JPH06268327A

JPH06268327A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JPH06268327A
Application number: JP5672393A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Tanaka; 俊明田中; Satoshi Kawanaka; 敏川中
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-03-17
Filing date: 1993-03-17
Publication date: 1994-09-22

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は、高出力が得られる半導体レ
ーザ素子を提供することにある。【構成】半導体レーザ素子をバー状に劈開した後に、
硫黄が過飽和状態である(NH₄)₂Sｘ液にバー状試料を浸
漬する。その後、スパッタコーティングにより、前面に
対して熱伝導率が大きくかつ該引張歪多重量子井戸活性
層よりも熱膨張係数が約半分以下と小さいAlN又はSiN或
いはSiC保護膜を施す。ここで、前面保護膜の膜厚ｄ
は、レーザ発振波長をλとし、該端面保護材料の屈折率
をｎとしたとき、ｄ=λ/4ｎとする。後面保護膜は、膜
厚λ/4ｎのAl₂O₃保護膜と膜厚λ/4ｎのAlN又はSiN或い
はSiC保護膜の組合せにより形成する。【効果】本素子の最大光出力は約１２０ｍＷであり、
端面保護膜のない素子の約３０ｍＷに比べて４倍以上の
増大が見られた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光情報端末及び光応用
計測用又は光通信の光源に適する半導体発光素子の高出
力化に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体発光素子、例えば半導体レーザの
高出力化は、歪多重量子井戸(MQW)活性層の共振器面に
対して端面保護材料を施すことにより可能であること
が、例えばエレクトロニクス・レタース１９９２年２８
巻８６０頁(Electron.Lett.,28,860(1992))において述
べられている。

【０００３】この技術は、劈開により形成された共振器
端面のうち後方の反射率を端面保護膜により高くし、前
方の反射率を低くすることにより、前方から出射する光
出力を大きく取り出そうとするものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術のように
端面保護膜を施しても、ダングリングボンドの形成や酸
素の吸着により半導体表面原子に特有な深い準位が生じ
ており、共振器端面近傍の禁制帯幅は実質的には狭くな
っている。従って、内部で発生した光が端面近傍におい
て吸収を受け、外部にその光を取り出すことができなか
った。端面近傍における光吸収は温度上昇を伴うため
に、端面近傍の禁制帯幅がさらに減少して益々光吸収を
強く受ける正帰還が生じて、端面が溶融する劣化に到っ
てしまう。このため従来、高出力化を十分に図ることが
できていなかった。

【０００５】本発明の目的は、上記従来技術を含めてこ
れまで考えられていなかった概念に関しており、半導体
表面の禁制帯幅を端面保護膜の応力により増大し、半導
体の表面準位による光吸収を受けることなく光を共振増
幅させることにより、従来技術よりもさらに高出力を得
ることのできる半導体発光素子を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の手段を以下に説明する。

【０００７】半導体発光素子、例えば半導体レーザ素子
の光を出射する共振器面に対して、端面保護材料の性質
を考慮し引張又は圧縮応力を導入することにより、半導
体表面の禁制帯幅を増大させることができる。

【０００８】端面保護材料は、誘電体材料又は半導体材
料とし、該半導体レーザ素子から出射される光を吸収し
ないように、その光のエネルギーに対して透明である誘
電体膜又は禁制帯幅が大きい半導体層を用いる。さら
に、できるだけ温度上昇を抑制するために、熱伝導率の
大きな誘電体膜或いは半導体層とする。この性質を有し
た誘電体材料又は半導体材料のうち、該半導体レーザ素
子の発光領域又は発光活性層を形成する半導体材料に対
して、誘電体では熱膨張係数、半導体では格子定数を対
比させることにより、保護した半導体層に引張又は圧縮
応力を生じさせる。

