(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
上記基板上に形成された第１のクラッド層と、
上記第１のクラッド層上に形成された活性層と、
上記活性層上のガイド層上に直接形成されたノンドープの第２のクラッド層と、
上記第２のクラッド層上に直接形成された格子不整合層と、
上記格子不整合層上に形成されたドープされた第３のクラッド層とを有し、
上記格子不整合層と上記ドープされた第３のクラッド層の間に、上記格子不整合層上に直接形成されたノンドープクラッド層を有する
ことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
上記格子不整合層が圧縮歪み層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】
上記格子不整合層が引っ張り歪み層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４】
上記格子不整合層が、圧縮歪み層と引っ張り歪み層との積層構造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５】
上記ドープされた第３のクラッド層が、導入不純物として亜鉛を用いる層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６】
ＡｌＧａＩｎＰ系材料により構成されたことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、活性層と不純物導入を行った層とを有する、例えば半導体レーザや発光ダイオード等の発光素子に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザや発光ダイオード等の電流注入型の発光素子においては、電流注入の効率及び発光効率を上げるため、ｐ／ｎの接合位置と活性層の位置は近い方がよい。また、同様な理由で不純物導入の濃度は高い方が望ましい。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、活性層にある種の不純物が入り込むと活性層の劣化が著しく速くなるため、通常は活性層の近傍における不純物の導入濃度を下げたり、活性層の近傍はノンドープの層として、不純物を活性層から離す等の工夫がなされる。
このように、活性層付近のドーピングプロファイルは、素子の信頼性を左右する重要なファクターである。
【０００４】
なかでも、ＧａＡｓやＧａＩｎＰ等のIII-Ｖ族半導体における亜鉛のドーピングでは、亜鉛が非常に拡散しやすく、高温で結晶成長を行っている最中に容易に活性層近傍に入り込むため、発光素子の劣化の原因となる（文献Endo et al.:Appl.Phys.Lett.64(1994),p146参照）。
【０００５】
即ち、不純物の拡散領域が、活性層に近づき過ぎると発光素子の寿命が低下して信頼性が低下し、活性層から遠すぎるとｐ／ｎ接合に対して位置がずれてしまう。
従って、不純物の導入条件が、発光素子において重要な要素となっているが、亜鉛等導入不純物の拡散を制御するのは困難であり、そのためドーピングプロファイルの自由度は極めて低くなっている。
【０００６】
上述した問題の解決のために、本発明においては、導入不純物の拡散に起因する活性層の劣化を抑制することにより、信頼性の高い発光素子を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の発光素子は、基板と、基板上に形成された第１のクラッド層と、第１のクラッド層上に形成された活性層と、活性層上のガイド層上に直接形成されたノンドープの第２のクラッド層と、第２のクラッド層上に直接形成された格子不整合層と、格子不整合層上に形成されたドープされた第３のクラッド層とを有し、格子不整合層とドープされた第３のクラッド層の間に、格子不整合層上に直接形成されたノンドープクラッド層を有する構成である。
【０００８】
上述の本発明の構成によれば、格子不整合層を有することにより、導入された不純物が、格子不整合層により拡散が抑制されるため、その先の活性層にまで拡散することを抑制することができる。これにより不純物の拡散による活性層の劣化を抑制し、長寿命化することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、基板と、基板上に形成された第１のクラッド層と、第１のクラッド層上に形成された活性層と、活性層上のガイド層上に直接形成されたノンドープの第２のクラッド層と、第２のクラッド層上に直接形成された格子不整合層と、格子不整合層上に形成されたドープされた第３のクラッド層とを有し、格子不整合層とドープされた第３のクラッド層の間に、格子不整合層上に直接形成されたノンドープクラッド層を有する発光素子である。
