(57)【要約】  Ａｓを主成分とするＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶からなる半導体層を備えた半導体装置であって、前記半導体層におけるＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶のＶ族サイトに、前記Ａｓ以外のＶ族元素が濃度０．０２〜５％で導入されている半導体装置である。好ましくは、前記Ａｓ以外のＶ族元素は、Ｎ、Ｐ、Ｓｂの何れか一つまたはこれらの組み合わせである。これにより、半導体結晶のバルク内における欠陥発生を抑制し、特性の変動の少ない半導体装置を提供する。
2015137373.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｓをＶ族の主成分とするＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶からなる半導体層を備えた半導体装置であって、
前記半導体層におけるＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶のＶ族サイトに、前記Ａｓ以外のＶ族元素が濃度０．０２〜５％で導入されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記Ａｓ以外のＶ族元素は、Ｎ、Ｐ、Ｓｂの何れか一つまたはこれらの組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記ＡｓをＶ族の主成分とするＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶は、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＮＡｓの何れか一つであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ＡｓをＶ族の主成分とするＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶は、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓの何れか一つであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記半導体層におけるＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶のＩＩＩ族サイトに、濃度が０．１〜１％でＩｎが導入されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記半導体層は、ｎ型ドーパントが添加されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一つに記載の半導体装置。
【請求項７】
前記ｎ型ドーパントの濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以下１×１０１５ｃｍ−３以上であることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記半導体層は、半導体レーザ素子における活性層であることを特徴とする請求項１〜７の何れか一つに記載の半導体装置。
【請求項９】
前記Ａｓ以外のＶ族元素は、量子井戸構造を有する前記活性層の井戸層に導入されていることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記Ａｓ以外のＶ族元素は、量子井戸構造を有する前記活性層の障壁層に導入されていることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記活性層は、前記半導体レーザ素子における他のｎ型半導体層よりもｎ型ドーパントの濃度が低いことを特徴とする請求項９に記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記半導体層は、ヘテロ接合トランジスタにおける電子走行層であることを特徴とする請求項１〜７の何れか一つに記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記半導体層は、ＰＩＮダイオードにおけるアンドープ層であることを特徴とする請求項１〜７の何れか一つに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ素子などの半導体装置には通電に伴う特性の劣化がある。たとえば、端面発光型レーザ素子においては、端面の光学的破壊（Catastrophic  Optical  Damage：ＣＯＤ）が発生することが知られている。ＣＯＤを防止するための技術として、端面におけるレーザ光の吸収を抑制するための窓構造が知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１４６９９６号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｎ．Ｃｈｅｎ，Ｙ．Ｗａｎｇ，Ｈ．Ｈｅ，ａｎｄ  Ｌ．Ｌｉｎ，  Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ．  １９９６年  ３５巻，Ｌ１２３８−Ｌ１２４０．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半導体装置の特性劣化は、その端面の劣化によるものに注目が集まっていた。したがって、半導体素子の特性劣化への対策は、半導体装置の端面を保護する技術を中心として進展してきた。【０００６】
しかしながら、本発明者らの検討したところによれば、半導体装置の高出力化、あるいは高耐圧化に伴い、半導体装置の端面のみならず、半導体結晶のバルク内においても特性劣化の原因となる欠陥が発生してしまう場合がある。例えば、半導体レーザ素子の活性層やその周辺では、バルク内に端面が起因でない転位ループが発生し、この転位ループが成長している様子が本発明者らにより確認されている。特に光出力が１チップでおよそ数１０Ｗ以上となる高出力素子でこの傾向は顕著である。【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、半導体結晶のバルク内における欠陥発生を抑制し、特性の変動の少ない半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る半導体装置は、ＡｓをＶ族の主成分とするＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶からなる半導体層を備えた半導体装置であって、前記半導体層におけるＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶のＶ族サイトに、前記Ａｓ以外のＶ族元素が濃度０．０２〜５％で導入されていることを特徴とする。【０００９】
本発明の一態様に係る半導体装置は、前記Ａｓ以外のＶ族元素は、Ｎ、Ｐ、Ｓｂの何れかまたはこれらの組み合わせであることを特徴とする。【００１０】
本発明の一態様に係る半導体装置は、前記ＡｓをＶ族の主成分とするＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶は、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＮＡｓの何れかであることを特徴とする。【００１１】
本発明の一態様に係る半導体装置は、前記ＡｓをＶ族の主成分とするＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶は、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓの何れかであることを特徴とする。【００１２】
本発明の一態様に係る半導体装置は、前記半導体層におけるＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶のＩＩＩ族サイトに、濃度が０．１〜１％でＩｎが導入されていることを特徴とする。【００１３】
本発明の一態様に係る半導体装置は、前記半導体層は、ｎ型ドーパントが添加されていることを特徴とする。【００１４】
本発明の一態様に係る半導体装置は、前記ｎ型ドーパントの濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以下１×１０１５ｃｍ−３以上であることを特徴とする。【００１５】
本発明の一態様に係る半導体装置は、前記半導体層は、半導体レーザ素子における活性層であることを特徴とする。【００１６】
本発明の一態様に係る半導体装置は、前記Ａｓ以外のＶ族元素は、多重量子井戸構造を有する前記活性層の井戸層に導入されていることを特徴とする。【００１７】
本発明の一態様に係る半導体装置は、前記Ａｓ以外のＶ族元素は、多重量子井戸構造を有する前記活性層の障壁層に導入されていることを特徴とする。【００１８】
本発明の一態様に係る半導体装置は、前記活性層は、前記半導体レーザ素子における他のｎ型半導体層よりもｎ型ドーパントの濃度が低いことを特徴とする。【００１９】
本発明の一態様に係る半導体装置は、前記半導体層は、ヘテロ接合トランジスタにおける電子走行層であることを特徴とする。【００２０】
本発明の一態様に係る半導体装置は、前記半導体層は、ＰＩＮダイオードにおけるアンドープ層であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る半導体装置は、半導体結晶のバルク内における欠陥発生を抑制するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、ＧｓＡｓ結晶格子間に形成された＜１１０＞ダンベルを示す模式図である。
【図２】図２は、＜１１０＞ダンベルを安定化することが格子間Ａｓのクラスタ化を抑制することを示す模式図である。
【図３】図３は、ＧａＡｓ中およびＡｌＡｓ中の＜１１０＞ダンベルの中性状態における形成エネルギーを示すグラフである。
【図４】図４は、ＧａＡｓ中およびＡｌＡｓ中の＜１１０＞ダンベルの中性状態における結合エネルギーを示すグラフである。
【図５】図５は、ＩＩＩ族サイト、Ｖ族サイト、ダンベルの最近接位置、ダンベルの第２近接位置を示す図である。
【図６】図６は、中性状態におけるＩｎ０．６Ｇａ０．４Ａｓ混晶中の＜１１０＞ダンベルの形成エネルギーを示すグラフである。
【図７】図７は、ＧａＡｓにおける＜１１０＞ダンベルの形成エネルギーを示すグラフである。
【図８】図８は、格子間Ａｓの拡散障壁の大きさを示すグラフである。
【図９】図９は、ＴＥＭによる観察像を示す図である。
【図１０】図１０は、第１実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。
【図１１】図１１は、活性層中のＰの濃度を変えた場合の半導体レーザ素子のスロープ効率を示すグラフである。
【図１２】図１２は、第２実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。
【図１３】図１３は、第３実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。
