ディスク形式の少なくとも１つに従って動作することが可能な光ディスク・ドライブである、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
ｎ側導波路層と、
前記ｎ側導波路層と接触する活性層と、
前記活性層と接触するｐ側導波路層と、
前記ｐ側導波路層と接触する電子ブロック層であって、周期表のＩＩＩ族からの３つの元素と、周期表のＶ族からの１つの元素との組成物を含む電子ブロック層と、
前記電子ブロック層と接触するクラッド副層を含むクラッド層であって、前記クラッド副層が、周期表のＩＩＩ族からの２つの元素と、周期表のＶ族からの１つの元素との組成物を含むクラッド層とを備える、半導体デバイス。
【請求項２２】
前記電子ブロック層が、窒化インジウム・アルミニウム・ガリウムを含む、請求項２１に記載の半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、半導体デバイスに関し、より詳細には、窒化ガリウムをベースとする半導体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースの青紫色半導体レーザは、広範囲にわたる技術効果および商業効果を有する可能性がある。こうした半導体レーザは、ほぼ４００ナノメートル、すなわち、典型的なガリウム砒素（ＧａＡｓ）ベースの半導体レーザの約半分の波長で発光する。より短い波長のため、ＧａＮベース半導体レーザでは、光記憶装置や光プリントなどの応用分野において、より高い空間分解能を実現することが可能となる。例えば、ブルーレイ・ディスク（商標）や、高密度デジタル多用途ディスク（ＨＤ−ＤＶＤ）（商標）が、高精細度ビデオおよびデータの記憶に青紫色半導体レーザを利用する次世代光ディスクの形式である。
【０００３】
ＧａＮベース青紫色半導体レーザは、典型的には、基板（例えばサファイヤ）上に形成された多層半導体構造と、その多層構造の一部分に電気電圧を印加しやすくする電気接点とを備える。図１Ａは、従来のＧａＮベース半導体レーザ１００の断面図を示し、図１Ｂは、典型的な動作バイアス条件下における、様々な構成層および構成副層の関連する伝導帯レベルＥｃを示す。この半導体レーザは、サファイヤ基板１１０と、ｎ型窒化ガリウム（ｎ−ＧａＮ）ベース層１２０と、ｎ型窒化アルミニウム・ガリウム（ｎ−ＡｌＧａＮ）クラッド層１３０と、ｎ側非ドープＧａＮ導波路層１４０とを備える。多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１５０が、ｎ側導波路層の上部に形成されている。これらの量子井戸は、３つの窒化インジウム・ガリウム（ＩｎＧａＮ）井戸副層１５２を備え、これらの層は、ＧａＮバリア副層１５４によって分離されている。この活性層上には、ｐ型窒化アルミニウム・ガリウム（ｐ−ＡｌＧａＮ）電子ブロック層１６０が形成され、ｐ側非ドープＧａＮ導波路層１７０と、ｐ型歪層超格子（ＳＬＳ）クラッド層１８０とがその後に続いている。このＳＬＳクラッド層は、ｐ−ＡｌＧａＮおよびｐ−ＧａＮの交番する副層、それぞれ１８２および１８４を備える。
【０００４】
２つの電気接点１９０、１９５が、半導体レーザ１００に電気電圧を印加することが可能となるように動作する。印加された電気電圧によって、電子および正孔がＭＱＷ活性層１５０に注入されることになる。注入されたこれらの電子および正孔のいくつかは、量子井戸によって閉じ込められ、再結合して、光の光子を発生する。発生した光の幾分かを、半導体レーザの２つの対向する垂直表面に形成されたファセット（図示せず）から反射させることによって、いくつかの光子が、ＭＱＷ活性層を数回通過することになり、その結果、放射の誘導放出が生じる。
【０００５】
導波路層１４０、１７０は、半導体レーザ１００内で光学膜導波路を形成し、ＭＱＷ活性層１５０内へ注入する電子および正孔用の局所的な貯蔵部として働く。光学膜導波路は、この導波路層よりも低い屈折率を有するクラッド層１３０、１８０によって完成する。これらのクラッド層は、発生した光を半導体レーザのＭＱＷ活性層にさらに限定するように働く。
【０００６】
