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JP3869641B2 - 半導体装置及び半導体レーザ装置 - Google Patents

半導体装置及び半導体レーザ装置 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及び半導体レーザ装置に関し、特に半導体表面を有する基板上に、その半導体表面の格子定数とは異なる格子定数を有する半導体材料からなる歪層が配置されている半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）や分子線エピタキシ（ＭＢＥ）に代表される半導体結晶成長法の進歩により、基板に格子定数が一致せず、歪を持った半導体層の成長が可能になった。この歪層を利用して、半導体装置の性能向上が図られてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
半導体装置に用いられる歪層に導入できる歪量あるいは歪層の厚さには臨界値がある。この臨界値は、それぞれ臨界歪及び臨界膜厚と呼ばれる。これは、結晶の種類によって決まる弾性限界を歪応力が上回った場合にミスフィット（結晶）転位が発生し、半導体装置の性能に悪影響を与えるためである。半導体装置の作製直後にミスフィット転位がない場合でも、長期間の使用による熱履歴等によってミスフィット転位が発生する場合が想定される。半導体装置の信頼性を高めるために、臨界歪及び臨界膜厚に対して十分なマージンを確保しておく必要がある。
【０００４】
歪層の歪量や厚さに課される制限により、歪量子井戸半導体レーザ装置や高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）等の自由な設計が制約される。傾斜基板を用いることで歪層内の空格子の発生を抑制する技術が、例えば特開平７−３１２４６１号公報に開示されているが、その効果は十分とはいえない。
【０００５】
また、波長１．３μｍで発振するＩｎＧａＡｓＰ系歪量子井戸を用いた半導体レーザ装置には、格子定数の制約から通常ＩｎＰ基板が用いられる。ＧａＡｓ基板を用いると、より高い温度特性が期待されるが、要求されるＩｎＧａＡｓＰ歪層の歪量が臨界値を超える。このため、ＩｎＧａＡｓＰ系半導体レーザ装置にＧａＡｓ基板を用いることは困難である。
【０００６】
また、多重量子井戸構造の井戸層及びバリア層としてＩｎ0.12Ｇａ0.88Ｎ及びＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎが用いられ、光閉じ込め層としてＧａＮが用いられる青色半導体レーザ装置においては、これらの材料に格子整合する適当な基板がないため、歪層の採用が避けられない。このため、臨界歪により設計上の制約を受ける。
【０００７】
本発明の目的は、結晶学的に高品質な歪層を作製可能な構造を有する半導体装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、第１の半導体材料が表出した主表面を有する基板と、前記基板の主表面上に配置され、前記第１の半導体材料の格子定数とは異なる格子定数を有する第２の半導体材料からなり、凹凸を有する上面を画定する微細構造体と、前記微細構造体の上に配置され、下地の格子定数とは異なる格子定数を有する第３の半導体材料からなる歪層とを有し、前記歪層の厚さが、前記第１の半導体材料からなる基板上に前記第３の半導体材料からなる層を直接成長させた時に成長し得る臨界膜厚よりも厚い半導体装置が提供される。
【０００９】
歪層と基板との間に微細構造体が配置されているため、歪層を、その臨界膜厚を超えて成長させることができる。これは、微細構造体により、歪層内の歪応力のベクトルの向きにばらつきが生ずるためと考えられる。
【００１０】
本発明の他の観点によると、半導体材料で形成され、上面の格子定数が面内で均一ではない下地基板と、前記下地基板の表面上に形成され、半導体材料からなり、基板上に直接成長させた時に成長し得る臨界膜厚よりも厚く、歪を内在する歪層とを有する半導体装置が提供される。
【００１１】
下地基板の上面の格子定数が面内で均一ではないため、歪層内の歪応力のベクトルの向きにばらつきが生ずる。このため、歪層が滑りにくくなり、臨界膜厚を超えて歪層を成長させることが可能になる。
【００１２】
本発明の他の観点によると、第１導電型の半導体材料で形成された基板と、前記基板の上に配置され、上面の格子定数を面内で不均一にする微細構造体と、前記微細構造体の上に配置され、半導体材料からなり、歪を内在する歪活性層と、前記歪活性層の上に形成され、前記基板の格子定数と等しい格子定数を有し、前記第１導電型とは逆の第２導電型の半導体材料で形成されたクラッド層と、前記基板と前記クラッド層との間に電流を流すための電極とを有し、 前記歪活性層が、前記基板上に直接成長させた時に成長し得る臨界膜厚よりも厚い半導体レーザ装置が提供される。
【００１３】
微細構造体が配置されているため、歪活性層を臨界膜厚よりも厚くすることができる。歪活性層が厚くなると、発光波長は長くなる。これにより、発光波長の選択の自由度が高まる。
【００１４】
