JP4178901B2 - 半導体光デバイス、及び半導体光デバイスを製造する方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体光デバイス、及び半導体光デバイスを製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信及び光増幅器のための光源として、半導体発光素子が利用されている。光通信の分野では、半導体変調素子が、光源からの光を変調するために用いられている。半導体発光素子及び半導体変調素子は、複数の半導体層及び一対の電極を備えている。複数の半導体層の各々は、基板上に設けられており、III−Ｖ族化合物半導体から構成されている。一対の電極は、複数の半導体層にキャリアを与えるために利用される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
発明者らは、III−Ｖ族化合物半導体から構成される半導体光素子を研究しており、特にガリウム元素、インジウム元素、砒素元素、及び窒素元素を含む４元III−Ｖ族化合物半導体(以下、ＧａＩｎＮＡｓ半導体と呼ぶ)に着目している。しかしながら、この４元III−Ｖ族化合物半導体は非混和領域が相図に存在しており、非混和領域はＧａＩｎＮＡｓ半導体の成長を難しいものにしている。発明者らは、実験において、ガリウム元素、インジウム元素、砒素元素、燐元素、及び窒素元素を含む五元III−Ｖ族化合物半導体(以下、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体と呼ぶ)は、ＧａＩｎＮＡｓ半導体に比べて成長が容易であることを発見している。
【０００４】
発明者らは、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体を含む半導体光デバイスを作製していくための研究を進めている。具体的には、発明者らは、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体とＧａＡｓ半導体とを含む量子井戸構造を有する半導体光デバイスを作製する検討を行っている。この検討において、発明者らは、ＧａＡｓ半導体とＧａＩｎＮＡｓＰ半導体との接合を形成する際にＧａＡｓ半導体とＧａＩｎＮＡｓＰ半導体との界面において燐原子(Ｐ)と砒素原子(Ａｓ)との置換が生じる可能性があることを発見した。更なる検討の結果、この置換は、Ｖ族として砒素を含み燐を含まない半導体層と、Ｖ族として砒素及び燐を含む半導体層との界面においても生じる可能性があることを発見している。
【０００５】
本発明の目的は、２つの半導体層の界面において燐原子(Ｐ)と砒素原子(Ａｓ)との置換が生じ難い構造を有する半導体光デバイス、及び半導体光デバイスを製造する方法を提供することとする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の一側面は、半導体光デバイスに関する。半導体光デバイスは、化合物半導体部と、ＧａＡｓ基板とを含む。化合物半導体部は、第１〜第５の化合物半導体層を含む。第１の化合物半導体層は、第２の化合物半導体層上に設けられている。第１の化合物半導体層の各々は、一又は複数の種類のIII族元素、砒素元素、及び燐元素を含む。第２の化合物半導体層は、ガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、燐元素を含む。第３の化合物半導体層は、一又は複数の種類のIII族元素、砒素元素、及び燐元素を含む。第４の化合物半導体層は、ＧａＩｎＰ半導体から構成される。第５の化合物半導体層は、ＧａＩｎＰ半導体から構成される。ＧａＡｓ基板は、第１〜第５の化合物半導体層を搭載する。第４の化合物半導体層はクラッド層であり、第５の化合物半導体層はクラッド層であり、第２の化合物半導体層は、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体から構成されており、第１及び第３の化合物半導体層は、ＧａＮＰＡｓ半導体及びＡｌＧａＩｎＡｓＰ半導体のいずれかから構成されており、第１及び第３の化合物半導体層の各々のバンドギャップは、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体及びＧａＡｓ半導体のバンドギャップよりも大きく、第１〜第３の化合物半導体層は、第２の化合物半導体層が井戸層を構成すると共に第１及び第３の化合物半導体層が障壁層を構成する量子井戸構造を構成するように設けられており、第１〜第３の化合物半導体層は、第４の化合物半導体層と第５の化合物半導体層との間に設けられている。
【０００７】
本発明の更なる別の側面によれば、半導体光デバイスは、第１導電型半導体部と、第２導電型半導体部と、化合物半導体部とを備える。化合物半導体部は、第１導電型半導体部と第２導電型半導体部との間に設けられている。化合物半導体部は、第１及び第２の化合物半導体層を含む。第１の化合物半導体層は、第２の化合物半導体層上に設けられている。第１の化合物半導体層の各々は、一又は複数の種類のIII族元素、砒素元素、及び燐元素を含む。第２の化合物半導体層は、ガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、燐元素を含む。
【０００８】
本発明の更なる別の側面によれば、半導体光デバイスは、第１導電型半導体部と、第２導電型半導体部と、第１及び第２の化合物半導体層と、第３の化合物半導体層とを備える。第１導電型半導体部は、多層反射膜を形成するように設けられた複数の第１導電型半導体層を含む。第２導電型半導体部は、多層反射膜を形成するように設けられた複数の第２導電型半導体層を含む。第１及び第２の化合物半導体層は、第１導電型半導体部と第２導電型半導体部との間に設けられている。第２の化合物半導体層は、第１の化合物半導体層上に設けられている。第１の化合物半導体層は、一又は複数の種類のIII族元素、砒素元素、及び燐元素を含んでいる。第２の化合物半導体層は、ガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、燐元素を含んでいる。
【０００９】
上記の半導体光デバイスでは、第１及び第２の化合物半導体層は砒素元素及び燐元素を含むので、第１の化合物半導体層と第２の化合物半導体層との間において燐原子(Ｐ)と砒素原子(Ａｓ)との置換が生じ難い。
【００１０】
本発明に係わる半導体光デバイスは、一又は複数の種類のIII族元素、砒素元素、及び燐元素を含む第３の化合物半導体層を更に備えることができる。第１〜第３の化合物半導体層は、量子井戸構造を構成する。この半導体光デバイスは、急峻な接合を有する量子井戸構造を備える。
【００１１】
本発明に係わる半導体光デバイスにおいては、第３の化合物半導体層は、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体から構成されるようにできる。
【００１２】
本発明に係わる半導体光デバイスにおいては、第１の化合物半導体層の各々はＧａＩｎＡｓＰ半導体から構成されており、また、第２の化合物半導体層はＧａＩｎＮＡｓＰ半導体から構成されるようにできる。
【００１３】
本発明に係わる半導体光デバイスは、一又は複数の種類のIII族元素、砒素元素、及び燐元素を含む第３の化合物半導体層と、第１導電型半導体部と、第２導電型半導体部とを更に備えることができる。第１導電型半導体部及び第２導電型半導体部は、ＧａＡｓ半導体に格子整合する半導体材料から構成されている。第３の化合物半導体層は、一又は複数の種類のIII族元素、砒素元素、及び燐元素を含む。第１〜第３の化合物半導体層は、量子井戸構造を構成するように設けられている。量子井戸構造では、第２の化合物半導体層が井戸層を構成すると共に第１及び第３の化合物半導体層が障壁層を構成している。第１及び第３の化合物半導体層におけるIII族元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、第１及び第３の化合物半導体層の各々が圧縮歪み及び引っ張り歪みの一方の歪みを有するように決定されている。第２の化合物半導体層におけるガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、第２の化合物半導体層が圧縮歪み及び引っ張り歪みの他方の歪みを有するように決定されている。
【００１４】
第１及び第３の化合物半導体層と第２の化合物半導体層との間の半導体層の界面において組成の変化が急峻な半導体接合を得ることができるので、良好な歪み量子井戸構造を得ることができる。
【００１５】
本発明に係わる半導体光デバイスにおいては、第１〜第３の化合物半導体層は、量子井戸構造を構成するように設けられている。量子井戸構造では、第２の化合物半導体層が井戸層を構成すると共に第１及び第３の化合物半導体層が障壁層を構成している。第１及び第３の化合物半導体層におけるIII族元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、第１及び第３の化合物半導体層の各々を構成する半導体の格子定数がＧａＡｓ半導体に格子整合しないように決定されている。第２の化合物半導体層におけるガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、第２の化合物半導体層を構成する半導体の格子定数がＧａＡｓ半導体に格子整合しないように決定されている。障壁層を構成する半導体と井戸層を構成する半導体との平均的な格子定数は、ＧａＡｓ半導体の格子定数と実質的に一致している。
【００１６】
量子井戸構造部の全体として、歪み量は実質的に打ち消されており、井戸層及び障壁層の積層数は、量子井戸構造部における歪みに起因して制約されることがない。
【００１７】
本発明に係わる半導体光デバイスにおいては、第１及び第３の化合物半導体層は、ＧａＮＰＡｓ半導体から構成されている。第２の化合物半導体層は、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体から構成されている。
【００１８】
ＧａＮＰＡｓ半導体が引っ張り歪みを有するように構成される場合には、ＧａＮＰＡｓ半導体のバンドギャップを小さくできる。このＧａＮＰＡｓ半導体は、量子井戸構造において量子効果を低減するように作用する。これにより、発生される光の波長を長波長にシフトさせることが可能になる。
【００１９】
本発明に係わる半導体光デバイスにおいては、第１及び第２の化合物半導体層は、ＧａＰＡｓ半導体から構成されている。第３の化合物半導体層は、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体から構成されている。ＧａＰＡｓ半導体のバンドギャップは、ＧａＡｓ半導体のバンドギャップに比べて大きい。ＧａＰＡｓ半導体では、量子井戸構造へのキャリアの閉じ込めが良好になる。故に、半導体光デバイスの温度特性が良好になる。
【００２０】
本発明に係わる半導体光デバイスにおいては、第１〜第３の化合物半導体層は量子井戸構造を構成するように設けられていてもよい。井戸層は圧縮歪み及び引っ張り歪みの一方の歪みを備えている。障壁層は、圧縮歪み及び引っ張り歪みの他方の歪みを備えている。量子井戸構造は、井戸層における歪み量は、障壁層の各々には歪み量と実質的に等しくなるように構成されている。この半導体光デバイスでは、井戸層及び障壁層における歪み量は、実質的に打ち消し合っており、井戸層及び障壁層の数が歪み応力に起因して制限されることはない。
【００２１】
本発明に係わる半導体光デバイスにおいては、第１及び第２の化合物半導体層の各々のバンドギャップは、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体及びＧａＡｓ半導体のバンドギャップよりも大きくすることが好ましい。より大きなバンドギャップにより、第１及び第２の化合物半導体層はキャリアを第３の化合物半導体層に閉じ込める能力が向上する。この結果、温度依存性のより小さい半導体光デバイスが得られる。また、第１及び第２の化合物半導体層の各々は、ＧａＡｓ半導体に実質的に格子整合することが好ましい。この半導体光デバイスは、第１及び第２の化合物半導体層の各々として、例えば、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ半導体を用いることにより得ることができる。
【００２２】
本発明に係わる半導体光デバイスでは、第１導電型半導体部は第４の化合物半導体層を含んでおり、第２導電型半導体部は第５の化合物半導体層を含んでいる。第４及び第５の化合物半導体層の各々は、ＧａＩｎＰ半導体から構成されている。この半導体光デバイスでは、ＧａＩｎＰ半導体のバンドギャップは第１及び第３の化合物半導体層のバンドギャップよりも大きくできる。また、ＧａＩｎＰ半導体の屈折率は第１及び第３の化合物半導体層の屈折率よりも小さくできる。
【００２３】
本発明に係わる半導体光デバイスは、第１〜第３の化合物半導体層とを搭載する基板を更に備えることができる。基板はＧａＡｓ基板又はＳｉ基板であることができる。
【００２４】
本発明に係わる半導体光デバイスは、第１導電型半導体部、第２導電型半導体部、一対の面を有する半導体基板と、第１の電極と、第２の電極と、第３の化合物半導体層を更に備えることができる。一対の面の一方の面上には、第１導電型半導体部、第２導電型半導体部と、第１〜第３の化合物半導体層とが設けられている。一対の面の他方の面上には、第２の電極が設けられている。本発明においては、当該半導体光デバイスは半導体光増幅素子を構成することができる。また、本発明においては、当該半導体光デバイスは半導体レーザを構成することができる。さらに、本発明においては、当該半導体光デバイスは半導体光変調素子を構成することができる。
【００２５】
量子井戸構造は、ＭＱＷ構造及びＳＱＷ構造のいずれかであってもよい。第１〜第３の化合物半導体層の組合せにより、急峻な半導体接合を備えた様々な量子井戸構造が実現できる。
【００２６】
