(57)【要約】【課題】良好な高速応答性を有するレゾナント・キャビティ型ＬＥＤを提供すること。【解決手段】ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＡｌＡｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓからなる第１ＤＢＲ３と、量子井戸活性層５と、ｐ型（Ａｌ０．２Ｇａ０．８）０．５Ｉｎ０．５Ｐ／Ａｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる第２ＤＢＲ７と、ｎ型ＧａＰ電流狭窄層１０を備え、第１ＤＢＲ３と第２ＤＢＲ７とで共振器を形成すると共に、この共振器内の定在波の腹の位置に量子井戸活性層５を形成する。第２ＤＢＲ７と電流狭窄層１０の間に、抵抗率を厚みで除した値が１×１０３Ω以上の抵抗値を有するｐ型ＧａＰエッチング保護層９を備える。電流狭窄層１０で形成された電流経路内の電流は電流経路外に拡散し難いので、量子井戸層において、応答速度の劣化を招く電流密度が低い領域が殆ど生じない。【選択図】　図１
2004031513.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、第１多層反射膜と、発光層と、ＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）からなる第２多層反射膜と、電流狭窄層を順に備え、上記第１多層反射膜と第２多層反射膜とが所定の間隔を有して共振器を形成し、この共振器内の定在波の腹の位置に上記発光層が形成された半導体発光素子において、
上記第２多層反射膜と電流狭窄層の間に、抵抗率を厚みで除した値が１×１０３Ω以上の半導体層を備えることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
半導体基板上に、第１多層反射膜と、発光層と、ＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）からなる第２多層反射膜と、電流狭窄層を順に備え、上記第１多層反射膜と第２多層反射膜とが所定の間隔を有して共振器を形成し、この共振器内の定在波の腹の位置に上記発光層が形成された半導体発光素子において、
上記電流狭窄層で形成される電流通路への全注入電流に対して、上記電流通路よりも外側に拡散する電流の割合が２５％以下であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体発光素子において、
上記電流狭窄層上に、電流拡散層を備えることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１つに記載の半導体発光素子において、
上記半導体基板はＧａＡｓからなり、
上記発光層はＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）からなり、
上記第２多層反射膜と電流狭窄層の間に、ＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）またはＧａＰからなる半導体層を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか１つに記載の半導体発光素子において、
上記半導体基板はＧａＡｓからなり、
上記第２多層反射膜と電流狭窄層の間に、ＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）またはＧａＰからなる半導体層を備え、
上記電流狭窄層はＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）またはＧａＰからなることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項６】
請求項１乃至３のいずれか１つに記載の半導体発光素子において、
上記半導体基板はＧａＡｓからなり、
上記第２多層反射膜と電流狭窄層の間に、ＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）またはＧａＰからなる半導体層を備え、
上記電流拡散層はＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）からなることを特徴とする半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信や情報表示パネル等に、半導体発光素子が広く用いられている。これらの半導体発光素子は高い発光効率が要求され、特に、光通信用の半導体発光素子については応答速度が高いことが重要であるので、高効率かつ高速応答の半導体発光素子の開発が盛んに行われている。
【０００３】
