JP2723523B2 - AlGaInP可視光半導体発光素子 - Google Patents

AlGaInP可視光半導体発光素子

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はAlGaInP可視光半導体発光素子の構造に関す
る。 〔従来の技術〕 第3図(a)〜(c)に従来の横モードを制御したAl
GaInP可視光半導体レーザの製作工程図を示す。第3図
(c)は得られたレーザの素子構造である。図におい
て、活性層10の近傍に、活性層10と平行に活性層10より
禁制帯幅が大きい第3のクラッド層50を活性層10より禁
制帯幅が小さな電流ブロック層70で挟み込んだ層構造を
配置し、横モードを制御するものである。この構造のレ
ーザ素子は第3図(a),(b),(c)の順に作製さ
れる。第3図(a)はダブルヘテロ構造(DH)ウェファ
を結晶成長する工程であり、GaAs基板100上に第1のク
ラッド層30、活性層10、第2のクラッド層40、第3のク
ラッド層50、保護層80を順次積層する。次に第3図
(b)に示すようにSiO2膜110をエッチングマスクとし
て保護層80と、第3のクラッド層50とを部分的にエッチ
ングしメサ構造を作製する。次に第3図(c)に示すよ
うに2回の成長により電流ブロック層70をメサ外側に、
キャップ層60を全面に積層し、半導体多層積層構造を作
り上げるものである。 〔発明が解決しようとする問題点〕 ところで、この工程において、第3図(b)のメサエ
ッチング工程が最も難しく、かつこの構造の製作歩留り
を左右し、ひいてはレーザの特性の歩留りに影響を与え
る。このエッチング工程ではエッチングをクラッド層40
の表面で停止させなければならない。正確にいえば、第
3図(c)において、活性層10と電流ブロック層70との
距離を常に与えられた設定値に制御しなければならな
い。従来は、特別な場合を除き、エッチングレートとエ
ッチング時間とにより制御しなければならず、設定値に
正確に納めることが非常に難しかった。ここに特別な場
合とは第2のクラッド層40と第3のクラッド層50とを形
成するAlGaInP結晶のAl組成比に大きな差をつけられ、
選択エッチング技術を用いることができるときである。 しかしながら、レーザ出射ビームの垂直広がり角を小
さくする目的等でその組成比を大きくとれないことが多
々生じている。このようなとき、選択エッチング技術は
使えず、したがって、レーザ作製の歩留りが非常に低い
という問題点があった。 本発明の目的は上記の問題点を解消し、作製の容易で
かつ歩留りの高いAlGaInP可視光半導体レーザの構造を
提供することにある。 〔問題点を解決するための手段〕 上記目的を達成するために、本発明はGaAs基板上に、
活性層より禁制帯幅が大きいAlGaInPよりなる第1のク
ラッド層と、(AlxGa1-x0.5In0.5Pよりなる活性層
と、前記活性層より禁制帯幅が大きなAlGaInPよりなる
第2クラッド層とを、基板に近い側からこの順に積層形
成されたダブルヘテロ構造を含み、更に、前記第2クラ
ッド層上に、活性層と同一組成の(AlxGa1-x0.5In0.5
Pよりなり、1×1018cm-3以上に不純物がドーピングさ
れ禁制帯幅が活性層より大きいエッチングストッパー層
を介して、前記活性層より禁制帯幅が大きいAlGaInPか
らなり、部分的かつ線状に積層されたメサストライプ状
の第3のクラッド層を含む多層構造を有し、前記すべて
のAlGaInP層を有機金属気相成長により形成することを
特徴とするAlGaInP可視光半導体発光素子である。 〔作用〕 第1図に本発明のAlGaInP可視光半導体発光素子の断
面構造図を示す。第3図(c)と同一構成部分には同一
番号を付して説明する。図において、GaAs基板100上
に、後述の活性層10より禁制帯幅が大きなAlGaInPより
なる第1のクラッド層30、(AlxGa1-x0.5In0.5Pより
なる活性層10、前記活性層10より禁制帯幅が大きなAlGa
InPよりなる第2のクラッド層40が基板100側からこの順
に積層されダブルヘテロ構造を形成し、その上に活性層
10と同一組成の(AlxGa1-x0.5In0.5Pよりなるエッチ
ングストッパー層20を介し前記活性層10より禁制帯幅が
大きなAlGaInPよりなるメサ形状の第3のクラッド層50
と、GaAsからなる保護層80が積層されている。そのメサ
の両側には電流ブロック層70が積層され、さらに、保護
