JP4136272B2

JP4136272B2 - Semiconductor light emitting device

Info

Publication number: JP4136272B2
Application number: JP2000144604A
Authority: JP
Inventors: 俊一佐藤; 直人軸谷
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1999-08-30
Filing date: 2000-05-12
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2020-05-12
Also published as: JP2001144375A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、III-Ｖ族半導体による半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＡｌＧａＩｎＰ系材料はＡｌＧａＩｎＮ系材料を除きIII-Ｖ族半導体のなかで最も大きい直接遷移型の材料であり、バンドギャップエネルギーは最大で約２．３ｅＶ(波長５４０ｎｍ)が得られる。このため従来よりカラーディスプレー等に用いられる高輝度緑色〜赤色発光ダイオード等の発光素子や、レーザプリンター，ＣＤ，ＤＶＤ等の光書き込み用等に用いられる可視光半導体レーザの材料として研究開発が行なわれている。これらの中で特に半導体レーザは、ＧａＡｓ基板に格子整合する材料が用いられている。特に高密度記録等のためには高温高出力安定動作し、かつ短波長である素子が必要となっている。
【０００３】
半導体レーザを作製するためには、クラッド層(活性層よりもバンドギャップの大きい材料からなる)を用い、キャリアと光を活性層(発光層)に閉じ込める構造が必要である。ＡｌＧａＩｎＰ系材料は、ヘテロ接合を形成すると伝導帯のバンドオフセット比が小さく、活性層(発光層)とクラッド層の伝導帯側のバンド不連続(ΔＥｃ)が小さいので、注入キャリア(電子)が活性層からクラッド層にオーバーフローしやすくなり、半導体レーザの発振しきい値電流の温度依存性が大きく、温度特性が悪いなどの問題があった。
【０００４】
このような問題を解決するため、特開平４−１１４４８６号には、活性層とクラッド層との間に非常に薄い層を多数積層した多重量子障壁(ＭＱＢ)構造を設け、注入キャリアを閉じ込める構造が提案されている。しかしながら、この構造は、複雑である上、効果を得るためには厚さの制御を良くし、各層の界面を原子層レベルで平坦にする必要があり、現実にはその効果を得ることは困難であった。
【０００５】
また、通常、端面発光型の赤色レーザでは、量子井戸活性層をＡｌを含んだ材料である(Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ)_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなる光ガイド層で挟んだ構造が用いられ、(Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ)_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ光ガイド層には光が閉じ込められるが、Ａｌ組成ｘが通常０．５程度と大きいためレーザの共振器面となる端面でのＡｌに起因する表面再結合により端面破壊が起こりやすく、高出力を出すことが困難であり、長時間安定動作させるのが困難であった。
【０００６】
このように、従来のＧａＡｓ基板格子整合系材料では、高温，高出力，長時間安定動作には限界があり、高温(例えば８０℃），高出力(例えば７０ｍＷ以上)，長時間安定動作(例えば一万時間)する赤色レーザの実現は困難であった。この傾向は短波長になるほど顕著となる。
【０００７】
ＧａＡｓよりも格子定数が小さいＡｌＧａＩｎＰ系材料は、ＧａＡｓ基板上に成長できる材料に比べてワイドギャップなので短波長化に有利である。このような他の材料系を用いた発光ダイオード(ＬＥＤ)の提案(特開平８−１８１０１号)や、発振波長６００ｎｍ以下の短波長レーザの提案がなされている。例えば、ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓとＧａＰとの間の格子定数を有する(ＡｌＧａ)_ａＩｎ_１−ａＰ(０．５１＜ａ≦０．７３)からなるダブルヘテロ構造体を、これに格子整合するＧａＰ_ｘＡｓ_１−ｘバッファー層などを介して形成する素子が特開平５−４１５６０号に提案されており、この素子では、バッファー層により基板とダブルヘテロ構造体との格子不整を解消している。
【０００８】
図１には、格子定数とバンドギャップエネルギーとの関係が示されている。図１において、実線は直接遷移の材料であり、破線は間接遷移の材料である。ＧａＡｓとＧａＰとの間の格子定数を有する（ＡｌＧａ）_ａＩｎ_１−ａＰ（０．５１＜ａ≦０．７３）系材料はＡｌＩｎＰとＧａＩｎＰとで囲まれた範囲の材料である。ＧａＡｓ基板格子整合材料よりもワイドギャップのＡｌＧａＩｎＰをクラッド層と活性層に用いることができるので、６００ｎｍよりも短い波長のレーザなど短波長化に有利であることがわかる。
【０００９】
図２には、特開平５−４１５６０号に示されているＧａＡｓとＧａＰとの間の格子定数を有する屈折率導波型レーザの構造が示されている。このレーザは、以下のようにして形成される。すなわち、先ず、ｎ−ＧａＡｓ基板２０１上にｎ−ＧａＰＡｓグレーテッド層２０２，ｎ−Ｇａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｐ／（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．７Ｉｎ_０．３Ｐ超格子層２０３を設けた半導体基板（ＧａＰＡｓ基板）２０４を用い、この半導体基板２０４上に、ｎ−（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．７Ｉｎ_０．３Ｐ光導波層２０５、アンドープＧａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｐ活性層２０６、ｐ−（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．７Ｉｎ_０．３Ｐ光導波層２０７、ｐ−Ｇａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｐバッファー層２０８を成長（１回目の成長）し、ｐ−（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．７Ｉｎ_０．３Ｐ光導波層２０７を０．２〜０．４μｍ残したリッジストライプを形成し、ｎ−Ｇａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｐ電流狭窄兼光吸収層２０９を選択成長（２回目の成長）し、更にｐ−Ｇａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｐコンタクト層２１０を埋め込み成長（３回目の成長）して得られる。なお、図２において、２１１，２１２はそれぞれｎ側電極，ｐ側電極である。
【００１０】
ＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有する材料系からなる上述した従来の半導体レーザでは、電流狭窄構造を有する構造を形成するために、上述したように、３回の成長工程が必要であり、工程が複雑になり、歩留まりが低いという問題があった。なお、工程を簡単にするため、特開平１０−４２３９号には、ＧａＡｓ基板格子整合材料系でＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．８＜ｘ≦１）層を選択酸化して電流狭窄構造に用いたリッジ導波路型半導体レーザが提案されている。このリッジ導波路型半導体レーザでは、リッジ底面でのリッジの幅は４μｍで、電流通路となる酸化されないＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．８＜ｘ≦１）層の幅は３μｍとなっている。この構成では、電流狭窄により、ほぼ電流通路となる酸化されないＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．８＜ｘ≦１）層の下の活性層が発光領域となる。これによると、１回の結晶成長で電流狭窄を有するレーザ構造を作製できる。しかしながら、ＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有する材料系とＧａＡｓ基板にほぼ格子整合するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．８＜ｘ≦１）とでは格子定数が異なるので、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．８＜ｘ≦１）層をＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有する材料系からなる構造中に用いる場合、その厚さには制限がある。また、電流通路となる酸化されないＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．８＜ｘ≦１）層の端とリッジの端が近いため、導波損失が大きく高出力化に限界があった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有する材料系からなる半導体発光素子において、製造工程が容易で歩留まりが高く、また、導波損失が少なく高出力化に有利な半導体発光素子を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、半導体基板上に、光を発生するＡｌＧａＩｎＰ系材料からなる活性層と、活性層よりもバンドギャップが大きくＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有するＡｌを含んだ(Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ)_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ(０＜ｙ≦１、０．５＜β＜１、０＜ｖ≦１)からなる半導体層とを有し、前記半導体層で前記活性層を挟む構造を有する半導体発光素子であって、前記半導体層の一部に、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１)層からなる被選択酸化層を含み、該被選択酸化層の材料は半導体基板に対し格子整合しており、前記被選択酸化層の一部が選択酸化されて選択酸化層として形成されていることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項２記載の発明は、半導体基板上に、光を発生する活性層と、活性層の両側に活性層を挟むように設けられ活性層からの光を閉じ込める２つのクラッド層とを有するヘテロ接合からなる半導体発光素子において、活性層は、量子井戸層で構成される単一量子井戸構造、または、量子井戸層と障壁層とで構成される多重量子井戸構造であり、量子井戸層は(Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１)_α１Ｉｎ_１−α１Ｐ_ｔ１Ａｓ_１−ｔ１(０≦ｘ１＜１、０＜α１≦１、０≦ｔ１≦１)からなり、障壁層は(Ａｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２)_α２Ｉｎ_１−α２Ｐ_ｔ２Ａｓ_１−ｔ２(０≦ｘ２＜１、０．５＜α２＜１、０≦ｔ２≦１)からなり、各クラッド層は活性層よりもバンドギャップが大きくＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有するＡｌを含んだ(Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ)_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ(０＜ｙ≦１、０．５＜β＜１、０＜ｖ≦１)からなり、活性層と各クラッド層の間に、バンドギャップが活性層よりも大きくクラッド層よりも小さい(Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ)_γＩｎ_１−γＰ_ｕＡｓ_１−ｕ(０≦ｚ＜１、０．５＜γ＜１、０＜ｕ≦１)からなる光ガイド層を有しており、２つのクラッド層の少なくとも一方のクラッド層の一部に、または、２つのクラッド層の一方のクラッド層と前記活性層との間に、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１)層からなる被選択酸化層を含み、該被選択酸化層の材料は半導体基板に対し格子整合しており、前記被選択酸化層の一部が選択酸化されて選択酸化層として形成されていることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の半導体発光素子において、前記半導体基板はGaAs または GaP 基板上にＧａＰＡｓ層を成長層として成長させたエピ基板であり、前記Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１)層は半導体基板に対し格子整合していることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、被選択酸化層であるＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０＜ｔ≦１)層の組成は、III族元素がＡｌだけからなるＡｌＰ_ｔＡｓ_１−ｔ(０≦ｔ≦１)であることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、被選択酸化層が、ＡｌＡｓ層と、ＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有する材料からなる層とを複数層積層した超格子構造により構成されていることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項６記載の発明は、請求項５記載の半導体発光素子において、ＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有する材料はＡｌＰＡｓであることを特徴としている。
【００１９】
また、請求項７記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、酸化されておらず電流通路となる被選択酸化層の幅(ｗ１)と被選択酸化層の一部を選択酸化して形成された選択酸化層の幅(ｗ２)の合計（ｗ１＋ｗ２）に対するｗ１の比率{ｗ１／(ｗ１＋ｗ２)}が０．６以下であることを特徴としている。
【００２０】
また、請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、少なくとも被選択酸化層よりも上の半導体層の一部にリッジ構造が形成されており、該リッジ構造のリッジ幅が１０μｍよりも広いことを特徴としている。
【００２１】
また、請求項９記載の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、少なくとも被選択酸化層よりも上の半導体層の一部にリッジ構造が形成されており、被選択酸化層の下にＧａ_ｙＩｎ_１−ｙＰ_ｔＡｓ_１−ｔ(０＜ｙ≦１、０≦ｔ≦１)層からなるエッチングストップ層が形成されていることを特徴としている。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図３は本発明に係る半導体発光素子の構成例を示す図である。図３の半導体発光素子は、半導体基板１上に、光を発生する活性層４と、活性層４よりもバンドギャップが大きくＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有する半導体層２，３とを有し、半導体層２，３で活性層４を挟む構造を有する半導体発光素子において、半導体層３の一部に、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１)層からなる被選択酸化層５を含み、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１)層からなる被選択酸化層５の一部が選択酸化されて選択酸化層７として形成されている。
【００２５】
図３の半導体発光素子では、Ａｌ組成の大きいＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層５の一部が選択酸化されて選択酸化層７として形成されることによってこの部分が絶縁体になるので、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層５は電流狭窄層として機能する。更に、選択酸化層７は屈折率が小さくなるので、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層５の酸化されていない部分５と酸化された部分７とで屈折率差が生じ、屈折率導波構造となり、横モード制御が可能となる。しかも、この構造では、活性層４近傍の導波構造がすべて波長に対して導波損失のない材料で構成できるので、高出力化に有利である。このような効果を得るのに、従来では、埋め込み構造を採用するなど複数回の結晶成長が必要であったが、本発明では、１回の結晶成長で上記効果を得ることができ、製造が容易で歩留まりも高くなる。
【００２６】
また、図４は本発明に係る半導体発光素子の他の構成例を示す図である。図４の半導体発光素子は、半導体基板１上に、光を発生する活性層４と、活性層４の両側に活性層４を挟むように設けられ活性層４からの光を閉じ込めるクラッド層２，３を有するヘテロ接合からなる半導体発光素子において、活性層４は量子井戸層で構成される単一量子井戸構造、または、量子井戸層と障壁層とで構成される多重量子井戸構造であり、量子井戸層は(Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１)_α１Ｉｎ_１−α１Ｐ_ｔ１Ａｓ_１−ｔ１(０≦ｘ１＜１、０＜α１≦１、０≦ｔ１≦１)からなり、障壁層は(Ａｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２)_α２Ｉｎ_１−α２Ｐ_ｔ２Ａｓ_１−ｔ２(０≦ｘ２＜１、０．５＜α２＜１、０≦ｔ２≦１)からなり、各クラッド層２，３は活性層４よりもバンドギャップが大きくＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有するＡｌを含んだ(Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ)_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ(０＜ｙ≦１、０．５＜β＜１、０＜ｖ≦１)からなり、活性層４と各クラッド層２，３の間に、バンドギャップが活性層４よりも大きくクラッド層２，３よりも小さい(Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ)_γＩｎ_１−γＰ_ｕＡｓ_１−ｕ(０≦ｚ＜１、０．５＜γ＜１、０＜ｕ≦１)からなる光ガイド層２４，２５を有しており、２つのクラッド層２，３の少なくとも一方のクラッド層(図４の例では、クラッド層３)の一部に、または、２つのクラッド層２，３の一方のクラッド層(図４の例では、クラッド層３)と前記活性層４との間に、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１)層からなる被選択酸化層５を含み、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１)層からなる被選択酸化層５の一部が選択酸化されて選択酸化層７として形成されている。
【００２７】
図４の半導体発光素子では、活性層４は、（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１）_α１Ｉｎ_１−α１Ｐ_ｔ１Ａｓ_１−ｔ１（０≦ｘ１＜１、０＜α１≦１、０≦ｔ１≦１）からなる量子井戸構造からなるので、可視の波長の発光素子が可能である。また、クラッド層２，３は、ＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有する材料でＡｌを含んだ（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ（０＜ｙ≦１、０．５＜β＜１、０＜ｖ≦１）であり、ＧａＡｓ基板に形成できるクラッド層材料よりもバンドギャップが大きく、短波長化に有利である。
【００２８】
また、（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_γＩｎ_１−γＰ_ｕＡｓ_１−ｕ（０≦ｚ＜１、０．５＜γ＜１、０＜ｕ≦１）からなる光ガイド層２４，２５及び（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_αＩｎ_１−αＰ_ｔＡｓ_１−ｔ（０≦ｘ＜１、０＜α≦１、０≦ｔ≦１）からなる量子井戸層によりＳＣＨ構造を形成しているので、ＧａＡｓ基板格子整合材料よりも少ないＡｌ組成でワイドギャップが得られるようになり、従来よりも光ガイド層のＡｌ組成を低減でき、非発光再結合電流の低減，表面再結合電流の低減等により発光効率が向上し、レーザの場合、端面劣化しにくくなり、高出力でも安定動作が可能となる。また、クラッド層に対して歪みを有することもでき、さらに従来材料よりもナローギャップにすることもできる。
【００２９】
更に、ＧａＩｎＰはＧａ組成を小さくすると格子定数が大きくなるとともにバンドギャップは小さくなる。Sandipら(文献：「Appl. Phys. Lett. 60, 1992, pp630〜632」)によるバンド不連続の見積もりを参考にすると、バンドギャップの変化は伝導帯側で起こり価電子帯側のエネルギーはほとんど変化していない。つまり組成を変えても価電子帯のエネルギーの変化は小さい。一方、ＧａＩｎＰへＡｌを添加すると伝導帯エネルギーは大きくなり価電子帯エネルギーは小さくなる。その変化は価電子帯側の方が大きい。従来、ＧａＡｓ基板上構造では、大きなＡｌ組成のＡｌＧａＩｎＰを光ガイド層にする必要があり、ＧａＩｎＰ量子井戸層との間に大きな価電子帯側のバンド不連続を有していた。つまり伝導帯側のバンド不連続は充分な大きさではなかった。
【００３０】
これに対し、図４の構造によれば、光ガイド層２４，２５のＡｌ組成を低減できるので、大きな伝導帯バンド不連続が得られる。これにより、従来ＡｌＧａＩｎＰ系材料による赤色レーザで問題であった伝導帯側のバンド不連続が小さいためのキャリア（電子）オーバーフローを著しく改善することができる。
【００３１】
また、Ａｌ組成の大きいＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層５の一部を選択酸化し選択酸化層７とすることによってこの部分が絶縁体になるので、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層５は電流狭窄層として機能する。更に、選択酸化層７は屈折率が小さくなるので、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層５の酸化されていない部分５と酸化された部分７とで屈折率差が生じ、屈折率導波構造となり、横モード制御が可能となる。しかも、この構造では、活性層４近傍の導波構造がすべて波長に対して導波損失のない材料で構成できるので高出力化に有利である。このような効果を得るのに、従来では、埋め込み構造を採用するなど複数回の結晶成長が必要であったが、本発明では、１回の結晶成長で上記効果を得ることができ、製造が容易で歩留まりも高くなる。
