JP4541208B2

JP4541208B2 - 半導体発光素子

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Publication number: JP4541208B2
Application number: JP2005098997A
Authority: JP
Inventors: 貴司中山; 一明三瀬; 浩森
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2025-03-30
Also published as: JP2006278938A

Description

本発明は、半導体発光素子に関し、特にｐｎ接合の窓領域を有する半導体発光素子に関する。

従来、半導体発光素子の端面および窓領域内でのレーザ光の反射を抑制し、広帯域にわたって波長依存性の少ない出力特性を実現できる半導体発光素子の技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に開示された半導体発光素子は、図４に示すように、メサストライプ部１３の長手方向の先端界面１５ａ、１５ｂが長手方向および基板面に直交せず、これらに直交する方向に平行とならないようになっている。

メサストライプ部１３の先端界面１５ａ、１５ｂをこのようにすることによって、メサストライプ部１３の先端界面１５ａ、１５ｂから出射した光が、半導体発光素子の端面１４ａ、１４ｂで反射しても実質的にメサストライプ部１３の先端界面１５ａ、１５ｂを介してメサストライプ部１３に戻らないようになっている。これによって、半導体発光素子の端面１４ａ、１４ｂとメサストライプ部１３の先端界面１５ａ、１５ｂとで反射した光が共振することを防止することができ、広帯域にわたって波長依存性の少ない出力特性を実現できる。

ここで、半導体基板１２上のメサストライプ部１３は、窓領域に側面と同一の電流ブロック層が形成されている。これによって、窓領域に電流を流さず、側面に電流ブロック層を形成するプロセスにおいて、窓領域にも同時に電流ブロック層を形成することができる。特許文献１に開示された半導体発光素子を外部共振器型半導体レーザの発光素子として用いることによって、優れた波長可変性の半導体レーザを実現できる。

特開２００３−１７８０９号公報

しかし、このような従来の半導体発光素子では、信頼性が充分でないものがあるという問題があった。これは、メサストライプ部の側面界面近傍よりも先端界面近傍での結晶性が劣り、先端界面近傍に流れる注入電流が一因となって、信頼性を低下させているものと考えられる。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、かかる駆動電流の増加に伴う信頼性の問題を回避することが可能な半導体発光素子を提供するものである。

以上の点を考慮して、請求項１に係る発明は、活性層および複数のクラッド層を有し、導波方向に直交する面内でメサ形状をなすメサストライプ部と、前記メサストライプ部と素子の一方の端面である出射端面との間の領域である窓領域を含む前記メサストライプ部の周囲の領域に設けられ、注入電流の流れ込む領域を前記メサストライプ部に限定する電流ブロック層と、前記メサストライプ部および前記電流ブロック層上に設けられた埋め込みクラッド層と、前記埋め込みクラッド層上に設けられたコンタクト層とを備えた半導体発光素子であって、前記メサストライプ部と前記窓領域との界面に前記注入電流が流れないように、前記コンタクト層が素子の他方の端面から前記出射端面に向かって前記メサストライプ部よりも短い長さで形成されている構成を有している。

この構成により、コンタクト層がメサストライプ部と窓領域との界面に注入電流が流れないような位置に形成されているため、メサストライプ部の側面界面近傍よりも格子欠陥等が多く結晶性の悪いメサストライプ部の先端界面近傍に流れる電流を低減または除去することができ、駆動電流の増加に伴う信頼性の問題を回避することが可能な半導体発光素子を実現できる。

また、請求項２に係る発明は、請求項１において、前記メサストライプ部と前記窓領域との界面のうちの最も前記コンタクト層よりの点から、前記コンタクト層の窓領域側の境界線までの距離、前記埋め込みクラッド層の層厚の０．８倍から１．５倍である構成を有している。

この構成により、請求項１の効果に加え、コンタクト層が、メサストライプ部と窓領域の界面から、少なくとも０．８倍から１．５倍離れているため、信頼性と発光効率の両方を好適に確保することが可能な半導体発光素子を実現できる。

本発明は、コンタクト層がメサストライプ部と窓領域との界面に注入電流が流れないような位置に形成されているため、メサストライプ部の側面界面近傍よりも格子欠陥等が多く結晶性の悪いメサストライプ部の先端界面近傍に流れる電流を低減または除去することができ、駆動電流の増加に伴う信頼性の問題を回避することができるという効果を有する半導体発光素子を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の出射光側の端面近傍の構造を示す斜視図である。図１において、半導体発光素子１００は、半導体基板１０１と、活性層および複数のクラッド層を有し、導波方向に直交する面内でメサ形状をなすメサストライプ部１１０と、メサストライプ部１１０の周囲１１４〜１１６または上部に形成された複数の半導体層と、電極１０８、１０９とを備える。

