半導体発光素子
【課題】素子抵抗の低減を図る。
【解決手段】ＶＣＳＥＬのＤＢＲ層２５において、屈折率及びバンドギャップが異なるナローバンド層２５ｂ及びワイドバンド層２５ａを交互に積層し、ナローバンド層２５ｂとワイドバンド層との間にグレーデッド層２５ｃを配置し構成するとともに、ワイドバンド層２５ａはナローバンド層２５ｂに比べて大きいバンドギャップ及び高い不純物濃度とし、グレーデッド層２５ｃは、ナローバンド層２５ｂと隣接する一端面側からワイドバンド層２５ａと隣接する他端面側に向かってナローバンド層２５ｂの組成で始まってワイドバンド層２５ａの組成で終わるように連続的に組成変化させて形成するとともに、ナローバンド層２５ｂと隣接する一端面側からワイドバンド層２５ａと隣接する他端面側に向かってナローバンド層２５ｂの不純物濃度で始まってワイドバンド層２５ａの不純物濃度で終わるように傾斜的に変化させて形成する。
【解決手段】ＶＣＳＥＬのＤＢＲ層２５において、屈折率及びバンドギャップが異なるナローバンド層２５ｂ及びワイドバンド層２５ａを交互に積層し、ナローバンド層２５ｂとワイドバンド層との間にグレーデッド層２５ｃを配置し構成するとともに、ワイドバンド層２５ａはナローバンド層２５ｂに比べて大きいバンドギャップ及び高い不純物濃度とし、グレーデッド層２５ｃは、ナローバンド層２５ｂと隣接する一端面側からワイドバンド層２５ａと隣接する他端面側に向かってナローバンド層２５ｂの組成で始まってワイドバンド層２５ａの組成で終わるように連続的に組成変化させて形成するとともに、ナローバンド層２５ｂと隣接する一端面側からワイドバンド層２５ａと隣接する他端面側に向かってナローバンド層２５ｂの不純物濃度で始まってワイドバンド層２５ａの不純物濃度で終わるように傾斜的に変化させて形成する。
【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る。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ素子や発光ダイオード等の半導体発光素子は、光通信システムをはじめとする様々な分野において広く利用されている。このような半導体発光素子の一例として、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）が知られている。ＶＣＳＥＬは、電流が供給されることによって発光する活性層の上下に半導体のミラー層を設けることによって、半導体基板に対して垂直方向に共振器が構成される発光素子である（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００３】
このようなＶＣＳＥＬのミラー層として、異なる屈折率を有する２種類の化合物半導体層を１ユニットとし、当該ユニットを複数積層して構成された分布ブラッグリフレクタ（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）が知られている。例えば、特許文献１には、異なる屈折率を有する化合物半導体層間のヘテロ接合界面の領域において、その組成が一方の層の組成で始まって他方の層で終わるように徐々に組成変化させたＤＢＲが開示されている。また、特許文献２には、異なる屈折率を有する２種類の化合物半導体層を異なる不純物濃度でドープしたＤＢＲが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２７５７６３３号公報
【特許文献２】特開２００２−１８５０７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のＤＢＲを採用した半導体発光素子にあっては、２種類の化合物半導体層の界面でバンドが不連続となる。このため、半導体発光素子の抵抗が増大するおそれがある。また、化合物半導体層界面のバンドの不連続に伴って発生するノッチやスパイクは、電流の流れを妨げる障壁となるため、半導体発光素子の順方向電圧が上昇するおそれがある。
【０００６】
そこで本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、素子抵抗の低減を図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する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち本発明に係る半導体発光素子は、基板と、基板上に形成され、電流が供給されることによって発光する領域を有する活性層と、活性層よりも基板側に配置される第１のミラー部と、第１のミラー部との間に活性層が介在して配置される第２のミラー部と、を備え、第２のミラー部は、屈折率及びバンドギャップが異なるナローバンド層及びワイドバンド層が交互に複数積層されるとともに、ナローバンド層とワイドバンド層との間にグレーデッド層が配置されて構成されており、ワイドバンド層は、ナローバンド層に比べて大きいバンドギャップ及び高い不純物濃度を有し、グレーデッド層は、ナローバンド層と隣接する一端面側からワイドバンド層と隣接する他端面側に向かってナローバンド層の組成で始まってワイドバンド層の組成で終わるように連続的に組成変化させて形成されるとともに、一端面における不純物濃度がナローバンド層の不純物濃度と同一となり、一端面側から他端面側に向かって不純物濃度が傾斜的に増加し、他端面における不純物濃度がワイドバンド層の不純物濃度と同一となるように形成されていることを特徴として構成される。
【０００８】
本発明に係る半導体発光素子では、第２のミラー部を構成するワイドバンド層の不純物濃度がナローバンド層の不純物濃度よりも高く設定され、ナローバンド層とワイドバンド層との間に、ナローバンド層と隣接する一端面側からワイドバンド層と隣接する他端面側に向かってナローバンド層の組成で始まってワイドバンド層の組成で終わるように連続的に組成変化したグレーデッド層が配置される。このグレーデッド層は、ナローバンド層と隣接する一端面における不純物濃度がナローバンド層の不純物濃度と同一となり、積層方向においてナローバンド層からワイドバンド層に向かって不純物濃度が傾斜的に増加し、ワイドバンド層と隣接する他端面における不純物濃度がワイドバンド層の不純物濃度と同一となるように形成される。このように構成することで、ワイドバンド層の価電子帯のレベルとナローバンド層の価電子帯のレベルとを、両層の間に介在するグレーデッド層を介して一致させることができるとともに、ワイドバンド層のキャリア濃度とナローバンド層のキャリア濃度とを、両層の間に介在するグレーデッド層を介して滑らかに連続的に繋ぐことが可能となる。このため、ハンド不連続によるノッチやスパイクを低減することができるので、キャリアをスムーズに流すことが可能となる。よって、素子抵抗の低減を図ることができる。
【０００９】
ここで、第１のミラー部は、ナローバンド層及びワイドバンド層が交互に複数積層されるとともに、ナローバンド層とワイドバンド層との間にグレーデッド層が配置されて構成されていることが好適である。このように、第１のミラー部を第２のミラー部と同様に構成することで、第１のミラー部に起因する抵抗を低減することができる。よって、素子全体の抵抗の低減を一層図ることが可能となる。
【００１０】
また、第２のミラー部は、ｐ型の導電型を有することが好適である。ｐ型のキャリアは有効質量の大きいホールであるので、ｐ型のＤＢＲは素子抵抗となりやすい。このため、ｐ型のＤＢＲに上記グレーデッド層を採用することで、素子抵抗の低減を効率良く実現することができる。また、第１のミラー部は、ｎ型の導電型を有していてもよい。
【００１１】
また、活性層から出力された光は、第１のミラー部および第２のミラー部により形成される共振器構造によって所定の共振波長を有し、積層方向に基板と反対側へ出射されてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ＤＢＲを用いた半導体発光素子において、素子抵抗の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態に係る半導体発光素子１の構成を示す上面図である。
【図２】図１に示した半導体発光素子１のII−II線における側断面図である。
【図３】図２に示した半導体発光素子１の側断面図のＤＢＲ層の構造を示す拡大図である。
【図４】比較例におけるＤＢＲ層のキャリア濃度及び価電子帯バンドを説明する概要図である。
