半導体発光素子
【課題】 半導体発光素子に関し、複雑な設計を要することなく、ＧａＡｓ基板を用いた長波長発光素子を実現する。
【解決手段】 ＧａＡｓ基板上に第一導電型半導体層と、少なくとも一層のＧｅ１−ｘＳｉｘ層（但し、０≦ｘ≦０．５）と少なくとも一層のＩｎ１−ｙＧａｙＡｓ層（但し、０≦ｙ≦０．７）とのヘテロ接合を有する発光層と、第一導電型半導体層とは反対の導電型の第二導電型半導体層とを設ける。
【解決手段】 ＧａＡｓ基板上に第一導電型半導体層と、少なくとも一層のＧｅ１−ｘＳｉｘ層（但し、０≦ｘ≦０．５）と少なくとも一層のＩｎ１−ｙＧａｙＡｓ層（但し、０≦ｙ≦０．７）とのヘテロ接合を有する発光層と、第一導電型半導体層とは反対の導電型の第二導電型半導体層とを設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体発光素子に関するものであり、例えば、ＧａＡｓ基板上に形成されたタイプIIの量子井戸構造を有する１．５μｍ波長帯の半導体発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、光通信システムの１．３μｍ帯以上の波長の長波長光源としてはＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系の半導体レーザが用いられている。しかし、ＩｎＰ基板はＧａＡｓ基板に比べて高価であり且つ大面積ウェーハの製造が困難であるため、ＧａＡｓ基板上に波長１．３μｍ以上の長波長発光素子を形成することが望まれている。
【０００３】
一般的な発光素子は、量子井戸や量子ドットのように、発光させる材料層をその層よりバンドギャップの大きな材料によって挟み、キャリアを閉じ込める構造が用いられている。これまで、ＧａＡｓ基板を用いた発光素子においては、電子と正孔の両方のキャリアを同一の層内に閉じ込めることが可能なタイプＩの量子井戸構造が用いられている。
【０００４】
このＧａＡｓ基板上に形成したタイプＩの量子井戸構造として、一般的にはＩｎＧａＡｓが発光層として用いられている。しかし、ＩｎＧａＡｓはＧａＡｓに対して格子定数が大きい格子不整合系材料であるため、長波化するために高Ｉｎ組成で厚い膜厚の発光層を形成すると、蓄積した歪みが大きくなりすぎてしまう。その結果、結晶性を劣化させるため、波長１．３μｍ以上の長波化に課題があった。
【０００５】
長波長化を可能とする構成としては、電子または正孔のいずれかのみを閉じ込めるタイプIIの量子井戸構造が提案されている。ＧａＡｓと組み合わせることによってタイプIIの量子井戸構造を形成可能なものにＧａＳｂがあるが、ＩｎＧａＡｓと同じく格子定数がＧａＡｓよりも大きい。
【０００６】
その結果、量子井戸層数の増加に伴い単調に圧縮歪みが蓄積するため、ＧａＡｓ基板上ではＧａＡｓ／ＧａＳｂ量子井戸構造を形成することができなかった。以上の理由によって、ＧａＡｓ基板上にIII-Ｖ族化合物半導体のみによって長波長の発光素子を形成することができなかった。
【０００７】
そこで、ＩＶ族半導体を用いた１．３μｍ帯発光構造が提案されており、例えば、ＧａＡｓとほぼ格子整合するＧｅを用いたＧａＡｓ／Ｇｅ超格子構造を用いてＧｅ層で発光させる素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平０８−０７０１５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、Ｇｅ自体は発光効率の低い間接遷移型半導体であるため、発光効率を改善するためにＧｅ層を薄くして量子効果によって伝導帯の基底準位を直接遷移バンド（Γ点）にするための複雑な設計が必要になるという問題がある。
【００１０】
したがって、本発明は、複雑な設計を要することなく、ＧａＡｓ基板を用いた長波長発光素子を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
開示する一つの観点からは、ＧａＡｓ基板と、前記ＧａＡｓ基板上に設けられた第一導電型半導体層と、前記第一導電型半導体層に設けられた少なくとも一層のＧｅ１−ｘＳｉｘ層（但し、０≦ｘ≦０．５）と少なくとも一層のＩｎ１−ｙＧａｙＡｓ層（但し、０≦ｙ≦０．７）とのヘテロ接合を有する発光層と、前記発光層上に設けられた前記第一導電型半導体層とは反対の導電型の第二導電型半導体層とを有することを特徴とする半導体発光素子が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
開示の半導体発光素子によれば、複雑な設計を要することなく、ＧａＡｓ基板上に波長１．５μｍ帯等の長波長発光素子を形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態の半導体発光素子の概念的断面図である。
【図２】本発明の実施の形態の半導体発光素子のバンドダイアグラムである。
【図３】ＩｎＧａＡｓの直接遷移伝導帯エネルギーとＧｅの間接遷移伝導帯エネルギーとの差ΔＥｃ１のＧａ組成比ｙ依存性の説明図である。
【図４】価電子帯エネルギー差ΔＥｖのＳｉ組成比ｘ依存性の説明図である。
【図５】ＧｅＳｉ層とＡｌＧａＡｓ層との伝導帯エネルギー差ΔＥｃ２のＡｌ組成比依存性の説明図である。
【図６】超格子構造のバンドダイアグラムである。
【図７】本発明の実施例１の発光ダイオードの概念的断面図である。
【図８】本発明の実施例２の発光ダイオードの概念的断面図である。
【図９】本発明の実施例３の面発光レーザの途中までの製造工程の説明図である。
【図１０】本発明の実施例３の面発光レーザの図９以降の途中までの製造工程の説明図である。
【図１１】本発明の実施例３の面発光レーザの図１０以降の製造工程の説明図である。
【図１２】本発明の実施例４のリッジ型端面発光レーザの光軸に垂直な概念的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
ここで、図１乃至図６を参照して、本発明の実施の形態の半導体発光素子を説明する。図１は、本発明の実施の形態の半導体発光素子の概念的断面図であり、ＧａＡｓ基板１上に第一導電型半導体層２、発光層３及び第二導電型半導体層４を順次積層することによって形成される。なお、第二導電型半導体層４と第一導電型半導体層２は互いに反対の導電型である。また、発光層３は少なくとも一層のＧｅ１−ｘＳｉｘ層５（但し、０≦ｘ≦０．５）と少なくとも一層のＩｎ１−ｙＧａｙＡｓ層６（但し、０≦ｙ≦０．７）とのヘテロ接合を有している。
【００１５】
