JP5355599B2 - 半導体発光装置およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、半導体発光装置およびその製造方法に関する。
赤外領域の光を放射する半導体発光装置は、環境測定など広い分野に応用されている。中でも、量子カスケードレーザなどのコヒーレント光を放射する半導体発光装置は、小型で利便性が高く、高精度の測定を可能とする。
例えば、波長４〜１０μｍの赤外光を放射する量子カスケードレーザは、ＧａＩｎＡｓとＡｌＩｎＡｓとを交互に積層した量子井戸を含む活性層を有し、その活性層をＩｎＰクラッド層が取り囲む構造を有している。
一方、波長１０μｍを超える波長領域では、ＩｎＰの格子振動（フォノン）による光吸収があり、活性層から放出される光がＩｎＰクラッド層で吸収される。このため、発光効率が低下し、高出力の量子カスケードレーザを得ることが難しい。そこで、波長１０μｍを超える遠赤外領域の光を放射する高出力の半導体発光装置が必要とされている。
特開２００５−３９０４５号公報
本発明の実施形態は、波長１０μｍを超える遠赤外領域の光を放射する高出力の半導体発光装置およびその製造方法を提供する。
実施形態に係る半導体発光装置は、複数の量子井戸のサブバンド間における電子のエネルギー緩和により発光光を放射する半導体発光装置であって、前記発光光の放射方向に対して平行な方向に延在するストライプ状に設けられ、前記複数の量子井戸を含み１０μｍ以上の波長の前記発光光を放射する活性層と、前記ストライプ状の活性層の長辺に沿って少なくとも前記活性層の上下に設けられ、前記活性層の屈折率よりも低い１対のクラッド層と、を備え、前記活性層は、ＩｎＰ層の上に設けられ、前記クラッド層の一部は、ＧａＡｓを含み、前記活性層に格子整合する材料を含む他の部分よりも前記発光光の波長における光吸収が相対的に低いことを特徴とする。
第１の実施形態に係る半導体発光装置を示す模式図である。 ＩｎＰの吸収スペクトルを示すグラフである。 第１の実施形態に係る半導体発光装置の製造過程を示す模式断面図である。 図３に続く製造過程を示す模式図である。 図４に続く製造過程を示す模式図である。 第２の実施形態に係る半導体発光装置の端面を示す模式図である。 ＧａＩｎＡｓの格子定数と組成との関係を示すグラフである。 第２の実施形態に係る半導体発光装置の製造過程を示す模式断面図である。 図８に続く製造過程を示す模式図である。 図９に続く製造過程を示す模式図である。 第３の実施形態に係る半導体発光装置を示す模式断面図である。 第３の実施形態に係る半導体発光装置の製造過程を示す模式断面図である。 図１２に続く製造過程を示す模式図である。 図１３に続く製造過程を示す模式図である。 図１４に続く製造過程を示す模式図である。 第４の実施形態に係る半導体発光装置を示す模式断面図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態では、図面中の同一部分には同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について適宜説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る半導体発光装置１００を示す模式図である。半導体発光装置１００は、例えば、複数の量子井戸のサブバンド間における電子のエネルギー緩和により、波長１０μｍ以上のレーザ光を放射する量子カスケードレーザである。
図１（ａ）は、半導体発光装置１００を模式的に示す斜視図である。半導体発光装置１００は、半導体基板２と、半導体基板２の上に設けられたリッジ部（レーザストライプ）１０とを備える。
図１（ｂ）は、リッジ部１０の一方の端面１０ａを示す模式図である。リッジ部１０は、１０μｍ以上の波長の発光光を放射する活性層５と、その周りに設けられたクラッド層４、６および８と、を含む。
