專利名稱：半導(dǎo)體元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體元件。
背景技術(shù)：
作為III-V族化合物半導(dǎo)體的GaAs系晶體管與Si晶體管相比具有高工作頻率、高輸出、高增益、低工作電壓、高工作效率及低耗電等各種優(yōu)越的特征。由于這些特征，GaAs系異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(以下稱為HBT)和GaAs系異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(高電子遷移率晶體管，以下稱為HEMT)作為移動通信用的器件已經(jīng)實用化了。
在該GaAs系晶體管中，GaAs系HBT可以用比HEMT少的電源個數(shù)進(jìn)行驅(qū)動，因此，適合于裝置的小型化。而且，由于GaAs系HBT使用注入集電極的「熱電子(Hot-electron)」的沖擊傳導(dǎo)，因此，高速工作性優(yōu)越。因此，希望GaAs系HBT作為支持手機(jī)等移動通信等的關(guān)鍵器件。
在該手機(jī)中，一般需要在約4.7V或者約3.5V的低工作電壓下得到高電流增益的功率器件。上述GaAs系HBT用比基極層帶隙大的材料形成發(fā)射極層，抑制從基極層向發(fā)射極層的少數(shù)載流子的注入，因此，如果與同質(zhì)結(jié)雙極晶體管相比，電流增益較大。但是，在現(xiàn)有的GaAs系HBT中，要求更高的電流增益。即，在現(xiàn)有技術(shù)中，在發(fā)射極層中使用與基極層等相同的GaAs層，但是，由于產(chǎn)生從基極層向發(fā)射極層的逆注入，存在電流增益降低的問題。
作為對該問題的解決方法，在日本專利公開公報特開平11-274167號公報等中，提出了在發(fā)射極層中使用InGaP層的雙極晶體管。其是這樣的發(fā)明使發(fā)射極層成為具有比較大的帶隙的InGaP，來減小上述逆注入。但是，使用InGaP也不能充分增大其帶隙，所以無法大幅度地減小逆注入。
而且，在日本專利公開公報特開平9-307100號公報中，提出了這樣的方法使用寬帶隙半導(dǎo)體作為在GaAs系HEMT中提高柵極與漏極之間耐壓的方法。其是這樣的方法在GaAs系HEMT中的電子供給層中使用帶隙比上述InGaP更大的SiC和InAlGaN等寬帶隙半導(dǎo)體。但是，HEMT中的電子供給層是用于向高純度的GaAs層提供電子的層，如果膜厚為幾十nm就足夠了。與此相對，GaAs系HBT中的n型發(fā)射極層是構(gòu)成晶體管中的npn結(jié)的一個層，為了在p型基極層中關(guān)閉正空穴，必須使其膜厚為幾百nm程度。因此，作為GaAs系HBT的發(fā)射極層，用與GaAs系HEMT相同的方法來形成寬帶隙半導(dǎo)體是極其困難的。
因此，本發(fā)明人為了在發(fā)射極層和基極層中形成能隙差大的異質(zhì)結(jié)來提高GaAs系HBT的電流增益而反復(fù)進(jìn)行了各種實驗。其結(jié)果，獨自獲知在GaAs系HBT中，通過在發(fā)射極層中使用InGaN或者InN，能夠得到電流增益高的HBT。使用這樣形成能隙差大的異質(zhì)結(jié)的方法，即使在GaAs隙半導(dǎo)體發(fā)光元件等中，也能夠得到高性能的元件。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明的目的是形成能隙差大的異質(zhì)結(jié)，提供性能更高的半導(dǎo)體元件。
本發(fā)明雙極晶體管，其特征在于包括襯底；形成在上述襯底上、由第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體構(gòu)成的集電極層；形成在上述集電極層上、由包含GaAs、InGaAs、AlGaAs、InAlGaP、InGaAsP、GaSb、GaAsS b、GaNAs、InGaNAs、SiGe和HgCdTe中的任意一種材料的第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體構(gòu)成的基極層；形成在上述基極層上、包含帶隙大于上述基極層的第一導(dǎo)電類型的InpGa1-pN(0＜p≤1)的發(fā)射極層。
