(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＡｓ基板上に、ＧａＩｎＮＡｓ化合物半導体層と、該ＧａＩｎＮＡｓ化合物半導体層に接し、ＡｌＧａＡｓＰ化合物半導体層により形成され、燐（Ｐ）を供給するＰ供給層を有することを特徴とする化合物半導体素子。
【請求項２】
前記Ｐ供給層の上に前記ＧａＩｎＮＡｓ化合物半導体層が接して形成され、前記Ｐ供給層から前記ＧａＩｎＮＡｓ化合物半導体層に燐（Ｐ）が拡散し、前記ＧａＩｎＮＡｓ化合物半導体層への窒素原子（Ｎ）の採りこみを促進することを特徴とする請求項１記載の化合物半導体素子。
【請求項３】
前記Ｐ供給層は、燐（Ｐ）を供給する機能とともに、光ガイド層としても機能することを特徴とする請求項１又は２記載の化合物半導体素子。
【請求項４】
前記Ｐ供給層の厚さは、臨界膜厚以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の化合物半導体素子。
【請求項５】
前記ＧａＩｎＮＡｓ化合物半導体層が、ＧａＩｎＮＡｓ化合物半導体量子井戸層を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の化合物半導体素子。
【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に関し、さらに詳しくは、Ｎの含有量を高めたIII-Ｖ族化合物半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信用の１．３μｍ〜１．５μｍ波長帯のコヒーレント光源として、ＩｎＰ基板上に成長したＩｎＧａＡｓＰの４元混晶を活性層とする化合物半導体レーザが用いられている。このＩｎＰ系化合物半導体レーザは、活性層とクラッド層とのエネルギバンドギャップの伝導帯不連続部分ΔＥｃが基本的に小さい。このためレーザの特性温度Ｔ0 が小さく、また閾値電流が高く、安定な光出力を得るためにはペルチェ素子等の電子冷却素子により温度制御することが必要であった。
【０００３】
そこで活性層とクラッド層とのエネルギバンドギャップの伝導帯不連続部分ΔＥｃが大きい化合物半導体素子として、ＧａＡｓやＧａＩｎＡｓにＶ族元素のＮを混合した混晶系が有望と考えられている。すなわち、ＧａＮＡｓやＧａＩｎＮＡｓとすることにより、ΔＥｃを大きくでき、電子冷却等は必要とせず、室温で動作させることが可能となる。
【０００４】
図５に各化合物半導体の格子定数（組成）とバンドギャップエネルギの関係を示す。ＧａＡｓとＧａＮとの混晶であるＧａＮx Ａｓ1-x は、その組成ｘとバンドギャップエネルギとの関係が、大きくボウイングすることが判る。そこでこのＧａＮＡｓ混晶とさらにＩｎＡｓとの４元混晶とすることにより、ＧａＡｓ基板と格子整合させながら、ＧａＡｓの波長から数１００ｎｍ以上迄の長波長の発光および受光化合物半導体素子を可能にすると言われている。Ｎ組成を４％に設定したＧａＩｎＮＡｓ化合物半導体を活性層とし、１．５μｍで発光する半導体レーザは、例えば特開平６−３７３５５号公報に開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＧａＩｎＮＡｓ層を活性層とする発光素子は、１〜１．５μｍまでの波長の発光は確認されているものの、１．５μｍを超える長波長の発光は未だ実現していない。この理由は、Ｎ原子が結晶格子中に採り込まれ難く、所望の組成のＧａＩｎＮＡｓ化合物半導体層が成膜されないことによる。
【０００６】
本発明はかかる現状に鑑み提案するものであり、Ｎ原子がＧａＩｎＮＡｓ化合物半導体層に多く採り込まれた化合物半導体素子を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を達成するため、本発明の化合物半導体素子は、
ＧａＡｓ基板上に、ＰがドーピングされたＧａＩｎＮＡｓ化合物半導体層を有することを特徴とする。
【０００８】
このＰのドーピング濃度は、１×１０17ｃｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3以下であることが望ましい。
【０００９】
本発明の別の化合物半導体素子は、
ＧａＡｓ基板上に、ＧａＩｎＮＡｓ化合物半導体層と、該ＧａＩｎＮＡｓ化合物半導体層に接し、ＡｌＧａＡｓＰ化合物半導体層により形成され、燐（Ｐ）を供給するＰ供給層を有することを特徴とする。
【００１０】
