WO2007135772A1

WO2007135772A1 - 発光素子

Info

Publication number: WO2007135772A1
Application number: PCT/JP2007/000532
Authority: WO
Inventors: Naofumi Suzuki; Kimiyoshi Fukatsu
Original assignee: Nec Corporation
Priority date: 2006-05-19
Filing date: 2007-05-17
Publication date: 2007-11-29
Also published as: JPWO2007135772A1; US20090196317A1; US7817691B2

Abstract

【解決手段】トンネル接合部１０７，１０８と活性層１０４との間に電子ブロック層１０６が位置し、電子ブロック層１０６が活性層６０５よりも伝導体下端のエネルギが大きく実質的にアルミニウムを含まない材料で形成され、電子ブロック層１０６によりトンネル接合部１０７，１０８のｎ層からｐ層を抜けてｎ層に抜ける電子リークを抑制することができる発光素子を提供可能にする。また電子ブロック層１０６としてアルミニウムを含まない層を用いるので、製造時に電子ブロック層１０６が酸化しない発光素子を提供可能にする。

Description

明細書

発光素子

技術分野

[0001 ] 本発明は、光通信や光インターコネクションの分野で用いられる発光素子に関し、特に、トンネル接合構造の発光素子に関する。

背景技術

[0002] 光通信は長距離、大容量伝送が可能であることから、特に長距離通信では早くから広く実用に供されてきた。一般に光通信の送信装置には光源として半導体レーザが用いられている。

[0003] 半導体レーザの電気抵抗は消費電力の増大や発熱による素子特性および素子寿命の低下、また場合により変調速度の低下を生じるため、小さく抑えることが望ましい。特に面発光型レーザである V C S E L (Vert i ca l Cav i ty Su rface Em i tt i ng Laser)では、電極や活性層の面積が小さいため抵抗が大きく、また熱抵抗も大きくなるため抵抗によつて生じる熱の影響も大きくなリ、出力や変調速度の制限要因となっている。

[0004] 一方、励起レーザのような共振器長の長い半導体レーザでは抵抗は比較的小さいものの、動作電流が大きいことから発熱が大きくなリ、出力飽和の原因となる。したがってさらなる抵抗低減が望まれる。抵抗を小さくするには電流の通る面積を大きくすることが有効であるため、電流狭窄幅または活性層ストライプ幅を増加することによる低抵抗化が試みられてきた。

[0005] しかし V C S E Lの場合、一般に電流狭窄幅の増加は変調帯域の低減を生じる。またマルチモード化につながるため、シングルモードファイバを用いた通信には不適切となる。エッジェミッタ型レーザの場合でも活性層ス卜ライブ幅の増加はマルチモード化を生じるため問題となる。

[0006] そこで卜ンネル接合部を用いてキヤリァの（電子一正孔)反転を行うことによリ抵抗の高い p型半導体の大部分を n型半導体に置き換え、全体の抵抗を低減する方法が考案された。 [0007] トンネル接合部を用いた場合の電流狭窄構造としては、（1)トンネル接合部の上方にアルミニゥムを多く含む層を形成し、これを選択酸化することにより電流狭窄を行う、トンネル接合部と酸化狭窄を併用した構造 (例えば、非特許文献 1参照)、（2)熱処理を施して電極金属を拡散させ、トンネル接合部の一部を破壊する選択的トンネル接合破壊方法 (例えば、非特許文献 2参照）、 (3)トンネル接合部の一部を残してエッチングにより除去し半導体層などで埋め込む、埋込トンネル接合構造 (例えば、非特許文献 3参照)、などが提案されている。

[0008] このうち、非特許文献 3の技術は、フォトリソグラフィおよびエッチングの精度によって電流狭窄幅が制御できるため、他の方法と比較して制御性および再現性が極めて優れている。

[0009] また本構造は半導体埋め込み構造となっているので、他の方式に比べ、歪や欠陥を少なく抑えることができる。さらに光閉じ込めを小さくすることも可能であり、比較的広い電流狭窄径でもシングルモードを実現し易いなどの利点も有する。

非特許文献 1 ： Applied Physics Letters vol.71 p3468 1997 J. J.Wierer et aに

非特許文献 2： IPRM'99 TuB1-4 S. Sekiguchiet al.

非特許文献 3： Laser Conf. 2000 ThC2 R. Shauet al.

非特許文献 4 : Jpn. J. Appl. Phys. Vol.39 No.4A pp.1727-9(2000) Ortsief er et al.

特許文献 1 ：米国特許公報第 6, 515, 308号

特許文献 2：特開 2003— 2981 87号

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0010] 上記の埋込トンネル接合構造の発光素子では、電流リークによる特性の低下が問題となる。これについて図 1 2を参照して以下に説明する。ここで例示する発光素子 500は、 n-GaAs基板 502を有し、その下面に n電極（_) 5 01が成膜されている。

[0011] 基板 502の上面には、 n型半導体 DBR (Distributed Bragg Reflector) 503、 n-GaAs層 504、活性層 505、 p-GaAs層 506、卜ンネル接合部 507、 n-GaAs層 508、 n電極（+) 509、誘電体 DBR51 0、が積層されている。

[0012] なお、 n型半導体 DBR503および誘電体 DBR5 1 0は、図示するように、複数の層膜からなる。また、 n電極 509の中央には開口が形成されており、この開口を遮蔽するように誘電体 DBR5 1 0は部分的に形成されている。

[0013] トンネル接合部 507は、一部を残して除去されることで、活性層 505 の表面に部分的に形成されており、半導体である層 508に埋め込まれている。この発光素子 500は、トンネル接合部 507において電流狭窄を行う埋込トンネル接合構造に形成されている。

