JPH11168259A

JPH11168259A - 半導体装置及びその製造方法

Info

Publication number: JPH11168259A
Application number: JP9335482A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Imanishi; 大介今西
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1997-12-05
Filing date: 1997-12-05
Publication date: 1999-06-22

Abstract

(57)【要約】【課題】化合物半導体レーザの出射端面における非発光
再結合を低減し、発光効率の向上及び温度上昇の緩和を
達成する。【解決手段】レーザ共振器の出射端面に、出射レーザ光
のエネルギーよりも大きなバンドギャップを持った単結
晶半導体層１０をエピタキシャル成長させ、その出射端
面のダングリングボンドをターミネートさせる。これに
より、ダングリングボンドに起因する非発光再結合中心
が低減する。単結晶半導体層１０として、レーザ共振器
の、特に、活性層３の格子定数よりも大きな格子定数を
持ったものを形成すると、活性層３の端面に引っ張り歪
みを与えて、その部分のバンドギャップを広げることが
できる。これにより、活性層３の端面近傍での光吸収及
び非発光再結合を低減することができる。これらのこと
は、半導体レーザのみならず、太陽電池の受光面にも適
用できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主として化合物半
導体からなる、例えば、半導体レーザや太陽電池のよう
な光電変換用の半導体装置及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】化合物半導体の多くは、ＳｉやＧｅ等の
元素半導体と異なり、直接遷移型の半導体である。そし
て、この利点を生かして、化合物半導体の光デバイスへ
の応用が盛んに行われている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、一般に、直
接遷移型の半導体は、バンド間での直接再結合が起こる
ため、ＳｉやＧｅ等の間接遷移型の半導体に比べ、半導
体中に生成したキャリアの寿命が数桁程度短い。また、
一般に、結晶の周期性が崩れる半導体表面や端面等には
ダングリングボンドによる非発光再結合中心が多く形成
される。

【０００４】これらのことは、半導体中でのキャリアの
無駄に繋がり、また、キャリアの非発光再結合によるフ
ォノンの発生は、デバイスの温度上昇を招く。

【０００５】例えば、半導体レーザのような電気→光の
光電変換を行う素子では、半導体中に注入した電流のロ
スが生じたり、光出射端面の劣化が温度上昇により速ま
ったりする。

【０００６】一方、例えば、太陽電池のような光→電気
の光電変換を行う光電変換素子では、受光面で生成した
キャリアが、ｐｎ接合で分離される前に再結合してエネ
ルギー変換効率の低下を招き、また、そのキャリアの非
発光再結合による素子の温度上昇も、エネルギー変換効
率を低下させる要因となる。

【０００７】そこで、本発明の目的は、例えば、半導体
レーザや太陽電池のような光電変換用の半導体装置にお
いて、光出射面や入射面におけるキャリアの再結合を低
減することができる半導体装置及びその製造方法を提供
することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
本発明の半導体装置は、主として化合物半導体からなる
光電変換用の半導体装置であって、少なくとも光の出射
面又は入射面が、実質的に単結晶の半導体層で保護され
ている。

【０００９】また、本発明の半導体装置の製造方法で
は、主として化合物半導体で構成されたレーザ共振器の
出射端面上に実質的に単結晶の半導体層をエピタキシャ
ル成長させる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を好ましい実施の形
態に従い説明する。

【００１１】〔第１の実施の形態〕図１に、本発明の第
１の実施の形態として、半導体レーザに本発明を適用し
た例を示す。

【００１２】半導体レーザとして、ここでは、例えば、
発振波長λ≒６５０〔ｎｍ〕のＡｌＧａＩｎＰ系のもの
を用いる。

【００１３】図１（ｂ）に、その半導体レーザの外観斜
視図を、図１（ａ）に、その側面図を夫々示す。

【００１４】この例における半導体レーザのレーザ共振
器構造を説明すると、例えば、Ｓｉをドープしたｎ型Ｇ
ａＡｓ基板１の上に、例えば、Ｓｅをドープした（Ａｌ
_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなる厚さ１μｍ程度
のｎクラッド層２が設けられ、その上に、活性層３が設
けられている。

【００１５】活性層３は、詳細な図示は省略するが、例
えば、（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ等からなる
厚さ５０ｎｍ程度の一対の光ガイド層の間に、例えば、
Ｇａ_0.45Ｉｎ_0.55Ｐ等からなる厚さ５ｎｍ程度の量子井
戸層と、例えば、（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ
等からなる厚さ６ｎｍ程度のバリア層とを交互に積層し
た、例えば、３ＱＷ構造となっている。

