JP2002540618A - 歪補償層を有する半導体構造及び製造方法 - Google Patents

歪補償層を有する半導体構造及び製造方法

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徹 高山
孝明 馬場
エス ハリス ジュニア ジェームス
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、複数対の構成層を含み、第１構成層が引張応力の下の材料を含み、第２構成層が圧縮応力の下の材料を含み、そのため、隣接層の応力が互いを補償し、欠陥の発生を減少させる、歪み補償された超格子層を含む半導体構造を提供する。適切な材料の選定によって、少なくともいくつかの実行において、増大したバンドギャップ及び光学的画成が提供される。本発明の構造は、特に、レーザダイオード、フォトダイオード、フォトトランジスタ、及びヘテロ接合電解効果及びバイポーラトランジスタに適切である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
発明の分野 本発明は、半導体構造及び方法に関し、また特に、ＩＩＩ族チッ化物材料系に
おける歪補償層の使用、及び格子欠陥の発生を最小にする方法に関する。
【０００２】 (従来の技術) 発明の背景 青色レーザ光の光源の発展は、ディスクメモリ、ＤＶＤ、等を含む次世代の高
密度光学装置を先導した。図１は、従来の半導体レーザ素子の断面図である（Ｓ
．Ｎａｋａｍｕｒａ，ＭＲＳ ＢＵＬＬＥＴＩＮ，Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．５，ｐ
ｐ．３７〜４３，１９９８）。サファイア基板５上で、チッ化ガリウム（ＧａＮ
）バッファ層１０が形成され、次いで、ｎ型のＧａＮの層１５、及び０．１ｍｍ
の厚さの二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）層２０が形成され、二酸化ケイ素層はパター
ン化されて、ＧａＮ＜１−１００＞方向において１２ｍｍの周期を有する４ｍｍ
幅のストライプ状のウインドウ２５を形成している。その後、ｎ型のＧａＮの層
３０、ｎ型のインジウムガリウムチッ化物（Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ）層３５、
ｎ型のアルミニウムガリウムチッ化物（Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ）／ＧａＮ
ＭＤ−ＳＬＳ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｄｏｐｅｄ Ｓｔｒａｉｎｅｄ−Ｌａｙ
ｅｒ Ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ）のクラッド層４０、及びｎ型のＧａＮのク
ラッド層４５を形成する。次いで、Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ／Ｉｎ０．１５ Ｇａ０．８５Ｎ ＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）の活
性層５０を形成し、ｐ型のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎのクラッド層５５、ｐ型のＧ
ａＮのクラッド層６０、ｐ型のＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ／ＧａＮ ＭＤ−Ｓ
ＬＳのクラッド層６５、及びｐ型のＧａＮのクラッド層７０を形成する。リッジ
ストライプ構造をｐ型のＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ／ＧａＮ ＭＤ−ＳＬＳの
クラッド層５５において形成し、リッジ導波管構造において横方向に伝達する光
学フィールドを画成する。電極をｐ型のＧａＮのクラッド層７０及びｎ型のＧａ
Ｎのクラッド層３０上に形成し、電流の導入を提供する。
【０００３】 図１に示す構造では、ｎ型のＧａＮのクラッド層４５及びｐ型のＧａＮ６０ク
ラッド層が光ガイド層である。ｎ型のＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ／ＧａＮ Ｍ
Ｄ−ＳＬＳのクラッド層４０及びｐ型のＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ／ＧａＮ
ＭＤ−ＳＬＳのクラッド層６５が、キャリアとＩｎＧａＮ ＭＱＷの層５０の活
性領域から放出される光の画成のためのクラッド層として働く。ｎ型のＩｎ０． １ Ｇａ０．９Ｎの層３５は厚いＡｌＧａＮのフィルムの成長のためのバッファ層
として役立ち、クラッキングを防止する。
【０００４】 図１に示す構造を用いることによって、キャリアを、電極を介してＩｎＧａＮ
ＭＱＷの活性層５０に導入し、４００ｎｍの波長領域で光を放出させる。光学
フィールドは、ｐ型のＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ／ＧａＮ ＭＤ−ＳＬＳのク
ラッド層６５において形成されるリッジ導波管構造のため、活性層において横方
向に画成される。その理由は、リッジストライプ領域の下の有効な屈折率が、リ
ッジストライプ領域の外側の屈折率よりも大きいからである。他方で、光学フィ
ールドは、ｎ型のＧａＮのクラッド層４５、ｎ型のＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ
／ＧａＮ ＭＤ−ＳＬＳのクラッド層４０、ｐ型のＧａＮのクラッド層６０、及
びｐ型のＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ／ＧａＮ ＭＤ−ＳＬＳのクラッド層５５
によって、活性層において横断方向に画成される。その理由は、活性層の屈折率
が、ｎ型のＧａＮのクラッド層４５及びｐ型のＧａＮのクラッド層６０、ｎ型の
Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ／ＧａＮ ＭＤ−ＳＬＳの層４０、及びｐ型のＡｌ ０．１４ Ｇａ０．８６Ｎ／ＧａＮ ＭＤ−ＳＬＳのクラッド層６０の屈折率より
も大きいからである。したがって、基本的な横断モード操作が得られる。
【０００５】 (発明が解決しようとする課題) しかし、図１の構造では、欠陥密度をおよそ１０８ｃｍ−２程度に減少させる
のが困難であり、その理由は、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、及びＧａＮの格子定数
が互いに十分異なっており、ｎ型のＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎの層３５、Ｉｎ０．
０２Ｇａ０．９８Ｎ／Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ ＭＱＷの活性層５０、ｎ型
のＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ／ＧａＮ ＭＤ−ＳＬＳのクラッド層４０、ｐ型
のＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ／ＧａＮ ＭＤ−ＳＬＳのクラッド層６５、及び
ｐ型のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎクラッド層５５の総厚が臨界厚を超えて歪エネル
ギーを開放するように、欠陥がその構造において発生するからである。これらの
欠陥は、相分離から得られ、レーザ光のための吸収中心として働き、光放出効率
を減少させ、しきい値電流を増加させる。結果として、操作電流は大きくなり、
また、信頼性が悪くなる。
【０００６】 さらに、三元合金系のＩｎＧａＮが、図１に示す構造で活性層として用いられ
る。この場合、バンドギャップエネルギーは、ＩｎＮについての１．９ｅＶから
ＧａＮについての３．５ｅＶまで変化する。したがって、３．５ｅＶ以上のエネ
ルギーレベルを有する紫外光は、ＩｎＧａＮの活性層を用いることによって得る
ことができない。このことは困難性を示し、その理由は、紫外光が、光学的ピッ
クアップ装置、例えば、より高密度の光学ディスクメモリーシステム及び他の装
置のための光源として魅力的だからである。
【０００７】 通常の三元材料系における相分離に起因する欠陥をより一層良好に理解するた
めに、ＩｎＮ、ＧａＮ、及びＡｌＮ間の格子定数のミスマッチを了解しなければ
ならない。ＩｎＮ及びＧａＮ間、ＩｎＮ及びＡｌＮ間、並びにＧａＮ及びＡｌＮ
間の格子ミスマッチは、それぞれ、１１．３％、１３．９％、及び２．３％であ
る。したがって、同等の結合長さがＩｎＮ、ＧａＮ、及びＡｌＮの間で互いに異
なっているという事実のため同等の格子定数が基板の格子定数と同じであっても
、内部の歪エネルギーはＩｎＧａＡｌＮの層において蓄積される。内部の歪エネ
ルギーを減少させるために、ＩｎＧａＡｌＮの格子ミスマッチ材料系において相
が分離する構成範囲が存在し、その範囲で、Ｉｎ原子、Ｇａ原子、及びＡｌ原子
はその層において不均質に配置される。相分離の結果は、ＩｎＧａＡｌ層におけ
るＩｎ原子、Ｇａ原子、及びＡｌ原子が、各構成層において原子のモル分率に従
って均質に分散しないことを示す。また、このことは、相分離を含む任意の層の
バンドギャップエネルギー分布も不均質になることを意味する。相分離する部分
のバンドギャップ領域は、光学的吸収中心として不均衡に働くか、又は導波管の
光について光学的散乱を引き起こす。上述したように、代表的な従来技術のこれ
らの問題に対する説明は、駆動電流を増加させなければならないことであり、従
って半導体装置の寿命を短くすることである。
【０００８】 ＧａＮ材料系を用いて低い欠陥密度のレーザダイオードを得るための、他の通
常の方法は、クラッド層においてＧａＮのみを用いることである。しかし、これ
