JP2008305975A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】実効的な電流狭窄領域の形状の自由度を高めると共に、製造が容易で素子信頼性を向上できる半導体発光素子を提供する。
【解決手段】基板１１と、活性層２１と、第１のミラー層２４と、第１のミラー層２４との間に活性層２１が介在して配置される第２のミラー層２５と、半導体積層方向に直交する面での断面の形状が矩形の第１電流狭窄領域２２ｂを有する第１電流狭窄層２２と、同じく矩形の第２電流狭窄領域２８ｂを有する第２電流狭窄層２８と、を備えて構成し、矩形形状の第１電流狭窄領域２２ｂと矩形形状の第２電流狭窄領域２８ｂとが半導体積層方向に４５°ずらして重なって配置されていることから、基板１１から半導体積層方向にみて８角形の形状をした実効的な電流狭窄領域を形成することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体発光素子に関するものである。

半導体レーザ素子や発光ダイオード等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の一例として、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）が知られている。ＶＣＳＥＬは、電流が供給されることによって発光する活性層の上下に半導体ミラー層を設けることによって、半導体基板に対して垂直方向に共振器が構成される発光素子である（例えば、特許文献１，２参照）。

このようなＶＣＳＥＬにおいて、電流狭窄領域を設け、電流を絞り込んで活性層に流し込む構成が知られている。例えば、特許文献１には、活性層の上面側に形成された矩形形状の電流狭窄領域と、矩形形状の電流狭窄領域と活性層との間に形成された円形状の電流狭窄領域とを備えて構成され、活性層を含むメサ部上面側からみて矩形状の電流狭窄領域内に円形状の電流狭窄領域が収まるように配置される構成が開示されている。
特開２００５−８６１７０号公報 特開２００３−３０９３２５号公報

電流狭窄層の形状は、出射光のモード制御に有効である。しかしながら、従来の半導体発光素子にあっては、作成可能な電流狭窄領域の形状の自由度が低いという問題があった。また、電流狭窄領域が多角形の場合、角部に電流が集中するため、劣化が生じ易く素子信頼性が低下する恐れがあった。

そこで本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、実効的な電流狭窄領域の形状の自由度を高めると共に、製造が容易で素子信頼性を向上できる半導体発光素子を提供することを目的とする。

すなわち本発明に係る半導体発光素子は、基板と、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を有する活性層と、活性層よりも基板側に配置される第１のミラー層と、第１のミラー層との間に活性層が介在して配置される第２のミラー層と、半導体積層方向に直交する面での断面の形状が矩形の第１電流狭窄領域を有する第１の電流狭窄層と、半導体積層方向に直交する面での断面の形状が矩形の第２電流狭窄領域を有する第２の電流狭窄層と、を備え、第２電流狭窄層において、第２の電流狭窄領域は第１電流狭窄領域に対して半導体積層方向に直交する面内で４５°回転した形状であること、を特徴として構成される。

上記した本発明に係る半導体発光素子において、矩形形状の第１電流狭窄領域と矩形形状の第２電流狭窄領域とが半導体積層方向にみて４５°ずらして重なって配置されていることから、基板から半導体積層方向にみて８角形の形状をした実効的な電流狭窄領域を形成することができる。このように、２つの矩形形状の電流狭窄領域を組み合わせて、実効的な電流狭窄領域を形成することで実効的な電流狭窄領域の形状の自由度を高めることができる。

また、矩形形状の電流狭窄領域の形成は多角形形状の電流狭窄領域の形成に比べて精度良く形成できるため、２つの矩形形状の電流狭窄領域を組み合わせて、実効的な多角形形状の電流狭窄領域を形成する方が、一つの電流狭窄領域で実効的な電流狭窄領域を多角形とする場合に比べ、容易且つ精度良く製造することができる。

また、半導体発光素子の活性層は、実効的な電流狭窄領域の形状を反映した領域に電流が供給され、当該領域が実効的な活性領域となって発光する。本発明に係る半導体素子は、実効的な電流狭窄領域が８角形の形状であり、矩形形状や６角形の形状をした電流狭窄領域に比べて角数が多いことから、実効的な電流狭窄領域の角部および実効的な活性領域の角部への電界集中をより分散することができる。これによって半導体発光素子の破損や劣化を防止することができる。

また、半導体発光素子において、活性層から出力された光は定在波を形成する。定在波の形成には、共振器構造内の導波路と電流狭窄領域との屈折率差が関与している。このため、導波路と電流狭窄領域との位置関係が、定在波の形成方向に大きく影響する。すなわち、定在波の形成方向は、駆動条件（駆動電流、発光出力及び温度等）だけでなく実効的な電流狭窄領域の形状にも起因する。しかしながら、実効的な電流狭窄領域が等方性の円形の形状である場合、形状によって定在波形成の方向を設定できないため、定在波決定方向は駆動条件によって変化してしまう。このように、実効的な電流狭窄領域の形状が等方性の円形である場合、定在波決定方向が変化するため、活性層から出力される光の横モードは変化する。

