JP2004111881A - 半導体光デバイス、半導体発光素子および半導体変調素子 - Google Patents
半導体光デバイス、半導体発光素子および半導体変調素子 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】ガリウム、インジウム、窒素、砒素及びアンチモンを含みより優れた結晶性を有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を含む半導体光デバイスを提供する。
【解決手段】半導体発光素子１は、ＧａＡｓ半導体基板３の主面３ａ上に設けられている半導体積層部５を備える。半導体積層部５は、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７と、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９とを備える。第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７は、ガリウム、砒素及びアンチモンを含む。第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９は、ガリウム、インジウム、窒素、砒素及びアンチモンを含む。第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７は、ＧａＡｓ半導体基板３上に設けられている。第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９は、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７上に設けられている。
【選択図】 図２
【解決手段】半導体発光素子１は、ＧａＡｓ半導体基板３の主面３ａ上に設けられている半導体積層部５を備える。半導体積層部５は、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７と、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９とを備える。第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７は、ガリウム、砒素及びアンチモンを含む。第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９は、ガリウム、インジウム、窒素、砒素及びアンチモンを含む。第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７は、ＧａＡｓ半導体基板３上に設けられている。第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９は、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７上に設けられている。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体光デバイス、半導体発光素子および半導体変調素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
文献（Ｗ． Ｈａ ｅｔ ａｌ． Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｌｅｔｔ． ３８（６） ｐｐ．２７７−２７８ ２００２）には、ＧａＡｓ半導体基板上に設けられたＧａＩｎＮＡｓＳｂ量子井戸層と、ＧａＮＡｓＳｂバリア層とを備える半導体レーザ素子が記載されている。
【０００３】
【非特許文献１】
Ｗ． Ｈａ ｔ ａｌ． Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｌｅｔｔ． ３８（６） ｐｐ．２７７−２７８ ２００２
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
発明者らは、ＧａＩｎＮＡｓ半導体が半導体レーザ素子の活性層の材料として有望であると考えている。また、発明者らは、ＧａＩｎＮＡｓ活性層を備える半導体レーザ素子を実用化するためには更なる研究が必要であるとも考えている。この半導体レーザ素子は、ＧａＩｎＮＡｓ半導体を備えており、このＧａＩｎＮＡｓ半導体の格子定数は、ＧａＡｓ半導体の格子定数に対して２パーセント程度大きい。この格子定数の差のために、量子井戸層の膜厚の揺らぎに起因して、ＧａＩｎＮＡｓ半導体を含む量子井戸構造の不均一性が生じやすい。この不均一性のため、この素子の光学特性を更に優れたものにすることが望まれている。ＧａＩｎＮＡｓ半導体における砒素原子（Ａｓ）の一部分がアンチモン原子（Ｓｂ）で置換すると、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体が構成される。ＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体を含む量子井戸構造では、ＧａＩｎＮＡｓ半導体を含む量子井戸構造に比べて光学特性および光学特性の均一性が共に改善される。
【０００５】
しかしながら、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体の格子定数は、ＧａＩｎＮＡｓ半導体の格子定数より大きくなる。結果として、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体の格子定数とＧａＡｓ半導体の格子定数との違いは２パーセントを越える。ＧａＡｓ半導体の表面上にＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体を形成すると、このＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体の歪みは、ＧａＩｎＮＡｓ半導体に比べて大きくなる。故に、ＧａＡｓ半導体層上のＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体を含む半導体レーザ素子といった半導体光素子においては、該半導体光素子の動作中に格子欠陥が生じやすくなり、歪みを内包するＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体は、半導体光素子の信頼性を低下させている可能性がある。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、ガリウム、インジウム、窒素、砒素及びアンチモンを含みより優れた結晶性を有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を含む半導体光デバイス、半導体発光素子および半導体変調素子を提供することにある。
【０００７】
【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係わる。半導体光デバイスは、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを備える。第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、ＧａＡｓ半導体基板上に設けられており、ガリウム、砒素及びアンチモンを含む。第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に設けられており、ガリウム、インジウム、窒素、砒素及びアンチモンを含む。
【０００８】
本発明によれば、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を設けるので、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層がより少ないアンチモンの組成であるときでも、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、良好な結晶性を有する。
【０００９】
本発明の半導体光デバイスは、別のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を更に備えることができる。別のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層はアンチモンを含む。別のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層との間に設けられている。
【００１０】
本発明によれば、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層との間に設けられるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層がアンチモンを含む場合、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層がより少ないアンチモンの組成であるときでも、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は良好な結晶性を有する。
【００１１】
本発明の半導体光デバイスは、更なる別のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を更に備えることができる。第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、別のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と更なる別のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層との間に設けられている。更なる別のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、ガリウム、窒素、砒素及びアンチモンを含んでいる。別のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、窒素、砒素及びガリウムを更に含んでいる。
【００１２】
本発明によれば、別のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層及び更なる別のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に設けるとき、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、別のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層及び更なる別のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は良好な結晶性を有する。好適な実施例では、ガリウム、インジウム、窒素、砒素及びアンチモンを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は量子井戸層として機能し、ガリウム、窒素、砒素及びアンチモンを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は量子バリア層として機能する。
【００１３】
本発明の半導体光デバイスは、ＧａＡｓ半導体基板上に設けられた第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を更に備えることができる。第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層との間に設けられている。第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、ガリウム、砒素及びアンチモンを含む。
【００１４】
本発明によれば、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を設けるとき、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層がより少ないアンチモンの組成を有するときでも、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は良好な結晶性を有する。また、この第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に設けられた第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層も良好な結晶性を示す。
【００１５】
本発明の半導体光デバイスでは、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、ＧａＩｎＮＸＡｓＹＳｂ１−Ｘ−Ｙ半導体を含むことができる。（１−Ｘ−Ｙ）は、０．００５以上０．０１５以下の範囲にある。
【００１６】
本発明の半導体光デバイスでは、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、ＧａＺＩｎ１−ＺＮＸＡｓＹＳｂ１−Ｘ−Ｙ半導体を含むことができる。（１−Ｚ）は、０．３以上１未満の範囲にある。
【００１７】
本発明の半導体光デバイスでは、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、ＧａＩｎＮＸＡｓＹＳｂ１−Ｘ−Ｙ半導体を含むことができる。（Ｘ）は、０．００５以上０．０６以下の範囲にある。
【００１８】
本発明の別の側面は、半導体発光素子に関する。半導体発光素子は、上記の半導体光デバイスの構造を備えることができる。好適な実施例では、半導体発光素子としては、例えば、ファブリペロー半導体レーザ素子、ＤＦＢ半導体レーザ、及び面発光型半導体レーザ素子がある。
【００１９】
本発明の更なる別の側面は、半導体変調素子に関する。半導体変調素子は、上記の半導体光デバイスの構造を備えることができる。好適な実施例では、半導体変調素子としては、例えば、電界吸収型半導体変調素子がある。
【００２０】
本発明のまた更なる別の側面は、半導体光導波路素子に関する。半導体光導波路素子は、上記の半導体光デバイスの構造を備えることができる。
【００２１】
本発明の更なるまた別の側面は、半導体光増幅素子に関する。半導体光増幅素子は、上記の半導体光デバイスの構造を備えることができる。
【００２２】
本発明の上記の目的及び他の目的、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。
【００２３】
【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。この半導体光デバイスは、半導体発光素子および半導体変調素子の少なくともいずれかを含むことができる。好適な実施例では、半導体発光素子としては、例えば、ファブリペロー半導体レーザ素子、ＤＦＢ半導体レーザ、及び垂直共振型面発光半導体レーザ素子がある。また、好適な実施例では、半導体変調素子としては、電界吸収型半導体変調素子がある。
【００２４】
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態の半導体光デバイスを示す斜視図である。図２（ａ）は、図１に示されたＩ−Ｉ線に沿って取られた断面図である。図２（ｂ）は、半導体積層部の構造を示す図面である。本実施の形態では、半導体光デバイスは半導体発光素子の機能を発揮する構造を備える。
【００２５】