[0014] 上述のような構造の発光素子 500において、考えられるリーク経路 a〜 cを図 1 2に示す。経路 aは MQW(Muは iple Quantum Wei I)からオーバーフローした電子が Pクラッド層を超えトンネル接合部に達し、 n層へ抜ける経路である。

[0015] 経路 bは卜ンネル接合部がない部分において、下側の n層から p層を抜けて上側の n層へ電子が到達する経路である。経路 cは卜ンネル接合部で生じたホールが拡散し、レーザ発振に寄与しない場所で電子と再結合するものでめる。

[0016] 経路 cについては酸化狭窄構造でも同様なリークが生じるが、この影響は大きくはなく、経路 a、経路 bが主なリーク経路となる。さらに後述するように我々のシミュレーションにより、図 1 2のような構造において、経路 b がもっとも大きなリークであることが明らかになつた。

[0017] 経路 bのリークは両方の電極が n型半導体に形成されている卜ンネル接合構造特有のリークであり、このリークの低減が卜ンネル接合構造を有する発光素子において高効率を実現するために必須となる。 [0018] 現在、経路 aのリークを防ぐために Mgドープ A I GaNからなる電子ブロック層を設けた構造が提案されている (例えば、特許文献 1参照)。この電子ブロック層は、通常のエッジェミッタ型 L D (Laser D i ode)でも、しばしば用いられるものである。

[0019] ェッジェミッタ型では活性層をオーバーフローした電子が p側クラッド層に漏れ、そこでホールと再結合するものであるのに対し、トンネル接合型では Pクラッド層を抜けて卜ンネル接合部を通って n側に達するという違いはあるものの、電子ブロック層の目的および効果は同様である。

[0020] 上記文献の構造では経路 bのリークについては半導体の代わリに S i 0₂などの誘電体を用いて卜ンネル接合部を埋め込むことによリ回避している。ただし、この構造では誘電体と半導体の屈折率差が大きいため、光閉じ込め係数が大きくなりすぎ、シングルモード発振は極めて困難になる。また構造上トンネル接合部の径ょリも電極内径が小さくなるため、光の一部が電極で反射され、損失になるなどの問題がある。

[0021 ] 一方、 1 . 55 m帯の面発光型レーザにおいて、クラッド層として活性層に対して伝導体下端のエネルギが高い I nA I Asを用いた構造も報告されている（例えば、非特許文献 4参照)。

[0022] 非特許文献 4には、上述の層の目的および効果についての記述はない。さらに、 n側にも同じく I nA I As層があることから、 p層内の電子リークを抑制する目的は無いとは思われる。しかしながら、 p側の I nA I Asは電子ブロック層として機能し、経路 a、経路 bのリークの抑制に効果があると考えられる

[0023] しかし、この層はアルミニウムを含んでいるため、トンネル接合部をエツチングする際にアルミニウムを含んだ面が露出することになる。この面は非常に酸化しやすく、かつ酸化膜が強固となるため、加熱による除去が困難である。このため、その後の埋め込み成長時に再成長界面に欠陥が発生する原因となる。

[0024] なお、前述した非特許文献 4の構造では、トンネル接合部の p側の途中でエッチングを止めている。このため、トンネル接合部をアルミニウムを含まない層で形成することにより酸化の問題を回避することも不可能ではない。

[0025] しかし、卜ンネル接合部の p側はドービング濃度を高くする必要があリ、抵抗が低くなる。このため、この層の途中でエッチングを止めると横方向のホール拡散が顕著となり、図 1 2の経路 cのリークが増加する。また非特許文献 4の構造では、 n側にも I nAIAsが設けられているが、これはむしろ電子注入を妨げるなどの問題がある。

[0026] 本発明は上述のような課題に鑑みてなされたものであり、トンネル接合構造に起因したリーク電流を低減することができ、かつ、製造時の電子ブロック層の酸化も防止できる構造の発光素子を提供するものである。

課題を解決するための手段

[0027] 本発明の第一の発光素子は、 p型半導体と n型半導体とを有して逆バイァス電圧が印加された状態で P型半導体から n型半導体へ電子をトンネルさせて電流を流すトンネル接合部と、活性層と、トンネル接合部と活性層との間に位置する電子ブロック層と、を有し、電子ブロック層が活性層よりも伝導体下端のエネルギが大きく実質的にアルミニウムを含まない材料で形成されている。

[0028] 本発明の第二の発光素子は、 p型半導体と n型半導体とを有して逆バイァス電圧が印加された状態で P型半導体から n型半導体へ電子をトンネルさせて電流を流すトンネル接合部と、活性層と、トンネル接合部と活性層との間に位置する電子ブロック層と、を有し、電子ブロック層が活性層よりも伝導体下端のエネルギが大きくアルミニウムを含む材料で形成されており、電子ブロック層とトンネル接合部との間に位置して実質的にアルミニウムを含まない層を、さらに有し、トンネル接合部の面積が電子ブロック層の面積よりも小さい。

[0029] 上記のような構造とすることにより以下のような作用が生じる。以下に図

3乃至 5を参照し、上記の本発明の第二の発光素子を例に取って本発明の作用を説明する。ここで発光素子 6 0 0は面発光型レーザであり、 n-GaAs基板 602を有し、その下面に n電極（一） 601が成膜されている。

[0030] 基板 602の上面には、 n型半導体 DBR603、 n-GaAs層 604、活性層 605、 p-GaAsJf 606. p-AI₀₃Ga₀₇As層からなる電子ブロック層 607、 p-GaAs層 608、卜ンネル接合部 609、 n-GaAs層 61 0、 n電極（+) 61