これに対して、本発明の半導体発光素子は、実効的な電流狭窄領域が異方性のある形状となっているため、形状による定在波の形成方向の設定が容易となる。これにより、活性層から出力される光の横モードの固定が容易となる。

また、実効的な活性領域の角部への電界集中が分散されることから、実効的な活性領域の形状の中心箇所に電流を集中させることができる。これによって、活性層から出力される光の横モードを容易にシングルモードとすることができる。

ここで、半導体発光素子において、第１の電流狭窄層は、活性層とｎ型の導電型を有する第１のミラー層との間に配置され、第２の電流狭窄層は、活性層とｐ型の導電型を有する第２のミラー層との間に配置されることが好適である。このような構成では、第１の電流狭窄層および第２の電流狭窄層が活性層の近くに形成されることから、電流を絞り込む効果を向上させることができる。

あるいは、第１の電流狭窄層および第２の電流狭窄層は、活性層とｐ型の導電型を有する第２のミラー層との間に配置されてもよい。また、あるいは、第１の電流狭窄層および第２の電流狭窄層は、活性層とｎ型の導電型を有する第１のミラー層との間に配置されてもよい。このような構成では、第１の電流狭窄層および第２の電流狭窄層の導電型が同一となるため、酸化狭窄領域を形成する際、ｐ型層とｎ型層の両方で酸化条件の調整を行う必要がないため、半導体発光素子の製造が容易となる。

また、第１電流狭窄領域および第２電流狭窄領域は、半導体積層方向に直交する面での断面の形状が正方形であることが好適である。また、第１電流狭窄領域は、半導体積層方向に直交する面での断面の面積が第２電流狭窄領域の半導体積層方向に直交する面での断面の面積と同一であることが好適である。

このような構成では、第１電流狭窄領域および第２電流狭窄領域が重なった場合、正８角形の形状の実効的な電流狭窄領域が形成されるため、電流狭窄領域の角部へ集中する電流を、均一に分散することができる。これによって、実効的な活性層の角部での発光も分散されるため、活性層から出力される光を容易にシングルモード化することができる。さらに、正８角形の形状であることから、一つの角に加わる電流が均一に分散され、素子信頼性を向上することができる。

また、活性層から出力された光は、第１のミラー層および第２のミラー層により形成される共振器構造によって所定の共振波長を有し、半導体積層方向に基板と反対側へ出射されることが好適である。

本発明によれば、半導体発光素子において、容易に活性層から出力された光の横モードのシングルモード化を実現すると共に、素子信頼性を向上できる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、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。

図１は、本発明の実施形態に係る半導体発光素子の構成を示す上面図、図２は、図１に示した半導体発光素子のII−II線における側断面図、図３は、図２に示した半導体発光素子の側断面図のメサ部及びその周辺における層構造を示す拡大図、図４及び図５は、半導体発光素子１が有する酸化狭窄層の積層方向に直交する面での断面図である。図１及び図２に示した半導体発光素子１は、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であり、例えば光源装置として好適に利用されるものである。尚、図２に示す側断面図では、符号４１、５０で示す絶縁膜および電極部材の長さを一部省略して図示している。

図１に示すように、半導体発光素子１は、基板１１と、メサ部２０と、メサ部２０の側面を囲う絶縁膜４１と、メサ部２０の上面および絶縁膜４１の上面に連続して配置された電極部材５０とを備えて構成されている。メサ部２０は、水平断面が円形の円柱状に形成されている。

図２に示すように、基板１１上に、メサ部２０が形成されている。基板１１は、半導体基板であり、例えばｎ型のＧａＡｓ基板が用いられる。また、基板１１上に形成されたメサ部２０は、活性層２１を含む多層膜によって形成されている。メサ部２０が有する活性層２１は、電流が供給されることによって所定の発光スペクトルで発光する発光層である。このような活性層２１としては、例えば、ＧａＡｓ／Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓの半導体積層構造で構成された多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）活性層を用いることができる。メサ部２０は、この活性層２１から発せられた光を垂直に共振させる垂直共振器の全て又は一部を構成している。

また、メサ部２０において、活性層２１の基板１１側には、下部ｎ型ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層（第１のミラー層）２４が形成されている。下部ｎ型ＤＢＲ層２４は、活性層２１から発光された光を反射する機能を備えており、例えば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る。なお、以下の実施形態においては、ＤＢＲ層の構成を一部省略して模式的に図示している。