【００１６】この活性層３の上には、例えば、Ｚｎをド
ープした（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ等からな
る厚さ１μｍ程度のｐクラッド層４が設けられている。

【００１７】このｐクラッド層４は、その一部がストラ
イプ状のリッジ（ridge)構造に構成され、そのリッジ部
におけるｐクラッド層４の上に、例えば、Ｚｎをドープ
したＧａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなる厚さ３０ｎｍ程度のｐ
型半導体層５を介して、例えば、Ｚｎをドープしたｐ型
のＧａＡｓからなる厚さ３００ｎｍ程度のコンタクト層
６が設けられている。

【００１８】このリッジ部の両側は、例えば、Ｓｅをド
ープしたｎ型のＧａＡｓからなる電流狭窄層７により埋
め込まれている。

【００１９】このように構成されたレーザ共振器構造の
上面には、例えば、その上面に近い側から順にＴｉ／Ｐ
ｔ／Ａｕの積層構造からなるｐ電極８が、一方、レーザ
共振器構造の下面には、例えば、その下面に近い側から
順にＡｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕの積層構造からなるｎ電極
９が夫々設けられている。

【００２０】このレーザ共振器構造の光出射端面は、例
えば、その全体が、本発明による保護半導体層１０によ
り覆われている。

【００２１】一方、このレーザ共振器構造の光出射端面
の反対側の端面には、例えば、高反射（ＨＲ）膜１１が
設けられている。なお、この反対側の端面からもレーザ
光を出射させるような場合には、この反対側の端面に
も、本発明による保護半導体層を設けて良い。

【００２２】レーザ共振器構造の光出射端面に設ける保
護半導体層１０としては、レーザ共振器構造から出射さ
れるレーザ光のエネルギーよりも大きなバンドギャップ
を持っていることが必要である。もし、この保護半導体
層１０におけるバンドギャップが、レーザ共振器構造か
ら出射されるレーザ光のエネルギーよりも小さければ、
レーザ共振器構造から出射されるレーザ光の一部がこの
保護半導体層１０により吸収されてしまい、半導体レー
ザとしての発光効率が低下する虞が有る。

【００２３】この時、保護半導体層１０におけるバンド
ギャップは、レーザ共振器構造の、特に、活性層を構成
する半導体のバンドギャップよりも大きいのが好ましい
が、必ずしもその必要は無い。これは、レーザ共振器構
造から出射されるレーザ光のエネルギーは、通常、活性
層を構成する半導体のバンドギャップよりも小さくなる
ためで、従って、保護半導体層１０におけるバンドギャ
ップは、レーザ共振器構造から出射されるレーザ光のエ
ネルギーよりも大きくさえあれば、レーザ共振器構造の
活性層を構成する半導体のバンドギャップと同等か、或
いは、それより小さくても良い。

【００２４】この保護半導体層１０には、レーザ共振器
構造の光出射端面に元々有ったダングリングボンドをタ
ーミネートするという効果が有る。

【００２５】即ち、レーザ共振器構造の光出射端面は、
通常、劈開により形成するが、この時、端面は、半導体
にとって特異点となり、そこでバンド構造が乱れる。こ
れは、原子の周期性が無くなることと、端面に発生する
ダングリングボンドによるもので、この結果、その端面
近傍に非発光再結合中心が多く形成される。

【００２６】そこで、このレーザ共振器構造の光出射端
面に保護半導体層１０を、例えば、エピタキシャル成長
で形成し、これにより、光出射端面に有ったダングリン
グボンドをターミネートさせて、非発光再結合中心を低
減させる。この結果、レーザ共振器構造における発光効
率が向上し、また、非発光再結合による温度上昇も緩和
される。

【００２７】なお、保護半導体層１０の光出射面側に
は、やはり、ダングリングボンド等の問題が残るが、こ
の保護半導体層１０は、バンドギャップの比較的大きな
材料で構成するので、本来、その光吸収は小さく、従っ
て、その光出射面側でのダングリングボンド等の影響も
小さい。

【００２８】上述したダングリングボンドのターミネー
トのためには、保護半導体層１０として、その格子定数
が、レーザ共振器構造の光出射端面における格子定数と
なるべく近いものを用いる。

