JP5271027B2

JP5271027B2 - 半導体発光素子

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Publication number: JP5271027B2
Application number: JP2008264114A
Authority: JP
Inventors: 弘明吉田谷
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2008-10-10
Filing date: 2008-10-10
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2028-10-10
Also published as: JP2010093192A

Description

本発明は、歪多重量子井戸構造を有する半導体発光素子に係り、特に、優れた偏光特性および光学利得特性を有する半導体発光素子に関する。

従来から、光通信に利用される半導体発光素子において、井戸層と障壁層からなる量子井戸構造を有する活性層の井戸層に歪を加えることにより発光特性の改善を図った歪多重量子井戸（ＭＱＷ）構造が採用されている（例えば、非特許文献１参照）。

井戸層に歪を加えることにより、重いホールバンドと軽いホールバンドの縮退が解けるという現象が生じるが、例えば圧縮歪が加えられた井戸層においては、重いホールバンド端と伝導帯バンド端とのバンドギャップエネルギーが、軽いホールバンド端と伝導帯バンド端とのバンドギャップエネルギーよりも小さくなる。この領域に電流を注入すると、重いホールバンドと伝導帯バンドの間で優先的にキャリアの再結合が起き、活性層と垂直方向に電界成分を持つＴＭモードに比較して、活性層と水平方向に電界成分を持つＴＥモードの利得を大きくとることができる。

ところで、光通信において用いられる光ファイバ内では、半導体発光素子から入射された光の偏光方向が外部環境の影響により任意に回転してしまい、異なる偏光方向を有する光の間で干渉雑音が発生することがある。ここで、上記の歪ＭＱＷ構造を有する半導体発光素子を用いると、半導体発光素子の出力光のモードをＴＥモードあるいはＴＭモードのどちらかに揃えることが容易になるため、この干渉雑音を低減することができる。

しかしながら、非特許文献１に開示された従来の半導体発光素子においては、高い光出力を得るために井戸層の層数を増加させると圧縮歪が蓄積されていくため、活性層の結晶性が悪化し、非発光再結合が増加して光学特性が劣化するという問題があった。

そこで、ＧａＩｎＡｓＰ系の半導体発光素子において、障壁層に井戸層とは逆方向の歪を導入する歪補償構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−７２４０２号公報（［００３９］） T. Namegaya, N. Matsumoto, N. Yamanaka, N. Iwai, H. Nakayama, A. Kasukawa, "Effects of well number in 1.3-μm GaInAsP/InP GRIN-SCH strained-layer quantum-well lasers", Quantum Electronics, IEEE Journal of Volume 30, Issue 2, Feb 1994 p. 578 - 584

しかしながら、特許文献１に開示された歪補償構造を有するＧａＩｎＡｓＰ系の半導体発光素子においては、障壁層のバンドギャップ波長が１．２μｍよりも短波化すると、結晶成長界面における結晶材料の拡散が歪エネルギーに影響され、界面の平坦性が失われる傾向が強くなる。また、積層を繰り返すことによりこの非平坦性が増幅されると、活性層の結晶性が悪化し、非発光再結合が増加して光学特性が劣化するという課題があった（例えば、N. Sridhar, J. M. Rickman, D. J. Srolovitz, "Multilayer film stability", J. Appl. Phys. 82 (10), 15 November 1997 p. 4852-4859参照）。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、障壁層のバンドギャップ波長が１．２μｍ未満であっても、優れた偏光特性および光学利得特性を得ることができる半導体発光素子を提供することを目的とする。

本発明の半導体発光素子は、基板上に、複数の井戸層と複数の障壁層とが交互に１層ずつ積層された多重量子井戸構造からなる活性層を備える半導体発光素子において、前記基板がＩｎＰからなり、前記活性層がＧａＩｎＡｓＰからなり、前記複数の井戸層が圧縮歪を有し、前記複数の障壁層が、伸張歪障壁層と、少なくとも２層の無歪障壁層と、を含み、前記伸張歪障壁層のバンドギャップ波長が０．９５〜１．２μｍであり、前記無歪障壁層のバンドギャップ波長が０．９５〜１．２μｍであり、２層の前記無歪障壁層の間に前記井戸層と前記伸張歪障壁層とが連続して積層された対が少なくとも１つ配置される構成を有している。

この構成により、ＭＱＷ構造からなる活性層における伸張歪障壁層の層数を低減することにより、層界面の非平坦性の増幅を低減できるため、障壁層のバンドギャップ波長が１．２μｍ未満であっても、優れた偏光特性および光学利得特性を得ることができる。

