(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＡｓ基板と、
前記ＧａＡｓ基板上に設けられた第１のｐ型半導体層と、
前記ＧａＡｓ基板上に設けられた第１のｎ型半導体層と、
前記第１のｐ型半導体層と前記第１のｎ型半導体層との間に設けられた第１の活性層と
を備え、
前記第１の活性層は、１．２５マイクロメートルを超える波長領域にＰＬピーク波長を有するように設けられ五元ＧａＩｎＮＰＡｓからなり前記ＧａＡｓ基板上に設けられたIII−Ｖ族化合物半導体層であり、
前記III−Ｖ族化合物半導体層においてＩｎＰとＩｎＮとの混晶比(ＩｎＰ／ＩｎＮ)が０．１以上４以下であり、前記III−Ｖ族化合物半導体層のＩｎＡｓＸＮＰ３−Ｘクラスタ（Ｘ＝１〜３）においては一又は複数のＡｓ原子がＰ原子で置換されている、半導体光素子。
【請求項２】
ＧａＡｓ基板と、
前記ＧａＡｓ基板上に設けられた第１のｐ型半導体層と、
前記ＧａＡｓ基板上に設けられた第１のｎ型半導体層と、
前記第１のｐ型半導体層と前記第１のｎ型半導体層との間に設けられた第１の活性層と
を備え、
前記第１の活性層は、１．２５マイクロメートルを超える波長領域にＰＬピーク波長を有するように設けられ五元ＧａＩｎＮＰＡｓからなるIII−Ｖ族化合物半導体層と、III族元素としてガリウムを含むと共にＶ族元素として砒素を含む別のIII−Ｖ族化合物半導体層とを含み、
前記III−Ｖ族化合物半導体層は井戸層であり、前記別のIII−Ｖ族化合物半導体層は障壁層であり、
前記III−Ｖ族化合物半導体層において、ＩｎＰとＩｎＮとの混晶比(ＩｎＰ／ＩｎＮ)は０．１以上４以下であり、前記III−Ｖ族化合物半導体層のＩｎＡｓＸＮＰ３−Ｘクラスタ（Ｘ＝１〜３）においては一又は複数のＡｓ原子がＰ原子で置換されており、
前記III−Ｖ族化合物半導体層と前記別のIII−Ｖ族化合物半導体層とは量子井戸構造を構成する、半導体光素子。
【請求項３】
前記ＧａＡｓ基板上に設けられた第２のｐ型半導体層と、
前記ＧａＡｓ基板上に設けられた第２のｎ型半導体層と、
前記第２のｐ型半導体層と前記第２のｎ型半導体層との間に設けられた第２の活性層と
を更に備え、
前記第２の活性層は、III族元素としてガリウム及びインジウムを含むと共にＶ族元素として砒素、燐及び窒素を含み前記ＧａＡｓ基板上に設けられた五元のIII−Ｖ族化合物半導体層を含み、
前記第１の活性層は、半導体発光素子及び半導体変調素子の一方のために設けられており、
前記第２の活性層は、半導体発光素子及び半導体変調素子の他方のために設けられており、
前記第１及び第２の活性層は、互いに光学的に結合されている、請求項１または２に記載の半導体光素子。
【請求項４】
前記第２の活性層の前記III−Ｖ族化合物半導体層において、ＩｎＰとＩｎＮとの混晶比(ＩｎＰ／ＩｎＮ)は０．１以上４以下であり、前記第２の活性層の前記III−Ｖ族化合物半導体層のＩｎＡｓＸＮＰ３−Ｘクラスタ（Ｘ＝１〜３）においては一又は複数のＡｓ原子がＰ原子で置換されている、請求項３に記載の半導体光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、III−Ｖ族化合物半導体膜、及び半導体光素子、及び半導体膜を形成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信モジュールは、半導体レーザ素子を備えている。この半導体レーザ素子は、ＩｎＰ基板と、ＩｎＰ半導体層と、ＧａＩｎＡｓＰ半導体層とを備える。光通信モジュールにおいて、レーザ光の発振波長を温度変化に関して安定にするために、半導体レーザ光素子はペルチェ素子上に配置されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＧａＩｎＡｓＰ半導体を活性層として使用する半導体レーザ素子では、温度変化すると比較的温度変化が大きいことが知られている。この理由は、ＧａＩｎＡｓＰ半導体のバンドギャップの温度係数が大きいことに起因する。
【０００４】
発明者らは、ＧａＩｎＡｓＰ半導体よりも半導体レーザ素子の温度特性に優れる半導体材料の一候補として、ＧａＩｎＮＡｓ半導体を研究している。母材ＧａＩｎＡｓ半導体への窒素の固容度は小さいけれども、発明者らの研究では、窒素を含む四元半導体として、Ｇａ0.65Ｉｎ0.35Ｎ0.1Ａｓ0.9半導体という組成が実現されている。また、発明者らは、半導体レーザ素子も作製している。しかしながら、発明者らは、実用的な半導体材料としてＧａＩｎＮＡｓ半導体を用いるためには更なる研究が必要であると考えている。すなわち、求められていることは、結晶性の良い半導体材料を提供することである。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、良好な結晶性を有する五元III−Ｖ族化合物半導体膜、この半導体膜を含む半導体光素子、III−Ｖ族化合物半導体膜を形成する方法を提供することとした。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体光素子は、ＧａＡｓ基板と、前記ＧａＡｓ基板上に設けられた第１のｐ型半導体層と、前記ＧａＡｓ基板上に設けられた第１のｎ型半導体層と、前記第１のｐ型半導体層と前記第１のｎ型半導体層との間に設けられた第１の活性層とを備え、前記第１の活性層は、１．２５マイクロメートルを超える波長領域にＰＬピーク波長を有するように設けられ五元ＧａＩｎＮＰＡｓからなり前記ＧａＡｓ基板上に設けられたIII−Ｖ族化合物半導体層であり、前記III−Ｖ族化合物半導体層において、ＩｎＰとＩｎＮとの混晶比(ＩｎＰ／ＩｎＮ)は０．１以上４以下であり、前記III−Ｖ族化合物半導体層におけるＩｎＡｓＸＮＰ３−Ｘクラスタ（Ｘ＝１〜３）においては一又は複数のＡｓ原子がＰ原子で置換されている。
また、本発明に係る半導体光素子は、ＧａＡｓ基板と、前記ＧａＡｓ基板上に設けられた第１のｐ型半導体層と、前記ＧａＡｓ基板上に設けられた第１のｎ型半導体層と、前記第１のｐ型半導体層と前記第１のｎ型半導体層との間に設けられた第１の活性層とを備え、前記第１の活性層は、１．２５マイクロメートルを超える波長領域にＰＬピーク波長を有するように設けられ五元ＧａＩｎＮＰＡｓからなるIII−Ｖ族化合物半導体層と、III族元素としてガリウムを含むと共にＶ族元素として砒素を含む別のIII−Ｖ族化合物半導体層とを含み、前記III−Ｖ族化合物半導体層は井戸層であり、前記別のIII−Ｖ族化合物半導体層は障壁層であり、前記III−Ｖ族化合物半導体層において、ＩｎＰとＩｎＮとの混晶比(ＩｎＰ／ＩｎＮ)は０．１以上４以下であり、前記III−Ｖ族化合物半導体層におけるＩｎＡｓＸＮＰ３−Ｘクラスタ（Ｘ＝１〜３）においては一又は複数のＡｓ原子がＰ原子で置換されている。前記III−Ｖ族化合物半導体層と前記別のIII−Ｖ族化合物半導体層とは量子井戸構造を構成する。