図２は、本発明の実施の形態の半導体発光素子のバンドダイアグラムである。本発明者による鋭意研究の結果、図に示すように伝導帯の最低エネルギーがＩｎ１−ｙＧａｙＡｓ層６（直接遷移バンド：Γ点）で、価電子帯の最高エネルギーがＧｅ１−ｘＳｉｘ層５となる場合があることを見出した。このとき、発光遷移は、Ｉｎ１−ｙＧａｙＡｓ層６に閉じ込められた電子とＧｅ１−ｘＳｉｘ層５に閉じ込められた正孔が再結合することによって行われるため、従来のＩｎＧａＡｓ層のみを使用した量子井戸構造に比べて発光波長の長波長化が可能となる。
【００１６】
電子がＩｎ１−ｙＧａｙＡｓ層６に閉じ込められるためには、Ｉｎ１−ｙＧａｙＡｓ層６のΓ点のエネルギーがＧｅ１−ｘＳｉｘ層５の間接遷移バンドのＬ点のエネルギーよりも低いことが必要である。それを全てのＧｅＳｉ層に対して満たすには、ＧｅＳｉの中でもっとも低い伝導帯エネルギーを有するＧｅ層に対してＩｎＧａＡｓ層のＧａ組成比ｙの範囲を求めれば良い。
【００１７】
図３は、ＩｎＧａＡｓの直接遷移伝導帯エネルギーとＧｅの間接遷移伝導帯エネルギーとの差ΔＥc1のＧａ組成比ｙ依存性の説明図であり、ここでは、エネルギー差ΔＥｃ１を、ΔＥｃ１＝Ｅｃ１（ΓＩｎＧａＡｓ）−Ｅｃ１（ＬＧｅ）
で定義する。縦軸の値ΔＥｃが負であれば、Ｉｎ１−ｙＧａｙＡｓ層に電子が閉じ込められるので、Ｉｎ１−ｙＧａｙＡｓ層のＧａ組成比ｙを０≦ｙ≦０．７とすれば良い。
【００１８】
次に、正孔がＧｅ１−ｘＳｉｘ層に閉じ込められるためには、ＩｎＧａＡｓ層の中で最も高い価電子帯エネルギーを有するＩｎＡｓに対してＧｅ１−ｘＳｉｘ層のＳｉ組成比ｘの範囲を求めれば良い。
【００１９】
図４は、価電子帯エネルギー差のＳｉ組成比ｘ依存性の説明図であり、ここでは、価電子帯エネルギー差ΔＥｖを、
ΔＥｖ＝Ｅｖ（ＧｅＳｉ）−Ｅｖ（ＩｎＡｓ）
で定義する。縦軸の値Ｅｖが正であれば、Ｇｅ１−ｘＳｉｘ層に正孔が閉じ込められるので、Ｇｅ１−ｘＳｉｘ層のＳｉ組成比ｘを０≦ｘ≦０．５とすれば良い。
【００２０】
第一導電型半導体層２及び第二導電型半導体層４は、その価電子帯エネルギーがＧｅ１−ｘＳｉｘ層５の価電子帯エネルギーよりも低く、その伝導帯エネルギーがＩｎ１−ｙＧａｙＡｓ層６の伝導帯エネルギーよりも大きい半導体を用いることが望ましい。例えば、ＡｌＧａＡｓを用いれば良く、それによって、第一導電型半導体層２及び第二導電型半導体層４は発光層３の発光波長に対する光吸収層として作用することを抑制することができ、且つ、エネルギー障壁層及びクラッド層として機能する。
【００２１】
図５は、ＧｅＳｉ層とＡｌＧａＡｓ層との伝導帯エネルギー差ΔＥｃ２のＡｌ組成比依存性の説明図であり、ＡｌＧａＡｓが直接遷移となるＡｌ組成比の範囲となるようにＧｅとＧｅ０.９Ｓｉ０.１の場合を示している。ここでは、伝導帯エネルギー差ΔＥｃ２を、
ΔＥｃ２＝Ｅｃ２（ΓＡｌＧａＡｓ）−Ｅｃ２（ΓＧｅＳｉ）
で定義する。縦軸の値ΔＥｃが正であれば、Ｇｅ１−ｘＳｉｘ層がＡｌＧａＡｓ層から注入される電子に対する障壁とはならず電子が良好に注入される。なお、ＩｎＧａＡｓはＡｌＧａＡｓの総ての組成比において正孔に対する障壁になることはない。
【００２２】
また、図１においては省略しているが、第一導電型半導体層２及び第二導電型半導体層４の少なくとも一方と発光層３との間に光閉じ込め層（ＳＣＨ層）を設けても良い。光閉じ込め層は、伝導帯エネルギーがＧｅ１−ｘＳｉｘ層５直接遷移伝導帯エネルギー（Γ点）よりも高く、価電子帯エネルギーがＩｎ１−ｙＧａｙＡｓ層６の価電子帯エネルギーよりも低い半導体、例えば、ＡｌＧａＡｓを用いる。また、光閉じ込め層のバンドギャップは、第一導電型半導体層２及び第二導電型半導体層４のバンドギャップと同じかそれよりも小さくする。
【００２３】
また、発光層３は上述のように、少なくとも一層のＧｅ１−ｘＳｉｘ層５（但し、０≦ｘ≦０．５）と少なくとも一層のＩｎ１−ｙＧａｙＡｓ層６（但し、０≦ｙ≦０．７）とのヘテロ接合を有している。好適には、薄いＧｅ１−ｘＳｉｘ層５とＩｎ１−ｙＧａｙＡｓ層６を交互に積層した多重量子井戸構造或いは超格子構造が望ましい。多重量子井戸構造或いは超格子構造とする場合には、何方を先に積層しても良く、積層数は、ｎ：ｎでも、ｎ：ｎ−１のいずれでも良い。
【００２４】
図６は、超格子構造のバンドダイアグラムであり、各層の膜厚を多重量子井戸構造の場合に比べて薄くして超格子構造にした場合には、ＧｅＳｉ層同士、ＩｎＧａＡｓ層同士が量子力学的に結合して、電子と正孔の状態密度の重なりが大きくなる。その結果、発光層全体で発光性再結合が起こり、より高効率に発光する。
【００２５】
なお、発光層３を超格子構造とする場合には、以下の式で表される発光層の平均歪みεａｖ小さくすることが、結晶性の点からより好ましい。
εａｖ＝（εＧｅＳｉ×ｔＧｅＳｉG＋εＩｎＧａＡｓ×ｔＩｎＧａＡｓ）／（ ｔＧｅＳｉ＋ｔＩｎＧａＡｓ）
ここで、各εはＧａＡｓ基板に対する歪み、各ｔは膜厚である。εＩｎＧａＡｓは、全ての組成で負の値をとり、εＧｅＳｉは、正の値をとることが可能なため、ＩｎＧａＡｓとＧｅＳｉの膜厚を調整することによって平均歪みεａｖを小さくすることができる。
【００２６】
因に、ＧａＡｓに対する各材料の歪量は、
ＧａＡｓ：εＧａＡｓ＝０
ＩｎＡｓ：εＩｎＡｓ＝−０．０６６
Ｉｎ０.８Ｇａ０.２Ａｓ：εＩｎ0.8Ｇａ0.2Ａｓ＝−０．０５３
Ｇｅ：εＧｅ＝−０．００１
Ｓｉ：εＳｉ＝０．０４６
Ｇｅ０.９Ｓｉ０.１：εＧｅ0.9Ｓｉ0.1＝０．００４
となる。
【００２７】
この半導体発光素子は発光ダイオード（ＬＥＤ）としても良いし、半導体レーザ（ＬＤ）としても良い。半導体レーザとする場合には、積層方向に沿った面をファブリペロー面としても良く、必要に応じてストライプ状のリッジ等を設けても良い。或いは、積層方向の上下にIII-Ｖ族化合物半導体で構成する分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を設けて面発光レーザとしても良い。
【００２８】
以上の構成を採用することによって、ＩｎＰ基板に比べて大口径で安価なＧａＡｓ基板を用いて１．３μｍより長波長で発光する半導体発光素子を形成することが可能になる。
【実施例１】
【００２９】
