(57)【要約】【課題】発光出力及び応答特性が良く、かつ発光に必要な順方向電圧の上昇を抑制することができる発光素子を提供する。【解決手段】本発明に係る発光素子は、基板上に、量子井戸層５１とバリア層を交互に積層させた量子井戸構造の活性層５を具備する発光素子である。前記バリア層の少なくとも一つは、第１のバリア層５３及び第２のバリア層５２を積層させた構造を含んでおり、第１のバリア層５３は量子井戸層５１の歪を緩衝する層であり、第２のバリア層５２は、量子井戸層５１に対してエネルギー障壁を有する層である。また、前記バリア層の少なくとも一つは、組成が厚さ方向で連続的に変化した層であり、量子井戸層５１の歪を緩衝し、かつ量子井戸層５１に対してエネルギー障壁を有する層であってもよい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、量子井戸層とバリア層を交互に積層させた量子井戸構造の活性層を具備する発光素子であって、
前記バリア層の少なくとも一つは、第１のバリア層及び第２のバリア層を積層させた構造を含んでおり、
前記第１のバリア層は前記量子井戸層の歪を緩衝する層であり、
前記第２のバリア層は、前記量子井戸層に対してエネルギー障壁を有する層であることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
基板上に、量子井戸層とバリア層を交互に積層させた量子井戸構造の活性層を具備する発光素子であって、
前記バリア層の少なくとも一つは、組成が厚さ方向で連続的に変化した層であり、
前記バリア層は前記量子井戸層の歪を緩衝し、
かつ前記量子井戸層に対してエネルギー障壁を有する層であることを特徴とする発光素子。
【請求項３】
前記活性層が、２つの反射層で挟まれた共振器構造を有する請求項１又は２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記量子井戸層の中心間距離をＬ、前記発光素子の発光波長をλ、前記共振器構造の光学長内の平均屈折率をｎとした場合に、
λ／（１９×ｎ）≦Ｌ≦λ／（９×ｎ）
である請求項３に記載の発光素子。
【請求項５】
前記基板の格子定数をＡ、前記量子井戸層の格子定数をＢ、前記量子井戸層が有する歪をε１としたとき、
ε１=-（Ａ−Ｂ）/Ａ×１００  （％）
で表される前記量子井戸層の歪が、−０．５％以下又は０．５％以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項６】
前記基板の格子定数をＡ、前記第２のバリア層の格子定数をＣ、前記第２のバリア層が有する歪をε２としたとき、
ε２=-（Ａ−Ｃ）/Ａ×１００  （％）
で表される前記バリア層の歪が、−２．０％以上０％未満、又は０％超２．０％以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子井戸層構造を有する発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高速データ通信、あるいはセンサー用途に用いる光源に対しての需要が増加している。これらの用途に使用する光源には、高出力かつ高速応答性を満たすことが求められる。この２つの特性を有する発光素子として、共振器構造を有する面発光型の発光素子（例えば発光ダイオード）がある。
【０００３】
共振器構造を有する発光素子は、活性層を２つの反射層で挟み込むことにより、活性層からの光を活性層に対して垂直方向に共振させる構造（垂直共振器）を有している。垂直共振器構造において、活性層を量子井戸層にすると高速応答性が実現される。また量子井戸層を複数形成することにより発光出力が高くなる。また、特許文献１には、共振器内の定在波の腹となる位置に複数の量子井戸層が存在することにより、発光出力を高めた発光ダイオードが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２、非特許文献１には基板と格子定数が異なる量子井戸層を作製する際、量子井戸層によって蓄積される歪を、量子井戸層とは反対の符号の歪を有するバリア層で補償することにより、低発振閾値電流及び高信頼性を達成した半導体レーザが開示されている。
【特許文献１】特開平１０−２７９４５号公報
【特許文献２】特許第３５０５２５９号
【非特許文献１】Appl.Phys.Lett.58(1991),p1952-1954
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