さらに、本発明に係る半導体光素子は、前記ＧａＡｓ基板上に設けられた第２のｐ型半導体層と、前記ＧａＡｓ基板上に設けられた第２のｎ型半導体層と、前記第２のｐ型半導体層と前記第２のｎ型半導体層との間に設けられた第２の活性層とを更に備え、前記第２の活性層は、III族元素としてガリウム及びインジウムを含むと共にＶ族元素として砒素、燐及び窒素を含み前記ＧａＡｓ基板上に設けられたIII−Ｖ族化合物半導体層を含み、前記第１の活性層は、半導体発光素子及び半導体変調素子の一方のために設けられており、前記第２の活性層は、半導体発光素子及び半導体変調素子の他方のために設けられており、前記第１及び第２の活性層は、互いに光学的に結合されている。
さらにまた、本発明に係る半導体光素子は、前記第２の活性層の前記III−Ｖ族化合物半導体層において、ＩｎＰとＩｎＮとの混晶比(ＩｎＰ／ＩｎＮ)は０．１以上４以下であり、前記III−Ｖ族化合物半導体層におけるＩｎＡｓＸＮＰ３−Ｘクラスタ（Ｘ＝１〜３）においては一又は複数のＡｓ原子がＰ原子で置換されていることができる。
【０００７】
本発明の一側面は、半導体膜を形成する方法に係わる。この方法は、(ａ)有機金属気相成長装置内に基板を置く工程と、(ｂ)ガリウムソース原料、インジウムソース原料、砒素ソース原料、窒素ソース原料、及び燐ソース原料を有機金属気相成長装置に供給して、III−Ｖ族化合物半導体膜を形成する工程とを備える。III−Ｖ族化合物半導体膜はIII族元素としてガリウム及びインジウムを含むと共に、Ｖ族元素として砒素、燐及び窒素を含む。
III族元素としてガリウム及びインジウムを含むと共にＶ族元素として砒素、燐及び窒素を含む五元III−Ｖ族化合物半導体膜を有機金属成長装置において形成することにより、原子半径が相対的に小さい窒素と原子半径が相対的に大きい燐を母材ＧａＩｎＡｓ半導体膜に添加できる。発明者は、燐及び窒素の両方を母材半導体に加えるために有機金属気相成長法が有利であることを発見した。
【０００８】
この方法では、ガリウムソース原料はトリエチルガリウムを含み、インジウムソース原料はトリメチルインジウムを含み、砒素ソース原料はターシャリブチルアルシンを含み、燐ソース原料はターシャリブチルホスフィンを含み、窒素ソース原料はジメチルヒドラジンを含むことができる。これらの原料を、ガリウム、インジウム及び砒素に加えて燐及び窒素の両方を含む半導体膜に形成するために利用できる。
【０００９】
この方法では、基板は、ＧａＡｓ基板及びシリコン基板の少なくともいずれかであることができる。これらの基板上に、五元III−Ｖ族化合物半導体を形成できる。
【００１０】
この方法では、III−Ｖ族化合物半導体膜において、ＩｎＰとＩｎＮとの混晶比は０より大きいことが好ましい。また、ＩｎＰとＩｎＮとの混晶比は０より大きく４以下であることが好ましい。
【００１１】
ＩｎとＰとの結合およびＩｎとＮとの結合を該III−Ｖ族化合物半導体膜内に提供できる。ＩｎとＰとの原子間距離はＧａとＡｓとの原子間距離より大きく、ＩｎとＮとの原子間距離はＧａとＡｓとの原子間距離より小さい。ＩｎＰとＩｎＮとを組み合わせた混晶により、この組み合わせ混晶における平均原子間距離をＧａとＡｓとの原子間距離に近づけることができる。
【００１２】
この方法では、III−Ｖ族化合物半導体膜は、単一の窒素原子及び一又は複数の燐原子と結合するインジウム原子を含む。ＩｎとＰとの結合およびＩｎとＮとの結合を該III−Ｖ族化合物半導体膜に提供できる。ＩｎとＰとの原子間距離はＧａとＡｓとの原子間距離より大きく、ＩｎとＮとの原子間距離はＧａとＡｓとの原子間距離より小さい。故に、インジウム原子、砒素原子および窒素原子からなるクラスタにおいてＡｓ原子を一または複数のＰ原子に置換することにより、この置換により生成される別種のクラスタの平均原子間距離をＧａとＡｓとの原子間距離に近づけることができる。
【００１３】
本発明の別の側面は、III族元素としてガリウム及びインジウムとＶ族元素として砒素、燐及び窒素とを含み基板上に設けられたIII−Ｖ族化合物半導体膜である。このIII−Ｖ族化合物半導体膜では、ＩｎＰとＩｎＮとの混晶比は０より大きい。ＩｎＰ半導体とＩｎＮ半導体との混晶により、この混晶における平均原子間距離はＧａとＡｓとの原子間距離に近くなる。これにより、III−Ｖ族化合物半導体膜の結晶性が向上される。
【００１４】
あるいは、III−Ｖ族化合物半導体膜では、ＩｎＰとＩｎＮとの混晶比は０より大きく４以下である。
【００１５】
あるいは、III−Ｖ族化合物半導体膜は、単一の窒素原子及び一又は複数の燐原子と結合するインジウム原子を含む。III−Ｖ族化合物半導体膜では、Ｉｎ原子、Ａｓ原子および窒素原子からなるクラスタにおいてＡｓ原子を一または複数のＰ原子に置換することにより生成されるクラスタの平均原子間距離がＧａとＡｓとの原子間距離に近くなる。
【００１６】
III−Ｖ族化合物半導体膜は、ＧａＡｓ基板及びシリコン基板の少なくともいずれかである基板上に設けられることができる。これらの基板上に、五元III−Ｖ族化合物半導体を形成できる。
【００１７】
本発明の更なる別の側面は、半導体光素子である。半導体光素子は、基板と、第１のｐ型III−Ｖ族化合物半導体層と、第１のｎ型III−Ｖ族化合物半導体層と、第１の活性層とを備える。第１のｐ型III−Ｖ族化合物半導体層は、基板上に設けられている。第１のｎ型III−Ｖ族化合物半導体層は、基板上に設けられている。この活性層は、第１のｐ型III−Ｖ族化合物半導体層と第１のｎ型III−Ｖ族化合物半導体層との間に設けられている。第１の活性層は、III族元素としてガリウム及びインジウムを含むと共に、Ｖ族元素として砒素、燐及び窒素を含み前記基板上に設けられたIII−Ｖ族化合物半導体層を含む。
【００１８】