【００３２】
また、図３または図４の半導体発光素子において、半導体基板１はＧａＰＡｓであり、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１)層５は半導体基板１に対し格子整合している。
【００３３】
すなわち、ＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数となるＧａＰＡｓを、ＧａＰまたはＧａＡｓ基板上に、組成を徐々に変えながら形成する組成傾斜層と組成一定層とから構成して厚く（例えば５０μｍの厚さに）成長し、実質ＧａＰＡｓ基板と見なせるものをＶＰＥ（気相成長）法等により成長可能である。最上部をヘテロ接合部（少なくともクラッド層）の格子定数と同じにすることで格子不整なく本材料系を成長することができる。
【００３４】
また、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層５の酸化速度は、薄くなると遅くなり時間がかかり、場合によっては薄すぎて絶縁層として機能しなくなるが、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層５を格子整合させることで、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層５を厚く形成できて、酸化速度を早くでき製造工程の時間を短縮できる。
【００３５】
また、図３または図４の半導体発光素子において、半導体基板１をＧａＡｓとし、光を発生する活性層をＧａＡｓ基板に格子整合する半導体層で挟む構造にすることもできる。すなわち、ＧａＡｓ基板上では、従来、ＡｌＡｓが被選択酸化層として用いられているが、格子定数の差から、ＧａＡｓ基板に対して約０．１４％の圧縮歪みを有しているので活性層への悪影響が起こる可能性がある。これに対して、Ｐを含んだＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０＜ｔ≦１）層(すなわち被選択酸化層)５を用いると、ＧａＡｓ基板に格子整合させることができて、歪みによる悪影響を低減できる。
【００３６】
また、図３または図４の半導体発光素子において、酸化されておらず電流通路となるＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０＜ｔ≦１)層(すなわち被選択酸化層)５の幅(ｗ１)とＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０＜ｔ≦１)層(すなわち被選択酸化層）の一部を選択酸化して形成された選択酸化層７の幅(ｗ２)の合計（ｗ１＋ｗ２）に対するｗ１の比率{ｗ１／(ｗ１＋ｗ２)}は、０．６以下であるのが良い。すなわち、図３または図４の構造の場合、活性層４近傍の導波構造がすべて発振波長に対して導波損失のない材料で構成されており高出力化に有利であるが、上記比率{ｗ１／(ｗ１＋ｗ２)}が大きいと、例えばリッジ構造が形成されていたとすると発光領域がリッジのエッジから近いことになり、エッジ幅の揺らぎ等による導波損失が生じる。比率{ｗ１／(ｗ１＋ｗ２)}が小さいほどその影響は小さくなるので好ましく、より高出力動作が可能となる。
【００３７】
また、図５は本発明に係る半導体発光素子の他の構成例を示す図である。図５の半導体発光素子は、上述した各構成例の半導体発光素子において(例えば、図４の半導体発光素子において)、少なくともＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０＜ｔ≦１)層(すなわち被選択酸化層)５よりも上の半導体層３の一部にリッジ構造９が形成されており、該リッジ構造９のリッジ幅ｄが１０μｍよりも広いものとなっている。
【００３８】
上述した各構成例の半導体発光素子では、選択酸化層７が電流狭窄するので、リッジの幅ｄを広くすることができ、その上部には熱抵抗の大きい絶縁性誘電体膜等を形成することなく、広い電極のコンタクト領域を設けることができ、素子の微分抵抗が小さくて済む。また、ジャンクションダウン実装を用いた場合、素子動作時に生じる発光領域の熱を効率よく放射することができる。
【００３９】
また、図６は本発明に係る半導体発光素子の他の構成例を示す図である。図６の半導体発光素子は、上述した各構成例の半導体発光素子において(例えば、図４の半導体発光素子において)、少なくともＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０＜ｔ≦１)層(すなわち被選択酸化層)５よりも上の半導体層３の一部にリッジ構造９が形成されており、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０＜ｔ≦１)層(すなわち被選択酸化層)５の下にＧａ_ｙＩｎ_１−ｙＰ_ｔＡｓ_１−ｔ(０＜ｙ≦１、０≦ｔ≦１)層からなるエッチングストップ層２９が形成されている。
【００４０】
エッチングストップ層２９を用いない場合には、余分な層が必要ないので結晶成長は容易となるが、図６のようにエッチングストップ層２９を用いることで、エッチング深さの制御が容易になり、素子の加工が容易となるとともに歩留まりが向上する。
【００４１】
なお、上記各構成例において、被選択酸化層であるＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０＜ｔ≦１)層５の組成は、III族元素がＡｌだけからなるＡｌＰ_ｔＡｓ_１−ｔ(０≦ｔ≦１)である。すなわち、被選択酸化層であるＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔの酸化速度は、Ａｌの組成に非常に敏感であり、Ａｌ組成が大きいほど急激に速くなる。素子作製工程時間を短縮するためにはIII族元素がＡｌだけからなるＡｌＰ_ｔＡｓ_１−ｔ（０≦ｔ≦１）は極めて有効である。また、ワイドギャップが必要なクラッド層など他の層にもＡｌを含む場合があり、被選択酸化層のＡｌ組成がそれらに近いと他の層も大きく酸化されてしまう。この観点からも、III族元素がＡｌだけからなるＡｌＰ_ｔＡｓ_１−ｔ（０≦ｔ≦１）は有効である。
【００４２】
また、図７は本発明に係る半導体発光素子の他の構成例を示す図である。図７の半導体発光素子は、ＧａＡｓ基板１上に、光を発生する活性層４と、活性層４よりもバンドギャップが大きい半導体層２，３とを有し、半導体層２，３で前記活性層４を挟む構造を有するＡｌＧａＩｎＰ系からなり、半導体層３の一部はＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２)層１５で構成され、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２)層１５の一部が選択酸化されて選択酸化層１７として形成されており、酸化されておらず電流通路となるＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２)層１５の幅(ｗ１)と選択酸化層１７の幅(ｗ１)の合計に対するｗ１の比率{ｗ１／(ｗ１＋ｗ２)}が０．６以下となっている。すなわち、被選択酸化層がＰを含まないＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２）層１５の場合でも、活性層４近傍の導波構造がすべて発振波長に対して導波損失のない材料で構成されており高出力化に有利であるが、上記比率{ｗ１／(ｗ１＋ｗ２)}が大きいと、例えばリッジ構造で形成される場合、リッジのエッジから近いことになり、エッジ幅の揺らぎ等による導波損失が生じる。比率{ｗ１／(ｗ１＋ｗ２)}が小さいほどその影響は小さくなるので好ましい。図７の構成では、比率{ｗ１／(ｗ１＋ｗ２)}が０．６以下となっているので、エッジ幅の揺らぎ等による導波損失が生じるのを防止できる。
【００４３】
また、図８は本発明に係る半導体発光素子の他の構成例を示す図である。図８の半導体発光素子は、ＧａＡｓ基板１上に、光を発生する活性層４と、活性層４よりもバンドギャップが大きい半導体層２，３とを有し、半導体層２，３で活性層４を挟む構造を有するＡｌＧａＩｎＰ系からなり、半導体層３の一部はＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２)層１５で構成され、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２)層１５の一部が選択酸化されて選択酸化層１７として形成されており、少なくともＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２)層１５よりも上の半導体層３の一部にリッジ構造９が形成されており、該リッジ構造９のリッジ幅ｄが１０μｍよりも広いものとなっている。
【００４４】
この構成では、被選択酸化層がＰを含まないＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２）層１５の場合でも、選択酸化層１７が電流狭窄するので、リッジの幅を広くすることができ、その上部には熱抵抗の大きい絶縁性誘電体膜等を形成することなく、広い電極のコンタクト領域を設けることができ、素子の微分抵抗が小さくて済む。また、ジャンクションダウン実装を用いた場合、素子動作時に生じる発光領域の熱を効率よく放射することができる。
【００４５】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。
実施例１
図９は実施例１の半導体発光素子（半導体レーザ素子）を示す図である。図９の半導体発光素子は、層構造としてはＳＣＨ−ＳＱＷ構造である。図９の半導体発光素子では、（１００）面から［１１０］方向に２°ｏｆｆしたＧａＡｓ基板１１１上に、ＶＰＥ法（気相成長）によりＰ組成を０から０．４まで徐々に変化させたｎ−ＧａＰＡｓグレーデッド層１１２とＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６組成均一層１１３とを成長させたＧａＰＡｓ基板１０１（グレーデッド層１１２と組成均一層１１３の成長層の厚さが例えば５０μｍ）を用いる。ここで、ＧａＰＡｓ基板１０１とは、ＶＰＥ法等によりＧａＡｓまたはＧａＰ基板上に例えば３０μｍ以上の厚さでＧａＰＡｓ層を成長層として成長させたエピ基板のことである。また、成長層の表面は格子不整合が充分緩和されており、ＧａＡｓ基板１１１とその上に形成された成長層とによりＧａＰＡｓ三元基板が形成されているといえる。
【００４６】
次に、このＧａＰＡｓ基板１０１上に、ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数であってＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６の格子定数と等しいＡｓを含むｎ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ（ｙ＝０．５、β＝０．８、ｖ＝０．８５）クラッド層１０２（膜厚が１μｍ）、ｐ−（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_γＩｎ_１−γＰ_ｕＡｓ_１−ｕ（ｚ＝０．１、γ＝０．７、ｕ＝１）光ガイド層（光導波層）１１４（膜厚が０．１μｍ）、圧縮歪を有する（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_αＩｎ_１−αＰ_ｔＡｓ_１−ｔ（ｘ＝０、α＝０．６５、ｔ＝０．９）単一量子井戸活性層１０４（膜厚が２５ｎｍ）、ｐ−（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_γＩｎ_１−γＰ_ｕＡｓ_１−ｕ（ｚ＝０．１、γ＝０．７、ｕ＝１）光ガイド層（光導波層）１１５（膜厚が０．１μｍ）、第１のｐ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ（ｙ＝０．５、β＝０．８、ｖ＝０．８５）クラッド層１０３（膜厚が０．１μｍ）、ｐ−Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（ｘ＝１、ｙ＝０、ｔ＝０．４）すなわちｐ−ＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層１０５（膜厚が５０ｎｍ）、第２のｐ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ（ｙ＝０．５、β＝０．８、ｖ＝０．８５）クラッド層１０６（膜厚が０．９μｍ）、ｐ−Ｇａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｐバッファー層１１６（膜厚が０．１μｍ）、ｐ−ＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６コンタクト層１１７（膜厚が０．２ｎｍ）を成長する。
【００４７】
ここで、クラッド層１０２，１０３，１０６、光ガイド層１１４，１１５及びｐ−ＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層１０５は、ＧａＰＡｓ基板１０１に格子整合している。また、ＭＯＣＶＤの原料ガスとしてはＴＭＧ，ＴＭＩ，ＴＭＡ，ＡｓＨ_３，ＰＨ_３を用い、キャリアガスにはＨ_２を用いた。
【００４８】
そして、フォトリソグラフィとエッチング技術により幅６μｍ（ｐ−ＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層１０５の幅）のストライプ領域以外をｐ−ＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層１０５の下まで除去し、リッジ構造１０９を形成した。そして、水蒸気雰囲気中で４５０℃程度の高温で加熱することにより、ｐ−ＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層１０５を表面の現れたリッジ側面部から片側１．５μｍの幅だけ選択酸化して選択酸化層１０７を形成し、電流狭窄部を形成した。ｐ−ＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層１０５の酸化されていない中央部（幅３μｍ）が電流注入部となり、その下の活性層１０４が発光部となる。リッジの幅に対する電流注入部の幅の比は０．５である。
【００４９】
そして、絶縁層であるＳｉＯ_２膜１１８を形成してリッジ上部に電流注入窓を形成し、その上にｐ側電極１１９を形成した。そして、厚さ１００μｍになるように裏面を研磨してｎ側電極１２０を形成した。
【００５０】
実施例１の構造により、波長６６０ｎｍで発振する半導体レーザが得られた。より詳細に、実施例１の構造では、Ａｌ組成の大きいＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層１０５の一部を選択酸化することによってＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層１０５の一部が選択酸化層１０７すなわち絶縁体になり、電流狭窄層を形成できる。更に、選択酸化層１０７は屈折率が小さくなるので、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層１０５の酸化していない部分１０５と酸化された部分１０７とで屈折率差が生じ、屈折率導波構造となり、例えば井戸層（活性層）１０４とＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層１０５との距離を最適化するなどして、横モード制御が可能である。しかも、この構造では、活性層１０４近傍の導波構造がすべて発振波長に対して導波損失のない材料で構成されており、高出力化に有利である。
【００５１】
このような効果を得るのに、従来では、埋め込み構造を採用するなど複数回の結晶成長が必要であったが、実施例１では、１回の結晶成長で上記効果を得ることができるので、製造が容易で歩留まりも高かった。
【００５２】
また、ＧａＡｓＰ基板１０１部分を除いたヘテロ接合部分は、１回の結晶成長で形成しており、電流狭窄構造を有した屈折率導波構造のレーザを従来よりも容易に作製することができた。
【００５３】
また、実施例１では、ＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６基板１０１の面方位は、（１００）面から［１１０］方向に２°ｏｆｆしておりわずかな傾きである。このような（１００）面や（１００）からの傾きが小さいＧａＰ，ＧａＡｓ，ＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６基板上にＭＯＣＶＤ法でＡｌＧａＩｎＰを成長すると、成長表面にヒロックが多数観察された。これは、ＡｌＩｎＰ等のＡｌ組成が大きい場合、ＧａＩｎＰに比べて特に顕著であった。このヒロックが成長層中に多数存在すると、レーザ，ＬＥＤ等のデバイス特性を悪くしたり、歩留まりを落とす原因となり、生産上好ましくない。特に、実施例１のようなレーザでは、クラッド層は厚いのでその影響は大きい。
【００５４】
これに対し、本願の発明者らは、ＡｌＧａＩｎＰ成長中にＡｓを含ませることでヒロックの密度を激減できることを見出した。これは、ＡｌＧａＩｎＰ成長中にＡｓを含ませることで、ＡｌまたはＧａのドロップレット形成が抑えられるためであると考えられる。このように、ＡｌＧａＩｎＰ成長中にＡｓを含ませることで、ヒロックの密度を激減させ、デバイス特性の悪化，歩留まり低下を抑えることができた。
【００５５】
また、ＧａＡｓ基板上の従来の材料系に比べて同じバンドギャップの材料はＡｌ組成が小さくて済む。実施例１の光ガイド層１１４，１１５のＡｌ組成は小さいので、Ａｌに起因する非発光再結合電流が低減され、発光効率が向上した。また、表面再結合電流も低減され端面光劣化のレベルも向上したので、更に高出力が得られるようになった。これにより、高温高出力安定動作する赤色レーザが得られた。
【００５６】
実施例１では、活性層１０４として、単一量子井戸活性層を用いたが、多重量子井戸活性層を用いることもできる。その場合、障壁層には（Ａｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２）_α２Ｉｎ_１−α２Ｐ_ｔ２Ａｓ_１−ｔ２（０≦ｘ２＜１、０．５＜α２＜１、０≦ｔ２≦１）を用いることができる。また、光ガイド層１１４，１１５にはＡｓが含まれていても良い。
【００５７】
なお、上述の例では、被選択酸化層であるｐ−Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ層１０５を、ｘ＝１，ｙ＝０，ｔ＝０．４として、ｐ−ＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層としたが、ｐ−Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ層１０５を、ｘ＝１，ｙ＝０，ｔ＝０として、ｐーＡｌＡｓ層とすることもできる。この場合、ＡｌＡｓ層は、ＧａＰＡｓ（実施例１ではｐ組成４０％）基板に対して、およそ１．４％圧縮歪みを有している。このため、ＡｌＡｓの厚さには限界があり２０ｎｍとした。被選択酸化層１０５が同じ厚さの場合、ＡｌＡｓの酸化速度はＰを含んでいるＡｌＰＡｓに比べて速かった。また、２元材料であるＡｌＡｓは、３元材料であるＡｌＰＡｓに比べて容易に平坦に成長できた。他の効果は上述したものと同じである。
【００５８】
実施例２
図１０は実施例２の半導体発光素子（半導体レーザ素子）を示す図である。図１０の半導体発光素子は、層構造としてはＳＣＨ−ＭＱＷ構造である。図１０の半導体発光素子では、（１００）面から［１１０］方向に２°ｏｆｆしたＧａＡｓ基板１３１上に、ＶＰＥ法（気相成長）によりＰ組成を０から０．４まで徐々に変化させたＧａＰＡｓグレーデッド層１３２とＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６組成均一層１３３とを成長させたＧａＰＡｓ基板１２１（グレーデッド層１３２と組成均一層１３３の成長層の厚さが例えば９０μｍ）を用いる。
【００５９】
次に、このＧａＰＡｓ基板１２１上に、ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数であってＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６の格子定数と等しいＡｓを含むｎ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ（ｙ＝０．５、β＝０．８、ｖ＝０．８５）クラッド層１２２（膜厚が１μｍ）、ｐ−（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_γＩｎ_１−γＰ_ｕＡｓ_１−ｕ（ｚ＝０、γ＝０．７、ｕ＝１）光ガイド層（光導波層）１３４（膜厚が０．１μｍ）、圧縮歪を有する（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_αＩｎ_１−αＰ_ｔＡｓ_１−ｔ（ｘ＝０、α＝０．６５、ｔ＝０．９）量子井戸活性層（膜厚が１０ｎｍ）と（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_γＩｎ_１−γＰ_ｕＡｓ_１−ｕ（ｚ＝０、γ＝０．７、ｕ＝１）障壁層（膜厚が１０ｎｍ）とを交互に積層した多重量子井戸活性層１２４、（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_γＩｎ_１−γＰ_ｕＡｓ_１−ｕ（ｚ＝０、γ＝０．７、ｕ＝１）光ガイド層（光導波層）１３５（膜厚が０．１μｍ）、第１のｐ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ（ｙ＝０．５、β＝０．８、ｖ＝０．８５）クラッド層１２３（膜厚が０．１μｍ）、ｐ−Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（ｘ＝１、ｙ＝０、ｔ＝０．４）すなわちｐ−ＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層１２５（膜厚が５０ｎｍ）、第２のｐ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ（ｙ＝０．５、β＝０．８、ｖ＝０．８５）クラッド層１２６（膜厚が０．９μｍ）、ｐ−Ｇａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｐバッファー層１３６（膜厚が０．１μｍ）、ｐ−ＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６コンタクト層１３７（膜厚が０．２ｎｍ）を成長する。
【００６０】
ここで、クラッド層１２２，１２３，１２６、光ガイド層１３４，１３５及びｐ−ＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層１２５は、ＧａＰＡｓ基板１２１に格子整合している。そして、素子の構造としてリッジの幅は５０μｍと広くした。
【００６１】