共振器構造を有する発光素子では、発光出力を向上させるためにはキャリアを量子井戸層に閉じ込める必要があり、量子井戸層の相互間隔を十分長くしていたため、高速応答性が得られなかった。例えば、特許文献1のように高い発光出力を得るために複数の定在波の腹に量子井戸層を配置すると、順方向電圧が増大し、かつ応答速度が低下してしまう。
【０００６】
また、特許文献２、非特許文献１のように、量子井戸層間のバリア層を量子井戸層の歪を緩衝する層とした場合、バリア層のエネルギー障壁が変化するため、量子井戸層に対して適切な障壁とすることができなくなる。そのため、発光出力の低下や順方向電圧の上昇が生じてしまう。
【０００７】
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、発光出力及び応答特性が良く、かつ発光に必要な順方向電圧の上昇を抑制することができる発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は鋭意研究を重ねた結果、基板との格子定数差が大きい活性層を成長させる場合、歪みを補償するバリア層と、量子井戸層に対して適切なエネルギー障壁を持つバリア層とを設けることにより、歪量子井戸層を近接させた場合においても結晶欠陥の発生を抑制しつつ、キャリア閉じ込め効率を高めて発光出力を向上させることが可能であることを見いだした。
【０００９】
本発明は、上記した知見に基づいて成された。すなわち本発明に係る発光素子は、基板上に、量子井戸層とバリア層を交互に積層させた量子井戸構造の活性層を具備する発光素子であって、
前記バリア層の少なくとも一つは、第１のバリア層及び第２のバリア層を積層させた構造を含んでおり、
前記第１のバリア層は前記量子井戸層の歪を緩衝する層であり、
前記第２のバリア層は、前記量子井戸層に対してエネルギー障壁を有する層であることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る他の発光素子は、基板上に、量子井戸層とバリア層を交互に積層させた量子井戸構造の活性層を具備する発光素子であって、
前記バリア層の少なくとも一つは、組成が厚さ方向で連続的に変化した層であり、
前記バリア層は前記量子井戸層の歪を緩衝し、
かつ前記量子井戸層に対してエネルギー障壁を有する層であることを特徴とする。
【００１１】
前記活性層が、２つの反射層で挟まれた共振器構造を有するのが好ましい。この場合、前記量子井戸層の中心間距離をＬ、前記発光素子の発光波長をλ、前記共振器構造の光学長内の平均屈折率をｎとした場合に、λ／（１９×ｎ）≦Ｌ≦λ／（９×ｎ）であるのが好ましい。
【００１２】
前記基板の格子定数をＡ、前記量子井戸層の格子定数をＢ、前記量子井戸層が有する歪をε１としたとき、ε１=-（Ａ−Ｂ）/Ａ×１００（％）で表される前記量子井戸層の歪が、−０．５％以下又は０．５％以上であるのが好ましい。
また、前記基板の格子定数をＡ、前記第２のバリア層の格子定数をＣ、前記第２のバリア層が有する歪をε２としたとき、ε２=-（Ａ−Ｃ）/Ａ×１００（％）で表される前記バリア層の歪が、−２．０％以上０％未満、又は０％超２．０％以下であるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、基板との格子定数差が大きい活性層を有する発光素子において、量子井戸層相互間に位置するバリア層のバリア機能を低下させずに、活性層に発生する歪を緩衝することにより、活性層の発光面積を広くすることが可能になり、その結果、発光素子の発光出力を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について、共振器を有する発光素子を例に説明する。図１（Ａ） は、本発明の実施形態に係る発光素子の構造を示す断面図であり、図１（Ｂ）はその平面図である。図１（Ａ）は図１（Ｂ）のＡ-Ａ断面を示している。図１（Ｂ）において、１２ａ、１２ｂはダイシングラインを示している。
【００１５】
この発光素子１は垂直共振器型発光ダイオードであり、第１導電型（例えばｎ型）の基板２の表面上に、第１反射層３、第１クラッド層４、アンドープの活性層５、第２クラッド層６、第２反射層８、及びコンタクト層９をこの順に積層したものである。第１クラッド層４、活性層５、及び第２クラッド層６により垂直共振器を形成するダブルへテロ接合層７が形成されている。垂直共振器の光学長は、第１反射層３と第２反射層８の距離すなわちダブルへテロ接合層７の厚みである。ここで、第１クラッド層４、第２クラッド層６内の活性層５側に拡散防止層を配置してもよい。また、第２反射層８の上部に電流拡散層を配してもよい。
