JP2004281559A

JP2004281559A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP2004281559A
Application number: JP2003068556A
Authority: JP
Inventors: Toshihide Izumitani; 谷敏英泉
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-03-13
Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2004-10-07
Also published as: US20040227142A1; KR20040081380A

Abstract

【課題】高速動作で、かつ、光出力が高いＲＣ型ＬＥＤを提供する。
【解決手段】波長λの光を反射する第１の反射膜と、前記第１の反射膜上に形成され、電流注入により波長λの光を放射する発光層と、前記発光層上に形成され、第１の半導体層と、前記第１の半導体層よりも屈折率が低い第２の半導体層と、を交互に複数回積層した周期構造からなり、第２導電型で、波長λの光を反射し、波長λの光に対する反射率が前記第１の反射膜よりも低い、第２の反射膜と、前記第２の反射膜上に形成され、第２導電型で、前記第２の反射膜の膜厚の１／２以上の膜厚を有し、波長λの光に対して透光性を有する電流拡散層と、前記電流拡散層上に形成され、第２導電型で、バッドギャップが前記電流拡散層よりも狭いコンタクト層と、少なくとも前記第２の反射膜の一部に形成された高抵抗化領域と、を備え、５００Ｍｂｐｓ以上の速度で動作可能であることを特徴とする半導体発光素子を提供する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【従来の技術】
近年、ＩＩＩ−Ｖ属化合物半導体を利用した発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）が光通信、マルチメディア関連事業、ＬＥＤ表示パネルに使用され広く普及してきている。中でも光通信の分野での発展は急速で、社会のＩＴ化を支えている。この光通信とは、一般的には、石英系光ファイバーと、赤外領域の波長の光素子と、を用いた長距離の大容量光通信を指す。しかし、この数年、可視光の波長の光素子を用いた、１０〜１００ｍ程度の短距離の光通信も脚光を受けている。これは、ポリマー系の光ファイバー（ＰＯＦ）が開発され、可視領域での光伝送が可能になったからである。現時点では、この１０〜１００ｍ程度の短距離のデータ転送において、５００Ｍ〜１Ｇｂｐｓの伝送速度が上記のＩＩＩ−Ｖ属化合物半導体発光素子を使用して実証されつつある。
【０００２】
このような５００Ｍｂｐｓクラスの伝送速度（ＩＥＥＥ１３９４など）の可視光短距離光通信のＩＩＩ−Ｖ属化合物半導体発光素子として期待されているのが、レゾナントキャビティ（ｒｅｓｏｎａｎｔｃａｖｉｔｙ）型ＬＥＤ（ＲＣ型ＬＥＤ）である。このＲＣ型ＬＥＤは、いわばレーザダイオードと発光ダイオードの中間とも言える特徴を持つ素子で、その高速応答性に期待が寄せられている。
【０００３】
すなわち、これまで、１２５Ｍｂｐｓ程度の伝送速度の光通信に用いる発光素子としては、安価であることから、表示用ＬＥＤと同じ構造のＬＥＤが利用されてきた。しかし、このＬＥＤでは２５０Ｍｂｐｓ程度の伝送速度に対応することが限界と見られており、高速応答性に問題がある。一方、応答速度の点だけを見ると、発光素子としてＬＤを用いることが優位である。しかし、ＬＤには、高価である、温度特性が悪い、という問題点がある。そこで、可視光短距離光通信の発光素子として、上記のＲＣ−ＬＥＤに大きな期待が寄せられている。このＲＣ−ＬＥＤは、例えば、特開２００２−７６４３３号公報や特開２００２−１１１０５４号公報に記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−７６４３３号公報
【特許文献２】
特開２００２−１１１０５４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＲＣ型ＬＥＤは、光出力が低く、５００Ｍｂｐｓ以上の伝送速度の光通信に用いると、受光側の信号が弱くなってしまうという問題があった。これは、発光素子において、高速動作を可能にすることと、光出力を増加させることと、を両立することが困難であるためである。
【０００６】
