発光素子
【課題】発光出力及び応答特性が良く、かつ発光に必要な順方向電圧の上昇を抑制することができる発光素子を提供する。
【解決手段】本発明に係る発光素子は、基板２上に、量子井戸層２１をバリア層２３，５２で挟んで積層させた量子井戸構造の活性層５を具備する発光素子であって、基板２の格子定数は、量子井戸層２１の格子定数と、少なくとも１つのバリア層５２の格子定数の間の値であることを特徴とする。活性層５は２以上の量子井戸層２１を有していてもよい。この場合、基板２の格子定数は、少なくとも一つの量子井戸層２１の格子定数と、少なくとも１つのバリア層５２の格子定数の間の値である。
【解決手段】本発明に係る発光素子は、基板２上に、量子井戸層２１をバリア層２３，５２で挟んで積層させた量子井戸構造の活性層５を具備する発光素子であって、基板２の格子定数は、量子井戸層２１の格子定数と、少なくとも１つのバリア層５２の格子定数の間の値であることを特徴とする。活性層５は２以上の量子井戸層２１を有していてもよい。この場合、基板２の格子定数は、少なくとも一つの量子井戸層２１の格子定数と、少なくとも１つのバリア層５２の格子定数の間の値である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子井戸層構造を有する発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高速かつ大容量のデータ通信網の需要が増加している。これに伴い、屋内用又は車載用のデータ通信網として、プラスチック光ファイバー（ＰＯＦ）を用いたデータ通信網が注目されている。このデータ通信網の光源には、高出力かつ高速応答性が求められる。この２つの特性を有する発光素子として、共振器構造を有する面発光型の発光素子（例えば発光ダイオード）がある。
【０００３】
共振器構造を有する発光素子は、活性層を２つの反射層で挟み込むことにより、活性層からの光を活性層に対して垂直方向に共振させる構造（垂直共振器）を有している。垂直共振器構造において、活性層を量子井戸層にすると高速応答性が実現される。また量子井戸層を複数形成することにより発光出力が高くなる。
【０００４】
特許文献１には、共振器の長さを発光波長の１／２として、かつ共振器の中央に複数の量子井戸層を設けることにより、共振器内の定在波の腹となる位置に複数の量子井戸層が存在するようにした発光ダイオードが開示されている。この発光ダイオードは、複数の量子井戸層それぞれの両側にトンネルバリア層を有している。そして各対のトンネルバリア層の厚さを他の対のトンネルバリア層のいずれの厚さとも相違している。このようにすることにより、各量子井戸層間のキャリア数の偏りによるキャリア準位の幅広化が抑制され、共振器のＱＥＤ効果が高まり発光効率が高まる。なお、トンネルバリア層の相互間にはバンドギャップ整合層が形成されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１７４３２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
共振器構造を有する発光素子では、発光出力を向上させるためにはキャリアを量子井戸層に閉じ込める必要があり、量子井戸層の相互間隔を十分長くしていたため、高速応答性が得られなかった。例えば、高い発光出力を得るために複数の定在波の腹に量子井戸層を配置すると、順方向電圧が増大し、かつ応答速度が低下してしまう。
【０００７】
また、特許文献１に開示された垂直共振器型発光ダイオードは、複数の量子井戸層を有しているが、各量子井戸層の相互間に位置するバリア層が多層構造になると、量子井戸層の相互間隔が大きくなるため、順方向電圧が増大し、かつ応答速度が低下してしまう。
【０００８】
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、発光出力及び応答特性が良く、かつ発光に必要な順方向電圧の上昇を抑制することができる発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は鋭意研究を重ねた結果、基板との格子定数差が大きい活性層を成長させる場合、活性層内に歪が生じ、この歪により活性層内に格子欠陥が生じて発光出力が低下することを見出した。特に高速応答性の発光素子を得ることを目的として活性層を多重量子井戸構造として各量子井戸層間距離を小さくした場合、活性層を構成する各層の膜厚が薄くなるために量子井戸層内に発生する歪が十分に緩衝されず、発光面積が大きく減少することを見出した。従来は、活性層のキャリア閉じ込め効率を高めて発光出力を向上させるというアプローチが行われていたが、本発明者は、上記した知見に基づいて、活性層の発光面積の減少を抑制することにより、従来とは異なるアプローチで発光出力の向上が可能であることを見出した。
【００１０】
本発明は、上記した知見に基づいて成された。すなわち本発明に係る発光素子は、基板上に、量子井戸層をバリア層で挟んで積層させた量子井戸構造の活性層を具備する発光素子において、前記基板の格子定数は、前記量子井戸層の格子定数と、少なくとも１つの前記バリア層の格子定数の間の値であることを特徴とする。
【００１１】
前記活性層は２以上の前記量子井戸層を有し、前記基板の格子定数は、少なくとも一つの前記量子井戸層の格子定数と、少なくとも１つのバリア層の格子定数の間の値であるのが好ましい。
【００１２】
前記活性層が、２つの反射層で挟まれた共振器構造を有していてもよい。この場合、前記前記量子井戸層の中心間距離をＬ、前記発光素子の発光波長をλ、前記反射層間の距離である共振器の光学長内の平均屈折率をｎとした場合に、λ／（１９×ｎ）≦Ｌ≦λ／（９×ｎ）であるのが好ましい。
【００１３】
前記基板の格子定数をＡ、前記量子井戸層の格子定数をＡ+α、前記量子井戸層が有する歪をε１としたとき、ε１=-α/Ａ×１００ （％）で表される前記量子井戸層の歪が、−０．５％以下又は０．５％以上であってもよい。
【００１４】
前記基板の格子定数をＡ、前記歪を有するバリア層の格子定数をＡ+β、該バリア層が有する歪をε２としたとき、ε２=-β/Ａ×１００ （％）で表される前記バリア層の歪が、−２．０％以上０％未満、又は０％超２．０％以下であるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、基板との格子定数差が大きい活性層を有する発光素子において、活性層に発生する歪を緩衝し、活性層の発光面積を広くすることにより発光効率を向上させた発光素子を提供することができる。特に活性層が多重量子井戸構造である場合、応答特性を向上させ、かつ発光に必要な順方向電圧の上昇を抑制するために量子井戸層の相互間隔を短くしても、発光効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について、共振器を有する発光素子を例に説明する。図１（Ａ） は、本発明の実施形態に係る発光素子の構造を示す断面図であり、図１（Ｂ）はその平面図である。図１（Ａ）は図１（Ｂ）のＡ-Ａ断面を示している。図１（Ｂ）において、１２ａ、１２ｂはダイシングラインを示している。
【００１７】
この発光素子１は垂直共振器型発光ダイオードであり、第１導電型（例えばｎ型）の基板２の表面上に、第１反射層３、第１クラッド層４、アンドープの活性層５、第２クラッド層６、第２反射層８、及びコンタクト層９をこの順に積層したものである。第１クラッド層４、活性層５、及び第２クラッド層６により垂直共振器を形成するダブルへテロ接合層７が形成されている。垂直共振器の光学長は、第１反射層３と第２反射層８の距離すなわちダブルへテロ接合層７の厚みである。ここで、第１クラッド層４、第２クラッド層６内の活性層５側に拡散防止層を配置してもよい。また、第２反射層８の上部に電流拡散層を配してもよい。
【００１８】
なお、第１反射層３及び第１クラッド層４を第１導電型として、第２クラッド層６、第２反射層８、及びコンタクト層９を第２導電型（例えばｐ型）にしてもよい。
