JP3635613B2 - 半導体積層構造および半導体発光素子 - Google Patents
半導体積層構造および半導体発光素子 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光書き込み用半導体レーザ，読み出し用半導体レーザ，発光ダイオード，フォトダイオードなどに利用される半導体積層構造および半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、カラーディスプレイ等に用いられる高輝度緑色〜赤色発光ダイオードや光書き込みや読み出し等に用いられる可視光半導体レーザの材料として、ＡｌＧａＩｎＰ系材料の研究開発が行なわれている。ＡｌＧａＩｎＰ系材料は、ＧａＡｓ基板に格子整合するIII−Ｖ族半導体の中でも最も大きい直接遷移型材料であり、バンドギャップエネルギーは、最大で約２．３ｅＶ(波長５４０ｎｍ)が得られる。
【０００３】
しかしながら、ＡｌＧａＩｎＰ系材料は、ヘテロ接合を形成すると、活性層とこれにキャリアを閉じ込めるために設けられる活性層よりもバンドギャップエネルギーの大きなクラッド層(あるいはガイド層)との伝導帯のバンド不連続量が小さい(伝導帯のバンドオフセット比が小さい)ために、注入キャリア(電子)が活性層からクラッド層へオーバーフローし易い構造となる。これに起因して、動作温度が高くなるに従い、レーザの発振特性が劣化し易く、さらに、短波長化(活性層材料のワイドギャップ化、または、量子井戸活性層の薄膜化)とともに、使用上限環境温度(特性温度)が低下する等の問題があった。この問題を解決するため、例えば、特開平８−３０７００５号，特開平１０−８４１６３号の技術が提案されている。
【０００４】
すなわち、Ｎ(窒素)をＶ族元素として含む窒素系III−Ｖ族混晶半導体では、窒素を添加した効果により、バンドギャップエネルギーにボーイングが生じ、伝導帯および価電子帯のエネルギーが低下する。この時、バンドエネルギーの低下は主に伝導帯側で顕著であるので、窒素系Ｖ族混晶半導体を活性層に用いることで、伝導帯のバンド不連続量が増大し、特性温度の高い素子を得ることが可能となる。
【０００５】
より具体的に、特開平８−３０７００５号の技術では、活性層にＧａＩｎＮＰ混晶を用いた多重量子井戸構造により特性温度１０５Ｋを持つ発光素子が可能とされている。また、特開平１０−８４１６３号の技術では、活性層にＡｌを含ませてＡｌＧａＩｎＮＰを用いることで、窒素添加によるバンドギャップの減少分を補償することができ、伝導帯バンド不連続を大きくしたまま、短波長化が可能となる。
【０００６】
上述のような窒素系Ｖ族混晶半導体は、窒素の共有結合長が他の構成元素に比べて短く、うまく混合しない(非混和性が高い)ために結晶成長が難しく、熱力学的に非平衡度の高い分子線成長法(ＭＢＥ法)や有機金属気相成長法によって結晶成長が行なわれるのが一般的である。特開平６−２８３７６０号には、窒素を添加したＡｌＧａＩｎＰ結晶の有機金属気相成長法(ＭＯＣＶＤ法)による成長方法が述べられている。
【０００７】
すなわち、特開平６−２８３７６０号の技術では、ＡｌＧａＰ混晶半導体において有機アルミニウム化合物の導入量を制御することで有機金属気相成長法により効率良く窒素をドープできることを見出し、窒素原料としてＮＨ3を用い、有機アルミニウム化合物としてＴＭＡを用い、実際に成長を行なっている。この際に取り込まれる窒素量は、同一ＮＨ3流量に対し、ＡｌＧａＰのＡｌ組成が大きなもの(ＴＭＡ供給量の多いもの)ほど多く、また成長雰囲気混合ガスに対するＮＨ3の濃度が高い場合ほど多い。このＴＭＡにより窒素取り込まれが向上する現象には、成長時に形成されるＮＨ3と有機アルミニウム化合物とのアダクトのＡｌ−Ｎ結合が重要な役割を果たしていると説明されている。また、特開平６−２８３７６０号では、供給されるＮＨ3量に対し、結晶性良くＡｌＧａＰに窒素添加が行なえる臨界濃度が存在し、これ以上ではウルツ鉱構造のＡＩＮが形成され、エピタキシャル層が多結晶化することも見出している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体レーザを作製する場合には、キャリアおよび光に対する閉じ込め層を形成するためにバンドギャップおよび屈折率の異なる複数の層を積層する必要があり、ＡｌＧａＩｎＰ系材料では、Ａｌ組成を制御することでキャリアおよび光に対する閉じ込め層を形成している。
【０００９】
例えば特開平１０−８４１６３号に記載の発光素子は、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層をこれよりもバンドギャップエネルギーが大きいＡｌ組成の大きなＡｌＧａＩｎＰクラッド(またはガイド)層で挾んだヘテロ接合からなるものである。
【００１０】
しかしながら、ＡｌＧａＩｎＰでは窒素の取り込まれにＡｌ組成依存性があるため、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層の成長開始時に活性層の下層であるＡｌ組成の大きなＡｌＧａＩｎＰクラッド層(またはガイド層)の表面に余剰に窒素が取り込まれて、活性層および上層膜の結晶性を低下させるという問題がある。
【００１１】
図６は、ＭＯＣＶＤ法によって作製したＧａＩｎＮＰ／ＡｌＧａＩｎＰの積層構造のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。なお、図６の例では、III族原料に、ＴＭＧ(トリメチルガリウム)，ＴＭＡ(トリメチルアルミニウム)，ＴＭＩ(トリメチルインジウム)を用い、Ｖ族原料にＰＨ3を用い、キャリアガスにＨ2を用いている。また、窒素原料としてはＤＭＨｙを用いている。図６から、ＡｌＧａＩｎＰでは窒素の取り込まれにＡｌ組成依存性があるために、ＧａＩｎＮＰ層の成長開始時に、下層のＡｌＧａＩｎＰ層の表面で窒素が余剰に取り込まれていることがわかる。このように、Ａｌと窒素を組成として含む積層構造を作製する場合は、下層膜のＡｌ組成についても配慮がなされている必要があるが、特開平１０−８４１６３号では、この余剰な窒素の取り込まれ、およびこれを低減することに関して、何ら言及されていない。
【００１２】
本発明は、活性層と隣合うガイド層またはクラッド層表面での窒素の取り込みを減少させ、結晶性が良好で発光効率が高く、かつ特性温度の高い発光素子を得ることの可能な半導体積層構造および半導体発光素子を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、Ｖ族元素としてＮ(窒素)を含む窒素系Ｖ族混晶半導体において、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層(０≦ｘ１＜１，０＜ｙ１≦１，０＜ｚ１＜１)とこれよりもＡｌ組成が大きなＡｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層(０≦ｘ１＜ｘ２≦１，０≦ｙ２＜１)との間に、Ａｌ x1 Ｇａ y1 Ｉｎ (1-x1-y1) Ｎ z1 Ｐ (1-z1) のＡｌ組成よりも小さな ( ｘ３≦ｘ１ )Ａｌ組成のＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層(０≦ｘ３≦ｘ１＜ｘ２≦１，０＜ｙ３≦１)が配置されていることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の半導体積層構造において、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層(０≦ｘ１＜１，０＜ｙ１≦１，０＜ｚ１＜１)を活性層として用い、Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層(０≦ｘ１＜ｘ２≦１，０≦ｙ２＜１)をクラッド層またはガイド層として用い、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層とＡｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層との間のＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層(０≦ｘ３≦ｘ１＜ｘ２≦１，０＜ｙ３≦１)を前記活性層と前記クラッド層またはガイド層との間の中間層として用いることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項３記載の発明は、請求項２記載の半導体発光素子において、中間層としてＧａy4Ｉｎ(1-y4)Ｐ(０＜ｙ４＜１)を用いることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項４記載の発明は、請求項２または請求項３記載の半導体発光素子において、Ａｌ原料としてＴＭＡ(トリメチルアルミニウム)，ＴＥＡ(トリエチルアルミニウム)等の有機金属化合物を用い、有機金属気相成長法によって、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層，Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層またはＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層が形成されることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項５記載の発明は、請求項２乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、窒素の原料としてＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジン)，ＭＭＨｙ(モノメチルヒドラジン)等の有機系窒素化合物を用いて、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層が形成されることを特徴としている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る半導体積層構造の構成例を示す図である。図１を参照すると、本発明の半導体積層構造は、Ｖ族元素としてＮ(窒素)を含む窒素系Ｖ族混晶半導体において、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層１０１(０≦ｘ１＜１，０＜ｙ１≦１，０＜ｚ１＜１)とこれよりもＡｌ組成が大きなＡｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層１０３，１１１(０≦ｘ１＜ｘ２≦１，０≦ｙ２＜１)との間に、Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐより小さなＡｌ組成のＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層１０２(０≦ｘ３＜ｘ２≦１，０＜ｙ３≦１)が配置されていることを特徴としている。
【００２０】
一般に、ＡｌＧａＩｎＰにＮ(窒素)を添加することで、伝導帯，価電子帯のバンドエネルギーが低下する。このバンドエネルギーの低下は主に伝導帯側で顕著である。従って、添加する窒素量を制御することで、従来にはないヘテロ構造が得られ、バンド設計の自由度が増大するという利点がある。また、ＡｌＧａＩｎＮＰ層がＡｌ元素を含んでいることによって、成長時の窒素の取り込まれ効率が飛躍的に増大し、わずかな窒素原料によって窒素添加が可能となるため、製造コストの低減に対しても有利である。