高効率の半導体発光素子としては、低電流動作が可能な面発光形のＬＥＤ（発光ダイオード）が注目されている。しかし、上記面発光型のＬＥＤは高速応答性が比較的悪くて、データ伝送速度において１００Ｍｂｐｓ〜２００Ｍｂｐｓ程度が限界である。そこで、レゾナント・キャビティ型のＬＥＤが開発されている。このレゾナント・キャビティ型ＬＥＤは、２つのミラーで形成された共振器における定在波の腹の位置に、発光層を位置させることによって、自然放出光を制御して、高速応答及び高効率を実現するものである（特開平３−２２９４８０号公報、米国特許第５２２６０５３号参照）。最近、ＩＥＥＥ１３９４，ＵＳＢ２などに準拠する高速通信システムに、ＰＯＦ（プラスチック光ファイバ）が利用され始めている。ＰＯＦに好適な光源として、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体材料を発光層に用いたレゾナント・キャビティ型ＬＥＤが開発されている。このＬＥＤは、上記ＰＯＦにおいて低損失な波長領域に含まれる６５０ｎｍ波長で、高効率発光が可能である（Ｈｉｇｈ　Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ　Ｖｉｓｉｂｌｅ　Ｒｅｓｏｎａｎｔ　Ｃａｖｉｔｙ　Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ：ＩＥＥＥ　ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＬＥＴＴＥＲＳ　ＶＯＬ．１０　ＮＯ．１２　ＤＥＣＥＭＢＥＲ　１９９８）。
【０００４】
ところが、上記ＡｌＧａＩｎＰ系発光層を有するレゾナント・キャビティ型ＬＥＤは、共振器を形成するミラーとしてＡｌＧａＡｓ系の材料の多層反射膜を用いるので、ＬＥＤ表面近傍に、ＡｌＡｓや、Ａｌ混晶比が１に近いＡｌＧａＡｓの層が存在することになり、耐湿性に問題があった。また、表面から注入された電流は１μｍ程度の厚さのＤＢＲにおいてのみ拡散するので、電流拡散が不十分になって、数十ｍＡ以上の電流を注入すると光出力が飽和するという問題があった。これらの問題を解決するため、表面電極を数μｍ幅の蜂の巣状あるいはメッシュ状の電極とすることが提案されているが、そのような電極は電極切れが生じ易くてＬＥＤの信頼性の低下を招くという問題がある。
【０００５】
そこで、従来、共振器を形成する表面側の多層反射膜を、ＡｌＧａＩｎＰ系の材料で構成した半導体発光素子が提案されている（特開２００１−６８７３２号公報参照）。この半導体発光素子は、表面側の多層反射膜をＡｌＧａＩｎＰ系の材料で構成して耐湿性を向上すると共に、電流狭窄層を設けて発光層に注入する電流密度を高くすると共に、電流拡散層を設けて光出力の飽和を解消するようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の半導体発光素子は、上記電流狭窄層で形成された電流経路よりも外側に電流が拡散し、この拡散した電流によって、電流密度が低い領域が発光層に生じる。この発光層の電流密度が低い領域は応答速度が遅いので、素子全体として応答速度が低下するという問題がある。
【０００７】
そこで、この発明の目的は、良好な高速応答性を有するレゾナント・キャビティ型ＬＥＤを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の半導体発光素子は、半導体基板上に、第１多層反射膜と、発光層と、ＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）からなる第２多層反射膜と、電流狭窄層を順に備える。上記第１多層反射膜と第２多層反射膜とは所定の間隔を有して共振器を形成する。上記発光層は、上記共振器内の定在波の腹の位置に形成されている。そして、上記第２多層反射膜と電流狭窄層の間に、抵抗率を厚みで除した値が１×１０３Ω以上の半導体層を備える。この半導体層は、抵抗率を比較的大きくしてキャリア濃度を比較的低くしているので、上記電流狭窄層で形成された電流経路内の電流は、電流経路外に拡散し難い。したがって、上記発光層において電流密度が低い領域が殆ど生じないので、半導体発光素子の応答特性が効果的に向上する。
【０００９】
ここにおいて、上記第２多層反射膜と電流狭窄層の間の半導体層が、抵抗率を厚みで除した値が１×１０３Ωよりも小さいと、電流狭窄層によって形成された電流経路の外側への電流の拡散量が、半導体発光素子の応答特性に悪影響を与える程度に大きくなってしまう。
【００１０】
従来、共振器構造を有しない面発光形の半導体発光素子では、多層反射膜と電流狭窄層の間の層について、直列抵抗低減のため、キャリア濃度を３×１０１８ｃｍ−３程度にしていた。このような半導体発光素子では、上記多層反射膜と電流狭窄層の間の層のキャリア濃度が、応答速度の高速化の妨げとなることは認識されていなかった。本発明者は、上記電流狭窄層で形成された電流経路から電流が拡散する原因が、上記発光層の上に形成された多層反射膜と上記電流狭窄層との間の層の抵抗率に相関することを見出し、それに基いて本発明がなされた。
