(57)【要約】【課題】  活性層中の水素イオンの濃度を低減することにより活性層の結晶性を向上できる構造を有する半導体光素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】  半導体光素子１は、第１のｎ型半導体層１３と、活性層１５と、ｐ型半導体層１７と、第２のｎ型半導体層１９とを備える。第１のｎ型半導体層１３は基板１１上に設けられている。活性層１５は、第１のｎ型半導体層１３上に設けられており、Ｖ族元素として窒素及び砒素を含むIII-V族化合物半導体層を有する。ｐ型半導体層１７は、活性層１５上に設けられている。第２のｎ型半導体層１９は、活性層１５とｐ型半導体層１７との間に設けられている。第２のｎ型半導体層１９には、ｎ型ドーパントが添加されている。第２のｎ型半導体層１９とｐ型半導体層１７とはｐｎ接合Ｊを形成する。【選択図】  図１
2010135402.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられている第１のｎ型半導体層と、
前記第１のｎ型半導体層上に設けられており、Ｖ族元素として窒素及び砒素を含むIII-V族化合物半導体層を有する活性層と、
前記活性層上に設けられているｐ型半導体層と、
前記活性層と前記ｐ型半導体層との間に設けられている第２のｎ型半導体層と、
を備え、
前記第２のｎ型半導体層には、ｎ型ドーパントが添加されており、
前記第２のｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層とはｐｎ接合を形成する半導体光素子。
【請求項２】
前記活性層と前記第２のｎ型半導体層との間にアンドープ半導体層を更に備える請求項１に記載の半導体光素子。
【請求項３】
前記第２のｎ型半導体層は、１×１０１６ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下のキャリア濃度を有する請求項１又は請求項２に記載の半導体光素子。
【請求項４】
前記第２のｎ型半導体層は、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さを有する請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の半導体光素子。
【請求項５】
有機金属気相成長法を用いて半導体光素子を製造する方法であって、
基板上に第１のｎ型半導体層を形成する工程と、
Ｖ族元素として窒素及び砒素を含むIII-V族化合物半導体層を有する活性層を前記第１のｎ型半導体層上に形成する工程と、
前記活性層上に第２のｎ型半導体層を形成する工程と、
前記第２のｎ型半導体層上にｐ型半導体層を形成する工程と、
を備え、
前記第２のｎ型半導体層には、ｎ型ドーパントが添加されており、
前記第２のｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層とはｐｎ接合を形成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体光素子及び半導体光素子を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、半導体レーザが記載されている。この半導体レーザは、ｎ型のＡｌＧａＡｓからなる下部クラッド層と、ＧａＩｎＮＡｓからなる活性層と、ｐ型のＡｌＧａＡｓからなる上部クラッド層を備える。これらの層は、ｎ型半導体基板上に順次に積層されている。下部クラッド層及び活性層の間、及び上部クラッド層及び活性層の間には、アンドープのＧａＡｓからなる光閉じ込め層が設けられている。
【非特許文献１】F. Hohnsdorf et al, “Reduced threshold current densities of(GaIn)(NAs)/GaAs single quantum well lasers for emission wavelengths in therange 1.28-1.38μm” Electron. Lett. 1st April 1999, Vol.35, No7.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
非特許文献１に記載の半導体素子の製造工程には、有機金属気相エピタキシャル成長（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＯＶＰＥ）法によりＧａＩｎＮＡｓ活性層の上に種々の半導体層を成長させる工程が含まれている。これらの工程においては、雰囲気中に水素イオンが含まれるか又は水素イオンが発生される。該水素イオンは活性層へ拡散する。
【０００４】
