(57)【要約】 【課題】  Ａｓ系とＰ系との層の界面を有する場合に、界面のバンド不連続を緩和して、発光素子抵抗の減少および光の取り出し効率の向上を図ることができる半導体発光素子および半導体積層体の製造方法を提供する。【解決手段】  半導体レーザダイオード１０は、Ｐ系混晶層であるｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１９とＡｓ系混晶層であるｐ−ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１７との間に、これらの中間の格子定数を有するＡｌＧａＩｎＡｓＰ接合改善層１８を備える。【選択図】      図１
2008306075.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
(Ａｌｘ１Ｇａ１-ｘ１)1-ｙ１Ｉｎｙ１Ｐ(０≦ｘ１≦１，０≦ｙ１≦１)から成る第１化合物半導体層と、
Ａｌｘ２Ｇａ1-ｘ２Ａｓ(０≦ｘ２≦１)から成る第２化合物半導体層と、
前記第１化合物半導体層および前記第２化合物半導体層の間に介在し、ＡｌＧａＩｎＡｓＰから成る五元系化合物半導体層とを含むことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、バリア層の間に井戸層が介在されて成る活性層、第２導電型光ガイド層および第２導電型クラッド層がこの順に積層されて構成され、
前記第１化合物半導体層は、第１導電型光ガイド層および第２導電型光ガイド層のうち、少なくとも１層または層の一部を構成し、
前記第２化合物半導体層は、前記バリア層を構成することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、バリア層の間に井戸層が介在されて成る活性層、第２導電型光ガイド層、接合改善層および第２導電型クラッド層がこの順に積層されて構成され、
前記第１導電型クラッド層、井戸層、および第１導電型光ガイド層は、ＡｌＧａＡｓから成る三元系化合物半導体によって形成され、
前記第１化合物半導体層は、前記第２導電型クラッド層を構成し、
前記第２化合物半導体層は、前記第２導電型光ガイド層を構成し、
前記五元系化合物半導体層は、前記接合改善層を構成することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、バリア層の間に井戸層が介在されて成る活性層、第２導電型光ガイド層、第２導電型第１クラッド層、接合改善層および第２導電型第２クラッド層がこの順に積層されて構成され、
前記第１導電型クラッド層、井戸層、第１導電型光ガイド層および第２導電型光ガイド層をＡｌＧａＡｓから成る三元系化合物半導体によって形成し、
前記第１化合物半導体層は、前記第２導電型第２クラッド層を構成し、
前記第２化合物半導体層は、前記第２導電型第１クラッド層を構成し、
前記五元系化合物半導体層は、前記接合改善層を構成することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、バリア層の間に井戸層が介在されて成る活性層、第２導電型光ガイド層、接合改善層、中間層および第２導電型クラッド層がこの順に積層されて構成され、
前記第１導電型クラッド層、井戸層、第１導電型光ガイド層、および第２導電型光ガイド層は、ＡｌＧａＡｓから成る三元系化合物半導体によって形成され、
(Ａｌｘ３Ｇａ1-ｘ３)1-ｙ２Ｉｎｙ２Ｐ(０＜ｘ３≦１，０＜ｙ２≦１)から成る第３化合物半導体層が前記第２導電型クラッド層を構成し、
前記第１化合物半導体層は、ｘ１＝０に選ばれて前記中間層を構成し、
前記第２化合物半導体層は、第２導電型光ガイド層を構成し、
前記五元化合物半導体層は、前記接合改善層を構成することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、バリア層の間に井戸層が介在されて成る活性層、第２導電型光ガイド層、第２導電型第１クラッド層、接合改善層、中間層および第２導電型第２クラッド層がこの順に積層されて構成され、
前記第１導電型クラッド層、井戸層、第１導電型光ガイド層、第２導電型光ガイド層、および第２導電型第１クラッド層は、ＡｌＧａＡｓから成る三元系化合物半導体によって形成され、
(Ａｌｘ３Ｇａ1-ｘ３)1-ｙ２Ｉｎｙ２Ｐ(０＜ｘ３≦１，０＜ｙ２≦１)から成る第３化合物半導体層が前記第２導電型第２クラッド層を構成し、
前記第１化合物半導体層は、ｘ１＝０に選ばれて前記中間層を構成し、
前記第２化合物半導体層は、第２導電型第１クラッド層を構成し、
前記五元化合物半導体層は、前記接合改善層を構成することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記活性層が多重量子井戸構造を有することを特徴とする請求項２〜６のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記五元系化合物半導体層のバンドギャップが、第１導電型光ガイド層、第２導電型光ガイド層および第２導電型クラッド層のバンドギャップを超えることを特徴とする請求項２，３または５に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記五元系化合物半導体層は、発振光に対して透明であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記五元化合物半導体層と、前記五元化合物半導体層に接触する第２化合物半導体層との格子不整合率が０．２５％以下であることを特徴とする請求項２〜９のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記五元系化合物半導体層の層厚は、１０ｎｍ以上かつ２００ｎｍ以下に選ばれることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
前記五元化合物半導体層における不純物の濃度が、第２導電型クラッド層における不純物の濃度以下であることを特徴とする請求項２，３，５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１３】
前記第２化合物半導体層のバンドギャップをＥｇ１、前記五元化合物半導体層のバンドギャップをＥｇ２、第１化合物半導体層Ｅｇ３のバンドギャップをＥｇ３とすると、Ｅｇ１＜Ｅｇ２＜Ｅｇ３であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１４】
気相成長法を用いる半導体積層体の製造方法であって、
Ａｌ，ＧａおよびＡｓを含む原料ガスを反応炉に供給することによって、ＡｌＧａＡｓから成る三元化合物半導体層を形成し、この三元系化合物半導体層を形成した後、Ａｌ，ＧａおよびＡｓを含む原料ガスの供給に加えて、ＰおよびＩｎを含む原料ガスの反応炉への供給を開始することによって、前記三元系化合物半導体層に積層してＡｌＧａＩｎＡｓＰから成る五元化合物半導体層を形成し、Ａｓを含む原料ガスの供給を停止して前記五元化合物半導体層に積層してＡｌＧａＩｎＰから成る四元化合物半導体層を形成することを特徴とする半導体積層体の製造方法。
【請求項１５】
気相成長法を用いる半導体積層体の製造方法であって、
Ａｌ，ＧａおよびＡｓを含む原料ガスを反応炉に供給することによって、ＡｌＧａＡｓから成る三元系化合物半導体層を形成し、
前記三元系化合物半導体層を形成した後、ＡｌおよびＧａを含む原料ガスの反応炉への供給を停止してから、予め定める第１の時間が経過した後、Ａｓを含む原料ガスの反応炉への供給を停止し、Ｐを含む原料ガスを反応炉に供給し、予め定める第２の時間が経過した後、Ａｌ，ＧａおよびＩｎを含む原料ガスを反応炉に供給することによって、前記三元系化合物半導体層に積層してＡｌＧａＩｎＡｓＰから成る五元化合物半導体層とＡｌＧａＩｎＰから成る四元系化合物半導体層とをこの順に形成することを特徴とする半導体積層体の製造方法。
【請求項１６】
気相成長法を用いる半導体積層体の製造方法であって、
Ａｌ，ＧａおよびＡｓを含む原料ガスを反応炉に供給することによって、ＡｌＧａＡｓから成る三元化合物半導体層を形成し、前記三元系化合物半導体層を形成した後、Ａｌ，ＧａおよびＡｓを含む原料ガスの反応炉への供給を停止してから、予め定める第３の時間を経過して、Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，ＡｓおよびＰを含む原料ガスを反応炉に供給することによって、前記三元系化合物半導体層に積層してＡｌＧａＩｎＡｓＰから成る五元化合物半導体層を形成し、前記五元化合物半導体層を形成した後、Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，ＡｓおよびＰを含む原料ガスの反応炉への供給を停止してから、予め定める第４の時間を経過して、Ａｌ，Ｇａ，ＩｎおよびＰを含む原料ガスを反応炉に供給することによって、前記五元化合物半導体層に積層してＡｌＧａＩｎＰから成る四元化合物半導体層を形成することを特徴とする半導体積層体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤色または赤外の半導体レーザダイオードに用いられる半導体発光素子および半導体積層体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光部にＡｌＧａＡｓ系材料を用いる半導体発光素子は、従来、光ディスク用光源として応用され、特に、記録型の光ディスク用光源としても開発されている。そのため、目的の半導体発光素子を形成するためには、発光効率を向上させること、および発光部へのキャリア注入効率を向上させることが重要である。