図１Ｂに示すように、半導体レーザ１００の電子ブロック層１６０は、比較的高い伝導帯レベルＥｃを有するように構成される。それによって、この電子ブロック層は、ＭＱＷ活性層１５０からの電子の流れを抑制するように働くポテンシャル障壁を形成する。有利には、このことによって、半導体レーザの閾値電流（誘導放出が起こる最小電流）が低減し、より高い最大出力パワーが可能となる。ＧａＡｓをベースとする半導体レーザでの電子ブロック層の使用については、例えば、Belenkyらの米国特許第５４４８５８５号、名称「Article Comprising a Quantum Well Laser」に記載されており、上記を参照により本明細書に組み込む。とはいえ、ＧａＮベースの半導体レーザでの電子ブロック層の実現には問題がある。ＭＱＷ活性層と、導波路層の１つとの間に位置する電子ブロック層によって、活性層に過剰な物理的応力が生じ、そのため、亀裂が生じる恐れがあることが示されてきている。
【０００７】
それに応じて、電子ブロック層をＭＱＷ活性層から離し、ｐ側導波路層の中に移動させる試みがなされてきた。例えば、やはり参照により本明細書に組み込む、Asanoらの「100-mV Kink-Free Blue-Violet Laser Diodes with Low Aspect Ratio」、IEEE Journal of Quantum Electronics、第39巻第1号、2003年1月では、図１に示す半導体レーザ１００に類似した半導体レーザのｐ側導波路内に形成されたｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロック層の使用が実証されている。しかし、遺憾ながら、かかる努力によっても、ＭＱＷ活性層の物理的応力を低減させるのに成功するには限界があることが示されてきている。応力によって誘起される亀裂は、なおもＧａＮベース半導体レーザの課題となっている。
【０００８】
その結果、活性層への物理的応力が伴わない電子ブロック層を含むＧａＮベース青紫色半導体レーザ設計が求められている。
【特許文献１】米国特許第５４４８５８５号
【非特許文献１】Asanoらの「100-mV Kink-Free Blue-Violet Laser Diodes with Low Aspect Ratio」、IEEE Journal of Quantum Electronics、第39巻第1号、2003年1月
【非特許文献２】J.F. Muthらの「Absorption Coefficient and Refractive Index of GaN, AlN and AlGaN Alloys」、MRS Internet Journal of Nitride Semiconductor Research 4S1, G5.2 (1999年)
【非特許文献３】P. Hollowayらの「Handbook of Compound Semiconductors」、William Andrews Inc., 1996年
【非特許文献４】E. Kaponの「Semiconductor Lasers II」、Elsevier, 1998年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の実施形態は、半導体レーザ内に、レーザの活性層に過剰な物理的応力を誘起せずに電子ブロック層を実現することを可能にすることによって、上記で認識された要望に対処する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様によれば、半導体デバイスは、ｎ側導波路層と、ｎ側導波路層と接触する活性層と、活性層と接触するｐ側導波路層とを備える。電子ブロック層が、ｐ側導波路層と接触し、周期表のＩＩＩ族からの２つの元素と、周期表のＶ族からの１つの元素との第１の組成物を含む。クラッド層が、電子ブロック層と接触するクラッド副層を含む。クラッド副層は、周期表のＩＩＩ族からの２つの元素と、周期表のＶ族からの１つの元素との第２の組成物を含む。第２の組成物は、第１の組成物とは異なる。
【００１１】
本発明の別の態様によれば、半導体デバイスは、ｎ側導波路層と、ｎ側導波路層と接触する活性層と、活性層と接触するｐ側導波路層とを備える。電子ブロック層が、ｐ側導波路層と接触し、周期表のＩＩＩ族からの３つの元素と、周期表のＶ族からの１つの元素との組成物を含む。クラッド層が、電子ブロック層と接触するクラッド副層を含む。クラッド副層は、周期表のＩＩＩ族からの２つの元素と、周期表のＶ族からの１つの元素との組成物を含む。
【００１２】
例示の実施形態では、半導体レーザは、ドープおよび非ドープＡｌＧａＮ、ＧａＮ、およびＩｎＧａＮを含む様々な層ならびに副層から形成される。構成層のうちの２つは、ｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロック層と、ｐ型ＳＬＳクラッド層とを備える。ＳＬＳクラッド層は、電子ブロック層と接触するクラッド副層を含む。このクラッド副層は、電子ブロック層を形成するｐ−ＡｌＧａＮよりも低いアルミニウム原子百分率を有するｐ−ＡｌＧａＮを含む。この構成によって、電子ブロック層は、ＳＬＳクラッド層内の隣接するｐ−ＡｌＧａＮ副層の伝導帯レベルよりもかなり高い（例えば、約５０ミリ電子ボルトよりも高い）伝導帯レベルを有することになる。