すなわち、発光素子では、発光面積を縮小し、素子容量を低減すれば、高速動作が可能となる。しかし、このようにすると、通常、光出力は低くなる。逆に、素子を大型化したり、電流狭窄構造やリッジ構造などの複雑な構造を用いたりすれば、光出力は高くなる。しかし、このようにすると、高速動作は困難となる。このように、発光素子において、高速動作を可能にすることと、光出力を増加させることと、を両立することが困難である。このため、高速動作を優先し、５００Ｍｂｐｓ以上の動作になるようにＲＣ型ＬＥＤを設計すると、光出力が低くなってしまった。
【０００７】
本発明は、かかる課題の認識に基づくものであり、その目的は、高速動作で、かつ、光出力が高いレゾナントキャビティ型半導体発光素子（ＲＣ型ＬＥＤ）を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光素子は、波長λの光を反射する第１の反射膜と、前記第１の反射膜上に形成され、電流注入により略波長λの光を放射する発光層と、前記発光層上に形成され、第１の半導体層と、前記第１の半導体層よりも屈折率が低い第２の半導体層と、を交互に複数回積層した周期構造からなり、第２導電型で、波長λの光を反射し、波長λの光に対する反射率が前記第１の反射膜よりも低い、第２の反射膜と、前記第２の反射膜上に形成され、第２導電型で、前記第２の反射膜の膜厚の１／２以上の膜厚を有し、波長λの光に対して透光性を有する電流拡散層と、前記電流拡散層上に形成され、第２導電型で、バッドギャップが前記電流拡散層よりも狭いコンタクト層と、少なくとも前記第２の反射膜の一部に形成された高抵抗化領域と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照にしつつ、本発明の実施の形態の半導体発光素子について説明する。本実施形態の半導体発光素子の特徴の１つは、例えば図１に示すように、第２の反射膜１７等の一部に高抵抗化領域７０を設け、かつ、この第２の反射膜１７上に電流拡散層１８を設けている点である。この構成に基づき、本実施形態では、高抵抗化領域７０を設けたので、素子容量を低減し、高速動作をさせることができる。また、電流拡散層１８を設けたので、ｐ側電極２０からの電流を発光層１５に均一に注入し、光出力を向上させることができる。これらより、５００Ｍｂｐｓ以上の高速動作が可能で、かつ、光出力が高いレゾナントキャビティ型ＬＥＤ（ＲＣ型ＬＥＤ）を得ることができる。以下では、図１〜図７を参照にして、６つの実施の形態について説明する。
【００１０】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態のＲＣ型ＬＥＤの断面図である。このＲＣ型ＬＥＤは、５００Ｍｂｐｓ以上の伝送速度の光通信で用いられる発光素子である。発光波長は、６６０ｎｍである。この発光波長は、現行のＰＯＦにおいて、伝送ロスが少ない波長である。
【００１１】
図１において、ＧａＡｓ基板１１上には、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１２、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．５０）とＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ｙ＝０．９５）とを交互に５０ペア積層したｎ型の下側ＤＢＲ（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）層（第１の反射膜）１３、ＩｎＧａＡｌＰ系材料からなるｎ型クラッド層１４、ＩｎＧａＡｌＰ系材料からなるＭＱＷ構造の発光層１５、ＩｎＧａＡｌＰ系材料からなるｐ型クラッド層１６、Ａｌ_ｊＧａ_１−ｊＡｓ（ｊ＝０．５０）とＡｌ_ｋＧａ_１−ｋＡｓ（ｋ＝０．９５）とを交互に１２ペア積層した膜厚約１．２μｍのｐ型の上側ＤＢＲ層（第２の反射膜）１７、が順次形成されている。この上側ＤＢＲ層１７上には、Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（ｚ＝０．７）からなる膜厚６００ｎｍの電流拡散層１８が形成されている。図１のＲＣ型ＬＥＤの特徴の１つは、この電流拡散層１８を設けた点である。この電流拡散層１８のキャリア濃度は、１．０×１０^１８／ｃｍ^３〜４．０×１０^１８／ｃｍ^３である。この電流拡散層１８上には、ＧａＡｓからなる膜厚２０ｎｍのｐ型コンタクト層１９が形成されている。ｎ型ＤＢＲ層１３〜コンタクト層１９の一部には、図１に示すように、プロトン打ち込みにより高抵抗化領域７０が形成されている。プロトンが打ち込まれない部分の図中横方向のサイズ、つまり発光部の図中横方向のサイズは、５０μｍである。コンタクト層１９上の一部には、一方側の電極であるｐ側電極（電極メタル）８０が形成されている。他方側の電極であるｎ側電極８１は、ＧａＡｓ基板１１の図中下側に形成される。
