JP2004356438A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】n型GaAs基板11、n型DBR層12、及び電極15を有するベース部10と、MQW活性層21、p型DBR層22及び電極25を有するメサ部20とによって半導体発光素子1Aを構成する。また、活性層21と、p型DBR層22との間に、DBR層22側から活性層21側に向けて、低Al組成AlGaAs層51、電流狭窄層31、及び低Al組成AlGaAs層52を順に形成する。そして、電流狭窄層31の外周側の一部を酸化させて酸化領域31aとするとともに、酸化領域31aで囲まれる電流狭窄領域31bの面積がDBR層22側から活性層21側に向けて徐々に小さくなるようにする。
【選択図】 図2
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電流狭窄型の半導体発光素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体レーザや半導体発光ダイオードなどの半導体発光素子は、光通信システムをはじめとする様々な分野において広く利用されている。このような半導体発光素子として、垂直共振器型面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)や、共振器型発光ダイオードなどの発光素子が知られている。
【0003】
VCSELは、活性層の上下に反射鏡を設けることによって共振器を構成する発光素子である。また、VCSELなどの半導体発光素子では、活性層へ供給される電流を狭窄することによって発光する領域を制限する電流狭窄構造が用いられている(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開2001−160658号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記文献においては、半導体発光素子での電流狭窄構造として、Alを含む化合物半導体層の外周側の一部を酸化することによって電流狭窄層とする構造が用いられている。このような構造では、酸化処理においてAl組成比が高いほど酸化が速く進行することを利用して、半導体層に形成する電流を狭窄するための酸化領域の範囲を調整することが可能である。
【0006】
上記文献に記載された半導体発光素子では、具体的には、電流狭窄層となる半導体層のうち厚さ方向の中心位置でAl組成比が最も高く、そこから両端部に向けてAl組成比が徐々に減少する構成が用いられている。このとき、酸化領域の内周で囲まれて電流の経路となる電流狭窄領域が、電流狭窄層となる半導体層の中心位置において最も狭窄されることとなる。しかしながら、このような構成では狭窄の対象となる電流は、電流狭窄層内の中心位置で最も狭窄された後に再び活性層に向けて広がりやすく、電流狭窄効果が充分には得られないという問題があった。
【0007】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、電流狭窄効果が向上されて、高い発光効率が得られる半導体発光素子を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明による半導体発光素子は、(1)半導体基板と、(2)半導体基板上に形成され、電流が供給されることによって発光する領域が生成される活性層と、(3)半導体基板上にAlを含む化合物半導体から形成され、その外周側の所定領域が酸化された電流狭窄層とを備え、(4)電流狭窄層は、酸化領域の内周で囲まれる面積が活性層の反対側から活性層側に向けて小さくなるように形成されていることを特徴とする。
【0009】
上記した半導体発光素子においては、半導体層の外周側の一部を酸化させた電流狭窄層を、酸化領域の内側で電流の経路となる電流狭窄領域が活性層に向けて狭くなっていく構成としている。これにより、狭窄の対象となる電流は、電流狭窄層内の活性層側の位置で最も狭窄されることとなる。したがって、活性層に対する電流狭窄効果が向上されて、高い発光効率が得られる半導体発光素子が実現される。また、このような電流狭窄層は、化合物半導体層の厚さ方向の各位置でのAl組成比を適宜設定することによって形成することができる。
【0010】
電流狭窄層の構成としては、Al組成比が活性層の反対側から活性層側に向けて徐々に高くなるように形成された化合物半導体層を有する構成を用いることができる。あるいは、電流狭窄層の構成として、Al組成比が活性層の反対側から活性層側に向けて段階的に高くなるように形成された化合物半導体層を有する構成を用いることができる。これらのテーパ状またはステップ状の構成によれば、上記した構成の電流狭窄層を好適に実現することができる。
【0011】
