(57)【要約】【課題】電流狭窄効果が向上されて、高い発光効率が得られる半導体発光素子を提供する。【解決手段】ｎ型ＧａＡｓ基板１１、ｎ型ＤＢＲ層１２、及び電極１５を有するベース部１０と、ＭＱＷ活性層２１、ｐ型ＤＢＲ層２２及び電極２５を有するメサ部２０とによって半導体発光素子１Ａを構成する。また、活性層２１と、ｐ型ＤＢＲ層２２との間に、ＤＢＲ層２２側から活性層２１側に向けて、低Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層５１、電流狭窄層３１、及び低Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層５２を順に形成する。そして、電流狭窄層３１の外周側の一部を酸化させて酸化領域３１ａとするとともに、酸化領域３１ａで囲まれる電流狭窄領域３１ｂの面積がＤＢＲ層２２側から活性層２１側に向けて徐々に小さくなるようにする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、電流が供給されることによって発光する領域が生成される活性層と、
前記半導体基板上にＡｌを含む化合物半導体から形成され、その外周側の所定領域が酸化された電流狭窄層とを備え、
前記電流狭窄層は、酸化領域の内周で囲まれる面積が前記活性層の反対側から前記活性層側に向けて小さく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】
前記電流狭窄層は、Ａｌ組成比が前記活性層の反対側から前記活性層側に向けて徐々に高くなるように形成された化合物半導体層を有することを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記電流狭窄層は、Ａｌ組成比が前記活性層の反対側から前記活性層側に向けて段階的に高くなるように形成された化合物半導体層を有することを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記電流狭窄層は、所定のＡｌ組成比で形成された第１化合物半導体層と、前記第１化合物半導体層に対して前記活性層側に前記第１化合物半導体層よりも高いＡｌ組成比で形成された第２化合物半導体層とを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記第１化合物半導体層と、前記第２化合物半導体層との間に、前記第１化合物半導体層及び前記第２化合物半導体層よりも低いＡｌ組成比で形成された化合物半導体層が設けられていることを特徴とする請求項４記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記電流狭窄層は、前記活性層側または前記活性層の反対側となる厚さ方向の端部において、前記酸化領域の内周で囲まれる面積が広がるテーパ部を有して形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電流狭窄型の半導体発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザや半導体発光ダイオードなど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として、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ）や、共振器型発光ダイオードなどの発光素子が知られている。
【０００３】
ＶＣＳＥＬは、活性層の上下に反射鏡を設けることによって共振器を構成する発光素子である。また、ＶＣＳＥＬなどの半導体発光素子では、活性層へ供給される電流を狭窄することによって発光する領域を制限する電流狭窄構造が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１６０６５８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記文献においては、半導体発光素子での電流狭窄構造として、Ａｌを含む化合物半導体層の外周側の一部を酸化することによって電流狭窄層とする構造が用いられている。このような構造では、酸化処理においてＡｌ組成比が高いほど酸化が速く進行することを利用して、半導体層に形成する電流を狭窄するための酸化領域の範囲を調整することが可能である。
【０００６】
上記文献に記載された半導体発光素子では、具体的には、電流狭窄層となる半導体層のうち厚さ方向の中心位置でＡｌ組成比が最も高く、そこから両端部に向けてＡｌ組成比が徐々に減少する構成が用いられている。このとき、酸化領域の内周で囲まれて電流の経路となる電流狭窄領域が、電流狭窄層となる半導体層の中心位置において最も狭窄されることとなる。しかしながら、このような構成では狭窄の対象となる電流は、電流狭窄層内の中心位置で最も狭窄された後に再び活性層に向けて広がりやすく、電流狭窄効果が充分には得られないという問題があった。
【０００７】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、電流狭窄効果が向上されて、高い発光効率が得られる半導体発光素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明による半導体発光素子は、（１）半導体基板と、（２）半導体基板上に形成され、電流が供給されることによって発光する領域が生成される活性層と、（３）半導体基板上にＡｌを含む化合物半導体から形成され、その外周側の所定領域が酸化された電流狭窄層とを備え、（４）電流狭窄層は、酸化領域の内周で囲まれる面積が活性層の反対側から活性層側に向けて小さくなるように形成されていることを特徴とする。
