(57)【要約】【課題】  基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層が設けられている半導体発光素子において、発光特性を著しく改善する。【解決手段】  基板（２０１）と窒素を含む活性層（２０４）との間にＡｌを含む半導体層（２０２）が設けられている半導体発光素子において、窒素を含む活性層（２０４）の酸素濃度が、半導体発光素子が室温連続発振可能となる濃度（例えば１×１０１８ｃｍ−３以下）であることを特徴としている。これによって、活性層（２０４）の発光効率を改善することができ、室温連続発振する半導体発光素子を形成することが可能となる。【選択図】      図２
2008034889.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層が設けられている半導体発光素子において、窒素を含む活性層は、窒素化合物原料を用いて成長され、Ａｌを含む半導体層は、有機金属Ａｌ原料を用いて成長されており、窒素を含む活性層における非発光再結合準位形成不純物の濃度は、半導体発光素子が室温連続発振可能となる濃度であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
請求項１記載の半導体発光素子において、Ａｌを含む半導体層と窒素を含む活性層との間に中間層が設けられており、窒素を含む活性層における非発光再結合準位形成不純物の濃度は、中間層の非発光再結合準位形成不純物の濃度と同じか、またはそれ以下であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層が設けられている半導体発光素子において、窒素を含む活性層は、窒素化合物原料を用いて成長され、Ａｌを含む半導体層は、有機金属Ａｌ原料を用いて成長されており、窒素を含む活性層の酸素濃度は、半導体発光素子が室温連続発振可能となる濃度であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項４】
請求項３記載の半導体発光素子において、Ａｌを含む半導体層と窒素を含む活性層との間に中間層が設けられており、窒素を含む活性層の酸素濃度は、中間層の酸素濃度と同じか、またはそれ以下であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項５】
基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層が設けられている半導体発光素子において、窒素を含む活性層は、窒素化合物原料を用いて成長され、Ａｌを含む半導体層は、有機金属Ａｌ原料を用いて成長されており、窒素を含む活性層における酸素濃度は、１．５×１０１８ｃｍ−３未満であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項６】
請求項５記載の半導体発光素子において、Ａｌを含む半導体層と窒素を含む活性層との間に中間層が設けられており、窒素を含む活性層における酸素濃度は、３×１０１７ｃｍ−３以下であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項７】
基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層が設けられている半導体発光素子において、窒素を含む活性層は、窒素化合物原料を用いて成長され、Ａｌを含む半導体層は、有機金属Ａｌ原料を用いて成長されており、窒素を含む活性層のＡｌ濃度は、半導体発光素子が室温連続発振可能となる濃度であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項８】
請求項７記載の半導体発光素子において、Ａｌを含む半導体層と窒素を含む活性層との間に中間層が設けられており、窒素を含む活性層のＡｌ濃度は、中間層のＡｌ濃度と同じか、またはそれ以下であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項９】
基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層が設けられている半導体発光素子において、窒素を含む活性層は、窒素化合物原料を用いて成長され、Ａｌを含む半導体層は、有機金属Ａｌ原料を用いて成長されており、窒素を含む活性層のＡｌ濃度は２×１０１９ｃｍ−３未満であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１０】
請求項９記載の半導体発光素子において、Ａｌを含む半導体層と窒素を含む活性層との間に中間層が設けられており、窒素を含む活性層のＡｌ濃度は、１．５×１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、基板と窒素を含む活性層との間に、Ａｌを含む半導体層で一部または全部が構成された半導体分布ブラッグ反射鏡が設けられており、光を基板と垂直方向に取り出す面発光型の構造のものとなっていることを特徴とする半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１では、ＧａＩｎＮＡｓ活性層とＡｌを含む層を直接接して成長すると、界面に窒素が偏析して表面モフォロジーが劣化し、発光強度が著しく低下してしまう。それを改善する方法として、ＧａＩｎＮＡｓ層に直接接する層にはＡｌを含まないようにする構造が提案されている。
【０００３】
特許文献２では、ＧａＩｎＮＰ活性層とＡｌＧａＩｎＰクラッド層との間に、ＡｌとＮを構成元素として含まない中間層を設けることにより、結晶性、発光効率を改善している。
【０００４】
しかし、中間層を設けた場合でも、Ａｌを含む半導体層上に形成したＧａＩｎＮＡｓ活性層の発光効率の低下が報告されている。すなわち、非特許文献１には、同じＭＯＣＶＤ成長室でＡｌＧａＡｓクラッド層上に連続的にＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層を成長すると、フォトルミネッセンス強度が著しく劣化することが報告されている。上記文献においては、フォトルミネッセンス強度を改善するために、ＡｌＧａＡｓクラッド層とＧａＩｎＮＡｓ活性層を異なるＭＯＣＶＤ成長室で成長させている。
【特許文献１】特開平１０−１２６００４号公報
【特許文献２】特開２０００−４０６８号公報
【非特許文献１】Electoron.Lett., 2000, 36 (21),pp1776-1777
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１は、本願の発明者によるＭＯＣＶＤ装置で作製したＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層とＧａＡｓバリア層とからなるＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造の室温フォトルミネッセンススペクトルを示す図である。なお、図１において、符号ＡはＡｌＧａＡｓクラッド層上にＧａＡｓ中間層をはさんで２重量子井戸構造を形成した試料を示すものであり、符号ＢはＧａＩｎＰクラッド層上にＧａＡｓ中間層をはさんで２重量子井戸構造を連続的に形成した試料を示すものである。
【０００６】
図１に示すように、試料Ａでは試料Ｂに比べてフォトルミネッセンス強度が半分以下に低下している。このことから、１台のＭＯＣＶＤ装置を用いて、ＡｌＧａＡｓ等のＡｌを構成元素として含む半導体層上に、ＧａＩｎＮＡｓ等の窒素を含む活性層を連続的に形成すると、従来例と同様に、活性層の発光強度が劣化してしまうという問題が生じることがわかる。このため、ＡｌＧａＡｓクラッド層上に形成したＧａＩｎＮＡｓ系レーザの閾電流密度は、ＧａＩｎＰクラッド層上に形成した場合に比べて２倍以上高くなってしまうという問題がある。
【０００７】
本発明は、基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層が設けられている半導体発光素子において、発光特性を著しく改善することの可能な半導体発光素子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】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層が設けられている半導体発光素子において、窒素を含む活性層は、窒素化合物原料を用いて成長され、Ａｌを含む半導体層は、有機金属Ａｌ原料を用いて成長されており、窒素を含む活性層における非発光再結合準位形成不純物の濃度は、半導体発光素子が室温連続発振可能となる濃度であることを特徴としている。