図１、図２（ａ）及び図２（ｂ）を参照すると、半導体発光素子１は、ＧａＡｓ半導体基板３の主面３ａ上に設けられている半導体積層部５を備える。半導体積層部５は、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７と、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９とを備える。第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７は、ガリウム、砒素及びアンチモンを含んでおり、Ｖ族元素として実質的に窒素（Ｎ）を含まない。第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９は、ガリウム、インジウム、窒素、砒素及びアンチモンを含む。第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７は、ＧａＡｓ半導体基板３の主面３ａ上に設けられている。第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９は、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７上に設けられている。
【００２６】
この構造によれば、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７上に第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９を設けるので、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９がより少ないアンチモンの組成であるときでも、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９は、良好な結晶性を有する。半導体積層部５において、ＧａＡｓ半導体の表面に設けられたガリウム、砒素及びアンチモンを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に、アンチモンを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を順に設ける場合には、より少ないアンチモン組成でも良好な結晶性を有する半導体積層部５が得られる。アンチモンの組成を少なくすと、ガリウム、インジウム、窒素、砒素及びアンチモンを含む量子井戸層とＧａＡｓ半導体との間の格子定数の違いを小さくできる。ＧａＡｓ半導体と量子井戸層との間の結晶歪みを低減できる。
【００２７】
半導体発光素子１は、ＧａＡｓ半導体基板３の主面上３ａに設けられた第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１１を更に備えることができる。第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９は、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７と第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１１との間に設けられている。第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１１は、ガリウム、砒素及びアンチモンを含む。第１〜第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７、９、１１は、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造を構成することができる。単一量子井戸（ＳＱＷ）構造においては、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９は量子井戸層として機能しており、第１及び第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７、１１は、量子バリア層として機能している。
【００２８】
この構造によれば、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７上に第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９を設けるとき、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層がより少ないアンチモンの組成を有するときでも、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層及び第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は良好な結晶性を示す。
【００２９】
半導体発光素子１は、第４及び第５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１３、１５を更に備えることができる。第４及び第５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１３、１５は、基板３上に設けられている。第４のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１３の導電型は、第５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１５の導電型と異なる。半導体積層部５は、第４のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１３と第５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１５との間に位置する。第４のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１３の屈折率は、第１及び第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７、９の屈折率より小さい。第５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１５の屈折率は、第２及び第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９、１１の屈折率より小さい。
【００３０】
半導体発光素子１は、光導波路層１７、１９を更に備えることができる。光導波路層１７、１９は、基板３上に設けられている。光導波路層１７は、半導体積層部５と第４のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１３との間に設けられている。光導波路層１９は、半導体積層部５と第５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１５との間に設けられている。光導波路層１７のバンドギャップは、第４のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１３より小さい。光導波路層１９のバンドギャップは、第５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１５のバンドギャップより小さい。光導波路層１７のバンドギャップは、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９のバンドギャップより大きい。光導波路層１９のバンドギャップは、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９のバンドギャップより大きい。この結果、第４及び第５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１３、１５から提供されたキャリア（正孔及び電子）は、光導波路層１５、１７によって半導体積層部５に閉じ込められる。キャリアが半導体積層部５に注入されると、光が発生する。
【００３１】
また、光導波路層１７の屈折率は、第４のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１３の屈折率より大きい。光導波路層１９の屈折率は、第５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１５の屈折率より大きい。この結果、発生した光は、第４及び５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１３、１５に働きによって、半導体積層部５及び光導波路層１７、１９に閉じ込められる。第４及び５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１３、１５は、光を閉じ込めるクラッド層として作用している。
【００３２】
第５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１５は、光導波路層１９上に設けられた第１の部分１５ａと、当該半導体発光素子１の一端から他端に所定の軸に沿って伸びるリッジ状の第２の部分１５ｂとを備える。
【００３３】
半導体発光素子１は、第５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１５の第２の部分１５ｂ上に設けられたコンタクト層２０を備える。また、半導体発光素子１は、コンタクト層２０上に設けられた電極２１と、基板３の裏面３ｂ上に設けられた電極２３とを備える。
【００３４】
半導体発光素子１は、リッジ状の半導体層１５を備えるので、電極２１から提供され半導体積層部５に向かうキャリア２５は、リッジ状の半導体領域１５ｂから半導体積層部５に流れ込む。故に、リッジ状の半導体領域１５ｂは、半導体積層部５に向かうキャリアをガイドしている。
【００３５】
半導体発光素子１は、第５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１５上に設けられた保護膜２７を備える。保護膜２７は、シリコン窒化膜といった絶縁性シリコン無機化合物膜から構成される。
【００３６】
半導体発光素子１の実施例としては
基板３：ｎ型ＧａＡｓ半導体基板
第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７：アンドープＧａＡｓＳｂ半導体層
第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９：アンドープＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体層
第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１１：アンドープＧａＡｓＳｂ半導体層
第４のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１３：ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ半導体層
第５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１５：ｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ半導体層
光導波路層１７：アンドープＧａＡｓ半導体層
光導波路層１９：アンドープＧａＡｓ半導体層
コンタクト層２７：ｐ型ＧａＡｓ半導体層
が示される。
【００３７】
図２（ｃ）は、半導体積層部の変形例を示す図面である。図２（ｃ）を参照すると、積層半導体部５ａは、複数の量子バリア層２９ａ〜２９ｄと、複数の量子井戸層３１ａ〜３１ｃとを備える。量子バリア層２９ａ〜２９ｄの各々は、ガリウム、砒素及びアンチモンを含む。量子井戸層３１ａ〜３１ｃの各々は、ガリウム、インジウム、窒素、砒素及びアンチモンを含む。複数の量子井戸層３１ａ〜３１ｃの各々は、複数の量子バリア層２９ａ〜２９ｄのうちのいずれか２つの間に挟まれている。量子バリア層２９ａ〜２９ｄ及び量子井戸層３１ａ〜３１ｃは、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を構成することができる。
【００３８】
量子井戸構造に実施例としては
量子バリア層２９ａ〜２９ｄ：アンドープＧａＡｓＳｂ半導体層
量子井戸層３１ａ〜３１ｃ：アンドープＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体層
が示される。
【００３９】
多重量子井戸（ＭＱＷ）構造においても、ＧａＡｓ半導体の表面に設けられたガリウム、砒素及びアンチモンを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に、アンチモンを含むいくつかのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を順に設ける場合には、より少ないアンチモン組成でも良好な結晶性を有する半導体積層部５ａが得られる。アンチモンの組成を少なくすると、ガリウム、インジウム、窒素、砒素及びアンチモンを含む量子井戸層とＧａＡｓ半導体との間の格子定数の違いを小さくできる。ＧａＡｓ半導体と量子井戸層との間の結晶歪みを低減できる。
【００４０】
（第２の実施の形態）
図３（ａ）は、別の実施の形態の半導体光デバイスを示す断面図である。この断面図は、図１に示されたＩ−Ｉ線と等価な線に沿って取られている。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示された半導体光デバイスの積層半導体部を示す図面である。本実施の形態では、半導体光デバイスは半導体発光素子の機能を発揮する構造を備える。
【００４１】
図３（ａ）を参照すると、半導体発光素子１ａは、半導体発光素子１の半導体積層部５に替えて半導体積層部３３を備える。半導体積層部３３は、第４のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１３及び光導波路層１７上に設けられている。
【００４２】
半導体積層部３３は、ＧａＡｓ半導体の表面上に設けられたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層３５と、量子井戸構造部３７とを備える。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層３５は、ガリウム、砒素及びアンチモンを含む。量子井戸構造部３７は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層３５上に設けられている。
【００４３】
図３（ｂ）を参照すると、積層半導体部３３の量子井戸構造部３７は、複数の量子バリア層３９ａ〜３９ｄと、一又は複数の量子井戸層４１ａ〜４１ｃとを備える。量子バリア層３９ａ〜３９ｄの各々は、ガリウム、窒素、砒素及びアンチモンを含む。量子井戸層４１ａ〜４１ｃの各々は、ガリウム、インジウム、窒素、砒素及びアンチモンを含む。複数の量子井戸層４１ａ〜４１ｃの各々は、複数の量子バリア層３９ａ〜３９ｄのうちのいずれか２つの間に挟まれている。量子バリア層３９ａ〜３９ｄ及び量子井戸層４１ａ〜４１ｃは、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を構成することができる。
【００４４】
量子バリア層に窒素をＶ族元素として加えると、所望の波長を得るための量子井戸の組成、井戸幅等の設計の自由度が、第１の実施の形態における量子井戸構造に比べて増すことができる。
【００４５】
半導体積層部３３が多重量子井戸（ＭＱＷ）構造においても、ＧａＡｓ半導体の表面に設けられたガリウム、砒素及びアンチモンを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層３５上に、アンチモンを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層３９ａ〜３９ｄ、４１ａ〜４１ｃを順に設ける場合には、より少ないアンチモン組成でも良好な結晶性を有する量子井戸構造部３７が得られる。アンチモンの組成を少なくすと、ＧａＡｓ半導体と、ガリウム、インジウム、窒素、砒素及びアンチモンを含む量子井戸層との間の格子定数の違いを小さくできる。ＧａＡｓ半導体と量子井戸層との間の結晶歪みを低減できる。
【００４６】
