JPH10284800A - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 温度変化による特性変動がほとんどなく、ま
た高い信頼性を有する半導体発光素子を提供する。 【解決手段】 p-InP基板401上に、SiO2膜402を堆積
し、ストライプマスクを形成し、このマスクを利用して
Erイオンを注入する。表面のマスクを除去し、エピタキ
シャル法によりp-InPクラッド層405、InGaAsP導波路層4
06、InGaAsP井戸層とInGaAsPバリア層からなる量子井戸
構造活性領域407、InGaAsP導波路層408、n-InPクラッド
層409を積層させる。n-InPクラッド層上にn型電極410を
形成し、このn型電極をマスクとして塩素系ガスを用い
たイオンビームエッチングにより、InGaAsP導波路層上
のn-InPクラッド層をエッチングし、さらにn型電極をマ
スクとしてErイオンを注入する。この素子は、外部環境
の影響を受けにくい４ｆ軌道での電子の遷移を用いた希
土類の発光のため、波長の温度変動はほとんどない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、希土類の発光を利
用する半導体発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体発光素子は、化合物半導体
の直接遷移を利用したものが広く実用化されており、光
通信分野や光記録情報分野に用いられてきている。これ
らの発光素子は、環境温度に対する波長や光出力の変化
が大きいため、使用温度範囲が限定されたり、高価な温
度制御素子をパッケージ内に組み込むことにより、温度
変化による特性変動を抑制していた。

【０００３】近年、温度制御フリーを目指した発光素子
の開発が進められてきており、大きくは二つのアプロー
チがある。一つは化合物半導体の従来の構造内で、多重
量子井戸活性層での温度上昇による電子のオーバーフロ
ーを抑制させるための高バリア化の方法であり、もう一
つは従来の発光素子の活性層に希土類をドープし、希土
類イオンの発光を利用する方法である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、温度特
性を改善させようとする前記二つのアプローチにおいて
も問題点がある。高バリア化は、化合物半導体の混晶を
利用し、基板に格子整合しかつ高バリアである材料を結
晶成長させるもので、従来の結晶成長の延長線で作製で
きるため容易であるが、高バリア化に限界があるため、
大きな温度特性の改善は期待できない。

【０００５】一方、希土類の発光を利用すると、希土類
イオンの特徴として外部環境の影響を受けにくい４ｆ軌
道での電子の遷移が発光に関係するため、波長の温度変
動はほとんどない。希土類を用いた発光素子はApplied
Physics Letters Vol. 49 (1986) pp. 1686-1688 で報
告されているが、活性層に希土類をドープすると、希土
類原子が母結晶を構成している半導体原子よりも原子半
径が大きいため、結晶欠陥が発生しやすく信頼性を確保
するまでにはいたっていない。また、ドープ方法として
はイオン注入があるが、活性層にイオン注入を行うと活
性層自身が破壊されてしまう可能性が高い。

【０００６】本発明は、半導体発光素子において、温度
変化に対して特性の変化が小さく、また従来の半導体発
光素子では得られなかった長波長で発光しかつ信頼性の
高い発光素子を得ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、活性層以外の層に希土類をドープし、活性
層での電子と正孔の再結合エネルギーを利用することに
より、希土類の発光を得ることとしたものである。これ
により従来の発光素子に比べて、環境温度が変化しても
波長の変化が小さい発光素子を実現することができる。

【０００８】また上記発明において、希土類を光学活性
化させる元素が希土類と同時にドープされていることと
したものである。これにより希土類が光学的に活性にな
り、高い発光強度を得ることができる。

【０００９】また上記発明において、面発光型の半導体
発光素子の活性層の上部または下部に希土類がドープさ
れた領域を有することとしたものである。これにより、
面発光型発光素子で従来実現することが困難であった光
通信用の波長を得ることができる。

【００１０】また上記発明において、端面発光型の半導
体発光素子の活性層の上部あるいは下部に希土類がドー
プされた領域を有することとしたものである。これによ
り従来の発光素子に比べて、環境温度が変化しても波長
の変化が小さい発光素子を実現することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施例について
図面を用いて詳細に説明する。

【００１２】（実施の形態１）図１は、本発明の実施の
形態１の半導体発光素子の製造工程の断面図である。図
１（ａ）〜（ｃ）に示す断面図を参照して、発光素子に
対する作製プロセスを説明する。

【００１３】まずプロセス（１）として、図１（ａ）に
示すように、p-Si基板101上に厚さ0.2μmのSiO2膜102を
堆積させ、さらにレジストで中央に半径１ｍｍの穴をパ
ターニングし、フッ酸でSiO2膜を除去する。

