JP2010016232A - 半導体素子および半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】キャリア濃度を高くすることが可能であり、かつ電気抵抗を低くすることの可能な半導体発光素子を提供する。
【解決手段】ｎ型クラッド層１２は第１半導体層１２Ａと第２半導体層１２Ｂとを交互に積層してなる超格子層となっている。第１半導体層１２Ａは、Ｔｅを含まないＳｅ混晶を主に含んでおり、例えばＢｅ_ｘ１Ｍｇ_ｘ２Ｚｎ_ｘ３Ｓｅ混晶（０≦ｘ１≦１，０≦ｘ２≦１，０≦ｘ３≦１，ｘ１＋ｘ２＋ｘ３＝１）を含んで構成されている。第２半導体層１２Ｂは、Ｔｅ混晶を主に含んでおり、例えばＢｅ_ｘ４Ｍｇ_ｘ５Ｚｎ_ｘ６Ｔｅ混晶（０≦ｘ４≦１，０≦ｘ５≦１，０≦ｘ６≦１，ｘ４＋ｘ５＋ｘ６＝１）を含んで構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、超格子層を備えた半導体素子および半導体発光素子に関する。

半導体レーザ（Laser Diode ；ＬＤ）は、固体レーザやガスレーザに比べて小型かつ堅牢で高効率であり、通信、記録、加工、医療などのさまざまな産業分野で応用されている。また、ＲＧＢ３原色の可視光レーザを光源として用いることによりディスプレイを実現することが可能であることから、ディスプレイは半導体レーザの将来の応用分野として期待されている。ＲＧＢ３原色の可視光レーザとしては、ＡｌＧａＩｎＰ系材料を用いた高出力の赤色半導体レーザがすでに実現されている。また、青色レーザには、ＧａＩｎＮなどの窒化物系材料を用いることで高出力な半導体レーザが実現可能と考えられている。しかし、緑色の半導体レーザは、未だ実現されていない。

半導体レーザでは、活性層の材料のバンドギャップにおいて電子と正孔が再結合するときに放出される光を半導体内で共振させてレーザ光として取り出す。そのため、半導体レーザの波長は、活性層の材料で一意的に決定される。緑色帯（波長５００ｎｍ〜６００ｎｍ）の発光が得られる材料としては、ＩｎＧａＮなどの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とＺｎＳｅなどのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体がある。

前者では、緑色の発光ダイオード(Light Emitting Diode; ＬＥＤ)がすでに実用化されていが、緑色の半導体レーザは実用化されていない。ＩｎＧａＮではＩｎ混晶比２０％程度で緑色の発光が得られるが、このとき結晶内には歪が発生し、これに起因して結晶性の低下や内部電界による発光効率の低下が生じる。近年、非極性面基板を用いて内部電界の発生を防ぐことによって緑色の半導体レーザを実現する試みが盛んであるが、緑色の半導体レーザは未だ実現されていない。

後者では、レーザ発振の報告があるが、実用レベルの緑色の半導体レーザは実現されていない。例えば、E.Katoらによって、ＧａＡｓ基板上にＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を積層することにより形成された５００ｎｍ付近の青緑色ＬＤにおいて、１ｍＷで約４００時間の室温連続発振を達成したことが報告されている（非特許文献１）が、この材料系では４００時間以上の寿命を得ることができていない。その理由は、結晶欠陥が発生し移動しやすいという、材料の物理的な性質に起因していると考えられている。

ところで、上記の波長領域の発光素子の材料として、Ｂｅを含むＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いることが検討されている。たとえば、非特許文献２では、ＢｅＺｎＳｅＴｅを活性層に使ったＬＥＤで、５，０００時間を超える素子寿命を達成したことが報告されている。Ｂｅを含むことによって結晶の共有結合性が高くなるので、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体ではあるが、結晶が硬くなり欠陥生成も抑制されると考えられる。

さらに、特許文献１では、Ｂｅを含むＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いた上で、活性層とガイド層をタイプＩ接合する方策について提案されている。図４は、特許文献１に記載の半導体レーザの断面構成の一例を表したものである。図５は、図４の半導体レーザのバンドラインナップを模式的に示したものである。この半導体レーザでは、ＩｎＰ基板１１０上に、バッファ層１１１、ｎ型クラッド層１１２、ｎ型グレーデッド層１１３、ガイド層１１４、活性層１１５、ガイド層１１６、ｐ型クラッド層１１７およびコンタクト層１１８が積層されている。コンタクト層１１８上にはストライプ状の開口を有する絶縁層１２１が形成されており、その絶縁層１２１上には、絶縁層１２１の開口を介してコンタクト層１１８と接するｐ側電極１２２が形成されている。また、ＩｎＰ基板１１０の裏面には、ｎ側電極１２３が形成されている。

この半導体レーザでは、活性層１１５として、緑色で発光し、かつＩｎＰに格子整合するＢｅ_０．１３Ｚｎ_０．８７Ｓｅ_０．４０Ｔｅ_０．６０が用いられている。また、図５に示したように、ガイド層１１４として、Ｂｅ_０．１３Ｚｎ_０．８７Ｓｅ_０．４０Ｔｅ_０．６０層１１４ＡおよびＭｇＳｅ層１１４Ｂを交互に積層してなる超格子が用いられ、同様に、ガイド層１１６として、Ｂｅ_０．１３Ｚｎ_０．８７Ｓｅ_０．４０Ｔｅ_０．６０層１１６ＡおよびＭｇＳｅ層１１６Ｂを交互に積層してなる超格子が用いられている。また、ｎ型クラッド層１１２として、Ｚｎ_０．４８Ｃｄ_０．５２Ｓｅ層１１２ＡおよびＭｇＳｅ層１１２Ｂを交互に積層してなる超格子が用いられ、同様に、ｎ型グレーデッド層１１３として、Ｚｎ_０．４８Ｃｄ_０．５２Ｓｅ層１１３ＡおよびＭｇＳｅ層１１３Ｂを交互に積層してなる超格子が用いられている。また、ｐ型クラッド層１１７として、Ｂｅ_０．４８Ｚｎ_０．５２Ｔｅ層１１７ＡおよびＭｇＳｅ層１１７Ｂを交互に積層してなる超格子が用いられている。これにより、活性層１１５とガイド層１１４，１１６をタイプＩ接合させることができる。

