JP2000091710A - 半導体積層構造および半導体発光素子 - Google Patents
半導体積層構造および半導体発光素子Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 活性層と隣合うガイド層またはクラッド層表
面での窒素の取り込みを減少させ、結晶性が良好で発光
効率が高く、かつ特性温度の高い発光素子を得ることの
可能な半導体積層構造および半導体発光素子を提供す
る。 【解決手段】 本発明の半導体積層構造は、Ｖ族元素と
してＮ(窒素)を含む窒素系Ｖ族混晶半導体において、Ａ
ｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層１０１(０≦ｘ
１＜１，０＜ｙ１≦１，０＜ｚ１＜１)とこれよりもＡ
ｌ組成が大きなＡｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層１０
３，１１１(０≦ｘ１＜ｘ２≦１，０≦ｙ２＜１)との間
に、Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐより小さなＡｌ組成
のＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層１０２(０≦ｘ３＜ｘ
２≦１，０＜ｙ３≦１)が配置されている。
面での窒素の取り込みを減少させ、結晶性が良好で発光
効率が高く、かつ特性温度の高い発光素子を得ることの
可能な半導体積層構造および半導体発光素子を提供す
る。 【解決手段】 本発明の半導体積層構造は、Ｖ族元素と
してＮ(窒素)を含む窒素系Ｖ族混晶半導体において、Ａ
ｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層１０１(０≦ｘ
１＜１，０＜ｙ１≦１，０＜ｚ１＜１)とこれよりもＡ
ｌ組成が大きなＡｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層１０
３，１１１(０≦ｘ１＜ｘ２≦１，０≦ｙ２＜１)との間
に、Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐより小さなＡｌ組成
のＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層１０２(０≦ｘ３＜ｘ
２≦１，０＜ｙ３≦１)が配置されている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光書き込み用半導
体レーザ，読み出し用半導体レーザ，発光ダイオード，
フォトダイオードなどに利用される半導体積層構造およ
び半導体発光素子に関する。
体レーザ，読み出し用半導体レーザ，発光ダイオード，
フォトダイオードなどに利用される半導体積層構造およ
び半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、カラーディスプレイ等に用いられ
る高輝度緑色〜赤色発光ダイオードや光書き込みや読み
出し等に用いられる可視光半導体レーザの材料として、
ＡｌＧａＩｎＰ系材料の研究開発が行なわれている。Ａ
ｌＧａＩｎＰ系材料は、ＧａＡｓ基板に格子整合するII
I−Ｖ族半導体の中でも最も大きい直接遷移型材料であ
り、バンドギャップエネルギーは、最大で約２．３ｅＶ
(波長５４０ｎｍ)が得られる。
る高輝度緑色〜赤色発光ダイオードや光書き込みや読み
出し等に用いられる可視光半導体レーザの材料として、
ＡｌＧａＩｎＰ系材料の研究開発が行なわれている。Ａ
ｌＧａＩｎＰ系材料は、ＧａＡｓ基板に格子整合するII
I−Ｖ族半導体の中でも最も大きい直接遷移型材料であ
り、バンドギャップエネルギーは、最大で約２．３ｅＶ
(波長５４０ｎｍ)が得られる。
【０００３】しかしながら、ＡｌＧａＩｎＰ系材料は、
ヘテロ接合を形成すると、活性層とこれにキャリアを閉
じ込めるために設けられる活性層よりもバンドギャップ
エネルギーの大きなクラッド層(あるいはガイド層)との
伝導帯のバンド不連続量が小さい(伝導帯のバンドオフ
セット比が小さい)ために、注入キャリア(電子)が活性
層からクラッド層へオーバーフローし易い構造となる。
これに起因して、動作温度が高くなるに従い、レーザの
発振特性が劣化し易く、さらに、短波長化(活性層材料
のワイドギャップ化、または、量子井戸活性層の薄膜
化)とともに、使用上限環境温度(特性温度)が低下する
等の問題があった。この問題を解決するため、例えば、
特開平８−３０７００５号，特開平１０−８４１６３号
の技術が提案されている。
ヘテロ接合を形成すると、活性層とこれにキャリアを閉
じ込めるために設けられる活性層よりもバンドギャップ
エネルギーの大きなクラッド層(あるいはガイド層)との
伝導帯のバンド不連続量が小さい(伝導帯のバンドオフ
セット比が小さい)ために、注入キャリア(電子)が活性
層からクラッド層へオーバーフローし易い構造となる。
これに起因して、動作温度が高くなるに従い、レーザの
発振特性が劣化し易く、さらに、短波長化(活性層材料
のワイドギャップ化、または、量子井戸活性層の薄膜
化)とともに、使用上限環境温度(特性温度)が低下する
等の問題があった。この問題を解決するため、例えば、
特開平８−３０７００５号，特開平１０−８４１６３号
の技術が提案されている。
【０００４】すなわち、Ｎ(窒素)をＶ族元素として含む
窒素系III−Ｖ族混晶半導体では、窒素を添加した効果
により、バンドギャップエネルギーにボーイングが生
じ、伝導帯および価電子帯のエネルギーが低下する。こ
の時、バンドエネルギーの低下は主に伝導帯側で顕著で
あるので、窒素系Ｖ族混晶半導体を活性層に用いること
で、伝導帯のバンド不連続量が増大し、特性温度の高い
素子を得ることが可能となる。
窒素系III−Ｖ族混晶半導体では、窒素を添加した効果
により、バンドギャップエネルギーにボーイングが生
じ、伝導帯および価電子帯のエネルギーが低下する。こ
の時、バンドエネルギーの低下は主に伝導帯側で顕著で
あるので、窒素系Ｖ族混晶半導体を活性層に用いること
で、伝導帯のバンド不連続量が増大し、特性温度の高い
素子を得ることが可能となる。
【０００５】より具体的に、特開平８−３０７００５号
の技術では、活性層にＧａＩｎＮＰ混晶を用いた多重量
子井戸構造により特性温度１０５Ｋを持つ発光素子が可
能とされている。また、特開平１０−８４１６３号の技
術では、活性層にＡｌを含ませてＡｌＧａＩｎＮＰを用
いることで、窒素添加によるバンドギャップの減少分を
補償することができ、伝導帯バンド不連続を大きくした
まま、短波長化が可能となる。
の技術では、活性層にＧａＩｎＮＰ混晶を用いた多重量
子井戸構造により特性温度１０５Ｋを持つ発光素子が可
能とされている。また、特開平１０−８４１６３号の技
術では、活性層にＡｌを含ませてＡｌＧａＩｎＮＰを用
いることで、窒素添加によるバンドギャップの減少分を
補償することができ、伝導帯バンド不連続を大きくした
まま、短波長化が可能となる。
【０００６】上述のような窒素系Ｖ族混晶半導体は、窒
素の共有結合長が他の構成元素に比べて短く、うまく混
合しない(非混和性が高い)ために結晶成長が難しく、熱
力学的に非平衡度の高い分子線成長法(ＭＢＥ法)や有機
金属気相成長法によって結晶成長が行なわれるのが一般
的である。特開平６−２８３７６０号には、窒素を添加
したＡｌＧａＩｎＰ結晶の有機金属気相成長法(ＭＯＣ
ＶＤ法)による成長方法が述べられている。
素の共有結合長が他の構成元素に比べて短く、うまく混
合しない(非混和性が高い)ために結晶成長が難しく、熱
力学的に非平衡度の高い分子線成長法(ＭＢＥ法)や有機
金属気相成長法によって結晶成長が行なわれるのが一般
的である。特開平６−２８３７６０号には、窒素を添加
したＡｌＧａＩｎＰ結晶の有機金属気相成長法(ＭＯＣ
ＶＤ法)による成長方法が述べられている。
【０００７】すなわち、特開平６−２８３７６０号の技
術では、ＡｌＧａＰ混晶半導体において有機アルミニウ
ム化合物の導入量を制御することで有機金属気相成長法
により効率良く窒素をドープできることを見出し、窒素
原料としてＮＨ3を用い、有機アルミニウム化合物とし
てＴＭＡを用い、実際に成長を行なっている。この際に
取り込まれる窒素量は、同一ＮＨ3流量に対し、ＡｌＧ
ａＰのＡｌ組成が大きなもの(ＴＭＡ供給量の多いもの)
ほど多く、また成長雰囲気混合ガスに対するＮＨ3の濃
度が高い場合ほど多い。このＴＭＡにより窒素取り込ま
れが向上する現象には、成長時に形成されるＮＨ3と有
機アルミニウム化合物とのアダクトのＡｌ−Ｎ結合が重
要な役割を果たしていると説明されている。また、特開
平６−２８３７６０号では、供給されるＮＨ3量に対
し、結晶性良くＡｌＧａＰに窒素添加が行なえる臨界濃
度が存在し、これ以上ではウルツ鉱構造のＡＩＮが形成
され、エピタキシャル層が多結晶化することも見出して
いる。
術では、ＡｌＧａＰ混晶半導体において有機アルミニウ
ム化合物の導入量を制御することで有機金属気相成長法
により効率良く窒素をドープできることを見出し、窒素
原料としてＮＨ3を用い、有機アルミニウム化合物とし
てＴＭＡを用い、実際に成長を行なっている。この際に
取り込まれる窒素量は、同一ＮＨ3流量に対し、ＡｌＧ
ａＰのＡｌ組成が大きなもの(ＴＭＡ供給量の多いもの)
ほど多く、また成長雰囲気混合ガスに対するＮＨ3の濃
度が高い場合ほど多い。このＴＭＡにより窒素取り込ま
れが向上する現象には、成長時に形成されるＮＨ3と有
機アルミニウム化合物とのアダクトのＡｌ−Ｎ結合が重
要な役割を果たしていると説明されている。また、特開
平６−２８３７６０号では、供給されるＮＨ3量に対
し、結晶性良くＡｌＧａＰに窒素添加が行なえる臨界濃
度が存在し、これ以上ではウルツ鉱構造のＡＩＮが形成
され、エピタキシャル層が多結晶化することも見出して
いる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ところで、半導体レー
ザを作製する場合には、キャリアおよび光に対する閉じ
込め層を形成するためにバンドギャップおよび屈折率の
異なる複数の層を積層する必要があり、ＡｌＧａＩｎＰ
系材料では、Ａｌ組成を制御することでキャリアおよび
光に対する閉じ込め層を形成している。
ザを作製する場合には、キャリアおよび光に対する閉じ
込め層を形成するためにバンドギャップおよび屈折率の
異なる複数の層を積層する必要があり、ＡｌＧａＩｎＰ
系材料では、Ａｌ組成を制御することでキャリアおよび
光に対する閉じ込め層を形成している。
【０００９】例えば特開平１０−８４１６３号に記載の
発光素子は、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層をこれよりもバン
ドギャップエネルギーが大きいＡｌ組成の大きなＡｌＧ
ａＩｎＰクラッド(またはガイド)層で挾んだヘテロ接合
からなるものである。
発光素子は、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層をこれよりもバン
ドギャップエネルギーが大きいＡｌ組成の大きなＡｌＧ
ａＩｎＰクラッド(またはガイド)層で挾んだヘテロ接合
からなるものである。
【００１０】しかしながら、ＡｌＧａＩｎＰでは窒素の
取り込まれにＡｌ組成依存性があるため、ＡｌＧａＩｎ
ＮＰ活性層の成長開始時に活性層の下層であるＡｌ組成
の大きなＡｌＧａＩｎＰクラッド層(またはガイド層)の
表面に余剰に窒素が取り込まれて、活性層および上層膜
の結晶性を低下させるという問題がある。
取り込まれにＡｌ組成依存性があるため、ＡｌＧａＩｎ
ＮＰ活性層の成長開始時に活性層の下層であるＡｌ組成
の大きなＡｌＧａＩｎＰクラッド層(またはガイド層)の
表面に余剰に窒素が取り込まれて、活性層および上層膜
の結晶性を低下させるという問題がある。
【００１１】図６は、ＭＯＣＶＤ法によって作製したＧ
ａＩｎＮＰ／ＡｌＧａＩｎＰの積層構造のＳＩＭＳ分析
結果を示す図である。なお、図６の例では、III族原料
に、ＴＭＧ(トリメチルガリウム)，ＴＭＡ(トリメチル