1、誘電体 DBR61 2、が積層されている。

[0031] なお、 n型半導体 DBR603および誘電体 DBR61 2は、図示するように、複数の層膜からなる。また、 n電極 61 1の中央には開口が形成されており、この開口を遮蔽するように誘電体 DBR61 2は部分的に形成されている。

[0032] トンネル接合部 609は、一部を残して除去されることで電子ブロック層

607の表面に層 608を介して部分的に形成されておリ、半導体である層 61 0に埋め込まれている。これによリ本発光素子 600は、トンネル接合部 609において電流狭窄を行う埋込トンネル接合構造となっている。

[0033] 図 3に示した素子では P-AI0.3GaO.7As層 607が電子プロック層として機能する。レーザ発振時のキャリアの流れを計算した結果を図 4に示す。図 4 は電子ブロック層 607の A I組成を変えた場合の、図 3における A-A'断面での電子電流密度を示している。

[0034] この部分は p型半導体層であり、本来電子流は生じない箇所であるため、電子流はそのままリーク電流を意味する。ここでは回転対称の構造を考えているため、図 4では中心から半径方向の部分のみについて示している。なお、本構造でのトンネル接合部 609の半径は 2.5 mである。

[0035] 電子ブロック層 607が無い場合には経路 aのリークおよび経路 bのリークがあり、特に経路 bのリークが顕著であることが分かる。これに対し、電子ブロック層 607がある場合には両者のリークとも抑制されていることが分かる。

[0036] 本シミュレーションにより、アルミニウムの組成が 0.1以上であれば電子リーク抑制に効果があることが分かる。電子ブロック層 607である A 10. !GaAsと活性層である MQWのバリア層である GaAsとの伝導体下端のエネルギ差（AEc )は約 80meVであり、これ以上の Δ Εοを有すれば、 A I GaAs以外の材料を用いても電子プロック層 6 0 7として十分有効である。

[0037] 例えば上述したように電子ブロック層 6 0 7としてアルミニウムを含まない層を用いる場合、材料としては GaAsPなどが考えられるが、この場合でも厶 Ecが 80meV以上となるように組成を決定すればよい。

[0038] また、電子ブロック層 6 0 7の厚さとしては、電子がトンネルしない厚さ、具体的には 10nm以上あれば良いことが明らかになった。図 5には実際に作製した上述の電子ブロック層 6 0 7として A I O. 3GaAsを有する発光素子 6 0 0 と、図 1 2に示した電子ブロック層が無い従来の埋込トンネル型発光素子の光出力-電流特性の測定結果を示す。

[0039] 両者はともに面発光型レーザであり、卜ンネル接合部は直径 6 mの円形部分を残してエッチングされている。またトンネル接合部の構造としては特開 2 002-134835に記載の I nGaAs/GaAsSbを用いている。同図から電子ブロック層 6 0 7を有する構造では効率が大幅に向上していることが分かる。

発明の効果

[0040] 本発明の発光素子では、電子ブロック層により n層から p層を抜けて n層に抜ける電子リークを抑制することが可能となる。また電子ブロック層としてアルミニウムを含まない層を用いる、または、電子ブロック層にはアルミ二ゥムを含む層を用いるが、電子ブロック層とトンネル接合部の間にアルミ二ゥムを含まない層を挿入し、トンネル接合部を一部を残してエッチングして除去する際にはこのアルミニウムを含まない層の内部でエッチングを止めることにより、表面へのアルミニゥムの露出を抑えることが可能となるため、埋め込み成長時の欠陥発生を抑え、良好な再成長界面を形成することが可能になる。これにより、歩留りも良好な構造を提供することができる。

図面の簡単な説明

[0041 ] [図 1 ]本発明の第一の実施の形態の発光素子の積層構造を示す模式的な縦断正面図である。

[図 2]製造過程の発光素子を示す模式的な斜視図である。 [図 3]本発明の参考例の発光素子の積層構造を示す模式的な縦断正面図である

[図 4]電子ブロック層の電流密度を示す特性図である。

[図 5]電子ブロック層の有無によるリーク電流を示す特性図である。

[図 6]本発明の第二の実施の形態の発光素子の積層構造を示す模式的な縦断正面図である。

[図 7]製造過程の発光素子を示す模式的な斜視図である。

[図 8]本発明の第三の実施の形態の発光素子の積層構造を示す模式的な縦断正面図である。

[図 9]製造過程の発光素子を示す模式的な斜視図である。

[図 10]本発明の第三の実施の形態の発光素子の積層構造を示す模式的な縦断正面図である。

[図 11]発光素子を示す模式的な斜視図である。

[図 12]—従来例の発光素子の積層構造を示す模式的な縦断正面図である。発明を実施するための最良の形態

[0042] 次に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。まず、本発明の第一の実施の形態の発光素子を図 1および図 2を参照して説明する。ここでは G aAs基板上に形成した発振波長 1.3 mの面発光型レーザに本発明を適用した例を挙げる。

[0043] まず、図 1 (a)に示すように、 n型 GaAs基板 1 0 1上に、 n型 GaAs層と n

の一対を基本単位とする D B R ( n型半導体ミラー層）を複数積層した第一の D B R層 1 02、 n型 GaAsクラッド層 1 03、ノンドープ GalnN As量子井戸と GaAs障壁層からなる活性層 1 04、 p型クラッド GaAs層 1 05 、電子ブロック層となる p-GaAso.₂₅P ₇₅層 1 06、 ⁺-1 .₁63₍₎.₉八3層1 07、 n+-G ao glno

l 08、 n-GaAs層 1 09を有機金属気相成長（MO CV D： Metal Organic Chemical Vapor

Deposは i on)法にて順次積層する（第一工程）。

[0044] ここで層 1 07の p型ドーパントとしては C、層 1 08の n型ドーパントとしては Seを用い、 pドーピング濃度は 8x10¹⁹cnr³、 n ドーピング濃度は 5 x 10¹⁹ cm-³とした。また各層の厚さは層 1 07が 5nm、層 1 08は 10nmとした。層 1 06の厚さは 20nmであり、その他の各層の層厚は、層 1 03から層 1 07までの光路長が発振波長のほぼ 5/4となるように設定してある。

