JP4136272B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、III-Ｖ族半導体による半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＡｌＧａＩｎＰ系材料はＡｌＧａＩｎＮ系材料を除きIII-Ｖ族半導体のなかで最も大きい直接遷移型の材料であり、バンドギャップエネルギーは最大で約２．３ｅＶ(波長５４０ｎｍ)が得られる。このため従来よりカラーディスプレー等に用いられる高輝度緑色〜赤色発光ダイオード等の発光素子や、レーザプリンター，ＣＤ，ＤＶＤ等の光書き込み用等に用いられる可視光半導体レーザの材料として研究開発が行なわれている。これらの中で特に半導体レーザは、ＧａＡｓ基板に格子整合する材料が用いられている。特に高密度記録等のためには高温高出力安定動作し、かつ短波長である素子が必要となっている。
【０００３】
半導体レーザを作製するためには、クラッド層(活性層よりもバンドギャップの大きい材料からなる)を用い、キャリアと光を活性層(発光層)に閉じ込める構造が必要である。ＡｌＧａＩｎＰ系材料は、ヘテロ接合を形成すると伝導帯のバンドオフセット比が小さく、活性層(発光層)とクラッド層の伝導帯側のバンド不連続(ΔＥｃ)が小さいので、注入キャリア(電子)が活性層からクラッド層にオーバーフローしやすくなり、半導体レーザの発振しきい値電流の温度依存性が大きく、温度特性が悪いなどの問題があった。
【０００４】
このような問題を解決するため、特開平４−１１４４８６号には、活性層とクラッド層との間に非常に薄い層を多数積層した多重量子障壁(ＭＱＢ)構造を設け、注入キャリアを閉じ込める構造が提案されている。しかしながら、この構造は、複雑である上、効果を得るためには厚さの制御を良くし、各層の界面を原子層レベルで平坦にする必要があり、現実にはその効果を得ることは困難であった。
【０００５】
また、通常、端面発光型の赤色レーザでは、量子井戸活性層をＡｌを含んだ材料である(Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ)_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなる光ガイド層で挟んだ構造が用いられ、(Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ)_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ光ガイド層には光が閉じ込められるが、Ａｌ組成ｘが通常０．５程度と大きいためレーザの共振器面となる端面でのＡｌに起因する表面再結合により端面破壊が起こりやすく、高出力を出すことが困難であり、長時間安定動作させるのが困難であった。
【０００６】
このように、従来のＧａＡｓ基板格子整合系材料では、高温，高出力，長時間安定動作には限界があり、高温(例えば８０℃），高出力(例えば７０ｍＷ以上)，長時間安定動作(例えば一万時間)する赤色レーザの実現は困難であった。この傾向は短波長になるほど顕著となる。
【０００７】
ＧａＡｓよりも格子定数が小さいＡｌＧａＩｎＰ系材料は、ＧａＡｓ基板上に成長できる材料に比べてワイドギャップなので短波長化に有利である。このような他の材料系を用いた発光ダイオード(ＬＥＤ)の提案(特開平８−１８１０１号)や、発振波長６００ｎｍ以下の短波長レーザの提案がなされている。例えば、ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓとＧａＰとの間の格子定数を有する(ＡｌＧａ)_ａＩｎ_１−ａＰ(０．５１＜ａ≦０．７３)からなるダブルヘテロ構造体を、これに格子整合するＧａＰ_ｘＡｓ_１−ｘバッファー層などを介して形成する素子が特開平５−４１５６０号に提案されており、この素子では、バッファー層により基板とダブルヘテロ構造体との格子不整を解消している。
【０００８】
図１には、格子定数とバンドギャップエネルギーとの関係が示されている。図１において、実線は直接遷移の材料であり、破線は間接遷移の材料である。ＧａＡｓとＧａＰとの間の格子定数を有する（ＡｌＧａ）_ａＩｎ_１−ａＰ（０．５１＜ａ≦０．７３）系材料はＡｌＩｎＰとＧａＩｎＰとで囲まれた範囲の材料である。ＧａＡｓ基板格子整合材料よりもワイドギャップのＡｌＧａＩｎＰをクラッド層と活性層に用いることができるので、６００ｎｍよりも短い波長のレーザなど短波長化に有利であることがわかる。
【０００９】
図２には、特開平５−４１５６０号に示されているＧａＡｓとＧａＰとの間の格子定数を有する屈折率導波型レーザの構造が示されている。このレーザは、以下のようにして形成される。すなわち、先ず、ｎ−ＧａＡｓ基板２０１上にｎ−ＧａＰＡｓグレーテッド層２０２，ｎ−Ｇａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｐ／（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．７Ｉｎ_０．３Ｐ超格子層２０３を設けた半導体基板（ＧａＰＡｓ基板）２０４を用い、この半導体基板２０４上に、ｎ−（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．７Ｉｎ_０．３Ｐ光導波層２０５、アンドープＧａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｐ活性層２０６、ｐ−（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．７Ｉｎ_０．３Ｐ光導波層２０７、ｐ−Ｇａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｐバッファー層２０８を成長（１回目の成長）し、ｐ−（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．７Ｉｎ_０．３Ｐ光導波層２０７を０．２〜０．４μｍ残したリッジストライプを形成し、ｎ−Ｇａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｐ電流狭窄兼光吸収層２０９を選択成長（２回目の成長）し、更にｐ−Ｇａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｐコンタクト層２１０を埋め込み成長（３回目の成長）して得られる。なお、図２において、２１１，２１２はそれぞれｎ側電極，ｐ側電極である。
【００１０】
ＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有する材料系からなる上述した従来の半導体レーザでは、電流狭窄構造を有する構造を形成するために、上述したように、３回の成長工程が必要であり、工程が複雑になり、歩留まりが低いという問題があった。なお、工程を簡単にするため、特開平１０−４２３９号には、ＧａＡｓ基板格子整合材料系でＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．８＜ｘ≦１）層を選択酸化して電流狭窄構造に用いたリッジ導波路型半導体レーザが提案されている。このリッジ導波路型半導体レーザでは、リッジ底面でのリッジの幅は４μｍで、電流通路となる酸化されないＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．８＜ｘ≦１）層の幅は３μｍとなっている。この構成では、電流狭窄により、ほぼ電流通路となる酸化されないＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．８＜ｘ≦１）層の下の活性層が発光領域となる。これによると、１回の結晶成長で電流狭窄を有するレーザ構造を作製できる。しかしながら、ＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有する材料系とＧａＡｓ基板にほぼ格子整合するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．８＜ｘ≦１）とでは格子定数が異なるので、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．８＜ｘ≦１）層をＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有する材料系からなる構造中に用いる場合、その厚さには制限がある。また、電流通路となる酸化されないＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．８＜ｘ≦１）層の端とリッジの端が近いため、導波損失が大きく高出力化に限界があった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有する材料系からなる半導体発光素子において、製造工程が容易で歩留まりが高く、また、導波損失が少なく高出力化に有利な半導体発光素子を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、半導体基板上に、光を発生するＡｌＧａＩｎＰ系材料からなる活性層と、活性層よりもバンドギャップが大きくＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有するＡｌを含んだ(Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ)_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ(０＜ｙ≦１、０．５＜β＜１、０＜ｖ≦１)からなる半導体層とを有し、前記半導体層で前記活性層を挟む構造を有する半導体発光素子であって、前記半導体層の一部に、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１)層からなる被選択酸化層を含み、該被選択酸化層の材料は半導体基板に対し格子整合しており、前記被選択酸化層の一部が選択酸化されて選択酸化層として形成されていることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項２記載の発明は、半導体基板上に、光を発生する活性層と、活性層の両側に活性層を挟むように設けられ活性層からの光を閉じ込める２つのクラッド層とを有するヘテロ接合からなる半導体発光素子において、活性層は、量子井戸層で構成される単一量子井戸構造、または、量子井戸層と障壁層とで構成される多重量子井戸構造であり、量子井戸層は(Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１)_α１Ｉｎ_１−α１Ｐ_ｔ１Ａｓ_１−ｔ１(０≦ｘ１＜１、０＜α１≦１、０≦ｔ１≦１)からなり、障壁層は(Ａｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２)_α２Ｉｎ_１−α２Ｐ_ｔ２Ａｓ_１−ｔ２(０≦ｘ２＜１、０．