JP3660144B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子に関する。更に詳しくは、本発明は、ＧａＩｎＰ又はＡｌＧａｌｎＰ系の半導体発光素子に関する。
【従来の技術】
【０００２】
近年、ＧａＩｎＰ及びＡｌＧａｌｎＰ系の半導体レーザのような半導体発光素子は、光磁気ディスク、光ディスク等の光情報処理システムなどの記録及び読み出しの光源として使用され始めている。特に、波長が６３５ｎｍから６５０ｎｍの半導体発光素子は、ＤＶＤを初めとする高密度光磁気ディスクを実現するためのキーデバイスとして期待されている。
【０００３】
このような光情報処理システム用の光源として半導体発光素子を使用する場合、情報を高密度化するためには短波長化、情報の書き換えを高速に行うためには高出力化が必要とされる。また、システム本体の高温における動作を保証するため、半導体発光素子にも高温で動作しうることが必要とされる。更に、システムに組み込んで使用するためには、実際の使用温度条件で、ＭＴＴＦ（平均故障時間）５０００時間以上が最低限必要である。
【０００４】
従来、６３５ｎｍを発振する半導体発光素子の活性層の構造として、１００Åの量子井戸幅で井戸数が３層のもの（第４１回応用物理学会関係連合講演会講演予稿集、１００７頁、１９９７年）、１１０Åの量子井戸幅で井戸数が３層のもの（ＩＥＥＥ Laser Conference 1994 Sep. 予稿集、９９頁）が報告されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、上記半導体発光素子を光出力一定（５ｍＷ）の信頼性試験にかけた場合、実用レベルでの上記ＭＴＴＦの条件を満たす信頼性は６０℃が最高であった。
しかし、ＤＶＤ用ユニット、特にＤＶＤ−ＲＯＭ用ユニットは、小さい筺体で、しかもランダムアクセスを繰り返すため、内部のモータの発熱が多く、外気温が５０℃の状態でも、内部は７０℃と高温となることが知られている。従って、半導体発光素子も７０℃以上の高い温度で高い信頼性を持つ必要があった。
【０００６】
そこで高温下での信頼性を向上さすため発振波長を長くすることが考えられる。即ち、発振波長を長くすることにより、活性層のバンドギャップが小さくなる。そのことは、活性層に隣接するクラッド層と活性層とのバンドギャップ差を相対的に増やすことになる。従って、高温状態でも、活性層中のホールのクラッド層へのオーバーフローを減らすことができ、その結果、高温下での信頼性を向上さすことができる。
【０００７】
発振波長を長くするためには、１）活性層のＧａＰ比を小さくする、２）活性層の井戸幅を大きくすることが考えられる。
特に波長を６３５ｎｍから、例えば６４５ｎｍに長くする場合、単純に活性層のＧａＰ比を小さくしても、価電子体構造においてライトホールとヘビーホールのクロスオーバー点が近づくため、発光を発振する閾値が上昇してしまう。また、ＧａｌｎＰ系の半導体発光素子の場合、ＧａＰ比を小さくすることにより格子歪みの限界を越えると結晶が破壊される恐れがある。
【０００８】
更に、半導体発光素子は、活性層の混晶比、井戸幅、井戸数等その構造を決定するためのパラメータが多いため、ある一定の波長を発振しうる構造を決定するためには、多くの試作、評価を繰り返すことが必要であり、膨大な労力、費用及び時間が必要であった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の発明者等は、鋭意検討の結果、量子井戸活性層の構造を決定する井戸幅、井戸数及び格子歪量が、ある特定の関係を有する場合、高温で高い信頼性を有する半導体発光素子が得られることを意外にも見い出し本発明に至った。
かくして本発明によれば、ＧａＩｎＰからなる量子井戸活性層を備えた半導体発光素子であり、量子井戸活性層の構造を決定する井戸幅、井戸数及び格子歪量が、井戸幅×井戸数として２４０〜５５０Å及び井戸幅×井戸数×格子歪量の絶対値として２００〜２６０Å・％の関係を有し、発振する波長が６４５ｎｍ、井戸数が３及び井戸幅が１３０〜１４０Åであるか、波長が６４５ｎｍ、井戸数が２及び井戸幅が１６０〜１８０Åであるか、波長が６４５ｎｍ、井戸数が１及び井戸幅が２４０〜３００Åであるか、波長が６５０ｎｍ、井戸数が３及び井戸幅が１６０〜１８０Åであるか、波長が６５０ｎｍ、井戸数が２及び井戸幅が２１０〜２２０Åであるか、又は波長が６５０ｎｍ、井戸数が１及び井戸幅が３００〜４００Åであることを特徴とする半導体発光素子が提供される。
【００１０】
【発明の実施の態様】
以下では、本発明の発明者等が、井戸幅、井戸数及び格子歪量相互間の特定の関係を見い出した経緯を説明する。ここでは、波長６４５ｎｍの半導体発光素子を設計する場合について説明する。
【００１１】
図１は、波長６４５ｎｍの発光を得るための量子井戸活性層の井戸幅（横軸）と量子井戸活性層の格子歪量（縦軸）との関係を示すグラフである。図１より、図中の実線上の井戸幅と格子歪量であれば、波長６４５ｎｍの発光を得ることができる。
この実線は、
１）井戸幅を一定にしたときの格子歪量の変化とバンドギャップ変化の関係、
２）格子歪量が一定の場合の井戸幅とバンドギャップの関係、及び
３）ある井戸幅で、ある格子歪量のときの発振波長
により導き出され、具体的には、以下の手法による。
【００１２】
まず、発明者等は、実際の半導体発光素子の試作と理論計算を行い、井戸幅、井戸数及び格子歪量相互間の特定の関係を以下のように定義した。
１）量子井戸活性層に含まれるＧａＰ比を変えた時のバンドギャップの変化率は下記式のようになる。
