JPH09283845A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低しきい値電流密度で発振する半導体レーザ
を提供する。 【解決手段】 n型GaAs基板１１上に、n型ZnSeエピタキ
シャル層１２、n型ZnMgSSeクラッド層１３、n型ZnSSe光
導波層１４、ZnCdSe活性層１５、p型ZnSSe光導波層１
６、p型ZnMgSSeクラッド層１７、p型ZnTeコンタクト層
１８、多結晶ZnOとAlOとから成る埋込層１９を形成す
る。さらにp型AuPd電極１１０とn型In電極１１１とを形
成する。ここでは、多結晶ZnOとAl2O3の積層構造の埋込
層１９を電流狭窄層と光閉込め層に用いていることによ
り、熱放散が良いことから低しきい値電流密度と長寿命
が実現できる。また効果的な光閉込めにより単一横モー
ドレーザ発振が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ディスクなどに
用いられる半導体レーザや発光ダイオードなどの半導体
発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】ZnSe系II-VI族化合物半導体は、直接遷
移型で広いバンドギャップをもつ半導体材料であること
から、近年、この材料を用いて、青色のレーザ光を発す
る半導体レーザ（以下、「青色半導体レーザ」と称す
る）の開発が活発に行われている。図１３は、ZnSe系II
-VI族半導体材料を用いた従来の青色半導体レーザ１３
００の構造の一例を示す断面図である。

【０００３】具体的には、Siをドープしたn型GaAs基板
１３１の上に、Clをドープしたn型ZnSeエピタキシャル
層１３２、Clをドープしたn型ZnMgSSeクラッド層１３
３、Clをドープしたn型ZnSSe光導波層１３４、ZnCdSe活
性層１３５、Nをドープしたp型ZnSSe光導波層１３６、
及び、Nをドープしたp型ZnMgSSeクラッド層１３７が、
順次積層されている。p型ZnMgSSeクラッド層１３７は、
その一部がストライプ状の形状を有するように形成され
ており、そのストライプ部分の上には、Nをドープしたp
型ZnTeコンタクト層１３８が形成されている。一方、ス
トライプ部分以外のp型ZnMgSSeクラッド層１３７の上に
は、ストライプ部分を両側から挟み込むように多結晶Si
O2埋込層１３９が設けられている。さらに、p型ZnTeコ
ンタクト層１３８及び多結晶SiO2埋込層１３９の上に
は、p型AuPd電極１３１０が設けられている。一方、n型
GaAs基板１３１の下には、n型In電極１３１１が設けら
れている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のような構造を有
する従来の青色半導体レーザ１３００には、以下のよう
な解決すべき課題が存在している。

【０００５】第１に、従来の青色半導体レーザ１３００
で用いられている多結晶SiO2埋込層１３９は、化学蒸着
法等によって形成される。しかし、一般にZnSe系II-VI
族化合物半導体材料の結晶成長温度は、約２５０℃と非
常に低い。そのために、ZnSe系II-VI族化合物半導体材
料からなる層の形成後に行われる多結晶SiO2埋込層１３
９の形成工程において、先に形成されているZnSe系II-V
I族化合物半導体層の結晶劣化を生じさせないために
は、ZnSe系II-VI族化合物半導体層の成長温度よりも低
い温度で、多結晶SiO2埋込層１３９を形成しなければな
らない。

【０００６】しかし、このような低温で形成されたSiO2
は、ポーラスな多結晶となる。その結果、ZnSe層などに
対する密着性がきわめて悪くなり、容易にはがれなどを
生じる。従って、絶縁埋込層としてSiO2を用いることに
は問題が多い。また、多結晶SiO2埋込層１３９をエッチ
ングにおけるマスクとして用いる場合も、密着性の悪さ
やそのポーラスな性質からサイドエッチなどを生じやす
く、マスク材としての利用価値も低い。

【０００７】第２に、多結晶SiO2の熱伝導率は大変低い
ため、発生した熱の放散が効率的になされない。その結
果、レーザ発振のしきい値を増大させるとともに、発光
素子の寿命も短くなる。

【０００８】本発明は、上記課題を鑑みて行われたもの
であり、その目的は、（１）II-VI族半導体レーザ構造
のエピタキシャル層の上で密着性良く形成され、熱伝導
率が高いとともに光閉じ込めに利用可能な低屈折率を有
する材料を用いて埋込層を形成する半導体発光素子、な
らびに（２）そのような半導体発光素子の製造方法、を
提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光素子
は、II-VI族半導体エピタキシャル層と、該II-VI族半導
体エピタキシャル層の上に設けられたZnO層と、該ZnO層
上にZnO以外の酸化物XO層（絶縁物層）または亜鉛化合
物ZnX層と、を備えており、そのことによって上記目的
が達成される。ある実施形態では、前記II-VI族半導体
エピタキシャル層がレーザ構造である。

【００１０】本発明の他の局面によれば、半導体発光素
子が、II-VI族化合物半導体でできている活性層と、該
活性層を上下から挟み込むように設けられ、II-VI族化
合物半導体でできている第１のクラッド層及び第２のク
ラッド層と、該第１のクラッド層の上に形成されている
ZnO埋込層と、該ZnO層上にZnO以外の酸化物XO層（絶縁
物層）または亜鉛化合物ZnX層と、を備えており、その
ことによって上記目的が達成される。

【００１１】本発明のさらに他の局面によれば、半導体
発光素子が、基板と、該基板の上に順次エピタキシャル
成長された、それぞれII-VI族化合物半導体からなるn型
クラッド層、活性層、p型クラッド層、及びp型コンタク
ト層と、を備え、該p型コンタクト層はストライプ状に
形成されており、該p型クラッド層のうちで該ストライ
プ状p型コンタクト層の両側に位置する部分の上には、Z
nOとZnO以外の酸化物XO層または亜鉛化合物ZnX層とから
なる埋込層がさらに形成されていて、そのことによって
上記目的が達成される。

【００１２】本発明のさらに他の局面によれば、半導体
発光素子が、II-VI族半導体エピタキシャル層を備え、
該II-VI族半導体エピタキシャル層が酸素原子を１×１
０14ｃｍ-3以上含有する埋込層をさらに含んでいて、該
埋込層上に酸化物XO層または亜鉛化合物ZnX層を備えて
おり、そのことによって上記目的が達成される。ある実
施形態では、前記II-VI族半導体エピタキシャル層がレ
ーザ構造である。

