(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に所定の間隔で形成された一対の多層反射膜で成る共振器を有すると共に、この共振器内に発生する定在波の腹の位置に量子井戸活性層を備えた半導体発光素子において、
上記量子井戸活性層には、ｎ型不純物がドーピングされており、
上記量子井戸活性層は、単一量子井戸活性層であり、
上記量子井戸活性層に不純物をドーピングすることによって、上記量子井戸活性層による発光スペクトルの半値幅を２５nm以上とし、その結果−２０℃から７０℃までの温度範囲内における最小光出力の最大光出力に対する比の値を０.８以上とした
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体発光素子において、
上記ｎ型不純物の濃度は２×１０17cm-3以上である
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
半導体基板上に所定の間隔で形成された一対の多層反射膜で成る共振器を有すると共に、この共振器内に発生する定在波の腹の位置に量子井戸活性層を備えた半導体発光素子において、
上記量子井戸活性層には、不純物がドーピングされており、
上記量子井戸活性層は、単一量子井戸活性層であり、
上記量子井戸活性層に不純物をドーピングすることによって、上記量子井戸活性層による発光スペクトルの半値幅を２５nm以上とし、その結果−２０℃から７０℃までの温度範囲内における最小光出力の最大光出力に対する比の値を０.８以上とした
半導体発光素子において、
上記不純物は、ｐ型不純物およびｎ型不純物の両方である
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体発光素子において、
上記ｐ型不純物とｎ型不純物との濃度は、各々７×１０16cm-3以上である
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項５】
請求項３あるいは請求項４に記載の半導体発光素子において、
上記ｐ型不純物は、Ｚn,Ｍg,Ｂe,Ｃのうちの何れか一つであり、
上記ｎ型不純物は、Ｓi,Ｓe,Ｔeのうちの何れか一つである
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５の何れか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基板であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体発光素子において、
上記量子井戸活性層は、ＡlyＧazＩn1-y-zＰ(０≦ｙ≦１,０≦ｚ≦１)で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８】
請求項１乃至請求項７の何れか１つに記載の半導体発光素子において、
上記多層反射膜および上記量子井戸活性層を含む上記半導体層は、有機金属気相成長法によって形成されてい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】
この発明は、光伝送用および表示用等に用いられる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。その場合の半導体発光素子としては、発光効率が高いことが重要であり、さらに光通信用の半導体発光素子の場合には応答速度が高速であることが重要であり、近年開発が盛んに行われている。
【０００３】
通常の面発光型の発光ダイオード(ＬＥＤ)は、高速応答性が余り良くなく、１００Ｍbps〜２００Ｍbps程度が限界である。そこで、共鳴キャビティ(Resonant Cavity)型ＬＥＤと呼ばれる半導体発光素子が開発されている。この共鳴キャビティ型ＬＥＤは、２つのミラーで形成された共振器において発生する定在波の腹の位置が発光層になるようにすることによって自然放出光を制御し、高速応答および高効率を実現する半導体発光素子である。特に、最近、比較的短い距離の通信にプラスチック光ファイバ(ＰＯＦ)が利用され始め、このＰＯＦの低損失な波長領域である６５０nmでの高効率な発光が可能な、ＡlＧaＩnＰ系の半導体材料を発光層とする共鳴キャビティ型ＬＥＤが開発されている（“High Brightness Visible Resonant Cavity Light Emitting Diode”:IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS VOL.10 NO.12 December 1998)。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の共鳴キャビティ型ＬＥＤには、以下のような問題がある。すなわち、上記共鳴キャビティ型ＬＥＤの光出力は、上記共振器の共振波長でのゲインによって決まっている。ここで、上記ゲインとは発光層における発光スペクトルの強度に対応する。したがって、上記発光スペクトルのピークと共振波長とが一致した場合に光出力が最大になるのである。そして、発光スペクトルのピークから共振波長がずれるに従って光出力は低くなるのである。