５＜α２＜１、０≦ｔ２≦１)からなり、各クラッド層は活性層よりもバンドギャップが大きくＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有するＡｌを含んだ(Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ)_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ(０＜ｙ≦１、０．５＜β＜１、０＜ｖ≦１)からなり、活性層と各クラッド層の間に、バンドギャップが活性層よりも大きくクラッド層よりも小さい(Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ)_γＩｎ_１−γＰ_ｕＡｓ_１−ｕ(０≦ｚ＜１、０．５＜γ＜１、０＜ｕ≦１)からなる光ガイド層を有しており、２つのクラッド層の少なくとも一方のクラッド層の一部に、または、２つのクラッド層の一方のクラッド層と前記活性層との間に、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１)層からなる被選択酸化層を含み、該被選択酸化層の材料は半導体基板に対し格子整合しており、前記被選択酸化層の一部が選択酸化されて選択酸化層として形成されていることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の半導体発光素子において、前記半導体基板はGaAs または GaP 基板上にＧａＰＡｓ層を成長層として成長させたエピ基板であり、前記Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１)層は半導体基板に対し格子整合していることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、被選択酸化層であるＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０＜ｔ≦１)層の組成は、III族元素がＡｌだけからなるＡｌＰ_ｔＡｓ_１−ｔ(０≦ｔ≦１)であることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、被選択酸化層が、ＡｌＡｓ層と、ＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有する材料からなる層とを複数層積層した超格子構造により構成されていることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項６記載の発明は、請求項５記載の半導体発光素子において、ＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有する材料はＡｌＰＡｓであることを特徴としている。
【００１９】
また、請求項７記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、酸化されておらず電流通路となる被選択酸化層の幅(ｗ１)と被選択酸化層の一部を選択酸化して形成された選択酸化層の幅(ｗ２)の合計（ｗ１＋ｗ２）に対するｗ１の比率{ｗ１／(ｗ１＋ｗ２)}が０．６以下であることを特徴としている。
【００２０】
また、請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、少なくとも被選択酸化層よりも上の半導体層の一部にリッジ構造が形成されており、該リッジ構造のリッジ幅が１０μｍよりも広いことを特徴としている。
【００２１】
また、請求項９記載の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、少なくとも被選択酸化層よりも上の半導体層の一部にリッジ構造が形成されており、被選択酸化層の下にＧａ_ｙＩｎ_１−ｙＰ_ｔＡｓ_１−ｔ(０＜ｙ≦１、０≦ｔ≦１)層からなるエッチングストップ層が形成されていることを特徴としている。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図３は本発明に係る半導体発光素子の構成例を示す図である。図３の半導体発光素子は、半導体基板１上に、光を発生する活性層４と、活性層４よりもバンドギャップが大きくＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有する半導体層２，３とを有し、半導体層２，３で活性層４を挟む構造を有する半導体発光素子において、半導体層３の一部に、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１)層からなる被選択酸化層５を含み、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１)層からなる被選択酸化層５の一部が選択酸化されて選択酸化層７として形成されている。
【００２５】
図３の半導体発光素子では、Ａｌ組成の大きいＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層５の一部が選択酸化されて選択酸化層７として形成されることによってこの部分が絶縁体になるので、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層５は電流狭窄層として機能する。更に、選択酸化層７は屈折率が小さくなるので、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層５の酸化されていない部分５と酸化された部分７とで屈折率差が生じ、屈折率導波構造となり、横モード制御が可能となる。しかも、この構造では、活性層４近傍の導波構造がすべて波長に対して導波損失のない材料で構成できるので、高出力化に有利である。このような効果を得るのに、従来では、埋め込み構造を採用するなど複数回の結晶成長が必要であったが、本発明では、１回の結晶成長で上記効果を得ることができ、製造が容易で歩留まりも高くなる。
【００２６】
また、図４は本発明に係る半導体発光素子の他の構成例を示す図である。図４の半導体発光素子は、半導体基板１上に、光を発生する活性層４と、活性層４の両側に活性層４を挟むように設けられ活性層４からの光を閉じ込めるクラッド層２，３を有するヘテロ接合からなる半導体発光素子において、活性層４は量子井戸層で構成される単一量子井戸構造、または、量子井戸層と障壁層とで構成される多重量子井戸構造であり、量子井戸層は(Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１)_α１Ｉｎ_１−α１Ｐ_ｔ１Ａｓ_１−ｔ１(０≦ｘ１＜１、０＜α１≦１、０≦ｔ１≦１)からなり、障壁層は(Ａｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２)_α２Ｉｎ_１−α２Ｐ_ｔ２Ａｓ_１−ｔ２(０≦ｘ２＜１、０．５＜α２＜１、０≦ｔ２≦１)からなり、各クラッド層２，３は活性層４よりもバンドギャップが大きくＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有するＡｌを含んだ(Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ)_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ(０＜ｙ≦１、０．５＜β＜１、０＜ｖ≦１)からなり、活性層４と各クラッド層２，３の間に、バンドギャップが活性層４よりも大きくクラッド層２，３よりも小さい(Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ)_γＩｎ_１−γＰ_ｕＡｓ_１−ｕ(０≦ｚ＜１、０．５＜γ＜１、０＜ｕ≦１)からなる光ガイド層２４，２５を有しており、２つのクラッド層２，３の少なくとも一方のクラッド層(図４の例では、クラッド層３)の一部に、または、２つのクラッド層２，３の一方のクラッド層(図４の例では、クラッド層３)と前記活性層４との間に、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１)層からなる被選択酸化層５を含み、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１)層からなる被選択酸化層５の一部が選択酸化されて選択酸化層７として形成されている。
【００２７】
図４の半導体発光素子では、活性層４は、（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１）_α１Ｉｎ_１−α１Ｐ_ｔ１Ａｓ_１−ｔ１（０≦ｘ１＜１、０＜α１≦１、０≦ｔ１≦１）からなる量子井戸構造からなるので、可視の波長の発光素子が可能である。また、クラッド層２，３は、ＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有する材料でＡｌを含んだ（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ（０＜ｙ≦１、０．５＜β＜１、０＜ｖ≦１）であり、ＧａＡｓ基板に形成できるクラッド層材料よりもバンドギャップが大きく、短波長化に有利である。
【００２８】
また、（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_γＩｎ_１−γＰ_ｕＡｓ_１−ｕ（０≦ｚ＜１、０．５＜γ＜１、０＜ｕ≦１）からなる光ガイド層２４，２５及び（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_αＩｎ_１−αＰ_ｔＡｓ_１−ｔ（０≦ｘ＜１、０＜α≦１、０≦ｔ≦１）からなる量子井戸層によりＳＣＨ構造を形成しているので、ＧａＡｓ基板格子整合材料よりも少ないＡｌ組成でワイドギャップが得られるようになり、従来よりも光ガイド層のＡｌ組成を低減でき、非発光再結合電流の低減，表面再結合電流の低減等により発光効率が向上し、レーザの場合、端面劣化しにくくなり、高出力でも安定動作が可能となる。また、クラッド層に対して歪みを有することもでき、さらに従来材料よりもナローギャップにすることもできる。
【００２９】
更に、ＧａＩｎＰはＧａ組成を小さくすると格子定数が大きくなるとともにバンドギャップは小さくなる。Sandipら(文献：「Appl. Phys. Lett. 60, 1992, pp630〜632」)によるバンド不連続の見積もりを参考にすると、バンドギャップの変化は伝導帯側で起こり価電子帯側のエネルギーはほとんど変化していない。つまり組成を変えても価電子帯のエネルギーの変化は小さい。一方、ＧａＩｎＰへＡｌを添加すると伝導帯エネルギーは大きくなり価電子帯エネルギーは小さくなる。その変化は価電子帯側の方が大きい。従来、ＧａＡｓ基板上構造では、大きなＡｌ組成のＡｌＧａＩｎＰを光ガイド層にする必要があり、ＧａＩｎＰ量子井戸層との間に大きな価電子帯側のバンド不連続を有していた。つまり伝導帯側のバンド不連続は充分な大きさではなかった。
【００３０】
これに対し、図４の構造によれば、光ガイド層２４，２５のＡｌ組成を低減できるので、大きな伝導帯バンド不連続が得られる。これにより、従来ＡｌＧａＩｎＰ系材料による赤色レーザで問題であった伝導帯側のバンド不連続が小さいためのキャリア（電子）オーバーフローを著しく改善することができる。
【００３１】