【００１３】本発明の半導体発光素子の製造方法は、II
-VI族半導体エピタキシャル層の上にプラズマ化した酸
素を用いてZnO層を形成する工程を包含しており、その
ことによって上記目的が達成される。

【００１４】本発明の他の局面によれば、半導体発光素
子の製造方法が、NO3化合物を含有する溶媒の中に金属
部材及びII-VI族半導体部材を浸し、該金属部材を正電
極ならびに該II-VI族半導体部材を負電極として両部材
の間に電圧を印加して、それによって該II-VI族半導体
部材の表面にZnO層を形成する工程を包含しており、そ
のことによって上記目的が達成される。

【００１５】本発明のさらに他の局面によれば、半導体
発光素子の製造方法が、基板の上にそれぞれII-VI族化
合物半導体からなるn型クラッド層、活性層、p型クラッ
ド層、及びp型コンタクト層を、順次エピタキシャル成
長する工程と、該p型コンタクト層をストライプ状にエ
ッチングする工程と、該p型クラッド層のうちで該スト
ライプ状p型コンタクト層の両側に位置する領域の上
に、ZnOとZnO以外の酸化物XO層または亜鉛化合物ZnX層
とからなる埋込層を形成する工程と、を包含しており、
そのことによって上記目的が達成される。ある実施形態
では、前記埋込層の形成工程でプラズマ化した酸素を用
いる。他の実施形態では、前記埋込層の形成工程で、NO
3化合物を含有する溶媒の中に金属部材及びII-VI族半導
体部材を浸し、該金属部材を正電極ならびに該II-VI族
半導体部材を負電極として両部材の間に電圧を印加し
て、それによって該II-VI族半導体部材の表面にZnO層を
形成して、該ZnO層を該埋込層とする。

【００１６】本発明のさらに他の局面によれば、半導体
発光素子が、II-VI族化合物半導体でできている活性層
と、該活性層を上下から挟み込むように設けられ、該II
-VI族化合物半導体でできている上部クラッド層及び下
部クラッド層と、該上部クラッド層の上に形成された酸
素イオンが注入されている埋込層と、該埋込層上に酸化
物XO層または亜鉛化合物ZnX層と、を備えており、その
ことによって上記目的が達成される。

【００１７】本発明のさらに他の局面によれば、半導体
発光素子が、基板と、該基板の上に順次エピタキシャル
成長された、それぞれII-VI族化合物半導体からなるn型
クラッド層、活性層、p型クラッド層、及びp型コンタク
ト層と、を備え、該p型コンタクト層はストライプ状に
形成されており、該p型クラッド層のうちで該ストライ
プ状p型コンタクト層の両側に位置する部分の上には、
酸素イオンが注入されている埋込層がさらに形成されて
いて、該埋込層上に酸化物XO層または亜鉛化合物ZnX層
そのことによって上記目的が達成される。

【００１８】本発明のさらに他の局面によれば、半導体
発光素子の製造方法が、II-VI族半導体エピタキシャル
層の所定の領域に酸素イオンを注入して埋込層を形成す
る工程を包含しており、そのことによって上記目的が達
成される。

【００１９】本発明のさらに他の局面によれば、半導体
発光素子の製造方法が、基板の上にそれぞれII-VI族化
合物半導体からなるn型クラッド層、活性層、p型クラッ
ド層、及びp型コンタクト層を、順次エピタキシャル成
長する工程と、該p型コンタクト層をストライプ状にエ
ッチングする工程と、該p型クラッド層のうちで該スト
ライプ状p型コンタクト層の両側に位置する所定の領域
に酸素イオンを注入して埋込層を形成する工程と、該埋
込層上に酸化物XO層または亜鉛化合物ZnX層を形成する
工程と、を包含しており、そのことによって上記目的が
達成される。

【００２０】具体的には、本発明では、青色半導体レー
ザ構造に含まれるII-VI族半導体エピタキシャル構造の
上にZnO層を形成し、その上にZnO以外の酸化物XO層また
は亜鉛化合物ZnX層を形成し、それを絶縁埋込層とす
る。このZnO層は、例えば、プラズマ化した酸素を用い
ることにより形成することができる。或いは、ＮＯ3化
合物を含有する溶媒の中に金属部材及びII-VI族半導体
部材を浸し、金属部材を正電極ならびにII-VI族半導体
部材を負電極として両部材の間に電圧を印加して、それ
によってII-VI族半導体部材の表面にZnO層を形成するこ
ともできる。

【００２１】或いは、本発明によれば、青色半導体レー
ザ構造に含まれるII-VI族半導体エピタキシャル構造中
に酸素を１×１０14ｃｍ-3以上含有した層を設けて、そ
の上に酸化物XO層または亜鉛化合物ZnX層を形成して、
それを絶縁埋込層とすることもできる。この場合には、
加速酸素イオンを用いて酸素を添加することができる。

【００２２】以下、作用について説明する。本発明で絶
縁埋込層の材料として使用するZnO層は、II-VI族化合物
半導体材料の一つであって、ZnSe、ZnSSe、ZnMgSSeなど
の材料に対する密着性が極めて良い。また酸化物である
ためAl2O3やSiO2などの酸化物に対する密着性も良い。
また、耐酸性及び耐酸化性に優れている。さらに、吸水
性がほとんどなく、形状や寸法の安定性に優れている。

【００２３】また、ZnOは、熱伝導性が極めて良く、そ
の熱伝導率の値はSiO2の値の約30倍近い。従って、ZnO
を絶縁埋込層として用いることにより、活性層で発生し
た熱が、ZnO絶縁埋込層を通して効率的に放散される。

