(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型のBAlGaN材料からなる第１のクラッド層と、
BAlGaN活性層と、
上記第１導電型とは逆の導電型のBAlGaN材料からなる第２のクラッド層とを備え、
上記第１のクラッド層をB1-x1-y1Alx1Gay1N、
上記活性層をB1-x2-y2Alx2Gay2N、
上記第２のクラッド層をB1-x3-y3Alx3Gay3Nとすると（x1,x2,x3はAl組成比、y1,y2,y3はGa組成比）、
0<x1+y1<1, 0<x2+y2<1, 0<x3+y3<1, 1<=1.04x1+1.03y1, 1<=1.04x2+1.03y2, 1<=1.04x3+1.03y3の関係を有している
ことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
上記全ての構成層のAl原子組成比xおよびGa原子組成比yが、x+1.12yが１±０．１の範囲内にあるという条件を満たしている
ことを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項３】
上記第２のクラッド層がリッジ構造を有する
ことを特徴とする請求項１または２記載の発光素子。
【請求項４】
上記活性層は、該活性層の全ての構成層のAlNモル分率ｘｗ及びGaNモル分率ｙｗが0<xw+yw<1及び1<=1.04xw+1.03ywの関係を満たすBAlGaN単一あるいは多重量子井戸活性層であ
る
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は半導体の構造及びプロセスに関し、特に、レーザダイオードに使用されるようなIII族窒化物材料系と方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
青色レーザ光源の開発は、ディスク記憶装置、ＤＶＤ等、次世代の高密度光デバイスを先導してきた。図１は、従来技術の半導体レーザ装置の断面図を示す。（Ｓ．ナカムラ、ＭＲＳブリティン(MRS BULLETIN)第２３冊５号３７〜４３ページ、１９９８年）。サファイア基板５上に、窒化ガリウム(GaN)緩衝層１０が形成され、その次にｎ型GaN層１５が形成され、さらに、０．１μｍ厚の二酸化ケイ素(SiO2)層２０がパターン形成されてGaN<1-100>方向に１２μｍの周期性で４μｍ幅のストライプ状のウィンドウ２５が形成されている。その後、ｎ型GaN層３０、ｎ型窒化インジウムガリウム(In0.1Ga0.9N)層３５、ｎ型窒化アルミニウムガリウム(Al0.14Ga0.86N)/GaNＭＤ−ＳＬＳ（変調ドープ歪層超格子）クラッド層４０、及びｎ型GaNクラッド層４５が形成されている。次に、In0.02Ga0.98N/In0.15Ga0.85NＭＱＷ（多重量子井戸）活性層５０が形成された後、ｐ型Al0.2Ga0.8Nクラッド層５５、ｐ型GaNクラッド層６０、ｐ型Al0.14Ga0.86N/GaNＭＤ−ＳＬＳクラッド層６５、及びｐ型GaNクラッド層７０が形成されている。ｐ型Al0.14Ga0.86N/GaNＭＤ−ＳＬＳクラッド層５５には、リッジストライプ構造が形成されて、そのリッジ導波構造内を水平横方向に伝搬する光の場を閉じ込めるようになっている。ｐ型GaNクラッド層７０及びｎ型GaNクラッド層３０の上には、電極が形成されて電流を注入するようになっている。
【０００３】
図１に示す構造において、ｎ型GaNクラッド層４５及びｐ型GaNクラッド層６０は光導波層である。ｎ型Al0.14Ga0.86N/GaNＭＤ−ＳＬＳクラッド層４０及びｐ型Al0.14Ga0.86N/GaNＭＤ−ＳＬＳクラッド層６５は、InGaNＭＱＷ層５０の活性領域から放出されたキャリアと光を閉じ込めるクラッド層として作用する。ｎ型In0.1Ga0.9N層３５は、厚いAlGaN膜を成長させ亀裂の発生を防止する緩衝層として作用する。
【０００４】
図１に示す構造を利用することにより、電極を通じてInGaNＭＱＷ活性層５０内にキャリアが注入され、４００ｎｍ波長領域の光が放出される。リッジストライプ領域下方ではリッジストライプ領域外よりも実効屈折率が大きいので、ｐ型Al0.14Ga0.86N/GaNＭＤ−ＳＬＳクラッド層６５に形成されたリッジ導波構造のために、光の場が活性層内の水平横方向に閉じ込められる。他方、活性層の屈折率はｎ型GaNクラッド層４５及びｐ型GaNクラッド層６０の屈折率、さらに、ｎ型Al0.14Ga0.86N/GaNＭＤ−ＳＬＳクラッド層４０、及びｐ型Al0.14Ga0.86N/GaNＭＤ−ＳＬＳクラッド層６０の屈折率よりも大きいので、ｎ型GaNクラッド層４５、ｎ型Al0.14Ga0.86N/GaNＭＤ−ＳＬＳクラッド層４０、ｐ型GaNクラッド層６０、及びｐ型Al0.14Ga0.86N/GaNＭＤ−ＳＬＳクラッド層５５により、光の場が活性層内の横方向に閉じ込められる。したがって、基本横モード発振が得られる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、図１に示す構造の場合、AlGaN、InGaN及びGaNの格子定数の間には、ｎ型In0.1Ga0.9N層３５、In0.02Ga0.98N/In0.15Ga0.85NＭＱＷ活性層５０、ｎ型Al0.14Ga0.86N/GaNＭＤ−ＳＬＳクラッド層４０、ｐ型Al0.14Ga0.86N/GaNＭＤ−ＳＬＳクラッド層６５、及びｐ型Al0.2Ga0.8Nクラッド層５５の全体の厚さが臨界厚を越えたときは常に歪のエネルギーを解放させる手段として構造内に欠陥を発生させるのに十分な相違が互いに存在するので、108cm-2より小さい桁まで欠陥密度を低減させることは困難である。欠陥は相分離に起因し、レーザ光の吸収の中心として作用するので、発光効率の低下と閾値電流の上昇を引き起こす。その結果、動作電流が大きくなり、ひいては信頼性を損なうことになる。
【０００６】
さらに、InGaNの３元合金系は、図１の構造では活性層として利用されている。この場合、バンドギャップエネルギーはInNの1.9eVからGaNの3.5eVまで変化する。したがって、3.5eVより高いエネルギー準位の紫外光は、InGaN活性層を利用して得ることはできない。このことは、紫外光が、例えば、さらに高密度の光ディスク記憶装置やその他の装置内の光ピックアップ装置用光源として魅力的であることから、問題点となる。
【０００７】
従来の３元材料系における相分離に起因する欠陥をさらに詳しく理解するため、InN、GaN及びAlN間の格子定数の不整合を理解する必要がある。InNとGaN間、InNとAlN間及びGaNとAlN間の格子不整合は、それぞれ１１．３％、１３．９％及び２．３％である。したがって、InN、GaN及びAlN間で等価結合距離が互いに異なっていることからInGaAlN層の等価格子定数が基板と同じであっても、内部歪エネルギーがInGaAlN層内に蓄積する。内部歪エネルギーを低減するために、InGaAlN格子不整合材料系内で相分離が発生する組成範囲が存在し、その場合、InGaAlN層内にIn原子、Ga原子及びAl原子が不均一に分布する。相分離の結果は、InGaAlN層内の In原子、Ga原子及びAl原子が各構成層内の原子モル分率に従って均一に分布されないことになる。このことは、相分離を含むどの層のバンドギャップエネルギー分布も不均一になることを意味する。相分離された部分のバンドギャップ領域は、光吸収中心として不均衡に作用するか、あるいは導波光の散乱を発生させる。上述したように、これらの問題に対する一般的な従来技術の対策は駆動電流を上昇させることであり、それによって半導体装置の寿命を短縮させていた。
【０００８】
その結果、相分離に起因する格子欠陥を最小限に抑え、例えば、青色光または紫外光を高効率に発するレーザダイオードとして、さらに、トランジスタ等の他の半導体構造用に使用可能な半導体構造に対する要望が長い間切実に感じられていた。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、半導体構造の層間の相分離を物質的に抑制することにより欠陥密度を十分に低減させる半導体構造を提供することによって従来技術の限界を実質的に克服するものである。これにより、ひいては、発光効率を大幅に向上させることができる。一般に、本発明は、III族窒化物４元及び５元材料系及び方法を利用する。
【００１０】
相分離を抑制するためには、各層のIn含有率、Al含有率、Ga含有率の分布が均一なInGaAlN層を有する半導体装置を提供すれば可能であることが分かっている。これにより、発光素子の場合、光吸収損失及び導波散乱損失を低減することができ、高効率の発光素子が実現される。
【００１１】
InGaAlN等の４元材料系は、半導体構造内の構成層全てのGaNモル分率ｘ及びAlNモル分率ｙがx+1.2yがほぼ一定の値に等しいという条件を満たす場合には、相分離を大幅に抑制するのに充分な均一性を再現可能に実現することが分かっている。
【００１２】
本発明にかかる装置は、一般に、順次積層形成された第１導電型の第１のInGaAlN材料層と、InGaAlN活性層と、逆の導電型のInGaAlN材料層を備えている。x+1.2yが定数に等しい、例えば、およそ１あるいは１にほぼ等しいという数式に原則的にしたがってモル分率を維持することにより、構成層の格子定数が互いにほぼ等しい状態を維持し、欠陥の発生を低減させることになる。
【００１３】
別の実施形態では、相分離を解消して層境界前後間の均一性を促進させる４元材料系を使用することにより、半導体構造を基本的に上述のとおりに製造する。したがって、既に述べたように、第１のクラッド層は第１の導電型かつ第１の組成のInGaAlNであり、活性層は第２の組成のInGaAlNであり、第２のクラッド層は最初の層の組成を有する逆の導電型のInGaAlNである。しかしながら、さらに、第２のクラッド層はリッジ構造を有している。既に述べたように、光吸収損失と導波散乱損失が低減され、より高い効率がもたらされるとともに、光の場をリッジ構造下方の活性層内の水平横方向に閉じ込めることができるという利点もさらにもたらされる。この構造は、基本横モード発振も可能にする。
【００１４】
レーザダイオードの形での実施に特に適している本発明の第３の実施形態では、半導体構造は、それぞれ前の層の上に順次形成された、In1-x1-y1Gax1Aly1N材料からなる第１導電型の第１のクラッドと、In1-x2-y2Gax2Aly2N材料からなる活性層と、In1-x3-y3Gax3Aly3N材料からなる逆の導電型の第２のクラッド層を備えている。このような材料系において、x1、x2及びx3はGaNモル分率を示し、y1、y2及びy3はAlNモル分率を示し、x1、y1、x2、y2、x3及びy3は、EgInN、EgGaN及びEgAlNがそれぞれInN、GaN及びAlNのバンドギャップエネルギーであるとき、0<=x1+y1<=1、0<x2+y2<1、0<=x3+y3<=1、1<=x1/0.80+y1/0.89、1<=x2/0.80+y2/0.89、1<=x3/0.80+y3/0.89、EgInN (1-x1-y1) + EgGaNx1 + EgAlNy1 > EgInN(1-x2-y2) + EgGaNx2 + EgAlNy2、及びEgInN (1-x3-y3) + EgGaNx3 + EgAlNy3 > EgInN(1-x2-y2) + EgGaNx2 + EgAlNy2の関係を有している。
【００１５】
上記の材料系にしたがって再現可能な半導体構造を提供するため、InGaAlN層の例示的な実施形態は0<=x+y<=1及び1<=x/0.80+y/0.89の関係を満たすGa含有率ｘ、Al含有率ｙを有している。既に述べたように、この材料系により、光吸収損失及び導波散乱損失の低減が可能になり、高効率発光素子が実現する。さらに、x1、y1、x2、y2、x3及びy3が、0<=x1+y1<=1、0<x2+y2<1、0<=x3+y3<=1、1<=x1/0.80+y1/0.89、1<=x2/0.80+y2/0.89、1<=x3/0.80+y3/0.89、EgInN (1-x1-y1) + EgGaNx1 + EgAlNy1 > EgInN(1-x2-y2) + EgGaNx2 + EgAlNy2、及びEgInN (1-x3-y3) + EgGaNx3 + EgAlNy3 > EgInN(1-x2-y2) + EgGaNx2 + EgAlNy2の関係を有するとき、活性層のInGaAlNのバンドギャップエネルギーは第１のクラッド層及び第２のクラッド層のバンドギャップエネルギーより小さくなる。このような条件下では、注入キャリアが活性層内に閉じ込められる。少なくとも一部の実施形態では、発光素子となり得る第３の実施形態は、全構成層のGaNモル分率ｘｗ及びAlNモル分率ｙｗが0<xw+yw<1及び1<=x/0.80+y/0.89の関係を満たすInGaAlN単一あるいは多重量子井戸活性層を有していることが好ましい。
【００１６】
上記の構造の利点の１つは、レーザダイオードの閾値電流密度を低減させることである。このことは、単一または多重量子井戸構造を使用することによって実現可能であり、それにより、活性層の状態密度が低減される。これにより、反転分布に必要なキャリア密度が小さくなり、閾値電流密度が低下した、あるいは低いレーザダイオードが実現する。
【００１７】
第３の実施形態では、ｘｓとｙｓが各構成層においてそれぞれGaNモル分率とAlNモル分率であるとき、xs+1.2ysが一定の値にほぼ等しい（およそ１または１に近い）という条件が満たされることが好ましい。既に述べたように、これにより、各構成層の格子定数が互いにほぼ等しくなり、ひいては、相分離に起因する欠陥がほぼ最小限に抑えられる。
【００１８】
本発明の第４の実施形態では、半導体構造は、それぞれ前の層の上に順次形成された、In1-x1-y1Gax1Aly1N材料からなる第１の導電型の第１のクラッド層と、In1-x2-y2Gax2Aly2N活性層と、In1-x3-y3Gax3Aly3N材料からなる逆の導電型の第２のクラッド層を備えていてもよい。さらに、この第２のクラッド層はリッジ構造を有している。上述の材料系の場合、x1、x2及びx3はGaNモル分率を示し、y1、y2及びy3はAlNモル分率を示し、x1、y1、x2、y2、x3及びy3は、EgInN、EgGaN及びEgAlNがそれぞれInN、GaN及びAlNのバンドギャップエネルギーであるとき、0<=x1+y1<=1、0<x2+y2<1、0<=x3+y3<=1、1<=x1/0.80+y1/0.89、1<=x2/0.80+y2/0.89、1<=x3/0.80+y3/0.89、EgInN (1-x1-y1) + EgGaNx1 + EgAlNy1 > EgInN(1-x2-y2) + EgGaNx2 + EgAlNy2、及びEgInN (1-x3-y3) + EgGaNx3 + EgAlNy3 > EgInN(1-x2-y2) + EgGaNx2 + EgAlNy2の関係を有している。