【０００９】
上記した半導体発光素子においては、半導体層の外周側の一部を酸化させた電流狭窄層を、酸化領域の内側で電流の経路となる電流狭窄領域が活性層に向けて狭くなっていく構成としている。これにより、狭窄の対象となる電流は、電流狭窄層内の活性層側の位置で最も狭窄されることとなる。したがって、活性層に対する電流狭窄効果が向上されて、高い発光効率が得られる半導体発光素子が実現される。また、このような電流狭窄層は、化合物半導体層の厚さ方向の各位置でのＡｌ組成比を適宜設定することによって形成することができる。
【００１０】
電流狭窄層の構成としては、Ａｌ組成比が活性層の反対側から活性層側に向けて徐々に高くなるように形成された化合物半導体層を有する構成を用いることができる。あるいは、電流狭窄層の構成として、Ａｌ組成比が活性層の反対側から活性層側に向けて段階的に高くなるように形成された化合物半導体層を有する構成を用いることができる。これらのテーパ状またはステップ状の構成によれば、上記した構成の電流狭窄層を好適に実現することができる。
【００１１】
また、電流狭窄層の構成として、所定のＡｌ組成比で形成された第１化合物半導体層と、第１化合物半導体層に対して活性層側に第１化合物半導体層よりも高いＡｌ組成比で形成された第２化合物半導体層とを有する構成を用いても良い。このように複数の化合物半導体層を積層することによっても、上記した構成の電流狭窄層を好適に実現することができる。
【００１２】
この場合、第１化合物半導体層と、第２化合物半導体層との間に、第１化合物半導体層及び第２化合物半導体層よりも低いＡｌ組成比で形成された化合物半導体層を設けることが好ましい。このような構成によれば、電流狭窄層に印加される電圧が分割されることにより、電流狭窄層の耐圧が向上される。
【００１３】
また、電流狭窄層は、活性層側または活性層の反対側となる厚さ方向の端部において、酸化領域の内周で囲まれる面積が広がるテーパ部を有して形成されていることが好ましい。これにより、電流狭窄層の端部における電界集中が緩和されるので、電流狭窄層の耐圧が向上される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面とともに本発明による半導体発光素子の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、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、本発明による半導体発光素子の第１実施形態の構成を示す上面図である。また、図２は、図１に示した半導体発光素子の断面構成を示すＩ−Ｉ矢印側面断面図である。図１及び図２に示した半導体発光素子１Ａは、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であり、ベース部１０と、ベース部１０上に設けられた円柱状のメサ部２０とを備えている。
【００１６】
ベース部１０には、半導体基板であるｎ型ＧａＡｓ基板１１と、基板１１上に形成されたｎ型ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）層１２とが設けられている。ｎ型ＤＢＲ層１２は、組成が異なる化合物半導体層を交互に積層して構成された下部半導体多層ミラー層である。本実施形態においては、ｎ型ＤＢＲ層１２として、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ている。
【００１７】
メサ部２０には、活性層２１と、上部半導体多層ミラー層であるｐ型ＤＢＲ層２２とが設けられている。活性層２１は、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰの半導体積層構造で構成された多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）活性層である。また、ｐ型ＤＢＲ層２２としては、ｎ型ＤＢＲ層１２と同様に、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ている。そして、これらの活性層２１の下部に設けられたＤＢＲ層１２と、上部に設けられたＤＢＲ層２２とによって、本ＶＣＳＥＬ  １Ａにおける垂直共振器が構成されている。
【００１８】
ｐ型ＤＢＲ層２２上には、リング状のＧａＡｓコンタクト層２３が形成されている。また、これらのｐ型ＤＢＲ層２２及びコンタクト層２３上には、コンタクト層２３の一部が露出するように絶縁層２４が形成され、さらにその上部に、コンタクト層２３と電気的に接続されたリング状のｐ側電極（アノード）２５が設けられている。また、ベース部１０のｎ型ＧａＡｓ基板１１の下部には、基板１１と電気的に接続されたｎ側電極（カソード）１５が全面に設けられている。これらの電極１５、２５間に所定の電圧が印加されて電流が流れると、活性層２１内において、電流が供給されることによって発光する領域が生成される。
【００１９】
図１及び図２に示したＶＣＳＥＬ  １Ａにおいては、ＭＱＷ活性層２１と、ｐ型ＤＢＲ層２２との間に、ｐ型ＤＢＲ層２２側から活性層２１側に向けて、低Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層５１、電流狭窄層３１、及び低Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層５２が順に形成されている。