ｄＥｇ／ｄ（量子井戸活性層のＧａＰ比）＝０．４４２（ｅＶ）
【００１３】
上記式では、格子歪量の代わりにＧａＰ比で表現している。ＧａＰ比と格子歪量の関係を以下に示す。
ＧａＰ比＝０．５１−格子歪量〔％〕×０．１３５
２）井戸幅を変化させたときのバンドギャップの変化量は、ある井戸幅の量子井戸の第１準位の量子井戸の底からのエネルギー差で表される。その関係を理論計算及び実験より以下のように定めた。
【００１４】
電子の第１準位エネルギー＝２９６９７×（井戸幅〔Å〕）(-1.60)［ｍｅＶ］
ライトホールの第１準位エネルギー＝３６１４８×（井戸幅〔Å〕）(-1.68)［ｍｅＶ］
３）井戸幅１００Å及び格子歪量−０．８８％の場合、実際の発振波長は６３５ｎｍであった。
以上のデータより、図１の波長一定ラインを算出することができた。つまり、６４５ｎｍの波長で発光する半導体発光素子を作成する場合、量子井戸活性層の構造が、このライン上の井戸幅及び格子歪量を満たせばよいことが判った。
【００１５】
次に、格子歪量の絶対値を大きくすることが好ましい。この理由は、格子歪量の絶対値が大きいほどライトホールとヘビーホールとの分離が大きくなり、引っ張り歪みの場合、ライトホール帯へのホールの集中が起こりやすくなるためである。図１の実線上では負の歪みが大きくなる方向、即ち、右下ヘ向かうほど特性が改善される。
【００１６】
しかしながら、その右下方向は、格子歪みの増大により結晶破壊を招く方向である。その格子歪みの限界は、量子井戸活性層の井戸幅の合計と格子歪量の絶対値の積（井戸幅×井戸数×格子歪量の絶対値）によって決まり、その値は発明者等の実験により、約２６０Å・％であることを見い出している。
【００１７】
上記条件を図２に点線として記載した。ここで、井戸層の層数は、１、２及び３の場合について示した。この点線よりも左上でなければ、格子歪みからくる結晶破壊が発生する。従って、格子歪みが発生する格子歪量及び井戸幅よりも左上の実線上で、なるべく格子歪量の絶対値の大きい値が好ましい。
【００１８】
次に、井戸幅の合計の厚さは、量子井戸活性層での光閉じ込め係数に影響を与える。井戸幅の合計の厚さが小さすぎる場合、閾値電流の温度特性が悪化し、高温での信頼性が低下する。従って、井戸幅の合計の厚さは２４０Å以上が必要である。
【００１９】
以上の如き経緯から、６４５〜６５０ｎｍの波長を発振する半導体発光素子において、量子井戸活性層の構造を決定する井戸幅、井戸数及び格子歪量が、井戸幅×井戸数として２４０〜５５０Å及び井戸幅×井戸数×格子歪量の絶対値として２００〜２６０Å・％の関係を有することが好適であることが判った。
【００２０】
より具体的には、６４５ｎｍの波長の光を発振する場合、
井戸数３、井戸幅１３０〜１４０Å
井戸数２、井戸幅１６０〜１８０Å
井戸数１、井戸幅２４０〜３００Å
であることが好ましいことが判った。
上記と同様にして６４０ｎｍ及び６５０ｎｍの場合についても算出した。その結果を波長６４５ｎｍの場合と併せて、図３に示す。
【００２１】
ここで、波長６４５ｎｍの場合と同様にして、波長６５０ｎｍの場合の好ましい井戸数と井戸幅の関係を以下に示す。
井戸数３、井戸幅１６０〜１８０Å
井戸数２、井戸幅２１０〜２２０Å
井戸数１、井戸幅３００〜４００Å
上記では、井戸数１〜３の場合のみ具体的に記載しているが、井戸数４以上の場合でも上記関係を満たせばよく、また各井戸層の井戸幅は異なっていてもよい。
【００２２】
なお、参考までに波長６３５ｎｍの場合の好ましい井戸数と井戸幅の関係を以下に示す。
井戸数３、井戸幅９０〜１００Å
井戸数２、井戸幅１１０〜１２０Å
井戸数１、井戸幅１９０〜２１０Å
以下では、本発明の半導体発光素子を更に説明する。
【００２３】
まず、量子井戸活性層は、ＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＩｎＰからなる井戸層と障壁層とから通常構成される。
次に、量子井戸活性層は、一般的にクラッド層で挟まれている。更に、クラッド層と量子井戸活性層との間には、光ガイド層が設けられていてもよい。また、一方のクラッド層上には、中間バンドギャップ層及びコンタクト層が設けられていてもよい。更に、他方のクラッド層下に、基板を備えていてもよい。これら各層は、ｐ型又はｎ型を付与する不純物が導入されていてもよい。
【００２４】
更にまた、水平方向の光の安定性を増すために、中間バンドギャップ層下のクラッド層は、メサ状に成形されていてもよい。この場合、メサ状により容易に成形するために、クラッド層中にエッチングストップ層を設けてもよい。
次いで、半導体発光素子の製造方法を説明する。但し、下記方法は単なる例示であって、下記方法以外の公知の方法を利用して半導体発光素子を製造してもよい。
【００２５】
まず、基板上に、第１クラッド層、第１光ガイド層、多重量子井戸活性層、第２光ガイド層、第２クラッド層、エッチングストップ層、第３クラッド層、バンドギャップ層及びコンタクト層をこの順で積層する。各層の積層方法としては、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法等が挙げられる。
【００２６】
次に、コンタクト層上に、例えばＡｌ2 Ｏ3 からなるストライプ状のマスク層を積層し、このマスク層を介して第３クラッド層、バンドギャップ層及びコンタクト層をエッチングすることにより、各層をメサ状に成形する。
この後、ＭＢＥ法のような方法で、メサ状に成形された各層の側壁を半導体層で覆い、マスク層を除去しつつ表面を平坦化することで、半導体発光素子を得ることができる。
【００２７】
