(57)【要約】【課題】高出力で信頼性の高い半導体発光素子が得られる半導体発光素子の製造方法及び半導体発光素子を提供する。【解決手段】半導体発光素子１１は、ｎＧａＡｓ基板１と、ｎ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層と、５００°Ｃ以上で且つ５８０°Ｃ未満の成長温度で形成されたＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸層５と、ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸層５の成長温度以下の成長温度で形成されたｐ型ＩｎＧａＰ上部第１クラッド層７及びｐ型ＩｎＧａＰ上部第２クラッド層９と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型のＧａＡｓ基板上に前記第１導電型の下部クラッド層を形成する第１の工程と、
ＩｎＧａＡｓを含む量子井戸層を５００°Ｃ以上で且つ５８０°Ｃ未満の成長温度で形成する第２の工程と、
前記第１導電型と異なる第２導電型のＩｎＧａＰ又はＩｎＧａＡｓＰから成る上部クラッド層を前記量子井戸層の成長温度以下の成長温度で形成する第３の工程と、
を含む半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記量子井戸層の発光波長が１．２μｍ以上で且つ１．２２μｍ以下である
請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
前記第３の工程の成長温度は、前記量子井戸層の成長温度と同一の温度である
請求項１又は請求項２記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
第１導電型のＧａＡｓ基板と、
前記第１導電型の下部クラッド層と、
５００°Ｃ以上で且つ５８０°Ｃ未満の成長温度で形成されたＩｎＧａＡｓを含む量子井戸層と、
前記量子井戸層の成長温度以下の成長温度で形成された前記第１導電型と異なる第２導電型のＩｎＧａＰ又はＩｎＧａＡｓＰから成る上部クラッド層と、
を含む半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子の製造方法及び半導体発光素子に係り、より詳細には、ＧａＡｓ基板を用いた半導体発光素子の製造方法及び半導体発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＡｓ基板を用いて作製した発光波長が１μｍ帯の半導体発光素子は、ＩｎＰ系基板を用いた半導体発光素子と比較して例えば１００ｍＷ／ｃｍ２以上の高出力化が容易であるため、ラマン分光の光源や、ファイバーレーザの光源として有用である。
【０００３】
発光波長が１μｍ帯の半導体発光素子に用いられる一般的な量子井戸層の材料としては、ＩｎＧａＡｓがある。しかしながら、ＩｎＧａＡｓから成る量子井戸層は、ＧａＡｓ基板と格子整合できないため、ＩｎＧａＡｓから成る量子井戸層をＧａＡｓ基板上に形成して発光波長が１μｍ帯の半導体発光素子を作製しようとすると、かなりの歪が量子井戸層にかかる。この量子井戸層にかかる歪は半導体発光素子の発光特性を劣化させるので、様々な結晶性改善方法が模索されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
一般的に、発光波長が１１５０ｎｍ以上の半導体発光素子を作製する場合、量子井戸層の成長温度は６００°Ｃ以下にすることが必須である。また、クラッド層は、ＧａＡｓに格子整合し、結晶面が平坦になりやすいＡｌＧａＡｓを用いるのが一般的であるが（例えば、特許文献１参照）、ＡｌＧａＡｓクラッド層は、成長温度を６００°Ｃ以上にしないと酸素などを取り込みやすい。このため、成長温度を６００°Ｃより低くすると、高品質なＡｌＧａＡｓクラッド層を得ることができない。
【０００５】