【００１０】
また本発明は、上記発光素子において、格子不整合層が圧縮歪み層である構成とする。
【００１１】
また本発明は、上記発光素子において、格子不整合層が引っ張り歪み層である構成とする。
【００１２】
また本発明は、上記発光素子において、格子不整合層が、圧縮歪み層と引っ張り歪み層との積層構造である構成とする。
【００１３】
また本発明は、上記発光素子において、ドープされた第３のクラッド層が、導入不純物として亜鉛を用いる層である構成とする。
【００１４】
また本発明は、上記発光素子において、ＡｌＧａＩｎＰ系材料により構成された構成とする。
【００１５】
本発明の実施例の説明に先立ち、本発明の概要について説明する。
本発明においては、活性層と不純物導入を行った層との間に格子不整合を有する層（いわゆる歪み層）が形成されて発光素子を構成している。
【００１６】
ここでは、例えばＧａＡｓやＧａＩｎＰ等のIII-Ｖ族化合物半導体の中の亜鉛（Ｚｎ）ドープを例に採る。
この場合亜鉛は、III 族のサイトに入って、アクセプタとなるが、取り込まれた亜鉛の一部は格子間原子となる。亜鉛は半導体中を容易に拡散するが、拡散は主にこの格子間にある亜鉛原子によって起こる。
【００１７】
半導体レーザや発光ダイオード等の電流注入型の半導体発光素子を作製する場合には、亜鉛が活性層に入り込むと素子の信頼性が著しく悪化するので、活性層からやや離れた位置から、又は離れた位置まで亜鉛ドープを行っている。
しかし、成長中の高温の状態において、活性層方向に主に格子間にあった亜鉛原子が拡散してしまう。
【００１８】
通常、発光素子を構成する各層は、ほぼ格子整合条件で作製されている。
ここで、活性層と不純物導入された層（以下ドープ層とする）との間に格子不整合を有する層があるとすると、亜鉛等の導入不純物の移動のしかたが変わってくる。
【００１９】
例えば、格子定数が大きく、そのため圧縮歪みが生じている層では、格子間の亜鉛の存在は不安定になる。
そのため、図３に示すように、ドーピング層２１に導入された亜鉛は、格子整合層２２には容易に拡散するが、格子整合層２２からこの圧縮歪み層２３への格子間の亜鉛の移動は起こりにくくなる。従って、活性層２５への亜鉛の到達は抑制されている。
図３中矢印は亜鉛の移動を示し、線が太い程移動しやすいことを表す。即ち圧縮歪み層２３が移動を抑制する効果を有している。
【００２０】
また逆に、格子定数が小さく、そのため引っ張り歪みが生じている層では、格子間原子の存在は格子整合している層よりも安定となり、図４に示すように、格子整合層２２からこの引っ張り歪み層２４への格子間の亜鉛の移動は容易となるが、引っ張り歪み層２４から格子整合層２２への移動は抑制される。従って、格子間の亜鉛は引っ張り歪み層２４にトラップされ、結局この場合も活性層２５への移動は抑制される。
【００２１】
このように、格子整合層２２の中に格子歪みを有する層２３，２４があると、それが圧縮歪み層２３、引っ張り歪み層２４のいずれであっても、格子間原子の移動を抑制する働きを有する。
【００２２】
ここで、歪みの量が大きいほど、また歪みを有する層が厚いほど、導入不純物の移動を抑制する効果が大きいが、結晶の質を維持するためには歪みを有する層の厚さが臨界膜厚以下である必要がある。
従って、圧縮歪み層２３又は引っ張り歪み層２４の単層により歪み層を構成すると、充分な効果が得られない場合がある。
【００２３】
そこで、引っ張り歪み層２３と圧縮歪み層２４を組み合わせた積層構造を採ることにより、各々の歪みを補償することにより、実質的な臨界膜厚を大きくすることができ、格子間原子の移動を抑制する効果を高めることができる。
例えば図５に示すように、引っ張り歪み層２３と圧縮歪み層２４とを交互に積層した積層構造により、このような効果を実現することができる。
【００２４】
以下、図面を参照して本発明の発光素子の具体的な実施例を説明する。
図１は、本発明の発光素子の実施例、本例ではＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザに適用した例の断面図を示す。
この半導体レーザ１は、いわゆるＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）構造を有するもので、光導波を行う層を活性層と別に設けている。