[0045] つぎに、フォトリソグラフィ技術により直径約 6 mの円形のレジストマスクを形成した後、エッチングにより層 1 07から層 1 09を除去する。その後、フォトレジストを除去する（第二工程)。

[0046] つぎに、再び MOCVD法を用いて n-GaAs層 1 1 0、门型 10.₉63()^3層と门型 GaAs層の一対を基本単位とする D B R ( n型半導体ミラー層）を複数積層した第二の DBR層 1 1 1を順次積層する（第三工程)。

[0047] 各々の DBR層では、高屈折率の GaAs層と低屈折率の Alo.gGaojAs層のそれぞれの膜厚は、これら媒質内の各々の光路長が発振波長のほぼ 1/4となるように設定してある。なお、本実施の形態の発光素子では、 DBR層 1 02， 1 1 1が反射鏡として機能し、層 1 03から層 1 1 0の積層体が共振器として機能する。

[0048] つぎに、誘電体膜を第二の DBR層 1 1 1上へ堆積し、その上からレジス卜を塗布し、フォトリソグラフィ技術により、第二工程で形成した 6 m径の埋込卜ンネル接合部と軸心が一致するような円形のレジス卜マスクを形成する。

[0049] ドライエッチングにより誘電体をエッチングした後、レジストを除去して円形の誘電体マスクを形成する。つぎに、ドライエッチングにより、図 2 (a )に示すように第一の DBR層 1 02の表面が露出するまでエッチングを行い、直径約 20 mの円柱状構造体 1 1 2を形成する（第四工程)。この後、誘電体マスクを除去する。

[0050] つぎに、上記メサエッチングにより露出した第一の DBR上に電極を形成する。まず前面にフォトレジストを塗布した後、リソグラフィにより電極を形成する部分のみ除去する。 AuGe/AuNiを蒸着した後、上記フォトレジストを除去してリフトオフすることにより第一の DBR上の一部に電極 1 1 3が形成される（第五工程)。

[0051] つぎに、ポリイミド 1 1 4により図 2 (b)に示すようにメサを埋め込んだ後、リソグラフィにより第五工程で形成した電極 1 1 3上のポリイミド 1 1 4を除去する（第六工程)。

[0052] つぎに、電極を形成する。まずフォトレジス卜を塗布、マスク露光によりパターニングした後、 AuGe/AuNiを蒸着し、上記フォトレジストを除去してリフ卜オフすることにより、図 2 (b)に示すように、電極 1 1 5およびそれと接続されたパッド電極 1 1 6を形成する。

[0053] また、このとき同時にポリイミド上にパッド電極 1 1 7を形成し、上記第五工程で形成した第一の DBR上の電極 1 1 3と接続している（第七工程）。このように GaAs基板上に作製した VCSELを一個ごと、または、所望のァレイ状 (例えば、一個 X十個、百個 X百個など）に切り出して使用可能である

[0054] 以上の製造工程によリ得られた VCS E Lでは、

1 07および n+-

08がトンネル接合部を形成している。第二ェ程において上記トンネル接合部を形成する層 1 07， 1 08は直径約 6 mの円形部分を残して除去されており、これ以外の部分のトンネル確率は極めて低いため、円形部分のみにトンネル電流が流れる構造となっている。

[0055] さらに、これらの層は GaAs層に比べて屈折率が高いため、この円柱部分は光導波効果も有する。また、上記層 1 07， 1 08は卜ンネル確率を高くするためにドーピング濃度が高く設定されている。

[0056] このため他の層に比べて光の吸収係数が高い。そこで、これらの層が VC S E L発振時に生じる定在波の節の部分に位置するように設定することによリ光の吸収を抑制している。

[0057] 上記のように、第二工程において一部を除いて層 1 07， 1 08がエッチングされ、層 1 06が表面に露出するが、

1 06はアルミ二ゥムを含んでいないので表面酸化膜は非常に薄く、第三工程の再成長前の昇温過程において容易に除去される。 [0058] 本構造では GaAs_Q.₂₅P_{Q 75}層 1 06の伝導体下端のエネルギが、活性層 1 04のバリア層である GaAs層よりも 120meV程度高いので、層 1 03から層 1 1 0へ至る電子リークが十分抑制される。この結果、電流は直径約 6 mの層 1 07 ， 1 08を通り、有効にレーザ発振に寄与することになるため、低閾値電流、高効率などの優れた特性が実現可能となる。

[0059] 次に、本発明の第二の実施の形態である発光素子の構成について図 6および図 7を参照して説明する。ここでは GaAs基板上に形成した発振波長 1.15 m の面発光型レーザに本発明を適用した例を挙げる。

[0060] まず、図 6 (a)に示すように、 n型 GaAs基板 201上に、 n型 GaAs層と n

とする D B R ( n型半導体ミラー層）を複数積層した第一の DBR層 202、 n型 A Ga^As (ただし 0.9〈x〈1)の酸化層形成層 203、 n型 GaAsクラッド層 204、ノンドープ I n₀.₃₅Ga₀.₆₅As量子井戸と GaAs 障壁層からなる活性層 205、 p-GaAsクラッド層 206、 p-Alo.₃Gao.₇As層 20 7、 p-GaAs層 208、