例えば発光波長が１．１５μｍ以上の半導体発光素子を作製するために、６００°Ｃより低い温度でＩｎＧａＡｓ量子井戸層を成長させた後、高品質なＡｌＧａＡｓクラッドを形成するために成長温度を上昇させると、熱のためにＩｎが量子井戸層から拡散し発光波長が短波化してしまうことが知られている（例えば、非特許文献２参照）。Ｉｎの拡散が起きると点欠陥を発生し信頼性が低下する。これは発光波長が１．２μｍに近づくに従って顕著になる。
【特許文献１】特許第２６７４４７４号公報
【非特許文献１】Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ  Ｐｈｙｓ  Ｖｏｌ３８．Ｌ１１７８
【非特許文献２】Ｊ．Ｃｒｙｓ．Ｇｒｏｗｔｈ  Ｖｏｌ１８３  ５１１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、高出力で素子寿命の長い信頼性の高い半導体発光素子を作製するためにＩｎの拡散防止策が種々試されてきたが、実際に有効な方法は未だ見出されていなかった。
【０００７】
本発明は上記事実を考慮して成されたものであり、高出力で信頼性の高い半導体発光素子の製造方法及び半導体発光素子の提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明の半導体発光素子の製造方法は、第１導電型のＧａＡｓ基板上に前記第１導電型の下部クラッド層を形成する第１の工程と、ＩｎＧａＡｓを含む量子井戸層を５００°Ｃ以上で且つ５８０°Ｃ未満の成長温度で形成する第２の工程と、前記第１導電型と異なる第２導電型のＩｎＧａＰ又はＩｎＧａＡｓＰから成る上部クラッド層を前記量子井戸層の成長温度以下の成長温度で形成する第３の工程と、を含む。
【０００９】
この発明によれば、ＩｎＧａＡｓを含む量子井戸層を５００°Ｃ以上で且つ５８０°Ｃ未満の成長温度で形成し、第２導電型のＩｎＧａＰ又はＩｎＧａＡｓＰから成る上部クラッド層を量子井戸層の成長温度以下の成長温度で形成するため、高出力で信頼性の高い半導体発光素子が得られる。
【００１０】
なお、請求項２に記載したように、前記量子井戸層の発光波長が１．２μｍ以上で且つ１．２２μｍ以下である半導体発光素子を製造することにより、例えば動脈硬化等の治療に用いられるレーザ治療装置へ半導体発光素子を適用することが可能となる。
【００１１】
また、請求項３に記載したように、前記第３の工程の成長温度は、前記量子井戸層の成長温度と同一の温度とすることができる。これにより、成長温度を切り替える必要がなく簡単な制御で半導体発光素子を製造することができる。
【００１２】
請求項４記載の発明の半導体発光素子は、第１導電型のＧａＡｓ基板と、前記第１導電型の下部クラッド層と、５００°Ｃ以上で且つ５８０°Ｃ未満の成長温度で形成されたＩｎＧａＡｓを含む量子井戸層と、前記量子井戸層の成長温度以下の成長温度で形成された前記第１導電型と異なる第２導電型のＩｎＧａＰ又はＩｎＧａＡｓＰから成る上部クラッド層と、を含む。
【００１３】
この発明によれば、第１導電型のＧａＡｓ基板と、下部クラッド層と、５００°Ｃ以上で且つ５８０°Ｃ未満の成長温度で形成されたＩｎＧａＡｓを含む量子井戸層と、量子井戸層の成長温度以下の成長温度で形成された第２導電型のＩｎＧａＰ又はＩｎＧａＡｓＰから成る上部クラッド層と、含む構造のため、高出力で信頼性の高い半導体発光素子が得られる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、高出力で信頼性の高い半導体発光素子が得られる、という効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明における最良の実施形態について図面を用いて説明する。
【００１６】
図１には、いわゆるリッジ構造を有し、赤外領域、特に１μｍ以上の発光波長のブロードエリアレーザダイオードであるスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）としての半導体発光素子１１の断面斜視図を示した。
【００１７】