本発明の更なる別の側面は、半導体光デバイスを製造する方法に関しており、この方法は、（ａ）第１導電型のＧａＩｎＰクラッド層を第１導電型のＧａＡｓ基板上に形成する工程と、（ｂ）井戸層と障壁層とを含む量子井戸構造を前記ＧａＩｎＰクラッド層上に形成する工程と、（ｃ）第２導電型のＧａＩｎＰクラッド層を前記量子井戸構造上に形成する工程とを備える。井戸層は、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体から構成されており、障壁層は、ＧａＮＰＡｓ半導体及びＡｌＧａＩｎＡｓＰ半導体のいずれかから構成されている。これらの工程によれば、急峻な半導体接合を備えた量子井戸構造を作製できる。障壁層はＧａＮＰＡｓ半導体から構成されていることが好ましい。また、障壁層はＧａＰＡｓ半導体から構成されていることが好ましい。さらに、前記障壁層はＡｌＧａＩｎＡｓＰ半導体から構成されていることが好ましい。
【００２７】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の半導体光デバイスに係わる実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００２９】
引き続いて、半導体光デバイスの一例として、半導体発光素子を説明する。半導体発光素子としては、半導体レーザ素子及び半導体光増幅素子が例示される。この半導体発光素子と同様の構造は、電界吸収型変調素子といった半導体変調素子にも適用できる。
【００３０】
(第１の実施の形態)
図１は、半導体発光素子を示す斜視図である。半導体発光素子１ａは、基板３と、第１導電型半導体層５と、化合物半導体部７ａと、第１の第２導電型半導体層９と、電流ブロック層１１と、第２の第２導電型半導体層１３と、第３の第２導電型半導体層１５と、第１の電極１７と、第２の電極１９とを備える。基板３は、一対の面３ａ及び３ｂを有する。一方の面３ａは他方の面３ｂに対向している。基板３の面３ａは、第１導電型半導体層５と、化合物半導体部７ａと、第１の第２導電型半導体層９と、電流ブロック層１１と、第２の第２導電型半導体層１３と、第３の第２導電型半導体層１５と搭載している。化合物半導体部７ａは、第１導電型半導体層５と第２導電型半導体層９との間に設けられている。第３の第２導電型半導体層１５上には、第１の電極１７が設けられている。基板３の面３ｂ上には、第２の電極１９が設けられている。
【００３１】
電流ブロック層１１は、第２導電型半導体層９上に設けられている。電流ブロック層１１は、開口部１１ａを有する。化合物半導体部７ａの発光領域は、開口部１１ａに現れている。図１に示された実施例では、半導体発光素子１ａの一端面２１ａから他端面２１ｂに伸びる軸に沿って設けられている。開口部１１ａには、化合物半導体部７ａが現れている。電流ブロック層１１は、第２導電型半導体層１５からのキャリア(電子及び正孔のいずれか)に対して障壁として作用する。この障壁により、キャリアは、開口部１１ａを通過して化合物半導体部７ａに到達する。つまり、開口部１１ａは、キャリアが注入される化合物半導体部７ａの領域を規定している。
【００３２】
第２導電型半導体層１３は、化合物半導体部７ａの発光領域上及び電流ブロック層１１上に設けられている。故に、開口部１１ａは第２導電型半導体層１３により埋め込まれており、第２導電型半導体層１３は第２導電型半導体層１５から化合物半導体部７ａへの経路を提供する。
【００３３】
第２導電型半導体層１５は、相対的に高濃度の不純物が添加されバンドギャップが小さい半導体で形成されている。これにより、電極１７に対してオーミック接触を得やすい。第２導電型半導体層１５は、コンタクト層として作用する。
【００３４】
電極１７は、第２導電型半導体層１５上に設けられている。電極１７は、電流ブロック層１１の開口部１１ａの領域にキャリアを提供できるように設けられている。つまり、電極１７は、開口部１１ａ上に位置しており、図１に示された実施例では、半導体発光素子１ａの一端面２１ａから他端面２１ｂに伸びる軸に沿って設けられている。電極１９は、基板３の面３ｂ上に設けられている。
【００３５】
図２(ａ)は、化合物半導体部の構造を示す図面である。図２(ｂ)は、化合物半導体部のバンドダイアグラムを示す図面である。図２(ａ)を参照すると、化合物半導体部７ａは、化合物半導体層２３ａ、２３ｂと、化合物半導体層２４ａ〜２４ｃとを有する。化合物半導体層２３ａは、化合物半導体層２４ａと化合物半導体層２４ｂとの間に設けられている。化合物半導体層２３ｂは、化合物半導体層２４ａと化合物半導体層２４ｃとの間に設けられている。化合物半導体層２３ａ、２３ｂは、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体といった、ガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、燐元素を含む半導体から構成されている。化合物半導体層２４ａ〜２４ｃの各々は、ＧａＩｎＡｓＰ半導体といった、一又は複数の種類のIII族元素、砒素元素、及び燐元素を含む半導体から構成されている。半導体光デバイス１ａでは、化合物半導体層２４ａ〜２４ｃ及び化合物半導体層２３ａ、２３ｂの両方は砒素元素及び燐元素を含むので、化合物半導体層２４ａ〜２４ｃと化合物半導体層２３ａ、２３ｂとの接合において、燐原子(Ｐ)と砒素原子(Ａｓ)との置換が生じ難い。故に、これらの半導体層間の界面に遷移層が形成されにくい。したがって、この界面における組成変化が急峻な半導体接合を得ることができる。
【００３６】
図２(ｂ)を参照すると、化合物半導体部７ａは、量子井戸構造２７ａを有する。量子井戸構造２７ａにおいて、化合物半導体層２４ｂのバンドギャップ△ＥB1は、化合物半導体層２３ａ、２３ｂのバンドギャップ△ＥWより小さく、また、化合物半導体層２４ａ、２４ｃのバンドギャップ△ＥB2、△ＥB3は化合物半導体層２３ａ、２３ｂのバンドギャップ△ＥWより小さい。化合物半導体層２３ａ、２３ｂは井戸層として作用する。化合物半導体層２４ｂは、障壁層として作用する。化合物半導体層２４ａ、２４ｃは、光閉じ込め層或いは障壁層として作用する。故に、第１導電型半導体層５及び第１の第２導電型半導体層９からのキャリア(電子及び正孔)は、量子井戸構造２７ａに閉じ込められる。
【００３７】
また、図２(ａ)を参照すると、量子井戸構造２７ａは、第１導電型半導体層５と第１の第２導電型半導体層９との間に設けられている。図２(ｂ)を参照すると、第１導電型半導体層５の屈折率ｎCL1及び第２導電型半導体層９の屈折率ｎCL2は、量子井戸構造２７ａ内の半導体層の屈折率ｎB1、ｎW、ｎC2、ｎC3のいずれよりも小さい。故に、量子井戸構造２７ａ内において発生された光は、量子井戸構造２７に沿って伝搬するとき、第１導電型半導体層５と第１の第２導電型半導体層９との間の領域に閉じ込められる。このとき、第１導電型半導体層５と第２導電型半導体層９は、クラッド層として働くことができる。
【００３８】
図２(ａ)は、特定の数の井戸層及び障壁層を有する量子井戸構造を例示的に示しているけれども、半導体光デバイス１ａにおいては、量子井戸構造２７ａは、任意の数の井戸層及び障壁層を有するＭＱＷ構造、或いはＳＱＷ構造のいずれかであることができる。これらの量子井戸構造において、急峻な半導体接合が得られる。
【００３９】
半導体発光素子１ａに含まれる半導体材料の実施例を下記に示す。
基板３：ｎ型ＧａＡｓ基板
第１導電型半導体層５：
ｎ型ＧａＩｎＰ半導体、
厚さ１．５マイクロメートル、キャリア濃度７×１０17ｃｍ-3
化合物半導体層２３ａ、２３ｂ：
アンドープＧａ0.86Ｉｎ0.14Ｎ0.04Ａｓ0.95Ｐ0.01半導体
厚さ１０ナノメートル、
化合物半導体層２４ａ〜２４ｃ：
アンドープＧａ0.78Ｉｎ0.22Ａｓ0.55Ｐ0.45半導体
厚さ１０ナノメートル、
第２導電型半導体層９：
ｐ型ＧａＩｎＰ半導体、
厚さ１．５マイクロメートル、キャリア濃度７×１０17ｃｍ-3
電流ブロック層１１：
ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ半導体、
厚さ０．５マイクロメートル、キャリア濃度７×１０17ｃｍ-3
第２導電型半導体層１３：
ｐ型ＧａＩｎＰ半導体、
厚さ１．０マイクロメートル、キャリア濃度７×１０17ｃｍ-3
第２導電型半導体層１５：
ｐ型ＧａＡｓ半導体、
厚さ２００ナノメートル、キャリア濃度１×１０19ｃｍ-3
好適な実施の形態では、その主面上にＧａＡｓ半導体層を備えるシリコン基板、或いは、ＧａＡｓ基板を基板３として用いることができる。この場合には、化合物半導体部７ａの半導体層２３ａ、２３ｂ、２４ａ〜２４ｃの組成は、ＧａＡｓ半導体に格子整合するように決定される。ここで、半導体Ａが半導体Ｂに格子整合することは、格子パラメータ(ａA−ａB)／ａBが−０．５パーセント以上＋０．５パーセント以下の範囲にあることを意味する。
【００４０】
化合物半導体層２３ａ、２３ｂは、ガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、燐元素を含む半導体から構成されるので、バンドギャップと格子定数とを独立して変更可能な範囲が広い。
【００４１】
図１、図２(ａ)及び図２(ｂ)を参照しながら、半導体発光素子を説明したけれども、半導体発光素子がファブリペロー型半導体レーザ素子であるときは、一端面２１ａ及び他端面２１ｂの反射率は、一端面２１ａ及び他端面２１ｂが当該半導体レーザ素子の光共振器を構成するように決定されている。半導体発光素子がＤＦＢ型半導体レーザ素子であるときは、化合物半導体部７ａと光学的に結合するように設けられた回折格子５３を基板３上に備えている。半導体発光素子が半導体光増幅素子であるときは、一端面２１ａの反射率は、例えば１パーセント以下になるように非常に小さな値に決定されており、他端面２１ｂの反射率は、一端面２１ａの反射率より相対的に大きくなるように決定されている。これらの半導体発光素子では、化合物半導体部は、注入されたキャリアに応答して光を発生する活性層として作用する。半導体発光素子では、活性層の構造は、化合物半導体部のフォトルミネッセンススペクトルが所望の発光波長を含むように構成されている。
【００４２】
図１、図２(ａ)及び図２(ｂ)に示された半導体光デバイスの構造は、電界吸収型変調素子といった半導体変調素子としても利用できる。半導体変調素子は、一端面２１ａに光を受けて、変調された光を他端面から出射する。これらの半導体変調素子では、化合物半導体部は、印加された電界に応答して入射光を変調する活性層として作用する。半導体変調素子では、活性層の構造は、化合物半導体部のフォトルミネッセンス波長が入射光の波長とわずかに異なるように構成されている。
【００４３】
これらの半導体光デバイスからは、図１に示されるような光Ｌaが提供される。
【００４４】
ＧａＡｓ半導体から構成される光閉じ込め層(障壁層)と、光閉じ込め層に隣接するＧａＩｎＰ半導体層とを備える半導体光デバイスでは、ＧａＩｎＰ半導体層とＧａＡｓ半導体層との界面において、砒素原子と燐原子の置換が生じる可能性がある。実施例では、第１導電型半導体層５としてｎ型ＧａＩｎＰ半導体層が利用されており、第２導電型半導体層９としてｐ型ＧａＩｎＰ半導体層が利用されている。第１導電型半導体層５は、燐元素を含む半導体層が利用されており、光閉じ込め層(障壁層)には燐元素及び砒素元素を含む半導体層が使用されている。発明者らが行った実験によれば、第１導電型半導体層５と光閉じ込め層との界面においても、砒素原子と燐原子の置換が抑制されて、良好な品質の界面が得られていることが明らかになっている。
【００４５】
また、発明者の実験によれば、化合物半導体部７ａを構成する半導体層の表面においてキャリア再結合が抑制されていることが明らかになっている。発明者らは、半導体光デバイス１ａにおいては化合物半導体層２３ａ、２３ｂ、２４ａ〜２４ｃが燐(Ｐ)元素を含むのでキャリア再結合が抑制されていると考えている。
【００４６】
好適な半導体発光素子においては、第１及び第３の化合物半導体層の各々のバンドギャップは、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体及びＧａＡｓ半導体のバンドギャップよりも大きくすることが好ましい。より大きなバンドギャップにより、第１及び第３の化合物半導体層はキャリアを第２の化合物半導体層に閉じ込める能力が向上する。この結果、温度依存性のより小さい半導体光デバイスが得られる。また、第１及び第３の化合物半導体層の各々は、ＧａＡｓ半導体に実質的に格子整合することが好ましい。この半導体光デバイスは、第１及び第３の化合物半導体層の各々として、例えば、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ半導体を用いることにより得ることができる。ここで、半導体Ａが半導体Ｂに実質的に格子整合することは、格子パラメータ(ａA−ａB)／ａBが−０．５パーセント以上＋０．５パーセント以下の範囲にあることを意味する。
【００４７】
(第２の実施の形態)
引き続いて、別の実施の形態に係わる半導体発光素子を説明する。 図３(ａ)〜図３(ｄ)の各々は歪み量子井戸構造を示す図面である。これらの量子井戸構造は、歪みを内包している。図３(ａ)〜図３(ｄ)において、矢印の先端が内向き(→←)は圧縮歪みを示しており、矢印の先端が外向き(←→)は引っ張り歪みを示している。矢印の長さは、歪みの大きさを示している。半導体光デバイス１ｂ〜１ｅでは、第１導電型半導体層５及び第２導電型半導体層９は、ＧａＡｓ半導体に格子整合している。
【００４８】