【０００５】
上記共振波長は、温度が変化しても殆ど変化しない。ところが、上記発光層からの発光波長は温度に強く依存する。つまり、温度が低くなれば発光波長は短くなり、温度が高くなれば発光波長は長くなる。したがって、共鳴キャビティ型ＬＥＤの光出力は温度に依存することになる。そして、この共鳴キャビティ型ＬＥＤにおける光出力の温度依存性は、通常構造のＬＥＤよりも大きいため、これが通信用としての用途では大きな問題となっている。
【０００６】
このような共鳴キャビティ型ＬＥＤにおける光出力の温度依存性の問題を解決するために、従来においては、量子井戸活性層を複数層設け、夫々の量子井戸活性層の井戸幅を変えることによって、ゲインスペクトル幅を広くすることが試みられている(“幅の異なる独立した量子井戸を有する微小共振器ＬＥＤ”応用物理学会講演予講集、2a‐SZE-14、1997年秋)。こうすることによって、より広い温度範囲で、共振波長において大きなゲインを得ることが可能になる。
【０００７】
しかしながら、上記幅の異なる独立した量子井戸を有する共鳴キャビティ型ＬＥＤにおいては、応答速度が量子井戸層数に依存するため、量子井戸層数を２以上にすると応答速度が遅くなるという新たな問題が発生するのである。
【０００８】
そこで、この発明の目的は、応答特性に優れ且つ光出力の温度依存性が小さい共鳴キャビティ型の半導体発光素子を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明は、
半導体基板上に所定の間隔で形成された一対の多層反射膜で成る共振器を有すると共に、この共振器内に発生する定在波の腹の位置に量子井戸活性層を備えた半導体発光素子において、
上記量子井戸活性層には、ｎ型不純物がドーピングされており、
上記量子井戸活性層は、単一量子井戸活性層であり、
上記量子井戸活性層に不純物をドーピングすることによって、上記量子井戸活性層による発光スペクトルの半値幅を２５nm以上とし、その結果−２０℃から７０℃までの温度範囲内における最小光出力の最大光出力に対する比の値を０.８以上とした
ことを特徴としている。
【００１０】
上記構成によれば、量子井戸活性層には不純物がドーピングされているため、上記不純物がドーピングされていない場合に比して発光スペクトルの半値幅が広くなり、光出力の温度依存性が小さくなる。
【００１１】
さらに、活性層は単一量子井戸構造であるので高速応答が可能になる。
【００１２】
さらに、上記量子井戸活性層にｎ型不純物をドーピングすることによって、上記量子井戸活性層による発光スペクトルの半値幅を２５nm以上とし、その結果−２０℃から７０℃までの温度範囲内における最小光出力の最大光出力に対する比の値を０.８以上としたので、光出力の温度依存性を小さくすることができる。したがって、−２０℃から７０℃までの温度範囲内における光出力温度変化率が２０％以下になり、光伝送用の発光素子として使用することが可能になる。
【００１３】
また、１実施例では、上記第１の発明の半導体発光素子において、上記ｎ型不純物の濃度は２×１０17cm-3以上であることを特徴としている。
【００１４】
この実施例によれば、量子井戸活性層にドーピングされるｎ型不純物濃度は２×１０17cm-3以上であるため、上記不純物がドーピングされていない場合に比して上記発光スペクトルの半値幅が顕著に広くなる。
【００１５】
また、第２の発明は、
半導体基板上に所定の間隔で形成された一対の多層反射膜で成る共振器を有すると共に、この共振器内に発生する定在波の腹の位置に量子井戸活性層を備えた半導体発光素子において、
上記量子井戸活性層には、不純物がドーピングされており、
上記量子井戸活性層は、単一量子井戸活性層であり、
上記量子井戸活性層に不純物をドーピングすることによって、上記量子井戸活性層による発光スペクトルの半値幅を２５nm以上とし、その結果−２０℃から７０℃までの温度範囲内における最小光出力の最大光出力に対する比の値を０.８以上とした
半導体発光素子において、
上記不純物は、ｐ型不純物およびｎ型不純物の両方である
ことを特徴としている。
【００１６】
この実施例によれば、上記量子井戸活性層にはｐ型不純物とｎ型不純物との両方がドーピングされている。したがって、何れか一方の不純物がドーピングされている場合に比して低い不純物濃度で発光スペクトルの半値幅が広くなる。
【００１７】
また、１実施例では、上記第２の発明の半導体発光素子において、上記ｐ型不純物とｎ型不純物との濃度は、各々７×１０16cm-3以上であることを特徴としている。
【００１８】
この実施例によれば、量子井戸活性層にドーピングされるｐ型不純物とｎ型不純物との濃度は７×１０16cm-3以上であるため、上記不純物がドーピングされていない場合に比して上記発光スペクトルの半値幅が顕著に広くなる。
【００１９】
また、１実施例では、上記第２の発明の半導体発光素子において、上記ｐ型不純物はＺn,Ｍg,Ｂe,Ｃのうちの何れか一つであり、上記ｎ型不純物はＳi,Ｓe，Ｔeのうちの何れか一つであることを特徴としている。
【００２０】
