JP2000349393A - 半導体デバイス、面発光型半導体レーザ、及び端面発光型半導体レーザ - Google Patents

半導体デバイス、面発光型半導体レーザ、及び端面発光型半導体レーザ

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JP2000349393A JP2000017582A JP2000017582A JP2000349393A JP 2000349393 A JP2000349393 A JP 2000349393A JP 2000017582 A JP2000017582 A JP 2000017582A JP 2000017582 A JP2000017582 A JP 2000017582A JP 2000349393 A JP2000349393 A JP 2000349393A
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semiconductor
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Yasuji Seko
保次 瀬古
Akira Sakamoto
朗 坂本
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Abstract

(57)【要約】 【課題】格子不整合材料を用いて形成した良好な結晶品
質の擬似格子整合層を有する半導体デバイスを提供す
る。 【解決手段】 ＧａＮ結晶層基板１１上に、ｎ型Ａｌ
0.5Ｇａ0.5Ｎ引張り歪み層１２Ａ（下側）とｎ型Ｇａ
0.9Ｉｎ0.1Ｎ圧縮歪み層１２Ｂ（上側）を１６．５周期
成長し、ｎ型ＤＢＲミラー１２を形成し、その上にノン
ドープのＧａＮスペーサ層１３と活性領域１４とを成長
し、その上にノンドープのＧａＮスペーサ層１５を成長
する。スペーサ層１５上にｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ引張り
歪み層１６Ａ（下側）とｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ圧縮歪み
層１６Ｂ（上側）を１２周期成長し、ｐ型ＤＢＲミラー
１６を形成して、面発光型半導体レーザを作製する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、格子整合していな
い半導体結晶を用いて形成した擬似格子整合層を含む半
導体デバイスに関し、特に、レーザプリンターやＤＶＤ
装置あるいはディスプレイなどの光源に使用される面発
光型半導体レーザや端面発光型半導体レーザ等の発光素
子、太陽電池や光量測定センサ等に使用される受光素
子、及びトランジスタ等の電子デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、半導体レーザの構成層は、膜厚の
薄い量子井戸層や障壁層などを除いて、基本的には格子
整合材料を積層することにより作製されてきた。例え
ば、ＡｌＧａＡｓ系レーザであれば、ＧａＡｓに格子整
合し、かつＧａＡｓよりバンドギャップの大きいＡｌＡ
ｓ（ＡｌＧａＡｓ）とＧａＡｓとを用いてヘテロ接合を
形成し、レーザの伝導帯や価電子帯のバンド構造を作製
している。また、ＧａＩｎＰ系レーザであれば、Ｇａ
0.51Ｉｎ0.51Ｐと、これよりバンドギャップの大きい
（ＡｌＧａ）0.51Ｉｎ0.51Ｐという、共にＧａＡｓに格
子整合する結晶を用いてヘテロ接合を形成し、レーザの
バンド構造を作製している。
【０００３】最近、青色半導体レーザの材料として注目
されている窒化物半導体では、基板に使用されるＧａＮ
に格子整合する材料が殆ど無く、数少ない格子整合材料
であるＡｌ0.18Ｉｎ0.82Ｎ混晶は、そのバンドギャップ
がＧａＮよりも小さく、結晶品質が低いという問題によ
り、デバイス構成層としてはこれまでほとんど利用され
ていない。即ち、窒化物半導体材料では、格子整合材料
を用いては端面発光型半導体レーザや面発光型半導体レ
ーザを構成することができなかった。そこで、結晶欠陥
が発生し易いにも拘らず、格子不整合材料が用いられて
いた。
【０００４】例えば、面発光型半導体レーザのＤＢＲミ
ラーを格子不整合材料（ＡｌxＧａ1 -xＮ／ＧａＮ）から
なる多層膜で構成した例がある(Japanese Journal of A
pplied Physics Vol.37(1998), pp.L1412-L1426)。しか
しながら、この多層膜においては、Ａｌ0.34Ｇａ0.66Ｎ
のようにＡｌxＧａ1-xＮのｘ組成を高く設定すると、Ａ
ｌxＧａ1-xＮとＧａＮとでは面内方向の格子定数が大き
く異なることから、クラックやミスフィット転位などの
結晶欠陥が発生して結晶品質が低くなり、また、Ａｌx
Ｇａ1-xＮのｘ組成を低く設定すると、ＡｌＧａＮとＧ
ａＮとの格子定数は近づくが、ＡｌＧａＮとＧａＮとの
屈折率差が小さくなるため光の反射率が低下し、反射の
波長帯域幅が狭くなる、という問題がある。
【０００５】また、面発光型半導体レーザのＤＢＲミラ
ーを窒化物半導体と異なる誘電体からなる多層膜を用い
て構成した窒化物半導体レーザも提案されている（特開
平１０−３０８５５８号公報）。この場合、誘電体ＤＢ
Ｒミラーの上に直接窒化物半導体を成長することはでき
ないので、ＧａＮ結晶の一部を表面に露出するように誘
電体ＤＢＲをエッチングなどでパターニングし、その表
面に露出したＧａＮ結晶表面から、窒化物半導体を横方
向に成長して誘電体ＤＢＲの上に結晶成長し、面発光型
半導体レーザのスペーサ層や活性領域などが形成され
る。しかしながら、この方法では、誘電体ＤＢＲミラー
の上に形成するスペーサ層や活性層などのキャビティ
（共振器）の厚さを３〜４λ（λ：波長）以内（約６０
０ｎｍ以内）に押さえながら、横方向には１０〜２０μ
ｍ以上の長さまで成長しなければならない。すなわち、
極めて薄い平行平板結晶を形成することとなり、作製が
容易ではない。また、一般に横方向への成長はある結晶
面を優先的に成長させるファセット成長となるので成長
速度は遅く、１０μｍ以上の横方向への成長には長時間
を要し、量産には適さない、という欠点がある。
【０００６】また、通信用などの長波長帯域の面発光型
半導体レーザにおいても、ＩｎＰに格子整合する材料が
少なく、格子整合するＡｌＧａＩｎＡｓＰ系の材料を用
いて形成したＤＢＲミラーでは反射率を高くできないと
言う問題があり、実用可能な面発光型半導体レーザが作
製できない。このため、従来は、良好な反射特性を持つ
ＧａＡｓ系のＡｌＡｓ／ＧａＡｓ多層膜ＤＢＲミラーを
作製して、この上にＡｌＧａＩｎＡｓＰ系の長波長レー
ザの活性領域層などを張り付ける等の手段をとって面発
光型半導体レーザを作製している（面内方向の格子定数
が大きく異なるので、直接成長することはできない）。
しかしながら、この作製作業はたいへん面倒で、実用的
では無い、という欠点がある。
【０００７】また、端面発光型半導体レーザのクラッド
層を格子不整合材料（ＡｌxＧａ1-xＮ／ＧａＮ）を用い
て構成した窒化物半導体レーザの例もあるが、ＡｌxＧ
ａ1-xＮのｘ組成を高く設定すると、クラックやミスフ
ィット転位などの結晶欠陥が発生し、また、ＡｌxＧａ
1-xＮのｘ組成を低く設定すると、光閉じ込めが弱くな
りレーザ光が基板側に漏れ出るなどの問題が発生する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】以上述べた通り、窒化
物半導体においては、ＧａＮと格子整合しない材料（格
子不整合材料）を用いて半導体多層膜が作製されている
が、格子定数が異なるためクラックやミスフィット転位
などの結晶欠陥が発生し、良好な結晶品質の半導体多層
膜を作製することができない、という問題があった。ま
た、格子定数をＧａＮの格子定数に近付けると半導体多
層膜の反射特性が低下し、その半導体多層膜を面発光型
半導体レーザのＤＢＲミラーや端面発光型半導体レーザ
のクラッド層として使用できない、という問題があっ
た。また、通信用などの長波長帯域のレーザに使用され
るＩｎＰについても、格子整合するＡｌＧａＩｎＡｓＰ
系の材料を用いて形成した半導体多層膜の反射特性が低
く、その半導体多層膜を面発光型半導体レーザのＤＢＲ
ミラーや端面発光型半導体レーザのクラッド層として用
いた場合に十分な発光特性が得られない、という問題が
あった。
【０００９】本発明は上記事情に鑑みなされたものであ
り、本発明の目的は、格子不整合材料を用いて形成した