また、本発明の半導体発光素子は、前記井戸層の層数が５〜７層である構成を有している。この構成により、優れたフォトルミネッセンス特性を得ることができる。

また、本発明の半導体発光素子は、前記井戸層の層数が６層であり、前記無歪障壁層の層数が４層であり、前記伸張歪障壁層の層数が３層である構成を有している。また、本発明の半導体発光素子は、前記井戸層の層数が６層であり、前記無歪障壁層の層数が３層であり、前記伸張歪障壁層の層数が４層である構成を有している。
これらの構成により、優れたフォトルミネッセンス特性および高い光出力を得ることができる。

本発明は、障壁層のバンドギャップ波長が１．２μｍ未満であっても、優れた偏光特性および光学利得特性を得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するものである。

以下、本発明に係る半導体発光素子の実施形態について、図面を用いて説明する。

（第１の実施形態）
本発明に係る半導体発光素子の第１の実施形態を図１に示す。図１（ａ）は半導体発光素子１の構成を示す斜視図であり、図１（ｂ）は要部の構造を示す拡大断面図である。

即ち、図１（ａ）に示すように、半導体発光素子１は、ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板１１と、半導体基板１１の上に形成されるｎ型ＩｎＰからなるｎ型クラッド層１２と、ｎ型クラッド層１２の上に形成されるＧａＩｎＡｓＰからなる光分離閉じ込め（ＳＣＨ）層１３と、ＳＣＨ層１３の上に形成されるＧａＩｎＡｓＰからなる活性層１４と、活性層１４の上に形成されるＧａＩｎＡｓＰからなるＳＣＨ層１５とを含む。

なお、ｎ型クラッド層１２、ＳＣＨ層１３、活性層１４、ＳＣＨ層１５はメサ型に形成されており、このメサ型の両側にｐ型ＩｎＰからなる下部埋込層１６およびｎ型ＩｎＰからなる上部埋込層１７が形成されている。

また、ＳＣＨ層１５の上側および上部埋込層１７の上面には、ｐ型ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８が形成され、このｐ型クラッド層１８の上面には、ｐ型コンタクト層１９が形成され、さらにこのｐ型コンタクト層１９の上面には、ｐ型金属電極２０が設けられている。また、半導体基板１１の下面にはｎ型金属電極２１が設けられている。

活性層１４は、図１（ｂ）の拡大断面図に示すように、６層の井戸層１４１と７層の障壁層１４２が１層ずつ交互に積層されたＭＱＷ構造を有する。６層の井戸層１４１は圧縮歪を有する。７層の障壁層１４２は、井戸層１４１よりも大きなバンドギャップエネルギーを有するとともに伸張歪を有する３層の伸張歪障壁層１４３、および、井戸層１４１よりも大きなバンドギャップエネルギーを有するとともに無歪である４層の無歪障壁層１４４からなる。

ここで、活性層１４は、２層の無歪障壁層１４４の間に井戸層１４１と伸張歪障壁層１４３とが連続して積層された対が少なくとも１つ配置される構成を有している。

なお、図１（ｂ）において、プラスマイナスの符号はｎ型ＩｎＰからなる半導体基板１１に対する歪の向き（圧縮歪：＋、伸張歪：−）を示す。符号を示していない層は無歪である。

図１（ｂ）に示すように、基板側から、無歪障壁層１４４、井戸層１４１、伸張歪障壁層１４３、井戸層１４１、無歪障壁層１４４の順に層が積層されている。

ここで、井戸層１４１はノンドープのＧａ_0.126Ｉｎ_0.874Ａｓ_0.6Ｐ_0.4からなり、バンドギャップ波長は１．４４μｍ、層厚は５ｎｍであり、＋１．０６％の圧縮歪を有している。伸張歪障壁層１４３はノンドープのＧａ_0.302Ｉｎ_0.698Ａｓ_0.438Ｐ_0.562からなり、バンドギャップ波長は０．９５から１．２μｍの範囲の値（例えば１．１１μｍ）、層厚は９ｎｍであり、−０．７％の伸張歪を有している。無歪障壁層１４４はノンドープのＧａ_0.138Ｉｎ_0.862Ａｓ_0.301Ｐ_0.699からなり、バンドギャップ波長は０．９５から１．２μｍの範囲の値（例えば１．０９μｍ）、層厚は９ｎｍであり、ＩｎＰに格子整合している。

また、ＧａＩｎＡｓＰからなるＳＣＨ層１３は１００ｎｍ程度で、そのバンドギャップはクラッド層と障壁層の間の範囲であり、また、バンドギャップ波長はＳＣＨ層１３ｃ、１３ｂ、１３ａの順に長くなるように配置する。

