JP3889896B2 - Semiconductor light emitting device - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体発光装置に関し、特にＡｌＧａＩｎＰ系及びＡｌＧａＡｓＰ系半導体材料を用いた半導体レーザ等の半導体発光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料を用いた従来の半導体レーザダイオード（ＬＤ）の一例として、図３に模型的に示す構造を有するものがある。
すなわち図３において、３０１はｎ型ＧａＡｓ基板、３０２は基板３０１上に形成されたｎ型ＡｌＧａＩｎＰからなるクラッド層である。３０３はＡｌＧａＩｎＰからなる活性層であり、３０４はｐ型ＡｌＧａＩｎＰからなるクラッド層である。すなわち、ＡｌＧａＩｎＰ活性層３０３のエネルギーギャップが、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３０２及び３０４のエネルギーギャップより小さくなるよう混晶比が設定されており、ダブルヘテロ構造をなしている。３０６はコンタクト層である。
【０００３】
３０５はｎ型ＧａＡｓからなる電流阻止（ブロック）層である。電流阻止層３０５は、レーザー発振に必要な電流密度を得るために、いわゆる、電流狭窄を行う目的で設けられる。３０５は、層３０４を選択エッチングしてリッジを形成した後、ＳｉＮｘなどのアモルファス膜を用いて選択成長させることによって形成する。
【０００４】
ＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰ（以下あわせて「ＡｌＧａＩｎＰ系化合物」という。）はＡｌＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＡｓ（以下あわせて「ＡｌＧａＡｓＰ系化合物」という。）と比較して、抵抗率が高く、熱抵抗が大きい等の欠点を有している。このことが素子の動作電圧を高くし、発熱を大きくするなどの問題を発生させており、素子の特性や信頼性の向上に対する大きな障害となっている。特に、半導体レーザのように、電流狭窄が行なわれたり、発光密度が高くなる場合には、上記の問題はますます深刻になる。
【０００５】
また、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系化合物のクラッド層のドーパントとして、一般的に亜鉛（Ｚｎ）が用いられているが、Ｚｎの活性化率が低いために抵抗率を下げるためには高濃度でドーピングを行う必要がある。しかしながら、Ｚｎを高濃度でドーピングすると活性化しなかったＺｎが成長中にＡｌＧａＩｎＰ系化合物結晶中を速い速度で拡散していき、ｐｎ接合位置が発光層よりもｎ側に大きくずれたりすることがある。この場合、電流電圧特性に異常をもたらしたり、レーザーのしきい値電流を増加させたりする。このようなｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系化合物層からのＺｎ拡散は、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系化合物層の層厚の増加に伴って、顕著になる。また、レーザーのように発光層の厚みが比較的薄い場合、とりわけ非常に薄い発光層（１０ｎｍ以下）を有する量子井戸レーザにおいては、Ｚｎ拡散による電流電圧特性の異常が生じやすくなる。ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ系化合物層には、拡散係数の小さいＳｉが有効である。
【０００６】
通常ダブルヘテロ構造を用いた場合、活性層へのキャリア及び光の閉じ込めを充分に行うために、クラッド層の膜厚として１〜２μｍ程度は必要となる。有機金属気相成長法でＡｌＧａＩｎＰ系化合物を成長するとき、ＩＩＩ族原料となる有機金属とＶ族原料となるＰＨ3との供給モル比（Ｖ／ＩＩＩ）を非常に大きくする必要がある。このために、成長速度を余り大きくできない、成長原料コストがＡｌＧａＡｓ系化合物などに比べてかなり高くなるといった問題が生じている。特に多数枚を同時成長可能な量産用の大型装置においてはこれ以外に除害等の点でますます深刻となる。
【０００７】
これらの問題点を解決するために、特開平８−１２５２８５号公報にＡｌＧａＩｎＰ又はＧａＩｎＰからなる活性層を有する半導体発光装置において、発光素子の素子特性を劣化させない程度にＺｎドープｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系化合物クラッド層を薄くし、活性層及びｎ側クラッドへのＺｎ拡散を少なくさせることが記載されている。ただし、活性層上下のＡｌＧａＩｎＰ系化合物クラッド層の膜厚を薄くすると、キャリア及び光の閉じ込めが不十分となり、素子特性を劣化させてしまうので、不足分をほぼ同じバンドギャップと屈折率を持つＡｌＧａＡｓＰ系化合物で代用できることが記載されている。
【０００８】
ディジタルビデオディスクを中心とする記録密度向上のために、情報処理用光源として従来のＡｌＧａＡｓ（波長７８０ｎｍ近傍）に代わって、ＡｌＧａＩｎＰ系を用いた可視（通常６３０〜６９０ｎｍ）レーザが実用化され始めている。そして、短波長化かつ低しきい値・高温動作に向けて以下のような検討がなされてきた。
まず、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ系からなる可視レーザの作製において、活性層に量子井戸構造を採用し、さらに量子井戸層に圧縮もしくは引っ張り歪みを加えることにより、短波長化かつ低しきい値化が図られている。
【０００９】