而且，本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于包括由第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體構(gòu)成的第一導(dǎo)電類型包層；形成在上述第一導(dǎo)電類型包層上、包含InaAlbGa1-a-bAscP1-c(0≤a≤1、0≤b≤1、0≤a+b≤1、0≤c≤1)，通過電流注入而發(fā)光的有源層；形成在上述有源層上、包含第二導(dǎo)電類型的InrGa1-rN(0＜r≤1)的第二導(dǎo)電類型包層。
而且，本發(fā)明的半導(dǎo)體元件，其特征在于包括由IntGa1-tN(0＜t≤1)構(gòu)成的第一半導(dǎo)體層；與上述第一半導(dǎo)體層形成異質(zhì)結(jié)，包含電子親和力小于上述第一半導(dǎo)體的GaAs、InGaAs、AlGaAs、InAlGaP、InGaAsP、GaSb、GaAsSb、GaNAs、InGaNAs、SiGe和HgCdTe中的任意一種材料的第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體層。


圖1是本發(fā)明的第一實施例的雙極晶體管的斷面模式圖；圖2是本發(fā)明的第二實施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的斷面模式圖；圖3是本發(fā)明的第三實施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的斷面模式圖；圖4是本發(fā)明的第四實施例的半導(dǎo)體元件的斷面模式圖。
具體實施例方式
下面參照附圖對本發(fā)明的實施例進(jìn)行說明。下面，在第一實施例中，對GaAs系異質(zhì)結(jié)雙極晶體管進(jìn)行說明，在第二實施例中，對GaAs系發(fā)光二極管進(jìn)行說明，在第三實施例中，對GaAs系激光二極管進(jìn)行說明，在第四實施例中，對GaAs系HEMT進(jìn)行說明。
第一實施例第一實施例的雙極晶體管的特征之一是如從圖1所看到的那樣，在GaAs系的元件中，在發(fā)射極層106和發(fā)射極接觸層107中使用InGaN。
圖1是表示本發(fā)明的第一實施例的雙極晶體管的斷面圖。在SI-GaAs襯底(半絕緣性GaAs襯底)101上，依次形成由不摻雜GaAs組成的緩沖層102、由高濃度n型GaAs組成的膜厚500nm的集電極接觸層103、由n型GaAs組成的膜厚500nm的集電極層104、p型GaAs組成的膜厚50nm的基極層105。而且，在以下把這些層稱為GaAs層101～105。在基極層105上依次形成由n型In0.5Ga0.5N組成的發(fā)射極層106、由組成傾斜的n型InGaN組成的發(fā)射極接觸層107。發(fā)射極層106和發(fā)射極接觸層107的膜厚合計為400nm。
通過發(fā)射極接觸層107由發(fā)射極電極112給上述發(fā)射極層106施加電流·電壓。其中，為了容易取得該發(fā)射極電極112與發(fā)射極層106的歐姆接觸，則發(fā)射極接觸層107的In組成越往圖中上側(cè)則越高。而且，由基極電極111給基極層105施加電流·電壓。而且，通過集電極接觸層103由集電極電極110給集電極層104施加電流·電壓。圖1的雙極晶體管是在n型的集電極層104上依次鍵合p型的基極層105、n型的發(fā)射極層106的npn結(jié)的構(gòu)成，與一般的晶體管相同，給各個層施加預(yù)定的電壓·電流，晶體管進(jìn)行工作。
圖1的雙極晶體管是把由GaAs組成的基極層105和由InGaN組成的發(fā)射極層進(jìn)行鍵合的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)。而且，圖1的HBT是使用GaAs襯底101所形成的GaAs系HBT。圖1的雙極晶體管為了容易進(jìn)行說明而改變倍率來表示。