【図１４】図１４は、第４実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。
【図１５】図１５は、第５実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。
【図１６】図１６は、第６実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。
【図１７】図１７は、第７実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。
【図１８】図１８は、第８実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。
【図１９】図１９は、Ｐ原子をデジタル的に導入する例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態の全図においては、同一または対応する部分には同一の符号を付す。また、本発明は以下に説明する実施形態によって限定されるものではない。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
【００２４】
はじめに、本発明の実施形態について説明するにあたり、本発明の理解を容易にするために、上述した課題を解決すべく本発明者が行った鋭意検討について説明する。
【００２５】
なお、以下では、半導体結晶の例としてヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）またはヒ化アルミニウム（ＡｌＡｓ）を用いるが、本発明の実施はこれらの例に限定されず、ヒ素（Ａｓ）を主成分とするＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶を用いた半導体装置において、本発明を適切に実施することが可能である。例えば、Ａｓを主成分とするＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶とは、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＮＡｓなどが含まれる。ここで、ＡｓがＶ族の主成分であるとは、ＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶の組成元素のうち、すべてのＶ族元素に対するＡｓの割合が９５％以上であることを意味する。同様に、ＡｌまたはＧａがＩＩＩ族の主成分であるとは、ＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶の組成元素のうち、すべてのＩＩＩ族元素に対するＡｌまたはＧａの割合が９５％以上であることを意味する。
【００２６】
（転位ループ成長抑制のメカニズム）
まず、転位ループの形成メカニズムについて考える。その際、均一核生成を仮定した場合、ＧａＡｓ中に転位ループを形成するためのエネルギーは、転位の自己エネルギー（線張力、転位芯、およびエントロピー項の和）と、積層欠陥エネルギーと点欠陥の過飽和度と系の温度で決まる化学ポテンシャルと、の釣り合いによって決まる。しかしながら、公知の物理量を用いて形成エネルギーを計算したところ、均一核生成は転位ループの形成メカニズムではないことが明らかとなった。
【００２７】
そこで、転位ループ形成の別メカニズムとして、Ａｓ格子間（interstitial）原子からなる析出物（クラスタ）形成に伴う転位ループの形成を検討する。実際、Ａｓ格子間原子の拡散に伴う、Ａｓ析出物の形成が報告されている（非特許文献１参照）。非特許文献１では、低温分子線エピタキシー法で成長したＧａＡｓについて成長後に熱処理を行い、系の歪量と点欠陥複合体の構造の関係が述べられている。すなわち、結晶成長時に導入されたＡｓ格子間原子は、加熱温度の増大に伴い、Ａｓ格子間原子対、格子間Ａｓが４個の集合体、格子間Ａｓが８個の集合体へと進展する。そしてＡｓ格子間原子の集合体が大きくなるにつれ系の歪は減少する。この結果は、格子間Ａｓクラスタが形成されることで系全体の歪は緩和することを意味している。
【００２８】
歪の緩和は、母体中に存在するクラスタの周囲にナノメートル・スケールの微小な転位ループが存在することに由来する。このような微小な転位ループは、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）などを用いても観察することは不可能である。しかし、この転位ループが、周囲に存在する過飽和な点欠陥を吸収して成長すると、その存在が顕在化する。そして、転位ループの成長がさらに進行すると、最終的には半導体装置が劣化し、破壊されてしまうことがある。特に、高出力のレーザ駆動や高電界印加などの、半導体装置に高負荷が掛かる状況下では、半導体結晶において格子間原子が発生し易く、かつその格子間原子が移動し易くなるので、転位ループの成長が促進される。このような転位ループは、バルク内で成長し、半導体装置の特性の劣化の原因となる。したがって、転位ループの形成を抑制するためには、Ａｓ格子間原子の移動を抑制し、クラスタの形成を妨げる必要がある。以下では、格子間Ａｓのクラスタの前段階であるＡｓ格子間原子対を安定化させる仕組みを結晶内に導入することを考える。つまり、格子間Ａｓの分布をバルク内で分散させ、格子間Ａｓが局所的に偏在することを抑制する。
【００２９】
ＧａＡｓの場合、弾性定数Ｃ１１、Ｃ１２、およびＣ４４の関係は、下記式（１）のようになっているので、異方性を持つ。
Ｃ４４  ＞  （Ｃ１１−Ｃ１２）／２    （１）
このため、Ａｓ格子間原子対は（００１）面上に析出し易くなり、＜１１０＞方向に対を作った状態で安定化する。この状態のＡｓ格子間原子対を＜１１０＞ダンベルという。図１は、ＧｓＡｓ結晶格子間に形成された＜１１０＞ダンベルを示す模式図である。
【００３０】
図１に示されるように、ＧａＡｓは、ガリウム原子（Ｇａ）とヒ素原子（Ａｓ）からなる閃亜鉛鉱型の結晶構造を有する。図１に示されるように、＜１１０＞ダンベルは、Ａｓ格子間原子が＜１１０＞方向に対を作った状態で安定したものである。
【００３１】
この＜１１０＞ダンベルの形成エネルギーを下げ、かつ、結合エネルギーを増加させる仕組みを結晶内に導入することが出来れば、Ａｓ格子間原子の拡散とそれに伴うＡｓクラスタの形成を抑制することができる。
【００３２】
図２は、（１−１０）面において、＜１１０＞ダンベルを安定化することが格子間Ａｓのクラスタ化を抑制することを示す模式図である。図２は、後に検証するＧａＡｓ結晶格子のＶ族サイトにリン（Ｐ）を導入した場合の例に対応しているが、＜１１０＞ダンベルの安定化と格子間Ａｓのクラスタ化の抑制との関係は、Ｖ族サイトにＰを導入した場合に限定されるものではない。
【００３３】
図２に示されるように、ＧａＡｓ結晶格子の格子間には、Ａｓ格子間原子が存在している。図２に示される例では、＜１１０＞ダンベルを形成しているＡｓ格子間原子も存在すれば、＜１１０＞ダンベルを形成していないＡｓ格子間原子も存在する。これらＡｓ格子間原子が一点鎖線や二点鎖線に示されるように移動して破線内の領域に集合した場合、Ａｓ格子間原子がクラスタを形成してしまう。
【００３４】
しかしながら、図２に示されるように、Ｖ族サイトに導入されたＰによって＜１１０＞ダンベルが安定化された場合、すでに形成されている＜１１０＞ダンベルが分解しにくくなり、かつ＜１１０＞ダンベルを形成していないＡｓ格子間原子が新たに＜１１０＞ダンベルを形成しやすくなる。その結果、Ａｓ格子間原子が一点鎖線に示されるように移動することが抑制されるので、図中破線円内でＡｓ格子間原子がクラスタを形成されることも抑制される。
【００３５】
先述のように、Ａｓ格子間原子のクラスタの形成を抑制することができれば転位ループの発生を抑制することができるので、＜１１０＞ダンベルの安定化が転位ループの発生の抑制に寄与することが解る。具体的には素子の電気特性や光学特性に悪影響を与えない特定の不純物を導入することで形成エネルギーと結合エネルギーを変化させることが好ましい。たとえば、電気特性に悪影響を与えないという観点から、導入する不純物はＩＩＩ族元素またはＶ族元素であることが望ましい。
【００３６】
以下では、Ｐのみならず、窒素（Ｎ）、インジウム（Ｉｎ）、アンチモン（Ｓｂ）等の原子も含めて、導入される原子の種類および位置により＜１１０＞ダンベルが安定化する程度を検証する。
【００３７】
（第一原理電子状態計算による特性評価）
ここでは、ＧａＡｓ結晶およびＡｌＡｓ結晶中におけるＡｓ格子間原子対（＜１１０＞ダンベル）の形成エネルギーと結合エネルギーを検証する。この検証に関し、以下では、第一原理電子状態計算（シミュレーション）を行った結果を説明する。
【００３８】
なお、以下のシミュレーションには、アドバンスソフト株式会社製のＡｄｖａｎｃｅ／ＰＨＡＳＥを用いた。また、計算には、ノルム保存型擬ポテンシャルおよびＶａｎｄｅｒｂｉｌｔ型のウルトラソフト擬ポテンシャルを用いた。交換相互作用は、一般化勾配近似の範囲で計算した。形成エネルギーの評価には荷電状態を考慮したシミュレーションを行った。すなわち、電気中性を保つために必要な電荷が背景に存在した状態で、電子数を調整（余分に付加、除去）し、系の全エネルギーＥｔｏｔを評価する。
【００３９】
＜１１０＞ダンベルのユニットセル当りの形成エネルギーＥｆｏｒｍは、系の荷電状態ｑとフェルミエネルギーＥｆとに依存し、下記式（２）によってあらわされる。
Ｅｆｏｒｍ（ｑ，Ｅｆ）＝Ｅｔｏｔ［ダンベル］（ｑ）−Ｅｔｏｔ［バルク］−Σμｎ＋ｑＥｆ    （２）
ここでμｎは元素ｎの化学ポテンシャルである。＜１１０＞ダンベルのみ導入する際は、Ａｓ原子のみが考慮される。μｎは成長条件がＩＩＩ族（Ｇａ／Ａｌ）リッチ条件のときとＶ族（Ａｓ）リッチ条件のときで値が異なる。
【００４０】
不純物を導入する際は、Ｅｔｏｔは不純物を含む系の全エネルギーＥｔｏｔ［ダンベル＋不純物］（ｑ）となり、化学ポテンシャルの項に不純物原子の付加とＧａ（Ａｌ）またはＡｓ原子の除去が考慮される。ここでは、不純物とは、Ａｓ格子間原子のクラスタの形成を抑制するために、ＧａＡｓ結晶またはＡｌＡｓ結晶に導入するＰ、Ｎ、Ｓｂ、またはＩｎ等の元素を意味する。
【００４１】
＜１１０＞ダンベルの結合エネルギーは、＜１１０＞ダンベルを形成したときの系の全エネルギーと、互いに離れたＡｓ格子間原子が２個存在するときの系の全エネルギーの差とを定義とした。
【００４２】
主な計算条件は、以下の通りである。
・原子モデル：母体を構成する６４原子（ＧａまたはＡｌ：３２個、Ａｓ：３２個）、ダンベルを構成するＡｓ原子：２個、導入する不純物原子：１〜３個
・カットオフエネルギー：波動函数および電荷密度分布で、それぞれ３０Ｒｙおよび２５０Ｒｙ
・ｋ点サンプル：３×３×２
・計算したバンド数：２００
なお、シミュレーションは独立行政法人海洋研究開発機構（ＪＡＭＳＴＥＣ）の地球シミュレータ２を用いて行った。
【００４３】
（計算結果１：不純物導入効果）
図３は、ＧａＡｓ中およびＡｌＡｓ中の＜１１０＞ダンベルの中性状態における形成エネルギーを示すグラフである（ＩＩＩ族リッチ条件）。なお、Ｖ族リッチ条件でも同様の結果が得られる。図３に示されるグラフにおいて、縦軸は、＜１１０＞ダンベルの形成エネルギー（ｅＶ）を示し、横軸は、導入される元素の種類を示している。また、ＧａＡｓ中の場合の結果を黒丸で示し、ＡｌＡｓ中の場合の結果を中抜き四角で示している。
