JP2004259857A - 半導体装置および半導体装置の製造方法、ならびに半導体装置を用いた応用システム - Google Patents
半導体装置および半導体装置の製造方法、ならびに半導体装置を用いた応用システム Download PDFInfo
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Abstract
【課題】組成として少なくともガリウムとインジウムと砒素とアンチモンとを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体がＧａＡｓ基板の上に結晶成長された半導体素子において、その混晶の相分離が抑制されており、優れた特性を有する半導体素子を提供する。
【解決手段】（１００）面またはその面と結晶学的に等価な面から所定の角度にて傾斜した面を表面とするＧａＡｓ基板上に、少なくともガリウムとインジウムと砒素とアンチモンとを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を形成する。
【選択図】 図１
【解決手段】（１００）面またはその面と結晶学的に等価な面から所定の角度にて傾斜した面を表面とするＧａＡｓ基板上に、少なくともガリウムとインジウムと砒素とアンチモンとを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を形成する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくともガリウムとインジウムと砒素とアンチモンとを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物結晶を有する半導体装置およびその製造方法、ならびにその半導体装置を用いた応用システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、オプトエレクトロニクス用の分野において、Ｖ族元素として窒素（Ｎ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料が注目されている。特に、ＧａＩｎＮＡｓは、ＮおよびＩｎの組成を制御することによって、光ファイバー通信に重要な波長１．３μｍまたは１．５５μｍに相当するバンドギャップを有し、かつ、ＧａＡｓ基板に格子整合した直接遷移型半導体材料を得られる可能性があるため、非常に有望視されている。
【０００３】
しかしながら、ＧａＡｓ系化合物半導体へのＮの取り込み効率が低いため、波長１．３μｍまたは１．５５μｍに相当するバンドギャップを得るためにＮの供給量を増やしてＮの組成比を増加させると、結晶成長表面が荒れるという問題があった。また、ＧａＩｎＮＡｓ混晶をＧａＡｓ基板に格子整合させるために、ＮおよびＩｎの組成比を増加させた場合にも、その結晶性が大きく悪化し、半導体レーザ素子の活性層として用いるのに十分な結晶性が得られなかった。
そこで、特開平１０−６４８２８号公報（特許文献１）および特開平１０−３２１９５９号公報（特許文献２）は、（００１）面から特定の傾斜角度にて傾斜した表面を有するＧａＡｓ基板を用いることによって、ＧａＡｓ基板に格子整合し、波長１．３μｍおよび１．５５μｍに相当するバンドギャップを有するＧａＩｎＮＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を形成する技術を開示している。
【０００４】
ＧａＩｎＮＡｓの発光波長を長くするために、Ｓｂ添加の効果が報告されている（エム・コペル（Ｍ． Ｃｏｐｅｌ）ら、「フィジックス・レビュー・レターズ（Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ．）」、第６３巻、１９８９年、ｐ．６３２；非特許文献１）。また、ＧａＳｂまたはＩｎＡｓを基板として用い、基板に格子整合したＧａＩｎＡｓＳｂを発光層とした発光素子は、波長２μｍ以上の波長帯での発光が得られ、半導体レーザ素子や発光ダイオードの発光層として応用される。
一方、同じくＧａＩｎＡｓＳｂを発光層としてＧａＡｓ基板上に設けた場合、波長０．９〜１．２μｍといった波長帯での発光が期待され、Ｎの導入により長波長化させれば、１．３〜１．５５μｍ波長帯の発光が期待される。
【０００５】
さらに、「エレクトロニクス・レターズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）」、第３８巻、第６号、２００２年３月１４日、ｐ．２７７−２７８（非特許文献２）に開示されているように、ＧａＡｓ（１００）面上に形成したＧａＩｎＡｓＳｂに数％以下のＮが混晶化されたＧａＩｎＮＡｓＳｂは、光ファイバー通信に重要な波長１．３μｍまたは１．５５μｍで発光することから、工業的に重要となっている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−６４８２８号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開平１０−３２１９５９号公報
【０００８】
【非特許文献１】
エム・コペル（Ｍ． Ｃｏｐｅｌ）ら、「フィジックス・レビュー・レターズ（Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ．）」、第６３巻、１９８９年、ｐ．６３２
【０００９】
【非特許文献２】
「エレクトロニクス・レターズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）」、第３８巻、第６号、２００２年３月１４日、ｐ．２７７−２７８
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記に示したＧａＩｎＡｓＳｂやＧａＩｎＮＡｓＳｂなど、組成として少なくともガリウムとインジウムと砒素とアンチモンとを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は光通信に重要な波長領域で発光する発光材料として有用であるが、結晶成長によって良質の結晶を作製することが非常に困難である。これは、ＧａＡｓ−ＧａＳｂ−ＩｎＡｓ−ＩｎＳｂを混合した場合に、広い組成範囲で非混和となることの影響であり、均一な組成分布を持つ良質の結晶を得ることが困難となっている。
【００１１】
本発明者の検討によると、ＧａＩｎＡｓＳｂを結晶成長した場合、スピノーダル分解によりＧａＩｎＡｓとＧａＡｓＳｂとに相分離した混合膜や、完全に分離しなくてもＩｎ組成およびＳｂ組成に大きな分布を持った結晶膜が形成される傾向にある。また、特に基板としてＧａＡｓを用いた場合には、ＧａＳｂやＩｎＡｓを基板として用いた場合よりも良質な結晶を得ることが困難であった。そのため、ＧａＩｎＡｓＳｂやＧａＩｎＮＡｓＳｂを活性層とした半導体レーザ素子などの半導体装置においては、発振閾値電流密度が高くなる問題があった。また、そのような半導体レーザ素子では、温度特性が悪くなる（特性温度が低い）問題も見られた。
【００１２】
本発明は上記の問題を解決することを目的としたものである。つまり、本発明は、組成として少なくともガリウムとインジウムと砒素とアンチモンとを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体がＧａＡｓ基板の上に結晶成長された半導体素子において、その混晶の相分離が抑制されており、優れた特性を有する半導体素子を提供するものである。また、そのような半導体装置の製造方法を提供する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ガリウム砒素からなる基板の上に、少なくとも一層の第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が形成され、ここに、該基板の表面は、（１００）面またはその面と結晶学的に等価な面から所定の方向に５度以上５５度以下の角度にて傾斜した面であって、該第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層はガリウムとインジウムと砒素とアンチモンとを含む半導体装置を提供する。
このように表面が（１００）面またはその面と結晶学的に等価な面から傾斜した面方位をもつＧａＡｓ基板を用いることにより、第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の組成分布が均一となり、ＧａＡｓ基板を用いた場合に固有の非混和の影響を受けることなく、結晶性に優れた結晶が得られ、かくして、優れた特性を示す半導体装置が得られるようになる。
【００１４】
好適な具体例としては、前記所定の方向が［０１１］方向またはその方向と結晶学的に等価な方向である。
もう一つの好適な具体例としては、前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層において、ＩＩＩ族元素中のインジウム組成比が１５％以上であって、Ｖ族元素中のアンチモン組成比が２％以上である。
さらにもう一つの好適な具体例としては、前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が、さらに窒素を混晶組成として含む。
さらなる好適な具体例としては、前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が、３５０℃以上５５０℃以下の範囲の基板温度にて結晶成長した半導体層である。
【００１５】
また、本発明は、圧縮歪を有する第二のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層（中間層）が、前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の基板に近い側に隣接して設けられていることを特徴とする半導体装置を提供する。
このように圧縮歪を有する第二のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を中間層として用いることにより、母材となるＧａＡｓよりも格子定数が大きな前記の第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をその上に結晶成長する際に、ＩｎやＳｂといった原子半径が大きな元素のステップ端からの結晶中への取り込みが安定して生じるようになり、より優れた結晶が得られ、それを用いた半導体装置においては優れた特性を示すようになるものである。
【００１６】
好適な具体例としては、前記第二のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層（中間層）が、非混和性を示さない組成の材料である。
もう一つの好適な具体例としては、前記第二のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層（中間層）が、その混晶組成としてインジウムとアンチモンとを同時に含まない。
【００１７】
さらにもう一つの好適な具体例としては、前記第二のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層（中間層）において、ＩＩＩ族元素中のインジウム組成比またはＶ族元素中のアンチモン組成比が、それぞれ、前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層における各組成比と概ね同じである。
本発明の半導体装置において、第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の特徴は、インジウムとガリウムと砒素とアンチモンとを含むことにあり、一方、第二のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層（中間層）の特徴は、圧縮歪を有し、かつ、第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の基板に近い側に隣接して設けられていることにある。
したがって、製造過程における容易性を考慮して、第一および第二のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層において、ＩｎまたはＳｂの組成比を同じ値に設定することができる。あるいは、各層の目的を最大限に発揮させるために、独立して、組成比を設定することもできる。
本明細書において、「インジウム組成比またはＶ族元素中のアンチモン組成比が概ね同じである」とは、組成比が同一の値またはその近傍の値であることを意味する。
【００１８】
本発明の半導体装置は、前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が、量子井戸構造における井戸層として機能することを特徴とするものである。前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が発光層として機能する発光素子であることが好ましい。また、前記発光素子が、１５０Ｋ以上の特性温度を有する半導体レーザ素子である。
