JPS63236391A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の°目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、半導体レーザや端面発光型発光ダイオード等
の半導体発光装置に係わり、特に内部応力の低減をはか
った半導体発光装置に関する。

（従来の技術） ヘテロ構造、電流狭窄のためのストライプ構造及び結晶
端面から光を取出す構造は、現在、半導体レーザやスー
パールミラネセントダイオードを含む端面発光ダイオー
ド等の半導体発光装置の構造として幅広く取入れられて
いる。また、この種の装置において、より低動作電流化
、高輝度化を達成することを目的として、半導体結晶内
に電流狭窄のためのストライプ構造を作り付けた、所謂
内部ストライプ構造が開発されている。

第３図は、内部ストライプ構造を有する半導体発光装置
の一つであるｍ−ＥＣ０（Ｍｏｄｌｆ’ｉｅｄＥｍｂｅ
ｄｅｄ　Ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ　１ａｙｅｒ　ｉｎ　０ｐ
ｔｌｃａｌ　ｇｕｉｄｅ　）ＧａＡノＡｓレーザ（特開
昭５８−２４８１４８号公報）の断面構造図である。図
中１０はｎ−ＧａＡｓ基板、２１はｎ−ＧａＡ　Ｉ　Ａ
ｓクラッド層、２２はＧａＡ　Ｉ　Ａｓ活性層、２３は
ｐ−ＧａＡｌＡｓクラッド層、２４はｎ−ＧａＡｌＡｓ
電流ブロック層、２５はｐ−ＧａＡｌＡｓ光導波層、２
６はｐ−ＧａＡｌＡｓクラッド層、２７はストライプ状
開口、３０はｐ−ＧａＡｓコンタクト層、４１．４２は
電極層を示している。この構造においては、ｐ型層中の
電流は、ｐ型層中に挿入された形で位置するｎ型電流ブ
ロック層２４に妨げられるため、ｎ型電流ブロック層２
４のストライプ状開口２７を通してのみ流れる。活性層
２２を流れる電流の横方向の広がりは、ｎ型電流ブロッ
ク層２４と活性層２２との距離によって決まるから、こ
の距離を十分小さくしておけば、活性層２２と結晶表面
との一距離を十分大きくとっても、活性層２２における
電流の横方向への広がりは十分小さくすることができる
。

一方、結晶表面にストライプ状開口′を有する絶縁膜を
形成する等して電流狭窄を行う、所謂表面ストライプ構
造の場合には、活性層における横方向の電流の広がりを
小さくするためには、活性層を結晶表面の極近くに設け
る構造とすることが必要である。ところが、活性層を結
晶表面に近付けることは、製造上、素子の信頼性上条（
の問題がある。このため、内部ストライプ構造は、半導
体発光装置の構造として幅広く用いられるようになって
いる。

内部ストライプ型の半導体発光装置では、活性層から結
晶表面までの厚みは、ストライプ効果に影響を与えない
ことから、第３図のｍ　−Ｅ　ＣＯレーザの場合、コン
タクト層３０の厚みは５μｍ程度、活性層２２から該結
晶表面までの距離が８μｍ程度のものが通常製作されて
いる。このような構造としてたｍ　−Ｅ　ＣＯレーザで
は、活性層が電極表面より極めて離れて位置しているに
も拘らず、その優れた電流狭窄効果によって２０ｉＡの
低発振しきい値電流、０．５ｍＡ／ｍＷ以上の高い微分
効率と言った特性が実現されている。

しかしながら、このような優れた特性にも拘らず、電流
をある程度以上流しても光出力が増加しない光出力飽和
の現象や、光出力をある程度以上増すと結晶端面が突発
的に破壊する、所謂Ｃ０Ｄ（Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ
　０ｐｔｉｃａｌ　Ｄａｍａｇｅ　）の現象は、むしろ
表面ストライプ型レーザに比べ低レベルで発生する。し
かも、光出力飽和現象やＣＯＤの現象が、連続動作を続
けると次第に低レベルに下がってくる等の問題が発生し
、その改善が必要であることが判ってきた。また、その
他の内部ストライプ型半導体発光装置についてみても一
１内部ストライプ構造とすることにより、活性層を結晶
表面より遠ざけ結晶表面から発生する劣化を抑制したに
も拘らず、信頼性の十分な向上が実現されないことが明
確になってきた。

