JP2003347582A - 半導体素子 - Google Patents
半導体素子Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 半導体基板と格子整合しない半導体層と半導
体基板との間の格子歪みを緩和した半導体素子を提供す
る。 【解決手段】 半導体基板１と量子井戸層５との間に、
ＡｌＩｎＰ層及びＧａＩｎＰ層の多層膜からなり、各層
の格子定数が半導体基板１側では半導体基板１の格子定
数に近く、量子井戸層５側では量子井戸層５の格子定数
に近く、かつ、半導体基板１の格子定数から量子井戸層
５の格子定数までの間で徐々に変化するように形成され
た格子歪み緩和層３を設けることにより、半導体基板１
の格子定数と量子井戸層５の格子定数との差が大きくて
も格子歪み緩和層３の上に量子井戸層５を安定に成長さ
せることができ、安価なＧａＡｓ系長波長レーザや発光
ダイオードあるいは太陽電池を得ることができる。
体基板との間の格子歪みを緩和した半導体素子を提供す
る。 【解決手段】 半導体基板１と量子井戸層５との間に、
ＡｌＩｎＰ層及びＧａＩｎＰ層の多層膜からなり、各層
の格子定数が半導体基板１側では半導体基板１の格子定
数に近く、量子井戸層５側では量子井戸層５の格子定数
に近く、かつ、半導体基板１の格子定数から量子井戸層
５の格子定数までの間で徐々に変化するように形成され
た格子歪み緩和層３を設けることにより、半導体基板１
の格子定数と量子井戸層５の格子定数との差が大きくて
も格子歪み緩和層３の上に量子井戸層５を安定に成長さ
せることができ、安価なＧａＡｓ系長波長レーザや発光
ダイオードあるいは太陽電池を得ることができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子に関
し、特にＮ（窒素）、Ａｓ（砒素）、Ｇａ（ガリウム）
及びＩｎ（インジウム）を含んだ化合物半導体層を有す
る半導体素子に関する。
し、特にＮ（窒素）、Ａｓ（砒素）、Ｇａ（ガリウム）
及びＩｎ（インジウム）を含んだ化合物半導体層を有す
る半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、ＧａＩｎＮＡｓ系半導体と呼ばれ
る４元混晶半導体が注目されている。このＧａＩｎＮＡ
ｓ系半導体を用いた半導体素子は、電力通信網で広く利
用されている石英系光ファイバの零分散波長である波長
１．３μｍの発光を得ることができるため、高速かつ大
容量の光通信用デバイス材料として期待されている。
る４元混晶半導体が注目されている。このＧａＩｎＮＡ
ｓ系半導体を用いた半導体素子は、電力通信網で広く利
用されている石英系光ファイバの零分散波長である波長
１．３μｍの発光を得ることができるため、高速かつ大
容量の光通信用デバイス材料として期待されている。
【０００３】波長１．３μｍの光通信用デバイスとして
は、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ（インジウム・ガリウム・
砒素・リン／インジウム・リン）系半導体を用いた半導
体素子が既に実用化されているが、このＩｎＧａＡｓＰ
／ＩｎＰ系半導体素子は発光層を構成するＩｎＧａＡｓ
Ｐ量子井戸の伝導帯バンドオフセットが小さく、環境温
度の上昇により急激に特性が劣化してしまう。そのた
め、ペルチェ素子等で温度を厳密に制御する必要があ
り、デバイス全体として高コストかつ高消費電力となる
問題が指摘されている。
は、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ（インジウム・ガリウム・
砒素・リン／インジウム・リン）系半導体を用いた半導
体素子が既に実用化されているが、このＩｎＧａＡｓＰ
／ＩｎＰ系半導体素子は発光層を構成するＩｎＧａＡｓ
Ｐ量子井戸の伝導帯バンドオフセットが小さく、環境温
度の上昇により急激に特性が劣化してしまう。そのた
め、ペルチェ素子等で温度を厳密に制御する必要があ
り、デバイス全体として高コストかつ高消費電力となる
問題が指摘されている。
【０００４】これに対して、ＧａＩｎＮＡｓ系半導体素
子では伝導帯バンドオフセットを大きくとることができ
るため、発光特性の環境温度依存性が小さい。従って通
常の使用においては温度制御が不要であり、デバイスの
低コスト化、小型化、低消費電力化が可能である。
子では伝導帯バンドオフセットを大きくとることができ
るため、発光特性の環境温度依存性が小さい。従って通
常の使用においては温度制御が不要であり、デバイスの
低コスト化、小型化、低消費電力化が可能である。
【０００５】さらに、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系半導体
はＩｎＰとの格子整合系であるため、化合物半導体基板
としては高価なＩｎＰ基板上に製造しなければならな
い。このことは半導体素子そのものの高コスト化という
問題も引き起こす。
はＩｎＰとの格子整合系であるため、化合物半導体基板
としては高価なＩｎＰ基板上に製造しなければならな
い。このことは半導体素子そのものの高コスト化という
問題も引き起こす。
【０００６】これに対し、ＧａＩｎＮＡｓ系半導体素子
は安価なＧａＡｓ基板上に製造できるため、半導体素子
そのものの低コスト化が可能である。
は安価なＧａＡｓ基板上に製造できるため、半導体素子
そのものの低コスト化が可能である。
【０００７】また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系では波長
１．３μｍ帯に適した多層反射膜を形成することができ
る適当な材料系がないため、垂直共振器を有する面発光
レーザの実現が非常に困難である。
１．３μｍ帯に適した多層反射膜を形成することができ
る適当な材料系がないため、垂直共振器を有する面発光
レーザの実現が非常に困難である。
【０００８】これに対してＧａＩｎＮＡｓ系半導体で
は、例えばＡｌＧａＡｓ（アルミニウム・ガリウム・砒
素）系材料やＡｌＧａＩｎＰ（アルミニウム・ガリウム
・インジウム、リン）系材料を用いて多層反射膜を形成
