JP2004221428A - 光半導体素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発光波長または受光波長が１．２０μｍ〜１．３５μｍの長波長の光半導体素子において、低コストで特性が高い素子を得る。
【解決手段】ＧａＡｓ基板と、前記ＧａＡｓ基板上に形成されＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ（０．２≦ｘ≦０．４）を含む活性層であって、前記Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓがＰｔＣｕ型オーダリング構造を有するものとして構成された活性層と、を備えることを特徴とする光半導体素子を提供する。また、前記Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓを、成長温度を５５０℃以上６２０℃以下とし、成長圧力を５０Ｔｏｒｒ以上３００Ｔｏｒｒ以下とし、ガリウム原料と、インジウム原料と、砒素原料と、を含む原料ガスを用い、前記原料ガスを、分解可能な温度よりも低い温度の第１の領域から、前記成長温度の第２の領域を経て、前記ＧａＡｓ基板上に送り込み、前記原料ガスを、分解可能な温度領域に達してから前記ＧａＡｓ基板上に到達するまでの時間が０．４秒以下になるようにして、製造することを特徴とする光半導体素子の製造方法を提供する。
【選択図】 図８

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光半導体素子およびその製造方法に関し、特に、波長１．２μｍ〜１．３５μｍの光通信用の長波長の光半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光波長１．２μｍ〜１．３５μｍ帯の光半導体素子は、光通信用の発光素子あるいは受光素子として注目されている。この長波長の光半導体発光素子としては、従来、ＩｎＰからなる基板（支持基板）上に、ＧａＩｎＡｓＰ系材料からなる発光層を形成した構造が用いられていた。この構造では、ＧａＩｎＡｓＰ発光層の発光波長が０．９２〜１．６５μｍになるようにすれば、発光層と基板との格子定数が近くなる。このように基板との格子定数が近い材料は、成長装置、基板、および成長原料をそろえれば、その製造は容易である。また、この構造では、ＧａＩｎＡｓＰ発光層を薄膜化し、量子井戸構造（歪量子井戸構造）の発光層を用いる方法が実用化されている。そして、この構造では、発光層と基板との格子定数が近いために、発光層の歪量（格子不整量）を臨界歪以下としながら所定の発光波長が得られ、発光層が良質に形成される。このため、この量子井戸構造等を用いて、実用可能な発光効率が得られている。この結果、現在でも、長波長の光半導体発光素子では、このＩｎＰ基板を用いた半導体発光素子が主流となっている。
【０００３】
しかし、ＩｎＰ基板を使用した半導体発光素子は、高価である。これは、ＩｎＰ基板が高価であるためである。また、この素子は、温度特性が悪い。例えば、ＩｎＰ基板を用いた半導体レーザでは、閾値の特性温度が〜７０Ｋと低くなってしまう。
【０００４】
そこで、安価で温度特性に優れた長波長の光半導体素子を得るために、安価で熱伝導率が高いＧａＡｓ基板を用いた長波長の光半導体素子の開発が進められている。
【０００５】
すなわち、ＧａＡｓ基板は、従来、発光波長０．９８μｍの半導体発光素子の基板として用いられていた。この発光波長０．９８μｍの素子は、ＧａＡｓからなる基板と、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓからなる発光層と、を備えている。ＧａＡｓ基板は、支持基板であり、厚さは６０μｍ以上である。また、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ発光層は、量子井戸の構造であり、厚さは数〜数十ｎｍである。このＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓのＩｎ組成ｘは、発光波長０．９８μｍの素子では、０．１５未満である。このような低Ｉｎ組成のＧａＩｎＡｓ発光層は、ＧａＡｓ基板と格子定数が近く、ＧａＡｓ基板上への成長が容易である。このため、発光波長０．９８μｍの半導体発光素子では、ＧａＡｓ基板を用いて、優れた特性が得られている。そこで、この素子と同様の材料系により、発光波長１．２〜１．３５μｍの長波長の光半導体素子を得る方法の開発が進められている。
【０００６】
もっとも、他の材料系で行われている通常の方法では、ＧａＡｓ基板とＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ発光層とを用いて長波長光通信に適用できる素子を得ることはできない。これを図１２、図１３を用いて説明する。図１２は、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓの、Ｉｎ組成ｘと、バンドギャップおよび波長（以下、波長とする）と、の関係を示す図である。図１２中のＭ１は、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓの、Ｉｎ組成ｘと、波長と、の関係の計算値を示す。このＭ１では、量子化準位は無視している。また、図１２中のＭ２は、膜厚をＧａＡｓ基板に対する熱平衡理論による臨界膜厚にして形成したＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓの、量子化準位の上昇によるバンドギャップの上昇値を示す。また、また図１２中のＭ３は、ＧａＡｓ基板上に臨界膜厚以下で形成したＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ発光層の、Ｉｎ組成ｘと、波長の上限と、の関係を示す。このＭ３は、Ｍ１＋Ｍ２と等しい。図１２のＭ１に示すように、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓのバンドギャップＥｇ（ｘ）の計算値は、Ｅｇ（ｘ）＝（１．４３−１．５１６ｘ＋０．４６６ｘ^２）である（例えば、非特許文献１参照）。また、波長λ［ｅＶ］とバンドギャップＥｇ［ｅＶ］の関係は、λ＝１．２４／Ｅｇで表される。このため、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓは、量子化準位を無視した計算では、Ｉｎ組成が高いほど波長が長くなる。しかし、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓのＩｎ組成を高くするほど、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓとＧａＡｓの格子定数差が大きくなる。そして、格子定数差が大きくなりすぎると、結晶中に欠陥が導入されてしまう。この欠陥を防止して高品質な結晶を成長するためには、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ発光層を、ＧａＡｓ基板に対する熱平衡理論による臨界膜厚以下の膜厚で形成する必要がある。この臨界膜厚と、Ｉｎ組成と、の関係は図１３のようになる。この図１３から分かるように、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ発光層のＩｎ組成ｘを高くすると、臨界膜厚が薄くなる。ところが、臨界膜厚が薄くなると、図１２のＭ２に示すように、臨界膜厚のＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ発光層の量子化準位の上昇が顕著になる。このため、ＧａＡｓ基板上に臨界膜厚以下の膜厚のＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ発光層を形成する場合、一定値以上にＩｎ組成を大きくすると、図１２のＭ３に示すように、かえって発光波長は短くなってしまう。以上の理由により、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ発光層をＧａＡｓ基板上に形成した場合、図１２のＭ３に示すように、通常の方法では、波長を１．２μｍよりも長くすることはできない。
