(57)【要約】      （修正有）【課題】２つのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の界面に光を吸収する遷移層が形成されるのを防止することができる光素子およびその製造方法を提供する。【解決手段】第１のＩＩＩ族元素および第１のＶ族元素を含む第１半導体層１２０と、第１半導体層の上方に形成され、第２のＩＩＩ族元素および第２のＶ族元素を含む第２半導体層１３０と、第１半導体層と第２半導体層との間に形成され、第２のＩＩＩ族元素および第１のＶ族元素を含む中間層１７０とを備え、同一の温度条件で、第２のＩＩＩ族元素および第１のＶ族元素を含む化合物の熱力学的平衡定数が、第１のＩＩＩ族元素および第２のＶ族元素を含む化合物の熱力学的平衡定数より大きい光素子。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第１のＩＩＩ族元素および第１のＶ族元素を含む第１化合物半導体層と、
前記第１化合物半導体層の上方に形成され、少なくとも第２のＩＩＩ族元素および第２のＶ族元素を含む第２化合物半導体層と、
前記第１化合物半導体層と前記第２化合物半導体層との間に形成され、少なくとも前記第２のＩＩＩ族元素および前記第１のＶ族元素の化合物を含む中間層と
を備え、
同一の温度条件で、前記第２のＩＩＩ族元素および前記第１のＶ族元素を含む化合物の熱力学的平衡定数が、前記第１のＩＩＩ族元素および前記第２のＶ族元素を含む化合物の熱力学的平衡定数より大きい
光素子。
【請求項２】
前記第１のＩＩＩ族元素および前記第２のＶ族元素を含む化合物のバンドギャップエネルギーは、前記第２のＩＩＩ族元素および前記第２のＶ族元素を含む化合物のバンドギャップエネルギーより小さい
請求項１に記載の光素子。
【請求項３】
前記中間層における前記第２のＩＩＩ族元素の組成比は、前記第２化合物半導体層における前記第２のＩＩＩ族元素の組成比に略等しい
請求項１に記載の光素子。
【請求項４】
前記中間層における第１のＶ族元素の組成比は、前記中間層における前記第２のＶ族元素の組成比より大きい
請求項１から３のいずれか一項に記載の光素子。
【請求項５】
前記中間層における前記第２のＶ族元素の組成比はゼロである
請求項４に記載の光素子。
【請求項６】
前記第１化合物半導体層は複数のＩＩＩ族元素および複数のＶ族元素を含み、前記第１のＩＩＩ族元素は前記複数のＩＩＩ族元素のうち前記第１化合物半導体層における組成比が最大であるＩＩＩ族元素であり、前記第１のＶ族元素は前記複数のＶ族元素のうち前記第１化合物半導体層における組成比が最大であるＶ族元素である
請求項１から５のいずれか一項に記載の光素子。
【請求項７】
前記第２化合物半導体層は複数のＩＩＩ族元素および複数のＶ族元素を含み、前記第２のＩＩＩ族元素は前記複数のＩＩＩ族元素のうち前記第２化合物半導体層における組成比が最大であるＩＩＩ族元素であり、前記第２のＶ族元素は前記複数のＶ族元素のうち前記第２化合物半導体層における組成比が最大であるＶ族元素である
請求項１から６のいずれか一項に記載の光素子。
【請求項８】
前記中間層は、前記第２のＶ族元素を含む化合物半導体層の直下に形成される
請求項１から７のいずれか一項に記載の光素子。
【請求項９】
前記中間層が、複数の層間の各々に設けられた
請求項１から８のいずれか一項に記載の光素子。
【請求項１０】
前記中間層は、前記第２化合物半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きい
請求項１から９のいずれか一項に記載の光素子。
【請求項１１】
前記中間層は、前記第１化合物半導体層と前記第２化合物半導体層との間に前記第１のＩＩＩ族元素および前記第２のＶ族元素の化合物の生成を抑制する
請求項１から１０のいずれか一項に記載の光素子。
【請求項１２】
前記中間層は、前記第１化合物半導体層および前記第２化合物半導体層に含まれるＩＩＩ族元素をすべて含む
請求項１から１１のいずれか一項に記載の光素子。
【請求項１３】
前記第１のＩＩＩ族元素はインジウム（Ｉｎ）であり、前記第１のＶ族元素は燐（Ｐ）であり、前記第２のＩＩＩ族元素はアルミニウム（Ａｌ）またはガリウム（Ｇａ）であり、前記第２のＶ族元素はヒ素（Ａｓ）である
請求項１から１２のいずれか一項に記載の光素子。
【請求項１４】
前記第１化合物半導体層はＩｎＰであり、前記第２化合物半導体層はＡｌＧａＩｎＡｓであり、前記中間層はＡｌＧａＩｎＰである
請求項１から１３のいずれか一項に記載の光素子。
【請求項１５】
前記第２化合物半導体層は、多重量子井戸構造の井戸層を含む、
請求項１から１４のいずれか一項に記載の光素子。
【請求項１６】
前記第２化合物半導体層は、多重量子井戸構造のバリア層を含む、
請求項１５に記載の光素子。
【請求項１７】
前記第２化合物半導体層は、光・キャリア分離閉じこめ型多重量子井戸構造の光・キャリア分離閉じこめ層を含む
請求項１から１４のいずれか一項に記載の光素子。
【請求項１８】
前記第２化合物半導体層の上方に形成され、前記第１のＩＩＩ族元素および前記第１のＶ族元素を含む第３化合物半導体層をさらに備え、
前記第３化合物半導体層は、上部クラッド層として機能する
請求項１から１７のいずれか一項に記載の光素子。
【請求項１９】
少なくとも第１のＩＩＩ族元素および第１のＶ族元素を含む第１化合物半導体層を形成する第１化合物半導体層形成段階と、
前記第１化合物半導体層上に少なくとも第２のＩＩＩ族元素および第１のＶ族元素の化合物を含む中間層を形成する中間層形成段階と、
前記中間層上に、少なくとも第２のＩＩＩ族元素および第２のＶ族元素を含む第２化合物半導体層を形成する第２化合物半導体層形成段階と
を備え、
同一の温度条件で、前記第２のＩＩＩ族元素および前記第１のＶ族元素を含む化合物の熱力学的平衡定数が、前記第１のＩＩＩ族元素および前記第２のＶ族元素を含む化合物の熱力学的平衡定数より大きい
光素子の製造方法。
【請求項２０】
前記第１のＩＩＩ族元素および前記第２のＶ族元素を含む化合物のバンドギャップエネルギーは、前記第２のＩＩＩ族元素および前記第２のＶ族元素を含む化合物のバンドギャップエネルギーより小さい
請求項１９に記載の光素子の製造方法。
【請求項２１】
前記中間層における前記第２のＩＩＩ族元素の組成比は、前記第２化合物半導体層における前記第２のＩＩＩ族元素の組成比に略等しい
請求項１９に記載の光素子の製造方法。
【請求項２２】
前記中間層における第１のＶ族元素の組成比は、前記中間層における前記第２のＶ族元素の組成比より大きい
請求項１９から２１のいずれか一項に記載の光素子の製造方法。
【請求項２３】
前記中間層における前記第２のＶ族元素の組成比はゼロである
請求項２２に記載の光素子の製造方法。
【請求項２４】
前記第１化合物半導体層は複数のＩＩＩ族元素および複数のＶ族元素を含み、前記第１のＩＩＩ族元素は前記複数のＩＩＩ族元素のうち前記第１化合物半導体層における組成比が最大であるＩＩＩ族元素であり、前記第１のＶ族元素は前記複数のＶ族元素のうち前記第１化合物半導体層における組成比が最大であるＶ族元素である
請求項１９から２３のいずれか一項に記載の光素子の製造方法。
【請求項２５】
前記第２化合物半導体層は複数のＩＩＩ族元素および複数のＶ族元素を含み、前記第２のＩＩＩ族元素は前記複数のＩＩＩ族元素のうち前記第２化合物半導体層における組成比が最大であるＩＩＩ族元素であり、前記第２のＶ族元素は前記複数のＶ族元素のうち前記第２化合物半導体層における組成比が最大であるＶ族元素である
請求項１９から２４のいずれか一項に記載の光素子の製造方法。
【請求項２６】
前記中間層は、前記第２のＶ族元素を含む化合物半導体層の直下に形成される
請求項１９から２５のいずれか一項に記載の光素子の製造方法。
【請求項２７】
前記中間層が、複数の層間の各々に設けられた
請求項１９から２６のいずれか一項に記載の光素子の製造方法。
【請求項２８】
前記中間層は、前記第２化合物半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きい
請求項１９から２７のいずれか一項に記載の光素子の製造方法。
【請求項２９】
前記中間層は、前記第１化合物半導体層と前記第２化合物半導体層との間に前記第１のＩＩＩ族元素および前記第２のＶ族元素の化合物の生成を抑制する
請求項１９から２８のいずれか一項に記載の光素子の製造方法。
【請求項３０】
前記中間層は、前記第１化合物半導体層および前記第２化合物半導体層に含まれるＩＩＩ族元素をすべて含む
請求項１９から２９のいずれか一項に記載の光素子。
【請求項３１】
前記第１化合物半導体層形成段階において、前記第１化合物半導体層に対応する第１のＩＩＩ族原料ガスおよび第１のＶ族原料ガスを反応容器に供給し、
前記中間層形成段階において、前記第１のＶ族原料ガスの供給を維持しつつ、前記第１のＩＩＩ族原料ガスの供給を停止し、前記第２化合物半導体層に対応する第２のＩＩＩ族原料ガスの供給を開始し、
前記第２化合物半導体層形成段階において、前記第２のＩＩＩ族原料ガスの供給を維持しつつ、前記第１のＶ族原料ガスの供給を停止し、前記第２化合物半導体層に対応する第２のＶ族原料ガスの供給を開始する
請求項１９から３０のいずれか一項に記載の光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＩｎＰ層上にＧａＩｎＡｓＰの活性層を形成したレーザ素子が知られている。また、レーザ素子の動作温度が高くなるとレーザ特性が劣化するため、ペルチェ素子等の温度制御素子によってレーザ素子の動作温度を制御していた（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１  特開２００６−２１０９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
また、レーザ素子に対しては低消費電力化の要求もある。ペルチェ素子は電力消費量が比較的大きいため、ペルチェ素子の電力消費を低減すれば、レーザ素子の消費電力を大きく低減できる。そこで、レーザ素子の活性層に、高温での特性劣化が小さいＡｌＧａＩｎＡｓを用いることが考えられる。これにより、レーザ素子の動作温度条件が緩和されるので、ペルチェ素子における電力消費を低減することができる。
【０００４】
ＩｎＰ層上にＡｌＧａＩｎＡｓ層を成長させる場合、層界面において、意図しない層が形成されてしまう場合がある。例えば、ＡｌＧａＩｎＡｓ層用のＶ族原料ガスのＡｓＨ３に含まれるＡｓ原子と、ＩｎＰ層のＰ原子とが界面において置換反応を起こす。その結果、界面におけるバンドギャップエネルギーの小さい吸収性遷移層の形成や、島状成長による欠陥および転位の形成を誘発してしまう。そのため、ＩｎＰ上に形成されるＡｌＧａＩｎＡｓ層の品質が劣化し、所望の光学的特性が得られなかった。