この半導体光素子のIII−Ｖ族化合物半導体層において、ＩｎＰ半導体とＩｎＮ半導体との混晶比は０より大きい。ＩｎＰ半導体とＩｎＮ半導体との組み合わせにより得られる混晶の平均原子間距離をＧａとＡｓとの原子間距離に近づけることができる。これにより、III−Ｖ族化合物半導体膜の結晶性が向上される。また、ＩｎＰ半導体とＩｎＮ半導体との混晶比は０より大きく４以下であることができる。
【００１９】
あるいは、III−Ｖ族化合物半導体層は、単一の窒素原子及び一又は複数の燐原子と結合するインジウム原子を含む。III−Ｖ族化合物半導体層では、Ｉｎ原子、Ａｓ原子および窒素原子からなるクラスタにおいてＡｓ原子を一または複数のＰ原子に置換することにより生成されるクラスタの平均原子間距離をＧａとＡｓとの原子間距離に近づけることができる。
【００２０】
当該III−Ｖ族化合物半導体光素子は、半導体発光素子及び半導体変調素子の少なくともいずれかを含むことができる。
【００２１】
この半導体光素子では、活性層は、別のIII−Ｖ族化合物半導体層を更に備えることができる。別のIII−Ｖ族化合物半導体層の各々は、III族元素としてガリウムとＶ族元素として砒素とを含む。III−Ｖ族化合物半導体層と複数の別のIII−Ｖ族化合物半導体層とは量子井戸構造を構成する。五元III−Ｖ族化合物半導体を用いるので、量子井戸構造を構成する半導体層の結晶性が向上できる。量子井戸構造としては、ＳＱＷ構造及びＭＱＷ構造が例示される。
【００２２】
この半導体光素子では、基板は、ＧａＡｓ基板及びシリコン基板の少なくともいずれかであることができる。これらの基板上に、上記の五元III−Ｖ族化合物半導体を形成できる。
【００２３】
この半導体光素子は、第２のｐ型半導体層と、第２のｎ型半導体層と、第２の活性層とを更に備えることができる。第２のｐ型半導体層は、基板上に設けられている。第２のｎ型半導体層は、基板上に設けられている。第２の活性層は、第２のｐ型半導体層と第２のｎ型半導体層との間に設けられている。第２の活性層は、III−Ｖ族化合物半導体層を含む。このIII−Ｖ族化合物半導体層は、基板上に設けられており、III族元素としてガリウム及びインジウムを含むと共に、Ｖ族元素として砒素、燐及び窒素を含む。第１の活性層は、半導体発光素子及び半導体変調素子の一方のために設けられており、第２の活性層は、半導体発光素子及び半導体変調素子の他方のために設けられている。第１及び第２の活性層は、互いに光学的に結合されている。
【００２４】
半導体発光素子としては、ＤＦＢ半導体レーザ素子及びファブリペロー半導体レーザ素子が例示される。半導体変調素子としては、電界吸収型変調素子が例示される。
【００２５】
この半導体光素子では、第２の活性層のIII−Ｖ族化合物半導体層において、ＩｎＰとＩｎＮとの混晶比は０より大きく、またＩｎＰとＩｎＮとの混晶比が４以下であればさらに好ましい。あるいは、第２の活性層のIII−Ｖ族化合物半導体層は、窒素原子及び燐原子と結合するインジウム原子を含む。
【００２６】
本発明のまた更なる別の側面は、半導体光デバイスを製造する方法である。この方法は、(ｃ)有機金属気相成長装置に基板を置く工程と、(ｄ)第１導電型III−Ｖ族化合物半導体層を基板上に形成する工程と、(ｅ)ガリウムソース材料、インジウムソース材料、砒素ソース材料、窒素ソース材料、及び燐ソース材料を有機金属気相成長装置に供給して、III族元素としてガリウム及びインジウムとＶ族元素として砒素、燐及び窒素とを含むIII−Ｖ族化合物半導体層を基板上に形成する工程と、(ｆ)第２導電型III−Ｖ族化合物半導体層を基板上に形成する工程とを備える。III−Ｖ族化合物半導体層は、第１導電型III−Ｖ族化合物半導体層と第２導電型III−Ｖ族化合物半導体層との間に設けられている。
【００２７】
III−Ｖ族化合物半導体層が、III族元素としてガリウム及びインジウムを含むと共にＶ族元素として砒素、燐及び窒素を含むIII−Ｖ族半導体から構成されるので、結晶性の良い活性層を得ることができる。III−Ｖ族化合物半導体層が第１導電型III−Ｖ族化合物半導体層と第２導電型III−Ｖ族化合物半導体層との間に設けられているので、電子及び正孔が、第１及び第２導電型III−Ｖ族化合物半導体層からIII−Ｖ族化合物半導体層に提供される。
【００２８】
半導体光デバイスを製造する方法では、(ｇ)有機金属気相成長装置において、III族元素としてガリウムを含むと共にＶ族元素として砒素を含む別のIII−Ｖ族化合物半導体層を基板上に形成する工程と、(ｈ)III−Ｖ族化合物半導体層を基板上に形成する工程及び別のIII−Ｖ族化合物半導体層を基板上に形成する工程の少なくともいずれかを、III−Ｖ族化合物半導体層と別のIII−Ｖ族化合物半導体層とが量子井戸構造を構成するように行う工程とを更に備えるようにしてもよい。五元III−Ｖ族化合物半導体を含む量子井戸構造を実現できる。量子井戸構造としては、ＳＱＷ構造及びＭＱＷ構造が実現できる。
【００２９】
半導体光デバイスを製造する方法では、ガリウムソース材料はトリエチルガリウムを含み、インジウムソース材料はトリメチルインジウムを含み、砒素ソース材料はターシャリブチルアルシンを含み、燐ソース材料はターシャリブチルホスフィンを含み、窒素ソース材料は、ジメチルヒドラジン及びアンモニアの少なくともいずれか一つを含むことができる。これらの材料を、燐及び窒素の両方を母材ＧａＩｎＡｓ半導体に加えるために利用できる。
【００３０】
半導体光デバイスを製造する方法では、基板は、ＧａＡｓ基板及びシリコン基板の少なくともいずれかであることができる。これらの基板上に、五元III−Ｖ族化合物半導体を形成できる。
【００３１】
当該半導体光デバイスは、半導体発光素子及び半導体変調素子の少なくともいずれかを含むことができる。半導体光デバイスでは、半導体変調素子は半導体発光素子に光学的に結合されている。
【００３２】
半導体装置を製造する方法では、III−Ｖ族化合物半導体膜において、ＩｎＰ半導体とＩｎＮ半導体との混晶比は０より大きいことが好ましく、また４以下であればさらに好ましい。あるいは、III−Ｖ族化合物半導体膜において、燐と窒素とのモル比(Ｐ／Ｎ)は０より大きいことが好ましく、また４以下であればさらに好ましい。
【００３３】
このようにＩｎＰとＩｎＮとの混晶を組み合わせることにより、この組み合わせから得られる混晶の平均原子間距離をＧａとＡｓとの原子間距離に近づけることができる。
【００３４】
