JP2016219587A - 半導体光デバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】電子障壁層を設けること無く、エレクトロンオーバーフロー抑制を実現し得る構成、構造を有する半導体光デバイスを提供する。
【解決手段】半導体光デバイスは、ｎ型を有する第１化合物半導体層、活性層、及び、ｐ型を有する第２化合物半導体層から成る積層構造体を有しており；活性層は、少なくとも３層の障壁層、及び、障壁層によって挟まれた井戸層を有しており；第２化合物半導体層に隣接した障壁層のバンドギャップエネルギーをＥｇp-BR、井戸層間の障壁層のバンドギャップエネルギーをＥｇWell、第１化合物半導体層に隣接した障壁層のバンドギャップエネルギーをＥｇn-BRとしたとき、Ｅｇp-BR＞Ｅｇn-BR＞ＥｇWellを満足する。
【選択図】 図１

Description

本開示は、半導体光デバイスに関する。
緑色半導体レーザ素子の実用化に向けた開発が盛んに行われている。緑色半導体レーザ素子の用途として、レーザディスプレイやレーザポインタ等を挙げることができる。ＡｌＩｎＧａＮ系化合物半導体から成り、ｎ型を有する第１化合物半導体層、活性層、及び、ｐ型を有する第２化合物半導体層が積層されて成る積層構造体を有する従来の半導体レーザ素子においては、エレクトロンオーバーフローを抑制するために、通常、第２化合物半導体層に電子障壁層が形成されている（例えば、特開２００６−１６５５１９参照）。ここで、エレクトロンオーバーフローとは、第１化合物半導体層から供給された電子が活性層で発光に供されず、第２化合物半導体層へ伝導してしまう現象であり、発光効率の低下や温度特性の劣化を生じさせる。エレクトロンオーバーフローを抑制させるために、活性層に隣接した第２化合物半導体層の部分に、活性層に対して十分バンドギャップエネルギーの大きなＡｌＧａＮから成る電子障壁層が具備されている。電子障壁層のバンドギャップエネルギーの値は、第２化合物半導体層を構成する電子障壁層以外の層の内、最もバンドギャップエネルギーの値が高い層のバンドギャップエネルギーの値よりも高く、Ｍｇドーピングされている。
特開２００６−１６５５１９
ところで、電圧特性を劣化させないためには、電子障壁層への高濃度のｐ型ドーピングが必要とされる。然るに、このような高濃度のドーパントに起因した光学ロスによって、閾値電流が増加する。特に、緑色半導体レーザ素子では光学ロスに対する閾値電流の増加が顕著であり、大きな問題となる。また、光学ロスを減じようとしてドーピング濃度を低減させると、電圧特性の劣化が生じると共に、十分な障壁効果が得られない。電子障壁層を単に排除したのでは、エレクトロンオーバーフローが発生し、発光効率の低下や温度特性が劣化する。
従って、本開示の目的は、従来の電子障壁層を設けること無く、エレクトロンオーバーフロー抑制を実現し得る構成、構造を有する半導体光デバイスを提供する。
上記の目的を達成するための本開示の半導体光デバイスは、
ｎ型を有する第１化合物半導体層、活性層、及び、ｐ型を有する第２化合物半導体層から成る積層構造体を有しており、
活性層は、少なくとも３層の障壁層、及び、障壁層によって挟まれた井戸層を有しており、
第２化合物半導体層に隣接した障壁層のバンドギャップエネルギーをＥｇp-BR、井戸層間の障壁層のバンドギャップエネルギーをＥｇWell、第１化合物半導体層に隣接した障壁層のバンドギャップエネルギーをＥｇn-BRとしたとき、以下の式（１）を満足する。
Ｅｇp-BR＞Ｅｇn-BR＞ＥｇWell （１）
本開示の半導体光デバイスにあっては、式（１）を満足しているが故に、ＥｇWellの値が小さく、エレクトロンは、第２化合物半導体層側の井戸層へは伝導し易く、その一方で、Ｅｇp-BRの値が大きいので、井戸層から第２化合物半導体層への伝導は抑制されるといった理由に基づき、エレクトロンオーバーフローを抑制することができ、発光効率や温度特性の向上を図ることができる。しかも、ｐ型ドーパントが高濃度にドーピングされた電子障壁層の形成が不要であるが故に、閾値電流の低下を図ることができ、より高い光電変換効率を得ることができる。尚、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものでは無く、また、付加的な効果があってもよい。
図１Ａ、図１Ｂ及び図１Ｃは、実施例１の半導体光デバイスを構成する化合物半導体層及びその変形例のコンダクションバンドミニマム（ＣＢＭ）を模式的に示す図である。 図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃは、実施例１の半導体光デバイスを構成する化合物半導体層の変形例のコンダクションバンドミニマム（ＣＢＭ）を模式的に示す図である。 図３Ａ及び図３Ｂは、実施例１の半導体光デバイスを構成する化合物半導体層の変形例のコンダクションバンドミニマム（ＣＢＭ）を模式的に示す図である。 図４Ａ及び図４Ｂは、実施例１の半導体光デバイスの模式的な断面図及び一部断面図である。 図５は、実施例１、比較例１Ａ及び比較例１Ｂの半導体光デバイスにおける閾値電流測定結果を示すグラフである。 図６は、実施例１、比較例１Ａ及び比較例１Ｂの半導体光デバイスにおける温度特性測定結果を示すグラフである。 図７Ａ及び図７Ｂは、それぞれ、比較例１Ａ及び比較例１Ｂの半導体光デバイスを構成する化合物半導体層のコンダクションバンドミニマム（ＣＢＭ）を模式的に示す図である。 図８は、窒化物半導体結晶における極性面、非極性面及び半極性面を説明するための六方晶系窒化物半導体の結晶構造を示す模式図である。
以下、図面を参照して、実施例に基づき本開示を説明するが、本開示は実施例に限定されるものではなく、実施例における種々の数値や材料は例示である。尚、説明は、以下の順序で行う。
１．本開示の半導体光デバイス、全般に関する説明
２．実施例１（本開示の半導体光デバイス：本開示の第１の態様に係る半導体光デバイス）
３．実施例２（実施例１の変形：本開示の第２の態様に係る半導体光デバイス）
４．その他
〈本開示の半導体光デバイス、全般に関する説明〉
本開示の半導体光デバイス（以下、便宜上、『本開示の第１の態様に係る半導体光デバイス』と呼ぶ）において、
第２化合物半導体層は、活性層側から、第２光ガイド層及び第２クラッド層から構成されており、
第２光ガイド層のバンドギャップエネルギーをＥｇp-LG、第２クラッド層のバンドギャップエネルギーをＥｇp-CLとしたとき、以下の式（２）を満足する形態とすることができる。
Ｅｇp-LG＜Ｅｇp-BR＜Ｅｇp-CL （２）
尚、第２光ガイド層や第２クラッド層が超格子構造を有する場合、第２光ガイド層や第２クラッド層のバンドギャップエネルギーとは、超格子構造におけるサブバンド間のバンドギャップエネルギーを指す。また、第２光ガイド層のバンドギャップエネルギーが変化している場合、第２光ガイド層の最も高いバンドギャップエネルギーの値をＥｇp-LGとし、第２クラッド層のバンドギャップエネルギーが変化している場合、第２クラッド層の最も低いバンドギャップエネルギーの値をＥｇp-CLとすればよい。
上記の好ましい形態を含む本開示の第１の態様に係る半導体光デバイスにおいて、
第１化合物半導体層は、活性層側から、第１光ガイド層及び第１クラッド層から構成されており、
第１光ガイド層のバンドギャップエネルギーをＥｇn-LG、第１クラッド層のバンドギャップエネルギーをＥｇn-CLとしたとき、以下の式（３）を満足する形態とすることができる。
Ｅｇn-BR＜Ｅｇn-LG＜Ｅｇn-CL （３）
