JP2005203683A - 半導体装置及びそれを用いた光送受信モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長する際の非混和性に起因する相分離や組成変調の発生を抑制でき、優れた特性の半導体装置を提供すること。
【解決手段】 ＧａＡｓ基板１００上に、Ｇａ_0.7Ｉｎ_0.3Ａｓ_0.955Ｓｂ_0.045量子井戸層（発光層）１０５と、この量子井戸発光層１０５の基板１００側の面に接すると共に、この量子井戸層の構成元素からＳｂを除いた元素で構成されたＧａ_0.7Ｉｎ_0.3Ａｓ中間層１０４を備える。中間層１０４により、量子井戸層１０５の成長における相分離の発生が抑制されるので、良質な量子井戸層１０５が形成でき、良好な特性の半導体レーザが得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくともＩｎ、Ｇａ、Ｓｂ、Ａｓを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を備える半導体装置と、この半導体装置を用いたシステムに関する。

ＧａＳｂやＩｎＡｓからなる基板と、この基板に格子整合すると共にＧａＩｎＡｓＳｂからなる発光層を備える半導体装置は、２μｍ以上の波長帯での発光が得られ、半導体レーザや発光ダイオードに応用できる。

一方、同じくＧａＩｎＡｓＳｂからなる発光層をＧａＡｓ基板上に設けた場合、０．９〜１．２μｍの波長帯での発光が期待される。また、エレクトロニクス・レターズ（Electronics Letters），２００２年３月１４日，第１３８巻，第６号，ｐ．２７７−２７８（非特許文献１）に開示されているように、ＧａＡｓ基板の(１００)面上に形成されると共に、ＧａＩｎＡｓＳｂに数%以下のＮが混晶化されてなるＧａＩｎＮＡｓＳｂ層は、光ファイバー通信に重要な１．３μｍや１．５５μｍの波長で発光することから、工業的に重要となっている。

しかしながら、上記ＧａＩｎＡｓＳｂやＧａＩｎＮＡｓＳｂのように、構成元素に少なくともＩｎ、Ｇａ、Ｓｂ及びＡｓ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一方、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という問題がある。

これは、ＧａＩｎＡｓＳｂやＧａＩｎＮＡｓＳｂは、ＩＩＩ族元素とＶ族元素との両方に、原子半径が互いに比較的大きく異なる元素を夫々含むので、広い組成範囲で非混和性を有し、相分離や組成変調を生じやすいことに起因している。特に、基板としてＧａＡｓを用いた場合には、ＧａＳｂやＩｎＡｓやＩｎＰ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る。これらのことから、ＧａＩｎＡｓＳｂやＧａＩｎＮＡｓＳｂを活性層に用いた半導体レーザなどの半導体装置においては、発振しきい値電流密度が高くなるという問題がある。また、そのような半導体レーザは、温度特性が悪い、つまり、特性温度が低いという問題がある。
エレクトロニクス・レターズ（Electronics Letters），２００２年３月１４日，第１３８巻，第６号，ｐ．２７７−２７８

そこで、本発明の課題は、ＧａＡｓ基板上に形成され、少なくともＧａ、Ｉｎ、Ａｓ及びＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を少なくとも１層含む半導体装置において、上記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長する際の非混和性に起因する相分離や組成変調の発生を抑制でき、これにより、上記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の結晶性の低下を抑制できて、優れた特性を有する半導体装置を提供することにある。

上記課題を達成するため、本発明の半導体装置は、
ＧａＡｓからなる基板上に、
少なくともＧａ、Ｉｎ、Ａｓ及びＳｂを含む第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、
少なくともＧａとＡｓを含み、かつ、ＩｎまたはＳｂの一方のみを含む第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを備え、
上記第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上記基板側の面に接していることを特徴としている。

上記構成によれば、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上記基板側の面に、上記第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が接する。この第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、少なくともＧａとＡｓを含み、かつ、ＩｎまたはＳｂの一方のみを含むので、この第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層との間の界面において、歪量の急激な変化が抑制される。これにより、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を形成する際の相分離が防止されるので、この第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の特性が向上し、その結果、優れた特性を有する上記半導体装置が得られる。

なお、上記第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、上記ＧａＡｓ基板に接していてもよく、また、接していなくてもよい。

なお、上記第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を構成する元素からＩｎまたはＳｂを除いた元素で構成されるのが好ましい。

一実施形態の半導体装置は、上記第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、少なくともＧａとＡｓを含み、かつ、Ｉｎを含む。

上記実施形態によれば、上記第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層によって、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を形成する際の結晶性の低下が効果的に抑制されるので、優れた特性を有する半導体装置が得られる。

なお、上記第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を構成する元素からＳｂを除いた元素により構成されるのが好ましい。

一実施形態の半導体装置は、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、歪量ε１が＋１％以上である。

上記実施形態によれば、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の歪量ε１が＋１％以上である場合に、上記第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を導入することにより、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の結晶性低下が顕著に抑制される。

ここで、上記歪量ε１とは、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の格子定数をａとし、ＧａＡｓの格子定数をａ_ＧａＡｓとした場合、ε１＝（ａ−ａ_ＧａＡｓ）／ａ_ＧａＡｓで求められる値である。

一実施形態の半導体装置は、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の歪量ε１と、上記第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の歪量ε２とが、
ε１−ε２≦１％
の関係を満たす。

上記実施形態によれば、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の歪量ε１と、上記第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の歪量ε２とが、ε１−ε２≦１％の関係を満たすので、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の結晶性低下が効果的に抑制される。

一実施形態の半導体装置は、上記第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を構成する元素と同一の元素で構成された第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を備え、
上記第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上記基板と反対側の面に接している。

上記実施形態によれば、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、上記基板と反対側の面に、上記第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の構成元素と同一の元素で構成された第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が接しているので、結晶性の低下が更に効果的に抑制される。したがって、更に優れた特性の半導体装置が得られる。

一実施形態の半導体装置は、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、窒素が混晶化されている。

上記実施形態によれば、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、窒素が混晶化されているので、例えば光ファイバー通信に好適な１．３μｍまたは１．５５μｍの波長の発光が得られる。

一実施形態の半導体装置は、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、Ｇａ_ＸＩｎ_１−ＸＮ_ＹＡｓ_{１−Ｙ−Ｚ}Ｓｂ_Ｚ混晶（０＜Ｘ＜１，０＜Ｙ＜１，０＜Ｚ＜１）であり、
上記第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、Ｇａ_Ｘ’Ｉｎ_１−Ｘ’Ｎ_Ｙ’Ａｓ_１−Ｙ’混晶（０＜Ｘ’＜１，０＜Ｙ’＜１）であり、
上記ＸとＸ’が等しく、かつ、上記ＹとＹ’が等しい。

上記実施形態によれば、上記組成の第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層により、上記組成の第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層について、結晶性の低下が効果的に抑制される。

一実施形態の半導体装置は、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、半導体レーザの活性層である。

上記実施形態によれば、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、半導体レーザの活性層であるので、比較的低い発振しきい値電流密度で発光して温度特性が良好な半導体レーザが得られる。