【００２９】一方、保護半導体層１０として、その格子
定数が、レーザ共振器構造の光出射端面における格子定
数よりも大きなものを用いると、次のような効果が有
る。

【００３０】即ち、一般に、活性層の端面近傍ではバン
ドギャップが小さくなる傾向が有るが、その端面に、格
子定数がより大きな保護半導体層１０を、例えば、エピ
タキシャル成長により形成すると、その端面に引っ張り
歪みが発生し、バンドギャップが広がる。従って、その
部分での光吸収が低減し、発光効率が向上する。また、
その部分の光吸収で生成したキャリアが更に非発光性の
直接再結合をして、フォノン、即ち、熱に変わることが
少なくなるので、特に、活性層の端面近傍における温度
上昇を緩和することができ、活性層端面の劣化が緩和さ
れる。

【００３１】ここで、上述したダングリングボンドのタ
ーミネートのためには、保護半導体層１０の格子定数と
レーザ共振器構造の光出射端面における格子定数との差
が±５％程度以内であれば良く、±１０％程度以内でも
充分な効果が得られる。そこで、この範囲の中で、保護
半導体層１０の格子定数が、レーザ共振器構造の光出射
端面における格子定数よりも大きい部分を採れば、ダン
グリングボンドのターミネートの効果と活性層端面のバ
ンドギャップ拡大との両方の効果が得られることにな
る。特に、保護半導体層１０の格子定数を、レーザ共振
器構造の光出射端面における格子定数よりも５〜１０％
大きく採れば、夫々の効果を充分に得ることができる。

【００３２】図２に、代表的な半導体材料におけるバン
ドギャップＥ_g〔ｅＶ〕、格子定数ａ〔Å〕、バンドギ
ャップに相当する波長λ_g〔μｍ〕を夫々示す。

【００３３】この図２中に、上述の例の発振波長λ＝６
５０〔ｎｍ〕≒１．９０７〔ｅＶ〕の場合を示すが、こ
れから、上述の例で、活性層端面のバンドギャップ拡大
の効果を特に得る必要が無い場合には、保護半導体層１
０として、例えば、ＡｌＡｓ、ＡｌＡｓ_0.96Ｐ_0.04、Ａ
ｌ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ等を用いれば良いことが分かる。一
方、活性層端面のバンドギャップ拡大の効果をも得たい
場合には、例えば、ＣｄＳ、ＨｇＳ、ＣｄＳ_0.83Ｓｅ
_0.17等を用いれば良い。更に、上述した５〜１０％の範
囲に相当する格子定数ａが５．９３〜６．２１の範囲で
は、例えば、ＺｎＴｅ、ＭｇＴｅ等を用いることができ
る。

【００３４】また、上述の例に限らず、例えば、ＧａＡ
ｓ系のレーザ発振器の場合には、保護半導体層として、
例えば、ＡｌＡｓ、ＧａＩｎＰ系、ＡｌＡｓＰ系、Ａｌ
ＩｎＰ系等を用いることができ、場合によっては、格子
定数は小さくなるが、その差が５％以内であるので、例
えば、ＧａＰやＡｌＰ等を用いることも可能である。

【００３５】なお、この保護半導体層１０に用いる半導
体材料としては、できるだけ抵抗の高いノンドープのも
のを用いる。

【００３６】また、この保護半導体層１０の膜厚は、レ
ーザ共振器構造の発振波長λに対し、例えば、ｎλ／４
（ｎ：正の整数）にできるだけ近く設定する。この保護
半導体層１０の膜厚は、あまり薄過ぎると、特に、活性
層端面のバンドギャップ拡大の効果が得難くなるので好
ましくない。一方、この保護半導体層１０の膜厚があま
り厚過ぎると、この保護半導体層１０による光吸収や屈
折等の影響が大きくなり過ぎる虞が有るので好ましくな
い。

【００３７】保護半導体層１０は、レーザ共振器構造の
光出射端面上に、例えば、有機金属気相成長（ＭＯＣＶ
Ｄ又はＭＯＶＰＥ）法や分子線エピタキシャル（ＭＢ
Ｅ）法により、単結晶化合物半導体をエピタキシャル成
長させて形成する。

【００３８】この時、例えば、次のようにして保護半導
体層１０の形成を行えば簡便である。

【００３９】即ち、個々のレーザ共振器構造を製造する
際には、通常、ウェハ状の基板１に多数のレーザ共振器
構造を互いに連続した状態で形成し、更に、電極８、９
を形成した後、それを、例えば、劈開面で劈開して、各
レーザ共振器構造における光出射端面及びその反対側の
端面を夫々形成するとともに、それらの端面に沿って複
数のレーザ共振器構造が連続したバー（bar)状に分割す
る。