【００１２】
上記の図１のＲＣ型ＬＥＤの各半導体層１２〜１９は例えばＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）により成長される。Ｉｎ原料はトリメチルインジウム（ＴＭＩ）、Ｇａ原料はトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、Ａｌ原料はトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、砒素原料はアルシン（ＡｓＨ_３）、窒素原料はモノメチルヒドラジンが使用される。ｎ型ドーパントの原料にはシラン（ＳｉＨ_４）、ｐ型ドーパントの原料にはジメチル亜鉛（ＤＭＺ）または４臭化炭素（ＣＢｒ_４）を利用することができる。特に、ＡｌＧａＡｓからなる上側ＤＢＲ層１７および電流拡散層１８は、ｐ型ドーパントの原料に４臭化炭素を利用し、ｐ型ドーパントを炭素にすることが好ましい。このようにＡｌＧａＡｓからなる層１７、１８へのドーパントを炭素にすると、ｐ型ドーパントが高濃度にドープされ、かつ、ｐ型ドーパントが発光層１５へ拡散しにくくなり、高い特性が得られる。各半導体層１２〜１９の成長後は、プロトン打ち込みにより高抵抗化領域７０を形成し、ｐ側電極８０およびｎ側電極８１を形成して、図１のＲＣ型ＬＥＤとなる。
【００１３】
この図１のＲＣ型ＬＥＤでは、ｐ側電極８０とｎ側電極８１とから発光層１５に電流が注入され、発光層１５から波長６６０ｎｍ付近の光が放射される。この光は、反射膜としての上下のＤＢＲ層１３、１７によって反射され、共振されて、フォトリサイクリング効果により、発光スペクトル幅が約５．５ｎｍまで狭められる。図１の発光素子では、発光層１５からの光に対する反射率は、下側ＤＢＲ層１３が９９．９５％と高いのに対し、上側ＤＢＲ層１７が約９５％と低い。このため、共振された光は、反射率が低い上側ＤＢＲ層１７を介して、図中上側に放射される。
【００１４】
ここで、ＲＣ型ＬＥＤとは、図１のように、発光層１５の両側を反射膜１３、１７で挟み、この間で光を共振させ、フォトリサイクリング効果を発生させるものである。キャリアに反転分布が生じ、共振がさらに強まれば面発光レーザとなるが、ＲＣ型ＬＥＤでは面発光レーザよりも反射膜１３、１７の反射率が低く、レーザ発振（誘導放射）は起こらない。面発光レーザは、例えば４Ｇｂｐｓ以上の動作が求められる光通信に用いられ、この用途ではスペクトル幅を２〜３ｎｍと狭くする必要がある。これに対し、５００Ｍｂｐｓ〜１Ｇｂｐｓの動作が求められる光通信では、スペクトル幅は６ｎｍ程度で対応でき、図１のＲＣ型ＬＥＤでも対応できる。このＲＣ型ＬＥＤでは、光取り出し側の反射膜１７の反射率を下げると、光の増幅効果（フォトリサイクリング効果）は低下するが、光の外部への放出は容易になる。このため、光取り出し側の反射膜１７のペア数を適切な値まで減らすと、光出力が高くなる。本実施形態では、上述のように、第１の反射膜１３のペア数を５０としたのに対し、第２の反射膜（光取出し側の反射膜）１７のペア数を１２まで減らして、光出力を高めている。
【００１５】
以上説明した図１のＲＣ型ＬＥＤでは、ｎ型ＤＢＲ層１３〜コンタクト層１９の一部にプロトン打ち込みにより高抵抗化領域７０を形成したので、素子の容量を低減し、素子の高速動作を可能にすることができる。
【００１６】
また、図１のＲＣ型ＬＥＤでは、上側ＤＢＲ層１７上に厚さ６００ｎｍの電流拡散層１８を設けたので、光出力を増加させることができる。これは、電流拡散層１８を設けることにより、ｐ側電極２０から発光層１５に向かう電流が図中横方向に十分広がり、発光層に均一に電流が注入されるからであると解析される。
【００１７】