本実施の形態では、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する半導体発光素子を説明したが、本実施の形態は、単一量子井戸構想（ＳＱＷ） 構造を有する半導体発光素子にも適用でき、同様の技術的な利益を得ることができる。
【００４７】
図３（ｃ）は、本実施の形態の半導体発光素子の半導体積層部の変形例を示す図面である。半導体積層部３３ａは、ＧａＡｓ半導体の表面上に設けられたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層３５と、量子井戸構造部３７と、量子井戸構造部３７上に設けられたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層４３とを備える。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層４３は、ガリウム、砒素及びアンチモンを含む。この構造の半導体積層部３３ａを備える半導体発光素子１ｂは、半導体積層部３３と同等の技術的な利益を得ることができる。
【００４８】
積層半導体部３３及び３３ａに実施例としては
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層３５：アンドープＧａＡｓＳｂ半導体層
量子バリア層３９ａ〜３９ｄ：アンドープＧａＮＡｓＳｂ半導体層
量子井戸層４１ａ〜４１ｃ：アンドープＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体層
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層４３：アンドープＧａＡｓＳｂ半導体層
が示される。
【００４９】
発明者らの実験によれば、ＧａＡｓＳｂ半導体層及びＧａＮＡｓＳｂ半導体層といった第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体層といった第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層との間に設けるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層がアンチモンを含む場合、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層がより少ないアンチモンの組成であるときでも、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は良好な結晶性を有する。
【００５０】
（第３の実施の形態）
図４（ａ）〜図４（ｃ）及び図５（ａ）〜図５（ｃ）は、それぞれ、半導体発光素子を製造する工程を示す図面である。図４（ａ）〜図４（ｃ）及び図５（ａ）〜図５（ｃ）を参照しながら、半導体発光素子を製造する方法を説明する。
【００５１】
図４（ａ）を参照すると、主面５１ａを有するＧａＡｓ半導体基板５１といった基板を準備する。引き続き説明においては、基板は、ｎ導電型を示すＧａＡｓ半導体基板５１である。
【００５２】
図４（ｂ）を参照すると、ＧａＡｓ半導体基板５１の主面５１ａ上に、半導体膜が形成されている。これらの半導体膜は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法で堆積されている。主面５１ａ上に、第１導電型クラッド半導体膜５３、光導波路半導体膜５５、半導体積層部５７、光導波路半導体膜５９、第２導電型クラッド半導体膜６１、第２導電型コンタクト半導体膜６３を順に堆積する。半導体積層部５７は、バリア膜６５ａ〜６５ｄと、量子井戸膜６７ａ〜６７ｃとを備える。量子井戸膜は、バリア膜の間に位置する。これらの半導体膜の成長は、有機金属気相エピタキシ成長（ＯＭＶＰＥ）法を用いて行っても良い。
【００５３】
半導体膜の堆積の実施例としては、
が示される。
【００５４】
図４（ｃ）を参照すると、コンタクト膜６３上にマスク層６９が形成されている。マスク層６９は、半導体リッジを形成する位置の上部に設けられている。マスク層６９の幅Ｗ１は半導体リッジ幅に応じて決定されており、例えば２マイクロメートル幅のストライプ形状である。マスク層は、例えばＳｉＮ膜といった絶縁性シリコン無機化合物膜から構成される。ＳｉＮ膜は、例えば、化学的気相成長（ＣＶＤ）法で形成される。
【００５５】
次いで、マスク層６９を用いて、第２導電型コンタクト膜６３をエッチングすると共に、第２導電型クラッド半導体膜６１を部分的にエッチングする。エッチングは、例えば、メタンガスと水素ガスを用いた反応性イオンエッチング法により行う。
【００５６】
図５（ａ）に示されるように、エッチングの結果、半導体リッジ部は、コンタクト層６３ａと、クラッド膜６１の第２の部分６１ｂとを備える。クラッド膜６１の第１の部分６１ａは、光導波路半導体膜５９の表面を覆っている。クラッド膜６１の第２の部分６１ｂは、クラッド膜６１の第１の部分６１ａ上に位置している。本実施の形態では、クラッド膜６１を１．８マイクロメートル程度エッチングして除いている。クラッド膜６１の第１の部分６１ａの厚さＨ１は、０．２マイクロメートル程度であり、クラッド膜６１の第２の部分６１ｂの高さＨ２は１．８マイクロメートル程度である。エッチングが終了した後に、マスク層６９を除去する。
【００５７】
図５（ｂ）を参照すると、半導体リッジ６５上及びクラッド膜６１の第１の部分６１ａ上に保護膜６７を形成する。保護膜６７は、半導体リッジ６５への電気的通路を提供するための開口６７ａを有している。開口６７ａは、半導体リッジ６５に沿って伸びるストライプ形状を有する。開口６７ａには、コンタクト層６３ａが露出している。次いで、開口６７ａ上に、第２導電型層のための電極６９を形成する。本実施例では、ｐ型電極を形成する。ｐ型電極を形成するために、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの金属膜を順に蒸着する。
【００５８】
次いで、半導体発光素子の厚みが１００マイクロメートル程度の厚さになるまで、基板５１の裏面を研削して基板５１ａを得る。この後、図５（ｃ）に示されるように、第１導電型層のための電極７１を形成する。本実施例では、ｎ型電極を形成する。ｎ型電極を形成するために、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕの金属膜を順に蒸着する。
【００５９】
電極６９及び電極７１を形成した後に、半導体発光素子に熱処理を施す。この熱処理は、ＲＴＡ法で行われ、その条件は、摂氏４５０度、１分である。これにより、半導体発光素子７２が完成する。
【００６０】
（第４の実施の形態）
発明者らは、第３の実施の形態において説明された製造方法を用いて、半導体レーザ素子Ｓ１を作製している。半導体レーザ素子Ｓ１では、量子井戸層がＧａ０．７Ｉｎ０．３Ｎ０．０１５Ａｓ０．９７５Ｓｂ０．０１半導体から構成されており、バリア層がＧａＡｓ０．９９Ｓｂ０．０１半導体から構成されている。発明者らは、半導体レーザ素子Ｓ２を作製している。半導体レーザ素子Ｓ２は、量子井戸層がＧａ０．７Ｉｎ０．３Ｎ０．０１５Ａｓ０．９６５Ｓｂ０．０２半導体から構成されており、バリア層がＧａＡｓ半導体から構成されている点を除いて、半導体レーザ素子Ｓ１と同じ構造を備える。レーザ発振波長は、いずれも１．３マイクロメートルである。
【００６１】
発明者らは、半導体レーザ素子Ｓ１及びＳ２に対して、一定の光出力を得るように半導体レーザ素子を連続して駆動する試験を実施している。半導体レーザ素子Ｓ２では、３００時間程度の後に駆動電流が初期値の１．５倍程度に増加している。一方、半導体レーザ素子Ｓ１では、実質的な駆動電流の変動は観測されない。この実験は、半導体レーザ素子Ｓ１が半導体レーザ素子Ｓ２に比べて優れた信頼性を有していることを示している。
【００６２】
また、発明者らは、図６（ａ）〜図６（ｅ）に示される半導体積層構造を作製して、これらのフォトルミネッセンスを測定している。まず、図６（ａ）〜図６（ｅ）に示される半導体積層構造を説明する。図６（ａ）〜図６（ｅ）に示される半導体積層構造８１ａ〜８１ｅは、ＧａＡｓ基板上に設けられたＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体から成る量子井戸層を備えている。図６（ａ）〜図６（ｃ）に示される半導体積層構造８１ａ〜８１ｃでは、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体から成る量子井戸層が、ＧａＡｓＳｂ半導体層上に設けられていない。一方、図６（ｄ）及び図６（ｅ）に示される半導体積層構造８１ｄ、８１ｅでは、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体から成る量子井戸層が、Ｖ族元素として実質的に窒素（Ｎ）を含まないＧａＡｓＳｂ半導体層上に設けられている。また、図６（ｄ）及び図６（ｅ）に示される半導体積層構造８１ｄ、８１ｅでは、ＧａＡｓＳｂ半導体層上に設けられている量子井戸構造を構成する半導体層のいずれにもアンチモンが含まれている。
【００６３】
図７は、フォトルミネッセンスピーク強度の測定結果である。図８は、フォトルミネッセンスピークの半値幅の測定結果である。図７及び図８において、横軸は、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体から成る量子井戸層内のアンチモンの組成を示しており、全Ｖ族元素に対するアンチモンのモル比をモルパーセントで示している。
【００６４】
図７を参照すると、曲線Ｃ１は、半導体積層構造８１ｄに対する測定値を表しており、曲線Ｃ２は、半導体積層構造８１ａに対する測定値を表している。ＧａＡｓバリア層上に量子井戸層を備える構造に比較して、ＧａＡｓＳｂバリア層上に量子井戸層を備える構造は、より少ないアンチモン組成で、同程度のピーク強度を示している。詳述すれば、半導体積層構造８１ａでは、アンチモン（Ｓｂ）組成が２パーセント〜４パーセントの領域Ｒ２でフォトルミネッセンスピーク強度が大きくなっている。一方、半導体積層構造８１ｄでは、アンチモン（Ｓｂ）組成が０．５パーセント〜２パーセントの領域Ｒ１でフォトルミネッセンスピーク強度が大きくなっている。
【００６５】
図８を参照すると、曲線Ｃ３は、半導体積層構造８１ｄに対する測定値を表しており、曲線Ｃ４は、半導体積層構造８１ａに対する測定値を表している。ＧａＡｓバリア層上に量子井戸層を備える構造に比較して、ＧａＡｓＳｂバリア層上に量子井戸層を備える構造は、より少ないアンチモン組成で、且つより優れた半値幅特性を示している。詳述すれば、半導体積層構造８１ａでは、アンチモン（Ｓｂ）組成が２パーセントでフォトルミネッセンスの半値幅が小さくなっている。一方、半導体積層構造８１ｄでは、アンチモン（Ｓｂ）組成が０．５パーセント以上１．５パーセント以下の領域Ｒ３でフォトルミネッセンスピーク強度が大きくなっている。また、アンチモン（Ｓｂ）組成が０．５パーセント以上１．５パーセント以下の領域で、半導体積層構造８１ｄにおけるフォトルミネッセンスの半値幅が半導体積層構造８１ａにおけるフォトルミネッセンスの半値幅より狭くなっている。
【００６６】
発明者らは、半導体積層構造８１ｂ及び８１ｃに対しての同様なフォトルミネッセンスピーク強度及び半値幅を測定する実験を行っている。半導体積層構造８１ｂ及び８１ｃのピーク強度は、半導体積層構造８１ａとほぼ同じアンチモン組成の領域にある。結果として、良好な光学特性を得るためには、半導体積層構造８１ｂ及び８１ｃの量子井戸層は、半導体積層構造８１ｄのアンチモン組成と比べてより多くのアンチモンを含む必要がある。
【００６７】
半導体積層構造８１ｂ及び８１ｃの半値幅は、半導体積層構造８１ａとほぼ同じアンチモン組成の領域において極大を示している。結果として、良好な光学特性を得るためには、半導体積層構造８１ｂ及び８１ｃの量子井戸層は、半導体積層構造８１ｄのアンチモン組成と比べてより多くのアンチモンを含む必要がある。また、半導体積層構造８１ｄの半値幅は、半導体積層構造８１ｂ及び８１ｃの量子井戸層のアンチモン組成と比べてより小さい値で、半導体積層構造８１ｂ及び８１ｃの半値幅より狭くなっている。故に、半導体積層構造８１ｄは、半導体積層構造８１ｂ及び８１ｃより優れた結晶均一性を有している。
【００６８】
発明者らは、半導体積層構造８１ｅの測定も行っている。半導体積層構造８１ｃでは、アンチモン（Ｓｂ）組成が２パーセント〜４パーセントの領域でフォトルミネッセンスピーク強度が大きくなっている。一方、半導体積層構造８１ｅでは、アンチモン（Ｓｂ）組成が０．５パーセント〜２パーセントの領域でフォトルミネッセンスピーク強度が大きくなっている。また、半導体積層構造８１ｃでは、アンチモン（Ｓｂ）組成が２パーセントでフォトルミネッセンスの半値幅が小さくなっている。一方、半導体積層構造８１ｅでは、アンチモン（Ｓｂ）組成が０．５パーセント以上１．５パーセント以下の領域でフォトルミネッセンスピーク強度が大きくなっている。また、アンチモン（Ｓｂ）組成が０．５以上１．５パーセント以下の領域で、半導体積層構造８１ｅにおけるフォトルミネッセンスの半値幅が半導体積層構造８１ｃにおけるフォトルミネッセンスの半値幅より狭くなっている。
【００６９】
半導体積層構造８１ｅにおいて、ＧａＡｓＳｂ半導体層の厚さが５ナノメートル以上５０ナノメートル以上の範囲のいくつかの値であるサンプルを作製して、フォトルミネッセンスの測定を行っている。ＧａＡｓＳｂ半導体層の厚さの変更しても、フォトルミネッセンスの結果に実質的な差は現れなかった。また、ＧａＡｓＳｂ半導体層の厚さを変更した半導体レーザ素子を作製して、上記の通電試験を行っている。ＧａＡｓＳｂ半導体層の厚さの変更しても、通電試験の結果に実質的な差は現れなかった。
【００７０】
発明者らの知見によれば、半導体光デバイスと組み合わせることが好適な条件として、ＧａＺＩｎ１−ＺＮＸＡｓＹＳｂ１−Ｘ−Ｙ半導体において、（１−Ｚ）は０．３以上１未満の範囲にあることが好ましい。０．３以上のＩｎ組成において、アンチモンの添加量を少なくして格子歪みを大きくしないという利点が好適に発揮される。ＧａＩｎＮＸＡｓＹＳｂ１−Ｘ−Ｙ半導体において、（Ｘ）は０．００５以上０．０６以下の範囲にあることが好ましい。この窒素組成の範囲により、光通信に重要な波長範囲の半導体発光素子を得ることができる。発光波長は、アンチモンの組成に実質的に依存しない。
【００７１】
図９は、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ量子井戸構造のフォトルミネッセンススペクトルを示す図面である。測定サンプルは、ＭＢＥ層により作製している。アンチモン以外の成長条件は、成長温度が摂氏４８０度であり、成長速度が２マイクロメートル／時間であり、フラックス比（Ａｓ／Ｇａ）が２０である。窒素（Ｎ）は、プラズマソースにより供給している。砒素（Ａｓ）及びアンチモン（Ｓｂ）は、Ａｓ４及びＳｂ４の形態で供給されている。量子井戸におけるＩｎ組成は０．３３程度であり、Ｎ組成は０．０１５程度であり、井戸幅は１１ナノメートルである。図９を参照すると、成長直後（ａｓ ｇｒｏｗｎ）に測定されたフォトルミネッセンスのスペクトルが示されている。ＧａＡｓ半導体上に形成され量子井戸層にのみアンチモンが添加されたサンプルＣ６では、アンチモンの最適な供給量は、１．１×１０−５パスカル（Ｐａ）（８×１０−８Ｔｏｒｒ）程度である。これに対して、薄いＧａＡｓＳｂ層上に量子井戸層を成長するサンプルＣ５では、アンチモンの供給量を１／４にしても同等以上の光学特性が得られている。この結果は、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ量子井戸層の歪みを低減するという観点から、ＧａＡｓＳｂ半導体層上に成長することが好適であることを示している。
【００７２】
ＧａＩｎＮＡｓ半導体は、ＧａＡｓ半導体基板上に成長できる光通信用波長帯（波長１．２〜１．６マイクロメートル）の材料として大きな関心を集めている。一方、ＧａＩｎＮＡｓ半導体に微量のアンチモンを加えると、光学特性が改善される。ＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体の格子歪みを小さくという観点から、アンチモンの添加量は少ないことが好ましい。上記の実験結果は、ＧａＡｓＳｂ半導体層上にＧ直接に或いはＳｂを含む半導体を介してＧａＩｎＮＡｓＳｂ量子井戸層を成長することが好適であることを示している。