上記条件を満たす本発明の半導体発光素子は、波長が比較的長いため、閾値が低く、高温条件下で高い信頼性（例えば、７０℃、５ｍＷの出力条件下で、ＭＴＴＦ５０００時間以上）を持つ半導体発光素子を得ることができ、特に半導体レーザ素子に好適に使用することができる。
【００２８】
【実施例】
以下、この発明の半導体の製造方法を実施例により詳細に説明する。
実施例１
図４（ａ）〜（ｄ）を用いて、実施例１の屈折率導波路型半導体レーザ素子の製造工程を説明する。なお、実施例１では、波長６４５ｎｍの光を発振する半導体レーザ素子を作成した。
【００２９】
ｎ−ＧａＡｓ基板（１５°オフ基板）１１上に、ＭＢＥ法によりｎ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層（Ｙ＝０．７）１２、ＡｌＧａＩｎＰ第１光ガイド層４３、量子井戸活性層４１、ＡｌＧａＩｎＰ第２光ガイド層４２、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層（Ｙ＝０．７）１４、ｐ−ＧａＩｎＰエッチングストップ層１５、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第３クラッド層（Ｙ＝０．７）１６、ｐ−ＧａＩｎＰ中間バンドギャップ層１７とｐ−ＧａＡｓコンタクト層１８を順次積層した。
【００３０】
量子井戸活性層４１は、各波長及び井戸数に対する最適点を上記設計法が割り出した範囲内になるように、井戸幅及び格子歪量を表１の値とした。なお、量子井戸活性層は、井戸数が、１、２及び３個の３種類形成した。
井戸数が３個の場合の多重量子井戸活性層の構造を図５に示す。図から判るように、多重量子井戸活性層は、３層のＧａＩｎＰ井戸層４５と、２層のＡｌＧａＩｎＰ障壁層４６とからなる。
【００３１】
それぞれの層におけるドーピング量は、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層１２はＳｉを１×１０18ｃｍ-3、ＡｌＧａＩｎＰ第１光ガイド層４３、量子井戸活性層４１及びＡｌＧａＩｎＰ第２光ガイド層４２はノンドープ、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１４及びｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第３クラッド層１６はＢｅを１×１０18ｃｍ-3、ｐ−ＧａＩｎＰ中間バンドギャップ層１７はＢｅを１×１０18ｃｍ-3、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１８はＢｅを１×１０18ｃｍ-3とした。
【００３２】
更に、それぞれの層の厚さは、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層１２は１．５μｍ、ＡｌＧａＩｎＰ第１光ガイド層４３は０．１μｍ、ＡｌＧａＩｎＰ第２光ガイド層４２は０．１μｍ、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１４は０．２μｍ、ｐ−ＧａＩｎＰエッチングストップ層１５は０．０１μｍ、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第３クラッド層１６は１．３μｍ、ｐ−ＧａＩｎＰ中間バンドギャップ層１７は０．０１μｍ、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１８は０．１μｍとした。量子井戸活性層４１のＡｌＧａＩｎＰ障壁層の厚さは、ＧａＩｎＰ井戸層が１〜３層のいずれの場合も０．００５μｍとした。
【００３３】
次に、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１８上に、マスク層１９を形成するためのＡｌ2Ｏ3膜を蒸着し、フォトリソグラフィによりＡｌ2Ｏ3膜をストライプ状パターンに加工することによりマスク層１９を形成した。この後マスク層１９を介して湿式エッチングを行ってｐ−ＧａＡｓコンタクト層１８、ｐ−ＧａＩｎＰ中間バンドギャップ層１７およびｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第３クラッド層１６のうちマスク層１９の両側に相当する部分（マスク層１９で覆われていない部分）を除去した。これにより、マスク層１９の直下にメサ部３１を形成することができた。なお、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第３クラッド層１６を除去するときは、ｐ−ＧａＩｎＰエッチングストップ層１５との選択エッチングによりエッチングを確実に停止させた。この後、第２回目のＭＢＥ成長を行ってメサ部３１の両側にｎ−ＧａＡｓ単結晶層２０と、マスク層１９上にｎ−ＧａＡｓ多結晶層２１とを成長させた（図４（ａ）参照）。
【００３４】
この上にフォトレジスト３２を塗布した。次いで、フォトリソグラフィー法により、ｎ−ＧａＡｓ多結晶２１の頂部が露出するように、フォトレジスト３２のｎ−ＧａＡｓ多結晶層２１上に開口２３を設けた（図４（ｂ）参照）。
次に、Ａｌ2Ｏ3よりＧａＡｓを選択にエッチングしうる硫酸系エッチング液を用いて、ＧａＡｓ多結晶層２１を除去した。続いて、フォトレジスト３２をアッシングして除去した（図４（ｃ）参照）。
【００３５】
そして、フッ素系エッチング液を用いて、マスク層１９をエッチングすることにより除去した（図４（ｄ）参照）。