209、 n+- ln₀₁₅ Ga。.₈₅As層 21 0を有機金属気相成長（M O C V D)法にて順次積層する（第一工程)。

[0061] ここで層 209の p型ドーパントとしては C、層 21 0の n型ドーパン

卜としては Siを用い、 pドーピング濃度は 1x10²⁽⁾cm-³、 n ドーピング濃度は 2 x10¹⁹cnr³とした。また各層の厚さは層 209が 5nm、層 21 0は 10nmとした。層 207， 208の厚さはそれぞれ 40nm、 20nmであり、その他の各層の層厚は、層 204から層 209までの光路長が発振波長のほぼ 5/4となるように設定してある。

[0062] つぎに、フォトリソグラフィ技術により直径約 8 mの円形のレジストマスクを形成した後、 0イオン注入を行う（第二工程)。これにより円形レジスト以外の部分（21 1 ) が高抵抗化される。

[0063] その後レジストを除去し、改めて直径 4 mの円形のレジストマスクを形成する。このレジス卜マスクは第二工程でイオン非注入領域となった直径 8 m の領域と中心が一致するように形成する。

[0064] つぎに、エッチングにより上記層 209， 21 0を除去し、フォトレジス卜を除去する（第三工程)。この際、エッチングが層 2 0 8内で止まるようにエッチング時間を調整している。

[0065] つぎに、再び M O C V D法を用いて n-GaAs層 2 1 2、ノンドープ GaAs層と A l _{0 9}Ga_{0 1}As層の一対を基本単位とする D B R (ノンドープ半導体ミラー層）を複数積層した第二の D B R層 2 1 3を順次積層する（第四工程)。各々の D B R 層では、高屈折率の GaAs層と

のそれぞれの膜厚は、これら媒質内の各々の光路長が発振波長のほぼ 1 /4なるように設定してある。

[0066] つぎに、第三工程で形成した円形の埋込トンネル接合部と軸心が一致するような直径 10 mの円形誘電体マスクを形成し、 n-GaAs層 2 1 2の表面が露出するまで、第二の D B R層 2 1 3をドライエッチングする（第五工程）。

[0067] これにより直径 10 mの円柱状構造体 2 1 4が形成される。つぎに、円柱状構造体 2 1 4の周りの露出している n-GaAs層 2 1 2の部分に AuGeN iからなるリング電極 2 1 5を形成する（第六工程)。

[0068] つぎに、第五工程で形成した円柱状構造体 2 1 4と軸心が一致するような直径 30 mの円形の誘電体マスクを形成し、ドライエッチングにより、図 7 ( a )に示すような第一の D B R層 2 0 2内まで達する直径約 30 mの円柱状構造体 2 1 6を形成する（第七工程)。

[0069] この工程により、酸化層形成層 2 0 3の側面が露出する。その後、フォトレジストを除去する。つぎに、水蒸気雰囲気中の炉内において温度約 420°Cで約 10分間加熱を行う（第八工程)。

[0070] これにより、酸化層形成層 2 0 3のみが円環状に選択的に同時に酸化される。この酸化条件は酸化層形成層 2 0 3の中心部に直径約 5 mの非酸化領域が残るように調整している。なお、 Xを 0. 9より大きい値としたのは、 0. 9以下であるとほとんど酸化が生じないこと、また D B R部よりも酸化速度を速くする必要があるためである。

[0071 ] つぎに、第七工程により露出した第一の D B R層 2 0 2上に電極を形成する。まず前面にフォトレジストを塗布した後、リソグラフィにより電極を形成する部分のみ除去する。 AuGe/AuN iを蒸着した後、上記フォトレジストを除去してリフ卜オフすることにより第一の D B R層 2 0 2上の一部に電極 2 1 7が形成される（第九工程)。

[0072] つぎに、ポリイミド 2 1 8により図 7 ( b )に示すように、メサを埋め込んだ後、リソグラフィにより第七工程で形成した円柱状構造体 2 1 6および第八工程で形成した電極 2 1 7上のポリイミド 2 1 8を除去する（第十工程）。

[0073] つぎに、ポリイミド 2 1 8上にパッド電極 2 1 9， 2 2 0を形成する。これらのパッド電極はそれぞれ上記第六工程で形成されたリング電極 2 1 5および上記第八工程で形成した第一の D B R上の電極 2 1 7に接続されている（第十一工程)。このように GaAs基板上に作製した V C S E Lを一個ごともしくは所望のァレイ状 (例えば一個 X十個、百個 X百個など）に切リ出して使用可能である。

[0074] 本実施の形態では p+^aAso gSbo ,層 2 0 9、 n+- l n_{0 15}Ga_{0 85}As層 2 1 0がトンネル接合部を形成している。第三工程において上記トンネル接合部を形成する層 2 0 9， 2 1 0は直径約 4 mの円形部分を残して除去されており、これ以外の部分のトンネル確率は極めて低いため、円形部分のみにトンネル電流が流れる構造となっている。

[0075] さらに、これらの層は GaAs層に比べて屈折率が高いため、この円柱部分は光導波効果も有する。また、層 2 0 9， 2 1 0はトンネル確率を高くするためにドーピング濃度が高く設定されている。

[0076] このため、他の層に比べて光の吸収係数が高い。そこでこれらの層が V C S E L発振時に生じる定在波の節の部分に位置するように設定することによリ光の吸収を抑制している。

[0077] 上記のように第三工程において一部を除いて層 2 0 9， 2 1 0をエツチングしているが、前記のように、この際エッチングが層 2 0 8内で止まるようにエッチング時間を制御している。この層はアルミニウムを含んでいないため表面酸化膜は非常に薄く、第三工程の再成長前の昇温過程において容易に除去される。

