半導体発光素子
【課題】結晶欠陥の発生を防止し、特性が劣化しない範囲で、ＴＭモード発振が行えるようにした半導体発光素子を提供する。
【解決手段】ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２、ｎ型ＡｌＧａＡｓビーム拡散層３、ｎ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層４、ＭＱＷ活性層５、ｐ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層６、ｐ型ＡｌＧａＡｓビーム拡散層７、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層８、ＩｎＧａＰエッチングストップ層９、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１０、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１が形成されている。ＭＱＷ活性層５は、バリア層と引っ張り歪を持つ井戸層で構成された多重量子井戸構造を有しており、井戸層の各膜厚がバリア層の各膜厚よりも大きく、井戸層のうち、少なくとも１層の膜厚が他の井戸層とは異なるように構成されている。
【解決手段】ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２、ｎ型ＡｌＧａＡｓビーム拡散層３、ｎ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層４、ＭＱＷ活性層５、ｐ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層６、ｐ型ＡｌＧａＡｓビーム拡散層７、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層８、ＩｎＧａＰエッチングストップ層９、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１０、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１が形成されている。ＭＱＷ活性層５は、バリア層と引っ張り歪を持つ井戸層で構成された多重量子井戸構造を有しており、井戸層の各膜厚がバリア層の各膜厚よりも大きく、井戸層のうち、少なくとも１層の膜厚が他の井戸層とは異なるように構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、引っ張り歪を持つ井戸層を有する活性層を備えた半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光素子の中で、半導体レーザは、例えば、ＤＶＤやレーザプリンタ等の光源として用いられている。例えば、赤外波長領域の波長７８０ｎｍの半導体レーザには、従来活性層材料にＡｌＧａＡｓが用いられており、偏光はＴＥモードで発振していた。ＴＥモード発振では、伝搬方向と垂直方向に電界が存在するため、半導体レーザの放出光を絞るために放射窓を小さくすることができない。放射窓を小さくすると、電界成分が放射窓に遮られてしまい、レーザ光が十分伝搬されない。
【０００３】
放射窓を小さくしても、レーザ光の電界成分を十分伝搬させるために、ＴＭモード発振によるレーザ光を生成し、光の伝搬方向に電界成分を持たせるようにしている。ＴＭモードで発振するためには、活性層に引っ張り歪を持つ井戸層を用いる必要があり、そのために、井戸層とバリア層（障壁層）の組成を調整して、井戸層に引っ張り歪を加えるようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平７−３１２４６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
活性層中の井戸層に大きな引っ張り歪みを加えるほど、ＴＭモード発振が大きくなる。そこで、歪量を大きくするためには、格子定数の大きく異なる材料を井戸層とバリア層に用いれば良い。しかし、あまり、大きな歪を加えすぎると、格子を維持できなくなり、リラックス（格子緩和）してしまう。このとき、結晶欠陥が発生し、逆に特性が劣化する。結晶欠陥は、歪量が大きくなる程、また、膜厚が厚くなる程、発生しやすくなる。結晶欠陥の発生を防止し、特性が劣化しない条件でＴＭモード発振を行えるようにすることが必要である。
【０００５】
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、結晶欠陥の発生を防止し、特性が劣化しない範囲で、ＴＭモード発振が行えるようにした半導体発光素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、バリア層と引っ張り歪を持つ井戸層で構成された多重量子井戸構造を有する活性層を備え、前記井戸層の各膜厚がバリア層の各膜厚よりも大きく、前記井戸層のうち、少なくとも１層の膜厚が他の井戸層と異なることを特徴とする半導体発光素子である。
【０００７】
また、請求項２記載の発明は、前記井戸層の各膜厚は、６ｎｍより大きいことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子である。
【０００８】
また、請求項３記載の発明は、前記活性層は、半導体基板上に積層された積層体の一部を形成し、前記井戸層の格子定数が前記半導体基板の格子定数よりも小さいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体発光素子である。
【０００９】
また、請求項４記載の発明は、前記井戸層と半導体基板の格子定数差は、０．１８％以上に構成されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子である。
【００１０】
また、請求項５記載の発明は、前記積層体上に形成される電極が、ストライプ形状に構成されていることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の半導体発光素子である。
【００１１】
また、請求項６記載の発明は、前記積層体の一部がリッジ構造に形成されていることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の半導体発光素子である。
【００１２】
また、請求項７記載の発明は、前記活性層より上側のエッチングストップ層上に形成されたクラッド層の一部が、前記リッジ構造に含まれていることを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子である。
【００１３】
また、請求項８記載の発明は、前記クラッド層は、前記エッチングストップ層に近い側から積層方向に向けて、第１不純物濃度領域と第２不純物濃度領域に分けられており、前記第１不純物濃度領域の不純物濃度は第２不純物濃度領域よりも低いことを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子である。
【００１４】
また、請求項９記載の発明は、前記リッジ構造の底面は前記第１不純物濃度領域側に形成され、かつ前記第１不純物濃度領域と第２不純物濃度領域の境界から前記第１不純物濃度領域側に１００ｎｍの深さまでの範囲に形成されていることを特徴とする請求項８に記載の半導体発光素子である。
【００１５】
また、請求項１０記載の発明は、前記第１不純物濃度領域の不純物濃度が５×１０１７ｃｍ−３〜２×１０１８ｃｍ−３の範囲、又は、前記第２不純物濃度領域と第１不純物濃度領域との濃度差ｄが０＜ｄ≦１×１０２（ｃｍ−３）のいずれかを満たしていることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の半導体発光素子である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の半導体発光素子では、量子井戸構造を有する活性層を備えており、この活性層はバリア層と引っ張り歪を持つ井戸層で構成されている。また、井戸層膜厚がバリア層膜厚よりも大きく、複数の井戸層のうち、少なくとも１層の膜厚が他の井戸層とは異なるように構成されている。これにより、ＴＭモード波の閾値電流がＴＥモード波の閾値電流よりも低くなるので、ＴＭモード発振の大きな半導体発光素子が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。本発明の半導体発光素子として半導体レーザの構成例を図１に示す。ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２、ｎ型ＡｌＧａＡｓビーム拡散層３、ｎ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層４、ＭＱＷ活性層５、ｐ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層６、ｐ型ＡｌＧａＡｓビーム拡散層７、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層８、ＩｎＧａＰエッチングストップ層９、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１０、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１、ｐ電極１２が積層され、ＧａＡｓ基板１の裏側にはｎ電極１３が形成されている。ＧａＡｓ基板１には、傾斜ｎ型ＧａＡｓ基板が用いられる。また、ｐ電極１２はＴｉとＡｕの多層金属膜等を、ｎ電極１はＡｕ、Ｇｅ、Ｎｉの合金層とＴｉとＡｕの多層金属膜等が用いられる。
