(57)【要約】【課題】窒素およびヒ素を含むIII−Ｖ化合物半導体の結晶中の水素の影響を低減可能な半導体光素子を提供する。【解決手段】半導体光素子１１は、第１導電型III−Ｖ化合物半導体層１３と、第２導電型III−Ｖ化合物半導体層１５と、活性領域１７とを備える。第１導電型III−Ｖ化合物半導体層１３は、基板１９上に設けられている。第２導電型III−Ｖ化合物半導体層１５は、基板１９上に設けられている。活性領域１７は、第１導電型III−Ｖ化合物半導体層１３と第２導電型III−Ｖ化合物半導体層１５との間に設けられており、またＶ族として窒素（Ｎ）およびヒ素（Ａｓ）を含むIII−Ｖ化合物半導体層２１を有する。III−Ｖ化合物半導体層２１の水素濃度は６×１０１６ｃｍ−３を越えており、III−Ｖ化合物半導体層２１には、ｎ型ドーパント２３が添加されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられた第１導電型III−Ｖ化合物半導体層と、
前記基板上に設けられた第２導電型III−Ｖ化合物半導体層と、
前記第１導電型III−Ｖ化合物半導体層と前記第２導電型III−Ｖ化合物半導体層との間に設けられており、Ｖ族として窒素およびヒ素を含むIII−Ｖ化合物半導体層を有する活性領域と
を備え、
前記活性領域の前記III−Ｖ化合物半導体層の水素濃度は６×１０１６ｃｍ−３を越えており、
前記活性領域の前記III−Ｖ化合物半導体層には、ｎ型ドーパントが添加されている、ことを特徴とする半導体光素子。
【請求項２】
前記ｎ型ドーパントの濃度は３×１０１８ｃｍ−３以下である、ことを特徴とする請求項１に記載された半導体光素子。
【請求項３】
前記活性領域の前記III−Ｖ化合物半導体層は、ＧａＩｎＮＡｓ半導体、ＧａＮＡｓ半導体またはＧａＩｎＮＡｓＳｂからなる、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された半導体光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、ＭＢＥ法で成長されたＧａＩｎＮＡｓとＭＯＣＶＤ法で成長されたＧａＩｎＮＡｓとの結晶性の比較が記載されている。ＭＯＣＶＤ法で成長されたＧａＩｎＮＡｓの水素濃度は１×１０１９ｃｍ−３以上であり、一方、ＭＢＥ法で成長されたＧａＩｎＮＡｓの水素濃度は、二次イオン質量分析における検出限界以下（６×１０１６ｃｍ−３）である。
【０００３】
非特許文献２には、ＭＢＥ法で成長されたＧａＩｎＮＡｓ系半導体レーザの長期通電試験の結果を示す。この半導体レーザでは、１０００時間以上の通電の後でも、半導体レーザの特性に劣化がない。
【０００４】
非特許文献３には、ＭＢＥ法で成長されたＧａＩｎＮＡｓ結晶への水素イオン注入の効果について記載されている。ＧａＩｎＮＡｓ結晶中の水素濃度が大きいほど、バンドギャップＥｇは大きくなり、またフォトルミネッセンス強度は低下する。Ｎクラスタと水素原子との結合が非発光中心を形成している。
【０００５】
非特許文献４には、ＧａＰＮに関して、Ｎ−Ｈ結合およびＮ−Ｈ２結合の形成とフェルミ準位の関係について記載されている。ＧａＰＮ結晶中の窒素と水素との結合状態の理論計算を示している。
【非特許文献１】A. J.Ptak et al., J.Cryst. Growth 251 (2003) 392-398
【非特許文献２】MasahikoKONSOW et al., Jpn.J. Appl. Phys. 38 (1999) L
【非特許文献３】A. Polimeni, et al., Phys. Rev. B 63 (2001) 201304(R)
【非特許文献４】A.Amore Bonapasta et al., Phys.Rev. B 69 (2004) 1152071355-1356
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＭＯＣＶＤ法で成長されたＧａＩｎＮＡｓ結晶には、不可避的に水素が含まれる。この水素は、ＧａＩｎＮＡｓ結晶のフォトルミネッセンス強度を低下させる。また、ＭＢＥ法で成長されたＧａＩｎＮＡｓ結晶を用いた半導体レーザでは、通電により半導体レーザの特性の劣化が小さい。
【０００７】
望まれていることは、ＧａＩｎＮＡｓおよびＧａＮＡｓといった、窒素およびヒ素を含むIII−Ｖ化合物半導体の結晶中の水素の影響を低減することである。
