JP4199835B2 - 半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法に関し、詳細には、半導体レーザーや発光ダイオード等に用いる半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
１．３μｍ帯、１．５μｍ帯の半導体レーザーの材料としては、従来、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系の材料が用いられている。また、光加入者システムを普及させるためには、低コスト化が要望されており、半導体レーザーの温度特性を改善して、電子冷却素子等を使用せずに、かつ、注入電流を制御してパワーが一定になるように制御するＡＰＣ（オートパワーコントロール）フリーのシステムの実現が研究されている。ところが、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系の材料は、材料的に伝導帯のバンド不連続をあまり大きくできないため、キャリアがオーバーフローしやすく、また、その温度依存性が大きいため、その実現が困難であった。
【０００３】
最近、新規半導体材料として、Ｖ族にＮを含んだＮ系混晶半導体材料の研究が行われており、例えば、特開平６−３３４１６８号公報には、Ｓｉ基板上にIII −Ｖ族混晶半導体素子を作成する手段として格子整合系材料であるＮ系混晶半導体をエピタキシャル成長させる技術が記載されている。この公報では、Ｓｉ基板に格子整合するＧａＮ0.03Ｐ0.97クラッド層、ＧａＮｐとＧａＮＡｓの歪超格子活性層を用いた半導体レーザーやフォトダイオードが提案されている。
【０００４】
この技術を用いると、Ｓｉ基板上にIII −Ｖ族混晶半導体素子をミスフィット転位を発生させることなくエピタキシャル成長させることが可能となり、Ｓｉ電子素子とのモノリシック化も可能性がある。
【０００５】
また、ＧａＡｓ、ＩｎＰ及びＧａＰ基板と格子整合可能なＩｎＧａＮＡｓ、ＡｌＧａＮＡｓ、ＧａＮＡｓ等の混晶半導体の例も特開平６−０３７３５５公報に記載されている。
【０００６】
従来、ＧａＡｓ基板に格子整合するIII −Ｖ族半導体の中で、ＧａＡｓよりもバンドギャップエネルギーが小さい材料は、存在しなかった。ところが、例えば、ＩｎＧａＮＡｓは、ＧａＡｓ基板に格子整合可能であり、しかも少ないＮ組成では、ＧａＡｓよりもバンドギャップエネルギーが小さい材料が得られ、従来ＧａＡｓ基板上には形成が困難であったＧａＡｓの発光波長より長波長（１．５μｍ帯など）の発光素子が形成可能であることが分かってきた。
【０００７】
ＧａＡｓにＩｎを添加すると、格子定数は大きくなり、バンドギャップエネルギーは、小さくなるが、これに対して、Ｎを添加すると、格子定数が小さくなり、バンドギャップエネルギーが同様に小さくなる。すなわち、ＩｎxＧａ1-xＡｓにＮ添加すると、バンドギャップエネルギーは、ＩｎxＧａ1-xＡｓよりも小さくなり、さらに、格子定数がＧａＡｓと一致する条件が存在する。
【０００８】
このように、ＩｎＧａＮＡｓ層は、ＧａＡｓ基板に格子整合が可能であるので、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギーに対応する約８７０ｎｍ（室温）の発光波長よりも長波長の発光素子を、従来からあるＧａＡｓに格子整合せず、ＧａＡｓよりも格子定数の大きいＩｎＧａＡｓを発光層に用いた場合に比べて、容易に高品質に形成することができる。しかも、１．３μｍ帯、１．５μｍのより長波長の素子の形成も可能である。
【０００９】
そして、積層構造については、Abstracts of the 1995 International Conference on Solid State Devicies and Materials 予稿集（ｐ１０１６〜ｐ１０１８）に示されている。これによると、ＩｎＧａＮＡｓ活性層に対してバンドギャップエネルギーの大きいＡｌＧａＡｓをクラッド層とする提案が示されている。この予稿集の中で、ＩｎＧａＮＡｓ活性層とＡｌＧａＡｓクラッド層は、直接接した構造となっている。この材料系では、伝導帯のバンド不連続が大きいので、注入キャリアをＩｎＧａＮＡｓ活性層に効率よく閉じ込めることができ、従来のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系材料の長波長レーザーの欠点であった悪い温度特性を著しく改善することができ、また、高出力（ハイパワー）も可能となった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＩｎＧａＮＡｓ／ＧａＡｓ系材料は、ＩｎＧａＡｓに対してＮを添加するので、Ｉｎ組成を大きくし長波長にするほどその格子定数が、ＧａＡｓの格子定数よりも大きくなり、ＧａＡｓ基板上に格子緩和しないでＩｎＧａＮＡｓを形成するためには、Ｉｎ組成をあまり大きくできない。すなわち、あまり長波長ではないＩｎＧａＡｓに対してＮを添加する必要があり、ＧａＡｓ基板に格子整合する材料で、１．３μｍ以上の発光素子を得ようとすると、Ｖ族中のＮ組成を４％程度以上にする必要があった。ところが、Ｖ族にＮを含んだＮ系混晶半導体材料は、もともと非混和性の強い混晶系であるので、形成し難い。例えば、Ｎは、成長中の基板表面から離脱しやすく、大きなＮ組成を得ることが難しく、また、Ｎ組成を大きくするほど、ＰＬ（フォトルミネッセンス）強度が低下する等の結晶性が悪化する。その結果、長波長になるほど、良好な結晶を得にくく、ＩｎＧａＮＡｓ／ＧａＡｓ系材料による高性能な１．５μｍ帯等のより長波長の発光素子は、形成が難しいという問題があった。
【００１１】
そこで、請求項１記載の発明は、井戸層とバリア層とガイド層とクラッド層が積層された積層構造からなる半導体発光素子において、前記井戸層は、少なくともＮを含む混晶半導体ＧａａＩｎ１−ａＮｂＡｓｃＰ１−ｂ−ｃ（０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成され、前記井戸層に接するバリア層は、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きくＮを含むＧａｄＩｎ１−ｄＮｅＡｓｆＰ１−ｅ−ｆ（０≦ｄ＜１、０＜ｅ＜１、０≦ｆ＜１）層で形成され、前記井戸層はミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の圧縮格子歪を有し、前記バリア層はミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の引っ張り格子歪を有しており、前記積層構造は、ＩｎＰ基板上に形成されていることにより、１．３μｍ帯、１．５μｍ帯に対応した値よりわずかに大きいＧａＩｎＡｓＰに対してＮをわずかに添加するだけで、１．３μｍ帯、１．５μｍ帯等の井戸層となるＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層を形成することができ、従来のＩｎＰ基板上に形成した材料系に比べて伝導帯の不連続を飛躍的に大きくして、注入キャリアの閉じ込め効率を向上させ、温度特性が良好で、簡単、かつ、容易に製造することのできる高性能の１．３μｍ帯、１．５μｍ帯等の長波長の半導体発光素子を提供することを目的としている。
【００１２】
特に、請求項１記載の発明は、前記井戸層に接するバリア層が、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きくＮを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ａｓ ｆ Ｐ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ＜１、０＜ｅ＜１、０≦ｆ＜１）層で形成されていることにより、格子定数及びバンドギャップエネルギー等を制御して、井戸層と当該井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きい他の層により形成されたヘテロ接合を含む積層構造を形成し、温度特性が良好で、容易に製造することのできる高性能な長波長の半導体発光素子を提供することを目的としている。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明の半導体発光素子は、井戸層とバリア層とガイド層とクラッド層が積層された積層構造からなる半導体発光素子において、前記井戸層は、少なくともＮを含む混晶半導体ＧａａＩｎ１−ａＮｂＡｓｃＰ１−ｂ−ｃ（０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成され、前記井戸層に接するバリア層は、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きくＮを含むＧａｄＩｎ１−ｄＮｅＡｓｆＰ１−ｅ−ｆ（０≦ｄ＜１、０＜ｅ＜１、０≦ｆ＜１）層で形成され、前記井戸層はミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の圧縮格子歪を有し、前記バリア層はミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の引っ張り格子歪を有しており、前記積層構造は、ＩｎＰ基板上に形成されていることにより、上記目的を達成している。
【００１９】
上記構成によれば、井戸層とバリア層とガイド層とクラッド層が積層された積層構造からなる半導体発光素子において、前記井戸層は、少なくともＮを含む混晶半導体ＧａａＩｎ１−ａＮｂＡｓｃＰ１−ｂ−ｃ（０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成され、前記井戸層に接するバリア層は、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きくＮを含むＧａｄＩｎ１−ｄＮｅＡｓｆＰ１−ｅ−ｆ（０≦ｄ＜１、０＜ｅ＜１、０≦ｆ＜１）層で形成され、前記井戸層はミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の圧縮格子歪を有し、前記バリア層はミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の引っ張り格子歪を有しており、前記積層構造は、ＩｎＰ基板上に形成されているので、１．３μｍ帯、１．５μｍ帯に対応した値よりわずかに大きいＧａＩｎＡｓＰに対してＮをわずかに添加するだけで、１．３μｍ帯、１．５μｍ帯等の井戸層となるＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層を形成することができ、従来のＩｎＰ基板上に形成した材料系に比べて伝導帯の不連続を飛躍的に大きくして、注入キャリアの閉じ込め効率を向上させることができる。したがって、半導体発光素子を温度特性が良好なものとすることができるとともに、高性能の１．３μｍ帯、１．５μｍ帯等の長波長の半導体発光素子を簡単、かつ、容易に製造することができる。