ところで、ヘテロ構造を有する半導体発光装置は、第３
図のｍ−ＥＣ０レーザのように適当な基板結晶上に組成
の異なる半導体結晶をエピタキシャル成長（格子整合を
取った結晶成長）することにより製作されるものである
。一般的には、結晶の組成が異なると線膨張係数も異な
るため、ヘテロ構造を有する半導体結晶の各層には、格
子整合温度と室温との温度差に応じた熱歪が発生する。

この熱歪のために、ヘテロ構造を有する半導体結晶中に
は内部応力が残留することになる。このような内部応力
の大きさは、■−ｖ族化合物半導体を材料とする半導体
発光装置の場合、結晶中では１〜５　Ｘ　１０Ｂｄｙｎ
ｅ／　Ｃ１１２程度のものであることは良く知られてい
る。この大きさは、半導体結晶に転位を発生させたり、
結晶の破壊を起こさせたりする種のものでないことから
、高品質な結晶を用いて製作される半導体発光装置の場
合には殆ど問題とならないものと見なされてきた。

しかしながら、本発明者等が、内部ストライプ型半導体
発光装置の３次元応力解析を行い、半導体結晶中に発生
するヘテロ構造により生じる内部応力を評価したところ
、結晶端面より十分内側における内部応力は１〜５×１
０８ｄｙｎｅ／ｃＩ！１２程度であるにも拘らず、結晶
端面近傍においては１０”ｄｙｎθ／ｃ１１２を越す極
めて巨大な内部応力が発生していることを見出した。こ
のような巨大な内部応力は、半導体発光装置の特性、信
頼性に重大な影響を与えるものである。

端面発光型発光ダイオードの信頼性が電流狭窄構造の点
では異なるものの、結晶構造は略類似の表面から光を取
出す型の、所謂表面発光型発光ダイオードに比べ劣るこ
とは良く知られている。また、半導体レーザの特性劣化
の要因に結晶端面の酸化の問題があり、ＣＯＤ現象は端
面から発生するものである等、端面から光を取出す型の
半導体発光装置の特性・信頼性に端面が重要な役割を果
たしていることは従来より知られていた。しかしながら
、結晶端面にはヘテロ構造に基づく巨大な内部応力が発
生しており、これが半導体発光装置の特性、信頼性に影
響していることは、これまで認識されていなかった。

前述したｍ−ＥＣ０レーザの場合、本発明者等が見出し
た端面近傍の巨大な内部応力は、結晶成長時に導入され
た端面近傍の転位、端面形成時に発生する端面上の転位
、更には電極表面界面に形成される端面近傍の微小転位
を移動増殖させ、活性層の転位網を形成して素子を劣化
させる。また、巨大な内部応力により端面近傍の活性層
の禁制帯幅が狭くなり、この部分がレーザ光の吸収領域
となり、レーザ光の吸収によって端面近傍の温度が上昇
し、この温度上昇によりさらに吸収が増大する効果によ
って、光出力飽和現象、ＣＯＤの現象を発生すると考え
られる。また、端面の温度上昇は端面の酸化を加速し、
長期的な信頼性にも悪影響を及ぼす。

（発明が解決しようとする問題点） このように従来、内部ストライプ型半導体発光装置にお
いては、端面近傍に発生する内部応力に起因して、素子
特性の劣化及び信頼性の低下が生じる等の問題があった
。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的
とするところは、内部ストライプ型における端面近傍に
発生する内部応力を低減することができ、素子特性及び
信頼性の向上をはかり得る半導体発光装置を提供するこ
とにある。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明の骨子は、活性層、クラッド層及び電流ブロック
層等からなる動作層に対し、コンタクト層の厚みを十分
薄くすることにより、端面に作用する内部応力を低減す
ることにある。

