(57)【要約】【課題】材料物性上の違いから、Ａｌを含む化合物半導体層とＡｓとＰを含む化合物半導体層は最適成長温度が大きく異なり、高品質な多層構造を作製することは容易ではなかった。【解決手段】本発明によれば、主構成元素として少なくともＡｌを含む化合物半導体層と主構成元素として少なくともＡｓとＰを含む化合物半導体層の中間層として、その一部、或いは全部に少なくともＡｌとＰが用いられており、尚且つ、混晶組成が傾斜的、或いは段階的に変化している化合物半導体層を設ける。中間層を成長している間に成長温度を変化させ、成長中断を不要にする。それによって、高品質なＡｌを含む化合物半導体とＡｓとＰを含む化合物半導体との積層構造を得て、優れた素子特性を実現する。一例として、本発明のＡｌＧａＩｎＡｓ分布帰還型レーザ装置を用いて、低電圧で動作する光送信モジュールを提供できる。【選択図】  図１
2004319760.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、前記基板上部に形成された半導体多層構造体とを有し、
前記半導体多層構造体は、第１、第２、及びその中間に位置する第３の半導体層から成る半導体層積層を一組以上有し、且つ当該半導体素子の活性領域を構成する半導体層積層領域を含み、
前記第１の半導体層は、少なくともＡｌを含有する化合物半導体層であり、
前記第２の半導体層は、少なくともＡｓとＰとを含有する化合物半導体層であり、
前記第３の半導体層は、その一部或いは全部に少なくともＡｌとＰとを含有し、且つ、混晶組成が傾斜的或いは段階的に変化している化合物半導体層であることを特徴とする化合物半導体素子。
【請求項２】
前記第１の半導体層がＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、及びＡｌＡｓの群から選ばれた一者であり、第２の半導体層がＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＡｓＰ、及びＩｎＡｓＰの群から選ばれた一者であり、第３の半導体層が（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＡｓｚＰ１−ｚ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、但し、ｘ＋ｙ＋ｚ≠０）で表わされた化合物半導体材料層であることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体素子。
【請求項３】
前記第１、第２、及び第３の半導体層の格子定数の不整合度が０．５％未満であることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体素子。
【請求項４】
前記第１、第２、及び第３の半導体層の格子定数の不整合度が０．５％未満であることを特徴とする請求項２に記載の化合物半導体素子。
【請求項５】
前記第１、第２、及び第３の半導体層における価電子帯頂上のエネルギー差が１０ｍｅＶ以下であることを特徴とする請求項２に記載の化合物半導体素子。
【請求項６】
前記第１、第２、及び第３の半導体層における価電子帯頂上のエネルギー差が１０ｍｅＶ以下であることを特徴とする請求項３に記載の化合物半導体素子。
【請求項７】
前記第１、及び第２の半導体層がタイプＩのバンド構造を有し、第３の半導体層の伝導帯及び価電子帯のエネルギーが、第１、及び第２の半導体層のうちバンドギャップの大きい層から小さい層に向かって低下していることを特徴とする請求項２に記載の化合物半導体素子。
【請求項８】
前記第１、及び第２の半導体層がタイプＩのバンド構造を有し、第３の半導体層の伝導帯及び価電子帯のエネルギーが、第１、及び第２の半導体層のうちバンドギャップの大きい層から小さい層に向かって低下していることを特徴とする請求項３に記載の化合物半導体素子。
【請求項９】
前記第１、第２、及びその中間に位置する第３の半導体層から成る半導体層積層を複数有することを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体素子。
【請求項１０】
前記半導体多層構造体が多重量子井戸層を有し、且つ
当該多重量子井戸層の基板側に第１のクラッド領域を、当該多重量子井戸層の基板と反対側に第２のクラッド領域を有し、
第１、第２、及びその中間に位置する第３の半導体層から成る前記半導体層積層が前記第２のクラッド領域の一部を構成し、
前記第２の半導体層が光の帰還手段を有し、半導体発光が可能なことを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体素子。
【請求項１１】
前記半導体多層構造体が多重量子井戸層を有し、且つ
当該多重量子井戸層の基板側に第１のクラッド領域を、当該多重量子井戸層の基板と反対側に第２のクラッド領域を有し、
前記第１のクラッド領域は、少なくとも第１、第２、及びその中間に位置する第３の半導体層から成る第１の半導体層積層を有し、
前記第２のクラッド領域は、少なくとも第１、第２、及びその中間に位置する第３の半導体層から成る第２の半導体層積層を有し、半導体発光が可能なことを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体素子。
【請求項１２】
前記第１の半導体層積層の第１の半導体層は基板側のクラッド層であり、前記第１の半導体層積層の第２の半導体層は基板側の光ガイド層であり、且つ