さらに、（１００）面から［０１１］方向（もしくは［０−１−１］方向）にオフした基板を用いることにより、自然超格子の形成（オーダーリング）によるバンドギャップの縮小を抑制し、短波長化しやすくしたり、ｐ型ドーパント（たとえばＺｎ、Ｂｅ、Ｍｇ）の高濃度ドーピングをしやすくし、ヘテロ障壁の増大による素子の発振しきい値電流や温度特性を向上させることが可能となる。ただし、オフ角度が小さいときには、ステップバンチングが顕著に現れ、ヘテロ界面に大きな凹凸が形成されてしまい、量子井戸構造（約１０ｎｍ以下のＧａＩｎＰ井戸層）を作製したときに、バルク活性層に対する量子効果によるＰＬ波長（あるいは発振波長）の短波長化シフト量が設計値より小さくなってしまう。オフ角度を大きくすることにより、ステップバンチングを抑制し、ヘテロ界面が平坦となり、設計通りに量子効果による短波長化が可能となる。このように、短波長化の阻害要因となっている自然超格子の形成やステップバンチングの発生を抑制し、かつｐ型高濃度ドーピングにより短波長化による発振しきい値電流の増加及び温度特性の劣化を抑制するために、通常（１００）面から［０１１］方向（もしくは［０−１−１］方向）に８〜１６度程度オフした基板が用いられる。ただし、６５０ｎｍ、６３５ｎｍなどの目的とする波長により、ＧａＩｎＰ井戸層の厚みや歪み量を考慮して、適切なオフ角度を選択する必要がある。
【００１０】
一方、光通信の分野においては、ＦＴＴＨ（Fiber to the home）やホームマルチメディアなどの家庭内データリンク、オフィスビル内や事業所内での光ＬＡＮが今後ますます促進される計画が立てられているが、このような短距離光通信の普及にあたっては、従来の幹線系に用いられた部品と比べて、大幅にコストを低減した部品が求められている。そこで、近年、プラスチック光ファイバー（ＰＯＦ）を用いた低損失光伝送がファイバー及びそのモジュール部品の低コスト化、ファイバー接続の容易さの観点から注目を集めている。このＰＯＦに適した光源として、波長６５０ｎｍの半導体レーザあるいは発光ダイオードが開発されている（S.Yamazaki,et.al,Proc.ECOC’94 PDP,1994,PP1-4、A.K.Dutta,et.al,IEEE Photonics Technolgy Letter,Vol.7,No.10,1995,PP1134-1136）。とりわけ、半導体レーザはＬＤチップにＲＣ時定数を低減する工夫を施すことにより、双方向通信に要求される数Ｇｂｐｓ程度の高速の伝送速度を実現できる。しかしながら、光ファイバーを用いた光通信に適した可視光の光源については、ファイバーとの結合効率、高温での信頼性を含めて充分な特性を示す素子が作製されていない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の従来技術の問題を解決することを課題とした。すなわち本発明は、しきい値電流が低くて、最高発振温度が高く、高信頼性であり、且つ円形に近いビームを形成しうるために光ファイバーとの結合に適している半導体発光装置を提供することを解決すべき課題とした。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討を進めた結果、基板上に、第１導電型のＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰからなるクラッド層、該クラッド層の上に形成されたＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＩｎＰからなる活性層、該活性層の上に形成された第２導電型のＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰからなる第１クラッド層、該第１クラッド層の上に形成された第２導電型のＡｌＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＡｓからなる第２クラッド層、前記活性層の両側面を挟む電流阻止層から少なくとも構成され、前記電流阻止層の底面が、前記第１導電型のＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰからなるクラッド層の上面に接していることを特徴とする半導体発光装置；基板上に、第１導電型のＡｌＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＡｓからなるクラッド層、第１導電型のＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰからなるクラッド層、該クラッド層の上に形成されたＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＩｎＰからなる活性層、該活性層の上に形成された第２導電型のＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰからなる第１クラッド層、該第１クラッド層の上に形成された第２導電型のＡｌＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＡｓからなる第２クラッド層、前記活性層の両側面を挟む電流阻止層から少なくとも構成され、前記電流阻止層の底面が、前記第１導電型のＡｌＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＡｓからなるクラッド層の上面に接していることを特徴とする半導体発光装置；および、基板上に、第１導電型のＡｌＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＡｓからなるクラッド層、第１導電型の光ガイド層、第１導電型のＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰからなるクラッド層、該クラッド層の上に形成されたＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＩｎＰからなる活性層、該活性層の上に形成された第２導電型のＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰからなる第１クラッド層、該第１クラッド層の上に形成された第２導電型のＡｌＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＡｓからなる第２クラッド層、前記活性層の両側面を挟む電流阻止層から少なくとも構成され、前記電流阻止層の底面が、前記第１導電型のＡｌＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＡｓからなる光ガイド層の上面に接していることを特徴とする半導体発光装置が所期の効果を有効に奏することを見出した。
【００１３】
本発明の半導体発光装置の好ましい実施態様として、前記基板と前記第１導電型のＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰからなるクラッド層の間に、第１導電型のＡｌＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＡｓからなるクラッド層が形成されている態様；前記第１導電型のＡｌＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＡｓからなるクラッド層と前記第１導電型のＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰからなるクラッド層の間に、第１導電型の光ガイド層が形成されている態様；前記電流阻止層の屈折率が前記活性層の屈折率よりも小さい態様；前記電流阻止層のバンドギャップが前記活性層のバンドギャップがよりも大きい態様；前記電流阻止層が、第１導電型、第２導電型又は高抵抗の化合物半導体層を含む一以上の化合物半導体層を有している態様；前記電流阻止層が、ＡｌＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＡｓからなる態様；前記電流阻止層の底面が、前記第１導電型のＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰからなるクラッド層の上面に接している態様；前記電流阻止層の底面が、前記第１導電型のＡｌＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＡｓからなるクラッド層の上面に接している態様；前記電流阻止層の底面が、前記第１導電型のＡｌＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＡｓからなる光ガイド層の上面に接している態様；前記活性層が、量子井戸層、及び量子井戸層を挟むバリア層及び／又は光閉じ込め層で構成されている態様；前記バリア層又は前記光閉じ込め層に不純物がドープされている態様を挙げることができる。
【００１４】
また、本発明の半導体発光装置の別の好ましい実施態様として、前記光ガイド層が第１導電型のＡｌＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＡｓからなる態様；前記活性層の厚みが０．０５〜０．５μｍである態様；前記量子井戸層の層数が３〜６である態様；前記量子井戸層に圧縮あるいは引っ張りの歪みが加えられる態様；前記基板の表面が低次の面方位に対してオフアングルを有する態様；室温付近での発振波長が６３０〜７００ｎｍである態様；電流狭窄を行うためのリッジ構造を有している態様；リッジ構造の底部の幅が、装置端面近傍で装置中央部より広くなっている態様；前記リッジ構造の底部の幅が、装置端面近傍で装置中央部より狭くなっている態様；遠視野像が単一ピークである態様；レーザチップの組立方式がジャンクション・アップである態様；前記クラッド層のうち、ｎ型の層のキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3以下である態様；電極に最も近いｐ型クラッド層がドーパントとしてＣを含むＡｌＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＡｓからなる態様；活性層に最も近いｐ型クラッド層がドーパントとしてＢｅ及び／又はＭｇを含むＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰからなる態様；ｎ型ドーパントとしてＳｉを用いた態様；前記低屈折率電流阻止層をハロゲン元素を有するガスを少量添加しながら有機金属気相成長法により選択成長した態様；少なくとも前記活性層をドライエッチング又は反応性ガスエッチングで形成した態様；前記活性層をエッチングした後に大気にさらすことなく引き続き埋め込み成長を行って電流阻止層を形成した態様を挙げることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体発光装置について、以下に各層の詳細と製造工程例を示しながら具体的に説明する。