即ち本発明は、発光領域をなすペテロ接合構造部と、こ
れに近接して形成された電流狭窄のための内部ストライ
プ構造部とを具備し、端面から光を取出す方式の半導体
発光装置において、前記ヘテロ接合構造部及び内部スト
ライプ構造部を含む動作層とこの上に積層するコンタク
ト層との組成が異なるものであり、且つ前記コンタクト
層の厚みを前記動作層の厚みの１／４以下に設定するよ
うにしたものである。

（作用） 内部ストライプ型半導体発光装置においては、基板上に
形成する結晶構造を、活性層、クラッド層からなるペテ
ロ接合層及び電流ブロック層等からなる動作層と、コン
タクト層とに分けることができる。ここで、クラッド層
と電流ブロック層とは結晶組成が近いものであるが、こ
れに対し活性層は結晶組成が大きく異なっている。しか
し、活性層はクラッド層及び電流ブロック層に対して非
常に薄いものであるから、応力の観点からは無視するこ
とができる。このため、動作層は、クラッド層及び電流
ブロック層の結晶組成で決まる一つの層と見なすことが
可能である。一方、コンタクト層はクラッド層及び電流
ブロック層に対して結晶組成が大きく異なる。従って、
結晶端面に発生する内部応力は、動作層とコンタクト層
との線膨張係数の違いによるものと考えられる。

線膨張係数の異なる２層の間に働く応力は、これらの層
の厚みが近い程大きく、厚みが大きく異なる程小さいも
のとなる。そこで本発明のように、コンタクト層の厚み
を動作層に対して十分薄くすることにより、結晶端面に
作用する内部応力を著しく小さくすることが可能となる
。なお、コンタクト層の厚みを動作層の厚みの１７４以
下とした理由は、１／４以下で結晶端面の応力を１０９
ｄｙｎｅ／　ａｒｔ　２以下と、結晶中での内部応力に
近くこの種の半導体発光装置に許容される値にできるか
らである。

（実施例） まず、実施例を説明する前に、本発明の基本原理につい
て説明する。

内部ストライプ型半導体発光装置の３次元応力解析を行
った結果、結晶端面に発生する巨大な内部応力は、主と
して動作層と厚みが略同程度で且つ動作層と組成を大き
く異にする、即ち線膨張係数が異なるコンタクト層が動
作層上に積層されているために生じるものであることが
明らかになった。線膨張係数が異なる層が積層された構
造体の端面に発生する内部応力の特徴を明確とするため
に、線膨張係数が異なる２層が積層された構造体を考え
ると、２層の厚みが著しく異なる場合には、応力の回り
込みは起きにくい。即ち、端面への応力集中が起き難い
。これに対し、２層が同程度の厚みとるなると応力の回
り込み効果が生じ、顕著な応力集中効果が起きると云う
一般的な特徴が存在することが明らかとなった。

この特徴のために、通常の半導体発光装置の場合、動作
層の厚みは数μｍであるのに対し、基板の厚みは１００
μｍ程度と厚く、動作層の厚みの基板厚みに対する比は
１より遥かに小さいため、動作層と基板の間の熱歪の差
により端面部分に応力が集中する効果は小さい。しかし
、動作層上に積層されたコンタクト層の厚みが動作層の
厚みと近い値を有していると、動作層とコンタクト層間
の熱歪の差により生じる内部応力が端面部分に集中し、
巨大な内部応力を生じることになる。

ペテロ構造を有する半導体発光装置の端面の巨大な応力
は、基本的には基板或いはコンタクト層と組成を異にす
る動作層が積層されていることにより生じているもので
あり、動作層の組成を基板やコンタクト層と近いものと
すれば、また動作層の厚みを十分薄くすれば低減される
ものである。