また、電流狭窄層の構成として、所定のAl組成比で形成された第1化合物半導体層と、第1化合物半導体層に対して活性層側に第1化合物半導体層よりも高いAl組成比で形成された第2化合物半導体層とを有する構成を用いても良い。このように複数の化合物半導体層を積層することによっても、上記した構成の電流狭窄層を好適に実現することができる。
【0012】
この場合、第1化合物半導体層と、第2化合物半導体層との間に、第1化合物半導体層及び第2化合物半導体層よりも低いAl組成比で形成された化合物半導体層を設けることが好ましい。このような構成によれば、電流狭窄層に印加される電圧が分割されることにより、電流狭窄層の耐圧が向上される。
【0013】
また、電流狭窄層は、活性層側または活性層の反対側となる厚さ方向の端部において、酸化領域の内周で囲まれる面積が広がるテーパ部を有して形成されていることが好ましい。これにより、電流狭窄層の端部における電界集中が緩和されるので、電流狭窄層の耐圧が向上される。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、図面とともに本発明による半導体発光素子の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【0015】
図1は、本発明による半導体発光素子の第1実施形態の構成を示す上面図である。また、図2は、図1に示した半導体発光素子の断面構成を示すI−I矢印側面断面図である。図1及び図2に示した半導体発光素子1Aは、垂直共振器型面発光レーザ(VCSEL)であり、ベース部10と、ベース部10上に設けられた円柱状のメサ部20とを備えている。
【0016】
ベース部10には、半導体基板であるn型GaAs基板11と、基板11上に形成されたn型DBR(Distributed Bragg Reflector)層12とが設けられている。n型DBR層12は、組成が異なる化合物半導体層を交互に積層して構成された下部半導体多層ミラー層である。本実施形態においては、n型DBR層12として、Al組成比が異なるAlGaAs層が交互に積層された半導体多層構造が用いられている。
【0017】
メサ部20には、活性層21と、上部半導体多層ミラー層であるp型DBR層22とが設けられている。活性層21は、AlGaInP/GaInPの半導体積層構造で構成された多重量子井戸(MQW:Multiple Quantum Well)活性層である。また、p型DBR層22としては、n型DBR層12と同様に、Al組成比が異なるAlGaAs層が交互に積層された半導体多層構造が用いられている。そして、これらの活性層21の下部に設けられたDBR層12と、上部に設けられたDBR層22とによって、本VCSEL 1Aにおける垂直共振器が構成されている。
【0018】
p型DBR層22上には、リング状のGaAsコンタクト層23が形成されている。また、これらのp型DBR層22及びコンタクト層23上には、コンタクト層23の一部が露出するように絶縁層24が形成され、さらにその上部に、コンタクト層23と電気的に接続されたリング状のp側電極(アノード)25が設けられている。また、ベース部10のn型GaAs基板11の下部には、基板11と電気的に接続されたn側電極(カソード)15が全面に設けられている。これらの電極15、25間に所定の電圧が印加されて電流が流れると、活性層21内において、電流が供給されることによって発光する領域が生成される。
【0019】
図1及び図2に示したVCSEL 1Aにおいては、MQW活性層21と、p型DBR層22との間に、p型DBR層22側から活性層21側に向けて、低Al組成AlGaAs層51、電流狭窄層31、及び低Al組成AlGaAs層52が順に形成されている。
【0020】
電流狭窄層31は、活性層21に対する電流を狭窄する半導体層であり、Alを含む化合物半導体から形成される。本実施形態においては、電流狭窄層31として、AlGaAs層51、52よりも高いAl組成比を有する高Al組成AlGaAs層が用いられている。
【0021】
電流狭窄層31のうちで外周側の所定領域は、AlGaAsが酸化されることによって高抵抗化された酸化領域31aとなっている。そして、この酸化領域31aの内周で囲まれた領域は、電流狭窄領域31bとなっている。ここで、図3は、VCSEL 1Aにおける電流の経路を示す模式図である。
【0022】
上記のように外側の酸化領域31a及び内側の電流狭窄領域31bからなる電流狭窄層31を備える構成では、図3に示すように、高抵抗化されていない電流狭窄領域31bが電流の経路となる。これにより、電流狭窄層31内において、活性層21へと供給される電流が狭窄される。そして、この電流の狭窄により、活性層21内で生成される発光する領域の範囲が制限される。また、活性層21の発光する領域からの発光は、DBR層12、22からなる垂直共振器構造によってレーザ発振し、リング状の電極25に囲まれた円形部分の絶縁層24よりVCSEL 1Aの上方へと出射される。
【0023】