以上に説明した各種の好ましい形態を含む本開示の第１の態様に係る半導体光デバイスにおいて、第２化合物半導体層に隣接した障壁層の厚さは２５ｎｍ以下である形態とすることができ、この場合、更には、第２化合物半導体層に隣接した障壁層の厚さは、１ｎｍ以上、５ｎｍ以下であることが好ましい。第２化合物半導体層に隣接した障壁層の厚さが厚すぎると、光閉じ込め係数が減じられ、閾値電流を増大させてしまう虞がある。一方、薄すぎる場合、エレクトロンブロッキングの効果が小さくなる虞がある。
更には、以上に説明した各種の好ましい形態を含む本開示の第１の態様に係る半導体光デバイスにおいて、
第２化合物半導体層は、複数の化合物半導体層が積層されて成り、
第２化合物半導体層を構成する複数の化合物半導体層の内、バンドギャップエネルギーが最も高い化合物半導体層の厚さは３×１０-8ｍ以上である形態とすることができる。
更には、以上に説明した各種の好ましい形態を含む本開示の第１の態様に係る半導体光デバイスにおいて、第２化合物半導体層に隣接した障壁層は組成変調されており、バンドギャップエネルギーの最高値は式（１）を満足する構成とすることができる。あるいは又、第２化合物半導体層に隣接した障壁層は、組成が段階的に変化する多段組成構造を有しており、バンドギャップエネルギーの最高値は式（１）を満足する構成とすることができる。
更には、以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本開示の第１の態様に係る半導体光デバイスにあっては、
Ｅｇp−Ｅｇn≧２０ｍｅＶ
Ｅｇn−Ｅｇwell≧２０ｍｅＶ
を満足することが好ましい。
更には、以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本開示の第１の態様に係る半導体光デバイスにおいて、積層構造体はＡｌＩｎＧａＮ系化合物半導体から成り、発光素子を構成する形態とすることができ、この場合、各障壁層はＡｌXＩｎYＧａ(1-X-Y)Ｎ（但し、Ｘ≧０，Ｙ≧０）から成り、第２化合物半導体層に隣接した障壁層におけるＹの値をＹp-BR、井戸層間の障壁層におけるＹの値をＹWell、第１化合物半導体層に隣接した障壁層におけるＹの値をＹn-BRとしたとき、以下の式（４）を満足する形態とすることができる。
Ｙp-BR＜Ｙn-BR＜ＹWell （４）
更には、以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本開示の第１の態様に係る半導体光デバイスにおいて、第２化合物半導体層には電子障壁層が設けられていない形態とすることができる。
半導体光デバイスにおける井戸層や障壁層の組成は、例えば、３次元アトムプローブ（３ＤＡＰ）に基づき測定することができる。３次元アトムプローブに関しては、例えば、http://www.nanoanalysis.co.jp/business/case_example_49.html を参照のこと。
以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本開示の第１の態様に係る半導体光デバイスにおいて、半導体光デバイスは、波長４４０ｎｍ以上、６００ｎｍ以下の光を出射する形態、好ましくは、４９５ｎｍ以上、５７０ｎｍ以下の光（緑色の光）を出射する形態とすることができる。
従来、複数の井戸層を形成するとき、エピタキシャル成長条件を同一にして成長させている。しかしながら、ＡｌＩｎＧａＮ系化合物半導体から成る複数の井戸層を形成する場合、たとえ、エピタキシャル成長条件を、設計上、同一にして成長させても、即ち、活性層を成膜するための成膜装置における成膜条件（例えば、温度や使用ガス量）を同じにしても、詳細は後述するが、得られた井戸層における組成（例えば、Ｉｎ組成）に大きな変動が生じる結果、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の半値幅を狭くすることができないことが判明した。
このような場合、以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本開示の第１の態様に係る半導体光デバイスにおいて、井戸層はＡｌＩｎＧａＮ系化合物半導体から成り、各井戸層におけるＡｌＩｎＧａＮ系化合物半導体のインジウム原子百分率をＺInとしたとき、活性層の井戸層におけるＺInの最大値ＺIn-maxからＺInの最小値ＺIn-minを減じた値（ΔＺ＝ＺIn-max−ＺIn-min）は０．０１以下である形態を採用すればよい。尚、このような形態の半導体光デバイスを、以下、便宜上、『本開示の第２の態様に係る半導体光デバイス』と呼ぶ。
本開示の第２の態様に係る半導体光デバイスを製造する方法は、
有機金属化学的気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）に基づく井戸層の形成時、下地温度及び／又は原料ガス混合比を制御することで、各井戸層におけるＡｌＩｎＧａＮ系化合物半導体のインジウム原子百分率をＺInとしたとき、活性層の井戸層におけるＺInの最大値ＺIn-maxからＺInの最小値ＺIn-minを減じた値（ΔＺ＝ＺIn-max−ＺIn-min）を０．０１以下とする。
本開示の第２の態様に係る半導体光デバイスあるいはその製造方法において、各井戸層におけるＡｌＩｎＧａＮ系化合物半導体のインジウム原子百分率をＺInとしたとき、活性層の井戸層におけるＺInの最大値ＺIn-maxからＺInの最小値ＺIn-minを減じた値（ΔＺ＝ＺIn-max−ＺIn-min）は０．０１以下である。それ故、活性層にて生成する光の波長バラツキを抑制することができ、例えば、半導体光デバイスから出射される光の半値幅を狭くすることができ、優れた発光特性を有する半導体光デバイスを提供することができる。
本開示の第２の態様に係る半導体光デバイスにあっては、第１化合物半導体層に隣接する井戸層内には、エピタキシャル成長方向に歪み量分布が存在し、第１化合物半導体層に隣接する第１原子層の歪み量が最も大きい形態とすることができる。そして、この場合、各井戸層において、第１化合物半導体層側に位置する第１原子層には、エピタキシャル成長方向に引張り歪みが導入されている形態とすることができる。
ＧＰＡ（Geometric Phase Analysis）による歪み解析に基づき歪みが導入されているか否かを調べることができる。ＧＰＡでは、格子像をフーリエ変換し、特定のスポットに対してマスクを作用させ、そのスポットを原点として、逆フーリエ変換する。格子の変化が全く無い場合には、逆フーリエ変換された像の振幅は一定で、位相も一定となる。格子の変化がある場合には、逆フーリエ変換された像の位相Ｐg（ｒ）は基本周期に対する格子縞のずれｕ（ｒ）に比例する。
Ｐg（ｒ）＝−２πｇ・ｕ（ｒ）
ここで、「ｇ」は選択した基本周期に対応する逆格子ベクトルである。位相Ｐg（ｒ）は逆格子ベクトルｇと格子縞のずれのベクトルｕ（ｒ）の内積であるので、選択したスポットの方向（基本周期の縞に垂直方向）の格子縞のずれが計算される。そして、実際の格子のずれｕ（ｒ）は、平行ではない２つのスポットから計算される格子のずれに基づき求めることができる。格子変化が基本周期に対して小さい場合にも格子のずれは累積されるので、位相は積算される。そのため、ＧＰＡではサブ％程度の格子歪みを計算することが可能である。ある領域で格子間隔が一定であれば、位相勾配が一定となる。逆に、位相勾配が変化しているところは、格子間隔が変化していることを表している。そのため、位相図の変化より格子歪みが求まる。ここで、ＧＰＡ独自の技術として、基本周期に対応する回折点をより正確に原点とする手法が提案されている。格子の歪みがあれば各スポットは基本周期に対応する回折点の周りに拡がる。また、基本周期に対応する回折点とフーリエ変換の計算点とを正確に一致させることは困難である。そこで、ＧＰＡではこの問題を以下のようにして解決している。即ち、先ず、元の格子像をフーリエ変換し並行でない２つの逆格子ベクトルｇを選択する。各スポットの最大強度の位置を原点に移動させて逆フーリエ変換を行い、最大強度の位置を基準とした位相を求める。このとき、最大強度の位置が基本周期に対応する回折点と異なっていると、基本周期に対応する領域では位相勾配がゼロにはならない。このことを逆に利用して、基本周期に対応する領域での位相勾配がゼロになるように位相そのものを調整する。このようにして２つのスポットに対する位相が求まれば、格子歪みが求まる。