【００１９】
基板２の裏面には電極１０が形成されており、コンタクト層９の一部上には電極１１が形成されている。電極１１の平面形状は任意の形状（例えば円形、楕円形、又は矩形）とすることができる。コンタクト層９のうち電極１１に覆われていない領域が、光が射出する開口部９ａになる。
【００２０】
活性層５は発光層であり、多重量子井戸構造を有している。活性層５の構造については、図２を用いて後述する。
【００２１】
上記したように、活性層５が第１反射層３及び第２反射層８に挟まれることにより、垂直共振器が形成されている。この垂直共振器内には光の定在波が生じる。すなわち活性層５から下方に射出した光は第１反射層３によって反射される。第１反射層３からの反射光、及び活性層５から上方に射出した光は第２反射層８に入射する。第２反射層８に入射した光の一部は反射し、定在波を形成する。なお、第２反射層８に入射した光の残りは開口部９ａから発光素子１の外部に射出する。このため、第２反射層８より第１反射層３の反射率を高くするのが好ましい。
【００２２】
活性層５の中には定在波の節が位置せず、かつ少なくとも１つの量子井戸層２１（図２を用いて後述）が定在波の腹の位置（電界強度分布が最大値の９５％以上となる部分）に配置されているのが好ましい。このようにすると、発光素子１の発光出力を高くすることができる。また、複数の量子井戸層のうち、最も禁制帯幅が小さい量子井戸層が発光する光の波長をλとした場合、２つの反射層間の長さである垂直共振器の光学長は略λ、略１.５λ、略２.０λであるのが好ましい。光学長を０．５λとすると、活性層５中にクラッド層からドーパントが拡散し、発光効率が低下するおそれがあるため好ましくない。また、光学長が２．５λ以上となると共振効果が弱くなり発光出力が低下する。
【００２３】
基板２、第１反射層３、及び第１クラッド層４の格子整合性は良く、これらの格子定数差を基板の格子定数に対して±０．２％以内とすることが、上層の半導体層の結晶性を維持することが可能となり好ましい。なお、必要に応じて基板２と第１反射層３の間にｎ型のバッファー層（図示せず）を設けてもよい。この場合、第１反射層３の結晶性を更に良くすることができる。また、活性層５と第１クラッド層４の間、及び活性層５と第２クラッド層６の間それぞれに、不純物の拡散を防止する拡散防止層を設けてもよい。
【００２４】
図２は、活性層５の構造を説明するための断面拡大図である。活性層５は、両端にバリア層２３を位置させ、かつこれら２つのバリア層２３の間に、量子井戸層２１とバリア層５２を交互に複数積層した構造を有している。本図においては量子井戸層２１の層数は３層であるが、２層であってもよいし、４層以上であってもよい。ただし、活性層５内には定在波の節を位置させないのが好ましい。これにより、発光出力の低下を抑制することができる。またバリア層２３、５２の厚みを、量子井戸層に対するエネルギー障壁としての機能を保てる範囲で薄くすることにより、同時に順方向電圧の増加も抑えることができる。
【００２５】
また、量子井戸層２１の少なくとも１つは引張り歪もしくは圧縮歪みを有している。この量子井戸層２１の歪は、基板２と量子井戸層と２１の格子定数差が大きいほど大きくなる。
【００２６】
すなわち量子井戸層２１内に生じる歪量εは、基板２の格子定数をＡ、量子井戸層２１の格子定数をＡ＋αとしたとき、
ε＝−α／Ａ×１００ （％）
で表される。ここで、量子井戸層２１の格子定数が基板２の格子定数よりも大きい場合、つまりε＜０のとき、量子井戸層２１内には圧縮歪が生じる。逆に量子井戸層２１の格子定数が基板２の格子定数よりも小さい場合、つまりε＞０のとき、量子井戸層２１内には引張歪が生じる。量子井戸層２１内の歪が大きい場合、量子井戸層２１内に格子欠陥が生じ易くなり、量子井戸層２１の発光面積が減少し、発光素子の発光出力が減少してしまう。
【００２７】
そこで本実施形態では、この歪みを相殺することを目的として、量子井戸間に配置されているバリア層５２の少なくとも１つに、歪を有する量子井戸層２１とは反対方向の歪み（歪量子井戸が圧縮方向であれば引張り、引張り方向であれば圧縮）を持たせている（以下、このバリア層５２を歪補償バリア層と記載）。歪補償バリア層の格子定数をＡ+β、歪補償バリア層が有する歪をε２としたとき、歪補償バリア層の歪は
ε２=-β/Ａ
で表される。
【００２８】
量子井戸層２１間のバリア層５２を歪補償バリア層とすること、すなわち基板２の格子定数を量子井戸層２１の格子定数と、歪補償バリア層の格子定数の間の値にすることで、ε１が−０．５％以下、もしくは０．５％以上の量子井戸層を積層した場合であっても量子井戸層２１内に生じる歪を緩和することが可能となり、量子井戸層２１内の格子欠陥を減少させ、発光面積の減少を抑制することができる。この歪補償バリア層の層数は、量子井戸層２１内に生じる歪量によって適宜選択することができ、歪を有する量子井戸層２１間に配置することで量子井戸層２１内の歪を効果的に緩和することができる。
【００２９】
なお、歪補償バリア層の歪量ε２は、好ましくは−２．０％以上０％未満又は０％超２．０％以下（特に好ましくは−１．０％以上０％未満又は０％超１．０％以下）であるのが好ましい。歪量ε２が上記した範囲から外れ、かつ量子井戸層の有する歪量よりも大きくなった場合、歪補償バリア層内に格子欠陥が発生し、発光素子の出力や歩留まりが低下する為である。
【００３０】
歪補償バリア層の歪の方向及び大きさは、歪補償バリア層を構成している物質の組成を変化させて格子定数を制御することにより行える。例えば基板２がＧａＡｓ基板である場合、歪補償バリア層は、例えばIn１-θＧａθＰ膜（０≦θ≦１）で構成される。θ＜０．４９にすれば歪補償バリア層の格子定数はＧａＡｓ基板の格子定数より大きくなり、歪補償バリア層内に引張歪が生じる。またその値は、θを小さくするほど引張方向に大きくなる。またθ＞０．４９にすれば歪補償バリア層の格子定数はＧａＡｓ基板の格子定数より小さくなり、歪補償バリア層内に圧縮歪が生じる。またその値は、θを大きくするほど圧縮方向に大きくなる。
【００３１】
さらに歪補償バリア層を設けることで、量子井戸層２１内の格子欠陥を増加させずに量子井戸層２１の中心間距離を小さくすることが可能となり、発光素子の発光出力を維持したまま、さらなる高速応答性を実現することができる。特に発光素子が共振型発光素子とした場合、共振器内の定在波の電解分布強度が高い部分に数多くの量子井戸層２１を配置することが可能となり、発光出力及び応答速度を向上させ、かつ順方向電圧の上昇を抑制させることができる。
【００３２】
発光素子が垂直共振型である場合、互いに隣りあう２つの量子井戸層２１の中心間距離Ｌは、発光素子１の発光波長をλ、ダブルへテロ接合層７の平均屈折率をｎとした場合、（１）式を満たすのが好ましい。また更に好ましくは、（２）式を満たすのが好ましい。
λ／（１９×ｎ）≦Ｌ≦λ／（９×ｎ） … （１）
λ／（１５×ｎ）≦Ｌ≦λ／（１０×ｎ） … （２）
ただし、量子井戸層２１の中心間距離Ｌは、隣接する量子井戸層２１において、各量子井戸層２１の厚みの半分と、量子井戸層２１に挟まれたバリア層５２の厚みである。すなわち、厚みがＸとＹである量子井戸層２１間に、厚みがＺのバリア層５２が挟まれた構造の場合、量子井戸層２１の中心間距離Ｌは、Ｌ＝（Ｘ＋Ｙ）／２＋Ｚとなる。また、平均屈折率ｎは、ダブルへテロ接合層７を構成する各層の屈折率と、活性層５に対する各層の長さの比率の積を合計したものである。例えば屈折率Ｂの膜の厚さが２０ｎｍ、屈折率Ｃの膜の厚さが１０ｎｍの平均屈折率ｎ＝Ｂ×（２０／３０）＋Ｃ×（１０／３０）となる。このようにすると、発光出力を効率的に高められる。
【００３３】
