JP2005243720A5 - - Google Patents

Description

半導体発光素子

本発明は、半導体発光素子に関する。

光アクセス系の光源としては、長波長の光源、例えば１．２８μｍ以上の半導体レーザ、更に、光ファイバとの結合において、１．３μｍ及び１．５５μｍ対の半導体レーザが望まれている。

この波長領域の半導体レーザは、主にＩｎＰ基板を用いたＩｎＧａＡｓＰ系の半導体レーザによって実現されている。
しかし、これらの材料の半導体レーザは、活性層に対する電子の閉じ込めが弱く、温度特性が約６０Ｋ程度であり、温度特性が悪いという問題がある。

これに対し、ＧａＡｓ基板上に、活性層としてＧａＩｎＮＡｓが形成された半導体レーザは、温度特性が２００Ｋ以上となる例などが報告されており、高温動作特性の改善がなされている。
このように、温度特性が優れていることは、レーザモジュール内の冷却装置が不要となるため、安価でかつ小型の長波長系半導体レーザ装置を実現できる。

そして、昨今、とみに、ＧａＩｎＮＡｓ系による１．３μｍ帯半導体レーザの報告が盛んに行われている（例えば非特許文献１参照）。
しかし、その報告のほとんどがＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法による成長方法を用いるものであり、量産性に優れたＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）によって特性に優れた１．３μｍ帯半導体レーザは得られていない。その原因は、成長層へのＮ（窒素）の取り込み効率が充分得られていないためと考えられる。
そして、ＭＢＥ法による場合においても、Ｎを取り込ませるためには、低温で成長する必要があるため、高品質のＧａＩｎＮＡｓ層を得ることが難しい。

一方、ＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓドットを用いて長波長レーザを作製する方法の提案がなされている（非特許文献２）。
しかし、量子ドットを用いた場合、基底状態の状態数が小さいため、レーザ発振に必要な利得が得られるキャリアを注入すると高次のレベルまでキャリアが注入され、発振波長が短波化する。そのため、優れた特性を持つ１．３μｍ帯の半導体レーザを実現することは困難である。
１．３μｍ continuous-wave lasing operation in GaInNAs quantum-well lasers： Nakahara, K.; Kondow, M.; Kitatani, T.; Larson, M.C.; Uomi, K.; Photonics Technology Letters, IEEE , Volume: 10 Issue: 4 , April 1998 Page(s): 487 -488 High characteristic temperature of near 1.3-μm InGaAs/GaAs quantum-dot lasers： Mukai, K.; Nakata, Y.; Otsubo, K.; Sugawara, M.; Yokoyama, N.; Ishikawa, H.; Lasers and Electro-Optics, 2000. (CLEO 2000). Conference on , 7-12 May 2000 Page(s): 363 -364

本発明は、少なくとも１．２８μｍ以上の長波長発光の半導体発光素子を、確実に、安定して、また、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）半導体層によっても構成することができるようにすることを目的とするものである。

本発明に係る半導体発光素子は、活性層領域層のＧａＩｎＮＡｓ系半導体活性層が、該半導体活性層の面方向にＩｎとＮの組成においてＩｎ優勢組成領域とＮ優勢組成領域とが分布する組成変調構造を有することを特徴とする。

本発明は、上述した本発明による半導体発光素子において、上記組成変調構造の平面パターンが、帯状パターンもしくは島状パターンを有することを特徴とする。
また、本発明は、上述した本発明による半導体発光素子において、半導体発光素子を構成する半導体基体として、少なくとも１主面が｛１００｝結晶面に対してオフ角を有するＧａＡｓ基体を用いて成ることを特徴とする。

また、本発明は、上述した本発明による半導体発光素子において、半導体発光素子を構成する半導体基体として、少なくとも１主面が｛１００｝結晶面を有するＧａＡｓ基体を用いて成ることを特徴とする。
また、本発明は、上述した本発明による半導体発光素子において、上記活性層領域層のＧａＩｎＮＡｓ系半導体活性層が、単層もしくは多層の量子井戸層より成り、該量子井戸層を挟むバリア層が局所的歪みを有することを特徴とする。

