(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子であって、該発光素子が、
ある導電型のＧａ１−ｘ１Ａｌｘ１Ｎ１−ｙ１Ａｓｙ１第１クラッド層、
該導電型のＧａ１−ｘ２Ａｌｘ２Ｎ１−ｙ２Ａｓｙ２活性層、
反対の導電型のＧａ１−ｘ３Ａｌｘ３Ｎ１−ｙ３Ａｓｙ３第２クラッド層を含み、
全ての層が順次積層されている発光素子であって、ｘ１、ｘ２およびｘ３がＡｌ含量を示し、ｙ１、ｙ２およびｙ３がＡｓ含量を示し、
かつｘ１、ｙ１、ｘ２、ｙ２、ｘ３およびｙ３は、０＜ｘ１＜１、０＜ｘ２＜１、０＜ｘ３＜１、０＜ｙ１＜１、０＜ｙ２＜１、０＜ｙ３＜１、０．２６ｘ１＋３７ｙ１≦１、０．２６ｘ２＋３７ｙ２≦１、０．２６ｘ３＋３７ｙ３≦１、
ＥｇＧａＮ（１−ｘ１）（１−ｙ１）＋ＥｇＧａＡｓ（１−ｘ１）ｙ１＋ＥｇＡｌＮｘ１（１−ｙ１）＋ＥｇＡｌＡｓｘ１ｙ１＞ＥｇＧａＮ（１−ｘ２）（１−ｙ２）＋ＥｇＧａＡｓ（１−ｘ２）ｙ２＋ＥｇＡｌＮｘ２（１−ｙ２）＋ＥｇＡｌＡｓｘ２ｙ２、
およびＥｇＧａＮ（１−ｘ３）（１−ｙ３）＋ＥｇＧａＡｓ（１−ｘ３）ｙ３＋ＥｇＡｌＮｘ３（１−ｙ３）＋ＥｇＡｌＡｓｘ３ｙ３＞ＥｇＧａＮ（１−ｘ２）（１−ｙ２）＋ＥｇＧａＡｓ（１−ｘ２）ｙ２＋ＥｇＡｌＮｘ２（１−ｙ２）＋ＥｇＡｌＡｓｘ２ｙ２なる関係を有し、
式中、ＥｇＧａＮ、ＥｇＧａＡｓ、ＥｇＡｌＮおよびＥｇＡｌＡｓはそれぞれＧａＮ、ＧａＡｓ、ＡｌＮおよびＡｌＡｓのバンドギャップエネルギーである、発光素子。
【請求項２】
前記活性層において、全ての構成層のＡｌ含量ｘｗおよびＡｓ含量ｙｗが、
０＜ｘｗ＜１、０＜ｙｗ＜１かつ０．２６ｘｗ＋３７ｙｗ≦１なる関係を満たすＧａＡｌＮＡｓ単一または多重量子井戸活性層である、請求項１記載の発光素子。
【請求項３】
３．１８（１−ｘｓ）（１−ｙｓ）＋３．９９（１−ｘｓ）ｙｓ＋３．１１ｘｓ（１−ｙｓ）＋４ｘｓｙｓが３．１８±０．０５の範囲内であるという条件を満たし、ｘｓおよびｙｓがそれぞれ各構成層におけるＡｌ含量およびＡｓ含量である、請求項１記載の発光素子。
【請求項４】
発光素子であって、該発光素子が、
ある導電型のＧａ１−ｘ１Ａｌｘ１Ｎ１−ｙ１Ａｓｙ１第１クラッド層、
Ｇａ１−ｘ２Ａｌｘ２Ｎ１−ｙ２Ａｓｙ２活性層、
反対の導電型のＧａ１−ｘ３Ａｌｘ３Ｎ１−ｙ３Ａｓｙ３第２クラッド層を含み、
該Ｇａ１−ｘ３Ａｌｘ３Ｎ１−ｙ３Ａｓｙ３第２クラッド層がリッジ構造を有し、全ての層が順次積層されている発光素子であって、
ｘ１、ｘ２およびｘ３がＡｌ含量を示し、
ｙ１、ｙ２およびｙ３がＡｓ含量を示し、
かつｘ１、ｙ１、ｘ２、ｙ２、ｘ３およびｙ３が、０＜ｘ１＜１、０＜ｘ２＜１、０＜ｘ３＜１、０＜ｙ１＜１、０＜ｙ２＜１、０＜ｙ３＜１、０．２６ｘ１＋３７ｙ１≦１、０．２６ｘ２＋３７ｙ２≦１、０．２６ｘ３＋３７ｙ３≦１、
ＥｇＧａＮ（１−ｘ１）（１−ｙ１）＋ＥｇＧａＡｓ（１−ｘ１）ｙ１＋ＥｇＡｌＮｘ１（１−ｙ１）＋ＥｇＡｌＡｓｘ１ｙ１＞ＥｇＧａＮ（１−ｘ２）（１−ｙ２）＋ＥｇＧａＡｓ（１−ｘ２）ｙ２＋ＥｇＡｌＮｘ２（１−ｙ２）＋ＥｇＡｌＡｓｘ２ｙ２、
およびＥｇＧａＮ（１−ｘ３）（１−ｙ３）＋ＥｇＧａＡｓ（１−ｘ３）ｙ３＋ＥｇＡｌＮｘ３（１−ｙ３）＋ＥｇＡｌＡｓｘ３ｙ３＞ＥｇＧａＮ（１−ｘ２）（１−ｙ２）＋ＥｇＧａＡｓ（１−ｘ２）ｙ２＋ＥｇＡｌＮｘ２（１−ｙ２）＋ＥｇＡｌＡｓｘ２ｙ２なる関係を有し、
式中、ＥｇＧａＮ、ＥｇＧａＡｓ、ＥｇＡｌＮおよびＥｇＡｌＡｓはそれぞれＧａＮ、ＧａＡｓ、ＡｌＮおよびＡｌＡｓのバンドギャップエネルギーである、発光素子。
【請求項５】
前記ＧａＡｌＮＡｓ活性層が、全ての構成層のＡｌ含量ｘｗおよびＡｓ含量ｙｗが、０＜ｘｗ＜１、０＜ｙｗ＜１かつ０．２６ｘｗ＋３７ｙｗ≦１なる関係を満たすＧａＡｌＮＡｓ単一または多重量子井戸活性層である、請求項４記載の発光素子。
【請求項６】
３．１８（１−ｘｓ）（１−ｙｓ）＋３．９９（１−ｘｓ）ｙｓ＋３．１１ｘｓ（１−ｙｓ）＋４ｘｓｙｓが３．１８±０．０５の範囲内であるという条件を満たし、ｘｓおよびｙｓがそれぞれ各構成ＧａＡｌＮＡｓ層におけるＡｌ含量およびＡｓ含量である、請求項４記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔関連出願〕
本出願は、１９９９年３月２６日に同じ発明者の名前で出願し、同じ譲受人に譲渡された、米国特許出願第０９／２７７，３１９号に関連する。
【０００２】
〔発明の属する技術分野〕
本発明は、半導体構造体および製造方法に関し、特には青色光または紫外光レーザーダイオードおよび他の同様な半導体に使用可能なIII族窒化物材料系および方法に関する。
【０００３】
〔従来の技術〕
青色レーザー光源の開発は、ディスクメモリー、ＤＶＤ等の次世代高密度光デバイスの先駆けとなっている。図１は従来技術の半導体レーザー素子の断面図を示す（Ｓ．  Ｎａｋａｍｕｒａ、ＭＲＳ  ＢＵＬＬＥＴＩＮ、第２３巻、第５号、第３７〜４３頁、１９９８年）。サファイア基板５の上に窒化ガリウム（ＧａＮ）バッファ層１０を形成し、次いでｎ型ＧａＮ層１５を形成し、４μｍ幅のストライプ状窓を１２μｍ周期でＧａＮ＜１−１００＞方向に形成するようにパターン化した０．１μｍ厚二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）層２０を形成する。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）／ＧａＮ  ＭＤ−ＳＬＳ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  Ｄｏｐｅｄ  Ｓｔｒａｉｎｅｄ−Ｌａｙｅｒ  Ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ；変調ドープ歪超格子）クラッド層４０、およびｎ型ＧａＮクラッド層４５を形成する。次に、Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ／Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ  ＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ；多量子井戸）活性層５０を形成した後、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／ＧａＮ  ＭＤ−ＳＬＳクラッド層６５、およびｐ型ＧａＮクラッド層７０を形成する。リッジストライプ構造体をｐ型Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ／ＧａＮ  ＭＤ−ＳＬＳクラッド層５５内に形成して、リッジ導波路中を拡散する光学場を横方向に閉じ込める。電極をｐ型ＧａＮクラッド層７０上およびｎ型ＧａＮクラッド層３０上に形成して電流注入を可能にする。
【０００４】