一実施形態の半導体装置は、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、上記基板の平面において互いに分離された複数の部分を有し、
上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の複数の部分のうちの少なくとも１つは、電荷の注入により光を生成する層であり、
上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の複数の部分のうちの少なくとも１つは、光の入射により電荷を生成する層である。

上記実施形態によれば、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の複数の部分のうちの少なくとも１つであって、電荷の注入により光を生成する層を含む例えば発光ダイオードや半導体レーザと、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の複数の部分のうちの少なくとも１つであって、電荷の入射により電荷を生成する層を含む例えば受光素子とが、同一の基板上に形成される。したがって、小型で特性が良好な半導体装置が得られる。

上記半導体装置としては、例えば、光ディスク装置のピックアップや、光計測システムの受発光装置や、医療用機器のレーザ発振装置などがある。

一実施形態の光送受信モジュールは、上記半導体装置を用いる。

上記実施形態によれば、良好な発光特性を有する上記半導体装置を用いて、例えば発光素子や受光素子等を形成し、光送受信モジュールを形成することにより、この光送受信モジュールについて、例えば消費電力の低減が可能となり、良好な特性が得られる。

以上より明らかなように、本発明の半導体装置によれば、ＧａＡｓからなる基板上に、少なくともＧａ、Ｉｎ、Ａｓ及びＳｂを含む第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、少なくともＧａとＡｓを含み、かつ、ＩｎまたはＳｂの一方のみを含む第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを備え、上記第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上記基板側の面に接しているので、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を形成する際の結晶性の低下を抑制でき、したがって、優れた特性の半導体装置を得ることができる。

以下、本発明の半導体装置の実施の形態を詳細に説明する。

本発明の半導体装置は、ＧａＡｓ基板上に、少なくともＧａ、Ｉｎ、Ａｓ及びＳｂを含む第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、少なくともＧａとＡｓを含み、かつ、ＩｎまたはＳｂの一方のみを含む第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを備え、上記第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上記基板側の面に接していることを特徴とするものである。

例えばＧａＩｎＡｓＳｂやＧａＩｎＮＡｓＳｂのように、組成として少なくともＧａ、Ｉｎ、Ａｓ及びＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、ＩＩＩ族元素とＶ族元素の両方に、原子半径が互いに比較的大きく異なる元素を夫々含む。表１は、上記ＩＩＩ族元素に含まれる元素の原子半径を示した表である。表２は、上記Ｖ族元素に含まれる元素の原子半径を示した表である。

上記Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ及びＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、表１，２に示すように、ＩＩＩ族元素とＶ族元素との夫々について、夫々に含まれる元素の原子半径が互いに比較的大きく異なることにより、広い組成範囲で非混和性を有し、相分離や組成変調を生じやすい。したがって、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。

本発明者の検討によると、ＧａＩｎＡｓＳｂをＧａＡｓ基板上に結晶成長した場合、スピノーダル分解により、ＧａＩｎＡｓとＧａＡｓＳｂとの混合膜や、あるいは、ＧａＩｎＡｓとＧａＡｓＳｂが完全に分離しない状態でＩｎ組成とＳｂ組成とが広く分布する結晶膜が形成される傾向にあった。

ここで、基板としてＧａＳｂ、ＩｎＡｓまたはＩｎＰを用いた場合、結晶成長されるＧａＩｎＡｓＳｂ（Ｎ）混晶は、上記基板に格子整合させることが可能である。この場合、ＧａＩｎＡｓＳｂ混晶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混晶と比較して、上記スピノーダル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。したがって、上記ＧａＩｎＡｓとＧａＡｓＳｂが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、基板として上記ＧａＳｂ、ＩｎＡｓまたはＩｎＰを用いた場合には、上記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。

これに対して、基板にＧａＡｓを用いた場合には、この基板上に結晶成長されるＧａＩｎＡｓＳｂ混晶は、ＩｎとＳｂが、いずれも、ＧａＩｎＡｓＳｂの母材となるＧａやＡｓよりも原子半径が大きいため、上記ＧａＡｓ基板に格子整合しないで圧縮歪を持つことになる。したがって、上記ＧａＩｎＡｓＳｂ混晶と、基板のＧａＡｓとの界面において、歪量が急激に変化して内部歪エネルギーが増大するため、上記ＧａＩｎＡｓＳｂ混晶は不安定となり、相分離が生じやすくなってしまう。この場合、上記基板に対して格子歪系となるＧａＩｎＡｓＳｂ混晶が、ＧａＩｎＡｓとＧａＩｎＳｂ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は、均一組成のＧａＩｎＡｓＳｂ層が内包する歪み量に比べて小さい。したがって、ＧａＳｂやＩｎＡｓを基板として用いた場合の格子整合系のＧａＩｎＡｓＳｂ混晶と比較して、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。

また、上記ＧａＡｓ基板上にＧａＩｎＡｓＳｂ層を形成する場合と同様に、ＧａＩｎＡｓＳｂ混晶にＮを加えたＧａＩｎＮＡｓＳｂ混晶をＧａＡｓ基板上に結晶成長する場合も、このＧａＩｎＮＡｓＳｂ混晶が圧縮歪を有する場合は、相分離が生じ易いという問題を有する。

したがって、ＧａＩｎＡｓＳｂやＧａＩｎＮＡｓＳｂ等のように少なくともＧａ、Ｉｎ、Ａｓ及びＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を、ＧａＡｓ基板上に形成する場合、良質の結晶が得られず、優れた特性を有する半導体装置を得ることができなかった。

そこで、本発明者は、ＧａＡｓ基板上に、少なくともＧａ、Ｉｎ、Ａｓ及びＳｂを含む第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を形成する場合に、良質な結晶を得るために最適な積層構造を検討した結果、少なくともＧａとＡｓを含み、かつ、ＩｎまたはＳｂの一方のみを含む第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の基板側の面に接することにより、相分離の発生が抑えられ、良質の結晶が得られることを見出した。

上記第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、少なくともＧａとＡｓを含み、かつ、ＩｎまたはＳｂの一方のみを含むので、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の構成元素と比較してＩｎまたはＳｂを含まない。したがって、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層よりも非混和性が小さくて、相分離が生じにくい。その結果、上記第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、上記ＧａＡｓ基板上に、組成が均一で高品質の結晶が容易に得られる。

そして、上記組成が均一で高品質に形成された第２のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層の上に、この第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の組成と似た組成を有する第１のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層を形成することにより、この第１のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層の相分離の発生を抑制して高品質の結晶を得ることができるのである。

また、上記第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりも格子定数が小さく、ＧａＡｓ基板上にコヒーレントに成長した場合に、圧縮歪を有するものの、その歪量は第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層よりも小さい。したがって、このような第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の基板側の面に接して形成することにより、この第１のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層とＧａＡｓ基板との間における歪量の変化を小さくでき、相分離の発生を抑制できて、高品質のＩＩＩ−Ｖ族化合物の結晶を得ることができる。

さらに、上述のように、上記第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は圧縮歪を有しているので、結晶格子は成長方向に伸張しており、この第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長表面には、ＧａＡｓ基板上におけるよりも大きな段差を有するステップが形成される。したがって、この第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長する際、上記成長方向に伸長する上記ステップ端に、ＩｎやＳｂなどの原子半径の大きな原子が安定に取り込まれる。これにより、相分離の発生が抑制されて、高品質の結晶を有する第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を得ることが可能となる。