【０００８】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、窒素およびヒ素を含むIII−Ｖ化合物半導体の結晶中の水素の影響を低減可能な半導体光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一側面によれば、半導体光素子は、（ａ）基板上に設けられた第１導電型III−Ｖ化合物半導体層と、（ｂ）前記基板上に設けられた第２導電型III−Ｖ化合物半導体層と、（ｃ）前記第１導電型III−Ｖ化合物半導体層と前記第２導電型III−Ｖ化合物半導体層との間に設けられており、Ｖ族として窒素およびヒ素を含むIII−Ｖ化合物半導体層を有する活性領域とを備え、前記活性領域の前記III−Ｖ化合物半導体層の水素濃度は６×１０１６ｃｍ−３を越えており、前記活性領域の前記III−Ｖ化合物半導体層には、ｎ型ドーパントが添加されている。
【００１０】
この半導体光素子によれば、活性領域がｎ型になっていれば、非発光中心が形成されない。この半導体光素子では、通電による劣化が起こりにくい。活性領域のｎ型領域では、Ｎ−Ｈ２結合がＮ−Ｈ結合より優先的に形成され、これ故に、III族原子のダングリングボンドが生成されることなくＮ−Ｈ結合に起因する非発光中心の増加が抑制される。
【００１１】
本発明に係る半導体光素子では、前記ｎ型ドーパントの濃度は３×１０１８ｃｍ−３以下であることができる。この半導体光素子によれば、半導体光素子に係る光が自由キャリアの吸収されることによって、該半導体光素子の特性が劣化することが低減される。
【００１２】
本発明に係る半導体光素子では、前記活性領域のIII−Ｖ化合物半導体層は、III族原子としてＧａ、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｔｌのいずれかを含み、Ｖ族原子としてＡｓ、Ｎを含み、Ｐ、Ｓｂ、Ｂｉのいずれかを含んでも良い。特に、本発明に係る半導体光素子では、前記活性領域のIII−Ｖ化合物半導体層として、ＧａＩｎＮＡｓ半導体、ＧａＮＡｓ半導体、またはＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体を用いることができる。
【００１３】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、窒素およびヒ素を含むIII−Ｖ化合物半導体の結晶中の水素の影響を低減可能な半導体光素子が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の半導体光素子に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００１６】
図１は、本実施の形態に係る半導体光素子の構造を示す図面である。図１（Ａ）を参照すると、半導体光素子１１は、第１導電型III−Ｖ化合物半導体層１３と、第２導電型III−Ｖ化合物半導体層１５と、活性領域１７とを備える。第１導電型III−Ｖ化合物半導体層１３は、基板１９上に設けられている。第２導電型III−Ｖ化合物半導体層１５は、基板１９上に設けられている。活性領域１７は、第１導電型III−Ｖ化合物半導体層１３と第２導電型III−Ｖ化合物半導体層１５との間に設けられており、またＶ族として窒素（Ｎ）およびヒ素（Ａｓ）を含むIII−Ｖ化合物半導体層２１を含む。III−Ｖ化合物半導体層２１の水素濃度は６×１０１６ｃｍ−３を越えており、III−Ｖ化合物半導体層２１には、ｎ型ドーパント２３が添加されている。
【００１７】
この半導体光素子１１によれば、活性領域１７がｎ型になっていれば、Ｎ−Ｈ２結合がＮ−Ｈ結合より優先的に形成される。これ故に、非発光中心が形成されず、通電による劣化の起こりにくい半導体光素子１１が得られる。これ故に、III族原子のダングリングボンドが生成されることなくＮ−Ｈ結合に起因する非発光中心の増加が抑制される。したがって、発光効率の劣化が低減される。
【００１８】
半導体光素子１１の活性領域１７は、バルクの活性領域に限定されることなく、量子井戸構造を有することができる。例えば、図１（Ｂ）に示されるように、活性領域１７は、Ｖ族として窒素（Ｎ）およびヒ素（Ａｓ）を含むIII−Ｖ化合物半導体から成る井戸層２２および障壁層２４を含む。井戸層２２には、ｎ型ドーパント２３が添加されている。
【００１９】