さらに、電流狭窄層31は、図2及び図3に示すように、その酸化領域31aで囲まれる電流狭窄領域31bの内径が、DBR層22側(低Al組成AlGaAs層51側)から活性層21側(低Al組成AlGaAs層52側)に向けて徐々に小さくなり、したがって、領域31bの面積が活性層21側に向けて徐々に小さくなるように形成されている。このような電流狭窄層31は、後述するように、高Al組成AlGaAs層の厚さ方向の各位置でのAl組成比を、酸化しようとする範囲に応じて適宜設定することによって形成することができる。
【0024】
また、電流狭窄層31のDBR層22側となる厚さ方向の端部には、電流狭窄領域31bの面積がDBR層22側に向けて広がるように領域31a、31bの境界が面取りされたテーパ部31cが形成されている。同様に、電流狭窄層31の活性層21側となる端部には、電流狭窄領域31bの面積が活性層21側に向けて広がるように境界が面取りされたテーパ部31dが形成されている。
【0025】
本実施形態による半導体発光素子の効果について説明する。
【0026】
図1〜図3に示したVCSEL 1Aにおいては、高Al組成AlGaAs層の外周側の一部を酸化させた電流狭窄層31を、電流狭窄領域31bが活性層21に向けて狭くなっていく構成としている。これにより、狭窄の対象となる電極15、25間での電流は、電流狭窄層31内において、その活性層21側の位置で最も狭窄されることとなる。したがって、活性層21に対する電流狭窄効果が向上されて、高い発光効率及び良好な発光特性の半導体発光素子が実現される。
【0027】
また、このような構成の電流狭窄層31では、活性層21に向けての電流の狭窄がスムーズとなることにより、発光素子1Aの低抵抗化を実現できる。これにより、素子内での発熱を抑制することが可能となり、素子の出力特性を安定させることができる。
【0028】
また、電流狭窄層31の具体的な構成としては、本実施形態においては、電流狭窄領域31bの面積が活性層21側に向けて徐々に小さくなるテーパ状の構成を用いている。このような構成によれば、活性層21側の位置で電流が最も狭窄される構成の電流狭窄層31を好適に実現することができる。
【0029】
さらに、この電流狭窄層31において、DBR層22側及び活性層21側の両端部の所定領域にテーパ部31c、31dを設けている。これにより、電流狭窄層31の端部における電界集中が緩和されるので、電流狭窄層31の耐圧が向上される。このようなテーパ部については、下部または上部の一方の端部に設ける構成としても良く、あるいはテーパ部を設けない構成としても良い。
【0030】
ベース部10及びメサ部20からなる上記構成の半導体発光素子1Aは、例えば以下のような方法で形成することができる。すなわち、n型GaAs基板11上に必要な半導体層を積層した後、n型DBR層12の上面の深さまで円柱型の形状を残すエッチングを行ってメサ部20を形成する。さらに、得られた素子に対して水蒸気雰囲気中で加熱処理を行い、半導体層の外周側を酸化させて高抵抗化することによって、電流狭窄層31を有する発光素子1Aが形成される。
【0031】
ここで、半導体層に形成される酸化領域の範囲については、酸化処理の温度及び時間などの処理条件、及び各半導体層でのAl組成比またはその分布によって制御することができる。特に、酸化処理においてAl組成比が高いほど酸化が速く進行することを利用すれば、半導体層に形成される酸化領域の範囲及び形状等を適切に調整することが可能である。
【0032】
すなわち、上記構成のVCSEL 1Aにおいては、電流狭窄層31となるAlGaAs層は、Al組成比が高い化合物半導体層となっている。これにより、酸化処理時に電流狭窄層31の外周側で選択的に酸化が進行し、酸化領域31a及び電流狭窄領域31bからなる電流狭窄層31内での電流狭窄構造を形成することができる。なお、図2に示すように、電流狭窄層31以外のAlGaAs層においても、それぞれAl組成比に応じて外周側の一部が酸化される。
【0033】
電流狭窄領域31bが活性層21に向けて徐々に狭くなる構成の電流狭窄層31については、図4に示すAl組成比分布を有するAlGaAs層によって形成することができる。図4のグラフにおいて、縦軸は電流狭窄層31内における厚さ方向の位置Zを、また、横軸は各位置ZにおけるAl組成比(%)を示している。ここで、以下においては、電流狭窄層内での厚さ方向の位置について、上部DBR層側の端部の位置をZ=0、活性層側(下部DBR層側)の端部の位置をZ=Z1とする。
【0034】
図4に示すAl組成比分布では、Al組成比がZ=0からZ1に向けて徐々に高くなるようにAlGaAs層が構成されている。そして、このような高Al組成AlGaAs層に対して酸化処理を行うことにより、図2に示した構成の電流狭窄層31を形成することができる。
【0035】