することができるため、面発光レーザを容易に実現する
ことができる。
は、例えばＡｌＧａＡｓ（アルミニウム・ガリウム・砒
素）系材料やＡｌＧａＩｎＰ（アルミニウム・ガリウム
・インジウム、リン）系材料を用いて多層反射膜を形成
することができるため、面発光レーザを容易に実現する
ことができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】ところで、ＧａＩｎＮ
Ａｓ系半導体素子は、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系半導体
素子に比べて数々の長所を有しているが、以下のような
問題を有している。
Ａｓ系半導体素子は、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系半導体
素子に比べて数々の長所を有しているが、以下のような
問題を有している。
【００１０】ＧａＩｎＮ系半導体素子の発光波長は、Ｉ
ｎ組成及びＮ組成に大きく依存し、これらの組成が多い
ほど長波長化することが知られている。例えば、Ｉｎ及
びＮを含まないＧａＡｓの発光波長は約０．８５μｍで
あり、Ｉｎ組成が２０〜４０％、Ｎ組成が１〜２％程度
を含むＧａＩｎＮＡｓの発光波長は１．３μｍである。
ｎ組成及びＮ組成に大きく依存し、これらの組成が多い
ほど長波長化することが知られている。例えば、Ｉｎ及
びＮを含まないＧａＡｓの発光波長は約０．８５μｍで
あり、Ｉｎ組成が２０〜４０％、Ｎ組成が１〜２％程度
を含むＧａＩｎＮＡｓの発光波長は１．３μｍである。
【００１１】但し、ＧａＩｎＮ系半導体素子は、ＧａＩ
ｎＮＡｓ系半導体元素であるＧａ及びＩｎと、Ｖ族元素
であるＮ及びＡｓからなる４元混晶を用いているため、
発光波長という条件のみでは組成は一意には決まらな
い。
ｎＮＡｓ系半導体元素であるＧａ及びＩｎと、Ｖ族元素
であるＮ及びＡｓからなる４元混晶を用いているため、
発光波長という条件のみでは組成は一意には決まらな
い。
【００１２】一方、従来技術を用いたＧａＩｎＮ系半導
体素子の製造においては、半導体基板であるＧａＡｓと
の格子整合を考慮しなければならない。Ｉｎ原子はＧａ
原子に対して原子半径が極端に大きいため、Ｉｎ原子が
増加すると直ちにＧａＡｓと格子不整合を起こし、製造
が困難になってしまう。
体素子の製造においては、半導体基板であるＧａＡｓと
の格子整合を考慮しなければならない。Ｉｎ原子はＧａ
原子に対して原子半径が極端に大きいため、Ｉｎ原子が
増加すると直ちにＧａＡｓと格子不整合を起こし、製造
が困難になってしまう。
【００１３】一般に、ＧａＩｎＮＡｓ系半導体において
は、ＩｎよりもＮの方が少ない組成で長波長化に寄与で
きることが明らかにされている。
は、ＩｎよりもＮの方が少ない組成で長波長化に寄与で
きることが明らかにされている。
【００１４】そこで、格子整合を維持しつつ長波長化を
図る従来技術においては、可能な限りＩｎを減少させ、
Ｎを増加させるというアプローチがとられている。
図る従来技術においては、可能な限りＩｎを減少させ、
Ｎを増加させるというアプローチがとられている。
【００１５】しかしながら、本来非平衡系であるＧａＩ
ｎＮＡｓ系半導体の製造におけるＮの取り込み効率は著
しく低く、発光波長１．３μｍを得るのに十分なＮ組成
を含んだＧａＩｎＮＡｓ系半導体素子の製造は極めて困
難である。特に、量産に最適な製造方法である有機金属
気相成長方法においては、成長温度を可能な限り定温と
することで、半ば強引にＮを結晶中に取り込むという方
法が一般的に広く行われているが、それでもＧａＡｓに
格子整合し、かつ発光波長１．３μｍを実現するのに十
分なＮ組成を有するＧａＩｎＮＡｓ結晶を成長させるの
は困難である。
ｎＮＡｓ系半導体の製造におけるＮの取り込み効率は著
しく低く、発光波長１．３μｍを得るのに十分なＮ組成
を含んだＧａＩｎＮＡｓ系半導体素子の製造は極めて困
難である。特に、量産に最適な製造方法である有機金属
気相成長方法においては、成長温度を可能な限り定温と
することで、半ば強引にＮを結晶中に取り込むという方
法が一般的に広く行われているが、それでもＧａＡｓに
格子整合し、かつ発光波長１．３μｍを実現するのに十
分なＮ組成を有するＧａＩｎＮＡｓ結晶を成長させるの
は困難である。
【００１６】さらに、成長温度の低下は、ウェハ面内で
の組成不均一や不純物増加の原因となるため、辛うじて
得られた半導体素子の質が著しく低下するという問題も
引き起こすことになる。
の組成不均一や不純物増加の原因となるため、辛うじて
得られた半導体素子の質が著しく低下するという問題も
引き起こすことになる。
【００１７】このように、半導体基板に格子整合する系
では、発光波長１．３μｍを得るために十分なＮ組成を
有するＧａＩｎＮＡｓ系半導体素子を製造することが困
難であるという問題があった。
では、発光波長１．３μｍを得るために十分なＮ組成を
有するＧａＩｎＮＡｓ系半導体素子を製造することが困
難であるという問題があった。
【００１８】しかしながら、格子整合条件に束縛されな
ければ、Ｉｎ組成を増加させることで発光波長を長波長
化させ、発光波長１．３μｍのＧａＩｎＮＡｓ系半導体
素子が容易に実現できる。
ければ、Ｉｎ組成を増加させることで発光波長を長波長
化させ、発光波長１．３μｍのＧａＩｎＮＡｓ系半導体
素子が容易に実現できる。
【００１９】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、半導体基板と格子整合しない半導体層と半導体基板
との間の格子歪みを緩和した半導体素子を提供すること
にある。
し、半導体基板と格子整合しない半導体層と半導体基板
との間の格子歪みを緩和した半導体素子を提供すること
にある。
【００２０】
【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の発明は、半導体基板上に少なくとも一層
のＧａx1Ｉｎ1-x1Ｎy1Ａｓ1-y1層（０＜ｘ１＜１、０＜
ｙ１＜１）を含む量子井戸層を有する半導体素子におい