【００１３】
有利には、例示の半導体レーザは、電子ブロック層の利点（例えば、より低い閾値電流）を示すが、亀裂を生じ得る過剰な物理的応力は受けずにすむ。
【００１４】
本発明の上記およびその他の特徴および利点は、以下の詳細な説明を添付の図と併せ読めば明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の態様に従って、例示の実施形態を参照しながら本発明を説明する。とはいえ、本発明は、これらの特定の実施形態に限定されるものではない。本明細書に記載の実施形態には、数多くの改変および変形がなされ得るものであり、それらの結果もやはり、本発明の範囲に含まれるであろう。例えば、例示の実施形態は半導体レーザであるが、本発明は、発光ダイオード、光検出器、光カプラ、およびその他のかかる半導体デバイスもまた包含する。したがって、記載の特定の実施形態に関しては、限定を意図するものではなく、また、そのように推察すべきではない。
【００１６】
用語「層」は、本明細書では、半導体デバイス内の、所与の機能または複数の機能を備えた任意の物質の層を含むものであることに留意されたい。層は、その組成物が実質的に均質でよく、または、異なる組成物の２つ以上の副層を備えていてもよい。理解しやすいように、図１Ａおよび２Ａのいくつかの層は、単一機構として示されているが、実際には、それらの層は、異なる組成物の複数の副層を備える。
【００１７】
用語「周期表」は、本明細書では、化学元素の周期表を指す。ＩＩＩ族は、本明細書では、ボロン、アルミニウム、ガリウム、インジウム、およびタリウムの元素を含む。Ｖ族は、本明細書では、窒素、燐、ヒ素、アンチモン、およびビスマスの元素を含む。
【００１８】
さらに、通常通り、「ＩｎＧａＮ」や「ＡｌＧａＮ」などの表現は、化学式ではなく、構成元素を単に列挙したにすぎない。したがって、例えば、表現式「ＩｎＧａＮ」は、三元合金ＩｎｘＧａ１−ｘＮを包含し、表現式「ＡｌＧａＮ」は、三元合金ＡｌｘＧａ１−ｘＮを包含するものと理解されたい。
【００１９】
添付の図に示す様々な層および／または領域は、原寸に比例して描かれているものではなく、また、半導体デバイスにおいて一般に使用されるタイプの１つまたは複数の層および／または領域は、説明しやすいように、所与の図において明白に示されていないことがある。このことは、明白に示されていない１つ（または複数）の層および／または１つ（または複数）の領域が、実際の半導体デバイスから省略されることを意味するのではない。
【００２０】
図２Ａは、本発明の例示の実施形態によるＧａＮベース半導体レーザ２００の断面図を示す。さらに、図２Ｂは、動作バイアス条件下における、半導体レーザ内の様々な層および副層の、関連する伝導帯レベルＥｃを示す。この半導体レーザは、サファイヤ基板２１０と、厚さ５，０００ナノメートル（ｎｍ）のｎ−ＧａＮベース層２２０と、厚さ１，３００ｎｍのｎ−ＡｌＧａＮクラッド層２３０とを備える。ＭＱＷ活性層２５０が、厚さ１００ｎｍのｎ側非ドープＧａＮ導波路層２４０と、厚さ１００ｎｍのｐ側非ドープＧａＮ導波路層２６０との間に形成されている。厚さ１２ｎｍのｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロック層２７０が、ｐ型ＳＬＳクラッド層２８０に隣接して形成されている。電気接点２９０、２９５によって、電気電圧を半導体レーザの一部分に印加することが可能となる。
【００２１】
次に、ＭＱＷ活性層２５０は、厚さ３．５ｎｍの３つのＩｎＧａＮ井戸副層２５２を備え、これらの層は厚さ７ｎｍの２つのＧａＮバリア副層２５４によって分離されている。一方、ＳＬＳクラッド層２８０は、厚さ２．５ｎｍの１００のｐ−ＡｌＧａＮ副層２８２を備え、これらの層は厚さ２．５ｎｍのｐ−ＧａＮ副層２８４によって分離されている。本発明の態様によれば、ＳＬＳクラッド層内のｐ−ＡｌＧａＮ副層は、電子ブロック層２７０のｐ−ＡｌＧａＮよりも低いアルミニウム原子百分率（あるいは、より低いアルミニウム濃度）を有する組成物を備えたｐ−ＡｌＧａＮを含む。さらに、ＳＬＳクラッド層内のｐ−ＡｌＧａＮ副層の１つは、電子ブロック層と物理的に接触するように配置される。
【００２２】
