JP4515949B2 - 面型光半導体素子 - Google Patents
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Description
前記基板上に設けられた発光領域を有する半導体活性層と、
前記半導体活性層を挟み、前記基板に対して垂直方向の共振器を形成する、前記半導体活性層に対して前記基板と反対側に設けられた第1半導体多層膜反射鏡層および前記半導体活性層に対して前記基板側に設けられた第2半導体多層膜反射鏡層と、
前記第1半導体多層膜反射鏡層に、不純物を有する不純物領域によって隔てられるように設けられた電流が狭窄される複数の電流狭窄領域と、
前記半導体活性層とは反対側の前記第1半導体多層膜反射鏡層上に、前記複数の電流狭窄領域を覆うように設けられた半導体電流拡散層と、
前記第1半導体多層膜反射鏡層とは反対側の前記半導体電流拡散層上に前記複数の電流狭窄領域を取り囲むように設けられた第1電極および前記基板の前記半導体活性層と反対側に設けられた第2電極を有し、前記半導体活性層に電流を注入する電極部と、
を備えていることを特徴とする。
s<5√r
及び
s>((√2−1)/2)×r
の関係を満たしてもよい。
s<5√r
及び
s>((√2−1)/2)×r
の関係を満たしてもよい。
を備え、前記半導体電流拡散層は、第1および第2半導体電流拡散膜が積層された構造を有し、前記半導体活性層により近い第1半導体電流拡散膜は、前記電流狭窄領域の中心から遠い周辺部分が前記電流狭窄領域の中心に近い中央部分に比べて膜厚が厚くなるように構成されていることを特徴とする。
s<5√r
及び
s>((√2−1)/2)×r
の関係を満たしてもよい。
s<5√r
及び
s>((√2−1)/2)×r
の関係を満たすことを特徴とする。
s<5√r
及び
s>((√2−1)/2)×r
の関係を満たしてもよい。
本発明の第1実施形態による面型光導体素子の構成を図1に示す。この実施形態による面型光半導体素子は、面発光レーザであって、GaAs基板1上に半導体多層膜反射鏡層2が設けられ、半導体多層膜反射鏡層2上にクラッド層3が設けられ、クラッド層3上に活性層4が設けられている。また、活性層4上にクラッド層5が設けられ、クラッド層5上に半導体多層膜反射鏡層6が設けられ、この半導体多層膜反射鏡層6に、例えばプロトンを注入することにより形成された不純物領域8が形成されている。この不純物領域8によって半導体多層膜反射鏡層6内に電流が狭窄されて流れる複数の電流狭窄層9a、9bが形成される。不純物領域8は電流狭窄層9a、9bよりも抵抗が高い。すなわち、半導体多層膜反射鏡層6には、不純物領域8によって電流を狭窄する電流狭窄構造が形成されるとともに、電流が狭窄される電流狭窄領域9a、9bが形成されることになる。なお、不純物領域8の深さ、すなわち、プロトン注入の深さは活性層4に到達しない深さであることが好ましい。プロトン注入がクラッド層5に達していても活性層4にダメージを与えない範囲であればよい。プロトン注入がクラッド層5に達しないと活性層4にダメージを与えない構造を確実に形成できる。なお、半導体多層膜反射鏡層2、6によって基板1に対して垂直方向の共振器を形成している。
(電極部分から電流狭窄領域までの電流路の抵抗)/(電流狭窄領域での抵抗)
の値を小さくすると電流狭窄領域が抵抗に対して占める割合を高くすることができて、均一な電流注入が可能となる。
次に、本発明の第2実施形態による面型光半導体素子の構成を図2を参照して説明する。本実施形態の面型光半導体素子は、図1に示す第1実施形態の面型光半導体素子において、コンタクト層7aによって取り囲まれている複数の電流狭窄領域9a、9bを含む領域の中心からコンタクト層7aに向かうに従って、電流を注入するための素子抵抗が大きくなるように複数の電流狭窄領域9a、9bを配列した構成となっている。このような構成は、例えば図2に示すように、コンタクト層7aによって取り囲まれている複数の電流狭窄領域9a、9bを含む領域の中心に比較的面積の広い電流狭窄領域9aを設け、この電流狭窄領域9aを中心にして同心円状に電流狭窄領域9aよりも面積の狭い電流狭窄領域9bを複数個(図2のおいては12個)設ければよい。同一の同心円に沿って設けられた電流狭窄層9bは6個であって、異なる同心円に設けられた電流狭窄層9bは放射状に配列された構成となっている。なお、図2は、本実施形態のよる面型光半導体素子の平面図であって、開口部12内の半導体電流拡散層7およびパッシベーション膜10を削除した平面図である。