て、半導体基板と量子井戸層との間に、ＡｌＩｎＰ層及
びＧａＩｎＰ層の多層膜からなり、各層の格子定数が半
導体基板側では半導体基板の格子定数に近く、量子井戸
層側では量子井戸層の格子定数に近く、かつ、半導体基
板の格子定数の値から量子井戸層の格子定数の値までの
間で徐々に変化するように形成された格子歪み緩和層を
設けたものである。
に、請求項１の発明は、半導体基板上に少なくとも一層
のＧａx1Ｉｎ1-x1Ｎy1Ａｓ1-y1層（０＜ｘ１＜１、０＜
ｙ１＜１）を含む量子井戸層を有する半導体素子におい
て、半導体基板と量子井戸層との間に、ＡｌＩｎＰ層及
びＧａＩｎＰ層の多層膜からなり、各層の格子定数が半
導体基板側では半導体基板の格子定数に近く、量子井戸
層側では量子井戸層の格子定数に近く、かつ、半導体基
板の格子定数の値から量子井戸層の格子定数の値までの
間で徐々に変化するように形成された格子歪み緩和層を
設けたものである。
【００２１】請求項２の発明は、請求項１に記載の構成
に加え、記量子井戸層の上にＡｌzＩｎ1-zＰ層及びＧａ
zＩｎ1-zＰ層（０＜ｚ＜１）を交互に積層した多層反射
膜を有してもよい。
に加え、記量子井戸層の上にＡｌzＩｎ1-zＰ層及びＧａ
zＩｎ1-zＰ層（０＜ｚ＜１）を交互に積層した多層反射
膜を有してもよい。
【００２２】請求項３の発明は、請求項１または２に記
載の構成に加え、格子歪み緩和層の各層は、屈折率が交
互に増減するように形成されているのが好ましい。
載の構成に加え、格子歪み緩和層の各層は、屈折率が交
互に増減するように形成されているのが好ましい。
【００２３】請求項４の発明は、請求項１から３のいず
れかに記載の構成に加え、量子井戸層は、Ｇａx1Ｉｎ
1-x1Ｎy1Ａｓ1-y1層及びＡｌx2Ｇａy2Ｉｎ1-x2-y2Ｐ層
（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１）を２層以上交互に積層
した積層構造を有してもよい。本発明によれば、半導体
基板と量子井戸層との間に、ＡｌＩｎＰ層及びＧａＩｎ
Ｐ層の多層膜からなり、各層の格子定数が半導体基板側
では半導体基板の格子定数に近く、量子井戸層側では量
子井戸層の格子定数に近く、かつ、半導体基板の格子定
数から量子井戸層の格子定数までの間で徐々に変化する
ように形成された格子歪み緩和層を設けることにより、
半導体基板の格子定数と量子井戸層の格子定数との差が
大きくても格子歪み緩和層の上に量子井戸層を安定に成
長させることができ、安価なＧａＡｓ系長波長レーザや
発光ダイオードあるいは太陽電池を得ることができる。
れかに記載の構成に加え、量子井戸層は、Ｇａx1Ｉｎ
1-x1Ｎy1Ａｓ1-y1層及びＡｌx2Ｇａy2Ｉｎ1-x2-y2Ｐ層
（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１）を２層以上交互に積層
した積層構造を有してもよい。本発明によれば、半導体
基板と量子井戸層との間に、ＡｌＩｎＰ層及びＧａＩｎ
Ｐ層の多層膜からなり、各層の格子定数が半導体基板側
では半導体基板の格子定数に近く、量子井戸層側では量
子井戸層の格子定数に近く、かつ、半導体基板の格子定
数から量子井戸層の格子定数までの間で徐々に変化する
ように形成された格子歪み緩和層を設けることにより、
半導体基板の格子定数と量子井戸層の格子定数との差が
大きくても格子歪み緩和層の上に量子井戸層を安定に成
長させることができ、安価なＧａＡｓ系長波長レーザや
発光ダイオードあるいは太陽電池を得ることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て述べる。
て述べる。
【００２５】本発明に関わる半導体素子は、半導体基板
上に、ＧａＩｎＮＡｓ系半導体層を有し、半導体基板と
ＧａＩｎＮＡｓ系半導体層との間にＡｌＧａＩｎＰ系半
導体で形成された多層膜を有している。このＡｌＧａＩ
ｎＰ系多層膜は、半導体基板に近い層ほど半導体基板の
格子定数に近い格子定数を有するＡｌＧａＩｎＰ系半導
体層で形成され、かつＧａＩｎＮＡｓ系半導体層に近い
層ほどＧａＩｎＮＡｓ系半導体層の格子定数に近い格子
定数を有するＡｌＧａＩｎＰ系半導体層で形成されてい
る。
上に、ＧａＩｎＮＡｓ系半導体層を有し、半導体基板と
ＧａＩｎＮＡｓ系半導体層との間にＡｌＧａＩｎＰ系半
導体で形成された多層膜を有している。このＡｌＧａＩ
ｎＰ系多層膜は、半導体基板に近い層ほど半導体基板の
格子定数に近い格子定数を有するＡｌＧａＩｎＰ系半導
体層で形成され、かつＧａＩｎＮＡｓ系半導体層に近い
層ほどＧａＩｎＮＡｓ系半導体層の格子定数に近い格子
定数を有するＡｌＧａＩｎＰ系半導体層で形成されてい
る。
【００２６】本ＡｌＧａＩｎＰ系半導体多層膜の存在に
よって、半導体基板の格子定数とＧａＩｎＮ系半導体層
の格子定数との差が大きくても両者の間の多層膜層の各
層の格子定数が両者に近づくにつれて徐々に両者に等し
くなるように変化しているので格子歪みが緩和される。
よって、半導体基板の格子定数とＧａＩｎＮ系半導体層
の格子定数との差が大きくても両者の間の多層膜層の各
層の格子定数が両者に近づくにつれて徐々に両者に等し
くなるように変化しているので格子歪みが緩和される。
【００２７】さらに、ＡｌＧａＩｎＰ系多層膜の構造を
高屈折率材料と低屈折率材料との繰り返し積層構造と
し、発光波長を屈折率で割った値の０．２５倍程度とす
ることで、ＡｌＧａＩｎＰ系多層膜を多層反射鏡として
用いることができる。
高屈折率材料と低屈折率材料との繰り返し積層構造と
し、発光波長を屈折率で割った値の０．２５倍程度とす
ることで、ＡｌＧａＩｎＰ系多層膜を多層反射鏡として
用いることができる。
【００２８】このとき、ＡｌＧａＩｎＰ系多層膜を構成
する材料は、必ずしもＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｐの４つの元
素を同時に含む必要はなく、例えば、Ｇａ、Ｉｎ、Ｐの
みからなるＧａＩｎＰまたはＡｌ、Ｉｎ、Ｐのみからな
るＡｌＩｎＰとすることができる。