【００２０】
すなわち、ＩｎＰの格子定数に近いＧａＩｎＡｓＰは、もともと０．９〜１．７μｍと長波長に対応したバンドギャップエネルギーを持っているので、格子定数が、ＩｎＰよりもわずかに大きく、バンドギャップエネルギーが１．３μｍ帯、１．５μｍ帯に対応した値よりもわずかに大きいＧａＩｎＡｓＰに対して、Ｎをわずかに添加するだけで、ＩｎＧａＮＡｓ／ＧａＡｓ系材料に比べて小さいＮ組成で、１．３μｍ帯、１．５μｍ帯等の発光素子の井戸層となるＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層を形成することができ、半導体発光素子を容易に作製することができる。また、Ｎの添加は、伝導帯のバンドオフセット比を大きくする効果があり、本請求項の発明は、井戸層と該井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きい他の層からなるヘテロ接合を含むので、従来のＩｎＰ基板上に形成した材料系に比べて、伝導帯のバンド不連続を、画期的に大きくすることができ、注入キャリアの閉じ込め効率を向上させることができる。したがって、温度特性が良好で、高性能な、１．３μｍ帯、１．５μｍ帯等の長波長半導体発光素子を容易に形成することができる。
【００２１】
さらに、Ｉｎ組成及びＡｓ組成がそれぞれＧａ組成及びＰ組成に比べて大きなＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c （例えば、ａ＜０．４７、１−ｂ−ｃ＝０）を選ぶと、従来のＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系材料ではできなかったＩｎＰ基板に格子整合する１．７μｍ以上の長波長半導体発光素子を形成することができる。そして、従来、この波長帯は、ＧａＳｂ基板上のＧａＩｎＡｓＳｂなどＳｂ（アンチモン）を含んだ材料等が用いられているが、本請求項の発明によれば、安価で高品質なＩｎＰ基板を用いて半導体発光素子を作成することができる。
【００２２】
特に、請求項１記載の発明の半導体発光素子は、井戸層に接するバリア層が、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きくＮを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ａｓ ｆ Ｐ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ＜１、０＜ｅ＜１、０≦ｆ＜１）層で形成されていることにより、上記目的を達成している。
【００２３】
上記構成によれば、井戸層は、少なくともＮを含む混晶半導体Ｇａ ａ Ｉｎ １−ａ Ｎ ｂ Ａｓ ｃ Ｐ １−ｂ−ｃ （０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成され、前記井戸層に接するバリア層は、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きくＮを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ａｓ ｆ Ｐ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ＜１、０＜ｅ＜１、０≦ｆ＜１）層で形成され、前記積層構造は、ＩｎＰ基板上に形成されているので、格子定数及びバンドギャップエネルギー等を制御して、井戸層と当該井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きい他の層により形成されたヘテロ接合を含む積層構造を形成することができ、温度特性が良好で、高性能な長波長の半導体発光素子を容易に製造することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
【００３５】
図１及び図２は、本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第１の実施の形態を示す図であり、本実施の形態は、請求項１及び請求項２に対応するものである。
【００３６】
図１は、本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第１の実施の形態を適用した半導体発光素子１の正面断面図である。
【００３７】
図１において、半導体発光素子１は、ｎ型ＩｎＰ層で形成された被成長基板２上に、クラッド層３、活性層４、クラッド層５及びキャップ層６が順次積層されており、少なくともＮを含んだＮ系混晶半導体材料であるＧａＩｎＮＡｓＰ層をＩｎＰ層である被成長基板２上に形成したものである。
【００３８】
クラッド層３は、ＩｎＰ層である被成長基板２上に形成され、ｎ型ＩｎＰにより形成されている。
【００３９】
活性層４は、ｎ型ＩｎＰ層であるクラッド層３上に形成され、ＧａＩｎＮＡｓＰ層、すなわち、ＩｎＰ層である被成長基板２に格子整合し波長１．４μｍの少なくともＮを含む混晶半導体ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c （０≦ａ＜１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成されている。
【００４０】
クラッド層５は、活性層４上に形成され、ｐ型ＩｎＰ層で形成されている。キャップ層６は、ｐ+ 型ＩｎＧａＡｓ層で形成されている。
【００４１】
すなわち、半導体発光素子１は、ＩｎＰ層である被成長基板２上に、ＧａＩｎＮＡｓＰ層で活性層４を、ＩｎＰ層でクラッド層３、５を形成したＤＨ（Double Hetero Junction）構造となっている。
【００４２】
次に、この半導体発光素子１の製造方法について、図２に基づいて説明する。図２は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ）装置１０の反応室部分の概略構成図であり、ＭＯＣＶＤ装置１０は、横型炉である。なお、ＭＯＣＶＤ装置１０としては、横型炉に限るものではなく、縦型炉であってもよい。
【００４３】
ＭＯＣＶＤ装置１０は、内部に反応室１１を有する石英反応管１２の周囲に冷却管１３が配設されており、石英反応管１２には、反応室１１に原料ガスとキャリアガスを供給するためのガス供給口１４が形成されている。また、石英反応管１２には、図示しない排気装置に接続されて、反応室１１内のガスを排気する排気管１５が接続されている。石英反応管１２の反応室１１内には、カーボンサセプター１６が配設されており、カーボンサセプター１６は、高周波加熱コイル１７により加熱される。高周波加熱コイル１７により加熱されるカーボンサセプター１６の温度は、熱電対１８により検出される。カーボンサセプター１６上には、上記被成長基板２がセットされる。
【００４４】
このＭＯＣＶＤ装置１０を使用して半導体発光素子１を製造するには、カーボンサセプター１６に被成長基板２としてＩｎＰ基板をセットし、図示しない排気装置により反応室１１内の圧力を１．３×１０4 Ｐａに減圧する。そして、熱電対１８により温度検出を行いつつ、高周波加熱コイル１７によりカーボンサセプター１６を加熱して、被成長基板２であるＩｎＰ基板を所定温度に加熱制御し、原料ガスとキャリアガスを同時にガス供給口１４から反応室１１内に供給することにより、被成長基板２であるＩｎＰ基板上に順次クラッド層３、活性層４、クラッド層５及びキャップ層６を積層する。
【００４５】
まず、上記ＭＯＣＶＤ装置１０を用いて被成長基板２であるＩｎＰ層上にＧａＩｎＮＡｓＰ層を形成する場合について説明する。
【００４６】
原料ガスとしては、III 族原料として、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、あるいは、ＴＥＩ（トリエチルインジウム）を、Ａｓの原料として、ＡｓＨ3 （アルシン）を、Ｐの原料として、ＰＨ3 （フォスフィン）を、Ｎの原料として、有機系窒素化合物であるＤＭＨｙ（ヂメチルヒドラジン）、ＭＭＨｙ（モノメチルヒドラジン）、あるいは、ＴＢＡ（ターシャリブチルアミン）等を使用し、キャリアガスとしては、Ｈ2 を使用する。
【００４７】
上記条件で原料ガスとキャリアガスを同時にガス供給口１４から反応室１１内に供給すると、原料ガスの熱分解とＩｎＰ層である被成長基板２の表面反応により、結晶成長し、成膜される。
【００４８】
上記条件で得られたＧａＩｎＮＡｓＰ層は、被成長基板２であるＩｎＰ層に格子整合しており、ＰＬ（フォトルミネッセンス）中心波長は、約１．４μｍであった。このようなＧａＩｎＮＡｓＰ層の発光波長は、Ｉｎ、Ａｓ及びＮの組成を大きくすることで、長波長化することができる。
【００４９】
すなわち、一般に、ＧａＩｎＡｓＰに数％程度の少量のＮを添加すると、格子定数が小さくなり、バンドギャップエネルギーが小さくなる傾向にある。そこで、ＩｎＰより格子定数の大きいＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙにＮを添加すると、バンドギャップエネルギーが、ＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙよりも小さくなり、さらに、格子定数がＩｎＰと一致する条件が存在する。このように、ＧａＩｎＮＡｓＰ層は、ＩｎＰ層である被成長基板２に格子整合可能であるので、１．３μｍ帯、１．５μｍ帯の素子を形成することが可能である。
【００５０】
そこで、上記ＭＯＣＶＤ装置１０を使用して、ＩｎＰ層である被成長基板２に格子整合しているＧａＩｎＮＡｓＰ層を用いて、上記図１に示した積層構造の半導体発光素子１を形成した。
【００５１】