【０００３】
ここで、第１の従来技術として、活性層にＡｌＧａＡｓ、クラッド層にＡｌＧａＩｎＰを用いる構造の半導体レーザが報告されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
図９および図１０は、従来の半導体発光素子である半導体レーザダイオード１００，１１０の構成を模式的に示す断面図である。
【０００５】
図９の半導体レーザダイオード１００においては、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０２、ｎ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０３、ＡｌＧａＡｓ活性層１０４、ｐ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０５、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０６が順次積層されている。
【０００６】
図１０の半導体レーザダイオード１１０においては、ｎ型ＧａＡｓ基板１１１上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１１２、ｎ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１１３、ＡｌＧａＡｓ活性層１１４、ｐ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１１５、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１１６、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１１７が順次積層されている。
【０００７】
いずれの構造においても、半導体レーザダイオードの発光効率の向上を図るために、ＡｌＧａＡｓ活性層１０４，１１４を多重量子井戸構造にすることが多い。
【０００８】
また、キャリア注入効率を減少させる格子歪みを緩和させるために、ｐ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層とｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層の間にＧａＩｎＰ中間層を挟む構成が多く用いられている。
【０００９】
ｐ型クラッド層にＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体を用いる半導体レーザダイオードにおいては、光閉じ込めに必要な屈折率差を得るために、光ガイド層は、クラッド層よりバンドギャップの小さな層で構成する必要がある。
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−３４９２８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述のようなＡｌＧａＡｓ系化合物半導体および、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体を有する半導体発光素子においては、発光素子中にＡｌＧａＡｓ層とＡｌＧａＩｎＰ層との界面が存在する。このような界面には、エネルギバンドに不連続が生じる。このため、キャリアの注入が抑圧され、発光素子の抵抗が大きくなる。
【００１２】
また、活性層とクラッド層とのバンドギャップ差が充分ではないために、活性層から光ガイド層またはクラッド層へ電子が溢れ出す問題が起こりやすい。
【００１３】
さらに、発振光のエネルギに対してクラッド層のバンドギャップが充分大きくないために、発振光がクラッド層で吸収され、光の取り出し効率が低減するという問題がある。
【００１４】
この場合、クラッド層のＡｌ組成比を上げ、バンドギャップを大きくする方法が考えられる。しかしＧａＡｓ基板に格子整合する組成で、かつＡｌ組成０．７３以上になると、間接遷移型半導体になり、発振光の吸収係数が小さく、半導体発光素子の発光効率を悪化させるため好ましくない。
【００１５】
したがって本発明の目的は、Ａｓ系とＰ系との層の界面を有する場合に、界面のバンド不連続を緩和して、発光素子抵抗の減少および光の取り出し効率の向上を図ることができる半導体発光素子および半導体積層体の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、(Ａｌｘ１Ｇａ１-ｘ１)1-ｙ１Ｉｎｙ１Ｐ(０≦ｘ１≦１，０≦ｙ１≦１)から成る第１化合物半導体層と、
Ａｌｘ２Ｇａ1-ｘ２Ａｓ(０≦ｘ２≦１)から成る第２化合物半導体層と、
前記第１化合物半導体層および前記第２化合物半導体層の間に介在し、ＡｌＧａＩｎＡｓＰから成る五元系化合物半導体層とを含むことを特徴とする半導体発光素子である。
【００１７】
また本発明は、第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、バリア層の間に井戸層が介在されて成る活性層、第２導電型光ガイド層および第２導電型クラッド層がこの順に積層されて構成され、
前記第１化合物半導体層は、第１導電型光ガイド層および第２導電型光ガイド層のうち、少なくとも１層または層の一部を構成し、
前記第２化合物半導体層は、前記バリア層を構成することを特徴とする。
【００１８】
また本発明は、第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、バリア層の間に井戸層が介在されて成る活性層、第２導電型光ガイド層、接合改善層および第２導電型クラッド層がこの順に積層されて構成され、
前記第１導電型クラッド層、井戸層、および第１導電型光ガイド層は、ＡｌＧａＡｓから成る三元系化合物半導体によって形成され、
前記第１化合物半導体層は、前記第２導電型クラッド層を構成し、
前記第２化合物半導体層は、前記第２導電型光ガイド層を構成し、
前記五元系化合物半導体層は、前記接合改善層を構成することを特徴とする。
【００１９】
また本発明は、第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、バリア層の間に井戸層が介在されて成る活性層、第２導電型光ガイド層、第２導電型第１クラッド層、接合改善層および第２導電型第２クラッド層がこの順に積層されて構成され、
前記第１導電型クラッド層、井戸層、第１導電型光ガイド層および第２導電型光ガイド層をＡｌＧａＡｓから成る三元系化合物半導体によって形成し、
前記第１化合物半導体層は、前記第２導電型第２クラッド層を構成し、
前記第２化合物半導体層は、前記第２導電型第１クラッド層を構成し、
前記五元系化合物半導体層は、前記接合改善層を構成することを特徴とする。
【００２０】
また本発明は、第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、バリア層の間に井戸層が介在されて成る活性層、第２導電型光ガイド層、接合改善層、中間層および第２導電型クラッド層がこの順に積層されて構成され、
前記第１導電型クラッド層、井戸層、第１導電型光ガイド層、および第２導電型光ガイド層は、ＡｌＧａＡｓから成る三元系化合物半導体によって形成され、
(Ａｌｘ３Ｇａ1-ｘ３) 1-ｙ２Ｉｎｙ２Ｐ(０＜ｘ３≦１，０＜ｙ２≦１)から成る第３化合物半導体層が前記第２導電型クラッド層を構成し、
前記第１化合物半導体層は、ｘ１＝０に選ばれて前記中間層を構成し、
前記第２化合物半導体層は、第２導電型光ガイド層を構成し、
前記五元化合物半導体層は、前記接合改善層を構成することを特徴とする。
【００２１】
また本発明は、第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、バリア層の間に井戸層が介在されて成る活性層、第２導電型光ガイド層、第２導電型第１クラッド層、接合改善層、中間層および第２導電型第２クラッド層がこの順に積層されて構成され、
前記第１導電型クラッド層、井戸層、第１導電型光ガイド層、第２導電型光ガイド層、および第２導電型第１クラッド層は、ＡｌＧａＡｓから成る三元系化合物半導体によって形成され、
(Ａｌx3Ｇａ1-x3)1-y2Ｉｎy2Ｐ(０＜ｘ３≦１，０＜ｙ２≦１)から成る第３化合物半導体層が前記第２導電型第２クラッド層を構成し、
前記第１化合物半導体層は、ｘ１＝０に選ばれて前記中間層を構成し、
前記第２化合物半導体層は、第２導電型第１クラッド層を構成し、