半導体装置を製造する方法では、III−Ｖ族化合物半導体膜は、単一の窒素原子及び一又は複数の燐原子と結合するインジウム原子を含むことが好ましい。Ｉｎ原子、Ａｓ原子および窒素原子からなるクラスタにおいてＡｓ原子を一または複数のＰ原子に置換することにより、この置換により生成されるクラスタの平均原子間距離をＧａとＡｓとの原子間距離に近づけることができる。
【００３５】
本発明の上記の目的及び他の目的、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。
【００３６】
【発明の実施の形態】
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、本発明のいくつかの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。
【００３７】
(第１の実施の形態)
図１は、本実施の形態に係わる五元III−Ｖ族化合物半導体膜を成長するための有機金属気相成長装置を示す模式図である。有機金属気相成長装置１は、減圧チャンバ２と、減圧ポンプ４と、ガスミクサ６と、ガスボックス８とを備える。減圧チャンバ２は、基板Ｗを搭載できるように設けられたステージ１０と、ステージ１０を回転させるために回転機構１２と、ステージ１０上に搭載された基板Ｗ上にプロセスガスを導く石英製チューブ１４とを有する。ステージ１０内には、ステージ温度を調整するためのヒータ１０ａを備えている。石英製チューブ１４は一端１４ａ及び他端１４ｂを有する。一端１４ａは、プロセスガスを供給するための供給ライン１６を介してガスミクサ６に接続されている。他端１４ｂは、反応生成物および原料ガスを排気する減圧ポンプ４に接続されている。ガスミクサ６は、ガスライン１８を介してガスボックス８に接続されている。ガスボックス８は、Ｈ2ガスソース２０、Ｖ族ガスソースユニット２２、III族ガスソースユニット２４、ドーパントガスソースユニット２６、及びマスフローコントローラ(ＭＦＣ)２８ａ〜２８ｊを備える。Ｈ2ガスソース２０は、それぞれ、Ｖ族ガスソースユニット２２のガス入力２２ａ、III族ガスソースユニット２４のガス入力２４ａ、及びドーパントガスソースユニット２６のガス入力２６ａに接続されている。Ｖ族ガスソースユニット２２のガス出力２２ｂ、III族ガスソースユニット２４のガス出力２４ｂ、及びドーパントガスソースユニット２６のガス出力２６ｂは、それぞれ、ガスミクサ６に接続されている。
【００３８】
Ｖ族ガスソースユニット２２は、ジメチルヒドラジン(ＤＭＨｙ)を貯蔵する容器３０ａ、ターシャリブチルアルシン(ＴＢＡｓ)を貯蔵する容器３０ｂ及びターシャリブチルホスフィン(ＴＢＰ)を貯蔵する容器３０ｃを有する。容器３０ａを例示的に説明すれば、容器３０ａは、Ｈ2ガスをバブリングすることによりＤＭＨｙガスを生成可能なように設けられた入力管３０ｄ及び出力管３０ｅを有する。入力管３０ｄはバルブ３０ｇを介してガス入力２２ａに接続されている。バルブ３０ｇとガス入力２２ａとの間には、ＭＦＣ２８ａが設けられている。出力管３０ｅはバルブ３０ｆを介してガスミクサ６に接続されている。ガス入力２２ａとガスミクサ６との間には、バルブ３０ｈが設けられている。バルブ３０ｈとガス入力２２ａとの間には、ＭＦＣ２８ｂが設けられている。
【００３９】
III族ガスソースユニット２４は、テトラエチルガリウム(ＴＥＧａ) を貯蔵する容器３２ａ及びテトラメチルインジウム(ＴＭＩｎ) を貯蔵する容器３２ｂを有する。容器３２ａを例示的に説明すれば、容器３２ａは、Ｈ2ガスをバブリングすることによりＴＥＧａガスを生成可能なように設けられた入力管３２ｃ及び出力管３２ｄを有する。入力管３２ｃは、バルブ３２ｆを介してガス入力２４ａに接続されている。バルブ３２ｆとガス入力２４ａとの間には、ＭＦＣ２８ｃが設けられている。出力管３２ｆは、バルブ３２ｅを介してガスミクサ６に接続されている。ガス入力２４ａとガスミクサ６との間には、バルブ３２ｇが設けられている。バルブ３２ｇとガス入力２４ａとの間には、ＭＦＣ２８ｄが設けられている。
【００４０】
ドーパントガスソースユニット２６は、ジエチルジンク(ＤＥＺｎ) を貯蔵する容器３４ａ及びテトラエチルシリコン(ＴｅＥＳｉ) を貯蔵する容器３４ｂを有する。ＤＥＺｎを利用するとｐ型ドーパントとしてＺｎを添加できる。ＴｅＥＳｉを利用するとｎ型ドーパントとしてＳｉを添加できる。容器３４ａを例示的に説明すれば、容器３４ａは、Ｈ2ガスをバブリングすることによりＤＥＺｎガスを生成可能なように設けられた入力管３４ｃ及び出力管３４ｄを有する。入力管３４ｃは、バルブ３４ｆを介してガス入力２６ａに接続されている。バルブ３４ｆとガス入力２６ａとの間には、ＭＦＣ２８ｅが設けられている。出力管３４ｄは、バルブ３４ｅを介してガスミクサ６に接続されている。ガス入力２６ａとガスミクサ６との間にはバルブ３４ｇが設けられている。バルブ３４ｇとガス入力２６ａとの間には、ＭＦＣ２８ｆが設けられている。
【００４１】
次いで、有機金属気相成長装置１を用いて基板Ｗ上にIII−Ｖ族化合物半導体多層膜を成長する。図２は、図１に示された有機金属気相成長装置を用いて成長された半導体多層膜を有する半導体装置を示す図面である。半導体装置３５は、基板３６と、アンドープＧａＡｓ層３７と、アンドープＧａＩｎＮＡｓＰ層３８と、アンドープＧａＡｓ層３９とを備える。アンドープＧａＡｓ層３７と、アンドープＧａＩｎＮＡｓＰ層３８と、アンドープＧａＡｓ層３９は、ＧａＡｓ半導体基板３６上に形成されている。発明者らは、図２に示されるような構造のサンプルをいくつか作製している。また、発明者は、参照用に、アンドープＧａＩｎＮＡｓＰ層３８に替えてアンドープＧａＩｎＮＡｓ層を備える半導体装置を作製している。各層の膜厚は、
基板３６：３５０マイクロメートル
層３７：０．２マイクロメートル
層３８：０．０１マイクロメートル
層３９：０．１マイクロメートル
である。
【００４２】
基板３６として、２インチサイズの(１００)面ＧａＡｓ半導体基板を用いている。成長温度は５００℃であり、成長圧力１０１３２．５Ｐａ(７６Ｔｏｒｒ)であり、ＤＭＨｙの供給量は一定であり、［ＤＭＨｙモル比］／(［ＴＢＡｓモル比］＋［ＤＭＨｙモル比］)＝０．９７８である。ＴＢＰの供給量を０．２６ｓｃｃｍ以上０．２６ｓｃｃｍ以下の範囲内で変化させている。成膜後に、各サンプルには６６５℃において１０分の熱処理を行っている。Ｉｎ組成は２８パーセントであり、Ｎ組成は１パーセント未満である。
【００４３】