活性層５は、複数の量子井戸を含むストライプ状に設けられ、端面１０ａから放射される発光光（レーザ光）に平行な方向に延在する。そして、クラッド層４、６および８は、活性層５の長辺に沿って設けられる。
活性層５には、例えば、ＩｎＰと格子整合するＧａＩｎＡｓ井戸層とＡｌＩｎＡｓ障壁層とを積層した多重量子井戸を用いる。そして、半導体基板２をＩｎＰ基板とし、クラッド層４を介して、活性層５およびクラッド層６を設ける。クラッド層４および６は、共にＩｎＰ層である。一方、活性層５の側面には、ＧａＡｓ層であるクラッド層８が設けられる。
ここで、格子整合するとは、２つの結晶の格子定数が一致する場合だけでなく、両者の格子定数の差が、例えば、０．５％以内であることを含む。
半導体基板２の表面、および、リッジ部１０の側面、さらに上面には、絶縁膜７が設けられ、その上に表面電極３が形成される。リッジ部１０の上面に設けられた絶縁膜７には、活性層５の上方にコンタクトホール７ａが設けられ、表面電極３がクラッド層６にコンタクトする。そして、表面電極３と裏面電極９との間に駆動電圧を印加し、クラッド層６から活性層５およびクラッド層４を介して半導体基板側へ駆動電流を流すことにより、活性層５からレーザ光を放射させることができる。
一方、クラッド層８の側面および上面は絶縁膜７で覆われており、クラッド層８を介して半導体基板側へ流れる電流を低減する。これにより、活性層５に流れる電流を増やし発光効率を向上させることができる。さらに、半絶縁性のＧａＡｓを用いてクラッド層８を形成することにより、クラッド層８を介して流れる電流を低減することができる。
図２は、ＩｎＰの吸収スペクトルを示すグラフである。横軸に光の波数を採り、縦軸に光の吸収率を示している。ＩｎＰの場合、同図に示すように、波長１６μｍ（波数：６２８ｃｍ−１）の近傍にフォノンの吸収ピークがある。そして、活性層５から放射される光の波長が１６μｍの場合、ＩｎＰ層であるクラッド層４および６は、活性層５から放射される光を吸収する。
一方、ＧａＡｓにおける光学フォノンの吸収ピークは、光波長１７μｍ近傍にある。このため、ＧａＡｓ層であるクラッド層８における波長１６μｍの光に対する吸収率は、クラッド層４および６よりも低い。
すなわち、波長１６μｍのレーザ光を放射する半導体発光装置において、活性層５の周りのクラッド層のすべてをＩｎＰ層とする場合に比べ、活性層５を囲むクラッド層の少なくとも一部に相対的に光吸収が低い材料であるＧａＡｓを用いることにより、発光効率を向上させることが可能である。本実施形態に係る半導体発光装置１００では、クラッド層８をＧａＡｓ層とすることにより、発光効率の向上を図り光出力を高くすることができる。
次に、図３〜図５を参照して、半導体発光装置１００の製造過程を説明する。図３〜図５は、半導体基板２の断面の一部を模式的に示している。
図３（ａ）は、半導体基板２の上にクラッド層４および活性層５、クラッド層６を順に積層した状態を示している。半導体基板２は、例えば、ＩｎＰ基板である。そして、ＩｎＰ基板上に設けられるクラッド層４および活性層５、クラッド層６の具体例を表１に示す。クラッド層４および６と、活性層５と、の間には、ガイド層（図示しない）を設けることができる。
Figure 0005355599
活性層５の材料であるＧａｘＩｎ１−ｘＡｓおよびＡｌｙＩｎ１−ｙＡｓには、それぞれＩｎＰに整合する格子定数を持つ組成ｘおよびｙが用いられる。これにより、ＩｎＰ基板上に積層される各層の結晶欠陥を低減し、発光効率を向上させることができる。
表１に示すように、クラッド層４および６には、活性層５よりも屈折率が低い材料を用いる。これにより、ストライプ状に設けられる活性層５に発光光を閉じこめ、ストライプ方向に導波することができる。活性層５が、ＧａＩｎＡｓとＡｌＩｎＡｓとを組み合わせた量子井戸を含む場合、クラッド層として、例えば、ＩｎＰおよびＧａＡｓを用いることができる。半導体装置１００では、クラッド層４および６にＩｎＰを用いる。さらに、活性層５の光閉じこめを強化するために、ＧａＩｎＡｓを材料とするガイド層を設けることができる。
