JP2007250878A - 半導体光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】構成元素として少なくとも窒素およびヒ素を含む第２のIII−Ｖ化合物半導体からなる井戸層を含む量子井戸構造において窒素の拡散を低減できる構造を有する半導体光デバイスを提供する。
【解決手段】半導体レーザ１１ａの活性層１３ａは、障壁層１９と、井戸層２１と、中間層２３ａとを含む。障壁層１９は、構成元素として少なくともガリウムおよびヒ素を含む第１のIII−Ｖ化合物半導体からなる。井戸層２１は、構成元素として少なくとも窒素およびヒ素を含む第２のIII−Ｖ化合物半導体からなる。中間層２３ａは、構成元素として少なくとも窒素およびヒ素を含む第３のIII−Ｖ化合物半導体からなる。中間層２３ａは、障壁層１９と井戸層２１との間に設けられている。中間層２３ａの厚みＤは３ｎｍ以下であり、中間層２３ａの第３のIII−Ｖ化合物半導体は、構成元素としてインジウムを含まない。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体光デバイスに関する。

非特許文献１には、量子井戸構造の半導体レーザが記載されている。この半導体レーザは、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層およびＧａＡｓバリア層を有する。その発振波長は１２８０ｎｍである。２つの酸化物層を用いて電流狭窄構造を形成しており、これにより閾値電流１１ミリアンペアが達成された。この半導体レーザは、摂氏１００度でもレーザ発振動作をする。

非特許文献２には、量子井戸構造の半導体レーザが記載されている。この半導体レーザは、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層およびＧａＮＡｓバリア層を有する。その発振波長は１３２０ｎｍである。閾値電流密度は５４６Ａ／ｃｍ^２であり、また特性温度は、１０４度である。
Electron.Lett. 36 (2000) pp725. Appl.Phys. Lett. 79 (2001) pp3386.

非特許文献１の半導体レーザでは、バリア層が窒素を含まないので、ＧａＩｎＮＡｓの光学特性を向上するために必要な高温アニールができず、閾値電流が高い等、デバイス特性は悪い。高温アニールを行うと窒素の拡散が起こり、界面付近の結晶性が劣化する。窒素の拡散により生成される結晶欠陥および通電時における窒素の拡散により、信頼性も低下する。したがって、ＧａＡｓからなるバリア層では高温アニール時および通電時の窒素の拡散を抑制できず、高品質化・高信頼性が達成されない。

非特許文献２の半導体レーザでは、窒素の拡散を防ぐためには活性層の窒素と同等以上の窒素組成が必要であり、バリア層の窒素組成が充分に高くなければ、高温アニールや通電時の窒素の拡散を抑制することができず、活性層の結晶性が劣化する。また、活性層の窒素組成と同等以上の窒素組成を有するバリア層を用いた場合、量子井戸構造における十分な伝導帯バンドオフセットが得られないので、キャリアのオーバーフローが起こりやすくなり、発光効率が低下し温度特性も悪くなる。したがって、ＧａＮＡｓバリア層では、十分なバンドオフセットが取れないので、キャリアのオーバーフローが起こりやすく、発光効率が低下し温度特性も悪くなる。

本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、構成元素として少なくとも窒素およびヒ素を含むIII−Ｖ化合物半導体からなる井戸層を有する量子井戸構造において窒素の拡散を低減できる構造の半導体光デバイスを提供することを目的とする。

本発明の一側面によれば、半導体光デバイスは、（ａ）構成元素として少なくともガリウムおよびヒ素を含む第１のIII−Ｖ化合物半導体からなる障壁層と、構成元素として少なくとも窒素およびヒ素を含む第２のIII−Ｖ化合物半導体からなる井戸層と、構成元素として少なくとも窒素およびヒ素を含む第３のIII−Ｖ化合物半導体からなり前記障壁層と前記井戸層との間に設けられ、前記井戸層に含まれる窒素元素の拡散を防止するための中間層とを含む量子井戸構造と、（ｂ）第１導電型半導体層と、（ｃ）第２導電型半導体層とを備え、前記量子井戸構造は、前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間に設けられており、前記第３のIII−Ｖ化合物半導体は、構成元素としてインジウムを含まない。