【００１８】
ＭＱＷ活性層５は、図３に示すように、ＧａＡｓＰ井戸層５ａとＡｌＧａＡｓバリア層５ｂを交互に積層させた多重量子井戸（Multi Quantum Well）構造を有している。また、ｎ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層４上に、まずＧａＡｓＰ井戸層５ａが作製された後、ＡｌＧａＡｓバリア層５ｂが形成され、井戸層とバリア層とが交互に積層される。最後はＧａＡｓＰ井戸層５ａが形成され、その上にｐ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層６が形成される。ＭＱＷ活性層５のＧａＡｓＰ井戸層５ａには、図の矢印で示すように、横方向（積層方向とは垂直方向）に引っ張り歪が発生するように形成されている。
【００１９】
ＭＱＷ活性層５における各ＧａＡｓＰ井戸層５ａの膜厚は、どのＡｌＧａＡｓバリア層５ｂの膜厚よりも厚く構成されている。さらに、各ＧａＡｓＰ井戸層５ａは、すべて同一の膜厚で構成されているのではなく、少なくとも１層のＧａＡｓＰ井戸層の膜厚は、他のＧａＡｓＰ井戸層の膜厚と異なるように構成されている。
【００２０】
図１の半導体レーザは、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１０とｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１とで、ストライプ状のリッジ部分を構成したリッジ構造を有している。電流は、ストライプ状のリッジ部と、リッジ部の下部を流れる。
【００２１】
図１の半導体レーザの製造方法を簡単に説明すると、既知のＭＯＣＶＤ法やフォトリソグラフィ技術等により、以下のように行われる。ＧａＡｓ基板１上に、ＭＯＣＶＤ法(有機金属化学気相成長法)を用いた結晶成長によって、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２、ｎ型ＡｌＧａＡｓビーム拡散層３、ｎ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層４、ＭＱＷ活性層５、ｐ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層６、ｐ型ＡｌＧａＡｓビーム拡散層７、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層８、ＩｎＧａＰエッチングストップ層９、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１０、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１を順に積層する。なお、ＭＱＷ活性層５は、上述のように、ＧａＡｓＰ井戸層５ａとＡｌＧａＡｓバリア層５ｂとを交互に積層する。本実施例では、ＧａＡｓＰ井戸層５ａを３層とＡｌＧａＡｓバリア層５ｂを２層積層する。
【００２２】
次に、ストライプ状のＳｉＯ２をマスクとし、ドライエッチングによりｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１及びｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１０をエッチングして、リッジ部を形成する。次に、塩酸若しくは希硫酸と過酸化水素水でウェットエッチングしてＩｎＧａＰエッチングストップ層９に達するまでエッチングを行う。エッチングストップ層９によりリッジエッチングが自動的に停止し、制御良くリッジを形成できる。
【００２３】
その後、ＳｉＯ２のマスクをＨＦ処理によって除去する。最後に、ラッピング、ポリッシュによってウエハを所定の厚さまで薄くし、蒸着又はスパッタによってｐ電極１２及びｎ電極１３を形成する。
【００２４】
図１では、リッジ構造を有する半導体レーザの例を示したが、図２のように、ストライプ状のリッジ構造を用いずに、ｐ電極をストライプ形状にした半導体レーザとすることもできる。図１と同じ符号を付したものは、図１と同様の構成を示す。ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２、ｎ型ＡｌＧａＡｓビーム拡散層３、ｎ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層４、ＭＱＷ活性層５、ｐ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層６、ｐ型ＡｌＧａＡｓビーム拡散層７が積層されているところまでは、図１と同様である。図１と異なるのは、エッチングストップ層がなく、ｐ型ＡｌＧａＡｓビーム拡散層７上にはｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１８、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１９が順に積層されている。また、素子の中央部に電流を流すようにするために、図１のリッジ構造を形成せずに、ｐ電極２０をストライプ形状に作製している。
【００２５】
ここで、ＭＱＷ活性層５のＧａＡｓＰ井戸層５ａとＡｌＧａＡｓバリア層５ｂとでは、後述する図８に示すように、構成材料の格子定数が大きく異なるので、井戸層５ａには引っ張り歪が発生するのであるが、単に引っ張り歪が発生しただけでは、ＴＭモード発振を十分引き出すことができない。これは、井戸層に引っ張り歪を加えたとしても、レーザ光にはＴＭモードとＴＥモードの両波が混在するためである。ＴＭモード発振を優位にするためには、ＴＭモード波の方の閾値電流が十分低くなるように構成することが必要である。
【００２６】
そこで、活性層の組成等は一定にして、ＴＭモード発振条件は満たすようにし、井戸層の膜厚構成を変化させて、ＴＭモード発振が優位になるような条件をシミュレーションにより考察した。シミュレーションには、図１、３の構造を有する半導体レーザを用い、具体的には以下のようにした。
【００２７】
ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２は膜厚３．５μｍのｎ型Ａｌ０．５３ＧａＡｓ、ｎ型ＡｌＧａＡｓビーム拡散層３は膜厚０．０５μｍのｎ型Ａｌ０．５３ＧａＡｓ、ｎ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層４は膜厚０．０８μｍのｎ型Ａｌ０．６ＧａＡｓ、ｐ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層６は膜厚０．０８μｍのｐ型Ａｌ０．６ＧａＡｓ、ｐ型ＡｌＧａＡｓビーム拡散層７は膜厚０．０５μｍのｐ型Ａｌ０．５３ＧａＡｓ、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層８は膜厚０．０３μｍのｐ型Ａｌ０．５３ＧａＡｓ、ＩｎＧａＰエッチングストップ層９は膜厚０．０１５μｍのＩｎＧａＰ、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１０は膜厚１．６μｍのｐ型Ａｌ０．５３ＧａＡｓ、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１は、膜厚０．４μｍのｐ型ＧａＡｓで構成した。なお、いずれの半導体層においても、ｎ型不純物にはＳｉを、ｐ型不純物にはＭｇを用いた。また、リッジ構造のリッジ幅（リッジ形状の底面の幅）は、１．５μｍとした。
【００２８】
また、ＭＱＷ活性層５は３層のＧａＡｓＰ井戸層５ａと２層のＡｌＧａＡｓバリア層５ｂを交互に積層させた多重量子井戸構造とした。ＡｌＧａＡｓバリア層５ｂは、膜厚５ｎｍのアンドープＡｌ０．３ＧａＡｓで構成した。一方、ＧａＡｓＰ井戸層５ａはアンドープＧａＡｓ１−ＸＰＸ（０＜Ｘ＜１）で構成し、本実施例ではＸ＝０．１のＧａＡｓ０．９Ｐ０．１として、その膜厚を色々と変化させ、ＴＭモード発振の状態を調べた。
【００２９】
図４は、３層のＧａＡｓＰ井戸層５ａの各膜厚を変化させた場合のシミュレーション結果を示す。図の横軸は、３層の井戸層の膜厚構成（ｎｍ）を示し、縦軸は、相対閾値電流（任意単位）を示す。ここで、相対閾値電流とは、（ＴＭモード発振の閾値電流）／（ＴＥモード発振の閾値電流）で計算された数値を示す。井戸層に引っ張り歪が加えられた場合でも、レーザ光には、ＴＭモードとＴＥモードの両波が混在するため、相対閾値電流で示している。すなわち、相対閾値電流が小さいほど、ＴＭモード発振が顕著になることがわかる。
【００３０】
