(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、ｎ型半導体層と、活性層と、ｐ型半導体層と、ｐ電極と、ｎ電極と、を備え、  前記ｎ型半導体層は、膜厚が１０ｎｍ以上の第１のｎ型半導体層と、膜厚が前記第１のｎ型半導体層の２倍以上で、かつ、バンドギャップエネルギーが前記第１のｎ型半導体層よりも小さい第２のｎ型半導体層とが交互にそれぞれ複数積層されたｎ型マルチヘテロ接合層を有し、
前記ｎ電極は、前記ｎ型マルチヘテロ接合層に接しており、
前記第１のｎ型半導体層と、該第１のｎ型半導体層よりも前記基板側に位置する前記第２のｎ型半導体層との界面に、膜厚が１ｎｍ以上５ｎｍ以下で、前記第２のｎ型半導体層と同じ半導体材料からなるアンドープの半導体層を備えたことを特徴とする半導体光学素子。
【請求項２】
前記第１のn型半導体層は、不純物濃度が５．０×１０１６ｃｍ−３以上５．０×１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体光学素子。
【請求項３】
前記第２のn型半導体層は、不純物濃度が５．０×１０１６ｃｍ−３以上５．０×１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光学素子。
【請求項４】
前記第１のn型半導体層は、膜厚が１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体光学素子。
【請求項５】
前記第２のn型半導体層は、膜厚が２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体光学素子。
【請求項６】
前記ｐ電極と前記ｎ電極との双方が、前記基板の表裏両側のうちの片側に設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体光学素子。
【請求項７】
前記基板が、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、サファイヤ、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＡｌＮからなる群から選択された材料の基板であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体光学素子。
【請求項８】
前記ｎ型マルチヘテロ接合層はクラッド層であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体光学素子。
【請求項９】
前記半導体光学素子は発光ダイオードであることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体光学素子。
【請求項１０】
前記半導体光学素子はレーザダイオードであることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光学素子に関し、特に、半導体の片面側にｐ電極とｎ電極の両方が形成された半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外から紫外までの発光波長帯をカバーする半導体発光素子は、ＧａＡs系材料やＩｎＰ系材料、及びＧａＮ系材料等、材料ごとにバンドギャップエネルギーは異なるものの、ほぼ全てが３−５族化合物半導体材料を用いて製造されている。
本技術分野の背景技術として、ＧａＮ系半導体を例にとると特許３２３３１３９号公報（特許文献１）がある。この公報には、サファイヤ基板上に作製された発光ダイオード（ＬＥＤ）のｎ型コンタクト層に関して「ｎ型コンタクト層は、窒化物半導体で形成されたもので、特にＧａＮやＡｌＧａＮで形成されることが好ましい。」、「特にｎ側電極を設けるためのｎ型コンタクト層として用いる場合には、ＳｉやＧｅ等のｎ型不純物がドープされたＧａＮを用いることで、電子濃度が高いｎ型層が得られ、ｎ側電極との接触抵抗を小さくすることが可能である。」（［００１９］参照）と記載されている。
【０００３】
また、特許３４３４１６２号公報（特許文献２）がある。この公報には、半導体レーザダイオード（ＬＤ）のｎ電極が接する層に関して「Ｓｉを１×１０１９／cm３ドープしたＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなる層を２０オングストローム成長させ、続いてＳｉを同量でドープしたｎ型ＧａＮよりなる層を２０オングストローム成長させる。そして、この操作をそれぞれ２００回繰り返し、キャリア濃度１×１０１９／cm３の総膜厚０．８μｍの超格子層を形成する」（実施例２参照）と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許３２３３１３９号公報
【特許文献２】特許３４３４１６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ｐ電極とｎ電極が半導体の片面側に両方とも形成された半導体発光素子において、上記特許文献１に記載された従来技術のように、ｎ電極が接するｎ型コンタクト層にｎ型ＧａＮ層やｎ型ＡｌＧaＮ層を用いて、同層内に添加する不純物濃度を高めてキャリア密度を高くすると、不純物により活性層で発光した光の吸収率が増大するため、外部への光取り出し効率が低下して、発光ダイオードやレーザダイオードの発光特性が低下する問題がある。
また、上記特許文献２に記載された従来技術においても、不純物濃度を１×１０１９／cm３にまで高めているため、前記光吸収による特性低下の問題がある。
【０００６】
一方で、上記問題を解消するために不純物濃度を下げてｎ型コンタクト層のキャリア密度を低下させた場合、ｎ電極とのオーミック接続が低下する上、ｎ型コンタクト層自体の抵抗も高くなるため、ｎ電極から活性層に至るまでの直列抵抗が増加して、前記発光素子の動作電圧の増大や、信頼性の低下を引き起こす問題がある。
これらは、紫外〜青〜緑の波長帯で発光する前記窒化物半導体発光素子のみならず、その他の、赤色〜近赤外の発光素子であるＧａＡｓ/ＡｌＧａＡｓ系発光素子や、波長１ミクロン以上の通信用レーザ等に用いられるＩｎＰ/ＩｎＧａＡｓＰ系発光素子等においても、ｎ電極を、表面側に形成されたｐ電極に対して裏面側ではなく、ｐ電極と同じ表面側に形成する構造である場合には、同様の問題が発生する。
そこで、本発明は、動作電圧が低く光学特性に優れた半導体光学素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る半導体光学素子の一態様は、基板と、ｎ型半導体層と、活性層と、ｐ型半導体層と、ｐ電極と、ｎ電極と、を備え、前記ｎ型半導体層は、膜厚が１０ｎｍ以上の第１のｎ型半導体層と、膜厚が前記第１のｎ型半導体層の２倍以上で、かつ、バンドギャップエネルギーが前記第１のｎ型半導体層よりも小さい第２のｎ型半導体層とが交互にそれぞれ複数積層されたｎ型マルチヘテロ接合層を有し、前記ｎ電極は、前記ｎ型マルチヘテロ接合層に接している。
【０００８】
このような半導体光学素子によれば、後で詳述するように、ｎ型マルチヘテロ接合層における第１のｎ型半導体層と第２のｎ型半導体層との間で充分な二次元電子ガス（２ＤＥＧ）が生じてキャリア密度が向上するとともに、電子移動度も向上する。この結果、ｎ型マルチヘテロ接合層における不純物濃度を低く抑えても、充分に低いシート抵抗が実現でき、動作電圧が低く光学特性に優れた半導体光学素子が得られる。