前記五元化合物半導体層は、前記接合改善層を構成することを特徴とする。
【００２２】
また本発明は、前記活性層が多重量子井戸構造を有することを特徴とする。
また本発明は、前記五元系化合物半導体層のバンドギャップが、第１導電型光ガイド層、第２導電型光ガイド層および第２導電型クラッド層のバンドギャップを超えることを特徴とする。
【００２３】
また本発明は、前記五元系化合物半導体層は、発振光に対して透明であることを特徴とする。
【００２４】
また本発明は、前記五元化合物半導体層と、前記五元化合物半導体層に接触する第２化合物半導体層との格子不整合率が０．２５％以下であることを特徴とする。
【００２５】
また本発明は、前記五元系化合物半導体層の層厚は、１０ｎｍ以上かつ２００ｎｍ以下に選ばれることを特徴とする。
【００２６】
また本発明は、前記五元化合物半導体層における不純物の濃度が、第２導電型クラッド層における不純物の濃度以下であることを特徴とする。
【００２７】
また本発明は、前記第２化合物半導体層のバンドギャップをＥｇ１、前記五元化合物半導体層のバンドギャップをＥｇ２、第１化合物半導体層Ｅｇ３のバンドギャップをＥｇ３とすると、Ｅｇ１＜Ｅｇ２＜Ｅｇ３であることを特徴とする。
【００２８】
また本発明は、気相成長法を用いる半導体層の製造方法であって、
Ａｌ，ＧａおよびＡｓを含む原料ガスを反応炉に供給することによって、ＡｌＧａＡｓから成る三元化合物半導体層を形成し、この三元系化合物半導体層を形成した後、Ａｌ，ＧａおよびＡｓを含む原料ガスの供給に加えて、ＰおよびＩｎを含む原料ガスの反応炉への供給を開始することによって、前記三元系化合物半導体層に積層してＡｌＧａＩｎＡｓＰから成る五元化合物半導体層を形成し、Ａｓを含む原料ガスの供給を停止して前記五元化合物半導体層に積層してＡｌＧａＩｎＰから成る四元化合物半導体層を形成することを特徴とする半導体積層体の製造方法である。
【００２９】
また本発明は、気相成長法を用いる半導体層の製造方法であって、
Ａｌ，ＧａおよびＡｓを含む原料ガスを反応炉に供給することによって、ＡｌＧａＡｓから成る三元系化合物半導体層を形成し、
前記三元系化合物半導体層を形成した後、ＡｌおよびＧａを含む原料ガスを反応炉への供給を停止してから、予め定める第１の時間が経過した後、Ａｓを含む原料ガスの反応炉への供給を停止し、Ｐを含む原料ガスを反応炉に供給し、予め定める第２の時間が経過した後、Ａｌ，ＧａおよびＩｎを含む原料ガスを反応炉に供給することによって、前記三元系化合物半導体層に積層してＡｌＧａＩｎＡｓＰから成る五元化合物半導体層とＡｌＧａＩｎＰから成る四元系化合物半導体層とをこの順に形成することを特徴とする半導体積層体の製造方法である。
【００３０】
また本発明は、気相成長法を用いる半導体層の製造方法であって、
Ａｌ，ＧａおよびＡｓを含む原料ガスを反応炉に供給することによって、ＡｌＧａＡｓから成る三元化合物半導体層を形成し、前記三元系化合物半導体層を形成した後、Ａｌ，ＧａおよびＡｓを含む原料ガスの反応炉への供給を停止してから、予め定める第３の時間を経過して、Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，ＡｓおよびＰを含む原料ガスを反応炉に供給することによって、前記三元系化合物半導体層に積層してＡｌＧａＩｎＡｓＰから成る五元化合物半導体層を形成し、前記五元化合物半導体層を形成した後、Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，ＡｓおよびＰを含む原料ガスの反応炉への供給を停止してから、予め定める第４の時間を経過して、Ａｌ，Ｇａ，ＩｎおよびＰを含む原料ガスを反応炉に供給することによって、前記五元化合物半導体層に積層してＡｌＧａＩｎＰから成る四元化合物半導体層を形成することを特徴とする半導体積層体の製造方法である。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、半導体発光素子は、Ａｓ系混晶層である第２化合物半導体層とＰ系混晶層である第１化合物半導体層との間に、これらの中間の格子定数を有するＡｌＧａＩｎＡｓＰからなる五元系化合物半導体層を設けることによって、格子歪みを緩和することができる。したがって、素子抵抗を低減させ、より低電圧動作を実現することができるとともに、発振光の吸収が抑えられることから、光の取り出し効率を向上させることができる。
【００３２】
また本発明によれば、半導体発光素子は、さらに、第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、バリア層の間に井戸層が介在されてなる活性層、第２導電型光ガイド層および第２導電型クラッド層がこの順に積層されて構成される。また、第１化合物半導体層は、第１導電型光ガイド層および第２導電型光ガイド層のうち、少なくとも１層または層の一部を構成し、第２化合物半導体層は、バリア層を構成する。したがって、第１導電型光ガイド層および第２導電型光ガイド層のいずれかのＡｌＧａＩｎＰ層からなるＰ系の混晶層とＡｌＧａＡｓバリア層からなるＡｓ系の混晶層との間に、ＡｌＧａＩｎＡｓＰからなる五元系化合物半導体層を設けることによって、格子歪みを緩和することができる。
【００３３】
また本発明によれば、半導体発光素子は、第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、バリア層の間に井戸層が介在されてなる活性層、Ａｓ系の混晶層の第２導電型光ガイド層、接合改善層およびＰ系の混晶層の第２導電型クラッド層がこの順に積層されて構成され、第１導電型クラッド層、井戸層、および第１導電型光ガイドは、ＡｌＧａＡｓからなる三元系化合物半導体によって形成される。また、Ｐ系の混晶層の第２導電型クラッド層とＡｓ系の混晶層の第２導電型光ガイド層との間にＡｌＧａＩｎＡｓＰ層から構成される接合改善層が介在されてなるので、接合改善層によって、第２導電型クラッド層と第２導電型光ガイド層との格子歪みを緩和することができる。
【００３４】
また本発明によれば、半導体発光素子は、第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、バリア層の間に井戸層が介在されてなる活性層、第２導電型光ガイド層、第２導電型第１クラッド層、接合改善層および第２導電型第２クラッド層がこの順に積層されて構成され、第１導電型クラッド層、井戸層、第１導電型光ガイド層および第２導電型光ガイド層をＡｌＧａＡｓからなる三元系化合物半導体によって形成される。また、Ｐ系の混晶層の第２導電型第２クラッド層とＡｓ系の混晶層の第２導電型第１クラッド層との間にＡｌＧａＩｎＡｓＰ層から構成される接合改善層が介在されてなるので、接合改善層によって、第２導電型第２クラッド層と第２導電型第１クラッド層との格子歪みを緩和することができる。
【００３５】
また本発明によれば、半導体発光素子は、第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、バリア層の間に井戸層が介在されてなる活性層、Ａｓ系の混晶層の第２導電型光ガイド層、接合改善層、中間層およびＰ系の混晶層の第２導電型クラッド層がこの順に積層されて構成される。また、第１導電型クラッド層、井戸層、第１導電型光ガイド層および第２導電型光ガイド層は、ＡｌＧａＡｓからなる三元系化合物半導体によって形成される。また、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ層の接合改善層とＡｌＧａＩｎＰ層である第２導電型クラッド層との間に、これらの中間の格子定数を有するＧａＩｎＰ層から構成される中間層が介在されてなる。したがって中間層によって、第２導電型クラッド層と接合改善層との格子歪みを緩和することができる。
【００３６】
また本発明によれば、半導体発光素子は、第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、バリア層の間に井戸層が介在されてなる活性層、第２導電型光ガイド層、Ａｓ系の混晶層の第２導電型第１クラッド層、接合改善層、中間層および第２導電型第２クラッド層がこの順に積層されて構成される。また，第１導電型クラッド層、井戸層、第１導電型光ガイド層、第２導電型光ガイド層、および第２導電型第１クラッド層は、ＡｌＧａＡｓからなる三元系化合物半導体によって形成される。さらに、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ層の接合改善層とＡｌＧａＩｎＰ層である第２導電型第２クラッド層との間に、これらの中間の格子定数を有するＧａＩｎＰ層から構成される中間層が介在されてなる。したがって中間層によって、第２導電型第２クラッド層と接合改善層との格子歪みを緩和することができる。
【００３７】
また本発明によれば、半導体発光素子は、活性層が多重量子井戸構造を有するので、閾値電流の低減、発光効率の向上を図ることができる。
【００３８】