[0078] 本構造では p-Alo.3Gao.7As層 2 0 7の伝導体下端のエネルギが、活性層 2 0 5 のバリア層である GaAs層よりも約 240meV高いので、層 204から層 21 2へ至る電子リークが十分抑制される。この結果、電流は直径約 4 mの層 209 ， 21 0を通り、有効にレーザ発振に寄与することになるため、低閾値電流、高効率などの優れた特性が実現可能となる。

[0079] なお、第二工程の H、 0などのイオン注入による活性層周辺部の高抵抗化および第八工程の AIGaAs層の横方向酸化はそれぞれ電流狭窄のために使用されることが多いが、ここでは電流狭窄は第一の実施の形態と同様に埋込卜ンネル接合によつて行われており、ィォン注入や酸化層は電流狭窄の機能は果たしていない。

[0080] イオン注入は円柱状構造体 21 6内のトンネル接合周辺部の電気容量を下げるために使用されている。これにより素子抵抗と容量で決まる変調帯域の上限が高くなるため、超高速変調が可能な構造となる。また酸化層は横方向の光閉じ込め制御のために用いており、開口径を制御することによリ光閉じ込めの調整が可能となる。

[0081] つぎに、本発明の第三の実施の形態である発光素子の構成について図 8および図 9を参照して説明する。ここでは InP基板上に形成した発振波長 1.3 mの面発光型レーザに本発明を適用した例を挙げる。

[0082] まず、図 8 (a)に示すように、 n型 InP基板 301上に、 n型 InP層と In Pに格子整合する n型 A I Ga I nAs層の一対を基本単位とする D B R ( n型半導体ミラー層）を複数積層した第一の DBR層 302、 n型 InPクラッド層 303 、ノンドープ AI₀.₁₅Ga₀₁₅ln₀₇As量子井戸と AI₀₃₄Ga₀.₂₂ln₀₄4As障壁層からなる活性層 304、 p型 InPクラッド層 305、 p-lno.₅₂Al ₄₈As層 306、 p-lnP層 3 07、 p⁺-AI。₂₇Ga。₂。ln。₅₃As層 308、 n⁺-ln。₇₆Ga。.₂₄As。.₅₁P。.₄₉層 309、 n-lnP 層 31 0を有機金属気相成長（MOCVD)法にて順次積層する（第一工程)。

[0083] ここで層 308の p型ドーパントとしては C、層 309の n型ドーパントと

しては Siを用い、ドーピング濃度は層 308が 7x10¹⁹cnr³、層 309は 1.5x1 0¹⁹crr³とした。各層の厚さは層 308が 5nm、層 309は 15nmとした。また層 306の厚さは 30nmであり、その他の各層の層厚は、層 303から層 308 までの光路長が発振波長のほぼ 5/4となるように設定してある。

[0084] つぎに、フォトリソグラフィ技術により直径約 6 mの円形のレジストマスクを形成し、エッチングにより上記層 308から層 31 0を除去する。その後、フォトレジストを除去する（第二工程)。この際、エッチングが層 307 内で止まるようにエッチング時間を調整している。

[0085] つぎに、再び MOCVD法を用いて n型 InP層 31 1を積層する（第三工程 )。層 31 1の厚さは光路長が発振波長の 5/4となるようにいる。続いてこのウェハ上にスパッタを用いて Si0₂とアモルファス Si (a-Si)の一対を基本単位とする DBR (誘電体ミラー層）を複数積層した第二の DBR層 31 2を形成する。

[0086] Si0₂層と a-Si層の膜厚は、これら媒質内の各々の光路長が発振波長のほぼ 1/ 4となるように設定してある。つぎに、フォトリソグラフィとエッチングによリ第二工程で形成した円形のトンネル接合部と同軸上に直径約 10 mの円形部分を残して第二の DBR層 31 2を除去する。

[0087] つぎに、図 9 (a)に示すように、第一の実施の形態と同様の手順を用いて第一の DBR層 302の表面まで達する直径約 30 mの円柱状構造体 31 3 を形成する（第四工程)。つぎに、上記メサエッチングにより露出した第一の D B R上に電極を形成する。

[0088] まず前面にフォトレジストを塗布した後、リソグラフィにより電極を形成する部分のみ除去する。 AuGe/AuNiを蒸着した後、上記フォトレジストを除去してリフ卜オフすることにより第一の DBR上の一部に電極 31 4が形成される（第五工程)。

[0089] つぎに、図 9 (b)に示すように、ポリイミド 31 5によリメサを埋め込んだ後、リソグラフィにより電極上のポリイミド 31 5を除去する（第六工程）。つぎに、電極を形成する。

[0090] まずフォトレジストを塗布し（図示せず)、マスク露光によりパターニングした後、 AuGe/AuNiを蒸着し、上記フォトレジストを除去してリフトオフすることにより、図 9 (b)に示すように、リング電極 31 6およびそれと接続されたパッド電極 3 1 7を形成する。

[0091 ] また、このとき同時にポリイミド 3 1 5上に電極パッド 3 1 8を形成し、上記第五工程で形成した第一の D B R上の電極 3 1 4と接続している（第七ェ程）。このように I n P基板上に作製した V C S E Lを一個ごともしくは所望のァレイ状 (例えば一個 X十個、百個 X百個など）に切リ出して使用可能である

[0092] 以上の製法によリ得られた V C S E Lでは、 pHUo^Gao aj I no As層 3 0 8および n⁺- l n₀.₇₆Ga₀.₂₄As₀.₅₁P_{0 49}層 3 0 9がトンネル接合部を形成している。これらの層は第二工程において直径約 6 mの円形部分を残して除去されており、この円柱部分が電流狭窄効果および光導波効果を生じる。