アルミニウム)，ＴＭＩ(トリメチルインジウム)を用
い、Ｖ族原料にＰＨ3を用い、キャリアガスにＨ2を用い
ている。また、窒素原料としてはＤＭＨｙを用いてい
る。図６から、ＡｌＧａＩｎＰでは窒素の取り込まれに
Ａｌ組成依存性があるために、ＧａＩｎＮＰ層の成長開
始時に、下層のＡｌＧａＩｎＰ層の表面で窒素が余剰に
取り込まれていることがわかる。このように、Ａｌと窒
素を組成として含む積層構造を作製する場合は、下層膜
のＡｌ組成についても配慮がなされている必要がある
が、特開平１０−８４１６３号では、この余剰な窒素の
取り込まれ、およびこれを低減することに関して、何ら
言及されていない。
ａＩｎＮＰ／ＡｌＧａＩｎＰの積層構造のＳＩＭＳ分析
結果を示す図である。なお、図６の例では、III族原料
に、ＴＭＧ(トリメチルガリウム)，ＴＭＡ(トリメチル
アルミニウム)，ＴＭＩ(トリメチルインジウム)を用
い、Ｖ族原料にＰＨ3を用い、キャリアガスにＨ2を用い
ている。また、窒素原料としてはＤＭＨｙを用いてい
る。図６から、ＡｌＧａＩｎＰでは窒素の取り込まれに
Ａｌ組成依存性があるために、ＧａＩｎＮＰ層の成長開
始時に、下層のＡｌＧａＩｎＰ層の表面で窒素が余剰に
取り込まれていることがわかる。このように、Ａｌと窒
素を組成として含む積層構造を作製する場合は、下層膜
のＡｌ組成についても配慮がなされている必要がある
が、特開平１０−８４１６３号では、この余剰な窒素の
取り込まれ、およびこれを低減することに関して、何ら
言及されていない。
【００１２】本発明は、活性層と隣合うガイド層または
クラッド層表面での窒素の取り込みを減少させ、結晶性
が良好で発光効率が高く、かつ特性温度の高い発光素子
を得ることの可能な半導体積層構造および半導体発光素
子を提供することを目的としている。
クラッド層表面での窒素の取り込みを減少させ、結晶性
が良好で発光効率が高く、かつ特性温度の高い発光素子
を得ることの可能な半導体積層構造および半導体発光素
子を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、Ｖ族元素としてＮ(窒素)を
含む窒素系Ｖ族混晶半導体において、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ
(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層(０≦ｘ１＜１，０＜ｙ１≦
１，０＜ｚ１＜１)とこれよりもＡｌ組成が大きなＡｌ
x2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層(０≦ｘ１＜ｘ２≦１，０≦
ｙ２＜１)との間に、Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐより
小さなＡｌ組成のＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層(０≦
ｘ３＜ｘ２≦１，０＜ｙ３≦１)が配置されていること
を特徴としている。
に、請求項１記載の発明は、Ｖ族元素としてＮ(窒素)を
含む窒素系Ｖ族混晶半導体において、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ
(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層(０≦ｘ１＜１，０＜ｙ１≦
１，０＜ｚ１＜１)とこれよりもＡｌ組成が大きなＡｌ
x2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層(０≦ｘ１＜ｘ２≦１，０≦
ｙ２＜１)との間に、Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐより
小さなＡｌ組成のＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層(０≦
ｘ３＜ｘ２≦１，０＜ｙ３≦１)が配置されていること
を特徴としている。
【００１４】また、請求項２記載の発明は、請求項１記
載の半導体積層構造において、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ
(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層(０≦ｘ１＜１，０＜ｙ１≦
１，０＜ｚ１＜１)を活性層として用い、Ａｌx2Ｇａy2
Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層(０≦ｘ１＜ｘ２≦１，０≦ｙ２＜
１)をクラッド層またはガイド層として用い、Ａｌx1Ｇ
ａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層とＡｌx2Ｇａy2Ｉｎ
(1-x2-y2)Ｐ層との間のＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層
(０≦ｘ３＜ｘ２≦１，０＜ｙ３≦１)を前記活性層と前
記クラッド層またはガイド層との間の中間層として用い
ることを特徴としている。
載の半導体積層構造において、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ
(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層(０≦ｘ１＜１，０＜ｙ１≦
１，０＜ｚ１＜１)を活性層として用い、Ａｌx2Ｇａy2
Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層(０≦ｘ１＜ｘ２≦１，０≦ｙ２＜
１)をクラッド層またはガイド層として用い、Ａｌx1Ｇ
ａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層とＡｌx2Ｇａy2Ｉｎ
(1-x2-y2)Ｐ層との間のＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層
(０≦ｘ３＜ｘ２≦１，０＜ｙ３≦１)を前記活性層と前
記クラッド層またはガイド層との間の中間層として用い
ることを特徴としている。
【００１５】また、請求項３記載の発明は、請求項２記
載の半導体発光素子において、前記中間層であるＡｌx3
Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層のＡｌ組成が、活性層である
Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層のＡｌ組成
よりも小さい(ｘ３≦ｘ１)ことを特徴としている。
載の半導体発光素子において、前記中間層であるＡｌx3
Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層のＡｌ組成が、活性層である
Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層のＡｌ組成
よりも小さい(ｘ３≦ｘ１)ことを特徴としている。
【００１６】また、請求項４記載の発明は、請求項２ま
たは請求項３に記載の半導体発光素子において、中間層
としてＧａy4Ｉｎ(1-y4)Ｐ(０＜ｙ４＜１)を用いること
を特徴としている。
たは請求項３に記載の半導体発光素子において、中間層
としてＧａy4Ｉｎ(1-y4)Ｐ(０＜ｙ４＜１)を用いること
を特徴としている。
【００１７】また、請求項５記載の発明は、請求項２乃
至請求項４のいずれか一項に記載の半導体発光素子にお
いて、Ａｌ原料としてＴＭＡ(トリメチルアルミニウ
ム)，ＴＥＡ(トリエチルアルミニウム)等の有機金属化
合物を用い、有機金属気相成長法によって、Ａｌx1Ｇａ
y1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層，Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ
(1-x2-y2)Ｐ層またはＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層が
形成されることを特徴としている。
至請求項４のいずれか一項に記載の半導体発光素子にお
いて、Ａｌ原料としてＴＭＡ(トリメチルアルミニウ
ム)，ＴＥＡ(トリエチルアルミニウム)等の有機金属化
合物を用い、有機金属気相成長法によって、Ａｌx1Ｇａ
y1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層，Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ
(1-x2-y2)Ｐ層またはＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層が
形成されることを特徴としている。
【００１８】また、請求項６記載の発明は、請求項２乃
至請求項５のいずれか一項に記載の半導体発光素子にお
いて、窒素の原料としてＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジ
ン)，ＭＭＨｙ(モノメチルヒドラジン)等の有機系窒素
化合物を用いて、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ
(1-z1)層が形成されることを特徴としている。
至請求項５のいずれか一項に記載の半導体発光素子にお
いて、窒素の原料としてＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジ
ン)，ＭＭＨｙ(モノメチルヒドラジン)等の有機系窒素
化合物を用いて、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ
(1-z1)層が形成されることを特徴としている。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は本発明に係る半導体積層構造
の構成例を示す図である。図１を参照すると、本発明の
半導体積層構造は、Ｖ族元素としてＮ(窒素)を含む窒素
系Ｖ族混晶半導体において、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ
(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層１０１(０≦ｘ１＜１，０＜ｙ
１≦１，０＜ｚ１＜１)とこれよりもＡｌ組成が大きな
Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層１０３，１１１(０≦ｘ
１＜ｘ２≦１，０≦ｙ２＜１)との間に、Ａｌx2Ｇａy2
Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐより小さなＡｌ組成のＡｌx3Ｇａy3Ｉ
ｎ(1-x3-y3)Ｐ層１０２(０≦ｘ３＜ｘ２≦１，０＜ｙ３
≦１)が配置されていることを特徴としている。
基づいて説明する。図１は本発明に係る半導体積層構造
の構成例を示す図である。図１を参照すると、本発明の
半導体積層構造は、Ｖ族元素としてＮ(窒素)を含む窒素
系Ｖ族混晶半導体において、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ
(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層１０１(０≦ｘ１＜１，０＜ｙ
１≦１，０＜ｚ１＜１)とこれよりもＡｌ組成が大きな
Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層１０３，１１１(０≦ｘ
１＜ｘ２≦１，０≦ｙ２＜１)との間に、Ａｌx2Ｇａy2
Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐより小さなＡｌ組成のＡｌx3Ｇａy3Ｉ
ｎ(1-x3-y3)Ｐ層１０２(０≦ｘ３＜ｘ２≦１，０＜ｙ３
≦１)が配置されていることを特徴としている。
【００２０】一般に、ＡｌＧａＩｎＰにＮ(窒素)を添加