この後、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１８の表面と、ｎ−ＧａＡｓ基板１１の裏面及び表面とに、それぞれ電極（図示せず）を形成することにより半導体レーザを形成した。
【００３６】
このようにして製作した本発明の半導体レーザの初期特性の測定と信頼性試験を行った。ここで、初期特性は、しきい値電流、実際に発振される波長及び特性温度を測定した。信頼性試験は、７０℃及び５ｍＷの条件下でエージングしてＭＴＴＦを測定することにより行った。結果を表１に示す。
【００３７】
比較例１
表１に示す井戸数、歪量及びＧａＰ比で、井戸幅を上記設計法が割り出した範囲外になるように設定すること以外は、上記実施例１と同様にして、半導体レーザ素子を作成した。得られた半導体レーザ素子の初期特性の測定と信頼性試験を、実施例１と同様にして行った。結果を表１に示す。
【００３８】
ここで、比較例１の内、井戸幅が１５０Åの素子は、成長後のウエハー上に筋状のハッチングが発生した。この原因は、井戸幅×井戸数×歪み量の絶対値が２９３Å・％と大きいため、活性層の結晶が破壊されたためである。この素子はレーザ発振が得られなかったため、しきい値電流、波長、特性温度及び信頼性を測定することができなかった。
【００３９】
【表１】
【００４０】
上記表１から、実施例１の半導体レーザ素子は、低いしきい値電流、高い特性温度（７０℃以上）及び実用上必要な５０００時間以上の信頼性を有している。これに対して、比較例１の井戸数が１個、井戸幅２３０Å及び２００Åの素子は、閾値電流は低いものの、特性温度が低く、信頼性も実用上必要な５０００時間に達していない。また、比較例１の井戸数が３個、井戸幅１００Åの素子は、閾値電流は低く、特性温度が高いものの、信頼性が実用上必要な５０００時間に達していない。
【００４１】
図６に、井戸数が１個の場合の井戸幅と信頼性の関係を示す。ＭＴＴＦ５０００時間以上の信頼性を得るためには、井戸幅は２４０Å以上必要であることがわかる。
【００４２】
実施例２
表２に示す井戸数、歪量及びＧａＰ比で、井戸幅を上記設計法が割り出した範囲内になるように設定すること以外は、上記実施例１と同様にして、波長６５０ｎｍの半導体レーザ素子を作成した。
得られた半導体レーザ素子の初期特性の測定及び信頼性試験を、実施例１と同様にして行った。結果を表２に示す。
【００４３】
【表２】
【００４４】
表２に示すように、実施例２の半導体レーザ素子は、量子井戸の歪量が少ないため、実施例１の素子よりはしきい値電流が高いが、実用上十分な５０００時間以上の信頼性を得ることができた。
また、信頼性試験を、６０℃及び５ｍＷの条件下でエージングすることにより行った結果を表３に示す。
【００４５】
【表３】
【００４６】
参考例
表２に示す井戸数、歪量及びＧａＰ比で、井戸幅を上記設計法が割り出した範囲内になるように設定すること以外は、上記実施例１と同様にして、波長６３５ｎｍの半導体レーザ素子を作成した。
得られた半導体レーザ素子の初期特性の測定を、実施例１と同様にして行った。信頼性試験は、６０℃及び５ｍＷの条件下でエージングすることにより行った。結果を表４に示す。
【００４７】
【表４】
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、所定の波長を発振する半導体発光素子において、閾値の低い、高温条件下で高い信頼性を持つ素子が得られる。本発明の半導体発光素子は、ＤＶＤ−ＲＯＭ用の半導体レーザ素子に好適に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子の発振波長、井戸幅及び格子歪量の関係を示す図である。
【図２】本発明の半導体発光素子の発振波長、井戸幅、格子歪量及び井戸数の関係を示す図である。
【図３】本発明の半導体発光素子の発振波長、井戸幅、格子歪量及び井戸数の関係を示す図である。
【図４】実施例の半導体レーザ素子の概略製造工程図である。
【図５】実施例の半導体レーザ素子の量子井戸活性層の構造の概略図である。
【図６】実施例の半導体レーザ素子の井戸幅とＭＴＴＦとの関係を示す図である。
【符号の説明】
１１ ｎ−ＧａＡｓ基板
１２ ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層
１４ ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層
１５ ｐ−ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層
１６ ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第３クラッド層
１７ ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ中間バンドギャップ層
１８ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
１９ マスク層
２０、２１ ｎ−ＧａＡｓ多結晶層
２３ 開口
３１ メサ部
３２ フォトレジスト
４１ 量子井戸活性層
４２ ＡｌＧａＩｎＰ第２光ガイド層
４３ ＡｌＧａＩｎＰ第１光ガイド層
４５ ＧａＩｎＰ井戸層
４６ ＡｌＧａＩｎＰ障壁層
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子に関する。更に詳しくは、本発明は、ＧａＩｎＰ又はＡｌＧａｌｎＰ系の半導体発光素子に関する。
【従来の技術】
【０００２】