上記の吸収性遷移層ならびに欠陥および転位の形成による、上部半導体層の結晶品質および光学的特性の劣化を抑制する構造を有する光素子およびその製造方法が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の態様においては、第１のＩＩＩ族元素および第１のＶ族元素を含む第１半導体層と、第１半導体層の上方に形成され、第２のＩＩＩ族元素および第２のＶ族元素を含む第２半導体層と、第１半導体層と第２半導体層との間に形成され、第２のＩＩＩ族元素および第１のＶ族元素を含む中間層とを備え、同一の温度条件で、第２のＩＩＩ族元素および第１のＶ族元素を含む化合物の熱力学的平衡定数が、第１のＩＩＩ族元素および第２のＶ族元素を含む化合物の熱力学的平衡定数より大きい光素子が提供される。
【０００６】
本発明の第２の態様においては、第１のＩＩＩ族元素および第１のＶ族元素を含む第１半導体層を形成する第１半導体層形成段階と、第１半導体層上に第２のＩＩＩ族元素および第１のＶ族元素を含む中間層を形成する中間層形成段階と、中間層上に、第２のＩＩＩ族元素および第２のＶ族元素を含む第２半導体層を形成する第２半導体層形成段階とを備え、同一の温度条件で、第２のＩＩＩ族元素および第１のＶ族元素を含む化合物の熱力学的平衡定数が、第１のＩＩＩ族元素および第２のＶ族元素を含む化合物の熱力学的平衡定数より大きい光素子の製造方法が提供される。
【０００７】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】従来の光素子の断面図である。
【図２】図１に示した領域６０の概要を説明する図である。
【図３】図１の領域６０のバンド図である。
【図４】平衡定数Ｋの温度依存性を示す。
【図５Ａ】ＩｎＰクラッド層２０の表面３３のＰ／Ａｓ置換３１を模式的に示した図である。
【図５Ｂ】ＩｎＰクラッド層２０を薄いＡｌＧａＩｎＰ層３５で覆ったときの表面３７のＰ／Ａｓ置換３１の様子を概略的に示した図である。
【図６】成長温度付近である700℃におけるAlGaInAsおよびAlGaInPのP/As置換反応平衡定数のAlおよびGaの組成比依存性を示す。
【図７】本発明の第１実施形態にかかる光素子１００の断面図を示す。
【図８】図７に示す領域６２のバンド図である。
【図９】参考例の光素子５０１の断面図である。
【図１０】中間層１７０を含む領域のＴＥＭ（透過電子顕微鏡）観察像である。
【図１１】下部クラッド形成段階と活性層形成段階におけるＩＩＩ族及びＶ族原料ガスの供給シーケンスである。
【図１２】下部クラッド形成段階と活性層形成段階におけるＩＩＩ族及びＶ族原料ガスの供給シーケンスの変形例である。
【図１３】光素子５００のＰＬ特性の実験結果を示すグラフである。
【図１４】光素子５００のレーザ発振のしきい値電流と、遷移層／活性層ＰＬ強度比（Ｐ２／Ｐ１）の関係を示すグラフである。
【図１５】光素子１００の領域６２における原子結合を説明する概略図である。
【図１６】光素子１００の製造方法の概要を説明する図である。
【図１７】光素子１００のＰＬ特性の実験結果を示すグラフである。
【図１８】光素子５００と光素子１００の電流−光出力特性を比較した実験結果を示すグラフである。
【図１９】本発明の第２実施形態にかかる光素子２００の断面図である。
【図２０】光素子２００の製造方法における原料ガス供給シーケンスである。
【図２１】光素子２００の変形例の製造方法における原料ガス供給シーケンスを示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１０】
発明の実施形態について説明する前に、発明の技術的背景について、図面を使いつつ説明する。図１は、従来の光素子５００の断面図である。光素子５００は、例えば、半導体レーザを構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の積層構造を有する。光素子５００は、ｎ型ＩｎＰから形成された基板１０と、基板１０上に順次エピタキシャル成長された、ｎ型ＩｎＰから形成された下部クラッド層２０、ＡｌＧａＩｎＡｓから形成された活性層３０、ｐ型ＩｎＰから形成された上部クラッド層４０、及びｐ型ＧａＩｎＡｓＰから形成されたコンタクト層５０を備える。
【００１１】
下部クラッド層２０は、ＩＩＩ族原子のＩｎ原子とＶ族原子のＰ原子が結合した結晶構造（すなわちＩｎＰ）を全体に有する。活性層３０は、ＩＩＩ族原子のＡｌ原子、Ｇａ原子、Ｉｎ原子と、Ｖ族原子のＡｓ原子が結合した結晶構造（すなわちＡｌＧａＩｎＡｓ）を全体に有する。
【００１２】
従来、例えば有機金属気相成長法によってＩｎＰ上にＡｌＧａＩｎＡｓを形成する際に、リアクター内のＩｎＰのＶ族原料ガスであるＰＨ３をＡｌＧａＩｎＡｓのＶ族原料ガスであるＡｓＨ３へと置換する必要があった。置換によって、ＩｎＰ表面へＩＩＩ族元素（たとえばＡｌ，Ｇａ、Ｉｎ）とＶ族元素（たとえばＡｓ）が同時に到着し結晶を形成することが理想的であるが、一般的に、配管の距離やバルブ開閉タイミングによりＩｎＰ表面へ各元素が同時に到着させることは困難である。そのため、一度リアクター内のＰＨ３ガスとＡｓＨ３ガスを十分に置換させる時間を設けている（この時間を待機時間と呼ぶ）。この待機時間中、ＩｎＰ表面はＡｓＨ３雰囲気に曝されることになる。
【００１３】
図２は、図１に示した領域６０の概要を説明する図である。図２においては、左側に理想的な領域６０を示し、右側に実際の領域６０を示す。後述する理由により、ＡｓＨ３のＡｓとＩｎＰ中のＰが置換され（Ｐ／Ａｓ置換）、界面３２に遷移層３６（ＩｎＡｓ１−ｙＰｙ）が形成される（図２「実際」参照）。この置換反応の程度により、Ａｓの組成と反応層厚が変化する。反応の程度が大きいときには、Ａｓの組成比が大きく、かつ、反応層が比較的厚くなる。逆に、反応の程度が小さいときには、Ａｓの組成比が小さく、反応層が比較的薄くなる。このように、図２「理想」に示す界面３２に形成されるＩｎＡｓＰ層は、ＩｎＰ層、およびＡｌＧａＩｎＡｓ層に比べ、バンドギャップが小さくなる。その結果、置換の程度によっては、発光素子の発光を吸収し発光素子の性能を劣化せしめる場合がある。
【００１４】
図３は、領域６０のバンド図である。活性層３０と下部クラッド層２０との界面３２に形成された遷移層３６は、活性層３０よりバンドギャップエネルギーが小さい部分を有する。つまり、レーザまたは電子等によって励起されたキャリアは、活性層３０よりも優先的に遷移層３６に落ち込み、長波長のＰＬ光を発光する。そのため所望の活性層３０による光強度が低下して特性を劣化させる。
【００１５】
また、ＩｎＡｓＰ層の格子定数は、下部クラッド層２０のＩｎＰの格子定数と異なるため、結晶欠陥を生じさせる原因となりやすく、置換の程度によっては、転位や凹凸を発生させ、発光素子の特性や信頼性に大きな影響を与える場合もある。その他、電子デバイスに応用する際には、ショットキ電極のリーク電流を増加させる原因ともなる。
【００１６】
次に、置換反応が生じるメカニズムについて考察する。このような置換反応が生じるのは、結晶成長を支配している反応の平衡定数Ｋが、図４に示す関係を有するためと考えられる。図４に示した二元化合物の平衡定数Ｋは、標準状態における自由エネルギーΔＧ０に対して、以下の関係式で与えられる。
ΔＧ０＝−ＲＴｌｏｇｅＫ
ただし、Ｒは気体定数、Ｔは温度（単位はケルビン）である。なお、窒化物以外の反応は、以下の式に従う。
ＩＩＩ（ｇ）＋１／４Ｖ（ｇ）  ⇔  ＩＩＩ・Ｖ(ｓ)
ここで（ｇ）は気相を示しており、（ｓ）は固相を示す。また、窒化物の反応は以下の式に従う。
ＩＩＩ（ｇ）＋ＮＨ３（ｇ）  ⇔  ＩＩＩ・Ｎ（ｓ）＋３／２Ｈ２（ｇ）
【００１７】
ＩｎＮを除けば、図４に示した二元化合物の平衡定数Kの値は非常に大きいので、上記の反応は固相の析出する方向に進行し、不可逆反応的に固相を生成する。図４から、ＩＩＩ−Ｖ族の二元化合物に対して、同一の温度条件において以下のような平衡定数Kの序列が得られる。
ＡｌＮ＞ＡｌＰ＞ＡｌＡｓ＞ＧａＰ＞ＧａＡｓ＞ＧａＮ＞ＧａＳｂ＞ＩｎＡｓ＞ＩｎＰ＞ＩｎＳｂ＞ＩｎＮ
この序列は、成長する混晶中に、その混晶を構成する二元化合物の取り込まれやすさを示している。なお、上記の平衡定数は、熱力学的平衡定数とも呼ばれる。
【００１８】
ここで、ＩｎＰとＩｎＡｓの二元化合物の反応式を以下に示す。
In（ｇ）＋P（ｇ）⇔  In・P（ｓ）
In（ｇ）＋As（ｇ）⇔  In・As（ｓ）
この二つの式から、InPとInAsで以下の反応式が得られる。
In・P（ｓ）＋In（ｇ）＋As（ｇ）⇔  In・As（ｓ）＋In（ｇ）＋P（ｇ）
In・P（ｓ）＋As（ｇ）⇔  In・As（ｓ）＋P（ｇ）・・・（１）
この式（１）は、InPのP/As置換反応を表している。
ここで、置換反応定数logeK[InAsP]=logeK[InAs]-logeK[InP]とすると、図４から、logeK[InAs] ＞ logeK[InP]であるため、logeK[InAsP]は正となり、式（１）は右に進みやすくなる。
In・P（ｓ）＋As（ｇ）→  In・As（ｓ）＋P（ｇ）
したがって、ＩｎＰ表面のＩｎ原子はＡｓＨ３由来のＡｓ原子と結合し、ＩｎＡｓとなりやすい。
【００１９】
図５Ａは、ＩｎＰクラッド層２０の表面３３のＰ／Ａｓ置換３１を模式的に示した図である。このように、ＩｎＰ表面がＡｓＨ３に暴露されることにより、表面３３においてＩｎＡｓＰ層が形成される。そこで、鋭意研究を重ねた末、表面３３においてＩｎＡｓＰ層の形成を抑制する方法を考案した。
【００２０】
図４の平衡定数の序列によれば、ＧａＰやＡｌＰはそれぞれＧａＡｓとＡｌＡｓよりも平衡定数が大きいので、ＡｌおよびＧａの組成によっては、Ｐ／Ａｓ置換を生じにくくすることが可能となる。
ここで、AlGaInPにおいて、式（１）と同様のP/As置換反応は以下の式に従う。
AlxGayIn1-x-yP＋As(g)   ⇔  AlxGayIn1-x-yAs + P(g)  ・・・（２）
ここで、置換反応平衡定数logeK[AlGaInAsP]は、
logeK[AlGaInAsP]=logeK[AlGaInAs]-logeK[AlGaInP]=x(logeK[AlAs]-logeK[AlP])+y(logeK[GaAs]-logeK[GaP])+(1-x-y)(logeK[InAs]-logeK[InP])・・・（３）
となる。
【００２１】
図５Ｂは、ＩｎＰクラッド層２０を薄いＡｌＧａＩｎＰ層３５で覆ったときの表面３７のＰ／Ａｓ置換３１の様子を概略的に示した図である。ＡｌＧａＩｎＰ層３５の表面３７は、ＩｎＰ表面とは異なり、ＩＩＩ族原子に一定の割合でＡｌおよびＧａ原子を含んでいる。そのためＰ／Ａｓ置換しにくいＡｌ−ＰおよびＧａ−Ｐ結合を含んでいるため、ＡｌＧａＩｎＰ層３５の表面３７はＰ／Ａｓ置換が生じにくい。
【００２２】