することで、伝導帯，価電子帯のバンドエネルギーが低
下する。このバンドエネルギーの低下は主に伝導帯側で
顕著である。従って、添加する窒素量を制御すること
で、従来にはないヘテロ構造が得られ、バンド設計の自
由度が増大するという利点がある。また、ＡｌＧａＩｎ
ＮＰ層がＡｌ元素を含んでいることによって、成長時の
窒素の取り込まれ効率が飛躍的に増大し、わずかな窒素
原料によって窒素添加が可能となるため、製造コストの
低減に対しても有利である。
することで、伝導帯，価電子帯のバンドエネルギーが低
下する。このバンドエネルギーの低下は主に伝導帯側で
顕著である。従って、添加する窒素量を制御すること
で、従来にはないヘテロ構造が得られ、バンド設計の自
由度が増大するという利点がある。また、ＡｌＧａＩｎ
ＮＰ層がＡｌ元素を含んでいることによって、成長時の
窒素の取り込まれ効率が飛躍的に増大し、わずかな窒素
原料によって窒素添加が可能となるため、製造コストの
低減に対しても有利である。
【００２１】このように、有機アルミニウム化合物の存
在は窒素の取り込まれ効率を飛躍的に増大させる効果が
あるが、このために、ＡｌＧａＩｎＮＰ層の下層膜のＡ
ｌ組成もＡｌＧａＩｎＮＰ層の結晶性に大きな影響を与
える。すなわち、ＡｌＧａＩｎＮＰ層の下層膜のＡｌ組
成が大きい場合には、ＡｌＧａＩｎＮＰ層の成長開始時
にＡｌＧａＩｎＮＰの下層膜表面で余剰に窒素が取り込
まれ、結晶性を低下させる問題がある。このことは、Ａ
ｌ組成の大きな下層膜上への良質なＡｌＧａＩｎＮＰ層
の成長を困難なものとし、半導体積層構造の設計および
成長条件の自由度を小さくするものである。
在は窒素の取り込まれ効率を飛躍的に増大させる効果が
あるが、このために、ＡｌＧａＩｎＮＰ層の下層膜のＡ
ｌ組成もＡｌＧａＩｎＮＰ層の結晶性に大きな影響を与
える。すなわち、ＡｌＧａＩｎＮＰ層の下層膜のＡｌ組
成が大きい場合には、ＡｌＧａＩｎＮＰ層の成長開始時
にＡｌＧａＩｎＮＰの下層膜表面で余剰に窒素が取り込
まれ、結晶性を低下させる問題がある。このことは、Ａ
ｌ組成の大きな下層膜上への良質なＡｌＧａＩｎＮＰ層
の成長を困難なものとし、半導体積層構造の設計および
成長条件の自由度を小さくするものである。
【００２２】これに対し、本発明の半導体積層構造のよ
うにＡｌＧａＩｎＮＰ層１０１とこれの下層膜からなる
所望するヘテロ構造の間に、ＡｌＧａＩｎＮＰ層１０１
の下層膜よりも窒素の取り込まれ効率の低い、Ａｌ組成
の小さなＡｌＧａＩｎ(Ｎ)Ｐ中間層１０２を配置した構
造とすることで、界面での余剰な窒素の取り込まれ(窒
素偏析)が減少し、結晶性の良いＡｌＧａＩｎＮＰ層を
得ることができる。なお、この時に用いる中間層１０２
の厚さは下層膜が完全に被覆される厚さであれば良い。
これによって、窒素組成が大きく、かつ良質なＡｌＧａ
ＩｎＮＰ層の成長も可能となり、高いバンド設計および
成長条件の自由度を持ったＡｌＧａＩｎＮＰを含む半導
体積層構造を容易に実現することができる。
うにＡｌＧａＩｎＮＰ層１０１とこれの下層膜からなる
所望するヘテロ構造の間に、ＡｌＧａＩｎＮＰ層１０１
の下層膜よりも窒素の取り込まれ効率の低い、Ａｌ組成
の小さなＡｌＧａＩｎ(Ｎ)Ｐ中間層１０２を配置した構
造とすることで、界面での余剰な窒素の取り込まれ(窒
素偏析)が減少し、結晶性の良いＡｌＧａＩｎＮＰ層を
得ることができる。なお、この時に用いる中間層１０２
の厚さは下層膜が完全に被覆される厚さであれば良い。
これによって、窒素組成が大きく、かつ良質なＡｌＧａ
ＩｎＮＰ層の成長も可能となり、高いバンド設計および
成長条件の自由度を持ったＡｌＧａＩｎＮＰを含む半導
体積層構造を容易に実現することができる。
【００２３】図２は本発明の半導体積層構造の具体例を
示す図である。図２を参照すると、この半導体積層構造
は、ＧａＡｓ基板１０５上に、ＧａＡｓバッファー層１
０４，(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ層１１１(膜厚が
０．１μｍ)，(Ａｌ0.1Ｇａ0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１
０２(膜厚が４ｎｍ)，(Ａｌ0.2Ｇａ0.8)0.5Ｉｎ0.5Ｎ
0.002Ｐ0.998層１０１(膜厚が３０ｎｍ)，(Ａｌ0.1Ｇａ
0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０２(膜厚が４ｎｍ)，(Ａｌ
0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ層１０３(膜厚が０．１μｍ)
が順次に積層されたものとなっている。
示す図である。図２を参照すると、この半導体積層構造
は、ＧａＡｓ基板１０５上に、ＧａＡｓバッファー層１
０４，(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ層１１１(膜厚が
０．１μｍ)，(Ａｌ0.1Ｇａ0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１
０２(膜厚が４ｎｍ)，(Ａｌ0.2Ｇａ0.8)0.5Ｉｎ0.5Ｎ
0.002Ｐ0.998層１０１(膜厚が３０ｎｍ)，(Ａｌ0.1Ｇａ
0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０２(膜厚が４ｎｍ)，(Ａｌ
0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ層１０３(膜厚が０．１μｍ)
が順次に積層されたものとなっている。
【００２４】ここで、基板１０５には、例えば、１００
面方位に対し０１１方向に１５°傾斜した面方位を持つ
もの(半絶縁性ＧａＡｓ傾斜基板)が用いられている。ま
た、図２の半導体積層構造は、例えば、III族有機金属
原料としてＴＭＧ(トリメチルガリウム)，ＴＭＡ(トリ
メチルアルミニウム)，ＴＡＩ(トリメチルインジウム)
を用い、Ｖ族原料としてＰＨ3(ホスフィン)，窒素原料
としてＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジン)を用い、キャリア
ガスとしてＨ2を用いて、有機金属気相成長法によって
作製できる。
面方位に対し０１１方向に１５°傾斜した面方位を持つ
もの(半絶縁性ＧａＡｓ傾斜基板)が用いられている。ま
た、図２の半導体積層構造は、例えば、III族有機金属
原料としてＴＭＧ(トリメチルガリウム)，ＴＭＡ(トリ
メチルアルミニウム)，ＴＡＩ(トリメチルインジウム)
を用い、Ｖ族原料としてＰＨ3(ホスフィン)，窒素原料
としてＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジン)を用い、キャリア
ガスとしてＨ2を用いて、有機金属気相成長法によって
作製できる。
【００２５】図３は、(Ａｌ0.2Ｇａ0.8)0.5Ｉｎ0.5Ｐで
の窒素の取り込まれ量をＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐと比較したも
のである。成長温度が低いほど、また、ＰＨ3に対する
ＤＭＨｙの気相比：［ＤＭＨｙ］／(［ＰＨ3］＋［ＤＭ
Ｈｙ］)が高いほど、窒素は急激に取り込まれ易くなる
傾向があるが、図３から、組成にＡｌを含ませること
で、成長温度が高く、ＤＭＨｙの気相比が低いにもかか
わらず、ＡｌＧａＩｎＰでの窒素濃度は高くなってお
り、窒素の取り込まれ効率が飛躍的に増大していること
がわかる。図２に示した半導体積層構造では、構造中の
(Ａｌ0.1Ｇａ0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０２を用いない
場合には、(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ層１０３，１
１１の表面で余剰な窒素が取り込まれることにより表面
荒れが生じて鏡面を得ることはできないが、(Ａｌ0.1Ｇ
ａ0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０２を挿入する場合には、
(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ層１０３，１１１の表面
で余剰な窒素の取り込まれが減少し、鏡面を得ることが
できる。また、成長面が鏡面となることで、発光効率を
飛躍的に増大させることができる。また、ＰＬ発光波長
は窒素取り込みによって長波長化している。
の窒素の取り込まれ量をＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐと比較したも
のである。成長温度が低いほど、また、ＰＨ3に対する
ＤＭＨｙの気相比：［ＤＭＨｙ］／(［ＰＨ3］＋［ＤＭ
Ｈｙ］)が高いほど、窒素は急激に取り込まれ易くなる
傾向があるが、図３から、組成にＡｌを含ませること
で、成長温度が高く、ＤＭＨｙの気相比が低いにもかか
わらず、ＡｌＧａＩｎＰでの窒素濃度は高くなってお
り、窒素の取り込まれ効率が飛躍的に増大していること
がわかる。図２に示した半導体積層構造では、構造中の
(Ａｌ0.1Ｇａ0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０２を用いない
場合には、(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ層１０３，１
１１の表面で余剰な窒素が取り込まれることにより表面
荒れが生じて鏡面を得ることはできないが、(Ａｌ0.1Ｇ
ａ0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０２を挿入する場合には、
(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ層１０３，１１１の表面
で余剰な窒素の取り込まれが減少し、鏡面を得ることが
できる。また、成長面が鏡面となることで、発光効率を
飛躍的に増大させることができる。また、ＰＬ発光波長
は窒素取り込みによって長波長化している。
【００２６】ＡｌＧａＩｎＰでは、Ａｌ組成が大きくな
るほど窒素取り込み効率が高いので、ＡｌＧａＩｎＮＰ
層１０１の下層膜のＡｌ組成が大きいほど、中間層１０
２を設ける効果は顕著となる。このような構造を採用す
ることで、Ａｌ組成の大きな層上にも、結晶性良くＡｌ
ＧａＩｎＮＰ結晶を得ることができる。
るほど窒素取り込み効率が高いので、ＡｌＧａＩｎＮＰ
層１０１の下層膜のＡｌ組成が大きいほど、中間層１０
２を設ける効果は顕著となる。このような構造を採用す
ることで、Ａｌ組成の大きな層上にも、結晶性良くＡｌ
ＧａＩｎＮＰ結晶を得ることができる。
【００２７】上記の例では、半導体積層構造を有機金属
気相成長法による成長によって作製した場合の例を示し
たが、ＭＢＥ(分子線成長法)等の他の成長法を用いて半
導体積層構造を作製することもできる。また、上述の例
では、窒素の原料として、ＤＭＨｙを用いたが、活性化
した窒素やＮＨ3等他の窒素化合物を用いることもでき
る。
気相成長法による成長によって作製した場合の例を示し
たが、ＭＢＥ(分子線成長法)等の他の成長法を用いて半
導体積層構造を作製することもできる。また、上述の例
では、窒素の原料として、ＤＭＨｙを用いたが、活性化
した窒素やＮＨ3等他の窒素化合物を用いることもでき
る。
【００２８】また、本発明の半導体発光素子は、第１の
実施形態として、図１(図２)の半導体積層構造におい
て、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層(０≦ｘ
１＜１，０＜ｙ１≦１，０＜ｚ１＜１)を活性層として
用い、Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層(０≦ｘ１＜ｘ２
≦１，０≦ｙ２＜１)をクラッド層またはガイド層とし
て用い、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層と
Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層との間のＡｌx3Ｇａy3
Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層(０≦ｘ３＜ｘ２≦１，０＜ｙ３≦
１)を前記活性層と前記クラッド層またはガイド層との
間の中間層として用いることを特徴としている。
実施形態として、図１(図２)の半導体積層構造におい
て、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層(０≦ｘ
１＜１，０＜ｙ１≦１，０＜ｚ１＜１)を活性層として
用い、Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層(０≦ｘ１＜ｘ２
≦１，０≦ｙ２＜１)をクラッド層またはガイド層とし
て用い、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層と
Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層との間のＡｌx3Ｇａy3
Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層(０≦ｘ３＜ｘ２≦１，０＜ｙ３≦
１)を前記活性層と前記クラッド層またはガイド層との
間の中間層として用いることを特徴としている。
【００２９】前述したように、ＡｌＧａＩｎＰに窒素を
添加することで、伝導帯，価電子帯のバンドエネルギー
が低下する。このバンドエネルギーの低下は主に伝導帯
側で顕著である。従って、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)
Ｎz1Ｐ(1-z1)／Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐのヘテロ
構造では、従来の窒素を添加しないヘテロ構造に比べて
伝導帯のバンド不連続量を増大させることができ、従っ
て、活性層をＡｌＧａＩｎＮＰ層とすることで、キャリ
ア(電子)オーバーフローを低減することができる。
添加することで、伝導帯，価電子帯のバンドエネルギー
が低下する。このバンドエネルギーの低下は主に伝導帯
側で顕著である。従って、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)
Ｎz1Ｐ(1-z1)／Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐのヘテロ
構造では、従来の窒素を添加しないヘテロ構造に比べて
伝導帯のバンド不連続量を増大させることができ、従っ
て、活性層をＡｌＧａＩｎＮＰ層とすることで、キャリ
ア(電子)オーバーフローを低減することができる。
【００３０】また、活性層へのＡｌ添加は、クラッド層
(またはガイド層)との伝導帯および価電子帯のバンド不
連続を小さくし、バンドギャップエネルギーを増加させ
る。この一方で、活性層への窒素添加は主に伝導帯のバ
ンド不連続を大きくしてバンドギャップエネルギーを減
少させる。つまり、活性層を、Ａｌ，窒素を同量に添加
したＡｌＧａＩｎＮＰとすると、Ａｌ添加の作用によっ
て窒素添加によるバンドギャップエネルギーの減少分を
補償できるので、伝導帯バンド不連続を大きく保ったま
まバンドギャップエネルギーを増加させることができ
る。すなわち、従来では伝導帯バンド不連続量が小さい
ために短波長化には限界があったが、本発明では、伝導
帯バンド不連続を大きく保ったままバンドギャップエネ
ルギーを増加させることができることによって短波長化
が容易になる。
(またはガイド層)との伝導帯および価電子帯のバンド不
連続を小さくし、バンドギャップエネルギーを増加させ
る。この一方で、活性層への窒素添加は主に伝導帯のバ
ンド不連続を大きくしてバンドギャップエネルギーを減
少させる。つまり、活性層を、Ａｌ，窒素を同量に添加
したＡｌＧａＩｎＮＰとすると、Ａｌ添加の作用によっ
て窒素添加によるバンドギャップエネルギーの減少分を
補償できるので、伝導帯バンド不連続を大きく保ったま
まバンドギャップエネルギーを増加させることができ
る。すなわち、従来では伝導帯バンド不連続量が小さい
ために短波長化には限界があったが、本発明では、伝導
帯バンド不連続を大きく保ったままバンドギャップエネ
ルギーを増加させることができることによって短波長化
が容易になる。
【００３１】また、活性層組成にＡｌ元素を含むことに
より成長時の窒素取り込まれ効率が飛躍的に増大し、わ
ずかな窒素原料によって窒素添加が可能となるので、製
造コストの低減に対しても有利である。また、通常、ガ
イド層(またはクラッド層)におけるＡｌ組成は活性層に
比べて大きく、このため、ガイド層表面での窒素取り込
まれ効率も高い。このため、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層の
成長開始時にクラッド層(またはガイド層)の表面で余剰
に窒素が取り込まれ、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層の結晶性
が低下する。これは、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層の組成お
よび成長条件の自由度を小さくするものである。これに
対し、本発明のようにクラッド層(またはガイド層)とＡ
ｌＧａＩｎＮＰ活性層との間に、クラッド層(またはガ
イド層)よりもＡｌ組成の小さなＡｌＧａＩｎＰ中間層
を挿入することで、界面での余剰な窒素取り込みを減少
させることができる。これによって、ＡｌＧａＩｎＮＰ
活性層への高濃度の窒素の添加も可能となり、組成およ
び成長条件の自由度が増大する。以上のことから、バン
ド設計および成長条件の自由度が高く、かつ特性温度の
高い発光素子の実現が容易になる。
より成長時の窒素取り込まれ効率が飛躍的に増大し、わ
ずかな窒素原料によって窒素添加が可能となるので、製
造コストの低減に対しても有利である。また、通常、ガ
イド層(またはクラッド層)におけるＡｌ組成は活性層に
比べて大きく、このため、ガイド層表面での窒素取り込
まれ効率も高い。このため、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層の
成長開始時にクラッド層(またはガイド層)の表面で余剰
に窒素が取り込まれ、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層の結晶性
が低下する。これは、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層の組成お
よび成長条件の自由度を小さくするものである。これに
対し、本発明のようにクラッド層(またはガイド層)とＡ
ｌＧａＩｎＮＰ活性層との間に、クラッド層(またはガ
イド層)よりもＡｌ組成の小さなＡｌＧａＩｎＰ中間層
を挿入することで、界面での余剰な窒素取り込みを減少
させることができる。これによって、ＡｌＧａＩｎＮＰ
活性層への高濃度の窒素の添加も可能となり、組成およ
び成長条件の自由度が増大する。以上のことから、バン
ド設計および成長条件の自由度が高く、かつ特性温度の
高い発光素子の実現が容易になる。
【００３２】また、本発明の半導体発光素子は、上記の
構造の半導体発光素子において、中間層Ａｌx3Ｇａy3Ｉ
ｎ(1-x3-y3)ＰのＡｌ組成が活性層Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ
(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)のＡｌ組成よりも小さい(ｘ３≦
ｘ１)ものとなっている。すなわち、図１の半導体発光
構造において、中間層１０２のＡｌ組成が活性層１０１
のＡｌ組成よりも小さいものとなっている。
構造の半導体発光素子において、中間層Ａｌx3Ｇａy3Ｉ
ｎ(1-x3-y3)ＰのＡｌ組成が活性層Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ
(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)のＡｌ組成よりも小さい(ｘ３≦
ｘ１)ものとなっている。すなわち、図１の半導体発光
構造において、中間層１０２のＡｌ組成が活性層１０１
のＡｌ組成よりも小さいものとなっている。
【００３３】前述したように、ＡｌＧａＩｎＰ中への窒
素の取り込まれ効率は、アルミニウムあるいは有機アル
ミニウム化合物により著しく向上する。窒素の取り込ま
れ効率にこのようなＡｌ組成依存性があるため、ＡｌＧ
ａＩｎＮＰ活性層をこれよりもＡｌ組成の大きな下層膜
上に成長する場合には、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層の下層
膜表面で余剰な窒素の取り込まれが生じる。これに対
し、中間層のＡｌ組成を、クラッド層(またはガイド層)
よりも小さく、さらにＡｌＧａＩｎＮＰ活性層のＡｌ組
成よりも小さく選ぶと、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層に窒素
添加するような条件では中間層表面での窒素取り込まれ
はほとんど生じない。このように、中間層のＡｌ組成を
ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層のＡｌ組成より小さく選ぶこと
によって、界面での余剰な窒素の取り込まれを効果的に
低減することが可能となる。界面での余剰な窒素の取り
込まれが低減できることで、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層へ
の高濃度の窒素の添加も可能となり、組成および成長条
件の自由度が増大する。以上のことから、バンド設計お
よび成長条件の自由度が高く、かつ特性温度の高い発光
素子の実現が容易になる。
素の取り込まれ効率は、アルミニウムあるいは有機アル
ミニウム化合物により著しく向上する。窒素の取り込ま
れ効率にこのようなＡｌ組成依存性があるため、ＡｌＧ
ａＩｎＮＰ活性層をこれよりもＡｌ組成の大きな下層膜
上に成長する場合には、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層の下層
膜表面で余剰な窒素の取り込まれが生じる。これに対
し、中間層のＡｌ組成を、クラッド層(またはガイド層)
よりも小さく、さらにＡｌＧａＩｎＮＰ活性層のＡｌ組
成よりも小さく選ぶと、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層に窒素
添加するような条件では中間層表面での窒素取り込まれ
はほとんど生じない。このように、中間層のＡｌ組成を
ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層のＡｌ組成より小さく選ぶこと
によって、界面での余剰な窒素の取り込まれを効果的に
低減することが可能となる。界面での余剰な窒素の取り
込まれが低減できることで、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層へ
の高濃度の窒素の添加も可能となり、組成および成長条
件の自由度が増大する。以上のことから、バンド設計お
よび成長条件の自由度が高く、かつ特性温度の高い発光
素子の実現が容易になる。
【００３４】図４は本発明に係る半導体発光素子の第１
の実施形態を具体的に示す図として、最も簡単な絶縁膜
ストライプ型レーザーの断面構造を示す図である。図４
に示す半導体発光素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板(ｎ−Ｇａ
Ａｓ傾斜基板)３０９上に、ｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉ
ｎ0.5Ｐクラッド層３０８(膜厚が１μｍ)，ｕｎｄｏｐ
