JP4643184B2 - 半導体素子、システムおよび半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＩｎおよびＳｂを含む半導体層を備える半導体素子と、この半導体素子を用いたシステムと、上記半導体素子の製造方法に関する。

近年の家庭におけるインターネット通信のブロードバンド化の拡がりは著しく、特に波長１．３１μｍ帯の光を用いた光ファイバー通信は急速に普及しつつある。上記光ファイバー通信において光源として用いられる半導体レーザ素子（ＬＤ：Laser Diodes）は、現代の情報化社会を支えるキーデバイスであると言える。

従来、上記波長１．３１μｍ帯の光源として用いられる半導体レーザは、ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓＰ系半導体材料によって形成されている。この種の半導体レーザは、環境温度の変化に対する特性の変動が比較的大きいという問題を有する。

これに対して、ＧａＡｓ基板上に、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、または、ＧａＩｎＮＡｓとＧａＩｎＡｓＳｂとの混晶半導体材料の何れかを活性層に用いた半導体レーザが提案されている（例えば特許文献１：特開２００１−２２３４３７号公報参照）。このような活性層を用いた場合、上記活性層に電子またはホールのキャリアを効率よく閉じ込めることができるので、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓＰ系半導体材料を用いた半導体レーザの問題を解決可能な半導体レーザが得られることが期待されている。

しかしながら、組成としてＧａ，Ｉｎ，ＡｓおよびＳｂを含むＧａＩｎＡｓＳｂやＧａＩｎＮＡｓＳｂを発光層の材料として用いた半導体レーザは、上記ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓＰ系半導体材料を用いた半導体レーザの問題は有しないものの、発振閾値電流が高く、また、発振効率が低いというデバイスとしての基本特性に関わる問題を有する。したがって、上記ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓＰ系半導体材料を用いた半導体レーザを超える特性を有するには至っていない。
特開２００１−２２３４３７号公報

そこで、本発明の課題は、少なくともＩｎおよびＳｂを組成として含む半導体材料を用いた半導体素子について、例えば半導体レーザの発振閾値電流の低減や発振効率の向上等のような基本特性の向上が可能な半導体素子を提供することにある。

上記課題を達成するため、本発明の半導体素子は、
ＧａＡｓからなる基板と、上記基板上に積層された複数の半導体層とを備え、
上記複数の半導体層は、
III族元素としてＧａおよびＩｎを、Ｖ族元素としてＡｓおよびＳｂを含む少なくとも１つの第１の半導体層と、
上記第１の半導体層に接すると共に、III族元素としてＧａおよびＩｎを、Ｖ族元素としてＡｓおよびＳｂを含み、かつ、Ｖ族元素におけるＳｂの組成比が上記第１の半導体層よりも大きく、量子井戸発光層となる第２の半導体層と
を含むことを特徴としている。

上記構成によれば、Ｇａ、Ｉｎ、ＡｓおよびＳｂを含む第１の半導体層に、Ｇａ、Ｉｎ、ＡｓおよびＳｂを含む第２の半導体層（量子井戸発光層）が接している。上記第２の半導体層のＶ族元素におけるＳｂの組成比（以下、単に「Ｓｂの組成比」または「Ｓｂ組成比」と言う）は、上記第１の半導体層よりも大きい。これにより、上記第２の半導体層の結晶性が向上する。

従来において、例えばＧａＩｎＡｓＳｂやＧａＩｎＮＡｓＳｂ等のようなＧａ、Ｉｎ、ＡｓおよびＳｂを含む半導体層に関して、例えば半導体レーザの発光層を構成した場合に生じていた発振閾値電流が比較的高い等の問題は、結晶性が不十分であることに起因していたと推測される。本発明によれは、例えばＧａＩｎＡｓＳｂやＧａＩｎＮＡｓＳｂを用いた半導体レーザの発光層の結晶性を向上できるので、温度変化に対する特性の変動が比較的小さい上記半導体レーザについて、発振閾値電流を比較的低くでき、また、発振効率を比較的高くできる。

一実施形態の半導体素子は、
上記第１の半導体層は、上記第２の半導体層の上記基板に近い側の面に接している。

上記実施形態によれば、上記第２の半導体層の基板側の面に、上記第１の半導体層を接して形成することにより、上記第２の半導体層の結晶性を向上できる。

一実施形態の半導体素子は、
上記第１の半導体層は、上記第２の半導体層の上記基板から遠い側の面に接している。

上記実施形態によれば、上記第２の半導体層の基板から遠い側の面に、上記第１の半導体層を接して形成することにより、上記第２の半導体層の結晶性を向上できる。

一実施形態の半導体素子は、
上記第１の半導体層を２つ備え、上記２つの第１の半導体層はそれぞれ、上記第２の半導体層の上記基板に近い側の面と、上記第２の半導体層の上記基板から遠い側の面との両方に接している。