【００１４】次に全面に希土類化合物103、例えば希土
類塩化物であるNdCl3を塗布または蒸着で堆積させた
後、真空チャンバー内で高温加熱処理をすることにより
Si基板表面上に希土類ドープ層104を形成する。ここで
の加熱温度は希土類塩化物の融点以上の温度で、900℃
以上必要である。拡散を用いた場合、希土類の半導体へ
のドーピングは平衡状態で進むため、多くても1018cm-3
程度である。また、希土類化合物として塩化物を用いた
理由としては、酸化物や他のハロゲン化物（フッ素、臭
素やヨウ素）に比べて全種の希土類元素にわたり、融点
が900℃以下であるため、熱処理での基板へのダメージ
が軽減されるためである。

【００１５】次にプロセス（２）として、図１（ｂ）に
示すように、基板表面の残留している希土類塩化物とSi
O2膜を塩素系ガスを用いたドライエッチングにより除去
した後、さらにSiO2膜105を堆積し上記と同様にフォト
リソグラフィーにより、半径2ｍｍの穴を形成する。そ
の後、活性層として量子効果を起こしうる微細Si粒の層
106を堆積する。ここでSiO2膜の開口半径を大きくした
理由としては、希土類をドープした層は高抵抗になるこ
とが実験的に知られており、半径を同じにすると電流が
流れにくくなるためである。

【００１６】最後にプロセス（３）として、図１（ｃ）
に示すように、基板の上下面に光り取り出しとオーミッ
ク電極を兼ねるPt電極107を形成する。以上の構成によ
り、活性層からの発光エネルギーを利用し、希土類の発
光を得ることができる。希土類の発光のメカニズムは、
発光素子の活性層で発生した光を、活性層近傍にドープ
された希土類イオンが吸収することにより電子のレベル
が励起され、その後準安定状態に落ち着いた電子が基底
状態に戻るときに発光されるというものである。半導体
の活性層での発光は、活性層のバンドギャップで決定さ
れ、そのバンドギャップ自体が温度によって変化するた
め、外部環境の影響を受けやすい。

【００１７】一方、希土類の発光では、発光のエネルギ
ーレベルが外部環境の影響を受けにくい４ｆ軌道での電
子の遷移に関係するため、波長の温度変動はほとんどな
い。図６に、希土類をドープする母結晶の活性層での発
光波長と、希土類元素の吸収波長と発光波長を示してい
る。本実施の形態で、Ndを用いた理由としては、Ndの吸
収波長が微細Siからなる活性層からの発光と一致するた
めである。

【００１８】（実施の形態２）面発光半導体レーザに対
する本発明の実施例について説明する。

【００１９】図２（ａ）〜（ｄ）に示す断面図を参照し
て、面発光レーザに対する作製プロセスを説明する。

【００２０】まずプロセス（１）として、図２（ａ）に
示すように、p-GaAs基板201上に、24.5対のp-GaAs層とp
-AlAs層をp型の中間層を間に挟みながら積層したp型下
部ミラー202と、井戸層がIn0.2Ga0.8As層とバリア層で
あるGaAs層とを含む歪量子井戸層からなる活性層を上下
からAl0.5Ga0.5Asクラッド層で挟んだ活性領域203と、2
4.5対のn-GaAs層とn-AlAs層をn型の中間層を間に挟みな
がら積層したn型上部ミラー204とを、MBE法（分子線エ
ピタキシャル成長法）やMOVPE法（有機金属気相成長
法）などによってエピタキシャル成長させた後、n型電
極205およびp型電極206を形成する。その後n型電極をマ
スクとしてCl2を用いたRIE法で上部ミラーの途中まで１
回目のエッチングを行う。この時、約2〜3対の上部ミラ
ーを残すようにエッチングするが、これは次に行うイオ
ン注入によるダメージが、活性領域に入らないようにす
るためである。

【００２１】次にプロセス（２）として、図２（ｂ）に
示すように、プロセス（１）で露出された表面部にn型
電極をマスクとして、イオン注入により希土類イオン、
例えばErイオンをドープする。実施の形態１で述べたよ
うに、希土類がドープされた層は高抵抗の層になるた
め、電流狭窄が効率的になされる。イオン注入の特徴と
しては、ストライプの側面にも均一にドーピングできる
ことと、高濃度のドーピングを行うことができることで
ある。また、ここでErをドープした理由としては、図６
に示すように、この面発光レーザの発光波長が980nm付
近であり、Erの吸収波長と一致するためである。