しかしながら、非特許文献１に記載の半導体光素子の構成では、製造工程における水素イオンの活性層への拡散を十分に抑制することができない。また、活性層中の窒素は、拡散されてきた水素イオンと結合しやすく、該水素イオンと窒素との結合の形成により活性層に結晶欠陥が形成される。活性層中の結晶欠陥の形成は、活性層の結晶性を悪化させ、その結果、発光特性が劣化する。
【０００５】
そこで、本発明は、活性層中の水素イオンの濃度を低減することにより活性層の結晶性を向上できる構造を有する半導体光素子、およびその半導体光素子を製造する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面によれば、半導体光素子は、基板上に設けられている第１のｎ型半導体層と、前記第１のｎ型半導体層上に設けられており、Ｖ族元素として窒素及び砒素を含むIII-V族化合物半導体層を有する活性層と、前記活性層上に設けられているｐ型半導体層と、前記活性層と前記ｐ型半導体層との間に設けられている第２のｎ型半導体層と、を備え、前記第２のｎ型半導体層には、ｎ型ドーパントが添加されており、前記第２のｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層とはｐｎ接合を形成する。
【０００７】
活性層とｐ型半導体層との間に第２のｎ型半導体層が設けられているので、第２のｎ型半導体層とｐ型半導体層との界面にｐｎ接合が形成される。そのｐｎ接合における電界（ビルトインポテンシャル）により、製造工程における水素イオンの活性層への拡散が抑制される。従って、活性層における窒素と水素イオンとの結合による結晶欠陥の発生が抑制される。その結果、本半導体光素子は、結晶性の良好な活性層を有する。
【０００８】
本発明に係る半導体光素子では、前記活性層と前記第２のｎ型半導体層との間にアンドープ半導体層を更に備えることが好ましい。この半導体光素子の構成によれば、アンドープ半導体層が活性層とｐ型半導体層との間にあるので、ｐ型半導体層における吸収損失が抑制される。
【０００９】
本発明に係る半導体光素子では、前記第２のｎ型半導体層は、１×１０１６ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下のキャリア濃度を有することが好ましい。第２のｎ型半導体層が１×１０１６ｃｍ−３以上のキャリア濃度を有するので、製造工程における水素イオンの活性層への拡散が十分に抑制される。その結果、活性層の結晶性が向上される。また、第２のｎ型半導体層が３×１０１８ｃｍ−３以下のキャリア濃度を有するので、第２のｎ型半導体層１９中の自由キャリアによる光吸収が低減される。
【００１０】
本発明に係る半導体光素子では、前記第２のｎ型半導体層は、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さを有することが好ましい。この範囲であれば、ｐ型半導体層から注入されたキャリア(ホール)と第２のｎ型半導体層のキャリア（電子）との再結合が、第２のｎ型半導体層において抑制される。この再結合によるホールの減少に伴い、誘導放出に寄与しない無効電流の発生を抑制することができる。
【００１１】
本発明の別の側面によれば、半導体光素子の製造方法は、基板上に第１のｎ型半導体層を形成する工程と、前記第１のｎ型半導体層上にＶ族元素として窒素及び砒素を含むIII-V族化合物半導体層を有する活性層を形成する工程と、前記活性層上に第２のｎ型半導体層を形成する工程と、前記第２のｎ型半導体層上にｐ型半導体層を形成する工程と、を備え、前記第２のｎ型半導体層には、ｎ型ドーパントが添加されており、前記第２のｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層とはｐｎ接合を形成する。
【００１２】
本発明に係る製造方法によれば、活性層の後にｐ型半導体層の形成に先立って第２のｎ型半導体層が形成されるので、第２のｎ型半導体層はｐ型半導体層との界面とｐｎ接合を形成する。このｐｎ接合における電界（ビルトインポテンシャル）により、製造工程中に水素イオンが活性層へ拡散されることが抑制される。その結果、活性層中の水素イオンの濃度が低くでき、活性層における窒素及び水素イオンの結合による結晶欠陥の発生が抑制される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、活性層中の水素イオンの濃度を低減することにより活性層の結晶性を向上できる構造を有する半導体光素子及びその製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の半導体光素子、およびその製造方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一部分には同一の符号を付する。