もっとも、５００Ｍｂｐｓ以上の高速動作が要求されるＲＣ型ＬＥＤにおいて、膜厚が６００ｎｍもある電流拡散層１８を設けることは、従来の技術常識に反することである。なぜなら、厚膜の電流拡散層１８を設ければ、素子容量が高くなり、高速動作が困難になってしまうと考えられていたからである。しかしながら本発明者の実験によれば、図１の素子では、１Ｇｂｐｓでの動作実験で良好な結果が得られた。この理由について、本発明者は、次のように考えている。すなわち、図１の素子では、上側ＤＢＲ層１７等へのイオン注入により高抵抗化領域７０を形成することによって素子容量を低減しているので、電流狭窄層を形成することによって素子容量を低減する場合と異なり、上側ＤＢＲ層１７、電流拡散層１８、コンタクト層１９の結晶成長を連続して行うことができる。このように結晶成長を連続して行い、十分なキャリア濃度があれば、従来考えられていたよりも、電流拡散層１８を設けることによる素子抵抗の上昇が少なくなる。また、上側ＤＢＲ層１７を構成する半導体と電流拡散層１８を構成する半導体とはいずれもＡｌＧａＡｓであり、Ｖ族元素（Ａｓ）が共通である。このようにＶ族元素が共通する半導体層１７、１８を中断なしに形成した場合には、両層１７、１８の界面での素子抵抗の上昇が少なくなる。また、上側ＤＢＲ層１７を構成する半導体と電流拡散層１８を構成する半導体には共にＡｌが大量に含まれている。このようにＡｌが含まれている半導体層１７、１８を連続して形成した場合には、両層１７、１８の界面での素子抵抗の上昇が少なくなる。これらにより、素子抵抗の上昇の大部分はｎ型層１３、１４とｐ型層１６〜１９との境界で起こり、電流拡散層１８を設けることによる素子抵抗の上昇の寄与は少ない。この結果、図１の素子では、電流拡散層１８を設けたのにも拘わらず、１Ｇｂｐｓでの高速動作が可能になると考えられる。
【００１８】
このように、図１の素子では、高抵抗化領域７０を設け、かつ、電流拡散層１８を設けたので、高い動作速度を維持しながら、発光出力を高くすることができる。具体的には、図１の素子は、５００Ｍｂｐｓでの動作実験において、素子抵抗１０Ω、素子容量３ｐＦ、パルス駆動での発光立ち上がり時間２ｎｓｅｃ以下、立ち下り時間１ｎｓｅｃ以下、の動作ができた。また、図１のＲＣ型ＬＥＤでは、光出力が、電流拡散層１８を設けていない図２に示す本発明者の他のＲＣ型ＬＥＤ（比較サンプル）に比べ、１０％以上上昇する。つまり、電流拡散層１８を設けることにより、光出力を１．１倍以上にすることができる。
【００１９】
また、図１のＲＣ型ＬＥＤでは、反射膜１３、１７として、Ａｌ_０．５０Ｇ_０ _．５０Ａｓからなる高屈折率層と、Ａｌ_０．９５Ｇａ_０．０５Ａｓからなる低屈折率層と、を交互に周期的に積層したＤＢＲ層を用いた。この反射膜１３、１７では、低屈折率層から高屈折率層へ光が進行する際にその光の反射が起こり易いという光の性質を利用して、発光層１５からの光を反射する。そして、周期構造を、発光層１５からの光の波長の２または１／２または１／８倍に対応する周期の周期構造とすることで、発光層１５からの光を効率良く反射することができる。
【００２０】
また、図１のＤＢＲ層１７のような、Ａｌ_ｊＧａ_１−ｊＡｓ／Ａｌ_ｋＧａ_１−ｋＡｓからなるＤＢＲ層１７は、ＧａＡｓ基板１１や発光層１５と格子定数が近く、ＩｎＧａＡｌＰ系発光素子で一般的に用いられている。このため、このＤＢＲ層１７は、その特性や製造方法が良く知られていて、設計や製造が容易である。また、このような２種類の交互積層膜を用いることは、その間に中間組成の層を入れる場合に比べ、熱抵抗を下げ、製造を容易にすることができる。
【００２１】
以上説明した図１のＲＣ型ＬＥＤでは、電流拡散層１８を、膜厚６００ｎｍのＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（ｚ＝０．７）としが、この膜厚およびＡｌ組成ｚを変えることもできる。光出力を重視する場合は、膜厚を厚くしてＡｌ組成ｚを高くする。逆に、対湿性を重視する場合は、Ａｌ組成ｚを低くする。ただし、電流拡散層１８が発光層１５からの光を吸収しないように、Ａｌ組成ｚは０．５以上が好ましい。また、上述の光出力の上昇効果を得るためには、電流拡散層１８の膜厚を、上側ＤＢＲ層１７の膜厚の半分以上にすることが好ましい。
【００２２】
また、図１のＲＣ型ＬＥＤでは、第２の反射膜１７として、Ａｌ_ｊＧａ_１−ｊＡｓ（ｊ＝０．５０）からなる第１の半導体層と、Ａｌ_ｋＧａ_１−ｋＡｓ（ｋ＝０．９５）からなる第２の半導体層と、を交互に周期的に積層したＤＢＲ層を用いたが、発光波長等に応じて、Ａｌ組成ｊ、ｋを変化させることもできる。ただし、Ａｌ組成が低い第１の半導体層のＡｌ組成ｊは、発光層１５からの光に対して吸収が無いように設定することが好ましい。また、両層のＡｌ組成の差（ｋ−ｊ）は、発光層１５からの光に対する反射率を大きくするため、高く設定することが好ましい。
【００２３】
