JP2009146968A - 半導体発光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】圧縮歪量が１％以上の高圧縮歪量子井戸層を含む活性層を有する半導体発光素子において、耐久性および信頼性の向上を可能とする。
【解決手段】圧縮歪量が１％以上の高圧縮歪量子井戸層を含む活性層Ａ１を有する半導体発光素子１０において、活性層Ａ１の歪量以下の圧縮歪量を有する層から構成される圧縮歪緩衝層Ｂ１を、活性層Ａ１上に隣接するように形成する。
【選択図】図１Ｄ

Description

本発明は、半導体発光素子に関するものであり、より詳細には圧縮歪量が１％以上の高圧縮歪量子井戸層を含む活性層を有する半導体発光素子に関するものである。
従来１μｍ帯の半導体レーザは、例えば特許文献１から３に示されるように、ｎ−ＧａＡｓ基板上で、ｎクラッド層、障壁層、ＩｎＧａＡｓ圧縮歪量子井戸層、障壁層、ｐクラッド層からなる層構造を有している。
また６８０ｎｍ帯の半導体レーザは、例えば特許文献４から６に示されるように、ｎ−ＧａＡｓ基板上に、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＡｌＧａＩｎＰ障壁層、ＧａＩｎＰ圧縮歪量子井戸層、ＡｌＧａＩｎＰ障壁層、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層からなる層構造を有している。
これらの半導体レーザは、基板に対する圧縮歪量を有する圧縮歪量子井戸層を活性層に用いていることから、通電することで活性層近傍の結晶が壊れやすく、高出力で動作したときの寿命が課題となっている。特に、その歪量が１％を超える場合には、寿命低下は著しく、その課題解決が望まれている。
本課題に対し、圧縮歪量子井戸層の隣に低圧縮性の圧縮歪障壁層、もしくは逆に引張性の引張歪障壁層を配置する等により、活性層中の歪の応力を軽減し結晶品質を高めようという試みがある。例えば、特許文献７に示されるように、１％程度の高圧縮歪量を持つ活性層を有する半導体発光素子において、活性層の両脇に引張歪障壁層を配置することで信頼性向上を図るという本出願人による特許発明が開示されている。
特開平５−２１９０２号公報 特開平５−２７５８００号公報 特開平６−７７５８７号公報 特開平５−２１８９４号公報 特開平６−５３６０２号公報 特開平６−１８８５１３号公報 特許第３３１７３３５号公報 A. Ihara, et al., "Physica B: Condensed Matter", 15 December 1999, Vol.273-274, p.1050-1053
しかしながら、一般的には高出力発振下における更なる耐久性および信頼性の向上が望まれており、そのためには半導体発光素子の信頼性低下の原因をより多角的に検討し、それに対する解決手段を講じる必要がある。
非特許文献１によれば、活性層上に隣接するように形成されたクラッド層の結晶品質が低い場合には、このクラッド層から活性層へ結晶欠陥が拡がるため、半導体発光素子の耐久性および信頼性が低下すると示されている。すなわち、半導体発光素子の耐久性および信頼性は、量子井戸層および障壁層により構成される活性層の結晶状態（結晶構造、結晶品質、結晶の強度および歪量等）のみを最適化するだけではなく、活性層上に隣接するように形成された層の結晶状態も最適化する必要がある。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、より高い耐久性および信頼性を有する半導体発光素子の提供を目的とするものである。
上記目的を達成するために本出願人は、活性層上に隣接するように形成される層に活性層の歪に応じた圧縮歪を持たせた場合、上記活性層上に隣接するように形成される層の結晶品質が向上することに注目し、本発明に至った。
すなわち、本発明による半導体発光素子は、導電型半導体基板上に、第１のクラッド層、導電型半導体基板に対する圧縮歪量が１％以上である高圧縮歪量子井戸層を少なくとも１層含む活性層、および第２のクラッド層が少なくともこの順に形成されてなる半導体発光素子において、