また、図の横軸で、例えば、８／９／１０ｎｍと記載されている場合は、左側の数字８ｎｍがｐ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層６に最も近いＧａＡｓＰ井戸層５ａの膜厚を示し、それから順にｎ型層側に近くなる井戸層５ａの膜厚に対応する。したがって、ｎ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層４に最も近い井戸層５ａが、膜厚１０ｎｍとなる。
【００３１】
従来技術では、３つの井戸層の膜厚をすべて同一にしているので、図４の９／９／９ｎｍの場合を基準に考える。３つの井戸層のうち、１層でも膜厚を変化させると、相対閾値電流は変化する。８／８／１１ｎｍ、８／１１／８ｎｍ、７／９／１１ｎｍ、１１／９／７ｎｍの膜厚構成では、相対閾値電流は９／９／９ｎｍの場合よりも大きくなる。この場合、井戸層の膜厚の差は、２ｎｍ又は３ｎｍである。一方、８／９／１０ｎｍ、１０／９／８ｎｍの膜厚構成では、相対閾値電流は９／９／９ｎｍの場合よりも小さくなる。この場合、井戸層の膜厚の差は、１ｎｍである。また、８．５／９／９．５ｎｍ、９．５／９／８．５ｎｍの膜厚構成では、相対閾値電流は９／９／９ｎｍの場合よりも、かなり小さくなる。この場合、井戸層の膜厚の差は、０．５ｎｍである。
【００３２】
以上より、活性層を構成する井戸層のうち、少なくとも１層の膜厚が他の井戸層とは異なった場合、その膜厚が異なる井戸層と他の井戸層との膜厚差が２ｎｍ未満であれば、相対閾値電流は３つの井戸層の膜厚がすべて同一の場合よりも小さくなることがわかる。より具体的には、最も近い位置に配置された２つの井戸層の間の変化の幅が、すべて２ｎｍや３ｎｍとなっている構造については、相対閾値電流は９／９／９ｎｍの場合よりも大きくなる。一方、最も近い位置に配置された２つの井戸層の間の変化の幅が、すべて２ｎｍ未満の場合には、相対閾値電流は３つの井戸層の膜厚がすべて同一の場合よりも小さくなることがわかる。
【００３３】
図４では、最も近い位置に配置された２つの井戸層間の膜厚の変化の幅が等間隔であったが、これを不揃いにした例を含む結果を図５に示す。図の枠で囲んだ領域に示されるように、８．５／８．８／９．７ｎｍ、９．７／８．８／８．５ｎｍ、８．３／９．２／９．５ｎｍ、９．５／９．２／８．３ｎｍの膜厚構成では、相対閾値電流は９／９／９ｎｍの場合よりも小さくなる。最も近い位置に配置された２つの井戸層の膜厚差は、各々、０．３／０．９ｎｍ、０．９／０．３ｎｍ、０．９／０．３ｎｍ、０．３／０．９ｎｍとなっている。すなわち、最も近い位置に形成された２つの井戸層間の膜厚の変化幅が、すべて２ｎｍ未満、厳しく条件を取ると１ｎｍ以下の場合が、ＴＭモード発振が顕著になることがわかり、図４と同様の結論が導き出せる。
【００３４】
次に、活性層５を上記と同様の構成して、３つのＧａＡｓＰ井戸層５ａの各膜厚を同一に保ちながら、その膜厚を変化させた。すなわち、ＡｌＧａＡｓバリア層５ｂは膜厚５ｎｍのアンドープＡｌ０．３ＧａＡｓで、ＧａＡｓＰ井戸層５ａはアンドープＧａＡｓ０．９Ｐ０．１（Ｘ＝０．１）で構成した。井戸層の膜厚と閾値電流の関係を図６に示す。図に示す黒菱形（◆）のデータがＴＥモードを、黒四角がＴＭモードを示す。また、図７は、図６のＴＭモード、ＴＥモードに関する閾値電流の比を取って、上述した相対閾値電流としたものである。
【００３５】
図７からわかるように、井戸層の膜厚が６ｎｍ以下の場合、相対閾値電流が大きくなり、ＴＥモードとＴＭモードの混在波となる可能性がある。一方、井戸層の膜厚が６ｎｍを越える場合、図６に示されるように、ＴＥモードの閾値電流が非常に高くなっていき、ＴＥモードの発振が妨げられる。その結果、図７に示されるように、相対閾値電流が小さくなり、ＴＭモード発振が顕著になることがわかる。
【００３６】
また、ＧａＡｓＹＰ１−ＹとＡｌ１−ＹＧａＹＡｓとで、組成Ｙを変化させた場合の格子定数差を計算した。ＧａＡｓＰ井戸層５ａを膜厚９ｎｍのＧａＡｓＹＰ１−Ｙで形成し、ＧａＡｓ基板１をＡｌ１−ＹＧａＹＡｓ基板として組成Ｙを変化させた。図８（ａ）は、ＧａＡｓＹＰ１−Ｙで組成Ｙを変化させたときの格子定数の変化をＬ１（実線）で表わし、Ａｌ１−ＹＧａＹＡｓの組成Ｙを変化させたときの格子定数をＬ２（点線）で表わしたものである。ここで、ＧａＡｓの格子定数は５．６５３２５、ＡｌＡｓの格子定数は５．６６１１、ＧａＰの格子定数は５．４５０５である。その間は、線形変化として計算した。
【００３７】
組成Ｙが増加するにしたがって、ＧａＡｓＹＰ１−Ｙの格子定数は直線的に上昇しているが、Ａｌ１−ＹＧａＹＡｓの格子定数の変化はほとんどない。このときの、１００×（Ｌ１−Ｌ２）／Ｌ１の数値（格子定数差）とＧａＡｓ１−ＸＰＸの組成Ｘとの関係を示すのが図８（ｂ）である。縦軸は格子定数差（％）を、横軸はＧａＡｓ１−ＸＰＸの組成Ｘを示す。ここで、組成Ｘは、組成Ｙとの間に、Ｘ＝Ｙ−１の関係がある。組成Ｘが大きくなるほどに、ＧａＡｓ基板又はＡｌＧａＡｓ半導体層との格子定数差は大きくなる。格子定数差が大きくなるということは、引っ張り歪量が増大することを意味する。
【００３８】
ここで、図９に示すように、引っ張り歪と圧縮歪と閾値電流密度との関係を見ると、引っ張り歪の方が、圧縮歪に比べて、低閾値電流密度で動作する範囲が小さいことがわかる。あまり大きな歪を加えると、結晶欠陥が発生し、逆に特性が劣化するためである。したがって、引っ張歪量に大きく関係するＧａＡｓ１−ＸＰＸのＰ（燐）成分の組成Ｘにより、どのようにＴＭモードの閾値電流が変化するのかを調べることが必要である。図１０にＧａＡｓ１−ＸＰＸのＰ組成Ｘと閾値電流との関係を示す。図６と同様、黒菱形（◆）のデータがＴＥモードを、黒四角がＴＭモードを示す。また、図１１は、図１０のＴＭモード、ＴＥモードに関する閾値電流の比を取って、上述した相対閾値電流としたものである。なお、Ｘ１で示されたデータは、図から判別しにくいが、ＴＥモードとＴＭモードの閾値電流が同じで、重なっているデータを示す。
【００３９】
図１０からわかるように、Ｐ組成Ｘが０．０４以下であると、ＴＥモードとＴＭモードとは閾値電流がほとんど同じであり、ＴＥモード波とＴＭモード波が混在している。しかし、Ｐ組成Ｘが０．０４を越えると、ＴＭモードの閾値電流のほうが小さくなり、図１１からもわかるように、相対閾値電流が１よりも小さくなる。図１０、１１のデータからは、特にＰ組成Ｘが０．０５以上になるとＴＭモードが顕著になる。ここで、図８（ｂ）と対比すると、Ｐ組成Ｘが０．０５のときの格子定数差は、０．１８％となる。一方、引っ張り歪量には、格子緩和するまでの臨界点があり、そのときの臨界格子定数差は０．４程度に相当するので、これからＰ組成Ｘの大きさは１３％程度が限界であると考えられる。なお、Ｐ組成Ｘが異なれば、引っ張り歪み量も変化し、臨界膜厚も変化する。
【００４０】
次に、図１のリッジ構造で、ＴＭモード発振とするための条件を、膜厚や格子定数等以外の観点から考える。図１２は、図１と半導体層の構成はほぼ同じである。図１と同じ符号は同一の構成を示す。
【００４１】
ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２、ｎ型ＡｌＧａＡｓビーム拡散層３、ｎ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層４、ＭＱＷ活性層５、ｐ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層６、ｐ型ＡｌＧａＡｓビーム拡散層７、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層８、ＩｎＧａＰエッチングストップ層９、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１００、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１、ｐ電極１２が積層され、ＧａＡｓ基板１の裏側にはｎ電極１３が形成されている。図１２の半導体レーザは、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１００の一部とｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１とで、ストライプ状のリッジ部分を形成したリッジ構造を形成している。図１と異なるのは、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１００がストライプ状のリッジ形状部１００Ａと平板形状部１００Ｂとから構成されている点にある。図の破線で示されたＤ２は、リッジ形状部１００Ａと平板形状部１００Ｂとの境界、すなわちリッジ構造の底面を示す。
【００４２】