上記実施形態によれば、上記第２の半導体層の互いに対向する面に、上記第１の半導体層を接して形成することにより、上記第２の半導体層の結晶性を向上できる。

一実施形態の半導体素子は、
上記第２の半導体層の上記基板に近い側の面に接する上記第１の半導体層と、上記第２の半導体層の上記基板から遠い側の面に接する上記第１の半導体層とは、互いに異なる組成を有する。

上記実施形態によれば、上記第２の半導体層に関して、上記基板に近い側の面に接する第１の半導体層と、上記基板から遠い側の面に接する第１の半導体層とは、組成が互いに異なるものを用いることができる。

一実施形態の半導体素子は、
上記第１の半導体層のＩｎの組成比は、上記第２の半導体層のＩｎの組成比と同じである。また、上述のように、上記第１の半導体層の上記Ｓｂの組成比は、上記第２の半導体層のＳｂの組成比よりも小さい。

上記実施形態によれば、上記第１の半導体層の上記Ｓｂの組成比を、上記第２の半導体層のＳｂの組成比よりも小さくすることにより、上記第２の半導体層の結晶性を向上できる。

一実施形態の半導体素子は、
上記第１の半導体層は複数の層からなり、上記複数の層は、上記第２の半導体層に近い層ほど、上記ＩｎおよびＳｂのうちの少なくとも一方の組成比が大きい。

上記第１の半導体層を複数の層で形成し、上記複数の層を、上記第２の半導体層に近い層ほど、上記ＩｎおよびＳｂのうちの少なくとも一方の組成比を大きく形成することにより、上記第２の半導体層の結晶性を効果的に向上できる。

一実施形態の半導体素子は、
上記第１の半導体層は、上記ＩｎおよびＳｂのうちの少なくとも一方の組成比が、上記第２の半導体層に近いほど大きい。

上記実施形態によれば、上記第１の半導体層の組成比について、上記ＩｎおよびＳｂのうちの少なくとも一方の組成比を、上記第２の半導体層に近いほど大きく形成することにより、上記第２の半導体層の結晶性を向上できる。なお、上記第１の半導体層の組成比は、上記ＩｎおよびＳｂのうちの少なくとも一方の組成比を、上記第２の半導体層に向かって連続的に変化させてもよい。

一実施形態の半導体素子は、
上記基板に対する上記第１の半導体層の格子不整合率が、上記基板に対する上記第２の半導体層の格子不整合率よりも小さい。

上記実施形態によれば、上記基板に対する上記第１の半導体層の格子不整合率を、上記基板に対する上記第２の半導体層の格子不整合率よりも小さくすることにより、上記第２の半導体層の結晶性を向上できる。

一実施形態の半導体素子は、
上記第２の半導体層は、Ｎ（窒素）を含む。

上記実施形態によれば、上記第２の半導体層として、Ｎを含む例えばＧａＩｎＮＡｓＳｂを用いて、安定した特性を有する半導体素子を構成できる。

一実施形態の半導体素子は、
上記第２の半導体層は、量子井戸発光層である。

上記実施形態によれば、上記第２の半導体層を量子井戸発光層として用いることにより、温度変化に対する特性の変動が比較的小さく、発振閾値電流が比較的小さく、しかも、発振効率が比較的高い例えば半導体レーザが得られる。

本発明のシステムは、上記半導体素子を用いている。

上記構成によれば、結晶性の良好な第２の半導体層を有する半導体素子を用いて、例えば光送受信ユニット等の応用システムを構成することにより、この応用システムの性能を向上できる。

本発明の半導体素子の製造方法は、
ＧａＡｓからなる基板上に、III族元素としてＧａおよびＩｎを、Ｖ族元素としてＡｓおよびＳｂを含む第１の半導体層を形成する工程と、
上記第１の半導体層の上に、III族元素としてＧａおよびＩｎを、Ｖ族元素としてＡｓおよびＳｂを含むと共に、Ｖ族元素におけるＳｂの組成比が上記第１の半導体層よりも大きい第２の半導体層を形成する工程と
を備えることを特徴としている。

上記構成によれば、上記第１の半導体層の上に、上記第２の半導体層を形成することにより、結晶性の良好な第２の半導体層を得ることができる。

一実施形態の半導体素子の製造方法は、
上記第２の半導体層は、上記第１の半導体層のＩｎの組成比と同じ組成比のＩｎを含むと共に、上述したように、上記第１の半導体層のＳｂの組成比よりも大きい組成比のＳｂを含む。

上記実施形態によれば、上記第２の半導体層のＳｂの組成比を、上記第１の半導体層のＳｂの組成比よりも大きくすることにより、上記第２の半導体層の結晶性を向上できる。

以上のように、本発明の半導体素子によれば、ＧａＡｓからなる基板と、上記基板上に形成され、Ｇａ、Ｉｎ、ＡｓおよびＳｂを含む第１の半導体層と、上記第１の半導体層に接すると共に、Ｇａ、Ｉｎ、ＡｓおよびＳｂを含み、かつ、Ｓｂの組成比が、上記第１の半導体層のよりも大きい第２の半導体層すなわち量子井戸発光層とを備えるので、この量子井戸発光層の結晶性を向上でき、その結果、例えば、発振閾値電流が比較的低く、また、発振効率が比較的高い半導体レーザ等を得ることができる。