なお、電極に接する層は一般にコンタクト層と称され、前記ｎ型マルチヘテロ接合層は前記ｎ電極に対するコンタクト層となっている。
【０００９】
また、前記半導体光学素子において、前記第１のｎ型半導体層と、該第１のｎ型半導体層よりも前記基板側に位置する前記第２のｎ型半導体層との界面に、膜厚が１ｎｍ以上５ｎｍ以下で、前記第２のｎ型半導体層と同じ半導体材料からなるアンドープの半導体層を備えるか、あるいは、前記第１のｎ型半導体層と、該第１のｎ型半導体層よりも前記基板から遠い側に位置する前記第２のｎ型半導体層との界面に、膜厚が１ｎｍ以上５ｎｍ以下で、前記第２のｎ型半導体層と同じ半導体材料からなるアンドープの半導体層を備えることが好ましい。
【００１０】
これらの好ましい構造を有する半導体光学素子によれば、アンドープの半導体層の存在によってキャリア密度が更に向上する。
前記半導体光学素子において、前記第１のn型半導体層は、不純物濃度が５．０×１０１６ｃｍ−３以上５．０×１０１８ｃｍ−３以下であることが望ましく、前記第２のn型半導体層も、不純物濃度が５．０×１０１６ｃｍ−３以上５．０×１０１８ｃｍ−３以下であることが望ましい。
不純物濃度が５．０×１０１８ｃｍ−３以下であることによって光の吸収を抑制することができる。また、不純物濃度が５．０×１０１６ｃｍ−３以上であることによって他の不純物による補償の影響を避けることができる。
【００１１】
また、前記半導体光学素子において、前記第１のn型半導体層は、膜厚が１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることが好ましい。膜厚が１０ｎｍ以上であることによって充分な２ＤＥＧが生じ、逆に膜厚が２０ｎｍを超えると、２ＤＥＧの電気的特性がそれほど向上しないことに加えて、今度は厚膜化にともなう合金散乱の影響によって、膜厚が厚いほどヘテロ接合界面の深さ方向の結晶性が損なわれて２ＤＥＧの電子移動度が低下する傾向を示すからである。
また、前記半導体光学素子において、前記第２のn型半導体層は、膜厚が２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であってもよい。
また、前記半導体光学素子において、前記ｐ電極と前記ｎ電極との双方が、前記基板の表裏両側のうちの片側に設けられていてもよい。
【００１２】
また、前記半導体光学素子において、前記基板が、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、サファイヤ、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＡｌＮからなる群から選択された材料の基板であってもよい。
また、前記半導体光学素子において、前記ｎ型マルチヘテロ接合層はクラッド層であってもよい。
また、前記半導体光学素子は、発光ダイオードであってもよく、レーザダイオードであってもよく、受光素子であってもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の半導体光学素子によれば、動作電圧が低く光学特性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】ｐ電極とｎ電極の両方を基板の片側に形成した半導体光学素子の比較例を示した簡易断面構造図である。
【図２】半導体光学素子の第１実施形態である半導体レーザを示す断面構成図である。
【図３】第１実施形態におけるｎ型マルチヘテロ接合層の構造を示した部分拡大図である
【図４】第１実施形態におけるｎ型マルチヘテロ接合層の別構造を示した図である。
【図５】半導体光学素子の第２実施形態である発光ダイオード（ＬＥＤ）を示す断面構成図である。
【図６】第２実施形態におけるｎ型マルチヘテロ接合層の構造を示した部分拡大図である。
【図７】半導体光学素子の第３実施形態である半導体レーザを示す断面構成図である。
【図８】第３実施形態におけるｎ型マルチヘテロ接合層の構造を示した部分拡大図である。
【図９】半導体光学素子の第４実施形態である発光ダイオードを示す断面構成図である。
【図１０】第４実施形態におけるｎ型マルチヘテロ接合層の構造を示した部分拡大図である。
【図１１】第４実施形態におけるｎ型マルチヘテロ接合層の別構造を示した図である。
【図１２】半導体光学素子の第５実施形態である半導体レーザを示す断面構成図である。
【図１３】第５実施形態におけるｎ型マルチヘテロ接合層の構造を示した部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明するが、それに先だって比較例について説明する。
図１は、ｐ電極とｎ電極の両方を基板の片側に形成した半導体光学素子の比較例を示した簡易断面構造図であり、比較例として、窒化物半導体を用いた半導体レーザが示されている。
図１に示す比較例の半導体レーザ２００は従来の構造を有する半導体レーザ２００である。半導体レーザ２００には、基板２０上に、バッファ層としてのアンドープＧａＮ層２１と、ｎ型コンタクト層としてのｎ型ＧａＮ層２２と、ｎ型クラッド層としてのｎ型ＡｌＧａＮ層２３と、発光する活性層２４と、ｐ型クラッド層としてのｐ型ＡｌＧａＮ層２５と、ｐ型コンタクト層としてのｐ型ＧａＮ層２６がこの順で積層されている。基板２０としては、サファイヤ基板のほか、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、ＧａＮ基板、及びＡｌＮ基板等が適用できる。
【００１６】
なお、図１では図示を簡略化するために活性層２４が単一の層で示されているが、実際には、例えばＩｎＧａＮやＡｌＧａＮ、ＧａＮ等を用いた周知の多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi-Quantum-Well）構造、または単一量子井戸（ＳＱＷ：Single-Quantum-Well）構造からなり、発光波長によって用いる半導体材料や組成比等が異なる。
以下、説明の便宜上、基板２０に垂直な方向を「縦」と称し、基板２０に沿った方向を「横」と称する場合がある。また、基板２０から活性層２４へと向かう方向を「上」と称し、活性層２４から基板２０へと向かう方向を「下」と称する場合がある。また、基板２０の「上」側を「表面側」と称し、基板２０の「下」側を「裏面側」と称する場合がある。
【００１７】
ｐ型ＧａＮ層２６とｐ型ＡｌＧａＮ層２５の一部には、周知の窒化物半導体ドライエッチングによって電流狭窄のための所望の形状からなるストライプ状のリッジ部が形成されており、そのリッジ部の最頂部に露出したｐ型ＧａＮ層２６を残して、ｐ型ＡｌＧａＮ層２５の側面及び表面には、ＳｉＯ２からなる保護膜２７が形成されている。
ｐ型ＧａＮ層２６とオーミック接続するｐ電極２８は、上記リッジ部の最頂部に存在するｐ型ＧａＮ層２６に接しているのに加えて、保護膜２７上の所望の領域まで横方向に延長されて、保護膜２７の一部を覆うように形成されている。
【００１８】
ｎ電極２９は、ストライプ状のリッジ部から離れた所望の領域のｐ型ＡｌＧａＮ層２５、ＩｎＧａＮ量子井戸層２４、及びｎ型ＡｌＧａＮ層２３をエッチングすることで露出したｎ型ＧａＮ層２２に接して形成され、そのｎ型ＧａＮ層２２に対してオーミック接続している。
以上は、窒化物半導体レーザを例に、簡略化した半導体光学素子の構成を示したものであり、ＧａＡｓ系やＩｎＰ系等のように半導体材料が異なった場合でも、ｐ型層／活性層／ｎ型層という組み合わせの基本的な半導体積層構成に変わりはない。