【００１６】
なお、第１反射層３及び第１クラッド層４を第１導電型として、第２クラッド層６、第２反射層８、及びコンタクト層９を第２導電型（例えばｐ型）にしてもよい。
【００１７】
基板２の裏面には電極１０が形成されており、コンタクト層９の一部上には電極１１が形成されている。電極１１の平面形状は任意の形状（例えば円形、楕円形、又は矩形）とすることができる。コンタクト層９のうち電極１１に覆われていない領域が、光が射出する開口部９ａになる。
【００１８】
活性層５は発光層であり、多重量子井戸構造を有している。活性層５の構造については、図２を用いて後述する。
【００１９】
上記したように、活性層５が第１反射層３及び第２反射層８に挟まれることにより、垂直共振器が形成されている。この垂直共振器内には光の定在波が生じる。すなわち活性層５から下方に射出した光は第１反射層３によって反射される。第１反射層３からの反射光、及び活性層５から上方に射出した光は第２反射層８に入射する。第２反射層８に入射した光の一部は反射し、定在波を形成する。なお、第２反射層８に入射した光の残りは開口部９ａから発光素子１の外部に射出する。このため、第２反射層８より第１反射層３の反射率を高くするのが好ましい。
【００２０】
活性層５の中には定在波の節が位置せず、かつ少なくとも１つの量子井戸層５１（図２を用いて後述）が定在波の腹の位置（電界強度分布が最大値の９５％以上となる部分）に配置されているのが好ましい。このようにすると、発光素子１の発光出力を高くすることができる。また、複数の量子井戸層のうち、最も禁制帯幅が小さい量子井戸層が発光する光の波長をλとした場合、２つの反射層間の長さである垂直共振器の光学長は略λ、略１.５λ、略２.０λであるのが好ましい。光学長を０．５λとすると、活性層５中にクラッド層からドーパントが拡散し、発光効率が低下するおそれがあるため好ましくない。また、光学長が２．５λ以上となると共振効果が弱くなり発光出力が低下する。
【００２１】
基板２、第１反射層３、及び第１クラッド層４の格子整合性が良く、これらの格子定数差を基板の格子定数に対して±０．２％以内とすることが、上層の半導体層の結晶性を維持することが可能となり好ましい。なお、必要に応じて基板２と第１反射層３の間にｎ型のバッファー層（図示せず）を設けてもよい。この場合、第１反射層３の結晶性を更に良くすることができる。また、活性層５と第１クラッド層４の間、及び活性層５と第２クラッド層６の間それぞれに、不純物の拡散を防止する拡散防止層を設けてもよい。
【００２２】
図２は、活性層５の構造を説明するための断面拡大図である。活性層５は、両端にバリア層５４を位置させ、かつこれら２つのバリア層５４の間に、量子井戸層５１と、バリア層５０を、交互に複数積層した構造を有している。バリア層５０の厚みを、量子井戸層に対するエネルギー障壁としての機能を保てる範囲で薄くすることにより、順方向電圧の増加も抑えることができる。
【００２３】
本図においては量子井戸層５１の層数は３層であるが、２層であってもよいし、４層以上であってもよい。ただし、活性層５内には光の定在波の節を位置させないのが好ましい。これにより、発光出力の低下を抑制することができる。
【００２４】
また、量子井戸層５１の少なくとも１つは引張り歪もしくは圧縮歪みを有している。この量子井戸層５１の歪は、基板２と量子井戸層５１との格子定数差に起因しており、この格子定数差が大きいほど大きくなる。
【００２５】
すなわち量子井戸層５１内に生じる歪量εは、基板２の格子定数をＡ、量子井戸層５１の格子定数をＢ（Ａ＋ａ）としたとき、
ε＝−（Ａ−Ｂ）／Ａ×１００＝−ａ／Ａ×１００  （％）
で表される。ここで、量子井戸層５１の格子定数が基板２の格子定数よりも大きい場合、つまりε＜０のとき、量子井戸層５１内には圧縮歪が生じる。逆に量子井戸層５１の格子定数が基板２の格子定数よりも小さい場合、つまりε＞０のとき、量子井戸層５１内には引張歪が生じる。量子井戸層５１内の歪が大きい場合、量子井戸層５１内に格子欠陥が生じ易くなり、量子井戸層５１の発光面積が減少し、発光素子の発光出力が減少してしまう。
【００２６】