また、メサ部２０において、活性層２１とメサ部２０の上面２０ａとの間には上部ｐ型ＤＢＲ層（第２のミラー層）２５が形成されている。この上部ｐ型ＤＢＲ層２５は、下部ｎ型ＤＢＲ層２４と同様に、活性層２１から発生された光を反射する機能を備えており、例えば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る。

このように、半導体発光素子１において、下部ｎ型ＤＢＲ層２４と上部ｐ型ＤＢＲ層２５との間に活性層２１が介在するため、活性層２１で発生された光が下部ｎ型ＤＢＲ層２４と上部ｐ型ＤＢＲ層２５との間で共振する垂直共振器が形成される。また、上部ｐ型ＤＢＲ層２５は、下部ＤＢＲ層２４に比べて反射率が低く構成され、これにより、メサ部２０の上面２０ａ側から共振した光の一部を出射する構成となっている。この場合、図２に示すように、電極部材５０によってメサ部２０の上面２０ａ側に発光窓部２０ｂが形成される。発光窓部２０ｂは、メサ部２０の上方からみて円形の開口であり、その半径はメサ部２０の半径より小さく形成されている。また、発光窓部２０ｂは、メサ部２０側の半径が、その反対側の半径に比べて小さいテーパ状に形成されている。

また、図３に示すように、メサ部２０において、活性層２１と下部ｎ型ＤＢＲ層２４との間には下部クラッド層２７が形成され、活性層２１と上部ｐ型ＤＢＲ層２５との間には、上部クラッド層２６が形成されている。尚、クラッド層２６,２７は、個々の半導体発光素子において必要に応じて形成すればよい。

また、メサ部２０において、上部クラッド層２６と上部ｐ型ＤＢＲ層２５との間に第１酸化狭窄層（第１の電流狭窄層）２２が形成されている。第１酸化狭窄層２２は、活性層２１に対する電流を狭窄する半導体層であり、高濃度のＡｌを含む組成の化合物半導体から形成され、例えばＡｌＧａＡｓが用いられる。第１酸化狭窄層２２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２２ａとして形成される。そして、この酸化領域２２ａの内周で囲まれた領域は、図４に示すように、メサ部２０の上方からみて矩形の形状であり、好ましくは正方形の形状である第１酸化狭窄領域（第１電流狭窄領域）２２ｂとして形成される。

また、図３に示すように、メサ部２０において、第１酸化狭窄層２２のメサ部２０上面側に、第２酸化狭窄層（第２の電流狭窄層）２８が形成されている。この第２酸化狭窄層２８は、上部ｐ型ＤＢＲ層２５内で多層膜の層間に形成されている。また、第２酸化狭窄層２８は、第１酸化狭窄層２２と同様に、活性層２１に対する電流を狭窄する半導体層であり、高濃度のＡｌを含む組成の化合物半導体から形成され、例えばＡｌＧａＡｓが用いられる。第２酸化狭窄層２８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２８ａとして形成される。そして、この酸化領域２８ａの内周で囲まれた領域は、図５に示すように、メサ部２０の上方からみて矩形の形状であり、好ましくは正方形の形状である第２酸化狭窄領域（第２電流狭窄領域）２８ｂとして形成される。

この第２酸化狭窄領域２８ｂは、図４に示した第１酸化狭窄領域２２ｂに対して半導体積層方向に直交する面内で４５°回転した形状で形成されている。また、第２酸化狭窄領域２８ｂの半導体積層方向に直交する面での断面の面積は、図４に示した第１酸化狭窄領域２２ｂの半導体積層方向に直交する面での断面の面積と同一で形成されている。

尚、第２酸化狭窄層２８が上部ｐ型ＤＢＲ層２５の層間に形成する例を示したが、個々の半導体発光素子において必要に応じて、第１酸化狭窄層２２と上部ｐ型ＤＢＲ層２５との間にスペーサー層を設け、スペーサー層と上部ｐ型ＤＢＲ層２５との間に第２酸化狭窄層２８を形成されるようにしてもよい。

また、図２及び図３に示すように、メサ部２０において、上部ｐ型ＤＢＲ層２５のメサ部２０の上面側にはｐ型コンタクト層２３が形成されている。さらに、メサ部２０は、多層膜の上面および側面の保護膜として、例えばシリコン窒化物からなるパッシベーション膜１２を含んでいる。

また、図２に示すように、メサ部２０の側面には、絶縁膜４１が形成されている。絶縁膜４１は、半導体発光素子１の電極間を絶縁する機能を有し、基板１１上に配置され、基板１１と反対側の端面である上面４１ａがメサ部２０の上面２０ａよりも突出して形成されている。

また、電極部材５０は、メサ部２０の上面２０ａ上および絶縁膜４１の上面４１ａ上に連続して形成されている。この電極部材５０によって、図１に示すように、メサ部２０の上面上に円形の開口である発光窓部２０ｂが形成されている。