【００２１】
このように、有機アルミニウム化合物の存在は窒素の取り込まれ効率を飛躍的に増大させる効果があるが、このために、ＡｌＧａＩｎＮＰ層の下層膜のＡｌ組成もＡｌＧａＩｎＮＰ層の結晶性に大きな影響を与える。すなわち、ＡｌＧａＩｎＮＰ層の下層膜のＡｌ組成が大きい場合には、ＡｌＧａＩｎＮＰ層の成長開始時にＡｌＧａＩｎＮＰの下層膜表面で余剰に窒素が取り込まれ、結晶性を低下させる問題がある。このことは、Ａｌ組成の大きな下層膜上への良質なＡｌＧａＩｎＮＰ層の成長を困難なものとし、半導体積層構造の設計および成長条件の自由度を小さくするものである。
【００２２】
これに対し、本発明の半導体積層構造のようにＡｌＧａＩｎＮＰ層１０１とこれの下層膜からなる所望するヘテロ構造の間に、ＡｌＧａＩｎＮＰ層１０１の下層膜よりも窒素の取り込まれ効率の低い、Ａｌ組成の小さなＡｌＧａＩｎ(Ｎ)Ｐ中間層１０２を配置した構造とすることで、界面での余剰な窒素の取り込まれ(窒素偏析)が減少し、結晶性の良いＡｌＧａＩｎＮＰ層を得ることができる。なお、この時に用いる中間層１０２の厚さは下層膜が完全に被覆される厚さであれば良い。これによって、窒素組成が大きく、かつ良質なＡｌＧａＩｎＮＰ層の成長も可能となり、高いバンド設計および成長条件の自由度を持ったＡｌＧａＩｎＮＰを含む半導体積層構造を容易に実現することができる。
【００２３】
図２は本発明の半導体積層構造の具体例を示す図である。図２を参照すると、この半導体積層構造は、ＧａＡｓ基板１０５上に、ＧａＡｓバッファー層１０４，(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ層１１１(膜厚が０．１μｍ)，(Ａｌ0.1Ｇａ0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０２(膜厚が４ｎｍ)，(Ａｌ0.2Ｇａ0.8)0.5Ｉｎ0.5Ｎ0.002Ｐ0.998層１０１(膜厚が３０ｎｍ)，(Ａｌ0.1Ｇａ0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０２(膜厚が４ｎｍ)，(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ層１０３(膜厚が０．１μｍ)が順次に積層されたものとなっている。
【００２４】
ここで、基板１０５には、例えば、１００面方位に対し０１１方向に１５°傾斜した面方位を持つもの(半絶縁性ＧａＡｓ傾斜基板)が用いられている。また、図２の半導体積層構造は、例えば、III族有機金属原料としてＴＭＧ(トリメチルガリウム)，ＴＭＡ(トリメチルアルミニウム)，ＴＡＩ(トリメチルインジウム)を用い、Ｖ族原料としてＰＨ3(ホスフィン)，窒素原料としてＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジン)を用い、キャリアガスとしてＨ2を用いて、有機金属気相成長法によって作製できる。
【００２５】
図３は、(Ａｌ0.2Ｇａ0.8)0.5Ｉｎ0.5Ｐでの窒素の取り込まれ量をＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐと比較したものである。成長温度が低いほど、また、ＰＨ3に対するＤＭＨｙの気相比：［ＤＭＨｙ］／(［ＰＨ3］＋［ＤＭＨｙ］)が高いほど、窒素は急激に取り込まれ易くなる傾向があるが、図３から、組成にＡｌを含ませることで、成長温度が高く、ＤＭＨｙの気相比が低いにもかかわらず、ＡｌＧａＩｎＰでの窒素濃度は高くなっており、窒素の取り込まれ効率が飛躍的に増大していることがわかる。図２に示した半導体積層構造では、構造中の(Ａｌ0.1Ｇａ0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０２を用いない場合には、(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ層１０３，１１１の表面で余剰な窒素が取り込まれることにより表面荒れが生じて鏡面を得ることはできないが、(Ａｌ0.1Ｇａ0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０２を挿入する場合には、(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ層１０３，１１１の表面で余剰な窒素の取り込まれが減少し、鏡面を得ることができる。また、成長面が鏡面となることで、発光効率を飛躍的に増大させることができる。また、ＰＬ発光波長は窒素取り込みによって長波長化している。
【００２６】
ＡｌＧａＩｎＰでは、Ａｌ組成が大きくなるほど窒素取り込み効率が高いので、ＡｌＧａＩｎＮＰ層１０１の下層膜のＡｌ組成が大きいほど、中間層１０２を設ける効果は顕著となる。このような構造を採用することで、Ａｌ組成の大きな層上にも、結晶性良くＡｌＧａＩｎＮＰ結晶を得ることができる。
【００２７】
上記の例では、半導体積層構造を有機金属気相成長法による成長によって作製した場合の例を示したが、ＭＢＥ(分子線成長法)等の他の成長法を用いて半導体積層構造を作製することもできる。また、上述の例では、窒素の原料として、ＤＭＨｙを用いたが、活性化した窒素やＮＨ3等他の窒素化合物を用いることもできる。
【００２８】
また、本発明の半導体発光素子は、第１の実施形態として、図１(図２)の半導体積層構造において、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層(０≦ｘ１＜１，０＜ｙ１≦１，０＜ｚ１＜１)を活性層として用い、Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層(０≦ｘ１＜ｘ２≦１，０≦ｙ２＜１)をクラッド層またはガイド層として用い、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層とＡｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層との間のＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層(０≦ｘ３＜ｘ２≦１，０＜ｙ３≦１)を前記活性層と前記クラッド層またはガイド層との間の中間層として用いることを特徴としている。
【００２９】
前述したように、ＡｌＧａＩｎＰに窒素を添加することで、伝導帯，価電子帯のバンドエネルギーが低下する。このバンドエネルギーの低下は主に伝導帯側で顕著である。従って、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)／Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐのヘテロ構造では、従来の窒素を添加しないヘテロ構造に比べて伝導帯のバンド不連続量を増大させることができ、従って、活性層をＡｌＧａＩｎＮＰ層とすることで、キャリア(電子)オーバーフローを低減することができる。
【００３０】
また、活性層へのＡｌ添加は、クラッド層(またはガイド層)との伝導帯および価電子帯のバンド不連続を小さくし、バンドギャップエネルギーを増加させる。この一方で、活性層への窒素添加は主に伝導帯のバンド不連続を大きくしてバンドギャップエネルギーを減少させる。つまり、活性層を、Ａｌ，窒素を同量に添加したＡｌＧａＩｎＮＰとすると、Ａｌ添加の作用によって窒素添加によるバンドギャップエネルギーの減少分を補償できるので、伝導帯バンド不連続を大きく保ったままバンドギャップエネルギーを増加させることができる。すなわち、従来では伝導帯バンド不連続量が小さいために短波長化には限界があったが、本発明では、伝導帯バンド不連続を大きく保ったままバンドギャップエネルギーを増加させることができることによって短波長化が容易になる。
【００３１】
また、活性層組成にＡｌ元素を含むことにより成長時の窒素取り込まれ効率が飛躍的に増大し、わずかな窒素原料によって窒素添加が可能となるので、製造コストの低減に対しても有利である。また、通常、ガイド層(またはクラッド層)におけるＡｌ組成は活性層に比べて大きく、このため、ガイド層表面での窒素取り込まれ効率も高い。このため、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層の成長開始時にクラッド層(またはガイド層)の表面で余剰に窒素が取り込まれ、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層の結晶性が低下する。これは、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層の組成および成長条件の自由度を小さくするものである。これに対し、本発明のようにクラッド層(またはガイド層)とＡｌＧａＩｎＮＰ活性層との間に、クラッド層(またはガイド層)よりもＡｌ組成の小さなＡｌＧａＩｎＰ中間層を挿入することで、界面での余剰な窒素取り込みを減少させることができる。これによって、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層への高濃度の窒素の添加も可能となり、組成および成長条件の自由度が増大する。以上のことから、バンド設計および成長条件の自由度が高く、かつ特性温度の高い発光素子の実現が容易になる。
【００３２】
また、本発明の半導体発光素子は、上記の構造の半導体発光素子において、中間層Ａｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)ＰのＡｌ組成が活性層Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)のＡｌ組成よりも小さい(ｘ３≦ｘ１)ものとなっている。すなわち、図１の半導体発光構造において、中間層１０２のＡｌ組成が活性層１０１のＡｌ組成よりも小さいものとなっている。
【００３３】
前述したように、ＡｌＧａＩｎＰ中への窒素の取り込まれ効率は、アルミニウムあるいは有機アルミニウム化合物により著しく向上する。窒素の取り込まれ効率にこのようなＡｌ組成依存性があるため、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層をこれよりもＡｌ組成の大きな下層膜上に成長する場合には、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層の下層膜表面で余剰な窒素の取り込まれが生じる。これに対し、中間層のＡｌ組成を、クラッド層(またはガイド層)よりも小さく、さらにＡｌＧａＩｎＮＰ活性層のＡｌ組成よりも小さく選ぶと、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層に窒素添加するような条件では中間層表面での窒素取り込まれはほとんど生じない。このように、中間層のＡｌ組成をＡｌＧａＩｎＮＰ活性層のＡｌ組成より小さく選ぶことによって、界面での余剰な窒素の取り込まれを効果的に低減することが可能となる。界面での余剰な窒素の取り込まれが低減できることで、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層への高濃度の窒素の添加も可能となり、組成および成長条件の自由度が増大する。以上のことから、バンド設計および成長条件の自由度が高く、かつ特性温度の高い発光素子の実現が容易になる。