良好な結晶品質の擬似格子整合層を有する半導体デバイ
スを提供することにある。本発明の他の目的は、格子不
整合材料を用いて形成した良好な反射特性を有する擬似
格子整合層を有する半導体デバイスを提供することにあ
る。本発明のさらに他の目的は、発光特性の良好な面発
光型半導体レーザ及び端面発光型半導体レーザを提供す
ることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の半導体デバイスは、面内方向にお
ける結晶固有の格子定数がａ0の半導体結晶からなる半
導体基礎層と、面内方向における結晶固有の格子定数が
ａ0より大きい半導体結晶からなる第１の層と面内方向
における結晶固有の格子定数がａ0より小さい半導体結
晶からなる第２の層とを含み、第１の層に発生した格子
歪みと第２の層に発生した格子歪みとが逆方向の歪みと
なるように第１の層及び第２の層を半導体基礎層上にエ
ピタキシャル成長させることによって擬似格子整合させ
た擬似格子整合層と、キャリアの再結合、発生、及び移
動のいずれかの機能を発現する機能発現層と、を備えた
ことを特徴とする。
【００１１】本発明では、面内方向における結晶固有の
格子定数がａ0の半導体結晶からなる半導体基礎層上
に、面内方向における結晶固有の格子定数がａ0より大
きい半導体結晶からなる第１の層と面内方向における結
晶固有の格子定数がａ0より小さい半導体結晶からなる
第２の層とを含む擬似格子整合層をエピタキシャル成長
させる。即ち、半導体基礎層上に、格子不整合材料を用
いて擬似格子整合層をエピタキシャル成長させる。
【００１２】第１の層では、膜厚が比較的薄い場合（臨
界膜厚以内）には弾性変形の範囲内にありミスフィット
転位は発生しないが、面内方向における結晶固有の格子
定数がａ0より大きい半導体結晶を半導体基礎層上にエ
ピタキシャル成長させるので、圧縮応力が残留する。一
方、第２の層では、膜厚が比較的薄い場合（臨界膜厚以
内）には弾性変形の範囲内にありミスフィット転位は発
生しないが、面内方向における結晶固有の格子定数がａ
0より小さい半導体結晶を半導体基礎層上にエピタキシ
ャル成長させるので、引張り応力が残留する。圧縮応力
と引張り応力とは応力の方向が逆方向であるので、全体
として応力が打ち消され、多数回積層しても残留応力が
増大せず、擬似格子整合された半導体層を得ることがで
きる。
【００１３】即ち、擬似格子整合層の第１の層及び第２
の層を構成する半導体結晶は相互に歪み応力を緩和する
ので、半導体基礎層の半導体結晶とは格子定数の大きく
異なる半導体結晶を、擬似格子整合させつつエピタキシ
ャル成長させることができる。その結果、クラックやミ
スフィット転位による結晶欠陥が発生せず、良好な結晶
品質の半導体層を得ることができる。
【００１４】半導体基礎層及び擬似格子整合層に加えて
設けられた機能発現層は、キャリアの再結合、発生、及
び移動のいずれかの機能を発現する。即ち、本発明の半
導体デバイスは、キャリアの再結合機能を備える場合に
は発光素子となり、キャリアの発生機能を備える場合に
は受光素子となり、キャリアの移動機能を備える場合に
は電子デバイスとなる。
【００１５】請求項２に記載の半導体デバイスは、請求
項１の発明において、前記擬似格子整合層の面内方向に
おける結晶固有の格子定数ａxが、前記半導体基礎層の
半導体結晶の面内方向における結晶固有の格子定数ａ0
に対して、下記関係式を満足することを特徴とする。
【００１６】ａ0×０．９９７≦ａx≦ａ0×１．００３ 前記擬似格子整合層は、格子定数の異なる複数の半導体
結晶から構成された混晶となる。前記擬似格子整合層の
層数をｎとすると、その多層膜の格子定数ａxは、下記
式で求められる。
【００１７】
【数１】
【００１８】（式中、ａiはｉ番目の層の半導体結晶の
格子定数、ｄiはｉ番目の層の半導体結晶の膜厚であ
る。） 第１の層を構成する半導体結晶と第２の層を構成する半
導体結晶の組成と各層の膜厚とを調整し、前記擬似格子
整合層の格子定数ａxが、前記半導体基礎層の半導体結
晶の面内方向における結晶固有の格子定数ａ0とほぼ一
致するように構成すればよい。具体的には、上記関係式
に示したように、前記擬似格子整合層の格子定数ａ
xが、格子定数ａ0に対して±０．３％の変動幅以内に収
まるようにするのが好ましい。この範囲内とすること
で、格子整合系の結晶と遜色のない高品質の多層膜結晶
を作製できる。一方、格子定数ａ0に対して±０．３％
以上変動すると、転位による結晶欠陥の発生が顕著にな
り、場合によってはクラックが発生する。また、結晶表
面の凹凸が大きく結晶品質が低下するので、ＤＢＲミラ
ーを作製した場合に、反射率が低下する、反射帯域幅が
狭くなるなどの問題が発生する。
【００１９】請求項３に記載の半導体デバイスは、請求
項１または２の発明において、第１の層の半導体結晶の
面内方向における結晶固有の格子定数ａ1と、第２の層
の半導体結晶の面内方向における結晶固有の格子定数ａ
2とが、それぞれ下記関係式を満足することを特徴とす
る。
【００２０】ａ1≧ａ0×１．００３ ａ2≦ａ0×０．９９７ 請求項４に記載の半導体デバイスは、請求項１または２
の発明において、第１の層の半導体結晶の面内方向にお
ける結晶固有の格子定数ａ1と、第２の層の半導体結晶
の面内方向における結晶固有の格子定数ａ2とが、それ
ぞれ下記関係式を満足することを特徴とする。
【００２１】ａ1≧ａ0×１．００６ ａ2≦ａ0×０．９９４ 請求項３及び請求項４に示した通り、面内方向における
結晶固有の格子定数が大きく異なる半導体結晶を組み合
わせて積層することにより、格子整合系結晶では得られ
ない大きいバンドギャップや小さいバンドギャップの半
導体結晶層、あるいは高い屈折率や低い屈折率の半導体
結晶層を作製することができる。即ち、伝導帯や価電子
帯のバンド構造を比較的自由に変化させられるので、デ
バイス設計の自由度が上がる。
【００２２】請求項５に記載の半導体デバイスは、請求
項１〜４のいずれかの発明において、前記擬似格子整合
層を、第１の層と第２の層とを交互に積層して形成した
ことを特徴とする。
【００２３】請求項６に記載の半導体デバイスは、請求
項１〜５のいずれかの発明において、 前記擬似格子
整合層は、第１の層及び第２の層に加えて、面内方向に
おける結晶固有の格子定数ａ0の半導体結晶からなる第
３の層を含むことを特徴とする。
【００２４】請求項７に記載の半導体デバイスは、請求
項１〜６のいずれかの発明において、 前記第１
の層及び前記第２の層の少なくとも一方を、面内方向に
おける結晶固有の格子定数が異なる複数の半導体結晶を
積層して構成したことを特徴とする。
【００２５】請求項８に記載の半導体デバイスは、請求
項１〜７のいずれかの発明において、 前記
擬似格子整合層の各層は、１０ｎｍ以下の厚さの層で形
成されていることを特徴とする。
【００２６】擬似格子整合層に含まれる第１の層及び第
２の層は、第１の層に発生した歪み応力と第２の層に発
生した歪み応力とが緩和されるように半導体基礎層上に
エピタキシャル成長させればよく、種々の積層方法が考
えられるが、請求項５〜８にその代表的な積層方法を例
示している。
【００２７】特に、擬似格子整合層に含まれる各層の膜
厚を薄くした場合（好ましくは、１０ｎｍ以下の厚
さ）、即ち、短周期超格子層とした場合には、擬似格子
整合層の中にミニバンドが形成され、擬似格子整合層の
バンドギャップは半導体基礎層の半導体結晶のバンドギ
ャップよりも大きくなる。このバンドギャップは短周期
超格子中のミニバンド形成に関するＫｒｏｎｉｇ−Ｐｅ
ｎｎｙの理論式より導かれる。このバンドギャップの大
きい擬似格子整合層は、端面発光型半導体レーザの活性
層を挟み込むクラッド層に適用することができる。
【００２８】例えば、ＧａＮ系材料ではＧａＮ結晶に格
子整合するＡｌ0.18Ｉｎ0.82ＮはＧａＮよりもバンドギ
ャップが小さいという問題がある。これをＡｌＧａＮと
ＧａＩｎＮとの擬似格子整合結晶にすると、ＧａＮより
もバンドギャップを大きくすることができる。図７に示
すように、ＡｌＩｎＮ混晶はバンドギャップボーイング
が極めて大きい。しかしながら、ＡｌxＧａ1-xＮ（ｘ＞
０）とＧａ1-yＩｎyＮ（ｙ＞０）を交互に積層した擬似
格子整合結晶では、そのバンドギャップをＡｌ 0.18Ｉｎ
0.82Ｎより大きくすることができる。
【００２９】請求項９に記載の半導体デバイスは、請求
項１〜８のいずれかの発明において、前記擬似格子整合
層のバンドギャップが、前記半導体基礎層の半導体結晶
のバンドギャップより大きいことを特徴とする。