上記半導体発光素子１のウエハを用いて、ストライプ幅が５μｍで、素子長が２００μｍの絶縁膜ストライプ構造のデバイスを作製した。そして、半導体発光素子１は、ＩｎＰ層である被成長基板２よりも格子定数が大きく、波長が１．４μｍよりも短い条件のＧａＩｎＡｓＰに対してＮを少量添加して、波長と格子定数を制御している。すなわち、Ｎを添加することで、格子定数が小さくなり、波長が長波長になる。また、Ｎの添加は、Ｎの電気陰性度が大きいことに起因して、バンドキャップエネルギーを小さくするとともに、伝導帯のバンド不連続を大きくする効果があり、同じ波長１．４μｍに対応するＧａＩｎＡｓＰを発光層（活性層）に用いる場合に比べて、伝導帯のバンド不連続が大きくなる。
【００５２】
したがって、従来の材料系であるＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系材料を用いた発光素子に比べて、注入キャリアのオーバーフローが激減するため、温度特性を画期的に改善することができる。
【００５３】
なお、本実施の形態においては、ＧａＩｎＮＡｓＰ層である活性層４がＩｎＰ層である被成長基板２に格子整合している場合について説明したが、ＧａＩｎＮＡｓＰ層である活性層４は、ＩｎＰ層である被成長基板２に完全に格子整合していなくてもよく、歪みを持っていても臨界膜厚以内の厚さであればよい。
【００５４】
また、上記実施の形態においては、クラッド層３、５として、ＩｎＰ層を用いているが、クラッド層３、５としては、ＩｎＰ層に限るものではなく、活性層４よりもバンドキャップエネルギーが大きければ、ＩｎＰ層である被成長基板２に格子整合可能な組成のＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１）層であってもよい。
【００５５】
さらに、Ｉｎ組成及びＡｓ組成が、それぞれＧａ組成及びＰ組成に比べて、大きなＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c （例えば、ａ＜０．４７、１−ｂ−ｃ＝０）を選ぶと、従来のＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系材料ではできなかったＩｎＰ層である被成長基板２に格子整合する１．７μｍ以上の長波長の半導体発光素子を形成可能である。従来、この波長帯は、ＧａＳｂ基板上のＧａＩｎＡｓＳｂ等のＳｂ（アンチモン）を含んだ材料等が用いられているが、本実施の形態によれば、安価で高品質なＩｎＰ基板２を用いて作製できる。
【００５６】
図３〜図５は、本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第２の実施の形態を示す図であり、本実施の形態は、ＩｎＰ基板に格子整合し波長が１．５５μｍのＧａＩｎＮＡｓＰ活性層（井戸層）、ＩｎＰ基板に格子整合し波長が１．３μｍであるＧａＩｎＡｓＰをバリア層及びガイド層、ＩｎＰをクラッド層にしたＳＣＨ−ＭＱＷ（Separate Confinement Hetero-Structure-Multi Quantum Well）構造としたもので、請求項１〜請求項３に対応するものである。
【００５７】
図３は、半導体発光素子２０の積層構造を示した正面断面図であり、半導体発光素子２０は、ｎ型ＩｎＰ層である被成長基板２１上に、ｎ型ＩｎＰ層で形成されたクラッド層２２、ＧａＩｎＡｓＰ層で形成されたガイド層２３、ＭＱＷ層２４、ＧａＩｎＡｓＰ層で形成されたガイド層２５、ｐ型ＩｎＰ層で形成されたクラッド層２６及びｐ+ 型ＩｎＧａＡｓ層で形成されたキャップ層２７が順次積層されている。
【００５８】
ＭＱＷ層２４は、ＩｎＰ層である被成長基板２１に格子整合し波長１．５５μｍのＧａＩｎＮＡｓＰ層で形成された井戸層と、ＩｎＰ層である被成長基板２１に格子整合し波長が１．３μｍであるＧａＩｎＡｓＰ層で形成されたバリア層と、で形成され、半導体発光素子２０は、これにＧａＩｎＡｓＰ層で形成されたガイド層２３、２５、ＩｎＰ層で形成されたクラッド層２２、２６及びｐ+ 型ＩｎＧａＡｓ層で形成されたギャップ層２７を備えたＳＣＨ−ＭＱＷ構造となっている。
【００５９】
半導体発光素子２０は、ＭＱＷ層２４の井戸層を、ＩｎＰよりも格子定数が大きく波長が１．５５μｍより短い条件のＧａＩｎＡｓＰに対してＮを少量添加して、波長と格子定数を制御して、ＧａＩｎＮＡｓＰ層としている。このように、ＧａＩｎＡｓＰにＮを添加すると、格子定数が小さくなり、波長が長波長になる。また、ＧａＩｎＡｓＰにＮを添加すると、Ｎの電気陰性度が大きいため、バンドギャップエネルギーを小さくすることができるとともに、伝導帯のバンド不連続を大きくすることができ、図４に示す同じ波長１．５５μｍに対応するＧａＩｎＡｓＰを用いる場合に比較して、図５に示すように、伝導帯のバンド不連続を大きくすることができる。したがって、図４に示すような従来の材料系であるＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系材料を用いた半導体レーザーに比較して、注入キャリアのオーバーフローを大幅に減少させることができ、温度特性を画期的に向上させることができる。
【００６０】
なお、ＭＱＷ層２４のＧａＩｎＮＡｓＰで形成された井戸層の組成比は、ＭＱＷ層２４のＧａＩｎＡｓＰで形成されたバリア層よりも価電子帯のエネルギーが小さくならない範囲で選ぶことができる。
【００６１】
また、クラッド層２２、２６は、ＩｎＰ層でなくてもよく、ＭＱＷ層２４のバリア層やガイド層よりもバンドギャップエネルギーの大きなＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y （０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１）層を用いてもよい。
【００６２】
図６は、本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第３の実施の形態を示す図であり、本実施の形態は、ＧａＩｎＮＡｓＰ活性層（井戸層）がＩｎＰ基板に完全には格子整合しておらず臨界膜厚以内の厚さで歪を有しているもので、請求項１〜請求項４に対応するものである。
【００６３】
図６は、半導体発光素子３０の積層構造を示した正面断面図であり、半導体発光素子３０は、ｎ型ＩｎＰ層である被成長基板３１上に、ｎ型ＩｎＰ層で形成されたクラッド層３２、ＧａＩｎＡｓＰ層で形成されたガイド層３３、ＭＱＷ層３４、ＧａＩｎＡｓＰ層で形成されたガイド層３５、ｐ型ＩｎＰ層で形成されたクラッド層３６及びｐ+ 型ＩｎＧａＡｓ層で形成されたキャップ層３７が順次積層されている。そして、ＭＱＷ層３４は、ＧａＩｎＮＡｓＰ層で形成された井戸層と、ＧａＩｎＡｓＰ層で形成されたバリア層と、を有している。
【００６４】
ＭＱＷ層３４のＧａＩｎＮＡｓＰ層で形成された井戸層（活性層）は、ＩｎＰで形成された被成長基板３１に完全には格子整合しておらず、臨界膜厚以内の厚さで歪を持っている。すなわち、半導体発光素子３０は、上記第２の実施の形態のＭＱＷ層２１と比較して、ＭＱＷ層３４のＧａＩｎＮＡｓＰ層で形成された井戸層（活性層）の格子定数がＩｎＰ層である被成長基板３１よりも大きく、圧縮歪を有している。
【００６５】
すなわち、半導体発光素子３０は、波長１．５５μｍのＧａＩｎＮＡｓＰ層である井戸層とＩｎＰ層である被成長基板３１に格子整合し波長が１．３μｍであるＧａＩｎＡｓＰ層であるバリア層とで形成されたＭＱＷ層３４、ガイド層３３、３５、ＩｎＰ層であるクラッド層３２、３６を有したＳＣＨ−ＭＱＷ構造となっている。
【００６６】
そして、半導体発光素子３０は、そのＭＱＷ層３４の井戸層を、ＩｎＰ層よりも格子定数が大きく波長が１．５５μｍよりも短い条件のＧａＩｎＡｓＰに対してＮを少量添加して、波長と格子定数を制御している。すなわち、上記第２の実施の形態に比較して、格子定数の大きいＧａＩｎＡｓＰに対してＮを添加してＭＱＷ層３４の圧縮歪井戸層を形成している。このようにＧａＩｎＡｓＰは、Ｎを添加することで、格子定数が小さくなり、波長が長波長になる。
【００６７】
また、ＧａＩｎＡｓＰにＮを添加すると、Ｎの電気陰性度が大きいために、バンドギャップエネルギーを小さくすることができるとともに、伝導帯のバンド不連続を大きくすることができる。
【００６８】
したがって、従来の材料系であるＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系材料を用いた半導体レーザーに比較して、注入キャリアのオーバーフローを大幅に減少させることができ、温度特性を画期的に向上させることができる。
【００６９】
そして、ＭＱＷ層３４のＧａＩｎＮＡｓＰ層である井戸層の組成比は、ＭＱＷ層３４のＧａＩｎＡｓＰ層であるバリア層よりも価電子帯のエネルギーが小さくならない範囲で選ぶことができる。
【００７０】
さらに、半導体発光素子３０においては、歪量子井戸の効果により、閾値電流密度を低下させることができる。
【００７１】
なお、本実施の形態においては、ＭＱＷ層３４のＧａＩｎＮＡｓＰである井戸層（活性層）がＩｎＰ層である被成長基板３１よりも格子定数が大きく、圧縮歪を有している場合について説明したが、ＭＱＷ層３４のＧａＩｎＮＡｓＰである井戸層（活性層）は、ＩｎＰ層である被成長基板３１よりも格子定数が小さく、引っ張り歪を有しているものであってもよい。
【００７２】
図７は、本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第４の実施の形態を示す図であり、本実施の形態は、ＭＱＷ層のＧａＩｎＮＡｓＰである井戸層（活性層）がＩｎＰ基板に完全には格子整合しておらず、臨界膜厚以内の厚さで歪を有しているもので、請求項１〜請求項６に対応するものである。
【００７３】
図７において、半導体発光素子４０は、ｎ型ＩｎＰ層で形成された被成長基板４１上に、ｎ型ＩｎＰ層で形成されたクラッド層４２、ＧａＩｎＡｓＰ層で形成されたガイド層４３、ＭＱＷ層４４、ＧａＩｎＡｓＰ層で形成されたガイド層４５、ｐ型ＩｎＰ層で形成されたクラッド層４６及びｐ+ 型ＩｎＧａＡｓ層で形成されキャップ層４７が順次積層されており、ＭＱＷ層４４は、ＧａＩｎＮＡｓＰ層で形成された井戸層（圧縮層）と、ＧａＩｎＡｓＰ層で形成されたバリア層と、を有している。
【００７４】
すなわち、半導体発光素子４０は、その活性領域が、歪補償型ＭＱＷ（多重量子井戸）構造となっており、ＧａＩｎＮＡｓＰ層で形成された井戸層（活性層）の格子定数が、ＩｎＰ層である被成長基板４１の格子定数よりも大きく、圧縮歪を有しているとともに、ＧａＩｎＡｓＰ層で形成されたバリア層の格子定数が、ＩｎＰ層である被成長基板４１の格子定数よりも小さく、引っ張り歪を有している。