各半導体層の厚さの例を表１に示す。なお、活性層５の全体の厚さは、例えば、１〜５μｍであり、活性層５に含まれる量子井戸の幅（厚さ）は、所望の発光波長に適合するサブバンドが形成されるように調整する。
次に、図３（ｂ）に示すように、クラッド層６の表面にエッチングマスク１２を形成し、例えば、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法を用いて、クラッド層６および活性層５、クラッド層４をメサ構造にエッチングする。これにより、ストライプ状の活性層５を形成することができる。
続いて、図４（ａ）に示すように、エッチングマスク１２を除去し、半導体基板２の表面に、メサ構造のクラッド層４および活性層５、クラッド層６を埋め込んだＧａＡｓ層１３を形成する。
次に、図４（ｂ）に示すように、例えば、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polish）法によりＧａＡｓ層１３の表面を平坦化し、その後、ＧａＡｓ層１３の表面エッチングしてクラッド層６の表面を露出させる。さらに、クラッド層４および活性層５、クラッド層６を含むメサ構造の両側に、クラッド層８となる部分を残してＧａＡｓ層１３をエッチングする。
続いて、図５（ａ）に示すように、半導体基板２およびクラッド層６、８の表面を覆う絶縁膜７を形成する。絶縁膜７には、例えば、スパッタ法を用いて形成するシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）を用いることができる。そして、クラッド層６の表面にコンタクトホール７ａを形成する。
次に、絶縁膜７の上に表面電極３を形成し、コンタクトホール７ａを介してクラッド層６に電気的に接続させる。続いて、半導体基板２の裏面に裏面電極９を形成し、半導体発光装置１００を完成させる。
上記の製造過程において、クラッド層４、６、活性層５およびＧａＡｓ層１３は、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いて形成することができる。
（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態に係る半導体発光装置２００の端面を示す模式図である。前述した半導体発光装置１００と同じように、半導体発光装置２００は、例えば、波長１０μｍ以上のレーザ光を放射する量子カスケードレーザである。
図６に示すように、半導体発光装置２００は、活性層５の上に設けられたクラッド層８がＧａＡｓ層である点で、半導体発光装置１００と相違する。さらに、活性層５と、クラッド層８との間に、緩衝層１４が設けられている点でも相違する。
例えば、ＩｎＰの格子定数と、ＧａＡｓの格子定数と、の間には、約３．７％の格子不整合がある。したがって、ＩｎＰに格子整合したＧａＩｎＡｓおよびＡｌＩｎＡｓを含む活性層５の表面にＧａＡｓ層を直接形成すると、ＧａＡｓと活性層５との間の格子不整合に起因する結晶欠陥が発生する。そこで、ＩｎＰの格子定数とＧａＡｓの格子定数との間の中間の格子定数を有する緩衝層１４を挿入することにより、ＧａＡｓ層に生じる結晶欠陥を低減することができる。
図７は、ＧａｘＩｎ１−ｘＡｓの格子定数を、その組成ｘに対して示したグラフである。例えば、ＩｎＰの格子定数は、約５．８７Åであり、組成ｘを０．４７とした場合に、ＧａｘＩｎ１−ｘＡｓがＩｎＰに格子整合することがわかる。一方、ＧａＡｓは、組成ｘを１としたＧａｘＩｎ１−ｘＡｓである。したがって、組成ｘが０．４７と１との間のＧａｘＩｎ１−ｘＡｓは、ＩｎＰの格子定数とＧａＡｓの格子定数との間の中間の格子定数を有する。
すなわち、緩衝層１４として、組成ｘが、０．４７＜ｘ＜１の範囲にあるＧａｘＩｎ１−ｘＡｓを用いることができる。例えば、図７中にＢで示す組成ｘが約０．７３のＧａｘＩｎ１−ｘＡｓ層を、緩衝層１４として挿入しても良い。