この実施例によれば、上記量子井戸活性層にドーピングされるｐ型不純物はＺn,Ｍg,ＢeおよびＣから一つ選択可能であり、ｎ型不純物はＳiＳeおよびＴeから一つ選択可能である。したがって、上記量子井戸活性層以外の層で使用される不純物と同じ不純物を選択することが可能になる。
【００２１】
また、１実施例では、上記第１および上記第２の発明の半導体発光素子において、上記半導体基板はＧaＡs基板であることを特徴としている。
【００２２】
この実施例によれば、上記半導体基板はＧaＡs基板であるため、このＧaＡs基板に格子整合する材料系で形成することができる。したがって、高い発光効率が得られる。
【００２３】
また、１実施例では、上記第１および上記第２の発明の半導体発光素子において、上記量子井戸活性層は、ＡlyＧazＩn1-y-zＰ(０≦ｙ≦１,０≦ｚ≦１)で形成されていることを特徴としている。
【００２４】
この実施例によれば、上記量子井戸活性層はＡlyＧazＩn1-y-zＰ(０≦ｙ≦１,０≦ｚ≦１)で形成されているため、発光波長が５５０nm〜６７０nmの範囲内になる。
【００２５】
また、１実施例では、上記第１および上記第２の発明の半導体発光素子において、上記多層反射膜及び量子井戸活性層を含む半導体層は、有機金属気相成長(ＭＯＣＶＤ)法によって形成されていることを特徴としている。
【００２６】
上記構成によれば、上記多層反射膜および量子井戸活性層を含む半導体層がＭＯＣＶＤ法によって形成されているので、膜厚や層厚やキャリア濃度の再現性が良好である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
＜第１実施の形態＞
図１は、本実施の形態の半導体発光素子における構造を示す。尚、図１(a)は平面図であり、図１(b)は図１(a)におけるＡ‐Ａ'矢視断面図である。図１において、１はｎ型ＧaＡs基板、２はｎ型ＧaＡsバッファー層(１μm)、３はｎ型のＡlＡsとｎ型のＡl0.5Ｇa0.5Ａsとの３０.５ペアのＤＢＲ(ディストリビューテッド・ブラッグ・リフレクター)、４はｎ型(Ａl0.7Ｇa0.3)0.5Ｉn0.5Ｐ第１クラッド層、５は井戸層がＧaxＩn1-xＰでありバリア層が（Ａl0.5Ｇa0.5)0.5Ｉn0.5Ｐであるｐ型のＧaＩnＰ単一量子井戸活性層、６はｐ型(Ａl0.7Ｇa0.3)0.5Ｉn0.5Ｐ第２クラッド層、７はｐ型(Ａl0.2Ｇa0.8)0.5Ｉn0.5Ｐとｐ型Ａl0.5Ｉn0.5Ｐとの１２ペアのＤＢＲ、８はｐ型(Ａl0.2Ｇa0.8)0.5Ｉn0.5Ｐ中間層(１μm)、９はｐ型ＧaＡsコンタクト層、１０はＳiＯ2膜、１１はｐ型電極、１２はｎ型電極である。
【００２８】
図２は、図１に示す半導体発光素子の製造工程において、ｎ型ＧaＡs基板１上にｎ型ＧaＡsバッファー層２からｐ型ＧaＡsコンタクト層９までを形成した状態の断面図である。尚、本半導体発光素子はＡlＧaＩnＰ系のものである。図２に示すように、面方位(１００)から[０１１]方向に２°だけ傾斜したｎ型ＧaＡs基板１上に、ｎ型ＧaＡsバッファー層２からｐ型ＧaＡsコンタクト層９までを、ＭＯＣＶＤ法によって順次積層する。
【００２９】
ここで、上記ｎ型ＡlＡsとｎ型ＡlＧaＡsとの３０.５ペアのＤＢＲ３およびｐ型ＡlＧaＩnＰとｐ型ＡlＩnＰとの１２ペアのＤＢＲ７は、反射スペクトルの中心が６５０nmになるようにする。そして、上記多層反射膜としての２つのＤＢＲ３,７で形成される共振器の共振波長も６５０nmになるように共振器長を調整する。尚、本実施の形態においては、上記共振器長を２波長分に設定した。また、ＧaＩnＰ量子井戸活性層５の位置が上記共振器内に発生する定在波の腹の位置になるようにし、発光ピーク波長は６５０nmになるようにする。さらに、ＧaＩnＰ単一量子井戸活性層５には、Ｚnを８×１０17cm-3ドーピングする。
【００３０】
図３は、図２における上記ｐ型ＧaＡsコンタクト層９上に、さらにＳiＯ2膜１０を形成した状態を示す。尚、図３(a)は平面図であり、図３(b)は図３(a)におけるＢ‐Ｂ'矢視断面図である。図２に示すようにｐ型ＧaＡsコンタクト層９まで形成した後、ウェハ表面に化学気相成長(ＣＶＤ)法によってＳiＯ2膜１０を形成し、フォトリソグラフィーおよび希釈ＨＦによるエッチングによって７０μmφの円形状の電流経路１３を形成する。
【００３１】
その後、図１に示すように、上記ｐ型ＧaＡsコンタクト層９上およびＳiＯ2膜１０上にＡuＺn/Ｍo/Ａuをスパッタし、フォトリソグラフィーによるパターニングによって、電流経路１３内に形成された数μm幅の２つのリングをその中心からＳiＯ2膜１０に向って放射方向に延在する３本の直線で接続した形状を有する表面電極(１１)を形成する。通常、ＳiＯ2膜１０上のみに形成された表面電極と発光層との間には１μm〜３μmの厚さの層しかなく、この層間においては電流はあまり拡散しない。ところが、電極形状を図１のように数μm幅のリング形状にすることによって、発光部にかなり均一に電流を注入することができると共に、表面電極(１１)に遮られて外部に取り出すことのできない発光光を抑制することができるのである。その後、熱処理することによってｐ型電極１１が得られる。