図１に示した構造体において、ｎ型ＧａＮクラッド層４５およびｐ型ＧａＮクラッド層６０は光導波路層である。ｎ型Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ／ＧａＮ  ＭＤ−ＳＬＳクラッド層４０およびｐ型Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ／ＧａＮ  ＭＤ−ＳＬＳクラッド層６５は、ＩｎＧａＮ  ＭＱＷ層５０の活性領域から放出されたキャリアおよび光を閉じ込めるためのクラッド層として働く。ｎ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層３５を、ＡｌＧａＮ厚膜成長のバッファ層として設け、クラックが入るのを防ぐ。
【０００５】
図１に示す構造体を用いることにより、電極を通してキャリアをＩｎＧａＮ  ＭＱＷ活性層５０内に注入し、４００ｎｍの波長域で発光させる。リッジストライプ領域下の有効屈折率はリッジストライプ領域外の有効屈折率よりも大きいので、ｐ型Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ／ＧａＮ  ＭＤ−ＳＬＳクラッド層６５内に形成されたリッジ導波路構造体により光学場は活性層内で横方向に閉じ込められる。一方、活性層の屈折率はｎ型ＧａＮクラッド層４５、ｐ型ＧａＮクラッド層６０、ｎ型Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ／ＧａＮ  ＭＤ−ＳＬＳクラッド層４０、およびｐ型Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ／ＧａＮ  ＭＤ−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／ＧａＮ  ＭＤ−ＳＬＳクラッド層４０、ｐ型ＧａＮクラッド層６０、およびｐ型Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ／ＧａＮ  ＭＤ−ＳＬＳクラッド層５５により光学場は活性層内で横方向に閉じ込められる。これにより、基本横モード操作が得られる。
【０００６】
しかし、図１に示した構造体については、欠陥密度を１０８ｃｍ−２より小さいオーダーに低減させることは困難である。なぜなら、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮおよびＧａＮの格子定数は互いに十分に異なるので、ｎ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層３５、Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ／Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ  ＭＱＷ活性層５０、ｎ型Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ／ＧａＮ  ＭＤ−ＳＬＳクラッド層４０、ｐ型Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ／ＧａＮ  ＭＤ−ＳＬＳクラッド層６５、およびｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎクラッド層５５の総厚さが臨界厚さを超えたときはいつでも、歪エネルギーを解放する手段として構造体内に欠陥が発生するからである。欠陥は相分離により生じ、かつ発振光の吸収中心として作用して、発光効率の低下と閾値電流の増加を引き起こす。その結果、駆動電流が大きくなり、その代わりに信頼性を損なう。
【０００７】
さらに、ＩｎＧａＮの３元合金系を図１に示した構造体の活性層として用いる。この場合、バンドギャップエネルギーはＩｎＮに対する１．９ｅＶからＧａＮに対する３．５ｅＶに変わる。したがって、３．５ｅＶより高いエネルギーレベルを有する紫外光はＩｎＧａＮ活性層を用いることにより得ることはできない。紫外光は、例えば高密度光ディスクメモリーシステムの光ピックアップ装置および他の装置の光源として魅力的であるので、このことは問題である。
【０００８】
従来の３元材料系における相分離により生じる欠陥をより良く理解するためには、ＩｎＮ、ＧａＮおよびＡｌＮの格子定数のミスマッチを理解しなければならない。ＩｎＮとＧａＮとの間、ＩｎＮとＡｌＮとの間およびＧａＮとＡｌＮとの間の格子ミスマッチは、それぞれ１１．３％、１３．９％および２．３％である。したがって、等価結合長がＩｎＮ、ＧａＮおよびＡｌＮの間で互いに異なるという事実により、たとえ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ＧａＡｌＮＡｓ層内に蓄積される。内部歪エネルギーを減らすために、Ｉｎ原子、Ｇａ原子およびＡｌ原子が層内に不均質に分布する場合には、ＧａＡｌＮＡｓ格子ミスマッチ材料系内で相が分離する組成範囲がある。相分離の結果、ＧａＡｌＮＡｓ層内のＩｎ原子、Ｇａ原子およびＡｌ原子は、各構成層内に原子モル比に従った均一な状態で分布していない。換言すれば、これは相分離を含む層のバンドギャップエネルギー分布は不均質になるということを意味する。相分離部のバンドギャップ領域は不釣合いに光吸収中心として働くか、または導波された光の光散乱を招く。前記の通り、従来技術によるこれらの問題の典型的解決策は駆動電流を上げることであり、したがって半導体素子の寿命が短くなっている。
【０００９】
〔発明が解決しようとする課題〕
そのため、相分離による格子欠陥を最小限にし、かつ例えば青色またはＵＶ光を高効率で発するレーザーダイオードとして用いることのできる半導体構造体およびトランジスタ等の他の半導体構造体に対する必要性が長い間感じられてきた。
【００１０】
〔課題を解決するための手段〕
本発明は、層と構造体との間の相分離を材料的に減らすことにより欠陥密度を実質的に低減する半導体構造体を提供することによって、従来技術の制限を実質的に克服するものである。これにより発光効率を実質的に向上させることができる。
【００１１】
相分離を減らすため、各層におけるＡｓ含量、Ａｌ含量の分布が均一なＧａＡｌＮＡｓ層を有する半導体素子を得ることが可能であることが分かった。発光素子において、これにより光吸収損失および導波路散乱損失を減らし、高効率発光素子を得ることができる。ＡｌおよびＡｓの量を慎重に選択することにより、バンドギャップの一般範囲を少なくとも２つ有する素子を作ることができ、赤外および青／紫外領域の両方の発光素子を開発することができる。
【００１２】
本発明に関するＧａＡｌＮＡｓ４元材料系の第１の例示的実施態様において、ｘで表されるＡｌ含量およびｙで表されるＡｓ含量が、３．１８（１−ｘ）（１−ｙ）＋３．９９（１−ｘ）ｙ＋３．１１ｘ（１−ｙ）＋４ｘｙが一定値にほぼ等しいという条件を理想的に満たす場合、相分離を回避するのに十分な均質性が確認されている。発光素子の典型的実施態様において、前記一定値を３．１８としてもよい。構造体中の構成層の格子定数が互いに十分近く、ほとんどの場合ほぼ同じであるので、相分離がないことにより、欠陥の発生が抑止される。
【００１３】
本発明の素子は、典型的には、順次積層された、第１の導電性のＧａＡｌＮＡｓ材料からなる第１層、ＧａＡｌＮＡｓ活性層、および反対の導電性のＧａＡｌＮＡｓ材料からなる層を含む。式３．１８（１−ｘ）（１−ｙ）＋３．９９（１−ｘ）ｙ＋３．１１ｘ（１−ｙ）＋４ｘｙがほぼ一定値、例えば３．１８のオーダーまたはほぼ３．１８となるようにモル比を維持することにより、構成層の格子定数を互いにほぼ等しく保ち、欠陥の発生を低減させる。