【００２０】
電流狭窄層３１は、活性層２１に対する電流を狭窄する半導体層であり、Ａｌを含む化合物半導体から形成される。本実施形態においては、電流狭窄層３１として、ＡｌＧａＡｓ層５１、５２よりも高いＡｌ組成比を有する高Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層が用いられている。
【００２１】
電流狭窄層３１のうちで外周側の所定領域は、ＡｌＧａＡｓが酸化されることによって高抵抗化された酸化領域３１ａとなっている。そして、この酸化領域３１ａの内周で囲まれた領域は、電流狭窄領域３１ｂとなっている。ここで、図３は、ＶＣＳＥＬ  １Ａにおける電流の経路を示す模式図である。
【００２２】
上記のように外側の酸化領域３１ａ及び内側の電流狭窄領域３１ｂからなる電流狭窄層３１を備える構成では、図３に示すように、高抵抗化されていない電流狭窄領域３１ｂが電流の経路となる。これにより、電流狭窄層３１内において、活性層２１へと供給される電流が狭窄される。そして、この電流の狭窄により、活性層２１内で生成される発光する領域の範囲が制限される。また、活性層２１の発光する領域からの発光は、ＤＢＲ層１２、２２からなる垂直共振器構造によってレーザ発振し、リング状の電極２５に囲まれた円形部分の絶縁層２４よりＶＣＳＥＬ  １Ａの上方へと出射される。
【００２３】
さらに、電流狭窄層３１は、図２及び図３に示すように、その酸化領域３１ａで囲まれる電流狭窄領域３１ｂの内径が、ＤＢＲ層２２側（低Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層５１側）から活性層２１側（低Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層５２側）に向けて徐々に小さくなり、したがって、領域３１ｂの面積が活性層２１側に向けて徐々に小さくなるように形成されている。このような電流狭窄層３１は、後述するように、高Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層の厚さ方向の各位置でのＡｌ組成比を、酸化しようとする範囲に応じて適宜設定することによって形成することができる。
【００２４】
また、電流狭窄層３１のＤＢＲ層２２側となる厚さ方向の端部には、電流狭窄領域３１ｂの面積がＤＢＲ層２２側に向けて広がるように領域３１ａ、３１ｂの境界が面取りされたテーパ部３１ｃが形成されている。同様に、電流狭窄層３１の活性層２１側となる端部には、電流狭窄領域３１ｂの面積が活性層２１側に向けて広がるように境界が面取りされたテーパ部３１ｄが形成されている。
【００２５】
本実施形態による半導体発光素子の効果について説明する。
【００２６】
図１〜図３に示したＶＣＳＥＬ  １Ａにおいては、高Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層の外周側の一部を酸化させた電流狭窄層３１を、電流狭窄領域３１ｂが活性層２１に向けて狭くなっていく構成としている。これにより、狭窄の対象となる電極１５、２５間での電流は、電流狭窄層３１内において、その活性層２１側の位置で最も狭窄されることとなる。したがって、活性層２１に対する電流狭窄効果が向上されて、高い発光効率及び良好な発光特性の半導体発光素子が実現される。
【００２７】
また、このような構成の電流狭窄層３１では、活性層２１に向けての電流の狭窄がスムーズとなることにより、発光素子１Ａの低抵抗化を実現できる。これにより、素子内での発熱を抑制することが可能となり、素子の出力特性を安定させることができる。
【００２８】
また、電流狭窄層３１の具体的な構成としては、本実施形態においては、電流狭窄領域３１ｂの面積が活性層２１側に向けて徐々に小さくなるテーパ状の構成を用いている。このような構成によれば、活性層２１側の位置で電流が最も狭窄される構成の電流狭窄層３１を好適に実現することができる。
【００２９】
さらに、この電流狭窄層３１において、ＤＢＲ層２２側及び活性層２１側の両端部の所定領域にテーパ部３１ｃ、３１ｄを設けている。これにより、電流狭窄層３１の端部における電界集中が緩和されるので、電流狭窄層３１の耐圧が向上される。このようなテーパ部については、下部または上部の一方の端部に設ける構成としても良く、あるいはテーパ部を設けない構成としても良い。
【００３０】
ベース部１０及びメサ部２０からなる上記構成の半導体発光素子１Ａは、例えば以下のような方法で形成することができる。すなわち、ｎ型ＧａＡｓ基板１１上に必要な半導体層を積層した後、ｎ型ＤＢＲ層１２の上面の深さまで円柱型の形状を残すエッチングを行ってメサ部２０を形成する。さらに、得られた素子に対して水蒸気雰囲気中で加熱処理を行い、半導体層の外周側を酸化させて高抵抗化することによって、電流狭窄層３１を有する発光素子１Ａが形成される。
【００３１】
ここで、半導体層に形成される酸化領域の範囲については、酸化処理の温度及び時間などの処理条件、及び各半導体層でのＡｌ組成比またはその分布によって制御することができる。特に、酸化処理においてＡｌ組成比が高いほど酸化が速く進行することを利用すれば、半導体層に形成される酸化領域の範囲及び形状等を適切に調整することが可能である。
【００３２】
すなわち、上記構成のＶＣＳＥＬ  １Ａにおいては、電流狭窄層３１となるＡｌＧａＡｓ層は、Ａｌ組成比が高い化合物半導体層となっている。これにより、酸化処理時に電流狭窄層３１の外周側で選択的に酸化が進行し、酸化領域３１ａ及び電流狭窄領域３１ｂからなる電流狭窄層３１内での電流狭窄構造を形成することができる。なお、図２に示すように、電流狭窄層３１以外のＡｌＧａＡｓ層においても、それぞれＡｌ組成比に応じて外周側の一部が酸化される。