【００３４】
図４は本発明に係る半導体発光素子の第１の実施形態を具体的に示す図として、最も簡単な絶縁膜ストライプ型レーザーの断面構造を示す図である。図４に示す半導体発光素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板(ｎ−ＧａＡｓ傾斜基板)３０９上に、ｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層３０８(膜厚が１μｍ)，ｕｎｄｏｐｅ−(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ光ガイド層１１１(膜厚が０．１μｍ)，ｕｎｄｏｐｅ−(Ａｌ0.1Ｇａ0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０２(膜厚が４ｎｍ)，ｕｎｄｏｐｅ−(Ａｌ0.2Ｇａ0.8)0.5Ｉｎ0.5Ｎ0.002Ｐ0.998活性層１０１(膜厚が３０ｎｍ)，ｕｎｄｏｐｅ−(Ａｌ0.1Ｇａ0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０２(膜厚が４ｎｍ)，ｕｎｄｏｐｅ−(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ光ガイド層１０３(膜厚が０．１μｍ)，ｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層３０４(膜厚が１μｍ)，ｐ−ＧａＡｓコンタクト絶縁層３０５，ＳｉＯ2絶縁層３０６，ｐ側電極３０７が順次に形成されている。また、ｎ−ＧａＡｓ基板３０９の裏面には、ｎ側電極３１０が形成されている。
【００３５】
なお、このような構造の半導体発光素子は、例えば有機金属気相成長法によりIII族有機金属原料としてＴＭＧ(トリメチルガリウム)，ＴＭＡ(トリメチルアルミニウム)，ＴＡＩ(トリメチルインジウム)を用い、Ｖ族原料としてＰＨ3(ホスフィン)を用い、窒素原料としてＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジン)を用い、キャリアガスとしてＨ2を用いて、ｎ−ＧａＡｓ傾斜基板上に成長を行なうことができる。なお、この場合の成長温度は７５０℃程度である。
【００３６】
図４の半導体発光素子では、中間層の組成は、(Ａｌ0.1Ｇａ0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐと、ガイド層および活性層のＡｌ組成よりも小さく選ばれている。活性層組成にＡｌが含まれていることにより窒素の取り込まれが飛躍的に向上し、前述したように、これまで窒素を添加することが困難であったような高い成長温度でも容易に窒素を添加することができる。元来、光ガイド層やクラッド層のようにＡｌ組成を含む構造では、成長温度をこのように高温に設定できることは、発光効率，結晶性の点から見ても望ましい。
【００３７】
また、(Ａｌ0.1Ｇａ0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層なしで、図４の構造を成長させた場合には、成長表面には荒れが見られ鏡面を得られず、発光効率も著しく悪かったが、図４の構造のように光ガイド層上に(Ａｌ0.1Ｇａ0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層を設けた場合には、活性層の成長開始時に余剰な窒素が取り込まれ、多結晶化することが防止できる。その結果、成長表面は鏡面となり、発光強度も飛躍的に増大する。さらに、活性層組成にＡｌを含むことでバンドギャップエネルギーが増加するので、窒素添加による長波長化を補償することができ、例えば、発光波長６３５ｎｍを得ることができる。
【００３８】
このように、(Ａｌ0.1Ｇａ0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層を用いることにより結晶性が良好で発光効率が高く、かつ窒素添加により伝導帯バンド不連続が大きくなった結果、特性温度の高い発光素子が実現できる。
【００３９】
上述の例では、半導体発光素子を有機金属気相成長法による成長によって作製した場合の例を示したが、ＭＢＥ(分子線成長法)等の他の成長法を用いて半導体発光素子を作製することもできる。また、上述の例では、窒素の原料として、ＤＭＨｙを用いたが、活性化した窒素やＮＨ3等他の窒素化合物を用いることもできる。また、活性層組成も歪みを有するものであっても良い。また、上述の例では絶縁膜ストライプ型レーザーについて述べたが、これに限らず他の構造のレーザーについても本発明を同様に適用することもできる。
【００４０】
また、本発明の半導体発光素子は、第２の実施形態として、中間層がＧａy4Ｉｎ(1-y4)Ｐ(０＜ｙ４＜１)であることを特徴としている。
【００４１】
ＡｌＧａＩｎＰ中への窒素の取り込まれ効率は、前述のように、アルミニウムあるいは有機アルミニウム化合物により著しく向上する。上記中間層はＧａＩｎＰを用いており、Ａｌ元素を含んでいないことからＡｌＧａＩｎＮＰ活性層へ窒素を添加するような成長条件では、ＧａＩｎＰ中間層への窒素取り込まれはほとんど生じない。また、中間層の元素種を３元と少なくすることで、組成の制御性が向上し、良質の結晶成長が容易となる等の利点が得られる。このように、ＧａＩｎＰを中間層とすることで、中間層の組成の制御性および結晶性が向上し、かつ界面での余剰な窒素の取り込みを著しく減少させることができる。これによって、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層への高濃度の窒素の添加も可能となり、組成および成長条件の自由度が増大する。以上のことから、バンド設計および成長条件の自由度が高く、かつ特性温度の高い発光素子の実現が容易になる。
【００４２】
図５は本発明に係る半導体発光素子の第２の実施形態を具体的に示す図として、最も簡単な絶縁膜ストライプ型レーザーの断面構造を示す図である。図５に示す半導体発光素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板(ｎ−ＧａＡｓ傾斜基板)３０９上に、ｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層３０８(膜厚が１μｍ)，ｕｎｄｏｐｅ−(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ光ガイド層１１１(膜厚が０．１μｍ)，ｕｎｄｏｐｅ−Ｇａ0.65Ｉｎ0.35Ｐ中間層４０２(膜厚が４ｎｍ)，ｕｎｄｏｐｅ−(Ａｌ0.2Ｇａ0.8)0.5Ｉｎ0.5Ｎ0.002Ｐ0.998活性層１０１(膜厚が３０ｎｍ)，ｕｎｄｏｐｅ−Ｇａ0.65Ｉｎ0.35Ｐ中間層４０２(膜厚が４ｎｍ)，ｕｎｄｏｐｅ−(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ光ガイド層１０３(膜厚が０．１μｍ)，ｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層３０４(膜厚が１μｍ)，ｐ−ＧａＡｓコンタクト絶縁層３０５，ＳｉＯ2絶縁層３０６，ｐ側電極である３０７が順次に形成されている。また、ｎ−ＧａＡｓ基板３０９の裏面には、ｎ側電極３１０が形成されている。
【００４３】
なお、このような構造の半導体発光素子は、例えば有機金属気相成長法によりIII族有機金属原料としてＴＭＧ(トリメチルガリウム)，ＴＭＡ(トリメチルアルミニウム)，ＴＡＩ(トリメチルインジウム)を用い、Ｖ族原料としてＰＨ3(ホスフィン)を用い、窒素原料としてＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジン)を用い、キャリアガスとしてＨ2を用いて、ｎ−ＧａＡｓ傾斜基板上に成長を行なうことができる。なお、この場合の成長温度は７５０℃程度である。
【００４４】
図５の半導体発光素子では、活性層組成にＡｌが含まれていることにより窒素の取り込まれが飛躍的に向上し、前述したように、これまで窒素を添加することが困難であったような高い成長温度でも容易に窒素を添加することができる。元来、光ガイド層やクラッド層のようにＡｌ組成を含む構造では、成長温度をこのように高温に設定できることは、発光効率，結晶性の点から見ても望ましい。
【００４５】
また、Ｇａ0.65Ｉｎ0.35Ｐ中間層なしで、図５の構造を成長させた場合には、成長表面には荒れが見られ鏡面を得られず、発光効率も著しく悪かったが、図５の構造のように光ガイド層上にＧａ0.65Ｉｎ0.35Ｐ中間層を設けた場合には、活性層の下層がＡｌを含んでいないので、これによる余剰な窒素の取り込みは生ぜず、成長開始時に余剰な窒素が取り込まれて多結晶化することを防止できる。その結果、成長表面は鏡面となり、発光強度も飛躍的に増大する。さらに、活性層組成にＡｌを含むことでバンドギャップエネルギーが増加するので、窒素添加による長波長化を補償することができ、例えば発光波長６３５ｎｍを得ることができる。
【００４６】
このように、Ｇａ0.65Ｉｎ0.35Ｐ中間層を用いることにより結晶性が良好で発光効率が高く、かつ特性温度の高い発光素子が実現できる。
【００４７】
本発明の第１，第２の実施形態の半導体発光素子は、上述したように、Ａｌ原料としてＴＭＡ(トリメチルアルミニウム)，ＴＥＡ(トリエチルアルミニウム)等の有機金属化合物を用いて、有機金属気相成長法により形成できる。
【００４８】
すなわち、窒素と他のＶ族元素を含んだ窒素系Ｖ族混晶半導体は非混和性が高い。このような材料の成長においては、成長表面において過飽和度を高くする必要がある。有機金属気相成長法は、過飽和度を高くできる成長法であり、本発明の半導体発光素子の形成に適している。この場合、Ａｌの原料として、ＴＭＡ(トリメチルアルミニウム)，ＴＥＡ(トリエチルアルミニウム)等の有機金属化合物を用いることで、窒素の取り込み効率を向上することができ、容易にかつ良好に窒素系Ｖ族混晶半導体を成長させることができる。これによって、特性温度の高い素子を容易に実現することができる。
【００４９】
また、本発明の第１，第２の実施形態の半導体発光素子は、上述したように、窒素の原料としてＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジン)，ＭＭＨｙ(モノメチルヒドラジン)等の有機系窒素化合物を用いて形成できる。
【００５０】
すなわち、高温であるほど成長層を形成する各元素の蒸気圧が高くなり、特に窒素を添加することが困難になるので、成長は低温で行なうことが望ましい。有機系窒素化合物は分解温度が低く、低温においても成長が可能であるので、容易にかつ良好に窒素系Ｖ族混晶半導体を得ることができる。これによって特性温度の高い素子を容易に実現することができる。
【００５１】
なお、上述の例では、半導体発光素子を有機金属気相成長法による成長によって作製した場合の例を示したが、ＭＢＥ(分子線成長法)等の他の成長法を用いて半導体発光素子を作製することもできる。また、上述の例では、窒素の原料として、ＤＭＨｙを用いたが、活性化した窒素やＮＨ3等他の窒素化合物を用いることもできる。また、活性層組成も歪みを有するものであっても良い。また、上述の例では絶縁膜ストライプ型レーザーについて述べたが、これに限らず他の構造のレーザーについても本発明を同様に適用することもできる。