【図５】比較例におけるＤＢＲ層の価電子帯バンドを説明する概要図である。
【図６】比較例におけるＤＢＲ層の価電子帯バンドを説明する概要図である。
【図７】比較例におけるＤＢＲ層のキャリア濃度及び価電子帯バンドを説明する概要図である。
【図８】比較例におけるＤＢＲ層のキャリア濃度及び価電子帯バンドを説明する概要図である。
【図９】図２に示したＤＢＲ層のキャリア濃度及び価電子帯バンドを説明する概要図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１５】
図１は、本発明の実施形態に係る半導体発光素子の構成を示す上面図、図２は、図１に示した半導体発光素子のII−II線における側断面図である。図１及び図２に示した半導体発光素子１は、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であり、例えば光源装置として好適に利用されるものである。
【００１６】
図１に示すように、半導体発光素子１は、基板１１と、メサ部２０とを備えている。メサ部２０は、水平断面が円形の円柱状に形成されている。メサ部２０の側面には、絶縁膜４１が配置されており、さらにその側方には絶縁体４２が配置されている。また、半導体発光素子１に電流を供給するために、メサ部２０の上面、絶縁膜４１及び絶縁体４２の上面に連続して配置されたアノード電極部材５１と、絶縁膜４１上に形成されたｎコンタクト電極部材５５及びカソードパッド５２とが配置されている。
【００１７】
図２に示すように、基板１１上に、メサ部２０が形成されている。基板１１は、半導体基板であり、例えばｎ型のＧａＡｓ基板が用いられる。また、基板１１上に形成されたメサ部２０は、活性層２１を含む多層膜によって形成されている。メサ部２０が有する活性層２１は、電流が供給されることによって所定の発光スペクトルで発光する発光層である。このような活性層２１としては、例えば、ＧａＡｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓの半導体積層構造で構成された多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）活性層を用いることができる。メサ部２０は、この活性層２１から発せられた光を垂直に共振させる垂直共振器の全て又は一部を構成している。
【００１８】
また、メサ部２０において、活性層２１の基板１１側には、下部ｎ型ＤＢＲ層（第１のミラー部）２４が形成されている。下部ｎ型ＤＢＲ層２４は、活性層２１から発光された光を反射する機能を備えており、例えばＡｌ組成比が異なるＡｌＧａＡｓ層が交互に積層された半導体多層構造が用いられる。なお、図２においては、ＤＢＲ層の構成を一部省略して模式的に図示している。
【００１９】
また、メサ部２０において、活性層２１とメサ部２０の上面２０ａとの間には上部ｐ型ＤＢＲ層（第２のミラー部）２５が形成されている。この上部ｐ型ＤＢＲ層２５は、下部ｎ型ＤＢＲ層２４と同様に、活性層２１から発生された光を反射する機能を備えており、例えばＡｌ組成比が異なるＡｌＧａＡｓ層が交互に積層された半導体多層構造が用いられる。
【００２０】
このように、半導体発光素子１において、下部ｎ型ＤＢＲ層２４と上部ｐ型ＤＢＲ層２５との間に活性層２１が介在するため、活性層２１で発生された光が下部ｎ型ＤＢＲ層２４と上部ｐ型ＤＢＲ層２５との間で共振する垂直共振器が形成される。また、上部ｐ型ＤＢＲ層２５は、下部ＤＢＲ層２４に比べて反射率が低く構成され、これにより、メサ部２０の上面２０ａ側から共振した光の一部を出射する構成となっている。この場合、アノード電極部材５１の環状部５１ａによってメサ部２０の上面２０ａ側に発光窓部２０ｂが形成される。発光窓部２０ｂは、メサ部２０の上方からみて円形の開口であり、その半径はメサ部２０の半径より小さく形成されている。
【００２１】
また、メサ部２０において、活性層２１と上部ｐ型ＤＢＲ層２５との間に酸化狭窄層２２が形成されている。酸化狭窄層２２は、活性層２１に対する電流を狭窄する半導体層であり、高濃度のＡｌを含む組成の化合物半導体から形成され、例えばＡｌＧａＡｓが用いられる。酸化狭窄層２２は、ＡｌＧａＡｓが酸化されることによって高抵抗化されたリング状の酸化領域と、この酸化領域の内周側に形成される電流狭窄領域とから構成される。また、基板１１と下部ｎ型ＤＢＲ層２４との間にはバッファ層１２が形成されている。バッファ層１２は、例えばｎ型のＧａＡｓが用いられる。
【００２２】
また、メサ部２０の側面には、絶縁膜４１が形成されている。絶縁膜４１は、半導体発光素子１の電極間を絶縁する機能を有し、上部ｐ型ＤＢＲ層２５上に配置される。そして、メサ部２０の側面には、絶縁膜４１を介して絶縁体４２が配置されている。絶縁体４２は、図１に示すようにメサ部２０を囲うように円環状に形成される。また、絶縁膜４１の材料は、活性層２１が発する熱に対する耐熱性と、加工工程に使用する薬品に対する耐薬品性と、加工容易性を備えていることが好ましく、例えばポリイミドが用いられる。
【００２３】
また、図２に示すように、上部ｐ型ＤＢＲ層２５のメサ部２０の上面側には、アノード電極部材５１の環状部５１ａが形成されている。アノード電極部材５１は、メサ部２０の上面２０ａ上、絶縁膜４１及び絶縁体４２の上面上に連続して形成されている。このアノード電極部材５１の環状部５１ａによって、図１に示すように、メサ部２０の上面上に円形の開口である発光窓部２０ｂが形成されている。アノード電極部材５１として、例えばＴｉＰｔＡｕ合金が用いられる。さらに、図１，２に示すように、絶縁体４２の外側には、メサ部２０の略半分を囲うようにｎコンタクト電極部材５５が配置されている。また、絶縁膜４１上には、ｎコンタクト電極部材５５と電気的に接続されたカソードパッド５２が配置されている。なお、ｎコンタクト電極部材５５は、必要に応じて形成する箇所を変更してもよい。
【００２４】
次に、半導体発光素子１のＤＢＲ層の構造の詳細を説明する。なお、ここでは、上部ｐ型ＤＢＲ層２５及び下部ｎ型ＤＢＲ層２４の構造は、導電型及び積層数のみが相違するため、上部ｐ型ＤＢＲ層２５を例に説明する。図３は、図２のＡで示すメサ部２０の上部ｐ型ＤＢＲ層２５の一部拡大図である。
【００２５】
図３に示すように、上部ｐ型ＤＢＲ層２５では、半導体層であるナローバンド層２５ｂ及びワイドバンド層２５ａが一ユニットとして複数積層されている。すなわち、ナローバンド層２５ｂ及びワイドバンド層２５ａが交互に複数積層されている。ナローバンド層２５ｂ及びワイドバンド層２５ａは、屈折率が異なる材料で形成されている。そして、ワイドバンド層２５ａは、ナローバンド層２５ｂに比べて大きいバンドギャップ及び高い不純物濃度を有している。ワイドバンド層２５ａとしては、例えばキャリア濃度が５×１０＋１８ｃｍ−３のＡｌ０．９０ＧａＡｓが用いられる。また、ナローバンド層２５ｂとしては、例えばキャリア濃度が３×１０＋１８ｃｍ−３のＡｌ０．１２ＧａＡｓが用いられる。
【００２６】
ナローバンド層２５ｂとワイドバンド層２５ａとの間には、グレーデッド層２５ｃが配置されている。グレーデッド層２５ｃは、半導体積層方向において（ナローバンド層２５ｂに隣接する端面側から前記ワイドバンド層２５ａに隣接する端面側に向かって）ナローバンド層２５ｂの組成で始まってワイドバンド層２５ａの組成で終わるように連続的に組成変化させて形成されている。例えば、グレーデッド層２５ｃは、ナローバンド層２５ｂと隣接する一端面の組成が、ナローバンド層２５ｂの組成と同一のＡｌ０．１２ＧａＡｓであり、半導体積層方向においてワイドバンド層２５ａに近づくにつれてＡｌ濃度が連続的に増加し、ワイドバンド層２５ａと隣接する他端面の組成が、ワイドバンド層２５ａの組成と同一のＡｌ０．９０ＧａＡｓとされる。なお、グレーデッド層２５ｃの組成は、ナローバンド層２５ｂからワイドバンド層２５ａに向かって階段状に変化させてもよい。
【００２７】
そして、グレーデッド層２５ｃは、半導体積層方向において不純物濃度が連続的に変化するようにドープされて形成される。グレーデッド層２５ｃは、半導体積層方向においてナローバンド層２５ｂの不純物濃度で始まってワイドバンド層２５ａの不純物濃度で終わるように連続的に変化させて形成されている。例えば、グレーデッド層２５ｃは、ナローバンド層２５ｂと隣接する一端面における不純物濃度がナローバンド層２５ｂの不純物濃度と同一の３×１０＋１８ｃｍ−３となり、半導体積層方向においてナローバンド層２５ｂからワイドバンド層２５ａに向かって不純物濃度が傾斜的に増加し、ワイドバンド層２５ａと隣接する他端面における不純物濃度がワイドバンド層２５ａの不純物濃度と同一の５×１０＋１８ｃｍ−３となるように形成されている。なお、グレーデッド層２５ｃの不純物濃度は、ナローバンド層２５ｂからワイドバンド層２５ａに向かって階段状に変化させてもよい。