【００１９】
また、レーザダイオード（ＬＤ）と発光ダイオード（ＬＥＤ）ではｐ電極周辺の形状や、活性層の上下に位置するクラッド層の有無、及び膜厚等が異なるものの、上述した基本的な構成は、双方ともに顕著な差異はない。
上記構成によれば、活性層２４の直上にｐ電極２８が位置するため、ｐ電極２８から活性層２４に至るまでの電流は、ｐ電極２８からほぼ垂直下方に向かってｐ型クラッド層（図１の例ではｐ型ＡｌＧａＮ層２５）を介して流れる経路をたどる。窒化物半導体レーザの場合、ｐ型クラッド層の膜厚は、５００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲であることが一般的である。
したがって、ｐ電極２８と活性層２４との間における抵抗成分は、主にｐ電極２８とｐ型コンタクト層２６と間における接触抵抗および接触面積、並びにｐ型クラッド層２５の膜厚に応じて変化する。
【００２０】
一方、ｎ電極２９から活性層２４に至るまでの電子の流れは、ｎ電極２９からまずはｎ型コンタクト層（図１の例ではｎ型ＧａＮ層２２）を横方向に流れた後、縦方向にｎ型クラッド層を通過する経路をたどる。
上記構成の半導体発光素子において、ｎ型コンタクト層２２の膜厚は、一般的には１μｍから厚くても３μｍ程度までの範囲であり、製造する発光素子、材料系によってその膜厚は変わる。
一方、エッチングによってパターン化された後のｎ電極２９からｎ型クラッド２３の側面までの距離は５μｍから数十μｍと、ｎ型コンタクト層の膜厚に比べて長い場合が多い。
【００２１】
したがって、基板の表裏面のうち片側にｐ電極２８とｎ電極２９の双方を形成した構造の半導体光学素子の場合、ｎ型コンタクト層２２の膜厚に対して、ｎ型コンタクト層２２を横方向に流れる電流経路の距離は長くなる傾向であるため、上記電極配置構成の素子全体における抵抗成分の中で、ｎ型コンタクト層２２の横方向抵抗成分が占める割合は比較的大きいことになる。
【００２２】
したがって、上記構成の発光素子の低電圧動作には、ｎ電極２９への横方向通電に係わるｎ型コンタクト層２２の横方向抵抗成分を低減すること、言い換えるとｎ型コンタクト層２２のシート抵抗を可能な限り低減することが必要となる。
これには、ｎ型コンタクト層２２の不純物濃度を高くしてキャリア密度を増大させることでシート抵抗を下げることが１つの解決法であるが、上述した通り、活性層２４で発光した光の吸収量も増加するため、ｎ型コンタクト層２２の不純物濃度増加によるシート抵抗低減は、素子の発光特性の低下を引き起こす要因になる。
【００２３】
もう１つの解決策として、ｎ型コンタクト層２２の厚膜化によるシート抵抗低減があるが、通常、半導体発光素子の半導体層は、ＭＯＣＶＤ法等のエピタキシャル成長法を用いて形成しており、プロセスコスト等の観点から、厚膜化といってもせいぜい３μｍ程度にとどめるのが一般的である。
以上のことから、上記ｐ電極２８とｎ電極２９の双方を基板の片側に持つ構成の半導体発光素子において、ｎ電極が接するｎ型コンタクト層に必要とされる要件は、不純物濃度をあまり高くせずにコンタクト層自体のシート抵抗を可能な限り低くする、ことである。
本発明者らは、上記要件を満たすｎ型半導体層の構成を探索するべく鋭意検討した。
その結果、以下説明するｎ型マルチヘテロ接合構造を用いることで、例えばｎ型ＧａＮ単層やｎ型ＡｌＧａＮ単層などといった従来構成よりもシート抵抗を低減できることを見出した。
【００２４】
以下に、本発明者らが行った実験結果について説明する。ここで、エピタキシャル成長のことを「エピ成長」と称し、エピ成長で得られた層のことを「エピ層」と称し、エピ層が形成された基板のことを「エピ基板」と称する場合がある。
実験に用いたエピ基板としては、サファイヤ基板上に高抵抗ＧａＮバッファ層を形成したものの上に、下記の「構造１」〜「構造３」のいずれかを形成した合計３種類のエピ基板を作製した。
＜構造１＞
膜厚４８０ｎｍのｎ型ＧａＮ単層（Ｓｉ不純物濃度：１×１０１８ｃｍ−３）。
＜構造２＞
ｎ型Ａｌ０．０８ＧａＮ（膜厚：３ｎｍ、Ｓｉ不純物濃度：１×１０１８ｃｍ−３）とｎ型ＧａＮ（膜厚：３ｎｍ、Ｓｉ不純物濃度：１×１０１８ｃｍ−３）からなるペア層を８０ペア（合計膜厚：４８０ｎｍ）積層したｎ型超格子層。
【００２５】
＜構造３＞
ｎ型Ａｌ０．１ＧａＮ層（膜厚：１０ｎｍ、Ｓｉ不純物濃度：１×１０１８ｃｍ−３）とｎ型ＧａＮ層（膜厚：３０ｎｍ、Ｓｉ不純物濃度：１×１０１８ｃｍ−３）からなるヘテロ接合層を１２ペア（合計膜厚：４８０ｎｍ）積層したｎ型マルチヘテロ接合層。
「構造１」は上述した特許文献１に記載の層構造に相当し、「構造２」は上述した特許文献２に記載の層構造に相当する。「構造３」は本発明者らが今回新たに提案する層構造である。
【００２６】
これら３種類のエピ基板を用いて、ホール効果測定によりそれぞれのｎ型エピ層の電気的特性を評価した。
その結果、「構造１」のシート抵抗は３４５Ω/ｓｑ、「構造２」のシート抵抗は３７６Ω/ｓｑ、「構造３」のシート抵抗は２７３Ω/ｓｑとなり、ｎ型マルチヘテロ接合層を有した「構造３」のシート抵抗が最も低抵抗化する結果が得られた。
この低抵抗化の要因としては、電子移動度向上の影響・効果が最も大きく、「構造１」「構造２」の電子移動度がそれぞれ２１３、２６４ｃｍ２/Ｖｓであったのに対して、「構造３」では３５８ｃｍ２/Ｖｓとなっていて、すべてＳｉドーピング層で構成したマルチヘテロ構造であるにもかかわらず、「構造３」の膜厚構成とすることで、電子移動度が向上する効果が得られた。これは、ヘテロ界面に生じた２次元電子ガス（２ＤＥＧ）領域の移動度が向上したものと推定される。
【００２７】
一方で、「構造２」の超格子構造は、シート抵抗が最も高い結果であった。これはｎ型ＡｌＧａＮ層とｎ型ＧａＮ層の膜厚がともに３ｎｍの薄膜からなる積層構造を用いたことで、ヘテロ界面に十分な２ＤＥＧが生じなかったこと、さらにヘテロ接合間の距離が３ｎｍと狭いことによって、合金散乱の影響を受けて全体の結晶性が劣化したことによりシート抵抗が低減されなかったものと考えられる。
【００２８】
さらに「構造３」の膜厚構成のうちＧａＮ層側を３ｎｍ厚のアンドープＧａＮ層（上層側）と２７ｎｍ厚のｎ型ＧａＮ層（下層側）との２層構造に変更して、同様にマルチヘテロ接合層を構成した「構造４」を作製した結果、「構造３」よりも電子移動度がさらに向上して３９７ｃｍ２/Ｖｓとなり、シート抵抗が２３９Ω/ｓｑにまで低減した。
ここで「構造３」と「構造４」のキャリア密度を比較すると、「構造３」は１．２７×１０１８ｃｍ−３であるのに対して、「構造４」は１．４０×１０１８ｃｍ−３と、キャリア密度が増大することが確認された。
【００２９】
以上から、ｎ型マルチヘテロ接合層のシート抵抗が低減された要因は、上記の膜厚構成によって、各ＡｌＧａＮ（上層）とＧａＮ（下層）とのヘテロ接合界面のＧａＮ側に２ＤＥＧが十分に生じ、これによって、擬似的にキャリア密度が向上したことと、電気移動度が向上したこととの相乗効果であると推定される。
一方で、前記特許文献２に示された超格子構造では、不純物濃度を１×１０１９ｃｍ−３にまで高めた構造について記載されていたが、上記実験によれば、不純物濃度を１×１０１８ｃｍ−３にまで下げた場合は、超格子構造における抵抗低減に関する有効性は確認されなかった。
【００３０】