【０００７】
そこで、このようなＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ系材料の限界を克服するための技術として、発光層の膜厚を基板に対する熱平衡理論による臨界膜厚以上の膜厚で形成する方法、発光層としてＧａＩｎＡｓに他の原料を加えた材料を用いる方法、が提案されている。また、原理的には、発光層にオーダリング構造を用いる方法の可能性も考えられる。
【０００８】
【非特許文献１】
末松安晴編著「半導体レーザと光集積回路」オーム社、１９８４年
４月２５日、ｐ３９６
【非特許文献２】
「アプライドフィジックスレターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）」、（米国）、アメリカンインスティチュートオブ フィジックス（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＰｈｙｓｉｃｓ）、１９９３年、第６２巻、第１５号、ｐ．１８０６−１８０８
【非特許文献３】
「アプライドフィジックスレターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）」、（米国）、アメリカンインスティチュートオブ フィジックス（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＰｈｙｓｉｃｓ）、１９９０年、第５６巻、第１５号、ｐ６６２−６６４
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来、発光波長１．２μｍ〜１．３５μｍの長波長の光半導体素子において、ＧａＡｓ基板を用いて、低コストで特性が高い素子を得ることはできなかった。つまり、上述のいずれの方法でも、低コストで特性が高い素子は得られていなかった。以下、説明する。
【００１０】
まず、第１の方法はＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ発光層の膜厚をＧａＡｓ基板に対する熱平衡理論による臨界膜厚以上の膜厚で形成する方法である。この方法としては、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ発光層とＧａＡｓ基板との間に歪を緩和するバッファー層を設ける方法や、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ発光層の結晶成長を低温で行う方法がある。このうち前者のバッファー層を設ける方法は、バッファー層中に転移を導入することにより、ＧａＡｓ基板に対する熱平衡理論による臨界膜厚よりも厚い膜厚のＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ発光層を形成する方法である。しかし、この方法では、結晶中に多数の転移を導入するため、光学的品質の悪い結晶となり、光半導体素子として充分な特性を得ることはできない。また、後者の方法は、低温の非平衡条件で擬安定状態のＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ発光層を結晶成長することにより、ＧａＡｓ基板に対する熱平衡理論による臨界膜厚よりも厚い膜厚のＧａ_{１− ｘ}Ｉｎ_ｘＡｓ発光層を形成する方法である。この方法では、発光層の波長を長くして、発光波長が１．２μｍを超える素子が得られている（図６参照）。しかし、その効果は限定的であり、発光波長が１．２２μｍよりも長い素子は得られていない。また、擬安定状態の結晶を用いているために、結晶中に欠陥が少しずつ導入されやすく、通常の結晶と比べると、発光効率が低下することが避けられない。
【００１１】
次に、第２の方法は、ＧａＩｎＡｓ発光層に他の原料を加えた発光層を用いる方法である。この方法としては、発光層にＧａＩｎＡｓＮやＧａＩｎＡｓＮＳｂを用いる試みがなされている。このうち、ＧａＩｎＡｓＮ発光層を用いる方法は、発光層に原子半径の小さいＮを混ぜることで、発光層と、基板と、の格子定数差を減らそうとする方法である。この方法では、温度特性に優れた半導体レーザが形成できることが報告されている。しかし、この方法では、窒素濃度を高くしすぎると、発光効率が低くなる。逆に、窒素濃度を低くすれば、発光層と基板との格子定数差を小さくすることはできない。このため、この方法では、発光効率を十分に高くすることができなかった。そこで、発光層にＧａＩｎＡｓＮＳｂ（またはＧａＩｎＡｓＳｂ）を用いる方法も提案されている。この方法では、長波長の発光が可能であり、半導体レーザとしての特性の初期値も優れている。しかし、この方法では、結晶中の元素の種類が多く、極めて複雑なプロセスを行わなければならない。しかも、結晶中の元素の種類が多いために、結晶的に不安定である。このため、歩留まりや生産性が悪くてコストを低下させることが困難であり、また、長期の信頼性の確保が難しい。
【００１２】
次に、原理的に可能性のある方法として、通常の結晶構造（ランダム混晶）に代えて、オーダリング構造を用いる方法がある。このオーダリング構造を用いる方法は、他の材料系に関するものとしては、例えば、非特許文献２および３に記載されている。この方法は、通常の結晶構造（ランダム混晶）に代えて、オーダリング構造を用いることで、バンドギャップを縮小させ、長波長を得ようとする方法である。例えば、非特許文献２には、ＩｎＰ基板上に、オーダリング構造のＧａ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓ発光層を設けることで、ランダム混晶よりもバンドギャップが６７ｍｅＶ小さい発光層を得る方法が記載されている。このオーダリング構造は、例えば、非特許文献２の図２に示されているように、電子回折像を見ることで、確認することができる。しかし、このオーダリング構造を、ＧａＡｓ基板とＧａＩｎＡｓ発光層とを備える光半導体素子に適用する方法は、開発されていない。なぜなら、ＧａＡｓ基板上に形成するＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ発光層では上記のようにＩｎ組成ｘを低くしているが、この低Ｉｎ組成ｘのＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ発光層ではオーダリングによるバンドギャップ縮小効果は小さく、発光波長を大幅に長くするような効果は得られないと考えられていたからである。また、そもそもＧａＡｓ基板上にオーダリング構造のＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ発光層を形成する製造方法が分からなかったからである。
【００１３】
このように、発光波長または受光波長が１．２μｍ〜１．３５μｍの長波長の光半導体素子においては、ＧａＡｓ基板を用いても、低コストで特性が高い素子は得られていなかった。
【００１４】
本発明は、かかる課題の認識に基づくもので、その目的は、発光波長または受光波長が１．２〜１．３５μｍの長波長の光半導体素子において、低コストで特性が高い素子を得ることである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の光半導体素子は、ＧａＡｓ基板と、前記ＧａＡｓ基板上に形成されＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ（０．２≦ｘ≦０．４）を含む活性層であって、前記Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓがＰｔＣｕ型オーダリング構造を有するものとして構成された活性層と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の光半導体素子は、ＧａＡｓ基板と、前記ＧａＡｓ基板の（００１）面から０°以上１５°以下傾斜した面上に形成されＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ（０．２≦ｘ≦０．４）を含む活性層であって、前記ＧａＡｓ基板の前記（００１）面の結晶軸方向を［００１］方向として、前記Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓが、［−１１１］方向、［１−１１］方向、［１１１］方向、［−１−１１］方向、のいずれかの方向に沿って、Ｇａ_{１−ｘ＋η／２}Ｉｎ_{ｘ−η／２}Ａｓ（０＜η≦２ｘ）からなる第１の層と、Ｇａ_{１−ｘ−η／２}Ｉｎ_{ｘ＋η／２}Ａｓからなる第２の層と、が交互に積層された構造を有するものとして構成された活性層と、を備えることを特徴とする。ここで［−１１１］方向等の記載方法は、図２に示すとおりである。