【００１４】
他の実施態様において、４元材料系を用いて相分離を排除し、かつ相境界全体に均質性を促進して、半導体構造体を本質的に前記の通り作る。したがって、前記の通り、第１クラッド層は第１の導電型でＧａＡｌＮＡｓの組成物であり、活性層は第２の組成物のＧａＡｌＮＡｓであり、第２クラッド層は第１層の組成を有する反対の導電型のＧａＡｌＮＡｓである。しかし、さらに第２クラッド層はリッジ構造を有する。前記の通り、リッジ構造下の活性層内で光学場を横方向に閉じ込められるという利点が加わることにより、光吸収損失および導波路散乱損失が低減し、より効率が高まる。この構造体は基本横モード駆動も可能にする。
【００１５】
第３の実施態様はレーザーダイオードの実現に特に好適であるが、半導体構造体は、順次積層された、第１の導電型のＧａ１−ｘ１Ａｌｘ１Ｎ１−ｙ１Ａｓｙ１材料からなる第１クラッド層、Ｇａ１−ｘ２Ａｌｘ２Ｎ１−ｙ２Ａｓｙ２材料の活性層、および反対の導電型のＧａ１−ｘ３Ａｌｘ３Ｎ１−ｙ３Ａｓｙ３材料からなる第２クラッド層を含む。このような材料系において、ｘ１、ｘ２およびｘ３はＡｌ含量を示し、ｙ１、ｙ２およびｙ３はＡｓ含量を定義する。さらに、ｘ１、ｙ１、ｘ２、ｙ２、ｘ３およびｙ３は、０＜ｘ１＜１、０＜ｘ２＜１、０＜ｘ３＜１、０＜ｙ１＜１、０＜ｙ２＜１、０＜ｙ３＜１、０．２６ｘ１＋３７ｙ１＜＝１、０．２６ｘ２＋３７ｙ２＜＝１、０．２６ｘ３＋３７ｙ３＜＝１、ＥｇＧａＮ（１−ｘ１）（１−ｙ１）＋ＥｇＧａＡｓ（１−ｘ１）ｙ１＋ＥｇＡｌＮｘ１（１−ｙ１）＋ＥｇＡｌＡｓｘ１ｙ１＞ＥｇＧａＮ（１−ｘ２）（１−ｙ２）＋ＥｇＧａＡｓ（１−ｘ２）ｙ２＋ＥｇＡｌＮｘ２（１−ｙ２）＋ＥｇＡｌＡｓｘ２ｙ２、およびＥｇＧａＮ（１−ｘ３）（１−ｙ３）＋ＥｇＧａＡｓ（１−ｘ３）ｙ３＋ＥｇＡｌＮｘ３（１−ｙ３）＋ＥｇＡｌＡｓｘ３ｙ３＞ＥｇＧａＮ（１−ｘ２）（１−ｙ２）＋ＥｇＧａＡｓ（１−ｘ２）ｙ２＋ＥｇＡｌＮｘ２（１−ｙ２）＋ＥｇＡｌＡｓｘ２ｙ２なる関係を有する。式中、ＥｇＧａＮ、ＥｇＧａＡｓ、ＥｇＡｌＮおよびＥｇＡｌＡｓはそれぞれＧａＮ、ＧａＡｓ、ＡｌＮおよびＡｌＡｓのバンドギャップエネルギーである。
【００１６】
前記した材料系による再現性のある半導体構造体を提供するための、ＧａＡｌＮＡｓ層の例示的実施態様は、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１かつ０．２６ｘ＋３７ｙ＜＝１なる関係を満たすＡｌ含量ｘおよびＡｓ含量ｙを有する。前記の通り、この材料系により、光吸収損失および導波路散乱損失を低減し、高効率発光素子を得ることができる。さらに、ｘ１、ｙ１、ｘ２、ｙ２、ｘ３およびｙ３が、０＜ｘ１＜１、０＜ｘ２＜１、０＜ｘ３＜１、０＜ｙ１＜１、０＜ｙ２＜１、０＜ｙ３＜１、０．２６ｘ１＋３７ｙ１＜＝１、０．２６ｘ２＋３７ｙ２＜＝１、０．２６ｘ３＋３７ｙ３＜＝１、ＥｇＧａＮ（１−ｘ１）（１−ｙ１）＋ＥｇＧａＡｓ（１−ｘ１）ｙ１＋ＥｇＡｌＮｘ１（１−ｙ１）＋ＥｇＡｌＡｓｘ１ｙ１＞ＥｇＧａＮ（１−ｘ２）（１−ｙ２）＋ＥｇＧａＡｓ（１−ｘ２）ｙ２＋ＥｇＡｌＮｘ２（１−ｙ２）＋ＥｇＡｌＡｓｘ２ｙ２、およびＥｇＧａＮ（１−ｘ３）（１−ｙ３）＋ＥｇＧａＡｓ（１−ｘ３）ｙ３＋ＥｇＡｌＮｘ３（１−ｙ３）＋ＥｇＡｌＡｓｘ３ｙ３＞ＥｇＧａＮ（１−ｘ２）（１−ｙ２）＋ＥｇＧａＡｓ（１−ｘ２）ｙ２＋ＥｇＡｌＮｘ２（１−ｙ２）＋ＥｇＡｌＡｓｘ２ｙ２なる関係を有する場合、活性層のＧａＡｌＮＡｓのバンドギャップエネルギーが第１クラッド層および第２クラッド層のバンドギャップエネルギーよりも小さくなる。この条件下で、注入されたキャリアは活性層に閉じ込められる。少なくともいくつかの実施態様において、全ての構成層のＡｌ含量ｘｗおよびＡｓ含量ｙｗが、０＜ｘｗ＜１、０＜ｙｗ＜１かつ０．２６ｘｗ＋３７ｙｗ＜＝１なる関係を満たす、ＧａＡｌＮＡｓ単一または多重量子井戸活性層を第３の発光素子が有することが好ましい。
【００１７】
前記の構造体の利点の一つは、レーザーダイオードの閾値電流密度を減らすことにある。これは単一または多重量子井戸構造体を用いることにより達成可能であり、これによって活性層状態の密度が低減する。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、閾値電流密度の低減したまたは低いレーザーダイオードとなる。
【００１８】
第３の発光素子において、３．１８（１−ｘｓ）（１−ｙｓ）＋３．９９（１−ｘｓ）ｙｓ＋３．１１ｘｓ（１−ｙｓ）＋４ｘｓｙｓがほぼ一定値――３．１８のオーダーまたは３．１８に近い――であるという条件を満たすことが望ましい。式中、ｘｓおよびｙｓはそれぞれ各構成層におけるＡｌ含量およびＡｓ含量である。前記の通り、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、相分離による欠陥を実質的に最小限にする。
【００１９】
本発明の第４の実施態様において、順次積層された、第１の導電型のＧａ１−ｘ１Ａｌｘ１Ｎ１−ｙ１Ａｓｙ１材料からなる第１クラッド層、Ｇａ１−ｘ２Ａｌｘ２Ｎ１−ｙ２Ａｓｙ２活性層、および反対の導電型のＧａ１−ｘ３Ａｌｘ３Ｎ１−ｙ３Ａｓｙ３材料からなる第２クラッド層を含む。さらに第２クラッド層はリッジ構造を有する。前記した材料系に対して、ｘ１、ｘ２およびｘ３はＡｌ含量を示し、ｙ１、ｙ２およびｙ３はＡｓ含量を示し、ｘ１、ｙ１、ｘ２、ｙ２、ｘ３およびｙ３が、０＜ｘ１＜１、０＜ｘ２＜１、０＜ｘ３＜１、０＜ｙ１＜１、０＜ｙ２＜１、０＜ｙ３＜１、０．２６ｘ１＋３７ｙ１＜＝１、０．２６ｘ２＋３７ｙ２＜＝１、０．２６ｘ３＋３７ｙ３＜＝１、ＥｇＧａＮ（１−ｘ１）（１−ｙ１）＋ＥｇＧａＡｓ（１−ｘ１）ｙ１＋ＥｇＡｌＮｘ１（１−ｙ１）＋ＥｇＡｌＡｓｘ１ｙ１＞ＥｇＧａＮ（１−ｘ２）（１−ｙ２）＋ＥｇＧａＡｓ（１−ｘ２）ｙ２＋ＥｇＡｌＮｘ２（１−ｙ２）＋ＥｇＡｌＡｓｘ２ｙ２、およびＥｇＧａＮ（１−ｘ３）（１−ｙ３）＋ＥｇＧａＡｓ（１−ｘ３）ｙ３＋ＥｇＡｌＮｘ３（１−ｙ３）＋ＥｇＡｌＡｓｘ３ｙ３＞ＥｇＧａＮ（１−ｘ２）（１−ｙ２）＋ＥｇＧａＡｓ（１−ｘ２）ｙ２＋ＥｇＡｌＮｘ２（１−ｙ２）＋ＥｇＡｌＡｓｘ２ｙ２なる関係を有する。式中、ＥｇＧａＮ、ＥｇＧａＡｓ、ＥｇＡｌＮおよびＥｇＡｌＡｓはそれぞれＧａＮ、ＧａＡｓ、ＡｌＮおよびＡｌＡｓのバンドギャップエネルギーである。
【００２０】