また、Ａｌ組成の大きいＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層５の一部を選択酸化し選択酸化層７とすることによってこの部分が絶縁体になるので、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層５は電流狭窄層として機能する。更に、選択酸化層７は屈折率が小さくなるので、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層５の酸化されていない部分５と酸化された部分７とで屈折率差が生じ、屈折率導波構造となり、横モード制御が可能となる。しかも、この構造では、活性層４近傍の導波構造がすべて波長に対して導波損失のない材料で構成できるので高出力化に有利である。このような効果を得るのに、従来では、埋め込み構造を採用するなど複数回の結晶成長が必要であったが、本発明では、１回の結晶成長で上記効果を得ることができ、製造が容易で歩留まりも高くなる。
【００３２】
また、図３または図４の半導体発光素子において、半導体基板１はＧａＰＡｓであり、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１)層５は半導体基板１に対し格子整合している。
【００３３】
すなわち、ＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数となるＧａＰＡｓを、ＧａＰまたはＧａＡｓ基板上に、組成を徐々に変えながら形成する組成傾斜層と組成一定層とから構成して厚く（例えば５０μｍの厚さに）成長し、実質ＧａＰＡｓ基板と見なせるものをＶＰＥ（気相成長）法等により成長可能である。最上部をヘテロ接合部（少なくともクラッド層）の格子定数と同じにすることで格子不整なく本材料系を成長することができる。
【００３４】
また、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層５の酸化速度は、薄くなると遅くなり時間がかかり、場合によっては薄すぎて絶縁層として機能しなくなるが、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層５を格子整合させることで、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層５を厚く形成できて、酸化速度を早くでき製造工程の時間を短縮できる。
【００３５】
また、図３または図４の半導体発光素子において、半導体基板１をＧａＡｓとし、光を発生する活性層をＧａＡｓ基板に格子整合する半導体層で挟む構造にすることもできる。すなわち、ＧａＡｓ基板上では、従来、ＡｌＡｓが被選択酸化層として用いられているが、格子定数の差から、ＧａＡｓ基板に対して約０．１４％の圧縮歪みを有しているので活性層への悪影響が起こる可能性がある。これに対して、Ｐを含んだＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０＜ｔ≦１）層(すなわち被選択酸化層)５を用いると、ＧａＡｓ基板に格子整合させることができて、歪みによる悪影響を低減できる。
【００３６】
また、図３または図４の半導体発光素子において、酸化されておらず電流通路となるＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０＜ｔ≦１)層(すなわち被選択酸化層)５の幅(ｗ１)とＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０＜ｔ≦１)層(すなわち被選択酸化層）の一部を選択酸化して形成された選択酸化層７の幅(ｗ２)の合計（ｗ１＋ｗ２）に対するｗ１の比率{ｗ１／(ｗ１＋ｗ２)}は、０．６以下であるのが良い。すなわち、図３または図４の構造の場合、活性層４近傍の導波構造がすべて発振波長に対して導波損失のない材料で構成されており高出力化に有利であるが、上記比率{ｗ１／(ｗ１＋ｗ２)}が大きいと、例えばリッジ構造が形成されていたとすると発光領域がリッジのエッジから近いことになり、エッジ幅の揺らぎ等による導波損失が生じる。比率{ｗ１／(ｗ１＋ｗ２)}が小さいほどその影響は小さくなるので好ましく、より高出力動作が可能となる。
【００３７】
また、図５は本発明に係る半導体発光素子の他の構成例を示す図である。図５の半導体発光素子は、上述した各構成例の半導体発光素子において(例えば、図４の半導体発光素子において)、少なくともＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０＜ｔ≦１)層(すなわち被選択酸化層)５よりも上の半導体層３の一部にリッジ構造９が形成されており、該リッジ構造９のリッジ幅ｄが１０μｍよりも広いものとなっている。
【００３８】
上述した各構成例の半導体発光素子では、選択酸化層７が電流狭窄するので、リッジの幅ｄを広くすることができ、その上部には熱抵抗の大きい絶縁性誘電体膜等を形成することなく、広い電極のコンタクト領域を設けることができ、素子の微分抵抗が小さくて済む。また、ジャンクションダウン実装を用いた場合、素子動作時に生じる発光領域の熱を効率よく放射することができる。
【００３９】
また、図６は本発明に係る半導体発光素子の他の構成例を示す図である。図６の半導体発光素子は、上述した各構成例の半導体発光素子において(例えば、図４の半導体発光素子において)、少なくともＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０＜ｔ≦１)層(すなわち被選択酸化層)５よりも上の半導体層３の一部にリッジ構造９が形成されており、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０＜ｔ≦１)層(すなわち被選択酸化層)５の下にＧａ_ｙＩｎ_１−ｙＰ_ｔＡｓ_１−ｔ(０＜ｙ≦１、０≦ｔ≦１)層からなるエッチングストップ層２９が形成されている。
【００４０】
エッチングストップ層２９を用いない場合には、余分な層が必要ないので結晶成長は容易となるが、図６のようにエッチングストップ層２９を用いることで、エッチング深さの制御が容易になり、素子の加工が容易となるとともに歩留まりが向上する。
【００４１】
なお、上記各構成例において、被選択酸化層であるＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０＜ｔ≦１)層５の組成は、III族元素がＡｌだけからなるＡｌＰ_ｔＡｓ_１−ｔ(０≦ｔ≦１)である。すなわち、被選択酸化層であるＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔの酸化速度は、Ａｌの組成に非常に敏感であり、Ａｌ組成が大きいほど急激に速くなる。素子作製工程時間を短縮するためにはIII族元素がＡｌだけからなるＡｌＰ_ｔＡｓ_１−ｔ（０≦ｔ≦１）は極めて有効である。また、ワイドギャップが必要なクラッド層など他の層にもＡｌを含む場合があり、被選択酸化層のＡｌ組成がそれらに近いと他の層も大きく酸化されてしまう。この観点からも、III族元素がＡｌだけからなるＡｌＰ_ｔＡｓ_１−ｔ（０≦ｔ≦１）は有効である。
【００４２】
また、図７は本発明に係る半導体発光素子の他の構成例を示す図である。図７の半導体発光素子は、ＧａＡｓ基板１上に、光を発生する活性層４と、活性層４よりもバンドギャップが大きい半導体層２，３とを有し、半導体層２，３で前記活性層４を挟む構造を有するＡｌＧａＩｎＰ系からなり、半導体層３の一部はＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２)層１５で構成され、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２)層１５の一部が選択酸化されて選択酸化層１７として形成されており、酸化されておらず電流通路となるＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２)層１５の幅(ｗ１)と選択酸化層１７の幅(ｗ１)の合計に対するｗ１の比率{ｗ１／(ｗ１＋ｗ２)}が０．６以下となっている。すなわち、被選択酸化層がＰを含まないＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２）層１５の場合でも、活性層４近傍の導波構造がすべて発振波長に対して導波損失のない材料で構成されており高出力化に有利であるが、上記比率{ｗ１／(ｗ１＋ｗ２)}が大きいと、例えばリッジ構造で形成される場合、リッジのエッジから近いことになり、エッジ幅の揺らぎ等による導波損失が生じる。比率{ｗ１／(ｗ１＋ｗ２)}が小さいほどその影響は小さくなるので好ましい。図７の構成では、比率{ｗ１／(ｗ１＋ｗ２)}が０．６以下となっているので、エッジ幅の揺らぎ等による導波損失が生じるのを防止できる。
【００４３】
また、図８は本発明に係る半導体発光素子の他の構成例を示す図である。図８の半導体発光素子は、ＧａＡｓ基板１上に、光を発生する活性層４と、活性層４よりもバンドギャップが大きい半導体層２，３とを有し、半導体層２，３で活性層４を挟む構造を有するＡｌＧａＩｎＰ系からなり、半導体層３の一部はＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２)層１５で構成され、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２)層１５の一部が選択酸化されて選択酸化層１７として形成されており、少なくともＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２)層１５よりも上の半導体層３の一部にリッジ構造９が形成されており、該リッジ構造９のリッジ幅ｄが１０μｍよりも広いものとなっている。
【００４４】
この構成では、被選択酸化層がＰを含まないＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２）層１５の場合でも、選択酸化層１７が電流狭窄するので、リッジの幅を広くすることができ、その上部には熱抵抗の大きい絶縁性誘電体膜等を形成することなく、広い電極のコンタクト領域を設けることができ、素子の微分抵抗が小さくて済む。また、ジャンクションダウン実装を用いた場合、素子動作時に生じる発光領域の熱を効率よく放射することができる。
【００４５】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。
実施例１
図９は実施例１の半導体発光素子（半導体レーザ素子）を示す図である。図９の半導体発光素子は、層構造としてはＳＣＨ−ＳＱＷ構造である。図９の半導体発光素子では、（１００）面から［１１０］方向に２°ｏｆｆしたＧａＡｓ基板１１１上に、ＶＰＥ法（気相成長）によりＰ組成を０から０．４まで徐々に変化させたｎ−ＧａＰＡｓグレーデッド層１１２とＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６組成均一層１１３とを成長させたＧａＰＡｓ基板１０１（グレーデッド層１１２と組成均一層１１３の成長層の厚さが例えば５０μｍ）を用いる。ここで、ＧａＰＡｓ基板１０１とは、ＶＰＥ法等によりＧａＡｓまたはＧａＰ基板上に例えば３０μｍ以上の厚さでＧａＰＡｓ層を成長層として成長させたエピ基板のことである。また、成長層の表面は格子不整合が充分緩和されており、ＧａＡｓ基板１１１とその上に形成された成長層とによりＧａＰＡｓ三元基板が形成されているといえる。