本発明のさらに他の観点によれば、 第１の半導体材料が表出した主表面を有する基板と、前記基板の主表面上に配置され、前記第１の半導体材料の格子定数とは１％以内で格子整合する格子定数を有し、Ｉｎを含む第２の半導体材料からなる下地層と、前記下地層の上に配置され、下地となる半導体材料の格子定数とは異なる格子定数を有する第３の半導体材料からなる歪半導体層とを有し、前記歪半導体層の厚さが、前記第１の半導体材料からなる基板上に前記第３の半導体材料からなる層を直接成長させた時に成長し得る臨界膜厚よりも厚い半導体装置が提供される。
【００１５】
Ｉｎを含む層は表面にＩｎを偏析させ、その上に臨界膜厚を越えた半導体膜をミスフィット転位を生じることなく成長させ得る。
【００１６】
【発明の実施の形態】
まず、下地結晶上に格子定数の異なる結晶層を成長した場合、歪によりミスフィット転位が生じる臨界膜厚ｈcとして、一般にマシューズ・ブレイクスリー（Ｊ．Ｗ Ｍａｔｔｈｅｗｓ ＆ Ａ．Ｅ．Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ，Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ Ｖｏｌ２７，ｐ．１１８，１９７４）によって導き出された次の式が用いられる。
【００１７】
【式】
Figure 0003869641
ここで、νはポアソン比、ｂはバーガースベクトルの大きさ、λは転位の滑り方向と成長面の角度、αはバーガースベクトルと転位線の角度である。
【００１８】
図６は、ＧａＡｓ層に挟まれたＩｎ1-xＧａxＡｓ層の臨界膜厚を組成ｘに対して計算した結果を示す（Ａ．Ｏｋａｍｏｔｏ ｅｔ ａｌ，ＪＪＡＰ，Ｖｏｌ２６，ｐ，５３９，１９８７）。組成ｘが大きくなるにつれ、臨界膜厚ｈcは小さくなる。たとえば、組成ｘが０．３以上であれば、臨界膜厚ｈcは約１０ｎｍ以下となる。
【００１９】
図１を参照して、本発明の実施例による半導体装置の構造及び製造方法について説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施例による半導体装置の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真をスケッチした図である。ＧａＡｓ基板１０の主表面上に厚さ０．５μｍのＧａＡｓバッファ層１が形成されている。当然、バッファ層１は、基板１０と格子整合している。なお、ＧａＡｓバッファ層１が、その上の各層よりも十分厚いため、ＴＥＭ写真ではＧａＡｓ基板１０は観察されない。
【００２１】
ＧａＡｓバッファ層１の主表面上に、ＩｎＧａＡｓからなる微細構造体２が形成されている。微細構造体２は、離散的に分布する複数の島状領域２ａを含んで構成される。図１では、島状領域２ａが配置されている領域のＧａＡｓバッファ層１の表面が窪んでいるように見えるが、結晶の歪場の広がりが観察されているためである。半導体層を組成で区分した場合には、ＧａＡｓバッファ層１の表面は平坦である。
【００２２】
基板表面の法線方向に沿って見たときの各島状領域２ａの大きさにはばらつきがあるが、最も大きなもので約５０ｎｍであり、平均は約２０ｎｍである。ＧａＡｓバッファ層１の表面のうち島状領域２ａの配置されていない領域は、数原子層程度のＩｎＧａＡｓの薄い層で覆われている。島状領域２ａの内部においては、ＧａＡｓバッファ層１の表面から遠ざかるに従って、歪が徐々に緩和されていると思われる。
【００２３】
すなわち、島状領域２ａの格子定数は、下面から上面に近づくに従って、ＧａＡｓの格子定数からＩｎＧａＡｓの格子定数に徐々に近づいていると考えられる。また、島状領域２ａ以外の薄い層の内部においては、歪がほとんど緩和されていないと考えられる。すなわち、薄い層の面内方向の格子定数は、ＧａＡｓバッファ層１の格子定数とほぼ等しいと考えられる。したがって、微細構造体２の上に成長する膜の臨界膜厚は、微細構造体２の格子定数を基準として定めるべきであるが、近似的にバッファ層を基準としてもよいであろう。基板の主表面内において、島状領域の占める割合が１％以上であることが好ましいと考えられる。
【００２４】
微細構造体２の上に、ＧａＡｓからなる厚さ４０ｎｍのスペーサ層３とＩｎxＧａ1-xＡｓからなる歪層４とが、交互に積層されている。歪層４の組成比及び層数を変えて、複数の試料を作製した。スペーサ層３の表面は、ほぼ本来のＧａＡｓの格子定数を有すると考えられる。歪層４は、下地となるスペーサ層に対して大きな格子不整を有する。
【００２５】
ＧａＡｓバッファ層１、ＧａＡｓスペーサ層３、及びＩｎＧａＡｓ歪層４は、有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）により成長させた。成長温度は５２５℃であり、Ｉｎ原料としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）、Ｇａ原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ａｓ原料としてアルシン（ＡｓＨ3）を用いた。
【００２６】
微細構造体２は、例えばストランスキ−クラスタノフ（Stranski-Krastanov）モードを利用したＭＯＶＰＥにより形成される。本実施例のように、微細構造体２が化合物半導体で形成されている場合には、一方の族の原料を先に少量供給し、その後に、他方の族の原料を供給する方法によっても、形成することができる。一方の族の原料が基板面上にドロップレットを形成し、これが面内不均一の原因になるためである。以下、実施例による半導体装置の作製に用いた微細構造体２の成長方法について簡単に説明する。
