JP2002540638A - 相分離の少ないiii族窒化物4元材料系を用いた半導体構造体および加工方法 - Google Patents
相分離の少ないiii族窒化物4元材料系を用いた半導体構造体および加工方法Info
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Abstract
Description
用可能なIII族窒化物材料系および方法に関する。
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装置の断面図を
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(Ga
N)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−La
yer 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、In0.02Ga0.98 N/In0.15Ga0.85N MQW(Multiple Quantum
Well;多量子井戸)活性層50を形成した後、p型Al0.2Ga0.8 Nクラッド層55、p型GaNクラッド層60、p型Al0.14Ga0.86 N/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。
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 .1 Ga0.9N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。
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4
0、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Al0.14 Ga0.86N/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。
いオーダ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。
。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
ルを有する紫外光を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。
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InGaAlN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、InGaA
lN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、I
nGaAlN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
。
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
。
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。
質なInGaAlN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。
+1.2yがほぼ一定値であるという条件を満たす場合、InGaAlN等の4
元材料系が、十分な均質性を再現的に与えて、相分離を実質的に減らすことが分
かっている。
N材料からなる第1層、InGaAlN活性層、および反対の導電性のInGa
AlN材料からなる層を含む。式x+1.2yがほぼ一定、例えば1のオーダま
たはほぼ1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。
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InGaAlNの組成物であり、活
性層は第2の組成物のInGaAlNであり、第2クラッド層は第1層の組成を
有するInGaAlNの反対の導電型である。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作動も可能にする。
体は、順次積層された、第1の導電型のIn1−x1−y1Gax1Aly1N
材料からなる第1クラッド層、In1−X2−y2Gax2Aly2N材料の活
性層、および反対の導電型のIn1−x3−y3Gax3Aly3N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
GaNモル比を示し、y1、y2およびy3はAlNモル比を示し、かつx1、
y1、x2、y2、x3およびy3は、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、EgI nN (1−x1−y1)+EgGaNx1+EgAlNy1>EgInN(1−
x2−y2)+EgGaNx2+EgAlNy2、およびEgInN(1−x3
−y3)+EgGaNx3+EgAlNy3>EgInN(1−x2−y2)+
EgGaNx2+EgAlNy2(式中、EgInN、EgGaNおよびEgA lN はそれぞれInN、GaN、AlNのバンドギャップエネルギー)なる関係
を有する。
AlN層の例示的実施態様は、0<x+y<1かつ1<=x/0.80+y/0
.89なる関係を満たすGa含量xおよびAl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+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+EgAlN y2、およびEgInN(1−x3−y3)+EgGaNx3+EgAlNy3
>EgInN(1−x2−y2)+EgGaNx2+EgAlNy2なる関係を
有する場合、活性層のInGaAlN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GaNモル比xwおよびAlNモル比yw
が、0<xw+yw<1かつ1<=x/0.80+y/0.89なる関係を満た
す、InGaAlN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。
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。
は1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y
sはそれぞれ各構成層におけるGaNモル比およびAlNモル比である。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。
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GaNモル
比を示し、y1、y2およびy3はAlNモル比を示し、かつx1、y1、x2
、y2、x3およびy3は、0<x1+y1<1、0<x2+y2<1、0<x
3+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、およびEgInN(1−x3−y3)+
EgGaNx3+EgAlNy3>EgInN(1−x2−y2)+EgGaN x2+EgAlNy2なる関係を有する。式中、EgInN、EgGaNおよび
EgAlNはそれぞれInN、GaN、AlNのバンドギャップエネルギーであ
る。
量およびGa含量の分布を有し、各InGaAlN層のGa含量x、Al含量y
が、0<x+y<1かつ1<=x/0.80+y/0.89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+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)+E
gGaNx1+EgAlNy1>EgInN(1−x2−y2)+EgGaNx
2+EgAlNy2、およびEgInN(1−x3−y3)+EgGaNx3+
EgAlNy3>EgInN(1−x2−y2)+EgGaNx2+EgAlN y2なる関係を有する場合、活性層のInGaAlN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。
aNモル比xwおよびAlNモル比ywが、0<xw+yw<1かつ1<=x/
0.80+y/0.89なる関係を満たすInGaAlN単一または多重量子井
戸活性層を含む。また、xs+1.2ysが1のオーダまたは1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GaNモル比およびAlNモル比である。同様のパラメーターを
サファイア、二酸化ケイ素等の他の基板に適用する。
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 electrica
l quality GaN layers using low-pressure metalorganic chemical vapor depo
sition)」、Appl. Phys. Lett. 58(5)、1991年2
月4日、第526頁以下を参照のこと。
であろう。
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。第1の実施態様のダイオード。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In0.05Ga0.75Al0.2N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In0.01Ga0 .96 Al0.03N材料の3層の量子井戸層と、厚さ約35ÅのIn0.02 Ga0.85Al0.13N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In0.05Ga0.75Al0.2Nからなる第3クラッド層12
0(典型的には厚さ約1.5mm)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1
45をSiO2層130および窓領域135の上に形成する。
層のInNモル比、GaNモル比およびAlNモル比をそれぞれ0.01、0.