下面對圖1的雙極晶體管的制造方法進(jìn)行說明。
(1)首先，在支座上配置SI-GaAs襯底101，把其加熱到700℃左右的溫度。而且，流過TMG(三甲基鎵)、AsH3和氫載氣，來生長由不摻雜的GaAs組成的緩沖層102。而且，GaAs的結(jié)晶構(gòu)造是閃鋅構(gòu)造。
(2)接著，仍把襯底的溫度保持在700℃，流過TMG(三甲基鎵)、AsH3、作為n型摻雜材料的SiH4和氫載氣，來生長由n型GaAs組成的集電極接觸層103和集電極層104。
(3)接著，仍把襯底的溫度保持在700℃，流過TMG(三甲基鎵)、AsH3、p型摻雜材料和氫載氣，來生長由p型GaAs組成的基極層105。其中，AsH3/TMG的原料供給比為1以下。作為p型摻雜材料，可以使用CBr4和TMAs(三甲基砷)等。
(4)接著，仍把襯底的溫度保持在700℃，流過TMG、TMI(三甲基銦)、NH3、作為n型摻雜材料的SiH4和載氣，來生長由n型InGaN組成的發(fā)射極層106和發(fā)射極接觸層107。該發(fā)射極層106、發(fā)射極接觸層107的n型InGaN的結(jié)晶構(gòu)造是閃鋅構(gòu)造。
(5)接著，把襯底101冷卻到室溫并取出，進(jìn)行腐蝕而形成圖1那樣的形狀，然后，形成集電極電極110、基極電極111和發(fā)射極電極112。
在通過以上說明的方法所形成的圖1的GaAs系HBT中，由于使由GaAs組成的基極層105和由InGaN組成的發(fā)射極層106成為異質(zhì)結(jié)，而能夠提供電流增益較高，特性穩(wěn)定的元件。即，構(gòu)成基極層105的GaAs的帶隙為約1.4eV，與此相對，構(gòu)成發(fā)射極層106的In0.5Ga0.5N的帶隙為約2.4eV，這樣，通過使帶隙差大的半導(dǎo)體成為異質(zhì)結(jié)，能夠抑制從基極層105向發(fā)射極層106的載流子的逆注入，而能夠提高電流增益。
在現(xiàn)有技術(shù)中，在GaAs系HBT中使用InGaN這樣的帶隙大的材料，從結(jié)晶生長的觀點看是極端困難的。這是因為晶格常數(shù)的不匹配以及生長溫度的不同。下面進(jìn)行詳細(xì)說明。
作為帶隙大的半導(dǎo)體材料，GaN、AlGaN、SiC、ZnSe等寬帶隙半導(dǎo)體是公知的。其中，所謂寬帶隙半導(dǎo)體大多指具有相當(dāng)于蘭色發(fā)光的2.6eV以上帶隙的半導(dǎo)體。該寬帶隙半導(dǎo)體和GaAs系半導(dǎo)體在晶格常數(shù)上大為不同。例如，當(dāng)在GaAs層上形成GaN層時，GaAs(閃鋅構(gòu)造)的晶格常數(shù)為0.565nm，與此相對，GaN(閃鋅構(gòu)造)的晶格常數(shù)為0.45nm，因此，這些層的晶格失配為20.5％這樣較大的值。在此基礎(chǔ)上，如果在GaN層中增加Al，晶格失配的值變得更大。當(dāng)考慮到現(xiàn)在使用的GaAs和AlGaAs的異質(zhì)結(jié)中的晶格失配為1％以下，其是非常大的值。這樣，當(dāng)用晶格失配較大的結(jié)晶形成異質(zhì)結(jié)時，在結(jié)晶中易于產(chǎn)生裂縫。在此基礎(chǔ)上，這些寬帶隙半導(dǎo)體的晶格常數(shù)比GaAs小。因此，當(dāng)把圖1的雙極晶體管的發(fā)射極層106、發(fā)射極接觸層107作為寬帶隙半導(dǎo)體時，在該寬帶隙半導(dǎo)體中，在拉伸方向上施加力。當(dāng)這樣在拉伸方向上施加力時，與在壓縮方向上施加力的情況相比，特別容易產(chǎn)生裂縫。而且，圖1的雙極晶體管的發(fā)射極層106、發(fā)射極接觸層107是構(gòu)成npn結(jié)的一個層，為了在p型基極層105中封閉正空穴，需要幾百nm的膜厚。這樣，當(dāng)形成幾百nm以上的膜厚時，與形成幾十nm的薄的膜厚的情況不同，極其容易產(chǎn)生裂縫。