図３(ａ)は、半導体光デバイス１ｂを示す図面である。半導体光デバイス１ｂでは、化合物半導体部７ｂは、化合物半導体層２９ａ、２９ｂ、３１ａ〜３１ｃが量子井戸構造２７ｂを構成するように設けられている。量子井戸構造７ｂでは、化合物半導体層２９ａ、２９ｂが井戸層を構成すると共に化合物半導体層３１ａ〜３１ｃが障壁層を構成している。化合物半導体層３１ａ〜３１ｃにおけるIII族元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、化合物半導体層３１ａ〜３１ｃの各々が引っ張り歪みを有するように決定されている。化合物半導体層２９ａ、２９ｂにおけるガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、化合物半導体層２９ａ、２９ｂが圧縮歪みを有するように決定されている。量子井戸構造２７ｂにおいては、圧縮歪みの大きさは、引っ張り歪みの大きさに比べて大きい。この量子井戸構造では、井戸層及び障壁層の層数及び厚みの歪み応力による制限を緩和できるという利点がある。また、量子井戸構造２７ｂは、例えば、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体及びＧａＮＰＡｓ半導体の組合せにより実現できる。例えば、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体の組成は、Ｇａ0.7Ｉｎ0.3Ｎ0.017Ａｓ0.982Ｐ0.001である。
【００４９】
図３(ｂ)は、半導体光デバイス１ｃを示す図面である。半導体光デバイス１ｃでは、化合物半導体部７ｃは、化合物半導体層３３ａ、３３ｂ、３５ａ〜３５ｃが量子井戸構造２７ｃを構成するように設けられている。量子井戸構造２７ｃでは、化合物半導体層３３ａ、３３ｂが井戸層を構成すると共に化合物半導体層３５ａ〜３５ｃが障壁層を構成している。化合物半導体層３５ａ〜３５ｃにおけるIII族元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、化合物半導体層３５ａ〜３５ｃの各々が引っ張り歪みを有するように決定されている。化合物半導体層３３ａ、３３ｂにおけるガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、化合物半導体層３３ａ、３３ｂが圧縮歪みを有するように決定されている。量子井戸構造２７ｃにおいては、圧縮歪みの大きさは、引っ張り歪みの大きさに比べて小さい。この量子井戸構造では、井戸層及び障壁層の層数及び厚みの歪み応力による制限を緩和できるという利点がある。また、量子井戸構造２７ｃは、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体及びＧａＮＰＡｓ半導体の組合せにより実現できる。例えば、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体の組成は、Ｇａ0.7Ｉｎ0.3Ｎ0.017Ａｓ0.982Ｐ0.001である。
【００５０】
図３(ｃ)は、半導体光デバイス１ｄを示す図面である。半導体光デバイス１ｄでは、化合物半導体部７ｄは、化合物半導体層３７ａ、３７ｂ、３９ａ〜３９ｃが量子井戸構造２７ｄを構成するように設けられている。量子井戸構造７ｄでは、化合物半導体層３７ａ、３７ｂが井戸層を構成すると共に化合物半導体層３９ａ〜３９ｃが障壁層を構成している。化合物半導体層３９ａ〜３９ｃにおけるIII族元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、化合物半導体層３９ａ〜３９ｃの各々が圧縮歪みを有するように決定されている。化合物半導体層３７ａ、３７ｂにおけるガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、化合物半導体層３７ａ、３７ｂが引っ張り歪みを有するように決定されている。量子井戸構造２７ｄにおいては、圧縮歪みの大きさは、引っ張り歪みの大きさにほぼ等しくなるように両半導体層の組成が決定されている。量子井戸構造２７ｄは、例えば、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体及びＧａＩｎＡｓＰ半導体の組合せにより実現できる。量子井戸構造２７ｄでは、次のような利点がある。量子井戸活性層結晶全体の歪みが補償されているので、結晶品質の劣化が少なく、光デバイスの信頼性が向上する。また、井戸層に引っ張り歪みを有するので、長波長化しやすいく、発光効率が向上できる。さらに、量子井戸活性層結晶全体の歪みが補償されているので、井戸層及び障壁層の層数及び厚みの制約がない。
【００５１】
図３(ｄ)は、半導体光デバイス１ｅを示す図面である。半導体光デバイス１ｅでは、化合物半導体部７ｅは、化合物半導体層４１ａ、４１ｂ、４３ａ〜４３ｃが量子井戸構造２７ｅを構成するように設けられている。量子井戸構造７ｅでは、化合物半導体層４１ａ、４１ｂが井戸層を構成すると共に化合物半導体層４３ａ〜４３ｃが障壁層を構成している。化合物半導体層４３ａ〜４３ｃにおけるIII族元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、化合物半導体層４３ａ〜４３ｃの各々が引っ張り歪みを有するように決定されている。化合物半導体層４１ａ、４１ｂにおけるガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、化合物半導体層４１ａ、４１ｂが圧縮歪みを有するように決定されている。量子井戸構造２７ｄにおいては、圧縮歪みの大きさは、引っ張り歪みの大きさにほぼ等しくなるように両半導体層の組成が決定されている。量子井戸構造２７ｅは、例えば、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体及びＧａＮＰＡｓ半導体の組合せにより実現できる。量子井戸構造２７ｅでは、次のような利点がある。量子井戸活性層結晶全体の歪みが補償されているので、結晶品質の劣化が少なく、光デバイスの信頼性が向上する。また、井戸層に圧縮歪みを有するので、短波長化しやすいく、発光効率が向上できる。さらに、量子井戸活性層結晶全体の歪みが補償されているので、井戸層及び障壁層の層数及び厚みの制約がない。
【００５２】
量子井戸構造７ｂ及び７ｃでは、量子井戸構造において歪みが全体として打ち消されずに残っている。歪みに応じて、半導体レーザ素子の発振モードが異なる。例えば、圧縮歪みの量子井戸構造では、半導体レーザ素子はＴＥモードで発振する。引っ張り歪みの量子井戸構造では、半導体レーザ素子はＴＭモードで発振する。
【００５３】
量子井戸構造２７ｄ及び２７ｅでは、量子井戸構造全体として歪みが打ち消し合っているので、井戸層及び障壁層の数が歪み量子井戸構造であることに起因して制限されない。故に、半導体発光素子として、大きな利得が得られる。また、半導体発光素子の温度特性が良好になる。更に、半導体発光素子が、より高温において動作可能になると共に、より高出力が得られる。
【００５４】
(第３の実施の形態)
引き続いて、更なる別の実施の形態に係わる半導体発光素子を説明する。図４(ａ)及び図４(ｂ)は、半導体光デバイスを構成する主要な半導体層の結晶の格子を模式的に示す図面である。引き続く説明では、基板３が半導体基板である実施例を説明する。
【００５５】
図４(ａ)は、ＧａＡｓ半導体基板といった半導体基板のための半導体３ｃと、量子井戸構造の井戸層のための半導体材料４５と、障壁層のための半導体材料４７と示している。半導体材料３ｃは、格子定数ｄ0を有している。半導体材料４５は、格子定数ｄ1を有している。半導体４７は、格子定数ｄ2を有している。格子定数ｄ0は、格子定数ｄ1より大きく、格子定数ｄ2より小さい。
【００５６】
図４(ｂ)は、ＧａＡｓ半導体基板といった半導体基板のための半導体３ｃと、量子井戸構造の井戸層のための半導体４９と、障壁層のための半導体５１と示している。半導体材料３ｃは、格子定数ｄ0を有している。半導体材料４９は、格子定数ｄ3を有している。半導体材料５１は、格子定数ｄ4を有している。格子定数ｄ0は、格子定数ｄ4より大きく、格子定数ｄ3より小さい。
【００５７】
量子井戸構造は、半導体材料４５(或いは、半導体材料４９)から構成される井戸層(図２における化合物半導体層２３ａ、２３ｂ)、半導体材料４７(或いは、半導体材料５１)からなる障壁層(図２における化合物半導体層２４ａ〜２４ｃ)を含む。第１導電型半導体層(図１における参照番号５)及び第２導電型半導体層(図１における参照番号９)は、ＧａＡｓ半導体に格子整合している。しかしながら、第１及び第２の化合物半導体層におけるIII族元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、化合物半導体層(図２における化合物半導体層２４ａ〜２４ｃ)の各々を構成する半導体がＧａＡｓ半導体に格子整合しないように決定されている。化合物半導体層(図２における化合物半導体層２３ａ、２３ｂ)におけるガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、第３の化合物半導体層を構成する半導体がＧａＡｓ半導体に格子整合しないように決定されている。
【００５８】
好ましい実施例では、障壁層及び井戸層がほぼ等しい厚さである場合、障壁層を構成する半導体材料の格子定数ｄAと井戸層を構成する半導体材料の格子定数ｄBとの算術平均ｄAV＝(ｄA＋ｄB)は、ＧａＡｓ半導体の格子定数ｄGaAsの値と実質的に一致している。ここで、実質的に一致は、−０．００５≦(ｄAV−ｄGaAs)／ｄGaAs≦＋０．００５を意味する。量子井戸構造部の全体として歪みは実質的に打ち消されており、井戸層及び障壁層の積層数は、量子井戸構造部における歪みに起因して制約されることがない。
【００５９】
好適な半導体光デバイスにおいては、障壁層は、ＧａＮＰＡｓ半導体から構成されている。井戸層は、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体から構成され、この組合では、障壁層がＧａＡｓ半導体から構成される量子井戸構造と比較して、ＧａＩｎＮＡｓＰ井戸層内の量子準位が低エネルギーでシフトするので、長波長化しやすく、またＧａＩｎＮＡｓＰ井戸層／ＧａＡｓ障壁層の量子井戸構造では実現できない１．５マイクロメートル波長帯が利用できるようになる。１．５マイクロメートル波長帯は光通信の分野において重要な帯域である。
【００６０】
好適な別の半導体光デバイスにおいては、障壁層は、ＧａＰＡｓ半導体から構成されている。井戸層は、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体から構成されている。ＧａＰＡｓ半導体のバンドギャップは、ＧａＡｓ半導体のバンドギャップに比べて大きい。ＧａＰＡｓ半導体では、量子井戸構造へのキャリアの閉じ込めが良好になる。故に、半導体光デバイスの温度特性が良好になる。
【００６１】
(第４の実施の形態)
図５は、別の実施の形態に係わる半導体発光素子を示す斜視図である。半導体発光素子１ｆは、垂直光共振器面発光レーザ素子の構造を有する。半導体発光素子１ｆは、基板６０と、第１の半導体部６２と、第１導電型半導体層６４と、化合物半導体部６６と、第４の第２導電型半導体層６８と、第５の第２導電型半導体層７０と、電流ブロック層７２と、第５の第２導電型半導体層７４と、第２の半導体部７６と、第６の第２導電型半導体層７８と、第１の電極８０と、第２の電極８２とを備える。基板６０としては、ＧａＡｓ基板及びシリコン基板といった半導体基板が例示される。基板６０は、一対の面６０ａ及び６０ｂを有する。一方の面６０ａは他方の面６０ｂに対向している。基板６０の面６０ａは、第１の半導体部６２と、第１導電型半導体層６４と、化合物半導体部６６と、第４の第２導電型半導体層６８と、第５の第２導電型半導体層７０と、電流ブロック層７２と、第５の第２導電型半導体層７４と、第２の半導体部７６と、第６の第２導電型半導体層７８とを搭載している。第１の半導体部６２及び第２の半導体部７６は、光共振器を構成する。
【００６２】
化合物半導体部６６は、第１の半導体部６２と第２の半導体部７６との間に位置している。化合物半導体部６６は、第１導電型半導体層６４と第２導電型半導体層６８との間に設けられている。化合物半導体部６６は、図２(ａ)、図２(ｂ)、図３(ａ)〜図３(ｄ)、図４(ａ)及び図４(ｂ)に示されるいずれかの形態を備えることができる。化合物半導体部６６は、所定の波長帯域において光を発生できるように設けられる。
【００６３】
第２導電型半導体層６８の主面は、第１の領域６８ａ及び第２の領域６８ｂを有する。第１の領域６８ａは第２の領域６８ｂの周囲を囲むように設けられている。第２の領域６８ｂ上には、第４の第２導電型半導体層７０、電流ブロック層７２、及び第５の第２導電型半導体層７４が設けられている。
【００６４】
第２導電型半導体層７４の主面は、第１の領域７４ａ及び第２の領域７４ｂを有する。第１の領域７４ａは第２の領域７４ｂの周囲を囲むように設けられている。第２の領域７４ｂ上には、第２の半導体部７６が設けられている。第２の領域７４ｂの面積は、第２の領域６８ｂの面積より小さい。
【００６５】
電流ブロック層７２は、第５の第２導電型半導体層７０上に設けられており、また、化合物半導体部６６の発光領域上に開口部７２ａを有する。第２導電型半導体層７０の主面は、第１の領域７０ａ及び第２の領域７０ｂを有する。第１の領域７０ａは第２の領域７０ｂの周囲を囲むように設けられている。第１の領域７０ａ上には、電流ブロック層７２が設けられている。第２の領域７０ｂ上には、電流ブロック層７２の開口部７２ａが設けられている。開口部７２ａには、第２導電型半導体層７０が現れている。この第２導電型半導体層７０上には、電流経路半導体層７３が設けられている。電流経路半導体層７３は開口部７２ａ内に位置しており、電流ブロック層７２及び電流経路半導体層７３上には、第２導電型半導体層７４が設けられている。電流ブロック層７２は、第２導電型半導体層７４からのキャリア(電子及び正孔のいずれか一方)に対して障壁として作用する。この障壁により、キャリアは、開口部７２ａを通過して化合物半導体部６６に到達する。つまり、開口部７２ａは、キャリアが注入される化合物半導体部６６の領域を規定している。電流ブロック層は、第２導電型を有するＡｌＡｓ半導体層の一部をメサの周囲からメサ内部に向けて選択酸化し、Ａｌ2Ｏ3絶縁層をドーナツ状に形成することで形成される。この結果、電流ブロック層の開口部７２ａは、電気的に導通可能な第２導電型を有するＡｌＡｓ半導体層として形成される。