【００２８】
ワイドバンド層２５ａとナローバンド層２５ｂとの間には、グレーデッド層２５ｅが配置されている。グレーデッド層２５ｅは、半導体積層方向において（ワイドバンド層２５ａに隣接する端面側から前記ナローバンド層２５ｂに隣接する端面側に向かって）ワイドバンド層２５ａの組成で始まってナローバンド層２５ｂの組成で終わるように連続的に組成変化させて形成されている。例えば、グレーデッド層２５ｅは、ワイドバンド層２５ａと隣接する一端面の組成が、ワイドバンド層２５ａの組成と同一のＡｌ０．９０ＧａＡｓであり、半導体積層方向においてナローバンド層２５ｂに近づくにつれてＡｌ濃度が連続的に減少し、ナローバンド層２５ｂと隣接する他端面の組成が、ナローバンド層２５ｂの組成と同一のＡｌ０．１２ＧａＡｓとされる。なお、グレーデッド層２５ｅの組成は、ワイドバンド層２５ａからナローバンド層２５ｂに向かって階段状に変化させてもよい。
【００２９】
そして、グレーデッド層２５ｅは、半導体積層方向において不純物濃度が連続的に変化するようにドープされて形成される。グレーデッド層２５ｅは、半導体積層方向においてワイドバンド層２５ａの不純物濃度で始まってナローバンド層２５ｂの不純物濃度で終わるように連続的に変化させて形成されている。例えば、グレーデッド層２５ｅは、ワイドバンド層２５ａと隣接する一端面における不純物濃度がワイドバンド層２５ａの不純物濃度と同一の５×１０＋１８ｃｍ−３となり、半導体積層方向においてワイドバンド層２５ａからナローバンド層２５ｂに向かって不純物濃度が傾斜的に減少し、ナローバンド層２５ｂと隣接する他端面における不純物濃度がナローバンド層２５ｎの不純物濃度と同一の３×１０＋１８ｃｍ−３となるように形成されている。なお、グレーデッド層２５ｅの不純物濃度は、ワイドバンド層２５ａからナローバンド層２５ｂに向かって階段状に変化させてもよい。
【００３０】
次に、本実施形態に係る半導体発光素子１について、作用効果を説明する。図２に示す半導体発光素子１において、電流がアノード電極部材５１を介してメサ部２０に供給された場合、電流が上部ｐ型ＤＢＲ層２５を流れ酸化狭窄層２２により絞り込まれて活性層２１へ供給される。電流が活性層２１へ供給されると、活性層２１が発光する。活性層２１から発生した光は、下部ｎ型ＤＢＲ層２４と上部ｐ型ＤＢＲ層２５との間の共振器で共振される。また、上部ｐ型ＤＢＲ層２５は、下部ｎ型ＤＢＲ層２４に比べて反射率が低く構成されている。このため、共振された光の一部はメサ部２０の発光窓部２０ｂからレーザ光として出射される。
【００３１】
上述の通り、アノード電極部材５１から活性層２１へ供給される電流は、上部ｐ型ＤＢＲ層２５を流れるため、上部ｐ型ＤＢＲ層２５の抵抗値は素子抵抗や応答速度に影響する。ＤＢＲ構造では、反射膜として機能させるために組成の異なる層を交互に配置させることが一般的であり、その積層体の層間の界面はヘテロ結合となる。ここで、ヘテロ結合した界面での抵抗を検証及び考察するために、バンド構造を計算した。
【００３２】
図４は、ｐ型のＡｌ０．１２ＧａＡｓとｐ型のＡｌ０．９０Ｇａとのヘテロ界面におけるバンド図の計算結果を示すものである。両層のキャリア濃度は２．５×１０＋１８ｃｍ−３とし、同一とした。また、横軸がエピ表面からの深さであり、縦軸がエネルギーレベルであり、エピ表面からの深さ１００ｎｍの位置にヘテロ界面が存在するものとした。温度条件は、−４０℃、２５℃、８５℃とした。図４に示すように、何れの温度条件においても、ヘテロ界面での価電子帯バンドは不連続となり、ノッチやスパイクが発生する。このノッチやスパイクにより電気的に絶縁された領域である空乏層が形成される（界面近傍において４．０ｎｍ）。特に低温になるにつれて空乏層の領域が大きくなる傾向にあるといえる。このように、バンドの不連続により発生するノッチやスパイクが障壁となり、素子抵抗が増大したり、順方向の電圧が上昇したりすることが確認された。
【００３３】
ここで、ヘテロ界面での抵抗を低減するために、ドーパントを増やしキャリア濃度を増加する手法が考えられる。図５は、図４と同様であり、ｐ型のＡｌ０．１２ＧａＡｓとｐ型のＡｌ０．９０Ｇａとのヘテロ界面における価電子帯バンド図の計算結果を示すものである。両層のキャリア濃度は、抵抗低減のために５．０×１０＋１８ｃｍ−３と図４に比べて高い値とした。結果、図５に示すように、Ａｌ０．１２ＧａＡｓとＡｌ０．９０Ｇａとの間で、界面から離れたバンド曲がりの無くなった部位のベースバンドレベル（価電子レベル）に差異が生じた。低温になるにつれてベースバンドレベルの差異が大きくなる傾向にあり、−４０℃で０．０２ｅＶ程度の差異が生じた。このようなベースバンドレベルの差異は、半導体発光素子１の順電圧を上昇させるおそれがある。
【００３４】
そこで、ベースバンドレベルの差異を解消するために、Ａｌ０．１２ＧａＡｓとＡｌ０．９０Ｇａのキャリア濃度をそれぞれ変化させて、ベースバンドレベルを合せることが考えられる。図６は、図５と同様であり、ｐ型のＡｌ０．１２ＧａＡｓとｐ型のＡｌ０．９０Ｇａとのヘテロ界面における価電子帯バンド図の計算結果を示すものである。両層のキャリア濃度は、Ａｌ０．１２ＧａＡｓで３．０×１０＋１８ｃｍ−３、Ａｌ０．９０Ｇａで５．０×１０＋１８ｃｍ−３とした。図６に示すように、キャリア濃度を変化させることでベースバンドレベルを合せることができることは実証された。しかし、価電子帯バンドには依然としてノッチやスパイクが発生することが確認された。このため、キャリア濃度を調整する場合であっても、ノッチやスパイクに起因する素子抵抗の増大は依然として解消することができないことが確認された。
【００３５】
上記で検証したように、ＤＢＲ層を構成する２つの異なる層の価電子帯のベースバンドレベルを合せる様にキャリア濃度を調整する場合、すなわち、特許文献２のように、異なる屈折率を有する２種類の化合物半導体層を異なる不純物濃度でドープした場合であっても、ノッチやスパイクを解消することができないといえる。この場合を簡略化した概要図で説明する。図７は、積層体におけるキャリア濃度及び価電子帯バンドの位置依存性を示す概要図である。図７に示すように、ナローバンド層２５ｂのキャリア濃度を３．０×１０＋１８ｃｍ−３とし、ワイドバンド層２５ａのキャリア濃度を５．０×１０＋１８ｃｍ−３とすることで、ナローバンド層２５ｂ及びワイドバンド層２５ａ間の価電子帯のベースバンドレベルを揃えることができる。しかしながら、ナローバンド層２５ｂ及びワイドバンド層２５ａの界面の価電子帯バンドにおけるノッチやスパイクを解消することができず、キャリアの流れの妨げとなる。すなわち、特許文献２のように、異なる屈折率を有する２種類の化合物半導体層を異なる不純物濃度でドープした場合であっても、ノッチやスパイクを解消することができないといえる。
【００３６】
一方、特許文献１のように、キャリア濃度及び組成の異なる２つのＡｌＧａＡｓ層間に、組成を連続的に変化させたグレーデッド層を配置することにより、上記問題を解決することが考えられる。図８は、ナローバンド層２５ｂとワイドバンド層２５ａとの間に、ナローバンド層２５ｂからワイドバンド層２５ａに向かって徐々にＡｌ組成を変化させたグレーデッド層２５ｄを配置させた場合のキャリア濃度及び価電子帯バンドの位置依存性を示す概要図である。ナローバンド層２５ｂのキャリア濃度を３．０×１０＋１８ｃｍ−３とし、ワイドバンド層２５ａのキャリア濃度を５．０×１０＋１８ｃｍ−３とし、両者に介在するグレーデッド層２５ｄのキャリア濃度は５．０×１０＋１８ｃｍ−３となるように均一にドープされている。図８に示すように、ナローバンド層２５ｂとワイドバンド層２５ａとの間に、組成をグレーデッドに変化させたグレーデッド層２５ｄを配置した場合であっても、ナローバンド層２５ｂ及びグレーデッド層２５ｄの界面の価電子帯バンドにノッチ及びスパイクが発生してしまい、キャリアの流れの妨げとなる。すなわち、特許文献１のように、異なる屈折率を有する化合物半導体層間のヘテロ接合界面の領域において、その組成が一方の層の組成で始まって他方の層で終わるように徐々に組成変化させた場合であっても、素子抵抗が増大するといえる。