量子井戸層２１の中心間距離が上記（１）式を満たすことにより、発光素子１の発光効率及び応答特性の双方が良くなる。Ｌがλ／（１９×ｎ）より小さくなると、バリア層による量子井戸層へのキャリア閉じ込め効果を確保するために必要なバリア層５２の厚さを確保できなくなり、発光出力が低下する。また、量子井戸層２１の実効幅が実質的に広くなって応答出力が低下する恐れがある。また、Ｌがλ／（９×ｎ）より大きくなると、共振効果が低下することにより、発光出力の低下、応答特性の低下、及び発光に必要な順方向電圧の上昇が生じる。なお、Ｌは、上記式を満たす範囲の値に設定することが好ましく、すべての近接する量子井戸層の相互間で同一の値であってもよいし、少なくとも１つが他と異なる値であってもよい。
【００３４】
また、本発明に係る発光素子において、各量子井戸層の禁制帯幅を変化させることが可能である。
図３の各図は、量子井戸層２１の禁制帯幅を説明するための図である。図３（Ａ）の例では、３つの量子井戸層２１は同一の組成を有しており、それぞれの禁制帯幅が同一である。
【００３５】
図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）の例では３つの量子井戸層２１の組成はそれぞれ異なる。そして、図３（Ｂ）に示す例では、第２クラッド層６から第１クラッド層４に近づくにつれて量子井戸層２１の禁制帯幅が大きくなっている。また図３（Ｃ）に示す例では、最も第２クラッド層６に近い量子井戸層２１の順に、禁制帯幅が小さくなっている。すなわち、３つの量子井戸層２１の禁制帯幅がすべて違っている。
【００３６】
また、図３（Ｄ）に示す例では、中間に位置する量子井戸層２１の禁制帯幅が最も大きく、かつ第１、第２クラッド層に最も近い量子井戸層２１が略同じ禁制帯幅となっている。
【００３７】
図３（Ｂ）〜（Ｄ）のいずれの場合においても、図３（Ａ）に示す禁制帯幅が同一とした場合と比べ、発光素子１の発光出力が高くなる。特に、図３（Ｄ）に示すように量子井戸層２１を配置することで、発光出力を効果的に向上させることが可能となり、垂直共振器の長さを禁制帯幅の小さい量子井戸層から発光する波長のｎ／２倍（ｎは正の整数）と略同じとすることでも発光出力を向上させることができる。なお、量子井戸層２１の数が２層の場合又は４層以上の場合のいずれにおいても、図３の各図に示した構成を有するのが望ましい。
【００３８】
次に、発光素子１の製造方法について説明する。まず、基板２上に第１反射層３を形成する。第１反射層３は、例えばＭＯＣＶＤ法又はＭＢＥ法を用いることにより、エピタキシャル成長層として形成することができる。基板２がｎ型のＧａＡｓ基板の場合、第１反射層３は、例えばｎ型のＡｌ１-xＧａxＡｓ膜（０＜x＜１）からなる第１ブラッグ反射層、及びｎ型のＡｌ１-ｙＧａｙＡｓ膜（０≦ｙ＜１、かつｙ＜x）からなる第２ブラッグ反射膜を交互に積層することにより形成される。
なお、第１反射層３を形成する前に基板２上にバッファー層を形成してもよい。
【００３９】
次いで、第１クラッド層４、活性層５、第２クラッド層６、第２反射層８、コンタクト層９を、この順に形成する。これらの層は、例えばＭＯＣＶＤ法又はＭＢＥ法を用いることにより、例えば同一の装置内でエピタキシャル成長層として連続して形成することができる。
【００４０】
具体的には、第１反射層３がｎ型のＡｌ１-xＧａxＡｓ膜（０＜x＜１）及びＡｌ１-ｙＧａｙＡｓ膜（０≦ｙ＜１、かつｙ＜x）で形成される場合、第１クラッド層４はｎ型のＡｌ１-ZＧａZＡｓ膜（０≦ｚ≦１）により形成される。
【００４１】
また、活性層５の量子井戸層２１はアンドープのＩｎαＧａ１-αAs膜（０＜α≦１）により形成され、バリア層５２はＡｌβＧａγＩｎ１-β-γＰ膜（０≦β≦１、０≦γ≦１、かつ０≦β+γ≦１）又はＡｌ１-θＧａθＡｓ膜（０≦θ≦１）により形成される。バリア層５２の少なくとも１つは１−β−γ＜０.４９のＡｌβＧａγＩｎ１-β-γＰ膜である。また、バリア層２３についてはＡｌβＧａγＩｎ１-β-γＰ膜、Ａｌ１-θＧａθＡｓ膜のいずれを使用してもよい。
【００４２】
また、第２クラッド層６は、例えばｐ型のＡｌ１-ａＧａａＡｓ膜（０≦ａ≦１）により形成される。第２反射層８は、例えばｐ型のＡｌ１-ｂＧａｂＡｓ膜（０＜ｂ＜１）からなる第１ブラッグ反射層、及びｐ型のＡｌ１-ｃＧａｃＡｓ膜（０≦ｃ＜１、かつｃ＜ｂ）からなる第２ブラッグ反射膜を交互に積層することにより形成される。コンタクト層９は、例えばＧａＡｓ膜により形成される。
【００４３】
なお、第１クラッド層４、活性層５、及び第２クラッド層６の組成は、所望する発光波長に応じて選定する。
【００４４】
次いで、コンタクト層９の表面に電極１１を形成するとともに、基板２の裏面に電極１０を形成する。次いで、エッチングにより電極１１を選択的に除去し、開口部９ａを形成する。その後、ダイシングライン１２a、１２ｂに沿ってダイシングを行ない、複数の発光素子１を互いに切り離す。
【００４５】
以上、本発明の実施形態によれば、歪を有する多重量子井戸構造を有する活性層５において、少なくとも一つのバリア層５２は、量子井戸層２１とは逆方向の歪みを有する歪補償バリア層とすることで、活性層５全体の歪みを補償し、量子井戸層２１の結晶性を向上させることができる。このため、量子井戸層２１内に結晶欠陥の少ない、発光効率の高い発光素子を作製することができる。
【００４６】
さらに、量子井戸層２１の中心間距離を小さくしても量子井戸層内の結晶性の劣化を抑制することができるため、発光出力を維持したまま、応答特性を高め、さらに順方向電圧も低下させることができる。
【００４７】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。例えば活性層５が有する量子井戸層２１を一層にしてもよい。この場合、量子井戸層２１を挟む２つのバリア層２３の少なくとも一方が、上記した歪補償バリア層になる。
【実施例１】
【００４８】
歪補償バリア層による量子井戸層内の歪緩衝効果を検証する為に、図４（Ａ）に構造を示す試料１を作製した。また、比較例として、図４（Ｂ）に構造を示す試料２を作製した。
【００４９】
図４（Ａ）に示す試料１（歪補償バリア層あり）は、ｎ型のＧａＡｓ基板６０（格子定数：５．６５Å）、ｉ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ膜からなる第１クラッド層６１、ｉ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ膜からなるバリア層６２、ｉ−Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ膜からなる量子井戸層６３、ｉ−Ｉｎ０．４５Ｇａ０．５５Ｐ膜からなる歪補償バリア層６４、ｉ−Ｉｎ０．１１Ｇａ０．８９Ａｓ膜からなる量子井戸層６５、ｉ−Ｉｎ０．４５Ｇａ０．５５Ｐ膜からなる歪補償バリア層６６、ｉ−Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ膜からなる量子井戸層６７、ｉ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ膜からなるバリア層６８、及びｉ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ膜からなる第２クラッド層６９を、この順に積層させたものである。図中括弧内に記載したように、量子井戸層６３、６５、６７のＧａＡｓ基板６０に対する歪量はそれぞれ−１．０７％、−０．７８％、−１．０７％、歪補償バリア層６４、６６のＧａＡｓ基板６０に対する歪量は０．２６％、バリア層６２、６８のＧａＡｓ基板６０に対する歪量は−０．０２％であった。また、各層の膜厚はそれぞれ１０ｎｍとした。
【００５０】