【００３０】ＧａＮ系材料では、半導体基礎層の半導体
結晶であるＧａＮに対し０．３％歪ませた半導体結晶は
Ａｌ0.12Ｇａ0.88ＮとＧａ0.97Ｉｎ0.03Ｎであるが、Ａ
ｌ0. 12Ｇａ0.88ＮのバンドギャップはＧａＮよりも約２
５０ｍｅＶ大きく、Ｇａ0.97Ｉｎ0.03Ｎのバンドギャッ
プはＧａＮよりも約７０ｍｅＶ小さい。これらの材料を
極めて短周期の超格子にすると、その短周期超格子のバ
ンドギャップはＧａＮより約９０ｍｅＶ大きくなる。さ
らに歪み量を増大し、ＧａＮに対し０．６％歪ませた半
導体結晶はＡｌ0.24Ｇａ0.76ＮとＧａ0.94Ｉｎ0.06Ｎで
あるが、これらの材料を極めて短周期の超格子にする
と、その短周期超格子のバンドギャップはＧａＮより約
１８０ｍｅＶ大きくなる。
【００３１】これらのＧａＮのバンドギャップとの差
は、バンド構造のヘテロ接合界面において電子を閉じ込
めるのに十分大きな値であり、レーザ活性層のポテンシ
ャル井戸の形成や、ヘテロバイポーラトランジスターの
エミッター／ベース間のポテンシャル差として十分に利
用することができる。本発明においては、このようなバ
ンドギャップの大小構造を、擬似格子整合しながら良好
な品質の結晶を成長させることにより形成することがで
きる。
【００３２】請求項１０に記載の半導体デバイスは、請
求項１〜９のいずれかの発明において、前記擬似格子整
合層は、高屈折率領域と低屈折率領域とが交互に形成さ
れて構成されていることを特徴とする。
【００３３】例えば、ＧａＮ系材料では、半導体基礎層
の半導体結晶であるＧａＮに対し０．３％歪ませた半導
体結晶はＡｌ0.12Ｇａ0.88ＮとＧａ0.97Ｉｎ0.03Ｎであ
るが、Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎの屈折率はＧａＮよりも約
０．０７小さく、Ｇａ0.97Ｉｎ 0.03Ｎの屈折率はＧａＮ
よりも約０．１大きい。従って、Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎと
Ｇａ0.97Ｉｎ0.03Ｎとを交互に積層することにより、擬
似格子整合層に高屈折率領域と低屈折率領域とが交互に
形成される。
【００３４】請求項１１に記載の半導体デバイスは、請
求項１０の発明において、前記高屈折率領域と前記低屈
折率領域とが、ｍλ／４（λ：活性領域から放出される
光の波長、ｍ＝１または３）の膜厚で交互に形成されて
ブラッグ分布反射ミラーを構成することを特徴とする。
【００３５】擬似格子整合層に高屈折率領域と低屈折率
領域とをｍλ／４（λ：活性領域から放出される光の波
長、ｍ＝１または３）の膜厚で交互に形成してブラッグ
分布反射ミラーを構成することができるが、擬似格子整
合層の半導体結晶は結晶品質が高いので、従来の格子整
合系結晶では実現できなかった、高い反射率特性と広い
反射帯域幅を持つブラッグ分布反射ミラーとすることが
できる。反射特性を向上させるため、屈折率差Δｎは
０．３より大きい方が好ましい。
【００３６】例えば、ＧａＮ系材料では、半導体基礎層
の半導体結晶であるＧａＮに対し０．６％歪ませた半導
体結晶はＡｌ0.24Ｇａ0.76ＮとＧａ0.94Ｉｎ0.06Ｎであ
るが、これらの材料の屈折率差Δｎは０．３４となるた
め、面発光型半導体レーザのＤＢＲミラーとして、さら
に良好な反射特性を実現することができる。
【００３７】なお、ここでの屈折率の算出には、有名な
Ｋｒａｍｅｒｓ−Ｋｒｏｎｉｇ理論式と実際の測定デー
タを基にした(参考文献 Electronics Letters 1996 Vo
l.32,No.24, 2285)。
【００３８】請求項１２に記載の半導体デバイスは、請
求項１〜１１のいずれかの発明において、半導体基礎層
がＧａＮ、またはＧａＮに格子整合するＡｌＧａＩｎＮ
からなり、第１の層がＧａ1-xＩｎxＮ（０＜ｘ≦１）か
らなり、第２の層がＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ≦１）から
なることを特徴とする。
【００３９】請求項１３に記載の半導体デバイスは、請
求項１〜１１のいずれかの発明において、半導体基礎層
がＩｎＰ、またはＩｎＰに格子整合するＡｌＧａＩｎＡ
ｓＰからなり、第１の層がＡｌxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y（０
＜ｘ≦１，０≦ｙ＜１）からなり、第２の層がＧａxＩ
ｎ1-xＡｓyＰ1-y（０≦ｘ＜１，０＜ｙ≦１）からなる
ことを特徴とする。
【００４０】格子整合材料では反射特性のよいＤＢＲミ
ラーを作製できない例として、青などの短波長光を放出
するＧａＮ系半導体材料と、通信などに利用される１．
３〜１．５５μｍ帯の長波長光を放出するＩｎＰ系半導
体材料がある。本発明はこれらの材料系において特に有
用である。
【００４１】例えば、ＩｎＰ系材料であれば、ＩｎＰ結
晶を半導体基礎層として、第１の層にＩｎＰより面内方
向の格子定数の大きなＡｌＧａＩｎＡｓＰを採用し、第
２の層にＩｎＰより面内方向の格子定数の小さいＧａＩ
ｎＡｓＰを利用することにより、従来の格子整合材料で
は実現できなかった屈折率差の大きい擬似格子整合型の
多層膜を積層できる。即ち、反射特性のよいＤＢＲミラ
ーを作製することができるので、基板上にＤＢＲミラー
と活性領域を一度に結晶成長し、発光特性の良好なＩｎ
Ｐ系の面発光型半導体レーザを作製することが可能とな
る。
【００４２】請求項１４に記載の半導体デバイスは、請
求項１〜１１のいずれかの発明において、半導体基礎層
がＧａＡｓ、またはＧａＡｓに格子整合するＡｌＧａＩ
ｎＰからなり、第１の層がＧａyＩｎ1-yＰ（ｙ＜０．５
１）からなり、第２の層がＡｌzＩｎ1-zＰ（ｚ＞０．５
１）からなることを特徴とする。
【００４３】半導体基礎層の半導体結晶と格子整合する
適当な材料が存在する場合であっても、格子不整合材料
を使用することにより材料選択の自由度が大きくなり、
従来の格子整合材料では実現できなかった特性（例え
ば、高い反射特性）を有する擬似格子整合型の多層膜を
積層できる。
【００４４】請求項１５に記載の面発光型半導体レーザ
は、面内方向における結晶固有の格子定数がａ0の半導
体結晶からなる半導体基礎層と、面内方向における結晶
固有の格子定数がａ0より大きい半導体結晶からなる第
１の層と面内方向における結晶固有の格子定数がａ0よ
り小さい半導体結晶からなる第２の層とを含み、第１の
層に発生した格子歪みと第２の層に発生した格子歪みと
が逆方向の歪みとなるように第１の層及び第２の層をエ
ピタキシャル成長させることによって擬似格子整合され
た擬似格子整合型の第１ブラッグ分布反射ミラーと、該
第１ブラッグ分布反射ミラー上に形成され、キャリアの
再結合を行う活性領域と、前記第１ブラッグ分布反射ミ
ラーと共に前記活性領域を挟み込み、上下の共振器ミラ
ー構造を形成する第２ブラッグ分布反射ミラーと、を備
えたことを特徴とする。
【００４５】請求項１６に記載の面発光型半導体レーザ
は、請求項１５の発明において、前記第２ブラッグ分布
反射ミラーが、面内方向における結晶固有の格子定数が
ａ0より大きい半導体結晶からなる第１の層と面内方向
における結晶固有の格子定数がａ0より小さい半導体結
晶からなる第２の層とを含み、第１の層に発生した格子
歪みと第２の層に発生した格子歪みとが逆方向の歪みと
なるように第１の層及び第２の層をエピタキシャル成長
させることによって擬似格子整合された擬似格子整合型
のブラッグ分布反射ミラーであることを特徴とする。
【００４６】請求項１７に記載の端面発光型半導体レー
ザは、面内方向における結晶固有の格子定数がａ0の半
導体結晶からなる半導体基礎層と、面内方向における結
晶固有の格子定数がａ0より大きい半導体結晶からなる
第１の層と面内方向における結晶固有の格子定数がａ0
より小さい半導体結晶からなる第２の層とを含み、第１
の層に発生した格子歪みと第２の層に発生した格子歪み
とが逆方向の歪みとなるように第１の層及び第２の層を
エピタキシャル成長させることによって擬似格子整合さ
れた擬似格子整合型の第１クラッド層と、該第１クラッ
ド層上に形成され、キャリアの再結合を行う活性領域
と、前記第１クラッド層と共に前記活性領域を挟み込
み、前記活性領域への光閉じ込めを行う第２クラッド層
と、前記活性領域で発生した光を前記活性領域の所定面
方向に共振させる相互に対向する一対の端面反射ミラー
と、を有することを特徴とする。
【００４７】面発光型半導体レーザのＤＢＲミラーや端
面発光型半導体レーザのクラッド層を、格子不整合材料