【００４６】
次に、このＧａＰＡｓ基板１０１上に、ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数であってＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６の格子定数と等しいＡｓを含むｎ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ（ｙ＝０．５、β＝０．８、ｖ＝０．８５）クラッド層１０２（膜厚が１μｍ）、ｐ−（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_γＩｎ_１−γＰ_ｕＡｓ_１−ｕ（ｚ＝０．１、γ＝０．７、ｕ＝１）光ガイド層（光導波層）１１４（膜厚が０．１μｍ）、圧縮歪を有する（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_αＩｎ_１−αＰ_ｔＡｓ_１−ｔ（ｘ＝０、α＝０．６５、ｔ＝０．９）単一量子井戸活性層１０４（膜厚が２５ｎｍ）、ｐ−（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_γＩｎ_１−γＰ_ｕＡｓ_１−ｕ（ｚ＝０．１、γ＝０．７、ｕ＝１）光ガイド層（光導波層）１１５（膜厚が０．１μｍ）、第１のｐ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ（ｙ＝０．５、β＝０．８、ｖ＝０．８５）クラッド層１０３（膜厚が０．１μｍ）、ｐ−Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（ｘ＝１、ｙ＝０、ｔ＝０．４）すなわちｐ−ＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層１０５（膜厚が５０ｎｍ）、第２のｐ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ（ｙ＝０．５、β＝０．８、ｖ＝０．８５）クラッド層１０６（膜厚が０．９μｍ）、ｐ−Ｇａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｐバッファー層１１６（膜厚が０．１μｍ）、ｐ−ＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６コンタクト層１１７（膜厚が０．２ｎｍ）を成長する。
【００４７】
ここで、クラッド層１０２，１０３，１０６、光ガイド層１１４，１１５及びｐ−ＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層１０５は、ＧａＰＡｓ基板１０１に格子整合している。また、ＭＯＣＶＤの原料ガスとしてはＴＭＧ，ＴＭＩ，ＴＭＡ，ＡｓＨ_３，ＰＨ_３を用い、キャリアガスにはＨ_２を用いた。
【００４８】
そして、フォトリソグラフィとエッチング技術により幅６μｍ（ｐ−ＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層１０５の幅）のストライプ領域以外をｐ−ＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層１０５の下まで除去し、リッジ構造１０９を形成した。そして、水蒸気雰囲気中で４５０℃程度の高温で加熱することにより、ｐ−ＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層１０５を表面の現れたリッジ側面部から片側１．５μｍの幅だけ選択酸化して選択酸化層１０７を形成し、電流狭窄部を形成した。ｐ−ＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層１０５の酸化されていない中央部（幅３μｍ）が電流注入部となり、その下の活性層１０４が発光部となる。リッジの幅に対する電流注入部の幅の比は０．５である。
【００４９】
そして、絶縁層であるＳｉＯ_２膜１１８を形成してリッジ上部に電流注入窓を形成し、その上にｐ側電極１１９を形成した。そして、厚さ１００μｍになるように裏面を研磨してｎ側電極１２０を形成した。
【００５０】
実施例１の構造により、波長６６０ｎｍで発振する半導体レーザが得られた。より詳細に、実施例１の構造では、Ａｌ組成の大きいＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層１０５の一部を選択酸化することによってＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層１０５の一部が選択酸化層１０７すなわち絶縁体になり、電流狭窄層を形成できる。更に、選択酸化層１０７は屈折率が小さくなるので、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層１０５の酸化していない部分１０５と酸化された部分１０７とで屈折率差が生じ、屈折率導波構造となり、例えば井戸層（活性層）１０４とＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層１０５との距離を最適化するなどして、横モード制御が可能である。しかも、この構造では、活性層１０４近傍の導波構造がすべて発振波長に対して導波損失のない材料で構成されており、高出力化に有利である。
【００５１】
このような効果を得るのに、従来では、埋め込み構造を採用するなど複数回の結晶成長が必要であったが、実施例１では、１回の結晶成長で上記効果を得ることができるので、製造が容易で歩留まりも高かった。
【００５２】
また、ＧａＡｓＰ基板１０１部分を除いたヘテロ接合部分は、１回の結晶成長で形成しており、電流狭窄構造を有した屈折率導波構造のレーザを従来よりも容易に作製することができた。
【００５３】
また、実施例１では、ＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６基板１０１の面方位は、（１００）面から［１１０］方向に２°ｏｆｆしておりわずかな傾きである。このような（１００）面や（１００）からの傾きが小さいＧａＰ，ＧａＡｓ，ＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６基板上にＭＯＣＶＤ法でＡｌＧａＩｎＰを成長すると、成長表面にヒロックが多数観察された。これは、ＡｌＩｎＰ等のＡｌ組成が大きい場合、ＧａＩｎＰに比べて特に顕著であった。このヒロックが成長層中に多数存在すると、レーザ，ＬＥＤ等のデバイス特性を悪くしたり、歩留まりを落とす原因となり、生産上好ましくない。特に、実施例１のようなレーザでは、クラッド層は厚いのでその影響は大きい。
【００５４】
これに対し、本願の発明者らは、ＡｌＧａＩｎＰ成長中にＡｓを含ませることでヒロックの密度を激減できることを見出した。これは、ＡｌＧａＩｎＰ成長中にＡｓを含ませることで、ＡｌまたはＧａのドロップレット形成が抑えられるためであると考えられる。このように、ＡｌＧａＩｎＰ成長中にＡｓを含ませることで、ヒロックの密度を激減させ、デバイス特性の悪化，歩留まり低下を抑えることができた。
【００５５】
また、ＧａＡｓ基板上の従来の材料系に比べて同じバンドギャップの材料はＡｌ組成が小さくて済む。実施例１の光ガイド層１１４，１１５のＡｌ組成は小さいので、Ａｌに起因する非発光再結合電流が低減され、発光効率が向上した。また、表面再結合電流も低減され端面光劣化のレベルも向上したので、更に高出力が得られるようになった。これにより、高温高出力安定動作する赤色レーザが得られた。
【００５６】
実施例１では、活性層１０４として、単一量子井戸活性層を用いたが、多重量子井戸活性層を用いることもできる。その場合、障壁層には（Ａｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２）_α２Ｉｎ_１−α２Ｐ_ｔ２Ａｓ_１−ｔ２（０≦ｘ２＜１、０．５＜α２＜１、０≦ｔ２≦１）を用いることができる。また、光ガイド層１１４，１１５にはＡｓが含まれていても良い。
【００５７】
なお、上述の例では、被選択酸化層であるｐ−Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ層１０５を、ｘ＝１，ｙ＝０，ｔ＝０．４として、ｐ−ＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層としたが、ｐ−Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ層１０５を、ｘ＝１，ｙ＝０，ｔ＝０として、ｐーＡｌＡｓ層とすることもできる。この場合、ＡｌＡｓ層は、ＧａＰＡｓ（実施例１ではｐ組成４０％）基板に対して、およそ１．４％圧縮歪みを有している。このため、ＡｌＡｓの厚さには限界があり２０ｎｍとした。被選択酸化層１０５が同じ厚さの場合、ＡｌＡｓの酸化速度はＰを含んでいるＡｌＰＡｓに比べて速かった。また、２元材料であるＡｌＡｓは、３元材料であるＡｌＰＡｓに比べて容易に平坦に成長できた。他の効果は上述したものと同じである。
【００５８】
実施例２
図１０は実施例２の半導体発光素子（半導体レーザ素子）を示す図である。図１０の半導体発光素子は、層構造としてはＳＣＨ−ＭＱＷ構造である。図１０の半導体発光素子では、（１００）面から［１１０］方向に２°ｏｆｆしたＧａＡｓ基板１３１上に、ＶＰＥ法（気相成長）によりＰ組成を０から０．４まで徐々に変化させたＧａＰＡｓグレーデッド層１３２とＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６組成均一層１３３とを成長させたＧａＰＡｓ基板１２１（グレーデッド層１３２と組成均一層１３３の成長層の厚さが例えば９０μｍ）を用いる。
【００５９】