そこで本実施形態では、量子井戸間に配置されているバリア層５０の少なくとも１つは２層以上の構造であり、量子井戸層５１の歪みを補償（相殺）するための、量子井戸層５１とは反対方向の歪み（歪量子井戸が圧縮方向であれば引張り、引張り方向であれば圧縮）を有する歪補償バリア層５３と、キャリア閉じ込め効率を高めて発光出力を向上させるための、量子井戸層に対して適切なエネルギー障壁高さとなる、すなわち量子井戸層５１の伝導帯のエネルギー準位に対して０．３ｅＶ以上のエネルギー準位となる伝導帯をもつエネルギー障壁バリア層５２を配置している。
【００２７】
歪補償バリア層５３の格子定数をＣ（Ａ+ｂ）、歪補償バリア層が有する歪をε２としたとき、歪補償バリア層の歪は
ε２＝−（Ａ−Ｃ）/Ａ×１００＝−ｂ／Ａ×１００  （％）
で表される。
【００２８】
量子井戸層５１間のバリア層５０に歪補償バリア層５３を設けること、すなわち基板２の格子定数が、量子井戸層５１の格子定数と歪補償バリア層５３の格子定数の間の値となるような層を量子井戸層５１間に設けることで、ε１が−０．５％以下、もしくは０．５％以上の量子井戸層を積層した場合であっても量子井戸層５１内に生じる歪を緩和することが可能となり、量子井戸層５１内の格子欠陥を減少させ、発光面積の減少を抑制することができ、歩留まりを向上することができる。この歪補償バリア層５３の歪量、層数は、量子井戸層５１内に生じる歪量によって適宜選択することができる。
【００２９】
また、量子井戸層５１の間に位置するバリア層５０を、量子井戸層５１の歪を補償する歪補償バリア層５３に加え、量子井戸層５１に対して適切なエネルギー障壁高さのエネルギー障壁バリア層５２を含むようにすることで、上記した歪緩和効果に加え、バリア層５０のキャリア閉じ込め効率を高める効果を生じさせることができる。その結果、量子井戸層５１相互間がエネルギー障壁バリア層５２単層の場合、歪補償バリア層５３単層の場合と比較して、発光出力を高め、かつウェハ内の発光出力のばらつきをさらに抑えて発光素子の歩留まりを向上させることができる。
【００３０】
なお、歪補償バリア層５３の歪量ε２は、好ましくは−２．０％以上０％未満又は０％超２．０％以下（特に好ましくは−１．０％以上０％未満又は０％超１．０％以下）であるのが好ましい。歪量ε２が上記した範囲から外れ、かつ量子井戸層５１の有する歪よりも大きくなった場合、歪補償バリア層５３内に格子欠陥が発生し、発光素子の出力や歩留まりが低下する為である。
【００３１】
歪補償バリア層５３及び量子井戸層５１の歪の方向及び大きさは、歪補償バリア層５３及び量子井戸層５１を構成している物質の組成を変化させて格子定数を制御することにより行える。例えば基板２がＧａＡｓ基板である場合、歪補償バリア層５３は、例えばIn１-θＧａθＰ膜（０≦θ≦１）で構成される。θ＜０．４９にすれば歪補償バリア層５３の格子定数はＧａＡｓ基板の格子定数より大きくなり、歪補償バリア層内に圧縮歪が生じる。またその値は、θを小さくするほど圧縮方向に大きくなる。またθ＞０．４９にすれば歪補償バリア層の格子定数はＧａＡｓ基板の格子定数より小さくなり、歪補償バリア層５３内に引張歪が生じる。またその値は、θを大きくするほど引張方向に大きくなる。
【００３２】
また、歪補償バリア層５３の厚さは５ｎｍ以下が好ましい。これは、歪補償バリア層５３の厚さが５ｎｍ超の場合は、バリア層５０の厚みが厚くなり発光素子の順方向電圧が上昇する為である。
【００３３】
なお、図２において量子井戸層５１間のバリア層５０は、エネルギー障壁バリア層５２で歪補償バリア層５３を挟んだ３層構造としているが、これに限らず、エネルギー障壁バリア層５２、歪補償バリア層５３を１層づつ積層した構造、エネルギー障壁バリア層５２を歪補償バリア層５３で挟んだ構造、さらには４層以上の構造であっても良い。ただし、図２に示した、歪補償層バリア層５３をエネルギー障壁バリア層５２で挟んだ３層の積層構造が、各量子井戸層にキャリア閉じ込め効果を持たせ、各量子井戸層からの発光スペクトルを重複させることができる。そのため、シャープな1つ山の発光スペクトルの発光素子とすることができ、発光出力を高めることができる。
【００３４】
さらにバリア層５０に歪補償バリア層５３及びエネルギー障壁バリア層５２を設けることで、量子井戸層５１内の格子欠陥を増加させずに量子井戸層５１の中心間距離を小さくすることが可能となり、発光素子の発光出力を維持したまま、さらなる高速応答性を実現することができる。特に発光素子が共振型発光素子とした場合、共振器内の定在波の電解分布強度が高い部分に数多くの量子井戸層５１を配置することが可能となり、発光出力及び応答速度を向上させ、かつ順方向電圧の上昇を抑制させることができる。