また、半導体光素子１１は、活性領域１７と第１導電型III−Ｖ化合物半導体層１３との間に設けられた第１の光閉じ込め層２７を含む。半導体光素子１１は、活性領域１７と第２導電型III−Ｖ化合物半導体層１５との間に設けられた第２の光閉じ込め層２９を含む。この構造によれば、キャリアの閉じ込めと光の閉じ込めとを別個に行うことができる。
【００２０】
半導体光素子１１では、基板１９は導電性を有している。基板１９としては、ＧａＡｓ表面を有しており、例えばＧａＡｓ基板を用いることができる。必要な場合には、基板１９のＧａＡｓ表面１９ａ上には、バッファ層３１が設けられていることができる。半導体光素子１１は、第２導電型III−Ｖ化合物半導体層１５上に設けられたコンタクト層３３を含むことができる。コンタクト層３３は、発光領域に電流を注入するためにストライプ形状を成すことができる。コンタクト層３３に覆われていない第２導電型III−Ｖ化合物半導体層１５上には、絶縁膜３５が設けられている。コンタクト層３３上には、アノード電極といった第１の電極３７が設けられている。導電性の基板１９の裏面１９ｂには、カソード電極といった第２の電極３９が設けられている。
【００２１】
半導体光素子１１では、窒素および砒素を含むｎ型活性層を用いているので、活性層中に水素が含まれていても通電により優先的にＮ−Ｈ２結合が形成され、Ｎ−Ｈ結合は形成されにくい。Ｎ−Ｈ結合はIII族原子のダングリングボンドを誘発し、非発光中心が形成され結晶の劣化が起こるのに対し、Ｎ−Ｈ２結合はIII族原子のダングリングボンドを生成しないので非発光中心が生成されにくい。従って、通電による劣化の少なく優れた信頼性を示す活性領域を得ることができる。また、発光効率にも優れる。なお、半導体光素子の作製にはＭＯＶＰＥ成長炉が用いられるが、通常、窒素および砒素を含む半導体では水素が混入しやすく、Ｎ−Ｈ結合が形成される可能性がある。これに対し、ｎ型活性層を用いることによってＮ−Ｈ結合の発生が低減される。ＭＯＶＰＥ法はＭＢＥ法に比べて高スループットであり、低コスト半導体装置の作製が可能となる。
【００２２】
半導体光素子１１では、半導体層２１のｎ型ドーパント２３の濃度は１×１０１５ｃｍ−３以上であることができる。この半導体光素子１１によれば、III族原子のダングリングボンドが生成されない。半導体光素子１１では、半導体層２１のｎ型ドーパント２３の濃度は３×１０１８ｃｍ−３以下であることができる。或いは、井戸層２２のｎ型ドーパント２３の濃度は３×１０１８ｃｍ−３以下であることができる。この半導体光素子１１によれば、半導体光素子１１に係る光が自由キャリアの吸収されることによって、該半導体光素子１１の特性が劣化することが低減される。
【００２３】
半導体光素子１１によれば、活性領域１７は、III族原子としてＧａ、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｔｌのいずれかを含み、Ｖ族原子としてＡｓ、Ｎを含み、Ｐ、Ｓｂ、Ｂｉのいずれかを含んでもよいIII−Ｖ化合物半導体層を備えることができる。特に、ＧａＩｎＮＡｓ半導体、ＧａＮＡｓ半導体、またはＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体を用いることができる。半導体層２１は、例えば、ＧａＩｎＮＡｓ半導体、ＧａＮＡｓ半導体、またはＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体からなることができる。
【００２４】
半導体光素子１１の一例の半導体レーザでは、
第１導電型III−Ｖ化合物半導体層１３：ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層
第２導電型III−Ｖ化合物半導体層１５：ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層
基板１９：ｎ型ＧａＡｓ基板
活性領域１７
井戸層２１：ｎ−ＧａＩｎＮＡｓ層
障壁層２４：アンドープＧａＡｓ層
第１の光閉じ込め層２７：アンドープＧａＡｓ層
第２の光閉じ込め層２９：アンドープＧａＡｓ層
バッファ層３１：ｎ型ＧａＡｓ層
コンタクト層３３：ｐ型ＧａＡｓ層
第１の電極３７：アノード電極
第２の電極３９：カソード電極
である。
【００２５】
（実施例）