【００１９】
先の実施形態の場合と同様に、各InGaAlN層はIn含有分とAl含有分とGa含有分の分布が均一であり、各InGaAlN層のGa含有率ｘ及びAl含有率ｙが0<=x+y<=1及び1<=x/0.80+y/0.89の関係を満たすときは、それを再現可能に得ることができる。x1、y1、x2、y2、x3及びy3が、0<=x1+y1<=1、0<x2+y2<1、0<=x3+y3<=1、1<=x1/0.80+y1/0.89、1<=x2/0.80+y2/0.89、1<=x3/0.80+y3/0.89、EgInN (1-x1-y1) + EgGaNx1 + EgAlNy1 > EgInN(1-x2-y2) + EgGaNx2 + EgAlNy2、及びEgInN (1-x3-y3) + EgGaNx3 + EgAlNy3 > EgInN(1-x2-y2) + EgGaNx2 + EgAlNy2の関係を有するとき、InGaAlN活性層のバンドギャップエネルギーは第１のクラッド層及び第２のクラッド層のバンドギャップエネルギーより小さくなる。先の実施形態と同様に、注入キャリアが活性層内に閉じ込められ、光の場がリッジ構造下方の活性層内の水平横方向に閉じ込められて、基本横モード発振が発生する。
【００２０】
先の実施形態と同様に、第４の実施形態は、一般に、全構成層のGaNモル分率ｘｗ及びAlNモル分率ｙｗが0<xw+yw<1及び1<=x/0.80+y/0.89の関係を満たすInGaAlN単一あるいは多重量子井戸活性層を有している。また、ｘｓとｙｓが各構成層においてそれぞれGaNモル分率とAlNモル分率であるとき、xs+1.2ysがおよそ１または１に近い一定の値にほぼ等しいという条件が一般的に満たされる。同様のパラメータは、サファイア、炭化珪素等の他の基板にも当てはまる。
【００２１】
III族窒化物材料の中では、バンドギャップの広さと熱伝導率の高さから、BNも可視光発光素子、可視光検出器及び高出力トランジスタ素子への適用に魅力的である。InGaAlN材料に対する構造設計概念と同じ概念をBAlGaN、BGaInN、BInAlN等の他の材料系を用いた半導体装置にも適用可能である。
【００２２】
BAlGaN材料系を用いた半導体装置の場合、各BAlGaN層はB含有率とAl含有率とGa含有率の分布が均一であり、各BAlGaN層のAl含有率ｘ及びGa含有率ｙが0<=x+y<=1及び1<=1.04x+1.03yの関係を満たすときは、それを再現可能に得ることができる。
【００２３】
BGaInN材料系を用いた半導体装置の場合、各BGaInN層はB含有率とGa含有率とIn含有率の分布が均一であり、各BGaInN層のGa含有率ｘ及びIn含有率ｙが0<=x+y<=1、及び1<=1.03x+0.88yまたは1<=0.95x+1.01yの関係を満たすときは、それを再現可能に得ることができる。
【００２４】
BInAlN材料系を用いた半導体装置の場合、各BInAlN層はB含有率とIn含有率とAl含有率の分布が均一であり、各BInAlN層のIn含有率ｘ及びAl含有率ｙが0<=x+y<=1、及び1<=1.01x+0.88yまたは1<=0.61x+1.04yの関係を満たすときは、それを再現可能に得ることができる。
【００２５】
以上のことから、ｘ、ｙ、ｚがそれぞれ個別の材料系に対してゼロまたはゼロでない値である可能性があるとき、B1-x-y-zInxGayAlzNの記述で本発明の材料系を一般化できることが分かる。ｘ、ｙ、ｚのうちの１つがゼロの場合、４元材料系が生じることが分かる。したがって、x=0の場合、材料系は総括的に言ってBGaAlNであり、y=0の場合、材料系は総括的に言ってBInAlNであり、z=0の場合、材料系は総括的に言ってBInGaNである。しかしながら、ｘ、ｙ及びｚの合計が１に等しい場合には、材料系はInGaAlNになる。各事例において、具体的な材料間の関係は、上述したように、相分離を回避し本発明の構造設計概念に従うように変動し、例えば、紫外線、青色、赤色または赤外線のレーザダイオードまたは検出器、あるいはその他の半導体構造となるように変動する可能性がある。ｘ、ｙ、ｚがいずれもゼロではなく、合計が１にならない場合には、５元材料系が生じることになることも分かる。
【００２６】
上記の結果は、従来の処理温度及び時間（通常、５００℃ないし１０００℃の範囲内）で実現可能である。アプライド・フィジックス・レターズ(Appl. Phys. Lett.) 58(5)、１９９１年２月４日、５２６ページ以下「低圧有機金属化学蒸着を用いた光学的電気的高品質GaN層の成長(Growth of high optical and electrical quality GaN layers using low-pressure metalorganic chemical vapor deposition)」参照。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明は、ｘ、ｙ、ｚがそれぞれ個別の材料系に対してゼロまたはゼロでない値である可能性があるとき、あるいはｘ、ｙ及びｚの合計が１に等しいとき、化学式B1-x-y-zInxGayAlzNによって総括的に記述可能な材料系群の構成方法及びその材料系群から構成された半導体構造を対象とする。本明細書で述べる第１の実施形態、それはIn0.05Ga0.75Al0.2Nの形でさらに具体的に記述されるInGaAlN材料系を説明するものであるが、この第１の実施形態では、x+y+z=1であって、それによりボロン成分が消去されることが分かる。本明細書で述べる第２の実施形態では、In0.01Ga0.96Al0.03N材料が使用され、やはりx+y+z=1であることが分かる。第３の実施形態は、量子井戸障壁層用のIn0.15Ga0.84Al0.01N材料及びIn0.16Ga0.80Al0.04N材料とともに、In0.15Ga0.70Al0.15N材料からなるクラッド層を使用する。やはり、両材料は等式x+y+z=1に従うことが分かる。
【００２８】
後に説明する第５の実施形態はAlNクラッド材料とともにB0.01Al0.95Ga0.04N材料系を使用する一方、第６の実施形態はB0.04Al0.63Ga0.33N材料及びB0.03Al0.70Ga0.27Nからなる多重量子井戸層とともにクラッド層用にB0.01Al0.95Ga0.04N材料を使用する。これら材料のそれぞれは総括化学式においてx=0であることが分かる。
【００２９】
同様に、第７の実施形態は、B0.01Ga0.86In0.13N材料及びB0.01Ga0.90In0.09N材料からなる量子井戸層とともにB0.03Ga0.96In0.01N材料からなるクラッド層を使用している。第８の実施形態は、B0.01Ga0.86In0.13N材料及びB0.01Ga0.90In0.09Nからなる量子井戸層とともにクラッド層用にB0.03Ga0.96In0.01N材料を使用している。最後に、第９の実施形態は、B0.01In0.08Al0.91N材料及びB0.02In0.07Al0.91N材料からなる量子井戸層とともにクラッド層用にB0.01In0.01Al0.98N材料を使用している。第７及び第８の実施形態では、z=0の場合にB1-x-y-zInxGayAlzNの総括化学式が当てはまり、第９及び第１０の実施形態では、y=0であることが分かる。また、本発明の総括化学式に従うとともに、ｘ、ｙ、ｚがそれぞれゼロではなく合計が１にならない５元材料系が存在することも理解できる。
【００３０】
まず、図２では、本発明の第１の実施形態にかかる半導体構造を断面図で示す。本発明は複数の素子タイプに適用されるが、例示のため、図面の多くにおいて示す半導体構造はレーザダイオードとする。特に図１に示すように、ｎ型GaN基板１００が設けられており、その上には、ｎ型GaN第１クラッド層１０５（通常０．５μｍ厚）が形成されている。その後、通常およそ１．５μｍ厚のｎ型In0.05Ga0.75Al0.2N材料からなる第２のクラッド層１１０が形成された後、典型的な構成ではおよそ３５オングストローム厚のIn0.02Ga0.85Al0.13N材料からなる４つの障壁層と３対の形で構成されるおよそ３５オングストローム厚のIn0.01Ga0.96Al0.03N材料からなる３つの量子井戸層とから構成された多重量子井戸活性層１１５が形成される。次に、ｐ型In0.05Ga0.75Al0.2N（通常およそ１．５ｍｍ厚）の第３のクラッド層１２０が形成された後、ｐ型GaN第５クラッド層１２５（通常およそ０．５μｍ厚）が形成される。ｐ型GaN第４クラッド層１２５上には、１個のストライプ状ウィンドウ領域１３５（３．０μｍ幅）を有するSiO2層１３０が形成される。ｎ型GaN基板１００上には第１の電極１４０が形成される一方、SiO2層１３０及びウィンドウ領域１３５上には第２の電極１４５が形成される。
【００３１】
活性層１１５から３５０ｎｍの波長領域を有する紫外光を放出させるために、井戸層のInNモル分率、GaNモル分率及びAlNモル分率がそれぞれ０．０１、０．９６及び０．０３に設定されている。相分離に起因する欠陥を回避するため、様々な構成層のそれぞれにおいてGaNモル分率ｘ及びAlNモル分率ｙをx+1.2yが一定の値にほぼ等しいという条件を満たすように設定することによって、様々な構成層の格子定数を互いに一致させている。大部分の実施形態は一定値が１±０．０５範囲内にあるが、典型的な実施形態では、一定値がほぼ１、例えば１±０．１に設定される。
【００３２】
材料を適正に選択することにより、ｎ型第２クラッド層１１０及びｐ型第３クラッド層１２０のバンドギャップエネルギーが３対の多重量子井戸活性層１１５のバンドギャップエネルギーより大きくなる。これにより、ｎ型第２クラッド層１１０及びｐ型第３クラッド層１２０からの注入キャリアが活性層１１５内に閉じ込められ、キャリアが再結合して紫外光を放出する。さらに、ｎ型第２クラッド層１１０及びｐ型第３クラッド層１２０の屈折率が多重量子井戸活性層１１５の屈折率より小さいので、光の場が横方向に閉じ込められる。
【００３３】
電極１４５からの注入電流は閉じ込められてウィンドウ領域１３５を流れるので、ウィンドウ領域１３５下方の活性層１１５内の領域が強く活性化される。これにより、ウィンドウ領域６ａ下方の活性層内の局部モード利得がSiO2層下方の活性層内の局部モード利得より高くなる。したがって、第１の実施形態の構造内に、レーザ発振をもたらす利得導波による導波路が形成される。
【００３４】
図３は、第１の実施形態に従って構成されたレーザダイオードの放出光対駆動電流の図を示す。レーザダイオードはデューティサイクル１％のパルス電流で駆動される。閾値電流密度は５．５kA/cm2であることが分かる。
【００３５】
図４Ａないし図４Ｄは、第１の実施形態にかかる典型的なレーザダイオードを構成するのに必要な製造工程の概要を順に示す。図４Ａないし図４Ｄから得られる構造は図２に示すものと類似しているので、可能な場合には要素に同じ参照番号を使用することとする。最初に図４Ａに示すように、ｎ型GaN基板１００が設けられており、その上には、ｎ型GaN第１クラッド層１０５が成長している。第１クラッド層１０５は通常およそ０．５μｍ厚である。その後、通常およそ１．５μｍ厚のｎ型In0.05Ga0.75Al0.2N第２クラッド層１１０が形成される。
【００３６】
次に、およそ３５オングストローム厚のIn0.02Ga0.85Al0.13N材料からなる４つの障壁層と、それぞれおよそ３５オングストローム厚の３層のIn0.01Ga0.96Al0.03N材料からなる３つの量子井戸を形成することにより、多重量子井戸活性層１１５が形成される。その後、およそ１．５μｍ厚のｐ型In0.05Ga0.75Al0.2N材料からなる第３クラッド層１２０が形成された後、およそ０．５μｍ厚のｐ型GaNからなる第４クラッド層１２５が形成される。通常、各層は有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）法あるいは分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法のどちらかによって形成される。
【００３７】
その後、図４Ｂに示すように、ｐ型GaN第４クラッド層１２５上に、例えば化学蒸着（ＣＶＤ）法によって二酸化珪素(SiO2)層１３０が形成される。フォトリソグラフィとエッチングまたは他の適切な方法とを用いて、図４Ｃに示すように、ウィンドウ領域１３５が形成される。ウィンドウ領域１３５は、少なくとも一部の実施形態ではストライプ状であってもよい。最後に、図４Ｄに示すように、蒸着あるいは他の適切な方法により、ｎ型GaN基板１００とSiO2層１３０上にそれぞれ第１の電極１４０と第２の電極１４５が形成される。
【００３８】
次に、図５を参照することにより、本発明にかかる半導体構造の第２の実施形態をより深く理解することができる。第１の実施形態と同様に、第２の実施形態の典型的な適用例はレーザダイオードの作成である。第２の実施形態の構造により、実屈折率導波を有する構造内に導波機構を組み込むことができる。これにより、基本横モードで動作可能な低閾値電流レーザダイオードが提供される。
【００３９】
さらに図５に基づいて、第１の実施形態に関して同じ要素を同じ参照番号で示す。ｎ型GaN基板１００に、およそ０．５μｍ厚のｎ型GaNから第１クラッド層１０５が形成されている。続いて、およそ１．５μｍ厚のIn0.05Ga0.75Al0.2N材料からｎ型第２クラッド層１１０が形成されている。その後、およそ３５オングストローム厚のIn0.02Ga0.85Al0.13N材料からなる４つの障壁層とおよそ３５オングストローム厚のIn0.01Ga0.96Al0.03N材料からなる３つの井戸層とを備えた多重量子井戸活性層１１５が形成されている。次に、およそ１．５μｍ厚のIn0.05Ga0.75Al0.2N材料からなる第３のｐ型クラッド層１２０が形成されている。その後、第３クラッド層１２０のリッジ構造５００全体に、およそ０．５μｍ厚のｐ型GaN第４クラッド層１２５が形成されている。そして、第３及び第４クラッド層が部分的に除去されてリッジ構造５００が形成されている。その後、第３クラッド層１２０の残存する露出部分と第４クラッド層１２５を覆うように二酸化珪素(SiO2)層１３０が形成されている。第４及び第３クラッド層１２５、１２０の上方には、それぞれSiO2層を介して、およそ２．０μｍ幅のストライプ状のウィンドウ領域１３５が形成されている。第１の実施形態と同様に、ｎ型GaN基板１００上には第１の電極１４０が形成され、SiO2層１３０上には第２の電極１４５が形成されている。
【００４０】