E.Kato et al. "Significant progress in II-VI blue-green laser diode lifetime" Electronics Letters 5th February 1998 Vol.34 No.3 p.282-284 I.Nomura et al. "Long life operations over 5000 hours of BeZnSeTe/MgZnCdSe visible light emitting diodes on InP substrates" phys.stat.sol(b) 243, No.4(2006) p.924-928 T.Maruyama et al. "Compensation centers in ZnSeTe" Journal ofApplied Physics, Vol.86, No.11, 5993-5999(1999) 特開２００７−２５１０９２号公報

しかし、ＸＰＳ（X-ray Photoelectron Spectroscopy）測定による価電子帯バンド不連続量評価と、ＰＬ(Photoluminescence)測定によるバンドギャップエネルギー評価とを行った結果、ｎ型グレーデッド層１１３の伝導帯下端が、活性層１１５の伝導帯下端よりも低く、ｎ型グレーデッド層１１３と活性層１１５とがタイプＩＩ接合していることが最近の研究から明らかになった。

タイプＩＩ接合界面での発光（タイプＩＩ発光）は空間的に分離した電子と正孔との再結合発光であり、タイプＩＩ発光の発光効率はタイプＩ発光の発光効率と比べて著しく低い。また、光が生成される位置が活性層１１５の中心位置ではないので、活性層１１５への光閉じ込めが不十分となり、レーザ発振を得ることができない。

そこで、それらの欠点を克服するために、例えば、図６、図７に示したように、ｎ型グレーデッド層１１３をなくし、さらにｎ型クラッド層１１２としてＭｇ_０．６０Ｚｎ_０．４０Ｓｅ_０．８５Ｔｅ_０．１５を用いることが考えられる。

以下、Ｍｇ_０．６０Ｚｎ_０．４０Ｓｅ_０．８５Ｔｅ_０．１５が活性層１１５またはガイド層１１４とはタイプＩ接合するか否かについて検証を行った。まず、Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＳｅ_ｙＴｅ_１−ｙ単層をＩｎＰ基板上に結晶成長し、その組成と光学特性を評価した。ＥＤＸ(Energy Dispersive Spectroscopy)測定の結果、ｘは０．５９、ｙは０．８３となり、ＸＲＤ(X-ray Diffraction)測定の結果、ＩｎＰに対する格子不整合は０．４％であった。さらに、反射率分散測定を行った結果、バンドギャップは２．９９ｅＶであった。理論計算では、ｘ＝０．６０、ｙ＝０．８５でＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＳｅ_ｙＴｅ_１−ｙはＩｎＰとほぼ格子整合し、Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＳｅ_ｙＴｅ_１−ｙのバンドギャップが３．０ｅＶとなることがわかっている。従って、作製したＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＳｅ_ｙＴｅ_１−ｙ単層の組成、格子定数およびバンドギャップは、理論値とほぼ一致した。

次に、作製したＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＳｅ_ｙＴｅ_１−ｙ単層に対してＸＰＳ評価を行ったところ、ＭｇＳｅのＶＢＭ(Valence Band Maximum)をゼロとした場合に、ＶＢＭが０．７９ｅＶとなった。ここで、活性層１１５やガイド層１１４の超格子の井戸層に用いられるＢｅ_０．１３Ｚｎ_０．８７Ｓｅ_０．４０Ｔｅ_０．６０では、バンドギャップが２．３３、ＶＢＭが１．１４である。これにより、作製したＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＳｅ_ｙＴｅ_１−ｙ単層とＢｅ_０．１３Ｚｎ_０．８７Ｓｅ_０．４０Ｔｅ_０．６０との伝導帯下端の不連続量ΔＥｃは０．３１ｅＶとなり、作製したＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＳｅ_ｙＴｅ_１−ｙ単層とＢｅ_０．１３Ｚｎ_０．８７Ｓｅ_０．４０Ｔｅ_０．６０との価電子帯下端の不連続量ΔＥｖが０．３５ｅＶとなる。従って、作製したＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＳｅ_ｙＴｅ_１−ｙ単層と活性層１１５またはガイド層１１４とはタイプＩ接合することがわかった。

しかし、ＭｇＺｎＳｅＴｅ：Ｃｌでは、キャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以下であり、電気抵抗が従来からｎ型クラッド層の材料として用いられてきたＭｇＳｅ／ＺｎＣｄＳｅ超格子の電気抵抗と比べて１桁以上高いという結果が得られた。非特許文献３によれば、ＺｅＳｅＴｅ：Ｃｌでは、Ｃｌから生成される電子が格子間中心に存在するＴｅによって補償されることが示されており、ＭｇＺｎＳｅＴｅ：Ｃｌのキャリア濃度が低い原因も格子間中心に存在するＴｅが電子を補償していることが予想される。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、キャリア濃度を高くすることが可能であり、かつ電気抵抗を低くすることの可能な半導体素子および半導体発光素子を提供することにある。

本発明の半導体素子は、半導体基板上に、第１半導体層および第２半導体層を交互に積層してなる超格子層を備えたものである。第１半導体層および第２半導体層のいずれか一方だけが、キャリアを補償する母体原子を含んでいる。