また、図１のＲＣ型ＬＥＤでは、第１の反射膜１３として、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．５０）と、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ｙ＝０．９５）と、を交互に周期的に５０ペア積層したＤＢＲ層を用いた。しかし、必要に応じて、この第１の反射膜１３を、発光層１５からの光に対する反射率が９９．９％以上の他の反射膜とすることもできる。
【００２４】
以上の説明では、理解を容易にするために、共振波長λ_ＦＰと、ＰＬ発光波長（活性層からの発光波長）λ_ＰＬと、が等しいものとして説明した。しかし、これらは厳密にはやや異なる値とされる。具体的には、ＲＣ型ＬＥＤでは、一般的に、Δ＝λ_ＦＰ−λ_ＰＬ＝５〜１０ｎｍとされる。これは、発熱でλ_ＰＬが長くなるなどの理由からである。つまり、図１のＲＣ型ＬＥＤは、厳密には、第１および第２の反射膜１３、１７による共振波長をλ_ＦＰとすれば、発光層が放射する光は（λ_ＦＰ−Δ）である。つまり、発光層が放射する光は、略波長λ_ＦＰである。
【００２５】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態のＲＣ型ＬＥＤが第１の実施の形態（図１）と異なる点は、図３に示すように、上側ＤＢＲ層２７のペア数を６に減らし、この上側ＤＢＲ層２７の膜厚を約６００ｎｍまで薄くした点である。これにより、光出力をさらに高くすることができる。上側ＤＢＲ層２７のペア数および膜厚以外の構造は第１の実施の形態（図１）と同様である。
【００２６】
図３は、本発明の第２の実施の形態のＲＣ型ＬＥＤを示す断面図である。ｐ型クラッド層１６上に形成された上側ＤＢＲ層２７は、第１の実施の形態（図１）と同様に、Ａｌ_ｊＧａ_１−ｊＡｓ（ｊ＝０．５０）からなる高屈折率層と、Ａｌ_ｋＧａ_１−ｋＡｓ（ｋ＝０．９５）からなる低屈折率層と、を交互に集積した構造である。最終層（一番上の層）は、Ａｌ_ｊＧａ_１−ｊＡｓ（ｊ＝０．５０）からなる高屈折率層である。膜厚は約６００ｎｍである。この膜厚は、図１の上側ＤＢＲ層１７の約半分である。この図３の上側ＤＢＲ層２７では、反射率を高めるために、発光層１５から見て最遠層（一番上の層）を高屈折率層（Ａｌ_０．５０Ｇａ_０．５０Ａｓ層）としている。また、このように上側ＤＢＲ層２７の一番上の層を低Ａｌ組成の層とすることで、耐湿性も向上する。この上側ＤＢＲ層２７上に形成された電流拡散層１８の膜厚は６００ｎｍである。この電流拡散層１８上には、コンタクト層１９が形成される。
【００２７】
上記の図３のＲＣ型ＬＥＤでは、ＤＢＲ層２７のペア数を６まで減らしたので、図１の素子に比べてさらに光出力を高くすることができる。この理由は、ＤＢＲ層２７のペア数を減らすことにより光の外部への放出が容易になること、および、電流拡散層１８を設けたのでＤＢＲ層２７の膜厚を薄くしてもｐ側電極８０から発光層１５に向かう電流が図中横方向に十分広がって発光層１５に均一に電流が注入されること、によると解析される。具体的には、図３のＲＣ型ＬＥＤの光出力は、図１の素子の約１．１倍、図２の比較サンプルの約１．２倍、となった。
【００２８】
また、図３の素子では、上側ＤＢＲ層２７のペア数を減らしたので、熱抵抗の低減を図り、温度特性を上昇させることもできる。
【００２９】
また、図３の素子では、上側ＤＢＲ層２７のペア数を減らしたのでスペクトル幅が６ｎｍまで広がるが、ＰＯＦを用いた短距離光通信システムでは、このスペクトル幅でも問題はない。
【００３０】
以上説明した図３のＲＣ型ＬＥＤでは、上側のＤＢＲ層２７のペア数を６とした例について説明したが、このペア数が４以上１１以下、好ましくは４以上８以下であれば、光出力を上昇させる効果を得ることができる。
【００３１】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態のＲＣ型ＬＥＤが第２の実施の形態（図３）と異なる点は、図４に示すように、電流拡散層３８をＺｎドープのＩｎ_０．５（Ｇａ_０．５Ａｌ_０．５）_０．５Ｐとした点である。他の構造は、第２の実施の形態（図３）と同様であり、詳細な説明は省略する。
【００３２】
図４のＲＣ型ＬＥＤの製造方法では、電流拡散層３８のｐ型ドーパントの原料にジメチル亜鉛（ＤＭＺ）を利用し、ｐ型ドーパントを亜鉛とすることが好ましい。このようにＩｎＧａＡｌＰからなる層３８のｐ型ドーパントを亜鉛とすると、ｐ型ドーパントが高濃度にドープされる。
【００３３】