【００１１】
なお、本明細書を通して、半導体化合物におけるｙおよびｚは、各半導体化合物毎に独立である。
【００１２】
１実施形態の半導体発光素子では、上記電流狭窄層で形成された電流通路よりも外側に拡散する電流の割合が、上記電流通路への全注入電流の２５％以下である。これによって、上記発光層の電流密度が低い領域が、半導体発光素子全体の応答特性に悪影響を与えない程度に減少できる。上記電流狭窄層で形成された電流経路よりも外側に拡散する電流の割合が、全注入電流の２５％よりも大きくなると、上記電流経路よりも外側に拡散した電流による電流密度が低い領域が過大になって、半導体発光素子全体の応答特性が悪化してしまう。
【００１３】
１実施形態の半導体発光素子は、上記電流狭窄層上に、電流拡散層を備える。半導体発光素子の表面から注入された電流は、上記電流拡散層によって、上記電流狭窄層で形成される電流経路に均一に導かれる。したがって、半導体発光素子の動作電圧が効果的に低減できる。
【００１４】
１実施形態の半導体発光素子は、発光層はＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）からなるので、５５０ｎｍから６８０ｎｍの波長範囲の発光光が得られる。
【００１５】
１実施形態の半導体発光素子は、上記第２多層反射膜と電流狭窄層の間に、ＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）からなる半導体層を備える。したがって、波長が５５０ｎｍ以上の光に対して透明になるので、５５０ｎｍ以上の波長の発光光を高効率に取り出すことができる。
【００１６】
１実施形態の半導体発光素子は、上記第２多層反射膜と電流狭窄層の間に、ＧａＰからなる半導体層を備える。この半導体層は表面が酸化し難いので、この層上に良好な結晶性の半導体層を成長できる。その結果、格子不整合や結晶欠陥などが少なくて良好な特性の半導体発光素子が得られる。
【００１７】
１実施形態の半導体発光素子は、上記電流狭窄層はＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）からなる。したがって、波長が５５０ｎｍ以上の光に対して透明になるので、５５０ｎｍ以上の波長の発光光を高効率に取り出すことができる。
【００１８】
１実施形態の半導体発光素子は、上記電流狭窄層はＧａＰからなる。この半導体層は表面が酸化し難いので、この層上に良好な結晶性の半導体層を成長できる。その結果、格子不整合や結晶欠陥などが少なくて良好な発光特性の半導体発光素子が得られる。
【００１９】
１実施形態の半導体発光素子は、上記電流拡散層はＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）からなる。したがって、波長が５５０ｎｍ以上の光に対して透明になるので、５５０ｎｍ以上の波長の発光光を高効率に取り出すことができる。
【００２０】
また、上記半導体基板は、その上に形成される半導体層の結晶性を考慮して、ＧａＡｓで形成するのが好ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態により詳細に説明する。
【００２２】
（第１実施形態）
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態の半導体発光素子を示す平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。図２は、図１（ａ），（ｂ）の半導体発光素子の製造途中の様子を示す断面図である。図３（ａ）は、半導体発光素子の製造途中の様子であって、図２と異なる工程の様子を示す断面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。
【００２３】
本実施形態の半導体発光素子はＡｌＧａＩｎＰ系の半導体発光素子である。まず、図２に示すように、（１００）面から［０１１］方向に１５°傾斜した半導体基板としてのｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型のＧａＡｓバッファー層２（層厚１μｍ、キャリア濃度５×１０１７ｃｍ−３）と、第１多層反射膜としてのｎ型の第１ＤＢＲ（分布型ブラッグ反射器）３（キャリア濃度５×１０１７ｃｍ−３）と、ｎ型の（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ第１クラッド層４（キャリア濃度５×１０１７ｃｍ−３）と、発光層としての量子井戸活性層５と、ｐ型の（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ第２クラッド層６（キャリア濃度５×１０１７ｃｍ−３）と、第２多層反射膜としての第２ＤＢＲ７（キャリア濃度５×１０１７ｃｍ−３）と、ｐ型のＡｌＧａＩｎＰ中間層８（層厚０．１μｍ、キャリア濃度５×１０１８ｃｍ−３）と、ｐ型のＧａＰエッチング保護層９（層厚１μｍ、キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３）と、ｎ型のＧａＰ層１０（層厚０．３μｍ、キャリア濃度３×１０１８ｃｍ−３）と、アンドープのＧａＡｓキャップ層１１（層厚０．０１μｍ）を、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって順次積層する。