先の実施態様と同様に、各々のＧａＡｌＮＡｓ層は、均質なＡｌ含量およびＡｓ含量の分布を有し、各ＧａＡｌＮＡｓ層のＡｌ含量ｘおよびＡｓ含量ｙが、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１かつ０．２６ｘ＋３７ｙ＜＝１なる関係を満たす場合に、再現的に得ることができる。さらに、ｘ１、ｙ１、ｘ２、ｙ２、ｘ３およびｙ３が、０＜ｘ１＜１、０＜ｘ２＜１、０＜ｘ３＜１、０＜ｙ１＜１、０＜ｙ２＜１、０＜ｙ３＜１、０．２６ｘ１＋３７ｙ１＜＝１、０．２６ｘ２＋３７ｙ２＜＝１、０．２６ｘ３＋３７ｙ３＜＝１、ＥｇＧａＮ（１−ｘ１）（１−ｙ１）＋ＥｇＧａＡｓ（１−ｘ１）ｙ１＋ＥｇＡｌＮｘ１（１−ｙ１）＋ＥｇＡｌＡｓｘ１ｙ１＞ＥｇＧａＮ（１−ｘ２）（１−ｙ２）＋ＥｇＧａＡｓ（１−ｘ２）ｙ２＋ＥｇＡｌＮｘ２（１−ｙ２）＋ＥｇＡｌＡｓｘ２ｙ２、およびＥｇＧａＮ（１−ｘ３）（１−ｙ３）＋ＥｇＧａＡｓ（１−ｘ３）ｙ３＋ＥｇＡｌＮｘ３（１−ｙ３）＋ＥｇＡｌＡｓｘ３ｙ３＞ＥｇＧａＮ（１−ｘ２）（１−ｙ２）＋ＥｇＧａＡｓ（１−ｘ２）ｙ２＋ＥｇＡｌＮｘ２（１−ｙ２）＋ＥｇＡｌＡｓｘ２ｙ２なる関係を有する場合、ＧａＡｌＮＡｓ活性層のバンドギャップエネルギーが第１クラッド層および第２クラッド層のバンドギャップエネルギーよりも小さくなる。先の実施態様と同様に、注入されたキャリアは活性層内に閉じ込められ、光学場はリッジ構造下の活性層内で横方向に閉じ込められ、基本横モード駆動を生じる。
【００２１】
また先の実施態様と同様に、第４の実施態様は典型的には、全ての構成層のＡｌ含量ｘｗおよびＡｓ含量ｙｗが、０＜ｘｗ＜１、０＜ｙｗ＜１かつ０．２６ｘｗ＋３７ｙｗ＜＝１なる関係を満たすＧａＡｌＮＡｓ単一または多重量子井戸活性層を含む。また、３．１８（１−ｘｓ）（１−ｙｓ）＋３．９９（１−ｘｓ）ｙｓ＋３．１１ｘｓ（１−ｙｓ）＋４ｘｓｙｓが３．１８のオーダーまたは３．１８付近でほぼ一定値に等しいという条件を典型的には満たす。式中、ｘｓおよびｙｓはそれぞれ各構成層におけるＡｌ含量およびＡｓ含量である。同様のパラメーターをサファイア、炭化ケイ素等の他の基板に適用する。
【００２２】
典型的には５００℃〜１０００℃の範囲である従来の処理温度および時間により、前記の結果を達成できる。「低圧有機金属気相堆積法を用いた光学的品質および電気的品質の高いＧａＮ層の成長（Growth of high optical and electrical quality GaN layers using low-pressure metalorganic chemical vapor deposition）」、Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ５８（５）、１９９１年２月４日、第５２６頁以下を参照のこと。
【００２３】
本発明は、添付図を参照した次の発明の詳細な説明により一層よく理解されるであろう。
【００２４】
〔発明の実施の形態〕
まず図２を参照して、本発明の第１の実施態様による半導体構造体の断面図を示す。本発明には多くの装置への応用があるが、説明のため、図の多くに示す半導体構造体はレーザーダイオードとする。特に図１を参照して、ｎ型ＧａＮ基板１００を設け、その上にｎ型ＧａＮ第１クラッド層１０５（典型的には厚さ０．５μｍ）を形成する。その後、約１．５μｍの厚さにできる、典型的にはｎ型Ｇａ０．７５Ａｌ０．２５Ｎ０．９７９Ａｓ０．０２１材料からなる第２クラッド層１１０をその上に形成し、次いで多重量子井戸活性層１１５を形成する。該活性層の例示的配置としては、厚さ約３５ÅのＧａ０．９５Ａｌ０．０５Ｎ０．９９６Ａｓ０．００４材料の３層の量子井戸層と、厚さ約３５Åの／Ｇａ０．８５Ａｌ０．１５Ｎ０．９８７Ａｓ０．０１３材料の４層のバリア層とを３組に組み合わせて含む。次にｐ型Ｇａ０．７５Ａｌ０．２５Ｎ０．９７９Ａｓ０．０２１からなる第３クラッド層１２０（典型的には厚さ約１．５μｍ）を形成し、次いでｐ型ＧａＮ第５クラッド層１２５（厚さ約０．５μｍ）を形成する。１本のストライプ状窓領域１３５（幅３．０μｍ）を有するＳｉＯ２層１３０をｐ型ＧａＮ第４クラッド層１２５の上に形成する。第１電極１４０をｎ型ＧａＮ基板１００の上に形成し、第２電極１４５をＳｉＯ２層１３０および窓領域１３５の上に形成する。
【００２５】
活性層１１５から３５０ｎｍ域の波長を有する紫外光を放出するために、全ての層のＡｌ含量ｘおよびＡｓ含量ｙは、３．１８（１−ｘ）（１−ｙ）＋３．９９（１−ｘ）ｙ＋３．１１ｘ（１−ｙ）＋４ｘｙが一定値、少なくとも第１の実施態様においてはおよそ３．１８、にほぼ等しいという条件を一般に満たす。相分離による欠陥を防ぐために、各層におけるＡｌ含量ｘおよびＡｓ含量ｙを、３．１８（１−ｘ）（１−ｙ）＋３．９９（１−ｘ）ｙ＋３．１１ｘ（１−ｙ）＋４ｘｙが一定値、第１の実施態様に対しては３．１８±０．０５のオーダー、にほぼ等しい、という条件に合うようにして、種々の構成層の格子定数を互いに一致させることにより、各層の等価格子定数がＧａＮの格子定数にほぼ等しくなる。
【００２６】
材料を適当に選択することにより、ｎ型第２クラッド層１１０およびｐ型第３クラッド層１２０のバンドギャップエネルギーは、３組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も大きい。これにより、ｎ型第２ラッド層１１０およびｐ型第３クラッド層１２０から注入したキャリアを活性層１１５内に閉じ込め、そこでキャリアが再結合して紫外光の放出を招く。さらに、ｎ型第２クラッド層１１０およびｐ型第３クラッド層１２０の屈折率は、多重量子井戸活性層１１５の屈折率よりも小さく、これにより光学場を横方向に閉じ込める。
【００２７】
電極１４５からの注入電流は窓領域１３５を通して流れるように閉じ込められるので、活性層１１５の窓領域１３５下の領域が強く活性化される。これにより窓領域６ａ下の活性層の局所モード利得がＳｉＯ２層下の活性層の局所モード利得よりも高くなる。その結果、レーザー発振を招く利得案内導波路機構を第１の実施態様の構造体内に形成することができる。
【００２８】
図３は、第１の実施態様に従い作成したレーザーダイオードの発光対駆動電流をプロットしたものである。負荷周期１％のパルス電流を用いてレーザーダイオードを駆動する。閾値電流密度は６．０ｋＡ／ｃｍ２であることが分かる。
【００２９】
図４Ａ〜４Ｄは、順番に、第１の実施態様による例示的なレーザーダイオードを作成するのに必要な加工工程の概略を示す。図４Ａ〜４Ｄから得られる構造体は図２に示すものと類似しているので、要素にはできる限り類似の参照番号を用いるものとする。まず図４Ａを参照して、ｎ型ＧａＮ基板１００を設け、その上にｎ型ＧａＮ第１クラッド層１０５を成長させる。第１クラッド層１０５は典型的には厚さが約０．５μｍである。その後、ｎ型Ｇａ０．７５Ａｌ０．２５Ｎ０．９７９Ａｓ０．０２１第２クラッド層１１０を典型的には厚さ約１．５μｍで形成する。
【００３０】
次に、それぞれ厚さ約３５ÅのＧａ０．９５Ａｌ０．０５Ｎ０．９９６Ａｓ０．００４材料を３層と厚さ約３５ÅのＧａ０．８５Ａｌ０．１５Ｎ０．９８７Ａｓ０．０１３材料からなるバリア層を４層とを含む３つの量子井戸を作ることにより、多重量子井戸活性層１１５を形成する。次いで、厚さ約１．５μｍのｐ型Ｇａ０．７５Ａｌ０．２５Ｎ０．９７９Ａｓ０．０２１材料からなる第３クラッド層１２０を形成し、その後、厚さ約０．５μｍのｐ型ＧａＮからなる第４クラッド層１２５を形成する。典型的には有機金属気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法または分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法のいずれかにより各層を形成する。
【００３１】