また図４（Ｂ）に示す試料２（歪補償バリア層なし）は、ｎ型のＧａＡｓ基板７０上に、ｉ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ膜からなる第１クラッド層７１、ｉ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ膜からなるバリア層７２、ｉ−Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ膜からなる量子井戸層７３、ｉ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ膜からなるバリア層７４、ｉ−Ｉｎ０．１１Ｇａ０．８９Ａｓ膜からなる量子井戸層７５、ｉ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ膜からなるバリア層７６、ｉ−Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ膜からなる量子井戸層７７、ｉ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ膜からなるバリア層７８、及びｉ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ膜からなる第２クラッド層７９を、この順に積層させたものである。図中括弧内に記載したように、量子井戸層７３、７５、７７のＧａＡｓ基板７０に対する歪量はそれぞれ−１．０７％、−０．７８％、−１．０７％、バリア層７２、７４、７６、７８のＧａＡｓ基板７０に対する歪量は−０．０２％であった。また、各層の膜厚はそれぞれ１０ｎｍとした。
【００５１】
図５は、試料１及び試料２のフォトルミネッセンス（ＰＬ）強度のウェハ面内分布を示す。試料１及び２のＰＬ強度は、ＹＡＧレーザ（波長５３２ｎｍ）を照射し、試料中のレーザ照射した箇所からの発光をアバランシェフォトダイオードで受光することにより測定した。このとき試料から発光された光は約９４０ｎｍが主発光波長であり、上述した量子井戸層から発光されていることが分かった。また、ウェハ全体にレーザを２．５mmピッチで走査させることにより、ウェハ全体のＰＬ強度を測定した。
【００５２】
図５に示したように、歪補償バリア層を用いない試料２ではＰＬ発光強度の弱い部分が[０１１]方向に沿って発生し、欠陥の発生により結晶性が悪化していることが分かった。一方、活性層間に歪補償バリア層を入れた試料１では発光強度がウェハ面内の略全面で略一定だった。これにより、歪補償バリア層を導入することにより、歪みを起因とする活性層の結晶欠陥の発生を抑制できたことが示された。
【００５３】
次に、上記した実施形態に示した構造を有する垂直共振器型発光ダイオードを、同一のウェハから切り出すことにより複数作製した。これらの垂直共振器型発光ダイオードの活性層５としては、図４（Ａ）に示したバリア層６２、量子井戸層６３、歪補償バリア層６４、量子井戸層６５、歪補償バリア層６６、量子井戸層６７、及びバリア層６８をこの順にそれぞれ１０ｎｍ積層した構造を採用した（実施例１）。
【００５４】
また比較例となる垂直共振器型発光ダイオードを、一つのウェハから複数切り出して作製した。この比較例１となる垂直共振器型発光ダイオードは、活性層の構造以外は実施例１と同様の構造であるが、活性層を、図４（Ｂ）に示したバリア層７２、量子井戸層７３、バリア層７４、量子井戸層７５、歪補償バリア層７６、量子井戸層７７、及びバリア層７８をこの順にそれぞれ１０ｎｍ積層した構造とした。
【００５５】
実施例１に係る複数の垂直共振器型発光ダイオード及び比較例１に係る複数の垂直共振器型発光ダイオードそれぞれにおいて、２０ｍＡ通電時の発光出力を測定した。結果を表１に示す。発光出力は積分球を用いることにより全発光出力の測定を行った。
【００５６】
【表１】
【００５７】
表１に示すように、比較例１では歪補償バリア層を用いてない為に欠陥がウェハ面内に部分的に発生し、出力のばらつきが大きくなった。それに対してＩｎ０．４５Ｇａ０．５５Ｐ層である歪補償バリア層６６を用いた実施例１では、出力のバラつきが小さく、かつ平均の光出力及び最大の光出力も歪補償バリア層を用いない場合に比べ高くなった。
【００５８】
これらの結果から、適正な位置に各量子井戸を配置し、かつ量子井戸層の歪を歪補償バリア層で補償することにより、垂直共振器型発光ダイオードにおいて高出力化ができ、かつウェハ面内で発光出力のばらつきが小さくなることが示された。
【００５９】
次に、実施例１においてバリア層６２、歪補償バリア層６４，６６、及びバリア層６８の厚みを変化させた垂直共振器型発光ダイオードを複数種類作成した（実施例２）。また比較例１においてバリア層７２，７４，７６，７８の厚みを変化させた垂直共振器型発光ダイオードを複数種類作成した（比較例２）。量子井戸層の厚みは全て１０ｎｍであり、バリア層の厚みは２０ｎｍ、１５ｎｍ、１０ｎｍ、及び５ｎｍである。各垂直共振器型発光ダイオードの発光波長λは９４０ｎｍであり、共振器内の平均屈折率ｎは、実施例２、比較例２ともに約３．３１であった。また、λ／（Ａ×ｎ）＝Ｌ（量子井戸層２１の中心間距離）の式で算出されるＡ（すなわち上記した（１）式及び（２）式に関連）は、９．５〜１８．９の間である。これらの垂直共振器型発光ダイオードにおいて、２０ｍＡ通電時の発光出力を測定した。結果を表２に示す。発光出力は積分球を用いることにより全発光出力の測定を行った。
【００６０】
【表２】
【００６１】
表２に示すように、量子井戸層の中心間距離がいずれの値をとった場合においても、実施例２は比較例２と比較して平均の発光出力が約２倍になった。また、量子井戸層の中心間距離を１５ｎｍと小さくした場合、比較例２の発光出力は、中心間距離を２５ｎｍとした時の約半分となったのに対し、実施例２の発光出力は、中心間距離を２０ｎｍとした時の約４／５であり、量子井戸層の中心間距離を小さくしても発光出力の減少割合が小さいことが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】（Ａ） は本発明の実施形態に係る発光素子の構造を示す断面図、（Ｂ）はその平面図。
【図２】活性層５の構造を説明するための断面拡大図。
【図３】各図はそれぞれ量子井戸層２１の禁制帯幅を説明する為の図。
【図４】（Ａ）は試料１の積層構造を示す断面図、（Ｂ）は試料２の積層構造を示す断面図。
【図５】（Ａ）は試料１のＰＬ強度のウェハ面内分布を示す図、（Ｂ）は試料２のＰＬ強度のウェハ面内分布を示す図。
【符号の説明】
【００６３】
１…発光素子、２…基板、３…第１反射層、４…第１クラッド層、５…活性層、６…第２クラッド層、７…ダブルヘテロ接合層、８…第２反射層、９…電極層、９ａ…開口部、１０，１１…電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子井戸層構造を有する発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高速かつ大容量のデータ通信網の需要が増加している。これに伴い、屋内用又は車載用のデータ通信網として、プラスチック光ファイバー（ＰＯＦ）を用いたデータ通信網が注目されている。このデータ通信網の光源には、高出力かつ高速応答性が求められる。この２つの特性を有する発光素子として、共振器構造を有する面発光型の発光素子（例えば発光ダイオード）がある。
【０００３】
共振器構造を有する発光素子は、活性層を２つの反射層で挟み込むことにより、活性層からの光を活性層に対して垂直方向に共振させる構造（垂直共振器）を有している。垂直共振器構造において、活性層を量子井戸層にすると高速応答性が実現される。また量子井戸層を複数形成することにより発光出力が高くなる。
【０００４】
特許文献１には、共振器の長さを発光波長の１／２として、かつ共振器の中央に複数の量子井戸層を設けることにより、共振器内の定在波の腹となる位置に複数の量子井戸層が存在するようにした発光ダイオードが開示されている。この発光ダイオードは、複数の量子井戸層それぞれの両側にトンネルバリア層を有している。そして各対のトンネルバリア層の厚さを他の対のトンネルバリア層のいずれの厚さとも相違している。このようにすることにより、各量子井戸層間のキャリア数の偏りによるキャリア準位の幅広化が抑制され、共振器のＱＥＤ効果が高まり発光効率が高まる。なお、トンネルバリア層の相互間にはバンドギャップ整合層が形成されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１７４３２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