図６は、成長温度付近である700℃におけるAlGaInAsおよびAlGaInPのP/As置換反応平衡定数のAlおよびGaの組成比依存性を示す。logeK[AlGaInAs]が正の値となる領域αでは、式（２）の反応は右に進むためP/As置換が生じることとなる。一方、logeK[AlGaInAs]が負の値となる領域βでは式（２）の反応は左に進むため、はじめにAlGaInPだった結晶はAs雰囲気中でもP/As置換が生じない（P/As安定）。従って、AlGaInPの組成が領域αにある場合では、P/As置換が生じ、領域βにある場合ではP/As置換を抑制することができる。
【００２３】
AlGaInP層のＩＩＩ族組成比をInP上部に成長させるAlGaInAsのＩＩＩ族組成比と同じにすることで、P/As置換反応が生じたとしても、結局、界面にはAlGaInAsが形成されることになるので、実害がない。したがって、AlGaInPのＩＩＩ族組成比を、InP上部に成長させるAlGaInAs層のＩＩＩ族組成比と同じにするのであれば、図６に示すような制限を気にすることなく自由な組成比にすることができる。
【００２４】
中間層のＩＩＩ族組成比を上部のAlGaInAs層のＩＩＩ族組成比と同じとするか、あるいは、図６に示すP/As安定の領域β内にある組成比とすることで、界面における吸収性遷移層および結晶欠陥の形成を防止する。下部クラッド層とAlGaInP層との格子定数の違いによる欠陥および転位発生の可能性はあるが、ＡｌＧａＩｎＰ層を臨界膜厚以下である１ＭＬ〜１５ＭＬ程度の厚さにすることで、シュードモルフィックな膜を形成し、欠陥の発生を抑制することが出来る。したがって、吸収性遷移層および欠陥の形成による、上部半導体層の結晶品質および光学的特性の劣化を抑制することが可能となる。
【００２５】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。以下の説明において、「上」の用語は、基板の表面に対して遠ざかる方向を指し、「下」の用語は、基板の表面に対して近づく方向を指す。したがって、素子が実装されたときの上下関係を指すものではない。
【００２６】
図７は、本発明の第１実施形態にかかる光素子１００の断面図を示す。光素子１００は、基板１１０と、基板１１０上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族半導体の第１化合物半導体層１２０（第１半導体層）と、第１化合物半導体層１２０および第２化合物半導体層１３０の間に形成された中間層１７０と、第１化合物半導体層１２０の上に中間層１７０を介して形成された第２化合物半導体層１３０（第２半導体層）と、第２化合物半導体層１３０上に形成された第３化合物半導体層１４０と、第３化合物半導体層１４０上に形成された第４化合物半導体層１５０とを備える。
【００２７】
本例の基板１１０は、面方位（１００）のｎ型ＩｎＰ基板である。本例の第１化合物半導体層１２０はｎ型InPで下部クラッド層として機能する。本例の第２化合物半導体層１３０は、第１化合物半導体層１２０とくらべ、少なくとも一部のＩＩＩ族元素および少なくとも一部のＶ族元素が異なるＩＩＩ−Ｖ族半導体により形成される。本例では、例えば第２化合物半導体層１３０は、ＡｌＧａＩｎＡｓから形成される。第２化合物半導体層１３０は、活性層であってよい。その場合、第２化合物半導体層１３０は、多重量子井戸構造の井戸層またはバリア層であってもよい。また、当該活性層は、光・キャリア分離閉じ込め型多重井戸構造の活性層であってもよい。この場合、第２化合物半導体層１３０は、光・キャリア分離閉じ込め層であってよい。本例の第３化合物半導体層１４０はｐ型InPで上部クラッド層として機能する。
【００２８】
本例の第４化合物半導体層１５０はｐ型GaInAsPであってよい。第４化合物半導体層１５０はコンタクト層として機能する。本例の光素子１００は、第４化合物半導体層１５０の上面および基板１１０の下面にそれぞれ電極を有してよい。
【００２９】
ここで、第１化合物半導体層１２０に含まれるＩＩＩ族元素を第１のＩＩＩ族元素とし、第１化合物半導体層１２０に含まれるＶ族元素のうちのいずれかを第１のＶ族元素とする。また、第２化合物半導体層１３０に含まれるＩＩＩ族元素を第２のＩＩＩ族元素とし、第２化合物半導体層１３０に含まれるＶ族元素のいずれかを第２のＶ族元素とする。ただし、本例において第１および第２のＩＩＩ族元素およびＶ族元素は、以下の条件を満たす。
条件１：同一の温度条件で、第１のＩＩＩ族元素および第２のＶ族元素の二元化合物の熱力学的平衡定数が、第１のＩＩＩ族元素および第１のＶ族元素の二元化合物の熱力学的平衡定数より大きい。
条件２：第１のＩＩＩ族元素および第２のＶ族元素の二元化合物のバンドギャップエネルギーは、第２のＩＩＩ族元素および第２のＶ族元素の二元化合物のバンドギャップエネルギーより小さい。
【００３０】
このとき、第１化合物半導体層１２０におけるＶ族元素が、第２化合物半導体層１３０におけるＶ族元素により置換されやすくなる。また、置換後の化合物により、第２化合物半導体層１３０が発光した光が吸収され、置換の程度によっては欠陥や転位が発生し、素子特性を劣化せしめる。
【００３１】
そこで、後述する組成から成る中間層１７０が、第１化合物半導体層１２０および第２化合物半導体層１３０の間に形成される。中間層１７０の形成後、第２のＶ族元素原料が中間層１７０表面到達時において、第１化合物半導体層１２０の第１のＩＩＩ族元素と、第２化合物半導体層１３０の第２のＶ族元素との結合が抑制される。つまり、中間層１７０は、第１化合物半導体層１２０と第２化合物半導体層１３０との間に、第１のＩＩＩ族元素および第２のＶ族元素の二元化合物が生成されることを抑制する。これにより、第２化合物半導体層１３０が発光した光が界面に生成された化合物によって吸収されることが防止される。
【００３２】
中間層１７０に含まれるＩＩＩ族元素の組成は、第２化合物半導体層１３０に含まれるＩＩＩ族元素の組成比と同じか、または、異なってもよい。このとき中間層１７０が、たとえP/As置換されたとしても、結果的に第２化合物半導体層１３０と同等の半導体層が形成されるため、第２化合物半導体層１３０の発光の吸収および転位・欠陥の発生が抑制される。なお、中間層１７０は、下側の化合物半導体層が第１のV族元素、上側の化合物半導体層が第２のＶ族元素で構成される場合、第２のＶ族元素で構成される半導体層の直下に形成されるのが好ましい。また、中間層１７０は、光素子１００において複数設けられてもよい。中間層１７０は、光素子１００において意図しない遷移層が形成されうる２つの層の間に配置してよい。
【００３３】
本例の中間層１７０は、第１のＶ族元素を含む。中間層１７０は、第２のＶ族元素よりも多くの第１のＶ族元素を含んでよい。より好ましくは、中間層１７０は、第２のＶ族元素を含まない。
【００３４】
本例において、第１のＩＩＩ族元素はＩｎであり、第１のＶ族元素はＰであり、第２のＩＩＩ族元素はＡｌまたはＧａであり、第２のＶ族元素はＡｓである。中間層１７０は、第１化合物半導体層１２０および第２化合物半導体層１３０に含まれるＩＩＩ族元素を全て含んでよい。例えば、第１化合物半導体層１２０はＩｎＰであり、第２化合物半導体層１３０はＡｌＧａＩｎＡｓであり、中間層１７０は、ＡｌＧａＩｎＰである。
【００３５】
なお、第１および第２のＩＩＩ族元素およびＶ族元素は、それぞれ第１化合物半導体層１２０および第２化合物半導体層１３０における主たるＩＩＩ族元素およびＶ族元素であってよい。主たる元素とは、例えば同族の元素のうち組成比が最大の元素を指す。
【００３６】
また、中間層１７０は、第２化合物半導体層１３０よりもバンドギャップエネルギーが大きい。つまり、中間層１７０は、第２化合物半導体層１３０よりもピーク波長の短いＰＬ光を発光する。例えば、第２化合物半導体層１３０のＰＬ光のピーク波長が約１３００ｎｍから１４００ｎｍであり、中間層１７０のＰＬ光のピーク波長は約１２００ｎｍ以下である。中間層１７０は、第２化合物半導体層１３０よりもバンドギャップエネルギーが大きいので、光素子１００が生成する光に対して非吸収性である。本例のように、第２化合物半導体層１３０が多重量子井戸構造を有する場合、中間層１７０は、多重量子井戸構造の井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい。本明細書において、第２化合物半導体層１３０が多重量子井戸構造を有する場合、第２化合物半導体層１３０のバンドギャップエネルギーとは、井戸層のバンドギャップエネルギーを指してよい。
【００３７】
なお、中間層１７０の膜厚は、第１化合物半導体層１２０と第２化合物半導体層１３０の間に、第１のＩＩＩ族元素と第２のＶ族元素の二元化合物が生成されることを抑制できる程度であってよい。また、層間の格子定数差を考慮し、中間層１７０の膜厚は、臨界膜厚相当が好ましい。例えば、層間の格子定数差が３％程度の場合では、膜厚は３ｎｍ程度が好ましい。中間層１７０は、第１化合物半導体層１２０および第２化合物半導体層１３０のいずれよりも薄くてよい。また、中間層１７０は、光素子１００に含まれる半導体層において最も薄い層であってよい。
【００３８】
図８は、図７に示す領域６２のバンド図である。本例において、第１化合物半導体層１２０はＩｎＰであり、第２化合物半導体層１３０はＡｌＧａＩｎＡｓであり、中間層１７０は、ＡｌＧａＩｎＰである。第１化合物半導体層１２０と第２化合物半導体層１３０との間には、バンドギャップエネルギーが第１化合物半導体層１２０よりは小さく、かつ、第２化合物半導体層１３０より大きい中間層１７０が形成されている。中間層１７０は第２化合物半導体層１３０よりバンドギャップエネルギーが大きいため、励起光により再結合が起こると第２化合物半導体層１３０より波長の短いＰＬ光を発光する。また、中間層１７０は、第２化合物半導体層１３０が生成する光を吸収しない。つまり、光素子１００は、第１化合物半導体層１２０と第２化合物半導体層１３０との間にバンドギャップエネルギーが第２化合物半導体層１３０より小さい吸収性の遷移層を有しない。
【００３９】
光素子１００は、第１化合物半導体層１２０と第２化合物半導体層１３０との間に中間層１７０を介在させることによって、光素子１００が生成する光を吸収する遷移層の形成を抑制する。また、中間層１７０は、臨界膜厚以下の膜厚を有することで、格子欠陥の発生が抑制される。さらに、活性層として機能する第２化合物半導体層１３０と中間層１７０の界面１７２においてバンドギャップエネルギーの変化は急峻であるため、発光や吸収特性への影響が小さい。
【００４０】