【００７５】
そして、ＭＱＷ層４４の井戸層は、ＩｎＰ層である被成長基板４１よりもその格子定数が大きく、波長が１．５５μｍより短い条件のＧａＩｎＡｓＰに対してＮを少量添加して、波長と格子定数を制御することにより、上記第２の実施の形態に比較して、格子定数の大きいＧａＩｎＡｓＰに対してＮを添加して、圧縮歪井戸層に形成されている。
【００７６】
すなわち、ＧａＩｎＡｓＰにＮを添加すると、格子定数は小さくなり、波長は長波長になる。また、ＧａＩｎＡｓＰにＮを添加すると、Ｎの電気陰性度が大きいため、バンドギャップエネルギーを小さくすることができるとともに、伝導帯のバンド不連続を大きくすることができ、同じ波長１．５５μｍに対応するＧａＩｎＡｓＰを用いる場合に比較して、伝導帯のバンド不連続が大きくなる。したがって、従来の材料系であるＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系材料を用いた半導体レーザーに比較して、注入キャリアのオーバーフローを激減させることができ、温度特性を画期的に改善することができる。
【００７７】
また、ＭＱＷ層４４のＧａＩｎＮＡｓＰ層である井戸層の組成比は、ＧａＩｎＡｓＰ層であるバリア層よりも、価電子帯のエネルギーが小さくならない範囲で選ぶことができる。
【００７８】
さらに、本実施の形態の半導体発光素子４０においては、歪量子井戸の効果により、閾値電流密度を低下させることができる。
【００７９】
なお、本実施の形態においては、ＭＱＷ層４４のＧａＩｎＮＡｓＰ層である井戸層（活性層）を圧縮歪層、ＧａＩｎＡｓＰ層であるバリア層を引っ張り歪層としているが、ＧａＩｎＮＡｓＰ層である井戸層（活性層）を引っ張り歪層、ＧａＩｎＡｓＰ層であるバリア層を圧縮歪層としてもよい。
【００８０】
図８は、本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第５の実施の形態を示す図であり、本実施の形態は、ＩｎＮＡｓＰ層を井戸層とし、ＧａＩｎＮＡｓＰ層をバリア層とした歪補償型ＭＱＷ（多重量子井戸）構造を有しているもので、請求項１〜請求項５及び請求項７に対応するものである。
【００８１】
図８において、半導体発光素子５０は、ｎ型ＩｎＰ層で形成された被成長基板５１上に、ｎ型ＩｎＰ層で形成されたクラッド層５２、ＧａＩｎＡｓＰ層で形成されたガイド層５３、ＭＱＷ層５４、ＧａＩｎＡｓＰ層で形成されたガイド層５５、ｐ型ＩｎＰ層で形成されたクラッド層５６及びｐ+ 型ＩｎＧａＡｓで形成されたキャップ層５７が順次積層されている。
【００８２】
ＭＱＷ層５４は、ＩｎＮＡｓＰ層で形成された井戸層と、ＧａＩｎＮＡｓＰ層で形成されたバリア層と、を有した歪補償型ＭＱＷ（多重量子井戸）構造に形成されており、ＩｎＮＡｓＰ層で形成されている井戸層の格子定数が、ＩｎＰ層で形成されている被成長基板５１の格子定数よりも大きく、圧縮歪を有しているとともに、ＧａＩｎＮＡｓＰ層で形成されているバリア層の格子定数が、ＩｎＰ層である被成長基板５１の格子定数よりも小さく、引っ張り歪を有している。
【００８３】
そして、ＭＱＷ層５４の井戸層は、ＩｎＰ層である被成長基板５１よりも格子定数が大きく、波長が１．５５μｍよりも短い条件のＩｎＡｓＰに対してＮを少量添加して、波長と格子定数を制御することにより形成されている。
【００８４】
したがって、本実施の形態の半導体発光素子５０により、歪補償型ＭＱＷ（多重量子井戸）を用いた効果を得ることができる。
【００８５】
なお、本実施の形態においては、ＭＱＷ層５４のＧａＩｎＮＡｓＰ層であるバリア層の成長条件は、ＩｎＮＡｓＰ層である井戸層の成長条件に対して、Ｇａの原料（本実施の形態では、ＴＭＧ）を添加したものであり、また、Ｉｎ、Ｎ、Ａｓ及びＰの原料の供給量は、同じである。
【００８６】
このように、ＩｎＮＡｓＰ層である井戸層の格子定数が、ＩｎＰ層である被成長基板５１よりも大きいと、Ｇａの添加量を制御することにより、ＧａＩｎＮＡｓＰ層であるバリア層の格子定数を、ＩｎＰ層である被成長基板５１に格子整合させたり、ＩｎＰ層である被成長基板５１よりも小さくすることができる。
【００８７】
また、ＭＱＷ層５４の井戸層とバリア層の両方にＮを含んでいるので、供給量の大きいＮの原料を井戸層とバリア層の成長時に反応室１１に供給したり、供給を止めたりする必要がなくなり、特に、ＭＯＣＶＤ法においては、ガスの流れの乱れを抑制することができ、容易に、かつ、再現性よく良好な界面を形成することができる。
【００８８】
なお、本実施の形態においては、Ｉｎ、Ｎ、Ａｓ及びＰの原料の供給量は、変えないで作成したが、変えても同様に適用することができる。
【００８９】
また、本実施の形態のＭＱＷ層５４の井戸層は、Ｇａを含んでいない場合について説明したが、バリア層のＧａ組成をさらに大きくする等によりバリア層のバンドギャップエネルギーの方を大きくすると、Ｇａを含んでいてもよい。
【００９０】
以上、本発明者によってなされた発明を好適な実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００９１】
【発明の効果】
請求項１記載の発明の半導体発光素子によれば、井戸層とバリア層とガイド層とクラッド層が積層された積層構造からなる半導体発光素子において、前記井戸層は、少なくともＮを含む混晶半導体ＧａａＩｎ１−ａＮｂＡｓｃＰ１−ｂ−ｃ（０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成され、前記井戸層に接するバリア層は、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きくＮを含むＧａｄＩｎ１−ｄＮｅＡｓｆＰ１−ｅ−ｆ（０≦ｄ＜１、０＜ｅ＜１、０≦ｆ＜１）層で形成され、前記井戸層はミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の圧縮格子歪を有し、前記バリア層はミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の引っ張り格子歪を有しており、前記積層構造は、ＩｎＰ基板上に形成されているので、１．３μｍ帯、１．５μｍ帯に対応した値よりわずかに大きいＧａＩｎＡｓＰに対してＮをわずかに添加するだけで、１．３μｍ帯、１．５μｍ帯等の井戸層となるＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層を形成することができ、従来のＩｎＰ基板上に形成した材料系に比べて伝導帯のバンド不連続を飛躍的に大きくして、注入キャリアの閉じ込め効率を向上させることができる。したがって、半導体発光素子を温度特性が良好なものとすることができるとともに、高性能の１．３μｍ帯、１．５μｍ帯等の長波長の半導体発光素子を簡単、かつ、容易に製造することができる。
【００９２】
特に、請求項１記載の発明の半導体発光素子によれば、井戸層に接するバリア層は、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きくＮを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ａｓ ｆ Ｐ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ＜１、０＜ｅ＜１、０≦ｆ＜１）層で形成されているので、格子定数及びバンドギャップエネルギー等を制御して、井戸層と当該井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きい他の層により形成されたヘテロ接合を含む積層構造を形成することができ、温度特性が良好で、高性能な長波長の半導体発光素子を容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第１の実施の形態を適用した半導体発光素子の層構造の正面断面図。
【図２】図１の半導体発光素子を製造するためのＭＯＣＶＤ装置の反応室部分の概略構成図。
【図３】本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第２の実施の形態を適用した半導体発光素子の層構造の正面断面図。
【図４】ＧａＩｎＡｓＰにＮを添加する前のＧａＩｎＡｓＰ井戸層とＧａＩｎＡｓＰバリア層及びガイド層の伝導帯側のバンドギャップエネルギーを示す図。
【図５】ＧａＩｎＡｓＰにＮを添加したＧａＩｎＮＡｓＰ井戸層とＧａＩｎＡｓＰバリア層及びガイド層の伝導帯側のバンドギャップエネルギーを示す図。
【図６】本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第３の実施の形態を適用した半導体発光素子の層構造の正面断面図。
【図７】本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第４の実施の形態を適用した半導体発光素子の層構造の正面断面図。
【図８】本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第５の実施の形態を適用した半導体発光素子の層構造の正面断面図。
【符号の説明】
１ 半導体発光素子
２ 被成長基板
３ クラッド層
４ 活性層
５ クラッド層
６ キャップ層
１０ ＭＯＣＶＤ装置
１１ 反応室
１２ 石英反応管
１３ 冷却管
１４ ガス供給口
１５ 排気管
１６ カーボンサセプター
１７ 高周波加熱コイル
１８ 熱電対
２０、３０、４０、５０ 半導体発光素子
２１、３１、４１、５１ 被成長基板
２２、３２、４２、５２ クラッド層
２３、３３、４３、５３ ガイド層
２４、３４、４４、５４ ＭＱＷ層
２５、３５、４５、５５ ガイド層
２６、３６、４６、５６ クラッド層
２７、３７、４７、５７ キャップ層
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法に関し、詳細には、半導体レーザーや発光ダイオード等に用いる半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