【００４０】そこで、例えば、図３に示すように、その
バー状に連続したレーザ共振器構造２０を、電極８、９
の側から、例えば、治具１３ａ、１３ｂで挟み込み、光
出射端面と反対側の端面をサセプタ１２に接触させて、
例えば、ＭＯＣＶＤ装置やＭＢＥ装置の反応室内に配置
する。この状態で、露出しているレーザ共振器構造２０
の光出射端面に、目的の半導体材料のエピタキシャル成
長を行えば、レーザ共振器構造２０の光出射端面にのみ
保護半導体層を形成することができる。

【００４１】この後、そのバー状に連続したレーザ共振
器構造２０を、個々のレーザ共振器構造に切断すれば良
い。

【００４２】なお、例えば、レーザ共振器構造２０の光
出射端面とは反対側の端面に高反射膜等を形成する場合
には、上述した保護半導体層の形成の前又は後のいずれ
かに、その形成を行えば良い。また、その反対側の端面
にも保護半導体層を形成する場合には、上述の光出射端
面への保護半導体層の形成後又は形成前に、その反対側
の端面にも、同様にして、保護半導体層を形成すれば良
い。

【００４３】以上に説明したように、この第１の実施の
形態では、半導体レーザのレーザ共振器構造の光出射端
面に、そのレーザ共振器構造から出射するレーザ光のエ
ネルギーよりもバンドギャップが大きい単結晶半導体層
１０を、例えば、エピタキシャル成長により設けてい
る。従って、レーザ共振器構造の光出射端面に元々有っ
たダングリングボンドが、その単結晶半導体層１０によ
りターミネートされて、そのダングリングボンドによる
非発光再結合中心が大幅に低減するので、半導体レーザ
の発光効率が向上する。また、単結晶半導体層１０とし
て、特に、レーザ共振器構造の活性層における格子定数
よりも大きな格子定数を持ったものを形成することによ
り、その活性層の光出射端面近傍におけるバンドギャッ
プを拡大することができ、その結果、その部分での光吸
収を低減することができて、半導体レーザの発光効率を
更に向上させることができる。

【００４４】また、キャリアの非発光再結合が低減する
結果、素子の温度上昇が緩和されるので、特に、光出射
端面の劣化が緩和されて、半導体レーザの長寿命化が達
成され、ひいては、半導体レーザの高出力化を図ること
もできるようになる。

【００４５】〔第２の実施の形態〕図４に、本発明の第
２の実施の形態として、太陽電池に本発明を適用した例
を示す。

【００４６】例えば、Ｓｉからなる半導体基板４１の上
にｎ型ＧａＡｓ層４２とｐ型ＧａＡｓ層４３とが順次積
層され、それらの間にｐｎ接合が形成されている。ｐ型
ＧａＡｓ層４３により構成された受光面には、本発明に
よる保護半導体層４４が、例えば、エピタキシャル成長
により設けられ、更に、その上に、例えば、反射防止膜
（不図示）等が設けられている。そして、その上に、例
えば、表面櫛形電極４５が設けられている。一方、半導
体基板４１の裏面側には、例えば、その全面に裏面電極
４６が設けられている。

【００４７】この第２の実施の形態では、保護半導体層
４４として、ＧａＡｓのバンドギャップよりも大きなバ
ンドギャップを有する、例えば、ＡｌＡｓ、ＧａＩｎＰ
系、ＡｌＡｓＰ系、ＡｌＩｎＰ系等の半導体を用いる。
また、更に、ＧａＡｓの格子定数よりも大きな格子定数
を有するものとしては、例えば、ＣｄＳ、ＨｇＳ、Ｃｄ
Ｓ_0.83Ｓｅ_0.17、ＺｎＴｅ、ＭｇＴｅ等を用いる。

【００４８】このような保護半導体層４４を太陽電池の
受光面に設けることにより、ｐ型ＧａＡｓ層４３の表面
に有ったダングリングボンドがターミネートされて、そ
のダングリングボンドに起因する非発光再結合中心が低
減し、受光面で生成したキャリアがその受光面近傍で再
結合してエネルギー変換効率を低下させることが防止さ
れる。

【００４９】また、保護半導体層４４として、ＧａＡｓ
よりも格子定数の大きいものを用いると、ｐ型ＧａＡｓ
層４３の表面領域に引っ張り歪みを与えることができ
て、その部分でのバンドギャップを拡大することができ
る。この結果、ｐ型ＧａＡｓ層４３の表面領域における
キャリアの非発光性の再結合を低減することができ、エ
ネルギー変換効率を更に向上させることができる。

【００５０】また、ｐ型ＧａＡｓ層４３の表面部分でバ
ンドギャップが拡大することにより生じるｐ型ＧａＡｓ
層４３内でのバンドの曲がりのために、キャリアがｐｎ
接合部分に移動し易くなるという効果も有る。

