(57)【要約】【課題】発光素子からの一次発光によって励起される二次発光の強度を任意に制御できる発光素子を提供する。【解決手段】発光素子１は、基板２と、基板２上に配設して一次発光を発光する発光層３と、基板２と発光層３との間に配設した二次発光制御層４と、二次発光制御層４上に配設する反射層５と、を含み、基板２は発光層３よりも禁制帯幅の狭い半導体でなり、発光層３からの一次発光で励起する二次発光の強度を二次発光制御層４によって制御する。二次発光制御層４をブラック反射層で形成した場合、ブラック反射層の少なくとも一つの反射膜の混晶比が間接遷移となる組成を有している。二次発光制御層４の反射ピークを基板２の発光波長に合致させた構造等に適宜調整することによって発光層３からの一次発光に対する二次発光強度比を任意に制御することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上に配設されて一次発光を発光する発光層と、
上記基板と上記発光層との間に配設される二次発光制御層と、
上記二次発光制御層上に配設される反射層と、を含み、
上記基板は上記発光層よりも禁制帯幅の狭い半導体からなり、
上記発光層からの一次発光で励起される二次発光の強度が、上記二次発光制御層によって制御される、発光素子。
【請求項２】
前記二次発光制御層を構成する材料には、少なくとも前記基板と同じ禁制帯幅を持つ材料が含まれる、請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記二次発光制御層又は前記反射層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）からなる第１反射膜とＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０≦ｙ＜１、かつｙ＜ｘ）からなる第２反射膜とからなるブラッグ反射膜を一対として、該ブラッグ反射膜が多対積層されている、請求項１又は２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記二次発光制御層の対数が、５対以上６０対以内である、請求項３に記載の発光素子。
【請求項５】
前記二次発光制御層のブラッグ反射膜における第１反射膜及び第２反射膜の厚さが、前記二次発光の波長の１／（４ｎ）（ここで、ｎは第１及び第２反射膜の屈折率である。）である、請求項３又は４に記載の発光素子。
【請求項６】
前記二次発光制御層のブラッグ反射膜の対数は、２０対以内として二次発光強度が増強される、請求項３又は４に記載の発光素子。
【請求項７】
前記二次発光制御層のブラッグ反射膜の対数は、２０対以上として二次発光強度が抑制される、請求項３又は４に記載の発光素子。
【請求項８】
さらに、前記発光層上に配設される反射層を備えており、該反射層と前記二次発光制御層上に配設される反射層とによって共振器を構成する、請求項１〜７の何れかに記載の発光素子。
【請求項９】
前記発光層上に配設される反射層のブラッグ反射膜の対数を、１０対以内とする、請求項８に記載の発光素子。
【請求項１０】
さらに、電流阻止層を備えている、請求項１〜９の何れかに記載の発光素子。
【請求項１１】
前記電流阻止層の一部が酸化されている、請求項１０に記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光素子に関し、さらに詳しくは、発光層からの一次発光によって励起される二次発光の強度を制御するための二次発光制御層を備えた発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直共振器型発光素子は、その共振器構造によって発光スペクトル線幅を制御でき、出射光の指向性が高いことから、光通信及び光センサー用の発光素子として好適であり、通信機器産業または装置産業において重要な素子である。発光素子において、発光層からの一次発光が基板に到達した際に、基板の種類によっては基板が励起して発光する二次発光が観察される場合がある。これは、発光層のバンドギャップ（禁制帯幅）よりも基板のバンドギャップが狭い場合に、発光層からの光によって基板が励起され、発光波長よりも長波長の二次発光が基板から発光される現象である。
【０００３】
光センサー等において発光素子と受光素子とを用いる用途では、例えばＧａＡｓ系ダブルへテロ構造を有する発光素子において活性層から基板側に放射された光は、電極合金あるいは基板そのものに吸収されたり散乱される。この光は、活性層上部から取り出される光出力には直接寄与せず、素子としての取り出し効率の低下を招くばかりでなく、一次発光以外の波長帯を含む二次発光が受光素子の認識に支障をきたす場合があることから、二次発光の制御が求められている。
【０００４】
例えば、ＩｎＧａＡｌＰ系ダブルへテロ半導体発光素子の基板として、格子整合が取り易く、廉価で入手可能なＧａＡｓ基板が多く利用されている。ＧａＡｓのバンドギャップ波長がＩｎＧａＡｌＰ系に比べて長波長の８７０ｎｍ帯にあることからＩｎＧａＡｌＰ系からの可視光帯の吸収係数は大きくなる。ＧａＡｓ基板を用いた可視光半導体発光素子では、基板に到達した光の約半分がＧａＡｓ基板に吸収されて、ＩｎＧａＡｌＰ系ダブルへテロ半導体発光素子の一次発光に励起されたＧａＡｓ基板からの二次発光が発生する現象が起こる。
【０００５】
特許文献１には、発光層で発光した光を吸収する目的で活性層と半導体基板との間に挟む吸収層の厚さを５０μｍ〜６０μｍ程度、もしくはキャリア濃度を１×１０１６ｃｍ−３乃至１×１０１７ｃｍ−３程度の範囲で調整することによってｐ型半導体基板の二次発光強度を容易に抑制することができる技術が開示されている。
【０００６】
特許文献２には、ｐ型ＧａＡｓの半導体基板上に、Ａｌ混晶比が活性層よりも高い組成を有する透過層とｐ型ＡｌＧａＡｓ活性層とｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層とが順次エピタキシャル成長によって形成された構造において、活性層厚み及び透過層厚みを５〜１００μｍの間で調整することによって一次発光に対する二次発光強度を制御することができる技術が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−２６７６３０号公報
