JP2002204029A

JP2002204029A - 半導体発光素子、その製造方法及びその駆動方法

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Publication number: JP2002204029A
Application number: JP2001335948A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Otsuka; 信之大塚; Takashi Ishimaru; 隆石丸
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-11-01
Filing date: 2001-11-01
Publication date: 2002-07-19
Anticipated expiration: 2021-11-01
Also published as: JP3734740B2

Abstract

(57)【要約】【課題】低出力時においても相対雑音強度が小さい半
導体発光素子を実現できるようにする。【解決手段】ｎ型ＧａＮ基板１Ａの上には、ｎ型Ｇａ
Ｎからなるｎコンタクト層２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド
層、ｎ型ＧａＮガイド層、ＩｎＧａＮからなる発光層３
を含むｎ型半導体層と、ｐ型ＧａＮガイド層、ｐ型Ａｌ
ＧａＮクラッド層、及び厚さが１μｍ程度のｐコンタク
ト層４を含むｐ型半導体層とから構成される半導体積層
体が形成されている。半導体積層体の上部のｐコンタク
ト層４には膜厚が他の部分よりも厚い領域６が形成され
ている。これにより、ｐコンタクト４層のキャビティの
反射端面側が低出力動作時に光吸収領域となり、キャビ
ティに対する不均一な電流注入が実現される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、低出力時における
雑音特性が向上する半導体発光素子、その製造方法及び
その駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図７は倉又他：ジャパニーズ・ジャーナ
ル・オブ・アプライド・フィジックス３７（１９９８）
L1373 (A. Kuramata et al., Jpn. J. Appl. Phys. 37
(1998)L1373)。等に開示されている、従来の屈折率導波
型の半導体レーザ素子を示している。

【０００３】ｐ電極５からｎ電極７に駆動電流を流すこ
とにより、発光層３から青色のレーザ光（発光光）を得
る。ここでは、高出力レーザ素子を実現するために、キ
ャビティ全体に駆動電流が均一に注入されるように、各
半導体層の厚みはほぼ一定となっている。また、ｐ電極
５とｎ電極７との間隔は一定となるように設けられてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図７に示したような半
導体レーザ素子を用いて、光ディスク装置、例えば高密
度デジタルバーサタイル（ビデオ）ディスク（ＨＤ−Ｄ
ＶＤ）装置に対して書き込み動作を行なう際に、紫色レ
ーザ光を用いる場合には３０ｍＷ以上の出力値が必要と
なる。逆に、読み出し動作時の紫色レーザ光の出力値は
１ｍＷ程度と小さくする必要がある。

【０００５】ところが、読み出し動作時において、従来
の半導体レーザ素子は、駆動電流に高周波を重畳したと
しても、出力値を低下するに従って相対雑音強度が増大
してしまうという問題がある。これは、レーザ発振をそ
の発振閾値とほぼ同等の注入電流値で行なわせるため、
レーザ発振の緩和振動の影響によって相対雑音強度が増
大するためである。

【０００６】また、レーザ発振の閾値電流と同程度の注
入電流値で発振させることから、単一モード性が低下し
てしまい、マルチモード成分が生ずることにより、相対
雑音強度が増大することにもなる。

【０００７】相対雑音強度を低減するには、緩和振動周
波数を大きくする必要がある。その方法の１つに微分利
得を増大することが考えられる。レーザ発振の微分利得
を増大するには、光吸収領域を形成することにより、発
振閾値を大きくすれば良い。

【０００８】また、他の方法として、スロープ効率（微
分効率）を低下させて、１ｍＷ程度のレーザ出力に必要
な電流値を増大させることにより、動作電流値を発振閾
値よりも大きく設定するようにすれば良い。

【０００９】なお、半導体レーザ素子の雑音を低減する
には、共振器端面の反射率を増大することによっても実
現することができるが、この場合はレーザ光の出力（光
出力）値も低下してしまう。従って、前述したように、
ＨＤ−ＤＶＤ装置が書き込み動作を行なう際には高出力
な発光光が必要となるため、光出力値が低下してしまう
ような端面反射率を増大させるという手段を採ることは
できない。

【００１０】また、半導体レーザ素子に自励発振を生じ
させる場合には、発光層３又はその近傍に半導体からな
る光吸収層を設ける必要がある。しかしながら、このよ
うな光吸収層を半導体レーザ装置自体に設けると、高出
力値を得にくいという問題がある。

【００１１】本発明は、前記従来の問題を解決し、低出
力時においても相対雑音強度が小さい半導体発光素子を
実現できるようにすることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明は、発光層に対して電流を不均一に注入する
構成とする。すなわち、光ディスクにおける読み出し動
作のような低出力動作時には、駆動電流がストライプ形
状を持つキャビティの一部にのみ注入されるようにし
て、キャビティ内の電流密度をストライプ方向に変化さ
せる。

【００１３】窒化物半導体結晶の場合には、ｐ型結晶の
抵抗率が大きいため、ｐ型結晶の厚みを変えるだけでシ
リーズ抵抗値が変化するので、キャビティに電流を不均
一に注入することができる。

【００１４】また、コンタクト層の表面に高ドーピング
領域を設けることにより、コンタクト抵抗を下げること
ができるため、高ドーピング領域を部分的に形成するこ
とによっても、キャビティに電流を不均一に注入するこ
とが可能となる。

【００１５】また、サファイア基板等の絶縁性基板上に
レーザ素子構造を形成した場合には、ｎ型結晶の厚みは
２μｍ程度となり、導電性基板を用いた場合と比べてｎ
型結晶中での電流の拡散を抑制することができる。その
結果、ｎ電極とキャビティとの間隔を変えることによっ
ても、該キャビティに電流を不均一に注入することがで
きる。