図４のＲＣ型ＬＥＤでは、電流拡散層３８をＩｎ_０．５（Ｇａ_０．５Ａｌ_０．５）_０．５Ｐとしたので、第２の実施の形態（図３）に比べ、耐酸化性を向上させることができる。ここで、この電流拡散層３８は、膜厚を厚くするほど、耐酸化性が向上するはずである。しかし、この電流拡散層３８は、ＡｌＧａＡｓからなる第２の反射膜２７と材料系が異なるため、厚膜の結晶成長が困難である。このため、電流拡散層３８の膜厚は、０．５μｍ以上２μｍ以下が好ましい。
【００３４】
また、図４のＲＣ型ＬＥＤでは、第２の反射膜２７と、電流拡散層３８と、の材料系が異なるにもかかわらず、素子抵抗の上昇を抑え、５００Ｍｂｐｓ以上の高速動作を実現することができる。この理由は、上側ＤＢＲ層２７と電流拡散層３８とを連続して結晶成長できること、および、連続する両層２７、３８にＡｌを含ませることで両層２７、２８の界面での素子抵抗が上昇しにくくなること、によると解析される。
【００３５】
以上説明した図４のＲＣ型ＬＥＤでは、電流拡散層３８をＩｎ_ｄ（Ｇａ_１−ｃＡｌ_ｃ）_１−ｄＰ（ｃ＝０．５、ｄ＝０．５）とした。このようにｃ＝ｄ＝０．５付近にすると、耐酸化性を優れたものとすることができる。ただし、発光層１５から放射される発光波長により、最適な組成は変化する。
【００３６】
また、図４のＲＣ型ＬＥＤでは、第２の反射膜２７をＡｌ_０．５０Ｇａ_０．５０Ａｓ／Ａｌ_０．９５Ｇａ_０．０５Ａｓ周期多層構造、電流拡散層３８をＩｎ_０．５（Ｇａ_０．５Ａｌ_０．５）_０．５Ｐとしたが、上記第２の反射膜２７を平均Ａｌ組成０．４以上のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とし、上記電流拡散層３８をＡｌ組成０．２以上のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とすることもできる。逆に、Ａｌ組成を上記の値未満にすると、十分な効果が得られない。
【００３７】
（第４の実施の形態）
図５は、本発明の第４の実施の形態のＲＣ型ＬＥＤを示す断面図である。発光波長は、第１の実施の形態（図１）と同じく６６０ｎｍに設定した。この素子が第１の実施の形態（図１）と異なる点は、第２の反射膜１７の一部を水蒸気により選択酸化して、高抵抗化領域４０を形成した点である。
【００３８】
この図５の素子でも、第１の実施の形態（図１）の素子と同様に、ＤＢＲ層１７、電流拡散層１８、コンタクト層１９の結晶成長を連続して行うことができる。このため、電流拡散層１８を設けることによる素子抵抗の上昇は少なく、第１の実施の形態と同様の高速動作を行うことができる。
【００３９】
この図５の素子は、構造や製造方法がやや複雑で、第１の実施の形態と比べるとやや均一性、再現性に難がある。しかし、高抵抗領域４０となる酸化層（ＡｌＯ_ｘ）の屈折率が小さいため、レンズ効果が生じるメリットがある。このため、動作電圧を低くして、低電流領域での出力を高くすることができる。また、スペクトル幅を５ｎｍと狭くすることができる。
【００４０】
（第５の実施の形態）
上述の第１〜第４の実施の形態では、プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）を用いた光伝送（光通信）に対応する発光波長６６０ｎｍの発光素子について説明した。本実施形態では、石英ファイバを用いた光伝送に対応する発光波長１．２５μｍの発光素子について説明する。
【００４１】
図６は、本発明の第５の実施の形態の赤外発光のＲＣ型ＬＥＤの断面図である。ＧａＡｓ基板１１上には、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１２、ｎ型の下側ＤＢＲ層１３、ＡｌＧａＡｓからなるｎ型クラッド層５４、窒素２％のＧａＩｎＮＡｓからなる単一量子井戸構造の発光層５５、ＡｌＧａＡｓからなるｐ型クラッド層５６、ｐ型の上側ＤＢＲ層１７、ｐ型ＧａＡｓからなる膜厚１．０μｍの電流拡散層５８、ＧａＡｓからなる膜厚２０ｎｍのｐ型コンタクト層１９、が順次形成されている。
【００４２】
上記の図６の素子では、発光層５５をＧａＩｎＮＡｓとしている。この発光層５５から発光される光は、波長約１．２５μｍの赤外光である。また、この発光層５５の材質に合わせ、クラッド層５４、５６をＡｌＧａＡｓにより構成している。また、電流拡散層５８は、電流拡散層効果を高めるために１．０μｍの厚膜としている。また、この電流拡散層５８は、動作電圧を低下させ、耐湿性を向上させ、高速動作を可能にするために、バンドギャップが小さいＧａＡｓにより構成している。このように、電流拡散層５８を膜厚が厚くバンドギャップが小さい層としても、ＧａＡｓ層５８は赤外光を透過するので、発光層５５からの光が電流拡散層５８により吸収されることはほとんどない。