【０００９】この際、半導体レーザ素子の共振器面を劈
開することにより形成される端面には、該発光領域又は
発光活性層を形成する材料よりも熱膨張係数の小さい該
誘電体材料を用いるか、或いは格子定数が大きい該半導
体材料を用いて保護することにより、該発光領域又は発
光活性層に引張応力を導入する。また、半導体レーザ素
子の共振器面が積層された結晶面により形成される場合
には、結晶の積層された最上面と基板側の最下面に対し
て、光導波層や該発光領域又は発光活性層よりも熱膨張
係数の大きい該誘電体材料を用いるか、或いは格子定数
が小さい該半導体材料を用いて保護することにより、光
導波層や該発光領域又は発光活性層に圧縮応力を導入す
る。

【００１０】光出射する面が劈開による共振器端面で形
成されるか或いは積層面によるかのどちらの場合におい
ても、該発光領域又は発光活性層における積層方向の(1
00)面に対して、圧縮応力を加えるようにすることによ
り、光出射面近傍における半導体の禁制帯幅を大きくで
きる。

【００１１】この半導体発光素子には、レーザ光を出射
する素子だけでなく自然放出光を出射する素子も含まれ
る。

【００１２】

【作用】本発明では、半導体発光素子（半導体レーザ）
の端面近傍における禁制帯幅を実質的に増大させるため
に、発光領域或いは発光活性層と端面保護材料の界面に
生ずる応力を利用する。以下、半導体レーザ素子におい
て劈開により作製される共振器端面の性質を例にとって
説明する。

【００１３】半導体レーザ素子の共振器端面には、酸素
の吸着やダングリングボンドの形成により表面準位が生
じており、これが半導体表面における禁制帯幅の実質的
な減少につながっている。一方、半導体レーザ素子の活
性層に格子歪として引張歪を導入している場合には、共
振器端面が劈開により作製されたときに、端面近傍の引
張歪は解放されることになる。従って、バンド構造は図
１(a)の引張歪の場合から(b)の無歪の場合に近くなる。
これにより、引張歪活性層では端面近傍の禁制帯幅を劈
開により大きくできる。さらに端面近傍の活性層に圧縮
応力を加える端面保護材料によって図１(c)の圧縮歪の
場合により近付けることが可能となる。

【００１４】図２に示した半導体レーザ素子の横横断面
図において、端面保護材料が共振器端面に対して引張応
力を及ぼす場合に、該活性層の面内方向に圧縮応力を加
えることができることになる。その結果、従来半導体レ
ーザの共振器方向において、内部の領域IIに比べて端面
近傍の領域Ｉ又はＩ'では、活性層の禁制帯幅が小さく
なって光吸収を受けていたのに対し、本発明では内部の
領域IIより端面近傍の領域Ｉ又はＩ'の禁制帯幅を増大
し光吸収を抑制できた。この禁制帯幅の増大は、少なく
とも４０ｍｅＶ以上あれば光吸収が非常に小さくなり、
６０ｍｅＶ以上に設定することにより端面透明化の効果
を持たせることができた。これは、下記誘電体又は半導
体材料の選択により実現される。

【００１５】用いる端面保護材料は、レーザ光に対して
透明であるものとし、該活性層を形成する半導体材料よ
りも熱膨張係数が小さい誘電体材料とするか或いは格子
定数が大きい半導体材料とすることにより、上記内容が
達成できる。さらに、端面近傍の温度上昇を抑制するた
めに、できるだけ熱伝導率の高い材料が望ましい。具体
的な例としては、誘電体材料の場合には熱伝導率がよく
熱膨張係数が半導体より半分以下である、AlやB又はGa
の窒化物や酸化物、Siの窒化物や炭化物又はダイヤモン
ドが適しており、半導体材料の場合には禁制帯幅が相対
的に大きいII-VI族の半導体材料を用いるのが適切であ
る。

【００１６】本発明の素子を作製する段階において、ま
ず端面保護膜を形成する前に下地となる表面に処理を施
すことが重要である。共振器端面近傍の禁制帯幅を内部
と同様にするには、酸素の吸着やダングリングボンドの
形成等を除去する必要がある。これに対しては、表面を
硫黄処理やセレン処理することにより、表面に吸着した
酸素を硫黄やセレンと置き換え、さらに硫黄やセレンと
結合を形成することによりダングリングボンドを無くす
ことが可能となる。この後、上記端面保護膜を施すこと
により、表面準位に影響されることなく、圧縮応力を端
面近傍の活性層に生じさせて実効的に禁制帯幅を増大で
きる。