この第2実施形態も第1実施形態と同様の効果を奏することは云うまでもない。
次に、本発明の第3実施形態による面型光半導体素子の構成を図3に示す。この実施形態の面型光半導体素子は、第1または第2実施形態の面型光半導体素子において、半導体多層膜反射鏡層6と半導体電流拡散層7との間に気相成長または接着することによって形成される半導体多層膜反射鏡層6aを設けた構成となっている。半導体多層膜反射鏡層6aは、気相成長または接着することによって形成され、プロトンが注入された領域は備えていない。
次に、本発明の第4実施形態による面型光半導体素子の構成を図4aに示す。この実施形態の面型光半導体素子は、この実施形態の面型光半導体素子は、図1に示す第1実施形態の面型光半導体素子において、複数の電流狭窄領域9a、9bを一つの電流狭窄領域とし、半導体電流拡散層7を複数層(図4aにおいては2層)の電流拡散膜71、72を積層した構成となっている。活性層4により近い電流拡散膜71は、電流狭窄領域9の中心から遠い周辺部分では電流狭窄領域9の中心に近い中央部分に比べて抵抗が高くなるように構成され、活性層4により遠い電流拡散膜72はキャリア濃度および膜厚がほぼ一定となるように構成されている。ここで、電流拡散膜71は、電流狭窄領域9の中心から遠い周辺部分では電流狭窄領域9の中心に近い中央部分に比べてキャリア濃度低くして抵抗が高くする構成としても、異動度を低くして抵抗を高くする構成としても、厚さを厚くして縦方向の抵抗を高くする構成としてもよい。特に、厚さを厚くすると、素子の活性層4に対する垂直方向の抵抗は高くなり、平行方向の抵抗は低くなるので、電流狭窄領域9に均一に電流を注入する上で有効である。電流拡散膜72は、電流拡散膜71の電流狭窄領域9の中心から遠い周辺部分よりもキャリア濃度が高く抵抗が低い。なお、図4aにおいて、符号16は後述する実施例で説明する選択成長マスクである。
次に、本発明の第5実施形態による面型光半導体素子の構成を図4bに示す。この実施形態の面型光半導体素子は、図4aに示した第4実施形態の面型光半導体素子において、複数の電流狭窄領域9a,9bを設けた構成になっている。本実施の様態では半導体電流拡散層7は複数層(図4bにおいては2層)の電流拡散膜71、72を積層した構成となっている。活性層4により近い電流拡散膜71は、電流狭窄領域9の中心から遠い周辺部分では電流狭窄領域9の中心に近い中央部分に比べてキャリア濃度が低くかつ厚さも厚くて抵抗が高くなるように構成され、活性層4により遠い電流拡散膜72はキャリア濃度および膜厚がほぼ一定となるように構成されている。ここで、電流拡散膜72は、電流拡散膜71の電流狭窄領域9の中心から遠い周辺部分よりもキャリア濃度が高く抵抗が低い。なお、図4bにおいて、符号16は後述する実施例で説明する選択成長マスクである。
次に、本発明の第6実施形態による面型光半導体素子の構成を図5に示す。この実施形態の面型光半導体素子は、図1に示す第1実施形態の面型光半導体素子において、複数の電流狭窄領域9a、9bを一つの電流狭窄領域9とし、かつ(a)半導体電流拡散層7と電極11とのコンタクト抵抗が半導体電流拡散層7の縦方向(膜厚方向)の抵抗よりも大きくするとともに、(b)電流狭窄領域9と電極11との間の半導体電流拡散層7の横方法(膜面方向)の抵抗を縦方向の抵抗よりも低くなるように構成されている。
コンタクト抵抗は160/(s×L)Ωと表され、
半導体電流拡散層7の縦方向の抵抗はs÷(π×r×r)×ρΩと表されるから
コンタクト抵抗 > 半導体電流拡散層の縦方向抵抗
の条件は
160/(s×L)Ω > s÷(π×r×r)×ρΩ (1)
となる。電極11の開口部12は電流狭窄領域9よりも径が大きいことが望ましいが、同時に大きすぎないことが望ましいので、電極11の半径Lと電流狭窄領域9の中央と端部の最短距離rはほぼ同程度の大きさとなる。ρはキャリア濃度が1x1018cm−3の場合2.5×10−3Ω・cmの程度であることから、上述の(1)の不等式から