本発明の半導体発光素子は、半導体基板上に、ｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層をこの順に含む積層構造を備えたものである。ｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層の少なくとも一方は、第１半導体層および第２半導体層を交互に積層してなる超格子層を有しており、第１半導体層および第２半導体層のいずれか一方だけが、キャリアを補償する母体原子を含んでいる。

本発明の半導体素子および半導体発光素子では、第１半導体層および第２半導体層のいずれか一方にだけ、キャリアを補償する母体原子が含まれている。これにより、製造過程において、第１半導体層および第２半導体層のうち、少なくとも母体原子を含まない方の半導体層（非含有層）にドーパントをドーピングすることにより、少なくとも上記非含有層において、ドーパントが上記母体原子によって補償される虞をなくすることができる。ここで、補償とは、例えば、上記母体原子が格子間中心に存在している場合に、その母体原子の周囲にキャリアを捕捉することを指している。

本発明の半導体素子および半導体発光素子によれば、第１半導体層および第２半導体層のいずれか一方にだけ、キャリアを補償する母体原子が含まれるようにしたので、少なくとも、上記非含有層において、ドーパントが上記母体原子によって補償される虞をなくすることができる。これにより、超格子層全体においてドーパントが上記母体原子によって補償されている場合と比べて、超格子層全体のキャリア濃度を高くすることができるので、超格子層全体の電気抵抗を低くすることが可能である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る半導体レーザ１の断面構成を表すものである。図２は、図１の半導体レーザ１のｎ型クラッド層１２（後述）の断面構成を表すものである。図３は、図１の半導体レーザ１の各層のバンド構造の一例を模式的に表すものである。この半導体レーザ１は、エピタキシャル成長法、例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ，ＭＯＶＰＥ）法により形成されたものであり、基板の結晶と特定の結晶学的方位関係を保ちつつ結晶膜を堆積成長させたものである。

半導体レーザ１は、基板１０の一面側に、バッファ層１１、ｎ型クラッド層１２、ガイド層１３、活性層１４、ガイド層１５、ｐ型クラッド層１６およびコンタクト層１７をこの順に積層して構成された積層構造２０を備えている。

基板１０は、例えばｎ型ＩｎＰ基板である。バッファ層１１は、ｎ型クラッド層１２からコンタクト層１７までの各半導体層の結晶成長性を良くするために基板１０の表面に形成されたものである。バッファ層１１は、例えば、基板１０がＩｎＰ基板である場合には、Ｓｉドープのｎ型ＩｎＧａＡｓ層およびＣｌドープのｎ型ＺｎＣｄＳｅ層を基板１０側から順に積層して構成されている。

ｎ型クラッド層１２は、バンドギャップがガイド層１３および活性層１４のバンドギャップよりも大きく、かつ屈折率がガイド層１３および活性層１４の屈折率よりも小さく、さらに、伝導帯下端または伝導帯第一サブバンド下端がガイド層１３および活性層１４の伝導帯下端または伝導帯第一サブバンド下端よりも高いＩＩ−ＶＩ族化合物半導体により構成されている。

このｎ型クラッド層１２は、例えば、図２に示したように、第１半導体層１２Ａと第２半導体層１２Ｂとを交互に積層してなる超格子層となっている。ここで、第１半導体層１２Ａは、Ｔｅを含まないＳｅ混晶を主に含んでおり、例えば、ＭｇＺｎＳｅ混晶、ＺｎＳｅ混晶、ＭｇＳｅ混晶、ＢｅＭｇＳｅ混晶、ＢｅＳｅ混晶、ＢｅＺｎＳｅ混晶またはＢｅＭｇＺｎＳｅ混晶などのＢｅ_ｘ１Ｍｇ_ｘ２Ｚｎ_ｘ３Ｓｅ混晶（０≦ｘ１≦１，０≦ｘ２≦１，０≦ｘ３≦１，ｘ１＋ｘ２＋ｘ３＝１）を含んで構成されている。一方、第２半導体層１２Ｂは、Ｔｅ混晶を主に含んでおり、例えば、ＭｇＺｎＴｅ混晶、ＺｎＴｅ混晶、ＭｇＴｅ混晶、ＢｅＭｇＴｅ混晶、ＢｅＴｅ混晶、ＢｅＺｎＴｅ混晶またはＢｅＭｇＺｎＴｅ混晶などのＢｅ_ｘ４Ｍｇ_ｘ５Ｚｎ_ｘ６Ｔｅ混晶（０≦ｘ４≦１，０≦ｘ５≦１，０≦ｘ６≦１，ｘ４＋ｘ５＋ｘ６＝１）を含んで構成されている。なお、第２半導体層１２ＢのＴｅ混晶には、Ｓｅが含まれていても構わない。

第１半導体層１２Ａおよび第２半導体層１２Ｂのそれぞれの層厚は、例えば、１ＭＬ（ＭＬ：モノレイヤー、１ＭＬ≒０．３ｎｍ）以上１０ＭＬ以下となっており、第１半導体層１２Ａおよび第２半導体層１２Ｂのそれぞれの材料（組成比）および各層厚の比によってｎ型クラッド層１２の実効的なバンドギャップを変える（制御する）ことが可能となっている。第１半導体層１２Ａおよび第２半導体層１２Ｂの厚さの比（第１半導体層１２Ａの厚さ／第２半導体層１２Ｂの厚さ）は、バンドギャップがガイド層１３および活性層１４のバンドギャップよりも大きくなる範囲内の値となっている。例えば、第１半導体層１２ＡがＭｇ_０．６Ｚｎ_０．４Ｓｅ混晶からなり、第２半導体層１２ＢがＭｇ_０．６Ｚｎ_０．４Ｔｅ混晶からなる場合には、０．８５／０．１５となっている。