【０００９】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の半導体発光素子において、Ａｌを含む半導体層と窒素を含む活性層との間に中間層が設けられており、窒素を含む活性層における非発光再結合準位形成不純物の濃度は、中間層の非発光再結合準位形成不純物の濃度と同じか、またはそれ以下であることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項３記載の発明は、基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層が設けられている半導体発光素子において、窒素を含む活性層は、窒素化合物原料を用いて成長され、Ａｌを含む半導体層は、有機金属Ａｌ原料を用いて成長されており、窒素を含む活性層の酸素濃度は、半導体発光素子が室温連続発振可能となる濃度であることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項４記載の発明は、請求項３記載の半導体発光素子において、Ａｌを含む半導体層と窒素を含む活性層との間に中間層が設けられており、窒素を含む活性層の酸素濃度は、中間層の酸素濃度と同じか、またはそれ以下であることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項５記載の発明は、基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層が設けられている半導体発光素子において、窒素を含む活性層は、窒素化合物原料を用いて成長され、Ａｌを含む半導体層は、有機金属Ａｌ原料を用いて成長されており、窒素を含む活性層における酸素濃度は、１．５×１０１８ｃｍ−３未満であることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項６記載の発明は、請求項５記載の半導体発光素子において、Ａｌを含む半導体層と窒素を含む活性層との間に中間層が設けられており、窒素を含む活性層における酸素濃度は、３×１０１７ｃｍ−３以下であることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項７記載の発明は、基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層が設けられている半導体発光素子において、窒素を含む活性層は、窒素化合物原料を用いて成長され、Ａｌを含む半導体層は、有機金属Ａｌ原料を用いて成長されており、窒素を含む活性層のＡｌ濃度は、半導体発光素子が室温連続発振可能となる濃度であることを特徴としている。
【００１５】
また、請求項８記載の発明は、請求項７記載の半導体発光素子において、Ａｌを含む半導体層と窒素を含む活性層との間に中間層が設けられており、窒素を含む活性層のＡｌ濃度は、中間層のＡｌ濃度と同じか、またはそれ以下であることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項９記載の発明は、基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層が設けられている半導体発光素子において、窒素を含む活性層は、窒素化合物原料を用いて成長され、Ａｌを含む半導体層は、有機金属Ａｌ原料を用いて成長されており、窒素を含む活性層のＡｌ濃度は、２×１０１９ｃｍ−３未満であることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項１０記載の発明は、請求項９記載の半導体発光素子において、Ａｌを含む半導体層と窒素を含む活性層との間に中間層が設けられており、窒素を含む活性層のＡｌ濃度は、１．５×１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項１１記載の発明は、請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、基板と窒素を含む活性層との間に、Ａｌを含む半導体層で一部または全部が構成された半導体分布ブラッグ反射鏡が設けられており、光を基板と垂直方向に取り出す面発光型の構造のものとなっていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１記載の発明によれば、基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層が設けられている半導体発光素子において、窒素を含む活性層は、窒素化合物原料を用いて成長され、Ａｌを含む半導体層は、有機金属Ａｌ原料を用いて成長されており、窒素を含む活性層における非発光再結合準位形成不純物の濃度は、半導体発光素子が室温連続発振可能となる濃度であるので、活性層の発光効率を改善することができ、室温連続発振する半導体発光素子を提供することができる。
【００２０】
また、請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の半導体発光素子において、Ａｌを含む半導体層と窒素を含む活性層との間に中間層が設けられており、窒素を含む活性層における非発光再結合準位形成不純物の濃度は、中間層の非発光再結合準位形成不純物の濃度と同じか、またはそれ以下であるので、Ａｌを構成元素として含む半導体層上に窒素を含む活性層を形成した場合でも、Ａｌを含まない半導体層上に形成した場合と同等の発光特性を得ることができる。
【００２１】
また、請求項３記載の発明によれば、基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層が設けられている半導体発光素子において、窒素を含む活性層は、窒素化合物原料を用いて成長され、Ａｌを含む半導体層は、有機金属Ａｌ原料を用いて成長されており、窒素を含む活性層の酸素濃度は、半導体発光素子が室温連続発振可能となる濃度であるので、活性層の発光効率を改善することができ、室温連続発振する半導体発光素子を提供することができる。
【００２２】
また、請求項４記載の発明によれば、請求項３記載の半導体発光素子において、Ａｌを含む半導体層と窒素を含む活性層との間に中間層が設けられており、窒素を含む活性層の酸素濃度は、中間層の酸素濃度と同じか、またはそれ以下であるので、Ａｌを構成元素として含む半導体層上に窒素を含む活性層を形成した場合でも、Ａｌを含まない半導体層上に形成した場合と同等の発光特性を得ることができる。
【００２３】
また、請求項５記載の発明によれば、基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層が設けられている半導体発光素子において、窒素を含む活性層は、窒素化合物原料を用いて成長され、Ａｌを含む半導体層は、有機金属Ａｌ原料を用いて成長されており、窒素を含む活性層における酸素濃度は、１．５×１０１８ｃｍ−３未満であるので、活性層の発光効率を改善することができ、室温連続発振する半導体発光素子を提供することができる。
【００２４】
また、請求項６記載の発明によれば、請求項５記載の半導体発光素子において、Ａｌを含む半導体層と窒素を含む活性層との間に中間層が設けられており、窒素を含む活性層における酸素濃度は、３×１０１７ｃｍ−３以下であるので、Ａｌを含まない半導体層上に形成した場合と同等のレーザ特性を得ることができる。
【００２５】
また、請求項７記載の発明によれば、基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層が設けられている半導体発光素子において、窒素を含む活性層は、窒素化合物原料を用いて成長され、Ａｌを含む半導体層は、有機金属Ａｌ原料を用いて成長されており、窒素を含む活性層のＡｌ濃度は、半導体発光素子が室温連続発振可能となる濃度であるので、活性層の発光効率を改善することができ、室温連続発振する半導体発光素子を提供することができる。
【００２６】
また、請求項８記載の発明によれば、請求項７記載の半導体発光素子において、Ａｌを含む半導体層と窒素を含む活性層との間に中間層が設けられており、窒素を含む活性層のＡｌ濃度は、中間層のＡｌ濃度と同じか、またはそれ以下であるので、Ａｌを構成元素として含む半導体層上に窒素を含む活性層を形成する場合でも、Ａｌを含まない半導体層上に形成した場合と同等の発光特性を得ることができる。
【００２７】
また、請求項９記載の発明によれば、基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層が設けられている半導体発光素子において、窒素を含む活性層は、窒素化合物原料を用いて成長され、Ａｌを含む半導体層は、有機金属Ａｌ原料を用いて成長されており、窒素を含む活性層のＡｌ濃度は、２×１０１９ｃｍ−３未満であるので、活性層の発光効率を改善することができ、室温連続発振する半導体発光素子を提供することができる。
【００２８】
また、請求項１０記載の発明によれば、請求項９記載の半導体発光素子において、Ａｌを含む半導体層と窒素を含む活性層との間に中間層が設けられており、窒素を含む活性層のＡｌ濃度は、１．５×１０１８ｃｍ−３以下であるので、Ａｌを構成元素として含む半導体層上に窒素を含む活性層を形成する場合でも、Ａｌを含まない半導体層上に形成した場合と同等のレーザ特性を得ることができる。
【００２９】