而且，通常，寬帶隙半導(dǎo)體的結(jié)晶生長溫度極高。例如，MOCVD法中的生長溫度是GaAs為600℃～700℃，與此相對，GaN是1100℃，AlGaN為1200℃。當(dāng)在這樣的高溫下形成圖1的發(fā)射極層106、發(fā)射極接觸層107時，從GaAs層102～105產(chǎn)生劇烈的As脫出，不能保證GaAs層102～105的品質(zhì)。而且，為了避免這一問題，當(dāng)以與GaAs層相同程度的低溫下生長寬帶隙半導(dǎo)體層時，通常，該寬帶隙半導(dǎo)體層的結(jié)晶特性顯著變差。
如以上那樣，從結(jié)晶生長的觀點看，在圖1這樣的GaAs系HBT的發(fā)射極層106、發(fā)射極接觸層107中使用寬帶隙半導(dǎo)體這樣的帶隙大的半導(dǎo)體是極其困難的。
但是，本發(fā)明人為了在GaAs系HBT的發(fā)射極層106、發(fā)射極接觸層107中使用帶隙大的半導(dǎo)體而得到高的電流增益，反復(fù)進(jìn)行了各種實驗。其結(jié)果，獨自得知通過在發(fā)射極層106和發(fā)射極接觸層107中使用InpGa1-pN(0＜p≤1)，能夠解決該問題。該InpGa1-pN的帶隙為約1.9eV～3.4eV，與GaAs的帶隙約1.4eV相比較大。而且，該InpGa1-pN(0＜p≤1)能夠把結(jié)晶生長溫度降低到800℃以下，即使在通常的GaAs系的結(jié)晶生長裝置中，不會使結(jié)晶品質(zhì)變差，能夠進(jìn)行充分的生長。但是，當(dāng)把該InpGa1-pN用于GaAs系HBT時，上述裂縫不會產(chǎn)生。對于其原因，本發(fā)明人是這樣考慮的首先，考慮到是因為In的結(jié)晶具有柔軟的特性。GaAs和InpGa1-pN的晶格失配為12％以上。如果著眼于該晶格失配的大小，在現(xiàn)有的技術(shù)常識中，在幾μm的GaAs層101～105上形成幾百nm的InpGa1-pN層是極其困難的。實際上，根據(jù)本發(fā)明人的實驗，當(dāng)把發(fā)射極層106的In0.5Ga0.5N置換為晶格常數(shù)大致相等的InAlGaN層時，就產(chǎn)生了裂縫。但是，根據(jù)本發(fā)明人的實驗，當(dāng)在發(fā)射極層106、發(fā)射極接觸層107中使用InpGa1-pN時，不會產(chǎn)生裂縫。這是考慮到相對于Al的結(jié)晶的堅硬，In的結(jié)晶較柔軟。這樣，由于In的結(jié)晶較柔軟，即使在發(fā)射極層106、發(fā)射極接觸層107中使用InpGa1-pN，裂縫也不會產(chǎn)生。
而且，考慮到InpGa1-pN的結(jié)晶構(gòu)造易于成為閃鋅構(gòu)造。在上述晶格常數(shù)的說明中，說明了GaN系的材料作為閃鋅構(gòu)造的情況。這是因為圖1的GaAs層101～105的結(jié)晶構(gòu)造是閃鋅構(gòu)造，在其上形成的半導(dǎo)體層106、107的結(jié)晶構(gòu)造易于成為閃鋅構(gòu)造。但是，GaN系的材料通常易于成為纖維鋅礦構(gòu)造。特別是，加入了Al的AlN、AlGaN、AlInGaN的該傾向較強(qiáng)。這樣，當(dāng)在GaAs層101～105上形成加入了Al的GaN系材料時，易于成為纖維鋅礦構(gòu)造。因此，纖維鋅礦構(gòu)造的GaN系材料與閃鋅構(gòu)造的GaN系材料相比，晶格常數(shù)進(jìn)一步變小。即，與GaAs的晶格失配進(jìn)一步變大。因此，當(dāng)在GaAs層101～105上形成加入了Al的GaN系材料時，裂縫易于進(jìn)入。與此相對，當(dāng)在GaAs層101～105上形成InpGa1-pN時，結(jié)晶構(gòu)造易于與GaAs層101～105相同。因此，難于產(chǎn)生裂縫。
如以上那樣，在圖1的GaAs系HBT中，通過在發(fā)射極層106、發(fā)射極接觸層107中使用InpGa1-pN，能夠得到電流增益大的元件。
在上述圖1的GaAs系HBT中，在由n型In0.5Ga0.5N組成的發(fā)射極層106上設(shè)置由組成傾斜的n型InGaN組成的發(fā)射極接觸層107，使總膜厚合計成為400nm，但是，即使不設(shè)置由n型InGaN組成的發(fā)射極接觸層107，使發(fā)射極層106成為膜厚400nm的組成傾斜的n型InGaN，也能理解為與圖1的GaAs系HBT相同。