96および0.03とする。相分離による欠陥を防ぐために、各層におけるGa
Nモル比xおよびAlNモル比yを、x+1.2yがほぼ一定値になるという条
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。ほとんどの
実施態様は1±0.05の範囲に入るであろうが、例示的実施態様において、該
一定値は1付近、例えば1±0.1とする。
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1
15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。
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。
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5.5kA/cm2であることが分かる。
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In0.05Ga0.75Al 0.2 N第2クラッド層110を典型的には厚さ約1.5μmで形成する。
バリア層を4層と、それぞれ厚さ約35ÅのIn0.01Ga0.96Al0. 03 N材料を3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In0.05Ga0.7 5 Al0.2N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。
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4
C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。
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
。
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In0.05Ga0.75Al0.2N材料からなるn型第2クラッド層11
0を形成する。その後、厚さ約35ÅのIn0.01Ga0.96Al0.03 N材料からなる3層の井戸層とやはり厚さ約35ÅのIn0.02Ga0.85 Al0.13N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In0.05Ga0.75Al0.2N
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Ga
N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5
00を作る。次に、二酸化ケイ素(SiO2)層130を、第3クラッド層12
0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2.0
μm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。
光を放出するために、井戸層におけるInN、GaNおよびAlNのモル比をそ
れぞれ0.01、0.96および0.03とする。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GaNモル比xおよび
AlNモル比yがx+1.2がほぼ一定値であるという条件を満たす。第1の実
施態様と同様に、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x+1.2yをほぼ1に等しくする。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。
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(Dn)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。
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32.
5mAであることが分かる。
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。
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11
5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。
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。
。第3の実施態様は若干異なるモル比を与えて青色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G
aN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In0.15Ga0.84Al0.01N材料から
なるバリア層と4層のIn0.16Ga0.80Al0.04N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In 0.15 Ga0.70Al0.15N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In0.15Ga0.70Al0.15N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。
5内のInN、GaNおよびAlNのモル比をそれぞれ0.15、0.84およ
び0.15とする。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GaNモル比xおよびAlNモル比yを、x+1.2
が約0.85±0.1でほぼ一定値に等しいという条件を満たすようにする。前
記の通り、ほとんどの実施態様は0.85±0.05の範囲である。
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。
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5.0kA/cm2であることが分かる。
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。
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の実施態様と同じモル比を有する。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。モル比が図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。
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。材料のInN、GaNおよびAlNのモル比は、図8に対して示した
まま、すなわちそれぞれ0.15、0.84および0.01のままである。同様
に、層のGaNモル比xおよびAlNモル比yを、先の実施態様と同様に、x+
1.2が約0.85±0.1で一定値に等しいか、または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。
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2
8.5mAであることが分かる。
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。
InGaAlN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
対モル比が、0<x+y<1、1<=x/0.80+y/0.89なる関係をほ
ぼ満たす必要がある。
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。InN−AlN線および境界線により囲まれた領域は相分離含
有領域を示す。3元合金InAlNおよびInGaNは、InNとAlNとの間
、およびInNとGaN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では、AlNとGaN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。
あるInGaAlN材料系を得ることができることが分かっている。同様に、I
nGaAlNのIn分、Ga分およびAl分の相分離は、約500℃と約100
0℃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InGaAlN中のGa分およびAl分の含量選択領域は、x/
0.80+y/0.89=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。
モル比yが0<x+y<1、1<=x/0.80+y/0.89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500℃と約1000℃との間の結晶成長温度で操作すること
により、InGaAlN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In原子、Ga原子およびAl原子分布が実
質的に均一となる。
nGaAlN系中のGa含量xおよびAl含量yの含量選択線を示す。図16の
線はx+1.2y=1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InGaAlN層のGa含量およびAl含量が、x+