ｅ−(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ光ガイド層１１１
(膜厚が０．１μｍ)，ｕｎｄｏｐｅ−(Ａｌ0.1Ｇａ0.9)
0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０２(膜厚が４ｎｍ)，ｕｎｄｏｐ
ｅ−(Ａｌ0.2Ｇａ0.8)0.5Ｉｎ0.5Ｎ0.002Ｐ0.998活性層
１０１(膜厚が３０ｎｍ)，ｕｎｄｏｐｅ−(Ａｌ0.1Ｇａ
0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０２(膜厚が４ｎｍ)，ｕｎｄ
ｏｐｅ−(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ光ガイド層１０
３(膜厚が０．１μｍ)，ｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ
0.5Ｐクラッド層３０４(膜厚が１μｍ)，ｐ−ＧａＡｓ
コンタクト絶縁層３０５，ＳｉＯ2絶縁層３０６，ｐ側
電極３０７が順次に形成されている。また、ｎ−ＧａＡ
ｓ基板３０９の裏面には、ｎ側電極３１０が形成されて
いる。
の実施形態を具体的に示す図として、最も簡単な絶縁膜
ストライプ型レーザーの断面構造を示す図である。図４
に示す半導体発光素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板(ｎ−Ｇａ
Ａｓ傾斜基板)３０９上に、ｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉ
ｎ0.5Ｐクラッド層３０８(膜厚が１μｍ)，ｕｎｄｏｐ
ｅ−(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ光ガイド層１１１
(膜厚が０．１μｍ)，ｕｎｄｏｐｅ−(Ａｌ0.1Ｇａ0.9)
0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０２(膜厚が４ｎｍ)，ｕｎｄｏｐ
ｅ−(Ａｌ0.2Ｇａ0.8)0.5Ｉｎ0.5Ｎ0.002Ｐ0.998活性層
１０１(膜厚が３０ｎｍ)，ｕｎｄｏｐｅ−(Ａｌ0.1Ｇａ
0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０２(膜厚が４ｎｍ)，ｕｎｄ
ｏｐｅ−(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ光ガイド層１０
３(膜厚が０．１μｍ)，ｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ
0.5Ｐクラッド層３０４(膜厚が１μｍ)，ｐ−ＧａＡｓ
コンタクト絶縁層３０５，ＳｉＯ2絶縁層３０６，ｐ側
電極３０７が順次に形成されている。また、ｎ−ＧａＡ
ｓ基板３０９の裏面には、ｎ側電極３１０が形成されて
いる。
【００３５】なお、このような構造の半導体発光素子
は、例えば有機金属気相成長法によりIII族有機金属原
料としてＴＭＧ(トリメチルガリウム)，ＴＭＡ(トリメ
チルアルミニウム)，ＴＡＩ(トリメチルインジウム)を
用い、Ｖ族原料としてＰＨ3(ホスフィン)を用い、窒素
原料としてＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジン)を用い、キャ
リアガスとしてＨ2を用いて、ｎ−ＧａＡｓ傾斜基板上
に成長を行なうことができる。なお、この場合の成長温
度は７５０℃程度である。
は、例えば有機金属気相成長法によりIII族有機金属原
料としてＴＭＧ(トリメチルガリウム)，ＴＭＡ(トリメ
チルアルミニウム)，ＴＡＩ(トリメチルインジウム)を
用い、Ｖ族原料としてＰＨ3(ホスフィン)を用い、窒素
原料としてＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジン)を用い、キャ
リアガスとしてＨ2を用いて、ｎ−ＧａＡｓ傾斜基板上
に成長を行なうことができる。なお、この場合の成長温
度は７５０℃程度である。
【００３６】図４の半導体発光素子では、中間層の組成
は、(Ａｌ0.1Ｇａ0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐと、ガイド層および
活性層のＡｌ組成よりも小さく選ばれている。活性層組
成にＡｌが含まれていることにより窒素の取り込まれが
飛躍的に向上し、前述したように、これまで窒素を添加
することが困難であったような高い成長温度でも容易に
窒素を添加することができる。元来、光ガイド層やクラ
ッド層のようにＡｌ組成を含む構造では、成長温度をこ
のように高温に設定できることは、発光効率，結晶性の
点から見ても望ましい。
は、(Ａｌ0.1Ｇａ0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐと、ガイド層および
活性層のＡｌ組成よりも小さく選ばれている。活性層組
成にＡｌが含まれていることにより窒素の取り込まれが
飛躍的に向上し、前述したように、これまで窒素を添加
することが困難であったような高い成長温度でも容易に
窒素を添加することができる。元来、光ガイド層やクラ
ッド層のようにＡｌ組成を含む構造では、成長温度をこ
のように高温に設定できることは、発光効率，結晶性の
点から見ても望ましい。
【００３７】また、(Ａｌ0.1Ｇａ0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間
層なしで、図４の構造を成長させた場合には、成長表面
には荒れが見られ鏡面を得られず、発光効率も著しく悪
かったが、図４の構造のように光ガイド層上に(Ａｌ0.1
Ｇａ0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層を設けた場合には、活性層
の成長開始時に余剰な窒素が取り込まれ、多結晶化する
ことが防止できる。その結果、成長表面は鏡面となり、
発光強度も飛躍的に増大する。さらに、活性層組成にＡ
ｌを含むことでバンドギャップエネルギーが増加するの
で、窒素添加による長波長化を補償することができ、例
えば、発光波長６３５ｎｍを得ることができる。
層なしで、図４の構造を成長させた場合には、成長表面
には荒れが見られ鏡面を得られず、発光効率も著しく悪
かったが、図４の構造のように光ガイド層上に(Ａｌ0.1
Ｇａ0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層を設けた場合には、活性層
の成長開始時に余剰な窒素が取り込まれ、多結晶化する
ことが防止できる。その結果、成長表面は鏡面となり、
発光強度も飛躍的に増大する。さらに、活性層組成にＡ
ｌを含むことでバンドギャップエネルギーが増加するの
で、窒素添加による長波長化を補償することができ、例
えば、発光波長６３５ｎｍを得ることができる。
【００３８】このように、(Ａｌ0.1Ｇａ0.9)0.5Ｉｎ0.5
Ｐ中間層を用いることにより結晶性が良好で発光効率が
高く、かつ窒素添加により伝導帯バンド不連続が大きく
なった結果、特性温度の高い発光素子が実現できる。
Ｐ中間層を用いることにより結晶性が良好で発光効率が
高く、かつ窒素添加により伝導帯バンド不連続が大きく
なった結果、特性温度の高い発光素子が実現できる。
【００３９】上述の例では、半導体発光素子を有機金属
気相成長法による成長によって作製した場合の例を示し
たが、ＭＢＥ(分子線成長法)等の他の成長法を用いて半
導体発光素子を作製することもできる。また、上述の例
では、窒素の原料として、ＤＭＨｙを用いたが、活性化
した窒素やＮＨ3等他の窒素化合物を用いることもでき
る。また、活性層組成も歪みを有するものであっても良
い。また、上述の例では絶縁膜ストライプ型レーザーに
ついて述べたが、これに限らず他の構造のレーザーにつ
いても本発明を同様に適用することもできる。
気相成長法による成長によって作製した場合の例を示し
たが、ＭＢＥ(分子線成長法)等の他の成長法を用いて半
導体発光素子を作製することもできる。また、上述の例
では、窒素の原料として、ＤＭＨｙを用いたが、活性化
した窒素やＮＨ3等他の窒素化合物を用いることもでき
る。また、活性層組成も歪みを有するものであっても良
い。また、上述の例では絶縁膜ストライプ型レーザーに
ついて述べたが、これに限らず他の構造のレーザーにつ
いても本発明を同様に適用することもできる。
【００４０】また、本発明の半導体発光素子は、第２の
実施形態として、中間層がＧａy4Ｉｎ(1-y4)Ｐ(０＜ｙ
４＜１)であることを特徴としている。
実施形態として、中間層がＧａy4Ｉｎ(1-y4)Ｐ(０＜ｙ
４＜１)であることを特徴としている。
【００４１】ＡｌＧａＩｎＰ中への窒素の取り込まれ効
率は、前述のように、アルミニウムあるいは有機アルミ
ニウム化合物により著しく向上する。上記中間層はＧａ
ＩｎＰを用いており、Ａｌ元素を含んでいないことから
ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層へ窒素を添加するような成長条
件では、ＧａＩｎＰ中間層への窒素取り込まれはほとん
ど生じない。また、中間層の元素種を３元と少なくする
ことで、組成の制御性が向上し、良質の結晶成長が容易
となる等の利点が得られる。このように、ＧａＩｎＰを
中間層とすることで、中間層の組成の制御性および結晶
性が向上し、かつ界面での余剰な窒素の取り込みを著し
く減少させることができる。これによって、ＡｌＧａＩ
ｎＮＰ活性層への高濃度の窒素の添加も可能となり、組
成および成長条件の自由度が増大する。以上のことか
ら、バンド設計および成長条件の自由度が高く、かつ特
性温度の高い発光素子の実現が容易になる。
率は、前述のように、アルミニウムあるいは有機アルミ
ニウム化合物により著しく向上する。上記中間層はＧａ
ＩｎＰを用いており、Ａｌ元素を含んでいないことから
ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層へ窒素を添加するような成長条
件では、ＧａＩｎＰ中間層への窒素取り込まれはほとん
ど生じない。また、中間層の元素種を３元と少なくする
ことで、組成の制御性が向上し、良質の結晶成長が容易
となる等の利点が得られる。このように、ＧａＩｎＰを
中間層とすることで、中間層の組成の制御性および結晶
性が向上し、かつ界面での余剰な窒素の取り込みを著し
く減少させることができる。これによって、ＡｌＧａＩ
ｎＮＰ活性層への高濃度の窒素の添加も可能となり、組
成および成長条件の自由度が増大する。以上のことか
ら、バンド設計および成長条件の自由度が高く、かつ特
性温度の高い発光素子の実現が容易になる。
【００４２】図５は本発明に係る半導体発光素子の第２
の実施形態を具体的に示す図として、最も簡単な絶縁膜
ストライプ型レーザーの断面構造を示す図である。図５
に示す半導体発光素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板(ｎ−Ｇａ
Ａｓ傾斜基板)３０９上に、ｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉ
ｎ0.5Ｐクラッド層３０８(膜厚が１μｍ)，ｕｎｄｏｐ
ｅ−(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ光ガイド層１１１
(膜厚が０．１μｍ)，ｕｎｄｏｐｅ−Ｇａ0.65Ｉｎ0.35
Ｐ中間層４０２(膜厚が４ｎｍ)，ｕｎｄｏｐｅ−(Ａｌ
0.2Ｇａ0.8)0.5Ｉｎ0.5Ｎ0.002Ｐ0.998活性層１０１(膜
厚が３０ｎｍ)，ｕｎｄｏｐｅ−Ｇａ0.65Ｉｎ0.35Ｐ中
間層４０２(膜厚が４ｎｍ)，ｕｎｄｏｐｅ−(Ａｌ0.5Ｇ
ａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ光ガイド層１０３(膜厚が０．１μ
ｍ)，ｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層３
０４(膜厚が１μｍ)，ｐ−ＧａＡｓコンタクト絶縁層３