而且，在圖1的GaAs系HBT中，把發(fā)射極層106和發(fā)射極接觸層107的膜厚的合計作為400nm，但是，如果按照本發(fā)明人的實驗，如果該厚度為200nm以上，能夠在基極層105中關(guān)閉正空穴。但是，該膜厚隨發(fā)射極層106、發(fā)射極接觸層107的InGaN的In組成的值而變化。
而且，在圖1的GaAs系HBT中，使用GaAs作為基極層105的材料，但是，也可以使用與In的3族混晶例如InGaAs、InAlGaP、InGaAsP和與Sb的5族混晶例如GaAsSb、GaSb等。在這些情況下，能夠進(jìn)一步加大發(fā)射極層106與基極層105之間的帶隙差，能夠降低導(dǎo)通電壓。而且，能夠使用與氮的5族混晶例如InGaNAs、GaAsN來作為基極層105的材料。但是，在使用GaAsN情況下，必須使氮的混晶比為0.02以下。因為一般情況下，與氮的混晶，與GaAs相比，能隙更大。而且，能夠使用AlGaAs、SiGe、HgCdTe作為基極層105的材料。而且，可以在集電極層104中使用上述材料。
而且，由于在圖1的GaAs系HBT的各層的角部，易于產(chǎn)生由電流集中引起的劣化，因此，可以在各層間形成被稱為脊的突出部。
而且，在圖1的GaAs系HBT中，為了謀求各層的腐蝕去除的穩(wěn)定性，而可以在必要的部分適當(dāng)插入腐蝕阻擋層。
(第一變形例)與第一實施例相關(guān)的第一變形例是把GaAs系HBT作成雙異質(zhì)結(jié)。變更點是在圖1中，在集電極層中使用n型InGaN。當(dāng)使用這樣的材料時，能夠進(jìn)一步提高電流增益。在用InGaN形成集電極層104的情況下，能夠按以下三種構(gòu)成來形成襯底101至集電極接觸層103的構(gòu)成。
第一方法是這樣的方法與第一實施例相同，使用SI-GaAs作為襯底101，把緩沖層102作為GaAs，把集電極接觸層103作為n型GaAs或者n型InGaN。該方法可以使用大口徑的GaAs作為襯底。
第二方法是這樣的方法以第一方法作為基礎(chǔ)，進(jìn)一步改善集電極接觸層103或者104的結(jié)晶品質(zhì)，把緩沖層102分割成第一GaAs緩沖層和第二GaN緩沖層。在該方法中，希望第二GaN緩沖層氮化GaAs的表面。而且，希望集電極接觸層103是n型InGaN層。
作為第三方法，在襯底101中使用藍(lán)寶石和SiC等在GaN系的結(jié)晶生長中良好的材料，使用GaN和AlN、InN等氮化物層作為緩沖層。在此情況下，為了進(jìn)一步改善結(jié)晶品質(zhì)，集電極接觸層103最好是n型InGaN。此時，集電極接觸層103、集電極層104的InGaN的結(jié)晶構(gòu)造為纖維鋅礦構(gòu)造，與此相對，發(fā)射極層106、發(fā)射極接觸層107的InGaN的結(jié)晶構(gòu)造為閃鋅構(gòu)造，因此，能夠利用結(jié)晶構(gòu)造不同所產(chǎn)生的能隙的不同。
(第二變形例)與第一實施例相關(guān)的第二變形例是把基極層105作成p型InGaNAs。在該材料系中，通過氮(N)的含有量，帶隙能量小于InGaAs，因此，能夠期待低電壓工作。希望相對5族全體的氮(N)的混晶比為2％以下。而且，相對3族全體的In的混晶比為0.5。
(第三變形例)與第一實施例相關(guān)的第三變形例是使發(fā)射極接觸層107形成為依次形成有n型InGaP、n型GaAs、n型InGaAs的構(gòu)造。n型InGaP、n型GaAs、n型InGaAs的帶隙依次變低。這樣，通過使用該發(fā)射極接觸層，易于取得發(fā)射極電極112和發(fā)射極層106的歐姆接觸。在此情況下，從圖中上側(cè)對發(fā)射極層106的InGaN施加了拉伸方向的力，但是，沒有發(fā)現(xiàn)裂縫的發(fā)生。
(第二實施例)第二實施例是把本發(fā)明用于半導(dǎo)體發(fā)光元件的例子，如從圖2所看到的那樣，在GaAs系LED(發(fā)光二極管)中使用由InGaN組成的p型包層223。