は、活性層における光学的画成がＡｌＧａＮのクラッド層で得られるものより劣
るという欠点を有する。その理由は、活性層とＧａＮのクラッド層との間の屈折
率のズレが、ＡｌＧａＮをクラッド層において用いる場合よりも小さいからであ
る。結果として、光学的フィールドが横断方向に拡がる。活性層における少ない
光学的画成は、同一の輝度を得るために増加したしきい値電流を必要とする。さ
らに、ＧａＮのクラッド層について、バリアポテンシャルがＡｌＧａＮのクラッ
ド層より小さく；このことは、キャリアが容易に活性層を流れ出るようにし、再
びしきい値電流を増加させる。したがって、操作電流が増加し、信頼性及び統計
的な長命を減少させる。このように、ＡｌＧａＮのクラッド層は、かかるクラッ
ド層が欠陥を生じさせるという事実にもかかわらず、広範に使用されている。
【０００９】 したがって、格子欠陥を減少させており、低いしきい値電流及び長期間の信頼
性を備えたレーザダイオード、トランジスタ又は他の装置を得るのに用いること
ができる半導体構造が、長い間必要と感じられていた。
【００１０】 (課題を解決するための手段) 発明の開示 本発明は、従来技術の限界を実質的に克服し、低い欠陥密度及び、結果として
の優れた信頼性を備える半導体構造を提供する。本発明は、他の数ある装置の中
で、青色光及び他のレーザダイオード、ヘテロ接合電界効果トランジスタ、ヘテ
ロ接合バイポーラトランジスタ、及びフォトダイオードを製造するのに用いるこ
とができる。
【００１１】 端的には、本発明は基板を有する半導体構造を提供する。この基板上には第１
タイプの導電率の第１クラッド層を形成する。次に、第１タイプの導電率の第１
超格子層を第１クラッド層上に形成し、この超格子層は更に後述する特性を有す
る。次いで、活性層を超格子層上に形成し、その後、第２タイプの導電率の第２
超格子層を形成する。最後に、第２タイプの導電率の第２クラッド層を形成する
。また、ガイド層を活性層のいずれかの側上に隣接して用いることができる。電
極を通常の方法で形成する。
【００１２】 これらの超格子層は、それぞれ、複数の層から構成されるクラッド層を形成し
、これらの複数の層それぞれがその臨界厚さ以下であり、選択的な三元又は四元
材料、例えば、ＡｌＧａＮ及びＩｎＧａＮ、又はＩｎＧａＡｌＮの異なったモル
分率のものである。１つの好適な例において、超格子はおよそ２００対程度の層
で構成される。三元系の場合、例えば、ＡｌＧａＮ及びＩｎＧａＮを超格子のた
めに用い、ＡｌＧａＮの層が引張応力下であり、その一方、ＩｎＧａＮの層が圧
縮応力下である。これらの層の選定によって、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮの層の界
面で応力が補償され、その結果、層内の欠陥がより一層少なくなり、信頼性が向
上する。これらの超格子層は反対のタイプの導電率であり、量子井戸の活性層を
挟み、この活性層はシングル井戸又はマルチプル井戸のいずれかとして実行する
ことができる。適切なモル分率の選定によって、ＡｌＧａＮの層の格子定数を、
隣接のＧａＮの層の格子定数よりも小さいように配置することができ、ＩｎＧａ
Ｎの層の格子定数を、隣接のＧａＮの層の格子定数よりも大きいように配置する
ことができる。最終的な結果は、隣接のＧａＮの層の格子定数に本質的に平均化
される釣り合った応力を備えた超格子層であり、従って応力による欠陥の形成を
実質的に減少させる。
【００１３】 本発明の第１好適例では、半導体構造は、例えば、レーザダイオードであるこ
とができ、次のものを含む：ＧａＮ又は他の基板上で、第1タイプの導電率のＧ
ａＮの第１クラッド層を形成し、次いで、第１クラッド層と同じタイプの導電率
の第１超格子層を形成する。第１超格子層は、第２クラッド層として考慮するこ
とができ、複数対の層、代表的に、ＩｎＧａＮと共にＡｌＧａＮ、又はＩｎＡｌ
Ｎと共にＩｎＧａＮのいずれかで構成することができる。次いで、ガイド層を、
代表的に第１クラッド層と同じタイプの導電率を有するＩｎＧａＮ材料で形成し
、その後、量子井戸の活性層を、代表的にＩｎＧａＮ材料で形成する。活性層は
、シングル量子井戸又はマルチプル（例えば、およそ３対程度）量子井戸の設計
で形成することができる。その他のＩｎＧａＮのガイド層は、代表的に活性層上
に形成されるが、第１クラッド層と反対の導電形である。
【００１４】 次いで、第２超格子層をガイド層上に形成し、第２超格子層は、第３クラッド
層として役に立ち、第１クラッド層と反対の導電形を有する。第１超格子層と同
様に、第２超格子層を代表的に複数の層、例えば、ＩｎＧａＮと組合せのＡｌＧ
ａＮ、又はＩｎＡｌＮと共にＩｎＧａＮのいずれかで構成することができる。超
格子層は、およそ２００対程度の補足的な材料の層上で構成されるが、その正確
な数は絶対的でない。ＧａＮの第４クラッド層を代表的に超格子の第３クラッド
層上に形成する。電極を通常の方法で形成する。
【００１５】 上述したように、超格子の材料の対を、ＡｌｘａｌＧａ１−ｘａｌＮ／Ｉｎｘ
ｉＧａ１−ｘｉＮ及びＩｎｘａｙＧａ１−ｘａｙＮ／ＩｎｘｎＡｌ１−ｘｎＮの
対を含む群から選ぶことができる。上記の構造では、第１超格子層において、Ａ
ｌｘａｌＧａ１−ｘａｌＮ層が引張応力下であり、その一方、ＩｎｘｉＧａ１−
ｘｉＮ層が圧縮応力下であり、そのため、各々の構成層の界面でお互いが応力を
補償されることができる。同様に、第２超格子層では、ＡｌｘａｌＧａ１−ｘａ
ｌＮ層が引張応力下にあり、ＩｎｘｉＧａ１−ｘｉＮ層が圧縮応力下にあり、そ
のため、この超格子では、それらの界面で互いが応力を補償される。Ｉｎｘａｙ
Ｇａ１−ｘａｙＮ／ＩｎｘｎＡｌ１−ｘｎＮの材料の対を選定する場合、その働
きは同じである。
【００１６】 さらに、ＡｌｘａｌＧａ１−ｘａｌＮ／ＩｎｘｉＧａ１−ｘｉＮ又はＩｎｘａ
ｙＧａ１−ｘａｙＮ／ＩｎｘｎＡｌ１−ｘｎＮの超格子層を設計し、クラッド層
としてＧａＮ単独を用いる場合よりも良好に活性層内で光学フィールドを画成す
ることができる。活性層内での横断方向の光学的画成を増加させることにより、
その装置のしきい値電流を減少させることができる。さらに、ＡｌｘａｌＧａ１
−ｘａｌＮ／ＩｎｘｉＧａ１−ｘｉＮ又はＩｎｘａｙＧａ１−ｘａｙＮ／Ｉｎｘ
ｎＡｌ１−ｘｎＮの超格子層の設計は、活性層からのレーザ光の吸収を最小にす
る。したがって、低いしきい値電流及び低い欠陥密度のレーザダイオードが得ら
れる。
【００１７】 第１好適例は、超格子及び活性層のための材料選定の精選から任意のものを用
いて実行することができ、基板及び最も外部のクラッド層についての種々の選定
を含むことができる。特に、第１好適例の実行は、サファイア、炭化ケイ素、Ｇ
ａＮ、等の基板を含むことができる。超格子層は、ＡｌｘａｌＧａ１−ｘａｌＮ
及びＩｎｘｉＧａ１−ｘｉＮから構成されることができ、式中ｘａｌはおよそ０
．２程度であり、ｘｉはおよそ０．０４の程度から少なくとも０．２と同様の高
さであるか；又はＩｎｘａｙＧａ１−ｘａｙＮ及びＩｎｘｎＡｌ１−ｘｎＮから
構成されることができ、式中ｘａｙはおよそ０．０４程度であり、ｘｎはおよそ
０．１３程度である。さらに、活性層はＩｎｘａＧａ１−ｘａＮ材料のシングル
又はマルチプル量子井戸を含むことができる。変数ｘｉ及びｘａはｘａ＞ｘｉの
関係を有するのが好ましい。
【００１８】 本発明の第２好適例では、三元材料系に基づく半導体構造を更に実行する。第
２の配列は、レーザダイオードの更に例示的な実行であり、第１の導電形のＧａ
Ｎ又は同様の第１クラッド層と共に適切な基板、第１の導電形の超格子の第２ク
ラッド層、及び量子井戸の活性層、例えば、ＩｎｘａＧａ１−ｘａＮ材料で、シ
ングル又はマルチプルの量子井戸となり得るものを含む。ガイド層を、また、活
性層のいずれかの側部上に隣接して実行し、光学フィールドの画成を促進するこ
とができるが、すべての好適例で必要とはされない。超格子の第２クラッド層は
、第１好適例と同様に、ＡｌｘａｌＧａ１−ｘａｌＮ／ＩｎｘｉＧａ１−ｘｉＮ
、ＩｎｘａｙＧａ１−ｘａｙＮ／ＩｎｘｎＡｌ１−ｘｎＮ又は同等物でよい。
【００１９】 次いで、第１クラッド層の導電形と反対の導電形の超格子の第３クラッド層を
形成するが、この好適例ではＡｌｘａｌＧａ１−ｘａｌＮ／ＩｎｘｉＧａ１−ｘ
ｉＮ、ＩｎｘａｙＧａ１−ｘａｙＮ／ＩｎｘｎＡｌ１−ｘｎＮ又は同等の材料の
１５〜５０対の層のみを含む。その後、電流ブロック層を超格子の第３クラッド
層上に形成し、次いでウインドウを電流ブロック層において形成し、超格子の第
３クラッド層の一部分を露出させる。その後、超格子の第４クラッド層を電流ブ
ロック層上に形成し、この層は、およそ２００対程度の層でよい。電流ブロック
層におけるウインドウは超格子の第４クラッド層と超格子の第３クラッド層との
間で界面を提供する。超格子の第４クラッド層は超格子の第３クラッド層と同じ
導電形である。第１好適例と同様に、ｘａｌはＡｌＮのモル分率（例としてその
材料を用いる）を規定し、ｘｉ及びｘａはＩｎＮのモル分率を規定し、更にｘｉ
及びｘａはｘａ＞ｘｉの関係を有する。最後に、第５クラッド層は、例えば、Ｇ
ａＮで、第４クラッド層上に形成され、電極を通常の方法で形成する。
【００２０】 第１好適例と同様に、超格子層におけるＡｌＧａＮ（又は同等物）の格子定数
は、ＧａＮのクラッド層のものより小さく、超格子層におけるＩｎＧａＮの格子
定数は、ＧａＮのクラッド層のものより大きい。この場合、ＡｌＧａＮの層は引
張応力の下にあり、その一方、ＩｎＧａＮの層は圧縮応力の下にあり、更に、補
償層における応力がＡｌＧａＮの層とＩｎＧａＮの層との界面で互いに補償され
る。同様に、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮの超格子層は、ＧａＮをクラッド層として
用いた場合より、活性層内で光学フィールドの良好な画成を提供する。さらに、
活性層内での横断方向での優れた光学的な画成は、しきい値電流を減少させる。
低下したしきい値電流は、また、可能であり、その理由は、ＩｎＮのモル分率ｘ