【００３７】
このように、素子抵抗を増大させるノッチやスパイクが発生する原因としては、２種類の化合物間のバンドギャップが違うことで価電子帯に段差が生じる点や、バンドが不連続である点が考えられる。そこで、半導体素子１では、バンドギャップが異なる２種類の半導体層の価電子レベルを一致させるために、ワイドバンド層２５ａの不純物濃度がナローバンド層２５ｂより高濃度となるように形成し、さらに、両者の間に組成がグレーデッドとなるグレーデッド層２５ｃを設けるとともに、そのグレーデッド層２５ｃの不純物濃度も層内で積層方向においてナローバンド層２５ｂ側からワイドバンド層２５ａ側になるに従い徐々に高濃度となるようにグレーデッドドープを施している。このように構成された半導体素子１の上部ｐ型ＤＢＲ層２５のバンドの概要を、図９を用いて説明する。図９は、上部ｐ型ＤＢＲ層２５におけるキャリア濃度及び価電子帯バンドの位置依存性を示す概要図である。図９に示すように、ナローバンド層２５ｂのキャリア濃度を３．０×１０＋１８ｃｍ−３とし、ワイドバンド層２５ａのキャリア濃度を５．０×１０＋１８ｃｍ−３とすることで、ナローバンド層２５ｂ及びワイドバンド層２５ａ間の価電子帯のベースバンドレベルを揃えることができる。さらに、ナローバンド層２５ｂとワイドバンド層２５ａとの間に、組成及び不純物濃度をグレーデッドに変化させたグレーデッド層２５ｃを介在させることで、ナローバンド層２５ｂとワイドバンド層２５ａとの間のキャリア濃度を傾斜的に連続的に変化させることができる。このような構成を採用することにより、価電子帯バンドのノッチやスパイクを低減することができる。よって、素子抵抗の低減及び応答性能の改善を図ることが可能となる。
【００３８】
以上、本実施形態に係る半導体発光素子１によれば、上部ｐ型ＤＢＲ層２５を構成するワイドバンド層２５ａの不純物濃度がナローバンド層２５ｂの不純物濃度よりも高く設定され、積層方向におけるナローバンド層２５ｂとワイドバンド層２５ａとの間に、積層方向においてナローバンド層２５ｂの組成で始まってワイドバンド層２５ａの組成で終わるように連続的に組成変化したグレーデッド層２５ｃが配置される。このグレーデッド層２５ｃは、ナローバンド層２５ｂと隣接する一端面における不純物濃度がナローバンド層２５ｂの不純物濃度と同一となり、積層方向においてナローバンド層２５ｂからワイドバンド層２５ａに向かって不純物濃度が傾斜的に増加し、ワイドバンド層２５ａと隣接する他端面における不純物濃度がワイドバンド層２５ａの不純物濃度と同一となるように形成される。また、積層方向におけるワイドバンド層２５ａとナローバンド層２５ｂとの間に、積層方向においてワイドバンド層２５ａの組成で始まってナローバンド層２５ｂの組成で終わるように連続的に組成変化したグレーデッド層２５ｅが配置される。このグレーデッド層２５ｅは、ワイドバンド層２５ａと隣接する一端面における不純物濃度がワイドバンド層２５ａの不純物濃度と同一となり、積層方向においてワイドバンド層２５ａからナローバンド層２５ｂに向かって不純物濃度が傾斜的に増加し、ナローバンド層２５ｂと隣接する他端面における不純物濃度がナローバンド層２５ｂの不純物濃度と同一となるように形成される。このように構成することで、ワイドバンド層２５ａの価電子帯のレベルとナローバンド層２５ｂの価電子帯のレベルとを、両層の間に介在するグレーデッド層２５ｃ，２５ｅを介して一致させることができるとともに、ワイドバンド層２５ａのキャリア濃度とナローバンド層２５ｂのキャリア濃度とを、両層の間に介在するグレーデッド層２５ｃ，２５ｅを介して滑らかに連続的に繋ぐことが可能となる。このため、ハンド不連続によるノッチやスパイクを低減することができるので、キャリアをスムーズに流すことが可能となる。よって、素子抵抗の低減を図ったり、素子の応答特性を改善したりすることができる。また、図７，８で示す例と比べてヘテロ界面の障壁を抑制し、ヘテロ界面でのノッチを小さくすることができるので、順電圧の低減や温度による変動幅を小さくすることが可能となる。このため、低温での順電圧の増加を抑制することができる。また、有効質量の大きいホールをキャリアとする上部ｐ型ＤＢＲ層２５にグレーデッド層２５ｃを採用することで、素子抵抗の低減を効率良く実現することができる。
【００３９】
また、本実施形態に係る半導体発光素子１によれば、下部ｎ型ＤＢＲ層２４が上部ｐ型ＤＢＲ層２５と同様に構成されるので、下部ｎ型ＤＢＲ層２４に起因する抵抗を低減することができる。よって、素子全体の抵抗の低減を一層図ることが可能となる。
【００４０】
なお、上述した実施形態は、本発明に係る半導体発光素子の一例を示すものである。本発明に係る半導体発光素子は、実施形態に係る半導体発光素子に限られるものではなく、実施形態に係る半導体発光素子を変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。
【００４１】
例えば、上述した実施形態では、上部ｐ型ＤＢＲ層２５及び下部ｎ型ＤＢＲ層２４の何れにもグレーデッド層２５ｃを採用する例を説明したが、上部ｐ型ＤＢＲ層２５にのみグレーデッド層２５ｃを採用した場合であっても、素子抵抗の低減及び応答性能の改善を図ることができる。
【００４２】
また、上述した実施形態では、ＶＣＳＥＬに採用する例を説明したが、これに限られることはなく、ＤＢＲを採用する光発光素子であれば適用することができる。
【００４３】
また、上述した実施形態では、メサ部２０の形状が円柱状である半導体発光素子１について説明したが、メサ部２０の水平方向の断面は円形であるものに限られず、矩形であってもよい。
【００４４】
また、上述した実施形態では、メサ部２０が一つより構成される半導体発光素子１について説明したが、メサ部２０の数に限定されず、メサ部２０を複数備え、アレイ化して構成される半導体発光素子に適用した場合であっても、素子抵抗の低減及び応答性能の改善を図ることができる。
【００４５】
さらに、上述した実施形態では、ｎ型の基板１１を用いた半導体発光素子１について説明したが、ｐ型の基板を用いて、実施形態のｎ型とｐ型を入れ替えて構成される半導体発光素子に適用した場合であっても、素子抵抗の低減及び応答性能の改善を図ることができる。
【符号の説明】
【００４６】
１…半導体発光素子、１１…基板、２０…メサ部、２１…活性層、２２…酸化狭窄層、２４，２５…ＤＢＲ層（第１，第２のミラー層）、２５ａ…ワイドバンド層２５ａ…ナローバンド層、２５ｃ…グレーデッド層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ素子や発光ダイオード等の半導体発光素子は、光通信システムをはじめとする様々な分野において広く利用されている。このような半導体発光素子の一例として、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）が知られている。ＶＣＳＥＬは、電流が供給されることによって発光する活性層の上下に半導体のミラー層を設けることによって、半導体基板に対して垂直方向に共振器が構成される発光素子である（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００３】
このようなＶＣＳＥＬのミラー層として、異なる屈折率を有する２種類の化合物半導体層を１ユニットとし、当該ユニットを複数積層して構成された分布ブラッグリフレクタ（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）が知られている。例えば、特許文献１には、異なる屈折率を有する化合物半導体層間のヘテロ接合界面の領域において、その組成が一方の層の組成で始まって他方の層で終わるように徐々に組成変化させたＤＢＲが開示されている。また、特許文献２には、異なる屈折率を有する２種類の化合物半導体層を異なる不純物濃度でドープしたＤＢＲが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２７５７６３３号公報
【特許文献２】特開２００２−１８５０７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のＤＢＲを採用した半導体発光素子にあっては、２種類の化合物半導体層の界面でバンドが不連続となる。このため、半導体発光素子の抵抗が増大するおそれがある。また、化合物半導体層界面のバンドの不連続に伴って発生するノッチやスパイクは、電流の流れを妨げる障壁となるため、半導体発光素子の順方向電圧が上昇するおそれがある。