活性層上に隣接するように形成された、活性層の歪量以下の圧縮歪量を有する層から構成される圧縮歪緩衝層を有することを特徴とするものである。
ここで、上記「圧縮歪量」とは、基板上に、格子定数が基板のものよりも大きい層を形成した場合において、基板の格子定数に対する当該層および基板それぞれの格子定数の差の割合を意味するものであり、当該層および基板それぞれの格子定数を、ａｌａｙおよびａｓｕｂとすると当該層の圧縮歪量Δは、Δ＝（ａｌａｙ−ａｓｕｂ）／ａｓｕｂ×１００％で与えられる。なお、Δが正の値となる場合は圧縮歪量を示し、負の値となる場合は引張歪量を示す。
そして、上記「高圧縮歪量子井戸層」とは、導電型半導体基板に対する圧縮歪量が１％以上である量子井戸層を意味するものとする。なお、大きさに関わらず単に圧縮歪量を有する量子井戸層を指す場合には、圧縮歪量子井戸層という。
また、上記「活性層」とは、高圧縮歪量子井戸層を少なくとも１層含み、かつ注入された電子およびホールが再結合して圧縮歪量子井戸層のバンドギャップに応じた波長の光を発生させる量子井戸構造を有する層を意味するものとする。なお、この活性層は必要に応じて、圧縮歪量子井戸層と障壁層とを交互に積層させることにより得られる量子井戸構造をとることができるものとする。ただし、本発明において、圧縮歪緩衝層に隣接しかつ活性層の歪量以下の圧縮歪量を有する障壁層は、圧縮歪緩衝層に含めるものとする。
さらに、上記「圧縮歪緩衝層」とは、活性層上に隣接するように形成され、かつ活性層へ結晶欠陥を拡げないように結晶品質を向上させる対象となる層を意味するものとする。この圧縮歪緩衝層は、前述のように活性層の歪量以下の圧縮歪量を有する層から構成されるものである。
また、上記「活性層の歪量」とは、活性層の歪量を代表する値を意味するものとする。つまり、活性層が１層から構成される場合には、その層が有する歪量を意味し、複数の層から構成される場合には、それらの層が有する歪量のうち最大の歪量を意味するものとする。
そして、本発明による半導体発光素子において、下記式（１）で表される、圧縮歪緩衝層を構成する層の圧縮歪量と層厚との積の総和Ｓは、下記式（２）を充足するものであることが望ましい。
Ｓ＝Σ（Δｉ×Ｔｉ） ・・・（１）
０．２％・μｍ≧Ｓ≧０．０２％・μｍ ・・・（２）
（ここで、ΔｉおよびＴｉは、それぞれ圧縮歪緩衝層の活性層側からｉ番目の層の圧縮歪量（単位：％）および層厚（単位：μｍ）であり、Σは圧縮歪緩衝層を構成する層のすべてにおいて足し合わせることを意味する。）
また、圧縮歪緩衝層を構成する層の圧縮歪量は、下記式（３）を充足するものであることが望ましい。
Δ１≧Δ２≧・・・≧Δｉ≧・・・≧Δｎ ・・・（３）
（ここで、Δｉは圧縮歪緩衝層の活性層側からｉ番目の層の圧縮歪量であり、ｎは圧縮歪緩衝層を構成する層の総数である。）
そして、圧縮歪緩衝層を構成するすべての層について、層厚は０．０２〜１μｍであることが望ましく、圧縮歪量と層厚との積は０．０１％・μｍ以上であることが望ましい。
そして、圧縮歪緩衝層は、障壁層、光ガイド層、第２のクラッド層からなる群より選択される少なくとも１層を含むものであることが望ましい。
また、第１のクラッド層および第２のクラッド層はＩｎＧａＰにより構成されるものであり、圧縮歪量子井戸層はＩｎＧａＡｓにより構成されるものであることが望ましい。或いは、第１のクラッド層および第２のクラッド層はＡｌＧａＩｎＰにより構成されるものであり、圧縮歪量子井戸層はＩｎＧａＰにより構成されるものであることが望ましい。
本発明による半導体発光素子は、活性層上に隣接するように形成された、活性層の歪量以下の圧縮歪量を有する層から構成される圧縮歪緩衝層を有する構成となっている。これにより、歪量を有する活性層上に基板に対して格子整合している層を隣接するように形成するような従来法に比べ、活性層とその上部に隣接している層との格子定数ミスフィットが減少し、当該上部に隣接している層の結晶品質が向上することになる。したがって、当該上部に隣接している層の結晶欠陥に起因する、結晶欠陥の活性層への拡がりの影響が低減されるため、半導体発光素子における耐久性および信頼性を向上させることが可能となる。