圖2是本發(fā)明的第二實施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的斷面構(gòu)造圖。該半導(dǎo)體發(fā)光元件是使用由n型GaAs組成的厚度250.0μm的襯底210所形成的GaAs系LED。在襯底210上依次形成由n型In0.5(Al0.6Ga0.4)0.5P組成的膜厚1.0μm的n型包層221、由In0.5(Al0.4Ga0.6)0.5P組成的膜厚1.0μm的發(fā)光層222、由p型In0.2Ga0.8N構(gòu)成的膜厚200nm的p型包層223、由n型GaAs組成的電流阻擋層224、由p型In0.2Ga0.8N組成的p型埋入層225、由p型GaAs組成的p型接觸層230。而且，在襯底210的圖中下側(cè)，形成n側(cè)電極250，在p型GaAs接觸層230的圖中上側(cè)形成p側(cè)電極240。其中，一般在p側(cè)電極240中使用Au-Zn合金，在n側(cè)電極250中使用Au-Ge合金。而且，為了易于進(jìn)行說明，圖2改變了倍率來表示。
在圖2的GaAs系LED中，從n側(cè)電極250和p側(cè)電極240向發(fā)光層222注入電流。此時，n型包層221和p型包層223的帶隙能量大于發(fā)光層222，在發(fā)光層222中進(jìn)行封閉載流子的動作。接著，通過電流的注入，發(fā)光層222發(fā)光。
在圖2的GaAs系LED中，由于在p型包層223中使用了帶隙大的In0.2Ga0.8N，因此能夠抑制來自發(fā)光層222的電子的溢流，與現(xiàn)有的GaAs系LED相比，發(fā)光效率改善了約30％。
與此相對，在現(xiàn)有技術(shù)中，在p型包層223中使用帶隙小于In0.2Ga0.8N的In0.5(Al0.6Ga0.4)0.5P。該In0.5(Al0.6Ga0.4)0.5P的晶格常數(shù)接近于構(gòu)成襯底210的GaAs的晶格常數(shù)0.565nm，晶格失配為1％以下。但是，In0.5(Al0.6Ga0.4)0.5P的帶隙與構(gòu)成發(fā)光層222的In0.5(Al0.4Ga0.6)0.5P接近，因此，引起了來自發(fā)光層222的電子的溢流。在現(xiàn)有技術(shù)中，從在第一實施例中說明的晶格匹配和結(jié)晶生長溫度的觀點出發(fā)，把帶隙能量比In0.5(Al0.6Ga0.4)0.5P大的材料用于p型包層223是困難的。特別是，在圖2的發(fā)光二極管中，為了抑制來自發(fā)光層222的載流子的溢流，p型包層223的膜厚必須為幾百nm，為了使這樣膜厚的結(jié)晶生長，必須使用晶格常數(shù)與GaAs和In0.5(Al0.4Ga0.6)0.5P接近的材料。但是，本發(fā)明人通過實驗，獨自得知能夠在p型包層223中使用InrGa1-rN(0＜r≤1)。其原因與在第一實施例中說明的一樣。
在以上說明的圖2的半導(dǎo)體發(fā)光元件中，使p型包層223的膜厚為200nm，根據(jù)本發(fā)明人的實驗，如果該膜厚為約100nm以上，能夠得到改善發(fā)光效率的效果。
而且，在圖2的半導(dǎo)體發(fā)光元件中，使n型包層221成為n型In0.5(Al0.6Ga0.4)0.5P，但是，也可以使其為InGaN。在此情況下，進(jìn)一步提高了抑制來自發(fā)光層222的電子的溢流的效果，但是，引起了由晶格失配而產(chǎn)生的結(jié)晶特性的變差，因此，發(fā)光效率與圖2的半導(dǎo)體發(fā)光元件為同等程度。
而且，在圖2的半導(dǎo)體發(fā)光元件中，在元件形成后，剝離GaAs襯底210，在襯底210與包層221之間插入由AlP/GaP等組成的多層反射膜。這樣，沒有由GaAs襯底210所產(chǎn)生的光吸收，而能夠得到發(fā)光效率更高的半導(dǎo)體發(fā)光元件。
(第三實施例)第三實施例是把本發(fā)明用于作為半導(dǎo)體發(fā)光元件的激光二極管(LD)中，如從圖3所看到的那樣，在GaAs系LD中使用n型InGaN包層303、p型InGaN包層309。
