(57)【要約】【課題】  ＩｎＰ基板上に形成された、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）を活性層または井戸層とする半導体発光素子において、他のＶ族原料に比べて一般に供給量の多いＮの原料を活性層または井戸層とバリア層の成長時に供給したり、供給を止めたりする必要が無くなり、例えば、気相成長の場合には界面の制御が容易になる。【解決手段】  ＩｎＰ基板上に形成された、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）を活性層または井戸層とする半導体発光素子において、前記活性層または井戸層と直接接する半導体層のうちの少なくとも一層は、Ｖ族にＮと他のＶ族を含む混晶半導体層からなる。【選択図】      図８
2006210945.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩｎＰ基板上に形成された、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）を活性層または井戸層とする半導体発光素子において、前記活性層または井戸層と直接接する半導体層のうちの少なくとも一層は、Ｖ族にＮと他のＶ族を含む混晶半導体層からなることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体発光素子において、前記活性層または井戸層と直接接する半導体層のうちの少なくとも一層は、Ｖ族にＮと他のＶ族を含むＧａｄＩｎ１−ｄＮｅＡｓｆＰ１−ｅ−ｆ（０≦ｄ＜１、０＜ｅ＜１、０≦ｆ＜１）混晶半導体層からなることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子において、前記活性層と直接接する半導体層にさらに直接接する層のうち、活性層とは反対側の半導体層は、ＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１）層からなることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子において、前記活性層と直接接しＶ族にＮと他のＶ族を含む半導体層のＧａ組成は、活性層のＧａ組成よりも大きいことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、前記活性層と前記活性層と直接接するバリア層は、いずれかがＩｎＰ基板に対して圧縮歪を有し、いずれかが引っ張り歪を有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法において、Ｎを含む半導体層は、Ｎの原料として有機系窒素化合物を用いた減圧ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）により結晶成長されることを特徴とする半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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、特許文献１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。この特許文献１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許文献２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、非特許文献１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。この非特許文献１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。
【特許文献１】特開平６−３３４１６８号公報
【特許文献２】特開平６−０３７３５５号公報
【非特許文献１】Ａｂｓｔｒａｃｔｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  １９９５  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｄｅｖｉｃｉｅｓ  ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  予稿集（ｐ１０１６〜ｐ１０１８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、ＩｎＰ基板上に形成された、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）を活性層または井戸層とする半導体発光素子において、供給量の多いＮの原料を活性層または井戸層とバリア層の成長時にオン、オフすると（供給したり、供給を止めたりすると）、例えば、気相成長の場合には、ガスの流れに乱れが生じ、界面に悪影響を及ぼす結果、発光効率や素子の寿命に影響を及ぼすという問題がある。
【００１１】
本発明は、ＩｎＰ基板上に形成された、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）を活性層または井戸層とする半導体発光素子において、他のＶ族原料に比べて一般に供給量の多いＮの原料を活性層または井戸層とバリア層の成長時に供給したり、供給を止めたりする必要が無くなり、例えば、気相成長の場合には界面の制御が容易に行なうことができ、発光効率を高め、素子寿命を長くすることの可能な半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、ＩｎＰ基板上に形成された、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）を活性層または井戸層とする半導体発光素子において、前記活性層または井戸層と直接接する半導体層のうちの少なくとも一層は、Ｖ族にＮと他のＶ族を含む混晶半導体層からなることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項２記載の発明は、請求項１に記載の半導体発光素子において、前記活性層または井戸層と直接接する半導体層のうちの少なくとも一層は、Ｖ族にＮと他のＶ族を含むＧａｄＩｎ１−ｄＮｅＡｓｆＰ１−ｅ−ｆ（０≦ｄ＜１、０＜ｅ＜１、０≦ｆ＜１）混晶半導体層からなることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子において、前記活性層と直接接する半導体層にさらに直接接する層のうち、活性層とは反対側の半導体層は、ＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１）層からなることを特徴としている。
【００１５】
また、請求項４記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子において、前記活性層と直接接しＶ族にＮと他のＶ族を含む半導体層のＧａ組成は、活性層のＧａ組成よりも大きいことを特徴としている。
【００１６】
また、請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、前記活性層と前記活性層と直接接するバリア層は、いずれかがＩｎＰ基板に対して圧縮歪を有し、いずれかが引っ張り歪を有することを特徴としている。
【００１７】
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法において、Ｎを含む半導体層は、Ｎの原料として有機系窒素化合物を用いた減圧ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）により結晶成長されることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１乃至請求項５記載の発明によれば、ＩｎＰ基板上に形成された、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）を活性層または井戸層とする半導体発光素子において、前記活性層または井戸層と直接接する半導体層のうちの少なくとも一層は、Ｖ族にＮと他のＶ族を含む混晶半導体層からなっており、活性層または井戸層と例えばバリア層との両方の層にＮを含ませることで、他のＶ族原料に比べて一般に供給量の多いＮの原料を活性層または井戸層とバリア層の成長時に供給したり、供給を止めたりする必要がなくなり、例えば、気相成長等の場合に、ガスの流れの乱れを抑えることができ、これにより、界面の制御を容易に行なうことができて（良好な界面を形成することができて）、発光効率が高く、寿命の長い半導体発光素子を提供することができる。
【００１９】
また、請求項６記載の発明によれば、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法であって、Ｎを含む半導体層は、Ｎの原料として有機系窒素化合物を用いた減圧ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）により結晶成長されるので、発光効率が高く、寿命の長い半導体発光素子を容易に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。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。
【００２１】
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る。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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（ＤｏｕｂｌｅＨｅｔｅｒｏ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）構造となっている。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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１．３×１０４Ｐａ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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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）構造としたものである。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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ある。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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ある。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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ある。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【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】
【００７８】
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
【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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