以下、本発明の半導体素子の実施の形態を詳細に説明する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態では、ＧａＡｓからなる基板上に、ＧａＩｎＡｓＳｂ系半導体材料による発光層を有する半導体素子としての半導体レーザを形成した。

本実施形態では、図１に示す第１実施例の半導体レーザと、図２に示す第１比較例の半導体レーザとを形成し、これらの半導体レーザの特性について比較を行った。

（第１実施例）
第１実施例の半導体レーザは、以下のような参照番号に対応する構成部分からなる。
１０１・・・ＡｕＧｅＮｉ電極
１０２・・・ｎ型ＧａＡｓ基板
１０３・・・ｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ下クラッド層、層厚１μｍ
１０４・・・ＧａＡｓ下ガイド層、層厚０．１μｍ
１０５・・・Ｇａ_0.72Ｉｎ_0.28Ａｓ_0.98Ｓｂ_0.02第１中間層、層厚1ｎｍ
１０６・・・Ｇａ_0.72Ｉｎ_0.28Ａｓ_0.96Ｓｂ_0.04第２中間層、層厚1ｎｍ
１０７・・・Ｇａ_0.72Ｉｎ_0.28Ａｓ_0.93Ｓｂ_0.07発光層、層厚５ｎｍ
１０８・・・ＧａＡｓ上ガイド層、層厚０．１μｍ
１０９・・・ｐ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ上クラッド層、層厚１μｍ
１１０・・・ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、層厚０．５μｍ
１１１・・・ＳｉＮx絶縁膜
１１２・・・ＴｉＰｔＡｕ電極
この構成における各半導体層については、分子線エピタキシャル成長（Molecular Beam Epitaxy:MBE）法により、ｎ型ＧａＡｓ基板１０２の上に結晶成長を行って作製した。ＭＢＥ法における原料として、金属Ａｌ、金属Ｇａ、金属Ｉｎ、金属Ａｓおよび金属Ｓｂを用いる一方、クヌーセンセルにより分子線を得た。結晶成長時の基板の温度は４５０℃とした。

結晶成長は、まず、ＧａＡｓ基板１０２を結晶成長室に導入し、下クラッド層１０３からコンタクト層１１０に至る各層を連続して形成した。全ての層を結晶成長する際に、Ｇａ及びＡｓの分子線強度は一定とした。ここで、第１中間層１０５から発光層１０７に至る各層を結晶成長する際には、Ｉｎの分子線強度を一定とする一方、Ｓｂの分子線強度のみ、第１中間層１０５から発光層１０７に至る各層で、バルブ付き原料セルを用いて３段階に調整した。その後、電流狭窄用のＳｉＮx絶縁膜１１１を形成し、電極１０１と１１１を真空蒸着によって形成した。

上記各構成部分を形成する層を積層した後、３００μｍ角の大きさに劈開して、半導体レーザ１００を得た。

上記半導体レーザ１００において、結晶層である上記第１中間層１０５および第２中間層１０６が、第１の半導体層に相当する。また、結晶層である上記発光層１０７が、第２の半導体層に相当する。

（第１比較例）
第１比較例の半導体レーザは、以下のような参照番号に対応する構成部分からなる。
２０１・・・ＡｕＧｅＮｉ電極
２０２・・・ｎ型ＧａＡｓ基板
２０３・・・ｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ下クラッド層、層厚１μｍ
２０４・・・ＧａＡｓ下ガイド層、層厚０．１μｍ
２０５・・・Ｇａ_0.72Ｉｎ_0.28Ａｓ_0.93Ｓｂ_0.07発光層、層厚５ｎｍ
２０６・・・ＧａＡｓ上ガイド層、層厚０．１μｍ
２０７・・・ｐ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ上クラッド層、層厚１μｍ
２０８・・・ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、層厚０．５μｍ
２０９・・・ＳｉＮｘ絶縁膜
２１０・・・ＴｉＰｔＡｕ電極
としている。つまり、第１比較例の半導体レーザは、第１実施例の半導体レーザから第一中間層１０５と第二中間層１０６を除いた構成となっている。

第１実施例及び第１比較例の半導体レーザについて、上下の電極を通して電流を流すと、第１実施例の半導体レーザでは、閾値電流密度０．５ｋＡ／ｃｍ^２において波長１．２０μｍのレーザ発振が生じた。一方、第１比較例の半導体レーザでは、閾値電流密度３．４ｋＡ／ｃｍ^２において波長１．２１μｍのレーザ発振が生じた。