半導体発光素子１１は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いて結晶成長を行うことにより作製することができる。なお、結晶成長を行う際の原料としては、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＢＡ（ターシャルブチルアルシン）、ＡｓＨ３（アルシン）、ＰＨ３（ホスフィン）、ドーパントとしてＳｉＨ４（シラン）、ＤＥＺ（ジエチル亜鉛）を用いることができる。
【００１８】
次に、半導体発光素子１１の具体的な作製方法について説明する。
【００１９】
まず、図１に示すように、ｎ型（第１導電型）ＧａＡｓ基板１上に、ＭＯＣＶＤ法により、成長温度６８５°Ｃ、圧力１０．３ｋＰａの条件下にてｎ型ＧａＡｓバッファ層（０．０５μｍ厚、キャリア濃度７．０×１０１７ｃｍ−３）２、ｎ型Ａｌ０．５５Ｇａ０．４５Ａｓ下部クラッド層（２．０μｍ厚、キャリア濃度７．０×１０１７ｃｍ−３）３、ノンドープＧａＡｓ下部光ガイド層（０．０３４μｍ厚）４を成長させる。そして、成長温度を５３５°Ｃまで下げる。
【００２０】
次に、Ｇａ１−ＸＩｎＸＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸層５を成長させる。量子井戸層５は、一例としてＩｎＧａＡｓ量子井戸層とＧａＡｓ障壁層との交互積層構造を有し、例えばＩｎＧａＡｓ量子井戸層が二層以上の多重量子井戸構造とすることができる。また、量子井戸層５を成長させる際には、発光波長が一例として１．２１μｍとなるように量子井戸層５を成長させる。また、量子井戸層間の障壁層の厚さは一例として４００Åである。
【００２１】
その後、ノンドープＧａＡｓ上部光ガイド層（０．０３４μｍ厚）６、ｐ型Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ上部第１クラッド層（０．２μｍ厚、キャリア濃度７．０×１０１７ｃｍ−３）７、ｐ型ＧａＡｓエッチングストップ層（１００Å厚、キャリア濃度７．０×１０１７ｃｍ−３）８、ｐ型Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ上部第２クラッド層（１μｍ厚、キャリア濃度７．０×１０１７ｃｍ−３）９、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層（０．５μｍ厚、キャリア濃度１．０×１０１９ｃｍ−３）１０をこの順で積層配置する。
【００２２】
次に、フォトリソグラフィ工程により、エッチング用のマスクとしてＳｉＯ２膜を形成し、一例として幅が５０μｍのリッジ形状を形成する。そして、再びＳｉＯ２膜をリッジ以外の部分に電流ブロックのために形成する。
【００２３】
その後、全体の厚みが１００μｍ程度になるまで基板の研磨を行い、図示しないｎ側電極をｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面に、ｐ側電極をｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０上に蒸着後熱処理により形成する。
【００２４】
そして、共振器長が一例として１ｍｍになるようにＬＤバーを劈開により切り出す。なお、端面はコーティングしないので、一例として共振器の両端は、共に反射率が一例として６０％の反射面となる。このようにして作製したチップを、放熱効果を高めるため発光部のあるｐｎ接合部を下にしてヒートシンクに実装することにより、半導体発光素子が作製される。
【００２５】
図２には、上記の結晶成長における成長温度プロファイルを示した。同図に示すように、下部クラッド層、量子井戸層、上部クラッド層ともに成長温度を５３５°Ｃとしている。
【００２６】
なお、上記で説明した半導体発光素子１１の各層の組成、厚み、キャリア濃度等の各種パラメータは一例であり、これに限られるものではない。例えば上部クラッド層は、ＩｎＧａＡｓＰを用いてもよい。
【００２７】
本発明者は、上記の方法で作製した半導体発光素子１１を発振させたところ、発振波長は１２１２ｎｍであり、駆動電流を５００ｍＡとした場合の出力が１２０ｍＷであった。そして、環境温度７０°Ｃにおいて１００ｍＷ出力時の信頼性加速試験を実施したところ、駆動電流が１０％上昇したのは９０００時間であり、非常に信頼性が高いと言える。
【００２８】