【００２４】
上記第１ＤＢＲ３は、ｎ型のＡｌＡｓおよびｎ型のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓの３０．５ペアによって形成する。上記量子井戸活性層５は、ＧａＩｎＰ井戸層と、（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐバリア層とで形成する。上記第２ＤＢＲ７は、ｐ型の（Ａｌ０．２Ｇａ０．８）０．５Ｉｎ０．５Ｐおよびｐ型のＡｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐの１２ペアによって形成する。
【００２５】
ここで、ｎ型の第１ＤＢＲ３と、ｐ型の第２ＤＢＲ７は、反射スペクトルの中心が６５０ｎｍになるように形成する。そして、この２つのＤＢＲ３，７で構成する共振器の共振波長が６５０ｎｍになるように、互いの間隔、つまり共振器長を調整する。本実施例では、共振器長を２波長分とした。さらに、量子井戸活性層５は、上記２つのＤＢＲ３，７による共振器中に生じる定在波の腹に位置するように形成し、発光ピーク波長が６５０ｎｍになるようにする。
【００２６】
その後、ｎ型のＧａＡｓキャップ層１１を硫酸／過酸化水素系エッチャントで除去した後、フォトリソグラフィーおよび硫酸／過酸化水素系エッチャントによるによって、ｎ型ＧａＰ層１０の一部を、ｐ型のＧａＰエッチング保護層９に達するまでエッチングする。このエッチングによって、図３（ａ），（ｂ）に示すように電流経路となる直径７０μｍの円形開口を形成して、ｎ型ＧａＰ電流狭窄層１０を形成する。
【００２７】
その後、図１に示すように、ｐ型エッチング保護層９およびｎ型電流狭窄層１０上に、ｐ型のＡｌＧａＩｎＰ電流拡散層１２を積層する。このｐ型電流拡散層１２は、合計層厚が７μｍであって、下側の厚み１μｍの部分はキャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３に形成すると共に、上側の厚み６μｍの部分はキャリア濃度を１×１０１９ｃｍ−３に形成する。その後、ｐ型電流拡散層１２上にＡｕＢｅ／Ａｕを蒸着し、この蒸着ＡｕＢｅ／ＡｕをフォトリソグラフィーおよびＡｕエッチャントを用いてエッチングした後、熱処理を施して、ｐ型電極１３を得る。一方、ＧａＡｓ基板１の裏面を研磨し、厚みを約２８０μｍにする。このＧａＡｓ基板１の研磨面にＡｕＧｅ／Ａｕを蒸着し、熱処理して、ｎ型電極１４を形成する。
【００２８】
このようにして製造した半導体発光素子について、応答性能を調べたところ、立ち上がり時間が２．１ｎｓであった。なお、ＧａＰエッチング保護層９のキャリア濃度を従来と同様の３×１０１８ｃｍ−３とした場合、立ち上り時間は２．６ｎｓであった。したがって、上記ＧａＰエッチング保護層９のキャリア濃度を低減することによって、応答性能が向上できることが確認できた。
【００２９】
図４は、上記エッチング保護層９の抵抗率を変化させた場合、上記ＧａＰ電流狭窄層１０による電流経路の外側に拡散する電流の変化を測定し、その測定結果をグラフに示した図である。図４において、横軸はエッチング保護層９の抵抗率（Ω・ｃｍ）であり、縦軸は、全注入電流に対する電流経路の外側に拡散する電流の割合（％）である。上記エッチング保護層９の層厚は、全ての場合において１μｍである。
【００３０】
図４から分かるように、上記エッチング保護層９の抵抗率が大きくなるにつれて、電流経路の外側に拡散する電流の割合が小さくなる。
【００３１】
図５は、上記エッチング保護層９の抵抗率を変化させた場合、半導体発光素子の立ち上がり時間の変化を測定し、その測定結果をグラフに示した図である。図５において、横軸はエッチング保護層９の抵抗率（Ω・ｃｍ）であり、縦軸は、動作電圧を印加してから発光するまでの立ち上がり時間（ｎｓ）である。上記エッチング保護層９の層厚は、全ての場合において１μｍである。
【００３２】