そして、ストライプ領域以外をｐ−ＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層１２５の下まで除去し、水蒸気雰囲気中で４５０℃程度の高温で加熱することにより、ｐ−ＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層１２５を表面の現れたリッジ側面部から片側２２．５μｍの幅だけ選択酸化して選択酸化層１２７を形成し、電流狭窄部を形成した。ｐ−ＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層１２５の酸化されていない中央部（幅５μｍ）が電流注入部となり、その下の活性層１２４が発光部となる。リッジの幅に対する電流注入部の幅の比は０．１である。
【００６２】
そして、ストライプ部以外を絶縁層であるポリイミド１２８で埋め込んで平坦にして、その上にｐ側電極１３８を形成した。そして、厚さ１００μｍになるように裏面を研磨してｎ側電極１３９を形成した。
【００６３】
実施例２の構造により、波長６５０ｎｍで発振する半導体レーザが得られた。より詳細に、実施例２の構造では、Ａｌ組成の大きいＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層１２５の一部を選択酸化することによってＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層１２５の一部が選択酸化層１２７すなわち絶縁体になり、電流狭窄層を形成できる。更に、選択酸化層１２７は屈折率が小さくなるので、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層の酸化していない部分１２５と酸化された部分１２７とで屈折率差が生じ、屈折率導波構造となり、例えば活性層１２４とＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層１２５との距離を最適化するなどして、横モード制御が可能である。しかも、この構造では、活性層１２４近傍の導波構造がすべて発振波長に対して導波損失のない材料で構成されており、高出力化に有利である。
【００６４】
さらに、実施例１に比べても導波構造がリッジのエッジから充分離れているので、エッジ幅の揺らぎ等による導波損失も低減されている。
【００６５】
このような効果を得るのに、従来では、埋め込み構造を採用するなど複数回の結晶成長が必要であったが、実施例２では、１回の結晶成長で上記効果を得ることができるので、製造が容易で歩留まりも高かった。
【００６６】
また、実施例２では、リッジの幅を５０μｍと広くし、かつその上部にはできるだけ絶縁層（ポリイミド）を介さないように広いコンタクト領域を設けている。これにより、素子動作時に生じる発光領域の熱を効率よく放射することができるとともに、素子の微分抵抗が小さくて済む。また、ＧａＡｓＰ基板部分を除いたヘテロ接合部分は、１回の結晶成長で形成しており、従来よりも容易に電流狭窄構造を有した屈折率導波構造のレーザを作製することができた。
【００６７】
また、実施例２では、光ガイド層１３４，１３５及び活性層１２４は、Ａｌを含まない構造としている。図１（格子定数とバンドギャップエネルギーの関係）には、ＧａＡｓ基板上のＡｌＧａＩｎＰ系材料による可視レーザで良く用いられている光ガイド層の材料である（Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐのバンドギャップのラインが示されているが、実施例２の基板であるＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６に格子整合するＧａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｐにより上記バンドギャップが得られることがわかる。これにより、実施例２では、Ｇａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｐを光ガイド層１３４，１３５として用いることができ、これによって、Ａｌに起因する非発光再結合電流が低減され、発光効率が向上した。また、表面再結合電流も低減され、端面光劣化のレベルも格段に向上したので、更に高出力が得られるようになった。これにより、高温高出力安定動作する赤色レーザが得られた。
【００６８】
実施例３
図１１は実施例３の半導体発光素子（半導体レーザ素子）を示す図である。なお、図１１において、図１０と同様の箇所には同じ符号を付している。実施例３では、リッジ構造を形成するために被選択酸化層であるＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０＜ｔ≦１）層（実施例３ではＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層１２５）よりも基板１２１側に、Ｇａ_ｙＩｎ_１−ｙＰ_ｔＡｓ_１−ｔ（０＜ｙ≦１、０≦ｔ≦１）層からなるエッチングストップ層１２９が設けられている点で、実施例２と相違している。
【００６９】
このように、実施例３では、ＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層１２５の下にＧａ_ｙＩｎ_１−ｙＰ_ｔＡｓ_１−ｔ（ｙ＝１、ｔ＝０．６）層１２９を形成した。塩酸系のエッチャントではＡｌ組成の大きい材料や、Ｐ組成の大きい材料はエッチングできる傾向があり、また、Ａｓ組成の大きいＧａ_ｙＩｎ_１−ｙＰ_ｔＡｓ_１−ｔ（０＜ｙ≦１、０≦ｔ≦１）層１２９はエッチングされにくいことがわかったので、これがエッチングストップ層１２９となる。
【００７０】
実施例３では、エッチングストップ層１２９を採用したことによりエッチングの制御性が良くなり、歩留まりが向上した。他の効果は実施例２と同じである。
【００７１】
実施例４
図１２は実施例４の半導体発光素子（半導体レーザ素子）を示す図である。なお、図１２はＧａＡｓ基板上の発光素子の例である。図１２の半導体発光素子では、（１００）面から［０１１］方向に１５°ｏｆｆしたＧａＡｓ基板１４１上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ（ｙ＝０．７、β＝０．５）クラッド層１４２（膜厚が１μｍ）、（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_γＩｎ_１−γＰ（ｚ＝０．５、γ＝０．５）光ガイド層（光導波層）１５４（膜厚が０．１μｍ）、引っ張り歪を有する（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_αＩｎ_１−αＰ（ｘ＝０、α＝０．６５）単一量子井戸活性層１４４（膜厚が１０ｎｍ）、（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_γＩｎ_１−γＰ（ｚ＝０．５、γ＝０．５）光ガイド層（光導波層）１５５（膜厚が０．１μｍ）、第１のｐ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ（ｙ＝０．７、β＝０．５）クラッド層１４３（膜厚が０．１μｍ）、ｐ−Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（ｘ＝１、ｔ＝０．０３７）すなわちｐ−ＡｌＰ_{０．０３７}Ａｓ_{０．９６３}層１４５（膜厚が５０ｎｍ）、第２のｐ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ（ｙ＝０．７、β＝０．５）クラッド層１４６（膜厚が０．９μｍ）、ｐ−Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐバッファー層１５６（膜厚が０．１μｍ）、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１５７（膜厚が０．２ｎｍ）を成長する。
【００７２】
ここで、クラッド層１４２，１４３，１４６，光ガイド層１５４，１５５及びｐ−ＡｌＰ_{０．０３７}Ａｓ_{０．９６３}層１４５は、ＧａＡｓ基板１４１に格子整合している。そして、素子の構造としてリッジの幅は５０μｍとした。
【００７３】
そして、ストライプ領域以外をｐ−ＡｌＰ_{０．０３７}Ａｓ_{０．９６３}層１４５の下まで除去し、水蒸気雰囲気中で４５０℃程度の高温で加熱することにより、ｐ−ＡｌＰ_{０．０３７}Ａｓ_{０．９６３}層１４５を表面の現れたリッジ側面部から片側２２．５μｍの幅だけ選択酸化して選択酸化層１４７を形成し、電流狭窄部を形成した。ｐ−ＡｌＰ_{０．０３７}Ａｓ_{０．９６３}層１４５の酸化されていない中央部（幅５μｍ）が電流注入部となり、その下の活性層１４４が発光部となる。リッジの幅に対する電流注入部の幅の比は０．１である。
【００７４】
そして、ストライプ部以外を絶縁層であるポリイミド１４８で埋め込んで平坦にして、その上にｐ側電極１５８を形成した。そして、厚さ１００μｍになるように裏面を研磨してｎ側電極１５９を形成した。
【００７５】
実施例４においても前の実施例と同様な効果が得られた。また、ＧａＡｓ基板１４１上の発光素子では、従来ＡｌＡｓ層が被選択酸化層として用いられているが、格子定数の差から、ＧａＡｓ基板に対して約０．１４％の圧縮歪みを有しているので、活性層への悪影響が起こる可能性があった。これに対し、実施例４のように、被選択酸化層にＰを含んだＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０＜ｔ≦１）層１４５を用いると、ＧａＡｓ基板１４１に格子整合させることができるので、被選択酸化層の歪みによる悪影響を低減できた。
【００７６】
実施例５
図１３は実施例５の半導体発光素子（半導体レーザ素子）を示す図である。なお、図１３はＧａＡｓ基板上の発光素子の例であり、図１２と同様の箇所には同じ符号を付している。実施例５は、被選択酸化層としてＡｌＡｓ層１６５が用いられている点で、実施例４と相違している。
【００７７】
実施例５では、Ａｌ組成の大きいｐ−ＡｌＡｓ層１６５の一部を選択酸化することによって選択酸化層すなわち絶縁体１６７になり、電流狭窄層を形成できる。更に、選択酸化層１６７は屈折率が小さくなるので、ｐ−ＡｌＡｓ層１６５の酸化していない部分（発光部）と電流狭窄部とで実効屈折率差が生じ、屈折率導波構造となり、例えば活性層１４４とＡｌＡｓ層１６５との距離を最適化するなどして、横モード制御が可能である。しかも、この構造では、活性層１４４近傍の導波構造がすべて発振波長に対して導波損失のない材料で構成されており、高出力化に有利である。
【００７８】
さらに、実施例１に比べても導波構造がリッジのエッジから充分離れているので、エッジ幅の揺らぎ等による導波損失も低減されている。
【００７９】
このような効果を得るのに、従来では、埋め込み構造を採用するなど複数回の結晶成長が必要であったが、実施例５では、１回の結晶成長で上記効果を得ることができるので、製造が容易で歩留まりも高かった。
【００８０】
また、実施例５では、リッジの幅を５０μｍと広くし、かつその上部にはできるだけ絶縁層（ポリイミド）を介さないように広いコンタクト領域を設けている。これにより、素子動作時に生じる発光領域の熱を効率よく放射することができるとともに、素子の微分抵抗が小さくて済む。また、ＧａＡｓＰ基板部分を除いたヘテロ接合部分は、１回の結晶成長で形成しており、従来よりも容易に電流狭窄構造を有した屈折率導波構造のレーザを作製することができた。
【００８１】
このように、本発明では、電流狭窄構造を有し、更に横モード制御が可能な半導体発光素子を容易な製造工程で提供することができた。
【００８２】
なお、上述の各例では、半導体発光素子が半導体レーザである場合について説明したが、半導体発光素子が発光ダイオード（ＬＥＤ）である場合にも、本発明を適用できる。この場合、高輝度で温度特性の良好な可視ＬＥＤが得られる。
【００８３】
実施例６
図１４は実施例６の半導体レーザ素子の被選択酸化層１２５の構成を示す図である。実施例６の被選択酸化層１２５は、ＡｌＡｓ層（厚さが５ｎｍ）と、ＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有しＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６基板に格子整合する材料である層（実施例６ではＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層（厚さが１ｎｍ））とを交互に複数層（図１４の例では４ペア）積層した超格子構造からなっている。すなわち、実施例６では、被選択酸化層１２５が、ＡｌＡｓ層（厚さが５ｎｍ）と、ＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有しＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６基板に格子整合する材料である層（実施例６ではＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層（厚さが１ｎｍ））とを交互に複数層（図１４の例では４ペア）積層した超格子構造からなる点で、実施例３の被選択酸化層１２５と相違している。ここで、ＡｌＡｓ層は、ＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６基板に対し１．４％の格子歪みを有するが、ＡｌＡｓ層は、厚さが５ｎｍと薄いので、ＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６基板に格子緩和なく成長できた。
【００８４】
被選択酸化層の厚さが厚いほど、また、Ａｌ組成が大きいほど、酸化速度は速くなる。また、酸化層の幅は時間の平方根（１／２乗）に比例する。また、III族がＡｌだけからなるＡｌＰＡｓとＡｌＡｓとでは、ＡｌＡｓにＰを含んだＡｌＰＡｓの方が酸化速度が遅いことがわかった。酸化工程時間を短縮するためには、被選択酸化層にはＡｌＡｓに組成が近いＡｌＡｓＰ、更にはＡｌＡｓを用いることが好ましい。
【００８５】
しかし、半導体素子の実質的な格子定数はＧａＰとＧａＡｓとの間であり、ＡｌＡｓ層はＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６基板に対し１．４％の格子歪みを有する。従って、ＡｌＡｓ層を格子緩和の発生する臨界膜厚以下の薄い厚さにする必要があるが、上述したように厚さが薄いと酸化速度が小さくなってしまう。一方、ＡｌＡｓ層を臨界膜厚以下の厚さにし、これを他の層を挟んで複数層積層することにより、格子緩和せず、かつ十分な酸化速度が得られることがわかった。
【００８６】
これを以下に示す。酸化幅を見やすくするために下記のような構成の試料で酸化実験を行なった。実施例３の結晶成長層の構成において、被選択酸化層１２５を、図１４に示すように、上述のＡｌＡｓ層（厚さが５ｎｍ）とＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層（厚さが１ｎｍ）を交互に４ペア積層した超格子構造とし、被選択酸化層１２５上のｐクラッド層１２３を厚さ０．２μｍだけ成長したところで成長を止めたものを、リッジ幅４０μｍのストライプ領域以外をエッチングストップ層に達するまでエッチング除去し、選択酸化を行なった。条件は４６０℃、１０分間とした。図１５はその上面図であり、リッジ領域と選択酸化領域が示されている。図１５において、ハッチングで示したところが選択酸化された領域である。この実験では、わずか１０分で８μｍ幅の選択酸化層が形成できた。この酸化速度は選択酸化工程において十分速い速度である。層界面における酸素の拡散速度が速いため、本実施例のように界面が多いと被選択酸化層全体の酸化速度が速くなるためであると考えられる。
【００８７】
以上の説明のように、実施例６の半導体レーザにおいては、被選択酸化層として酸化速度の速いＡｌＡｓ層を用い、ＡｌＡｓ層とＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有する材料からなる層とを複数層積層した超格子構造により構成することにより、製造工程の時間を短縮できた。他の効果は実施例３と同じである。被選択酸化層を構成するＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有する材料としてＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層を用いたが、圧縮歪みを有するＡｌＡｓにより格子緩和が起こらないような格子定数の材料なら良く、基板に格子整合する材料、またはＡｌＡｓの圧縮歪みを補償するような引っ張り歪みを有する材料が好ましい。材料としては、ＧａＡｓＰ，ＡｌＩｎＰ，ＧａＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓＰでも良いが、III族がＡｌだけからなるＡｌＰＡｓが好ましい。また、被選択酸化層である超格子構造を構成する各層の厚さは、上記の例以外の厚さでも良い。
【００８８】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１記載の発明によれば、半導体基板上に、光を発生するＡｌＧａＩｎＰ系材料からなる活性層と、活性層よりもバンドギャップが大きくＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有するＡｌを含んだ(Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ)_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ(０＜ｙ≦１、０．５＜β＜１、０＜ｖ≦１)からなる半導体層とを有し、前記半導体層で前記活性層を挟む構造を有する半導体発光素子であって、前記半導体層の一部に、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１)層からなる被選択酸化層を含み、該被選択酸化層の材料は半導体基板に対し格子整合しており、前記被選択酸化層の一部が選択酸化されて選択酸化層として形成されており、上記選択酸化層によって電流狭窄層が形成でき、更に、選択酸化層は屈折率が小さくなるので、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１)層の酸化していない部分（発光部）と電流狭窄部とで実効屈折率差が生じ、屈折率導波構造となり、横モード制御が可能となる。しかも、この構造では、活性層近傍の導波構造がすべて波長に対して導波損失のない材料で構成できるので、高出力化に有利である。このような効果を得るのに、従来では、埋め込み構造を採用するなど複数回の結晶成長が必要であったが、本発明では、１回の結晶成長で上記効果を得ることができるので、製造が容易で歩留まりも高くなる。
【００８９】
また、請求項２記載の発明によれば、半導体基板上に、光を発生する活性層と、活性層の両側に活性層を挟むように設けられ活性層からの光を閉じ込める２つのクラッド層とを有するヘテロ接合からなる半導体発光素子において、活性層は、量子井戸層で構成される単一量子井戸構造、または、量子井戸層と障壁層とで構成される多重量子井戸構造であり、量子井戸層は(Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１)_α１Ｉｎ_１−α１Ｐ_ｔ１Ａｓ_１−ｔ１(０≦ｘ１＜１、０＜α１≦１、０≦ｔ１≦１)からなり、障壁層は(Ａｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２)_α２Ｉｎ_１−α２Ｐ_ｔ２Ａｓ_１−ｔ２(０≦ｘ２＜１、０．５＜α２＜１、０≦ｔ２≦１)からなり、各クラッド層は活性層よりもバンドギャップが大きくＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有するＡｌを含んだ(Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ)_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ(０＜ｙ≦１、０．５＜β＜１、０＜ｖ≦１)からなり、活性層と各クラッド層の間に、バンドギャップが活性層よりも大きくクラッド層よりも小さい(Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ)_γＩｎ_１−γＰ_ｕＡｓ_１−ｕ(０≦ｚ＜１、０．５＜γ＜１、０＜ｕ≦１)からなる光ガイド層を有しており、２つのクラッド層の少なくとも一方のクラッド層の一部に、または、２つのクラッド層の一方のクラッド層と前記活性層との間に、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１)層からなる被選択酸化層を含み、該被選択酸化層の材料は半導体基板に対し格子整合しており、前記被選択酸化層の一部が選択酸化されて選択酸化層として形成されており、活性層が（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１）_α１Ｉｎ_１−α１Ｐ_ｔ１Ａｓ_１−ｔ１（０≦ｘ１＜１、０＜α１≦１、０≦ｔ１≦１）からなる量子井戸構造からなるので、可視の波長の発光素子を提供することが可能である。また、クラッド層は、ＧａＰとＧａＡｓの間の格子定数を有する材料でＡｌを含んだ（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ（０＜ｙ≦１、０．５＜β＜１、０＜ｖ≦１）であり、ＧａＡｓ基板に形成できるクラッド層材料よりもバンドギャップが大きく、短波長化に有利である。また、（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_γＩｎ_１−γＰ_ｕＡｓ_１−ｕ（０≦ｚ＜１、０．５＜γ＜１、０＜ｕ≦１）からなる光ガイド層及び（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_αＩｎ_１−αＰ_ｔＡｓ_１−ｔ（０≦ｘ＜１、０＜α≦１、０≦ｔ≦１）からなる量子井戸によりＳＣＨ構造を形成しているので、ＧａＡｓ基板格子整合材料よりも少ないＡｌ組成でワイドギャップが得られるようになり、従来に比べて、光ガイド層のＡｌ組成を低減でき、非発光再結合電流の低減，表面再結合電流の低減等により発光効率が向上し、レーザの場合、端面劣化しにくくなり、高出力でも安定動作が可能となる。また、クラッド層に対して歪みを有することもでき、さらに従来材料よりもナローギャップにすることもできる。更に、本発明によれば、光ガイド層のＡｌ組成を低減できるので、大きな伝導帯バンド不連続が得られる。これにより従来ＡｌＧａＩｎＰ系材料による赤色レーザで問題であった伝導帯側のバンド不連続が小さいためのキャリア（電子）オーバーフローを著しく改善することができる。さらに、２つのクラッド層の少なくとも一方のクラッド層の一部に、または、２つのクラッド層の一方のクラッド層と前記活性層との間に、Ａｌ組成の大きいＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層を含み、その一部が選択酸化された選択酸化層によって電流狭窄層が形成でき、更に、選択酸化層は屈折率が小さくなるので、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層の酸化していない部分（発光部）と電流狭窄部とで実効屈折率差が生じ、屈折率導波構造となり、横モード制御が可能となる。しかも、この構造では、活性層近傍の導波構造がすべて波長に対して導波損失のない材料で構成できるので、高出力化に有利である。これらような効果を得るのに、従来では、埋め込み構造を採用するなど複数回の結晶成長が必要であったが、本発明では、１回の結晶成長で上記効果を得ることができるので製造が容易で歩留まりも高くなる。