【特許文献２】特開２００５−１１６９２２号公報
【０００８】
一方で、光センサーの制御などに二次発光を積極的に応用する場合も考えられる。この場合、二次発光が所望の強度に調整されなければ光センサー本来の機能が発揮できない。そのため、二次発光の強度を任意に制御できる技術が望まれてきた。
【０００９】
しかしながら、従来のように二次発光の発生そのものを抑制する技術だけでは、二次発光強度を任意に制御するには不十分であった。特許文献１及び２では、二次発光強度を抑制することはできるが、逆に大幅に増強させることは困難であった。また、特許文献１及び２は、何れも液相エピタキシャル成長を用いており、数１０μｍの層を積むことは容易だが、気相エピタキシャル成長を用いた場合に厚い層を成長させることは容易ではなく、気相エピタキシャル成長を用いた発光素子の二次発光を制御することに関しては開示されていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記課題に鑑み、発光層よりもバンドギャップの狭い基板と、その上に発光層を有する発光素子において、発光素子からの一次発光により励起される二次発光の強度を任意に制御できる、発光素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の発光素子は、基板と、基板上に配設されて一次発光する発光層と、基板と発光層との間に配設される二次発光制御層と、二次発光制御層上に配設される反射層と、を含み、基板は発光層よりも禁制帯幅の狭い半導体からなり、発光層からの一次発光で励起される二次発光の強度が、二次発光制御層によって制御されることを特徴とする。
【００１２】
上記構成において、二次発光制御層を構成する材料には、好ましくは、少なくとも基板と同じ禁制帯幅を持つ材料が含まれる。
【００１３】
上記構成において、二次発光制御層又は反射層は、好ましくは、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）からなる第１反射膜とＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０≦ｙ＜１、かつｙ＜ｘ）からなる第２反射膜とからなるブラッグ反射膜を一対として、ブラッグ反射膜が多対積層されている。
二次発光制御層の対数は、好ましくは、５対以上６０対以内である。
二次発光制御層のブラッグ反射膜における第１反射膜及び第２反射膜の厚さは、好ましくは、二次発光の波長の１／（４ｎ）（ここで、ｎは第１及び第２反射膜の屈折率）である。
二次発光制御層のブラッグ反射膜の対数は、好ましくは、２０対以上として二次発光が抑制される。
【００１４】
さらに、好ましくは、発光層上に配設される反射層を備えており、反射層と二次発光制御層上に配設される反射層とによって共振器を構成する。
発光層上に配設される反射層のブラッグ反射膜の対数は、好ましくは、１０対以内とする。
【００１５】
上記構成において、さらに好ましくは、電流阻止層を備えている。電流阻止層の一部は酸化されていてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、発光層よりもバンドギャップの狭い基板と、基板上の多層膜からなる反射層と、その上に発光層を有する発光素子において、基板側の反射層の一部を二次発光制御層として活性層の発光波長とは別に基板バンドギャップに対応する波長帯に合わせておき、反射層を透過した光は基板に吸収された後で基板励起に寄与する一方で、励起された光は再び反射層に入射されるため、共振条件を満たす反射層の設計によって増強、あるいは反射層自身に漸次吸収させて抑制することで、二次発光を制御できる。このため、通信や光センサー用途において好ましい特性が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面により詳細に説明する。各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
図１は、第１の実施形態に係る発光素子１の断面構造を示すもので、図２は図１の平面図である。即ち、図２のＸ―Ｘ線に沿った断面図が図１である。
図１に示すように、垂直共振器型の発光素子１は、ｎ型の基板２の上部に、一次発光を行なう発光層３が形成されており、ｎ型の基板２の上部に配設されて一次発光で励起される二次発光を制御するためのｎ型の二次発光制御層４と、この二次発光制御層４の上部に配設される一次発光のためのｎ型の第１反射層５と、ｎ型の第１クラッド層６と、活性層７と、ｐ型の第２クラッド層８と、が順に積層されて構成されている。ここで、発光層３は、ｎ型の第１クラッド層６と活性層７と第２クラッド層８とからなる。さらに、第２クラッド層８上の一部には電流阻止層９が形成されている。電流阻止層９の開口部９ａ及び電流阻止層９の上部にはｐ型の第２反射層１０が積層されており、電流阻止層９が発光素子１内に埋め込まれている。そして、第２反射層１０の上部で、かつ電流阻止層９の上部には、コンタクト層１１と電極１２とが積層して形成されており、第２反射層１０の上部のコンタクト層１1が形成されていない光出射窓部１３には、絶縁物からなる保護膜１４が形成されている。また、基板２の下部には電極１６が形成されている。
なお、一次発光は主発光とも呼ばれ、一次発光で励起される二次発光は、副発光とも呼ばれている。
【００１８】
図３は、二次発光制御層３及び第１反射層５の構造を説明するための拡大断面図である。まず、基板２上に二次発光制御層４及び第１反射層５が形成されている。二次発光制御層４及び第１反射層５は、例えばＭＯＣＶＤ法、あるいはＭＢＥ法といった気相成長法を用いることによってエピタキシャル成長層として形成することができる。
【００１９】