図５から分かるように、抵抗率が０．１Ω・ｃｍより小さくなると、立ち上がり時間が急激に大きくなる。この場合、抵抗率０．１Ω・ｃｍを層厚１μｍで除した値は、１×１０３Ωである。すなわち、抵抗率を層厚で除した値が、１×１０３Ωよりも小さくなると、半導体発光素子の立ち上がり時間が急激に大きくなる。その原因は、電流経路の外側に拡散する電流が増加して、発光層において電流密度が低い領域が増加し、この電流密度が低い領域は電流の注入に対する発光の応答時間が遅いので、半導体発光素子全体の応答速度の遅れが顕著になるからである。図４および図５から分かるように、注入電流全体に対する電流経路の外側に拡散する電流の割合が２５％を越えると、半導体発光素子全体としての立ち上がり時間の遅れが顕著になる。したがって、全注入電流に対する電流経路の外側への拡散電流の割合を２５％以下にすることによって、半導体発光素子の立ち上がり時間の遅れが効果的に防止できる。
【００３３】
なお、上記ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ中間層８は、抵抗率が０．３Ωｃｍ程度と大きく、また、層厚がエッチング保護層９よりも薄いことから、電流経路からの電流拡散には殆ど影響しない。
【００３４】
本実施形態の半導体発光素子を、温度が８０℃、かつ、湿度が８５％の雰囲気中で、５０ｍＡの注入電流での通電試験を実施したところ、１０００時間経過後の光出力は初期光出力に対して９５％であり、十分な耐湿性を有することが分かった。なお、初期光出力は、注入電流が２０ｍＡのときに２．２ｍＷであった。また、注入電流２０ｍＡの場合の動作電圧は２．２Ｖであった。したがって、ｐ型電極１３からの電流を、上記電流拡散層１２中に十分に拡散させ、上記電流狭窄層１０の円形開口の中央にまで到達させて、この円形開口で形成される電流経路に電流を均一に注入できる。その結果、発光層としての量子井戸活性層５に、高い電流密度で均一に電流を注入できるので、応答速度が高くて低電圧動作の半導体発光素子が得られる。
【００３５】
本実施形態において、第２ＤＢＲ７と電流狭窄層１０の間に形成されたｐ型ＧａＰエッチング保護層９について、抵抗率を層厚で除した値が１×１０３Ωよりも大きく形成したが、第２多層反射膜と電流狭窄層の間に位置する半導体層であれば、エッチング保護層以外の層であってもよい。ただし、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）もこの層の材料として使用可能であるが、この層は発光波長に対して透明である必要があるため、発光波長の短波長化に伴いＡｌＧａＡｓ層のＡｌ混晶比を大きくする必要が生じる。Ａｌ混晶比が大きくなると表面が酸化されやすく、この層の上に積層する層の結晶性の悪化を招きやすくなる。よって、半導体発光素子の発光波長が短い場合には、第２多層反射膜と電流狭窄層の間の層はＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）が望ましい。また、本実施例では電流狭窄層はＧａＰを使用したが、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）もこの層の材料として使用可能である。ただし、発光波長に対して透明であることが望ましく、また第２多層反射膜と電流狭窄層の間の層がＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）である場合には、電流狭窄層にＡｌＧａＡｓを使用するとＰとＡｓの異なるＶ族元素を有する層の上に別の層を積層する必要が生じ、積層した層の結晶性の確保が困難である。また、本実施例では電流拡散層は（Ａｌ０．２Ｇａ０．８）０．５Ｉｎ０．５Ｐを使用したがＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）もこの層の材料として使用可能である。ただし、この層は発光波長に対して透明である必要があり、発光波長が短い場合にはＡｌ混晶比が小さく耐湿性の高いＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）が望ましい。また、上記ＡｌＧａＩｎＰ中間層８は無くてもよい。
【００３６】
（第２実施形態）
図６（ａ）は、本発明の第２実施形態の半導体発光素子の平面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＣ−Ｃ線での断面図である。図７は、図６（ａ），（ｂ）の半導体発光素子の製造途中の様子を示す断面図である。図８（ａ）は、図６（ａ），（ｂ）の半導体発光素子の製造途中の様子であって、図７と異なる工程の様子を示す断面図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）のＤ−Ｄ線での断面図である。
【００３７】