を用いた擬似格子整合層で構成することにより、活性領
域以外の膜厚が比較的厚い総ての層を結晶成長により作
製することができ、クラックやミスフィット転位などの
結晶欠陥がなく、高信頼、長寿命の半導体レーザを実現
することができる。
【００４８】なお、本発明において「半導体基礎層」と
は、半導体基板または基板上に形成された半導体結晶層
のいずれかを意味するものである。
【００４９】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ、本発明
の実施の形態について詳細に説明する。 （第１の実施の形態）第１の実施の形態は、本発明をＤ
ＢＲミラーを備えた半導体デバイスに適用した例であ
る。本実施の形態では、図１に模式的に示すように、Ｇ
ａＮ結晶基板上にＧａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ層とＡｌ0.5Ｇａ0.5
Ｎ層とをＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor D
eposition）法により交互に成長し、ＤＢＲミラーを作
製した。まず、サファイア基板上に１０００℃でＧａＮ
層を１００μｍ厚さ成長した後、サファイア基板を研磨
により除去して、ＧａＮ結晶基板を作製した。次に、原
料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチ
ルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、及びトリメチルインジウ
ム（ＴＭＩｎ）を用いて、水素及び窒素の混合ガスをキ
ャリアガスとして用い、８００℃の温度条件下で、Ｇａ
0.9Ｉｎ0.1Ｎ層とＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層とを交互に成長さ
せた。表１に、各層を構成する半導体結晶の格子定数、
歪み量、屈折率、及び各層の膜厚を示す。また、混晶の
格子定数、及び歪み量も表１に併せて示す。格子定数は
各層を構成する半導体結晶の面内方向における結晶固有
の格子定数であり、屈折率は波長λ（４３０ｎｍ）の光
に対する値であり、各層の膜厚はλ／４の光路長に対応
する膜厚を示している。また、各層を構成する半導体結
晶の格子定数から各層の歪み量（各層を構成する半導体
結晶の格子定数のＧａＮ結晶の格子定数に対する比）を
算出すると共に、ＤＢＲミラーの格子定数（Ｇａ0.9Ｉ
ｎ0.1ＮとＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎとの混晶としての格子定
数）とＤＢＲミラーの歪み量（混晶の格子定数のＧａＮ
結晶の格子定数に対する比）を算出した。表１に示すよ
うに、Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ層の歪み量は１．０１１で圧縮
歪み層となり、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層の歪み量は０．９８
８で引張り歪み層となる。
【００５０】
【表１】
【００５１】まず、得られたＤＢＲミラーについて結晶
品質を調べた。Ｇａ0.9Ｉｎ0.1ＮとＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎと
の混晶の格子定数は３．１９２Å（ウルツァイト構造）
であり、ＧａＮの格子定数が３．１８９Åであるので、
ＤＢＲミラーの歪み量は０．９９８であり、ＧａＮ結晶
基板に対する歪み率は僅か−０．２％である。この計算
結果から、圧縮歪み層と引張り歪み層とを交互に積層す
ることにより、ＤＢＲミラー全体として歪み応力が相殺
されることが分かる。得られたＤＢＲミラーを光学顕微
鏡で観察するとクラックは発生しておらず、更にＸ線回
折により観察すると格子緩和は発生しておらず、上記の
計算結果を裏付けるように、ＡｌＧａＡｓ系などの通常
の格子整合系結晶と同様に結晶品質は良好であった。Ｄ
ＢＲミラーの結晶品質が高いと、その上に成長するスペ
ーサ層や活性領域の結晶品質も高くなり、発光特性のよ
い面発光型半導体レーザを作製することができる。
【００５２】一方、表１に併せて示すように、Ａｌ0.34
Ｇａ0.66Ｎ層とＧａＮ層とを交互に積層して得られた従
来の格子不整合型のＤＢＲミラーの場合、Ａｌ0.34Ｇａ
0.66Ｎ層の歪み量は０．９９２で引張り歪み層となり、
ＧａＮ層の歪み量は１．０００で無歪み層である。Ａｌ
0.34Ｇａ0.66ＮとＧａＮとの混晶の格子定数は３．１６
９Åであり、ＧａＮの格子定数が３．１８９Åであるの
で、ＤＢＲミラーの歪み量は０．９９６であり、ＧａＮ
結晶基板に対する歪み率は−０．４％である。この計算
結果から、引張り歪み層と無歪み層とを交互に積層して
も、歪みは分散するだけで全体としては減少しないこと
が分かる。得られたＤＢＲミラーを光学顕微鏡で観察す
ると、上記の計算結果を裏付けるように、積層とともに
クラックなどの結晶欠陥が発生していた。
【００５３】次に、得られたＤＢＲミラーについて反射
特性を調べた。表１に示すように、Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ層
とＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層とを交互に積層したＤＢＲミラー
の場合、Ｇａ0.9Ｉｎ0.1ＮはＧａＮよりも高い屈折率を
有し、Ａｌ0.5Ｇａ0.5ＮはＧａＮよりも低い屈折率を有
しているので、Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ層が高屈折率領域とな
り、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層が低高屈折率領域となる。Ｇａ
0.9Ｉｎ0.1Ｎ層とＡｌ 0.5Ｇａ0.5Ｎ層とを交互に積層し
たＤＢＲミラーの積層周期数と反射特性との関係を図２
に示す。比較のために、Ａｌ0.34Ｇａ0.66Ｎ層とＧａＮ
層とを交互に積層して得られた従来の格子不整合型のＤ
ＢＲミラーの積層周期数と反射特性との関係を併記す
る。図２から明らかなように、Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ層とＡ
ｌ0.5Ｇａ0 .5Ｎ層とを交互に積層したＤＢＲミラーを用
いれば、従来の格子不整合型のＤＢＲミラーよりも少な
い積層周期数で高い反射率を得ることができる。例え
ば、反射率が９９．５％以上になるのは、Ｇａ0.9Ｉｎ
0.1Ｎ層とＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層とを交互に積層したＤＢ
Ｒミラーでは１２周期であるが、従来の格子不整合型の
ＤＢＲミラーでは２３周期必要である。このように積層
数が少なくても高反射率が得られるため、デバイス作製
時間（結晶成長時間）が短くて済むという利点がある。
また、ＤＢＲミラーに電流を流す面発光型半導体レーザ
の場合には、電気抵抗が低くなり、面発光型半導体レー
ザの性能が向上する、という効果が得られる。
【００５４】また、図３に示すように、ＤＢＲミラーの
積層周期数が同じ場合では、Ｇａ0. 9Ｉｎ0.1Ｎ層とＡｌ
0.5Ｇａ0.5Ｎ層とを交互に積層したＤＢＲミラーでは従
来の格子不整合型のＤＢＲミラーに比べて反射光の波長
帯域幅が広がる。９９％以上の反射率を示す波長帯域幅
は、Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ層とＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層とを交互
に積層したＤＢＲミラーでは４０ｎｍ近いのに対し、従
来の格子不整合型のＤＢＲミラーでは約１６ｎｍと狭
い。この波長帯域幅の狭さは波長の変動に対してＤＢＲ
ミラーの反射率が低下しやすいことを意味し、デバイス
の信頼性の低下につながる。例えば、面発光型半導体レ
ーザのＤＢＲミラーの反射光の波長帯域幅が狭いと、発
光層の波長制御、およびＤＢＲミラーなどの構造層の作
製精度を厳密に制御しなければならないし、温度変動な
どに起因する反射光の波長変動に対してレーザ特性の劣
化が大きくなる。Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ層とＡｌ0.5Ｇａ0.5
Ｎ層とを交互に積層したＤＢＲミラーでは、波長帯域幅
が広いので、反射光の波長変動に対応することができ、