以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本開示の第１の態様に係る半導体光デバイスにあっては、また、本開示の第２の態様に係る半導体光デバイスにあっては、積層構造体は、ＧａＮ基板の半極性面又は無極性面から成る主面上に形成されている構成とすることができ、この場合、主面の面方位とｃ軸との成す角度は、４５度以上、８０度以下である構成とすることができ、更には、ＧａＮ基板の主面は｛２０−２１｝面から成る構成とすることができる。尚、六方晶系における例えば以下に例示する結晶面の表記、
を、便宜上、本明細書においては、｛ｈｋ−ｉｌ｝面、｛ｈ−ｋｉｌ｝面と表記する。
窒化物半導体結晶における極性面、非極性面及び半極性面について、以下、図８の（ａ）〜（ｅ）を参照して説明する。図８の（ａ）は、六方晶系窒化物半導体の結晶構造を示す模式図である。図８の（ｂ）は、非極性面であるｍ面、｛１−１００｝面を示す模式図であり、灰色の平面で示すｍ面は、ｍ軸方向に垂直な面である。図８の（ｃ）は、非極性面であるａ面、｛１１−２０｝面を示す模式図であり、灰色の平面で示すａ面は、ａ軸方向に垂直な面である。図８の（ｄ）は、半極性面である｛２０−２１｝面を示す模式図である。灰色の平面で示す｛２０−２１｝面に垂直な［２０−２１］方向は、ｃ軸からｍ軸方向に７５度、傾斜している。図８の（ｅ）は、半極性面である｛１１−２２｝面を示す模式図である。灰色の平面で示す｛１１−２２｝面に垂直な［１１−２２］方向は、ｃ軸からａ軸方向に５９度、傾斜している。尚、各種結晶面の面方位とｃ軸との成す角度を、以下の表１に示す。尚、｛１１−２１｝面や｛１１−２２｝面、｛１１−２４｝面といった｛１１−２ｎ｝面で表される面、｛１−１０１｝面、｛１−１０２｝面、｛１−１０３｝面は半極性面である。
〈表１〉
以上に説明した好ましい形態、構成を含む本開示の第２の態様に係る半導体光デバイスにおいて、各井戸層におけるＺInの値は、０．１５以上、０．５０以下、好ましくは、０．２０以上、０．４５以下である形態とすることができ、この場合、半導体光デバイスは、波長４４０ｎｍ以上、６００ｎｍ以下、好ましくは、４９５ｎｍ以上、５７０ｎｍ以下の光を出射する形態とすることができる。更には、これらの形態にあっては、
障壁層はＡｌＩｎＧａＮ系化合物半導体から成り、
障壁層におけるＡｌＩｎＧａＮ系化合物半導体のインジウム原子百分率をＹInとしたとき、障壁層におけるＹInの値は０．０８以下（０を含む）である構成とすることができる。
以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本開示の第１の態様に係る半導体光デバイス、以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本開示の第２の態様に係る半導体光デバイス（以下、これらを総称して『本開示の半導体光デバイス等』と呼ぶ）として、端面発光型の半導体レーザ素子、端面発光型のスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）あるいは半導体光増幅器を挙げることができる。半導体光増幅器は、光信号を電気信号に変換せず、直接光の状態で増幅するものであり、共振器効果を極力排除したレーザ構造を有し、半導体光増幅器の光利得に基づき入射光を増幅する。半導体レーザ素子にあっては、第１端面（光出射端面）における光反射率と第２端面（光反射端面）における光反射率との最適化を図ることで、共振器が構成され、光は第１端面から出射される。あるいは、外部共振器を配置してもよい。一方、スーパールミネッセントダイオードにあっては、第１端面における光反射率を非常に低い値とし、第２端面における光反射率を非常に高い値とし、共振器を構成することなく、活性層で生成した光が第２端面において反射され、第１端面から出射される。半導体レーザ素子及びスーパールミネッセントダイオードにおいて、第１端面には、無反射コート層（ＡＲ）あるいは低反射コート層が形成されているし、第２端面には、高反射コート層（ＨＲ）が形成されている。また、半導体光増幅器にあっては、第１端面及び第２端面における光反射率を非常に低い値とし、共振器を構成することなく、第２端面から入射した光を増幅して第１端面から出射する。尚、本開示の半導体光デバイス等の構造を面発光レーザ素子（垂直共振器レーザ、ＶＣＳＥＬとも呼ばれる）に適用することもできる。
光反射端面には、高反射コート層（ＨＲ）が形成されている。無反射コート層（低反射コート層）として、酸化チタン層、酸化タンタル層、酸化ジルコニウム層、酸化シリコン層、酸化アルミニウム層、窒化アルミニウム層、及び、窒化ケイ素層から成る群から選択された少なくとも２種類の層の積層構造を挙げることができ、スパッタリング法や真空蒸着法等のＰＶＤ法に基づき形成することができる。
半導体レーザ素子として、リッジストライプ型の分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ構造、Separate Confinement Heterostructure）を有する半導体レーザ素子を挙げることができる。あるいは又、斜めリッジストライプ型の分離閉じ込めヘテロ構造を有する半導体レーザ素子を挙げることができる。即ち、半導体レーザ素子の軸線とリッジストライプ構造の軸線とは、所定の角度で交わっている構成とすることができる。ここで、所定の角度φとして、０．１度≦φ≦１０度を例示することができる。リッジストライプ構造の軸線とは、光出射端面におけるリッジストライプ構造の両端の二等分点と、光反射端面におけるリッジストライプ構造の両端の二等分点とを結ぶ直線である。また、半導体レーザ素子の軸線とは、光出射端面における仮想垂直面及び光反射端面における仮想垂直面と直交する軸線を指す。リッジストライプ構造の平面形状は、直線状であってもよいし、湾曲していてもよい。あるいは又、テーパー状（フレア状）のリッジストライプ型（例えば、光出射端面から光反射端面に向かって、単調に、テーパー状に緩やかに広げられる構成、光出射端面から光反射端面に向かって、先ず広げられ、最大幅を超えた後、狭められる構成を含む）の分離閉じ込めヘテロ構造を有する半導体レーザ素子を挙げることができる。リッジストライプ構造は、第２化合物半導体層の厚さ方向の一部から構成されていてもよいし、第２化合物半導体層及び活性層から構成されていてもよいし、第２化合物半導体層、活性層、及び、第１化合物半導体層の厚さ方向の一部分から構成されていてもよい。但し、半導体レーザ素子は、これらの構造に限定するものではない。半導体レーザ素子として、その他、インデックス・ガイド構造の半導体レーザ素子や、共振器方向に発光領域と可飽和吸収領域とを並置したバイ・セクション（Bi Section）型、マルチセクション型（多電極型）の半導体レーザ素子、発光領域と可飽和吸収領域とを垂直方向に配置したＳＡＬ（Saturable Absorber Layer）型や、リッジストライプ構造に沿って可飽和吸収領域を設けたＷＩ（Weakly Index guide）型の半導体レーザ素子を挙げることもできる。