【００１７】また、図３に示したように半導体レーザが
面発光レーザであり、活性層の上下に光が出射する面が
形成されている場合には、図２に示した場合とは逆に考
えることにより対処できる。即ち、下地となる半導体層
には圧縮応力を加えることができる端面保護膜を施すこ
とにより、光出射面の禁制帯幅を大きくする。この際、
用いる端面保護材料には、レーザ光に対して透明であ
り、かつ光導波層や基板又は活性層より熱膨張係数が大
きい誘電体材料とするか、或いは格子定数が小さい半導
体材料とすることにより、上記内容が達成される。一般
には、面発光レーザでは、レーザ光のエネルギーよりも
光出射面となる光導波層や基板材料の禁制帯幅の方が大
きいので、端面近傍における光吸収はあまり問題とはな
らないが、本発明における内容は光出射面における温度
上昇を抑制する効果がある。

【００１８】以下の実施例では、劈開により共振器端面
が形成される図２に関した半導体レーザ素子について詳
細を述べる。

【００１９】

【実施例】（実施例１）本発明の一実施例を半導体レー
ザの場合において、図４を用いて説明する。まず、(10
0)面から[011]方向に15.8°オフしたｎ型GaAs(511)A傾
角基板１を用いて、その上にｎ型Ga₀.₅₁In₀.₄₉Pバッフ
ァ層２(d=0.5μｍ，n_D=1×10¹⁸cm^-3)、ｎ型(Al_yG
a_1-y)₀.₅₁In₀.₄₉P光導波層３(d=1.2μｍ，n_D=5×10¹⁷cm
^-3，y=0.7)、膜厚8〜12nmの引張歪アンドープ(Al_x1Ga
_1-x1)_ZIn₁-_ZP(x₁=0，0.55≦z≦0.70)量子井戸層３層と
膜厚4〜10nmの無歪アンドープ(Al_x2Ga_1-x2)₀.₅₁In₀.₄₉P
(x₂=0.5)量子障壁層２層及び量子井戸層両側に膜厚20〜
70nmの無歪アンドープ(Al_x2Ga_1-x2)₀.₅₁In₀.₄₉P(X₂=0.
5)光分離閉じ込め層を設けた引張歪多重量子井戸活性層
４、ｐ型(AlyGa_1-y)₀.₅₁In₀.₄₉P光導波層５(d=1.2μ
ｍ，n_A=7〜9×10¹⁷cm^-3，y=0.7)、ｐ型Ga₀.₅₁In₀.₄₉Pバ
ッファ層６(d=0.05μｍ，n_A=2×10¹⁸cm^-3)を成長温度７
５０℃において有機金属気相成長法によりエピタキシャ
ル成長した。この後、ホトリソグラフィーによりSiO₂マ
スク（膜厚d=0.2μｍ，ストライプ幅4〜6μｍ)を形成
し、ケミカルエッチングにより層５を０.２〜０.４μｍ
残すところまで層５と層６をエッチング除去してリッジ
ストライプを形成する。次に、SiO₂マスクを残したま
ま、ｎ型GaAs電流狭窄兼光吸収層７(d=1.0μｍ，n_D=2×
10¹⁸cm^-3)を選択成長する。さらに、ｐ型GaAsコンタク
ト層８(d=2〜3μｍ，n_A=5×10¹⁸〜1×10¹⁹cm^-3)を埋め
込み成長した後、ｐ電極９及びｎ電極１０を蒸着する。
さらに、バー状に劈開した後に、硫黄が過飽和状態であ
る(NH₄)₂Sｘ液にバー状試料を浸漬してから、分子線エ
ピタキシー(ＭＢＥ)法により，前面及び後面に対して該
引張歪多重量子井戸構造活性層より相対的に格子定数が
大きく禁制帯幅の大きいZnSe保護膜を臨界膜厚の範囲で
0。14〜0.15μｍの膜厚で施す。ここで、該端面保護膜の
膜厚ｄは、レーザ発振波長をλとし、該端面保護材料の
屈折率をｎとしたとき、ｄ=λ/2ｎとする。その後、ス
クライブして素子の形に切り出す。