また、本発明は、上述した本発明による半導体発光素子において、上記Ｉｎ優勢組成領域が、平均組成よりＩｎとＡｓが多い領域であり、上記Ｎ優勢組成領域が、平均組成よりＮとＧａが多い領域であることを特徴とする。
また、本発明は、上述した本発明による半導体発光素子において、上記活性層領域層のＧａＩｎＮＡｓ系半導体活性層が、単層もしくは多層の量子井戸層より成り、該量子井戸層を挟むバリア層が、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＰ、ＧａＮＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＰより成ることを特徴とする。

また、本発明は、上述した本発明による半導体発光素子において、発光波長が１．２８μｍ以上とされたことを特徴とする。
また、本発明は、上述した本発明による半導体発光素子において、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）半導体層によることを特徴とする。
また、本発明は、上述した本発明による半導体発光素子において、上記ＧａＩｎＮＡｓ系半導体活性層が、Ｓｂを含むことを特徴とする。

上述した本発明による半導体発光素子、例えば半導体レーザにおいては、１．２８μｍ以上、例えば光アクセス系で、望まれている発光波長１．３１μｍ、１．５５μｍの半導体発光素子を得ることができた。
これは、本発明構成においては、発光波長の決定に寄与するＧａＩｎＮＡｓあるいは、ＧａＩｎＮＡｓＳｂによって構成される半導体層、具体的には活性層領域層における単層、あるいは２層以上の多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）構造におけるバリア層によって挟み込まれた半導体活性層において、目的とする長波長が得られるだけのＮあるいはＮ及びＳｂ量を、充分取り込むことができたことによる。
このＮの取り込みは、Ｉｎ優勢組成領域及びＮ優勢組成領域、具体的には、ＩｎＡｓ優勢組成領域およびＧａＮ優勢組成領域とを形成したことにより、すなわち、Ｉｎを偏析させたことにより、Ｎの取り込みを阻害するＩｎが少ない領域を形成したことにより、此処にＮの取り込みを充分に、かつ安定して行うことができたものである。

すなわち、本発明半導体発光素子においては、ＧａＩｎＮＡｓ系活性層における全域に関しての平均組成を目的とする波長が得られる組成とするものであるが、上述したように、そのＮの取り込みを阻害するＩｎを偏析させたことにより、Ｉｎの少ない領域に、必要充分なＮの取り込みができるようにして、安定して確実に、目的とするＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）組成を得ることができ、これによって長波長化を図ることができるのである。

また、それ故、成長温度等の成長条件の自由度が高かめられることによって、従前におけるようにＭＢＥ法でのＧａＩｎＮＡｓの形成の制約が回避されることによって、ＭＯＣＶＤ法による半導体層とすることができ、量産性の向上が図られる。

本発明によるＧａＩｎＮＡｓ系、すなわちＧａＩｎＮＡｓあるいはＧａＩｎＮＡｓＳｂを半導体活性層とする半導体発光素子の実施の形態を説明する。しかし、本発明は、この実施の形態例に限定されるものではない。
図１は、本発明による半導体発光素子、例えば半導体レーザの一実施形態例の概略構成図である。
この実施の形態例においては、半導体基体１上に、順次第１導電型クラッド層２、第１のガイド層３、活性層領域層４、第２のガイド層５、第２導電型第１クラッド層６、エッチングストップ層７、第２導電型第２クラッド層８、第２導電型のキャップ層９が形成されて成る。
この活性層領域層４は、単層もしくは２層以上のＧａＩｎＮＡｓによる半導体活性層４１による量子井戸層と、この半導体活性層４１を挟んで配置されるバリア層４２及びバリア層ともなる上述した第１及び第２のガイド層３及び５が配置された構成を有する。
図１の例では、３層の量子井戸構造によるＧａＩｎＮＡｓ系半導体活性層４１がバリア層４１を介して積層されたＭＱＷ構造とされている。

また、この実施形態例では、キャップ層９及び第２導電型第２クラッド層８が、主たる電流通路の形成部となる部分をストライプ状リッジ部として残してその両側を、エッチングストップ層７におけるエッチング速度の低下を利用して、クラッド層６に至る深さにエッチングして、このエッチング溝１０Ｇ内に、絶縁層１０を形成した構成とした場合である。
そして、キャップ層（コンタクト層）９上の絶縁層１０に開口が形成され、この開口を通じてキャップ層９と、基体１の裏面とにそれぞれオーミックに第１及び第２の電極１１及び１２が被着されて成る。