ここで、第１反射層５及び第２反射層１０は、発光層３からの一次発光のために設けた反射層である。第１反射層５及び第２反射層１０は、屈折率の異なる層を積層した所謂ブラック反射層を用いることができる。ブラック反射層は、比較的高い屈折率（ｎ１)を有し厚さがλ１／４ｎ１の膜と、比較的高い低屈折率（ｎ２）を有し厚さがλ１／４ｎ２の膜とを交互に積層した構造である。ここで、λ１は、垂直共振器型の発光素子１の発光波長、つまり、一次発光の波長である。第１及び第２反射層５，１０は、上記の互いに屈折率が異なる半導体交互層を一対として、この対を多対積層することで形成されている。第１及び第２反射層５，１０の対数は互いに異なる対数とすることができる。
【００２０】
第２反射層１０は、高屈折率及び低屈折率の層としては、第１反射層５と同じ組成でもよいが、異なる組成でもよい。例えば、第１反射層５及び第２反射層１０は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）からなる第１反射膜とＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０≦ｙ＜１、かつｙ＜ｘ）からなる第２反射膜としてのブラッグ反射膜を一対として、ブラッグ反射膜が多対で積層されている。二次発光制御層４及び第１反射層５は、ＡｌｒＧａ１−ｒＡｓ（ここで、ｒはＡｌ組成であり、０＜ｒ＜１である）とＡｌＡｓを用いることができ、交互に積層した反射層３，１０を、ＡｌｒＧａ１−ｒＡｓ／ＡｌＡｓとして示す。上記高屈折率及び低屈折率の層の組み合わせとしては、低屈折率層のＡｌＡｓの代わりにＡｌｓＧａ１−ｓＡｓ（ここで、ｓはＡｌ組成であり、０＜ｓ＜１で、ｓ＞ｒ）とし、高屈折率の層としてはＡｌｒＧａ１−ｒＡｓとすることができる。第１反射層５及び第２反射層１０は、間接遷移の半導体又は混晶半導体を使用することができる。
【００２１】
第１反射層５は、発光層３の活性層７で発光した光のうち、活性層７から基板２側に出射される光を第２反射層１０側へ反射し、第２反射層１０との共振によって発光強度を向上させる作用を有している。そして、基板２側の第１反射層５の反射率を第２反射層１０の反射率よりも高めておくことで、発光層３で発光し、共振によって強められた光を第２反射層１０から選択的に出射することができる。
設計される第１反射層５の反射率は、理想的には１００％だが、現在の技術では非常に困難である。反射率は実際８０〜９９％程度であり、その残りは基板２側へ透過する。
【００２２】
本発明の特徴は、二次発光制御層４を、基板２と第１反射層５との間に配設したことにある。上記構成で、第１反射層５では完全には反射されずに基板２側に透過する一次発光によって基板２等から発光する二次発光を、減衰させたり逆に二次発光の発光強度を増強させたりして制御することができる。なお、本発明において、第２反射層１０を有する共振器構造は必須ではなく、後述するように第２反射層１０が無い構成でもかまわない。
【００２３】
二次発光制御層４は、前記二次発光の波長で高い反射率を持つように設計され、二次発光制御層４には、屈折率の異なる層を積層したブラック反射層を用いることができる。ブラック反射層は、比較的高い屈折率（ｎ３)を有し厚さがλ２／４ｎ３の膜と、比較的高い低屈折率（ｎ４）を有し厚さがλ２／４ｎ４の膜とを交互に積層した構造である。この場合、波長λ２は基板２の発光波長、即ち一次発光で励起される二次発光である。基板２がｎ型のＧａＡｓ基板の場合、二次発光制御層４は、例えばｎ型のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ膜（０＜ｘ≦１）からなる第１反射膜及びｎ型のＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ膜（０≦ｙ＜１、かつｙ＜ｘ）からなる第２反射膜を交互に積層することによって形成される。二次発光制御層４を構成する材料には、基板２と同じ禁制帯幅を持つ材料が含まれることが好ましい。例えば基板２がＧａＡｓの場合、第２反射膜にも同じＧａＡｓを用いる。この構成にすることで、本発明の効果が顕著に現れる。この場合、第１の反射膜の組成が間接遷移となる半導体としてもよい。ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓから混晶の場合には、Ａｌの組成ｘが０．３５以下では直接遷移となり、ｘが０．３５を越えると間接遷移となる。
【００２４】
基板２側に透過する一次発光によって基板２から発光する二次発光を減衰させる場合には、二次発光制御層４を構成するブラック反射層の対数の厚さを厚くするか、二次発光に対する共振器構造とすればよい。共振器構造の場合には、ブラック反射層の対数の厚さを、下記（１）式を満たすようにすればよい。
Ｌ＝（ｍ・λ２）／（２・ｎ0）                      （１）
ここで、ｍは任意の整数、λ２は二次発光の波長、ｎ０は二次発光制御層４の平均屈折率である。
これにより、活性層７から第１反射層５及び二次発光制御層４を透過した一次発光が基板２に到達して二次発光を発生させた場合、この二次発光は、二次発光制御層４によって形成される共振器内に閉じ込められて、発光素子１の表面側には出射しなくなる。ブラック反射層の対数は、厚いほど二次発光の閉じ込め効果が増大する。
【００２５】
二次発光制御層４において、基板２側に透過する一次発光によって二次発光を増大させるには、ブラック反射層の対数を、共振器構造とはならない程度に少なくすればよい。この場合には、活性層７から第１反射層５及び二次発光制御層４を透過した一次発光は、基板２に到達して二次発光が発生し、再び発光した二次発光を上部の第２反射層１０から選択的に出射することができる。さらに、二次発光制御層４に入射した一次発光が直接、ブラック反射層の屈折率の高い層を励起して発生する二次発光を上部の第２反射層１０から選択的に出射することができる。この詳しい理由は検討中であるが、このように対数の少ない二次発光制御層４内で、基板２からの二次発光に比べて効率的な励起又は共振現象が起きるものと推定される。