図３は、第１実施例および第１比較例の半導体レーザに１０ｍＡの電流を流した時のエレクトロルミネッセンスのスペクトルを示す図である。図３の横軸は波長であり、縦軸は発光強度である。図３において、第１比較例の発光強度は、分かり易さのため、４倍の大きさにして図示している。第１実施例においては、第１比較例に対して、発光強度が約１２倍であり、発光の半値全幅が約１／２であった。このように、第１実施例の半導体レーザによれば、第１比較例の半導体レーザよりも、大幅に鋭く強い発光が得られる。

以下、本願発明の作用・効果について、第１実施例と第１比較例の半導体レーザを参照しながら説明する。

本願発明者の検討によると、ＧａＡｓ基板の上に組成としてＧａ，Ｉｎ，Ａｓ，Ｓｂを含むＧａＩｎＡｓＳｂやＧａＩｎＮＡｓＳｂを結晶成長した場合、得られた結晶の透過電子顕微鏡観察から、局所的にＩｎやＳｂがクラスタリングを起こして組成にムラが生じていることがわかった。このような組成のムラが、上記第１比較例の発光層２０５に生じることにより、結晶品質の劣化によって、発光強度が低くなり、発光の半値幅が拡がるなどの問題が生じる。この原因は、母材となるＧａＡｓの平均ボンド長に対してＩｎ及びＳｂの共有結合半径が著しく大きい為、ＧａＡｓ中にＩｎとＳｂとが均一に混ざらず、ＩｎやＳｂが局所的に偏析してクラスタリングを起こしている為であると推測される。

一方、上記第１実施例の場合、発光層１０７は、第１比較例のようなムラが生じなくて、均一な結晶が得られることが分かった。このような結晶品質に優れた結晶が得られることにより、発光強度が強く、発光の半値幅が狭くなるなどの効果が得られることがわかった。本実施例では、上述のように、ＩｎとＳｂとの共有結合半径の大きな元素を混晶化している為に、ＧａＩｎＡｓＳｂやＧａＩｎＮＡｓＳｂ等の結晶においては、ＧａＡｓよりも著しく格子定数が大きくなる。このようなＧａＩｎＡｓＳｂやＧａＩｎＮＡｓＳｂ等をＧａＡｓの上に結晶成長させた場合には、ＧａＡｓの平均ボンド長から大きくかけ離れるＩｎやＳｂが分離して、クラスタリングを起こすことになる。

ここで、本願発明者の検討によれば、ＧａＩｎＡｓＳｂおよびＧａＩｎＮＡｓＳｂの混晶の平均的な格子定数に近い格子定数の基板の上に、これらのＧａＩｎＡｓＳｂおよびＧａＩｎＮＡｓＳｂの結晶成長を行った場合、上述の組成の分離やムラといった問題が生じることなく、均一な組成が得られることを見出した。これは、ＧａＡｓにＩｎやＳｂを均一に混晶化することによって初めて下地と格子定数が近くなり、結晶内部がエネルギー的に安定な状態となることによる。第１実施例の半導体レーザは、このような性質を利用したものである。

すなわち、ＧａＩｎＡｓＳｂからなる発光層１０７を結晶成長するために、まず、結晶成長すべき発光層１０７の混晶組成比のＳｂの組成比よりも小さい組成比のＳｂを有する第１中間層１０５を、第１の下地として形成する。この第１中間層１０５の上に、第１中間層１０５のＳｂ組成比と発光層１０７のＳｂ組成比との間のＳｂ組成比を有する第二中間層１０６を、第２の下地として形成する。そして、この第２中間層１０６の上に、発光層１０７を形成するのである。このように、段階的にＳｂ組成比を変化させることにより、ＧａＩｎＡｓＳｂあるいはＧａＩｎＮＡｓＳｂの結晶成長が、格子定数を段階的に変えながら(格子不整合率が徐々に大きくなりながら)、かつ、下地の結晶層の原子配列の影響を受けながら進行することになる。その結果、第１比較例のように、ＧａＡｓ下ガイド層２０４とＧａＩｎＡｓＳｂ発光層２０５との間の急激に変化する界面を下地とする場合よりも、結晶性良く結晶成長することが出来るようになる。特に、中間的な格子定数を有する材料を中間層として用いるよりも、本実施形態のように、母材であるＧａＡｓと共有結合半径が大きく異なるＩｎやＳｂを含む特殊な材料系を用いる場合、ＩｎやＳｂの組成を段階的に変えることが特に効果的である。なお、第１中間層１０３から発光層１０５に至る各層は圧縮歪を受けることになるが、全積層構造の一部でも格子緩和しないように層厚と組成を選択している。