また本発明によれば、半導体発光素子のＡｌＧａＩｎＡｓＰ層のバンドギャップは、第１導電型光ガイド層、第２導電型光ガイド層および第２導電型クラッド層のバンドギャップを超えるので、第１導電型光ガイド層および第２導電型光ガイド層より屈折率を小さくすることができ、光閉じ込め効果により、発光効率の向上を図ることができる。
【００３９】
また本発明によれば、半導体発光素子のＡｌＧａＩｎＡｓＰ層は、発振光に対して透明であるので、発光層で発振した光が吸収されるのを防ぐことが出来る。
【００４０】
また本発明によれば、半導体発光素子のＡｌＧａＩｎＡｓＰ層と、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ層に接触するＡｓ系の混晶層半導体層との格子不整合率が０．２５％以下であるので、格子不整合による素子抵抗を緩和することができる。
【００４１】
また本発明によれば、半導体発光素子のＡｌＧａＩｎＡｓＰ層の層厚は、１０ｎｍ以上かつ２００ｎｍ以下に選ばれるので、生産性が低下せず、格子歪を緩和する効果を得ることができる。ＡｌＧａＩｎＡｓＰ接合改善層が１０ｎｍよりも薄ければ格子歪を緩和する効果が得られず、また、２００ｎｍよりも厚ければ生産性が低下する。
【００４２】
また本発明によれば、半導体発光素子のＡｌＧａＩｎＡｓＰ層における不純物の濃度は、第２導電型クラッド層における不純物の濃度以下であるので、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ層における不純物が活性層側へ拡散することを防ぐことができる。ここで、不純物の濃度の単位は、不純物の原子数/cm3である。
【００４３】
また本発明によれば、半導体発光素子のＡｓ系の混晶層のバンドギャップをＥｇ１、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ層のバンドギャップをＥｇ２、Ｐ系の混晶層のバンドギャップをＥｇ３とすると、Ｅｇ１＜Ｅｇ２＜Ｅｇ３である。したがって、ＡｌＧａＡｓ層からＡｌＧａＩｎＡｓＰ層、さらにＡｌＧａＩｎＰ層にかけて層厚方向に価電子帯エネルギ準位を連続的に変化させることで、ヘテロ障壁を低減させることによって、電子を通りやすくし、光の取出し効率の向上を図ることができる。
【００４４】
また本発明によれば、気相成長法を用いる半導体積層体の製造方法は、Ａｌ、ＧａおよびＡｓを含む原料ガスを反応炉に供給することによって、ＡｌＧａＡｓからなる三元系化合物半導体層を形成し、Ａｌ、ＧａおよびＡｓを含む原料ガスの供給に加えて、ＰおよびＩｎを含む原料ガスの反応炉への供給を開始することによって、三元系化合物半導体層に積層してＡｌＧａＩｎＡｓＰからなる五元系化合物半導体層を形成する。その後、Ａｓを含む原料ガスの供給を停止して前記五元系化合物半導体層に積層してＡｌＧａＩｎＰからなる四元系化合物半導体層を形成する。したがって、各元素を含む原料ガスの供給の流量をコントロールすることで、Ａｓ系混晶層とＰ系混晶層との間に、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ層が形成された半導体積層体を製造することができる。
【００４５】
また本発明によれば、気相成長法を用いる半導体積層体の製造方法は、Ａｌ、ＧａおよびＡｓを含む原料ガスを反応炉に供給することによって、ＡｌＧａＡｓからなる三元系化合物半導体層を形成し、ＡｌおよびＧａを含む原料ガスを反応炉への供給を停止してから、予め定める第１の時間を経過した後、Ａｓを含む原料ガスの反応炉への供給を停止し、Ｐを含む原料ガスを反応炉に供給し、予め定める第２の時間を経過した後、Ａｌ、ＧａおよびＩｎを含む原料ガスを反応炉に供給することによって、前記三元系化合物半導体層にＡｌＧａＩｎＡｓＰからなる五元系化合物半導体層、ＡｌＧａＩｎＰからなる四元系化合物半導体層を順に形成する。したがって、Ａｓ系混晶層とＰ系混晶層との間に、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ層が形成された半導体積層体を製造することができるとともに、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ層を製造する工程において、原料ガスを反応炉に供給する時間が少なくなり、原料ガスの消費を抑えることが可能となる。
【００４６】
また本発明によれば、気相成長法を用いる半導体積層体の製造方法は、Ａｌ，ＧａおよびＡｓを含む原料ガスを反応炉に供給することによって、ＡｌＧａＡｓから成る三元化合物半導体層を形成した後、Ａｌ，ＧａおよびＡｓを含む原料ガスの反応炉への供給を停止してから、予め定める第３の時間を経過して、Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，ＡｓおよびＰを含む原料ガスを反応炉に供給することによって、前記三元系化合物半導体層に積層してＡｌＧａＩｎＡｓＰから成る五元化合物半導体層を形成し、その後、Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，ＡｓおよびＰを含む原料ガスの反応炉への供給を停止してから予め定める第４の時間を経過して、Ａｌ，Ｇａ，ＩｎおよびＰを含む原料ガスを反応炉に供給することによって、前記五元化合物半導体層に積層してＡｌＧａＩｎＰから成る四元化合物半導体層を形成する。したがって、Ａｓ系混晶層とＰ系混晶層との間に、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ層が形成された半導体積層体を製造することができるとともに、
Ａｓ系混晶層とＰ系混晶層との間に、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ層が形成された半導体積層体を製造する工程において、すべての原料ガスの供給を停止している状態を設けていることによって、装置の制御性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
図１は、本発明の実施の第１形態の半導体発光素子である半導体レーザダイオード１０の構成を模式的に示す断面図である。
【００４８】
本実施の形態において、第１導電型はｎであって、「ｎ−」で表わし、第２導電型はｐであって、「ｐ−」で表わす。「ｎ−」とは、キャリアを注入するドーピングにおいて、電子を注入するｎ−ドーピングされた層を表し、「ｐ−」とは、正孔を注入するｐ−ドーピングされた層を表す。
【００４９】
半導体レーザダイオード１０は、ｎ−ＧａＡｓ基板１１上に、第１導電型クラッド層であるｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１２（膜厚２．０μｍ〜３．０μｍ、キャリア濃度１．０×１０１７〜１．０×１０１８）、第１導電型光ガイド層であるｎ−ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１３（膜厚０．０２μｍ〜０．０３μｍ、キャリア濃度１．０×１０１７以下）、活性層２０、第２導電型光ガイド層であるｐ−ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１７（膜厚０．０２μｍ〜０．０３μｍ、キャリア濃度１．０×１０１７以下）、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ接合改善層１８（膜厚０．０３μｍ〜０．０４μｍ、キャリア濃度１．０×１０１８以下）、および第２導電型クラッド層であるｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１９（膜厚１．０μｍ〜１．５μｍ、キャリア濃度１．０×１０１８〜５．０×１０１８）、ｐ−ＧａＡｓキャップ層２１（膜厚０．５μｍ、キャリア濃度１．０×１０１９）を順次積層したものである。ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１９は、(Ａｌｘ４Ｇａ１-ｘ４)1-ｙ３Ｉｎｙ３Ｐ(０≦ｘ４≦１，０≦ｙ３≦１)から成る第１化合物半導体層である。ｐ−ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１７は、Ａｌｘ５Ｇａ1-ｘ５Ａｓ(０≦ｘ５≦１)から成る第２化合物半導体層である。
【００５０】
なお、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ接合改善層１８の組成比は、（Ａｌｘ６Ｇａ１―ｘ６）ｙ４Ｉｎ１−ｙ４Ａｓｚ１Ｐ1-ｚ１とすると、０＜ｘ６≦０．５，０．３≦ｙ４≦０．６，０．４≦ｚ１≦０．６が好ましい。
【００５１】