図９は、参考例の光素子５０１の断面図である。光素子５０１は、例えば、半導体レーザを構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の積層構造を有する。光素子５０１は、ｎ型ＩｎＰから形成された基板１０と、基板１０上に順次エピタキシャル成長された、ｎ型ＩｎＰから形成された下部クラッド層２０、AlGaInPから形成された中間層、ＡｌＧａＩｎＡｓから形成された活性層３０、ｐ型ＩｎＰから形成された上部クラッド層４０、及びｐ型ＧａＩｎＡｓＰから形成されたコンタクト層５０を備える。AlGaInP中間層は結晶品質の劣化を抑制するため、臨界膜厚以下の3nm程度となっている。活性層３０は、少なくともＡｌＧａＩｎＡｓの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を含み、分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）を有していてもよい。
【００４１】
また、光素子５０１は、光素子５０１を冷却するペルチェ素子を更に備えてよい。光素子５０１は、ＧａＩｎＡｓＰの活性層を有する光素子に比べ、高温でのレーザ特性の劣化が小さい。したがって、光素子５０１をそれほど冷却せずともよく、ペルチェ素子の消費電力を低く抑えることができる。
【００４２】
図１０は、中間層１７０を含む領域のＴＥＭ（透過電子顕微鏡）観察像である。約５nmの厚さの中間層１７０がInPからなる第１化合物半導体層１２０とAlGaInAsからなる第２化合物半導体層１３０の間に配置され、意図しない遷移層が形成されることを防いでいることがわかる。
【００４３】
図５Ａおよび図５Ｂを用いて、光素子５００の領域６０における原子結合を説明する。領域６０は、下部クラッド層２０、下部クラッド層２０上に結晶成長された活性層３０、及び下部クラッド層２０と活性層３０との境界に形成された界面を有する。下部クラッド層２０は、ＩＩＩ族原子のＩｎ原子とＶ族原子のＰ原子が結合した結晶構造（すなわちＩｎＰ）を全体に有する。活性層３０は、ＩＩＩ族原子のＡｌ原子、Ｇａ原子、Ｉｎ原子と、Ｖ族原子のＡｓ原子が結合した結晶構造（すなわちＡｌＧａＩｎＡｓ）を全体に有する。
【００４４】
界面３２の形成過程では、図５Ａに示されるように、下部クラッド層のＩｎＰ表面が、Ｖ族原料ガス（すなわちＡｓ）に曝される。この部分において、後記する理由により、ＡｓとＰの置換反応が起きやすい。置換反応の結果、図５Ａに示されるように、下部クラッド層ＩｎＰの表面には、部分的もしくは全体にＩｎＡｓyＰ1-yが形成される。置換反応の程度によって、形成されるＩｎＡｓＰのＡｓ組成および膜厚が大きくなる。
【００４５】
このように形成されたＩｎＡｓＰ層は、ＡｓとＰの置換反応の程度が大きいとＡｓの割合が大きくなるため、界面３２を元々形成しているＩｎＰ、および、ＡｌＧａＩｎＡｓに比較して、バンドギャップが小さくなり、変性の程度によっては、発光素子の発光を吸収し発光素子の性能を劣化せしめる場合がある。また、ＩｎＡｓＰの格子定数は、ＡｓとＰの置換反応の程度によって、下地のＩｎＰの格子定数差が大きくなるため、結晶欠陥を生じさせる原因となりやすく、格子定数差が大きくなると、転位や凹凸を発生させ、発光素子の特性や信頼性に大きな影響を与える。その他にも、電子デバイスに応用する際には、ショットキ電極のリーク電流を増加させる場合がある。
【００４６】
このような置換反応が生じるのは、結晶成長を支配している反応の平衡定数Ｋが、図４に示す関係を有するためと考えられる。図４に示した二元化合物の平衡定数Ｋは、標準状態における自由エネルギーΔＧ０に対して、以下の関係式で与えられる。
ΔＧ０＝−ＲＴｌｏｇｅＫ
ただし、Ｒは気体定数、Ｔは温度（単位はケルビン）である。なお、窒化物以外の反応式は、
ＩＩＩ（ｇ）＋１／４Ｖ（ｇ）＝ＩＩＩ・Ｖ(ｓ)
である。ここで（ｇ）は気相を示しており、（ｓ）は固相を示す。また、窒化物の反応式は、
ＩＩＩ（ｇ）＋ＮＨ３（ｇ）＝ＩＩＩ・Ｎ（ｓ）＋３／２Ｈ２（ｇ）
である。
【００４７】
ＩｎＮを除けば、図４に示した二元化合物の平衡定数の値は非常に大きいので、上記の反応は固相の析出する方向に進行し、不可逆反応的に固相を生成する。図４から、ＩＩＩ−Ｖ族の二元化合物に対して、同一の温度条件において以下のような平衡定数の序列が得られる。
ＡｌＮ＞ＡｌＰ＞ＡｌＡｓ＞ＧａＰ＞ＧａＡｓ＞ＧａＮ＞ＧａＳｂ＞ＩｎＡｓ＞ＩｎＰ＞ＩｎＳｂ＞ＩｎＮ
この序列は、成長する混晶中に、その混晶を構成する二元化合物の取り込まれやすさの序列を示している。なお上記の平衡定数は、熱力学的平衡定数とも称される。
【００４８】
ここで、ＩｎＰとＩｎＡｓの二元化合物の反応式を以下に示す。
In（ｇ）＋P（ｇ）⇔  In・P（ｓ）
In（ｇ）＋As（ｇ）⇔  In・As（ｓ）
この二つの式から、InPとInAsで以下の反応式が得られる。
In・P（ｓ）＋In（ｇ）＋As（ｇ）⇔  In・As（ｓ）＋In（ｇ）＋P（ｇ）
In・P（ｓ）＋As（ｇ）⇔  In・As（ｓ）＋P（ｇ）・・・（１）
この式（１）は、InPのP/As置換反応を表している。
ここで置換反応定数loge[InAsP]=loge[InAs]-loge[InP]とすると、図４から、loge[InAs] ＞ lnK[InP]であるため、loge[InAsP]は正となり、式（１）は右に進みやすくなる。
In・P（ｓ）＋As（ｇ）→  In・As（ｓ）＋P（ｇ）
したがって、ＩｎＰ表面のＩｎ原子はＡｓＨ３由来のＡｓ原子と結合し、ＩｎＡｓとなりやすい。図５ＡはＩｎＰクラッド層２０の表面３３のＰ／Ａｓ置換３１を模式的に示した図である。このように、ＩｎＰ表面がＡｓＨ３に暴露されることにより、表面３３においてＩｎＡｓＰ層が形成される。
【００４９】
図４の平衡定数の序列によれば、ＧａＰやＡｌＰはそれぞれＧａＡｓとＡｌＡｓよりも平衡定数が大きいので、AlおよびGaの組成によっては、Ｐ／Ａｓ置換を生じにくくすることが可能となる。ここで、AlGaInPにおいて、式（１）と同様のP/As置換反応は以下の式に従う。
AlxGayIn1-x-yP＋As(g)   ⇔  AlxGayIn1-x-yAs + P(g)  ・・・（２）
ここで、置換反応平衡定数loge[AlGaInAsP]は、
loge[AlGaInAsP] =  loge[AlGaInAs] - loge[AlGaInP]= x( loge[AlAs] - loge[AlP] )+ y( loge[GaAs] - loge[GaP] )+ ( 1-x-y )(loge[InAs] - loge[InP] ) ・・・（３）
となる。
【００５０】
図５Ｂに示したＡｌＧａＩｎＰ層３５表面はＩｎＰ表面とは異なり、ＩＩＩ族原子に一定の割合でＡｌおよびＧａ原子を含んでいる。そのためＰ／Ａｓ置換しにくいＡｌ−ＰおよびＧａ−Ｐ結合を含んでいるため、ＡｌＧａＩｎＰ層表面はＰ／Ａｓ置換が生じにくい。
【００５１】
図４に示したようにlogeK[AlGaInAs]が正の値となる領域αでは、式（２）の反応は右に進むためP/As置換が生じることとなる。一方、logeK[AlGaInAs]が負の値となる領域βでは式（２）の反応は左に進むため、はじめにAlGaInPだった結晶はAs雰囲気中でもP/As置換が生じない（P/As安定）。従って、AlGaInPの組成が領域αにある場合では、P/As置換が生じ、領域βにある場合ではP/As置換を抑制することができる。
【００５２】
AlGaInP層のＩＩＩ族組成比をInP上部に成長させるAlGaInAsのＩＩＩ族組成比と同じにすることで、P/As置換反応が生じたとしても、結局、界面にはAlGaInAsが形成されることになるので、実害がない。したがって、AlGaInPのＩＩＩ族組成比を、InP上部に成長させるAlGaInAs層のＩＩＩ族組成比と同じにするのであれば、図４に示すような制限を気にすることなく自由な組成比にすることができる。
【００５３】
中間層のＩＩＩ族組成比を上部のAlGaInAs層のＩＩＩ族組成比と同じとするか、あるいは、図４に示すP/As安定の領域β内にある組成比とすることで、界面における吸収性遷移層および結晶欠陥の形成を防止する。下部クラッド層とAlGaInP層との格子定数の違いによる欠陥および転位発生の可能性はあるが、ＡｌＧａＩｎＰ層を臨界膜厚以下である１ＭＬ〜１５ＭＬ程度の厚さにすることで、シュードモルフィックな膜を形成し、欠陥の発生を抑制することが出来る。したがって、吸収性遷移層および欠陥の形成による、上部半導体層の結晶品質および光学的特性の劣化を抑制することが可能となる。
【００５４】
上記の反応の概略を説明する。図５Ａの例では、InP層２０の上にAlGaInAs層３０を積む際に、InP表面がP雰囲気からAs雰囲気へと切り替わる。このとき、InPに比べてInAsの反応平衡定数が大きいためInP表面のAs原子はInP結晶中のIn原子と結合しやすく、InP層表面はInAsPへと変化する。長時間InPがAs雰囲気に暴露されるなど、この反応が大きく進むとInAsPのAs組成は大きくなり、また形成するInAsP膜厚も大きくなる。このため、界面３２において格子欠陥が生じる。
【００５５】
図４の平衡定数の序列により、他の材料の組み合わせにおいても同様に界面における置換反応の発生を検証できる。同様に、例えば、ＩｎＧａＰ上にＧａＡｓを積層する場合は、平衡定数がＧａＡｓよりもＩｎＧａＰの方が小さいため、ＩｎＧａＰの表面の一部は、ＩｎＧａＡｓに変性する。ＩｎＧａＰに比べてＩｎＧａＡｓはエネルギーギャップが小さく、格子定数が大きいため、発光素子の光吸収や結晶品質の低下を引き起こし、ショットキ電極のリーク電流の原因となる場合がある。
【００５６】
また、遷移層３６は活性層３０よりも小さいバンドギャップエネルギーを有する化合物を含む。結果として、遷移層３６は、活性層３０が出力する光を吸収する。また、遷移層３６は励起光が照射されると１５００ｎｍ以上の長波長のＰＬ光を発光する。本例において、下部クラッド層２０のＩＩＩ族元素（Ｉｎ）と、活性層３０のＶ族元素（Ａｓ）との二元化合物の平衡定数は、当該ＩＩＩ族元素（Ｉｎ）と、下部クラッド層２０のＶ族元素（Ｐ）との二元化合物の平衡定数より大きい。この場合、上述したように、ＩｎＰにおけるＶ族元素ＰがＡｓに置換され、ＩｎＡｓ等を含む遷移層が生成されてしまう。
【００５７】
次に、光素子の製造方法について説明する。まず、従来の光素子５００の製造方法から説明する。光素子５００の製造方法は、ｎ型ＩｎＰから形成される面方位（１００）の基板１０を用意する段階と、基板１０上に、ｎ型ＩｎＰから形成される下部クラッド層２０を形成する下部クラッド形成段階と、下部クラッド層２０上にＡｌＧａＩｎＡｓから形成される多重量子井戸構造の活性層３０を形成する活性層段階と、活性層３０上にｐ型ＩｎＰから形成される上部クラッド層４０を形成する上部クラッド形成段階と、上部クラッド層４０上にｐ型ＧａＩｎＡｓＰから形成されるコンタクト層５０を形成するコンタクト形成段階とを備える。それぞれの半導体層は、ＭＯＣＶＤ法により順次エピタキシャル成長される。
【００５８】