前記第２の半導体層積層の第１の半導体層は、前記多重量子井戸層に対して基板と反対側のクラッド層であり、前記第２の半導体層積層の第２の半導体層は、前記多重量子井戸層に対して基板と反対側の光ガイド層であることを特徴とした請求項１１に記載の化合物半導体素子。
【請求項１３】
半導体基板と、前記基板上部に形成された半導体多層構造体とを有し、
前記半導体多層構造体は、第１、第２、及びその中間に位置する第３の半導体層から成る半導体層積層を一組以上有し、且つ当該半導体素子の活性領域を構成する半導体層積層領域を含み、
前記第１の半導体層は、少なくともＡｌを含有する化合物半導体層であり、
前記第２の半導体層は、少なくともＡｓとＰとを含有する化合物半導体層であり、
前記第３の半導体層は、その一部或いは全部に少なくともＡｌとＰとを含有し、且つ、混晶組成が傾斜的或いは段階的に変化している化合物半導体層である半導体素子を有し、前記半導体素子が３．３Ｖ電源で駆動可能なことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項１４】
前記第１の半導体層がＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、及びＡｌＡｓの群から選ばれた一者であり、第２の半導体層がＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＡｓＰ、及びＩｎＡｓＰの群から選ばれた一者であり、第３の半導体層が（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＡｓｚＰ１−ｚ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１但し、ｘ＋ｙ＋ｚ≠０）で表わされた化合物半導体材料層であることを特徴とする請求項１３に記載の半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物半導体素子、わけても、Ａｌを含む化合物半導体層とＡｓとＰを含む化合物半導体層の積層を有する化合物半導体素子とそれを用いた半導体モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年のインターネット人口の爆発的増大等により、情報処理の大容量化に対する要求が高まっている。ＬＡＮなどの比較的伝送距離の短い通信ネットワークにおいては、５−１０年後に、従来、幹線系通信網の伝送速度であったＧｂ／ｓレベルの伝送速度が必要になると予測されている。ここで用いられる光通信モジュールにおいては、先に述べた高速変調が可能であるという性能面での要求に加えて、莫大な数の一般ユーザが使用することを念頭におき、低コストで提供することも必須の用件となる。よって、高温での特性劣化の小さい半導体レーザが、その光源として適すると考えられる。
【０００３】
従来の半導体レーザ、変調器等の光通信用デバイスには、主にＩｎＰ基板上に形成されるＧａＩｎＡｓＰが用いられてきた。本材料は４種類の主構成元素から成る４元系材料であり、バンドギャップ、及び格子定数の設計自由度が高い。よって、光通信に適合した１．３μｍ、及び１．５５μｍ帯の波長組成において、量子井戸活性層に所望の格子歪を導入することが容易であり、それにより素子の高性能化が達成されてきた。一方で、材料物性上、量子井戸活性層における井戸層と障壁層間の伝導帯のエネルギー差（ΔＥｃ）が小さいため、電子の閉じ込めが小さく高温での特性劣化が顕著である。また、同様の理由で活性層の利得が小さく、緩和振動周波数が小さい。以上から、ＧａＩｎＡｓＰを用いた半導体レーザでは、今後の高速化や低コスト化に対する要求を満たすことは困難であると予測されている。
【０００４】
それに対して、近年、通信用半導体レーザの特性を抜本的に改善可能な材料として、ＩｎＰ基板上に形成されるＡｌＧａＩｎＡｓが開発されている。本材料で形成した量子井戸活性層はＧａＩｎＡｓＰと比較してΔＥｃが大きく、高温での特性劣化が小さい。また、活性層の利得が大きいので、緩和振動周波数も大きくできる。よって、本材料を用いた半導体レーザの開発が各所で進められている。ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ共にＩｎＰ基板上に形成される材料であるため、ＡｌＧａＩｎＡｓに、従来材料であるＧａＩｎＡｓＰを混在させたフレキシブルな結晶層構成を導入することにより、素子設計自由度が拡大し、ＡｌＧａＩｎＡｓ系光デバイスの特性をさらに向上できると考えられる。
【０００５】
技術の一例として、特開平５−４１５６２号の図４に記載のＡｌＧａＩｎＡｓ半導体レーザ構造がある（特許文献１）。本構造は、ＡｌＧａＩｎＡｓ活性層上に、ＧａＩｎＡｓＰからなる回折格子構造を積層した構造である。適切な組成条件を選ぶことにより、ＡｌＧａＩｎＡｓとＧａＩｎＡｓＰ間の価電子帯のエネルギー差（ΔＥｖ）はほぼ０にできるため、回折格子構造付近での正孔に対する抵抗成分が低減し、それにより、低電圧での動作が期待される。
【０００６】