また、図２に示すように、電極部材５０とｐ型コンタクト層２３との間には、ｐ型コンタクト電極５１が形成されている。このｐ型コンタクト電極５１は、メサ部２０の上面２０ａ側を覆うパッシベーション膜１２に形成された開口部１２ｂを介して、メサ部２０の上面２０ａと接触し、ｐ型コンタクト層２３と電気的に接続している。尚、ｐ型コンタクト電極５１は、個々の半導体発光素子において必要に応じて形成すればよい。

また、基板１１の裏面側にｎ型コンタクト電極５５が形成されている。なお、ｎ型コンタクト電極５５は、必要に応じて形成する箇所を変更してもよい。

次に、本実施形態に係る半導体発光素子１について、作用効果を説明する。図６は、図４及び図５の酸化狭窄層が形成する実効的な酸化狭窄領域の説明図である。

図２に示す半導体発光素子１において、電流が電極部材５０、ｐ型コンタクト電極５１を介してメサ部２０に供給された場合、活性層２１が発光する。活性層２１から発生した光は、下部ｎ型ＤＢＲ層２４と上部ｐ型ＤＢＲ層２５との間の共振器で共振される。また、上部ｐ型ＤＢＲ層２５は、下部ｎ型ＤＢＲ層２４に比べて反射率が低く構成されている。このため、共振された光の一部はメサ部２０の発光窓部２０ｂからレーザ光として出射される。

この時、半導体発光素子１において、メサ部に供給される電流は、第２酸化狭窄領域２８ｂによって第２酸化狭窄領域２８ｂの形状が反映された形に絞り込まれて基板１１側へ供給される。また、第２酸化狭窄領域２８ｂによって絞り込まれた電流は、第１酸化狭窄領域２２ｂによって第１酸化狭窄領域２２ｂの形状が反映された形に更に絞り込まれて活性層２１へ供給される。

第２酸化狭窄領域２８ｂは、半導体積層方向に直交する面での断面において、第１酸化狭窄領域２２ｂと同一の断面積を有し、さらに当該面内において４５°回転した形状となっていることから、第１酸化狭窄領域２２ｂ及び第２酸化狭窄領域２８ｂによって、図６に示すように、メサ部２０の上方からみて８角形の形状、好ましくは正８角形の形状である実効的な電流狭窄領域２９が形成される。

このように、２つの矩形形状の電流狭窄領域を組み合わせて、実効的な電流狭窄領域２９を形成することで実効的な電流狭窄領域２９の形状の自由度を高めることができる。また、矩形形状の電流狭窄領域の形成は多角形形状の電流狭窄領域の形成に比べて精度良く形成できるため、２つの矩形形状の電流狭窄領域を組み合わせて実効的な多角形形状の電流狭窄領域２９を形成する方が、例えば特許文献２に記載されるように一つの電流狭窄領域で実効的な電流狭窄領域２９を多角形とする場合に比べ、容易且つ精度良く製造することができる。

また、メサ部２０に供給された電流は、図６に示す実効的な電流狭窄領域２９の形状のように、正８角形の形状に絞り込まれて活性層２１へ供給される。活性層２１では、実効的な電流狭窄領域２９の形状を反映した領域に電流が供給され、当該領域が実効的な活性領域となって発光する。

すなわち、実行的な活性領域は、メサ部２０の上方からみて、実効的な電流狭窄領域２９の形状と同一の正８角形の形状となっている。これによって、矩形形状や６角形の形状をした電流狭窄領域に比べて角数が多いことから、実効的な電流狭窄領域２９の角部および実効的な活性領域の角部への電界集中をより分散することができる。これによって半導体発光素子１の破損や劣化を防止することができる。

また、半導体発光素子１は、実効的な電流狭窄領域２９が正８角形であり、異方性のある形状となっているため、形状による定在波の形成方向の設定が容易となる。これにより、活性層２１から出力される光の横モードの固定が容易となる。

また、活性層２１において、実効的な活性領域の角部への電界集中が分散されることから、実効的な活性領域の形状の中心箇所に電流を集中させることができる。これによって、活性層２１から出力される光の横モードを容易にシングルモードとすることができる。

次に、本実施形態に係る半導体発光素子１の製造方法について説明する。図７〜図１４は、図１に示す半導体発光素子１の製造工程を示す側断面図である。尚、符号４１、５０で示す絶縁膜および電極部材の長さを一部省略して図示している。

まず、図７に示すように、半導体層形成工程を行う。基板１１上にＶＣＳＥＬの共振器構造をエピタキシャル成長技術により形成する。エピタキシャル成長は、例えば膜厚制御に優れた有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）や、分子線成長法（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）によって行う。