【００２４】さらに、ZnOは、ZnSe、ZnSSe、ZnMgSSeな
どに比べて屈折率が低いが、その差は適切な範囲であ
る。

【００２５】具体的には、例えばクラッド層の屈折率が
典型的には約２．５〜２．６であるのに対して、絶縁埋
込層を構成するZnO層の屈折率は約２．２である。クラ
ッド層と絶縁埋込層との間に存在する屈折率差がこの程
度の値である場合には、クラッド層のストライプ部分の
幅を５〜１０μｍ程度にまで大きくしても、単一横モー
ドレーザ発振が良好に実現される。これに対して、従来
のSiO2による絶縁埋込層では屈折率が約１．４であっ
て、クラッド層との間の屈折率差が大きい。そのため、
安定した単一横モードレーザ発振を実現するためには、
クラッド層に形成するストライプ幅を２μｍ程度にまで
小さくしなければならない。しかし、そのような小さい
幅のストライプの形成は、困難を伴う。

【００２６】このように、ZnO層からなる絶縁埋込層
は、横方向の光閉込め層として有効に機能する。

【００２７】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）本発明の第１の実施形態を、図面
に基づいて説明する。

【００２８】図１は、本発明の第１の実施形態による、
ZnSe系II-VI族半導体を用いた青色半導体レーザ１００
の構造を示す断面図である。

【００２９】半導体レーザ１００では、Siをドープした
n型GaAs基板１１の上に、Clをドープしたn型ZnSeエピタ
キシャル層１２（厚さ０．０３μｍ）、Clをドープした
n型ZnMgSSeクラッド層１３（Zn0.9Mg0.1S0.1Se0.9、厚
さ１．０μｍ）、Clをドープしたn型ZnSSe光導波層１４
（ZnS0.06Se0.94、厚さ０．１２μｍ）、ZnCdSe活性層
１５（Zn0.8Cd0.2Se、厚さ０．００６μｍ）、及び、N
をドープしたp型ZnSSe光導波層１６（ZnS0.06Se0.94、
厚さ０．１２μｍ）が、順次積層されている。

【００３０】p型ZnSSe光導波層１６の上には、p型ZnMgS
Seクラッド層１７が、その一部がストライプ状の形状を
有するように形成されており、そのストライプ部分の上
には、Nをドープしたp型ZnTeコンタクト層１８が形成さ
れている。一方、ストライプ部分以外のp型ZnMgSSeクラ
ッド層１７の上には、ストライプ部分を両側から挟み込
むように多結晶ZnOとAl2O3との積層構造でなる埋込層１
９が設けられている。さらに、p型ZnTeコンタクト層１
８及び多結晶ZnO１９ｚ（２０００Ａ）とAl2O3１９ａ
（２０００Ａ）の積層構造の埋込層１９の上には、p型A
uPd電極１１０が設けられている。一方、n型GaAs基板１
１の下には、n型In電極１１１が設けられている。

【００３１】以上のように積層される各層のうちで、n
型ZnSeエピタキシャル層１２は、GaAs基板１１には格子
整合しないが、GaAs基板１１とII-VI族半導体材料から
構成される上部構造との間のバッファ層として機能す
る。一方、n型ZnSeエピタキシャル層１２の上に積層さ
れるn型ZnMgSSeクラッド層１３及びn型ZnSSe光導波層１
４は、GaAs基板１１と格子整合している。また、n型ZnS
Se光導波層１４の上に積層されるZnCdSe活性層１５は、
GaAs基板１１に格子整合しないが、その厚さが０．００
６μｍと薄く臨界膜厚以下であるので、格子不整合に起
因する転位は発生しない。

【００３２】このように、本実施形態の半導体レーザ１
００では、多結晶ZnOとAl2O3とからなる積層構造でなる
埋込層１９が設けられて、電流狭窄及び光閉込めの役割
を担っている。ZnOおよびAl2O3は熱放散が良いことか
ら、しきい値電流密度の低減と素子の長寿命化が実現で
きる。また、効果的な光閉込めにより、単一横モードレ
ーザ発振が得られる。

【００３３】なお、本実施形態では埋込層１９を多結晶
のZnOとAl2O3から構成しているが、単結晶のZnOとAl2O3
で構成しても同様の効果を得ることができる。またAl2O
3のかわりにSiO2、 ZnO、TiO2、ZrO2などの酸化物を用
いても同様の効果を得ることができる。要は、絶縁物層
であればよい。さらにAl2O3のかわりにZnS、ZnSe、ZnTe
などの亜鉛化合物を用いても同様の効果を得ることがで
きる。

【００３４】さらに、以上の説明では埋込層１９の材料
としてZnOを用いているが、或いは多結晶ZnSを埋込層１
９の材料として用いることもできる。但し、多結晶ZnS
は吸水性が強く、吸水による変質を起こしやすい。ま
た、材料強度的にもろいことから、ZnSeなどに対する密
着性が悪い。従って、絶縁埋込層やエッチングマスク材
料としての利用価値も、あまり高いとは言えない。それ
に対して、以上で説明した本実施形態のように埋込層１
９をZnOから構成することで、吸水性が低く、またII-VI
族化合物半導体材料に対する密着性がよい埋込層１９を
得ることができて、しきい値が低い半導体レーザを実現
することができる。

【００３５】次に、本実施形態における半導体レーザ１
００の製造工程の一例を、図２（ａ）〜図２（ｅ）を参
照して説明する。以下に説明する本実施形態における製
造工程では、ZnSe系II-VI族半導体材料の成長方法とし
て、分子線エピタキシー法を用いている。

【００３６】まず、図２（ａ）に示すようにn型GaAs基
板１１を用意して、図２（ｂ）に示すようにGaAs基板１
１の上に、Clをドープしたn型ZnSeエピタキシャル層１
２、Clをドープしたn型ZnMgSSeクラッド層１３、Clをド
ープしたn型ZnSSe光導波層１４、ZnCdSe活性層１５、N
をドープしたp型ZnSSe光導波層１６、Nをドープしたp型
ZnMgSSeクラッド層１７、そしてNをドープしたp型ZnTe
コンタクト層１８を、順次エピタキシャル成長する。

【００３７】次に、フォトリソグラフ法によってストラ
イプ状のレジスト１１２のパターンを、エピタキシャル
成長で得られたエピタキシャル層の上、具体的には最上
層のp型ZnTeコンタクト層１８の上に形成し、それをマ
スクとして用いて、エピタキシャル層をストライプ状に
エッチングする。具体的には、図２(ｃ）に示すよう
に、レジストマスク１１２で覆われていない領域で、N
をドープしたp型ZnMgSSeクラッド層１７とNをドープし
たp型ZnTeコンタクト層１８とを飽和臭素水液を用いて
エッチングする。エッチャントは、飽和臭素水：燐酸：
水＝１：２：３の混合溶液である。