【００３５】
発光素子が垂直共振型である場合、互いに隣りあう２つの量子井戸層５１の中心間距離Ｌは、発光素子１の発光波長をλ、ダブルへテロ接合層７の平均屈折率をｎとした場合、（１）式を満たすのが好ましい。また更に好ましくは、（２）式を満たすのが好ましい。
λ／（１９×ｎ）≦Ｌ≦λ／（９×ｎ）    …  （１）
λ／（１５×ｎ）≦Ｌ≦λ／（１０×ｎ）  …  （２）
ただし、量子井戸層５１の中心間距離Ｌは、隣接する量子井戸層５１において、各量子井戸層５１の厚みの半分と、量子井戸層５１に挟まれたバリア層５０の厚みである。すなわち、厚みがＸとＹである量子井戸層５１間に、厚みがＺのバリア層５０が挟まれた構造の場合、量子井戸層５１の中心間距離Ｌは、Ｌ＝（Ｘ＋Ｙ）／２＋Ｚとなる。また、平均屈折率ｎは、共振器を構成するダブルへテロ接合層７における各層の屈折率と、共振器長となるダブルへテロ接合層７の厚みに対する各層の厚みの比率の積を合計したものである。例えば屈折率Ｂの膜の厚さが２０ｎｍ、屈折率Ｃの膜の厚さが１０ｎｍから共振器が形成される場合、この共振器における平均屈折率はｎ＝Ｂ×（２０／３０）＋Ｃ×（１０／３０）となる。
【００３６】
量子井戸層５１の中心間距離が上記（１）式を満たすことにより、発光素子１の発光効率及び応答特性の双方が良くなる。Ｌがλ／（１９×ｎ）より小さくなると、バリア層５０による量子井戸層５１へのキャリア閉じ込め効果を確保する、または量子井戸層の歪を補償するために必要なバリア層５０の厚さを確保できなくなり、発光出力が低下する。また、量子井戸層５１の実効幅が実質的に広くなって応答特性が低下する恐れがある。一方、Ｌがλ／（９×ｎ）より大きくなると、共振効果が低下することにより、発光出力の低下、応答特性の低下、及び発光に必要な順方向電圧の上昇が生じる。なお、Ｌは、上記式を満たす範囲の値に設定することが好ましく、すべての近接する量子井戸層５１の相互間で同一の値であってもよいし、少なくとも１つが他と異なる値であってもよい。
【００３７】
また、本発明に係る発光素子において、各量子井戸層の禁制帯幅を変化させることが可能である。
図３の各図は、量子井戸層５１の禁制帯幅を説明するための図である。図３（Ａ）の例では、３つの量子井戸層５１は同一の組成を有しており、それぞれの禁制帯幅が同一である。
【００３８】
図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）の例では３つの量子井戸層５１の組成はそれぞれ異なる。そして、図３（Ｂ）に示す例では、第２クラッド層６から第１クラッド層４に近づくにつれて量子井戸層５１の禁制帯幅が大きくなっている。また図３（Ｃ）に示す例では、最も第２クラッド層６に近い量子井戸層５１の順に、禁制帯幅が小さくなっている。すなわち、３つの量子井戸層５１の禁制帯幅がすべて違っている。
【００３９】
また、図３（Ｄ）に示す例では、中間に位置する量子井戸層５１の禁制帯幅が最も大きく、かつ第１、第２クラッド層に最も近い量子井戸層５１が略同じ禁制帯幅となっている。
【００４０】
図３（Ｂ）〜（Ｄ）のいずれの場合においても、図３（Ａ）に示す禁制帯幅が同一とした場合と比べ、発光素子１の発光出力が高くなる。特に、図３（Ｄ）に示すように量子井戸層５１を配置することで、発光出力を効果的に向上させることが可能となり、垂直共振器の長さを禁制帯幅の小さい量子井戸層から発光する波長のｎ／２倍（ｎは正の整数）と略同じとすることでも発光出力を向上させることができる。なお、量子井戸層５１の数が２層の場合又は４層以上の場合のいずれにおいても、図３の各図に示した構成を有するのが望ましい。
【００４１】
次に、発光素子１の製造方法について説明する。まず、基板２上に第１反射層３を形成する。第１反射層３は、例えばＭＯＣＶＤ法又はＭＢＥ法を用いることにより、エピタキシャル成長層として形成することができる。基板２がｎ型のＧａＡｓ基板の場合、第１反射層３は、例えばｎ型のＡｌ１-xＧａxＡｓ膜（０＜x＜１）からなる第１ブラッグ反射層、及びｎ型のＡｌ１-ｙＧａｙＡｓ膜（０≦ｙ＜１、かつｙ＜x）からなる第２ブラッグ反射膜を交互に積層することにより形成される。
なお、第１反射層３を形成する前に基板２上にバッファー層を形成してもよい。
【００４２】
次いで、第１クラッド層４、活性層５、第２クラッド層６、第２反射層８、コンタクト層９を、この順に形成する。これらの層は、例えばＭＯＣＶＤ法又はＭＢＥ法を用いることにより、例えば同一の装置内でエピタキシャル成長層として連続して形成することができる。