ここで、Ｍｇ_０．６Ｚｎ_０．４Ｔｅ混晶ではＩｎＰとの格子不整合が６．８％と大きいので、第２半導体層１２ＢとしてＭｇ_０．６Ｚｎ_０．４Ｔｅ混晶を用いた場合には、コヒーレント成長を保つために第２半導体層１２Ｂの厚さを１ｎｍ以下とすることが望ましい。従って、第１半導体層１２ＡとしてＭｇ_０．６Ｚｎ_０．４Ｓｅ混晶を用い、かつ第２半導体層１２ＢとしてＭｇ_０．６Ｚｎ_０．４Ｔｅ混晶を用いた場合には、第１半導体層１２Ａおよび第２半導体層１２Ｂの厚さの比（第１半導体層１２Ａの厚さ／第２半導体層１２Ｂの厚さ）を８．５ＭＬ／１．５ＭＬとすることが望ましい。これにより、ｎ型クラッド層１２をガイド層１３や活性層１４とタイプＩ接合することができ、しかも結晶欠陥の発生を抑えることができる。なお、超格子の一方の層厚が１ＭＬ程度となっている場合には、超格子は擬似混晶化されている可能性が高い。このことから、Ｍｇ_０．６Ｚｎ_０．４Ｓｅ（８．５ＭＬ）／Ｍｇ_０．６Ｚｎ_０．４Ｔｅ（１．５ＭＬ）超格子のバンドギャップやＶＢＭは、Ｍｇ_０．６０Ｚｎ_０．４０Ｓｅ_０．８５Ｔｅ_０．１５混晶のバンドギャップやＶＢＭと同等であると考えられる。

第１半導体層１２Ａおよび第２半導体層１２Ｂのうち、少なくともＴｅを含まない方の半導体層（第１半導体層１２Ａ）には、ドーパントとしてｎ型不純物が少なくとも１種類ドープされている。ｎ型不純物としては、例えば、Ｃｌ、Ｇａ、Ａｌなどが挙げられる。

ガイド層１３は、バンドギャップが活性層１４のバンドギャップよりも大きく、かつ屈折率が活性層１４の屈折率よりも小さく、さらに、伝導帯下端または伝導帯第一サブバンド下端が活性層１４の伝導帯下端または伝導帯第一サブバンド下端よりも高いＩＩ−ＶＩ族化合物半導体層となっている。

このガイド層１３は、例えば、図３に示したように、井戸層１３Ａと障壁層１３Ｂとを交互に積層してなる超格子層となっている。ここで、井戸層１３Ａは、例えば、活性層１４と同一組成の半導体層となっており、例えば、主としてＺｎＳｅＴｅ混晶またはＢｅＺｎＳｅＴｅ混晶を含んでいる。一方、障壁層１３Ｂは、例えば、主としてＭｇＳｅを含んでいる。また、井戸層１３Ａおよび障壁層１３Ｂのそれぞれの層厚は、例えば、１ＭＬ以上１０ＭＬ以下となっており、井戸層１３Ａおよび障壁層１３Ｂのそれぞれの材料（組成比）および各層厚の比によってガイド層１３の実効的なバンドギャップを変える（制御する）ことが可能となっている。井戸層１３Ａおよび障壁層１３Ｂの厚さの比（障壁層１３Ｂの厚さ／井戸層１３Ａの厚さ）は、バンドギャップが活性層１４のバンドギャップよりも大きくなる範囲内の値となっており、例えば、井戸層１３ＡがＢｅ_０．１３Ｚｎ_０．８７Ｓｅ_０．４０Ｔｅ_０．６０混晶からなり、障壁層１３ＢがＭｇＳｅ混晶からなる場合には、２ＭＬ／８ＭＬとなっている。

なお、ガイド層１３は、上記した井戸層１３Ａおよび障壁層１３Ｂの他に、更に何らかの層を含んでいてもよい。また、ガイド層１３は、単層構造であってもよく、例えば、主としてＭｇＺｎＳｅＴｅ混晶またはＭｇＢｅＺｎＳｅＴｅ混晶を含む単層構造となっていてもよい。

また、ガイド層１３が上記したような積層構造となっている場合には、その積層構造に含まれる全ての層（例えば、井戸層１３Ａ、障壁層１３Ｂ、またはその他の何らかの層）がアンドープとなっていることが好ましい。なお、本明細書において「アンドープ」とは、対象となる半導体層を製造する際に不純物の原料を供給していないことを意味するものであり、対象となる半導体層に不純物が全く含まれていない場合や、他の半導体層などから拡散してきた不純物がわずかに含まれている場合も含まれる概念である。また、ガイド層１３が上記したような単層構造となっている場合には、層全体がアンドープとなっていることが好ましい。

活性層１４は、所望の発光波長（例えば緑色帯）に対応したバンドギャップを有するＩＩ−ＶＩ族化合物半導体層となっている。この活性層１４は、例えば、ＺｎＳｅＴｅ混晶またはＢｅＺｎＳｅＴｅ混晶を含んで構成されており、例えば、緑色帯の波長で発光し、かつＩｎＰと格子整合するＢｅ_０．１３Ｚｎ_０．８７Ｓｅ_０．４０Ｔｅ_０．６０混晶により構成されている。なお、活性層１４がＺｎＳｅＴｅ混晶またはＢｅＺｎＳｅＴｅ混晶を含む量子井戸構造となっていてもよい。また、活性層１４の層全体がアンドープとなっていることが好ましい。

ガイド層１５は、バンドギャップが活性層１４のバンドギャップよりも大きく、かつ屈折率が活性層１４の屈折率よりも小さく、さらに、価電子帯上端または価電子帯第一サブバンド上端が活性層１４の価電子帯上端または価電子帯第一サブバンド上端よりも低いＩＩ−ＶＩ族化合物半導体層となっている。