【００１７】
また、本発明の光半導体素子の製造方法の特徴は、ＧａＡｓ基板と、前記ＧａＡｓ基板上に形成されＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ（０．２≦ｘ≦０．４）を含む活性層と、を備える光半導体素子の製造方法であって、成長温度を５５０℃以上６２０℃以下とし、成長圧力を５０Ｔｏｒｒ以上３００Ｔｏｒｒ以下とし、ガリウム原料と、インジウム原料と、砒素原料と、を含む原料ガスを用い、前記原料ガスを、分解可能な温度よりも低い温度の第１の領域から、前記成長温度の第２の領域を経て、前記ＧａＡｓ基板上に送り込み、前記原料ガスを、分解可能な温度領域に達してから前記ＧａＡｓ基板上に到達するまでの時間が０．４秒以下になるようにして、前記ＧａＡｓ基板上に前記Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓを形成することを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細な説明を行う前に、本発明の前提となる、本発明者の独自の実験の結果について説明する。
【００１９】
前述のように、従来は、ＧａＡｓ基板とＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ発光層とを用いた光半導体素子において、発光層を基板に対する熱平衡理論による臨界膜厚以下の膜厚で形成し、かつ１．２μｍ以上の波長λを得ることは、できないと考えられていた（図１２のＭ３）。しかしながら、本発明者は、ＧａＡｓ基板上に形成されたＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ発光層において、通常の結晶構造（ランダム混晶）に代えてＰｔＣｕ型オーダリング構造を用いることで、大きなバンドギャップ縮小効果（オーダリング効果）が得られることを独自に知得した。そして、ＰｔＣｕ型オーダリング構造のＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ発光層を用いることで、発光層を基板に対する熱平衡理論による臨界膜厚以下の膜厚で形成し、かつ、１．２μｍ以上の長い発光波長λが得られることを知得した。この知得に基づき、ＰｔＣｕ型オーダリング構造のＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ発光層と、ＧａＡｓ基板と、を用いて低コストで特性が高い長波長の光半導体素子を得られることが分かった。
【００２０】
このＰｔＣｕ型オーダリング構造のＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ活性層は、成長圧力を５０〜３００Ｔｏｒｒとし、かつ、従来に比べて流速を５〜１０倍程度早くする成長条件で、得ることができる。このような成長条件は、Ｖ族原料の利用効率が悪いことから、従来は用いられていなかった。しかし、本発明者は、意図的にこの条件を用いることで、オーダリング構造のＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ活性層を得られることを独自に知得した。
【００２１】
図１は、本発明者が上記の実験に用いたサンプルの基本構造を示す断面図である。ｎ型のＧａＡｓ基板１の（００１）面上には、ＧａＡｓからなるｎ型クラッド層２、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ井戸層（発光層）３とＧａＡｓ障壁層４とを交互に複数積層した活性層５、ＧａＡｓからなるｐ型クラッド層６、が順次形成されている。結晶成長層１〜６は、成長原料としてＡｓＨ_３（アルシン）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、を用いて、ＭＯＣＶＤ法で形成される。図１のサンプルの特徴の１つは、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ発光層３が、通常の結晶構造ではなく、ＰｔＣｕ型オーダリング構造になっている点である。このＰｔＣｕ型オーダリング構造を、図２、図３を参照にして説明する。
【００２２】
図２は、ＰｔＣｕ型オーダリング構造のＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓの結晶構造を説明するための図である。ここでは、理解を容易にするため、Ｉｎ組成ｘが０．５の場合を示している。また、図３は、通常の結晶構造（ランダム混晶）のＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓの結晶構造を示す図である。ここでも、同様に、Ｉｎ組成ｘが０．５の場合を示している。図２、図３に示すように、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓの結晶構造は、面心立方格子の１つであるせん亜鉛鉱構造である。この構造では、ＩＩＩ族元素（Ｇａ、Ｉｎ）のサイトと、Ｖ族元素（Ａｓ）のサイトと、が決まっている。この構造において、ランダム混晶では、図３に示すように、ＩＩＩ族元素の位置にランダムにＧａとＩｎが配置される。これに対し、ＰｔＣｕ型オーダリング構造では、図２に示すように、結晶表面が（００１）面である場合に、［−１１１］方向に垂直な面に同一のＩＩＩ族原子が集まるように、規則的に、ＧａとＩｎが配置される。つまり、［−１１１］方向に沿って、ＧａＡｓからなる第１の層と、ＩｎＡｓからなる第２の層と、が交互に周期的に積層された構造となる。
【００２３】
上記の図２は、Ｉｎ組成ｘが０．５のＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓを示している。Ｉｎ組成ｘが０．５以下の場合は、図２のオーダリング構造は、［−１１１］方向に沿って、Ｇａ_{１−ｘ＋η／２}Ｉｎ_{ｘ−η／２}Ａｓ（０＜η≦２ｘ）からなる第１の層と、Ｇａ_{１−ｘ−η／２}Ｉｎ_{ｘ＋η／２}Ａｓ（０＜η≦２ｘ）からなる第２の層と、が交互に周期的に積層された構造となる。ここで、ηは、オーダリングパラメータ（ｏｒｄｅｒｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒ）であり、０から１までの値をとり、１のときにオーダリング効果が最大となる。なお、図２では、このオーダリングパラメータηが１となる理想的な場合について示している。
【００２４】
また、図２と等価なＰｔＣｕ型オーダリング構造として、図２から分かるように、［１−１１］方向、［１１１］方向、または［−１−１１］方向に沿って、Ｇａ_{１−ｘ＋η／２}Ｉｎ_{ｘ−η／２}Ａｓ（０＜η≦２ｘ）からなる第１の層と、Ｇａ_{１−ｘ−η／２}Ｉｎ_{ｘ＋η／２}Ａｓ（０＜η≦２ｘ）からなる第２の層と、が交互に積層された構造を用いることもできる。
【００２５】
このように、ＰｔＣｕ型オーダリング構造は、［−１１１］方向、［１−１１］方向、［１１１］方向、［−１−１１］方向、のいずれかの方向に２つの層が交互に周期的に配置された構造である。このオーダリング構造（図２）では、後述のように、ランダム混晶（図３）に比べてバンドギャップが縮小する。なお、このような周期性を持った構造は、電子線回折等の回折像で確認することができる。
【００２６】