【００１５】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体光素子１の構成を概略的に示す図面である。半導体光素子１は、引き続く説明から理解されるように埋め込みリッジ型の構造を有する。埋め込みリッジ構造を採用すると、簡単な製造プロセスにより高い信頼性の半導体光素子を製造できる。本実施の形態は、リッジ型に限定されず、また埋め込みメサ構造を用いることもできる。半導体光素子は、例えば半導体レーザであることができる。
【００１６】
半導体光素子１は、基板１１、第１のｎ型半導体層１３、活性層１５、ｐ型半導体層１７及び第２のｎ型半導体層１９を備える。
【００１７】
第１のｎ型半導体層１３は基板１１上に設けられており、例えば下部クラッド層である。活性層１５は、第１のｎ型半導体層１３上に設けられており、Ｖ族元素として窒素及び砒素を含むIII-V族化合物半導体層を有する。III-V族化合物半導体層は、例えば単一量子井戸構造の井戸層となっている。しかしながら、III-V族化合物半導体層は、多重量子井戸構造を有することができる。また、活性層１５におけるIII-V族化合物半導体層は、アンドープ半導体層またはｎ型ドーパントが添加されたｎ型半導体層となっている。ｐ型半導体層１７は、活性層１５上に設けられており、例えば上部クラッド層である。第２のｎ型半導体層１９は、活性層１５とｐ型半導体層１７との間に設けられている。第２のｎ型半導体層１９は、ｎ型ドーパントが添加されており、例えば上部光閉じ込め層である。ｎ型ドーパントとしては、例えばシリコンを用いることができる。第２のｎ型半導体層１９とｐ型半導体層１７とはｐｎ接合Ｊを形成する。
【００１８】
そのｐｎ接合Ｊにより第２のｎ型半導体層１９からｐ型半導体層１７に向かう電界（ビルトインポテンシャル）Ｅが生じる。その電界Ｅにより、製造工程において、水素イオンの活性層１５への拡散が抑制される。そのため、本半導体光素子１では、活性層１５中の水素濃度が低く、低い水素濃度に伴い、活性層１５における窒素と水素との結合による結晶欠陥の発生が抑制される。その結果、活性層１５の結晶品質が優れている。
【００１９】
半導体光素子１の実施例では、第２のｎ型半導体層１９のキャリア濃度は、１×１０１６ｃｍ−３以上である。この範囲であれば、後述する半導体光素子１の製造工程において活性層１５への水素の拡散が十分に抑制され、その結果、活性層１５の結晶性が向上される。また、第２のｎ型半導体層１９のキャリア濃度は、３×１０１８ｃｍ−３以下である。この範囲であれば、第２のｎ型半導体層１９中の自由キャリアによる光吸収が低減される。
【００２０】
半導体光素子１は、半導体基板２１上に設けられたバッファ層２３を含むことができる。実施例では、第１のｎ型半導体層１３と活性層１５との間には、下部光閉じ込め層２５が設けられている。下部光閉じ込め層２５は、アンドープであることができる。半導体光素子１は、ｐ型半導体層１７が所定の軸に延在するリッジ構造を有している。そのリッジの両側面上にはｎ型埋め込み層２７が設けられている。半導体光素子１は、ｎ型埋め込み層２７及びｐ型半導体層１７上に設けられたｐ型半導体層２９（例えば、上部クラッド層）を含むことができる。ｐ型半導体層２９上には、コンタクト層（例えば、ｐ型コンタクト層）３１が設けられている。コンタクト層３１上には、電極（アノード）３３が設けられている。半導体基板２１の裏面には、電極（カソード）３５が設けられている。
【００２１】
光閉じ込め層として機能する第２のｎ型半導体層１９のバンドギャップエネルギーは、活性層１５のIII-V族化合物半導体層のバンドギャップエネルギーよりも大きく、かつ、クラッド層として機能する第１のｎ型半導体層１３及びｐ型半導体層１７のバンドギャップエネルギーよりも小さい。下部光閉じ込め層２５のバンドギャップエネルギーは、活性層１５のIII-V族化合物半導体層のバンドギャップエネルギーよりも大きく、かつ、クラッド層として機能する第１のｎ型半導体層１３及びｐ型半導体層１７のバンドギャップエネルギーよりも小さい。第２のｎ型半導体層１９及び下部光閉じ込め層２５と、第１のｎ型半導体層１３及びｐ型半導体層１７とにより、キャリアは活性層１５に閉じ込められる。
【００２２】
また、第２のｎ型半導体層１９の屈折率は、活性層１５の平均屈折率よりも小さく、かつ、第１のｎ型半導体層１３及びｐ型半導体層１７の屈折率よりも大きい。下部光閉じ込め層２５の屈折率は、活性層１５の平均屈折率よりも小さく、かつ、第１のｎ型半導体層１３及びｐ型半導体層１７の屈折率よりも大きい。この半導体光素子１の構造により、第１のｎ型半導体層１３及びｐ型半導体層１７は活性層１５に伝播光を閉じ込め可能になる。
【００２３】
半導体光素子１の実施例を示すと、
半導体基板２１：（１００）面を有するｎ型ＧａＡｓ基板
バッファ層２３：厚さ１００ｎｍ、ｎ型ＧａＡs半導体層
第１のｎ型半導体層１３：厚さ１５００ｎｍ、ｎ型Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ半導体層、キャリア濃度７×１０１７ｃｍ−３
下部光閉じ込め層２５：厚さ１４０ｎｍ、ｉ型ＧａＡｓ半導体層