これにより、活性層７から第１反射層５及び二次発光制御層４を透過した一次発光は、基板２及び二次発光制御層４内のブラック反射層を励起して二次発光の発光強度を増大させることができる。
【００２６】
なお、二次発光制御層４、第１反射層５及び第１クラッド層６を第１導電型（例えば、ｐ型）として、第２クラッド層８、第２反射層１０及びコンタクト層１１を第２導電型（ｎ型）にしてもよい。この場合、電流阻止層９は、ｐ型層、ｎ型層、高抵抗層の何れかとすることができる。ｐ型不純物として、亜鉛（Ｚｎ），マグネシウム（Ｍｇ），ベリリウム（Ｂｅ），炭素（Ｃ）の何れか１つ以上により選択され、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ），セレン（Ｓｅ），テルル（Ｔｅ）の何れか１つ以上により選択される。
【００２７】
コンタクト層１１の一部上には電極１２が形成され、基板２の裏面には電極１６が形成されている。電極１２の上面形状は任意の形状とすることができるが、電流阻止層９の上部に形成し、形状を類似させることが望ましい。コンタクト層１１のうち電極１２に覆われていない領域が、光が射出する開口部１１ａになる。
【００２８】
発光素子１において、第１反射層５と第２反射層１０とによって垂直共振器が形成されている。この垂直共振器の長さは、第１反射層５と第２反射層１０の紙面垂直方向の間隔、即ち、上記ダブルヘテロ接合８を形成する各層とｐ型のエッチングストップ層２４の合計膜厚に相当する。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７から下方に射出した光は第１反射層５によって反射される。第１反射層５からの反射光、及び活性層７から上方へ射出した光は第２反射層１０に入射する。第２反射層１０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１０に入射した光の残りは開口部１０ａから発光素子１の外部に射出する。このため、第２反射層１０より第１反射層５の反射率を高くするのが好ましい。
【００２９】
ダブルヘテロ接合からなる発光層３中の活性層７は、量子井戸構造からなる活性層２２としてもよい。量子井戸構造からなる活性層２２は、禁制帯幅の異なる薄い半導体層を交互に積層して形成でき、単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることができる。この量子井戸構造の活性層２２とすることで、図１に示した単一層からなる活性層７に対して、より高出力で、高速応答し得る垂直共振器型の発光素子１を実現することができる。
【００３０】
図２に示すように、発光素子１において、活性層７で発光する光は光出射窓部１３から出射される。この光出射窓部１３の形状は、円形、楕円、矩形などの任意の形状とすることができる。ここで、図２中のＸ，Ｙ方向の点線１８Ａ，１８Ｂで示す領域は、後述する発光素子１の各チップを分割する所謂、ダイシング領域１８を示している。
【００３１】
さらに、図１に示すように、基板２と二次発光制御層４との間には、バッファ層１９を挿入してもよい。このバッファ層１９を挿入することによって結晶性の高い二次発光制御層４を形成することができる。
【００３２】
発光素子１において、電流阻止層９のみがエッチングされるように、第２クラッド層８と電流阻止層９との間に第２クラッド層８よりもエッチングに耐性のあるエッチングストップ層２４を設けてもよい。
【００３３】
電流阻止層９は、ＩＩＩ-Ｖ族発光素子の場合、アルミニウム(Ａｌ)組成をＩＩＩ族元素中の３０モル％以上とすることができる。例えば、電流阻止層９のＶ族元素にリン（Ｐ）を用いた場合、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ（０．３≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、かつ、０≦ｘ＋ｙ≦１）とすることで、電流阻止層９を酸化して高抵抗化することができ好ましい。特にＡｌ組成を５０％以上とすると、高い電流阻止効果が得られる。
【００３４】
発光素子１において、発光層３よりもバンドギャップの狭い基板２と、基板２上の多層膜反射層からなる二次発光制御層４を設け、その上に発光層３を有する発光素子１において、基板２側の二次発光制御層４を活性層７の発光波長とは別に基板２のバンドギャップに対応する波長帯に合わせておく。この場合、第１反射層５を透過した光は基板２に吸収された後で基板２の励起に寄与する一方で、励起された光は再び二次発光制御層４に入射されるため、共振条件を満たす反射膜の設計によって増強、あるいは二次発光制御層４自体に漸次吸収させて抑制することで、二次発光を制御できる。このため、通信やセンサー用途において好ましい特性が得られる。
【００３５】
なお、エッチングストップ層２４及び電流阻止層９は、第２クラッド層８の上部に形成される場合を好ましい例として説明したが、本発明の電流阻止層９は、その膜厚を薄くできるため、第１クラッド層６の下部に形成しても活性層７の結晶性を良好に維持することが可能である。
【００３６】
第１の実施形態では電流阻止層９の一部を電流狭窄のためにエッチングして除去する例を示したが、逆にマスクパターンを反転させた電流阻止層９とすることもできる。このような発光素子の構造として、第２の実施形態に係る電流阻止層９を埋め込んだ面発光型の発光素子について説明する。
図４は、第２の実施形態に係る発光素子３０の断面構造を示す図である。
発光素子３０は、ｎ型の基板と、ｎ型の二次発光制御層４と、ｎ型の第１反射層５と、ｎ型の第１クラッド層６と、活性層７と、ｐ型の第２クラッド層８と、が順に積層されており、ｐ型の第２クラッド層８上の一部には電流阻止層９が形成され、電流阻止層９が形成されていないｐ型の第２クラッド層８の上部（適宜、電流阻止層９の開口部９ａと称する。）及び電流阻止層９の上部にはｐ型の半導体層２６と、が積層されている。発光素子３０は、電流阻止層９がｐ型の半導体層２６内に埋め込まれた、所謂、埋め込み構造を有している面発光型の発光素子である。