以下、本発明における最良の実施形態について図面を用いて説明するが、本発明はこれに限られるものではない。
＜第１の実施形態＞
図１Ａ〜Ｄは、第１の実施形態による半導体発光素子の作製工程を示す概略断面図であり、図１Ｄは、この工程によって作成された第１の実施形態による半導体発光素子の概略断面図である。
以下に、半導体発光素子１０の具体的な構成および作製方法について図を用いて説明する。
本実施形態による半導体発光素子１０（図１Ｄ）は、ｎ−ＧａＡｓ基板１１（図１Ａ）上に有機金属気相成長法により、ｎ−ＩｎＧａＰ第１のクラッド層１２ａ（基板１１に対して格子整合／層厚：１．５μｍ）と、ｎまたはｉ−ＩｎＧａＡｓＰ第１の障壁層１３ａ（基板１１に対して格子整合／層厚：０．１μｍ）と、ＩｎＧａＡｓ高圧縮歪量子井戸層１４（圧縮歪量：２．１％／層厚：０．０４μｍ）と、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ第２の障壁層１３ｂ（圧縮歪量：１．０％／層厚：０．０２μｍ）と、ｐ−ＩｎＧａＰ第２のクラッド層１２ｂ（圧縮歪量：０．５％／層厚：０．０４μｍ）と、ｐ−ＩｎＧａＰ第３のクラッド層１２ｃ（圧縮歪量：０．２％／層厚：０．５μｍ）と、ｐ−ＩｎＧａＰ第４のクラッド層１２ｄ（基板１１に対して格子整合／層厚：１．３μｍ）と、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１９（層厚：０．２μｍ）とを順次形成し、その後コンタクト層１９上にＳｉＯ２絶縁層４１（層厚：０．２μｍ）を形成し（図１Ｂ）、この絶縁層４１の一部をパターニングで選択的に除去し（図１Ｃ）、続いてｐ型電極層５１を絶縁層４１および露出したコンタクト層１９を覆うように形成し、最後に基板１１の裏面研磨を行ってその裏面にｎ型電極層５２を形成することにより作製されるものである（図１Ｄ）。
基板１１は、ｎ型の導電型半導体基板であるがｐ型のものを用い、ｐ型半導体層から成長させて半導体発光素子１０を構成することもできる。
各層の作製方法は、有機金属気相成長法の他、固体あるいはガスを原料とする分子線エピタキシャル成長法等を用いることもできる。
各層を構成する材料は、それぞれ必要に応じて適宜選択することができ、特に上記材料に限定されるものではない。ただし、第１のクラッド層１２ａおよび第２のクラッド層１２ｂはＩｎＧａＰにより構成されるものであり、高圧縮歪量子井戸層（或いは圧縮歪量子井戸層）はＩｎＧａＡｓにより構成されるものであることが望ましい。或いは、第１のクラッド層１２ａおよび第２のクラッド層１２ｂはＡｌＧａＩｎＰにより構成されるものであり、高圧縮歪量子井戸層（或いは圧縮歪量子井戸層）はＩｎＧａＰにより構成されるものであることが望ましい。
各層の圧縮歪量および層厚は、必ずしも上記値に限定されるものではない。なお、歪量の制御は、層を構成する材料の組成比を制御することにより行う。例えば、Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ高圧縮歪量子井戸層１４において、圧縮歪量を２．１％とするためにはｘ１を０．３とすればよい。一方、ｐ−Ｉｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｐクラッド層において、例えば圧縮歪量を１．０％、０．５％および０．２％とするためにはｘ２をそれぞれ０．６２、０．５５および０．５１とすればよく、基板１１に対して格子整合させるためにはｘ２を０．４９とすればよい。
ただし、高圧縮歪量子井戸層１４の圧縮歪量は、１．０〜３．０％が望ましく、１．０〜２．５％がより望ましい。ここで、下限を１．０％としたのは、１．０％よりも小さな圧縮歪量の場合には、活性層上に隣接している層は基板と格子整合している方が、当該隣接している層の結晶品質が向上することが本発明者の研究で解っているためである。つまり、圧縮歪量子井戸層の圧縮歪量が１．０％以上の場合に、活性層上に隣接するように圧縮歪緩衝層を形成するという本発明による効果が有用に発揮されるためである。一方、上限を３．０％としたのは、これ以上格子定数が大きくなると結晶が弾性限界を超えるために、緩和不可能となるためである。また、高圧縮歪量子井戸層１４の層厚は、発光利得の観点から４〜１０ｎｍであることが望ましい。