近年、ＧａＩｎＰ及びＡｌＧａｌｎＰ系の半導体レーザのような半導体発光素子は、光磁気ディスク、光ディスク等の光情報処理システムなどの記録及び読み出しの光源として使用され始めている。特に、波長が６３５ｎｍから６５０ｎｍの半導体発光素子は、ＤＶＤを初めとする高密度光磁気ディスクを実現するためのキーデバイスとして期待されている。
【０００３】
このような光情報処理システム用の光源として半導体発光素子を使用する場合、情報を高密度化するためには短波長化、情報の書き換えを高速に行うためには高出力化が必要とされる。また、システム本体の高温における動作を保証するため、半導体発光素子にも高温で動作しうることが必要とされる。更に、システムに組み込んで使用するためには、実際の使用温度条件で、ＭＴＴＦ（平均故障時間）５０００時間以上が最低限必要である。
【０００４】
従来、６３５ｎｍを発振する半導体発光素子の活性層の構造として、１００Åの量子井戸幅で井戸数が３層のもの（第４１回応用物理学会関係連合講演会講演予稿集、１００７頁、１９９７年）、１１０Åの量子井戸幅で井戸数が３層のもの（ＩＥＥＥ Laser Conference 1994 Sep. 予稿集、９９頁）が報告されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、上記半導体発光素子を光出力一定（５ｍＷ）の信頼性試験にかけた場合、実用レベルでの上記ＭＴＴＦの条件を満たす信頼性は６０℃が最高であった。
しかし、ＤＶＤ用ユニット、特にＤＶＤ−ＲＯＭ用ユニットは、小さい筺体で、しかもランダムアクセスを繰り返すため、内部のモータの発熱が多く、外気温が５０℃の状態でも、内部は７０℃と高温となることが知られている。従って、半導体発光素子も７０℃以上の高い温度で高い信頼性を持つ必要があった。
【０００６】
そこで高温下での信頼性を向上さすため発振波長を長くすることが考えられる。即ち、発振波長を長くすることにより、活性層のバンドギャップが小さくなる。そのことは、活性層に隣接するクラッド層と活性層とのバンドギャップ差を相対的に増やすことになる。従って、高温状態でも、活性層中のホールのクラッド層へのオーバーフローを減らすことができ、その結果、高温下での信頼性を向上さすことができる。
【０００７】
発振波長を長くするためには、１）活性層のＧａＰ比を小さくする、２）活性層の井戸幅を大きくすることが考えられる。
特に波長を６３５ｎｍから、例えば６４５ｎｍに長くする場合、単純に活性層のＧａＰ比を小さくしても、価電子体構造においてライトホールとヘビーホールのクロスオーバー点が近づくため、発光を発振する閾値が上昇してしまう。また、ＧａｌｎＰ系の半導体発光素子の場合、ＧａＰ比を小さくすることにより格子歪みの限界を越えると結晶が破壊される恐れがある。
【０００８】
更に、半導体発光素子は、活性層の混晶比、井戸幅、井戸数等その構造を決定するためのパラメータが多いため、ある一定の波長を発振しうる構造を決定するためには、多くの試作、評価を繰り返すことが必要であり、膨大な労力、費用及び時間が必要であった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の発明者等は、鋭意検討の結果、量子井戸活性層の構造を決定する井戸幅、井戸数及び格子歪量が、ある特定の関係を有する場合、高温で高い信頼性を有する半導体発光素子が得られることを意外にも見い出し本発明に至った。
かくして本発明によれば、ＧａＩｎＰからなる量子井戸活性層を備えた半導体発光素子であり、量子井戸活性層の構造を決定する井戸幅、井戸数及び格子歪量が、井戸幅×井戸数として２４０〜５５０Å及び井戸幅×井戸数×格子歪量の絶対値として２００〜２６０Å・％の関係を有し、発振する波長が６４５ｎｍ、井戸数が３及び井戸幅が１３０〜１４０Åであるか、波長が６４５ｎｍ、井戸数が２及び井戸幅が１６０〜１８０Åであるか、波長が６４５ｎｍ、井戸数が１及び井戸幅が２４０〜３００Åであるか、波長が６５０ｎｍ、井戸数が３及び井戸幅が１６０〜１８０Åであるか、波長が６５０ｎｍ、井戸数が２及び井戸幅が２１０〜２２０Åであるか、又は波長が６５０ｎｍ、井戸数が１及び井戸幅が３００〜４００Åであることを特徴とする半導体発光素子が提供される。
【００１０】
【発明の実施の態様】
以下では、本発明の発明者等が、井戸幅、井戸数及び格子歪量相互間の特定の関係を見い出した経緯を説明する。ここでは、波長６４５ｎｍの半導体発光素子を設計する場合について説明する。
【００１１】
図１は、波長６４５ｎｍの発光を得るための量子井戸活性層の井戸幅（横軸）と量子井戸活性層の格子歪量（縦軸）との関係を示すグラフである。図１より、図中の実線上の井戸幅と格子歪量であれば、波長６４５ｎｍの発光を得ることができる。
この実線は、
１）井戸幅を一定にしたときの格子歪量の変化とバンドギャップ変化の関係、
２）格子歪量が一定の場合の井戸幅とバンドギャップの関係、及び
３）ある井戸幅で、ある格子歪量のときの発振波長
により導き出され、具体的には、以下の手法による。
【００１２】
まず、発明者等は、実際の半導体発光素子の試作と理論計算を行い、井戸幅、井戸数及び格子歪量相互間の特定の関係を以下のように定義した。
１）量子井戸活性層に含まれるＧａＰ比を変えた時のバンドギャップの変化率は下記式のようになる。
ｄＥｇ／ｄ（量子井戸活性層のＧａＰ比）＝０．４４２（ｅＶ）
【００１３】
上記式では、格子歪量の代わりにＧａＰ比で表現している。ＧａＰ比と格子歪量の関係を以下に示す。
ＧａＰ比＝０．５１−格子歪量〔％〕×０．１３５
２）井戸幅を変化させたときのバンドギャップの変化量は、ある井戸幅の量子井戸の第１準位の量子井戸の底からのエネルギー差で表される。その関係を理論計算及び実験より以下のように定めた。