ａがＩｎＮのモル分率ｘｉよりも大きいので、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮの超格子
層がＩｎＧａＮのシングル量子井戸の活性層からのレーザ光を吸収しないからで
ある。このことは、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮの超格子層においてＩｎＧａＮのバ
ンドギャップエネルギーを、ＩｎＧａＮのシングル量子井戸の活性層のものより
大きくさせる。最終的な結果は、低いしきい値電流及び低い欠陥密度を有する半
導体構造を作製できることである。
【００２１】 上記のことから導かれるように、第１及び第２好適例の本質的な違いは、電流
ブロック層の付加であり、上記の好適例では、電流ブロック層をより一層小さい
超格子層とより一層大きい超格子層との間に挟む。上記の例示配列では、半導体
構造は、ＡｌｘａｌＧａ１−ｘａｌＮ／ＩｎｘｉＧａ１−ｘｉＮの超格子の第３
クラッド層を通して形成されたウインドウ領域を備えるＡｌｘｂＧａ１−ｘｂＮ
の電流ブロック層を有し、電流ブロック層はＡｌｘａｌＧａ１−ｘａｌＮ／Ｉｎ
ｘｉＧａ１−ｘｉＮの超格子層に対して反対の導電形を有しており、式中、ｘｂ
はＡｌＮのモル分率を規定し、ｘｂ及びｘａｌはｘｂ＞ｘａｌの関係を有する。
超格子層においてウインドウ領域を形成するためにかかる電流ブロック層を用い
ることにより、ウインドウ領域における有効屈折率がウインドウ領域の外側のも
のより大きくなる。このことは、活性層内の光学フィールドのウインドウ領域下
の横方向における画成を促進する。ウインドウ領域における有効屈折率が増加し
、その理由は、ＡｌＮモル分率、ｘｂが超格子のクラッド層のもの、ｘａｌより
ウインドウ領域の外側で大きいからである。さらに、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮの
超格子クラッド層と異なる導電形のＡｌＧａＮの電流ブロック層を有することに
よって、導入電流がウインドウ領域内で画成される。このことは、ウインドウ領
域下の活性層における導入されたキャリア密度を、レーザ発振を得るのに十分高
くする。したがって、超格子層中にウインドウ領域を備えたかかる電流ブロック
層を用いることは、シングルトランスバースモードの働きを備えたレーザダイオ
ードが得られるようにする。
【００２２】 本発明の第３好適例は、第１好適例と構造において同様であるが、上記の三元
材料系に代えて四元材料系を用いて実行する。かかる例では、第１の導電形のＩ
ｎ１−ｘ１−ｙ１Ｇａｘ１Ａｌｙ１Ｎ材料のクラッド層をＧａＮ又は他の基板上
に形成する。その後、第１の導電形の第１超格子層を、Ｉｎ１−ｘ２−ｙ２Ｇａ
ｘ２Ａｌｙ２Ｎ及びＩｎ１−ｘ３−ｙ３Ｇａｘ３Ａｌｙ３Ｎ材料を含む第２クラ
ッド層として形成する。Ｉｎ１−ｘ２−ｙ２Ｇａｘ２Ａｌｙ２Ｎ材料の格子定数
は、クラッド層におけるＩｎ１−ｘ１−ｙ１Ｇａｘ１Ａｌｙ１Ｎ材料のものより
大きいように選定し、その一方、Ｉｎ１−ｘ３−ｙ３Ｇａｘ３Ａｌｙ３Ｎ材料の
格子定数は、Ｉｎ１−ｘ１−ｙ１Ｇａｘ１Ａｌｙ１Ｎ材料のものより小さいよう
に選定する。次いで、量子井戸の活性層を、例えば、シングル及びマルチプル量
子井戸のいずれかで良いＩｎＧａＮ材料で形成し、その後、反対の導電形の第２
超格子層を形成する。第２超格子層は、例えば、Ｉｎ１−ｘ４−ｙ４Ｇａｘ４Ａ
ｌｙ４Ｎ及びＩｎ１−ｘ５−ｙ５Ｇａｘ５Ａｌｙ５Ｎから構成することができ、
Ｉｎ１−ｘ４−ｙ４Ｇａｘ４Ａｌｙ４Ｎの格子定数はＩｎ１−ｘ１−ｙ１Ｇａｘ
１Ａｌｙ１Ｎ材料のものより大きく、前記Ｉｎ１−ｘ５−ｙ５Ｇａｘ５Ａｌｙ５
Ｎの格子定数はＩｎ１−ｘ１−ｙ１Ｇａｘ１Ａｌｙ１Ｎのものより小さい。第２
超格子層は第３クラッド層として働く。次いで、第１クラッド層に対して反対の
導電形の第４クラッド層を、代表的に、Ｉｎ１−ｘ６−ｙ６Ｇａｘ６Ａｌｙ６Ｎ
材料で形成する。値ｘ１、ｘ２、ｘ３、ｘ４、ｘ５及びｘ６はＧａＮのモル分率
を規定し、ｙ１、ｙ２、ｙ３、ｙ４、ｙ５及びｙ６はＡｌＮのモル分率を規定す
る。第１及び第２好適例と同様に、ガイド層をいくつかの好適例において実行し
て、光学フィールドの画成を促進することができ、更に、実行するならば、活性
層のいずれかの側に隣接して形成する。
【００２３】 第３好適例では、第１及び第２好適例と同様に、第１の超格子層において、Ｉ
ｎ１−ｘ２−ｙ２Ｇａｘ２Ａｌｙ２Ｎの層が引張応力の下にあり、その一方、Ｉ
ｎ１−ｘ３−ｙ３Ｇａｘ３Ａｌｙ３Ｎの層が圧縮応力の下にあり、その結果、応
力は、Ｉｎ１−ｘ２−ｙ２Ｇａｘ２Ａｌｙ２Ｎの層とＩｎ１−ｘ３−ｙ３Ｇａｘ
３Ａｌｙ３Ｎの層の界面で互いに補償される。同様に、第２の超格子層において
、Ｉｎ１−ｘ４−ｙ４Ｇａｘ４Ａｌｙ４Ｎの層は引張応力を受け、更にＩｎ１−
ｘ５−ｙ５Ｇａｘ５Ａｌｙ５Ｎの層は圧縮応力を受け、その結果、応力は、Ｉｎ
１−ｘ４−ｙ４Ｇａｘ４Ａｌｙ４Ｎの層とＩｎ１−ｘ５−ｙ５Ｇａｘ５Ａｌｙ５
Ｎの層の界面で互いに補償される。
【００２４】 ＩｎＧａＡｌＮの超格子層を設計し、ＧａＮがクラッド層のために単独で用い
られる場合よりも良好に活性層内で光学フィールドを画成する。活性層内での横
断方向の光学的画成を増加させることにより、装置のしきい値電流を減少させる
ことができる。さらに、ＩｎＧａＡｌＮの超格子層を、活性層からのレーザ光が
吸収されないように設計することも好ましい。したがって、低いしきい値電流及
び低い欠陥密度のレーザダイオードが得られる。
【００２５】 本発明の第４好適例は、本質的に第３好適例の四元材料を含み、第２好適例の
一般的な構造を有する。すなわち、超格子の第３及び第４クラッド層を、電流ブ
ロック層のいずれかの側で用い、電流ブロック層におけるそれらの超格子層間の
界面を許容するウインドウを有する。
【００２６】 本発明の概要を示す上記点は、以下の発明の説明から、以下に記載する添付図
面を参照して、良好に認識することができる。
【００２７】 はじめに、図２を参照して、本発明の半導体構造の一般的な形態を示す。基板
１００、これはＧａＮ、サファイア、炭化ケイ素又はその他の適切な基板でよく
、この基板上に、第１クラッド層１０５を形成する。第１クラッド層は、代表的
に、基板と同じ導電形のものである。その後、第２クラッド層１１０を第１クラ
ッド層１０５の頂上に形成し、第２クラッド層は第１クラッド層と同じ導電形を
有する。
【００２８】 第２クラッド層１１０は、複数対の層１１５から構成され、それぞれがその臨
界厚さより小さいが、お互いが超格子を形成する。超格子層の使用は、ＧａＮに
関してより一層小さい格子定数のＡｌＧａＮ（及び同様の材料）を克服し、その
一方、ＡｌＧａＮ又は同様の材料の比較的大きなバンドギャップの利点、また、
ＧａＮに関してそのより一層小さな屈折率を提供する。概して、超格子の構成層
を、それらの層の一つが活性層の格子定数よりも大きな格子定数を有し、例えば
、ＧａＮで、その一方、他の構成層が活性層の格子定数よりも小さい格子定数を
有するように選定する。超格子の構成層の格子定数間におけるこの関係は、ＳＬ
１＞ＧａＮ＞ＳＬ２として明快に現すことができる。ＩＩＩ族チッ化物に対して
、格子定数の関係はＩｎＮ＞ＧａＮ＞ＡｌＮであり、これはまた、ＩｎＧａＮ、
ＧａＮ、及びＡｌＧａＮの格子定数が関係ＩｎＧａＮ＞ＧａＮ＞ＡｌＧａＮを有
することを意味する。同様に、原子含量の適切な選定により、他の材料の格子定
数の関係を次のように設定することができる：ＩｎＡｌＮ＞ＧａＮ＞ＡｌＧａＮ
、及びＩｎＧａＮ＞ＧａＮ＞ＩｎＡｌＮ。これらの関係は、以下により一層詳細
に説明する。
【００２９】 超格子の第２クラッド層１１０の構成層１１５を反対の応力で維持し、従って
、第１の層を引張応力で維持する一方、隣接層を圧縮応力で維持する。各層はそ
の材料の臨界厚さ以下であり、従って材料内でのクラックが防止される。超格子
を構成する層の対の数は、２０以下から２００以上まで、広範に変えることがで
き、より一層大きな光学的画成を提供するが、耐電性及び耐熱性を高め、結果と
して熱を増加させる、層の厚さ増加を伴う。
【００３０】 超格子層１１０を作製した後、活性層１２０を超格子層１００の頂上で成長さ
せ、超格子層１１０に対して補償する導電形の超格子の第３クラッド層を成長さ
せる。代わりに、以下により一層詳細に説明するように、ガイド層を超格子層１
１０上に作製し、その後、活性層１２０を作製することができる。その場合には
、第２ガイド層を活性層の頂上に成長させ、その後、超格子の第３クラッド層１
２５を成長させる。これらのガイド層はそれらの隣接する超格子層と同じ導電形
を有することができる。
【００３１】 超格子層１２５の作製に続き、第４クラッド層１３０を層１２５と同じ導電形
で形成する。次いで、１対の電極１３５及び１４０を通常の方法、例えば基板１
００の下側面上及び第４クラッド層１３０の頂上に形成する。
【００３２】 超格子層のための材料の適切な選定により、引張応力及び圧縮応力をそれらの
層において釣り合わせ、欠陥密度を最小にすることができる。さらに、光学フィ
ールドを、活性層内で、例えば、超格子のクラッド層と活性層との間の指数の違
いが通常のＧａＮと活性層との間の指数の違いよりも高いため、ＧａＮのシング
ルクラッド層を用いる場合よりも良好に画成することができる。
【００３３】 次に、図３及び４Ａ〜４Ｃを参照して、本発明の半導体構造の第１好適例をよ
り一層詳細に示す。本発明のこの第１好適例を簡潔化して示すため、レーザダイ
オードを例示的な半導体構造として選定し、簡潔な断面図で示す。ｎ型のＧａＮ
の基板１５０上に、ｎ型のＧａＮの第１クラッド層１５５をおよそ０．５μｍ程
度の厚さで形成する。その後、ｎ型の材料の超格子の第２クラッド層１６０を形
成する。第１好適例の例示的な実行のための層の対の数はおよそ２００程度で良
い。超格子層のために用いる材料は、適切な格子定数、導電率、等を示す任意の
種々の組合せで良い。例示的な材料は、以下により一層詳細に記載するように、
Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ／Ｉｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ、又はＡｌ０．２Ｇａ０
．８Ｎ／Ｉｎ０．２Ａｌ０．８Ｎ、又はＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ／Ｉｎ０．
１３Ａｌ０．８７Ｎである。超格子の各構成層のための代表的な厚さは、およそ
２０Å程度であるが、正確な厚さは、適切な許容度の範囲内で、転位発生のため
の臨界的厚さが超えない限り長く変化させることができる。
【００３４】 一旦、超格子の第２クラッド層１６０が作製されれば、およそ３５Å程度の厚
さのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ材料のｎ型のガイド層１６５を所望により形成
することができるが、ガイド層の使用は少なくともいくつかの好適例では必要で
ない。その後、量子井戸の活性層１７０を形成し、この層はシングル又はマルチ
プル井戸のいずれかで良い。マルチプル井戸の場合、３対の配置が望ましいと思
われたが、実際の配置は適用によって変更することができる。シングル井戸の実
行のためには、層１７０はおよそ３５Å程度の厚さのＩｎ０．１５Ｇａ０．８５
Ｎ材料から構成することができる。マルチプル井戸の量子層が好ましい場合、層
１７０はＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ／Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９８Ｎ（３５Åの
厚さ）の材料の３対から構成することができる。ガイド層１６５を用いる場合、
第２ガイド層１７５、例えば、およそ３５Å程度の厚さのＩｎ０．０３Ｇａ０．
９７Ｎ材料で、第１ガイド層と反対の導電形のものを形成する。その後、ｐ型の
材料の超格子の第３クラッド層１８０を形成する。層１６０と同様に、超格子層
１８０は、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ／Ｉｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ材料で、代表
的に２０Åの厚さの２００対を構成することができ、或いはまた、Ａｌ０．２Ｇ
ａ０．８Ｎ／Ｉｎ０．２Ａｌ０．８Ｎ、又はＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ／Ｉｎ
０．１３Ａｌ０．８７Ｎでよい。最後に、ｐ型のＧａＮの第４クラッド層１８５
を、代表的におよそ０．５μｍ程度の厚さで形成する。１対の電極を、図示はな
いが、通常の方法で形成する。
【００３５】 活性層１７０から４５０ｎｍの波長範囲の青色光を放出させるために、活性層
１７０におけるＩｎＮのモル分率を、およそ０．１５程度であるように設定する
。本質的に、キャリアをｎ型の基板１５０及びｐ型のＧａＮの第４クラッド層１
８５から導入し、活性層１７０において再び結合し、青色光の放出を導く。
【００３６】 超格子層１６０及び１８０は、通常のＧａＮのクラッド層よりも良好に、横断
方向で光学フィールドを画成するのに役立ち、その理由は、活性層とクラッド層
との間の指数の違いが活性層と通常のＧａＮの層との間の指数のズレの違いより
も大きくなるからである。活性層における強力な光学的画成は低いしきい値電流
のレーザダイオードを導く。
【００３７】 欠陥の発生を最小にするため、歪補償された超格子層１６０及び１８０を、通
常のＡｌＧａＮのクラッド層又は単純なＧａＮのクラッド層の代わりに、クラッ
ド層として用いる。本発明の超格子構造では、超格子層を含む各構成層の厚さは
、臨界厚さ以下、又は代表的におよそ２０Å程度に維持される。このことは、ク
ラッド層における応力を実質的に減少させ、それにより、その層の欠陥密度を最
小にする。超格子層において用いる各材料の対として、１つの材料は、例えば、
Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎであり、引張応力の下にあり、その一方、他の層は、例
えば、Ｉｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎであり、圧縮応力の下である。ＧａＮよりも
小さい格子定数を有する材料（例えば、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ）、及びその他
のＧａＮより大きな格子定数を有するもの（例えば、Ｉｎ０．０４Ｇａ０．９６
Ｎ）を選定することにより、応力を層と層の界面で補償することができる。この
ことは、応力の蓄積を防止し、通常のＧａＮのクラッド層に関してより一層低い
欠陥密度を導く。
【００３８】 上述したように、種々の材料の組合せを、超格子層のために用いることができ
る。材料の例示的な組合せのそれぞれは、以下に説明するように、Ａｌ０．２Ｇ
ａ０．８Ｎ／Ｉｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ／Ｉｎ０．
２Ａｌ０．８Ｎ、又はＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ／Ｉｎ０．１３Ａｌ０．８７
Ｎである。
【００３９】 Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ／Ｉｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎの組合せを用いる場合
、図５に、導波管構造における過剰な応力とＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮの超格子の
クラッド層のＩｎＧａＮの層のＩｎ含量との間の関係を示す。他の構造的パラメ
ータは、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮの超格子のクラッド層のＩｎＧａＮの層のＩｎ
含量を除き固定する。本発明の目的のために、過剰な応力を、導波管構造の転位
を伴わない導波路のエピタキシャル層における最大応力と転位線と関連する有効
な応力との間の違いとして規定する。過剰な応力が陽性になる場合、歪エネルギ
ーは、転位が導波管構造において発生する時に、転位が導波管構造において発生
しない時よりも小さくなる。このことは、その構造が、転位が導波管構造におい
て発生する時に、発生しない時よりエネルギー的により一層安定であることを意
味する。
【００４０】 しかし、過剰な応力が陰性になる場合、反対のことが起こり、歪エネルギーは
、転位が導波管構造において発生しない場合に、転位が導波管構造において発生
する場合より小さくなる。このことは、その構造が、転位が導波管構造において
発生しない場合に、転位が導波管構造において発生する場合よりエネルギー的に
より一層安定であることを意味する。図５に示すように、過剰な応力は、Ｉｎ含
量が０．０４と同等の場合に最小になる。したがって、図３に示す例の構造では
、超格子のクラッド層におけるＡｌＧａＮ層のＡｌＮのモル分率及び超格子のク
ラッド層におけるＩｎＧａＮの層のＩｎＮのモル分率をそれぞれ０．２及び０．
０４であるように設定する。
【００４１】 さらに、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ／Ｉｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎの超格子層を
クラッド層として用いる場合、活性層の横断方向での光学的画成が、ＧａＮのク
ラッド層だけをクラッド層の材料として用いる場合よりも大きくなり、その理由
は、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ／Ｉｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎの超格子のクラッド
層の平均指数がＧａＮクラッド層よりも小さく、クラッド層と活性層との間でよ
り一層大きな指数の違いが得られるように導かれるからである。
【００４２】 図６には、超格子の材料がＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ／Ｉｎ０．０４Ｇａ０．９
６Ｎであり、シングル量子井戸を用いる、第１好適例のレーザダイオードの光−
電流特性を示す。このレーザダイオードは１％の負荷サイクルを有するパルス化
電流によって駆動する。しきい値電流密度は、５．２ｋＡ／ｃｍ２であることが
分かり、その値は、ＧａＮだけで作製したクラッド層を有するレーザダイオード
の約半分のしきい値電流密度である。図７には、第１好適例に従って構成するが
、マルチプル量子井戸の設計を用いたレーザダイオードの光−電流特性を示す。
このレーザダイオードは１％の負荷サイクルを用いるパルス化電流によって駆動
する。しきい値電流密度は４．２ｋＡ／ｃｍ２であり、その値もまた、そのクラ
ッド層にＧａＮだけを用いたマルチプル量子井戸のレーザダイオードの約半分の
しきい値電流密度である。
【００４３】 超格子層１６０及び１８０のための材料の、第２の例示的な組合せは、Ａｌ０
．２Ｇａ０．８Ｎ／Ｉｎ０．２Ａｌ０．８Ｎである。Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ／
Ｉｎ０．２Ａｌ０．８Ｎを超格子層として用いる場合には、応力方程式が僅かに
異なる。図８には、導波管構造における過剰応力とＡｌＧａＮ／ＩｎＡｌＮの超
格子のクラッド層のＩｎＡｌＮの層のＩｎ含量との間の関係を示す。ＡｌＧａＮ
／ＩｎＡｌＮの超格子のクラッド層のＩｎＡｌＮの層のＩｎ含量を除く他の構造
的なパラメータは、上述の値に固定する。図８に示すように、過剰な応力は、Ｉ
ｎ含量が０．２と同等である場合に最も小さくなる。したがって、Ａｌ０．２Ｇ