図２（Ａ）に示されるように、減圧ＭＯＶＰＥ法によりＧａＩｎＮＡｓ/ＧａＡｓ二重量子井戸（Ｄｏｕｂｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ：ＤＱＷ）を活性領域とするレーザ構造を有するエピタキシャル基板を作製する。基板として、ＳｉドープＧａＡｓ（１００）２゜オフ基板４１を用いる。ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、窒素（Ｎ）および砒素（Ａｓ）の各原料として、ＴＥＧａ、ＴＭＩｎ、ＤＭＨｙ、ＴＢＡｓを用いる。シリコン（Ｓｉ）および亜鉛（Ｚｎ）の各原料として、ＴｅＥＳｉおよびＤＥＺｎを用いる。ＧａＡｓ基板４１上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４３を形成する。必要な場合には、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４３の形成に先だって、ＧａＡｓバッファ層４５をＧａＡｓ基板上に成長する。アンドープＧａＡｓＳＣＨ層４７を形成した後に、活性領域４９を形成する。ｎ型クラッド層にはドーパントとしてＳｉを用いる。
【００２６】
活性領域４９は二重量子井戸構造（ＤＱＷ）を有する。活性領域４９の作製では、厚さ７ｎｍの井戸層、厚さ８ｎｍの障壁層を形成する。井戸層の組成は、Ｇａ０．６６Ｉｎ０．３４Ｎ０．０１Ａｓ０．９９から成る。ＧａＩｎＮＡｓの井戸層には、２×１０１７ｃｍ−３の濃度のシリコンがドーピングされている。ＳＩＭＳ分析の結果から、結晶成長中に取り込まれた炭素（Ｃ）濃度は１×１０１７ｃｍ−３程度である。結果として、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の電子キャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３である。ＧａＩｎＮＡｓ井戸層にシリコンを意図的に添加したレーザ構造を有するエピタキシャル基板の作製では、成長温度として摂氏５１０度を用い、成長速度として０．９μｍ／ｈとして、［ＤＭＨｙ］／（［ＤＭＨｙ］＋［ＴＢＡｓ］）は０．９９であり、成長圧力は１０１３２Ｐａ（７６Ｔｏｒｒ）である。
【００２７】
活性領域４９上に、アンドープＧａＡｓＳＣＨ層５１を形成する。アンドープＧａＡｓ光閉じ込め層５１を形成した後に、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５３を形成する。ＳＣＨ層およびクラッド層の厚さは、それぞれ、１４０ｎｍおよび１．５μｍである。ｐ型クラッド層にはドーパントＺｎを用いる。ｐ型クラッド層５３の成長後、厚さ０．２μｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層５５を成長する。
【００２８】
別に、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層にシリコンを意図的に添加しないレーザ構造を有するエピタキシャル基板を作製する。このエピタキシャル基板の井戸層には、キャリア濃度１×１０１７ｃｍ−３の炭素（Ｃ）がエピタキシャル成長中に不可避的に取り込まれて、ｐ導電型になっている。いずれのエピタキシャル基板も、エピタキシャル成長終了後、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の光学特性向上のために、ＭＯＶＰＥ炉中で摂氏６７０度、１０分のアニール処理を行う。
【００２９】
このように成長したエピタキシャル基板をgain-guide型半導体レーザに加工する。図２（Ｂ）に示されるように、フォトリソグラフィー法によりフォトレジストでパターンを形成した後、メサエッチングによりコンタクト層５５を加工して、ストライプ状のコンタクト層５５ａを作製する。ストライプ幅は例えば５μｍである。その後に、図３（Ａ）に示されるように、プラズマＣＶＤ法により、シリコン窒化膜といった絶縁膜をウェハ全面に形成する。フォトリソグラフィー法により、ストライプ状のコンタクト層５５ａの上だけフォトレジストの無いレジストマスクを形成する。コンタクト層５５ａをストライプ上にマスクを形成する。このマスクを用いて、ストライプ上の絶縁膜を除去して保護膜５７を形成する。図３（Ｂ）に示されるように、コンタクト層５５ａ上にアノード電極５９を形成すると共に、ＧａＡｓ基板の裏面にカソード電極６１を形成する。これらの工程により、レーザ作製を完了する。
【００３０】
ウェハプロセスが完了した後に、共振器長６００μｍ幅でへき開して、レーザバーを作製する。このレーザバーを用いてレーザ特性評価および長期通電試験を行う。
【００３１】