【００３２】
次に、上記ｎ型ＧaＡs基板１の露出面を約２８０μmの厚さまで研磨し、この研磨した面にＡuＧe/Ａuを蒸着し、熱処理することによってｎ型電極１２が形成される。こうして、図１に示す半導体発光素子が完成する。
【００３３】
上記構成を有する半導体発光素子を、温度８０℃,湿度８５％の雰囲気中において５０mＡの通電試験を実施したところ、１０００時間経過後で初期光出力の９０％の光出力が得られた。また、７０μmφの円形状の電流経路１３とこの電流経路１３内に形成されたリング状のｐ型電極１１とによる電流狭窄構造を有しているために内部量子効率および外部出射効率が共に高く、初期光出力は３０mＡで１.６mＷとＰＯＦを使用して光通信を行うのに十分な光出力を得ることができる。
【００３４】
また、応答特性に関しては、立ち上がりおよび立ち下がりの時間が、ＧaＩnＰ単一量子井戸活性層５に対するＺnドーピングを行わない場合には２.２ｎ秒であるのに対して、Ｚnドーピングを行った場合には２.１ｎ秒と同等であった。
【００３５】
ところで、上記ＧaＩnＰ単一量子井戸活性層５にＺnをドーピングする場合、ドーピング濃度が２×１０17cm-3以上になると発光スペクトルの半値幅が広くなり始める。そして、Ｚn濃度が８×１０17cm-3ではＧaＩnＰ単一量子井戸活性層５からの発光スペクトルの半値幅が約３０nmとなり、Ｚnドーピングを行わない場合(１５nm)の約２倍になる。このことにより、図４に示すように、−２０℃での光出力に対する７０℃での光出力の比の値は、Ｚnドーピングを行わない場合の１/５から１/３までに改善されていることが分かる。
【００３６】
以上のごとく、本実施の形態においては、上記ｎ型ＧaＡs基板１上に、ＭＯＣＶＤ法によって、ｎ型ＧaＡsバッファー層２,ｎ型ＡlＡsとｎ型ＡlＧaＡsとの３０.５ペアのＤＢＲ３,ｎ型ＡlＧaＩnＰ第１クラッド層４,ＧaＩnＰ単一量子井戸活性層５,ｐ型ＡlＧaＩnＰ第２クラッド層６,ｐ型ＡlＧaＩnＰとｐ型ＡlＩnＰとの１２ペアのＤＢＲ７,ｐ型ＡlＧaＩnＰ中間層８およびｐ型ＧaＡsコンタクト層９を順次積層する。
【００３７】
その際に、上記両ＤＢＲ３,７における反射スペクトルの中心が６５０nmになるようにし、この２つのＤＢＲ３,７で形成される共振器の共振波長も６５０nmになるように共振器長を調整する。また、ＧaＩnＰ単一量子井戸活性層５の位置が上記共振器中に発生する定在波の腹の位置になるようにすると共に、発光ピーク波長が６５０nmになるようにする。また、ＧaＩnＰ単一量子井戸活性層５にはＺnを８×１０17cm-3ドーピングする。
【００３８】
さらに、ＣＶＤ法によってＳiＯ2膜１０を形成し、ＳiＯ2膜１０に７０μmφの円形状の電流経路１３を形成する。そして、電流経路１３内に形成された幅数μmの２つのリングを放射方向に延在する直線で接続した形状を有するｐ型電極１１を形成する。さらに、ｎ型ＧaＡs基板１の露出面にｎ型電極１２を形成するようにしている。
【００３９】
このように、上記活性層５を単一量子井戸構造にすることによって、立ち上がりおよび立ち下がりの時間が２.１n秒となり、高速応答が可能になる。さらに、ＧaＩnＰ単一量子井戸活性層５に２×１０17cm-3以上の濃度である８×１０17cm-3の濃度でＺnをドーピングしたので、ドーピングしない場合に比して発光スペクトルの半値幅を２５nm以上に広くすることができる。したがって、光出力の温度依存性を小さくすることができる。
【００４０】
尚、上記実施の形態においては、上記ＧaＩnＰ量子井戸活性層５にドーピングするｐ型不純物としてＺnを使用しているが、Ｍg,Ｂe,Ｃ等であっても同等の効果を得ることができる。したがって、上記Ｚnに限らず、ＧaＩnＰ量子井戸活性層５以外の層で使用する不純物と同じものを使用して、不純物の種類を少なくすることが可能になる。
【００４１】
また、上記実施の形態においては、量子井戸活性層として井戸層数が１である単一量子井戸活性層構造を採用しているが、井戸層数が２,３あるいは４以上であっても同様に光出力の温度依存性を小さくする効果を得ることができる。
【００４２】
＜第２実施の形態＞
図５は、本実施の形態の半導体発光素子における構造を示す。尚、図５(a)は平面図であり、図５(b)は図５(a)におけるＣ‐Ｃ'矢視断面図である。図５において、２１はｎ型ＧaＡs基板、２２はｎ型ＧaＡsバッファー層(１μm)、２３はｎ型ＡlＡsとｎ型Ａl0.5Ｇa0.5Ａsとの３０.５ペアのＤＢＲ、２４はｎ型の(Ａl0.7Ｇa0.3)0.5Ｉn0.5Ｐ第１クラッド層、２５は井戸層がＧaxＩn1-xＰでありバリア層が（Ａl0.5Ｇa0.5)0.5Ｉn0.5Ｐであるｎ型ＧaＩnＰ単一量子井戸活性層、２６はｐ型（Ａl0.7Ｇa0.3)0.5Ｉn0.5Ｐ第２クラッド層、２７はｐ型の(Ａl0.2Ｇa0.8)0.5Ｉn0.5Ｐとｐ型Ａl0.5Ｉn0.5Ｐとの１２ペアのＤＢＲ、２８はｐ型の（Ａl0.2Ｇa0.8)0.5Ｉn0.5Ｐエッチングストップ層(０.５μm)、２９はｎ型ＧaＡs電流狭窄層(０.３μm)、３０はｎ型(Ａl0.3Ｇa0.7)0.5Ｉn0.5Ｐ保護層(０.１μm)、３２はｐ型Ａl0.5Ｇa0.5Ａs電流拡散層、３３はｐ型電極、３４はｎ型電極である。