【００５２】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１記載の発明によれば、Ｖ族元素としてＮ(窒素)を含む窒素系Ｖ族混晶半導体において、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層(０≦ｘ１＜１，０＜ｙ１≦１，０＜ｚ１＜１)とこれよりもＡｌ組成が大きなＡｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層(０≦ｘ１＜ｘ２≦１，０≦ｙ２＜１)との間に、Ａｌ x1 Ｇａ y1 Ｉｎ (1-x1-y1) Ｎ z1 Ｐ (1-z1) のＡｌ組成よりも小さな ( ｘ３≦ｘ１ )Ａｌ組成のＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層(０≦ｘ３≦ｘ１＜ｘ２≦１，０＜ｙ３≦１)が配置されているので、添加する窒素量を制御することにより、従来にはないヘテロ構造が得られ、バンド設計の自由度が増大する。また、ＡｌＧａＩｎＮＰ層がＡｌ元素を含んでいることによって、成長時の窒素取り込まれ効率が飛躍的に増大し、わずかな窒素原料によって窒素添加が可能となるため、製造コストを低減できる。さらに、本発明の半導体積層構造は、ＡｌＧａＩｎＮＰ層とこれの下層膜からなる所望するヘテロ構造の間に、ＡｌＧａＩｎＮＰ層の下層膜よりも窒素の取り込まれ効率の低い、Ａｌ組成の小さなＡｌＧａＩｎ(Ｎ)Ｐ中間層を配置した構造となっていることで、界面での余剰な窒素の取り込まれ(窒素偏析)が減少し、結晶性の良いＡｌＧａＩｎＮＰ層を得ることができる。この時に用いる中間層の厚さは、ＡｌＧａＩｎＮＰ層の下層膜が完全に被覆される厚さであれば良い。これによって窒素組成が大きく、かつ良質なＡｌＧａＩｎＮＰ層の成長も可能となり、高いバンド設計および成長条件の自由度を持ったＡｌＧａＩｎＮＰを含む半導体積層構造を容易に実現することができる。
【００５３】
また、請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の半導体積層構造において、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層(０≦ｘ１＜１，０＜ｙ１≦１，０＜ｚ１＜１)を活性層として用い、Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層(０≦ｘ１＜ｘ２≦１，０≦ｙ２＜１)をクラッド層またはガイド層として用い、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層とＡｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層との間のＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層(０≦ｘ３≦ｘ１＜ｘ２≦１，０＜ｙ３≦１)を前記活性層と前記クラッド層またはガイド層との間の中間層として用いるようになっており、活性層をＡｌＧａＩｎＮＰ層とすることで、キャリア(電子)オーバーフローを低減することができる。また、活性層へのＡｌ添加はクラッド層またはガイド層との伝導帯およびバンド不連続を小さくし、バンドギャップエネルギーを減少させる。つまり、活性層を、Ａｌ，窒素を同量添加したＡｌＧａＩｎＮＰとすると、Ａｌ添加の作用によって窒素添加によるバンドギャップエネルギーの減少分を補償できるので、伝導帯バンド不連続を大きく保ったままバンドギャップエネルギーを増加させることができる。すなわち、従来では伝導帯バンド不連続量が小さいために短波長化には限界があったが、伝導帯バンド不連続を大きく保ったままバンドギャップエネルギーを増加させることができることによって短波長化が容易になる。また、活性層組成にＡｌ元素を含むことにより成長時の窒素取り込まれ効率が飛躍的に増大し、わずかな窒素原料によって窒素添加が可能となり、製造コストを低減できる。また、クラッド層またはガイド層とＡｌＧａＩｎＮＰ活性層との間に、クラッド層またはガイド層よりもＡｌ組成の小さなＡｌＧａＩｎＰ中間層を挿入することで、界面での余剰な窒素取り込みを減少させることができる。これによって、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層への高濃度の窒素の添加も可能となり、組成および成長条件の自由度が増大する。以上からバンド設計および成長条件の自由度が高く、かつ特性温度の高い発光素子の実現が容易になる。
【００５４】
また、請求項２記載の発明によれば、前記中間層であるＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層のＡｌ組成が、活性層であるＡｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層のＡｌ組成よりも小さい(ｘ３≦ｘ１)ので、すなわち、中間層のＡｌ組成をＡｌＧａＩｎＮＰ活性層のＡｌ組成よりも小さく選ぶことによって、界面での余剰な窒素の取り込まれを効果的に低減することが可能となる。このように界面での余剰な窒素の取り込まれが低減できることで、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層への高濃度の窒素の添加も可能となり、組成および成長条件の自由度が増大する。以上からバンド設計および成長条件の自由度が高く、かつ特性温度の高い発光素子の実現が容易になる。
【００５５】
また、請求項３記載の発明によれば、中間層をＧａy4Ｉｎ(1-y4)Ｐ(０＜ｙ４＜１)とすることで、中間層の組成の制御性および結晶性が向上し、かつ界面での余剰な窒素の取り込みを著しく減少させることができる。これによって、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層への高濃度の窒素の添加も可能となり、組成および成長条件の自由度が増大する。以上からバンド設計および成長条件の自由度が高く、かつ特性温度の高い発光素子の実現が容易になる。
【００５６】
また、請求項４記載の発明によれば、請求項２または請求項３記載の半導体発光素子において、Ａｌ原料としてＴＭＡ(トリメチルアルミニウム)，ＴＥＡ(トリエチルアルミニウム)等の有機金属化合物を用い、有機金属気相成長法によって、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層，Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層またはＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層が形成されるので、窒素の取り込み効率を向上することができ、容易にかつ良好に窒素系Ｖ族混晶半導体を成長することができる。これによって特性温度の高い素子を容易に実現することができる。
【００５７】
また、請求項５記載の発明によれば、請求項２乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、窒素の原料としてＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジン)，ＭＭＨｙ(モノメチルヒドラジン)等の有機系窒素化合物を用いて、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層が形成されるようになっており、有機系窒素化合物は分解温度が低く、低温においても成長が可能であるので、容易にかつ良好に窒素系Ｖ族混晶半導体を得ることができる。これによって特性温度の高い素子を容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体積層構造の構成例を示す図である。
【図２】図１の半導体積層構造の具体例を示す図である。
【図３】 (Ａｌ0.2Ｇａ0.8)0.5Ｉｎ0.5Ｐでの窒素の取り込まれ量をＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐと比較した図である。
【図４】本発明に係る半導体発光素子の第１の実施形態を示す図である。
【図５】本発明に係る半導体発光素子の第２の実施形態を示す図である。
【図６】ＭＯＣＶＤ法によって作製したＧａＩｎＮＰ／ＡｌＧａＩｎＰの積層構造のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。
【符号の説明】
１０１ Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層
１０２ Ａｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ中間層
１０３，１１１ Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層
１０４ ＧａＡｓバッファ層
１０５ ＧａＡｓ基板
３０４ ｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層
３０５ ｐ−ＧａＡｓコンタクト絶縁層
３０６ ＳｉＯ2絶縁層
３０７ ｐ側電極
３０８ ｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層
３０９ ｎ−ＧａＡｓ基板(ｎ−ＧａＡｓ傾斜基板)
３１０ ｎ側電極
４０２ ｕｎｄｏｐｅ−Ｇａ0.65Ｉｎ0.35Ｐ中間層
【発明の属する技術分野】
本発明は、光書き込み用半導体レーザ，読み出し用半導体レーザ，発光ダイオード，フォトダイオードなどに利用される半導体積層構造および半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、カラーディスプレイ等に用いられる高輝度緑色〜赤色発光ダイオードや光書き込みや読み出し等に用いられる可視光半導体レーザの材料として、ＡｌＧａＩｎＰ系材料の研究開発が行なわれている。ＡｌＧａＩｎＰ系材料は、ＧａＡｓ基板に格子整合するIII−Ｖ族半導体の中でも最も大きい直接遷移型材料であり、バンドギャップエネルギーは、最大で約２．３ｅＶ(波長５４０ｎｍ)が得られる。
【０００３】
しかしながら、ＡｌＧａＩｎＰ系材料は、ヘテロ接合を形成すると、活性層とこれにキャリアを閉じ込めるために設けられる活性層よりもバンドギャップエネルギーの大きなクラッド層(あるいはガイド層)との伝導帯のバンド不連続量が小さい(伝導帯のバンドオフセット比が小さい)ために、注入キャリア(電子)が活性層からクラッド層へオーバーフローし易い構造となる。これに起因して、動作温度が高くなるに従い、レーザの発振特性が劣化し易く、さらに、短波長化(活性層材料のワイドギャップ化、または、量子井戸活性層の薄膜化)とともに、使用上限環境温度(特性温度)が低下する等の問題があった。この問題を解決するため、例えば、特開平８−３０７００５号，特開平１０−８４１６３号の技術が提案されている。
【０００４】