【０００６】
そこで本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、素子抵抗の低減を図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する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち本発明に係る半導体発光素子は、基板と、基板上に形成され、電流が供給されることによって発光する領域を有する活性層と、活性層よりも基板側に配置される第１のミラー部と、第１のミラー部との間に活性層が介在して配置される第２のミラー部と、を備え、第２のミラー部は、屈折率及びバンドギャップが異なるナローバンド層及びワイドバンド層が交互に複数積層されるとともに、ナローバンド層とワイドバンド層との間にグレーデッド層が配置されて構成されており、ワイドバンド層は、ナローバンド層に比べて大きいバンドギャップ及び高い不純物濃度を有し、グレーデッド層は、ナローバンド層と隣接する一端面側からワイドバンド層と隣接する他端面側に向かってナローバンド層の組成で始まってワイドバンド層の組成で終わるように連続的に組成変化させて形成されるとともに、一端面における不純物濃度がナローバンド層の不純物濃度と同一となり、一端面側から他端面側に向かって不純物濃度が傾斜的に増加し、他端面における不純物濃度がワイドバンド層の不純物濃度と同一となるように形成されていることを特徴として構成される。
【０００８】
本発明に係る半導体発光素子では、第２のミラー部を構成するワイドバンド層の不純物濃度がナローバンド層の不純物濃度よりも高く設定され、ナローバンド層とワイドバンド層との間に、ナローバンド層と隣接する一端面側からワイドバンド層と隣接する他端面側に向かってナローバンド層の組成で始まってワイドバンド層の組成で終わるように連続的に組成変化したグレーデッド層が配置される。このグレーデッド層は、ナローバンド層と隣接する一端面における不純物濃度がナローバンド層の不純物濃度と同一となり、積層方向においてナローバンド層からワイドバンド層に向かって不純物濃度が傾斜的に増加し、ワイドバンド層と隣接する他端面における不純物濃度がワイドバンド層の不純物濃度と同一となるように形成される。このように構成することで、ワイドバンド層の価電子帯のレベルとナローバンド層の価電子帯のレベルとを、両層の間に介在するグレーデッド層を介して一致させることができるとともに、ワイドバンド層のキャリア濃度とナローバンド層のキャリア濃度とを、両層の間に介在するグレーデッド層を介して滑らかに連続的に繋ぐことが可能となる。このため、ハンド不連続によるノッチやスパイクを低減することができるので、キャリアをスムーズに流すことが可能となる。よって、素子抵抗の低減を図ることができる。
【０００９】
ここで、第１のミラー部は、ナローバンド層及びワイドバンド層が交互に複数積層されるとともに、ナローバンド層とワイドバンド層との間にグレーデッド層が配置されて構成されていることが好適である。このように、第１のミラー部を第２のミラー部と同様に構成することで、第１のミラー部に起因する抵抗を低減することができる。よって、素子全体の抵抗の低減を一層図ることが可能となる。
【００１０】
また、第２のミラー部は、ｐ型の導電型を有することが好適である。ｐ型のキャリアは有効質量の大きいホールであるので、ｐ型のＤＢＲは素子抵抗となりやすい。このため、ｐ型のＤＢＲに上記グレーデッド層を採用することで、素子抵抗の低減を効率良く実現することができる。また、第１のミラー部は、ｎ型の導電型を有していてもよい。
【００１１】
また、活性層から出力された光は、第１のミラー部および第２のミラー部により形成される共振器構造によって所定の共振波長を有し、積層方向に基板と反対側へ出射されてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ＤＢＲを用いた半導体発光素子において、素子抵抗の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態に係る半導体発光素子１の構成を示す上面図である。
【図２】図１に示した半導体発光素子１のII−II線における側断面図である。
【図３】図２に示した半導体発光素子１の側断面図のＤＢＲ層の構造を示す拡大図である。
【図４】比較例におけるＤＢＲ層のキャリア濃度及び価電子帯バンドを説明する概要図である。
【図５】比較例におけるＤＢＲ層の価電子帯バンドを説明する概要図である。
【図６】比較例におけるＤＢＲ層の価電子帯バンドを説明する概要図である。
【図７】比較例におけるＤＢＲ層のキャリア濃度及び価電子帯バンドを説明する概要図である。
【図８】比較例におけるＤＢＲ層のキャリア濃度及び価電子帯バンドを説明する概要図である。
【図９】図２に示したＤＢＲ層のキャリア濃度及び価電子帯バンドを説明する概要図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１５】
図１は、本発明の実施形態に係る半導体発光素子の構成を示す上面図、図２は、図１に示した半導体発光素子のII−II線における側断面図である。図１及び図２に示した半導体発光素子１は、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であり、例えば光源装置として好適に利用されるものである。
【００１６】
図１に示すように、半導体発光素子１は、基板１１と、メサ部２０とを備えている。メサ部２０は、水平断面が円形の円柱状に形成されている。メサ部２０の側面には、絶縁膜４１が配置されており、さらにその側方には絶縁体４２が配置されている。また、半導体発光素子１に電流を供給するために、メサ部２０の上面、絶縁膜４１及び絶縁体４２の上面に連続して配置されたアノード電極部材５１と、絶縁膜４１上に形成されたｎコンタクト電極部材５５及びカソードパッド５２とが配置されている。
【００１７】
図２に示すように、基板１１上に、メサ部２０が形成されている。基板１１は、半導体基板であり、例えばｎ型のＧａＡｓ基板が用いられる。また、基板１１上に形成されたメサ部２０は、活性層２１を含む多層膜によって形成されている。メサ部２０が有する活性層２１は、電流が供給されることによって所定の発光スペクトルで発光する発光層である。このような活性層２１としては、例えば、ＧａＡｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓの半導体積層構造で構成された多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）活性層を用いることができる。メサ部２０は、この活性層２１から発せられた光を垂直に共振させる垂直共振器の全て又は一部を構成している。
【００１８】
また、メサ部２０において、活性層２１の基板１１側には、下部ｎ型ＤＢＲ層（第１のミラー部）２４が形成されている。下部ｎ型ＤＢＲ層２４は、活性層２１から発光された光を反射する機能を備えており、例えばＡｌ組成比が異なるＡｌＧａＡｓ層が交互に積層された半導体多層構造が用いられる。なお、図２においては、ＤＢＲ層の構成を一部省略して模式的に図示している。
【００１９】
また、メサ部２０において、活性層２１とメサ部２０の上面２０ａとの間には上部ｐ型ＤＢＲ層（第２のミラー部）２５が形成されている。この上部ｐ型ＤＢＲ層２５は、下部ｎ型ＤＢＲ層２４と同様に、活性層２１から発生された光を反射する機能を備えており、例えばＡｌ組成比が異なるＡｌＧａＡｓ層が交互に積層された半導体多層構造が用いられる。
【００２０】
このように、半導体発光素子１において、下部ｎ型ＤＢＲ層２４と上部ｐ型ＤＢＲ層２５との間に活性層２１が介在するため、活性層２１で発生された光が下部ｎ型ＤＢＲ層２４と上部ｐ型ＤＢＲ層２５との間で共振する垂直共振器が形成される。また、上部ｐ型ＤＢＲ層２５は、下部ＤＢＲ層２４に比べて反射率が低く構成され、これにより、メサ部２０の上面２０ａ側から共振した光の一部を出射する構成となっている。この場合、アノード電極部材５１の環状部５１ａによってメサ部２０の上面２０ａ側に発光窓部２０ｂが形成される。発光窓部２０ｂは、メサ部２０の上方からみて円形の開口であり、その半径はメサ部２０の半径より小さく形成されている。