このガイド層１５は、例えば、図３に示したように、井戸層１５Ａと障壁層１５Ｂとを交互に積層してなる超格子層となっている。ここで、井戸層１５Ａは、例えば、活性層１４と同一組成の半導体層となっており、例えば、主としてＺｎＳｅＴｅ混晶またはＢｅＺｎＳｅＴｅ混晶を含んでいる。一方、障壁層１５Ｂは、例えば、主としてＭｇＳｅ混晶を含んでいる。また、井戸層１５Ａおよび障壁層１５Ｂのそれぞれの層厚は、例えば、１ＭＬ以上１０ＭＬ以下となっており、井戸層１５Ａおよび障壁層１５Ｂのそれぞれの材料（組成比）および各層厚の比によってガイド層１５の実効的なバンドギャップを変える（制御する）ことが可能となっている。井戸層１５Ａおよび障壁層１５Ｂの厚さの比（障壁層１５Ｂの厚さ／井戸層１５Ａの厚さ）は、バンドギャップが活性層１４のバンドギャップよりも大きくなる範囲内の値となっており、例えば、井戸層１５ＡがＢｅ_０．１３Ｚｎ_０．８７Ｓｅ_０．４０Ｔｅ_０．６０混晶からなり、障壁層１５ＢがＭｇＳｅ混晶からなる場合には、２ＭＬ／８ＭＬとなっている。

なお、ガイド層１５は、上記した井戸層１５Ａおよび障壁層１５Ｂの他に、更に何らかの層を含んでいてもよい。また、ガイド層１５は、単層構造であってもよく、例えば、主としてＭｇＺｎＳｅＴｅ混晶またはＭｇＢｅＺｎＳｅＴｅ混晶を含む単層構造となっていてもよい。

また、ガイド層１５が上記したような積層構造となっている場合には、その積層構造に含まれる全ての層（例えば、井戸層１５Ａ、障壁層１５Ｂ、またはその他の何らかの層）がアンドープとなっていることが好ましい。また、ガイド層１５が上記したような単層構造となっている場合には、層全体がアンドープとなっていることが好ましい。

ｐ型クラッド層１６は、バンドギャップが活性層１４およびガイド層１５のバンドギャップよりも大きく、かつ屈折率が活性層１４およびガイド層１５の屈折率よりも小さいＩＩ−ＶＩ族化合物半導体となっている。

このｐ型クラッド層１６は、例えば、図３に示したように、井戸層１６Ａと障壁層１６Ｂとを交互に積層してなる超格子構造となっている。ここで、井戸層１６Ａは、例えば、主としてＢｅＺｎＴｅ混晶を含んでおり、障壁層１６Ｂは、例えば、主としてＭｇＳｅ混晶を含んでいる。また、井戸層１６Ａおよび障壁層１６Ｂのそれぞれの層厚は、例えば、１ＭＬ以上１０ＭＬ以下となっており、井戸層１６Ａおよび障壁層１６Ｂのそれぞれの材料（組成比）および各層厚の比によってｐ型クラッド層１６の実効的なバンドギャップを変える（制御する）ことが可能となっている。井戸層１６Ａおよび障壁層１６Ｂの厚さの比（障壁層１６Ｂの厚さ／井戸層１６Ａの厚さ）は、バンドギャップが活性層１５およびガイド層１５のバンドギャップよりも大きくなる範囲内の値となっており、例えば、井戸層１６ＡがＢｅ_０．４８Ｚｎ_０．５２Ｔｅ混晶からなり、障壁層１６ＢがＭｇＳｅ混晶からなる場合には、４ＭＬ／６ＭＬとなっている。

なお、ｐ型クラッド層１６は、上記した井戸層１６Ａおよび障壁層１６Ｂの他に、更に何らかの層を含んでいてもよい。また、ｐ型クラッド層１６は、単層構造であってもよく、例えば、主としてＭｇＢｅＺｎＳｅＴｅ混晶を含む単層構造となっていてもよい。

また、ｐ型クラッド層１６が上記したような積層構造となっている場合には、その積層構造に含まれる所定の層（例えば、井戸層１６Ａ、障壁層１６Ｂ、またはその他の何らかの層）にｐ型不純物が少なくとも１種類ドープされているか、または積層構造に含まれる所定の層以外の層よりも多くドープされていてもよい。また、ｐ型クラッド層１６が上記したような単層構造となっている場合には、ｐ型不純物が少なくとも１種類、層全体に均一にドープされていてよいし、層内で濃度分布が生じるように不均一にドープされていてもよい。ｐ型不純物としては、例えば、Ｎ、Ｐ、Ｏ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｌｉ、ＮａまたはＫなどが挙げられる。

コンタクト層１７は、例えば、ｐ型ＺｎＴｅにより構成されている。

また、この半導体レーザ１には、積層構造２０の上面にストライプ状の開口を有する絶縁層２１が形成されており、さらに、その開口を含む絶縁層２１の表面全体にｐ側電極２２が形成されている。また、基板１０の裏面には、ｎ側電極２３が形成されている。ｐ側電極２２は、例えば、パラジウム（Ｐｄ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）をコンタクト層１７上にこの順に積層したものであり、コンタクト層１７と電気的に接続されている。また、ｎ側電極２３は、例えば、例えば金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）との合金，ニッケル（Ｎｉ）および金（Ａｕ）とをこの順に積層した構造を有しており、基板１０と電気的に接続されている。このｎ側電極２３は、半導体レーザ１を支持するためのサブマウント(図示せず)の表面に固定されており、さらに、サブマウントを介してヒートシンク（図示せず）の表面に固定されている。