ｎ型ＧａＡｓを基板１１として使用する場合、基板１１上に、下部ｎ型ＤＢＲ層２４、ｎ型クラッド層２７、活性層２１、ｐ型クラッド層２６、第１ｐ型酸化用層３０、スペーサー層３３、第２ｐ型酸化用層３１、上部ｐ型ＤＢＲ層２５、ｐ型コンタクト層２３を順にエピタキシャル成長させる。それぞれの組成および膜厚は、例えば、基板１１がｎ型ＧａＡｓで２００μｍ、下部ｎ型ＤＢＲ層２４がｎ型（Ａｌ_０．９０Ｇａ_０．１０Ａｓ／Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ａｓ）層で膜厚７０ｎｍ／５９ｎｍの３４周期、ｎ型クラッド層２７がｎ型Ａｌ_０．３０Ｇａ_０．７０Ａｓ層で膜厚２００ｎｍ、活性層２１がＧａＡｓ／Ａｌ_０．３０Ｇａ_０．７０Ａｓ層で膜厚６ｎｍ／８ｎｍの３周期、ｐ型クラッド層２６がｐ型Ａｌ_０．３０Ｇａ_０．７０Ａｓ層で膜厚４００ｎｍ、第１ｐ型酸化用層３０がｐ型Ａｌ_０．９５Ｇａ_０．０５Ａｓで膜厚３０ｎｍ、スペーサー層３３がｐ型Ａｌ_０．９０Ｇａ_０．１０Ａｓ層で膜厚６０ｎｍ、第２ｐ型酸化用層３１がｐ型Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓで膜厚１５ｎｍ、上部ｐ型ＤＢＲ層２５がｐ型Ａｌ_０．９０Ｇａ_０．１０Ａｓ／Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ａｓで膜厚７０ｎｍ／５９ｎｍの２２周期、ｐ型コンタクト層２３がｐ型ＧａＡｓで膜厚１０ｎｍである。

次に、図８に示すように、メサ部形成工程を行う。第１ｐ型酸化用層３０及び第２ｐ型酸化用層３１が側面に露出するように、エッチングによって、例えば直径が４０μｍ、高さ１０μｍの円柱状のメサ台地３２を形成する。下部ｎ型ＤＢＲ層２４と、下部ｎ型ＤＢＲ層２４より上に積層されたｎ型クラッド層２７、活性層２１、ｐ型クラッド層２６、第１ｐ型酸化用層３０、スペーサー層３３、第２ｐ型酸化用層３１、上部ｐ型ＤＢＲ層２５およびｐ型コンタクト層２３とからなる上部積層体がエッチング対象となる。エッチングは、メサ台地の大きさを均一性よく形成するために、好ましくはドライエッチング法が用いられる。また、ウェットエッチング法で行われても良い。以下説明では、メサ台地３２をメサ部２０と称して説明する。

次に、図９に示すように、酸化狭窄層の酸化工程を行う。第１酸化狭窄層２２となる図８の第１ｐ型酸化用層３０、及び第２酸化狭窄層２８となる図８の第２ｐ型酸化用層３１は、共にＧａが少量添加されたＡｌＧａＡｓが用いられる。酸化工程は、高温雰囲気中に水蒸気を供給することにより行われる。

ここで、酸化狭窄領域の形状制御について説明する。酸化用層３０,３１の側面を酸化して形成される狭窄領域の形状は、酸化用層３０,３１のＡｌ濃度によって決定される。ＡｌＧａＡｓのＡｌ濃度が低い場合、酸化用層を構成するＡｌＧａＡｓの（１００）面に対して正位置の四角形の形状で狭窄領域が形成され、その四角形は［０１０］方向と［００１］方向に辺が形成される。他方、ＡｌＧａＡｓのＡｌ濃度が高い場合、酸化用層を構成するＡｌＧａＡｓの（１００）面に対して正位置の四角形から４５°傾いた四角形の形状で狭窄領域が形成され、その四角形は［０１１］方向と［０１−１］方向に辺が形成される。なお、負の成分を持つ方向は数字の上にバーを付けて表記するが、本明細書中においては便宜上その数字の前に「−」を付けて表記している。

このように、酸化用層３０,３１のＡｌ濃度によって酸化狭窄領域の形状制御が可能である。バンドギャップを考慮すると、活性層２１の近くに形成された第１ｐ型酸化用層３０をＡｌ濃度の低い層として形成し、第１ｐ型酸化用層３０よりも活性層２１から遠くに形成された第２ｐ型酸化用層３１をＡｌ濃度の高い層として形成することが好ましい。また、酸化用層３０,３１のＡｌ濃度は、例えばＧａ添加量によって制御される。