【００１６】また、キャビティ上の一部に複数回に分け
て電極を蒸着することにより、コンタクト抵抗を変化さ
せることができる。

【００１７】また、電極の一部を絶縁膜で覆ってアニー
ルすることによっても、コンタクト抵抗を変化させるこ
とができる。

【００１８】このように、シリーズ抵抗だけでなく、コ
ンタクト抵抗を変化させることによっても、キャビティ
に対して電流を不均一に注入することが可能となる。

【００１９】さらに、燐化合物半導体及び砒素化合物半
導体は閃亜鉛鉱型の結晶構造を採るのに対し、窒化物半
導体は六方晶系の結晶構造を採るため、基板面に平行な
方向と垂直な方向とで、電気的特性が異なる特徴を有し
ている。例えば、キャリアの移動度は、基板面に垂直な
方向と比べて平行な方向の場合が遅くなる。その結果、
窒化物半導体結晶においては、キャビティが延びる方向
（以下、キャビティ方向と呼ぶ）のシリーズ抵抗又はコ
ンタクト抵抗の差を保持し易い。

【００２０】また、窒化ガリウムは、インジウム燐又は
ガリウム砒素化合物半導体に対して微分利得が極めて大
きいという特徴を持つ。これも、窒化ガリウムの結晶構
造が六方晶系であり、ホールが縮退していないことに起
因する。このように、微分利得が大きいことから、わず
かの電流の分布により結晶が利得を有するか損失を示す
かが変化する。その結果、窒化ガリウム化合物半導体を
用いた半導体レーザ素子においては、キャビティに対す
る電流注入の不均一さがわずかではあっても、キャビィ
ティ内における光密度分布の変化を効果的に誘発するこ
とができる。

【００２１】さらに、窒化物半導体レーザ素子は、結晶
構造が六方晶系であるため、キャビテイに一軸性歪が導
入される場合に、利得が増大して発振特性が向上する。
このため、キャビティの側方に電極を設けることによ
り、一軸性歪を効果的に導入することができるので、レ
ーザ特性の向上を図ることができる。

【００２２】また、一般に、雑音を低減する目的で、駆
動電流に高周波電流を重畳するが、このとき、キャリア
の拡散長程度の間隔でシリーズ抵抗値又はコンタクト抵
抗値に変化を生じさせると、レーザ光の出力が高い周波
数で脈動する自励発振現象が生ずる。

【００２３】また、窒化物半導体レーザ素子は、微分利
得が大きいため、わずかの電流値で大きな光出力を得ら
れる。赤色半導体レーザ素子を用いたＤＶＤ装置の場合
には、読み出し時に５ｍＷの光出力を与えてもデータが
破壊されることはないが、窒化物半導体レーザ素子を光
ディスク用光源として使用する場合には、波長が短く光
のエネルギーが大きいために、また、絞り込む光のスポ
ット径が小さいために、読み出し動作時の光出力は１ｍ
Ｗ以下に設定しなければならず、読み出し動作時には極
めて小さい駆動電流しか注入できない。その結果、注入
電流密度が小さ過ぎて雑音レベルが上昇してしまうとい
う問題があったが、本発明においては、キャビティに電
流を不均一に注入して、駆動電流を注入する領域を限定
し、その結果、注入電流密度を増大させることにより、
低雑音化を可能とする。

【００２４】また、窒化ガリウム系化合物半導体レーザ
素子の発光光は、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からな
る赤色半導体レーザ素子と異なり、基板が透明であるた
め、基板からの散乱光が出射光に混ざってしまい、雑音
が増大するという問題がある。従って、キャビティの出
射端面側に対する注入電流を減少することにより、キャ
ビティに対して不均一な電流注入を行なうと、基板から
の散乱光を低下させることができる。

【００２５】以下、具体的に、本発明に係る半導体発光
素子、その製造方法及びその駆動方法の構成を示す。

【００２６】本発明に係る第１の半導体発光素子は、基
板上に形成され、発光層及び電極コンタクト層を含む半
導体積層体と、電極コンタクト層の上に形成された電極
とを備え、電極コンタクト層は、電極の下側の厚さが部
分的に異なる。

【００２７】第１の半導体発光素子によると、電極コン
タクト層は電極の下側の厚さが部分的に異なるため、シ
リーズ抵抗値が変化するので、低出力動作時にはキャビ
ティに電流を不均一に注入することができる。これによ
り、発振閾電流値が大きくなるため、レーザ発振の微分
利得が増大して、低出力時の相対雑音強度を小さくする
ことができる。

【００２８】第１の半導体発光素子において、電極コン
タクト層がｐ導電型であることが好ましい。

【００２９】第１の半導体発光素子において、半導体積
層体が発光光を生成するキャビティを有し、電極コンタ
クト層におけるキャビティの出射端面側の厚さが反射端
面側の厚さよりも小さいことが好ましい。

【００３０】また、第１の半導体発光素子において、半
導体積層体が発光光を生成するキャビティを有し、電極
コンタクト層におけるキャビティの出射端面側の厚さが
反射端面側の厚さよりも大きいことが好ましい。

【００３１】第１の半導体発光素子において、電極コン
タクト層には、厚さが異なる領域が２箇所以上形成され
ていることが好ましい。

【００３２】第１の半導体発光素子において、電極コン
タクト層における厚さの増分が約１０％以上且つ約５０
％以下であることが好ましい。

【００３３】本発明に係る第２の半導体発光素子は、基
板上に形成され、発光層及び電極コンタクト層を含む半
導体積層体と、電極コンタクト層の上に形成された電極
とを備え、電極コンタクト層は電極の下側に厚さが部分
的に異なる高ドーピング領域を有している。

【００３４】第２の半導体発光素子によると、電極コン
タクト層は電極の下側に厚さが部分的に異なる高ドーピ
ング領域を有しているため、コンタクト抵抗値が変化す
るので、低出力動作時にはキャビティに電流を不均一に
注入することができる。これにより、発振閾電流値が大
きくなるため、レーザ発振の微分利得が増大して、低出
力時の相対雑音強度を小さくすることができる。