ａ０．８Ｎ／Ｉｎ０．２Ａｌ０．８Ｎを超格子層として用いる場合、超格子のク
ラッド層におけるＡｌＧａＮの層のＡｌＮのモル分率及び超格子のクラッド層に
おけるＩｎＡｌＮの層のＡｌＮのモル分率をそれぞれ０．２及び０．２であるよ
うに設定し、隣接する構成層によって歪が補償されるのを確かにする。
【００４４】 さらに、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ／Ｉｎ０．２Ａｌ０．８Ｎを超格子のクラッ
ド層として用いる場合のため、活性層内の横断方向での光学フィールドの画成は
、ＧａＮのクラッド層だけである場合より良好であり、その理由は、Ａｌ０．２
Ｇａ０．８Ｎ／Ｉｎ０．２Ａｌ０．８Ｎの超格子のクラッド層の平均指数がＧａ
Ｎのクラッド層よりも小さいからである。
【００４５】 超格子層１６０及び１８０のための材料の第３の例示的な組合せは、Ｉｎ０．
０４Ｇａ０．９６Ｎ／Ｉｎ０．１３Ａｌ０．８７Ｎである。この組合せでは、Ｉ
ｎ０．１３Ａｌ０．８７Ｎの層が引張応力の下にあり、その一方、Ｉｎ０．０４
Ｇａ０．９６Ｎの層が圧縮応力の下にある。したがって、応力は、Ｉｎ０．１３
Ａｌ０．８７Ｎの層とＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎの層との間の界面で補償され
る。格子定数の関係は、Ｉｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ＞ＧａＮ＞Ｉｎ０．１３Ａ
ｌ０．８７Ｎである。
【００４６】 上記の材料の組合せと同様に、応力方程式は材料における違いのために変化す
る。図９には、導波管における過剰応力とＩｎＧａＮ／ＩｎＡｌＮの超格子のク
ラッド層のＩｎＡｌＮの層のＩｎ含量との間の関係を示す。ＩｎＧａＮ／ＩｎＡ
ｌＮの超格子のクラッド層のＩｎＡｌＮの層のＩｎ含量を除く他の構造的なパラ
メータは、上述の値に固定する。図９に示すように、過剰な応力はＩｎＡｌＮの
層のＩｎ含量が０．１３と同等である場合に最も小さくなる。したがって、図９
に示す第９の例の構造において、歪を補償するために、超格子のクラッド層にお
けるＩｎＧａＮの層のＩｎＮのモル分率及び超格子のクラッド層におけるＩｎＡ
ｌＮの層のＡｌＮのモル分率をそれぞれ０．０４及び０．８７であるように設定
する。
【００４７】 さらに、Ｉｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ／Ｉｎ０．１３Ａｌ０．８７Ｎを超格子
のクラッド層として用いる場合、活性層内の横断方向の光学フィールドの画成が
、ＧａＮだけのクラッド層を用いる場合よりも良好である。Ｉｎ０．０４Ｇａ０
．９６Ｎ／Ｉｎ０．１３Ａｌ０．８７Ｎの超格子のクラッド層の平均指数は、Ｇ
ａＮのクラッド層よりも小さく、結果として、単にＧａＮクラッド層を用いる場
合に生じるクラッド層と活性層との間のより一層大きな指数の違いを招く。
【００４８】 図１０及び図１１Ａ〜１１Ｃを参照して、本発明の第２好適例を良好に理解す
ることができる。図３の例と同様に、図１０は第２好適例の半導体レーザダイオ
ードの簡略化した断面図であり、その一方、図１１Ａ〜１１ｃは、図１０の構造
を作製するための製造工程の簡略版を示す。ｎ型のＧａＮの基板３００上に、ｎ
型のＧａＮの第１クラッド層３０５をおよそ０．５μｍ程度の厚さで形成し、次
いで、およそ２００対程度の構成層を有するｎ型の超格子の第２クラッド層３１
０を形成する。次いで、およそ３５Å程度の厚さのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ
のガイド層３１５を形成し、次いで、量子井戸の活性層３２０を形成する。量子
井戸の活性層は、およそ３５Å程度の厚さでよく、シングル又はマルチプル量子
井戸のいずれかとすることができる。シングル量子井戸の設計を実行する場合、
活性層は代表的にＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎを含む。マルチプル量子井戸の設
計を実行する場合、活性層は、およそ３５Å程度の厚さを有する３対のＩｎ０．
１５Ｇａ０．８５Ｎ／Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９８Ｎのマルチプル量子井戸として
実行することができる。したがって、およそ３５Å程度の厚さのＩｎ０．０３Ｇ
ａ０．９７Ｎのガイド層３２５をいくつかの好適例で実行することができる。
【００４９】 次いで、第１好適例との有意な違いにおいて、ｐ型の超格子の第３クラッド層
３３０を形成する。しかし、層３３０は、代表的に、各々およそ２０Å程度の厚
さのおよそ２５対程度の構成層のみを含む。次いで、ｐ型のＡｌ０．２２Ｇａ０
．７８Ｎの電流ブロック層３３５を、およそ１００Å程度の厚さで形成する。次
いで、ストライプ状ウインドウ３４０を電流ブロック層３３５において形成し、
第３クラッド層３３０の一部分を露出させる。次いで、代表的に、およそ２００
対程度の構成層を含むｐ型の第４の超格子のクラッド層３４５を形成する。最後
に、ｐ型のＧａＮの第５クラッド層３５０をおよそ０．５μｍ程度の厚さで形成
する。電極を通常の方法で形成することができる。
【００５０】 第１好適例と同様に、材料の種々の異なった組合せを用いて、超格子層３１０
、３３０、及び３４５を製造し、これらはＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ／Ｉｎ０．０
４Ｇａ０．９６Ｎ、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ／Ｉｎ０．２Ａｌ０．８Ｎ、又はＩ
ｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ／Ｉｎ０．１３Ａｌ０．８７Ｎを含むことができる。
これらの材料の作用は、以下に詳細に述べる電流ブロック層の作用を除き、第１
好適例で述べたようなものである。結果として、第２好適例の議論の残りは、Ａ
ｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ／Ｉｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎの例を用いるが、各組合せ
が第１好適例と同じ方法で適用できることを理解すべきである。
【００５１】 活性層３２０から４５０ｎｍの波長範囲を有する青色光を放出させるために、
活性層３２０におけるＩｎＮのモル分率を０．１５であるように設定する。基本
的なトランスバースモード作用を得るために、ウインドウの幅を２ｍｍであるよ
うに設定する。
【００５２】 シングルラテラルモード発振のために、電流ブロック層３３５のＡｌＮのモル
分率を、ｐ型のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ／Ｉｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎの超格子
の第４クラッド層３５０のものより高いように設定する。電流ブロック層３３５
のＡｌＮのモル分率が第４クラッド層３４５のものと同じである場合、ストライ
プ内の屈折率がプラズマ効果により低下し、その結果、形成される導波管がシン
グルラテラルモード発振を生成するようになる。電流ブロック層３３５のＡｌＮ
のモル分率がｐ型のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ／Ｉｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎの超
格子の第４クラッド層３４５のものより低い場合、ラテラルモード発振は不安定
になる。この場合には、電流ブロック層３３５のＡｌＮモル分率を０．２２であ
るように設定し、これは、ｐ型のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ／Ｉｎ０．０４Ｇａ０
．９６Ｎの超格子の第４クラッド層３４５のものより高い。第３クラッド層３３
０の厚さ（ｄｐ）はまた、ウインドウ領域内及びウインドウ領域の外側の屈折率
の違い（Δｎ）に影響を与える。ｄｐの値が大きい場合、Δｎは小さくなる。他
方、ｄｐの値が小さい場合、Δｎは大きくなる。Δｎが大きい場合には、光学フ
ィールドは横方向により一層強く画成され、光学フィールドが変形されるような
空間ホールのバーニングをもたらす。光学フィールドの変形は、光学的ピックア
ップシステムのためのかかる装置の使用にとって決定的な問題である。Δｎが小
さい場合、光学フィールドは、ウインドウ領域の外側の活性層内に横方向に拡が
る。この場合、ウインドウ領域の外側の活性層は、導入されたキャリアによって
高く活性化されず、その結果光学フィールドは光学的損失を受け、それはしきい
値電流の増加をもたらす。
【００５３】 図１２はΔｎとｄｐとの間の関係を示す。図１２に示すように、Δｎはｄｐが
大きくなるにつれてより一層小さくなる。光学フィールドをウインドウ領域の内
側で横方向に適度に画成するには、Δｎの値を約６×１０−３であるように設定
する。第２好適例において、６×１０−３であるべきΔｎの値を得るために、ｄ
ｐを０．１ｍｍであるように設定する。
【００５４】 図１０に示す第２好適例の構造に従って、ｐ型のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ／Ｉ
ｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎの超格子の第４クラッド層３４５を介して導入された
電流は、ウインドウ３４０内で画成され、４５０ｎｍのバンドのレーザ発振が、
ウインドウの下に配置された量子井戸の活性層３２０において生じる。上述した
ように、超格子層におけるＡｌＧａＮの構成層の使用は、光学フィールドの横断
方向の強い画成を促進する。活性層における強い光学的画成は、低いしきい値電
流のレーザダイオードを導く。