する材料は、必ずしもＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｐの４つの元
素を同時に含む必要はなく、例えば、Ｇａ、Ｉｎ、Ｐの
みからなるＧａＩｎＰまたはＡｌ、Ｉｎ、Ｐのみからな
るＡｌＩｎＰとすることができる。
【００２９】本発明に関わる半導体素子を発光素子とし
て用いる場合の構造について特に制限はないが、効率的
な光発生や光取り出しを考慮すると、ＧａＩｎＮＡｓ系
半導体層を発光層として発光ダイオード、あるいは半導
体レーザとすることが望ましい。
て用いる場合の構造について特に制限はないが、効率的
な光発生や光取り出しを考慮すると、ＧａＩｎＮＡｓ系
半導体層を発光層として発光ダイオード、あるいは半導
体レーザとすることが望ましい。
【００３０】本発明に関わる半導体素子を発光素子とし
て用いる場合の発光波長に特に制限はないが、光通信用
デバイスへの応用を考慮すると、前述のように石英系光
ファイバの零分散波長である波長１．３μｍが最も望ま
しく、次いで石英系光ファイバで損失が最小となる波長
１．５５μｍが望ましい。
て用いる場合の発光波長に特に制限はないが、光通信用
デバイスへの応用を考慮すると、前述のように石英系光
ファイバの零分散波長である波長１．３μｍが最も望ま
しく、次いで石英系光ファイバで損失が最小となる波長
１．５５μｍが望ましい。
【００３１】
【実施例】次に本発明の半導体素子の実施例について図
面を参照して数値を挙げて説明するが、本発明は数値に
限定されるものではない。
面を参照して数値を挙げて説明するが、本発明は数値に
限定されるものではない。
【００３２】（実施例１）図１は本発明の半導体素子の
一実施例を示す構造図である。
一実施例を示す構造図である。
【００３３】同図に示す半導体素子の本体は、Ｓｉをド
ープしたｎ型ＧａＡｓ基板１上に、厚さ約５００ｎｍの
Ｓｉドープｎ型バッファ層２、Ｓｉドープｎ型ＡｌＩｎ
Ｐ層とＳｉドープｎ型ＧａＩｎＰ層とを交互に例えば２
０層積層したＡｌＩｎＰ／ＧａＩｎＰ多層膜（以下「格
子歪み緩和層」という。）３、厚さ約２０００ｎｍのＳ
ｉドープｎ型Ａｌ0.30Ｇａ0.21Ｉｎ0.49Ｐクラッド層
４、厚さ約６ｎｍのアンドープＧａ0.60Ｉｎ0.40Ｎ
0.005Ａｓ0.995量子井戸層と厚さ約６ｎｍのアンドープ
Ａｌ0.30Ｇａ0.21Ｉｎ0.49Ｐバリア層とを例えば３周期
ずつ積層したＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ ３−Ｍ
ＱＷ（Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）層５、
厚さ約２０００ｎｍのＺｎドープｐ型Ａｌ0.30Ｇａ0.21
Ｉｎ0.49Ｐクラッド層６及び厚さ約６０００ｎｍのＺｎ
ドープｐ型Ａｌ0.87Ｉｎ0.13Ｐウィンドウ層７を順次有
機金属気相成長方法により成長させたものである。
ープしたｎ型ＧａＡｓ基板１上に、厚さ約５００ｎｍの
Ｓｉドープｎ型バッファ層２、Ｓｉドープｎ型ＡｌＩｎ
Ｐ層とＳｉドープｎ型ＧａＩｎＰ層とを交互に例えば２
０層積層したＡｌＩｎＰ／ＧａＩｎＰ多層膜（以下「格
子歪み緩和層」という。）３、厚さ約２０００ｎｍのＳ
ｉドープｎ型Ａｌ0.30Ｇａ0.21Ｉｎ0.49Ｐクラッド層
４、厚さ約６ｎｍのアンドープＧａ0.60Ｉｎ0.40Ｎ
0.005Ａｓ0.995量子井戸層と厚さ約６ｎｍのアンドープ
Ａｌ0.30Ｇａ0.21Ｉｎ0.49Ｐバリア層とを例えば３周期
ずつ積層したＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ ３−Ｍ
ＱＷ（Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）層５、
厚さ約２０００ｎｍのＺｎドープｐ型Ａｌ0.30Ｇａ0.21
Ｉｎ0.49Ｐクラッド層６及び厚さ約６０００ｎｍのＺｎ
ドープｐ型Ａｌ0.87Ｉｎ0.13Ｐウィンドウ層７を順次有
機金属気相成長方法により成長させたものである。
【００３４】格子歪み緩和層３の各層の組成及び厚さは
表１に示すとおりである。
表１に示すとおりである。
【００３５】
【表１】
【００３６】同表において、第１層がＧａＡｓ基板１側
を示し、第２０層がＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ
３−ＭＱＷ層５側を示す。
を示し、第２０層がＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ
３−ＭＱＷ層５側を示す。
【００３７】格子歪み緩和層３の各層の厚さは、ＧａＩ
ｎＮＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ ３−ＭＱＷ層５の設計波長
である１．３μｍをそれぞれの屈折率で割った値をさら
に０．２５倍した値であり、格子歪み緩和層３が多層反
射膜としても機能するようになっている。
ｎＮＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ ３−ＭＱＷ層５の設計波長
である１．３μｍをそれぞれの屈折率で割った値をさら
に０．２５倍した値であり、格子歪み緩和層３が多層反
射膜としても機能するようになっている。
【００３８】このようにして成長したエピタキシャルウ
ェハを約３００μｍ角のチップに加工し、金・ゲルマニ
ウム・ニッケル合金（ＡｕＧｅＮｉ）からなる下部電極
８及び金・亜鉛合金（ＡｕＺｎ）からなる上部電極９を
形成した。上部電極９は直径１２０μｍの円形電極であ
る。さらに上部電極９に金ワイヤ１０をボンディングす
ることにより、ＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ ３−
ＭＱＷ層５を発光層とする発光ダイオードが得られた。
ェハを約３００μｍ角のチップに加工し、金・ゲルマニ
ウム・ニッケル合金（ＡｕＧｅＮｉ）からなる下部電極
８及び金・亜鉛合金（ＡｕＺｎ）からなる上部電極９を
形成した。上部電極９は直径１２０μｍの円形電極であ
る。さらに上部電極９に金ワイヤ１０をボンディングす