例示の実施形態では、ｎ−ＧａＮベース層２２０、およびｎ−ＡｌＧａＮクラッド層２３０は、シリコンでドープしてある。一方、ｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロック層２７０、ならびにｐ−ＡｌＧａＮおよびｐ−ＧａＮ副層２８２、２８４は、マグネシウムでドープしてある。ｐ型クラッド層２８０には、バルクｐ−ＡｌＧａＮよりも、多層ｐ−ＡｌＧａＮ／ｐ−ＧａＮ  ＳＬＳ構造を使用する方がいくつかの理由で有利である。第１に、多層ＳＬＳ構造では、バルクｐ−ＡｌＧａＮを含むクラッド層に比べて、クラッド層における物理的応力が低減されることが示されてきている。第２に、多層ＳＬＳ構造では、正孔濃度の増大が含まれることが示されてきている。多層ＳＬＳクラッド層の室温での平均正孔濃度は、バルク膜（例えば、マグネシウムでドープしたバルクｐ−ＡｌＧａＮ）の濃度よりも１０倍高くなり得る。
【００２３】
ｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロック層２７０は、ＭＱＷ活性層２５０およびｐ側導波路層２６０から、ＳＬＳクラッド層２８０への電子の流れに対してポテンシャル障壁となるように構成される。これは、電子ブロック層が大きいバンドギャップを有し、その結果、比較的高い伝導帯レベルＥｃを有するように、この層の組成物を構成することによって実現される。ＡｌｘＧａ１−ｘＮのバンドギャップは、ｘの値を変えることによって容易に改変することができる。一般に、相対的なアルミニウム含有量が高いほど（すなわち、ｘの値が高いほど）、その材料のバンドギャップは高くなる。ｘの関数としてのＡｌｘＧａ１−ｘＮのバンドギャップは、例えば、J.F. Muthらの「Absorption Coefficient and Refractive Index of GaN, AlN and AlGaN Alloys」、MRS Internet Journal of Nitride Semiconductor Research 4S1, G5.2 (1999年)に記載されており、上記を参照により本明細書に組み込む。この参考文献によると、例えば、二元窒化アルミニウム（Ａｌ１Ｎ１）は、約６．２０電子ボルトのバンドギャップを有する。一方、二元窒化ガリウム（Ｇａ１Ｎ１）は、約３．４３電子ボルトのバンドギャップしか有しない。三元合金Ａｌ０．２７Ｇａ０．７３Ｎは、４．００電子ボルトのバンドギャップを有する。
【００２４】
ｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロック層２７０は、電子の流れに対するポテンシャル障壁となるように設計されるものの、電子ブロック層の存在によって、この層を通過する電子流が全て完全に阻止されるわけではないことを理解されたい。そうではなく、電子ブロック層によって、デバイス動作温度およびデバイス動作バイアスにおいて、電子ブロック層を備えず、その他の点では同一の半導体レーザで観測される電子の流れに比べて少なくとも実質的に低い電子の流れが生じる。ｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロック層は、好ましくは、ｐ側導波路層２６０の伝導帯レベルよりも少なくとも約５０ミリ電子ボルト高い伝導帯レベルを有する。さらに、この電子ブロック層は、好ましくは約１０ナノメートル以上の厚さを有することになる。より薄い電子ブロック層では、かなりの量の電子トンネルおよび漏洩が生じる恐れがある。
【００２５】
有利には、本発明の態様に従って電子ブロック層２７０、およびＳＬＳクラッド層２８０を構成することによって、半導体レーザ２００内に、レーザのＭＱＷ活性層２５０に対して過剰な物理的応力を誘起せずに電子ブロック層を実現することができる。例示の半導体レーザでは、ｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロック層は、ｐ側導波路層２６０によって、ＭＱＷ活性層から分離されている。このように、電子ブロック層とＭＱＷ活性層との間が物理的に分離されている。さらに、先に述べたように、ｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロック層は、ＳＬＳクラッド層２８０内のｐ−ＡｌＧａＮ副層２８２の１つと隣接している。一般に、ＧａＮベース半導体レーザの物理的応力の大部分は、隣接する層と副層との間の格子不整合によって誘起される。電子ブロック層およびＳＬＳクラッド層を、図２Ａおよび２Ｂに示すように構成することによって、より高いアルミニウムを含有するｐ−ＡｌＧａＮから、より低いアルミニウムを含有するｐ−ＡｌＧａＮ、ｐ−ＧａＮ（アルミニウムを含有しない）への漸進的な移行が、電子ブロック層とＳＬＳクラッド層との境界面付近で生じる。このことによって、これらの隣接する層と副層との間の格子不整合の重大度が低減し、それによって、この半導体レーザにおける全体的な物理的応力は、図１Ａに示す半導体レーザ１００のような従来型の半導体レーザに比べて低減する。