また、ＡｌＧａＡｓからなる酸化用層３０,３１の酸化レートは、同一形状の場合、酸化用層３０,３１の膜厚によって制御される。膜厚が３０ｎｍより小さい範囲では、膜厚を薄くすることで酸化レートを低くすることができる。膜厚が３０ｎｍ以上の場合は、一定の酸化レートとなる。このことから、例えば、第１ｐ型酸化用層３０のＡｌ濃度の方が第２ｐ型酸化用層３１のＡｌ濃度よりも低い場合は、第１ｐ型酸化用層３０の膜厚を第２ｐ型酸化用層３１の膜厚よりも厚く形成し、２つの酸化用層の酸化レートを同一とすることができる。このように、同一の酸化レートで酸化領域を形成することによって、各酸化狭窄の面積や中心位置を同一とすることができる。

例えば、第１ｐ型酸化用層３０はｐ型Ａｌ_０．９５Ｇａ_０．０５Ａｓで膜厚３０ｎｍ、第２ｐ型酸化用層３１がｐ型Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓで膜厚１５ｎｍとして形成し、高温雰囲気中に水蒸気を供給することにより酸化処理をする。このような組成および膜厚調整を行うと、第１ｐ型酸化用層３０の側壁側の領域を酸化させて第１酸化領域２２ａを形成するレートと、第２ｐ型酸化用層３１の側壁側の領域を酸化させて第２酸化領域２８ａを形成するレートとが同一となる。そして、同一な酸化レートとした酸化用層３０,３１を用いて、第１酸化狭窄領域２２ｂと第２酸化狭窄領域２８ｂとを正方形に形成すると共に、第２酸化狭窄領域２８ｂの半導体積層方向に直交する面での断面の面積と第１酸化狭窄領域２２ｂの半導体積層方向に直交する面での断面の面積とを同一に形成する。さらに、異なるＡｌ濃度とした酸化用層３０,３１を用いて、第２酸化狭窄領域２８ｂを、第１酸化狭窄領域２２ｂに対して半導体積層方向に直交する面内に４５°回転した形状に形成する。この酸化処理によって、例えば直径４０μｍの環状の酸化領域２２ａ,２８ａと、直径１０μｍの矩形形状の酸化狭窄領域２２ｂ,２８ｂが形成され、それぞれ第１酸化狭窄層２２，第２酸化狭窄層２８となる。

以上のように、酸化用層３０,３１のＡｌ濃度および膜厚を調整することによって、メサ部２０の上方からみて、正８角形の形状の酸化狭窄領域を形成することができる。

次に、図１０に示すように、パッシベーション膜形成工程を行う。パッシベーション膜１２は、素子の信頼性を考慮してシリコン窒化膜が使用される。例えば、ＳｉＮ膜を２１０ｎｍ積層する。また、パッシベーション膜１２の形成は、メサ部２０全体を均等に被覆するため、メサ台地の側面に膜形成可能で緻密な膜を形成できるプラズマ気相成長法（ＰＣＶＤ：Plasma Chemical Vapor Deposition）を用いるのがよい。

次に、図１１に示すように、ｐ型コンタクト電極形成工程を行う。まず、メサ部２０上面のパッシベーション膜１２をウェットエッチングもしくはドライエッチングによりエッチングし、メサ部２０の上方からみて円環状の開口部１２ｂを形成する。この円環状の開口部１２ｂの内径は、例えば１２μｍである。尚、開口部１２ｂの形成には加工制御が良いドライエッチングを用いる方が好ましい。開口部１２ｂを形成後、蒸着によりｐ型コンタクト電極用膜を積層し、リフトオフ法により開口部１２ｂにｐ型コンタクト電極５１を形成する。ｐ型コンタクト電極５１は、例えば、ＧａＡｓ系の基板１１を用いた場合、不純物ドーピングを行うことでコンタクト抵抗を低下できるＡｕＺｎ／Ａｕの積層構造が用いられる。また、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを用いても良い。この積層構造の膜厚は、例えばＡｕ／ＡｕＺｎ／Ａｕにおいて各々１００ｎｍ／１６０ｎｍ／２００ｎｍである。また、ｐ型コンタクト電極５１を、円環状の内径が例えば１２μｍの薄膜として形成する。

次に、図１２に示すように、絶縁膜形成工程を行う。絶縁膜４１は、メサ部２０の側面を囲むように形成する。メサ部２０の側面を囲む絶縁膜４１は、メサ部２０の上方からみて、例えば内径が３４μｍで、外径が６０μｍの円環状に形成される。また、絶縁膜４１の材料は、メサ部２０が発する熱に対する耐熱性と、加工工程に使用する薬品に対する耐薬品性と、加工容易性を備えていることが好ましく、例えばポリイミドが用いられる。また、ポリイミドよりも誘電率が低く低静電量で上記性質を備えることができるベンゾシクロブテン（ＢＣＢ：Benzocyclobutene）を用いても良い。さらに、絶縁膜４１は、充分な放熱性を備えていることが一層好ましい。