さらに、ｐ型の半導体層２６の上部で、かつ、電流阻止層９の上部には、コンタクト層１１が形成され、コンタクト層１１上には電極１２が形成されている。このコンタクト層１１は、不純物密度の高いｐ型半導体層とすることができる。基板２の下部には電極１６が形成されている。
ここで、図４に示すように、第２クラッド層８と電流阻止層９との間にｐ型のエッチングストップ層２４をさらに備えていてもよい。基板２と上記二次発光制御層４との間にはバッファ層１９を挿入してもよい。
【００３７】
発光素子３０の構造は活性層７の上部に第２反射層１０を備えていない点が、図１に示した発光素子１と異なっている。発光素子３０は、発光層３が垂直共振器ではない点を除けば、第１反射層５、二次発光制御層４及び電流阻止層９の作用は図１に示した発光素子１と同じである。
【００３８】
上記発光素子３０によれば、発光層３で発光した光は効率よく光を出射させることができると共に、二次発光制御層４によって二次発光の強度を調整することができる。
【００３９】
図５は、第３の実施形態に係る発光素子４０の断面構造を示す図である。
発光素子４０は、ｎ型の基板２と、二次発光制御層４と、ｎ型の第１反射層５と、ｎ型の第１クラッド層６と、活性層７と、ｐ型の第２クラッド層８と、第２反射層１０と、ｐ型の半導体層２６と、が順に積層されている。発光素子４０は、図１に示した発光素子１の電流阻止層９を除いた構造を有している点以外は、同様の構造である。
【００４０】
上記発光素子４０によれば、発光層３が垂直共振器構造を有しており、発光層３で発光した光を効率よく出射させることができると共に、二次発光制御層４によって二次発光の強度を調整することができる。
【００４１】
次に、本発明による発光素子の製造方法として、図１に示した垂直共振器型の発光素子１を例として説明する。
図６は、垂直共振器型の発光素子１の製造方法を示す図である。
図６（Ａ）に示すように、第１の工程は第１のエピタキシャル成長工程であり、基板２上に半導体層を積層する工程である。例えば、ｎ型のＧａＡｓ基板２上にｎ型の二次発光制御層４、ｎ型の第１反射層５、ｎ型の第１クラッド層６、活性層７、ｐ型の第２クラッド層８、電流阻止層９を、順に成長させる。さらに、電流阻止層９の上にはキャップ層２７を設けてもよい。
【００４２】
二次発光制御層４及び第１反射層５は、例えばｎ型のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ膜（０．５５＜ｘ≦１）からなる第１反射膜、及びｎ型のＡｌ１−ｙＧａｙＡｓ膜（０≦ｙ＜０．０５、かつｙ＜ｘ）からなる第２反射膜を交互に積層することによって形成される。
【００４３】
電流阻止層９を酸化により高抵抗化する場合には、電流阻止層９をｎ型、ｐ型、ノンドープのいずれの伝導型としても良い。電流阻止層９を第２伝導型のクラッド層６と同じ組成とした場合には、電流阻止層９を結晶性良く埋め込むことができ、高い電流阻止効果が得られる。電流阻止層９は例えばＡｌＩｎＰからなり、厚さを１０〜１００ｎｍとすればよい。
なお、必要に応じて、電流阻止層９上には、電流阻止層９のみがエッチングされるように、第２クラッド層８と電流阻止層９との間にさらに第２クラッド層８よりもエッチング耐性のあるエッチングストップ層２４を設けてもよい。レジスト除去及び洗浄後の表面処理によって電流阻止層９を酸化する。酸化の程度は、オゾン水によって適宜調整することができる。さらに、電流阻止層９の保護層となるＧａＡｓ等からなるキャップ層２７を成長させてもよい。
【００４４】
第２工程は電流阻止層９のエッチング工程であり、図６（Ｂ）に示すように、電流阻止層９の一部をエッチング除去して電流を通電させる領域を形成する工程である。例えば、ＧａＡｓからなるキャップ層２７及び電流阻止層９の一部をエッチングストップ層２４までエッチング除去し、開口領域を形成した後、電流阻止層９上に積層したキャップ層２７をエッチング除去して電流阻止層９の表面を露出させる。エッチング後には、図示するように、電流阻止層９に開口部となる凹部２８が形成され、電流阻止層９の一部が酸化されて高抵抗化される。上記工程によれば、熱処理によってキャップ層２７を除去する必要がないため、熱処理によるｐ型第２クラッド層８の不純物の活性層７への拡散を抑えることができる。上記電流阻止層９の一部を酸化する、すなわち酸素濃度を高めるために用いるエッチング液中には、酸素や活性酸素、オゾン（Ｏ３）、過酸化水素水等を含むことが好ましい。酸化の程度は、例えばオゾン水によって適宜調整することができる。電流阻止層９の上記開口領域におけるエッチングストップ層２４の酸素濃度が１×１０１９個／ｃｍ３以下である場合には、電流阻止層９の酸化の程度は、少なくとも一部の酸素濃度が１×１０２０個／ｃｍ３以上であることが好ましい。これらの酸素濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）で測定した値である。
【００４５】
第３工程は第２のエピタキシャル成長工程であり、図６（Ｃ）に示すように、電流阻止層９及びエッチングストップ層２４上に半導体層を積層する工程である。例えば、電流阻止層９及びエッチングストップ層２４上に、ｐ型の第２反射層１０とｐ型のコンタクト層１１を順に成長させる。なお、第１工程及び第３工程の各エピタキシャル成長には、ＭＯＣＶＤ法又はＭＢＥ法を用いることができる。
【００４６】