【００３３】
電流狭窄領域３１ｂが活性層２１に向けて徐々に狭くなる構成の電流狭窄層３１については、図４に示すＡｌ組成比分布を有するＡｌＧａＡｓ層によって形成することができる。図４のグラフにおいて、縦軸は電流狭窄層３１内における厚さ方向の位置Ｚを、また、横軸は各位置ＺにおけるＡｌ組成比（％）を示している。ここで、以下においては、電流狭窄層内での厚さ方向の位置について、上部ＤＢＲ層側の端部の位置をＺ＝０、活性層側（下部ＤＢＲ層側）の端部の位置をＺ＝Ｚ１とする。
【００３４】
図４に示すＡｌ組成比分布では、Ａｌ組成比がＺ＝０からＺ１に向けて徐々に高くなるようにＡｌＧａＡｓ層が構成されている。そして、このような高Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層に対して酸化処理を行うことにより、図２に示した構成の電流狭窄層３１を形成することができる。
【００３５】
図５は、従来の半導体発光素子の電流狭窄層でのＡｌ組成比分布を示すグラフである（特許文献１参照）。図５に示すＡｌ組成比分布では、厚さ方向の中心位置でＡｌ組成比が最も高く、そこから両端部に向けてＡｌ組成比が徐々に減少するようにＡｌＧａＡｓ層が構成されている。このような高Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層に対して酸化処理を行って形成した電流狭窄層では、電流が狭窄された後に再び活性層に向けて広がるという問題がある。
【００３６】
これに対して、上記のようにＡｌ組成比がＺ＝０からＺ１に向けて徐々に高くなり、電流狭窄領域３１ｂの面積が徐々に小さくなる構成の電流狭窄層３１を用いることにより、電流が狭窄されたされた後に再び活性層２１に向けて広がることが抑制され、活性層２１に対する電流狭窄効果が向上される。そして、この電流狭窄効果の向上により、高い発光効率及び良好な発光特性が得られる半導体発光素子を実現することができる。
【００３７】
より具体的な構成としては、例えば、電流狭窄層３１については、厚さを３０〜１００ｎｍ、酸化領域３１ａの上部での内径をφ１１μｍ、下部での内径をφ１０μｍとして形成することができる。また、低Ａｌ組成Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層５１等についても、同様に厚さを３０〜１００ｎｍ程度とすることができる。なお、電流狭窄層３１の上下の両端部でのテーパ部３１ｃ、３１ｄについても、対応するテーパ状のＡｌ組成比分布を図４に示している。また、ベース部２０の上部に設けられるｐ側電極２５については、メサエッチにより取り除かれた円柱部の周りを半導体や樹脂で埋め戻した後で、図１中に点線２６で例示したようなボンディング電極部を設けても良い。
【００３８】
図６は、本発明による半導体発光素子の第２実施形態の断面構成を示す側面断面図である。図６に示した半導体発光素子１Ｂは、発光素子１Ａと同様にＶＣＳＥＬであり、ベース部１０と、ベース部１０上に円柱状に設けられたメサ部２０とを備えている。これらのうち、ベース部１０に設けられたｎ型ＧａＡｓ基板１１、ｎ型ＤＢＲ層１２、及び電極１５、メサ部２０に設けられたＭＱＷ活性層２１、ｐ型ＤＢＲ層２２、コンタクト層２３、絶縁層２４、及び電極２５については、図１及び図２に示した構成と同様である。
【００３９】
図６に示したＶＣＳＥＬ  １Ｂにおいては、ＭＱＷ活性層２１と、ｐ型ＤＢＲ層２２との間に、ｐ型ＤＢＲ層２２側から活性層２１側に向けて、低Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層５１、電流狭窄層３２、及び低Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層５２が順に形成されている。電流狭窄層３２としては、ＡｌＧａＡｓ層５１、５２よりも高いＡｌ組成比を有する高Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層が用いられている。
【００４０】
本実施形態においては、電流狭窄層３２を構成するＡｌＧａＡｓ層は、ＤＢＲ層２２側から順に上部領域（上部層）３３、中間領域（中間層）３４、及び下部領域（下部層）３５の３つの領域から構成されている。また、各領域３３〜３５のうちで外周側の所定領域は、ＡｌＧａＡｓが酸化されることによって高抵抗化された酸化領域３３ａ〜３５ａとなっている。そして、この酸化領域３３ａ〜３５ａの内周で囲まれた領域は、それぞれ電流狭窄領域３３ｂ〜３５ｂとなっている。
【００４１】
さらに、電流狭窄層３２は、図６に示すように、その酸化領域３３ａ〜３５ａで囲まれる電流狭窄領域３３ｂ〜３５ｂの内径がＤＢＲ層２２側から活性層２１側に向けて領域３３ｂ、３４ｂ、３５ｂの順で小さくなり、したがって、領域３３ｂ〜３５ｂの面積が活性層２１側に向けて段階的に小さくなるように形成されている。
【００４２】
本実施形態による半導体発光素子の効果について説明する。
【００４３】
図６に示したＶＣＳＥＬ  １Ｂにおいては、電流狭窄層３２を、電流狭窄領域３３ｂ〜３５ｂが活性層２１に向けて狭くなっていく構成とし、したがって、電流狭窄層３２内において、その活性層２１側の位置で電流が最も狭窄される構成としている。これにより、活性層２１に対する電流狭窄効果が向上されて、高い発光効率及び良好な発光特性の半導体発光素子が実現される。