次に、図４Ｂに示す通り、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）層１３０をｐ型ＧａＮ第４クラッド層１２５上に、例えば化学気相堆積（ＣＶＤ）法により形成する。写真平板とエッチング、またはその他の好適な方法を用いて、窓領域１３５を図４Ｃに示すように形成する。窓領域１３５は、少なくとも幾つかの実施態様においてはストライプ状にできる。最後に、図４Ｄに示す通り、第１電極１４０および第２電極１４５をそれぞれｎ型ＧａＮ基板１００上およびＳｉＯ２層１３０上に蒸発処理またはその他の好適な処理により形成する。
【００３２】
次に図５を参照して、本発明に係る半導体構造体の第２の実施態様がより良く理解されるであろう。第１の実施態様と同様に、第２の実施態様の例示的用途はレーザーダイオードの作製である。第２の実施態様の構造体により、実屈折率ガイドを有する構造体中に導波路機構を形成することができる。これにより、基本横モードで駆動することのできる閾値電流の低いレーザーダイオードが得られる。
【００３３】
引き続き図５を参照して、参照を容易にするため、類似の要素は類似の参照番号を用いて表すこととする。ｎ型ＧａＮ基板１００上に、厚さ約０．５μｍのｎ型ＧａＮからなる第１クラッド層１０５を形成する。続いて、厚さ約１．５μｍのＧａ０．７５Ａｌ０．２５Ｎ０．９７９Ａｓ０．０２１材料からなるｎ型第２クラッド層１１０を形成する。その後、厚さ約３５ÅのＧａ０．９５Ａｌ０．０５Ｎ０．９９６Ａｓ０．００４材料からなる３層の井戸層とやはり厚さ約３５ÅのＧａ０．８５Ａｌ０．１５Ｎ０．９８７Ａｓ０．０１３材料からなる４層のバリア層とを含む多重量子井戸活性層１１５を形成する。次に、厚さ約１．５μｍのＧａ０．７５Ａｌ０．２５Ｎ０．９７９Ａｓ０．０２１材料製の第３ｐ型クラッド層を形成する。その後、厚さ約０．５μｍのｐ型ＧａＮ第４クラッド層１２５を第３クラッド層１２０のリッジ構造５００を覆って形成する。次いで、第３および第４クラッド層を部分的に取り除いてリッジ構造５００を作る。次に、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）層１３０を、第３クラッド層１２０の露出部を残すと同時に第４クラッド層１２５を覆って形成する。幅約２．０μｍのストライプ状であってよい、窓領域１３５を第４クラッド層１２５および第３クラッド層１２０の上のＳｉＯ２層を通して形成する。第１の実施態様と同様に、ｎ型ＧａＮ基板１００上に第１電極１４０を形成し、ＳｉＯ２層１３０および窓領域１３５上に第２電極１４５を形成する。
【００３４】
第１の実施態様と同様に、活性層１４から３５０ｎｍ領域の波長を有する紫外光を放出するために、井戸層におけるＡｌ含量ｘおよびＡｓ含量ｙをそれぞれ０．０５、０．００４に設定する。同様に、各構成層の格子定数を一致させて相分離による欠陥を防ぐために、全ての層のＡｌ含量ｘおよびＡｓ含量ｙが、３．１８（１−ｘ）（１−ｙ）＋３．９９（１−ｘ）ｙ＋３．１１ｘ（１−ｙ）＋４ｘｙがほぼ一定値、例えば３．１８±０．０５であるという条件を満たす。同様に、クラッド層のバンドギャップエネルギーを活性層のバンドギャップエネルギーよりも高く保って、紫外光を放出させる。同様に、材料の屈折率を第１の実施態様に関して述べたようにし、光学場を横方向に制限させる。
【００３５】
第１の実施態様の駆動と同様に、ＳｉＯ２層により注入電流が閉じ込められるので、窓領域１３５下の活性層１１５の領域は強く活性化される。その結果もまた同様に、窓領域１３５下の活性層における局所モード利得はＳｉＯ２層１３０下の活性層における局所モード利得より高い。リッジストライプ領域外に比べて、リッジストライプ領域内における横方向の有効屈折率が比較的高いことと相まって、これにより有効屈折率ステップ（Δｎ）が得られる。この結果、実屈折率ガイドの導波路機構を内蔵して有する構造体となる。したがって、第２の実施態様の設計により、基本横モードで駆動可能な閾値電流の低いレーザーダイオードが得られる。
【００３６】
図６に第２の実施態様に係るレーザー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。レーザーダイオードをｃｗ電流で駆動する。閾値電流は３８．５ｍＡであることが分かる。
【００３７】
次に図７Ａ−７Ｅを参照して、主要な加工工程の概略を第２の実施態様に関する半導体レーザーダイオードの例示的素子に対して示す。
【００３８】
まず、図７Ａおよび７Ｂを参照して、ｎ型ＧａＮ基板１００上への第１クラッド層１０５および第２クラッド層１１０の形成と３組の多重量子井戸活性層１１５の形成は、第１の実施態様と同様である。その後、第３クラッド層１２０および第４クラッド層１２５を形成し、次いで部分的に――典型的にはエッチングにより――取り除いて、リッジ構造５００を作る。前記と同様に、例示的実施態様において、種々の層をＭＯＣＶＤ法またはＭＢＥ法のいずれかにより連続的に形成する。
【００３９】
次に、図７Ｃ−７Ｅに示す通り、二酸化ケイ素層１３０を典型的にはＣＶＤ法により第５クラッド層１２５および第３クラッド層１２０を覆って形成し、その後、第１の実施態様と同様にして窓領域１３５を形成する。次いで、電極１４０および１４５を蒸発させるか、または基板に接着する。
【００４０】
次に図８を参照して、本発明の第３の実施態様がよりよく理解されるであろう。第３の実施態様は若干異なるモル比を与えて紫外光発光を可能にするが、それ以外は第１の実施態様と同様である。したがって、ｎ型ＧａＮ基板１００とｎ型ＧａＮ第１クラッド層１０５とを引き続き用いる。しかし、３組の量子井戸活性層８１５は、典型的には３層のＧａ０．７８Ａｌ０．２２Ｎ０．９９９Ａｓ０．００１材料からなるバリア層と４層のＧａ０．７３Ａｌ０．２７Ｎ０．９９５Ａｓ０．００５材料からなるバリア層とを含むが、第２クラッド層８１０は典型的厚さ約１．５μｍのｎ型Ｇａ０．５８Ａｌ０．４２Ｎ０．９８３Ａｓ０．０１７材料である。第４クラッド層１２５は、第１の実施態様と同じく、ｐ型ＧａＮ材料であるが、第３クラッド層８２０は典型的にはｐ型Ｇａ０．５８Ａｌ０．４２Ｎ０．９８３Ａｓ０．０１７材料である。各層の厚さは実質的に第１の実施態様と同じである。ＳｉＯ２層１３０、窓領域１３５、第１電極１４０および第２電極１４５により構造体が完成される。
【００４１】
活性層８１５から４１０ｎｍ領域の波長の青色光を発光するために、井戸層８１５内のＡｌ含量およびＡｓ含量をそれぞれ０．２２および０．００１に設定する。構成層の格子定数を一致させて、相分離に起因する欠陥の発生を防止するため、各層のＡｌ含量ｘおよびＡｓ含量ｙを、３．１８（１−ｘ）（１−ｙ）＋３．９９（１−ｘ）ｙ＋３．１１ｘ（１−ｙ）＋４ｘｙが一定値にほぼ等しいという条件を満たすようにする。第３の実施態様の例示的目的のため、該一定値をほぼ３．１７±０．０５とすることができる。
【００４２】