【００２２】続いてプロセス（３）として、図２（ｃ）
に示すように、プロセス（２）で形成されたメサをSiO2
膜208で覆い、これをマスクとしてCl2を用いたRIBE法で
活性領域の直下まで２回目のエッチングを行う。

【００２３】最後にプロセス（４）として、図２（ｄ）
に示すように、CF4を用いたRIEでSiO2を除去する。この
ようにして得られた面発光半導体レーザは、上部ミラー
と下部ミラーが分布反射器を構成しており、出力光は基
板の裏面より取り出す構成となる。この構成によって
も、実施の形態１と同様に活性層からの発光エネルギー
を利用し、希土類の発光を得ることができる。また、従
来の面発光素子では実現しにくい光通信波長での発光を
容易に得ることができる。

【００２４】（実施の形態３）本実施の形態では、結晶
成長によって希土類ドープを行う方法について説明す
る。図３（ａ）〜（ｄ）に示す断面図を参照して、作製
プロセスを説明する。

【００２５】まずプロセス（１）として、図３（ａ）に
示すように、n-InP基板301上に、MOVPE法により厚さ0.1
μmのn-InPクラッド層302、厚さ0.1μmのInGaAsP導波路
層303、InGaAsP井戸層とInGaAsPバリア層とからなる量
子井戸構造活性領域304、厚さ0.1μmのInGaAsP導波路層
305、厚さ0.4μmのp-InPクラッド層306を積層させる。

【００２６】次にプロセス（２）として、図３（ｂ）に
示すように、幅1.5μmのSiO2ストライプマスク307を形
成し、さらに塩酸系のエッチング液によりストライプ状
共振器を形成する。塩酸系のエッチング液は、InP層の
みを選択的にエッチングする性質があるため、InGaAsP
導波路層上でエッチングが停止する。

【００２７】続いてプロセス（３）として、図３（ｃ）
に示すように、 MOVPE法により電流狭窄層として、Tmが
ドープされたInP層308をSiO2ストライプマスクを用いて
選択的に成長させる。この希土類ドープ層は活性層に近
接しており、面発光型の発光素子と同様に活性層からの
発光エネルギーを利用し、効率良く希土類イオンの発光
を得ることができる。

【００２８】最後にプロセス（４）として、図３（ｄ）
に示すように、フッ酸によるエッチングでSiO2ストライ
プマスクを除去し、さらにMOVPE法によりp-InP層309、p
-InGaAsPコンタクト層310を成長させ、p-InGaAsPコンタ
クト層上にAuとZnからなるp型電極311、n-InP基板側にA
uとSnからなるn型電極312を形成し、従来と同様のスト
ライプ埋込型レーザ構造を作製する。本実施の形態の特
徴としては、準平衡状態でドーピングが可能なMOVPE法
を用いるため、熱拡散で得られる1018cm-3以上のドーピ
ングが可能となり、より高い発光効率を得ることができ
る。また図６に示すように、従来の光通信用半導体発光
素子では実現困難な長波長の発光が可能となる。

【００２９】（実施の形態４）実施の形態３では、メサ
ストライプを形成しその両側に電流ブロック層として希
土類ドープ層を用いたが、本実施の形態では、活性層の
下部にあらかじめを希土類ドープ層を設け、さらに上部
にも希土類ドープ層を設けることにより電流狭窄と希土
類の発光をより効果的に実現できる構造の作製方法につ
いて説明する。図４（ａ）〜（ｄ）に示す断面図を参照
して、作製プロセスを説明する。

【００３０】まずプロセス（１）として、図４（ａ）に
示すように、p-InP基板401上に、SiO2膜402を堆積し、
さらにレジスト403を塗布した後、ファトリソグラフィ
ーにより幅2μmのストライプマスクを形成し、このマス
クを利用してErイオンを注入する。ここで形成されたEr
がドープされた層404は、高抵抗を示し電流狭窄の役割
を果たすことになる。

【００３１】次にプロセス（２）として、図４（ｂ）に
示すように、表面のストライプマスクを除去し、さらに
基板表面を硫酸系のエッチング液で表面処理を行い、有
機金属気相成長エピタキシャル法により厚さ0.1μmのp-
InPクラッド層405、厚さ100nmのInGaAsP導波路層406、
厚さ5nmのInGaAsP井戸層の５層と厚さ10nmのInGaAsPバ
リア層の４層とからなる量子井戸構造活性領域407、厚
さ0.1μmのInGaAsP導波路層408、厚さ2μmのn-InPクラ
ッド層409を積層させる。