【００４３】
図６は、図５に示す半導体発光素子の製造工程において、ｎ型ＧaＡs基板２１上にｎ型ＧaＡsバッファー層２２からｎ型ＡlＧaＩnＰ保護層３０までを形成した後、さらにｎ型ＧaＡsキャップ層３１を形成した状態の断面図である。尚、本半導体発光素子はＡlＧaＩnＰ系のものである。図６に示すように、面方位(１００)から[０１１]方向に１５°だけ傾斜したｎ型ＧaＡs基板２１上に、ｎ型ＧaＡsバッファー層２２からｎ型ＧaＡsキャップ層３１までを、ＭＯＣＶＤ法によって順次積層する。
【００４４】
ここで、上記ｎ型ＡlＡsとｎ型Ａ1ＧaＡsとの３０.５ペアのＤＢＲ２３およびｐ型ＡlＧaＩnＰとｐ型ＡlＩnＰとの１２ペアのＤＢＲ２７は、反射スペクトルの中心が６６５nmになるようにする。そして、この２つのＤＢＲ２３,２７で形成される共振器の共振波長も６６５nmになるように共振器長を調整する。尚、本実施の形態においては、上記共振器長を２波長分に設定した。また、ＧaＩnＰ単一量子井戸活性層２５の位置が上記共振器内に発生する定在波の腹の位置になるようにし、発光ピーク波長は６５０nmになるようにする。さらに、ＧaＩnＰ単一量子井戸活性層２５には、Ｓiを８×１０17cm-3ドーピングする。
【００４５】
図７は、図６における上記ｎ型ＧaＡs電流狭窄層２９およびｎ型ＡlＧaＩnＰ保護層３０に電流経路を形成した状態を示す。尚、図７(a)は平面図であり、図７(b)は図７(a)におけるＤ‐Ｄ'矢視断面図である。図６に示すようにｎ型のＧaＡsキャップ層３１まで形成した後、ｎ型ＧaＡsキャップ層３１を硫酸/過酸化水素系エッチャントによるエッチングによって除去する。そうした後に、フォトリソグラフィーと、熱燐酸エッチャントおよび硫酸/過酸化水素系エッチャントによるエッチングとによって、ｎ型ＡlＧaＩnＰ保護層３０およびｎ型ＧaＡs電流狭窄層２９の一部にｐ型ＡlＧaＩnＰエッチングストップ層２８に達する７０μmφの円形状の電流経路３５を形成する。
【００４６】
その後、図５に示すように、上記ｎ型ＡlＧaＩnＰ保護層３０及びｐ型ＡlＧaＩnＰエッチングストップ層２８上に、ｐ型ＡlＧaＡs電流拡散層３２を再成長する。そして、ｐ型ＡlＧaＡs電流拡散層３２上にＡuＺn/Ｍo/Ａuをスパッタし、フォトリソグラフィーと、Ａuエッチャントおよびアンモニア/過酸化水素系エッチャントによるエッチングとによって、表面電極(３３)を形成する。その後、熱処理することによってｐ型電極３３が得られる。次に、ｎ型ＧaＡs基板２１の露出面を約２８０μmの厚さまで研磨し、この研磨した面にＡuＧe/Ａuを蒸着し、熱処理することによってｎ型電極３４が形成される。こうして、図５に示す半導体発光素子が完成する。
【００４７】
上記構成を有する半導体発光素子における多層反射膜の構造は、上記第１実施の形態と同様である。しかしながら、上記第１実施の形態の場合には、上記面方位(１００)から[０１１]方向に２°だけ傾斜したｎ型ＧaＡs基板１を使用している。これに対して、本実施の形態においては、面方位(１００)から[０１１]方向に１５°だけ傾斜したｎ型ＧaＡs基板２１を使用している。したがって、より良質の鏡面が得られ、その結果ＧaＩnＰ単一量子井戸活性層(発光層)２５に対してｎ型ＧaＡs基板２１とは反対側に在るＡlＧaＩnＰ系の材料の多層反射膜２７における反射率を約７０％から約７５％に向上することができるのである。
【００４８】
また、耐湿性に関しても全く問題がなく、本半導体発光素子を、温度８０℃,湿度８５％の雰囲気中において５０mＡの通電試験を実施したところ、１０００時間経過後で初期光出力の９０％の光出力が得られた。また、初期光出力は、３０mＡで２.２mＷと十分な光出力を得ることができる。
【００４９】
また、上記共振波長を活性層発光波長よりも長く設定し、活性層ピーク波長で基板面に対して斜め方向に共振させることによって、上記第１実施の形態の場合よりも大きな光出量を得ることができる。また、表面にｐ型ＡlＧaＡs電流拡散層３２を設けているので、４０mＡまで電流を大きくした場合に上記第１実施の形態における半導体発光素子の光出力が２.５mＷで飽和傾向を示しているのに対し、本実施の形態における半導体発光素子の光出力は、約４mＷまで供給電流に比例して増加する。また、動作電圧に関しても、３０mＡ通電時に上記第１実施の形態における半導体発光素子が２.３Ｖであるのに対して、本実施の形態における半導体発光素子の動作電圧は２.２Ｖであり、０.１Ｖの動作電圧低減を実現することができる。これらは、ｐ型ＡlＧaＡs電流拡散層３２によってＧaＩnＰ単一量子井戸活性層２５に均一に電流が注入されたことの効果である。
【００５０】
応答特性に関しても、立ち上がりおよび立ち下がりの時間が、ＧaＩnＰ単一量子井戸活性層２５に対するＳiドーピングを行わない場合には２.２ｎ秒であるのに対し、Ｓiドーピングを行った場合には２.１ｎ秒と同等であった。
【００５１】