しかし、動作層の主要部分であるクラッド層の組成、厚
みは活性層に注入するキャリアの閉込めと活性層への光
の閉込め効果を確保する条件から制約を受けるため、一
定値以上に組成を基板やコンタクト層に近いものとする
ことはできず、また厚みを薄くすることはできない。

そこで本発明では、動作層に対するコンタクト層の厚み
を十分薄くすることにより、結晶端面に発生する内部応
力の低減をはかっている。即ち、コンタクト層の厚みを
動作層の厚みの１／４以下にすることによって、結晶端
面に発生する内部応力を１０”　ｄｙｎｅ／　ａｎ　２
以下にし、これにより内部ストライプ型半導体発光装置
の素子特性の向上及び信頼性の向上をはかっている。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の一実施例に係わるｍ−ＥＣ０−ＧａＡ
、１２Ａｓレーザの概略構造を示す断面図である。この
レーザは、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用い
て２回の結晶成長により内部ストライプ構造を実現した
ものである。

即ち、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＧａＡｓ基板１０上に
７５０℃の成長温度でｎ型クラッド層となるｎ−Ｇ　ａ
　　　ＡｉＡ　ｓ層２１を厚さ１．５０．８　　０．４ ｕｎ、活性層となるＧａ　　　Ａｊ！　　Ａｓ層２２０
．９２　　０．０８ を厚さ０．０６μｍ、第１ｐ型クラツド層となるｐ−Ｇ
ａ　　　Ａ、ｆｆ　　　Ａｓ層２３を厚さ０．５μｍ、
電０、Ｇ　　　Ｏ，４ 流ブロック層となるｎ−ＧａＡ、ｇＡｓ層０、Ｂ　　　
Ｏ，４ ２４を厚さ１μｍ順次成長した後、電流ブロック層２４
と第１ｐ型クラツド層２３の一部をストライプ状にエツ
チングし、ストライプ状開口２７を形成する。次いで、
再度ＭＯＣＶＤ法により、光導波層となるｐ−ＧａＡ、
１７　　Ａｓ層２５を０．８　　０．４ 厚さ０．２μｍ１第２ｐ型クラツド層となる　ｐ−Ｇａ
　　　Ａｆ　　　Ａｓ層２６を厚さ　１．５μｍ、　：
］０．８　　０．４ ンタクト層となるｐ−ＧａＡｓ層５０を厚さ５μｍ成長
した後、基板１０とコンタクト層５０をそれぞれ１００
μｍ、１μｍになるまでエツチングする。その後、コン
タクト層５０上にｐ型電極としてＴｌ／Ｐｔ／Ａｕ層４
１を蒸着し、さらに基板１０の下面にｎ型電極としてＡ
ｕＧｅ／Ａｕ層４２を蒸着し、最後に得られたウェハを
へき開することによって内部ストライプ型のｍ　−Ｅ　
ＣＯレーザを実現したものである。

第１図のｍ　−Ｅ　ＣＯレーザにおいては、ＧａＡｌＡ
ｓ層からなるｎ型クラッド層２１．活性層２２．第１ｐ
型クラツド層２３．電流ブロック層２４．光導波層２５
及び第２ｐ型クラツド層２６からなる動作層２０の厚み
は約４．７μｍであり、ＧａＡｓからなるコンタクト層
５０．基板１０の厚みはそれぞれ１μｍ、　　１００ｕ
７ｆｔである。

即ち、コンタクト層５０の動作層２０の厚みに対する比
は１／４．７となっている。

このようにコンタクト層５０の厚みを動作層２０の厚み
より十分薄くしたｍ−ＥＣ０レーザでは、発振しきい値
電流、微分効率は第３図の従来のレーザと殆ど変わると
ころがないものにも拘らず、光出力の飽和レベル、ＣＯ
Ｄ現象の発生光出力レベルは共に約１．５倍に上昇し、
また、長時間の連続動作時における光出力飽和レベル、
ＣＯＤ現象発生光出力レベルの低下速度も約１／２に減
少した。ます、また、５０℃で２０ｍＷの光出力条件下
で連続動作させた時の動作電流の増加速度で表現した劣
化速度も、第１図のレーザでは第３図のレーザに比べ１
／３程度に減少した。