次に、上記の半導体発光素子１１とは上部クラッド層以外は同じ条件で半導体発光素子を作製した。このとき、ｐ型Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ上部第１クラッド層７、ｐ型Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ上部第２クラッド層９の代わりに、それぞれｐ型Ａｌ０．４５Ｇａ０．５５Ａｓクラッド層を成長温度６８５°Ｃで形成した。
【００２９】
このようにして作製した半導体発光素子を発振させたところ、発振波長が１１９８ｎｍと短波になってしまった。また、駆動電流を５００ｍＡとした場合の出力が９２ｍＷであった。そして、環境温度７０°Ｃにおいて１００ｍＷ出力時の信頼性加速試験を実施したところ、駆動電流が１０％上昇したのは１００時間とかなり短かく、信頼性が低いと言える。
【００３０】
次に、上記の半導体発光素子１１と上部クラッド層以外は同じ条件で半導体発光素子を作製した。このとき、ｐ型Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ上部第１クラッド層７、ｐ型Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ上部第２クラッド層９の代わりに、それぞれｐ型Ａｌ０．４５Ｇａ０．５５Ａｓクラッド層を成長温度５３５°Ｃで形成した。
【００３１】
このようにして作製した半導体発光素子を発振させたところ、発振波長は１２０９ｎｍとなり、上部クラッド層をＩｎＧａＰで形成した場合とほぼ同等であった。また、駆動電流が５００ｍＡの場合の出力は７４ｍＷであった。そして、環境温度７０°Ｃにおいて１００ｍＷ出力時の信頼性加速試験を実施したところ、駆動電流が１０％上昇したのは１５００時間であり、上部クラッド層をＩｎＧａＰで形成した場合と比較するとかなり短くなってしまった。
【００３２】
図３には、上記のようにＩｎＧａＰから成る上部クラッド層を成長温度５３５°Ｃで成長させた場合、ＡｌＧａＡｓから成る上部クラッド層を成長温度６８５°Ｃで成長させた場合、ＡｌＧａＡｓから成る上部クラッド層を成長温度５３５°Ｃで成長させた場合の３種類の作製方法による半導体発光素子の発光波長と素子寿命との関係を本発明者が試験により得た結果を示した。
【００３３】
図３より、発光波長が１２００ｎｍ以上の領域では、ＩｎＧａＰから成る上部クラッド層を成長温度５３５°Ｃで成長させた場合だけが素子寿命の低下がほぼないことが判る。
【００３４】
すなわち、発光波長が１２００ｎｍ以上の領域では、量子井戸層において量子井戸層以降の成長温度を上昇させないようにして、かつ量子井戸層以降に形成するクラッド層をＡｌを含まないＩｎＧａＰから成るクラッド層とした場合にのみ、信頼性の高い半導体発光素子が得られることが判る。
【００３５】
なお、ＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｓから成る量子井戸層を形成した半導体発光素子においては、発光波長１２２０ｎｍを越える波長でのレーザ発振を実現することはできなかった。従って、発光波長が１２００ｎｍ以上で且つ１２２０ｎｍ以下の半導体発光素子を作製する場合、量子井戸層以降に形成するクラッド層をＩｎＧａＰから成るクラッド層とし、且つ、その成長温度を量子井戸層の成長温度以下とすることにより、高出力で素子寿命が長く信頼性の高い半導体発光素子が得られる。
【００３６】
ところで、発光波長が１２００ｎｍ以上で且つ１２２０ｎｍ以下のレーザ光は、水よりも脂肪成分（脂質）に対して吸収係数が高く、脂肪成分に効率的に吸収されることが知られている（参考文献：Ｌａｓｅｒｓ  ｉｎ  Ｓｕｒｇｅｒｙ  ａｎｄ  Ｍｅｄｉｃｉｎｅ，Ｖｏｌ．３８，ｐ９１３−９１９（２００６）“Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｐｈｏｔｏｔｈｅｒｍｏｌｙｓｙｓ  ｏｆ  Ｌｉｐｉｄ−Ｒｉｃｈ  Ｔｉｓｓｕｅｓ：Ａ  Ｆｒｅｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｌａｓｅｒ  Ｓｔｕｄｙ”）。