前述したとおり、第１化合物半導体層、活性層、第２化合物半導体層を構成する化合物半導体として、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮといったＡｌＩｎＧａＮ系化合物半導体を挙げることができる。更には、これらの化合物半導体に、所望に応じて、ホウ素（Ｂ）原子やタリウム（Ｔｌ）原子、ヒ素（Ａｓ）原子、リン（Ｐ）原子、アンチモン（Ｓｂ）原子が含まれていてもよい。これらの層の形成方法（成膜方法）として、有機金属化学的気相成長法（ＭＯＣＶＤ法、ＭＯＶＰＥ法）や有機金属分子線エピタキシー法（ＭＯＭＢＥ法）、ハロゲンが輸送あるいは反応に寄与するハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）、プラズマアシステッド物理的気相成長法（ＰＰＤ法）、アトミック・レイヤー・デポジション法（ＡＬＤ法、原子層堆積法）、マイグレーション・エンハンスト・エピタキシー（Migration-Enhanced. Epitaxy、ＭＥＥ）法を挙げることができる。ここで、ＭＯＣＶＤ法における有機ガリウム源ガスとして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスやトリエチルガリウム（ＴＥＧ）ガスを挙げることができるし、窒素源ガスとして、アンモニアガスやヒドラジンガスを挙げることができる。また、ＡｌＩｎＧａＮ系化合物半導体層の構成原子としてアルミニウム（Ａｌ）あるいはインジウム（Ｉｎ）が含まれる場合、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスを用いればよいし、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）ガスを用いればよい。更には、Ｓｉ源としてモノシランガス（ＳｉＨ4ガス）を用いればよいし、Ｍｇ源としてシクロペンタジエニルマグネシウムガスやメチルシクロペンタジエニルマグネシウム、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を用いればよい。第１化合物半導体層、活性層及び第２化合物半導体層から成る積層構造体からリッジストライプ構造を形成する場合、リッジストライプ構造を形成するために積層構造体をエッチングする方法として、リソグラフィ技術とウェットエッチング技術の組合せ、リソグラフィ技術とドライエッチング技術の組合せを挙げることができる。積層構造体はＧａＮ基板上に形成されており、ＧａＮ基板側から、前述したとおり、第１化合物半導体層、活性層及び第２化合物半導体層が積層された構造を有する。
多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有する活性層における（井戸層を構成する化合物半導体，障壁層を構成する化合物半導体）の具体的な組合せとして、（ＩｎＧａＮ，ＧａＮ）や（ＩｎＧａＮ，ＡｌＩｎＧａＮ）、（ＩｎＧａＮ，ＩｎＧａＮ）［但し、井戸層を構成するＩｎＧａＮのＩｎ組成と障壁層を構成するＩｎＧａＮのＩｎ組成とは異なる］を例示することができる。井戸層の層数は２以上であり、障壁層の層数は、井戸層の層数に「１」を加えた値である。
第１化合物半導体層にｎ型の導電型を付与し、第２化合物半導体層にｐ型の導電型を付与するためには、第１化合物半導体層、第２化合物半導体層のそれぞれに、不純物を導入すればよい。化合物半導体層に添加されるｎ型不純物として、例えば、ケイ素（Ｓｉ）、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、テルル（Ｔｅ）、錫（Ｓｎ）、炭素（Ｃ）、チタン（Ｔｉ）、酸素（Ｏ）、パラジウム（Ｐｄ）を挙げることができるし、ｐ型不純物として、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、炭素（Ｃ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カドミウム（Ｃｄ）、カルシウム（Ｃａ）、バリウム（Ｂａ）を挙げることができる。
第１化合物半導体層は電気的に第１電極に接続されており、第２化合物半導体層は電気的に第２電極に接続されている。第２電極は、例えば、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、コバルト（Ｃｏ）、ロジウム（Ｒｈ）から成る群から選択された少なくとも１種類の金属（合金を含む）を含む、単層構成又は多層構成（例えば、パラジウム層が第２化合物半導体層に接するパラジウム層／白金層の積層構造、又は、パラジウム層が第２化合物半導体層に接するパラジウム層／ニッケル層の積層構造）から成る形態とすることができる。第１電極は、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、タングステン（Ｗ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、Ｃｕ（銅）、Ｚｎ（亜鉛）、錫（Ｓｎ）及びインジウム（Ｉｎ）から成る群から選択された少なくとも１種類の金属（合金を含む）を含む、単層構成又は多層構成を有することが望ましく、例えば、Ｔｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ／Ｐｔ、Ｎｉ／Ｐｔ、Ｐｄ／Ｐｔ、Ａｇ／Ｐｄを例示することができる。尚、多層構成における「／」の前の層ほど、より活性層側に位置する。以下の説明においても同様である。第１電極は第１化合物半導体層に電気的に接続されているが、第１電極が第１化合物半導体層上に形成された形態、第１電極が導電材料層やＧａＮ基板を介して第１化合物半導体層に接続された形態が包含される。第１電極や第２電極は、例えば、真空蒸着法やスパッタリング法等のＰＶＤ法にて成膜することができる。
第１電極や第２電極上に、外部の電極あるいは回路と電気的に接続するために、パッド電極を設けてもよい。パッド電極は、Ｔｉ（チタン）、アルミニウム（Ａｌ）、Ｐｔ（白金）、Ａｕ（金）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｐｄ（パラジウム）から成る群から選択された少なくとも１種類の金属（合金を含む）を含む、単層構成又は多層構成を有することが望ましい。あるいは又、パッド電極を、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの多層構成、Ｔｉ／Ａｕの多層構成、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕの多層構成、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕの多層構成、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕの多層構成、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ／Ｃｒ／Ａｕの多層構成に例示される多層構成とすることもできる。
また、第２電極をｐ型の導電型を有する第２化合物半導体層上にあるいは上方に形成する場合、第２電極と第２化合物半導体層との間に透明導電性材料層を形成してもよい。透明導電性材料層を構成する透明導電性材料として、インジウム−錫酸化物（ＩＴＯ，Indium Tin Oxide，ＳｎドープのＩｎ2Ｏ3、結晶性ＩＴＯ及びアモルファスＩＴＯを含む）、インジウム−亜鉛酸化物（ＩＺＯ，Indium Zinc Oxide）、ＩＦＯ（ＦドープのＩｎ2Ｏ3）、酸化錫（ＳｎＯ2）、ＡＴＯ（ＳｂドープのＳｎＯ2）、ＦＴＯ（ＦドープのＳｎＯ2）、酸化亜鉛（ＺｎＯ、ＡｌドープのＺｎＯやＢドープのＺｎＯを含む）を例示することができる。