また、技術の別の例としてＧａＡｓ基板上に形成されるＧａＩｎＮＡｓを活性層に用いた半導体レーザがある。ＧａＩｎＮＡｓも近年開発された半導体材料であるが、ＡｌＧａＩｎＡｓと比較して、活性層にさらに大きなΔＥｃを実現でき、更なる半導体レーザの高速化において非常に有望な材料であると期待されている。一方で、本材料は、Ｎ組成の増大に伴い発光特性が低下してしまう課題があるため、発振波長を１．３μｍ帯に適合させるためにＩｎ組成を大きくしている。その結果、２％近い高い圧縮歪を有するＧａＩｎＮＡｓ層が、本レーザの量子井戸層に用いられている。この大きな格子歪が素子の性能や長期信頼性への影響を及ぼす可能性があるため、光ガイド層として引張歪を有するＰを含む材料を導入し、素子全体の格子歪を補償しようとする試みが成されている。例えば、２００２年国際半導体レーザ会議プロシーディングス３３頁に記載の例では、ＧａＡｓ障壁層とＡｌＧａＡｓクラッド層の間にＧａＡｓＰからなる引張歪層を導入し、低しきい値でのレーザ発振を実現している（非特許文献１）。即ち、ＡｌＧａＡｓとＧａＡｓＰの積層構造が用いられ、それにより素子性能の改善がなされている。
【０００７】
以上にように、Ａｌを含む化合物半導体層とＡｓとＰを含む化合物半導体層を組み合わせた積層構造により、従来素子の性能を改善できることが期待され、その実例を２例挙げた。このような積層構造が、ここで記述していない他の多くの素子にも適用され、特性改善に寄与し得ることは言うまでも無い。また、素子としては半導体レーザのみを挙げたが、本積層構造を適用して形成する限り、これに限定されるものではない。
【０００８】
【特許文献１】
特開平５−４１５６２号（図４）
【非特許文献１】
２００２年国際半導体レーザ会議プロシーディングス（３３頁）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明は、少なくともＡｌを含む化合物半導体層と少なくともＡｓとＰを含む化合物半導体層の高品質な積層構造を得ることにある。更に、本願発明の目的は、得られた高品質な積層構造によって、従来素子を超える高性能な化合物半導体素子を提供せんとするものである。その素子応用例の一つとして、高速動作が可能な半導体レーザを提供せんとするものである。
【００１０】
本願発明の更に別の目的は、より低電圧で動作が可能な半導体素子搭載の半導体モジュールを提供せんとするものである。
【００１１】
こうした課題に対応するために為に、技術的には、少なくともＡｌを含む化合物半導体層と少なくともＡｓとＰを含む化合物半導体層の積層構造における以下の課題を解決することを要する。Ａｌを含む化合物半導体層は活性度が高いので、酸素などの不純物の混入を避け、高品質な膜を得るために成長温度を高くする必要が有る（〜７００℃）。一方、ＡｓとＰを含む化合物半導体層は、特にＰがＡｓに比べて膜表面から脱離しやすいことから、比較的低温成長の方が組成制御や表面モフォロジーの点で高品質な膜が得やすい（〜６００℃）。このような材料物性上の違いから、Ａｌを含む化合物半導体層とＡｓとＰを含む化合物半導体層との高品質な多層構造を作製することは容易ではなかった。従来は、各層を最適温度で成長する為に、成長中断を行っていた。成長中断は、積層構造の結晶品質や表面状態を劣化させる可能性がある。以下にその理由を述べる。Ａｌを含む化合物半導体層上にＡｓとＰを含む化合物半導体層を積層する場合では、両層の間で成長中断を行い７００℃から６００℃に降温していた。その際、活性なＡｌを含む化合物半導体層の表面や膜中に不純物等が付着、混入し、表面状態や結晶品質の劣化をもたらしていた。逆に、ＡｓとＰを含む化合物半導体層上にＡｌを含む化合物半導体層を積層する場合では、両層の間で成長中断を行い６００℃から７００℃に昇温していた。その際、ＡｓとＰを含む化合物半導体層の表面からＰ原子が脱離して、表面状態が劣化したり、組成変化による結晶品質の劣化をもたらしていた。よって、従来の成長中断を用いる方法を用いては高品質な積層構造を得ることは容易ではなかった。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本願発明の基本構成は次の通りである。即ち、半導体基板とこの半導体基板上部に形成された半導体多層構造体とを備えた半導体素子であって、前記半導体多層構造体は、第１、第２、及びその中間に位置する第３の半導体層から成る半導体層積層を一組以上有し、且つ前記半導体多層構造体内に当該半導体素子の活性領域を構成する半導体層積層領域を含む。即ち、前記半導体多層構造体の所定の積層が、当該半導体素子の活性領域を担うようになされている。そして、前記第１の半導体層は、必須の構成元素として少なくともＡｌを含有する化合物半導体層である。前記第２の半導体層は、必須の構成元素として少なくともＡｓとＰとを含有する化合物半導体層である。前記第３の半導体層は、その一部或いは全部に少なくともＡｌとＰとを含有し、且つ、混晶組成が傾斜的或いは段階的に変化している化合物半導体層である。この第３の半導体層の混晶組成は、通例、この層を挟んで存在する第１の半導体層と第２の半導体層の間のエネルギーバンド変化、及び格子定数を考慮して傾斜的或いは段階的に変化させる。
【００１３】
前記半導体基板としては、化合物半導体素子に用いられている基板を用いて十分である。その代表的な例は、ＩｎＰ基板或はＧａＡｓ基板である。
【００１４】
前記第１の半導体層の代表的な例は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料、わけても、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、及びＡｌＡｓの群から選ばれた一者である。
【００１５】
第２の半導体層の代表的な例は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料、わけても、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＡｓＰ、及びＩｎＡｓＰの群から選ばれた一者である。