【００３８】その後、スパッタ法を用いて、室温でウエ
ハ全面にZnO層そして次にAl2O3層を蒸着して、埋込層１
９を形成する。多結晶ZnOとAl2O3との積層構造でなる埋
込層１９を形成後に、アセトンによるリフトオフを用い
て、レジスト層１１２及びレジスト層１１２の上に堆積
したZnOとAl2O3層を除去する（図２（ｄ）参照）。そし
て、その後に、ウエハの上面の全体に渡って、蒸着法を
用いて図２（ｅ）に示すようにp型AuPd電極１１０を形
成する。さらに、その後、GaAs基板１１の裏面側に、や
はり蒸着法によってn型In電極１１１を堆積する。これ
によって、半導体レーザ１００が形成される。

【００３９】以上の説明では、ZnOとAl2O3層の形成にス
パッタ法を用いているが、プロセス温度が十分に低い場
合でもZnOとAl2O3層の堆積速度を大きくするためには、
プラズマ化した酸素をスパッタ装置に導入することが効
果的である。図３は、プラズマ化した酸素を用いてZnO
とAl2O3層を形成する際に用いられる装置３００の概略
図を示す。

【００４０】図３の構成において、真空容器３０の中に
設けられた電極３６の上に、II-VI族半導体材料のウエ
ハ３１を配置する。また、ウエハ３１に相対するよう
に、他の電極３７の上にZnOまたはAl2O3ターゲット３２
を配置する。さらに、真空容器３０には、アルゴンガス
導入管３３、酸素ガス導入管３４、及び排気系３５が設
けられている。

【００４１】具体的には、ZnOまたはAl2O3ターゲット３
２をウエハ３１に対して負電位に保った状態で、真空容
器３０の中に導入した放電ガス、例えばArガスを減圧し
て、放電を起こす。これによって、Arイオンを、負電位
に保ってあるZnOまたはAl2O3ターゲット３２に向かって
加速衝突させる。この衝突で、ターゲット３２から離脱
したZnOまたはAl2O3がその近くに位置するII-VI族半導
体ウエハ（基板）３１の上に堆積する。

【００４２】図３に示す装置３００の構成では、アルゴ
ンガス導入管３３からArガスを真空容器３０の中に導入
すると同時に、酸素ガス導入管３４より酸素を真空容器
３０の中に導入する。放電によってプラズマ化した酸素
は、II-VI族半導体基板３１の上に堆積するZnOまたはAl
2O3膜の中に取り込まれる。これによって、堆積されるZ
nOまたはAl2O3膜の中の酸素の抜けを防ぐことができ、
良質なZnOまたはAl2O3膜を得ることができる。さらに、
低いプロセス温度においても、従来技術の堆積方法に比
べて、ZnOまたはAl2O3膜の堆積速度は数倍程度増加す
る。

【００４３】以上で説明した本発明の第１の実施形態の
製造方法においては、ZnO膜の形成にスパッタ法を用い
ているが、電気化学的にII-VI族半導体基板を酸化してZ
nO膜を得る方法も有効である。

【００４４】図４は、ZnO膜の電気化学的な形成に用い
られる装置４００の概略図である。電解液４２の中に、
II-VI族半導体ウエハ（基板）４１と電極４３とを浸
す。電解液４２としては、エチレングリコール或いはN-
メチルアセトアミドなどの溶媒に、KNO3或いはNH4NO3な
どの塩を加えたものを用いる。そして、II-VI族半導体
基板４１を負電極とし、白金などの金属からなる電極４
３を正電極として、両電極４１及び４３の間に電圧を印
加し、半導体基板４１の表面を酸化する。

【００４５】その酸化の機構は、ZnSeとZnOとの界面を
離れたZnイオンがZnO膜中を電界で移動拡散し、酸化膜
の表面で酸素と反応するものである。酸化膜の成長速度
は回路を流れる電流密度にほぼ比例する。従って、一定
電流で酸化する場合には、両電極４１及び４３の間の電
圧が次第に上昇してZnO膜の絶縁破壊が起こるため、成
長できる膜厚に制限がある。典型的には、約２００ｎｍ
程度が限界である。

【００４６】この方法により、II-VI族半導体基板４１
にダメージを与えることなく、室温で良質のZnO膜を形
成することができる。

【００４７】（第２の実施の形態）以下に、本発明の第
２の実施形態を図面を参照して説明する。

【００４８】図５は、ZnSe系II-VI族半導体を用いた本
実施形態の青色半導体レーザ５００の構造を示す断面図
である。

【００４９】半導体レーザ５００では、Siをドープした
n型GaAs基板５１の上に、Clをドープしたn型ZnSeエピタ
キシャル層５２、Clをドープしたn型ZnMgSSeクラッド層
５３、Clをドープしたn型ZnSSe光導波層５４、ZnCdSe活
性層５５、Nをドープしたp型ZnSSe光導波層５６、及
び、Nをドープしたp型ZnMgSSeクラッド層５７が、順に
積層されている。

【００５０】p型ZnMgSSeクラッド層５７は、その一部が
ストライプ状の形状を有するように形成されており、そ
のストライプ部分の上には、Nをドープしたp型ZnTeコン
タクト層５８が形成されている。一方、ストライプ部分
以外のp型ZnMgSSeクラッド層５７の上には、ストライプ
部分を両側から挟み込むように酸素をイオン注入した埋
込層５９が設けられている。そして酸素をイオン注入し
た埋込層５９上にAl2O3層５１４が形成されている。さ
らに、p型ZnTeコンタクト層５８及び埋込層５９および
５１４の上には、p型AuPd電極５１０が設けられてい
る。一方、n型GaAs基板５１の下には、n型In電極５１１
が設けられている。

【００５１】このように、本実施形態の半導体レーザ５
００では、酸素をイオン注入した層５９とAl2O3層５１
４とを埋込層として設けて、電流狭窄及び光閉込めの役
割を担っている。このような層は熱放散が良いことか
ら、しきい値電流密度の低減と素子の長寿命化が実現で
きる。