第１の実施形態と同様に、活性層１４から３５０ｎｍ領域の波長を有する紫外光を放出させるために、井戸層内のInN、GaN及びAlNのモル分率がそれぞれ０．０１、０．９６及び０．０３に設定されている。同様に、各構成層の格子定数を一致させて相分離に起因する欠陥を回避するため、全ての層のGaNモル分率ｘ及びAlNモル分率ｙはx+1.2yが一定の値にほぼ等しいという条件を満たしている。第１の実施形態と同様に、x+1.2yは、各層の等価格子定数がGaNの格子定数とほぼ等しくなるようにほぼ１に等しい値に設定されている。同様に、クラッド層のバンドギャップエネルギーが活性層のバンドギャップエネルギーより大きい値に維持され、紫外光の放出が可能になっている。また、材料の屈折率は第１の実施形態に関連して述べたとおりであり、光の場を横方向に閉じ込められるようになっている。
【００４１】
第１の実施形態の動作と同様に、SiO2層が注入電流を拘束するので、活性層１１５のウィンドウ領域１３５下方の領域が強く活性化される。その結果は、やはり、ウィンドウ領域１３５下方の活性層内の局部モード利得がSiO2層１３０下方の活性層内の局部モード利得より高くなる。これにより、リッジストライプ領域の外側と比較して内側において横方向の実効屈折率が相対的に高くなることと相俟って、実効屈折率ステップ（Δｎ）が得られる。これにより、実屈折率導波により形成された組込み式の導波路を有する構造が得られる。したがって、第２の実施形態の構造により、基本横モードで動作可能な低閾値電流レーザダイオードが提供される。
【００４２】
図６は第２の実施形態にかかるレーザダイオードの放出光対駆動電流特性をグラフ形式で示す。レーザダイオードは持続波電流で駆動される。閾値電流は３２．５ｍＡであることが分かる。
【００４３】
次に、図７Ａないし図７Ｅに、第２の実施形態にかかる半導体レーザダイオードの典型的な素子の主要製造工程の概要を示す。
【００４４】
まず、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、ｎ型GaN基板１００上への第１及び第２クラッド層１０５、１１０及び３対の多重量子井戸活性層１１５の形成は第１の実施形態と同じである。その後、第３及び第４のクラッド層１２０、１２５が形成された後、通常はエッチングにより、一部が除去されてリッジ構造５００が形成される。既に述べたように、典型的な実施形態では、ＭＯＣＶＤ法あるいはＭＢＥ法のどちらかにより様々な層が順次形成される。
【００４５】
その後、図７Ｃないし図７Ｅに示すように、第５及び第３クラッド層１２５、１２０上にそれぞれ、通常はＣＶＤ法により二酸化珪素層１３０が形成され、その後、第１の実施形態と同様に、ウィンドウ領域１３５が形成される。その後、電極１４０、１４５が構造体に蒸着されるかあるいは接合される。
【００４６】
次に、図８を参照することにより、本発明の第３の実施形態をより深く理解できる。第３の実施形態はモル分率がわずかに異なることによって青色光の放出を可能にするが、その他の点では第１の実施形態と同様である。したがって、ｎ型GaN基板１００をｎ型GaN第１クラッド層１０５とともに依然として使用する。しかしながら、第２クラッド層８１０が一般におよそ１．５μｍ厚のIn0.15Ga0.70Al0.15N材料からなる一方、３対の量子井戸活性層８１５が一般にIn0.16Ga0.80Al0.04N材料からなる４つの障壁層とIn0.15Ga0.84Al0.01N材料からなる３つの障壁層とを備えている。第３クラッド層８２０が一般にｐ型In0.15Ga0.70Al0.15N材料からなる一方、第４クラッド層１２５が、第１の実施形態と同様に、ｐ型GaN材料である。各層の厚さは第１の実施形態の場合とほぼ同じである。SiO2層１３０、ウィンドウ領域１３５、第１及び第２の電極１４０、１４５が構造体を完成させる。
【００４７】
活性層２４から４００ｎｍの波長領域で青色光を放出させるため、井戸層８１５内のInN、GaN及びAlNのモル分率がそれぞれ０．１５、０．８４及び０．０１に設定されている。構成層の格子定数を一致させて相分離誘因性欠陥の発生を回避するため、各層のGaNモル分率ｘ及びAlNモル分率ｙは、x+1.2yがおよそ０．８５±０．１の一定の値にほぼ等しいという条件を満たすように設定されており、既に述べたように、大部分の実施形態はその一定の値が０．８５±０．０５の範囲内になる。
【００４８】
第１の実施形態が紫外光を放出する一方で、第３の実施形態は青色光を放出するが、クラッド層のバンドギャップエネルギーは依然として３対の多重量子井戸活性層８１５のバンドギャップエネルギーよりも高く設定されている。既に述べたように、これにより、活性層８１５内でのキャリアの閉じ込めと再結合が可能になる。第１の実施形態と同様に、第２及び第３のクラッド層の屈折率は、意図的に、活性層よりも小さく、その結果、光の場を横方向に閉じ込めている。同様に、ウィンドウ領域１３５の下方に電流を強く注入することにより、活性層のSiO2層１３０下方の部分に対して活性層内で比較的高い局部モード利得が発生し、その結果、やはり、レーザ発振をもたらす導波路が得られる。
【００４９】
図９は第３の実施形態にかかるレーザダイオードの放出光対駆動電流特性の図を示す。レーザダイオードはデューティサイクル１％のパルス電流で駆動される。閾値電流密度は５．０kA/cm2であることが分かる。
【００５０】
図１０Ａないし図１０Ｄは、第３の実施形態の一実施例における半導体レーザダイオードの一連の製造工程を示す。製造工程は図４Ａないし図４Ｄに関連して説明したものと同じであるので、さらに説明は行わない。
【００５１】
次に、図１１を参照することにより、本発明の第４の実施形態をより深く理解することができる。第４の実施形態は、第３の実施形態と同様に、青色光を放出するよう構成され、したがって、第３の実施形態と同じモル分率を有している。しかしながら、第４の実施形態は、第２の実施形態と同様に、導波路として作用するリッジ構造を提供するよう構成されている。モル分率が図８のものと同様であるので、同様の要素は図８で使用したのと同じ参照番号を使って説明する。
【００５２】
引き続き図１１を見れば、第４の実施形態の構造がGaN基板１００を有し、その上に、第１クラッド層１０５が形成され、その後に第２クラッド層８１０が形成されていることが分かる。それらの上方には、３対の多重量子井戸活性層８１５が形成され、その後に、第３クラッド層８２０が形成されている。既に述べたように、第４クラッド層１２５、二酸化珪素層１３０、ウィンドウ１３５及び電極１４０、１４５も全て形成されている。InN、GaN及びAlNのモル分率を含む材料は、図８に示すとおりであり、すなわち、それぞれ０．１５、０．８４及び０．０１である。同様に、各層のGaNモル分率ｘ及びAlNモル分率ｙは、先の実施形態と同様、x+1.2yがおよそ０．８５±０．１の一定の値に等しいまたはほぼ等しいという条件を満たすように設定されている。バンドギャップエネルギー、屈折率、及び電流注入時のモード利得はすべて第３の実施形態に関連してほぼ記述したとおりであり、さらに説明はしない。
【００５３】
図１２は第４の実施形態に従って構成されたレーザダイオードの駆動電流対放出光を図示している。レーザダイオードは持続波電流で駆動される。閾値電流は２８．５ｍＡであることが分かる。
【００５４】
図１３は、第４の実施形態にかかる半導体レーザダイオードの製造工程の概要を示す。これらの工程は、図７Ａないし図７Ｅに関連して記述したものと基本的に同一であり、さらに説明はしない。
【００５５】
次に、図１４を参照することにより、GaNモル分率ｘ及びAlNモル分率ｙの選択と、InGaAlN構成層の場合の両モル分率の関係をより深く理解できる。特に、相対モル分率は、0<x+y<1、1<=x/0.80+y/0.89の関係をほぼ満足させることが必要である。
【００５６】
図１４は、様々な成長温度に対してグラフ化された相分離領域の境界を示す。図１４の線は様々な温度に関して組成的に不安定な（相分離）領域と安定した領域との間の境界を示している。InN-AlN線と境界線とで囲まれた領域は相分離含有率領域を示す。３元合金InAlN及びInGaNは、InNとAlNとの間及びInNとGaNとの間の格子不整合が大きいために相分離領域が大きいことが分かった。他方、３元合金GaAlNは、約１０００℃の温度での結晶成長の場合にAlNとGaNとの間の格子不整合が小さいために相分離領域がないことが分かる。
【００５７】
したがって、結晶成長温度が約５００℃ないし約１０００℃の概算範囲内にあるとき、In含有分、Ga含有分及びAl含有分の相分離が有意には発生しないInGaAlN材料系を提供できることが分かった。約１０００℃より低い結晶成長温度で相分離を回避するためのInGaAlNのGa含有率及びAl含有率の含有率選択領域は、図１５の斜線領域であり、２つの領域を分離する線がx/0.80+y/0.89=1の関係によって近似的に定義されることがわかる。
【００５８】
したがって、これまでに開示した４つの各構造的実施形態の場合、レーザダイオードの全構成層のGaモル分率ｘ及びAlNモル分率ｙが0<x+y<1、1<=x/0.80+y/0.89の関係をほぼ満たすとき、およそ５００℃と約１０００℃との間の結晶成長温度で実施することによって、InGaAlN材料系内で相分離現象を回避することができる。その結果、原子モル分率に従って各構成層内にIn原子、Ga原子及びAl原子がほぼ均一に分布する。
【００５９】
図１６は約１０００℃より低い成長温度で相分離現象を回避するためのInGaAlN系のGa含有率ｘ及びAl含有率ｙの含有率選択線を示す。図１６の線はx+1.2y=1の例示的な線を示す。したがって、GaN基板上に形成されたレーザダイオードのInGaAlN構成層のGa含有率及びAl含有率に関してx+1.2yがほぼ１に等しく、0<x+y<1、1<=x/0.80+y/0.89の関係を確実に有していることによって、欠陥密度が低く、相分離が全くないか非常に少ないレーザダイオードをGaN基板上に製造することができる。
【００６０】
さらに、上述した材料系によって他の半導体構造を製造することも可能である。III族窒化物材料、特にGaNとAlNは高出力高温条件下で動作可能な電子デバイス、例えばマイクロ波パワートランジスタでの使用に有望である。これは、そのバンドギャップの広さ（GaNの場合３．５ｅＶ、AlNの場合６．２ｅＶ）、降伏電界の高さ、飽和速度の高さにある程度起因している。比較すると、AlAs、GaAs、Siのバンドギャップは、それぞれ、２．１６ｅＶ、１．４２ｅＶ、１．１２ｅＶである。このことは、そのような電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）用にAlGaN/GaN材料を使用することの有意義な研究に繋がっている。しかしながら、既に述べたように、AlGaNとGaNの格子定数の違いから重大な欠陥が発生し、そのことが、結果得られる構造体内の電子の移動度とそのような材料系のＦＥＴ用途での実用性に限界を与えている。
【００６１】
本発明は、本発明のInGaAlN/GaN材料がGaNと等しい格子定数を有するという点で上記の限界をほぼ克服する。既に述べたように、GaNモル分率（ｘ）及びAlNモル分率（ｙ）が0<x+y<1、1<=x/0.8+y/0.89及びx+1.2y=1±0.1の関係を満たすとき、In1-x-yGaxAlyNの４元材料系は３．１ｅＶより大きいバンドギャップを持つだけでなく、GaNとほぼ等しい格子定数を有する。これにより、様々な層内でほぼ均一な原子含有率分布を有するＦＥＴ等の半導体構造が製造可能になる。したがって、GaNモル分率ｘ及びAlNモル分率ｙが上記の関係を満たす本発明にかかるInGaAlN/GaN材料系を使用することにより、欠陥密度の低い高出力高温トランジスタを実現することができる。
【００６２】
図１７Ａに、本発明にかかるInGaAlN/GaN材料を用いたヘテロ接合電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）の典型的な実施形態を示す。GaN基板５２０上には、０．５μｍ厚のi-GaN層５２５が形成され、その次に、薄い約１０ｎｍ厚のGaN導電用チャンネル層５３０と１０ｎｍ厚のInGaAlN層５３５が形成されている。ソース電極及びドレイン電極５４０Ａ、５４０Ｂとゲート電極５４５が従来の方法で形成されている。この構造において、InGaAlN層のGaNモル分率ｘ及びAlNモル分率ｙはそれぞれ０．６４及び０．３に設定されている。この場合、ｘとｙの値は0<x+y<1、1<=x/0.8+y/0.89及びx+1.2y=1±0.1の関係を満たしている。これにより、実質的に相分離がなくGaNと等しい格子定数を有するInGaAlN層が得られる。ひいては、InGaAlN層とGaN層のヘテロ界面に形成された２次元電子ガスが（欠陥が存在する場合に発生するような）InGaAlN層の原子含有率の揺らぎによって散乱されることがないために、高い電子速度を達成することができる。さらに、InGaAlNのバンドギャップは４ｅＶより大きいので、図１７Ａに示す構造を使用することにより信頼性のある高温動作を実現することができる。
【００６３】
同様に、図１７Ｂは本発明にかかるヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）の実施形態を示す。GaN基板５５０上には、４００ｎｍ厚のｎ型InGaAlNコレクタ層５５５が形成され、その次に、５０ｎｍ厚のｐ型GaNベース層５６０と３００ｎｍ厚のエミッタ層５６５が形成されている。ベース電極５７０、コレクタ電極５７５及びエミッタ電極５８０が従来の方法で形成されている。図１７Ａと同様に、図１７Ｂの実施形態では、InGaAlN層のGaNモル分率ｘ及びAlNモル分率ｙはそれぞれ０．６４及び０．３に設定されており、ｘとｙは上記と同じ関係を満たす必要がある。図１７Ａと同様に、大きな相分離がなくGaNと等しい格子定数を有するInGaAlN層が実現され、その結果、非常に高品質のInGaAlN/GaNヘテロ接合が得られる。さらに、InGaAlNエミッタ層のバンドギャップ（４．２ｅＶ）はGaNベース層のバンドギャップ（３．５ｅＶ）より大きいので、ｐ型ベース層に発生した正孔がこのベース層内にうまく閉じ込められる。これは、GaNホモ接合バイポーラトランジスタにおいて発生するよりも大きな価電子帯不連続がGaNとInGaAlNとの間に発生することに起因する。このことは、ベース電流に比べて電流増幅が大きいコレクタ電流が得られるという利点をもたらす。さらに、上述したように、InGaAlNとGaN層のバンドギャップは大きいので、トランジスタを高温での用途に信頼性を持って利用することができる。
【００６４】