活性層１５：厚さ７ｎｍ、Ｇａ０．７Ｉｎ０．３Ｎ０．０１Ａｓ０．９９半導体層
第２のｎ型半導体層１９：厚さ１４０ｎｍ、ｎ型ＧａＡｓ半導体層、キャリア濃度１×１０１６ｃｍ−３
ｐ型半導体層１７：厚さ５００ｎｍ、ｐ型ＧａＩｎＰ半導体層、キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３
ｎ型埋め込み層２７：厚さ５００ｎｍ、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ半導体層、キャリア濃度１×１０１７ｃｍ−３
ｐ型半導体層２９：厚さ１０００ｎｍ、ｐ型Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ半導体層
コンタクト層３１：厚さ２００ｎｍ、ｐ型ＧａＡｓ半導体層
である。これらの層において、ｎ型ドーパントとしては、例えばＳｉが用いられており、ｐ型ドーパントとしては、例えばＺｎが用いられている。
【００２４】
引き続き、図２〜図４を参照しながら、本実施の形態に係る半導体光素子１の製造方法について説明する。図２〜図４は、本実施形態に係る半導体光素子１の製造方法の各工程を模式的に示す図である。半導体光素子１を製造するために、例えば下記各工程を順に行う。
【００２５】
（半導体積層形成工程）  
まず、半導体基板２１を用意する。以下に説明される製造方法は、半導体結晶の成長のために、ＭＯＶＰＥ法が用いられる。Ｇａ、Ｉｎ、Ｎ、Ａｓ、Ｐのそれぞれの原料としては、それぞれ例えばトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、ジメチルヒドラジン（ＤＭＨｙ）、ターシャリブチルアルシン（ＴＢＡｓ）、ターシャリブチルホスフィン（ＴＢＰ）が用いられる。Ｓｉ、Ｚｎのドーピング原料としては、例えばテトラエチルシラン（ＴｅＥＳｉ）、ジエチルジンク(ＤＥＺｎ)が用いられる。図２に示すように、半導体基板２１上に、バッファ層２３、第１のｎ型半導体層１３、下部光閉じ込め層２５、活性層１５、第２のｎ型半導体層１９及びｐ型半導体層１７Ａを順次成長する。第２のｎ型半導体層１９とｐ型半導体層１７とはｐｎ接合Ｊを形成する。ｐｎ接合Ｊにより、活性層１５から上部方向に向かう電界Ｅが生じる。
【００２６】
活性層１５のIII-V族化合物半導体層のためＧａＩｎＮＡｓを成長するときの条件を例示すれば、
成長温度：５１０℃、
成長速度：０．９μｍ/ｈ、
ＤＭＨｙ/Ｖ比：０．９９、  
成長圧力：７６Ｔｏｒｒ  
である。
【００２７】
（埋め込み層形成工程）
引き続き、ｐ型半導体層１７Ａ上に、絶縁膜３７を形成する。この絶縁膜３７は、ＳｉＮ膜であり、このＳｉＮ膜は、例えばプラズマＣＶＤ法を用いて形成される。プラズマＣＶＤ法によるＳｉＮ膜の形成においては、シラン（ＳｉＨ４）、アンモニア（ＮＨ３）および水素（Ｈ２）を主原料とするガスが用いられる。その後、絶縁膜３７上にフォトレジストを塗布して、レジスト層を形成する。次にフォトリソグラフィー技術を用いて、レジストマスクＰＭ１を形成する。レジストマスクＰＭ１は、所定の軸の方向に沿って延びるストライプマスクを有し、ストライプマスク幅は、例えば５μｍである。所定の軸の方向は、半導体光素子の光導波路の方向である。
【００２８】
続いて、このレジストマスクＰＭ１を用いて絶縁膜３７をエッチングする。これにより、図３に示すように、エッチングマスクＥＭ１には、レジストマスクＰＭ１のパターンが転写される。エッチングマスクＥＭ１の形成後、レジストマスクＰＭ１を除去する。この後に、ｐ型半導体層１７ＡをエッチングマスクＥＭ１を用いてエッチングする。エッチング工程では、エッチングマスクＥＭ１で覆われていないｐ型半導体層１７Ａの部分が除去されるので、リッジ型構造のｐ型半導体層１７が形成される。このｐ型半導体層１７は、リッジ型構造を有する。その後、エッチングマスクＥＭ１を除去せずに、リッジ型のｐ型半導体層１７の両側面上にｎ型の埋め込み層２７の再成長を行う。その後、例えば、ウェットエッチングを行い、エッチングマスクＥＭ１を除去する。
【００２９】
（その他の工程）
引き続き、図４に示すように、埋め込み層２７及びｐ型半導体層１７の上にｐ型半導体層２９及びコンタクト層３１を形成する。その後、コンタクト層３１上には電極（アノード）３３を形成すると共に、半導体基板２１の裏面上に電極（カソード）３５を形成する。これにより、図１の半導体光素子１が完成される。
【００３０】
上述した製造方法においては、活性層１５が水素雰囲気に置かれる工程として、例えば、以下のものがある。プラズマＣＶＤ法による絶縁膜３７の形成中に、プラズマガス中の水素イオンの拡散によって活性層１５中の水素濃度が増加する。また、埋め込み層２７及びｐ型半導体層２９の再成長中に、有機金属ガス（ＴＢＰ等）の熱分解により生じたＭＯＶＰＥチャンバ内の水素イオンが拡散して、活性層１５中の水素濃度が増加する。しかし、活性層１５の上側に形成されたｐｎ接合Ｊにより、水素イオンが活性層１５へ拡散されることが抑制される。