この半導体発光素子の実施形態例を、図１及び図２を参照して更に詳細に説明する。図２は、図１で示した半導体発光素子の半導体積層構造における断面図を示す。
この形態例では、半導体基体１として｛１００｝結晶面からＡ面（Ｇａの配列面）方向にオフ角１０°を有するＧａＡｓ基板を用いた場合である。また、第１導電型がｎ型で、第２導電型がｐ型とした場合である。

このＧａＡｓ基板による半導体基体１上に、順次例えば厚さ２μｍのｎ型のＡｌ_０．４７Ｇａ_０．５３Ａｓによる第１導電型クラッド層２、アンドープの厚さ約１４０ｎｍのＧａＡｓによる第１のガイド層３、厚さ８ｎｍの量子井戸構造による３層のＧａＩｎＮＡｓ半導体活性層４１と厚さ１８０ｎｍのＧａＡｓによるバリア層４２との繰り返し積層による３ＱＷ構造の活性層領域層４、アンドープの厚さ１４０ｎｍのＧａＡｓによる第２のガイド層５、ｐ型の厚さ１００ｎｍのＡｌ_０．４７Ｇａ_０．５３Ａｓによる第２導電型第１クラッド層６、ｐ型の厚さ１００ｎｍのＧａＡｓによるエッチングストップ層７、ｐ型の厚さ１．４μｍのＡｌ_０．４７Ｇａ_０．５３Ａｓによる第２導電型第２クラッド層８、ｐ型の厚さ０．３μｍのＧａＡｓによるキャップ層９を、連続ＭＯＣＶＤによって積層形成する。

この積層半導体層を、キャップ層９側から、エッチングストップ層７の深さのエッチング溝１０Ｇを形成し、この溝１０Ｇ内に例えばＳｉＯ_２絶縁層あるいはｎ型のＧａＡｓによる電流阻止層１０を形成して、半導体発光素子、すなわち半導体レーザ素子を形成する。
なお、この半導体発光素子は、複数個同時に共通の基体１上に配列形成し、上述した第１および第２電極の形成を行って、各素子に関して切断分離なされる。

このようにして、絶縁層１０によって挟み込まれたストライプ部（リッジ）において主たる電流通路が形成され、このストライプ部下における活性層領域層４が発光機能部として動作するものであり、上述した切断分離において、ストライプ部の延長方向の長さの規定によって光共振器長の規定がなされる。すなわち、例えば３５０μｍの共振器長となるストライプ部の長さに切断する。

この光振器長の両端面の破断面は、例えば劈開面による鏡面によって構成することができる。そして、これら端面、すなわち共振器の端面は、所要の反射率を有する端面に設定する誘電体膜等が被着形成される。これら端面は、例えば主たる発光端面となる前方面においては反射率６０％とされ、後方端面においては、例えば反射率９５％とされる。

上述した構成によって得た半導体発光素子においては、その発振波長が約１．４７μｍとなった。 そして、この半導体発光素子における活性層領域層４を、ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）によって観察したところ、組成変調構造が観察された。
これは、半導体基体１として、オフ基板を用いたことにより、半導体層の成長面に微視的に周期的段差が発生することによって、比較的原子移動すなわちマイグレーションが大きいＩｎが段差部に偏析し、これによりこのＩｎと結合しやすいＡｓとのＩｎＡｓがリッチな微細領域によるＩｎ優勢組成領域が形成され、他部領域に、Ｉｎによって阻害されることなくＮが取り込まれたＧａＮの微細領域が配置された組成変調構造が生じるものと考えられる。

図３は、上述した活性層領域層４のＧａＩｎＮＡｓ系半導体活性層４１における上述した組成変調構造の模式的断面図を示したもので、それぞれ活性層４１の厚さ方向に渡るＩｎ優勢組成領域２１と、Ｎ優勢組成領域２２とが活性層４１の面方向に交互に配列される。