【００３２】続いてプロセス（３）として、図４（ｃ）
に示すように、n-InPクラッド層上に幅10μmのAuとSnか
らなるn型電極410を形成し、このn型電極をマスクとし
て塩素系ガスを用いた反応性イオンビームエッチングに
より、InGaAsP導波路層上のn-InPクラッド層を1.5μmほ
どエッチングする。

【００３３】次ににプロセス（４）として、図４（ｄ）
に示すように、 n型電極をマスクとしてErイオンを注入
する。最後に基板を劈開しやすいように、研磨もしくは
エッチングにより基板厚を150μm程度にした後、Au-Zn
合金を蒸着し、N2雰囲気中でのアニール処理によりp型
電極411を形成する。

【００３４】以上の構成により、活性層の上下に形成さ
れた希土類イオンの注入層が、電流狭窄と希土類発光の
両方の効果を果たすことになり、実施の形態３よりも効
率の良い発光を得ることが可能となる。また実施の形態
３と同様、図６に示すように、従来の光通信用半導体発
光素子では実現困難な長波長の発光が可能となる。

【００３５】（実施の形態５）本実施例では、希土類ド
ープやさらに他の原子のドーピングが同時に可能なイオ
ン注入法を用いた発光素子の作製方法について説明す
る。図５（ａ）〜（ｄ）に示す断面図を参照して、作製
プロセスを説明する。

【００３６】まずプロセス（１）として、図５（ａ）に
示すように、サファイア基板501上に格子不整合を緩和
させるためのGaNバッファー層502、n-GaN層503、InGaN
活性層504、p-GaN層505をMOVPE法により成長させる。そ
の後、厚さ0.5μmのSiO2膜506を堆積後、さらに厚さ5μ
mのレジスト507を塗布し、フォトリソとCF4ガスを用い
たドライエッチングにより、幅2μmのストライプマスク
を形成する。この時レジストも同時にエッチングされ膜
厚は半分程度に減少するが、幅の減少はほとんどない。

【００３７】次にプロセス（２）として、図５（ｂ）に
示すように、ストライプマスクを利用して、塩素ガスを
用いた反応性イオンビームエッチングによりp-GaN層を
エッチングする。この時、ドライエッチングにより、活
性層上のp-GaN層の厚みが約0.5μmになるようにエッチ
ングする。このp-GaN層の残し厚みがあまり厚すぎる
と、次のイオン注入によって電流狭窄層を形成しても、
イオン注入層の下のp-GaN層を通して電流が広がってし
まうためである。また逆に薄すぎると、イオン注入が活
性層にも施されるため、活性層に欠陥が入ってしまう。
次にSiO2膜とレジスト膜をマスクとして、p-GaN層へHo
イオンをイオン注入によりドーピングする。さらに、同
じ領域にイオン注入により酸素イオンをドーピングし、
900℃以上の熱処理を行いイオン注入によって生じたダ
メージを緩和する。ここで酸素イオンをドーピングする
理由としては、結晶内で希土類イオンと酸素が結び付
き、光学活性になることが実験的に報告されているため
である。

【００３８】続いてプロセス（３）として、図５（ｃ）
に示すように、SiO2膜とレジスト膜を除去し、再び全面
にSiO2膜509を堆積し、p-GaN層上の一部のみSiO2膜を除
去する。次にSiO2膜をマスクとして、再び塩素ガスを用
いた反応性イオンビームエッチングによりp-GaN層、InG
aN活性層、n-GaN層をエッチングする。

【００３９】最後にプロセス（４）として、図５（ｄ）
に示すように、プロセス（２）で形成したメサの直上部
のSiO2膜を除去し、p型電極510を形成し、プロセス
（３）で露出させたn-GaN層上にn型電極511を形成す
る。

【００４０】以上の構成により、希土類と酸素を同時に
ドープした発光素子により、希土類単体に比べて発光効
率の高い素子を作製することができるため、高出力化が
可能となる。また図６に示すように、GaN/InGaNで構成
される発光素子の発光波長は多種の希土類の吸収波長に
対応しているため、従来の光通信用半導体発光素子の波
長からさらに長波長の発光まで実現可能となる。

【００４１】また本実施例では、希土類の励起を光の吸
収を利用したが、ドープする希土類として母結晶の活性
層からの発光を吸収できる希土類元素であれば、異なる
波長の発光も可能である。

【００４２】なお本実施例では、希土類の励起を光の吸
収を利用したが、他の励起方法として、例えば高速の電
子を希土類イオンに衝突させて励起させる機構を用いて
も同様の効果が得られる。

【００４３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明は、希土類の
発光を半導体発光素子に於いて実現することにより、環
境温度変動に対して発振波長の安定な光源を提供し、ま
た希土類元素をかえることにより異なる波長の発光を得
ることを提供するもので、産業上大きな意義を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施の形態１の半導体レーザ作製の構造
断面図