ｐ−ＧａＡｓキャップ層２１の形成後は、ｐ−ＧａＡｓキャップ層２１の上に、Ｐ−ＣＶＤ(Plasma-Chemical Vapor Deposition)法などによりマスク用誘電体膜を形成する。マスク用誘電体膜には、例えば二酸化ケイ素(ＳｉＯ２)または窒化ケイ素（ＳｉＮ）によって膜を形成後、フォトリソグラフィまたはＲＩＥ（Reactive Ion Etching)などによるエッチングを行うことにより、リッジを形成部のみに、マスク用誘電体膜を形成する。次に、ＩＣＰ(Inductive Coupled Plasma)法またはＥＣＲ(Electron Cyclotron Resonance)法などによるドライエッチングによって、マスク用誘電体膜をマスクとして、ｐ−ＧａＡｓキャップ層２１のリッジ形成部以外の部分およびｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１９のリッジを形成部以外の部分の厚み方向の中間部までをエッチングする。さらに、硫酸および過酸化水素水の混合溶液などにより、リッジの幅を整えて、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１９のリッジを形成部以外の残部をウェットエッチングによって、リッジを形成する。リッジ形成後は、ＳｉＯ２などの誘電体膜をリッジ側面又は、p−中間層上部に形成する。ｎ−ＧａＡｓ基板１１のｐ−ＧａＡｓキャップ層２１が積層される面とは反対側の面上には図示しないｎ側電極が形成され、ｐ−ＧａＡｓキャップ層２１のｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１９に接触する面とは反対の面上層には図示しないｐ側電極が形成される。その後、レーザバーに分割し、出射側端面コート膜および反射側端面コート膜を成膜し、さらにチップに分割されることによって、半導体レーザチップが完成する。
【００５２】
Ｐ系混晶層であるｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１９とＡｓ系混晶層であるｐ−ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１７との間に、これらの中間の格子定数を有するＡｌＧａＩｎＡｓＰ接合改善層１８を設けることによって、格子歪みを緩和することができる。したがって、素子抵抗を低減させ、より低電圧動作を実現することができるとともに、発振光の吸収が抑えられることから、光の取り出し効率を向上させることができる。
【００５３】
また、活性層２０は、ＡｌＧａＡｓバリア層１４（膜厚３．０ｎｍ〜６．０ｎｍ、キャリア濃度１.０×１０１７以下）、ＡｌＧａＡｓ井戸層１５（膜厚５.０ｎｍ〜８．０ｎｍ、キャリア濃度１．０×１０１７以下）、ＡｌＧａＡｓバリア層１６（膜厚３．０ｎｍ〜６．０ｎｍ、キャリア濃度１．０×１０１７以下）を順次積層したもので、多重量子井戸構造を有する。多重量子井戸構造を有することによって、閾値電流の低減、発光効率の向上を図ることができる。
【００５４】
ＡｌＧａＩｎＡｓＰ接合改善層１８は、Ａｌ混晶比が、第１光ガイド層、第２光ガイド層、および第２導電型クラッド層と同じ、もしくはそれ以上であることによって、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ接合改善層１８のバンドギャップは、ｎ−ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１３、ｐ−ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１７およびｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１９のバンドギャップを超える。
【００５５】
したがって、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ接合改善層１８の屈折率が、第１光ガイド層、第２光ガイド層、および第２導電型クラッド層より小さくなり、光の閉じ込め効果により、発光効率を向上させることができる。
【００５６】
ＡｌＧａＩｎＡｓＰ接合改善層１８は、発振光を吸収しないエネルギバンドを有しており、発振光に対して透明である。したがって、発光層で発振した光が吸収されるのを防ぐことができる。
【００５７】
ＡｌＧａＩｎＡｓＰ接合改善層１８と、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１９との格子不整合率は０．２５％以下に選ばれる。
【００５８】
したがって、結晶性の高い半導体レーザを形成することができる。格子不整合率が０．２５％を超えた場合、素子抵抗が上がり、素子の電圧特性、および長期信頼性に影響を与える。
【００５９】
ＡｌＧａＩｎＡｓＰ接合改善層１８の層厚は、１０ｎｍ以上かつ２００ｎｍ以下の範囲が好ましい。ＡｌＧａＩｎＡｓＰ接合改善層１８の層厚が１０ｎｍよりも薄ければ格子歪を緩和する効果が得られず、また、２００ｎｍよりも厚ければ生産性が低下する。より好ましくは１０ｎｍ以上かつ５０ｎｍである。
【００６０】
ＡｌＧａＩｎＡｓＰ接合改善層１８における不純物の濃度が、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１９における不純物の濃度以下である。したがって、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ層の不純物が活性層側へ拡散することによるＡｌＧａＩｎＡｓＰ接合改善層１８の結晶性の劣化を防ぐことができる。
【００６１】
したがって、不純物の拡散によるＡｌＧａＩｎＡｓＰ接合改善層１８の結晶性の劣化を防ぐことができる。
【００６２】
ｐ−ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１７のバンドギャップをＥｇ１、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ接合改善層１８のバンドギャップをＥｇ２、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１９のバンドギャップをＥｇ３とすると、Ｅｇ１＜Ｅｇ２＜Ｅｇ３となるように層厚方向に価電子帯エネルギ準位を段階的に変化させている。
【００６３】
したがって、ＡｌＧａＡｓ層からＡｌＧａＩｎＡｓＰ層、さらにＡｌＧａＩｎＰ層にかけて層厚方向に価電子帯エネルギ準位を段階的に変化させることで、価電子帯エネルギ準位を連続的に変化させてヘテロ障壁を低減させることによって、電子を通りやすくし、光の取出し効率の向上を図ることができる。
【００６４】
図２は、本発明の実施の第２形態の半導体レーザダイオード３０の構成を模式的に示す断面図である。
【００６５】
半導体レーザダイオード３０は、ｎ−ＧａＡｓ基板３１上に、ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層３２（膜厚２．０μｍ〜４．０μｍ、キャリア濃度１．０×１０１７〜１．０×１０１８）、ｎ−ＡｌＧａＡｓ光ガイド層３３（膜厚０．０２μｍ〜０．０３μｍ、キャリア濃度１．０×１０１７以下）、活性層４１、ｐ−ＡｌＧａＡｓ光ガイド層３７（膜厚０．０２μｍ〜０．０３μｍ、キャリア濃度１．０×１０１７以下）、第２導電型第１クラッド層であるｐ−ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層３８（膜厚０．１μｍ〜０．２μｍ、キャリア濃度１．０〜３．０×１０１８）、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ接合改善層３９（膜厚０．０３μｍ〜０．０４μｍ、キャリア濃度１．０×１０１８以下）、第２導電型第２クラッド層であるｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層４０（膜厚１．０μｍ〜１．５μｍ、キャリア濃度１．０〜５．０×１０１８）、ｐ−ＧａＡｓキャップ層４２（膜厚０．５μｍ、キャリア濃度１．０×１０１９）を順次積層したものである。ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層４０は、(Ａｌｘ４Ｇａ１-ｘ４)1-ｙ３Ｉｎｙ３Ｐ(０≦ｘ４≦１，０≦ｙ３≦１)から成る第１化合物半導体層である。ｐ−ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層３８は、Ａｌｘ５Ｇａ1-ｘ５Ａｓ(０≦ｘ５≦１)から成る第２化合物半導体層である。
【００６６】
なお、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ接合改善層３９の組成比は、（Ａｌｘ６Ｇａ１―ｘ６）ｙ４Ｉｎ１−ｙ４Ａｓｚ１Ｐ1-ｚ１とすると、０＜ｘ６≦０．５，０．３≦ｙ４≦０．６，０．４≦ｚ１≦０．６が好ましい。
【００６７】
ｐ−ＧａＡｓキャップ層４２の形成後は、本発明の実施の第１形態と同様に、ｐ−ＧａＡｓキャップ層４２の上に、マスク用誘電体膜を形成し、ドライエッチングおよびウェットエッチングによって、リッジを形成する。リッジ形成後は、誘電体膜、ｎ側電極、およびｐ側電極を形成し、チップに分割されることによって、半導体レーザチップが完成する。
【００６８】
また、活性層４１は、ＡｌＧａＡｓバリア層３４（膜厚３．０ｎｍ〜６．０ｎｍ、キャリア濃度１．０×１０１７以下）、ＡｌＧａＡｓ井戸層３５（膜厚５．０ｎｍ〜８．０ｎｍ、キャリア濃度１．０×１０１７以下）、ＡｌＧａＡｓバリア層３６（膜厚３．０ｎｍ〜６．０ｎｍ、キャリア濃度１．０×１０１７以下）を順次積層したもので、多重量子井戸構造を有する。