【００２０】本実施例では、共振器長４００μｍの素子
において、発振波長は６３０〜６３５ｎｍであり、室温
における閾値電流は２０〜３０ｍＡであった。本素子の
最大光出力は約４０ｍＷであり、端面保護膜のない素子
の約３０ｍＷに比べて３０〜４０％の増大が見られた。
従来の端面保護膜であるSiO₂を施した場合には、端面保
護膜のないときと同程度の光出力しか得られず、上記高
出力化は得られなかった。これは、本発明の素子によっ
て、高出力化が実現できたことを示す。

【００２１】（実施例２）本発明の他実施例を説明す
る。実施例１と全く同様に、電極を蒸着するところまで
行う。さらに、バー状に劈開した後に、硫黄が過飽和状
態である(NH₄)₂Sｘ液にバー状試料を浸漬してから、ス
パッタコーティングにより、バー状試料の前面及び後面
に対して熱伝導率が大きくかつ該引張歪多重量子井戸活
性層よりも熱膨張係数が約半分以下と小さいAlN又はSiN
或いはSiC保護膜を施す。ここで、該端面保護膜の膜厚
ｄは、レーザ発振波長をλとし、該端面保護材料の屈折
率をｎとしたとき、ｄ=λ/2ｎとする。その後、スクラ
イブして素子の形に切り出す。本実施例では、実施例１
とほぼ同様な基本特性が得られた。本素子の最大光出力
は、端面保護膜のない素子に比べて４０〜５０％の増大
が見られた。

【００２２】（実施例３）本発明の他実施例を説明す
る。実施例１と全く同様に、電極を蒸着するところまで
行う。さらに、バー状に劈開した後に、硫黄が過飽和状
態である(NH₄)₂Sｘ液にバー状試料を浸漬してから、分
子線エピタキシー(ＭＢＥ)法により、バー状試料の前面
に対して該引張歪多重量子井戸構造活性層より格子定数
が大きく禁制帯幅の大きいZnSe保護膜を臨界膜厚の範囲
で0。07〜0.08μｍの膜厚で施す。ここで、前面保護膜の
膜厚ｄは、レーザ発振波長をλとし、該端面保護材料の
屈折率をｎとしたとき、ｄ=λ/4ｎとする。これによ
り、前面反射率を１０％以下に設定できる。次に、後面
保護膜は膜厚λ/4ｎのAl₂O₃保護膜と膜厚λ/4ｎのAlN又
はSiN或いはSiC保護膜の組合せにより、反射率９０％以
上の多周期端面保護膜を形成する。その後、スクライブ
して素子の形に切り出す。

【００２３】本実施例では、実施例１の素子とほぼ同様
な閾値電流が得られ、最大光出力は端面保護膜のない素
子に比べて３倍以上に高めることができた。これは、従
来技術の１。５倍以上に相当する。

【００２４】（実施例４）本発明の他実施例を説明す
る。実施例１と全く同様に、電極を蒸着するところまで
行う。さらに、バー状に劈開した後に、硫黄が過飽和状
態である(NH₄)₂Sｘ液にバー状試料を浸漬してから、ス
パッタコーティングにより、前面に対して熱伝導率が大
きくかつ該引張歪多重量子井戸活性層よりも熱膨張係数
が約半分以下と小さいAlN又はSiN或いはSiC保護膜を施
す。ここで、前面保護膜の膜厚ｄは、レーザ発振波長を
λとし、該端面保護材料の屈折率をｎとしたとき、ｄ=
λ/4ｎとする。これにより、前面反射率を１０％以下に
設定できる。次に、後面保護膜は膜厚λ/4ｎのAl₂O₃保
護膜と膜厚λ/4ｎのAlN又はSiN或いはSiC保護膜の組合
せにより、反射率９０％以上の多周期端面保護膜を形成
する。その後、スクライブして素子の形に切り出す。