図４は、意図的にＳｉドープしたＧａＩｎＮＡｓ井戸層を含む半導体レーザＡの電流−光出力の特性線Ｓと、ＳｉドープしていないＧａＩｎＮＡｓ井戸層を含む半導体レーザＢの電流−光出力の特性線Ｃとを示す図面である。これらの特性線は、摂氏２５度において測定される。特性線Ｓおよび特性線Ｃを比較すると、半導体レーザＡの閾値電流が低く、かつ、スロープ効率も高い。
【００３２】
図５は、半導体レーザＡおよび半導体レーザＢの長期通電試験の結果を示す図面である。長期通電試験の条件は、１００ｍＡの通電電流、環境温度摂氏２５度である。半導体レーザＢの長期通電試験の結果によれば、通電初期から光出力が低下し劣化が顕著である。一方、半導体レーザＡの長期通電試験の結果によれば、１０００時間以上光出力が安定し通電劣化が少ない。以上の結果から、ｎ型ＧａＩｎＮＡｓを用いると、初期特性だけでなく信頼性にも優れたレーザを作製できる。
【００３３】
ＭＯＶＰＥ法でIII−Ｖ化合物半導体を成長すると、不可避的に水素（Ｈ）および炭素（Ｃ）が結晶中に含まれる。この水素濃度は、III−Ｖ化合物半導体の種類にも依存するかもしれないが、例えば１×１０１８ｃｍ―３を越えている。ＭＯＶＰＥ法によるＧａＩｎＮＡｓの成長では成長時に炭素（Ｃ）が不可避的に混入するので、ｎ型不純物をドーピングしない場合、ｐ型のＧａＩｎＮＡｓが形成される。そのため、成長時の雰囲気から取り込まれる水素（Ｈ）と窒素（Ｎ）の結合はＮ−Ｈ結合が支配的となって、III族原子のダングリングボンド欠陥が誘発される。該ダングリングボンド欠陥が非発光中心として働き、その結果、レーザ発振に必要な電流値（閾値電流）が高くなり、また注入電流と光出力の変換効率（スロープ効率）も低下すると考えられる。
【００３４】
一方、ＧａＩｎＮＡｓ中において、そのキャリア濃度によってＮとＨの形成エネルギーが異なっており、ｎ型ではＮ−Ｈ２結合がＮ−Ｈ結合よりも安定であると考えられる。半導体レーザＡはｎ型ＧａＩｎＮＡｓ層を含むので、成長時の雰囲気から取り込まれる水素（Ｈ）と窒素（Ｎ）の結合はＮ−Ｈ２結合が支配的となって、ダングリングボンド等の欠陥が生成されない。このため、非発光中心の生成が抑制される。故に、通常のアンドープＧａＩｎＮＡｓ層を含む半導体レーザに比べて、半導体レーザＡの初期特性（低閾値電流、高スロープ効率）が優れている。
【００３５】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本実施の形態では、例えば、半導体レーザといった半導体光素子を説明したけれども、本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は、本実施の形態に係る半導体光素子の構造を示す図面である。
【図２】図２は、本実施の形態に係る半導体光素子の作製を示す図面である。
【図３】図３は、本実施の形態に係る半導体光素子の作製を示す図面である。
【図４】図４は、ＳｉドープのＧａＩｎＮＡｓ井戸層を含む半導体レーザＡの電流−光出力の特性線Ｓおよび意図的にＳｉドープしていないＧａＩｎＮＡｓ井戸層を含む半導体レーザＢの電流−光出力の特性線Ｃを示す図面である。
【図５】図５は、半導体レーザＡおよび半導体レーザＢの長期通電試験の結果を示す図面である。
【符号の説明】
【００３７】
１１…半導体光素子、１３…第１導電型III−Ｖ化合物半導体層、１５…第２導電型III−Ｖ化合物半導体層、１９…基板、１７…活性領域、２１…井戸層、２４…障壁層、２７…第１の光閉じ込め層、２９…第２の光閉じ込め層、３１…バッファ層、３３…コンタクト層、３７…第１の電極、３９…第２の電極、
４１…ＧａＡｓ基板、４３…ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、４５…ＧａＡｓバッファ層、４７…アンドープＧａＡｓＳＣＨ層、４９…活性領域、５１…アンドープＧａＡｓＳＣＨ層、５３…ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、５５…ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、５５ａ…コンタクト層、５７…保護膜、５９…アノード電極、６１…カソード電極  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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