ところで、上記ＧaＩnＰ単一量子井戸活性層２５にＳiをドーピングする場合には、ドーピング濃度が２×１０17cm-3以上になると発光スペクトルの半値幅が広くなり始める。そして、Ｓi濃度が８×１０17cm-3では、上記第１実施の形態の場合と同様に、ＧaＩnＰ単一量子井戸活性層２５からの発光スペクトルの半値幅が約３０nmとＳiドーピングを行わない場合(１５nm)の約２倍になる。このことによって、図８に示すように、−２０℃から７０℃までの温度範囲において、最小光出力の最大光出力に対する比(最小光出力/最大光出力)の値は、Ｓiドーピングを行わない場合の約０.６から約０.８までに改善されていることが分かる。尚、ＧaＩnＰ単一量子井戸活性層２５の発光スペクトル半値幅が２５nm以上であると「最小光出力/最大光出力」が０.８以上になり、光伝送用の発光素子としては良好な温度特性が得られる。
【００５２】
上述のように、本実施の形態においても、上記活性層２５を単一量子井戸構造にすることによって、立ち上がりおよび立ち下がりの時間が２.１n秒となり、高速応答が可能になる。さらに、単一量子井戸活性層２５に２×１０17cm-3以上の濃度である８×１０17cm-3の濃度でＳiをドーピングしたので、ドーピングしない場合に比して発光スペクトルの半値幅を２５nm以上に広くすることができる。したがって、−２０℃から７０℃までの温度範囲における光出力変化率を２０％以内に抑制することができ、光出力の温度依存性を小さくすることができる。
【００５３】
尚、上記実施の形態においては、上記ＧaＩnＰ単一量子井戸活性層２５にドーピングするｎ型不純物としてＳiを使用しているが、Ｓe,Ｔe等であっても同等の効果を得ることができる。したがって、上記Ｓiに限らず、ＧaＩnＰ単一量子井戸活性層２５以外の層で使用する不純物と同じものを使用して、不純物の種類を少なくすることが可能になる。
【００５４】
また、上記実施の形態においては、量子井戸活性層として井戸層数が１である単一量子井戸活性層構造を採用しているが、井戸層数が２,３あるいは４以上であっても同様に光出力の温度依存性を小さくする効果を得ることができる。
【００５５】
＜第３実施の形態＞
図９は、本実施の形態の半導体発光素子における構造を示す。尚、図９(a)は平面図であり、図９(b)は図９(a)におけるＥ‐Ｅ'矢視断面図である。図９において、４１はｎ型ＧaＡs基板、４２はｎ型ＧaＡsバッファー層(１μm)、４３はｎ型ＡlＡsとｎ型Ａl0.5Ｇa0.5Ａsとの３０.５ペアのＤＢＲ、４４はｎ型の(Ａl0.7Ｇa0.3)0.5Ｉn0.5Ｐ第１クラッド層、４５は井戸層がＧaxＩn1-xＰでありバリア層が（Ａl0.5Ｇa0.5)0.5Ｉn0.5ＰであるＧaＩnＰ単一量子井戸活性層、４６はｐ型(Ａl0.7Ｇa0.3)0.5Ｉn0.5Ｐ第２クラッド層、４７はｐ型(Ａl0.2Ｇa0.8）0.5Ｉn0.5Ｐとｐ型Ａl0.5Ｉn0.5Ｐとの１２ペアのＤＢＲ、４８はｐ型ＡlＧaＩnＰ中間層(０.１５μm)、４９はｐ型ＧaＰ第１電流拡散層、５０はｎ型ＧaＰ電流狭窄層、５２はｐ型ＡlＧaＩnＰ第２電流拡散層、５３はｐ型電極、５４はｎ型電極である。
【００５６】
図１０は、図９に示す半導体発光素子の製造工程において、ｎ型ＧaＡs基板４１上にｎ型ＧaＡsバッファー層４２からｎ型ＧaＰ電流狭窄層５０までを形成した後、さらにｎ型ＧaＡsキャップ層５１を形成した状態の断面図である。尚、本半導体発光素子はＡlＧaＩnＰ系のものである。図１０に示すように、面方位(１００)から[０１１]方向に１５°だけ傾斜したｎ型ＧaＡs基板４１上に、上記ｎ型のＧaＡsバッファー層４２からｐ型ＧaＡsキャップ層５１までを、ＭＯＣＶＤ法によって順次積層する。
【００５７】
ここで、上記ｎ型ＡlＡsとｎ型ＡlＧaＡsとの３０.５ペアのＤＢＲ４３およびｐ型ＡlＧaＩnＰとｐ型ＡlＩnＰとの１２ペアのＤＢＲ４７は、反射スペクトルの中心が６６０nmになるようにする。そして、この２つのＤＢＲ４３,４７で形成される共振器の共振波長も６６０nmになるように共振器長を調整する。また、ＧaＩnＰ単一量子井戸活性層４５の位置が上記共振器内に発生する定在波の腹の位置になるようにし、発光ピーク波長は６５０nmになるようにする。更に、ＧaＩnＰ単一量子井戸活性層４５には、ＳiとＺnとを各々３×１０17cm-3ドーピングする。
【００５８】
図１１は、図１０における上記ｎ型ＧaＰ電流狭窄層５０に電流経路を形成した状態を示す。尚、図１１(a)は平面図であり、図１１(b)は図１１(a)におけるＦ‐Ｆ'矢視断面図である。図１０に示すようにｎ型ＧaＡsキャップ層５１まで形成した後に、ｎ型ＧaＡsキャップ層５１を硫酸/過酸化水素系エッチャントによって除去する。そうした後に、フォトリソグラフィーと硫酸/酸化水素系エッチャントによるエッチングとによって、ｎ型ＧaＰ電流狭窄層５０の一部に、ｐ型ＧaＰ第１電流拡散層４９に達する７０μmφの円形状の電流経路５５を形成する。
【００５９】
その後、図９に示すように、上記ｎ型ＧaＰ電流狭窄層５０およびｐ型ＧaＰ第１電流拡散層４９上にｐ型ＡlＧaＩnＰ第２電流拡散層５２を再成長する。そして、上記ｐ型ＡlＧaＩnＰ第２電流拡散層５２上にＡuＢe/Ｍo/Ａuを蒸着し、フオトリソグラフィーによるパターニングによって表面電極(５３)を形成する。その後、熱処理することによってｐ型電極５３が得られる。次に、ｎ型ＧaＡs基板４１の露出面を約２８０μmの厚さまで研磨し、この研磨した面にＡuＧe/Ａuを蒸着し、熱処理することによってｎ型電極５４が形成される。こうして、図９に示す半導体発光素子が完成する。