尚、比較のために、上述した本発明による実施形態例と同様の構成によるものの、ＧａＡｓ基板としてオフ基板によらない、いわゆるジャスト基板を用いた場合、組成変調構造を観察することができなかった。
これらの結果から、オフ基板を用いて組成変調構造を持たせることにより、ＧａＩｎＮＡｓ系活性層による半導体発光素子、例えば半導体レーザの長波長化ができることがわかった。
図４は、このオフ角とＰＬ（Photo Luminescence）の波長との関係の測定結果を示すものである。これによれば、オフ角を上げることによって長波長化がなされる。因みに、オフ角１０°において波長１．４３５μｍ程度が得られる成長条件と同じ条件でジャスト基板に成長した場合、ＰＬ波長１．３３μｍ程度となった。つまり、組成変調構造を持つことにより、大幅に発光波長が長波化することがわかる。

しかしながら、上述した組成変調構造は、オフ基板を用いることによってのみ得られるものではなく、オフ角ゼロの例えば｛１００｝基板によるいわゆるジャスト基体１を用いることができる。
例えばＧａＩｎＮＡｓ系半導体活性層４１の成膜面のバリア層、図１及び図２の例ではバリア層４２とガイド層３によるバリア層を、例えばＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＰ、ＧａＮＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＰより構成することによって、面内に歪分布を生じさせることができる。
これら材料は、組成によって歪量を変えることができることから、ＧａＩｎＮＡｓ系半導体活性層の形成面のバリア層に、この材料層による歪量が相違する部分を形成して歪部分にＩｎが偏析する特性を利用して、組成変調構造を形成することもできる。

また、歪みを局在させる構造としては、例えば上述したバリア層にＩｎＧａＡｓの量子ドットを形成する。この量子ドットの形成方法については、周知の方法によることができるものである。そして、このドットが存在する面に、例えばＭＱＷ構造において、バリア層としてのＧａＡｓ層を堆積成膜し、この上に活性層４１を構成するＧａＩｎＮＡｓ層を堆積すると、ドットによる歪の局在部分が踏襲されてその形成面に存在することから、この歪みの局在部に原子移動（Migration）が大きいＩｎの偏析、したがって、ＩｎＡｓが偏析するドット部を形成することができる。

図５は、ＧａＩｎＮＡｓ系半導体活性層４１における、上述したように、Ｉｎ優勢組成領域２１と、Ｎ優勢組成領域２２のパターンを模式的に示した平面的で、上述した基体１として例えばオフ基板を用いることによって図５Ａ及びＢに示す帯状パターンを得たり、あるいは図５Ｃで示すように、前述したドットパターンとすることなど種々のパターンを得ることができる。

尚、このＩｎ偏析部２１のパターン組成変調は、微細構造でかつそれほど組成の違いが大きくない方が良いものである。すなわち、この組成変調構造の周期が大きく、組成の違いも大きくなると、活性層領域層のバンドギャップの縮小部が生じるなどにより、発光光の吸収等の損失が生じて利得の低下を来たすことによる。
その周期と組成変調の組み合わせにより、最適値の選定がなされるが、例えば周期は、１μｍ以下とし、Ｉｎ組成の揺らぎは１０％以下が望ましい。これは、ドットパターンにおいても同様である。

上述した実施の形態例では、いわゆる端面発光型の半導体レーザ構造とした場合であるが、このような端面発光の半導体レーザへの適用に限定されるものではなく、面発光レーザ等に適用することもできる。図６は、本発明による垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の実施形態例の概略断面図である。
この面発光レーザにおいては、例えばＧａＡｓ基板からなる半導体基体５１上に、通常の面発光半導体レーザにおけるように、第１及び第２のＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）ミラー５２及び５３と、これらに挟み込まれた例えばＭＱＷ構造の活性層領域層５４を有して成る。この活性層領域層５４は、例えば図５Ｃで示したパターン等のＩｎ優勢組成領域２１とＮ優勢組成領域２２とが形成された、ＧａＩｎＮＡｓ半導体活性層４１による量子井戸層とバリア層４２との例えばＭＱＷ構造を有する。

ＧａＡｓ基板上に形成された面発光半導体レーザは、格子不整合が少なく、また、ＤＢＲミラーに適した材料として知られているＡｌＧａＡｓによるミラーを適用することができる。
したがって、本発明による半導体発光素子における特有のＧａＩｎＮＡｓ半導体活性層による活性層領域層５３による構成とするときは、発光効率の高い高品質の、長波長、すなわち１．３μｍ以上の半導体発光素子、この例においては、面発光半導体レーザを低価格で実現できるものである。