本発明に係る半導体光デバイスによれば、障壁層が、構成元素として少なくともガリウムおよびヒ素を含む第１のIII−Ｖ化合物半導体からなるので、バンドギャップが大きく取れ、発光効率を高めることができる。井戸層が、構成元素として少なくとも窒素およびヒ素を含む第２のIII−Ｖ化合物半導体からなるので、光通信に利用できる近赤外領域を含む波長範囲における発光が実現される。中間層が、構成元素として少なくとも窒素およびヒ素を含む第３のIII−Ｖ化合物半導体からなるので、高温アニール時だけでなく通電時における窒素の拡散を低減できる。中間層が、窒素との結合が弱いインジウムを構成元素として含まない。中間層の厚さが薄いので、伝導帯のバンドオフセットが確保され、キャリアのオーバーフローが最小限に抑えられる。

本発明に係る半導体光デバイスでは、前記中間層の厚みは３ｎｍ以下であり、前記中間層の窒素組成は前記井戸層の窒素組成以上であることが好ましい。この発明によれば、中間層の窒素組成が井戸層の窒素組成と同程度以上の窒素組成であるので、窒素の拡散を充分に防ぐことができる。

本発明に係る半導体光デバイスでは、前記第３のIII−Ｖ化合物半導体は構成元素として燐を含むことができる。この発明によれば、中間層が燐を含む半導体から構成されるので、伝導帯および価電子帯のバンドオフセットを大きくでき、キャリアの閉じ込め効果が増大する。これ故に、井戸層からのキャリア漏れが抑制され、発光効率が向上する。また、燐を添加することにより中間層において窒素の平衡固溶度が増加するので、窒素が結晶中に容易に取り込まれるようになり、中間層の結晶性が向上する。中間層の結晶欠陥が低減されるので、キャリアの消滅を低減し、活性層の発光効率を向上させる。

本発明に係る半導体光デバイスでは、前記第１のIII−Ｖ化合物半導体はＧａＡｓであり、前記第２のIII−Ｖ化合物半導体はＧａＩｎＮＡｓであり、前記第３のIII−Ｖ化合物半導体はＧａＮＰＡｓであることが好ましい。或いは、本発明に係る半導体光デバイスでは、前記第１のIII−Ｖ化合物半導体はＧａＡｓであり、前記第２のIII−Ｖ化合物半導体はＧａＩｎＮＡｓであり、前記第３のIII−Ｖ化合物半導体はＧａＮＡｓであることが好ましい。

本発明の上記の目的および他の目的、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。

以上説明したように、構成元素として少なくとも窒素およびヒ素を含む第２のIII−Ｖ化合物半導体からなる井戸層を含む量子井戸構造において窒素の拡散を低減できる構造の半導体光デバイスが提供される。

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。

（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態に係る半導体光デバイスといった半導体レーザを概略的に示す図面である。半導体レーザ１１ａは、活性層１３ａと、第１導電型半導体層１５と、第２導電型半導体層１７とを備える。活性層１３ａは、第１導電型半導体層１５と第２導電型半導体層１７との間に設けられている。活性層１３ａは、量子井戸構造を有しており、また障壁層１９と、井戸層２１と、中間層２３ａとを含む。障壁層１９は、構成元素として少なくともガリウムおよびヒ素を含む第１のIII−Ｖ化合物半導体からなる。井戸層２１は、構成元素として少なくとも窒素およびヒ素を含む第２のIII−Ｖ化合物半導体からなる。中間層２３ａは、構成元素として少なくとも窒素およびヒ素を含む第３のIII−Ｖ化合物半導体からなる。また、中間層２３ａは、障壁層１９と井戸層２１との間に設けられてており、また井戸層２１に含まれる窒素元素の拡散を防止するように設けられている。中間層２３ａの厚みＤは好ましくは３ｎｍ以下であり、中間層２３ａの第３のIII−Ｖ化合物半導体は、構成元素としてインジウムを含まない。

半導体レーザ１１ａによれば、障壁層１９が、構成元素として少なくともガリウムおよびヒ素を含む第１のIII−Ｖ化合物半導体からなるので、バンドギャップが大きく取れ、発光効率を高めることができる。井戸層２１が、構成元素として少なくとも窒素およびヒ素を含む第２のIII−Ｖ化合物半導体からなるので、光通信に利用できる近赤外領域を含む波長範囲における発光が実現される。中間層２３ａが、構成元素として少なくとも窒素およびヒ素を含む第３のIII−Ｖ化合物半導体からなるので、高温アニール時だけでなく通電時における窒素の拡散を低減できる。中間層２３ａが、窒素との結合が弱いインジウムを構成元素として含まない。中間層２３ａの厚さＤが薄いので、伝導帯のバンドオフセットが確保され、キャリアのオーバーフローが最小限に抑えられる。