１．３μｍ帯、１．５μｍ帯の半導体レーザーの材料としては、従来、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系の材料が用いられている。また、光加入者システムを普及させるためには、低コスト化が要望されており、半導体レーザーの温度特性を改善して、電子冷却素子等を使用せずに、かつ、注入電流を制御してパワーが一定になるように制御するＡＰＣ（オートパワーコントロール）フリーのシステムの実現が研究されている。ところが、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系の材料は、材料的に伝導帯のバンド不連続をあまり大きくできないため、キャリアがオーバーフローしやすく、また、その温度依存性が大きいため、その実現が困難であった。
【０００３】
最近、新規半導体材料として、Ｖ族にＮを含んだＮ系混晶半導体材料の研究が行われており、例えば、特開平６−３３４１６８号公報には、Ｓｉ基板上にIII −Ｖ族混晶半導体素子を作成する手段として格子整合系材料であるＮ系混晶半導体をエピタキシャル成長させる技術が記載されている。この公報では、Ｓｉ基板に格子整合するＧａＮ0.03Ｐ0.97クラッド層、ＧａＮｐとＧａＮＡｓの歪超格子活性層を用いた半導体レーザーやフォトダイオードが提案されている。
【０００４】
この技術を用いると、Ｓｉ基板上にIII −Ｖ族混晶半導体素子をミスフィット転位を発生させることなくエピタキシャル成長させることが可能となり、Ｓｉ電子素子とのモノリシック化も可能性がある。
【０００５】
また、ＧａＡｓ、ＩｎＰ及びＧａＰ基板と格子整合可能なＩｎＧａＮＡｓ、ＡｌＧａＮＡｓ、ＧａＮＡｓ等の混晶半導体の例も特開平６−０３７３５５公報に記載されている。
【０００６】
従来、ＧａＡｓ基板に格子整合するIII −Ｖ族半導体の中で、ＧａＡｓよりもバンドギャップエネルギーが小さい材料は、存在しなかった。ところが、例えば、ＩｎＧａＮＡｓは、ＧａＡｓ基板に格子整合可能であり、しかも少ないＮ組成では、ＧａＡｓよりもバンドギャップエネルギーが小さい材料が得られ、従来ＧａＡｓ基板上には形成が困難であったＧａＡｓの発光波長より長波長（１．５μｍ帯など）の発光素子が形成可能であることが分かってきた。
【０００７】
ＧａＡｓにＩｎを添加すると、格子定数は大きくなり、バンドギャップエネルギーは、小さくなるが、これに対して、Ｎを添加すると、格子定数が小さくなり、バンドギャップエネルギーが同様に小さくなる。すなわち、ＩｎxＧａ1-xＡｓにＮ添加すると、バンドギャップエネルギーは、ＩｎxＧａ1-xＡｓよりも小さくなり、さらに、格子定数がＧａＡｓと一致する条件が存在する。
【０００８】
このように、ＩｎＧａＮＡｓ層は、ＧａＡｓ基板に格子整合が可能であるので、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギーに対応する約８７０ｎｍ（室温）の発光波長よりも長波長の発光素子を、従来からあるＧａＡｓに格子整合せず、ＧａＡｓよりも格子定数の大きいＩｎＧａＡｓを発光層に用いた場合に比べて、容易に高品質に形成することができる。しかも、１．３μｍ帯、１．５μｍのより長波長の素子の形成も可能である。
【０００９】
そして、積層構造については、Abstracts of the 1995 International Conference on Solid State Devicies and Materials 予稿集（ｐ１０１６〜ｐ１０１８）に示されている。これによると、ＩｎＧａＮＡｓ活性層に対してバンドギャップエネルギーの大きいＡｌＧａＡｓをクラッド層とする提案が示されている。この予稿集の中で、ＩｎＧａＮＡｓ活性層とＡｌＧａＡｓクラッド層は、直接接した構造となっている。この材料系では、伝導帯のバンド不連続が大きいので、注入キャリアをＩｎＧａＮＡｓ活性層に効率よく閉じ込めることができ、従来のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系材料の長波長レーザーの欠点であった悪い温度特性を著しく改善することができ、また、高出力（ハイパワー）も可能となった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＩｎＧａＮＡｓ／ＧａＡｓ系材料は、ＩｎＧａＡｓに対してＮを添加するので、Ｉｎ組成を大きくし長波長にするほどその格子定数が、ＧａＡｓの格子定数よりも大きくなり、ＧａＡｓ基板上に格子緩和しないでＩｎＧａＮＡｓを形成するためには、Ｉｎ組成をあまり大きくできない。すなわち、あまり長波長ではないＩｎＧａＡｓに対してＮを添加する必要があり、ＧａＡｓ基板に格子整合する材料で、１．３μｍ以上の発光素子を得ようとすると、Ｖ族中のＮ組成を４％程度以上にする必要があった。ところが、Ｖ族にＮを含んだＮ系混晶半導体材料は、もともと非混和性の強い混晶系であるので、形成し難い。例えば、Ｎは、成長中の基板表面から離脱しやすく、大きなＮ組成を得ることが難しく、また、Ｎ組成を大きくするほど、ＰＬ（フォトルミネッセンス）強度が低下する等の結晶性が悪化する。その結果、長波長になるほど、良好な結晶を得にくく、ＩｎＧａＮＡｓ／ＧａＡｓ系材料による高性能な１．５μｍ帯等のより長波長の発光素子は、形成が難しいという問題があった。
【００１１】
そこで、請求項１記載の発明は、井戸層とバリア層とガイド層とクラッド層が積層された積層構造からなる半導体発光素子において、前記井戸層は、少なくともＮを含む混晶半導体ＧａａＩｎ１−ａＮｂＡｓｃＰ１−ｂ−ｃ（０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成され、前記井戸層に接するバリア層は、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きくＮを含むＧａｄＩｎ１−ｄＮｅＡｓｆＰ１−ｅ−ｆ（０≦ｄ＜１、０＜ｅ＜１、０≦ｆ＜１）層で形成され、前記井戸層はミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の圧縮格子歪を有し、前記バリア層はミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の引っ張り格子歪を有しており、前記積層構造は、ＩｎＰ基板上に形成されていることにより、１．３μｍ帯、１．５μｍ帯に対応した値よりわずかに大きいＧａＩｎＡｓＰに対してＮをわずかに添加するだけで、１．３μｍ帯、１．５μｍ帯等の井戸層となるＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層を形成することができ、従来のＩｎＰ基板上に形成した材料系に比べて伝導帯の不連続を飛躍的に大きくして、注入キャリアの閉じ込め効率を向上させ、温度特性が良好で、簡単、かつ、容易に製造することのできる高性能の１．３μｍ帯、１．５μｍ帯等の長波長の半導体発光素子を提供することを目的としている。
【００１２】
特に、請求項１記載の発明は、前記井戸層に接するバリア層が、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きくＮを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ａｓ ｆ Ｐ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ＜１、０＜ｅ＜１、０≦ｆ＜１）層で形成されていることにより、格子定数及びバンドギャップエネルギー等を制御して、井戸層と当該井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きい他の層により形成されたヘテロ接合を含む積層構造を形成し、温度特性が良好で、容易に製造することのできる高性能な長波長の半導体発光素子を提供することを目的としている。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明の半導体発光素子は、井戸層とバリア層とガイド層とクラッド層が積層された積層構造からなる半導体発光素子において、前記井戸層は、少なくともＮを含む混晶半導体ＧａａＩｎ１−ａＮｂＡｓｃＰ１−ｂ−ｃ（０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成され、前記井戸層に接するバリア層は、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きくＮを含むＧａｄＩｎ１−ｄＮｅＡｓｆＰ１−ｅ−ｆ（０≦ｄ＜１、０＜ｅ＜１、０≦ｆ＜１）層で形成され、前記井戸層はミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の圧縮格子歪を有し、前記バリア層はミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の引っ張り格子歪を有しており、前記積層構造は、ＩｎＰ基板上に形成されていることにより、上記目的を達成している。
【００１９】
上記構成によれば、井戸層とバリア層とガイド層とクラッド層が積層された積層構造からなる半導体発光素子において、前記井戸層は、少なくともＮを含む混晶半導体ＧａａＩｎ１−ａＮｂＡｓｃＰ１−ｂ−ｃ（０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成され、前記井戸層に接するバリア層は、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きくＮを含むＧａｄＩｎ１−ｄＮｅＡｓｆＰ１−ｅ−ｆ（０≦ｄ＜１、０＜ｅ＜１、０≦ｆ＜１）層で形成され、前記井戸層はミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の圧縮格子歪を有し、前記バリア層はミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の引っ張り格子歪を有しており、前記積層構造は、ＩｎＰ基板上に形成されているので、１．３μｍ帯、１．５μｍ帯に対応した値よりわずかに大きいＧａＩｎＡｓＰに対してＮをわずかに添加するだけで、１．３μｍ帯、１．５μｍ帯等の井戸層となるＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層を形成することができ、従来のＩｎＰ基板上に形成した材料系に比べて伝導帯の不連続を飛躍的に大きくして、注入キャリアの閉じ込め効率を向上させることができる。したがって、半導体発光素子を温度特性が良好なものとすることができるとともに、高性能の１．３μｍ帯、１．５μｍ帯等の長波長の半導体発光素子を簡単、かつ、容易に製造することができる。