次に、図１８に、本発明のフォトトランジスタとしての実施例を示す。この点に関して、GaNとAlNは広いバンドギャップ（GaNの場合、２００ｎｍの光の波長に相当する３．５ｅＶ、AlNの場合、３５０ｎｍの光の波長に相当する６．２ｅＶ）を有するので、GaNとAlGaNは紫外線（ＵＶ）領域の光検出器にとって魅力的な材料である。直接バンドギャップとAlN合金の組成範囲全体の中でのAlGaNの可用性のために、AlGaN/GaNによるＵＶ光検出器は、高遮断波長が調整可能であるとともに、量子効率が高いという利点をもたらす。しかしながら、AlGaNの格子定数は欠陥が形成されやすいほどGaNと異なっており、漏れ電流を増加させることになる。
【００６５】
GaNモル分率ｘ及びAlNモル分率ｙが0<x+y<1、1<=x/0.8+y/0.89の関係を満たすIn1-x-yGaxAlyNの４元材料は、３．１ｅＶより大きいバンドギャップを提供するだけでなく、各層内に同じ原子含有率分布で形成することができるので、InGaAlN材料をＵＶ光検出器用途に利用することも可能である。さらに、GaNモル分率ｘ及びAlNモル分率ｙがx+1.2y=1の関係を満たすIn1-x-yGaxAlyNの４元材料は、GaNと等しい格子定数を有する。したがって、GaNモル分率ｘ及びAlNモル分率ｙが上記の関係を満たすInGaAlN/GaN材料を使用することにより、欠陥密度の低いＵＶ光検出器を実現することができる。他の周波数、例えば青色光の検出が必要な場合には、当業者にとって明らかなように、わずかな変更しか必要としない。
【００６６】
図１８に示すように、本発明の半導体装置は、InGaAlN/GaN材料を使用してヘテロ接合フォトトランジスタ（ＨＰＴ）の形で実施可能である。GaN基板７００上には、ｎ型InGaAlNコレクタ層７０５がおよそ５００ｎｍ厚に形成され、その次に、２００ｎｍ厚のｐ型GaNベース層７１０が形成されている。その後、およそ５００ｎｍ厚のエミッタ層７１５が形成されている。エミッタ層の上には、光がベース層に当たるようにリング状の電極７２０が形成されている。
【００６７】
典型的な構造では、InGaAlN層のGaNモル分率ｘ及びAlNモル分率ｙはそれぞれ０．６４及び０．３に設定される。この場合、ｘとｙの値は0<x+y<1、1<=x/0.8+y/0.89及びx+1.2y=1の関係を満たすので、InGaAlN層をGaNと等しい格子定数を持ちながら相分離をほぼ回避するように形成して、高品質のInGaAlN/GaNヘテロ接合を形成することが可能になる。InGaAlNエミッタ層のバンドギャップ（２９０ｎｍの光の波長に相当する４．２ｅＶ）はGaNベース層のバンドギャップ（３５０ｎｍの光の波長に相当する３．５ｅＶ）よりも大きい。光はエミッタ側に照射される。図示の実施形態の場合、２９０ｎｍと３５０ｎｍの間の波長範囲の照射光はエミッタ層を透過するので、GaNベースに吸収されて電子と正孔の対を発生させる。GaNとInGaAlNとの間の価電子帯の不連続が従来のGaNホモ接合フォトトランジスタの場合よりも大きいので、ｐ型ベース層の光吸収によって生成された正孔はベース層にうまく閉じ込められる。これにより、より大きなエミッタ電流が誘導されることになり、ホモ接合フォトトランジスタの場合よりも優れた電子中和がベース領域にもたらされる。したがって、高量子効率かつ高感度、及びその結果として入射光からコレクタ電流への高変換効率を有するＵＶ光検出器が得られる。他の周波数を検出する場合には、GaNベース層は、例えば青色光の場合、InGaNに置き換えられる。
【００６８】
図１８のフォトトランジスタに加えて、本発明に従ってフォトダイオードを実現することも可能である。図１９では、ｎ型GaN基板９００が設けられており、その上にIn1-x-yGaxAlyN４元材料または等価物からなるｎ型層９１０が形成され、この層は図１８に関連して上述した関係に従っている。その後、活性層９１５が形成され、その上方には、ｐ型In1-x-yGaxAlyN４元材料からなる層９２０が形成されている。そして、この層９２０の上方に、ｐ型第２クラッド層９２５が形成され、そこには、層９２０の一部を露出させるようにウィンドウ９３０が形成されている。ウィンドウ９３０は光を層９２０に当てることができる入口となって正孔を発生させる。従来の方法で一対の電極９３５、９４０が形成されてもよく、その場合、電極９３５は、通常、ウィンドウ９３０周りのリング状の電極である。第２クラッド層９２５のバンドギャップは層９２０のバンドギャップよりも大きいことが好ましく、さらに、層９２０のバンドギャップは活性層９１５のバンドギャップよりも大きいことが好ましいことが理解できる。そのような手法によれば、最大限広い範囲の光の波長に対して感度がよくなる。より狭い波長範囲が望ましい場合には、層９２０よりも小さなバンドギャップを有する材料を層９２５に対して使用してもよい。さらに、層９１０、９１５、９２０は、少なくともいくつかの場合には、適正な光電性ｐｎ接合を提供するので、全ての実施形態に層９２５を含ませる必要はない。
【００６９】
次に、図２０を参照することにより、本発明の第５の実施形態をより深く理解することができる。第５の実施形態はBAlGaN４元材料系を使用してＵＶ発光素子を提供している。図２０には、本発明の第５の実施形態にかかる半導体構造が断面図で示されている。特に図２０に基づく第５の実施形態のダイオードには、ｎ型AlN基板２００が設けられており、その上に、ｎ型AlN第１クラッド層２０５（通常０．５μｍ厚）が形成されている。その後、通常およそ１．５μｍ厚のｎ型B0.01Al0.95Ga0.04N材料からなる第２クラッド層２１０が形成され、その次に、多重量子井戸活性層２１５が形成され、この多重量子井戸活性層２１５は、典型的な構成では、およそ３５オングストローム厚のB0.04Al0.63Ga0.33N材料からなる３つの量子井戸層と、およそ３５オングストローム厚のB0.03Al0.70Ga0.27N材料からなる４つの障壁層を３対の構成で備えている。次に、ｐ型B0.01Al0.95Ga0.04N材料からなる第３クラッド層２２０（通常およそ１．５μｍ厚）が形成され、その次に、ｐ型AlN第５クラッド層２２５（およそ０．５μｍ厚）が形成されている。ｐ型AlN第４クラッド層２２５の上に、ストライプ状ウィンドウ領域２３５（３．０μｍ幅）を１つ有するSiO2層２３０が形成されている。ｎ型AlN基板２００の上には第１の電極２４０が形成されており、SiO2層２３０及びウィンドウ領域２３５の上には第２の電極２４５が形成されている。
【００７０】
２３０ｎｍの波長範囲の紫外光を活性層２１５から放出するために、井戸層のBNモル分率、GaNモル分率及びAlNモル分率はそれぞれ０．０４、０．６３及び０．３３に設定されている。格子不整合に起因する欠陥を回避するため、様々な構成層のそれぞれにおいてAlNモル分率ｘ及びGaNモル分率ｙをx+1.12yが一定の値にほぼ等しいという条件を満たすように設定することによって、様々な構成層の格子定数を互いに一致させている。大部分の実施形態は一定値が１±０．０５範囲内にあるが、典型的な実施形態では、一定値がほぼ１、例えば１±０．１に設定される。
【００７１】
材料を適正に選択することにより、ｎ型第２クラッド層２１０及びｐ型第３クラッド層２２０のバンドギャップエネルギーが３対の多重量子井戸活性層２１５のバンドギャップエネルギーより大きくなる。これにより、ｎ型第２クラッド層２１０及びｐ型第３クラッド層２２０からの注入キャリアが活性層２１５内に閉じ込められ、キャリアが再結合して紫外光を放出する。さらに、ｎ型第２クラッド層２１０及びｐ型第３クラッド層２２０の屈折率が多重量子井戸活性層２１５の屈折率より小さいので、光の場が横方向に閉じ込められる。
【００７２】
電極２４５からの注入電流は閉じ込められてウィンドウ領域２３５を流れるので、ウィンドウ領域２３５下方の活性層２１５内の領域が強く活性化される。これにより、ウィンドウ領域下方の活性層内の局部モード利得がSiO2層下方の活性層内の局部モード利得より高くなる。したがって、第５の実施形態の構造内に、レーザ発振をもたらす利得導波による導波路が形成される。
【００７３】
図２１Ａないし図２１Ｄは、第５の実施形態にかかる典型的なレーザダイオードを構成するのに必要な製造工程の概要を順に示す。図２１Ａないし図２１Ｄから得られる構造は図２０に示すものと類似しているので、可能な場合には要素に同じ参照番号を使用することとする。最初に図２１Ａに示すように、ｎ型AlN基板２００が設けられており、その上には、ｎ型AlN第１クラッド層２０５が成長している。第１クラッド層２０５は通常およそ０．５μｍ厚である。その後、通常およそ１．５μｍ厚のｎ型B0.01Al0.95Ga0.04N第２クラッド層２１０が形成される。
【００７４】
次に、およそ３５オングストローム厚のB0.03Al0.70Ga0.27N材料からなる４つの障壁層と、それぞれおよそ３５オングストローム厚の３層のB0.04Al0.63Ga0.33N材料からなる３つの量子井戸を形成することにより、多重量子井戸活性層２１５が形成される。その後、およそ１．５μｍ厚のｐ型B0.01Al0.95Ga0.04N材料からなる第３クラッド層２２０が形成された後、およそ０．５μｍ厚のｐ型AlNからなる第４クラッド層２２５が形成される。通常、各層は有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）法あるいは分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法のどちらかによって形成される。
【００７５】
その後、図２１Ｂに示すように、ｐ型AlN第４クラッド層２２５上に、例えば化学蒸着（ＣＶＤ）法によって二酸化珪素(SiO2)層２３０が形成される。フォトリソグラフィとエッチングまたは他の適切な方法とを用いて、図２１Ｃに示すように、ウィンドウ領域２３５が形成される。ウィンドウ領域２３５は、少なくとも一部の実施形態ではストライプ状であってもよい。最後に、図２１Ｄに示すように、蒸着あるいは他の適切な方法により、ｎ型AlN基板２００とSiO2層２３０上にそれぞれ第１の電極２４０と第２の電極２４５が形成される。
【００７６】
次に、図２２を参照することにより、本発明にかかる半導体構造の第６の実施形態をより深く理解することができる。第５の実施形態と同様に、第６の実施形態の典型的な適用例はレーザダイオードの作成である。第６の実施形態の構造により、実屈折率導波を有する導波路を構造内に組み込むことができる。これにより、基本横モードで動作可能な低閾値電流レーザダイオードが提供される。
【００７７】
引き続き図２２に基づいて、参照を容易にするため、同じ要素を同じ参照番号で示す。ｎ型AlN基板２００に、およそ０．５μｍ厚のｎ型AlNから第１クラッド層２０５が形成されている。続いて、およそ１．５μｍ厚のB0.01Al0.95Ga0.04N材料からｎ型第２クラッド層２１０が形成されている。その後、およそ３５オングストローム厚のB0.03Al0.70Ga0.27N材料からなる４つの障壁層とおよそ３５オングストローム厚のB0.04Al0.63Ga0.33N材料からなる３つの井戸層を備えた多重量子井戸活性層２１５が形成されている。次に、およそ１．５μｍ厚のB0.01Al0.95Ga0.04N材料からなる第３のｐ型クラッド層２２０が形成されている。その後、第３クラッド層２２０のリッジ構造１５００全体に、およそ０．５μｍ厚のｐ型AlN第４クラッド層２２５が形成されている。そして、第３及び第４クラッド層が部分的に除去されてリッジ構造１５００が形成されている。その後、第３クラッド層２２０の残存する露出部分と第４クラッド層２２５を覆うように二酸化珪素(SiO2)層２３０が形成されている。第４及び第３クラッド層２２５、２２０の上方には、それぞれSiO2層を介して、およそ２．０μｍ幅のストライプ状であるウィンドウ領域２３５が形成されている。第５の実施形態と同様に、ｎ型AlN基板２００上には第１の電極２４０が形成され、SiO2層２３０及びウィンドウ領域２３５の上には第２の電極２４５が形成されている。
【００７８】
第５の実施形態と同様に、活性層２１５から２３０ｎｍ領域の波長を有する紫外光を放出させるために、井戸層内のBN、GaN及びAlNのモル分率がそれぞれ０．０４、０．３３及び０．６３に設定されている。同様に、各構成層の格子定数を一致させて格子不整合に起因する欠陥を回避するため、全ての層のAlNモル分率ｘ及びGaNモル分率ｙはx+1.12yが一定の値にほぼ等しいという条件を満たしている。第５の実施形態と同様に、x+1.12yは、各層の等価格子定数がAlNの格子定数とほぼ等しくなるようにほぼ１に等しい値に設定されている。同様に、クラッド層のバンドギャップエネルギーが活性層のバンドギャップエネルギーより大きい値に維持され、紫外光の放出が可能になっている。また、材料の屈折率は第１の実施形態に関連して述べたとおりであり、光の場を横方向に閉じ込められるようになっている。
【００７９】
第５の実施形態の動作と同様に、SiO2層が注入電流を拘束するので、活性層２１５のウィンドウ領域２３５下方の領域が強く活性化される。その結果は、やはり、ウィンドウ領域２３５下方の活性層内の局部モード利得がSiO2層２３０下方の活性層内の局部モード利得より高くなる。これにより、リッジストライプ領域の外側と比較して内側において横方向の実効屈折率が相対的に高くなることと相俟って、実効屈折率ステップ（Δｎ）が得られる。これにより、実屈折率導波により形成された組込み式の導波路を有する構造が得られる。したがって、第６の実施形態の構造により、基本横モードで動作可能な低閾値電流レーザダイオードが提供される。
【００８０】
次に、図２３Ａないし図２３Ｅに、第５の実施形態にかかる半導体レーザダイオードの典型的な素子の主要製造工程の概要を示す。
【００８１】
まず、図２３Ａ及び図２３Ｂに示すように、ｎ型AlN基板２００上への第１及び第２クラッド層２０５、２１０及び３対の多重量子井戸活性層２１５の形成は第５の実施形態と同じである。その後、第３及び第４のクラッド層２２０、２２５が形成された後、通常はエッチングにより、一部が除去されてリッジ構造１５００が形成される。既に述べたように、典型的な実施形態では、ＭＯＣＶＤ法あるいはＭＢＥ法のどちらかにより様々な層が順次形成される。
【００８２】
その後、図２３Ｃないし図２３Ｅに示すように、第５及び第３クラッド層２２５、２２０上にそれぞれ、通常はＣＶＤ法により二酸化珪素層２３０が形成され、その後、第５の実施形態と同様に、ウィンドウ領域２３５が形成される。その後、電極２４０、２４５が構造体に蒸着されるかあるいは接合される。
【００８３】
次に、図２４を参照することにより、AlNモル分率ｘ及びGaNモル分率ｙの選択と、BAlGaN構成層の場合の両モル分率の関係をより深く理解できる。特に、相対モル分率は、0<x+y<1、1<=1.04x+1.03yの関係をほぼ満足させることが必要である。
【００８４】