【００２７】
成長温度は、５２５℃とした。Ｉｎ原料としてトリメチルインジウムジメチルエチルアミンアダクト（ＴＭＩＤＭＥＡ）、Ｇａ原料としてＴＥＧ、Ａｓ原料としてＡｓＨ3を用いた。ＴＭＩＤＭＥＡ、ＡｓＨ3、ＴＥＧ、及びＡｓＨ3をこの順番に供給する手順を１サイクルとし、１２サイクルを実施することにより微細構造体２を形成した。基板表面のうち島状領域２ａが被覆する領域の面積は、全体の１％以上であった。
【００２８】
図２に、ＧａＡｓ層に挟まれたＩｎxＧａ1-xＡｓ層の膜厚とフォトルミネッセンス波長との関係及び臨界膜厚を、ＩｎxＧａ1-xＡｓ層の組成比ごとに示す。横軸はＩｎxＧａ1-xＡｓ層の膜厚を単位「ｎｍ」で表し、縦軸はフォトルミネッセンス波長を単位「μｍ」で表す。図中の４本の曲線は、それぞれＩｎの組成比ｘが０．３、０．４、０．５、及び０．６の場合のフォトルミネッセンス波長と膜厚との関係の計算結果を示す。
【００２９】
図中の４つの黒丸記号は、それぞれ図１に示す実施例の半導体装置のＩｎＧａＡｓ歪層のＩｎの組成比ｘを種々異ならせて作製した４つの試料に対応する。黒丸記号は、４つの試料のフォトルミネッセンス波長と当該試料のＩｎ組成比に対応する位置にプロットされている。なお、フォトルミネッセンス波長は、試料温度を７７Ｋとして測定した。黒丸記号の横軸上の位置から、各試料のＩｎＧａＡｓ層の厚さを知ることができる。
【００３０】
図中の破線ＣＴは、ＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｓ層を直接成長させる場合の理論上の臨界膜厚を示す。なお、理論上の臨界膜厚として、マシューズ・ブレークスリーによる式を用いた（J.W.Matthews and A.E.Blackeslee, J. Cryst. Growth vol.27, p.118, 1974）。
【００３１】
図２から、実施例による半導体装置の構造とすることにより、ＧａＡｓ基板上に、計算により求められる臨界膜厚よりも厚いＩｎＧａＡｓ層を形成できることがわかる。臨界膜厚以下の膜厚のＩｎＧａＡｓ層では実現できないような長波長の発光が観測されている。
【００３２】
上述のように、実施例による構造を採用することにより、臨界膜厚以上の歪層を成長させることができる理由は、以下のように考えられる。
【００３３】
まず、ＧａＡｓ基板の表面上にＩｎＧａＡｓ歪層を直接成長させる場合を考える。歪層内の、基板面に平行な方向の結晶歪が、基板からの貫通転位を引っ張る。歪応力が転位線の張力を超えると、歪層の一部が基板面方向に滑る。歪層が滑ることによって転位線の長さが伸び、歪エネルギが解放される。
【００３４】
図１に示す実施例による構造の場合には、微細構造体２により、面内方向に関して不均一な歪場が誘起されると考えられる。この不均一な歪場が、貫通転位にかかる歪応力の向きにばらつきを生じさせる。例えば、歪応力のベクトルは、図１に示す島状領域２ａを中心として面内に放射状に広がるか、または島状領域２ａに向かうように集中するであろう。このため、ＧａＡｓ基板上に歪層を直接成長させる場合に比べて、歪応力の大きさが同じでも、歪層を面方向に滑らせる力が小さくなる。このため、歪層が、面方向に滑りにくい。
【００３５】
以上説明したように、上記実施例による半導体装置の構造を採用することにより、臨界歪以上の歪を有する歪層、もしくは臨界膜厚以上の厚さの歪層を形成することが可能になる。また、歪層の歪量または膜厚が臨界値以下の場合には、上記実施例の構造を採用することにより、歪層の結晶学的安定性を高めることができる。これにより、半導体装置の信頼性を高めることが可能になる。
【００３６】
上記実施例では、ＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｓ歪層を形成する場合を例にとって説明した。歪層が滑りにくくなる上述の原理は、半導体材料や薄膜の成長方法に依存しない。このため、他の材料を用いる場合にも、基板表面と歪層との間に微細構造体を配置することにより、上記実施例の場合と同様の効果が得られるであろう。
【００３７】
また、上記実施例では、図１に示したように、微細構造体２と歪層４との間にスペーサ層３を配したが、微細構造体２の上に歪層４を直接成長させてもよいであろう。
【００３８】
次に、図３及び図４を参照して、上記実施例による半導体装置の構造を適用した半導体レーザ装置について説明する。
【００３９】
図３は、端面出射型の半導体レーザ装置の斜視図を示す。ｎ型ＧａＡｓ基板２０の表面上に厚さ１μｍのｎ型ＡｌＧａＡｓ（クラッド）層２１、ＧａＡｓ光ガイド層２２、微細構造体２３、活性層２４、ＧａＡｓ光ガイド層２５、厚さ１μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ（クラッド）層２６、及び厚さ０．５μｍのｐ型ＧａＡｓ層２７がこの順番に積層されている。微細構造体２３は、図１に示す実施例の微細構造体２と同様の構成を有する。活性層２４は、ＩｎＧａＡｓからなる歪層で構成される。なお、図１に示した実施例の場合のように、微細構造体２３と活性層２４との間にＧａＡｓスペーサ層を配置してもよい。これらの半導体層は、ＭＯＶＰＥもしくはＭＢＥ等で形成される。
【００４０】