【図２】本発明実施の形態２の半導体レーザ作製の構造
断面図

【図３】本発明実施の形態３の半導体レーザ作製の構造
断面図

【図４】本発明実施の形態４の半導体レーザ作製の構造
断面図

【図５】本発明実施の形態５の半導体レーザ作製の構造
断面図

【図６】希土類元素の吸収及び発光波長の説明図

【符号の説明】

１０１ p-Si基板 １０２ SiO2膜 １０３ 希土類化合物 １０４ 希土類ドープ層 １０５ SiO2膜 １０６ 微細Si膜 １０７ Pt電極 ２０１ p-GaAs基板 ２０２ p型ミラー ２０３ 活性領域 ２０４ n型ミラー ２０５ n型電極 ２０６ p型電極 ２０７ 希土類ドープ層 ２０８ SiO2膜 ３０１ n-InP基板 ３０２ n-InPクラッド層 ３０３ InGaAsP導波路層 ３０４ 量子井戸構造活性領域 ３０５ InGaAsP導波路層 ３０６ p-InPクラッド層 ３０７ SiO2ストライプマスク ３０８ 希土類ドープ層 ３０９ p-InP層 ３１０ p-InGaAsPコンタクト層 ３１１ p型電極 ３１２ n型電極 ４０１ p-InP基板 ４０２ SiO2膜 ４０３ レジスト ４０４ 希土類ドープ層 ４０５ p-InPクラッド層 ４０６ InGaAsP導波路層 ４０７ 量子井戸構造活性領域 ４０８ InGaAsP導波路層 ４０９ n-InPクラッド層 ４１０ n型電極 ４１１ p型電極 ４１２ 希土類ドープ層 ５０１ サファイア基板 ５０２ GaNバッファー層 ５０３ n-GaN層 ５０４ InGaN活性層 ５０５ p-GaN層 ５０６ SiO2膜 ５０７ レジスト ５０８ 希土類ドープ層 ５０９ SiO2膜 ５１０ p型電極 ５１１ n型電極

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】活性層に近接し、かつ活性層で発生する光
   を充分吸収できる層に希土類をドープし、活性層での電
   子と正孔の再結合エネルギーを利用することにより、希
   土類の発光を得る半導体発光素子。
2. 【請求項２】活性層での電子と正孔の再結合エネルギー
   を光を媒体として利用する請求項１に記載の半導体発光
   素子。
3. 【請求項３】希土類を光学活性化させる元素が希土類と
   共にドープされている請求項１に記載の半導体発光素
   子。
4. 【請求項４】酸素またはフッ素、あるいは両方の元素が
   希土類と同時にドープされている請求項３に記載の半導
   体発光素子。
5. 【請求項５】面発光型の半導体発光素子において、前記
   半導体発光素子の活性層の上部または下部に希土類がド
   ープされた領域を有する請求項１に記載の半導体発光素
   子。
6. 【請求項６】端面発光型の半導体発光素子において、前
   記半導体発光素子の活性層の上部または下部に希土類が
   ドープされた領域を有する請求項１に記載の半導体発光
   素子。
7. 【請求項７】活性領域に効率良く電流注入するために設
   ける電流狭窄層に、希土類をドープした層を用いる請求
   項５または６に記載の半導体発光素子。
8. 【請求項８】活性層に近接し、かつ活性層で発生する光
   を充分吸収できる層に希土類をドープし、活性層での電
   子と正孔の再結合エネルギーを利用することにより、希
   土類の発光を得る半導体発光素子であって、活性層以外
   の層に希土類をドープ手段として、熱拡散を用いる半導
   体発光素子の製造方法。
9. 【請求項９】活性層に近接し、かつ活性層で発生する光
   を充分吸収できる層に希土類をドープし、活性層での電
   子と正孔の再結合エネルギーを利用することにより、希
   土類の発光を得る半導体発光素子であって、活性層以外
   の層に準平衡状態で希土類をドープすることが可能な結
   晶成長方法を用いる半導体発光素子の製造方法。
10. 【請求項１０】活性層に近接し、かつ活性層で発生する
    光を充分吸収できる層に希土類をドープし、活性層での
    電子と正孔の再結合エネルギーを利用することにより、
    希土類の発光を得る半導体発光素子であって、活性層以
    外の層に希土類をドープ手段として、イオン注入法を用
    いる半導体発光素子の製造方法。
11. 【請求項１１】希土類をドープした後に熱処理を行う請
    求項１０に記載の半導体発光素子の製造方法。