【００４３】
具体的には、第１反射層３がｎ型のＡｌ１-xＧａxＡｓ膜（０＜x＜１）及びＡｌ１-ｙＧａｙＡｓ膜（０≦ｙ＜１、かつｙ＜x）で形成される場合、第１クラッド層４はｎ型のＡｌ１-ZＧａZＡｓ膜（０≦ｚ≦１）により形成される。
【００４４】
また、活性層５の量子井戸層５１はアンドープのＩｎαＧａ１-αＡｓ膜（０＜α≦１）により形成され、バリア層５０はＡｌβＧａγＩｎ１-β-γＰ膜（０≦β≦１、０≦γ≦１、かつ０≦β+γ≦１）又はＡｌ１-θＧａθＡｓ膜（０≦θ≦１）により形成される。歪補償バリア層５３は量子井戸層５１と異なる歪を有する組成となる１−β−γ＜０.４９のＡｌβＧａγＩｎ１-β-γＰ膜である。
【００４５】
また、第２クラッド層６は、例えばｐ型のＡｌ１-ａＧａａＡｓ膜（０≦ａ≦１）により形成される。第２反射層８は、例えばｐ型のＡｌ１-ｂＧａｂＡｓ膜（０＜ｂ＜１）からなる第１ブラッグ反射層、及びｐ型のＡｌ１-ｃＧａｃＡｓ膜（０≦ｃ＜１、かつｃ＜ｂ）からなる第２ブラッグ反射膜を交互に積層することにより形成される。コンタクト層９は、例えばＧａＡｓ膜により形成される。
【００４６】
なお、第１クラッド層４、活性層５、及び第２クラッド層６の組成は、所望する発光波長に応じて選定する。
【００４７】
次いで、コンタクト層９の表面に電極１１を形成するとともに、基板２の裏面に電極１０を形成する。次いで、エッチングにより電極１１を選択的に除去し、開口部９ａを形成する。その後、ダイシングライン１２a、１２ｂに沿ってダイシングを行ない、複数の発光素子１を互いに切り離す。
【００４８】
以上、本発明の実施形態によれば、歪を有する多重量子井戸構造を有する活性層５において、量子井戸層５１の間に位置するバリア層５０を２層以上の構造とし、少なくとも一つの層は、量子井戸層５１とは逆方向の歪みを有する歪補償バリア層５３とすることで、活性層５全体の歪みを補償し、量子井戸層５１の結晶性を向上させることができる。このため、量子井戸層５１内に結晶欠陥の少ない、発光効率の高い発光素子を作製することができる。
【００４９】
また、量子井戸層５１の間に位置するバリア層５０の少なくとも１層は量子井戸層５１に対して適切なエネルギー障壁を持つエネルギー障壁バリア層５２とすることにより、量子井戸層５１相互間が歪補償バリア層単層の場合と比較しキャリアの閉じ込め効果を高めることができ、更に発光効率の高い発光素子を作製することができる。
【００５０】
更に、量子井戸層５１の中心間距離を小さくしても量子井戸層内の結晶性の劣化を抑制することができるため、発光出力を維持したまま、応答特性を高め、更に順方向電圧も低下させることができる。
【００５１】
特に応答性を向上させ、かつ発光に必要な順方向電圧の上昇を抑制する為に量子井戸層の相互間隔を短くしても、発光効率を向上させることができる。
【００５２】
また、別の実施の形態として、量子井戸層５１相互間に位置するバリア層５０を単層とし、この単層のバリア層５０の格子定数（すなわち組成）を厚さ方向に傾斜又は変化した層としてもよい。この場合、バリア層５０の一部を、歪補償バリア効果を有する組成とし、バリア層５０の他の部分を、量子井戸層５１に対して所定のエネルギー障壁高さを有する（バリア効果を有する）組成とするのが好ましい。具体的には、バリア層５０のうち一方の量子井戸層５１側の部分は、歪補償バリア効果を有する組成とし、バリア層５０のうち他方の量子井戸層５１側の部分は、量子井戸層５１に対して所定のエネルギー障壁高さを有する（バリア効果を有する）組成とすることができる。たとえば、バリア層５０の組成（格子定数）が厚さ方向に変化させる、すなわち、ＡｌβＧａγＩｎ１-β-γＰ膜のβ及びγを徐々に変化させたそうとしてもよい。
【００５３】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。例えば活性層５が有する量子井戸層５１を一層にしてもよい。この場合、量子井戸層５１を挟む２つのバリア層５４の少なくとも一方を、エネルギー障壁バリア層５２、歪補償バリア層５３に置き換える。
【実施例】
【００５４】