【００５５】 図１３には、第２好適例に従って構成された、シングル量子井戸を有するレー
ザダイオードの光−電流特性を示す。レーザダイオードは１％の負荷サイクルを
有するパルス化電流を用いて駆動される。しきい値電流密度は４．０ｋＡ／ｃｍ
２であることが示され、これは、ＧａＮのみのクラッド層を有するレーザダイオ
ードのしきい値電流密度の約半分である。
【００５６】 マルチプル量子井戸の活性層を実行する場合、僅かな変動がΔｎとｄｐとの間
の関係において起こる。図１２に示すように、図１４に示す関係は、Δｎがｄｐ
の増大に従ってより一層小さくなることを示す。光学フィールドをウインドウ領
域の内側に横方向で適度に画成するために、Δｎの値を約６×１０−３にすべき
である。第２好適例において、６×１０−３であるべきΔｎの値を得るため、ｄ
ｐを０．０８ｍｍであるように設定する。
【００５７】 図１５には、第２好適例のレーザダイオードの光−電流特性を示すが、マルチ
プル量子井戸の活性層を用いる。この実施は、シングル量子井戸の活性層を用い
て可能なものに対して、活性層における横断方向での優れた（すなわち、増加し
た）光学フィールドの画成を生じさせる。したがって、マルチプル井戸の実行は
、しきい値電流の更なる減少を可能にする。図１５のプロットには、１％の負荷
サイクルを有するパルス化電流を用いて駆動されたレーザダイオードを示す。し
きい値電流は、約３．８ｋＡ／ｃｍ２であり、これは、また、ＧａＮのクラッド
層を用いるレーザダイオードのしきい値電流密度の約半分である。
【００５８】 図１６を参照して、本発明の第３例をより一層良好に理解することができる。
図１６に示す例は、図３の三元系のものよりむしろ、四元系材料系を用いること
において、図３に示すものと異なっている。したがって、本発明の第３例では、
半導体構造は、例えば、レーザダイオードでよく、以下のものを含む：ＧａＮ又
は他の基板４００上に、第１導電形のＩｎ１−ｘ１−ｙ１Ｇａｘ１Ａｌｙ１Ｎ材
料のクラッド層４０５を形成する。その後、Ｉｎ１−ｘ２−ｙ２Ｇａｘ２Ａｌｙ
２Ｎ及びＩｎ１−ｘ３−ｙ３Ｇａｘ３Ａｌｙ３Ｎ材料を含む超格子の第２クラッ
ド層４１０を形成する。Ｉｎ１−ｘ２−ｙ２Ｇａｘ２Ａｌｙ２Ｎ材料の格子定数
は、クラッド層におけるＩｎ１−ｘ１−ｙ１Ｇａｘ１Ａｌｙ１Ｎのものより大き
いように選定し、その一方、Ｉｎ１−ｘ３−ｙ３Ｇａｘ３Ａｌｙ３Ｎ材料の格子
定数は、Ｉｎ１−ｘ１−ｙ１Ｇａｘ１Ａｌｙ１Ｎ材料のものより小さいように選
定する。任意の適切な材料のガイド層４１５を、いくつかの好適例において、超
格子層４１０について形成することができる。その後、シングル井戸か、又はマ
ルチプル井戸の設計の、量子井戸の活性層４２０を形成し、次いで、少なくとも
いくつかの実行において、ガイド層４２５を形成する。次いで、反対の導電形の
超格子の第３クラッド層４３０を形成する。超格子の第３クラッド層は、例えば
、Ｉｎ１−ｘ４−ｙ４Ｇａｘ４Ａｌｙ４Ｎ及びＩｎ１−ｘ５−ｙ５Ｇａｘ５Ａｌ
ｙ５Ｎを含むことができ、Ｉｎ１−ｘ４−ｙ４Ｇａｘ４Ａｌｙ４Ｎの格子定数は
Ｉｎ１−ｘ１−ｙ１Ｇａｘ１Ａｌｙ１Ｎ材料のものより大きく、前記Ｉｎ１−ｘ
５−ｙ５Ｇａｘ５Ａｌｙ５Ｎの格子定数はＩｎ１−ｘ１−ｙ１Ｇａｘ１Ａｌｙ１
Ｎのものより小さい。次いで、第１クラッド層と反対の導電形の第４クラッド層
４３５を、代表的に、Ｉｎ１−ｘ６−ｙ６Ｇａｘ６Ａｌｙ６Ｎの材料で形成する
。ｘ１、ｘ２、ｘ３、ｘ４、ｘ５、及びｘ６は、ＧａＮのモル分率を規定し、ｙ
１、ｙ２、ｙ３、ｙ４、ｙ５、及びｙ６は、ＡｌＮのモル分率を規定する。
【００５９】 上述の構造では、超格子層において、Ｉｎ１−ｘ２−ｙ２Ｇａｘ２Ａｌｙ２Ｎ
の層が圧縮応力の下にあり、その一方Ｉｎ１−ｘ３−ｙ３Ｇａｘ３Ａｌｙ３Ｎの
層が引張応力の下にあり、その結果、各応力はＩｎ１−ｘ２−ｙ２Ｇａｘ２Ａｌ
ｙ２Ｎの層とＩｎ１−ｘ３−ｙ３Ｇａｘ３Ａｌｙ３Ｎの層との界面で互いに補償
される。同様に、第２超格子層において、Ｉｎ１−ｘ４−ｙ４Ｇａｘ４Ａｌｙ４
Ｎの層が圧縮応力を受け、Ｉｎ１−ｘ５−ｙ５Ｇａｘ５Ａｌｙ５Ｎの層が引張応
力を受け、その結果、応力はＩｎ１−ｘ４−ｙ４Ｇａｘ４Ａｌｙ４Ｎの層とＩｎ
１−ｘ５−ｙ５Ｇａｘ５Ａｌｙ５Ｎの層との界面で互いに補償される。
【００６０】 上述の好適例と同様に、ＩｎＧａＮの超格子層を設計して、光学フィールドを
活性層内でＧａＮがクラッド層として用いられる場合よりも良好に画成すること
ができる。活性層内での横断方向における光学的画成を増加させることによって
、装置のしきい値電流を減少させることができる。さらに、ＩｎＧａＡｌＮの超
格子層を設計して、活性層からのレーザ光を吸収しないようにすることができる
。したがって、低いしきい値電流及び低い欠陥密度のレーザダイオードが得られ
る。
【００６１】 図１７を参照して、本発明の第４例をより一層良好に理解することができる。
第４例は、第３例の四元材料系を用いるが、どちらかといえば、図１０及び１１
Ａ〜１１Ｃに示す第２好適例の構造を有する。ＧａＮ又は他の基板５００上で、
第１導電形のＩｎ１−ｘ１−ｙ１Ｇａｘ１Ａｌｙ１Ｎ材料のクラッド層５０５を
形成する。その後、Ｉｎ１−ｘ２−ｙ２Ｇａｘ２Ａｌｙ２Ｎ及びＩｎ１−ｘ３−
ｙ３Ｇａｘ３Ａｌｙ３Ｎ材料を含む第１の導電形の超格子の第２クラッド層５１
０を形成する。Ｉｎ１−ｘ２−ｙ２Ｇａｘ２Ａｌｙ２Ｎの材料の格子定数はクラ
ッド層におけるＩｎ１−ｘ１−ｙ１Ｇａｘ１Ａｌｙ１Ｎ材料のものより大きいよ
うに選定し、その一方、Ｉｎ１−ｘ３−ｙ３Ｇａｘ３Ａｌｙ３Ｎ材料の格子定数
はＩｎ１−ｘ１−ｙ１Ｇａｘ１Ａｌｙ１Ｎ材料のものより小さいように選定する
。任意の材料のガイド層５１５を、いくつかの好適例において超格子層５１０に
関して形成することができる。その後、シングルか、又はマルチプル井戸のいず
れかの設計の量子井戸の活性層５２０を形成し、次いで、いくつかの実行におい
て、より一層早く記述した例と同様に、反対の導電形のガイド層５２５を形成す
る。次いで、反対の導電形の超格子の第３クラッド層５３０を形成する。超格子
の第３クラッド層５３０は、例えば、Ｉｎ１−ｘ４−ｙ４Ｇａｘ４Ａｌｙ４Ｎ及
びＩｎ１−ｘ５−ｙ５Ｇａｘ５Ａｌｙ５Ｎを含むことができ、Ｉｎ１−ｘ４−ｙ
４Ｇａｘ４Ａｌｙ４Ｎの格子定数はＩｎ１−ｘ１−ｙ１Ｇａｘ１Ａｌｙ１Ｎ材料
のものより大きく、前記Ｉｎ１−ｘ５−ｙ５Ｇａｘ５Ａｌｙ５Ｎの格子定数はＩ
ｎ１−ｘ１−ｙ１Ｇａｘ１Ａｌｙ１Ｎのものより小さい。超格子層５３０はおよ
そ２５対程度の構成層で良い。次に、電流ブロック層５３２を、ｐ型のＡｌ０．
２２Ｇａ０．７８Ｎ材料で、およそ１００Å程度の厚さで形成する。次いで、ス
トライプ状ウインドウ５３４を電流ブロック層５３２において形成し、超格子層
５３０を露出させる。次いで、超格子の第４クラッド層５３５を、超格子層３３
０と同じ材料であるが、およそ２００対程度の構成層を用いて形成する。最後に
、第５クラッド層５４０を上述した同じ方法で形成する。同様に、１対の電極を
通常の方法で形成することができる。
【００６２】 図１８を参照して、本発明の方法及び構造から形成されるヘテロ接合電界効果
トランジスタを示す。ＧａＮの基板６００上に、約０．５μｍの厚さのｉ−Ｇａ
Ｎのクラッド層６０５を形成し、その上に、約１００Åの厚さのｎ−ＧａＮのチ
ャネル層６１０を形成する。その上に、超格子層６１５を、およそ５対程度の構
成層から形成し、各々はおよそ２０Å程度の厚さで、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ（
６つの層）／ｎ型のＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ（５つの層）である。次いで、
ソース、ドレイン及びゲート電極６２０、６２５及び６３０を超格子層６１５上
に形成することができる。ＩＩＩ族チッ化物材料、特にＧａＮ及びＡｌＮは、ハ
ード電子装置のための有望な材料であり、高出力及び高温条件下で操作可能であ
り、その理由は、ＧａＮ及びＡｌＮがより一層広いバンドギャップ（ＧａＮにつ
いての３．５ｅＶ、ＡｌＮについての６．２ｅＶ）を有し、結果としてより一層
高い破壊電子場、及びより一層高い飽和速度が得られるからである。このことは
、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、及びＳｉのバンドギャップ：それぞれ、２．１６ｅＶ、
１．４２ｅＶ、及び１．１２ｅＶに比較される。したがって、ＡｌＧａＮ／Ｇａ
Ｎ材料を用いる複数の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）は、マイクロウエーブパ
ワートランジスタの分野における適用のために、広範にリサーチされる。
【００６３】 次に、図１９を参照して、本発明に従って形成されるヘテロ接合バイポーラト
ランジスタを示す。ＧａＮの基板６５０は基礎を提供し、その上に超格子のコレ
クタ層６５５を形成する。次いで、ｐ型のＧａＮのベース層６６０を形成し、そ
の後、超格子のエミッタ層６６５を形成する。コレクタ、ベース及びエミッタ電
極６７０、６７５及び６８０をその後形成することができる。図１９はヘテロ接
合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）の好適例を示す。ＧａＮの基板６５０上に
、およそ１００対程度のｎ型の２０Åの厚さのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ（１０１
個の層）／ｎ型の２０Åの厚さのＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ（１００個の層）
で、超格子のコレクタ層を形成し、次いで５０ｎｍの厚さのｐ型のＧａＮのベー
ス層を形成する。次いで、およそ８０対程度のｎ型の２０Åの厚さのＡｌ０．２
Ｇａ０．８Ｎ（８１個の層）／ｎ型の２０Åの厚さのＩｎ０．０４Ｇａ０．９６
Ｎ（８０個の層）で、超格子層をエミッタとして形成する。ＡｌＧａＮ層及びＩ