以上を前提として、次に、図７を参照して本発明の実施例１の半導体発光ダイオードを説明する。図７は本発明の実施例１の発光ダイオードの概念的断面図であり、ｎ型ＧａＡｓ基板１１上に厚さが１００〜３００ｎｍのｎ型ＧａＡｓバッファ層１２、多重量子井戸層１３、及び、厚さが１００〜３００ｎｍのｐ型ＧａＡｓ層１４を順次積層する。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面にｎ側電極１７を形成するとともに、ｐ型ＧａＡｓ層１４の表面にはｐ側電極１８を形成する。なお、成膜方法としては分子線エピタキシー或いはＭＯＣＶＤ法を用いる。
【００３０】
この場合の多重量子井戸層１３は、厚さが例えば、１７ｎｍのＧｅ０.９Ｓｉ０.１層１５を３層と、厚さが例えば、１．８ｎｍのＩｎ０.８Ｇａ０.２Ａｓ層１６を２層交互に積層して形成する。ここでは、組成比と膜厚とを調整して平均歪みεａｖが０になる歪み補償としている。
【００３１】
このように、本発明の実施例１においては、Ｇｅ０.９Ｓｉ０.１層１５と、Ｉｎ０.８Ｇａ０.２Ａｓ層１６とにより多重量子井戸層１３を形成しているので、ＧａＡｓ基板を用いても１．５５μｍ帯での発光が可能になる。
【実施例２】
【００３２】
次に、図８を参照して、本発明の実施例２の発光ダイオードを説明する。図８は、本発明の実施例２の発光ダイオードの概念的断面図であり、ｎ型ＧａＡｓ基板２１上に厚さが１００〜３００ｎｍのｎ型Ａｌ０.３Ｇａ０.７Ａｓバッファ層２２、厚さが例えば、３０ｎｍのｉ型Ａｌ０.３Ｇａ０.７Ａｓ光閉じ込め層２３、超格子発光層２４、厚さが例えば、３０ｎｍのｉ型Ａｌ０.３Ｇａ０.７Ａｓ光閉じ込め層２５、及び、厚さが１００〜３００ｎｍのｐ型Ａｌ０.３Ｇａ０.７Ａｓ層２６を順次積層する。また、ｎ型ＧａＡｓ基板２１の裏面にｎ側電極２９を形成するとともに、ｐ型Ａｌ０.３Ｇａ０.７Ａｓ層２６の表面にはｐ側電極３０を形成する。なお、ｐ型Ａｌ０.３Ｇａ０.７Ａｓ層２６上に例えば、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層を設けても良い。また、成膜方法としては分子線エピタキシー或いはＭＯＣＶＤ法を用いる。
【００３３】
この場合の超格子発光層２４は、厚さが例えば、２ｎｍのＧｅ０.９Ｓｉ０.１層２７と、厚さが例えば、１ｎｍのＩｎ０.５Ｇａ０.５Ａｓ層２８を交互に２０層ずつ積層して形成する。
【００３４】
このように、本発明の実施例２においては、Ｇｅ０.９Ｓｉ０.１層２７と、Ｉｎ０.５Ｇａ０.５Ａｓ層２８とにより超格子発光層２４を形成しているので、超格子発光層全体で発光性再結合が起こり、より高効率に発光する。また、超格子発光層２４をＡｌ０.３Ｇａ０.７Ａｓ層で挟んでいるので、光の閉じ込めが良好に行われることになる。なお、劈開によりファブリペロー共振器を構成することによりレーザ発振も可能になる。
【実施例３】
【００３５】
次に、図９乃至図１１を参照して、本発明の実施例３の面発光レーザを説明する。図９乃至図１１は、本発明の実施例３の面発光レーザの製造工程の説明図であり、まず、図９（ａ）に示すように、例えば、分子線エピタキシー法を用いてｎ型ＧａＡｓ基板３１上に、成長温度を６００℃〜７００℃としてｎ型ＧａＡｓ層３３及びｎ型ＡｌＧａＡｓ層３４を交互に例えば３５周期以上積層して下部ＤＢＲミラー層３２を形成する。
【００３６】
下部ＤＢＲミラー層３２は、屈折率の異なる膜を反射させたい波長λの１／４の光学距離の厚さで交互に積層すれば良い。例えば、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層３４としてＳｉを１×１０18ｃｍ-3ドープした厚さが例えば、１２０ｎｍのＡｌ０.３Ｇａ０.７Ａｓを用い、ｎ型ＧａＡｓ層３３としてはＳｉを１×１０18ｃｍ-3ドープした厚さが例えば、１１５ｎｍのＧａＡｓを用いる。
【００３７】
引き続いて、成長温度を６００℃〜７００℃として下部ＤＢＲミラー層３２上に厚さが例えば、５０ｎｍのｉ型ＧａＡｓ層３５、多重量子井戸層３６、厚さが例えば、５０ｎｍのｉ型ＧａＡｓ層３９を順次堆積させる。
【００３８】
この場合の多重量子井戸層３６は、厚さが例えば、２１ｎｍのＧｅ０.９Ｓｉ０.１層３７を６層と、厚さが例えば、１.８ｎｍのＩｎ０.８Ｇａ０.２Ａｓ層３８を５層交互に積層して形成する。ここでも、組成比 と膜厚とを調整して平均歪みεａｖが０になる歪み補償としている。
【００３９】
引き続いて、成長温度を５００℃〜６００℃としてｉ型ＧａＡｓ層３９上に電流狭窄層となる厚さが例えば、１０ｎｍのｉ型ＡｌＡｓ層４０を成長することにより、ｉ型ＧａＡｓ層／多重量子井戸層／ｉ型ＧａＡｓ層／ｉ型ＡｌＡｓ層からなる共振器層が形成される。
【００４０】
引き続いて、成長温度を６００℃〜７００℃としてｉ型ＡｌＡｓ層４０上にｐ型ＧａＡｓ層４２及びｐ型ＡｌＧａＡｓ層４３を交互に例えば３５周期以上積層して上部ＤＢＲミラー層４１を形成する。
【００４１】
上部ＤＢＲミラー層４１は、例えば、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層４３としてＢｅを１×１０18ｃｍ-3ドープした厚さが例えば、１２０ｎｍのＡｌ０.３Ｇａ０.７Ａｓを用いる。また、ｐ型ＧａＡｓ層４２としてはＢｅを１×１０18ｃｍ-3ドープした厚さが例えば、１１５ｎｍのＧａＡｓを用いる。
【００４２】
次いで、図９（ｂ）に示すように、レジストパターン（図示は省略）をマスクとして、上部ＤＢＲミラー層４１乃至ｉ型ＧａＡｓ層３５をエッチングして直径が例えば、２０μｍの円筒状のメサを形成する。
【００４３】
次いで、図１０（ｃ）に示すように、例えば、４５０℃に加熱した加熱水蒸気雰囲気によってｉ型ＡｌＡｓ層４０の露出端面を局所酸化して電流狭窄酸化膜４４を形成する。この時、Ａｌが含まれていない他の層の露出端部はあまり酸化されない。
【００４４】
次いで、図１０（ｄ）に示すように、例えば、ＳｉＯ２膜を厚さが２００ｎｍになるように堆積させ て保護酸化膜４５を形成する。なお、保護酸化膜４５としては、ＳｉＯ２膜の代わりにＳｉＮ膜やＳｉ ＯＮ膜を用いても良い。
【００４５】
次いで、図１１（ｅ）に示すように、レジストパターン（図示は省略）をマスクとしてメサの頂部に堆積した保護酸化膜４５を選択的に除去する。
【００４６】
最後に、図１１（ｆ）に示すように、リソグラフィー、蒸着によって、ｎ型ＧａＡｓ基板３１の裏面にｎ側電極４６を形成するとともに、メサの頂部に円環状のｐ側電極４７を形成することによって、本発明の実施例３の面発光レーザが完成する。
【００４７】
このように、本発明の実施例３においては、ＧｅＳｉ／ＩｎＧａＡｓ多重量子井戸層を用いるとともに、ＤＢＲミラーを設けることによって、ＧａＡｓ基板を用いた長波長面発光レーザを実現することが可能になる。
【実施例４】
【００４８】