【００１６】
第３の半導体層の代表的な例は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料、わけても、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＡｓｚＰ１−ｚ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、但し、ｘ＋ｙ＋ｚ≠０）で表わされた化合物半導体材料層である。
【００１７】
本発明に適用する半導体多層積層体を電子デバイス或いは光デバイスとして用いる為の要求によって、具体的な組成が選択される。半導体多層積層を、格子整合条件を確保しつつ、デバイス特性をも確保することを考慮して設定される。
【００１８】
更に、前記第１、第２、及び第３の半導体層の各層相互の格子定数の不整合度が０．５％未満であることが、各層の結晶性確保の実際的な観点から有用である。
【００１９】
図１に示すＡｌＧａＩｎＡｓ分布帰還型レーザにおいては、本発明は１０７〜１０９において適用されるが、その際、前記第１、第２、及び第３の半導体層の各層相互における価電子帯頂上のエネルギー差が、１０ｍｅＶ以下であることがデバイス特性をも確保の観点から有用である。
【００２０】
又、別の例では、図５に示すようにＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザ素子の４０３〜４０５及び４０７〜４０９適用されるが、ここでは、前記第１、及び第２の半導体層が、各々タイプＩのバンド構造を有している。その際、第３の半導体層の伝導帯及び価電子帯のエネルギーが、第１、及び第２の半導体層のうちバンドギャップの大きい層から小さい層に向かって低下していることが望ましい。こうして、第１、及び第２の半導体層の間の伝導体及び価電子帯のエネルギー差を滑らかに繋ぐようなエネルギーバンド構造が達成される。こうして、本発明になる化合物半導体素子の特性を改善することが出来る。例えば、半導体レーザにおいては、しきい値電流や素子抵抗、素子寿命といった素子特性を改善することが出来る。
【００２１】
こうして、前記諸化合物半導体素子を低電圧で動作でき、通例の電源規格である３．３Ｖ電源で駆動可能となすことが出来た。それにより低消費電力の実用的な半導体モジュールを提供することが出来る。
【００２２】
【発明の実施の形態】
具体的な実施の形態を説明するに先だって、本願発明の基本思想の詳細を追加説明する。
【００２３】
少なくともＡｌを含む化合物半導体層と、少なくともＡｓとＰを含む化合物半導体層の高品質な積層構造を得るためには、両層の成長温度の違いに起因した成長中断を不要にする必要がある。そのためには、両層の間に、成長温度を変化させるための中間的な層を導入することが有効である。
【００２４】
中間層内では、Ａｌ組成、及びＰ組成を傾斜的、或いは段階的に変化させる。例えば、以下の実施の形態の欄に具体例を説明するように適切な組成変化を行うことにより、Ａｌを含む層が低温にて成長されることによる結晶品質の劣化や、ＡｓとＰを含む層が高温にて成長されることによる結晶品質の劣化や組成制御等における悪影響を大きく抑制することができる。
【００２５】
更に、素子特性の劣化を避けるために、結晶成長面やエネルギーバンド構造面での設計自由度があることも中間層としての必要な要件である。
【００２６】
本目的を達成する中間層として、その一部、或いは全部に少なくともＡｌとＰが用いられており、且つ、混晶組成が傾斜的、或いは段階的に変化している化合物半導体層を用いれば良い事を見出した。中間層材料として、例えば５元系材料であるＡｌＧａＩｎＡｓＰ層を用いれば、その組成を傾斜的、或いは段階的に変化させても、格子整合条件を保ちながら、素子特性を劣化させないエネルギーバンド構造を実現することが可能となる。尚、ここで、「中間層の一部」とは結晶成長の方向に一部の厚さ領域と言う意味である。
【００２７】
以下、本発明の具体的な実施の形態について説明する。
【００２８】
＜実施の形態１＞
発明の実施の形態１として、本発明による低抵抗ＡｌＧａＩｎＡｓ分布帰還型レーザについて具体的に説明する。その分布帰還型レーザ素子のレーザ光の進行方向に平行な面での断面図を図１に示した。本例は、本発明の第１、第３、及び第２の半導体層の半導体積層１を１組有する例である。図２は製造工程に従った断面図で、レーザ光の進行方向に垂直な面での断面図である。
【００２９】
ここでは成長方法を有機金属気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法とした。ＭＯＣＶＤ法では、ＩＩＩ族元素の供給源として、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を用い、Ｖ族元素の供給源として、アルシン（ＡｓＨ３）とフォスフィン（ＰＨ３）を用いた。又、ｎ型不純物の導入ガスとしてジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、ｐ型不純物の導入ガスとしてジメチルジンク（ＤＭＺｎ）を用いた。但し、同様の構造が形成できれば、本発明の効果を得ることが可能であるので、成長法や原料に関しては、ここに記述したもののみに限定されるものではない。例えば、ＰＨ３はその分解効率が成長温度の影響を受けやすい為、成長温度の影響を受けにくい有機Ｖ族原料（例えば、ターシャルブチルフォスフィン等）の使用は、本発明の組成傾斜層を作成する際により有効である。