ｎＧａＮ層の間の応力はその界面で互いに補償され、その結果、欠陥の生成を減
少させることができ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの高品質ヘテロ接合が導かれる。Ａｌ
ＧａＮ／ＩｎＧａＮの超格子のエミッタ層のバンドギャップはＧａＮのベース層
のものよりも大きく、その結果、ｐ型のベース層において形成されるホールは、
ＧａＮとＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮの超格子層との間の、ＧａＮのホモ接合バイポ
ーラトランジスタのものに比べてより一層大きな原子価バンド不連続性のため、
ベース層において良好に画成される。したがって、ベース電流とコレクタ電流と
の間の大きな電流増幅が得られる。さらに、上述したように、ＡｌＧａＮ／Ｉｎ
ＧａＮの超格子層とＧａＮ層のバンドギャップが大きく、その結果、トランジス
タを高温トランジスタとして用いることができる。さらに以下のことが理解され
る。上述の好適例はエミッタ及びコレクタの双方のために超格子層を用いるが、
すべての例において、双方の層が超格子形であることを必要とせず、単一の超格
子層を、コレクタ又はエミッタのいずれかとして実行することができる。
【００６４】 図２０を参照して、フォトダイオードとして実行した本発明の好適例をより一
層良好に理解することができる。ｎ型のＧａＮの基板７００上に、ｎ型のＧａＮ
の第１クラッド層７０５をおよそ０．５μｍ程度の厚さで形成し、次いで、およ
そ２００対程度の構成層を有するｎ型の超格子の第２クラッド層７１０を形成す
る。次いで、およそ３５Å程度の厚さのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎのガイド層
７１５を形成し、次いで、量子井戸の活性層７２０を形成する。活性層は代表的
にＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎを含む。その後、およそ３５Å程度の厚さのＩｎ
０．０３Ｇａ０．９７Ｎのガイド層３２５を、いくつかの好適例において実行す
ることができる。
【００６５】 次いで、第１好適例との有意な違いにおいて、ｐ型の超格子の第３クラッド層
３３０を形成する。しかし、層３３０は、代表的におよそ２５対程度の、それぞ
れがおよそ２０Å程度の厚さで、構成層を含む。次いで、ｐ型のＡｌ０．２２Ｇ
ａ０．７８Ｎの電流ブロック層３３５をおよそ１００Å程度の厚さで形成する。
次いで、ストライプ状のウインドウ３４０を電流ブロック層３３５において形成
し、第３クラッド層３３０の一部分を露出させる。電極を通常の方法で形成する
ことができる。
【００６６】 第１好適例と同様に、材料の種々の異なった組合せを用いて、超格子層７１０
及び７３０を作製することができ、これらは、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ／Ｉｎ０
．０４Ｇａ０．９６Ｎ、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ／Ｉｎ０．２Ａｌ０．８Ｎ、又
はＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ／Ｉｎ０．１３Ａｌ０．８７Ｎを含むことができ
る。これらの材料の作用は上側のクラッド層の除去及び第３の超格子層を除き、
第２好適例に関連して述べたものと同様である。この好ましい配置では、ウイン
ドウ３４０を小さな外側リングとして形成することができる。
【００６７】 次に、図２１を参照して、本発明の半導体装置の好適例をヘテロ接合フォトト
ランジスタとして実行されたもので示す。この装置は紫外（ＵＶ）範囲における
操作に特別に適するが、青色光を含む他の周波数を、僅かな変更だけを用いて検
出することができる。ＧａＮ及びＡｌＧａＮは、紫外（ＵＶ）範囲における光検
出器のための材料として魅力的であり、その理由は、ＧａＮ及びＡｌＮが広いバ
ンドギャップ（２００ｎｍの光波長に対応するＧａＮについて３．５ｅＶ、３５
０ｎｍの光波長に対応するＡｌＮについて６．２ｅＶ）を有するからである。ダ
イレクトバンドギャップ及び完全なＡｌＮ合金組成範囲におけるＡｌＧａＮの有
用性のため、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系ＵＶ光検出器が高い量子効率得及び高い遮断
波長の整調の双方の利点を有するからである。しかし、既に述べた例と同様に、
ＡｌＧａＮの格子定数はＧａＮと異なり、その結果、欠陥が生じる傾向にあり、
漏出電流の増加が起こる。
【００６８】 上述したように、本発明の歪補償される超格子構造は、ＡｌＧａＮとＩｎＧａ
Ｎ層の界面で応力を補償し、それ自体によりＧａＮよりも大きな超格子層の有効
なバンドギャップを保持することによって、従来の技術において発生する欠陥を
減少させることができる。また、図２１に示すヘテロ接合フォトトランジスタ（
ＨＰＴ）を参照して、ＧａＮの基板８００上に、およそ１２０対程度のｎ型の２
０Å厚さのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ（１０１個の層）及びｎ型の２０Åの厚さの
Ｉｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ（１００個の層）の構成層８０５Ａ及び８０５Ｂを
含む、超格子のコレクタ層８０５を形成する。次に、およそ２００ｎｍ程度の厚
さでｐ型のＧａＮのベース層８２０を形成し、次いで、およそ８０対程度の、ｎ
型の２０Åの厚さのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ（８１個の層）及びｎ型の２ｎｍの
厚さのＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ（８０個の層）の構成層を含む超格子のエミ
ッタ層８２５を形成する。各例の超格子層と同様に、これらの構成層の間の応力
は、このＡｌＧａＮ層及びＩｎＧａＮ層の場合に、それらの界面で互いに補償さ
れる。これらの歪補償される層は欠陥生成を著しく減少させ、ＡｌＧａＮ／Ｇａ
Ｎの高品質のヘテロ接合が得られる。電極８３０及び８３５を通常の方法で形成
する。
【００６９】 上述したように、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮの超格子のエミッタ層のバンドギャ
ップは、ＧａＮのベース層のものより大きい。作用上、光はエミッタの側部から
入射する。入射する光の光子エネルギーは、ＧａＮのベース層のバンドギャップ
エネルギーよりも大きいが、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮの超格子のエミッタ層のバ
ンドギャップエネルギーよりも小さく、入射する光はエミッタ層を透過し、その
結果、光はＧａＮのベース層において吸収され、電子及びホール対を生成する。
ｐ型のＧａＮのベース層における光学的吸収によって生じるホールは、ベース層
内で良好に画成され、その理由は、ＧａＮのホモ接合フォトトランジスタの場合
に存在するよりもより一層大きな原子価バンド不連続性がＧａＮの層とＡｌＧａ
Ｎ／ＩｎＧａＮの超格子層との間に存在するからである。このことは、次に、通
常のホモ接合フォトトランジスタについての場合よりもより一層大きなエミッタ
電流及びベース領域におけるより一層良好な中和を導く。したがって、ＵＶ光検
出器を高い量子効率及び高い感度で得ることができ、それは入力光からコレクタ
電流までの高い転換効率を意味する。他の周波数、例えば、青色光を検出するこ
とを望む場合には、ＧａＮのベース層をＩｎＧａＮに単に置きかえることでよい
。
【００７０】 十分に記載した本発明の種々の好適例を用いることによって、当業者には、本
発明から逸脱することがない、多くの変更及び均等物が存在することを理解でき
る。結果として、本発明の範囲は、上記説明によってではなく、請求の範囲によ
ってのみ制限されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来技術のレーザダイオードの図である。
【図２】 本発明の簡略化版の断面図である。
【図３】 第１好適例の半導体装置の簡略化した断面図である。
【図４】 ４Ａ〜４Ｃは、第１好適例にかかる半導体構造を製造するための簡略
化した一連の工程を示す図である。
【図５】 過剰応力と超格子のクラッド層中のＩｎ含量との間の関係を示す図で
ある。
【図６】 第１好適例の導入電流密度に依存する出力を示す図である。
【図７】 第３例の導入電流密度に依存する出力を示す図である。
【図８】 過剰応力と超格子のクラッド層中のＩｎ含量との間の関係を示す図で
ある。
【図９】 過剰応力と超格子のクラッド層中のＩｎＡｌＮの層のＩｎ含量との間
の関係を示す図である。
【図１０】 本発明の第２好適例にかかる半導体装置の簡略化した例の断面図で
ある。
【図１１】 ウインドウ領域の内側と外側との間の有効屈折率の差（Ｄｎ）と第
３クラッド層の厚さ（ｄｐ）との間の関係を示す図である。
【図１２】 １２Ａ〜１２Ｃは、第２好適例にかかる半導体レーザダイオードを
製造するための簡略化した一連の工程を示す図である。
【図１３】 第２好適例の導入電流密度に依存する出力を示す図である。
【図１４】 ウインドウ領域の内側と外側との間の有効屈折率の差（Ｄｎ）と第
３クラッド層の厚さ（ｄｐ）との間の関係を示す図である。
【図１５】 第４例の導入電流密度に依存する出力を示す図である。
【図１６】 本発明の第３例にかかる半導体装置の簡略化した例の断面図である
。
【図１７】 本発明の第４例にかかる半導体装置の簡略化した例の断面図である
。
【図１８】 本発明に従って構成されるヘテロ接合電解効果トランジスタを示す
図である。
【図１９】 本発明に従って構成されるヘテロ接合バイポーラトランジスタを示
す図である。