【００４４】
また、電流狭窄層３２の具体的な構成としては、本実施形態においては、電流狭窄領域３３ｂ〜３５ｂの面積が活性層２１側に向けて段階的に小さくなるステップ状の構成を用いている。このような構成によればテーパ状の構成と同様に、活性層２１側の位置で電流が最も狭窄される構成の電流狭窄層３２を好適に実現することができる。
【００４５】
電流狭窄領域３３ｂ〜３５ｂが活性層２１に向けて段階的に狭くなる構成の電流狭窄層３２については、図７に示すＡｌ組成比分布を有するＡｌＧａＡｓ層によって形成することができる。図７に示すＡｌ組成比分布では、Ａｌ組成比がＺ＝０からＺ１に向けて３段階で段階的に高くなるようにＡｌＧａＡｓ層が構成されている。そして、このような高Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層に対して酸化処理を行うことにより、図６に示した構成の電流狭窄層３２を形成することができる。
【００４６】
より具体的な構成としては、例えば、電流狭窄層３２については、上部領域３３の厚さを３０ｎｍ、Ａｌ組成比を０．９６、内径をφ１５μｍ、中間領域３４の厚さを３０ｎｍ、Ａｌ組成比を０．９７、内径をφ１３μｍ、下部領域３５の厚さを３０ｎｍ、Ａｌ組成比を０．９８、内径をφ１０μｍとして形成することができる。また、低Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層５１等についても、同様に厚さを３０〜１００ｎｍ程度とすることができる。
【００４７】
図８は、本発明による半導体発光素子の第３実施形態の断面構成を示す側面断面図である。図８に示した半導体発光素子１Ｃは、発光素子１Ａと同様にＶＣＳＥＬであり、ベース部１０と、ベース部１０上に円柱状に設けられたメサ部２０とを備えている。これらのうち、ベース部１０に設けられたｎ型ＧａＡｓ基板１１、ｎ型ＤＢＲ層１２、及び電極１５、メサ部２０に設けられたＭＱＷ活性層２１、ｐ型ＤＢＲ層２２、コンタクト層２３、絶縁層２４、及び電極２５については、図１及び図２に示した構成と同様である。
【００４８】
図８に示したＶＣＳＥＬ  １Ｃにおいては、ＭＱＷ活性層２１と、ｐ型ＤＢＲ層２２との間に、ｐ型ＤＢＲ層２２側から活性層２１側に向けて、低Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層５１、第１電流狭窄層３６、低Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層５２、第２電流狭窄層３７、低Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層５３、第３電流狭窄層３８、及び低Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層５４が順に形成されている。電流狭窄層３６、３７、３８としては、ＡｌＧａＡｓ層５１、５２、５３、５４よりも高いＡｌ組成比を有する高Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層が用いられている。
【００４９】
本実施形態においては、電流狭窄層として、上記した３層の電流狭窄層３６、３７、３８を設けている。また、各層３６〜３８のうちで外周側の所定領域は、ＡｌＧａＡｓが酸化されることによって高抵抗化された酸化領域３６ａ〜３８ａとなっている。そして、この酸化領域３６ａ〜３８ａの内周で囲まれた領域は、それぞれ電流狭窄領域３６ｂ〜３８ｂとなっている。
【００５０】
これらの電流狭窄層３６〜３８は、その個々の構成としては、図８に示すように、電流狭窄領域３６ｂ〜３８ｂの内径及び面積が各層内において略一定となるように形成されている。また、全体の構成としては、電流狭窄領域３６ｂ〜３８ｂの内径及び面積がＤＢＲ層２２側から活性層２１側に向けて領域３６ｂ、３７ｂ、３８ｂの順で段階的に小さくなるように形成されている。また、電流狭窄層３６、３７の間、及び電流狭窄層３７、３８の間には、上記したように、それぞれ低Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層５２、５３が挿入されている。
【００５１】
本実施形態による半導体発光素子の効果について説明する。
【００５２】
図８に示したＶＣＳＥＬ  １Ｃにおいては、電流狭窄層３６〜３８を、電流狭窄領域３６ｂ〜３８ｂが活性層２１に向けて狭くなっていく構成とし、したがって、電流狭窄層３６〜３８内において、その活性層２１側にある電流狭窄層３８内の位置で電流が最も狭窄される構成としている。これにより、活性層２１に対する電流狭窄効果が向上されて、高い発光効率及び良好な発光特性の半導体発光素子が実現される。
【００５３】
また、電流狭窄層の具体的な構成については、全体として電流狭窄領域３６ｂ〜３８ｂの面積が段階的に小さくなるステップ状の構成を用いている。これにより、活性層２１側の位置で電流が最も狭窄される構成の電流狭窄層を好適に実現している。
【００５４】
また、電流狭窄層３６、３７の間、及び電流狭窄層３７、３８の間に、それぞれ、電流狭窄層となるＡｌＧａＡｓ層よりも低いＡｌ組成比で形成された低Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層５２、５３を設けている。図９は、このような電流狭窄構造の等価回路を示す模式図である。
【００５５】