【００２６】
半導体レーザ２００の上記の設計は例示的なものであり、数多くのその他の設計もやはり、本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、ＭＱＷ活性層２５０を、第１の組成物のＩｎＧａＮと第２の組成物のＩｎＧａＮとの交番する副層から形成すること、または、半導体レーザを構成する層および副層を、本明細書に明白に記載されている厚さとは非常に異なる厚さで形成することも有利となり得る。さらに、それだけに限られるものではないが、インジウム・ガリウム燐（ＩｎＧａＰ）などの、ＡｌＧａＮ以外の三元ＩＩＩ−Ｖ化合物から電子ブロック層２７０を形成することも有利となり得る。電子ブロック層にＩｎＧａＰを利用する場合、ＳＬＳクラッド副層２８２、２８４は、例えば、電子ブロック層を形成するのに使用するＩｎＧａＰよりも低いバンドギャップを有するＩｎＧａＰと、インジウム燐とをそれぞれ含むことができる。例示の実施形態の上記およびその他の変形形態は当業者には明らかとなるであろう。
【００２７】
また、窒化インジウム・アルミニウム・ガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）（例えば、Ｉｎ０．０５Ａｌ０．２５Ｇａ０．７Ｎ）のような四元ＩＩＩ−Ｖ化合物など、三元ＩＩＩ−Ｖ化合物以外のものから電子ブロック層２７０を形成することも望ましくなり得る。ＡｌＧａＮと同様に、ＩｎＡｌＧａＮも、ＭＱＷ活性層２５０およびｐ側ＧａＮ導波路層２６０からＳＬＳクラッド層２８０への電子の流れに対するポテンシャル障壁を形成するのに十分なバンドギャップで形成することができる。さらに、ＩｎＡｌＧａＮ層はまた、ＧａＮの格子定数に類似した格子定数で形成することができる。このようにすると、ｐ側ＧａＮ導波路層２６０と電子ブロック層との間の格子不整合を最小限に抑えることができる。
【００２８】
図３は、本発明の例示の実施形態に従って、光デバイス３００内に半導体レーザ２００を実装したブロック図を示す。この光デバイスは、例えば、高密度データ読出し／書込み能力を有する光ディスク・ドライブ、あるいは、光ファイバ通信システムの構成部品でもよい。光デバイス内での半導体レーザの動作は、主に従来通りであり、当業者にはよく知られているであろう。さらに、半導体レーザの動作については、例えば、P. Hollowayらの「Handbook of Compound Semiconductors」、William Andrews Inc., 1996年、およびE. Kaponの「Semiconductor Lasers II」、Elsevier, 1998年などの容易に入手可能ないくつかの参考文献に詳細に記載されており、これらを参照により本明細書に組み込む。
【００２９】
先に述べたように、半導体レーザ２００は電気接点２９０、２９５間で電気制御電圧を印加することによって電力供給される。一般に、電気接点に印加される制御電圧の量が大きくなるほど、半導体レーザのこのＭＱＷ活性層２５０で生じる誘導放出の量も大きくなり、光出力量も大きくなる。光デバイス３００では、制御回路３１０によって、半導体レーザの電気接点に制御電圧が印加される。半導体レーザの出力パワーを測定し、この測定値を制御回路に送り返す１つまたは複数のモニタ・フォトダイオードを用いることによって、精密なレーザ出力パワーを任意選択で維持することができる。制御回路は、光デバイス内の回路の離散的な部分でよく、または、上記とは反対に、デバイスの他の回路内に組み込むこともできる。
【００３０】
半導体レーザ２００は、好ましくは、図２Ａに示す層を、当業者にはよく知られている通常の半導体加工技術を用いて、図に示すように底部から頂部まで順次堆積させることによって形成される。サファイヤとＧａＮとの格子不整合が大きい（約１５％）ため、ｎ−ＧａＮベース層２２０は、好ましくは、「エピタキシャル横方向成長」（ＥＬＯ）と一般に呼ばれるものを用いてサファイヤ基板２１０上に形成される。ＥＬＯ法では、まず、サファイヤ表面で繰返し縞がＧａＮの＜１１００＞方向に延びて露出するようにパターン化された薄い二酸化シリコン・マスクでサファイヤを被覆する。次いで、露出したサファイヤ上に、ｎ−ＧａＮベース層を有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）によって堆積させる。堆積中に、ｎ−ＧａＮは合体して、ほとんど欠陥のない高品質のバルク膜が形成される。