【００１９】
本発明は、本発明による半導体装置を用いた応用システムを提供する。
本発明による半導体装置は、光ファイバー通信システムに適用することが非常に有用である。また、光ファイバーを用いない空間光伝送システム、あるいは光ディスク用のピックアップ、あるいは光によるセンサー機能を有する光計測システム、レーザを利用した医療用機器などの他の応用システムに用いることもできる。
【００２０】
さらに、本発明は、（１００）面またはその面と結晶学的に等価な面から所定の方向に５度以上５５度以下の角度にて傾斜した面を表面に有するガリウム砒素からなる基板の上に、少なくともガリウムとインジウムと砒素とアンチモンとを含む第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を結晶成長することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【００２１】
好適な具体例としては、前記所定の方向が［０１１］方向またはその方向と結晶学的に等価な方向である。
もう一つの好適な具体例としては、前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層において、ＩＩＩ族元素中のインジウム組成比が１５％以上であって、Ｖ族元素中のアンチモン組成比が２％以上である。
さらにもう一つの好適な具体例としては、前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が、さらに窒素を混晶組成として含む。
さらなる好適な具体例としては、前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を、３５０℃以上５５０℃以下の範囲の基板温度にて結晶成長する。
【００２２】
また、本発明は、圧縮歪を有する第二のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層（中間層）を結晶成長し、次いで、それに隣接して前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を結晶成長することを特徴とする製造方法も提供する。
【００２３】
好適な具体例としては、前記第二のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層（中間層）が、非混和性を示さない組成の材料である。
もう一つの好適な具体例としては、前記第二のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層（中間層）が、その混晶組成としてインジウムとアンチモンとを同時に含まない。
【００２４】
さらにもう一つの好適な具体例としては、前記第二のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層（中間層）において、ＩＩＩ族元素中のインジウム組成比またはＶ族元素中のアンチモン組成比が、それぞれ、前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層における各組成比と概ね同じである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
上記に示したＧａＩｎＡｓＳｂのように、組成として少なくともガリウムとインジウムと砒素とアンチモンとを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、いわゆる長波長帯と呼ばれる波長領域で発光する発光材料として有用であるが、結晶成長によって良質の結晶を作製することが非常に困難であった。これは、ＧａＡｓ−ＧａＳｂ−ＩｎＡｓ−ＩｎＳｂを混合した場合に、広い組成範囲で非混和となることの影響であり、均一な組成分布を持つ良質の結晶を得ることが困難であることによっていると考えられる。
本発明者の検討によると、ＧａＩｎＡｓＳｂを結晶成長した場合、スピノーダル分解によりＧａＩｎＡｓとＧａＡｓＳｂとの混合膜、あるいは完全に分離しなくてもＩｎ組成とＳｂ組成とが大きな分布を持った結晶膜が形成される傾向にあった。
【００２６】
ここで、基板としてＧａＳｂやＩｎＡｓを用いた場合、結晶成長されるＧａＩｎＡｓＳｂ混晶は基板に格子整合させることが可能である。この場合、ＧａＩｎＡｓＳｂのスピノーダル分解により生成されるＧａＩｎＡｓとＧａＡｓＳｂは、均一に混合された格子整合組成のＧａＩｎＡｓＳｂと比較して、スピノーダル分解を起こすことによって生じる分解後の組成の格子定数が基板の格子定数から大きく離れるようになり、相分離することによって大きな歪を内包するようになる。そのため、基板としてＧａＳｂやＩｎＡｓを用いた場合には、ＧａＩｎＡｓＳｂ混晶は相分離せずに混合している方が内部歪のエネルギーが小さな状態であることから、基板によってスピノーダル分解が抑制される状態となっている。
【００２７】
それに対し、基板としてＧａＡｓを用いた場合には、その上に結晶成長されるＧａＩｎＡｓＳｂは、ＩｎとＳｂ共に母材であるＧａＡｓを構成するＧａやＡｓよりも原子半径が大きいため、ＧａＡｓに格子整合することがなく、圧縮歪を持つことになる。格子歪み系のＧａＩｎＡｓＳｂ系がＧａＩｎＡｓとＧａＩｎＳｂとに分離した場合、スピノーダル分解に伴なう歪み量の変化がほとんど生じず、ＧａＳｂやＩｎＡｓを基板として用いた場合の格子整合系のＧａＩｎＡｓＳｂと比較して、容易に相分離が生じてしまうといった特有の問題を有している。
【００２８】
そこで、本発明者は、組成として少なくともガリウムとインジウムと砒素とアンチモンとを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を結晶成長する際のＧａＡｓ基板の面方位に着目して検討を進めた結果、基板として、（１００）面を表面として有するＧａＡｓ基板に代えて、表面方位を（１００）面またはその面と結晶学的に等価な面から傾斜した面を表面として有するＧａＡｓ基板を用いた場合に、相分離や組成分布が抑制され、発光特性に優れたＧａＩｎＡｓＳｂ結晶が得られることを見出した。
【００２９】
本明細書において、基板の（１００）面またはその面と結晶学的に等価な面から所定の傾斜角度にて傾斜した面を結晶成長主面とする基板を「オフ基板」という。
ＧａＡｓやＳｉ等のように対称性の高い結晶の場合、結晶の（１００）面は、（００１）面、（０１０）面、（−１００）面、（００−１）面などの他の面と結晶学的に等価な性質を有する。したがって、本発明において、基板の（１００）面から傾斜した面を結晶成長主面とするオフ基板のみならず、（１００）面と結晶学的に等価な面から傾斜した面を結晶主面とするオフ基板も用いることができる。
【００３０】
また、ＧａＡｓオフ基板上に、組成として少なくともガリウムとインジウムと砒素とアンチモンとを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を含む半導体素子を構成した場合に、発振閾値電流密度の小さな優れた素子特性が得られ、さらに、温度特性に優れ、特性温度（Ｔ０）の大きな素子が得られることがわかった。
【００３１】
上記したように、オフ基板を用いた場合に優れた素子特性が得られたのは、次の作用によっていると考えられる。
例えば、ＧａＩｎＡｓＳｂを結晶成長する場合、結晶成長室内にて加熱された基板表面にＧａ、Ｉｎ、ＡｓおよびＳｂのそれぞれの原料が供給されることによりＧａＩｎＡｓＳｂ混晶が結晶成長するわけであるが、傾斜していない基板を用いた場合、基板上に供給された各原料の原子や分子は基板上をマイグレーションし、テラス上にランダムに核形成をして結晶成長が始まる。このように供給された原子や分子が自由にマイグレーションし、テラス上に核形成が生じた場合、各元素が混合するよりもエネルギー的により安定な状態、すなわちＧａＩｎＡｓとＧａＡｓＳｂとに分離した状態での結晶成長が生じやすく、相分離された結晶膜となり、結晶の発光特性すなわち素子特性が悪化することになる。
【００３２】
一方、オフ基板を用いた場合、基板上に供給された原子や分子はテラス上に核形成されるよりもステップ端に捕らえられて結晶中に取り込まれる確率が高くなる。そのため、自由なマイグレーションが行われないままランダムにステップ端から結晶成長が進行することになり、その結果として組成が分離することなく、ランダムに混ざり合った混晶結晶が得られるようになるものと思われる。
そのため、得られた結晶の発光特性は優れ、それを用いた半導体レーザ素子においては発振閾値電流密度が著しく小さくなる。また、半導体装置としてはここで例を挙げた半導体レーザ素子に限らず、発光ダイオード素子などの発光素子を作製した場合も同様に高効率での発光が生じるなど、他の半導体装置の構成に適用した場合においても半導体装置の高性能化を図ることができるようになる。
【００３３】
一般的に、「オフ基板」は、成長主面にステップおよびテラスが形成され、材料原子がステップに取り込まれ２次元成長する「ステップフロー成長」が生じやすいため、平坦性に優れた半導体層を得る目的で使用される。
しかしながら、本発明は、上記したごとく、原子や分子をステップ端に捕えて、自由なマイグレーションを阻害することによって、組成分布が均一な結晶性の高い半導体層を得ることを目的として「オフ基板」を用いる。
【００３４】
さらに、半導体レーザ素子の活性層として量子井戸構造を適用し、その量子井戸構造の井戸層に少なくともＧａ、Ｉｎ、ＡｓおよびＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を適用した場合、ＧａＡｓオフ基板の上に構築することによって温度特性が著しく良好になる（特性温度Ｔ０が大きくなる）ことがわかった。
これは、例えばＧａＩｎＡｓＳｂの場合、従来の傾斜していないＧａＡｓ基板を用いた場合に得られるＧａＩｎＡｓとＧａＡｓＳｂとの混合膜、あるいは完全に分離しなくてもＩｎ組成とＳｂ組成とが大きな分布を持った結晶膜を井戸層に用いた場合よりも、本発明のようにＧａＡｓオフ基板を用いた場合に得られる組成分布が完全にランダムで均一なＧａＩｎＡｓＳｂを井戸層に用いた方が、組成の混合による禁制帯幅のボーイングの効果が大きく、井戸層への注入キャリアの閉じ込めがより強くなる効果によっている。
本発明のようにオフ基板を用い、その上に半導体レーザ素子を構成した場合、以下の実施例において実例を示すように、特性温度として１５０Ｋ以上の値が得られるようになった。
【００３５】
なお、本発明は、下記の実施例において示す特定の結晶系、混晶組成、バンドギャップ波長、ヘテロ接合の組み合わせ、デバイス構造に限定されるものではないことは言うまでもない。
特にデバイスについては半導体レーザ素子に限定されるものではなく、発光ダイオード、受光素子、光導波路素子、太陽電池などの任意の光デバイス、あるいはトランジスタ、ＦＥＴ、ＨＥＭＴなどの電子デバイスの任意の層の作製に適用することが可能である。
【００３６】
また、本発明において、実施例において詳細に説明した元素以外のＩＩＩ族元素（Ｂ、Ｔｌ等）やＶ族元素（Ｐ、Ｂｉ）が、半導体層に適宜混晶化されていてもよいし、不純物元素（Ｃ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｔｅ、Ｓ、Ｓｅ、Ｓｉ等）が適宜含まれていてもよい。
全ての実施例において、結晶成長方法としては、分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法に限定されるものではなく、他の方法を適宜選択し得る。例えば、ガスソースＭＢＥ法、ケミカルビームエピタキシー（ＣＢＥ）法、有機金属ＭＢＥ（ＭＯ−ＭＢＥ）法、有機金属気相成長（ＭＯ−ＣＶＤ）法、光ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、真空蒸着法、真空スパッタ法など、既存の各種手法を適用することが可能である。
【００３７】
また、結晶成長に用いる各構成元素の原料については、実施例に記述した特定の原料、あるいはそれぞれの原料の特定の組み合わせに限定されるものではなく、任意の原料を任意の組み合わせで用いることができることは言うまでもない。また、結晶成長により形成された混晶について、各組成の混晶比の組み合わせについても実施例に記述した特定の値の組み合わせに限定されるものではなく、任意の混晶比の組み合わせとすることが可能である。
また、何れの実施例も、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂとを含む混晶材料を量子井戸構造における井戸層として用いた場合について示すが、その際における井戸数、歪量、井戸層厚に関して制限はない。また、バリア層にも圧縮または引っ張りの歪を導入してもよい。また、量子井戸構造のみならず、バルク結晶であってもよい。