電流狭窄層となる高Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層と、低Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層とが交互に積層された構造の等価回路は、図９に示すように、抵抗及びコンデンサが並列接続された回路を直列接続した構造となる。このような構成によれば、電流狭窄層に印加される電圧が、低Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層５２、５３が挿入された電流狭窄層３６〜３８のそれぞれに分割されることにより、電流狭窄層の耐圧が向上される。
【００５６】
電流狭窄領域３６ｂ〜３８ｂが活性層２１に向けて狭くなる構成の電流狭窄層３６〜３８の構成については、Ａｌ組成比が電流狭窄層３６、３７、３８の順で段階的に高くなるＡｌ組成比分布を用いて形成することができる。
【００５７】
より具体的な構成としては、例えば、電流狭窄層については、第１電流狭窄層３６の厚さを３０〜１００ｎｍ、Ａｌ組成比を０．９７、内径をφ２０μｍ、第２電流狭窄層３７の厚さを３０〜１００ｎｍ、Ａｌ組成比を０．９８、内径をφ１５μｍ、第３電流狭窄層３８の厚さを３０〜１００ｎｍ、Ａｌ組成比を０．９９、内径をφ１０μｍとして形成することができる。また、低Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層５１等についても、同様に厚さを３０〜１００ｎｍ程度とすることができる。
【００５８】
図１０は、本発明による半導体発光素子の第４実施形態の断面構成を示す側面断面図である。図１０に示した半導体発光素子１Ｄは、発光素子１Ａと同様にＶＣＳＥＬであり、ベース部１０と、ベース部１０上に円柱状に設けられたメサ部２０とを備えている。これらのうち、ベース部１０に設けられたｎ型ＧａＡｓ基板１１、ｎ型ＤＢＲ層１２、及び電極１５、メサ部２０に設けられたＭＱＷ活性層２１、ｐ型ＤＢＲ層２２、コンタクト層２３、絶縁層２４、及び電極２５については、図１及び図２に示した構成と同様である。
【００５９】
図１０に示したＶＣＳＥＬ  １Ｄにおいては、ＭＱＷ活性層２１と、ｐ型ＤＢＲ層２２との間に、ｐ型ＤＢＲ層２２側から活性層２１側に向けて、低Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層５１、第１電流狭窄層４１、低Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層５２、第２電流狭窄層４２、低Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層５３、第３電流狭窄層４３、及び低Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層５４が順に形成されている。電流狭窄層４１、４２、４３としては、ＡｌＧａＡｓ層５１、５２、５３、５４よりも高いＡｌ組成比を有する高Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層が用いられている。また、これらの電流狭窄層４１〜４３は、互いに略同一の厚さで形成されている。
【００６０】
本実施形態においては、電流狭窄層として、上記した３層の電流狭窄層４１、４２、４３を設けている。また、各層４１〜４３のうちで外周側の所定領域は、ＡｌＧａＡｓが酸化されることによって高抵抗化された酸化領域４１ａ〜４３ａとなっている。そして、この酸化領域４１ａ〜４３ａの内周で囲まれた領域は、それぞれ電流狭窄領域４１ｂ〜４３ｂとなっている。
【００６１】
これらの電流狭窄層４１〜４３は、その個々の構成としては、図１０に示すように、電流狭窄領域４１ｂ〜４３ｂの内径及び面積が各層内においてＤＢＲ層２２側から活性層２１側に向けて徐々に小さくなるように形成されている。また、全体の構成としては、電流狭窄領域４１ｂ〜４３ｂの内径及び面積がＤＢＲ層２２側から活性層２１側に向けて領域４１ｂ、４２ｂ、４３ｂの順で段階的に小さくなるように形成されている。また、電流狭窄層４１、４２の間、及び電流狭窄層４２、４３の間には、上記したように、それぞれ低Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層５２、５３が挿入されている。
【００６２】
本実施形態による半導体発光素子の効果について説明する。
【００６３】
図１０に示したＶＣＳＥＬ  １Ｄにおいては、電流狭窄層４１〜４３を、電流狭窄領域４１ｂ〜４３ｂが活性層２１に向けて狭くなっていく構成とし、したがって、電流狭窄層４１〜４３内において、その活性層２１側にある電流狭窄層４３内の位置で電流が最も狭窄される構成としている。これにより、活性層２１に対する電流狭窄効果が向上されて、高い発光効率及び良好な発光特性の半導体発光素子が実現される。
【００６４】
また、電流狭窄層の具体的な構成については、全体として電流狭窄領域４１ｂ〜４３ｂの面積が段階的に小さくなるステップ状の構成を用いるとともに、個々の電流狭窄層内において領域４１ｂ〜４３ｂの面積が徐々に小さくなるテーパ状の構成を用いている。これにより、活性層２１側の位置で電流が最も狭窄される構成の電流狭窄層を好適に実現している。
【００６５】
また、電流狭窄層４１、４２の間、及び電流狭窄層４２、４３の間に、それぞれ、電流狭窄層となるＡｌＧａＡｓ層よりも低いＡｌ組成比で形成された低Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層５２、５３を設けている。このような構成によれば、電流狭窄層に印加される電圧が分割されることにより、その耐圧が向上される。