【００６６】
第２導電型半導体層７４は、第２導電型半導体部７０上及び電流ブロック層７２上に設けられている。開口部７２ａは、第２導電型半導体層７４により埋め込まれるようにしてもよく、このとき、第２導電型半導体層７４は、第２の半導体部７６から第２導電型半導体層７０への経路を提供している。
【００６７】
第２導電型半導体層７８は、相対的に高濃度の不純物が添加されバンドギャップが小さい半導体で形成されている。故に、電極１７に対するオーミック接触が得やすい。第２導電型半導体層７８は、コンタクト層として作用する。
【００６８】
電極８０は、第２導電型半導体層７８上に設けられている。電極８０は、第２の半導体部７６にキャリアを提供できるように設けられている。つまり、電極８０は、開口部７２ａ上に位置している。基板６０の面６０ｂには、第２の電極８２が設けられている。
【００６９】
図６(ａ)は、第１の半導体部の構造を示す図面である。第１の半導体部６２は、複数の半導体層６２ａ及び複数の半導体層６２ｂを備える。半導体層６２ａ及び半導体層６２ｂは、交互に配置されている。半導体層６２ａの屈折率は、半導体層６２ｂの屈折率と異なっている。したがって、半導体部６２は、回折格子を構成する。
【００７０】
図６(ｂ)は、第２の半導体部の構造を示す図面である。第２の半導体部７６は、複数の半導体層７６ａ及び複数の半導体層７６ｂを備える。半導体層７６ａ及び半導体層７６ｂは、交互に配置されている。半導体層７６ａの屈折率は、半導体層７６ｂの屈折率と異なっている。したがって、半導体部７６は、回折格子を構成する。
【００７１】
半導体発光素子１ｆは、半導体部６２の回折格子の反射スペクトル、半導体部７６の回折格子の反射スペクトル、及び化合物半導体部６６の発光スペクトルが重なる波長帯域内の所定の波長の光Ｌbを発生できる。
【００７２】
半導体発光素子１ｆに含まれる半導体材料の実施例を下記に示す。
基板６０：ｎ型ＧａＡｓ基板
第１の半導体部６２；
ｎ型ＡｌＡｓ半導体／ｎ型ＧａＡｓ半導体 ２２．５周期
厚さ１１５ナノメートル／９０ナノメートル、
キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3／１×１０18ｃｍ-3
半導体層６４：
アンドープＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ半導体、
厚さ１７５ナノメートル
化合物半導体部６６：
アンドープＧａＩｎＮＡｓＰ半導体／アンドープＧａＩｎＡｓＰ半導体
厚さ１０ナノメートル／厚さ１０ナノメートル
半導体層６８：
アンドープＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ半導体、
厚さ１７５ナノメートル
第２導電型半導体層７０：
ｐ型ＧａＡｓ半導体、
厚さ３０ナノメートル、キャリア濃度７×１０17ｃｍ-3
電流ブロック層７２：
ｐ型Ａｌ2Ｏ3、
厚さ３０ナノメートル
電流経路半導体層７３：
ｐ型ＡｌＡｓ半導体、
厚さ３０ナノメートル、
第２導電型半導体層７４：
ｐ型ＧａＡｓ半導体、
厚さ３０ナノメートル、キャリア濃度７×１０17ｃｍ-3
第２の半導体部７６：
ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓ半導体／ｎ型ＧａＡｓ半導体 ２０周期
厚さ１１０ナノメートル／９０ナノメートル、
キャリア濃度７×１０17ｃｍ-3／７×１０17ｃｍ-3
コンタクト層７８；
ｐ型ＧａＡｓ半導体
厚さ６０ナノメートル、キャリア濃度１×１０19ｃｍ-3
好適な実施の形態では、その主面上にＧａＡｓ半導体層を備えるシリコン基板、或いは、ＧａＡｓ基板を基板３として用いることができる。
【００７３】
(第５の実施の形態)
引き続いて、半導体光デバイスを製造する方法を説明する。図７(ａ)に示されるように、ＧａＡｓ半導体基板９０を準備する。ＧａＡｓ半導体基板９０は一対の面９０ａ及び９０ｂを有する。表面９０ａは背面９０ｂに対向している。
【００７４】
図７(ｂ)を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ半導体基板９０の主面９０ａ上に、ｎ型III−Ｖ族化合物半導体層９２を形成する。化合物半導体層９２はＧａＡｓ半導体に格子整合するｎ型ＧａＩｎＰ半導体層から構成される。次いで、ｎ型化合物半導体層９２上に化合物半導体部９４を形成する。ｎ型化合物半導体層９２及び化合物半導体部９４は、例えば、有機金属気相成長法(ＯＭＶＰＥ法)又は分子線エピタキシ法(ＭＢＥ法)でエピタキシャル成長される。
【００７５】
図８(ａ)〜図８(ｄ)を参照しながら、化合物半導体部９４の形成を説明する。化合物半導体部９４は、アンドープＧａＩｎＮＡｓＰ半導体層及びアンドープＧａＩｎＡｓＰ半導体層から構成される。図８(ａ)に示されるように、ｎ型ＧａＩｎＰ半導体層９２上にアンドープＧａＩｎＡｓＰ半導体層９４ａを成長する。ＧａＩｎＰ半導体層９２とＧａＩｎＡｓＰ半導体層９４ａとの界面においては隣(Ｐ)と砒素(Ａｓ)との置換が抑制されるので、急峻な接合が得られる。次いで、図８(ｂ)に示されるように、ＧａＩｎＡｓＰ半導体層９４ａ上にアンドープＧａＩｎＮＡｓＰ半導体層９４ｂを成長する。ＧａＩｎＡｓＰ半導体層９４ａとＧａＩｎＮＡｓＰ半導体層９４ｂとの界面においては隣(Ｐ)と砒素(Ａｓ)との置換が抑制されるので、急峻な接合が得られる。所望の半導体層の積層が得られるまで、この成長ステップを繰り返して行う。これにより、化合物半導体部９４が得られる。
【００７６】
しかしながら、化合物半導体部がアンドープＧａＩｎＮＡｓＰ半導体層及びアンドープＧａＡｓ半導体層から構成される場合には、図８(ｃ)に示されるように、ｎ型ＧａＩｎＰ半導体層９２上にアンドープＧａＡｓ半導体層９５ａを成長する。ＧａＩｎＰ半導体層９２とＧａＡｓ半導体層９５ａとの界面においては燐(Ｐ)と砒素(Ａｓ)との置換が生じるので、遷移層９７ａがＧａＩｎＰ半導体層９２とＧａＡｓ半導体層９５ａとの間に形成される。次いで、図８(ｄ)に示されるように、ＧａＡｓ半導体層９５ａ上にアンドープＧａＩｎＮＡｓＰ半導体層９５ｂを成長する。ＧａＡｓ半導体層９５ａとＧａＩｎＮＡｓＰ半導体層９５ｂとの界面においては燐(Ｐ)と砒素(Ａｓ)との置換が生じるので、遷移層９７ｂがＧａＩｎＰ半導体層とＧａＩｎＡｓＰ半導体層との間に形成される。遷移層９７ａ及び９７ｂの組成及び厚さは制御されていない。
【００７７】
続いて、図９(ａ)に示されるように、ＧａＡｓ半導体に格子整合するｐ型ＧａＩｎＰ半導体層から構成されるｐ型III−Ｖ族化合物半導体層９６を化合物半導体部９４上にエピタキシャル成長する。次いで、電流ブロック層のためのＡｌＧａＩｎＰ半導体層といったｎ型化合物半導体層９８をｐ型化合物半導体層９６上にエピタキシャル成長する。
【００７８】
図９(ｂ)に示されるように、ｐ型化合物半導体層９８上にマスク層１００を形成する。マスク層１００は、電流通過領域を規定するための開口部１００ａを備える。マスク層１００を形成した後に、リン酸系エッチャントを用いて、ｐ型化合物半導体層９６に対してｐ型化合物半導体層９８を選択的にエッチングして、開口部９８ｂを有する電流ブロック層９８ａを形成する。開口部９８ｂは、所定の軸に沿って伸びている。開口部９８ｂにおいて、ｐ型化合物半導体層９６は露出している。
【００７９】
図１０(ａ)に示されるように、電流ブロック層９８ａ及びｐ型化合物半導体層９６上に、ｐ型ＧａＩｎＰ半導体層といったIII−Ｖ族化合物半導体層１０２をエピタキシャル成長する。次いで、III−Ｖ族化合物半導体層１０２上にコンタクト層１０４をエピタキシャル成長する。
【００８０】
コンタクト層１０４上には、アノード電極１０６を形成する。アノード電極１０６は、電流ブロック層９８ａの開口部９８ｂと同じ方向に伸びている。基板９０の背面９０ｂ上には、カソード電極１０８が形成される。これらの工程を介して、半導体光デバイス１ｇが得られる。
【００８１】
以上説明した半導体発光素子では、発明者の知見によれば、発光領域及びその近傍に燐が添加されているので、表面再結合電流が低減される。
【００８２】
量子井戸構造に歪み(圧縮又は引っ張り歪み)が加わった半導体レーザ素子では、次のようなレーザ特性が向上する。半導体レーザ素子の利得及び微分利得を大きくでき、しきい値電流を小さくでき、発光効率を増大でき、高温動作が可能になり、発振モードの制御が可能になる。
【００８３】
ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体と他のIII−Ｖ族化合物半導体との組み合わせにより、多彩な半導体光デバイスが得られる。
【００８４】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることができることは、当業者によって認識される。例えば、本実施の形態では、単一の半導体発光素子を説明したけれども、半導体光デバイスは複数の半導体発光素子を備えることもできる。半導体光デバイスは、光集積素子であることができる。光集積素子は、半導体変調素子と、半導体発光素子とを含むことができる。また、実施の形態では半導体基板を備える半導体光デバイスを説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。更に、実施の形態では半導体基板を備える半導体発光素子及び半導体変調素子を説明したが、本発明は、導波路型半導体受光素子といった受光素子にも適用でき、これらに限定されるものではない。加えて、本発明は、上記の実施の形態に限定されることなく、例えば、他の半導体材料に対しても適用できる。したがって、本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【００８５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば２つの半導体層の界面において燐原子(Ｐ)と砒素原子(Ａｓ)との置換が生じ難い構造を有する半導体光デバイス、及びその製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、半導体発光素子を示す斜視図である。
【図２】図２(ａ)は、化合物半導体部の構造を示す図面である。図２(ｂ)は、化合物半導体部のバンドダイアグラムを示す図面である。
【図３】図３(ａ)〜図３(ｄ)の各々は歪み量子井戸構造を示す図面である。
【図４】図４(ａ)及び図４(ｂ)は、半導体光デバイスを構成する主要な半導体層の結晶の格子を模式的に示す図面である。
【図５】図５は、別の実施の形態に係わる半導体発光素子を示す斜視図である。
【図６】図６(ａ)は、第１の半導体部の構造を示す図面である。図６(ｂ)は、第２の半導体部の構造を示す図面である。
【図７】図７(ａ)及び図７(ｂ)は、半導体光デバイスを製造する方法を示す図面である。
【図８】図８(ａ)及び図８(ｂ)は、半導体光デバイスの化合物半導体部を成長する手順を示す図面である。図８(ｃ)及び図８(ｄ)は、半導体光デバイスの化合物半導体部を成長する手順を示す図面である。
【図９】図９(ａ)及び図９(ｂ)は、半導体光デバイスを製造する方法を示す図面である。
【図１０】図１０(ａ)及び図１０(ｂ)は、半導体光デバイスを製造する方法を示す図面である。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ…半導体発光素子、３…基板、５…第１導電型半導体層、７ａ…化合物半導体部、９…第２導電型半導体層、１１…電流ブロック層、１１ａ…開口部、１３…第２導電型半導体層、１５…第２導電型半導体層、１７…第１の電極、１９…第２の電極、２３ａ、２３ｂ、２４ａ〜２４ｃ…化合物半導体層、６０…基板、６２…第１の半導体部、６４…第１導電型半導体層、６６…化合物半導体部、６８…第４の第２導電型半導体層、７０…第５の第２導電型半導体層、７２…電流ブロック層、７３…電流経路半導体層、７４…第５の第２導電型半導体層、７６…第２の半導体部、７８…第６の第２導電型半導体層、８０…第１の電極、８２…第２の電極、
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体光デバイス、及び半導体光デバイスを製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信及び光増幅器のための光源として、半導体発光素子が利用されている。光通信の分野では、半導体変調素子が、光源からの光を変調するために用いられている。半導体発光素子及び半導体変調素子は、複数の半導体層及び一対の電極を備えている。複数の半導体層の各々は、基板上に設けられており、III−Ｖ族化合物半導体から構成されている。一対の電極は、複数の半導体層にキャリアを与えるために利用される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
発明者らは、III−Ｖ族化合物半導体から構成される半導体光素子を研究しており、特にガリウム元素、インジウム元素、砒素元素、及び窒素元素を含む４元III−Ｖ族化合物半導体(以下、ＧａＩｎＮＡｓ半導体と呼ぶ)に着目している。しかしながら、この４元III−Ｖ族化合物半導体は非混和領域が相図に存在しており、非混和領域はＧａＩｎＮＡｓ半導体の成長を難しいものにしている。発明者らは、実験において、ガリウム元素、インジウム元素、砒素元素、燐元素、及び窒素元素を含む五元III−Ｖ族化合物半導体(以下、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体と呼ぶ)は、ＧａＩｎＮＡｓ半導体に比べて成長が容易であることを発見している。
【０００４】