【００４４】
図４は、ＧａＡｓ中およびＡｌＡｓ中の＜１１０＞ダンベルの中性状態における結合エネルギーを示すグラフである。図４に示されるグラフにおいて、縦軸は、＜１１０＞ダンベルの結合エネルギー（ｅＶ）を示し、横軸は、導入される元素の種類を示している。また、ＧａＡｓ中の場合の結果を黒丸で示し、ＡｌＡｓ中の場合の結果を中抜き四角で示している。
【００４５】
なお、図３および図４のグラフにおいて横軸に示される省略記号の意味は、以下のとおりである。なお、ＩＩＩ族サイト、Ｖ族サイト、ダンベルの最近接位置、ダンベルの第２近接位置とは、図５に示されるとおりである。なお、結晶構造の立体性のため、最近接位置および第２近接位置はそれぞれ、紙面の手前側と奥側に存在する。
【００４６】
・Ａｌ  ｏｒ  Ｇａ：母体がＧａＡｓの場合はＡｌを導入、母体がＡｌＡｓの場合はＧａを導入
・Ｉｎ：ＩＩＩ族サイトに導入
・ｄｕｍｂｂｅｌｌ：不純物の導入なし
・Ｐ／Ｎ／Ｓｂ：Ｖ族サイトに導入
・Ｐ｛Ａｓ｝：ダンベル中のＡｓをＰに置換
・Ｉｎ＋Ｐ：ダンベルの最近接位置にＰとＩｎを導入
・Ｎ＋Ｐ：ダンベルの最近接位置にＰとＮを導入
・２Ｐ−１：ダンベルの最近接位置と第２近接位置にＰを導入
・２Ｐ−２：ダンベルの最近接位置にＰを２個導入
・３Ｐ：ダンベルの最近接位置にＰを２個、第２近接位置にＰを１個導入
【００４７】
図３に示されるように、Ｎ、Ｐ、またはＳｂといったＶ族元素を導入することで、導入しない場合よりも＜１１０＞ダンベルの形成エネルギーは低下する。特にＰを導入した場合の効果が顕著であり、形成エネルギーは０．２ｅＶ程度減少する。ＩＩＩ族元素を導入した場合、Ａｌ、または、Ｇａの導入では＜１１０＞ダンベルの形成エネルギーはほとんど変化しない、あるいは増加する。
【００４８】
図３に示されるように、Ｉｎの導入ではＰよりも効果が小さいが形成エネルギーは低下する。一方、ＩｎとＰの同時導入の場合、形成エネルギーの低減効果は顕著となり、相乗効果が得られる。また、ＮとＰの同時導入の場合、ＮとＰの何れか一方の導入よりも形成エネルギーの低減効果が大きくなり、相乗効果が得られている。
【００４９】
図３に示されるように、複数のＰ導入でダンベルの形成エネルギーの低減効果は顕著となる。形成エネルギーは０．３ｅＶ程度低下する。特にモデル３Ｐ（ダンベルの最近接位置にＰを２個、第２近接位置にＰを１個の導入）では効果が大きい。
【００５０】
一方、図４に示されるように、ＧａＡｓではＰ、Ｎを導入することで結合エネルギーは増加する。Ｐを導入した場合、結合エネルギーは０．１ｅＶ程度増加する。複数個のＰを導入すると効果は増大し、結合エネルギーは０．５ｅＶ程度増加する。また、ＡｌＡｓではＰに加えて、Ｇａの導入で結合エネルギーは増加する。
【００５１】
これらの結果は、ＰやＮは電気陰性度が高く（価電子の寄与）、Ｉｎは有効殻電荷が高い（内殻電子の寄与）ため、周囲の電子密度が高くなり、ストレステンソルの小さい安定した構造を持つことを反映している。
【００５２】
以上のように、図３および図４によれば、Ｐ、Ｎ、Ｉｎ等を結晶構造に導入することで、格子間に存在するＡｓは、＜１１０＞ダンベルを形成し易く、かつ、形成された＜１１０＞ダンベルは分解され難い。具体的には、＜１１０＞ダンベルの形成および分解に際し０．３〜０．５ｅＶ余分なエネルギーが必要になる。このことは、半導体結晶内で格子間Ａｓが単独で存在することが困難であることを示している。すなわち、Ａｓ格子間原子の移動も抑制されている。
【００５３】
なお、ここでは、ＧａＡｓまたはＡｌＡｓについての計算結果を示したが、両者の混晶についても同様の結果が得られる。
【００５４】
さらに、母体のＩＩＩ族元素をＩｎに置換した場合であっても、Ｐの導入による＜１１０＞ダンベルの形成エネルギーを低下させる効果がある。図６は、中性状態におけるＩｎ０．６Ｇａ０．４Ａｓ混晶中の＜１１０＞ダンベルの形成エネルギーを示すグラフである。計算はＩＩＩ族リッチ条件で行っている。なお、格子内のＩＩＩ族サイトにおいてＩｎ原子とＧａ原子は、ランダムな配置を仮定している。
【００５５】
図６のグラフにおいて、縦軸は、＜１１０＞ダンベルの形成エネルギー（ｅＶ）を示し、横軸は、導入される元素の種類を示している。横軸に示されるモデルｄｕｍｂｂｅｌｌ−１およびモデルｄｕｍｂｂｅｌｌ−２は、＜１１０＞ダンベルの最近接位置にそれぞれ、Ｉｎ原子とＧａ原子とが配置されたケースを表している。モデルＰ−１およびモデルＰ−２は、それぞれ、モデルｄｕｍｂｂｅｌｌ−１およびモデルｄｕｍｂｂｅｌｌ−２にＰを導入したものである。
【００５６】
図６に示されるように、Ｐの導入により、＜１１０＞ダンベルの形成エネルギーは２０〜３０ｍｅＶ程度低下する。実際のＩｎＧａＡｓ混晶では、より形成エネルギーの低いモデルｄｕｍｂｂｅｌｌ−１とモデルＰ−１が形成される確率が高くなる（ダンベルはＩｎ原子の近傍に形成される）。これは、Ｉｎ原子の有効殻電荷が高いためである。
【００５７】
Ｐの導入による形成エネルギーの低下量がＧａＡｓやＡｌＡｓよりも小さいのは母体を構成するＩｎ原子の有効殻電荷の効果が、Ｐ原子の電気陰性度の効果を遮蔽するためである。なお、Ｐと同様に他のＶ族元素を導入した場合も、同様の効果が得られる。また、ＩｎＧａＡｓ混晶であっても、Ｖ族元素の導入により、＜１１０＞ダンベルの結合エネルギーは増加する。
【００５８】
ＩｎＧａＡｓ混晶では、ＧａＡｓやＡｌＡｓよりも、上に述べたように母体を構成するＩｎ原子の有効殻電荷の寄与が大きく反映されるため、＜１１０＞ダンベルの形成エネルギーはＧａＡｓやＡｌＡｓよりも０．１〜０．２５ｅＶ程度低下している。このことは、ＡｌＧａＡｓ系混晶では、ＩｎＧａＡｓ混晶よりもＡｓ格子間原子単独の濃度は高くなりやすく、Ａｓクラスタの形成が起こりやすいことと、上記不純物を導入する効果がより高いことを意味する。
【００５９】
以上、図３および図４に示されるように、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、またはＧａＡｓとＡｌＡｓとの混晶に、ＰとＩｎとの組み合わせやＰとＮとの組み合わせを導入した場合であっても、＜１１０＞ダンベルの形成エネルギーの低下および結合エネルギーの増加の効果が得られる。また、図６に示されるように、ＩｎＧａＡｓ混晶でも、Ｖ族元素を導入した場合に＜１１０＞ダンベルの形成エネルギーの低下の効果が得られる。従って、上記計算結果は、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなどのＡｓを主成分とするＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶に対しても一般化可能である。
【００６０】
（計算結果２：母体導電性の効果）
先述の式（２）が示すように、＜１１０＞ダンベルの形成エネルギーは系のフェルミエネルギーに依存する。そこで、以下では、＜１１０＞ダンベルの形成エネルギーに対する母体導電性の影響を検討する。
【００６１】
図７は、ＧａＡｓにおける＜１１０＞ダンベルの形成エネルギーを示すグラフである（Ｇａリッチ条件）。図７に示されるグラフにおいて、傾きは荷電状態であり、正の場合はドナー、負の場合はアクセプタとなる。
【００６２】
図７には、比較のため、他の格子欠陥である、Ａｓ格子間原子（Ａｓ｛Ｉ｝）、Ｇａ空孔（Ｖ｛Ｇａ｝）、Ａｓ空孔（Ｖ｛Ａｓ｝）、Ａｓアンチサイト欠陥（Ａｓ｛Ｇａ｝）のグラフも合わせて示されている。
【００６３】
図７に示されるように、フェルミエネルギーが高く、伝導帯に近い場合（ｎ型導電性）、＜１１０＞ダンベルの形成エネルギーはＡｓ格子間原子の形成エネルギーよりも低い。一方、フェルミエネルギーが低く、価電子帯に近い場合（ｐ型導電性）、＜１１０＞ダンベルの形成エネルギーとＡｓ格子間原子の形成エネルギーはほぼ同じである。
【００６４】
この結果は、ｎ型導電性を持つＧａＡｓ中では、Ａｓ格子間原子単独よりも＜１１０＞ダンベルの方が安定であることを示している。すなわち、ｎ型導電性を持つＧａＡｓ中では、格子中を移動する単独のＡｓ格子間原子は＜１１０＞ダンベルを容易に形成し、Ａｓ格子間原子の拡散を抑制する効果がより顕著であることを示している。
【００６５】
具体的には、フェルミエネルギーが略０．３５ｅＶの位置で、＜１１０＞ダンベルの形成エネルギーのグラフとＡｓ格子間原子の形成エネルギーのグラフとが交わる。よって、フェルミエネルギーが０．３５ｅＶより高い場合、＜１１０＞ダンベルの形成エネルギーはＡｓ格子間原子の形成エネルギーよりも低い。
【００６６】
シミュレーションによって得られたＧａＡｓのバンドギャップは約１ｅＶであり、真性半導体におけるフェルミエネルギーは約０．５ｅＶとなる。０．３５ｅＶでＡｓ格子間原子の形成エネルギーと＜１１０＞ダンベルの形成エネルギーが交差することは、意図的にｐ型不純物を添加しない限りは、＜１１０＞ダンベルが安定であることを示している。しかしながら、図７に示す通り、フェルミエネルギーが約０．５ｅＶのときアクセプタとなるＧａ空孔やＡｓ空孔の形成エネルギーが低いため、また、炭素等の残留不純物が存在すれば、フェルミエネルギーは低下するため、ｎ型ドーパントを意図的に添加する方が、＜１１０＞ダンベルの形成エネルギーがＡｓ格子間原子の形成エネルギーよりも低い状態をより確実に実現できる。ｎ型ドーパント濃度は、空孔や残留不純物による補償効果を打ち消すことが可能な量であれば良い。例えば、１×１０１５ｃｍ−３以上であることが望ましい。なお、このようなｎ型導電性を帯びる混晶は、たとえば半導体装置の中でｐ型半導体として機能させるべき領域の内部に、ｎ型導電性領域として形成しても、そのｎ型導電性領域中でＡｓ格子間原子が＜１１０＞ダンベルを形成する方が安定であるという効果を発揮する。なお、ｎ型ドーパントの例として、ケイ素（Ｓｉ），セレン（Ｓｅ）などが挙げられる。
【００６７】
図８は、格子間Ａｓの拡散障壁の大きさを示すグラフである。図８に示されるように、単独のＡｓ格子間原子の拡散に対する障壁Ｅａは、荷電状態に依存し、荷電状態が−１（ｎ型導電性を持つＧａＡｓ中）のときは約０．８ｅＶであり、荷電状態が＋１（ｐ型導電性を持つＧａＡｓ中）のときは約０．４ｅＶである。つまり、単独のＡｓ格子間原子の拡散に対する障壁は、ｐ型導電性を持つＧａＡｓ中よりも、ｎ型導電性を持つＧａＡｓ中の方が２倍以上大きい。
【００６８】
図７と図８の結果を合わせると、ｐ型導電性を持つＧａＡｓ中では、格子間に存在するＡｓは単独で存在しやすい上に拡散障壁が低いのに対して、ｎ型導電性を持つＧａＡｓ中では格子間に存在するＡｓは＜１１０＞ダンベルを形成しやすく、かつ、拡散障壁が高いと結論できる。結果、ｎ型導電性を持つＧａＡｓ中ではＡｓの拡散を抑制する効果は大きい。
【００６９】
上記母体導電性の影響については、不純物を導入していないＧａＡｓの例について述べたが、不純物を導入した場合であっても、同様の効果を有する。例えばＰをＧａＡｓに導入した場合、Ａｓ格子間原子の拡散障壁は１０％程度増加する（中性状態では５０ｍｅＶ増加）。つまり、ＰをＧａＡｓ中に導入し、かつ、母体の導電性をｎ型にすることでＡｓ格子間原子の拡散抑制効果がより顕著となる。
【００７０】
また、ここでは、ＧａＡｓについての計算結果を示したが、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓやこれらの混晶についても同様の結果が得られる。