（第２実施例）
第２実施例の半導体レーザは、第１実施例の変形例である。第２実施例では図４に示すように、ＧａＡｓからなる基板を用いて半導体レーザ素子４００を作製した。第２実施例の半導体レーザは、以下のような参照番号に対応する構成部分からなる。
４０１・・・ＡｕＧｅＮｉ電極
４０２・・・ｎ型ＧａＡｓ基板
４０３・・・ｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ下クラッド層、層厚１μｍ
４０４・・・ＧａＡｓ下ガイド層、層厚０．１μｍ
４０５・・・Ｇａ_0.91Ｉｎ_0.09Ａｓ_0.98Ｓｂ_0.02第１中間層、層厚０．９ｎｍ
４０６・・・Ｇａ_0.82Ｉｎ_0.18Ａｓ_0.96Ｓｂ_0.04第２中間層、層厚０．９ｎｍ
４０７・・・Ｇａ_0.72Ｉｎ_0.28Ａｓ_0.93Ｓｂ_0.07発光層、層厚５ｎｍ
４０８・・・Ｇａ_0.82Ｉｎ_0.18Ａｓ_0.96Ｓｂ_0.04第３中間層、層厚０．９ｎｍ
４０９・・・Ｇａ_0.91Ｉｎ_0.09Ａｓ_0.98Ｓｂ_0.02第４中間層、層厚０．９ｎｍ
４１０・・・ＧａＡｓ上ガイド層、層厚０．１μｍ
４１１・・・ｐ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ上クラッド層、層厚１μｍ
４１２・・・ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、層厚０．５μｍ
４１３・・・ＳｉＮx絶縁膜
４１４・・・ＴｉＰｔＡｕ電極
第１実施例においては、発光層の下側（基板側）に中間層を設けたが、本第２実施例では、発光層４０７の上下両側に中間層を設けている。

上記半導体レーザ４００において、結晶層である上記発光層４０７が、第２の半導体層に相当する。また、結晶層である上記第１中間層４０５および第２中間層４０６が、第２の半導体層の基板に近い側の面に接する第１の半導体層に相当する。また、結晶層である上記第３中間層４０８および第４中間層４０９が、第２の半導体層の基板から遠い側の面に接する第１の半導体層に相当する。

第２実施例の半導体レーザもまた、第１実施例と同様に、ＭＢＥ法によりＧａＡｓ基板の上に結晶成長を行って作製した。第１中間層４０５から第４中間層４０９に至る各層を結晶成長している際には、ＩｎとＳｂの両方の分子線強度を段階的に調整した。

上記結晶成長工程および電極形成工程の後、３００μｍ角に劈開して、半導体レーザが完成する。この半導体レーザの上下の電極４０１，４１４を介して電流を流すと、０．４５ｋＡ／ｃｍ^２の閾値電流密度において、１．２０μｍ波長のレーザ発振が生じた。また、１０ｍＡの電流を流した時のエレクトロルミネッセンスは、第１比較例に対して、発光強度が約１５倍、かつ、発光の半値全幅は約１／２であり、鋭く強い発光が得られた。

第１実施例では、発光層４０７の下側（基板側）に第１および第２中間層４０５，４０６を設けることにより、上記発光層４０７の結晶性を改善することができたが、第２実施例では、更に、発光層４０７の上側（基板と反対側）に第３および第４中間層４０８，４０９を設けている。発光層４０７の上側に第３および第４中間層４０８，４０９を設けることにより、発光層４０７の上部の界面においても急激な歪の変化が緩和されることから、上記発光層４０７の上側の界面における結晶格子の欠陥が抑制される。特に、本実施例においては、発光層４０７に対してＩｎおよびＳｂの組成比を段階的に変化させた層を第３および第４中間層４０８，４０９としている。このように、発光層４０７と同じ組成を有すると共に、組成比のみが段階的に異なる複数の層を用いることが効果的である。これは、第３および第４中間層４０８，４０９の結晶成長が、その下地の結晶層の原子配列の影響を受けながら進行するからであり、上記第３中間層４０８に対して下地となる発光層４０７から、上記第４中間層４０９上のＧａＡｓ上ガイド層４１０に至るまでの結晶成長を段階的に変えることができるからである。これにより、上記ＧａＡｓ上ガイド層４１０による発光層４０７に対する結晶性の影響を効果的に抑制できる。特に、母材であるＧａＡｓと共有結合半径が大きく異なるＩｎあるいはＳｂの組成を段階的に変えることが、効果的である。なお、第１中間層４０５から第４中間層４０９に至る各層は圧縮歪を受けることになるが、積層構造の一部でも格子緩和しないように層厚と組成を選択している。

なお、第１および第２実施例では、発光層に対してＳｂの組成比が異なる中間層を、上記発光層の基板に近い側に２層設けたが、中間層の層数は２層に限定されるものではない。例えば１層でも良いし、あるいは、３層以上の複数層であってもよい。また、上記複数の中間層は、発光層の基板に近い側と遠い側とのいずれか一方に設けてもよいし、両方に設けてもよい。