ところで、上記したｎ型クラッド層１２、ガイド層１３、活性層１４、ガイド層１５およびｐ型クラッド層１６は、基板１０と格子整合していることが好ましい。ここで、基板１０がＩｎＰ基板となっている場合には、他の層はＩｎＰと格子整合する組成比の材料により構成されていることが好ましい。ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体のうちＩｎＰと格子整合するものとしては、例えば、以下に示した表１の材料が挙げられる。ただし、超格子構造となっている場合には、超格子を構成する各層に格子不整があっても超格子全体として格子不整がゼロ（ネットゼロ歪）となっていればよい。さらに、発光強度の劣化の少ない範囲内で各層が基板１０と格子不整合していてもよく、例えば、活性層１４については、当該活性層１４の基板１０との格子不整合率が１％以下となるような組成比となっていてもよい。

なお、表１に示した４元混晶（ＢｅＺｎＳｅＴｅ）のＢｅ組成比をＩｎＰと格子整合条件下で０〜０．３まで変えることができるので、表１に示した４元混晶（ＢｅＺｎＳｅＴｅ）のバンドギャップを、２．０７ｅＶ〜２．６５ｅＶの範囲内の値とすることが可能である。例えば、ＢｅＺｎＳｅＴｅのＢｅ組成比を０．１３とし、Ｓｅ組成比を０．４０とすることにより、ＢｅＺｎＳｅＴｅのバンドギャップを、緑色帯の波長に対応するバンドギャップ（２．３３ｅＶ）とすることができる。

また、表１に示した各超格子層では、各層の組成比および層厚を適宜調整することにより、各超格子層のバンドギャップおよびＶＢＭを、タイプＩ接合するような範囲内の値とすることが可能である。例えば、ガイド層１３をＭｇＳｅ（２ＭＬ）／Ｂｅ_０．１３Ｚｎ_０．８７Ｓｅ_０．４０Ｔｅ_０．６０（８ＭＬ）超格子とし、ｎ型クラッド層１２をＭｇ_０．６Ｚｎ_０．４Ｓｅ（８．５ＭＬ）／Ｍｇ_０．６Ｚｎ_０．４Ｔｅ（１．５ＭＬ）超格子とすることにより、ガイド層１３の伝導帯下端とｎ型クラッド層１２の伝導帯下端との不連続量ΔＥｃを０．３１ｅＶとすることが可能である（図３参照）。このとき、図３に示したように、ガイド層１３の価電子帯上端とｎ型クラッド層１２の価電子帯上端との不連続量ΔＥｖが０．３５ｅＶとなり、ｎ型クラッド層１２の価電子帯上端は、ガイド層１３の価電子帯上端よりも低くなっている。従って、この場合には、十分な正孔の閉じ込めが得られている。

なお、ｎ型クラッド層１２として、上記した超格子の代わりに、Ｍｇ_０．６４Ｚｎ_０．３６Ｓｅ（４ＭＬ）／ＺｎＴｅ（１ＭＬ）超格子を用いることによっても、ガイド層１３とｎ型クラッド層１２とをタイプＩ接合することが可能である。

本実施の形態の積層構造２０は、例えば以下のようにして形成することが可能である。基板１０としてＩｎＰを使い、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）で積層構造２０を成長させる。

まず、基板１０としてｎ型ＩｎＰ基板を用意し、この基板１０をＭＢＥチャンバー（図示せず）内に載置する。続いて、熱処理により基板１０の表面酸化物を除去する。これにより、基板１０は表面再配列され、エピタキシャル成長に適した状態となる。

次に、ＳｉドープＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ層を約１００ｎｍ、さらにＣｌドープＺｎ_０．４８Ｃｄ_０．５２Ｓｅ層を約１００ｎｍ成長させることによりバッファ層１１を形成する。ここでの組成比はＩｎＰ基板に格子整合する条件から決まる。なお、以下に記載の組成比についても同様である。

次に、ＣｌドープＭｇ_０．６Ｚｎ_０．４Ｓｅ混晶層（約８．５ＭＬ）とアンドープＭｇ_０．６Ｚｎ_０．４Ｔｅ層（約１．５ＭＬ）を交互に積層して超格子構造を約６００ｎｍ成長させることにより下部クラッド層１２を形成する。

次に、アンドープＭｇＳｅ混晶層（約２ＭＬ）とアンドープＢｅ_０．１３Ｚｎ_０．８７Ｓｅ_０．４０Ｔｅ_０．６０混晶層（約８ＭＬ）を交互に積層して超格子構造を約５０ｎｍ成長させることによりガイド層１３を形成する。次に、アンドープＢｅ_０．１３Ｚｎ_０．８７Ｓｅ_０．４０Ｔｅ_０．６０混晶層を約１０ｎｍ成長させることにより活性層１５を形成する。次に、アンドープＭｇＳｅ混晶層（約２ＭＬ）とアンドープＢｅ_０．１３Ｚｎ_０．８７Ｓｅ_０．４０Ｔｅ_０．６０混晶層（約８ＭＬ）を交互に積層して超格子構造を約５０ｎｍ成長させることによりガイド層１５を形成する。次に、アンドープＭｇＳｅ混晶層（約４ＭＬ）とＮドープＢｅ_０．４８Ｚｎ_０．５２Ｔｅ混晶層（約６ＭＬ）を交互に積層して超格子構造を約６００ｎｍ成長させることによりｐ型クラッド層１６を形成する。最後に、ＮドープＺｎＴｅを約５ｎｍ成長させることによりコンタクト層１７を形成する。このようにして、本実施の形態の積層構造２０は形成される。

本実施の形態の半導体レーザ１では、上部電極２２と下部電極２３との間に所定の電圧が印加されると、活性層１５に電流が注入され、電子−正孔再結合によって発光が生じ、端面（図示せず）から例えば青紫色から橙色（４８０ｎｍ〜６００ｎｍ）の範囲内の波長のレーザ光が積層面内方向に向けて射出される。