ることにより、ＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ ３−
ＭＱＷ層５を発光層とする発光ダイオードが得られた。
【００３９】この発光ダイオードに直流電流を通電し、
発光出力５ｍＷ時の発光スペクトルを光スペクトルアナ
ライザで測定したところ、図２に示すような発光スペク
トルが得られた。すなわち、Ｇａ0.60Ｉｎ0.40Ｎ0.005
Ａｓ0.995／Ａｌ0.30Ｇａ0.21Ｉｎ0.49Ｐ ３−ＭＱＷ
層５を発光層とし、中心波長１．３３μｍで発光する半
導体素子を得ることができた。尚、図２は図１に示した
半導体素子の発光スペクトルを示す図であり、横軸が波
長を示し、縦軸が発光強度を示す。
発光出力５ｍＷ時の発光スペクトルを光スペクトルアナ
ライザで測定したところ、図２に示すような発光スペク
トルが得られた。すなわち、Ｇａ0.60Ｉｎ0.40Ｎ0.005
Ａｓ0.995／Ａｌ0.30Ｇａ0.21Ｉｎ0.49Ｐ ３−ＭＱＷ
層５を発光層とし、中心波長１．３３μｍで発光する半
導体素子を得ることができた。尚、図２は図１に示した
半導体素子の発光スペクトルを示す図であり、横軸が波
長を示し、縦軸が発光強度を示す。
【００４０】（実施例２）図３は本発明の半導体素子の
他の実施例を示す構造図である。
他の実施例を示す構造図である。
【００４１】図３に示した半導体素子の図１に示した半
導体素子との相違点は、量子井戸層１６と上部電極２０
との間に多層反射膜１７を有する点である。
導体素子との相違点は、量子井戸層１６と上部電極２０
との間に多層反射膜１７を有する点である。
【００４２】図３に示す半導体素子の本体は、Ｓｉをド
ープしたｎ型ＧａＡｓ基板１１上に、厚さ約５００ｎｍ
のＳｉドープｎ型ＧａＡｓバッファ層１２、Ｓｉドープ
ｎ型ＡｌＩｎＰ層とＳｉドープｎ型ＧａＩｎＰ層とを交
互に例えば３０層積層したＡｌＩｎＰ／ＧａＩｎＰ多層
膜（以下「格子歪み緩和層」という。）１３、厚さ約２
３０ｎｍのＳｉドープｎ型Ａｌ0.30Ｇａ0.21Ｉｎ0.49Ｐ
光閉じ込め層１４、厚さ約６ｎｍのアンドープＧａ0.60
Ｉｎ0.40Ｎ0.005Ａｓ0.995量子井戸層と厚さ約６ｎｍの
アンドープＡｌ0.30Ｇａ0.21Ｉｎ0.49Ｐバリア層とを例
えば３周期積層したＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ
３−ＭＱＷ層１５、厚さ約２３０ｎｍのＺｎドープｐ型
Ａｌ0.30Ｇａ0.21Ｉｎ0.49Ｐ光閉じ込め層１６、厚さ約
１２１ｎｍのＺｎドープｐ型Ａｌ0.13Ｉｎ0.87Ｐと厚さ
約１０８ｎｍのＺｎドープｐ型Ｇａ0.13Ｉｎ0.87Ｐとを
交互に例えば２０層積層したＡｌＩｎＰ／ＧａＩｎＰ多
層反射膜１７及び厚さ約１０ｎｍのＺｎドープｐ型Ａｌ
0.30Ｇａ0.21Ｉｎ0.49Ｐコンタクト層１８を順次有機金
属気相成長法により成長したものである。格子歪み緩和
層１３の各層の組成及び厚さは表２に示すとおりであ
る。
ープしたｎ型ＧａＡｓ基板１１上に、厚さ約５００ｎｍ
のＳｉドープｎ型ＧａＡｓバッファ層１２、Ｓｉドープ
ｎ型ＡｌＩｎＰ層とＳｉドープｎ型ＧａＩｎＰ層とを交
互に例えば３０層積層したＡｌＩｎＰ／ＧａＩｎＰ多層
膜（以下「格子歪み緩和層」という。）１３、厚さ約２
３０ｎｍのＳｉドープｎ型Ａｌ0.30Ｇａ0.21Ｉｎ0.49Ｐ
光閉じ込め層１４、厚さ約６ｎｍのアンドープＧａ0.60
Ｉｎ0.40Ｎ0.005Ａｓ0.995量子井戸層と厚さ約６ｎｍの
アンドープＡｌ0.30Ｇａ0.21Ｉｎ0.49Ｐバリア層とを例
えば３周期積層したＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ
３−ＭＱＷ層１５、厚さ約２３０ｎｍのＺｎドープｐ型
Ａｌ0.30Ｇａ0.21Ｉｎ0.49Ｐ光閉じ込め層１６、厚さ約
１２１ｎｍのＺｎドープｐ型Ａｌ0.13Ｉｎ0.87Ｐと厚さ
約１０８ｎｍのＺｎドープｐ型Ｇａ0.13Ｉｎ0.87Ｐとを
交互に例えば２０層積層したＡｌＩｎＰ／ＧａＩｎＰ多
層反射膜１７及び厚さ約１０ｎｍのＺｎドープｐ型Ａｌ
0.30Ｇａ0.21Ｉｎ0.49Ｐコンタクト層１８を順次有機金
属気相成長法により成長したものである。格子歪み緩和
層１３の各層の組成及び厚さは表２に示すとおりであ
る。
【００４３】
【表２】
【００４４】尚、同表において、第１層がＧａＡｓ基板
１１側を示し、第３０層がＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＧａＩ
ｎＰ ３−ＭＱＷ層１５側を示す。
１１側を示し、第３０層がＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＧａＩ
ｎＰ ３−ＭＱＷ層１５側を示す。
【００４５】実施例１に示した半導体素子と同様に、実
施例２に示す半導体素子の格子歪み緩和層１３の各層の
厚さは、ＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ ３−ＭＱＷ
層１５の設計波長である１．３μｍをそれぞれの屈折率
で割った値をさらに０．２５倍した値であり、格子歪み
緩和層１３が多層反射膜としても機能するようになって
いる。
施例２に示す半導体素子の格子歪み緩和層１３の各層の
厚さは、ＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ ３−ＭＱＷ
層１５の設計波長である１．３μｍをそれぞれの屈折率
で割った値をさらに０．２５倍した値であり、格子歪み
緩和層１３が多層反射膜としても機能するようになって
いる。
【００４６】このようにして、成長したエピタキシャル
ウェハを約３００μｍ角のチップに加工し、ＡｕＧｅＮ
ｉからなる下部電極１９及びＡｕＺｎからなる上部電極
２０を形成した。上部電極２０は直径約１０μｍの円形
の窓を有するリング電極である。また、上部電極２０の
下に位置する多層反射膜１７の一部は予め選択酸化して
おき、電流狭窄が生じるように形成した。さらに、上部
電極２０にＡｕワイヤ２１をボンディングすることによ