【００１４】
電子の第１準位エネルギー＝２９６９７×（井戸幅〔Å〕）(-1.60)［ｍｅＶ］
ライトホールの第１準位エネルギー＝３６１４８×（井戸幅〔Å〕）(-1.68)［ｍｅＶ］
３）井戸幅１００Å及び格子歪量−０．８８％の場合、実際の発振波長は６３５ｎｍであった。
以上のデータより、図１の波長一定ラインを算出することができた。つまり、６４５ｎｍの波長で発光する半導体発光素子を作成する場合、量子井戸活性層の構造が、このライン上の井戸幅及び格子歪量を満たせばよいことが判った。
【００１５】
次に、格子歪量の絶対値を大きくすることが好ましい。この理由は、格子歪量の絶対値が大きいほどライトホールとヘビーホールとの分離が大きくなり、引っ張り歪みの場合、ライトホール帯へのホールの集中が起こりやすくなるためである。図１の実線上では負の歪みが大きくなる方向、即ち、右下ヘ向かうほど特性が改善される。
【００１６】
しかしながら、その右下方向は、格子歪みの増大により結晶破壊を招く方向である。その格子歪みの限界は、量子井戸活性層の井戸幅の合計と格子歪量の絶対値の積（井戸幅×井戸数×格子歪量の絶対値）によって決まり、その値は発明者等の実験により、約２６０Å・％であることを見い出している。
【００１７】
上記条件を図２に点線として記載した。ここで、井戸層の層数は、１、２及び３の場合について示した。この点線よりも左上でなければ、格子歪みからくる結晶破壊が発生する。従って、格子歪みが発生する格子歪量及び井戸幅よりも左上の実線上で、なるべく格子歪量の絶対値の大きい値が好ましい。
【００１８】
次に、井戸幅の合計の厚さは、量子井戸活性層での光閉じ込め係数に影響を与える。井戸幅の合計の厚さが小さすぎる場合、閾値電流の温度特性が悪化し、高温での信頼性が低下する。従って、井戸幅の合計の厚さは２４０Å以上が必要である。
【００１９】
以上の如き経緯から、６４５〜６５０ｎｍの波長を発振する半導体発光素子において、量子井戸活性層の構造を決定する井戸幅、井戸数及び格子歪量が、井戸幅×井戸数として２４０〜５５０Å及び井戸幅×井戸数×格子歪量の絶対値として２００〜２６０Å・％の関係を有することが好適であることが判った。
【００２０】
より具体的には、６４５ｎｍの波長の光を発振する場合、
井戸数３、井戸幅１３０〜１４０Å
井戸数２、井戸幅１６０〜１８０Å
井戸数１、井戸幅２４０〜３００Å
であることが好ましいことが判った。
上記と同様にして６４０ｎｍ及び６５０ｎｍの場合についても算出した。その結果を波長６４５ｎｍの場合と併せて、図３に示す。
【００２１】
ここで、波長６４５ｎｍの場合と同様にして、波長６５０ｎｍの場合の好ましい井戸数と井戸幅の関係を以下に示す。
井戸数３、井戸幅１６０〜１８０Å
井戸数２、井戸幅２１０〜２２０Å
井戸数１、井戸幅３００〜４００Å
上記では、井戸数１〜３の場合のみ具体的に記載しているが、井戸数４以上の場合でも上記関係を満たせばよく、また各井戸層の井戸幅は異なっていてもよい。
【００２２】
なお、参考までに波長６３５ｎｍの場合の好ましい井戸数と井戸幅の関係を以下に示す。
井戸数３、井戸幅９０〜１００Å
井戸数２、井戸幅１１０〜１２０Å
井戸数１、井戸幅１９０〜２１０Å
以下では、本発明の半導体発光素子を更に説明する。
【００２３】
まず、量子井戸活性層は、ＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＩｎＰからなる井戸層と障壁層とから通常構成される。
次に、量子井戸活性層は、一般的にクラッド層で挟まれている。更に、クラッド層と量子井戸活性層との間には、光ガイド層が設けられていてもよい。また、一方のクラッド層上には、中間バンドギャップ層及びコンタクト層が設けられていてもよい。更に、他方のクラッド層下に、基板を備えていてもよい。これら各層は、ｐ型又はｎ型を付与する不純物が導入されていてもよい。
【００２４】
更にまた、水平方向の光の安定性を増すために、中間バンドギャップ層下のクラッド層は、メサ状に成形されていてもよい。この場合、メサ状により容易に成形するために、クラッド層中にエッチングストップ層を設けてもよい。
次いで、半導体発光素子の製造方法を説明する。但し、下記方法は単なる例示であって、下記方法以外の公知の方法を利用して半導体発光素子を製造してもよい。
【００２５】
まず、基板上に、第１クラッド層、第１光ガイド層、多重量子井戸活性層、第２光ガイド層、第２クラッド層、エッチングストップ層、第３クラッド層、バンドギャップ層及びコンタクト層をこの順で積層する。各層の積層方法としては、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法等が挙げられる。
【００２６】
次に、コンタクト層上に、例えばＡｌ2 Ｏ3 からなるストライプ状のマスク層を積層し、このマスク層を介して第３クラッド層、バンドギャップ層及びコンタクト層をエッチングすることにより、各層をメサ状に成形する。
この後、ＭＢＥ法のような方法で、メサ状に成形された各層の側壁を半導体層で覆い、マスク層を除去しつつ表面を平坦化することで、半導体発光素子を得ることができる。
【００２７】
上記条件を満たす本発明の半導体発光素子は、波長が比較的長いため、閾値が低く、高温条件下で高い信頼性（例えば、７０℃、５ｍＷの出力条件下で、ＭＴＴＦ５０００時間以上）を持つ半導体発光素子を得ることができ、特に半導体レーザ素子に好適に使用することができる。
【００２８】
【実施例】
以下、この発明の半導体の製造方法を実施例により詳細に説明する。
実施例１