1.2yがほぼ1に等しく、かつ0<x+y<1、1<=x/0.80+y/0
.89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。
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AlG
aN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。
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、In 1−x−y GaxAlyNの4元材料系は、GaNモル比(x)およびAlNモ
ル比(y)が、0<x+y<1、1<=x/0.8+y/0.89およびx+1
.2y=1±0.1なる関係を満たす場合、3.1eV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、GaNモル比xおよびAlNモル比yが
前記の関係を満たす、本発明によるInGaAlN/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が実現する。
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。G
aN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InGaAlN層5
35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、InGaAlN層のGaNモル
比xおよびAlNモル比yをそれぞれ0.64および0.3に設定する。この場
合、xおよびyの値は、0<x+y<1、1<=x/0.8+y/0.89、お
よびx+1.2y=1±0.1なる関係を満たす。これにより、InGaAlN
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、InGaAlNとG
aN層とのヘテロ接合面内で形成された2次元電子ガスは、InGaAlN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、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。
)の実施態様を示す。GaN基板550上に、厚さ400nmのn型InGaA
lNコレクタ層555を形成し、次いで、厚さ50nmのp型GaNベース層5
60および厚さ300nmのエミッタ層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、InGaAlN層のGaNおよび
AlNモル比xおよびyをそれぞれ0.64および0.3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InGaAlN層が実現され、非
常に高品質のInGaAlN/GaNのヘテロ接合が得られる。さらに、InG
aAlN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InGaAlN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、InGaAlN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
。
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(Ga
Nの場合3.5eVであり、200nmの光波長に相当し、AlNの場合6.2
eVであり、350nm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。
+y/0.89なる関係を満たすIn1−x−yGaxAlyN4元材料は、バ
ンドギャップが3.1eV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、InGaAlN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、GaNモル比xおよびAlNモル比yが、x+1.
2y=1なる関係を満たすIn1−x−yGaxAlyN4元材料は、GaNに
等しい格子定数を有する。したがって、GaNモル比xおよびAlNモル比yが
前記の関係を満たすInGaAlN/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。
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。Ga
N基板700上に、InGaAlN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。
比yをそれぞれ0.64および0.3に設定する。この場合、xおよびyの値は
、0<x+y<1、1<=x/0.8+y/0.89およびx+1.2y=1な
る関係を満たし、InGaAlN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、InGaAlN
/GaNの高品質なヘテロ接合を形成することができる。InGaAlNエミッ
タ層のバンドギャップ(4.2eVであり、290nm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、
290nm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InGaAlN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。
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n
型GaN第1クラッド層905を形成する。図18に関して前記した関係に合致
するIn1−x−yGaxAlyN4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
In1−x−yGaxAlyN4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92
0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9
20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9
10、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p
n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。
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。
す図である。
ある。
程を示す。
ある。
程を示す。
連の加工工程を示す。
連の加工工程を示す。
形成するプロット図である。
中のGa含量およびAl含量の含量選択領域を示す。
的に等しいInGaAlN格子定数を作る、GaAlN中のGa含量およびAl
含量の含量選択線を示す。
ンジスタを示す。
Claims (19)
- 【請求項1】 半導体構造体であって、該半導体構造体が、 第1の導電型を有するInGaAlN材料からなる第1クラッド層、 InGaAlN活性層、および 第1の導電型と反対の導電型を有するInGaAlN材料からなる第2クラッ
ド層を含み、相分離を最小限にするように各層の構成要素のモル比を選択した、
半導体構造体。 - 【請求項2】 半導体構造体体であって、該半導体構造体が、 第1の導電型を有するInGaAlN材料からなる第1クラッド層、 InGaAlN活性層、および 第1の導電型と反対の導電型を有するInGaAlN材料からなる第2クラッ
ド層を含み、相分離を最小限にするように各層の結晶成長温度および構成要素の
モル比を選択した、半導体構造体。 - 【請求項3】 全ての構成層のGaNモル比xおよびAlNモル比yが、x+1
.2yが一定値にほぼ等しいという条件を満たす、請求項1記載の発光素子。 - 【請求項4】 全ての構成層のGaNモル比xおよびAlNモル比yが、x+1
.2yが1にほぼ等しいという条件を満たす、請求項1記載の発光素子。 - 【請求項5】 発光素子であって、該発光素子が、 第1の導電型の相分離のないInGaAlN第1クラッド層、相分離のないI
nGaAlN活性層、および第2の導電型の相分離のないInGaAlN第2ク
ラッド層を含み、該InGaAlN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。 - 【請求項6】 全ての構成層のGaNモル比xおよびAlNモル比yが、x+1
.2yが一定値にほぼ等しいという条件を満たす、請求項4記載の発光素子。 - 【請求項7】 全ての構成層のGaNモル比xおよびAlNモル比yが、x+1
.2yが1にほぼ等しいという条件を満たす、請求項4記載の発光素子。 - 【請求項8】 発光素子であって、該発光素子が、 ある導電型のGaN第1クラッド層、該導電型のIn1−x1−y1Gax1 Aly1N第2クラッド層、In1−x2−y2Gax2Aly2N活性層、反
対の導電型のIn1−x1−y1Gax1Aly1N第3クラッド層、反対の導
電型のGaN第4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がガリウムのモル比を示し、y1およびy2がアルミニウム
のモル比を示し、かつx1、y1、x2およびy2が、0<x1+y1<1、0
<x2+y2<1、1<=x1/0.80+y1/0.89、1<=x2/0.