さらに、緩衝層１４は、格子定数が異なる複数の層を含むことができる。例えば、ＩｎＰに格子整合する活性層５の側から、図７に示すＡ、ＢおよびＣの組成を有するＧａｘＩｎ１−ｘＡｓ層を順に挿入することができる。
次に、図８〜図１０を参照して、半導体発光装置２００の製造過程を説明する。図８〜図１０は、半導体基板２の断面の一部を模式的に示している。
図８（ａ）に示すように、ＩｎＰ基板である半導体基板２の上にクラッド層４および活性層５を順に積層する。活性層５は、ＩｎＰに格子整合するＧａｘＩｎ１−ｘＡｓおよびＡｌｙＩｎ１−ｙＡｓを含む。続いて、図８（ｂ）に示すように、活性層５の表面にエッチングマスク１２を形成し、活性層５およびクラッド層４をメサ構造にエッチングする。
次に、図９（ａ）に示すように、エッチングマスク１２を除去し、半導体基板２の表面、および、クラッド層４の側面、活性層５の表面に緩衝層１４を形成する。緩衝層１４には、組成ｘが０．４７〜１の間にあるＧａｘＩｎ１−ｘＡｓを用いることができる。また、格子定数の異なる複数のＧａｘＩｎ１−ｘＡｓ層を、ＩｎＰに近い格子定数を有する層から順に積層しても良い。
続いて、図９（ｂ）に示すように、緩衝層１４の表面に、メサ構造のクラッド層４および活性層５を埋め込んだＧａＡｓ層１３を形成する。
次に、図１０（ａ）に示すように、例えば、ＣＭＰ法によりＧａＡｓ層１３の表面を平坦化する。さらに、クラッド層４および活性層５の側面、および、活性層５の上面に、クラッド層８となる部分を残してＧａＡｓ層１３をエッチングする。
次に、図１０（ｂ）に示すように、半導体基板２およびクラッド層８の表面を覆う絶縁膜７を形成し、活性層５の上のクラッド層８の表面にコンタクトホール７ａを形成する。続いて、絶縁膜７の上に表面電極３を形成し、コンタクトホール７ａを介してクラッド層８に電気的に接続させる。さらに、半導体基板２の裏面に裏面電極９を形成し、半導体発光装置２００を完成する。
上記の通り、本実施形態に係る半導体発光装置２００では、活性層５とクラッド層８との間に緩衝層１４を挿入し、ＧａＡｓ層であるクラッド層８に生じる結晶欠陥を低減することができる。これにより、表面電極３からコンタクトホール７ａを介して活性層に駆動電流を流す能動領域に設けられるクラッド層８にもＧａＡｓ層を用いることができる。そして、活性層５の両側面に沿って設けられたクラッド層８に加えて、活性層５の上面にＧａＡｓを含むクラッド層８を設けることにより、活性層５が放射する発光光の吸収をさらに低減することができる。これにより、半導体発光装置２００の発光効率を、半導体発光装置１００よりも向上させることができる。
（第３の実施形態）
図１１は、本実施形態に係る半導体発光装置３００を示す模式断面図である。半導体発光装置３００も、例えば、波長１０μｍ以上のレーザ光を放射する量子カスケードレーザである。
図１１に示すように、半導体発光装置３００では、活性層５の周りにクラッド層８およびクラッド層１８が設けられ、クラッド層８および１８がＧａＡｓ層である点で、前述した半導体発光装置１００および２００と相違する。
例えば、ＩｎＰに格子整合したＧａＩｎＡｓおよびＡｌＩｎＡｓを含む活性層５は、格子定数が異なるクラッド層８、１８に囲まれている。そして、活性層５から放射される発光光の波長と、クラッド層８および１８に含まれるＧａＡｓのフォノンによる光吸収ピークの波長とが相違する。
活性層５と、クラッド層８および１８との間には、活性層５を囲んだ緩衝層１４が設けられている。緩衝層１４は、前述したようにＩｎＰの格子定数とＧａＡｓの格子定数との間の中間の格子定数を有し、クラッド層８および１８に生じる結晶欠陥を低減する。
さらに、半導体基板２１とクラッド層８との間に、接合金属１６が介在する点においても、半導体発光装置１００および２００と相違する。すなわち、半導体発光装置３００では、その製造過程において、リッジ部１０が半導体基板２から新たな半導体基板２１に移載される。
以下、図１２〜図１５を参照して、半導体発光装置３００の製造過程を説明する。