以上の効果は、上記第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を構成する元素からＩｎまたはＳｂを除いた元素で構成される場合に、特に顕著に得られる。

以上のように、本発明によれば、ＧａＡｓ基板上に、少なくともＧａ、Ｉｎ、Ａｓ及びＳｂを含む第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を、良質の結晶状態で形成でき、優れた特性を有する半導体装置を得ることができる。

さらに、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を、半導体レーザの活性層とすることにより、優れた特性を有する半導体レーザを得ることができる。

また、本発明の半導体装置を用いることにより、優れた特性を有する光送受信モジュールを得ることができる。

以下、実施例を参照しつつ、本発明について詳細に説明する。
（第１実施例）
図１は、本発明の第１実施例の半導体装置を示す概略断面図である。この半導体装置は、単一量子井戸構造の半導体レーザであり、ＧａＡｓ基板１００上に、層厚０.５μｍのＧａＡｓバッファ層１０１と、層厚０.５μｍのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ下部クラッド層１０２と、層厚５０ｎｍのＧａＡｓ下部障壁層１０３とを備える。このＧａＡｓ下部障壁層１０３上に、層厚２ｎｍの第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層としてのＧａ_0.7Ｉｎ_0.3Ａｓ中間層１０４と、層厚６ｎｍの第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層としてのＧａ_0.7Ｉｎ_0.3Ａｓ_0.955Ｓｂ_0.045量子井戸層（発光層）１０５とを備える。さらに、層厚５０ｎｍのＧａＡｓ上部障壁層１０６と、層厚０.１μｍのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ上部クラッド層１０７とを備える。

上記Ｇａ_0.7Ｉｎ_0.3Ａｓ_0.955Ｓｂ_0.045量子井戸層１０５は、上記ＧａＡｓ基板１００に対してコヒーレントに成長されており、２．５％の圧縮歪を有する。一方、上記Ｇａ_0.7Ｉｎ_0.3Ａｓ中間層１０４は、２．２％の圧縮歪を有する。

以下、本実施例の半導体レーザの製造方法を説明する。

上記各層の成長は、固体原料のＧａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ａｓ及びＳｂを用いて、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）装置により行う。

まず、｛１００｝面を主面とするＧａＡｓ基板１００を５８０℃まで昇温することで自然酸化膜の除去を行い、そのまま５８０℃に保持しながら、ＧａＡｓバッファ層１０１と、Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ下部クラッド層１０２と、ＧａＡｓ下部障壁層１０３とを連続して成長する。上記ＧａＡｓ下部障壁層１０３の成長が完了すると、４２０℃まで基板温度を下げ、この後、Ｇａ_0.7Ｉｎ_0.3Ａｓ中間層１０４、Ｇａ_0.7Ｉｎ_0.3Ａｓ_0.955Ｓｂ_0.045量子井戸層１０５、ＧａＡｓ上部障壁層１０６、及び、Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ上部クラッド層１０７の成長を行い、半導体レーザが完成する。

このようにして作製した単一量子井戸構造を有する半導体レーザについて、室温におけるＰＬ特性を測定した結果、波長１.２０μｍにピークを持つ強い発光が確認された。この発光スペクトルの半値幅は２９ｍｅＶと十分に狭く、良質な単一量子井戸が得られていることがわかった。さらに、試料面内で発光波長、発光強度の不均一はなく、各層の表面状態も極めて平坦であることがわかった。

次に、Ｇａ_0.7Ｉｎ_0.3Ａｓ_0.955Ｓｂ_0.045量子井戸層１０５の結晶性を評価するために、上記ＧａＡｓ基板１００上にＧａ_0.7Ｉｎ_0.3Ａｓ_0.955Ｓｂ_0.045量子井戸層（発光層）１０５までの各層を成長したサンプルを作製し、この量子井戸層１０５の表面平坦性を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で調べた。

ＡＦＭ像からは、相分離等で生じる３次元的な成長を示す凹凸は見られず、単原子層レベルで平坦な表面が形成されていることが観察された。
（第１比較例）
第１比較例として、図２に示すように、第１実施例の半導体レーザからＧａ_0.7Ｉｎ_0.3Ａｓ中間層１０４を取り除いた構成を有する従来の半導体レーザを作製した。

図２において、２００はＧａＡｓ基板であり、２０１はＧａＡｓバッファ層であり、２０２はＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ下部クラッド層であり、２０３はＧａＡｓ下部障壁層であり、２０４はＧａ_0.7Ｉｎ_0.3Ａｓ_0.955Ｓｂ_0.045量子井戸層であり、２０５はＧａＡｓ上部障壁層であり、２０６はＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ上部クラッド層である。

本比較例において、量子井戸構造は、第１実施例と同様の方法及び条件で作製した。

本比較例の半導体レーザについて、室温におけるＰＬ特性を測定した結果、発光波長は約１．２μｍであるが、発光強度は第１実施例と比べて約１／１００と大幅に低い値であり、発光スペクトルの半値幅は６８ｍｅＶ程度と大きな値であった。

次に、第１実施例と同様に、ＧａＡｓ基板２００からＧａ_0.7Ｉｎ_0.3Ａｓ_0.955Ｓｂ_0.045量子井戸層２０４までの各層を成長してなる試料の表面を、原子間力顕微鏡で評価したところ、第１実施例と異なり、成長表面には不揃いな凹凸があり、３次元状に成長が進んでいることが確認された。

以下に、第１実施例と第１比較例を参照しながら、本発明の効果を説明する。

第１実施例及び第１比較例において量子井戸層１０５，２０４を構成したＧａＩｎＡｓＳｂ混晶は、ＩＩＩ族元素とＶ族元素のいずれも、原子半径が互いに比較的大きく異なる元素を夫々含むので、広い組成範囲において非混和性を有し、相分離や組成変調を生じやすい。特に、基板としてＧａＡｓを用いる場合には、良質な結晶を得ることが困難であった。したがって、第１比較例のように、ＧａＡｓ障壁層２０３上にＧａＩｎＡｓＳｂ混晶を直接成長して量子井戸層２０４を形成する場合、組成の変調や相分離が発生しやすくなり、好ましくない３次元状の成長が生じる。

これに対して、第１実施例では、ＧａＩｎＡｓＳｂ量子井戸層１０５の基板側の面に、ＧａＩｎＡｓ混晶を中間層として導入することで、Ｇａ_0.7Ｉｎ_0.3Ａｓ_0.955Ｓｂ_0.045混晶１０５の成長面での歪量の変化が小さくなっている。これにより、ＧａＩｎＡｓＳｂ量子井戸層１０５の成長において相分離の発生が抑制されるので、２次元的な成長が可能となり、良質な量子井戸層１０５の形成が可能となり、良好な特性の半導体レーザが製造できるのである。