図１１は、下部クラッド形成段階と活性層形成段階におけるＩＩＩ族及びＶ族原料ガスの供給シーケンスである。本例において、ＩＩＩ族原料ガスＡはＴＭＩ（トリメチルインジウム）である。また、ＩＩＩ族原料ガスＢは、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）及びＴＭＩ（トリメチルインジウム）の混合ガスである。Ｖ族原料ガスＡは、ＰＨ３（ホスフィン）である。Ｖ族原料ガスＢは、ＡｓＨ３（アルシン）である。
【００５９】
下部クラッド形成段階（ｔ０−ｔ１）は、ＩＩＩ族原料ガスＡの供給を開始し、Ｖ族原料ガスＡの供給を開始する段階を有する。下部クラッド形成段階はｎ型ドーパントとしてＳｉをドーピングする段階を含む。時刻ｔ０からｔ１までの間、反応容器内に所定の流量及び圧力のＴＭＩガス及びＰＨ３ガスが供給され、所定の温度に加熱された基板１０上にｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド層２０がエピタキシャル成長される。
【００６０】
次に、待機段階（ｔ１−ｔ２）において、ＩＩＩ族原料ガスＡおよびＶ族原料ガスＡの供給を停止し、Ｖ族原料ガスＢの供給を開始する。つまり、時刻ｔ１においてＶ族原料ガスをＰＨ３からＡｓＨ３に切り替える。待機段階において、反応容器内にはＡｓＨ３ガスのみが供給され、下部クラッド層２０の表面がＡｓＨ３ガスに曝露される。この待機段階において、上述したＰ原子とＡｓ原子との置換反応が生じ、下部クラッド層２０の表面にＩｎとＡｓとＰからなるＩｎＡｓyＰ1-yの層が形成される。ここで、待機段階の時間の長さが長いほど、基板温度が高いほど、ＡｓＨ３流量の量が多いほど、ＰとＡｓの置換反応が進みやすくなる。このため、ＩｎＡｓyＰ1-yのＡｓ組成は大きくなり、ＩｎＡｓyＰ1-yの膜厚も厚くなる。ＩｎＡｓyＰ1-yの組成が大きいほど下地となるＩｎＰ層との格子定数差が大きくなるため歪みが大きくなり、ＩｎＡｓyＰ1-y層が３次元の島状成長しやすくなりこの層よりも上に結晶成長する際に成長する半導体層に欠陥や転位を形成しやすい。また、このように歪みの大きなＩｎＡｓＰ層の膜厚が増加することでも、３次元の島状成長しやすくなるため同様にＩｎＡｓＰ層よりも上で結晶成長する際に成長する半導体層に欠陥や転位を形成しやすい。
【００６１】
活性層形成段階（ｔ２−ｔ３）は、Ｖ族原料ガスＢの供給を維持しつつ、ＩＩＩ族原料ガスＢの供給を開始する段階を有する。ＩＩＩ族原料ガスＢの供給の際、キャリアガスとしてＮ２を導入してもよい。時刻ｔ２からｔ３までの間、反応容器内に所定の流量及び圧力でＴＭＡ、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＡｓＨ３の混合ガスが供給され、下部クラッド層２０上に多重量子井戸構造の活性層３０がエピタキシャル成長される。
【００６２】
図１２は、下部クラッド形成段階と活性層形成段階におけるＩＩＩ族及びＶ族原料ガスの供給シーケンスの変形例である。本例は、下部クラッド形成段階が、待機段階を有しない点で上述した製造方法と異なる。つまり、ＩＩＩ族原料ガスの切替えとＶ族原料ガスの切替えが同時に行われる。
【００６３】
本例の製造方法は、待機段階を有しないため、ＩｎＰがＡｓＨ３ガスに曝露される時間を短縮することができる。しかし、実際には、それぞれの原料ガスの供給装置から反応容器までの配管の長さが異なるので、供給装置のバルブを同時に切り替えても、反応容器に供給されるＩＩＩ族原料ガスの切替えとＶ族原料ガスの切替えを同時に行うのは困難である。Ｖ族原料ガスの切替えのタイミングが配管の長さやバルブの開閉タイミングによってＩｎＰ表面にＡｓＨ３が暴露されてしまった場合に、前記と同様のＩｎＡｓＰ層が形成される。また、ＩＩＩ族原料ガスの切替タイミング等のずれも含むと、ＩｎＡｓＰ層に加え、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ層などの意図しない化合物半導体層が形成されうる。
【００６４】
光素子５００は、上述したいずれの製造方法によっても、ＩｎＰからなる下部クラッド層２０と、ＡｌＧａＩｎＡｓからなる活性層３０との界面３２において、Ａｓ原子とＰ原子の置換反応が生じる。その結果、ＩｎＡｓＰからなる遷移層３６が形成される。
【００６５】
図１３は、光素子５００のＰＬ特性の実験結果を示すグラフである。実験では、光素子５００に励起光を照射し、光素子５００の端面から発光される光の波長及び強度を測定した。グラフの縦軸はＰＬ光の強度を示し、横軸は発光される光の波長を示す。中間層なしのＰＬ特性を示す曲線は、２つのピーク（ピークＰ１及びピークＰ２）を有する。ピークＰ１は活性層３０（ＡｌＧａＩｎＡｓ）からの発光を示している。一方、ピークＰ２は、遷移層３６からの発光を示している。ピークＰ１より長波長側にあり、かつ、ピークＰ１よりＰＬ強度が大きい。この実験結果から、中間層AlGaInP層なしの場合では、活性層３０よりもバンドギャップエネルギーの小さい化合物が遷移層３６に含まれており、遷移層３６は、活性層３０よりも長波長で、かつ、高強度の光を発光することがわかる。
【００６６】
図１４は、光素子５００のレーザ発振のしきい値電流と、遷移層／活性層ＰＬ強度比（Ｐ２／Ｐ１）の関係を示すグラフである。ＰＬ強度比が小さいほど、閾値電流値は小さく、ＰＬ強度比が大きいほど閾値電流値は大きくなることがわかる。また、ＰＬ強度比が４．０を超えると光素子５００は発振しないことがわかる。つまり、遷移層３６からのＰＬ発光強度を抑制することがレーザ特性の向上につながる。
【００６７】
また第二の例では、第１化合物半導体層１２０はＩｎＰであり、第２化合物半導体層１３０はＡｌＧａＩｎＡｓであり、中間層１７０は、ＡｌＧａＩｎＰである。
【００６８】
図７を用いて、本発明の第１実施形態にかかる光素子１００を説明する。本例の基板１１０は、面方位（１００）のｎ型ＩｎＰ基板である。また、基板１１０はｎ型ＧａＡｓ基板であってもよい。本例の第１化合物半導体層１２０は下部クラッド層として機能する。本例の第２化合物半導体層１３０は、光素子１００の活性層として機能する。本例の第３化合物半導体層１４０は、上部クラッド層として機能する。第３化合物半導体層１４０は、第１化合物半導体層１２０とは逆の導電型であり、第１化合物半導体層１２０と同一組成を有する。例えば第１化合物半導体層１２０がｎ型ＩｎＰで形成される場合、第３化合物半導体層１４０は、ｐ型ＩｎＰから形成される。また、第１化合物半導体層１２０がｎ型ＧａＡｓで形成される場合、第３化合物半導体層１４０はｐ型ＧａＡｓから形成される。
【００６９】
本例の第４化合物半導体層１５０は、コンタクト層として機能する。本例の第４化合物半導体層１５０は、ｐ型ＧａＩｎＡｓＰにより形成される。本例の光素子１００は、第４化合物半導体層１５０の上面および基板１１０の下面にそれぞれ電極を有する。
【００７０】
図１５は、光素子１００の領域６２における原子結合を説明する概略図である。第２化合物半導体層１３０は、中間層１７０との間に界面１７２を有する。第１化合物半導体層１２０は、中間層１７０との間に界面１７４を有する。例えば第１化合物半導体層１２０は、ｎ型ＩｎＰから形成される。また、第１化合物半導体層１２０は、ｎ型ＩｎＧａＰから形成されてもよい。
【００７１】
本例の第２化合物半導体層１３０は、第１化合物半導体層１２０とは、少なくとも一部のＩＩＩ族元素および少なくとも一部のＶ族元素が異なるＩＩＩ−Ｖ族半導体で形成される。第１化合物半導体層１２０がｎ型ＩｎＰで形成される場合、第２化合物半導体層１３０は、例えばＡｌＧａＩｎＡｓから形成される。なお、第１化合物半導体層１２０がｎ型ＩｎＧａＰから形成される場合、第２化合物半導体層１３０は、例えばＡｌＧａＡｓから形成される。本例の光素子１００は、多重量子井戸構造の活性層を有してもよい。この場合、第２化合物半導体層１３０は、多重量子井戸構造の井戸層であってよい。
【００７２】
ここで、第１化合物半導体層１２０に含まれるＩＩＩ族元素のうちのいずれかを第１のＩＩＩ族元素とし、Ｖ族元素のうちのいずれかを第１のＶ族元素とする。また、第２化合物半導体層１３０に含まれるＩＩＩ族元素のうちのいずれかを第２のＩＩＩ族元素とし、Ｖ族元素のいずれかを第２のＶ族元素とする。ただし、本例において第１および第２のＩＩＩ族元素およびＶ族元素は、以下の条件を満たす元素である。
条件１  同一の温度条件で、第１のＩＩＩ族元素と、第２のＶ族元素との二元化合物の熱力学的平衡定数が、第１のＩＩＩ族元素と第１のＶ族元素との二元化合物の熱力学的平衡定数より大きい。
条件２  第１のＩＩＩ族元素と第２のＶ族元素との二元化合物のバンドギャップエネルギーは、第２のＩＩＩ族元素と第２のＶ族元素との二元化合物のバンドギャップエネルギーより小さい。
すなわち、第１化合物半導体層１２０におけるＶ族元素が、第２化合物半導体層１３０におけるＶ族元素により置換されやすく、かつ、置換後の化合物により、第２化合物半導体層１３０が発光した光が吸収される。
【００７３】
これに対し、中間層１７０を、第１化合物半導体層１２０および第２化合物半導体層１３０の間に形成する。中間層１７０は、第１化合物半導体層１２０の第１のＩＩＩ族元素と、第２化合物半導体層１３０の第２のＶ族元素とを分離する。つまり、中間層１７０は、第１化合物半導体層１２０と第２化合物半導体層１３０の間に、第１のＩＩＩ族元素と第２のＶ族元素の二元化合物が生成されることを抑制する。これにより、第２化合物半導体層１３０が発光した光が吸収されることを防ぐ。なお、中間層１７０は、第２化合物半導体層１３０の近傍にあればよく、必ずしも直下に無くともよい。また、中間層１７０は、光素子１００において複数設けられてもよい。中間層１７０は、光素子１００において意図しない遷移層を形成したくない２つの層の間に配置することができる。当該２つの層は、第１化合物半導体層１２０および第２化合物半導体層１３０と同様の組成を有する。
【００７４】
本例の中間層１７０は、第１のＶ族元素を含む。中間層１７０は、第２のＶ族元素よりも多くの第１のＶ族元素を含んでよい。より好ましくは、中間層１７０は、第２のＶ族元素を含まない。中間層１７０が第１のＶ族元素を含み、第２のＶ族元素を含まない場合、第１化合物半導体層１２０と中間層１７０とが同一のＶ族元素（例えばＰ）を含むので、第１化合物半導体層１２０と中間層１７０との界面でＶ族元素の置換が生じても、意図しない遷移層は形成されない。
【００７５】
また、中間層１７０は、ＩＩＩ族元素として、第１のＶ族元素との二元化合物の平衡定数が、第１のＩＩＩ族元素および第２のＶ族元素の二元化合物の平衡定数より大きいＩＩＩ族元素を含む。これにより、中間層１７０および第２化合物半導体層１３０との間において、第１のＩＩＩ族元素および第２のＶ族元素の二元化合物の生成を抑制できる。当該ＩＩＩ族元素は、第２化合物半導体層１３０に含まれる第２のＩＩＩ族元素であってよい。
【００７６】