[0093] これらの層は第一および第二の実施の形態と同様に V C S E L発振時に生じる定在波の節の部分に位置するように設定することにより光の吸収を抑制している。上記のように第二工程において一部を除いて層 3 0 8， 3 0 9をエッチングしているが、前記のように、この際エッチングが層 3 0 7内で止まるようにエッチング時間を制御している。

[0094] この層はアルミニウムを含んでいないため表面酸化膜は非常に薄く、第三工程の再成長前の昇温過程において容易に除去される。ただし本実施の形態

3 0 8がアルミニウムを含んでおり、この側面が第二工程のエッチングで露出し、酸化するが、この層厚は 5nmと非常に薄く、ェツチング底面が露出する場合と比べて、その面積は非常に小さく抑えられるため、影響は小さい。

[0095] 本構造においても第一および第二の実施の形態と同様に、 p- l no.52A l o.48As層

3 0 6が電子ブロック層として機能するので、層 3 0 3から層 3 1 1へ至る電子リークが十分抑制される。この結果、電流は直径約 6 mの層 3 0 8， 3 0 9を通り、有効にレーザ発振に寄与することになるため、低閾値電流、高効率などの優れた特性が実現可能となる。

[0096] つぎに、本発明の第四の実施の形態である発光素子の構成について図 1 0 および図 1 1を参照して説明する。ここでは I n P基板上に形成した発振波長 1 .3 mの端面発光型レーザに本発明を適用した例を挙げる。

[0097] まず n-lnP基板 401上に n-lnP第一クラッド層 402、 ln₀.₈Ga₀.₂As₀.₄₃P₀.₅₇ -SCH層 403、およびノンドープ1 .863₀.₂八3₀._{6 0}.₃₆量子井戸と1 .₈63₀.₂八3₀._{4 05} 7障壁層からなる活性層 404、 I n₀.₈Ga₀.₂As₀.₄₃P₀.₅₇-SCH層 405、 p-lnPクラッド層 406、 p-lno.₂Gao.₈P層 407、 p- 1 n P Jf 408 ^ p⁺-GaAs ₈Sbo.₂層 409 、 n⁺-lnQ.₇₆GaQ.₂₄AsQ.₅₁Po.₄₉層 41 0、 n-lnP層 41 1を有機金属気相成長（MO C V D)法にて順次積層する（第一工程)。

[0098] ここで層 409の p型ドーパントとしては C、層 41 0の n型ドーパントと

しては Sを用い、ドーピング濃度は層 409が 1.5x10²⁰cm-³、層 41 0は 5x10¹ gem-³とした。また各層の厚さは層 409が 4nm、層 41 0は 10nmとした。また層 407の厚さは 10nmである。

[0099] つぎに、このウェハ上に熱 CVD法により Si0₂膜を形成し、その上にフォトリソダラフィ技術によリ幅 2 mのス卜ライプマスクを形成した後、エツチングを行い、層 409から層 41 1を除去する（第二工程）。

[0100] その後、再度 MOCVD法にて n-lnP第二クラッド層 41 2および n-lnGaA sコンタク卜層 41 3を MOCVD法にて成長する（第三工程）。

[0101] 図 1 1に示すように、このように成長したウェハ上に、フォトリソグラフィとエッチングにより、電気的分離のため活性層を中心として 15 mの間隔で深さ 4〜5 mの二本の溝 41 4を形成する（第四工程）。

[0102] この上から熱 CVDにより厚さ 0.4 mの Si0₂膜 41 5を形成し、活性層上部にフォトリソグラフィとエッチングによって S i 0₂膜に幅 20 mの開口を設ける。続いて AuGeNi合金および T 50nm、 Au:400nmを蒸着した後、フォトリソグラフィとイオンミリングによリ後に素子を物理的に分離する箇所の金属薄膜を除去し、表面電極 41 6を形成する（第五工程)。

[0103] つぎに、劈開を容易にするためウェハ厚が 100 mとなるまで n-lnP基板側を研磨し、裏面に AuGeNi合金、 "N:50nm、 Au:400nmを蒸着し、裏面電極 41 7 とする。以上のように作製したウェハを劈開し、片面に低反射膜、他方の面に高反射膜をコーティングした後、一つずつ切リ出してレーザが完成する（第六工程)。

[0104] 以上の製法により得られた端面発光型レーザでは、 p^GaAs^Sb z層 409 ぉょび -1 .₇₆63₍₎.₂ 3₍₎._{5 49}層41 0がトンネル接合部を形成しており、 p-lno

2Ga₀₈P層 407が電子ブロック層として機能している。

[0105] 層 409から層 41 1はこれらの層は第三工程において幅 2 mのストライプ部分を残して除去されているが、本実施の形態で用いられる層は全てアルミニゥムを含んでいないため、酸化の問題が生じない。

[0106] 本実施の形態のレーザ構造と、活性層の上方全体を p型半導体とした従来のレーザ構造と比べると、本実施の形態の構造では活性層上方の pクラッド層の大部分を nクラッド層に置き換えることが可能であり、 p型半導体に比べて n型半導体の方が低抵抗であることから、卜ンネル接合部の抵抗分を考慮しても、全体の抵抗を低減することが可能となる。

[0107] また、トンネル接合部以外の箇所はトンネル確率が極めて小さいため、電流はほとんど流れない。したがって従来の構造と比較してリーク電流を低減することが可能となる。なお、トンネル接合部のドーピング濃度が大きいためにここでの光吸収が大きいが、 n型半導体の方が p型半導体よリ光吸収が小さいため、クラッド層での光吸収は従来の構造と比べて低くなる。