【００２５】本実施例では、実施例１の素子とほぼ同様
な閾値電流が得られ、最大光出力は端面保護膜のない素
子に比べて４倍以上に高めることができた。これは、従
来技術の２倍以上に相当する。

【００２６】（実施例５）本発明の他実施例を図５によ
り説明する。まず、(100)面から[011]方向に15.8°オフ
したｎ型GaAs(511)A傾角基板１を用いて、その上にｎ型
Ga₀.₅₁In₀.₄₉Pバッファ層２(d=0.5μｍ，n_D=1×10¹⁸cm
^-3)、ｎ型(AlyGa_1-y)₀.₅₁In₀.₄₉P光導波層３(d=1.6μ
ｍ，n_D=5×10¹⁷cm^-3，y=0.7)、膜厚5〜9nmの圧縮歪アン
ドープ(Alｘ₁Ga₁-ｘ₁)ＺIn₁-ＺP(x₁=0，0.30≦z≦0.45)
量子井戸層２層と膜厚7〜10nmの無歪アンドープ(Alｘ₂G
a₁-ｘ₂)₀.₅₁In₀.₄₉P(x₂=0.5)量子障壁層１層及び量子井
戸層両側に膜厚5〜30nmの無歪アンドープ(Alｘ₂Ga₁-
ｘ₂)₀.₅₁In₀.₄₉P(X₂=0.5)光分離閉じ込め層を設けた引
張歪多重量子井戸活性層１１、ｐ型(AlyGa_1-y)₀.₅₁In₀.
₄₉P光導波層５(d=1.5μｍ，n_A=7〜9×10¹⁷cm^-3，y=0.
7)、ｐ型Ga₀.₅₁In₀.₄₉Pバッファ層６(d=0.05μｍ，n_A=2
×10¹⁸cm^-3)を成長温度７５０℃において有機金属気相
成長法によりエピタキシャル成長した。この後、ホトリ
ソグラフィーによりSiO₂マスク（膜厚d=0.2μｍ，スト
ライプ幅4〜6μｍ)を形成し、ケミカルエッチングによ
り層５を０.１〜０.２μｍ残すところまで層５と層６を
エッチング除去してリッジストライプを形成する。次
に、SiO₂マスクを残したまま、ｎ型Ga₀.₅₁In₀.₄₉P電流
狭窄兼光吸収層１２(d=1.0μｍ，n_D=2×10¹⁸cm^-3)を選
択成長する。さらに、ｐ型GaAsコンタクト層８(d=2〜3
μｍ，n_A=5×10¹⁸〜1×10¹⁹cm^-3)を埋め込み成長した
後、ｐ電極９及びｎ電極１０を蒸着する。さらに、バー
状に劈開した後に、硫黄が過飽和状態である(NH₄)₂Sｘ
液にバー状試料を浸漬してから、スパッタコーティング
により、前面に対して熱伝導率が大きくかつ該引張歪多
重量子井戸活性層よりも熱膨張係数が約半分以下と小さ
いAlN又はSiN或いはSiC保護膜を施す。ここで、前面保
護膜の膜厚ｄは、レーザ発振波長をλとし、該端面保護
材料の屈折率をｎとしたとき、ｄ=λ/4ｎとする。これ
により、前面反射率を１０％以下に設定できる。次に、
後面保護膜は膜厚λ/4ｎのAl₂O₃保護膜と膜厚λ/4ｎのA
lN又はSiN或いはSiC保護膜の組合せにより、反射率９０
％以上の多周期端面保護膜を形成する。その後、スクラ
イブして素子の形に切り出す。

【００２７】本実施例では、共振器長６００μｍの素子
において室温における閾値電流が２０〜３０ｍＡであ
り、６７５〜６８５ｎｍの発振波長を得た。素子の最大
光出力は端面保護膜のない素子に比べて４倍以上に高め
ることができた。これは、従来技術の２倍以上に相当す
る。