図１２（ａ）は、半導体基板２の上に設けられたクラッド層４および活性層５が、メサ構造にエッチングされた状態を示している。すなわち、半導体発光装置２００の製造過程における図８（ｂ）に示した状態と同じである。
次に、図１２（ｂ）に示すように、エッチングマスク１２を除去し、半導体基板２の表面、および、クラッド層４の側面、活性層５の表面に緩衝層１４を形成した後、緩衝層１４の表面に、メサ構造のクラッド層４および活性層５を埋め込んだＧａＡｓ層１３を形成する。
次に、図１３（ａ）に示すように、例えば、ＣＭＰ法によりＧａＡｓ層１３の表面を平坦化する。そして、図１３（ｂ）に示すように、表面に接合金属１６を形成したＧａＡｓ層１３と、同じく表面に接合金属１６が形成された半導体基板２１とを貼り合わせる。例えば、金（Ａｕ）を含む接合金属１６を用いた熱圧着により、半導体基板２１と、表面にＧａＡｓ層１３が形成された半導体基板２と、を接合することができる。
図１４（ａ）は、半導体基板２と半導体基板２１とが接合された状態を、半導体基板２１を下にして模式的に示している。半導体基板２１には、例えば、ＧａＡｓ基板もしくはＩｎＰ基板を用いることができる。
次に、図１４（ｂ）に示すように、半導体基板２およびクラッド層４を選択的にエッチングして除去する。例えば、塩酸（ＨＣｌ）をエッチング液として用いた場合、ＩｎＰのエッチング速度は、ＧａＩｎＡｓのエッチング速度よりも速い。したがって、半導体基板２がＩｎＰ基板であり、クラッド層４がＩｎＰである場合、半導体基板２およびクラッド層４と、ＧａＩｎＡｓを含む緩衝層１４と、を選択エッチングすることが可能である。
次に、図１５（ａ）に示すように、半導体基板２およびクラッド層４を除去した緩衝層１４の上に、ＧａＡｓ層１５を成長する。
続いて、図１５（ｂ）に示すように、活性層５の周りにクラッド層８およびクラッド層１８となる部分を残して、ＧａＡｓ層１３および１５をエッチングする。
次に、図５に示す半導体発光装置１００の製造過程と同じように、半導体基板２１の表面およびクラッド層８、１８の表面を覆う絶縁膜７を形成し、活性層５の上のクラッド層１８の表面にコンタクトホール７ａを形成する。続いて、絶縁膜７の上に表面電極３を形成し、コンタクトホール７ａを介してクラッド層８に電気的に接続し、半導体基板２１の裏面に裏面電極９を形成して、半導体発光装置３００を完成する。
本実施形態に係る半導体発光装置３００では、活性層５の周りにＧａＡｓを含むクラッド層８および１８を設けることにより発光光の吸収を低減し、半導体発光装置１００および２００よりも発光効率を向上させることができる。
（第４の実施形態）
図１６は、本実施形態に係る半導体発光装置４００の端面を示す模式図である。半導体発光装置４００もまた、波長１０μｍ以上のレーザ光を放射する量子カスケードレーザである。
半導体発光装置４００では、活性層５の上下にクラッド層４および８が設けられ、活性層５の側面にクラッド層が設けられていない点で、前述した半導体発光装置１００〜３００と相違する。そして、クラッド層４は、例えば、ＩｎＰ基板である半導体基板２の上に設けられたＩｎＰ層であり、クラッド層８は、活性層５の上に緩衝層１４を介して設けられたＧａＡｓ層である。
半導体発光装置４００の放射するレーザ光の波長が、例えば、１６μｍであるとすれば、活性層５の上に設けられるクラッド層８をＧａＡｓとすることにより、活性層５の放射する発光光の吸収を低減することができる。さらに、活性層５の両側にクラッド層を設けないことにより、その光吸収の影響を無くすることができる。これにより、半導体発光装置４００の発光効率の向上を図ることができる。
上記の第１〜第４の実施形態では、波長１６μｍのレーザ光を放射する量子カスケードレーザを例に説明したが、本発明は、これに限定される訳ではない。例えば、赤外領域の光を放射する量子カスケードレーザでは、その材料となる半導体の光吸収は問題とされていなかった。しかしながら、波長１０μｍを超える遠赤外領域では、例えば、半導体のフォノン吸収などの作用を勘案し、活性層から放射される発光光に対する光吸収が低い材料を選択してクラッド層の少なくとも一部に用いることにより、半導体発光装置の高出力化を図ることが可能となる。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