活性層Ａ１は、高圧縮歪量子井戸層１４によって構成されている。この場合、活性層Ａ１の歪量は２．１％である。活性層Ａ１は、必ずしも上記の場合に限定されるものではなく、一般的に用いられる障壁層と圧縮歪量子井戸層とを交互に積層させた構造としてもよい。なお、圧縮歪量子井戸層が複数ある場合には、それらの圧縮歪量は一般的にすべて等しいものが用いられるため、活性層Ａ１の歪量はその値を用いればよい。しかしながら、そうでない場合にはそれらの層が有する歪量のうち最大の歪量を用いることが望ましい。
圧縮歪緩衝層Ｂ１は、第２の障壁層１３ｂ、第２のクラッド層１２ｂおよび第３のクラッド層１２ｃによって構成されている。活性層Ａ１の歪量は２．１％であるため、圧縮歪緩衝層Ｂ１を構成する各層は、２．１％以下の圧縮歪量であればよい。圧縮歪緩衝層Ｂ１は、従来用いられていない層を新たに加えると半導体発光素子１０の作製工程が増えコストがかかるため、障壁層、光ガイド層、第２のクラッド層からなる群より選択される少なくとも１層を含むものであることが望ましい。
圧縮歪緩衝層Ｂ１を構成する各層は、活性層Ａ１および圧縮歪緩衝層Ｂ１間の格子定数ミスフィットを効果的に低減しかつ結晶状態を最適化する観点から、層厚は０．０２〜１μｍであることが望ましく、同じく圧縮歪量と層厚との積は０．０１％・μｍ以上であることが望ましい。本実施形態では、障壁層１３ｂと第２のクラッド層１２ｂの圧縮歪量に対してこの条件がさらに適用されている形となっている。なお、障壁層に歪量を持たせて活性層の歪の応力を緩衝することは一般的に行われているが、このような場合その障壁層の層厚は通常十数ｎｍ以下である。しかしながら、上記のように圧縮歪緩衝層Ｂ１を構成する各層にある程度の厚さを確保することにより、結晶に強度を持たせることができる。
また、同様に格子定数ミスフィットを効果的に低減しかつ結晶状態を最適化する観点から、上記式（１）で表される、圧縮歪緩衝層Ｂ１を構成する層の圧縮歪量と層厚との積の総和Ｓは、上記式（２）を充足するものであることが望ましい。これは、同じ圧縮歪量を有する層であっても層厚が厚い方が、圧縮歪緩衝層Ｂ１の結晶の強度が増し結晶状態が全体としてより最適化されるため、半導体発光素子１０の耐久性および信頼性によりよい効果を発揮するためである。本発明者のこれまでの検討では、この総和Ｓをパラメータとして実験を行った結果、総和Ｓは、０．０２％・μｍ〜０．２％・μｍの範囲であることが望ましく、この範囲で良好な結果が得られた。特に０．２％・μｍよりも大きくすると結晶欠陥が急激に増えて、通電中に動作電流の増大を招くことが判っている。さらに、圧縮歪緩衝層Ｂ１を構成する層の圧縮歪量は、格子定数ミスフィットを最小に抑えるため、上記式（３）を充足するものであることが望ましい。
以下、本実施形態による半導体発光素子１０の作用を説明する。
本実施形態による半導体発光素子１０では、活性層Ａ１の歪量２．１％以下の圧縮歪量を有する障壁層１３ｂ（圧縮歪量：１．０％／層厚：０．０２μｍ）および第２のクラッド層１２ｂ（圧縮歪量：０．５％／層厚：０．０４μｍ）および第３のクラッド層１２ｃ（圧縮歪量：０．２％／層厚：０．５μｍ）によって構成される圧縮歪緩衝層Ｂ１が、活性層Ａ１上に隣接するように形成されている。これにより、基板に対して格子整合している光ガイド層またはクラッド層等を、歪量を有する活性層上に隣接するように形成するような従来法に比べ、活性層Ａ１とその上部に隣接している層（圧縮歪緩衝層Ｂ１）との格子定数ミスフィットが減少し、当該上部に隣接している層の結晶品質が向上することになる。したがって、当該上部に隣接している層の結晶欠陥に起因する、結晶欠陥の活性層への拡がりの影響が低減されるため、半導体発光素子における耐久性および信頼性を向上させることが可能となる。