次に、図１２を参照して、本発明の実施例４のリッジ型端面発光レーザを説明する。図１２は、本発明の実施例４のリッジ型端面発光レーザの光軸に垂直な概念的断面図である。まず、例えば、分子線エピタキシー法を用いて（１００）面を主面とするｎ型ＧａＡｓ基板５１上に、成長温度を６００℃〜７００℃としてｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５２を成長させる。この場合のｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５２は、例えば、Ｓｉを１×１０18ｃｍ-3ドープした厚さが５００ｎｍ〜１５００ｎｍのＡｌ０.３Ｇａ０.７Ａｓとする。
【００４９】
引き続いて、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５２上に厚さが例えば、３０ｎｍでＡｌ組成比が０．３のｉ型ＡｌＧａＡｓ光閉じ込め層５３を形成する。
【００５０】
引き続いて、ｉ型ＡｌＧａＡｓ光閉じ込め層５３上に多重量子井戸層５４を成長させる。この多重量子井戸層５４は、例えば、上記の実施例１と同様に、厚さが例えば、１７ｎｍのＧｅ０.９Ｓｉ０.１層５５を３層と、厚さが例えば、１．８ｎｍのＩｎ０.８Ｇａ０.２Ａｓ層５６を２層交互に積層して形成する。
【００５１】
引き続いて、多重量子井戸層５４上に、ｉ型ＡｌＧａＡｓ光閉じ込め層５７、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５８及びｐ型ＧａＡｓコンタクト層５９を順次成長させる。この場合のｉ型ＡｌＧａＡｓ光閉じ込め層５７は厚さが例えば、３０ｎｍのＡｌ０.３Ｇａ０.７Ａｓとし、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５８は、例えば、Ｂｅを１×１０18ｃｍ-3ドープした厚さが５００ｎｍ〜１０００ｎｍのＡｌ０.３Ｇａ０.７Ａｓとする。また、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層５９は、例えば、Ｂｅを１×１０19ｃｍ-3ドープした厚さが１０ｎｍのＧａＡｓとする。
【００５２】
次いで、幅が例えば、１.０μｍ〜２.５μｍになるようにｐ型ＧａＡｓコンタクト層５９乃至ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５８の一部をストライプ状にエッチングしてリッジ構造を形成する。
【００５３】
次いで、ｎ型ＧａＡｓ基板５１の裏面にｎ側電極６０を形成するとともに、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層５９の頂面にｐ側電極６１を形成する。最後に、リッジの延在方向と垂直な面で劈開してキャビティを形成することによって、本発明の実施例４のリッジ型端面発光レーザが完成する。
【００５４】
このように、本発明の実施例４においては、ＧｅＳｉ／ＩｎＧａＡｓ多重量子井戸層を用いるとともに、劈開によってファブペロー型共振器を形成しているので、ＧａＡｓ基板を用いた長波長端面発光レーザを実現することが可能になる。
【符号の説明】
【００５５】
１ ＧａＡｓ基板
２ 第一導電型半導体層
３ 発光層
４ 第二導電型半導体層
５ Ｇｅ１−ｘＳｉｘ層
６ Ｉｎ１−ｙＧａｙＡｓ層
１１，２１，３１，５１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１２ ｎ型ＧａＡｓバッファ層
１３，３６，５４ 多重量子井戸層
１４ ｐ型ＧａＡｓ層
１５，２７，３７，５５ Ｇｅ０.９Ｓｉ０.１層
１６，３８，５６ Ｉｎ０.８Ｇａ０.２Ａｓ層
１７，２９，４６，６０ ｎ側電極
１８，３０，４７，６１ ｐ側電極
２２ ｎ型Ａｌ０.３Ｇａ０.７Ａｓバッファ層
２３，２５ ｉ型Ａｌ０.３Ｇａ０.７Ａｓ光閉じ込め層
２４ 超格子発光層
２６ ｐ型Ａｌ０.３Ｇａ０.７Ａｓ層
２８ Ｉｎ０.５Ｇａ０.５Ａｓ層
３３ ｎ型ＧａＡｓ層
３４ ｎ型ＡｌＧａＡｓ層
３２ 下部ＤＢＲミラー層
３５，３９ ｉ型ＧａＡｓ層
４０ ｉ型ＡｌＡｓ層
４１ 上部ＤＢＲミラー層
４２ ｐ型ＧａＡｓ層
４３ ｐ型ＡｌＧａＡｓ層
４４ 電流狭窄酸化膜
４５ 保護酸化膜
５２ ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
５３ ｉ型ＡｌＧａＡｓ光閉じ込め層
５７ ｉ型ＡｌＧａＡｓ光閉じ込め層
５８ ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
５９ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体発光素子に関するものであり、例えば、ＧａＡｓ基板上に形成されたタイプIIの量子井戸構造を有する１．５μｍ波長帯の半導体発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、光通信システムの１．３μｍ帯以上の波長の長波長光源としてはＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系の半導体レーザが用いられている。しかし、ＩｎＰ基板はＧａＡｓ基板に比べて高価であり且つ大面積ウェーハの製造が困難であるため、ＧａＡｓ基板上に波長１．３μｍ以上の長波長発光素子を形成することが望まれている。
【０００３】
一般的な発光素子は、量子井戸や量子ドットのように、発光させる材料層をその層よりバンドギャップの大きな材料によって挟み、キャリアを閉じ込める構造が用いられている。これまで、ＧａＡｓ基板を用いた発光素子においては、電子と正孔の両方のキャリアを同一の層内に閉じ込めることが可能なタイプＩの量子井戸構造が用いられている。
【０００４】
このＧａＡｓ基板上に形成したタイプＩの量子井戸構造として、一般的にはＩｎＧａＡｓが発光層として用いられている。しかし、ＩｎＧａＡｓはＧａＡｓに対して格子定数が大きい格子不整合系材料であるため、長波化するために高Ｉｎ組成で厚い膜厚の発光層を形成すると、蓄積した歪みが大きくなりすぎてしまう。その結果、結晶性を劣化させるため、波長１．３μｍ以上の長波化に課題があった。
【０００５】
長波長化を可能とする構成としては、電子または正孔のいずれかのみを閉じ込めるタイプIIの量子井戸構造が提案されている。ＧａＡｓと組み合わせることによってタイプIIの量子井戸構造を形成可能なものにＧａＳｂがあるが、ＩｎＧａＡｓと同じく格子定数がＧａＡｓよりも大きい。