半導体レーザ１１ａでは、第１導電型半導体層１５は、半導体基板２５の主面２５ａ上に設けられている。半導体基板２５は、導電性を有しており、例えばＧａＡｓ基板である。必要な場合には、第１導電型半導体層１５と半導体基板２５との間には、III−Ｖ化合物半導体からなるバッファ層２７を含むことができる。

半導体レーザ１１ａは、第２導電型半導体層１７の第１の領域１７ａ上に設けられたコンタクト層２９を含むことができる。また、第２導電型半導体層１７の第２の領域１７ｂ上には、絶縁層３１が設けられている。コンタクト層２９は、例えばストライプ形状を有している。コンタクト層２９および絶縁層３１上には、第１の電極３５が位置しており、また基板２５の裏面２５ｂには第２の電極３３が設けられている。

一例の半導体レーザ１１ａは、障壁層１９の第１のIII−Ｖ化合物半導体はＧａＡｓであり、井戸層２１の第２のIII−Ｖ化合物半導体はＧａＩｎＮＡｓであり、中間層２３ａの第３のIII−Ｖ化合物半導体はＧａＮＡｓであることが好ましい。

半導体レーザ１１ａでは、中間層２３ａの窒素組成は井戸層２１の窒素組成以上であることが好ましい。この半導体レーザ１１ａによれば、中間層２３ａの窒素組成が井戸層２１の窒素組成と同程度以上の窒素組成であるので、窒素の拡散を充分に防ぐことができる。

半導体レーザ１１ａの一例を下記に示す。
半導体基板２５：ｎ型ＧａＡｓ
バッファ層２７：ｎ型ＧａＡｓ
第１導電型半導体層１５：ｎ型クラッド層、ｎ型ＡｌＧａＡｓ
活性層１３ａ
障壁層１９：ＧａＡｓ、８ｎｍ
井戸層２１：ＧａＩｎＮＡｓ、７ｎｍ
中間層２３ａ：ＧａＮ_０．０１Ａｓ_０．９９、２ｎｍ
第２導電型半導体層１７：ｐ型クラッド層、ｐ型ＡｌＧａＡｓ
コンタクト層２９：ｐ型ＧａＡｓ
絶縁層３１：窒化シリコン
第１の電極３５：アノード
第２の電極３３：カソード
である。活性層１３ａとしては単一量子井戸構造に限定されることなく、多重量子井戸構造を有することができる。

半導体レーザ１１ａは、最も第１導電型半導体層１５に近い障壁層１９と第１導電型半導体層１５との間に光閉じ込め層３７を含むことができる。また、最も第２導電型半導体層１７に近い障壁層１９と第２導電型半導体層１７との間に光閉じ込め層３９を含むことができる。半導体レーザ１１ａでは、障壁層１９の材料が光閉じ込め層３７、３９の材料と異なることができる。或いは、第１導電型半導体層１５と中間層２３ａとの間に位置する障壁層１９の厚さを調整して、最も第１導電型半導体層１５に近い該障壁層１９が光閉じ込め層としても機能を有するようにすることができる。また、第２導電型半導体層１７と中間層２３ａとの間に位置する障壁層１９の厚さを調整して、最も第２導電型半導体層１７に近い該障壁層１９が光閉じ込め層としても機能を有するようにすることができる。

（実施例１）
減圧有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用いて、単一量子井戸（ＳＱＷ）を活性層とするレーザ構造エピを作製した。Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｎ、Ａｓの原料として、それぞれ、ＴＭＡｌ、ＴＥＧａ、ＴＭＩｎ、ＤＭＨｙ、ＴＢＡｓを用いる。また、Ｓｉ、Ｚｎドーパントのために、それぞれ、ドーピングガスＴｅＥＳｉおよびＤＥＺｎを用いる。
基板はＳｉドープＧａＡｓ（１００）２゜オフ基板を用いた。

本実施例の単一量子井戸構造は、井戸層／中間層／障壁層（ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＮＡｓ／ＧａＡｓ）の組み合わせを有する。このＧａＩｎＮＡｓ井戸層の厚さは７ｎｍであり、具体的には、井戸層はＧａ_０．６５Ｉｎ_０．３５Ｎ_０．０１Ａｓ_０．９９からなることができる。井戸層の成長条件の一例：
成長温度：摂氏５１０度、
成長速度：０．９μｍ/ｈ、
モル比［ＤＭＨｙ］／［全Ｖ族原料］：０．９９、
成長圧力：７６Ｔｏｒｒ（１０１３２．５Ｐａ）
である。