【００３０】
半導体基板はｎ型ＩｎＰ（１００）基板１０１（ｎ型ドーピング濃度＝１×１０１８ｃｍ−３）を用いた。ＰＨ３雰囲気において、基板を昇温した後、基板温度６００℃において第一番目の結晶成長工程として厚さ５００ｎｍのｎ型ＩｎＰクラッド層１０２（ｎ型不純物濃度＝１×１０１８ｃｍ−３）の成長を開始した。その後、厚さ５０ｎｍのｎ型ＡｌＩｎＡｓクラッド層１０３（ｎ型不純物濃度＝１×１０１８ｃｍ−３）を成長した。更に、厚さ５０ｎｍのｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓ光ガイド層１０４（ｎ型ドーピング濃度＝１×１０１８ｃｍ−３）、厚さ１０ｎｍのノンドープＡｌＧａＩｎＡｓ障壁層と厚さ６ｎｍのノンドープＡｌＧａＩｎＡｓ井戸層からなる多重量子井戸層１０５（周期数：１０）、厚さ５０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓ光ガイド層１０６（ｐ型ドーピング濃度＝１×１０１７ｃｍ−３）からなる活性層、厚さ５０ｎｍのｐ型ＡｌＩｎＡｓクラッド層１０７（ｐ型不純物濃度＝１×１０１８ｃｍ−３）を順次成長した。基板温度は、最初のｎ型ＩｎＰクラッド層１０２内で７００℃に達し、その後、Ａｌを含む層内では７００℃に保った。続いて、本発明にかかわる最も重要な層である、厚さ２０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓＰ組成傾斜層１０８（ｐ型不純物濃度＝１×１０１８ｃｍ−３）を形成し、その間に成長温度を７００℃から６００℃に降温させた。よって、成長中断は不要であった。尚、組成変化の詳細については後述する。続いてｐ型ＧａＩｎＡｓＰ回折格子層１０９（ｐ型不純物濃度＝１×１０１８ｃｍ−３）、ｐ型ＩｎＰキャップ層（ｐ型不純物濃度＝１×１０１８ｃｍ−３）１１５を形成し、第一番目の結晶成長工程を終了した（図２（ａ））。
【００３１】
本例においては、前記ｐ型ＡｌＩｎＡｓクラッド層１０７、ｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓＰ組成傾斜層１０８、及びｐ型ＧａＩｎＡｓＰ回折格子層１０９が、各々、前記一般的説明における第１の半導体層、第３の半導体層、及び第２の半導体層に相当し、本発明の半導体積層１を構成する。本例においては、第２の半導体層が回折格子を形成する層となっているが、必ずしも、回折格子を形成する層を形成する層でなくとも良いことは言うまでもない。
【００３２】
ここで、ｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓＰ組成傾斜層１０８における組成変化の詳細について記述する。成長温度変化による結晶性低下の影響を抑制するため、ｐ型ＡｌＩｎＡｓクラッド層１０７側からｐ型ＧａＩｎＡｓＰ回折格子層１０９側に向かって、Ａｌ組成が徐々に低下し、Ｐ組成が徐々に増大することが望ましい。即ち、第１の半導体層が含有するＡｌを、これを含有しない第２の半導体層に向かって漸次、或は段階的に減少させる。更に、第１の半導体層が含有しないＰを、これを含有する第２の半導体層に向かって漸次、或は段階的に増大させる。
【００３３】
又、従来の技術で述べたように、本レーザ構造において低電圧動作が期待される理由は、ｐ型ＡｌＩｎＡｓクラッド層１０７とｐ型ＧａＩｎＡｓＰ回折格子層１０９間のΔＥｖがほぼ０であることに起因している。そのため、導入するｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓＰ組成傾斜層１０８においても、エネルギーバンド構造の点から両側の層とのΔＥｖがほぼ０であるという条件を保つ必要がある。更に、前述したように、両側の層との格子定数差が大きくなると、多数の格子不整合転位が発生し結晶性を劣化させるので、格子不整合度が小さいことも必要な要件となる。
【００３４】
わけても、５元系材料であるＡｌＧａＩｎＡｓＰ層おいては、以上のような２つの条件を同時に満たすことが可能である。ｐ型ＡｌＩｎＡｓクラッド層１０７、及びｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓＰ組成傾斜層１０８の組成変化を図３に示した。ここで、ｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓＰ組成傾斜層１０８は、ｐ型ＧａＩｎＡｓＰ回折格子層１０９とのΔＥｖが±１０ｍｅＶ以下で、且つ、格子不整合度が±０．１％以下の条件を満たす例である。結果的に、組成傾斜層１０８の両側の層の各元素組成をほぼ直線でつないだような組成変化となり、制御も容易である。
【００３５】
ｐ型ＡｌＩｎＡｓクラッド層１０７側からｐ型ＧａＩｎＡｓＰ回折格子層１０９側に向かってＡｌ組成を徐々に低下させているので、この間で成長温度が低下することによるＡｌを含む結晶の品質劣化を大きく抑制できる。又、逆にＰ組成を徐々に増大させているため、高温側で顕著なＰ原子の脱離や組成ずれの影響を大きく抑制できる。よって、結晶成長の点からもエネルギーバンド構造の点からも素子特性を劣化させることの無い、高品質なＡｌを含む化合物半導体層とＡｓとＰを含む化合物半導体層の半導体多層構造体を実現できた。
【００３６】
続いて、結晶層保護の為に設けたｐ型ＩｎＰキャップ層１１５を除去した。