本発明の半導体発光装置は、基板上に、第１導電型のＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰからなるクラッド層、該クラッド層の上に形成されたＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＩｎＰからなる活性層、該活性層の上に形成された第２導電型のＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰからなる第１クラッド層、該第１クラッド層の上に形成された第２導電型のＡｌＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＡｓからなる第２クラッド層、前記活性層の両側面を挟む電流阻止層から少なくとも構成されることを特徴とする。
【００１６】
本明細書において「Ａ層の上に形成されたＢ層」という表現は、Ａ層の上面にＢ層の底面が接するようにＢ層が形成されている場合と、Ａ層の上面に１以上の層が形成されさらにその層の上にＢ層が形成されている場合の両方を含むものである。また、Ａ層の上面とＢ層の底面が部分的に接していて、その他の部分ではＡ層とＢ層の間に１以上の層が存在している場合も、上記表現に含まれる。具体的な態様については、以下の各層の説明と実施例の具体例から明らかである。 また、本明細書において「〜」はその前後の数値を包含する範囲を表す。
【００１７】
本発明の半導体発光装置の基板は、その上にダブルへテロ構造の結晶を成長することが可能なものであれば、導電性や材料については特に限定されない。好ましいのは導電性がある材料であり、望ましくはその上への結晶薄膜成長に適したＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＺｎＳｅ、ＺｎＯ、Ｓｉ、Ａｌ2Ｏ3等の結晶基板、特に閃亜鉛鉱型構造を有する結晶基板である。通常ＡｌＧａＩｎＰ系可視レーザにはＧａＡｓ基板が用いられる。その場合基板結晶成長面は低次な面またはそれと結晶学的に等価な面が好ましく、（１００）面が最も好ましい。なお、本明細書において（１００）面という場合、必ずしも厳密に（１００）シャストの面である必要はなく、最大３０°程度のオフアングルを有する場合まで包含することとする。ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ系からなる可視レーザの作製において、（１００）面から［０１１］方向（もしくは［０−１−１］方向）にオフした基板を用いることにより、自然超格子の形成（オーダーリング）によるバンドギャップの縮小を抑制し、短波長化しやすくしたり、ｐ型ドーパント（たとえばＺｎ、Ｂｅ、Ｍｇ）の高濃度ドーピングをしやすくし、ヘテロ障壁の増大による素子の発振しきい値電流や温度特性を向上させることが可能となる。ただし、オフ角度が小さいときには、ステップバンチングが顕著に現れ、ヘテロ海面に大きな凹凸が形成されてしまい、量子井戸構造（約１０ｎｍ以下のＧａＩｎＰ井戸層）を作製したときに、バルク活性層に対する量子効果によるＰＬ波長（あるいは発振波長）の短波長化シフト量が設計値より小さくなってしまう。オフ角度を大きくすることにより、ステップバンチングを抑制し、ヘテロ界面が平坦となり、設計通りに量子効果による短波長化が可能となる。このように、短波長化の阻害要因となっている自然超格子の形成やステップバンチングの発生を抑制し、かつｐ型高濃度ドーピングにより短波長化による発振しきい値電流の増加及び温度特性の劣化を抑制するために、通常（１００）面から［０１１］方向（もしくは［０−１−１］方向）に８〜１６度程度オフした基板が用いられる。ただし、６５０ｎｍ、６３５ｎｍなどの目的とする波長により、ＧａＩｎＰ井戸層の厚みや歪み量を考慮して、適切なオフ角度を選択する必要がある。
基板上には、通常基板の欠陥をエピタキシャル成長層に持ち込まないために厚み０．２〜２μｍ程度のバッファ層を用いることが好ましい。
【００１８】
基板上に形成されるダブルヘテロ構造は、第１導電型のＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰからなるクラッド層、その上に形成されたＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＩｎＰからなる活性層、その上に形成された第２導電型のＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰからなるクラッド層から少なくとも構成され、このとき、クラッド層は、活性層より屈折率が小さくなるように組成が選択される。また、ダブルヘテロ構造には、光閉じ込め層として機能する層を含んでいてもよく、このとき、光閉じ込め層は、活性層より屈折率が小さくなるように組成が選択される。また、活性層は、単一の層からなる場合に限定されず、複数の量子井戸層及びそれらに挟まれたバリア層ならびに最上の量子井戸層の上及び最下の量子井戸層の下に積層された光閉じ込め層からなる多量子井戸構造（ＭＱＷ）を有していてもよい。
【００１９】
第１導電型のＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰからなるクラッド層は、第１導電型クラッド層が単層からなるものであるときは、好ましくは１〜２μｍ程度の厚みを有することが必要とされる。
第１導電型クラッド層は複数層からなるものであってもよく、具体的にはＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰからなる上記クラッド層（第１導電型第２クラッド層）のほかに、例えばより基板側に第１導電型のＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓＰからなるクラッド層（第１導電型第１クラッド層）が形成されている態様を例示することができる。第１導電型クラッド層が２層以上からなる場合は、第１導電型第１クラッド層の厚さを薄くすることができ、下限としては０．０１μｍ以上が好ましく、０．０５μｍ以上がより好ましい。上限としては、０．５μｍ以下が好ましく、０．３μｍ以下がより好ましい。第１導電型第１クラッド層のキャリア濃度は、２×１０17ｃｍ-3〜３×１０18ｃｍ-3の範囲が好ましく、その範囲内では５×１０17ｃｍ-3以上が好ましく、２×１０18ｃｍ-3以下が好ましい。