上記工程において、ダブルヘテロ構造の第１及び第２のクラッド層６，８を、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のＡｌｘＩｎ１−ｘＰ（０＜ｘ＜１）で形成した場合には、エッチングストップ層２４を、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＰ（０≦ｘ≦０．１、０≦ｙ≦１、かつ、０≦ｘ＋ｙ≦１）の混晶層とすることができる。この場合、混晶中のアルミニウム組成比率、つまり、ｘが１０モル％以下であることが酸化を防止するために好ましい。また、電流阻止層９をＡｌｘＩｎ１−ｘＰ（０．３≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、かつ、０≦ｘ＋ｙ≦１）となるように、エッチングストップ層２４と電流阻止層９とのＡｌ組成ｘの差をｘ≧０．３、つまり、３０モル％以上としておけば、エッチングストップ層２４との選択エッチングが可能となる。このため、短時間に電流阻止層９のケミカルエッチングが可能となり、径方向へのエッチングを防止し電界分布の変化を抑えられる。さらに、電流阻止層９の平坦性を保ち、第２反射層１０の凹凸を軽減できるので、高品質の第２反射層１０を形成することができる。
【００４７】
具体的には、二次発光制御層４及び第１反射層５がｎ型のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）及びＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０≦ｙ＜１、かつｙ＜ｘ）で形成され、第１クラッド層６はｎ型の（ＡｌＺＧａ１−Ｚ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ（０≦ｚ≦１）によって形成される。
【００４８】
多重量子井戸構造である活性層２２は、量子井戸層となるノンドープのＩｎαＧａ１-αＰ（０＜α≦１）と、バリア層となるＡｌβＧａγＩｎ１-β-γＰ（０≦β≦１、０≦γ≦１、かつ０≦β+γ≦１）との多層膜によって形成される。
【００４９】
第２クラッド層８は、例えばｐ型の（ＡｌａＧａ１−ａ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ（０≦ａ≦１）によって形成される。第２反射層１０は、例えばｐ型のＡｌ１-ｂＧａｂＡｓ（０＜ｂ＜１）及びＡｌ１-ｃＧａｃＡｓ（０≦ｃ＜１、かつｃ＜ｂ）を交互に積層することによって形成される。コンタクト層１１は、例えばＧａＡｓによって形成される。
【００５０】
第１クラッド層６、活性層２２及び第２クラッド層８の組成は、所望する発光波長に応じて選定する。ｐ型の第２クラッド層８のキャリア濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以上、２×１０１８ｃｍ−３以下、かつ、ｎ型の第１クラッド層６を５×１０１７ｃｍ−３以下にすることが好ましい。ｎ型の第１クラッド層のキャリア濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上で良く、２×１０１７ｃｍ−３以上であることがより好ましい。上記のキャリア濃度範囲よりもキャリア濃度が低い場合は、層の電気抵抗が高くなり良好な初期特性が得られない。キャリア濃度が高い場合は、過剰な不純物が拡散して欠陥を引き起こし、信頼性を低下させる。
【００５１】
ｎ型の第１クラッド層６の（ＡｌＺＧａ１−Ｚ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ膜、及びｐ型の第２クラッド層８の（ＡｌａＧａ１−ａ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ膜のＡｌ組成は、０．５以上（０．５≦ｚ≦１及び０．５≦ａ≦１）であることが好ましい。この組成範囲とすることで、高信頼性だけでなく、良好な初期特性が得られる。
【００５２】
第４工程は電極形成工程であり、図６（Ｄ）に示すように、電極１２，１６及び保護膜１４を作製する工程である。例えば、ｐ型のコンタクト層１１上に電極１２を積層した後、フォトリソグラフィー法によって電極１２とｐ型のコンタクト層１１の一部を選択エッチングし、ｐ型の第２反射層１０の表面を露出して、光出射窓部１３を形成する。その際、ダイシング領域１８となる部分もエッチングによって除去する方が望ましい。光出射窓部１３上にはＳｉ系の酸化膜又は窒化膜からなる保護膜１４を被覆する。保護膜１４の形成には、プラズマＣＶＤ法などを用いることができ、この保護膜１４の厚さは、（ｍ／４）×（λ／ｎ）（ｍ：奇数、ｎ：保護膜の屈折率）とし、光に対して透過率の高い膜とすればよい。基板２側には電極１６をスパッタリング法などによって形成する。
最後に、ダイシング領域１８に沿ってダイシングを行い、複数素子を互いに切り離すことで、発光素子１を製造することができる。
【００５３】
上記製造方法によれば、二次発光制御層４を形成し、さらに、ｐ型クラッド層８上に、埋め込み法によって電流阻止層９を形成し、活性層７の近傍に電流阻止層９の厚みを制御して作製することができる。このため、電流阻止層９の近傍まで広面積に電流通電が可能となり、高い電流狭窄効果が得られ、発光部となる活性層７への電流密度を増大することができる。これにより高い発光強度が得られる。第２反射層１０上に、コンタクト層１１への電極１２を電流阻止層９上に同形で作製することで、効率よく光を出射させることができると共に二次発光の強度を任意に制御することができる。
【実施例１】
【００５４】
以下、垂直共振器型の発光素子１の実施例について説明する。最初に、実施例１の垂直共振器型の発光素子１の製造方法について説明する。
先ず、第１工程において、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ＧａＡｓ基板２上に第１回目のエピタキシャル成長層として下記層を、順次、形成した。
５対のｎ型のＧａＡｓ（４０ｎｍ）／Ａｌ０．９５Ｇａ０．０５Ａｓ（５１．５ｎｍ）からなる二次発光制御層４、
２０．５対のｎ型のＡｌ０．４５Ｇａ０．５５Ａｓ（４５ｎｍ）／ＡｌＡｓ（５２．５ｎｍ）からなる第１反射層５、
ｎ型（Ａｌ０．４８Ｇａ０．４２）０．５Ｉｎ０．５Ｐ第１クラッド層６、
量子井戸となるノンドープのＩｎαＧａ１−αＰ（０＜α≦１）とバリア層となるＡｌβＧａγＩｎ１−β−γＰ（０≦β≦１、０≦γ≦１、かつ０≦β＋γ≦１）を一対とし、この対を３対とした多重量子井戸層からなる活性層２２、