【００６６】
電流狭窄領域４１ｂ〜４３ｂが活性層２１に向けて狭くなる構成の電流狭窄層４１〜４３の構成については、Ａｌ組成比が、個々の層内において活性層２１に向けて徐々に高くなるとともに、全体として電流狭窄層４１、４２、４３の順で段階的に高くなるＡｌ組成比分布を用いて形成することができる。このとき、図１０に示すように、各電流狭窄層のＤＢＲ層２２側及び活性層２１側の両端部の所定領域に、電界集中を緩和するためのテーパ部を設けても良い。
【００６７】
より具体的な構成としては、例えば、電流狭窄層については、第１電流狭窄層４１の厚さを３０〜１００ｎｍ、Ａｌ組成比を０．９７程度、内径を上部でφ２５μｍ、下部でφ２０μｍ、第２電流狭窄層４２の厚さを３０〜１００ｎｍ、Ａｌ組成比を０．９８程度、内径を上部でφ２０μｍ、下部でφ１５μｍ、第３電流狭窄層４３の厚さを３０〜１００ｎｍ、Ａｌ組成比を０．９９程度、内径を上部でφ１５μｍ、下部でφ１０μｍとして形成することができる。また、低Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層５１等についても、同様に厚さを３０〜１００ｎｍ程度とすることができる。
【００６８】
図１１は、本発明による半導体発光素子の第５実施形態の断面構成を示す側面断面図である。図１１に示した半導体発光素子１Ｅは、発光素子１Ａと同様にＶＣＳＥＬであり、ベース部１０と、ベース部１０上に円柱状に設けられたメサ部２０とを備えている。これらのうち、ベース部１０に設けられたｎ型ＧａＡｓ基板１１、ｎ型ＤＢＲ層１２、及び電極１５、メサ部２０に設けられたＭＱＷ活性層２１、ｐ型ＤＢＲ層２２、コンタクト層２３、絶縁層２４、及び電極２５については、図１及び図２に示した構成と同様である。
【００６９】
図１１に示したＶＣＳＥＬ  １Ｅにおいては、ＭＱＷ活性層２１と、ｐ型ＤＢＲ層２２との間に、ｐ型ＤＢＲ層２２側から活性層２１側に向けて、低Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層５１、第１電流狭窄層４６、低Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層５２、第２電流狭窄層４７、低Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層５３、第３電流狭窄層４８、及び低Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層５４が順に形成されている。電流狭窄層４６、４７、４８としては、ＡｌＧａＡｓ層５１、５２、５３、５４よりも高いＡｌ組成比を有する高Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層が用いられている。また、これらの電流狭窄層４６〜４８は、電流狭窄層４６、４７、４８の順で厚さが厚くなるように形成されている。
【００７０】
本実施形態においては、電流狭窄層として、上記した３層の電流狭窄層４６、４７、４８を設けている。また、各層４６〜４８のうちで外周側の所定領域は、ＡｌＧａＡｓが酸化されることによって高抵抗化された酸化領域４６ａ〜４８ａとなっている。そして、この酸化領域４６ａ〜４８ａの内周で囲まれた領域は、それぞれ電流狭窄領域４６ｂ〜４８ｂとなっている。
【００７１】
これらの電流狭窄層４６〜４８は、その個々の構成としては、図１１に示すように、電流狭窄領域４６ｂ〜４８ｂの内径及び面積が各層内においてＤＢＲ層２２側から活性層２１側に向けて徐々に小さくなるように形成されている。また、全体の構成としては、電流狭窄領域４６ｂ〜４８ｂの内径及び面積がＤＢＲ層２２側から活性層２１側に向けて領域４６ｂ、４７ｂ、４８ｂの順で段階的に小さくなるように形成されている。また、電流狭窄層４６、４７の間、及び電流狭窄層４７、４８の間には、上記したように、それぞれ低Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層５２、５３が挿入されている。
【００７２】
電流狭窄層４６、４７、４８の順で酸化領域の内径が狭くなるのは、酸化のスピードが、電流狭窄層の厚さに依存することによる。酸化のスピードは、酸化狭窄される部位のエピ層が厚いほど、速く酸化される。このために、活性層側に近い部位の酸化狭窄層ほどエピ層を厚くすることで、活性層に近い部位の酸化狭窄層ほど酸化狭窄部内径が小さくなる構成としている。
【００７３】
本実施形態による半導体発光素子の効果について説明する。
【００７４】
図１１に示したＶＣＳＥＬ  １Ｅにおいては、電流狭窄層４６〜４８を、電流狭窄領域４６ｂ〜４８ｂが活性層２１に向けて狭くなっていく構成とし、したがって、電流狭窄層４６〜４８内において、その活性層２１側にある電流狭窄層４８内の位置で電流が最も狭窄される構成としている。これにより、活性層２１に対する電流狭窄効果が向上されて、高い発光効率及び良好な発光特性の半導体発光素子が実現される。
【００７５】
また、電流狭窄層の具体的な構成については、全体として電流狭窄領域４６ｂ〜４８ｂの面積が段階的に小さくなるステップ状の構成を用いるとともに、個々の電流狭窄層内において領域４６ｂ〜４８ｂの面積が徐々に小さくなるテーパ状の構成を用いている。これにより、活性層２１側の位置で電流が最も狭窄される構成の電流狭窄層を好適に実現している。
【００７６】