なお、本明細書において、「上」と示された方向は基板から離れる方向を示しており、「下」は基板へ近づく方向を示している。結晶成長は「下」から「上」の方向へ向かって進行する。
【００３８】
本発明の半導体装置は、光ファイバー通信システムに適用するのに非常に有用である。以下の実施例において、本発明を光ファイバー通信システムへ応用した例について示すが、光ファイバーを用いない空間光伝送システム、あるいは光ディスク用のピックアップ、あるいは光によるセンサー機能を有する光計測システム、レーザを利用した医療用機器などの他の応用システムにおいて同様の構成が可能であり、同様の効果が得られることは言うまでもない。また、必ずしもモノリシック型でなくとも、半導体レーザ部や受光用ディテクター部を外部から貼り付けたハイブリッド型であってもよいことは言うまでもない。
【００３９】
【実施例】
実施例１
図１に、本発明による半導体装置の第１の実施形態である半導体レーザ素子１を示す。この半導体レーザ素子１は、（１００）面から［０１１］方向に５度の角度にて傾斜した表面を有するＧａＡｓ基板の上に構成されている点に特徴がある。以下、上記のＧａＡｓ基板を、「ＧａＡｓ（１００）５度オフ基板」と略記する。
また、半導体レーザ素子１において、活性層である井戸層を構成する化合物半導体層には、組成として少なくともガリウムとインジウムと砒素とアンチモンとを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としてＧａＩｎＡｓＳｂが用いられていることを特徴とする。
【００４０】
この実施例において、ｎ型のＧａＡｓ（１００）５度オフ基板１０１の上に、１μｍ厚のｎ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ下クラッド層１０２、０．１μｍ厚のｉ（真性）−ＧａＡｓ下ガイド層１０３、７ｎｍ厚のｉ−Ｇａ０．７３Ｉｎ０．２７Ａｓ０．９５Ｓｂ０．０５井戸層１０４、０．１μｍ厚のｉ−ＧａＡｓ上ガイド層１０５、１μｍ厚のｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ上クラッド層１０６、および０．５μｍ厚のｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０７の各層を分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法を用いて、順次結晶成長して、半導体レーザ素子１ａを作製した。
このときに用いられたＭＢＥ法では、各元素（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ）の原料には、全て固体ソース（金属Ａｌ、金属Ｇａ、金属Ｉｎ、金属Ａｓ、金属Ｓｂ）を用いた。また、結晶成長時の基板温度は４５０℃とした。
【００４１】
ＭＢＥ法による結晶成長の後、上クラッド層１０６の一部およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０７を幅２μｍのストライプ状にエッチング加工してリッジ型導波路構造とし、リッジ側面にはポリイミドによる電流狭窄層１０８を施した。
さらに、上下にＡｕＺｎからなるｐ型電極１０９およびＡｕＧｅからなるｎ型電極１１０を形成した。続いてリッジに直交する方向に、劈開により端面ミラーを形成した。
【００４２】
半導体レーザ素子１ａは、波長１．２μｍでレーザ発振した。共振器長（Ｌ）を３００μｍとした時のレーザ発振開始時の発振閾値電流密度Ｊｔｈは０．２５ｋＡ／ｃｍ２であり、低電流でのレーザ発振が見られた。
【００４３】
素子温度２０℃から８０℃における特性温度Ｔ０は１９０Ｋであり、優れた特性を示した。ここで、特性温度Ｔ０とは、一般に、閾値電流−温度特性の関係式Ｊｔｈ（Ｔ）＝Ｊ０×ｅｘｐ（Ｔ／Ｔ０）で定義される値Ｔ０であり、Ｊｔｈ（Ｔ）は絶対温度Ｔ（Ｋ）における発振閾値電流密度を意味し、Ｊ０は上記関係式の係数であって、特性温度Ｔ０（Ｋ）における発振閾値電流密度を意味する。
この実施例において、８０℃および２０℃におけるＪｔｈの実測値から、Ｊｔｈ（８０℃）／Ｊｔｈ（２０℃）＝ｅｘｐ（６０／Ｔ０）の関係式を用いて（ここでは、簡便のため、左辺における温度を摂氏表記した）、特性温度Ｔ０を求めた。
【００４４】
実施例２〜４
実施例１と同様に、基板１０１として、ＧａＡｓ（１００）５度オフ基板に代えて、（１００）面から［０１１］方向に２度傾斜した面を表面に有するＧａＡｓ基板を用いて半導体レーザ素子１ｂを作製し（実施例２）、（１００）面から［０１１］方向に１０度傾斜した面を表面に有するＧａＡｓ基板を用いて半導体レーザ素子１ｃを作製し（実施例３）、（１００）から［０１１］方向に１５度傾斜した面を表面に有するＧａＡｓ基板を用いて半導体レーザ素子１ｄを作製した（実施例４）。
【００４５】
何れの半導体レーザ素子についても、波長１．２μｍでレーザ発振した。共振器長（Ｌ）を３００μｍとした時のレーザ発振開始時の発振閾値電流密度Ｊｔｈは、半導体レーザ素子１ｂにおいて０．４ｋＡ／ｃｍ２、半導体レーザ素子１ｃにおいて０．２７ｋＡ／ｃｍ２、半導体レーザ素子１ｄにおいて０．３５ｋＡ／ｃｍ２であり、低電流でのレーザ発振が見られた。
また、素子温度２０℃から８０℃における特性温度Ｔ０は、半導体レーザ素子１ｂにおいて１８０Ｋ、半導体レーザ素子１ｃにおいて１６０Ｋ、半導体レーザ素子１ｄにおいて１８５Ｋであり、優れた特性を示した。
【００４６】
比較例１および２
実施例１と同様に、基板１０１として、ＧａＡｓ（１００）５度オフ基板に代えて、傾斜していない（１００）面を表面に有するＧａＡｓ基板を用いて半導体レーザ素子１ｅを作製し（比較例１）、（１００）面から［０１１］方向に０．５度傾斜した面を表面に有するＧａＡｓ基板を用いて半導体レーザ素子１ｆを作製した（比較例２）。
【００４７】
何れの半導体レーザ素子についても、波長１．２μｍでレーザ発振した。共振器長（Ｌ）を３００μｍとした時のレーザ発振開始時の発振閾値電流密度Ｊｔｈは、半導体レーザ素子１ｅにおいて８ｋＡ／ｃｍ２、半導体レーザ素子１ｆにおいて４ｋＡ／ｃｍ２であり、実施例１〜４で作製した半導体レーザ素子１ａ〜１ｄと比較して発振閾値電流密度は非常に大きく、発振効率が悪かった。
また、素子温度２０℃から８０℃における特性温度Ｔ０は、半導体レーザ素子１ｅにおいて９０Ｋ、半導体レーザ素子１ｆにおいて９５Ｋであり、温度特性に劣るものであった。
【００４８】
実施例５および６
実施例１と同様に、基板１０１として、ＧａＡｓ（１００）５度オフ基板に代えて、（３１１）Ａ面を表面に有するＧａＡｓ基板を用いて半導体レーザ素子１ｇを作製し（実施例５）、（１１１）Ａ面を表面に有するＧａＡｓ基板を用いて半導体レーザ素子１ｈを作製した（実施例６）。
【００４９】
何れの半導体レーザ素子についても、波長１．２μｍでレーザ発振した。共振器長（Ｌ）を３００μｍとした時のレーザ発振開始時の発振閾値電流密度Ｊｔｈは、半導体レーザ素子１ｇにおいて０．３ｋＡ／ｃｍ２、半導体レーザ素子１ｈにおいて０．６ｋＡ／ｃｍ２であり、低電流でのレーザ発振が見られた。
また、素子温度２０℃から８０℃における特性温度Ｔ０は、半導体レーザ素子１ｇにおいて１７０Ｋ、半導体レーザ素子１ｈにおいて１６５Ｋであり、優れたレーザ特性を示した。
なお、ここで用いた（３１１）Ａ面、（１１１）Ａ面というのは、（１００）面を［０１１］方向へそれぞれ２５度、５５度傾斜した面方位に相当する。
【００５０】
実施例７、８および９
実施例１と同様に、基板１０１として、ＧａＡｓ（１００）５度オフ基板に代えて、（１００）面から［０１−１］方向に５度傾斜した面を表面に有するＧａＡｓ基板を用いて半導体レーザ素子１ｉを作製し（実施例７）、（３１１）Ｂ面を表面に有するＧａＡｓ基板を用いて半導体レーザ素子１ｊを作製し（実施例８）、（１１１）Ｂ面を表面に有するＧａＡｓ基板を用いて半導体レーザ素子１ｋを作製した（実施例９）。
実施例８および９で用いる（３１１）Ｂ面および（１１１）Ｂ面というのは、（１００）面から［０１−１］方向へそれぞれ２５度、５５度傾斜した面に相当する。すなわち、実施例１〜６では［０１１］方向へ傾斜した基板を用いた例を示したが、実施例７〜９では［０１−１］方向へ傾斜した基板としている点に特徴がある。
【００５１】
何れの半導体レーザ素子についても、波長１．２μｍでレーザ発振した。共振器長（Ｌ）を３００μｍとした時のレーザ発振開始時の発振閾値電流密度Ｊｔｈは、半導体レーザ素子１ｉ、１ｊおよび１ｋにおいてそれぞれ１．０ｋＡ／ｃｍ２、１．３ｋＡ／ｃｍ２であり、１．５ｋＡ／ｃｍ２であり、比較例１および２で作製した半導体レーザ素子１ｅおよび１ｆと比べて低いものであった。
また、素子温度２０℃から８０℃における特性温度Ｔ０は、半導体レーザ素子１ｉ、１ｊおよび１ｋにおいてそれぞれ１５０Ｋ、１６０Ｋおよび１５５Ｋであった。
【００５２】
表１および図４は、実施例１〜９、比較例１および２に示した半導体レーザ素子の発振閾値電流密度Ｊｔｈと基板の傾斜角度との相関を示すものである。
【００５３】
【表１】
【００５４】
基板の傾斜がない比較例１および傾斜角度が小さな比較例２に対し、傾斜角度が５度以上である実施例１〜９においては発振閾値電流密度が著しく低下し、より優れた素子特性が得られるようになっていることがわかる。かくして、図４から、上記の作用および効果を得るには傾斜角度として５度以上が必要であることがわかる。
レーザ素子の発振閾値電流密度は［０１１］方向に傾斜した基板を用いた場合に限らず［０１−１］方向に傾斜した場合でも低下が見られ、［０１１］方向と同様にＧａＩｎＡｓＳｂの相分離を抑制する効果があることがわかる。
また、［０１１］方向と［０１−１］方向の中間である［０１０］方向でも同様の効果が確認された。しかし、その効果は［０１１］方向の場合よりも小さく、［０１１］方向への傾斜の方がより好ましいことがわかった。
【００５５】
実施例１０
図２に、本発明による半導体装置の第２の実施形態である半導体レーザ素子２を示す。この半導体レーザ素子２は、実施例１に記載された半導体レーザ素子１と同様に、（１００）面から［０１１］方向に５度傾斜した面を表面に有するＧａＡｓ基板の上に構成されるが、井戸層の上下に中間層が形成されていることを特徴とする。
この図では、半導体レーザ素子１と同様の構成要素については図１と同じ符号を用いている。
【００５６】
この実施例において、ｎ型のＧａＡｓ（１００）５度オフ基板１０１の上に、１μｍ厚のｎ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ下クラッド層１０２、０．１μｍ厚のｉ（真性）−ＧａＡｓ下ガイド層１０３、１０ｎｍ厚のｉ−Ｇａ０．８Ｉｎ０．２Ａｓ下中間層２０１、６ｎｍ厚のｉ−Ｇａ０．８Ｉｎ０．２Ａｓ０．９２Ｓｂ０．０８井戸層１０４、１０ｎｍ厚のｉ−Ｇａ０．８Ｉｎ０．２Ａｓ上中間層２０２、０．１μｍ厚のｉ−ＧａＡｓ上ガイド層１０５、１μｍ厚のｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ上クラッド層１０６、および０．５μｍ厚のｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０７の各層を分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法を用いて、順次結晶成長して、半導体レーザ素子２ａを作製した。
このときに用いられたＭＢＥ法では、各元素（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ）の原料には、全て固体ソース（金属Ａｌ、金属Ｇａ、金属Ｉｎ、金属Ａｓ、金属Ｓｂ）を用いた。
【００５７】
ＭＢＥ法による結晶成長の後、上クラッド層１０６の一部およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０７を幅２μｍのストライプ状にエッチング加工してリッジ型導波路構造とし、リッジ側面にはポリイミドによる電流狭窄層１０８を施した。
さらに、上下にＡｕＺｎからなるｐ型電極１０９およびＡｕＧｅからなるｎ型電極１１０を形成した。続いてリッジに直交する方向に、劈開により端面ミラーを形成した。
【００５８】
半導体レーザ素子２ａは、波長１．１５μｍでレーザ発振した。共振器長（Ｌ）を３００μｍとした時のレーザ発振開始時の発振閾値電流密度Ｊｔｈは０．２ｋＡ／ｃｍ２であり、低電流でのレーザ発振が見られた。
また、素子温度２０℃から８０℃における特性温度Ｔ０は１８７Ｋであり、優れた特性を示した。
【００５９】
半導体レーザ素子２ａにおいては、井戸層１０４の上下にＧａＩｎＡｓからなる中間層を設けた点に特徴がある。同様の構造で中間層が無い場合（半導体レーザ素子１ａ）と比較し、約２０％の発振閾値電流密度の低減が確認された。