本例において、第１のＩＩＩ族元素はＩｎであり、第１のＶ族元素はＰであり、第２のＩＩＩ族元素はＡｌまたはＧａであり、第２のＶ族元素はＡｓである。中間層１７０は、第１化合物半導体層１２０および第２化合物半導体層１３０に含まれるＩＩＩ族元素を全て含んでよい。例えば、第１化合物半導体層１２０はＩｎＰであり、第２化合物半導体層１３０はＡｌＧａＩｎＡｓであり、中間層１７０は、ＡｌＧａＩｎＰである。
また他の例では、第１化合物半導体層１２０はＩｎＧａＰであり、第２化合物半導体層１３０はＡｌＧａＡｓであり、中間層１７０は、ＡｌＧａＩｎＰである。
【００７７】
なお、第１および第２のＩＩＩ族元素およびＶ族元素は、それぞれ第１化合物半導体層１２０および第２化合物半導体層１３０における主たるＩＩＩ族元素およびＶ族元素であってよい。主たる元素とは、例えば同族の元素のうち組成比が最大の元素を指す。
【００７８】
また、中間層１７０は、第２化合物半導体層１３０よりもバンドギャップエネルギーが大きい。つまり、中間層１７０は、第２化合物半導体層１３０よりもピーク波長の短いＰＬ光を発光する。例えば、第２化合物半導体層１３０のＰＬ光のピーク波長が約１３００ｎｍから１４００ｎｍであり、中間層１７０のＰＬ光のピーク波長は約１２００ｎｍ以下である。中間層１７０は、第２化合物半導体層１３０よりもバンドギャップエネルギーが大きいので、光素子１００が生成する光に対して非吸収性である。本例のように、第２化合物半導体層１３０が多重量子井戸構造を有する場合、中間層１７０は、多重量子井戸構造の井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい。本明細書において、第２化合物半導体層１３０が多重量子井戸構造を有する場合、第２化合物半導体層１３０のバンドギャップエネルギーとは、井戸層のバンドギャップエネルギーを指してよい。
【００７９】
なお、中間層１７０は、第１化合物半導体層１２０と第２化合物半導体層１３０の間に、第１のＩＩＩ族元素と第２のＶ族元素の二元化合物が生成されることを抑制できる厚さを有すればよい。また、層間の格子定数差を考慮すると、中間層１７０の厚さを大きくしすぎるのは好ましくない。中間層１７０は、１原子層相当の厚さから、１５原子層相当程度の厚さを有することが好ましい。中間層１７０は、第１化合物半導体層１２０および第２化合物半導体層１３０のいずれよりも薄くてよい。また、中間層１７０は、光素子１００に含まれる半導体層において最も薄い層であってよい。
【００８０】
図８を用いて、領域６２のバンド図について説明する。本例において、第１化合物半導体層１２０はＩｎＰであり、第２化合物半導体層１３０はＡｌＧａＩｎＡｓであり、中間層１７０は、ＡｌＧａＩｎＰである。第１化合物半導体層１２０と第２化合物半導体層１３０との間には、バンドギャップエネルギーが第２化合物半導体層１３０より大きい中間層１７０が形成されている。中間層１７０は第２化合物半導体層１３０よりバンドギャップエネルギーが大きいため、中間層１７０は、第２化合物半導体層１３０が生成する光を吸収しない。つまり、光素子１００は、第１化合物半導体層１２０と第２化合物半導体層１３０との間にバンドギャップエネルギーが第２化合物半導体層１３０より小さい吸収性の遷移層３６を有しない。
【００８１】
次に、光素子１００が、第１化合物半導体層１２０と第２化合物半導体層１３０との間に吸収性の遷移層３６を有しない理由について説明する。第１化合物半導体層１２０および中間層１７０の界面では、両層のＶ族元素がともにＰであるので、Ｖ族元素の置換が生じても、意図しない遷移層は形成されない。また、中間層１７０および第２化合物半導体層１３０においては、図４に関連して説明した平衡定数がＡｌＰ＞ＡｌＡｓ、ＧａＰ＞ＧａＡｓなので、中間層１７０においてＡｌおよびＧａに結合しているＰは、第２化合物半導体層１３０のＡｓで置換されにくい。また、ＩｎＰの平衡定数が、ＡｌＰおよびＧａＰに比べて非常に小さいので、中間層１７０における大部分のＰは、ＡｌまたはＧａと結合している。このため、中間層１７０においてＩｎと結合しているＰはほとんど存在せず、当該Ｐを第２化合物半導体層１３０のＡｓで置換したＩｎＡｓＰは、ほとんど生成されない。
【００８２】
光素子１００は、第１化合物半導体層１２０と第２化合物半導体層１３０との間に中間層１７０を介在させることによって、光素子１００が生成する光を吸収する遷移層３６の形成を抑制する。また、中間層１７０は、膜厚を１ＭＬ〜１５ＭＬの歪み量に応じた適切な膜厚にすることにより、第１化合物半導体層１２０とシュードモルフィックな膜に形成することで、中間層１７０の歪みが大きいことによる３次元成長を抑制することができ、第２化合物半導体層１３０における欠陥や転位の発生を抑制することができる。さらに、活性層として機能する第２化合物半導体層１３０と中間層１７０の界面１７２においてバンドギャップエネルギーの変化を急峻にできる。
【００８３】
図１６は、光素子１００の製造方法の概要を説明する図である。光素子１００を製造する製造方法は、基板１１０を用意する段階と、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の第１化合物半導体層１２０を形成する第１層形成段階と、第１化合物半導体層１２０上に中間層１７０を形成する中間層形成段階と、中間層１７０上に、第２化合物半導体層１３０を形成する第２層形成段階と、第２化合物半導体層１３０上に第３化合物半導体層１４０を形成する第３層形成段階と、第３化合物半導体層１４０上に第４化合物半導体層１５０を形成する第４層形成段階とを備える。
【００８４】
例えば基板１１０は、面方位（１００）のｎ型ＩｎＰ基板である。第１化合物半導体層１２０は下部クラッド層とし機能するｎ型ＩｎＰから形成される。第２化合物半導体層１３０は、光素子１００の活性層として機能する。第２化合物半導体層１３０は第１化合物半導体層１２０とはＩＩＩ族およびＶ族の両方の組成が異なるＩＩＩ−Ｖ族半導体で形成される。例えば、第２化合物半導体層１３０はＡｌＧａＩｎＡｓの多重量子井戸構造を有する。中間層１７０は、第２化合物半導体層１３０よりもバンドギャップエネルギーが大きい。中間層１７０は、例えば、ＡｌＧａＩｎＰから形成される。各半導体層の形成段階は、ＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル成長により行う。
【００８５】
第１層形成段階は、第１化合物半導体層１２０に対応する第１のＩＩＩ族原料ガスＡおよび第１のＶ族原料ガスＡを反応容器に供給する段階を有する。本例では、第１のＩＩＩ族原料ガスＡはＴＭＩであり、第１のＶ族原料ガスＡはＰＨ３である。第１層形成段階は、ｎ型ドーパントとしてＳｉ原子をドープする段階を有してもよい。
【００８６】
第１の中間層形成段階は、第１のＶ族原料ガスＡの供給を維持しつつ、第１のＩＩＩ族原料ガスＡの供給を停止し、第２のＶ族原料ガスに暴露されても第２化合物半導体層１３０のエネルギーギャップ以上のエネルギーギャップを有するＩＩＩ族原料ガスの供給を開始する。本例では、ＩＩＩ族原料ガスは、ｌｏｇｅＫ[ＡｌＧａＩｎＡｓＰ]が負となるようなＩＩＩ族組成に対応したＴＭＡ、ＴＭＧ、ＴＭＩの混合ガスである。時刻ｔ１で、第１のＩＩＩ族原料ガスＡから第２のＩＩＩ族原料ガスＢに切り替わる。なお、第２のＩＩＩ族原料ガスＢのキャリアガスとしてＮ２ガスを供給してもよい。時刻ｔ１からｔ２までの間、ＰＨ３、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＴＭＩの混合ガスが所定の流量及び圧力で反応容器内に供給される。結果として、第１化合物半導体層１２０上にＡｓＨ３暴露によってもＡｓ／Ｐ置換が生じないＡｌＧａＩｎＰから形成される中間層１７０がエピタキシャル成長される。
【００８７】
また、第２の中間層形成段階としては、第１のＶ族原料ガスＡの供給を維持しつつ、第１のＩＩＩ族原料ガスＡの供給を停止し、第２化合物半導体層１３０に対応するＩＩＩ族原料ガスＢの供給を開始する。本例では、第２のＩＩＩ族原料ガスＢは、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＴＭＩの混合ガスである。時刻ｔ１で、第１のＩＩＩ族原料ガスＡから第２のＩＩＩ族原料ガスＢに切り替わる。なお、第２のＩＩＩ族原料ガスＢのキャリアガスとしてＮ２ガスを供給してもよい。時刻ｔ１からｔ２までの間、ＰＨ３、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＴＭＩの混合ガスが所定の流量及び圧力で反応容器内に供給される。結果として、第１化合物半導体層１２０上に第２化合物半導体層１３０（ＡｌＧａＩｎＡｓ）と同様のＩＩＩ族組成を有するＡｌＧａＩｎＰから形成される中間層１７０がエピタキシャル成長される。
【００８８】
第２層形成段階は、第２のＩＩＩ族原料ガスＢの供給を維持しつつ、第１のＶ族原料ガスＡの供給を停止し、第２化合物半導体層１３０に対応する第２のＶ族原料ガスＢの供給を開始する。本例では、第２のＶ族原料ガスＢはＡｓＨ３である。時刻ｔ２で、第１のＶ族原料ガスＡから第２のＶ族原料ガスＢに切り替わる。時刻ｔ２からｔ３までの間、ＡｓＨ３、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＴＭＩの混合ガスが所定の流量及び圧力で反応容器内に供給される。結果として、中間層１７０上にＡｌＧａＩｎＡｓから形成される多重量子井戸構造の第２化合物半導体層１３０がエピタキシャル成長される。
【００８９】
第３層形成段階では時刻ｔ３において、第２のＩＩＩ族原料ガスＢの供給を停止し、第１のＩＩＩ族原料ガスＡの供給を開始する。また、時刻ｔ３において、第２のＶ族原料ガスＢの供給を停止し、第１のＶ族原料ガスＡの供給を開始する。第３層形成段階は、ｐ型ドーパントとしてＺｎ原子をドープする段階を有してもよい。反応容器の内部には、ＰＨ３、ＴＭＩガスが所定の流量及び圧力で供給される。結果として、第２化合物半導体層１３０上にｐ型ＩｎＰから形成される第３化合物半導体層１４０がエピタキシャル成長される。
【００９０】
第４層形成段階は、ＩＩＩ族原料ガスとしてＴＭＩ及びＴＭＧガスの混合ガスを供給し、Ｖ族原料ガスとしてＰＨ３及びＡｓＨ３の混合ガスを供給する。第４層形成段階は、ｐ型ドーパントとしてＺｎ原子をドープする段階を有してもよい。反応容器の内部には、ＰＨ３、ＡｓＨ３、ＴＭＧ、ＴＭＩガスが所定の流量及び圧力で供給される。結果として、第３化合物半導体層１４０上にｐ型ＧａＩｎＡｓＰから形成される第４化合物半導体層１５０がエピタキシャル成長される。
【００９１】
第１の中間層形成段階を有する製造方法によれば、中間層１７０は、第１のＶ族元素を有するＩＩＩ−Ｖ族化合物を含む。また、当該ＩＩＩ−Ｖ族化合物は、第１化合物半導体層１２０に含まれるＩＩＩ族元素と第２化合物半導体層１３０に含まれるＶ族元素との化合物よりも平衡定数が大きい。
【００９２】