メサストライプ部１１０の周囲または上部に形成された複数の半導体層は、図２に示すように、駆動電流がメサストライプ部１１０に流れ込むようにするための電流ブロック層１０５と、メサストライプ部１１０および電流ブロック層１０５上に設けられた埋め込みクラッド層１０６と、埋め込みクラッド層１０６上に設けられたコンタクト層１０７とによって構成される。図２（ａ）は半導体基板１０１に垂直な平面かつメサストライプ部１１０の長手方向にメサストライプ部１１０の中心を通る平面（以下、メサストライプ中心平面という。）についての断面図であり、図２（ｂ）はＡＢ断面図である。

また、メサストライプ部１１０は、第１の導電型のクラッド層１０２と、活性層１０３と、第２の導電型のクラッド層１０４とを有する。ここで、メサストライプ部１１０を構成する各クラッド層１０２、１０４は、１層からなるものには限られず、それぞれ複数層からなるのでもよい。以下、電流ブロック層１０５は、第２の導電型の電流ブロック層１０５ａと第１の導電型の電流ブロック層１０５ｂとが積層され、ｐｎ接合をなすものとする。また、第２の導電型のクラッド層１０４と埋め込みクラッド層１０６とは、同一の導電型とする。さらに、第１の導電型をｎ型とし、第２の導電型をｐ型とする。

このように構成することによって、埋め込みクラッド層１０６と電流ブロック層１０５ｂとがｐｎ接合をなし、コンタクト層１０７側から流れ込むホールがメサストライプ部１１０に制限され、半導体基板１０１と電流ブロック層１０５ａとがｐｎ接合をなし、半導体基板１０１側から流れ込む電子がメサストライプ部１１０に制限される。

メサストライプ部１１０は、図１に示すように、導波方向の端部が、導波方向に直交しかつ活性層１０３の面と平行な方向と所定の角度をなし、活性層１０３に直交する方向と所定の角度をなす、２つの先端界面１１１、１１２を有する。図１には、メサストライプ部１１０の出射側の端部のみが表されているが、不図示の出射側と反対の端部は、上記と同様に構成されるのでも、ＡＢ断面のへきかい面を有する構造でもよい。

また、メサストライプ部１１０の先端界面１１１、１１２と、半導体発光素子１００の端面との間には、窓領域１１４、１１５が設けられている。以下、半導体発光素子１００の端面１１１上の点Ｐ_Ｂから半導体発光素子１００の端面までの距離を窓領域幅ｄｗという。この窓領域幅ｄｗは、半導体発光素子１００の端面からの反射光による共振を抑制または防止できるように設定されている。なお、半導体発光素子１００の出射側端面には無反射膜２０１が設けられているのでもよい。

具体的には、コンタクト層１０７は、図１および図２（ａ）に示すように、窓領域１１４、１１５を含む領域であって半導体発光素子１００の端面から所定の幅（図２（ａ）では「ｄｅ＋ｄｗ」。）の矩形の領域を除く領域上に設けられるのでもよい。以下、上記の「ｄｅ」を、窓−コンタクト層間距離という。

ここで、窓−コンタクト層間距離ｄｅとは、メサストライプ部１１０と窓領域１１４、１１５との界面のうちの最もコンタクト層１０７よりの点から、コンタクト層１０７の窓領域１１４、１１５側の境界線までの距離をいい、例えば、埋め込みクラッド層１０６の層厚ｄｃに応じて決定されるのでもよい。具体的には、埋め込みクラッド層１０６の層厚ｄｃの０．５倍から３倍までのいずれかとするのでもよい。好適には０．８倍から１．５倍までのいずれかとするのがよい。

このようにコンタクト層１０７を形成することによって、メサストライプ部１１０の側面１１３近傍よりも格子欠陥等が多く結晶性の悪いメサストライプ部１１０の先端界面１１１、１１２近傍に流れる電流を低減または除去することができ、素子の信頼性を向上することができる。通常、メサストライプ部１１０の側面１１３と電流ブロック層１０５との界面の面積は、メサストライプ部１１０の先端界面１１１、１１２と電流ブロック層１０５との界面の面積に比して大きいため、メサストライプ部１１０の側面１１３と電流ブロック層１０５との界面での成長条件が優先される。