【０００６】
その結果、量子井戸層数の増加に伴い単調に圧縮歪みが蓄積するため、ＧａＡｓ基板上ではＧａＡｓ／ＧａＳｂ量子井戸構造を形成することができなかった。以上の理由によって、ＧａＡｓ基板上にIII-Ｖ族化合物半導体のみによって長波長の発光素子を形成することができなかった。
【０００７】
そこで、ＩＶ族半導体を用いた１．３μｍ帯発光構造が提案されており、例えば、ＧａＡｓとほぼ格子整合するＧｅを用いたＧａＡｓ／Ｇｅ超格子構造を用いてＧｅ層で発光させる素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平０８−０７０１５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、Ｇｅ自体は発光効率の低い間接遷移型半導体であるため、発光効率を改善するためにＧｅ層を薄くして量子効果によって伝導帯の基底準位を直接遷移バンド（Γ点）にするための複雑な設計が必要になるという問題がある。
【００１０】
したがって、本発明は、複雑な設計を要することなく、ＧａＡｓ基板を用いた長波長発光素子を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
開示する一つの観点からは、ＧａＡｓ基板と、前記ＧａＡｓ基板上に設けられた第一導電型半導体層と、前記第一導電型半導体層に設けられた少なくとも一層のＧｅ１−ｘＳｉｘ層（但し、０≦ｘ≦０．５）と少なくとも一層のＩｎ１−ｙＧａｙＡｓ層（但し、０≦ｙ≦０．７）とのヘテロ接合を有する発光層と、前記発光層上に設けられた前記第一導電型半導体層とは反対の導電型の第二導電型半導体層とを有することを特徴とする半導体発光素子が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
開示の半導体発光素子によれば、複雑な設計を要することなく、ＧａＡｓ基板上に波長１．５μｍ帯等の長波長発光素子を形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態の半導体発光素子の概念的断面図である。
【図２】本発明の実施の形態の半導体発光素子のバンドダイアグラムである。
【図３】ＩｎＧａＡｓの直接遷移伝導帯エネルギーとＧｅの間接遷移伝導帯エネルギーとの差ΔＥｃ１のＧａ組成比ｙ依存性の説明図である。
【図４】価電子帯エネルギー差ΔＥｖのＳｉ組成比ｘ依存性の説明図である。
【図５】ＧｅＳｉ層とＡｌＧａＡｓ層との伝導帯エネルギー差ΔＥｃ２のＡｌ組成比依存性の説明図である。
【図６】超格子構造のバンドダイアグラムである。
【図７】本発明の実施例１の発光ダイオードの概念的断面図である。
【図８】本発明の実施例２の発光ダイオードの概念的断面図である。
【図９】本発明の実施例３の面発光レーザの途中までの製造工程の説明図である。
【図１０】本発明の実施例３の面発光レーザの図９以降の途中までの製造工程の説明図である。
【図１１】本発明の実施例３の面発光レーザの図１０以降の製造工程の説明図である。
【図１２】本発明の実施例４のリッジ型端面発光レーザの光軸に垂直な概念的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
ここで、図１乃至図６を参照して、本発明の実施の形態の半導体発光素子を説明する。図１は、本発明の実施の形態の半導体発光素子の概念的断面図であり、ＧａＡｓ基板１上に第一導電型半導体層２、発光層３及び第二導電型半導体層４を順次積層することによって形成される。なお、第二導電型半導体層４と第一導電型半導体層２は互いに反対の導電型である。また、発光層３は少なくとも一層のＧｅ１−ｘＳｉｘ層５（但し、０≦ｘ≦０．５）と少なくとも一層のＩｎ１−ｙＧａｙＡｓ層６（但し、０≦ｙ≦０．７）とのヘテロ接合を有している。
【００１５】
図２は、本発明の実施の形態の半導体発光素子のバンドダイアグラムである。本発明者による鋭意研究の結果、図に示すように伝導帯の最低エネルギーがＩｎ１−ｙＧａｙＡｓ層６（直接遷移バンド：Γ点）で、価電子帯の最高エネルギーがＧｅ１−ｘＳｉｘ層５となる場合があることを見出した。このとき、発光遷移は、Ｉｎ１−ｙＧａｙＡｓ層６に閉じ込められた電子とＧｅ１−ｘＳｉｘ層５に閉じ込められた正孔が再結合することによって行われるため、従来のＩｎＧａＡｓ層のみを使用した量子井戸構造に比べて発光波長の長波長化が可能となる。
【００１６】
電子がＩｎ１−ｙＧａｙＡｓ層６に閉じ込められるためには、Ｉｎ１−ｙＧａｙＡｓ層６のΓ点のエネルギーがＧｅ１−ｘＳｉｘ層５の間接遷移バンドのＬ点のエネルギーよりも低いことが必要である。それを全てのＧｅＳｉ層に対して満たすには、ＧｅＳｉの中でもっとも低い伝導帯エネルギーを有するＧｅ層に対してＩｎＧａＡｓ層のＧａ組成比ｙの範囲を求めれば良い。
【００１７】
図３は、ＩｎＧａＡｓの直接遷移伝導帯エネルギーとＧｅの間接遷移伝導帯エネルギーとの差ΔＥc1のＧａ組成比ｙ依存性の説明図であり、ここでは、エネルギー差ΔＥｃ１を、ΔＥｃ１＝Ｅｃ１（ΓＩｎＧａＡｓ）−Ｅｃ１（ＬＧｅ）
で定義する。縦軸の値ΔＥｃが負であれば、Ｉｎ１−ｙＧａｙＡｓ層に電子が閉じ込められるので、Ｉｎ１−ｙＧａｙＡｓ層のＧａ組成比ｙを０≦ｙ≦０．７とすれば良い。
【００１８】
次に、正孔がＧｅ１−ｘＳｉｘ層に閉じ込められるためには、ＩｎＧａＡｓ層の中で最も高い価電子帯エネルギーを有するＩｎＡｓに対してＧｅ１−ｘＳｉｘ層のＳｉ組成比ｘの範囲を求めれば良い。
【００１９】
図４は、価電子帯エネルギー差のＳｉ組成比ｘ依存性の説明図であり、ここでは、価電子帯エネルギー差ΔＥｖを、
ΔＥｖ＝Ｅｖ（ＧｅＳｉ）−Ｅｖ（ＩｎＡｓ）
で定義する。縦軸の値Ｅｖが正であれば、Ｇｅ１−ｘＳｉｘ層に正孔が閉じ込められるので、Ｇｅ１−ｘＳｉｘ層のＳｉ組成比ｘを０≦ｘ≦０．５とすれば良い。
【００２０】
第一導電型半導体層２及び第二導電型半導体層４は、その価電子帯エネルギーがＧｅ１−ｘＳｉｘ層５の価電子帯エネルギーよりも低く、その伝導帯エネルギーがＩｎ１−ｙＧａｙＡｓ層６の伝導帯エネルギーよりも大きい半導体を用いることが望ましい。例えば、ＡｌＧａＡｓを用いれば良く、それによって、第一導電型半導体層２及び第二導電型半導体層４は発光層３の発光波長に対する光吸収層として作用することを抑制することができ、且つ、エネルギー障壁層及びクラッド層として機能する。
【００２１】