【００３１】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図５は、第２の実施の形態に係る半導体光素子３の構成を概略的に示す図面である。半導体光素子３は、第２のｎ型半導体層１９及びｐ型半導体層１７が共に埋め込み層２７により埋め込まれている点において、第１の実施の形態に係る半導体光素子１と相違する。また、埋め込まれていない半導体層３９が、活性層１５と第２のｎ型半導体層１９及び埋め込み層２７との間に更に設けられている。半導体層３９は、上部光閉じ込め層として機能するものであり、例えばアンドープであることができる。なお、その他の構成は、半導体光素子１の構成と同等である。
【００３２】
この構成では、半導体層３９が活性層１５と第２のｎ型半導体層１９及び埋め込み層２７との間にあるので、活性層１５がｐ型半導体層１７から離れる。このため、ｐ型半導体層１７における吸収損失が抑制される。半導体光素子３の実施例では、第２のｎ型半導体層１９の厚さが１０ｎｍである。第２のｎ型半導体層１９の厚さは２ｎｍ以上であるので、水素の拡散に対するバリアを提供できる。また、第２のｎ型半導体層１９は、１０ｎｍ以下であるので、第２のｎ型半導体層１９において、第２のｎ型半導体層１９の多数キャリア（電子）とｐ型半導体層１７から注入されたホールとの再結合が抑制される。その結果、活性層１５に到達する前に消滅するホールを低減することができる。
【００３３】
半導体光素子３の実施例を示すと、
半導体層３９：厚さ１４０ｎｍ、ｉ型ＧａＡs半導体層
第２のｎ型半導体層１９：厚さ１０ｎｍ、ｎ型Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ半導体層、キャリア濃度１×１０１６ｃｍ−３
ｐ型半導体層１７：厚さ４９０ｎｍ、ｐ型Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ半導体層、キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３
である。
【００３４】
次に、本発明の第２の実施の形態に係る変形例の半導体光素子５について説明する。図６は、半導体光素子５の構成を概略的に示す図面である。半導体光素子５は、以下の点で第２の実施の形態の半導体光素子３と異なる。その一つは、第２のｎ型半導体層１９が半導体層３９と同一半導体材料からなることであり、他の一つは、第２のｎ型半導体層１９がｎ型埋め込み層２７により埋め込まれていない点において、第２の実施の形態の半導体光素子３と異なる。第２のｎ型半導体層１９は、半導体層３９とｐ型半導体層１７及びｎ型埋め込み層２７との間に設けられている。
【００３５】
半導体光素子５においても、半導体光素子３と同様に、第２のｎ型半導体層１９が設けられており、アンドープの半導体層３９が活性層１５と第２のｎ型半導体層１９との間にある。故に、半導体光素子５は、半導体光素子３と同様の効果を得られる。
【００３６】
半導体光素子５の実施例を示すと、
第２のｎ型半導体層１９：厚さ１０ｎｍ、ｎ型ＧａＡｓ半導体層
半導体層３９：厚さ１４０ｎｍ、ｉ型ＧａＡs半導体層
ｐ型半導体層１７：厚さ５００ｎｍ、ｐ型ＧａＩｎＰ半導体層、キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３
である。
【００３７】
以下、第１及び第２の実施の形態に係る半導体光素子１，３及び５の効果を従来の半導体光素子と比較して詳細に説明する。図７は、対比の対象となる従来の半導体光素子７を示す。半導体光素子７では、ｐ型半導体層１７と活性層１５との間にアンドープの半導体層３９が設けられている。半導体光素子７は、第２のｎ型半導体層１９を備えていない点において半導体光素子１と相違する。その他の構成は、比較を容易にするために、半導体光素子１の構成と同等である。
【００３８】
図８は、半導体光素子１，３及び７における電流−光出力特性を示す図である。図８において、横軸は印加電流（ｍＡ）であり、縦軸は、印加電流における光出力（ｍＷ）を示す。図８は、半導体光素子１，３及び７における電流−光出力特性ＰＬ１，ＰＬ３及びＰＬ７を示すグラフである。また、図８は、半導体光素子１，３及び７がレーザ発振を始める駆動電流値（閾値電流）Ｉ１，Ｉ３及びＩ７を表す。図８に示されるように、従来構造の半導体光素子７は、その閾値電流Ｉ７が、半導体光素子１，３のそれぞれの閾値電流Ｉ１，Ｉ３より高く、かつ、発光効率（以下、スロープ効率という）を表す特性ＰＬ７の傾きが半導体光素子１，３それぞれ特性ＰＬ１及び特性ＰＬ３の傾きより小さいことが分かる。
【００３９】