このように、組成として少なくともガリウムとインジウムと砒素とアンチモンとを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に隣接し、結晶成長時の下地として格子歪み系の中間層を挿入することで、ＧａＩｎＡｓＳｂ層を成長する下地の結晶表面が圧縮歪を内包しており、ステップ端で、母材であるＧａＡｓよりも原子半径の大きな元素であるＩｎ、Ｓｂが安定して結晶中に取り込まれるようになる。そのため、中間層が無い場合よりもより相分離が抑制されやすく、発光特性に優れた結晶、素子特性に優れた半導体素子が得られるようになった。
なお、ＧａＩｎＡｓＳｂ井戸層１０４の上にも下中間層２０１と同じ材料からなる上中間層２０２を設けているが、これは量子井戸構造を上下対称とするために設けたものである。
このように中間層を用いることによる効果は、ここで示した［０１１］方向に５度傾斜した基板に限らず、任意の傾斜角度、傾斜方向で有効であることは言うまでもない。
【００６０】
実施例１１
実施例１０と同様に、下中間層２０１および上中間層２０２を共に１５ｎｍ厚のｉ−ＧａＡｓ０．９２Ｓｂ０．０８として、半導体レーザ素子２ｂを作製した。半導体レーザ素子２ｂは、半導体レーザ素子２ａと同程度の低い発振閾値電流密度でレーザ発振することが確認さた。
【００６１】
実施例１０では、中間層としてＧａ０．８Ｉｎ０．２Ａｓを用いた場合を示したが、中間層の材料としては、圧縮歪を有し、かつ非混和領域に入らない組成の材料であればよい。具体的には、実施例１０で示したＧａ０．８Ｉｎ０．２Ａｓの他に、任意のＩｎ組成のＧａＩｎＡｓ、あるいは実施例１１で示したＧａＡｓ０．９２Ｓｂ０．０８の他に、任意のＳｂ組成のＧａＡｓＳｂなどを用いることができる。
【００６２】
実施例１２および１３
実施例１と同様に、井戸層１０６を、６．５ｎｍ厚のｉ−Ｇａ０．７２Ｉｎ０．２８Ｎ０．００４Ａｓ０．９１６Ｓｂ０．０８として半導体レーザ素子１ｍを作製し（実施例１２）、７ｎｍ厚のｉ−Ｇａ０．７Ｉｎ０．３Ｎ０．０１Ａｓ０．８９Ｓｂ０．１として半導体レーザ素子１ｎを作製した（実施例１３）。
作製された半導体レーザ素子は、半導体レーザ素子１ｍにおいては波長１．３１μｍにて、半導体レーザ素子１ｍにおいては波長１．５５μｍにてレーザ発振が見られた。また、発振閾値電流密度は、それぞれ０．６ｋＡ／ｃｍ２および０．８ｋＡ／ｃｍ２と、十分に小さな値であり、優れた特性を示した。
【００６３】
実施例１〜１１においては、組成として少なくともガリウムとインジウムと砒素とアンチモンとを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としてＧａＩｎＡｓＳｂを用いた場合について示したのに対し、実施例１２および１３においては、さらに窒素（Ｎ）を混晶化したＧａＩｎＮＡｓＳｂとした場合について示している点に特徴がある。
このように、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｂ、Ａｓ以外に他の元素が含まれている場合においてもＩｎ−Ｇａ−Ｓｂ−Ａｓ四元系の非混和の影響によって生じる結晶性の悪化が見られ、オフ基板を用いることによってそれが抑制されることが確認された。
【００６４】
なお、この実施例１２および１３においては、半導体レーザ素子１ａの構成、すなわち（１００）面から［０１１］方向に５度傾斜した面を有するＧａＡｓ基板の上にＧａＩｎＮＡｓＳｂを結晶成長した構成について説明したが、他の実施例２〜１１に示した基板の傾斜角度や方向の異なる構成においても井戸層を同様に窒素が混晶化された材料に置き換えても同様の効果が見られたことは言うまでもない。
また、窒素（Ｎ）以外にも、燐（Ｐ）、アルミニウム（Ａｌ）、タリウム（Ｔｌ）、硼素（Ｂ）などの他のＩＩＩ族あるいはＶ族元素が混晶化されていても、さらには導電型がｐ型あるいはｎ型にドーピングされていてもオフ基板による同様の効果が見られることは言うまでもない。
【００６５】
また、組成として少なくともガリウムとインジウムと砒素とアンチモンとを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料の各元素の組成は、上記の実施例において具体的に示した値のみならず、任意の組成において効果が確認されている。
特に、ＩＩＩ族元素中のインジウム組成が１５％以上であって、Ｖ族元素中のアンチモン組成が２％以上の場合には非混和の影響が大きい。したがって、半導体層の組成が上記の範囲にある場合に本発明を適用すれば、大きな効果が得られる。
【００６６】
実施例１４
結晶成長時の基板温度を３００℃〜６００℃の範囲で変化させる以外は、実施例１（基板温度４５０℃）と同様にして、（１００）面から［０１１］方向に５度傾斜した面を表面に有するＧａＡｓ基板の上に種々の半導体レーザ素子を作製した。
このときの半導体レーザ素子の発振閾値電流密度と基板温度との関係を表２および図５に示す。
【００６７】
【表２】
【００６８】
図５からわかるように、オフ基板の上に結晶成長した場合、基板温度３５０℃以上５５０℃以下にて低い発振閾値電流密度でのレーザ発振が確認された。基板温度が上記の温度範囲よりも高温過ぎる場合には結晶成長が平衡状態に近づくため、オフ基板を用いても非混和の影響を抑制する効果が弱くなるものと考えられる。また基板温度が上記の温度範囲よりも低温過ぎる場合には供給された原料のマイグレーション長が短くなり、オフ基板を用いてもステップ端からの原子の取り込みが生じにくくなるためにオフ基板を用いた効果が弱くなるものと考えられる。
【００６９】
実施例１５
この実施例は、本発明の半導体装置を適用した、光通信システムに用いられる光送受信モジュールについて説明する。
図３に、光送受信モジュール３の略図（斜視図）を示す。この光送受信モジュール３は、（１００）面から［０１１］方向に１０度傾斜した面を表面に有するＧａＡｓ基板３０１の上に、送信用半導体レーザ部３０２、光導波路部３０３、送信用半導体レーザの出力モニター部３０４および受光用ディテクター部３０５を一回で結晶成長することによって、それぞれの微小素子をモノリシック集積して、作製されている。
送信用半導体レーザ部３０２、受光用ディテクター部３０５、送信用半導体レーザの出力モニター部３０４の層構造は、実施例１２で示した半導体レーザ素子１ｍと同一であり、量子井戸活性層あるいはコア層の井戸層部にＧａＩｎＮＡｓＳｂからなる半導体材料が用いられている。光導波路部３０３には、上面から亜鉛が熱拡散され、コア層の量子井戸構造が無秩序化されており、波長１．３１μｍの光に対して透明となっている。それぞれの微小素子は、ドライエッチングにより加工され、分離されている。
【００７０】
基地局から光ファイバー３０７を通して送られてきた波長１．３１μｍの光信号は、ａ点から光導波路３０３に結合され、光導波路３０３を導波する。Ｙ分岐部３０６では導波されてきた光信号が５０：５０に分岐され、一方がｂ点を通して受光用ディテクター部３０５に達し、送られてきた光信号が電気信号に変換される。一方送信機能としては、半導体レーザ部３０２によって電気信号が光信号に変換され、ｃ点を通して導波路３０３に結合され、ａ点から光ファイバー３０７へ送信される。出力モニター部３０４は、半導体レーザ部３０２の光出力を後方からモニターするものである。
【００７１】
この光送受信モジュールでは、送信用半導体レーザ部３０２、受光用ディテクター部３０５、送信用半導体レーザの出力モニター部３０４の井戸層において、ＧａＩｎＮＡｓＳｂからなるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料が用いられているが、オフ基板の上に結晶成長されていることにより、半導体レーザ部においては低消費電力化、ディテクター部およびモニター部においては光−電気変換効率が大幅に向上しており、システム全体の性能の向上が達成された。
【００７２】
なお、この実施例においては、層構造として実施例１２で説明したものと同一のものを用いた場合について説明したが、これまでに他の実施例で示してきた他の傾斜角度、傾斜方向の基板、種々の混晶組成の組み合わせ、組成比等を用いて同様のシステムを構築しても同様に高性能なシステムが構築されることは言うまでもない。
【００７３】
【発明の効果】
本発明によれば、ガリウムとインジウムと砒素とアンチモンとを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を所定の方向に傾斜した表面を有するガリウム砒素基板の上に結晶層を成長するので、非混和の影響による相分離あるいは組成の揺らぎを抑制することができる。かくして、その結晶層を用いた半導体装置の特性が大きく向上するものである。特にその結晶層を発光層とする半導体レーザ素子や発光ダイオードなどの発光デバイスにおいて、発振閾値電流密度の低減、温度特性の向上といった効果が得られる。またそのような発光デバイスを光通信システムにおける光源として用いた場合、消費電力の低減が図れるなど、応用システム全体の高性能化が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１の実施形態の半導体レーザ素子の斜視図。
【図２】本発明による第２の実施形態の半導体レーザ素子の斜視図。
【図３】本発明による半導体レーザ素子を適用した光通信モジュールの斜視図。
【図４】発振閾値電流密度と基板の傾斜角度との相関を説明するグラフ。
【図５】発振閾値電流密度と結晶成長温度との相関を説明するグラフ。
【符号の説明】
１・・・半導体レーザ素子、
１０１・・・基板、
１０２・・・下クラッド層、
１０３・・・下ガイド層、
１０４・・・井戸層、
１０５・・・上ガイド層、
１０６・・・上クラッド層、
１０７・・・コンタクト層、
１０８・・・電流狭窄層、
１０９・・・ｐ型側電極金属、
１１０・・・ｎ型電極金属、
２・・・半導体レーザ素子、
２０１・・・下中間層、
２０２・・・上中間層、
３・・・光送受信モジュール、
３０１・・・基板、
３０２・・・半導体レーザ部、
３０３・・・導波路、
３０４・・・出力モニター、
３０５・・・受光用ディテクター、
３０６・・・Ｙ分岐、
３０７・・・光ファイバー、
３０８・・・無反射コーティング、
３０９・・・電極パッド。
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくともガリウムとインジウムと砒素とアンチモンとを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物結晶を有する半導体装置およびその製造方法、ならびにその半導体装置を用いた応用システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、オプトエレクトロニクス用の分野において、Ｖ族元素として窒素（Ｎ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料が注目されている。特に、ＧａＩｎＮＡｓは、ＮおよびＩｎの組成を制御することによって、光ファイバー通信に重要な波長１．３μｍまたは１．５５μｍに相当するバンドギャップを有し、かつ、ＧａＡｓ基板に格子整合した直接遷移型半導体材料を得られる可能性があるため、非常に有望視されている。
【０００３】
しかしながら、ＧａＡｓ系化合物半導体へのＮの取り込み効率が低いため、波長１．３μｍまたは１．５５μｍに相当するバンドギャップを得るためにＮの供給量を増やしてＮの組成比を増加させると、結晶成長表面が荒れるという問題があった。また、ＧａＩｎＮＡｓ混晶をＧａＡｓ基板に格子整合させるために、ＮおよびＩｎの組成比を増加させた場合にも、その結晶性が大きく悪化し、半導体レーザ素子の活性層として用いるのに十分な結晶性が得られなかった。
そこで、特開平１０−６４８２８号公報（特許文献１）および特開平１０−３２１９５９号公報（特許文献２）は、（００１）面から特定の傾斜角度にて傾斜した表面を有するＧａＡｓ基板を用いることによって、ＧａＡｓ基板に格子整合し、波長１．３μｍおよび１．５５μｍに相当するバンドギャップを有するＧａＩｎＮＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を形成する技術を開示している。
【０００４】
ＧａＩｎＮＡｓの発光波長を長くするために、Ｓｂ添加の効果が報告されている（エム・コペル（Ｍ． Ｃｏｐｅｌ）ら、「フィジックス・レビュー・レターズ（Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ．）」、第６３巻、１９８９年、ｐ．６３２；非特許文献１）。また、ＧａＳｂまたはＩｎＡｓを基板として用い、基板に格子整合したＧａＩｎＡｓＳｂを発光層とした発光素子は、波長２μｍ以上の波長帯での発光が得られ、半導体レーザ素子や発光ダイオードの発光層として応用される。
一方、同じくＧａＩｎＡｓＳｂを発光層としてＧａＡｓ基板上に設けた場合、波長０．９〜１．２μｍといった波長帯での発光が期待され、Ｎの導入により長波長化させれば、１．３〜１．５５μｍ波長帯の発光が期待される。