【００５２】また、第１の実施形態におけるZnO層によ
る埋込層の場合と同様に、クラッド層に対して適切な範
囲の屈折率の差を確保することができる。これによっ
て、効果的な光閉込めが実現されて、良好な単一横モー
ドレーザ発振が得られる。

【００５３】なお、本実施形態では埋込層５１４を多結
晶のAl2O3から構成しているが、単結晶のAl2O3で構成し
ても同様の効果を得ることができる。またAl2O3のかわ
りにSiO2、 ZnO、TiO2、ZrO2などの酸化物を用いても同
様の効果を得ることができる。さらにAl2O3のかわりにZ
nS、ZnSe、ZnTeなどの亜鉛化合物を用いても同様の効果
を得ることができる。

【００５４】本構造の半導体レーザ５００では、波長約
５００ｎｍにおいて、室温での連続発振が実現される。
図６は、クラッド層５７のストライプ幅が５μｍである
場合について、室温で連続発振した場合に得られる電流
−光出力特性のグラフの一例である。

【００５５】次に、本実施形態における半導体レーザ５
００の製造工程の一例を、図７（ａ）〜図７（ｄ）を参
照して説明する。以下に説明する本実施形態における製
造工程では、ZnSe系II-VI族半導体材料の成長方法とし
て、分子線エピタキシー法を用いている。

【００５６】まず、図７（ａ）に示すようにn型GaAs基
板５１を用意して、図７（ｂ）に示すようにGaAs基板５
１の上に、Clをドープしたn型ZnSeエピタキシャル層５
２、Clをドープしたn型ZnMgSSeクラッド層５３、Clをド
ープしたn型ZnSSe光導波層５４、ZnCdSe活性層５５、N
をドープしたp型ZnSSe光導波層５６、Nをドープしたp型
ZnMgSSeクラッド層５７、そしてNをドープしたp型ZnTe
コンタクト層５８を、順次エピタキシャル成長する。

【００５７】次に、フォトリソグラフ法によってストラ
イプ状のレジスト５１２のパターンを、エピタキシャル
成長で得られたエピタキシャル層の上、具体的には最上
層のp型ZnTeコンタクト層５８の上に形成し、それをマ
スクとして用いて、図７(ｃ）に示すように、エピタキ
シャル層に酸素イオン５１３を注入する。

【００５８】その後、スパッタ法を用いて、室温でウエ
ハ全面にAl2O3層５１４を蒸着し形成する。多結晶Al2O3
層５１４を形成後に、アセトンによるリフトオフを用い
て、レジスト層５１２及びレジスト層５１２の上に堆積
したAl2O3層５１４を除去する（図７（ｄ）参照）。そ
して、その後に、ウエハの上面の全体に渡って、蒸着法
を用いて図７（ｄ）に示すようにp型AuPd電極５１０を
形成する。さらに、その後、GaAs基板５１の裏面側に、
やはり蒸着法によってn型In電極５１１を堆積する。こ
れによって、半導体レーザ５００が形成される。

【００５９】イオン注入条件は、例えば、加速電圧９０
Ｖ、ドーズ量１×１０13ｃｍ-2に設定する。この場合
に、ＬＳＳ理論から計算される飛程は、Ｒｐ＝０．１４
μｍである。これによって、p型ZnMgSSeクラッド層５７
及びp型ZnTeコンタクト層５８のうちでレジスト５１２
で覆われていない部分に酸素イオン５１３が注入され
て、注入層５９が形成される。

【００６０】ZnSe系II-VI族半導体に酸素をイオン注入
する場合、ドーズ量は１×１０14ｃｍ-2以下であり、か
つ５×１０12ｃｍ-2以上であることが望ましい。この範
囲のドーズ量であれば、深さ２Ｒｐ（０．２８μｍ）の
領域における酸素不純物濃度は１×１０14ｃｍ-3以上と
なり、この領域は高抵抗になる。しかし、この範囲より
大きなドーズ量においては、II-VI族半導体材料に特有
の照射損傷欠陥による活性層への影響が大きくなり、レ
ーザ発振を得ることが困難である。また、この範囲より
小さなドーズ量においては、高抵抗化が困難となり、絶
縁埋込層として用いることができなくなる。

【００６１】図８には、酸素をイオン注入した層５９の
絶縁性を示す目的で、その層５９における電流−電圧特
性を示している。これより、−２０Ｖ〜＋２０Ｖの範囲
の電圧を層５９に印加しても全く電流は流れず、有効な
絶縁性を有していることがわかる。なお、本実施形態で
は、イオン注入後に２７５℃で１０分間の熱処理を行な
うが、これはドーズ量によっては省略可能である。

【００６２】（第３の実施の形態）青緑色半導体レーザ
においては、高密度光ディスクメモリやレーザプリンタ
への適用のためには、非点隔差が小さく安定した基本横
モードレーザ発振の実現が要求される。埋め込みリッジ
構造におけるインデックスガイド効果は、そのような特
性を実現するために効果的である。以下では、本発明の
第３の実施形態として、ZnO埋込層を用いてビーム非点
隔差を小さくし、安定した横モードレーザ発振を実現し
た、実インデックスガイド型青緑色半導体レーザを説明
する。

【００６３】図９（ａ）は、本実施形態のZnCdSe/ZnSSe
/ZnMgSSeＳＣＨインデックスガイド型レーザ９００の構
成を示す断面図である。

【００６４】半導体レーザ９００では、Siをドープした
n型GaAs基板９１の上に、Clをドープしたn型ZnSeエピタ
キシャル層９２（厚さ０．０１μｍ）、Clをドープした
n型ZnMgSSeクラッド層９３（Zn0.9Mg0.1S0.1Se0.9、厚
さ２．０μｍ）、Clをドープしたn型ZnSSe光導波層９４
（ZnS0.06Se0.94、厚さ０．１１μｍ）、ZnCdSe活性層
９５（Zn0.8Cd0.2Se、厚さ０．００６μｍ）、Nをドー
プしたp型ZnSSe光導波層９６（ZnS0.06Se0.94、厚さ
０．１２μｍ）、及びp型ZnMgSSeクラッド層９７が、順
次積層されている。