このように、本発明によれば、ＧａＡｓ基板上１００に、少なくともＧａ、Ｉｎ、Ａｓ及びＳｂを含む第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１０５を形成する際、非混和性に起因する相分離や組成変調の発生、及び、これに伴う結晶性の低下を抑制することができる。したがって、優れた特性を有する半導体レーザ等の半導体装置を実現することができる。
（第２及び第３実施例並びに第２比較例）
第２及び第３実施例並びに第２比較例では、第１実施例の半導体レーザにおいて、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の組成を変化させることにより、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が有する歪量ε１と、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が有する歪量ε２との差（Δε＝ε１−ε２）を変化させ、これにより、良質な結晶の第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が得られる歪量の差Δεを見出した。

第２及び第３実施例並びに第２比較例の半導体レーザにおいて、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の組成以外の構造及び作製方法は、第１実施例と同じである。なお、各実施例及び比較例において、Ｇａ_0.7Ｉｎ_0.3Ａｓ_0.955Ｓｂ_0.045量子井戸層（発光層）の歪量ε１は２．５％であり、中間層の組成と、中間層の歪量ε２と、量子井戸層と中間層との歪量の差（Δε＝ε１−ε２）は、それぞれ以下に示す通りである。

第２実施例：中間層＝Ｇａ_0.75Ｉｎ_0.25Ａｓ、ε２＝１．８％、Δε＝０．７％
第３実施例：中間層＝Ｇａ_0.79Ｉｎ_0.21Ａｓ、ε２＝１．５％、Δε＝１．０％
第２比較例：中間層＝Ｇａ_0.85Ｉｎ_0.15Ａｓ、ε２＝１．０％、Δε＝１．５％
第２及び第３実施例並びに第２比較例の半導体レーザは、いずれも、波長１．２μｍ近傍にピークを有するスペクトルの発光が観察された。本第２及び第３実施例並びに第２比較例について、Δεと発光強度の関係を、第１実施例１及び第１比較例の結果と合わせて、図３に示している。

図３から分かるように、Δεが１％を越えると、発光強度が急激に低下する。このことから、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の有する歪量ε１と、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の有する歪量ε２を、ε１−ε２≦１％の関係を満たす範囲に設定することにより、顕著な効果を得ることができる。すなわち、ＧａＡｓ基板上に、少なくともＧａ、Ｉｎ、Ａｓ及びＳｂを含む第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を形成する場合に、非混和性に起因する相分離や組成変調の発生や、これに伴う結晶性の低下を、効果的に抑制することができると言える。したがって、優れた特性を有する半導体レーザ等の半導体装置が得られる。
（第４及び第５実施例並びに第３比較例）
第１乃至第３実施例では、半導体レーザの第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層として、ＧａＩｎＡｓＳｂ量子井戸層の構成元素からＳｂを除いた元素で構成されるＧａＩｎＡｓを中間層に用いたのに対して、第４及び第５実施例並びに第３比較例では、ＧａＩｎＡｓＳｂ量子井戸層の構成元素からＩｎを除いた元素で構成されるＧａＡｓＳｂを中間層に用いて半導体レーザを形成した。

第４及び第５実施例並びに第３比較例の量子井戸層は、第１乃至第３実施例と同様に、Ｇａ_0.7Ｉｎ_0.3Ａｓ_0.955Ｓｂ_0.045混晶を用いた。また、中間層の組成、中間層の有する歪量ε２、及び、中間層と量子井戸層との間の歪量の差（Δε＝ε１−ε２）は、それぞれ、以下に示す通りである。

第４実施例：中間層＝ＧａＡｓ_0.78Ｓｂ_0.28、ε２＝２．２％、Δε＝０．３％
第５実施例：中間層＝ＧａＡｓ_0.81Ｓｂ_0.19、ε２＝１．５％、Δε＝１．０％
第３比較例：中間層＝ＧａＡｓ_0.86Ｓｂ_0.14、ε２＝１．１％、Δε＝１．４％
量子井戸構造の作製は、実施例１と同様の方法および条件で行った。

上記第４及び第５実施並びに第３比較例の半導体レーザは、いずれも、波長約１．２μｍにピークを有するスペクトルの発光が観察された。図３は、本実施例および比較例と、他の実施例および比較例について、歪量の差Δεと発光強度の関係を示したものである。

図３から分かるように、第４及び第５実施例並びに比較例３について、中間層を導入していない第１比較例よりも発光強度が増大している。また、ＧａＩｎＡｓＳｂ量子井戸層（発光層）の構成元素からＩｎを除いた元素で構成されるＧａＡｓＳｂ混晶を中間層に用いた場合においても、上記発光層の相分離が抑制され、良質な量子井戸の形成が可能となる。

また、第２および第３実施例と同様に、半導体レーザの発光強度の増加は、中間層と量子井戸層との間の歪量の差Δεが、１％以下である場合に大きくなっている。したがって、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の構成元素からＩｎを除いた元素で構成される第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を中間層に用いた場合においても、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のＧａＡｓに対する歪量ε１と、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のＧａＡｓに対する歪量ε２とを、ε１−ε２≦１％の範囲に設定することにより、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の特性を向上する効果が、顕著に得られると言える。

図３において、第１乃至第３実施例のようにＧａＩｎＡｓ混晶を中間層に用いる場合と、第４および第５実施例のようにＧａＡｓＳｂ混晶を中間層に用いる場合とを比較すると、発光層の構成元素からＳｂを除いた元素で構成されるＧａＩｎＡｓ混晶を中間層に用いた方が、発光強度が大きいので、ＧａＩｎＡｓＳｂ量子井戸層（発光層）を形成する際の相分離の発生をより効果的に抑制できると言える。

したがって、ＧａＡｓ基板上に、少なくともＧａ、Ｉｎ、ＡｓおよびＳｂを含むと共に、圧縮歪を有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を形成する際に、このＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を構成する元素からＳｂを除いた元素により構成されるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を中間層として用いることが、より好ましい。

これは、ＧａＩｎＡｓＳｂ量子井戸層（発光層）の構成元素からＳｂが除かれてＶ族元素が少ない構成元素で構成されるＧａＩｎＡｓ混晶を、中間層に用いることにより、この中間層と発光層との界面がより安定して形成されることに起因すると考えられる。すなわち、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の結晶成長においては、通常、Ｖ族元素リッチな条件で結晶成長が行われる。したがって、ＧａＩｎＡｓ中間層の成長表面は、Ａｓのみで被覆される。このＡｓのみで被覆された中間層の表面に、ＧａＩｎＡｓＳｂ量子井戸層（発光層）を形成するので、上記中間層と発光層との界面での組成の変動が少なくなって、均一な組成が得られ易くなる。すなわち、相分離が生じ難くなる。このようにして、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を構成する元素からＳｂを除いた元素により構成される第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を中間層に用いることで、より効果的に、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の結晶性の低下を抑制することができると考えられる。
（第６および第７実施例並びに第４乃至第７比較例）
第６および第７実施例並びに第４乃至第７比較例では、以下のように、Ｉｎの組成比であるＸが異なって歪量ε１が異なる複数のＧａ_ＸＩｎ_１−ＸＡｓ_0.995Ｓｂ_0.045量子井戸層（発光層）について、Ｇａ_ＸＩｎ_１−ＸＡｓ中間層の有無による半導体レーザの発光強度の比較を行った。

なお、本実施例および比較例においても、第１実施例と同様の量子井戸構造を、同様の方法および条件で作製した。各実施例および比較例における量子井戸層の組成、歪量ε１、および中間層の組成は、それぞれ、以下に示すとおりである。