発明者らは、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体を含む半導体光デバイスを作製していくための研究を進めている。具体的には、発明者らは、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体とＧａＡｓ半導体とを含む量子井戸構造を有する半導体光デバイスを作製する検討を行っている。この検討において、発明者らは、ＧａＡｓ半導体とＧａＩｎＮＡｓＰ半導体との接合を形成する際にＧａＡｓ半導体とＧａＩｎＮＡｓＰ半導体との界面において燐原子(Ｐ)と砒素原子(Ａｓ)との置換が生じる可能性があることを発見した。更なる検討の結果、この置換は、Ｖ族として砒素を含み燐を含まない半導体層と、Ｖ族として砒素及び燐を含む半導体層との界面においても生じる可能性があることを発見している。
【０００５】
本発明の目的は、２つの半導体層の界面において燐原子(Ｐ)と砒素原子(Ａｓ)との置換が生じ難い構造を有する半導体光デバイス、及び半導体光デバイスを製造する方法を提供することとする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の一側面は、半導体光デバイスに関する。半導体光デバイスは、化合物半導体部と、ＧａＡｓ基板とを含む。化合物半導体部は、第１〜第５の化合物半導体層を含む。第１の化合物半導体層は、第２の化合物半導体層上に設けられている。第１の化合物半導体層の各々は、一又は複数の種類のIII族元素、砒素元素、及び燐元素を含む。第２の化合物半導体層は、ガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、燐元素を含む。第３の化合物半導体層は、一又は複数の種類のIII族元素、砒素元素、及び燐元素を含む。第４の化合物半導体層は、ＧａＩｎＰ半導体から構成される。第５の化合物半導体層は、ＧａＩｎＰ半導体から構成される。ＧａＡｓ基板は、第１〜第５の化合物半導体層を搭載する。第４の化合物半導体層はクラッド層であり、第５の化合物半導体層はクラッド層であり、第２の化合物半導体層は、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体から構成されており、第１及び第３の化合物半導体層は、ＧａＮＰＡｓ半導体及びＡｌＧａＩｎＡｓＰ半導体のいずれかから構成されており、第１及び第３の化合物半導体層の各々のバンドギャップは、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体及びＧａＡｓ半導体のバンドギャップよりも大きく、第１〜第３の化合物半導体層は、第２の化合物半導体層が井戸層を構成すると共に第１及び第３の化合物半導体層が障壁層を構成する量子井戸構造を構成するように設けられており、第１〜第３の化合物半導体層は、第４の化合物半導体層と第５の化合物半導体層との間に設けられている。
【０００７】
本発明の更なる別の側面によれば、半導体光デバイスは、第１導電型半導体部と、第２導電型半導体部と、化合物半導体部とを備える。化合物半導体部は、第１導電型半導体部と第２導電型半導体部との間に設けられている。化合物半導体部は、第１及び第２の化合物半導体層を含む。第１の化合物半導体層は、第２の化合物半導体層上に設けられている。第１の化合物半導体層の各々は、一又は複数の種類のIII族元素、砒素元素、及び燐元素を含む。第２の化合物半導体層は、ガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、燐元素を含む。
【０００８】
本発明の更なる別の側面によれば、半導体光デバイスは、第１導電型半導体部と、第２導電型半導体部と、第１及び第２の化合物半導体層と、第３の化合物半導体層とを備える。第１導電型半導体部は、多層反射膜を形成するように設けられた複数の第１導電型半導体層を含む。第２導電型半導体部は、多層反射膜を形成するように設けられた複数の第２導電型半導体層を含む。第１及び第２の化合物半導体層は、第１導電型半導体部と第２導電型半導体部との間に設けられている。第２の化合物半導体層は、第１の化合物半導体層上に設けられている。第１の化合物半導体層は、一又は複数の種類のIII族元素、砒素元素、及び燐元素を含んでいる。第２の化合物半導体層は、ガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、燐元素を含んでいる。
【０００９】
上記の半導体光デバイスでは、第１及び第２の化合物半導体層は砒素元素及び燐元素を含むので、第１の化合物半導体層と第２の化合物半導体層との間において燐原子(Ｐ)と砒素原子(Ａｓ)との置換が生じ難い。
【００１０】
本発明に係わる半導体光デバイスは、一又は複数の種類のIII族元素、砒素元素、及び燐元素を含む第３の化合物半導体層を更に備えることができる。第１〜第３の化合物半導体層は、量子井戸構造を構成する。この半導体光デバイスは、急峻な接合を有する量子井戸構造を備える。
【００１１】
本発明に係わる半導体光デバイスにおいては、第３の化合物半導体層は、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体から構成されるようにできる。
【００１２】
本発明に係わる半導体光デバイスにおいては、第１の化合物半導体層の各々はＧａＩｎＡｓＰ半導体から構成されており、また、第２の化合物半導体層はＧａＩｎＮＡｓＰ半導体から構成されるようにできる。
【００１３】
本発明に係わる半導体光デバイスは、一又は複数の種類のIII族元素、砒素元素、及び燐元素を含む第３の化合物半導体層と、第１導電型半導体部と、第２導電型半導体部とを更に備えることができる。第１導電型半導体部及び第２導電型半導体部は、ＧａＡｓ半導体に格子整合する半導体材料から構成されている。第３の化合物半導体層は、一又は複数の種類のIII族元素、砒素元素、及び燐元素を含む。第１〜第３の化合物半導体層は、量子井戸構造を構成するように設けられている。量子井戸構造では、第２の化合物半導体層が井戸層を構成すると共に第１及び第３の化合物半導体層が障壁層を構成している。第１及び第３の化合物半導体層におけるIII族元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、第１及び第３の化合物半導体層の各々が圧縮歪み及び引っ張り歪みの一方の歪みを有するように決定されている。第２の化合物半導体層におけるガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、第２の化合物半導体層が圧縮歪み及び引っ張り歪みの他方の歪みを有するように決定されている。
【００１４】
第１及び第３の化合物半導体層と第２の化合物半導体層との間の半導体層の界面において組成の変化が急峻な半導体接合を得ることができるので、良好な歪み量子井戸構造を得ることができる。
【００１５】
本発明に係わる半導体光デバイスにおいては、第１〜第３の化合物半導体層は、量子井戸構造を構成するように設けられている。量子井戸構造では、第２の化合物半導体層が井戸層を構成すると共に第１及び第３の化合物半導体層が障壁層を構成している。第１及び第３の化合物半導体層におけるIII族元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、第１及び第３の化合物半導体層の各々を構成する半導体の格子定数がＧａＡｓ半導体に格子整合しないように決定されている。第２の化合物半導体層におけるガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、第２の化合物半導体層を構成する半導体の格子定数がＧａＡｓ半導体に格子整合しないように決定されている。障壁層を構成する半導体と井戸層を構成する半導体との平均的な格子定数は、ＧａＡｓ半導体の格子定数と実質的に一致している。
【００１６】
量子井戸構造部の全体として、歪み量は実質的に打ち消されており、井戸層及び障壁層の積層数は、量子井戸構造部における歪みに起因して制約されることがない。
【００１７】
本発明に係わる半導体光デバイスにおいては、第１及び第３の化合物半導体層は、ＧａＮＰＡｓ半導体から構成されている。第２の化合物半導体層は、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体から構成されている。
【００１８】
ＧａＮＰＡｓ半導体が引っ張り歪みを有するように構成される場合には、ＧａＮＰＡｓ半導体のバンドギャップを小さくできる。このＧａＮＰＡｓ半導体は、量子井戸構造において量子効果を低減するように作用する。これにより、発生される光の波長を長波長にシフトさせることが可能になる。
【００１９】
本発明に係わる半導体光デバイスにおいては、第１及び第２の化合物半導体層は、ＧａＰＡｓ半導体から構成されている。第３の化合物半導体層は、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体から構成されている。ＧａＰＡｓ半導体のバンドギャップは、ＧａＡｓ半導体のバンドギャップに比べて大きい。ＧａＰＡｓ半導体では、量子井戸構造へのキャリアの閉じ込めが良好になる。故に、半導体光デバイスの温度特性が良好になる。
【００２０】
本発明に係わる半導体光デバイスにおいては、第１〜第３の化合物半導体層は量子井戸構造を構成するように設けられていてもよい。井戸層は圧縮歪み及び引っ張り歪みの一方の歪みを備えている。障壁層は、圧縮歪み及び引っ張り歪みの他方の歪みを備えている。量子井戸構造は、井戸層における歪み量は、障壁層の各々には歪み量と実質的に等しくなるように構成されている。この半導体光デバイスでは、井戸層及び障壁層における歪み量は、実質的に打ち消し合っており、井戸層及び障壁層の数が歪み応力に起因して制限されることはない。
【００２１】
本発明に係わる半導体光デバイスにおいては、第１及び第２の化合物半導体層の各々のバンドギャップは、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体及びＧａＡｓ半導体のバンドギャップよりも大きくすることが好ましい。より大きなバンドギャップにより、第１及び第２の化合物半導体層はキャリアを第３の化合物半導体層に閉じ込める能力が向上する。この結果、温度依存性のより小さい半導体光デバイスが得られる。また、第１及び第２の化合物半導体層の各々は、ＧａＡｓ半導体に実質的に格子整合することが好ましい。この半導体光デバイスは、第１及び第２の化合物半導体層の各々として、例えば、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ半導体を用いることにより得ることができる。
【００２２】
本発明に係わる半導体光デバイスでは、第１導電型半導体部は第４の化合物半導体層を含んでおり、第２導電型半導体部は第５の化合物半導体層を含んでいる。第４及び第５の化合物半導体層の各々は、ＧａＩｎＰ半導体から構成されている。この半導体光デバイスでは、ＧａＩｎＰ半導体のバンドギャップは第１及び第３の化合物半導体層のバンドギャップよりも大きくできる。また、ＧａＩｎＰ半導体の屈折率は第１及び第３の化合物半導体層の屈折率よりも小さくできる。
【００２３】
本発明に係わる半導体光デバイスは、第１〜第３の化合物半導体層とを搭載する基板を更に備えることができる。基板はＧａＡｓ基板又はＳｉ基板であることができる。
【００２４】
本発明に係わる半導体光デバイスは、第１導電型半導体部、第２導電型半導体部、一対の面を有する半導体基板と、第１の電極と、第２の電極と、第３の化合物半導体層を更に備えることができる。一対の面の一方の面上には、第１導電型半導体部、第２導電型半導体部と、第１〜第３の化合物半導体層とが設けられている。一対の面の他方の面上には、第２の電極が設けられている。本発明においては、当該半導体光デバイスは半導体光増幅素子を構成することができる。また、本発明においては、当該半導体光デバイスは半導体レーザを構成することができる。さらに、本発明においては、当該半導体光デバイスは半導体光変調素子を構成することができる。
【００２５】
量子井戸構造は、ＭＱＷ構造及びＳＱＷ構造のいずれかであってもよい。第１〜第３の化合物半導体層の組合せにより、急峻な半導体接合を備えた様々な量子井戸構造が実現できる。
【００２６】
本発明の更なる別の側面は、半導体光デバイスを製造する方法に関しており、この方法は、（ａ）第１導電型のＧａＩｎＰクラッド層を第１導電型のＧａＡｓ基板上に形成する工程と、（ｂ）井戸層と障壁層とを含む量子井戸構造を前記ＧａＩｎＰクラッド層上に形成する工程と、（ｃ）第２導電型のＧａＩｎＰクラッド層を前記量子井戸構造上に形成する工程とを備える。井戸層は、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体から構成されており、障壁層は、ＧａＮＰＡｓ半導体及びＡｌＧａＩｎＡｓＰ半導体のいずれかから構成されている。これらの工程によれば、急峻な半導体接合を備えた量子井戸構造を作製できる。障壁層はＧａＮＰＡｓ半導体から構成されていることが好ましい。また、障壁層はＧａＰＡｓ半導体から構成されていることが好ましい。さらに、前記障壁層はＡｌＧａＩｎＡｓＰ半導体から構成されていることが好ましい。
【００２７】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の半導体光デバイスに係わる実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００２９】
引き続いて、半導体光デバイスの一例として、半導体発光素子を説明する。半導体発光素子としては、半導体レーザ素子及び半導体光増幅素子が例示される。この半導体発光素子と同様の構造は、電界吸収型変調素子といった半導体変調素子にも適用できる。
【００３０】
(第１の実施の形態)
図１は、半導体発光素子を示す斜視図である。半導体発光素子１ａは、基板３と、第１導電型半導体層５と、化合物半導体部７ａと、第１の第２導電型半導体層９と、電流ブロック層１１と、第２の第２導電型半導体層１３と、第３の第２導電型半導体層１５と、第１の電極１７と、第２の電極１９とを備える。基板３は、一対の面３ａ及び３ｂを有する。一方の面３ａは他方の面３ｂに対向している。基板３の面３ａは、第１導電型半導体層５と、化合物半導体部７ａと、第１の第２導電型半導体層９と、電流ブロック層１１と、第２の第２導電型半導体層１３と、第３の第２導電型半導体層１５と搭載している。化合物半導体部７ａは、第１導電型半導体層５と第２導電型半導体層９との間に設けられている。第３の第２導電型半導体層１５上には、第１の電極１７が設けられている。基板３の面３ｂ上には、第２の電極１９が設けられている。