【００６０】
上記構成を有する半導体発光素子は、温度８０℃,湿度８５％の雰囲気中において５０mＡの通電試験を実施したところ、１０００時間経過後で初期光出力の９０％の光出力が得られた。また、初期光出力は、３０mＡで２.２mＷと十分な光出力を得ることができる。また、上記第２実施の形態の場合と同様に、上記共振波長を活性層発光波長よりも長く設定し、活性層ピーク波長で基板面に対して斜め方向に共振させることによって、上記第１実施の形態の場合よりも大きな光出量を得ることができる。また、表面にｐ型ＡlＧaＩnＰ第２電流拡散層５２を設けているので、本実施の形態における半導体発光素子の光出力は、約４mＷまで供給電流に比例して増加する。また、動作電圧に関しても、上記第２実施の形態の場合と同様に２.２Ｖである。
【００６１】
応答特性に関しても、立ち上がり及び立ち下がりの時間が、ＧaＩnＰ単一量子井戸活性層４５に対するＳi,Ｚnのドーピングを行わない場合には２.２ｎ秒であるのに対し、Ｓi,Ｚnのドーピングを行った場合には２.１ｎ秒と同等であった。
【００６２】
ところで、上記ＧaＩnＰ単一量子井戸活性層４５にＳiとＺnとの(つまり、ｎ型不純物とｐ型不純物との)両方をドーピングしている。その場合、各々のドーピング濃度がｎ型ｐ型何れか一方の不純物をドーピングした上記第１,第２実施の形態の２×１０17cm-3よりも低い７×１０16cm-3以上になると発光スペクトルの半値幅が広くなり始める。そして、ＳiとＺnとの各々のドーピング濃度が３×１０17cm-3では、ＧaＩnＰ単一量子井戸活性層４５からの発光スペクトルの半値幅が約３０nmとドーピングしない場合(１５nm)の約２倍になる。このことによって、上記第２実施の形態の場合と同様に、−２０℃から７０℃までの温度範囲において、最小光出力の最大光出力に対する比(最小光出力/最大光出力)の値が約０.８となり、光伝送用の発光素子としては良好な温度特性が得られる。また、ＧaＩnＰ単一量子井戸活性層４５に対するドーピング濃度を低くすることができる。
【００６３】
尚、上記実施の形態においては、上記ＧaＩnＰ単一量子井戸活性層４５にドーピングするｎ型不純物およびｐ型不純物としてＳi,Ｚnを使用しているが、Ｓe,Ｔe等のｎ型不純物や、Ｍg,Ｂe,Ｃ等のｐ型不純物であっても同等の効果を得ることができる。したがって、上記Ｓi,Ｚnに限らず、ＧaＩnＰ単一量子井戸活性層４５以外の層で使用する不純物と同じものを使用して、不純物の種類を少なくすることが可能になる。
【００６４】
また、上記実施の形態においては、量子井戸活性層として井戸層数が１である単一量子井戸活性層構造を採用しているが、井戸層数が２,３あるいは４以上であっても同様に光出力の温度依存性を小さくする効果を得ることができる。
【００６５】
上述したように、上記各実施の形態によれば、上記量子井戸活性層に不純物をドーピングすることによって、発光スペクトルの半値幅が広がって光出力の温度依存性が小さくなる。したがって、高温下においても光出力が低下することはない。すなわち、量子井戸層数が複数である発光素子を、ディスプレイ用の光源に適用することが可能になるのである。
【００６６】
さらに、上記各実施の形態においては、上記単一量子井戸活性層５,２５,４５に上記共鳴キャビティ構造を適用しているので、高速応答を実現することができる。そして、上述したように、上記単一量子井戸活性層５,２５,４５には不純物をドーピングしているので、光出力の温度依存性を小さくして性能を向上することができる。したがって、上記各実施の形態のごとく、不純物がドーピングされた単一量子井戸活性層に上記共鳴キャビティ構造を適用した構成を有する半導体発光素子は、光通信用光源に適しているのである。
【００６７】
【発明の効果】
以上より明らかなように、上記第１の発明の半導体発光素子は、一対の多層反射膜で成る共振器内に発生する定在波の腹の位置に形成された量子井戸構造の活性層に不純物がドーピングされているので、上記不純物がドーピングされていない場合に比して発光スペクトルの半値幅を広くできる。したがって、光出力の温度依存性を小さくできる。
【００６８】
さらに、上記量子井戸活性層を単一量子井戸活性層にしたので、高速応答を可能にすることができる。
【００６９】
さらに、上記量子井戸活性層にｎ型不純物をドーピングすることによって、上記量子井戸活性層による発光スペクトルの半値幅を２５nm以上にし、その結果−２０℃から７０℃までの温度範囲内における最小光出力の最大光出力に対する比の値を０.８以上にしたので、光出力の温度依存性を小さくすることができる。したがって、−２０℃から７０℃までの温度範囲内における光出力温度変化率が２０％以下になり、光伝送用の発光素子として使用することができる。
【００７０】