【００２８】（実施例６）本発明の他実施例を図６によ
り説明する。まず、(100)面から[011]方向に15.8オフし
たｎ型GaAs(511)A傾角基板１を用いて、その上にｎ型Ga
InP光導波層１３(d=1.8μｍ，n_D=5×10¹⁷cm^-3)、ｎ型Ga
₀.₇₅In₀.₂₅As₀.₄₅P₀.₅₅光導波層１４(d= 0.20μｍ，n_D=
2×10¹⁷cm^-3)、膜厚6〜10nmの圧縮歪アンドープGaＺIn₁
-ＺAs(0.75≦z≦0.85)量子井戸層２層と膜厚7〜10nmの
無歪アンドープGaAs量子障壁層1層及び量子井戸層両側
に膜厚5〜50nmの無歪アンドープGaAs光分離閉じ込め層
を設けた圧縮歪多重量子井戸活性層１５、ｐ型Ga₀.₇₅In
₀.₂₅As₀.₄₅P₀.₅₅光導波層１６(d=0.05μｍ，n_A=5×10¹⁷
cm^-3)、ｐ型Ga₀.₅₁In₀.₄₉P光導波層１７(d=0.10μｍ，n
_A=7× 10¹⁷cm^-3)、ｐ型GaAsエッチング停止兼高屈折率
層(d=5nm，n_A=7×10¹⁷cm^-3)、ｐ型Ga₀.₅₁In₀.₄₉P光導波
層１７(d=1.5μｍ，n_A=9×10¹⁷cm^-3)を成長温度７００
℃において有機金属気相成長法によりエピタキシャル成
長した。この後、ホトリソグラフィーによりSiO₂マスク
（膜厚d=0.2μｍ，ストライプ幅4〜6μｍ)を形成し、ケ
ミカルエッチングにより層１８まで層１７をエッチング
除去し、その後層１８をさらに除去してリッジストライ
プを形成する。次に、SiO₂マスクを残したまま、ｎ型Ga
₀.₅₁In₀.₄₉P電流狭窄兼光吸収層１２(d=1.2μｍ，n_D=2
×10¹⁸cm^-3)を選択成長する。さらに、ｐ型GaAsコンタ
クト層８(d=2〜3μｍ，n_A=5×10¹ ⁸〜1×10¹⁹cm^-3)を
埋め込み成長した後、ｐ電極９及びｎ電極１０を蒸着す
る。さらに、バー状に劈開した後に、硫黄が過飽和状態
である(NH₄)₂Sｘ液にバー状試料を浸漬してから、スパ
ッタコーティングにより、前面に対して熱伝導率が大き
くかつ該引張歪多重量子井戸活性層よりも熱膨張係数が
約半分以下と小さいAlN又はSiN或いはSiC保護膜を施
す。ここで、前面保護膜の膜厚ｄは、レーザ発振波長を
λとし、該端面保護材料の屈折率をｎとしたとき、ｄ=
λ/4ｎとする。これにより、前面反射率を１０％以下に
設定できる。次に、後面保護膜は膜厚λ/4ｎのAl₂O₃保
護膜と膜厚λ/4ｎのAlN又はSiN或いはSiC保護膜の組合
せにより、反射率９０％以上の多周期端面保護膜を形成
する。その後、スクライブして素子の形に切り出す。

【００２９】本実施例では、共振器長６００μｍの素子
において室温における閾値電流が１０〜２０ｍＡであ
り、９７５〜９８５ｎｍの発振波長を得た。素子の最大
光出力は端面保護膜のない素子に比べて４倍以上に高め
ることができた。これは、従来技術の２倍以上に相当す
る。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、熱伝導率の良好な光出
射面保護材料により導入した応力を利用して、半導体発
光素子又は半導体レーザ素子における共振器端面近傍の
活性層の禁制帯幅を内部に比べて増大させることができ
る。これにより、従来問題になっていた端面近傍の光吸
収を抑制することができ、端面保護膜を施していない場
合に比べて最大光出力を約４倍以上に向上できた。これ
は、従来技術の２倍以上に相当する。本発明の素子によ
って、高出力化が実現できたことを示す。以上の結果、
温度６０℃で約２０００時間以上の信頼性が確保できる
光出力レベルをこれまでの２倍以上にまで高めることが
達成できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】格子歪による半導体における伝導帯と価電子帯
の変化を示す概略図