また、請求項１１記載の発明によれば、請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、基板と窒素を含む活性層との間に、Ａｌを含む半導体層で一部または全部が構成された半導体分布ブラッグ反射鏡が設けられており、光を基板と垂直方向に取り出す面発光型の構造のものとなっており、光を基板と垂直方向に取り出す面発光型の構造のものとなっている場合にも、窒素を含む活性層中のＡｌ及び酸素濃度を低減することにより、高発光効率の活性層を形成することができる。すなわち、面発光型半導体発光素子に用いられる下部半導体多層膜反射鏡の電気抵抗や熱抵抗を低減して温度特性を向上させるためには、低屈折率層としてＡｌを含む半導体層を用いる必要があるが、本発明では、Ａｌを含む半導体層上に窒素を含む活性層を形成した場合でも、窒素を含む活性層中のＡｌ及び酸素濃度を低減することにより、高発光効率の活性層を形成することができる。従って、低閾電流で、７０℃以上まで動作可能な面発光型半導体発光素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３１】
図２は、基板と窒素を含む半導体層との間にＡｌを含む半導体層が設けられている半導体発光素子の一例を示す図である。図２の半導体発光素子では、基板２０１上に、Ａｌを含む第１の半導体層２０２と、中間層２０３と、窒素を含む活性層２０４と、中間層２０３と、第２の半導体層２０５とが順次に積層されている。
【００３２】
ここで、基板２０１には、例えばＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＰ等の化合物半導体基板が用いられる。
【００３３】
また、Ａｌを構成元素として含む第１の半導体層２０２には、ＡｌＡｓ，ＡｌＰ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＡｌＩｎＡｓ，ＡｌＩｎＡｓＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓＰ等の材料を用いることができる。なお、第１の半導体層２０２は、単一層の場合だけでなく、Ａｌを構成元素として含む半導体層が複数積層されたものであってもよい。
【００３４】
また、中間層２０３は、構成元素としてＡｌを含んでおらず、例えばＧａＡｓ，ＧａＰ，ＩｎＰ，ＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＡｓＰ等の材料で構成されている。
【００３５】
また、窒素を含む活性層２０４には、例えばＧａＮＡｓ，ＧａＰＮ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＮＰ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等の材料が用いられ、窒素を含む活性層２０４は、Ａｌ原料を意図的に導入することなく結晶成長されている。また、活性層２０４は、単一層の場合だけでなく、窒素を含む半導体を井戸層とし、中間層材料を障壁層とする多重量子井戸構造で構成することも可能である。
【００３６】
図２の半導体発光素子の各層のエネルギーバンドギャップは、活性層２０４，中間層２０３，第１の半導体層２０２，第２の半導体層２０５という順に大きくなっている。なお、第２の半導体層２０５は、第１の半導体層２０２と同じ材料で構成されることが一般的であるが、必ずしも同じ材料である必要はなく、また、Ａｌを含まない材料で構成することも可能である。
【００３７】
図２の半導体発光素子は、有機金属Ａｌ原料と窒素化合物原料を用いたエピタキシャル成長装置を用いて、結晶成長を行なうことができる。ここで、有機金属Ａｌ原料としては、例えばＴＭＡ，ＴＥＡを用いることができる。また、窒素化合物原料としては、ＤＭＨｙ，ＭＭＨｙ等の有機窒素原料やＮＨ３を用いることができる。また、結晶成長方法としては、ＭＯＣＶＤ法あるいはＣＢＥ法を用いることができる。
【００３８】
図３は、図２の半導体発光素子の一例として、第１の半導体層２０２，第２の半導体層２０５をＡｌＧａＡｓとし、中間層２０３をＧａＡｓとし、窒素を含む活性層２０４をＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造として構成した半導体発光素子を、１台のエピタキシャル成長装置（ＭＯＣＶＤ）を用いて形成したときの、窒素（Ｎ）濃度と酸素（Ｏ）濃度の深さ方向分布を示す図である。なお、この測定はＳＩＭＳによって行った。次表（表１）に測定条件を示す。
【００３９】
【表１】
2008034889.tif 000003
【００４０】
図３において、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造に対応して、活性層２０４中に２つの窒素濃度ピークが見られる。そして、活性層２０４において、酸素濃度のピークが検出されている。しかし、Ａｌを含まない中間層２０３における酸素濃度は、活性層２０４の酸素濃度よりも約１桁低い濃度となっている。
【００４１】
一方、第１の半導体層２０２，第２の半導体層２０５をＧａＩｎＰとし、中間層２０３をＧａＡｓとし、窒素を含む活性層２０４をＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造として構成した半導体発光素子について、酸素濃度の深さ方向分布を測定した場合には、活性層２０４中の酸素濃度はバックグラウンドレベルであった。
【００４２】
すなわち、窒素化合物原料と有機金属Ａｌ原料を用いて、１台のエピタキシャル成長装置により、基板（２０１）と窒素を含む活性層（２０４）との間にＡｌを含む半導体層（２０２）を設けた半導体発光素子を連続的に結晶成長すると、窒素を含む活性層（２０４）中に酸素が取り込まれることが本願の発明者の実験により明らかとなった。活性層（２０４）に取り込まれた酸素は非発光再結合準位を形成するため、活性層（２０４）の発光効率を低下させてしまう。この活性層（２０４）に取り込まれた酸素が、基板（２０１）と窒素を含む活性層（２０４）との間にＡｌを含む半導体層（２０２）を設けた半導体発光素子における発光効率を低下させる原因であることが新たに判明した。
【００４３】
なお、ＭＢＥ法のように、有機金属Ａｌ原料と窒素化合物原料を用いない結晶成長方法で作製した場合には、基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層を設けた半導体発光素子における発光効率低下については報告されていない。このことから、基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層を設けた半導体発光素子における発光効率低下は、有機金属Ａｌ原料と窒素化合物原料を用いるＭＯＣＶＤ法により結晶成長する場合に、特に大きな問題となっている。
【００４４】
本発明は、本願の発明者による上記のような知見に基づいて、なされたものである。
【００４５】
第１の実施形態
本発明の第１の実施形態は、基板（２０１）と窒素を含む活性層（２０４）との間にＡｌを含む半導体層（２０２）が設けられている半導体発光素子において、窒素を含む活性層（２０４）の酸素濃度が、半導体発光素子が室温連続発振可能となる濃度であることを特徴としている。これによって、活性層（２０４）の発光効率を改善することができ、室温連続発振する半導体発光素子を形成することが可能となる。
【００４６】
次表（表２）には、ＡｌＧａＡｓをクラッド層（Ａｌを含む層）とし、ＧａＩｎＮＡｓ２重量子井戸構造（窒素を含む層）を活性層としたブロードストライプレーザを試作して室温パルス動作で閾電流密度を評価した結果が示されている。
【００４７】
【表２】
2008034889.tif 000004
【００４８】
表２から、Ａｌを構成元素として含む半導体層に、窒素を含む活性層を連続的に形成した構造においては、活性層中に１．５×１０１８ｃｍ−３の酸素が取りこまれているため、閾電流密度は著しく高くなっており、１０ｋＡ／ｃｍ２まで電流を注入してもレーザ発振しなかった。これに対し、活性層中の酸素濃度を１．５×１０１８ｃｍ−３未満に低減することで、レーザ発振が可能となった。例えば、活性層中の酸素濃度を９×１０１７ｃｍ−３に低減すると、閾電流密度は２〜３ｋＡ／ｃｍ２となった。ブロードストライプレーザの閾電流密度が３ｋＡ／ｃｍ２以下の活性層品質であれば、室温連続発振が可能となる。従って、窒素を含む活性層中の酸素濃度を１．５×１０１８ｃｍ−３未満に抑制することにより、室温連続発振可能な半導体レーザを作製することが可能となる。
【００４９】
第２の実施形態
また、本発明の第２の実施形態は、第１の実施形態の半導体発光素子において、Ａｌを含む半導体層（２０２）と窒素を含む活性層（２０４）との間に中間層（２０３）が設けられており、窒素を含む活性層（２０４）の酸素濃度が、中間層（２０３）の酸素濃度と同じか、またはそれ以下であることを特徴としている。
【００５０】
ここで、中間層（２０３）は、構成元素としてＡｌを含まない材料から構成されており、Ａｌを含む半導体層（２０２）と窒素を含む活性層（２０４）とが直接接することがないようようにしている。これにより、窒素を含む活性層（２０４）を成長するため成長室に窒素原料を供給するときに、窒素との化学結合が強いＡｌが表面に露出していないため、表面に窒素が異常偏析することを抑制している。
【００５１】
ＭＯＣＶＤ法により、窒素を含まない活性層（例えば、ＧａＡｓやＧａＩｎＡｓ活性層）を、Ａｌを含む半導体層上に形成した場合には、活性層の発光特性の劣化は報告されておらず、問題になっていない。従って、窒素を含まない中間層と同じ程度まで、窒素を含む活性層の酸素濃度を低減してやると、酸素に起因する劣化のない高品質の活性層が得られるようになる。