り、格子歪み緩和層１３及び多層反射膜１７からなる垂
直共振器を有する面発光レーザを得ることができた。
ウェハを約３００μｍ角のチップに加工し、ＡｕＧｅＮ
ｉからなる下部電極１９及びＡｕＺｎからなる上部電極
２０を形成した。上部電極２０は直径約１０μｍの円形
の窓を有するリング電極である。また、上部電極２０の
下に位置する多層反射膜１７の一部は予め選択酸化して
おき、電流狭窄が生じるように形成した。さらに、上部
電極２０にＡｕワイヤ２１をボンディングすることによ
り、格子歪み緩和層１３及び多層反射膜１７からなる垂
直共振器を有する面発光レーザを得ることができた。
【００４７】この面発光レーザに直流電流を通電し、発
光出力５ｍＷ時の発光スペクトルを光スペクトルアナラ
イザで測定したところ、図４に示すような発光スペクト
ルが得られた。
光出力５ｍＷ時の発光スペクトルを光スペクトルアナラ
イザで測定したところ、図４に示すような発光スペクト
ルが得られた。
【００４８】図４は図３に示した半導体素子の発光スペ
クトルを示す図であり、横軸が波長を示し、縦軸が発光
強度を示す。
クトルを示す図であり、横軸が波長を示し、縦軸が発光
強度を示す。
【００４９】図４からレーザが波長１．３１９μｍで発
振していることが分かる。すなわち、本実施例によっ
て、Ｇａ0.60Ｉｎ0.40Ｎ0.005Ａｓ0.995／Ａｌ0.30Ｇａ
0.21Ｉｎ0.49Ｐ ３−ＭＱＷ層１５を発光層とする発振
波長１．３１９μｍの面発光レーザを得ることができ
た。
振していることが分かる。すなわち、本実施例によっ
て、Ｇａ0.60Ｉｎ0.40Ｎ0.005Ａｓ0.995／Ａｌ0.30Ｇａ
0.21Ｉｎ0.49Ｐ ３−ＭＱＷ層１５を発光層とする発振
波長１．３１９μｍの面発光レーザを得ることができ
た。
【００５０】（最適条件についての根拠）格子歪み緩和
層３、１３を構成する材料系をＡｌＧａＩｎＰ系半導体
に限定した根拠は以下の理由による。
層３、１３を構成する材料系をＡｌＧａＩｎＰ系半導体
に限定した根拠は以下の理由による。
【００５１】ＡｌＧａＩｎＰ系半導体は、その組成比に
より、格子定数をＡｌＰ及びＧａＰの５．４５１オング
ストロームからＩｎＰの５．８６９オングストロームま
で広範囲で変化させることができるため、格子歪み緩和
層３、１３の形成に適した材料であると言える。さら
に、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体は、Ａｌ組成を増加させる
と屈折率が減少し、Ｇａ組成を増加させると屈折率が増
加するため、Ａｌリッチな層とＧａリッチな層とを交互
に積層することで屈折率差を利用した多層反射膜を形成
でき、発光素子における光の取り出し効率の増加に寄与
させることができる。
より、格子定数をＡｌＰ及びＧａＰの５．４５１オング
ストロームからＩｎＰの５．８６９オングストロームま
で広範囲で変化させることができるため、格子歪み緩和
層３、１３の形成に適した材料であると言える。さら
に、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体は、Ａｌ組成を増加させる
と屈折率が減少し、Ｇａ組成を増加させると屈折率が増
加するため、Ａｌリッチな層とＧａリッチな層とを交互
に積層することで屈折率差を利用した多層反射膜を形成
でき、発光素子における光の取り出し効率の増加に寄与
させることができる。
【００５２】格子歪み緩和層３、１３を構成する材料と
しては、他にＡｌＧａＡｓ系半導体やＩｎＧａＡｓＰ系
半導体が考えられるが、ＡｌＧａＡｓ系半導体は格子定
数を変化させられる範囲がＧａＡｓの５．６５３オング
ストロームからＡｌＡｓの５．６６０オングストローム
までと小さく、格子歪み緩和層には適さない。また、Ｉ
ｎＧａＡｓＰ系半導体は１．３μｍ帯では屈折率差を大
きくとることができず、多層反射膜の形成には適さな
い。
しては、他にＡｌＧａＡｓ系半導体やＩｎＧａＡｓＰ系
半導体が考えられるが、ＡｌＧａＡｓ系半導体は格子定
数を変化させられる範囲がＧａＡｓの５．６５３オング
ストロームからＡｌＡｓの５．６６０オングストローム
までと小さく、格子歪み緩和層には適さない。また、Ｉ
ｎＧａＡｓＰ系半導体は１．３μｍ帯では屈折率差を大
きくとることができず、多層反射膜の形成には適さな
い。
【００５３】これらの事実を鑑みると、本発明における
格子歪み緩和層にはＡｌＧａＩｎＰ系半導体が最適であ
ると判断することができる。
格子歪み緩和層にはＡｌＧａＩｎＰ系半導体が最適であ
ると判断することができる。
【００５４】ここで、本発明に関わる半導体素子は発光
素子である必要はなく、例えばトランジスタ等の電子デ
バイスや太陽電池等に適用することができる。
素子である必要はなく、例えばトランジスタ等の電子デ
バイスや太陽電池等に適用することができる。
【００５５】また、本発明に関わる半導体素子は必ずし
も単独のチップ形状で用いる必要はなく、必要に応じて
レーザダイオードアレイやＬＥＤアレイとしてもよい。
も単独のチップ形状で用いる必要はなく、必要に応じて
レーザダイオードアレイやＬＥＤアレイとしてもよい。
【００５６】本発明に関わる半導体素子を半導体レーザ
に応用するにあたり、レーザ共振器は必ずしも多層膜反
射鏡による垂直共振器である必要はなく、例えば劈開面
を反射鏡とする共振器や、半導体素子内に設けた周期構
造（グレーティング）共振器、フォトニック結晶共振器
を用いてもよい。
に応用するにあたり、レーザ共振器は必ずしも多層膜反
射鏡による垂直共振器である必要はなく、例えば劈開面
を反射鏡とする共振器や、半導体素子内に設けた周期構
造（グレーティング）共振器、フォトニック結晶共振器
を用いてもよい。
【００５７】さらに、本発明に関わる半導体素子は、例
えば石英系のシングルモード光ファイバを用いた光通信
用のレーザダイオードへと応用することができる。
えば石英系のシングルモード光ファイバを用いた光通信
用のレーザダイオードへと応用することができる。
【００５８】
【発明の効果】以上要するに本発明によれば、半導体基