すなわち、Ｎ(窒素)をＶ族元素として含む窒素系III−Ｖ族混晶半導体では、窒素を添加した効果により、バンドギャップエネルギーにボーイングが生じ、伝導帯および価電子帯のエネルギーが低下する。この時、バンドエネルギーの低下は主に伝導帯側で顕著であるので、窒素系Ｖ族混晶半導体を活性層に用いることで、伝導帯のバンド不連続量が増大し、特性温度の高い素子を得ることが可能となる。
【０００５】
より具体的に、特開平８−３０７００５号の技術では、活性層にＧａＩｎＮＰ混晶を用いた多重量子井戸構造により特性温度１０５Ｋを持つ発光素子が可能とされている。また、特開平１０−８４１６３号の技術では、活性層にＡｌを含ませてＡｌＧａＩｎＮＰを用いることで、窒素添加によるバンドギャップの減少分を補償することができ、伝導帯バンド不連続を大きくしたまま、短波長化が可能となる。
【０００６】
上述のような窒素系Ｖ族混晶半導体は、窒素の共有結合長が他の構成元素に比べて短く、うまく混合しない(非混和性が高い)ために結晶成長が難しく、熱力学的に非平衡度の高い分子線成長法(ＭＢＥ法)や有機金属気相成長法によって結晶成長が行なわれるのが一般的である。特開平６−２８３７６０号には、窒素を添加したＡｌＧａＩｎＰ結晶の有機金属気相成長法(ＭＯＣＶＤ法)による成長方法が述べられている。
【０００７】
すなわち、特開平６−２８３７６０号の技術では、ＡｌＧａＰ混晶半導体において有機アルミニウム化合物の導入量を制御することで有機金属気相成長法により効率良く窒素をドープできることを見出し、窒素原料としてＮＨ3を用い、有機アルミニウム化合物としてＴＭＡを用い、実際に成長を行なっている。この際に取り込まれる窒素量は、同一ＮＨ3流量に対し、ＡｌＧａＰのＡｌ組成が大きなもの(ＴＭＡ供給量の多いもの)ほど多く、また成長雰囲気混合ガスに対するＮＨ3の濃度が高い場合ほど多い。このＴＭＡにより窒素取り込まれが向上する現象には、成長時に形成されるＮＨ3と有機アルミニウム化合物とのアダクトのＡｌ−Ｎ結合が重要な役割を果たしていると説明されている。また、特開平６−２８３７６０号では、供給されるＮＨ3量に対し、結晶性良くＡｌＧａＰに窒素添加が行なえる臨界濃度が存在し、これ以上ではウルツ鉱構造のＡＩＮが形成され、エピタキシャル層が多結晶化することも見出している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体レーザを作製する場合には、キャリアおよび光に対する閉じ込め層を形成するためにバンドギャップおよび屈折率の異なる複数の層を積層する必要があり、ＡｌＧａＩｎＰ系材料では、Ａｌ組成を制御することでキャリアおよび光に対する閉じ込め層を形成している。
【０００９】
例えば特開平１０−８４１６３号に記載の発光素子は、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層をこれよりもバンドギャップエネルギーが大きいＡｌ組成の大きなＡｌＧａＩｎＰクラッド(またはガイド)層で挾んだヘテロ接合からなるものである。
【００１０】
しかしながら、ＡｌＧａＩｎＰでは窒素の取り込まれにＡｌ組成依存性があるため、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層の成長開始時に活性層の下層であるＡｌ組成の大きなＡｌＧａＩｎＰクラッド層(またはガイド層)の表面に余剰に窒素が取り込まれて、活性層および上層膜の結晶性を低下させるという問題がある。
【００１１】
図６は、ＭＯＣＶＤ法によって作製したＧａＩｎＮＰ／ＡｌＧａＩｎＰの積層構造のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。なお、図６の例では、III族原料に、ＴＭＧ(トリメチルガリウム)，ＴＭＡ(トリメチルアルミニウム)，ＴＭＩ(トリメチルインジウム)を用い、Ｖ族原料にＰＨ3を用い、キャリアガスにＨ2を用いている。また、窒素原料としてはＤＭＨｙを用いている。図６から、ＡｌＧａＩｎＰでは窒素の取り込まれにＡｌ組成依存性があるために、ＧａＩｎＮＰ層の成長開始時に、下層のＡｌＧａＩｎＰ層の表面で窒素が余剰に取り込まれていることがわかる。このように、Ａｌと窒素を組成として含む積層構造を作製する場合は、下層膜のＡｌ組成についても配慮がなされている必要があるが、特開平１０−８４１６３号では、この余剰な窒素の取り込まれ、およびこれを低減することに関して、何ら言及されていない。
【００１２】
本発明は、活性層と隣合うガイド層またはクラッド層表面での窒素の取り込みを減少させ、結晶性が良好で発光効率が高く、かつ特性温度の高い発光素子を得ることの可能な半導体積層構造および半導体発光素子を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、Ｖ族元素としてＮ(窒素)を含む窒素系Ｖ族混晶半導体において、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層(０≦ｘ１＜１，０＜ｙ１≦１，０＜ｚ１＜１)とこれよりもＡｌ組成が大きなＡｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層(０≦ｘ１＜ｘ２≦１，０≦ｙ２＜１)との間に、Ａｌ x1 Ｇａ y1 Ｉｎ (1-x1-y1) Ｎ z1 Ｐ (1-z1) のＡｌ組成よりも小さな ( ｘ３≦ｘ１ )Ａｌ組成のＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層(０≦ｘ３≦ｘ１＜ｘ２≦１，０＜ｙ３≦１)が配置されていることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の半導体積層構造において、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層(０≦ｘ１＜１，０＜ｙ１≦１，０＜ｚ１＜１)を活性層として用い、Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層(０≦ｘ１＜ｘ２≦１，０≦ｙ２＜１)をクラッド層またはガイド層として用い、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層とＡｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層との間のＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層(０≦ｘ３≦ｘ１＜ｘ２≦１，０＜ｙ３≦１)を前記活性層と前記クラッド層またはガイド層との間の中間層として用いることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項３記載の発明は、請求項２記載の半導体発光素子において、中間層としてＧａy4Ｉｎ(1-y4)Ｐ(０＜ｙ４＜１)を用いることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項４記載の発明は、請求項２または請求項３記載の半導体発光素子において、Ａｌ原料としてＴＭＡ(トリメチルアルミニウム)，ＴＥＡ(トリエチルアルミニウム)等の有機金属化合物を用い、有機金属気相成長法によって、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層，Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層またはＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層が形成されることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項５記載の発明は、請求項２乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、窒素の原料としてＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジン)，ＭＭＨｙ(モノメチルヒドラジン)等の有機系窒素化合物を用いて、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層が形成されることを特徴としている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る半導体積層構造の構成例を示す図である。図１を参照すると、本発明の半導体積層構造は、Ｖ族元素としてＮ(窒素)を含む窒素系Ｖ族混晶半導体において、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層１０１(０≦ｘ１＜１，０＜ｙ１≦１，０＜ｚ１＜１)とこれよりもＡｌ組成が大きなＡｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層１０３，１１１(０≦ｘ１＜ｘ２≦１，０≦ｙ２＜１)との間に、Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐより小さなＡｌ組成のＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層１０２(０≦ｘ３＜ｘ２≦１，０＜ｙ３≦１)が配置されていることを特徴としている。
【００２０】
一般に、ＡｌＧａＩｎＰにＮ(窒素)を添加することで、伝導帯，価電子帯のバンドエネルギーが低下する。このバンドエネルギーの低下は主に伝導帯側で顕著である。従って、添加する窒素量を制御することで、従来にはないヘテロ構造が得られ、バンド設計の自由度が増大するという利点がある。また、ＡｌＧａＩｎＮＰ層がＡｌ元素を含んでいることによって、成長時の窒素の取り込まれ効率が飛躍的に増大し、わずかな窒素原料によって窒素添加が可能となるため、製造コストの低減に対しても有利である。
【００２１】
このように、有機アルミニウム化合物の存在は窒素の取り込まれ効率を飛躍的に増大させる効果があるが、このために、ＡｌＧａＩｎＮＰ層の下層膜のＡｌ組成もＡｌＧａＩｎＮＰ層の結晶性に大きな影響を与える。すなわち、ＡｌＧａＩｎＮＰ層の下層膜のＡｌ組成が大きい場合には、ＡｌＧａＩｎＮＰ層の成長開始時にＡｌＧａＩｎＮＰの下層膜表面で余剰に窒素が取り込まれ、結晶性を低下させる問題がある。このことは、Ａｌ組成の大きな下層膜上への良質なＡｌＧａＩｎＮＰ層の成長を困難なものとし、半導体積層構造の設計および成長条件の自由度を小さくするものである。
【００２２】
これに対し、本発明の半導体積層構造のようにＡｌＧａＩｎＮＰ層１０１とこれの下層膜からなる所望するヘテロ構造の間に、ＡｌＧａＩｎＮＰ層１０１の下層膜よりも窒素の取り込まれ効率の低い、Ａｌ組成の小さなＡｌＧａＩｎ(Ｎ)Ｐ中間層１０２を配置した構造とすることで、界面での余剰な窒素の取り込まれ(窒素偏析)が減少し、結晶性の良いＡｌＧａＩｎＮＰ層を得ることができる。なお、この時に用いる中間層１０２の厚さは下層膜が完全に被覆される厚さであれば良い。これによって、窒素組成が大きく、かつ良質なＡｌＧａＩｎＮＰ層の成長も可能となり、高いバンド設計および成長条件の自由度を持ったＡｌＧａＩｎＮＰを含む半導体積層構造を容易に実現することができる。
【００２３】