また、第１図の構造において、コンタクト層５０の厚み
を適宜選択し、コンタクト層厚みＢの動作層厚みＡに対
する端面の内部応力変化を測定したところ、第２図に示
す如き結果が得られた。

なお、コンタクト層５０の厚みは前記エツチング量を制
御することにより、Ｂ／Ａが０．２５ずつ増えるように
した。第２図からも判るようにＢ／Ａが１のとき、即ち
コンタクト層５０と動作層２０の厚みが等しい時に最も
大きな応力となり、Ｂ／Ａが１／４以下の時は応力が１
０”　ｄｙｎｅ／ａ２よりも小さくなっている。つまり
、コンタクト層５０を十分薄＜（Ｂハ＜１／４）するこ
とにより、結晶端面に発生する内部応力を結晶中に発生
する内部応力（５Ｘ　１０Ｂｄｙｎｅ／　ａｒｔ　２）
に近付けることができ、これによりコンタクト層５０と
動作層２０との線膨張率差に起因する素子特性の劣化及
び信頼性の低下等を防止することが可能となる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。例えば、前記コンタクト層の厚みは１μｍに同等限
定されるものではなく、動作層の厚みの１／４以下の範
囲で適宜定めればよい。また、ＧａＡｓ、ＧａＡｌＡｓ
層 レーザに限らず、他の化合物半導体材料を用いたレーザ
に適用することができる。さらに、内部ストライプ構造
を有し、端面から光を取出す方式の各種の半導体レーザ
に適用することが可能である。

また、半導体レーザに限らず、スーパルミネッセントダ
イオードを含む端面発光型発光ダイオードに適用するこ
とも可能である。その他、本発明の要旨を逸脱しない範
囲で、種々変形して実施することができる。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、コンタクト層の厚
みを動作層の厚みの１／４以下に設定することにより、
コンタクト層と動作層との線膨張率差によって生じる結
晶端面における内部応力を大幅に低減することができる
。従って、内部ストライプ構造を有する端面発光型の半
導体発光装置の素子特性及び信頼性の向上をはかること
ができ、その有用性は絶大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係イっる　ｍ−ＥＣ０レー
ザの概略ｔｔ造を示す断面図、第２図はコンタクト層と
動作層との厚みの比に対する内部応力の変化を示す特性
図、第３図は従来レーザの概略構造を示す断面図である
。 １０−　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板、２０・・・動作層、　２
１゜２３．２６一−−ＧａＡノＡｓクラツド層、２２　
、、。 ＧａＡ１Ａｓ活性層、２４　・−Ｇ　ａ　ＡノＡｓ電流
ブロック層、２５・・・ＧａＡ、ｆｆＡｓ光導波層、２
７・・・ストライプ状開口、３０．５０・・・ＧａＡ１
Ａｓコンタクト層、４１．４２・・・電極層。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図 肱□

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）発光領域をなすヘテロ接合構造部と、これに近接
   して形成された電流狭窄のための内部ストライプ構造部
   とを具備し、端面から光を取出す方式の半導体発光装置
   において、前記ヘテロ接合構造部及び内部ストライプ構
   造部を含む動作層とこの上に積層するコンタクト層との
   組成が異なるものであり、且つ前記コンタクト層の厚み
   を前記動作層の厚みの１／４以下に設定してなることを
   特徴とする半導体発光装置。
2. （２）前記動作層はＧａＡｌＡｓからなり、前記コンタ
   クト層はＧａＡｓからなるものであることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の半導体発光装置。
3. （３）前記動作層は、活性層をクラッド層で挟んだダブ
   ルヘテロ接合部と、この接合部上に形成したストライプ
   状開口を有する電流阻止層と、この電流阻止層及び開口
   に露出したダブルヘテロ接合部上に形成した光導波層及
   びクラッド層とからなるものであることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項又は第２項記載の半導体発光装置。