【０００５】
さらに、「エレクトロニクス・レターズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）」、第３８巻、第６号、２００２年３月１４日、ｐ．２７７−２７８（非特許文献２）に開示されているように、ＧａＡｓ（１００）面上に形成したＧａＩｎＡｓＳｂに数％以下のＮが混晶化されたＧａＩｎＮＡｓＳｂは、光ファイバー通信に重要な波長１．３μｍまたは１．５５μｍで発光することから、工業的に重要となっている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−６４８２８号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開平１０−３２１９５９号公報
【０００８】
【非特許文献１】
エム・コペル（Ｍ． Ｃｏｐｅｌ）ら、「フィジックス・レビュー・レターズ（Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ．）」、第６３巻、１９８９年、ｐ．６３２
【０００９】
【非特許文献２】
「エレクトロニクス・レターズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）」、第３８巻、第６号、２００２年３月１４日、ｐ．２７７−２７８
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記に示したＧａＩｎＡｓＳｂやＧａＩｎＮＡｓＳｂなど、組成として少なくともガリウムとインジウムと砒素とアンチモンとを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は光通信に重要な波長領域で発光する発光材料として有用であるが、結晶成長によって良質の結晶を作製することが非常に困難である。これは、ＧａＡｓ−ＧａＳｂ−ＩｎＡｓ−ＩｎＳｂを混合した場合に、広い組成範囲で非混和となることの影響であり、均一な組成分布を持つ良質の結晶を得ることが困難となっている。
【００１１】
本発明者の検討によると、ＧａＩｎＡｓＳｂを結晶成長した場合、スピノーダル分解によりＧａＩｎＡｓとＧａＡｓＳｂとに相分離した混合膜や、完全に分離しなくてもＩｎ組成およびＳｂ組成に大きな分布を持った結晶膜が形成される傾向にある。また、特に基板としてＧａＡｓを用いた場合には、ＧａＳｂやＩｎＡｓを基板として用いた場合よりも良質な結晶を得ることが困難であった。そのため、ＧａＩｎＡｓＳｂやＧａＩｎＮＡｓＳｂを活性層とした半導体レーザ素子などの半導体装置においては、発振閾値電流密度が高くなる問題があった。また、そのような半導体レーザ素子では、温度特性が悪くなる（特性温度が低い）問題も見られた。
【００１２】
本発明は上記の問題を解決することを目的としたものである。つまり、本発明は、組成として少なくともガリウムとインジウムと砒素とアンチモンとを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体がＧａＡｓ基板の上に結晶成長された半導体素子において、その混晶の相分離が抑制されており、優れた特性を有する半導体素子を提供するものである。また、そのような半導体装置の製造方法を提供する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ガリウム砒素からなる基板の上に、少なくとも一層の第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が形成され、ここに、該基板の表面は、（１００）面またはその面と結晶学的に等価な面から所定の方向に５度以上５５度以下の角度にて傾斜した面であって、該第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層はガリウムとインジウムと砒素とアンチモンとを含む半導体装置を提供する。
このように表面が（１００）面またはその面と結晶学的に等価な面から傾斜した面方位をもつＧａＡｓ基板を用いることにより、第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の組成分布が均一となり、ＧａＡｓ基板を用いた場合に固有の非混和の影響を受けることなく、結晶性に優れた結晶が得られ、かくして、優れた特性を示す半導体装置が得られるようになる。
【００１４】
好適な具体例としては、前記所定の方向が［０１１］方向またはその方向と結晶学的に等価な方向である。
もう一つの好適な具体例としては、前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層において、ＩＩＩ族元素中のインジウム組成比が１５％以上であって、Ｖ族元素中のアンチモン組成比が２％以上である。
さらにもう一つの好適な具体例としては、前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が、さらに窒素を混晶組成として含む。
さらなる好適な具体例としては、前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が、３５０℃以上５５０℃以下の範囲の基板温度にて結晶成長した半導体層である。
【００１５】
また、本発明は、圧縮歪を有する第二のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層（中間層）が、前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の基板に近い側に隣接して設けられていることを特徴とする半導体装置を提供する。
このように圧縮歪を有する第二のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を中間層として用いることにより、母材となるＧａＡｓよりも格子定数が大きな前記の第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をその上に結晶成長する際に、ＩｎやＳｂといった原子半径が大きな元素のステップ端からの結晶中への取り込みが安定して生じるようになり、より優れた結晶が得られ、それを用いた半導体装置においては優れた特性を示すようになるものである。
【００１６】
好適な具体例としては、前記第二のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層（中間層）が、非混和性を示さない組成の材料である。
もう一つの好適な具体例としては、前記第二のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層（中間層）が、その混晶組成としてインジウムとアンチモンとを同時に含まない。
【００１７】
さらにもう一つの好適な具体例としては、前記第二のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層（中間層）において、ＩＩＩ族元素中のインジウム組成比またはＶ族元素中のアンチモン組成比が、それぞれ、前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層における各組成比と概ね同じである。
本発明の半導体装置において、第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の特徴は、インジウムとガリウムと砒素とアンチモンとを含むことにあり、一方、第二のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層（中間層）の特徴は、圧縮歪を有し、かつ、第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の基板に近い側に隣接して設けられていることにある。
したがって、製造過程における容易性を考慮して、第一および第二のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層において、ＩｎまたはＳｂの組成比を同じ値に設定することができる。あるいは、各層の目的を最大限に発揮させるために、独立して、組成比を設定することもできる。
本明細書において、「インジウム組成比またはＶ族元素中のアンチモン組成比が概ね同じである」とは、組成比が同一の値またはその近傍の値であることを意味する。
【００１８】
本発明の半導体装置は、前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が、量子井戸構造における井戸層として機能することを特徴とするものである。前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が発光層として機能する発光素子であることが好ましい。また、前記発光素子が、１５０Ｋ以上の特性温度を有する半導体レーザ素子である。
【００１９】
本発明は、本発明による半導体装置を用いた応用システムを提供する。
本発明による半導体装置は、光ファイバー通信システムに適用することが非常に有用である。また、光ファイバーを用いない空間光伝送システム、あるいは光ディスク用のピックアップ、あるいは光によるセンサー機能を有する光計測システム、レーザを利用した医療用機器などの他の応用システムに用いることもできる。
【００２０】
さらに、本発明は、（１００）面またはその面と結晶学的に等価な面から所定の方向に５度以上５５度以下の角度にて傾斜した面を表面に有するガリウム砒素からなる基板の上に、少なくともガリウムとインジウムと砒素とアンチモンとを含む第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を結晶成長することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【００２１】
好適な具体例としては、前記所定の方向が［０１１］方向またはその方向と結晶学的に等価な方向である。
もう一つの好適な具体例としては、前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層において、ＩＩＩ族元素中のインジウム組成比が１５％以上であって、Ｖ族元素中のアンチモン組成比が２％以上である。
さらにもう一つの好適な具体例としては、前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が、さらに窒素を混晶組成として含む。
さらなる好適な具体例としては、前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を、３５０℃以上５５０℃以下の範囲の基板温度にて結晶成長する。
【００２２】
また、本発明は、圧縮歪を有する第二のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層（中間層）を結晶成長し、次いで、それに隣接して前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を結晶成長することを特徴とする製造方法も提供する。
【００２３】
好適な具体例としては、前記第二のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層（中間層）が、非混和性を示さない組成の材料である。
もう一つの好適な具体例としては、前記第二のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層（中間層）が、その混晶組成としてインジウムとアンチモンとを同時に含まない。
【００２４】
さらにもう一つの好適な具体例としては、前記第二のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層（中間層）において、ＩＩＩ族元素中のインジウム組成比またはＶ族元素中のアンチモン組成比が、それぞれ、前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層における各組成比と概ね同じである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
上記に示したＧａＩｎＡｓＳｂのように、組成として少なくともガリウムとインジウムと砒素とアンチモンとを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、いわゆる長波長帯と呼ばれる波長領域で発光する発光材料として有用であるが、結晶成長によって良質の結晶を作製することが非常に困難であった。これは、ＧａＡｓ−ＧａＳｂ−ＩｎＡｓ−ＩｎＳｂを混合した場合に、広い組成範囲で非混和となることの影響であり、均一な組成分布を持つ良質の結晶を得ることが困難であることによっていると考えられる。