図２は、半導体発光素子１のバンド構造を模式的に示す図である。
圧縮歪を有する井戸層１４１においては、重いホールバンド端１４１ａが軽いホールバンド端１４１ｂよりもホールにとって低いエネルギー位置に存在している。一方、伸張歪障壁層１４３においては、軽いホールバンド端１４３ｂが重いホールバンド端１４３ａよりもホールにとって低いエネルギー位置に存在している。なお、無歪障壁層１４４においては、重いホールバンドと軽いホールバンドは縮退している。

したがって、重いホールは井戸層１４１に多く分布し、軽いホールは伸張歪障壁層１４３に多く分布する。この結果、井戸層１４１における再結合は、重いホールと電子によるものが大部分を占めることになるため、ＴＭモードの利得を抑制し、ＴＥモードの利得を大きくとることができる。

なお、伸張歪障壁層の層数が低減された本発明の半導体発光素子１において、電子顕微鏡による観察から井戸層と障壁層との界面の平坦性が十分に保たれていること、および、優れたフォトルミネッセンス特性が得られることが本出願人が行った実験において確認されている。

さらに、本出願人が行った実験によると、井戸層数を６層よりも増加させると、徐々に界面の平坦性が失われ、フォトルミネッセンス特性が劣化する傾向が見られる。一方、井戸層数が６層未満の場合は、平坦性およびフォトルミネッセンス特性は良好であるが、井戸層数が６層の場合に比べて光出力が低下する。したがって、良好なフォトルミネッセンス特性および高い光出力を得るためには井戸層数を５〜７層とすることが好ましい。

以下、本発明に係る半導体発光素子の製造方法の一例を説明する。
まず、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用いてｎ型ＩｎＰからなる半導体基板１１上に、ｎ型ＩｎＰからなるｎ型クラッド層１２、これに引き続きＳＣＨ層１３を成長する。なお、このＳＣＨ層は１００ｎｍ程度の層厚とし、そのバンドギャップはｎ型クラッド層１２と無歪障壁層１４４の間の範囲であり、かつバンドギャップ波長はＳＣＨ層１３ｃ、１３ｂ、１３ａの順に長くなるように配置する。

次に、ＳＣＨ層１３の上に、Ｇａ_0.126Ｉｎ_0.874Ａｓ_0.6Ｐ_0.4（歪量：＋１．０６％／層厚：５ｎｍ／層数：６／ノンドープ）の井戸層１４１、Ｇａ_0.302Ｉｎ_0.698Ａｓ_0.438Ｐ_0.562（歪量：−０．７％／層厚：９ｎｍ／層数：３／ノンドープ）の伸張歪障壁層１４３、およびＧａ_0.138Ｉｎ_0.862Ａｓ_0.301Ｐ_0.699（ＩｎＰに格子整合／層厚：９ｎｍ／層数：４／ノンドープ）の無歪障壁層１４４からなるＭＱＷ構造を有する活性層１４を形成する。

ここで、活性層１４内の各層の形成順は、図１（ｂ）に示したように、無歪障壁層１４４−井戸層１４１−伸張歪障壁層１４３−井戸層１４１−無歪障壁層１４４の順である。

このようにして形成された活性層１４の上に、バンドギャップがｐ型クラッド層１８と無歪障壁層１４４の間の範囲であり、層厚として１００ｎｍ程度のＳＣＨ層１５を形成する。この形成工程において、バンドギャップ波長はＳＣＨ層１５ａ、１５ｂ、１５ｃの順に短くなるように配置する。

次に、ＳＣＨ層１５の上に、ｐ型ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８の下層部をサブμｍ程度の厚さになるよう形成する。

次に、プラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＮ_x膜（またはＳｉＯ₂膜）をｐ型クラッド層１８の下層部の上面に積層した後、レジストを塗布し、フォトリソグラフィによってストライプ状のマスクパターンを露光して、現像する。そして、フッ酸によるエッチングでマスクパターンをＳｉＮ_xの形状に転写してエッチングマスクを形成する。

そして、上記により設定されたエッチングマスクと、塩酸、硫酸と過酸化水素水と水の混合液からなるエッチング液を用いて、ｐ型クラッド層１８の下層部、ＳＣＨ層１５、活性層１４、ＳＣＨ層１３、ｎ型クラッド層１２をウェットエッチングして、メサストライプを形成する。

次に、エッチングで除去された部分にＭＯＶＰＥ法を用い、エッチングマスクを成長阻害マスクとして利用して、ｐ型ＩｎＰからなる下部埋込層１６およびｎ型ＩｎＰからなる上部埋込層１７を順次積層して埋め込む。