【００７１】
（シミュレーションのまとめ）
上記（計算結果１）および（計算結果２）の示唆するところは、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなどのＡｓを主成分とするＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶に対して、Ａｓ格子間原子の拡散を抑制するためには、以下の対策が有効であるということである。
（１）Ｐ、Ｎ、Ｓｂ、Ｉｎ等の元素を結晶構造に導入し、＜１１０＞ダンベルを安定化する。
（２）母体の導電性をｎ型にし、Ａｓ格子間原子単独よりも＜１１０＞ダンベルの方が安定する状態にする。
【００７２】
（検証実験）
ここで、上記シミュレーション結果の検証として、Ａｓを主成分とするＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶の結合構造にＰを導入した場合の効果の検証実験を示す。
【００７３】
後に示す表１は、Ｖ族元素サイトに置換したＰの濃度とダンベルの形成とＡｓの析出物の検出との関係を検証した実験結果をまとめた表である。表１に示された検証実験は、以下のように行われている。
【００７４】
Ｐの濃度測定には、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）が用いられる。ＳＩＭＳとは、固体の表面にビーム状のイオン（一次イオンと呼ばれる）を照射し、そのイオンと固体表面の分子・原子レベルでの衝突によって発生するイオン（二次イオンと呼ばれる）を質量分析計で検出する表面計測法である。ＳＩＭＳは、空間分解能が１０μｍ程度であるが、濃度０．０１％程度のＰの定量が可能である。ＳＩＭＳは、例えばＧａＡｓ系の長キャビティレーザ素子に用いることが好適である。なお、このＳＩＭＳを採用した測定装置の例として、Ｃａｍｅｃａ社のセクタ型ＳＩＭＳ（ＩＭＳシリーズ）が挙げられる。
【００７５】
また、Ｐの濃度測定には、アトムプローブ法が用いられる。アトムプローブ法では、まず試料の準備として、収束イオンビーム（ＦＩＢ）加工装置を用いて、測定対象を含む領域を針状（探針形状）に加工する。その後、超高真空化で電圧パルスを印加することで、探針形状に加工された試料の先端から構成原子を電界蒸発させ、電界蒸発した原子の飛行時間を測定することで原子の質量を分析する。なお、半導体にアトムプローブ法を利用する場合は、チャージアップを防ぐために、レーザ光によって原子の蒸発をアシストすることが好ましい。
【００７６】
この測定方法は、例えばＩｎＰ系のＢＨ型レーザ素子における活性層内のＰ濃度を測定することに好適である。通常のＳＩＭＳと比べて、解析範囲を狭く（例えば１μｍ以下）することができるからである。なお、このアトムプローブ法を採用した測定装置の例として、Ｃａｍｅｃａ社のＬＥＡＰシリーズが挙げられる。
【００７７】
さらに、Ｐの濃度測定は、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）を用いて測定される。ＳＴＭを用いた測定方法は、ＩｎＰ系のＢＨ型レーザ素子およびＧａＡｓ系のリッジレーザ素子の何れに対しても好適である。ＳＴＭを用いた測定方法では、試料を超高真空中で劈開し活性層の断面を露出させ、ＳＴＭで原子像を観察することによって行われる。
【００７８】
ＳＴＭは、先端曲率がナノメートルオーダーの探針と試料表面との間に数Ｖのバイアス電圧を印加し、流れる微小なトンネル電流(約１ｎＡ以下）をフィードバックすることで、原子の凹凸像を得る顕微鏡である。このとき、母体のＧａやＡｓ等とＰとでは電子状態が異なるため、ＳＴＭで得られた像のコントラストに差が生じる。そこで、ＳＴＭで得られた像から、Ｐの原子数を数えることで濃度の評価が可能である。この測定方法に用いることができるＳＴＭの例として、Ｏｍｉｃｒｏｎ社のＳＴＭ−１やＬＴ−ＳＴＭが挙げられる。
【００７９】
さらに、Ｐの濃度はフォトルミネッセンス測定による光学バンドギャップの測定、または、Ｘ線回折による格子定数の測定から、Ｐの濃度を決定することもできる。
【００８０】
＜１１０＞ダンベルの形成は、例えば、ラマン分光測定から確認することができる。＜１１０＞ダンベルが形成された結晶では、＜１１０＞ダンベルに起因するラマン活性な振動モードが生じるからである。例えば、波長４８８ｎｍのＡｒイオンレーザまたは波長３５５ｎｍのＹＡＧレーザの３倍高調波を用いて、活性層を構成する混晶のＬＯモードに対して５０〜１５０ｃｍ−１の位置に局在振動モードを測定することで、＜１１０＞ダンベルの形成を確認することができる。ここで、このラマン散乱測定における偏光配置はＺ（ｘ，ｘ＋ｙ）―ｚである（Ｚ＝［００１］，ｘ＝［１００］，ｙ＝［０１０］）。そして、ＬＯモードに対する強度比が１／１０００以上の局在振動モードを測定した場合、＜１１０＞ダンベルが形成されていると判定する。
【００８１】
なお、表１におけるＰの濃度が５％以上の場合では、＜１１０＞ダンベルに起因した局在振動モードとＶ族サイトに置換したＰに起因する振動モードと重畳するので、＜１１０＞ダンベルの形成を確認することができない。したがって、表１では、評価不能と記載している。
【００８２】
この他、＜１１０＞ダンベルの形成を直接観測する方法としてＸ線回折による歪の異方性測定がある。この方法は、波長可変な放射光を用いることで精度の高い測定が可能となる。活性層上の導波路構造をエッチングで取り除いた後、複数の回折面を測定することで、格子定数の深さ方向依存性を測定するものである。
【００８３】
具体的には、結晶面に垂直な（００６）面、結晶面に対して傾斜する（０４４）面および（１１３）面を回折面として選択すると、＜１１０＞ダンベルが存在するＰドープ試料では、面間歪と面内歪が存在するが（Ｐ濃度１％辺り０．１％の歪）、＜１１０＞ダンベルを形成しない参照試料では、面間歪は存在するが、面内歪は存在しない。この違いにより、＜１１０＞ダンベルの形成を検出することができる。
【００８４】
Ａｓの析出物に関しては、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による観察を行う。Ａｓの析出物に関する定量化は、幅２５μｍの共振器における共振器長１００μｍを基準とした観察個数としている。例えば、図９に示されるように、ＴＥＭによる観察を行った場合、破線円中のように、Ａｓの析出物の存在が認められる。このように検出されたＡｓの析出物を共振器長１００μｍあたりで集計することによって、Ａｓの析出物に関する定量化を行う。なお、図９に示されるＴＥＭによる観察像は、それぞれＰの濃度が０．０１％以下（実質的にＰを添加しないことを意味する、以下同じ）とＰの濃度が０．０２％との場合の測定範囲の一部を切り出したものである。
【００８５】
【表１】
2015137373.tif 000003
【００８６】
以上に説明した検証実験によると、ラマン分光測定において、結晶内のＰの濃度が０．０１％の場合と０．０２％の場合とでは、＜１１０＞ダンベルに起因する局在振動モードは観察されない。一方、結晶内のＰの濃度が０．１％以上５％より低い範囲では、＜１１０＞ダンベルに起因する局在振動モードが観察される。したがって、結晶内のＰの濃度が０．１％以上である場合、＜１１０＞ダンベルによる格子間Ａｓの安定化が十分に機能していると考えられる。
【００８７】
また、ＴＥＭ観察において、結晶内のＰの濃度が０．０１％の場合は、共振器長１００ｕｍあたり７個のＡｓ析出物が観察された。一方、結晶内のＰの濃度が０．０２％の場合は、共振器長１００ｕｍあたり１個のＡｓ析出物が観察された。なお、結晶内のＰの濃度が０．１％以上の場合は、Ａｓ析出物は観察されなかった。したがって、結晶内のＰの濃度が０．０１％の場合と０．０２％の場合とを比較すると、両者の間にＡｓ析出物の量に著しい差異がある。つまり、結晶内のＰの濃度が０．０２％以上の場合、Ａｓ析出物は性能に影響を与えない程度に十分に少なく抑制されている。
【００８８】
以上の検証実験は、Ｖ族元素サイトに置換する不純物としてＰのみを提示したが、ＮまたはＳｂなどのＶ族元素サイトに置換する不純物であっても、同一原理によって同様の作用をもたらす。
【００８９】
したがって、Ｖ族元素サイトに置換したＰ、Ｎ、またはＳｂの濃度はＶ族元素サイトにあるＶ族元素の全体量に対して０．０２％以上の範囲であることが好ましく、０．１％以上の範囲であることがより好ましい。
【００９０】
また、ＡｌまたはＧａを主成分とするＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶にＩｎを導入する場合であっても、ＩＩＩ族元素サイトに置換したＩｎの濃度は、ＩＩＩ族元素サイトにあるＩＩＩ族元素の全体量に対して０．１％以上の範囲であることが好ましい。この範囲では、導入した不純物原子は他のＰ不純物原子と近接する確率が増加し、図３および図４の横軸に記されたモデル２Ｐ−１（＜１１０＞ダンベルの最近接位置と第２近接位置にＰが配置する）の状態が実現し易いからである。結果、図３および図４のグラフから読み取れるように、不純物原子のＶ族元素における濃度は０．１〜５％の範囲では、＜１１０＞ダンベルの形成エネルギーが低く、かつ結合エネルギーが高くなる。
【００９１】
なお、不純物原子の濃度が高くなる程、モデル３Ｐ（＜１１０＞ダンベルの最近接位置に２個のＰと第２近接位置にＰが配置する）の状態が実現する確率が上昇し、形成エネルギーと結合エネルギーの観点では望ましい。
【００９２】
一方、Ａｓを主成分とするＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶に添加された不純物原子の濃度は５％以下が好ましい。不純物原子の濃度が５％以下であれば、初期特性が優れているからである。ここで、初期特性は、温度を変化させたときのスロープ効率の最大値で評価している。スロープ効率とは、電流−光出力特性の傾きで定義され、単位は［ｍＷ／ｍＡ］である。
【００９３】
以下に示す表２は、初期特性の検証結果をまとめたものである。表２に示されるように、不純物原子の濃度が５％以下であれば、初期特性が優れているのが解る。特に、不純物原子の濃度が３％以下であれば、初期特性に悪化は測定されない。
【００９４】
【表２】
2015137373.tif 000004
【００９５】
さらに、通電と電流-光出力特性測定とを繰り返し、閾値の増加率を測定する。１２０℃/１５０ｍＡの加速条件で閾値の増加率を測定すると、Ｐの濃度が０．０２％、３％、および５％の場合で、漸次劣化が抑制されていた。また、１５５℃／１２５ｍＡの加速条件で閾値の増加率を測定した場合、Ｐの濃度が０．０２％および３％の場合で、漸次劣化が抑制されていた。したがって、不純物原子の濃度が５％以下であれば、漸次劣化が抑制されているので好ましく、不純物原子の濃度が３％以下であればより好ましい。
【００９６】
また、不純物原子の濃度が５％以下であれば、当該混晶の基板との格子定数差やバンドギャップ差が大きくないので、ミスフィット転位形成や合金散乱による移動度の低下、あるいは２次元電子ガスを用いる素子の場合は２次元電子ガスの感じるポテンシャルが設計値と異なることによる電子濃度低下などにより、素子の初期特性が悪化するということが抑制される。但し、ＩＩＩ族元素であるＩｎを不純物原子として使用する場合、濃度が１％以下であることが望ましい。１％より大きい濃度では、Ｉｎがクラスタ化するため＜１１０＞ダンベルの形成が妨げられるからである。