【００３５】第２の半導体発光素子において、高ドーピ
ング領域がｐ導電型であることが好ましい。

【００３６】第２の半導体発光素子において、半導体積
層体が発光光を生成するキャビティを有し、高ドーピン
グ領域がキャビティの出射端面側に設けられていること
が好ましい。

【００３７】また、第２の半導体発光素子において、半
導体積層体が発光光を生成するキャビティを有し、高ド
ーピング領域がキャビティの反射端面側に設けられてい
ることが好ましい。

【００３８】第２の半導体発光素子において、高ドーピ
ング領域が、電極の下側に２箇所以上形成されているこ
とが好ましい。

【００３９】第２の半導体発光素子において、高ドーピ
ング領域の表面不純物濃度が、電極コンタクト層の不純
物濃度と比べて、約１．５倍以上且つ約３倍以下である
ことが好ましい。

【００４０】本発明に係る第３の半導体発光素子は、基
板上に形成され、発光層、該発光層を上下に挟む第１の
電極コンタクト層及び第２の電極コンタクト層を含む半
導体積層体と、第１の電極コンタクト層の上に形成され
た第１の電極と、第２の電極コンタクト層の上に形成さ
れた第２の電極とを備え、半導体積層体は、発光光を生
成するキャビティを有し、第１の電極と第２の電極との
間隔は、キャビティが延びる方向に沿って異なる。

【００４１】第３の半導体発光素子によると、第１の電
極と第２の電極との間隔は、キャビティが延びる方向に
沿って異なるため、シリーズ抵抗値が変化するので、低
出力動作時にはキャビティに電流を不均一に注入するこ
とができる。これにより、発振閾電流値が大きくなるた
め、レーザ発振の微分利得が増大して、低出力時の相対
雑音強度を小さくすることができる。

【００４２】第３の半導体発光素子において、第１の電
極がｎ電極であって、該ｎ電極とキャビティとの間隔は
部分的に異なることが好ましい。

【００４３】第３の半導体発光素子において、第１の電
極と第２の電極とにおけるキャビティの出射端面側の間
隔が、反射端面側の間隔よりも大きいことが好ましい。

【００４４】また、第３の半導体発光素子において、第
１の電極と第２の電極とにおけるキャビティにの出射端
面側の間隔が、反射端面側の間隔よりも小さいことが好
ましい。

【００４５】第３の半導体発光素子において、第１の電
極と第２の電極との間隔は、相対的に広い領域が相対的
に狭い領域の約２倍以上且つ約５倍以下であることが好
ましい。

【００４６】第１〜第３の半導体発光素子において、半
導体積層体が窒化物半導体からなることが好ましい。

【００４７】本発明に係る第１の半導体発光素子の製造
方法は、基板上に、少なくとも活性層及び電極コンタク
ト層を順次成長して半導体積層体を形成する第１の工程
と、電極コンタクト層の上面に対して部分的にエッチン
グを行なうことにより、電極コンタクト層の厚さを変え
る第２の工程と、上面がエッチングされたコンタクト層
の上面に電極を形成する第３の工程とを備えている。

【００４８】第１の半導体発光素子の製造方法におい
て、第１の工程が、電極コンタクト層の成長時にドーパ
ントの供給量を増大して高ドーピング領域を形成する工
程を含み、第２の工程が、高ドーピング領域に対してエ
ッチングを行なうことが好ましい。

【００４９】第１の半導体発光素子の製造方法におい
て、第２の工程がピロリン酸を用いることが好ましい。

【００５０】本発明に係る第２の半導体発光素子の製造
方法は、基板上に、少なくとも活性層及び電極コンタク
ト層を順次成長して半導体積層体を形成する第１の工程
と、電極コンタクト層の上に電極形成層を形成する第２
の工程と、電極形成層におけるキャビティ形成領域上の
一部に、絶縁膜からなるマスクパターンを形成する第３
の工程と、マスクパターンを用いて熱処理を行なうこと
により、電極コンタクト層におけるマスクパターンの下
側部分と他の部分とのコンタクト抵抗値を変える第３の
工程とを備えている。

【００５１】本発明に係る第３の半導体発光素子の製造
方法は、基板上に、少なくとも活性層及び電極コンタク
ト層を順次成長して半導体積層体を形成する第１の工程
と、電極コンタクト層におけるキャビティ形成領域上の
一部に部分電極を形成する第２の工程と、電極コンタク
ト層におけるキャビティ形成領域上の部分電極を含む全
面に電極を形成する第３の工程とを備えている。

【００５２】第１〜第３の半導体発光素子の製造方法に
おいて、半導体積層体が窒化物半導体からなることが好
ましい。

【００５３】本発明に係る第１の半導体発光素子の駆動
方法は、電極コンタクト層の厚さを部分的に変えること
により、発光光を生成するキャビティに対して不均一に
電流を注入する。

【００５４】本発明に係る第２の半導体発光素子の駆動
方法は、ｐ電極とｎ電極との間に、キャリアの拡散長以
上の間隔を持たせて、発光光を生成するキャビティに対
して不均一に電流を注入することにより自励発振を生じ
させる。

【００５５】本発明に係る第３の半導体発光素子の駆動
方法は、相対的に低い出力動作時に、発光光を生成する
キャビティに非発光領域が形成されるように駆動電流を
注入する。

【００５６】第３の半導体発光素子の駆動方法におい
て、駆動電流は周波数が約１００ＭＨｚ以上の高周波電
流であることが好ましい。

【００５７】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）本発明の第１
の実施形態について図面を参照しながら説明する。