ｐ型（Ａｌ０．４８Ｇａ０．４２）０．５Ｉｎ０．５Ｐ第２クラッド層８、
ｎ型Ａｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐの電流阻止層９を１００ｎｍ。
ここで、エピタキシャルウェハを取り出した。
【００５５】
第１の工程において、発光素子１における発光波長λｐが６４３ｎｍとなるようにし、共振器長の長さ、即ち、発光層３とエッチングストップ層２４との合計の厚さを２λｐ程度とした。具体的には、ｎ型のＡｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ｐ第１クラッド層６の厚さをＬｎとし、ｐ型のＡｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ｐ第２クラッド層８の厚さをＬｐとしたとき、Ｌｎ又はＬｐ＝（ｍ１／４）×λｐ／ｎとなるようにした。ここで、ｍ１はｍ≧４を満たす自然数、ｎは屈折率であり、ＬｎとＬｐとは異なる値でも良い。
【００５６】
次に、第２の工程として、電流阻止層９の開口部９ａ以外の領域にレジスト膜をマスクし、希塩酸からなるエッチング液によってＡｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐ電流阻止層９をエッチングして、電流阻止層９の開口部を形成した。その後、オゾン水などの酸化ができるエッチング液によって電流阻止層９の表面を酸化して高抵抗化を行った。この場合、電流阻止層９の表面は平坦であり、凹凸が生じない。これにより、実施例の垂直共振器型の発光素子１においては、電流阻止層９の表面酸化膜により効果的に電流狭窄を行うことができる。
【００５７】
第３工程として、開口部を作製した電流阻止層９上に、埋込エピタキシャル再成長を行った。２回目の成長は、１回目の成長と同様にＭＯＣＶＤ法を用いて、１０．５対のｐ型のＡｌ０．４５Ｇａ０．５５Ａｓ（４５ｎｍ）／ＡｌＡｓ（５２．５ｎｍ）からなる第２反射層１０のブラック反射層と、厚さが１００ｎｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１を順に成長させた。
【００５８】
ｎ型の第１クラッド層６等の各ｎ型層の不純物としてＳｅ（セレン）を用いた。Ｓｅは、Ｈ２Ｓｅ（セレン化水素）を原料として他の原料ガスと一緒に炉内に導入した。キャリア濃度はＳｅのＶ族原料に対する流量比（Ｓｅ／Ｖ）によって制御した。第２クラッド層８等の各ｐ型層の不純物としてＭｇ（マグネシウム）を用いた。Ｍｇは、Ｃｐ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエルマグネシウム）を原料として水素でバブリングした後、キャリアガスで搬送し、他の原料ガスと一緒に炉内に導入した。キャリア濃度はＭｇのＩＩＩ族原料に対する流量比（Ｍｇ／ＩＩＩ）によって制御した。上記不純物の流量調整にはマスフローコントローラーを用いた。
【００５９】
第４工程として、エピタキシャル成長面の表面への電極１２（Ａｕ／ＡｕＳｂＺｎ）を８００ｎｍ及び基板２の裏面へのＡｕＧｅＮｉ合金（２００ｎｍ）からなる電極１６を形成する工程と、保護膜１４の形成工程、ダイシング工程などを経て、垂直共振器型の発光素子１のチップを得た。
【００６０】
チップの大きさは、３２０μｍ×３２０μｍ程度であり、光出射窓部１３は、直径を８０μｍとした。このチップは、ＴＯ−１８のステムへ銀ペーストを用いて搭載し、金ワイヤによるボンディングを行った。実施例１では、光出射窓部１３の直径を８０μｍとしたが、直径は発光素子１の用途に応じて変更してもよい。
【実施例２】
【００６１】
二次発光制御層４を２０対とした以外は、実施例１と同様にして実施例２の垂直共振器型の発光素子１を製作した。
【実施例３】
【００６２】
二次発光制御層４を４０対とした以外は、実施例１と同様にして実施例３の垂直共振器型の発光素子１を製作した。
【００６３】
次に、比較例について説明する。
（比較例１）
比較例１として、二次発光制御層４を設けずに、かつ、第１反射層５を２０．５対とした以外は、実施例１と同様にして比較例１の垂直共振器型の発光素子を製造した。
【００６４】
（比較例２）
第１反射層５を３０．５対とした以外は、比較例１と同様にして比較例２の垂直共振器型の発光素子を製造した。
【００６５】
（比較例３）
第１反射層５を４０．５対とした以外は、比較例１と同様にして比較例３の垂直共振器型の発光素子を製造した。
【００６６】
（比較例４）
第１反射層５を５０．５対とした以外は、比較例１と同様にして比較例４の垂直共振器型の発光素子を製造した。
【００６７】
（比較例５）
第１反射層５を６０．５対とした以外は、比較例１と同様にして比較例５の垂直共振器型の発光素子を製造した。
【００６８】
得られた垂直共振器型の発光素子１を、定電流電源によって通電を行い、初期特性として順方向電圧（Ｖｆ）の測定を行った。測定に用いた電流は２０ｍＡとした。その後、同時に作製した各２０個の発光素子１について、室温において２０ｍＡの連続通電で発光スペクトルの測定を行い、一次発光出力及び二次発光出力の測定を行った。発光スペクトルは、波長計（ＭＣＰＤ−３０００、大塚電子株式会社製）を用いて測定した。
なお、実施例１〜３及び比較例１〜５の発光素子１において、２０ｍＡ通電時の室温での順方向電圧（Ｖｆ）は特に大きな変化は観測されなかった。
【００６９】
表１は、実施例１〜３及び比較例１〜５の垂直共振器型の発光素子１の一次発光に対する二次発光強度比（％）を示す表であり、第１反射層５及び二次発光制御層４の対数も併せて示している。
【表１】
2009246056.tif 000003
【００７０】
表１から明らかなように、実施例１の二次発光制御層４の対数を５対とした発光素子１の二次発光強度比は、平均値で０．２７％であり標準偏差が０．００１２であった。
【００７１】
表１から明らかなように、実施例２の二次発光制御層４の対数を２０対とした発光素子１の二次発光強度比は、平均値で０．０９％であり標準偏差が０．００１１であった。この場合には、二次発光強度比は、実施例１の１／３となった。