【００２０】
すなわち、ＩｎＰの格子定数に近いＧａＩｎＡｓＰは、もともと０．９〜１．７μｍと長波長に対応したバンドギャップエネルギーを持っているので、格子定数が、ＩｎＰよりもわずかに大きく、バンドギャップエネルギーが１．３μｍ帯、１．５μｍ帯に対応した値よりもわずかに大きいＧａＩｎＡｓＰに対して、Ｎをわずかに添加するだけで、ＩｎＧａＮＡｓ／ＧａＡｓ系材料に比べて小さいＮ組成で、１．３μｍ帯、１．５μｍ帯等の発光素子の井戸層となるＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層を形成することができ、半導体発光素子を容易に作製することができる。また、Ｎの添加は、伝導帯のバンドオフセット比を大きくする効果があり、本請求項の発明は、井戸層と該井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きい他の層からなるヘテロ接合を含むので、従来のＩｎＰ基板上に形成した材料系に比べて、伝導帯のバンド不連続を、画期的に大きくすることができ、注入キャリアの閉じ込め効率を向上させることができる。したがって、温度特性が良好で、高性能な、１．３μｍ帯、１．５μｍ帯等の長波長半導体発光素子を容易に形成することができる。
【００２１】
さらに、Ｉｎ組成及びＡｓ組成がそれぞれＧａ組成及びＰ組成に比べて大きなＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c （例えば、ａ＜０．４７、１−ｂ−ｃ＝０）を選ぶと、従来のＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系材料ではできなかったＩｎＰ基板に格子整合する１．７μｍ以上の長波長半導体発光素子を形成することができる。そして、従来、この波長帯は、ＧａＳｂ基板上のＧａＩｎＡｓＳｂなどＳｂ（アンチモン）を含んだ材料等が用いられているが、本請求項の発明によれば、安価で高品質なＩｎＰ基板を用いて半導体発光素子を作成することができる。
【００２２】
特に、請求項１記載の発明の半導体発光素子は、井戸層に接するバリア層が、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きくＮを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ａｓ ｆ Ｐ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ＜１、０＜ｅ＜１、０≦ｆ＜１）層で形成されていることにより、上記目的を達成している。
【００２３】
上記構成によれば、井戸層は、少なくともＮを含む混晶半導体Ｇａ ａ Ｉｎ １−ａ Ｎ ｂ Ａｓ ｃ Ｐ １−ｂ−ｃ （０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成され、前記井戸層に接するバリア層は、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きくＮを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ａｓ ｆ Ｐ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ＜１、０＜ｅ＜１、０≦ｆ＜１）層で形成され、前記積層構造は、ＩｎＰ基板上に形成されているので、格子定数及びバンドギャップエネルギー等を制御して、井戸層と当該井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きい他の層により形成されたヘテロ接合を含む積層構造を形成することができ、温度特性が良好で、高性能な長波長の半導体発光素子を容易に製造することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
【００３５】
図１及び図２は、本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第１の実施の形態を示す図であり、本実施の形態は、請求項１及び請求項２に対応するものである。
【００３６】
図１は、本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第１の実施の形態を適用した半導体発光素子１の正面断面図である。
【００３７】
図１において、半導体発光素子１は、ｎ型ＩｎＰ層で形成された被成長基板２上に、クラッド層３、活性層４、クラッド層５及びキャップ層６が順次積層されており、少なくともＮを含んだＮ系混晶半導体材料であるＧａＩｎＮＡｓＰ層をＩｎＰ層である被成長基板２上に形成したものである。
【００３８】
クラッド層３は、ＩｎＰ層である被成長基板２上に形成され、ｎ型ＩｎＰにより形成されている。
【００３９】
活性層４は、ｎ型ＩｎＰ層であるクラッド層３上に形成され、ＧａＩｎＮＡｓＰ層、すなわち、ＩｎＰ層である被成長基板２に格子整合し波長１．４μｍの少なくともＮを含む混晶半導体ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c （０≦ａ＜１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成されている。
【００４０】
クラッド層５は、活性層４上に形成され、ｐ型ＩｎＰ層で形成されている。キャップ層６は、ｐ+ 型ＩｎＧａＡｓ層で形成されている。
【００４１】
すなわち、半導体発光素子１は、ＩｎＰ層である被成長基板２上に、ＧａＩｎＮＡｓＰ層で活性層４を、ＩｎＰ層でクラッド層３、５を形成したＤＨ（Double Hetero Junction）構造となっている。
【００４２】
次に、この半導体発光素子１の製造方法について、図２に基づいて説明する。図２は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ）装置１０の反応室部分の概略構成図であり、ＭＯＣＶＤ装置１０は、横型炉である。なお、ＭＯＣＶＤ装置１０としては、横型炉に限るものではなく、縦型炉であってもよい。
【００４３】
ＭＯＣＶＤ装置１０は、内部に反応室１１を有する石英反応管１２の周囲に冷却管１３が配設されており、石英反応管１２には、反応室１１に原料ガスとキャリアガスを供給するためのガス供給口１４が形成されている。また、石英反応管１２には、図示しない排気装置に接続されて、反応室１１内のガスを排気する排気管１５が接続されている。石英反応管１２の反応室１１内には、カーボンサセプター１６が配設されており、カーボンサセプター１６は、高周波加熱コイル１７により加熱される。高周波加熱コイル１７により加熱されるカーボンサセプター１６の温度は、熱電対１８により検出される。カーボンサセプター１６上には、上記被成長基板２がセットされる。
【００４４】
このＭＯＣＶＤ装置１０を使用して半導体発光素子１を製造するには、カーボンサセプター１６に被成長基板２としてＩｎＰ基板をセットし、図示しない排気装置により反応室１１内の圧力を１．３×１０4 Ｐａに減圧する。そして、熱電対１８により温度検出を行いつつ、高周波加熱コイル１７によりカーボンサセプター１６を加熱して、被成長基板２であるＩｎＰ基板を所定温度に加熱制御し、原料ガスとキャリアガスを同時にガス供給口１４から反応室１１内に供給することにより、被成長基板２であるＩｎＰ基板上に順次クラッド層３、活性層４、クラッド層５及びキャップ層６を積層する。
【００４５】
まず、上記ＭＯＣＶＤ装置１０を用いて被成長基板２であるＩｎＰ層上にＧａＩｎＮＡｓＰ層を形成する場合について説明する。
【００４６】
原料ガスとしては、III 族原料として、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、あるいは、ＴＥＩ（トリエチルインジウム）を、Ａｓの原料として、ＡｓＨ3 （アルシン）を、Ｐの原料として、ＰＨ3 （フォスフィン）を、Ｎの原料として、有機系窒素化合物であるＤＭＨｙ（ヂメチルヒドラジン）、ＭＭＨｙ（モノメチルヒドラジン）、あるいは、ＴＢＡ（ターシャリブチルアミン）等を使用し、キャリアガスとしては、Ｈ2 を使用する。
【００４７】
上記条件で原料ガスとキャリアガスを同時にガス供給口１４から反応室１１内に供給すると、原料ガスの熱分解とＩｎＰ層である被成長基板２の表面反応により、結晶成長し、成膜される。
【００４８】
上記条件で得られたＧａＩｎＮＡｓＰ層は、被成長基板２であるＩｎＰ層に格子整合しており、ＰＬ（フォトルミネッセンス）中心波長は、約１．４μｍであった。このようなＧａＩｎＮＡｓＰ層の発光波長は、Ｉｎ、Ａｓ及びＮの組成を大きくすることで、長波長化することができる。
【００４９】
すなわち、一般に、ＧａＩｎＡｓＰに数％程度の少量のＮを添加すると、格子定数が小さくなり、バンドギャップエネルギーが小さくなる傾向にある。そこで、ＩｎＰより格子定数の大きいＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙにＮを添加すると、バンドギャップエネルギーが、ＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙよりも小さくなり、さらに、格子定数がＩｎＰと一致する条件が存在する。このように、ＧａＩｎＮＡｓＰ層は、ＩｎＰ層である被成長基板２に格子整合可能であるので、１．３μｍ帯、１．５μｍ帯の素子を形成することが可能である。
【００５０】
そこで、上記ＭＯＣＶＤ装置１０を使用して、ＩｎＰ層である被成長基板２に格子整合しているＧａＩｎＮＡｓＰ層を用いて、上記図１に示した積層構造の半導体発光素子１を形成した。
【００５１】
上記半導体発光素子１のウエハを用いて、ストライプ幅が５μｍで、素子長が２００μｍの絶縁膜ストライプ構造のデバイスを作製した。そして、半導体発光素子１は、ＩｎＰ層である被成長基板２よりも格子定数が大きく、波長が１．４μｍよりも短い条件のＧａＩｎＡｓＰに対してＮを少量添加して、波長と格子定数を制御している。すなわち、Ｎを添加することで、格子定数が小さくなり、波長が長波長になる。また、Ｎの添加は、Ｎの電気陰性度が大きいことに起因して、バンドキャップエネルギーを小さくするとともに、伝導帯のバンド不連続を大きくする効果があり、同じ波長１．４μｍに対応するＧａＩｎＡｓＰを発光層（活性層）に用いる場合に比べて、伝導帯のバンド不連続が大きくなる。
【００５２】