【００５８】図１は本発明の第１の実施形態に係る半導
体発光素子であって、ｐコンタクト層４の厚さが部分的
に厚い領域４ａを有する構造を示している。

【００５９】以下、この素子構造と動作方法とについて
説明する。

【００６０】ｎ型ＧａＮ基板１Ａの上には、例えば、ｎ
型ＧａＮからなるｎコンタクト層２、ｎ型ＡｌＧａＮク
ラッド層（不図示）及びｎ型ＧａＮガイド層（不図示）
を含むｎ型半導体層と、ＩｎＧａＮからなる発光層３
と、ｐ型ＧａＮガイド層（不図示）、ｐ型ＡｌＧａＮク
ラッド層（不図示）及び厚さが１μｍ程度のｐコンタク
ト層４を含むｐ型半導体層とから構成される半導体積層
体が形成されている。

【００６１】半導体積層体の上部のｐコンタクト層４に
は、膜厚が他の部分よりも厚い領域４ａが形成されてい
る。

【００６２】ｐコンタクト層４におけるｐ電極５の側方
領域には、幅が１．８μｍ〜２．５μｍ程度のストライ
プ状にエッチングされてなる導波路構造（キャビティ）
が形成されている。

【００６３】ここで、発光層３の厚さは、キャビティの
全領域にわたってほぼ均一である。前述したように、窒
化物半導体は結晶の利得が大きいため、微分抵抗が大き
い低出力動作時には、シリーズ抵抗の違いの影響を大き
く受ける。このため、キャビティに光吸収領域（非発光
領域）が形成される。これに対し、高出力動作時には、
光吸収領域は形成されず且つ微分抵抗が小さいため、不
均一発光の影響は小さくなる。

【００６４】従って、低出力動作時には、キャビティは
部分的に発光し、高出力動作時には、キャビティの全域
で発光する。キャビティはレーザ光の共振方向で一定の
寸法とする必要があるため、ｐコンタクト層４の厚さは
変化させているものの、発光層３の厚さはほぼ一定とす
る必要がある。また、ｐコンタクト層４を除く半導体積
層体においても、その厚さはキャビティ方向において一
様且つ均一としている。

【００６５】ところで、ｐコンタクト層４の厚さの変化
量は１０％程度としている。これは、低出力動作時には
微分抵抗が１００Ω程度であり、シリーズ抵抗値の１０
Ωと比べて１０倍程度大きい。従って、シリーズ抵抗値
を１０％程度変化させて、電流注入密度を変えると、ｐ
コンタクト層４により生じる電圧は２倍程度変化する。
このため、十分に不均一な電流注入を実現することがで
きる。

【００６６】なお、ｐコンタクト層４の膜厚の変化量を
５０％以上に大きくした場合には、高出力動作時におい
ても、キャビティに駆動電流が注入されない領域が形成
されてしまい、レーザ特性が劣化する。

【００６７】従って、このｐコンタクト層４の膜厚の変
化量は電圧差が十分に取れる範囲であれば小さいほうが
好ましい。

【００６８】また、第１の実施形態においては、導電性
を有するｎ型ＧａＮ基板１Ａを用いているため、ｎ電極
７は、基板１Ａの半導体積層体が形成されている面の反
対側の面（裏面）に形成されている。しかしながら、基
板１Ａに絶縁性を有するサファイアを用いた場合には、
ｎ電極７は、半導体積層体中のｎコンタクト層２を露出
させた露出面上で且つｐ電極５の側方の領域に形成す
る。

【００６９】低出力動作時には、発光層３におけるキャ
ビティの出射端面８側のみが発光し、発光層３における
ｐコンタクト層４の厚い領域４ａの下側部分は光吸収領
域として機能する。この光吸収領域により、スーパール
ミネッセンスダイオードのように、多モードのスペクト
ル線幅が広くなって、干渉性が低減し、低雑音化が可能
となる。

【００７０】ここで、レーザ光の閾値電流が高出力時の
２〜３倍（１００ｍＡ）程度となるように厚い領域４ａ
のキャビティ方向における長さを調整する必要がある。
キャビティの長さが０．５ｍｍ程度の場合には、厚い領
域４ａの長さは０．１ｍｍ程度である。

【００７１】ところで、ｐコンタクト４の厚い領域４ａ
を出射端面８側に形成した場合は、出射端面８側の光強
度が減少するため、半導体積層体における出射端面８の
近傍部分の劣化を抑制することができるため好ましい。

【００７２】さらに、ｐコンタクト４の厚い領域４ａを
出射端面８側に形成した場合は、半導体積層体における
出射端面８と対向する面である反射端面における光強度
が大きくなることから、レーザの発振モードが安定する
等の効果を得られる。その結果、光出力が１ｍＷ時にお
ける相対雑音強度は−１３５ｄＢ／Ｈｚ〜−１１０ｄＢ
／Ｈｚ、又は−１３５ｄＢ／Ｈｚ以下にまで低減するこ
とを確認している。

【００７３】なお、ｐコンタクト層４の厚い領域４ａを
キャビティのいずれの端面側に設けるかは、設計時に決
定すれば良く、以下の実施形態においても、低出力動作
時の光吸収領域は、出射端面側又は反射端面側のいずれ
に設けても良い。

【００７４】ところで、ブラッグ反射器（ＤＢＲ）レー
ザ素子等の集積レーザ素子の場合には、電極が分離され
ており、電極間のコンタクト層はエッチング除去されて
いる。この集積レーザ素子は、それぞれの電極に対応し
た素子が互いに異なる機能を有しており、レーザ素子の
結晶構造等がそれぞれの領域で異なっている。

【００７５】また、電極が分離された従来のレーザ素子
に対して変調電流を印加する場合には、強度、周波数又
は位相が異なる電流を印加している。

【００７６】以下、第１の実施形態に係る半導体発光素
子の製造方法の詳細を図１を用いて説明する。

【００７７】まず、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法
等により、ｎ型ＧａＮ基板１Ａの上に、ｎ型ＧａＮから
なるｎコンタクト層２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ
型ＧａＮガイド層、ＩｎＧａＮからなる発光層３、ｐ型
ＧａＮガイド層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、及び厚さ
が１μｍ程度のｐコンタクト層４を順次成長して半導体
積層体を形成する。