また、「構造３」と「構造４」において、ｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を０．１として実験、評価したが、Ａｌ組成をより高めることで同層のバンドギャップエネルギーは大きくなるため、バンドギャップエネルギーの小さい層として適用した例えばＧａＮ層とのバンドオフセット量は大きくなり、２ＤＥＧのシートキャリア密度はよりいっそう増大する傾向を示すため、シート抵抗低減効果はより大きくなる。
【００３１】
また、ｎ型ＡｌＧａＮ層の膜厚に関しても、上記１０ｎｍよりも厚膜化することで、分極の作用が大きくなり、２ＤＥＧのシートキャリア密度がより高くなる傾向を示すことから、この厚膜化によってもシート抵抗を低減する効果が得られる。
このとき、バンドギャップエネルギーの小さい層側の膜厚も同時に厚膜化することで、さらなるシートキャリア密度の増大が望める。
【００３２】
以上のことから、第１のｎ型半導体層と、第１のｎ型半導体よりもバンドギャップエネルギーの小さい、特に伝導帯側において第１のｎ型半導体層に対してバンドオフセットが生じる第２のｎ型半導体層とを交互に複数層ずつ積層したｎ型マルチヘテロ接合層によって、シート抵抗を低減する効果が得られることがわかった。
このｎ型マルチヘテロ接合層において、第１のｎ型半導体層の膜厚が１０ｎｍ以上であることが好ましく、具体的には、１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることが好ましい。膜厚が１０ｎｍよりも薄いと２ＤＥＧのシートキャリア密度が不十分となるし、２０ｎｍより厚くしても、２ＤＥＧの電気的特性がそれほど向上しないことに加えて、今度は厚膜化にともなう合金散乱の影響によって、膜厚が厚いほどヘテロ接合界面の深さ方向の結晶性が損なわれ、逆に２ＤＥＧの電子移動度が低下する傾向を示すことが実験的にわかったためである。
【００３３】
さらに、厚膜化による応力の影響によって、エピ層表面にクラックが生じやすくなる弊害もある。
また、第２のｎ型半導体層の膜厚は、第１のｎ型半導体層の膜厚の２倍以上の膜厚であることが好ましく、具体的には、２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることが好ましい。
上記構成によってｎ型マルチヘテロ接合層を形成することで、各半導体材料のバンドオフセットによって各ヘテロ接合界面に生じる複数の２ＤＥＧにより、ｎ型不純物ドーピングによるものとは異なるキャリア密度の増大効果を十分に得ることができるため、ｎ型不純物濃度が低くても、同層のシート抵抗を大幅に低減できる効果がある。
【００３４】
また、第２のｎ型半導体よりもバンドギャップエネルギーが大きい前記第１のｎ型半導体の膜厚を上記膜厚範囲として第２のｎ型半導体層と交互に複数分散して設けることで、臨界膜厚を超えた場合でも半導体エピ層にかかる歪みが緩和され、エピ層表面のクラック発生をある程度の厚さまで防ぐことができる。
逆に、上記膜厚範囲の下限よりも膜厚を薄くした場合には、上記超格子構造に関する検討結果で明らかなように、ｎ型不純物濃度が低い場合には、各ヘテロ接合界面における２ＤＥＧ発生による効果が十分に得られず、目的とするｎ型層のシート抵抗低減効果が得られないことは明白である。
【００３５】
また、上記ｎ型マルチヘテロ接合層において、上層側の第１のｎ型半導体層と下層側の第２のｎ型半導体層との各接合層界面に、第２のｎ型半導体層と同じ半導体材料からなるアンドープの半導体層を設けた構成とすることが好ましい。
この構成により、ｎ型マルチヘテロ接合層において各々のヘテロ接合界面に生じる２ＤＥＧの電子移動度が向上し、ｎ型マルチヘテロ接合層全体のシート抵抗がより一層低減する効果がある。
この時、アンドープの半導体層の膜厚は１ｎｍ以上５ｎｍ以下とすることが好ましい。
アンドープの半導体層の膜厚を５ｎｍよりも厚くした場合は、ｎ型マルチヘテロ接合層内部の縦方向の抵抗成分が増加する傾向に転じるため、５ｎｍよりも厚くすることは逆に発光素子の電気特性の低下を招く要因になる。
【００３６】
また、上記ｎ型マルチヘテロ接合層において、第１のｎ型半導体層、及び第２のｎ型半導体層に添加する不純物濃度は、５×１０１８ｃｍ−３以下とすることが好ましい。
不純物濃度が高いことに関して、ｎ型マルチヘテロ接合層のシート抵抗低減に悪影響をもたらすことはないが、不純物濃度を２×１０１８ｃｍ−３以下とすることで、活性層が例えば発光層である場合には、発光した光の吸収を抑制しつつ、ｎ型コンタクト層のシート抵抗が低減される効果によって、発光素子の動作電圧低減に効果がある。活性層が受光層である場合にも同様に光吸収抑制と動作電圧低減の効果が得られる。
【００３７】
また、不純物濃度に特に下限値を設ける必要はないが、不純物濃度が５×１０１６ｃｍ−３よりも低い場合、Ｃ（炭素）等の半導体中に含まれる他の不純物による補償の影響を受けて、半導体材料によっては導電型が判別できなくなる可能性があるため、５×１０１６ｃｍ−３を不純物濃度の下限値とすることが好ましい。
また、他の効果として、上記のｎ型マルチヘテロ接合層は、例えば青紫色レーザダイオードで一般的に用いられるＩｎＧａＮ多重量子井戸層からなる活性層に対して大きな屈折率差が生じるため、ｎ型コンタクト層としての機能のほかに、活性層で発光した光を閉じ込めるクラッド層としても機能する。
【００３８】
なお、上記のｎ型マルチヘテロ接合層を構成する半導体層としては、上記ｎ型Ａｌ０．１ＧａＮ／ｎ型ＧａＮマルチヘテロ接合層のほかに、窒化物半導体であれば、例えばＡｌＮモル比率がそれぞれ異なるＡｌＸＧａ１−ＸＮ/ＡｌＹＧａ１−ＹＮ（Ｘ＞Ｙ）マルチヘテロ接合層や、ＧａＮ／ＩｎＧａＮマルチヘテロ接合層、ＩｎＡｌＮ（ＩｎＡｌＧａＮ）／ＧａＮ（ＡｌＧａＮ）マルチヘテロ接合層等が考えられる。
【００３９】
これらのマルチヘテロ接合層における各半導体材料にＳｉ等のｎ型不純物を添加することで、ＧａＮ系窒化物半導体を用いて製造できる全ての発光波長帯の半導体発光素子のｎ型コンタクト層に対してマルチヘテロ接合層を適用することができる。
また、これらのマルチヘテロ接合層においても、層を構成する窒化物半導体材料の組み合わせにより、活性層材料に対して高い屈折率差を持つ場合には、クラッド層としても適用できることは、これまで説明してきた中で明らかである。
【００４０】
上記のｎ型マルチヘテロ接合層は、窒化物半導体とは異なる化合物半導体材料に対しても適用可能であり、例えばＧａＡｓ系化合物半導体材料であれば、例えばｎ型ＡｌＧａＡｓ／ｎ型ＧａＡｓマルチヘテロ接合層のほかに、ＩｎＡｌＰ／ＧａＡｓマルチヘテロ接合層や、ＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＰマルチヘテロ接合層、ＡｌＭＧａ１−ＭＡｓ／ＡｌＮＧａ１−ＮＡｓ（Ｍ＞Ｎ）マルチヘテロ接合層、ＩｎＡｌＧａＰ／ＩｎＧａＰマルチヘテロ接合層等が考えられる。
【００４１】
これらのマルチヘテロ接合層における各半導体材料にＳｉ等のｎ型不純物を添加することで、ＧａＡｓ基板上にエピ成長できる化合物半導体を用いて製造できる全ての発光波長帯の半導体発光素子のｎ型コンタクト層に対してマルチヘテロ接合層を適用できる。具体的には、例えばＧａＡｓ基板上に作製する赤色系発光素子に適用できる。
また、これらのマルチヘテロ接合層を構成するＧａＡｓ系化合物半導体材料の組み合わせにより、活性層材料に対して高い屈折率差を持つ場合には、クラッド層としても適用できることは言うまでもない。
【００４２】