【００２５】
この半導体レーザ１は、第１導電型例えばｎ型のシリコンをドープしたＧａＡｓからなる半導体基板２上に、例えばＳｅをドープしたＡｌＧａＩｎＰからなる第１導電型のクラッド層３が形成され、その上に例えばＡｌＧａＩｎＰからなる第１のガイド層４が形成されている。
【００２６】
この第１のガイド層４の上に、例えばＧａＩｎＰからなるｗｅｌｌ層５と、例えばＡｌＧａＩｎＰからなるバリア層６とを交互に積層し量子井戸活性層１５が形成されている。
これの上には、例えばＡｌＧａＩｎＰからなる第２のガイド層７が形成され、その上に例えばＡｌＧａＩｎＰからなるアンドープのクラッド層８が形成され、その上の格子不整合を有する拡散防止層９を挟んで、またアンドープのクラッド層８が形成されている。
【００２７】
アンドープのクラッド層８の上には、例えば亜鉛をドープしたＡｌＧａＩｎＰからなる亜鉛をドープした第２導電型（ｐ型）のクラッド層１０が形成され、さらにその上に例えば亜鉛をドープしたＧａＡｓからなるコンタクト層１１が形成されている。
【００２８】
そして、電流狭窄のためのストライプ構造を構成するために、ストライプ構造の両外側に、例えばホウ素等の第１導電型（ｎ型）の不純物を導入した電流狭窄層１２が形成されている。
さらに、半導体基板２の下には第１導電型（ｎ型）の電極１３が、コンタクト層１１の上には第２導電型（ｐ型）の電極１４が、それぞれ形成されて成る。
【００２９】
そして、本例においては、格子不整合を有する拡散防止層９は、図２に活性層近傍のエネルギーバンド図を示すように、圧縮歪み層９ａと引っ張り歪み層９ｂとを交互に積層した構造により構成する。
これにより、第２導電型のクラッド層１０にドープされた亜鉛が、この拡散防止層９により拡散が抑制される。
【００３０】
従って、格子間の亜鉛の活性層１５への拡散を抑制することができるので、活性層１５の劣化を抑制して寿命を長くすることができ、半導体レーザ１の信頼性を高めることができる。
これにより、亜鉛の活性層１５への拡散にとらわれず、亜鉛のドーピングプロファイルの自由度を広げることができる。
【００３１】
この半導体レーザ１は、例えば次のようにして製造する。
基板上への各層の結晶成長は例えばＭＯＣＶＤ法を用いる。原料はＴＭＧａ（トリメチルガリウム），ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム），ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム），ＤＭＺｎ（ジメチル亜鉛）の有機金属原料と、ＡｓＨ3 ，ＰＨ3 ，Ｈ2 Ｓｅの水素化ガスを用いる。成長温度は７００℃、成長室内の圧力は２００torrで成長を行う。キャリアガスは例えばＨ2 を用いる。
【００３２】
まず、例えば＜１１０＞方向に８°傾いた＜１００＞面のシリコンをドープしたＧａＡｓからなる半導体基板２上に、例えば１μｍ程度の厚さの例えばＳｅをドープした（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ等からなる第１導電型のクラッド層３を形成し、例えば５０ｎｍ程度の厚さの例えば（Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ等からなる第１のガイド層４を順次積層形成する。
【００３３】
そして、これの上に例えば５ｎｍ程度の厚さのＧａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ等からなるｗｅｌｌ層５と例えば６ｎｍ程度の厚さの例えば（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ等からなるバリア層６を交互に積層形成し、例えば３つの量子井戸構造を形成した活性層１５を構成する。
【００３４】
続いて、これの上に厚さ５０ｎｍ程度の厚さの例えば（Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ等からなる第２のガイド層７を形成し、厚さ２００ｎｍ程度の例えば（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ等からなるアンドープのクラッド層８を形成する。
【００３５】
次に、これの上に拡散防止層９を形成する。