【００７８】次に、塩素ガスを用いたドライエッチング
により、ｐコンタクト層４の出射端面８側を含む領域を
選択的に２００ｎｍの深さでエッチングする。このと
き、ｐコンタクト層４においてエッチングされずに残っ
た領域が厚い領域４ａとなる。なお、このときのドライ
エッチングに代えて、工程上簡便なピロリン酸を用いた
ウエットエッチングとしてもよい。

【００７９】次に、蒸着法により、エッチングされたｐ
コンタクト層４の全面に、例えばニッケルと金との積層
膜からなるｐ電極形成層を堆積する。

【００８０】次に、ｐ電極形成層におけるキャビティ形
成領域をレジスト膜によりマスクして、塩素系ガスを用
いたドライエッチングを行なって、ｐ電極形成層からキ
ャビティ形成領域を覆うストライプ状のｐ電極５を形成
する。その後、該ドライエッチングを続けて、ｐ型Ｇａ
Ｎガイド層までエッチングを行なって、ストライプ状の
キャビティを形成する。

【００８１】次に、蒸着法により、ＧａＮ基板１Ａの裏
面の全面に、例えばチタンとアルミニウムとの積層膜か
らなるｎ電極７を堆積して形成する。

【００８２】さらに、このようにして得られた半導体発
光素子をマウントする場合に、ｐ電極５及びｎ電極７に
おけるはんだ材による電極の劣化を抑えるために、両電
極５、７の上面に、厚さが１０μｍ程度の金めっきをそ
れぞれ施して、ｐ電極５及びｎ電極７とはんだ材とが接
触しないようにしている。

【００８３】（第２の実施形態）以下、本発明の第２の
実施形態について図面を参照しながら説明する。

【００８４】図２は本発明の第２の実施形態に係る半導
体発光素子を示している。

【００８５】半導体積層体の上部に位置するｐコンタク
ト層４の結晶成長時に、ｐ型ドーパントの供給量を増大
して、ｐコンタクト層４の上部に高ドーピング領域９を
形成する。その結果、ｐコンタクト層４の結晶表面に大
量の欠陥が発生し、表面の状態密度が増大してコンタク
ト抵抗値が減少する。

【００８６】図２に示すように、ｐコンタクト層４に、
低いコンタクト抵抗を持つ高ドーピング領域９を部分的
に残すことにより、駆動電流がキャビティに注入され易
い領域を部分的に形成している。

【００８７】従って、第１の実施形態においてはシリー
ズ抵抗値をキャビティ方向に変化させたが、第２の実施
形態においてはコンタクト抵抗値をキャビティ方向に変
化させる構成である。これにより、第１の実施形態と同
様の効果によって、低出力動作時の相対雑音強度が低下
することを確認している。

【００８８】コンタクト抵抗は、非線型であり、低電流
の印加時には高い抵抗値を示し、高電流の印加時には低
い抵抗値を示すため、低出力動作時には電流の不均一を
大きく生じさせることができる。一方、高出力動作時に
は、コンタクト抵抗値は非常に小さくなるため、キャビ
ティの全領域で極めて均一に発光させることが可能とな
る。

【００８９】ここで、高ドーピング領域９は、上面から
の深さが１０ｎｍ程度と極めて小さいため、ドライエッ
チングでもウエットエッチングでも容易に除去すること
ができる。なお、ウエットエッチングのエッチャントに
は、工程上簡便なピロリン酸を用いるのが好ましい。ま
た、高ドーピング領域９に対するエッチングは実質的に
はドーパントであるマグネシウムイオンを除去するだけ
で良いため、硫酸中で１時間程度のエッチングを行なっ
ても良い。

【００９０】（第２の実施形態の一変形例）図３は本発
明の第２の実施形態の一変形例に係る半導体発光素子を
示している。

【００９１】図３に示すように、ｐコンタクト層４の上
部には、互いに間隔をおいた複数の高ドーピング領域９
が形成されている。各高ドーピング領域９の幅は約３μ
ｍとし、高ドーピング領域９同士の間隔は約２μｍとし
ている。キャリアの拡散長は、1ｎｍ程度であるため、
１ＴＨｚ×１ｎｍ÷２μｍの計算結果から５００ＭＨｚ
程度の自励発振動作を実現できる。

【００９２】また、自励発振動作をさせる場合には、高
周波を重畳しなくても相対雑音強度が低下するため、半
導体レーザ素子の駆動回路を簡略化できる。

【００９３】なお、従来の自励発振を生じさせる半導体
レーザ素子は、光の分布領域に光を吸収する結晶層を有
しており、駆動電流の注入は不均一とはなっていない。

【００９４】ところで、第１の実施形態においても、ｐ
コンタクト層４の厚さを細かく変化させることにより同
様に自励発振動作を行なわせることができる。すなわ
ち、第１の実施形態に係る厚い領域４ａを、ｐコンタク
ト層４の複数箇所に設けることになる。

【００９５】なお、以下の実施形態においても、不均一
な電流注入領域を複数箇所に設ける構成は有効である。

【００９６】但し、本変形例においては、高ドーピング
領域９をエッチングによって１μｍ程度の細かいパター
ンに容易に分割でき、不均一な電流注入を確実に行なえ
るようになるため、自励発振現象を再現性良く実現する
ことができる。