上記のオーダリング構造をＧａＡｓ基板１上のＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ発光層３に用いるため、本発明者は、その製造方法について検討した。その結果、次のような条件で形成すると、オーダリング構造（図２）の発光層３が得られた。すなわち、原料ガスとして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＡｓＨ_３を用い、流速は、従来に比べて１桁程度早くする。具体的には、上記の原料ガスが、分解可能な温度領域（３５０℃以上の温度の領域）に達してから、ＧａＡｓ基板１上の領域（境界層）に達するまで、０．０８秒〜０．７秒、好ましくは０．１秒以上０．４秒以下にする。ここで、ＧａＡｓ基板１上での原料ガスの流速は、反応炉に入るときの原料ガスの流速の１０％以下である。また、成長圧力は、意図的に、Ｖ族原料（ＡｓＨ_３）の分解効率が悪い値にする。具体的には、５０Ｔｏｒｒ以上３００Ｔｏｒｒ以下、好ましくは７０Ｔｏｒｒ以上２００Ｔｏｒｒ以下にする。Ｖ／ＩＩＩ比は１０〜３００、好ましくは３０〜３００にする。これらの条件では、成長速度は、１μｍ／ｈｒ以上６μｍ／ｈｒ以下、好ましくは１μｍ／ｈｒ以上２μｍ／ｈｒ以下、になる。
【００２７】
さらに、本発明者は、上記の成長条件で、発光層３の成長温度と、ランダム混晶と比べた発光層３のバンドギャップ縮小量と、の関係を調べた。その結果を図４に示す。図４は、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ発光層３のＩｎ組成を０．２５とした場合と、０．５３にした場合と、を示している。この図４から、成長温度が５５０℃以上６２０℃以下の範囲で、バンドギャップ縮小量が大きくなることが分かる。
【００２８】
以上の結果から、流速、成長圧力、を所定の範囲にし、成長温度を５５０℃以上６２０℃以下にすることで、オーダリング構造のＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ発光層３１が得られることが分かる。なお、バンドギャップは、例えば吸収スペクトル測定ないしＰＬ測定により測定する。
【００２９】
次に、本発明者は、上記の成長条件で成長させたＰｔＣｕ型オーダリング構造のＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ発光層３について、Ｉｎ組成ｘと、バンドギャップ縮小量と、の関係を調べた。その結果を図５に示す。図５は、成長温度が上限６２０℃の場合と、下限５５０℃の場合と、を示している。図５から分かるように、Ｉｎ組成が約０．２５の時に最も大きなバンドギャップ縮小量が得られる。また、Ｉｎ組成が０．１５以上０．４以下であれば、バンドギャップ縮小量が７０ｍｅＶ以上と大きくなる。このような大きなバンドギャップ縮小量により、発光層３の発光波長を大幅に長くすることができる。
【００３０】
図６は、オーダリング構造（図２）の発光層３を用いた図１の素子の、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ発光層３のＩｎ組成と、この発光層３の発光波長と、を示す図である。
【００３１】
この図６は、ＧａＡｓ基板１に対する熱平衡理論による臨界膜厚以下の膜厚でＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ発光層３を形成した場合に得られる、発光波長を示している。また、図中には、比較例として、ランダム混晶（図３）の発光層を用いた通常の素子の発光波長（図１２参照）、および、前述の低温成長のランダム混晶の発光波長、も示している。図中、Ｌ１が図１の素子の発光波長、Ｌ２が通常の素子の発光波長、Ｌ３が低温成長発光層を用いた素子の発光波長、を示す。図６のＬ１から、発光層３のＩｎ組成を０から徐々に増加させると、徐々に発光波長が長くなり、Ｉｎ組成が約０．２以上で、発光波長が１．２μｍ以上となる。Ｉｎ組成を増加させ、Ｉｎ組成を約０．３とすると、発光波長が約１．３μｍとなる。Ｉｎ組成をさらに大きくしようとすると、発光層３と、基板１と、の格子定数差が大きくなり、発光層３の臨界膜厚が薄くなる（図１３）。これにより、厚膜の発光層３が形成できなくなり、発光層３の量子化準位の上昇が大きくなる（図１２のＭ２）。このため、図６から分かるように、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ発光層３のＩｎ組成ｘを約０．３５よりも大きくしていくと、発光波長は短くなっていく。そして、Ｉｎ組成を０．５３より大きくすると、膜厚を薄くしても発光層３を形成することができなくなる。このように、オーダリング構造の発光層を用いた図１の素子では、Ｉｎ組成を約０．２〜０．４とすることで、１．２〜１．３μｍの長い発光波長が得られる。
【００３２】
これに対し、図６から分かるように、ランダム混晶の発光層を用いた通常の素子Ｌ２では、発光波長１．２μｍ以上の素子は得られない。また、低温成長の発光層を用いた素子Ｌ３でも、発光波長が１．２２μｍ以上の素子は得られない。
【００３３】
もっとも、オーダリング構造の発光層３を用いた図１の素子において、上記の図６のような長い発光波長が得られることは、従来の技術常識に反する結果である。なぜなら、従来は、図５のような大きなバンドギャップ縮小値は得られないと考えられていたからである。すなわち、従来、他の材料系の基板とＧａＩｎＡｓ発光層とを用いた光半導体素子において、オーダリング構造の発光層を用いた場合、そのバンドギャップ縮小量は、最大でも７０ｍｅＶ未満にすぎなかった。また、従来の技術常識では、オーダリングによるバンドギャップ縮小量が最大になるのは、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓにおいて、ＧａとＩｎの比が１：１の時、つまりＩｎ組成ｘが０．５の時であると考えられていた。これは、ＧａとＩｎの比が１：１の時に、図２におけるオーダリング構造の周期性の影響が最も強くなると考えられていたからである。これらの従来の技術は、例えば、非特許文献２および３に記載されている。この従来の技術から敷衍できる図１のＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ発光層３のバンドギャップ縮小量を、例えば非特許文献３の手法に基づき見積もると、図７のようになる。この図７からは、Ｉｎ組成が０．５、つまりＧａとＩｎの比が１：１の時にバンドギャップの縮小量は最大となる。そして、上記のように現在得られているバンドギャップの縮小量が最大で７０ｍｅＶ未満であることからすれば、従来の技術常識では、オーダリングパラメータηは最大でも０．４〜０．５程度と考えられることが分かる。この図７でη＝０．４〜０．５の場合を見ると、バンドギャップ縮小量は、Ｉｎ組成が０．５未満であれば、当然７０ｍｅＶ未満になると予想される。しかしながら、本発明者の実験によれば、この従来の技術常識に反し、図５に示すように約１４０ｍｅＶの大きなバンドギャップ縮小量が得られた。また、本発明者の実験によれば、発光層３のＩｎ組成が約０．５のときよりも（図７）、Ｉｎ組成が約０．２５のときの方が（図５）、バンドギャプ縮小量が大きくなった。つまり、発光層３のＩｎとＧａとの比が１：１の時よりも、この比が１：３のときの方が、バンドギャップ縮小量が大きくなった。この理由について、本発明者は、次のように考えている。すなわち、オーダリング構造は、図２から分かるように、一種の相分離構造であり、相分離が起こりやすい条件にすると結晶配列がそろいやすくなる。そして、ＩｎＧａＡｓは１個のＶ族原子（Ａｓ）に対し４個のＩＩＩ族原子（Ｉｎ、Ｇａ）が配位した結晶構造であり（図２）、格子定数が大きいＩＩＩ族元素（Ｉｎ）と格子定数が小さいＩＩＩ族元素（Ｇａ）との比を１：３に近づけると、混晶化エネルギーが大きくなって、相分離が起こりやすくなる。さらに、ＩｎとＧａとの比を１：３に近づけたＩｎＧａＡｓ発光層３をＧａＡｓ基板１上に形成した場合には、ＧａＡｓ基板１と、発光層３と、に格子定数差があるために、相分離が起こりやすくなる。また、ＧａＡｓ基板の（００１）面上にＩｎＧａＡｓを形成すると、面方位の関係からも、相分離が起こりやすくなる。このため、図１の素子では、ＧａＡｓ基板１を用い、発光層３のＩｎとＧａとの比を１：３に近づけ、発光層３のＩｎ組成を０．２５に近づけることで、結晶配列がそろいやすくなる。この結果、図１の素子では、オーダリングパラメータηが従来の技術常識に比べてはるかに大きくなり、オーダリングパラメータηが１に近づいて、バンドギャップ縮小量が大きくなると考えている。このようにして、図１の素子では、従来得られなかった７０ｍｅＶ以上のバンドギャップ縮小量が得られる。
【００３４】