第１の実施態様が紫外光を発光するのに対して第３の実施態様は青色光を発光するが、クラッド層のバンドギャップエネルギーを引き続き３組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する。前記の通り、これにより活性層８１５内でのキャリアの閉じ込めおよび再結合が可能となる。また、第１の実施態様と同様に、第２および第３クラッド層の屈折率は、設計上活性層の屈折率よりも小さく、光学場を横方向に閉じ込めている。同様に、窓領域１３５下の強力な電流注入により、ＳｉＯ２層１３０下の活性層の部位に比べて、比較的高い局所モード利得が活性層内に得られ、再びレーザー発振を招く誘導導波路機構となる。
【００４３】
図９は、第３の実施態様によるレーザーダイオードの放出光対駆動電流特性をプロットしたものである。負荷周期１％のパルス電流を用いてレーザーダイオードを駆動する。閾値電流密度は５．７ｋＡ／ｃｍ２であることが分かる。
【００４４】
図１０Ａ〜１０Ｄは、第３の実施態様の一例における半導体レーザーダイオードの一連の加工工程を示す。加工工程が図４Ａ〜４Ｄに関して説明した工程と同様であることは理解されるであろうから、さらに説明は行わない。
【００４５】
次に図１１を参照して、本発明の第４の実施態様がよりよく理解されるであろう。第３の実施態様と同様に、第４の実施態様は、青色光を放出するように設計されており、よって第３の実施態様と同じＡｌおよびＡｓ含量を有する。しかし、第２の実施態様と同様に、第４の実施態様はリッジ構造を設けて導波路として機能するように作られている。ＡｌおよびＡｓ含量が図８のものと似ているので、類似の要素には図８で用いた参照番号を用いて説明することとする。
【００４６】
引き続き図１１を参照して、第４の実施態様の構造体がＧａＮ基板１００を有し、その上に第１クラッド層１０５と、さらにその上に第２クラッド層８１０とが形成されているのが分かる。３組の多重量子井戸活性層８１５をその上に形成し、次いで第３クラッド層８２０を形成する。第４クラッド層１２５、二酸化ケイ素層１３０、窓１３５ならびに電極１４０および１４５の全てを前記のように形成する。Ａｌ含量およびＡｓ含量を含む材料は、図８に対して示したまま、すなわちそれぞれ０．２２および０．００１のままである。同様に、層のＡｌ含量ｘおよびＡｓ含量ｙを、第３の実施態様と同様に、３．１８（１−ｘ）（１−ｙ）＋３．９９（１−ｘ）ｙ＋３．１１ｘ（１−ｙ）＋４ｘｙが約３．１７で一定値にほぼ等しいという条件を満足するように設定する。電流注入に対するバンドギャップエネルギー、屈折率およびモード利得は、全て実質的に第３の実施態様に関して説明したのと同じであり、さらに説明はしない。
【００４７】
図１２に、第４の実施態様により製作したレーザーダイオードの駆動電流対放出光をプロットする。レーザーダイオードをｃｗ電流で駆動する。閾値電流は３３．０ｍＡであることが分かる。
【００４８】
図１３に第４の実施態様に係る半導体レーザーダイオードの加工工程の概略を示す。工程は本質的に図７Ａ〜７Ｅに関して説明した工程と同じであり、さらに説明はしない。
【００４９】
次に図１４を参照して、Ａｌ含量ｘおよびＡｓ含量ｙ、ならびに構成ＧａＡｌＮＡｓ層に対するこれらの間の関係がよりよく理解されよう。特に、相対ＡｌおよびＡｓ含量が、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０．２６ｘ＋３７ｙ＝１なる関係をほぼ満たす必要がある。
【００５０】
ＧａＡｌＮＡｓ材料系において、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｓおよびＡｌＡｓの格子定数は互いに異なる。例えば、ＧａＮとＧａＡｓとの間、ＡｌＮとＡｌＡｓとの間、およびＧａＮとＡｌＮとの間の格子ミスマッチは、それぞれ２５．４％、２８．６％および２．３％である。したがって、たとえ等価格子定数が基板と同じであっても、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｓおよびＡｌＡｓの間で等価結合長が互いに異なるので、内部歪エネルギーがＧａＡｌＮＡｓ層に蓄積される。図１４に、種々の成長温度に対してプロットした相分離領域の境界を示す。図１４の線は、種々の温度に対する組成的に不安定な（相分離）領域と安定な領域との境界を示す。相分離が起きるこのような場合、ＧａＡｌＮＡｓ層中のＧａ原子、Ａｌ原子、Ｎ原子およびＡｓ原子は、各構成層中の原子含量に従って均一に分布しない。換言すれば、相分離層のバンドギャップエネルギー分布も、層内で不均質となる。相分離した層の比較的バンドギャップ領域の小さな領域は、光吸収中心として作用するか、または導波光の散乱を引き起こす。これは、高効率発光素子をえるためには、相分離現象を避けるべきであるということを意味する。
【００５１】
なおも図１４を参照して、相分離領域が温度につれて変化することが分かる。図１４の線は、種々の温度に対する、組成的に不安定な領域――すなわち、相分離を招く――および安定な領域を示す。ＧａＡｓ−ＧａＮ線、ＡｌＡｓ−ＡｌＮ線および境界線で囲まれた領域は相分離含有領域を示す。３元合金ＡｌＮＡｓおよびＧａＮＡｓは、ＡｌＮとＡｌＡｓとの間、およびＧａＮとＧａＡｓとの間の格子ミスマッチが大きいので、相分離領域が大きいことが分かっている。一方、３元合金ＧａＡｌＮおよびＧａＡｌＡｓでは、ＡｌＮとＧａＮとの間、およびＡｌＡｓとＧａＡｓとの間の格子ミスマッチが小さいので、１０００℃付近の温度での結晶成長に対する相分離領域がない。
【００５２】
したがって、通常の結晶成長温度が約６００℃から約１０００℃の概略領域にあるＧａＡｌＮＡｓ材料系を得ることができることが分かっている。同様に、ＧａＡｌＮＡｓのＩｎ分、およびＡｌ分の相分離は、約６００℃と約１０００℃との間の処理温度において顕著に発生しないことが分かっている。最後に、この２つを組み合わせることで、約１０００℃未満の結晶成長温度において相分離を防ぐようなＧａＡｌＮＡｓ中のＧａ分およびＡｌ分の含量選択領域は、０．２６ｘ＋３７ｙ＝１なる関係で概ね定義される２つの領域を分離する線を有する図１５の斜線部であることが分かる。
【００５３】
したがって、レーザーダイオードの全ての構成層のＧａモル比ｘおよびＡｌＮモル比ｙが、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０．２６ｘ＋３７ｙ＜＝１なる関係を概ね満たすようにされている場合、上記して開示した４つの構造体の実施態様のそれぞれに対して、約６００℃と約１０００℃との間の結晶成長温度で操作することにより、ＧａＡｌＮＡｓ材料系内での相分離現象を防ぐことができる。その結果、原子モル比に従い、各構成層内のＧａ原子、Ａｌ原子、Ｎ原子およびＡｓ原子分布が実質的に均一となる。
【００５４】
図１６は、約１０００℃未満の成長温度において相分離現象を防ぎ、かつＧａＮに対して妥当な格子マッチを依然として確保するための、ＧａＡｌＮＡｓ系中のＡｌ含量ｘおよびＡｓ含量ｙの含量選択線を示す。図１６の線は３．１８（１−ｘ）（１−ｙ）＋３．９９（１−ｘ）ｙ＋３．１１ｘ（１−ｙ）＋４ｘｙ＝３．１８の例示的線を示す。したがって、ＧａＮ基板上に形成したレーザーダイオードの構成ＧａＡｌＮＡｓ層のＡｌ含量およびＡｓ含量が、３．１８（１−ｘ）（１−ｙ）＋３．９９（１−ｘ）ｙ＋３．１１ｘ（１−ｙ）＋４ｘｙがほぼ３．１８に等しく、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、かつ０．２６ｘ＋３７ｙ＜＝１なる関係を有することを確保することにより、欠陥密度が低く、かつ相分離が全くまたはほとんどないレーザーダイオードをＧａＮ基板上に得ることができる。