【００４３】
以上説明した図６のＲＣ型ＬＥＤでは、ＬＤ（レーザダイオード）に比べ、コストを格段に下げることができる。また、ＬＤに比べ、動作電流密度を低くすることができる。また、熱の影響を少なくして、高温動作を可能にすることができる。ただし、ＬＤに比べると、スペクトル幅は広く、動作速度は遅い。このため、図６のＲＣ型ＬＥＤでは、これらの特徴を考慮し、用途に応じて、ＬＤと使い分けることができる。
【００４４】
上記の図６のＲＣ型ＬＥＤでは、発光波長を１．２５μｍにする例について説明したが、Ｎ混入量を変化させて発光波長を１．３５μｍ程度まで長波長化することも可能である。
【００４５】
また、図６のＲＣ型ＬＥＤでは、これを石英ファイバに用いる例について説明したが、今後赤外領域に損失の少ないＰＯＦが開発されれば、これをＰＯＦに用いることも可能である。
【００４６】
（第６の実施の形態）
第６の実施の形態は、発光波長０．９８μｍのＲＣ型ＬＥＤである。
【００４７】
図７は、本発明の第６の実施の形態のＲＣ型ＬＥＤを示す断面図である。ＧａＡｓ基板１１上には、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１２、ＧａＡｓとＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ｙ＝０．９７）とを交互に積層したｎ型の下側ＤＢＲ層（第１の反射膜）６３、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓからなるｎ型クラッド層６４、ＩｎＧａＡｓ系材料からなるＭＱＷ構造の発光層６５、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓからなるｐ型クラッド層６６、ＧａＡｓとＡｌ_ｋＧａ_１−ｋＡｓ（ｋ＝０．９７）とを交互に積層したｐ型の上側ＤＢＲ層（第２の反射膜）６７、ｐ型ＧａＡｓからなる膜厚０．５μｍの電流拡散層６８、ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層１９、が順次形成されている。
【００４８】
上記の図７の素子では、発光層６５をＩｎＧａＡｓ系材料としている。この発光層６５から発光される光の波長は、約０．９８μｍである。また、この発光層６５の材質にあわせ、クラッド層６４、６６をＡｌＧａＡｓ系材料により構成している。また、反射膜６３、６７は、１ペアあたりの反射率を上げるために、Ａｌ_ｊＧａ_１−ｊＡｓ（ｊ＝０）とＡｌ_ｋＧａ_１−ｋＡｓ（ｋ＝０．９７）とを組み合わせ、組み合わせる２つの層の屈折率差を大きくしている。このように反射膜６３、６７を構成する一方の層にＧａＡｓ層を用いても、図７の素子は発光波長が０．９８μｍの赤外光なので、このＧａＡｓ層による吸収はほとんど起こらない。また、電流拡散層６８を構成する材料も、ＧａＡｓとしている。
【００４９】
以上説明した図７のＲＣ型ＬＥＤも、図６のＲＣ型ＬＥＤと同様に、ＬＤ（レーザダイオード）に比べ、コストを下げ、動作電流密度を低くし、熱の影響を少なくし、寿命を長くすることができる。このため、図７のＲＣ型ＬＥＤも、用途に応じて、ＬＤと使い分けることができる。
【００５０】
また、図７のＲＣ型ＬＥＤも、今後赤外領域に損失の少ないＰＯＦが開発されれば、ＰＯＦに用いることが可能である。
【００５１】
以上のように、本発明を第１〜第６の実施の形態により説明した。しかし、本発明は、上記の実施の形態に限られるものではない。例えば、各実施の形態の発光層の材質を変えることができる。具体的には、発光層にＮ（窒素）を混入させることで、ヘテロ接合を形成した場合の伝導帯側のエネルギー不連続を増加させ、電子のオーバーフローを低減して、温度特性を向上させることができる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形をして実施することができる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、第１の反射膜と、発光層と、第２の反射膜と、を備えるＲＣ型ＬＥＤにおいて、上記第２の反射膜の一部に高抵抗化領域を設けて素子容量を低減し、かつ、上記第２の反射膜上に電流拡散層を設けたので、高速動作で、かつ、光出力が高いＲＣ型ＬＥＤを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の半導体発光素子の断面図。