【図２０】 本発明に従って構成されるフォトダイオードを示す図である。
【図２１】 本発明に従って構成されるフォトトランジスタを示す図である。
【手続補正書】
【提出日】平成１３年１０月４日（２００１．１０．４）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 29/737 29/778 29/812 (72)発明者 ジェームス エス ハリス ジュニア アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94305 スタンフォード エスプラナダ ウェイ 763 Ｆターム(参考） 5F003 BC00 BE00 BF06 BG06 BM03 5F045 AB14 AB17 AB18 AF02 AF04 AF09 BB12 BB16 CA02 CA10 CA12 DA54 DA55 DA63 DA69 5F073 AA07 AA73 AA74 AA77 AA86 BA06 CA07 CB02 CB04 CB05 EA29 5F102 GB01 GC01 GD01 GJ04 GK04 GL04 GM04 GM08

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体構造であって、 第１導電率の基板、及び 複数対の第１構成層及び第２構成層を含み、前記第１構成層が引張応力下の材
    料を含んでおり、前記第２構成層が圧縮応力下の材料を含んでおり、前記圧縮応
    力及び前記引張応力がそれぞれの間の界面で各々他方を補償している、第１超格
    子層 を含んでいることを特徴とする半導体構造。
  2. 【請求項２】 さらに、 前記第１超格子層上に形成されており、前記超格子層が第１タイプの導電率を
    有している活性層、及び 複数対の第３構成層及び第４構成層を含み、前記第３構成層が引張応力下の材
    料を含んでおり、前記第４構成層が圧縮応力下の材料を含んでおり、前記圧縮応
    力及び前記引張応力がそれぞれの間の界面で各々他方を補償しており、第１タイ
    プの導電率に対して補足的なタイプの導電率の第２超格子層 を含んでいる請求項１記載の半導体構造。
  3. 【請求項３】 前記基板がＧａＮからなり、前記半導体構造が更に、 前記基板と前記第１超格子層との間に形成される第１のｉ−ＧａＮのクラッド
    層、及び 前記ｉ−ＧａＮのクラッド層と第１超格子層との間に形成されるｎ−ＧａＮの
    チャネル層 を含んでいる請求項１記載の半導体構造。
  4. 【請求項４】 さらに、 ベース層及びエミッタ層を含んでおり、前記第１超格子層がコレクタ層を含ん
    でいる請求項１記載の半導体構造。
  5. 【請求項５】 さらに、 前記基板上に形成され、前記基板の導電率と同じタイプの導電率を有する第１
    クラッド層、 前記基板の導電率と同じタイプの導電率の第２クラッド層、 活性層、及び 前記第１超格子層が、第３クラッド層を形成し、前記基板のタイプの導電率に
    対して補足的なタイプの導電率であり、 前記超格子の第３クラッド層上に形成され、前記超格子の第３クラッド層の一
    部分を露出するウインドウを有するブロック層 を含んでいる請求項１記載の半導体構造。
  6. 【請求項６】 前記基板がＧａＮからなり、前記第１超格子層がコレクタ層を形
    成し、及び更に、ベース層及び複数対の歪補償構成層からなる超格子のエミッタ
    層を含んでいる請求項１記載の半導体構造。
  7. 【請求項７】 半導体構造を製造するにあたり、 第１タイプの導電率の基板を提供し、 臨界厚さ以下の第１構成層を形成し、前記第１構成層が所定強度の引張応力下
    であり、 前記第１構成層上に第２構成層を形成し、前記第２構成層が前記第１構成層の
    引張応力とほぼ同じ所定強度の圧縮応力下であり、前記構成層における前記圧縮
    応力及び前記引張応力が互いに補償されることを特徴とする半導体構造の製造方
    法。
  8. 【請求項８】 トランジスタ素子であって、 半絶縁層のＩｎ１−ｘ１−ｙ１Ｇａｘ１Ａｌｙ１Ｎの層上で、ｎタイプのＩｎ １−ｘ１−ｙ１ Ｇａｘ１Ａｌｙ１Ｎの導電性のチャネル層が形成されており、前
    記チャネル層上にＩｎ１−ｘ２−ｙ２Ｇａｘ２Ａｌｙ２Ｎ及びＩｎ１−ｘ３−ｙ ３ Ｇａｘ３Ａｌｙ３Ｎからなるｎタイプの超格子層が形成されており、前記Ｉｎ １−ｘ２−ｙ２ Ｇａｘ２Ａｌｙ２Ｎの格子定数が前記Ｉｎ１−ｘ１−ｙ１Ｇａｘ １ Ａｌｙ１Ｎの格子定数よりも大きく、前記Ｉｎ１−ｘ３−ｙ３Ｇａｘ３Ａｌｙ ３ Ｎの格子定数が前記Ｉｎ１−ｘ１−ｙ１Ｇａｘ１Ａｌｙ１Ｎの格子定数よりも
    小さく、式中、ｘ１、ｘ２、及びｘ３がＧａＮのモル分率を規定し、ｙ１、ｙ２
    、及びｙ３がＡｌＮのモル分率を規定しており、前記超格子層の有効なバンドギ
    ャップがＩｎ１−ｘ１−ｙ１Ｇａｘ１Ａｌｙ１Ｎの層のバンドギャップよりも大
    きいことを特徴とするトランジスタ素子。
  9. 【請求項９】 トランジスタ素子であって、 Ｉｎ１−ｘ１−ｙ１Ｇａｘ１Ａｌｙ１Ｎ及びＩｎ１−ｘ２−ｙ２Ｇａｘ２Ａｌ ｙ２ Ｎからなる第１タイプの導電率の超格子のコレクタ層が形成されており、前
    記コレクタ層上に反対タイプの導電率のＩｎ１−ｘ３−ｙ３Ｇａｘ３Ａｌｙ３Ｎ
    のベース層が形成されており、前記ベース層上に第１タイプの導電率の超格子の
    タイプのＩｎ１−ｘ１−ｙ１Ｇａｘ１Ａｌｙ１Ｎ及びＩｎ１−ｘ２−ｙ２Ｇａｘ ２ Ａｌｙ２Ｎのエミッタ層が形成されており、前記Ｉｎ１−ｘ１−ｙ１Ｇａｘ１ Ａｌｙ１Ｎの格子定数が前記Ｉｎ１−ｘ３−ｙ３Ｇａｘ３Ａｌｙ３Ｎのベース層
    の格子定数よりも大きく、前記Ｉｎ１−ｘ２−ｙ２Ｇａｘ２Ａｌｙ２Ｎの格子定
    数が前記Ｉｎ１−ｘ３−ｙ３Ｇａｘ３Ａｌｙ３Ｎのベース層の格子定数よりも小
    さく、前記Ｉｎ１−ｘ３−ｙ３Ｇａｘ３Ａｌｙ３Ｎのベース層のバンドギャップ
    がＩｎ１−ｘ１−ｙ１Ｇａｘ１Ａｌｙ１Ｎ及びＩｎ１−ｘ２−ｙ２Ｇａｘ２Ａｌ ｙ２ Ｎの超格子層の有効なバンドギャップよりも大きく、式中、ｘ１、ｘ２、及
    びｘ３がＧａＮのモル分率を規定し、及びｙ１、ｙ２、及びｙ３がＡｌＮのモル
    分率を規定していることを特徴とするトランジスタ素子。
  10. 【請求項１０】 半導体レーザダイオードであって、 所定の導電タイプのＩｎ１−ｘ１−ｙ１Ｇａｘ１Ａｌｙ１Ｎの上で、Ｉｎ１− ｘ２−ｙ２ Ｇａｘ２Ａｌｙ２Ｎ及びＩｎ１−ｘ３−ｙ３Ｇａｘ３Ａｌｙ３Ｎから
    なる所定の導電タイプの超格子層が形成されており、前記Ｉｎ１−ｘ２−ｙ２Ｇ
    ａｘ２Ａｌｙ２Ｎの格子定数がＩｎ１−ｘ１−ｙ１Ｇａｘ１Ａｌｙ１Ｎの格子定
    数よりも大きく、前記Ｉｎ１−ｘ３−ｙ３Ｇａｘ３Ａｌｙ３Ｎの格子定数がＩｎ １−ｘ１−ｙ１ Ｇａｘ１Ａｌｙ１Ｎの格子定数よりも小さく、前記超格子層上に
    活性層が形成されており、前記活性層上にＩｎ１−ｘ４−ｙ４Ｇａｘ４Ａｌｙ４ Ｎ及びＩｎ１−ｘ５−ｙ５Ｇａｘ５Ａｌｙ５Ｎからなる反対の導電タイプの超格
    子層が形成されており、前記Ｉｎ１−ｘ４−ｙ４Ｇａｘ４Ａｌｙ４Ｎの格子定数
    が前記材料の格子定数よりも大きく、前記Ｉｎ１−ｘ５−ｙ５Ｇａｘ５Ａｌｙ５ Ｎの格子定数がＩｎ１−ｘ１−ｙ１Ｇａｘ１Ａｌｙ１Ｎの格子定数よりも小さく
    、前記反対の導電タイプの超格子層上に反対の導電タイプのＩｎ１−ｘ６−ｙ６ Ｇａｘ６Ａｌｙ６Ｎが形成されており、式中、ｘ１、ｘ２、ｘ３、ｘ４、ｘ５及
    びｘ６がＧａＮのモル分率を規定し、及びｙ１、ｙ２、ｙ３、ｙ４、ｙ５及びｙ
    ６がＡｌＮのモル分率を規定していることを特徴とする半導体レーザダイオード
    。
  11. 【請求項１１】 半導体レーザダイオードであって、 所定の導電タイプのＧａＮの第１クラッド層上にＡｌｘａｌＧａ１−ｘａｌＮ
    ／ＩｎｘｉＧａ１−ｘｉＮの前記所定の導電タイプの超格子の第２クラッド層が
    形成されており、前記第２クラッド層上にＩｎｘａＧａ１−ｘａＮのシングル量
    子井戸の活性層が形成されており、前記活性層上に反対の導電タイプのＡｌｘａ ｌ Ｇａ１−ｘａｌＮ／ＩｎｘｉＧａ１−ｘｉＮの超格子の第３クラッド層が形成
    されており、前記第３クラッド層上に反対の導電タイプのＧａＮの第４クラッド
    層が形成されており、式中、ｘａｌがＡｌＮのモル分率を規定し、ｘｉ及びｘａ
    がＩｎＮのモル分率を規定し、及びｘｉ及びｘａがｘａ＞ｘｉの関係を有してい
    ることを特徴とする半導体レーザダイオード。
  12. 【請求項１２】 ウインドウ領域を有するＡｌｘｂＧａ１−ｘｂＮの電流ブロッ
    ク層が、前記ＡｌｘａｌＧａ１−ｘａｌＮ／ＩｎｘｉＧａ１−ｘｉＮの超格子の
    第３クラッド層において形成されており、前記ＡｌｘｂＧａ１−ｘｂＮの電流ブ
    ロック層を含む前記ＡｌｘａｌＧａ１−ｘａｌＮ／ＩｎｘｉＧａ１−ｘｉＮの第
    ３の超格子層が反対の導電タイプを有しており、式中、ｘｂがＡｌＮのモル分率
    を規定し、及びｘｂ及びｘａｌがｘｂ＞ｘａｌの関係を有している請求項２記載
    の半導体レーザダイオード。
  13. 【請求項１３】 半導体レーザダイオードであって、 所定の導電タイプのＧａＮの第１クラッド層上に、ＡｌｘａｌＧａ１−ｘａｌ Ｎ／ＩｎｘｉＧａ１−ｘｉＮの前記所定の導電タイプの超格子の第２層が形成さ
    れており、前記第２層上にＩｎＧａＮのマルチプル量子井戸の活性層が形成され
    ており、前記活性層上に反対の導電タイプのＡｌｘａｌＧａ１−ｘａｌＮ／Ｉｎ ｘｉ Ｇａ１−ｘｉＮの超格子の第３層が形成されており、前記第３層上に反対の
    導電タイプのＧａＮの第４クラッド層が形成されており、式中、ｘａｌがＡｌＮ
    のモル分率を規定し、ｘｉがＩｎＮのモル分率を規定していることを特徴とする
    半導体レーザダイオード。
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