【００９０】
また、請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２記載の半導体発光素子において、前記半導体基板はGaAs または GaP 基板上にＧａＰＡｓ層を成長層として成長させたエピ基板であり、前記Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１)層は半導体基板に対し格子整合しており、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層を格子整合させることで、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層を厚く形成できて、酸化速度を早くでき製造工程の時間を短縮できる。
【００９２】
また、請求項４記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、被選択酸化層であるＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０＜ｔ≦１)層の組成は、III族元素がＡｌだけからなるＡｌＰ_ｔＡｓ_１−ｔ(０≦ｔ≦１)であるので、被選択酸化層の酸化速度を速くすることができ、素子作製工程の時間を短縮することができる。また、ワイドギャップが必要なクラッド層など他の層にもＡｌを含む場合があり、被選択酸化層のＡｌ組成がそれらに近いと他の層も大きく酸化されてしまうが、III族元素がＡｌだけからなるＡｌＰ_ｔＡｓ_１−ｔ（０≦ｔ≦１）は、このような問題が生じるのを回避できる。
【００９３】
また、請求項５記載の発明によれば、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、被選択酸化層が、ＡｌＡｓ層と、ＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有する材料からなる層とを複数層積層した超格子構造により構成されているので、十分な酸化速度が得られ製造工程の時間を短縮できる。すなわち、被選択酸化層の厚さが厚いほど、Ａｌ組成が大きいほど酸化速度は速くなる。また、ＡｌＰＡｓよりもＡｌＡｓの方が酸化速度は速い。しかし、半導体素子の実質的な格子定数はＧａＰとＧａＡｓとの間でありＡｌＡｓは圧縮歪みを有し、格子緩和の発生する臨界膜厚以下の厚さにする必要があり、１層だけでは酸化速度が小さくなるが、ＡｌＡｓ層を臨界膜厚以下の厚さにし複数層積層することにより、十分な酸化速度が得られ製造工程の時間を短縮できる。
【００９４】
また、請求項６記載の発明によれば、請求項５記載の半導体発光素子において、ＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有する材料はＡｌＰＡｓであるので、被選択酸化層である超格子構造全体の酸化速度を速くすることができ、製造工程の時間を更に短縮できる。すなわち、被選択酸化層の厚さが厚いほど、また、Ａｌ組成が大きいほど、酸化速度は速くなる。また、ＡｌＰＡｓよりもＡｌＡｓの方が酸化速度は速い。ＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有する材料としてはＧａＡｓＰ，ＡｌＩｎＰ，ＧａＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓＰでも良いが、III族がＡｌだけからなるＡｌＰＡｓを用いると、被選択酸化層である超格子構造全体の酸化速度を速くすることができ、製造工程の時間を更に短縮できる。
【００９５】
また、請求項７記載の発明によれば、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、酸化されておらず電流通路となる被選択酸化層の幅(ｗ１)と被選択酸化層の一部を選択酸化して形成された選択酸化層の幅(ｗ２)の合計（ｗ１＋ｗ２）に対するｗ１の比率{ｗ１／(ｗ１＋ｗ２)}が０．６以下であるので、エッジ幅の揺らぎ等による導波損失を防止し、より高出力動作が可能となる。
【００９６】
また、請求項８記載の発明によれば、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、少なくとも被選択酸化層よりも上の半導体層の一部にリッジ構造が形成されており、該リッジ構造のリッジ幅が１０μｍよりも広いので、広い電極のコンタクト領域を設けることができ、素子の微分抵抗が小さくて済む。また、ジャンクションダウン実装を用いた場合、素子動作時に生じる発光領域の熱を効率よく放射することができる。
【００９７】
また、請求項９記載の発明によれば、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、少なくとも被選択酸化層よりも上の半導体層の一部にリッジ構造が形成されており、被選択酸化層の下にＧａ_ｙＩｎ_１−ｙＰ_ｔＡｓ_１−ｔ(０＜ｙ≦１、０≦ｔ≦１)層からなるエッチングストップ層が形成されており、エッチングストップ層を用いることでエッチング深さの制御が容易になり、素子の加工が容易となるとともに歩留まりが向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】格子定数とバンドギャップエネルギーとの関係を示す図である。
【図２】特開平５−４１５６０号に示されているＧａＡｓとＧａＰとの間の格子定数を有する屈折率導波型レーザの構造を示す図である。
【図３】本発明に係る半導体発光素子の構成例を示す図である。
【図４】本発明に係る半導体発光素子の他の構成例を示す図である。
【図５】本発明に係る半導体発光素子の他の構成例を示す図である。
【図６】本発明に係る半導体発光素子の他の構成例を示す図である。
【図７】本発明に係る半導体発光素子の他の構成例を示す図である。
【図８】本発明に係る半導体発光素子の他の構成例を示す図である。
【図９】実施例１の半導体発光素子（半導体レーザ素子）を示す図である。
【図１０】実施例２の半導体発光素子（半導体レーザ素子）を示す図である。
【図１１】実施例３の半導体発光素子（半導体レーザ素子）を示す図である。
【図１２】実施例４の半導体発光素子（半導体レーザ素子）を示す図である。
【図１３】実施例５の半導体発光素子（半導体レーザ素子）を示す図である。
【図１４】実施例６の被選択酸化層の構成を示す図である。
【図１５】選択酸化処理後の試料の上面図である。
【符号の説明】
１半導体基板
２半導体層(クラッド層)
３半導体層(クラッド層)
４活性層
５Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１)層
７選択酸化層
２４，２５光ガイド層
９リッジ構造
２９エッチングストップ層
１５Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２）層
１７選択酸化層
１１１ＧａＡｓ基板
１１２ｎ−ＧａＰＡｓグレーデッド層
１１３ＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６組成均一層
１０１ＧａＰＡｓ基板
１０２ｎ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ（ｙ＝０．５、β＝０．８、ｖ＝０．８５）クラッド層
１１４ｐ−（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_γＩｎ_１−γＰ_ｕＡｓ_１−ｕ（ｚ＝０．１、γ＝０．７、ｕ＝１）光ガイド層（光導波層）
１０４（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_αＩｎ_１−αＰ_ｔＡｓ_１−ｔ（ｘ＝０、α＝０．６５、ｔ＝０．９）単一量子井戸活性層
１１５ｐ−（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_γＩｎ_１−γＰ_ｕＡｓ_１−ｕ（ｚ＝０．１、γ＝０．７、ｕ＝１）光ガイド層（光導波層）
１０３第１のｐ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ（ｙ＝０．５、β＝０．８、ｖ＝０．８５）クラッド層
１０５ｐ−Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（ｘ＝１、ｔ＝０．４）すなわちｐ−ＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層
１０６第２のｐ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ（ｙ＝０．５、β＝０．８、ｖ＝０．８５）クラッド層
１１６ｐ−Ｇａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｐバッファー層
１１７ｐ−ＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６コンタクト層
１０９リッジ構造
１１９ｐ側電極
１２０ｎ側電極
１３１ＧａＡｓ基板
１３２ＧａＰＡｓグレーデッド層
１３３ＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６組成均一層
１２１ＧａＰＡｓ基板
１２２ｎ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ（ｙ＝０．５、β＝０．８、ｖ＝０．８５）クラッド層
１３４ｐ−（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_γＩｎ_１−γＰ_ｕＡｓ_１−ｕ（ｚ＝０、γ＝０．７、ｕ＝１）光ガイド層（光導波層）
１２４多重量子井戸活性層
１３５（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_γＩｎ_１−γＰ_ｕＡｓ_１−ｕ（ｚ＝０、γ＝０．７、ｕ＝１）光ガイド層（光導波層）
１２３第１のｐ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ（ｙ＝０．５、β＝０．８、ｖ＝０．８５）クラッド層
１２５ｐ−Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（ｘ＝１、ｔ＝０．４）すなわちｐ−ＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層
１２６第２のｐ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ（ｙ＝０．５、β＝０．８、ｖ＝０．８５）クラッド層
１３６ｐ−Ｇａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｐバッファー層
１３７ｐ−ＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６コンタクト層
１３８ｐ側電極
１３９ｎ側電極
１２７選択酸化層
１２９エッチングストップ層
１４１ＧａＡｓ基板
１４２ｎ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ（ｙ＝０．７、β＝０．５）クラッド層
１５４（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_γＩｎ_１−γＰ（ｚ＝０．５、γ＝０．５）光ガイド層（光導波層）
１４４（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_αＩｎ_１−αＰ（ｘ＝０、α＝０．６５）単一量子井戸活性層
１５５（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_γＩｎ_１−γＰ（ｚ＝０．５、γ＝０．５）光ガイド層（光導波層）
１４３第１のｐ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ（ｙ＝０．７、β＝０．５）クラッド層
１４５ｐ−Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（ｘ＝１、ｔ＝０．０３７）すなわちｐ−ＡｌＰ_{０．０３７}Ａｓ_{０．９６３}層
１４６第２のｐ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ（ｙ＝０．７、β＝０．５）クラッド層
１５６ｐ−Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐバッファー層
１５７ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
１４７選択酸化層
１４８ポリイミド
１５８ｐ側電極
１５９ｎ側電極
１６５ＡｌＡｓ層
１６７選択酸化層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light emitting device made of a III-V semiconductor.
[0002]
[Prior art]
The AlGaInP-based material is the largest direct transition type material among III-V group semiconductors except for the AlGaInN-based material, and the maximum band gap energy is about 2.3 eV (wavelength 540 nm). For this reason, research and development have been conducted as materials for light-emitting elements such as high-intensity green to red light-emitting diodes used for color displays and the like, and for visible light semiconductor lasers used for optical writing such as laser printers, CDs and DVDs. ing. Among these, in particular, a semiconductor laser uses a material that lattice-matches with a GaAs substrate. In particular, for high-density recording or the like, an element that operates stably at high temperature and high output and has a short wavelength is required.
[0003]
In order to manufacture a semiconductor laser, it is necessary to use a cladding layer (made of a material having a band gap larger than that of the active layer) and confine carriers and light in the active layer (light emitting layer). When the AlGaInP-based material forms a heterojunction, the band offset ratio of the conduction band is small, and the band discontinuity (ΔEc) on the conduction band side of the active layer (light emitting layer) and the clad layer is small, so that injected carriers (electrons) are active. Overflow from the layer to the cladding layer tends to occur, the temperature dependence of the oscillation threshold current of the semiconductor laser is large, and there are problems such as poor temperature characteristics.
[0004]
In order to solve such problems, Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-114486 has a structure in which a multiple quantum barrier (MQB) structure in which a number of very thin layers are stacked between an active layer and a cladding layer is provided, and injection carriers are confined. Has been proposed. However, this structure is complicated, and in order to obtain the effect, the thickness must be controlled well and the interface of each layer needs to be flattened at the atomic layer level. Met.
[0005]
In general, in the edge-emitting red laser, the quantum well active layer is a material containing Al (Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5A structure sandwiched between light guide layers made of P is used, and (Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5Light is confined in the P light guide layer, but since the Al composition x is usually as large as about 0.5, end face breakage is likely to occur due to surface recombination caused by Al at the end face serving as the laser cavity surface, and high output It was difficult to produce a stable operation for a long time.
[0006]
As described above, the conventional GaAs substrate lattice-matched material has limitations in high temperature, high output, and long-term stable operation, and high temperature (for example, 80 ° C.), high output (for example, 70 mW or more), long-time stable operation (for example, The realization of a red laser that lasts 10,000 hours has been difficult. This tendency becomes more prominent as the wavelength becomes shorter.
[0007]
An AlGaInP-based material having a smaller lattice constant than GaAs is advantageous for shortening the wavelength because it has a wider gap than a material that can be grown on a GaAs substrate. Proposals of light emitting diodes (LEDs) using such other material systems (Japanese Patent Laid-Open No. 8-18101) and short wavelength lasers having an oscillation wavelength of 600 nm or less have been made. For example, having a lattice constant between GaAs and GaP on a GaAs substrate (AlGa)_aIn_1-aGaP that lattice-matches a double heterostructure made of P (0.51 <a ≦ 0.73)_xAs_1-xAn element formed through a buffer layer or the like has been proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-41560. In this element, the lattice irregularity between the substrate and the double heterostructure is eliminated by the buffer layer.
[0008]
FIG. 1 shows the relationship between the lattice constant and the band gap energy. In FIG. 1, the solid line is the material of direct transition, and the broken line is the material of indirect transition. Has a lattice constant between GaAs and GaP (AlGa)_aIn_1-aThe P (0.51 <a ≦ 0.73) material is a material in a range surrounded by AlInP and GaInP. Since AlGaInP having a wider gap than the GaAs substrate lattice matching material can be used for the clad layer and the active layer, it can be seen that it is advantageous for shortening the wavelength such as a laser having a wavelength shorter than 600 nm.