【図２】本発明者の比較サンプルのＲＣ型ＬＥＤの断面図。
【図３】本発明の第２の実施の形態の半導体発光素子の断面図。
【図４】本発明の第３の実施の形態の半導体発光素子の断面図。
【図５】本発明の第４の実施の形態の半導体発光素子の断面図。
【図６】本発明の第５の実施の形態の半導体発光素子の断面図。
【図７】本発明の第６の実施の形態の半導体発光素子の断面図。
【符号の説明】
１１ｎ型ＧａＡｓ基板
１３ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓからなる第１の反射膜
１５ＩｎＧａＡｌＰ系材料からなる発光層
１７ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓからなる第２の反射膜
１８ＡｌＧａＡｓからなる電流拡散層
１９コンタクト層
２７ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓからなる第２の反射膜
３８ＩｎＧａＡｌＰからなる電流拡散層
４０水蒸気酸化により形成された高抵抗化領域
５５ＧａＩｎＮＡｓからなる発光層
５８ＧａＡｓからなる電流拡散層
６４ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓからなる第１の反射膜
６５ＩｎＧａＡｓ系材料からなる発光層
６７ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓからなる第２の反射膜
６８ＧａＡｓからなる電流拡散層
７０プロトン打ち込みにより形成された高抵抗化領域

Claims

波長λの光を反射する第１の反射膜と、
前記第１の反射膜上に形成され、電流注入により略波長λの光を放射する発光層と、
前記発光層上に形成され、第１の半導体層と、前記第１の半導体層よりも屈折率が低い第２の半導体層と、を交互に複数回積層した周期構造からなり、第２導電型で、波長λの光を反射し、波長λの光に対する反射率が前記第１の反射膜よりも低い、第２の反射膜と、
前記第２の反射膜上に形成され、第２導電型で、前記第２の反射膜の膜厚の１／２以上の膜厚を有し、波長λの光に対して透光性を有する電流拡散層と、
前記電流拡散層上に形成され、第２導電型で、バッドギャップが前記電流拡散層よりも狭いコンタクト層と、
少なくとも前記第２の反射膜の一部に形成された高抵抗化領域と、
を備えることを特徴とする半導体発光素子。
５００Ｍｂｐｓ以上の速度で動作可能であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
前記第２の反射膜が、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる前記第１の半導体層と、前記第１の半導体層とＶ族元素が共通のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる前記第２の半導体層と、を交互に複数回積層した周期構造からなり、
前記電流拡散層が、前記第１および第２の半導体層とＶ族元素が共通のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体発光素子。
前記第２の反射膜が、Ａｌ_ｊＧａ_１−ｊＡｓ（０≦ｊ）からなる前記第１の半導体層と、Ａｌ_ｋＧａ_１−ｋＡｓ（ｊ＜ｋ≦１）からなる前記第２の半導体層と、を交互に複数回積層した周期構造からなり、
前記電流拡散層が、Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体発光素子。
前記第２の反射膜が、平均Ａｌ組成が０．４以上のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、
前記電流拡散層が、Ａｌ組成が０．２以上のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体発光素子。
前記第２の反射膜が、Ａｌ_ｊＧａ_１−ｊＡｓ（０≦ｊ）からなる前記第１の半導体層と、Ａｌ_ｋＧａ_１−ｋＡｓ（ｊ＜ｋ≦１）からなる前記第２の半導体層と、を交互に複数回積層した周期構造からなり、
前記電流拡散層が、Ｉｎ_ｄ（Ｇａ_１−ｃＡｌ_ｃ）_１−ｄＰ（０＜ｃ≦１、０≦ｄ＜１）からなることを特徴とする請求項５記載の半導体発光素子。
前記第２の反射膜の積層ペア数が４以上１２以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の半導体発光素子。