【図２】横方向共振器端面上に形成された端面保護膜を
示す図

【図３】垂直方向共振器面上に形成された端面保護膜を
示す図

【図４】本発明の一実施例を示す素子構造断面図

【図５】本発明の他実施例を示す素子構造断面図

【図６】本発明の他実施例を示す素子構造断面図

【符号の説明】

１…ｎ型GaAs(511)A傾角基板、２…ｎ型Ga₀.₅₁In₀.₄₉P
バッファ層、３…ｎ型(AlyGa_1-y)₀.₅₁In₀.₄₉P光導波
層、４…引張歪GaInP/AlGaInP多重量子井戸構造活性
層、５…ｐ型(AlyGa_1-y)₀.₅₁In₀.₄₉P光導波層、６…ｐ
型Ga₀.₅₁In₀.₄₉Pバッファ層、７…ｎ型GaAs電流狭窄兼
光吸収層、８…ｐ型GaAsコンタクト層、９…ｐ電極、１
０…ｎ電極、１１…圧縮歪GaInP/AlGaInP多重量子井戸
構造活性層、１２…ｎ型Ga₀.₅₁In₀.₄₉P電流狭窄兼光吸
収層、１３…ｎ型Ga₀.₅₁In₀.₄₉P光導波層、１４…ｎ型G
aInAsP光導波層、１５…圧縮歪GaInAs/GaAs多重量子井
戸構造活性層、１６…ｐ型GaInAsP光導波層、１７…ｐ
型Ga₀.₅₁In₀.₄₉P光導波層、１８…ｐ型GaAsエッチング
停止兼高屈折率層。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に作製された発光領域又は発
光活性層を有する半導体発光素子において、自然放出光
或いはレーザ光を出射する面に相当する半導体表面層に
対して、圧縮又は引張応力を生じさせかつ該自然放出光
或いはレーザ光を光損失なく透過させる、熱伝導率のよ
り大きい出射面保護材料を形成することを特徴とする半
導体発光素子。
【請求項２】請求項１記載の半導体発光素子において、
下地となる発光領域又は発光活性層に用いる該光出射面
保護材料として、熱膨張係数が異なる熱伝導率のより大
きい該誘電体材料とするか、或いは格子定数が異なる熱
伝導率のより大きい該半導体材料とすることにより、圧
縮又は引張応力を導入することを特徴とする半導体発光
素子。
【請求項３】請求項１又は２記載の半導体発光素子にお
いて、該発光領域又は発光活性層には格子歪として引張
歪が導入されており、光出射面には該保護材料が施され
ていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項４】請求項１又は２記載の半導体発光素子にお
いて、該発光領域又は発光活性層には格子歪として圧縮
歪が導入されているか或いは無歪であるとし、光出射面
には該保護材料が施されていることを特徴とする半導体
発光素子。
【請求項５】請求項１，２，３又は４記載の半導体発光
素子において、該光出射面保護材料を該自然放出光或い
はレーザ光に対して透明な誘電体材料とするか、或いは
該自然放出光又はレーザ光よりもエネルギーが大きい禁
制帯幅を有する半導体材料とすることを特徴とする半導
体発光素子。
【請求項６】請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体
発光素子において、共振器面を劈開するか又は加工する
ことにより形成された端面から光が出射する場合におい
て、発光領域又は発光活性層の端面に対して該発光領域
又は発光活性層を形成する材料よりも熱膨張係数が小さ
く熱伝導率のより大きい該誘電体材料を用いるか、或い
は該発光領域又は発光活性層を形成する材料よりも格子
定数が大きく熱伝導率のより大きい該半導体材料を用い
て保護することにより、該発光領域又は発光活性層に引
張応力を導入することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項７】請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体
発光素子において、積層された結晶面が共振器面を形成
しこれより光が出射する場合に、結晶の積層された最上
面と基板側の最下面に対して、光導波層や該発光領域又
は発光活性層よりも熱膨張係数が大きく熱伝導率のより
大きい該誘電体材料を用いるか、或いは光導波層や該発
光領域又は発光活性層よりも格子定数が小さく熱伝導率
のより大きい該半導体材料を用いて保護することによ
り、光導波層や該発光領域又は発光活性層に圧縮応力を