こうして準備した多層成長ウエハに対し、回折格子作製のためのプロセス工程を施した。干渉露光法により回折格子パターンを形成し、それをマスクにエッチングを行い回折格子を形成した。
【００３７】
その後、第二番目の結晶成長工程を開始した。ＰＨ３雰囲気において、基板を昇温した後、厚さ１５００ｎｍのｐ型ＩｎＰクラッド層１１０（ｐ型不純物濃度＝１×１０１８ｃｍ−３）、厚さ１００ｎｍのｐ型ＧａＩｎＡｓクラッド層１１１（ｐ型不純物濃度＝１×１０１９ｃｍ−３）の順に成長した。最後に、コンタクト層保護のための厚さ１００ｎｍのｐ型ＩｎＰキャップ層（ｐ型ドーピング濃度＝１×１０１８ｃｍ−３）１１６を形成して、第二番目の結晶成長工程を終了した（図２（ｂ））。
【００３８】
前述の半導体ウエハ（基板）には複数の半導体素子部が形成されている。こうした半導体ウエハに対して、結晶層保護の為に設けたｐ型ＩｎＰキャップ層１１６を除去し、次いで、通例のストライプ構造作製工程（図２（ｃ））、及びこのストライプ構造を埋め込む工程及び電極作製工程（図２（ｄ））を経て、素子として完成した。尚、図２において、符号１２０は埋め込み層、１１２は絶縁膜、１１３は上部電極、１１４は下部（基板側）電極である。前記埋め込み層１２０にｐｎ接合等を設けリーク電流阻止の構造を取ること、或いは端面保護のパッシベーション膜などを用いることなど通例の分布帰還型半導体レーザ装置の各種技術を用い得ることは言うまでもない。
【００３９】
作製された素子は、閾値電流１８ｍＡで発振し、８５℃の高温まで良好なレーザ発振特性を示した。また、素子の抵抗は８オームであり、従来素子に比べて大幅な低抵抗化を達成できた。それにより、直接変調による１０Ｇｂ／ｓの高速変調時において、低電圧動作が可能であった。また、素子の発熱が小さく長寿命であった。
【００４０】
こうして準備した化合物半導体素子を用いて光送信モジュールを作製した。図４にその回路構成例を示す。ここで、３０１は本発明によるレーザダイオード、３０２はドライバＩＣ、３０３はバイアス回路である。本レーザダイオードは素子抵抗が低く、動作電圧を低減できたため、電源電圧（Ｖｃｃ）が３．３Ｖで駆動が可能であった。従来の５Ｖ電源で動作する光送信モジュールと比較して、低消費電力化が可能であった。又、本モジュールも、素子同様、長寿命を確保することが出来た。
【００４１】
＜実施の形態２＞
本例は、本発明の第１、第２、及び第３の半導体層の半導体積層が２組（符号２、３）有する例である。
【００４２】
本発明によるＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザ素子について具体的に説明する。その素子構造を図５に示した。ここでは、従来の技術に記述したＧａＡｓＰ層ではなく、ＧａＩｎＡｓＰ層を導入した例を示している。引張歪を有する層を導入して素子全体の歪を補償しようとする目的である。活性層にＧａＩｎＮＡｓを用いる場合には、Ｎの導入において、非平衡状態での成長法が有利である。従って、ＭＯＣＶＤ法に加え、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法等が成長方法として適している。ここでは成長方法を固体ソースＭＢＥ（ＳＳ−ＭＢＥ）法とした。尚、レーザ装置の為のストライプ構造の作成などの工程は、実施の形態１と同様であるので、その詳細説明は省略する。
【００４３】
ＳＳ−ＭＢＥ法では、ＩＩＩ族元素の供給源として、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）を用い、Ｖ族元素の供給源として、砒素（Ａｓ）に関しては金属Ａｓを用いた。又、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）、高濃度にｐ型ドーピングできる不純物原料として四臭化炭素（ＣＢｒ４）用いた。尚、同様のドーピング濃度が達成できれば、ｐ型不純物としてベリリウム（Ｂｅ）や亜鉛（Ｚｎ）を用いても良い。窒素（Ｎ）についてはＮ２ガスをＲＦプラズマ励起したＮラジカルを使用した。尚、窒素プラズマの励起は、その他にＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｒｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：電子サイクロトロン共鳴）プラズマを用いても行うことが出来る。勿論、素子構造として、同様の構造が形成できれば、本発明の効果を得ることが可能であるので、成長法や原料に関しては、ここに説明したもののみに限定されるものではない。
【００４４】
半導体基板は（１００）面を主面とするｎ型ＧａＡｓ基板４０１（ｎ型ドーピング濃度＝２×１０１８ｃｍ−３）を用いた。Ａｓ雰囲気において、基板を昇温した後、基板温度６００℃にて、厚さ５００ｎｍのｎ型ＧａＡｓバッファー層４０２（ｎ型不純物濃度＝１×１０１８ｃｍ−３）の成長を開始した。その後、厚さ１３００ｎｍのｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４０３（ｎ型不純物濃度＝１×１０１８ｃｍ−３）を成長した。基板温度は、最初のｎ型ＧａＡｓバッファー層４０２内で７００℃に達し、その後、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４０３内では７００℃に保った。
【００４５】