板と格子定数が異なる半導体層を用いても製造が容易な
半導体素子の提供を実現することができる。
板と格子定数が異なる半導体層を用いても製造が容易な
半導体素子の提供を実現することができる。
【図１】本発明の半導体素子の一実施例を示す構造図で
ある。
ある。
【図２】図１に示した半導体素子の発光スペクトルを示
す図である。
す図である。
【図３】本発明の半導体素子の他の実施例を示す構造図
である。
である。
【図４】図３に示した半導体素子の発光スペクトルを示
す図である。
す図である。
１ 半導体基板（ｎ型ＧａＡｓ基板）
２ Ｓｉドープｎ型バッファ層
３ 格子歪み緩和層（ＡｌＩｎＰ／ＧａＩｎＰ多層膜）
４ Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.30Ｇａ0.21Ｉｎ0.49Ｐクラッ
ド層 ５ 量子井戸層（ＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ ３
−ＭＱＷ層） ６ Ｚｎドープｐ型Ａｌ0.30Ｇａ0.21Ｉｎ0.49Ｐクラッ
ド層 ７ Ｚｎドープｐ型Ａｌ0.87Ｉｎ0.13Ｐウィンドウ層 ８ 下部電極 ９ 上部電極 １０ 金ワイヤ
ド層 ５ 量子井戸層（ＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ ３
−ＭＱＷ層） ６ Ｚｎドープｐ型Ａｌ0.30Ｇａ0.21Ｉｎ0.49Ｐクラッ
ド層 ７ Ｚｎドープｐ型Ａｌ0.87Ｉｎ0.13Ｐウィンドウ層 ８ 下部電極 ９ 上部電極 １０ 金ワイヤ
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 二口 尚樹
東京都千代田区大手町一丁目６番１号 日
立電線株式会社内
Ｆターム(参考） 5F041 AA40 CA05 CA34 CA35 CA49
CA57 CA65 CA85 FF14
5F045 AA04 AB10 AB17 AB18 AF04
AF05 BB12 CA09 DA53 DA55
5F073 AA74 AB17 BA02 CA17 CB02
CB22 DA05
Claims (4)
- 【請求項１】 半導体基板上に少なくとも一層のＧａx1
Ｉｎ1-x1Ｎy1Ａｓ1- y1層（０＜ｘ１＜１、０＜ｙ１＜
１）を含む量子井戸層を有する半導体素子において、上
記半導体基板と上記量子井戸層との間に、ＡｌＩｎＰ層
及びＧａＩｎＰ層の多層膜からなり、各層の格子定数が
上記半導体基板側では上記半導体基板の格子定数に近
く、上記量子井戸層側では上記量子井戸層の格子定数に
近く、かつ、上記半導体基板の格子定数の値から上記量
子井戸層の格子定数の値までの間で徐々に変化するよう
に形成された格子歪み緩和層を設けたことを特徴とする
半導体素子。 - 【請求項２】 上記量子井戸層の上にＡｌzＩｎ1-zＰ層
及びＧａzＩｎ1-zＰ層（０＜ｚ＜１）を交互に積層した
多層反射膜を有する請求項１に記載の半導体素子。 - 【請求項３】 上記格子歪み緩和層の各層は、屈折率が
交互に増減するように形成されている請求項１または２
に記載の半導体素子。 - 【請求項４】 上記量子井戸層は、上記Ｇａx1Ｉｎ1-x1
Ｎy1Ａｓ1-y1層及びＡｌx2Ｇａy2Ｉｎ1-x2-y2Ｐ層（０
≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１）を２層以上交互に積層した
積層構造を有する請求項１から３のいずれかに記載の半
導体素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002158679A JP2003347582A (ja) | 2002-05-31 | 2002-05-31 | 半導体素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002158679A JP2003347582A (ja) | 2002-05-31 | 2002-05-31 | 半導体素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003347582A true JP2003347582A (ja) | 2003-12-05 |
Family
ID=29773800
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002158679A Pending JP2003347582A (ja) | 2002-05-31 | 2002-05-31 | 半導体素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003347582A (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009139935A1 (en) * | 2008-05-15 | 2009-11-19 | Alliance For Sustainable Energy, Llc | High performance, high bandgap, lattice-mismatched, gainp solar cells |
| EP2131458A2 (en) | 2008-06-03 | 2009-12-09 | Ricoh Company, Ltd. | Vertical cavity surface emitting laser (vcsel), vcsel array device, optical scanning apparatus, and image forming apparatus |
| JP2011192821A (ja) * | 2010-03-15 | 2011-09-29 | Showa Denko Kk | 発光ダイオード |
| US8735202B2 (en) | 2002-05-21 | 2014-05-27 | Alliance For Sustainable Energy, Llc | High-efficiency, monolithic, multi-bandgap, tandem, photovoltaic energy converters |