以上説明した図１のサンプルでは、ＧａＡｓ基板１のいわゆる（００１）ジャスト（ｊｕｓｔ）面上にＧａＩｎＡｓ発光層３を形成した場合について説明したが、ＧａＡｓ基板１の（００１）面から０°以上１５°以下傾斜した面上にＧａＩｎＡｓ発光層３を形成した場合も、同様のオーダリング効果が得られた。このような傾斜角度１５°以下のＧａＡｓ基板は、量産可能で、安価で入手できる。なお、ＧａＡｓ基板１の（００１）面から０°傾斜した面とは、ＧａＡｓ基板１の（００１）面を意味する。
【００３５】
以上のように、本発明者は、ＰｔＣｕ型オーダリング構造のＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ発光層３を用い、そのＩｎ組成を０．２〜０．４とすることで、ＧａＡｓ基板を用いた長波長の光半導体素子を提供できることを知得した。以下の実施の形態では、上記の知得に基づいてなされた光半導体素子の具体的な構造を説明する。
【００３６】
（第１の実施の形態）
図８は、本発明の第１の実施の形態の光半導体素子を示す斜視図である。また、図９は、図８の素子の層構造を説明するための断面図である。この素子は、Ｇａ_０．７５Ｉｎ_０．２５Ａｓ／ＧａＡｓ活性層２０を用いた面発光レーザである。この面発光レーザの特徴の１つは、活性層２０の井戸層（発光層）２１をオーダリング構造（図２参照）とした点である。これにより、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ井戸層２１のＩｎ組成ｘが０．２５と低いにもかかわらず、発光波長λを１．２６μｍと長くすることができる（図６）。
【００３７】
図８、図９の素子では、ｎ型のＧａＡｓ基板１２の（００１）面上に、膜厚０．５μｍのｎ型ＧａＡｓからなるバッファー層（ｎ型ドーパント濃度１×１０^１８ｃｍ^−３）１４、屈折率ｎ_１で厚さがλ／４ｎ_１のｎ型ＧａＡｓ層と屈折率ｎ_２で厚さがλ／４ｎ_２のｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層とを交互に３０ペア積層したＤＢＲ構造を有する下部ＤＢＲミラー層１６、膜厚１５２ｎｍのノンドープＧａＡｓからなる下部クラッド層１８、活性層２０、膜厚１５２ｎｍのノンドープＧａＡｓからなる上側クラッド層２２、屈折率ｎ_３で厚さがλ／４ｎ_３のｐ型ＧａＡｓ層と屈折率ｎ_４で厚さがλ／４ｎ_４のｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層とを交互に２４ペア積層したＤＢＲ構造を有する上部ＤＢＲミラー２４、層厚１０ｎｍのｐ型ＧａＡｓからなるキャップ層２６、が順次形成されている。ここで、下部ＤＢＲミラー層１６は、具体的には、ｎ型ＧａＡｓ層の厚さが９４ｎｍ、ｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層の厚さが１１０ｎｍ、である。また、上部ＤＢＲミラー層２４は、ｐ型ＧａＡｓ層の厚さが９４ｎｍ、ｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層の厚さが１１０ｎｍ、であり、最下層は、図９に示すように、厚さ４５ｎｍのｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ下側バッファー層３０、厚さ２０ｎｍのＡｌＡｓ層２８、厚さ４５ｎｍのｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ上側バッファー層３２、よりなっている。
【００３８】
上記の上部ＤＢＲミラー２４は、図８に示すように、ＡｌＡｓ層２８の側部を露出させるように、フォトリソグラフィー及びエッチング加工により、円形溝４２が形成され、中央部がメサポストに加工されている。メサポストの外側からＡｌＡｓ層２８のＡｌを選択的に酸化させることにより、直径例えば５μｍの未酸化のＡｌＡｓ層２８からなる電流注入領域と、Ａｌ酸化層４０からなる電流狭窄領域が形成されている。このメサポスト上面を除き、溝４２の壁を含む積層構造上全面に、ＳｉＮ_ｘ膜４４が保護膜として形成されている。また、ｐ型ＧａＡｓキャップ層２６に接触するリング状電極がｐ側電極４６として設けられ、更に、電極引き出し用にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕパッド４８がｐ側電極４６に接続するように形成されている。他方側の電極であるｎ側電極５０は、裏面研磨により厚さが１００ｎｍとされたｎ型ＧａＡｓ基板１２の裏面に形成される。なお、基板１２の厚さは約１００μｍ、積層体１４〜２６の厚さは数μｍ、であるが図８、図９では理解を容易にするために縮尺を変えて示している。
【００３９】
図８、図９の面発光レーザでは、ｐ型電極４６と、ｎ側電極５０と、から活性層２０に電流が注入される。そして、活性層２０から光が放射され、この光が上下のＤＢＲ１６、２４よりなる共振器中で増幅されてレーザ発振し、図中上側からレーザ光が放射される。ここで、光を放射する活性層２０は、図９に示すように、膜厚４．５ｎｍのＧａ_０．７５Ｉｎ_０．２５Ａｓからなる井戸数（発光層）２１と、膜厚２０ｎｍのＧａＡｓからなる障壁層１９と、を交互に積層した構造である。井戸数は２である。
【００４０】
図８、図９の面発光レーザの特徴の１つは、活性層２０の発光層２１が、前述のＰｔＣｕ型のオーダリング構造（図２参照）になっている点である。この発光層２１は、Ｉｎ組成が０．２５であるが、そのバンドギャップは０．９３ｅＶで、ランダム混晶と比べて約１４０ｍｅＶ小さい（図５）。このため、この発光層２１は、Ｉｎ組成が０．２５と低いにもかかわらず、１．２６μｍの長波長の光を放射する（図６）。
【００４１】
以上説明した図８、図９の面発光レーザでは、ＧａＡｓ基板１２を用いた発光波長１．２６μｍの長波長のレーザにおいて、発光層２１にＰｔＣｕ型オーダリング構造を用いたので、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ発光層２１のＩｎ組成ｘを０．２５と低くすることができる。これによりＧａＡｓ基板１２と、発光層２１と、の格子定数を近くし、発光層２１の結晶性を向上させることができる。この結果、発光波長１．２６μｍの長波長のレーザにおいて、発光効率および光出力を高くすることができる。
【００４２】
また、図８、図９の面発光レーザでは、Ｇａ_０．７５Ｉｎ_０．２５Ａｓ発光層２１の膜厚をＧａＡｓ基板１２に対する熱平衡理論による臨界膜厚以下としながら１．２６μｍの長波長を実現できる。このため、この観点からも、発光層２１の結晶性を向上させ、発光効率および光出力を高くすることができる。
【００４３】
また、図８、図９の面発光レーザでは、Ｇａ_０．７５Ｉｎ_０．２５Ａｓ発光層２１のＩｎ組成が低いために、発光層２１の臨界膜厚が４．５ｎｍと厚い（図１３）。このため、発光層２１の厚さを容易に４．５ｎｍまで厚くすることができる。このように発光層２１を厚くすることで、光閉じ込め効果を大きくし、レーザの実効的な増幅率を高くすることができる。これにより、閾電流密度を下げ、温度特性を向上させ、光出力の最大値を大きくすることができる。
【００４４】
また、図８、図９の面発光レーザでは、発光層２１を厚くできるので、活性層２０全体が厚くなる。このため、光ガイド層１８、２２と活性層２０全体による光閉じ込めの効果を十分に大きくしながら、活性層２０の外側の光ガイド層たるＧａＡｓ層１８、２２を薄くすることができる。このように光ガイド層１８、２２を薄くすることにより、内部ロスを小さくすることができる。これにより、さらに、閾電流密度を下げ、温度特性を向上させ、光出力の最大値を大きくすることができる。
【００４５】
また、図８、図９の面発光レーザでは、活性層２０を井戸層２１と障壁層２０との多重量子井戸構造としたので、単一量子井戸構造に比べ、活性層２０全体の厚さを厚くし、レーザの中での光閉じ込めの効果を大きくすることができる。また、井戸層あたりの電流注入量を下げることができる。これらにより、上術のような発光層２１の厚さを厚くするのと同様の効果をさらに得ることができる。このように、発光層２１の各層が厚いことと、多重量子井戸構造であることと、の相乗効果により、閾電流密度の低減、レーザの温度特性の向上、微分効率の増大、最大光出力の向上の効果を高めることができる。
【００４６】