以下、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子１００の製造方法について説明する。図３は、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子１００の製造方法について説明するための図である。まず、面方位が（１００）でｎ−ＩｎＰ基板を半導体基板１０１として用い、ＭＯＶＰＥ法を用いて、ＩｎＰ基板上にクラッド層１０２として層厚が０．５μｍでｎ型不純物の濃度が１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ−ＩｎＰ層を堆積する。

続けて、クラッド層１０２上に、活性層１０３として厚さが０．２μｍでノンドープのＩｎＧａＡｓＰからなる多重量子井戸を堆積する。さらに、活性層１０３上に、クラッド層１０４として層厚が０．４５μｍでｐ型不純物の濃度が５〜７×１０¹⁷ｃｍ^-3のｐ−ＩｎＰ層を堆積する。最後に、クラッド層１０４上に、層厚が０．１５μｍでｐ型不純物の濃度が５〜７×１０¹⁷ｃｍ^-3のｐ型のＩｎＧａＡｓＰからなるｐ型のキャップ層１３１を堆積する。

次に、キャップ層１３１上に、プラズマＣＶＤ法等を用いて層厚が８０ｎｍのＳｉＮｘ膜を堆積し、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いてＳｉＮｘマスク１３２を形成する（図３（ａ）参照。）。ここで、ＳｉＮｘマスク１３２は、光の導波方向である＜０１１＞方向に長手方向が向いた矩形形状をなす。

次に、塩酸、過酸化水素水および水の混合液をエッチング液として用い、ＳｉＮｘマスク１３２をマスクとして、上記の半導体層１０２〜１０４、１３１および半導体基板１０１をエッチングして、高さ２〜３μｍのメサストライプ部１１０を形成する（図３（ａ）参照。）。ここで、キャップ層１３１のエッチング速度が他の半導体層１０２〜１０４および半導体基板１０１に比して速いので、ＳｉＮｘマスク１３２周縁の下部にエッチングが進み、図３（ａ）に示すようにサイドエッチングされるようになる。

また、ＳｉＮｘマスク１３２の中心軸に対してほぼ対称にエッチングが進むため、メサストライプ中心平面に対称な先端界面が形成される。その結果、導波方向に直交しかつ活性層１０３の面と平行な方向と所定の角度をなし、活性層１０３に直交する方向と所定の角度をなす先端界面１１１、１１２が得られる。そして、キャップ層１３１の厚さ等を調整することにより、メサストライプ部１１０の先端界面１１１、１１２および側面１１３の傾斜角度を所望の角度に設定できる。このエッチングによって、半導体発光素子１００の端面とメサストライプ部１１０の先端界面１１１、１１２との間に、窓領域幅ｄｗの窓領域１１４、１１５が形成される（図２（ａ）参照。）。

半導体層１０２〜１０４、１３１および半導体基板１０１をエッチングしてメサストライプ部１１０を形成した後、ＭＯＶＰＥ法を用い、ＳｉＮｘマスク１３２をマスクとして、メサストライプ部１１０の周囲１１４〜１１６に電流ブロック層１０５を選択成長させる（図３（ｂ）参照。）。ここで、ｐ型の電流ブロック層１０５ａは層厚が０．７μｍで不純物濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3であり、ｎ型の電流ブロック層１０５ｂは層厚が１．１５μｍで不純物濃度が２×１０¹⁸ｃｍ^-3である。ｐ型の不純物としてはＺｎを用い、ｎ型の不純物としてはＳｉを用いる。

次に、ＳｉＮｘマスク１３２、および、メサストライプ部１１０上のキャップ層１３１を除去して、ｐ型のクラッド層１０４の上面を露出させ、ＭＯＶＰＥ法で、埋め込みクラッド層１０６として、層厚が数μｍでｐ型不純物の濃度が１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3のｐ−ＩｎＰ層を堆積する。続けて、埋め込みクラッド層１０６上に、層厚が例えば０．５μｍでｐ型不純物の濃度が５．０×１０¹⁸ｃｍ^-3のＩｎＧａＡｓ層を堆積し（図３（ｃ）参照。）、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて半導体発光素子１００の端面から幅「ｄｗ＋ｄｅ」の矩形の領域のＩｎＧａＡｓ層をエッチングしてコンタクト層１０７を形成する（図３（ｄ）および図１参照。）。ここで、窓−コンタクト層間距離ｄｅは、埋め込みクラッド層１０６の層厚ｄｃの０．８倍から１．５倍とするのが好適である。