層80と電流ブロック層70との表面上にキャップ層60が全
面にわたって積層されている。エッチングストッパー層
20には不純物が1×1018cm-3以上ドーピングされてい
る。このような構造をとることにより電流ブロック層70
と活性層10との距離を設定値どおりに制御することがで
きるようになる。その詳細を第2図(a)〜(c)の製
作工程図を用い詳しく説明する。第2図(a),
(b),(c)は従来技術の説明に用いた第3図
(a),(b),(c)にそれぞれ対応している。第2
図(a)では第2のクラッド層40と第3のクラッド層50
との間にエッチングストッパー層20が加わるだけで、基
本的な積層要領は第3図(a)と同じである。本発明で
問題とするメサエッチングの工程を示す第2図(b)を
考える。図において、AlGaInPのエッチング液でAl組成
によってエッチングレートが大きく変化するものは塩酸
を含む混合液である。 本構造に選択エッチング技術が応用できるためにはエ
ッチングストッパー層20とその上の第3のクラッド層50
とのAl組成比の差が第3のクラッド層50がAl0.5In0.5
のときは(AlxGa1-x0.5In0.5Pという表記で0.3以上
必要で大きいほど選択性は高くなり、第3のクラッド層
50が(Al0.6Ga0.40.5In0.5Pではほぼ0.6必要であ
る。一方エッチングストッパー層20の禁制帯幅は活性層
10の禁制帯幅以上でなければならない。 以上によりエッチングストッパー層20が活性層10のAl
組成に近づくほど選択性が高まり、選択エッチングの効
果を十分に発揮させることができ、活性層10と同一組成
のときその効果は最大であり、第2図(b)工程の制御
性は最も高くなり、エッチング時間による制御は必要で
なくなり、エッチングは自動的にエッチングストッパー
層20の表面でほぼ停止される。またこの効果を利用する
ためにはエッチングストッパー層20と活性層10とが同一
組成でなければならない場合もある。しかしながら、エ
ッチングストッパー層20を活性層10と同一組成にするこ
とは一般的には光の吸収層としてエッチングストッパー
層が働くため、それは不可能なものとして従来は考えら
れることさえなかった。しかし、有機金属気相成長法に
よるAlGaInPの特徴とドーピングを応用するとエッチン
グストッパー層20と活性層10とが同一組成であっても光
の吸収を十分に抑えることができる。 第1表に(AlxGa1-x0.5In0.5Pからなり、0.1μm
厚の薄膜層からホトルミネッセンス(PL)ピークエネル
ギーをx=0とx=0.15のものについて示す。 ノンドープの場合と、1×1018cm-3不純物導入された
場合とではPLピークエネルギーは同一組成であっても異
なり、Znドーピングの場合60〜90meV高くなる。これは
有機金属気相成長によるAlGaInP結晶の結晶中での原子
配列に関係し、それがドーピングの影響を受けているこ
とによると考えられる。また結晶成長条件でも変化を受
けることを明らかにしてきた。これを積極的に用い、同
一組成のAlGaInPのバンドギャップは有機金属気相成長
の条件とドーピングとにより制御でき、バンドギャップ
を変化させることができる。エッチング特性はほぼ組成
のみに依存する。これによりエッチングストッパー層20
と活性層10を同一組成としてもドーピング量と有機金属
気相成長の条件を制御することによりエッチングストッ
パー層20のバンドギャップを高め、光の吸収量を十分に
抑えることができ、同一組成を用いても発光素子の素子
特性を大きく悪化させることはなくなる。このように活
性層10と同一組成のエッチングストッパー層20の導入に
より第2図(b)の工程の制御性は非常に高まり、かつ
発光素子の素子特性の悪化が抑えられる。 〔実施例〕 以下実施例により本発明を詳しく説明する。説明は第
2図(a)〜(c)の工程図に従って行う。第2図
(a)に示すようにGaAs基板100上にGaAsバッファー層
(図示略)を介してSeドープの(Al0.4Ga0.60.5In0.5
Pよりなる厚さ1μmの第1のクラッド層30、Ga0.5In
0.5Pよりなる厚さ0.08μmの活性層10、Znドープの(A
l0.4Ga0.60.5In0.5Pよりなる厚さ0.3μmの第2のク
ラッド層40、ZnドープのGa0.5In0.5Pよりなる厚さ200
Åのエッチングストッパー層20、Znドープの(Al0.6Ga
0.40.5In0.5Pよりなる厚さ0.8μmの第3のクラッド