【００９７】（第３の実施形態）以下、本発明の第３の
実施形態について図面を参照しながら説明する。

【００９８】図４は本発明の第３の実施形態に係る半導
体発光素子を示している。

【００９９】図４に示すように、基板１Ｂとして、現時
点では窒化ガリウムよりも安価なサファイアを用いてい
る。

【０１００】第３の実施形態は、キャビティ、すなわち
ｐ電極５とｎ電極７との間隔を、均一とせずに、キャビ
ティ方向に沿って変化させている。

【０１０１】第３の実施形態においても、ＭＯＶＰＥ法
等を用いて、サファイア基板１Ｂ上に、例えば、ｎ型Ｇ
ａＮからなるｎコンタクト層２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッ
ド層（不図示）、ｎ型ＧａＮガイド層（不図示）、Ｉｎ
ＧａＮからなる発光層３、ｐ型ＧａＮガイド層（不図
示）、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（不図示）、及びｐ型
ＧａＮからなるｐコンタクト層４を順次成長して半導体
積層体を形成している。

【０１０２】ｐ電極５はｐコンタクト層４の上に蒸着に
より形成され、ｎ電極７はｎコンタクト層２におけるｐ
電極５の側方の露出領域上に形成されている。

【０１０３】ｐコンタクト層４におけるｐ電極５の下側
部分は、ストライプ状にエッチングして導波路構造（キ
ャビティ）としている。

【０１０４】第３の実施形態は、ｐ電極５とｎ電極７と
の間隔を、キャビティの反射端面側で大きくしている。
その間隔が大きい間隔拡大領域を符号１０で示してい
る。

【０１０５】このように、ｎコンタクト層２の露出領域
上に、ｐ電極５とｎ電極７との間隔が大きい間隔拡大領
域１０を設けているため、ｎクラッド層を流れる電流の
シリーズ抵抗値が間隔拡大領域１０の下方領域において
増大する。その結果、第１の実施形態と同様に、キャビ
ティに注入される電流がキャビティの反射端面側で少な
くなって、不均一となる。このとき、ｎコンタクト層２
の抵抗はｐコンタクト層４の抵抗よりも小さいため、ｐ
電極５とｎ電極７との間隔を部分的に２倍以上に広げる
ことにより、キャビティに対して駆動電流を不均一に注
入することができる。さらに、このように、ｎコンタク
ト層２に高抵抗領域を形成した場合には、放熱特性に優
れるという効果をも得られるようになる。

【０１０６】ところで、ｎコンタクト層２の抵抗率を
０．０１５Ω・ｃｍとし、ｐ電極５とｎ電極７との間隔
をｄ（μｍ）とし、ｐ電極５への注入電流をＩ（Ａ）と
すると、両電極間の電圧降下Ｖは以下の式（１）で表わ
される。

【０１０７】Ｖ＝０．６Ｉ・ｄ … （１）これは、ｎ型半導体層の厚さを２μｍ程度と比較的に小
さく形成しているため、両電極間で適当な電圧降下を示
すことによる。

【０１０８】従って、間隔拡大領域１０の間隔寸法を１
５μｍ程度余計に設定すると、電圧降下は式（１）から
約１Ｖとなって、両電極５、７間の間隔拡大領域１０に
おける電流を制限できるため、キャビティに対する注入
電流が不均一となる。

【０１０９】なお、間隔拡大領域１０の間隔寸法を、間
隔寸法の３倍の３０μｍ以上とすると電圧降下Ｖが２Ｖ
以上となって好ましくない。

【０１１０】（第４の実施形態）以下、本発明の第４の
実施形態について図面を参照しながら説明する。

【０１１１】図５（ａ）〜図５（ｃ）は本発明の第４の
実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の工程順の構
成を示している。

【０１１２】まず、図５（ａ）に示すように、ＭＯＶＰ
Ｅ法等により、サファイア基板１Ｂ上に、例えば、ｎ型
ＧａＮからなるｎコンタクト層２、ｎ型ＡｌＧａＮクラ
ッド層（不図示）、ｎ型ＧａＮガイド層（不図示）、Ｉ
ｎＧａＮからなる発光層３、ｐ型ＧａＮガイド層（不図
示）、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（不図示）、及びｐ型
ＧａＮからなるｐコンタクト層４を順次成長して半導体
積層体を形成する。続いて、ｐコンタクト層４の上面
に、例えばニッケルと金との積層膜からなるｐ電極形成
層５Ａを堆積する。

【０１１３】次に、図５（ｂ）に示すように、ｐ電極形
成層５Ａ上におけるキャビティ形成領域の高コンタクト
抵抗化を図る領域に窒化物からなる絶縁膜１１を選択的
に形成して、窒素雰囲気中でアニールを行なう。その
後、ｐ電極形成層５Ａ上のキャビティ形成領域をマスク
して、塩素系ガスを用いたドライエッチングによりｐ型
ＧａＮガイド層までエッチングを行なって、ストライプ
状のキャビティを形成する。なお、高コンタクト抵抗化
を図る方法として、窒素雰囲気でアニールを行なう方法
以外にも、例えば、酸素プラズマにさらす方法、又はプ
ロトンを注入する方法を用いてもよい。

【０１１４】次に、図５（ｃ）に示すように、半導体積
層体におけるキャビティの一側方領域に対して、塩素系
ガスによるドライエッチングを行なって、ｎコンタクト
層２を露出する。続いて、露出したｎコンタクト層２の
上面にｎ電極形成パターンを開口部に持つレジストパタ
ーンを形成し、形成したレジストパターンの上に、蒸着
法により、チタンとアルミニウムとの積層膜を堆積す
る。続いて、堆積した積層膜から、リフトオフ法によっ
てｎ電極７を形成する。

【０１１５】このように、第４の実施形態によると、ｐ
コンタクト層４における窒化物からなる絶縁膜１１の下
側の領域が、絶縁膜１１を設けない領域と比べてコンタ
クト抵抗値が大きくなる。その結果、図１に示す第１の
実施形態に係る半導体発光素子と同様に、ｐコンタクト
４層におけるキャビティの反射端面側が低出力動作時に
光吸収領域となり、キャビティに対する不均一な電流注
入が実現される。