次に、コンタクト層１０７上にｐ電極１０８を形成し、半導体基板１０１にｎ電極１０９を形成する（図３（ｄ）参照。）。次に、半導体基板１０１をへきかいして半導体発光素子１００の端面を形成し、スパッタ法で半導体発光素子１００の端面上にＳｉＯｘからなる無反射膜２０１を形成する。これによって、半導体発光素子１００が得られる。

以下、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子１００の作用について説明する。コンタクト層１０７から注入されるホールは、素子に印加される電圧に応じて埋め込みクラッド層１０６をメサストライプ部１１０方向に移動する。ここで、窓領域１１４、１１５から窓−コンタクト層間距離ｄｅ離れてコンタクト層１０７が形成されているため、ホールは、窓領域と半導体発光素子１００との界面には実質的に流れ込まず、コンタクト層１０７直下の領域に流れ込む。その結果、窓領域と半導体発光素子１００との界面近傍の結晶性の影響を受けず、活性層１０３に流れ込み半導体基板１０１側から注入された電子と好適に結合して発光する。メサストライプ部１１０で発光した光は、先端界面１１１、１１２を出射し、半導体発光素子１００の端面で反射されて共振することなく半導体発光素子１００の端面を出射する。

以上説明したように、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子は、コンタクト層がメサストライプ部と窓領域との界面に注入電流が流れないような位置に形成されているため、メサストライプ部の側面近傍よりも格子欠陥等が多く結晶性の悪いメサストライプ部の先端界面近傍に流れる注入電流を低減または除去することができ、駆動電流の増加に伴う信頼性の問題を回避することができる。

また、コンタクト層が、メサストライプ部と窓領域の界面から、少なくとも０．５倍から３倍離れているため、信頼性と発光効率の両方を好適に確保することができる。

さらに、コンタクト層が、メサストライプ部と窓領域の界面から、少なくとも０．８倍から１．５倍離れているため、信頼性と発光効率の両方を一層好適に確保することができる。

本発明に係る半導体発光素子は、駆動電流の増加に伴う信頼性の問題を回避することができるという効果が有用な半導体発光素子等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の出射光側の端面近傍の構造を示す斜視図本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の断面構造を示す図本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法について説明するための図従来の半導体発光素子の構造を示す斜視図

符号の説明

１１、１００半導体発光素子
１２、１０１半導体基板
１３メサストライプ部
１４ａ、１４ｂ素子の端面
１５ａ、１５ｂ、１１１、１１２メサストライプ部の先端界面
２８出射光
３２ａ、３２ｂ、１１４、１１５窓領域
３３ａ、３３ｂ、２０１無反射膜
１０２、１０４クラッド層
１０３活性層
１０５、１０５ａ、１０５ｂ電流ブロック層
１０６埋め込みクラッド層
１０７コンタクト層
１０８、１０９電極
１１０メサストライプ部
１１３メサストライプ部の側面
１３１キャップ層
１３２ＳｉＮｘマスク

Claims

活性層および複数のクラッド層を有し、導波方向に直交する面内でメサ形状をなすメサストライプ部（１１０）と、前記メサストライプ部と素子の一方の端面である出射端面との間の領域である窓領域（１１４、１１５）を含む前記メサストライプ部の周囲の領域に設けられ、注入電流の流れ込む領域を前記メサストライプ部に限定する電流ブロック層（１０５、１０５ａ、１０５ｂ）と、前記メサストライプ部および前記電流ブロック層上に設けられた埋め込みクラッド層（１０６）と、前記埋め込みクラッド層上に設けられたコンタクト層（１０７）とを備えた半導体発光素子であって、
前記メサストライプ部と前記窓領域との界面に前記注入電流が流れないように、前記コンタクト層が素子の他方の端面から前記出射端面に向かって前記メサストライプ部よりも短い長さで形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
前記メサストライプ部と前記窓領域との界面のうちの最も前記コンタクト層よりの点から、前記コンタクト層の窓領域側の境界線までの距離が、前記埋め込みクラッド層の層厚の０．８倍から１．５倍であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。