図５は、ＧｅＳｉ層とＡｌＧａＡｓ層との伝導帯エネルギー差ΔＥｃ２のＡｌ組成比依存性の説明図であり、ＡｌＧａＡｓが直接遷移となるＡｌ組成比の範囲となるようにＧｅとＧｅ０.９Ｓｉ０.１の場合を示している。ここでは、伝導帯エネルギー差ΔＥｃ２を、
ΔＥｃ２＝Ｅｃ２（ΓＡｌＧａＡｓ）−Ｅｃ２（ΓＧｅＳｉ）
で定義する。縦軸の値ΔＥｃが正であれば、Ｇｅ１−ｘＳｉｘ層がＡｌＧａＡｓ層から注入される電子に対する障壁とはならず電子が良好に注入される。なお、ＩｎＧａＡｓはＡｌＧａＡｓの総ての組成比において正孔に対する障壁になることはない。
【００２２】
また、図１においては省略しているが、第一導電型半導体層２及び第二導電型半導体層４の少なくとも一方と発光層３との間に光閉じ込め層（ＳＣＨ層）を設けても良い。光閉じ込め層は、伝導帯エネルギーがＧｅ１−ｘＳｉｘ層５直接遷移伝導帯エネルギー（Γ点）よりも高く、価電子帯エネルギーがＩｎ１−ｙＧａｙＡｓ層６の価電子帯エネルギーよりも低い半導体、例えば、ＡｌＧａＡｓを用いる。また、光閉じ込め層のバンドギャップは、第一導電型半導体層２及び第二導電型半導体層４のバンドギャップと同じかそれよりも小さくする。
【００２３】
また、発光層３は上述のように、少なくとも一層のＧｅ１−ｘＳｉｘ層５（但し、０≦ｘ≦０．５）と少なくとも一層のＩｎ１−ｙＧａｙＡｓ層６（但し、０≦ｙ≦０．７）とのヘテロ接合を有している。好適には、薄いＧｅ１−ｘＳｉｘ層５とＩｎ１−ｙＧａｙＡｓ層６を交互に積層した多重量子井戸構造或いは超格子構造が望ましい。多重量子井戸構造或いは超格子構造とする場合には、何方を先に積層しても良く、積層数は、ｎ：ｎでも、ｎ：ｎ−１のいずれでも良い。
【００２４】
図６は、超格子構造のバンドダイアグラムであり、各層の膜厚を多重量子井戸構造の場合に比べて薄くして超格子構造にした場合には、ＧｅＳｉ層同士、ＩｎＧａＡｓ層同士が量子力学的に結合して、電子と正孔の状態密度の重なりが大きくなる。その結果、発光層全体で発光性再結合が起こり、より高効率に発光する。
【００２５】
なお、発光層３を超格子構造とする場合には、以下の式で表される発光層の平均歪みεａｖ小さくすることが、結晶性の点からより好ましい。
εａｖ＝（εＧｅＳｉ×ｔＧｅＳｉG＋εＩｎＧａＡｓ×ｔＩｎＧａＡｓ）／（ ｔＧｅＳｉ＋ｔＩｎＧａＡｓ）
ここで、各εはＧａＡｓ基板に対する歪み、各ｔは膜厚である。εＩｎＧａＡｓは、全ての組成で負の値をとり、εＧｅＳｉは、正の値をとることが可能なため、ＩｎＧａＡｓとＧｅＳｉの膜厚を調整することによって平均歪みεａｖを小さくすることができる。
【００２６】
因に、ＧａＡｓに対する各材料の歪量は、
ＧａＡｓ：εＧａＡｓ＝０
ＩｎＡｓ：εＩｎＡｓ＝−０．０６６
Ｉｎ０.８Ｇａ０.２Ａｓ：εＩｎ0.8Ｇａ0.2Ａｓ＝−０．０５３
Ｇｅ：εＧｅ＝−０．００１
Ｓｉ：εＳｉ＝０．０４６
Ｇｅ０.９Ｓｉ０.１：εＧｅ0.9Ｓｉ0.1＝０．００４
となる。
【００２７】
この半導体発光素子は発光ダイオード（ＬＥＤ）としても良いし、半導体レーザ（ＬＤ）としても良い。半導体レーザとする場合には、積層方向に沿った面をファブリペロー面としても良く、必要に応じてストライプ状のリッジ等を設けても良い。或いは、積層方向の上下にIII-Ｖ族化合物半導体で構成する分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を設けて面発光レーザとしても良い。
【００２８】
以上の構成を採用することによって、ＩｎＰ基板に比べて大口径で安価なＧａＡｓ基板を用いて１．３μｍより長波長で発光する半導体発光素子を形成することが可能になる。
【実施例１】
【００２９】
以上を前提として、次に、図７を参照して本発明の実施例１の半導体発光ダイオードを説明する。図７は本発明の実施例１の発光ダイオードの概念的断面図であり、ｎ型ＧａＡｓ基板１１上に厚さが１００〜３００ｎｍのｎ型ＧａＡｓバッファ層１２、多重量子井戸層１３、及び、厚さが１００〜３００ｎｍのｐ型ＧａＡｓ層１４を順次積層する。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面にｎ側電極１７を形成するとともに、ｐ型ＧａＡｓ層１４の表面にはｐ側電極１８を形成する。なお、成膜方法としては分子線エピタキシー或いはＭＯＣＶＤ法を用いる。
【００３０】
この場合の多重量子井戸層１３は、厚さが例えば、１７ｎｍのＧｅ０.９Ｓｉ０.１層１５を３層と、厚さが例えば、１．８ｎｍのＩｎ０.８Ｇａ０.２Ａｓ層１６を２層交互に積層して形成する。ここでは、組成比と膜厚とを調整して平均歪みεａｖが０になる歪み補償としている。
【００３１】
このように、本発明の実施例１においては、Ｇｅ０.９Ｓｉ０.１層１５と、Ｉｎ０.８Ｇａ０.２Ａｓ層１６とにより多重量子井戸層１３を形成しているので、ＧａＡｓ基板を用いても１．５５μｍ帯での発光が可能になる。
【実施例２】
【００３２】
次に、図８を参照して、本発明の実施例２の発光ダイオードを説明する。図８は、本発明の実施例２の発光ダイオードの概念的断面図であり、ｎ型ＧａＡｓ基板２１上に厚さが１００〜３００ｎｍのｎ型Ａｌ０.３Ｇａ０.７Ａｓバッファ層２２、厚さが例えば、３０ｎｍのｉ型Ａｌ０.３Ｇａ０.７Ａｓ光閉じ込め層２３、超格子発光層２４、厚さが例えば、３０ｎｍのｉ型Ａｌ０.３Ｇａ０.７Ａｓ光閉じ込め層２５、及び、厚さが１００〜３００ｎｍのｐ型Ａｌ０.３Ｇａ０.７Ａｓ層２６を順次積層する。また、ｎ型ＧａＡｓ基板２１の裏面にｎ側電極２９を形成するとともに、ｐ型Ａｌ０.３Ｇａ０.７Ａｓ層２６の表面にはｐ側電極３０を形成する。なお、ｐ型Ａｌ０.３Ｇａ０.７Ａｓ層２６上に例えば、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層を設けても良い。また、成膜方法としては分子線エピタキシー或いはＭＯＣＶＤ法を用いる。
【００３３】
この場合の超格子発光層２４は、厚さが例えば、２ｎｍのＧｅ０.９Ｓｉ０.１層２７と、厚さが例えば、１ｎｍのＩｎ０.５Ｇａ０.５Ａｓ層２８を交互に２０層ずつ積層して形成する。
【００３４】
このように、本発明の実施例２においては、Ｇｅ０.９Ｓｉ０.１層２７と、Ｉｎ０.５Ｇａ０.５Ａｓ層２８とにより超格子発光層２４を形成しているので、超格子発光層全体で発光性再結合が起こり、より高効率に発光する。また、超格子発光層２４をＡｌ０.３Ｇａ０.７Ａｓ層で挟んでいるので、光の閉じ込めが良好に行われることになる。なお、劈開によりファブリペロー共振器を構成することによりレーザ発振も可能になる。
【実施例３】
【００３５】