障壁層はＧａＡｓで形成し、また光閉じ込め層との兼用のために、厚さ１４０ｎｍの半導体層を形成した。中間層の厚さは例えば２ｎｍである。中間層はＧａＮＡｓで形成し、具体的には、ＧａＮ_０．０１Ａｓ_０．９９からなることができる。ｎ型クラッド層はＳｉドープのＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなり、その厚さは１．５マイクロメートルである。ｐ型クラッド層はＺｎドープのＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなり、その厚さは１．５マイクロメートルである。p型クラッド層成長後、０．２マイクロメートル厚のｐ型ＧａＡｓコンタクト層を成長した。

中間層が提供する利益を調べるために、ＧａＮＡｓ中間層を有しないレーザ構造も作製した。ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の光学特性向上のために、エピタキシャル成長の完了の後に、ＭＯＶＰＥ炉内で１０分間アニールを行った。アニール温度は例えば二通りの温度、例えば摂氏６５０度および７００度を用いた。

エピタキシャル成長が完了した後に、Ｇａｉｎ−Ｇｕｉｄｅ型半導体レーザを作製した。まず、フォトリソグラフィー法によりフォトレジストでパターンを形成した後、メサエッチングによりコンタクト層をストライプ状に加工した。ストライプ幅は例えば５マイクロメートルである。プラズマＣＶＤ法を用いてウェハ全面にＳｉＮ絶縁膜を形成する。フォトリソグラフィー法およびフッ酸エッチングを用い、幅５マイクロメートルのストライプ形状のコンタクト層上のＳｉＮ絶縁膜を選択的に除去した。その後、ｐ型用電極およびｎ型用電極を形成した。これにより、ウエハ生産物が得られた。

製造プロセスが完了した後、ウェハ生産物を共振器長Ｌ＝６００μｍになるように劈開し、レーザバーを作製した。このレーザバーを用いてレーザ特性評価および長期通電試験を行った。また、ウェハ生産物の一部を用いて室温でのフォトルミネッセンス（ＰＬ）測定を行い、アニール温度に対するＧａＩｎＮＡｓ半導体のＰＬ波長を調べた。

図２は、半導体レーザに印加された電流と光出力との関係を示す図面である。特性線Ｃ_Ａは、ＧａＮＡｓ中間層およびＧａＩｎＮＡｓ井戸層を有する半導体レーザＡの特性を示す。特性線Ｃ_Ｂは、ＧａＮＡｓ中間層を含まずＧａＩｎＮＡｓ井戸層を含む半導体レーザＢの特性を示す。これらの半導体レーザＡ、Ｂは、摂氏７００度の温度でアニールされている。中間層を有する半導体レーザＡは、半導体レーザＢに比べて、低い閾値電流を有すると共に高いスロープ効率を有する。これは、中間層の存在によりアニール時の窒素の相互拡散が抑制されて、良好なヘテロ界面が維持された結果と考えられる。

図３は、中間層を含まない半導体レーザＢの室温におけるＰＬスペクトルを示す図面である。特性線Ｃ_Ｂ６５０は、摂氏６５０度でアニールされた半導体レーザのＧａＩｎＮＡｓ井戸層のＰＬスペクトルを示す。特性線Ｃ_Ｂ７００は、摂氏７００度でアニールされた半導体レーザのＧａＩｎＮＡｓ井戸層のＰＬスペクトルを示す。

図４は、中間層を含む半導体レーザＡの室温におけるＰＬスペクトルを示す図面である。特性線Ｃ_Ａ６５０は、摂氏６５０度でアニールされた半導体レーザのＧａＩｎＮＡｓ井戸層のＰＬスペクトルを示す。特性線Ｃ_Ａ７００は、摂氏７００度でアニールされた半導体レーザのＧａＩｎＮＡｓ井戸層のＰＬスペクトルを示す。

中間層を用いる半導体レーザＡでは、アニール温度が摂氏７００度であるピーク波長は、アニール温度が摂氏６００度であるピーク波長と実質的に同じであり、アニールによりピーク波長の変化がない。一方、中間層を用いない半導体レーザＢでは、摂氏７００度でアニールされた半導体レーザのピーク波長は、摂氏６００度でアニールされた半導体レーザのピーク波長に比べて２０ナノメートル程度短い。

中間層を用いない半導体レーザＢにおけるピーク波長の変動の理由は、摂氏７００度のアニールでは、井戸層からの窒素拡散が起こり、ピーク波長が短波長にシフトしたものであると考えられる。一方、中間層を用いる半導体レーザＡでは、中間層のおかげで窒素拡散が抑えられ、この結果、ピーク波長のシフトが非常に小さくできたと考えられる。