図２は本発明の半導体積層構造の具体例を示す図である。図２を参照すると、この半導体積層構造は、ＧａＡｓ基板１０５上に、ＧａＡｓバッファー層１０４，(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ層１１１(膜厚が０．１μｍ)，(Ａｌ0.1Ｇａ0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０２(膜厚が４ｎｍ)，(Ａｌ0.2Ｇａ0.8)0.5Ｉｎ0.5Ｎ0.002Ｐ0.998層１０１(膜厚が３０ｎｍ)，(Ａｌ0.1Ｇａ0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０２(膜厚が４ｎｍ)，(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ層１０３(膜厚が０．１μｍ)が順次に積層されたものとなっている。
【００２４】
ここで、基板１０５には、例えば、１００面方位に対し０１１方向に１５°傾斜した面方位を持つもの(半絶縁性ＧａＡｓ傾斜基板)が用いられている。また、図２の半導体積層構造は、例えば、III族有機金属原料としてＴＭＧ(トリメチルガリウム)，ＴＭＡ(トリメチルアルミニウム)，ＴＡＩ(トリメチルインジウム)を用い、Ｖ族原料としてＰＨ3(ホスフィン)，窒素原料としてＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジン)を用い、キャリアガスとしてＨ2を用いて、有機金属気相成長法によって作製できる。
【００２５】
図３は、(Ａｌ0.2Ｇａ0.8)0.5Ｉｎ0.5Ｐでの窒素の取り込まれ量をＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐと比較したものである。成長温度が低いほど、また、ＰＨ3に対するＤＭＨｙの気相比：［ＤＭＨｙ］／(［ＰＨ3］＋［ＤＭＨｙ］)が高いほど、窒素は急激に取り込まれ易くなる傾向があるが、図３から、組成にＡｌを含ませることで、成長温度が高く、ＤＭＨｙの気相比が低いにもかかわらず、ＡｌＧａＩｎＰでの窒素濃度は高くなっており、窒素の取り込まれ効率が飛躍的に増大していることがわかる。図２に示した半導体積層構造では、構造中の(Ａｌ0.1Ｇａ0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０２を用いない場合には、(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ層１０３，１１１の表面で余剰な窒素が取り込まれることにより表面荒れが生じて鏡面を得ることはできないが、(Ａｌ0.1Ｇａ0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０２を挿入する場合には、(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ層１０３，１１１の表面で余剰な窒素の取り込まれが減少し、鏡面を得ることができる。また、成長面が鏡面となることで、発光効率を飛躍的に増大させることができる。また、ＰＬ発光波長は窒素取り込みによって長波長化している。
【００２６】
ＡｌＧａＩｎＰでは、Ａｌ組成が大きくなるほど窒素取り込み効率が高いので、ＡｌＧａＩｎＮＰ層１０１の下層膜のＡｌ組成が大きいほど、中間層１０２を設ける効果は顕著となる。このような構造を採用することで、Ａｌ組成の大きな層上にも、結晶性良くＡｌＧａＩｎＮＰ結晶を得ることができる。
【００２７】
上記の例では、半導体積層構造を有機金属気相成長法による成長によって作製した場合の例を示したが、ＭＢＥ(分子線成長法)等の他の成長法を用いて半導体積層構造を作製することもできる。また、上述の例では、窒素の原料として、ＤＭＨｙを用いたが、活性化した窒素やＮＨ3等他の窒素化合物を用いることもできる。
【００２８】
また、本発明の半導体発光素子は、第１の実施形態として、図１(図２)の半導体積層構造において、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層(０≦ｘ１＜１，０＜ｙ１≦１，０＜ｚ１＜１)を活性層として用い、Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層(０≦ｘ１＜ｘ２≦１，０≦ｙ２＜１)をクラッド層またはガイド層として用い、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層とＡｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層との間のＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層(０≦ｘ３＜ｘ２≦１，０＜ｙ３≦１)を前記活性層と前記クラッド層またはガイド層との間の中間層として用いることを特徴としている。
【００２９】
前述したように、ＡｌＧａＩｎＰに窒素を添加することで、伝導帯，価電子帯のバンドエネルギーが低下する。このバンドエネルギーの低下は主に伝導帯側で顕著である。従って、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)／Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐのヘテロ構造では、従来の窒素を添加しないヘテロ構造に比べて伝導帯のバンド不連続量を増大させることができ、従って、活性層をＡｌＧａＩｎＮＰ層とすることで、キャリア(電子)オーバーフローを低減することができる。
【００３０】
また、活性層へのＡｌ添加は、クラッド層(またはガイド層)との伝導帯および価電子帯のバンド不連続を小さくし、バンドギャップエネルギーを増加させる。この一方で、活性層への窒素添加は主に伝導帯のバンド不連続を大きくしてバンドギャップエネルギーを減少させる。つまり、活性層を、Ａｌ，窒素を同量に添加したＡｌＧａＩｎＮＰとすると、Ａｌ添加の作用によって窒素添加によるバンドギャップエネルギーの減少分を補償できるので、伝導帯バンド不連続を大きく保ったままバンドギャップエネルギーを増加させることができる。すなわち、従来では伝導帯バンド不連続量が小さいために短波長化には限界があったが、本発明では、伝導帯バンド不連続を大きく保ったままバンドギャップエネルギーを増加させることができることによって短波長化が容易になる。
【００３１】
また、活性層組成にＡｌ元素を含むことにより成長時の窒素取り込まれ効率が飛躍的に増大し、わずかな窒素原料によって窒素添加が可能となるので、製造コストの低減に対しても有利である。また、通常、ガイド層(またはクラッド層)におけるＡｌ組成は活性層に比べて大きく、このため、ガイド層表面での窒素取り込まれ効率も高い。このため、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層の成長開始時にクラッド層(またはガイド層)の表面で余剰に窒素が取り込まれ、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層の結晶性が低下する。これは、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層の組成および成長条件の自由度を小さくするものである。これに対し、本発明のようにクラッド層(またはガイド層)とＡｌＧａＩｎＮＰ活性層との間に、クラッド層(またはガイド層)よりもＡｌ組成の小さなＡｌＧａＩｎＰ中間層を挿入することで、界面での余剰な窒素取り込みを減少させることができる。これによって、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層への高濃度の窒素の添加も可能となり、組成および成長条件の自由度が増大する。以上のことから、バンド設計および成長条件の自由度が高く、かつ特性温度の高い発光素子の実現が容易になる。
【００３２】
また、本発明の半導体発光素子は、上記の構造の半導体発光素子において、中間層Ａｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)ＰのＡｌ組成が活性層Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)のＡｌ組成よりも小さい(ｘ３≦ｘ１)ものとなっている。すなわち、図１の半導体発光構造において、中間層１０２のＡｌ組成が活性層１０１のＡｌ組成よりも小さいものとなっている。
【００３３】
前述したように、ＡｌＧａＩｎＰ中への窒素の取り込まれ効率は、アルミニウムあるいは有機アルミニウム化合物により著しく向上する。窒素の取り込まれ効率にこのようなＡｌ組成依存性があるため、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層をこれよりもＡｌ組成の大きな下層膜上に成長する場合には、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層の下層膜表面で余剰な窒素の取り込まれが生じる。これに対し、中間層のＡｌ組成を、クラッド層(またはガイド層)よりも小さく、さらにＡｌＧａＩｎＮＰ活性層のＡｌ組成よりも小さく選ぶと、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層に窒素添加するような条件では中間層表面での窒素取り込まれはほとんど生じない。このように、中間層のＡｌ組成をＡｌＧａＩｎＮＰ活性層のＡｌ組成より小さく選ぶことによって、界面での余剰な窒素の取り込まれを効果的に低減することが可能となる。界面での余剰な窒素の取り込まれが低減できることで、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層への高濃度の窒素の添加も可能となり、組成および成長条件の自由度が増大する。以上のことから、バンド設計および成長条件の自由度が高く、かつ特性温度の高い発光素子の実現が容易になる。
【００３４】
図４は本発明に係る半導体発光素子の第１の実施形態を具体的に示す図として、最も簡単な絶縁膜ストライプ型レーザーの断面構造を示す図である。図４に示す半導体発光素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板(ｎ−ＧａＡｓ傾斜基板)３０９上に、ｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層３０８(膜厚が１μｍ)，ｕｎｄｏｐｅ−(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ光ガイド層１１１(膜厚が０．１μｍ)，ｕｎｄｏｐｅ−(Ａｌ0.1Ｇａ0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０２(膜厚が４ｎｍ)，ｕｎｄｏｐｅ−(Ａｌ0.2Ｇａ0.8)0.5Ｉｎ0.5Ｎ0.002Ｐ0.998活性層１０１(膜厚が３０ｎｍ)，ｕｎｄｏｐｅ−(Ａｌ0.1Ｇａ0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０２(膜厚が４ｎｍ)，ｕｎｄｏｐｅ−(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ光ガイド層１０３(膜厚が０．１μｍ)，ｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層３０４(膜厚が１μｍ)，ｐ−ＧａＡｓコンタクト絶縁層３０５，ＳｉＯ2絶縁層３０６，ｐ側電極３０７が順次に形成されている。また、ｎ−ＧａＡｓ基板３０９の裏面には、ｎ側電極３１０が形成されている。