さらに、本実施形態では上記式（１）の総和Ｓは、１．０％×０．０２μｍ（第２の障壁層１３ｂの圧縮歪量と層厚との積）＋０．５％×０．０４μｍ（第２のクラッド層１２ｂの圧縮歪量と層厚との積）＋０．２％×０．５μｍ（第３のクラッド層１２ｃの圧縮歪量と層厚との積）によって、０．１４％・μｍとなる。これにより、上記式（２）を充足していることにより、半導体発光素子１０における耐久性および信頼性をより向上させることが可能となる。
そして、障壁層１３ｂ、第２のクラッド層１２ｂおよび第３のクラッド層１２ｃの圧縮歪量を、それぞれΔ１３ｂ、Δ１２ｂおよびΔ１２ｃとすると、Δ１３ｂ＞Δ１２ｂ＞Δ１２ｃという関係が成り立ち上記式（３）を充足するため、活性層Ａ１、障壁層１３ｂ、第２のクラッド層１２ｂおよび第３のクラッド層１２ｃの４層の関係において、格子定数ミスフィットが最小に抑えられているため、半導体発光素子１０における耐久性および信頼性をより向上させることが可能となる。
また、圧縮歪緩衝層Ｂ１が、従来用いられている障壁層およびクラッド層によって構成されているため、従来の半導体発光素子の作製工程において、新たな工程を必要とせず、材料の積層条件を変更するだけで容易に半導体発光素子１０における耐久性および信頼性を向上させることが可能となる。
なお、本実施形態において、半導体発光素子１０を構成する層はすべて平面形状の層であるが、例えばこれらの層が傾斜形状を有していてもよく、本発明による半導体発光素子はこれらの層の形状に限定されるものではない。
また、本実施形態による半導体発光素子１０の層構成を、通常のフォトリソグラフィやドライエッチングを用いて作製される屈折率導波機構付き半導体発光素子、回折格子付き半導体発光素子、もしくは光集積回路等に適用することもできる。
＜第２の実施形態＞
図２Ａ〜Ｅは、第２の実施形態による半導体発光素子の作製工程を示す概略断面図であり、図２Ｅは、この工程によって作成された第２の実施形態による半導体発光素子の概略断面図である。本実施形態の特徴は、活性層Ａ２が、高圧縮歪量子井戸層２４（圧縮歪量：１．０％／層厚：４ｎｍ）３層と障壁層２３（基板２１に対して格子整合／層厚：１０ｎｍ）２層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有することと、圧縮歪緩衝層Ｂ２が、第２の光ガイド層２５ｂ（圧縮歪量：０．５％／層厚：０．０４μｍ）と第２のクラッド層２２ｂ（圧縮歪量：０．２％／層厚：０．１μｍ）とによって構成されていることである。なお、活性層Ａ２、圧縮歪緩衝層Ｂ２および光ガイド層２５ａ・ｂ以外は本質的に第１の実施形態とほぼ同様の構成であるため、特に必要のない限り同様の構成の説明は省略する。
以下に、本実施形態による半導体発光素子２０の具体的な構成および作製方法について図を用いて説明する。
本実施形態による半導体発光素子２０は、ｎ−ＧａＡｓ基板２１上に有機金属気相成長法により、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ第１のクラッド層２２ａ（基板２１に対して格子整合／層厚：１．５μｍ）と、ｎまたはｉ−ＡｌＧａＩｎＰ第１の光ガイド層２５ａ（基板２１に対して格子整合／層厚：０．０５μｍ）と、ＩｎＧａＰ高圧縮歪量子井戸層２４（圧縮歪量：１．０％／層厚：４ｎｍ）３層とｉ−ＡｌＧａＩｎＰ障壁層２３（基板２１に対して格子整合／層厚：１０ｎｍ）２層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有する活性層Ａ２と、ｉ−ＡｌＧａＩｎＰ第２の光ガイド層２５ｂ（圧縮歪量：０．５％／層厚：０．０４μｍ）と、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２のクラッド層２２ｂ（圧縮歪量：０．２％／層厚：０．１μｍ）と、ｐ−ＧａＡｓエッチング阻止層２６（層厚：０．０５μｍ）と、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第３のクラッド層２２ｃ（基板２１に対して格子整合／層厚：１．