実施例６：量子井戸層＝Ｇａ_0.86Ｉｎ_0.14Ａｓ_0.955Ｓｂ_0.045、ε１＝１．５％、中間層＝Ｇａ_0.86Ｉｎ_0.14Ａｓ
実施例７：量子井戸層＝Ｇａ_0.91Ｉｎ_0.09Ａｓ_0.955Ｓｂ_0.045、ε１＝１．０％、中間層＝Ｇａ_0.91Ｉｎ_0.09Ａｓ
比較例４：量子井戸層＝Ｇａ_0.93Ｉｎ_0.07Ａｓ_0.955Ｓｂ_0.045、ε１＝０．７％、中間層＝Ｇａ_0.93Ｉｎ_0.07Ａｓ
比較例５：量子井戸層＝Ｇａ_0.86Ｉｎ_0.14Ａｓ_0.955Ｓｂ_0.045、ε１＝１．５％、中間層＝なし
比較例６：量子井戸層＝Ｇａ_0.91Ｉｎ_0.09Ａｓ_0.955Ｓｂ_0.045、ε１＝１．０％、中間層＝なし
比較例７：量子井戸層＝Ｇａ_0.93Ｉｎ_0.07Ａｓ_0.955Ｓｂ_0.045、ε１＝０．７％、中間層＝なし
上記各実施例および比較例の半導体レーザは、いずれも、波長０．９６μｍから１．０４μｍにピークをもつスペクトルの発光が観察された。

図４は、各実施例および比較例における量子井戸層の歪量ε１と発光強度との関係を示したものである。図４から分かるように、第２比較例と第７比較例について、量子井戸層の歪量ε１が０．７％である場合、中間層の導入により発光強度は増大するものの、その増加量は比較的小さい。これに対して、第１実施例、第６実施例および第７実施例におけるように、量子井戸層の歪量ε１が１．０％以上の場合は、中間層を導入することによって、発光強度の著しい向上が得られる。

以上のように、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の歪量ε１が１．０％以上の場合に、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を設けることによる顕著な効果が得られることがわかる。
（第８実施例）
本実施例は、第１実施例の半導体レーザと比較して、第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層としてのＧａＩｎＡｓＳｂ量子井戸層の基板と反対側の面に、第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層としての第２中間層を接して形成した点が異なる。

図５は、第８実施例の半導体レーザを示す概略断面図であり、ＧａＡｓ基板５００上に、層厚０.５μｍのＧａＡｓバッファ層５０１と、層厚０.５μｍのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ下部クラッド５０２と、層厚５０ｎｍのＧａＡｓ下部障壁層５０３と、層厚２ｎｍのＧａ_0.73Ｉｎ_0.27Ａｓ第１中間層５０４と、層厚６ｎｍのＧａ_0.73Ｉｎ_0.27Ａｓ_0.955Ｓｂ_0.045量子井戸層（発光層）５０５を備える。そして、この量子井戸層５０５上に、層厚５ｎｍのＧａ_0.73Ｉｎ_0.27Ａｓ第２中間層５０６と、層厚５０ｎｍのＧａＡｓ上部障壁層５０７と、層厚０.１μｍのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ上部クラッド層５０８とを積層している。

上記各層の成長方法および成長条件は、第１実施例と同じである。なお、量子井戸層５０５からの発光波長が１．２μｍになるように調整した結果、ＧａＩｎＡｓＳｂ量子井戸層５０５のＩｎ組成は、実施例１よりも小さい０．２７となった。

上記構成の第８実施例の半導体レーザは、室温における発光特性を測定した結果、波長１.２μｍにピークを持つ強い発光が確認された。その発光スペクトルの半値幅は２５ｍｅＶと十分に狭く、良質な単一量子井戸が得られていることが分かった。さらに、試料面内での発光波長および発光強度の不均一が無く、表面状態も極めて平坦であることがわかった。

量子井戸層の基板側の面のみに中間層を配置した第１実施例と比較すると、量子井戸層５０５の基板と反対側の面にもＧａ_0.73Ｉｎ_0.27Ａｓ第２中間層５０６を導入することにより、結晶性が向上し、発光強度の増加と半値幅が小さくなる。このことは、原子半径の大きなＩｎとＳｂを含んだＧａ_0.73Ｉｎ_0.27Ａｓ_0.955Ｓｂ_0.045量子井戸層（発光層）５０５は、他の層と接する界面での歪量の急激な変化により、結晶性の低下が生じやすいことに起因していると考えられる。すなわち、量子井戸層５０５の基板と反対側の界面においても、第２中間層の導入により、上記界面での歪量の急激な変化が防止されて、量子井戸層５０５の結晶性の低下が抑制されたと考えられる。

上記量子井戸層５０５の基板５００側および基板５００と反対側の両側の界面を、この量子井戸層５０５の構成元素からＳｂを除いた元素で構成される第１および第２中間層５０４，５０６で挟むことにより、図６に示すようなバンドラインアップが得られる。

図６において、６００はＧａＡｓ下部障壁層５０３のバンドギャップ、６０１は第１中間層５０４のバンドギャップ、６０２は量子井戸層５０５のバンドギャップ、６０３は第２中間層５０６のバンドギャップ、６０４はＧａＡｓ上部障壁層５０７のバンドギャップ、６０５は電子に対する量子準位を示す線、６０６は正孔に対する量子準位を示す線である。

上記第１および第２中間層５０４、５０６を構成するＧａ_0.73Ｉｎ_0.27Ａｓ混晶の組成は、Ｓｂが無い以外は量子井戸層５０５の組成と同じであり、上記Ｓｂを含まないことにより、量子井戸層５０５よりもバンドギャップエネルギーは増大するものの、その増分の殆どは、価電子帯のエネルギー準位の上昇に寄与する。したがって、Ｇａ_0.73Ｉｎ_0.27Ａｓ第１及び第２中間層の伝導帯のエネルギー準位は、Ｇａ_0.73Ｉｎ_0.27Ａｓ_0.95Ｓｂ_0.045量子井戸層の伝導帯のエネルギー準位と略同じとなる。その結果、上記第１及び第２中間層５０４，５０６の導入により、電子に対する井戸幅が増大し、発光波長の長波長化が可能となる。

なお、本実施例では、量子井戸層５０５の基板側と基板の反対側との両側の面に、Ｓｂを含まない中間層を夫々設けたが、一方の面のみに中間層を設けた場合でも、電子に対する実効的な井戸幅が増大し、長波長化が可能である。