ｎ型ＧａＡｓ基板２０の裏面上に、ＡｕＧｅ／Ａｕの２層構造を有するｎ側電極２９が形成されている。ｐ型ＧａＡｓ層２７の上面の帯状領域の上に、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの３層構造を有するｐ側電極２８が形成されている。
【００４１】
ｎ側電極２９とｐ側電極２８との間に順方向電圧を印加し、発振条件が満たされると、活性層２４内でレーザ発振が起こる。図２を参照して説明したように、本実施例による構造を採用することにより、臨界膜厚で制約される発振波長よりも長波長の半導体レーザ装置を得ることができる。
【００４２】
図４は、上記実施例による半導体装置の構成を適用した面出射型半導体レーザ装置の断面図を示す。ｎ型ＧａＡｓ基板４０の主表面上に、ｎ型ミラー層４１が形成されている。ｎ型ミラー層４１は、ｎ型のＩｎＧａＡｓ層４１ａとｎ型のＧａＡｓ層４１ｂとが交互に複数層積層された積層構造を有する。
【００４３】
ｎ型ミラー層４１の上に、ＧａＡｓ層４２、微細構造体４３，活性層４４、及びＧａＡｓ層４５が形成されている。微細構造体４３は、図１に示した実施例による微細構造体２と同様の構成である。活性層４４は、ＩｎＧａＡｓからなる歪層である。なお、図１に示した実施例の場合のように、微細構造体４３と活性層４４との間にＧａＡｓスペーサ層を配置してもよい。
【００４４】
ＧａＡｓ層４５の上に、ｐ型ミラー層４６が形成されている。ｐ型ミラー層４６は、ｐ型のＩｎＧａＡｓ層４６ａとｐ型のＧａＡｓ層４６ｂとが交互に複数層積層された積層構造を有する。ｐ型ミラー層４６の一部の領域上に、ｉ型ミラー層４７が形成されている。ｉ型ミラー層４７は、ノンドープのＩｎＧａＡｓ層４７ａとノンドープのＧａＡｓ層４７ｂとが交互に複数層積層された積層構造を有する。
【００４５】
これらの半導体層は、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）もしくは分子線エピタキシ（ＭＢＥ）等で形成される。ｉ型ミラー層４７は、全面にＩｎＧａＡｓ層４７ａとＧａＡｓ層４７ｂとを成長させた後、この積層構造をパターニングすることにより形成される。ミラー層４７のエッチングは、例えば塩素ガスを用いた反応性イオンビームエッチングにより行われる。
【００４６】
ｎ型ミラー層４１が、光共振器の一方の端を画定する。ｐ型ミラー層４６及びｉ型ミラー層４７が、光共振器の他方の端を画定する。ミラー層の各構成層は、たとえばλ／４の光路長を構成する。
【００４７】
ｐ型ミラー層４６の上面のうち、ｉ型ミラー層４７を取り囲む領域上に、ｐ側電極４８が形成されている。ｎ型ＧａＡｓ基板４０の裏面のうちｐ側電極４８に対応する領域上に、ｎ側電極４９が形成されている。
【００４８】
ｎ側電極４９とｐ側電極４８との間に順方向電圧を印加し、発振条件が満たされると、光共振器内でレーザ発振が起こる。図２を参照して説明したように、上記実施例による構造を採用することにより、臨界膜厚で制約される発振波長よりも長波長の面出射型半導体レーザ装置を得ることができる。
【００４９】
次に、図５を参照して、本発明の他の実施例による半導体装置について説明する。
【００５０】
図５は、他の実施例による半導体装置の断面図を示す。ＧａＡｓ基板１０の表面上に、ＧａＡｓバッファ層１が形成され、その上にＩｎＧａＡｓからなる厚さ約７ｎｍの微細構造体７が形成されている。微細構造体７の上に、ＧａＡｓスペーサ層３及びＩｎＧａＡｓ歪層４が形成されている。
【００５１】
微細構造体７は、ＧａＡｓバッファ層１の上面のほぼ全領域を覆う第１の領域７ａと、基板面内に関して第１の領域７ａ内に点在する第２の領域７ｂを含んで構成される。第１の領域７ａのＩｎ組成比は、第２の領域７ｂのＩｎ組成比よりも小さい。すなわち、第１の領域７ａ内の歪は小さく、第２の領域７ｂ内の歪は大きい。第２の領域７ｂの面方向の大きさは、約１０ｎｍ程度である。このような微細構造が形成されるのは、組成比が均一で全面に歪が生じているＩｎＧａＡｓ歪層よりも、歪が局在化された微細構造体７の方が、全体の歪エネルギが低いためと考えられる。
【００５２】
図５に示した微細構造体７の成長方法は、特開平８−８８３４５号公報（米国特許５，６０８，２２９号公報）に詳しく説明されている。以下、特開平８−８８３４５号公報に説明されている成長方法を簡単に説明する。
【００５３】
基板温度を４６０℃とし、ＴＭＩＤＭＥＡ、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、及びＡｓＨ3を順番に供給する。この３種類のガスを１回ずつ供給する手順を１サイクルとし、１２サイクルを実施する。このようにして、微細構造体７が形成される。
【００５４】
第１の領域７ａの上面と、第２の領域７ｂの上面との格子定数は、等しくないと考えられる。すなわち、微細構造体７の上面の格子定数は、面内方向に関して均一ではない。また、ＧａＡｓ基板１及びＧａＡｓスペーサ層３の格子定数は、第２の領域７ｂの無歪時の格子定数よりも第１の領域７ａの無歪時の格子定数に近いと考えられる。なお、第１の領域７ａのＩｎ組成比が十分小さい場合には、第１の領域７ａの無歪時の格子定数が、ＧａＡｓ基板１及びＧａＡｓスペーサ層３の格子定数にほぼ等しくなるであろう。
【００５５】
図５に示す実施例においては、微細構造体７と歪層４との間にＧａＡｓスペーサ層３を配置したが、微細構造体７の上に歪層４を直接形成してもよい。