０μｍ）とを順次形成し、この第３のクラッド層２２ｃ上にＳｉＯ２絶縁層４１を形成し（図２Ａ）、この後通常のリソグラフィーにより絶縁層４１の幅３μｍ程度のストライプ状部分を残して、そのストライプ状部分以外の絶縁層４１を除去し（図２Ｂ）、この残されたストライプ状部分の絶縁層４１をマスクとしてウエットエッチングによりエッチング阻止層２６上面までの第３のクラッド層２２ｃを除去してリッジストライプを形成し（図２Ｃ。このとき、エッチング液として塩酸系を用いると、エッチングがエッチング阻止層２６で自動的に停止する。）、次に第３のクラッド層２２ｃがエッチングにより除去された領域（リッジ部両脇）に選択的にｎ−ＧａＡｓ電流狭窄層２７（層厚：０．５μｍ）を形成し（図２Ｄ）、次いで残りの絶縁層４１を除去し、露出している第３のクラッド層２２ｃおよび電流狭窄層２７の上面にｐ−ＧａＡｓコンタクト層２９（層厚：０．２μｍ）を成長させ、さらにコンタクト層２９の上面にｐ型電極層５１を形成し、その後基板２１の裏面研磨を行ってその裏面にｎ型電極層５２を形成し、試料を劈開して形成した共振器面の一面に高反射率コート、他面に低反射率コートを施すことにより作製されるものである（図２Ｅ）。
光ガイド層２５ａ・ｂについて、その作製方法は、有機金属気相成長法の他、固体あるいはガスを原料とする分子線エピタキシャル成長法等を用いることもできる。また、同様に、それを構成する材料、圧縮歪量および層厚は、それぞれ必要に応じて適宜選択することができ、特に上記のものに限定されるものではない。
以下、本実施形態による半導体発光素子２０の作用を説明する。
本実施形態による半導体発光素子２０では、活性層Ａ２の歪量１．０％以下の圧縮歪量を有する第２の光ガイド層２５ｂ（圧縮歪量：０．５％／層厚：０．０４μｍ）および第２のクラッド層２２ｂ（圧縮歪量：０．２％／層厚：０．１μｍ）によって構成される圧縮歪緩衝層Ｂ２が、活性層Ａ２上に隣接するように形成されている。
そして、本実施形態では上記式（１）の総和Ｓは、０．５％×０．０４μｍ（第２の光ガイド層２５ｂの圧縮歪量と層厚との積）＋０．２％×０．１μｍ（第２のクラッド層２２ｂの圧縮歪量と層厚との積）によって、０．０４％・μｍとなる。
さらに、第２の光ガイド層２５ｂおよび第２のクラッド層２２ｂの圧縮歪量を、それぞれΔ２５ｂおよびΔ２２ｂとすると、Δ２５ｂ＞Δ２２ｂという関係が成り立つ。
したがって、本実施形態においても第１の実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。
また、上記のような構造により、単一横モードを保ったまま、高いレベルの光出力のレーザ光を発生させることができ、１００ｍＷ以上の高出力動作をさせても１万時間以上の高い信頼性を得ることが可能となる。
＜第３の実施形態＞
図３Ａ〜図３Ｆは、第３の実施形態による半導体発光素子の層構成および作製方法を示した概略斜視図であり、図３Ｆは、この工程によって作成された第３の実施形態による半導体発光素子の概略斜視図である。本実施形態による半導体発光素子３０は、活性層Ａ３に光の導波方向へ利得波長が連続的に変化する構造を有し、半導体発光素子３０の最上層のｐ型電極層５１が光の導波方向へ、互いに絶縁された３つの電極５１ａ、５１ｂおよび５１ｃに分離されたものである。互いに分離された各電極５１ａ、５１ｂおよび５１ｃは、個別に注入電流の調整が可能である。
また、本実施形態の特徴は、活性層Ａ３が、圧縮歪量子井戸層３４（圧縮歪量：１．５％／層厚：４ｎｍ）により構成されていることと、圧縮歪緩衝層Ｂ３が、第２の光ガイド層３５ｂ（圧縮歪量：０．５％／層厚：０．０２μｍ）と第２のクラッド層３２ｂ（圧縮歪量：０．２％／層厚：０．０５μｍ）とによって構成されていることである。
なお、素子構造以外は本質的に第２の実施形態とほぼ同様の構成であるため、特に必要のない限り同様の構成の説明は省略する。
以下に、本実施形態による半導体発光素子３０の具体的な構成および作製方法について図３Ａ〜図３Ｅを用いて説明する。