また、図５Ａ，５Ｂおよび５Ｃに示すように、第１の半導体層としての中間層は、ＩｎおよびＳｂのうちの少なくとも一方の組成比が、連続的に変化しても良い。図５Ａ，５Ｂおよび５Ｃにおいて、５０３，５０８および５１３が、ＩｎおよびＳｂを組成として含む第２の半導体層としての発光層である。また、５０２，５０７および５１２が、発光層５０３，５０８および５１３の一方の側（図５Ａ，５Ｂおよび５Ｃにおける下側）に位置する中間層である。一方、５０４，５０９および５１４が、発光層５０３，５０８および５１３の他方（図５Ａ，５Ｂおよび５Ｃにおける上側）の側に位置する中間層である。上記中間層５０２，５０４，５０７，５０９，５１２，５１４は、いずれも、ＩｎおよびＳｂのうちの少なくとも一方の組成比が連続的に変化している。図５Ａ，５Ｂおよび５Ｃは、上記中間層５０２，５０４，５０７，５０９，５１２，５１４の界面における上記組成比の値が異なる。なお、Ｉｎ及びＳｂを組成として含む結晶層（多くの場合は発光層）の上側および下側の両方に中間層を配置する場合、この２つの中間層は、いずれの実施例においても上下対称の組成分布を有しているが、中間層の組成分布は必ずしも上下対称である必要はなく、非対称であっても良い。また、片側のみに、ＩｎおよびＳｂのうちの少なくとも一方の組成比が変化する組成分布を与えても良い。

（第３および第４実施例）
第３および第４実施例の半導体レーザは、第１実施例の半導体レーザに対して、発光層に窒素（Ｎ）を混晶化した点が異なる。

第３実施例の半導体レーザは、第１実施例の半導体レーザにおいて、第２の半導体層としての発光層１０７の組成および組成比を、Ｇａ_0.72Ｉｎ_0.28Ａｓ_0.925Ｓｂ_0.07Ｎ_0.005とした。第３実施例の第１の半導体層としての第１および第２中間層は、第１実施例のものと同じである。

第４実施例の半導体レーザは、第１実施例の半導体レーザにおいて、第１の半導体層としての第１中間層１０５の組成および組成比を、Ｇａ_0.91Ｉｎ_0.09Ａｓ_0.93Ｓｂ_0.07とすると共に、第１の半導体層としての第２中間層１０６の組成および組成比を、Ｇａ_0.82Ｉｎ_0.18Ａｓ_0.93Ｓｂ_0.07とした。

（第２比較例）
第２比較例では、第１比較例の半導体レーザにおいて、発光層２０５の組成および組成比をＧａ_0.72Ｉｎ_0.28Ａｓ_0.925Ｓｂ_0.07Ｎ_0.005とした。

第３および第４実施例、ならびに、第２比較例の半導体レーザについて、各電極に電流を流したところ、第３実施例では０．５５ｋＡ／ｃｍ^２の閾値電流密度で、第４実施例では０．８ｋＡ／ｃｍ^２の閾値電流密度で、第２比較例では４．５ｋＡ／ｃｍ^２の閾値電流密度で、各々レーザ発振が生じた。いずれの半導体レーザにおいても、発振波長は１．３１μｍであった。また、１０ｍＡの電流を流した時のエレクトロルミネッセンスは、第２比較例に対して、第３実施例では発光強度が約１２倍であり、第４実施例では発光強度が約９倍であった。また、発光の半値全幅は、第３および第４実施例のいずれも、第２比較例の約１／２であり、鋭く強い発光が得られた。

第３および第４実施例の半導体レーザは、第１および第２実施例の半導体レーザに対して、発光層に窒素（Ｎ）が混晶化されている点が異なる。発光層にＮが含まれている第３および第４実施例においても、段階的にＳｂ組成またはＩｎ組成が変化する第１の半導体層としての２つの中間層を用いることが効果的であった。特に、発光層材料にＮを混晶化した場合、Ｎは母材のＧａＡｓに対して共有結合半径が小さいので、共有結合半径が大きいＩｎやＳｂによる内部歪を緩和する効果がある。

第３実施例と第４実施例との違いは、以下の点にある。すなわち、第３実施例の半導体レーザは、２つの中間層のＩｎおよびＳｂの組成比について、Ｉｎ組成比を一定とする一方、Ｓｂ組成比を、発光層に向かうに伴って段階的に増加させている。これに対して、第４実施例の半導体レーザは、２つの中間層のＩｎおよびＳｂの組成比について、Ｓｂ組成比を一定とする一方、Ｉｎ組成比を、発光層に向かうに伴って段階的に増加させている。

第３および第４実施例のいずれの構成においても、第２比較例よりも優れた半導体レーザが得られるが、特に、第３実施例の方が第４実施例よりも特性が良いことが分かった。つまり、２つの中間層について、Ｉｎ組成比は一定とする一方、発光層側のＳｂ組成比が大きい方が好ましいことがわかった。これは、ＧａＩｎＡｓＳｂからＳｂを除いたＧａＩｎＡｓにおいては、任意のＩｎ組成比において均一な混晶結晶を形成する全率固溶であるのに対し、Ｉｎを除いたＧａＡｓＳｂにおいては、広いＳｂ組成比において均一なＧａＡｓＳｂ混晶を形成せず、非混和領域が存在することに起因していると推測される。