【００３１】
電流ブロック層１１は、第２導電型半導体層９上に設けられている。電流ブロック層１１は、開口部１１ａを有する。化合物半導体部７ａの発光領域は、開口部１１ａに現れている。図１に示された実施例では、半導体発光素子１ａの一端面２１ａから他端面２１ｂに伸びる軸に沿って設けられている。開口部１１ａには、化合物半導体部７ａが現れている。電流ブロック層１１は、第２導電型半導体層１５からのキャリア(電子及び正孔のいずれか)に対して障壁として作用する。この障壁により、キャリアは、開口部１１ａを通過して化合物半導体部７ａに到達する。つまり、開口部１１ａは、キャリアが注入される化合物半導体部７ａの領域を規定している。
【００３２】
第２導電型半導体層１３は、化合物半導体部７ａの発光領域上及び電流ブロック層１１上に設けられている。故に、開口部１１ａは第２導電型半導体層１３により埋め込まれており、第２導電型半導体層１３は第２導電型半導体層１５から化合物半導体部７ａへの経路を提供する。
【００３３】
第２導電型半導体層１５は、相対的に高濃度の不純物が添加されバンドギャップが小さい半導体で形成されている。これにより、電極１７に対してオーミック接触を得やすい。第２導電型半導体層１５は、コンタクト層として作用する。
【００３４】
電極１７は、第２導電型半導体層１５上に設けられている。電極１７は、電流ブロック層１１の開口部１１ａの領域にキャリアを提供できるように設けられている。つまり、電極１７は、開口部１１ａ上に位置しており、図１に示された実施例では、半導体発光素子１ａの一端面２１ａから他端面２１ｂに伸びる軸に沿って設けられている。電極１９は、基板３の面３ｂ上に設けられている。
【００３５】
図２(ａ)は、化合物半導体部の構造を示す図面である。図２(ｂ)は、化合物半導体部のバンドダイアグラムを示す図面である。図２(ａ)を参照すると、化合物半導体部７ａは、化合物半導体層２３ａ、２３ｂと、化合物半導体層２４ａ〜２４ｃとを有する。化合物半導体層２３ａは、化合物半導体層２４ａと化合物半導体層２４ｂとの間に設けられている。化合物半導体層２３ｂは、化合物半導体層２４ａと化合物半導体層２４ｃとの間に設けられている。化合物半導体層２３ａ、２３ｂは、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体といった、ガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、燐元素を含む半導体から構成されている。化合物半導体層２４ａ〜２４ｃの各々は、ＧａＩｎＡｓＰ半導体といった、一又は複数の種類のIII族元素、砒素元素、及び燐元素を含む半導体から構成されている。半導体光デバイス１ａでは、化合物半導体層２４ａ〜２４ｃ及び化合物半導体層２３ａ、２３ｂの両方は砒素元素及び燐元素を含むので、化合物半導体層２４ａ〜２４ｃと化合物半導体層２３ａ、２３ｂとの接合において、燐原子(Ｐ)と砒素原子(Ａｓ)との置換が生じ難い。故に、これらの半導体層間の界面に遷移層が形成されにくい。したがって、この界面における組成変化が急峻な半導体接合を得ることができる。
【００３６】
図２(ｂ)を参照すると、化合物半導体部７ａは、量子井戸構造２７ａを有する。量子井戸構造２７ａにおいて、化合物半導体層２４ｂのバンドギャップ△ＥB1は、化合物半導体層２３ａ、２３ｂのバンドギャップ△ＥWより小さく、また、化合物半導体層２４ａ、２４ｃのバンドギャップ△ＥB2、△ＥB3は化合物半導体層２３ａ、２３ｂのバンドギャップ△ＥWより小さい。化合物半導体層２３ａ、２３ｂは井戸層として作用する。化合物半導体層２４ｂは、障壁層として作用する。化合物半導体層２４ａ、２４ｃは、光閉じ込め層或いは障壁層として作用する。故に、第１導電型半導体層５及び第１の第２導電型半導体層９からのキャリア(電子及び正孔)は、量子井戸構造２７ａに閉じ込められる。
【００３７】
また、図２(ａ)を参照すると、量子井戸構造２７ａは、第１導電型半導体層５と第１の第２導電型半導体層９との間に設けられている。図２(ｂ)を参照すると、第１導電型半導体層５の屈折率ｎCL1及び第２導電型半導体層９の屈折率ｎCL2は、量子井戸構造２７ａ内の半導体層の屈折率ｎB1、ｎW、ｎC2、ｎC3のいずれよりも小さい。故に、量子井戸構造２７ａ内において発生された光は、量子井戸構造２７に沿って伝搬するとき、第１導電型半導体層５と第１の第２導電型半導体層９との間の領域に閉じ込められる。このとき、第１導電型半導体層５と第２導電型半導体層９は、クラッド層として働くことができる。
【００３８】
図２(ａ)は、特定の数の井戸層及び障壁層を有する量子井戸構造を例示的に示しているけれども、半導体光デバイス１ａにおいては、量子井戸構造２７ａは、任意の数の井戸層及び障壁層を有するＭＱＷ構造、或いはＳＱＷ構造のいずれかであることができる。これらの量子井戸構造において、急峻な半導体接合が得られる。
【００３９】
半導体発光素子１ａに含まれる半導体材料の実施例を下記に示す。
基板３：ｎ型ＧａＡｓ基板
第１導電型半導体層５：
ｎ型ＧａＩｎＰ半導体、
厚さ１．５マイクロメートル、キャリア濃度７×１０17ｃｍ-3
化合物半導体層２３ａ、２３ｂ：
アンドープＧａ0.86Ｉｎ0.14Ｎ0.04Ａｓ0.95Ｐ0.01半導体
厚さ１０ナノメートル、
化合物半導体層２４ａ〜２４ｃ：
アンドープＧａ0.78Ｉｎ0.22Ａｓ0.55Ｐ0.45半導体
厚さ１０ナノメートル、
第２導電型半導体層９：
ｐ型ＧａＩｎＰ半導体、
厚さ１．５マイクロメートル、キャリア濃度７×１０17ｃｍ-3
電流ブロック層１１：
ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ半導体、
厚さ０．５マイクロメートル、キャリア濃度７×１０17ｃｍ-3
第２導電型半導体層１３：
ｐ型ＧａＩｎＰ半導体、
厚さ１．０マイクロメートル、キャリア濃度７×１０17ｃｍ-3
第２導電型半導体層１５：
ｐ型ＧａＡｓ半導体、
厚さ２００ナノメートル、キャリア濃度１×１０19ｃｍ-3
好適な実施の形態では、その主面上にＧａＡｓ半導体層を備えるシリコン基板、或いは、ＧａＡｓ基板を基板３として用いることができる。この場合には、化合物半導体部７ａの半導体層２３ａ、２３ｂ、２４ａ〜２４ｃの組成は、ＧａＡｓ半導体に格子整合するように決定される。ここで、半導体Ａが半導体Ｂに格子整合することは、格子パラメータ(ａA−ａB)／ａBが−０．５パーセント以上＋０．５パーセント以下の範囲にあることを意味する。
【００４０】
化合物半導体層２３ａ、２３ｂは、ガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、燐元素を含む半導体から構成されるので、バンドギャップと格子定数とを独立して変更可能な範囲が広い。
【００４１】
図１、図２(ａ)及び図２(ｂ)を参照しながら、半導体発光素子を説明したけれども、半導体発光素子がファブリペロー型半導体レーザ素子であるときは、一端面２１ａ及び他端面２１ｂの反射率は、一端面２１ａ及び他端面２１ｂが当該半導体レーザ素子の光共振器を構成するように決定されている。半導体発光素子がＤＦＢ型半導体レーザ素子であるときは、化合物半導体部７ａと光学的に結合するように設けられた回折格子５３を基板３上に備えている。半導体発光素子が半導体光増幅素子であるときは、一端面２１ａの反射率は、例えば１パーセント以下になるように非常に小さな値に決定されており、他端面２１ｂの反射率は、一端面２１ａの反射率より相対的に大きくなるように決定されている。これらの半導体発光素子では、化合物半導体部は、注入されたキャリアに応答して光を発生する活性層として作用する。半導体発光素子では、活性層の構造は、化合物半導体部のフォトルミネッセンススペクトルが所望の発光波長を含むように構成されている。
【００４２】
図１、図２(ａ)及び図２(ｂ)に示された半導体光デバイスの構造は、電界吸収型変調素子といった半導体変調素子としても利用できる。半導体変調素子は、一端面２１ａに光を受けて、変調された光を他端面から出射する。これらの半導体変調素子では、化合物半導体部は、印加された電界に応答して入射光を変調する活性層として作用する。半導体変調素子では、活性層の構造は、化合物半導体部のフォトルミネッセンス波長が入射光の波長とわずかに異なるように構成されている。
【００４３】
これらの半導体光デバイスからは、図１に示されるような光Ｌaが提供される。
【００４４】
ＧａＡｓ半導体から構成される光閉じ込め層(障壁層)と、光閉じ込め層に隣接するＧａＩｎＰ半導体層とを備える半導体光デバイスでは、ＧａＩｎＰ半導体層とＧａＡｓ半導体層との界面において、砒素原子と燐原子の置換が生じる可能性がある。実施例では、第１導電型半導体層５としてｎ型ＧａＩｎＰ半導体層が利用されており、第２導電型半導体層９としてｐ型ＧａＩｎＰ半導体層が利用されている。第１導電型半導体層５は、燐元素を含む半導体層が利用されており、光閉じ込め層(障壁層)には燐元素及び砒素元素を含む半導体層が使用されている。発明者らが行った実験によれば、第１導電型半導体層５と光閉じ込め層との界面においても、砒素原子と燐原子の置換が抑制されて、良好な品質の界面が得られていることが明らかになっている。
【００４５】
また、発明者の実験によれば、化合物半導体部７ａを構成する半導体層の表面においてキャリア再結合が抑制されていることが明らかになっている。発明者らは、半導体光デバイス１ａにおいては化合物半導体層２３ａ、２３ｂ、２４ａ〜２４ｃが燐(Ｐ)元素を含むのでキャリア再結合が抑制されていると考えている。
【００４６】
好適な半導体発光素子においては、第１及び第３の化合物半導体層の各々のバンドギャップは、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体及びＧａＡｓ半導体のバンドギャップよりも大きくすることが好ましい。より大きなバンドギャップにより、第１及び第３の化合物半導体層はキャリアを第２の化合物半導体層に閉じ込める能力が向上する。この結果、温度依存性のより小さい半導体光デバイスが得られる。また、第１及び第３の化合物半導体層の各々は、ＧａＡｓ半導体に実質的に格子整合することが好ましい。この半導体光デバイスは、第１及び第３の化合物半導体層の各々として、例えば、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ半導体を用いることにより得ることができる。ここで、半導体Ａが半導体Ｂに実質的に格子整合することは、格子パラメータ(ａA−ａB)／ａBが−０．５パーセント以上＋０．５パーセント以下の範囲にあることを意味する。
【００４７】
(第２の実施の形態)
引き続いて、別の実施の形態に係わる半導体発光素子を説明する。 図３(ａ)〜図３(ｄ)の各々は歪み量子井戸構造を示す図面である。これらの量子井戸構造は、歪みを内包している。図３(ａ)〜図３(ｄ)において、矢印の先端が内向き(→←)は圧縮歪みを示しており、矢印の先端が外向き(←→)は引っ張り歪みを示している。矢印の長さは、歪みの大きさを示している。半導体光デバイス１ｂ〜１ｅでは、第１導電型半導体層５及び第２導電型半導体層９は、ＧａＡｓ半導体に格子整合している。
【００４８】
図３(ａ)は、半導体光デバイス１ｂを示す図面である。半導体光デバイス１ｂでは、化合物半導体部７ｂは、化合物半導体層２９ａ、２９ｂ、３１ａ〜３１ｃが量子井戸構造２７ｂを構成するように設けられている。量子井戸構造７ｂでは、化合物半導体層２９ａ、２９ｂが井戸層を構成すると共に化合物半導体層３１ａ〜３１ｃが障壁層を構成している。化合物半導体層３１ａ〜３１ｃにおけるIII族元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、化合物半導体層３１ａ〜３１ｃの各々が引っ張り歪みを有するように決定されている。化合物半導体層２９ａ、２９ｂにおけるガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、化合物半導体層２９ａ、２９ｂが圧縮歪みを有するように決定されている。量子井戸構造２７ｂにおいては、圧縮歪みの大きさは、引っ張り歪みの大きさに比べて大きい。この量子井戸構造では、井戸層及び障壁層の層数及び厚みの歪み応力による制限を緩和できるという利点がある。また、量子井戸構造２７ｂは、例えば、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体及びＧａＮＰＡｓ半導体の組合せにより実現できる。例えば、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体の組成は、Ｇａ0.7Ｉｎ0.3Ｎ0.017Ａｓ0.982Ｐ0.001である。
【００４９】
図３(ｂ)は、半導体光デバイス１ｃを示す図面である。半導体光デバイス１ｃでは、化合物半導体部７ｃは、化合物半導体層３３ａ、３３ｂ、３５ａ〜３５ｃが量子井戸構造２７ｃを構成するように設けられている。量子井戸構造２７ｃでは、化合物半導体層３３ａ、３３ｂが井戸層を構成すると共に化合物半導体層３５ａ〜３５ｃが障壁層を構成している。化合物半導体層３５ａ〜３５ｃにおけるIII族元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、化合物半導体層３５ａ〜３５ｃの各々が引っ張り歪みを有するように決定されている。化合物半導体層３３ａ、３３ｂにおけるガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、化合物半導体層３３ａ、３３ｂが圧縮歪みを有するように決定されている。量子井戸構造２７ｃにおいては、圧縮歪みの大きさは、引っ張り歪みの大きさに比べて小さい。この量子井戸構造では、井戸層及び障壁層の層数及び厚みの歪み応力による制限を緩和できるという利点がある。また、量子井戸構造２７ｃは、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体及びＧａＮＰＡｓ半導体の組合せにより実現できる。例えば、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体の組成は、Ｇａ0.7Ｉｎ0.3Ｎ0.017Ａｓ0.982Ｐ0.001である。