図２４は、様々な成長温度に対してグラフ化された相分離領域の境界を示す。図２４の線は様々な温度に関して組成的に不安定な（相分離）領域と安定した領域との間の境界を示している。同一温度の２つの境界線で囲まれた領域は各温度の相分離含有率領域を示す。３元合金BAlN及びBGaNは、BNとAlNとの間及びBNとGaNとの間の格子不整合が大きいために相分離領域が大きいことが分かった。他方、３元合金GaAlNは、約１０００℃の温度での結晶成長の場合にAlNとGaNとの間の格子不整合が小さいために相分離領域がないことが分かる。
【００８５】
したがって、InGaAlNの場合と同様に通常結晶成長温度が約５００℃ないし約１０００℃の概算範囲内にあるBGaAlN材料系を提供できることが分かった。また、およそ５００℃とおよそ１０００℃の間の処理温度ではBGaAlNのB含有分、Ga含有分及びAl含有分の相分離が有意には発生しないことも分かった。最後に、これら２点を結びつけることにより、約１０００℃より低い結晶成長温度で相分離を回避するためのBGaAlNのGa含有率及びAl含有率の含有率選択領域は、図２５の斜線領域であり、２つの領域を分離する線が1.04x+1.03y=1の関係によって近似的に定義されることがわかる。
【００８６】
したがって、これまでに開示したBAlGaNを用いる２つの各構造的実施形態の場合、レーザダイオードの全構成層のAlモル分率ｘｗ及びGaNモル分率ｙが0<x+y<1、1<=1.04x+1.03yの関係をほぼ満たすとき、およそ５００℃と約１０００℃との間の結晶成長温度で実施することによって、BGaAlN材料系内で相分離現象を回避することができる。その結果、原子モル分率に従って各構成層内にB原子、Ga原子及びAl原子がほぼ均一に分布する。
【００８７】
図２６は約１０００℃より低い成長温度で相分離現象を回避するためのBGaAlN系のAl含有率ｘ及びGa含有率ｙの含有率選択線を示す。図２６の線はx+1.12y=1の例示的な線を示す。したがって、AlN基板上に形成されたレーザダイオードのBGaAlN構成層のGa含有率及びAl含有率に関してx+1.12yがほぼ１に等しく、0<x+y<1、1<=1.04x+1.03yの関係を確実に有していることによって、欠陥密度が低く、相分離が全くないか非常に少ないレーザダイオードをAlN基板上に製造することができる。
【００８８】
さらに、BAlGaN材料系によって他の半導体構造を製造することも可能である。上述したように、III族窒化物材料、特にGaNとAlNは高出力高温条件下で動作可能な電子デバイス、例えばAlGaN/GaNヘテロ構造を利用することによってマイクロ波パワーＦＥＴでの使用に有望である。しかしながら、既に述べたように、AlGaNとGaNの格子定数の違いから重大な欠陥が発生し、そのことが、結果得られる構造体内の電子の移動度とそのような材料系のＦＥＴ用途での実用性に限界を与えている。
【００８９】
本発明は、本発明のBGaAlN/AlN材料がAlNと等しい格子定数を有するという点で上記の限界をほぼ克服する。既に述べたように、AlNモル分率（ｘ）及びGaNモル分率（ｙ）が0<x+y<1、1<=1.04x+1.03y及びx+1.12y=1±0.1の関係を満たすとき、B1-x-yAlxGayNの４元材料系は５ｅＶより大きいバンドギャップを持つだけでなく、AlNとほぼ等しい格子定数を有する。これにより、様々な層内でほぼ均一な原子含有率分布を有するＦＥＴ等の半導体構造が製造可能になる。したがって、AlNモル分率ｘ及びGaNモル分率ｙが上記の関係を満たす本発明にかかるBGaAlN/AlN材料系を使用することにより、欠陥密度の低い高出力高温トランジスタを実現することができる。
【００９０】
図２７Ａに、本発明にかかるBGaAlN/AlN材料を用いたヘテロ接合電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）の典型的な実施形態を示す。AlN基板１５２０上には、０．５μｍ厚のi-B0.04Al0.63Ga0.33N層１５２５が形成され、その次に、薄い約１０ｎｍ厚のB0.04Al0.63Ga0.33N導電用チャンネル層１５３０と１０ｎｍ厚のAlN層１５３５が形成されている。ソース電極及びドレイン電極１５４０Ａ、１５４０Ｂとゲート電極１５４５が従来の方法で形成されている。この構造において、BGaAlN層のAlNモル分率ｘ及びGaNモル分率ｙはそれぞれ０．６４及び０．３３に設定されている。この場合、ｘとｙの値は0<x+y<1、1<=1.04x+1.03y及びx+1.12y=1±0.1の関係を満たしている。これにより、実質的に相分離がなくAlNと等しい格子定数を有するBGaAlN層が得られる。ひいては、BGaAlN層とAlN層のヘテロ界面に形成された２次元電子ガスが（欠陥が存在する場合に発生するような）BGaAlN層の原子含有率の揺らぎによって散乱されることがないために、高い電子速度を達成することができる。さらに、BGaAlNのバンドギャップは５ｅＶより大きいので、図２７Ａに示す構造を使用することにより信頼性のある高温動作を実現することができる。
【００９１】
同様に、図２７Ｂは本発明にかかるヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）の実施形態を示す。AlN基板１５５０上には、４００ｎｍ厚のｎ型AlNコレクタ層１５５５が形成され、その次に、５０ｎｍ厚のｐ型BAlGaNベース層１５６０と３００ｎｍ厚のAlNエミッタ層１５６５が形成されている。ベース電極１５７０、コレクタ電極１５７５及びエミッタ電極１５８０が従来の方法で形成されている。図２７Ａと同様に、図２６Ｂの実施形態では、BGaAlN層のAlNモル分率ｘ及びGaNモル分率ｙはそれぞれ０．６３及び０．３３に設定されており、ｘとｙは上記と同じ関係を満たす必要がある。図２７Ａと同様に、大きな相分離がなくAlNと等しい格子定数を有するBGaAlN層が実現され、その結果、非常に高品質のBGaAlN/GaNヘテロ接合が得られる。さらに、AlNエミッタ層のバンドギャップ（６．２ｅＶ）はBGaAlNベース層のバンドギャップ（５．３ｅＶ）より大きいので、ｐ型ベース層に発生した正孔がこのベース層内にうまく閉じ込められる。これは、AlNホモ接合バイポーラトランジスタにおいて発生するよりも大きな価電子帯不連続がAlNとBGaAlNとの間に発生することに起因する。このことは、ベース電流に比べて電流増幅が大きいコレクタ電流が得られるという利点をもたらす。さらに、上述したように、BGaAlNとAlN層のバンドギャップは大きいので、トランジスタを高温での用途に信頼性を持って利用することができる。
【００９２】
次に、図２８に、本発明のフォトトランジスタとしての実施例を示す。
【００９３】
AlNモル分率ｘ及びGaNモル分率ｙが0<x+y<1、1<=1.04x+1.03yの関係を満たすB1-x-yAlxGayNの４元材料は、３．５ｅＶより大きいバンドギャップを提供するだけでなく、各層内に同じ原子含有率分布で形成することができるので、BGaAlN材料をＵＶ光検出器用途に利用することも可能である。さらに、AlNモル分率ｘ及びGaNモル分率ｙがx+1.12y=1の関係を満たすB1-x-yAlxGayNの４元材料は、AlNと等しい格子定数を有する。したがって、AlNモル分率ｘ及びGaNモル分率ｙが上記の関係を満たすBGaAlN/AlN材料を使用することにより、欠陥密度の低いＵＶ光検出器を実現することができる。他の周波数、例えば青色光の検出が必要な場合には、わずかな変更しか必要としない。
【００９４】
図２８に示すように、本発明の半導体装置は、BGaAlN/AlN材料を使用してヘテロ接合フォトトランジスタ（ＨＰＴ）の形で実施可能である。AlN基板１７００上には、ｎ型AlNコレクタ層１７０５がおよそ５００ｎｍ厚に形成され、その次に、２００ｎｍ厚のｐ型BAlGaNベース層１７１０が形成されている。その後、およそ５００ｎｍ厚のエミッタ層１７１５が形成されている。エミッタ層の上には、光がベース層に当たるようにリング状の電極１７２０が形成されている。
【００９５】
典型的な構造では、BAlGaN層のAlNモル分率ｘ及びGaNモル分率ｙはそれぞれ０．６３及び０．３３に設定される。この場合、ｘとｙの値は0<x+y<1、1<=1.04x+1.03y及びx+1.12y=1の関係を満たすので、BGaAlN層をAlNと等しい格子定数を持ちながら相分離をほぼ回避するように形成して、高品質のBGaAlN/AlNヘテロ接合を形成することが可能になる。AlNエミッタ層のバンドギャップ（２００ｎｍの光の波長に相当する６．２ｅＶ）はBAlGaNベース層のバンドギャップ（２３０ｎｍの光の波長に相当する５．３ｅＶ）よりも大きい。光はエミッタ側に照射される。図示の実施形態の場合、２００ｎｍと２３０ｎｍの間の波長範囲の照射光はエミッタ層を透過するので、BAlGaNベースに吸収されて電子と正孔の対を発生させる。AlNとBAlGaNとの間の価電子帯の不連続が従来のAlNホモ接合フォトトランジスタの場合よりも大きいので、ｐ型ベース層の光吸収によって生成された正孔はベース層にうまく閉じ込められる。これにより、より大きなエミッタ電流が誘導されることになり、ホモ接合フォトトランジスタの場合よりも優れた電子中和がベース領域にもたらされる。したがって、高量子効率かつ高感度、及びその結果として入射光からコレクタ電流への高変換効率を有するＵＶ光検出器が得られる。他の周波数を検出する場合には、BAlGaNベース層は、例えば青色光の場合、InGaNに置き換えられる。
【００９６】
図２８のフォトトランジスタに加えて、本発明に従ってフォトダイオードを実現することも可能である。図２９では、ｎ型AlN基板１９００が設けられており、その上にB1-x-yAlxGayN４元材料または等価物からなるｎ型層９１０が形成され、この層は図２８に関連して上述した関係に従っている。その後、活性層１９１５が形成され、その上方には、ｐ型B1-x-yAlxGayN４元材料からなる層１９２０が形成されている。そして、この層１９２０の上方に、ｐ型第２クラッド層１９２５が形成され、そこには、層１９２０の一部を露出させるようにウィンドウ１９３０が形成されている。ウィンドウ１９３０は光を層１９２０に当てることができる入口となって正孔を発生させる。従来の方法で一対の電極１９３５、１９４０が形成されてもよく、その場合、電極１９３５は、通常、ウィンドウ１９３０周りのリング状の電極である。第２クラッド層１９２５のバンドギャップは層１９２０のバンドギャップよりも大きいことが好ましく、さらに、層１９２０のバンドギャップは活性層１９１５のバンドギャップよりも大きいことが好ましいことが理解できる。そのような手法によれば、最大限広い範囲の光の波長に対して感度がよくなる。より狭い波長範囲が望ましい場合には、層１９２０よりも小さなバンドギャップを有する材料を層１９２５に対して使用してもよい。さらに、層１９１０、１９１５、１９２０は、少なくともいくつかの場合には、適正な光電性ｐｎ接合を提供するので、全ての実施形態に層１９２５を含ませる必要はない。
【００９７】
次に、図３０を参照することにより、本発明の第７の実施形態をより深く理解することができる。第７の実施形態はBGaInN４元材料系を使用して青色発光素子を提供している。図２８には、本発明の第７の実施形態にかかる半導体構造が断面図で示されている。特に図３０に基づく第７の実施形態のダイオードには、ｎ型GaN基板３００が設けられており、その上に、ｎ型GaN第１クラッド層３０５（通常０．５μｍ厚）が形成されている。その後、通常およそ１．５μｍ厚のｎ型B0.03Ga0.96In0.01N材料からなる第２クラッド層３１０が形成され、その次に、多重量子井戸活性層３１５が形成され、この多重量子井戸活性層３１５は、典型的な構成では、およそ３５オングストローム厚のB0.01Ga0.86In0.13N材料からなる３つの量子井戸層と、およそ３５オングストローム厚のB0.01Ga0.90In0.09N材料からなる４つの障壁層を３対の構成で備えている。次に、ｐ型B0.03Ga0.96In0.01N材料からなる第３クラッド層３２０（通常およそ１．５μｍ厚）が形成され、その次に、ｐ型GaN第５クラッド層３２５（およそ０．５μｍ厚）が形成されている。ｐ型GaN第４クラッド層３２５の上に、ストライプ状ウィンドウ領域３３５（３．０μｍ幅）を１つ有するSiO2層３３０が形成されている。ｎ型GaN基板３００の上には第１の電極３４０が形成されており、SiO2層３３０及びウィンドウ領域３３５の上には第２の電極３４５が形成されている。
【００９８】
４００ｎｍの波長範囲の青色光を活性層３１５から放出するために、井戸層のBNモル分率、GaNモル分率及びInNモル分率はそれぞれ０．０１、０．８６及び０．１３に設定されている。格子不整合に起因する欠陥を回避するため、様々な構成層のそれぞれにおいてGaNモル分率ｘ及びInNモル分率ｙをx+1.56yが一定の値にほぼ等しいという条件を満たすように設定することによって、様々な構成層の格子定数を互いに一致させている。大部分の実施形態は一定値が１．０１±０．０５範囲内にあるが、典型的な実施形態では、一定値がほぼ１．０１、例えば１．０１±０．１に設定される。
【００９９】
材料を適正に選択することにより、ｎ型第２クラッド層３１０及びｐ型第３クラッド層３２０のバンドギャップエネルギーが３対の多重量子井戸活性層３１５のバンドギャップエネルギーより大きくなる。これにより、ｎ型第２クラッド層３１０及びｐ型第３クラッド層３２０からの注入キャリアが活性層３１５内に閉じ込められ、キャリアが再結合して青色光を放出する。さらに、ｎ型第２クラッド層３１０及びｐ型第３クラッド層３２０の屈折率が多重量子井戸活性層３１５の屈折率より小さいので、光の場が横方向に閉じ込められる。
【０１００】
電極３４５からの注入電流は閉じ込められてウィンドウ領域３３５を流れるので、ウィンドウ領域３３５下方の活性層３１５内の領域が強く活性化される。これにより、ウィンドウ領域下方の活性層内の局部モード利得がSiO2層下方の活性層内の局部モード利得より高くなる。したがって、第７の実施形態の構造内に、レーザ発振をもたらす利得導波による導波路が形成される。
【０１０１】
図３１Ａないし図３１Ｄは、第７の実施形態にかかる典型的なレーザダイオードを構成するのに必要な製造工程の概要を順に示す。図３１Ａないし図３１Ｄから得られる構造は図３０に示すものと類似しているので、可能な場合には要素に同じ参照番号を使用することとする。最初に図３１Ａに示すように、ｎ型GaN基板３００が設けられており、その上には、ｎ型GaN第１クラッド層３０５が成長している。第１クラッド層３０５は通常およそ０．５μｍ厚である。その後、通常およそ１．５μｍ厚のｎ型B0.03Ga0.96Ga0.01N第２クラッド層３１０が形成される。
【０１０２】