図5は、従来の半導体発光素子の電流狭窄層でのAl組成比分布を示すグラフである(特許文献1参照)。図5に示すAl組成比分布では、厚さ方向の中心位置でAl組成比が最も高く、そこから両端部に向けてAl組成比が徐々に減少するようにAlGaAs層が構成されている。このような高Al組成AlGaAs層に対して酸化処理を行って形成した電流狭窄層では、電流が狭窄された後に再び活性層に向けて広がるという問題がある。
【0036】
これに対して、上記のようにAl組成比がZ=0からZ1に向けて徐々に高くなり、電流狭窄領域31bの面積が徐々に小さくなる構成の電流狭窄層31を用いることにより、電流が狭窄されたされた後に再び活性層21に向けて広がることが抑制され、活性層21に対する電流狭窄効果が向上される。そして、この電流狭窄効果の向上により、高い発光効率及び良好な発光特性が得られる半導体発光素子を実現することができる。
【0037】
より具体的な構成としては、例えば、電流狭窄層31については、厚さを30〜100nm、酸化領域31aの上部での内径をφ11μm、下部での内径をφ10μmとして形成することができる。また、低Al組成Al0.5Ga0.5As層51等についても、同様に厚さを30〜100nm程度とすることができる。なお、電流狭窄層31の上下の両端部でのテーパ部31c、31dについても、対応するテーパ状のAl組成比分布を図4に示している。また、ベース部20の上部に設けられるp側電極25については、メサエッチにより取り除かれた円柱部の周りを半導体や樹脂で埋め戻した後で、図1中に点線26で例示したようなボンディング電極部を設けても良い。
【0038】
図6は、本発明による半導体発光素子の第2実施形態の断面構成を示す側面断面図である。図6に示した半導体発光素子1Bは、発光素子1Aと同様にVCSELであり、ベース部10と、ベース部10上に円柱状に設けられたメサ部20とを備えている。これらのうち、ベース部10に設けられたn型GaAs基板11、n型DBR層12、及び電極15、メサ部20に設けられたMQW活性層21、p型DBR層22、コンタクト層23、絶縁層24、及び電極25については、図1及び図2に示した構成と同様である。
【0039】
図6に示したVCSEL 1Bにおいては、MQW活性層21と、p型DBR層22との間に、p型DBR層22側から活性層21側に向けて、低Al組成AlGaAs層51、電流狭窄層32、及び低Al組成AlGaAs層52が順に形成されている。電流狭窄層32としては、AlGaAs層51、52よりも高いAl組成比を有する高Al組成AlGaAs層が用いられている。
【0040】
本実施形態においては、電流狭窄層32を構成するAlGaAs層は、DBR層22側から順に上部領域(上部層)33、中間領域(中間層)34、及び下部領域(下部層)35の3つの領域から構成されている。また、各領域33〜35のうちで外周側の所定領域は、AlGaAsが酸化されることによって高抵抗化された酸化領域33a〜35aとなっている。そして、この酸化領域33a〜35aの内周で囲まれた領域は、それぞれ電流狭窄領域33b〜35bとなっている。
【0041】
さらに、電流狭窄層32は、図6に示すように、その酸化領域33a〜35aで囲まれる電流狭窄領域33b〜35bの内径がDBR層22側から活性層21側に向けて領域33b、34b、35bの順で小さくなり、したがって、領域33b〜35bの面積が活性層21側に向けて段階的に小さくなるように形成されている。
【0042】
本実施形態による半導体発光素子の効果について説明する。
【0043】
図6に示したVCSEL 1Bにおいては、電流狭窄層32を、電流狭窄領域33b〜35bが活性層21に向けて狭くなっていく構成とし、したがって、電流狭窄層32内において、その活性層21側の位置で電流が最も狭窄される構成としている。これにより、活性層21に対する電流狭窄効果が向上されて、高い発光効率及び良好な発光特性の半導体発光素子が実現される。
【0044】
また、電流狭窄層32の具体的な構成としては、本実施形態においては、電流狭窄領域33b〜35bの面積が活性層21側に向けて段階的に小さくなるステップ状の構成を用いている。このような構成によればテーパ状の構成と同様に、活性層21側の位置で電流が最も狭窄される構成の電流狭窄層32を好適に実現することができる。
【0045】
電流狭窄領域33b〜35bが活性層21に向けて段階的に狭くなる構成の電流狭窄層32については、図7に示すAl組成比分布を有するAlGaAs層によって形成することができる。図7に示すAl組成比分布では、Al組成比がZ=0からZ1に向けて3段階で段階的に高くなるようにAlGaAs層が構成されている。そして、このような高Al組成AlGaAs層に対して酸化処理を行うことにより、図6に示した構成の電流狭窄層32を形成することができる。
【0046】