【００９７】
以上の検証実験をまとめると、Ｖ族元素サイトに置換したＰ、Ｎ、またはＳｂの濃度はＶ族元素サイトにあるＶ族元素の全体量に対して０．０２％以上５％以下の範囲であることが好ましく、０．１％以上３％以下の範囲であることがより好ましいことになる。
【００９８】
以下では、上記対策を施した半導体装置の実施形態について説明する。
【００９９】
（第１実施形態）
図１０は、第１実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。図１０に示される半導体装置は、埋め込みヘテロ（ＢＨ：Buried  Heterostructure）構造を電流狭窄構造に用いた半導体レーザ素子である。図１０は、この半導体レーザ素子についての出射面に平行な断面図である。
【０１００】
図１０に示されるように、第１実施形態に係る半導体レーザ素子１０は、基板１１の上にｎ型半導体層１２、活性層１３が順次積層されている。ｎ型半導体層１２の上部および活性層１３は、出射方向に長手方向を有するメサ構造となっている。活性層１３は、井戸層と障壁層とを備える多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi  Quantum  Well）構造を有している。
【０１０１】
ｎ型半導体層１２の上部および活性層１３からなるメサ構造の上には、ｐ型半導体層１４が積層されている。メサ構造の幅方向両側に隣接して、電流狭窄構造としてのｎ型半導体層１５が、ｐ型半導体層１４の内部に形成されている。さらに、基板１１の裏面にはｎ側電極１６が形成され、ｐ型半導体層１４の表面にはｐ側電極１７が形成されている。
【０１０２】
電流狭窄構造としてのｎ型半導体層１５は、ｐ側電極１７から注入された電流を内部で狭窄するとともに、活性層１３から発生する光を横（幅）方向に閉じ込め、高次の水平横モードを抑制した単一横モード動作を実現する機能を担う。
【０１０３】
活性層１３の井戸層は、ＩｎＧａＡｓにＰを導入したＩｎＧａＡｓＰからなる層である。一方、活性層１３の障壁層は、ＡｌＧａＡｓからなり、井戸層にキャリアを閉じ込める障壁の機能を担う層である。なお、上記例に限らず、活性層１３は、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなどのＡｓを主成分とするＩＩＩ−Ｖ族半導体により形成してもよい。
【０１０４】
また、本実施形態では、活性層１３の井戸層のみにＰを導入しているが、障壁層のＡｌＧａＡｓに対しても、Ｐを導入し、活性層１３全体にＰを導入する構成としてもよい。活性層１３の構成も多重井戸構造に限定されず、あらゆる活性層１３の構造において、Ｐを導入することによる転位ループの発生抑制の効果が得られる。また、導入する不純物はＰに限らず、Ｎ、Ｓｂ、またはＩｎであってもよい。
【０１０５】
活性層１３は、半導体レーザ素子１０を駆動させた場合に活性状態となるため、Ａｓ格子間原子が形成され易く、かつそのＡｓ格子間原子が移動し易いので、活性層１３にＰ、Ｎ、Ｓｂ、またはＩｎを導入することは効果が大きい。特に活性層１３が多重量子井戸構造を有する場合、半導体レーザ素子１０を駆動させた場合に活性状態となるのは井戸層であるので、井戸層のみに選択的にＰ、Ｎ、Ｓｂ、またはＩｎを導入することでも効果は大きい。
【０１０６】
さらに、活性層１３はｎ型の導電性を有することが好ましい。したがって、活性層１３にはｎ型ドーパントを添加することが好ましい。例えば、ｎ型ドーパントとしては、セレン（Ｓｅ）、硫黄（Ｓ）、または珪素（Ｓｉ）がある。なお、活性層１３のｎ型ドーパントの濃度は、他のｎ型半導体層におけるｎ型ドーパントの濃度よりも低いことが好ましい。例えば、活性層１３のｎ型ドーパントの濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましい。１×１０１８ｃｍ−３より大きい濃度では半導体中のＧａ空孔やＡｓ空孔の濃度が高くなるため、隣接する＜１１０＞ダンベルの結合エネルギーが減少し、Ａｓ格子間原子の拡散抑制効果が低下するからである。また、空孔や残留不純物の補償効果を打ち消すに十分な量、例えば、１×１０１５ｃｍ−３以上であることが望ましい。
【０１０７】
その他の半導体層は、活性層１３の井戸層よりもバンドギャップエネルギーが高く屈折率が低い半導体で形成されている。当該その他の半導体層は、Ａｓを主成分とするＩＩＩ−Ｖ族半導体により形成されていることが好ましいが、たとえばＩｎＰにより形成されていてもよい。
【０１０８】
半導体レーザ素子１０のすべての半導体層にＰ、Ｎ、Ｓｂ、またはＩｎを導入することも可能であるが、活性層１３のみならず、転位ループの発生しやすい個所に選択的にＰ、Ｎ、Ｓｂ、またはＩｎを導入してもよい。例えば、ｐ側電極１７の下となるｐ型半導体層１４の部分、または、エピタキシャル基板との界面近傍となるｎ型半導体層１２の部分などに選択的にＰ、Ｎ、Ｓｂ、またはＩｎを導入することでも、転位ループの発生抑制に効果的である。また、転位ループの発生しやすい個所を選択的にｎ型伝導性にすることでも、転位ループの発生抑制に効果的である。先述のように、真性半導体よりも少しでもｎ型導電性を持つ場合でも、転位ループの発生抑制の効果が得られるので、半導体レーザ素子１０のｐ型半導体層であっても、半導体レーザ素子１０の機能に影響が及ばない程度の弱いｎ型導電性の領域を作ることによって、転位ループの発生抑制の効果を得ることができる。
【０１０９】
（実施例１）
実施例１は、第１実施形態を具体化した構成である。したがって、実施例１の説明では、第１実施形態と同じ図１０を参照する。また、第１実施形態の説明と重複する部分は、説明を省略する。
【０１１０】
実施例１に係る半導体レーザ素子１０は、いわゆるＩｎＰ基板上のＡｌＩｎＧａＡｓＰ−ＢＨレーザ素子である。したがって、ＩｎＰからなる基板１１の上に、例えばｎ型ＩｎＰからなるｎ型半導体層１２、活性層１３、例えばｐ型ＩｎＰからなるｐ型半導体層１４が積層され、ｎ型半導体層１２の上部および活性層１３がメサ構造となっている。
【０１１１】
活性層１３は、井戸層と障壁層との対を６回繰り返して積層したＭＱＷ構造を有している。例えば、共振器幅（活性層１３のストライプ幅）を２μｍ、共振器長（活性層１３のストライプ長）を０．３ｍｍとして半導体レーザ素子１０を作成した場合、１チップで５００ｍＷ超の光出力が可能となる。
【０１１２】
井戸層および障壁層の厚さは、それぞれ６ｎｍおよび１０ｎｍとし、井戸層および障壁層のＩｎＰ基板に対する歪は、それぞれ１％および−０．３％とする。なお、基板の格子定数に対して当該層が大きい場合を正の歪、小さいときを負の歪とする。
【０１１３】
添加されたＰの濃度に応じて、発振波長が１．５５μｍとなるように活性層１３の活性層および障壁層の組成が調整される。ここで、異なるＰの濃度の場合の活性層１３の組成を例示する。Ｐを添加しない活性層の例では、井戸層がＡｌ０．０５８Ｉｎ０．６７６Ｇａ０．２６７Ａｓであり、障壁層がＡｌ０．２０６Ｉｎ０．４８８Ｇａ０．３０６Ａｓである。また、濃度１％でＰが添加された活性層の例では、井戸層がＡｌ０．０５４Ｉｎ０．６８Ｇａ０．２６５Ａｓ０．９９Ｐ０．０１であり、障壁層がＡｌ０．２０３Ｉｎ０．４９Ｇａ０．３０７Ａｓ０．９９Ｐ０．０１である。濃度３％でＰが添加された活性層の例では、活性層１３の構造は、井戸層がＡｌ０．０４８Ｉｎ０．６９Ｇａ０．２６２Ａｓ０．９７Ｐ０．０３であり、障壁層がＡｌ０．２Ｉｎ０．６Ｇａ０．２Ａｓ０．９７Ｐ０．０３である。このように、その他の濃度でＰが添加された活性層を形成するときも、発振波長と歪が同一になるように、III族（Ａｌ、Ｇａ、およびＩｎ）の組成を調整することができる。
【０１１４】
ここで、活性層中のＰの濃度を変えた場合の半導体レーザ素子の初期特性および漸次劣化を比較検討する。図１１は、活性層中のＰの濃度を変えた場合の半導体レーザ素子のスロープ効率を示すグラフである。図１１には、同じ構造および組成の２つの半導体レーザ素子のデータが実線および破線にて記載されている。
【０１１５】
図１１に示されるように、活性層中のＰの濃度が３％までは、スロープ効率の最大値に変化はない。例えば、２５℃でのスロープ効率の最大値の値は０．２８〜０．２９ｍＷ／ｍＡである。一方、活性層中のＰの濃度が５％を超えるとスロープ効率は低下し、例えば、活性層中のＰの濃度が６．６％のとき、２５℃のスロープ効率の最大値は０．２２〜０．２３ｍＷ／ｍＡとなる。また、活性層中のＰの濃度が１０％を超えると、２５℃のスロープ効率の低下は顕著となり、０．２ｍＷ／ｍＡとなる。したがって、実施例１に係る半導体レーザ素子１０は、初期特性が優れたものとなっている。
【０１１６】
さらに、長期通電によるレーザ特性の変動を調べる。すなわち、通電と電流-光出力特性測定とを繰り返し、閾値の増加率を測定する。ここでは、１２０℃で１５０ｍＡおよび１５５℃で１２５ｍＡの２条件の通電でレーザ特性の変動を調べる。
【０１１７】
１２０℃で１５０ｍＡの加速条件では、Ｐを添加しない活性層の半導体レーザ素子は、１０００時間を越えると閾値は漸増し、２０００時間を越えると１０％以上増加する素子も存在する。また、急速に閾値が増大し、破壊される素子も存在する。
【０１１８】
一方、活性層中のＰの濃度が０．０２％、２．９％、および６．６％の場合では、半導体レーザ素子の漸次劣化が抑制されている。２０００時間での閾値の増加率も８％以下である。
【０１１９】
また、１５５℃で１２５ｍＡの通電条件においても、閾値増加の傾向は変わらず、濃度が０．０２％および２．９％の場合で閾値の増加は抑制される一方で、Ｐを添加しない例では１０００時間の通電では、閾値の１０％〜２０％の増大が測定される。
【０１２０】
一般に、Ａｌを活性層の組成に加えると、半導体レーザ素子の漸次劣化が大きくなる傾向がある。しかしながら、０．０２％以上５％以下の範囲でＰが活性層に添加された場合、半導体レーザ素子の漸次劣化が抑制され、さらに０．１％以上３％以下の範囲であるときは、より漸次劣化が抑制される。このことは、Ａｌを活性層の組成に加えると半導体レーザ素子の発振波長および歪みを調整するパラメータが増えることになるので、半導体レーザ素子の設計の自由度が向上することになる。
【０１２１】
また、通電に用いた半導体レーザ素子の内部状態をＴＥＭで観察したところ、Ｐを添加しない例では共振器に沿う方向で共振器長１００μｍ当り７個のＡｓの析出物が観察されたのに対し、Ｐの濃度が０．０２％の場合では、共振器長１００μｍ当り１個のＡｓの析出物が観察された。なお、Ｐの濃度が０．１％以上の半導体レーザ素子ではＡｓの析出物は観察されなかった。この結果はＰを活性層に添加することで、活性層内のＡｓ格子間原子の分散性が向上したことを意味している。
【０１２２】
（第２実施形態）
図１２は、第２実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。図１２に示される半導体装置は、ＳＩ−ＢＨ（Semi-Insulating  Buried  Heterostructure）構造を用いた半導体レーザ素子である。図１２は、この半導体レーザ素子についての出射面に平行な断面図である。
【０１２３】
図１２に示されるように、第２実施形態に係る半導体レーザ素子２０は、基板２１の上にｎ型半導体層２２、活性層２３、ｐ型半導体層２４が順次積層されている。ｎ型半導体層２２の上部、活性層２３、ｐ型半導体層２４は、出射方向に長手方向を有するメサ構造となっている。活性層２３は、井戸層と障壁層とを備える多重量子井戸構造を有している。