つまり、Ｓｂ組成比を一定にしたまま、発光層に向かって段階的にＩｎ組成比を増加させた第４実施例のような場合、最初に基板側に形成する中間層（Ｉｎ組成比が小さくＳｂ組成比が大きい）が、既に結晶性の点で劣ることになる。従って、この中間層上に結晶成長する各層も、下地である上記結晶性が劣った中間層の影響を受けて、結晶性が劣ることになる。

一方、Ｉｎ組成比は一定のまま、段階的にＳｂ組成比を増加させた第３実施例の半導体レーザでは、最初に基板側に形成する中間層（Ｉｎ組成比が大きくＳｂ組成比が小さい）は、比較的良好な結晶性が得られる。したがって、この中間層上に結晶成長する各層も、下地である上記結晶性が良好な中間層によって、良好な結晶性を保つことになる。

このように、複数の中間層について、発光層に近い側ほどＳｂ組成比を大きくするのが好ましい。

なお、１つの中間層に、Ｓｂ組成比が発光層に向かうにつれて連続的に増大する組成分布を形成してもよい。

（第２実施形態）
図６は、本発明の実施形態のシステムとしての光送信用ユニット６００を示す図である。この光送信用ユニット６００は、光ファイバー通信システムに用いられるものであり、本発明の半導体素子としての半導体レーザ６０１を光源として用いている。

上記半導体レーザ６０１は、第１実施例の半導体レーザ１００と同様の構成を有し、入力電気信号に従って半導体レーザを制御する電気回路６０２によって駆動される。この光送信用ユニット６００への入力電気信号が、光信号として上記半導体レーザ６０１から出力される。上記半導体レーザ６０１からの光信号は、集光用レンズ６０３を介して光ファイバー６０４に導かれ、この光ファイバー６０４によって伝送される。上記半導体レーザ６０１は、放熱のためのサブマウント６０５に固定される。６０６は電気端子、６０７は基板である。

上記半導体レーザ６０１として、第１実施例の半導体レーザを用いたので、この半導体レーザは閾値電流が従来よりも低いから、従来よりも高い周波数で駆動可能である。その結果、この光送信用ユニット６００は、２．５Ｇｂ／ｓの信号伝送速度を得ることができ、優れた特性が得られた。

このように、上記半導体レーザは、単独で用いる場合のみならず、本実施形態のようにシステムの一部として用いることにより、システム全体の特性を向上させることができる。なお、上述の第１乃至第４実施例の半導体レーザは、光ファイバー通信システムのみならず、光の空間伝送システム、測距等のセンサーシステムなど、種々のシステムに用いることが出来ることは言うまでもない。

さらに、本発明の半導体素子は、必ずしも半導体レーザに限定されるものではなく、例えば発光ダイオード、受光素子、光導波路素子、光増幅器あるいは太陽電池などの任意のデバイスを構成することが可能であることは言うまでもない。本発明の半導体素子により、優れた特性のデバイスを実現することができる。

また、各実施例において、半導体層に使用されるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体混晶については、各実施例において詳細を説明した以外のＩＩＩ族元素（ボロン等）やＶ族元素（Ｂｉ）が適宜混晶化されていてもよいし、不純物元素（Ｚｎ，Ｂｅ，Ｍｇ，Ｔｅ，Ｓ，Ｓｅ，Ｓｉ等）が適宜含まれていてもよい。

また、基板についても実施例に示したものに限定されるものではなく、他の基板を用いても同様の効果が得られる。例えば、ＧａＡｓに格子定数が比較的近いＺｎＳｅ基板等のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体基板や、Ｇｅ基板等のＩＶ族半導体基板を用いることができる。また、ガラス、プラスチックまたはセラミックス等の基体上に結晶層を形成してなる基板を利用することもできる。

また、結晶成長方法については、ＭＢＥ法についてのみ具体的な方法を示したが、他の方法である例えば有機金属ＭＢＥ法、ガスソースＭＢＥ法、化学分子線エピタキシャル成長（ＣＢＥ）法、有機金属気層成長（ＭＯ−ＣＶＤ）法またはプラズマＣＶＤ法など、各種の方法を用いることが出来る。

結晶成長に用いる各層の構成元素の原料についても、実施例で示した原料、あるいは上記原料の実施例で示した組み合わせのみに限定されるものではなく、任意の原料を任意の組み合わせで用いることができる。

また、いずれの実施例も、量子井戸構造に本発明を適用したが、量子井戸構造における井戸数、歪み量および井戸層厚に関して制限はない。また、ガイド層や、井戸層が複数ある場合において、複数の井戸層を隔てる為の障壁層などに圧縮または引張りの歪を導入してもよい。

また、各層の導電型は、ｐをｎに、ｎをｐに換えてもよいことは言うまでもない。

また、本発明は、量子井戸構造に適用するものに限られないのは言うまでもない。

なお、本明細書で「上」と示した方向は基板から離れる方向を示しており、「下」は基板へ近づく方向を示している。したがって、結晶成長は「下」から「上」に向かって進行することになる。