次に、このＧａＰＡｓ基板１２１上に、ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数であってＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６の格子定数と等しいＡｓを含むｎ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ（ｙ＝０．５、β＝０．８、ｖ＝０．８５）クラッド層１２２（膜厚が１μｍ）、ｐ−（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_γＩｎ_１−γＰ_ｕＡｓ_１−ｕ（ｚ＝０、γ＝０．７、ｕ＝１）光ガイド層（光導波層）１３４（膜厚が０．１μｍ）、圧縮歪を有する（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_αＩｎ_１−αＰ_ｔＡｓ_１−ｔ（ｘ＝０、α＝０．６５、ｔ＝０．９）量子井戸活性層（膜厚が１０ｎｍ）と（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_γＩｎ_１−γＰ_ｕＡｓ_１−ｕ（ｚ＝０、γ＝０．７、ｕ＝１）障壁層（膜厚が１０ｎｍ）とを交互に積層した多重量子井戸活性層１２４、（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_γＩｎ_１−γＰ_ｕＡｓ_１−ｕ（ｚ＝０、γ＝０．７、ｕ＝１）光ガイド層（光導波層）１３５（膜厚が０．１μｍ）、第１のｐ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ（ｙ＝０．５、β＝０．８、ｖ＝０．８５）クラッド層１２３（膜厚が０．１μｍ）、ｐ−Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（ｘ＝１、ｙ＝０、ｔ＝０．４）すなわちｐ−ＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層１２５（膜厚が５０ｎｍ）、第２のｐ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ（ｙ＝０．５、β＝０．８、ｖ＝０．８５）クラッド層１２６（膜厚が０．９μｍ）、ｐ−Ｇａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｐバッファー層１３６（膜厚が０．１μｍ）、ｐ−ＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６コンタクト層１３７（膜厚が０．２ｎｍ）を成長する。
【００６０】
ここで、クラッド層１２２，１２３，１２６、光ガイド層１３４，１３５及びｐ−ＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層１２５は、ＧａＰＡｓ基板１２１に格子整合している。そして、素子の構造としてリッジの幅は５０μｍと広くした。
【００６１】
そして、ストライプ領域以外をｐ−ＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層１２５の下まで除去し、水蒸気雰囲気中で４５０℃程度の高温で加熱することにより、ｐ−ＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層１２５を表面の現れたリッジ側面部から片側２２．５μｍの幅だけ選択酸化して選択酸化層１２７を形成し、電流狭窄部を形成した。ｐ−ＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層１２５の酸化されていない中央部（幅５μｍ）が電流注入部となり、その下の活性層１２４が発光部となる。リッジの幅に対する電流注入部の幅の比は０．１である。
【００６２】
そして、ストライプ部以外を絶縁層であるポリイミド１２８で埋め込んで平坦にして、その上にｐ側電極１３８を形成した。そして、厚さ１００μｍになるように裏面を研磨してｎ側電極１３９を形成した。
【００６３】
実施例２の構造により、波長６５０ｎｍで発振する半導体レーザが得られた。より詳細に、実施例２の構造では、Ａｌ組成の大きいＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層１２５の一部を選択酸化することによってＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層１２５の一部が選択酸化層１２７すなわち絶縁体になり、電流狭窄層を形成できる。更に、選択酸化層１２７は屈折率が小さくなるので、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層の酸化していない部分１２５と酸化された部分１２７とで屈折率差が生じ、屈折率導波構造となり、例えば活性層１２４とＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層１２５との距離を最適化するなどして、横モード制御が可能である。しかも、この構造では、活性層１２４近傍の導波構造がすべて発振波長に対して導波損失のない材料で構成されており、高出力化に有利である。
【００６４】
さらに、実施例１に比べても導波構造がリッジのエッジから充分離れているので、エッジ幅の揺らぎ等による導波損失も低減されている。
【００６５】
このような効果を得るのに、従来では、埋め込み構造を採用するなど複数回の結晶成長が必要であったが、実施例２では、１回の結晶成長で上記効果を得ることができるので、製造が容易で歩留まりも高かった。
【００６６】
また、実施例２では、リッジの幅を５０μｍと広くし、かつその上部にはできるだけ絶縁層（ポリイミド）を介さないように広いコンタクト領域を設けている。これにより、素子動作時に生じる発光領域の熱を効率よく放射することができるとともに、素子の微分抵抗が小さくて済む。また、ＧａＡｓＰ基板部分を除いたヘテロ接合部分は、１回の結晶成長で形成しており、従来よりも容易に電流狭窄構造を有した屈折率導波構造のレーザを作製することができた。
【００６７】
また、実施例２では、光ガイド層１３４，１３５及び活性層１２４は、Ａｌを含まない構造としている。図１（格子定数とバンドギャップエネルギーの関係）には、ＧａＡｓ基板上のＡｌＧａＩｎＰ系材料による可視レーザで良く用いられている光ガイド層の材料である（Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐのバンドギャップのラインが示されているが、実施例２の基板であるＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６に格子整合するＧａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｐにより上記バンドギャップが得られることがわかる。これにより、実施例２では、Ｇａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｐを光ガイド層１３４，１３５として用いることができ、これによって、Ａｌに起因する非発光再結合電流が低減され、発光効率が向上した。また、表面再結合電流も低減され、端面光劣化のレベルも格段に向上したので、更に高出力が得られるようになった。これにより、高温高出力安定動作する赤色レーザが得られた。
【００６８】
実施例３
図１１は実施例３の半導体発光素子（半導体レーザ素子）を示す図である。なお、図１１において、図１０と同様の箇所には同じ符号を付している。実施例３では、リッジ構造を形成するために被選択酸化層であるＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０＜ｔ≦１）層（実施例３ではＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層１２５）よりも基板１２１側に、Ｇａ_ｙＩｎ_１−ｙＰ_ｔＡｓ_１−ｔ（０＜ｙ≦１、０≦ｔ≦１）層からなるエッチングストップ層１２９が設けられている点で、実施例２と相違している。
【００６９】
このように、実施例３では、ＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層１２５の下にＧａ_ｙＩｎ_１−ｙＰ_ｔＡｓ_１−ｔ（ｙ＝１、ｔ＝０．６）層１２９を形成した。塩酸系のエッチャントではＡｌ組成の大きい材料や、Ｐ組成の大きい材料はエッチングできる傾向があり、また、Ａｓ組成の大きいＧａ_ｙＩｎ_１−ｙＰ_ｔＡｓ_１−ｔ（０＜ｙ≦１、０≦ｔ≦１）層１２９はエッチングされにくいことがわかったので、これがエッチングストップ層１２９となる。
【００７０】
実施例３では、エッチングストップ層１２９を採用したことによりエッチングの制御性が良くなり、歩留まりが向上した。他の効果は実施例２と同じである。
【００７１】
実施例４
図１２は実施例４の半導体発光素子（半導体レーザ素子）を示す図である。なお、図１２はＧａＡｓ基板上の発光素子の例である。図１２の半導体発光素子では、（１００）面から［０１１］方向に１５°ｏｆｆしたＧａＡｓ基板１４１上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ（ｙ＝０．７、β＝０．５）クラッド層１４２（膜厚が１μｍ）、（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_γＩｎ_１−γＰ（ｚ＝０．５、γ＝０．５）光ガイド層（光導波層）１５４（膜厚が０．１μｍ）、引っ張り歪を有する（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_αＩｎ_１−αＰ（ｘ＝０、α＝０．６５）単一量子井戸活性層１４４（膜厚が１０ｎｍ）、（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_γＩｎ_１−γＰ（ｚ＝０．５、γ＝０．５）光ガイド層（光導波層）１５５（膜厚が０．１μｍ）、第１のｐ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ（ｙ＝０．７、β＝０．５）クラッド層１４３（膜厚が０．１μｍ）、ｐ−Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（ｘ＝１、ｔ＝０．０３７）すなわちｐ−ＡｌＰ_{０．０３７}Ａｓ_{０．９６３}層１４５（膜厚が５０ｎｍ）、第２のｐ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ（ｙ＝０．７、β＝０．５）クラッド層１４６（膜厚が０．９μｍ）、ｐ−Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐバッファー層１５６（膜厚が０．１μｍ）、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１５７（膜厚が０．２ｎｍ）を成長する。
【００７２】
ここで、クラッド層１４２，１４３，１４６，光ガイド層１５４，１５５及びｐ−ＡｌＰ_{０．０３７}Ａｓ_{０．９６３}層１４５は、ＧａＡｓ基板１４１に格子整合している。そして、素子の構造としてリッジの幅は５０μｍとした。
【００７３】
そして、ストライプ領域以外をｐ−ＡｌＰ_{０．０３７}Ａｓ_{０．９６３}層１４５の下まで除去し、水蒸気雰囲気中で４５０℃程度の高温で加熱することにより、ｐ−ＡｌＰ_{０．０３７}Ａｓ_{０．９６３}層１４５を表面の現れたリッジ側面部から片側２２．５μｍの幅だけ選択酸化して選択酸化層１４７を形成し、電流狭窄部を形成した。ｐ−ＡｌＰ_{０．０３７}Ａｓ_{０．９６３}層１４５の酸化されていない中央部（幅５μｍ）が電流注入部となり、その下の活性層１４４が発光部となる。リッジの幅に対する電流注入部の幅の比は０．１である。
【００７４】
そして、ストライプ部以外を絶縁層であるポリイミド１４８で埋め込んで平坦にして、その上にｐ側電極１５８を形成した。そして、厚さ１００μｍになるように裏面を研磨してｎ側電極１５９を形成した。
【００７５】