図５は、光出力が一定であるという条件で通電試験を行った結果を示す図面である。この試験は、摂氏２５度の温度およびＡＰＣ条件の下で、２ｍＷの光出力が得られるように行われた。中間層を用いない半導体レーザＢの特性Ｃ_ＩＢは通電初期から動作電流が増加し徐々に劣化が進んでいるのに対して、中間層を含む半導体レーザＡの特性Ｃ_ＩＡは１０００時間まで動作電流が安定し通電劣化がほとんどない。中間層を用いない半導体レーザＢでは、窒素の相互拡散による界面付近の結晶欠陥の増加により通電劣化が進行しているものと考えられる。

以上の結果から、ＧａＮＡｓ中間層によりアニール中の窒素の相互拡散が抑制され、急峻で結晶欠陥の少ない良好なヘテロ界面の維持が行われることが可能となり、低閾値電流、高スロープ効率、良好な波長安定性が得られたものと考えられる。また、ＧａＮＡｓ中間層は通電中の長期信頼性にも大幅な改善をもたらし、信頼性の高い半導体レーザを作製することができる。

これまでの説明から、ＧａＮＡｓ中間層を含む半導体レーザＡは、改善された特性（低閾値電流、高スロープ効率、波長安定性）を有することが理解される。成長直後のＧａＩｎＮＡｓ半導体には様々な結晶欠陥が含まれており、これらの欠陥が非発光中心として働くので、ＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザの発光効率は低い。発光効率の向上のために、エピタキシャル成長の後に高温アニールが行われ、このアニールにより結晶欠陥が劇的に減少する。しかし、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓヘテロ界面において、高温アニール中に窒素の相互拡散が生じ、井戸層中の窒素がＧａＡｓ層へ拡散する。この拡散はＩｎ−Ｎ結合が弱いことも関係しており、高温の熱処理中にＩｎ−Ｎ結合が容易に切れて、この結果、窒素の拡散が促進されているものと推測される。このように、ＧａＡｓ障壁層では、高温アニール中に窒素の拡散が生じて、ヘテロ界面における急峻性が損なわれると共に、窒素（Ｎ）の移動により空孔等の結晶欠陥が生成される。一方、活性層と同程度の窒素濃度を有すると共にインジウム（Ｉｎ）を含まない中間層を用いると、窒素の濃度勾配による拡散は起きないので、高温アニールでのヘテロ界面の急峻性が維持されることが期待できる。また、インジウムを含まない中間層を用いる半導体レーザでは、結合力の強いＧａ−Ｎ結合により窒素が引き留められるので、その結合力の強さが中間層を形成している窒素の拡散を防ぐ。

このように、中間層を用いることによって窒素の相互拡散およびヘテロ界面の劣化を引き起こすことなく高温アニールが行われるようになり、ＧａＩｎＮＡｓ半導体の高品質化が可能になる。また、窒素の相互拡散が抑制されることにより、井戸層、中間層および障壁層の組成が安定化するので、アニールによる波長の変動が少ない波長安定性に優れた半導体レーザが作製可能になる。

また、長期通電での信頼性が向上する。中間層を用いることにより、通電中においてもＧａＩｎＮＡｓ井戸層からの窒素の拡散が抑制されるので、相互拡散により生じる空孔等の結晶欠陥の生成が低減されると共に、ヘテロ界面の結晶性も変化せずバンドオフセットが維持される。これ故に、発光効率が維持され、良好な信頼性（光出力の安定性）が得られる。また、ＧａＮＡｓ中間層はＧａＡｓ障壁層よりも格子定数が小さいので、圧縮歪が加わっているＧａＩｎＮＡｓ井戸層に対して引張り歪を加えることになり、この歪補償効果が良好な信頼性の一要因となっていると考えられる。

（実施例２）
減圧有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用いて、単一量子井戸（ＳＱＷ）を活性層とするレーザ構造エピを作製した。基板はＳｉドープＧａＡｓ（１００）２゜オフ基板を用いた。