【００７３】
本実施の形態において、アンチモン等の元素組成の特定は、同様の成長条件で組成評価用の試料を作製して、Ｘ線回折法と二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）法により行われている。
【００７４】
（第５の実施の形態）
図１０（ａ）は、更なる別の実施の形態に係わる半導体発光素子の構造を示す断面図である。図１０（ａ）を参照すると、垂直共振型の面発光半導体発光素子９１が示されている。面発光型の半導体発光素子９１は、ＧａＡｓ半導体の表面９３ａ上に設けられている半導体積層部９５を備える。半導体積層部９５は、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９７と、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９９とを備える。第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９７は、ガリウム、砒素及びアンチモンを含んでおり、Ｖ族として窒素（Ｎ）を実質的に含まない。第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９９は、ガリウム、インジウム、窒素、砒素及びアンチモンを含む。第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９７は、ＧａＡｓ半導体基板９３の主面９３ａ上に設けられている。第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９９は、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９７上に設けられている。
【００７５】
この構造によれば、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９７上に第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９９を設けるので、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９９がより少ないアンチモンの組成であるときでも、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９９は、良好な結晶性を有する。半導体積層部９５において、ＧａＡｓ半導体の表面に設けられたガリウム、砒素及びアンチモンを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に、アンチモンを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を順に設ける場合には、より少ないアンチモン組成でも良好な結晶性を有する半導体積層部９５が得られる。アンチモンの組成を少なくすと、ガリウム、インジウム、窒素、砒素及びアンチモンを含む量子井戸層とＧａＡｓ半導体との間の格子定数の違いを小さくできる。ＧａＡｓ半導体と量子井戸層との間の結晶歪みを低減できる。
【００７６】
半導体発光素子９１は、ＧａＡｓ半導体基板９３の主面上９３ａに設けられた第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１０１を更に備えることができる。第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９９は、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９７と第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１０１との間に設けられている。第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１０１は、ガリウム、砒素及びアンチモンを含む。第１〜第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９７、９９、１０１は、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造を構成することができる。単一量子井戸（ＳＱＷ）構造においては、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９９は量子井戸層として機能しており、第１及び第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９７、１０１は、量子バリア層として機能している。
【００７７】
この構造によれば、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９７上に第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９９を設けるとき、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９９がより少ないアンチモンの組成を有するときでも、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９９及び第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１０１は良好な結晶性を示す。
【００７８】
半導体発光素子９１は、第１の分布ブラック反射器１０３と、第２の分布ブラック反射器１０５とを備える。第１の分布ブラック反射器１０３、半導体積層部９５、及び第２の分布ブラック反射器１０５は、所定の軸に沿って順に配置されている。半導体積層部９５は、第１の分布ブラック反射器１０３と第２の分布ブラック反射器１０５との間に設けられている。半導体積層部９５は、発光のために設けられている。
【００７９】
第１の分布ブラック反射器１０３は、例えば、図１０（ｂ）に示されるように、所定の軸に沿って屈折率周期分布を提供するように設けられた半導体層１０３ａ〜１０３ｇを有している。第１の分布ブラック反射器１０３において、屈折率周期分布により反射器が構成される。また、第２の分布ブラック反射器１０５は、例えば、図１０（ｃ）に示されるように、所定の軸に沿って屈折率周期分布を提供するように積層された半導体層１０５ａ〜１０５ｇを有している。第２の分布ブラック反射器１０５において、屈折率周期構造により反射器が構成される。
【００８０】
半導体発光素子９１は、第１の分布ブラック反射器１０３と半導体積層部９５との間に設けられた第１導電型の第４のＩＩＩ−Ｖ族半導体層１０７を備える。また、半導体発光素子９１は、第２の分布ブラック反射器１０５と半導体積層部９５との間に設けられた第２導電型の第５のＩＩＩ−Ｖ族半導体層１０９を備える。第４及び第５のＩＩＩ−Ｖ族半導体層１０７、１０９のバンドギャップは、第１及び第３のＩＩＩ−Ｖ族半導体層９７、９９のバンドギャップより大きい。第４及び第５のＩＩＩ−Ｖ族半導体層１０７、１０９は、半導体積層部９５にキャリアを閉じ込めるために設けられている。
【００８１】
半導体発光素子９１は、第２の分布ブラック反射器１０５上に設けられたコンタクト層１１１と、コンタクト層１１１上に設けられ第２導電型層のための電極１１３と、基板９３の裏面９３ｂ上に設けられた第１導電型層のための電極１１５とを備える。
【００８２】
半導体発光素子９１の実施例としては
基板９３：ｎ型ＧａＡｓ半導体基板
第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９７：アンドープＧａＡｓＳｂ半導体層
第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９９：アンドープＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体層
第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１０１：アンドープＧａＡｓＳｂ半導体層
分布ブラック反射器１０３：ＡｌＡｓ半導体層及びＧａＡｓ半導体層
分布ブラック反射器１０５：ＡｌＡｓ半導体層及びＧａＡｓ半導体層
第４のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１０７：ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ半導体層
第５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１０９：ｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ半導体層
コンタクト層１１１：ｐ型ＧａＡｓ半導体層
が示される。
【００８３】
半導体発光素子９１においても、第１〜４の実施の形態において説明された様々な積層半導体部の構造を備えることができる。
【００８４】
以上説明したいくつかの実施の形態においては、半導体発光素子として動作する半導体光デバイスを説明している。しかしながら、本発明は、半導体発光素子に限定されることなく、半導体発光素子の同様の半導体積層構造を有する他の半導体光デバイスにも適用できる。例えば、半導体発光素子と同じ構造を有する半導体素子としては、半導体変調素子、半導体光導波路素子、半導体光増幅素子が例示される。半導体変調素子は、上記の半導体光デバイスの構造を備えることができる。好適な実施例では、半導体変調素子としては、例えば、電界吸収型半導体変調素子がある。また、半導体光導波路素子は、上記の半導体光デバイスの構造を備えることができる。さらに、半導体光増幅素子は、上記の半導体光デバイスの構造を備えることができる。
【００８５】
以上説明したように、ＧａＡｓＳｂ半導体層をＧａＡｓ半導体基板上に設けると共に、ＧａＡｓＳｂ半導体層上にＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体層を設ける構造によって、良好な結晶性を有するＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体層を得るためのアンチモン含有量を低減できる。ＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体及びＧａＮＡｓＳｂ半導体中においてアンチモン元素は、結晶格子を大きくするように働くので、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体及びＧａＮＡｓＳｂ半導体内のアンチモン含有量を減らすことにより、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体とＧａＡｓ半導体との格子定数の差を小さくできる。
【００８６】
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、半導体光デバイスとして半導体発光素子を説明したけれども、本発明は、本実施の形態における半導体光デバイスと同様の構造を備える半導体変調素子、半導体光導波路素子、半導体光増幅素子、及びこれらの集積素子にも適用される。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。
【００８７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ガリウム、インジウム、窒素、砒素及びアンチモンを含みより優れた結晶性を有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を含む半導体光デバイス、半導体発光素子および半導体変調素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本実施の形態の半導体光デバイスを示す斜視図である。
【図２】図２（ａ）は、図１に示されたＩ−Ｉ線に沿って取られた断面図である。図２（ｂ）は、半導体積層部の構造を示す図面である。図２（ｃ）は、半導体積層部の変形例を示す図面である。
【図３】図３（ａ）は、別の実施の形態の半導体光デバイスを示す断面図である。この断面図は、図１に示されたＩ−Ｉ線と等価が線に沿って取られている。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示された半導体光デバイスの積層半導体部を示す図面である。図３（ｃ）は、本実施の形態の半導体発光素子の半導体積層部の変形例を示す図面である。
【図４】図４（ａ）〜図４（ｃ）は、それぞれ、半導体発光素子を製造する工程を示す図面である。
【図５】図５（ａ）〜図５（ｃ）は、それぞれ、半導体発光素子を製造する工程を示す図面である。
【図６】図６（ａ）〜図６（ｅ）は、半導体積層構造を示す図面である。
【図７】図７は、フォトルミネッセンスピーク強度の測定結果を示すグラフである。
【図８】図８は、フォトルミネッセンスピークの半値幅の測定結果を示すグラフである。
【図９】図９は、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ量子井戸構造のフォトルミネッセンススペクトルを示す図面である。
【図１０】図１０（ａ）は、更なる別の実施の形態に係わる半導体発光素子の構造を示す断面図である。図１０（ｂ）及び図１０（ｃ）は、分布ブラック反射器の構造を示す図面である。
【符号の説明】
３…基板、７…第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、９…第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、１１…第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、１３…第４のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、１５…第５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、１７、１９…光導波路層、２７…コンタクト層、
５３…第１導電型クラッド半導体膜、５５…光導波路半導体膜、５７…半導体積層部、６５ａ〜６５ｄ…量子バリア層、６７ａ〜６７ｄ…量子井戸層、５９…光導波路半導体膜、６１…第２導電型クラッド半導体膜、６３…第２導電型コンタクト膜、
９３…基板、９７…第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、９９…第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、１０１…第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、１０３、１０５…分布ブラック反射器、１０７…第４のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、１０９…第５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、１１１…コンタクト層、
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体光デバイス、半導体発光素子および半導体変調素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
文献（Ｗ． Ｈａ ｅｔ ａｌ． Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｌｅｔｔ． ３８（６） ｐｐ．２７７−２７８ ２００２）には、ＧａＡｓ半導体基板上に設けられたＧａＩｎＮＡｓＳｂ量子井戸層と、ＧａＮＡｓＳｂバリア層とを備える半導体レーザ素子が記載されている。
【０００３】
【非特許文献１】