次に、図１３に示すように、電極部材形成工程を行う。まず、電極部材用膜を、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層構造を有するように蒸着して形成する。膜厚は、各々３０ｎｍ／１５ｎｍ／１０００ｎｍである。次に、リフトオフ法によって、メサ部２０の上面２０ａと絶縁膜４１の上面４１ａとの上に、電極部材５０を連続して形成する。この時、メサ部２０の上面２０ａ上に形成した電極部材５０をメサ部２０の上方からみて円環状に形成し、形成された電極部材５０の内円が発光窓部２０ｂとなる。発光窓部２０ｂの直径は例えば１２μｍである。

次に、図１４に示すように、ｎ型コンタクト電極形成工程を行う。半導体発光素子の動作によって発生する熱の影響を抑制するために、基板１１の裏１１ａ側を研磨で薄くして、その後基板１１の裏１１ａ上に蒸着によりｎ型コンタクト電極５５を形成する。ｎ型コンタクト電極５５は、例えば、ＧａＡｓ系の基板１１を用いた場合、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕの積層構造で構成され、その膜厚は、例えば１２０ｎｍ／３０ｎｍ／１０００ｎｍである。

図７〜図１４に示す工程を行うことで、実効的な電流狭窄領域の形状の自由度を高めると共に、製造が容易で素子信頼性を向上できる半導体発光素子１を製造することができる。

上述した半導体発光素子１の製造方法によれば、２つの酸化狭窄領域２２ｂ,２８ｂを用いて実効的な電流狭窄層を形成することで、形状の自由度を向上させることができる。また、メサ形状自体を８角形とし、各面方位の酸化レートを均一にすることで８角形を形成することも可能であるが、８角形の角の部分はそれを挟む両辺よりも酸化が進行するため、酸化狭窄領域を正確な８角形とすることは困難である。上述した半導体発光素子１の製造方法では、製造が容易な矩形の酸化狭窄領域を用いることから、形状の自由度を向上させると共に、半導体発光素子１を容易に製造できる。さらに、酸化狭窄層２２,２８の酸化レートを同一にしたことから、２つの酸化狭窄領域２２ｂ,２８ｂを同時に形成することが可能となり、製造工程を簡単化できる。

なお、上述した実施形態は、本発明に係る半導体発光素子の一例を示すものである。本発明に係る半導体発光素子は、実施形態に係る半導体発光素子に限られるものではなく、実施形態に係る半導体発光素子を変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

例えば、実施形態では、第１酸化狭窄層２２および第２酸化狭窄層２８が、活性層２１と上部ｐ型ＤＢＲ層２５との間に形成される例を示したが、図１５に示すように、第１酸化狭窄層２２および第２酸化狭窄層２８が、活性層２１と下部ｎ型ＤＢＲ層２４との間に形成される場合であっても、実効的な電流狭窄領域の形状の自由度を高めることができる。また、図１６に示すように、第１酸化狭窄層２２が活性層２１と下部ｎ型ＤＢＲ層２４との間に形成され、第２酸化狭窄層２８が活性層２１と上部ｐ型ＤＢＲ層２５との間に形成される場合であっても実効的な電流狭窄領域の形状の自由度を高めることができる。よって、活性層２１近傍で電流狭窄をすることが可能となる。

また、実施形態では、半導体発光素子１の製造方法として第２酸化狭窄層２８がスペーサー層３３と上部ｐ型ＤＢＲ層２５との間に形成される例を示したが、スペーサー層３３を形成せずに、第２酸化狭窄層２８を多層膜の上部ｐ型ＤＢＲ層２５の層間に形成する場合であっても、実効的な電流狭窄領域の形状の自由度を高めることができる。

また、実施形態では、第１酸化狭窄領域２２ｂおよび第２酸化狭窄領域２８ｂの半導体積層方向に直交する面での形状を正方形として説明したが、酸化狭窄領域の形状は正方形に限られるものでは無く、例えば、矩形であっても実効的な電流狭窄領域の形状の自由度を高めることができる。

また、実施形態では、第１酸化狭窄領域２２ｂおよび第２酸化狭窄領域２８ｂの半導体積層方向に直交する面での断面積を同一として説明したが、酸化狭窄領域の断面積が同一で無い場合であっても実効的な電流狭窄領域の形状の自由度を高めることができる。

また、実施形態および図１５，１６の変形例では、第１酸化狭窄層２２が第２酸化狭窄層２８よりも基板側に位置する例を示したが、第１酸化狭窄層２２と第２酸化狭窄層２８とを入れ替えた構成であっても、実効的な電流狭窄領域の形状の自由度を高めることができる。