【００５２】
図３に示した酸素濃度の深さ方向分布の測定結果より、中間層２０３における酸素濃度は２×１０１７〜７×１０１６ｃｍ−３となっている。従って、窒素を含む活性層（２０４）の酸素濃度を少なくとも２×１０１７ｃｍ−３以下に低減することで、高品質の活性層（２０４）を得ることができる。
【００５３】
図４は、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造の室温フォトルミネッセンススペクトルを示す図である。なお、図４において、実線は、第１の半導体層２０２がＡｌＧａＡｓ層であり、ＡｌＧａＡｓ層上に中間層を介してＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造を形成して、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の酸素濃度を２×１０１７ｃｍ−３以下に設定した場合であり、点線は、第１の半導体層２０２がＧａＩｎＰ層であり、ＧａＩｎＰ層上にＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造を形成した場合である。
【００５４】
図４に示すように、窒素を含む活性層の酸素濃度を２×１０１７ｃｍ−３以下まで低減することにより、Ａｌを構成元素として含む半導体層（２０２）上に窒素を含む活性層を形成した場合でも、ＧａＩｎＰ層上に窒素を含む活性層を形成した場合と同等のフォトルミネッセンス強度が得られるようになった。従って、Ａｌを構成元素として含む半導体層上に高発光効率の窒素を含む活性層を形成することができた。
【００５５】
また、表２に示したように、活性層中の酸素濃度を３×１０１７ｃｍ−３以下に低減すると、ブロードストライプレーザにおいて、ＡｌＧａＡｓクラッド層を用いた場合でもＧａＩｎＰクラッド層を用いた場合と同等の閾電流密度０．８ｋＡ／ｃｍ２が得られた。
【００５６】
従って、窒素を含む活性層の酸素濃度を３×１０１７ｃｍ−３以下にすることにより、Ａｌを構成元素として含む半導体層上に窒素を含む活性層を形成した場合でも、Ａｌを含まない半導体層上に形成した場合と同等の発光特性が得られるようになった。
【００５７】
第３の実施形態
図５は、図２に示した半導体発光素子の一例として、第１の半導体層２０２，第２の半導体層２０５をＡｌＧａＡｓとし、中間層２０３をＧａＡｓとし、活性層２０４をＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造として構成した半導体発光素子を、１台のエピタキシャル成長装置（ＭＯＣＶＤ）を用いて形成したときの、Ａｌ濃度の深さ方向分布の測定結果を示す図である。なお、測定はＳＩＭＳによって行った。また、次表（表３）には測定条件を示す。
【００５８】
【表３】
2008034889.tif 000005
【００５９】
図５から、本来Ａｌ原料を導入していない活性層２０４において、Ａｌが検出されている。しかし、Ａｌを含む半導体層２０２，２０５に隣接した中間層２０３においては、Ａｌ濃度は活性層２０４よりも約１  桁低い濃度となっている。これは、活性層２０４中のＡｌが、Ａｌを含む半導体層２０２，２０５から拡散，置換して混入したものではないことを示している。
【００６０】
一方、ＧａＩｎＰのようにＡｌを含まない半導体層上に窒素を含む活性層を成長した場合には、活性層中にＡｌは検出されなかった。
【００６１】
従って、図５において活性層２０４中に検出されたＡｌは、成長室内に残留したＡｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌが、窒素化合物原料または窒素化合物原料中の不純物（水分等）と結合して活性層２０４中に取り込まれたものである。すなわち、窒素化合物原料と有機金属Ａｌ原料を用いて、１台のエピタキシャル成長装置により、基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層を設けた半導体発光素子を連続的に結晶成長すると、窒素を含む活性層中に自然にＡｌが取り込まれてしまうことが本願の発明者により新たにわかった。
【００６２】
図３に示した同じ半導体発光素子における、窒素濃度と酸素濃度の深さ方向分布と比較すると、２重量子井戸活性層２０４中の酸素ピークプロファイルは、窒素濃度のピークプロファイルと対応しておらず、図５のＡｌ濃度プロファイルと対応している。このことから、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層中の酸素不純物は、窒素原料と共に取り込まれるというよりも、むしろ井戸層中に取り込まれたＡｌと結合して一緒に取り込まれていることが明らかとなった。すなわち、成長室内に残留したＡｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌが窒素化合物原料と接触すると、Ａｌと窒素化合物原料中に含まれる水分や配管または反応管中に残留した酸素や水分とが結合して、活性層２０４中にＡｌと酸素が取り込まれる。この活性層２０４に取り込まれた酸素が活性層の発光効率を低下させていたことが本願の発明者の実験により初めて明らかとなった。
【００６３】
次表（表４）には、ＡｌＧａＡｓをクラッド層（Ａｌを含む層）とし、ＧａＩｎＮＡｓ２重量子井戸構造（窒素を含む層）を活性層としたブロードストライプレーザを試作して閾電流密度を評価した結果を示している。
【００６４】
【表４】
2008034889.tif 000006
【００６５】
表４から、Ａｌを構成元素として含む半導体層に、窒素を含む活性層を連続的に形成した構造においては、活性層中に２×１０１９ｃｍ−３のＡｌが取り込まれており、パルス電流を１０ｋＡ／ｃｍ２まで注入してもレーザ発振しなかった。しかし、活性層中のＡｌ濃度を２×１０１９ｃｍ−３未満に低減することにより、活性層中の酸素濃度が１．５×１０１８ｃｍ−３未満に低減され、ブロードストライプレーザが発振した。ブロードストライプレーザの閾電流密度が３ｋＡ／ｃｍ２以下の活性層品質であれば、室温連続発振が可能である。従って、窒素を含む活性層中のＡｌ濃度を２×１０１９ｃｍ−３未満に抑制することにより、室温連続発振可能な半導体レーザを作製することが可能である。
【００６６】
このように、本発明の第３の実施形態においては、基板（２０１）と窒素を含む活性層（２０４）との間に、Ａｌを含む半導体層（２０２）を設けた半導体発光素子において、窒素を含む活性層（２０４）のＡｌ濃度を半導体発光素子が室温連続発振可能となる濃度、より具体的には２×１０１９ｃｍ−３未満にすることによって、活性層（２０４）の発光効率を改善することができ、室温連続発振する半導体発光素子を形成することが可能となる。
【００６７】
第４の実施形態
本発明の第４の実施形態においては、上述した第３の実施形態の半導体発光素子において、Ａｌを含んだ半導体層（２０２）と窒素を含む活性層（２０４）との間に中間層（２０３）が設けられており、窒素を含む活性層（２０４）のＡｌ濃度が中間層（２０３）のＡｌ濃度と同じか、またはそれ以下であることを特徴としている。
【００６８】
中間層（２０３）は、構成元素としてＡｌを含まない材料から構成されており、Ａｌを含む半導体層（２０２）と窒素を含む活性層（２０４）とが直接接することがないようようにしている。これにより、窒素を含む活性層（２０４）を成長するため成長室に窒素原料を供給するときに、窒素との化学結合が強いＡｌが表面に露出していないため、表面に窒素が異常偏析することを抑制している。
【００６９】
図５から、窒素化合物原料と有機金属Ａｌ原料を反応室に供給せずに成長した中間層２０３におけるＡｌ濃度は１．５×１０１８ｃｍ−３以下となっている。活性層２０４中に取り込まれたＡｌ濃度が１．５×１０１８ｃｍ−３以下の場合に、活性層２０４中の酸素不純物濃度は２×１０１７ｃｍ−３以下に低減できる。
【００７０】
また、表４に示したように、活性層中のＡｌ濃度を１．５×１０１８ｃｍ−３以下に低減すると、ブロードストライプレーザにおいて、ＡｌＧａＡｓクラッド層を用いた場合でも、ＧａＩｎＰクラッド層を用いた場合と同等の閾電流密度０．８ｋＡ／ｃｍ２が得られた。
【００７１】
従って、窒素を含む活性層（２０４）のＡｌ濃度を１．５×１０１８ｃｍ−３以下にして、窒素を含む活性層（２０４）のＡｌ濃度が中間層（２０３）のＡｌ濃度と同じか、またはそれ以下にすることにより、Ａｌを構成元素として含む半導体層（２０２）上に窒素を含む活性層（２０４）を形成した場合でも、Ａｌを含まない半導体層上に窒素を含む活性層を形成した場合と同等の発光特性が得られる。
【００７２】
第５の実施形態
本発明の第５の実施形態においては、上述した第１乃至第４の実施形態の半導体発光素子において、Ａｌを含む半導体層（２０２）を成長させてから窒素を含む活性層（２０４）を成長させるまでの結晶成長を大気中に取り出さずに行なうことを特徴としている。
【００７３】
前述した従来技術，すなわち文献「Electoron.Lett., 2000, 36 (21), pp1776-1777」においては、Ａｌを含んだ半導体層と窒素を含む半導体層とを別々のＭＯＣＶＤ装置で成長させることによって、活性層の発光効率を改善させている。
【００７４】