これは、エッチングストップを行う位置を、ＩｎＧａＰエッチングストップ層９よりもｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１側のｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１００の途中で止めることで構成できる。これにより、活性層へのリッジからの歪の影響と光の漏れ出しの影響を低減させることができる。ここで、ＭＱＷ活性層５は、前記の例と同様、３層のＧａＡｓＰ井戸層５ａと２層のＡｌＧａＡｓバリア層５ｂを交互に積層させた多重量子井戸構造とした。また、ＡｌＧａＡｓバリア層５ｂは、膜厚５ｎｍのアンドープＡｌ０．３ＧａＡｓで構成した。一方、ＧａＡｓＰ井戸層５ａはアンドープＧａＡｓ０．９Ｐ０．１（Ｘ＝０．１）とした。井戸層５ａにＧａＡｓ０．９Ｐ０．１を用いることで、井戸層５ａには引っ張り歪が発生している。また、その他の半導体層の材料組成や膜厚は、図１で説明した内容と同じである。なお、図１２のように、Ｄ２の位置でエッチングを止めるには、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）等を用いれば良い。
【００４３】
また、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１００は、ｐ型不純物の濃度が異なる低濃度領域（第１不純物濃度領域）と高濃度領域（第２不純物濃度領域）の２つの領域から形成されている。図１２に示すＮは、不純物濃度の低濃度領域と高濃度領域の境界を表す。不純物濃度の境界Ｎよりも上側（コンタクト層１１側）が高濃度領域となり、境界Ｎよりも下側（ＭＱＷ活性層５側）が低濃度領域となる。また、リッジ構造の底面となるＤ２は不純物濃度の境界Ｎよりも低濃度領域側に形成される。
【００４４】
ＩｎＧａＰエッチングストップ層９とｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１００との界面位置をＤ１、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１００とｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１との界面位置をＤ３とする。高濃度領域（第２不純物濃度領域）のｐ型不純物濃度は、４×１０１９ｃｍ−３とし、低濃度領域（第１不純物濃度領域）のｐ型不純物濃度は、１×１０１８ｃｍ−３とした。図１２のリッジ幅（Ｄ２位置の幅）は１．５μｍに形成した。そして、境界Ｎの位置を所定の位置に固定して、エッチング深さを変え、境界Ｎと境界Ｄ２との関係をシミュレーションしたのが図１３である。
【００４５】
図１３の縦軸は閾値電流（ｍＡ）を、横軸は活性層からの距離（μｍ）を示す。活性層からの距離とは、ＭＱＷ活性層５とｐ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層６との界面からの距離を表わす。境界Ｎは、図に示すように、活性層から約０．７μｍのところに形成されている。ここで、エッチングにより、境界Ｄ２を変化させると、境界Ｄ２がＭＱＷ活性層５に近づくほど、ＴＥモードとＴＭモードの閾値電流は低下する。
【００４６】
しかし、ＴＥモードとＴＭモードの閾値電流に差がなくなってくるので、ＴＥモード波とＴＭモード波との混在波となる可能性が大きくなる。一方、図より、境界Ｎから活性層側に１００ｎｍ以内では、ＴＥモードの閾値電流よりも、ＴＭモードの閾値電流の方が十分小さくなっている。したがって、不純物濃度の境界Ｎよりも、リッジ構造の底面位置Ｄ２の方が低濃度領域側に形成されるようにし、ＮとＤ１との深さ方向の距離差は、１００ｎｍ以内に構成することで、ＴＥモード発振を顕著にすることができる。
【００４７】
次に、境界Ｄ２を境界Ｎと同じ位置にして、低濃度領域の不純物濃度を１×１０１９ｃｍ−３から変化させた場合のシミュレーション結果を図１４に示す。高濃度領域は、上記の４×１０１９ｃｍ−３に固定した。図１４の縦軸は閾値電流（ｍＡ）を、横軸はｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１００の低濃度領域の濃度（ｃｍ−３）を示す。図１４に示すように、低濃度領域の不純物濃度が２×１０１８ｃｍ−３を越えると、ＴＥモードとＴＭモードの閾値電流の差が小さくなってくる。したがってＴＭモード波をより顕著にするためには、２×１０１８ｃｍ−３以下とすることが望ましい。下限は、図より、５×１０１７ｃｍ−３となる。上記より、低濃度領域の好ましい範囲は、５×１０１７ｃｍ−３以上、２×１０１８ｃｍ−３以下となる。
【００４８】
一方、高濃度領域の範囲は、低濃度領域よりも濃度が高いことが必要なので、少なくとも２×１０１８ｃｍ−３を越える濃度で、上限は５×１０１９ｃｍ−３と考えられる。以上より、高濃度領域と低濃度領域との濃度差で考えると、濃度差ｄの許容範囲は、０＜ｄ≦１×１０２（ｃｍ−３）となる。したがって、低濃度領域については、不純物濃度が５×１０１７ｃｍ−３〜２×１０１８ｃｍ−３であるか、又は、上記濃度差ｄが０＜ｄ≦１×１０２（ｃｍ−３）であるかのいずれかを満たすことが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の半導体発光素子の断面構造の一例を示す図である。
【図２】本発明の半導体発光素子の断面構造の一例を示す図である。
【図３】本発明の半導体発光素子の活性層の構成例を示す図である。
【図４】活性層における井戸層の膜厚構成と相対閾値電流との関係を示す図である。
【図５】活性層における井戸層の膜厚構成と相対閾値電流との関係を示す図である。
【図６】井戸層膜厚と閾値電流との関係を示す図である。
【図７】井戸層膜厚と相対閾値電流との関係を示す図である。
【図８】格子定数とＡｌＧａＡｓ及びＧａＡｓＰの組成との関係を示す図である。
【図９】引っ張り歪及び圧縮歪と閾値電流密度との関係を示す図である。
【図１０】ＧａＡｓＰのＰ組成Ｘと閾値電流との関係を示す図である。
【図１１】ＧａＡｓＰのＰ組成Ｘと相対閾値電流との関係を示す図である。
【図１２】リッジ構造を有する半導体発光素子の断面構造の他の例を示す図である。
【図１３】図１２の構成において、第２クラッド層で不純物濃度変化がある場合、不純物濃度変化位置の活性層からの距離と閾値電流との関係を示す図である。
【図１４】第２クラッド層の低濃度領域における不純物濃度と閾値電流との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ ＧａＡｓ基板
２ ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
３ ｎ型ＡｌＧａＡｓビーム拡散層
４ ｎ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層
５ ＭＱＷ活性層
５ａ ＧａＡｓＰ井戸層
５ｂ ＡｌＧａＡｓバリア層
６ ｐ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層
７ ｐ型ＡｌＧａＡｓビーム拡散層
８ ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層
９ ＩｎＧａＰエッチングストップ層
１０ ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層
１１ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１２ ｐ電極
１３ ｎ電極
１８ ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
１９ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
２０ ｐ電極
２１ ｎ電極
１００ ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、引っ張り歪を持つ井戸層を有する活性層を備えた半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光素子の中で、半導体レーザは、例えば、ＤＶＤやレーザプリンタ等の光源として用いられている。例えば、赤外波長領域の波長７８０ｎｍの半導体レーザには、従来活性層材料にＡｌＧａＡｓが用いられており、偏光はＴＥモードで発振していた。ＴＥモード発振では、伝搬方向と垂直方向に電界が存在するため、半導体レーザの放出光を絞るために放射窓を小さくすることができない。放射窓を小さくすると、電界成分が放射窓に遮られてしまい、レーザ光が十分伝搬されない。
【０００３】
放射窓を小さくしても、レーザ光の電界成分を十分伝搬させるために、ＴＭモード発振によるレーザ光を生成し、光の伝搬方向に電界成分を持たせるようにしている。ＴＭモードで発振するためには、活性層に引っ張り歪を持つ井戸層を用いる必要があり、そのために、井戸層とバリア層（障壁層）の組成を調整して、井戸層に引っ張り歪を加えるようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平７−３１２４６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
活性層中の井戸層に大きな引っ張り歪みを加えるほど、ＴＭモード発振が大きくなる。そこで、歪量を大きくするためには、格子定数の大きく異なる材料を井戸層とバリア層に用いれば良い。しかし、あまり、大きな歪を加えすぎると、格子を維持できなくなり、リラックス（格子緩和）してしまう。このとき、結晶欠陥が発生し、逆に特性が劣化する。結晶欠陥は、歪量が大きくなる程、また、膜厚が厚くなる程、発生しやすくなる。結晶欠陥の発生を防止し、特性が劣化しない条件でＴＭモード発振を行えるようにすることが必要である。