次に、図９乃至図１１を参照して、本発明の実施例３の面発光レーザを説明する。図９乃至図１１は、本発明の実施例３の面発光レーザの製造工程の説明図であり、まず、図９（ａ）に示すように、例えば、分子線エピタキシー法を用いてｎ型ＧａＡｓ基板３１上に、成長温度を６００℃〜７００℃としてｎ型ＧａＡｓ層３３及びｎ型ＡｌＧａＡｓ層３４を交互に例えば３５周期以上積層して下部ＤＢＲミラー層３２を形成する。
【００３６】
下部ＤＢＲミラー層３２は、屈折率の異なる膜を反射させたい波長λの１／４の光学距離の厚さで交互に積層すれば良い。例えば、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層３４としてＳｉを１×１０18ｃｍ-3ドープした厚さが例えば、１２０ｎｍのＡｌ０.３Ｇａ０.７Ａｓを用い、ｎ型ＧａＡｓ層３３としてはＳｉを１×１０18ｃｍ-3ドープした厚さが例えば、１１５ｎｍのＧａＡｓを用いる。
【００３７】
引き続いて、成長温度を６００℃〜７００℃として下部ＤＢＲミラー層３２上に厚さが例えば、５０ｎｍのｉ型ＧａＡｓ層３５、多重量子井戸層３６、厚さが例えば、５０ｎｍのｉ型ＧａＡｓ層３９を順次堆積させる。
【００３８】
この場合の多重量子井戸層３６は、厚さが例えば、２１ｎｍのＧｅ０.９Ｓｉ０.１層３７を６層と、厚さが例えば、１.８ｎｍのＩｎ０.８Ｇａ０.２Ａｓ層３８を５層交互に積層して形成する。ここでも、組成比 と膜厚とを調整して平均歪みεａｖが０になる歪み補償としている。
【００３９】
引き続いて、成長温度を５００℃〜６００℃としてｉ型ＧａＡｓ層３９上に電流狭窄層となる厚さが例えば、１０ｎｍのｉ型ＡｌＡｓ層４０を成長することにより、ｉ型ＧａＡｓ層／多重量子井戸層／ｉ型ＧａＡｓ層／ｉ型ＡｌＡｓ層からなる共振器層が形成される。
【００４０】
引き続いて、成長温度を６００℃〜７００℃としてｉ型ＡｌＡｓ層４０上にｐ型ＧａＡｓ層４２及びｐ型ＡｌＧａＡｓ層４３を交互に例えば３５周期以上積層して上部ＤＢＲミラー層４１を形成する。
【００４１】
上部ＤＢＲミラー層４１は、例えば、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層４３としてＢｅを１×１０18ｃｍ-3ドープした厚さが例えば、１２０ｎｍのＡｌ０.３Ｇａ０.７Ａｓを用いる。また、ｐ型ＧａＡｓ層４２としてはＢｅを１×１０18ｃｍ-3ドープした厚さが例えば、１１５ｎｍのＧａＡｓを用いる。
【００４２】
次いで、図９（ｂ）に示すように、レジストパターン（図示は省略）をマスクとして、上部ＤＢＲミラー層４１乃至ｉ型ＧａＡｓ層３５をエッチングして直径が例えば、２０μｍの円筒状のメサを形成する。
【００４３】
次いで、図１０（ｃ）に示すように、例えば、４５０℃に加熱した加熱水蒸気雰囲気によってｉ型ＡｌＡｓ層４０の露出端面を局所酸化して電流狭窄酸化膜４４を形成する。この時、Ａｌが含まれていない他の層の露出端部はあまり酸化されない。
【００４４】
次いで、図１０（ｄ）に示すように、例えば、ＳｉＯ２膜を厚さが２００ｎｍになるように堆積させ て保護酸化膜４５を形成する。なお、保護酸化膜４５としては、ＳｉＯ２膜の代わりにＳｉＮ膜やＳｉ ＯＮ膜を用いても良い。
【００４５】
次いで、図１１（ｅ）に示すように、レジストパターン（図示は省略）をマスクとしてメサの頂部に堆積した保護酸化膜４５を選択的に除去する。
【００４６】
最後に、図１１（ｆ）に示すように、リソグラフィー、蒸着によって、ｎ型ＧａＡｓ基板３１の裏面にｎ側電極４６を形成するとともに、メサの頂部に円環状のｐ側電極４７を形成することによって、本発明の実施例３の面発光レーザが完成する。
【００４７】
このように、本発明の実施例３においては、ＧｅＳｉ／ＩｎＧａＡｓ多重量子井戸層を用いるとともに、ＤＢＲミラーを設けることによって、ＧａＡｓ基板を用いた長波長面発光レーザを実現することが可能になる。
【実施例４】
【００４８】
次に、図１２を参照して、本発明の実施例４のリッジ型端面発光レーザを説明する。図１２は、本発明の実施例４のリッジ型端面発光レーザの光軸に垂直な概念的断面図である。まず、例えば、分子線エピタキシー法を用いて（１００）面を主面とするｎ型ＧａＡｓ基板５１上に、成長温度を６００℃〜７００℃としてｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５２を成長させる。この場合のｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５２は、例えば、Ｓｉを１×１０18ｃｍ-3ドープした厚さが５００ｎｍ〜１５００ｎｍのＡｌ０.３Ｇａ０.７Ａｓとする。
【００４９】
引き続いて、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５２上に厚さが例えば、３０ｎｍでＡｌ組成比が０．３のｉ型ＡｌＧａＡｓ光閉じ込め層５３を形成する。
【００５０】
引き続いて、ｉ型ＡｌＧａＡｓ光閉じ込め層５３上に多重量子井戸層５４を成長させる。この多重量子井戸層５４は、例えば、上記の実施例１と同様に、厚さが例えば、１７ｎｍのＧｅ０.９Ｓｉ０.１層５５を３層と、厚さが例えば、１．８ｎｍのＩｎ０.８Ｇａ０.２Ａｓ層５６を２層交互に積層して形成する。
【００５１】
引き続いて、多重量子井戸層５４上に、ｉ型ＡｌＧａＡｓ光閉じ込め層５７、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５８及びｐ型ＧａＡｓコンタクト層５９を順次成長させる。この場合のｉ型ＡｌＧａＡｓ光閉じ込め層５７は厚さが例えば、３０ｎｍのＡｌ０.３Ｇａ０.７Ａｓとし、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５８は、例えば、Ｂｅを１×１０18ｃｍ-3ドープした厚さが５００ｎｍ〜１０００ｎｍのＡｌ０.３Ｇａ０.７Ａｓとする。また、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層５９は、例えば、Ｂｅを１×１０19ｃｍ-3ドープした厚さが１０ｎｍのＧａＡｓとする。
【００５２】
次いで、幅が例えば、１.０μｍ〜２.５μｍになるようにｐ型ＧａＡｓコンタクト層５９乃至ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５８の一部をストライプ状にエッチングしてリッジ構造を形成する。
【００５３】