また、実施形態および図１５，１６の変形例では、メサ部２０の形状が円柱状である半導体発光素子１及びその製造方法について説明したが、メサ部２０の水平方向の断面は円形であるものに限られず、矩形であっても実効的な電流狭窄領域の形状の自由度を高めることができる。但し、メサ部２０の形状が円柱状の方が、二つの酸化狭窄層の面方位を整合させることが容易であるため、製造が容易である。

また、実施形態および図１５，１６の変形例では、メサ部２０が一つより構成される半導体発光素子１及びその製造方法について説明したが、メサ部２０の数に限定されず、メサ部２０を複数備え、アレイ化して構成される半導体発光素子に適用した場合であっても、実効的な電流狭窄領域の形状の自由度を高めることができる。

さらに、実施形態および図１５，１６の変形例では、ｎ型の基板１１を用いた半導体発光素子１及びその製造方法について説明したが、ｐ型の基板を用いて、実施形態のｎ型とｐ型を入れ替えて構成される半導体発光素子に適用した場合であっても、実効的な電流狭窄領域の形状の自由度を高めることができる。

本実施形態に係る半導体発光素子１の構成を示す上面図である。 図１に示した半導体発光素子１のII−II線における側断面図である。 図２に示した半導体発光素子１の側断面図のメサ部２０及びその周辺における層構造を示す拡大図である。 図１に示す半導体発光素子１の第１酸化狭窄層２２を示す断面図である。 図１に示す半導体発光素子１の第２酸化狭窄層２８を示す断面図である。 図１に示す半導体発光素子１のメサ部２０上方からみた実行的な酸化狭窄領域２９を示す説明図である。 図１に示す半導体発光素子１の半導体層形成工程を示す側断面図である。 図１に示す半導体発光素子１のメサ部形成工程を示す側断面図である。 図１に示す半導体発光素子１の酸化工程を示す側断面図である。 図１に示す半導体発光素子１のパッシベーション膜形成工程を示す側断面図である。 図１に示す半導体発光素子１のｐ型コンタクト電極形成工程を示す側断面図である。 図１に示す半導体発光素子１の絶縁膜形成工程を示す側断面図である。 図１に示す半導体発光素子１の電極部材形成工程を示す側断面図である。 図１に示す半導体発光素子１のｎ型コンタクト電極形成工程を示す側断面図である。 図１に示す半導体発光素子１の変形例である。 図１に示す半導体発光素子１の変形例である。

符号の説明

１…半導体発光素子、１１…基板、２０…メサ部、２１…活性層、２２，２８…酸化狭窄層（第１，第２の酸化狭窄層）、２２ｂ，２８ｂ…酸化狭窄領域（第１，第２酸化狭窄領域）、２４，２５…ＤＢＲ層（第１，第２のミラー層）、２６,２７…クラッド層、４１…絶縁膜、５０…電極部材。

Claims (7)

1. 基板と、
   前記基板上に形成され、電流が供給されることによって発光する領域を有する活性層と、
   前記活性層よりも前記基板側に配置される第１のミラー層と、
   前記第１のミラー層との間に前記活性層が介在して配置される第２のミラー層と、
   半導体積層方向に直交する面での断面の形状が矩形の第１電流狭窄領域を有する第１の電流狭窄層と、
   半導体積層方向に直交する面での断面の形状が矩形の第２電流狭窄領域を有する第２の電流狭窄層と、
   を備え、
   前記第２の電流狭窄層において、前記第２電流狭窄領域は前記第１電流狭窄領域に対して半導体積層方向に直交する面内で４５°回転した形状であること、
   を特徴とする半導体発光素子。
2. 前記第１の電流狭窄層および前記第２の電流狭窄層は、前記活性層とｎ型の導電型を有する前記第１のミラー層との間に配置されること、
   を特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記第１の電流狭窄層および前記第２の電流狭窄層は、前記活性層とｐ型の導電型を有する前記第２のミラー層との間に配置されること、
   を特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
4. 前記第１の電流狭窄層は、前記活性層とｎ型の導電型を有する前記第１のミラー層との間に配置され、
   前記第２の電流狭窄層は、前記活性層とｐ型の導電型を有する前記第２のミラー層との間に配置されること、
   を特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
5. 前記第１電流狭窄領域および前記第２電流狭窄領域は、半導体積層方向に直交する面での断面の形状が正方形であること、
   を特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の半導体発光素子。
6. 前記第２電流狭窄領域は、半導体積層方向に直交する面での断面の面積が前記第１電流狭窄領域の半導体積層方向に直交する面での断面の面積と同一であること、
   を特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の半導体発光素子。
7. 前記活性層から出力された光は、前記第１のミラー層および前記第２のミラー層により形成される共振器構造によって所定の共振波長を有し、半導体積層方向に前記基板と反対側へ出射されることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の半導体発光素子。

Images