０５，ＳｉＯ2絶縁層３０６，ｐ側電極である３０７が
順次に形成されている。また、ｎ−ＧａＡｓ基板３０９
の裏面には、ｎ側電極３１０が形成されている。
の実施形態を具体的に示す図として、最も簡単な絶縁膜
ストライプ型レーザーの断面構造を示す図である。図５
に示す半導体発光素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板(ｎ−Ｇａ
Ａｓ傾斜基板)３０９上に、ｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉ
ｎ0.5Ｐクラッド層３０８(膜厚が１μｍ)，ｕｎｄｏｐ
ｅ−(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ光ガイド層１１１
(膜厚が０．１μｍ)，ｕｎｄｏｐｅ−Ｇａ0.65Ｉｎ0.35
Ｐ中間層４０２(膜厚が４ｎｍ)，ｕｎｄｏｐｅ−(Ａｌ
0.2Ｇａ0.8)0.5Ｉｎ0.5Ｎ0.002Ｐ0.998活性層１０１(膜
厚が３０ｎｍ)，ｕｎｄｏｐｅ−Ｇａ0.65Ｉｎ0.35Ｐ中
間層４０２(膜厚が４ｎｍ)，ｕｎｄｏｐｅ−(Ａｌ0.5Ｇ
ａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ光ガイド層１０３(膜厚が０．１μ
ｍ)，ｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層３
０４(膜厚が１μｍ)，ｐ−ＧａＡｓコンタクト絶縁層３
０５，ＳｉＯ2絶縁層３０６，ｐ側電極である３０７が
順次に形成されている。また、ｎ−ＧａＡｓ基板３０９
の裏面には、ｎ側電極３１０が形成されている。
【００４３】なお、このような構造の半導体発光素子
は、例えば有機金属気相成長法によりIII族有機金属原
料としてＴＭＧ(トリメチルガリウム)，ＴＭＡ(トリメ
チルアルミニウム)，ＴＡＩ(トリメチルインジウム)を
用い、Ｖ族原料としてＰＨ3(ホスフィン)を用い、窒素
原料としてＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジン)を用い、キャ
リアガスとしてＨ2を用いて、ｎ−ＧａＡｓ傾斜基板上
に成長を行なうことができる。なお、この場合の成長温
度は７５０℃程度である。
は、例えば有機金属気相成長法によりIII族有機金属原
料としてＴＭＧ(トリメチルガリウム)，ＴＭＡ(トリメ
チルアルミニウム)，ＴＡＩ(トリメチルインジウム)を
用い、Ｖ族原料としてＰＨ3(ホスフィン)を用い、窒素
原料としてＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジン)を用い、キャ
リアガスとしてＨ2を用いて、ｎ−ＧａＡｓ傾斜基板上
に成長を行なうことができる。なお、この場合の成長温
度は７５０℃程度である。
【００４４】図５の半導体発光素子では、活性層組成に
Ａｌが含まれていることにより窒素の取り込まれが飛躍
的に向上し、前述したように、これまで窒素を添加する
ことが困難であったような高い成長温度でも容易に窒素
を添加することができる。元来、光ガイド層やクラッド
層のようにＡｌ組成を含む構造では、成長温度をこのよ
うに高温に設定できることは、発光効率，結晶性の点か
ら見ても望ましい。
Ａｌが含まれていることにより窒素の取り込まれが飛躍
的に向上し、前述したように、これまで窒素を添加する
ことが困難であったような高い成長温度でも容易に窒素
を添加することができる。元来、光ガイド層やクラッド
層のようにＡｌ組成を含む構造では、成長温度をこのよ
うに高温に設定できることは、発光効率，結晶性の点か
ら見ても望ましい。
【００４５】また、Ｇａ0.65Ｉｎ0.35Ｐ中間層なしで、
図５の構造を成長させた場合には、成長表面には荒れが
見られ鏡面を得られず、発光効率も著しく悪かったが、
図５の構造のように光ガイド層上にＧａ0.65Ｉｎ0.35Ｐ
中間層を設けた場合には、活性層の下層がＡｌを含んで
いないので、これによる余剰な窒素の取り込みは生ぜ
ず、成長開始時に余剰な窒素が取り込まれて多結晶化す
ることを防止できる。その結果、成長表面は鏡面とな
り、発光強度も飛躍的に増大する。さらに、活性層組成
にＡｌを含むことでバンドギャップエネルギーが増加す
るので、窒素添加による長波長化を補償することがで
き、例えば発光波長６３５ｎｍを得ることができる。
図５の構造を成長させた場合には、成長表面には荒れが
見られ鏡面を得られず、発光効率も著しく悪かったが、
図５の構造のように光ガイド層上にＧａ0.65Ｉｎ0.35Ｐ
中間層を設けた場合には、活性層の下層がＡｌを含んで
いないので、これによる余剰な窒素の取り込みは生ぜ
ず、成長開始時に余剰な窒素が取り込まれて多結晶化す
ることを防止できる。その結果、成長表面は鏡面とな
り、発光強度も飛躍的に増大する。さらに、活性層組成
にＡｌを含むことでバンドギャップエネルギーが増加す
るので、窒素添加による長波長化を補償することがで
き、例えば発光波長６３５ｎｍを得ることができる。
【００４６】このように、Ｇａ0.65Ｉｎ0.35Ｐ中間層を
用いることにより結晶性が良好で発光効率が高く、かつ
特性温度の高い発光素子が実現できる。
用いることにより結晶性が良好で発光効率が高く、かつ
特性温度の高い発光素子が実現できる。
【００４７】本発明の第１，第２の実施形態の半導体発
光素子は、上述したように、Ａｌ原料としてＴＭＡ(ト
リメチルアルミニウム)，ＴＥＡ(トリエチルアルミニウ
ム)等の有機金属化合物を用いて、有機金属気相成長法
により形成できる。
光素子は、上述したように、Ａｌ原料としてＴＭＡ(ト
リメチルアルミニウム)，ＴＥＡ(トリエチルアルミニウ
ム)等の有機金属化合物を用いて、有機金属気相成長法
により形成できる。
【００４８】すなわち、窒素と他のＶ族元素を含んだ窒
素系Ｖ族混晶半導体は非混和性が高い。このような材料
の成長においては、成長表面において過飽和度を高くす
る必要がある。有機金属気相成長法は、過飽和度を高く
できる成長法であり、本発明の半導体発光素子の形成に
適している。この場合、Ａｌの原料として、ＴＭＡ(ト
リメチルアルミニウム)，ＴＥＡ(トリエチルアルミニウ
ム)等の有機金属化合物を用いることで、窒素の取り込
み効率を向上することができ、容易にかつ良好に窒素系
Ｖ族混晶半導体を成長させることができる。これによっ
て、特性温度の高い素子を容易に実現することができ
る。
素系Ｖ族混晶半導体は非混和性が高い。このような材料
の成長においては、成長表面において過飽和度を高くす
る必要がある。有機金属気相成長法は、過飽和度を高く
できる成長法であり、本発明の半導体発光素子の形成に
適している。この場合、Ａｌの原料として、ＴＭＡ(ト
リメチルアルミニウム)，ＴＥＡ(トリエチルアルミニウ
ム)等の有機金属化合物を用いることで、窒素の取り込
み効率を向上することができ、容易にかつ良好に窒素系
Ｖ族混晶半導体を成長させることができる。これによっ
て、特性温度の高い素子を容易に実現することができ
る。
【００４９】また、本発明の第１，第２の実施形態の半
導体発光素子は、上述したように、窒素の原料としてＤ
ＭＨｙ(ジメチルヒドラジン)，ＭＭＨｙ(モノメチルヒ
ドラジン)等の有機系窒素化合物を用いて形成できる。
導体発光素子は、上述したように、窒素の原料としてＤ
ＭＨｙ(ジメチルヒドラジン)，ＭＭＨｙ(モノメチルヒ
ドラジン)等の有機系窒素化合物を用いて形成できる。
【００５０】すなわち、高温であるほど成長層を形成す
る各元素の蒸気圧が高くなり、特に窒素を添加すること
が困難になるので、成長は低温で行なうことが望まし
い。有機系窒素化合物は分解温度が低く、低温において
も成長が可能であるので、容易にかつ良好に窒素系Ｖ族
混晶半導体を得ることができる。これによって特性温度
の高い素子を容易に実現することができる。
る各元素の蒸気圧が高くなり、特に窒素を添加すること
が困難になるので、成長は低温で行なうことが望まし
い。有機系窒素化合物は分解温度が低く、低温において
も成長が可能であるので、容易にかつ良好に窒素系Ｖ族
混晶半導体を得ることができる。これによって特性温度
の高い素子を容易に実現することができる。
【００５１】なお、上述の例では、半導体発光素子を有
機金属気相成長法による成長によって作製した場合の例
を示したが、ＭＢＥ(分子線成長法)等の他の成長法を用
いて半導体発光素子を作製することもできる。また、上
述の例では、窒素の原料として、ＤＭＨｙを用いたが、
活性化した窒素やＮＨ3等他の窒素化合物を用いること
もできる。また、活性層組成も歪みを有するものであっ
ても良い。また、上述の例では絶縁膜ストライプ型レー
ザーについて述べたが、これに限らず他の構造のレーザ
ーについても本発明を同様に適用することもできる。
機金属気相成長法による成長によって作製した場合の例
を示したが、ＭＢＥ(分子線成長法)等の他の成長法を用
いて半導体発光素子を作製することもできる。また、上
述の例では、窒素の原料として、ＤＭＨｙを用いたが、
活性化した窒素やＮＨ3等他の窒素化合物を用いること
もできる。また、活性層組成も歪みを有するものであっ
ても良い。また、上述の例では絶縁膜ストライプ型レー
ザーについて述べたが、これに限らず他の構造のレーザ
ーについても本発明を同様に適用することもできる。
【００５２】
【発明の効果】以上に説明したように、請求項１記載の
発明によれば、Ｖ族元素としてＮ(窒素)を含む窒素系Ｖ
族混晶半導体において、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎ
z1Ｐ(1-z1)層(０≦ｘ１＜１，０＜ｙ１≦１，０＜ｚ１
＜１)とこれよりもＡｌ組成が大きなＡｌx2Ｇａy2Ｉｎ
(1-x2-y2)Ｐ層(０≦ｘ１＜ｘ２≦１，０≦ｙ２＜１)と
の間に、Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐより小さなＡｌ
組成のＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層(０≦ｘ３＜ｘ２
≦１，０＜ｙ３≦１)が配置されているので、添加する
窒素量を制御することにより、従来にはないヘテロ構造
が得られ、バンド設計の自由度が増大する。また、Ａｌ
ＧａＩｎＮＰ層がＡｌ元素を含んでいることによって、
成長時の窒素取り込まれ効率が飛躍的に増大し、わずか
な窒素原料によって窒素添加が可能となるため、製造コ
ストを低減できる。さらに、本発明の半導体積層構造
は、ＡｌＧａＩｎＮＰ層とこれの下層膜からなる所望す
るヘテロ構造の間に、ＡｌＧａＩｎＮＰ層の下層膜より
も窒素の取り込まれ効率の低い、Ａｌ組成の小さなＡｌ
ＧａＩｎ(Ｎ)Ｐ中間層を配置した構造となっていること
で、界面での余剰な窒素の取り込まれ(窒素偏析)が減少
し、結晶性の良いＡｌＧａＩｎＮＰ層を得ることができ
る。この時に用いる中間層の厚さは、ＡｌＧａＩｎＮＰ
層の下層膜が完全に被覆される厚さであれば良い。これ
によって窒素組成が大きく、かつ良質なＡｌＧａＩｎＮ
Ｐ層の成長も可能となり、高いバンド設計および成長条
件の自由度を持ったＡｌＧａＩｎＮＰを含む半導体積層
構造を容易に実現することができる。
発明によれば、Ｖ族元素としてＮ(窒素)を含む窒素系Ｖ
族混晶半導体において、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎ
z1Ｐ(1-z1)層(０≦ｘ１＜１，０＜ｙ１≦１，０＜ｚ１
＜１)とこれよりもＡｌ組成が大きなＡｌx2Ｇａy2Ｉｎ
(1-x2-y2)Ｐ層(０≦ｘ１＜ｘ２≦１，０≦ｙ２＜１)と
の間に、Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐより小さなＡｌ
組成のＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層(０≦ｘ３＜ｘ２
≦１，０＜ｙ３≦１)が配置されているので、添加する
窒素量を制御することにより、従来にはないヘテロ構造
が得られ、バンド設計の自由度が増大する。また、Ａｌ
