JP3715639B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、リッジ形成層のメサストライプ状に除去された部分を埋込成長層で埋め込んだリッジ埋込構造の又は、電流ブロック層の一部除去された部分を埋込成長層で埋め込んだ内部ストライプ構造の半導体発光素子に関するものである。

ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＰなどのＡｌ組成を含んだ半導体レーザを作製する場合、再成長時の結晶表面の酸化の問題がある。この問題を解消するため、主としてリッジ構造、リッジ埋込構造、内部ストライプ構造などが採用されている。中でも埋め込み構造は、横モードを制御しやすいことが特徴である。

図５はリッジ埋込構造の一例として、下記特許文献１に開示される半導体レーザの断面図である。図５に示すように、下記特許文献１に開示される半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板２１上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２２、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系量子井戸活性層＋ＡｌＧａＡｓ系光ガイド層２３、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２４、ｐ型ＧａＡｓキャップ層２５を順次結晶成長させ、逆メサ状の構造にした後、逆メサ状の切除部分にｎ型ＧａＩｎＰ電流ブロック層２６とｎ型ＧａＡｓ層２７を結晶成長させ、ｐ型ＧａＡｓキャップ層２５およびｎ型ＧａＡｓ層２７と、ｎ型ＧａＡｓ基板２１の外側に一対電極２８，２９を配置して構成される。
特開平５−１５２６８０号公報

ところで、従来のリッジ埋込構造の半導体発光素子の場合、ＧａＡｓ層で埋め込みを行うと、光に対して吸収であるために、光出力特性が劣化するという問題があった。この問題を解消するため、図５に示す特許文献１の半導体レーザでは、ｎ型ＧａＡｓ層２７とｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２４の逆メサ部分との間にｎ型ＧａＩｎＰ電流ブロック層２６を設けることで光吸収を抑え、かつ安定な水平基本横モード発振を得ていた。

また、光吸収組成にならないＡｌＧａＡｓ層のみでの埋め込みの場合では、Ａｌ元素の活性のために、リッジ部に正常に埋め込まれず、非成長部分（空洞）が生じることがあった。

さらに、従来のリッジ埋込構造の半導体発光素子の場合、電流をブロックするところのｐｎ接合部と再成長界面が同一であり、リッジ部表面と埋め込み層の間に生じた界面準位を介してリーク電流が存在した。

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、リッジ側面への異常成長を無くして素子の性能を向上させること、リッジ側面の再成長界面における界面準位を媒介したリーク電流を無くして耐電圧特性を向上させることができる半導体発光素子を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明に記載された請求項１の半導体発光素子は、ＧａＡｓ基板１上に、ＡｌＧａＡｓ系材料を用いて構成され、メサストライプ状に切除されたリッジ形成層の側部にＡｌを含む電流ブロック層が埋込成長層として配置された半導体発光素子において、
ＩｎＧａＰまたはＩｎＧａＡｓＰからなる埋込バッファ層７Ａが前記メサストライプ状に切除されたリッジ形成層の側部の表面部に直接形成され、該埋込バッファ層の上方に前記Ａｌを含む電流ブロック層が形成されていることを特徴とする。

請求項２の半導体発光素子は、ＧａＡｓ基板１上に、ＡｌＧａＡｓ系材料を用いて構成され、メサストライプ状に切除されたリッジ形成層の側部にＡｌを含む電流ブロック層が埋込成長層として配置された半導体発光素子において、
前記埋込成長層には、前記電流ブロック層と前記リッジ形成層との間にＩｎＧａＰまたはＩｎＧａＡｓＰからなる複数の埋込バッファ層が設けられていて、該埋込バッファ層は、第１埋込層の導電型が前記リッジ形成層を構成するクラッド層と同一で、第２埋込層の成長時に導電型が反転する構成であることを特徴とする。

請求項３の半導体発光素子は、ＧａＡｓ基板１上に、活性層３、エッチング阻止層５、電流ブロック層１１が順次形成され、前記電流ブロック層の一部が選択的にエッチング除去され、該選択的にエッチング除去された部分及び前記電流ブロック層の上方にＡｌを含むクラッド層６が形成された、ＡｌＧａＡｓ系材料から成る半導体発光素子において、
ＩｎＧａＰまたはＩｎＧａＡｓＰからなる埋込バッファ層７Ｄが前記選択的にエッチング除去された部分及び前記電流ブロック層の表面部に直接形成され、該埋込バッファ層の上方に前記Ａｌを含むクラッド層が形成されていることを特徴とする。