【００５０】
図３(ｃ)は、半導体光デバイス１ｄを示す図面である。半導体光デバイス１ｄでは、化合物半導体部７ｄは、化合物半導体層３７ａ、３７ｂ、３９ａ〜３９ｃが量子井戸構造２７ｄを構成するように設けられている。量子井戸構造７ｄでは、化合物半導体層３７ａ、３７ｂが井戸層を構成すると共に化合物半導体層３９ａ〜３９ｃが障壁層を構成している。化合物半導体層３９ａ〜３９ｃにおけるIII族元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、化合物半導体層３９ａ〜３９ｃの各々が圧縮歪みを有するように決定されている。化合物半導体層３７ａ、３７ｂにおけるガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、化合物半導体層３７ａ、３７ｂが引っ張り歪みを有するように決定されている。量子井戸構造２７ｄにおいては、圧縮歪みの大きさは、引っ張り歪みの大きさにほぼ等しくなるように両半導体層の組成が決定されている。量子井戸構造２７ｄは、例えば、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体及びＧａＩｎＡｓＰ半導体の組合せにより実現できる。量子井戸構造２７ｄでは、次のような利点がある。量子井戸活性層結晶全体の歪みが補償されているので、結晶品質の劣化が少なく、光デバイスの信頼性が向上する。また、井戸層に引っ張り歪みを有するので、長波長化しやすいく、発光効率が向上できる。さらに、量子井戸活性層結晶全体の歪みが補償されているので、井戸層及び障壁層の層数及び厚みの制約がない。
【００５１】
図３(ｄ)は、半導体光デバイス１ｅを示す図面である。半導体光デバイス１ｅでは、化合物半導体部７ｅは、化合物半導体層４１ａ、４１ｂ、４３ａ〜４３ｃが量子井戸構造２７ｅを構成するように設けられている。量子井戸構造７ｅでは、化合物半導体層４１ａ、４１ｂが井戸層を構成すると共に化合物半導体層４３ａ〜４３ｃが障壁層を構成している。化合物半導体層４３ａ〜４３ｃにおけるIII族元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、化合物半導体層４３ａ〜４３ｃの各々が引っ張り歪みを有するように決定されている。化合物半導体層４１ａ、４１ｂにおけるガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、化合物半導体層４１ａ、４１ｂが圧縮歪みを有するように決定されている。量子井戸構造２７ｄにおいては、圧縮歪みの大きさは、引っ張り歪みの大きさにほぼ等しくなるように両半導体層の組成が決定されている。量子井戸構造２７ｅは、例えば、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体及びＧａＮＰＡｓ半導体の組合せにより実現できる。量子井戸構造２７ｅでは、次のような利点がある。量子井戸活性層結晶全体の歪みが補償されているので、結晶品質の劣化が少なく、光デバイスの信頼性が向上する。また、井戸層に圧縮歪みを有するので、短波長化しやすいく、発光効率が向上できる。さらに、量子井戸活性層結晶全体の歪みが補償されているので、井戸層及び障壁層の層数及び厚みの制約がない。
【００５２】
量子井戸構造７ｂ及び７ｃでは、量子井戸構造において歪みが全体として打ち消されずに残っている。歪みに応じて、半導体レーザ素子の発振モードが異なる。例えば、圧縮歪みの量子井戸構造では、半導体レーザ素子はＴＥモードで発振する。引っ張り歪みの量子井戸構造では、半導体レーザ素子はＴＭモードで発振する。
【００５３】
量子井戸構造２７ｄ及び２７ｅでは、量子井戸構造全体として歪みが打ち消し合っているので、井戸層及び障壁層の数が歪み量子井戸構造であることに起因して制限されない。故に、半導体発光素子として、大きな利得が得られる。また、半導体発光素子の温度特性が良好になる。更に、半導体発光素子が、より高温において動作可能になると共に、より高出力が得られる。
【００５４】
(第３の実施の形態)
引き続いて、更なる別の実施の形態に係わる半導体発光素子を説明する。図４(ａ)及び図４(ｂ)は、半導体光デバイスを構成する主要な半導体層の結晶の格子を模式的に示す図面である。引き続く説明では、基板３が半導体基板である実施例を説明する。
【００５５】
図４(ａ)は、ＧａＡｓ半導体基板といった半導体基板のための半導体３ｃと、量子井戸構造の井戸層のための半導体材料４５と、障壁層のための半導体材料４７と示している。半導体材料３ｃは、格子定数ｄ0を有している。半導体材料４５は、格子定数ｄ1を有している。半導体４７は、格子定数ｄ2を有している。格子定数ｄ0は、格子定数ｄ1より大きく、格子定数ｄ2より小さい。
【００５６】
図４(ｂ)は、ＧａＡｓ半導体基板といった半導体基板のための半導体３ｃと、量子井戸構造の井戸層のための半導体４９と、障壁層のための半導体５１と示している。半導体材料３ｃは、格子定数ｄ0を有している。半導体材料４９は、格子定数ｄ3を有している。半導体材料５１は、格子定数ｄ4を有している。格子定数ｄ0は、格子定数ｄ4より大きく、格子定数ｄ3より小さい。
【００５７】
量子井戸構造は、半導体材料４５(或いは、半導体材料４９)から構成される井戸層(図２における化合物半導体層２３ａ、２３ｂ)、半導体材料４７(或いは、半導体材料５１)からなる障壁層(図２における化合物半導体層２４ａ〜２４ｃ)を含む。第１導電型半導体層(図１における参照番号５)及び第２導電型半導体層(図１における参照番号９)は、ＧａＡｓ半導体に格子整合している。しかしながら、第１及び第２の化合物半導体層におけるIII族元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、化合物半導体層(図２における化合物半導体層２４ａ〜２４ｃ)の各々を構成する半導体がＧａＡｓ半導体に格子整合しないように決定されている。化合物半導体層(図２における化合物半導体層２３ａ、２３ｂ)におけるガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、第３の化合物半導体層を構成する半導体がＧａＡｓ半導体に格子整合しないように決定されている。
【００５８】
好ましい実施例では、障壁層及び井戸層がほぼ等しい厚さである場合、障壁層を構成する半導体材料の格子定数ｄAと井戸層を構成する半導体材料の格子定数ｄBとの算術平均ｄAV＝(ｄA＋ｄB)は、ＧａＡｓ半導体の格子定数ｄGaAsの値と実質的に一致している。ここで、実質的に一致は、−０．００５≦(ｄAV−ｄGaAs)／ｄGaAs≦＋０．００５を意味する。量子井戸構造部の全体として歪みは実質的に打ち消されており、井戸層及び障壁層の積層数は、量子井戸構造部における歪みに起因して制約されることがない。
【００５９】
好適な半導体光デバイスにおいては、障壁層は、ＧａＮＰＡｓ半導体から構成されている。井戸層は、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体から構成され、この組合では、障壁層がＧａＡｓ半導体から構成される量子井戸構造と比較して、ＧａＩｎＮＡｓＰ井戸層内の量子準位が低エネルギーでシフトするので、長波長化しやすく、またＧａＩｎＮＡｓＰ井戸層／ＧａＡｓ障壁層の量子井戸構造では実現できない１．５マイクロメートル波長帯が利用できるようになる。１．５マイクロメートル波長帯は光通信の分野において重要な帯域である。
【００６０】
好適な別の半導体光デバイスにおいては、障壁層は、ＧａＰＡｓ半導体から構成されている。井戸層は、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体から構成されている。ＧａＰＡｓ半導体のバンドギャップは、ＧａＡｓ半導体のバンドギャップに比べて大きい。ＧａＰＡｓ半導体では、量子井戸構造へのキャリアの閉じ込めが良好になる。故に、半導体光デバイスの温度特性が良好になる。
【００６１】
(第４の実施の形態)
図５は、別の実施の形態に係わる半導体発光素子を示す斜視図である。半導体発光素子１ｆは、垂直光共振器面発光レーザ素子の構造を有する。半導体発光素子１ｆは、基板６０と、第１の半導体部６２と、第１導電型半導体層６４と、化合物半導体部６６と、第４の第２導電型半導体層６８と、第５の第２導電型半導体層７０と、電流ブロック層７２と、第５の第２導電型半導体層７４と、第２の半導体部７６と、第６の第２導電型半導体層７８と、第１の電極８０と、第２の電極８２とを備える。基板６０としては、ＧａＡｓ基板及びシリコン基板といった半導体基板が例示される。基板６０は、一対の面６０ａ及び６０ｂを有する。一方の面６０ａは他方の面６０ｂに対向している。基板６０の面６０ａは、第１の半導体部６２と、第１導電型半導体層６４と、化合物半導体部６６と、第４の第２導電型半導体層６８と、第５の第２導電型半導体層７０と、電流ブロック層７２と、第５の第２導電型半導体層７４と、第２の半導体部７６と、第６の第２導電型半導体層７８とを搭載している。第１の半導体部６２及び第２の半導体部７６は、光共振器を構成する。
【００６２】
化合物半導体部６６は、第１の半導体部６２と第２の半導体部７６との間に位置している。化合物半導体部６６は、第１導電型半導体層６４と第２導電型半導体層６８との間に設けられている。化合物半導体部６６は、図２(ａ)、図２(ｂ)、図３(ａ)〜図３(ｄ)、図４(ａ)及び図４(ｂ)に示されるいずれかの形態を備えることができる。化合物半導体部６６は、所定の波長帯域において光を発生できるように設けられる。
【００６３】
第２導電型半導体層６８の主面は、第１の領域６８ａ及び第２の領域６８ｂを有する。第１の領域６８ａは第２の領域６８ｂの周囲を囲むように設けられている。第２の領域６８ｂ上には、第４の第２導電型半導体層７０、電流ブロック層７２、及び第５の第２導電型半導体層７４が設けられている。
【００６４】
第２導電型半導体層７４の主面は、第１の領域７４ａ及び第２の領域７４ｂを有する。第１の領域７４ａは第２の領域７４ｂの周囲を囲むように設けられている。第２の領域７４ｂ上には、第２の半導体部７６が設けられている。第２の領域７４ｂの面積は、第２の領域６８ｂの面積より小さい。
【００６５】
電流ブロック層７２は、第５の第２導電型半導体層７０上に設けられており、また、化合物半導体部６６の発光領域上に開口部７２ａを有する。第２導電型半導体層７０の主面は、第１の領域７０ａ及び第２の領域７０ｂを有する。第１の領域７０ａは第２の領域７０ｂの周囲を囲むように設けられている。第１の領域７０ａ上には、電流ブロック層７２が設けられている。第２の領域７０ｂ上には、電流ブロック層７２の開口部７２ａが設けられている。開口部７２ａには、第２導電型半導体層７０が現れている。この第２導電型半導体層７０上には、電流経路半導体層７３が設けられている。電流経路半導体層７３は開口部７２ａ内に位置しており、電流ブロック層７２及び電流経路半導体層７３上には、第２導電型半導体層７４が設けられている。電流ブロック層７２は、第２導電型半導体層７４からのキャリア(電子及び正孔のいずれか一方)に対して障壁として作用する。この障壁により、キャリアは、開口部７２ａを通過して化合物半導体部６６に到達する。つまり、開口部７２ａは、キャリアが注入される化合物半導体部６６の領域を規定している。電流ブロック層は、第２導電型を有するＡｌＡｓ半導体層の一部をメサの周囲からメサ内部に向けて選択酸化し、Ａｌ2Ｏ3絶縁層をドーナツ状に形成することで形成される。この結果、電流ブロック層の開口部７２ａは、電気的に導通可能な第２導電型を有するＡｌＡｓ半導体層として形成される。
【００６６】
第２導電型半導体層７４は、第２導電型半導体部７０上及び電流ブロック層７２上に設けられている。開口部７２ａは、第２導電型半導体層７４により埋め込まれるようにしてもよく、このとき、第２導電型半導体層７４は、第２の半導体部７６から第２導電型半導体層７０への経路を提供している。
【００６７】
第２導電型半導体層７８は、相対的に高濃度の不純物が添加されバンドギャップが小さい半導体で形成されている。故に、電極１７に対するオーミック接触が得やすい。第２導電型半導体層７８は、コンタクト層として作用する。
【００６８】
電極８０は、第２導電型半導体層７８上に設けられている。電極８０は、第２の半導体部７６にキャリアを提供できるように設けられている。つまり、電極８０は、開口部７２ａ上に位置している。基板６０の面６０ｂには、第２の電極８２が設けられている。
【００６９】
図６(ａ)は、第１の半導体部の構造を示す図面である。第１の半導体部６２は、複数の半導体層６２ａ及び複数の半導体層６２ｂを備える。半導体層６２ａ及び半導体層６２ｂは、交互に配置されている。半導体層６２ａの屈折率は、半導体層６２ｂの屈折率と異なっている。したがって、半導体部６２は、回折格子を構成する。
【００７０】
図６(ｂ)は、第２の半導体部の構造を示す図面である。第２の半導体部７６は、複数の半導体層７６ａ及び複数の半導体層７６ｂを備える。半導体層７６ａ及び半導体層７６ｂは、交互に配置されている。半導体層７６ａの屈折率は、半導体層７６ｂの屈折率と異なっている。したがって、半導体部７６は、回折格子を構成する。
【００７１】
半導体発光素子１ｆは、半導体部６２の回折格子の反射スペクトル、半導体部７６の回折格子の反射スペクトル、及び化合物半導体部６６の発光スペクトルが重なる波長帯域内の所定の波長の光Ｌbを発生できる。
【００７２】
半導体発光素子１ｆに含まれる半導体材料の実施例を下記に示す。
基板６０：ｎ型ＧａＡｓ基板
第１の半導体部６２；
ｎ型ＡｌＡｓ半導体／ｎ型ＧａＡｓ半導体 ２２．５周期
厚さ１１５ナノメートル／９０ナノメートル、
キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3／１×１０18ｃｍ-3
半導体層６４：
アンドープＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ半導体、
厚さ１７５ナノメートル
化合物半導体部６６：
アンドープＧａＩｎＮＡｓＰ半導体／アンドープＧａＩｎＡｓＰ半導体
厚さ１０ナノメートル／厚さ１０ナノメートル
半導体層６８：
アンドープＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ半導体、
厚さ１７５ナノメートル
第２導電型半導体層７０：
ｐ型ＧａＡｓ半導体、
厚さ３０ナノメートル、キャリア濃度７×１０17ｃｍ-3
電流ブロック層７２：
ｐ型Ａｌ2Ｏ3、
厚さ３０ナノメートル
電流経路半導体層７３：
ｐ型ＡｌＡｓ半導体、
厚さ３０ナノメートル、
第２導電型半導体層７４：
ｐ型ＧａＡｓ半導体、
厚さ３０ナノメートル、キャリア濃度７×１０17ｃｍ-3
第２の半導体部７６：
ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓ半導体／ｎ型ＧａＡｓ半導体 ２０周期
厚さ１１０ナノメートル／９０ナノメートル、
キャリア濃度７×１０17ｃｍ-3／７×１０17ｃｍ-3
コンタクト層７８；
ｐ型ＧａＡｓ半導体
厚さ６０ナノメートル、キャリア濃度１×１０19ｃｍ-3
好適な実施の形態では、その主面上にＧａＡｓ半導体層を備えるシリコン基板、或いは、ＧａＡｓ基板を基板３として用いることができる。
【００７３】
(第５の実施の形態)
引き続いて、半導体光デバイスを製造する方法を説明する。図７(ａ)に示されるように、ＧａＡｓ半導体基板９０を準備する。ＧａＡｓ半導体基板９０は一対の面９０ａ及び９０ｂを有する。表面９０ａは背面９０ｂに対向している。
【００７４】
図７(ｂ)を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ半導体基板９０の主面９０ａ上に、ｎ型III−Ｖ族化合物半導体層９２を形成する。化合物半導体層９２はＧａＡｓ半導体に格子整合するｎ型ＧａＩｎＰ半導体層から構成される。次いで、ｎ型化合物半導体層９２上に化合物半導体部９４を形成する。ｎ型化合物半導体層９２及び化合物半導体部９４は、例えば、有機金属気相成長法(ＯＭＶＰＥ法)又は分子線エピタキシ法(ＭＢＥ法)でエピタキシャル成長される。
【００７５】
図８(ａ)〜図８(ｄ)を参照しながら、化合物半導体部９４の形成を説明する。化合物半導体部９４は、アンドープＧａＩｎＮＡｓＰ半導体層及びアンドープＧａＩｎＡｓＰ半導体層から構成される。図８(ａ)に示されるように、ｎ型ＧａＩｎＰ半導体層９２上にアンドープＧａＩｎＡｓＰ半導体層９４ａを成長する。ＧａＩｎＰ半導体層９２とＧａＩｎＡｓＰ半導体層９４ａとの界面においては隣(Ｐ)と砒素(Ａｓ)との置換が抑制されるので、急峻な接合が得られる。次いで、図８(ｂ)に示されるように、ＧａＩｎＡｓＰ半導体層９４ａ上にアンドープＧａＩｎＮＡｓＰ半導体層９４ｂを成長する。ＧａＩｎＡｓＰ半導体層９４ａとＧａＩｎＮＡｓＰ半導体層９４ｂとの界面においては隣(Ｐ)と砒素(Ａｓ)との置換が抑制されるので、急峻な接合が得られる。所望の半導体層の積層が得られるまで、この成長ステップを繰り返して行う。これにより、化合物半導体部９４が得られる。
【００７６】
しかしながら、化合物半導体部がアンドープＧａＩｎＮＡｓＰ半導体層及びアンドープＧａＡｓ半導体層から構成される場合には、図８(ｃ)に示されるように、ｎ型ＧａＩｎＰ半導体層９２上にアンドープＧａＡｓ半導体層９５ａを成長する。ＧａＩｎＰ半導体層９２とＧａＡｓ半導体層９５ａとの界面においては燐(Ｐ)と砒素(Ａｓ)との置換が生じるので、遷移層９７ａがＧａＩｎＰ半導体層９２とＧａＡｓ半導体層９５ａとの間に形成される。次いで、図８(ｄ)に示されるように、ＧａＡｓ半導体層９５ａ上にアンドープＧａＩｎＮＡｓＰ半導体層９５ｂを成長する。ＧａＡｓ半導体層９５ａとＧａＩｎＮＡｓＰ半導体層９５ｂとの界面においては燐(Ｐ)と砒素(Ａｓ)との置換が生じるので、遷移層９７ｂがＧａＩｎＰ半導体層とＧａＩｎＡｓＰ半導体層との間に形成される。遷移層９７ａ及び９７ｂの組成及び厚さは制御されていない。
【００７７】
続いて、図９(ａ)に示されるように、ＧａＡｓ半導体に格子整合するｐ型ＧａＩｎＰ半導体層から構成されるｐ型III−Ｖ族化合物半導体層９６を化合物半導体部９４上にエピタキシャル成長する。次いで、電流ブロック層のためのＡｌＧａＩｎＰ半導体層といったｎ型化合物半導体層９８をｐ型化合物半導体層９６上にエピタキシャル成長する。
【００７８】
図９(ｂ)に示されるように、ｐ型化合物半導体層９８上にマスク層１００を形成する。マスク層１００は、電流通過領域を規定するための開口部１００ａを備える。マスク層１００を形成した後に、リン酸系エッチャントを用いて、ｐ型化合物半導体層９６に対してｐ型化合物半導体層９８を選択的にエッチングして、開口部９８ｂを有する電流ブロック層９８ａを形成する。開口部９８ｂは、所定の軸に沿って伸びている。開口部９８ｂにおいて、ｐ型化合物半導体層９６は露出している。
【００７９】
図１０(ａ)に示されるように、電流ブロック層９８ａ及びｐ型化合物半導体層９６上に、ｐ型ＧａＩｎＰ半導体層といったIII−Ｖ族化合物半導体層１０２をエピタキシャル成長する。次いで、III−Ｖ族化合物半導体層１０２上にコンタクト層１０４をエピタキシャル成長する。
【００８０】
コンタクト層１０４上には、アノード電極１０６を形成する。アノード電極１０６は、電流ブロック層９８ａの開口部９８ｂと同じ方向に伸びている。基板９０の背面９０ｂ上には、カソード電極１０８が形成される。これらの工程を介して、半導体光デバイス１ｇが得られる。
【００８１】
以上説明した半導体発光素子では、発明者の知見によれば、発光領域及びその近傍に燐が添加されているので、表面再結合電流が低減される。
【００８２】
量子井戸構造に歪み(圧縮又は引っ張り歪み)が加わった半導体レーザ素子では、次のようなレーザ特性が向上する。半導体レーザ素子の利得及び微分利得を大きくでき、しきい値電流を小さくでき、発光効率を増大でき、高温動作が可能になり、発振モードの制御が可能になる。
【００８３】
ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体と他のIII−Ｖ族化合物半導体との組み合わせにより、多彩な半導体光デバイスが得られる。
【００８４】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることができることは、当業者によって認識される。例えば、本実施の形態では、単一の半導体発光素子を説明したけれども、半導体光デバイスは複数の半導体発光素子を備えることもできる。半導体光デバイスは、光集積素子であることができる。光集積素子は、半導体変調素子と、半導体発光素子とを含むことができる。また、実施の形態では半導体基板を備える半導体光デバイスを説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。更に、実施の形態では半導体基板を備える半導体発光素子及び半導体変調素子を説明したが、本発明は、導波路型半導体受光素子といった受光素子にも適用でき、これらに限定されるものではない。加えて、本発明は、上記の実施の形態に限定されることなく、例えば、他の半導体材料に対しても適用できる。したがって、本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【００８５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば２つの半導体層の界面において燐原子(Ｐ)と砒素原子(Ａｓ)との置換が生じ難い構造を有する半導体光デバイス、及びその製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、半導体発光素子を示す斜視図である。
【図２】図２(ａ)は、化合物半導体部の構造を示す図面である。図２(ｂ)は、化合物半導体部のバンドダイアグラムを示す図面である。
【図３】図３(ａ)〜図３(ｄ)の各々は歪み量子井戸構造を示す図面である。
【図４】図４(ａ)及び図４(ｂ)は、半導体光デバイスを構成する主要な半導体層の結晶の格子を模式的に示す図面である。
【図５】図５は、別の実施の形態に係わる半導体発光素子を示す斜視図である。
【図６】図６(ａ)は、第１の半導体部の構造を示す図面である。図６(ｂ)は、第２の半導体部の構造を示す図面である。
【図７】図７(ａ)及び図７(ｂ)は、半導体光デバイスを製造する方法を示す図面である。
【図８】図８(ａ)及び図８(ｂ)は、半導体光デバイスの化合物半導体部を成長する手順を示す図面である。図８(ｃ)及び図８(ｄ)は、半導体光デバイスの化合物半導体部を成長する手順を示す図面である。
【図９】図９(ａ)及び図９(ｂ)は、半導体光デバイスを製造する方法を示す図面である。
【図１０】図１０(ａ)及び図１０(ｂ)は、半導体光デバイスを製造する方法を示す図面である。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ…半導体発光素子、３…基板、５…第１導電型半導体層、７ａ…化合物半導体部、９…第２導電型半導体層、１１…電流ブロック層、１１ａ…開口部、１３…第２導電型半導体層、１５…第２導電型半導体層、１７…第１の電極、１９…第２の電極、２３ａ、２３ｂ、２４ａ〜２４ｃ…化合物半導体層、６０…基板、６２…第１の半導体部、６４…第１導電型半導体層、６６…化合物半導体部、６８…第４の第２導電型半導体層、７０…第５の第２導電型半導体層、７２…電流ブロック層、７３…電流経路半導体層、７４…第５の第２導電型半導体層、７６…第２の半導体部、７８…第６の第２導電型半導体層、８０…第１の電極、８２…第２の電極、
Claims (5)
- 一又は複数の種類のIII族元素、砒素元素、及び燐元素を含む第１の化合物半導体層と、
ガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、燐元素を含む第２の化合物半導体層と、
一又は複数の種類のIII族元素、砒素元素、及び燐元素を含む第３の化合物半導体層と、
ＧａＩｎＰ半導体から構成される第４の化合物半導体層と、
ＧａＩｎＰ半導体から構成される第５の化合物半導体層と、
前記第１〜第５の化合物半導体層を搭載するＧａＡｓ基板と
を備え、
前記第４の化合物半導体層はクラッド層であり、
前記第５の化合物半導体層はクラッド層であり、
前記第２の化合物半導体層は、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体から構成されており、
前記第１及び第３の化合物半導体層は、ＧａＮＰＡｓ半導体及びＡｌＧａＩｎＡｓＰ半導体のいずれかから構成されており、
前記第１及び第３の化合物半導体層の各々のバンドギャップは、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体及びＧａＡｓ半導体のバンドギャップよりも大きく、
前記第１〜第３の化合物半導体層は、前記第２の化合物半導体層が井戸層を構成すると共に前記第１及び第３の化合物半導体層が障壁層を構成する量子井戸構造を構成するように設けられており、
前記第１〜第３の化合物半導体層は、前記第４の化合物半導体層と前記第５の化合物半導体層との間に設けられている、半導体光デバイス。 - 多層反射膜を形成するように設けられた複数の第１導電型半導体層を含む第１の半導体部と、
多層反射膜を形成するように設けられた複数の第２導電型半導体層を含む第２の半導体部と
を更に備え、
前記第１〜第５の化合物半導体層は、前記第１の半導体部と前記第２の半導体部との間に設けられている、請求項１に記載の半導体光デバイス。 - 前記第１及び第３の化合物半導体層における前記III族元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、前記第１及び第３の化合物半導体層の各々が圧縮歪み及び引っ張り歪みの一方の歪みを有するように決定されており、
前記第２の化合物半導体層における前記ガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、前記第２の化合物半導体層が圧縮歪み及び引っ張り歪みの他方の歪みを有するように決定されている、請求項１または請求項２に記載の半導体光デバイス。 - 前記第１及び第３の化合物半導体層における前記III族元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、前記第１及び第３の化合物半導体層の各々を構成する半導体がＧａＡｓ半導体の格子定数に格子整合しないように決定されており、
前記第２の化合物半導体層における前記ガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、前記第２の化合物半導体層を構成する半導体の格子定数がＧａＡｓ半導体に格子整合しないように決定されており、
前記障壁層を構成する半導体と前記井戸層を構成する半導体との平均的な格子定数は、ＧａＡｓ半導体の格子定数と実質的に一致している、請求項１または請求項２に記載の半導体光デバイス。 - 第１導電型のＧａＩｎＰクラッド層を第１導電型のＧａＡｓ基板上に形成する工程と、
井戸層及び障壁層を含む量子井戸構造を前記ＧａＩｎＰクラッド層上に形成する工程と、
第２導電型のＧａＩｎＰクラッド層を前記量子井戸構造上に形成する工程と
を備え、
前記井戸層は、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体から構成され、
前記障壁層は、ＧａＮＰＡｓ半導体及びＡｌＧａＩｎＡｓＰ半導体のいずれかから構成された、半導体光デバイスを製造する方法。
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