また、本実施例によれば、同じ発光波長を得るために発光層に必要なＩｎ組成を、第１実施例の発光層におけるよりも小さくすることができるため、Ｉｎによる偏析や組成の変調が起こりにくくなり、さらに高品質の量子井戸の作製が可能となる。
（第９実施例）
図７は、本発明の第９実施例の半導体レーザ素子を示す図である。この半導体レーザ素子は、活性層をＧａＩｎＮＡｓＳｂ混晶で形成して、１．３μｍの発光波長を有する端面発光型レーザである。上記活性層は、Ｇａ_0.76Ｉｎ_0.24Ｎ_0.0045Ａｓ_0.9255Ｓｂ_0.07混晶で形成した第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層としての量子井戸層を２つ有する多重量子井戸構造である。第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層としての中間層には、Ｇａ_0.76Ｉｎ_0.24Ｎ_0.0045Ａｓ_0.9955混晶を用いている。図７において、７００はｎ側ＡｕＧｅ電極であり、７０１はｎ型ＧａＡｓ基板であり、７０２は層厚１.５μｍのｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ下部クラッド層であり、７０３は層厚１００ｎｍのｉ（真性）-ＧａＡｓ光閉じ込め層であり、７０４は層厚２ｎｍのｉ（真性）-Ｇａ_0.76Ｉｎ_0.24Ｎ_0.0045Ａｓ_0.9955中間層であり、７０５は層厚７ｎｍのｉ（真性）-Ｇａ_0.76Ｉｎ_0.24Ｎ_0.0045Ａｓ_0.9255Ｓｂ_0.07量子井戸層であり、７０６は層厚２ｎｍのｉ（真性）-Ｇａ_0.76Ｉｎ_0.24Ｎ_0.0045Ａｓ_0.9955中間層であり、７０７は層厚５ｎｍのｉ（真性）-ＧａＡｓ障壁層であり、７０８は層厚２ｎｍのｉ（真性）-Ｇａ_0.76Ｉｎ_0.24Ｎ_0.0045Ａｓ_0.9955中間層であり、７０９は層厚７ｎｍのｉ（真性）-Ｇａ_0.76Ｉｎ_0.24Ｎ_0.0045Ａｓ_0.9255Ｓｂ_0.07量子井戸層であり、７１０は層厚２ｎｍのｉ（真性）-Ｇａ_0.76Ｉｎ_0.24Ｎ_0.0045Ａｓ_0.9955中間層であり、７１１は層厚１００ｎｍのｉ（真性）-ＧａＡｓ光閉じ込め層であり、７１２は層厚１．５μｍのｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ上部クラッド層であり、７１３は層厚０．５μｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層であり、７１４はｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ電流狭窄層であり、７１５はｐ側ＡｕＺｎ電極である。

上記構成の半導体レーザ素子は、ＭＢＥ法を用いて作製する。ＭＢＥ法において、ＩＩＩ族元素の材料として固体金属のＧａ、ＩｎおよびＡｌを用い、Ｖ族元素の材料として固体金属のＡｓおよびＳｂを用いた。Ｎ（窒素）源は、Ｎ_２ガスをＲＦプラズマ励起したＮラジカルを使用した。また、ｎ型不純物としてＳｉを用い、ｐ型不純物としてＢｅを用いた。

上記半導体レーザ素子の製造方法において、まず、｛１００｝面を主面とするＧａＡｓ基板７０１（ｎ型不純物濃度＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3）上にＡｓを照射しながら、５８０℃まで昇温することで自然酸化膜の除去を行う。このままＧａＡｓ基板７０１を５８０℃に保持しながら、層厚０.５μｍのｎ型ＧａＡｓバッファ層を成長し、続いて、層厚１.５μｍのｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ下部クラッド層７０２の成長を行う。

引き続いて、光閉じ込め層７０３から光閉じ込め層７１１までの活性層部分の成長を４２０℃で行い、この後、上クラッド層７１２とコンタクト層７１３の成長を５８０℃で行う。

上記活性層部分を成長する際のＳｂビームの照射強度は、Ｇａ_0.76Ｉｎ_0.24Ｎ_0.0045Ａｓ_0.9255Ｓｂ_0.07量子井戸層７０５，７０９を成長するときは、３×１０^-6Ｔｏｒｒのビーム強度等価圧力にする。一方、Ｇａ_0.76Ｉｎ_0.24Ｎ_0.0045Ａｓ_0.9955中間層７０４，７０６，７０８，７１０を成長するときは、１×１０^-8Ｔｏｒｒの強度でＳｂビームの照射を行う。このように、Ｇａ_0.76Ｉｎ_0.24Ｎ_0.0045Ａｓ_0.9955中間層成長中に、弱い強度でＳｂの照射を行うことにより、Ｓｂをサーファクタントとして機能させて、Ｉｎの偏析を抑制することができる。なお、膜中へのＳｂの取り込みは僅かであり、結晶性を低下させることはない。

上記ＭＢＥ法による結晶成長の後、上クラッド層７１２の一部と、コンタクト層７１３の左右両側とをエッチングにより除去し、幅２μｍのストライプ状に加工して、リッジ型導波路構造を形成する。そして、リッジ側面に、再びＭＢＥ成長によって電流狭窄層７１４を形成し、その表面と、ＧａＡｓ基板７０１の下面とに電極を形成する。最後に、上記リッジに直交する方向に、劈開により端面ミラーを形成する。

このようにして作製した半導体レーザ素子は、波長１．３１μｍで発振した。共振器長を３００μｍとしたときのレーザ発振開始時のしきい値電量密度Ｊ_thは、従来構造では、１．３ｋＡ／ｃｍ²であったのに対して、本構造では、０.６５ｋＡ／ｃｍ²となり、従来よりも低電流で発振が得られた。また、２０℃から９０℃における特性温度Ｔ₀についても、従来構造の９７Ｋに対して、１５７Ｋと優れた温度特性が得られた。

このように、従来構造では結晶性の低下が大きかったＧａ_0.76Ｉｎ_0.24Ｎ_0.0045Ａｓ_0.9255Ｓｂ_0.07量子井戸構造に対して、この量子井戸構造の組成元素からＳｂ元素を除いた組成のＧａ_0.76Ｉｎ_0.24Ｎ_0.0045Ａｓ_0.9955混晶を中間層として導入することにより、良好な特性の半導体レーザ素子が得られた。
（第１０実施例）
図８は、本発明の第１０実施例としての半導体レーザ素子を示す図である。この半導体レーザ素子は、波長１．３μｍの端面発光型であり、歪補償構造の活性層を有する。上記活性層は、Ｇａ_0.76Ｉｎ_0.24Ｎ_0.0045Ａｓ_0.9255Ｓｂ_0.07混晶で形成した第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層としての量子井戸層（発光層）を２つ有する多重量子井戸構造である。第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層としての中間層は、上記量子井戸層を構成する元素からＳｂを除いた構成元素によるＧａ_0.76Ｉｎ_0.24Ｎ_0.0045Ａｓ_0.9955混晶で形成している。また、上記中間層に接して、ＧａＡｓ_0.9955Ｎ_0.0045混晶で形成した障壁層を備える。この障壁層のＧａＡｓ_0.9955Ｎ_0.0045混晶は、ＧａＡｓ基板よりも格子定数が小さく、引張歪を有しており、活性層部分の歪補償構造を構成している。