まず、図８における閾値電流及びスロープ効率の差は、以下のように原因が考えられる。従来の半導体光素子７では、半導体光素子１及び３とは異なり、活性層１５とｐ型半導体層１７との間に第２のｎ型半導体層１９が設けられていない。そのため、図９に示すように、ｐｎ接合Ｊを含まない積層体上にプラズマＣＶＤ法による絶縁膜３７を形成するとき、プラズマガス中の水素イオンが活性層１５へ拡散されることが抑制されない。また、ｐｎ接合Ｊを形成することなくｐ型半導体層２９等の再成長が行われると、再成長時にＭＯＶＰＥチャンバ内での有機金属ガスのＴＢＰの熱分解により生じた水素が活性層１５へ拡散されることが抑制されない。その結果、活性層１５においてこの水素と窒素との結合により結晶欠陥が多く発生して、結晶欠陥が高閾値電流及び低スロープ効率を引き起こしたと考えられる。
【００４０】
一方、第１半導体光素子１では、図１０に示されているように、活性層１５上にｐｎ接合Ｊが形成されている。そのため、活性層１５から上部方向に向かう電界Ｅがｐｎ接合Ｊに生じ、この電界により、正イオンである水素イオンは製造工程中に活性層１５内に侵入することが妨げられる。そのため、活性層１５における窒素と水素イオンとの結合による結晶欠陥の発生が抑制される。その結果、活性層１５の結晶性の劣化が抑制され、低い閾値電流、及び高いスロープ効率が得られると考えられる。また、第２実施形態に係る半導体光素子３においても半導体光素子１と同様に、活性層１５とｐ型半導体層１７との間に、第２のｎ型半導体層１９が設けられているので、半導体光素子１と同様の効果が得られる。
【００４１】
半導体光素子１における特性ＰＬ１と半導体光素子３における特性ＰＬ３との違いについて、図１１及び図１２を参照して説明する。半導体光素子１では、活性層１５の上部に第２のｎ型半導体層１９が直接に設けられているので、図１１に示されるように、第２のｎ型半導体層１９に存在する電子の一部とｐ型半導体層１７から注入されたホールとが第２のｎ型半導体層１９において再結合することにより、活性層１５へのホールの注入量が低下し、発光効率が低下すると考えられる。
【００４２】
一方、半導体光素子３では第２のｎ型半導体層１９の厚さが１０ｎｍであり、半導体光素子１の第２のｎ型半導体層１９の厚さ１４０ｎｍより１桁以上薄い。そのため、図１２に示されるように、半導体光素子３においては、半導体光素子１と比較して、ｐ型半導体層１７からのホールと第２のｎ型半導体層１９のキャリア（電子）との再結合が少なくなる。これにより、誘導放出に寄与しない無効電流の発生が減少したことによると考えられる。
【００４３】
これに加えて、半導体光素子３では、アンドープの半導体層３９が活性層１５とｐ型半導体層２９との間にあるので、活性層１５を伝播する光がｐ型半導体層１７により吸収されることが低減されたと考えられる。以上の理由から、半導体光素子３では、半導体光素子１よりも低い閾値電流Ｉ３及び高いスロープ効率が達成されたと考えられる。
【００４４】
次に、図１３を用いて、半導体光素子３及び５における電流−光出力特性を説明する。
図１３において  、横軸は印加電流（ｍＡ）であり、縦軸は、印加電流における光出力（ｍＷ）を示す。図１３は、半導体光素子３及び５における電流−光出力特性ＰＬ３及びＰＬ５を示すグラフである。また、図１３において、閾値電流Ｉ３及びＩ５は、それぞれ、半導体光素子３及び５の閾値電流を表す。図１３に示されるように、特性ＰＬ３及びＰＬ５はほぼ一致していることが分かる。すなわち、半導体光素子３及び５は、それぞれ、ほぼ同一の閾値電流Ｉ３及びＩ５と、ほぼ同一のスロープ効率とを有している。これらの特性は、半導体光素子３及び５が、いずれも活性層１５と、第２のｎ型半導体層１９と、これらの層１５，１９の間に設けられたアンドープの半導体層３９とを有する構造を持つこと、及び第２のｎ型半導体層１９の厚さが１０ｎｍ程度であることに起因するものと考えられる。
【００４５】
［実験例］
本実験例では、半導体光素子１、３及び７にそれぞれ対応する実施例１、２及び比較例１においてウェハＷＥ１，ＷＥ２，ＷＣを作製すると共に、ウェハＷＥ１，ＷＥ２，ＷＣの活性層中の水素濃度の測定を行った。ウェハＷＥ１，ＷＥ２，ＷＣの作製には、ＭＯＶＰＥ法が用いられた。Ｇａ、Ｉｎ、Ｎ、Ａｓ、Ｐのそれぞれの原料としては、ＴＥＧａ、ＴＭＩｎ、ＤＭＨｙ、ＴＢＡｓ、ＴＢＰが用いられた。Ｓｉ、Ｚｎのドーピング原料としては、ＴｅＥＳｉ、ＤＥＺｎがそれぞれ用いられた。
【００４６】
まず、エピタキシャル構造Ｓ１を以下のように作製した。ＳｉドープのＧａＡｓ（１００）基板上に、厚さ１００ｎｍのＳｉドープのＧａＡｓバッファ層、厚さ１５００ｎｍのＳｉドープのＧａＩｎＰ第１のｎ型半導体層（組成Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ、キャリア濃度７×１０１７ｃｍ−３）、厚さ１４０ｎｍのアンドープのＧａＡｓ下部光閉じ込め層、厚さ７ｎｍのアンドープのＧａＩｎＮＡｓ活性層（組成Ｇａ０．７Ｉｎ０．３Ｎ０．０１Ａｓ０．９９）、厚さ１４０ｎｍのＳｉドープのＧａＡｓ第２のｎ型半導体層（キャリア濃度１×１０１６ｃｍ−３）及び厚さ５００ｎｍのＺｎドープのＧａＩｎＰのｐ型半導体層（組成Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ、キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３）を順次に形成して、エピタキシャル構造Ｓ１を作製した。