また、電流狭窄層４６、４７の間、及び電流狭窄層４７、４８の間に、それぞれ、電流狭窄層となるＡｌＧａＡｓ層よりも低いＡｌ組成比で形成された低Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層５２、５３を設けている。このような構成によれば、電流狭窄層に印加される電圧が分割されることにより、その耐圧が向上する。また、本実施形態においては、３層の電流狭窄層４６〜４８の厚さが活性層２１に向けて順に厚くなっていく構成としている。これにより、電流狭窄効果及び耐圧等の特性がさらに向上する。
【００７７】
電流狭窄領域４６ｂ〜４８ｂが活性層２１に向けて狭くなる構成の電流狭窄層４６〜４８の構成については、Ａｌ組成比が、個々の層内において活性層２１に向けて徐々に高くなるとともに、全体として電流狭窄層４６、４７、４８の順で段階的に高くなるＡｌ組成比分布を用いて形成することができる。このとき、図１１に示すように、各電流狭窄層のＤＢＲ層２２側及び活性層２１側の両端部の所定領域に、電界集中を緩和するためのテーパ部を設けても良い。
【００７８】
より具体的な構成としては、例えば、電流狭窄層については、第１電流狭窄層４６の厚さを３０ｎｍ、Ａｌ組成比を０．９６〜０．９９程度、内径を上部でφ２５μｍ、下部でφ２０μｍ、第２電流狭窄層４７の厚さを６０ｎｍ、Ａｌ組成比を０．９６〜０．９９程度、内径を上部でφ２０μｍ、下部でφ１５μｍ、第３電流狭窄層４８の厚さを１００ｎｍ、Ａｌ組成比を０．９６〜０．９９程度、内径を上部でφ１５μｍ、下部でφ１０μｍとして形成することができる。また、低Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層５１等についても、同様に厚さを３０〜１００ｎｍ程度とすることができる。
【００７９】
本発明による半導体発光素子は、上記した実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、発光素子の共振器構造などの具体的な構造については、上記した図１及び図２に示したＶＣＳＥＬの構造以外の構造を用いても良い。また、電流狭窄層としてステップ状の構成を用いた場合については、上記実施形態ではその半導体層内でのステップ数、または半導体層数をいずれも３個としているが、２個、あるいは４個以上としても良い。
【００８０】
【発明の効果】
本発明による半導体発光素子は、以上詳細に説明したように、次のような効果を得る。すなわち、半導体基板上に活性層及び電流狭窄層を形成して発光素子を構成するとともに、電流狭窄層を、酸化領域の内周で囲まれて電流の経路となる電流狭窄領域の面積が活性層の反対側から活性層側に向けて小さくなるように形成する構成によれば、狭窄の対象となる電流は、電流狭窄層内の活性層側の位置で最も狭窄されることとなる。したがって、活性層に対する電流狭窄効果が向上して、高い発光効率が得られる半導体発光素子が実現される。また、このような電流狭窄層は、化合物半導体層の厚さ方向の各位置でのＡｌ組成比を適宜設定することによって形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体発光素子の第１実施形態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の断面構成を示すＩ−Ｉ矢印側面断面図である。
【図３】図２に示した半導体発光素子における電流の経路を示す模式図である。
【図４】図２に示した半導体発光素子の電流狭窄層でのＡｌ組成比分布を示すグラフである。
【図５】従来の半導体発光素子の電流狭窄層でのＡｌ組成比分布を示すグラフである。
【図６】半導体発光素子の第２実施形態の断面構成を示す側面断面図である。
【図７】図６に示した半導体発光素子の電流狭窄層でのＡｌ組成比分布を示すグラフである。
【図８】半導体発光素子の第３実施形態の断面構成を示す側面断面図である。
【図９】図８に示した半導体発光素子の電流狭窄構造の等価回路を示す模式図である。
【図１０】半導体発光素子の第４実施形態の断面構成を示す側面断面図である。
【図１１】半導体発光素子の第５実施形態の断面構成を示す側面断面図である。
【符号の説明】
１０…ベース部、１１…ｎ型半導体基板、１２…ｎ型ＤＢＲ層、１５…ｎ側電極、２０…メサ部、２１…ＭＱＷ活性層、２２…ｐ型ＤＢＲ層、２３…コンタクト層、２４…絶縁層、２５…ｐ側電極、３１…電流狭窄層、３１ａ…酸化領域、３１ｂ…電流狭窄領域、３１ｃ、３１ｄ…テーパ部、３２…電流狭窄層、３３…上部領域、３４…中間領域、３５…下部領域、３３ａ〜３５ａ…酸化領域、３３ｂ〜３５ｂ…電流狭窄領域、３６〜３８…電流狭窄層、３６ａ〜３８ａ…酸化領域、３６ｂ〜３８ｂ…電流狭窄領域、４１〜４３…電流狭窄層、４１ａ〜４３ａ…酸化領域、４１ｂ〜４３ｂ…電流狭窄領域、４６〜４８…電流狭窄層、４６ａ〜４８ａ…酸化領域、４６ｂ〜４８ｂ…電流狭窄領域、５１、５２、５３、５４…低Ａｌ組成半導体層。
【図１】
2004356438.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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【図６】
2004356438.tif 000008
【図７】
2004356438.tif 000009
【図８】
2004356438.tif 000010
【図９】
2004356438.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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