【０００５】
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、結晶欠陥の発生を防止し、特性が劣化しない範囲で、ＴＭモード発振が行えるようにした半導体発光素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、バリア層と引っ張り歪を持つ井戸層で構成された多重量子井戸構造を有する活性層を備え、前記井戸層の各膜厚がバリア層の各膜厚よりも大きく、前記井戸層のうち、少なくとも１層の膜厚が他の井戸層と異なることを特徴とする半導体発光素子である。
【０００７】
また、請求項２記載の発明は、前記井戸層の各膜厚は、６ｎｍより大きいことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子である。
【０００８】
また、請求項３記載の発明は、前記活性層は、半導体基板上に積層された積層体の一部を形成し、前記井戸層の格子定数が前記半導体基板の格子定数よりも小さいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体発光素子である。
【０００９】
また、請求項４記載の発明は、前記井戸層と半導体基板の格子定数差は、０．１８％以上に構成されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子である。
【００１０】
また、請求項５記載の発明は、前記積層体上に形成される電極が、ストライプ形状に構成されていることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の半導体発光素子である。
【００１１】
また、請求項６記載の発明は、前記積層体の一部がリッジ構造に形成されていることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の半導体発光素子である。
【００１２】
また、請求項７記載の発明は、前記活性層より上側のエッチングストップ層上に形成されたクラッド層の一部が、前記リッジ構造に含まれていることを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子である。
【００１３】
また、請求項８記載の発明は、前記クラッド層は、前記エッチングストップ層に近い側から積層方向に向けて、第１不純物濃度領域と第２不純物濃度領域に分けられており、前記第１不純物濃度領域の不純物濃度は第２不純物濃度領域よりも低いことを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子である。
【００１４】
また、請求項９記載の発明は、前記リッジ構造の底面は前記第１不純物濃度領域側に形成され、かつ前記第１不純物濃度領域と第２不純物濃度領域の境界から前記第１不純物濃度領域側に１００ｎｍの深さまでの範囲に形成されていることを特徴とする請求項８に記載の半導体発光素子である。
【００１５】
また、請求項１０記載の発明は、前記第１不純物濃度領域の不純物濃度が５×１０１７ｃｍ−３〜２×１０１８ｃｍ−３の範囲、又は、前記第２不純物濃度領域と第１不純物濃度領域との濃度差ｄが０＜ｄ≦１×１０２（ｃｍ−３）のいずれかを満たしていることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の半導体発光素子である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の半導体発光素子では、量子井戸構造を有する活性層を備えており、この活性層はバリア層と引っ張り歪を持つ井戸層で構成されている。また、井戸層膜厚がバリア層膜厚よりも大きく、複数の井戸層のうち、少なくとも１層の膜厚が他の井戸層とは異なるように構成されている。これにより、ＴＭモード波の閾値電流がＴＥモード波の閾値電流よりも低くなるので、ＴＭモード発振の大きな半導体発光素子が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。本発明の半導体発光素子として半導体レーザの構成例を図１に示す。ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２、ｎ型ＡｌＧａＡｓビーム拡散層３、ｎ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層４、ＭＱＷ活性層５、ｐ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層６、ｐ型ＡｌＧａＡｓビーム拡散層７、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層８、ＩｎＧａＰエッチングストップ層９、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１０、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１、ｐ電極１２が積層され、ＧａＡｓ基板１の裏側にはｎ電極１３が形成されている。ＧａＡｓ基板１には、傾斜ｎ型ＧａＡｓ基板が用いられる。また、ｐ電極１２はＴｉとＡｕの多層金属膜等を、ｎ電極１はＡｕ、Ｇｅ、Ｎｉの合金層とＴｉとＡｕの多層金属膜等が用いられる。
【００１８】
ＭＱＷ活性層５は、図３に示すように、ＧａＡｓＰ井戸層５ａとＡｌＧａＡｓバリア層５ｂを交互に積層させた多重量子井戸（Multi Quantum Well）構造を有している。また、ｎ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層４上に、まずＧａＡｓＰ井戸層５ａが作製された後、ＡｌＧａＡｓバリア層５ｂが形成され、井戸層とバリア層とが交互に積層される。最後はＧａＡｓＰ井戸層５ａが形成され、その上にｐ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層６が形成される。ＭＱＷ活性層５のＧａＡｓＰ井戸層５ａには、図の矢印で示すように、横方向（積層方向とは垂直方向）に引っ張り歪が発生するように形成されている。
【００１９】
ＭＱＷ活性層５における各ＧａＡｓＰ井戸層５ａの膜厚は、どのＡｌＧａＡｓバリア層５ｂの膜厚よりも厚く構成されている。さらに、各ＧａＡｓＰ井戸層５ａは、すべて同一の膜厚で構成されているのではなく、少なくとも１層のＧａＡｓＰ井戸層の膜厚は、他のＧａＡｓＰ井戸層の膜厚と異なるように構成されている。
【００２０】
図１の半導体レーザは、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１０とｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１とで、ストライプ状のリッジ部分を構成したリッジ構造を有している。電流は、ストライプ状のリッジ部と、リッジ部の下部を流れる。
【００２１】
図１の半導体レーザの製造方法を簡単に説明すると、既知のＭＯＣＶＤ法やフォトリソグラフィ技術等により、以下のように行われる。ＧａＡｓ基板１上に、ＭＯＣＶＤ法(有機金属化学気相成長法)を用いた結晶成長によって、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２、ｎ型ＡｌＧａＡｓビーム拡散層３、ｎ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層４、ＭＱＷ活性層５、ｐ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層６、ｐ型ＡｌＧａＡｓビーム拡散層７、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層８、ＩｎＧａＰエッチングストップ層９、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１０、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１を順に積層する。なお、ＭＱＷ活性層５は、上述のように、ＧａＡｓＰ井戸層５ａとＡｌＧａＡｓバリア層５ｂとを交互に積層する。本実施例では、ＧａＡｓＰ井戸層５ａを３層とＡｌＧａＡｓバリア層５ｂを２層積層する。
【００２２】
次に、ストライプ状のＳｉＯ２をマスクとし、ドライエッチングによりｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１及びｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１０をエッチングして、リッジ部を形成する。次に、塩酸若しくは希硫酸と過酸化水素水でウェットエッチングしてＩｎＧａＰエッチングストップ層９に達するまでエッチングを行う。エッチングストップ層９によりリッジエッチングが自動的に停止し、制御良くリッジを形成できる。
【００２３】