このＰ供給層は、Ｐ供給機能とともに、光ガイド層としても機能するものである。またこのＰ供給層は、ＡｌＧａＡｓＰであることが望ましい。さらにこのＰ供給層の厚さは、臨界膜厚以下であることが望ましい。
【００１３】
〔作用〕
ＧａＩｎＮＡｓ化合物半導体層中にＮ原子が採り込まれ難い理由は、ＮとＡｓとの原子半径が大きく乖離していることによる。すなわちＮの原子半径は０．０７０ｎｍであり、Ａｓの原子半径０．１１８ｎｍと比較すると極めて小さい。このため特にＡｓリッチな組成領域では、歪効果によって、なかなかＮが結晶格子中に採り込まれない現象が起きる。
【００１４】
本発明のポイントは、ＮとＡｓの中間の原子半径を持つＰあるいはＣをＧａＩｎＮＡｓ化合物半導体層中にドーピングし、Ｎ原子導入による内部歪を低減し、Ｎ原子が採り込まれ易くする点にある。
【００１５】
その一つであるＰ原子は、原子半径が０．１１ｎｍのＶ族原子である。したがって、ＧａＩｎＮＡｓＰの５元混晶とすれば、Ｎの採り込みを多くし、ＧａＡｓ基板に格子整合した半導体素子を得ることができる。しかしながら、ＧａＩｎＮＡｓＰ５元混晶の場合には、蒸気圧の異なる３種のＶ族化合物原料を制御性よく導入することは困難である。
【００１６】
そこで、ＧａＩｎＮＡｓＰ５元混晶より成膜が容易なＧａＩｎＮＡｓ４元混晶に、ドーピングレベルのＰを導入することが考えられる。実際、１×１０17ｃｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3程度以下のＰ濃度であれば、５元混晶の場合のように導入に困難はなく、またこの程度の低Ｐ濃度であっても、Ｎ原子の採り込み効果は充分に得られることが判った。
１×１０17ｃｍ-3オーダの濃度は、半導体レーザにおけるキャリア濃度の一般的な値である。また１×１０21ｃｍ-3の濃度は、ＧａＩｎＮＡｓ４元混晶の単位格子あたり１個のＰ原子が導入するオーダの濃度である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の化合物半導体素子につき、実施形態例により図面を参照しつつ詳細に説明する。なお以下に示す半導体素子の各成長層はＭＯＣＶＤ法により形成したが、ＭＯＭＢＥ (Metal Organic Molecular Beam Epitaxy) 法を用いて成長することも可能である。ＭＯＣＶＤ装置としては、従来採用されている一般的な横型あるいは縦型のリアクタを有する装置を用いることができる。また原料ガスとしては、Ａｌ源はトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）等のアルキルアルミニウムを、Ｇａ源はトリメチルガリウム（ＴＭＧ）等のアルキルガリウムを、Ｉｎ源はトリメチルインジウム等のアルキルインジウムを、Ｎ源はジメチルヒドラジン等を用いる。これらはＭＯＣＶＤの原料ガスとして一般的な化合物である。
【００２０】
これに加え、本発明においてはＰ供給源として、ホスフィンやターシャリブチルホスフィンを用いる。このＰ供給源は、ＧａＩｎＮＡｓ化合物半導体層へのＰドーピング用、およびＰ供給層としてのＧａＡｓＰあるいはＡｌＧａＡｓＰ用の原料ガス用ともに用いることができる。
【００２１】
またＣ供給源としては、Ｖ／III 比を下げることにより、各III 族有機金属化合物の熱分解によって発生したメタン等の炭化水素が採用される。また原料ガス中にメタン等の低次炭化水素ガスを添加してもよい。
【００２２】
〔実施形態例１〕
本実施形態例は、ＧａＡｓ基板上にＰがドーピングされたＧａＩｎＮＡｓ化合物半導体層を有する化合物半導体発光素子を示すもので、図１を参照して説明する。
【００２３】
図１に示す化合物半導体発光素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板１上にｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２、ＰドープＧａＩｎＮＡｓ活性層４、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層８、そしてｐ−ＧａＡｓキャップ層９が順次形成されている。
ＰドープＧａＩｎＮＡｓ活性層４中のＰ濃度は、１×１０17ｃｍ-3から１×１０21ｃｍ-3程度の範囲でドーピングされている。このＰは、ＰドープＧａＩｎＮＡｓ活性層４をＭＯＣＶＤ法等で形成する際に、ホスフィンやターシャリブチルホスフィンをドーパントとして原料ガス中に添加することにより導入される。