Ｗ． Ｈａ ｔ ａｌ． Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｌｅｔｔ． ３８（６） ｐｐ．２７７−２７８ ２００２
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
発明者らは、ＧａＩｎＮＡｓ半導体が半導体レーザ素子の活性層の材料として有望であると考えている。また、発明者らは、ＧａＩｎＮＡｓ活性層を備える半導体レーザ素子を実用化するためには更なる研究が必要であるとも考えている。この半導体レーザ素子は、ＧａＩｎＮＡｓ半導体を備えており、このＧａＩｎＮＡｓ半導体の格子定数は、ＧａＡｓ半導体の格子定数に対して２パーセント程度大きい。この格子定数の差のために、量子井戸層の膜厚の揺らぎに起因して、ＧａＩｎＮＡｓ半導体を含む量子井戸構造の不均一性が生じやすい。この不均一性のため、この素子の光学特性を更に優れたものにすることが望まれている。ＧａＩｎＮＡｓ半導体における砒素原子（Ａｓ）の一部分がアンチモン原子（Ｓｂ）で置換すると、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体が構成される。ＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体を含む量子井戸構造では、ＧａＩｎＮＡｓ半導体を含む量子井戸構造に比べて光学特性および光学特性の均一性が共に改善される。
【０００５】
しかしながら、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体の格子定数は、ＧａＩｎＮＡｓ半導体の格子定数より大きくなる。結果として、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体の格子定数とＧａＡｓ半導体の格子定数との違いは２パーセントを越える。ＧａＡｓ半導体の表面上にＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体を形成すると、このＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体の歪みは、ＧａＩｎＮＡｓ半導体に比べて大きくなる。故に、ＧａＡｓ半導体層上のＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体を含む半導体レーザ素子といった半導体光素子においては、該半導体光素子の動作中に格子欠陥が生じやすくなり、歪みを内包するＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体は、半導体光素子の信頼性を低下させている可能性がある。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、ガリウム、インジウム、窒素、砒素及びアンチモンを含みより優れた結晶性を有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を含む半導体光デバイス、半導体発光素子および半導体変調素子を提供することにある。
【０００７】
【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係わる。半導体光デバイスは、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを備える。第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、ＧａＡｓ半導体基板上に設けられており、ガリウム、砒素及びアンチモンを含む。第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に設けられており、ガリウム、インジウム、窒素、砒素及びアンチモンを含む。
【０００８】
本発明によれば、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を設けるので、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層がより少ないアンチモンの組成であるときでも、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、良好な結晶性を有する。
【０００９】
本発明の半導体光デバイスは、別のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を更に備えることができる。別のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層はアンチモンを含む。別のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層との間に設けられている。
【００１０】
本発明によれば、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層との間に設けられるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層がアンチモンを含む場合、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層がより少ないアンチモンの組成であるときでも、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は良好な結晶性を有する。
【００１１】
本発明の半導体光デバイスは、更なる別のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を更に備えることができる。第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、別のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と更なる別のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層との間に設けられている。更なる別のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、ガリウム、窒素、砒素及びアンチモンを含んでいる。別のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、窒素、砒素及びガリウムを更に含んでいる。
【００１２】
本発明によれば、別のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層及び更なる別のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に設けるとき、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、別のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層及び更なる別のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は良好な結晶性を有する。好適な実施例では、ガリウム、インジウム、窒素、砒素及びアンチモンを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は量子井戸層として機能し、ガリウム、窒素、砒素及びアンチモンを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は量子バリア層として機能する。
【００１３】
本発明の半導体光デバイスは、ＧａＡｓ半導体基板上に設けられた第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を更に備えることができる。第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層との間に設けられている。第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、ガリウム、砒素及びアンチモンを含む。
【００１４】
本発明によれば、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を設けるとき、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層がより少ないアンチモンの組成を有するときでも、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は良好な結晶性を有する。また、この第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に設けられた第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層も良好な結晶性を示す。
【００１５】
本発明の半導体光デバイスでは、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、ＧａＩｎＮＸＡｓＹＳｂ１−Ｘ−Ｙ半導体を含むことができる。（１−Ｘ−Ｙ）は、０．００５以上０．０１５以下の範囲にある。
【００１６】
本発明の半導体光デバイスでは、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、ＧａＺＩｎ１−ＺＮＸＡｓＹＳｂ１−Ｘ−Ｙ半導体を含むことができる。（１−Ｚ）は、０．３以上１未満の範囲にある。
【００１７】
本発明の半導体光デバイスでは、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、ＧａＩｎＮＸＡｓＹＳｂ１−Ｘ−Ｙ半導体を含むことができる。（Ｘ）は、０．００５以上０．０６以下の範囲にある。
【００１８】
本発明の別の側面は、半導体発光素子に関する。半導体発光素子は、上記の半導体光デバイスの構造を備えることができる。好適な実施例では、半導体発光素子としては、例えば、ファブリペロー半導体レーザ素子、ＤＦＢ半導体レーザ、及び面発光型半導体レーザ素子がある。
【００１９】
本発明の更なる別の側面は、半導体変調素子に関する。半導体変調素子は、上記の半導体光デバイスの構造を備えることができる。好適な実施例では、半導体変調素子としては、例えば、電界吸収型半導体変調素子がある。
【００２０】
本発明のまた更なる別の側面は、半導体光導波路素子に関する。半導体光導波路素子は、上記の半導体光デバイスの構造を備えることができる。
【００２１】
本発明の更なるまた別の側面は、半導体光増幅素子に関する。半導体光増幅素子は、上記の半導体光デバイスの構造を備えることができる。
【００２２】
本発明の上記の目的及び他の目的、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。
【００２３】
【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。この半導体光デバイスは、半導体発光素子および半導体変調素子の少なくともいずれかを含むことができる。好適な実施例では、半導体発光素子としては、例えば、ファブリペロー半導体レーザ素子、ＤＦＢ半導体レーザ、及び垂直共振型面発光半導体レーザ素子がある。また、好適な実施例では、半導体変調素子としては、電界吸収型半導体変調素子がある。
【００２４】
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態の半導体光デバイスを示す斜視図である。図２（ａ）は、図１に示されたＩ−Ｉ線に沿って取られた断面図である。図２（ｂ）は、半導体積層部の構造を示す図面である。本実施の形態では、半導体光デバイスは半導体発光素子の機能を発揮する構造を備える。
【００２５】
図１、図２（ａ）及び図２（ｂ）を参照すると、半導体発光素子１は、ＧａＡｓ半導体基板３の主面３ａ上に設けられている半導体積層部５を備える。半導体積層部５は、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７と、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９とを備える。第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７は、ガリウム、砒素及びアンチモンを含んでおり、Ｖ族元素として実質的に窒素（Ｎ）を含まない。第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９は、ガリウム、インジウム、窒素、砒素及びアンチモンを含む。第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７は、ＧａＡｓ半導体基板３の主面３ａ上に設けられている。第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９は、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７上に設けられている。
【００２６】
この構造によれば、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７上に第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９を設けるので、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９がより少ないアンチモンの組成であるときでも、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９は、良好な結晶性を有する。半導体積層部５において、ＧａＡｓ半導体の表面に設けられたガリウム、砒素及びアンチモンを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に、アンチモンを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を順に設ける場合には、より少ないアンチモン組成でも良好な結晶性を有する半導体積層部５が得られる。アンチモンの組成を少なくすと、ガリウム、インジウム、窒素、砒素及びアンチモンを含む量子井戸層とＧａＡｓ半導体との間の格子定数の違いを小さくできる。ＧａＡｓ半導体と量子井戸層との間の結晶歪みを低減できる。
【００２７】
半導体発光素子１は、ＧａＡｓ半導体基板３の主面上３ａに設けられた第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１１を更に備えることができる。第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９は、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７と第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１１との間に設けられている。第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１１は、ガリウム、砒素及びアンチモンを含む。第１〜第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７、９、１１は、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造を構成することができる。単一量子井戸（ＳＱＷ）構造においては、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９は量子井戸層として機能しており、第１及び第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７、１１は、量子バリア層として機能している。
【００２８】