より具体的な構成としては、例えば、電流狭窄層32については、上部領域33の厚さを30nm、Al組成比を0.96、内径をφ15μm、中間領域34の厚さを30nm、Al組成比を0.97、内径をφ13μm、下部領域35の厚さを30nm、Al組成比を0.98、内径をφ10μmとして形成することができる。また、低Al組成AlGaAs層51等についても、同様に厚さを30〜100nm程度とすることができる。
【0047】
図8は、本発明による半導体発光素子の第3実施形態の断面構成を示す側面断面図である。図8に示した半導体発光素子1Cは、発光素子1Aと同様にVCSELであり、ベース部10と、ベース部10上に円柱状に設けられたメサ部20とを備えている。これらのうち、ベース部10に設けられたn型GaAs基板11、n型DBR層12、及び電極15、メサ部20に設けられたMQW活性層21、p型DBR層22、コンタクト層23、絶縁層24、及び電極25については、図1及び図2に示した構成と同様である。
【0048】
図8に示したVCSEL 1Cにおいては、MQW活性層21と、p型DBR層22との間に、p型DBR層22側から活性層21側に向けて、低Al組成AlGaAs層51、第1電流狭窄層36、低Al組成AlGaAs層52、第2電流狭窄層37、低Al組成AlGaAs層53、第3電流狭窄層38、及び低Al組成AlGaAs層54が順に形成されている。電流狭窄層36、37、38としては、AlGaAs層51、52、53、54よりも高いAl組成比を有する高Al組成AlGaAs層が用いられている。
【0049】
本実施形態においては、電流狭窄層として、上記した3層の電流狭窄層36、37、38を設けている。また、各層36〜38のうちで外周側の所定領域は、AlGaAsが酸化されることによって高抵抗化された酸化領域36a〜38aとなっている。そして、この酸化領域36a〜38aの内周で囲まれた領域は、それぞれ電流狭窄領域36b〜38bとなっている。
【0050】
これらの電流狭窄層36〜38は、その個々の構成としては、図8に示すように、電流狭窄領域36b〜38bの内径及び面積が各層内において略一定となるように形成されている。また、全体の構成としては、電流狭窄領域36b〜38bの内径及び面積がDBR層22側から活性層21側に向けて領域36b、37b、38bの順で段階的に小さくなるように形成されている。また、電流狭窄層36、37の間、及び電流狭窄層37、38の間には、上記したように、それぞれ低Al組成AlGaAs層52、53が挿入されている。
【0051】
本実施形態による半導体発光素子の効果について説明する。
【0052】
図8に示したVCSEL 1Cにおいては、電流狭窄層36〜38を、電流狭窄領域36b〜38bが活性層21に向けて狭くなっていく構成とし、したがって、電流狭窄層36〜38内において、その活性層21側にある電流狭窄層38内の位置で電流が最も狭窄される構成としている。これにより、活性層21に対する電流狭窄効果が向上されて、高い発光効率及び良好な発光特性の半導体発光素子が実現される。
【0053】
また、電流狭窄層の具体的な構成については、全体として電流狭窄領域36b〜38bの面積が段階的に小さくなるステップ状の構成を用いている。これにより、活性層21側の位置で電流が最も狭窄される構成の電流狭窄層を好適に実現している。
【0054】
また、電流狭窄層36、37の間、及び電流狭窄層37、38の間に、それぞれ、電流狭窄層となるAlGaAs層よりも低いAl組成比で形成された低Al組成AlGaAs層52、53を設けている。図9は、このような電流狭窄構造の等価回路を示す模式図である。
【0055】
電流狭窄層となる高Al組成AlGaAs層と、低Al組成AlGaAs層とが交互に積層された構造の等価回路は、図9に示すように、抵抗及びコンデンサが並列接続された回路を直列接続した構造となる。このような構成によれば、電流狭窄層に印加される電圧が、低Al組成AlGaAs層52、53が挿入された電流狭窄層36〜38のそれぞれに分割されることにより、電流狭窄層の耐圧が向上される。
【0056】
電流狭窄領域36b〜38bが活性層21に向けて狭くなる構成の電流狭窄層36〜38の構成については、Al組成比が電流狭窄層36、37、38の順で段階的に高くなるAl組成比分布を用いて形成することができる。
【0057】
より具体的な構成としては、例えば、電流狭窄層については、第1電流狭窄層36の厚さを30〜100nm、Al組成比を0.97、内径をφ20μm、第2電流狭窄層37の厚さを30〜100nm、Al組成比を0.98、内径をφ15μm、第3電流狭窄層38の厚さを30〜100nm、Al組成比を0.99、内径をφ10μmとして形成することができる。また、低Al組成AlGaAs層51等についても、同様に厚さを30〜100nm程度とすることができる。
【0058】