したがって、従来の材料系であるＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系材料を用いた発光素子に比べて、注入キャリアのオーバーフローが激減するため、温度特性を画期的に改善することができる。
【００５３】
なお、本実施の形態においては、ＧａＩｎＮＡｓＰ層である活性層４がＩｎＰ層である被成長基板２に格子整合している場合について説明したが、ＧａＩｎＮＡｓＰ層である活性層４は、ＩｎＰ層である被成長基板２に完全に格子整合していなくてもよく、歪みを持っていても臨界膜厚以内の厚さであればよい。
【００５４】
また、上記実施の形態においては、クラッド層３、５として、ＩｎＰ層を用いているが、クラッド層３、５としては、ＩｎＰ層に限るものではなく、活性層４よりもバンドキャップエネルギーが大きければ、ＩｎＰ層である被成長基板２に格子整合可能な組成のＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１）層であってもよい。
【００５５】
さらに、Ｉｎ組成及びＡｓ組成が、それぞれＧａ組成及びＰ組成に比べて、大きなＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c （例えば、ａ＜０．４７、１−ｂ−ｃ＝０）を選ぶと、従来のＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系材料ではできなかったＩｎＰ層である被成長基板２に格子整合する１．７μｍ以上の長波長の半導体発光素子を形成可能である。従来、この波長帯は、ＧａＳｂ基板上のＧａＩｎＡｓＳｂ等のＳｂ（アンチモン）を含んだ材料等が用いられているが、本実施の形態によれば、安価で高品質なＩｎＰ基板２を用いて作製できる。
【００５６】
図３〜図５は、本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第２の実施の形態を示す図であり、本実施の形態は、ＩｎＰ基板に格子整合し波長が１．５５μｍのＧａＩｎＮＡｓＰ活性層（井戸層）、ＩｎＰ基板に格子整合し波長が１．３μｍであるＧａＩｎＡｓＰをバリア層及びガイド層、ＩｎＰをクラッド層にしたＳＣＨ−ＭＱＷ（Separate Confinement Hetero-Structure-Multi Quantum Well）構造としたもので、請求項１〜請求項３に対応するものである。
【００５７】
図３は、半導体発光素子２０の積層構造を示した正面断面図であり、半導体発光素子２０は、ｎ型ＩｎＰ層である被成長基板２１上に、ｎ型ＩｎＰ層で形成されたクラッド層２２、ＧａＩｎＡｓＰ層で形成されたガイド層２３、ＭＱＷ層２４、ＧａＩｎＡｓＰ層で形成されたガイド層２５、ｐ型ＩｎＰ層で形成されたクラッド層２６及びｐ+ 型ＩｎＧａＡｓ層で形成されたキャップ層２７が順次積層されている。
【００５８】
ＭＱＷ層２４は、ＩｎＰ層である被成長基板２１に格子整合し波長１．５５μｍのＧａＩｎＮＡｓＰ層で形成された井戸層と、ＩｎＰ層である被成長基板２１に格子整合し波長が１．３μｍであるＧａＩｎＡｓＰ層で形成されたバリア層と、で形成され、半導体発光素子２０は、これにＧａＩｎＡｓＰ層で形成されたガイド層２３、２５、ＩｎＰ層で形成されたクラッド層２２、２６及びｐ+ 型ＩｎＧａＡｓ層で形成されたギャップ層２７を備えたＳＣＨ−ＭＱＷ構造となっている。
【００５９】
半導体発光素子２０は、ＭＱＷ層２４の井戸層を、ＩｎＰよりも格子定数が大きく波長が１．５５μｍより短い条件のＧａＩｎＡｓＰに対してＮを少量添加して、波長と格子定数を制御して、ＧａＩｎＮＡｓＰ層としている。このように、ＧａＩｎＡｓＰにＮを添加すると、格子定数が小さくなり、波長が長波長になる。また、ＧａＩｎＡｓＰにＮを添加すると、Ｎの電気陰性度が大きいため、バンドギャップエネルギーを小さくすることができるとともに、伝導帯のバンド不連続を大きくすることができ、図４に示す同じ波長１．５５μｍに対応するＧａＩｎＡｓＰを用いる場合に比較して、図５に示すように、伝導帯のバンド不連続を大きくすることができる。したがって、図４に示すような従来の材料系であるＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系材料を用いた半導体レーザーに比較して、注入キャリアのオーバーフローを大幅に減少させることができ、温度特性を画期的に向上させることができる。
【００６０】
なお、ＭＱＷ層２４のＧａＩｎＮＡｓＰで形成された井戸層の組成比は、ＭＱＷ層２４のＧａＩｎＡｓＰで形成されたバリア層よりも価電子帯のエネルギーが小さくならない範囲で選ぶことができる。
【００６１】
また、クラッド層２２、２６は、ＩｎＰ層でなくてもよく、ＭＱＷ層２４のバリア層やガイド層よりもバンドギャップエネルギーの大きなＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y （０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１）層を用いてもよい。
【００６２】
図６は、本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第３の実施の形態を示す図であり、本実施の形態は、ＧａＩｎＮＡｓＰ活性層（井戸層）がＩｎＰ基板に完全には格子整合しておらず臨界膜厚以内の厚さで歪を有しているもので、請求項１〜請求項４に対応するものである。
【００６３】
図６は、半導体発光素子３０の積層構造を示した正面断面図であり、半導体発光素子３０は、ｎ型ＩｎＰ層である被成長基板３１上に、ｎ型ＩｎＰ層で形成されたクラッド層３２、ＧａＩｎＡｓＰ層で形成されたガイド層３３、ＭＱＷ層３４、ＧａＩｎＡｓＰ層で形成されたガイド層３５、ｐ型ＩｎＰ層で形成されたクラッド層３６及びｐ+ 型ＩｎＧａＡｓ層で形成されたキャップ層３７が順次積層されている。そして、ＭＱＷ層３４は、ＧａＩｎＮＡｓＰ層で形成された井戸層と、ＧａＩｎＡｓＰ層で形成されたバリア層と、を有している。
【００６４】
ＭＱＷ層３４のＧａＩｎＮＡｓＰ層で形成された井戸層（活性層）は、ＩｎＰで形成された被成長基板３１に完全には格子整合しておらず、臨界膜厚以内の厚さで歪を持っている。すなわち、半導体発光素子３０は、上記第２の実施の形態のＭＱＷ層２１と比較して、ＭＱＷ層３４のＧａＩｎＮＡｓＰ層で形成された井戸層（活性層）の格子定数がＩｎＰ層である被成長基板３１よりも大きく、圧縮歪を有している。
【００６５】
すなわち、半導体発光素子３０は、波長１．５５μｍのＧａＩｎＮＡｓＰ層である井戸層とＩｎＰ層である被成長基板３１に格子整合し波長が１．３μｍであるＧａＩｎＡｓＰ層であるバリア層とで形成されたＭＱＷ層３４、ガイド層３３、３５、ＩｎＰ層であるクラッド層３２、３６を有したＳＣＨ−ＭＱＷ構造となっている。
【００６６】
そして、半導体発光素子３０は、そのＭＱＷ層３４の井戸層を、ＩｎＰ層よりも格子定数が大きく波長が１．５５μｍよりも短い条件のＧａＩｎＡｓＰに対してＮを少量添加して、波長と格子定数を制御している。すなわち、上記第２の実施の形態に比較して、格子定数の大きいＧａＩｎＡｓＰに対してＮを添加してＭＱＷ層３４の圧縮歪井戸層を形成している。このようにＧａＩｎＡｓＰは、Ｎを添加することで、格子定数が小さくなり、波長が長波長になる。
【００６７】
また、ＧａＩｎＡｓＰにＮを添加すると、Ｎの電気陰性度が大きいために、バンドギャップエネルギーを小さくすることができるとともに、伝導帯のバンド不連続を大きくすることができる。
【００６８】
したがって、従来の材料系であるＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系材料を用いた半導体レーザーに比較して、注入キャリアのオーバーフローを大幅に減少させることができ、温度特性を画期的に向上させることができる。
【００６９】
そして、ＭＱＷ層３４のＧａＩｎＮＡｓＰ層である井戸層の組成比は、ＭＱＷ層３４のＧａＩｎＡｓＰ層であるバリア層よりも価電子帯のエネルギーが小さくならない範囲で選ぶことができる。
【００７０】
さらに、半導体発光素子３０においては、歪量子井戸の効果により、閾値電流密度を低下させることができる。
【００７１】
なお、本実施の形態においては、ＭＱＷ層３４のＧａＩｎＮＡｓＰである井戸層（活性層）がＩｎＰ層である被成長基板３１よりも格子定数が大きく、圧縮歪を有している場合について説明したが、ＭＱＷ層３４のＧａＩｎＮＡｓＰである井戸層（活性層）は、ＩｎＰ層である被成長基板３１よりも格子定数が小さく、引っ張り歪を有しているものであってもよい。
【００７２】
図７は、本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第４の実施の形態を示す図であり、本実施の形態は、ＭＱＷ層のＧａＩｎＮＡｓＰである井戸層（活性層）がＩｎＰ基板に完全には格子整合しておらず、臨界膜厚以内の厚さで歪を有しているもので、請求項１〜請求項６に対応するものである。
【００７３】
図７において、半導体発光素子４０は、ｎ型ＩｎＰ層で形成された被成長基板４１上に、ｎ型ＩｎＰ層で形成されたクラッド層４２、ＧａＩｎＡｓＰ層で形成されたガイド層４３、ＭＱＷ層４４、ＧａＩｎＡｓＰ層で形成されたガイド層４５、ｐ型ＩｎＰ層で形成されたクラッド層４６及びｐ+ 型ＩｎＧａＡｓ層で形成されキャップ層４７が順次積層されており、ＭＱＷ層４４は、ＧａＩｎＮＡｓＰ層で形成された井戸層（圧縮層）と、ＧａＩｎＡｓＰ層で形成されたバリア層と、を有している。
【００７４】
すなわち、半導体発光素子４０は、その活性領域が、歪補償型ＭＱＷ（多重量子井戸）構造となっており、ＧａＩｎＮＡｓＰ層で形成された井戸層（活性層）の格子定数が、ＩｎＰ層である被成長基板４１の格子定数よりも大きく、圧縮歪を有しているとともに、ＧａＩｎＡｓＰ層で形成されたバリア層の格子定数が、ＩｎＰ層である被成長基板４１の格子定数よりも小さく、引っ張り歪を有している。
【００７５】
そして、ＭＱＷ層４４の井戸層は、ＩｎＰ層である被成長基板４１よりもその格子定数が大きく、波長が１．５５μｍより短い条件のＧａＩｎＡｓＰに対してＮを少量添加して、波長と格子定数を制御することにより、上記第２の実施の形態に比較して、格子定数の大きいＧａＩｎＡｓＰに対してＮを添加して、圧縮歪井戸層に形成されている。
【００７６】