これにより、中間層１７０は、第１化合物半導体層１２０および第２化合物半導体層１３０の間に、第２化合物半導体層１３０よりバンドギャップエネルギーの小さい層が形成されるのを阻害する。第１の中間層形成段階を有する光素子１００の製造方法によれば、第１化合物半導体層１２０及び第２化合物半導体層１３０との間に中間層１７０を設けたので、中間層１７０と第１化合物半導体層１２０との界面１７４及び中間層１７０と第２化合物半導体層１３０との界面１７２のいずれにおいてもＰ原子とＡｓ原子の置換反応のような化学反応を抑制できる。結果として、第１化合物半導体層１２０と第２化合物半導体層１３０との間における、第２化合物半導体層１３０よりバンドギャップエネルギーの小さい遷移層３６の形成を抑制できる。つまり、中間層１７０は遷移層３６の形成を阻害する。
【００９３】
また、中間層１７０は、第１化合物半導体層１２０および第２化合物半導体層１３０の間に、光素子１００が生成する光を吸収する吸収性層が形成されるのを阻害する。中間層１７０は第２化合物半導体層１３０より大きいバンドギャップエネルギーを有する。また、第１化合物半導体層１２０と第２化合物半導体層１３０と間に第２化合物半導体層１３０よりバンドギャップエネルギーの小さい遷移層３６は形成されない。また、界面１７２は非吸収性界面である。したがって、中間層１７０は、光素子１００が生成する光を吸収する吸収性層が形成されるのを阻害する。
【００９４】
また、中間層１７０は、第１化合物半導体層１２０および第２化合物半導体層１３０の間に、第１化合物半導体層１２０に含まれるＩＩＩ族元素と、第２化合物半導体層１３０に含まれるＶ族元素との化合物が形成されるのを阻害する。上述したように、中間層１７０は、第１化合物半導体層１２０に含まれるＩＩＩ族元素と、第２化合物半導体層１３０に含まれるＶ族元素との化合物より平衡定数が大きく、且つ、第１化合物半導体層１２０に含まれるＶ族元素を有する化合物で形成される。また、第１化合物半導体層１２０、中間層１７０、第２化合物半導体層１３０を形成するＩＩＩ−Ｖ族化合物の平衡定数の関係より、第１化合物半導体層１２０と第２化合物半導体層１３０との間には、第１化合物半導体層１２０に含まれるＩＩＩ族元素と、第２化合物半導体層１３０に含まれるＶ族元素との化合物は形成されない。つまり、中間層１７０は、第１化合物半導体層１２０に含まれるＩＩＩ族元素と、第２化合物半導体層１３０に含まれるＶ族元素との化合物の形成を阻害する。
【００９５】
第２の中間層形成段階を有する製造方法によれば、中間層１７０は、第１のＶ族元素を有するＩＩＩ−Ｖ族化合物を含む。また、当該ＩＩＩ−Ｖ族化合物は、第２化合物半導体のＩＩＩ族元素の組成が同一となる化合物半導体。
【００９６】
これにより、中間層１７０は、第１化合物半導体層１２０および第２化合物半導体層１３０の間に、第２化合物半導体層１３０よりバンドギャップエネルギーの小さい層が形成されるのを阻害する。第２の中間層形成段階を有する光素子１００の製造方法によれば、第１化合物半導体層１２０及び第２化合物半導体層１３０との間に中間層１７０を設けたので、中間層１７０と第１化合物半導体層１２０との界面１７４及び中間層１７０と第２化合物半導体層１３０との界面１７２のいずれにおいてもＰ原子とＡｓ原子の置換反応が生じても、結果として、第２化合物半導体層１３０と同等の半導体層が形成されるため、第１化合物半導体層１２０と第２化合物半導体層１３０との間における、第２化合物半導体層１３０よりバンドギャップエネルギーの小さい遷移層３６の形成を抑制できるうえ、中間層１７０の格子定数と第１化合物半導体層１２０および第２化合物半導体層１３０の格子定数差を低減でき、格子定数差による第２化合物半導体層１３０形成時の欠陥および転位の形成を抑制できる。つまり、中間層１７０は遷移層３６の形成を阻害する。
【００９７】
また、中間層１７０は、第１化合物半導体層１２０および第２化合物半導体層１３０の間に、光素子１００が生成する光を吸収する吸収性層が形成されるのを阻害する。中間層１７０は第２化合物半導体層１３０と同等のバンドギャップエネルギーを有する。また、第１化合物半導体層１２０と第２化合物半導体層１３０と間に第２化合物半導体層１３０よりバンドギャップエネルギーの小さい遷移層３６は形成されない。また、界面１７２は非吸収性界面である。したがって、中間層１７０は、光素子１００が生成する光を吸収する吸収性層が形成されるのを阻害する。
【００９８】
また、中間層１７０は、第１化合物半導体層１２０および第２化合物半導体層１３０の間に、第１化合物半導体層１２０に含まれるＩＩＩ族元素と、第２化合物半導体層１３０に含まれるＶ族元素との化合物が形成されるのを阻害する。上述したように、中間層１７０は、第１化合物半導体層１２０に含まれるＩＩＩ族元素と、第２化合物半導体層１３０に含まれるＶ族元素との化合物より平衡定数が大きく、且つ、第１化合物半導体層１２０に含まれるＶ族元素を有する化合物で形成される。また、第１化合物半導体層１２０、中間層１７０、第２化合物半導体層１３０を形成するＩＩＩ−Ｖ族化合物の平衡定数の関係より、第１化合物半導体層１２０と第２化合物半導体層１３０との間には、第１化合物半導体層１２０に含まれるＩＩＩ族元素と、第２化合物半導体層１３０に含まれるＶ族元素との化合物は形成されない。つまり、中間層１７０は、第１化合物半導体層１２０に含まれるＩＩＩ族元素と、第２化合物半導体層１３０に含まれるＶ族元素との化合物の形成を阻害する。
【００９９】
図１７は、光素子１００のＰＬ特性の実験結果を示すグラフである。縦軸はＰＬ光の発光強度を示し、横軸は波長を示す。図１３に示した光素子５００のＰＬ特性に比べ、中間層１７０を有する光素子１００は、長波長側のピークＰ２を有さず、短波長側のピークＰ１に対応するピークＰ３を有する。この実験結果から、中間層１７０は、長波長のＰＬ光を発光する遷移層３６の形成を抑制することがわかる。また、光素子１００は、光素子５００に比べＰＬ強度のピーク値が大きく、半値幅が小さい。したがって、光素子１００は光素子５００に比べ、優れたＰＬ特性を有することがわかる。また、他の実験結果から光素子１００は、光素子５００に比べＰＬピーク強度／波長のバッチ間での変動が小さいことがわかった。この結果から光素子１００はプロセス安定性が高く、歩留まりが向上することがわかる。
【０１００】
図１８は、光素子５００と光素子１００の電流−光出力特性を比較した実験結果を示すグラフである。縦軸は光素子のレーザ光出力を示す。横軸は光素子に注入する電流密度を示す。直線８４は光素子１００のレーザ光出力特性を示し、直線８６は光素子５００のレーザ光出力特性を示す。中間層１７０を有する光素子１００は、閾値電流Ｉｔｈ１を有し、中間層１７０を有しない光素子５００は閾値電流Ｉｔｈ２を有する。グラフより、閾値電流Ｉｔｈ１は閾値電流Ｉｔｈ２の約１／３以下であることがわかる。また、直線８４の傾きは直線８６の傾きより大きい。したがって、光素子１００は光素子５００よりも優れたレーザ特性を有することがわかる。これは、光素子１００が、第１化合物半導体層１２０と第２化合物半導体層１３０との間に中間層１７０を有することにより、格子欠陥の発生が抑制され、第２化合物半導体層１３０と中間層１７０との界面におけるバンドギャップエネルギーの急峻性が改善されたためであると考えられる。
【０１０１】
本例の製造方法によれば、中間層１７０を形成することにより、第１化合物半導体層１２０と第２化合物半導体層１３０との間にバンドギャップエネルギーが小さい遷移層３６の形成が阻害される。また、中間層１７０と第２化合物半導体層１３０とのヘテロ接合界面において欠陥および転位の発生が抑制される。さらに、中間層１７０と第２化合物半導体層１３０とのヘテロ接合の界面において、バンドギャップエネルギーの急峻性が改善される。また、ＰＬピーク強度／波長のバッチ間での変動が低減する。また、ＩＩＩ族原料の切替えとＶ族原料の切替えを同時に行わないため、配管の長さに応じてバルブの開閉タイミングを調整しなくてよい。
【０１０２】
図１９は、本発明の第２実施形態にかかる光素子２００の断面図である。光素子２００は、基板２１０と、基板２１０上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族半導体の第１化合物半導体層２２０と、第１化合物半導体層２２０の上方に形成された第２化合物半導体層２４０と、第１化合物半導体層２２０および第２化合物半導体層２４０の間に形成された中間層２３０と、第２化合物半導体層２４０上に形成された第３化合物半導体層２５０とを備える。
【０１０３】
基板２１０は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板である。基板２１０は、例えば、ＩｎＰまたはＧａＡｓから形成される。第１化合物半導体層２２０、中間層２３０、第２化合物半導体層２４０および第３化合物半導体層２５０は、ＭＯＣＶＤ法により基板２１０上に順次エピタキシャル成長される。第１化合物半導体層２２０に含まれるＩＩＩ族元素と、第２化合物半導体層２４０に含まれるＶ族元素との化合物は、意図しない吸収性遷移層を形成する。
【０１０４】
第１化合物半導体層２２０は、基板２１０上にエピタキシャル成長される。本例の第１化合物半導体層２２０は、第１のＩＩＩ族元素ＩＩＩＡと第１のＶ族元素ＶＡとを含み、ｎ型ドーパントがドープされたｎ型ＩＩＩ−Ｖ族半導体である。第１化合物半導体層２２０は下部クラッド層として機能する。
【０１０５】
第２化合物半導体層２４０は、第２のＩＩＩ族元素ＩＩＩＢと第２のＶ族元素ＶＢとを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体である。第２化合物半導体層２４０は、例えば多重量子井戸構造を有し、光素子２００の活性層として機能する。
【０１０６】
中間層２３０は、第１化合物半導体層２２０および第２化合物半導体層２４０に含まれる元素で構成される。本例の中間層２３０は、第２のＩＩＩ族元素ＩＩＩＢと第１のＶ族元素ＶＡとを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体である。中間層２３０は、第２化合物半導体層２４０よりバンドギャップエネルギーが大きい。また、中間層２３０は、第１化合物半導体層２２０に含まれる第１のＩＩＩ族元素ＩＩＩＡと、第２化合物半導体層２４０に含まれる第２のＶ族元素ＶＢとの結合がない。つまり、中間層２３０は、第１のＩＩＩ族元素ＩＩＩＡと第２のＶ族元素ＶＢから形成されるＩＩＩ−Ｖ族半導体ＩＩＩＡＶＢを含まない。
【０１０７】
中間層２３０は、第１化合物半導体層２２０の第１のＩＩＩ族元素および第１のＶ族元素より平衡定数が大きいＩＩＩ−Ｖ族化合物を含む。また、中間層２３０は、第１化合物半導体層２２０に含まれる第１のＩＩＩ族元素ＩＩＩＡと第２化合物半導体層２４０に含まれる第２のＶ族元素ＶＢとの化合物ＩＩＩＡＶＢよりも平衡定数が大きい化合物ＩＩＩＢＶＡを含む。具体的には、第１および第２のＩＩＩ族およびＶ族元素は、以下の平衡定数の関係を有するように選択する。