その後、ＳｉＯ２のマスクをＨＦ処理によって除去する。最後に、ラッピング、ポリッシュによってウエハを所定の厚さまで薄くし、蒸着又はスパッタによってｐ電極１２及びｎ電極１３を形成する。
【００２４】
図１では、リッジ構造を有する半導体レーザの例を示したが、図２のように、ストライプ状のリッジ構造を用いずに、ｐ電極をストライプ形状にした半導体レーザとすることもできる。図１と同じ符号を付したものは、図１と同様の構成を示す。ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２、ｎ型ＡｌＧａＡｓビーム拡散層３、ｎ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層４、ＭＱＷ活性層５、ｐ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層６、ｐ型ＡｌＧａＡｓビーム拡散層７が積層されているところまでは、図１と同様である。図１と異なるのは、エッチングストップ層がなく、ｐ型ＡｌＧａＡｓビーム拡散層７上にはｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１８、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１９が順に積層されている。また、素子の中央部に電流を流すようにするために、図１のリッジ構造を形成せずに、ｐ電極２０をストライプ形状に作製している。
【００２５】
ここで、ＭＱＷ活性層５のＧａＡｓＰ井戸層５ａとＡｌＧａＡｓバリア層５ｂとでは、後述する図８に示すように、構成材料の格子定数が大きく異なるので、井戸層５ａには引っ張り歪が発生するのであるが、単に引っ張り歪が発生しただけでは、ＴＭモード発振を十分引き出すことができない。これは、井戸層に引っ張り歪を加えたとしても、レーザ光にはＴＭモードとＴＥモードの両波が混在するためである。ＴＭモード発振を優位にするためには、ＴＭモード波の方の閾値電流が十分低くなるように構成することが必要である。
【００２６】
そこで、活性層の組成等は一定にして、ＴＭモード発振条件は満たすようにし、井戸層の膜厚構成を変化させて、ＴＭモード発振が優位になるような条件をシミュレーションにより考察した。シミュレーションには、図１、３の構造を有する半導体レーザを用い、具体的には以下のようにした。
【００２７】
ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２は膜厚３．５μｍのｎ型Ａｌ０．５３ＧａＡｓ、ｎ型ＡｌＧａＡｓビーム拡散層３は膜厚０．０５μｍのｎ型Ａｌ０．５３ＧａＡｓ、ｎ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層４は膜厚０．０８μｍのｎ型Ａｌ０．６ＧａＡｓ、ｐ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層６は膜厚０．０８μｍのｐ型Ａｌ０．６ＧａＡｓ、ｐ型ＡｌＧａＡｓビーム拡散層７は膜厚０．０５μｍのｐ型Ａｌ０．５３ＧａＡｓ、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層８は膜厚０．０３μｍのｐ型Ａｌ０．５３ＧａＡｓ、ＩｎＧａＰエッチングストップ層９は膜厚０．０１５μｍのＩｎＧａＰ、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１０は膜厚１．６μｍのｐ型Ａｌ０．５３ＧａＡｓ、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１は、膜厚０．４μｍのｐ型ＧａＡｓで構成した。なお、いずれの半導体層においても、ｎ型不純物にはＳｉを、ｐ型不純物にはＭｇを用いた。また、リッジ構造のリッジ幅（リッジ形状の底面の幅）は、１．５μｍとした。
【００２８】
また、ＭＱＷ活性層５は３層のＧａＡｓＰ井戸層５ａと２層のＡｌＧａＡｓバリア層５ｂを交互に積層させた多重量子井戸構造とした。ＡｌＧａＡｓバリア層５ｂは、膜厚５ｎｍのアンドープＡｌ０．３ＧａＡｓで構成した。一方、ＧａＡｓＰ井戸層５ａはアンドープＧａＡｓ１−ＸＰＸ（０＜Ｘ＜１）で構成し、本実施例ではＸ＝０．１のＧａＡｓ０．９Ｐ０．１として、その膜厚を色々と変化させ、ＴＭモード発振の状態を調べた。
【００２９】
図４は、３層のＧａＡｓＰ井戸層５ａの各膜厚を変化させた場合のシミュレーション結果を示す。図の横軸は、３層の井戸層の膜厚構成（ｎｍ）を示し、縦軸は、相対閾値電流（任意単位）を示す。ここで、相対閾値電流とは、（ＴＭモード発振の閾値電流）／（ＴＥモード発振の閾値電流）で計算された数値を示す。井戸層に引っ張り歪が加えられた場合でも、レーザ光には、ＴＭモードとＴＥモードの両波が混在するため、相対閾値電流で示している。すなわち、相対閾値電流が小さいほど、ＴＭモード発振が顕著になることがわかる。
【００３０】
また、図の横軸で、例えば、８／９／１０ｎｍと記載されている場合は、左側の数字８ｎｍがｐ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層６に最も近いＧａＡｓＰ井戸層５ａの膜厚を示し、それから順にｎ型層側に近くなる井戸層５ａの膜厚に対応する。したがって、ｎ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層４に最も近い井戸層５ａが、膜厚１０ｎｍとなる。
【００３１】
従来技術では、３つの井戸層の膜厚をすべて同一にしているので、図４の９／９／９ｎｍの場合を基準に考える。３つの井戸層のうち、１層でも膜厚を変化させると、相対閾値電流は変化する。８／８／１１ｎｍ、８／１１／８ｎｍ、７／９／１１ｎｍ、１１／９／７ｎｍの膜厚構成では、相対閾値電流は９／９／９ｎｍの場合よりも大きくなる。この場合、井戸層の膜厚の差は、２ｎｍ又は３ｎｍである。一方、８／９／１０ｎｍ、１０／９／８ｎｍの膜厚構成では、相対閾値電流は９／９／９ｎｍの場合よりも小さくなる。この場合、井戸層の膜厚の差は、１ｎｍである。また、８．５／９／９．５ｎｍ、９．５／９／８．５ｎｍの膜厚構成では、相対閾値電流は９／９／９ｎｍの場合よりも、かなり小さくなる。この場合、井戸層の膜厚の差は、０．５ｎｍである。
【００３２】
以上より、活性層を構成する井戸層のうち、少なくとも１層の膜厚が他の井戸層とは異なった場合、その膜厚が異なる井戸層と他の井戸層との膜厚差が２ｎｍ未満であれば、相対閾値電流は３つの井戸層の膜厚がすべて同一の場合よりも小さくなることがわかる。より具体的には、最も近い位置に配置された２つの井戸層の間の変化の幅が、すべて２ｎｍや３ｎｍとなっている構造については、相対閾値電流は９／９／９ｎｍの場合よりも大きくなる。一方、最も近い位置に配置された２つの井戸層の間の変化の幅が、すべて２ｎｍ未満の場合には、相対閾値電流は３つの井戸層の膜厚がすべて同一の場合よりも小さくなることがわかる。
【００３３】
図４では、最も近い位置に配置された２つの井戸層間の膜厚の変化の幅が等間隔であったが、これを不揃いにした例を含む結果を図５に示す。図の枠で囲んだ領域に示されるように、８．５／８．８／９．７ｎｍ、９．７／８．８／８．５ｎｍ、８．３／９．２／９．５ｎｍ、９．５／９．２／８．３ｎｍの膜厚構成では、相対閾値電流は９／９／９ｎｍの場合よりも小さくなる。最も近い位置に配置された２つの井戸層の膜厚差は、各々、０．３／０．９ｎｍ、０．９／０．３ｎｍ、０．９／０．３ｎｍ、０．３／０．９ｎｍとなっている。すなわち、最も近い位置に形成された２つの井戸層間の膜厚の変化幅が、すべて２ｎｍ未満、厳しく条件を取ると１ｎｍ以下の場合が、ＴＭモード発振が顕著になることがわかり、図４と同様の結論が導き出せる。
【００３４】
次に、活性層５を上記と同様の構成して、３つのＧａＡｓＰ井戸層５ａの各膜厚を同一に保ちながら、その膜厚を変化させた。すなわち、ＡｌＧａＡｓバリア層５ｂは膜厚５ｎｍのアンドープＡｌ０．３ＧａＡｓで、ＧａＡｓＰ井戸層５ａはアンドープＧａＡｓ０．９Ｐ０．１（Ｘ＝０．１）で構成した。井戸層の膜厚と閾値電流の関係を図６に示す。図に示す黒菱形（◆）のデータがＴＥモードを、黒四角がＴＭモードを示す。また、図７は、図６のＴＭモード、ＴＥモードに関する閾値電流の比を取って、上述した相対閾値電流としたものである。
【００３５】
図７からわかるように、井戸層の膜厚が６ｎｍ以下の場合、相対閾値電流が大きくなり、ＴＥモードとＴＭモードの混在波となる可能性がある。一方、井戸層の膜厚が６ｎｍを越える場合、図６に示されるように、ＴＥモードの閾値電流が非常に高くなっていき、ＴＥモードの発振が妨げられる。その結果、図７に示されるように、相対閾値電流が小さくなり、ＴＭモード発振が顕著になることがわかる。
【００３６】
また、ＧａＡｓＹＰ１−ＹとＡｌ１−ＹＧａＹＡｓとで、組成Ｙを変化させた場合の格子定数差を計算した。ＧａＡｓＰ井戸層５ａを膜厚９ｎｍのＧａＡｓＹＰ１−Ｙで形成し、ＧａＡｓ基板１をＡｌ１−ＹＧａＹＡｓ基板として組成Ｙを変化させた。図８（ａ）は、ＧａＡｓＹＰ１−Ｙで組成Ｙを変化させたときの格子定数の変化をＬ１（実線）で表わし、Ａｌ１−ＹＧａＹＡｓの組成Ｙを変化させたときの格子定数をＬ２（点線）で表わしたものである。ここで、ＧａＡｓの格子定数は５．６５３２５、ＡｌＡｓの格子定数は５．６６１１、ＧａＰの格子定数は５．４５０５である。その間は、線形変化として計算した。