本発明者の検討によると、ＧａＩｎＡｓＳｂを結晶成長した場合、スピノーダル分解によりＧａＩｎＡｓとＧａＡｓＳｂとの混合膜、あるいは完全に分離しなくてもＩｎ組成とＳｂ組成とが大きな分布を持った結晶膜が形成される傾向にあった。
【００２６】
ここで、基板としてＧａＳｂやＩｎＡｓを用いた場合、結晶成長されるＧａＩｎＡｓＳｂ混晶は基板に格子整合させることが可能である。この場合、ＧａＩｎＡｓＳｂのスピノーダル分解により生成されるＧａＩｎＡｓとＧａＡｓＳｂは、均一に混合された格子整合組成のＧａＩｎＡｓＳｂと比較して、スピノーダル分解を起こすことによって生じる分解後の組成の格子定数が基板の格子定数から大きく離れるようになり、相分離することによって大きな歪を内包するようになる。そのため、基板としてＧａＳｂやＩｎＡｓを用いた場合には、ＧａＩｎＡｓＳｂ混晶は相分離せずに混合している方が内部歪のエネルギーが小さな状態であることから、基板によってスピノーダル分解が抑制される状態となっている。
【００２７】
それに対し、基板としてＧａＡｓを用いた場合には、その上に結晶成長されるＧａＩｎＡｓＳｂは、ＩｎとＳｂ共に母材であるＧａＡｓを構成するＧａやＡｓよりも原子半径が大きいため、ＧａＡｓに格子整合することがなく、圧縮歪を持つことになる。格子歪み系のＧａＩｎＡｓＳｂ系がＧａＩｎＡｓとＧａＩｎＳｂとに分離した場合、スピノーダル分解に伴なう歪み量の変化がほとんど生じず、ＧａＳｂやＩｎＡｓを基板として用いた場合の格子整合系のＧａＩｎＡｓＳｂと比較して、容易に相分離が生じてしまうといった特有の問題を有している。
【００２８】
そこで、本発明者は、組成として少なくともガリウムとインジウムと砒素とアンチモンとを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を結晶成長する際のＧａＡｓ基板の面方位に着目して検討を進めた結果、基板として、（１００）面を表面として有するＧａＡｓ基板に代えて、表面方位を（１００）面またはその面と結晶学的に等価な面から傾斜した面を表面として有するＧａＡｓ基板を用いた場合に、相分離や組成分布が抑制され、発光特性に優れたＧａＩｎＡｓＳｂ結晶が得られることを見出した。
【００２９】
本明細書において、基板の（１００）面またはその面と結晶学的に等価な面から所定の傾斜角度にて傾斜した面を結晶成長主面とする基板を「オフ基板」という。
ＧａＡｓやＳｉ等のように対称性の高い結晶の場合、結晶の（１００）面は、（００１）面、（０１０）面、（−１００）面、（００−１）面などの他の面と結晶学的に等価な性質を有する。したがって、本発明において、基板の（１００）面から傾斜した面を結晶成長主面とするオフ基板のみならず、（１００）面と結晶学的に等価な面から傾斜した面を結晶主面とするオフ基板も用いることができる。
【００３０】
また、ＧａＡｓオフ基板上に、組成として少なくともガリウムとインジウムと砒素とアンチモンとを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を含む半導体素子を構成した場合に、発振閾値電流密度の小さな優れた素子特性が得られ、さらに、温度特性に優れ、特性温度（Ｔ０）の大きな素子が得られることがわかった。
【００３１】
上記したように、オフ基板を用いた場合に優れた素子特性が得られたのは、次の作用によっていると考えられる。
例えば、ＧａＩｎＡｓＳｂを結晶成長する場合、結晶成長室内にて加熱された基板表面にＧａ、Ｉｎ、ＡｓおよびＳｂのそれぞれの原料が供給されることによりＧａＩｎＡｓＳｂ混晶が結晶成長するわけであるが、傾斜していない基板を用いた場合、基板上に供給された各原料の原子や分子は基板上をマイグレーションし、テラス上にランダムに核形成をして結晶成長が始まる。このように供給された原子や分子が自由にマイグレーションし、テラス上に核形成が生じた場合、各元素が混合するよりもエネルギー的により安定な状態、すなわちＧａＩｎＡｓとＧａＡｓＳｂとに分離した状態での結晶成長が生じやすく、相分離された結晶膜となり、結晶の発光特性すなわち素子特性が悪化することになる。
【００３２】
一方、オフ基板を用いた場合、基板上に供給された原子や分子はテラス上に核形成されるよりもステップ端に捕らえられて結晶中に取り込まれる確率が高くなる。そのため、自由なマイグレーションが行われないままランダムにステップ端から結晶成長が進行することになり、その結果として組成が分離することなく、ランダムに混ざり合った混晶結晶が得られるようになるものと思われる。
そのため、得られた結晶の発光特性は優れ、それを用いた半導体レーザ素子においては発振閾値電流密度が著しく小さくなる。また、半導体装置としてはここで例を挙げた半導体レーザ素子に限らず、発光ダイオード素子などの発光素子を作製した場合も同様に高効率での発光が生じるなど、他の半導体装置の構成に適用した場合においても半導体装置の高性能化を図ることができるようになる。
【００３３】
一般的に、「オフ基板」は、成長主面にステップおよびテラスが形成され、材料原子がステップに取り込まれ２次元成長する「ステップフロー成長」が生じやすいため、平坦性に優れた半導体層を得る目的で使用される。
しかしながら、本発明は、上記したごとく、原子や分子をステップ端に捕えて、自由なマイグレーションを阻害することによって、組成分布が均一な結晶性の高い半導体層を得ることを目的として「オフ基板」を用いる。
【００３４】
さらに、半導体レーザ素子の活性層として量子井戸構造を適用し、その量子井戸構造の井戸層に少なくともＧａ、Ｉｎ、ＡｓおよびＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を適用した場合、ＧａＡｓオフ基板の上に構築することによって温度特性が著しく良好になる（特性温度Ｔ０が大きくなる）ことがわかった。
これは、例えばＧａＩｎＡｓＳｂの場合、従来の傾斜していないＧａＡｓ基板を用いた場合に得られるＧａＩｎＡｓとＧａＡｓＳｂとの混合膜、あるいは完全に分離しなくてもＩｎ組成とＳｂ組成とが大きな分布を持った結晶膜を井戸層に用いた場合よりも、本発明のようにＧａＡｓオフ基板を用いた場合に得られる組成分布が完全にランダムで均一なＧａＩｎＡｓＳｂを井戸層に用いた方が、組成の混合による禁制帯幅のボーイングの効果が大きく、井戸層への注入キャリアの閉じ込めがより強くなる効果によっている。
本発明のようにオフ基板を用い、その上に半導体レーザ素子を構成した場合、以下の実施例において実例を示すように、特性温度として１５０Ｋ以上の値が得られるようになった。
【００３５】
なお、本発明は、下記の実施例において示す特定の結晶系、混晶組成、バンドギャップ波長、ヘテロ接合の組み合わせ、デバイス構造に限定されるものではないことは言うまでもない。
特にデバイスについては半導体レーザ素子に限定されるものではなく、発光ダイオード、受光素子、光導波路素子、太陽電池などの任意の光デバイス、あるいはトランジスタ、ＦＥＴ、ＨＥＭＴなどの電子デバイスの任意の層の作製に適用することが可能である。
【００３６】
また、本発明において、実施例において詳細に説明した元素以外のＩＩＩ族元素（Ｂ、Ｔｌ等）やＶ族元素（Ｐ、Ｂｉ）が、半導体層に適宜混晶化されていてもよいし、不純物元素（Ｃ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｔｅ、Ｓ、Ｓｅ、Ｓｉ等）が適宜含まれていてもよい。
全ての実施例において、結晶成長方法としては、分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法に限定されるものではなく、他の方法を適宜選択し得る。例えば、ガスソースＭＢＥ法、ケミカルビームエピタキシー（ＣＢＥ）法、有機金属ＭＢＥ（ＭＯ−ＭＢＥ）法、有機金属気相成長（ＭＯ−ＣＶＤ）法、光ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、真空蒸着法、真空スパッタ法など、既存の各種手法を適用することが可能である。
【００３７】
また、結晶成長に用いる各構成元素の原料については、実施例に記述した特定の原料、あるいはそれぞれの原料の特定の組み合わせに限定されるものではなく、任意の原料を任意の組み合わせで用いることができることは言うまでもない。また、結晶成長により形成された混晶について、各組成の混晶比の組み合わせについても実施例に記述した特定の値の組み合わせに限定されるものではなく、任意の混晶比の組み合わせとすることが可能である。
また、何れの実施例も、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂとを含む混晶材料を量子井戸構造における井戸層として用いた場合について示すが、その際における井戸数、歪量、井戸層厚に関して制限はない。また、バリア層にも圧縮または引っ張りの歪を導入してもよい。また、量子井戸構造のみならず、バルク結晶であってもよい。
なお、本明細書において、「上」と示された方向は基板から離れる方向を示しており、「下」は基板へ近づく方向を示している。結晶成長は「下」から「上」の方向へ向かって進行する。
【００３８】
本発明の半導体装置は、光ファイバー通信システムに適用するのに非常に有用である。以下の実施例において、本発明を光ファイバー通信システムへ応用した例について示すが、光ファイバーを用いない空間光伝送システム、あるいは光ディスク用のピックアップ、あるいは光によるセンサー機能を有する光計測システム、レーザを利用した医療用機器などの他の応用システムにおいて同様の構成が可能であり、同様の効果が得られることは言うまでもない。また、必ずしもモノリシック型でなくとも、半導体レーザ部や受光用ディテクター部を外部から貼り付けたハイブリッド型であってもよいことは言うまでもない。
【００３９】
【実施例】
実施例１
図１に、本発明による半導体装置の第１の実施形態である半導体レーザ素子１を示す。この半導体レーザ素子１は、（１００）面から［０１１］方向に５度の角度にて傾斜した表面を有するＧａＡｓ基板の上に構成されている点に特徴がある。以下、上記のＧａＡｓ基板を、「ＧａＡｓ（１００）５度オフ基板」と略記する。
また、半導体レーザ素子１において、活性層である井戸層を構成する化合物半導体層には、組成として少なくともガリウムとインジウムと砒素とアンチモンとを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としてＧａＩｎＡｓＳｂが用いられていることを特徴とする。
【００４０】
この実施例において、ｎ型のＧａＡｓ（１００）５度オフ基板１０１の上に、１μｍ厚のｎ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ下クラッド層１０２、０．１μｍ厚のｉ（真性）−ＧａＡｓ下ガイド層１０３、７ｎｍ厚のｉ−Ｇａ０．７３Ｉｎ０．２７Ａｓ０．９５Ｓｂ０．０５井戸層１０４、０．１μｍ厚のｉ−ＧａＡｓ上ガイド層１０５、１μｍ厚のｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ上クラッド層１０６、および０．５μｍ厚のｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０７の各層を分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法を用いて、順次結晶成長して、半導体レーザ素子１ａを作製した。
このときに用いられたＭＢＥ法では、各元素（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ）の原料には、全て固体ソース（金属Ａｌ、金属Ｇａ、金属Ｉｎ、金属Ａｓ、金属Ｓｂ）を用いた。また、結晶成長時の基板温度は４５０℃とした。
【００４１】
ＭＢＥ法による結晶成長の後、上クラッド層１０６の一部およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０７を幅２μｍのストライプ状にエッチング加工してリッジ型導波路構造とし、リッジ側面にはポリイミドによる電流狭窄層１０８を施した。
さらに、上下にＡｕＺｎからなるｐ型電極１０９およびＡｕＧｅからなるｎ型電極１１０を形成した。続いてリッジに直交する方向に、劈開により端面ミラーを形成した。
【００４２】
半導体レーザ素子１ａは、波長１．２μｍでレーザ発振した。共振器長（Ｌ）を３００μｍとした時のレーザ発振開始時の発振閾値電流密度Ｊｔｈは０．２５ｋＡ／ｃｍ２であり、低電流でのレーザ発振が見られた。
【００４３】
素子温度２０℃から８０℃における特性温度Ｔ０は１９０Ｋであり、優れた特性を示した。ここで、特性温度Ｔ０とは、一般に、閾値電流−温度特性の関係式Ｊｔｈ（Ｔ）＝Ｊ０×ｅｘｐ（Ｔ／Ｔ０）で定義される値Ｔ０であり、Ｊｔｈ（Ｔ）は絶対温度Ｔ（Ｋ）における発振閾値電流密度を意味し、Ｊ０は上記関係式の係数であって、特性温度Ｔ０（Ｋ）における発振閾値電流密度を意味する。
この実施例において、８０℃および２０℃におけるＪｔｈの実測値から、Ｊｔｈ（８０℃）／Ｊｔｈ（２０℃）＝ｅｘｐ（６０／Ｔ０）の関係式を用いて（ここでは、簡便のため、左辺における温度を摂氏表記した）、特性温度Ｔ０を求めた。