圖3是本發(fā)明的第三實施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的斷面構(gòu)造圖。該半導(dǎo)體發(fā)光元件是使用由n型GaAs組成的襯底301所形成的GaAs系LD。在襯底301上依次形成緩沖層302、由n型InGaN組成的第一n型包層303、由n型InAlGaP組成的第二n型包層304、由InAlGaP組成的第一引導(dǎo)層305、由MQW構(gòu)造的InAlGaP/InAlGaP組成的有源層306、由InAlGaP組成的第二引導(dǎo)層307、由p型InAlGaP組成的第一p型包層308、由p型InGaN組成的第二p型包層309。而且，在第二p型包層309上有選擇地形成有p型InAlGaP組成的第三包層310和由n型GaAs組成的電流阻擋層311，在其上形成由p型GaAs組成的p型接觸層312。在該p型接觸層312的圖中上側(cè)，形成成為一方電極的p側(cè)電極320。而且，成為另一方的電極的n側(cè)電極330形成在襯底301的圖中下側(cè)。而且，第一n型包層303和第二p型包層309的InGaN的結(jié)晶構(gòu)造為閃鋅構(gòu)造。
在圖3的GaAs系LD中，從n側(cè)電極330和p側(cè)電極320向有源層306注入電流。此時，n型包層303、304和p型包層308、309、310的帶隙能量比有源層306大，在有源層306中進(jìn)行封閉載流子的動作。而且，在電流阻擋層311中電流不會流動，該電流阻擋層311在第三包層310的下側(cè)的有源層306中進(jìn)行縮窄電流的動作。電流所注入的第三電流阻擋層311的下側(cè)的有源層306發(fā)出振蕩波長約680nm的激光。此時，第一引導(dǎo)層305和第二引導(dǎo)層307在有源層306中進(jìn)行封閉激光的動作。
在圖3的GaAs系LD中，在第一n型包層303和第二p型包層309中使用帶隙能量高的InGaN，因此，能夠在有源層306的周邊封閉光和電流，能夠?qū)崿F(xiàn)量子效率高的LD。
與此相對，在現(xiàn)有技術(shù)中，在第一n型包層303和第二p型包層309中使用帶隙能量比InGaN低的InAlGaP。這是因為與第二實施例相同，從晶格匹配和結(jié)晶生長溫度的觀點上看，使用帶隙能量比InGaAlP大的材料是困難的。但是，本發(fā)明人通過實驗獨自得知能夠在p型包層中使用InsGa1-sN(0＜s≤1)。其原因與在第一實施例中說明的一樣。
在以上說明的圖3的半導(dǎo)體發(fā)光元件中，在有源層306中使用InAlGaP，但是，也可以根據(jù)振蕩波長而使用不同的材料。例如，當(dāng)振蕩波長為680nm時，可以使用InGaP，當(dāng)振蕩波長為780nm時，可以使用AlGaAs，當(dāng)振蕩波長為860nm時，可以使用GaAs，當(dāng)振蕩波長為980nm時，可以使用InGaAs，等等。這些材料都可以形成在GaAs襯底301上。
而且，在圖3的半導(dǎo)體發(fā)光元件中，在襯底301中使用了GaAs，但是，也可以使用GaN。在此情況下，襯底301、緩沖層302、第一n型包層303的結(jié)晶構(gòu)造為纖維鋅礦構(gòu)造，在圖中從第一n型包層303以上的層為閃鋅構(gòu)造。在該構(gòu)造中，由于第一n型包層303和第二p型包層309的結(jié)晶構(gòu)造不同，就能利用它們的帶隙差以及折射率差等，來謀求激光特性的改善。
(第四實施例)第四實施例是本發(fā)明用于雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)造的GaAs系HEMT中，如從圖4所看到的那樣，在第一電子供給層403和第二電子供給層405中使用In0.5Ga0.5N。
圖4是表示本發(fā)明的第四實施例的半導(dǎo)體元件的圖。該半導(dǎo)體元件是使用由SI-GaAs組成的襯底401所形成的GaAs系HBT。在襯底401上形成由不摻雜InGaAs組成的緩沖層402、由不摻雜InGaN組成的第一電子供給層403、由不摻雜InGaAs組成的溝道層404、由n型InGaN組成的第二電子供給層405、由n型InGaN組成的歐姆接觸層406。而且，與歐姆接觸層406相連接，形成由Au/Ti的層疊構(gòu)造構(gòu)成的作為歐姆電極的源極電極410和漏極電極411。而且，與第二電子供給層405相連接，形成由Au/Ni的層疊構(gòu)造構(gòu)成的作為肖特基電極的柵極電極412。而且，第二電子供給層405的膜厚為30nm，歐姆接觸層406的膜厚為20nm。