共振器構造を有する発光素子では、発光出力を向上させるためにはキャリアを量子井戸層に閉じ込める必要があり、量子井戸層の相互間隔を十分長くしていたため、高速応答性が得られなかった。例えば、高い発光出力を得るために複数の定在波の腹に量子井戸層を配置すると、順方向電圧が増大し、かつ応答速度が低下してしまう。
【０００７】
また、特許文献１に開示された垂直共振器型発光ダイオードは、複数の量子井戸層を有しているが、各量子井戸層の相互間に位置するバリア層が多層構造になると、量子井戸層の相互間隔が大きくなるため、順方向電圧が増大し、かつ応答速度が低下してしまう。
【０００８】
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、発光出力及び応答特性が良く、かつ発光に必要な順方向電圧の上昇を抑制することができる発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は鋭意研究を重ねた結果、基板との格子定数差が大きい活性層を成長させる場合、活性層内に歪が生じ、この歪により活性層内に格子欠陥が生じて発光出力が低下することを見出した。特に高速応答性の発光素子を得ることを目的として活性層を多重量子井戸構造として各量子井戸層間距離を小さくした場合、活性層を構成する各層の膜厚が薄くなるために量子井戸層内に発生する歪が十分に緩衝されず、発光面積が大きく減少することを見出した。従来は、活性層のキャリア閉じ込め効率を高めて発光出力を向上させるというアプローチが行われていたが、本発明者は、上記した知見に基づいて、活性層の発光面積の減少を抑制することにより、従来とは異なるアプローチで発光出力の向上が可能であることを見出した。
【００１０】
本発明は、上記した知見に基づいて成された。すなわち本発明に係る発光素子は、基板上に、量子井戸層をバリア層で挟んで積層させた量子井戸構造の活性層を具備する発光素子において、前記基板の格子定数は、前記量子井戸層の格子定数と、少なくとも１つの前記バリア層の格子定数の間の値であることを特徴とする。
【００１１】
前記活性層は２以上の前記量子井戸層を有し、前記基板の格子定数は、少なくとも一つの前記量子井戸層の格子定数と、少なくとも１つのバリア層の格子定数の間の値であるのが好ましい。
【００１２】
前記活性層が、２つの反射層で挟まれた共振器構造を有していてもよい。この場合、前記前記量子井戸層の中心間距離をＬ、前記発光素子の発光波長をλ、前記反射層間の距離である共振器の光学長内の平均屈折率をｎとした場合に、λ／（１９×ｎ）≦Ｌ≦λ／（９×ｎ）であるのが好ましい。
【００１３】
前記基板の格子定数をＡ、前記量子井戸層の格子定数をＡ+α、前記量子井戸層が有する歪をε１としたとき、ε１=-α/Ａ×１００ （％）で表される前記量子井戸層の歪が、−０．５％以下又は０．５％以上であってもよい。
【００１４】
前記基板の格子定数をＡ、前記歪を有するバリア層の格子定数をＡ+β、該バリア層が有する歪をε２としたとき、ε２=-β/Ａ×１００ （％）で表される前記バリア層の歪が、−２．０％以上０％未満、又は０％超２．０％以下であるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、基板との格子定数差が大きい活性層を有する発光素子において、活性層に発生する歪を緩衝し、活性層の発光面積を広くすることにより発光効率を向上させた発光素子を提供することができる。特に活性層が多重量子井戸構造である場合、応答特性を向上させ、かつ発光に必要な順方向電圧の上昇を抑制するために量子井戸層の相互間隔を短くしても、発光効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について、共振器を有する発光素子を例に説明する。図１（Ａ） は、本発明の実施形態に係る発光素子の構造を示す断面図であり、図１（Ｂ）はその平面図である。図１（Ａ）は図１（Ｂ）のＡ-Ａ断面を示している。図１（Ｂ）において、１２ａ、１２ｂはダイシングラインを示している。
【００１７】
この発光素子１は垂直共振器型発光ダイオードであり、第１導電型（例えばｎ型）の基板２の表面上に、第１反射層３、第１クラッド層４、アンドープの活性層５、第２クラッド層６、第２反射層８、及びコンタクト層９をこの順に積層したものである。第１クラッド層４、活性層５、及び第２クラッド層６により垂直共振器を形成するダブルへテロ接合層７が形成されている。垂直共振器の光学長は、第１反射層３と第２反射層８の距離すなわちダブルへテロ接合層７の厚みである。ここで、第１クラッド層４、第２クラッド層６内の活性層５側に拡散防止層を配置してもよい。また、第２反射層８の上部に電流拡散層を配してもよい。
【００１８】
なお、第１反射層３及び第１クラッド層４を第１導電型として、第２クラッド層６、第２反射層８、及びコンタクト層９を第２導電型（例えばｐ型）にしてもよい。
【００１９】
基板２の裏面には電極１０が形成されており、コンタクト層９の一部上には電極１１が形成されている。電極１１の平面形状は任意の形状（例えば円形、楕円形、又は矩形）とすることができる。コンタクト層９のうち電極１１に覆われていない領域が、光が射出する開口部９ａになる。
【００２０】
活性層５は発光層であり、多重量子井戸構造を有している。活性層５の構造については、図２を用いて後述する。
【００２１】
上記したように、活性層５が第１反射層３及び第２反射層８に挟まれることにより、垂直共振器が形成されている。この垂直共振器内には光の定在波が生じる。すなわち活性層５から下方に射出した光は第１反射層３によって反射される。第１反射層３からの反射光、及び活性層５から上方に射出した光は第２反射層８に入射する。第２反射層８に入射した光の一部は反射し、定在波を形成する。なお、第２反射層８に入射した光の残りは開口部９ａから発光素子１の外部に射出する。このため、第２反射層８より第１反射層３の反射率を高くするのが好ましい。
【００２２】
活性層５の中には定在波の節が位置せず、かつ少なくとも１つの量子井戸層２１（図２を用いて後述）が定在波の腹の位置（電界強度分布が最大値の９５％以上となる部分）に配置されているのが好ましい。このようにすると、発光素子１の発光出力を高くすることができる。また、複数の量子井戸層のうち、最も禁制帯幅が小さい量子井戸層が発光する光の波長をλとした場合、２つの反射層間の長さである垂直共振器の光学長は略λ、略１.５λ、略２.０λであるのが好ましい。光学長を０．５λとすると、活性層５中にクラッド層からドーパントが拡散し、発光効率が低下するおそれがあるため好ましくない。また、光学長が２．５λ以上となると共振効果が弱くなり発光出力が低下する。
【００２３】
基板２、第１反射層３、及び第１クラッド層４の格子整合性は良く、これらの格子定数差を基板の格子定数に対して±０．２％以内とすることが、上層の半導体層の結晶性を維持することが可能となり好ましい。なお、必要に応じて基板２と第１反射層３の間にｎ型のバッファー層（図示せず）を設けてもよい。この場合、第１反射層３の結晶性を更に良くすることができる。また、活性層５と第１クラッド層４の間、及び活性層５と第２クラッド層６の間それぞれに、不純物の拡散を防止する拡散防止層を設けてもよい。
【００２４】
図２は、活性層５の構造を説明するための断面拡大図である。活性層５は、両端にバリア層２３を位置させ、かつこれら２つのバリア層２３の間に、量子井戸層２１とバリア層５２を交互に複数積層した構造を有している。本図においては量子井戸層２１の層数は３層であるが、２層であってもよいし、４層以上であってもよい。ただし、活性層５内には定在波の節を位置させないのが好ましい。これにより、発光出力の低下を抑制することができる。またバリア層２３、５２の厚みを、量子井戸層に対するエネルギー障壁としての機能を保てる範囲で薄くすることにより、同時に順方向電圧の増加も抑えることができる。