【００４７】
エピタキシャル構造Ｓ２を以下のように作製した。ＳｉドープのＧａＡｓ（１００）基板上に、厚さ１００ｎｍのＳｉドープのＧａＡｓバッファ層、厚さ１５００ｎｍのＳｉドープのＧａＩｎＰ第１のｎ型半導体層（組成Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ、キャリア濃度７×１０１７ｃｍ−３）、厚さ１４０ｎｍのアンドープのＧａＡｓ下部光閉じ込め層、厚さ７ｎｍのアンドープのＧａＩｎＮＡｓ活性層（組成Ｇａ０．７Ｉｎ０．３Ｎ０．０１Ａｓ０．９９）、厚さ１４０ｎｍのアンドープのＧａＡｓ半導体層、厚さ１０ｎｍのＳｉドープのＧａＩｎＰ第２のｎ型半導体層（組成Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ、キャリア濃度１×１０１６ｃｍ−３）及び厚さ４９０ｎｍのＺｎドープのＧａＩｎＰのｐ型半導体層（組成Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ、キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３）を順次に形成して、エピタキシャル構造Ｓ２を作製した。
【００４８】
エピタキシャル構造Ｓ３を以下のように作製した。ＳｉドープのＧａＡｓ（１００）基板上に、厚さ１００ｎｍのＳｉドープのＧａＡｓバッファ層、厚さ１５００ｎｍのＳｉドープのＧａＩｎＰ第１のｎ型半導体層（組成Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ、キャリア濃度７×１０１７ｃｍ−３）、厚さ１４０ｎｍのアンドープのＧａＡｓ下部光閉じ込め層、厚さ７ｎｍのアンドープのＧａＩｎＮＡｓ活性層（組成Ｇａ０．７Ｉｎ０．３Ｎ０．０１Ａｓ０．９９）、厚さ１４０ｎｍのアンドープのＧａＡｓ半導体層及び厚さ５００ｎｍのＺｎドープのＧａＩｎＰのｐ型半導体層（組成Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ、キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３）を順次に形成して、エピタキシャル構造Ｓ３を作製した。
【００４９】
次に、再成長における水素拡散に対するｐｎ接合Ｊの影響を確実に調べるために、エピタキシャル構造Ｓ１、Ｓ２及びＳ３それぞれに更に同時に同一の環境で後記の層を形成した。まず、エピタキシャル構造Ｓ１、Ｓ２及びＳ３を第２のＭＯＶＰＥ装置に設置し、これらのエピタキシャル構造Ｓ１、Ｓ２及びＳ３上にエッチングストップ層となる厚さ０．１μｍのアンドープのＧａＡｓ層を一緒に形成した。続いて、厚さ５００ｎｍのＳｉドープのＡｌＧａＩｎＰ層、厚さ１５００ｎｍのＺｎドープのＧａＩｎＰクラッド層、厚さ２００ｎｍのＺｎドープのＧａＡｓコンタクト層を順次に形成した。このようにして、エピタキシャル構造Ｓ１、Ｓ２及びＳ３それぞれを有するエピタキシャル構造Ａ，Ｂ及びＣが完成した。
【００５０】
その後、２次イオン質量分析（Secondary Ion Mass Spectrometry :SIMS）分析における深さ分解能を上げるために、下記のように、実施例１，２及び比較例１のエピタキシャル構造Ａ，Ｂ及びＣを処理した。まず、エッチング液（リン酸と過酸化水素水と水との混合液）を用いたウェットエッチングによりＧａＡｓコンタクト層を除去し、その後、エッチング液（塩酸と水との混合液）を用いたウェットエッチングによりＧａＩｎＰクラッド層およびＡｌＧａＩｎＰ層を除去した。そして、エッチング液（リン酸と過酸化水素水と水との混合液）を用いてＧａＡｓエッチングストップ層を除去しＧａＩｎＰのｐ型半導体層を露出させた。図１４（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）それぞれと同等の構造を有するＳＩＭＳ分析用のウェハＷＥ１，ＷＥ２，ＷＣを作製した。
【００５１】
ウェハ中心付近の１ｃｍ角程度のサイズのＳＩＭＳ分析用試料を、へき開により作製した。これらの試料のＳＩＭＳ分析はQポール型ＳＩＭＳ分析装置を用いて行われた。１次イオンとしては２ｋｅＶのエネルギーのセシウムイオン（Cs＋）を用い、その入射角は６０度であった。２次イオンとしては負イオンを検出した。なお、ＳＩＭＳ分析における水素の検出限界は約２×１０１７ｃｍ−３であった。また、試料の表面からの深さとスパッタ量との関係をキャリブレートするために、スパッタリングによって各試料に形成された段差を段差計で測定した。ただし、深さ測定の精度を上げるために、インジウム（Ｉｎ）および窒素（Ｎ）を水素と同時に測定して活性層の位置を特定した。なお、Ｉｎ濃度の測定誤差は大きいことがあるため、その値は参考データに留まる。