導入することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項８】請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体
発光素子において、該光出射面保護材料を施す下地の半
導体表面には、該端面保護材料を形成する前に硫黄処理
又はセレン処理を行うことを特徴とする半導体発光素
子。
【請求項９】請求項１乃至８のいずれかに記載の半導体
発光素子において、該光出射面保護材料を誘電体材料と
するとき、AlやB或いはGaの窒化物又は酸化物とする
か、Siの窒化物又は炭化物か或いはダイヤモンドを用い
ることとし、該光出射面保護材料を半導体材料とすると
き、禁制帯幅の大きいII-VI族の半導体材料を用いるこ
とを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１０】請求項１乃至９のいずれかに記載の半導
体発光素子において、該端面保護材料は単層であるか複
合的な材料を周期的に積層することにより、該端面保護
材料の反射率を発光活性層の反射率と同じ値に設定する
か或いは５０％以上の高反射率とすることを特徴とする
半導体発光素子。
【請求項１１】請求項１乃至１０のいずれかに記載の半
導体発光素子において、該端面保護材料は光の出射する
二方向に対して、全く同じ反射率とするか或いは片方を
３０％以下の低反射率とし他方を７０％以上の高反射率
とすることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１２】請求項１乃至１１のいずれかに記載の半
導体発光素子において、該端面保護材料を複合的な材料
とし周期的に積層する場合に、少なくとも２種類の材料
からなり、一方を低屈折率の材料とし他方を高屈折率の
材料とした組合せにより、１０％以下の低反射率から９
０％以上の高反射率を実現できる端面保護膜を形成する
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１３】請求項１乃至から１２のいずれかに記載
の半導体発光素子において、各々の該端面保護材料の膜
厚ｄは，発光中心波長又はレーザ発振波長をλとし、該
端面保護材料の屈折率をｎとしたとき、ｄ＝λ／４ｎで
表される値の整数倍とすることを特徴とする半導体発光
素子。
【請求項１４】請求項１乃至１３のいずれかに記載の半
導体発光素子は、半導体基板上に有機金属気相成長（Ｍ
ＯＣＶＤ）法又は分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法によ
り成長された禁制帯幅の大きな光導波層によってそれよ
り禁制帯幅の小さい発光活性層を挾んだダブルヘテロ接
合からなり、該発光活性層に引張歪又は圧縮歪を導入し
て作製した素子の共振器面に該端面保護材料を具備する
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１５】請求項１乃至１４のいずれかに記載の半
導体発光素子において、該活性層は単一量子井戸層と光
分離閉じ込め層を設けた単一量子井戸構造とするか、或
は量子井戸層と量子障壁層を繰り返し設けた多重量子井
戸構造からなり、少なくとも該量子井戸層には格子歪と
して引張歪又は圧縮歪を導入することを特徴とする半導
体発光素子。
【請求項１６】請求項１乃至１５のいずれかに記載の半
導体発光素子において、共振器端面に端面保護材料を設
けることにより応力を導入し、共振器端面近傍における
該活性層の禁制帯幅を共振器内部よりも少なくとも４０
ｍｅＶ以上大きく、望ましくは６０ｍｅＶ以上とするこ
とを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１７】請求項１乃至１６のいずれかに記載の半
導体発光素子において、用いる該半導体基板は基板面方
位が(100)面から[011][0-1-1]方向又は[01-1][0-11]方
向に０°から５４.７°の範囲、望ましくは０°より大
きく(311)面に相当する２５.２°以下の傾いた基板面を
有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１８】請求項１乃至１７のいずれかに記載の半
導体発光素子において、該活性層上下において、屈折率
差の異なる少なくとも２種類以上の半導体層により、発
振波長に対してブラッグ反射を生ずる、周期的な積層構
造をもつ反射面を設けてあることを特徴とする半導体発
光素子。