層50、ZnドープのGaAsよりなる厚さ0.6μmの保護層80
を有機金属気相成長により順次積層した。このときエッ
チングストッパー層20にはZnを1.5×1018cm-3ドーピン
グされている。さらに活性層成長時の成長温度は700
℃、V/III比は400としている。活性層10のバンドギャッ
プエネルギーは1.845eV、エッチングストッパー層20の
バンドギャップエネルギーは1.931eVである。次に第2
図(b)に示すようにSiO2膜110をエッチングマスクと
してメサエッチングを行った。AlGaInPに対するエッチ
ング液はHClとH2Oとの混合液であり、(Al0.6Ga0.4
0.5In0.5Pに対しては0.4μm/minのエッチングレートを
有し、Ga0.5In0.5Pに対しては50Å/minである。このた
めエッチングする時間は2分間程度であり、4分間エッ
チングを行うことにより完全にエッチングストッパー層
20の表面近傍で容易にエッチングを停止できた。このと
き実際には3分間から5分間のエッチングではすべてエ
ッチングストッパー層でエッチングは停止しており、ウ
ェファ面内における不均一性は30mm×30mmの大きさの中
で観測されていない。 以上のようにこのメサエッチングプロセスは簡単でよ
く制御されている。次に第2図(c)に示すように、有
機金属気相成長法によりSeドープのGaAsよりなる電流ブ
ロック層70を1.2μmの厚さで前述のエッチングマスク
を選択成長用マスクとして、第3のクラッド層50の両側
に積層し、さらに選択成長用マスクを除去後、Znドープ
のGaAsよりなるキャップ層60を1μm積層した。 以上実施例に具体的に説明したように、3分間から5
分間のいかなる時点でエッチングを終了してもエッチン
グはエッチングストッパー層20で停止しており、時間制
御を必要とせず、容易に作製されている。実施例で示し
た組成の層構造ではエッチングストッパー層なしで第2
のクラッド層40の表面で制御性よりエッチングを停止で
きないし、またエッチングストッパー層が活性層と同一
組成でなければ選択エッチング効果を得ることはできな
い。さらに同一組成としたときに生じる光の吸収の問題
は成長条件とドーピングにより、同一組成でありながら
バンドギャップエネルギーを変化させることにより解決
されている。実際に電極を形成して半導体レーザとして
も、発振しきい値電流は50mA程度で、かつ微分光出力は
0.5mW/mAと通常のものと比べ遜色はなかった。 〔発明の効果〕 以上のように本発明によれば活性層と同一組成のエッ
チングストッパー層の導入によりメサエッチング工程の
制御性を高め、発光素子特性の悪化を抑えてAlGaInP可
視光半導体レーザを歩留りよく容易に得ることができる
効果を有する。
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明の発光素子の断面模式図、第2図(a)
〜(c)は本発明の発光素子の製作工程を工程順に示す
図、第3図(a)〜(c)は従来の発光素子の製作工程
を工程順に示す図である。 10……活性層、20……エッチングストッパー層 30,40,50……クラッド層、60……キャップ層 70……電流ブロック層、80……保護層 100……GaAs基板、110……SiO2

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 1.GaAs基板上に、活性層より禁制帯幅が大きいAlGaIn
    Pよりなる第1のクラッド層と、(AlxGa1-x0.5In0.5
    Pよりなる活性層と、前記活性層より禁制帯幅が大きな
    AlGaInPよりなる第2クラッド層とを、基板に近い側か
    らこの順に積層形成されたダブルヘテロ構造を含み、更
    に、前記第2クラッド層上に、活性層と同一組成の(Al
    xGa1-x0.5In0.5Pよりなり、1×1018cm-3以上に不純
    物がドーピングされ禁制帯幅が活性層より大きいエッチ
    ングストッパー層を介して、前記活性層より禁制帯幅が
    大きいAlGaInPからなり、部分的かつ線状に積層された
    メサストライプ状の第3のクラッド層を含む多層構造を
    有し、前記すべてのAlGaInP層を有機金属気相成長によ
    り形成することを特徴とするAlGaInP可視光半導体発光
    素子。
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