発明者らは、これらサンプルのフォトルミネッセンス(ＰＬ)測定を行っている。図３は、室温(２５℃)におけるフォトルミネッセンススペクトル(以下、ＰＬスペクトルと記す)を示す図面である。特性曲線Ｃ１は、アンドープＧａＩｎＮＡｓ半導体のＰＬスペクトルを示しており、特性曲線Ｃ２は、混晶比(ＩｎＰ／ＩｎＮ)＝０．１であるアンドープＧａＩｎＮＡｓＰ半導体のＰＬスペクトルを示している。両特性曲線を比較すると、(ａ)特性曲線Ｃ２において、ピークの両サイドにおいて裾引きが少なくなっており、(ｂ)特性曲線Ｃ２の半値幅が特性曲線Ｃ１の半値幅より小さくなっている。この比較によれば、ＧａＩｎＮＡｓ半導体に燐(Ｐ)を加えると、ＰＬスペクトルの半値幅が小さくことを示している。したがって、混晶比(ＩｎＰ／ＩｎＮ)＞０であれば、半導体層の結晶性が向上する。
【００４４】
図４は、ＰＬスペクトルのピーク強度(任意単位)と燐(Ｐ)濃度(単位：atoms／ｃｍ3)との関係を示すグラフである。このグラフにおいて、測定データＰ１は、ＧａＩｎＮＡｓ半導体のＰＬスペクトルのピーク強度を示しており、測定データＰ２は、ＴＢＰ流量０．２６ｓｃｃｍ(standard centimeter cubic per minute)の条件で作製されたサンプルにおけるＧａＩｎＮＡｓＰ半導体のＰＬスペクトルのピーク強度を示しており、測定データＰ３は、ＴＢＰ流量１．３ｓｃｃｍの条件で作製されたサンプルにおけるＧａＩｎＮＡｓＰ半導体のＰＬスペクトルのピーク強度を示している。したがって、混晶比(ＩｎＰ／ＩｎＮ)＞０であれば、半導体層の結晶性が向上する。また、混晶比(ＩｎＰ／ＩｎＮ) ≧０．１であれば、本実験結果よりも優れたＰＬスペクトルの強度が達成される。
【００４５】
図５は、ＰＬスペクトルピーク強度(任意単位)とピーク波長 (単位：ｎｍ)との関係を示すグラフである。特性線Ｌ１はＧａＩｎＮＡｓ半導体のＰＬスペクトルのピーク強度を示しており、特性線Ｌ２は、混晶比(ＩｎＰ／ＩｎＮ)＝０．１の下で様々な組成のＧａＩｎＮＡｓＰ半導体のＰＬスペクトルピーク強度を示している。両特性線を比較すると、ピーク波長が１．２５マイクロメートルを越える結晶組成において、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体のＰＬスペクトルピーク強度(特性線Ｌ２)は、ＧａＩｎＮＡｓ半導体のＰＬスペクトルピーク強度(特性線Ｌ１)より大きい。つまり、ＧａＩｎＮＡｓ半導体に燐(Ｐ)加えることにより、１．２５マイクロメートルを越える波長領域(長波長領域)における結晶性が改善される。
【００４６】
(第２の実施の形態)
図６は、図１に示された有機金属気相成長装置を用いて成長された半導体多層膜を有する半導体装置を示す図面である。半導体装置４０は、半導体基板４２と、バッファ層４４と、第１のクラッド層４６と、第１の光ガイド層４８と、活性層５０と、第２の光ガイド層５２と、第２のクラッド層５４と、キャップ層５６とを備える。
【００４７】
図７は、図６に示された半導体装置に含まれる多層半導体膜を形成する方法を表すフローチャートである。フローチャート１２０は、以下の工程を備える。配置工程Ｓ１２２では、有機金属気相成長装置１の石英製チューブ１４内にｎ型ＧａＡｓ基板を配置する。バッファ層４４を形成する工程Ｓ１２４は、Ｇａソースのバルブ、ＡｓソースのバルブおよびＳｉソースのバルブを開いて、ＧａＡｓ基板上にｎ型ＧａＡｓ半導体膜を形成する。ｎ型ＧａＩｎＰ半導体膜４６を形成する工程Ｓ１２６では、Ｇａソースのバルブ、Ｉｎソースのバルブ、ＰソースのバルブおよびＳｉソースのバルブを開いて、ＧａＡｓバッファ層４４上にｎ型ＧａＩｎＰ半導体膜を形成する。第１の光ガイド層を形成する工程Ｓ１２８では、ＧａソースのバルブおよびＡｓソースのバルブを開いて、ｎ型ＧａＩｎＰ半導体膜４６上にアンドープＧａＡｓ半導体膜を形成する。活性層４８を形成する工程Ｓ１３０では、Ｇａソースのバルブ、Ａｓソースのバルブ、Ｉｎソースのバルブ、ＰソースのバルブおよびＮソースバルブを開いて、アンドープＧａＡｓ半導体膜上にアンドープＧａＩｎＮＡｓＰ半導体膜を形成する。第２の光ガイド層５２を形成する工程Ｓ１３２では、ＧａソースのバルブおよびＡｓソースのバルブを開いて、活性層上にアンドープＧａＡｓ半導体膜を形成する。ｐ型ＧａＩｎＰ半導体膜を形成する工程Ｓ１３４では、Ｇａソースのバルブ、Ｉｎソースのバルブ、ＰソースのバルブおよびＺｎソースのバルブを開いて、第２の光ガイド層５２上にｐ型ＧａＩｎＰ半導体膜を形成する。キャップ層を形成する工程Ｓ１３６は、Ｇａソースのバルブ、ＡｓソースのバルブおよびＺｎソースのバルブを開いて、ｐ型ＧａＩｎＰ半導体膜上にｐ型ＧａＡｓ半導体膜５６を形成する。上記の半導体膜は、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長される。また、格子不整として±２％程度の範囲であれば、結晶成長可能である。
【００４８】
本実験では、半導体基板としてＧａＡｓ基板を用いたが、シリコン基板を用いることもできる。発明者らは、有機金属気相成長装置１を用いて下記の３条件の半導体多層膜を形成した。
第１の実験
基板：            ＧａＡｓ
((１００)面、電子濃度ｎ＝２×１０18ｃｍ-3)
バッファ層：      ＧａＡｓ
(２００ｎｍ、電子濃度ｎ＝１．５×１０18ｃｍ-3)
第１のクラッド層：ＧａＩｎＰ
(２００ｎｍ、電子濃度ｎ＝７×１０17ｃｍ-3)
第１の光ガイド層：ＧａＡｓ
(１４０ｎｍ、アンドープ)
活性層：          Ｇａ0.65Ｉｎ0.35ＮＡｓＰ
(１０ｎｍ、アンドープ)
第２の光ガイド層：ＧａＡｓ
(１４０ｎｍ、アンドープ)
第２のクラッド層：ＧａＩｎＰ
(５００ｎｍ、正孔濃度ｐ＝７×１０17ｃｍ-3)
キャップ層：      ＧａＡｓ
(１００ｎｍ、正孔濃度ｐ＝３×１０18ｃｍ-3)。
第２の実験
活性層    ：        Ｇａ0.65Ｉｎ0.35ＮＰ
(１０ｎｍ、アンドープ)
他の半導体膜は、第１の実験と同一である。
第３の実験
活性層    ：        Ｇａ0.65Ｉｎ0.35ＮＡｓ
(１０ｎｍ、アンドープ)
他の半導体膜は、第１の実験と同一である。
【００４９】
成膜条件の詳細を説明すると、Ｇａ0.65Ｉｎ0.35ＮＡｓＰを成長するときステージ温度５３０℃に設定している。他の半導体膜を成長するとき、このステージ温度より高い温度、例えば５７５℃に設定している。成長炉内の圧力Ｐ＝１０１３２．５Ｐａ(７６Ｔｏｒｒ)に設定している。