【００５６】
以上の実施例においては、目的とする格子不整合の結晶層を成長する前に、表面に凹凸または格子定数の異なる領域を有する下地層を成長した。このような下地層を成長するためには、基板と格子定数の異なる半導体層を用いた。
【００５７】
本発明者らは、さらに研究を重ねる内、下地層として基板と格子定数の異なる層を必ずしも用いなくても、臨界膜厚を越える結晶層を成長する事ができることを見出した。すなわち、下地層としてＩｎを含む半導体層を成長すると、その上に臨界膜厚を越えた結晶層をミスフィット転位を生じることなく成長できることが判った。
【００５８】
図７（Ａ）は、この現象を確認するための実験に用いたサンプルの積層構造を示す。積層のエピタキシャル成長は、ＭＯＶＰＥを用い、成長温度６７０℃で行なった。ＧａＡｓ基板１０の上に、ＴＥＧとＡｓＨ3をソースガスとして用い、ＧａＡｓバッファ層１を厚さ約０．５μｍ成長し、その上にＴＭＩ、ＴＥＧ、ＰＨ3をソースガスとして用い、ＧａＡｓに格子整合するＩｎＧａＰ層５０を厚さ約１．０μｍ成長した。
【００５９】
基板と格子整合するＩｎＧａＰ層５０の上に、ＴＥＧ、ＡｓＨ3をソースガスとして用い、厚さ約４０ｎｍ程度のＧａＡｓスペーサ層を成長した後、ＴＭＩ、ＴＭＧ、ＡｓＨ3をソースガスとして用い、ＩｎＧａＡｓ量子井戸層４を成長し、さらにその上に厚さ約４０ｎｍ程度のＧａＡｓスペーサ層３を積層した。ＩｎＧａＡｓ量子井戸層４の組成ｘおよび厚さを変化させ、いくつかのサンプルを作成した。
【００６０】
図７（Ｂ）は、上述のサンプルから得たホトルミネッセンスによる発光波長を示す。横軸はＩｎxＧａ1-xＡｓ量子井戸層４の膜厚を単位ｎｍで示し、縦軸はホトルミネッセンスの発光波長を単位μｍで示す。測定において、サンプルは７７Ｋに保持した。黒四角が測定点を示す。実線は、理論計算によって予測される発光波長を示す。
【００６１】
グラフから明らかなように、臨界膜厚を越えたサンプルが成長し、理論計算とほぼ一致する発光波長を示している。すなわち、臨界膜厚をはるかに越えた膜厚の結晶層が成長していることが分かる。組成ｘ＝０．６の層を厚さ約７ｎｍ形成することにより波長１．３μｍの発光が得られるであろう。この現象がどのような理由により生じるものか未だ確定はできないが、以下のように考える事ができる。
【００６２】
Ｉｎは、結晶表面に極めて偏析し易い傾向を有する。すなわち、Ｉｎを含んだ半導体層を結晶成長すると、結晶の成長面にはＩｎが偏析するであろう。この偏析するＩｎは、微細な組成不均一を生じることが考えられる。表面にＩｎ組成の不均一が形成された場合、Ｉｎ組成の不均一に伴って不均一な歪場が誘起される。
【００６３】
歪層内での結晶歪が基板からの貫通転位を引っ張り、滑りを生じさせようとする際、不均一な歪場が貫通転位に係る歪応力の向きを変える。このため、同じ歪応力が生じても、界面に平行な方向の歪ベクトルの大きさは小さくなり、臨界歪を越えていても結晶転位が発生しにくくなると考えられる。
【００６４】
上述の考えによれば、表面に凹凸や組成の不均一を形成させるために格子不整合の成長層を用いなくても、Ｉｎを含む下地層を成長させることにより、その上に臨界膜厚を越えた膜厚の結晶層を成長できることが期待される。
【００６５】
図８は、本発明の実施例によるストライプ型半導体レーザの構成を示す。図８（Ａ）において、ｎ型ＧａＡｓ基板６０の上に、必要に応じてＧａＡｓバッファ層６１を成長し、その上にＧａＡｓに格子整合する組成のｎ型ＩｎＧａＰ下地層６２を例えば厚さ約１．０μｍ成長する。バッファ層６１、下地層６２は、共に基板６０と格子整合した層であり、成長膜厚は自由に選択する事が出来る。
【００６６】
下地層６２の上に、下側ＧａＡｓスペーサ層６３、ＩｎＧａＡｓ歪活性層６４、上側ＧａＡｓスペーサ層６３を成長する。歪活性層６４は、上述の実験から明らかなように、臨界膜厚を越えた厚さに選択する事が出来る。歪活性層６４両側のスペーサ層６３は、光ガイド層としての役割を果たす。
【００６７】
上側のスペーサ層６３の上に、ＧａＡｓ基板と格子整合する組成のｐ型ＩｎＧａＰ層６６を例えば厚さ約１．０μｍ成長する。さらに、ｐ型ＩｎＧａＰ層６６の上に、ｐ型ＧａＡｓ層６７を厚さ約０．５μｍ成長する。ｎ型ＩｎＧａＰ層６２とｐ型ＩｎＧａＰ層６６は、クラッド層として機能する。ｐ型ＧａＡｓ層６７はコンタクト層として機能する。
【００６８】
その後、ｐ型ＧａＡｓ層６７の上にＳｉＯ2等のマスクを形成し、ストライプを形成するためのエッチングを行なう。エッチング後マスクは除去する。ｎ型ＧａＡｓ基板６０上にｎ側電極６８を形成し、ｐ型ＧａＡｓ層６７の上にｐ側電極６９を形成する。なお、電極の構造は前述の実施例と同様である。
【００６９】
図８（Ａ）においては、単一の歪ＩｎＧａＡｓ層６４で活性層を形成した。複数の活性層を形成し、多重量子井戸構造とする事も出来る。
【００７０】
図８（Ｂ）は、複数の活性層を形成する場合の構成を概略的に示す。ＧａＡｓスペーサ層６３の上に、ＩｎＧａＡｓ歪活性層６４を形成し、スペーサ層６３と歪活性層６４の対を複数対形成した後、最上の歪活性層６４の上にさらにスペーサ層６３を形成する。このような構成とする事により、複数の活性層を含む多重量子井戸構造を形成することができる。
【００７１】