[0009]
FIG. 2 shows the structure of a refractive index guided laser having a lattice constant between GaAs and GaP disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-41560. This laser is formed as follows. That is, first, n-GaPAs graded layer 202, n-Ga on n-GaAs substrate 201._0.7In_0.3P / (Al_0.7Ga_0.3)_0.7In_0.3A semiconductor substrate (GaPAs substrate) 204 provided with a P superlattice layer 203 is used, and n- (Al_0.7Ga_0.3)_0.7In_0.3P optical waveguide layer 205, undoped Ga_0.7In_0.3P active layer 206, p- (Al_0.7Ga_0.3)_0.7In_0.3P optical waveguide layer 207, p-Ga_0.7In_0.3P buffer layer 208 is grown (first growth), and p- (Al_0.7Ga_0.3)_0.7In_0.3A ridge stripe is formed by leaving 0.2 to 0.4 μm of the P optical waveguide layer 207, and n-Ga_0.7In_0.3The P current confinement and light absorption layer 209 is selectively grown (second growth), and further, p-Ga_0.7In_0.3It is obtained by embedding (third growth) the P contact layer 210. In FIG. 2, 211 and 212 are an n-side electrode and a p-side electrode, respectively.
[0010]
In the above-described conventional semiconductor laser composed of a material system having a lattice constant between GaP and GaAs, in order to form a structure having a current confinement structure, three growth steps are necessary as described above. There is a problem that the process becomes complicated and the yield is low. In order to simplify the process, Japanese Patent Laid-Open No. 10-4239 discloses a GaAs substrate lattice matching material system with Al._xGa_1-xA ridge waveguide semiconductor laser has been proposed in which an As (0.8 <x ≦ 1) layer is selectively oxidized and used in a current confinement structure. In this ridge waveguide type semiconductor laser, the width of the ridge at the bottom surface of the ridge is 4 μm, and an unoxidized Al serving as a current path is formed._xGa_1-xThe width of the As (0.8 <x ≦ 1) layer is 3 μm. In this configuration, the current is confined and Al is not oxidized, which becomes a current path._xGa_1-xThe active layer under the As (0.8 <x ≦ 1) layer is a light emitting region. According to this, a laser structure having a current confinement can be manufactured by one crystal growth. However, a material system having a lattice constant between GaP and GaAs and Al substantially lattice matched to the GaAs substrate._xGa_1-xSince the lattice constant is different from As (0.8 <x ≦ 1), Al_xGa_1-xWhen an As (0.8 <x ≦ 1) layer is used in a structure made of a material system having a lattice constant between GaP and GaAs, the thickness is limited. Also, the non-oxidized Al that becomes the current path_xGa_1-xSince the end of the As (0.8 <x ≦ 1) layer and the end of the ridge are close to each other, the waveguide loss is large and there is a limit to increasing the output.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention relates to a semiconductor light emitting device made of a material system having a lattice constant between GaP and GaAs. The semiconductor light emitting device is easy to manufacture and has a high yield, and has a low waveguide loss and is advantageous for high output. It is intended to provide.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 includes an active layer made of an AlGaInP-based material generating light on a semiconductor substrate, and a lattice between GaP and GaAs having a band gap larger than that of the active layer. Al containing a constant (Al_yGa_1-y)_βIn_1-βP_vAs_1-v(0 <y ≦ 1, 0.5 <β <1, 0 <v ≦ 1), and a semiconductor light emitting device having a structure in which the active layer is sandwiched between the semiconductor layers, Al in part of the semiconductor layer_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-tA selectively oxidized layer composed of (0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 ≦ t ≦ 1) layers,The material of the selectively oxidized layer is lattice-matched to the semiconductor substrate,A part of the selective oxidation layer is selectively oxidized to form a selective oxidation layer.
[0013]
  According to a second aspect of the present invention, the semiconductor substrate includes an active layer that generates light and two cladding layers that are provided on both sides of the active layer so as to sandwich the active layer and confine light from the active layer. In a semiconductor light emitting device composed of a heterojunction, the active layer has a single quantum well structure composed of a quantum well layer or a multiple quantum well structure composed of a quantum well layer and a barrier layer. (Al_x1Ga_1-x1)_α1In_1-α1P_t1As_1-t1(0 ≦ x1 <1, 0 <α1 ≦ 1, 0 ≦ t1 ≦ 1), and the barrier layer is (Al_x2Ga_1-x2)_α2In_1-α2P_t2As_1-t2(0 ≦ x2 <1, 0.5 <α2 <1, 0 ≦ t2 ≦ 1), and each cladding layer includes Al having a larger band gap than the active layer and a lattice constant between GaP and GaAs. (Al_yGa_1-y)_βIn_1-βP_vAs_1-v(0 <y ≦ 1, 0.5 <β <1, 0 <v ≦ 1), and the band gap between the active layer and each cladding layer is larger than that of the active layer and smaller than that of the cladding layer (Al_zGa_1-z)_γIn_1-γP_uAs_1-u(0 ≦ z <1, 0.5 <γ <1, 0 <u ≦ 1), and the light guide layer is formed on a part of at least one of the two cladding layers, or 2 Al between one of the two cladding layers and the active layer_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-tA selectively oxidized layer composed of (0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 ≦ t ≦ 1) layers,The material of the selectively oxidized layer is lattice-matched to the semiconductor substrate,A part of the selective oxidation layer is selectively oxidized to form a selective oxidation layer.
[0014]
  According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor light emitting device according to the first or second aspect, the semiconductor substrate isGaAs Or GaP Epi substrate with GaPAs layer grown as growth layer on substrateAnd said Al_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-tThe (0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 ≦ t ≦ 1) layer is characterized by being lattice-matched to the semiconductor substrate.
[0016]
  Also,Claim 4The invention described in claims 1 toClaim 3In the semiconductor light emitting device according to any one of the above, Al which is a selective oxidation layer_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 <t ≦ 1) The composition of the layer is AlP whose group III element is composed of only Al._tAs_1-t(0 ≦ t ≦ 1).
[0017]
  Also,Claim 5The invention described in claims 1 toClaim 4In the semiconductor light emitting device according to any one of the above, the selective oxidation layer is configured by a superlattice structure in which an AlAs layer and a layer made of a material having a lattice constant between GaP and GaAs are stacked in multiple layers. It is characterized by having.
[0018]
  Also,Claim 6The described inventionClaim 5In the semiconductor light-emitting element described above, the material having a lattice constant between GaP and GaAs is AlPAs.
[0019]
  Also,Claim 7The invention described in claims 1 toClaim 6The selective oxidation layer formed by selectively oxidizing part of the selective oxidation layer and the width (w1) of the selective oxidation layer that is not oxidized and serves as a current path in the semiconductor light emitting device according to any one of the above The ratio of w1 to the total (w1 + w2) of the width (w2) of {w1 / (w1 + w2)} is 0.6 or less.
[0020]
  Also,Claim 8The invention described in claims 1 toClaim 7The semiconductor light-emitting device according to any one of the above, wherein a ridge structure is formed at least in part of the semiconductor layer above the selectively oxidized layer, and the ridge width of the ridge structure is wider than 10 μm. It is said.
[0021]
  Also,Claim 9The invention described in claims 1 toClaim 8In the semiconductor light-emitting device according to any one of the above, a ridge structure is formed at least in part of the semiconductor layer above the selectively oxidized layer, and the Ga layer is formed under the selectively oxidized layer._yIn_1-yP_tAs_1-tAn etching stop layer comprising (0 <y ≦ 1, 0 ≦ t ≦ 1) layers is formed.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of a semiconductor light emitting device according to the present invention. 3 includes an active layer 4 that generates light, and semiconductor layers 2 and 3 having a band gap larger than that of the active layer 4 and having a lattice constant between GaP and GaAs on a semiconductor substrate 1. In the semiconductor light emitting device having the structure in which the active layer 4 is sandwiched between the semiconductor layers 2 and 3, a part of the semiconductor layer 3 includes Al_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-tIncluding a selectively oxidized layer 5 composed of (0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 ≦ t ≦ 1) layers, and Al_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-tA portion of the selectively oxidized layer 5 composed of (0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 ≦ t ≦ 1) layers is selectively oxidized to form a selective oxidation layer 7.
[0025]
In the semiconductor light emitting device of FIG. 3, Al having a large Al composition._xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(0.8.ltoreq.x.ltoreq.1, 0.ltoreq.y.ltoreq.2, 0.ltoreq.t.ltoreq.1) A part of the layer 5 is selectively oxidized and formed as a selective oxidation layer 7, whereby this part becomes an insulator. So Al_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 ≦ t ≦ 1) The layer 5 functions as a current confinement layer. Furthermore, since the selective oxidation layer 7 has a small refractive index, Al_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(0.8.ltoreq.x.ltoreq.1, 0.ltoreq.y.ltoreq.2, 0.ltoreq.t.ltoreq.1) A refractive index difference occurs between the non-oxidized portion 5 and the oxidized portion 7 of the layer 5, and the refractive index waveguide. It becomes a structure and transverse mode control becomes possible. In addition, this structure is advantageous in increasing the output because the waveguide structure in the vicinity of the active layer 4 can be made of a material having no waveguide loss with respect to the wavelength. In order to obtain such an effect, conventionally, a plurality of times of crystal growth such as adopting an embedded structure has been required. However, in the present invention, the above effect can be obtained by a single crystal growth, and the manufacturing can be performed. Easy and high yield.
[0026]
FIG. 4 is a diagram showing another configuration example of the semiconductor light emitting device according to the present invention. The semiconductor light emitting device of FIG. 4 includes an active layer 4 that generates light on a semiconductor substrate 1, and a cladding layer 2 that is provided so as to sandwich the active layer 4 on both sides of the active layer 4 and confines light from the active layer 4. 3 is a single quantum well structure composed of quantum well layers, or a multiple quantum well structure composed of quantum well layers and barrier layers. Well layer is (Al_x1Ga_1-x1)_α1In_1-α1P_t1As_1-t1(0 ≦ x1 <1, 0 <α1 ≦ 1, 0 ≦ t1 ≦ 1), and the barrier layer is (Al_x2Ga_1-x2)_α2In_1-α2P_t2As_1-t2(0 ≦ x2 <1, 0.5 <α2 <1, 0 ≦ t2 ≦ 1), and each of the cladding layers 2 and 3 has a larger band gap than the active layer 4 and has a lattice constant between GaP and GaAs. Containing Al (Al_yGa_1-y)_βIn_1-βP_vAs_1-v(0 <y ≦ 1, 0.5 <β <1, 0 <v ≦ 1), and the band gap between the active layer 4 and each of the cladding layers 2 and 3 is larger than that of the active layer 4 and the cladding layer 2 , Smaller than 3 (Al_zGa_1-z)_γIn_1-γP_uAs_1-uThe light guide layers 24 and 25 are made of (0 ≦ z <1, 0.5 <γ <1, 0 <u ≦ 1), and at least one of the two cladding layers 2 and 3 (see FIG. In the example of 4, Al is formed on a part of the cladding layer 3) or between one of the two cladding layers 2 and 3 (in the example of FIG. 4, the cladding layer 3) and the active layer 4._xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-tIncluding a selectively oxidized layer 5 composed of (0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 ≦ t ≦ 1) layers, and Al_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-tA portion of the selectively oxidized layer 5 composed of (0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 ≦ t ≦ 1) layers is selectively oxidized to form a selective oxidation layer 7.
[0027]
In the semiconductor light emitting device of FIG. 4, the active layer 4 has (Al_x1Ga_1-x1)_α1In_1-α1P_t1As_1-t1Since it has a quantum well structure composed of (0 ≦ x1 <1, 0 <α1 ≦ 1, 0 ≦ t1 ≦ 1), a light-emitting element with a visible wavelength is possible. The clad layers 2 and 3 are made of a material having a lattice constant between GaP and GaAs and containing Al (Al_yGa_1-y)_βIn_1-βP_vAs_1-v(0 <y ≦ 1, 0.5 <β <1, 0 <v ≦ 1), which has a larger band gap than a clad layer material that can be formed on a GaAs substrate, and is advantageous for shortening the wavelength.
[0028]
Also, (Al_zGa_1-z)_γIn_1-γP_uAs_1-uThe light guide layers 24 and 25 (0 ≦ z <1, 0.5 <γ <1, 0 <u ≦ 1) and (Al_xGa_1-x)_αIn_1-αP_tAs_1-tSince the SCH structure is formed by a quantum well layer composed of (0 ≦ x <1, 0 <α ≦ 1, 0 ≦ t ≦ 1), a wide gap can be obtained with an Al composition smaller than that of a GaAs substrate lattice matching material. As a result, the Al composition of the light guide layer can be reduced more than before, the emission efficiency is improved by reducing the non-light-emitting recombination current, the surface recombination current, etc. Stable operation is possible even at the output. Further, the clad layer can be distorted, and a narrow gap can be formed as compared with the conventional material.
[0029]
Furthermore, GaInP has a smaller lattice constant and a smaller band gap as the Ga composition is reduced. Based on the estimation of band discontinuity by Sandip et al. (Reference: “Appl. Phys. Lett. 60, 1992, pp630-632”), the change in the band gap occurs on the conduction band side and almost no energy on the valence band side. It has not changed. That is, even if the composition is changed, the change in energy of the valence band is small. On the other hand, when Al is added to GaInP, the conduction band energy increases and the valence band energy decreases. The change is larger on the valence band side. Conventionally, in a structure on a GaAs substrate, AlGaInP having a large Al composition has to be used as a light guide layer, and has a large band discontinuity on the valence band side with the GaInP quantum well layer. In other words, the band discontinuity on the conduction band side was not large enough.
[0030]
On the other hand, according to the structure of FIG. 4, since the Al composition of the light guide layers 24 and 25 can be reduced, a large conduction band discontinuity can be obtained. As a result, carrier (electron) overflow due to a small band discontinuity on the conduction band side, which has been a problem with red lasers using conventional AlGaInP-based materials, can be significantly improved.
[0031]
Al with a large Al composition_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(0.8.ltoreq.x.ltoreq.1, 0.ltoreq.y.ltoreq.2, 0.ltoreq.t.ltoreq.1) By selectively oxidizing a part of the layer 5 to form the selective oxidation layer 7, this part becomes an insulator._xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 ≦ t ≦ 1) The layer 5 functions as a current confinement layer. Furthermore, since the selective oxidation layer 7 has a small refractive index, Al_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(0.8.ltoreq.x.ltoreq.1, 0.ltoreq.y.ltoreq.2, 0.ltoreq.t.ltoreq.1) A refractive index difference occurs between the non-oxidized portion 5 and the oxidized portion 7 of the layer 5, and the refractive index waveguide. It becomes a structure and transverse mode control becomes possible. Moreover, this structure is advantageous in increasing the output because the waveguide structure in the vicinity of the active layer 4 can be made of a material having no waveguide loss with respect to the wavelength. In order to obtain such an effect, conventionally, a plurality of times of crystal growth such as adopting an embedded structure has been required. However, in the present invention, the above effect can be obtained by a single crystal growth, and the manufacturing can be performed. Easy and high yield.
[0032]
In the semiconductor light emitting device of FIG. 3 or FIG. 4, the semiconductor substrate 1 is GaPAs, and Al_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 ≦ t ≦ 1) The layer 5 is lattice-matched to the semiconductor substrate 1.
[0033]
That is, GaPAs having a lattice constant between GaP and GaAs is composed of a composition gradient layer and a composition constant layer formed on a GaP or GaAs substrate while gradually changing the composition, and is thick (for example, 50 μm thick). A) which can be regarded as a substantially GaPAs substrate can be grown by a VPE (vapor phase growth) method or the like. By making the uppermost portion the same as the lattice constant of the heterojunction portion (at least the cladding layer), this material system can be grown without lattice irregularities.
[0034]
Al_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(0.8.ltoreq.x.ltoreq.1, 0.ltoreq.y.ltoreq.2, 0.ltoreq.t.ltoreq.1) The oxidation rate of the layer 5 slows down as it becomes thinner, and takes time, and in some cases is too thin to function as an insulating layer. But Al_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(0.8.ltoreq.x.ltoreq.1, 0.ltoreq.y.ltoreq.0.2, 0.ltoreq.t.ltoreq.1) By lattice matching the layer 5, Al_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(0.8.ltoreq.x.ltoreq.1, 0.ltoreq.y.ltoreq.0.2, 0.ltoreq.t.ltoreq.1) The layer 5 can be formed thick, the oxidation rate can be increased, and the manufacturing process time can be shortened.
[0035]
In the semiconductor light emitting device of FIG. 3 or FIG. 4, the semiconductor substrate 1 may be made of GaAs, and the active layer for generating light may be sandwiched between semiconductor layers lattice-matched to the GaAs substrate. That is, AlAs has been conventionally used as a selective oxidation layer on a GaAs substrate, but due to the difference in lattice constant, it has a compressive strain of about 0.14% with respect to the GaAs substrate, so that it becomes an active layer. The adverse effects of may occur. In contrast, Al containing P_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-tWhen (0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 <t ≦ 1) layer (that is, selectively oxidized layer) 5 is used, lattice matching with the GaAs substrate can be achieved, and adverse effects due to strain can be obtained. Can be reduced.