【００３５】
なお、このような構造の半導体発光素子は、例えば有機金属気相成長法によりIII族有機金属原料としてＴＭＧ(トリメチルガリウム)，ＴＭＡ(トリメチルアルミニウム)，ＴＡＩ(トリメチルインジウム)を用い、Ｖ族原料としてＰＨ3(ホスフィン)を用い、窒素原料としてＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジン)を用い、キャリアガスとしてＨ2を用いて、ｎ−ＧａＡｓ傾斜基板上に成長を行なうことができる。なお、この場合の成長温度は７５０℃程度である。
【００３６】
図４の半導体発光素子では、中間層の組成は、(Ａｌ0.1Ｇａ0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐと、ガイド層および活性層のＡｌ組成よりも小さく選ばれている。活性層組成にＡｌが含まれていることにより窒素の取り込まれが飛躍的に向上し、前述したように、これまで窒素を添加することが困難であったような高い成長温度でも容易に窒素を添加することができる。元来、光ガイド層やクラッド層のようにＡｌ組成を含む構造では、成長温度をこのように高温に設定できることは、発光効率，結晶性の点から見ても望ましい。
【００３７】
また、(Ａｌ0.1Ｇａ0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層なしで、図４の構造を成長させた場合には、成長表面には荒れが見られ鏡面を得られず、発光効率も著しく悪かったが、図４の構造のように光ガイド層上に(Ａｌ0.1Ｇａ0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層を設けた場合には、活性層の成長開始時に余剰な窒素が取り込まれ、多結晶化することが防止できる。その結果、成長表面は鏡面となり、発光強度も飛躍的に増大する。さらに、活性層組成にＡｌを含むことでバンドギャップエネルギーが増加するので、窒素添加による長波長化を補償することができ、例えば、発光波長６３５ｎｍを得ることができる。
【００３８】
このように、(Ａｌ0.1Ｇａ0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層を用いることにより結晶性が良好で発光効率が高く、かつ窒素添加により伝導帯バンド不連続が大きくなった結果、特性温度の高い発光素子が実現できる。
【００３９】
上述の例では、半導体発光素子を有機金属気相成長法による成長によって作製した場合の例を示したが、ＭＢＥ(分子線成長法)等の他の成長法を用いて半導体発光素子を作製することもできる。また、上述の例では、窒素の原料として、ＤＭＨｙを用いたが、活性化した窒素やＮＨ3等他の窒素化合物を用いることもできる。また、活性層組成も歪みを有するものであっても良い。また、上述の例では絶縁膜ストライプ型レーザーについて述べたが、これに限らず他の構造のレーザーについても本発明を同様に適用することもできる。
【００４０】
また、本発明の半導体発光素子は、第２の実施形態として、中間層がＧａy4Ｉｎ(1-y4)Ｐ(０＜ｙ４＜１)であることを特徴としている。
【００４１】
ＡｌＧａＩｎＰ中への窒素の取り込まれ効率は、前述のように、アルミニウムあるいは有機アルミニウム化合物により著しく向上する。上記中間層はＧａＩｎＰを用いており、Ａｌ元素を含んでいないことからＡｌＧａＩｎＮＰ活性層へ窒素を添加するような成長条件では、ＧａＩｎＰ中間層への窒素取り込まれはほとんど生じない。また、中間層の元素種を３元と少なくすることで、組成の制御性が向上し、良質の結晶成長が容易となる等の利点が得られる。このように、ＧａＩｎＰを中間層とすることで、中間層の組成の制御性および結晶性が向上し、かつ界面での余剰な窒素の取り込みを著しく減少させることができる。これによって、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層への高濃度の窒素の添加も可能となり、組成および成長条件の自由度が増大する。以上のことから、バンド設計および成長条件の自由度が高く、かつ特性温度の高い発光素子の実現が容易になる。
【００４２】
図５は本発明に係る半導体発光素子の第２の実施形態を具体的に示す図として、最も簡単な絶縁膜ストライプ型レーザーの断面構造を示す図である。図５に示す半導体発光素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板(ｎ−ＧａＡｓ傾斜基板)３０９上に、ｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層３０８(膜厚が１μｍ)，ｕｎｄｏｐｅ−(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ光ガイド層１１１(膜厚が０．１μｍ)，ｕｎｄｏｐｅ−Ｇａ0.65Ｉｎ0.35Ｐ中間層４０２(膜厚が４ｎｍ)，ｕｎｄｏｐｅ−(Ａｌ0.2Ｇａ0.8)0.5Ｉｎ0.5Ｎ0.002Ｐ0.998活性層１０１(膜厚が３０ｎｍ)，ｕｎｄｏｐｅ−Ｇａ0.65Ｉｎ0.35Ｐ中間層４０２(膜厚が４ｎｍ)，ｕｎｄｏｐｅ−(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ光ガイド層１０３(膜厚が０．１μｍ)，ｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層３０４(膜厚が１μｍ)，ｐ−ＧａＡｓコンタクト絶縁層３０５，ＳｉＯ2絶縁層３０６，ｐ側電極である３０７が順次に形成されている。また、ｎ−ＧａＡｓ基板３０９の裏面には、ｎ側電極３１０が形成されている。
【００４３】
なお、このような構造の半導体発光素子は、例えば有機金属気相成長法によりIII族有機金属原料としてＴＭＧ(トリメチルガリウム)，ＴＭＡ(トリメチルアルミニウム)，ＴＡＩ(トリメチルインジウム)を用い、Ｖ族原料としてＰＨ3(ホスフィン)を用い、窒素原料としてＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジン)を用い、キャリアガスとしてＨ2を用いて、ｎ−ＧａＡｓ傾斜基板上に成長を行なうことができる。なお、この場合の成長温度は７５０℃程度である。
【００４４】
図５の半導体発光素子では、活性層組成にＡｌが含まれていることにより窒素の取り込まれが飛躍的に向上し、前述したように、これまで窒素を添加することが困難であったような高い成長温度でも容易に窒素を添加することができる。元来、光ガイド層やクラッド層のようにＡｌ組成を含む構造では、成長温度をこのように高温に設定できることは、発光効率，結晶性の点から見ても望ましい。
【００４５】
また、Ｇａ0.65Ｉｎ0.35Ｐ中間層なしで、図５の構造を成長させた場合には、成長表面には荒れが見られ鏡面を得られず、発光効率も著しく悪かったが、図５の構造のように光ガイド層上にＧａ0.65Ｉｎ0.35Ｐ中間層を設けた場合には、活性層の下層がＡｌを含んでいないので、これによる余剰な窒素の取り込みは生ぜず、成長開始時に余剰な窒素が取り込まれて多結晶化することを防止できる。その結果、成長表面は鏡面となり、発光強度も飛躍的に増大する。さらに、活性層組成にＡｌを含むことでバンドギャップエネルギーが増加するので、窒素添加による長波長化を補償することができ、例えば発光波長６３５ｎｍを得ることができる。
【００４６】
このように、Ｇａ0.65Ｉｎ0.35Ｐ中間層を用いることにより結晶性が良好で発光効率が高く、かつ特性温度の高い発光素子が実現できる。
【００４７】
本発明の第１，第２の実施形態の半導体発光素子は、上述したように、Ａｌ原料としてＴＭＡ(トリメチルアルミニウム)，ＴＥＡ(トリエチルアルミニウム)等の有機金属化合物を用いて、有機金属気相成長法により形成できる。
【００４８】
すなわち、窒素と他のＶ族元素を含んだ窒素系Ｖ族混晶半導体は非混和性が高い。このような材料の成長においては、成長表面において過飽和度を高くする必要がある。有機金属気相成長法は、過飽和度を高くできる成長法であり、本発明の半導体発光素子の形成に適している。この場合、Ａｌの原料として、ＴＭＡ(トリメチルアルミニウム)，ＴＥＡ(トリエチルアルミニウム)等の有機金属化合物を用いることで、窒素の取り込み効率を向上することができ、容易にかつ良好に窒素系Ｖ族混晶半導体を成長させることができる。これによって、特性温度の高い素子を容易に実現することができる。
【００４９】
また、本発明の第１，第２の実施形態の半導体発光素子は、上述したように、窒素の原料としてＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジン)，ＭＭＨｙ(モノメチルヒドラジン)等の有機系窒素化合物を用いて形成できる。
【００５０】
すなわち、高温であるほど成長層を形成する各元素の蒸気圧が高くなり、特に窒素を添加することが困難になるので、成長は低温で行なうことが望ましい。有機系窒素化合物は分解温度が低く、低温においても成長が可能であるので、容易にかつ良好に窒素系Ｖ族混晶半導体を得ることができる。これによって特性温度の高い素子を容易に実現することができる。
【００５１】
なお、上述の例では、半導体発光素子を有機金属気相成長法による成長によって作製した場合の例を示したが、ＭＢＥ(分子線成長法)等の他の成長法を用いて半導体発光素子を作製することもできる。また、上述の例では、窒素の原料として、ＤＭＨｙを用いたが、活性化した窒素やＮＨ3等他の窒素化合物を用いることもできる。また、活性層組成も歪みを有するものであっても良い。また、上述の例では絶縁膜ストライプ型レーザーについて述べたが、これに限らず他の構造のレーザーについても本発明を同様に適用することもできる。
【００５２】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１記載の発明によれば、Ｖ族元素としてＮ(窒素)を含む窒素系Ｖ族混晶半導体において、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層(０≦ｘ１＜１，０＜ｙ１≦１，０＜ｚ１＜１)とこれよりもＡｌ組成が大きなＡｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層(０≦ｘ１＜ｘ２≦１，０≦ｙ２＜１)との間に、Ａｌ x1 Ｇａ y1 Ｉｎ (1-x1-y1) Ｎ z1 Ｐ (1-z1) のＡｌ組成よりも小さな ( ｘ３≦ｘ１ )Ａｌ組成のＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層(０≦ｘ３≦ｘ１＜ｘ２≦１，０＜ｙ３≦１)が配置されているので、添加する窒素量を制御することにより、従来にはないヘテロ構造が得られ、バンド設計の自由度が増大する。また、ＡｌＧａＩｎＮＰ層がＡｌ元素を含んでいることによって、成長時の窒素取り込まれ効率が飛躍的に増大し、わずかな窒素原料によって窒素添加が可能となるため、製造コストを低減できる。さらに、本発明の半導体積層構造は、ＡｌＧａＩｎＮＰ層とこれの下層膜からなる所望するヘテロ構造の間に、ＡｌＧａＩｎＮＰ層の下層膜よりも窒素の取り込まれ効率の低い、Ａｌ組成の小さなＡｌＧａＩｎ(Ｎ)Ｐ中間層を配置した構造となっていることで、界面での余剰な窒素の取り込まれ(窒素偏析)が減少し、結晶性の良いＡｌＧａＩｎＮＰ層を得ることができる。この時に用いる中間層の厚さは、ＡｌＧａＩｎＮＰ層の下層膜が完全に被覆される厚さであれば良い。これによって窒素組成が大きく、かつ良質なＡｌＧａＩｎＮＰ層の成長も可能となり、高いバンド設計および成長条件の自由度を持ったＡｌＧａＩｎＮＰを含む半導体積層構造を容易に実現することができる。