本実施形態の半導体発光素子はＡｌＧａＩｎＰ系の半導体発光素子である。まず、図７に示すように、（１００）から［０１１］方向に１５°傾斜したｎ型のＧａＡｓ基板２１上に、ｎ型のＧａＡｓバッファー層２２（層厚１μｍ，キャリア濃度５×１０１７ｃｍ−３）、ｎ型の第１ＤＢＲ２３（キャリア濃度５×１０１７ｃｍ−３）、ｎ型のＡｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐ第１クラッド層２４（キャリア濃度５×１０１７ｃｍ−３）、量子井戸活性層２５、ｐ型のＡｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐ第２クラッド層２６（キャリア濃度５×１０１７ｃｍ−３）、ｐ型の第２ＤＢＲ２７（キャリア濃度５×１０１７ｃｍ−３）、ｐ型のＡｌＧａＩｎＰ中間層２８（層厚０．１μｍ、キャリア濃度５×１０１８ｃｍ−３）、ｐ型のＡｌ０．０１Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０１Ｐエッチング保護層２９（層厚１μｍ、キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３）、ｎ型のＡｌ０．０１Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０１Ｐ電流狭窄層３０（層厚０．３μｍ、キャリア濃度３×１０１８ｃｍ−３）、０．０１μｍの厚を有するアンドープのＧａＡｓキャップ層３１を、ＭＯＣＶＤ法によって順次積層する。
【００３８】
上記ｎ型の第１ＤＢＲ２３は、ｎ型ＡｌＡｓおよびｎ型Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓの３５．５ペアによって形成している。上記量子井戸活性層２５は、（Ａｌ０．３Ｇａ０．７）０．５Ｉｎ０．５Ｐ井戸層と、（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐバリア層とで形成する。上記ｐ型の第２ＤＢＲは、ｐ型（Ａｌ０．４Ｇａ０．６）０．５Ｉｎ０．５Ｐおよびｐ型Ａｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐの１７ペアで形成する。
【００３９】
ここで、ｎ型の上記第１ＤＢＲ２３と、ｐ型の第２ＤＢＲ２７は、反射スペクトルの中心が各々５７０ｎｍになるようにする。そして、この２つのＤＢＲ２３，２７で構成する共振器の共振波長が５７０ｎｍになるように、互いの間隔、つまり共振器長を調整する。本実施例では、共振器長を２波長分とした。さらに、量子井戸活性層２５は、上記２つのＤＢＲ２３，２７による共振器中に生じる定在波の腹に位置するように形成し、発光ピーク波長が５７０ｎｍになるようにする。
【００４０】
その後、ｎ型のＧａＡｓキャップ層３１を硫酸／過酸化水素系エッチャントで除去した後、フォトリソグラフィーおよび硫酸／過酸化水素系エッチャントによって、ｎ型Ａｌ０．０１Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０１Ｐ電流狭窄層３０の一部をｐ型のＡｌ０．０１Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０１Ｐエッチング保護層２９に達するまでエッチングする。このエッチングによって、図８（ａ），（ｂ）に示すように電流経路となる直径７０μｍの円形開口を形成して、ｎ型Ａｌ０．０１Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０１Ｐ電流狭窄層３０を形成する。
【００４１】
その後、図６に示すように、ｎ型電流狭窄層３０およびｐ型エッチング保護層２９上に、ｐ型のＡｌＧａＩｎＰ電流拡散層３２を積層する。このｐ型電流拡散層３２は、合計層厚が７μｍであって、下側の厚み１μｍの部分はキャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３に形成すると共に、上側の厚み６μｍの部分はキャリア濃度を１×１０１９ｃｍ−３に形成する。その後、ｐ型電流拡散層３２上にＡｕＢｅ／Ａｕを蒸着し、この蒸着ＡｕＢｅ／ＡｕをフォトリソグラフィーおよびＡｕエッチャントを用いてエッチングした後、熱処理を施して、ｐ型電極３３を得る。一方、ＧａＡｓ基板２１の裏面を研磨し、厚みを約２８０μｍにする。このＧａＡｓ基板の研磨面にＡｕＧｅ／Ａｕを蒸着し、熱処理して、ｎ型電極３４を形成する。
【００４２】
このようにして製造した半導体発光素子について、応答性能を調べたところ、立ち上がり時間が１．８ｎｓであった、なお、ＡｌＧａＩｎＰエッチング保護層２９のキャリア濃度を従来と同様の３×１０１８ｃｍ−３とした場合、立ち上り時間は２．５ｎｓであった。したがって、上記ＡｌＧａＩｎＰエッチング保護層２９のキャリア濃度を低減することによって、応答性能が向上できることが確認できた。
【００４３】
本実施形態の半導体発光素子は、エッチング保護層２９をＡｌ０．０１Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０１Ｐで形成した点が第１実施形態と異なる。第１実施形態の半導体発光素子のＧａＰエッチング保護層９と比較して、ＡｌとＩｎをそれぞれ１％含有することによって、同一のキャリア濃度で抵抗率を数％大きくすることができる。抵抗率を大きくすることによって、このエッチング保護層の層厚が増大しても、電流経路の外側に拡散する電流の割合を低く抑えることが可能になる。