【００６９】
Ｐ系の混晶層のｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層４０とＡｓ系の混晶層のｐ−ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層３８との間に、これらの中間の格子定数を有するＡｌＧａＩｎＡｓＰ接合改善層３９が介在されてなるので、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層４０とｐ−ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層３８との格子歪みを緩和することができる。
【００７０】
図３は、本発明の実施の第３形態の半導体レーザダイオード５０の構成を模式的に示す断面図である。
【００７１】
半導体レーザダイオード５０は、ｎ−ＧａＡｓ基板５１上に、ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層５２（膜厚２．０μｍ〜３．０μｍ、キャリア濃度１．０×１０１７〜１．０×１０１８）、ｎ−ＡｌＧａＡｓ光ガイド層５３（膜厚０．０２μｍ〜０．０３μｍ、キャリア濃度１．０×１０１７以下）、活性層６１、ｐ−ＡｌＧａＡｓ光ガイド層５７（膜厚０．０２μｍ〜０．０３μｍ、キャリア濃度１．０×１０１７以下）、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ接合改善層５８（膜厚０．０３μｍ〜０．０４μｍ、キャリア濃度１．０×１０１８以下）、ＧａＩｎＰ中間層５９（膜厚０．０１μｍ〜０．１μｍ、キャリア濃度１．０×１０１７〜１．０×１０１８）、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６０（膜厚１．０μｍ〜１．５μｍ、キャリア濃度１．０〜５．０×１０１８）、ｐ−ＧａＡｓキャップ層６２（膜厚０．５μｍ、キャリア濃度１．０×１０１９）を順次積層したものである。ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６０は、(Ａｌｘ４Ｇａ１-ｘ４)1-ｙ３Ｉｎｙ３Ｐ(０≦ｘ４≦１，０≦ｙ３≦１)から成る第１化合物半導体層である。ｐ−ＡｌＧａＡｓ光ガイド層５７は、Ａｌｘ５Ｇａ1-ｘ５Ａｓ(０≦ｘ５≦１)から成る第２化合物半導体層である。
【００７２】
なお、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ接合改善層５８の組成比は、（Ａｌｘ６Ｇａ１−ｘ６）ｙ５Ｉｎ１−ｙ５Ａｓｚ３Ｐ1-ｚ３とすると、０＜ｘ６≦０．５，０．３≦ｙ５≦０．６，０．４≦ｚ３≦０．６が好ましい。
【００７３】
ｐ−ＧａＡｓキャップ層６２の形成後は、本発明の実施の第１形態と同様に、ｐ−ＧａＡｓキャップ層６２の上に、マスク用誘電体膜を形成し、ドライエッチングおよびウェットエッチングによって、リッジを形成する。リッジ形成後は、誘電体膜、ｎ側電極、およびｐ側電極を形成し、チップに分割されることによって、半導体レーザチップが完成する。
【００７４】
また、活性層６１は、ＡｌＧａＡｓバリア層５４（膜厚３．０ｎｍ〜６．０ｎｍ、キャリア濃度１．０×１０１７以下）、ＡｌＧａＡｓ井戸層５５（膜厚５．０ｎｍ〜８．０ｎｍ、キャリア濃度１．０×１０１７以下）、ＡｌＧａＡｓバリア層５６（膜厚３．０ｎｍ〜６．０ｎｍ、キャリア濃度１．０×１０１７以下）を順次積層したもので、多重量子井戸構造を有する。
【００７５】
ＡｌＧａＩｎＡｓＰ接合改善層５８とｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６０との間に、これらの中間の格子定数を有するＧａＩｎＰ中間層５９が介在されてなる。したがってＧａＩｎＰ中間層５９によって、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６０とＡｌＧａＩｎＡｓＰ接合改善層５８との格子歪みを緩和することができる。
【００７６】
図４は、本発明の実施の第４形態の半導体レーザダイオード７０の構成を模式的に示す断面図である。
【００７７】
半導体レーザダイオード７０は、ｎ−ＧａＡｓ基板７１上に、ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層７２（膜厚２．０μｍ〜３．０μｍ、キャリア濃度１．０×１０１７〜１．０×１０１８）、ｎ−ＡｌＧａＡｓ光ガイド層７３（膜厚０．０２μｍ〜０．０３μｍ、キャリア濃度１．０×１０１７以下）、活性層８２、ｐ−ＡｌＧａＡｓ光ガイド層７７（膜厚０．０２μｍ〜０．０３μｍ、キャリア濃度１．０×１０１７以下）、ｐ−ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層７８（膜厚０．１μｍ〜０．２μｍ、キャリア濃度１．０×１０１８〜５．０×１０１８）、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ接合改善層７９（膜厚０．０３μｍ〜０．０４μｍ、キャリア濃度１．０×１０１８以下）、ＧａＩｎＰ中間層８０（膜厚０．０１μｍ〜０．１μｍ、キャリア濃度１．０×１０１７〜１．０×１０１８）、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層８１（膜厚１．０μｍ〜１．５μｍ、キャリア濃度１．０〜５．０×１０１８）、ｐ−ＧａＡｓキャップ層８３（膜厚０．５μｍ、キャリア濃度１．０×１０１９）を順次積層したものである。ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層８１は、(Ａｌｘ４Ｇａ１-ｘ４)1-ｙ３Ｉｎｙ３Ｐ(０≦ｘ４≦１，０≦ｙ３≦１)から成る第１化合物半導体層である。ｐ−ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層７８は、Ａｌｘ５Ｇａ1-ｘ５Ａｓ(０≦ｘ５≦１)から成る第２化合物半導体層である。
【００７８】
なお、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ接合改善層７９の組成比は、（Ａｌｘ６Ｇａ１−ｘ６）ｙ４Ｉｎ１−ｙ４Ａｓｚ１Ｐ1-ｚ１とすると、０＜ｘ６≦０．５，０．３≦ｙ４≦０．６，０．４≦ｚ１≦０．６が好ましい。
【００７９】
ｐ−ＧａＡｓキャップ層８３の形成後は、本発明の実施の第１形態と同様に、ｐ−ＧａＡｓキャップ層８３の上に、マスク用誘電体膜を形成し、ドライエッチングおよびウェットエッチングによって、リッジを形成する。リッジ形成後は、誘電体膜、ｎ側電極、およびｐ側電極を形成し、チップに分割されることによって、半導体レーザチップが完成する。
【００８０】
また、活性層８２は、ＡｌＧａＡｓバリア層７４（膜厚３．０ｎｍ〜６．０ｎｍ、キャリア濃度１．０×１０１７以下）、ＡｌＧａＡｓ井戸層７５（膜厚５．０ｎｍ〜８．０ｎｍ、キャリア濃度１．０×１０１７以下）、ＡｌＧａＡｓバリア層７６（膜厚３．０ｎｍ〜６．０ｎｍ、キャリア濃度１．０×１０１７以下）を順次積層したもので、多重量子井戸構造を有する。
【００８１】
ＡｌＧａＩｎＡｓＰ接合改善層７９とｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層８１との間には、これらの中間の格子定数を有するＧａＩｎＰ中間層８０が介在されてなる。したがって、ＧａＩｎＰ中間層８０によって、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層８１とＡｌＧａＩｎＡｓＰ接合改善層７９との格子歪みを緩和することができる。
【００８２】
さらに、本発明の実施の第５形態として、第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、バリア層の間に井戸層が介在されてなる活性層、第２導電型光ガイド層および第２導電型クラッド層がこの順に積層されて構成される半導体レーザダイオードにおいて、第１導電型光ガイド層および第２導電型光ガイド層のうちの少なくともいずれかが(Ａｌｘ４Ｇａ１-ｘ４)1-ｙ３Ｉｎｙ３Ｐ層(０≦ｘ４≦１，０≦ｙ３≦１)で形成され、バリア層がＡｌｘ５Ｇａ1-ｘ５Ａｓ層(０≦ｘ５≦１)で形成され、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層とｐ−ＡｌＧａＩｎＰ層との間に、これらの中間の格子定数を有するＡｌＧａＩｎＡｓＰ接合改善層を設けることによっても、格子歪みを緩和することができる。これによって、素子抵抗を低減させ、より低電圧動作を実現することができるとともに、発振光の吸収が抑えられることから、光の取り出し効率を向上させることができる。
【００８３】