【００２５】
また、量子井戸層２１の少なくとも１つは引張り歪もしくは圧縮歪みを有している。この量子井戸層２１の歪は、基板２と量子井戸層と２１の格子定数差が大きいほど大きくなる。
【００２６】
すなわち量子井戸層２１内に生じる歪量εは、基板２の格子定数をＡ、量子井戸層２１の格子定数をＡ＋αとしたとき、
ε＝−α／Ａ×１００ （％）
で表される。ここで、量子井戸層２１の格子定数が基板２の格子定数よりも大きい場合、つまりε＜０のとき、量子井戸層２１内には圧縮歪が生じる。逆に量子井戸層２１の格子定数が基板２の格子定数よりも小さい場合、つまりε＞０のとき、量子井戸層２１内には引張歪が生じる。量子井戸層２１内の歪が大きい場合、量子井戸層２１内に格子欠陥が生じ易くなり、量子井戸層２１の発光面積が減少し、発光素子の発光出力が減少してしまう。
【００２７】
そこで本実施形態では、この歪みを相殺することを目的として、量子井戸間に配置されているバリア層５２の少なくとも１つに、歪を有する量子井戸層２１とは反対方向の歪み（歪量子井戸が圧縮方向であれば引張り、引張り方向であれば圧縮）を持たせている（以下、このバリア層５２を歪補償バリア層と記載）。歪補償バリア層の格子定数をＡ+β、歪補償バリア層が有する歪をε２としたとき、歪補償バリア層の歪は
ε２=-β/Ａ
で表される。
【００２８】
量子井戸層２１間のバリア層５２を歪補償バリア層とすること、すなわち基板２の格子定数を量子井戸層２１の格子定数と、歪補償バリア層の格子定数の間の値にすることで、ε１が−０．５％以下、もしくは０．５％以上の量子井戸層を積層した場合であっても量子井戸層２１内に生じる歪を緩和することが可能となり、量子井戸層２１内の格子欠陥を減少させ、発光面積の減少を抑制することができる。この歪補償バリア層の層数は、量子井戸層２１内に生じる歪量によって適宜選択することができ、歪を有する量子井戸層２１間に配置することで量子井戸層２１内の歪を効果的に緩和することができる。
【００２９】
なお、歪補償バリア層の歪量ε２は、好ましくは−２．０％以上０％未満又は０％超２．０％以下（特に好ましくは−１．０％以上０％未満又は０％超１．０％以下）であるのが好ましい。歪量ε２が上記した範囲から外れ、かつ量子井戸層の有する歪量よりも大きくなった場合、歪補償バリア層内に格子欠陥が発生し、発光素子の出力や歩留まりが低下する為である。
【００３０】
歪補償バリア層の歪の方向及び大きさは、歪補償バリア層を構成している物質の組成を変化させて格子定数を制御することにより行える。例えば基板２がＧａＡｓ基板である場合、歪補償バリア層は、例えばIn１-θＧａθＰ膜（０≦θ≦１）で構成される。θ＜０．４９にすれば歪補償バリア層の格子定数はＧａＡｓ基板の格子定数より大きくなり、歪補償バリア層内に引張歪が生じる。またその値は、θを小さくするほど引張方向に大きくなる。またθ＞０．４９にすれば歪補償バリア層の格子定数はＧａＡｓ基板の格子定数より小さくなり、歪補償バリア層内に圧縮歪が生じる。またその値は、θを大きくするほど圧縮方向に大きくなる。
【００３１】
さらに歪補償バリア層を設けることで、量子井戸層２１内の格子欠陥を増加させずに量子井戸層２１の中心間距離を小さくすることが可能となり、発光素子の発光出力を維持したまま、さらなる高速応答性を実現することができる。特に発光素子が共振型発光素子とした場合、共振器内の定在波の電解分布強度が高い部分に数多くの量子井戸層２１を配置することが可能となり、発光出力及び応答速度を向上させ、かつ順方向電圧の上昇を抑制させることができる。
【００３２】
発光素子が垂直共振型である場合、互いに隣りあう２つの量子井戸層２１の中心間距離Ｌは、発光素子１の発光波長をλ、ダブルへテロ接合層７の平均屈折率をｎとした場合、（１）式を満たすのが好ましい。また更に好ましくは、（２）式を満たすのが好ましい。
λ／（１９×ｎ）≦Ｌ≦λ／（９×ｎ） … （１）
λ／（１５×ｎ）≦Ｌ≦λ／（１０×ｎ） … （２）
ただし、量子井戸層２１の中心間距離Ｌは、隣接する量子井戸層２１において、各量子井戸層２１の厚みの半分と、量子井戸層２１に挟まれたバリア層５２の厚みである。すなわち、厚みがＸとＹである量子井戸層２１間に、厚みがＺのバリア層５２が挟まれた構造の場合、量子井戸層２１の中心間距離Ｌは、Ｌ＝（Ｘ＋Ｙ）／２＋Ｚとなる。また、平均屈折率ｎは、ダブルへテロ接合層７を構成する各層の屈折率と、活性層５に対する各層の長さの比率の積を合計したものである。例えば屈折率Ｂの膜の厚さが２０ｎｍ、屈折率Ｃの膜の厚さが１０ｎｍの平均屈折率ｎ＝Ｂ×（２０／３０）＋Ｃ×（１０／３０）となる。このようにすると、発光出力を効率的に高められる。
【００３３】
量子井戸層２１の中心間距離が上記（１）式を満たすことにより、発光素子１の発光効率及び応答特性の双方が良くなる。Ｌがλ／（１９×ｎ）より小さくなると、バリア層による量子井戸層へのキャリア閉じ込め効果を確保するために必要なバリア層５２の厚さを確保できなくなり、発光出力が低下する。また、量子井戸層２１の実効幅が実質的に広くなって応答出力が低下する恐れがある。また、Ｌがλ／（９×ｎ）より大きくなると、共振効果が低下することにより、発光出力の低下、応答特性の低下、及び発光に必要な順方向電圧の上昇が生じる。なお、Ｌは、上記式を満たす範囲の値に設定することが好ましく、すべての近接する量子井戸層の相互間で同一の値であってもよいし、少なくとも１つが他と異なる値であってもよい。
【００３４】
また、本発明に係る発光素子において、各量子井戸層の禁制帯幅を変化させることが可能である。
図３の各図は、量子井戸層２１の禁制帯幅を説明するための図である。図３（Ａ）の例では、３つの量子井戸層２１は同一の組成を有しており、それぞれの禁制帯幅が同一である。
【００３５】
図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）の例では３つの量子井戸層２１の組成はそれぞれ異なる。そして、図３（Ｂ）に示す例では、第２クラッド層６から第１クラッド層４に近づくにつれて量子井戸層２１の禁制帯幅が大きくなっている。また図３（Ｃ）に示す例では、最も第２クラッド層６に近い量子井戸層２１の順に、禁制帯幅が小さくなっている。すなわち、３つの量子井戸層２１の禁制帯幅がすべて違っている。
【００３６】
また、図３（Ｄ）に示す例では、中間に位置する量子井戸層２１の禁制帯幅が最も大きく、かつ第１、第２クラッド層に最も近い量子井戸層２１が略同じ禁制帯幅となっている。
【００３７】
図３（Ｂ）〜（Ｄ）のいずれの場合においても、図３（Ａ）に示す禁制帯幅が同一とした場合と比べ、発光素子１の発光出力が高くなる。特に、図３（Ｄ）に示すように量子井戸層２１を配置することで、発光出力を効果的に向上させることが可能となり、垂直共振器の長さを禁制帯幅の小さい量子井戸層から発光する波長のｎ／２倍（ｎは正の整数）と略同じとすることでも発光出力を向上させることができる。なお、量子井戸層２１の数が２層の場合又は４層以上の場合のいずれにおいても、図３の各図に示した構成を有するのが望ましい。
【００３８】
次に、発光素子１の製造方法について説明する。まず、基板２上に第１反射層３を形成する。第１反射層３は、例えばＭＯＣＶＤ法又はＭＢＥ法を用いることにより、エピタキシャル成長層として形成することができる。基板２がｎ型のＧａＡｓ基板の場合、第１反射層３は、例えばｎ型のＡｌ１-xＧａxＡｓ膜（０＜x＜１）からなる第１ブラッグ反射層、及びｎ型のＡｌ１-ｙＧａｙＡｓ膜（０≦ｙ＜１、かつｙ＜x）からなる第２ブラッグ反射膜を交互に積層することにより形成される。
なお、第１反射層３を形成する前に基板２上にバッファー層を形成してもよい。
【００３９】
次いで、第１クラッド層４、活性層５、第２クラッド層６、第２反射層８、コンタクト層９を、この順に形成する。これらの層は、例えばＭＯＣＶＤ法又はＭＢＥ法を用いることにより、例えば同一の装置内でエピタキシャル成長層として連続して形成することができる。
【００４０】