【００２１】
また、メサ部２０において、活性層２１と上部ｐ型ＤＢＲ層２５との間に酸化狭窄層２２が形成されている。酸化狭窄層２２は、活性層２１に対する電流を狭窄する半導体層であり、高濃度のＡｌを含む組成の化合物半導体から形成され、例えばＡｌＧａＡｓが用いられる。酸化狭窄層２２は、ＡｌＧａＡｓが酸化されることによって高抵抗化されたリング状の酸化領域と、この酸化領域の内周側に形成される電流狭窄領域とから構成される。また、基板１１と下部ｎ型ＤＢＲ層２４との間にはバッファ層１２が形成されている。バッファ層１２は、例えばｎ型のＧａＡｓが用いられる。
【００２２】
また、メサ部２０の側面には、絶縁膜４１が形成されている。絶縁膜４１は、半導体発光素子１の電極間を絶縁する機能を有し、上部ｐ型ＤＢＲ層２５上に配置される。そして、メサ部２０の側面には、絶縁膜４１を介して絶縁体４２が配置されている。絶縁体４２は、図１に示すようにメサ部２０を囲うように円環状に形成される。また、絶縁膜４１の材料は、活性層２１が発する熱に対する耐熱性と、加工工程に使用する薬品に対する耐薬品性と、加工容易性を備えていることが好ましく、例えばポリイミドが用いられる。
【００２３】
また、図２に示すように、上部ｐ型ＤＢＲ層２５のメサ部２０の上面側には、アノード電極部材５１の環状部５１ａが形成されている。アノード電極部材５１は、メサ部２０の上面２０ａ上、絶縁膜４１及び絶縁体４２の上面上に連続して形成されている。このアノード電極部材５１の環状部５１ａによって、図１に示すように、メサ部２０の上面上に円形の開口である発光窓部２０ｂが形成されている。アノード電極部材５１として、例えばＴｉＰｔＡｕ合金が用いられる。さらに、図１，２に示すように、絶縁体４２の外側には、メサ部２０の略半分を囲うようにｎコンタクト電極部材５５が配置されている。また、絶縁膜４１上には、ｎコンタクト電極部材５５と電気的に接続されたカソードパッド５２が配置されている。なお、ｎコンタクト電極部材５５は、必要に応じて形成する箇所を変更してもよい。
【００２４】
次に、半導体発光素子１のＤＢＲ層の構造の詳細を説明する。なお、ここでは、上部ｐ型ＤＢＲ層２５及び下部ｎ型ＤＢＲ層２４の構造は、導電型及び積層数のみが相違するため、上部ｐ型ＤＢＲ層２５を例に説明する。図３は、図２のＡで示すメサ部２０の上部ｐ型ＤＢＲ層２５の一部拡大図である。
【００２５】
図３に示すように、上部ｐ型ＤＢＲ層２５では、半導体層であるナローバンド層２５ｂ及びワイドバンド層２５ａが一ユニットとして複数積層されている。すなわち、ナローバンド層２５ｂ及びワイドバンド層２５ａが交互に複数積層されている。ナローバンド層２５ｂ及びワイドバンド層２５ａは、屈折率が異なる材料で形成されている。そして、ワイドバンド層２５ａは、ナローバンド層２５ｂに比べて大きいバンドギャップ及び高い不純物濃度を有している。ワイドバンド層２５ａとしては、例えばキャリア濃度が５×１０＋１８ｃｍ−３のＡｌ０．９０ＧａＡｓが用いられる。また、ナローバンド層２５ｂとしては、例えばキャリア濃度が３×１０＋１８ｃｍ−３のＡｌ０．１２ＧａＡｓが用いられる。
【００２６】
ナローバンド層２５ｂとワイドバンド層２５ａとの間には、グレーデッド層２５ｃが配置されている。グレーデッド層２５ｃは、半導体積層方向において（ナローバンド層２５ｂに隣接する端面側から前記ワイドバンド層２５ａに隣接する端面側に向かって）ナローバンド層２５ｂの組成で始まってワイドバンド層２５ａの組成で終わるように連続的に組成変化させて形成されている。例えば、グレーデッド層２５ｃは、ナローバンド層２５ｂと隣接する一端面の組成が、ナローバンド層２５ｂの組成と同一のＡｌ０．１２ＧａＡｓであり、半導体積層方向においてワイドバンド層２５ａに近づくにつれてＡｌ濃度が連続的に増加し、ワイドバンド層２５ａと隣接する他端面の組成が、ワイドバンド層２５ａの組成と同一のＡｌ０．９０ＧａＡｓとされる。なお、グレーデッド層２５ｃの組成は、ナローバンド層２５ｂからワイドバンド層２５ａに向かって階段状に変化させてもよい。
【００２７】
そして、グレーデッド層２５ｃは、半導体積層方向において不純物濃度が連続的に変化するようにドープされて形成される。グレーデッド層２５ｃは、半導体積層方向においてナローバンド層２５ｂの不純物濃度で始まってワイドバンド層２５ａの不純物濃度で終わるように連続的に変化させて形成されている。例えば、グレーデッド層２５ｃは、ナローバンド層２５ｂと隣接する一端面における不純物濃度がナローバンド層２５ｂの不純物濃度と同一の３×１０＋１８ｃｍ−３となり、半導体積層方向においてナローバンド層２５ｂからワイドバンド層２５ａに向かって不純物濃度が傾斜的に増加し、ワイドバンド層２５ａと隣接する他端面における不純物濃度がワイドバンド層２５ａの不純物濃度と同一の５×１０＋１８ｃｍ−３となるように形成されている。なお、グレーデッド層２５ｃの不純物濃度は、ナローバンド層２５ｂからワイドバンド層２５ａに向かって階段状に変化させてもよい。
【００２８】
ワイドバンド層２５ａとナローバンド層２５ｂとの間には、グレーデッド層２５ｅが配置されている。グレーデッド層２５ｅは、半導体積層方向において（ワイドバンド層２５ａに隣接する端面側から前記ナローバンド層２５ｂに隣接する端面側に向かって）ワイドバンド層２５ａの組成で始まってナローバンド層２５ｂの組成で終わるように連続的に組成変化させて形成されている。例えば、グレーデッド層２５ｅは、ワイドバンド層２５ａと隣接する一端面の組成が、ワイドバンド層２５ａの組成と同一のＡｌ０．９０ＧａＡｓであり、半導体積層方向においてナローバンド層２５ｂに近づくにつれてＡｌ濃度が連続的に減少し、ナローバンド層２５ｂと隣接する他端面の組成が、ナローバンド層２５ｂの組成と同一のＡｌ０．１２ＧａＡｓとされる。なお、グレーデッド層２５ｅの組成は、ワイドバンド層２５ａからナローバンド層２５ｂに向かって階段状に変化させてもよい。
【００２９】
そして、グレーデッド層２５ｅは、半導体積層方向において不純物濃度が連続的に変化するようにドープされて形成される。グレーデッド層２５ｅは、半導体積層方向においてワイドバンド層２５ａの不純物濃度で始まってナローバンド層２５ｂの不純物濃度で終わるように連続的に変化させて形成されている。例えば、グレーデッド層２５ｅは、ワイドバンド層２５ａと隣接する一端面における不純物濃度がワイドバンド層２５ａの不純物濃度と同一の５×１０＋１８ｃｍ−３となり、半導体積層方向においてワイドバンド層２５ａからナローバンド層２５ｂに向かって不純物濃度が傾斜的に減少し、ナローバンド層２５ｂと隣接する他端面における不純物濃度がナローバンド層２５ｎの不純物濃度と同一の３×１０＋１８ｃｍ−３となるように形成されている。なお、グレーデッド層２５ｅの不純物濃度は、ワイドバンド層２５ａからナローバンド層２５ｂに向かって階段状に変化させてもよい。
【００３０】
次に、本実施形態に係る半導体発光素子１について、作用効果を説明する。図２に示す半導体発光素子１において、電流がアノード電極部材５１を介してメサ部２０に供給された場合、電流が上部ｐ型ＤＢＲ層２５を流れ酸化狭窄層２２により絞り込まれて活性層２１へ供給される。電流が活性層２１へ供給されると、活性層２１が発光する。活性層２１から発生した光は、下部ｎ型ＤＢＲ層２４と上部ｐ型ＤＢＲ層２５との間の共振器で共振される。また、上部ｐ型ＤＢＲ層２５は、下部ｎ型ＤＢＲ層２４に比べて反射率が低く構成されている。このため、共振された光の一部はメサ部２０の発光窓部２０ｂからレーザ光として出射される。
【００３１】
上述の通り、アノード電極部材５１から活性層２１へ供給される電流は、上部ｐ型ＤＢＲ層２５を流れるため、上部ｐ型ＤＢＲ層２５の抵抗値は素子抵抗や応答速度に影響する。ＤＢＲ構造では、反射膜として機能させるために組成の異なる層を交互に配置させることが一般的であり、その積層体の層間の界面はヘテロ結合となる。ここで、ヘテロ結合した界面での抵抗を検証及び考察するために、バンド構造を計算した。
【００３２】