図２に示した素子構造のうち、ダブルヘテロ構造７を基板上に作製した。実施例１において、基板２にはｎ型のＧａＡｓ基板（格子定数：５．６５Å）を使用し、第１クラッド層４にはn−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ膜を使用し、活性層５の量子井戸層５１には膜厚８ｎｍのｉ−Ｉｎ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ膜を使用し、活性層５のバリア層５０のエネルギー障壁バリア層５２として膜厚２．５ｎｍのｉ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ膜、バリア層５０の歪補償バリア層５３として膜厚５ｎｍのｉ−Ｉｎ０．４Ｇａ０．６Ｐ膜を使用し、第２クラッド層６にはp−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ膜を使用した。本実施例１おいて、量子井戸層５１は基板２に対して−１．１５％の圧縮歪を有しており、歪補償バリア層５３は０．６３％の引張歪を有している。また、エネルギー障壁バリア層５２は−０．０４％の圧縮歪を有している。また、実施例１において、共振器長の平均屈折率ｎは３．４２５であり、量子井戸層５１の中心間距離Ｌ＝１８ｎｍである。
【００５５】
また、比較例１として、活性層５の構成を図４に示す構成に置き換えたダブルヘテロ構造７を基板上に作製した。この発光素子において、活性層５には歪補償バリア層５３が設けられておらず、量子井戸層５１の相互間には膜厚が１０ｎｍのエネルギー障壁バリア層５２のみが設けられている。なお、各層の組成は実施例１と同じであり、また各層の膜厚は、エネルギー障壁バリア層５２の膜厚を除いて実施例１と同様である。
【００５６】
また、比較例２として、活性層５の構成を図５に示す構成に置き換えたダブルヘテロ構造７を基板上に作製した。この発光素子において、活性層５にはエネルギー障壁バリア層５２が設けられておらず、量子井戸層５１の相互間には膜厚１０ｎｍの歪補償バリア層５３のみが設けられている。なお、各層の組成は実施例１と同じであり、また各層の膜厚は、歪補償バリア層５３の膜厚を除いて実施例１と同様である。
【００５７】
また比較例３として、歪補償バリア層５３を量子井戸層５１と同じ圧縮歪（歪を補償しない）の組成の層とした以外は、実施例１と同様の構成を有するダブルヘテロ構造７を基板上に作製した。比較例３において、実施例１の歪補償バリア層５３を量子井戸層５１と同じ圧縮歪（歪を補償しない）でＧａＡｓ基板と格子定数が近似したｉ−Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ膜を使用した。
【００５８】
実施例１及び比較例１〜３において、量子井戸層５１は基板２に対して−１．１５％の圧縮歪を有している。また実施例１、比較例２において、歪補償バリア層５３は０．６３％の基板とは逆方向の引張歪を有する層である。また、実施例１、比較例１のエネルギー障壁バリア層５２は−０．０４％の基板とは同逆方向の圧縮歪を有している。また比較例３において、歪補償バリア層５３は−０.１１％の基板とは同逆方向の圧縮歪を有している。
【００５９】
図６（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、実施例１、比較例１、比較例２それぞれに対応する試料のフォトルミネッセンス（ＰＬ）強度のウェハ面内分布を示す。ＰＬ測定は、発光径が０．３ｍｍのＹＡＧレーザ（波長５３２ｎｍ）を試料の一部に照射し、レーザ照射した箇所からの発光をアバランシェフォトダイオードで受光することにより発光強度を測定した。ＰＬ測定はレーザを２．５ｍｍピッチでウェハ面内を走査させることにより、ウェハ全体のＰＬ強度を測定した。
【００６０】
図６（Ｂ）に示したように、比較例１の歪補償バリア層５３を用いない活性層構造の試料では、ＰＬ発光強度の弱い部分が[０１１]方向に沿って発生し、欠陥の発生により結晶性が悪化していることが分かった。一方、図６（Ａ）及び（Ｃ）に示したように、実施例１及び比較例２の歪補償バリア層５３を入れた活性層構造の試料では、ＰＬ発光強度がウェハ面内の略全面で略一定だった。なお、比較例３の歪補償バリア層５１を用いない活性層構造の試料は、結果を図示していないが、比較例１の試料と同様、ＰＬ発光強度の弱い部分が生じていた。
これにより、歪補償バリア層５３を導入することにより、歪みを起因とする活性層の結晶欠陥の発生を抑制できたことが示された。
【００６１】