本開示の半導体光デバイス等は、例えば、表示装置に適用することができる。即ち、このような表示装置として、本開示の半導体光デバイス等を光源として備えたプロジェクター装置や画像表示装置、モニター装置、本開示の半導体光デバイス等を光源として備えた反射型液晶表示装置、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）、各種照明を挙げることができる。また、本開示の半導体光デバイス等を顕微鏡の光源として用いることができる。但し、これらの分野に限定するものではない。
実施例１は、本開示の第１の態様に係る半導体光デバイスに関する。具体的には、実施例１の半導体光デバイスは、端面発光型の半導体レーザ素子、より具体的には、リッジストライプ型の分離閉じ込めヘテロ構造を有する半導体レーザ素子から成る。実施例１の半導体光デバイスの模式的な一部断面図を図４Ａ及び図４Ｂに示す。尚、図４Ａは、図４Ｂの矢印Ａ−Ａに沿った模式的な一部断面図であり、導波路構造（共振器構造）の延びる方向に対して平行な仮想平面で半導体光デバイスを切断したときの模式的な一部断面図である。また、図４Ｂは、図４Ａの矢印Ｂ−Ｂに沿った模式的な一部断面図であり、導波路構造（共振器構造）の延びる方向に対して垂直な仮想平面で半導体光デバイスを切断したときの模式的な一部断面図である。更には、実施例１の半導体光デバイスを構成する化合物半導体層のコンダクションバンドミニマム（ＣＢＭ）を模式的に図１Ａに示す。
実施例１あるいは後述する実施例２の半導体光デバイスは、ｎ型を有する第１化合物半導体層３１、活性層（発光層）３３、及び、ｐ型を有する第２化合物半導体層３２から成る積層構造体３０を有しており、活性層３３は、少なくとも３層の障壁層３３Ａ1，３３Ａ2，３３Ａ3、及び、障壁層３３Ａ1，３３Ａ2，３３Ａ3によって挟まれた井戸層３３Ｂ1，３３Ｂ2を有している。具体的には、第１層目の井戸層（第１井戸層）３３Ｂ1は、第１層目の障壁層（第１障壁層）３３Ａ1及び第２層目の障壁層（第２障壁層）３３Ａ2によって挟まれており、第２層目の井戸層（第２井戸層）３３Ｂ2は、第２層目の障壁層（第２障壁層）３３Ａ2及び第３層目の障壁層（第３障壁層）３３Ａ3によって挟まれている。そして、第２化合物半導体層に隣接した障壁層（第３障壁層）３３Ａ3のバンドギャップエネルギーをＥｇp-BR、井戸層３３Ｂ1，３３Ｂ2間の障壁層（第２障壁層）３３Ａ2のバンドギャップエネルギーをＥｇWell、第１化合物半導体層に隣接した障壁層（第１障壁層）３３Ａ1のバンドギャップエネルギーをＥｇn-BRとしたとき、以下の式（１）を満足する。尚、図４Ａ、図４Ｂにおいて、活性層を１層で表している。
Ｅｇp-BR＞Ｅｇn-BR＞ＥｇWell （１）
ここで、具体的には、
Ｅｇp−Ｅｇn≧２０ｍｅＶ
Ｅｇn−Ｅｇwell≧２０ｍｅＶ
を満足する。
実施例１あるいは後述する実施例２の半導体光デバイスにおいて、第２化合物半導体層３２は、活性層側から、第２光ガイド層３２Ａ及び第２クラッド層３２Ｂから構成されており、第２光ガイド層３２ＡのバンドギャップエネルギーをＥｇp-LG、第２クラッド層３２ＢのバンドギャップエネルギーをＥｇp-CLとしたとき、以下の式（２）を満足する。第２化合物半導体層３２の上には、コンタクト層３４が形成されている。第１化合物半導体層３１は、活性層側から、第１光ガイド層３１Ａ及び第１クラッド層３２Ｂから構成されており、第１光ガイド層３１ＡのバンドギャップエネルギーをＥｇn-LG、第１クラッド層３１ＢのバンドギャップエネルギーをＥｇn-CLとしたとき、以下の式（３）を満足する。
Ｅｇp-LG＜Ｅｇp-BR＜Ｅｇp-CL （２）
Ｅｇn-BR＜Ｅｇn-LG＜Ｅｇn-CL （３）
更には、実施例１あるいは後述する実施例２の半導体光デバイスにおいて、第２化合物半導体層に隣接した障壁層３３Ａ3の厚さは２５ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上、５ｎｍ以下、具体的には、２．５ｎｍである。また、第２化合物半導体層３２は、複数の化合物半導体層が積層されて成り（具体的には、第２光ガイド層３２Ａ及び第２クラッド層３２Ｂから構成されており）、第２化合物半導体層３２を構成する複数の化合物半導体層の内、バンドギャップエネルギーが最も高い化合物半導体層（具体的には、第２クラッド層３２Ｂ）の厚さは３×１０-8ｍ以上、より具体的には、４００ｎｍである。第２化合物半導体層３２には電子障壁層は設けられていない。
更には、実施例１あるいは後述する実施例２の半導体光デバイスにおいて、積層構造体３０はＡｌＩｎＧａＮ系化合物半導体から成り、発光素子を構成する。そして、この場合、各障壁層３３Ａ1，３３Ａ2，３３Ａ3はＡｌXＩｎYＧａ(1-X-Y)Ｎ（但し、Ｘ≧０，Ｙ≧０）から成り、第２化合物半導体層に隣接した障壁層（第３障壁層３３Ａ3）におけるＹの値をＹp-BR、井戸層間の障壁層（第２障壁層３３Ａ2）におけるＹの値をＹWell、第１化合物半導体層に隣接した障壁層（第１障壁層３３Ａ1）におけるＹの値をＹn-BRとしたとき、以下の式（４）を満足する。
Ｙp-BR＜Ｙn-BR＜ＹWell （４）
そして、実施例１あるいは後述する実施例２の半導体光デバイスは、波長４４０ｎｍ以上、６００ｎｍ以下、好ましくは、４９５ｎｍ以上、５７０ｎｍ以下の光（緑色の光）、より、具体的には、ピーク波長５３０ｎｍの光を出射する。
実施例１あるいは後述する実施例２の半導体光デバイスにおいて、積層構造体３０は、ＧａＮ基板１１の半極性面又は無極性面から成る主面１２上に形成されており、この場合、主面の面方位とｃ軸との成す角度は、４５度以上、８０度以下である。より具体的には、実施例１にあっては、ＧａＮ基板１１の主面は、半極性面である｛２０−２１｝面から成る。ＧａＮ基板１１には、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）又はゲルマニウム（Ｇｅ）が添加されている。また、積層構造体３０は、光を出射する第１端面２１、及び、第１端面２１と対向する第２端面２２を有する。光出射端面（第１端面）２１及び光反射端面（第２端面）には高反射コート層（ＨＲ）が形成されているが、これらのコート層の図示は省略している。尚、光出射端面（第１端面）２１の光反射率は、光反射端面（第２端面）２２の光反射率よりも低い。図示した例では、リッジストライプ構造２０の平面形状は、直線状である。また、リッジストライプ構造２０は、第２化合物半導体層３２を厚さ方向に一部エッチングすることで形成されている。リッジストライプ構造２０の下方の活性層３３の領域が、発光領域（電流注入領域）に相当する。リッジストライプ構造２０及びその両側は、ＳｉＯ2やＳｉＮ、Ａｌ2Ｏ3から成る絶縁層３５で被覆されている。第２化合物半導体層３２の頂面上の絶縁層３５の部分は除去されており、第２化合物半導体層３２の上に形成されたコンタクト層３４の頂面には、Ｐｄ層／Ｐｔ層／Ａｕ層が積層されて成る第２電極４２が形成されている。また、ＧａＮ基板１１の裏面（主面１２と対向する面）には、Ｔｉ層／Ｐｔ層／Ａｕ層が積層されて成る第１電極４１が形成されている。
実施例１の半導体光デバイス（半導体レーザ素子）における積層構造体３０を構成する各層の組成、比較例１Ａ（電子障壁層を有する従来の半導体レーザ素子）及び比較例１Ｂ（電子障壁層を有していない従来の半導体レーザ素子）の半導体光デバイスにおける積層構造体３０を構成する各層の組成を、以下の表２に示すが、最下段に記載された化合物半導体層がｎ型ＧａＮ基板１１上に形成されている。また、比較例１Ａ及び比較例１Ｂの半導体光デバイスを構成する化合物半導体層のコンダクションバンドミニマム（ＣＢＭ）のそれぞれを、模式的に、図７Ａ及び図７Ｂに示す。多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有する活性層３３における（井戸層を構成する化合物半導体，障壁層を構成する化合物半導体）の具体的な組合せを、実施例１においては、（ＩｎＧａＮ，ＩｎＧａＮ）［但し、井戸層を構成するＩｎＧａＮの組成と障壁層を構成するＩｎＧａＮの組成とは異なる］としたが、このような組合せに限定するものではない。実施例２においても同様である。第２クラッド層３２Ｂ、比較例１Ａにおける電子障壁層にはＭｇがドーピングされており、第１光ガイド層３１Ａ、第１クラッド層３１ＢにはＳｉがドーピングされている。また、井戸層、障壁層、第２光ガイド層３２Ａはアンドープ層である。