【００２０】
本発明の半導体発光装置には、光ガイド層を形成することができる。特に第１導電型第１クラッド層と第１導電型第２クラッド層の間に形成することが好ましい。
光ガイド層は、活性層の光を光ガイド層側に滲み出させ、近視野像の発光パターンを縦方向に拡げる機能を有する。光ガイド層の屈折率が活性層よりも低く、かつ第１導電型第１クラッド層及び第１導電型第２クラッド層よりも大きければ、材料については特に限定しないが、ＧａＡｓ基板との格子整合を考慮すると、ＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓＰもしくはＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰであることが好ましい。ＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰは、ＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓと比べて表面酸化が起こりにくいという利点はあるが、ＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓＰと比べて、熱伝導が悪い、自然超格子の形成による屈折率の変化などの問題がある。ＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓＰの場合は、屈折率制御の観点から、Ａｌ組成の上限は０．７以下が好ましく、０．６以下がより好ましい。下限は、０．３以上が好ましく、０．４以上がより好ましい。ＧａＩｎＰ又は（ＡｌxＧａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ｐの場合も、屈折率制御の観点から、Ａｌ組成ｘについては上限は０．６以下が好ましく、０．５以下がより好ましいく、０．５以下が最も好ましい。下限は、０以上が好ましい。光ガイド層は、クラッド層よりもＡｌ組成を低減できることから、エッチング等のプロセス時の表面酸化を低減できる利点もある。光ガイド層の厚みは、上限は０．５μｍ以下が好ましく、０．３μｍ以下がより好ましい。下限は０．００５μｍ以上が好ましく、０．０１μｍ以上がより好ましい。
【００２１】
ＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＩｎＰからなる活性層は、バルク活性層でもよいが、低しきい値化、応答速度向上の観点から、単数もしくは複数の量子井戸層を有する量子井戸層及び前記量子井戸層を挟むバリア層及び又は光閉じ込め層により構成されることが好ましい。活性層に量子井戸構造とすることにより、単層のバルク活性層と比較して、短波長化（６３０ｎｍ〜６６０ｎｍ）かつ低しきい値化、高速応答化ができる。この場合、高温動作を向上させるために、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造にしたり、この場合、高温動作を向上させるために、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造にしたり、量子井戸層に圧縮（ＧａxＩｎ1-xＰ、ｘ＜０．５２）あるいは引っ張り（ＧａxＩｎ1-xＰ、ｘ＞０．５２）の歪みが加えられることが有効である。さらに、応答速度を向上させるために、活性層のバリア層及び又は光閉じ込め層に不純物をドープする変調ドープ構造とすることが好ましい。
【００２２】
活性層内のキャリア濃度は特に限定されないが、量子井戸層及びバリア層については特に不純物ドープをすることなく、アンドープの状態（この場合でもわずかに（通常、１×１０17ｃｍ-3以下）第１又は第２導電型になっている）であることが、素子の性能の向上及び安定化の点からより好ましく、光閉じ込め層も少なくとも量子井戸層に近い部分はアンドープの状態であることが好ましい。
【００２３】
量子井戸層の厚みは、室温付近の発振波長が６３０〜６７０ｎｍの場合、３〜７ｎｍが好ましく、４〜６ｎｍがより好ましい。一方、室温付近の発振波長が６７０〜７００ｎｍの場合、６〜１０ｎｍが好ましく、７〜９ｎｍがより好ましい。
井戸層の厚みは、２〜８ｎｍが好ましく、４〜６ｎｍがより好ましい。
光閉じ込め層は、Ｚｎ等の不純物の量子井戸層への混入（拡散）の防止、量子井戸層への閉じ込めの増加を図る観点から有効であり、光閉じ込め層の厚みを適切に選ぶことにより、レーザ発振しきい値電流の低減、寿命向上等を実現できる。具体的に、光閉じ込め層の厚みは、室温付近の発振波長が６３０〜６７０ｎｍの場合に、下限として３０ｎｍ以上が好ましく、４０ｎｍ以上がより好ましい。上限として、２００ｎｍ以下が好ましく、１００ｎｍ以下がより好ましい。一方、室温付近の発振波長が６３０〜６７０ｎｍの場合は、下限として５ｎｍ以上が好ましく、１０ｎｍ以上がより好ましい。上限として、１００ｎｍ以下が好ましく、５０ｎｍ以下がより好ましい。
【００２４】
活性層内の量子井戸層の層数は、室温付近の発振波長が６３０〜６７０ｎｍの場合、温度特性の観点から、上限は６以下が好ましく、５以下がより好ましい。下限は、２以上が好ましく、３以上がより好ましい。一方、室温付近の発振波長が６７０〜７００ｎｍの場合は、上限は５以下が好ましく、４以下がより好ましい。下限は、１以上が好ましく、２以上がより好ましい。
【００２５】