【００６５】p型ZnMgSSeクラッド層９７は、その一部が
ストライプ状の形状を有するように形成されている。ス
トライプ部分の厚さは０．７４μｍであり、それ以外の
部分の厚さは０．２３μｍである。ストライプ部分の上
には、GaAs基板９１に格子整合するp型ZnSSe層９８（Zn
S0.06Se0.94、厚さ０．４５μｍ）、p型ZnSe層９９、及
びp型ZnTeとp型ZeSeとの多重量子井戸層９１１を介し
て、Nをドープしたp型ZnTeコンタクト層９１２が形成さ
れている。一方、ストライプ部分以外のp型ZnMgSSeクラ
ッド層９７の上及びストライプ部分の側面には、ZnOと
Ａｌ2Ｏ3とかならる埋込層９１３が設けられている。さ
らに、p型ZnTeコンタクト層９１２及び多結晶ZnOとＡｌ
２Ｏ3との埋込層９１３の上には、p型AuPd電極９１４が
設けられている。一方、n型GaAs基板９１の下には、n型
In電極９１５が設けられている。

【００６６】以上のように積層される各層のうちで、n
型ZnSeエピタキシャル層９２は、GaAs基板９１には格子
整合しないが、GaAs基板９１とII-VI族半導体材料から
構成される上部構造との間のバッファ層として機能す
る。一方、n型ZnSeエピタキシャル層９２の上に積層さ
れるn型ZnMgSSeクラッド層９３及びn型ZnSSe光導波層９
４は、GaAs基板９１と格子整合している。また、n型ZnS
Se光導波層９４の上に積層されるZnCdSe活性層９５は、
GaAs基板９１に格子整合しないが、その厚さが０．００
６μｍと薄く臨界膜厚以下であるので、格子不整合に起
因する転位は発生しない。

【００６７】さらに、p型ZnMgSSeクラッド層９７の上の
p型ZnSSe層９８は、P型ZnMgSSe層９７とP型ZnSe層９９
との間の急激なバンドオフセットの変化を緩和するため
に挿入されている。また、多重量子井戸層９１１は、図
９（ｂ）に示すようにZnSe層とZnTe層とが交互に積層さ
れて、結果として、下層のZnSe層９９から上層のZeTe層
９１２への組成変化が徐々に起こるようになっている。

【００６８】このように、本実施形態の半導体レーザ９
００では、屈折率が約２.２であるZnOとＡｌ２Ｏ３から
なる埋込層９１３が設けられていて、電流狭窄及び光閉
込めの役割を担っている。ZnOは熱放散が良いことか
ら、しきい値電流密度の低減と素子の長寿命化が実現で
きる。また、効果的な光閉込めにより、単一横モードレ
ーザ発振が得られる。

【００６９】上記各層のエピタキシャル成長は、約２７
０℃の成長温度で行われる。また、リッジ型導波路構造
は、load-locked型電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）
プラズマエッチングシステムを用いて、形成される。レ
ーザ構造は、Cl2ガスとH2ガスの放電を使用して形成さ
れる。ＥＣＲプラスマエッチングの異方性特性によっ
て、リッジ部分の側壁を垂直にするとともに表面を平滑
化することができ、高精度でリッジパターンを形成する
ことができる。

【００７０】本実施形態の半導体レーザ９００につい
て、室温でパルス駆動された場合の特性を以下に説明す
る。典型的には、光出力−電流特性は、２００ｍＡ以上
の範囲までキンクフリーである。しきい電流値は、約２
００ｍＡである。

【００７１】さらに、レーザ発振モードにおける遠視野
パターンの検討結果を以下に述べる。図１０は、幅５μ
ｍのリッジを設けた場合における横方向遠視野パターン
特性を示すグラフである。

【００７２】これより、注入電流を広い範囲で変化させ
て出力を変化させても、出力ビームは非点隔差を有さ
ず、一定の遠視野全角を有していることがわかる。これ
より、横方向での実インデックスガイドモードが成立し
ていることがわかる。さらに、注入電流が変化しても横
方向の形状が一定であることは、出力１８ｍＷまでの範
囲で、単一横モードレーザ発振が成立していることを意
味している。横方向の遠視野放射角は、しきい値よりも
上の範囲で約７度と狭くなっている。

【００７３】図１１は、出力３ｍＷの場合の、接合面に
平行な面内で測定された、レーザ出力端の近傍における
レーザスポットサイズを示している。

【００７４】一般に、レーザビームのビームウエスト
（すなわち、レーザスポット径が最も小さくなっている
箇所）とレーザ出力端との間の距離を非点隔差と称す
る。図１１に示すように、従来技術による構造を有する
半導体レーザでは非点隔差が約２５μｍであるのに対し
て、本実施形態では、その実インデックスガイド型構造
によって、非点隔差は０．５μｍ以下である。従って、
本実施形態によれば、図１２（ａ）及び（ｂ）に示すよ
うに、レーザビームを横からみても（図１２（ａ））、
或いは上からみても（図１２（ｂ））、ビームウエスト
がレーザ出射端面に位置している。これによって、レー
ザをレンズによって絞る場合に、そのビームスポット径
を最小値にすることが可能になる。

【００７５】以上に説明した各実施形態における半導体
レーザでは、クラッド層に設けられるストライプの幅
は、典型的には約５μｍである。

【００７６】なお、上記の本実施形態の説明では、ZnSe
系II-VI族半導体レーザを例に示しているが、ZnS系II-V
I族半導体レーザにおいても本発明が利用できるのは言
うまでもない。

【００７７】また、各層の組成や厚さは、上記の説明の
中で言及した特定の値に限られるわけではない。

【００７８】

【発明の効果】本発明では、ZnO層または酸素を添加し
たZnSe系半導体層を半導体レーザの埋込層に用いる。こ
れにより、埋込層のZnSe系半導体層への密着性が向上
し、熱放散が向上する。そのため、ZnSe系青色半導体レ
ーザにおいて、従来にない、低しきい値電流密度、長寿
命、高パワー、高温動作などが得られ、工業的価値は極
めて高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態における青色半導体レ
ーザの断面図