次に本発明の実施の第６形態の気相成長法を用いる半導体積層体の製造方法について説明する。本実施形態を含めて以下の各実施形態の気相成長法においては、膜厚、組成の制御性および量産性に優れるＭＯＣＶＤ法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition、有機金属気相成長法）を用いている。
【００８４】
図５は、有機金属化学気相成長装置９０（以後単に「気相成長装置９０」と称す）の構成を模式的に示す断面図である。気相成長装置９０は、上部に原料ガス導入口９２および下部の端部にガス排出口９３を有する反応室９１と、反応室９１内に設けられ、その上面９５に複数の基板９８を保持するサセプタ９４と、サセプタ９４の下部に設けられ、サセプタ上面９５に保持される基板９８を加熱する加熱手段である図示しない高周波コイルと、サセプタ９４の下部に設けられ、サセプタ９４の温度を測定してサセプタ９４の温度を制御するための放射温度計とを含んで構成される。この気相成長装置９０によれば、サセプタ９４の上面９５に基板９８を載置し、高周波コイルに高周波電流を流してサセプタ９４を誘導加熱し、それによって基板９８を加熱した状態で、原料ガス導入口９２から基板９８の表面に所定比の原料ガス９６を導入し、基板９８上で気相成長反応を生起させて所定の層を形成し、反応後の排ガス９７をガス排出口９３から排出する。これによって、基板９８上に所望の層が形成される。
【００８５】
なお、以下の各実施形態における気相成長法を用いる半導体積層体の製造方法では、重複する製造工程は省略して説明する。
【００８６】
ＩＩＩ族の原料ガスとしては、Ａｌの原料ガスであるトリメチルアルミニウム(ＴＭＡｌ)、Ｇａの原料ガスであるトリメチルガリウム(ＴＭＧａ)、Ｉｎの原料ガスであるトリメチルインジウム(ＴＭＩｎ)、またＶ族の原料として、Ａｓの原料ガスであるアルシン(ＡｓＨ3)、Ｐの原料ガスであるホスフィン(ＰＨ３)、ドープ材料としては、ｐ型のドーパントとして、ジメチル亜鉛(ＤＭＺｎ)、ジエチル亜鉛(ＤＥＺｎ)、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(ＣＰ2Ｍｇ)、ｎ型のドーパントとして、モノシラン(ＳｉＨ4)、ジシラン(Ｓｉ2Ｈ6)などを使用する。
【００８７】
まず、ｎ-ＧａＡｓ基板上に、有機金属気相成長法(ＭＯＣＶＤ)によって、ｎ−ＧａＡｓと格子整合するバンドギャップを有するｎ−Ａｌx５Ｇａ1-x５Ａｓ(０≦x５≦１)クラッド層（たとえば、x＝０．３５および厚さ約３.０μｍ）、ｎ−Ａｌx５Ｇａ1-x５Ａｓ(０≦x５≦１)光ガイド層（たとえば、x＝０．２６および厚さ約３５ｎｍ）、Ａｌx５Ｇａ1-x５Ａｓ(０≦x５≦１)バリア層（たとえば、x＝０．２７および厚さ５ｎｍ）、Ａｌx５Ｇａ1-x５Ａｓ(０≦x５≦１)井戸層（たとえば、x＝０．１２および厚さ７ｎｍ）、Ａｌx５Ｇａ1-x５Ａｓ(０≦x５≦１)バリア層（たとえば、x＝０．２７および厚さ５ｎｍ）を積層し、再びｐ−Ａｌx５Ｇａ1-x５Ａｓ(０≦x５≦１)光ガイド層（たとえば、x５＝０．２６および厚さ６０ｎｍ）を積層する。
【００８８】
図６は、本発明の実施の第６形態の気相成長法を用いる半導体積層体の製造方法における原料ガス導入パターンを示す図である。
【００８９】
ｐ−Ａｌx５Ｇａ1-x５Ａｓ(０≦x５≦１)光ガイド層の上に、Ａｌ、ＧａおよびＡｓを含む原料ガスを反応炉への供給することによって、ｐ−Ａｌx５Ｇａ1-x５Ａｓ(０≦x５≦１)第１クラッド層（たとえば、x＝０．４５および厚さ１００ｎｍ）を積層し、Ａｌ、ＧａおよびＡｓを含む原料ガスの反応炉への供給を続けたまま、Ｉｎ、Ｐの供給を開始し、接合改善層である（Ａｌx６Ｇａ1-x６）y４Ｉｎ1-y４Ａｓｚ１Ｐ1-ｚ１層（たとえば、x６＝０．４０，ｙ４＝０．４０，ｚ１＝０．５０，厚さ１０ｎｍ）を形成する。更に、Ａｓを含む原料ガスの供給を停止することによって、その上にｐ−(Ａｌx４Ｇａ1-x４)1-y３Ｉｎy３Ｐ(０≦ｘ４≦１，０≦ｙ３≦１)第２クラッド層（たとえば、x４＝０．７０，ｙ３＝０．４８および厚さ１２００ｎｍ）を積層する。
【００９０】
このとき、結晶成長を停止させないように、Ｖ族元素の有機金属化合物のモル流量で表される気相成長系内への供給量ＶとＩＩＩ族元素の有機金属化合物のモル流量で表される気相成長系内への供給量ＩＩＩとの比Ｖ／ＩＩＩを一定に保ちながらＰ／Ａｓの原料ガスの供給／停止を切り替える方が好ましい。具体的には、Ｐ／Ａｓ切り替え時、Ａｓの原料ガスの供給を所定時間において連続的に減少させ、Ｐの原料ガスの供給についても所定時間において連続的に上昇させて、結晶成長を停止させないように、Ｖ／ＩＩＩ比を一定に保つようにする。
【００９１】
ドーピングについては、成長と同時にＳｉやＺｎなどのドーピング材料を反応炉に供給する方法または、イオン注入による方法で行う。
【００９２】
本発明の実施の第７形態の気相成長法を用いる半導体積層体の製造方法では、まず、ｎ-ＧａＡｓ基板上に、有機金属気相成長法(ＭＯＣＶＤ)によって、ｎ−ＧａＡｓと格子整合するバンドギャップを有するｎ−Ａｌx５Ｇａ1-x５Ａｓ(０≦x５≦１)クラッド層（たとえば、x５＝０．４０および厚さ約３．０μｍ）、ｎ−Ａｌx５Ｇａ1-x５Ａｓ(０≦x５≦１)光ガイド層（たとえば、x＝０．２６および厚さ約３５ｎｍ）、Ａｌx５Ｇａ1-x５Ａｓ(０≦x５≦１)バリア層（たとえば、x５＝０．２７および厚さ５ｎｍ）、Ａｌx５Ｇａ1-x５Ａｓ(０≦x５≦１)井戸層（たとえば、x５＝０．１２および厚さ７ｎｍ）、Ａｌx５Ｇａ1-x５Ａｓ(０≦x５≦１)バリア層（たとえば、x５＝０．２７および厚さ５ｎｍ）を積層し、再びｐ−Ａｌx５Ｇａ1-x５Ａｓ(０≦x５≦１)光ガイド層（たとえば、x５＝０．２６および厚さ６０ｎｍ）を積層する。
【００９３】
図７は、本発明の実施の第７形態の気相成長法を用いる半導体積層体の製造方法における原料ガス導入パターンを示す図である。
【００９４】
ｐ−Ａｌx５Ｇａ1-x５Ａｓ(０≦x５≦１)光ガイド層の上に、Ａｌ、ＧａおよびＡｓを含む原料ガスを反応炉への供給することによって、ｐ−Ａｌx５Ｇａ1-x５Ａｓ(０≦x５≦１)第１クラッド層（たとえば、x５＝０．４５および厚さ１００ｎｍ）を積層した後、反応炉へ供給されているＡｌ，ＧａおよびＡｓを含む原料ガスのうち、ＡｌおよびＧａを含む原料ガスの供給を停止した後、所定時間（たとえば１０分間）の後にＡｓを含む原料ガスの供給を停止する。次にＰを含む原料ガスを供給し、更に所定時間（たとえば１０分間）の後にＡｌ，ＧａおよびＩｎを含む原料ガスを反応炉に供給することによって、ｐ−Ａｌx５Ｇａ1-x５Ａｓ(０≦x５≦１)第１クラッド層に積層して接合改善層である（Ａｌx６Ｇａ1-x６）y４Ｉｎ1-y４Ａｓｚ１Ｐ1-ｚ１層（たとえば、x６＝０．４０，ｙ４＝０．４０，ｚ１＝０．５０、厚さ１０ｎｍ）とｐ−(Ａｌｘ４Ｇａ1-ｘ４)1-ｙ３Ｉｎｙ３Ｐ(０≦ｘ４≦１，０≦ｙ３≦１)第２クラッド層（たとえば、x４＝０．７０，ｙ３＝０．４８および厚さ１２００ｎｍ）とをこの順に形成する。
【００９５】
ＡｌおよびＧａを含む原料ガスの供給停止後からＡｌ，ＧａおよびＩｎを含む原料ガスの供給開始後までの間では、ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層形成後からＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層が形成される初期段階までの間に、反応炉内の熱によって、Ａｓ，Ａｌ，Ｇａ，ＩｎおよびＰが相互拡散されるので、ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層とＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層との間には、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ接合改善層が形成される。
【００９６】
予め定める第１の時間であるＡｌおよびＧａを含む原料ガスの供給を停止後、Ａｓを含む原料ガスの供給を停止するまでの時間、および予め定める第２の時間であるＰを含む原料ガスを供給後、Ａｌ，ＧａおよびＩｎを含む原料ガスを反応炉に供給するまでの時間は、３０分以内、より好ましくは５分以上１０分以内が望ましい。３０分を超えると、材料の消費量の観点から生産性が悪く、５分以上であれば、より十分な接合改善層の層厚を設けることができ、１０分以下であればより高い生産性を得ることができる。
【００９７】
一般にＰ系の層とＡｓ系の層の界面が存在するような半導体積層体の製造方法においては、Ｐの材料ガスの供給をＡｓの材料ガスの供給へ切り替えても、 Ａｓ系の混晶層の成長時に、反応炉内には排気されなかったＰの材料ガスが残留しており、Ａｓ系の混晶層にＰが取り込まれてしまうため、界面を急峻に変化させることができない。本発明の実施の第７形態の気相成長法を用いる半導体積層体の製造方法では、上記のＰ系混晶層形成時の残留ガスがＡｓ系混晶層に取り込まれる現象を利用し、ＡｓＧａＩｎＡｓＰ層を形成する。したがって、Ａｓ系混晶層とＰ系混晶層との間に、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ層が形成された半導体積層体を製造することができるとともに、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ層を製造する工程において、原料ガスを反応炉に供給する時間が少なくなり、原料ガスの消費を抑えることが可能となる。