ＩＩＩＢＶＡ＞ＩＩＩＢＶＢ＞ＩＩＩＡＶＢ＞ＩＩＩＡＶＡ
【０１０８】
第１化合物半導体層２２０を形成するＩＩＩ−Ｖ族半導体ＩＩＩＡＶＡは、中間層２３０を形成するＩＩＩ−Ｖ族半導体ＩＩＩＢＶＡより平衡定数が小さい。したがって、第１化合物半導体層２２０と中間層２３０との界面においてＩＩＩ族原子またはＶ族原子を置換するような化学反応は生じない。中間層２３０を形成するＩＩＩ−Ｖ族化合物ＩＩＩＢＶＡは、第１化合物半導体層２２０に含まれるＩＩＩ族元素ＩＩＩＡと第２化合物半導体層２４０に含まれるＶ族元素ＶＢとの化合物ＩＩＩＡＶＢよりも平衡定数が大きい。したがって、中間層２３０と第２化合物半導体層２４０との界面において第１のＶ族原子ＶＡと第２のＶ族原子ＶＢとの置換反応は生じない。つまり、第１化合物半導体層２２０と第２化合物半導体層２４０との間にＩＩＩ−Ｖ族化合物ＩＩＩＡＶＢから形成される遷移層は形成されない。
【０１０９】
第３化合物半導体層２５０は、第２化合物半導体層２４０上にエピタキシャル成長される。本例の第３化合物半導体層２５０は、ｐ型ドーパントがドープされた第１のＩＩＩ族元素ＩＩＩＡと第１のＶ族元素ＶＡから形成されるｐ型ＩＩＩ−Ｖ族半導体ＩＩＩＡＶＡである。第３化合物半導体層２５０は上部クラッド層として機能する。変形例において、第３化合物半導体層２５０は無くともよい。
【０１１０】
図２０は、光素子２００の製造方法における原料ガス供給シーケンスである。光素子２００を製造する製造方法は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体から形成される基板２１０を用意する段階と、基板２１０上にＩＩＩ−Ｖ族半導体の第１化合物半導体層２２０を形成する第１層形成段階と、第１化合物半導体層２２０上に中間層２３０を形成する中間層形成段階と、中間層２３０上に第２化合物半導体層２４０を形成する第２層形成段階と、第２化合物半導体層２４０上に第３化合物半導体層２５０を形成する第３層形成段階とを備える。基板２１０は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から形成される。本例の基板２１０は、ＩｎＰ基板またはＧａＡｓ基板である。
【０１１１】
第１化合物半導体層２２０は、下部クラッド層として機能する。第１化合物半導体層２２０は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から形成される。第２化合物半導体層２４０は、光素子２００の活性層として機能する。第２化合物半導体層２４０は第１化合物半導体層２２０とはＩＩＩ族およびＶ族の両方の組成が異なるＩＩＩ−Ｖ族半導体で形成される。例えば、第２化合物半導体層２４０は四元系のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から形成され、多重量子井戸構造を有する。中間層２３０は、第２化合物半導体層２４０よりもバンドギャップエネルギーが大きい。中間層２３０は、例えば、四元系のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から形成される。第３化合物半導体層２５０は、上部クラッド層として機能する。第３化合物半導体層２５０は、第１化合物半導体層と組成が同じで、導電型が異なるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から形成される。各半導体層の形成段階は、ＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル成長により行う。
【０１１２】
第１層形成段階は、第１化合物半導体層２２０に対応する第１のＩＩＩ族原料ガスＡおよび第１のＶ族原料ガスＡを反応容器に供給する段階を有する。第１層形成段階は、第１導電型のドーパントをドーピングする段階を有する。所定の温度に加熱された基板２１０上に第１のＩＩＩ族原料ガスＡのＩＩＩ族元素ＩＩＩＡ及び第１のＶ族原料ガスＡのＶ族元素ＶＡから形成される第１導電型の化合物ＩＩＩＡＶＡを含む第１化合物半導体層２２０がエピタキシャル成長される。
【０１１３】
中間層形成段階は、第１のＶ族原料ガスＡの供給を維持しつつ、第１のＩＩＩ族原料ガスＡの供給を停止し、第２化合物半導体層２４０に対応する第２のＩＩＩ族原料ガスＢの供給を開始する段階を有する。つまり、時刻ｔ１で、ＩＩＩ族原料ガスのみが切り替わる。時刻ｔ１からｔ２までの間、第２のＩＩＩ族原料ガスＢ及び第１のＶ族原料ガスＡが所定の流量及び圧力で反応容器内に供給される。結果として、第１化合物半導体層２２０上に第２のＩＩＩ族原料ガスＢのＩＩＩ族元素ＩＩＩＢ及び第１のＶ族原料ガスＡのＶ族元素ＶＡから形成される化合物ＩＩＩＢＶＡを含む中間層２３０がエピタキシャル成長される。
【０１１４】
第２層形成段階は、第２のＩＩＩ族原料ガスＢの供給を維持しつつ、第１のＶ族原料ガスＡの供給を停止し、第２化合物半導体層２４０に対応する第２のＶ族原料ガスＢの供給を開始する段階を有する。つまり、時刻ｔ２ではＶ族原料ガスのみが切り替わる。時刻ｔ２からｔ３までの間、第２のＩＩＩ族原料ガスＢ及び第２のＶ族原料ガスＢが所定の流量及び圧力で反応容器内に供給される。結果として、中間層２３０上に、第２のＩＩＩ族原料ガスＢのＩＩＩ族元素ＩＩＩＢ及び第２のＶ族原料ガスＢのＶ族元素ＶＢから形成される化合物ＩＩＩＢＶＢを含む第２化合物半導体層２４０がエピタキシャル成長される。
【０１１５】
第３層形成段階は、第２のＩＩＩ族原料ガスＢの供給を停止し、第１のＩＩＩ族原料ガスＡの供給を開始し、第２のＶ族原料ガスＢの供給を停止し、第１のＶ族原料ガスＡの供給を開始する段階を有する。第３層形成段階は、第１導電型と異なる第２導電型のドーパントをドーピングする段階を有する。反応容器の内部には、第１のＩＩＩ族原料ガスＡ及び第１のＶ族原料ガスＡが所定の流量及び圧力で供給される。結果として、第２化合物半導体層２４０上に第１化合物半導体層２２０と組成が同じで導電型が異なる第２導電型の化合物ＩＩＩＡＶＡを含む第３化合物半導体層２５０がエピタキシャル成長される。
【０１１６】
本例の製造方法によれば、中間層２３０は、第１化合物半導体層２２０に含まれるＩＩＩ族元素ＩＩＩＡと第２化合物半導体層２４０に含まれるＶ族元素ＶＢとの化合物ＩＩＩＡＶＢよりも平衡定数が大きい化合物ＩＩＩＢＶＡを含む。第１化合物半導体層２２０を形成するＩＩＩＡＶＡ、中間層２３０を形成するＩＩＩＢＶＡ、第２化合物半導体層２４０を形成するＩＩＩＢＶＢの平衡定数の関係については上述したので説明を省略する。
【０１１７】
結果として、中間層２３０は、第１化合物半導体層２２０および第２化合物半導体層２４０の間に、第２化合物半導体層２４０よりバンドギャップエネルギーの小さい層が形成されるのを阻害する。また、中間層２３０は、第１化合物半導体層２２０および第２化合物半導体層２４０の間に、光素子２００が生成する光を吸収する吸収性層が形成されるのを阻害する。また、中間層２３０は、第１化合物半導体層２２０および第２化合物半導体層２４０の間に、第１化合物半導体層２２０に含まれるＩＩＩ族元素ＩＩＩＡと、第２化合物半導体層２４０に含まれるＶ族元素ＶＢとの化合物ＩＩＩＡＶＢが形成されるのを阻害する。
【０１１８】
図２１は、光素子２００の変形例の製造方法における原料ガス供給シーケンスを示す。変形例の製造方法は、第２層形成段階を除き光素子２００の製造方法と同様なので説明を省略する。光素子２００の変形例の第２層形成段階では、第２のＩＩＩ族原料ガスＢの供給を停止し、第３のＩＩＩ族原料ガスＣの供給を開始し、第１のＶ族原料ガスＡの供給を停止し、第２のＶ族原料ガスＢの供給を開始する。
【０１１９】
つまり、時刻ｔ２で、ＩＩＩ族原料ガス及びＶ族原料ガスの両方が切り替わる。時刻ｔ２からｔ３までの間、第３のＩＩＩ族原料ガスＣ及び第２のＶ族原料ガスＢが所定の流量及び圧力で反応容器内に供給される。結果として、中間層２３０上に、第３のＩＩＩ族原料ガスＣのＩＩＩ族元素ＩＩＩＣ及び第２のＶ族原料ガスＢのＶ族元素ＶＢから形成される化合物ＩＩＩＣＶＢを含む第２化合物半導体層２４０がエピタキシャル成長される。
【０１２０】
本例の製造方法によっても、中間層２３０は、第１化合物半導体層２２０に含まれるＩＩＩ族元素ＩＩＩＡと第２化合物半導体層２４０に含まれるＶ族元素ＶＢとの化合物ＩＩＩＡＶＢよりも平衡定数が大きい化合物ＩＩＩＢＶＡを含む。第１化合物半導体層２２０を形成するＩＩＩＡＶＡ、中間層２３０を形成するＩＩＩＢＶＡ、第２化合物半導体層２４０を形成するＩＩＩＣＶＢの自由エネルギーの関係については上述したので説明を省略する。
【０１２１】
結果として、中間層２３０は、第１化合物半導体層２２０および第２化合物半導体層２４０の間に、第２化合物半導体層２４０よりバンドギャップエネルギーの小さい層が形成されるのを阻害する。また、中間層２３０は、第１化合物半導体層２２０および第２化合物半導体層２４０の間に、光素子２００が生成する光を吸収する吸収性層が形成されるのを阻害する。また、中間層２３０は、第１化合物半導体層２２０および第２化合物半導体層２４０の間に、第１化合物半導体層２２０に含まれるＩＩＩ族元素ＩＩＩＡと、第２化合物半導体層２４０に含まれるＶ族元素ＶＢとの化合物ＩＩＩＡＶＢが形成されるのを阻害する。
【０１２２】
光素子１００および光素子２００は、ポンプレーザ、ＤＦＢレーザ、ＦＢＴレーザ等の光通信用または可視光用のレーザ素子として用いることができる。光素子１００および光素子２００はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の各層の界面に意図しない吸収性遷移層が形成される材料に広く適用可能である。
【０１２３】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【０１２４】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【０１２５】
１０、１１０、２１０  基板、２０  下部クラッド層、３０  活性層、３１  置換、３２、１７２、１７４  界面、３３、３７  表面、３５  ＡｌＧａＩｎＰ層、３６  遷移層、４０  上部クラッド層、５０  コンタクト層、６０、６２  領域、８４、８６  直線、１００、２００、５００、５０１  光素子、１２０、２２０  第１化合物半導体層、１３０、２４０  第２化合物半導体層、１４０、２５０  第３化合物半導体層、１５０  第４化合物半導体層、１７０、２３０  中間層
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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