【００４４】
実施例２〜４
実施例１と同様に、基板１０１として、ＧａＡｓ（１００）５度オフ基板に代えて、（１００）面から［０１１］方向に２度傾斜した面を表面に有するＧａＡｓ基板を用いて半導体レーザ素子１ｂを作製し（実施例２）、（１００）面から［０１１］方向に１０度傾斜した面を表面に有するＧａＡｓ基板を用いて半導体レーザ素子１ｃを作製し（実施例３）、（１００）から［０１１］方向に１５度傾斜した面を表面に有するＧａＡｓ基板を用いて半導体レーザ素子１ｄを作製した（実施例４）。
【００４５】
何れの半導体レーザ素子についても、波長１．２μｍでレーザ発振した。共振器長（Ｌ）を３００μｍとした時のレーザ発振開始時の発振閾値電流密度Ｊｔｈは、半導体レーザ素子１ｂにおいて０．４ｋＡ／ｃｍ２、半導体レーザ素子１ｃにおいて０．２７ｋＡ／ｃｍ２、半導体レーザ素子１ｄにおいて０．３５ｋＡ／ｃｍ２であり、低電流でのレーザ発振が見られた。
また、素子温度２０℃から８０℃における特性温度Ｔ０は、半導体レーザ素子１ｂにおいて１８０Ｋ、半導体レーザ素子１ｃにおいて１６０Ｋ、半導体レーザ素子１ｄにおいて１８５Ｋであり、優れた特性を示した。
【００４６】
比較例１および２
実施例１と同様に、基板１０１として、ＧａＡｓ（１００）５度オフ基板に代えて、傾斜していない（１００）面を表面に有するＧａＡｓ基板を用いて半導体レーザ素子１ｅを作製し（比較例１）、（１００）面から［０１１］方向に０．５度傾斜した面を表面に有するＧａＡｓ基板を用いて半導体レーザ素子１ｆを作製した（比較例２）。
【００４７】
何れの半導体レーザ素子についても、波長１．２μｍでレーザ発振した。共振器長（Ｌ）を３００μｍとした時のレーザ発振開始時の発振閾値電流密度Ｊｔｈは、半導体レーザ素子１ｅにおいて８ｋＡ／ｃｍ２、半導体レーザ素子１ｆにおいて４ｋＡ／ｃｍ２であり、実施例１〜４で作製した半導体レーザ素子１ａ〜１ｄと比較して発振閾値電流密度は非常に大きく、発振効率が悪かった。
また、素子温度２０℃から８０℃における特性温度Ｔ０は、半導体レーザ素子１ｅにおいて９０Ｋ、半導体レーザ素子１ｆにおいて９５Ｋであり、温度特性に劣るものであった。
【００４８】
実施例５および６
実施例１と同様に、基板１０１として、ＧａＡｓ（１００）５度オフ基板に代えて、（３１１）Ａ面を表面に有するＧａＡｓ基板を用いて半導体レーザ素子１ｇを作製し（実施例５）、（１１１）Ａ面を表面に有するＧａＡｓ基板を用いて半導体レーザ素子１ｈを作製した（実施例６）。
【００４９】
何れの半導体レーザ素子についても、波長１．２μｍでレーザ発振した。共振器長（Ｌ）を３００μｍとした時のレーザ発振開始時の発振閾値電流密度Ｊｔｈは、半導体レーザ素子１ｇにおいて０．３ｋＡ／ｃｍ２、半導体レーザ素子１ｈにおいて０．６ｋＡ／ｃｍ２であり、低電流でのレーザ発振が見られた。
また、素子温度２０℃から８０℃における特性温度Ｔ０は、半導体レーザ素子１ｇにおいて１７０Ｋ、半導体レーザ素子１ｈにおいて１６５Ｋであり、優れたレーザ特性を示した。
なお、ここで用いた（３１１）Ａ面、（１１１）Ａ面というのは、（１００）面を［０１１］方向へそれぞれ２５度、５５度傾斜した面方位に相当する。
【００５０】
実施例７、８および９
実施例１と同様に、基板１０１として、ＧａＡｓ（１００）５度オフ基板に代えて、（１００）面から［０１−１］方向に５度傾斜した面を表面に有するＧａＡｓ基板を用いて半導体レーザ素子１ｉを作製し（実施例７）、（３１１）Ｂ面を表面に有するＧａＡｓ基板を用いて半導体レーザ素子１ｊを作製し（実施例８）、（１１１）Ｂ面を表面に有するＧａＡｓ基板を用いて半導体レーザ素子１ｋを作製した（実施例９）。
実施例８および９で用いる（３１１）Ｂ面および（１１１）Ｂ面というのは、（１００）面から［０１−１］方向へそれぞれ２５度、５５度傾斜した面に相当する。すなわち、実施例１〜６では［０１１］方向へ傾斜した基板を用いた例を示したが、実施例７〜９では［０１−１］方向へ傾斜した基板としている点に特徴がある。
【００５１】
何れの半導体レーザ素子についても、波長１．２μｍでレーザ発振した。共振器長（Ｌ）を３００μｍとした時のレーザ発振開始時の発振閾値電流密度Ｊｔｈは、半導体レーザ素子１ｉ、１ｊおよび１ｋにおいてそれぞれ１．０ｋＡ／ｃｍ２、１．３ｋＡ／ｃｍ２であり、１．５ｋＡ／ｃｍ２であり、比較例１および２で作製した半導体レーザ素子１ｅおよび１ｆと比べて低いものであった。
また、素子温度２０℃から８０℃における特性温度Ｔ０は、半導体レーザ素子１ｉ、１ｊおよび１ｋにおいてそれぞれ１５０Ｋ、１６０Ｋおよび１５５Ｋであった。
【００５２】
表１および図４は、実施例１〜９、比較例１および２に示した半導体レーザ素子の発振閾値電流密度Ｊｔｈと基板の傾斜角度との相関を示すものである。
【００５３】
【表１】
基板の傾斜がない比較例１および傾斜角度が小さな比較例２に対し、傾斜角度が５度以上である実施例１〜９においては発振閾値電流密度が著しく低下し、より優れた素子特性が得られるようになっていることがわかる。かくして、図４から、上記の作用および効果を得るには傾斜角度として５度以上が必要であることがわかる。
レーザ素子の発振閾値電流密度は［０１１］方向に傾斜した基板を用いた場合に限らず［０１−１］方向に傾斜した場合でも低下が見られ、［０１１］方向と同様にＧａＩｎＡｓＳｂの相分離を抑制する効果があることがわかる。
また、［０１１］方向と［０１−１］方向の中間である［０１０］方向でも同様の効果が確認された。しかし、その効果は［０１１］方向の場合よりも小さく、［０１１］方向への傾斜の方がより好ましいことがわかった。
【００５５】
実施例１０
図２に、本発明による半導体装置の第２の実施形態である半導体レーザ素子２を示す。この半導体レーザ素子２は、実施例１に記載された半導体レーザ素子１と同様に、（１００）面から［０１１］方向に５度傾斜した面を表面に有するＧａＡｓ基板の上に構成されるが、井戸層の上下に中間層が形成されていることを特徴とする。
この図では、半導体レーザ素子１と同様の構成要素については図１と同じ符号を用いている。
【００５６】
この実施例において、ｎ型のＧａＡｓ（１００）５度オフ基板１０１の上に、１μｍ厚のｎ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ下クラッド層１０２、０．１μｍ厚のｉ（真性）−ＧａＡｓ下ガイド層１０３、１０ｎｍ厚のｉ−Ｇａ０．８Ｉｎ０．２Ａｓ下中間層２０１、６ｎｍ厚のｉ−Ｇａ０．８Ｉｎ０．２Ａｓ０．９２Ｓｂ０．０８井戸層１０４、１０ｎｍ厚のｉ−Ｇａ０．８Ｉｎ０．２Ａｓ上中間層２０２、０．１μｍ厚のｉ−ＧａＡｓ上ガイド層１０５、１μｍ厚のｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ上クラッド層１０６、および０．５μｍ厚のｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０７の各層を分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法を用いて、順次結晶成長して、半導体レーザ素子２ａを作製した。
このときに用いられたＭＢＥ法では、各元素（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ）の原料には、全て固体ソース（金属Ａｌ、金属Ｇａ、金属Ｉｎ、金属Ａｓ、金属Ｓｂ）を用いた。
【００５７】
ＭＢＥ法による結晶成長の後、上クラッド層１０６の一部およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０７を幅２μｍのストライプ状にエッチング加工してリッジ型導波路構造とし、リッジ側面にはポリイミドによる電流狭窄層１０８を施した。
さらに、上下にＡｕＺｎからなるｐ型電極１０９およびＡｕＧｅからなるｎ型電極１１０を形成した。続いてリッジに直交する方向に、劈開により端面ミラーを形成した。
【００５８】
半導体レーザ素子２ａは、波長１．１５μｍでレーザ発振した。共振器長（Ｌ）を３００μｍとした時のレーザ発振開始時の発振閾値電流密度Ｊｔｈは０．２ｋＡ／ｃｍ２であり、低電流でのレーザ発振が見られた。
また、素子温度２０℃から８０℃における特性温度Ｔ０は１８７Ｋであり、優れた特性を示した。
【００５９】
半導体レーザ素子２ａにおいては、井戸層１０４の上下にＧａＩｎＡｓからなる中間層を設けた点に特徴がある。同様の構造で中間層が無い場合（半導体レーザ素子１ａ）と比較し、約２０％の発振閾値電流密度の低減が確認された。
このように、組成として少なくともガリウムとインジウムと砒素とアンチモンとを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に隣接し、結晶成長時の下地として格子歪み系の中間層を挿入することで、ＧａＩｎＡｓＳｂ層を成長する下地の結晶表面が圧縮歪を内包しており、ステップ端で、母材であるＧａＡｓよりも原子半径の大きな元素であるＩｎ、Ｓｂが安定して結晶中に取り込まれるようになる。そのため、中間層が無い場合よりもより相分離が抑制されやすく、発光特性に優れた結晶、素子特性に優れた半導体素子が得られるようになった。
なお、ＧａＩｎＡｓＳｂ井戸層１０４の上にも下中間層２０１と同じ材料からなる上中間層２０２を設けているが、これは量子井戸構造を上下対称とするために設けたものである。
このように中間層を用いることによる効果は、ここで示した［０１１］方向に５度傾斜した基板に限らず、任意の傾斜角度、傾斜方向で有効であることは言うまでもない。
【００６０】
実施例１１
実施例１０と同様に、下中間層２０１および上中間層２０２を共に１５ｎｍ厚のｉ−ＧａＡｓ０．９２Ｓｂ０．０８として、半導体レーザ素子２ｂを作製した。半導体レーザ素子２ｂは、半導体レーザ素子２ａと同程度の低い発振閾値電流密度でレーザ発振することが確認さた。
【００６１】
実施例１０では、中間層としてＧａ０．８Ｉｎ０．２Ａｓを用いた場合を示したが、中間層の材料としては、圧縮歪を有し、かつ非混和領域に入らない組成の材料であればよい。具体的には、実施例１０で示したＧａ０．８Ｉｎ０．２Ａｓの他に、任意のＩｎ組成のＧａＩｎＡｓ、あるいは実施例１１で示したＧａＡｓ０．９２Ｓｂ０．０８の他に、任意のＳｂ組成のＧａＡｓＳｂなどを用いることができる。
【００６２】
実施例１２および１３
実施例１と同様に、井戸層１０６を、６．５ｎｍ厚のｉ−Ｇａ０．７２Ｉｎ０．２８Ｎ０．００４Ａｓ０．９１６Ｓｂ０．０８として半導体レーザ素子１ｍを作製し（実施例１２）、７ｎｍ厚のｉ−Ｇａ０．７Ｉｎ０．３Ｎ０．０１Ａｓ０．８９Ｓｂ０．１として半導体レーザ素子１ｎを作製した（実施例１３）。
作製された半導体レーザ素子は、半導体レーザ素子１ｍにおいては波長１．３１μｍにて、半導体レーザ素子１ｍにおいては波長１．５５μｍにてレーザ発振が見られた。また、発振閾値電流密度は、それぞれ０．６ｋＡ／ｃｍ２および０．８ｋＡ／ｃｍ２と、十分に小さな値であり、優れた特性を示した。
【００６３】
実施例１〜１１においては、組成として少なくともガリウムとインジウムと砒素とアンチモンとを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としてＧａＩｎＡｓＳｂを用いた場合について示したのに対し、実施例１２および１３においては、さらに窒素（Ｎ）を混晶化したＧａＩｎＮＡｓＳｂとした場合について示している点に特徴がある。
このように、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｂ、Ａｓ以外に他の元素が含まれている場合においてもＩｎ−Ｇａ−Ｓｂ−Ａｓ四元系の非混和の影響によって生じる結晶性の悪化が見られ、オフ基板を用いることによってそれが抑制されることが確認された。
【００６４】
なお、この実施例１２および１３においては、半導体レーザ素子１ａの構成、すなわち（１００）面から［０１１］方向に５度傾斜した面を有するＧａＡｓ基板の上にＧａＩｎＮＡｓＳｂを結晶成長した構成について説明したが、他の実施例２〜１１に示した基板の傾斜角度や方向の異なる構成においても井戸層を同様に窒素が混晶化された材料に置き換えても同様の効果が見られたことは言うまでもない。
また、窒素（Ｎ）以外にも、燐（Ｐ）、アルミニウム（Ａｌ）、タリウム（Ｔｌ）、硼素（Ｂ）などの他のＩＩＩ族あるいはＶ族元素が混晶化されていても、さらには導電型がｐ型あるいはｎ型にドーピングされていてもオフ基板による同様の効果が見られることは言うまでもない。
【００６５】
また、組成として少なくともガリウムとインジウムと砒素とアンチモンとを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料の各元素の組成は、上記の実施例において具体的に示した値のみならず、任意の組成において効果が確認されている。
