(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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こ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。
【請求項２】
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の関係が成立することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
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こ
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。
【請求項４】
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こ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。
【発明の詳細な説明】
【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
【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】
0004186306.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0004186306.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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