〈表２〉
実施例１、比較例１Ａ及び比較例１Ｂの半導体光デバイスにおける閾値電流測定結果を図５に示す。図５の横軸は閾値電流Ｉth（単位：ミリアンペア）であり、縦軸は半導体光デバイスの個数（頻度）である。比較例１Ａの半導体光デバイス（電子障壁層を有する従来の半導体レーザ素子）と比較して、実施例１の半導体光デバイス、及び、比較例１Ｂの半導体光デバイス（電子障壁層を有していない従来の半導体レーザ素子）は、低い閾値電流値を示している。実施例１、比較例１Ａ及び比較例１Ｂの半導体光デバイスにおける温度特性測定結果を図６に示す。図６の横軸は温度特性（単位：゜Ｃ）であり、縦軸は半導体光デバイスの個数（頻度）である。比較例１Ｂの半導体光デバイス（電子障壁層を有していない従来の半導体レーザ素子）及び比較例１Ａの半導体光デバイス（電子障壁層を有する従来の半導体レーザ素子）と比較して、実施例１の半導体光デバイスは、優れた温度特性を示している。そして、以上の結果から、実施例１の半導体光デバイスは、低い閾値電流値を示し、エレクトロンオーバーフローが抑制され、優れた温度特性を示すことが判った。尚、図５及び図６において、「Ａ」は実施例１の結果を示し、「Ｂ」は比較例１Ａの結果を示し、「Ｃ」は比較例１Ｂの結果を示す。尚、温度特性は、以下の定義式で表すことができる。ここで、Ｔ1，Ｔ2は、半導体光デバイスのケース温度であり、Ｔ2＞Ｔ1である。また、Ｉ1，Ｉ2は、任意の光出力値を放射する際の駆動電流である。
特性温度＝（Ｔ2−Ｔ1）／ｌｎ（Ｉ2／Ｉ1）
尚、第２化合物半導体層３２に隣接した障壁層（第３障壁層）３３Ａ3のコンダクションバンドミニマム（ＣＢＭ）を図１Ｂに示すように、第３障壁層３３Ａ3は組成変調されており、最も高いバンドギャップエネルギーの値は式（１）を満足する構成とすることもできる。また、コンダクションバンドミニマム（ＣＢＭ）を図１Ｃに示すように、活性層は３つの井戸層３３Ｂ1，３３Ｂ2，３３Ｂ3、４つの障壁層３３Ａ1，３３Ａ2，３３Ａ3，３３Ａ4を有していてもよく、この場合に、井戸層と井戸層の間に位置する障壁層３３Ａ2，３３Ａ3の全てが式（１）を満足すればよい。コンダクションバンドミニマム（ＣＢＭ）を図２Ａに示すように、第２化合物半導体層３２に隣接した障壁層（第３障壁層）３３Ａ3は、組成が段階的に変化する多段組成構造を有しており、最も高いバンドギャップエネルギーの値は式（１）を満足する構成とすることもできる。コンダクションバンドミニマム（ＣＢＭ）を図２Ｂに示すように、第１化合物半導体層３１に隣接した障壁層（第１障壁層）３３Ａ1は、組成が段階的に変化する多段組成構造を有していてもよい。そして、この場合、第１障壁層３３Ａ1のバンドギャップエネルギーの平均値が式（１）を満足すればよい。図２Ｃに示すように、図２Ａに示した第３障壁層３３Ａ3と、図２Ｂに示した第１障壁層３３Ａ1とを組み合わせてもよい。井戸層と井戸層の間に位置する障壁層のバンドギャップエネルギーの値が一定でない場合には、バンドギャップエネルギーの最低値をＥｇWellとすればよい。また、コンダクションバンドミニマム（ＣＢＭ）を図３Ａに示すように、第１井戸層３３Ｂ1と第２井戸層３３Ｂ2との間に位置する第２障壁層３３Ａ2は、その組成が段階的に変化する多段組成構造を有していてもよい。そして、この場合、第２障壁層３３Ａ2のバンドギャップエネルギーの平均値が式（１）を満足すればよい。あるいは又、コンダクションバンドミニマム（ＣＢＭ）を図３Ｂに示すように、グレーデッド層中に第３障壁層３３Ａ3を挿入してもよい。図３Ａ、図３Ｂに示す例を、実施例１における種々の変形例等と組み合わせてもよい。
以下、実施例１の半導体光デバイスの製造方法の概要を説明する。
［工程−１００］
例えば、主面１２として半極性面である｛２０−２１｝面を有するｎ型ＧａＮ基板１１を準備する。そして、先ず、サーマルクリーニング等によって、ＧａＮ基板１１の主面１２を清浄化する。次いで、このＧａＮ基板１１の主面１２の上に、ＭＯＣＶＤ法に基づき、成長温度を例えば１０００゜Ｃとして、バッファ層１３を結晶成長させる。続いて、成長温度を例えば１０００゜Ｃに保持して、第１クラッド層３１Ｂを成長させた後、第１光ガイド層３１Ａ、活性層３３、第２光ガイド層３２Ａ、第２クラッド層３２Ｂ、コンタクト層３４を、順次、形成する。第１光ガイド層３１Ａや活性層３３、第２光ガイド層３２Ａにおいて、インジウム（Ｉｎ）原子の取り込みを向上させるために、成長温度を低下させる。例えば、活性層３３の形成温度を７２０゜Ｃ以上、７８０゜Ｃ以下とする。そして、３層の障壁層３３Ａ1，３３Ａ2，３３Ａ3及び２層の井戸層３３Ｂ1，３３Ｂ2を形成する。
［工程−１１０］
次に、コンタクト層３４の上にエッチング用マスクを形成し、このエッチング用マスクを用いて、例えばＲＩＥ法に基づき、コンタクト層３４をエッチングし、更に、第２化合物半導体層３２を厚さ方向に一部分、エッチングすることで、リッジストライプ構造２０を形成した後、エッチング用マスクを除去する。
［工程−１２０］
その後、全面に絶縁層３５を形成し、コンタクト層３４の頂面上に位置する絶縁層３５の部分を除去する。そして、露出した第２化合物半導体層３２の上に第２電極４２を形成する。また、ＧａＮ基板１１の裏面側を例えばラッピング及びポリッシングすることで、ＧａＮ基板１１の厚さを１００μｍ程度にした後、ＧａＮ基板１１の裏面に第１電極４１を形成する。
［工程−１３０］
次いで、積層構造体３０を劈開することで第１端面２１及び第２端面２２を形成する。そして、第１端面２１及び第２端面２２のコート層を形成する。次いで、電極を外部の回路等に接続するために端子等を周知の方法に基づき形成し、パッケージや封止することで、実施例１の半導体光デバイスを完成させる。
以上のとおり、実施例１の半導体光デバイスにあっては、式（１）を満足しているので、エレクトロンオーバーフローを抑制することができ、発光効率や温度特性の向上を図ることができる。しかも、ｐ型ドーパントが高濃度にドーピングされた電子障壁層の形成が不要であるが故に、閾値電流Ｉthの低下を図ることができ、より高い光電変換効率を得ることができる。
実施例２は、本開示の第２の態様に係る半導体光デバイスに関する。実施例２において、活性層３３は、複数の井戸層を備えた多重量子井戸構造を有しており、井戸層３３Ｂ1，３３Ｂ2はＡｌＩｎＧａＮ系化合物半導体から成る。具体的には、実施例２にあっては、井戸層の層数は２であり、障壁層の層数は３である。そして、各井戸層３３ＢにおけるＡｌＩｎＧａＮ系化合物半導体のインジウム原子百分率をＺInとしたとき、活性層３３の井戸層３３ＢにおけるＺInの最大値ＺIn-maxからＺInの最小値ＺIn-minを減じた値（ΔＺ＝ＺIn-max−ＺIn-min）は０．０１以下である。
実施例２において、各井戸層におけるＺInの値は、０．１５以上、０．５０以下、好ましくは、０．２０以上、０．４５以下である。半導体光デバイスは、前述したとおり、波長４４０ｎｍ以上、６００ｎｍ以下、好ましくは、４９５ｎｍ以上、５７０ｎｍ以下の光を出射する。障壁層はＡｌＩｎＧａＮ系化合物半導体から成り、障壁層におけるＡｌＩｎＧａＮ系化合物半導体のインジウム原子百分率をＹInとしたとき、障壁層におけるＹInの値は０．０８以下である。積層構造体３０は、前述したとおり、ＡｌＩｎＧａＮ系化合物半導体から成り、活性層３３は、前述したとおり、ＩｎＧａＮ層から成る井戸層と、ＩｎＧａＮ層から成る障壁層とが積層された量子井戸構造を有する。