【００４４】
本実施形態の半導体発光素子を、温度が８０℃、かつ、湿度が８５％の雰囲気中で、５０ｍＡの注入電流での通電試験を実施したところ、１０００時間経過後の光出力は初期光出力に対して１０５％であり、十分な耐湿性を有することが分かった。なお、初期光出力は、注入電流が２０ｍＡのときに０．４ｍＷであった。また、注入電流２０ｍＡの場合の動作電圧は２．２Ｖであった。したがって、第１実施形態と同様に、ｐ型電極３３からの電流を、上記電流拡散層３２中に十分に拡散させ、上記電流狭窄層３０の円形開口の中央にまで到達させて、この円形開口で形成される電流経路に電流を均一に注入できる。その結果、量子井戸活性層２５に、高い電流密度で均一に電流を注入できるので、応答速度が高くて低電圧動作の半導体発光素子が得られる。
【００４５】
本実施形態において、第２ＤＢＲ２７と電流狭窄層３０の間に形成されたｐ型ＧａＰエッチング保護層２９について、抵抗率を層厚で除した値が１×１０３Ωよりも大きく形成したが、第２多層反射膜と電流狭窄層の間に位置する半導体層であれば、エッチング保護層以外の層であってもよい。また、上記ＡｌＧａＩｎＰ中間層２８は無くてもよい。
【００４６】
上記第１および第２実施形態において、ｐ型とｎ型とを逆に形成してもよい。
【００４７】
【発明の効果】
以上より明らかなように、本発明の半導体発光素子によれば、半導体基板側の第１多層反射膜と、半導体基板に遠い側のＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）からなる第２多層反射膜とで形成された共振器を備え、この第２多層反射膜と、電流狭窄層との間に抵抗率を厚みで除した値が１×１０３Ω以上の半導体層を備えるので、上記電流狭窄層で形成された電流経路内の電流が、電流経路外側に拡散し難くなって、発光層に電流密度が低い領域が殆ど生じなくできる。その結果、半導体発光素子の応答特性が効果的に向上できる。
【００４８】
また、本発明の半導体発光素子では、電流狭窄層で形成された電流通路よりも外側に拡散する電流の割合が、上記電流通路への全注入電流の２５％以下であるので、発光層の電流密度が低い領域が、半導体発光素子全体の応答特性に悪影響を与えない程度に減少できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は、本発明の第１実施形態の半導体発光素子を示す平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。
【図２】図１（ａ），（ｂ）の半導体発光素子の製造途中の様子を示す断面図である。
【図３】図３（ａ）は、半導体発光素子の図２と異なる製造途中の様子を示す断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。
【図４】エッチング保護層９の抵抗率を変化させた場合、電流経路の外側に拡散する電流の変化を示した図である。
【図５】エッチング保護層９の抵抗率を変化させた場合、半導体発光素子の立ち上がり時間の変化を示した図である。
【図６】図６（ａ）は、第２実施形態の半導体発光素子の平面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＣ−Ｃ線での断面図である。
【図７】図６（ａ），（ｂ）の半導体発光素子の製造途中の様子を示す断面図である。
【図８】図８（ａ）は、半導体発光素子の図７と異なる製造工程の様子を示す断面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）のＤ−Ｄ線での断面図である。
【符号の説明】
１　ｎ型ＧａＡｓ基板
２　ｎ型ＧａＡｓバッファー層
３　ｎ型第１ＤＢＲ
４　ｎ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ第１クラッド層
５　量子井戸活性層
６　ｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ第２クラッド層
７　ｐ型第２ＤＢＲ
８　ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ中間層
９　ｐ型ＧａＰエッチング保護層
１０　ｎ型ＧａＰ電流狭窄層
１２　ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ電流拡散層
１３　ｐ型電極
１４　ｎ型電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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