デバイスの信頼性も向上する。また、面発光型半導体レ
ーザの作製精度も緩和され、レーザ特性が安定する。
【００５５】本実施の形態のブラッグ分布反射ミラーで
は、高屈折率領域と低屈折率領域とをλ／４の膜厚で交
互に形成したが、３λ／４の膜厚で交互に形成してもよ
い。 （第２の実施の形態）第２の実施の形態は、第１の実施
の形態の半導体デバイスのＤＢＲミラーの積層構造を変
えた変形例である。第１の実施の形態では、Ｇａ0.9Ｉ
ｎ0.1Ｎからなる圧縮歪み層とＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎからな
る引張り歪み層とを厚さλ／４で交互に積層してＤＢＲ
ミラーを作製する場合について示したが、本実施の形態
では、図５に模式的に示すように、Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎか
らなる圧縮歪み層とＡｌ0.5Ｇａ0 .5Ｎからなる引張り歪
み層との間に、基板と同じ半導体結晶（ＧａＮ）からな
る無歪み層を挿入して、ＤＢＲミラーを作製した。具体
的には、ＧａＮ結晶基板上に、Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ層を１
９ｎｍ、ＧａＮ層を２０ｎｍ、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層を２
４ｎｍ、ＧａＮ層を２０ｎｍをこの順に繰り返し積層し
た。このＤＢＲミラーの場合、、Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎから
なる圧縮歪み層とＧａＮからなる無歪み層とが高屈折率
領域となり、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎからなる引張り歪み層と
ＧａＮからなる無歪み層とが低高屈折率領域となる。表
２に、各層を構成する半導体結晶の格子定数、歪み量、
屈折率、及び各層の膜厚を示す。また、混晶の格子定
数、及び歪み量も表２に併せて示す。
【００５６】
【表２】
【００５７】本実施の形態においても、第１の実施の形
態と同様に、良好な結晶品質のＤＢＲミラーを形成する
ことができた。また、本実施の形態では、Ｇａ0.9Ｉｎ
0.1Ｎからなる圧縮歪み層とＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎからなる
引張り歪み層との界面にＧａＮからなる無歪み層を挿入
することで、ＤＢＲミラーの反射特性をあまり低下させ
ずに歪みを有する層の膜厚を薄くすることができる。即
ち、Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎからなる圧縮歪み層とＡｌ0.5Ｇ
ａ0.5Ｎからなる引張り歪み層の膜厚を薄くすることに
より、ミスフィット転位の発生を抑制することができ、
結晶品質をより高めることができる。 （第３の実施の形態）第３の実施の形態は、第１の実施
の形態の半導体デバイスのＤＢＲミラーの積層構造を変
えた変形例である。第１の実施の形態では、Ｇａ0.9Ｉ
ｎ0.1Ｎからなる圧縮歪み層とＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎからな
る引張り歪み層とを厚さλ／４で交互に積層してＤＢＲ
ミラーを作製する場合について示したが、本実施の形態
では、図６（Ａ）に模式的に示すように、圧縮歪みを有
するＧａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ層と無歪みのＧａＮ層とを１０周
期積層した圧縮歪み短周期超格子層と、引張り歪みを有
するＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層と無歪みのＧａＮ層とを１０周
期積層した引張り歪み短周期超格子層とを、厚さλ／４
で交互に積層してＤＢＲミラーを作製した。このＤＢＲ
ミラーの場合、圧縮歪み短周期超格子層が高屈折率領域
となり、引張り歪み短周期超格子層が低高屈折率領域と
なる。表３に、各層を構成する半導体結晶の格子定数、
歪み量、屈折率、及び各層の膜厚を示す。また、混晶の
格子定数、及び歪み量も表３に併せて示す。
【００５８】
【表３】
【００５９】本実施の形態においても、第１の実施の形
態と同様に、良好な結晶品質のＤＢＲミラーを形成する
ことができた。また、本実施の形態では、厚さλ／４の
短周期超格子層に含まれる各層の厚さは１０ｎｍ以下と
なるので、例えば、引張り歪み短周期超格子層を、引張
り歪みを有するＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層と無歪みのＧａＮ層
とで作製した場合には、ＧａＮ層のみにドーピングを行
うことで活性化率の高いドーピングが可能になるという
利点がある。
【００６０】本実施の形態では、圧縮歪み短周期超格子
層をＧａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ層とＧａＮ層の２種類の半導体結
晶から構成し、引張り歪み短周期超格子層をＡｌ0.5Ｇ
ａ0.5Ｎ層とＧａＮ層の２種類の半導体結晶から構成し
たが、図６（ｃ）に模式的に示すように、格子定数が異
なる３種類以上の半導体結晶を積層して短周期超格子層
を構成してもよい。また、短周期超格子層には、基板と
同じ半導体結晶からなる無歪み層が含まれている必要は
ない。 （第４の実施の形態）第４の実施の形態は、第１の実施
の形態の半導体デバイスのＤＢＲミラーの積層構造を変
えた変形例である。第１〜３の実施の形態では、厚さλ
／４の各層（短周期超格子層を含む）は圧縮歪みか引張
り歪みを有し、圧縮歪みを有する層が高屈折率領域とな
り、引張り歪みを有する層が低高屈折率領域となるよう
にＤＢＲミラーを作製する場合について示したが、本実
施の形態では、図６（Ｂ）に模式的に示すように、圧縮
歪みを有するＧａ0.983Ｉｎ0.017Ｎ層と引張り歪みを有
するＡｌ0.4Ｇａ0.6Ｎ層とを１０周期積層した短周期超
格子層と、無歪みのＧａＮ層とを、厚さλ／４で交互に
積層してＤＢＲミラーを作製した。圧縮歪みを有するＧ
ａ0.983Ｉｎ0.017Ｎ層と引張り歪みを有するＡｌ0.4Ｇ
ａ0.6Ｎ層とを１０周期積層した短周期超格子層の屈折
率はＧａＮより約０．１２小さくなるので、短周期超格
子層を低屈折率領域とし、無歪みのＧａＮ層を高屈折率
領域として、ＤＢＲミラーを作製することができる。表
４に、各層を構成する半導体結晶の格子定数、歪み量、
屈折率、及び各層の膜厚を示す。また、混晶の格子定
数、及び歪み量も表４に併せて示す。
【００６１】
【表４】
【００６２】本実施の形態においても、第１の実施の形
態と同様に、良好な結晶品質のＤＢＲミラーを形成する
ことができた。また、本実施の形態では、厚さλ／４の
層の一方を無歪みのＧａＮ層としたので、歪みを有する
層の膜厚を非常に薄くすることができ、ミスフィット転
位の発生を十分に抑制でき、屈折率差の大きな層を導入
することが可能になるという利点がある。
【００６３】また、本実施の形態では、圧縮歪みを有す
るＧａ0.983Ｉｎ0.017Ｎ層と引張り歪みを有するＡｌ
0.4Ｇａ0.6Ｎ層とを積層した短周期超格子層を低屈折率
領域とし、無歪みのＧａＮ層を高屈折率領域として、Ｄ
ＢＲミラーを作製したが、ＤＢＲミラーとして機能させ
るためには、所定値以上の屈折率差を有する高屈折率領
域と低屈折率領域とがｍλ／４（λ：活性領域から放出
される光の波長、ｍ＝１または３）の膜厚で交互に形成
されていればよく、複数の半導体結晶を組合せて短周期
超格子の屈折率を調整することにより、また、屈折率の
異なる半導体結晶を積層することにより、高屈折率領域
や低屈折率領域を作製することができる。 （第５の実施の形態）第５の実施の形態は、本発明を面
発光型半導体レーザに適用した例である。図４に示すよ
うに、面発光型半導体レーザのｎ型ＧａＮ結晶基板１１
上には、各λ／４の光路長に対応する厚さのｎ型Ａｌ
0.5Ｇａ0.5Ｎ層１２Ａ（下側）とｎ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ
層１２Ｂ（上側）とを交互に１６．５周期成長したｎ型
ＤＢＲミラー１２、ノンドープのＧａＮスペーサ層１
３、３周期のＧａ0.8Ｉｎ0.2Ｎ量子井戸層３ｎｍ／Ｇａ
0.95Ｉｎ0.05Ｎ障壁層７ｎｍで構成した活性領域１４、
及びノンドープのＧａＮスペーサ層１５がこの順に積層