ｎ型ＧａＡｓ基板上に第１回目の結晶成長工程にてｎ−ＩｎＧａＰ第１のクラッド層３２ａ（基板１１に対して格子整合／層厚：１．５μｍ）を形成後、続けてＳｉＯ２絶縁層４１を形成し、選択的に絶縁層４１をテーパ形状にパターニングする（図３Ａ）。そして、第２回目の結晶成長工程にてテーパ形状の絶縁層４１をマスクとして、ｉ−ＧａＡｓ第１の光ガイド層３５ａ（層厚：０．１μｍ）、ｉ−ＩｎＧａＡｓ高圧縮歪量子井戸層３４（圧縮歪量：１．５％／層厚：４ｎｍ）、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ第２の光ガイド層３５ｂ（圧縮歪量：０．５％／層厚：０．０２μｍ）、およびｐ−ＩｎＧａＰ第２のクラッド層３２ｂ（圧縮歪量：０．２％／層厚：０．０５μｍ）を選択成長させた後、絶縁層４１を除去する（図３Ｂ）。絶縁層４１を除去した後、第３回目の結晶成長工程にて全面にｎ−ＩｎＧａＰブロック層３８（基板１１に対して格子整合／層厚：１．０μｍ）を形成する（図３Ｃ）。その後、ストライプ状の活性層領域の上部にあるブロック層３８の部分３８ａにイオン注入法によりｐ型ドーパントを打ち込み、ブロック層３８のストライプ状の部分３８ａをｐ型化する（図３Ｄ）。続けて第４回目の結晶成長工程により、全面にｐ−ＧａＡｓコンタクト層３９（層厚：０．２μｍ）を成長させ（図３Ｅ）、コンタクト層３９上にｐ型電極層５１を、基板３１の裏面にｎ型電極層５２をそれぞれ形成する（図３Ｆ）。このとき、図３Ｆに示すようにｐ型電極層５１は活性層ストライプ軸方向に互いに分離した３つの電極５１ａ、５１ｂおよび５１ｃを形成する場合には、ｐ型電極層５１の形成前に分離部にマスクを設けておくことにより３つの電極として形成してもよいし、全面に単一の電極層を設けた後に分離部の電極層を除去するようにして３つの電極として形成してもよい。
上記作製方法においては、テーパ形状のマスク（絶縁層４１）を用いて選択成長させることにより、テーパの広がっている部分が狭い部分と比較してマスク（絶縁層４１）に隣接する領域の成長が早くなる性質を利用している。この性質を利用することにより、マスク（絶縁層４１）で挟まれたストライプ状の領域において導波方向に前方端面Ｆから後方端面に向けて徐々に厚みが変化した活性層Ａ３を形成することができる。
以下、本実施形態による半導体発光素子３０の作用を説明する。
本実施形態による半導体発光素子３０では、活性層Ａ３の歪量１．５％以下の圧縮歪量を有する第２の光ガイド層３５ｂ（圧縮歪量：０．５％／層厚：０．０２μｍ）および第２のクラッド層３２ｂ（圧縮歪量：０．２％／層厚：０．０５μｍ）によって構成される圧縮歪緩衝層Ｂ３が、活性層Ａ３上に隣接するように形成されている。
そして、本実施形態では上記式（１）の総和Ｓは、０．５％×０．０１μｍ（第２の光ガイド層３５ｂの圧縮歪量と層厚との積）＋０．２％×０．０５μｍ（第２のクラッド層３２ｂの圧縮歪量と層厚との積）によって、０．０２％・μｍとなる。
さらに、第２の光ガイド層３５ｂおよび第２のクラッド層３２ｂの圧縮歪量を、それぞれΔ３５ｂおよびΔ３２ｂとすると、Δ３５ｂ＞Δ３２ｂという関係が成り立つ。
したがって、本実施形態においても第１の実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。
また、上記のような構造により、活性層Ａ３の厚みが異なるとその利得波長が異なり、厚みの薄い方が短波長側の光を発することが知られている。すなわち、出射端面である前方端面Ｆ側から後方端面側に徐々に厚みを厚くすることにより、前方端面Ｆ側が短波長側の利得波長となるように構成することができる。したがって、通常は自身の波長より長波長側の利得部で吸収されてしまう短波長の光が、前方端面Ｆに至るまでの導波路内で吸収されてしまうのを防ぐことが可能となる
なお、本発明による半導体発光素子１０〜３０は、通信、計測、医療、印刷、画像処理の分野での光源として応用可能である。また波長帯に関しても、上記実施形態ではＧａＡｓ基板を用いた１μｍ帯の波長の光を出力する半導体発光素子の例を示したが、ＧａＮ基板を用いた可視光半導体発光素子でもよく、活性層に歪量の大きな高圧縮歪量子井戸層を用いた半導体発光素子であれば本発明は有効である。