次に、本実施の形態の半導体レーザ１の効果について、比較例と対比しつつ説明する。

図４は、比較例１に係る半導体レーザの断面構成を表すものである。図５は、図４の半導体レーザのバンドラインナップの一例を模式的に表すものである。この半導体レーザでは、ＩｎＰ基板１１０上に、バッファ層１１１、ｎ型クラッド層１１２、ｎ型グレーデッド層１１３、ガイド層１１４、活性層１１５、ガイド層１１６、ｐ型クラッド層１１７およびコンタクト層１１８が積層されている。コンタクト層１１８上にはストライプ状の開口を有する絶縁層１２１が形成されており、その絶縁層１２１上には、絶縁層１２１の開口を介してコンタクト層１１８と接するｐ側電極１２２が形成されている。また、ＩｎＰ基板１１０の裏面には、ｎ側電極１２３が形成されている。

比較例１に係る半導体レーザでは、活性層１１５として、緑色で発光し、かつＩｎＰに格子整合するＢｅ_０．１３Ｚｎ_０．８７Ｓｅ_０．４０Ｔｅ_０．６０が用いられている。また、図５に示したように、ガイド層１１４として、Ｂｅ_０．１３Ｚｎ_０．８７Ｓｅ_０．４０Ｔｅ_０．６０層１１４ＡおよびＭｇＳｅ層１１４Ｂを交互に積層してなる超格子が用いられ、同様に、ガイド層１１６として、Ｂｅ_０．１３Ｚｎ_０．８７Ｓｅ_０．４０Ｔｅ_０．６０層１１６ＡおよびＭｇＳｅ層１１６Ｂを交互に積層してなる超格子が用いられている。また、ｎ型クラッド層１１２として、Ｚｎ_０．４８Ｃｄ_０．５２Ｓｅ層１１２ＡおよびＭｇＳｅ層１１２Ｂを交互に積層してなる超格子が用いられ、同様に、ｎ型グレーデッド層１１３として、Ｚｎ_０．４８Ｃｄ_０．５２Ｓｅ層１１３ＡおよびＭｇＳｅ層１１３Ｂを交互に積層してなる超格子が用いられている。また、ｐ型クラッド層１１７として、Ｂｅ_０．４８Ｚｎ_０．５２Ｔｅ層１１７ＡおよびＭｇＳｅ層１１７Ｂを交互に積層してなる超格子が用いられている。これにより、活性層１１５とガイド層１１４，１１６をタイプＩ接合させることができ、高い発光効率を得ることができる。

しかし、ＸＰＳ測定による価電子帯バンド不連続量評価と、ＰＬ測定によるバンドギャップエネルギー評価とを行った結果、ｎ型グレーデッド層１１３の伝導帯下端が、活性層１１５の伝導帯下端よりも低く、ｎ型グレーデッド層１１３と活性層１１５とがタイプＩＩ接合していることがわかった。従って、比較例１に係る半導体レーザでは、タイプＩＩ発光が生じ、発光効率が著しく低い。また、光が生成される位置が活性層１１５の中心位置ではないので、活性層１１５への光閉じ込めが不十分となり、レーザ発振を得ることができない。

一方、本実施の形態では、上記したように、ガイド層１３とｎ型クラッド層１２とがタイプＩ接合しているので、高い発光効率を得ることができる。また、光が生成される位置が活性層１４の中心位置となるので、活性層１４へ光を十分に閉じ込めることができ、レーザ発振を得ることができる。

図６は、比較例２に係る半導体レーザの断面構成を表すものである。図７は、図６の半導体レーザのバンドラインナップの一例を模式的に表すものである。この半導体レーザは、
比較例１に係る半導体レーザにおいて、ｎ型グレーデッド層１１３をなくし、さらにｎ型クラッド層１１２としてＭｇ_０．６０Ｚｎ_０．４０Ｓｅ_０．８５Ｔｅ_０．１５：Ｃｌを用いたものである。比較例２に係る半導体レーザでは、ｎ型クラッド層１１２としてＭｇ_０．６０Ｚｎ_０．４０Ｓｅ_０．８５Ｔｅ_０．１５を用いたので、本実施の形態で示した超格子層（Ｔｅを含まない半導体層を含む超格子層）をｎ型クラッド層１１２に用いなくても、ｎ型クラッド層１１２と活性層１１５またはガイド層１１４とをタイプＩ接合させることが可能である。

しかし、比較例２に係る半導体レーザでは、ｎ型クラッド層１１２において、ドーパント（Ｃｌ）がＴｅと共に同一層内に混在している。ここで、Ｔｅ原子は、格子間中心に位置する場合に、キャリア（電子）を補償する作用を有しており、格子間中心に位置するＴｅ原子の周囲にキャリア（電子）を捕捉するキャリアキラーとなる。そのため、ドーパント（Ｃｌ）とＴｅとを同一層内に混在させると、Ｔｅ原子がキャリアキラーとなってドーパント（Ｃｌ）を捕捉してしまい、ドーパント（Ｃｌ）の活性が阻害されてしまう。その結果、キャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以下となってしまい、さらに、電気抵抗が従来からｎ型クラッド層の材料として用いられてきたＭｇＳｅ／ＺｎＣｄＳｅ超格子の電気抵抗と比べて１桁以上高くなってしまう。