埋め込み層ＡｌＧａＡｓとリッジ部の間にＩｎＧａＰ又はＩｎＧａＡｓＰ層を埋め込みバッファ層として備えたので、埋め込み成長時に非成長部分が生じない。しかも、光吸収が無く、素子の性能が向上する。

再成長界面とｐｎ接合界面を分離させ、ｐｎ接合を界面準位が形成されないように同一組成内で実現した埋め込み構造なので、成長界面を介したリーク電流が大幅に低減でき、素子耐圧などのレーザ特性が改善される。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら具体的に説明する。図１は本発明に係る半導体発光素子の第１実施の形態を示す断面図、図２は本発明に係る半導体発光素子の第２実施の形態を示す断面図、図３は本発明に係る半導体発光素子の第３実施の形態を示す断面図、図４は本発明に係る半導体発光素子の第４実施の形態を示す断面図である。

図１に示すように、第１実施の形態の半導体発光素子は、基板１、第１クラッド層２、量子井戸活性層３、第２クラッド層４、エッチング阻止層５、第３クラッド層（リッジ形成層）６、埋込成長層７、第４クラッド層８、コンタクト層９の順に不図示の一対の電極間に配置されたものである。

ここで、埋込成長層７は、エッチング阻止層５上にエッチング処理によって形成された第３クラッド層６からなるメサストライプ状のリッジ形成層の側部６ａに埋め込まれるように結晶成長するものである。この埋込成長層７は、エッチング阻止層５側から第１埋込層７Ａ、第２埋込層７Ｂ、第３埋込層７Ｃの３層構造で構成される。図１の例では、第１埋込層７Ａがｐ−ＩｎＧａＰ埋込層（埋込バッファ層）で構成され、第２埋込層７Ｂがｎ−ＩｎＧａＰ埋込層（埋込バッファ層）で構成され、第３埋込層７Ｃがｎ−ＡｌＧａＡｓ埋込層（電流ブロック層）で構成される。なお、第１埋込層７Ａの膜厚は０．２μｍ以下に調整される。

次に、第２実施の形態の半導体発光素子について図２を参照しながら説明する。なお、第１実施の形態の半導体発光素子と同一の構成要素には同一番号を付している。

第２実施の形態の半導体発光素子は、上述した第１実施の形態の半導体発光素子における埋込成長層７の層構造が異なる他は同一構成である。すなわち、第２実施の形態の半導体発光素子は、埋込成長層７が第１埋込層７Ａと第２埋込層７Ｂの２層構造で構成される。具体的には、図２に示すように、第１埋込層７Ａがｎ−ＩｎＧａＰ埋込層（埋込バッファ層）で構成され、第２埋込層７Ｂがｎ−ＡｌＧａＡｓ埋込層（電流ブロック層）で構成される。なお、第１埋込層７Ａの膜厚は０．２μｍ以下に調整される。

次に、第３実施の形態の半導体発光素子について図３を参照しながら説明する。なお、第１実施の形態の半導体発光素子と同一の構成要素には同一番号を付している。

第３実施の形態の半導体発光素子は、上述した第１実施の形態の半導体発光素子における埋込成長層７の層構造が異なる他は同一構成である。すなわち、第３実施の形態の半導体発光素子は、第２実施の形態と同様に、埋込成長層７が第１埋込層７Ａと第２埋込層７Ｂの２層構造で構成される。具体的には、図３に示すように、第１埋込層７Ａがｐ−ＩｎＧａＰ埋込層（埋込バッファ層）で構成され、第２埋込層７Ｂがｎ−ＩｎＧａＰ埋込層（電流ブロック層）で構成される。なお、第１埋込層７Ａの膜厚は０．２μｍ以下に調整される。

次に、本例の半導体発光素子の製造方法として、図１に示す第１実施の形態の半導体発光素子を例にとって説明する。まず、ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ｎ−Ａｌ_0.45Ｇａ_0.55Ａｓ第１クラッド層（１．５μｍ）２と、ＧａＡｓ／Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ａｓ量子井戸活性層（０．１２μｍ）３と、ｐ−Ａｌ_0.45Ｇａ_0.55Ａｓ第２クラッド層（０．２μｍ）４と、ｐ−Ｉｎ_0.5 Ｇａ_0.5 Ｐエッチング阻止層（２０ｎｍ）５と、ｐ−Ａｌ_0.45Ｇａ_0.55Ａｓ第３クラッド層（０．５μｍ）６を順次結晶成長させる。

続いて、ｐ−Ａｌ_0.45Ｇａ_0.55Ａｓ第３クラッド層６の所定箇所にＳｉＮｘ膜のマスクを用いてエッチング処理を施し、ｐ−Ａｌ_0.45Ｇａ_0.55Ａｓ第３クラッド層（０．５μｍ）６にメサストライプ状のリッジ形成層を形成する。