【００５０】
Ｇａ0.65Ｉｎ0.35ＮＡｓＰ半導体膜を形成するとき、たとえば、次の流量比を用いている：
［ＴＭＩｎモル比］／(［ＴＭＩｎモル比］＋［ＴＭＧａモル比］)＝０．３５
［ＴＢＡｓモル比］／(［ＴＭＩｎモル比］＋［ＴＭＧａモル比］)＝５
［ＤＭＨｙモル比］／(［ＴＢＡｓモル比］＋［ＤＭＨｙモル比］)＝０．９７
［ＴＢＰモル比］／(［ＴＢＰモル比］＋［ＴＢＡｓモル比］)＝０．４１
成長速度は約１マイクロメートル／時間である。
【００５１】
発明者らは、得られた多層膜の特性を測定した。この結果、発明者らは、燐(Ｐ)および窒素(Ｎ)の両方をＧａＩｎＡｓに加えることにより、ＧａＩｎＮＡｓの特性に比べて、Ｇａ0.65Ｉｎ0.35ＮＡｓＰの結晶性が良好であることを発見した。
【００５２】
発明者らは、有機金属気相成長法を用いてＧａＩｎＮＡｓＰの成長を行った。有機金属気相成長法によれば、原料ガス量を制御することがＭＢＥ法に比べて容易である。例えば、燐ソースとしてはＰＨ3及びＴＢＰを用いることができる。例えば、窒素ソースとしてはＮＨ3及びＤＭＨｙを使用できる。燐元素の蒸気圧は高いので、ＭＢＥ法では燐原料の供給量を制御することは容易ではない。有機金属気相成長装置を用いると、燐ソース及び窒素ソースの両方の供給量を原料ガスの流量比として関連づけることができる。故に、有機金属気相成長法を用いれば、燐ソース及び窒素ソースの供給量を制御できる。
【００５３】
発明者らは、五元III−Ｖ族化合物半導体の結晶性が四元III−Ｖ族化合物半導体の結晶性より良質になることについて検討を行う。更なる考察のために、実用的な半導体光デバイス及び実験の成膜条件が反映されたいくつかの現実的な仮定を置く。
【００５４】
(１)結晶中において、窒素の原子数はＩｎ原子数に比べて非常に少ない。実用的な光半導体デバイスを念頭に置くと、Ｇａ1-XＩｎXＮYＡｓ1-Y-ZＰZ半導体において、組成比でＩｎはＸ＝０．３５であり、ＮはＹ＝０より大きく０．０５以下である。
【００５５】
(２)このＧａ1-XＩｎXＮYＡｓ1-Y-ZＰZ半導体では、インジウムと窒素とが直接結合する(Ｉｎ−Ｎ結合)結合が、窒素と他のIII族元素との結合よりも安定である。
【００５６】
(３)窒素原子の原子半径は、他の元素の原子半径に比べて非常に小さい。一方、Ｉｎ原子の原子半径は、他の元素の原子半径に比べて大きい。故に、ＧａＩｎＮＡｓ半導体では、ミクロな描像では、窒素原子が存在する領域では局所的に大きな歪みが生じている。窒素とIII族原子(Ｉｎ)との結合距離が小さいので、この局所的な歪みが、結晶格子を乱すように作用しており、また結晶欠陥を生じさせている。
【００５７】
これらの仮定の下に、ＧａＡｓ結晶、ＩｎＰ結晶、及びＩｎＮ結晶の原子間距離を求めると、
ＧａＡｓ結晶：０．２４５ナノメートル(２．４５オングストローム)
ＩｎＮ結晶：  ０．２１５ナノメートル(２．１５オングストローム)
ＩｎＰ結晶：  ０．２５４ナノメートル(２．５４オングストローム)
という値になる。
【００５８】
Ｇａ1-XＩｎXＮYＡｓ1-Y-ZＰZ半導体において、結晶中に大量に存在する元素は、Ｇａ、Ｉｎ及びＡｓである。Ｇａ1-XＩｎXＮYＡｓ1-Y半導体膜は、多数のＧａ−Ａｓ結合を含む一方で、非常に少数のＩｎ−Ｎ結合を含む。このＧａ1-XＩｎXＮYＡｓ1-Y結晶に微量のＰを加えると、Ｉｎ−Ｐ結合が生成される。Ｉｎ−Ｐ結合の原子間距離は、Ｇａ−Ａｓ結合の原子間距離より大きい。故に、Ｉｎ−Ｐ結合は、Ｉｎ−Ｎ結合により生じる局所的な歪みの一部を相殺して、歪みを低減する。
【００５９】
図８は、III族元素ＩｎとＶ族元素Ａｓ及びＮとの結合、並びにIII族元素ＧａとＶ族元素Ａｓとの結合を模式的に示す図面である。図８を参照すると、ＩｎＡｓ3Ｎクラスタ６０、ＩｎＡｓ2ＮＰクラスタ６２、ＩｎＡｓＮＰ2クラスタ６４、ＩｎＮＰ3クラスタ６６、ＧａＡｓ3クラスタ６８、ＩｎＰ4クラスタ６９が示されている。これらのクラスタにおいて、Ａｓ原子がＰ原子により置換されるにつれて、クラスタのサイズが順に小さくなっている。
【００６０】
構成原子の平均原子間距離という指標を用いてクラスタのサイズの変化を見積もると、
ＧａＡｓ3クラスタ：    ０．２４５ナノメートル(２．４５オングストローム) ＩｎＡｓ4クラスタ：    ０．２６０ナノメートル(２．６０オングストローム) ＩｎＡｓ3Ｎクラスタ：  ０．２４９ナノメートル(２．４９オングストローム) ＩｎＡｓ2ＮＰクラスタ：０．２４７ナノメートル(２．４７オングストローム) ＩｎＡｓＮＰ2クラスタ：０．２４６ナノメートル(２．４６オングストローム) ＩｎＮＰ3クラスタ：    ０．２４４ナノメートル(２．４４オングストローム) ＩｎＰ4クラスタ：      ０．２５４ナノメートル(２．５４オングストローム) となる。
【００６１】
つまり、ＩｎＡｓXＮＰ3-Xクラスタにおいて一または複数のＡｓ原子がＰ原子により置換されるにつれて、置換原子を含むクラスタの平均原子間距離がＧａＡｓ3クラスタにおける平均原子間距離に近づいていく。図８から、窒素により引き起こされていた局所的な歪みは、構成元素としてＰを加えることにより小さくなることが視覚的に理解される。また、燐元素は、III−Ｖ族化合物半導体の構成元素でありｐ型及びｎ型不純物ではないので、電気的な性質には影響を与えない。また、燐原子の添加量は少ないので、ホスト結晶のバンド構造に大きな影響を与えることはない。
【００６２】
図９は、ＩｎＡｓXＮＰ3-X(Ｘ＝１〜３)クラスタにおける窒素原子の結合エネルギと、このクラスタ中のＰ原子の数との関係を示す図面である。図９に示された特性曲線は、燐原子に置換された砒素原子の数が増加すると、窒素とインジウムとの結合エネルギが増加することを示している。結合エネルギの増加は、窒素とインジウムとの結合が強固になることを意味する。つまり、III族元素としてガリウム及びインジウムとＶ族元素として砒素、燐及び窒素とを含むIII−Ｖ族化合物半導体膜において、ＩｎＰとＩｎＮとの混晶比は０より大きければ、ＩｎＰ半導体とＩｎＮ半導体との混晶の組み合わせにより得られるクラスタの平均原子間距離をＧａとＡｓとの原子間距離に近づけることができる。これにより、III−Ｖ族化合物半導体膜の結晶性が向上される。III−Ｖ族化合物半導体膜では、ＩｎＰとＩｎＮとの混晶比は３以下であれば、窒素とインジウムとの結合を強固にできる。ＩｎＰとＩｎＮとの混晶比が４以下であれば、結晶欠陥が発生しない程度に結晶歪みを小さくできる。混晶比が４程度以下であれば、発光波長の燐濃度依存性が十分に小さい。混晶比が５以上になると、発光波長の燐濃度依存性が大きくなり、発光波長が短波長領域にシフトする。さらに、ＩｎＰ4クラスタもＧａＩｎＮＡｓＰ半導体中においては、結晶歪みを補償するように作用する。