[0036]
Further, in the semiconductor light emitting device of FIG. 3 or FIG. 4, Al is not oxidized and becomes a current path._xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(0.8.ltoreq.x.ltoreq.1, 0.ltoreq.y.ltoreq.2, 0 <t.ltoreq.1) The width (w1) of the layer (that is, the selectively oxidized layer) 5 and Al._xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 <t ≦ 1) The width (w2) of the selective oxidation layer 7 formed by selectively oxidizing a part of the layer (that is, the selective oxidation layer). ) Of w1 to the total (w1 + w2) {w1 / (w1 + w2)} is preferably 0.6 or less. That is, in the case of the structure of FIG. 3 or FIG. 4, the waveguide structure in the vicinity of the active layer 4 is all made of a material having no waveguide loss with respect to the oscillation wavelength, which is advantageous for high output. If w1 / (w1 + w2)} is large, for example, if a ridge structure is formed, the light emitting region is close to the edge of the ridge, and waveguide loss due to fluctuations in the edge width occurs. The smaller the ratio {w1 / (w1 + w2)}, the smaller the effect, and thus the higher the output operation.
[0037]
FIG. 5 is a diagram showing another configuration example of the semiconductor light emitting device according to the present invention. The semiconductor light emitting device of FIG. 5 is at least Al in the semiconductor light emitting device of each configuration example described above (for example, in the semiconductor light emitting device of FIG. 4)._xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 <t ≦ 1) A ridge structure 9 is formed on a part of the semiconductor layer 3 above the layer (that is, the selective oxidation layer) 5. The ridge width d of the ridge structure 9 is wider than 10 μm.
[0038]
In the semiconductor light emitting device of each configuration example described above, since the selective oxide layer 7 is current confined, the width d of the ridge can be widened, and an insulating dielectric film or the like having a high thermal resistance is formed thereon. Therefore, a wide electrode contact region can be provided, and the differential resistance of the element can be small. Further, when the junction down mounting is used, the heat of the light emitting region generated during the operation of the element can be efficiently radiated.
[0039]
FIG. 6 is a view showing another configuration example of the semiconductor light emitting device according to the present invention. The semiconductor light-emitting device of FIG. 6 is at least Al in the semiconductor light-emitting devices of the above-described configuration examples (for example, in the semiconductor light-emitting device of FIG. 4)._xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 <t ≦ 1) A ridge structure 9 is formed on a part of the semiconductor layer 3 above the layer (that is, the selective oxidation layer) 5. And Al_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 <t ≦ 1) Ga (under the selective oxidation layer) 5_yIn_1-yP_tAs_1-tAn etching stop layer 29 composed of (0 <y ≦ 1, 0 ≦ t ≦ 1) layers is formed.
[0040]
When the etching stop layer 29 is not used, an extra layer is not required and crystal growth is easy. However, by using the etching stop layer 29 as shown in FIG. 6, the etching depth can be easily controlled. The device can be easily processed and the yield is improved.
[0041]
In each of the above configuration examples, Al which is a selective oxidation layer_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(0.8.ltoreq.x.ltoreq.1, 0.ltoreq.y.ltoreq.2, 0 <t.ltoreq.1) The composition of the layer 5 is AlP whose group III element is composed solely of Al._tAs_1-t(0 ≦ t ≦ 1). That is, Al which is a selective oxidation layer_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-tThe oxidation rate of is very sensitive to the composition of Al, and increases rapidly as the Al composition increases. In order to shorten the device manufacturing process time, AlP whose group III element consists of Al only_tAs_1-t(0 ≦ t ≦ 1) is extremely effective. In addition, other layers such as a clad layer that requires a wide gap may contain Al. If the Al composition of the selective oxidation layer is close to them, the other layers are greatly oxidized. From this point of view, AlP whose group III element consists only of Al_tAs_1-t(0 ≦ t ≦ 1) is effective.
[0042]
FIG. 7 is a view showing another configuration example of the semiconductor light emitting device according to the present invention. The semiconductor light emitting device of FIG. 7 has an active layer 4 for generating light on a GaAs substrate 1 and semiconductor layers 2 and 3 having a band gap larger than that of the active layer 4. It consists of an AlGaInP system having a structure sandwiching the layer 4, and a part of the semiconductor layer 3 is made of Al_xGa_yIn_1-xyAs (0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2) layer 15, Al_xGa_yIn_1-xyA portion of the As (0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2) layer 15 is selectively oxidized and formed as a selective oxidation layer 17._xGa_yIn_1-xyAs (0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2) The ratio {w1 / (w1 + w2)} of w1 to the sum of the width (w1) of the layer 15 and the width (w1) of the selective oxidation layer 17 is 0. .6 or less. That is, the selectively oxidized layer does not contain P._xGa_yIn_1-xyEven in the case of the As (0.8.ltoreq.x.ltoreq.1, 0.ltoreq.y.ltoreq.0.2) layer 15, the waveguide structure in the vicinity of the active layer 4 is composed of a material having no waveguide loss with respect to the oscillation wavelength. Although it is advantageous for increasing the output, if the ratio {w1 / (w1 + w2)} is large, for example, when formed with a ridge structure, it is close to the edge of the ridge, and waveguide loss due to fluctuations in the edge width or the like occurs. Arise. The smaller the ratio {w1 / (w1 + w2)}, the smaller the effect, which is preferable. In the configuration of FIG. 7, since the ratio {w1 / (w1 + w2)} is 0.6 or less, it is possible to prevent waveguide loss due to edge width fluctuation or the like.
[0043]
FIG. 8 is a diagram showing another configuration example of the semiconductor light emitting device according to the present invention. The semiconductor light emitting device of FIG. 8 has an active layer 4 for generating light on a GaAs substrate 1 and semiconductor layers 2 and 3 having a band gap larger than that of the active layer 4. 4 is composed of an AlGaInP system having a structure sandwiching 4 and a part of the semiconductor layer 3 is made of Al_xGa_yIn_1-xyAs (0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2) layer 15, Al_xGa_yIn_1-xyA part of the As (0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2) layer 15 is selectively oxidized and formed as a selective oxidation layer 17, and at least Al_xGa_yIn_1-xyA ridge structure 9 is formed in a part of the semiconductor layer 3 above the As (0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2) layer 15, and the ridge width d of the ridge structure 9 is 10 μm. It has become wider.
[0044]
In this configuration, the selectively oxidized layer does not contain P._xGa_yIn_1-xyEven in the case of the As (0.8.ltoreq.x.ltoreq.1, 0.ltoreq.y.ltoreq.0.2) layer 15, since the selective oxide layer 17 is current confined, the width of the ridge can be widened, and the thermal resistance is formed on the upper portion. A large electrode contact region can be provided without forming a large insulating dielectric film or the like, and the differential resistance of the element can be small. Further, when the junction down mounting is used, the heat of the light emitting region generated during the operation of the element can be efficiently radiated.
[0045]
【Example】
Next, examples of the present invention will be described.
Example 1
FIG. 9 is a diagram showing a semiconductor light emitting device (semiconductor laser device) of Example 1. The semiconductor light emitting device of FIG. 9 has a SCH-SQW structure as a layer structure. In the semiconductor light emitting device of FIG. 9, the P composition is gradually changed from 0 to 0.4 by the VPE method (vapor phase growth) on the GaAs substrate 111 which is 2 ° off from the (100) plane in the [110] direction. n-GaPAs graded layer 112 and GaP_0.4As_0.6A GaPAs substrate 101 on which the uniform composition layer 113 is grown (the thickness of the growth layer of the graded layer 112 and the uniform composition layer 113 is, for example, 50 μm) is used. Here, the GaPAs substrate 101 is an epitaxial substrate obtained by growing a GaPAs layer as a growth layer on a GaAs or GaP substrate by a VPE method or the like with a thickness of, for example, 30 μm or more. Further, the lattice mismatch is sufficiently relaxed on the surface of the growth layer, and it can be said that a GaPAs ternary substrate is formed by the GaAs substrate 111 and the growth layer formed thereon.
[0046]
Next, a lattice constant between GaP and GaAs is formed on the GaPAs substrate 101 by MOCVD._0.4As_0.6N- (Al containing As equal to the lattice constant of_yGa_1-y)_βIn_1-βP_vAs_1-v(Y = 0.5, β = 0.8, v = 0.85) Clad layer 102 (film thickness is 1 μm), p- (Al_zGa_1-z)_γIn_1-γP_uAs_1-u(Z = 0.1, γ = 0.7, u = 1) Light guide layer (optical waveguide layer) 114 (film thickness is 0.1 μm), having compressive strain (Al_xGa_1-x)_αIn_1-αP_tAs_1-t(X = 0, α = 0.65, t = 0.9) Single quantum well active layer 104 (film thickness is 25 nm), p- (Al_zGa_1-z)_γIn_1-γP_uAs_1-u(Z = 0.1, γ = 0.7, u = 1) Light guide layer (optical waveguide layer) 115 (film thickness is 0.1 μm), first p- (Al_yGa_1-y)_βIn_1-βP_vAs_1-v(Y = 0.5, β = 0.8, v = 0.85) Clad layer 103 (film thickness is 0.1 μm), p-Al_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(X = 1, y = 0, t = 0.4) i.e. p-AlP_0.4As_0.6Layer 105 (film thickness 50 nm), second p- (Al_yGa_1-y)_βIn_1-βP_vAs_1-v(Y = 0.5, β = 0.8, v = 0.85) Clad layer 106 (film thickness is 0.9 μm), p-Ga_0.7In_0.3P buffer layer 116 (film thickness is 0.1 μm), p-GaP_0.4As_0.6A contact layer 117 (film thickness is 0.2 nm) is grown.
[0047]
Here, the cladding layers 102, 103, 106, the light guide layers 114, 115 and the p-AlP_0.4As_0.6The layer 105 is lattice matched to the GaPAs substrate 101. In addition, as source gases for MOCVD, TMG, TMI, TMA, AsH₃, PH₃And the carrier gas is H₂Was used.
[0048]
The width is 6 μm (p-AlP) by photolithography and etching technology._0.4As_0.6P-AlP other than the stripe region of the width of the layer 105)_0.4As_0.6The bottom of the layer 105 was removed to form a ridge structure 109. And by heating at a high temperature of about 450 ° C. in a steam atmosphere, p-AlP_0.4As_0.6The selective oxidation layer 107 was formed by selectively oxidizing the layer 105 by a width of 1.5 μm on one side from the side surface of the ridge where the surface appeared, and a current confinement portion was formed. p-AlP_0.4As_0.6The non-oxidized central portion (width 3 μm) of the layer 105 serves as a current injection portion, and the active layer 104 therebelow serves as a light emitting portion. The ratio of the width of the current injection portion to the width of the ridge is 0.5.
[0049]
And the insulating layer SiO₂A film 118 was formed to form a current injection window above the ridge, and a p-side electrode 119 was formed thereon. Then, the back surface was polished so as to have a thickness of 100 μm to form an n-side electrode 120.
[0050]
With the structure of Example 1, a semiconductor laser that oscillates at a wavelength of 660 nm was obtained. More specifically, in the structure of Example 1, Al having a large Al composition._xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 ≦ t ≦ 1) Al is obtained by selectively oxidizing a part of the layer 105._xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 ≦ t ≦ 1) A part of the layer 105 becomes a selective oxidation layer 107, that is, an insulator, and a current confinement layer can be formed. Furthermore, since the selective oxidation layer 107 has a low refractive index, Al_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(0.8.ltoreq.x.ltoreq.1, 0.ltoreq.y.ltoreq.2, 0.ltoreq.t.ltoreq.1) A refractive index difference is generated between the non-oxidized portion 105 and the oxidized portion 107 of the layer 105, and the refractive index waveguide is generated. For example, a well layer (active layer) 104 and Al_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 ≦ t ≦ 1) The transverse mode can be controlled by optimizing the distance from the layer 105, for example. In addition, in this structure, the waveguide structure in the vicinity of the active layer 104 is made of a material that does not have a waveguide loss with respect to the oscillation wavelength, which is advantageous for high output.
[0051]
In order to obtain such an effect, conventionally, a plurality of crystal growths such as adopting an embedded structure were required. However, in Example 1, the above effect can be obtained by one crystal growth. Manufacturing was easy and yield was high.
[0052]
In addition, the heterojunction portion excluding the GaAsP substrate 101 portion is formed by a single crystal growth, and a refractive index waveguide structure laser having a current confinement structure could be fabricated more easily than before. .
[0053]
In Example 1, GaP_0.4As_0.6The plane orientation of the substrate 101 is 2 ° off from the (100) plane in the [110] direction and has a slight inclination. GaP, GaAs, GaP with a small inclination from such (100) plane or (100)_0.4As_0.6When AlGaInP was grown on the substrate by MOCVD, many hillocks were observed on the growth surface. This is particularly remarkable when the Al composition such as AlInP is large compared to GaInP. If a large number of hillocks are present in the growth layer, the device characteristics such as laser and LED are deteriorated and the yield is lowered, which is not preferable in production. Particularly, in the laser as in Example 1, the influence is large because the clad layer is thick.
[0054]
On the other hand, the inventors of the present application have found that the density of hillocks can be drastically reduced by including As during AlGaInP growth. This is considered to be because Al or Ga droplet formation is suppressed by including As during the growth of AlGaInP. Thus, by including As during the growth of AlGaInP, the density of hillocks was drastically reduced, and the deterioration of device characteristics and the reduction in yield could be suppressed.
[0055]
Further, a material having the same band gap as compared with the conventional material system on the GaAs substrate may have a smaller Al composition. Since the Al composition of the light guide layers 114 and 115 of Example 1 is small, the non-radiative recombination current caused by Al is reduced and the luminous efficiency is improved. Further, since the surface recombination current is reduced and the level of end face light degradation is improved, a higher output can be obtained. As a result, a red laser capable of stable operation at high temperature and high output was obtained.
[0056]
In Example 1, a single quantum well active layer is used as the active layer 104, but a multiple quantum well active layer can also be used. In that case, (Al_x2Ga_1-x2)_α2In_1-α2P_t2As_1-t2(0 ≦ x2 <1, 0.5 <α2 <1, 0 ≦ t2 ≦ 1) can be used. The light guide layers 114 and 115 may contain As.
[0057]
In the above example, p-Al which is a selective oxidation layer._xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-tThe layer 105 is made of p-AlP with x = 1, y = 0, t = 0.4._0.4As_0.6P-Al_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-tThe layer 105 may be a p-AlAs layer with x = 1, y = 0, and t = 0. In this case, the AlAs layer has a compressive strain of approximately 1.4% with respect to the GaPAs (p composition 40% in Example 1) substrate. For this reason, there is a limit to the thickness of AlAs, and the thickness was set to 20 nm. When the selective oxidation layer 105 had the same thickness, the oxidation rate of AlAs was faster than that of AlPAs containing P. In addition, AlAs, which is a binary material, can be grown more easily and flatly than AlPAs, which is a ternary material. Other effects are the same as those described above.
[0058]
Example 2
FIG. 10 is a diagram showing a semiconductor light emitting device (semiconductor laser device) of Example 2. The semiconductor light emitting device of FIG. 10 has a SCH-MQW structure as a layer structure. In the semiconductor light emitting device of FIG. 10, the P composition is gradually changed from 0 to 0.4 on the GaAs substrate 131 which is 2 ° off from the (100) plane in the [110] direction by the VPE method (vapor phase growth). GaPAs graded layer 132 and GaP_0.4As_0.6A GaPAs substrate 121 (the thickness of the growth layer of the graded layer 132 and the uniform composition layer 133 is 90 μm, for example) on which the uniform composition layer 133 is grown is used.
[0059]
Next, a lattice constant between GaP and GaAs is formed on the GaPAs substrate 121 by the MOCVD method._0.4As_0.6N- (Al containing As equal to the lattice constant of_yGa_1-y)_βIn_1-βP_vAs_1-v(Y = 0.5, β = 0.8, v = 0.85) Clad layer 122 (film thickness is 1 μm), p- (Al_zGa_1-z)_γIn_1-γP_uAs_1-u(Z = 0, γ = 0.7, u = 1) Light guide layer (optical waveguide layer) 134 (film thickness is 0.1 μm), having compressive strain (Al_xGa_1-x)_αIn_1-αP_tAs_1-t(X = 0, α = 0.65, t = 0.9) quantum well active layer (film thickness is 10 nm) and (Al_zGa_1-z)_γIn_1-γP_uAs_1-u(Z = 0, γ = 0.7, u = 1) Multiple quantum well active layer 124 in which barrier layers (film thickness is 10 nm) are alternately stacked, (Al_zGa_1-z)_γIn_1-γP_uAs_1-u(Z = 0, γ = 0.7, u = 1) Optical guide layer (optical waveguide layer) 135 (film thickness is 0.1 μm), first p- (Al_yGa_1-y)_βIn_1-βP_vAs_1-v(Y = 0.5, β = 0.8, v = 0.85) Clad layer 123 (film thickness is 0.1 μm), p-Al_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(X = 1, y = 0, t = 0.4) i.e. p-AlP_0.4As_0.6Layer 125 (film thickness 50 nm), second p- (Al_yGa_1-y)_βIn_1-βP_vAs_1-v(Y = 0.5, β = 0.8, v = 0.85) Clad layer 126 (film thickness is 0.9 μm), p-Ga_0.7In_0.3P buffer layer 136 (film thickness is 0.1 μm), p-GaP_0.4As_0.6A contact layer 137 (film thickness is 0.2 nm) is grown.