この構造によれば、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７上に第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９を設けるとき、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層がより少ないアンチモンの組成を有するときでも、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層及び第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は良好な結晶性を示す。
【００２９】
半導体発光素子１は、第４及び第５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１３、１５を更に備えることができる。第４及び第５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１３、１５は、基板３上に設けられている。第４のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１３の導電型は、第５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１５の導電型と異なる。半導体積層部５は、第４のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１３と第５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１５との間に位置する。第４のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１３の屈折率は、第１及び第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７、９の屈折率より小さい。第５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１５の屈折率は、第２及び第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９、１１の屈折率より小さい。
【００３０】
半導体発光素子１は、光導波路層１７、１９を更に備えることができる。光導波路層１７、１９は、基板３上に設けられている。光導波路層１７は、半導体積層部５と第４のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１３との間に設けられている。光導波路層１９は、半導体積層部５と第５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１５との間に設けられている。光導波路層１７のバンドギャップは、第４のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１３より小さい。光導波路層１９のバンドギャップは、第５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１５のバンドギャップより小さい。光導波路層１７のバンドギャップは、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９のバンドギャップより大きい。光導波路層１９のバンドギャップは、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９のバンドギャップより大きい。この結果、第４及び第５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１３、１５から提供されたキャリア（正孔及び電子）は、光導波路層１５、１７によって半導体積層部５に閉じ込められる。キャリアが半導体積層部５に注入されると、光が発生する。
【００３１】
また、光導波路層１７の屈折率は、第４のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１３の屈折率より大きい。光導波路層１９の屈折率は、第５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１５の屈折率より大きい。この結果、発生した光は、第４及び５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１３、１５に働きによって、半導体積層部５及び光導波路層１７、１９に閉じ込められる。第４及び５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１３、１５は、光を閉じ込めるクラッド層として作用している。
【００３２】
第５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１５は、光導波路層１９上に設けられた第１の部分１５ａと、当該半導体発光素子１の一端から他端に所定の軸に沿って伸びるリッジ状の第２の部分１５ｂとを備える。
【００３３】
半導体発光素子１は、第５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１５の第２の部分１５ｂ上に設けられたコンタクト層２０を備える。また、半導体発光素子１は、コンタクト層２０上に設けられた電極２１と、基板３の裏面３ｂ上に設けられた電極２３とを備える。
【００３４】
半導体発光素子１は、リッジ状の半導体層１５を備えるので、電極２１から提供され半導体積層部５に向かうキャリア２５は、リッジ状の半導体領域１５ｂから半導体積層部５に流れ込む。故に、リッジ状の半導体領域１５ｂは、半導体積層部５に向かうキャリアをガイドしている。
【００３５】
半導体発光素子１は、第５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１５上に設けられた保護膜２７を備える。保護膜２７は、シリコン窒化膜といった絶縁性シリコン無機化合物膜から構成される。
【００３６】
半導体発光素子１の実施例としては
基板３：ｎ型ＧａＡｓ半導体基板
第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７：アンドープＧａＡｓＳｂ半導体層
第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９：アンドープＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体層
第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１１：アンドープＧａＡｓＳｂ半導体層
第４のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１３：ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ半導体層
第５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１５：ｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ半導体層
光導波路層１７：アンドープＧａＡｓ半導体層
光導波路層１９：アンドープＧａＡｓ半導体層
コンタクト層２７：ｐ型ＧａＡｓ半導体層
が示される。
【００３７】
図２（ｃ）は、半導体積層部の変形例を示す図面である。図２（ｃ）を参照すると、積層半導体部５ａは、複数の量子バリア層２９ａ〜２９ｄと、複数の量子井戸層３１ａ〜３１ｃとを備える。量子バリア層２９ａ〜２９ｄの各々は、ガリウム、砒素及びアンチモンを含む。量子井戸層３１ａ〜３１ｃの各々は、ガリウム、インジウム、窒素、砒素及びアンチモンを含む。複数の量子井戸層３１ａ〜３１ｃの各々は、複数の量子バリア層２９ａ〜２９ｄのうちのいずれか２つの間に挟まれている。量子バリア層２９ａ〜２９ｄ及び量子井戸層３１ａ〜３１ｃは、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を構成することができる。
【００３８】
量子井戸構造に実施例としては
量子バリア層２９ａ〜２９ｄ：アンドープＧａＡｓＳｂ半導体層
量子井戸層３１ａ〜３１ｃ：アンドープＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体層
が示される。
【００３９】
多重量子井戸（ＭＱＷ）構造においても、ＧａＡｓ半導体の表面に設けられたガリウム、砒素及びアンチモンを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に、アンチモンを含むいくつかのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を順に設ける場合には、より少ないアンチモン組成でも良好な結晶性を有する半導体積層部５ａが得られる。アンチモンの組成を少なくすると、ガリウム、インジウム、窒素、砒素及びアンチモンを含む量子井戸層とＧａＡｓ半導体との間の格子定数の違いを小さくできる。ＧａＡｓ半導体と量子井戸層との間の結晶歪みを低減できる。
【００４０】
（第２の実施の形態）
図３（ａ）は、別の実施の形態の半導体光デバイスを示す断面図である。この断面図は、図１に示されたＩ−Ｉ線と等価な線に沿って取られている。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示された半導体光デバイスの積層半導体部を示す図面である。本実施の形態では、半導体光デバイスは半導体発光素子の機能を発揮する構造を備える。
【００４１】
図３（ａ）を参照すると、半導体発光素子１ａは、半導体発光素子１の半導体積層部５に替えて半導体積層部３３を備える。半導体積層部３３は、第４のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１３及び光導波路層１７上に設けられている。
【００４２】
半導体積層部３３は、ＧａＡｓ半導体の表面上に設けられたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層３５と、量子井戸構造部３７とを備える。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層３５は、ガリウム、砒素及びアンチモンを含む。量子井戸構造部３７は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層３５上に設けられている。
【００４３】
図３（ｂ）を参照すると、積層半導体部３３の量子井戸構造部３７は、複数の量子バリア層３９ａ〜３９ｄと、一又は複数の量子井戸層４１ａ〜４１ｃとを備える。量子バリア層３９ａ〜３９ｄの各々は、ガリウム、窒素、砒素及びアンチモンを含む。量子井戸層４１ａ〜４１ｃの各々は、ガリウム、インジウム、窒素、砒素及びアンチモンを含む。複数の量子井戸層４１ａ〜４１ｃの各々は、複数の量子バリア層３９ａ〜３９ｄのうちのいずれか２つの間に挟まれている。量子バリア層３９ａ〜３９ｄ及び量子井戸層４１ａ〜４１ｃは、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を構成することができる。
【００４４】
量子バリア層に窒素をＶ族元素として加えると、所望の波長を得るための量子井戸の組成、井戸幅等の設計の自由度が、第１の実施の形態における量子井戸構造に比べて増すことができる。
【００４５】
半導体積層部３３が多重量子井戸（ＭＱＷ）構造においても、ＧａＡｓ半導体の表面に設けられたガリウム、砒素及びアンチモンを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層３５上に、アンチモンを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層３９ａ〜３９ｄ、４１ａ〜４１ｃを順に設ける場合には、より少ないアンチモン組成でも良好な結晶性を有する量子井戸構造部３７が得られる。アンチモンの組成を少なくすと、ＧａＡｓ半導体と、ガリウム、インジウム、窒素、砒素及びアンチモンを含む量子井戸層との間の格子定数の違いを小さくできる。ＧａＡｓ半導体と量子井戸層との間の結晶歪みを低減できる。
【００４６】
本実施の形態では、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する半導体発光素子を説明したが、本実施の形態は、単一量子井戸構想（ＳＱＷ） 構造を有する半導体発光素子にも適用でき、同様の技術的な利益を得ることができる。
【００４７】
図３（ｃ）は、本実施の形態の半導体発光素子の半導体積層部の変形例を示す図面である。半導体積層部３３ａは、ＧａＡｓ半導体の表面上に設けられたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層３５と、量子井戸構造部３７と、量子井戸構造部３７上に設けられたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層４３とを備える。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層４３は、ガリウム、砒素及びアンチモンを含む。この構造の半導体積層部３３ａを備える半導体発光素子１ｂは、半導体積層部３３と同等の技術的な利益を得ることができる。
【００４８】
積層半導体部３３及び３３ａに実施例としては
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層３５：アンドープＧａＡｓＳｂ半導体層
量子バリア層３９ａ〜３９ｄ：アンドープＧａＮＡｓＳｂ半導体層
量子井戸層４１ａ〜４１ｃ：アンドープＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体層
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層４３：アンドープＧａＡｓＳｂ半導体層
が示される。
【００４９】
発明者らの実験によれば、ＧａＡｓＳｂ半導体層及びＧａＮＡｓＳｂ半導体層といった第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体層といった第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層との間に設けるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層がアンチモンを含む場合、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層がより少ないアンチモンの組成であるときでも、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は良好な結晶性を有する。
【００５０】
（第３の実施の形態）
図４（ａ）〜図４（ｃ）及び図５（ａ）〜図５（ｃ）は、それぞれ、半導体発光素子を製造する工程を示す図面である。図４（ａ）〜図４（ｃ）及び図５（ａ）〜図５（ｃ）を参照しながら、半導体発光素子を製造する方法を説明する。
【００５１】
図４（ａ）を参照すると、主面５１ａを有するＧａＡｓ半導体基板５１といった基板を準備する。引き続き説明においては、基板は、ｎ導電型を示すＧａＡｓ半導体基板５１である。
【００５２】
図４（ｂ）を参照すると、ＧａＡｓ半導体基板５１の主面５１ａ上に、半導体膜が形成されている。これらの半導体膜は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法で堆積されている。主面５１ａ上に、第１導電型クラッド半導体膜５３、光導波路半導体膜５５、半導体積層部５７、光導波路半導体膜５９、第２導電型クラッド半導体膜６１、第２導電型コンタクト半導体膜６３を順に堆積する。半導体積層部５７は、バリア膜６５ａ〜６５ｄと、量子井戸膜６７ａ〜６７ｃとを備える。量子井戸膜は、バリア膜の間に位置する。これらの半導体膜の成長は、有機金属気相エピタキシ成長（ＯＭＶＰＥ）法を用いて行っても良い。
【００５３】
半導体膜の堆積の実施例としては、