されている。活性領域１４とこれを挾むスペーサ層１３
及びスペーサ層１５とにより、光路長が１λに対応した
共振器が構成されている。スペーサ層１５上には、ｐ型
Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１６Ａ（下側）とｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ
0.1Ｎ層１６Ｂ（上側）とを交互に１２周期成長したｐ
型ＤＢＲミラー１６が積層されている。スペーサ層１５
とｐ型ＤＢＲミラー１６とには、発光領域が限定するた
めに、プロトン照射により絶縁領域１７が形成されてい
る。ｎ型ＧａＮ結晶層基板１１の裏面にはｎ側電極１８
が形成され、ｐ型ＤＢＲミラー１６の最表面層であるｐ
型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ層上にはｐ側電極１９が形成されて
いる。
【００６４】この面発光型半導体レーザは、以下のよう
に製造される。まず、サファイヤ基板（図示せず）の上
にＥＬＯＧ(epitaxially lateral over-growth)法によ
りｎ型ＧａＮ結晶層１１を成長し、次にサファイヤ基板
をエッチング除去してｎ型ＧａＮ結晶基板１１を取り出
した。このＧａＮ結晶層基板１１の上に各λ／４の光路
長に対応するｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１２Ａ（下側）と
ｎ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ層１２Ｂ（上側）を１６．５周期
成長し、ｎ型ＤＢＲミラー１２を形成した。本実施の形
態においても、第１の実施の形態と同様に、良好な結晶
品質のＤＢＲミラーを形成することができた。
【００６５】次に、ｎ型ＤＢＲミラー１２上にノンドー
プのＧａＮスペーサ層１３と３周期のＧａ0.8Ｉｎ0.2Ｎ
量子井戸層３ｎｍ／Ｇａ0.95Ｉｎ0.05Ｎ障壁層７ｎｍで
構成した活性領域１４とを成長し、その活性領域１４上
にノンドープのＧａＮスペーサ層１５を成長した。ＤＢ
Ｒミラーの結晶品質が高いので、その上に成長するスペ
ーサ層や活性領域の結晶品質も高くすることができた。
スペーサ層１５上にｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１６Ａ（下
側）とｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ層１６Ｂ（上側）とを交互
に１２周期成長したｐ型ＤＢＲミラー１６を作製した。
【００６６】次に、ｐ型ＤＢＲミラー１６の結晶層表面
よりプロトンを照射し、電流が流れる領域以外を絶縁領
域１７とした。最後に、ｎ側電極１８をｎ型ＧａＮ結晶
層基板の裏面に形成し、ｐ側電極１９をｐ型ＤＢＲミラ
ーの最表面層であるｐ型Ｇａ 0.9Ｉｎ0.1Ｎ層上に形成し
て、図４に示す面発光型半導体レーザを得た。
【００６７】ｎ側電極１８とｐ側電極１９との間に、１
００ｎｓ幅のパルス電圧を１０μｓ周期で印加すると、
波長４３０ｎｍのレーザ光を放出する面発光型半導体レ
ーザを作製することができた。表５に、ＤＢＲミラーの
各層を構成する半導体結晶の格子定数、歪み量、屈折
率、及び各層の膜厚を示す。また、混晶の格子定数、及
び歪み量も表５に併せて示す。
【００６８】
【表５】
【００６９】以上の通り、本実施の形態の面発光型半導
体レーザでは、ＤＢＲミラーの結晶品質が向上し、その
上に成長するスペーサ層や活性層の結晶品質が向上す
る。これはレーザ特性の向上をもたらすと同時に、寿命
を伸ばし、信頼性を向上させる。
【００７０】また、本実施の形態の面発光型半導体レー
ザでは、ＤＢＲミラーの光の反射特性が向上するので、
反射できる光の波長帯域幅が広がり、光の波長変動に対
するロバストネスが向上し、温度変動に対するレーザ性
能の信頼性が向上する。
【００７１】また、高反射ＤＢＲミラーを少ない積層数
で達成できるので、面発光型半導体レーザのＤＢＲミラ
ーの電気抵抗を低減でき、ＤＢＲミラーの作製時間も短
縮することができる。
【００７２】さらに、面発光型半導体レーザのＤＢＲミ
ラーの作製工程において、誘電体ＤＢＲミラーの上への
横方向成長などが不要になり、低コスト、高信頼にな
る。
【００７３】なお、本実施の形態では、ｎ型ＤＢＲミラ
ー１２とｐ型ＤＢＲミラー１６との両方を格子不整合材
料であるＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層とＧａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ層とを
交互に積層した擬似格子整合型のＤＢＲミラーとした
が、ｐ型ＤＢＲミラー１６はＳｉＯ2、ＴｉＯ2等の誘電
体材料で構成することもできる。 （第６の実施の形態）第５の実施の形態では、本発明を
面発光型半導体レーザに適用した例について説明した
が、本実施の形態では、本発明を端面発光型半導体レー
ザに適用した例について説明する。図８に示すように、
端面発光型半導体レーザのｎ型ＧａＮ結晶基板３１上に
は、第２の実施の形態のＤＢＲミラーと同様に、圧縮歪
みを有するｎ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ層３２Ａ（厚さ１９ｎ
ｍ）、無歪みのｎ型ＧａＮ層３２Ｂ（厚さ２０ｎｍ）、
引張り歪みを有するｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層３２Ｃ（厚
さ２４ｎｍ）、及び無歪みのｎ型ＧａＮ層３２Ｄ（厚さ
２０ｎｍ）が、この順に繰り返し１２周期積層されて、
ｎ型クラッド層３２が形成されている。
【００７４】ｎ型クラッド層３２上には、厚さ１００ｎ
ｍのノンドープのＧａＮからなるコンファインメント層
３４と、Ｇａ0.15Ｉｎ0.85Ｎからなる量子井戸層／Ｇａ
0.02Ｉｎ0.98Ｎからなる障壁層を４周期成長した多重量
子井戸構造３５と、厚さ１００ｎｍのノンドープのＧａ
Ｎからなるコンファインメント層３６と、が形成され、
コンファインメント層３４と多重量子井戸構造３５とコ
ンファインメント層３６とで共振器を構成している。
【００７５】コンファインメント層３６上には、圧縮歪
みを有するｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ層３７Ａ（厚さ１９ｎ
ｍ）、無歪みのｐ型ＧａＮ層３７Ｂ（厚さ２０ｎｍ）、
引張り歪みを有するｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層３７Ｃ（厚
さ２４ｎｍ）、及び無歪みのｐ型ＧａＮ層３７Ｄ（厚さ
２０ｎｍ）が、この順に繰り返し１２周期積層されて、
ｐ型クラッド層３７が形成されている。
【００７６】ｐ型クラッド層３７上には、５０μｍ幅の
ｐ側電極３８が形成されており、ｎ型ＧａＮ結晶基板３
１の裏面全面には、ｎ側電極３９が形成されている。ま
た、共振器の入出射端面には、５０μｍ幅のｐ側電極３
８に垂直に端面ミラー４０がドライエッチングにより形
成されている。表６に、クラッド層の各層を構成する半
導体結晶の格子定数、歪み量、屈折率、及び各層の膜厚
を示す。また、混晶の格子定数、及び歪み量も表６に併
せて示す。
【００７７】
【表６】
【００７８】本実施の形態では、ｎ型ＧａＮ結晶基板３
１上に擬似格子整合型のｎ型クラッド層３２をエピタキ
シャル成長させる際に、ｎ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ層３２Ａ
に発生した圧縮歪み応力がｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層に発
生した引張り歪み応力により緩和されるので、クラック
やミスフィット転位などの格子欠陥が発生せず、良好な
結晶品質のｎ型クラッド層３２を形成することができ
る。ｎ型クラッド層３２の結晶品質が高いので、その上
に成長する層の結晶品質も高くすることができ、レーザ
の信頼性を向上させると共に、デバイスの寿命を延長す
ることができる。
【００７９】また、本実施の形態のｎ型クラッド層３２
及びｐ型クラッド層３７は、Ｇａ0. 9Ｉｎ0.1Ｎからなる
圧縮歪み層とＧａＮからなる無歪み層とで構成された高
屈折率領域と、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎからなる引張り歪み層
とＧａＮからなる無歪み層とで構成された低高屈折率領