図８において、８００はｎ側ＡｕＧｅ電極であり、８０１はｎ型ＧａＡｓ基板であり、８０２は層厚１.５μｍのｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ下部クラッド層であり、８０３は層厚１００ｎｍのｉ（真性）-ＧａＡｓ光閉じ込め層であり、８０４は層厚５ｎｍのｉ（真性）-ＧａＡｓ_0.9955Ｎ_0.0045障壁層であり、８０５は層厚２ｎｍのｉ（真性）-Ｇａ_0.76Ｉｎ_0.24Ｎ_0.0045Ａｓ_0.9955中間層であり、８０６は層厚７ｎｍのｉ（真性）-Ｇａ_0.76Ｉｎ_0.24Ｎ_0.0045Ａｓ_0.9255Ｓｂ_0.07量子井戸層であり、８０７は層厚２ｎｍのｉ（真性）-Ｇａ_0.76Ｉｎ_0.24Ｎ_0.0045Ａｓ_0.9955中間層であり、８０８は層厚５ｎｍのｉ（真性）-ＧａＡｓ_0.9955Ｎ_0.0045障壁層であり、８０９は層厚２ｎｍのｉ（真性）-Ｇａ_0.76Ｉｎ_0.24Ｎ_0.0045Ａｓ_0.9955中間層であり、８１０は層厚７ｎｍのｉ（真性）-Ｇａ_0.76Ｉｎ_0.24Ｎ_0.0045Ａｓ_0.9255Ｓｂ_0.07量子井戸層であり、８１１は層厚２ｎｍのｉ（真性）-Ｇａ_0.76Ｉｎ_0.24Ｎ_0.0045Ａｓ_0.9955中間層であり、８１２は層厚５ｎｍのｉ（真性）-ＧａＡｓ_0.9955Ｎ_0.0045障壁層であり、８１３は層厚１００ｎｍのｉ（真性）-ＧａＡｓ光閉じ込め層であり、８１４は層厚１．５μｍのｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ上部クラッド層であり、８１５は層厚０．５μｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層であり、８１６はｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ電流狭窄層であり、８１７はｐ側ＡｕＺｎ電極である。

上記構成の半導体レーザ素子は、ＭＢＥ法を用いて作製する。このＭＢＥ法において、ＩＩＩ族元素の材料として固体金属のＧａ、ＩｎおよびＡｌを用い、Ｖ族元素の材料として固体金属のＡｓおよびＳｂを用いる。Ｎ（窒素）源としては、Ｎ_２ガスをＲＦプラズマ励起したＮラジカルを使用した。また、ｎ型不純物としてＳｉを用い、ｐ型不純物としてＢｅを用いた。

上記半導体レーザ素子の製造方法において、まず、｛１００｝面を主面とするＧａＡｓ基板８０１（ｎ型不純物濃度＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3）上にＡｓを照射しながら、５８０℃まで昇温することで自然酸化膜の除去を行う。このままＧａＡｓ基板８０１を５８０℃に保持しながら、層厚約０.５μｍのｎ型ＧａＡｓバッファ層を成長し、続いて、層厚１.５μｍのｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ下部クラッド層８０２の成長を行う。

引き続いて、光閉じ込め層８０３から光閉じ込め層８１３までの活性層部分の成長を４２０℃で行い、上クラッドＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ８１４と上ＧａＡｓコンタクト層８１５の成長を５８０℃で行う。

上記活性層部分を成長する際のＳｂビームの照射強度は、Ｇａ_0.76Ｉｎ_0.24Ｎ_0.0045Ａｓ_0.9255Ｓｂ_0.07量子井戸層８０６，８１０を成長するときは、３×１０^-6Ｔｏｒｒのビーム強度等価圧力にする。一方、Ｇａ_0.76Ｉｎ_0.24Ｎ_0.0045Ａｓ_0.9955中間層８０５，８０７，８０９，８１１を成長するときは、１×１０^-8Ｔｏｒｒの強度でＳｂビームの照射を行う。このように、Ｇａ_0.76Ｉｎ_0.24Ｎ_0.0045Ａｓ_0.9955中間層成長中に、弱い強度でＳｂの照射を行うことにより、Ｓｂをサーファクタントとして機能させて、Ｉｎの偏析を抑制することができる。なお、膜中へのＳｂの取り込みは僅かであり、結晶性を低下させることはない。

上記ＭＢＥ法による結晶成長の後、上部クラッド層８１４の一部と、コンタクト層８１５の左右両側とをエッチングにより除去し、幅２μｍのストライプ状に加工して、リッジ型導波路構造を形成する。そして、リッジ側面に、再びＭＢＥ成長によって電流狭窄層８１６を形成し、その表面と、ＧａＡｓ基板８０１基板の下面とに電極を形成する。最後に、上記リッジに直交する方向に、劈開により端面ミラーを形成する。

このようにして作製した半導体レーザ素子は、波長１．３１μｍで発振した。従来の歪補償構造では、室温でのレーザ発振が得られなかったのに対して、共振器長を３００μｍとした本実施例では、レーザ発振開始時のしきい値電量密度Ｊ_thが０.４ｋＡ／ｃｍ²であり、低電流での発振が得られた。また、２０℃から９０℃における特性温度Ｔ₀は１８７Ｋであり、優れた温度特性が得られた。

本実施例のように、活性層部分において、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ量子井戸の多重化を行う場合、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ混晶は歪量が大きいことから、高品質化のために歪補償構造を用いるのが好ましい。しかしながら、従来は、障壁層とＧａＩｎＮＡｓＳｂ量子井戸層との格子定数の差が極端に大きくなることから、相分離による結晶性の低下が著しく大きく、歪補償構造を用いた多重量子井戸の形成が不可能であった。

これに対して、本発明によれば、Ｇａ_0.76Ｉｎ_0.24Ｎ_0.0045Ａｓ_0.9255Ｓｂ_0.07量子井戸層の基板側および基板と反対側に、この量子井戸層の構成元素からＳｂ元素を除いた構成元素からなるＧａ_0.76Ｉｎ_0.24Ｎ_0.0045Ａｓ_0.9955混晶を中間層として導入するので、障壁層を導入しても、結晶性の低下を効果的に防止できて、優れた特性を有する歪補償量子井戸レーザを得ることができる。

なお、歪補償構造を構成する上記障壁層８０４，８０８，８１２は、ＧａＡｓ_0.9955Ｎ_0.0045混晶を用いたが、別の組成、または、ＧａＡｓ基板に対して引張り歪を有するＧａＡｓＮＰ混晶やＧａＡｓＮＡｓ混晶などを用いても、歪補償効果を奏することができる。
（第１１実施例）
図９は、本発明の半導体装置の他の実施例としての光送受信モジュールを示す図であり、この光送受信モジュールは、光通信システムに用いられる。

図９の光送受信モジュール９００において、受信機能については、基地局から光ファイバー９０７を通して送られてきた波長１．３１μｍの光信号が、ａ点から光導波路９０３に結合され、光導波路９０３を導波する。そして、Ｙ分岐部９０６において、上記導波した光信号が５０:５０に分岐され、この分岐した信号の一方がｂ点を通って受光用ディテクター部９０５に達し、この受光用ディテクター部９０５で光信号が電気信号に変換される。

一方、送信機能については、半導体レーザ部９０２によって電気信号が光信号に変換され、この光信号がｃ点を通って導波路９０３に結合され、この導波路９０３のａ点から光ファイバー９０７に光信号が送信される。出力モニター部９０４は、上記半導体レーザ部９０２の光出力を後方からモニターするものである。