第２導電型のＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰ化合物からなる第１クラッド層については、その上にほぼ屈折率の等しい第２導電型のＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓＰからなる第２導電型第２クラッド層が形成されていることから、キャリアの閉じ込めができる程度に膜厚を薄くすることができる。膜圧の下限としては、０．０１μｍ以上が好ましく、０．０５μｍ以上がより好ましい。膜圧の上限としては、０．５μｍ以下が好ましく、０．３μｍ以下がより好ましい。キャリア濃度は、１×１０17ｃｍ-3〜３×１０18ｃｍ-3の範囲が好ましく、その範囲内では２×１０17ｃｍ-3以上が好ましく、２×１０18ｃｍ-3以下が好ましい。
【００２６】
第２導電型のＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓＰからなる第２クラッド層については、その上に形成されるコンタクト層に光があまり滲み出さない程度の膜厚が必要である。膜厚は０．３〜３μｍの範囲が好ましく、その範囲内では０．５μｍ以上が好ましく、１．５μｍ以下が好ましい。キャリア濃度は、１×１０17ｃｍ-3〜３×１０18ｃｍ-3の範囲が好ましく、その範囲内では２×１０17ｃｍ-3以上が好ましく、２×１０18ｃｍ-3以下が好ましい。
【００２７】
少なくとも活性層を含むリッジ構造を両側から挟む電流阻止層の底面は、第１導電型のＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰからなるクラッド層の上面、第１導電型のＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓＰからなるクラッド層の上面、第１導電型のＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓＰからなる光ガイド層の上面のいずれかに接するように形成することが好ましい。すなわち、リッジ構造をエッチングで形成するときに、ＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓＰとＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰとの材料系の違いにより、第１導電型のＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰからなるクラッド層、第１導電型のＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓＰからなるクラッド層、第１導電型のＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓＰからなる光ガイド層のいずれかをエッチング停止層として機能させることができるため、リッジ構造の両脇でのクラッド層厚の均一性を向上させることが可能となり、レーザ特性の均一性、歩留まりを向上させることが可能となる。一方、リッジの両脇の層の底面を第１導電型のＧａＡｓバッファ層もしくは第１導電型のＧａＡｓ基板の上面に接するように形成するのは、以下の問題が発生するので好ましくない。すなわち、リッジの高さが大きくなるために、通過抵抗が高くなって、応答速度が向上できなくなったり、活性層の横幅（ストライプ幅）が広くせざるを得なくなり、しきい値電流の増大、横モードの不安定性を招く。また、電流阻止層と接するクラッド層よりもバンドギャップが小さいために、漏れ（リーク）電流を増大しやすくなり、レーザ特性及び信頼性を劣化させてしまうため好ましくない。
【００２８】
電流阻止層の材料は特に限定されず、誘電体であっても半導体であってもよい。誘電体と半導体にはそれぞれ以下に記載するような利点と欠点があるため、電流阻止層の材料はこれらの利点と欠点を考慮して適宜決定するのが好ましい。
電流阻止層の材料として誘電体を用いる場合は、例えばＳｉＮｘ、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3などを用いることができる。誘電体を用いると、低屈折率でかつ絶縁特性の優れた層を形成することができるなどの利点がある反面、熱伝導率が低いために放熱性が悪い、劈開性が悪い、平坦化しにくいためにジャンクション・ダウンで組み立てにくいなどの欠点も有している。
【００２９】
一方、電流阻止層の材料として半導体を用いた場合は、誘電体膜と比較して熱伝導率が高いために放熱性が良い、劈開性が良い、平坦化しやすいためにジャンクション・アップで組み立てやすい、コンタクト層を全面に形成しやすいのでコンタクト抵抗を下げやすいなどの利点がある反面、ｐｎ接合による容量増加によるＲＣ時定数を増加させてしまう、低屈折率にするためにＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＰなどの高Ａｌ組成化合物が必要になる時は表面酸化などの対策が必要であるなどの欠点がある。第２導電型第２クラッド層よりも低屈折率にすることや、ＧａＡｓ基板との格子整合を考慮すると、半導体としてＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓＰ、もしくはＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰを用いることが好ましい。ＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰは、ＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓＰと比べて、熱伝導が悪い、自然超格子の形成による屈折率の変化、選択成長（リッジ側壁と底面）におけるＩｎ組成の不安定性などがあるので、選択成長時の保護膜へのポリの堆積防止（ＨＣｌ添加選択成長）ができるのであれば、ＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓＰを選択する方が好ましい。ただし、ＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓＰの場合は、Ａｌ組成がＡｌＡｓに近くなりすぎると潮解性を示すので、Ａｌ組成の上限は０．９５以下が好ましく、０．９０以下がより好ましく、０．８５以下が最も好ましい。活性層よりも低屈折率にする必要があることから、Ａｌ組成の下限は０．３０以上が好ましく、０．４０以上がより好ましく、０．４５以上が最も好ましい。