実施例４においても前の実施例と同様な効果が得られた。また、ＧａＡｓ基板１４１上の発光素子では、従来ＡｌＡｓ層が被選択酸化層として用いられているが、格子定数の差から、ＧａＡｓ基板に対して約０．１４％の圧縮歪みを有しているので、活性層への悪影響が起こる可能性があった。これに対し、実施例４のように、被選択酸化層にＰを含んだＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０＜ｔ≦１）層１４５を用いると、ＧａＡｓ基板１４１に格子整合させることができるので、被選択酸化層の歪みによる悪影響を低減できた。
【００７６】
実施例５
図１３は実施例５の半導体発光素子（半導体レーザ素子）を示す図である。なお、図１３はＧａＡｓ基板上の発光素子の例であり、図１２と同様の箇所には同じ符号を付している。実施例５は、被選択酸化層としてＡｌＡｓ層１６５が用いられている点で、実施例４と相違している。
【００７７】
実施例５では、Ａｌ組成の大きいｐ−ＡｌＡｓ層１６５の一部を選択酸化することによって選択酸化層すなわち絶縁体１６７になり、電流狭窄層を形成できる。更に、選択酸化層１６７は屈折率が小さくなるので、ｐ−ＡｌＡｓ層１６５の酸化していない部分（発光部）と電流狭窄部とで実効屈折率差が生じ、屈折率導波構造となり、例えば活性層１４４とＡｌＡｓ層１６５との距離を最適化するなどして、横モード制御が可能である。しかも、この構造では、活性層１４４近傍の導波構造がすべて発振波長に対して導波損失のない材料で構成されており、高出力化に有利である。
【００７８】
さらに、実施例１に比べても導波構造がリッジのエッジから充分離れているので、エッジ幅の揺らぎ等による導波損失も低減されている。
【００７９】
このような効果を得るのに、従来では、埋め込み構造を採用するなど複数回の結晶成長が必要であったが、実施例５では、１回の結晶成長で上記効果を得ることができるので、製造が容易で歩留まりも高かった。
【００８０】
また、実施例５では、リッジの幅を５０μｍと広くし、かつその上部にはできるだけ絶縁層（ポリイミド）を介さないように広いコンタクト領域を設けている。これにより、素子動作時に生じる発光領域の熱を効率よく放射することができるとともに、素子の微分抵抗が小さくて済む。また、ＧａＡｓＰ基板部分を除いたヘテロ接合部分は、１回の結晶成長で形成しており、従来よりも容易に電流狭窄構造を有した屈折率導波構造のレーザを作製することができた。
【００８１】
このように、本発明では、電流狭窄構造を有し、更に横モード制御が可能な半導体発光素子を容易な製造工程で提供することができた。
【００８２】
なお、上述の各例では、半導体発光素子が半導体レーザである場合について説明したが、半導体発光素子が発光ダイオード（ＬＥＤ）である場合にも、本発明を適用できる。この場合、高輝度で温度特性の良好な可視ＬＥＤが得られる。
【００８３】
実施例６
図１４は実施例６の半導体レーザ素子の被選択酸化層１２５の構成を示す図である。実施例６の被選択酸化層１２５は、ＡｌＡｓ層（厚さが５ｎｍ）と、ＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有しＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６基板に格子整合する材料である層（実施例６ではＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層（厚さが１ｎｍ））とを交互に複数層（図１４の例では４ペア）積層した超格子構造からなっている。すなわち、実施例６では、被選択酸化層１２５が、ＡｌＡｓ層（厚さが５ｎｍ）と、ＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有しＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６基板に格子整合する材料である層（実施例６ではＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層（厚さが１ｎｍ））とを交互に複数層（図１４の例では４ペア）積層した超格子構造からなる点で、実施例３の被選択酸化層１２５と相違している。ここで、ＡｌＡｓ層は、ＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６基板に対し１．４％の格子歪みを有するが、ＡｌＡｓ層は、厚さが５ｎｍと薄いので、ＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６基板に格子緩和なく成長できた。
【００８４】
被選択酸化層の厚さが厚いほど、また、Ａｌ組成が大きいほど、酸化速度は速くなる。また、酸化層の幅は時間の平方根（１／２乗）に比例する。また、III族がＡｌだけからなるＡｌＰＡｓとＡｌＡｓとでは、ＡｌＡｓにＰを含んだＡｌＰＡｓの方が酸化速度が遅いことがわかった。酸化工程時間を短縮するためには、被選択酸化層にはＡｌＡｓに組成が近いＡｌＡｓＰ、更にはＡｌＡｓを用いることが好ましい。
【００８５】
しかし、半導体素子の実質的な格子定数はＧａＰとＧａＡｓとの間であり、ＡｌＡｓ層はＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６基板に対し１．４％の格子歪みを有する。従って、ＡｌＡｓ層を格子緩和の発生する臨界膜厚以下の薄い厚さにする必要があるが、上述したように厚さが薄いと酸化速度が小さくなってしまう。一方、ＡｌＡｓ層を臨界膜厚以下の厚さにし、これを他の層を挟んで複数層積層することにより、格子緩和せず、かつ十分な酸化速度が得られることがわかった。
【００８６】
これを以下に示す。酸化幅を見やすくするために下記のような構成の試料で酸化実験を行なった。実施例３の結晶成長層の構成において、被選択酸化層１２５を、図１４に示すように、上述のＡｌＡｓ層（厚さが５ｎｍ）とＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層（厚さが１ｎｍ）を交互に４ペア積層した超格子構造とし、被選択酸化層１２５上のｐクラッド層１２３を厚さ０．２μｍだけ成長したところで成長を止めたものを、リッジ幅４０μｍのストライプ領域以外をエッチングストップ層に達するまでエッチング除去し、選択酸化を行なった。条件は４６０℃、１０分間とした。図１５はその上面図であり、リッジ領域と選択酸化領域が示されている。図１５において、ハッチングで示したところが選択酸化された領域である。この実験では、わずか１０分で８μｍ幅の選択酸化層が形成できた。この酸化速度は選択酸化工程において十分速い速度である。層界面における酸素の拡散速度が速いため、本実施例のように界面が多いと被選択酸化層全体の酸化速度が速くなるためであると考えられる。
【００８７】
以上の説明のように、実施例６の半導体レーザにおいては、被選択酸化層として酸化速度の速いＡｌＡｓ層を用い、ＡｌＡｓ層とＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有する材料からなる層とを複数層積層した超格子構造により構成することにより、製造工程の時間を短縮できた。他の効果は実施例３と同じである。被選択酸化層を構成するＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有する材料としてＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層を用いたが、圧縮歪みを有するＡｌＡｓにより格子緩和が起こらないような格子定数の材料なら良く、基板に格子整合する材料、またはＡｌＡｓの圧縮歪みを補償するような引っ張り歪みを有する材料が好ましい。材料としては、ＧａＡｓＰ，ＡｌＩｎＰ，ＧａＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓＰでも良いが、III族がＡｌだけからなるＡｌＰＡｓが好ましい。また、被選択酸化層である超格子構造を構成する各層の厚さは、上記の例以外の厚さでも良い。
【００８８】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１記載の発明によれば、半導体基板上に、光を発生するＡｌＧａＩｎＰ系材料からなる活性層と、活性層よりもバンドギャップが大きくＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有するＡｌを含んだ(Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ)_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ(０＜ｙ≦１、０．５＜β＜１、０＜ｖ≦１)からなる半導体層とを有し、前記半導体層で前記活性層を挟む構造を有する半導体発光素子であって、前記半導体層の一部に、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１)層からなる被選択酸化層を含み、該被選択酸化層の材料は半導体基板に対し格子整合しており、前記被選択酸化層の一部が選択酸化されて選択酸化層として形成されており、上記選択酸化層によって電流狭窄層が形成でき、更に、選択酸化層は屈折率が小さくなるので、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１)層の酸化していない部分（発光部）と電流狭窄部とで実効屈折率差が生じ、屈折率導波構造となり、横モード制御が可能となる。しかも、この構造では、活性層近傍の導波構造がすべて波長に対して導波損失のない材料で構成できるので、高出力化に有利である。このような効果を得るのに、従来では、埋め込み構造を採用するなど複数回の結晶成長が必要であったが、本発明では、１回の結晶成長で上記効果を得ることができるので、製造が容易で歩留まりも高くなる。
【００８９】