上記のｎ型マルチヘテロ接合層は、他の化合物半導体基板であるＩｎＰ基板上に作製する構造としても適用可能であり、例えばＩｎＰ系化合物半導体材料であれば、例えばＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓマルチヘテロ接合層のほかに、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰマルチヘテロ接合層や、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰマルチヘテロ接合層等が考えられる。
これらのマルチヘテロ接合層における各半導体材料にＳｉ等のｎ型不純物を添加することで、ＩｎＰ基板上にエピ成長できる化合物半導体を用いて製造できる全ての発光波長帯の半導体発光素子のｎ型コンタクト層に対してマルチヘテロ接合層を適用できる。具体的には、例えば主に１μｍ以上の発光波長帯を有する半導体発光素子に適用できる。
【００４３】
また、これらのマルチヘテロ接合層を構成するＩｎＰ系化合物半導体材料の組み合わせにより、活性層材料に対して高い屈折率差を持つ場合には、上述した通りクラッド層としても適用できることは言うまでもない。
さらに、以上説明してきた各種半導体材料によるｎ型マルチヘテロ接合層においても、窒化物半導体材料によるｎ型マルチヘテロ接合層と同様に、各々のヘテロ接合界面のバンドギャップエネルギーが狭い材料側に、その材料と同じ半導体材料からなる膜厚を１ｎｍ〜５ｎｍの範囲としたアンドープ層を設けることで、各々の界面に生じる２ＤＥＧの電子移動度を高くすることができるため、上記マルチヘテロ接合層のシート抵抗をよりいっそう低減できる効果がある。
【００４４】
以上説明したｎ型マルチヘテロ接合層を適用した具体的な実施形態について、以下図面を参照して説明する。
＜第１実施形態＞
図２は、半導体光学素子の第１実施形態である半導体レーザを示す断面構成図であり、図３は、第１実施形態におけるｎ型マルチヘテロ接合層の構造を示した部分拡大図である。
第１実施形態の半導体レーザ１００は、窒化物半導体を用いた半導体レーザである。窒化物半導体を用いた発光素子は、約３００ｎｍ〜５２０ｎｍの発光波長域を有し、紫外〜緑色の光を発する発光素子として適用できる。
半導体レーザ１００は、ＧａＮ基板１と、ｎ型ＧａＮバッファ層２と、上記のｎ型マルチヘテロ接合層を有するｎ型コンタクト層３と、ｎ型コンタクト層３上の所望の領域に形成されたｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４と、アンドープのＩｎＧａＮ系多重量子井戸層からなる活性層（発光層）５と、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６と、ｐ型ＧａＮコンタクト層７がこの順で積層された半導体積層構造を有する。
【００４５】
ｐ型ＧａＮコンタクト層７とｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６の一部には、周知の窒化物半導体ドライエッチングによって電流狭窄のためのストライプ状のリッジ部が形成されており、リッジ部の最頂部に露出したｐ型ＧａＮコンタクト層７を残して、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６の側面及び表面には、例えばＳｉＯ２からなる保護膜８が形成されている。
ｐ電極９は、リッジ部の最頂部に露出したｐ型ＧａＮコンタクト層７に接してオーミック接続しており、ｐ電極を構成する電極メタルは、保護膜８上の所望の領域まで横方向に延長されて、保護膜８の一部を覆うように形成されている。
ｎ電極１０は、ストライプ状のリッジ部から離れた領域に露出したｎ型コンタクト層３に接して形成され、ｎ型コンタクト層３に対してオーミック接続している。
【００４６】
ここで、図２の破線で囲まれた領域のｎ型マルチヘテロ接合層の構成について、図３を参照して詳細に説明する。
ｎ型コンタクト層３は、上層側に位置して膜厚が例えば１０ｎｍでｎ型不純物（Ｓｉ）濃度が例えば１×１０１８ｃｍ−３であるｎ型Ａｌ０．１５ＧａＮ層３aと、下層側に位置して膜厚が例えば７０ｎｍでｎ型不純物（Ｓｉ）濃度が例えば１×１０１８ｃｍ−３であるｎ型ＧａＮ層３ｂとが交互に例えば２０ペア積層されて合計膜厚が例えば１．６μｍとなったｎ型マルチヘテロ接合層を有している。
【００４７】
ｎ型コンタクト層３と同じ不純物濃度および同じ膜厚を有するｎ型ＧａＮ層に比べて、図３に示すようなｎ型マルチヘテロ接合層を有するｎ型コンタクト層３ではキャリア密度が増大してシート抵抗が低減されるため、ｎ電極１０のオーミック特性は良好な状態を保持しつつ、ｎ電極側の直列抵抗成分に影響を与える横方向抵抗が低減される。即ち、ｎ電極１０近傍からｎ型コンタクト層３を経由してｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４に至るまでの横方向抵抗が低減されるため、ＧａＮ基板上に作製した窒化物半導体レーザであっても動作電圧が低減される。
【００４８】
図４は、第１実施形態におけるｎ型マルチヘテロ接合層の別構造を示した図である。
図４に示すｎ型マルチヘテロ接合層では、上層側のｎ型Ａｌ０．１５ＧａＮ層３aは図３に示すｎ型Ａｌ０．１５ＧａＮ層３aと同じ膜厚、ならびに同じ不純物濃度を有する。
一方、下層側に位置するＧａＮ層は、その中で下層側と上層側に分かれた２層構成をなしており、下層側は膜厚が例えば６７ｎｍでｎ型不純物（Ｓｉ）濃度が例えば１×１０１８ｃｍ−３のｎ型ＧａＮ層３ｂｂであり、上層側は膜厚が例えば３ｎｍのアンドープＧａＮ層３ｃである。
【００４９】
つまり、１つのヘテロ接合層の構成が、上からｎ型Ａｌ０．１５ＧａＮ層３a／アンドープＧａＮ層３ｃ／ｎ型ＧａＮ層３ｂｂという順の３層構造となっている。図４に示すｎ型マルチヘテロ接合層では、この構成のヘテロ接合層を例えば２０層積層して合計膜厚が例えば１．６μｍのｎ型マルチヘテロ接合層を構成している。
図４に示す構成のｎ型マルチヘテロ接合層を用いることで、２ＤＥＧ発生領域の不純物による散乱の影響が小さくなるため、図３に示す構成に比べてｎ型コンタクト層３全体の電子移動度は１５％〜２０％程度高くなり、ｎ型コンタクト層３のシート抵抗をさらに低減できる効果がある。
したがって、図２に示された窒化物半導体レーザに、図４に示す構成のｎ型マルチヘテロ接合層の構成からなるｎ型コンタクト層３を適用すれば、よりいっそうレーザの動作電圧を低減できる効果がある。
【００５０】
ここで、第１実施形態についてより具体的な例をあげて説明する。
図２に示す構成を有する半導体レーザ１００において、リッジ部のストライプ幅を２．５μｍ、共振器長を８００μｍとして、ｎ型コンタクト層３に下記の「構造１」〜「構造３」のいずれかを適用した合計３通りの構造の半導体レーザを用意した。
＜構造１＞
ｎ型ＧａＮ層（膜厚：１．６μｍ、Ｓｉ不純物濃度：１×１０１８ｃｍ−３）。この「構造１」はマルチへテロ構造ではないので、「構造１」が適用された半導体レーザは比較例である。
＜構造２＞
ｎ型Ａｌ０．１５ＧａＮ層（膜厚：１０ｎｍ、Ｓｉ不純物濃度：１×１０１８ｃｍ−３）とｎ型ＧａＮ層（膜厚：７０ｎｍ、Ｓｉ不純物濃度：１×１０１８ｃｍ−３）からなるヘテロ接合層を２０層(合計膜厚１．６μｍ)積層したｎ型マルチヘテロ接合層。この「構造２」は図３に示す構成の具体例である。
【００５１】
＜構造３＞
ｎ型Ａｌ０．１５ＧａＮ層（膜厚：１０ｎｍ、Ｓｉ不純物濃度：１×１０１８ｃｍ−３）とアンドープＧａＮ層（膜厚３ｎｍ）とｎ型ＧａＮ層（膜厚：６７ｎｍ、Ｓｉ不純物濃度：１×１０１８ｃｍ−３）からなるヘテロ接合層を２０層(合計膜厚１．６μｍ)積層したｎ型マルチヘテロ接合層。この「構造３」は図４に示す構成の具体例である。