【００３０】
電流阻止層の屈折率は電流阻止層に挟まれた活性層の屈折率よりも低くすることにより、単一横モード発振や動作電流を低減することが可能となる。電流阻止層と活性層との屈折率差が大きすぎると、活性層内に光が閉じこもりすぎるために、電流−光出力におけるキンクレベル及び光学的端面損傷（ＣＯＤ）レベルが低減するという問題が生じる。一方、電流阻止層と活性層との屈折率差が小さすぎる場合、活性層の外側へ光が漏れやすくなるために、発振しきい値電流の上昇や電流−光出力における効率が低下するという問題が生じる。これらのことを考え併せて、電流阻止層と活性層との屈折率差は、電流阻止層が化合物半導体の場合、下限は０．００１以上が好ましく、０．００３以上がより好ましく、０．００７以上が最も好ましい。上限は、１．０以下が好ましく、０．５以下がより好ましく、０．１以下が最も好ましい。電流阻止層が誘電体の場合、下限は０．１以上が好ましく、０．３以上がより好ましく、０．７以上が最も好ましい。上限は、３．０以下が好ましく、２．５以下がより好ましく、１．８以下が最も好ましい。
【００３１】
電流阻止層のバンドギャップを電流阻止層に挟まれた活性層のバンドギャップよりも大きくすることにより、活性層に有効に電流を注入することができるようになり、発振しきい値電流の低減や温度特性を向上させることができる。
電流阻止層は、光分布（特に横方向）制御あるいは電流阻止機能向上の観点から、屈折率あるいはキャリア濃度又は導電型の異なる２つ以上の層から形成してもよい。リッジ構造の場合は、電流阻止層の表面側に電流阻止機能の向上、表面酸化の抑制あるいはプロセス上の表面保護などの目的から、表面保護層を形成してもよい。表面保護層の導電型は特に規定しないが、ＧａＡｓ基板を用いている場合は、第２導電型キャップ層はＡｌxＧａ1-xＡｓが好ましく、この時のＡｌ組成は０．４以下が好ましく、０．２以下がより好ましく、０．１以下が最も好ましい。
【００３２】
電流阻止層の導電型は、第１導電型、第２導電型又は高抵抗（アンドープもしくは深い順位を形成する不純物（Ｏ、Ｃｒ、Ｆｅなど）をドープ）のいずれか１種または２種以上の組み合わせで構成することができる。また、導電型あるいは組成の異なる複数の層から形成されてもよい。リッジ脇を構成する電流阻止層は、その底面が接する層と反対の導電型あるいは高抵抗とすることが好ましい。また、厚みについては、あまり薄いと電流阻止に支障を生じる可能性があるため、下限は０．１μｍ以上、より好ましくは０．５μｍ以上であり、リッジの高さ等を勘案して、上限は５μｍ以下が好ましく、３μｍ以下がより好ましい。
【００３３】
第２導電型第２クラッド層の表面に酸化防止、プロセス上の保護などの目的で第２導電型のキャップ層を形成してもよい。ＧａＡｓ基板を用いている場合は、第２導電型キャップ層はＡｌxＧａ1-xＡｓが好ましく、ｘは０．４以下が好ましく、０．２以下がより好ましく、０．１以下が最も好ましい。キャリア濃度については、下限は１ｘ１０17ｃｍ-3以上が好ましく、３ｘ１０17ｃｍ-3以上がより好ましく、５ｘ１０17ｃｍ-3以上が最も好ましい。上限は２ｘ１０20ｃｍ-3以下が好ましく、５ｘ１０19ｃｍ-3以下がより好ましく、３ｘ１０19ｃｍ-3以上が最も好ましい。キャップ層のキャリア濃度を高く（５ｘ１０18ｃｍ-3以上）設定することにより、コンタクト層として機能させることができる。
【００３４】
電流狭窄部の上に電極を形成する際には、電極材料との接触抵抗を低減するために、低抵抗（高キャリア濃度）のコンタクト層を介して電極材料を形成することが好ましい。特に電極を形成しようとする最上層表面の全体にコンタクト層を形成したうえで電極を形成することが好ましい。
このとき、クラッド層は活性層より屈折率が小さい材料を選択し、コンタクト層はクラッド層よりバンドギャップが通常小さい材料を選択し、金属電極とのオーミック性を取るため低抵抗で適当なキャリア密度（ｃｍ-3）を有するのが好ましい。キャリア密度の下限は、１×１０18以上が好ましく、３×１０18以上がより好ましく、５×１０18以上が最も好ましい。上限は、２×１０20以下が好ましく、５×１０19以下がより好ましく、３×１０18以下が最も好ましい。
【００３５】
基板あるいはバッファ層とクラッド層との間、もしくはキャップ層あるいはコンタクト層とクラッド層との間に、バンドギャップ不連続による通過抵抗の増大を抑制することなどのために、組成を徐々に変化させた組成クレード層を挿入してもよい。
【００３６】
上述のクラッド層や電流阻止層等に用いるドーパントの種類は、各層に求められる機能を発揮しうる範囲内で適宜選択することができる。ｐ型の層がＡｌＧａＡｓＰ系化合物層である場合には、ドーパントとしてＺｎ、Ｃ、Ｂｅ、Ｍｇ及びこれらの組み合わせが好ましく、ｐ型の層がＡｌＧａＩｎＰ系化合物である場合にはドーパントとしてＺｎ、Ｂｅ、Ｍｇ及びこれらの組み合わせが好ましい。又ｎ型ドーパントとしてはＳｉ、Ｓｅ、Ｔｅ及びこれらの組み合わせが好ましい。