【図２】（ａ）〜（ｅ）は図１に示す青色半導体レーザ
の製造工程を示す断面図

【図３】本発明の実施形態にて使用される、プラズマ化
した酸素を用いたZnO膜の形成装置の構成を示す断面図

【図４】本発明の実施形態にて使用される電気化学的な
ZnO膜の形成装置の構成を示す断面図

【図５】本発明の第２の実施形態における青色半導体レ
ーザの構造を示す断面図

【図６】図５に示す青色半導体レーザの電流−光出力特
性を示すグラフ

【図７】（ａ）〜（ｄ）は図５に示す青色半導体レーザ
の製造工程を示す断面図

【図８】図５に示す半導体レーザに含まれる酸素をイオ
ン注入した層（埋込層）における電流−電圧特性を示す
グラフ

【図９】（ａ）は本発明の第３の実施形態における青色
半導体レーザの断面図 （ｂ）は（ａ）に示す半導体レーザに含まれる多重量子
井戸層の構成を示す拡大された断面図

【図１０】図９（ａ）に示す半導体レーザにおける横方
向遠視野パターン特性を示す図

【図１１】図９（ａ）に示す半導体レーザのレーザ端面
の近傍における接合面に平行な面で測定した出力３ｍＷ
の際のビームスポット径の変化を示すグラフ

【図１２】図９（ａ）に示す本発明の半導体レーザにお
けるビームウエストの形状を模式的に示す図（ａ）はビ
ームを横からみた図 （ｂ）はビームを上から見た図

【図１３】従来の青色半導体レーザの構造を示す断面図

【符号の説明】

１００ 半導体レーザ １１ Siをドープしたn型GaAs基板 １２ Clをドープしたn型ZnSeエピタキシャル層 １３ Clをドープしたn型ZnMgSSeクラッド層 １４ Clをドープしたn型ZnSSe光導波層 １５ ZnCdSe活性層 １６ Nをドープしたp型ZnSSe光導波層 １７ Nをドープしたp型ZnMgSSeクラッド層 １８ Nをドープしたp型ZnTeコンタクト層 １９ 多結晶ZnOとAl2O3との積層構造からなる埋込層 １１０ p型AuPd電極 １１１ n型In電極 １１２ レジスト ３１ II-VI族半導体ウエハ（基板） ３２ ZnOまたはAl2O3ターゲット ３３ アルゴンガス導入管 ３４ 酸素ガス導入管 ３５ 排気系 ３６，３７ 電極 ４１ II-VI族半導体ウエハ（基板） ４２ 電解液 ４３ 白金電極 ５００ 半導体レーザ ５１ Siをドープしたn型GaAs基板 ５２ Clをドープしたn型ZnSeエピタキシャル層 ５３ Clをドープしたn型ZnMgSSeクラッド層 ５４ Clをドープしたn型ZnSSe光導波層 ５５ ZnCdSe活性層 ５６ Nをドープしたp型ZnSSe光導波層 ５７ Nをドープしたp型ZnMgSSeクラッド層 ５８ Nをドープしたp型ZnTeコンタクト層 ５９ 酸素をイオン注入した層 ５１０ p型AuPd電極 ５１１ n型In電極 ５１２ レジスト ５１３ 酸素イオン ５１４ Al2O3層 ９００ 半導体レーザ ９１ Siをドープしたn型GaAs基板 ９２ Clをドープしたn型ZnSeエピタキシャル層 ９３ Clをドープしたn型ZnMgSSeクラッド層 ９４ Clをドープしたn型ZnSSe光導波層 ９５ ZnCdSe活性層 ９６ Nをドープしたp型ZnSSe光導波層 ９７ Nをドープしたp型ZnMgSSeクラッド層 ９１１ p型ZnTe／ZnSe多重量子井戸層 ９１２ Nをドープしたp型ZnTeコンタクト層 ９１３ ZnO埋込層 ９１４ p型AuPd電極 ９１５ n型In電極