図10は、本発明による半導体発光素子の第4実施形態の断面構成を示す側面断面図である。図10に示した半導体発光素子1Dは、発光素子1Aと同様にVCSELであり、ベース部10と、ベース部10上に円柱状に設けられたメサ部20とを備えている。これらのうち、ベース部10に設けられたn型GaAs基板11、n型DBR層12、及び電極15、メサ部20に設けられたMQW活性層21、p型DBR層22、コンタクト層23、絶縁層24、及び電極25については、図1及び図2に示した構成と同様である。
【0059】
図10に示したVCSEL 1Dにおいては、MQW活性層21と、p型DBR層22との間に、p型DBR層22側から活性層21側に向けて、低Al組成AlGaAs層51、第1電流狭窄層41、低Al組成AlGaAs層52、第2電流狭窄層42、低Al組成AlGaAs層53、第3電流狭窄層43、及び低Al組成AlGaAs層54が順に形成されている。電流狭窄層41、42、43としては、AlGaAs層51、52、53、54よりも高いAl組成比を有する高Al組成AlGaAs層が用いられている。また、これらの電流狭窄層41〜43は、互いに略同一の厚さで形成されている。
【0060】
本実施形態においては、電流狭窄層として、上記した3層の電流狭窄層41、42、43を設けている。また、各層41〜43のうちで外周側の所定領域は、AlGaAsが酸化されることによって高抵抗化された酸化領域41a〜43aとなっている。そして、この酸化領域41a〜43aの内周で囲まれた領域は、それぞれ電流狭窄領域41b〜43bとなっている。
【0061】
これらの電流狭窄層41〜43は、その個々の構成としては、図10に示すように、電流狭窄領域41b〜43bの内径及び面積が各層内においてDBR層22側から活性層21側に向けて徐々に小さくなるように形成されている。また、全体の構成としては、電流狭窄領域41b〜43bの内径及び面積がDBR層22側から活性層21側に向けて領域41b、42b、43bの順で段階的に小さくなるように形成されている。また、電流狭窄層41、42の間、及び電流狭窄層42、43の間には、上記したように、それぞれ低Al組成AlGaAs層52、53が挿入されている。
【0062】
本実施形態による半導体発光素子の効果について説明する。
【0063】
図10に示したVCSEL 1Dにおいては、電流狭窄層41〜43を、電流狭窄領域41b〜43bが活性層21に向けて狭くなっていく構成とし、したがって、電流狭窄層41〜43内において、その活性層21側にある電流狭窄層43内の位置で電流が最も狭窄される構成としている。これにより、活性層21に対する電流狭窄効果が向上されて、高い発光効率及び良好な発光特性の半導体発光素子が実現される。
【0064】
また、電流狭窄層の具体的な構成については、全体として電流狭窄領域41b〜43bの面積が段階的に小さくなるステップ状の構成を用いるとともに、個々の電流狭窄層内において領域41b〜43bの面積が徐々に小さくなるテーパ状の構成を用いている。これにより、活性層21側の位置で電流が最も狭窄される構成の電流狭窄層を好適に実現している。
【0065】
また、電流狭窄層41、42の間、及び電流狭窄層42、43の間に、それぞれ、電流狭窄層となるAlGaAs層よりも低いAl組成比で形成された低Al組成AlGaAs層52、53を設けている。このような構成によれば、電流狭窄層に印加される電圧が分割されることにより、その耐圧が向上される。
【0066】
電流狭窄領域41b〜43bが活性層21に向けて狭くなる構成の電流狭窄層41〜43の構成については、Al組成比が、個々の層内において活性層21に向けて徐々に高くなるとともに、全体として電流狭窄層41、42、43の順で段階的に高くなるAl組成比分布を用いて形成することができる。このとき、図10に示すように、各電流狭窄層のDBR層22側及び活性層21側の両端部の所定領域に、電界集中を緩和するためのテーパ部を設けても良い。
【0067】
より具体的な構成としては、例えば、電流狭窄層については、第1電流狭窄層41の厚さを30〜100nm、Al組成比を0.97程度、内径を上部でφ25μm、下部でφ20μm、第2電流狭窄層42の厚さを30〜100nm、Al組成比を0.98程度、内径を上部でφ20μm、下部でφ15μm、第3電流狭窄層43の厚さを30〜100nm、Al組成比を0.99程度、内径を上部でφ15μm、下部でφ10μmとして形成することができる。また、低Al組成AlGaAs層51等についても、同様に厚さを30〜100nm程度とすることができる。
【0068】
図11は、本発明による半導体発光素子の第5実施形態の断面構成を示す側面断面図である。図11に示した半導体発光素子1Eは、発光素子1Aと同様にVCSELであり、ベース部10と、ベース部10上に円柱状に設けられたメサ部20とを備えている。これらのうち、ベース部10に設けられたn型GaAs基板11、n型DBR層12、及び電極15、メサ部20に設けられたMQW活性層21、p型DBR層22、コンタクト層23、絶縁層24、及び電極25については、図1及び図2に示した構成と同様である。
【0069】