単一量子井戸構造は、井戸層／中間層／障壁層（ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＮＡｓ／ＧａＡｓ）の組み合わせを有する。このＧａＩｎＮＡｓ井戸層の厚さは７ｎｍであり、具体的には、井戸層はＧａ_０．６５Ｉｎ_０．３５Ｎ_０．０１Ａｓ_０．９９からなることができる。井戸層の成長条件の一例：
成長温度：摂氏５１０度、
成長速度：０．９μｍ/ｈ、
モル比［ＤＭＨｙ］／［全Ｖ族原料］：０．９９、
成長圧力：７６Ｔｏｒｒ（１０１３２．５Ｐａ）
である。
ＧａＮＡｓ中間層の組成として、ＧａＮ_０．０１Ａｓ_０．９９を用い、中間層の厚さの影響を調べるために、ＧａＮＡｓ中間層の異なる厚みを有する半導体レーザを作製した。その厚さとして、０、２ｎｍ、３ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍを用いた。

障壁層はＧａＡｓで形成し、また光閉じ込め層との兼用のために、厚さ１４０ｎｍの障壁層を形成した。ｎ型クラッド層はＳｉドープのＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなり、その厚さは１．５マイクロメートルである。ｐ型クラッド層はＺｎドープのＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなり、その厚さは１．５マイクロメートルである。p型クラッド層成長後、０．２マイクロメートル厚のｐ型ＧａＡｓコンタクト層を成長した。

ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の光学特性向上のために、エピタキシャル成長の完了の後に、ＭＯＶＰＥ炉内で１０分間アニールを行った。アニール温度として、例えば７００度を用いた。

エピタキシャル成長が完了した後に、実施例１と同様に、Ｇａｉｎ−Ｇｕｉｄｅ型半導体レーザを作製した。製造プロセスが完了した後、実施例１と同様に、ウェハ生産物を６００μｍの共振器長になるように劈開し、レーザバーを作製した。このレーザバーを用いてレーザ特性評価を行った。

図６は、ＧａＮＡｓ中間層の厚さと初期レーザ光出力との関係を示す図面である。ＧａＮＡｓ中間層の組成として、ＧａＮ_０．０１Ａｓ_０．９９を用い、その厚さとして、０、２ｎｍ、３ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ（それぞれシンボルＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５として示す）を用いた。

ＧａＩｎＮＡｓ井戸層を有する半導体レーザの中間層の厚さが３ｎｍを超えると、レーザ光出力は低下しはじめる。ＧａＮＡｓ中間層とＧａＩｎＮＡｓ井戸層との伝導帯バンドオフセットが小さく、キャリア漏れが起こりやすくなることが原因と考えられる。この結果から、ＧａＮＡｓ中間層の厚さは３ｎｍ以下が好ましい。また、ＧａＮＡｓ中間層としては、一原子層以上の厚みが好ましい。

以上の説明より、ＧａＮＡｓ中間層の厚さが増加すると光出力が低下する。窒素の相互拡散を防ぐために、井戸中の窒素組成と同等の窒素組成を有するＧａＮａＡｓ中間層を用いるので、井戸層と中間層との伝導帯バンドオフセットがキャリア閉じ込めに対して十分ではない可能性がある。キャリア閉じ込め用の障壁層としてはＧａＡｓがあるためＧａＮＡｓ中間層は薄くてもよい。この実験は、ＧａＮＡｓ中間層として３ｎｍ程度の厚さであれば、窒素相互拡散抑制が可能であり、かつ発光効率の高いデバイスが作製できることを示す。

（第２の実施の形態）
図７は、本実施の形態に係る半導体光デバイスといった半導体レーザを概略的に示す図面である。半導体レーザ１１ｂは、活性層１３ｂと、第１導電型半導体層１５と、第２導電型半導体層１７とを備える。活性層１３ｂは、量子井戸構造を有しており、また第１導電型半導体層１５と第２導電型半導体層１７との間に設けられている。活性層１３ｂは、障壁層１９と、井戸層２１と、中間層２３ｂとを含む。中間層２３ｂは、障壁層１９と井戸層２１との間に設けられている。中間層２３ｂの厚みＤは３ｎｍ以下である。中間層２３ｂは、構成元素として少なくとも燐、窒素およびヒ素を含む第３のIII−Ｖ化合物半導体からなる。また、中間層２３ｂの第３のIII−Ｖ化合物半導体は、構成元素としてインジウムを含まない。

この半導体レーザによれば、中間層２３ｂが燐を含む半導体から構成されるので、伝導帯および価電子帯のバンドオフセットを大きくでき、キャリアの閉じ込め効果が増大する。これ故に、井戸層２１からのキャリア漏れが抑制され、発光効率が向上する。また、燐を添加することにより中間層２３ｂにおいて窒素の平衡固溶度が増加するので、窒素が結晶中に容易に取り込まれるようになり、中間層２３ｂの結晶性が向上する。中間層２３ｂの結晶欠陥は低減されるので、キャリアの消滅を低減し、半導体レーザ１１ｂの発光効率を向上させる。