【００３１】
次いで、残りの膜を、ＭＯＣＶＤを含むステップを用いて順次堆積させる。ＭＯＣＶＤ堆積技術（金属酸化物気相エピタキシとも呼ばれる）は、半導体加工において通常使用され、当業者にはよく知られているであろう。ＭＯＣＶＤでは、堆積がその上に行われる膜のスタックを、必要となる化学元素を含む有機化合物（すなわち前駆体）に露出させる。例えば、トリメチル・ガリウムまたはトリメチル・アルミニウムなどの金属有機化合物を、アンモニアなどの反応体とともに使用することができる。この方法は、キャリア・ガスによって前駆体をグロース・チャンバ内の高温ゾーンに搬送することからなる。これらの前駆体は、解離するか、または別の化合物と反応して、薄膜を生成する。ドーパント反応体を加えて、ドープ膜を形成することもできる。
【００３２】
本明細書に記載のＩＩＩ−Ｖ材料化合物のＭＯＣＶＤ用のリアクタが市販されている。例えば、Veeco Instruments Inc.（本社ニューヨーク、ウッドベリー）が、研究開発用、および市販の半導体デバイス製造用に、かかるリアクタを製造し、販売している。
【００３３】
本発明は、ＭＯＣＶＤによる材料堆積に限定されるものではないことに留意されたい。分子線エピタキシ（ＭＢＥ）もまた、本明細書に記載のようなＩＩＩ−Ｖ材料化合物を形成するのに使用可能である。ＭＢＥでは、材料を、ガス・ビーム中の原子または分子として基板上に堆積させる。典型的には、各材料は、別々に制御されたビームで送達され、したがって、元素の選択、およびそれらの相対濃度の選択は、所与の層によって調整することができ、それによってその層の組成物、および電気的特性を規定することができる。ビーム強度は、層の厚さ、均一性、および純度を正確に制御するように調整される。したがって、ＭＢＥを含めて、ＭＯＣＶＤ以外の方法によって全体または部分的に形成された本発明の態様を含む半導体レーザもやはり、本発明の範囲に含まれるであろう。
【００３４】
膜スタックの形成後、電気接点２９０をｎ−ＧａＮベース層２２０と接触して配置することができるように、通常のフォトリソグラフィ技術、および反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）技術を用いて膜スタックの一部分を除去する。次いで、電気接点２９０、２９５（例えば、プラチナと金を含む合金）を、露出したｎ−ＧａＮベース層上およびＳＬＳクラッド層２８０上に通常の金属蒸着によって堆積させる。次いで、この多層構造を劈開して個々の半導体レーザ・デバイスを形成し、続いて、半導体レーザの２つの対向する垂直表面に、部分反射ミラーとして作用するファセットを形成する。ファセットは、これらのミラーの反射率を正確に制御するように、反射防止膜で被覆することができる。
【００３５】
添付の図を参照しながら本発明の例示の実施形態を本明細書で説明してきたが、本発明は、それらの精密な実施形態に限定されるものではないことを再度強調しておきたい。半導体デバイスは、異なる元素による構成を含み、かつ異なる方法によって形成することができ、やはり本発明の範囲に含まれ得る。例えば、電子ブロック層を、クラッド層内の１つまたは複数の副層に関してより低い伝導帯レベルを実際に有するように形成することも有利となり得る。添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、様々な他の変更および改変がなされ得ることが当業者には理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１Ａ】従来技術によるＧａＮベース半導体レーザの断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａの半導体レーザ内の様々な層および副層の伝導帯レベルを示す図である。
【図２Ａ】本発明の例示の実施形態によるＧａＮベース半導体レーザの断面図である。
【図２Ｂ】図２Ａの半導体レーザ内の様々な層および副層の伝導帯レベルを示す図である。
【図３】本発明の例示の実施形態に従って光デバイス内に実装された、図２Ａの半導体レーザのブロック図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【国際調査報告】
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