【００５４】
図４（ｃ）を参照すると、コンタクト膜６３上にマスク層６９が形成されている。マスク層６９は、半導体リッジを形成する位置の上部に設けられている。マスク層６９の幅Ｗ１は半導体リッジ幅に応じて決定されており、例えば２マイクロメートル幅のストライプ形状である。マスク層は、例えばＳｉＮ膜といった絶縁性シリコン無機化合物膜から構成される。ＳｉＮ膜は、例えば、化学的気相成長（ＣＶＤ）法で形成される。
【００５５】
次いで、マスク層６９を用いて、第２導電型コンタクト膜６３をエッチングすると共に、第２導電型クラッド半導体膜６１を部分的にエッチングする。エッチングは、例えば、メタンガスと水素ガスを用いた反応性イオンエッチング法により行う。
【００５６】
図５（ａ）に示されるように、エッチングの結果、半導体リッジ部は、コンタクト層６３ａと、クラッド膜６１の第２の部分６１ｂとを備える。クラッド膜６１の第１の部分６１ａは、光導波路半導体膜５９の表面を覆っている。クラッド膜６１の第２の部分６１ｂは、クラッド膜６１の第１の部分６１ａ上に位置している。本実施の形態では、クラッド膜６１を１．８マイクロメートル程度エッチングして除いている。クラッド膜６１の第１の部分６１ａの厚さＨ１は、０．２マイクロメートル程度であり、クラッド膜６１の第２の部分６１ｂの高さＨ２は１．８マイクロメートル程度である。エッチングが終了した後に、マスク層６９を除去する。
【００５７】
図５（ｂ）を参照すると、半導体リッジ６５上及びクラッド膜６１の第１の部分６１ａ上に保護膜６７を形成する。保護膜６７は、半導体リッジ６５への電気的通路を提供するための開口６７ａを有している。開口６７ａは、半導体リッジ６５に沿って伸びるストライプ形状を有する。開口６７ａには、コンタクト層６３ａが露出している。次いで、開口６７ａ上に、第２導電型層のための電極６９を形成する。本実施例では、ｐ型電極を形成する。ｐ型電極を形成するために、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの金属膜を順に蒸着する。
【００５８】
次いで、半導体発光素子の厚みが１００マイクロメートル程度の厚さになるまで、基板５１の裏面を研削して基板５１ａを得る。この後、図５（ｃ）に示されるように、第１導電型層のための電極７１を形成する。本実施例では、ｎ型電極を形成する。ｎ型電極を形成するために、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕの金属膜を順に蒸着する。
【００５９】
電極６９及び電極７１を形成した後に、半導体発光素子に熱処理を施す。この熱処理は、ＲＴＡ法で行われ、その条件は、摂氏４５０度、１分である。これにより、半導体発光素子７２が完成する。
【００６０】
（第４の実施の形態）
発明者らは、第３の実施の形態において説明された製造方法を用いて、半導体レーザ素子Ｓ１を作製している。半導体レーザ素子Ｓ１では、量子井戸層がＧａ０．７Ｉｎ０．３Ｎ０．０１５Ａｓ０．９７５Ｓｂ０．０１半導体から構成されており、バリア層がＧａＡｓ０．９９Ｓｂ０．０１半導体から構成されている。発明者らは、半導体レーザ素子Ｓ２を作製している。半導体レーザ素子Ｓ２は、量子井戸層がＧａ０．７Ｉｎ０．３Ｎ０．０１５Ａｓ０．９６５Ｓｂ０．０２半導体から構成されており、バリア層がＧａＡｓ半導体から構成されている点を除いて、半導体レーザ素子Ｓ１と同じ構造を備える。レーザ発振波長は、いずれも１．３マイクロメートルである。
【００６１】
発明者らは、半導体レーザ素子Ｓ１及びＳ２に対して、一定の光出力を得るように半導体レーザ素子を連続して駆動する試験を実施している。半導体レーザ素子Ｓ２では、３００時間程度の後に駆動電流が初期値の１．５倍程度に増加している。一方、半導体レーザ素子Ｓ１では、実質的な駆動電流の変動は観測されない。この実験は、半導体レーザ素子Ｓ１が半導体レーザ素子Ｓ２に比べて優れた信頼性を有していることを示している。
【００６２】
また、発明者らは、図６（ａ）〜図６（ｅ）に示される半導体積層構造を作製して、これらのフォトルミネッセンスを測定している。まず、図６（ａ）〜図６（ｅ）に示される半導体積層構造を説明する。図６（ａ）〜図６（ｅ）に示される半導体積層構造８１ａ〜８１ｅは、ＧａＡｓ基板上に設けられたＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体から成る量子井戸層を備えている。図６（ａ）〜図６（ｃ）に示される半導体積層構造８１ａ〜８１ｃでは、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体から成る量子井戸層が、ＧａＡｓＳｂ半導体層上に設けられていない。一方、図６（ｄ）及び図６（ｅ）に示される半導体積層構造８１ｄ、８１ｅでは、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体から成る量子井戸層が、Ｖ族元素として実質的に窒素（Ｎ）を含まないＧａＡｓＳｂ半導体層上に設けられている。また、図６（ｄ）及び図６（ｅ）に示される半導体積層構造８１ｄ、８１ｅでは、ＧａＡｓＳｂ半導体層上に設けられている量子井戸構造を構成する半導体層のいずれにもアンチモンが含まれている。
【００６３】
図７は、フォトルミネッセンスピーク強度の測定結果である。図８は、フォトルミネッセンスピークの半値幅の測定結果である。図７及び図８において、横軸は、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体から成る量子井戸層内のアンチモンの組成を示しており、全Ｖ族元素に対するアンチモンのモル比をモルパーセントで示している。
【００６４】
図７を参照すると、曲線Ｃ１は、半導体積層構造８１ｄに対する測定値を表しており、曲線Ｃ２は、半導体積層構造８１ａに対する測定値を表している。ＧａＡｓバリア層上に量子井戸層を備える構造に比較して、ＧａＡｓＳｂバリア層上に量子井戸層を備える構造は、より少ないアンチモン組成で、同程度のピーク強度を示している。詳述すれば、半導体積層構造８１ａでは、アンチモン（Ｓｂ）組成が２パーセント〜４パーセントの領域Ｒ２でフォトルミネッセンスピーク強度が大きくなっている。一方、半導体積層構造８１ｄでは、アンチモン（Ｓｂ）組成が０．５パーセント〜２パーセントの領域Ｒ１でフォトルミネッセンスピーク強度が大きくなっている。
【００６５】
図８を参照すると、曲線Ｃ３は、半導体積層構造８１ｄに対する測定値を表しており、曲線Ｃ４は、半導体積層構造８１ａに対する測定値を表している。ＧａＡｓバリア層上に量子井戸層を備える構造に比較して、ＧａＡｓＳｂバリア層上に量子井戸層を備える構造は、より少ないアンチモン組成で、且つより優れた半値幅特性を示している。詳述すれば、半導体積層構造８１ａでは、アンチモン（Ｓｂ）組成が２パーセントでフォトルミネッセンスの半値幅が小さくなっている。一方、半導体積層構造８１ｄでは、アンチモン（Ｓｂ）組成が０．５パーセント以上１．５パーセント以下の領域Ｒ３でフォトルミネッセンスピーク強度が大きくなっている。また、アンチモン（Ｓｂ）組成が０．５パーセント以上１．５パーセント以下の領域で、半導体積層構造８１ｄにおけるフォトルミネッセンスの半値幅が半導体積層構造８１ａにおけるフォトルミネッセンスの半値幅より狭くなっている。
【００６６】
発明者らは、半導体積層構造８１ｂ及び８１ｃに対しての同様なフォトルミネッセンスピーク強度及び半値幅を測定する実験を行っている。半導体積層構造８１ｂ及び８１ｃのピーク強度は、半導体積層構造８１ａとほぼ同じアンチモン組成の領域にある。結果として、良好な光学特性を得るためには、半導体積層構造８１ｂ及び８１ｃの量子井戸層は、半導体積層構造８１ｄのアンチモン組成と比べてより多くのアンチモンを含む必要がある。
【００６７】
半導体積層構造８１ｂ及び８１ｃの半値幅は、半導体積層構造８１ａとほぼ同じアンチモン組成の領域において極大を示している。結果として、良好な光学特性を得るためには、半導体積層構造８１ｂ及び８１ｃの量子井戸層は、半導体積層構造８１ｄのアンチモン組成と比べてより多くのアンチモンを含む必要がある。また、半導体積層構造８１ｄの半値幅は、半導体積層構造８１ｂ及び８１ｃの量子井戸層のアンチモン組成と比べてより小さい値で、半導体積層構造８１ｂ及び８１ｃの半値幅より狭くなっている。故に、半導体積層構造８１ｄは、半導体積層構造８１ｂ及び８１ｃより優れた結晶均一性を有している。
【００６８】
発明者らは、半導体積層構造８１ｅの測定も行っている。半導体積層構造８１ｃでは、アンチモン（Ｓｂ）組成が２パーセント〜４パーセントの領域でフォトルミネッセンスピーク強度が大きくなっている。一方、半導体積層構造８１ｅでは、アンチモン（Ｓｂ）組成が０．５パーセント〜２パーセントの領域でフォトルミネッセンスピーク強度が大きくなっている。また、半導体積層構造８１ｃでは、アンチモン（Ｓｂ）組成が２パーセントでフォトルミネッセンスの半値幅が小さくなっている。一方、半導体積層構造８１ｅでは、アンチモン（Ｓｂ）組成が０．５パーセント以上１．５パーセント以下の領域でフォトルミネッセンスピーク強度が大きくなっている。また、アンチモン（Ｓｂ）組成が０．５以上１．５パーセント以下の領域で、半導体積層構造８１ｅにおけるフォトルミネッセンスの半値幅が半導体積層構造８１ｃにおけるフォトルミネッセンスの半値幅より狭くなっている。
【００６９】
半導体積層構造８１ｅにおいて、ＧａＡｓＳｂ半導体層の厚さが５ナノメートル以上５０ナノメートル以上の範囲のいくつかの値であるサンプルを作製して、フォトルミネッセンスの測定を行っている。ＧａＡｓＳｂ半導体層の厚さの変更しても、フォトルミネッセンスの結果に実質的な差は現れなかった。また、ＧａＡｓＳｂ半導体層の厚さを変更した半導体レーザ素子を作製して、上記の通電試験を行っている。ＧａＡｓＳｂ半導体層の厚さの変更しても、通電試験の結果に実質的な差は現れなかった。
【００７０】
発明者らの知見によれば、半導体光デバイスと組み合わせることが好適な条件として、ＧａＺＩｎ１−ＺＮＸＡｓＹＳｂ１−Ｘ−Ｙ半導体において、（１−Ｚ）は０．３以上１未満の範囲にあることが好ましい。０．３以上のＩｎ組成において、アンチモンの添加量を少なくして格子歪みを大きくしないという利点が好適に発揮される。ＧａＩｎＮＸＡｓＹＳｂ１−Ｘ−Ｙ半導体において、（Ｘ）は０．００５以上０．０６以下の範囲にあることが好ましい。この窒素組成の範囲により、光通信に重要な波長範囲の半導体発光素子を得ることができる。発光波長は、アンチモンの組成に実質的に依存しない。
【００７１】
図９は、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ量子井戸構造のフォトルミネッセンススペクトルを示す図面である。測定サンプルは、ＭＢＥ層により作製している。アンチモン以外の成長条件は、成長温度が摂氏４８０度であり、成長速度が２マイクロメートル／時間であり、フラックス比（Ａｓ／Ｇａ）が２０である。窒素（Ｎ）は、プラズマソースにより供給している。砒素（Ａｓ）及びアンチモン（Ｓｂ）は、Ａｓ４及びＳｂ４の形態で供給されている。量子井戸におけるＩｎ組成は０．３３程度であり、Ｎ組成は０．０１５程度であり、井戸幅は１１ナノメートルである。図９を参照すると、成長直後（ａｓ ｇｒｏｗｎ）に測定されたフォトルミネッセンスのスペクトルが示されている。ＧａＡｓ半導体上に形成され量子井戸層にのみアンチモンが添加されたサンプルＣ６では、アンチモンの最適な供給量は、１．１×１０−５パスカル（Ｐａ）（８×１０−８Ｔｏｒｒ）程度である。これに対して、薄いＧａＡｓＳｂ層上に量子井戸層を成長するサンプルＣ５では、アンチモンの供給量を１／４にしても同等以上の光学特性が得られている。この結果は、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ量子井戸層の歪みを低減するという観点から、ＧａＡｓＳｂ半導体層上に成長することが好適であることを示している。
【００７２】
ＧａＩｎＮＡｓ半導体は、ＧａＡｓ半導体基板上に成長できる光通信用波長帯（波長１．２〜１．６マイクロメートル）の材料として大きな関心を集めている。一方、ＧａＩｎＮＡｓ半導体に微量のアンチモンを加えると、光学特性が改善される。ＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体の格子歪みを小さくという観点から、アンチモンの添加量は少ないことが好ましい。上記の実験結果は、ＧａＡｓＳｂ半導体層上にＧ直接に或いはＳｂを含む半導体を介してＧａＩｎＮＡｓＳｂ量子井戸層を成長することが好適であることを示している。
【００７３】
本実施の形態において、アンチモン等の元素組成の特定は、同様の成長条件で組成評価用の試料を作製して、Ｘ線回折法と二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）法により行われている。
【００７４】
（第５の実施の形態）
図１０（ａ）は、更なる別の実施の形態に係わる半導体発光素子の構造を示す断面図である。図１０（ａ）を参照すると、垂直共振型の面発光半導体発光素子９１が示されている。面発光型の半導体発光素子９１は、ＧａＡｓ半導体の表面９３ａ上に設けられている半導体積層部９５を備える。半導体積層部９５は、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９７と、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９９とを備える。第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９７は、ガリウム、砒素及びアンチモンを含んでおり、Ｖ族として窒素（Ｎ）を実質的に含まない。第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９９は、ガリウム、インジウム、窒素、砒素及びアンチモンを含む。第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９７は、ＧａＡｓ半導体基板９３の主面９３ａ上に設けられている。第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９９は、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９７上に設けられている。
【００７５】
この構造によれば、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９７上に第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９９を設けるので、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９９がより少ないアンチモンの組成であるときでも、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９９は、良好な結晶性を有する。半導体積層部９５において、ＧａＡｓ半導体の表面に設けられたガリウム、砒素及びアンチモンを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に、アンチモンを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を順に設ける場合には、より少ないアンチモン組成でも良好な結晶性を有する半導体積層部９５が得られる。アンチモンの組成を少なくすと、ガリウム、インジウム、窒素、砒素及びアンチモンを含む量子井戸層とＧａＡｓ半導体との間の格子定数の違いを小さくできる。ＧａＡｓ半導体と量子井戸層との間の結晶歪みを低減できる。
【００７６】