次に、およそ３５オングストローム厚のB0.01Ga0.90In0.09N材料からなる４つの障壁層と、それぞれおよそ３５オングストローム厚の３層のB0.01Ga0.86In0.13N材料からなる３つの量子井戸を形成することにより、多重量子井戸活性層３１５が形成される。その後、およそ１．５μｍ厚のｐ型B0.01Ga0.96In0.01N材料からなる第３クラッド層３２０が形成された後、およそ０．５μｍ厚のｐ型GaNからなる第４クラッド層３２５が形成される。通常、各層は有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）法あるいは分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法のどちらかによって形成される。
【０１０３】
その後、図３１Ｂに示すように、ｐ型GaN第４クラッド層３２５上に、例えば化学蒸着（ＣＶＤ）法によって二酸化珪素(SiO2)層３３０が形成される。フォトリソグラフィとエッチングまたは他の適切な方法とを用いて、図３１Ｃに示すように、ウィンドウ領域３３５が形成される。ウィンドウ領域３３５は、少なくとも一部の実施形態ではストライプ状であってもよい。最後に、図３１Ｄに示すように、蒸着あるいは他の適切な方法により、ｎ型GaN基板３００とSiO2層３３０上にそれぞれ第１の電極３４０と第２の電極３４５が形成される。
【０１０４】
次に、図３２を参照することにより、本発明にかかる半導体構造の第８の実施形態をより深く理解することができる。第７の実施形態と同様に、第８の実施形態の典型的な適用例はレーザダイオードの作成である。第８の実施形態の構造により、実屈折率導波を有する導波路を構造内に組み込むことができる。これにより、基本横モードで動作可能な低閾値電流レーザダイオードが提供される。
【０１０５】
引き続き図３２に基づいて、参照を容易にするため、同じ要素を同じ参照番号で示す。ｎ型GaN基板３００に、およそ０．５μｍ厚のｎ型GaNから第１クラッド層３０５が形成されている。続いて、およそ１．５μｍ厚のB0.03Ga0.96In0.01N材料からｎ型第２クラッド層３１０が形成されている。その後、およそ３５オングストローム厚のB0.01Ga0.90In0.09N材料からなる４つの障壁層とおよそ３５オングストローム厚のB0.01Ga0.86In0.13N材料からなる３つの井戸層を備えた多重量子井戸活性層３１５が形成されている。次に、およそ１．５μｍ厚のB0.03Ga0.96In0.01N材料からなる第３のｐ型クラッド層３２０が形成されている。その後、第３クラッド層３２０のリッジ構造２５００全体に、およそ０．５μｍ厚のｐ型GaN第４クラッド層３２５が形成されている。そして、第３及び第４クラッド層が部分的に除去されてリッジ構造２５００が形成されている。その後、第３クラッド層３２０の残存する露出部分と第４クラッド層３２５を覆うように二酸化珪素(SiO2)層３３０が形成されている。第４及び第３クラッド層３２５、３２０の上方には、それぞれSiO2層を介して、およそ２．０μｍ幅のストライプ状のウィンドウ領域３３５が形成されている。第７の実施形態と同様に、ｎ型GaN基板３００上には第１の電極３４０が形成され、SiO2層３３０及びウィンドウ領域３３５の上には第２の電極３４５が形成されている。
【０１０６】
第７の実施形態と同様に、活性層３１５から４００ｎｍ領域の波長を有する青色光を放出させるために、井戸層内のBN、GaN及びAlNのモル分率がそれぞれ０．０１、０．８６及び０．１３に設定されている。同様に、各構成層の格子定数を一致させて格子不整合に起因する欠陥を回避するため、全ての層のGaNモル分率ｘ及びAlNモル分率ｙはx+1.56yが一定の値にほぼ等しいという条件を満たしている。第７の実施形態と同様に、x+1.56yは、各層の等価格子定数がGaNの格子定数とほぼ等しくなるようにほぼ１．０１に等しい値に設定されている。同様に、クラッド層のバンドギャップエネルギーが活性層のバンドギャップエネルギーより大きい値に維持され、紫外光の放出が可能になっている。また、材料の屈折率は第１の実施形態に関連して述べたとおりであり、光の場を横方向に閉じ込められるようになっている。
【０１０７】
第５の実施形態の動作と同様に、SiO2層が注入電流を拘束するので、活性層３１５のウィンドウ領域３３５下方の領域が強く活性化される。その結果は、やはり、ウィンドウ領域３３５下方の活性層内の局部モード利得がSiO2層３３０下方の活性層内の局部モード利得より高くなる。これにより、リッジストライプ領域の外側と比較して内側において横方向の実効屈折率が相対的に高くなることと相俟って、実効屈折率ステップ（Δｎ）が得られる。これにより、実屈折率導波による組込み式の導波路を有する構造が得られる。したがって、第６の実施形態の構造により、基本横モードで動作可能な低閾値電流レーザダイオードが提供される。
【０１０８】
次に、図３３Ａないし図３３Ｅに、第７の実施形態にかかる半導体レーザダイオードの典型的な素子の主要製造工程の概要を示す。
【０１０９】
まず、図３３Ａ及び図３３Ｂに示すように、ｎ型GaN基板３００上への第１及び第２クラッド層３０５、３１０及び３対の多重量子井戸活性層３１５の形成は第７の実施形態と同じである。その後、第３及び第４のクラッド層３２０、３２５が形成された後、通常はエッチングにより、一部が除去されてリッジ構造２５００が形成される。既に述べたように、典型的な実施形態では、ＭＯＣＶＤ法あるいはＭＢＥ法のどちらかにより様々な層が順次形成される。
【０１１０】
その後、図３３Ｃないし図３３Ｅに示すように、第５及び第３クラッド層３２５、３２０上にそれぞれ、通常はＣＶＤ法により二酸化珪素層３３０が形成され、その後、第５の実施形態と同様に、ウィンドウ領域３３５が形成される。その後、電極３４０、３４５が構造体に蒸着されるかあるいは接合される。
【０１１１】
次に、図３４を参照することにより、GaNモル分率ｘ及びAlNモル分率ｙの選択と、BGaInN構成層の場合の両モル分率の関係をより深く理解できる。特に、相対モル分率は、0<=x+y<=1かつ1<=1.03x+0.88y、あるいは0<=x+y<=1かつ1<=0.95x+1.01yの関係をほぼ満足させることが必要である。
【０１１２】
図３４は、様々な成長温度に対してグラフ化された相分離領域の境界を示す。図３４の線は様々な温度に関して組成的に不安定な（相分離）領域と安定した領域との間の境界を示している。同一温度の２つの境界線で囲まれた領域は各温度の相分離含有率領域を示す。３元合金BGaN、BInN及びInGaNは、BNとGaNとの間、BNとInNとの間及びInNとGaNとの間の格子不整合が大きいために相分離領域が大きいことが分かった。したがって、４元合金BGaInNは広い相分離領域を有し、B、Ga及びInの各原子含有率も素子の用途に対して注意深く選択される必要がある。
【０１１３】
InGaAlNの場合と同様に通常結晶成長温度が約５００℃ないし約１０００℃の概算範囲内にあるBGaInN材料系を提供できることが分かった。また、およそ５００℃とおよそ１０００℃の間の処理温度ではBGaInNのB含有分、Ga含有分及びIn含有分の相分離が有意には発生しないことも分かった。最後に、これら２点を結びつけることにより、約１０００℃より低い結晶成長温度で相分離を回避するためのBGaInNのGa含有率及びIn含有率の含有率選択領域は、図３５の斜線領域であり、２つの領域を分離する線が1.03x+0.88y=1及び0.95x+1.01y=1の関係によって近似的に定義されることがわかる。
【０１１４】
したがって、これまでに開示したBGaInNを用いる各構造的実施形態の場合、レーザダイオードの全構成層のGaモル分率ｘ及びInNモル分率ｙが0<=x+y<=1かつ1<=1.03x+0.88y、あるいは0<=x+y<=1かつ1<=0.95x+1.01yの関係をほぼ満たすとき、およそ５００℃と約１０００℃との間の結晶成長温度で実施することによって、BGaInN材料系内で相分離現象を回避することができる。その結果、原子モル分率に従って各構成層内にB原子、Ga原子及びIn原子がほぼ均一に分布する。
【０１１５】
図３６は約１０００℃より低い成長温度で相分離現象を回避するためのBGaInN系のGa含有率ｘ及びAl含有率ｙの含有率選択線を示す。図３６の線はx+1.56y=1.08の例示的な線を示す。したがって、GaN基板上に形成されたレーザダイオードのBGaAlN構成層のGa含有率及びIn含有率に関してx+1.56yがほぼ１．０１に等しく、0<=x+y<=1かつ1<=1.03x+0.88yの関係を確実に有していることによって、欠陥密度が低く、相分離が全くないか非常に少ないレーザダイオードをGaN基板上に製造することができる。
【０１１６】
さらに、BGaInN材料系によって他の半導体構造を製造することも可能である。上述したように、III族窒化物材料、特にGaNとAlNは高出力高温条件下で動作可能な電子デバイス、例えばAlGaN/GaNヘテロ構造を利用することによってマイクロ波パワーＦＥＴでの使用に有望である。しかしながら、既に述べたように、AlGaNとGaNの格子定数の違いから重大な欠陥が発生し、そのことが、結果得られる構造体内の電子の移動度とそのような材料系のＦＥＴ用途での実用性に限界を与えている。
【０１１７】
本発明は、本発明のBGaInN/GaN材料がGaNと等しい格子定数を有するという点で上記の限界をほぼ克服する。既に述べたように、GaNモル分率（ｘ）及びInNモル分率（ｙ）が0<=x+y<=1、1<=1.03x+0.88y及びx+1.56y=1.01±0.1の関係を満たすとき、B1-x-yGaxInyNの４元材料系は３．３ｅＶより大きいバンドギャップを持つだけでなく、GaNとほぼ等しい格子定数を有する。これにより、様々な層内でほぼ均一な原子含有率分布を有するＦＥＴ等の半導体構造が製造可能になる。したがって、GaNモル分率ｘ及びAlNモル分率ｙが上記の関係を満たす本発明にかかるBGaInN/GaN材料系を使用することにより、欠陥密度の低い高出力高温トランジスタを実現することができる。
【０１１８】
図３７に、本発明にかかるBGaInN/GaN材料を用いたヘテロ接合電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）の典型的な実施形態を示す。GaN基板２５２０上には、０．５μｍ厚のi-B0.01Ga0.86In0.13N層２５２５が形成され、その次に、薄い約１０ｎｍ厚のi-B0.01Ga0.86In0.13N導電用チャンネル層２５３０と１０ｎｍ厚のGaN層２５３５が形成されている。ソース電極及びドレイン電極２５４０Ａ、２５４０Ｂとゲート電極２５４５が従来の方法で形成されている。この構造において、BGaInN層のGaNモル分率ｘ及びAlNモル分率ｙはそれぞれ０．８６及び０．１３に設定されている。この場合、ｘとｙの値は0<=x+y<=1、1<=1.03x+0.88y及びx+1.56y=1.01±0.1の関係を満たしている。これにより、実質的に相分離がなくGaNとほぼ等しい格子定数を有するBGaInN層が得られる。ひいては、BGaInN層とGaN層のヘテロ界面に形成された２次元電子ガスが（欠陥が存在する場合に発生するような）BGaInN層の原子含有率の揺らぎによって散乱させられることがないために、高い電子速度を達成することができる。さらに、BGaInNのバンドギャップは３．３ｅＶより大きいので、図３５Ａに示す構造を使用することにより信頼性のある高温動作を実現することができる。
【０１１９】
同様に、図３７Ｂは本発明にかかるヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）の実施形態を示す。GaN基板２５５０上には、４００ｎｍ厚のｎ型GaNコレクタ層２５５５が形成され、その次に、５０ｎｍ厚のｐ型BGaInNベース層２５６０と３００ｎｍ厚のGaNエミッタ層２５６５が形成されている。ベース電極２５７０、コレクタ電極２５７５及びエミッタ電極２５８０が従来の方法で形成されている。図３７Ａと同様に、図３７Ｂの実施形態では、BGaInN層のGaNモル分率ｘ及びAlNモル分率ｙはそれぞれ０．８６及び０．１３に設定されており、ｘとｙは上記と同じ関係を満たす必要がある。図３７Ａと同様に、大きな相分離がなくGaNと等しい格子定数を有するBGaInN層が実現され、その結果、非常に高品質のBGaInN/GaNヘテロ接合が得られる。さらに、GaNエミッタ層のバンドギャップ（３．５ｅＶ）はBGaInNベース層のバンドギャップ（３．３ｅＶ）より大きいので、ｐ型ベース層に発生した正孔がこのベース層内にうまく閉じ込められる。これは、GaNホモ接合バイポーラトランジスタにおいて発生するよりも大きな価電子帯不連続がGaNとBGaInNとの間に発生することに起因する。このことは、ベース電流に比べて電流増幅が大きいコレクタ電流が得られるという利点をもたらす。さらに、上述したように、BGaInNとGaN層のバンドギャップは大きいので、トランジスタを高温での用途に信頼性を持って利用することができる。
【０１２０】
次に、図３８に、本発明のフォトトランジスタとしての実施例を示す。
【０１２１】
GaNモル分率ｘ及びAlNモル分率ｙが0<=x+y<=1、1<=1.03x+0.88yの関係を満たすB1-x-yGaxInyNの４元材料は、３．２ｅＶより大きいバンドギャップを提供するだけでなく、各層内に同じ原子含有率分布で形成することができるので、BGaInN材料を青色光検出器用途に利用することも可能である。さらに、GaNモル分率ｘ及びAlNモル分率ｙがx+1.56y=1の関係を満たすB1-x-yGaxInyNの４元材料は、GaNと等しい格子定数を有する。したがって、GaNモル分率ｘ及びAlNモル分率ｙが上記の関係を満たすBGaInN/GaN材料を使用することにより、欠陥密度の低い青色光検出器を実現することができる。他の周波数、例えば青色光の検出が必要な場合には、わずかな変更しか必要としない。
【０１２２】
図３８に示すように、本発明の半導体装置は、BGaInN/GaN材料を使用してヘテロ接合フォトトランジスタ（ＨＰＴ）の形で実施可能である。GaN基板２７００上には、ｎ型GaNコレクタ層２７０５がおよそ５００ｎｍ厚に形成され、その次に、２００ｎｍ厚のｐ型BGaInNベース層２７１０が形成されている。その後、およそ５００ｎｍ厚のエミッタ層２７１５が形成されている。エミッタ層の上には、光がベース層に当たるようにリング状の電極２７２０が形成されている。
【０１２３】