エッチング処理によりメサストライプ状のリッジ形成層がエッチング阻止層５上に形成されると、有機金属気相成長法により、埋込成長層７として、ｐ−Ｉｎ_0.5 Ｇａ_0.5 Ｐ埋込第１層（埋込バッファ層：５０ｎｍ）７Ａ、ｎ−Ｉｎ_0.5 Ｇａ_0.5 Ｐ埋込第２層（埋込バッファ層：５０ｎｍ）７Ｂ、ｎ−Ａｌ_0.55Ｇａ_0.45Ａｓ埋込第３層（電流ブロック層：０．４μｍ）７Ｃを順次結晶成長させる。その後、マスクのＳｉＮｘ膜を除去し、第３クラッド層６によるリッジ形成層およびｎ−ＡｌＧａＡｓ埋込第３層７Ｃ上にｐ−Ａｌ_0.45Ｇａ_0.55Ａｓ第４クラッド層（１μｍ）８と、ｐ⁺ −ＧａＡｓコンタクト層（０．７μｍ）９とを順次結晶成長させる。そして、基板１とコンタクト層１０の外側に一対の電極（不図示）を設けて半導体発光素子が完成する。

このように、本発明に係る半導体発光素子は、埋込成長層７が少なくとも２種の半導体層で構成され、第１埋込層（埋込第１層）７ＡがＡｌを含まない構成としている。具体的には、各実施の形態において、第１埋込層７ＡをＩｎＧａＰで構成している。そして、第１実施の形態では、第１埋込層７Ａおよび第２埋込層７ＢをＩｎＧａＰで構成し、第３埋込層７ＣをＡｌＧａＡｓで構成している。第２実施の形態では、第１埋込層７ＡをＩｎＧａＰで構成し、第２埋込層７ＢをＡｌＧａＡｓで構成している。第３実施の形態では、第１埋込層７Ａおよび第２埋込層７ＢをＩｎＧａＰで構成している。第１実施の形態および第３実施の形態では、第１埋込層７Ａの導電型が第３クラッド層６と同一で、第２埋込層７Ｂの成長時に導電型がｐ型からｎ型に反転した構成としている。

すなわち、本例の半導体発光素子として、第１実施の形態および第２実施の形態では、ＡｌＧａＡｓからなる電流ブロック層（第１実施の形態では第３埋込層７Ｃ、第２実施の形態では第２埋込層７Ｂ）と、第３クラッド層６からなるリッジ形成層との間に、ＩｎＧａＰからなる埋込バッファ層（第１実施の形態では第１埋込層７Ａおよび第２埋込層７Ｂ、第２実施の形態では第１埋込層７Ａ）を備えた構成なので、埋め込み成長時に非成長部分が生じることなく、光吸収も無いので、素子の性能が向上する。

また、第１実施の形態および第３実施の形態では、埋込成長層７の第１埋込層７Ａの導電型が第３クラッド層６と同一で、第２埋込層７Ｂの成長時に導電型をｐ型からｎ型に反転する構造としている。これにより、再成長界面とｐｎ接合界面を分離せしめるとともに、ｐｎ接合を界面準位が形成されないように同一組成内で実現した埋め込み構造となる。その結果、成長界面を介したリーク電流が大幅に低減でき、素子耐圧などのレーザ特性が改善される。

次に、第４実施の形態の半導体発光素子について、図４を参照しながら説明する。この第４実施の形態の半導体発光素子は、前述した第１乃至第３実施の形態のリッジ埋め込み構造とは異なり、内部ストライプ構造となっている。

図４に示すように、第４実施の形態の半導体発光素子は、基板１、第１クラッド層２、量子井戸活性層３、第２クラッド層４、エッチング阻止層５、電流ブロック層１１、埋込バッファ層７Ｄ、第３クラッド層６、コンタクト層９の順に積層されていて、その両端に不図示の電極が配置されている。

埋込バッファ層７Ｄは、電流ブロック層１１をエッチング処理することにより表出したエッチング阻止層５の上面、及び電流ブロック層１１の側面部、上面部に埋め込まれるように結晶成長するものである。図４の例では、埋込バッファ層７Ｄがｐ−ＩｎＧａＰ埋込層（埋込バッファ層）で構成される。なお、埋込バッファ層７Ｄの膜厚は０．２μｍ以下に調整される。