域と、を厚さλ／４で交互に積層したＤＢＲミラーであ
るため、コンファインメント層へ強く光を閉じ込めるこ
とができる。
【００８０】ｎ側電極３９とｐ側電極３８との間に、短
パルスの電流を流すとレーザ発振が見られた。得られた
端面発光型半導体レーザは、垂直方向のＦＦＰ（遠視野
像）が単峰性であった。これはコンファインメント層へ
の光閉じ込めが強いためである。 （第７の実施の形態）第７の実施の形態は、第６の実施
の形態の端面発光型半導体レーザのクラッド層の積層構
造を変えた変形例である。第６の実施の形態では、Ｇａ
0.9Ｉｎ0.1Ｎからなる圧縮歪み層とＧａＮからなる無歪
み層とで構成された高屈折率領域と、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ
からなる引張り歪み層とＧａＮからなる無歪み層とで構
成された低高屈折率領域と、を厚さλ／４で交互に積層
してクラッド層を作製する場合について示したが、本実
施の形態では、圧縮歪みを有するｎ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ
層３２Ｅ（厚さ１．５ｎｍ）と引張り歪みを有するｎ型
Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層３２Ｆ（厚さ１．５ｎｍ）とを交互
に３００周期積層して、膜厚９００ｎｍのｎ型クラッド
層３２が形成され、圧縮歪みを有するｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ
0.1Ｎ層３７Ｅ（厚さ１．５ｎｍ）と引張り歪みを有す
るｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層３７Ｆ（厚さ１．５ｎｍ）と
を交互に３００周期積層して、膜厚９００ｎｍのｐ型ク
ラッド層３７が形成されている。表７に、クラッド層の
各層を構成する半導体結晶の格子定数、歪み量、屈折
率、及び各層の膜厚を示す。また、混晶の格子定数、歪
み量、及びＧａＮとのバンドギャップも表７に併せて示
す。
【００８１】
【表７】
【００８２】本実施の形態では、クラッド層はＤＢＲミ
ラーを構成しないが、圧縮歪みを有するＧａ0.9Ｉｎ0.1
Ｎ層と引張り歪みを有するＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層とをλ／
４の厚さよりも薄い数ｎｍ以下の周期で積層して、短周
期超格子からなる擬似格子整合型の超格子クラッド層を
形成しているので、クラッド層のバンドギャップをＧａ
Ｎのバンドギャップよりも大きくすることができる。即
ち、端面発光型半導体レーザのクラッド層を短周期超格
子からなる擬似格子整合型の超格子クラッド層としたこ
とで、電流閉じ込めが十分可能なバンドギャップを有す
るクラッド層をクラックの発生なしに実現することがで
きる。
【００８３】第１〜７の実施の形態では、所定組成の窒
化物半導体結晶を用いた半導体デバイスについて説明し
たが、面内方向における結晶固有の格子定数がａ0の半
導体結晶からなる半導体基礎層と、面内方向における結
晶固有の格子定数がａ0より大きい半導体結晶からなる
第１の層と面内方向における結晶固有の格子定数がａ 0
より小さい半導体結晶からなる第２の層とを含み、第１
の層に発生した歪み応力と第２の層に発生した歪み応力
とが相殺されるように第１の層及び第２の層を半導体基
礎層上にエピタキシャル成長させることによって擬似格
子整合された擬似格子整合層と、を備えることが可能で
ある限り、いかなる半導体結晶を用いた半導体デバイス
にも適用することができる。
【００８４】例えば、半導体基礎層及び擬似格子整合層
に用いる窒化物半導体結晶は、第１〜７の実施の形態で
使用した組み合わせには限定されないが、ＧａＮ、また
はＧａＮに格子整合するＡｌＧａＩｎＮからなる半導体
基礎層上に、ＧａＮより面内方向の格子定数の大きいＧ
ａ1-xＩｎxＮ（０＜ｘ≦１）からなる第１の層とＧａＮ
より面内方向の格子定数の小さいＡｌyＧａ1-yＮ（０＜
ｙ≦１）からなる第２の層とを含む擬似格子整合層を形
成するのが好ましい。
【００８５】また、１．３〜１．５５μｍの長波長帯域
のＡｌＧａＩｎＡｓＰ系半導体レーザを含むＩｎＰ系半
導体デバイスにも本発明を適用することができる。この
材料系では、ＩｎＰ、またはＩｎＰに格子整合するＡｌ
ＧａＩｎＡｓＰからなる半導体基礎層上に、ＩｎＰより
面内方向の格子定数の大きいＡｌxＩｎ1-xＡｓyＰ
1-y（０＜ｘ≦１，０≦ｙ＜１）からなる第１の層とＩ
ｎＰより面内方向の格子定数の小さいＧａxＩｎ1-xＡｓ
yＰ1-y（０≦ｘ＜１，０＜ｙ≦１）からなる第２の層と
を含む擬似格子整合層を形成するのが好ましい。
【００８６】また、ＧａＡｓ系半導体デバイスにも本発
明を適用することができる。この材料系では、ＧａＡ
ｓ、またはＧａＡｓに格子整合するＡｌＧａＩｎＰから
なる半導体基礎層上に、ＧａＡｓより面内方向の格子定
数の大きいＧａyＩｎ1-yＰ（ｙ＜０．５１）からなる第
１の層とＧａＡｓより面内方向の格子定数の小さいＡｌ
zＩｎ1-zＰ（ｚ＞０．５１）からなる第２の層とを含む
擬似格子整合層を形成するのが好ましい。
【００８７】しかしながら、半導体基礎層を構成する半
導体結晶に格子整合する材料を用いては、良好な特性を
有する半導体デバイスが得られない場合に、本発明は特
に有用である。
【００８８】第１〜７の実施の形態では、本発明を面発
光型半導体レーザ、端面発光型半導体レーザという発光
素子に適用した場合について説明したが、本発明はフォ
トディテクタや太陽電池等の受光素子やトランジスター
等の電子デバイスにも適用できることはいうまでもな
い。
【００８９】フォトディテクタは、ＧａＮからなる半導
体基礎層上に、ＡｌＧａＮ／ＧａＩｎＮからなる擬似格
子整合型のＤＢＲミラーを形成し、その上にp型ＧａＮ
／i型ＧａＩｎＮ／n型ＧａＮから構成されるＰＩＮ型受
光素子を形成することで作製することができる。p型Ｇ
ａＮとn型ＧａＮにそれぞれｐ型電極とｎ型電極を形成
し、逆バイアス電圧を印加することで、高速応答する受
光素子となる。受光素子を透過した光はＤＢＲミラーで
反射されて再び受光素子を通過するので、受光効率を向
上させることができる。
【００９０】また、半導体基礎層上に擬似格子整合型の
ＤＢＲミラーを形成し、その上にp型ＧａＩｎＮ／n型Ｇ
ａＩｎＮを形成し、そのp型ＧａＩｎＮ／n型ＧａＩｎＮ
とに電流取り出しのための電極を形成すれば、太陽電池
を構成することができる。太陽電池の構成層を通過した
光はＤＢＲミラーで反射されて、再び太陽電池の構成層
を通過するので、電気/光変換効率を向上させることが
できる。
【００９１】また、トランジスターは、半導体基礎層上
に擬似格子整合層で構成した短周期超格子のp型ＧａＩ
ｎＮ／ｐ型ＡｌＧａＮエミッターを形成し、その各層に
電極を形成することで作製することができる。ＧａＮ系
材料はワイドバンドギャップなので、３００〜４００℃
という高温で動作するトランジスターを作製することが
できる。
【００９２】
【発明の効果】本発明によれば、格子不整合材料を用い
て形成された良好な結晶品質の擬似格子整合層を有する
半導体デバイスが提供される。また、格子不整合材料を
用いて形成した良好な反射特性を有する擬似格子整合層
を有する半導体デバイスが提供される。さらに、発光特
性の良好な面発光型半導体レーザ及び端面発光型半導体
レーザが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の半導体デバイスの構成を示
す概略図である。
【図２】第１の実施の形態の半導体デバイスのＤＢＲミ
ラーの反射特性（積層周期と反射率の関係）を示す説明
図である。
【図３】 第１の実施の形態の半導体デバイスのＤＢＲ
ミラーの反射波長帯域を示す説明図である。
【図４】第５の実施の形態の面発光型半導体レーザの構
成を示す断面図である。
【図５】第２の実施の形態の半導体デバイスの構成を示
す概略図である。
【図６】（Ａ）は第３の実施の形態の半導体デバイスの
構成を示す概略図である。（Ｂ）は第４の実施の形態の
半導体デバイスの構成を示す概略図である。（Ｃ）は第
５の実施の形態の半導体デバイスの構成を示す概略図で
ある。
【図７】 ＧａＮ系半導体材料の最近接原子の間隔とバ
ンドギャップの関係を示すグラフである。
【図８】第６の実施の形態の端面発光型半導体レーザの