また、請求項２記載の発明によれば、半導体基板上に、光を発生する活性層と、活性層の両側に活性層を挟むように設けられ活性層からの光を閉じ込める２つのクラッド層とを有するヘテロ接合からなる半導体発光素子において、活性層は、量子井戸層で構成される単一量子井戸構造、または、量子井戸層と障壁層とで構成される多重量子井戸構造であり、量子井戸層は(Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１)_α１Ｉｎ_１−α１Ｐ_ｔ１Ａｓ_１−ｔ１(０≦ｘ１＜１、０＜α１≦１、０≦ｔ１≦１)からなり、障壁層は(Ａｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２)_α２Ｉｎ_１−α２Ｐ_ｔ２Ａｓ_１−ｔ２(０≦ｘ２＜１、０．５＜α２＜１、０≦ｔ２≦１)からなり、各クラッド層は活性層よりもバンドギャップが大きくＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有するＡｌを含んだ(Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ)_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ(０＜ｙ≦１、０．５＜β＜１、０＜ｖ≦１)からなり、活性層と各クラッド層の間に、バンドギャップが活性層よりも大きくクラッド層よりも小さい(Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ)_γＩｎ_１−γＰ_ｕＡｓ_１−ｕ(０≦ｚ＜１、０．５＜γ＜１、０＜ｕ≦１)からなる光ガイド層を有しており、２つのクラッド層の少なくとも一方のクラッド層の一部に、または、２つのクラッド層の一方のクラッド層と前記活性層との間に、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１)層からなる被選択酸化層を含み、該被選択酸化層の材料は半導体基板に対し格子整合しており、前記被選択酸化層の一部が選択酸化されて選択酸化層として形成されており、活性層が（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１）_α１Ｉｎ_１−α１Ｐ_ｔ１Ａｓ_１−ｔ１（０≦ｘ１＜１、０＜α１≦１、０≦ｔ１≦１）からなる量子井戸構造からなるので、可視の波長の発光素子を提供することが可能である。また、クラッド層は、ＧａＰとＧａＡｓの間の格子定数を有する材料でＡｌを含んだ（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ（０＜ｙ≦１、０．５＜β＜１、０＜ｖ≦１）であり、ＧａＡｓ基板に形成できるクラッド層材料よりもバンドギャップが大きく、短波長化に有利である。また、（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_γＩｎ_１−γＰ_ｕＡｓ_１−ｕ（０≦ｚ＜１、０．５＜γ＜１、０＜ｕ≦１）からなる光ガイド層及び（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_αＩｎ_１−αＰ_ｔＡｓ_１−ｔ（０≦ｘ＜１、０＜α≦１、０≦ｔ≦１）からなる量子井戸によりＳＣＨ構造を形成しているので、ＧａＡｓ基板格子整合材料よりも少ないＡｌ組成でワイドギャップが得られるようになり、従来に比べて、光ガイド層のＡｌ組成を低減でき、非発光再結合電流の低減，表面再結合電流の低減等により発光効率が向上し、レーザの場合、端面劣化しにくくなり、高出力でも安定動作が可能となる。また、クラッド層に対して歪みを有することもでき、さらに従来材料よりもナローギャップにすることもできる。更に、本発明によれば、光ガイド層のＡｌ組成を低減できるので、大きな伝導帯バンド不連続が得られる。これにより従来ＡｌＧａＩｎＰ系材料による赤色レーザで問題であった伝導帯側のバンド不連続が小さいためのキャリア（電子）オーバーフローを著しく改善することができる。さらに、２つのクラッド層の少なくとも一方のクラッド層の一部に、または、２つのクラッド層の一方のクラッド層と前記活性層との間に、Ａｌ組成の大きいＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層を含み、その一部が選択酸化された選択酸化層によって電流狭窄層が形成でき、更に、選択酸化層は屈折率が小さくなるので、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層の酸化していない部分（発光部）と電流狭窄部とで実効屈折率差が生じ、屈折率導波構造となり、横モード制御が可能となる。しかも、この構造では、活性層近傍の導波構造がすべて波長に対して導波損失のない材料で構成できるので、高出力化に有利である。これらような効果を得るのに、従来では、埋め込み構造を採用するなど複数回の結晶成長が必要であったが、本発明では、１回の結晶成長で上記効果を得ることができるので製造が容易で歩留まりも高くなる。
【００９０】
また、請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２記載の半導体発光素子において、前記半導体基板はGaAs または GaP 基板上にＧａＰＡｓ層を成長層として成長させたエピ基板であり、前記Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１)層は半導体基板に対し格子整合しており、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層を格子整合させることで、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１）層を厚く形成できて、酸化速度を早くでき製造工程の時間を短縮できる。
【００９２】
また、請求項４記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、被選択酸化層であるＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０＜ｔ≦１)層の組成は、III族元素がＡｌだけからなるＡｌＰ_ｔＡｓ_１−ｔ(０≦ｔ≦１)であるので、被選択酸化層の酸化速度を速くすることができ、素子作製工程の時間を短縮することができる。また、ワイドギャップが必要なクラッド層など他の層にもＡｌを含む場合があり、被選択酸化層のＡｌ組成がそれらに近いと他の層も大きく酸化されてしまうが、III族元素がＡｌだけからなるＡｌＰ_ｔＡｓ_１−ｔ（０≦ｔ≦１）は、このような問題が生じるのを回避できる。
【００９３】
また、請求項５記載の発明によれば、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、被選択酸化層が、ＡｌＡｓ層と、ＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有する材料からなる層とを複数層積層した超格子構造により構成されているので、十分な酸化速度が得られ製造工程の時間を短縮できる。すなわち、被選択酸化層の厚さが厚いほど、Ａｌ組成が大きいほど酸化速度は速くなる。また、ＡｌＰＡｓよりもＡｌＡｓの方が酸化速度は速い。しかし、半導体素子の実質的な格子定数はＧａＰとＧａＡｓとの間でありＡｌＡｓは圧縮歪みを有し、格子緩和の発生する臨界膜厚以下の厚さにする必要があり、１層だけでは酸化速度が小さくなるが、ＡｌＡｓ層を臨界膜厚以下の厚さにし複数層積層することにより、十分な酸化速度が得られ製造工程の時間を短縮できる。
【００９４】
また、請求項６記載の発明によれば、請求項５記載の半導体発光素子において、ＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有する材料はＡｌＰＡｓであるので、被選択酸化層である超格子構造全体の酸化速度を速くすることができ、製造工程の時間を更に短縮できる。すなわち、被選択酸化層の厚さが厚いほど、また、Ａｌ組成が大きいほど、酸化速度は速くなる。また、ＡｌＰＡｓよりもＡｌＡｓの方が酸化速度は速い。ＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有する材料としてはＧａＡｓＰ，ＡｌＩｎＰ，ＧａＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓＰでも良いが、III族がＡｌだけからなるＡｌＰＡｓを用いると、被選択酸化層である超格子構造全体の酸化速度を速くすることができ、製造工程の時間を更に短縮できる。
【００９５】
また、請求項７記載の発明によれば、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、酸化されておらず電流通路となる被選択酸化層の幅(ｗ１)と被選択酸化層の一部を選択酸化して形成された選択酸化層の幅(ｗ２)の合計（ｗ１＋ｗ２）に対するｗ１の比率{ｗ１／(ｗ１＋ｗ２)}が０．６以下であるので、エッジ幅の揺らぎ等による導波損失を防止し、より高出力動作が可能となる。
【００９６】
また、請求項８記載の発明によれば、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、少なくとも被選択酸化層よりも上の半導体層の一部にリッジ構造が形成されており、該リッジ構造のリッジ幅が１０μｍよりも広いので、広い電極のコンタクト領域を設けることができ、素子の微分抵抗が小さくて済む。また、ジャンクションダウン実装を用いた場合、素子動作時に生じる発光領域の熱を効率よく放射することができる。
【００９７】
また、請求項９記載の発明によれば、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、少なくとも被選択酸化層よりも上の半導体層の一部にリッジ構造が形成されており、被選択酸化層の下にＧａ_ｙＩｎ_１−ｙＰ_ｔＡｓ_１−ｔ(０＜ｙ≦１、０≦ｔ≦１)層からなるエッチングストップ層が形成されており、エッチングストップ層を用いることでエッチング深さの制御が容易になり、素子の加工が容易となるとともに歩留まりが向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】格子定数とバンドギャップエネルギーとの関係を示す図である。
【図２】特開平５−４１５６０号に示されているＧａＡｓとＧａＰとの間の格子定数を有する屈折率導波型レーザの構造を示す図である。
【図３】本発明に係る半導体発光素子の構成例を示す図である。
【図４】本発明に係る半導体発光素子の他の構成例を示す図である。
【図５】本発明に係る半導体発光素子の他の構成例を示す図である。
【図６】本発明に係る半導体発光素子の他の構成例を示す図である。
【図７】本発明に係る半導体発光素子の他の構成例を示す図である。
【図８】本発明に係る半導体発光素子の他の構成例を示す図である。
【図９】実施例１の半導体発光素子（半導体レーザ素子）を示す図である。
【図１０】実施例２の半導体発光素子（半導体レーザ素子）を示す図である。
【図１１】実施例３の半導体発光素子（半導体レーザ素子）を示す図である。
【図１２】実施例４の半導体発光素子（半導体レーザ素子）を示す図である。
【図１３】実施例５の半導体発光素子（半導体レーザ素子）を示す図である。
【図１４】実施例６の被選択酸化層の構成を示す図である。
【図１５】選択酸化処理後の試料の上面図である。
【符号の説明】
１ 半導体基板
２ 半導体層(クラッド層)
３ 半導体層(クラッド層)
４ 活性層
５ Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１)層
７ 選択酸化層
２４，２５ 光ガイド層
９ リッジ構造
２９ エッチングストップ層
１５ Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ（０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２）層
１７ 選択酸化層
１１１ ＧａＡｓ基板
１１２ ｎ−ＧａＰＡｓグレーデッド層
１１３ ＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６組成均一層
１０１ ＧａＰＡｓ基板
１０２ ｎ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ（ｙ＝０．５、β＝０．８、ｖ＝０．８５）クラッド層
１１４ ｐ−（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_γＩｎ_１−γＰ_ｕＡｓ_１−ｕ（ｚ＝０．１、γ＝０．７、ｕ＝１）光ガイド層（光導波層）