続いて、本発明にかかわる最も重要な層の一つである、厚さ１００ｎｍのｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓＰ組成傾斜層４０４（ｎ型不純物濃度＝１×１０１８ｃｍ−３）を形成し、その間に成長温度を７００℃から５００℃に降温させた。よって、成長中断は不要であった。尚、組成変化の詳細については後述する。
【００４６】
更に、厚さ５０ｎｍのｎ型ＧａＩｎＡｓＰ光ガイド層４０５（ｎ型ドーピング濃度＝１×１０１８ｃｍ−３）、厚さ１０ｎｍのノンドープＧａＡｓ障壁層と厚さ６ｎｍのノンドープＧａＩｎＮＡｓ井戸層からなる多重量子井戸層４０６（周期数：３）、厚さ５０ｎｍのｐ型ＧａＩｎＡｓＰ光ガイド層４０７（ｐ型ドーピング濃度＝１×１０１７ｃｍ−３）からなる活性層を形成した。
【００４７】
続いて、再び本発明にかかわる最も重要な層の一つである、厚さ１００ｎｍのｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓＰ組成傾斜層４０８（ｐ型不純物濃度＝１×１０１８ｃｍ−３）を形成し、その間に成長温度を５００℃から７００℃に昇温させた。よって、ここでも成長中断は不要であった。
【００４８】
続いて、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４０９（ｐ型不純物濃度＝１×１０１８ｃｍ−３）、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層４１０（ｐ型不純物濃度＝１×１０１９ｃｍ−３）を形成し、結晶成長工程を終了した。
【００４９】
前述した様に、本例は、前記一般的説明における本発明の第１、第３、及び第２の半導体層の半導体積層が２組有する例である。前記クラッド層４０３、組成傾斜層４０４、及び光ガイド層４０５が、各々第１、第３、及び第２の半導体層であり、１組の半導体積層２を構成する。更に、もう一組の半導体積層３は、光ガイド層４０７、組成傾斜層４０８、及びクラッド層４０９が、各々第１、第３、及び第２の半導体層である。本例のＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザ素子の活性領域は多重量子井戸層４０６であり、上記２組の半導体積層の領域は、当該レーザ装置のクラッド層及び光ガイド層の領域に相当する。この様に、本発明は、半導体層の積層に関するものである。
【００５０】
次に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓＰ組成傾斜層４０４、及びｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓＰ組成傾斜層４０８における組成変化の詳細について説明する。
【００５１】
成長温度変化による結晶性低下の影響を抑制するため、ＡｌＧａＡｓクラッド層側からＧａＩｎＡｓＰ光ガイド層側に向かって、Ａｌ組成が徐々に低下し、Ｐ組成が徐々に増大することが望ましい。
【００５２】
又、ＡｌＧａＡｓとＩｎＧａＡｓＰは、活性層内にキャリアを有効に閉じ込めるため、ＡｌＧａＡｓの伝導帯と価電子帯のエネルギーが両方共、ＩｎＧａＡｓＰよりも大きい、所謂タイプＩのヘテロ構造を形成するため、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ組成傾斜層においては、バンドギャップの大きいＡｌＧａＡｓから、バンドギャップの小さいＩｎＧａＡｓＰ側に向かって、伝導体、及び価電子帯のエネルギー差を滑らかに繋ぐようなエネルギーバンド構造を有する事が望まれる。
更に、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ組成傾斜層とＡｌＧａＡｓクラッド層やＧａＩｎＡｓＰ光ガイド層との格子定数差が大きくなると、多数の格子不整合転位が発生し結晶性を劣化させる。従って、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ組成傾斜層と両側の層との格子定数差が小さいことも必要な要件となる。
【００５３】
５元系材料であるＡｌＧａＩｎＡｓＰ層おいては、以上のような２つの条件を同時に満たすことが可能である。ＡｌＧａＡｓクラッド層とＧａＩｎＡｓＰ光ガイド層間の伝導体、及び価電子帯のエネルギー差を滑らかに繋ぎ、且つ、両層との格子不整合度が±０．１％以下の条件を満たすＡｌＧａＩｎＡｓＰ組成傾斜層の組成変化を図６に示した。結果的に、両側の層の各元素組成をほぼ直線でつないだような組成変化となり、制御も容易である。ＡｌＧａＡｓクラッド層側からＧａＩｎＡｓＰ光ガイド層側に向かってＡｌ組成を徐々に低下させているので、この間で成長温度が低下することによるＡｌを含む結晶の品質劣化を大きく抑制できる。又、逆にＰ組成を徐々に増大させており、高温側で顕著なＰ原子の脱離や組成ずれの影響を大きく抑制できる。こうして、結晶成長の点からもエネルギーバンド構造の点からも素子特性を劣化させることの無い、高品質なＡｌを含む化合物半導体層とＡｓとＰを含む化合物半導体層の積層構造を実現できた。
【００５４】
前述の半導体ウエハ（基板）には複数の半導体素子部が形成されている。こうした半導体ウエハに対して、通例のストライプ構造作製工程、及びこのストライプ構造を埋め込む工程、電極作製工程を経て、ファブリペロー型半導体レーザ素子として完成した。尚、埋め込み構造の基本的工程は実施の形態１に示したものと同様であるので詳細説明は省略する。
【００５５】