図７（Ａ）は、実施例の試料の中心にレーザー光を照射し、ウェハからのＰＬ光を分光して得られたＰＬスペクトルを示している。図７（Ｂ）は、比較例２の試料を図７（Ａ）の場合と同様に測定したＰＬスペクトルを示している。この図において、横軸はＰＬ発光波長を示し、縦軸はＰＬ発光強度を示している。図７（Ａ）に示すように、実施例１の試料では発光強度が最大となるＰＬ発光波長は９１９．６ｎｍであり、ＰＬスペクトルも１つ山であった。これに対し、比較例２の試料では発光強度が最大となるＰＬ発光波長は９０２．４ｎｍであり、ＰＬスペクトルも１つ山であった。また、実施例１の試料、比較例２の試料それぞれのＰＬスペクトルにおける最大ＰＬ発光強度に対して、半分以上のＰＬ発光強度となる波長範囲幅（発光強度の半値幅）を測定したところ、実施例１の試料の半値幅が３１．４ｎｍであるのに対し、比較例２の試料の半値幅は５５．３ｎｍと大きくなっている。このように実施例１の試料のほうが比較例２の試料より半値幅が狭くなった。これは３層の量子井戸層５１間全てに対してエネルギー障壁バリア層５２、歪補償バリア層５３を設け、３層の量子井戸層５１それぞれからの発光スペクトルが重なっているからであり、実施例１の試料の場合、目的とする発光波長での光出力も大きくなる。さらに、活性層を２つの反射層で挟んだ共振器構造をとる場合には、共振現象がより効率良く起き、全光出力の値も大きくなる。一方、比較例２の試料の場合、各量子井戸層の発光スペクトルがずれてしまうため、得られる発光スペクトルは２山となり発光出力も実施例１の試料に比べ低くなっている。
【００６２】
次に、実施例１、比較例１、及び比較例２の活性層を用いた共振器型の発光素子を基板上に作製した。そして実施例１、比較例１、及び比較例２それぞれ、複数の発光素子を切り出し、これら発光素子の発光強度を測定した。発光強度測定において、発光素子に２０ｍＡを通電し、積分球を用いて全発光出力を測定した。結果を表１に示す。
【００６３】
【表１】
2009004555.tif 000003
【００６４】
表１に示すように、歪補償バリア層５３を用いてない比較例１では出力のばらつきが大きかった。それに対して歪補償バリア層５３を用いた実施例１及び比較例２では、出力のバラつきが小さく、かつ平均の光出力及び最大の光出力も比較例１に比べ高くなった。
【００６５】
また、実施例１と比較例２を比べると、実施例１のほうが出力のバラつきがさらに小さく、かつ平均の光出力及び最大の光出力も高くなった。これは、歪補償バリア層５３と独立して、量子井戸層５１に対して適切なエネルギー障壁を持つエネルギー障壁バリア層５２を設けたため、バリア層５０のキャリア閉じ込め効率が高まったことによる。
【００６６】
これらの結果から、適正な位置に各量子井戸層５１を配置し、かつ量子井戸層５１の歪を歪補償バリア層５３で補償することにより、垂直共振器型発光ダイオードにおいて高出力化ができ、かつウェハ面内で発光出力のばらつきが小さくなることが示された。また、歪補償バリア層５３と独立して量子井戸層５１に対して適切なエネルギー障壁を持つエネルギー障壁バリア層５２を設けることにより、垂直共振器型発光ダイオードにおいて更に高出力化ができ、かつウェハ面内で発光出力のばらつきが更に小さくなることが示された。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】（Ａ） は本発明の実施形態に係る発光素子の構造を示す断面図、（Ｂ）はその平面図。
【図２】活性層５の構造を説明するための断面拡大図。
【図３】各図はそれぞれ量子井戸層５１の禁制帯幅を説明する為の図。
【図４】比較例１の活性層５の構成を説明するための断面図。
【図５】比較例２の活性層５の構成を説明するための断面図。
【図６】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、実施例１、比較例１、比較例２のフォトルミネッセンス（ＰＬ）強度のウェハ面内分布を示す図。
【図７】（Ａ），（Ｂ）は実施例１、比較例２と同様のダブルへテロ接合層をそれぞれ作製した際に見られたＰＬスペクトルを示す図。
【符号の説明】
【００６８】
１…発光素子、２…基板、３…第１反射層、４…第１クラッド層、５…活性層、６…第２クラッド層、７…ダブルヘテロ接合層、８…第２反射層、９…電極層、９ａ…開口部、１０，１１…電極、５１…量子井戸層、５０、５４…バリア層、５２…エネルギー障壁バリア層、５３…歪補償バリア層
【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７】
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【図６】
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