典型的な構造では、BGaInN層のGaNモル分率ｘ及びAlNモル分率ｙはそれぞれ０．８６及び０．１３に設定される。この場合、ｘとｙの値は0<=x+y<=1、1<=1.03x+0.88y及びx+1.56y=1.06の関係を満たすので、BGaInN層をGaNと等しい格子定数を持ちながら相分離をほぼ回避するように形成して、高品質のBGaInN/GaNヘテロ接合を形成することが可能になる。GaNエミッタ層のバンドギャップ（３８０ｎｍの光の波長に相当する３．５ｅＶ）はBGaInNベース層のバンドギャップ（３７０ｎｍの光の波長に相当する３．３ｅＶ）よりも大きい。光はエミッタ側に照射される。図示の実施形態の場合、３７０ｎｍと３８０ｎｍの間の波長範囲の照射光はエミッタ層を透過するので、BGaInNベース層に吸収されて電子と正孔の対を発生させる。GaNとBGaInNとの間の価電子帯の不連続が従来のGaNホモ接合フォトトランジスタの場合よりも大きいので、ｐ型ベース層の光吸収によって生成された正孔はベース層にうまく閉じ込められる。これにより、より大きなエミッタ電流が誘導されることになり、ホモ接合フォトトランジスタの場合よりも優れた電子中和がベース領域にもたらされる。したがって、高量子効率かつ高感度、及びその結果として入射光からコレクタ電流への高変換効率を有する青色光検出器が得られる。他のより低い周波数を検出する場合には、BGaInNベース層は、例えば青緑色光の場合、InGaNに置き換えられる。
【０１２４】
図３８のフォトトランジスタに加えて、本発明に従ってフォトダイオードを実現することも可能である。図３９では、ｎ型GaN基板１９００が設けられており、その上にB1-x-yGaxInyN４元材料または等価物からなるｎ型層１９１０が形成され、この層は図３８に関連して上述した関係に従っている。その後、活性層２９１５が形成され、その上方には、ｐ型B1-x-yGaxInyN４元材料からなる層２９２０が形成されている。そして、この層２９２０の上方に、ｐ型第２クラッド層２９２５が形成され、そこには、層２９２０の一部を露出させるようにウィンドウ２９３０が形成されている。ウィンドウ２９３０は光を層２９２０に当てることができる入口となって正孔を発生させる。従来の方法で一対の電極２９３５、２９４０が形成されてもよく、その場合、電極２９３５は、通常、ウィンドウ２９３０周りのリング状の電極である。第２クラッド層２９２５のバンドギャップは層２９２０のバンドギャップよりも大きいことが好ましく、さらに、層２９２０のバンドギャップは活性層２９１５のバンドギャップよりも大きいことが好ましいことが理解できる。そのような手法によれば、最大限広い範囲の光の波長に対して感度がよくなる。より狭い波長範囲が望ましい場合には、層２９２０よりも小さなバンドギャップを有する材料を層２９２５に対して使用してもよい。さらに、層２９１０、２９１５、２９２０は、少なくともいくつかの場合には、適正な光電性ｐｎ接合を提供するので、全ての実施形態に層２９２５を含ませる必要はない。
【０１２５】
次に、図４０を参照することにより、本発明の第９の実施形態をより深く理解することができる。第９の実施形態はBInAlN４元材料系を使用して紫外光発光素子を提供している。図４０には、本発明の第９の実施形態にかかる半導体構造が断面図で示されている。特に図４０に基づく第９の実施形態のダイオードには、ｎ型AlN基板４００が設けられており、その上に、ｎ型AlN第１クラッド層４０５（通常０．５μｍ厚）が形成されている。その後、通常およそ１．５μｍ厚のｎ型B0.01In0.01Al0.98N材料からなる第２クラッド層４１０が形成され、その次に、多重量子井戸活性層４１５が形成され、この多重量子井戸活性層４１５は、典型的な構成では、およそ３５オングストローム厚のB0.01In0.08Al0.91N材料からなる３つの量子井戸層と、およそ３５オングストローム厚のB0.02In0.07Al0.91N材料からなる４つの障壁層を３対の構成で備えている。次に、ｐ型B0.01In0.01Al0.98N材料からなる第３クラッド層４２０（通常およそ１．５μｍ厚）が形成され、その次に、ｐ型AlN第５クラッド層４２５（およそ０．５μｍ厚）が形成されている。ｐ型AlN第４クラッド層４２５の上に、ストライプ状ウィンドウ領域４３５（３．０μｍ幅）を１つ有するSiO2層４３０が形成されている。ｎ型AlN基板４００の上には第１の電極４４０が形成されており、SiO2層４３０及びウィンドウ領域４３５の上には第２の電極４４５が形成されている。
【０１２６】
２２０ｎｍの波長範囲の紫外光を活性層４１５から放出するために、井戸層のBNモル分率、InNモル分率及びAlNモル分率はそれぞれ０．０１、０．０８及び０．９１に設定されている。格子不整合に起因する欠陥を回避するため、様々な構成層のそれぞれにおいてInNモル分率ｘ及びAlNモル分率ｙを1.75x+yが一定の値にほぼ等しいという条件を満たすように設定することによって、様々な構成層の格子定数を互いに一致させている。大部分の実施形態は一定値が１．０３±０．０５範囲内にあるが、典型的な実施形態では、一定値がほぼ１．０３、例えば１．０３±０．１に設定される。
【０１２７】
材料を適正に選択することにより、ｎ型第２クラッド層４１０及びｐ型第３クラッド層４２０のバンドギャップエネルギーが３対の多重量子井戸活性層４１５のバンドギャップエネルギーより大きくなる。これにより、ｎ型第２クラッド層４１０及びｐ型第３クラッド層４２０からの注入キャリアが活性層４１５内に閉じ込められ、キャリアが再結合して紫外光を放出する。さらに、ｎ型第２クラッド層４１０及びｐ型第３クラッド層４２０の屈折率が多重量子井戸活性層４１５の屈折率より小さいので、光の場が横方向に閉じ込められる。
【０１２８】
電極４４５からの注入電流は閉じ込められてウィンドウ領域４３５を流れるので、ウィンドウ領域４３５下方の活性層４１５内の領域が強く活性化される。これにより、ウィンドウ領域下方の活性層内の局部モード利得がSiO2層下方の活性層内の局部モード利得より高くなる。したがって、第９の実施形態の構造内に、レーザ発振をもたらす利得導波による導波路が形成される。
【０１２９】
図４１Ａないし図４１Ｄは、第９の実施形態にかかる典型的なレーザダイオードを構成するのに必要な製造工程の概要を順に示す。図４１Ａないし図４１Ｄから得られる構造は図４０に示すものと類似しているので、可能な場合には要素に同じ参照番号を使用することとする。最初に図４１Ａに示すように、ｎ型AlN基板４００が設けられており、その上には、ｎ型AlN第１クラッド層４０５が成長している。第１クラッド層４０５は通常およそ０．５μｍ厚である。その後、通常およそ１．５μｍ厚のｎ型B0.01In0.01Al0.98N第２クラッド層４１０が形成される。
【０１３０】
次に、およそ３５オングストローム厚のB0.02In0.07Al0.91N材料からなる４つの障壁層と、それぞれおよそ３５オングストローム厚の３層のB0.01In0.08Al0.91N材料からなる３つの量子井戸を形成することにより、多重量子井戸活性層４１５が形成される。その後、およそ１．５μｍ厚のｐ型B0.01In0.01Al0.98N材料からなる第３クラッド層４２０が形成された後、およそ０．５μｍ厚のｐ型AlNからなる第４クラッド層４２５が形成される。通常、各層は有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）法あるいは分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法のどちらかによって形成される。
【０１３１】
その後、図４１Ｂに示すように、ｐ型AlN第４クラッド層４２５上に、例えば化学蒸着（ＣＶＤ）法によって二酸化珪素(SiO2)層４３０が形成される。フォトリソグラフィとエッチングまたは他の適切な方法とを用いて、図４１Ｃに示すように、ウィンドウ領域４３５が形成される。ウィンドウ領域４３５は、少なくとも一部の実施形態ではストライプ状であってもよい。最後に、図４１Ｄに示すように、蒸着あるいは他の適切な方法により、ｎ型AlN基板４００とSiO2層４３０上にそれぞれ第１の電極４４０と第２の電極４４５が形成される。
【０１３２】
次に、図４２を参照することにより、本発明にかかる半導体構造の第１０の実施形態をより深く理解することができる。第９の実施形態と同様に、第１０の実施形態の典型的な適用例はレーザダイオードの作成である。第１０の実施形態の構造により、実屈折率導波による導波路を構造内に組み込むことができる。これにより、基本横モードで動作可能な低閾値電流レーザダイオードが提供される。
【０１３３】
引き続き図４２に基づいて、参照を容易にするため、同じ要素を同じ参照番号で示す。ｎ型AlN基板４００上に、およそ０．５μｍ厚のｎ型AlNから第１クラッド層４０５が形成されている。続いて、およそ１．５μｍ厚のB0.01In0.01Al0.98N材料からｎ型第２クラッド層４１０が形成されている。その後、およそ３５オングストローム厚のB0.02In0.07Al0.91N材料からなる４つの障壁層とおよそ３５オングストローム厚のB0.01In0.08Al0.91N材料からなる３つの井戸層を備えた多重量子井戸活性層４１５が形成されている。次に、およそ１．５μｍ厚のB0.01In0.01Al0.98N材料からなる第３のｐ型クラッド層４２０が形成されている。その後、第３クラッド層４２０のリッジ構造３５００全体に、およそ０．５μｍ厚のｐ型AlN第４クラッド層４２５が形成されている。そして、第３及び第４クラッド層が部分的に除去されてリッジ構造３５００が形成されている。その後、第３クラッド層４２０の残存する露出部分と第４クラッド層４２５を覆うように二酸化珪素(SiO2)層４３０が形成されている。第４及び第３クラッド層４２５、４２０の上方には、それぞれSiO2層を介して、およそ２．０μｍ幅のストライプ状のウィンドウ領域４３５が形成されている。第９の実施形態と同様に、ｎ型AlN基板４００上には第１の電極４４０が形成され、SiO2層４３０及びウィンドウ領域４３５の上には第２の電極４４５が形成されている。
【０１３４】
第９の実施形態と同様に、活性層４１５から２２０ｎｍ領域の波長を有する紫外光を放出させるために、井戸層内のBN、InN及びAlNのモル分率がそれぞれ０．０１、０．０８及び０．９１に設定されている。同様に、各構成層の格子定数を一致させて格子不整合に起因する欠陥を回避するため、全ての層のInNモル分率ｘ及びAlNモル分率ｙは1.75x+yが一定の値にほぼ等しいという条件を満たしている。第８の実施形態と同様に、1.75x+yは、各層の等価格子定数がAlNの格子定数とほぼ等しくなるようにほぼ１．０３に等しい値に設定されている。同様に、クラッド層のバンドギャップエネルギーが活性層のバンドギャップエネルギーより大きい値に維持され、紫外光の放出が可能になっている。また、材料の屈折率は第８の実施形態に関連して述べたとおりであり、光の場を横方向に閉じ込められるようになっている。
【０１３５】
第９の実施形態の動作と同様に、SiO2層が注入電流を拘束するので、活性層４１５のウィンドウ領域４３５下方の領域が強く活性化される。その結果は、やはり、ウィンドウ領域４３５下方の活性層内の局部モード利得がSiO2層４３０下方の活性層内の局部モード利得より高くなる。これにより、リッジストライプ領域の外側と比較して内側において横方向の実効屈折率が相対的に高くなることと相俟って、実効屈折率ステップ（Δｎ）が得られる。これにより、実屈折率導波によって形成された組込み式の導波路を有する構造が得られる。したがって、第１０の実施形態の構造により、基本横モードで動作可能な低閾値電流レーザダイオードが提供される。
【０１３６】
次に、図４３Ａないし図４３Ｅに、第１０の実施形態にかかる半導体レーザダイオードの典型的な素子の主要製造工程の概要を示す。
【０１３７】
まず、図４３Ａ及び図４３Ｂに示すように、ｎ型AlN基板４００上への第１及び第２クラッド層４０５、４１０及び３対の多重量子井戸活性層４１５の形成は第８の実施形態と同じである。その後、第３及び第４のクラッド層４２０、４２５が形成された後、通常はエッチングにより、一部が除去されてリッジ構造３５００が形成される。既に述べたように、典型的な実施形態では、ＭＯＣＶＤ法あるいはＭＢＥ法のどちらかにより様々な層が順次形成される。
【０１３８】
その後、図４３Ｃないし図４３Ｅに示すように、第５及び第３クラッド層４２５、４２０上にそれぞれ、通常はＣＶＤ法により二酸化珪素層４３０が形成され、その後、第９の実施形態と同様に、ウィンドウ領域４３５が形成される。その後、電極４４０、４４５が構造体に蒸着されるかあるいは接合される。
【０１３９】
次に、図４４を参照することにより、InNモル分率ｘ及びAlNモル分率ｙの選択と、BInAlN構成層の場合の両モル分率の関係をより深く理解できる。特に、相対モル分率は、0<=x+y<=1かつ1<=1.01x+0.88y、あるいは0<=x+y<=1かつ1<=0.61x+1.04yの関係をほぼ満足させることが必要である。
【０１４０】
図４５は、様々な成長温度に対してグラフ化された相分離領域の境界を示す。図４５の線は様々な温度に関して組成的に不安定な（相分離）領域と安定した領域との間の境界を示している。同一温度の２つの境界線で囲まれた領域は各温度の相分離含有率領域を示す。３元合金BAlN、BInN及びInAlNは、BNとAlNとの間、BNとInNとの間及びInNとAlNとの間の格子不整合が大きいために相分離領域が大きいことが分かった。したがって、４元合金BInAlNは広い相分離領域を有し、B、Al及びInの各原子含有率も素子の用途に対して注意深く選択される必要がある。
【０１４１】
InGaAlNの場合と同様に通常結晶成長温度が約５００℃ないし約１０００℃の概算範囲内にあるBInAlN材料系を提供できることが分かった。また、およそ５００℃とおよそ１０００℃の間の処理温度ではBInAlNのB含有分、Al含有分及びIn含有分の相分離が有意には発生しないことも分かった。最後に、これら２点を結びつけることにより、約１０００℃より低い結晶成長温度で相分離を回避するためのBInAlNのAl含有率及びIn含有率の含有率選択領域は、図４５の斜線領域であり、２つの領域を分離する線が1.01x+0.88y=1及び0.61x+1.04y=1の関係によって近似的に定義されることがわかる。
【０１４２】
したがって、これまでに開示したBInAlNを用いる２つの各構成の実施形態の場合、レーザダイオードの全構成層のInモル分率ｘ及びAlNモル分率ｙが0<=x+y<=1かつ1<=1.01x+0.88y、あるいは0<=x+y<=1かつ1<=0.61x+1.04yの関係をほぼ満たすとき、およそ５００℃と約１０００℃との間の結晶成長温度で実施することによって、BInAlN材料系内で相分離現象を回避することができる。その結果、原子モル分率に従って各構成層内にB原子、Al原子及びIn原子がほぼ均一に分布する。
【０１４３】
図４６は約１０００℃より低い成長温度で相分離現象を回避するためのBInAlN系のIn含有率ｘ及びAl含有率ｙの含有率選択線を示す。図４６の線は1.75x+y=1.03の例示的な線を示す。したがって、AlN基板上に形成されたレーザダイオードのBInAlN構成層のAl含有率及びIn含有率に関して1.75x+yがほぼ１．０３に等しく、0<=x+y<=1かつ1<=1.61x+1.04yの関係を確実に有していることによって、欠陥密度が低く、相分離が全くないか非常に少ないAlN基板上レーザダイオードを得ることができる。