これに対し、本発明の第５の実施形態においては、１台の結晶成長装置を用い、かつＡｌを含んだ半導体層（２０２）の成長後から窒素を含む活性層（２０４）成長まで大気中に取り出さないで結晶成長させた場合でも、窒素を含む活性層（２０４）のＡｌ濃度を例えば１×１０１９ｃｍ−３以下に低減し、窒素を含む活性層（２０４）の酸素濃度を１×１０１８ｃｍ−３以下に低減することによって、半導体発光素子の発光特性を改善して室温連続発振させることができる。従って、製造工程が簡便となり、また製造コストを低減することができる。
【００７５】
第６の実施形態
前述したように、Ａｌを構成元素として含む半導体層（２０２）を成長させると、成長室内にＡｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌが残留する。その後、窒素を含む活性層（２０４）を結晶成長する際に、成長室に窒素化合物原料を供給すると、窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる水分等の不純物と、化学的に活性なＡｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌとが化学結合して、活性層（２０４）中にＡｌが取り込まれることが新たに判明した。
【００７６】
また、Ａｌと窒素化合物原料中に含まれる水分や配管または反応管中に残留した酸素や水分とが反応して、酸素不純物も同時に活性層（２０４）に取り込まれており、活性層の発光効率を低下させてしまう。
【００７７】
そこで、本発明の第６の実施形態では、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌを除去する工程を設けたことを特徴としている。これにより、窒素を含む活性層（２０４）を成長するため成長室に窒素化合物原料を供給したときに、残留したＡｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌと、窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物とが反応する割合を低減することができ、活性層（２０４）に取り込まれるＡｌ及び酸素不純物の濃度を低減することができる。
【００７８】
例えば、窒素を含む活性層（２０４）中のＡｌ濃度を２×１０１９ｃｍ−３未満に低減することにより、室温連続発振が可能となる。さらに、窒素を含む活性層（２０４）中のＡｌ濃度を１．５×１０１８ｃｍ−３以下に低減することにより、Ａｌを含まない半導体層上に形成した場合と同等の発光特性が得られた。
【００７９】
第７の実施形態
本発明の第７の実施形態は、第６の実施形態をより具体化したものであり、Ａｌを含む半導体層（２０２）の成長後と窒素を含む活性層（２０４）の成長開始との間に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌをキャリアガスでパージする工程を設けたことを特徴としている。
【００８０】
ここで、パージ工程の時間は、Ａｌを含む半導体層（２０２）の成長が終了して成長室へのＡｌ原料の供給を停止してから、窒素を含む活性層（２０４）の成長を開始するために窒素化合物原料を成長室に供給するまでの時間間隔をいう。
【００８１】
Ａｌを構成元素として含む半導体層を成長させると、前述のように成長室内にＡｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌが残留するが、キャリアガスで成長室内をパージすることにより、成長室内に残留したＡｌの濃度を次第に低下させることが可能である。
【００８２】
次表（表５）は、本願の発明者のＭＯＣＶＤ装置で作製した、基板（２０１）と窒素を含む活性層（２０４）との間にＡｌを含む半導体層（２０２）を設けた半導体発光素子において、Ａｌを含む半導体層（２０２）の成長後と窒素を含む活性層（２０４）の成長開始との間に設けたパージ時間と、活性層（２０４）中のＡｌ濃度の関係を示している。
【００８３】
【表５】
2008034889.tif 000007
【００８４】
表５より、パージ時間１０分程度で活性層中のＡｌ濃度を１×１０１９ｃｍ−３以下に低減することができる。従って、１０分間以上のパージ時間を設けることにより、活性層の発光効率を改善して、室温連続発振する半導体発光素子を形成することができる。
【００８５】
さらに、望ましくは３０分以上のパージ時間を設けることにより、Ａｌ濃度を１×１０１８ｃｍ−３以下まで低減することができる。これにより、Ａｌを構成元素として含む半導体層上に窒素を含む活性層を形成した場合でも、Ａｌを含まない半導体層上に形成した場合と同等の発光特性を得ることができる。
【００８６】
図６は、本発明の第７の実施形態による半導体発光素子の一例を示す図である。図６の半導体発光素子は、基板２０１上に、Ａｌを構成元素として含む第１の半導体層２０２と、第１の下部中間層６０１と、第２の下部中間層６０２と、窒素を含む活性層２０４と、上部中間層２０３と、第２の半導体層２０５とが順次に積層されて構成されている。
【００８７】
図６の半導体発光素子の製造方法としては、有機金属Ａｌ原料と有機窒素原料を用いてエピタキシャル成長させることができる。そして、第１の下部中間層６０１の成長後と第２の下部中間層６０２の成長開始との間に成長中断工程を設けたことを特徴としている。そして、成長中断中に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌを、キャリアガスである水素でパージして除去している。
【００８８】
図７（ａ）は、第１の下部中間層６０１と第２の下部中間層６０２との間で成長中断し、パージ時間を６０分設けた半導体発光素子におけるＡｌ濃度の深さ方向分布の測定結果を示す図である。第１の下部中間層６０１と第２の下部中間層６０２との間で成長中断し、パージ時間を６０分設けるときには、図７（ａ）からわかるように、活性層２０４中のＡｌ濃度は３×１０１７ｃｍ−３以下まで低減することができる。この値は、中間層中のＡｌ濃度と同程度となっている。
【００８９】
また、図７（ｂ）は、同じ素子について、窒素（Ｎ）濃度と酸素（Ｏ）濃度の深さ方向分布を測定した結果を示す図である。図７（ｂ）からわかるように、活性層２０４中の酸素濃度は、１×１０１７ｃｍ−３程度とバックグラウンドレベルまで低減できた。
【００９０】
なお、下部中間層中で酸素濃度にピークが現れているのは、成長中断界面に酸素が偏析したためである。
【００９１】
この半導体発光素子は、第１の下部中間層６０１と第２の下部中間層６０２の間で成長中断し、パージ時間を６０分設けることにより、窒素を含む活性層２０４中のＡｌやＯ等の不純物濃度を低減することができた。これにより、窒素を含む活性層の発光効率を改善することができた。
【００９２】
また、成長室内をキャリアガスでパージする工程において、サセプターを加熱しながらパージすることもできる。ここで、サセプターとは基板を高温に加熱する支持体のことである。サセプターは、高周波誘導加熱や抵抗加熱、あるいはランプ加熱等によって加熱される。基板はサセプター上に直接接して加熱させられる場合や、または、基板とサセプターの間に搬送用トレイ等が設けられる場合もある。
【００９３】
サセプターを加熱しながら成長室内をキャリアガスでパージすることにより、サセプターまたはサセプター周辺に吸着したＡｌ原料や反応生成物を脱ガスさせて、効率良く除去することができる。そのため、成長室内をキャリアガスでパージするのみの場合よりも短時間で反応室内に残留したＡｌ原料や反応生成物を除去することが可能となる。
【００９４】
ただし、基板を同時に加熱する場合は、最表面の半導体層２０５が熱分解するのを防止するため、成長中断中においてもＡｓＨ３もしくはＰＨ３等のＶ  族原料ガスを成長室に供給し続ける必要がある。
【００９５】
また、成長室内をキャリアガスでパージする際に、基板を成長室から別室に搬送しておくこともできる。基板を成長室から別室に搬送することにより、サセプターを加熱しながらパージを行う際に、ＡｓＨ３もしくはＰＨ３等のＶ族原料ガスを成長室に供給する必要がない。従って、サセプターまたはサセプター周辺に堆積したＡｌを含む反応生成物の熱分解をより促進させることができる。これにより、効率よく成長室内のＡｌ濃度を低減することができる。
【００９６】
また、搬送用トレイを用いている場合には、サセプターと同時に搬送用トレイも同時に加熱することが望ましい。これにより、搬送用トレイに付着したＡｌを含む反応生成物を効率よく除去することができる。
【００９７】
Ａｌを含む半導体層（例えばＡｌＧａＡｓクラッド層）の成長後と窒素を含む活性層（例えばＧａＩｎＮＡｓ活性層）の成長開始との間に、サセプターを加熱しながら、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌをキャリアガスでパージする工程を設けることにより、ブロードストライプレーザにおいて、ＧａＩｎＰクラッド層を有するレーザと同等の閾電流密度が得られた。
【００９８】
第８の実施形態
本発明の第８の実施形態は、第７の実施形態において、Ａｌを含む半導体層の成長後と窒素を含む活性層の成長開始との間に、中間層を成長しながら、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌをキャリアガスでパージする工程を設けたことを特徴としている。