図４は、ｐ型のＡｌ０．１２ＧａＡｓとｐ型のＡｌ０．９０Ｇａとのヘテロ界面におけるバンド図の計算結果を示すものである。両層のキャリア濃度は２．５×１０＋１８ｃｍ−３とし、同一とした。また、横軸がエピ表面からの深さであり、縦軸がエネルギーレベルであり、エピ表面からの深さ１００ｎｍの位置にヘテロ界面が存在するものとした。温度条件は、−４０℃、２５℃、８５℃とした。図４に示すように、何れの温度条件においても、ヘテロ界面での価電子帯バンドは不連続となり、ノッチやスパイクが発生する。このノッチやスパイクにより電気的に絶縁された領域である空乏層が形成される（界面近傍において４．０ｎｍ）。特に低温になるにつれて空乏層の領域が大きくなる傾向にあるといえる。このように、バンドの不連続により発生するノッチやスパイクが障壁となり、素子抵抗が増大したり、順方向の電圧が上昇したりすることが確認された。
【００３３】
ここで、ヘテロ界面での抵抗を低減するために、ドーパントを増やしキャリア濃度を増加する手法が考えられる。図５は、図４と同様であり、ｐ型のＡｌ０．１２ＧａＡｓとｐ型のＡｌ０．９０Ｇａとのヘテロ界面における価電子帯バンド図の計算結果を示すものである。両層のキャリア濃度は、抵抗低減のために５．０×１０＋１８ｃｍ−３と図４に比べて高い値とした。結果、図５に示すように、Ａｌ０．１２ＧａＡｓとＡｌ０．９０Ｇａとの間で、界面から離れたバンド曲がりの無くなった部位のベースバンドレベル（価電子レベル）に差異が生じた。低温になるにつれてベースバンドレベルの差異が大きくなる傾向にあり、−４０℃で０．０２ｅＶ程度の差異が生じた。このようなベースバンドレベルの差異は、半導体発光素子１の順電圧を上昇させるおそれがある。
【００３４】
そこで、ベースバンドレベルの差異を解消するために、Ａｌ０．１２ＧａＡｓとＡｌ０．９０Ｇａのキャリア濃度をそれぞれ変化させて、ベースバンドレベルを合せることが考えられる。図６は、図５と同様であり、ｐ型のＡｌ０．１２ＧａＡｓとｐ型のＡｌ０．９０Ｇａとのヘテロ界面における価電子帯バンド図の計算結果を示すものである。両層のキャリア濃度は、Ａｌ０．１２ＧａＡｓで３．０×１０＋１８ｃｍ−３、Ａｌ０．９０Ｇａで５．０×１０＋１８ｃｍ−３とした。図６に示すように、キャリア濃度を変化させることでベースバンドレベルを合せることができることは実証された。しかし、価電子帯バンドには依然としてノッチやスパイクが発生することが確認された。このため、キャリア濃度を調整する場合であっても、ノッチやスパイクに起因する素子抵抗の増大は依然として解消することができないことが確認された。
【００３５】
上記で検証したように、ＤＢＲ層を構成する２つの異なる層の価電子帯のベースバンドレベルを合せる様にキャリア濃度を調整する場合、すなわち、特許文献２のように、異なる屈折率を有する２種類の化合物半導体層を異なる不純物濃度でドープした場合であっても、ノッチやスパイクを解消することができないといえる。この場合を簡略化した概要図で説明する。図７は、積層体におけるキャリア濃度及び価電子帯バンドの位置依存性を示す概要図である。図７に示すように、ナローバンド層２５ｂのキャリア濃度を３．０×１０＋１８ｃｍ−３とし、ワイドバンド層２５ａのキャリア濃度を５．０×１０＋１８ｃｍ−３とすることで、ナローバンド層２５ｂ及びワイドバンド層２５ａ間の価電子帯のベースバンドレベルを揃えることができる。しかしながら、ナローバンド層２５ｂ及びワイドバンド層２５ａの界面の価電子帯バンドにおけるノッチやスパイクを解消することができず、キャリアの流れの妨げとなる。すなわち、特許文献２のように、異なる屈折率を有する２種類の化合物半導体層を異なる不純物濃度でドープした場合であっても、ノッチやスパイクを解消することができないといえる。
【００３６】
一方、特許文献１のように、キャリア濃度及び組成の異なる２つのＡｌＧａＡｓ層間に、組成を連続的に変化させたグレーデッド層を配置することにより、上記問題を解決することが考えられる。図８は、ナローバンド層２５ｂとワイドバンド層２５ａとの間に、ナローバンド層２５ｂからワイドバンド層２５ａに向かって徐々にＡｌ組成を変化させたグレーデッド層２５ｄを配置させた場合のキャリア濃度及び価電子帯バンドの位置依存性を示す概要図である。ナローバンド層２５ｂのキャリア濃度を３．０×１０＋１８ｃｍ−３とし、ワイドバンド層２５ａのキャリア濃度を５．０×１０＋１８ｃｍ−３とし、両者に介在するグレーデッド層２５ｄのキャリア濃度は５．０×１０＋１８ｃｍ−３となるように均一にドープされている。図８に示すように、ナローバンド層２５ｂとワイドバンド層２５ａとの間に、組成をグレーデッドに変化させたグレーデッド層２５ｄを配置した場合であっても、ナローバンド層２５ｂ及びグレーデッド層２５ｄの界面の価電子帯バンドにノッチ及びスパイクが発生してしまい、キャリアの流れの妨げとなる。すなわち、特許文献１のように、異なる屈折率を有する化合物半導体層間のヘテロ接合界面の領域において、その組成が一方の層の組成で始まって他方の層で終わるように徐々に組成変化させた場合であっても、素子抵抗が増大するといえる。
【００３７】
このように、素子抵抗を増大させるノッチやスパイクが発生する原因としては、２種類の化合物間のバンドギャップが違うことで価電子帯に段差が生じる点や、バンドが不連続である点が考えられる。そこで、半導体素子１では、バンドギャップが異なる２種類の半導体層の価電子レベルを一致させるために、ワイドバンド層２５ａの不純物濃度がナローバンド層２５ｂより高濃度となるように形成し、さらに、両者の間に組成がグレーデッドとなるグレーデッド層２５ｃを設けるとともに、そのグレーデッド層２５ｃの不純物濃度も層内で積層方向においてナローバンド層２５ｂ側からワイドバンド層２５ａ側になるに従い徐々に高濃度となるようにグレーデッドドープを施している。このように構成された半導体素子１の上部ｐ型ＤＢＲ層２５のバンドの概要を、図９を用いて説明する。図９は、上部ｐ型ＤＢＲ層２５におけるキャリア濃度及び価電子帯バンドの位置依存性を示す概要図である。図９に示すように、ナローバンド層２５ｂのキャリア濃度を３．０×１０＋１８ｃｍ−３とし、ワイドバンド層２５ａのキャリア濃度を５．０×１０＋１８ｃｍ−３とすることで、ナローバンド層２５ｂ及びワイドバンド層２５ａ間の価電子帯のベースバンドレベルを揃えることができる。さらに、ナローバンド層２５ｂとワイドバンド層２５ａとの間に、組成及び不純物濃度をグレーデッドに変化させたグレーデッド層２５ｃを介在させることで、ナローバンド層２５ｂとワイドバンド層２５ａとの間のキャリア濃度を傾斜的に連続的に変化させることができる。このような構成を採用することにより、価電子帯バンドのノッチやスパイクを低減することができる。よって、素子抵抗の低減及び応答性能の改善を図ることが可能となる。
【００３８】
以上、本実施形態に係る半導体発光素子１によれば、上部ｐ型ＤＢＲ層２５を構成するワイドバンド層２５ａの不純物濃度がナローバンド層２５ｂの不純物濃度よりも高く設定され、積層方向におけるナローバンド層２５ｂとワイドバンド層２５ａとの間に、積層方向においてナローバンド層２５ｂの組成で始まってワイドバンド層２５ａの組成で終わるように連続的に組成変化したグレーデッド層２５ｃが配置される。このグレーデッド層２５ｃは、ナローバンド層２５ｂと隣接する一端面における不純物濃度がナローバンド層２５ｂの不純物濃度と同一となり、積層方向においてナローバンド層２５ｂからワイドバンド層２５ａに向かって不純物濃度が傾斜的に増加し、ワイドバンド層２５ａと隣接する他端面における不純物濃度がワイドバンド層２５ａの不純物濃度と同一となるように形成される。また、積層方向におけるワイドバンド層２５ａとナローバンド層２５ｂとの間に、積層方向においてワイドバンド層２５ａの組成で始まってナローバンド層２５ｂの組成で終わるように連続的に組成変化したグレーデッド層２５ｅが配置される。このグレーデッド層２５ｅは、ワイドバンド層２５ａと隣接する一端面における不純物濃度がワイドバンド層２５ａの不純物濃度と同一となり、積層方向においてワイドバンド層２５ａからナローバンド層２５ｂに向かって不純物濃度が傾斜的に増加し、ナローバンド層２５ｂと隣接する他端面における不純物濃度がナローバンド層２５ｂの不純物濃度と同一となるように形成される。このように構成することで、ワイドバンド層２５ａの価電子帯のレベルとナローバンド層２５ｂの価電子帯のレベルとを、両層の間に介在するグレーデッド層２５ｃ，２５ｅを介して一致させることができるとともに、ワイドバンド層２５ａのキャリア濃度とナローバンド層２５ｂのキャリア濃度とを、両層の間に介在するグレーデッド層２５ｃ，２５ｅを介して滑らかに連続的に繋ぐことが可能となる。このため、ハンド不連続によるノッチやスパイクを低減することができるので、キャリアをスムーズに流すことが可能となる。よって、素子抵抗の低減を図ったり、素子の応答特性を改善したりすることができる。また、図７，８で示す例と比べてヘテロ界面の障壁を抑制し、ヘテロ界面でのノッチを小さくすることができるので、順電圧の低減や温度による変動幅を小さくすることが可能となる。このため、低温での順電圧の増加を抑制することができる。また、有効質量の大きいホールをキャリアとする上部ｐ型ＤＢＲ層２５にグレーデッド層２５ｃを採用することで、素子抵抗の低減を効率良く実現することができる。