特に、ＩＩＩ族元素中のインジウム組成が１５％以上であって、Ｖ族元素中のアンチモン組成が２％以上の場合には非混和の影響が大きい。したがって、半導体層の組成が上記の範囲にある場合に本発明を適用すれば、大きな効果が得られる。
【００６６】
実施例１４
結晶成長時の基板温度を３００℃〜６００℃の範囲で変化させる以外は、実施例１（基板温度４５０℃）と同様にして、（１００）面から［０１１］方向に５度傾斜した面を表面に有するＧａＡｓ基板の上に種々の半導体レーザ素子を作製した。
このときの半導体レーザ素子の発振閾値電流密度と基板温度との関係を表２および図５に示す。
【００６７】
【表２】
図５からわかるように、オフ基板の上に結晶成長した場合、基板温度３５０℃以上５５０℃以下にて低い発振閾値電流密度でのレーザ発振が確認された。基板温度が上記の温度範囲よりも高温過ぎる場合には結晶成長が平衡状態に近づくため、オフ基板を用いても非混和の影響を抑制する効果が弱くなるものと考えられる。また基板温度が上記の温度範囲よりも低温過ぎる場合には供給された原料のマイグレーション長が短くなり、オフ基板を用いてもステップ端からの原子の取り込みが生じにくくなるためにオフ基板を用いた効果が弱くなるものと考えられる。
【００６９】
実施例１５
この実施例は、本発明の半導体装置を適用した、光通信システムに用いられる光送受信モジュールについて説明する。
図３に、光送受信モジュール３の略図（斜視図）を示す。この光送受信モジュール３は、（１００）面から［０１１］方向に１０度傾斜した面を表面に有するＧａＡｓ基板３０１の上に、送信用半導体レーザ部３０２、光導波路部３０３、送信用半導体レーザの出力モニター部３０４および受光用ディテクター部３０５を一回で結晶成長することによって、それぞれの微小素子をモノリシック集積して、作製されている。
送信用半導体レーザ部３０２、受光用ディテクター部３０５、送信用半導体レーザの出力モニター部３０４の層構造は、実施例１２で示した半導体レーザ素子１ｍと同一であり、量子井戸活性層あるいはコア層の井戸層部にＧａＩｎＮＡｓＳｂからなる半導体材料が用いられている。光導波路部３０３には、上面から亜鉛が熱拡散され、コア層の量子井戸構造が無秩序化されており、波長１．３１μｍの光に対して透明となっている。それぞれの微小素子は、ドライエッチングにより加工され、分離されている。
【００７０】
基地局から光ファイバー３０７を通して送られてきた波長１．３１μｍの光信号は、ａ点から光導波路３０３に結合され、光導波路３０３を導波する。Ｙ分岐部３０６では導波されてきた光信号が５０：５０に分岐され、一方がｂ点を通して受光用ディテクター部３０５に達し、送られてきた光信号が電気信号に変換される。一方送信機能としては、半導体レーザ部３０２によって電気信号が光信号に変換され、ｃ点を通して導波路３０３に結合され、ａ点から光ファイバー３０７へ送信される。出力モニター部３０４は、半導体レーザ部３０２の光出力を後方からモニターするものである。
【００７１】
この光送受信モジュールでは、送信用半導体レーザ部３０２、受光用ディテクター部３０５、送信用半導体レーザの出力モニター部３０４の井戸層において、ＧａＩｎＮＡｓＳｂからなるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料が用いられているが、オフ基板の上に結晶成長されていることにより、半導体レーザ部においては低消費電力化、ディテクター部およびモニター部においては光−電気変換効率が大幅に向上しており、システム全体の性能の向上が達成された。
【００７２】
なお、この実施例においては、層構造として実施例１２で説明したものと同一のものを用いた場合について説明したが、これまでに他の実施例で示してきた他の傾斜角度、傾斜方向の基板、種々の混晶組成の組み合わせ、組成比等を用いて同様のシステムを構築しても同様に高性能なシステムが構築されることは言うまでもない。
【００７３】
【発明の効果】
本発明によれば、ガリウムとインジウムと砒素とアンチモンとを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を所定の方向に傾斜した表面を有するガリウム砒素基板の上に結晶層を成長するので、非混和の影響による相分離あるいは組成の揺らぎを抑制することができる。かくして、その結晶層を用いた半導体装置の特性が大きく向上するものである。特にその結晶層を発光層とする半導体レーザ素子や発光ダイオードなどの発光デバイスにおいて、発振閾値電流密度の低減、温度特性の向上といった効果が得られる。またそのような発光デバイスを光通信システムにおける光源として用いた場合、消費電力の低減が図れるなど、応用システム全体の高性能化が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１の実施形態の半導体レーザ素子の斜視図。
【図２】本発明による第２の実施形態の半導体レーザ素子の斜視図。
【図３】本発明による半導体レーザ素子を適用した光通信モジュールの斜視図。
【図４】発振閾値電流密度と基板の傾斜角度との相関を説明するグラフ。
【図５】発振閾値電流密度と結晶成長温度との相関を説明するグラフ。
【符号の説明】
１・・・半導体レーザ素子、
１０１・・・基板、
１０２・・・下クラッド層、
１０３・・・下ガイド層、
１０４・・・井戸層、
１０５・・・上ガイド層、
１０６・・・上クラッド層、
１０７・・・コンタクト層、
１０８・・・電流狭窄層、
１０９・・・ｐ型側電極金属、
１１０・・・ｎ型電極金属、
２・・・半導体レーザ素子、
２０１・・・下中間層、
２０２・・・上中間層、
３・・・光送受信モジュール、
３０１・・・基板、
３０２・・・半導体レーザ部、
３０３・・・導波路、
３０４・・・出力モニター、
３０５・・・受光用ディテクター、
３０６・・・Ｙ分岐、
３０７・・・光ファイバー、
３０８・・・無反射コーティング、
３０９・・・電極パッド。
Claims (22)
- ガリウム砒素からなる基板の上に、少なくとも一層の第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が形成され、ここに、該基板の表面は、（１００）面またはその面と結晶学的に等価な面から所定の方向に５度以上５５度以下の角度にて傾斜した面であって、該第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層はガリウムとインジウムと砒素とアンチモンとを含む半導体装置。
- 前記所定の方向が［０１１］方向またはその方向と結晶学的に等価な方向であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
- 前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層において、ＩＩＩ族元素中のインジウム組成比が１５％以上であって、Ｖ族元素中のアンチモン組成比が２％以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
- 前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が、さらに窒素を混晶組成として含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
- 前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が、３５０℃以上５５０℃以下の範囲の基板温度にて結晶成長した半導体層であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
- 圧縮歪を有する第二のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層（中間層）が、前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の基板に近い側に隣接して設けられていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
- 前記第二のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層（中間層）が、非混和性を示さない組成の材料であることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
- 前記第二のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層（中間層）が、その混晶組成としてインジウムとアンチモンとを同時に含まないことを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
- 前記第二のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層（中間層）において、ＩＩＩ族元素中のインジウム組成比またはＶ族元素中のアンチモン組成比が、それぞれ、前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層における各組成比と概ね同じであることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
- 前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が、量子井戸構造における井戸層として機能することを特徴とする請求項１または６に記載の半導体装置。
- 前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が、発光層として機能する発光素子であることを特徴とする請求項１または６に記載の半導体装置。
- 前記発光素子が、１５０Ｋ以上の特性温度を有する半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置。
- 請求項１から請求項１２いずれかに記載の半導体装置を用いた応用システム。
- （１００）面またはその面と結晶学的に等価な面から所定の方向に５度以上５５度以下の角度にて傾斜した面を表面に有するガリウム砒素からなる基板の上に、少なくともガリウムとインジウムと砒素とアンチモンとを含む第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を結晶成長することを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 前記所定の方向が［０１１］方向またはその方向と結晶学的に等価な方向であることを特徴とする請求項１４に記載の製造方法。
- 前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層において、ＩＩＩ族元素中のインジウム組成比が１５％以上であって、Ｖ族元素中のアンチモン組成比が２％以上であることを特徴とする請求項１４記載の製造方法。
- 前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が、さらに窒素を混晶組成として含むことを特徴とする請求項１４記載の製造方法。
- 前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を、３５０℃以上５５０℃以下の範囲の基板温度にて結晶成長することを特徴とする請求項１４記載の製造方法。
- 圧縮歪を有する第二のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層（中間層）を結晶成長し、次いで、それに隣接して前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を結晶成長することを特徴とする請求項１４記載の製造方法。
- 前記第二のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層（中間層）が、非混和性を示さない組成の材料であることを特徴とする請求項１９に記載の製造方法。
- 前記第二のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層（中間層）が、その混晶組成としてインジウムとアンチモンとを同時に含まないことを特徴とする請求項２０に記載の製造方法。
- 前記第二のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層（中間層）において、ＩＩＩ族元素中のインジウム組成比またはＶ族元素中のアンチモン組成比が、それぞれ、前記第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層における各組成比と概ね同じであることを特徴とする請求項２１に記載の製造方法。
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