【００９９】
図６に示した半導体発光素子においては、第１の下部中間層６０１の成長後と第２の下部中間層６０２の成長開始との間に成長中断工程を設けることで、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌをキャリアガスでパージする。
【０１００】
一方、この第８の実施形態では、成長中断を長く設けることなく、中間層を成長させながらパージを行っている。中間層は構成元素としてＡｌを含んでいないため、中間層の成長時に成長室にＡｌ原料を導入することがない。従って、中間層成長時でも、原料ガスを含むキャリアガスで成長室内に残留したＡｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌをパージすることが可能である。
【０１０１】
成長中断工程を長時間設けた場合、中断界面にＯ，Ｃ，Ｓｉ等の不純物が偏析して非発光再結合準位が形成される恐れがある。しかし、中間層を成長しながらパージを行うことで、不純物の偏析を抑制することができる。
【０１０２】
例えば、０．１μｍの層厚の中間層を成長しながら成長室のパージを行う場合には、中間層の成長速度を０．６μｍ／ｈ以下の速度に低下させることで、１０分間以上のパージ時間を設けることができる。望ましくは、中間層の成長速度を０．２μｍ／ｈ以下まで低下させると、３０分間以上のパージが行えるため、活性層中のＡｌ濃度を１×１０１８ｃｍ−３以下まで低減することができる。
【０１０３】
あるいは、例えば一般的なＭＯＣＶＤ法の成長速度である２μｍ／ｈで下部中間層を成長する場合には、下部中間層の層厚を０．３３μｍ以上、望ましくは１．０μｍ以上に形成することにより、適切な成長室のパージ時間を設けることができる。
【０１０４】
すなわち、下部中間層の層厚と成長速度を適切に組み合わせて、１０分間以上のパージ時間を設けることにより、活性層中のＡｌ濃度を１×１０１９ｃｍ−３以下に低減することができるため、室温連続発振する半導体発光素子を形成することができる。さらに、望ましくは３０分間以上のパージ時間を設けることにより、Ａｌ濃度を１×１０１８ｃｍ−３以下まで低減し、Ａｌを含まない半導体層上に形成した場合と同等の特性を得ることができる。
【０１０５】
また、成長中断によるパージ工程と中間層成長時のパージ工程とを一緒に設けることも可能である。さらには、成長中断と中間層成長を、複数回交互に実施しながらパージすることも可能である。
【０１０６】
第９の実施形態
図８は、本発明の第９の実施形態による面発光型半導体発光素子の構成例を示す図である。図８の半導体発光素子は、半導体単結晶基板２０１上に、下部半導体多層膜反射鏡８０１と、下部スペーサ層８０２と、中間層２０３と、窒素を含む活性層２０４と、中間層２０３と、上部スペーサ層８０３と、上部多層膜反射鏡８０４とが順次に積層され形成され、光は、基板２０１に対して垂直方向に取り出される構造となっている。
【０１０７】
ここで、半導体単結晶基板２０１としては、例えばＧａＡｓ基板が用いられる。また、下部多層膜反射鏡８０１は、高屈折率の半導体層と低屈折率の半導体層とを発振波長の１／４光学波長厚さで交互に積層した分布ブラッグ反射鏡となっている。高屈折率層と低屈折率層の組み合わせとしては、例えばＧａＡｓ／ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ≦１），ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ／ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０＜ｘ＜ｙ≦１），ＧａＩｎＰ／（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ＩｎＰ（０＜ｘ≦１）等が用いられる。
【０１０８】
また、反射鏡８０１，８０４にはさまれた下部スペーサ層８０２〜上部スペーサ層８０３の領域は、共振器を構成しており、発振波長の１／２光学波長厚さの整数倍となっている。
【０１０９】
また、中間層２０３は、構成元素としてＡｌを含まない材料で形成されている。例えばＧａＡｓ，ＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰ等で構成されている。
【０１１０】
また、窒素を含む活性層２０４は、例えばＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等で構成されている。このような窒素系Ｖ族混晶半導体材料は、１．２〜１．６μｍ帯のバンドギャップ波長を有しており、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させることができる。また、活性層２０４は、１層の場合だけでなく、窒素を含む半導体を井戸層とする多重量子井戸構造で構成することも可能である。
【０１１１】
また、上部多層膜反射鏡８０４は、下部半導体多層膜反射鏡８０１と同様に分布ブラッグ反射鏡となっている。上部多層膜反射鏡８０４の材料としては、下部反射鏡８０１のように半導体結晶で構成したり、ＳｉＯ２／ＴｉＯ２等の誘電体材料で構成することが可能である。
【０１１２】
下部半導体多層膜反射鏡８０１の低屈折率層としてＡｌを構成元素として含む半導体層を用いることにより、高屈折率層との屈折率差を大きくすることができる。これにより、より少ない層数で９９％以上の高反射率を得ることができる。そして、層数が少なくなると、半導体多層膜反射鏡の電気抵抗や熱抵抗を低減でき、温度特性が向上するという利点がある。
【０１１３】
端面発光型半導体レーザの場合には、ＧａＩｎＰ，ＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰ等のＡｌを含まない材料でクラッド層を構成することも可能である。しかしながら、面発光型半導体レーザの場合には、７０℃以上まで動作温度を向上させるためには、ＡｌＧａＡｓ材料系のように、下部半導体多層膜反射鏡８０１の低屈折率層にＡｌを含む半導体層を用いなければならない。
【０１１４】
このように、Ａｌを含む下部半導体多層膜反射鏡８０１上に窒素を含む活性層を形成する必要がある面発光型半導体レーザにおいて、窒素を含む活性層の発光効率低下は大きな問題となるが、本発明においては、窒素を含む活性層２０４中のＡｌ濃度を１×１０１９ｃｍ−３以下に低減し、活性層２０４中の酸素濃度を１×１０１８ｃｍ−３以下に低減することにより、室温連続発振が可能となる。さらに、窒素を含む活性層２０４中のＡｌ濃度を２×１０１８ｃｍ−３以下に低減し、活性層２０４中の酸素濃度を２×１０１７ｃｍ−３以下に低減することにより、Ａｌを含まない半導体層上に形成した場合と同等の発光特性が得られる。従って、７０℃以上まで室温連続発振する面発光型半導体レーザを実現できる。
【０１１５】
特に、窒素を含む活性層２０４を、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等で構成する場合、発振波長１．２〜１．６μｍの長波長帯面発光型半導体レーザをＧａＡｓ基板上に形成できる。また、下部半導体多層膜反射鏡８０１として、高反射率で低抵抗のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ材料系を用いることができるため、温度特性が良好な長波長帯面発光型半導体レーザを実現できる。
【０１１６】
そして、発振波長１．２〜１．６μｍ帯は、シングルモード光ファイバの伝送に適した波長帯であり、短中距離の大容量伝送光ＬＡＮ等の伝送用光源として応用できる。
【０１１７】
上述の各実施形態では、窒素を含む活性層の非発光再結合準位形成不純物が酸素であり、窒素を含む活性層の酸素濃度が、半導体発光素子が室温連続発振可能となる濃度であるとしているが、本発明では、窒素を含む活性層の非発光再結合準位形成不純物が酸素以外のものである場合にも、窒素を含む活性層における非発光再結合準位形成不純物の濃度を、半導体発光素子が室温連続発振可能となる濃度とすることにより、活性層の発光効率を改善することができ、室温連続発振する半導体発光素子を提供することができる。
【０１１８】
また、上述の各実施形態では、窒素を含む活性層の非発光再結合準位形成不純物が酸素であり、窒素を含む活性層の酸素濃度が、中間層の酸素濃度と同じか、またはそれ以下であるとしているが、本発明では、窒素を含む活性層の非発光再結合準位形成不純物が酸素以外のものである場合にも、窒素を含む活性層における非発光再結合準位形成不純物の濃度を、中間層の非発光再結合準位形成不純物の濃度と同じか、またはそれ以下とすることにより、Ａｌを構成元素として含む半導体層上に窒素を含む活性層を形成した場合でも、Ａｌを含まない半導体層上に形成した場合と同等の発光特性を得ることができる。
【０１１９】
以下、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【０１２０】