また、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ発光層２１は、温度特性も良好である。このため、図８、図９の面発光レーザは、長期の信頼性を確保することができる。
【００４７】
また、図８、図９の面発光レーザでは、長波長のレーザにおいて、ＧａＡｓ基板１２を用いることができる。このＧａＡｓ基板１２は熱伝導率が高い。このため、図８、図９の面発光レーザでは、さらに温度特性を高くすることができる。
【００４８】
以上の効果により、図８、図９の面発光レーザにおいては、発光波長１．２６μｍで、閾値０．７ｍＡ以下、光出力２．５ｍＷ以上、ＣＷ発振が可能な限界温度が１００℃以上、と優れた特性が得られる。
【００４９】
さらに、図８、図９の面発光レーザのＧａＡｓ基板１２は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の基板（支持基板）として広く用いられており、安価で、容易に入手でき、その特性や取り扱い方法も良く知られている。このため、図８、図９の面発光レーザでは、歩留まりや生産性を高くすることができる。これにより、従来の長波長のレーザに比べて、コストを下げることができる。
【００５０】
次に、図８、図９の面発光レーザの製造方法について簡単に説明する。この面発光レーザは、ＭＯＣＶＤ法で成長する。発光層２１の成長原料にはＴＭＧ、ＴＭＩ、ＡｓＨ_３を用い、その他の層の成長原料にはＴＥＧ、ＴＭＡ、ＡｓＨ_３を用い、ｎ型ドーピングとｐ型ドーピングの原料にはそれぞれＳｉＨ_４とＣＢｒ_４を用いる。成長温度は６２０℃とし、成長速度はＡｌＧａＡｓは１μｍ／ｈ、その他の層は２μｍ／ｈｒとする。ＡｓＨ_３の供給は一定とする。Ｖ／ＩＩＩ比はＡｌＧａＡｓでは６０、その他の層では３０、とする。各層間の成長中断は数秒以内とし、非発光センターの導入を防ぐ。
【００５１】
この図８、図９の面発光レーザの製造方法の特徴の１つは、発光層２１の形成において、成長圧力を２００Ｔｏｒｒとし、かつ、Ｈ_２キャリアガスの流速を早くして原料ガスが分解可能な温度領域からＧａＡｓ基板１２上まで０．４秒以下で達するようにした点である。これにより、ＰｔＣｕ型オーダリング構造の発光層２１が得られる。
【００５２】
以上説明した図８、図９の面発光レーザの製造方法では、発光層２１を低Ｉｎ組成のＧａ_０．７５Ｉｎ_０．２５Ａｓとしたので、６２０℃の成長温度でこの発光層２１を良質に結晶成長することができる。そして、他の層も、同じ６２０℃で、良質に結晶成長することができる。このため、図６、図７の面発光レーザでは、積層構造の結晶成長を全て一定の温度で行うことができる。これにより、Ａｓの離脱や、非発光センターの形成を防止することができる。この結果、極めて光学特性の優れた結晶を利用することが出来る。
【００５３】
また、図８、図９の面発光レーザの製造方法では、成長圧力や流速に工夫が必要だが、成長原料や成長基板は従来と同じものを用いることができる。また、成長温度も従来と同様であり、ＧａＩｎＡｓＮ（Ｓｂ）系材料や低温成長ＧａＩｎＡｓと異なり、特別な温度対策を行う必要はない。このため、製造コストが大きく上昇することはない。
【００５４】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態の光半導体素子は、図１０に示すように、端面出射型半導体レーザである。発振波長は、１．３１μｍである。
【００５５】
ｎ型ＧａＡｓ基板１１０の（００１）面上には、膜厚０．５μｍのｎ型ＧａＡｓバッファー層（ｎ型ドーパント濃度１×１０^１８ｃｍ^−３）１１２、層厚１．５μｍのｎ型Ａｌ_０．３５Ｇａ_０．６５Ａｓからなる下部クラッド層１１４、膜厚２０ｎｍのＧａＡｓからなる光ガイド層１１６、量子井戸活性層１１８、層厚７０ｎｍのノンドープＧａＡｓからなる光ガイド層１２０、層厚１００ｎｍのｐ型Ｇａ_０．５２Ｉｎ_０．４８Ｐ層１２２、層厚５ｎｍのｐ型ＧａＡｓ層１２４、厚さ１．５μｍのｐ型Ａｌ_０．３５Ｇａ_０．６５Ａｓ層１２６、ｐ型ＧａＡｓからなるコンタクト層１２８、が順次形成されている。ｐ型ＧａＡｓ層１２４から上側の領域は、図１０に示すように、メサ構造１５０になっている。このメサ構造１５０の部分は、ＳｉＯ_２からなるパッシベーション膜１３０で覆われている。
【００５６】
図１０のレーザでは、ｐ側電極１３２と、ｎ側電極１３４と、から活性層１１８に電流が注入され、活性層１１８から波長約１．３μｍの光が放射される。活性層１１８から放射された光は、図中手前側の端面と奥側の端面とで形成される共振器によって増幅されてレーザ光となり、図中手前側の面から紙面と垂直方向に取り出される。
【００５７】
図１０のレーザの特徴の１つは、量子井戸活性層１１８の井戸層がＰｔＣｕ型オーダリング構造（図２参照）である点である。この量子井戸活性層１１８の構造は、ＧａＩｎＡｓ井戸層の膜厚とＩｎ組成以外は、第１の実施の形態（図９）と同様である。このＧａＩｎＡｓ井戸層は、膜厚３．５ｎｍで、Ｇａ_０．６８Ｉｎ_０．３２Ａｓからなる。井戸層のバンドギャップは０．８７ｅＶであり、ランダム混晶よりもバンドギャップが０．１２ｅＶ小さい（図５）。これにより、井戸層のＩｎ組成を０．３２と低くしながら、約１．３μｍの長い発光波長を得ることができる（図６）。そして、Ｇａ_０．６８Ｉｎ_０．３２Ａｓ活性層の膜厚をＧａＡｓ基板１１０に対する熱平衡理論による臨界膜厚以下としながら、約１．３μｍの長い発光波長を実現できる。この結果、図１０のレーザでは、波長約１．３μｍの端面出射型半導体レーザにおいて、閾値５ｍＡ以下、光出力２０ｍＷ以上、ＣＷ発振が可能な限界温度が１５０℃以上、の優れた特性を得ることができる。また、活性層１１８の井戸層の温度特性が優れているので、レーザとしての信頼性を高くすることもできる。
【００５８】
図１０のレーザの製造方法を簡単に説明すれば、次のとおりである。図１０のレーザの各層は、全てＭＯＣＶＤ法で成長され、第１の実施の形態とほぼ同様の成長条件で成長される。第１の実施の形態で用いなかったＧａＩｎＰ層１２２の成長には、ＴＭＧと、ＴＭＩと、ＰＨ_３と、を原料として用いている。図１０のレーザの各層の堆積後は、コンタクト層１２８上に、幅５μｍのストライプ状のＳｉＯ_２マスクを形成する。そして、硫酸、過酸化水素系のエッチャントを用いてｐ型ＧａＡｓ層１２４から上の層を選択エッチングする。その後、ＳｉＯ_２でパッシベーション膜１３０を形成し、ＳｉＯ_２パッシベーション膜１３０のメサ上面に孔をあけ、電極金属を堆積してｐ側電極１３２を形成する。さらに、ウェハーの裏面を研磨して１２０μｍ程度の厚さにし、裏面にｎ側電極１３４を形成する。その後、へき開により長さ２５０μｍのレーザ共振器を作製し、ＳｉＮ_ｘとＳｉを用いて、手前側の端面に反射率７０％の、奥側の端面に反射率９７％の、ＨＲコーティングを行って、図１０のレーザが完成する。
【００５９】
この図１０の半導体レーザの製造方法の特徴の１つは、活性層１１８の成長において、ＧａＩｎＡｓ井戸層のＧａ原料にはＴＭＧ（トリメチルガリウム）を、ＧａＡｓ障壁層のＧａ原料にはＴＥＧ（トリエチルガリウム）を、用いている点である。井戸層のＶ族原料にＴＭＧを用いることで、井戸層をオーダリング構造にしやすくすることができる。また、障壁層のＧａの成長原料にＴＥＧを用いることで、障壁層のｎ型不純物濃度を３×１０^１５ｃｍ^−３以下と低くすることができる。このように障壁層の不純物濃度を低くすることで、吸収損失を小さくし、閾電流密度を４００Ａ／ｃｍ^−２と低くすることができる。
【００６０】
これに対し、活性層１１８の障壁層のＧａの成長原料にもＴＭＧを用いると、障壁層は、ｐ型となり、不純物濃度は１×１０^１６ｃｍ^−３よりも大きくなる。このように障壁層の不純物濃度が高くなると、内部損失が大きくなり、閾電流密度は６００Ａ／ｃｍ^−２まで大きくなってしまう。
【００６１】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態の面発光レーザが第１の実施の形態の面発光レーザ（図９）と異なる点の１つは、図１１に示すように、障壁層１９に、ＧａＡｓに代えて、ＧａＡｓ_０．９４Ｎ_０．０１Ｐ_０．０５を用いた点である。これにより井戸層２１の歪を補償し、井戸層２１のＧａＡｓ基板１２に対する熱平衡理論による臨界膜厚を実効的にさらに厚くして、１．３４μｍの発振波長のレーザを得ることができる。このように１．３４μｍまで波長を長くすれば、ＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ、波長分割多重方式）を含めたさまざまな用途に、ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ系レーザを適用することができる。