この程度の低ドーピング量であっても、Ｎ原子の採り込みを促進する効果は充分である。
【００２４】
なおｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２、およびｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層８のＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ３元混晶中のＡｌ組成は、例えばｘ＝０．４５の混晶比が採用される。
【００２５】
ダブルヘテロ（ＤＨ）構造を形成した後、ｐ−ＧａＡｓキャップ層９、およびｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層８の層厚方向の一部に例えばＢ等の不純物を選択的にイオン注入して高抵抗化層（不図示）を形成し、電流狭窄をおこなう。この後、表面および裏面に電極（同じく不図示）を形成し、半導体発光素子を完成する。
電極は、Ｐｄ／Ｐｔ／ＡｕやＡｕ／Ｚｎ等の金属を蒸着法等により形成することにより、オーミック電極とすることができる。
【００２６】
〔実施形態例２〕
本実施形態例は、ＧａＡｓ基板上にＧａＩｎＮＡｓ化合物半導体層と、このＧａＩｎＮＡｓ化合物半導体層に接するＰ供給層を有する化合物半導体発光素子を示すもので、図２を参照して説明する。
【００２７】
図２に示す化合物半導体発光素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板１上にｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２、Ｐ供給層５、ＧａＩｎＮＡｓ活性層６、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層８、そしてｐ−ＧａＡｓキャップ層９が順次形成されている。
【００２８】
Ｐ供給層５は、ＧａＡｓＰあるいはＡｌＧａＡｓＰ等、Ｐを含む混晶により形成される。これらＧａＡｓＰあるいはＡｌＧａＡｓＰは、ＧａＩｎＮＡｓとは格子整合しないため、Ｐ供給層５の膜厚はそれぞれの組成に応じた臨界膜厚以下の膜厚が選ばれる。
【００２９】
ＧａＩｎＮＡｓ活性層６は、ノンドープのＧａＩｎＮＡｓ４元混晶から形成される。Ｐ供給層５上にＧａＩｎＮＡｓ活性層６を成膜する際は、その界面を介して、Ｐ供給層５からのＰが成長中のＧａＩｎＮＡｓ活性層６に拡散する。この結果、成長中、ＧａＩｎＮＡｓ活性層６の表面は常にＰ原子が高濃度に存在し、Ｎ原子の採り込みを促進する。
またＰ供給層をＧａＩｎＮＡｓ活性層６の上面にも形成すれば、対称性が高まり、また光ガイド層の機能を持たせることができる。
【００３０】
この後のイオン注入工程、電極形成工程等は前実施形態例１と同様にして、化合物半導体発光素子を完成する。
【００３１】
〔実施形態例３〕
本実施形態例は、活性層構造に多重量子井戸構造を用いた化合物半導体発光素子を示すもので、図３を参照して説明する。
【００３２】
図３に示す化合物半導体発光素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板１上にｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２、ＡｌＧａＡｓガイド層３、Ｐ供給層５、ノンドープのＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層６QW、バリア層を兼ねるＰ供給層５、ノンドープのＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層６QW、ＡｌＧａＡｓガイド層３、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層８、そしてｐ−ＧａＡｓキャップ層９が順次形成されている。
【００３３】
Ｐ供給層５は、同じくＧａＡｓＰあるいはＡｌＧａＡｓＰ等、Ｐを含む混晶により形成される。
【００３４】
またＡｌＧａＡｓガイド層３は、これらＧａＡｓＰあるいはＡｌＧａＡｓＰ等、Ｐを含む混晶により形成してもよい。
【００３５】