図９は、面発光半導体レーザーの構成を概略的に示す。ｎ型ＧａＡｓ基板７０の上に、ｎ型ＧａＡｓ層７１ａとＧａＡｓと格子整合する組成のｎ型ＩｎＧａＰ層７１ｂの交互積層からなる下部ミラー構造７１を形成する。なお、下部ミラー構造７１を構成する各層の厚さは、目的とする発光波長のλ／４光学長とする。
【００７２】
下部ミラー構造７１の上に、下側ＧａＡｓスペーサ層７３、ＩｎＧａＡｓ歪活性層７４、上側ＧａＡｓスペーサ層７３を積層し、活性層とその両側を挟む光ガイド層を構成する。上側スペーサ層７３の上に、ｐ型ミラー構造７６を形成する。ｐ型ミラー構造７６は、例えば先ずＡｌを含む半導体層７５を成長し、その上にＩｎＧａＰ層７６ａとｐ型ＧａＡｓ層７６ｂの交互積層を成長することによって形成する。
【００７３】
ｐ型ミラー構造７６の上に、ｉ型ミラー構造７７を成長する。ｉ型ミラー構造７７は、ｉ型ＩｎＧａＰ層７７ａとｉ型ＧａＡｓ層７７ｂの交互積層で形成する。ｐ型ミラー構造７６とｉ型ミラー構造７７とが上部ミラー構造を構成する。
【００７４】
結晶成長後、高温の水蒸気中で熱処理する事により、Ａｌを含む層７５を外周から酸化させ、酸化アルミニュームを形成する。この酸化アルミニュームが電流狭窄層となる。ｉ型ミラー構造をエッチングし、その周辺にｐ型ミラー構造を露出する。ｐ型ミラー構造の上に、ｐ側電極７９を形成する。又、基板７０の周辺部にｎ側電極７８を形成する。活性層７４で発光した光は、下部ミラーと上部ミラーの間を往復し、例えば上面及び下面から出射する。
【００７５】
以上の実施例において、ミスフィット転位は１０13／ｃｍ2以下であることが好ましい。なお、歪活性層としてＩｎＧａＰ層を用いる場合を説明したが、歪半導体層としてはＩｎＧａＡｓＰ層、ＩｎＧａＮ層、ＩｎＧａＡｓＳｂ層等を用いることが出来るであろう。４元化合物として記載した組成は、複数のＩＩＩ族元素または複数のＶ族元素の一部を省略した３元化合物を含むものとする。
【００７６】
又、Ｉｎを含む下地層としてＩｎＧａＰ層を用いる場合を説明したが、基板と１％以内で格子整合するＡｌＧａＩｎＰ層、ＡｌＧａＩｎＡｓ層、ＡｌＧａＩｎＮ層、ＩｎＧａＡｓＰ層等を用いることが出来るであろう。
【００７７】
下地結晶上への結晶成長は、格子定数の差が１％以内であれば良好に行なう事が出来る。格子整合する系として説明した材料の組み合わせは、１％以内で格子整合する系に置き換えてもよいであろう。このような格子定数を等価な格子定数と呼ぶことがある。
【００７８】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００７９】
本発明の特徴に関し、以下を開示する。
【００８０】
（付記１） 第１の半導体材料が表出した主表面を有する基板と、
前記基板の主表面上に配置され、前記第１の半導体材料の格子定数とは異なる格子定数を有する第２の半導体材料からなり、凹凸を有する上面を画定する微細構造体と、
前記微細構造体の上に配置され、下地の格子定数とは異なる格子定数を有する第３の半導体材料からなる歪層と
を有する半導体装置。
【００８１】
（付記２） さらに、前記微細構造体と前記歪層との間に配置され、前記第１の半導体材料の格子定数と等価な格子定数を有する第４の半導体材料からなるスペーサ層を有する付記１に記載の半導体装置。
【００８２】
（付記３） 前記微細構造体が、前記基板の主表面上に離散的に分布する島状領域を含み、該島状領域内において、前記基板の主表面から遠ざかるに従って格子歪が緩和されている付記１または２に記載の半導体装置。
【００８３】
（付記４） 前記基板の主表面内において、前記島状領域の占める割合が１％以上である付記３に記載の半導体装置。
【００８４】
（付記５） 前記歪層の厚さが、前記第１の半導体材料からなる基板上に前記第３の半導体材料からなる層を直接成長させたときに成長し得る臨界膜厚よりも厚い付記１〜４のいずれかに記載の半導体装置。
【００８５】
（付記６） 半導体材料で形成され、上面の格子定数が面内で均一ではない下地基板と、
前記下地基板の表面上に形成され、半導体材料からなり、歪を内在する歪層とを有する半導体装置。
【００８６】
（付記７） 前記下地基板の上面が、第１の格子定数を有する第１の領域と、該第１の領域内に点在し、該第１の格子定数とは異なる第２の格子定数を有する第２の領域とを含む付記６に記載の半導体装置。
【００８７】
（付記８） さらに、前記下地基板の上面と前記歪層との間に、第３の格子定数を有する半導体材料で形成されたスペーサ層が配置されており、該第３の格子定数が前記第１の格子定数と等しいか、または前記第２の格子定数よりも前記第１の格子定数に近い付記７に記載の半導体装置。
【００８８】
（付記９） 第１導電型の半導体材料で形成された基板と、
前記基板の上に配置され、上面の格子定数を面内で不均一にする微細構造体と、
前記微細構造体の上に配置され、半導体材料からなり、歪を内在する歪活性層と、
前記歪層の上に形成され、前記基板の格子定数と等価な格子定数を有し、前記第１導電型とは逆の第２導電型の半導体材料で形成されたクラッド層と、
前記基板と前記クラッド層との間に電流を流すための電極と
を有する半導体レーザ装置。
【００８９】
（付記１０） 第１の半導体材料が表出した主表面を有する基板と、
前記基板の主表面上に配置され、前記第１の半導体材料の格子定数とは１％以内で格子整合する格子定数を有し、Ｉｎを含む第２の半導体材料からなる下地層と、