【０１２４】
ｎ型半導体層２２の上部、活性層２３、ｐ型半導体層２４からなるメサ構造の両側には、Ｆｅ−ＩｎＰなどの高抵抗材料からなる埋め込み層２５が形成されている。さらに、基板２１の裏面にはｎ側電極２６が形成され、ｐ型半導体層２４の表面にはｐ側電極２７が形成されている。埋め込み層２５は、ｐ側電極２７からｎ側電極２６へ流れる電流の広がりを抑え、かつ、活性層２３から発生する光を横（幅）方向に閉じ込める機能を担う。埋め込み層２５は、たとえば鉄（Ｆｅ）をドープした半絶縁性のＩＩＩ−Ｖ族半導体からなる。埋め込み層２５は、鉄（Ｆｅ）をドープした半絶縁性のＩＩＩ−Ｖ族半導体に限られず、ルテニウム（Ｒｕ）をドープした半絶縁性のＩＩＩ−Ｖ族半導体としてもよい。
【０１２５】
活性層２３の井戸層は、ＩｎＧａＡｓにＰを導入したＩｎＧａＡｓ０．９９Ｐ０．０１からなる層である。一方、活性層２３の障壁層は、ＡｌＧａＡｓからなり、井戸層にキャリアを閉じ込める障壁の機能を担う層である。なお、上記例に限らず、活性層２３は、Ａｓを主成分とする他のＩＩＩ−Ｖ族半導体により形成してもよい。また、第１実施形態と同様に、本実施形態でも、活性層２３の構成は多重井戸構造に限定されず、活性層全体にＰを導入することができ、導入する不純物もＰに限らない。
【０１２６】
さらに、活性層２３はｎ型の導電性を有することが好ましい。したがって、活性層２３にはｎ型ドーパントを導入することが好ましい。なお、活性層２３のｎ型ドーパントの濃度は、他のｎ型半導体層におけるｎ型ドーパントの濃度よりも低いことが好ましい。例えば、活性層２３のｎ型ドーパントの濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましく、１×１０１５ｃｍ−３以上であることが望ましい。１×１０１８ｃｍ−３より大きい濃度では半導体中のＧａ空孔やＡｓ空孔の濃度が高くなるため、隣接する＜１１０＞ダンベルの結合エネルギーが減少し、Ａｓ格子間原子の拡散抑制効果が低下するからである。また、１×１０１５ｃｍ−３以上では空孔や残留不純物の補償効果を打ち消すに十分な量であるからである。
【０１２７】
その他の半導体層は、活性層２３の井戸層よりもバンドギャップエネルギーが高く屈折率が低い半導体で形成されている。当該その他の半導体層は、Ａｓを主成分とするＩＩＩ−Ｖ族半導体により形成されていることが好ましいが、たとえばＩｎＰにより形成されていてもよい。
【０１２８】
半導体レーザ素子２０のすべての半導体層にＰ、Ｎ、Ｓｂ、またはＩｎを導入することも可能であるが、転位ループの発生しやすい個所に選択的にＰ、Ｎ、Ｓｂ、またはＩｎを導入してもよい。例えば、ｐ側電極２７の下となるｐ型半導体層２４の部分、または、埋め込み層２５との界面近傍となるｐ型半導体層２４の部分などに選択的にＰ、Ｎ、Ｓｂ、またはＩｎを導入することでも、転位ループの発生抑制に効果的である。また、転位ループの発生しやすい個所を選択的にｎ型伝導性にすることでも、転位ループの発生抑制に効果的である。先述のように、真性半導体よりも少しでもｎ型導電性を持つ場合でも、転位ループの発生抑制の効果が得られるので、半導体レーザ素子２０のｐ型半導体層であっても、半導体レーザ素子２０の機能に影響が及ばない程度の弱いｎ型導電性の領域を作ることによって、転位ループの発生抑制の効果を得ることができる。
【０１２９】
（第３実施形態）
図１３は、第３実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。図１３に示される半導体装置は、リッジ構造を用いた半導体レーザ素子である。図１３は、この半導体レーザ素子についての出射面に平行な断面図である。
【０１３０】
図１３に示されるように、第３実施形態に係る半導体レーザ素子３０は、基板３１の上にｎ型半導体層３２、活性層３３、ｐ型半導体層３４が順次積層されている。ｐ型半導体層３４の上部は、出射方向に長手方向を有するリッジ構造となっている。活性層３３は、井戸層と障壁層とを備える多重量子井戸構造を有している。また、半導体レーザ素子３０では、活性層３３に対して、例えば特許文献１に記載の端面保護構造である、ＩＦＶＤ（Ｉｍｐｕｒｉｔｙ  Ｆｒｅｅ  Ｖａｃａｎｃｙ  Ｄｉｓｏｒｄｅｒｉｎｇ）法が適用されている。
【０１３１】
リッジ構造は、クラッド層として機能するｐ型半導体層３４の厚さに差がつけられていることにより活性層３３から発生する光を横（幅）方向に閉じ込める機能を担う。また、基板３１の裏面にはｎ側電極３６が形成され、ｐ型半導体層３４の表面にはｐ側電極３７が形成されている。
【０１３２】
活性層３３の井戸層は、ＩｎＧａＡｓにＰを導入したＩｎＧａＡｓＰからなる層である。一方、活性層３３の障壁層は、ＡｌＧａＡｓからなり、井戸層にキャリアを閉じ込める障壁の機能を担う層である。なお、上記例に限らず、活性層３３は、Ａｓを主成分とする他のＩＩＩ−Ｖ族半導体により形成してもよい。また、第１実施形態と同様に、本実施形態でも、活性層３３の構成は多重井戸構造に限定されず、活性層全体にＰを導入することができ、導入する不純物もＰに限らない。
【０１３３】
さらに、活性層３３はｎ型の導電性を有することが好ましい。したがって、活性層３３にはｎ型ドーパントを導入することが好ましい。なお、活性層３３のｎ型ドーパントの濃度は、他のｎ型半導体層におけるｎ型ドーパントの濃度よりも低いことが好ましい。例えば、活性層３３のｎ型ドーパントの濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましく、１×１０１５ｃｍ−３以上であることが望ましい。１×１０１８ｃｍ−３より大きい濃度では半導体中のＧａ空孔やＡｓ空孔の濃度が高くなるため、隣接する＜１１０＞ダンベルの結合エネルギーが減少し、Ａｓ格子間原子の拡散抑制効果が低下するからである。また、１×１０１５ｃｍ−３以上では空孔や残留不純物の補償効果を打ち消すに十分な量であるからである。
【０１３４】
その他の半導体層は、活性層３３の井戸層よりもバンドギャップエネルギーが高く屈折率が低い半導体で形成されている。当該その他の半導体層は、Ａｓを主成分とするＩＩＩ−Ｖ族半導体により形成されていることが好ましいが、たとえばＩｎＰにより形成されていてもよい。
【０１３５】
半導体レーザ素子３０のすべての半導体層にＰ、Ｎ、Ｓｂ、またはＩｎを導入することも可能であるが、活性層３３のみならず、転位ループの発生しやすい個所に選択的にＰ、Ｎ、Ｓｂ、またはＩｎを導入する方法も考えられる。例えば、ｐ側電極３７の下となるｐ型半導体層３４の部分、または、リッジ構造の立ち上がり部分となるｐ型半導体層３４の部分などに選択的にＰ、Ｎ、Ｓｂ、またはＩｎを導入することでも、転位ループの発生抑制に効果的である。また、転位ループの発生しやすい個所を選択的にｎ型伝導性にすることでも、転位ループの発生抑制に効果的である。先述のように、真性半導体よりも少しでもｎ型導電性を持つ場合でも、転位ループの発生抑制の効果が得られるので、半導体レーザ素子３０のｐ型半導体層であっても、半導体レーザ素子３０の機能に影響が及ばない程度の弱いｎ型導電性の領域を作ることによって、転位ループの発生抑制の効果を得ることができる。また、半導体レーザ素子において、ＩＦＶＤ法を適用した場合、レーザ出力が１Ｗ程度以下の場合は、Ｐ、Ｎ、Ｓｂ等の添加がなくとも端面起因の劣化モードが抑制される。しかし、リッジ構造部分の幅（ストライプ幅）が１００μｍ以上で光出力が１チップでおよそ数１０Ｗ以上（ＣＷ駆動条件）となる高出力レーザ素子を作製した場合、端面以外の部位で転位ループが発生し、特性劣化が生じる。
【０１３６】
これに対して、半導体レーザ素子３０では、ＩＦＶＤ法が適用されているのに加え、活性層３３等にＰ、またはＮ、Ｓｂ等が導入されているので、光出力が数十Ｗ以上のＣＷ駆動条件においても、端面のみならずバルク内の転位ループ発生が抑制される。
【０１３７】
なお、本実施形態は、リッジ構造を用いた半導体レーザ素子の例を用いて説明を行ったが、埋め込みリッジ構造を用いた半導体レーザ素子やハイメサリッジ構造を用いた半導体レーザ素子やＳＡＳ（Self  Aligned  Structure）構造を用いた半導体レーザ素子においても本実施形態の適切な変形例を構成することは容易である。
【０１３８】
（実施例２）
実施例２は、第３実施形態を具体化した構成である。したがって、実施例２の説明では、第３実施形態と同じ図１３を参照する。また、第１実施形態の説明と重複する部分は、説明を省略する。
【０１３９】
実施例２に係る半導体レーザ素子３０は、いわゆるＧａＡｓ基板上のリッジレーザ素子である。したがって、ＧａＡｓからなる基板３１の上に、例えばｎ型ＡｌＧａＡｓからなるｎ型半導体層３２、活性層３３、例えばｐ型ＡｌＧａＡｓからなるｐ型半導体層３４が積層され、ｐ型半導体層３４の上部は、出射方向に長手方向を有するリッジ構造となっている。
【０１４０】
活性層３３は、井戸層を障壁層で挟んで積層したＳＱＷ（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）構造を有している。例えば、共振器幅を１００μｍ、共振器長を４ｍｍとして半導体レーザ素子３０を作成した場合、駆動（定格）電流を１２Ａとしたときに１チップで１２Ｗ程度の光出力が可能となる。
【０１４１】
井戸層および障壁層の厚さは、それぞれ１０ｎｍおよび３０ｎｍとし、発振波長が９１０ｎｍとなるように井戸層および障壁層の組成を調整しながら、Ｐを活性層に添加する。
【０１４２】
ここで、異なるＰの濃度の場合の活性層３３の組成を例示する。Ｐを添加しない例では、井戸層をＩｎ０．０７５Ｇａ０．９２５Ａｓとし、障壁層をＡｌ０．３２Ｇａ０．６８Ａｓとすることで９１０ｎｍの発振波長が実現できる。また、濃度３％でＰが添加された活性層の例では、井戸層をＩｎ０．１Ｇａ０．９Ａｓ０．９７Ｐ０．０３とし、障壁層はＡｌ０．３１Ｇａ０．６９Ａｓ０．９７Ｐ０．０３とすることで９１０ｎｍの発振波長が実現できる。このように、III族組成を調整し、波長が一定になるように添加されたＰの濃度を０．０２〜１０％の範囲で変化させる。
【０１４３】
以上のように添加されたＰの濃度を０．０２〜１０％の範囲で変化させた半導体レーザ素子にて、初期特性の評価を行う。ここで、初期特性は、室温（２５℃）でのスロープ効率の最大値で評価している。
【０１４４】
添加されたＰの濃度が３％以下の半導体レーザ素子の場合、Ｐを添加しない場合を含めて、いずれの半導体レーザ素子においても、スロープ効率が１．０１〜１．０２Ｗ／Ａの範囲であり、良好な初期特性が得られる。一方、活性層中のＰの濃度が５％の半導体レーザ素子の場合、スロープ効率は約１Ｗ／Ａまで低下する。添加されたＰの濃度が１０％の半導体レーザ素子の場合、スロープ効率は０．９Ｗ／Ａ以下に低下する。
【０１４５】
したがって、初期特性が劣化しないという観点からは、活性層に添加されたＰの濃度が３％以下となるように半導体レーザ素子を構成することが望ましい。
【０１４６】
さらに、半導体レーザ素子の定格電流以上である２０Ａを通電した場合（環境温度２５℃）、活性層にＰを添加しない半導体レーザ素子の１０％が破壊される。一方、活性層にＰを濃度０．０２％で添加する半導体レーザ素子の８％程度が破壊される。活性層にＰを濃度０．１％で添加する半導体レーザ素子の５％程度が破壊される。なお、半導体レーザ素子の破壊はレーザ端面から生じている。