かかる多重量子井戸構造のノンドープのＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層６QWの成膜工程においても、Ｐ供給層５（かつバリア層）からＰが拡散し、前実施形態例２と同様にＮ原子を多く採り込んだＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層６QWを成膜することができる。
【００３６】
なお本実施形態例では、２ＱＷ (Double Quantum Well)構造を採用したが、３ＱＷ構造や４ＱＷ構造にも同様に適用できることは言うまでもない。
【００３７】
〔実施形態例４〕
ＧａＩｎＮＡｓ化合物半導体層へのＮ採り込みを促進する作用は、Ｐ原子の他にもＣ原子をドーパントレベルで導入した場合にも認められる。本実施形態例はＧａＡｓ基板上にＣがドーピングされたＧａＩｎＮＡｓ化合物半導体層を有する化合物半導体発光素子を示すもので、図４を参照して説明する。
【００３８】
図４に示す化合物半導体発光素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板１上にｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２、ＣドープＧａＩｎＮＡｓ活性層７、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層８、そしてｐ−ＧａＡｓキャップ層９が順次形成されている。
ＣドープＧａＩｎＮＡｓ活性層７中のＣは、ＣドープＧａＩｎＮＡｓ活性層７をＭＯＣＶＤ法等で形成する際に、先述したＶ／III 比を、通常のＭＯＣＶＤ条件でのＶ／III 比より下げることにより、Ｃが選択的に結晶中のＶ族サイトに採り込まれたものである。このＣドーパントの効果により、Ｎ原子の採り込みが促進される。
【００３９】
この場合のＣの原料は各III 族元素の熱分解により発生するメタン等の炭化水素であるが、この際にＶ族元素の原料ガスとしてターシャリブチルアルシンやトリメチル砒素等の有機Ｖ族化合物を採用することにより、Ｃドープは一層促進される。
【００４０】
この後のイオン注入による電流狭窄や電極の形成工程は前実施形態例１と同様である。
【００４１】
以上、本発明の半導体素子の構造およびその一例として半導体レーザを採り上げ詳述したが、これらは単なる例示であり、本発明はこれらの例示に何ら限定されるものではない。半導体受光素子の活性層すなわち受光層にも、全く同様にＰドーピングやＣドーピング等の手法を用いて、Ｎの採り込みに優れたＧａＩｎＮＡｓ化合物半導体層を適用することができる。
例示した化合物半導体素子の層構成や原料ガス、あるいは成膜方法等は適宜変更が可能である。
【００４２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の化合物半導体素子によれば、本来採り込み難いＮ原子が、ＧａＩｎＮＡｓ化合物半導体層に多く採り込まれた化合物半導体素子を提供することが可能となる。
【００４３】
したがって、本発明の半導体素子を例えば半導体レーザに適用すれば、ΔＥｃが大きく、特段の温度制御を必要としない長波長半導体レーザを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の化合物半導体素子の層構成を示す概略断面図である。
【図２】本発明の他の化合物半導体素子の層構成を示す概略断面図である。
【図３】本発明のさらに他の化合物半導体素子の層構成を示す概略断面図である。
【図４】本発明の別の化合物半導体素子の層構成を示す概略断面図である。
【図５】各化合物半導体の格子定数（組成）とバンドギャップエネルギの関係を示すグラフである。
【図６】各元素の原子半径を示す図である。
【符号の説明】
１…ｎ−ＧａＡｓ基板、２…ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層、３…ＡｌＧａＡｓガイド層、４…ＰドープＧａＩｎＮＡｓ活性層、５…Ｐ供給層、６…ＧａＩｎＮＡｓ活性層、６QW…ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層、７…ＣドープＧａＩｎＮＡｓ活性層、８…ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層、９…ｐ−ＧａＡｓキャップ層
【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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