図４（ａ）〜（ｄ）を用いて、実施例１の屈折率導波路型半導体レーザ素子の製造工程を説明する。なお、実施例１では、波長６４５ｎｍの光を発振する半導体レーザ素子を作成した。
【００２９】
ｎ−ＧａＡｓ基板（１５°オフ基板）１１上に、ＭＢＥ法によりｎ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層（Ｙ＝０．７）１２、ＡｌＧａＩｎＰ第１光ガイド層４３、量子井戸活性層４１、ＡｌＧａＩｎＰ第２光ガイド層４２、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層（Ｙ＝０．７）１４、ｐ−ＧａＩｎＰエッチングストップ層１５、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第３クラッド層（Ｙ＝０．７）１６、ｐ−ＧａＩｎＰ中間バンドギャップ層１７とｐ−ＧａＡｓコンタクト層１８を順次積層した。
【００３０】
量子井戸活性層４１は、各波長及び井戸数に対する最適点を上記設計法が割り出した範囲内になるように、井戸幅及び格子歪量を表１の値とした。なお、量子井戸活性層は、井戸数が、１、２及び３個の３種類形成した。
井戸数が３個の場合の多重量子井戸活性層の構造を図５に示す。図から判るように、多重量子井戸活性層は、３層のＧａＩｎＰ井戸層４５と、２層のＡｌＧａＩｎＰ障壁層４６とからなる。
【００３１】
それぞれの層におけるドーピング量は、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層１２はＳｉを１×１０18ｃｍ-3、ＡｌＧａＩｎＰ第１光ガイド層４３、量子井戸活性層４１及びＡｌＧａＩｎＰ第２光ガイド層４２はノンドープ、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１４及びｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第３クラッド層１６はＢｅを１×１０18ｃｍ-3、ｐ−ＧａＩｎＰ中間バンドギャップ層１７はＢｅを１×１０18ｃｍ-3、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１８はＢｅを１×１０18ｃｍ-3とした。
【００３２】
更に、それぞれの層の厚さは、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層１２は１．５μｍ、ＡｌＧａＩｎＰ第１光ガイド層４３は０．１μｍ、ＡｌＧａＩｎＰ第２光ガイド層４２は０．１μｍ、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１４は０．２μｍ、ｐ−ＧａＩｎＰエッチングストップ層１５は０．０１μｍ、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第３クラッド層１６は１．３μｍ、ｐ−ＧａＩｎＰ中間バンドギャップ層１７は０．０１μｍ、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１８は０．１μｍとした。量子井戸活性層４１のＡｌＧａＩｎＰ障壁層の厚さは、ＧａＩｎＰ井戸層が１〜３層のいずれの場合も０．００５μｍとした。
【００３３】
次に、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１８上に、マスク層１９を形成するためのＡｌ2Ｏ3膜を蒸着し、フォトリソグラフィによりＡｌ2Ｏ3膜をストライプ状パターンに加工することによりマスク層１９を形成した。この後マスク層１９を介して湿式エッチングを行ってｐ−ＧａＡｓコンタクト層１８、ｐ−ＧａＩｎＰ中間バンドギャップ層１７およびｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第３クラッド層１６のうちマスク層１９の両側に相当する部分（マスク層１９で覆われていない部分）を除去した。これにより、マスク層１９の直下にメサ部３１を形成することができた。なお、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第３クラッド層１６を除去するときは、ｐ−ＧａＩｎＰエッチングストップ層１５との選択エッチングによりエッチングを確実に停止させた。この後、第２回目のＭＢＥ成長を行ってメサ部３１の両側にｎ−ＧａＡｓ単結晶層２０と、マスク層１９上にｎ−ＧａＡｓ多結晶層２１とを成長させた（図４（ａ）参照）。
【００３４】
この上にフォトレジスト３２を塗布した。次いで、フォトリソグラフィー法により、ｎ−ＧａＡｓ多結晶２１の頂部が露出するように、フォトレジスト３２のｎ−ＧａＡｓ多結晶層２１上に開口２３を設けた（図４（ｂ）参照）。
次に、Ａｌ2Ｏ3よりＧａＡｓを選択にエッチングしうる硫酸系エッチング液を用いて、ＧａＡｓ多結晶層２１を除去した。続いて、フォトレジスト３２をアッシングして除去した（図４（ｃ）参照）。
【００３５】
そして、フッ素系エッチング液を用いて、マスク層１９をエッチングすることにより除去した（図４（ｄ）参照）。
この後、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１８の表面と、ｎ−ＧａＡｓ基板１１の裏面及び表面とに、それぞれ電極（図示せず）を形成することにより半導体レーザを形成した。
【００３６】
このようにして製作した本発明の半導体レーザの初期特性の測定と信頼性試験を行った。ここで、初期特性は、しきい値電流、実際に発振される波長及び特性温度を測定した。信頼性試験は、７０℃及び５ｍＷの条件下でエージングしてＭＴＴＦを測定することにより行った。結果を表１に示す。