作製されたファブリペロー型半導体レーザ素子は、閾値電流１０ｍＡで発振し、８５℃の高温まで良好なレーザ発振特性を示した。また、１０Ｇｂ／ｓを超える高速変調特性を示した。又、層全体の平均歪量の低減により、長期信頼性にも優れていた。
【００５６】
以上にように、本発明による高品質なＡｌを含む化合物半導体層とＡｓとＰを含む化合物半導体層の積層構造の諸例を説明した。本発明による積層構造が、ここで例示しなかった他の多くの半導体素子にも適用され得ることは言うまでも無い。又、本発明の化合物半導体素子として、半導体レーザ素子のみを挙げたが、本積層構造を適用して形成する限り、これに限定されるものではない。例えば、高移動度トランジスタやヘテロバイポーラトランジスタなどの化合物半導体電子素子にも適用可能である。そして、それを用いて高性能、低消費電力、且つ長寿命な半導体モジュールを提供することができる。
【００５７】
本願発明によれば、Ａｌを含む化合物半導体層とＡｓとＰを含む化合物半導体層の中間層として、その一部、或いは全部に少なくともＡｌとＰが用いられており、且つ、混晶組成が傾斜的、或いは段階的に変化している化合物半導体層を設けることにより、高品質な積層構造を得ることができる。それにより、優れた素子特性を実現することができる。具体例として、ＡｌＧａＩｎＡｓを用いた分布帰還型半導体レーザ素子において低抵抗な素子を実現した例やＧａＩｎＡｓ半導体レーザ素子において素子全体の格子歪を低減した例を詳細に説明した。この半導体レーザ素子を用いて、低電圧で動作する光送信モジュールを提供できる。更に、本発明になる半導体レーザ素子は安価に提供することが出来る。
【００５８】
【発明の効果】
本発明は、少なくともＡｌを含む化合物半導体層と少なくともＡｓとＰを含む化合物半導体層の高品質な積層構造を得ることが出来る。更には、得られた高品質な積層構造によって、従来素子を超える高性能な化合物半導体素子を提供することが出来る。その素子応用例の一つは高速動作が可能で且つ安価な半導体レーザ装置である。
【００５９】
本発明の更に、より低電圧で動作が可能な化合物半導体素子搭載の半導体モジュールを提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明によるＡｌＧａＩｎＡｓ分布帰還形レーザ装置主要部のレーザ光の進行方向と平行な面での断面図である。
【図２】図２は、図１の分布帰還形レーザ装置を製造する工程順に示した装置の、レーザ光の進行方向と直交する面での断面図である。
【図３】図３は、図１の素子における組成傾斜層における組成変化を示す図である。
【図４】図４は、半導体モジュールの回路構成例を示す図である。
【図５】図５は、本発明によるＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザ装置主要部のレーザ光の進行方向と平行な面での断面図である。
【図６】図６は、図５の素子における組成傾斜層における組成変化を示す図である。
【符号の説明】
１、２、３：第１、第３、第２の半導体層を有する半導体積層、１０１：ｎ型ＩｎＰ（１００）基板、１０２：ｎ型ＩｎＰクラッド層、１０３：ｎ型ＡｌＩｎＡｓクラッド層、１０４：ｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓ光ガイド層、１０５：ＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸層、１０６：ｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓ光ガイド層、１０７：ｐ型ＡｌＩｎＡｓクラッド層、１０８：ｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓＰ組成傾斜層、１０９：ｐ型ＧａＩｎＡｓＰ回折格子層、１１０：ｐ型ＩｎＰクラッド層、１１１：ｐ型ＧａＩｎＡｓクラッド層、１１２：絶縁膜、１１３：上部電極、１１４：下部電極、１２０：埋め込み層、３０１：レーザダイオード、３０２：ドライバＩＣ、３０３：バイアス回路、４０１：ｎ型ＧａＡｓ基板、４０２：ｎ型ＧａＡｓバッファ：層、４０３：ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、４０４：ｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓＰ組成傾斜層、４０５：ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ光ガイド層、４０６：ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸層、４０７：ｐ型ＧａＩｎＡｓＰ光ガイド層、４０８：ｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓＰ組成傾斜層、４０９：ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、４１０：ｐ型ＧａＡｓコンタクト層。
【図１】
2004319760.tif 000003
【図２】
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【図３】
2004319760.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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