[0060]
Here, the cladding layers 122, 123, 126, the light guide layers 134, 135, and p-AlP_0.4As_0.6Layer 125 is lattice matched to GaPAs substrate 121. As a device structure, the width of the ridge is as wide as 50 μm.
[0061]
And p-AlP other than the stripe region is used._0.4As_0.6The p-AlP is removed by removing to the bottom of the layer 125 and heating at a high temperature of about 450 ° C. in a steam atmosphere._0.4As_0.6The selective oxidation layer 127 was formed by selectively oxidizing the layer 125 by a width of 22.5 μm on one side from the side surface of the ridge where the surface appeared, and a current confinement portion was formed. p-AlP_0.4As_0.6The non-oxidized central part (width 5 μm) of the layer 125 becomes a current injection part, and the active layer 124 therebelow becomes a light emitting part. The ratio of the width of the current injection portion to the width of the ridge is 0.1.
[0062]
Then, the portion other than the stripe portion was buried and flattened with polyimide 128 as an insulating layer, and a p-side electrode 138 was formed thereon. Then, the back surface was polished to a thickness of 100 μm to form an n-side electrode 139.
[0063]
With the structure of Example 2, a semiconductor laser oscillating at a wavelength of 650 nm was obtained. More specifically, in the structure of Example 2, Al having a large Al composition._xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 ≦ t ≦ 1) Al is obtained by selectively oxidizing a part of the layer 125._xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 ≦ t ≦ 1) A part of the layer 125 becomes a selective oxidation layer 127, that is, an insulator, and a current confinement layer can be formed. Furthermore, since the selective oxidation layer 127 has a small refractive index, Al_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(0.8.ltoreq.x.ltoreq.1, 0.ltoreq.y.ltoreq.2, 0.ltoreq.t.ltoreq.1) A refractive index difference occurs between the non-oxidized portion 125 and the oxidized portion 127, and the refractive index waveguide structure. For example, the active layer 124 and Al_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 ≦ t ≦ 1) The transverse mode can be controlled by optimizing the distance from the layer 125, for example. In addition, in this structure, the waveguide structure in the vicinity of the active layer 124 is composed of a material having no waveguide loss with respect to the oscillation wavelength, which is advantageous for high output.
[0064]
Furthermore, since the waveguide structure is sufficiently separated from the edge of the ridge as compared with the first embodiment, the waveguide loss due to edge width fluctuation or the like is also reduced.
[0065]
Conventionally, in order to obtain such an effect, a plurality of times of crystal growth such as adopting a buried structure has been required. However, in Example 2, the above effect can be obtained by a single crystal growth. Manufacturing was easy and yield was high.
[0066]
In Example 2, the width of the ridge is as wide as 50 μm, and a wide contact region is provided above the ridge so as not to interpose an insulating layer (polyimide) as much as possible. Thereby, the heat of the light emitting region generated during the operation of the element can be efficiently radiated and the differential resistance of the element can be reduced. In addition, the heterojunction portion excluding the GaAsP substrate portion is formed by a single crystal growth, and a refractive index waveguide laser having a current confinement structure can be fabricated more easily than in the past.
[0067]
In Example 2, the light guide layers 134 and 135 and the active layer 124 have a structure that does not contain Al. FIG. 1 (relationship between lattice constant and band gap energy) shows a material of an optical guide layer often used in a visible laser made of an AlGaInP-based material on a GaAs substrate (Al_0.5Ga_0.5)_0.5In_0.5Although the band gap line of P is shown, GaP which is the substrate of Example 2_0.4As_0.6Ga lattice-matched to_0.7In_0.3It can be seen that the band gap can be obtained by P. Thus, in Example 2, Ga_0.7In_0.3P can be used as the light guide layers 134 and 135, thereby reducing the non-radiative recombination current caused by Al and improving the light emission efficiency. In addition, the surface recombination current is reduced and the level of end face light degradation is greatly improved, so that a higher output can be obtained. As a result, a red laser capable of stable operation at high temperature and high output was obtained.
[0068]
Example 3
FIG. 11 is a diagram showing a semiconductor light emitting device (semiconductor laser device) of Example 3. In FIG. 11, the same reference numerals are given to the same portions as in FIG. 10. In Example 3, Al, which is a selective oxidation layer, is used to form a ridge structure._xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 <t ≦ 1) layer (AlP in Example 3)_0.4As_0.6Layer 125) on the substrate 121 side, Ga_yIn_1-yP_tAs_1-tThe second embodiment is different from the second embodiment in that an etching stop layer 129 composed of (0 <y ≦ 1, 0 ≦ t ≦ 1) layers is provided.
[0069]
Thus, in Example 3, AlP_0.4As_0.6Ga below layer 125_yIn_1-yP_tAs_1-tA layer 129 was formed (y = 1, t = 0.6). In hydrochloric acid-based etchants, materials having a large Al composition and materials having a large P composition tend to be etched, and Ga having a large As composition._yIn_1-yP_tAs_1-t(0 <y ≦ 1, 0 ≦ t ≦ 1) Since the layer 129 was found to be difficult to etch, this becomes the etching stop layer 129.
[0070]
In Example 3, the use of the etching stop layer 129 improved the controllability of etching and improved the yield. Other effects are the same as those of the second embodiment.
[0071]
Example 4
FIG. 12 is a diagram showing a semiconductor light emitting device (semiconductor laser device) of Example 4. FIG. 12 shows an example of a light emitting element on a GaAs substrate. In the semiconductor light emitting device of FIG. 12, n- (Al is formed by MOCVD on a GaAs substrate 141 that is 15 ° off from the (100) plane in the [011] direction._yGa_1-y)_βIn_1-βP (y = 0.7, β = 0.5) cladding layer 142 (film thickness is 1 μm), (Al_zGa_1-z)_γIn_1-γP (z = 0.5, γ = 0.5) light guide layer (optical waveguide layer) 154 (film thickness is 0.1 μm), has tensile strain (Al_xGa_1-x)_αIn_1-αP (x = 0, α = 0.65) single quantum well active layer 144 (film thickness is 10 nm), (Al_zGa_1-z)_γIn_1-γP (z = 0.5, γ = 0.5) light guide layer (optical waveguide layer) 155 (film thickness is 0.1 μm), first p- (Al_yGa_1-y)_βIn_1-βP (y = 0.7, β = 0.5) cladding layer 143 (film thickness is 0.1 μm), p-Al_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(X = 1, t = 0.037) that is p-AlP_0.037As_0.963Layer 145 (film thickness 50 nm), second p- (Al_yGa_1-y)_βIn_1-βP (y = 0.7, β = 0.5) cladding layer 146 (thickness is 0.9 μm), p-Ga_0.5In_0.5A P buffer layer 156 (film thickness is 0.1 μm) and a p-GaAs contact layer 157 (film thickness is 0.2 nm) are grown.
[0072]
Here, the cladding layers 142, 143, 146, the light guide layers 154, 155 and the p-AlP_0.037As_0.963Layer 145 is lattice matched to GaAs substrate 141. As the element structure, the width of the ridge was 50 μm.
[0073]
And p-AlP other than the stripe region is used._0.037As_0.963P-AlP by removing to the bottom of the layer 145 and heating at a high temperature of about 450 ° C. in a steam atmosphere._0.037As_0.963The selective oxidation layer 147 was formed by selectively oxidizing the layer 145 by a width of 22.5 μm on one side from the side surface of the ridge where the surface appeared, and a current confinement portion was formed. p-AlP_0.037As_0.963The non-oxidized central portion (width 5 μm) of the layer 145 becomes a current injection portion, and the active layer 144 below it becomes a light emitting portion. The ratio of the width of the current injection portion to the width of the ridge is 0.1.
[0074]
Then, the portion other than the stripe portion was buried and flattened with polyimide 148 which is an insulating layer, and a p-side electrode 158 was formed thereon. Then, the back surface was polished to a thickness of 100 μm to form an n-side electrode 159.
[0075]
In Example 4, the same effect as in the previous example was obtained. In the light emitting device on the GaAs substrate 141, the AlAs layer is conventionally used as the selectively oxidized layer, but has a compressive strain of about 0.14% with respect to the GaAs substrate due to the difference in lattice constant. As a result, the active layer may be adversely affected. On the other hand, as in Example 4, Al containing P in the selective oxidation layer_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-tWhen the layer 145 (0.8 ≦ x ≦ 1, 0 <t ≦ 1) is used, lattice matching with the GaAs substrate 141 can be achieved, so that adverse effects due to distortion of the selective oxidation layer can be reduced.
[0076]
Example 5
FIG. 13 is a view showing a semiconductor light emitting device (semiconductor laser device) of Example 5. FIG. 13 shows an example of a light emitting element on a GaAs substrate, and the same reference numerals are given to the same portions as in FIG. Example 5 is different from Example 4 in that an AlAs layer 165 is used as a selective oxidation layer.
[0077]
In Example 5, a part of the p-AlAs layer 165 having a large Al composition is selectively oxidized to form a selective oxidation layer, that is, an insulator 167, and a current confinement layer can be formed. Further, since the selective oxidation layer 167 has a small refractive index, an effective refractive index difference is generated between the non-oxidized portion (light emitting portion) of the p-AlAs layer 165 and the current confinement portion, and a refractive index waveguide structure is obtained. The transverse mode can be controlled by optimizing the distance between the active layer 144 and the AlAs layer 165, for example. Moreover, in this structure, the waveguide structure in the vicinity of the active layer 144 is all made of a material having no waveguide loss with respect to the oscillation wavelength, which is advantageous for high output.
[0078]
Furthermore, since the waveguide structure is sufficiently separated from the edge of the ridge as compared with the first embodiment, the waveguide loss due to edge width fluctuation or the like is also reduced.
[0079]
Conventionally, in order to obtain such an effect, a plurality of times of crystal growth such as adopting an embedded structure has been required. However, in Example 5, the above effect can be obtained by a single crystal growth. Manufacturing was easy and yield was high.
[0080]
In Example 5, the width of the ridge is as wide as 50 μm, and a wide contact region is provided above the ridge so that an insulating layer (polyimide) is not interposed as much as possible. Thereby, the heat of the light emitting region generated during the operation of the element can be efficiently radiated and the differential resistance of the element can be reduced. In addition, the heterojunction portion excluding the GaAsP substrate portion is formed by a single crystal growth, and a refractive index waveguide laser having a current confinement structure can be fabricated more easily than in the past.
[0081]
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a semiconductor light emitting device having a current confinement structure and capable of lateral mode control by an easy manufacturing process.
[0082]
In each example described above, the case where the semiconductor light emitting element is a semiconductor laser has been described. However, the present invention can also be applied to a case where the semiconductor light emitting element is a light emitting diode (LED). In this case, a visible LED having high luminance and good temperature characteristics can be obtained.
[0083]
Example 6
FIG. 14 is a diagram showing the configuration of the selective oxidation layer 125 of the semiconductor laser device of Example 6. The selective oxidation layer 125 of Example 6 has an AlAs layer (having a thickness of 5 nm) and a lattice constant between GaP and GaAs._0.4As_0.6Layer that is a material lattice-matched to the substrate (AlP in Example 6)_0.4As_0.6It has a superlattice structure in which a plurality of layers (4 pairs in the example of FIG. 14) are alternately stacked. That is, in Example 6, the selective oxidation layer 125 has an AlAs layer (having a thickness of 5 nm) and a lattice constant between GaP and GaAs._0.4As_0.6Layer that is a material lattice-matched to the substrate (AlP in Example 6)_0.4As_0.6This is different from the selective oxidation layer 125 of Example 3 in that it has a superlattice structure in which a plurality of layers (4 pairs in the example of FIG. 14) are alternately stacked. Here, the AlAs layer is GaP._0.4As_0.6Although it has a lattice strain of 1.4% with respect to the substrate, the AlAs layer is as thin as 5 nm, so GaP_0.4As_0.6It was possible to grow on the substrate without lattice relaxation.
[0084]
The greater the thickness of the selective oxidation layer and the greater the Al composition, the faster the oxidation rate. The width of the oxide layer is proportional to the square root of time (1/2 power). In addition, it was found that AlPAs and AlAs whose group III is composed only of Al have a slower oxidation rate for AlPAs containing P in AlAs. In order to shorten the oxidation process time, it is preferable to use AlAsP having a composition close to that of AlAs and further AlAl for the selective oxidation layer.
[0085]
However, the substantial lattice constant of the semiconductor element is between GaP and GaAs, and the AlAs layer is GaP._0.4As_0.6It has a lattice strain of 1.4% with respect to the substrate. Therefore, it is necessary to make the AlAs layer thinner than the critical thickness where lattice relaxation occurs. However, if the thickness is thin as described above, the oxidation rate is reduced. On the other hand, it has been found that by forming the AlAs layer to a thickness equal to or less than the critical film thickness and laminating a plurality of layers sandwiching other layers, lattice relaxation is not achieved and a sufficient oxidation rate can be obtained.
[0086]
This is shown below. In order to make the oxidation width easy to see, an oxidation experiment was performed on a sample having the following configuration. In the structure of the crystal growth layer of Example 3, as shown in FIG. 14, the selective oxidation layer 125 is formed by the AlAs layer (thickness 5 nm) and the AlP as described above._0.4As_0.6A superlattice structure in which four pairs of layers (thickness: 1 nm) are alternately stacked, and the p-cladding layer 123 on the selective oxidation layer 125 is grown by a thickness of 0.2 μm, the growth is stopped, and the ridge width is 40 μm The regions other than the stripe region were removed by etching until reaching the etching stop layer, and selective oxidation was performed. The conditions were 460 ° C. and 10 minutes. FIG. 15 is a top view showing the ridge region and the selective oxidation region. In FIG. 15, a hatched area is a selectively oxidized region. In this experiment, a selective oxide layer having a width of 8 μm was formed in only 10 minutes. This oxidation rate is a sufficiently high rate in the selective oxidation step. This is probably because the oxygen diffusion rate at the layer interface is fast, and therefore the oxidation rate of the entire selective oxidation layer increases when there are many interfaces as in this embodiment.
[0087]
As described above, in the semiconductor laser of Example 6, an AlAs layer having a high oxidation rate is used as the selective oxidation layer, and the AlAs layer and a layer made of a material having a lattice constant between GaP and GaAs are used. By configuring with a superlattice structure in which a plurality of layers are laminated, the manufacturing process time can be shortened. Other effects are the same as those of the third embodiment. As a material having a lattice constant between GaP and GaAs constituting the selective oxidation layer, AlP_0.4As_0.6Although a layer is used, a material having a lattice constant that does not cause lattice relaxation due to AlAs having compressive strain may be used, and a material that lattice matches with the substrate or a material having tensile strain that compensates for the compressive strain of AlAs is preferable. . The material may be GaAsP, AlInP, GaInP, AlGaInP, GaInAsP, or AlGaInAsP, but AlPAs whose group III is made of only Al is preferable. Further, the thickness of each layer constituting the superlattice structure which is the selective oxidation layer may be a thickness other than the above example.
[0088]
【The invention's effect】
  As described above, according to the first aspect of the present invention, an active layer made of an AlGaInP-based material that generates light on a semiconductor substrate and a band gap larger than that of the active layer between GaP and GaAs. Al containing lattice constant was included (Al_yGa_1-y)_βIn_1-βP_vAs_1-v(0 <y ≦ 1, 0.5 <β <1, 0 <v ≦ 1), and a semiconductor light emitting device having a structure in which the active layer is sandwiched between the semiconductor layers, Al in part of the semiconductor layer_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-tA selectively oxidized layer composed of (0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 ≦ t ≦ 1) layers,The material of the selectively oxidized layer is lattice-matched to the semiconductor substrate,A part of the selective oxidation layer is selectively oxidized and formed as a selective oxidation layer. A current confinement layer can be formed by the selective oxidation layer, and the selective oxidation layer has a low refractive index._xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(0.8.ltoreq.x.ltoreq.1, 0.ltoreq.y.ltoreq.2, 0.ltoreq.t.ltoreq.1) An effective refractive index difference is generated between the non-oxidized portion (light emitting portion) and the current constriction portion. It becomes a wave structure, and transverse mode control becomes possible. In addition, this structure is advantageous in increasing the output because all of the waveguide structure in the vicinity of the active layer can be made of a material having no waveguide loss with respect to the wavelength. Conventionally, in order to obtain such an effect, a plurality of times of crystal growth such as adopting an embedded structure has been required. However, in the present invention, the above effect can be obtained by a single crystal growth. Is easy and yield is high.