【００５５】
さらに、前記の材料系を用いて他の半導体構造体を作ることができる。ＩＩＩ族窒化物材料、特にはＧａＮおよびＡｌＮを高出力かつ高温の条件下で運転することのできる電子素子、例えばマイクロ波パワートランジスタに使用することが見込まれている。これは、部分的には、これらの材料のバンドギャップが広く（ＧａＮの場合３．５ｅＶ、ＡｌＮの場合６．２ｅＶ）、破損電界が高く、かつ飽和速度が高いことによる。比較のため、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓおよびＳｉのバンドギャップは、それぞれ２．１６ｅＶ、１．４２ｅＶおよび１．１２ｅＶである。このため、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ材料をこのような電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）に使用することが顕著に研究されるようになった。しかし、前記の通りＡｌＧａＮとＧａＮとの格子定数の違いにより顕著な欠損の発生を招き、得られた構造体中の電子の移動およびこのような材料系のＦＥＴ用途への有用性を制限している。
【００５６】
本発明は、本発明のＧａＡｌＮＡｓ／ＧａＮ材料がＧａＮと等しい格子定数を有するという点において、これらの制限を実質的に克服する。前述の通り、Ｇａ１−ｘＡｌｘＮ１−ｙＡｓｙの４元材料系は、Ａｌ含量（ｘ）およびＡｓ含量（ｙ）が、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０．２６ｘ＋３７Ｙ＜＝１、３．１８（１−ｘ）（１−ｙ）＋３．９９（１−ｘ）ｙ＋３．１１ｘ（１−ｙ）＋４ｘｙが３．１８に等しいという関係を満たす場合、３．５ｅＶより大きいバンドギャップを有するのみならず、ＧａＮに実質的に等しい格子定数をも有する。これにより、種々の層において実質的に均一な原子含量分布を有するＦＥＴ等の半導体構造体の加工が可能になる。したがって、Ａｌモル比ｘおよびＡｓモル比ｙが前記の関係を満たす、本発明によるＧａＡｌＮＡｓ／ＧａＮ材料系を用いることにより、欠陥密度の低い、高出力かつ高温トランジスタを実現することができる。
【００５７】
図１７Ａを参照して、本発明によるＧａＡｌＮＡｓ／ＧａＮ材料を用いたヘテロ接合電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）の例示的実施態様が示されている。ＧａＮ基板５２０上に、０．５μｍのｉ−ＧａＮ層５２５を形成し、次いで薄い、約１０ｎｍのＧａＮ導電チャネル層５３０および１０ｎｍのＧａＡｌＮＡｓ層５３５を形成する。供給および排出電極５４０Ａ−Ｂ、およびゲート電極５４５を従来の方法により形成する。構造体内において、ＧａＡｌＮＡｓ層のＡｌ含量ｘおよびＡｓ含量ｙをそれぞれ０．２５および０．０２１に設定する。この場合、ｘおよびｙの値は、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０．２６ｘ＋３７Ｙ＜＝１、３．１８（１−ｘ）（１−ｙ）＋３．９９（１−ｘ）ｙ＋３．１１ｘ（１−ｙ）＋４ｘｙ＝３．１８なる関係を満たす。これにより、ＧａＡｌＮＡｓ層が実質的に相分離せず、かつＧａＮに等しい格子定数を有することとなる。同様に、これにより高電子速度を達成可能にする。なぜなら、ＧａＡｌＮＡｓとＧａＮ層とのヘテロ接合面内で形成された２次元電子ガスは、（欠陥の存在により生じるような）ＧａＡｌＮＡｓ層の原子含量の変動により拡散しないからである。さらに、ＧａＡｌＮＡｓのバンドギャップは４ｅＶより大きいので、図１７Ａに示す構造体を用いることにより、信頼性のある高温運転が可能になる。
【００５８】
同様に、図１７Ｂは本発明によるヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）の実施態様を示す。ＧａＮ基板５５０上に、厚さ４００ｎｍのｎ型ＧａＡｌＮＡｓコレクタ層５５５を形成し、次いで、厚さ５０ｎｍのｐ型ＧａＮベース層５６０および厚さ３００ｎｍのｎ型ＧａＡｌＮＡｓエミッタ層５６５を形成する。ベース電極５７０、コレクタ電極５７５およびエミッタ電極５８０を従来通り形成する。図１７Ａと同様に、図１７Ｂの例示的実施態様に対して、ＧａＡｌＮＡｓ層のＡｌおよびＡｓ含量ｘおよびｙをそれぞれ０．２５および０．０２１に設定する。ｘおよびｙは上記したと同じ関係を満たす必要がある。図１７Ａと同様に、顕著な相分離がなく、かつＧａＮと等しい格子定数を有するＧａＡｌＮＡｓ層が実現され、非常に高品質のＧａＡｌＮＡｓ／ＧａＮのヘテロ接合が得られる。さらに、ＧａＡｌＮＡｓエミッタ層のバンドギャップ（４ｅＶ）はＧａＮベース層のバンドギャップ（３．５ｅＶ）より大きく、ｐ型ベース層にできた孔はベース層に十分閉じ込められる。これは、ＧａＮとＧａＡｌＮＡｓとの間の価電子帯の不連続度がＧａＮホモ接合バイポーラトランジスタ内で発生するものよりも大きいことによる。これは、ベース電流に比べてコレクタ電流の電流増幅が大きくなるという利点を有する。さらに、前記の通り、ＧａＡｌＮＡｓおよびＧａＮ層のバンドギャップが大きいので、該トランジスタを高温用途に信頼して使用することができる。
【００５９】
次に図１８を参照して、フォトトランジスタとしての本発明の実施が示されている。これに関して、ＧａＮとＡｌＮの両者はバンドギャップが広いので（ＧａＮの場合３．５ｅＶであり、３５０ｎｍの光波長に相当し、ＡｌＮの場合６．２ｅＶであり、２００ｎｍの光波長に相当する）、ＧａＮおよびＡｌＧａＮは、紫外光（ＵＶ）領域における光検出器に魅力的な材質である。直接バンドギャップのため、およびＡｌＮ合金組成領域全体においてＡｌＧａＮが利用可能であるため、ＡｌＧａＮ／ＧａＮに基づくＵＶ光検出器は、高いカットオフ波長で調整可能であると同様に、量子効率が高いという利点を有する。しかし、ＡｌＧａＮの格子定数は、ＧａＮと十分に異なるので、欠陥が形成されがちであり、漏れ電流の増加を招く。Ａｌ含量（ｘ）およびＡｓ含量（ｙ）が、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０．２６ｘ＋３７ｙ＜＝１なる関係を満たす場合、Ｇａ１−ｘＡｌｘＮ１−ｙＡｓｙは、バンドギャップが２．８ｅＶより大きくなるだけでなく、原子含量分布の等しい層に加工することも可能であり、ＧａＡｌＮＡｓ材料をＵＶ光検出器用途にも使用することができる。さらに、Ａｌ含量ｘおよびＡｓ含量ｙが、３．１８（１−ｘ）（１−ｙ）＋３．９９（１−ｘ）ｙ＋３．１１ｘ（１−ｙ）＋４ｘｙ＝３．１８なる関係を満たすＧａ１−ｘＡｌｘＮ１−ｙＡｓｙ４元材料は、ＧａＮに等しい格子定数および３．５ｅＶより大きいバンドギャップを有する。したがって、Ａｌ含量ｘおよびＡｓ含量ｙが前記の関係を満たすＧａＡｌＮＡｓ／ＧａＮ材料を用いることにより、欠陥密度の低いＵＶ光検出器を実現できる。他の波長、例えば青色光の検出が望まれる場合には、若干の変更が必要である。
【００６０】