一例の半導体レーザでは、障壁層１９の第１のIII−Ｖ化合物半導体はＧａＡｓであり、井戸層２１の第２のIII−Ｖ化合物半導体はＧａＩｎＮＡｓであり、中間層２３ｂの第３のIII−Ｖ化合物半導体はＧａＮＰＡｓであることが好ましい。

半導体レーザ１１ｂでは、中間層２３ｂの窒素組成は井戸層２１の窒素組成以上であることが好ましい。この半導体レーザ１１ｂによれば、中間層２３ｂの窒素組成が井戸層２１の窒素組成と同程度以上の窒素組成であるので、窒素の拡散を充分に防ぐことができる。

半導体レーザ１１ｂの一例を下記に示す。
半導体基板２５：ｎ型ＧａＡｓ
バッファ層２７：ｎ型ＧａＡｓ
第１導電型半導体層１５：ｎ型クラッド層、ｎ型ＡｌＧａＡｓ
活性層１３ｂ
障壁層１９：ＧａＡｓ
井戸層２１：ＧａＩｎＮＡｓ、７ｎｍ
中間層２３ｂ：ＧａＮＰＡｓ、２ｎｍ
第２導電型半導体層１７：ｐ型クラッド層、ｐ型ＡｌＧａＡｓ
コンタクト層２９：ｐ型ＧａＡｓ
絶縁層３１：窒化シリコン
第１の電極３５：アノード
第２の電極３３：カソード
である。活性層１３ａと同様に、活性層１３ｂとしては単一量子井戸構造に限定されることなく、多重量子井戸構造を有することができる。

（実施例３）
減圧有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用いて、単一量子井戸（ＳＱＷ）を活性層とするレーザ構造エピを作製した。基板はＳｉドープＧａＡｓ（１００）２゜オフ基板を用いた。単一量子井戸構造は、井戸層／中間層／障壁層（ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＮＰＡｓ／ＧａＡｓ）の組み合わせを有する。障壁層はＧａＡｓで形成し、また光閉じ込め層との兼用のために、厚さ１４０ｎｍの障壁層を形成した。中間層の厚さは例えば２ｎｍである。中間層はＧａＮＰＡｓで形成し、具体的には、ＧａＮ_０．０１Ｐ_０．０１Ａｓ_０．９８からなることができる。ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の厚さは７ｎｍであり、具体的には、井戸層はＧａ_０．６５Ｉｎ_０．３５Ｎ_０．０１Ａｓ_０．９９からなることができる。井戸層の成長条件の一例：
井戸層の成長条件の一例：
成長温度：摂氏５１０度、
成長速度：０．９μｍ/ｈ、
モル比［ＤＭＨｙ］／［全Ｖ族原料］：０．９９、
成長圧力：７６Ｔｏｒｒ（１０１３２．５Ｐａ）
である。

ｎ型クラッド層はＳｉドープのＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなり、その厚さは１．５マイクロメートルである。ｐ型クラッド層はＺｎドープのＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなり、その厚さは１．５マイクロメートルである。p型クラッド層成長後、０．２マイクロメートル厚のｐ型ＧａＡｓコンタクト層を成長した。

ＧａＮＰＡｓ中間層が提供する利益を調べるために、ＧａＮＡｓ中間層を有するレーザ構造も作製した。ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の光学特性向上のために、エピタキシャル成長の完了の後に、ＭＯＶＰＥ炉内で１０分間アニールを行った。アニール温度として例えば７００度を用いた。

エピタキシャル成長が完了した後に、実施例１と同様に、Ｇａｉｎ−Ｇｕｉｄｅ型半導体レーザを作製した。製造プロセスが完了した後、ウェハ生産物を６００μｍの共振器長になるように劈開し、レーザバーを作製した。このレーザバーを用いてレーザ特性評価を行った。

図８は、半導体レーザに印加された電流と光出力との関係を示す図面である。この図は、ＧａＮＰＡｓ中間層を含むＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザＡ１およびＧａＮＡｓ中間層を含むＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザＡ２のための特性Ｃ_Ａ１、Ｃ_Ａ２をそれぞれ示す。ＧａＮＰＡｓ中間層を含む半導体レーザＡ１の閾値電流は、ＧａＮＡｓ中間層を含む半導体レーザＡ２の閾値電流より低く、またＧａＮＰＡｓ中間層を含む半導体レーザＡ１のスロープ効率がＧａＮＡｓ中間層を含む半導体レーザＡ２のスロープ効率より高い。この結果は、中間層に燐を含むIII−Ｖ化合物半導体を用いることによって、井戸層と中間層とのバンドオフセットを大きくでき、キャリアのオーバーフローを抑制できたためと考えられる。