構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１１ ｎ型ＧａＮ結晶層 １２ ｎ型ＤＢＲミラー １３ スペーサ層 １４ 活性領域 １５ スペーサ層 １６ ｐ型ＤＢＲミラー １７ プロトン注入領域 １８，３８ ｎ側電極 １９，３９ p側電極 ３１ ｎ型ＧａＮ結晶基板 ３２ ｎ型クラッド層 ３４、３６ コンファインメント層 ３５ 多重量子井戸構造 ３７ ｐ型クラッド層 ４０ 端面ミラー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F041 AA40 CA12 CA34 CA39 CA40 CB15 5F073 AA65 AB17 CA07 CA12 CA13 CA14 CA17 DA35

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】面内方向における結晶固有の格子定数がａ
    0の半導体結晶からなる半導体基礎層と、 面内方向における結晶固有の格子定数がａ0より大きい
    半導体結晶からなる第１の層と面内方向における結晶固
    有の格子定数がａ0より小さい半導体結晶からなる第２
    の層とを含み、第１の層に発生した格子歪みと第２の層
    に発生した格子歪みとが逆方向の歪みとなるように第１
    の層及び第２の層を半導体基礎層上にエピタキシャル成
    長させることによって擬似格子整合させた擬似格子整合
    層と、 キャリアの再結合、発生、及び移動のいずれかの機能を
    発現する機能発現層と、 を有する半導体デバイス。
  2. 【請求項２】前記擬似格子整合層の面内方向における結
    晶固有の格子定数ａ xが、前記半導体基礎層の半導体結
    晶の面内方向における結晶固有の格子定数ａ0に対し
    て、下記関係式を満足する請求項１に記載の半導体デバ
    イス。 ａ0×０．９９７≦ａx≦ａ0×１．００３
  3. 【請求項３】第１の層の半導体結晶の面内方向における
    結晶固有の格子定数ａ1と、第２の層の半導体結晶の面
    内方向における結晶固有の格子定数ａ2とが、それぞれ
    下記関係式を満足する請求項１または２に記載の半導体
    デバイス。 ａ1≧ａ0×１．００３ ａ2≦ａ0×０．９９７
  4. 【請求項４】第１の層の半導体結晶の面内方向における
    結晶固有の格子定数ａ1と、第２の層の半導体結晶の面
    内方向における結晶固有の格子定数ａ2とが、それぞれ
    下記関係式を満足する請求項１または２に記載の半導体
    デバイス。 ａ1≧ａ0×１．００６ ａ2≦ａ0×０．９９４
  5. 【請求項５】前記擬似格子整合層を、第１の層と第２の
    層とを交互に積層して形成した請求項１〜４のいずれか
    １項に記載の半導体デバイス。
  6. 【請求項６】前記擬似格子整合層は、第１の層及び第２
    の層に加えて、面内方向における結晶固有の格子定数ａ
    0の半導体結晶からなる第３の層を含む請求項１〜５の
    いずれか１項に記載の半導体デバイス。
  7. 【請求項７】前記第１の層及び前記第２の層の少なくと
    も一方を、面内方向における結晶固有の格子定数が異な
    る複数の半導体結晶を積層して構成した請求項１〜６の
    いずれか１項に記載の半導体デバイス。
  8. 【請求項８】前記擬似格子整合層の各層は、１０ｎｍ以
    下の厚さの層で形成されている請求項１〜７のいずれか
    １項に記載の半導体デバイス。
  9. 【請求項９】前記擬似格子整合層のバンドギャップが、
    前記半導体基礎層の半導体結晶のバンドギャップより大
    きい請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体デバイ
    ス。
  10. 【請求項１０】前記擬似格子整合層は、高屈折率領域と
    低屈折率領域とが交互に形成されて構成されている請求
    項１〜９のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
  11. 【請求項１１】前記高屈折率領域と前記低屈折率領域と
    が、ｍλ／４（λ：活性領域から放出される光の波長、
    ｍ＝１または３）の膜厚で交互に形成されてブラッグ分
    布反射ミラーを構成する請求項１０に記載の半導体デバ
    イス。
  12. 【請求項１２】前記半導体基礎層がＧａＮ、またはＧａ
    Ｎに格子整合するＡｌＧａＩｎＮからなり、前記第１の
    層がＧａ1-xＩｎxＮ（０＜ｘ≦１）からなり、前記第２
    の層がＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ≦１）からなる請求項１
    〜１１のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
  13. 【請求項１３】前記半導体基礎層がＩｎＰ、またはＩｎ
    Ｐに格子整合するＡｌＧａＩｎＡｓＰからなり、前記第
    １の層がＡｌxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y（０＜ｘ≦１，０≦ｙ
    ＜１）からなり、前記第２の層がＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ
    1-y（０≦ｘ＜１，０＜ｙ≦１）からなる請求項１〜１
    １のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
  14. 【請求項１４】前記半導体基礎層がＧａＡｓ、またはＧ
    ａＡｓに格子整合するＡｌＧａＩｎＰからなり、前記第
    １の層がＧａyＩｎ1-yＰ（ｙ＜０．５１）からなり、前
    記第２の層がＡｌzＩｎ1-zＰ（ｚ＞０．５１）からなる
    請求項１〜１１のいずれか１項に記載の半導体デバイ
    ス。
  15. 【請求項１５】面内方向における結晶固有の格子定数が
    ａ0の半導体結晶からなる半導体基礎層と、 面内方向における結晶固有の格子定数がａ0より大きい
    半導体結晶からなる第１の層と面内方向における結晶固
    有の格子定数がａ0より小さい半導体結晶からなる第２
    の層とを含み、第１の層に発生した格子歪みと第２の層
    に発生した格子歪みとが逆方向の歪みとなるように第１
    の層及び第２の層をエピタキシャル成長させることによ
    って擬似格子整合された擬似格子整合型の第１ブラッグ
    分布反射ミラーと、 該第１ブラッグ分布反射ミラー上に形成され、キャリア
    の再結合を行う活性領域と、 前記第１ブラッグ分布反射ミラーと共に前記活性領域を
    挟み込み、上下の共振器ミラー構造を形成する第２ブラ
    ッグ分布反射ミラーと、 を有する面発光型半導体レーザ。
  16. 【請求項１６】前記第２ブラッグ分布反射ミラーが、面
    内方向における結晶固有の格子定数がａ0より大きい半
    導体結晶からなる第１の層と面内方向における結晶固有
    の格子定数がａ0より小さい半導体結晶からなる第２の
    層とを含み、第１の層に発生した格子歪みと第２の層に
    発生した格子歪みとが逆方向の歪みとなるように第１の
    層及び第２の層をエピタキシャル成長させることによっ
    て擬似格子整合された擬似格子整合型のブラッグ分布反
    射ミラーである請求項１５に記載の面発光型半導体レー
    ザ。
  17. 【請求項１７】面内方向における結晶固有の格子定数が
    ａ0の半導体結晶からなる半導体基礎層と、 面内方向における結晶固有の格子定数がａ0より大きい
    半導体結晶からなる第１の層と面内方向における結晶固
    有の格子定数がａ0より小さい半導体結晶からなる第２
    の層とを含み、第１の層に発生した格子歪みと第２の層
    に発生した格子歪みとが逆方向の歪みとなるように第１
    の層及び第２の層をエピタキシャル成長させることによ
    って擬似格子整合された擬似格子整合型の第１クラッド
    層と、 該第１クラッド層上に形成され、キャリアの再結合を行
    う活性領域と、 前記第１クラッド層と共に前記活性領域を挟み込み、前
    記活性領域への光閉じ込めを行う第２クラッド層と、 前記活性領域で発生した光を前記活性領域の所定面方向
    に共振させる相互に対向する一対の端面反射ミラーと、 を有する端面発光型半導体レーザ。
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