これら３通りの構造の半導体レーザについて、レーザ出力が１００ｍＷ時であるときの動作電圧を比較した。その結果、「構造１」が４．４１〜４．６８Ｖであったのに対して、「構造２」では４．０３〜４．３５Ｖ、「構造３」では３．９４〜４．２１Ｖとなり、図３、図４に示す構成をｎ型コンタクト層に適用することで、比較例の「構造１」に比べてレーザの動作電圧を低減できる効果が得られた。
【００５２】
＜第２実施形態＞
図５は、半導体光学素子の第２実施形態である発光ダイオード（ＬＥＤ）を示す断面構成図であり、図６は、第２実施形態におけるｎ型マルチヘテロ接合層の構造を示した部分拡大図である。
図５に示す発光ダイオード３００は、窒化物半導体材料の発光ダイオードであり、サファイヤ基板３０と、アンドープのＧａＮバッファ層３１と、ｎ型マルチヘテロ接合層を有したｎ型コンタクト層３２と、アンドープのＩｎＧａＮ系多重量子井戸層からなる活性層（発光層）３３と、低Ｍｇ濃度のｐ型ＧａＮ層３４と、高Ｍｇ濃度のｐ型ＧａＮコンタクト層３５とがこの順で積層された半導体積層構造を有する。
【００５３】
ｎ電極を形成する所望の領域において、ｐ型ＧａＮコンタクト層３５から活性層（発光層）３３までがエッチングされてｎ型コンタクト層３２が露出しており、ｎ型コンタクト層３２上にはｎ電極３８が設けられて、ｎ型コンタクト層３２に対してオーミック接続している。
ｐ型ＧａＮコンタクト層３５上の所望の領域には、透明電極３６が設けられており、透明電極３６上の一部にはｐ電極３７が設けられている。なお、上記透明電極３６としては、周知のＩＴＯ（酸化インジウム錫）膜が適用できる。
【００５４】
ここで、図５の破線で囲まれた領域のｎ型マルチヘテロ接合層の構成について、図６を用いて詳細に説明する。
ｎ型コンタクト層３２は、上層側に位置して膜厚が例えば２０ｎｍでｎ型不純物（Ｓｉ）濃度が例えば５×１０１７ｃｍ−３であるｎ型Ａｌ０．１ＧａＮ層３２aと、下層側に位置して膜厚が例えば２００ｎｍでｎ型不純物（Ｓｉ）濃度が例えば１×１０１７ｃｍ−３であるｎ型ＧａＮ層３２ｂとが交互に例えば１５ペア積層されて合計膜厚が例えば３．３μｍとなったｎ型マルチヘテロ接合構造を有している。
【００５５】
図５に示す発光ダイオード３００では、活性層３３で発光した光を主に表面側に放出するため、活性層３３の下側に位置するｎ型コンタクト層３２にのみＡｌＧａＮを複数層設けた構造としている。これにより、ｎ型コンタクト層３２は発光した光の反射層としても機能する。
さらに、ｎ型コンタクト層３２を構成するｎ型ＡｌＧａＮ層３２aとｎ型ＧａＮ層３２ｂにおいて、厚膜であり、活性層３３との屈折率差が小さいｎ型ＧａＮ層３２ｂ側のＳｉ不純物濃度を下げているため、ｎ型コンタクト層３２における光吸収を抑制している。
【００５６】
また、ｎ型マルチヘテロ接合層を構成するｎ型ＡｌＧａＮ層とｎ型ＧａＮ層とで上記のようにＳｉ不純物濃度を異なる濃度とした場合でも、ｎ電極とのオーミック接続に影響を与えることはなく、良好なオーミック特性を示した。
したがって、ｎ型マルチヘテロ接合層を構成する各半導体材料の不純物濃度は、本発明の主旨を逸脱しない範囲で各層ごとに異ならせることは可能であり、その不純物濃度は、５．０×１０１６ｃｍ−３以上５．０×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましい。
【００５７】
＜第３実施形態＞
図７は、半導体光学素子の第３実施形態である半導体レーザを示す断面構成図であり、図８は、第３実施形態におけるｎ型マルチヘテロ接合層の構造を示した部分拡大図である。
第３実施形態の半導体レーザ６００も、窒化物半導体を用いた半導体レーザである。
第３実施形態と上記の第１実施形態とでは、ｎ電極が設けられた被着面が異なり、裏面電極６９を設けた点も異なっている。
半導体レーザ６００は、ＧａＮ基板６０と、ｎ型ＧａＮバッファ層６１と、ｎ型マルチヘテロ接合層を有するｎ型コンタクト層６２と、アンドープのＩｎＧａＮ系多重量子井戸層からなる活性層（発光層）６３と、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６４と、ｐ型ＧａＮコンタクト層６５がこの順で積層された半導体積層構造を有する。
【００５８】
ｐ型ＧａＮコンタクト層６５とｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６４の一部には、周知の窒化物半導体ドライエッチングによって電流狭窄のためのストライプ状のリッジ部が形成されており、リッジ部の最頂部に露出したｐ型ＧａＮコンタクト層６５を残して、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６４の側面及び表面には、例えばＳｉＯ２からなる保護膜６６が形成されている。
ｐ電極６７は、リッジ部の最頂部に露出したｐ型ＧａＮコンタクト層６５に接してオーミック接続しており、ｐ電極６７を構成する電極メタルは、保護膜６６上の所望の領域まで横方向に延長されて、保護膜６６の一部を覆うように形成されている。
ｎ電極６８は、ストライプ状のリッジ部から離れた領域に露出したｎ型コンタクト層６２に接して形成され、ｎ型コンタクト層６２に対してオーミック接続している。但し、ｎ電極６８はｎ型コンタクト層６２の最表面ではなく、ｎ型コンタクト層６２の一部がエッチングによって掘り込まれた面に接して設けられている。
【００５９】
また、ｎ型コンタクト層６２は、図８に示されているように、上層側に位置して膜厚が例えば１０ｎｍでｎ型不純物（Ｓｉ）濃度が例えば１×１０１８ｃｍ−３であるｎ型Ａｌ０．１５ＧａＮ層６２aと、下層側に位置して膜厚が例えば７０ｎｍでｎ型不純物（Ｓｉ）濃度が例えば１×１０１８ｃｍ−３であるｎ型ＧａＮ層６２ｂとが交互に例えば２０ペア積層されて合計膜厚が例えば１．６μｍとなったｎ型マルチヘテロ接合構造を有している。
【００６０】
ｎ電極６８は、最表面のｎ型ＡｌＧａＮ層６２aとその下層のｎ型ＧａＮ層６２ｂの途中までエッチングされて露出したｎ型ＧａＮ層６２ｂの露出面に被着形成されている。
上記のような状況は、半導体層のエッチング制御の観点から見れば、通常の製造プロセスにおいて起こりうるケースであるが、図８に示すｎ型マルチヘテロ接合層は、同層のほぼすべてがｎ型の導電型であるため、ｎ電極とのオーム性が劣化する等の不良は発生しない。
したがって、ｎ型マルチヘテロ接合層の一部がエッチングによって後退した面にｎ電極を形成した場合でも、ｎ型マルチヘテロ接合層を適用することで得られる利点が損なわれることはない。
また、図７では、ＧａＮ基板６０の裏面側に裏面電極６９が設けられている。この裏面電極６９は、半導体レーザ６００の裏面側を半田実装する際に必要な電極であり、ＡｕＳｎ半田等を用いて実装する場合は、裏面電極６９の最表面はＡｕであることが好ましい。
また、裏面電極６９とＧａＮ基板６０との電気的接続に特に制限はなく、オーミック接続でもショットキー接続でも、どちらでも構わない。
【００６１】
また、この第３実施形態では、裏面電極が設けられた基板の材料としてＧａＮ基板を用いた例について述べたが、如何なる基板材料を用いた場合でも裏面側を半田実装する場合があるため、基板材料の種類にかかわらず裏面電極を設けてよいことは言うまでもない。