【００６２】
図１１は、本発明の第３の実施の形態の面発光レーザの積層構造を示す断面図である。活性層２０の構造、および上下のクラッド層１８、２２の厚さ以外は、第１の実施の形態（図９）と同様である。活性層２０中の井戸層２１は、厚さ４ｎｍ、バンドギャップ０．８６ｅＶ、のＧａ_０．６６Ｉｎ_０．３４Ａｓからなる。また、活性層２０の障壁層１９は、ＧａＡｓ_０．９４Ｎ_０．０１Ｐ_０．０５からなり、井戸層２１の外側、井戸層２１の間、のいずれも厚さ１３ｎｍである。活性層２０の最上層と最下層には、それぞれ、厚さ１０ｎｍＧａＡｓバッファー層２３が設けられている。この活性層２０を挟む上下のクラッド層１８、２２の厚さは、それぞれ、１４０ｎｍである。
【００６３】
図１１の面発光レーザでは、障壁層１９をＧａＡｓ_０．９４Ｎ_０．０１Ｐ_０．０５としている。このように障壁層１９に砒素（Ａｓ）よりも格子定数が小さいリン（Ｐ）および窒素（Ｎ）を添加することで、障壁層１９の格子定数を小さくすることができる。これにより、厚い障壁層１９と接している薄い井戸層２１に圧縮歪をかけ、井戸層２１の実効的な格子定数を小さくし、ＧａＡｓ基板１２と井戸層２１との実効的な格子定数差を小さくすることができる。この結果、Ｇａ_０．６７Ｉｎ_０．３３Ａｓ井戸層２１のＧａＡｓ基板１２に対する熱平衡理論による臨界膜厚を４ｎｍまで厚くし、臨界膜厚で形成したＧａ_０．６７Ｉｎ_０．３３Ａｓ井戸層２１の量子化準位の上昇を抑えることができる。また、障壁層１９に組成０．０１の窒素（Ｎ）を添加したので、障壁層１９のバンドギャップをＧａＡｓよりも約０．０７ｅＶ狭くし、発光層２１における遷移エネルギーを約０．０２ｅＶ小さくすることができる。このため、発光層２１の量子化準位の上昇をさらに抑えることができる。これにより、図１１の面発光レーザでは、発光波長を１．３４μｍまで長くすることができる。
【００６４】
また、図１１の面発光レーザでは、井戸層２１の膜厚がＧａＡｓ基板１２に対する熱平衡理論による臨界膜厚以下なので、特性を高くすることができる。
【００６５】
また、図１１の面発光レーザでは、障壁層１９にＧａＡｓＮＰを用いたので、ＧａＡｓを用いた場合に比べて障壁層１９の屈折率を大きくし、光閉じ込めの効果を大きくすることができる。そして、このように障壁層１９の屈折率を大きくすると、第１の実施の形態において説明した発光層２１を厚くするのと同様の効果が得られ、レーザの実効的な増幅率を高くすることができる。このため、閾電流密度を下げ、温度特性を向上させ、光出力の最大値を大きくすることができる。また第１の実施の様態１と同様にＧａＡｓバッファー層２３を薄くすることができ、この層を薄くすることにより内部ロスを小さくし、さらに、閾電流密度を下げ、レーザの温度特性を向上させ、光出力の最大値を大きくすることができる。また、多重量子井戸構造を用いたので、さらに同様の効果が得られる。
【００６６】
以上の効果により、図１１の面発光レーザでは、閾値１ｍＡ以下、光出力１．５ｍＷ以上、ＣＷ発振の限界温度１００℃以上、の優れた特性を得ることができる。
【００６７】
図１１の面発光レーザの製造方法は、第１の実施の形態と基本的に同様である。ただし、活性層２０の成長温度は６００℃とする。これは、活性層２０の井戸層２１にＩｎ組成の高いＧａＩｎＡｓを用いた場合には、成長温度をやや低くした方が、オーダリングによるバンドギャップ縮小の効果が大きくなるためである。また、この活性層２０のＧａＡｓ_０．９４Ｎ_０．０１Ｐ_０．０５障壁層１９の成長にあたっては、Ｇａ原料としてＴＥＧを、窒素（Ｎ）の原料としてＤＭＨとＮＨ_３との混合ガスを、用いることが好ましい。Ｇａ原料としてＴＥＧを用いることで、光学的な吸収損失の原因となるＣの濃度を下げることができる。また、窒素の原料としてＤＭＨに加えてＮＨ_３を用いることで、結晶からの窒素の離脱を抑制し、ＤＭＨの利用効率をあげて、さらにＣ濃度を下げることができる。これにより、Ｃ濃度が低く特性が高いＧａＡｓ_０．９４Ｎ_０．０１Ｐ_０．０５障壁層１９を制御性良く成長することができる。なお、窒素（Ｎ）の原料のＤＭＨとＮＨ_３とは、成長温度６００℃で、十分に分解する。このため、窒素（Ｎ）の原料としてＤＭＨまたはＮＨ_３の一方のみを用いることもできる。また、活性層２０以外の層の形成に当たっては、ＴＭＡの分解効率をあげるために、成長温度を６４０℃とすることができる。この場合は、活性層２０とその上下のＧａＡｓバッファー層２３との間に２分間の成長中断を行い、その間に成長温度を変更することができる。
【００６８】
以上説明した図１１の面発光レーザでは、障壁層１９をＧａＡｓ_０．９４Ｎ_０．０１Ｐ_０．０５としたが、これをＧａＡｓ_{１−ｓ−ｔ}Ｎ_ｓＰ_ｔ（０≦ｓ≦０．０３、０≦ｔ≦１５ｓ）とすることもできる。このように障壁層１９に、濃度３％以下の窒素を添加することで、ＧａＡｓからなる障壁層に比べ、障壁層１９のバンドギャップを小さくことができる。また、窒素濃度が３％以下であれば、上記の製造方法において、５００℃〜６４０℃の成長温度で、障壁層１９に容易に窒素を添加することができる。もっとも、ＧａＡｓに窒素（Ｎ）のみを添加した障壁層を用いると、障壁層のバンドギャップが小さくなりすぎ、障壁層のバリアが低くなりすぎて、発光層２１からの発光の温度依存性が悪くなる。そこで、障壁層１９にリン（Ｐ）も添加することで、バンドギャップが小さくなりすぎるのを防ぐことができる。ただし、リン（Ｐ）を添加しすぎると障壁層１９のバンドギャップを小さく効果が得られなくなるので、ＧａＡｓ_{１−ｓ−ｔ}Ｎ_ｓＰ_ｔ障壁層１９において、Ｐ組成ｔはＮ組成ｓの１５倍以内とする。
【００６９】
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態の面発光レーザの特徴の１つは、第１の実施の形態の面発光レーザ（図８、図９）において、ＧａＡｓ基板１２として、傾斜基板（ミスカット基板、オフ基板）を用いた点である。このように傾斜基板を用いた以外は、第１の実施の形態と同様である。また、発光波長も、第１の実施の形態と同じ１．２６μｍである。以下では、図９を参照にして、説明する。
【００７０】
本実施例では、（００１）面から（１−１１）方向に１°傾斜したＧａＡｓ基板１２を用いている。ＧａＡｓ基板１２は傾斜基板であるが、ＧａＡｓ基板１２の表面と、活性層２０の表面と、は平行である。このようにミスカットのある基板１２を用いることにより、さらに特性が高い素子を提供することができる。
【００７１】
すなわち、傾斜基板を用いない場合は、発光層２１において、［−１１１］方向，［１−１１］方向、［１１１］方向、［−１−１１］方向、に沿って形成されたオーダリング構造が混在する。これに対し、傾斜基板を用いると、特定の方向に沿ったオーダリング構造のみが形成され易くなる。このため、発光層２１において結晶がさらに規則的に配置され、光学特性が明確な方位依存性を有するようになる。そして、内部ゲイン、光の密度、とも明確な方向性をもつようになる。この方向性を利用することで、横モードの安定した動作が得られ、ＤＣモードで光出力を大きくした場合でも、光出力の変動を小さくすることができる。また、高周波変調をかけた場合にも、横モード動作が安定し、光出力の変動が小さい発光面発光が得られる。また、閾値を０．５ｍＡまで低くし、光出力を３ｍＡまで大きくすることができる。
【００７２】
以上説明した本実施形態のレーザでは、ＧａＡｓ基板１２の傾斜角度を１°としたが、これを０°以上１５°以下、好ましくは１°以上３°以下とすることができる。傾斜角度を１°以上とすると、上記の内部ゲインおよび光の密度の上昇を効果的に行うことができる。また、傾斜角度を３°以下にすれば、メサ構造等の形成におけるエッチング速度や酸化速度はほぼ等方的であり、製造プロセスが行いやすい。また、傾斜角度を３°以下にすれば、電流の広がりが等方的であり、電流注入の均一性を高くすることができる。また、傾斜角度が０°以上１５°以下のＧａＡｓ基板は、量産可能で、安価で入手できる。
【００７３】