具体的には、第１反射層３がｎ型のＡｌ１-xＧａxＡｓ膜（０＜x＜１）及びＡｌ１-ｙＧａｙＡｓ膜（０≦ｙ＜１、かつｙ＜x）で形成される場合、第１クラッド層４はｎ型のＡｌ１-ZＧａZＡｓ膜（０≦ｚ≦１）により形成される。
【００４１】
また、活性層５の量子井戸層２１はアンドープのＩｎαＧａ１-αAs膜（０＜α≦１）により形成され、バリア層５２はＡｌβＧａγＩｎ１-β-γＰ膜（０≦β≦１、０≦γ≦１、かつ０≦β+γ≦１）又はＡｌ１-θＧａθＡｓ膜（０≦θ≦１）により形成される。バリア層５２の少なくとも１つは１−β−γ＜０.４９のＡｌβＧａγＩｎ１-β-γＰ膜である。また、バリア層２３についてはＡｌβＧａγＩｎ１-β-γＰ膜、Ａｌ１-θＧａθＡｓ膜のいずれを使用してもよい。
【００４２】
また、第２クラッド層６は、例えばｐ型のＡｌ１-ａＧａａＡｓ膜（０≦ａ≦１）により形成される。第２反射層８は、例えばｐ型のＡｌ１-ｂＧａｂＡｓ膜（０＜ｂ＜１）からなる第１ブラッグ反射層、及びｐ型のＡｌ１-ｃＧａｃＡｓ膜（０≦ｃ＜１、かつｃ＜ｂ）からなる第２ブラッグ反射膜を交互に積層することにより形成される。コンタクト層９は、例えばＧａＡｓ膜により形成される。
【００４３】
なお、第１クラッド層４、活性層５、及び第２クラッド層６の組成は、所望する発光波長に応じて選定する。
【００４４】
次いで、コンタクト層９の表面に電極１１を形成するとともに、基板２の裏面に電極１０を形成する。次いで、エッチングにより電極１１を選択的に除去し、開口部９ａを形成する。その後、ダイシングライン１２a、１２ｂに沿ってダイシングを行ない、複数の発光素子１を互いに切り離す。
【００４５】
以上、本発明の実施形態によれば、歪を有する多重量子井戸構造を有する活性層５において、少なくとも一つのバリア層５２は、量子井戸層２１とは逆方向の歪みを有する歪補償バリア層とすることで、活性層５全体の歪みを補償し、量子井戸層２１の結晶性を向上させることができる。このため、量子井戸層２１内に結晶欠陥の少ない、発光効率の高い発光素子を作製することができる。
【００４６】
さらに、量子井戸層２１の中心間距離を小さくしても量子井戸層内の結晶性の劣化を抑制することができるため、発光出力を維持したまま、応答特性を高め、さらに順方向電圧も低下させることができる。
【００４７】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。例えば活性層５が有する量子井戸層２１を一層にしてもよい。この場合、量子井戸層２１を挟む２つのバリア層２３の少なくとも一方が、上記した歪補償バリア層になる。
【実施例１】
【００４８】
歪補償バリア層による量子井戸層内の歪緩衝効果を検証する為に、図４（Ａ）に構造を示す試料１を作製した。また、比較例として、図４（Ｂ）に構造を示す試料２を作製した。
【００４９】
図４（Ａ）に示す試料１（歪補償バリア層あり）は、ｎ型のＧａＡｓ基板６０（格子定数：５．６５Å）、ｉ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ膜からなる第１クラッド層６１、ｉ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ膜からなるバリア層６２、ｉ−Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ膜からなる量子井戸層６３、ｉ−Ｉｎ０．４５Ｇａ０．５５Ｐ膜からなる歪補償バリア層６４、ｉ−Ｉｎ０．１１Ｇａ０．８９Ａｓ膜からなる量子井戸層６５、ｉ−Ｉｎ０．４５Ｇａ０．５５Ｐ膜からなる歪補償バリア層６６、ｉ−Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ膜からなる量子井戸層６７、ｉ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ膜からなるバリア層６８、及びｉ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ膜からなる第２クラッド層６９を、この順に積層させたものである。図中括弧内に記載したように、量子井戸層６３、６５、６７のＧａＡｓ基板６０に対する歪量はそれぞれ−１．０７％、−０．７８％、−１．０７％、歪補償バリア層６４、６６のＧａＡｓ基板６０に対する歪量は０．２６％、バリア層６２、６８のＧａＡｓ基板６０に対する歪量は−０．０２％であった。また、各層の膜厚はそれぞれ１０ｎｍとした。
【００５０】
また図４（Ｂ）に示す試料２（歪補償バリア層なし）は、ｎ型のＧａＡｓ基板７０上に、ｉ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ膜からなる第１クラッド層７１、ｉ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ膜からなるバリア層７２、ｉ−Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ膜からなる量子井戸層７３、ｉ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ膜からなるバリア層７４、ｉ−Ｉｎ０．１１Ｇａ０．８９Ａｓ膜からなる量子井戸層７５、ｉ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ膜からなるバリア層７６、ｉ−Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ膜からなる量子井戸層７７、ｉ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ膜からなるバリア層７８、及びｉ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ膜からなる第２クラッド層７９を、この順に積層させたものである。図中括弧内に記載したように、量子井戸層７３、７５、７７のＧａＡｓ基板７０に対する歪量はそれぞれ−１．０７％、−０．７８％、−１．０７％、バリア層７２、７４、７６、７８のＧａＡｓ基板７０に対する歪量は−０．０２％であった。また、各層の膜厚はそれぞれ１０ｎｍとした。
【００５１】
図５は、試料１及び試料２のフォトルミネッセンス（ＰＬ）強度のウェハ面内分布を示す。試料１及び２のＰＬ強度は、ＹＡＧレーザ（波長５３２ｎｍ）を照射し、試料中のレーザ照射した箇所からの発光をアバランシェフォトダイオードで受光することにより測定した。このとき試料から発光された光は約９４０ｎｍが主発光波長であり、上述した量子井戸層から発光されていることが分かった。また、ウェハ全体にレーザを２．５mmピッチで走査させることにより、ウェハ全体のＰＬ強度を測定した。
【００５２】
図５に示したように、歪補償バリア層を用いない試料２ではＰＬ発光強度の弱い部分が[０１１]方向に沿って発生し、欠陥の発生により結晶性が悪化していることが分かった。一方、活性層間に歪補償バリア層を入れた試料１では発光強度がウェハ面内の略全面で略一定だった。これにより、歪補償バリア層を導入することにより、歪みを起因とする活性層の結晶欠陥の発生を抑制できたことが示された。
【００５３】
次に、上記した実施形態に示した構造を有する垂直共振器型発光ダイオードを、同一のウェハから切り出すことにより複数作製した。これらの垂直共振器型発光ダイオードの活性層５としては、図４（Ａ）に示したバリア層６２、量子井戸層６３、歪補償バリア層６４、量子井戸層６５、歪補償バリア層６６、量子井戸層６７、及びバリア層６８をこの順にそれぞれ１０ｎｍ積層した構造を採用した（実施例１）。
【００５４】
また比較例となる垂直共振器型発光ダイオードを、一つのウェハから複数切り出して作製した。この比較例１となる垂直共振器型発光ダイオードは、活性層の構造以外は実施例１と同様の構造であるが、活性層を、図４（Ｂ）に示したバリア層７２、量子井戸層７３、バリア層７４、量子井戸層７５、歪補償バリア層７６、量子井戸層７７、及びバリア層７８をこの順にそれぞれ１０ｎｍ積層した構造とした。