すなわち、ＧａＩｎＡｓＰにＮを添加すると、格子定数は小さくなり、波長は長波長になる。また、ＧａＩｎＡｓＰにＮを添加すると、Ｎの電気陰性度が大きいため、バンドギャップエネルギーを小さくすることができるとともに、伝導帯のバンド不連続を大きくすることができ、同じ波長１．５５μｍに対応するＧａＩｎＡｓＰを用いる場合に比較して、伝導帯のバンド不連続が大きくなる。したがって、従来の材料系であるＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系材料を用いた半導体レーザーに比較して、注入キャリアのオーバーフローを激減させることができ、温度特性を画期的に改善することができる。
【００７７】
また、ＭＱＷ層４４のＧａＩｎＮＡｓＰ層である井戸層の組成比は、ＧａＩｎＡｓＰ層であるバリア層よりも、価電子帯のエネルギーが小さくならない範囲で選ぶことができる。
【００７８】
さらに、本実施の形態の半導体発光素子４０においては、歪量子井戸の効果により、閾値電流密度を低下させることができる。
【００７９】
なお、本実施の形態においては、ＭＱＷ層４４のＧａＩｎＮＡｓＰ層である井戸層（活性層）を圧縮歪層、ＧａＩｎＡｓＰ層であるバリア層を引っ張り歪層としているが、ＧａＩｎＮＡｓＰ層である井戸層（活性層）を引っ張り歪層、ＧａＩｎＡｓＰ層であるバリア層を圧縮歪層としてもよい。
【００８０】
図８は、本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第５の実施の形態を示す図であり、本実施の形態は、ＩｎＮＡｓＰ層を井戸層とし、ＧａＩｎＮＡｓＰ層をバリア層とした歪補償型ＭＱＷ（多重量子井戸）構造を有しているもので、請求項１〜請求項５及び請求項７に対応するものである。
【００８１】
図８において、半導体発光素子５０は、ｎ型ＩｎＰ層で形成された被成長基板５１上に、ｎ型ＩｎＰ層で形成されたクラッド層５２、ＧａＩｎＡｓＰ層で形成されたガイド層５３、ＭＱＷ層５４、ＧａＩｎＡｓＰ層で形成されたガイド層５５、ｐ型ＩｎＰ層で形成されたクラッド層５６及びｐ+ 型ＩｎＧａＡｓで形成されたキャップ層５７が順次積層されている。
【００８２】
ＭＱＷ層５４は、ＩｎＮＡｓＰ層で形成された井戸層と、ＧａＩｎＮＡｓＰ層で形成されたバリア層と、を有した歪補償型ＭＱＷ（多重量子井戸）構造に形成されており、ＩｎＮＡｓＰ層で形成されている井戸層の格子定数が、ＩｎＰ層で形成されている被成長基板５１の格子定数よりも大きく、圧縮歪を有しているとともに、ＧａＩｎＮＡｓＰ層で形成されているバリア層の格子定数が、ＩｎＰ層である被成長基板５１の格子定数よりも小さく、引っ張り歪を有している。
【００８３】
そして、ＭＱＷ層５４の井戸層は、ＩｎＰ層である被成長基板５１よりも格子定数が大きく、波長が１．５５μｍよりも短い条件のＩｎＡｓＰに対してＮを少量添加して、波長と格子定数を制御することにより形成されている。
【００８４】
したがって、本実施の形態の半導体発光素子５０により、歪補償型ＭＱＷ（多重量子井戸）を用いた効果を得ることができる。
【００８５】
なお、本実施の形態においては、ＭＱＷ層５４のＧａＩｎＮＡｓＰ層であるバリア層の成長条件は、ＩｎＮＡｓＰ層である井戸層の成長条件に対して、Ｇａの原料（本実施の形態では、ＴＭＧ）を添加したものであり、また、Ｉｎ、Ｎ、Ａｓ及びＰの原料の供給量は、同じである。
【００８６】
このように、ＩｎＮＡｓＰ層である井戸層の格子定数が、ＩｎＰ層である被成長基板５１よりも大きいと、Ｇａの添加量を制御することにより、ＧａＩｎＮＡｓＰ層であるバリア層の格子定数を、ＩｎＰ層である被成長基板５１に格子整合させたり、ＩｎＰ層である被成長基板５１よりも小さくすることができる。
【００８７】
また、ＭＱＷ層５４の井戸層とバリア層の両方にＮを含んでいるので、供給量の大きいＮの原料を井戸層とバリア層の成長時に反応室１１に供給したり、供給を止めたりする必要がなくなり、特に、ＭＯＣＶＤ法においては、ガスの流れの乱れを抑制することができ、容易に、かつ、再現性よく良好な界面を形成することができる。
【００８８】
なお、本実施の形態においては、Ｉｎ、Ｎ、Ａｓ及びＰの原料の供給量は、変えないで作成したが、変えても同様に適用することができる。
【００８９】
また、本実施の形態のＭＱＷ層５４の井戸層は、Ｇａを含んでいない場合について説明したが、バリア層のＧａ組成をさらに大きくする等によりバリア層のバンドギャップエネルギーの方を大きくすると、Ｇａを含んでいてもよい。
【００９０】
以上、本発明者によってなされた発明を好適な実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００９１】
【発明の効果】
請求項１記載の発明の半導体発光素子によれば、井戸層とバリア層とガイド層とクラッド層が積層された積層構造からなる半導体発光素子において、前記井戸層は、少なくともＮを含む混晶半導体ＧａａＩｎ１−ａＮｂＡｓｃＰ１−ｂ−ｃ（０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成され、前記井戸層に接するバリア層は、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きくＮを含むＧａｄＩｎ１−ｄＮｅＡｓｆＰ１−ｅ−ｆ（０≦ｄ＜１、０＜ｅ＜１、０≦ｆ＜１）層で形成され、前記井戸層はミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の圧縮格子歪を有し、前記バリア層はミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の引っ張り格子歪を有しており、前記積層構造は、ＩｎＰ基板上に形成されているので、１．３μｍ帯、１．５μｍ帯に対応した値よりわずかに大きいＧａＩｎＡｓＰに対してＮをわずかに添加するだけで、１．３μｍ帯、１．５μｍ帯等の井戸層となるＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層を形成することができ、従来のＩｎＰ基板上に形成した材料系に比べて伝導帯のバンド不連続を飛躍的に大きくして、注入キャリアの閉じ込め効率を向上させることができる。したがって、半導体発光素子を温度特性が良好なものとすることができるとともに、高性能の１．３μｍ帯、１．５μｍ帯等の長波長の半導体発光素子を簡単、かつ、容易に製造することができる。
【００９２】
特に、請求項１記載の発明の半導体発光素子によれば、井戸層に接するバリア層は、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きくＮを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ａｓ ｆ Ｐ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ＜１、０＜ｅ＜１、０≦ｆ＜１）層で形成されているので、格子定数及びバンドギャップエネルギー等を制御して、井戸層と当該井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きい他の層により形成されたヘテロ接合を含む積層構造を形成することができ、温度特性が良好で、高性能な長波長の半導体発光素子を容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第１の実施の形態を適用した半導体発光素子の層構造の正面断面図。
【図２】図１の半導体発光素子を製造するためのＭＯＣＶＤ装置の反応室部分の概略構成図。
【図３】本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第２の実施の形態を適用した半導体発光素子の層構造の正面断面図。
【図４】ＧａＩｎＡｓＰにＮを添加する前のＧａＩｎＡｓＰ井戸層とＧａＩｎＡｓＰバリア層及びガイド層の伝導帯側のバンドギャップエネルギーを示す図。
【図５】ＧａＩｎＡｓＰにＮを添加したＧａＩｎＮＡｓＰ井戸層とＧａＩｎＡｓＰバリア層及びガイド層の伝導帯側のバンドギャップエネルギーを示す図。
【図６】本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第３の実施の形態を適用した半導体発光素子の層構造の正面断面図。
【図７】本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第４の実施の形態を適用した半導体発光素子の層構造の正面断面図。
【図８】本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第５の実施の形態を適用した半導体発光素子の層構造の正面断面図。
【符号の説明】
１ 半導体発光素子
２ 被成長基板
３ クラッド層
４ 活性層
５ クラッド層
６ キャップ層
１０ ＭＯＣＶＤ装置
１１ 反応室
１２ 石英反応管
１３ 冷却管
１４ ガス供給口
１５ 排気管
１６ カーボンサセプター
１７ 高周波加熱コイル
１８ 熱電対
２０、３０、４０、５０ 半導体発光素子
２１、３１、４１、５１ 被成長基板
２２、３２、４２、５２ クラッド層
２３、３３、４３、５３ ガイド層
２４、３４、４４、５４ ＭＱＷ層
２５、３５、４５、５５ ガイド層
２６、３６、４６、５６ クラッド層
２７、３７、４７、５７ キャップ層
Claims (1)
- 井戸層とバリア層とガイド層とクラッド層が積層された積層構造からなる半導体発光素子において、
前記井戸層は、少なくともＮを含む混晶半導体ＧａａＩｎ１−ａＮｂＡｓｃＰ１−ｂ−ｃ（０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成され、
前記井戸層に接するバリア層は、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きくＮを含むＧａｄＩｎ１−ｄＮｅＡｓｆＰ１−ｅ−ｆ（０≦ｄ＜１、０＜ｅ＜１、０≦ｆ＜１）層で形成され、
前記井戸層はミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の圧縮格子歪を有し、前記バリア層はミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の引っ張り格子歪を有しており、
前記積層構造は、ＩｎＰ基板上に形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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