【０１１６】これに対し、絶縁膜１１を窒化物に代えて
酸化物とすると、ｐコンタクト層４における酸化物から
なる絶縁膜１１の下側の領域が、絶縁膜１１を設けない
領域と比べてコンタクト抵抗値が小さくなる。このた
め、図２に示す第２の実施形態に係る半導体発光素子と
同様に、ｐコンタクト４層におけるキャビティの出射端
面側が低出力動作時に光吸収領域となり、キャビティに
対する不均一な電流注入が実現される。

【０１１７】（第５の実施形態）以下、本発明の第５の
実施形態について図面を参照しながら説明する。

【０１１８】図６（ａ）〜図６（ｃ）は本発明の第５の
実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の工程順の構
成を示している。

【０１１９】まず、図６（ａ）に示すように、ＭＯＶＰ
Ｅ法等により、サファイア基板１Ｂ上に、例えば、ｎ型
ＧａＮからなるｎコンタクト層２、ｎ型ＡｌＧａＮクラ
ッド層（不図示）、ｎ型ＧａＮガイド層（不図示）、Ｉ
ｎＧａＮからなる発光層３、ｐ型ＧａＮガイド層（不図
示）、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（不図示）、及びｐ型
ＧａＮからなるｐコンタクト層４を順次成長して半導体
積層体を形成する。続いて、ｐコンタクト層４の上面
に、例えばニッケルからなるｐ電極形成層５Ｂを堆積す
る。

【０１２０】次に、図６（ｂ）に示すように、ｐ電極形
成層５Ｂに対して出射端面側を残すようにパターニング
して第１の電極としての部分電極５ａを形成する。続い
て、蒸着法により、ｐコンタクト層４の上に部分電極５
ａを含む全面にわたって、白金と金との積層膜からなる
ｐ電極形成膜１２Ａを堆積する。

【０１２１】次に、図６（ｃ）に示すように、ｐ電極形
成膜１２Ａ上のキャビティ形成領域をマスクして、塩素
系ガスを用いたドライエッチングによりｐ型ＧａＮガイ
ド層までエッチングを行なって、ストライプ状のキャビ
ティを形成する。これにより、キャビティの上に、部分
電極５ａを出射端面側に含むｐ電極形成膜１２Ａからｐ
電極１２が形成される。その後、半導体積層体における
キャビティの一側方領域に対して、塩素系ガスによるド
ライエッチングを行なって、ｎコンタクト層２を露出す
る。続いて、露出したｎコンタクト層２の上面にｎ電極
形成パターンを開口部に持つレジストパターンを形成
し、形成したレジストパターンの上に、蒸着法により、
チタンとアルミニウムとの積層膜を堆積する。堆積した
積層膜から、リフトオフ法によってｎ電極７を形成す
る。

【０１２２】このように、第５の実施形態によると、部
分電極５ａはニッケルからなるため、ｐコンタクト層４
に対するコンタクト抵抗が低減する。このため、図１に
示す第１の実施形態に係る半導体発光素子と同様に、ｐ
コンタクト４層におけるキャビティの反射端面側が低出
力動作時に光吸収領域となり、キャビティに対する不均
一な電流注入が実現される。

【０１２３】なお、第５の実施形態においては、ｐコン
タクト層４に対するコンタクト抵抗を低減する部分電極
５ａの材料にニッケルを用いたが、パラジウム（Ｐｄ）
又はマグネシウム（Ｍｇ）等のように、ｐコンタクト層
４に対するコンタクト抵抗を低減できる材料であればよ
い。

【０１２４】すなわち、ｐ電極１２と部分電極５ａは、
ｐコンタクト層４に対するコンタクト抵抗が、低出力動
作時にキャビティへの不均一な電流注入が実現される程
度に異なっていれば良い。

【０１２５】

【発明の効果】本発明に係る半導体発光素子及びその駆
動方法によると、電極コンタクト層との間で、シリーズ
抵抗値又はコンタクト抵抗値が変化するため、低出力動
作時にキャビティに電流を不均一に注入することができ
るため、発振閾値が大きくなるので、低出力時の相対雑
音強度を小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子
を示す斜視図である。

【図２】本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子
を示す斜視図である。

【図３】本発明の第２の実施形態の一変形例に係る半導
体発光素子を示す斜視図である。

【図４】本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子
を示す斜視図である。

【図５】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第４の実施形態に係
る半導体発光素子の製造方法を示す工程順の構成図であ
る。

【図６】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第５の実施形態に係
る半導体発光素子の製造方法を示す工程順の構成図であ
る。