[0089]
  According to the second aspect of the present invention, the active layer for generating light on the semiconductor substrate, and the two clad layers provided so as to sandwich the active layer on both sides of the active layer and confining the light from the active layer, The active layer is a single quantum well structure composed of a quantum well layer or a multiple quantum well structure composed of a quantum well layer and a barrier layer. Layer is (Al_x1Ga_1-x1)_α1In_1-α1P_t1As_1-t1(0 ≦ x1 <1, 0 <α1 ≦ 1, 0 ≦ t1 ≦ 1), and the barrier layer is (Al_x2Ga_1-x2)_α2In_1-α2P_t2As_1-t2(0 ≦ x2 <1, 0.5 <α2 <1, 0 ≦ t2 ≦ 1), and each cladding layer includes Al having a larger band gap than the active layer and a lattice constant between GaP and GaAs. (Al_yGa_1-y)_βIn_1-βP_vAs_1-v(0 <y ≦ 1, 0.5 <β <1, 0 <v ≦ 1), and the band gap between the active layer and each cladding layer is larger than that of the active layer and smaller than that of the cladding layer (Al_zGa_1-z)_γIn_1-γP_uAs_1-u(0 ≦ z <1, 0.5 <γ <1, 0 <u ≦ 1), and the light guide layer is formed on a part of at least one of the two cladding layers, or 2 Al between one of the two cladding layers and the active layer_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-tA selectively oxidized layer composed of (0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 ≦ t ≦ 1) layers,The material of the selectively oxidized layer is lattice-matched to the semiconductor substrate,A part of the selective oxidation layer is selectively oxidized to form a selective oxidation layer, and the active layer is (Al_x1Ga_1-x1)_α1In_1-α1P_t1As_1-t1Since the quantum well structure includes (0 ≦ x1 <1, 0 <α1 ≦ 1, 0 ≦ t1 ≦ 1), a light-emitting element with a visible wavelength can be provided. The cladding layer is a material having a lattice constant between GaP and GaAs and contains Al (Al_yGa_1-y)_βIn_1-βP_vAs_1-v(0 <y ≦ 1, 0.5 <β <1, 0 <v ≦ 1), which has a larger band gap than a clad layer material that can be formed on a GaAs substrate, and is advantageous for shortening the wavelength. Also, (Al_zGa_1-z)_γIn_1-γP_uAs_1-uA light guide layer comprising (0 ≦ z <1, 0.5 <γ <1, 0 <u ≦ 1) and (Al_xGa_1-x)_αIn_1-αP_tAs_1-tSince the SCH structure is formed by quantum wells (0 ≦ x <1, 0 <α ≦ 1, 0 ≦ t ≦ 1), a wide gap can be obtained with a smaller Al composition than the GaAs substrate lattice matching material. Compared with the prior art, the Al composition of the light guide layer can be reduced, the emission efficiency is improved by reducing the non-radiative recombination current, reducing the surface recombination current, etc. Stable operation is possible even at high output. Further, the clad layer can be distorted, and a narrow gap can be formed as compared with the conventional material. Furthermore, according to the present invention, since the Al composition of the light guide layer can be reduced, a large conduction band discontinuity can be obtained. As a result, carrier (electron) overflow due to a small band discontinuity on the conduction band side, which has been a problem with red lasers using conventional AlGaInP-based materials, can be significantly improved. Further, Al having a large Al composition is formed on a part of at least one of the two cladding layers or between one of the two cladding layers and the active layer._xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 ≦ t ≦ 1), a current confinement layer can be formed by a selective oxidation layer partially oxidized, and selective oxidation Since the layer has a low refractive index, Al_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(0.8.ltoreq.x.ltoreq.1, 0.ltoreq.y.ltoreq.2, 0.ltoreq.t.ltoreq.1) An effective refractive index difference is generated between the non-oxidized portion (light emitting portion) and the current constriction portion. It becomes a wave structure, and transverse mode control becomes possible. In addition, this structure is advantageous in increasing the output because all of the waveguide structure in the vicinity of the active layer can be made of a material having no waveguide loss with respect to the wavelength. Conventionally, in order to obtain these effects, a plurality of crystal growths such as adopting a buried structure have been required. Easy and high yield.
[0090]
  According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor light emitting device according to the first or second aspect, the semiconductor substrate isGaAs Or GaP Epi substrate with GaPAs layer grown as growth layer on substrateAnd said Al_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 ≦ t ≦ 1) The layer is lattice-matched to the semiconductor substrate, and Al_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 ≦ t ≦ 1) By lattice matching the layer, Al_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(0.8.ltoreq.x.ltoreq.1, 0.ltoreq.y.ltoreq.2, 0.ltoreq.t.ltoreq.1) The layer can be formed thick, the oxidation rate can be increased, and the manufacturing process time can be shortened.
[0092]
  Also,Claim 4According to the described invention, claims 1 toClaim 3In the semiconductor light emitting device according to any one of the above, Al which is a selective oxidation layer_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 <t ≦ 1) The composition of the layer is AlP whose group III element is composed of only Al._tAs_1-tSince (0 ≦ t ≦ 1), the oxidation rate of the selective oxidation layer can be increased, and the time for the element manufacturing process can be shortened. Also, other layers such as cladding layers that require a wide gap may contain Al, and if the Al composition of the selectively oxidized layer is close to them, the other layers are also greatly oxidized, but the group III element is Al. AlP consisting only of_tAs_1-t(0 ≦ t ≦ 1) can avoid such a problem.
[0093]
  Also,Claim 5According to the described invention, claims 1 toClaim 4In the semiconductor light emitting device according to any one of the above, the selective oxidation layer is configured by a superlattice structure in which an AlAs layer and a layer made of a material having a lattice constant between GaP and GaAs are stacked in multiple layers. Therefore, a sufficient oxidation rate can be obtained and the manufacturing process time can be shortened. That is, the oxidation rate increases as the thickness of the selective oxidation layer increases and the Al composition increases. Moreover, the oxidation rate of AlAs is faster than that of AlPAs. However, the substantial lattice constant of the semiconductor element is between GaP and GaAs, and AlAs has compressive strain, and it is necessary to make the thickness less than the critical film thickness where lattice relaxation occurs. Although the rate is reduced, a sufficient oxidation rate can be obtained and the manufacturing process time can be shortened by laminating a plurality of AlAs layers with a thickness equal to or less than the critical thickness.
[0094]
  Also,Claim 6According to the described invention,Claim 5In the semiconductor light-emitting element described above, since the material having a lattice constant between GaP and GaAs is AlPAs, the oxidation rate of the entire superlattice structure, which is the selective oxidation layer, can be increased, and the manufacturing process time can be reduced. Further shortening is possible. That is, the thicker the selective oxidation layer is, and the larger the Al composition is, the faster the oxidation rate is. Moreover, the oxidation rate of AlAs is faster than that of AlPAs. As a material having a lattice constant between GaP and GaAs, GaAsP, AlInP, GaInP, AlGaInP, GaInAsP, and AlGaInAsP may be used. The overall oxidation rate can be increased and the manufacturing process time can be further reduced.
[0095]
  Also,Claim 7According to the described invention, claims 1 toClaim 6The selective oxidation layer formed by selectively oxidizing part of the selective oxidation layer and the width (w1) of the selective oxidation layer that is not oxidized and serves as a current path in the semiconductor light emitting device according to any one of the above Since the ratio {w1 / (w1 + w2)} of w1 to the total (w1 + w2) of the width (w2) of each is less than or equal to 0.6, waveguide loss due to fluctuations in the edge width, etc. can be prevented, and higher output operation is possible. Become.
[0096]
  Also,Claim 8According to the described invention, claims 1 toClaim 7In the semiconductor light emitting device according to any one of the above, a ridge structure is formed at least in a part of the semiconductor layer above the selectively oxidized layer, and the ridge width of the ridge structure is wider than 10 μm, so that it is wide. An electrode contact region can be provided, and the differential resistance of the element can be small. Further, when the junction down mounting is used, the heat of the light emitting region generated during the operation of the element can be efficiently radiated.
[0097]
  Also,Claim 9According to the described invention, claims 1 toClaim 8In the semiconductor light-emitting device according to any one of the above, a ridge structure is formed at least in part of the semiconductor layer above the selectively oxidized layer, and the Ga layer is formed under the selectively oxidized layer._yIn_1-yP_tAs_1-tAn etching stop layer composed of (0 <y ≦ 1, 0 ≦ t ≦ 1) layers is formed. By using the etching stop layer, the etching depth can be easily controlled, and the device can be easily processed. Yield is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a relationship between a lattice constant and band gap energy.
FIG. 2 is a diagram showing a structure of a refractive index guided laser having a lattice constant between GaAs and GaP disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-41560.
FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of a semiconductor light emitting element according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing another configuration example of the semiconductor light emitting device according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing another configuration example of the semiconductor light emitting device according to the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing another configuration example of the semiconductor light emitting device according to the present invention.
FIG. 7 is a view showing another configuration example of the semiconductor light emitting device according to the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing another configuration example of the semiconductor light emitting device according to the present invention.
9 is a diagram showing a semiconductor light emitting device (semiconductor laser device) of Example 1. FIG.
10 is a diagram showing a semiconductor light emitting device (semiconductor laser device) of Example 2. FIG.
11 is a view showing a semiconductor light emitting device (semiconductor laser device) of Example 3. FIG.
12 is a view showing a semiconductor light emitting device (semiconductor laser device) of Example 4. FIG.
13 is a diagram showing a semiconductor light emitting device (semiconductor laser device) of Example 5. FIG.
14 is a view showing a configuration of a selective oxidation layer of Example 6. FIG.
FIG. 15 is a top view of a sample after a selective oxidation treatment.
[Explanation of symbols]
1 Semiconductor substrate
2 Semiconductor layer (cladding layer)
3 Semiconductor layer (cladding layer)
4 Active layer
5 Al_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 ≦ t ≦ 1) layer
7 Selective oxidation layer
24, 25 Light guide layer
9 Ridge structure
29 Etching stop layer
15 Al_xGa_yIn_1-xyAs (0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2) layer
17 Selective oxidation layer
111 GaAs substrate
112 n-GaPAs graded layer
113 GaP_0.4As_0.6Uniform composition layer
101 GaPAs substrate
102 n- (Al_yGa_1-y)_βIn_1-βP_vAs_1-v(Y = 0.5, β = 0.8, v = 0.85) cladding layer
114 p- (Al_zGa_1-z)_γIn_1-γP_uAs_1-u(Z = 0.1, γ = 0.7, u = 1) Light guide layer (optical waveguide layer)
104 (Al_xGa_1-x)_αIn_1-αP_tAs_1-t(X = 0, α = 0.65, t = 0.9) Single quantum well active layer
115 p- (Al_zGa_1-z)_γIn_1-γP_uAs_1-u(Z = 0.1, γ = 0.7, u = 1) Light guide layer (optical waveguide layer)
103 first p- (Al_yGa_1-y)_βIn_1-βP_vAs_1-v(Y = 0.5, β = 0.8, v = 0.85) cladding layer
105 p-Al_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(X = 1, t = 0.4) ie p-AlP_0.4As_0.6layer
106 second p- (Al_yGa_1-y)_βIn_1-βP_vAs_1-v(Y = 0.5, β = 0.8, v = 0.85) cladding layer
116 p-Ga_0.7In_0.3P buffer layer
117 p-GaP_0.4As_0.6Contact layer
109 Ridge structure
119 p-side electrode
120 n-side electrode
131 GaAs substrate
132 GaPAs graded layer
133 GaP_0.4As_0.6Uniform composition layer
121 GaPAs substrate
122 n- (Al_yGa_1-y)_βIn_1-βP_vAs_1-v(Y = 0.5, β = 0.8, v = 0.85) cladding layer
134 p- (Al_zGa_1-z)_γIn_1-γP_uAs_1-u(Z = 0, γ = 0.7, u = 1) Light guide layer (optical waveguide layer)
124 Multiple quantum well active layer
135 (Al_zGa_1-z)_γIn_1-γP_uAs_1-u(Z = 0, γ = 0.7, u = 1) Light guide layer (optical waveguide layer)
123 First p- (Al_yGa_1-y)_βIn_1-βP_vAs_1-v(Y = 0.5, β = 0.8, v = 0.85) cladding layer
125 p-Al_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(X = 1, t = 0.4) ie p-AlP_0.4As_0.6layer
126 second p- (Al_yGa_1-y)_βIn_1-βP_vAs_1-v(Y = 0.5, β = 0.8, v = 0.85) cladding layer
136 p-Ga_0.7In_0.3P buffer layer
137 p-GaP_0.4As_0.6Contact layer
138 p-side electrode
139 n-side electrode
127 Selective oxidation layer
129 Etching stop layer
141 GaAs substrate
142 n- (Al_yGa_1-y)_βIn_1-βP (y = 0.7, β = 0.5) cladding layer
154 (Al_zGa_1-z)_γIn_1-γP (z = 0.5, γ = 0.5) light guide layer (optical waveguide layer)
144 (Al_xGa_1-x)_αIn_1-αP (x = 0, α = 0.65) single quantum well active layer
155 (Al_zGa_1-z)_γIn_1-γP (z = 0.5, γ = 0.5) light guide layer (optical waveguide layer)
143 first p- (Al_yGa_1-y)_βIn_1-βP (y = 0.7, β = 0.5) cladding layer
145 p-Al_xGa_yIn_1-xyP_tAs_1-t(X = 1, t = 0.037) that is p-AlP_0.037As_0.963layer
146 Second p- (Al_yGa_1-y)_βIn_1-βP (y = 0.7, β = 0.5) cladding layer
156 p-Ga_0.5In_0.5P buffer layer
157 p-GaAs contact layer
147 Selective oxidation layer
148 Polyimide
158 p-side electrode
159 n-side electrode
165 AlAs layer
167 Selective oxidation layer

Claims

An active layer made of an AlGaInP-based material that generates light on a semiconductor substrate and Al having a band gap larger than that of the active layer and having a lattice constant between GaP and GaAs (Al _y Ga _{1 -y} ) _β And a semiconductor layer made of In _1-β P _v As _1-v (0 <y ≦ 1, 0.5 <β <1, 0 <v ≦ 1), and the active layer is sandwiched between the semiconductor layers A semiconductor light emitting device having a structure in which Al _x Ga _y In _1-xy P _t As _1-t (0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 ≦ t ≦ 1) including a selective oxidation layer, and the material of the selective oxidation layer is lattice-matched to the semiconductor substrate, and a portion of the selective oxidation layer is selectively oxidized to be selectively oxidized. A semiconductor light emitting element formed as described above.

In a semiconductor light emitting device comprising a heterojunction having an active layer for generating light and two clad layers provided on both sides of the active layer so as to sandwich the active layer and confining light from the active layer on a semiconductor substrate. The layer has a single quantum well structure including a quantum well layer or a multiple quantum well structure including a quantum well layer and a barrier layer, and the quantum well layer is (Al _x1 Ga _1-x1 ) _α1 In _1-α1 P _t1 As _1-t1 (0 ≦ x1 <1, 0 <α1 ≦ 1, 0 ≦ t1 ≦ 1), and the barrier layer is (Al _x2 Ga _1-x2 ) _α2 In _1-α2 P _t2 As _1−t2 (0 ≦ x2 <1, 0.5 <α2 <1, 0 ≦ t2 ≦ 1), and each cladding layer has a larger band gap than the active layer and has a lattice constant between GaP and GaAs. Al-containing (Al _y Ga _1-y ) _β In _{1- β} P _v As _1-v (0 <y ≦ 1, 0.5 <β <1, 0 <v ≦ 1), and the cladding has a larger band gap than the active layer between the active layer and each cladding layer a light guide layer made smaller than the layer _{_{(Al z Ga 1-z)}} γ In 1-γ P u As 1-u (0 ≦ z <1,0.5 <γ <1,0 <u ≦ 1) Al _x Ga _y In _1- _{xy in} a part of at least one of the two clad layers or between one clad layer of the two clad layers and the active layer A selective oxidation layer composed of a P _t As _1-t (0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 ≦ t ≦ 1) layer, and the material of the selective oxidation layer is formed on a semiconductor substrate. A semiconductor light emitting element characterized by being lattice-matched and part of the selective oxidation layer being selectively oxidized to form a selective oxidation layer.

3. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is an epi substrate obtained by growing a GaPAs layer as a growth layer on a GaAs or GaP substrate, and the Al _x Ga _y In _1-xy P is used. A semiconductor light-emitting element, wherein the _t As _1-t (0.8 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 ≦ t ≦ 1) layer is lattice-matched to the semiconductor substrate.

4. The semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein Al _x Ga _y In _1-xy P _t As _1-t (0.8 ≦ x ≦ 1), which is a selective oxidation layer. , 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 <t ≦ 1) The composition of the layer is AlP _t As _1-t (0 ≦ t ≦ 1) in which the group III element is made of only Al. element.

5. The semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein the selective oxidation layer includes an AlAs layer and a layer made of a material having a lattice constant between GaP and GaAs. A semiconductor light emitting device comprising a superlattice structure.

6. The semiconductor light emitting device according to claim 5, wherein the material having a lattice constant between GaP and GaAs is AlPAs.

7. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the width (w 1) of the selective oxidation layer that is not oxidized and serves as a current path and a part of the selective oxidation layer are selectively oxidized. The ratio of w1 to the total (w1 + w2) of the widths (w2) of the selective oxide layers formed in this manner is {w1 / (w1 + w2)} being 0.6 or less.

8. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein a ridge structure is formed at least in a part of the semiconductor layer above the selectively oxidized layer, and the ridge width of the ridge structure is A semiconductor light emitting device characterized by being wider than 10 μm.

9. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein a ridge structure is formed at least in a part of the semiconductor layer above the selective oxidation layer, and under the selective oxidation layer. A semiconductor light-emitting element comprising an etching stop layer formed of a Ga _y In _1-y P _t As _1-t (0 <y ≦ 1, 0 ≦ t ≦ 1) layer.