以下、実施例２の半導体光デバイスの製造方法の概要を説明する。
［工程−２００］
例えば、実施例１の［工程−１００］と同様にして、ＭＯＣＶＤ法に基づき、第１光ガイド層３１Ａまでを成膜する。次いで、例えば、活性層３３の形成温度を７２０゜Ｃ以上、７８０゜Ｃ以下とする。そして、ＭＯＣＶＤ法に基づく井戸層の形成時、下地温度及び／又は原料ガス混合比を制御することで、各井戸層におけるＡｌＩｎＧａＮ系化合物半導体のインジウム原子百分率をＺInとしたとき、活性層３３の井戸層におけるＺInの最大値ＺIn-maxからＺInの最小値ＺIn-minを減じた値（＝ＺIn-max−ＺIn-min）を０．０１以下とする。実施例２においては、具体的には、下地温度を制御する。より具体的には、実施例２にあっては、活性層３３における第１化合物半導体層３１の側に位置する第１井戸層３３Ｂ1を７４０゜Ｃで成長させる。また、活性層３３における第２化合物半導体層３２の側に位置する第２井戸層３３Ｂ2を７４３．０゜Ｃで成長させる。３次元アトムプローブに基づき測定した第１井戸層３３Ｂ1及び第２井戸層３３Ｂ2の組成は、以下の表３のとおりであった。尚、第１井戸層３３Ｂ1及び第２井戸層３３Ｂ2の組成を除く積層構造体３０を構成する化合物半導体層の組成は、表２に示したと同様である。
〈表３〉
第１井戸層３３Ｂ1：Ｉｎ0.258Ｇａ0.742Ｎ
第２井戸層３３Ｂ2：Ｉｎ0.263Ｇａ0.737Ｎ
［工程−２１０］
その後、実施例１の［工程−１１０］〜［工程−１３０］と同様の工程を実行することで、実施例２の半導体光デバイスを完成させる。
第１井戸層３３Ｂ1の成膜温度と第２井戸層３３Ｂ2の成膜温度の差ΔＴ（単位：゜Ｃ）と、ΔＺ（＝ＺIn-max−ＺIn-min）の値を以下の表４に示す。更には、半導体レーザ素子の活性層から出射される光のＰＬ発光波長及び半値全幅（ＦＷＨＭ，Full Width Half Maximum）の値（単位：ｎｍ）を表４に示す。尚、比較例２Ａ、比較例２Ｂにおいては、ΔＴの値を、それぞれ、２．５゜Ｃ、０゜Ｃとした。
〈表４〉
ΔＴ ΔＺ 発光波長 ＦＷＨＭ
実施例２ ３．０ ０．００５ ５２９ ３８
比較例２Ａ ２．５ ０．００８ ５２８ ４２
比較例２Ｂ ０．０ ０．０１９ ５２８ ４９
以上のとおり、実施例２にあっては、活性層の井戸層におけるΔＺ（＝ＺIn-max−ＺIn-min）の値を０．０１以下とすることで、活性層３３にて生成する光の波長バラツキを抑制することができ（具体的には、半導体光デバイスから出射される光の半値幅を狭くすることができ）、優れた発光特性を有する半導体光デバイスを提供することができる。尚、成膜装置が変わるとΔＴとΔＺの関係も変わる。即ち、ΔＴとΔＺの関係は成膜装置に依存した値である。それ故、ΔＺの値を０．０１とするためには、種々の試験を行い、最適なΔＴの値を決定すればよい。原料ガス混合比を変えることでもΔＺの値を変えることができる。それ故、ΔＺの値を０．０１とするためには、種々の試験を行い、最適な原料ガス混合比を決定すればよい。また、実施例２の半導体光デバイスにあっては、第１化合物半導体層３１に隣接する井戸層内には、エピタキシャル成長方向に歪み量分布が存在し、第１化合物半導体層に隣接する第１原子層の歪み量が最も大きく、更には、各井戸層において（実施例２にあっては、２層の井戸層において）、第１化合物半導体層３１側に位置する第１原子層には、エピタキシャル成長方向に引張り歪みが導入されていることが確認された。
以上、本開示を好ましい実施例に基づき説明したが、本開示はこれらの実施例に限定されるものではない。実施例において説明した半導体光デバイスの構成、構造、半導体光デバイスの製造方法は例示であり、適宜、変更することができる。実施例においては、ＧａＮ基板の｛２０−２１｝面を主面として、その上に積層構造体を設けたが、ＧａＮ基板の主面はこれに限定されず、その他の半極性面、非極性面あるいは極性面（Ｃ面，｛０００１｝面）を用いることもできる。また、半導体光デバイスを専ら半導体レーザ素子として説明したが、半導体光デバイスとして、その他、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）、半導体光増幅器とすることもできる。尚、ＳＬＤや半導体光増幅器の構成、構造は、光出射端面及び光反射端面における光反射率が異なる点を除き、実質的に、実施例１〜実施例２において説明した半導体光デバイスと同じ構成、構造とすることができる。
また、実施例にあっては、リッジストライプ構造２０は、直線状に延びている形状としたが、これに限定するものでもないし、一定幅で延びているだけでなく、テーパー状あるいはフレア状としてもよい。具体的には、例えば、光出射端面から光反射端面に向かって、単調に、テーパー状に緩やかに広げられる構成、光出射端面から光反射端面に向かって、先ず広げられ、最大幅を超えた後、狭められる構成とすることができる。
更には、半導体レーザ素子を、斜め導波路を有する斜めリッジストライプ型の分離閉じ込めヘテロ構造の半導体レーザ素子とすることもできる。このような半導体レーザ素子にあっては、例えば、直線状の２つのリッジストライプ構造が組み合わされた構造を有し、２つのリッジストライプ構造の交差する角度φの値は、例えば、
０＜φ≦１０（度）
好ましくは、
０．１（度）≦φ≦６（度）
とすることが望ましい。斜めリッジストライプ型を採用することで、無反射コートされた光出射端面の反射率を、より０％の理想値に近づけることができ、その結果、半導体レーザ素子内で周回してしまうレーザ光の発生を防ぐことができ、メインのレーザ光に付随する副次的なレーザ光の生成を抑制できるといった利点を得ることができる。
また、本開示のＡｌＩｎＧａＮ系化合物半導体から成る積層構造体は、特に緑色光を効率良く発光するので、緑色領域で発光効率の良い面発光レーザ素子（垂直共振器レーザ、ＶＣＳＥＬとも呼ばれる）を作製することが可能となる。尚、この面発光レーザ素子にあっては、２つの光反射層（Distributed Bragg Reflector 層、ＤＢＲ層）の間で光を共振させることによってレーザ発振が生じる。
尚、本開示は、以下のような構成を取ることもできる。
［Ａ０１］《半導体光デバイス》
ｎ型を有する第１化合物半導体層、活性層、及び、ｐ型を有する第２化合物半導体層から成る積層構造体を有しており、
活性層は、少なくとも３層の障壁層、及び、障壁層によって挟まれた井戸層を有しており、
第２化合物半導体層に隣接した障壁層のバンドギャップエネルギーをＥｇp-BR、井戸層間の障壁層のバンドギャップエネルギーをＥｇWell、第１化合物半導体層に隣接した障壁層のバンドギャップエネルギーをＥｇn-BRとしたとき、以下の式（１）を満足する半導体光デバイス。
Ｅｇp-BR＞Ｅｇn-BR＞ＥｇWell （１）
［Ａ０２］第２化合物半導体層は、活性層側から、第２光ガイド層及び第２クラッド層から構成されており、
第２光ガイド層のバンドギャップエネルギーをＥｇp-LG、第２クラッド層のバンドギャップエネルギーをＥｇp-CLとしたとき、以下の式（２）を満足する［Ａ０１］に記載の半導体光デバイス。
Ｅｇp-LG＜Ｅｇp-BR＜Ｅｇp-CL （２）
［Ａ０３］第１化合物半導体層は、活性層側から、第１光ガイド層及び第１クラッド層から構成されており、
第１光ガイド層のバンドギャップエネルギーをＥｇn-LG、第１クラッド層のバンドギャップエネルギーをＥｇn-CLとしたとき、以下の式（３）を満足する［Ａ０１］又は［Ａ０２］に記載の半導体光デバイス。
Ｅｇn-BR＜Ｅｇn-LG＜Ｅｇn-CL （３）