半導体発光素子９１は、ＧａＡｓ半導体基板９３の主面上９３ａに設けられた第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１０１を更に備えることができる。第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９９は、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９７と第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１０１との間に設けられている。第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１０１は、ガリウム、砒素及びアンチモンを含む。第１〜第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９７、９９、１０１は、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造を構成することができる。単一量子井戸（ＳＱＷ）構造においては、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９９は量子井戸層として機能しており、第１及び第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９７、１０１は、量子バリア層として機能している。
【００７７】
この構造によれば、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９７上に第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９９を設けるとき、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９９がより少ないアンチモンの組成を有するときでも、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９９及び第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１０１は良好な結晶性を示す。
【００７８】
半導体発光素子９１は、第１の分布ブラック反射器１０３と、第２の分布ブラック反射器１０５とを備える。第１の分布ブラック反射器１０３、半導体積層部９５、及び第２の分布ブラック反射器１０５は、所定の軸に沿って順に配置されている。半導体積層部９５は、第１の分布ブラック反射器１０３と第２の分布ブラック反射器１０５との間に設けられている。半導体積層部９５は、発光のために設けられている。
【００７９】
第１の分布ブラック反射器１０３は、例えば、図１０（ｂ）に示されるように、所定の軸に沿って屈折率周期分布を提供するように設けられた半導体層１０３ａ〜１０３ｇを有している。第１の分布ブラック反射器１０３において、屈折率周期分布により反射器が構成される。また、第２の分布ブラック反射器１０５は、例えば、図１０（ｃ）に示されるように、所定の軸に沿って屈折率周期分布を提供するように積層された半導体層１０５ａ〜１０５ｇを有している。第２の分布ブラック反射器１０５において、屈折率周期構造により反射器が構成される。
【００８０】
半導体発光素子９１は、第１の分布ブラック反射器１０３と半導体積層部９５との間に設けられた第１導電型の第４のＩＩＩ−Ｖ族半導体層１０７を備える。また、半導体発光素子９１は、第２の分布ブラック反射器１０５と半導体積層部９５との間に設けられた第２導電型の第５のＩＩＩ−Ｖ族半導体層１０９を備える。第４及び第５のＩＩＩ−Ｖ族半導体層１０７、１０９のバンドギャップは、第１及び第３のＩＩＩ−Ｖ族半導体層９７、９９のバンドギャップより大きい。第４及び第５のＩＩＩ−Ｖ族半導体層１０７、１０９は、半導体積層部９５にキャリアを閉じ込めるために設けられている。
【００８１】
半導体発光素子９１は、第２の分布ブラック反射器１０５上に設けられたコンタクト層１１１と、コンタクト層１１１上に設けられ第２導電型層のための電極１１３と、基板９３の裏面９３ｂ上に設けられた第１導電型層のための電極１１５とを備える。
【００８２】
半導体発光素子９１の実施例としては
基板９３：ｎ型ＧａＡｓ半導体基板
第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９７：アンドープＧａＡｓＳｂ半導体層
第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層９９：アンドープＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体層
第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１０１：アンドープＧａＡｓＳｂ半導体層
分布ブラック反射器１０３：ＡｌＡｓ半導体層及びＧａＡｓ半導体層
分布ブラック反射器１０５：ＡｌＡｓ半導体層及びＧａＡｓ半導体層
第４のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１０７：ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ半導体層
第５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１０９：ｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ半導体層
コンタクト層１１１：ｐ型ＧａＡｓ半導体層
が示される。
【００８３】
半導体発光素子９１においても、第１〜４の実施の形態において説明された様々な積層半導体部の構造を備えることができる。
【００８４】
以上説明したいくつかの実施の形態においては、半導体発光素子として動作する半導体光デバイスを説明している。しかしながら、本発明は、半導体発光素子に限定されることなく、半導体発光素子の同様の半導体積層構造を有する他の半導体光デバイスにも適用できる。例えば、半導体発光素子と同じ構造を有する半導体素子としては、半導体変調素子、半導体光導波路素子、半導体光増幅素子が例示される。半導体変調素子は、上記の半導体光デバイスの構造を備えることができる。好適な実施例では、半導体変調素子としては、例えば、電界吸収型半導体変調素子がある。また、半導体光導波路素子は、上記の半導体光デバイスの構造を備えることができる。さらに、半導体光増幅素子は、上記の半導体光デバイスの構造を備えることができる。
【００８５】
以上説明したように、ＧａＡｓＳｂ半導体層をＧａＡｓ半導体基板上に設けると共に、ＧａＡｓＳｂ半導体層上にＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体層を設ける構造によって、良好な結晶性を有するＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体層を得るためのアンチモン含有量を低減できる。ＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体及びＧａＮＡｓＳｂ半導体中においてアンチモン元素は、結晶格子を大きくするように働くので、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体及びＧａＮＡｓＳｂ半導体内のアンチモン含有量を減らすことにより、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体とＧａＡｓ半導体との格子定数の差を小さくできる。
【００８６】
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、半導体光デバイスとして半導体発光素子を説明したけれども、本発明は、本実施の形態における半導体光デバイスと同様の構造を備える半導体変調素子、半導体光導波路素子、半導体光増幅素子、及びこれらの集積素子にも適用される。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。
【００８７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ガリウム、インジウム、窒素、砒素及びアンチモンを含みより優れた結晶性を有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を含む半導体光デバイス、半導体発光素子および半導体変調素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本実施の形態の半導体光デバイスを示す斜視図である。
【図２】図２（ａ）は、図１に示されたＩ−Ｉ線に沿って取られた断面図である。図２（ｂ）は、半導体積層部の構造を示す図面である。図２（ｃ）は、半導体積層部の変形例を示す図面である。
【図３】図３（ａ）は、別の実施の形態の半導体光デバイスを示す断面図である。この断面図は、図１に示されたＩ−Ｉ線と等価が線に沿って取られている。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示された半導体光デバイスの積層半導体部を示す図面である。図３（ｃ）は、本実施の形態の半導体発光素子の半導体積層部の変形例を示す図面である。
【図４】図４（ａ）〜図４（ｃ）は、それぞれ、半導体発光素子を製造する工程を示す図面である。
【図５】図５（ａ）〜図５（ｃ）は、それぞれ、半導体発光素子を製造する工程を示す図面である。
【図６】図６（ａ）〜図６（ｅ）は、半導体積層構造を示す図面である。
【図７】図７は、フォトルミネッセンスピーク強度の測定結果を示すグラフである。
【図８】図８は、フォトルミネッセンスピークの半値幅の測定結果を示すグラフである。
【図９】図９は、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ量子井戸構造のフォトルミネッセンススペクトルを示す図面である。
【図１０】図１０（ａ）は、更なる別の実施の形態に係わる半導体発光素子の構造を示す断面図である。図１０（ｂ）及び図１０（ｃ）は、分布ブラック反射器の構造を示す図面である。
【符号の説明】
３…基板、７…第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、９…第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、１１…第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、１３…第４のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、１５…第５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、１７、１９…光導波路層、２７…コンタクト層、
５３…第１導電型クラッド半導体膜、５５…光導波路半導体膜、５７…半導体積層部、６５ａ〜６５ｄ…量子バリア層、６７ａ〜６７ｄ…量子井戸層、５９…光導波路半導体膜、６１…第２導電型クラッド半導体膜、６３…第２導電型コンタクト膜、
９３…基板、９７…第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、９９…第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、１０１…第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、１０３、１０５…分布ブラック反射器、１０７…第４のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、１０９…第５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、１１１…コンタクト層、
Claims (9)
- ＧａＡｓ半導体基板上に設けられ、ガリウム、砒素及びアンチモンを含む第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、
前記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に設けられ、ガリウム、インジウム、窒素、砒素及びアンチモンを含む第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と
を備える、半導体光デバイス。 - 前記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と前記第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層との間に設けられた別のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を更に備え、
前記別のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層はアンチモンを含む、請求項１に記載の半導体光デバイス。 - 更なる別のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を更に備え、
前記第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は前記別のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と前記更なる別のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層との間に設けられており、
前記更なる別のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、ガリウム、窒素、砒素及びアンチモンを含んでおり、
前記別のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、窒素、砒素及びガリウムを更に含んでいる、請求項２に記載の半導体光デバイス。 - 前記ＧａＡｓ半導体基板上に設けられた第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を更に備え、
前記第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、ガリウム、砒素及びアンチモンを含み、
前記第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、前記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と前記第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層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２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、ＧａＩｎＮＸＡｓＹＳｂ１−Ｘ−Ｙ半導体を含み、
１−Ｘ−Ｙは、０．００５以上０．０１５以下の範囲にある、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の半導体光デバイス。 - 前記第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、ＧａＺＩｎ１−ＺＮＸＡｓＹＳｂ１−Ｘ−Ｙ半導体を含み、
１−Ｚは、０．３以上１未満の範囲にある、請求項１〜請求項５のいずれかに記載の半導体光デバイス。 - 前記第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、ＧａＩｎＮＸＡｓＹＳｂ１−Ｘ−Ｙ半導体を含み、
Ｘは、０．００５以上０．０６以下の範囲にある、請求項１〜請求項６のいずれかに記載の半導体光デバイス。 - 請求項１〜請求項７のいずれかに記載の半導体光デバイスの構造を備える半導体発光素子。
- 請求項１〜請求項７のいずれかに記載の半導体光デバイスの構造を備える半導体変調素子。
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|---|---|---|---|---|
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