[0108] 以上、本発明の四つの実施の形態について説明したが、本発明の実施方法は上記した各種形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で各種の変形が可能である。

[0109] 例えば、上記実施の形態ではエッチングによりトンネル接合部の一部を除去し、電流狭窄構造を形成することを例示した。しかし、下側 DBRおよび活性層を成長した後に誘電体マスクを形成し、選択成長を用いて部分的に卜ンネル接合部を形成し、その後マスクを除去して埋め込み層を成長しても良い（図示せず)。この方法でもエッチングを用いた場合と同様にトンネル接合部での電流狭窄を実現できる。

[0110] また、上記実施の形態では発光素子としてレーザを用いた例を示したが、本発明は発光ダイオード（LED： Light Emitting Diode)にも同様に適用可能であり、さらに発光素子の波長、材料についても実施の形態に挙げたもの以外を選ぶことが可能である。

[01 1 1 ] なお、上記第一および第四の実施の形態では、電子ブロック層としてアルミニゥムを含まない層を用いた例について述べたが、これは必ずしも完全にアルミニウムがゼロである必要はなく、実質的にアルミニウムを含まなければ良い。

[01 12] すなわち表面酸化が問題とならない範囲であればアルミニウムを含んでも良く、アルミニウム含有量がドーパントと見なせる範囲、具体的には I I I族元素中のアルミニウムの割合が 1 %以下であれば良い。アルミニウム含有量については S I M S (Secondary I on Mass Spectroscopy)などの分析により検証が可能である。

[01 13] また、電子ブロック層の価電子帯上端のエネルギがその両隣の層よりも低く、電子ブロック層と両隣の層の間に組成が段階的に変化する層を有する構造も可能である（図示せず)。

[01 14] これまで述べたように電子ブロック層としては GaAsP、 A I GaAsなど伝導帯下端のエネルギーが大きいものを使用するが、これらの材料はその両隣に一般に使用される GaAsよリも価電子帯上端のエネルギーが低く（正孔のエネルギ一としては高く）なる。

[01 15] このため正孔に対してもブロック効果が生じ、抵抗が高くなる原因となる。上記の要因組成を段階的に変化させることによりこれを抑制し、抵抗増加を防ぐことが可能となる。なお、このような構造の場合でも十分な Δ Εοを取つていれば、電子のブロック効果は下がることはない。

Claims

請求の範囲

[1] p型半導体と n型半導体とを有して逆バイアス電圧が印加された状態で前記 P型半導体から前記 n型半導体へ電子をトンネルさせて電流を流すトンネル接合部と、

活性層と、

前記卜ンネル接合部と前記活性層との間に位置する電子プロック層と、を有し、

該電子プロック層が前記活性層よリも伝導体下端のエネルギが大きく実質的にアルミニゥムを含まない材料で形成されていることを特徴とする発光素子。

[2] p型半導体と n型半導体とを有して逆バイアス電圧が印加された状態で前記 P型半導体から前記 n型半導体へ電子をトンネルさせて電流を流すトンネル接合部と、

活性層と、

該電子プロック層が前記活性層よリも伝導体下端のエネルギが大きくアルミニゥムを含む材料で形成されておリ、

該電子ブロック層と前記トンネル接合部との間に位置して実質的にアルミ二ゥムを含まない層を、さらに有し、

前記トンネル接合部の面積が前記電子プロック層の面積よリも小さいことを特徴とする発光素子。

[3] 少なくとも前記活性層と前記電子ブロック層と前記卜ンネル接合部とが積層されている GaAs基板を、さらに有し、

前記電子プロック層が GaAsPを含む材料で形成されている請求項 1に記載の発光素子。

[4] 少なくとも前記活性層と前記電子ブロック層と前記卜ンネル接合部とが積層されている GaAs基板を、さらに有し、前記電子ブロック層が、 A I GaAs、 A I GaAsP、 A l l nGaAs、 A l l nAs、 A I I nGaAsP 、の少なくとも一つを含む材料で形成されている請求項 2に記載の発光素子

[5] 前記電子ブロック層のアルミニウムの組成が 0. 1以上であることを特徴とする請求項 2または 4に記載の発光素子。

[6] 前記トンネル接合部が前記電子プロック層の表面に部分的に形成されておリ、

前記トンネル接合部が埋め込まれている半導体を、さらに有し、該トンネル接合部において電流狭窄を行う埋込トンネル接合構造に形成されていることを特徴とする請求項 1ないし 5の何れか一項に記載の発光素子

[7] 二つの反射鏡に挟まれた共振器を、さらに有し、

該共振器内に少なくとも前記活性層と前記トンネル接合部と前記電子プロック層とがあり、

該電子ブロック層の伝導体下端のエネルギが前記共振器内において最も高いことを特徴とする請求項 1ないし 6の何れか一項に記載の発光素子。

[8] 前記電子ブロック層と前記活性層とを構成する半導体の伝導体下端のェネルギ差が 80meV以上であることを特徴とする請求項 1ないし 7の何れか一項に記載の発光素子。

[9] 前記電子ブロック層の層厚が 10nm以上であることを特徴とする請求項 1ないし 8の何れか一項に記載の発光素子。

[10] 前記電子プロック層の価電子帯上端のエネルギがその両隣の層よリも低く該電子ブロック層と両隣の層の間に組成が段階的に変化する層を、さらに有することを特徴とする請求項 1ないし 9の何れか一項に記載の発光素子。

[1 1 ] 面発光型レーザ素子として形成されていることを特徴とする請求項 1ないし 1 0の何れか一項に記載の発光素子。