次に、光導波路形成用のエッチングマスクをフッ酸で除去して、メサストライプの上面を表出し、ｐ型クラッド層１８の下層部と組成の等しいｐ型ＩｎＰからなる埋め込み層を数μｍ積層してｐ型クラッド層１８を完成し、その上部にｐ型ＧａＩｎＡｓＰからなるｐ型コンタクト層１９を１μｍ未満の厚さになるようＭＯＶＰＥ法によって積層する。

そして、ｐ型コンタクト層１９上にｐ型金属電極２０を、半導体基板１１の底面にｎ型金属電極２１を蒸着法で形成して、アロイ、メッキ工程を行い、半導体ウエハを完成する。半導体ウエハに対して劈開、ダイシング等を行うことにより個々の半導体発光素子に分離する。

以上説明したように、本実施形態の半導体発光素子は、ＭＱＷ構造からなる活性層における伸張歪障壁層の層数を低減することにより、層界面の非平坦性の増幅を低減できるため、障壁層のバンドギャップ波長が１．２μｍ未満であっても優れたフォトルミネッセンス特性を得ることができる。

また、本実施形態の半導体発光素子は、ＭＱＷ構造からなる活性層における軽いホールと電子との再結合を抑制することができるため、障壁層のバンドギャップ波長が１．２μｍ未満であっても、優れた偏光特性および光学利得特性を得ることができる。

（第２の実施形態）
本発明に係る半導体発光素子の第２の実施形態を図３を用いて説明する。図３（ａ）は、半導体発光素子２の要部の構造を示す拡大断面図であり、図３（ｂ）は、半導体発光素子２のバンド構造を模式的に示す図である。第１の実施形態と同様の構成および製造方法については説明を省略する。

活性層１４は、図３（ａ）の拡大断面図に示すように、６層の井戸層１４１と７層の障壁層１４２からなるＭＱＷ構造を有する。７層の障壁層１４２は、４層の伸張歪障壁層１４３および３層の無歪障壁層１４４からなる。

図３（ａ）に示すように、基板側から、無歪障壁層１４４、井戸層１４１、伸張歪障壁層１４３、井戸層１４１、伸張歪障壁層１４３、無歪障壁層１４４の順に層が積層されている。

図３（ｂ）は、半導体発光素子２のバンド構造を模式的に示す図である。第１の実施形態と同様に、重いホールは井戸層１４１に多く分布し、軽いホールは伸張歪障壁層１４３に多く分布する。この結果、井戸層１４１における再結合は、重いホールと電子によるものが大部分を占めることになるため、ＴＭモードの利得を抑制し、ＴＥモードの利得を大きくとることができる。

なお、６層の井戸層１４１、４層の伸張歪障壁層１４３、および３層の無歪障壁層１４４からなる半導体発光素子２のバンド構造としては、図４（ａ）〜（ｃ）に示すようなものであっても同様の効果を得ることができる（ただし、クラッド層および一部のＳＣＨ層のバンド構造の図示を省略した）。

本発明の第１の実施形態の半導体発光素子を示す斜視図および拡大断面図本発明の第１の実施形態の半導体発光素子のバンド構造を示す模式図本発明の第２の実施形態の半導体発光素子を示す拡大断面図およびバンド構造を示す模式図本発明の第２の実施形態の半導体発光素子のバンド構造の他の例を示す模式図

符号の説明

１、２半導体発光素子
１４活性層
１４１井戸層
１４１ａ、１４３ａ重いホールバンド端
１４１ｂ、１４３ｂ軽いホールバンド端
１４２障壁層
１４３伸張歪障壁層
１４４無歪障壁層

Claims

基板上に、複数の井戸層と複数の障壁層とが交互に１層ずつ積層された多重量子井戸構造からなる活性層を備える半導体発光素子において、
前記基板がＩｎＰからなり、
前記活性層がＧａＩｎＡｓＰからなり、
前記複数の井戸層が圧縮歪を有し、
前記複数の障壁層が、伸張歪障壁層と、少なくとも２層の無歪障壁層と、を含み、
前記伸張歪障壁層のバンドギャップ波長が０．９５〜１．２μｍであり、
前記無歪障壁層のバンドギャップ波長が０．９５〜１．２μｍであり、
２層の前記無歪障壁層の間に前記井戸層と前記伸張歪障壁層とが連続して積層された対が少なくとも１つ配置されることを特徴とする半導体発光素子。
前記井戸層の層数が５〜７層である請求項１に記載の半導体発光素子。
前記井戸層の層数が６層であり、前記無歪障壁層の層数が４層であり、前記伸張歪障壁層の層数が３層である請求項２に記載の半導体発光素子。
前記井戸層の層数が６層であり、前記無歪障壁層の層数が３層であり、前記伸張歪障壁層の層数が４層である請求項２に記載の半導体発光素子。