ＧａＩｎＮＰ層がＡｌ元素を含んでいることによって、
成長時の窒素取り込まれ効率が飛躍的に増大し、わずか
な窒素原料によって窒素添加が可能となるため、製造コ
ストを低減できる。さらに、本発明の半導体積層構造
は、ＡｌＧａＩｎＮＰ層とこれの下層膜からなる所望す
るヘテロ構造の間に、ＡｌＧａＩｎＮＰ層の下層膜より
も窒素の取り込まれ効率の低い、Ａｌ組成の小さなＡｌ
ＧａＩｎ(Ｎ)Ｐ中間層を配置した構造となっていること
で、界面での余剰な窒素の取り込まれ(窒素偏析)が減少
し、結晶性の良いＡｌＧａＩｎＮＰ層を得ることができ
る。この時に用いる中間層の厚さは、ＡｌＧａＩｎＮＰ
層の下層膜が完全に被覆される厚さであれば良い。これ
によって窒素組成が大きく、かつ良質なＡｌＧａＩｎＮ
Ｐ層の成長も可能となり、高いバンド設計および成長条
件の自由度を持ったＡｌＧａＩｎＮＰを含む半導体積層
構造を容易に実現することができる。
【００５３】また、請求項２記載の発明によれば、請求
項１記載の半導体積層構造において、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ
(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層(０≦ｘ１＜１，０＜ｙ１≦
１，０＜ｚ１＜１)を活性層として用い、Ａｌx2Ｇａy2
Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層(０≦ｘ１＜ｘ２≦１，０≦ｙ２＜
１)をクラッド層またはガイド層として用い、Ａｌx1Ｇ
ａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層とＡｌx2Ｇａy2Ｉｎ
(1-x2-y2)Ｐ層との間のＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層
(０≦ｘ３＜ｘ２≦１，０＜ｙ３≦１)を前記活性層と前
記クラッド層またはガイド層との間の中間層として用い
るようになっており、活性層をＡｌＧａＩｎＮＰ層とす
ることで、キャリア(電子)オーバーフローを低減するこ
とができる。また、活性層へのＡｌ添加はクラッド層ま
たはガイド層との伝導帯およびバンド不連続を小さく
し、バンドギャップエネルギーを減少させる。つまり、
活性層を、Ａｌ，窒素を同量添加したＡｌＧａＩｎＮＰ
とすると、Ａｌ添加の作用によって窒素添加によるバン
ドギャップエネルギーの減少分を補償できるので、伝導
帯バンド不連続を大きく保ったままバンドギャップエネ
ルギーを増加させることができる。すなわち、従来では
伝導帯バンド不連続量が小さいために短波長化には限界
があったが、伝導帯バンド不連続を大きく保ったままバ
ンドギャップエネルギーを増加させることができること
によって短波長化が容易になる。また、活性層組成にＡ
ｌ元素を含むことにより成長時の窒素取り込まれ効率が
飛躍的に増大し、わずかな窒素原料によって窒素添加が
可能となり、製造コストを低減できる。また、クラッド
層またはガイド層とＡｌＧａＩｎＮＰ活性層との間に、
クラッド層またはガイド層よりもＡｌ組成の小さなＡｌ
ＧａＩｎＰ中間層を挿入することで、界面での余剰な窒
素取り込みを減少させることができる。これによって、
ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層への高濃度の窒素の添加も可能
となり、組成および成長条件の自由度が増大する。以上
からバンド設計および成長条件の自由度が高く、かつ特
性温度の高い発光素子の実現が容易になる。
項１記載の半導体積層構造において、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ
(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層(０≦ｘ１＜１，０＜ｙ１≦
１，０＜ｚ１＜１)を活性層として用い、Ａｌx2Ｇａy2
Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層(０≦ｘ１＜ｘ２≦１，０≦ｙ２＜
１)をクラッド層またはガイド層として用い、Ａｌx1Ｇ
ａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層とＡｌx2Ｇａy2Ｉｎ
(1-x2-y2)Ｐ層との間のＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層
(０≦ｘ３＜ｘ２≦１，０＜ｙ３≦１)を前記活性層と前
記クラッド層またはガイド層との間の中間層として用い
るようになっており、活性層をＡｌＧａＩｎＮＰ層とす
ることで、キャリア(電子)オーバーフローを低減するこ
とができる。また、活性層へのＡｌ添加はクラッド層ま
たはガイド層との伝導帯およびバンド不連続を小さく
し、バンドギャップエネルギーを減少させる。つまり、
活性層を、Ａｌ，窒素を同量添加したＡｌＧａＩｎＮＰ
とすると、Ａｌ添加の作用によって窒素添加によるバン
ドギャップエネルギーの減少分を補償できるので、伝導
帯バンド不連続を大きく保ったままバンドギャップエネ
ルギーを増加させることができる。すなわち、従来では
伝導帯バンド不連続量が小さいために短波長化には限界
があったが、伝導帯バンド不連続を大きく保ったままバ
ンドギャップエネルギーを増加させることができること
によって短波長化が容易になる。また、活性層組成にＡ
ｌ元素を含むことにより成長時の窒素取り込まれ効率が
飛躍的に増大し、わずかな窒素原料によって窒素添加が
可能となり、製造コストを低減できる。また、クラッド
層またはガイド層とＡｌＧａＩｎＮＰ活性層との間に、
クラッド層またはガイド層よりもＡｌ組成の小さなＡｌ
ＧａＩｎＰ中間層を挿入することで、界面での余剰な窒
素取り込みを減少させることができる。これによって、
ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層への高濃度の窒素の添加も可能
となり、組成および成長条件の自由度が増大する。以上
からバンド設計および成長条件の自由度が高く、かつ特
性温度の高い発光素子の実現が容易になる。
【００５４】また、請求項３記載の発明によれば、請求
項２記載の半導体発光素子において、前記中間層である
Ａｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層のＡｌ組成が、活性層
であるＡｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層のＡ
ｌ組成よりも小さい(ｘ３≦ｘ１)ので、すなわち、中間
層のＡｌ組成をＡｌＧａＩｎＮＰ活性層のＡｌ組成より
も小さく選ぶことによって、界面での余剰な窒素の取り
込まれを効果的に低減することが可能となる。このよう
に界面での余剰な窒素の取り込まれが低減できること
で、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層への高濃度の窒素の添加も
可能となり、組成および成長条件の自由度が増大する。
以上からバンド設計および成長条件の自由度が高く、か
つ特性温度の高い発光素子の実現が容易になる。
項２記載の半導体発光素子において、前記中間層である
Ａｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層のＡｌ組成が、活性層
であるＡｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層のＡ
ｌ組成よりも小さい(ｘ３≦ｘ１)ので、すなわち、中間
層のＡｌ組成をＡｌＧａＩｎＮＰ活性層のＡｌ組成より
も小さく選ぶことによって、界面での余剰な窒素の取り
込まれを効果的に低減することが可能となる。このよう
に界面での余剰な窒素の取り込まれが低減できること
で、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層への高濃度の窒素の添加も
可能となり、組成および成長条件の自由度が増大する。
以上からバンド設計および成長条件の自由度が高く、か
つ特性温度の高い発光素子の実現が容易になる。
【００５５】また、請求項４記載の発明によれば、中間
層をＧａy4Ｉｎ(1-y4)Ｐ(０＜ｙ４＜１)とすることで、
中間層の組成の制御性および結晶性が向上し、かつ界面
での余剰な窒素の取り込みを著しく減少させることがで
きる。これによって、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層への高濃
度の窒素の添加も可能となり、組成および成長条件の自
由度が増大する。以上からバンド設計および成長条件の
自由度が高く、かつ特性温度の高い発光素子の実現が容
易になる。
層をＧａy4Ｉｎ(1-y4)Ｐ(０＜ｙ４＜１)とすることで、
中間層の組成の制御性および結晶性が向上し、かつ界面
での余剰な窒素の取り込みを著しく減少させることがで
きる。これによって、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層への高濃
度の窒素の添加も可能となり、組成および成長条件の自
由度が増大する。以上からバンド設計および成長条件の
自由度が高く、かつ特性温度の高い発光素子の実現が容
易になる。
【００５６】また、請求項５記載の発明によれば、請求
項２乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体発光素
子において、Ａｌ原料としてＴＭＡ(トリメチルアルミ
ニウム)，ＴＥＡ(トリエチルアルミニウム)等の有機金
属化合物を用い、有機金属気相成長法によって、Ａｌx1
Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層，Ａｌx2Ｇａy2Ｉ
ｎ(1-x2-y2)Ｐ層またはＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層
が形成されるので、窒素の取り込み効率を向上すること
ができ、容易にかつ良好に窒素系Ｖ族混晶半導体を成長
することができる。これによって特性温度の高い素子を
容易に実現することができる。
項２乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体発光素
子において、Ａｌ原料としてＴＭＡ(トリメチルアルミ
ニウム)，ＴＥＡ(トリエチルアルミニウム)等の有機金
属化合物を用い、有機金属気相成長法によって、Ａｌx1
Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層，Ａｌx2Ｇａy2Ｉ
ｎ(1-x2-y2)Ｐ層またはＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層
が形成されるので、窒素の取り込み効率を向上すること
ができ、容易にかつ良好に窒素系Ｖ族混晶半導体を成長
することができる。これによって特性温度の高い素子を
容易に実現することができる。
【００５７】また、請求項６記載の発明によれば、請求
項２乃至請求項５のいずれか一項に記載の半導体発光素
子において、窒素の原料としてＤＭＨｙ(ジメチルヒド
ラジン)，ＭＭＨｙ(モノメチルヒドラジン)等の有機系
窒素化合物を用いて、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1
Ｐ(1-z1)層が形成されるようになっており、有機系窒素
化合物は分解温度が低く、低温においても成長が可能で
あるので、容易にかつ良好に窒素系Ｖ族混晶半導体を得
ることができる。これによって特性温度の高い素子を容
易に実現することができる。
項２乃至請求項５のいずれか一項に記載の半導体発光素
子において、窒素の原料としてＤＭＨｙ(ジメチルヒド
ラジン)，ＭＭＨｙ(モノメチルヒドラジン)等の有機系
窒素化合物を用いて、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1
Ｐ(1-z1)層が形成されるようになっており、有機系窒素