第１の実施形態による半導体発光素子の作製工程を示す断面図（その１） 第１の実施形態による半導体発光素子の作製工程を示す断面図（その２） 第１の実施形態による半導体発光素子の作製工程を示す断面図（その３） 第１の実施形態による半導体発光素子を示す断面図 第２の実施形態による半導体発光素子の作製工程を示す断面図（その１） 第２の実施形態による半導体発光素子の作製工程を示す断面図（その２） 第２の実施形態による半導体発光素子の作製工程を示す断面図（その３） 第２の実施形態による半導体発光素子の作製工程を示す断面図（その４） 第２の実施形態による半導体発光素子を示す断面図 第３の実施形態による半導体発光素子の作製工程を示す斜視図（その１） 第３の実施形態による半導体発光素子の作製工程を示す斜視図（その２） 第３の実施形態による半導体発光素子の作製工程を示す斜視図（その３） 第３の実施形態による半導体発光素子の作製工程を示す斜視図（その４） 第３の実施形態による半導体発光素子の作製工程を示す斜視図（その５） 第３の実施形態による半導体発光素子を示す斜視図
符号の説明
１０ 半導体発光素子
１１ ＧａＡｓ基板
１２ａ〜ｄ ＩｎＧａＰクラッド層
１３ａ・ｂ ＩｎＧａＡｓＰ障壁層
１４ ＩｎＧａＡｓ圧縮歪量子井戸層
１９ ＧａＡｓコンタクト層
２５ａ・ｂ ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層
２６ ＧａＡｓエッチング阻止層
２７ ＧａＡｓ電流狭窄層
３８ ＩｎＧａＰブロック層
４１ ＳｉＯ２絶縁層
５１、５２ 電極層
Ａ１ 活性層
Ｂ１ 圧縮歪緩衝層

Claims (8)

  1. 導電型半導体基板上に、第１のクラッド層、前記導電型半導体基板に対する圧縮歪量が１％以上である高圧縮歪量子井戸層を少なくとも１層含む活性層、および第２のクラッド層が少なくともこの順に形成されてなる半導体発光素子において、
    前記活性層上に隣接するように形成された、前記活性層の歪量以下の前記圧縮歪量を有する層から構成される圧縮歪緩衝層を有することを特徴とする半導体発光素子。
  2. 下記式（１）で表される、前記圧縮歪緩衝層を構成する層の前記圧縮歪量と層厚との積の総和Ｓが、下記式（２）を充足するもの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。
    Ｓ＝Σ（Δｉ×Ｔｉ） ・・・（１）
    ０．２％・μｍ≧Ｓ≧０．０２％・μｍ ・・・（２）
    （ここで、ΔｉおよびＴｉは、それぞれ前記圧縮歪緩衝層の前記活性層側からｉ番目の層の前記圧縮歪量（単位：％）および前記層厚（単位：μｍ）であり、Σは前記圧縮歪緩衝層を構成する層のすべてにおいて足し合わせることを意味する。）
  3. 前記圧縮歪緩衝層を構成する層の前記圧縮歪量が、下記式（３）を充足するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
    Δ１≧Δ２≧・・・≧Δｉ≧・・・≧Δｎ ・・・（３）
    （ここで、Δｉは前記圧縮歪緩衝層の前記活性層側からｉ番目の層の前記圧縮歪量であり、ｎは前記圧縮歪緩衝層を構成する層の総数である。）
  4. 前記圧縮歪緩衝層を構成するすべての層の前記層厚が、０．０２〜１μｍであることを特徴とする請求項１から３に記載の半導体発光素子。
  5. 前記圧縮歪緩衝層を構成するすべての層について、前記圧縮歪量と前記層厚との積が０．０１％・μｍ以上であることを特徴とする請求項１から４に記載の半導体発光素子。
  6. 前記圧縮歪緩衝層が、障壁層、光ガイド層、前記第２のクラッド層からなる群より選択される少なくとも１層を含むものであることを特徴とする請求項１から５いずれかに記載の半導体発光素子。
  7. 前記第１のクラッド層および前記第２のクラッド層がＩｎＧａＰにより構成されるものであり、前記圧縮歪量子井戸層がＩｎＧａＡｓにより構成されるものであることを特徴とする請求項１から６いずれかに記載の半導体発光素子。
  8. 前記第１のクラッド層および前記第２のクラッド層がＡｌＧａＩｎＰにより構成されるものであり、前記圧縮歪量子井戸層がＩｎＧａＰにより構成されるものであることを特徴とする請求項１から６いずれかに記載の半導体発光素子。
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