前記下地層の上に配置され、下地となる半導体材料の格子定数とは異なる格子定数を有する第３の半導体材料からなる歪半導体層と
を有する半導体装置。
【００９０】
（付記１１） 前記歪層の膜厚はマシューズ・ブレークスリーの式で決定される臨界膜厚を越えている付記１０記載の半導体装置。
【００９１】
（付記１２） さらに、前記下地層と前記歪半導体層との間に配置され、前記第２の半導体材料の格子定数と１％以内で格子整合する格子定数を有する第４の半導体材料からなるスペーサ層を有する付記１０または１１に記載の半導体装置。
【００９２】
（付記１３） 前記歪半導体層内のミスフィット転位が１０13／ｃｍ2以下である付記１０〜１２のいずれか１項記載の半導体装置。
【００９３】
（付記１４） 前記歪半導体層がＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｓＳｂのいずれかで形成されている付記１０〜１３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【００９４】
（付記１５） 前記下地層がＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ，ＡｌＧａＩｎＮ，ＩｎＧａＡｓＰのいずれかで形成されている付記１０〜１４のいずれか１項記載の半導体装置。
【００９５】
（付記１６） 第１導電型の第１の半導体材料が表出した主表面を有する基板と、
前記基板の主表面上に配置され、前記第１の半導体材料の格子定数とは１％以内で格子整合する格子定数を有し、Ｉｎを含む第１導電型の第２の半導体層を含む下地層と、
前記下地層の上に形成され、前記第２の半導体層の格子定数と１％以内で格子整合する格子定数を有する下側スペーサ層と、
前記下側スペーサ層の上に配置され、前記第１、第２の半導体層の格子定数とは異なる格子定数とマシューズ・ブレークスリーの式で決定される臨界膜厚を越える膜厚とを有する第３の半導体層を含む歪半導体層と、
前記歪半導体層の上に形成され、前記第２の半導体層の格子定数と１％以内で格子整合する格子定数を有する上側スペーサ層と、
前記上側スペーサ層の上に形成され、前記第１の半導体層の格子定数とは１％以内で格子整合する格子定数を有し、第１導電型とは逆の第２導電型の第４の半導体層を含む中間層と、
前記中間層と前記基板との間に電流を流すための電極と
を有する半導体レーザ装置。
【００９６】
（付記１７） 前記下側及び上側スペーサ層が、前記歪半導体層に対して光ガイド層を構成し、前記歪半導体層が活性層を構成し、前記下地層と前記中間層とがクラッド層を構成する付記１６記載の半導体レーザ装置。
【００９７】
（付記１８） 前記下地層が前記第２の半導体層と該第２の半導体層とは屈折率の異なる第５の半導体層との交互積層を含み、下部ミラー構造を構成し、前記中間層が前記第４の半導体層と該第４の半導体層とは屈折率の異なる第６の半導体層との交互積層を含み、上部ミラー構造を構成し、面発光型レーザ装置を構成する付記１６記載の半導体レーザ装置。
【００９８】
（付記１９） 前記歪半導体層が、前記第３の半導体層と該第３の半導体層とは格子定数の異なる第７の半導体層との交互積層を含み、多重量子井戸構造を構成する付記１６〜１８のいずれか１項記載の半導体レーザ装置。
【００９９】
（付記２０） 第１導電型の半導体材料で形成された基板と、
前記基板の上に配置され、上面の格子定数が面内で不均一であるか、Ｉｎを含み、第１導電型を有する下地層と、
前記下地層の上に配置され、半導体材料からなり、歪を内在する歪活性層と、
前記歪活性層の上に形成され、前記基板の格子定数と１％以内で格子整合する格子定数を有し、前記第１導電型とは逆の第２導電型の半導体材料で形成されたクラッド層と、
前記基板と前記クラッド層との間に電流を流すための電極と
を有する半導体レーザ装置。
【０１００】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、下地基板と歪層との間に、微細構造体またはＩｎを含む半導体層が配置されている。この微細構造体またはＩｎを含む半導体層を配置すると、下地基板上に歪層を直接成長させる場合に比べて、より厚い歪層を成長させることができる。これにより、歪層を用いた半導体装置の設計の自由度を高めることができる。また、より信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による半導体装置のＴＥＭ写真をスケッチした図である。
【図２】ＩｎＧａＡｓ層のフォトルミネッセンス波長と膜厚との関係、及び臨界膜厚を示すグラフである。
【図３】実施例による半導体装置の構造を適用した端面出射型半導体レーザ装置の斜視図である。
【図４】実施例による半導体装置の構造を適用した面出射型半導体レーザ装置の斜視図である。
【図５】他の実施例による半導体装置の断面図である。
【図６】 ＧａＡｓ層に挟まれたＩｎＧａＡｓ層の計算された臨界膜厚を組成ｘの関数として示すグラフである。
【図７】 実験に用いたサンプルの構成を示す断面図、および実験結果を計算値と共に示すグラフである。
【図８】 実施例による半導体装置構成を示す斜視図、及び断面図である。
【図９】 実施例による半導体装置構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１ ＧａＡｓバッファ層