拡散防止層９は、（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.6 Ｉｎ0.4 Ｐ等からなる引っ張り歪み層９ｂと（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.4 Ｉｎ0.6 Ｐ等からなる圧縮歪み層９ａとを交互に例えば１０周期積層した積層構造により構成する。
このようにＡｌＧａＩｎＰ系では、格子整合条件よりＩｎを減らすと引っ張り歪み層に、格子整合条件よりＩｎを増やすと圧縮歪み層になる。
【００３６】
続いて、拡散防止層９の上にも厚さ２００ｎｍ程度の（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ等からなるアンドープのクラッド層８を形成した後、例えば６００ｎｍ程度の厚さの例えば亜鉛をドープした（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ等からなる第２導電型のクラッド層１０を形成し、例えば３００ｎｍの厚さの例えば亜鉛をドープしたＧａＡｓ等からなるコンタクト層１１を順次積層形成する。
【００３７】
さらに、ホウ素をイオン注入することにより、外側に第１導電型例えばｎ型の電流狭窄層１２を形成し、中央にストライプ構造を形成する。
その後は、コンタクト層１１のストライプ構造上を覆って、第２導電型の電極１４として、例えば５０ｎｍ程度のＴｉ、例えば厚さ１００ｎｍ程度のＰｔ、例えば厚さ２００ｎｍ程度のＡｕを、例えば蒸着によって順次被着形成させ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ型電極を形成する。続いて同様に第１導電型の電極１３として、例えば１６０ｎｍ程度のＡｕ−Ｇｅ、例えば厚さ５０ｎｍ程度のＮｉ、例えば厚さ１００ｎｍ程度のＡｕを蒸着し、Ａｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ型電極を形成する。
【００３８】
このようにして、図１に示す構造の半導体レーザ１を製造することができる。
【００３９】
この例においては、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザに適用した例であったが、その他の材料系や構造の半導体レーザであっても、また発光ダイオードでも、同様に、拡散防止層として格子不整合を有する層を形成して、導入不純物の活性層への拡散を防止することができる。
導入不純物は、この例では亜鉛を挙げたが、その他の導入不純物を用いても良い。
【００４０】
本発明の発光素子は、上述の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【００４１】
【発明の効果】
上述の本発明による発光素子によれば、格子間の不純物の活性層への拡散を抑制することができるので、活性層の劣化が抑制され、寿命が長くなることによって、発光素子の信頼性を高めることができる。
また、これによってドーパントの活性層への拡散にとらわれず、ドーピングプロファイルの自由度が広がる。
【００４２】
また、引っ張り歪み層と圧縮歪み層とを組み合わせて格子不整合を有する層を構成したときには、格子不整合を有する層の実質的な臨界膜厚を厚くすることができ、不純物の拡散を抑制する効果を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光素子の実施例の半導体レーザの概略構成図（断面図）である。
【図２】図１の半導体レーザの活性層付近のエネルギーバンド図である。
【図３】圧縮歪み層を用いた場合の例を説明する図である。
【図４】引っ張り歪み層を用いた場合の例を説明する図である。
【図５】圧縮歪み層と引っ張り歪み層を組み合わせて用いた場合の例を説明する図である。
【符号の説明】
１  半導体レーザ、２  半導体基板、３  第１導電型のクラッド層、４  第１導電型のガイド層、５  ｗｅｌｌ層、６  バリア層、７  第２のガイド層、８  アンドープのクラッド層、９  拡散防止層、９ａ  歪み層、９ｂ  歪み層、１０  第２導電型のクラッド層、１１  コンタクト層、１２  電流狭窄層、１３  第１導電型の電極、１４  第２導電型の電極、２１  ドーピング層、２２  格子整合層、２３  圧縮歪み層、２４  引っ張り歪み層、１５，２５  活性層
【図１】
0003985283.tif 000002
【図２】
0003985283.tif 000003
【図３】
0003985283.tif 000004
【図４】
0003985283.tif 000005
【図５】
0003985283.tif 000006