図９は、本発明の実施例１による半導体レーザを示す図である。図９の半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板９０１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層９０２と、ｎ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓクラッド層９０３と、第１のＧａＡｓ下部光導波層９０４と、第２のＧａＡｓ下部光導波層９０５と、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層９０６と、ＧａＡｓ上部光導波層９０７と、ｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓクラッド層９０８と、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層９０９とが順次に積層されている。
【０１２１】
そして、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層９０９の表面からｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓクラッド層９０８の途中までストライプ状にエッチングされて、リッジストライプ構造が形成されている。リッジストライプ幅は４μｍとなっている。
【０１２２】
また、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層９０９上にはｐ側電極９１０が形成されており、ｎ型ＧａＡｓ基板９０１の裏面にはｎ側電極９１１が形成されている。
【０１２３】
図９に示した構造は、リッジストライプ構造に電流及び光を閉じ込めるリッジストライプ型半導体レーザとなっている。
【０１２４】
図９の半導体レーザの結晶成長は、１台のＭＯＣＶＤ装置を用いて行った。ここで、III族原料としてＴＭＧ，ＴＭＡ，ＴＭＩを使用し、Ｖ族原料としてＡｓＨ３，ＤＭＨｙを用いた。そして、実施例１の特徴は、第１のＧａＡｓ下部光導波層９０４の成長後と第２のＧａＡｓ下部光導波層９０５の成長開始との間に成長中断工程を設けて結晶成長を行った点にある。
【０１２５】
成長中断工程としては、基板を成長室に保持した状態で、成長室にキャリアガスを流してパージした。キャリアガスで成長室をパージすることにより、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層９０３の成長によって成長室内に残留したＡｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌを排出して、Ａｌ濃度を低下させることができる。
【０１２６】
そして、成長中断後にＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層９０６を成長させると、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層中にＡｌ及び酸素が取り込まれるのを抑制することができる。６０分間のパージ時間を設けたところ、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層中のＡｌ濃度は３×１０１７ｃｍ−３以下であり、酸素濃度は２×１０１７ｃｍ−３以下であることが確認できた。
【０１２７】
これにより、窒素を含む活性層９０６の発光効率が改善でき、室温連続発振可能なリッジストライプ型半導体レーザを形成することができた。
【実施例２】
【０１２８】
図１０は、本発明の実施例２による面発光型半導体レーザを示す図である。図１０の半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板９０１上に、ｎ型半導体多層膜反射鏡１００１と、第１のＧａＡｓ下部スペーサ層１００２と、第２のＧａＡｓ下部スペーサ層１００３と、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層９０６と、ＧａＡｓ上部スペーサ層１００４と、ＡｌＡｓ層１００５と、ｐ型半導体多層膜反射鏡１００６とが順次に形成された積層構造を有している。
【０１２９】
ここで、ｎ型半導体多層膜反射鏡１００１は、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層とｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ低屈折率層とを交互に積層した分布ブラッグ反射鏡で構成されている。同様に、ｐ型半導体多層膜反射鏡１００６も、ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層とｐ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ低屈折率層とを交互に積層した分布ブラッグ反射鏡で構成されている。
【０１３０】
また、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層９０６は、バンドギャップ波長が１．３μｍ帯となっている。そして、第１のＧａＡｓ下部スペーサ層１００２からＧａＡｓ上部スペーサ層１００４までは、λ共振器を構成している。
【０１３１】
そして、図１０の半導体レーザは、上記積層構造を、ｎ型半導体多層膜反射鏡１００１に達するまで円筒状にエッチングして、メサ構造が形成されている。メササイズは、直径が３０μｍとなっている。そして、エッチングして表面が露出した側面からＡｌＡｓ層１００５を選択的に酸化させ、ＡｌＯｘ絶縁領域１００７を形成することにより、電流狭窄構造が形成されている。電流は、ＡｌＯｘ絶縁領域１００７によって直径が約５μｍの酸化開口領域に集中して活性層９０６に注入される。
【０１３２】
また、図１０において、符号９１０はｐ型半導体多層膜反射鏡１００６の表面に形成されたリング状のｐ側電極であり、また、符号９１１はｎ型ＧａＡｓ基板９０１の裏面に形成されたｎ側電極である。
【０１３３】
図１０の半導体レーザでは、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層９０６で発光した光は、上下の半導体多層膜反射鏡１００１，１００６で反射して増幅され、１．３μｍ帯のレーザ光が基板と垂直方向に放射される。
【０１３４】
この実施例２においては、図１０の半導体レーザの結晶成長は、１台のＭＯＣＶＤ装置を用いて行った。ここで、III族原料としてＴＭＧ，ＴＭＡ，ＴＭＩを使用し、Ｖ族原料としてＡｓＨ３，ＤＭＨｙを用いた。そして、実施例２の特徴は、第１のＧａＡｓ下部スペーサ層１００２の成長後と第２のＧａＡｓ下部スペーサ層１００３の成長開始との間に成長中断工程を設けて結晶成長を行った点にある。
【０１３５】
成長中断工程としては、基板を成長室に設置した状態で、キャリアガスとＡｓＨ３を流しながらサセプターを加熱して３０分間以上パージした。成長中断中にキャリアガスで成長室内をパージすることにより、成長室内に残留したＡｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌを除去することができる。さらに、サセプターを加熱することにより、サセプターまたはサセプター周辺に吸着したＡｌ原料や反応生成物を脱ガスして、成長室内に残留したＡｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌを効率良く除去することができる。
【０１３６】
これにより、成長室内の残留Ａｌ濃度を低減させて、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層中にＡｌ及び酸素が取り込まれるのを抑制することができる。ＳＩＭＳ分析により、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層中のＡｌ濃度は２×１０１８ｃｍ−３以下であり、酸素濃度は２×１０１７ｃｍ−３以下であることが確認できた。これにより、活性層の発光効率を改善して、ＭＯＣＶＤ法で成長した１．３μｍ帯ＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系面発光型半導体レーザの室温連続発振を実現した。
【実施例３】
【０１３７】
図１１は、本発明の実施例３による面発光型半導体レーザを示す図である。なお、図１１において、図１０と同様の箇所には同じ符号を付している。図１１の半導体レーザの積層構造は、図１０に示した面発光型半導体レーザと類似している。図１０の構造と異なっている点は、ＧａＡｓ下部スペーサ層１１０１からＧａＡｓ上部スペーサ層１００４までは、Ｎλ共振器（Ｎ＝２，３，４，…）で構成されている点である。ＧａＡｓ下部スペーサ層１１０１の層厚ｄｂは、
ｄｂ＝（Ｎ―０．５）λ／ｎｓ―（ｎａ／ｎｓ）（ｄａ／２）
となっている。ここで、λは面発光型半導体レーザの発振波長であり、ｎｓはＧａＡｓスペーサ層の屈折率であり、ｎａは活性層の屈折率であり、ｄａは活性層の層厚である。また、上部スペーサ層１００４の層厚ｄｕは、
ｄｕ＝０．５λ／ｎｓ―（ｎａ／ｎｓ）（ｄａ／２）
となっている。
【０１３８】