Claims (27)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 II-VI族半導体エピタキシャル層と、 該II-VI族半導体エピタキシャル層の上に設けられたZnO
   層と、 該ZnO層の上に設けられたZnO以外の絶縁物層
   と、を備える、半導体発光素子。
2. 【請求項２】 前記II-VI族半導体エピタキシャル層が
   レーザ構造である、請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 【請求項３】 II-VI族化合物半導体でできている活性
   層と、 該活性層を上下から挟み込むように設けられ、
   II-VI族化合物半導体でできている第１のクラッド層及
   び第２のクラッド層と、 該第１のクラッド層の上に形成されているZnO埋込層
   と、該ZnO埋込層の上に形成されているZnO以外の絶縁物
   層と、を備える、半導体発光素子。
4. 【請求項４】 基板と、 該基板の上に順次エピタキシャル成長された、それぞれ
   II-VI族化合物半導体からなるn型クラッド層、活性層、
   p型クラッド層、及びp型コンタクト層と、を備え、 該p型コンタクト層はストライプ状に形成されており、 該p型クラッド層のうちで該ストライプ状p型コンタクト
   層の両側に位置する部分の上には、ZnOとZnO以外の絶縁
   物層からなる埋込層がさらに形成されている、半導体発
   光素子。
5. 【請求項５】 前記絶縁物層がSi、Al、Ti、Zrの酸化物
   である、請求項１、３、４に記載の半導体発光素子。
6. 【請求項６】 II-VI族半導体エピタキシャル層を備
   え、該II-VI族半導体エピタキシャル層が酸素原子を１
   ×１０14ｃｍ-3以上含有する埋込層をさらに含んでお
   り、該埋込層上に絶縁物層を備えている、半導体発光素
   子。
7. 【請求項７】 前記II-VI族半導体エピタキシャル層が
   レーザ構造である、請求項６に記載の半導体発光素子。
8. 【請求項８】 前記絶縁物層がSi、Al、Zn、Ti、Zrの酸
   化物である、請求項６に記載の半導体発光素子。
9. 【請求項９】 II-VI族半導体エピタキシャル層の上に
   プラズマ化した酸素を用いてZnO層とZnO以外の絶縁物層
   を形成する工程を包含する、半導体発光素子の製造方
   法。
10. 【請求項１０】 NO3化合物を含有する溶媒の中に金属
    部材及びII-VI族半導体部材を浸し、該金属部材を正電
    極ならびに該II-VI族半導体部材を負電極として両部材
    の間に電圧を印加して、それによって該II-VI族半導体
    部材の表面にZnO層を形成する工程を包含する、半導体
    発光素子の製造方法。
11. 【請求項１１】 基板の上に、それぞれII-VI族化合物
    半導体からなるn型クラッド層、活性層、p型クラッド
    層、及びp型コンタクト層を、順次エピタキシャル成長
    する工程と、 該p型コンタクト層をストライプ状にエッチングする工
    程と、 該p型クラッド層のうちで該ストライプ状p型コンタクト
    層の両側に位置する領域の上に、ZnOとZnO以外の絶縁物
    からなる埋込層を形成する工程と、を包含する、半導体
    発光素子の製造方法。
12. 【請求項１２】 前記埋込層の形成工程ではプラズマ化
    した酸素を用いる、請求項１１に記載の半導体発光素子
    の製造方法。
13. 【請求項１３】 II-VI族半導体エピタキシャル層と、 該II-VI族半導体エピタキシャル層の上に設けられたZnO
    層と、該ZnO層の上に設けられたZnO以外の亜鉛化合物Zn
    X層と、を備える、半導体発光素子。
14. 【請求項１４】 前記II-VI族半導体エピタキシャル層
    がレーザ構造である、請求項１３に記載の半導体発光素
    子。
15. 【請求項１５】 II-VI族化合物半導体でできている活
    性層と、 該活性層を上下から挟み込むように設けられ、II-VI族
    化合物半導体でできている第１のクラッド層及び第２の
    クラッド層と、 該第１のクラッド層の上に形成されているZnO埋込層
    と、該ZnO層の上に設けられたZnO以外の亜鉛化合物ZnX
    層と、を備える、半導体発光素子。
16. 【請求項１６】 基板と、 該基板の上に順次エピタキシャル成長された、それぞれ
    II-VI族化合物半導体からなるn型クラッド層、活性層、
    p型クラッド層、及びp型コンタクト層と、を備え、 該p型コンタクト層はストライプ状に形成されており、 該p型クラッド層のうちで該ストライプ状p型コンタクト
    層の両側に位置する部分の上には、ZnOとZnO以外の亜鉛
    化合物ZnX層とからなる埋込層がさらに形成されてい
    る、半導体発光素子。
17. 【請求項１７】 前記亜鉛化合物ZnX層がS、Se、Teの酸
    化物である、請求項１３、１５、１６に記載の半導体発
    光素子。
18. 【請求項１８】 II-VI族半導体エピタキシャル層を備
    え、該II-VI族半導体エピタキシャル層が酸素原子を１
    ×１０14ｃｍ-3以上含有する埋込層をさらに含んでお
    り、該埋込層上に亜鉛化合物ZnX層を備えている半導体
    発光素子。
19. 【請求項１９】 前記II-VI族半導体エピタキシャル層
    がレーザ構造である、請求項１８に記載の半導体発光素
    子。
20. 【請求項２０】 前記亜鉛化合物ZnX層がO、S、Se、Te
    の化合物である、請求項１８に記載の半導体発光素子。
21. 【請求項２１】 基板の上に、それぞれII-VI族化合物
    半導体からなるn型クラッド層、活性層、p型クラッド
    層、及びp型コンタクト層を、順次エピタキシャル成長
    する工程と、 該p型コンタクト層をストライプ状にエッチングする工
    程と、 該p型クラッド層のうちで該ストライプ状p型コンタクト
    層の両側に位置する領域の上に、ZnOとZnO以外の亜鉛化
    合物ZnXからなる埋込層を形成する工程と、を包含す
    る、半導体発光素子の製造方法。
22. 【請求項２２】 前記埋込層の形成工程ではプラズマ化
    した酸素を用いる、請求項２１に記載の半導体発光素子
    の製造方法。
23. 【請求項２３】 前記埋込層の形成工程では、NO3化合
    物を含有する溶媒の中に金属部材及びII-VI族半導体部
    材を浸し、該金属部材を正電極ならびに該II-VI族半導
    体部材を負電極として両部材の間に電圧を印加して、そ
    れによって該II-VI族半導体部材の表面にZnO層を形成し
    て、該ZnO層とZnO以外の亜鉛化合物ZnX層を該埋込層と
    する、請求項２１に記載の半導体発光素子の製造方法。
24. 【請求項２４】 II-VI族化合物半導体でできている活
    性層と、 該活性層を上下から挟み込むように設けられ、該II-VI
    族化合物半導体でできている上部クラッド層及び下部ク
    ラッド層と、 該上部クラッド層の上に形成された酸素イオンが注入さ
    れている埋込層と、該酸素イオンが注入されている埋込
    層上に酸化物XO層または亜鉛化合物ZnX層と、を備え
    る、半導体発光素子。
25. 【請求項２５】 基板と、 該基板の上に順次エピタキシャル成長された、それぞれ
    II-VI族化合物半導体からなるn型クラッド層、活性層、
    p型クラッド層、及びp型コンタクト層と、を備え、 該p型コンタクト層はストライプ状に形成されており、 該p型クラッド層のうちで該ストライプ状p型コンタクト
    層の両側に位置する部分の上には、酸素イオンが注入さ
    れている埋込層がさらに形成されおり、該埋込層上に酸
    化物XO層または亜鉛化合物ZnX層が形成されている、半
    導体発光素子。
26. 【請求項２６】 II-VI族半導体エピタキシャル層の所
    定の領域に酸素イオンを注入して埋込層を形成する工程
    を包含する、半導体発光素子の製造方法。
27. 【請求項２７】 基板の上に、それぞれII-VI族化合物
    半導体からなるn型クラッド層、活性層、p型クラッド
    層、及びp型コンタクト層を、順次エピタキシャル成長
    する工程と、 該p型コンタクト層をストライプ状にエッチングする工
    程と、 該p型クラッド層のうちで該ストライプ状p型コンタクト
    層の両側に位置する所定の領域に酸素イオンを注入して
    埋込層を形成する工程と、該埋込層上に酸化物XO層また
    は亜鉛化合物ZnX層を形成する工程、を包含する、半導
    体発光素子の製造方法。