本発明の第１実施例の半導体レーザを示す図である。 第１比較例の半導体レーザを示す図である。 第１実施例および第１比較例の半導体レーザの発光スペクトルを示す図である。 第２実施例の半導体レーザを示す図である。 発光層および中間層について、Ｉｎおよび／またはＳｂの組成比の分布を示す図である。 発光層および中間層について、Ｉｎおよび／またはＳｂの組成比の分布を示す図である。 発光層および中間層について、Ｉｎおよび／またはＳｂの組成比の分布を示す図である。 本発明の第２実施形態の光送信用ユニットを示す図である。

１０１ ＡｕＧｅＮｉ電極
１０２ ｎ型ＧａＡｓ基板
１０３ ｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ下クラッド層
１０４ ＧａＡｓ下ガイド層
１０５ Ｇａ_0.72Ｉｎ_0.28Ａｓ_0.98Ｓｂ_0.02第１中間層
１０６ Ｇａ_0.72Ｉｎ_0.28Ａｓ_0.96Ｓｂ_0.04第２中間層
１０７ Ｇａ_0.72Ｉｎ_0.28Ａｓ_0.93Ｓｂ_0.07発光層
１０８ ＧａＡｓ上ガイド層
１０９ ｐ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ上クラッド層
１１０ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１１１ ＳｉＮx絶縁膜
１１２ ＴｉＰｔＡｕ電極

Claims (13)

1. ＧａＡｓからなる基板と、上記基板上に積層された複数の半導体層とを備え、
   上記複数の半導体層は、
   III族元素としてＧａおよびＩｎを、Ｖ族元素としてＡｓおよびＳｂを含む少なくとも１つの第１の半導体層と、
   上記第１の半導体層に接すると共に、III族元素としてＧａおよびＩｎを、Ｖ族元素としてＡｓおよびＳｂを含み、かつ、Ｖ族元素におけるＳｂの組成比が上記第１の半導体層よりも大きく、量子井戸発光層となる第２の半導体層と
   を含むことを特徴とする半導体素子。
2. 請求項１に記載の半導体素子において、
   上記第１の半導体層は、上記第２の半導体層の上記基板に近い側の面に接していることを特徴とする半導体素子。
3. 請求項１に記載の半導体素子において、
   上記第１の半導体層は、上記第２の半導体層の上記基板から遠い側の面に接していることを特徴とする半導体素子。
4. 請求項１に記載の半導体素子において、
   上記第１の半導体層を２つ備え、上記２つの第１の半導体層はそれぞれ、上記第２の半導体層の上記基板に近い側の面と、上記第２の半導体層の上記基板から遠い側の面とに接していることを特徴とする半導体素子。
5. 請求項４に記載の半導体素子において、
   上記第２の半導体層の上記基板に近い側の面に接する上記第１の半導体層と、上記第２の半導体層の上記基板から遠い側の面に接する上記第１の半導体層とは、互いに異なる組成を有することを特徴とする半導体素子。
6. 請求項１乃至５のいずれか１つに記載の半導体素子において、
   上記第１の半導体層のＩｎの組成比は、上記第２の半導体層のＩｎの組成比と同じである
   ことを特徴とする半導体素子。
7. 請求項１乃至６のいずれか１つに記載の半導体素子において、
   上記第１の半導体層は複数の層からなり、上記複数の層は、上記第２の半導体層に近い層ほど、上記ＩｎおよびＳｂのうちの少なくとも一方の組成比が大きいことを特徴とする半導体素子。
8. 請求項１乃至６のいずれか１つに記載の半導体素子において、
   上記第１の半導体層は、上記ＩｎおよびＳｂのうちの少なくとも一方の組成比が、上記第２の半導体層に近いほど大きいことを特徴とする半導体素子。
9. 請求項１乃至８のいずれか１つに記載の半導体素子において、
   上記基板に対する上記第１の半導体層の格子不整合率が、上記基板に対する上記第２の半導体層の格子不整合率よりも小さいことを特徴とする半導体素子。
10. 請求項１乃至９のいずれか１つに記載の半導体素子において、
    上記第２の半導体層は、Ｎを含むことを特徴とする半導体素子。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１つに記載の半導体素子を用いたシステム。
12. ＧａＡｓからなる基板上に、III族元素としてＧａおよびＩｎを、Ｖ族元素としてＡｓおよびＳｂを含む第１の半導体層を形成する工程と、
    上記第１の半導体層の上に、III族元素としてＧａおよびＩｎを、Ｖ族元素としてＡｓおよびＳｂを含むと共に、Ｖ族元素におけるＳｂの組成比が上記第１の半導体層よりも大きい第２の半導体層を形成する工程と
    を備えることを特徴とする半導体素子の製造方法。
13. 請求項１２に記載の半導体素子の製造方法において、
    上記第２の半導体層は、上記第１の半導体層のＩｎの組成比と同じ組成比のＩｎを含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。

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