一方、本実施の形態では、ｎ型クラッド層１２において、第１半導体層１２Ａおよび第２半導体層１２Ｂのいずれか一方（第２半導体層１２Ｂ）にだけ、キャリア（電子）を補償する母体原子であるＴｅが格子間中心に含まれており、第１半導体層１２ＡにはＴｅが含まれていない。これにより、製造過程において、第１半導体層１２Ａおよび第２半導体層１２Ｂのうち、少なくともＴｅを含まない方の半導体層（第１半導体層１２Ａ）に、ドーパントとしてｎ型不純物を少なくとも１種類ドープすることにより、第１半導体層１２Ａにおいてキャリア濃度をかせぐことが可能となる。その結果、比較例２に係る半導体レーザの場合と比べて、ｎ型クラッド層１２全体のキャリア濃度を十分に高濃度にすることができ、さらにｎ型クラッド層１２全体の電気抵抗を十分に低くすることができる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。

例えば、上記実施の形態では、本発明をＩＩ−ＶＩ族の化合物半導体レーザに適用した場合について説明したが、他の化合物半導体レーザに対しても適用可能である。また、本発明を半導体レーザのｎ型クラッド層に適用した場合について説明したが、キャリアを補償する母体原子を用いる半導体層全てに対して適用可能である。従って、本発明を半導体レーザとは異なる半導体素子に対しても適用可能であり、また、ｐ型半導体層に対しても適用可能な場合がある。

本発明の一実施の形態に係る半導体レーザの断面構成図である。 図１の半導体レーザのｎ型クラッド層の断面構成図である。 図１の半導体レーザのバンドラインナップの一例を模式的に表した模式図である。 比較例１に係る半導体レーザの断面構成図である。 図４の半導体レーザのバンドラインナップの一例を模式的に表した模式図である。 比較例２に係る半導体レーザの断面構成図である。 図６の半導体レーザのバンドラインナップの一例を模式的に表した模式図である。

符号の説明

１…半導体レーザ、１０…基板、１１…バッファ層、１２…ｎ型クラッド層、１２Ａ…第１半導体層、１２Ｂ…第２半導体層、１３，１５…ガイド層、１３Ａ，１５Ａ，１６Ａ…井戸層、１３Ｂ，１５Ｂ，１６Ｂ…障壁層、１４…活性層、１６…ｐ型クラッド層、１７…コンタクト層、２０…積層構造、２１…絶縁層、２２…ｐ側電極、２３…ｎ側電極。

Claims (12)

1. 半導体基板上に、第１半導体層および第２半導体層を交互に積層してなる超格子層を備え、
   前記第１半導体層および前記第２半導体層のいずれか一方だけがキャリアを補償する母体原子を含む半導体素子。
2. 前記母体原子は格子間中心に存在している請求項１に記載の半導体素子。
3. 前記第１半導体層および前記第２半導体層はＩＩ−ＶＩ族化合物半導体により構成される請求項１に記載の半導体素子。
4. 前記第１半導体層および前記第２半導体層のうち、少なくとも前記母体原子を含まない方の半導体層はドーパントを含む請求項１に記載の半導体素子。
5. 前記ドーパントはＣｌである請求項４に記載の半導体素子。
6. 前記母体原子はＴｅである請求項１に記載の半導体素子。
7. 前記第１半導体層および前記第２半導体層のうち前記母体原子を含む方の半導体層は、Ｔｅ混晶を主に含み、
   前記第１半導体層および前記第２半導体層のうち前記母体原子を含まない方の半導体層は、Ｓｅ混晶を主に含む請求項１に記載の半導体素子。
8. 前記第１半導体層および前記第２半導体層のうち前記母体原子を含む方の半導体層は、Ｂｅ_ｘ１Ｍｇ_ｘ２Ｚｎ_ｘ３Ｔｅ混晶（０≦ｘ１≦１，０≦ｘ２≦１，０≦ｘ３≦１，ｘ１＋ｘ２＋ｘ３＝１）を含み、
   前記第１半導体層および前記第２半導体層のうち前記母体原子を含まない方の半導体層は、Ｂｅ_ｘ４Ｍｇ_ｘ５Ｚｎ_ｘ６Ｓｅ混晶（０≦ｘ４≦１，０≦ｘ５≦１，０≦ｘ６≦１，ｘ４＋ｘ５＋ｘ６＝１）を含む請求項７に記載の半導体素子。
9. 前記半導体基板はＩｎＰ基板である請求項１に記載の半導体素子。
10. 半導体基板上に、ｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層をこの順に含む積層構造を備え、
    前記ｎ型クラッド層および前記ｐ型クラッド層の少なくとも一方は、第１半導体層および第２半導体層を交互に積層してなる超格子層を有し、
    前記第１半導体層および前記第２半導体層のいずれか一方だけがキャリアを補償する母体原子を含む半導体発光素子。
11. 前記超格子層は、前記ｎ型クラッド層内に形成されている請求項１０に記載の半導体発光素子。
12. 前記活性層はＺｎＳｅＴｅ混晶またはＢｅＺｎＳｅＴｅ混晶を含み、
    前記第１半導体層および前記第２半導体層のうち前記母体原子を含む方の半導体層は、Ｂｅ_ｘ１Ｍｇ_ｘ２Ｚｎ_ｘ３Ｔｅ混晶（０≦ｘ１≦１，０≦ｘ２≦１，０≦ｘ３≦１，ｘ１＋ｘ２＋ｘ３＝１）を含み、
    前記第１半導体層および前記第２半導体層のうち前記母体原子を含まない方の半導体層は、Ｂｅ_ｘ４Ｍｇ_ｘ５Ｚｎ_ｘ６Ｓｅ混晶（０≦ｘ４≦１，０≦ｘ５≦１，０≦ｘ６≦１，ｘ４＋ｘ５＋ｘ６＝１）を含み、
    前記第１半導体層および前記第２半導体層は、前記超格子層の伝導体下端が前記活性層の伝導帯下端よりも高い準位となるような組成比および層厚となっている請求項１０に記載の半導体発光素子。

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