【００３７】
このため、１２００ｎｍ以上で且つ１２２０ｎｍ以下の波長のレーザ光は、例えば人間の体内の脂肪成分が皮膚等の周辺の体組織よりも選択的・優先的に加温されるため、レーザ光の照射条件を適度に制御することにより、脂肪成分のみを選択的に除去することが可能となる。従って、このような半導体発光素子は、例えば動脈硬化等の治療に用いられるレーザ治療装置へ適用することが可能となる。
【００３８】
また、図４には、ＩｎＧａＡｓから成る量子井戸層の成長温度を４７５°Ｃ、５００°Ｃ、５２５°Ｃ、５５０°Ｃ、５８０°Ｃ、６００°Ｃとし、量子井戸層形成後にＩｎＧａＰから成る上部クラッド層を量子井戸層と同一温度で成長させた場合における発光波長と素子寿命との関係を本発明者が試験により得た結果を示した。同図に示すように、量子井戸層の成長温度を６００°Ｃとした場合は、発光波長１２００ｎｍ以上で発光する半導体発光素子を作製することはできなかった。また、成長温度を４７５°Ｃとした場合は、他の成長温度の場合と比較して、素子寿命が発光波長全般に亘って低下しているが、これは成長温度が低すぎて結晶品質が低下するためであると考えられる。これに対し、成長温度が５００°Ｃ、５２５°Ｃ、５５０°Ｃ、５８０°Ｃの場合は、発光波長全般に亘ってほぼ同様の素子寿命となっており、大きな素子寿命の低下は見られない。従って、量子井戸層の成長温度は、５００°Ｃ以上で且つ５８０°Ｃ未満の範囲とすることが好ましい。
【００３９】
なお、本実施形態では、量子井戸層形成後に形成する上部クラッド層の成長温度を量子井戸層の成長温度と同一温度とした場合について説明したが、これに限らず、例えば図５に示すように、上部クラッド層を量子井戸層の成長温度よりも低い温度、例えば５００°Ｃで成長させるようにしてもよい。この場合、上部クラッド層の成長温度は、量子井戸層と同様に５００°Ｃ以上とすることが好ましい。これは、５００°Ｃ未満の成長温度だと結晶品質が低下するためである。
【００４０】
また、本実施形態では、結晶の成長方法としてＭＯＣＶＤ法を用いた場合について説明したが、これに限らず、分子線エピタキシー法等、他の成長方法を用いてもよい。
【００４１】
また、本実施形態で説明した光ガイド層やクラッド層等の材料組成及び層厚は、発光波長が単一モードで発光する条件の一例として示したものであり、本発明は本実施形態で説明した材料組成及び層厚に限定されるものではない。
【００４２】
また、本実施形態では、埋込型リッジストライプ構造の半導体発光素子の場合について説明したが、内部ストライプ構造など他の構造の半導体発光素子にも本発明を適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】半導体発光素子の断面斜視図である。
【図２】成長温度プロファイルの一例を示す概念図である。
【図３】上部クラッド層の組成及び成長温度毎の発光波長と素子寿命との関係を示すグラフである。
【図４】量子井戸層の成長温度毎の発光波長と素子寿命との関係を示すグラフである。
【図５】成長温度プロファイルの他の例を示す概念図である。
【符号の説明】
【００４４】
１      ｎ型ＧａＡｓ基板
２      ｎ型ＧａＡｓバッファ層
３      ｎ型ＩｎＧａＰ下部クラッド層
４      ノンドープＧａＡｓ下部光ガイド層
５      ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸層
６      ノンドープＧａＡｓ上部光ガイド層
７      ｐ型ＩｎＧａＰ上部第１クラッド層
８      ｐ型ＧａＡｓエッチングストップ層
９      ｐ型ＩｎＧａＰ上部第２クラッド層
１０      ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１１      半導体発光素子
【図１】
2010080637.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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