【０１４７】
この結果は、Ｐを活性層に添加することでＡｓ格子間原子の分散性が向上し、定格値以上の電流を流した際に端面近傍に発生した転位の進展が妨げられたことによる。
【０１４８】
また、環境温度が２５℃の状態で、１２Ａの一定電流を通電しながら、半導体レーザ素子の光出力をモニタしたところ、Ｐを活性層に添加しない半導体レーザ素子では１０００時間を越えたところで光出力の低下が見られる。一方、濃度０．０２％でＰを活性層に添加した半導体レーザ素子では、２０００時間を越えるまで光出力の低下が見られない。一方、濃度０．１％以上でＰを活性層に添加した半導体レーザ素子では、２０００時間を越えても光出力の低下は見られない。
【０１４９】
この結果は、半導体レーザ素子の活性層にＰを添加することで、Ａｓ格子間原子の分散性が向上し、活性層内や端面近傍に転位ループが形成されないという効果が得られることを意味している。
【０１５０】
（実施例３）
実施例３は、実施例２の構成において、活性層の組成を変更したものである。したがって、ここでは活性層の組成のみ説明し、その他の構成要素に関しては説明を省略する。
【０１５１】
実施例３における活性層は、井戸層にＡｌを含み障壁層にＩｎを含む。濃度３％でＰを添加した活性層の例では、井戸層をＡｌ０．０５Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８Ａｓ０．９７Ｐ０．０３とし、障壁層をＡｌ０．３５Ｉｎ０．０５Ｇａ０．６Ａｓ０．９７Ｐ０．０３とすることで、９１０ｎｍの発振波長が実現される。同様に、III族組成を調整し、波長が一定になるように添加されたＰの濃度を０．０２〜１０％の範囲で変化させる。
【０１５２】
実施例３でも同様に、室温（２５℃）での初期特性の評価を行う。添加されたＰの濃度が３％以下の半導体レーザ素子の場合、Ｐを添加しない場合を含めて、いずれの半導体レーザ素子においても、スロープ効率が１．０１〜１．０２Ｗ／Ａの範囲であり、良好な初期特性が得られる。つまり、２５℃における初期特性の値は、実施例２と実施例３との間に有意な差は見られない。
【０１５３】
一方、５０℃における初期特性の値は、実施例２より実施例３の半導体レーザ素子の方が優れる。すなわち、実施例３の方が実施例２の半導体レーザ素子よりも、スロープ効率が５％程度改善される。これは、実施例２と実施例３とでは、井戸層と障壁層のバンドギャップは同一に設計されているが、両者のIII族組成の差によって、電子親和力に差が生じたからと考えられる。なお、その差は井戸層で１５ｍｅＶ、障壁層で１９ｍｅＶである。結果、実施例３では、温度が高い状態での井戸層からのキャリアの漏れが抑制され、スロープ効率が改善されたものと考えられる。
【０１５４】
なお、実施例２および実施例３では、発振波長が９１０ｎｍの半導体レーザ素子の例を示したが、発振波長を変える場合は、III族元素の組成を適宜変更すれば良い。例えば、発振波長が９７５ｎｍの半導体レーザ素子を構成する際は、活性層の井戸層をＡｌ０．０５Ｉｎ０．２５Ｇａ０．７Ａｓ０．９７Ｐ０．０３とし、障壁層をＡｌ０．３５Ｉｎ０．０５Ｇａ０．６Ａｓ０．９７Ｐ０．０３とすれば良い。
【０１５５】
（第４実施形態）
図１４は、第４実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。図１４に示される半導体装置は、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical  Cavity  Surface  Emitting  Laser）型の半導体レーザ素子である（以下、面発光レーザ素子と称す）。図１４は、この半導体レーザ素子についての出射方向に関する断面図である。
【０１５６】
図１４に示されるように、面発光レーザ素子４０では、基板４１上に積層された下部ＤＢＲミラー４９ａ、ｎ型半導体層４２、活性層４３、電流狭窄層４５、ｐ型半導体層４４、位相調整層４８、上部ＤＢＲミラー４９ｂが順次積層されている。また、図１４に示されるように、ｎ型半導体層４２の上端部、活性層４３、電流狭窄層４５、およびｐ型半導体層４４は、エッチング処理等によって柱状に成形されたメサポストとして形成されている。ｎ側電極４６は、メサポストとして形成によって露出されたｎ型半導体層４２の表面に設置され、ｐ側電極４７は、メサポストの上端であるｐ型半導体層４４の表面に、位相調整層４８を囲むようにリング状に設置されている。
【０１５７】
下部ＤＢＲミラー４９ａは、例えばＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなる複合半導体層が複数積層された半導体多層膜ミラーとして形成されている。この複合半導体層を構成する各層の厚さは、λ／４ｎ（λ：発振波長、ｎ：屈折率）とされている。一方、上部ＤＢＲミラー４９ｂは、例えばＳｉＮ／ＳｉＯ２からなる複合誘電体層が複数積層された誘電体多層膜ミラーとして形成されており、下部ＤＢＲミラー４９ａと同様に各層の厚さがλ／４ｎとされている。
【０１５８】
電流狭窄層４５は、開口部と酸化狭窄部とから構成されている。電流狭窄層４５は、例えばＡｌＡｓからなるＡｌ含有層によって形成され、Ａｌ含有層が外周部から所定範囲だけ酸化されることによって、酸化狭窄部が形成される。酸化狭窄部は、絶縁性を有し、ｐ側電極４７から注入される電流を狭窄して開口部内に集中させることで、活性層４３内の電流密度を高めている。
【０１５９】
活性層４３は、井戸層と障壁層とを備える多重量子井戸構造を有し、ｐ側電極４７から注入されて電流狭窄層４５によって狭窄された電流をもとに放出光を発する。この放出光は、共振器としての下部ＤＢＲミラー４９ａと上部ＤＢＲミラー４９ｂとの間で活性層４３を含む各層に対して垂直方向に共振されて増幅された後、上部ＤＢＲミラー４９ｂの上面からレーザ光として射出される。なお、ｐ型半導体層４４と上部ＤＢＲミラー４９ｂとの間に設けられた位相調整層４８は、共振器に形成されるレーザ光の定在波の腹と節の位置を調整するためのものである。
【０１６０】
活性層４３の井戸層は、ＩｎＧａＡｓにＰを導入したＩｎＧａＡｓ０．９９Ｐ０．０１からなる層である。一方、活性層４３の障壁層は、ＡｌＧａＡｓからなり、井戸層にキャリアを閉じ込める障壁の機能を担う層である。なお、上記例に限らず、活性層４３は、Ａｓを主成分とする他のＩＩＩ−Ｖ族半導体により形成してもよい。また、第１実施形態と同様に、本実施形態でも、活性層４３の構成は多重井戸構造に限定されず、活性層全体にＰを導入することができ、導入する不純物もＰに限らない。
【０１６１】
さらに、活性層４３はｎ型の導電性を有することが好ましい。したがって、活性層４３にはｎ型ドーパントを導入することが好ましい。例えば、ｎ型ドーパントとして、Ｓｅ、Ｓ、またはＳｉである。なお、活性層４３のｎ型ドーパントの濃度は、他のｎ型半導体層におけるｎ型ドーパントの濃度よりも低いことが好ましい。例えば、活性層４３のｎ型ドーパントの濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましく、１×１０１５ｃｍ−３以上のとき、転位ループの発生抑制の効果が顕著となる。１×１０１８ｃｍ−３より大きい濃度では半導体中のＧａ空孔やＡｓ空孔の濃度が高くなるため、隣接する＜１１０＞ダンベルの結合エネルギーが減少し、Ａｓ格子間原子の拡散抑制効果が低下するからである。また、１×１０１５ｃｍ−３以上では空孔や残留不純物の補償効果を打ち消すに十分な量であるからである。
【０１６２】
（第５実施形態）
図１５は、第５実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。図１５に示される半導体装置は、ヘテロ接合トランジスタ（ＨＦＥＴ）である。図１５は、このヘテロ接合トランジスタの各電極を横断する断面図である。
【０１６３】
図１５に示されるように、ヘテロ接合トランジスタ５０は、半絶縁性ＧａＡｓからなる基板５１と、基板５１上に形成された格子不整合を緩和するためのアンドープＧａＡｓで構成された厚さ１μｍのバッファ層５２と、アンドープＧａＡｓ０．９９Ｐ０．０１からなる厚さ１００ｎｍの電子走行層５３と、ｎ型不純物であるＳｉがドーピングされたＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓで構成された電子供給層５４と厚さ１００ｎｍのｎ＋型ＧａＡｓで構成されたコンタクト層５５とが順次積層されて構成される。なお、電子走行層５３は、上記のようにＰが導入されているが、Ｐの他、Ｓｂ、ＮやＩｎの導入によっても同様の効果が得られる。また、ＩｎとＰを同時にドープしても良い。
【０１６４】
コンタクト層５５上には、ソース電極５６及びドレイン電極５７が形成されている。また、ソース電極５６とドレイン電極５７との間の領域において、コンタクト層５５は電子供給層５４表面が露出する深さまでエッチングされており、ゲート電極５８が形成されている。上記構成により、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ０．９９Ｐ０．０１界面には２次元電子ガスが存在するので、高い移動度を有するトランジスタが得られる。
【０１６５】
なお、上記構成のヘテロ接合トランジスタ５０の製造方法の概略は以下のとおりである。
【０１６６】
まず、基板５１上に、ＭＯＣＶＤ法またはＭＢＥ法等を用いてバッファ層５２、電子走行層５３、電子供給層５４、コンタクト層５５を順次エピタキシャル成長させてエピタキシャル層を形成する。
【０１６７】
次に、フォトレジストによりパターンを形成して所定の位置を保護し、エピタキシャル層に対して例えばリン酸、過酸化水素水及び水の混合液を用いたウェットエッチングを行い、コンタクト層５５を除去して電子供給層５４表面を露出させ、ゲート電極形成部を形成する。
【０１６８】
次に、フォトレジストを除去した後、新たなフォトレジストによりパターンを形成し、Ｎｉ／ＡｕＧｅ合金からなるオーミック金属を蒸着し、リフトオフすることによりソース電極５６及びドレイン電極５７を形成する。また、同様のフォトリソグラフィー工程により、電子供給層５４表面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるゲート電極５８を形成する。以上で、上記構成のヘテロ接合トランジスタ５０が製造される。
【０１６９】
上記構成のヘテロ接合トランジスタ５０は、従来構造のヘテロ接合トランジスタに比べて、長期信頼性に優れている。具体的には、オン抵抗の経時的な増加が抑制され、素子寿命が延びる。これは、ヘテロ接合トランジスタ５０では、電子走行層５３にＰが導入されているからである。ヘテロ接合トランジスタ５０の通電時に発生する熱や、遮断時のゲート・ドレイン間の電界集中によってＡｓ格子間原子の拡散しやすい状態となるが、電子走行層５３にＰが導入されているので、Ａｓ格子間原子の拡散が抑制され、Ａｓクラスタが形成されず、結果として転位ループの発生が抑制されている。
【０１７０】
なお、電子走行層５３のＧａＡｓＰのＰ組成は０．０１〜５％の範囲とするのが良い。素子に印加される電界ストレスが高く特性変動が生じ始めるときに発生しているＡｓ格子間原子の濃度は１×１０１９ｃｍ−３程度であるから、この濃度のＡｓ格子間原子よりもＰ濃度が高い状態（例えば０．０１％以上）であれば、＜１１０＞ダンベル形成の確率が高くなる。