【００３９】
また、本実施形態に係る半導体発光素子１によれば、下部ｎ型ＤＢＲ層２４が上部ｐ型ＤＢＲ層２５と同様に構成されるので、下部ｎ型ＤＢＲ層２４に起因する抵抗を低減することができる。よって、素子全体の抵抗の低減を一層図ることが可能となる。
【００４０】
なお、上述した実施形態は、本発明に係る半導体発光素子の一例を示すものである。本発明に係る半導体発光素子は、実施形態に係る半導体発光素子に限られるものではなく、実施形態に係る半導体発光素子を変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。
【００４１】
例えば、上述した実施形態では、上部ｐ型ＤＢＲ層２５及び下部ｎ型ＤＢＲ層２４の何れにもグレーデッド層２５ｃを採用する例を説明したが、上部ｐ型ＤＢＲ層２５にのみグレーデッド層２５ｃを採用した場合であっても、素子抵抗の低減及び応答性能の改善を図ることができる。
【００４２】
また、上述した実施形態では、ＶＣＳＥＬに採用する例を説明したが、これに限られることはなく、ＤＢＲを採用する光発光素子であれば適用することができる。
【００４３】
また、上述した実施形態では、メサ部２０の形状が円柱状である半導体発光素子１について説明したが、メサ部２０の水平方向の断面は円形であるものに限られず、矩形であってもよい。
【００４４】
また、上述した実施形態では、メサ部２０が一つより構成される半導体発光素子１について説明したが、メサ部２０の数に限定されず、メサ部２０を複数備え、アレイ化して構成される半導体発光素子に適用した場合であっても、素子抵抗の低減及び応答性能の改善を図ることができる。
【００４５】
さらに、上述した実施形態では、ｎ型の基板１１を用いた半導体発光素子１について説明したが、ｐ型の基板を用いて、実施形態のｎ型とｐ型を入れ替えて構成される半導体発光素子に適用した場合であっても、素子抵抗の低減及び応答性能の改善を図ることができる。
【符号の説明】
【００４６】
１…半導体発光素子、１１…基板、２０…メサ部、２１…活性層、２２…酸化狭窄層、２４，２５…ＤＢＲ層（第１，第２のミラー層）、２５ａ…ワイドバンド層２５ａ…ナローバンド層、２５ｃ…グレーデッド層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成され、電流が供給されることによって発光する領域を有する活性層と、
前記活性層よりも前記基板側に配置される第１のミラー部と、
前記第１のミラー部との間に前記活性層が介在して配置される第２のミラー部と、
を備え、
前記第２のミラー部は、屈折率及びバンドギャップが異なるナローバンド層及びワイドバンド層が交互に複数積層されるとともに、前記ナローバンド層と前記ワイドバンド層との間にグレーデッド層が配置されて構成されており、
前記ワイドバンド層は、前記ナローバンド層に比べて大きいバンドギャップ及び高い不純物濃度を有し、
前記グレーデッド層は、
前記ナローバンド層と隣接する一端面側から前記ワイドバンド層と隣接する他端面側に向かって前記ナローバンド層の組成で始まって前記ワイドバンド層の組成で終わるように連続的に組成変化させて形成されるとともに、
前記一端面における不純物濃度が前記ナローバンド層の不純物濃度と同一となり、前記一端面側から前記他端面側に向かって不純物濃度が傾斜的に増加し、前記他端面における不純物濃度が前記ワイドバンド層の不純物濃度と同一となるように形成されていること、
を特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１のミラー部は、前記ナローバンド層及び前記ワイドバンド層が交互に複数積層されるとともに、前記ナローバンド層と前記ワイドバンド層との間に前記グレーデッド層が配置されて構成されている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２のミラー部は、ｐ型の導電型を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記第１のミラー部は、ｎ型の導電型を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記活性層から出力された光は、前記第１のミラー部および前記第２のミラー部により形成される共振器構造によって所定の共振波長を有し、積層方向に前記基板と反対側へ出射されることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成され、電流が供給されることによって発光する領域を有する活性層と、
前記活性層よりも前記基板側に配置される第１のミラー部と、
前記第１のミラー部との間に前記活性層が介在して配置される第２のミラー部と、
を備え、
前記第２のミラー部は、屈折率及びバンドギャップが異なるナローバンド層及びワイドバンド層が交互に複数積層されるとともに、前記ナローバンド層と前記ワイドバンド層との間にグレーデッド層が配置されて構成されており、
前記ワイドバンド層は、前記ナローバンド層に比べて大きいバンドギャップ及び高い不純物濃度を有し、
前記グレーデッド層は、
前記ナローバンド層と隣接する一端面側から前記ワイドバンド層と隣接する他端面側に向かって前記ナローバンド層の組成で始まって前記ワイドバンド層の組成で終わるように連続的に組成変化させて形成されるとともに、
前記一端面における不純物濃度が前記ナローバンド層の不純物濃度と同一となり、前記一端面側から前記他端面側に向かって不純物濃度が傾斜的に増加し、前記他端面における不純物濃度が前記ワイドバンド層の不純物濃度と同一となるように形成されていること、
を特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１のミラー部は、前記ナローバンド層及び前記ワイドバンド層が交互に複数積層されるとともに、前記ナローバンド層と前記ワイドバンド層との間に前記グレーデッド層が配置されて構成されている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２のミラー部は、ｐ型の導電型を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記第１のミラー部は、ｎ型の導電型を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記活性層から出力された光は、前記第１のミラー部および前記第２のミラー部により形成される共振器構造によって所定の共振波長を有し、積層方向に前記基板と反対側へ出射されることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の半導体発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図７】
【図８】
【図９】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図７】
【図８】
【図９】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−２３３７０５（Ｐ２０１１−２３３７０５Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１０２４７４（Ｐ２０１０−１０２４７４）
【出願日】平成２２年４月２７日（２０１０．４．２７）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２７日（２０１０．４．２７）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
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