上述したように、本発明による半導体発光素子においては、そのＧａＩｎＮＡｓ系半導体層に組成変調構造を有することによって、ＩｎによるＮの取り込みが阻害されることが回避されることから、ＧａＩｎＮＡｓあるいはＧａＩｎＮＡｓＳｂ層におけるＮの取り込み効率を上げることができる。
そのため、ＭＯＣＶＤなどの成長方法によっても容易にＮを取り込むことが可能になる。また、ＭＢＥ法においても成長温度を高温化させることが可能になるため、この場合には、さらに高品質のＧａＩｎＮＡｓ系半導体層が成長できるようになる。

そして、このように、Ｎの組成を容易に上げることができるということは、Ｎ原料を大量に流したり、結晶品質が悪くなるレベルまで成長温度を下げたりしなくても容易にＧａＩｎＮＡｓ系半導体層を成長できるようになるということである。つまり、成長条件の選定の範囲を広げることができる。
また、周期構造を持つことにより、同じ組成の混晶でも、波長が長波長化することが知られているが、このことから、通常のＧａＩｎＮＡｓ層よりも、より少ないＩｎもしくはＮ組成で長波化か可能になる。

また、本発明は、上述した構造の半導体発光素子に限定されるものではなく、各種の構造による半導体レーザ、半導体発光素子、また、単体半導体発光素子に適用する例に限定されるものではなく、多数の発光部を有する半導体発光素子、集積回路装置等に適用することもできるなど種々の装置に適用することができるものである。

本発明による半導体発光素子の一例の概略断面図である。 本発明による半導体発光素子の一例の半導体積層構造における概略断面図である。 本発明による半導体発光素子の活性層領域層の要部の概略断面図である。 半導体発光素子を構成する半導体基体としてオフ基板を用いた場合のオフ角とＰＬ発光の波長との関係の測定結果を示す曲線である。 Ａ，Ｂ，Ｃは、それぞれ組成変調構造のパターンの例を示す模式的平面図である。 本発明による面発光型の半導体発光素子の一例の概略断面図である。

符号の説明

１・・・半導体基体、２・・・第１導電型クラッド層、３・・・第１のガイド層、４・・・活性層領域層、４１・・・ＧａＩｎＮＡｓ系半導体活性層、４２・・・バリア層、５・・・第２のガイド層、６・・・第２導電型第１クラッド層、７・・・エッチングストップ層、８・・・第２導電型第２クラッド層、９・・・キャップ層、１０・・・電流阻止層、１０Ｇ・・・エッチング溝、１１・・・第１電極、１２・・・第２電極、２１・・・Ｉｎ優勢組成領域、２２・・・Ｎ優勢組成領域、５１・・・半導体基体、５２・・・第１のＤＢＲミラー、５３・・・第２のＤＢＲミラー

Claims (10)

1. 活性層領域層のＧａＩｎＮＡｓ系半導体活性層が、該半導体活性層の面方向にＩｎ（インジウム）とＮ（窒素）の組成においてＩｎ優勢組成領域とＮ優勢組成領域とが分布する組成変調構造を有することを特徴とする半導体発光素子。
2. 上記組成変調構造の平面パターンが、帯状パターンもしくは島状パターンを有することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 半導体発光素子を構成する半導体基体として、少なくとも１主面が｛１００｝結晶面に対してオフ角を有するＧａＡｓ基体を用いて成る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。
4. 半導体発光素子を構成する半導体基体として、少なくとも１主面が｛１００｝結晶面を有するＧａＡｓ基体を用いて成ることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
5. 上記活性層領域層のＧａＩｎＮＡｓ系半導体活性層が、単層もしくは多層の量子井戸層より成り、
   該量子井戸層を挟むバリア層が局所的歪みを有することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
6. 上記Ｉｎ優勢組成領域が、平均組成よりＩｎとＡｓが多い領域であり、
   上記Ｎ優勢組成領域が、平均組成よりＮとＧａが多い領域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。
7. 上記活性層領域層のＧａＩｎＮＡｓ系半導体活性層が、単層もしくは多層の量子井戸層より成り、
   該量子井戸層を挟むバリア層が、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＰ、ＧａＮＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＰより成ることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
8. 発光波長が１．２８μｍ以上とされたことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
9. ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）半導体層によることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
10. 上記ＧａＩｎＮＡｓ系半導体活性層が、Ｓｂを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。