２、２１・・・半導体基板、 ３・・・表面電極、 ４、６、８、１８・・・クラッド層、 ５・・・活性層、 ７・・・絶縁膜、 ７ａ・・・コンタクトホール、 ９・・・裏面電極、 １０・・・リッジ部、 １０ａ・・・端面、 １２・・・エッチングマスク、 １３、１５・・・ＧａＡｓ層、 １４・・・緩衝層、 １６・・・接合金属、 １００、２００、３００、４００・・・半導体発光装置

Claims (9)

  1. 複数の量子井戸のサブバンド間における電子のエネルギー緩和により発光光を放射する半導体発光装置であって、
    前記発光光の放射方向に対して平行な方向に延在するストライプ状に設けられ、前記複数の量子井戸を含み１０μｍ以上の波長の前記発光光を放射する活性層と、
    前記ストライプ状の活性層の長辺に沿って少なくとも前記活性層の上下に設けられ、前記活性層よりも屈折率が低い１対のクラッド層と、
    を備え、
    前記活性層は、ＩｎＰ層の上に設けられ、
    前記クラッド層の一部は、ＧａＡｓを含み、前記活性層に格子整合する材料を含む他の部分よりも前記発光光の波長における光吸収が相対的に低いことを特徴とする半導体発光装置。
  2. 前記クラッド層は、前記活性層の対向する２つの側面に沿って設けられた部分にＧａＡｓを含むことを特徴とする請求項１記載の半導体発光装置。
  3. 前記クラッド層における前記側面に沿って設けられた部分は、半絶縁層であることを特徴とする請求項２記載の半導体発光装置。
  4. 前記活性層を挟んで、前記ＩｎＰ層とは反対側に設けられた前記クラッド層の一部がＧａＡｓを含むことを特徴とする請求項２または３に記載の半導体発光装置。
  5. 複数の量子井戸のサブバンド間における電子のエネルギー緩和により発光光を放射する半導体発光装置であって、
    前記発光光の放射方向に対して平行な方向に延在するストライプ状に設けられ、前記複数の量子井戸を含み１０μｍ以上の波長の前記発光光を放射する活性層と、
    前記ストライプ状の活性層の長辺に沿って前記活性層を囲んで設けられ、前記活性層よりも屈折率が低いクラッド層と、
    を備え、
    前記クラッド層は、前記活性層と異なる格子定数を有する材料を含み、前記発光光の波長と前記クラッド層の光吸収ピークの波長とが異なることを特徴とする半導体発光装置。
  6. 前記活性層と前記クラッド層との間に、ＩｎＰの格子定数とＧａＡｓの格子定数との間の中間の格子定数を有する緩衝層を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
  7. 前記活性層は、ＧａＩｎＡｓとＡｌＩｎＡｓとを含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
  8. 複数の量子井戸のサブバンド間における電子のエネルギー緩和により発光光を放射する半導体発光装置の製造方法であって、
    ＩｎＰ層の上に設けられた前記複数の量子井戸をストライプ状のメサ構造に加工して活性層を形成する工程と、
    前記メサ構造に形成された活性層を埋め込んだＧａＡｓ層を形成する工程と、
    を備えたことを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
  9. 前記活性層と前記クラッド層との間に、ＩｎＰの格子定数とＧａＡｓの格子定数との間の中間の格子定数を有する緩衝層を形成する工程をさらに備えたことを特徴とする請求項７記載の半導体発光装置の製造方法。
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