圖4的半導(dǎo)體元件是使用兩個電子親和力大的InGaAs和電子親和力小的InGaN的異質(zhì)結(jié)的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)造的場效應(yīng)晶體管。在圖4的GaAs系HEMT中，在電子親和力大的溝道層404中使電子通行。
圖4的GaAs系HEMT的特征之一是在第二電子供給層405和第一電子供給層403中使用電子親和力小的In0.5Ga0.5N。由此，在圖4的GaAs系HEMT中，能夠增大電子供給層403、405與溝道層404的電子親和力的差。其結(jié)果，能夠通過溝道層404封閉很多的電子，而能夠得到良好的夾斷特性、高的相互導(dǎo)電性、柵極與漏極之間的高的耐壓。
在以上說明的圖4的GaAs系HEMT中，在電子供給層403、405中使用In0.5Ga0.5N，但是，也可以使In組成變化。但是，根據(jù)本發(fā)明人的實驗，當(dāng)使在電子供給層403、405中使用的InGaN的In組成為40％以上時，元件的特性特別好。對于其原因，本發(fā)明人考慮是因為當(dāng)象電子供給層403、405那樣形成幾十nm的薄的膜厚時，提高In組成的方案，結(jié)晶特性良好。
而且，在圖4的HEMT中，在溝道層中使用InGaAs，但是，當(dāng)使用GaAs、AlGaAs、InAlGaP、InGaAsP、GaSb、GaAsSb、GaNAs、InGaNAs、SiGe、HgCdTe等時，能夠得到與本發(fā)明相同的效果。
而且，在圖4中對雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)造進(jìn)行了說明，但是，在單異質(zhì)結(jié)構(gòu)造的HEMT中，能夠得到相同的效果。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體元件，其特征在于包括由IntGa1-tN(0＜t≤1)構(gòu)成的第一半導(dǎo)體層；與上述第一半導(dǎo)體層形成異質(zhì)結(jié)，包含電子親和力小于上述第一半導(dǎo)體的GaAs、InGaAs、AlGaAs、InAlGaP、InGaAsP、GaSb、GaAsSb、GaNAs、InGaNAs、SiGe、HgCdTe中的任意一種材料的第二半導(dǎo)體層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，上述半導(dǎo)體元件是場效應(yīng)晶體管，上述第一半導(dǎo)體層是電子供給層，上述第二半導(dǎo)體層是電子通行層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，包括2個以上上述第一半導(dǎo)體層與上述第二半導(dǎo)體層的異質(zhì)結(jié)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，上述第一半導(dǎo)體層包含InuGa1-uN(0.4≤u≤1)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，上述第二半導(dǎo)體層包含InGaAs或者InGaNAs。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體元件，在GaAs系半導(dǎo)體元件中，通過使用In
文檔編號H01L29/737GK1534794SQ20041003132
公開日2004年10月6日 申請日期2001年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月13日
發(fā)明者藤本英俊 申請人:株式會社東芝