80+y2/0.89、およびEgInN(1−x1−y1)+EgGaNx1
+EgAlNy1>EgInN(1−x2−y2)+EgGaNx2+EgAl N y2(式中EgInN、EgGaNおよびEgAlNはそれぞれInN、Ga
NおよびAlNのバンドギャップエネルギー)なる関係を有する、発光素子。 - 【請求項9】 前記活性層が、前記活性層の全ての構成層のGaNモル比xwお
よびAlNモル比ywが、0<xw+yw<1かつ1<=x/0.80+y/0
.89なる関係を満たすInGaAlN単一または多重量子井戸活性層である、
請求項7記載の発光素子。 - 【請求項10】 xs+1.2ysが一定値にほぼ等しいという条件を満たし、
xsおよびysがそれぞれ各構成InGaAlN層におけるGaNモル比および
AlNモル比である、請求項7記載の発光素子。 - 【請求項11】 xs+1.2ysが1にほぼ等しいという条件を満たし、xs
およびysがそれぞれ各構成InGaAlN層におけるGaNモル比およびAl
Nモル比である、請求項7記載の発光素子。 - 【請求項12】 発光素子であって、該発光素子が、 ある導電型のIn1−x1−y1Gax1Aly1N第1クラッド層の該導電
型、In1−x2−y2Gax2Aly2N活性層、反対の導電型のIn1−x 3−y3 Gax3Aly3N第2クラッド層を含み、該In1−x3−y3Ga x3 Aly3N第2クラッド層がリッジストリクトを有し、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がガリウムのモル比を示し
、y1、y2およびy3がアルミニウムのモル比を示し、かつx1、y1、x2
、y2、x3およびy3が、0<x1+y1<1、0<x2+y2<1、0<x
3+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、およびEgInN(1−x3−y3)+
EgGaNx3+EgAlNy3>EgInN(1−x2−y2)+EgGaN x2+EgAlNy2(式中EgInN、EgGaNおよびEgAlNはそれぞ
れInN、GaNおよびAlNのバンドギャップエネルギー)なる関係を有する
、発光素子。 - 【請求項13】 前記活性層が、前記活性層の全ての構成層のGaNモル比xw
およびAlNモル比ywが、0<xw+yw<1かつ1<=x/0.80+y/
0.89なる関係を満たすInGaAlN単一または多重量子井戸活性層である
、請求項11記載の発光素子。 - 【請求項14】 xs+1.2ysが一定値にほぼ等しいという条件を満たし、
xsおよびysがそれぞれ各構成InGaAlN層におけるGaNモル比および
AlNモル比である、請求項11記載の発光素子。 - 【請求項15】 xs+1.2ysが1にほぼ等しいという条件を満たし、xs
およびysがそれぞれ各構成InGaAlN層におけるGaNモル比およびAl
Nモル比である、請求項11記載の発光素子。 - 【請求項16】 光検出素子であって、該光検出素子が、 ある導電型の相分離のないInGaAlNコレクタ層、反対の導電型の相分離
のないInGaAlNベース層、前記ある導電型の導電型の相分離のないInG
aAlNエミッタ層を含み、全ての層が順次積層されている光検出素子であって
、該InGaAlNベース層のバンドギャップが他のInGaAlN層よりも小
さい、光検出素子。 - 【請求項17】 前記構成InGaAlN層のGaNモル比xおよびAlNモル
比yが、0<x+y<1、1<=x1/0.80+y1/0.89なる関係を満
たす、請求項16記載の光検出素子。 - 【請求項18】 全ての構成層のGaNモル比xおよびAlNモル比yが、x+
1.2yが一定値にほぼ等しいという条件を満たす、請求項16記載の光検出素
子。 - 【請求項19】 全ての構成層のGaNモル比xおよびAlNモル比yが、x+
1.2yが1にほぼ等しいという条件を満たす、請求項16記載の光検出素子。
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