２、７、２３、４３ 微細構造体
２ａ 島状領域
３ ＧａＡｓスペーサ層
４ ＩｎＧａＡｓ歪層
１０ ＧａＡｓ基板
２０、４０ ｎ型ＧａＡｓ基板
２１ ｎ型ＡｌＧａＡｓ層
２２、２５ ＧａＡｓ光ガイド層
２４、４４ 活性層
２６ ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
２７ ｐ型ＧａＡｓ層
２８、４８ ｐ側電極
２９、４９ ｎ側電極
４１ ｎ型ミラー層
４２、４５ ＧａＡｓ層
４６ ｐ型ミラー層
４７ ｉ型ミラー層

Claims (9)

  1. 第１の半導体材料が表出した主表面を有する基板と、
    前記基板の主表面上に配置され、前記第１の半導体材料の格子定数とは異なる格子定数を有する第２の半導体材料からなり、凹凸を有する上面を画定する微細構造体と、
    前記微細構造体の上に配置され、下地の格子定数とは異なる格子定数を有する第３の半導体材料からなる歪層と
    を有し、
    前記歪層の厚さが、前記第１の半導体材料からなる基板上に前記第３の半導体材料からなる層を直接成長させた時に成長し得る臨界膜厚よりも厚い
    半導体装置。
  2. 前記微細構造体が、前記基板の主表面上に離散的に分布する島状領域を含み、該島状領域内において、前記基板の主表面から遠ざかるに従って格子歪が緩和されており、前記基板の主表面内において、前記島状領域の占める割合が１％以上である請求項１に記載の半導体装置。
  3. 半導体材料で形成され、上面の格子定数が面内で均一ではない下地基板と、
    前記下地基板の表面上に形成され、半導体材料からなり、基板上に直接成長させた時に成長し得る臨界膜厚よりも厚く、歪を内在する歪層と
    を有する半導体装置。
  4. 第１導電型の半導体材料で形成された基板と、
    前記基板の上に配置され、上面の格子定数を面内で不均一にする微細構造体と、
    前記微細構造体の上に配置され、半導体材料からなり、歪を内在する歪活性層と、
    前記歪活性層の上に形成され、前記基板の格子定数と等しい格子定数を有し、前記第１導電型とは逆の第２導電型の半導体材料で形成されたクラッド層と、
    前記基板と前記クラッド層との間に電流を流すための電極と
    を有し、
    前記歪活性層が、前記基板上に直接成長させた時に成長し得る臨界膜厚よりも厚い
    半導体レーザ装置。
  5. 第１の半導体材料が表出した主表面を有する基板と、
    前記基板の主表面上に配置され、前記第１の半導体材料の格子定数とは１％以内で格子整合する格子定数を有し、Ｉｎを含む第２の半導体材料からなる下地層と、
    前記下地層の上に配置され、下地となる半導体材料の格子定数とは異なる格子定数を有する第３の半導体材料からなる歪半導体層と
    を有し、
    前記歪半導体層の厚さが、前記第１の半導体材料からなる基板上に前記第３の半導体材料からなる層を直接成長させた時に成長し得る臨界膜厚よりも厚い
    半導体装置。
  6. 前記歪層の膜厚はマシューズ・ブレークスリーの式で決定される臨界膜厚を越えている請求項５記載の半導体装置。
  7. 第１導電型の第１の半導体材料が表出した主表面を有する基板と、
    前記基板の主表面上に配置され、前記第１の半導体材料の格子定数とは１％以内で格子整合する格子定数を有し、Ｉｎを含む第１導電型の第２の半導体層を含む下地層と、
    前記下地層の上に形成され、前記第２の半導体層の格子定数と１％以内で格子整合する格子定数を有する下側スペーサ層と、
    前記下側スペーサ層の上に配置され、前記第１、第２の半導体層の格子定数とは異なる格子定数とマシューズ・ブレークスリーの式で決定される臨界膜厚を越える膜厚とを有する第３の半導体層を含む歪半導体層と、
    前記歪半導体層の上に形成され、前記第２の半導体層の格子定数と１％以内で格子整合する格子定数を有する上側スペーサ層と、
    前記上側スペーサ層の上に形成され、前記第１の半導体層の格子定数とは１％以内で格子整合する格子定数を有し、第１導電型とは逆の第２導電型の第４の半導体層を含む中間層と、
    前記中間層と前記基板との間に電流を流すための電極と
    を有する半導体レーザ装置。
  8. 前記下地層が前記第２の半導体層と該第２の半導体層とは屈折率の異なる第５の半導体層との交互積層を含み、下部ミラー構造を構成し、前記中間層が前記第４の半導体層と該第４の半導体層とは屈折率の異なる第６の半導体層との交互積層を含み、上部ミラー構造を構成し、面発光型レーザ装置を構成する請求項７記載の半導体レーザ装置。
  9. 第１導電型の半導体材料で形成された基板と、
    前記基板の上に配置され、上面の格子定数が面内で不均一であるか、Ｉｎを含み、第１導電型を有する下地層と、
    前記下地層の上に配置され、半導体材料からなり、基板上に半導体材料からなる層を直接成長させた時に成長し得る臨界膜厚よりも厚く、歪を内在する歪活性層と、
    前記歪活性層の上に形成され、前記基板の格子定数と１％以内で格子整合する格子定数を有し、前記第１導電型とは逆の第２導電型の半導体材料で形成されたクラッド層と、
    前記基板と前記クラッド層との間に電流を流すための電極と
    を有する半導体レーザ装置。
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