また、１実施例の半導体発光素子は、上記ｎ型の不純物の濃度を２×１０17cm-3以上にしたので、上記ｎ型不純物がドーピングされていない場合に比して、上記発光スペクトルの半値幅を顕著に広くすることができる。したがって、光出力の温度依存性を的確に小さくすることができる。
【００７１】
また、第２の発明の半導体発光素子は、一対の多層反射膜で成る共振器内に発生する定在波の腹の位置に形成された量子井戸構造の活性層にｐ型不純物およびｎ型不純物をドーピングすることによって、上記量子井戸活性層による発光スペクトルの半値幅を２５nm以上にし、その結果−２０℃から７０℃までの温度範囲内における最小光出力の最大光出力に対する比の値を０.８以上にしたので、光出力の温度依存性を小さくすることができる。したがって、光伝送用の発光素子として使用することができる。
【００７２】
さらに、上記不純物をｐ型不純物およびｎ型不純物の両方としたので、何れか一方の不純物がドーピングされている場合に比して低い不純物濃度で発光スペクトルの半値幅を広くできる。したがって、より低い不純物濃度で光出力の温度依存性を小さくできる。
【００７３】
また、１実施例の半導体発光素子は、上記ｐ型不純物とｎ型不純物との濃度を各々７×１０16cm-3以上にしたので、上記不純物がドーピングされていない場合に比して上記発光スペクトルの半値幅を顕著に広くすることができる。したがって、光出力の温度依存性を的確に小さくすることができる。
【００７４】
また、１実施例の半導体発光素子は、上記ｐ型不純物をＺn,Ｍg,Ｂe,Ｃの何れか一つとし、上記ｎ型不純物をＳi,Ｓe,Ｔeの何れか一つとしたので、上記量子井戸活性層にドーピングする不純物として、上記量子井戸活性層以外の層で使用される不純物と同じ不純物を選択することができる。
【００７５】
また、１実施例の半導体発光素子は、ＧaＡs基板を用いるので、ＧaＡs基板に格子整合する材料系で形成することができる。したがって、高い発光効率を得ることができる。
【００７６】
また、１実施例の半導体発光素子は、上記量子井戸活性層をＡlyＧazＩn1-y-zＰ(０≦ｙ≦１,０≦ｚ≦１)で形成したので、発光波長を５５０nm〜６７０nmの範囲内に設定することができる。
【００７７】
また、１実施例の半導体発光素子は、多層反射膜および量子井戸活性層を含む半導体層をＭＯＣＶＤ法によって形成したので、膜厚や層厚やキャリア濃度を再現性よく設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の半導体発光素子における構造を示す図である。
【図２】  図１に示す半導体発光素子をｐ型ＧaＡsコンタクト層まで形成した状態を示す断面図である。
【図３】  図２におけるｐ型ＧaＡsコンタクト層上にＳiＯ2膜および電流経路を形成した状態を示す図である。
【図４】  図１に示す半導体発光素子における光出力の温度依存性を示す図である。
【図５】  図１とは異なる半導体発光素子の構造を示す図である。
【図６】  図５に示す半導体発光素子をｎ型ＧaＡsキャップ層まで形成した状態を示す断面図である。
【図７】  図６におけるｎ型ＧaＡs電流狭窄層およびｎ型ＡlＧaＩnＰ保護層に電流経路を形成した状態を示す図である。
【図８】  図５に示す半導体発光素子における光出力の温度依存性を示す図である。
【図９】  図１及び図５とは異なる半導体発光素子の構造を示す図である。
【図１０】  図９に示す半導体発光素子をｎ型ＧaＡsキャップ層まで形成した状態を示す断面図である。
【図１１】  図１０におけるｎ型ＧaＰ電流狭窄層に電流経路を形成した状態を示す図である。
【符号の説明】
１,２１,４１…ｎ型ＧaＡs基板、
２,２２,４２…ｎ型ＧaＡsバッファー層、
３,２３,４３…ｎ型ＡlＡs/ｎ型ＡlＧaＡs３０.５ペアＤＢＲ、
４,２４,４４…ｎ型ＡlＧaＩnＰ第１クラッド層、
５,２５,４５…ＧaＩnＰ単一量子井戸活性層、
６,２６,４６…ｐ型ＡlＧaＩnＰ第２クラッド層、
７,２７,４７…ｐ型ＡlＧaＩnＰ/ｐ型ＡlＩnＰ１２ペアＤＢＲ、
８,４８,…ｐ型ＡlＧaＩnＰ中間層、
９…ｐ型ＧaＡsコンタクト層、
１０…ＳiＯ2膜、
１１,３３,５３…ｐ型電極、
１２,３４,５４…ｎ型電極、
１３,３５,５５…電流経路、
２８…ｐ型ＡlＧaＩnＰエッチングストップ層、
２９…ｎ型ＧaＡs電流狭窄層、
３０…ｎ型ＡlＧaＩnＰ保護層、
３１,５１…ｎ型ＧaＡsキャップ層
３２…ｐ型ＡlＧaＡs電流拡散層、
４９…ｐ型ＧaＰ第１電流拡散層、
５０…ｎ型ＧaＰ電流狭窄層、
５２…ｐ型ＡlＧaＩnＰ第２電流拡散層。
【図１】
0004443094.tif 000002
【図２】
0004443094.tif 000003
【図３】
0004443094.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0004443094.tif 000008
【図８】
0004443094.tif 000009
【図９】
0004443094.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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