例えば、Ｎ＝４，λ＝１３００ｎｍ，ｄａ＝３０ｎｍの場合、ＧａＡｓ下部スペーサ層１１０１の層厚は約１．３μｍとなる。この層厚１．３μｍのＧａＡｓ下部スペーサ層１１０１を１μｍ／ｈの成長速度で成長すると、７８分の時間がかかる。実施例３では、ＧａＡｓ下部スペーサ層１１０１を成長しながら、成長室内に残留したＡｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌをパージしている。すなわち、６０分間以上のパージ工程を、特別に長時間の成長中断工程を設けることなく実施することができる。これにより、Ａｌを含む下部反射鏡１００１上に形成したＧａＩｎＮＡｓ井戸層中に混入するＡｌ及び酸素濃度を低減して、発光効率を改善することができる。
【０１３９】
また、長時間の成長中断工程を設けていないため、スペーサ層中に不要な不純物が偏析することがない。
【０１４０】
また、Ｎλ共振器構造のように共振器長を長くすると、酸化開口径を１０μｍと広くした場合でも、高い光出力までシングルモード動作を維持することが可能となる。従って、高出力のシングルモード面発光半導体レーザを形成することができる。
【実施例４】
【０１４１】
図１２は、本発明の実施例４による半導体レーザを示す図である。図１２の半導体レーザは、六方晶単結晶基板１２０１上に、ＡｌＧａＮ低温バッファ層１２０２、ｎ型ＧａＮバッファ層１２０３、ｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎクラッド層１２０４、ＧａＮ下部光導波層１２０５、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸活性層１２０６、ＧａＮ上部光導波層１２０７、ｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎクラッド層１２０８、ｐ型ＧａＮコンタクト層１２０９が順次に積層されている。
【０１４２】
ここで、六方晶単結晶基板１２０１としては、サファイア，ＳｉＣ，ＺｎＯ，ＧａＮ，ＡｌＮ等の材料が用いられる。
【０１４３】
そして、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１２０９の表面からｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎクラッド層１２０８の途中までストライプ状にドライエッチングされて、リッジストライプ構造が形成されている。リッジストライプ幅は３μｍとなっている。
【０１４４】
また、ｐ型ＧａＮコンタクト層１２０９上にはｐ側電極１２１０が形成されている。また、ｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎクラッド層１２０８からｎ型ＧａＮバッファ層１２０３に達するまでドライエッチングされて、ｎ型ＧａＮバッファ層１２０３が露出したテラス上にｎ側電極１２１１が形成されている。
【０１４５】
図１２の半導体レーザは、リッジストライプ構造に電流及び光を閉じ込めるリッジストライプ型半導体レーザとなっている。
【０１４６】
この実施例４においては、図１２の半導体レーザの結晶成長は、１台のＭＯＣＶＤ装置を用いて行った。ここで、III族原料としてＴＭＧ，ＴＭＡ，ＴＭＩを使用し、Ｖ族原料としてＮＨ３及びＤＭＨｙを用いた。そして、実施例４の特徴は、ＧａＮ下部光導波層１２０５の成長中に成長中断工程を設けた点にある。成長中断工程としては、基板を成長室に保持した状態で、成長室にキャリガスを流してパージした。キャリガスで成長室をパージすることにより、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２０４の成長によって成長室内に残留したＡｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌを排出して、Ａｌ濃度を低下させることができる。
【０１４７】
図１２の構成において、ＩｎＧａＮ井戸層は、ＡｌＧａＮクラッド層１２０４やＧａＮ光導波層１２０５に比べて成長温度が低いため、膜中に酸素が取りこみやすい成長条件となっている。しかし、成長中断によるパージ工程を行った後にＩｎＧａＮ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層１２０６を成長させることにより、ＩｎＧａＮ井戸層中に、Ａｌと結合して酸素が取り込まれるのを抑制することができる。これにより、窒素を含む活性層１２０６の発光効率を改善して、青色半導体レーザの閾電流密度を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１４８】
【図１】ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造の室温フォトルミネッセンススペクトルを示す図である。
【図２】基板と窒素を含む半導体層との間にＡｌを含む半導体層が設けられている半導体発光素子の一例を示す図である。
【図３】半導体発光素子の窒素濃度，酸素濃度の深さ方向分布を示す図である。
【図４】半導体発光素子の室温フォトルミネッセンススペクトルを示す図である。
【図５】半導体発光素子のＡｌ濃度の深さ方向分布を示す図である。
【図６】本発明の第７の実施形態による半導体発光素子の一例を示す図である。
【図７】（ａ）は成長中断を設けた半導体発光素子の窒素濃度，酸素濃度の深さ方向分布を示す図であり、（ｂ）は成長中断を設けた半導体発光素子のＡｌ濃度深さ方向分布を示す図である。
【図８】本発明の第９の実施形態による面発光型半導体発光素子の構成例を示す図である。
【図９】実施例１によるリッジストライプ型半導体レーザを示す図である。
【図１０】実施例２による面発光型半導体レーザを示す図である。
【図１１】実施例３による面発光型半導体レーザを示す図である。
【図１２】実施例４による半導体レーザを示す図である。
【符号の説明】
【０１４９】
２０１          基板
２０２          Ａｌを含む第１の半導体層
２０３          中間層
２０４          窒素を含む活性層
２０５          第２の半導体層
６０１          第１の下部中間層
６０２          第２の下部中間層
８０１          下部半導体多層膜反射鏡
８０２          下部スペーサ層
８０３          上部スペーサ層
８０４          上部多層膜反射鏡
９０１          ｎ型ＧａＡｓ基板
９０２          ｎ型ＧａＡｓバッファ層
９０３          ｎ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓクラッド層
９０４          第１のＧａＡｓ下部光導波層
９０５          第２のＧａＡｓ下部光導波層
９０６          ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層
９０７          ＧａＡｓ上部光導波層
９０８          ｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓクラッド層
９０９          ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
９１０          ｐ側電極
９１１          ｎ側電極
１００１          ｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ半導体多層膜反射鏡
１００２          第１のＧａＡｓ下部スペーサ層
１００３          第２のＧａＡｓ下部スペーサ層
１００４          ＧａＡｓ上部スペーサ層
１００５          ＡｌＡｓ層
１００６          ｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ半導体多層膜反射鏡
１００７          ＡｌＯｘ絶縁領域
１１０１          ＧａＡｓ下部スペーサ層
１２０１          六方晶単結晶基板
１２０２          低温ＡｌＧａＮバッファ層
１２０３          ｎ型ＧａＮバッファ層
１２０４          ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１２０５          ＧａＮ下部光導波層
１２０６          ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸活性層
１２０７          ＧａＮ上部光導波層
１２０８          ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１２０９          ｐ型ＧａＮコンタクト層
１２１０          ｐ側電極
１２１１          ｎ側電極
【図１】
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【図２】
2008034889.tif 000009
【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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