また、上述した第１実施形態〜第３実施形態ではｎ型マルチヘテロ接合層の半導体材料の構成として、ｎ型ＡｌＧａＮ／ｎ型ＧａＮヘテロ接合層を多層化した構成を用いたが、活性層に用いる材料系、発光波長、及びデバイス構造により、ＡｌＮモル比率がそれぞれ異なるＡｌＸＧａ１−ＸＮ/ＡｌＹＧａ１−ＹＮ（Ｘ＞Ｙ）マルチヘテロ接合層や、ＧａＮ／ＩｎＧａＮマルチヘテロ接合層や、ＩｎＡｌＮ（ＩｎＡｌＧａＮ）／ＧａＮ（ＡｌＧａＮ）マルチヘテロ接合層等というように、ＧａＡｓ基板上に作製可能な他の半導体材料による構成、及びデバイス構造を用いても良いことは言うまでもない。
【００６２】
また、窒化物半導体を用いた第１実施形態〜第３実施形態では、基板にＧａＮ基板やサファイヤ基板を用いた例について述べたが、この他、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、ＡｌＮ基板、ＺｎＯ基板等というように、窒化物半導体をエピタキシャル成長できる他の基板材料を用いても良いことは言うまでもない。
特に、導電性を持たない基板材料上に作製する半導体光学素子にｎ型マルチヘテロ接合層を適用することで、導電性基板上に作製する半導体光学素子よりも、本願発明の効果を十分に発揮することができる。
＜第４実施形態＞
図９は、半導体光学素子の第４実施形態である発光ダイオードを示す断面構成図であり、図１０は、第４実施形態におけるｎ型マルチヘテロ接合層の構造を示した部分拡大図である。
【００６３】
図９に示す発光ダイオード９００は、ｎ型ＧａＡｓ基板上に作製されたものである。このようにＧａＡｓ基板上に作製される半導体発光素子は、主に６５０ｎｍ以上の発光波長域を有し、赤色〜近赤外の発光素子として適用できる。
発光ダイオード９００は、ｎ型ＧａＡｓ基板９０と、ｎ型マルチヘテロ接合構造を有するｎ型コンタクト層９１と、アンドープのＡｌＧａＡｓからなる活性層（発光層）９２と、ｐ型不純物であるＺｎ（亜鉛）がドーピングされた低Ｚｎ濃度のｐ型ＧａＡｓ層９３と、高Ｚｎ濃度のｐ型ＧａＡｓコンタクト層９４とがこの順で積層された半導体積層構造を有する。図９に示すｎ型コンタクト層９１におけるｎ型マルチヘテロ接合構造は、後で詳述するように、ｎ型ＡｌＧａＡｓとｎ型ＧａＡｓが交互に複数層ずつ積層されたものである。
【００６４】
ｎ電極９６を形成する所望の領域において、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層９４から活性層（発光層）９２までが周知の選択ウェットエッチング法によりエッチングされ、ｎ型コンタクト層９１が露出しており、このｎ型コンタクト層９１上には、周知のＡｕＧｅ系ｎ電極９６が設けられて、ｎ型コンタクト層９１に対してオーミック接続している。
ｐ型ＧａＡｓコンタクト層９４上の所望の領域には、細線状の複数のｐ電極９５が設けられており、ワイヤ配線のために設けたパッド部（図示せず）によってすべてのｐ電極９５が互いに接続されている。
【００６５】
ｎ型ＧａＡｓ基板９０の裏面側には、半田実装用の裏面電極９７が設けられている。
ここで、図９の破線で囲まれた領域のｎ型マルチヘテロ接合層の構成について、図１０を用いて詳細に説明する。
ｎ型コンタクト層９１は、上層側に位置して膜厚が１５ｎｍでｎ型不純物（Ｓｉ）濃度が２×１０１８ｃｍ−３であるｎ型Ａｌ０．２ＧａＡｓ層９１aと、下層側に位置して膜厚が５５ｎｍでｎ型不純物（Ｓｉ）濃度が５×１０１７ｃｍ−３であるｎ型ＧａＡｓ層９１ｂとが交互に４０ペア積層されて合計膜厚が２．８μｍとなったｎ型マルチヘテロ接合構造を有している。
【００６６】
このようなｎ型マルチヘテロ接合層を適用したＧａＡｓ系の発光ダイオード９００によれば、ｎ電極９６から活性層９２に至るまでの抵抗成分の低減を反映して、同じ膜厚のｎ型ＧａＡｓ層をｎ型コンタクト層に用いた場合よりも動作電圧を低減できる効果がある。
図１１は、第４実施形態におけるｎ型マルチヘテロ接合層の別構造を示した図である。
図１１に示すｎ型コンタクト層９１のｎ型マルチヘテロ接合層では、上層側のｎ型Ａｌ０．２ＧａＡｓ層９１aは図１０に示すｎ型Ａｌ０．２ＧａＡｓ層９１aと同じ膜厚、ならびに同じ不純物濃度を有する。
【００６７】
一方、下層側に位置するＧａＡｓ層は、その中で下層側と上層側と中間層とに分かれた３層構成をなしており、中間層は膜厚が例えば６６ｎｍ、ｎ型不純物（Ｓｉ）濃度が例えば５×１０１７ｃｍ−３であるｎ型ＧａＡｓ層９１ｂｂであり、その中間層の上層と下層に膜厚が２ｎｍであるアンドープＧａＡｓ層９１ｃが配置されている。すなわち、ｎ型ＧａＡｓ層をアンドープＧａＡｓ層で挟んだ構成である。
図１１に示すｎ型コンタクト層９１は、このような３層構造のＧａＡｓ層とｎ型Ａｌ０．２ＧａＡｓ層９１aとからなるヘテロ接合層を２０層積層して合計膜厚が１．６μｍとなったｎ型マルチヘテロ接合層を有している。
【００６８】
ＧａＡｓ系材料の場合、窒化物半導体と異なって分極しにくい半導体材料であるため、例えばｎ型ＡｌＧａＡｓ層／アンドープＧａＡｓ層／ｎ型ＡｌＧａＡｓ層というようにＧａＡｓ層の上下でヘテロ接合構造を構成すると、２ＤＥＧはアンドープＧａＡｓ層の上下のｎ型ＡｌＧａＡｓ層との間のヘテロ接合界面に生じる。
したがって、ｎ型マルチヘテロ接合層において、下層側のｎ型ＡｌＧａＡｓ層とヘテロ接合するｎ型ＧａＡｓ層の下面側、及び上層側のｎ型ＡｌＧａＡｓ層とヘテロ接合するｎ型ＧａＡｓ層の上面側を、双方ともアンドープＧａＡｓ層で構成することで、上下接合界面の双方に生じる２ＤＥＧの電子移動度を高めることができるため、ｎ型コンタクト９１のシート抵抗をさらに低減できる効果がある。
【００６９】
なお、アンドープのＧａＡｓ層の膜厚は１ｎｍ以上５ｎｍ以下とすることが好ましい。
アンドープの半導体層の膜厚を５ｎｍよりも厚くした場合は、ｎ型マルチヘテロ接合層内部の縦方向の抵抗成分が増加する傾向に転じるため、５ｎｍよりも厚くすることは逆に発光素子の電気特性の低下を招く要因になる。
以上説明した第４実施形態では、ＧａＡｓ基板上に作製する発光ダイオードのｎ型コンタクト層にｎ型マルチヘテロ接合層を適用する例について説明したが、ＧａＡｓ基板上に作製するレーザのｎ型コンタクト層に適用してもよいことは、上述した第１実施形態から第３実施形態で説明した窒化物半導体を用いたレーザ、及び発光ダイオードへの適用例からも明らかである。
【００７０】
また、第４実施形態では、ｎ型マルチヘテロ接合層の半導体材料の構成として、ｎ型ＡｌＧａＡｓ／ｎ型ＧａＡｓヘテロ接合層を多層化した構成を用いたが、活性層に用いる材料系、発光波長、及びデバイスの構成により、ＩｎＡｌＰ／ＧａＡｓマルチヘテロ接合層や、ＩｎＡｌＰ／ＩｎＧａＰマルチヘテロ接合層、ＡｌＭＧａ１−ＭＡｓ／ＡｌＮＧａ１−ＮＡｓ（Ｍ＞Ｎ）マルチヘテロ接合層、ＩｎＡｌＧａＰ／ＩｎＧａＰマルチヘテロ接合層等というような、ＧａＡｓ基板上に作製可能な他の半導体材料による構成、及びデバイス構造を用いても良いことは言うまでもない。
【００７１】
＜第５実施形態＞
図１２は、半導体光学素子の第５実施形態である半導体レーザを示す断面構成図であり、図１３は、第５実施形態におけるｎ型マルチヘテロ接合層の構造を示した部分拡大図である。
半導体レーザ１１００は、半絶縁性ＩｎＰ基板上に作製したものである。ＩｎＰ基板上に作製する半導体発光素子は１．２μｍ〜１．７μｍの発光波長域を有し、通信システムに用いられる長波長帯域の発光素子として適用できる。