［Ａ０４］第２化合物半導体層に隣接した障壁層の厚さは２５ｎｍ以下である［Ａ０１］乃至［Ａ０３］のいずれか１項に記載の半導体光デバイス。
［Ａ０５］第２化合物半導体層に隣接した障壁層の厚さは、１ｎｍ以上、５ｎｍ以下である［Ａ０４］に記載の半導体光デバイス。
［Ａ０６］第２化合物半導体層は、複数の化合物半導体層が積層されて成り、
第２化合物半導体層を構成する複数の化合物半導体層の内、バンドギャップエネルギーが最も高い化合物半導体層の厚さは３×１０-8ｍ以上である［Ａ０１］乃至［Ａ０５］のいずれか１項に記載の半導体光デバイス。
［Ａ０７］第２化合物半導体層に隣接した障壁層は組成変調されており、バンドギャップエネルギーの最高値は式（１）を満足する［Ａ０１］乃至［Ａ０６］のいずれか１項に記載の半導体光デバイス。
［Ａ０８］第２化合物半導体層に隣接した障壁層は障壁層は、組成が段階的に変化する多段組成構造を有しており、バンドギャップエネルギーの最高値は式（１）を満足する［Ａ０１］乃至［Ａ０６］のいずれか１項に記載の半導体光デバイス。
［Ａ０９］Ｅｇp−Ｅｇn≧２０ｍｅＶ
Ｅｇn−Ｅｇwell≧２０ｍｅＶ
を満足する［Ａ０１］乃至［Ａ０８］のいずれか１項に記載の半導体光デバイス。
［Ａ１０］積層構造体はＡｌＩｎＧａＮ系化合物半導体から成り、
発光素子を構成する［Ａ０１］乃至［Ａ０９］のいずれか１項に記載の半導体光デバイス。
［Ａ１１］各障壁層はＡｌXＩｎYＧａ(1-X-Y)Ｎ（但し、Ｘ≧０，Ｙ≧０）から成り、第２化合物半導体層に隣接した障壁層におけるＹの値をＹp-BR、井戸層間の障壁層におけるＹの値をＹWell、第１化合物半導体層に隣接した障壁層におけるＹの値をＹn-BRとしたとき、以下の式（４）を満足する［Ａ１０］に記載の半導体光デバイス。
Ｙp-BR＜Ｙn-BR＜ＹWell （４）
［Ａ１２」第２化合物半導体層には電子障壁層が設けられていない［Ａ０１］乃至［Ａ１１］のいずれか１項に記載の半導体光デバイス。
［Ａ１３］波長４４０ｎｍ以上、６００ｎｍの光を出射する［Ａ０１］乃至［Ａ１２］のいずれか１項に記載の半導体光デバイス。
［Ｂ０１］井戸層はＡｌＩｎＧａＮ系化合物半導体から成り、
各井戸層におけるＡｌＩｎＧａＮ系化合物半導体のインジウム原子百分率をＺInとしたとき、活性層の井戸層におけるＺInの最大値からＺInの最小値を減じた値は０．０１以下である［Ａ０１］乃至［Ａ１３］のいずれか１項に記載の半導体光デバイス。
［Ｂ０２］第１化合物半導体層に隣接する井戸層内には、エピタキシャル成長方向に歪み量分布が存在し、第１化合物半導体層に隣接する第１原子層の歪み量が最も大きい［Ｂ０１］に記載の半導体光デバイス。
［Ｂ０３］積層構造体は、ＧａＮ基板の半極性面又は無極性面から成る主面上に形成されている［Ｂ０２］に記載の半導体光デバイス。
［Ｂ０４］主面の面方位とｃ軸との成す角度は、４５度以上、８０度以下である［Ｂ０３］に記載の半導体光デバイス。
［Ｂ０５］ＧａＮ基板の主面は｛２０−２１｝面から成る［Ｂ０４］に記載の半導体光デバイス。
［Ｂ０６］各井戸層において、第１化合物半導体層側に位置する第１原子層には、エピタキシャル成長方向に引張り歪みが導入されている［Ｂ０２］乃至［Ｂ０５］のいずれか１項に記載の半導体光デバイス。
［Ｂ０７］各井戸層におけるＺInの値は、０．１５以上、０．５０以下である［Ｂ０１］乃至［Ｂ０６］のいずれか１項に記載の半導体光デバイス。
［Ｂ０８］各井戸層におけるＺInの値は、０．２０以上、０．４５以下である［Ｂ０７］に記載の半導体光デバイス。
［Ｂ０９］障壁層はＡｌＩｎＧａＮ系化合物半導体から成り、
障壁層におけるＡｌＩｎＧａＮ系化合物半導体のインジウム原子百分率をＹInとしたとき、障壁層におけるＹInの値は０．０８以下である［Ｂ０７］又は［Ｂ０８］に記載の半導体光デバイス。
１１・・・ＧａＮ基板、１２・・・ＧａＮ基板の主面、１３・・・バッファ層、２０・・・リッジストライプ構造、２１・・・光出射端面（第１端面）、２２・・・光反射端面（第２端面）、３０・・・積層構造体、３１・・・第１化合物半導体層、３１Ａ・・・第１光ガイド層、３１Ｂ・・・第１クラッド層、３２・・・第２化合物半導体層、３２Ａ・・・第２光ガイド層、３２Ｂ・・・第２クラッド層、３３・・・活性層、３３Ａ1，３３Ａ2，３３Ａ3・・・障壁層、３３Ｂ1，３３Ｂ2・・・井戸層、３４・・・コンタクト層、３５・・・絶縁層、４１・・・第１電極、４２・・・第２電極

Claims (12)

  1. ｎ型を有する第１化合物半導体層、活性層、及び、ｐ型を有する第２化合物半導体層から成る積層構造体を有しており、
    活性層は、少なくとも３層の障壁層、及び、障壁層によって挟まれた井戸層を有しており、
    第２化合物半導体層に隣接した障壁層のバンドギャップエネルギーをＥｇp-BR、井戸層間の障壁層のバンドギャップエネルギーをＥｇWell、第１化合物半導体層に隣接した障壁層のバンドギャップエネルギーをＥｇn-BRとしたとき、以下の式（１）を満足する半導体光デバイス。
    Ｅｇp-BR＞Ｅｇn-BR＞ＥｇWell （１）
  2. 第２化合物半導体層は、活性層側から、第２光ガイド層及び第２クラッド層から構成されており、
    第２光ガイド層のバンドギャップエネルギーをＥｇp-LG、第２クラッド層のバンドギャップエネルギーをＥｇp-CLとしたとき、以下の式（２）を満足する請求項１に記載の半導体光デバイス。
    Ｅｇp-LG＜Ｅｇp-BR＜Ｅｇp-CL （２）
  3. 第１化合物半導体層は、活性層側から、第１光ガイド層及び第１クラッド層から構成されており、
    第１光ガイド層のバンドギャップエネルギーをＥｇn-LG、第１クラッド層のバンドギャップエネルギーをＥｇn-CLとしたとき、以下の式（３）を満足する請求項１に記載の半導体光デバイス。
    Ｅｇn-BR＜Ｅｇn-LG＜Ｅｇn-CL （３）
  4. 第２化合物半導体層に隣接した障壁層の厚さは２５ｎｍ以下である請求項１に記載の半導体光デバイス。
  5. 第２化合物半導体層に隣接した障壁層の厚さは、１ｎｍ以上、５ｎｍ以下である請求項４に記載の半導体光デバイス。
  6. 第２化合物半導体層は、複数の化合物半導体層が積層されて成り、
    第２化合物半導体層を構成する複数の化合物半導体層の内、バンドギャップエネルギーが最も高い化合物半導体層の厚さは３×１０-8ｍ以上である請求項１に記載の半導体光デバイス。
  7. 第２化合物半導体層に隣接した障壁層は組成変調されており、バンドギャップエネルギーの最高値は式（１）を満足する請求項１に記載の半導体光デバイス。
  8. 第２化合物半導体層に隣接した障壁層は障壁層は、組成が段階的に変化する多段組成構造を有しており、バンドギャップエネルギーの最高値は式（１）を満足する請求項１に記載の半導体光デバイス。
  9. Ｅｇp−Ｅｇn≧２０ｍｅＶ
    Ｅｇn−Ｅｇwell≧２０ｍｅＶ
    を満足する請求項１に記載の半導体光デバイス。
  10. 積層構造体はＡｌＩｎＧａＮ系化合物半導体から成り、
    発光素子を構成する請求項１に記載の半導体光デバイス。
  11. 各障壁層はＡｌXＩｎYＧａ(1-X-Y)Ｎ（但し、Ｘ≧０，Ｙ≧０）から成り、第２化合物半導体層に隣接した障壁層におけるＹの値をＹp-BR、井戸層間の障壁層におけるＹの値をＹWell、第１化合物半導体層に隣接した障壁層におけるＹの値をＹn-BRとしたとき、以下の式（４）を満足する請求項１０に記載の半導体光デバイス。
    Ｙp-BR＜Ｙn-BR＜ＹWell （４）
  12. 第２化合物半導体層には電子障壁層が設けられていない請求項１に記載の半導体光デバイス。
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