s < 5√r (2)
が望ましい。上式の(2)の範囲において、上述の(a)の関係
コンタクト抵抗 > 半導体電流拡散層の縦方向の抵抗
が満たされ、オーミック電極の実効的な面積を広げて素子の抵抗を低減する効果を享受することができる。
s >((√2−1)/2)×r (3)
の関係が得られる。この(3)の条件を満たしていると、電流狭窄領域9と電極11との間の半導体電流拡散層7の横方向の抵抗を縦方向の抵抗よりも小さくすることができる。これは以下の理由による。電流狭窄領域9の上部の断面が円形であるとして近似すると半導体電流拡散層7での縦方向の抵抗は
抵抗率×s/(π×r×r) (4)
と近似することができる。
抵抗率×(s/2)/(2×π×(r+s)×s) (5)
と近似することができる。(4)と(5)の不等式を連立すると(3)の関係が得られる。
次に、本発明の第7実施形態による面型光半導体素子の構成を図6に示す。この実施形態の面型光半導体素子は、第6実施形態の面型光半導体素子において、半導体多層膜反射鏡層6と半導体電流拡散層7との間に気相成長または接着することによって形成される半導体多層膜反射鏡層6aを設けた構成となっている。半導体多層膜反射鏡層6aは、気相成長または接着することによって形成され、プロトンが注入された領域は備えていない。
次に、本発明の第8実施形態による面型光半導体素子の構成を図5を参照して説明する。この実施形態の面型光半導体素子は、図1に示す第1実施形態の面型光半導体素子において、複数の電流狭窄領域9a、9bを一つの電流狭窄領域とし、かつ電流狭窄領域9の深さが電流狭窄領域9の断面の半径よりも大きくした構成となっている。ここで電流狭窄領域の半径とは、電流狭窄領域の断面の主要部分の長辺である。たとえば円であれば半径であり、楕円であれば長径であり、長方形であれば対角線の長さの半分である。
本発明の実施例1による面型光半導体素子を図5を参照して説明する。この実施例の面型光半導体素子は、半導体活性層4の両側にInGaAlP系材料のクラッド層3,5と、AlGaAs系材料よりなる半導体多層膜反射鏡層2,6とを配置した、650nm帯の赤色AlGaInP面発光レーザである。
次に、本発明の実施例2による面型光半導体素子を図5を参照して説明する。本実施例においては、実施例1の構成において、電流狭窄領域9の外径を4μmとした構成となっている。
半導体電流拡散層の抵抗率×(縦方向の形状係数(半導体電流拡散層の厚さ/電流狭窄領域の面積)+横方向の形状係数(半導体電流拡散層での電流の横方向拡がり距離/電流拡散層内で電流が流れる断面積の最大値))
と近似することができる。そしてキャリア濃度1×1018cm−3のAl0.6Ga0.4As半導体電流拡散層7の抵抗率は0.06Ω・cm程度であることから、
0.06Ω・cm×(1.5μm/(π×3.5μm×2μm)+1.5μm/2/(2×π×3.5μm×1.5μm))〜68Ω
となる。この結果、トータルの抵抗はコンタクト抵抗と半導体電流拡散層7の抵抗を加えることで80Ω以下となり、従来の場合に対して5割以下に低減することができる。
コンタクト抵抗 > 半導体電流拡散層の縦方向の抵抗
の関係を満たす必要がある。この関係は、第6実施形態で説明したように、半導体電流拡散層7の厚さをs、電流狭窄領域9と半導体電流拡散層7の接合面における電流狭窄領域9の中央と端部の最短距離をrとすると、
s < 5√r
の条件が満たされることが必要となる。
s>((√2−1)/2)×r
の関係を満たすことが望ましく、したがって、s>1.2μmとなる。
次に、本発明の実施例3による面発光レーザを図6を参照して説明する。この実施例の面発光レーザは、実施例1の面発光レーザとほぼ同一であり、異なる点は、表面側半導体多層膜反射鏡層6を途中まで2μm成長した後に、プロトン注入を実施し、その後、気相成長あるいは接着によって、厚さ1.2μmの表面側半導体多層膜反射鏡層の上部6a、半導体電流拡散層7、コンタクト層7aが形成されている。その他の点に関しては、実施例1乃至実施例2と製造方法を含めて大きな違いは無い。