図１８に示す通り、本発明の半導体素子をＧａＡｌＮＡｓ／ＧａＮ材料を用いたヘテロ接合フォトトランジスタ（ＨＰＴ）として実施することができる。ＧａＮ基板７００上に、ＧａＡｌＮＡｓコレクタ層７０５を厚さ約５００ｎｍのｎ型で形成し、次いで厚さ２００ｎｍのｐ型ＧａＮベース層７１０を形成する。その後、厚さ約５００ｎｍのエミッタ層７１５を形成する。エミッタ層上にリング状電極７２０を形成し、光がベース層に当たるようにする。
【００６１】
例示的構造体において、ＧａＡｌＮＡｓ層のＡｌ含量ｘおよびＡｓ含量ｙをそれぞれ０．２５および０．０２１に設定する。この場合、ｘおよびｙの値は、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０．２６ｘ＋３７ｙ＜＝１、３．１８（１−ｘ）（１−ｙ）＋３．９９（１−ｘ）ｙ＋３．１１ｘ（１−ｙ）＋４ｘｙ＝３．１８なる関係を満たし、ＧａＡｌＮＡｓ層がＧａＮに等しい格子定数を有しながら、実質的に相分離を防いで形成することが可能であり、したがって、ＧａＡｌＮＡｓ／ＧａＮの高品質なヘテロ接合を形成することができる。ＧａＡｌＮＡｓエミッタ層のバンドギャップ（４ｅＶであり、３０７ｎｍの光波長に相当する）は、ＧａＮベース層のバンドギャップ（３．５ｅＶであり、３５０ｎｍの光波長に相当する）より大きい。光はエミッタ側に当たる。図示した実施態様に対して、３０７ｎｍと３５０ｎｍとの間の領域の波長の光を当てるとエミッタ層を透過して、この領域の光はＧａＮベース層に吸収され、電子と孔との対を発生する。ｐ型ベース層に光吸収されて発生した孔は十分にベース層内に閉じ込められる。なぜなら、ＧａＮとＧａＡｌＮＡｓとの間の価電子帯の不連続は、従来のＧａＮホモ接合フォトトランジスタのものよりも大きいからである。このため、より大きな発光電流が誘導され、ホモ接合フォトトランジスタの場合に比べて、ベース領域において優れた電子中性化を提供する。したがって、量子効率および感度の高いＵＶ光検出器、ならびに結果の入力光からコレクタ電流への高い変換効率が得られる。他の周波数を検出すべき場合には、ＧａＮベース層を、例えば青色光に対しては、ＩｎＧａＮで置換するとよい。
【００６２】
図１８のフォトトランジスタ実施態様に加えて、本発明をフォトダイオードにすることも可能である。図１９を参照して、ｎ型基板９００を設け、その上に図１８に関して前記した関係に合致するＧａ１−ｘＡｌｘＮ１−ｙＡｓｙ４元材料または等価物からなるｎ型層９１０を該クラッド層の上に形成する。その後、活性層９１５を形成し、その上にｐ型Ｇａ１−ｘＡｌｘＮ１−ｙＡｓｙ４元材料からなる層９２０を形成する。ついで、ｐ型第２クラッド層９２５を層９２０の上に形成し、窓９３０をその中に形成して層９２０の一部を露出する。窓９３０は層９２０に光が当たることができるようなポート（ｐｏｒｔ）を備えており、孔の生成を招く。電極９３５を典型的には窓９３０を囲むリング状電極にして、一対の電極９３５および９４０を従来の方法で加工することができる。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好ましくは大きく、同様に活性層９１５のバンドギャップより好ましくは大きいことが理解されよう。このような取り組みにより光の波長の最も広い領域に対する感度が得られる。より狭い領域が望ましい場合、層９２０よりもバンドギャップの低い材料を層９２５に用いればよい。さらに、層９１０、９１５および９２０により、少なくともある場合には、適当な光感受性ｐｎ接合が得られるので、全ての実施態様に層９２５を含む必要もない。
【００６３】
本発明の好ましい実施態様および種々の別法を十分に説明してきたが、ここにおいて示唆を得た当業者は、本発明を逸脱していない多数の別法および等価物が存在することを認識するであろう。したがって、本発明は前記の説明に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】
【図１】  従来の３元材料系を用いた従来技術のレーザーダイオード構造体を示す図である。
【図２】  本発明の第１の実施態様による半導体構造体の断面図である。
【図３】  図１の構造体によるレーザーダイオードの光−電流特性のグラフ図である。
【図４】  本発明の第１の実施態様による半導体構造体の例示的な一連の加工工程を示す。
【図５】  第２の実施態様による半導体構造体の断面図である。
【図６】  図４の構造体によるレーザーダイオードの光−電流特性のグラフ図である。
【図７】  本発明の第１の実施態様による半導体構造体の例示的な一連の加工工程を示す。
【図８】  第３の実施態様の半導体レーザーダイオードの断面図である。
【図９】  第３の実施態様のレーザーダイオードの光−電流特性を示す。
【図１０】  第３の実施態様の一実施例における半導体レーザーダイオードの一連の加工工程を示す。
【図１１】  第４の実施態様の半導体レーザーダイオードの断面図である。
【図１２】  第４の実施態様のレーザーダイオードの光−電流特性を示す。
【図１３】  第４の実施態様の一実施例における半導体レーザーダイオードの一連の加工工程を示す。
【図１４】  種々の成長温度における相分離領域と相分離のない領域との境界を形成するプロット図である。
【図１５】  約１０００℃未満の成長温度で相分離を防ぐためのＧａＡｌＮＡｓ中のＧａ含量およびＡｌ含量の含量選択領域を示す。
【図１６】  約１０００℃未満の成長温度で相分離を防ぎ、同時にＧａＮと実質的に等しいＩｎＧａＡｌＮ格子定数を作る、ＩｎＧａＡｌＮ中のＧａ含量およびＡｌ含量の含量選択線を示す。
【図１７】  ＡおよびＢは、本発明の材料系により作ったバイポーラＦＥＴトランジスタを示す。
【図１８】  本発明をフォトトランジスタとした実施を示す。
【図１９】  本発明をフォトダイオードとした実施を示す。
【図１】
0004288030.tif 000002
【図２】
0004288030.tif 000003
【図３】
0004288030.tif 000004
【図４】
0004288030.tif 000005
【図５】
0004288030.tif 000006
【図６】
0004288030.tif 000007
【図７ａ】
0004288030.tif 000008
【図７ｂ】
0004288030.tif 000009
【図８】
0004288030.tif 000010
【図９】
0004288030.tif 000011
【図１０】
0004288030.tif 000012
【図１１】
0004288030.tif 000013
【図１２】
0004288030.tif 000014
【図１３】
0004288030.tif 000015
0004288030.tif 000016
【図１４】
0004288030.tif 000017
【図１５】
0004288030.tif 000018
【図１６】
0004288030.tif 000019
【図１７Ａ】
0004288030.tif 000020
【図１７Ｂ】
0004288030.tif 000021
【図１８】
0004288030.tif 000022
【図１９】
0004288030.tif 000023