以上説明したように、燐を含む中間層を用いることにより初期特性が向上する。燐を含む中間層は、井戸層と中間層との間の伝導帯および価電子帯のバンドオフセットを大きくすることが可能となり、これにより、キャリアの閉じ込めが増大する。これ故に、井戸層からのキャリア漏れが抑制され、発光効率が向上する。また、低閾値電流、高スロープ効率の半導体レーザが提供される。

また、中間層が燐を含むと、結晶中の窒素の平衡固溶度が増加する。このため、窒素を構成元素として結晶中に導入しやすくなり、中間層としての結晶性を向上させることが可能である。これ故に、中間層の結晶欠陥が低減し、それによるキャリア消滅が抑制される。従って、半導体レーザの発光効率が向上し、低閾値電流、高スロープ効率のレーザが得られる。

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され得ることは、当業者によって認識される。本実施の形態では、例えば、半導体レーザといった半導体光デバイスを説明したけれども、本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。例えば、半導体光デバイスとして、発光ダイオード、フォトダイオード、半導体光増幅器、光変調素子、太陽電池等がある。また、中間層の材料としてＧａＮＡｓ、ＧａＮＰＡｓについて説明したが、中間層の材料としてはＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＮＰＡｓＳｂ等も使用できる。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。

図１は、本実施の形態に係る半導体光デバイスといった半導体レーザを概略的に示す図面である。 図２は、半導体レーザに印加された電流と光出力との関係を示す図面である。 図３は、中間層を含まない半導体レーザＢの室温におけるＰＬスペクトルを示す図面である。 図４は、中間層を含む半導体レーザＡの室温におけるＰＬスペクトルを示す図面である。 図５は、光出力が一定であるという条件で通電試験を行った結果を示す図面である。 図６は、ＧａＮＡｓ中間層の厚さと初期レーザ光出力との関係を示す図面である。 図７は、本実施の形態に係る半導体光デバイスといった半導体レーザを概略的に示す図面である。 図８は、半導体レーザに印加された電流と光出力との関係を示す図面である。

符号の説明

１１ａ、１１ｂ…半導体レーザ、１３ａ、１３ｂ…活性層、１５…第１導電型半導体層、１７…第２導電型半導体層、１９…障壁層、２１…井戸層、２３ａ、２３ｂ…中間層、２５…半導体基板、２７…バッファ層、２９…コンタクト層、３１…絶縁層、３３…第２の電極、３５…第１の電極

Claims (5)

1. 構成元素として少なくともガリウムおよびヒ素を含む第１のIII−Ｖ化合物半導体からなる障壁層と、構成元素として少なくとも窒素およびヒ素を含む第２のIII−Ｖ化合物半導体からなる井戸層と、構成元素として少なくとも窒素およびヒ素を含む第３のIII−Ｖ化合物半導体からなり前記障壁層と前記井戸層との間に設けられ、前記井戸層に含まれる窒素元素の拡散を防止するための中間層とを含む量子井戸構造と、
   第１導電型半導体層と、
   第２導電型半導体層と
   を備え、
   前記量子井戸構造は、前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間に設けられており、
   前記第３のIII−Ｖ化合物半導体は、構成元素としてインジウムを含まない、ことを特徴とする半導体光デバイス。
2. 前記中間層の厚みは３ｎｍ以下であり、
   前記中間層の窒素組成は前記井戸層の窒素組成以上である、ことを特徴とする請求項１に記載された半導体光デバイス。
3. 前記第３のIII−Ｖ化合物半導体は構成元素として燐を含む、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された半導体光デバイス。
4. 前記第１のIII−Ｖ化合物半導体はＧａＡｓであり、
   前記第２のIII−Ｖ化合物半導体はＧａＩｎＮＡｓであり、
   前記第３のIII−Ｖ化合物半導体はＧａＮＰＡｓである、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された半導体光デバイス。
5. 前記第１のIII−Ｖ化合物半導体はＧａＡｓであり、
   前記第２のIII−Ｖ化合物半導体はＧａＩｎＮＡｓであり、
   前記第３のIII−Ｖ化合物半導体はＧａＮＡｓである、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に半導体光デバイス。
   

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