半導体レーザ１１００は、半絶縁性ＩｎＰ基板１１０と、ｎ型ＩｎＰバッファ層１１１と、ｎ型マルチヘテロ接合構造を有するｎ型コンタクト層１１２と、ｎ型ＩｎＰ層からなるｎ型クラッド層１１３と、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層からなるｎ型ガイド層１１４と、アンドープＩｎＧａＡｓ層からなる活性層１１５と、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層からなるｐ型ガイド層１１６と、ｐ型ＩｎＰ層からなるｐ型クラッド層１１７と、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層からなるｐ型コンタクト層１１８がこの順で積層された半導体積層構造を有している。図１２に示すｎ型コンタクト層１１２におけるｎ型マルチヘテロ接合構造は、後で詳述するように、ｎ型ＩｎＰとｎ型ＩｎＧａＡｓが交互に複数層ずつ積層されたものである。
【００７２】
ｎ電極１２１を形成する所望の領域には、ｐ型コンタクト層１１８からクラッド層１１３まで周知のウェットエッチングによりエッチングされており、最終エッチングとして、ＩｎＰ材料のみを選択的にエッチングする処理を実施するため、ｎ型コンタクト層１１２表面には、ｎ型ＩｎＧａＡｓ層１１２ｂ（図１３参照）が露出している。
また、所望の領域には、電流狭窄のためのストライプ状のリッジ部もエッチング加工により形成されている。リッジ部の側面から、エッチングによって露出したｐ型クラッド層１１７上にかけて、例えばＳｉＯ２からなる保護膜１１９が設けられている。
【００７３】
ｎ型コンタクト層１１２上には、周知のＡｕＧｅ系のｎ電極１２１が設けられて、ｎ型コンタクト層１１２に対してオーミック接続している。
ｐ電極１２０は、リッジ部の最頂部に露出したｐ型コンタクト層１１８に接してオーミック接続しており、ｐ電極１２０を構成する電極メタルは、保護膜１１９上の所望の領域まで横方向に延長されて、保護膜１１９の一部を覆うように形成されている。
半絶縁性ＩｎＰ基板１１０の裏面側には、半田実装用の裏面電極１２２が設けられている。
【００７４】
ここで、図１２の破線で囲まれた領域のｎ型マルチヘテロ接合層の構成について、図１３を用いて説明する。
ｎ型コンタクト層１１２は、上層側に位置して膜厚が例えば１０ｎｍでｎ型不純物（Ｓｉ）濃度が例えば１×１０１８ｃｍ−３であるｎ型ＩｎＰ層１１２aと、下層側に位置して膜厚が例えば４０ｎｍでｎ型不純物（Ｓｉ）濃度が例えば１×１０１８ｃｍ−３であるｎ型ＩｎＧａＡｓ層１１２ｂとが交互に例えば２０ペア積層されて合計膜厚が例えば１μｍとなったｎ型マルチヘテロ接合構造をなしている。
【００７５】
上述した通り、ｎ電極形成領域を開口するための半導体エッチングの最終処理として、ＩｎＰ選択エッチングを実施しているため、ｎ電極１２１はｎ型ＩｎＧａＡｓ層に接して形成されているが、オーミック接触が低下する等の問題は生じず、素子の低容量化のためにコンタクト層膜厚が１μｍと薄いながらも、ｎ型マルチヘテロ接合構造が適用されたことにより、ｎ型コンタクト層内の横方向抵抗成分が低減された効果で、高周波特性に優れた良質な半導体レーザを提供できる。
第５実施形態の説明ではＩｎＰ基板上に作製する半導体レーザのｎ型コンタクト層にｎ型マルチヘテロ接合構造を適用した例について述べたが、ＩｎＰ基板上に作製する発光ダイオードのｎ型コンタクト層にｎ型マルチヘテロ接合構造を適用してもよいことは言うまでもない。
【００７６】
また、第５実施形態では、ｎ型マルチヘテロ接合層の半導体材料の構成として、ｎ型ＩｎＰ／ｎ型ＩｎＧａＡｓヘテロ接合層を多層化した構成を用いたが、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰマルチヘテロ接合層や、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰマルチヘテロ接合層等といったような、ＩｎＰ基板上に作製可能な他の半導体材料による構成、及びデバイス構造を用いても良いことは言うまでもない。
また、上述した第１実施形態〜第５実施形態では、本発明の半導体光学素子の例として発光素子が示されているが、本発明の半導体光学素子は、化合物半導体を用いた受光素子であってもよい。このような受光素子のｎ型コンタクト層にｎ型マルチヘテロ接合層を用いた場合にも、素子抵抗の低減効果によって受光素子の特性向上に効果的である。受光素子の場合には、本発明にいう活性層として受光層を有することになる。
【００７７】
また、上述した第１実施形態〜第５実施形態では、保護膜にＳｉＯ２を適用した例について述べたが、この他、ＳｉＮ、ＰＳＧ、Ａｌ２Ｏ３等、半導体素子の製造プロセスにおいて一般的に用いられる絶縁膜を適用しても何ら問題はない。
また、第１実施形態〜第５実施形態を用いて説明したように、本発明にいうｎ型マルチヘテロ接合層は、バンドギャップエネルギーの異なる半導体材料のヘテロ接合によって、その界面にバンドオフセットに応じた二次元電子ガスを生じることが可能なあらゆる化合物半導体材料で構成することが可能であり、発光波長、デバイス構造、及び半導体材料に応じて、半導体材料を変更したｎ型マルチヘテロ接合層を各種の半導体光学素子のｎ型コンタクト層として設けることで、動作電圧が低く、光学特性に優れた半導体光学素子を提供できる。
【符号の説明】
【００７８】
１００，２００，６００……半導体レーザ、１，６０……ＧａＮ基板、２０……基板、
２，６１……ｎ型ＧａＮバッファ層、２１……アンドープＧａＮバッファ層、
３，６２……ｎ型コンタクト層、２２……ｎ型ＧａＮコンタクト層、
３a，６２a……ｎ型Ａｌ０．１５ＧａＮ層、３ｂ，３ｂｂ，６２ｂ……ｎ型ＧａＮ層、３ｃ……アンドープＧａＮ層、４，２３，６４……ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、
５，２４，６３……活性層（発光層）、６，２５……ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、
７，２６，６５……ｐ型ＧａＮコンタクト層、８，２７，６６……保護膜、
９，２８，６７……ｐ電極、１０，２９，６８……ｎ電極、６９……裏面電極、
３００……発光ダイオード、３０……サファイヤ基板、３２……ｎ型コンタクト層、
３１……アンドープＧａＮバッファ層、３２a……ｎ型Ａｌ０．１ＧａＮ層、
３２ｂ……ｎ型ＧａＮ層、３３……活性層、３４……低Ｍｇ濃度のｐ型ＧａＮ層、
３５……高Ｍｇ濃度のｐ型ＧａＮコンタクト層、３６……透明電極、３７……ｐ電極、
３８……ｎ電極、９００……発光ダイオード、９０……ｎ型ＧａＡｓ基板、
９１……ｎ型コンタクト層、９１a……ｎ型Ａｌ０．２ＧａＡｓ層、
９１ｂ，９１ｂｂ……ｎ型ＧａＡｓ層、９１ｃ……アンドープＧａＡｓ層、
９２……活性層、９３……低Ｚｎ濃度のｐ型ＧａＡｓ層、９５……ｐ電極、
９４……高Ｚｎ濃度のｐ型ＧａＡｓコンタクト層、９６……ｎ電極、９７……裏面電極、１１００……半導体レーザ、１１０……半絶縁性ＩｎＰ基板、
１１１……ｎ型ＩｎＰバッファ層、１１２……ｎ型コンタクト層、
１１３……ｎ型クラッド層、１１４……ｎ型ガイド層、１１５……活性層、
１１６……ｐ型ガイド層、１１７……ｐ型クラッド層１１７、
１１８……ｐ型コンタクト層、１１９……保護膜、１２０……ｐ電極、
１２１……ｎ電極、１２２……裏面電極
【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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