化合物は分解温度が低く、低温においても成長が可能で
あるので、容易にかつ良好に窒素系Ｖ族混晶半導体を得
ることができる。これによって特性温度の高い素子を容
易に実現することができる。
【図１】本発明に係る半導体積層構造の構成例を示す図
である。
である。
【図２】図１の半導体積層構造の具体例を示す図であ
る。
る。
【図３】(Ａｌ0.2Ｇａ0.8)0.5Ｉｎ0.5Ｐでの窒素の取り
込まれ量をＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐと比較した図である。
込まれ量をＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐと比較した図である。
【図４】本発明に係る半導体発光素子の第１の実施形態
を示す図である。
を示す図である。
【図５】本発明に係る半導体発光素子の第２の実施形態
を示す図である。
を示す図である。
【図６】ＭＯＣＶＤ法によって作製したＧａＩｎＮＰ／
ＡｌＧａＩｎＰの積層構造のＳＩＭＳ分析結果を示す図
である。
ＡｌＧａＩｎＰの積層構造のＳＩＭＳ分析結果を示す図
である。
１０１ Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ
(1-z1)層 １０２ Ａｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ中間層 １０３，１１１ Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層 １０４ ＧａＡｓバッファ層 １０５ ＧａＡｓ基板 ３０４ ｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ0.5Ｐク
ラッド層 ３０５ ｐ−ＧａＡｓコンタクト絶縁層 ３０６ ＳｉＯ2絶縁層 ３０７ ｐ側電極 ３０８ ｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ0.5Ｐク
ラッド層 ３０９ ｎ−ＧａＡｓ基板(ｎ−ＧａＡｓ傾斜
基板) ３１０ ｎ側電極 ４０２ ｕｎｄｏｐｅ−Ｇａ0.65Ｉｎ0.35Ｐ中
間層
(1-z1)層 １０２ Ａｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ中間層 １０３，１１１ Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層 １０４ ＧａＡｓバッファ層 １０５ ＧａＡｓ基板 ３０４ ｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ0.5Ｐク
ラッド層 ３０５ ｐ−ＧａＡｓコンタクト絶縁層 ３０６ ＳｉＯ2絶縁層 ３０７ ｐ側電極 ３０８ ｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ0.5Ｐク
ラッド層 ３０９ ｎ−ＧａＡｓ基板(ｎ−ＧａＡｓ傾斜
基板) ３１０ ｎ側電極 ４０２ ｕｎｄｏｐｅ−Ｇａ0.65Ｉｎ0.35Ｐ中
間層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 孝志 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 Ｆターム(参考） 5F041 CA34 CA40 CA65 5F073 CA14 CA20 DA05
Claims (6)
- 【請求項１】 Ｖ族元素としてＮ(窒素)を含む窒素系Ｖ
族混晶半導体において、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎ
z1Ｐ(1-z1)層(０≦ｘ１＜１，０＜ｙ１≦１，０＜ｚ１
＜１)とこれよりもＡｌ組成が大きなＡｌx2Ｇａy2Ｉｎ
(1-x2-y2)Ｐ層(０≦ｘ１＜ｘ２≦１，０≦ｙ２＜１)と
の間に、Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐより小さなＡｌ
組成のＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層(０≦ｘ３＜ｘ２
≦１，０＜ｙ３≦１)が配置されていることを特徴とす
る半導体積層構造。 - 【請求項２】 請求項１記載の半導体積層構造におい
て、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層(０≦ｘ
１＜１，０＜ｙ１≦１，０＜ｚ１＜１)を活性層として
用い、Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層(０≦ｘ１＜ｘ２
≦１，０≦ｙ２＜１)をクラッド層またはガイド層とし
て用い、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層と
Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層との間のＡｌx3Ｇａy3
Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層(０≦ｘ３＜ｘ２≦１，０＜ｙ３≦
１)を前記活性層と前記クラッド層またはガイド層との
間の中間層として用いることを特徴とする半導体発光素
子。 - 【請求項３】 請求項２記載の半導体発光素子におい
て、前記中間層であるＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層
のＡｌ組成が、活性層であるＡｌx1Ｇａy1Ｉｎ
(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層のＡｌ組成よりも小さい(ｘ３
≦ｘ１)ことを特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項４】 請求項２または請求項３に記載の半導体
発光素子において、中間層としてＧａy4Ｉｎ(1-y4)Ｐ
(０＜ｙ４＜１)を用いることを特徴とする半導体発光素
子。 - 【請求項５】 請求項２乃至請求項４のいずれか一項に
記載の半導体発光素子において、Ａｌ原料としてＴＭＡ
(トリメチルアルミニウム)，ＴＥＡ(トリエチルアルミ
ニウム)等の有機金属化合物を用い、有機金属気相成長
法によって、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)
層，Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層またはＡｌx3Ｇａ
y3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層が形成されることを特徴とする半
導体発光素子。 - 【請求項６】 請求項２乃至請求項５のいずれか一項に
記載の半導体発光素子において、窒素の原料としてＤＭ
Ｈｙ(ジメチルヒドラジン)，ＭＭＨｙ(モノメチルヒド
ラジン)等の有機系窒素化合物を用いて、Ａｌx1Ｇａy1
Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層が形成されることを特徴
とする半導体発光素子。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27656998A JP3635613B2 (ja) | 1998-09-11 | 1998-09-11 | 半導体積層構造および半導体発光素子 |
| US09/391,472 US6884291B1 (en) | 1998-04-13 | 1999-09-08 | Laser diode having an active layer containing N and operable in a 0.6 μm wavelength band |
| US11/080,457 US7384479B2 (en) | 1998-04-13 | 2005-03-16 | Laser diode having an active layer containing N and operable in a 0.6 μm wavelength |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27656998A JP3635613B2 (ja) | 1998-09-11 | 1998-09-11 | 半導体積層構造および半導体発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000091710A true JP2000091710A (ja) | 2000-03-31 |
| JP3635613B2 JP3635613B2 (ja) | 2005-04-06 |
Family
ID=17571315
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27656998A Expired - Fee Related JP3635613B2 (ja) | 1998-04-13 | 1998-09-11 | 半導体積層構造および半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3635613B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6884291B1 (en) * | 1998-04-13 | 2005-04-26 | Ricoh Company, Ltd. | Laser diode having an active layer containing N and operable in a 0.6 μm wavelength band |
| US7198972B2 (en) | 1998-04-13 | 2007-04-03 | Ricoh Company, Ltd. | Laser diode having an active layer containing N and operable in a 0.6 μm wavelength band |
| US7384479B2 (en) | 1998-04-13 | 2008-06-10 | Ricoh Company, Ltd. | Laser diode having an active layer containing N and operable in a 0.6 μm wavelength |
-
1998
- 1998-09-11 JP JP27656998A patent/JP3635613B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6884291B1 (en) * | 1998-04-13 | 2005-04-26 | Ricoh Company, Ltd. | Laser diode having an active layer containing N and operable in a 0.6 μm wavelength band |
| US7198972B2 (en) | 1998-04-13 | 2007-04-03 | Ricoh Company, Ltd. | Laser diode having an active layer containing N and operable in a 0.6 μm wavelength band |
| US7384479B2 (en) | 1998-04-13 | 2008-06-10 | Ricoh Company, Ltd. | Laser diode having an active layer containing N and operable in a 0.6 μm wavelength |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3635613B2 (ja) | 2005-04-06 |
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