【００６３】
さらに、III−Ｖ族化合物半導体膜は、単一の窒素原子及び一又は複数の燐原子と結合するインジウム原子を含む。III−Ｖ族化合物半導体膜では、Ｉｎ原子、Ａｓ原子および窒素原子からなるクラスタにおいてＡｓ原子を一または複数のＰ原子に置換することにより生成されるクラスタの平均原子間距離をＧａとＡｓとの原子間距離に近づけることができる。インジウムと窒素との結合は、ＩｎＮＰ3クラスタにおいてもっとも強固になる。窒素と燐との組成比の最適値は１：３である。故に、窒素と燐との組成比(モル比)の好適な範囲は、０より大きいことであり、また４以下であることである。窒素と燐との組成比が４以下であれば、結晶欠陥が生じない程度に結晶歪みを小さくできる。
【００６４】
これまでの説明から理解されるように、窒素と燐との組合せてＩｎＰとＩｎＮとの混晶を形成することは、結晶の歪みを低減するために有効であることを示している。図３〜図５に示されたＰＬスペクトルの結果は、混晶比ＩｎＰ／ＩｎＮ＝０．１程度と小さくても、燐(Ｐ)の添加は結晶性の向上に役立つことを示している。また、発明者の検討結果は、この混晶比が更に大きな領域でも結晶歪みを低減することを示している。
【００６５】
(第３の実施の形態)
発明者らは、第１の実施の形態において実現されたIII−Ｖ族化合物半導体膜を引き続いて説明する半導体光デバイスに使用できると考えている。
【００６６】
図１０は、ＤＦＢ型半導体レーザ素子を含む半導体光集積素子を示す図面である。半導体光集積素子７０は、所定の軸に沿って配置された発光素子部７０ａ、素子分離部７０ｂ及び変調素子部７０ｃを含む。素子分離部７０ｂは、発光素子部７０ａと変調素子部７０ｃとの間に設けられている。発光素子部７０ａは、ＤＦＢ型半導体レーザ素子の構造を備える。変調素子部７０ｃは、素子分離部７０ｂを介して発光素子部７０ａに光学的に結合され、ＥＡ型変調素子の構造を備える。変調素子部７０ｃは、駆動信号に応答して発光素子部７０ａからの光を変調する。
【００６７】
発光素子部７０ａは、ｎ型III−Ｖ族半導体層７４ａと、第１の光ガイド層７６ａと、ＧａＩｎＮＡｓＰ活性層７８ａと、第２の光ガイド層８０ａと、ｐ型III−Ｖ族半導体層８２ａと、ｐ型III−Ｖ族半導体層８４と、ｐ型III−Ｖ族半導体コンタクト層８６ａとを備える。これらの半導体層は、基板７２上に順に設けられている。発光素子部７０ａは、ｐ型III−Ｖ族半導体コンタクト層８６ａ上に設けられたアノード電極８８ａと、基板７２の裏面の設けられたカソード電極９０とを備える。発光素子部７０ａにおいて、ｎ型III−Ｖ族半導体層７４ａおよびｐ型III−Ｖ族半導体層８２ａの屈折率は、第１の光ガイド層７６ａ、活性層７８ａ及び第２の光ガイド層８０ａの屈折率より小さい。第１及び第２の光ガイド層７６ａ、８０ａのフォトルミネッセンス波長の各々は、活性層７８ａのフォトルミネッセンス波長よりも短い。発光素子部７０ａにおいて、光ガイド層とクラッド層との間(本実施例では、第２の光ガイド層８０ａとｐ型III−Ｖ族半導体層８２ａとの間) に回折格子９２を備える。
【００６８】
変調素子部７０ｃは、ｎ型III−Ｖ族半導体層７４ｂと、第１の光ガイド層７６ｂと、ＧａＩｎＮＡｓＰ活性層７８ｂと、第２の光ガイド層８０ｂと、ｐ型III−Ｖ族半導体層８２ｂと、ｐ型III−Ｖ族半導体層８４と、ｐ型III−Ｖ族半導体コンタクト層８６ｂとを備える。これらの半導体層は、基板７２上に設けられている。変調素子部７０ｃは、ｐ型III−Ｖ族半導体コンタクト層８６ｂ上に設けられたアノード電極８８ｂと、基板７２の裏面の設けられたカソード電極９０とを備える。カソード電極９０は、発光素子部７０ａ及び変調素子部７０ｂに共用している。変調素子部７０ｃにおいて、ｎ型III−Ｖ族半導体層７４ｂおよびｐ型III−Ｖ族半導体層８２ｂの屈折率は、第１の光ガイド層７６ｂ、活性層７８ｂ及び第２の光ガイド層８０ｂの屈折率より小さい。第１及び第２の光ガイド層７６ｂ、８０ｂのフォトルミネッセンス波長の各々は、活性層７８ｂのフォトルミネッセンス波長よりも短い。
【００６９】
図１１は、ファブリペロー型半導体レーザ素子を含む半導体光集積素子を示す図面である。半導体光集積素子１００は、所定の軸に沿って配置された発光素子部１００ａ、素子分離部１００ｂおよび変調素子部１００ｃを含む。素子分離部１００ｂは、発光素子部１００ａと変調素子部１００ｃとの間に設けられている。発光素子部１００ａは、ファブリペロー型半導体レーザ素子の構造を備える。変調素子部１００ｃは、素子分離部１００ｂを介して発光素子部１００ａに光学的に結合されており、ＥＡ型変調素子の構造を備える。
【００７０】
発光素子部１００ａは、ｎ型III−Ｖ族半導体層１０４ａ、第１の光ガイド層１０６ａ、ＧａＩｎＮＡｓＰ活性層１０８ａ、第２の光ガイド層１１０ａ、ｐ型III−Ｖ族半導体層１１２ａ、ｐ型III−Ｖ族半導体層１１４、及びｐ型III−Ｖ族半導体コンタクト層１１６ａを備える。これらの半導体層は、基板１０２上に設けられている。発光素子部１００ａは、ｐ型III−Ｖ族半導体コンタクト層１０６ａ上に設けられたアノード電極１１８ａと、基板１０２の裏面の設けられたカソード電極１２０とを備える。発光素子部１００ａにおいて、ｎ型III−Ｖ族半導体層１０４ａおよびｐ型III−Ｖ族半導体層１１２ａの屈折率は、第１の光ガイド層１０６ａ、活性層１０８ａ及び第２の光ガイド層１１０ａの屈折率より小さい。第１及び第２の光ガイド層１０６ａ、１１０ａのフォトルミネッセンス波長の各々は、活性層１０８ａのフォトルミネッセンス波長よりも短い。
【００７１】
変調素子部１００ｃは、ｎ型III−Ｖ族半導体層１０４ｂ、第１の光ガイド層１０６ｂ、ＧａＩｎＮＡｓＰ活性層１０８ｂ、第２の光ガイド層１１０ｂ、ｐ型III−Ｖ族半導体層１１２ｂ、ｐ型III−Ｖ族半導体層１１４、及びｐ型III−Ｖ族半導体コンタクト層１１６ｂを備える。これらの半導体層は、基板１０２上に設けられている。変調素子部１００ｃは、ｐ型III−Ｖ族半導体コンタクト層１１６ｂ上に設けられたアノード電極１１８ｂと、基板１０２の裏面の設けられたカソード電極１２０とを備える。カソード電極１２０は、発光素子部１００ａ及び変調素子部１００ｃに共通に設けられている。変調素子部１００ｃでは、ｎ型III−Ｖ族半導体層１０４ｂおよびｐ型III−Ｖ族半導体層１１２ｂの屈折率は、第１の光ガイド層１０６ｂ、活性層１０８ｂ及び第２の光ガイド層１１０ｂの屈折率より小さい。第１及び第２の光ガイド層１０６ｂ、１１０ｂのフォトルミネッセンス波長の各々は、活性層１０８ｂのフォトルミネッセンス波長よりも短い。