【００３７】
組成Ｙが増加するにしたがって、ＧａＡｓＹＰ１−Ｙの格子定数は直線的に上昇しているが、Ａｌ１−ＹＧａＹＡｓの格子定数の変化はほとんどない。このときの、１００×（Ｌ１−Ｌ２）／Ｌ１の数値（格子定数差）とＧａＡｓ１−ＸＰＸの組成Ｘとの関係を示すのが図８（ｂ）である。縦軸は格子定数差（％）を、横軸はＧａＡｓ１−ＸＰＸの組成Ｘを示す。ここで、組成Ｘは、組成Ｙとの間に、Ｘ＝Ｙ−１の関係がある。組成Ｘが大きくなるほどに、ＧａＡｓ基板又はＡｌＧａＡｓ半導体層との格子定数差は大きくなる。格子定数差が大きくなるということは、引っ張り歪量が増大することを意味する。
【００３８】
ここで、図９に示すように、引っ張り歪と圧縮歪と閾値電流密度との関係を見ると、引っ張り歪の方が、圧縮歪に比べて、低閾値電流密度で動作する範囲が小さいことがわかる。あまり大きな歪を加えると、結晶欠陥が発生し、逆に特性が劣化するためである。したがって、引っ張歪量に大きく関係するＧａＡｓ１−ＸＰＸのＰ（燐）成分の組成Ｘにより、どのようにＴＭモードの閾値電流が変化するのかを調べることが必要である。図１０にＧａＡｓ１−ＸＰＸのＰ組成Ｘと閾値電流との関係を示す。図６と同様、黒菱形（◆）のデータがＴＥモードを、黒四角がＴＭモードを示す。また、図１１は、図１０のＴＭモード、ＴＥモードに関する閾値電流の比を取って、上述した相対閾値電流としたものである。なお、Ｘ１で示されたデータは、図から判別しにくいが、ＴＥモードとＴＭモードの閾値電流が同じで、重なっているデータを示す。
【００３９】
図１０からわかるように、Ｐ組成Ｘが０．０４以下であると、ＴＥモードとＴＭモードとは閾値電流がほとんど同じであり、ＴＥモード波とＴＭモード波が混在している。しかし、Ｐ組成Ｘが０．０４を越えると、ＴＭモードの閾値電流のほうが小さくなり、図１１からもわかるように、相対閾値電流が１よりも小さくなる。図１０、１１のデータからは、特にＰ組成Ｘが０．０５以上になるとＴＭモードが顕著になる。ここで、図８（ｂ）と対比すると、Ｐ組成Ｘが０．０５のときの格子定数差は、０．１８％となる。一方、引っ張り歪量には、格子緩和するまでの臨界点があり、そのときの臨界格子定数差は０．４程度に相当するので、これからＰ組成Ｘの大きさは１３％程度が限界であると考えられる。なお、Ｐ組成Ｘが異なれば、引っ張り歪み量も変化し、臨界膜厚も変化する。
【００４０】
次に、図１のリッジ構造で、ＴＭモード発振とするための条件を、膜厚や格子定数等以外の観点から考える。図１２は、図１と半導体層の構成はほぼ同じである。図１と同じ符号は同一の構成を示す。
【００４１】
ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２、ｎ型ＡｌＧａＡｓビーム拡散層３、ｎ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層４、ＭＱＷ活性層５、ｐ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層６、ｐ型ＡｌＧａＡｓビーム拡散層７、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層８、ＩｎＧａＰエッチングストップ層９、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１００、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１、ｐ電極１２が積層され、ＧａＡｓ基板１の裏側にはｎ電極１３が形成されている。図１２の半導体レーザは、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１００の一部とｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１とで、ストライプ状のリッジ部分を形成したリッジ構造を形成している。図１と異なるのは、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１００がストライプ状のリッジ形状部１００Ａと平板形状部１００Ｂとから構成されている点にある。図の破線で示されたＤ２は、リッジ形状部１００Ａと平板形状部１００Ｂとの境界、すなわちリッジ構造の底面を示す。
【００４２】
これは、エッチングストップを行う位置を、ＩｎＧａＰエッチングストップ層９よりもｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１側のｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１００の途中で止めることで構成できる。これにより、活性層へのリッジからの歪の影響と光の漏れ出しの影響を低減させることができる。ここで、ＭＱＷ活性層５は、前記の例と同様、３層のＧａＡｓＰ井戸層５ａと２層のＡｌＧａＡｓバリア層５ｂを交互に積層させた多重量子井戸構造とした。また、ＡｌＧａＡｓバリア層５ｂは、膜厚５ｎｍのアンドープＡｌ０．３ＧａＡｓで構成した。一方、ＧａＡｓＰ井戸層５ａはアンドープＧａＡｓ０．９Ｐ０．１（Ｘ＝０．１）とした。井戸層５ａにＧａＡｓ０．９Ｐ０．１を用いることで、井戸層５ａには引っ張り歪が発生している。また、その他の半導体層の材料組成や膜厚は、図１で説明した内容と同じである。なお、図１２のように、Ｄ２の位置でエッチングを止めるには、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）等を用いれば良い。
【００４３】
また、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１００は、ｐ型不純物の濃度が異なる低濃度領域（第１不純物濃度領域）と高濃度領域（第２不純物濃度領域）の２つの領域から形成されている。図１２に示すＮは、不純物濃度の低濃度領域と高濃度領域の境界を表す。不純物濃度の境界Ｎよりも上側（コンタクト層１１側）が高濃度領域となり、境界Ｎよりも下側（ＭＱＷ活性層５側）が低濃度領域となる。また、リッジ構造の底面となるＤ２は不純物濃度の境界Ｎよりも低濃度領域側に形成される。
【００４４】
ＩｎＧａＰエッチングストップ層９とｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１００との界面位置をＤ１、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１００とｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１との界面位置をＤ３とする。高濃度領域（第２不純物濃度領域）のｐ型不純物濃度は、４×１０１９ｃｍ−３とし、低濃度領域（第１不純物濃度領域）のｐ型不純物濃度は、１×１０１８ｃｍ−３とした。図１２のリッジ幅（Ｄ２位置の幅）は１．５μｍに形成した。そして、境界Ｎの位置を所定の位置に固定して、エッチング深さを変え、境界Ｎと境界Ｄ２との関係をシミュレーションしたのが図１３である。
【００４５】
図１３の縦軸は閾値電流（ｍＡ）を、横軸は活性層からの距離（μｍ）を示す。活性層からの距離とは、ＭＱＷ活性層５とｐ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層６との界面からの距離を表わす。境界Ｎは、図に示すように、活性層から約０．７μｍのところに形成されている。ここで、エッチングにより、境界Ｄ２を変化させると、境界Ｄ２がＭＱＷ活性層５に近づくほど、ＴＥモードとＴＭモードの閾値電流は低下する。
【００４６】
しかし、ＴＥモードとＴＭモードの閾値電流に差がなくなってくるので、ＴＥモード波とＴＭモード波との混在波となる可能性が大きくなる。一方、図より、境界Ｎから活性層側に１００ｎｍ以内では、ＴＥモードの閾値電流よりも、ＴＭモードの閾値電流の方が十分小さくなっている。したがって、不純物濃度の境界Ｎよりも、リッジ構造の底面位置Ｄ２の方が低濃度領域側に形成されるようにし、ＮとＤ１との深さ方向の距離差は、１００ｎｍ以内に構成することで、ＴＥモード発振を顕著にすることができる。
【００４７】
次に、境界Ｄ２を境界Ｎと同じ位置にして、低濃度領域の不純物濃度を１×１０１９ｃｍ−３から変化させた場合のシミュレーション結果を図１４に示す。高濃度領域は、上記の４×１０１９ｃｍ−３に固定した。図１４の縦軸は閾値電流（ｍＡ）を、横軸はｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１００の低濃度領域の濃度（ｃｍ−３）を示す。図１４に示すように、低濃度領域の不純物濃度が２×１０１８ｃｍ−３を越えると、ＴＥモードとＴＭモードの閾値電流の差が小さくなってくる。したがってＴＭモード波をより顕著にするためには、２×１０１８ｃｍ−３以下とすることが望ましい。下限は、図より、５×１０１７ｃｍ−３となる。上記より、低濃度領域の好ましい範囲は、５×１０１７ｃｍ−３以上、２×１０１８ｃｍ−３以下となる。
【００４８】