本発明の実施例4による面発光レーザを説明する。この実施例の面発光レーザは第6実施形態の面発光レーザである。本実施例では、特に、半導体電流拡散層7の厚さsが電流狭窄領域9の径rとの関係で規定されている。電流狭窄領域9の径をシングルモードで素子を動作させる場合に望ましい8μmとして、半導体電流拡散層7の厚さを2μmとすると、この素子は、5×√r>sを満たすので、電極抵抗に対して縦方向の抵抗が小さくなる。
縦方向の抵抗は、2μm/(π×4μm×4μm)×抵抗率であるからほぼ45オーム
となり、
横方向の抵抗は、2μm/2/(2×π×(4μm+1μm)×2μm)×抵抗率でありからほぼ38オームとなり、実際に横方向の抵抗が小さくなる。
本発明の実施例5による面発光レーザを図1、図2を参照して説明する。
本発明の実施例6による面発光レーザを図4bを参照して説明する。
2 基板側の半導体多層膜反射鏡層
3 基板側のクラッド層
4 発光領域層
5 表面側のクラッド層
6 表面側の半導体多層膜反射鏡層
6a 表面側の半導体多層膜反射鏡層の上部
7 半導体電流拡散層
71 電流均一化領域層
72 低抵抗領域層
7a コンタクト層
8 不純物領域(高抵抗領域)
9 電流狭窄領域
9a 中央の電流狭窄領域
9b 周辺の電流狭窄領域
10 パッシベーション膜
11 電極
11a コンタクト領域
12 光り取り出しの開口部
13 基板側電極メタル
16 選択成長マスク
Claims (6)
- 基板と、
前記基板上に設けられた発光領域を有する半導体活性層と、
前記半導体活性層を挟み、前記基板に対して垂直方向の共振器を形成する、前記半導体活性層に対して前記基板と反対側に設けられた第1半導体多層膜反射鏡層および前記半導体活性層に対して前記基板側に設けられた第2半導体多層膜反射鏡層と、
前記第1半導体多層膜反射鏡層に不純物を有する不純物領域によって隔てられるように設けられた電流が狭窄される複数の電流狭窄領域と、
前記半導体活性層とは反対側の前記第1半導体多層膜反射鏡層上に、前記複数の電流狭窄領域を覆うように設けられた半導体電流拡散層と、
前記第1半導体多層膜反射鏡層とは反対側の前記半導体電流拡散層上に前記複数の電流狭窄領域を取り囲むように設けられた第1電極および前記基板の前記半導体活性層と反対側に設けられた第2電極を有し、前記半導体活性層に電流を注入する電極部と、
を備え、
前記半導体電流拡散層は、複数の半導体電流拡散膜が積層された構造を有し、前記半導体活性層により近い半導体電流拡散膜は、前記複数の電流狭窄領域を取り囲む領域の中心から遠い周辺部分において、前記半導体活性層から遠い半導体電流拡散膜と比べて抵抗が高く、かつ、前記複数の電流狭窄領域を取り囲む領域の中心から遠い周辺部分において、前記複数の電流狭窄領域を取り囲む領域の中心に近い中央部分に比べて抵抗が高くなるように構成されていることを特徴とする面型光半導体素子。 - 前記複数の電流狭窄領域は、前記複数の電流狭窄領域を取り囲む領域の中心から外側に向かうにつれて電流を注入するための素子抵抗が大きくなるように配置されていることを特徴とする請求項1記載の面型光半導体素子。
- 前記複数の電流狭窄領域は、前記複数の電流狭窄領域を取り囲む領域の中心を中心とする同心円状に配置されていることを特徴とする請求項1または2記載の面型光半導体素子。
- 前記半導体電流拡散層は、複数の半導体電流拡散膜が積層された構造を有し、前記半導体活性層により近い半導体電流拡散膜は、前記複数の電流狭窄領域を取り囲む領域の中心から遠い周辺部分の膜厚が、前記複数の電流狭窄領域を取り囲む領域の中心に近い中央部分に比べて厚くなるように構成されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の面型光半導体素子。
- 前記半導体電流拡散層は、前記複数の電流狭窄領域に接するように設けられていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の面型光半導体素子。
- 前記半導体電流拡散層と前記第1半導体多層膜反射鏡層との間に第3半導体多層膜反射鏡層が設けられていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の面型光半導体素子。
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