上記光送受信モジュール９００を構成する送信用半導体レーザ部９０２、受光用ディテクター部９０５、出力モニター部９０４および光導波路９０３は、ＧａＡｓ基板９０１上に形成されている。上記各構成部は、上記ＧａＡｓ基板９０１の［０１１］方向に１０°傾斜した（１００）面である表面に、一回の結晶成長によって作製されて、モノリシック集積されている。上記半導体レーザ部９０２、受光用ディテクター部９０５および出力モニター部９０４の層構造は、第１０実施例で示したものと同一であり、量子井戸活性層あるいはコア層の量子井戸層部に、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ混晶からなる半導体材料が用いられている。上記光導波路９０３には、上面から亜鉛が熱拡散されて、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。各構成部は、ドライエッチングにより加工および分離されている。

上記光送受信モジュール９００の半導体レーザ部９０２、受光用ディテクター部９０５および出力モニター部９０４は、量子井戸層が、ＧａＩｎＮＡｓＳｂからなる第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層で形成されており、さらに、この量子井戸層の基板９０１側および基板９０１と反対側の両方の面に、第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層としてのＧａＩｎＮＡｓ中間層を設けている。これにより、半導体レーザ部９０２においては低消費電力化が実現され、受光用ディテクター部９０５および出力モニター部９０４においては光−電気変換効率が大幅に向上している。こうして、この光送受信モジュール９００の性能の向上が実現され、ひいては、この光送受信モジュール９００を備える光通信システム全体の性能の向上が実現されている。

なお、本実施例においては、上記半導体レーザ部９０２、受光用ディテクター部９０５および出力モニター部９０４の層構造に、実施例１０の層構造と同一のものを用いたが、他の混晶比等を用いてもよいことは言うまでもない。

また、半導体装置としての上記光送受信モジュール９００は、光ファイバーを用いた光通信システムに用いたが、光ファイバーを用いない空間光伝送システムに用いてもよい。また、上記半導体レーザ部９０２の発光波長等を変更することにより、光ディスク装置や、光によるセンサー機能を応用した光計測システムや、レーザを利用した医療用機器などの他のシステムに半導体装置を用いることも可能である。これらの他のシステムにおいて、本発明の半導体装置を用いることにより、上記光通信システムと同様に、低電力化や光−電気変換効率の向上による性能の向上を図ることができる。

なお、上記半導体装置は、必ずしもモノリシック型でなくてもよく、半導体レーザ部や受光用ディテクター部を基板に貼り付けたハイブリッド型であってもよい。

上記各実施例において、半導体層の成長方法としてＭＢＥ法を用いた場合を述べたが、半導体層の成長方法はＭＢＥ法に限定されるものではなく、他の方法を適宜選択できる。例えば、ＣＢＥ（化学分子線エピタキシー）法、ＧＳ−ＭＢＥ（ガスソースＭＢＥ）法、ＭＯ-ＭＢＥ（有機金属ＭＢＥ）法、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法、ハイドライドＶＰＥ法、およびクロライドＶＰＥ法などを用いることが可能である。

また、半導体層の成長に用いる各構成元素の原料については、各実施例における原料や、この原料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する混晶に関して、各組成における混晶比についても実施例の値に限定されるものではなく、任意の値の混晶比を設定することが可能である。また、量子井戸構造における井戸数や、量子井戸層厚に関して制限はない。

上記各実施例において説明した半導体装置の層構成は、半導体レーザや発光ダイオードなどの発光装置のみならず、トランジスタ等を含めた任意の半導体装置の構造に適応させることが可能であることは言うまでもない。上記半導体装置を用いてシステムを構成することにより、このシステムの性能を大きく向上させることができる。

なお、本明細書を通じて、「上」とは、基板から離れる方向を意味し、「下」とは、基板へ近づく方向を意味する。結晶成長は「下」から「上」の方向へ向かって進行する。

本発明の第１実施例の半導体装置を示す概略断面図である。 第１比較例の半導体装置を示す概略断面図である。 半導体レーザにおいて、量子井戸層と中間層との間の歪量の差Δεと、発光強度の関係を示す図である。 半導体レーザにおいて、量子井戸層の歪量ε１と発光強度との関係を示した図である。 第８実施例の半導体レーザを示す概略断面図である。 第８実施例の半導体レーザのバンドラインアップを示す図である。 第９実施例の半導体レーザ素子を示す図である。 第１０実施例の半導体レーザ素子を示す図である。 光送受信モジュールを示す図である。

符号の説明

１００ ＧａＡｓ基板
１０１ ＧａＡｓバッファ層
１０２ Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ下部クラッド層
１０３ ＧａＡｓ下部障壁層
１０４ Ｇａ_0.7Ｉｎ_0.3Ａｓ中間層
１０５ Ｇａ_0.7Ｉｎ_0.3Ａｓ_0.955Ｓｂ_0.045量子井戸層
１０６ ＧａＡｓ上部障壁層
１０７ Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ上部クラッド層

Claims (10)

1. ＧａＡｓからなる基板上に、
   少なくともＧａ、Ｉｎ、Ａｓ及びＳｂを含む第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、
   少なくともＧａとＡｓを含み、かつ、ＩｎまたはＳｂの一方のみを含む第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを備え、
   上記第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上記基板側の面に接していることを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置において、
   上記第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、少なくともＧａとＡｓを含み、かつ、Ｉｎを含むことを特徴とする半導体装置。
3. 請求項１に記載の半導体装置において、
   上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、歪量ε１が＋１％以上であることを特徴とする半導体装置。
4. 請求項１に記載の半導体装置において、
   上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の歪量ε１と、上記第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の歪量ε２とが、
   ε１−ε２≦１％
   の関係を満たすことを特徴とする半導体装置。
5. 請求項１に記載の半導体装置において、
   上記第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を構成する元素と同一の元素で構成された第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を備え、
   上記第３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上記基板側の面と反対側の面に接していることを特徴とする半導体装置。
6. 請求項１に記載の半導体装置において、
   上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、窒素が混晶化されていることを特徴とする半導体装置。
7. 請求項１に記載の半導体装置において、
   上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、Ｇａ_ＸＩｎ_１−ＸＮ_ＹＡｓ_{１−Ｙ−Ｚ}Ｓｂ_Ｚ混晶（０＜Ｘ＜１，０＜Ｙ＜１，０＜Ｚ＜１）であり、
   上記第２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、Ｇａ_Ｘ’Ｉｎ_１−Ｘ’Ｎ_Ｙ’Ａｓ_１−Ｙ’混晶（０＜Ｘ’＜１，０＜Ｙ’＜１）であり、
   上記ＸとＸ’が等しく、かつ、上記ＹとＹ’が等しいことを特徴とする半導体装置。
8. 請求項１に記載の半導体装置において、
   上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、半導体レーザの活性層であることを特徴とする半導体装置。
9. 請求項１に記載の半導体装置において、
   上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、上記基板の平面において互いに分離された複数の部分を有し、
   上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の複数の部分のうちの少なくとも１つは、電荷の注入により光を生成する層であり、
   上記第１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の複数の部分のうちの少なくとも１つは、光の入射により電荷を生成する層であることを特徴とする半導体装置。
10. 請求項１に記載の半導体装置を用いた光送受信モジュール。

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