一方、高濃度領域の範囲は、低濃度領域よりも濃度が高いことが必要なので、少なくとも２×１０１８ｃｍ−３を越える濃度で、上限は５×１０１９ｃｍ−３と考えられる。以上より、高濃度領域と低濃度領域との濃度差で考えると、濃度差ｄの許容範囲は、０＜ｄ≦１×１０２（ｃｍ−３）となる。したがって、低濃度領域については、不純物濃度が５×１０１７ｃｍ−３〜２×１０１８ｃｍ−３であるか、又は、上記濃度差ｄが０＜ｄ≦１×１０２（ｃｍ−３）であるかのいずれかを満たすことが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の半導体発光素子の断面構造の一例を示す図である。
【図２】本発明の半導体発光素子の断面構造の一例を示す図である。
【図３】本発明の半導体発光素子の活性層の構成例を示す図である。
【図４】活性層における井戸層の膜厚構成と相対閾値電流との関係を示す図である。
【図５】活性層における井戸層の膜厚構成と相対閾値電流との関係を示す図である。
【図６】井戸層膜厚と閾値電流との関係を示す図である。
【図７】井戸層膜厚と相対閾値電流との関係を示す図である。
【図８】格子定数とＡｌＧａＡｓ及びＧａＡｓＰの組成との関係を示す図である。
【図９】引っ張り歪及び圧縮歪と閾値電流密度との関係を示す図である。
【図１０】ＧａＡｓＰのＰ組成Ｘと閾値電流との関係を示す図である。
【図１１】ＧａＡｓＰのＰ組成Ｘと相対閾値電流との関係を示す図である。
【図１２】リッジ構造を有する半導体発光素子の断面構造の他の例を示す図である。
【図１３】図１２の構成において、第２クラッド層で不純物濃度変化がある場合、不純物濃度変化位置の活性層からの距離と閾値電流との関係を示す図である。
【図１４】第２クラッド層の低濃度領域における不純物濃度と閾値電流との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ ＧａＡｓ基板
２ ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
３ ｎ型ＡｌＧａＡｓビーム拡散層
４ ｎ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層
５ ＭＱＷ活性層
５ａ ＧａＡｓＰ井戸層
５ｂ ＡｌＧａＡｓバリア層
６ ｐ型ＡｌＧａＡｓ光ガイド層
７ ｐ型ＡｌＧａＡｓビーム拡散層
８ ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層
９ ＩｎＧａＰエッチングストップ層
１０ ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層
１１ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１２ ｐ電極
１３ ｎ電極
１８ ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
１９ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
２０ ｐ電極
２１ ｎ電極
１００ ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バリア層と引っ張り歪を持つ井戸層で構成された多重量子井戸構造を有する活性層を備え、前記井戸層の各膜厚がバリア層の各膜厚よりも大きく、前記井戸層のうち、少なくとも１層の膜厚が他の井戸層と異なることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記井戸層の各膜厚は、６ｎｍより大きいことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記活性層は、半導体基板上に積層された積層体の一部を形成し、前記井戸層の格子定数が前記半導体基板の格子定数よりも小さいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記井戸層と半導体基板の格子定数差は、０．１８％以上に構成されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記積層体上に形成される電極が、ストライプ形状に構成されていることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記積層体の一部がリッジ構造に形成されていることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記活性層より上側のエッチングストップ層上に形成されたクラッド層の一部が、前記リッジ構造に含まれていることを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記クラッド層は、前記エッチングストップ層に近い側から積層方向に向けて、第１不純物濃度領域と第２不純物濃度領域に分けられており、前記第１不純物濃度領域の不純物濃度は第２不純物濃度領域よりも低いことを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記リッジ構造の底面は前記第１不純物濃度領域側に形成され、かつ前記第１不純物濃度領域と第２不純物濃度領域の境界から前記第１不純物濃度領域側に１００ｎｍの深さまでの範囲に形成されていることを特徴とする請求項８に記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記第１不純物濃度領域の不純物濃度が５×１０１７ｃｍ−３〜２×１０１８ｃｍ−３の範囲、又は、前記第２不純物濃度領域と第１不純物濃度領域との濃度差ｄが０＜ｄ≦１×１０２（ｃｍ−３）のいずれかを満たしていることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の半導体発光素子。
【請求項１】
バリア層と引っ張り歪を持つ井戸層で構成された多重量子井戸構造を有する活性層を備え、前記井戸層の各膜厚がバリア層の各膜厚よりも大きく、前記井戸層のうち、少なくとも１層の膜厚が他の井戸層と異なることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記井戸層の各膜厚は、６ｎｍより大きいことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記活性層は、半導体基板上に積層された積層体の一部を形成し、前記井戸層の格子定数が前記半導体基板の格子定数よりも小さいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記井戸層と半導体基板の格子定数差は、０．１８％以上に構成されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記積層体上に形成される電極が、ストライプ形状に構成されていることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記積層体の一部がリッジ構造に形成されていることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記活性層より上側のエッチングストップ層上に形成されたクラッド層の一部が、前記リッジ構造に含まれていることを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記クラッド層は、前記エッチングストップ層に近い側から積層方向に向けて、第１不純物濃度領域と第２不純物濃度領域に分けられており、前記第１不純物濃度領域の不純物濃度は第２不純物濃度領域よりも低いことを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記リッジ構造の底面は前記第１不純物濃度領域側に形成され、かつ前記第１不純物濃度領域と第２不純物濃度領域の境界から前記第１不純物濃度領域側に１００ｎｍの深さまでの範囲に形成されていることを特徴とする請求項８に記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記第１不純物濃度領域の不純物濃度が５×１０１７ｃｍ−３〜２×１０１８ｃｍ−３の範囲、又は、前記第２不純物濃度領域と第１不純物濃度領域との濃度差ｄが０＜ｄ≦１×１０２（ｃｍ−３）のいずれかを満たしていることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の半導体発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１０−８０７５７（Ｐ２０１０−８０７５７Ａ）
【公開日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２４８７３２（Ｐ２００８−２４８７３２）
【出願日】平成２０年９月２６日（２００８．９．２６）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月２６日（２００８．９．２６）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【Ｆターム（参考）】
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