【００５１】更に、キャリアの非発光再結合が低減する
結果、素子の温度上昇が緩和されるので、その温度上昇
によるエネルギー変換効率の低下も緩和される。

【００５２】以上、本発明を半導体レーザと太陽電池に
夫々適用した実施の形態を説明したが、本発明は、例え
ば、発光ダイオード（ＬＥＤ）やフォトダイオード（Ｐ
Ｄ）等、種々の光電変換用の半導体装置にも適用が可能
である。

【００５３】

【発明の効果】本発明では、主として化合物半導体から
なる、例えば、半導体レーザや太陽電池のような光電変
換用の半導体装置の少なくとも光出射面又は入射面を、
例えば、エピタキシャル成長で形成した実質的に単結晶
の半導体層で保護する。従って、その光出射面又は入射
面に元々有ったダングリングボンドを、その上の単結晶
半導体層によりターミネートすることができて、そのダ
ングリングボンドに起因する非発光再結合中心を低減す
ることができ、キャリアの非発光再結合による発光効率
やエネルギー変換効率の低下を大幅に低減することがで
きる。また、キャリアの非発光再結合による温度上昇も
緩和することができるので、例えば、半導体レーザの長
寿命化を達成でき、また、例えば、太陽電池のエネルギ
ー変換効率を更に向上させることができる。

【００５４】また、光出射面又は入射面を保護する単結
晶半導体層として、その光出射面又は入射面を構成する
化合物半導体よりも格子定数の大きいものを用いること
により、光出射面又は入射面近傍のバンドギャップを拡
大させることができ、これによっても、光出射面又は入
射面近傍での光吸収及びキャリアの非発光再結合を低減
することができて、発光効率やエネルギー変換効率の低
下及び素子の温度上昇をより緩和することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による半導体レーザ
の側面図及び外観斜視図である。

【図２】代表的な半導体材料におけるバンドギャップ、
格子定数及びバンドギャップ波長を夫々示すグラフであ
る。

【図３】本発明の第１の実施の形態による半導体レーザ
の製造方法を示す概略断面図である。

【図４】本発明の第２の実施の形態による太陽電池の構
成を示す概略断面図である。

【符号の説明】

１…基板、２…ｎクラッド層、３…活性層、４…ｐクラ
ッド層、６…コンタクト層、７…電流狭窄層、８…ｐ電
極、９…ｎ電極、１０…保護半導体層、１１…高反射
膜、４１…基板、４２…ｎ型ＧａＡｓ層、４３…ｐ型Ｇ
ａＡｓ層、４４…保護半導体層、４５…表面電極、４６
…裏面電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】主として化合物半導体からなる光電変換
用の半導体装置であって、少なくとも光の出射面又は入射面が、実質的に単結晶の
半導体層で保護されていることを特徴とする、半導体装
置。
【請求項２】前記単結晶半導体層におけるバンドギャ
ップが、前記出射面又は入射面を構成する前記化合物半
導体におけるバンドギャップよりも大きい、請求項１に
記載の半導体装置。
【請求項３】前記単結晶半導体層の格子定数が、前記
出射面又は入射面を構成する前記化合物半導体の格子定
数よりも大きい、請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】前記化合物半導体で構成されたレーザ共
振器の出射端面が前記単結晶半導体層で保護されてい
る、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】前記単結晶半導体層におけるバンドギャ
ップが、前記レーザ共振器から出射される光のエネルギ
ーよりも大きい、請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】前記化合物半導体で構成された太陽電池
の受光面が前記単結晶半導体層で保護されている、請求
項１に記載の半導体装置。
【請求項７】主として化合物半導体で構成されたレー
ザ共振器の出射端面上に実質的に単結晶の半導体層をエ
ピタキシャル成長させることを特徴とする、半導体装置
の製造方法。
【請求項８】前記単結晶半導体層として、前記レーザ
共振器から出射される光のエネルギーよりも大きいバン
ドギャップを有する半導体層を形成する、請求項７に記
載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】前記単結晶半導体層として、前記化合物
半導体の格子定数よりも大きい格子定数を有する半導体
層を形成する、請求項８に記載の半導体装置の製造方
法。
【請求項１０】前記エピタキシャル成長を、有機金属
気相成長法により行う、請求項７に記載の半導体装置の
製造方法。
【請求項１１】前記エピタキシャル成長を、分子線エ
ピタキシャル法により行う、請求項７に記載の半導体装
置の製造方法。