【００５３】
また、請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の半導体積層構造において、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層(０≦ｘ１＜１，０＜ｙ１≦１，０＜ｚ１＜１)を活性層として用い、Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層(０≦ｘ１＜ｘ２≦１，０≦ｙ２＜１)をクラッド層またはガイド層として用い、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層とＡｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層との間のＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層(０≦ｘ３≦ｘ１＜ｘ２≦１，０＜ｙ３≦１)を前記活性層と前記クラッド層またはガイド層との間の中間層として用いるようになっており、活性層をＡｌＧａＩｎＮＰ層とすることで、キャリア(電子)オーバーフローを低減することができる。また、活性層へのＡｌ添加はクラッド層またはガイド層との伝導帯およびバンド不連続を小さくし、バンドギャップエネルギーを減少させる。つまり、活性層を、Ａｌ，窒素を同量添加したＡｌＧａＩｎＮＰとすると、Ａｌ添加の作用によって窒素添加によるバンドギャップエネルギーの減少分を補償できるので、伝導帯バンド不連続を大きく保ったままバンドギャップエネルギーを増加させることができる。すなわち、従来では伝導帯バンド不連続量が小さいために短波長化には限界があったが、伝導帯バンド不連続を大きく保ったままバンドギャップエネルギーを増加させることができることによって短波長化が容易になる。また、活性層組成にＡｌ元素を含むことにより成長時の窒素取り込まれ効率が飛躍的に増大し、わずかな窒素原料によって窒素添加が可能となり、製造コストを低減できる。また、クラッド層またはガイド層とＡｌＧａＩｎＮＰ活性層との間に、クラッド層またはガイド層よりもＡｌ組成の小さなＡｌＧａＩｎＰ中間層を挿入することで、界面での余剰な窒素取り込みを減少させることができる。これによって、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層への高濃度の窒素の添加も可能となり、組成および成長条件の自由度が増大する。以上からバンド設計および成長条件の自由度が高く、かつ特性温度の高い発光素子の実現が容易になる。
【００５４】
また、請求項２記載の発明によれば、前記中間層であるＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層のＡｌ組成が、活性層であるＡｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層のＡｌ組成よりも小さい(ｘ３≦ｘ１)ので、すなわち、中間層のＡｌ組成をＡｌＧａＩｎＮＰ活性層のＡｌ組成よりも小さく選ぶことによって、界面での余剰な窒素の取り込まれを効果的に低減することが可能となる。このように界面での余剰な窒素の取り込まれが低減できることで、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層への高濃度の窒素の添加も可能となり、組成および成長条件の自由度が増大する。以上からバンド設計および成長条件の自由度が高く、かつ特性温度の高い発光素子の実現が容易になる。
【００５５】
また、請求項３記載の発明によれば、中間層をＧａy4Ｉｎ(1-y4)Ｐ(０＜ｙ４＜１)とすることで、中間層の組成の制御性および結晶性が向上し、かつ界面での余剰な窒素の取り込みを著しく減少させることができる。これによって、ＡｌＧａＩｎＮＰ活性層への高濃度の窒素の添加も可能となり、組成および成長条件の自由度が増大する。以上からバンド設計および成長条件の自由度が高く、かつ特性温度の高い発光素子の実現が容易になる。
【００５６】
また、請求項４記載の発明によれば、請求項２または請求項３記載の半導体発光素子において、Ａｌ原料としてＴＭＡ(トリメチルアルミニウム)，ＴＥＡ(トリエチルアルミニウム)等の有機金属化合物を用い、有機金属気相成長法によって、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層，Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層またはＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層が形成されるので、窒素の取り込み効率を向上することができ、容易にかつ良好に窒素系Ｖ族混晶半導体を成長することができる。これによって特性温度の高い素子を容易に実現することができる。
【００５７】
また、請求項５記載の発明によれば、請求項２乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、窒素の原料としてＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジン)，ＭＭＨｙ(モノメチルヒドラジン)等の有機系窒素化合物を用いて、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層が形成されるようになっており、有機系窒素化合物は分解温度が低く、低温においても成長が可能であるので、容易にかつ良好に窒素系Ｖ族混晶半導体を得ることができる。これによって特性温度の高い素子を容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体積層構造の構成例を示す図である。
【図２】図１の半導体積層構造の具体例を示す図である。
【図３】 (Ａｌ0.2Ｇａ0.8)0.5Ｉｎ0.5Ｐでの窒素の取り込まれ量をＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐと比較した図である。
【図４】本発明に係る半導体発光素子の第１の実施形態を示す図である。
【図５】本発明に係る半導体発光素子の第２の実施形態を示す図である。
【図６】ＭＯＣＶＤ法によって作製したＧａＩｎＮＰ／ＡｌＧａＩｎＰの積層構造のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。
【符号の説明】
１０１ Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層
１０２ Ａｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ中間層
１０３，１１１ Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層
１０４ ＧａＡｓバッファ層
１０５ ＧａＡｓ基板
３０４ ｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層
３０５ ｐ−ＧａＡｓコンタクト絶縁層
３０６ ＳｉＯ2絶縁層
３０７ ｐ側電極
３０８ ｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層
３０９ ｎ−ＧａＡｓ基板(ｎ−ＧａＡｓ傾斜基板)
３１０ ｎ側電極
４０２ ｕｎｄｏｐｅ−Ｇａ0.65Ｉｎ0.35Ｐ中間層
Claims (5)
- Ｖ族元素としてＮ(窒素)を含む窒素系Ｖ族混晶半導体において、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層(０≦ｘ１＜１，０＜ｙ１≦１，０＜ｚ１＜１)とこれよりもＡｌ組成が大きなＡｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層(０≦ｘ１＜ｘ２≦１，０≦ｙ２＜１)との間に、Ａｌ x1 Ｇａ y1 Ｉｎ (1-x1-y1) Ｎ z1 Ｐ (1-z1) のＡｌ組成よりも小さな ( ｘ３≦ｘ１ )Ａｌ組成のＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層(０≦ｘ３≦ｘ１＜ｘ２≦１，０＜ｙ３≦１)が配置されていることを特徴とする半導体積層構造。
- 請求項１記載の半導体積層構造において、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層(０≦ｘ１＜１，０＜ｙ１≦１，０＜ｚ１＜１)を活性層として用い、Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層(０≦ｘ１＜ｘ２≦１，０≦ｙ２＜１)をクラッド層またはガイド層として用い、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層とＡｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層との間のＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層(０≦ｘ３≦ｘ１＜ｘ２≦１，０＜ｙ３≦１)を前記活性層と前記クラッド層またはガイド層との間の中間層として用いることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項２記載の半導体発光素子において、中間層としてＧａy4Ｉｎ(1-y4)Ｐ(０＜ｙ４＜１)を用いることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項２または請求項３記載の半導体発光素子において、Ａｌ原料としてＴＭＡ(トリメチルアルミニウム)，ＴＥＡ(トリエチルアルミニウム)等の有機金属化合物を用い、有機金属気相成長法によって、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層，Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ(1-x2-y2)Ｐ層またはＡｌx3Ｇａy3Ｉｎ(1-x3-y3)Ｐ層が形成されることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項２乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、窒素の原料としてＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジン)，ＭＭＨｙ(モノメチルヒドラジン)等の有機系窒素化合物を用いて、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ(1-x1-y1)Ｎz1Ｐ(1-z1)層が形成されることを特徴とする半導体発光素子。
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