次いで、ｎ型ＧａＡｓ基板５１の裏面にｎ側電極６０を形成するとともに、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層５９の頂面にｐ側電極６１を形成する。最後に、リッジの延在方向と垂直な面で劈開してキャビティを形成することによって、本発明の実施例４のリッジ型端面発光レーザが完成する。
【００５４】
このように、本発明の実施例４においては、ＧｅＳｉ／ＩｎＧａＡｓ多重量子井戸層を用いるとともに、劈開によってファブペロー型共振器を形成しているので、ＧａＡｓ基板を用いた長波長端面発光レーザを実現することが可能になる。
【符号の説明】
【００５５】
１ ＧａＡｓ基板
２ 第一導電型半導体層
３ 発光層
４ 第二導電型半導体層
５ Ｇｅ１−ｘＳｉｘ層
６ Ｉｎ１−ｙＧａｙＡｓ層
１１，２１，３１，５１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１２ ｎ型ＧａＡｓバッファ層
１３，３６，５４ 多重量子井戸層
１４ ｐ型ＧａＡｓ層
１５，２７，３７，５５ Ｇｅ０.９Ｓｉ０.１層
１６，３８，５６ Ｉｎ０.８Ｇａ０.２Ａｓ層
１７，２９，４６，６０ ｎ側電極
１８，３０，４７，６１ ｐ側電極
２２ ｎ型Ａｌ０.３Ｇａ０.７Ａｓバッファ層
２３，２５ ｉ型Ａｌ０.３Ｇａ０.７Ａｓ光閉じ込め層
２４ 超格子発光層
２６ ｐ型Ａｌ０.３Ｇａ０.７Ａｓ層
２８ Ｉｎ０.５Ｇａ０.５Ａｓ層
３３ ｎ型ＧａＡｓ層
３４ ｎ型ＡｌＧａＡｓ層
３２ 下部ＤＢＲミラー層
３５，３９ ｉ型ＧａＡｓ層
４０ ｉ型ＡｌＡｓ層
４１ 上部ＤＢＲミラー層
４２ ｐ型ＧａＡｓ層
４３ ｐ型ＡｌＧａＡｓ層
４４ 電流狭窄酸化膜
４５ 保護酸化膜
５２ ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
５３ ｉ型ＡｌＧａＡｓ光閉じ込め層
５７ ｉ型ＡｌＧａＡｓ光閉じ込め層
５８ ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
５９ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＡｓ基板と、
前記ＧａＡｓ基板上に設けられた第一導電型半導体層と、
前記第一導電型半導体層に設けられた少なくとも一層のＧｅ１−ｘＳｉｘ層但し、０≦ｘ≦０．５）と少なくとも一層のＩｎ１−ｙＧａｙＡｓ層（但し、０≦ｙ≦０．７）とのヘテロ接合を有する発光層と、
前記発光層上に設けられた前記第一導電型半導体層とは反対の導電型の第二導電型半導体層と
を有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１導電型半導体層及び前記第二導電型半導体層の価電子帯のエネルギーが前記Ｇｅ１−ｘＳｉｘ層の価電子帯のエネルギーよりも低く、前記第１導電型半導体層及び前記第二導電型半導体層の伝導帯のエネルギーが前記Ｉｎ１−ｙＧａｙＡｓ層の伝導帯のエネルギーよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記第１導電型半導体層及び前記第二導電型半導体層の少なくとも一方と、前記発光層との間に、伝導帯エネルギーが前記Ｇｅ１−ｘＳｉｘ層の直接遷移伝導帯エネルギーよりも高く、価電子帯エネルギーが前記Ｉｎ１−ｙＧａｙＡｓ層の価電子帯エネルギーよりも低いＡｌＧａＡｓ層を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記発光層が、前記Ｇｅ１−ｘＳｉｘ層と前記Ｉｎ１−ｙＧａｙＡｓ層とを交互に積層した超格子構造を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記発光層の積層方向の上下にIII-Ｖ族化合物半導体からなる分布ブラッグ反射ミラーを有していることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項１】
ＧａＡｓ基板と、
前記ＧａＡｓ基板上に設けられた第一導電型半導体層と、
前記第一導電型半導体層に設けられた少なくとも一層のＧｅ１−ｘＳｉｘ層但し、０≦ｘ≦０．５）と少なくとも一層のＩｎ１−ｙＧａｙＡｓ層（但し、０≦ｙ≦０．７）とのヘテロ接合を有する発光層と、
前記発光層上に設けられた前記第一導電型半導体層とは反対の導電型の第二導電型半導体層と
を有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１導電型半導体層及び前記第二導電型半導体層の価電子帯のエネルギーが前記Ｇｅ１−ｘＳｉｘ層の価電子帯のエネルギーよりも低く、前記第１導電型半導体層及び前記第二導電型半導体層の伝導帯のエネルギーが前記Ｉｎ１−ｙＧａｙＡｓ層の伝導帯のエネルギーよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記第１導電型半導体層及び前記第二導電型半導体層の少なくとも一方と、前記発光層との間に、伝導帯エネルギーが前記Ｇｅ１−ｘＳｉｘ層の直接遷移伝導帯エネルギーよりも高く、価電子帯エネルギーが前記Ｉｎ１−ｙＧａｙＡｓ層の価電子帯エネルギーよりも低いＡｌＧａＡｓ層を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記発光層が、前記Ｇｅ１−ｘＳｉｘ層と前記Ｉｎ１−ｙＧａｙＡｓ層とを交互に積層した超格子構造を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記発光層の積層方向の上下にIII-Ｖ族化合物半導体からなる分布ブラッグ反射ミラーを有していることを特徴とする請求項４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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−１３４９６７（Ｐ２０１１−１３４９６７Ａ）
【公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２９４７５２（Ｐ２００９−２９４７５２）
【出願日】平成２１年１２月２５日（２００９．１２．２５）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月２５日（２００９．１２．２５）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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