【０１７１】
（第６実施形態）
図１６は、第６実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。図１６に示される半導体装置は、ヘテロ接合トランジスタ（ＨＦＥＴ）であり、第５実施形態の変形例となっている。図１６は、このヘテロ接合トランジスタの各電極を横断する断面図である。なお、本実施形態は第５実施形態の変形例であるので、以下では、第５実施形態とは異なる点のみ説明する。
【０１７２】
図１６に示されるように、ヘテロ接合トランジスタ６０は、半絶縁性ＧａＡｓからなる基板６１と、基板６１上に形成された格子不整合を緩和するためのアンドープＧａＡｓで構成された厚さ１μｍのバッファ層６２と、アンドープＧａＡｓ０．９９Ｐ０．０１からなる厚さ１００ｎｍの電子走行層６３と、ｎ型不純物イオンであるＳｉがドーピングされたＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓで構成された電気供給層６４と厚さ１００ｎｍのｎ＋型ＧａＡｓで構成されたコンタクト層６５とが順次積層されて構成される。
【０１７３】
さらに、図１６に示されるように、電子走行層６３の一部にｎ―型の導電性を持つＧａＡｓ０．９９Ｐ０．０１からなる部分ｎ型層６９が形成されている。部分ｎ型層６９は、例えば、エピタキシャル層の厚さ（縦）方向には、電子走行層６３の中間部に、例えば、厚さ３０ｎｍで形成すればよい。また、横方向には、電界集中が生じ易くＡｓ格子間原子の濃度が高くなるゲート・ドレイン間の下部に形成すれば良い。部分ｎ型層６９は選択成長やイオン注入法で形成すれば良い。
【０１７４】
さらに、部分ｎ型層６９のｎ型ドーパントの濃度は、他のｎ型半導体層におけるｎ型ドーパントの濃度よりも低いことが好ましい。例えば、部分ｎ型層６９のｎ型ドーパントの濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましく、１×１０１５ｃｍ−３以上のとき効果が顕著である。１×１０１８ｃｍ−３より大きい濃度では半導体中のＧａ空孔やＡｓ空孔の濃度が高くなるため、隣接する＜１１０＞ダンベルの結合エネルギーが減少し、Ａｓ格子間原子の拡散抑制効果が低下するからである。また、１×１０１５ｃｍ−３以上では空孔や残留不純物の補償効果を打ち消すに十分な量であるからである。
【０１７５】
上記のような位置に部分ｎ型層６９を設けたヘテロ接合トランジスタ６０は、Ａｓ格子間原子の発生位置近傍でのＡｓ格子間原子の拡散障壁が高くなるため、拡散に起因した特性変動を抑制することができる。
【０１７６】
（第７実施形態）
図１７は、第７実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。図１７に示される半導体装置は、放射線検出用のＰＩＮダイオードである。図１７は、このＰＩＮダイオードの各電極を横断する断面図である。
【０１７７】
図１７に示されるように、ＰＩＮダイオード７０は、基板７１と、基板７１上に形成されたバッファ層７２と、バッファ層７２上に形成されたi型（Intrinsic）層７３と、i型層７３内に形成されたｐ型層７４およびｎ型層７５と、p型層７４上に形成されたアノード電極７６と、ｎ型層７５上に形成されたカソード電極７７とを備える。
【０１７８】
基板７１は、半絶縁性ＧａＡｓからなる。バッファ層７２は、厚さ１μｍのアンドープＧａＡｓからなり、格子不整合を緩和するための層である。i型層７３は、ＧａＡｓにＰを導入した厚さ１μｍのＧａＡｓ０．９９Ｐ０．０１からなるｉ型の半導体層である。
【０１７９】
ｐ型層７４およびｎ型層７５は、ＧａＡｓに対して例えばイオン注入や、選択成長、あるいは熱拡散を施して形成した、それぞれｐ型およびｎ型の半導体層である。アノード電極７６はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕとし、カソード電極７７はＮｉ／Ａｕとすることがきる。アノード電極とカソード電極の間隔は、例えば１０μｍである。
【０１８０】
ＰＩＮダイオード７０では、アノード電極７６とカソード電極７７に逆方向電圧を印加するとｉ型層７３内に空乏層が拡がる。この空乏層に放射線が入射されると放射線の経路に沿って、電子・正孔対が形成される。ＰＩＮダイオード７０を用いれば、このときに発生するパルス電流を検出することで放射線を検出することができる。
【０１８１】
放射線の検出感度は原子番号の５乗および密度に比例するため、ＧａＡｓでＰＩＮダイオードを形成することでＳｉのＰＩＮダイオードよりも１００倍以上の感度が実現し、感度はＧｅ検出器に匹敵する。さらに、ＧａＡｓのバンドギャップはＳｉよりも大きいため、室温で安定的に動作し、液体窒素を使用しなければならないＧｅ検出器に対するメリットとなる。また、ＧａＡｓの室温における移動度は約８０００ｃｍ２／Ｖｓであり、Ｓｉよりも５倍の応答速度を期待できる。
【０１８２】
従来のＧａＡｓをｉ型層に用いたＰＩＮダイオードでは、ＧａＡｓの絶縁破壊電界である０．４ＭＶ／ｃｍの１／１０以上の高電界を印加し空乏層を拡げるため、Ａｓ格子間原子が形成され易く、その結果、転位ループが発生し、素子を破壊する場合があるという問題があった。しかしながら、本実施形態のＰＩＮダイオードでは、アンドープ層となるｉ型層にＰが導入されているため、＜１１０＞ダンベルが形成され易くなり、Ａｓ格子間原子の拡散が抑制される。このため、従来のＰＩＮダイオードと同じ動作条件であっても素子寿命が延びるという効果が得られる。また、より線量率の高い放射線を照射しても安定的に動作する。Ｐの他、Ｓｂ、ＮやＩｎの導入によっても同様の効果が得られる。
【０１８３】
なお、本実施形態のｉ型層７３は、ＧａＡｓにＰを導入しているものの、ＰがＶ族元素であるので電導性に影響がない。換言すると、本実施形態のｉ型層７３は、意図的にｐ型ドーパントを添加したものではない。よって、ｉ型層７３は、図７におけるフェルミエネルギーが約０．５ｅＶの領域に相当し、Ａｓ格子間原子は単独で存在するよりも＜１１０＞ダンベルを形成する状態が実現されている。
【０１８４】
なお、ｉ型層７３における、Ｖ族元素におけるＰ元素の濃度は０．１〜５％であることが望ましい。０．１％以上であれば＜１１０＞ダンベルの形成効果が高く、５％以下では放射線検出感度の低下や移動度の減少の影響が少ないからである。
【０１８５】
（第８実施形態）
図１８は、第８実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。図１８に示される半導体装置は、放射線検出用の縦型ＰＩＮダイオードである。図１８は、この縦型ＰＩＮダイオードの各電極を横断する断面図である。
【０１８６】
図１８に示されるように、縦型ＰＩＮダイオード８０は、基板８１と、基板８１上に形成されたバッファ層８２と、バッファ層８２上に形成されたｉ型層８３と、ｉ型層８３内に形成されたｐ型層８４と、p型層８４上に形成されたアノード電極８５と、基板８１の裏面に形成されたカソード電極８６とを備える。
【０１８７】
基板８１は、ｎ型の導電性を持つＧａＡｓからなる。バッファ層８２は、ｎ型の導電性を持つ厚さ１μｍのＧａＡｓからなり、格子不整合を緩和するための層である。ｉ型層８３は、ＧａＡｓにＰを導入した厚さ１００μｍのＧａＡｓ０．９９Ｐ０．００５からなるｉ型の半導体層である。ｉ−ＧａＡｓＰ層８３内に形成されたｐ−ＧａＡｓ層８４からなる。ｐ−ＧａＡｓ層８４上にはアノード電極８５、基板８１の裏面にはカソード電極８６が形成されている。
【０１８８】
ｐ型層８４は、ＧａＡｓに対して例えばイオン注入や、選択成長、あるいは熱拡散を施して形成した、ｐ型の半導体層である。アノード電極８５はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕとし、カソード電極８６はＮｉ／Ａｕとすることができる。
【０１８９】
また、本実施形態では、アンドープ層であるｉ型層８３に一様にＰを導入し、組成の割合を０．００５としたが、図１９に示すようにＰ原子をデジタル的に導入しても良い。図１９は、ｉ型層の成長方向（厚さ方向）とその位置でのＰ濃度を示している。Ｐ濃度が０％の箇所はＧａＡｓに相当する。図１９に示される例では、組成が０．０５のＧａＡｓＰ層とＧａＡｓ層を、それぞれ１０ｎｍと９０ｎｍの厚さで交互に繰返してアンドープ層を形成している。
【０１９０】
デジタル的にＧａＡｓＰ層を形成することによって局所的にＰ濃度の高い領域を形成することが可能となる。Ｐ濃度の高い領域では、＜１１０＞ダンベルは複数のＰ原子が存在する位置に形成されるようになり、形成エネルギーは低下し結合エネルギーは増大する。このため、Ａｓ格子間原子の拡散を抑制する効果が増強される。また、デジタル的にＧａＡｓＰ層を形成する場合は、一様濃度のＧａＡｓＰ層を積層するよりも、ミスフィット転位やクラックの発生を抑制することが可能であり、エピタキシャル膜の結晶品質が向上する。
【０１９１】
本実施形態の縦型ＰＩＮダイオード８０は、第７実施形態のＰＩＮダイオード７０と比較して空乏層の厚さを１０倍にできるので、放射線の感度を約１０倍に増加できる。また、カソード電極８６が基板８１の裏面にあるため、素子面積を小さくすることが可能であり、２次元検出器などの集積が容易となるメリットがある。同時に、本実施形態の縦型ＰＩＮダイオード８０は、ｉ型層にＰが導入されているため、＜１１０＞ダンベルが形成されやすく、Ａｓ格子間原子の拡散を抑制する。このため、本実施形態の縦型ＰＩＮダイオード８０は、従来のＰＩＮダイオードよりも長期信頼性に優れたものとなる。
【０１９２】
以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。たとえば、上述の実施形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いても良い。
【産業上の利用可能性】
【０１９３】
以上のように、本発明に係る半導体装置は、特性の変動の少ない半導体装置として有用である。
【符号の説明】
【０１９４】
１１，２１，３１，４１，５１，６１，７１，８１  基板
１２，１５，２２，３２，４２  ｎ型半導体層
１３，２３，３３，４３  活性層
１４，２４，３４，４４  ｐ型半導体層
１６，２６，３６，４６  ｎ側電極
１７，２７，３７，４７  ｐ側電極
２５  埋め込み層
４０  面発光レーザ素子
４５  電流狭窄層
４８  位相調整層
５０，６０  ヘテロ接合トランジスタ
５２，６２，７２，８２  バッファ層
５３，６３  電子走行層
５４  電子供給層
５５，６５  コンタクト層
５６  ソース電極
５７  ドレイン電極
５８  ゲート電極
６４  電気供給層
６９  部分ｎ型層
７０  ＰＩＮダイオード
７３，８３  ｉ型層
７４，８４  ｐ型層
７５  ｎ型層
７６，８５  アノード電極
７７，８６  カソード電極
８０  縦型ＰＩＮダイオード
【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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【図１９】
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【国際調査報告】
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