図11に示したVCSEL 1Eにおいては、MQW活性層21と、p型DBR層22との間に、p型DBR層22側から活性層21側に向けて、低Al組成AlGaAs層51、第1電流狭窄層46、低Al組成AlGaAs層52、第2電流狭窄層47、低Al組成AlGaAs層53、第3電流狭窄層48、及び低Al組成AlGaAs層54が順に形成されている。電流狭窄層46、47、48としては、AlGaAs層51、52、53、54よりも高いAl組成比を有する高Al組成AlGaAs層が用いられている。また、これらの電流狭窄層46〜48は、電流狭窄層46、47、48の順で厚さが厚くなるように形成されている。
【0070】
本実施形態においては、電流狭窄層として、上記した3層の電流狭窄層46、47、48を設けている。また、各層46〜48のうちで外周側の所定領域は、AlGaAsが酸化されることによって高抵抗化された酸化領域46a〜48aとなっている。そして、この酸化領域46a〜48aの内周で囲まれた領域は、それぞれ電流狭窄領域46b〜48bとなっている。
【0071】
これらの電流狭窄層46〜48は、その個々の構成としては、図11に示すように、電流狭窄領域46b〜48bの内径及び面積が各層内においてDBR層22側から活性層21側に向けて徐々に小さくなるように形成されている。また、全体の構成としては、電流狭窄領域46b〜48bの内径及び面積がDBR層22側から活性層21側に向けて領域46b、47b、48bの順で段階的に小さくなるように形成されている。また、電流狭窄層46、47の間、及び電流狭窄層47、48の間には、上記したように、それぞれ低Al組成AlGaAs層52、53が挿入されている。
【0072】
電流狭窄層46、47、48の順で酸化領域の内径が狭くなるのは、酸化のスピードが、電流狭窄層の厚さに依存することによる。酸化のスピードは、酸化狭窄される部位のエピ層が厚いほど、速く酸化される。このために、活性層側に近い部位の酸化狭窄層ほどエピ層を厚くすることで、活性層に近い部位の酸化狭窄層ほど酸化狭窄部内径が小さくなる構成としている。
【0073】
本実施形態による半導体発光素子の効果について説明する。
【0074】
図11に示したVCSEL 1Eにおいては、電流狭窄層46〜48を、電流狭窄領域46b〜48bが活性層21に向けて狭くなっていく構成とし、したがって、電流狭窄層46〜48内において、その活性層21側にある電流狭窄層48内の位置で電流が最も狭窄される構成としている。これにより、活性層21に対する電流狭窄効果が向上されて、高い発光効率及び良好な発光特性の半導体発光素子が実現される。
【0075】
また、電流狭窄層の具体的な構成については、全体として電流狭窄領域46b〜48bの面積が段階的に小さくなるステップ状の構成を用いるとともに、個々の電流狭窄層内において領域46b〜48bの面積が徐々に小さくなるテーパ状の構成を用いている。これにより、活性層21側の位置で電流が最も狭窄される構成の電流狭窄層を好適に実現している。
【0076】
また、電流狭窄層46、47の間、及び電流狭窄層47、48の間に、それぞれ、電流狭窄層となるAlGaAs層よりも低いAl組成比で形成された低Al組成AlGaAs層52、53を設けている。このような構成によれば、電流狭窄層に印加される電圧が分割されることにより、その耐圧が向上する。また、本実施形態においては、3層の電流狭窄層46〜48の厚さが活性層21に向けて順に厚くなっていく構成としている。これにより、電流狭窄効果及び耐圧等の特性がさらに向上する。
【0077】
電流狭窄領域46b〜48bが活性層21に向けて狭くなる構成の電流狭窄層46〜48の構成については、Al組成比が、個々の層内において活性層21に向けて徐々に高くなるとともに、全体として電流狭窄層46、47、48の順で段階的に高くなるAl組成比分布を用いて形成することができる。このとき、図11に示すように、各電流狭窄層のDBR層22側及び活性層21側の両端部の所定領域に、電界集中を緩和するためのテーパ部を設けても良い。
【0078】
より具体的な構成としては、例えば、電流狭窄層については、第1電流狭窄層46の厚さを30nm、Al組成比を0.96〜0.99程度、内径を上部でφ25μm、下部でφ20μm、第2電流狭窄層47の厚さを60nm、Al組成比を0.96〜0.99程度、内径を上部でφ20μm、下部でφ15μm、第3電流狭窄層48の厚さを100nm、Al組成比を0.96〜0.99程度、内径を上部でφ15μm、下部でφ10μmとして形成することができる。また、低Al組成AlGaAs層51等についても、同様に厚さを30〜100nm程度とすることができる。
【0079】
本発明による半導体発光素子は、上記した実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、発光素子の共振器構造などの具体的な構造については、上記した図1及び図2に示したVCSELの構造以外の構造を用いても良い。また、電流狭窄層としてステップ状の構成を用いた場合については、上記実施形態ではその半導体層内でのステップ数、または半導体層数をいずれも3個としているが、2個、あるいは4個以上としても良い。