【００５５】
実施例１に係る複数の垂直共振器型発光ダイオード及び比較例１に係る複数の垂直共振器型発光ダイオードそれぞれにおいて、２０ｍＡ通電時の発光出力を測定した。結果を表１に示す。発光出力は積分球を用いることにより全発光出力の測定を行った。
【００５６】
【表１】
【００５７】
表１に示すように、比較例１では歪補償バリア層を用いてない為に欠陥がウェハ面内に部分的に発生し、出力のばらつきが大きくなった。それに対してＩｎ０．４５Ｇａ０．５５Ｐ層である歪補償バリア層６６を用いた実施例１では、出力のバラつきが小さく、かつ平均の光出力及び最大の光出力も歪補償バリア層を用いない場合に比べ高くなった。
【００５８】
これらの結果から、適正な位置に各量子井戸を配置し、かつ量子井戸層の歪を歪補償バリア層で補償することにより、垂直共振器型発光ダイオードにおいて高出力化ができ、かつウェハ面内で発光出力のばらつきが小さくなることが示された。
【００５９】
次に、実施例１においてバリア層６２、歪補償バリア層６４，６６、及びバリア層６８の厚みを変化させた垂直共振器型発光ダイオードを複数種類作成した（実施例２）。また比較例１においてバリア層７２，７４，７６，７８の厚みを変化させた垂直共振器型発光ダイオードを複数種類作成した（比較例２）。量子井戸層の厚みは全て１０ｎｍであり、バリア層の厚みは２０ｎｍ、１５ｎｍ、１０ｎｍ、及び５ｎｍである。各垂直共振器型発光ダイオードの発光波長λは９４０ｎｍであり、共振器内の平均屈折率ｎは、実施例２、比較例２ともに約３．３１であった。また、λ／（Ａ×ｎ）＝Ｌ（量子井戸層２１の中心間距離）の式で算出されるＡ（すなわち上記した（１）式及び（２）式に関連）は、９．５〜１８．９の間である。これらの垂直共振器型発光ダイオードにおいて、２０ｍＡ通電時の発光出力を測定した。結果を表２に示す。発光出力は積分球を用いることにより全発光出力の測定を行った。
【００６０】
【表２】
【００６１】
表２に示すように、量子井戸層の中心間距離がいずれの値をとった場合においても、実施例２は比較例２と比較して平均の発光出力が約２倍になった。また、量子井戸層の中心間距離を１５ｎｍと小さくした場合、比較例２の発光出力は、中心間距離を２５ｎｍとした時の約半分となったのに対し、実施例２の発光出力は、中心間距離を２０ｎｍとした時の約４／５であり、量子井戸層の中心間距離を小さくしても発光出力の減少割合が小さいことが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】（Ａ） は本発明の実施形態に係る発光素子の構造を示す断面図、（Ｂ）はその平面図。
【図２】活性層５の構造を説明するための断面拡大図。
【図３】各図はそれぞれ量子井戸層２１の禁制帯幅を説明する為の図。
【図４】（Ａ）は試料１の積層構造を示す断面図、（Ｂ）は試料２の積層構造を示す断面図。
【図５】（Ａ）は試料１のＰＬ強度のウェハ面内分布を示す図、（Ｂ）は試料２のＰＬ強度のウェハ面内分布を示す図。
【符号の説明】
【００６３】
１…発光素子、２…基板、３…第１反射層、４…第１クラッド層、５…活性層、６…第２クラッド層、７…ダブルヘテロ接合層、８…第２反射層、９…電極層、９ａ…開口部、１０，１１…電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、量子井戸層をバリア層で挟んで積層させた量子井戸構造の活性層を具備する発光素子において、
前記基板の格子定数は、前記量子井戸層の格子定数と、少なくとも１つの前記バリア層の格子定数の間の値であることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記活性層は２以上の前記量子井戸層を有し、
前記基板の格子定数は、少なくとも一つの前記量子井戸層の格子定数と、少なくとも１つのバリア層の格子定数の間の値であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記活性層が、２つの反射層で挟まれた共振器構造を有する請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記前記量子井戸層の中心間距離をＬ、前記発光素子の発光波長をλ、前記反射層間の距離である共振器の光学長内の平均屈折率をｎとした場合に、
λ／（１９×ｎ）≦Ｌ≦λ／（９×ｎ）
である請求項３に記載の発光素子。
【請求項５】
前記基板の格子定数をＡ、前記量子井戸層の格子定数をＡ+α、前記量子井戸層が有する歪をε１としたとき、
ε１=-α/Ａ×１００ （％）
で表される前記量子井戸層の歪が、−０．５％以下又は０．５％以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光素子
【請求項６】
前記基板の格子定数をＡ、前記歪を有するバリア層の格子定数をＡ+β、該バリア層が有する歪をε２としたとき、
ε２=-β/Ａ×１００ （％）
で表される前記バリア層の歪が、−２．０％以上０％未満、又は０％超２．０％以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項１】
基板上に、量子井戸層をバリア層で挟んで積層させた量子井戸構造の活性層を具備する発光素子において、
前記基板の格子定数は、前記量子井戸層の格子定数と、少なくとも１つの前記バリア層の格子定数の間の値であることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記活性層は２以上の前記量子井戸層を有し、
前記基板の格子定数は、少なくとも一つの前記量子井戸層の格子定数と、少なくとも１つのバリア層の格子定数の間の値であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記活性層が、２つの反射層で挟まれた共振器構造を有する請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記前記量子井戸層の中心間距離をＬ、前記発光素子の発光波長をλ、前記反射層間の距離である共振器の光学長内の平均屈折率をｎとした場合に、
λ／（１９×ｎ）≦Ｌ≦λ／（９×ｎ）
である請求項３に記載の発光素子。
【請求項５】
前記基板の格子定数をＡ、前記量子井戸層の格子定数をＡ+α、前記量子井戸層が有する歪をε１としたとき、
ε１=-α/Ａ×１００ （％）
で表される前記量子井戸層の歪が、−０．５％以下又は０．５％以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光素子
【請求項６】
前記基板の格子定数をＡ、前記歪を有するバリア層の格子定数をＡ+β、該バリア層が有する歪をε２としたとき、
ε２=-β/Ａ×１００ （％）
で表される前記バリア層の歪が、−２．０％以上０％未満、又は０％超２．０％以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−１０３４９８（Ｐ２００８−１０３４９８Ａ）
【公開日】平成２０年５月１日（２００８．５．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２８４０４３（Ｐ２００６−２８４０４３）
【出願日】平成１８年１０月１８日（２００６．１０．１８）
【出願人】（５０６３３４１８２）ＤＯＷＡエレクトロニクス株式会社 (336)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年５月１日（２００８．５．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１０月１８日（２００６．１０．１８）
【出願人】（５０６３３４１８２）ＤＯＷＡエレクトロニクス株式会社 (336)
【Ｆターム（参考）】
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