【００９８】
本発明の実施の第８形態の気相成長法を用いる半導体積層体の製造方法では、まず、ｎ-ＧａＡｓ基板上に、有機金属気相成長法(ＭＯＣＶＤ)によって、ｎ−ＧａＡｓと格子整合するバンドギャップを有するｎ−Ａｌx５Ｇａ1-x５Ａｓ(０≦x５≦１)クラッド層（たとえば、x５＝０．３５および厚さ約３.０μｍ）、ｎ−Ａｌx５Ｇａ1-x５Ａｓ(０≦x５≦１)光ガイド層（たとえば、x５＝０．２６および厚さ約３０ｎｍ）、Ａｌx５Ｇａ1-x５Ａｓ(０≦x５≦１)バリア層（たとえば、x５＝０．２７および厚さ５ｎｍ）、Ａｌx５Ｇａ1-x５Ａｓ(０≦x５≦１)井戸層（たとえば、x＝０．１２および厚さ７ｎｍ）、Ａｌx５Ｇａ1-x５Ａｓ(０≦x５≦１)バリア層（たとえば、x５＝０．２７および厚さ５ｎｍ）を積層し、再びｐ−Ａｌx５Ｇａ1-x５Ａｓ(０≦x５≦１)光ガイド層（たとえば、x５＝０．２６および厚さ６０ｎｍ）を積層する。
【００９９】
図８は、本発明の実施の第８形態の気相成長法を用いる半導体積層体の製造方法における原料ガス導入パターンを示す図である。
【０１００】
ｐ−Ａｌx５Ｇａ1-x５Ａｓ(０≦x５≦１)光ガイド層の上に、ｐ−Ａｌx５Ｇａ1-x５Ａｓ(０≦x５≦１)第１クラッド層（たとえば、x５＝０．４５および厚さ１００ｎｍ）を積層した後、Ａｌ，ＧａおよびＡｓを含む原料ガスの供給をすべて停止し、予め定める第３の時間（たとえば１０分）を経過した後、Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，ＡｓおよびＰ含む原料ガスを反応炉に供給することによって、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層に積層して接合改善層である（Ａｌx６Ｇａ1-x６）y４Ｉｎ1-y４Ａｓｚ１Ｐ1-ｚ１層（たとえば、x６＝０．４０，ｙ４＝０．４０，ｚ１＝０．５０、厚さ１０ｎｍ）を形成し、再びＡｌ，Ｇａ，Ｉｎ，ＡｓおよびＰを含む原料ガスの供給を停止する。原料ガスを停止している間は、炉内の温度による熱拡散で層が形成される。次に、予め定める第４の時間（たとえば１０分）を経過した後、Ａｌ，Ｇａ，ＩｎおよびＰを含む原料ガスを反応炉に供給することによって、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ接合改善層に積層してｐ−(Ａｌｘ４Ｇａ1-ｘ４)1-ｙ３Ｉｎｙ３Ｐ(０≦ｘ４≦１，０≦ｙ３≦１)第２クラッド層（たとえば、x４＝０．７０，ｙ３＝０．４８および厚さ１３００ｎｍ）を形成する。
【０１０１】
予め定める第３の時間であるＡｌ，ＧａおよびＡｓを含む原料ガスの供給をすべて停止した後、Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，ＡｓおよびＰを含む原料ガスを反応炉に供給するまでの時間、および予め定める第４の時間であるＡｌ，Ｇａ，Ｉｎ，ＡｓおよびＰを含む原料ガスの供給を停止後、Ａｌ，Ｇａ，ＩｎおよびＰを含む原料ガスを反応炉に供給するまでの時間は、３０分以内、より好ましくは５分以上１０分以内が望ましい。３０分を超えると、材料の消費量の観点から生産性が悪く、５分以上であれば、より十分な接合改善層の層厚を設けることができ、１０分以下であればより高い生産性を得ることができる。
【０１０２】
本発明の実施の第８形態の気相成長法を用いる半導体積層体の製造方法では、Ａｓ系混晶層とＰ系混晶層との間に、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ層が形成された半導体積層体を製造することができるとともに、Ａｓ系混晶層とＰ系混晶層との間に、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ層が形成された半導体積層体を製造する工程において、すべての原料ガスの供給を停止している状態を設けていることによって、装置の制御性を向上させることができる。
【０１０３】
本発明の実施の第６形態、第７形態および第８形態の気相成長法を用いる半導体積層体の製造方法は、たとえば、ｐ−ＡｌＧａＡｓ光ガイド層とｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層との間にＡｌＧａＩｎＡｓ接合改善層を形成する場合においても同様の工程を行う。
【０１０４】
なお、本発明の半導体積層体の製造方法における気相成長法は、有機金属気相成長法以外にも分子線成長法を用いることによっても実施可能である。
【０１０５】
本発明の実施の第６形態、第７形態および第８形態の気相成長法を用いる半導体積層体の製造方法によって製造された半導体積層体を半導体レーザダイオードに使用することによって、Ｐ系混晶層とＡｓ系混晶層との間に、これらの中間の格子定数を有するＡｌＧａＩｎＡｓＰ層を設けることによって、格子歪みを緩和することができるので、素子抵抗を低減させ、より低電圧動作を実現することができるとともに、発振光の吸収が抑えられることから、光の取り出し効率を向上させることができる。
【０１０６】
本発明の製造方法により得られる半導体積層体によって構成された半導体発光素子は、たとえば、半導体レーザ、半導体発光ダイオードなどとして好適に使用できる。
【０１０７】
本発明の実施の第１形態から第４形態までの半導体レーザダイオードは、第５形態から第７形態までのいずれかを用いて形成される。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明の実施の第１形態の半導体発光素子である半導体レーザダイオード１０の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の実施の第２形態の半導体レーザダイオード３０の構成を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明の実施の第３形態の半導体レーザダイオード５０の構成を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明の実施の第４形態の半導体レーザダイオード７０の構成を模式的に示す断面図である。
【図５】有機金属化学気相成長装置９０の構成を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明の実施の第６形態の気相成長法を用いる半導体積層体の製造方法における原料ガス導入パターンを示す図である。
【図７】本発明の実施の第７形態の気相成長法を用いる半導体積層体の製造方法における原料ガス導入パターンを示す図である。
【図８】本発明の実施の第８形態の気相成長法を用いる半導体積層体の製造方法における原料ガス導入パターンを示す図である。
【図９】従来の半導体発光素子である半導体レーザダイオード１００の構成を模式的に示す断面図である。
【図１０】従来の半導体発光素子である半導体レーザダイオード１１０の構成を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【０１０９】
１０，３０，５０，７０  半導体レーザダイオード
１１，３１，５１，７１  ｎ−ＧａＡｓ基板
１２，３２，５２，７２  ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層
１３，３３，５３，７３  ｎ−ＡｌＧａＡｓ光ガイド層
１４，１６，３４，３６，５４，５６，７４，７６  ＡｌＧａＡｓバリア層
１５，３５，５５，７５  ＡｌＧａＡｓ井戸層
１７，３７，５７，７７  ｐ−ＡｌＧａＡｓ光ガイド層
１８，３９，５８，７９  ＡｌＧａＩｎＡｓＰ接合改善層
１９，６０  ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
２０，４１，６１，８２  活性層
２１，４２，６２，８３  キャップ層
３８，７８  ｐ−ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層
４０，８１  ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層
５９，８０  ＧａＩｎＰ中間層
【図１】
2008306075.tif 000003
【図２】
2008306075.tif 000004
【図３】
2008306075.tif 000005
【図４】
2008306075.tif 000006
【図５】
2008306075.tif 000007
【図６】
2008306075.tif 000008
【図７】
2008306075.tif 000009
【図８】
2008306075.tif 000010
【図９】
2008306075.tif 000011
【図１０】
2008306075.tif 000012