【００７２】
図１０及び図１１の半導体光集積素子においては、発光素子部及び変調素子部の材料の組成は、発光素子部の活性層のフォトルミネッセンス波長が変調素子部のフォトルミネッセンス波長よりも長くなるように決定されている。また、分離素子部においては、コンタクト層が設けられていない。故に、分離素子部は、発光素子部と変調素子部との分離抵抗を大きくするために役立っている。
【００７３】
図１０及び図１１では光集積素子が記載されているけれども、単独の半導体レーザ素子および単独の半導体変調素子といった半導体光素子にもＧａＩｎＮＡｓＰ半導体層を使用できる。
【００７４】
図１０及び図１１に示された半導体光集積素子は、図１に示された有機金属気相成長装置１を用いて製造できる。この半導体光集積素子の発光素子部および変調素子部は、図６に示された半導体装置と類似の構造を備えている。故に、発光素子部および変調素子部の構造は、成膜条件を示すレシピを所望のように変更することにより得ることができる。
【００７５】
図１２(ａ)は、半導体光集積素子の構造を示す図面である。図１２(ｂ)は、半導体光集積素子の層構造により得られるバンドダイアグラムを示す図面である。バンドダイアグラムは、伝導帯のエッジを表すＥｃ及び価電子帯のエッジを表すＥｖを示している。図１２(ｂ)に示されるように、半導体光集積素子１２２の活性層は量子井戸構造を有する。活性層１２４は、ｎ型クラッド層１３０とｐ型クラッド層１３２との間に設けられている。活性層１２４とｎ型クラッド層１３０との間には、光ガイド層１２６が設けられている。活性層１２４とｐ型クラッド層１３２との間には、光ガイド層１２８が設けられている。活性層１２４は、いくつかの井戸層１２４ａと、いくつかの障壁層１２４とを備える。各障壁層１２４は、井戸層１２４ａの間に位置している。本実施の形態では、井戸層１２４ａはＧａＩｎＮＡｓＰ半導体からなり、障壁層１２４ｂはＧａＡｓ半導体からなる。
【００７６】
井戸層にＧａＩｎＮＡｓＰ層を用いると共に障壁層にＧａＡｓ層を用いることにより、量子井戸構造において組成及び膜厚の均一性向上される。故に、量子井戸構造の周期性のゆらぎを小さくできる。また、障壁層と井戸層との界面の平坦性も改善される。ＧａＩｎＮＡｓＰ膜を半導体発光素子に適用すれば、発振波長の温度変化が低減される。ＧａＩｎＮＡｓＰ膜を半導体変調素子に適用すれば、消光比が改善される。
【００７７】
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、当業者は、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本発明を変更できることを認識できる。例えば、半導体膜を成長する原料ガスは、実施の形態に記載したものに限定されず、III族原料としてトリメチルガリウム等、Ｖ族原料としてトリメチル砒素、アルシン(ＡｓＨ3)及びヒドラジン等を使用できる。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。
【００７８】
【発明の効果】
以上説明したように、良好な結晶性を有する五元III−Ｖ族化合物半導体膜、この半導体膜を含む半導体光素子、III−Ｖ族化合物半導体膜を形成する方法が提供された。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本実施の形態に係わる五元III−Ｖ族化合物半導体膜を成長するための有機金属気相成長装置を示す模式図である。
【図２】図２は、図１に示された有機金属気相成長装置を用いて成長された半導体多層膜を有する半導体装置を示す図面である。
【図３】図３は、フォトルミネッセンススペクトルを示すグラフである。
【図４】図４は、ＰＬスペクトルピーク強度と燐濃度との関係を示すグラフである。
【図５】図５は、ＰＬスペクトルピーク強度とピーク波長との関係を示すグラフである。
【図６】図６は、図１に示された有機金属気相成長装置を用いて成長された半導体多層膜を有する半導体装置を示す図面である。
【図７】図７は、図６に示された半導体装置に含まれる多層半導体膜を形成する方法を表すフローチャートである。
【図８】図８は、III族元素ＩｎとＶ族元素Ａｓ及びＮとの結合、並びにIII族元素ＧａとＶ族元素Ａｓとの結合を模式的に示す図面である。
【図９】図９は、ＩｎＡｓXＮＰ3-X(Ｘ＝１〜３)クラスタにおける窒素原子の結合エネルギと、このクラスタ中のＰ原子の数との関係を示す図面である。
【図１０】図１０は、ＤＦＢ半導体レーザ素子を含む半導体光集積素子を示す図面である。
【図１１】図１１は、ファブリペロー半導体レーザ素子を含む半導体光集積素子を示す図面である。
【図１２】図１２(ａ)は、半導体光集積素子の層構造を示す図面である。図１２(ｂ)は、半導体光集積素子の層構造により得られるバンドダイアグラムを示す図面である。
【符号の説明】
１…有機金属気相成長装置、３５、４０…半導体装置、３６…基板、３７…アンドープＧａＡｓ層、３８…アンドープＧａＩｎＮＡｓＰ層、３９…アンドープＧａＡｓ層、４２…半導体基板、４４…バッファ層、４６…第１のクラッド層、４８…第１の光ガイド層、５０…活性層、５２…第２の光ガイド層、５４…第２のクラッド層、５６…キャップ層、７０…半導体光集積素子、７０ａ…発光素子部、７０ｂ…素子分離部、７０ｃ…変調素子部、１００…半導体光集積素子、１００ａ…発光素子部、１００ｂ…素子分離部、１００ｃ…変調素子部
【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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【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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