１０４ （Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_αＩｎ_１−αＰ_ｔＡｓ_１−ｔ（ｘ＝０、α＝０．６５、ｔ＝０．９）単一量子井戸活性層
１１５ ｐ−（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_γＩｎ_１−γＰ_ｕＡｓ_１−ｕ（ｚ＝０．１、γ＝０．７、ｕ＝１）光ガイド層（光導波層）
１０３ 第１のｐ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ（ｙ＝０．５、β＝０．８、ｖ＝０．８５）クラッド層
１０５ ｐ−Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（ｘ＝１、ｔ＝０．４）すなわちｐ−ＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層
１０６ 第２のｐ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ（ｙ＝０．５、β＝０．８、ｖ＝０．８５）クラッド層
１１６ ｐ−Ｇａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｐバッファー層
１１７ ｐ−ＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６コンタクト層
１０９ リッジ構造
１１９ ｐ側電極
１２０ ｎ側電極
１３１ ＧａＡｓ基板
１３２ ＧａＰＡｓグレーデッド層
１３３ ＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６組成均一層
１２１ ＧａＰＡｓ基板
１２２ ｎ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ（ｙ＝０．５、β＝０．８、ｖ＝０．８５）クラッド層
１３４ ｐ−（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_γＩｎ_１−γＰ_ｕＡｓ_１−ｕ（ｚ＝０、γ＝０．７、ｕ＝１）光ガイド層（光導波層）
１２４ 多重量子井戸活性層
１３５ （Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_γＩｎ_１−γＰ_ｕＡｓ_１−ｕ（ｚ＝０、γ＝０．７、ｕ＝１）光ガイド層（光導波層）
１２３ 第１のｐ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ（ｙ＝０．５、β＝０．８、ｖ＝０．８５）クラッド層
１２５ ｐ−Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（ｘ＝１、ｔ＝０．４）すなわちｐ−ＡｌＰ_０．４Ａｓ_０．６層
１２６ 第２のｐ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ（ｙ＝０．５、β＝０．８、ｖ＝０．８５）クラッド層
１３６ ｐ−Ｇａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｐバッファー層
１３７ ｐ−ＧａＰ_０．４Ａｓ_０．６コンタクト層
１３８ ｐ側電極
１３９ ｎ側電極
１２７ 選択酸化層
１２９ エッチングストップ層
１４１ ＧａＡｓ基板
１４２ ｎ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ（ｙ＝０．７、β＝０．５）クラッド層
１５４ （Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_γＩｎ_１−γＰ（ｚ＝０．５、γ＝０．５）光ガイド層（光導波層）
１４４ （Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_αＩｎ_１−αＰ（ｘ＝０、α＝０．６５）単一量子井戸活性層
１５５ （Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_γＩｎ_１−γＰ（ｚ＝０．５、γ＝０．５）光ガイド層（光導波層）
１４３ 第１のｐ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ（ｙ＝０．７、β＝０．５）クラッド層
１４５ ｐ−Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ（ｘ＝１、ｔ＝０．０３７）すなわちｐ−ＡｌＰ_{０．０３７}Ａｓ_{０．９６３}層
１４６ 第２のｐ−（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_βＩｎ_１−βＰ（ｙ＝０．７、β＝０．５）クラッド層
１５６ ｐ−Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐバッファー層
１５７ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
１４７ 選択酸化層
１４８ ポリイミド
１５８ ｐ側電極
１５９ ｎ側電極
１６５ ＡｌＡｓ層
１６７ 選択酸化層

Claims (9)

1. 半導体基板上に、光を発生するＡｌＧａＩｎＰ系材料からなる活性層と、活性層よりもバンドギャップが大きくＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有するＡｌを含んだ(Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ)_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ(０＜ｙ≦１、０．５＜β＜１、０＜ｖ≦１)からなる半導体層とを有し、前記半導体層で前記活性層を挟む構造を有する半導体発光素子であって、前記半導体層の一部に、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１)層からなる被選択酸化層を含み、該被選択酸化層の材料は半導体基板に対し格子整合しており、前記被選択酸化層の一部が選択酸化されて選択酸化層として形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
2. 半導体基板上に、光を発生する活性層と、活性層の両側に活性層を挟むように設けられ活性層からの光を閉じ込める２つのクラッド層とを有するヘテロ接合からなる半導体発光素子において、活性層は、量子井戸層で構成される単一量子井戸構造、または、量子井戸層と障壁層とで構成される多重量子井戸構造であり、量子井戸層は(Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１)_α１Ｉｎ_１−α１Ｐ_ｔ１Ａｓ_１−ｔ１(０≦ｘ１＜１、０＜α１≦１、０≦ｔ１≦１)からなり、障壁層は(Ａｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２)_α２Ｉｎ_１−α２Ｐ_ｔ２Ａｓ_１−ｔ２(０≦ｘ２＜１、０．５＜α２＜１、０≦ｔ２≦１)からなり、各クラッド層は活性層よりもバンドギャップが大きくＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有するＡｌを含んだ(Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ)_βＩｎ_１−βＰ_ｖＡｓ_１−ｖ(０＜ｙ≦１、０．５＜β＜１、０＜ｖ≦１)からなり、活性層と各クラッド層の間に、バンドギャップが活性層よりも大きくクラッド層よりも小さい(Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ)_γＩｎ_１−γＰ_ｕＡｓ_１−ｕ(０≦ｚ＜１、０．５＜γ＜１、０＜ｕ≦１)からなる光ガイド層を有しており、２つのクラッド層の少なくとも一方のクラッド層の一部に、または、２つのクラッド層の一方のクラッド層と前記活性層との間に、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１)層からなる被選択酸化層を含み、該被選択酸化層の材料は半導体基板に対し格子整合しており、前記被選択酸化層の一部が選択酸化されて選択酸化層として形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
3. 請求項１または請求項２記載の半導体発光素子において、前記半導体基板はGaAsまたはGaP基板上にＧａＰＡｓ層を成長層として成長させたエピ基板であり、前記Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｔ≦１)層は半導体基板に対し格子整合していることを特徴とする半導体発光素子。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、被選択酸化層であるＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ_ｔＡｓ_１−ｔ(０．８≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．２、０＜ｔ≦１)層の組成は、III族元素がＡｌだけからなるＡｌＰ_ｔＡｓ_１−ｔ(０≦ｔ≦１)であることを特徴とする半導体発光素子。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、被選択酸化層が、ＡｌＡｓ層と、ＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有する材料からなる層とを複数層積層した超格子構造により構成されていることを特徴とする半導体発光素子。
6. 請求項５記載の半導体発光素子において、ＧａＰとＧａＡｓとの間の格子定数を有する材料はＡｌＰＡｓであることを特徴とする半導体発光素子。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、酸化されておらず電流通路となる被選択酸化層の幅(ｗ１)と被選択酸化層の一部を選択酸化して形成された選択酸化層の幅(ｗ２)の合計（ｗ１＋ｗ２）に対するｗ１の比率{ｗ１／(ｗ１＋ｗ２)}が０．６以下であることを特徴とする半導体発光素子。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、少なくとも被選択酸化層よりも上の半導体層の一部にリッジ構造が形成されており、該リッジ構造のリッジ幅が１０μｍよりも広いことを特徴とする半導体発光素子。
9. 請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、少なくとも被選択酸化層よりも上の半導体層の一部にリッジ構造が形成されており、被選択酸化層の下にＧａ_ｙＩｎ_１−ｙＰ_ｔＡｓ_１−ｔ(０＜ｙ≦１、０≦ｔ≦１)層からなるエッチングストップ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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