【図７】従来の半導体発光素子を示す斜視図である。

【符号の説明】

１基板２ｎコンタクト層３発光層４ｐコンタクト層４ａ厚い領域５ｐ電極５Ａｐ電極形成層５Ｂｐ電極形成層５ａ部分電極７ｎ電極８出射側９高ドーピング領域１０間隔拡大領域１１絶縁膜１２Ａｐ電極形成膜１２ｐ電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に形成され、発光層及び電極コン
タクト層を含む半導体積層体と、前記電極コンタクト層の上に形成された電極とを備え、前記電極コンタクト層は、前記電極の下側の厚さが部分
的に異なることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】前記電極コンタクト層はｐ導電型である
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】前記半導体積層体は発光光を生成するキ
ャビティを有し、前記電極コンタクト層における前記キ
ャビティの出射端面側の厚さは反射端面側の厚さよりも
小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体
発光素子。
【請求項４】前記半導体積層体は発光光を生成するキ
ャビティを有し、前記電極コンタクト層における前記キ
ャビティの出射端面側の厚さは反射端面側の厚さよりも
大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体
発光素子。
【請求項５】前記電極コンタクト層には、厚さが異な
る領域が２箇所以上形成されていることを特徴とする請
求項１又は２に記載の半導体発光素子。
【請求項６】前記電極コンタクト層における厚さの増
分は約１０％以上且つ約５０％以下であることを特徴と
する請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載の半導体
発光素子。
【請求項７】基板上に形成され、発光層及び電極コン
タクト層を含む半導体積層体と、前記電極コンタクト層の上に形成された電極とを備え、前記電極コンタクト層は、前記電極の下側に厚さが部分
的に異なる高ドーピング領域を有していることを特徴と
する半導体発光素子。
【請求項８】前記高ドーピング領域はｐ導電型である
ことを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子。
【請求項９】前記半導体積層体は発光光を生成するキ
ャビティを有し、前記高ドーピング領域は、前記キャビティの出射端面側
に設けられていることを特徴とする請求項７又は８に記
載の半導体発光素子。
【請求項１０】前記半導体積層体は発光光を生成する
キャビティを有し、前記高ドーピング領域は、前記キャビティの反射端面側
に設けられていることを特徴とする請求項７又は８に記
載の半導体発光素子。
【請求項１１】前記高ドーピング領域は、前記電極の
下側に２箇所以上形成されていることを特徴とする請求
項７又は８に記載の半導体発光素子。
【請求項１２】前記高ドーピング領域の表面不純物濃
度は、前記電極コンタクト層の不純物濃度と比べて、約
１．５倍以上且つ約３倍以下であることを特徴とする請
求項６〜１１のうちのいずれか１項に記載の半導体発光
素子。
【請求項１３】基板上に形成され、発光層、該発光層
を上下に挟む第１の電極コンタクト層及び第２の電極コ
ンタクト層を含む半導体積層体と、前記第１の電極コンタクト層の上に形成された第１の電
極と、前記第２の電極コンタクト層の上に形成された第２の電
極とを備え、前記半導体積層体は、発光光を生成するキャビティを有
し、前記第１の電極と前記第２の電極との間隔は、前記キャ
ビティが延びる方向に沿って異なることを特徴とする半
導体発光素子。
【請求項１４】前記第１の電極はｎ電極であって、前記ｎ電極と前記キャビティとの間隔は部分的に異なる
ことを特徴とする請求項１３に記載の半導体発光素子。
【請求項１５】前記第１の電極と前記第２の電極とに
おける前記キャビティにの出射端面側の間隔は、反射端
面側の間隔よりも大きいことを特徴とする請求項１３又
は１４に記載の半導体発光素子。
【請求項１６】前記第１の電極と前記第２の電極とに
おける前記キャビティにの出射端面側の間隔は、反射端
面側の間隔よりも小さいことを特徴とする請求項１３又
は１４に記載の半導体発光素子。
【請求項１７】前記第１の電極と前記第２の電極との
間隔は、相対的に広い領域が相対的に狭い領域の約２倍
以上且つ約５倍以下であることを特徴とする請求項１３
〜１６のうちのいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項１８】前記半導体積層体は窒化物半導体から
なることを特徴とする請求項１〜１７のうちのいずれか
１項に記載の半導体発光素子。
【請求項１９】基板上に、少なくとも活性層及び電極
コンタクト層を順次成長して半導体積層体を形成する第
１の工程と、前記電極コンタクト層の上面に対して部分的にエッチン
グを行なうことにより、前記電極コンタクト層の厚さを
変える第２の工程と、上面がエッチングされた前記コンタクト層の上面に電極
を形成する第３の工程とを備えていることを特徴とする
半導体発光素子の製造方法。
【請求項２０】前記第１の工程は、前記電極コンタク
ト層の成長時にドーパントの供給量を増大して高ドーピ
ング領域を形成する工程を含み、前記第２の工程は、前記高ドーピング領域に対してエッ
チングを行なうことを特徴とする請求項１９に記載の半
導体発光素子の製造方法。
【請求項２１】前記第２の工程は、ピロリン酸を用い
ることを特徴とする請求項１９又は２０に記載の半導体
発光素子の製造方法。
【請求項２２】基板上に、少なくとも活性層及び電極
コンタクト層を順次成長して半導体積層体を形成する第
１の工程と、前記電極コンタクト層の上に電極形成層を形成する第２
の工程と、前記電極形成層におけるキャビティ形成領域上の一部
に、絶縁膜からなるマスクパターンを形成する第３の工
程と、前記マスクパターンを用いて熱処理を行なうことによ
り、前記電極コンタクト層における前記マスクパターン
の下側部分と他の部分とのコンタクト抵抗値を変える第
３の工程とを備えていることを特徴とする半導体発光素
子の製造方法。
【請求項２３】基板上に、少なくとも活性層及び電極
コンタクト層を順次成長して半導体積層体を形成する第
１の工程と、前記電極コンタクト層におけるキャビティ形成領域上の
一部に部分電極を形成する第２の工程と、前記電極コンタクト層におけるキャビティ形成領域上の
前記部分電極を含む全面に電極を形成する第３の工程と
を備えていることを特徴とする半導体発光素子の製造方
法。
【請求項２４】前記半導体積層体は窒化物半導体から
なることを特徴とする請求項１９〜２３のうちのいずれ
か１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項２５】電極コンタクト層の厚さを部分的に変
えることにより、発光光を生成するキャビティに対して
不均一に電流を注入することを特徴とする半導体発光素
子の駆動方法。
【請求項２６】ｐ電極とｎ電極との間に、キャリアの
拡散長以上の間隔を持たせて、発光光を生成するキャビ
ティに対して不均一に電流を注入することにより自励発
振を生じさせることを特徴とする半導体発光素子の駆動
方法。
【請求項２７】相対的に低い出力動作時に、発光光を
生成するキャビティに非発光領域が形成されるように駆
動電流を注入することを特徴とする半導体発光素子の駆
動方法。
【請求項２８】前記駆動電流は周波数が約１００ＭＨ
ｚ以上の高周波電流であることを特徴とする請求項２７
に記載の半導体発光素子の駆動方法。