【００３７】
比較例１
表１に示す井戸数、歪量及びＧａＰ比で、井戸幅を上記設計法が割り出した範囲外になるように設定すること以外は、上記実施例１と同様にして、半導体レーザ素子を作成した。得られた半導体レーザ素子の初期特性の測定と信頼性試験を、実施例１と同様にして行った。結果を表１に示す。
【００３８】
ここで、比較例１の内、井戸幅が１５０Åの素子は、成長後のウエハー上に筋状のハッチングが発生した。この原因は、井戸幅×井戸数×歪み量の絶対値が２９３Å・％と大きいため、活性層の結晶が破壊されたためである。この素子はレーザ発振が得られなかったため、しきい値電流、波長、特性温度及び信頼性を測定することができなかった。
【００３９】
【表１】
上記表１から、実施例１の半導体レーザ素子は、低いしきい値電流、高い特性温度（７０℃以上）及び実用上必要な５０００時間以上の信頼性を有している。これに対して、比較例１の井戸数が１個、井戸幅２３０Å及び２００Åの素子は、閾値電流は低いものの、特性温度が低く、信頼性も実用上必要な５０００時間に達していない。また、比較例１の井戸数が３個、井戸幅１００Åの素子は、閾値電流は低く、特性温度が高いものの、信頼性が実用上必要な５０００時間に達していない。
【００４１】
図６に、井戸数が１個の場合の井戸幅と信頼性の関係を示す。ＭＴＴＦ５０００時間以上の信頼性を得るためには、井戸幅は２４０Å以上必要であることがわかる。
【００４２】
実施例２
表２に示す井戸数、歪量及びＧａＰ比で、井戸幅を上記設計法が割り出した範囲内になるように設定すること以外は、上記実施例１と同様にして、波長６５０ｎｍの半導体レーザ素子を作成した。
得られた半導体レーザ素子の初期特性の測定及び信頼性試験を、実施例１と同様にして行った。結果を表２に示す。
【００４３】
【表２】
表２に示すように、実施例２の半導体レーザ素子は、量子井戸の歪量が少ないため、実施例１の素子よりはしきい値電流が高いが、実用上十分な５０００時間以上の信頼性を得ることができた。
また、信頼性試験を、６０℃及び５ｍＷの条件下でエージングすることにより行った結果を表３に示す。
【００４５】
【表３】
参考例
表２に示す井戸数、歪量及びＧａＰ比で、井戸幅を上記設計法が割り出した範囲内になるように設定すること以外は、上記実施例１と同様にして、波長６３５ｎｍの半導体レーザ素子を作成した。
得られた半導体レーザ素子の初期特性の測定を、実施例１と同様にして行った。信頼性試験は、６０℃及び５ｍＷの条件下でエージングすることにより行った。結果を表４に示す。
【００４７】
【表４】
【発明の効果】
本発明によれば、所定の波長を発振する半導体発光素子において、閾値の低い、高温条件下で高い信頼性を持つ素子が得られる。本発明の半導体発光素子は、ＤＶＤ−ＲＯＭ用の半導体レーザ素子に好適に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子の発振波長、井戸幅及び格子歪量の関係を示す図である。
【図２】本発明の半導体発光素子の発振波長、井戸幅、格子歪量及び井戸数の関係を示す図である。
【図３】本発明の半導体発光素子の発振波長、井戸幅、格子歪量及び井戸数の関係を示す図である。
【図４】実施例の半導体レーザ素子の概略製造工程図である。
【図５】実施例の半導体レーザ素子の量子井戸活性層の構造の概略図である。
【図６】実施例の半導体レーザ素子の井戸幅とＭＴＴＦとの関係を示す図である。
【符号の説明】
１１ ｎ−ＧａＡｓ基板
１２ ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層
１４ ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層
１５ ｐ−ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層
１６ ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第３クラッド層
１７ ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ中間バンドギャップ層
１８ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
１９ マスク層
２０、２１ ｎ−ＧａＡｓ多結晶層
２３ 開口
３１ メサ部
３２ フォトレジスト
４１ 量子井戸活性層
４２ ＡｌＧａＩｎＰ第２光ガイド層
４３ ＡｌＧａＩｎＰ第１光ガイド層
４５ ＧａＩｎＰ井戸層
４６ ＡｌＧａＩｎＰ障壁層
Claims (2)
- ＧａＩｎＰからなる量子井戸活性層を備えた半導体発光素子であり、量子井戸活性層の構造を決定する井戸幅、井戸数及び格子歪量が、井戸幅×井戸数として２４０〜５５０Å及び井戸幅×井戸数×格子歪量の絶対値として２００〜２６０Å・％の関係を有し、発振する波長が６４５ｎｍ、井戸数が３及び井戸幅が１３０〜１４０Åであるか、波長が６４５ｎｍ、井戸数が２及び井戸幅が１６０〜１８０Åであるか、波長が６４５ｎｍ、井戸数が１及び井戸幅が２４０〜３００Åであるか、波長が６５０ｎｍ、井戸数が３及び井戸幅が１６０〜１８０Åであるか、波長が６５０ｎｍ、井戸数が２及び井戸幅が２１０〜２２０Åであるか、又は波長が６５０ｎｍ、井戸数が１及び井戸幅が３００〜４００Åであることを特徴とする半導体発光素子。
- 格子歪量が負の値を示す請求項１の素子。
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