| US8772628B2 (en) | 2004-12-30 | 2014-07-08 | Alliance For Sustainable Energy, Llc | High performance, high bandgap, lattice-mismatched, GaInP solar cells |
| US8772623B2 (en) | 2002-05-21 | 2014-07-08 | Alliance For Sustainable Energy, Llc | Low-bandgap, monolithic, multi-bandgap, optoelectronic devices |
| US9543468B2 (en) | 2010-10-12 | 2017-01-10 | Alliance For Sustainable Energy, Llc | High bandgap III-V alloys for high efficiency optoelectronics |
| US9590131B2 (en) | 2013-03-27 | 2017-03-07 | Alliance For Sustainable Energy, Llc | Systems and methods for advanced ultra-high-performance InP solar cells |
-
2002
- 2002-05-31 JP JP2002158679A patent/JP2003347582A/ja active Pending
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8735202B2 (en) | 2002-05-21 | 2014-05-27 | Alliance For Sustainable Energy, Llc | High-efficiency, monolithic, multi-bandgap, tandem, photovoltaic energy converters |
| US8772623B2 (en) | 2002-05-21 | 2014-07-08 | Alliance For Sustainable Energy, Llc | Low-bandgap, monolithic, multi-bandgap, optoelectronic devices |
| US9231135B2 (en) | 2002-05-21 | 2016-01-05 | Alliance For Sustainable Energy, Llc | Low-bandgap, monolithic, multi-bandgap, optoelectronic devices |
| US9293615B2 (en) | 2002-05-21 | 2016-03-22 | Alliance For Sustainable Energy, Llc | Low-bandgap, monolithic, multi-bandgap, optoelectronic devices |
| US8772628B2 (en) | 2004-12-30 | 2014-07-08 | Alliance For Sustainable Energy, Llc | High performance, high bandgap, lattice-mismatched, GaInP solar cells |
| US9484480B2 (en) | 2004-12-30 | 2016-11-01 | Alliance For Sustainable Energy, Llc | High performance, high bandgap, lattice-mismatched, GaInP solar cells |
| WO2009139935A1 (en) * | 2008-05-15 | 2009-11-19 | Alliance For Sustainable Energy, Llc | High performance, high bandgap, lattice-mismatched, gainp solar cells |
| EP2131458A2 (en) | 2008-06-03 | 2009-12-09 | Ricoh Company, Ltd. | Vertical cavity surface emitting laser (vcsel), vcsel array device, optical scanning apparatus, and image forming apparatus |
| JP2011192821A (ja) * | 2010-03-15 | 2011-09-29 | Showa Denko Kk | 発光ダイオード |
| US9543468B2 (en) | 2010-10-12 | 2017-01-10 | Alliance For Sustainable Energy, Llc | High bandgap III-V alloys for high efficiency optoelectronics |
| US9590131B2 (en) | 2013-03-27 | 2017-03-07 | Alliance For Sustainable Energy, Llc | Systems and methods for advanced ultra-high-performance InP solar cells |
| US10026856B2 (en) | 2013-03-27 | 2018-07-17 | Alliance For Sustainable Energy, Llc | Systems and methods for advanced ultra-high-performance InP solar cells |
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