以上説明した各実施の形態では、光半導体素子として、半導体レーザについて説明した。しかし、これをＬＥＤ等の他の半導体発光素子に用いることも可能である。また、半導体受光素子に用いることも可能である。半導体発光素子に用いた場合は井戸層は発光層となり、半導体受光素子または吸収型変調器に用いた場合は井戸層は受光層（吸収層）となる。なお、この場合、活性層を発光層または受光層と把握することもできる。
【００７４】
また、以上説明した各実施の形態では、活性層を多重量子井戸構造にした場合について説明したが、これを単一量子井戸構造とすることもできる。また、活性層を、臨界膜厚を越えない範囲で、厚膜化することもできる。
【００７５】
【発明の効果】
本発明によれば、発光波長または受光波長が１．２０μｍ〜１．３５μｍの長波長の光半導体素子において、ＧａＡｓ基板と、ＰｔＣｕ型オーダリング構造Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ（０．２≦ｘ≦０．４）を含む活性層と、を用いたので、低コストで特性が高い素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＰｔＣｕ型のオーダリング構造のＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ発光層３を有するサンプルの断面図。
【図２】ＰｔＣｕ型のオーダリング構造のＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ（ｘ＝０．５）の結晶構造を示す図。
【図３】通常の結晶構造（ランダム混晶）のＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ（ｘ＝０．５）の結晶構造を示す図。
【図４】本発明者の実験により得られた、ＰｔＣｕ型オーダリング構造のＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ（ｘ＝０．２５、０．５３）の、成長温度と、バンドギャップ縮小量と、の関係を示す図。
【図５】本発明者の実験により得られた、ＰｔＣｕ型オーダリング構造のＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓの、Ｉｎ組成ｘと、バンドギャップ縮小量と、の関係を示す図。
【図６】本発明者の実験により得られた、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓの、Ｉｎ組成ｘと、発光波長と、の関係を示す図。
【図７】従来技術により敷衍できる知識に基づく、オーダリング構造のＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓの、Ｉｎ組成ｘと、バンドギャップ縮小量と、の関係を示す図。
【図８】本発明の第１の実施の形態の面発光レーザの斜視図。
【図９】本発明の第１の実施の形態の面発光レーザの断面図。
【図１０】本発明の第２の実施の形態の端面出射型レーザの断面図。
【図１１】本発明の第３の実施の形態の面発光レーザの断面図。
【図１２】通常の結晶構造のＧａＩｎＡｓの、Ｉｎ組成と、バンドギャップおよび波長と、の関係を示す図。
【図１３】ＧａＡｓ上に形成されたＧａＩｎＡｓの、Ｉｎ組成と、ＧａＡｓに対する熱平衡理論による臨界膜厚と、の関係を示す図。
【符号の説明】
１ ＧａＡｓ基板
３ ＰｔＣｕ型オーダリング構造のＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓからなる井戸層（発光層）
４ ＧａＡｓからなる障壁層
５ 活性層
１２ ＧａＡｓ基板
１９ 障壁層
２０ 活性層
２１ ＰｔＣｕ型オーダリング構造の井戸層
１１８ 活性層

Claims (10)

1. ＧａＡｓ基板と、
   前記ＧａＡｓ基板上に形成されＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ（０．２≦ｘ≦０．４）を含む活性層であって、前記Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓがＰｔＣｕ型オーダリング構造を有するものとして構成された活性層と、
   を備えることを特徴とする光半導体素子。
2. ＧａＡｓ基板と、
   前記ＧａＡｓ基板の（００１）面から０°以上１５°以下傾斜した面上に形成されＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ（０．２≦ｘ≦０．４）を含む活性層であって、前記ＧａＡｓ基板の前記（００１）面の結晶軸方向を［００１］方向として、前記Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓが、［−１１１］方向、［１−１１］方向、［１１１］方向、［−１−１１］方向、のいずれかの方向に沿って、Ｇａ_{１−ｘ＋η／２}Ｉｎ_{ｘ−η／２}Ａｓ（０＜η≦２ｘ）からなる第１の層と、Ｇａ_{１−ｘ−η／２}Ｉｎ_{ｘ＋η／２}Ａｓからなる第２の層と、が交互に積層された構造を有するものとして構成された活性層と、
   を備えることを特徴とする光半導体素子。
3. 前記Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓのバンドギャップがランダム混晶のＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓよりも７０ｍｅＶ以上小さいものとして構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の光半導体素子。
4. 前記活性層が、前記Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓからなる量子井戸層と、障壁層と、を交互に複数回積層した多重量子井戸構造であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光半導体素子。
5. 前記量子井戸層の膜厚が、前記ＧａＡｓ基板に対する熱平衡理論による臨界膜厚以下の膜厚であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光半導体素子。
6. 前記障壁層が、ＧａＡｓからなることを特徴とする請求項４または請求項５記載の光半導体素子。
7. 前記障壁層が、ＧａＡｓ_{１−ｓ−ｔ}Ｎ_ｓＰ_ｔ（０≦ｓ≦０．０３、０≦ｔ≦１５ｓ）からなることを特徴とする請求項４または請求項５記載の光半導体素子。
8. 前記活性層が、前記ＧａＡｓ基板の（００１）面から１°以上３°以下傾斜した面上に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の光半導体素子。
9. ＧａＡｓ基板と、前記ＧａＡｓ基板上に形成されＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ（０．２≦ｘ≦０．４）を含む活性層と、を備える光半導体素子の製造方法であって、
   成長温度を５５０℃以上６２０℃以下とし、
   成長圧力を５０Ｔｏｒｒ以上３００Ｔｏｒｒ以下とし、
   ガリウム原料と、インジウム原料と、砒素原料と、を含む原料ガスを用い、
   前記原料ガスを、分解可能な温度よりも低い温度の第１の領域から、前記成長温度の第２の領域を経て、前記ＧａＡｓ基板上に送り込み、前記原料ガスを、分解可能な温度領域に達してから前記ＧａＡｓ基板上に到達するまでの時間が０．４秒以下になるようにして、
   前記ＧａＡｓ基板上に前記Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓを形成することを特徴とする、光半導体素子の製造方法。
10. 前記活性層が、前記Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓからなる量子井戸層と、ＧａとＡｓを含む障壁層と、を交互に複数回積層した多重量子井戸構造であり、
    前記量子井戸層の前記ガリウム原料がトリメチルガリウムであり、
    前記障壁層のガリウム原料がトリエチルガリウムであることを特徴とする請求項９記載の光半導体素子の製造方法。

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