【0080】
【発明の効果】
本発明による半導体発光素子は、以上詳細に説明したように、次のような効果を得る。すなわち、半導体基板上に活性層及び電流狭窄層を形成して発光素子を構成するとともに、電流狭窄層を、酸化領域の内周で囲まれて電流の経路となる電流狭窄領域の面積が活性層の反対側から活性層側に向けて小さくなるように形成する構成によれば、狭窄の対象となる電流は、電流狭窄層内の活性層側の位置で最も狭窄されることとなる。したがって、活性層に対する電流狭窄効果が向上して、高い発光効率が得られる半導体発光素子が実現される。また、このような電流狭窄層は、化合物半導体層の厚さ方向の各位置でのAl組成比を適宜設定することによって形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】半導体発光素子の第1実施形態の構成を示す上面図である。
【図2】図1に示した半導体発光素子の断面構成を示すI−I矢印側面断面図である。
【図3】図2に示した半導体発光素子における電流の経路を示す模式図である。
【図4】図2に示した半導体発光素子の電流狭窄層でのAl組成比分布を示すグラフである。
【図5】従来の半導体発光素子の電流狭窄層でのAl組成比分布を示すグラフである。
【図6】半導体発光素子の第2実施形態の断面構成を示す側面断面図である。
【図7】図6に示した半導体発光素子の電流狭窄層でのAl組成比分布を示すグラフである。
【図8】半導体発光素子の第3実施形態の断面構成を示す側面断面図である。
【図9】図8に示した半導体発光素子の電流狭窄構造の等価回路を示す模式図である。
【図10】半導体発光素子の第4実施形態の断面構成を示す側面断面図である。
【図11】半導体発光素子の第5実施形態の断面構成を示す側面断面図である。
【符号の説明】
10…ベース部、11…n型半導体基板、12…n型DBR層、15…n側電極、20…メサ部、21…MQW活性層、22…p型DBR層、23…コンタクト層、24…絶縁層、25…p側電極、31…電流狭窄層、31a…酸化領域、31b…電流狭窄領域、31c、31d…テーパ部、32…電流狭窄層、33…上部領域、34…中間領域、35…下部領域、33a〜35a…酸化領域、33b〜35b…電流狭窄領域、36〜38…電流狭窄層、36a〜38a…酸化領域、36b〜38b…電流狭窄領域、41〜43…電流狭窄層、41a〜43a…酸化領域、41b〜43b…電流狭窄領域、46〜48…電流狭窄層、46a〜48a…酸化領域、46b〜48b…電流狭窄領域、51、52、53、54…低Al組成半導体層。
Claims (6)
- 半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、電流が供給されることによって発光する領域が生成される活性層と、
前記半導体基板上にAlを含む化合物半導体から形成され、その外周側の所定領域が酸化された電流狭窄層とを備え、
前記電流狭窄層は、酸化領域の内周で囲まれる面積が前記活性層の反対側から前記活性層側に向けて小さくなるように形成されていることを特徴とする半導体発光素子。 - 前記電流狭窄層は、Al組成比が前記活性層の反対側から前記活性層側に向けて徐々に高くなるように形成された化合物半導体層を有することを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
- 前記電流狭窄層は、Al組成比が前記活性層の反対側から前記活性層側に向けて段階的に高くなるように形成された化合物半導体層を有することを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
- 前記電流狭窄層は、所定のAl組成比で形成された第1化合物半導体層と、前記第1化合物半導体層に対して前記活性層側に前記第1化合物半導体層よりも高いAl組成比で形成された第2化合物半導体層とを有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項記載の半導体発光素子。
- 前記第1化合物半導体層と、前記第2化合物半導体層との間に、前記第1化合物半導体層及び前記第2化合物半導体層よりも低いAl組成比で形成された化合物半導体層が設けられていることを特徴とする請求項4記載の半導体発光素子。
- 前記電流狭窄層は、前記活性層側または前記活性層の反対側となる厚さ方向の端部において、前記酸化領域の内周で囲まれる面積が広がるテーパ部を有して形成されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項記載の半導体発光素子。
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