【００７２】
表１から明らかなように、実施例３の二次発光制御層４の対数を４０対とした発光素子１の二次発光強度比は、平均値で０．０２％であり標準偏差が０．００１であった。実施例１の二次発光強度比の平均値は、実施例１の１／１０程度となり、実施例１及び２に比較して、著しく減少させることができた。
【００７３】
表１から明らかなように、比較例１から５は二次発光制御層４を有しておらず、第１反射層５を２０．５対〜６０．５対まで１０対づつ増加した垂直共振器型の発光ダイオードであるが、二次発光強度比の平均値は０．０６〜０．０９％とほぼ一定の値であった。第１反射層５の総対数を増やしても、実施例１〜３の二次発光制御層４を有している発光素子１に比べて二次発光を制御する効果がないことが分かった。
【００７４】
図７は、実施例１〜３及び比較例１〜５の垂直共振器型の発光素子１の二次発光制御層４及び第１反射層５の対数合計に対する二次発光強度比（％）の平均値を示す図である。図７から明らかなように、実施例１においては二次発光制御層４の対数を２０対以内とした場合に、二次発光制御層４を設けない比較例１〜５の発光素子よりも二次発光の強度が強くなる。逆に、実施例２，３においては、二次発光制御層４の対数を２０対以上とした場合には、二次発光制御層４を設けない比較例１〜５の発光素子よりも二次発光の強度が弱くなることが分かる。
このように、二次発光制御層４の対数を増加させることによって、基板２の二次発光に対する反射率が増加して二次発光を極限まで減少させることができた。つまり、気相エピタキシャル成長によって二次発光波長に対するブラック反射膜を有する二次発光制御層４を基板２と第１反射層５の間に設けることで、二次発光の強度を任意に制御することができた。
【００７５】
図８は、実施例１〜３の発光スペクトルを示す図である。図８の横軸は発光波長を示し、縦軸は発光強度を一次発光の最大出力で規格化した二次発光強度比（％）を示している。
図８に示すように、実施例１〜３では、何れも一次発光のピーク波長は６４５ｎｍで一致しているが、二次発光のピークが分裂し、その強度は実施例１〜３の順に低下していることが分かる。二次発光制御層４等がない場合には、特許文献１にあるように二次発光のスペクトルは一つのピークを有しているが、実施例１〜３ではピークが分裂している。これにより、二次発光制御層４による共振現象が起きており、二次発光の増強または抑制ができることが判明した。
【００７６】
なお、ｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ／ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓからなる二次発光制御層４において、（ｘ，ｙ）＝（０．４５，０．５５）とした場合、二次発光強度比は減少傾向にあるものの、対数増加に伴う減少率は低下していることが分かっている。これは、図７に示した二次発光強度比を考慮すると、少ない対数で同等の効果を実現するためには、二次発光制御層４のブラック反射層を構成する第１の反射膜と第２の反射膜の屈折率差をできるだけ大きく確保する必要があることを示している。
【００７７】
上記実施例及び比較例によれば、二次発光制御層４を設けることによって発光素子１の二次発光特性を制御できることが判明した。特許文献２の制御可能な二次発光強度比の範囲が１．５７倍であるのに対し、本発明の実施例１による発光素子１では２．５倍の制御範囲を有していることが明らかとなった。
【００７８】
さらに、発光素子１，３０，４０は、多層膜の薄膜制御が必要なことから、液相成長（ＬＰＥ）法を用いることができない。本発明によれば、気相成長法を用いた発光素子１，３０，４０において、二次発光の制御を容易に行うことができる。
【００７９】
以上、本発明の実施形態によれば、二次発光制御層４を有する垂直共振器等の発光素子１，３０，４０において、高出力かつ任意の二次発光制御機構を有する発光素子を提供することができる。
【００８０】
本発明は、上記実施例に記載の垂直共振器型の発光素子１，４０に限定されることなく、他の発光素子３０の構造でもよく、出力、発振波長や発光出力に応じて、二次発光制御層４、第１及び第２の反射層等の上記化学組成を示すａ，ｂ，ｃ，ｘ，ｙ，ｚ，ｐ，ｑ，ｒ，ｓ，α，β及びγ等の値は適宜に選定することができ、また、厚さや対数は、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】第１の実施形態に係る発光素子の断面構造を示す図である。
【図２】図１に示す発光素子の平面図である。
【図３】二次発光制御層及び第１反射層の構造を説明するための拡大断面図である。
【図４】第２の実施形態に係る発光素子の断面構造を示す図である。
【図５】第３の実施形態に係る発光素子の断面構造を示す図である。
【図６】垂直共振器型の発光素子の製造方法を示す図である。
【図７】実施例１〜３及び比較例１〜５の垂直共振器型の発光素子の二次発光制御層及び第１反射層の対数合計に対する二次発光強度比（％）の平均値を示す図である。
【図８】実施例１〜３の発光スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
【００８２】
１，３０，４０：発光素子
２：基板
３：発光層
４：二次発光制御層
５：第１反射層
６：第１クラッド層
７：活性層
８：第２クラッド層
９：電流阻止層
９ａ：開口部
１０：第２反射層
１１：コンタクト層
１２，１６：電極
１３：光出射窓部
１４：保護膜
１８：ダイシング領域
１９：バッファ層
２２：活性層（量子井戸構造）
２４：エッチングストップ層
２６：ｐ型半導体層
２７：キャップ層
２８：凹部
【図１】
2009246056.tif 000004
【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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