【０１４４】
さらに、BInAlN材料系によって他の半導体構造を製造することも可能である。上述したように、III族窒化物材料、特にGaNとAlNは高出力高温条件下で動作可能な電子デバイス、例えばAlGaN/GaNヘテロ構造を利用することによってマイクロ波パワーＦＥＴでの使用に有望である。しかしながら、既に述べたように、AlGaNとGaNの格子定数の違いから重大な欠陥が発生し、そのことが、結果得られる構造体内の電子の移動度とそのような材料系のＦＥＴ用途での実用性に限界を与えている。
【０１４５】
本発明は、本発明のBInAlN/AlN材料がAlNと等しい格子定数を有するという点で上記の限界をほぼ克服する。既に述べたように、InNモル分率（ｘ）及びAlNモル分率（ｙ）が0<=x+y<=1、1<=0.61x+1.04y及び1.75x+y=1.03±0.1の関係を満たすとき、B1-x-yInxAlyNの４元材料系は５ｅＶより大きいバンドギャップを持つだけでなく、AlNとほぼ等しい格子定数を有する。これにより、様々な層内でほぼ均一な原子含有率分布を有するＦＥＴ等の半導体構造が製造可能になる。したがって、InNモル分率ｘ及びAlNモル分率ｙが上記の関係を満たす本発明にかかるBInAlN/AlN材料系を使用することにより、欠陥密度の低い高出力高温トランジスタを実現することができる。
【０１４６】
図４７に、本発明にかかるBInAlN/AlN材料を用いたヘテロ接合電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）の典型的な実施形態を示す。AlN基板３５２０上には、０．５μｍ厚のi-B0.01In0.08Al0.91N層３５２５が形成され、その次に、薄い約１０ｎｍ厚のi-B0.01In0.08Al0.91N導電用チャンネル層３５３０と１０ｎｍ厚のAlN層３５３５が形成されている。ソース電極及びドレイン電極３５４０Ａ、３５４０Ｂとゲート電極３５４５が従来の方法で形成されている。この構造において、BInAlN層のInNモル分率ｘ及びAlNモル分率ｙはそれぞれ０．０８及び０．９１に設定されている。この場合、ｘとｙの値は0<=x+y<=1、1<=1.61x+1.04y及び1.75x+y=1.03±0.1の関係を満たしている。これにより、実質的に相分離がなくAlNとほぼ等しい格子定数を有するBInAlN層が得られる。ひいては、BinAlN層とAlN層のヘテロ界面に形成された２次元電子ガスが（欠陥が存在する場合に発生するような）BinAlN層の原子含有率の揺らぎによって散乱させられることがないために、高い電子速度を達成することができる。さらに、BGaInNのバンドギャップは５ｅＶより大きいので、図４７Ａに示す構造を使用することにより信頼性のある高温動作を実現することができる。
【０１４７】
同様に、図４７Ｂは本発明にかかるヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）の実施形態を示す。AlN基板３５５０上には、４００ｎｍ厚のｎ型AlNコレクタ層３５５５が形成され、その次に、５０ｎｍ厚のｐ型BInAlNベース層３５６０と３００ｎｍ厚のAlNエミッタ層３５６５が形成されている。ベース電極３５７０、コレクタ電極３５７５及びエミッタ電極３５８０が従来の方法で形成されている。図４７Ａと同様に、図４７Ｂの実施形態では、BInAlN層のInNモル分率ｘ及びAlNモル分率ｙはそれぞれ０．０８及び０．９１に設定されており、ｘとｙは上記と同じ関係を満たす必要がある。図４７Ａと同様に、大きな相分離がなくAlNと等しい格子定数を有するBInAlN層が実現され、その結果、非常に高品質のBInAlN/AlNヘテロ接合が得られる。さらに、AlNエミッタ層のバンドギャップ（６．２ｅＶ）はBInAlNベース層のバンドギャップ（５．８ｅＶ）より大きいので、ｐ型ベース層に発生した正孔がこのベース層内にうまく閉じ込められる。これは、AlNホモ接合バイポーラトランジスタにおいて発生するよりも大きな価電子帯不連続がAlNとBInAlNとの間に発生することに起因する。このことは、ベース電流に比べて電流増幅が大きいコレクタ電流が得られるという利点をもたらす。さらに、上述したように、BInAlNとAlN層のバンドギャップは大きいので、トランジスタを高温での用途に信頼性を持って利用することができる。
【０１４８】
次に、図４８に、本発明のフォトトランジスタとしての実施例を示す。
【０１４９】
InNモル分率ｘ及びAlNモル分率ｙが0<=x+y<=1、1<=0.61x+1.04yの関係を満たすB1-x-yInxAlyNの４元材料は、５ｅＶより大きいバンドギャップを提供するだけでなく、各層内に同じ原子含有率分布で形成することができるので、BInAlN材料を青色光検出器用途に利用することも可能である。さらに、InNモル分率ｘ及びAlNモル分率ｙが1.75x+y=1.03の関係を満たすB1-x-yInxAlyNの４元材料は、AlNとほぼ等しい格子定数を有する。したがって、InNモル分率ｘ及びAlNモル分率ｙが上記の関係を満たすBInAlN/AlN材料を使用することにより、欠陥密度の低い紫外光検出器を実現することができる。他の周波数、例えば青色光の検出が必要な場合には、わずかな変更しか必要としない。
【０１５０】
図４８に示すように、本発明の半導体装置は、BInAlN/AlN材料を使用してヘテロ接合フォトトランジスタ（ＨＰＴ）の形で実施可能である。AlN基板３７００上には、ｎ型AlNコレクタ層３７０５がおよそ５００ｎｍ厚に形成され、その次に、２００ｎｍ厚のｐ型BInAlNベース層３７１０が形成されている。その後、およそ５００ｎｍ厚のエミッタ層３７１５が形成されている。エミッタ層の上には、光がベース層に当たるようにリング状の電極３７２０が形成されている。
【０１５１】
典型的な構造では、BInAlN層のInNモル分率ｘ及びAlNモル分率ｙはそれぞれ０．０８及び０．９１に設定される。この場合、ｘとｙの値は0<=x+y<=1、1<=0.61x+1.04y及び1.75x+y=1.03±0.05の関係を満たすので、BInAlN層をAlNとほぼ等しい格子定数を持ちながら相分離をほぼ回避するように形成して、高品質のBInAlN/AlNヘテロ接合を形成することが可能になる。AlNエミッタ層のバンドギャップ（２００ｎｍの光の波長に相当する６．２ｅＶ）はBInAlNベース層のバンドギャップ（２１２ｎｍの光の波長に相当する５．８ｅＶ）よりも大きい。光はエミッタ側に照射される。図示の実施形態の場合、２００ｎｍと２１２ｎｍの間の波長範囲の照射光はエミッタ層を透過するので、BInAlNベース層に吸収されて電子と正孔の対を発生させる。AlNとBInAlNとの間の価電子帯の不連続が従来のAlNホモ接合フォトトランジスタの場合よりも大きいので、ｐ型ベース層の光吸収によって生成された正孔はベース層にうまく閉じ込められる。これにより、より大きなエミッタ電流が誘導されることになり、ホモ接合フォトトランジスタの場合よりも優れた電子中和がベース領域にもたらされる。したがって、高量子効率かつ高感度、及びその結果として入射光からコレクタ電流への高変換効率を有する青色光検出器が得られる。他のより低い周波数を検出する場合には、BInAlNベース層は、例えば青緑色光の場合、InGaNに置き換えられる。
【０１５２】
図４８のフォトトランジスタに加えて、本発明に従ってフォトダイオードを実現することも可能である。図４９では、ｎ型AlN基板３９００が設けられており、その上にB1-x-yInxAlyN４元材料または等価物からなるｎ型層３９１０が形成され、この層は図４８に関連して上述した関係に従っている。その後、活性層３９１５が形成され、その上方には、ｐ型B1-x-yInxAlyN４元材料からなる層３９２０が形成されている。そして、この層３９２０の上方に、ｐ型第２クラッド層３９２５が形成され、そこには、層３９２０の一部を露出させるようにウィンドウ３９３０が形成されている。ウィンドウ３９３０は光を層３９２０に当てることができる入口となって正孔を発生させる。従来の方法で一対の電極３９３５、３９４０が形成されてもよく、その場合、電極３９３５は、通常、ウィンドウ３９３０周りのリング状の電極である。第２クラッド層３９２５のバンドギャップは層３９２０のバンドギャップよりも大きいことが好ましく、さらに、層３９２０のバンドギャップは活性層３９１５のバンドギャップよりも大きいことが好ましいことが理解できる。そのような手法によれば、最大限広い範囲の光の波長に対して感度がよくなる。より狭い波長範囲が望ましい場合には、層３９２０よりも小さなバンドギャップを有する材料を層３９２５に対して使用してもよい。さらに、層３９１０、３９１５、３９２０は、少なくともいくつかの場合には、適正な光電性ｐｎ接合を提供するので、全ての実施形態に層３９２５を含ませる必要はない。
【０１５３】
本発明の好ましい実施形態と様々な代替物について説明したが、当業者であれば、本明細書中の教示を与えられると、本発明から逸脱することなく多数の代替物及び等価物が存在することが理解できるであろう。したがって、本発明は上記の説明によって限定されるものではなく、特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【０１５４】
【図１】従来の３元材料系を用いた従来技術のレーザダイオード構造を示す。
【図２】本発明の第１の実施形態にかかる半導体構造を断面図で示す。
【図３】図１の構造にかかるレーザダイオードの光−電流特性のグラフを示す。
【図４】本発明の第１の実施形態にかかる半導体構造に関する典型的な一連の製造工程を示す。
【図５】第２の実施形態にかかる半導体構造を断面図で示す。
【図６】図４の構造にかかるレーザダイオードの光−電流特性のグラフを示す。
【図７】本発明の第１の実施形態にかかる半導体構造に関する典型的な一連の製造工程を示す。
【図８】第３の実施形態の半導体レーザダイオードの断面図である。
【図９】第３の実施形態のレーザダイオードの光−電流特性を示す。
【図１０】第３の実施形態の典型例における半導体レーザダイオードの一連の製造工程を示す。
【図１１】第４の実施形態の半導体レーザダイオードの断面図である。
【図１２】第４の実施形態のレーザダイオードの光−電流特性を示す。
【図１３】第４の実施形態の典型例における半導体レーザダイオードの一連の製造工程を示す。
【図１４】様々な成長温度において相分離領域と相分離のない領域との間の境界をプロット形式で示す。
【図１５】約１０００℃より低い成長温度で相分離を回避するためのInGaAlNにおけるGa含有率とAl含有率の含有率選択領域を示す。
【図１６】GaNの格子定数とほぼ等価のInGaAlNの格子定数を生じると同時に、約１０００℃より低い成長温度での相分離を回避するためのInGaAlNにおけるGa含有率とAl含有率の含有率選択線を示す。
【図１７】(Ａ)及び(Ｂ)は本発明の材料系にしたがって構成されたバイポーラ及びＦＥＴトランジスタの図を示す。
【図１８】フォトトランジスタとしての本発明の実施例を示す。
【図１９】フォトダイオードとしての本発明の実施例を示す。
【図２０】本発明の第５の実施形態にかかる半導体構造を断面図で示す。
【図２１】本発明の第５の実施形態にかかる半導体構造に関する典型的な一連の製造工程を示す。
【図２２】第６の実施形態にかかる半導体構造を断面図で示す。
【図２３】本発明の第９の実施形態にかかる半導体構造に関する典型的な一連の製造工程を示す。
【図２４】様々な成長温度において相分離領域と相分離のない領域との間の境界をプロット形式で示す。
【図２５】約１０００℃より低い成長温度で相分離を回避するためのBAlGaNにおけるGa含有率とAl含有率の含有率選択領域を示す。
【図２６】AlNの格子定数とほぼ等価のBAlGaNの格子定数を生じると同時に、約１０００℃より低い成長温度での相分離を回避するためのBAlGaNにおけるGa含有率とAl含有率の含有率選択線を示す。
【図２７】(Ａ)及び(Ｂ)は本発明の材料系にしたがって構成されたバイポーラ及びＦＥＴトランジスタの図を示す。
【図２８】フォトトランジスタとしての本発明の実施例を示す。
【図２９】フォトダイオードとしての本発明の実施例を示す。
【図３０】本発明の第７の実施形態にかかる半導体構造を断面図で示す。
【図３１】本発明の第７の実施形態にかかる半導体構造に関する典型的な一連の製造工程を示す。
【図３２】第８の実施形態にかかる半導体構造を断面図で示す。
【図３３】本発明の第８の実施形態にかかる半導体構造に関する典型的な一連の製造工程を示す。
【図３４】様々な成長温度において相分離領域と相分離のない領域との間の境界をプロット形式で示す。
【図３５】約１０００℃より低い成長温度で相分離を回避するためのBGaInNにおけるGa含有率とIn含有率の含有率選択領域を示す。
【図３６】GaNの格子定数とほぼ等価のBGaInNの格子定数を生じると同時に、約１０００℃より低い成長温度での相分離を回避するためのBGaInNにおけるGa含有率とIn含有率の含有率選択線を示す。
【図３７】(Ａ)及び(Ｂ)は本発明の材料系にしたがって構成されたバイポーラ及びＦＥＴトランジスタの図を示す。
【図３８】フォトトランジスタとしての本発明の実施例を示す。
【図３９】フォトダイオードとしての本発明の実施例を示す。
【図４０】本発明の第９の実施形態にかかる半導体構造を断面図で示す。
【図４１】本発明の第９の実施形態にかかる半導体構造に関する典型的な一連の製造工程を示す。
【図４２】第１０の実施形態にかかる半導体構造を断面図で示す。
【図４３】本発明の第１０の実施形態にかかる半導体構造に関する典型的な一連の製造工程を示す。
【図４４】様々な成長温度において相分離領域と相分離のない領域との間の境界をプロット形式で示す。
【図４５】約１０００℃より低い成長温度で相分離を回避するためのBInAlNにおけるIn含有率とAl含有率の含有率選択領域を示す。
【図４６】AlNの格子定数とほぼ等価のBGaInNの格子定数を生じると同時に、約１０００℃より低い成長温度での相分離を回避するためのBInAlNにおけるIn含有率とGa含有率の含有率選択線を示す。
【図４７】(Ａ)及び(Ｂ)は本発明の材料系にしたがって構成されたバイポーラ及びＦＥＴトランジスタの図を示す。
【図４８】フォトトランジスタとしての本発明の実施例を示す。
【図４９】フォトダイオードとしての本発明の実施例を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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