【００５２】
（ＳＩＭＳ分析結果）
図１５及び図１６は比較例１に係るウェハＷＣにおけるＳＩＭＳ分析結果を示し、図１７及び図１８は実施例１及び２のウェハＷＥ１におけるＳＩＭＳ分析結果をそれぞれ示す。
【００５３】
図１５では、横軸は深さ（ｎｍ）を示し、左の縦軸はＨ及びＮの濃度（ｃｍ−３）を示し、右縦軸はＧａ１−ＸＩｎＸＮＹＡｓ１−ＹにおけるＩｎの含有率（Ｘの値）を示す。試料の表面から約５６０ｎｍの位置におけるＮ及びＩｎの濃度曲線のピークは活性層に対応する。図１６は、試料の表面から５００ｎｍから６５０ｎｍまでの領域（活性層付近）の拡大図である。図１６を参照すると、比較例１に係るウェハＷＣにおいては、活性層中のＨ濃度曲線が活性層以外の層でのＨ濃度値より高くなっていることが分かる。上記の活性層以外の層は、具体的には、ＧａＡｓ下部光閉じ込め層及びアンドープＧａＡｓ半導体層である。これらのＨ濃度の差から、例えば、活性層上へのｐ型半導体層の形成工程において、水素イオンが活性層へ拡散し、活性層中に窒素と結合する形で捕獲されていることが考えられる。
【００５４】
一方、図１７では、横軸は深さ（ｎｍ）を示し、左の縦軸はＨ及びＮの濃度（ｃｍ−３）を示し、右縦軸はＧａ１−ＸＩｎＸＮＹＡｓ１−ＹにおけるＩｎの含有率（Ｘの値）を示す。試料の表面から約５６０ｎｍの位置におけるＮ及びＩｎの濃度曲線のピークは活性層に対応する。なお、Ｈが試料の表面から深さ３００ｎｍ程度まで大量に検出されているようにみえるが、これは試料表面のコンタミネーションの影響によるものである。図１８は、表面から５００ｎｍの位置と６５０ｎｍの位置の間の領域（活性層近傍）における拡大図を示す。図１８に示すように、活性層近傍におけるＨの濃度は検出限界（２×１０１７ｃｍ−３）以下の値となっていることが分かる。横軸における５６０ｎｍ付近におけるＮ及びＩｎの濃度値のピークは活性層の位置を示し、この領域においてＨの濃度値が検出限界以下である。故に、活性層上へのｐ型半導体層の形成工程において、水素イオンの活性層への拡散が抑制されていることが示された。また、実施例２に係るウェハＷＥ２においても、実施例１と同等の結果が得られた。
【００５５】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】第１の実施の形態に係る半導体光素子の構成を概略的に示す図面である。
【図２】第１実施の形態に係る半導体光素子を製造する工程を示す図である。
【図３】第１実施の形態に係る半導体光素子を製造する工程を示す図である。
【図４】第１実施の形態に係る半導体光素子を製造する工程を示す図である。
【図５】第２の実施の形態に係る半導体光素子の構成を概略的に示す図面である。
【図６】第２の実施の形態の変形例に係る半導体光素子の構成を概略的に示す図面である。
【図７】従来の半導体光素子の構成を概略的に示す図面である。
【図８】図１、図５及び図７に示すそれぞれの半導体光素子における電流−光出力特性を示す図である。
【図９】図７の半導体光素子のアンドープの半導体層、活性層及び下部光閉じ込め層の付近におけるエネルギーバンド図である。
【図１０】図１の半導体素子の下部光閉じ込め層からｐ型半導体層にわたる領域におけるエネルギーバンド図である。
【図１１】図１に示す半導体素子の作用効果を説明するための図である。
【図１２】図５に示す半導体光素子の作用効果を説明するための図である。
【図１３】図５及び図６に示されているそれぞれの半導体光素子における電流−光出力特性を示す図である。
【図１４】実施例１，２及び比較例１に係るウェハを示す図である。
【図１５】比較例１に係るウェハの活性層中における水素濃度を示すためのＳＩＭＳによる解析結果を示す図である。
【図１６】比較例１に係るウェハの活性層中における水素濃度を示すためのＳＩＭＳによる解析結果を示す図である。
【図１７】実施例１に係るウェハの活性層中における水素濃度を示すためのＳＩＭＳによる解析結果を示す図である。
【図１８】実施例１に係るウェハの活性層中における水素濃度を示すためのＳＩＭＳによる解析結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１，３，５，７…半導体光素子、１１…基板、１３…第１のｎ型半導体層、１５…活性層、１７…ｐ型半導体層、１９…第２のｎ型半導体層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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