次に、この第４実施の形態の半導体発光素子の製造方法について説明する。まず、ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ｎ−Ａｌ_0.45Ｇａ_0.55Ａｓ第１クラッド層（１．５μｍ）２と、ＧａＡｓ／Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ａｓ量子井戸活性層（０．１２μｍ）３と、ｐ−Ａｌ_0.45Ｇａ_0.55Ａｓ第２クラッド層（０．２５μｍ）４と、ｐ−Ｉｎ_0.5 Ｇａ_0.5 Ｐエッチング阻止層（０．１μｍ）６と、ｎ−Ａｌ_0.55Ｇａ_0.45Ａｓ電流ブロック層（０．５μｍ）１１を順次エピタキシャル成長にて形成する。

続いて、電流ブロック層１１表面にプラズマＣＶＤ法によりＳｉＮx 膜を堆積し、フォトリソグラフィ法によりストライプ部分のＳｉＮx 膜を窓開けする。そして、ストライプ部分の電流ブロック層１１をエッチング処理してストライプ部を形成した後、ＳｉＮx 膜を除去する。その後、埋込バッファ層７Ｄ、第３クラッド層６、コンタクト層９をエピタキシャル成長させる。そして、基板１とコンタクト層９の外側に一対の電極（不図示）を設けて半導体発光素子が完成する。

以上述べたように、この第４実施の形態の半導体発光素子においては、ストライプ部分の埋込成長時に初期層としてＩｎＧａＰを０．２μｍ以下の膜厚で成長する構造としているので、第１乃至第３実施の形態の半導体発光素子と同様、埋め込み成長時に非成長部分が生じることなく、光吸収も無いので、素子の性能が向上する。

なお、図１乃至図３に示す例におけるリッジ形成層、図４に示す例におけるストライプ部分を選択エッチングで形成する際のエッチング液としては、硫酸系（水：過酸化水素水：硫酸＝１：１：３（２５℃））を用いる。

ところで、図１乃至図４に示す例では、埋込バッファ層がＩｎＧａＰで構成されるものとして説明したが、この埋込バッファ層をＩｎＧａＡｓＰで構成しても同様の効果を得ることができる。

本発明に係る半導体発光素子の第１実施の形態を示す断面図である。 本発明に係る半導体発光素子の第２実施の形態を示す断面図である。 本発明に係る半導体発光素子の第３実施の形態を示す断面図である。 本発明に係る半導体発光素子の第４実施の形態を示す断面図である。 特許文献１に開示される半導体レーザの断面図である。

符号の説明

１ 基板
２ 第１クラッド層
３ 量子井戸活性層
４ 第２クラッド層
５ エッチング阻止層
６ 第３クラッド層（リッジ形成層）
６ａ 側部
７ 埋込成長層
７Ａ 第１埋込層
７Ｂ 第２埋込層
７Ｃ 第３埋込層
７Ｄ 埋込バッファ層
８ 第４クラッド層
９ コンタクト層
１１ 電流ブロック層

Claims (3)

1. ＧａＡｓ基板（１）上に、ＡｌＧａＡｓ系材料を用いて構成され、メサストライプ状に切除されたリッジ形成層の側部にＡｌを含む電流ブロック層が埋込成長層として配置された半導体発光素子において、
   ＩｎＧａＰまたはＩｎＧａＡｓＰからなる埋込バッファ層（７Ａ）が前記メサストライプ状に切除されたリッジ形成層の側部の表面部に直接形成され、該埋込バッファ層の上方に前記Ａｌを含む電流ブロック層が形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
2. ＧａＡｓ基板（１）上に、ＡｌＧａＡｓ系材料を用いて構成され、メサストライプ状に切除されたリッジ形成層の側部にＡｌを含む電流ブロック層が埋込成長層として配置された半導体発光素子において、
   前記埋込成長層には、前記電流ブロック層と前記リッジ形成層との間にＩｎＧａＰまたはＩｎＧａＡｓＰからなる複数の埋込バッファ層が設けられていて、該埋込バッファ層は、第１埋込層の導電型が前記リッジ形成層を構成するクラッド層と同一で、第２埋込層の成長時に導電型が反転する構成であることを特徴とする半導体発光素子。
3. ＧａＡｓ基板（１）上に、活性層（３）、エッチング阻止層（５）、電流ブロック層（１１）が順次形成され、前記電流ブロック層の一部が選択的にエッチング除去され、該選択的にエッチング除去された部分及び前記電流ブロック層の上方にＡｌを含むクラッド層（６）が形成された、ＡｌＧａＡｓ系材料から成る半導体発光素子において、
   ＩｎＧａＰまたはＩｎＧａＡｓＰからなる埋込バッファ層（７Ｄ）が前記選択的にエッチング除去された部分及び前記電流ブロック層の表面部に直接形成され、該埋込バッファ層の上方に前記Ａｌを含むクラッド層が形成されていることを特徴とする半導体発光素子。

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