【００３７】
閃亜鉛鉱型基板を用い、かつ基板表面が（１００）面又はそれと結晶学的に等価な面の場合、電流阻止層の開口部で定義されるストライプ領域が［０１−１］方向又はそれと結晶学的に等価な方向に伸びていることが好ましい。この理由は、ストライプ領域を［０１−１］方向に選んだ方が、［０１１］方向よりも誘導放出確率を大きくでき、低しきい値化が達成できるからである。
【００３８】
高出力動作を実現するには、ストライプ幅を広くすることが端面での光密度低減の観点から有効であるが、動作電流を低減するためにはストライプ幅を狭くすることが、導波路ロス低減の観点から好ましい。そこで、図２（ａ）に示すように、ゲイン領域となる中央付近のストライプ幅Ｗ２を比較的狭くし、端部付近のストライプ幅Ｗ１を比較的広くなるようにすることにより、低動作電流と高出力動作を同時に実現することができ、高い信頼性も確保することができる。
【００３９】
一方、円形に近いビームを実現するには、ストライプ幅を狭くすることが有効であるが、ストライプ幅を狭くすると注入電流密度が密度がバルク劣化抑制の観点から好まくない。そこで、図２（ｂ）に示すように、ゲイン領域となる中央付近のストライプ幅Ｗ２を比較的広くし、端部付近のストライプ幅Ｗ１を比較的狭くなるようにすることにより、ビームスポット低減と低動作電流を同時に実現することができ、高い信頼性も確保することができる。
【００４０】
中央から端部付近へかけては、図２に示すようにストライプ幅が漸増あるいは漸減する部分を設けることが好ましい。ストライプ幅が一定である端部の長さは、所望の特性に応じて設計すればよい。劈開精度の観点から５〜３０μｍが好ましく、１０〜２０μｍがより好ましい。ストライプ幅が漸増あるいは漸減する部分の長さは、導波路損失低減の観点から５〜１００μｍが好ましく、１０〜５０μｍがより好ましい。
【００４１】
ただし、必要に応じて、以下のようにストライプの窓を作製してもよい。
（１）幅一定の端部、漸増あるいは漸減部分のストライプ幅あるいは長さがチップ両側で非対称となるもの。
（２）幅一定の端部を形成せずに、端部まで幅が漸増あるいは漸減するようにしたもの。
（３）片側（通常は高出力光取り出し側である前端面）の端部だけストライプ幅が漸増あるいは漸減するようにしたもの。
（４）端部のストライプ幅が前端面と後端面とで異なるもの。
（５）上記の（１）〜（４）のいくつかを組み合わせたもの。
【００４２】
また、端面付近に電極を設けないようにすれば、以下の効果がある。
（１）端部での再結合電流を低減することは、高い信頼性での高出力動作が実現可能となる（特に中央部より幅を広くしている場合）。
（２）端部近傍のストライプ領域への電流注入によるバルク劣化の抑制や端面での再結合電流を低減することは、高い信頼性での小スポット径のレーザ作製の作製が容易になる（特に中央部より幅を広くしている場合）。
【００４３】
本発明の半導体発光装置を製造する方法は特に制限されない。結晶の成長方法としては、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法等の公知の成長法を用いることができる。各層の具体的成長条件等は、層の組成、成長方法、装置の形状等に応じて異なるが、ＭＯＣＶＤ法を用いてＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長する場合、ダブルへテロ構造は、成長温度６５０〜７５０℃程度、Ｖ／ＩＩＩ比２０〜６０程度（ＡｌＧａＡｓの場合）あるいは３５０〜５５０程度（ＡｌＧａＩｎＰの場合）にするのが好ましい。
【００４４】
活性層上にリッジ構造を形成する場合、リッジ上部にＳｉＮｘ膜、ＳｉＯ2膜、ＳｉＯＮ膜、Ａｌ2Ｏ3膜、ＺｎＯ膜、ＳｉＣ膜及びアモルファスＳｉからなる群から保護膜を形成する。これらの保護膜は、エッチング用及び電流阻止層の選択成長用に用いられ、プロセスの簡素化、エッチング（ドライエッチング及び又は反応性ガスエッチング）／選択成長の連続プロセスの実現の観点から、エッチング及び選択成長に同一保護膜が用いられることが好ましい。電流阻止層を選択成長により形成する方法が一般的に用いられる。この場合、成長温度６００〜７００℃、Ｖ／ＩＩＩ比４０〜６０程度（ＡｌＧａＡｓの場合）とするのが好ましい。特に保護膜を用いて選択成長する部分がＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓＰのようにＡｌを含む場合、成長中に微量のＨＣｌガスを導入すれば、マスク上へのポリの堆積が防止されるため非常に好ましいが、Ａｌの組成が高いほど、あるいはマスク部／開口部の比が大きいほど、他の成長条件を一定とした場合、ポリの堆積を防止し、かつ開口部のみに選択成長を行う（セレクティブモード）のに必要なＨＣｌ導入量は増加する。一方、ＨＣｌガスの導入量が多すぎるとＡｌＧａＡｓ層の成長が起こらず、逆に半導体層がエッチングされてしまうが（エッチングモード）が、Ａｌ組成が高くなるほど他の成長条件を一定とした場合、エッチングモードになるのに必要なＨＣｌ導入量は増加する。そこで、最適なＨＣｌ導入量はトリメチルアルミニウム等のＡｌを含んだＩＩＩ族原料供給モル数に大きく依存する。具体的には、ＨＣｌの供給モル数とＡｌを含んだＩＩＩ族原料供給モル数の比（ＨＣｌ／ＩＩＩ族）は、下限は０．０１以上が好ましく、０．０５以上がより好ましく、０．１以上が最も好ましい。上限は、５０以下が好ましく、１０以下がより好ましく、５以下が最も好ましい。ただし、リッジにＩｎを含む化合物半導体層を選択成長（特に、ＨＣｌ導入）させる場合に、リッジの組成制御が困難になりやすい。
【００４５】
なお、ＭＯＣＶＤ装置（反応室）内で活性層などの半導体層を「その場（ｉｎ−ｓｉｔｕ）」エッチングするときは、反応性ガスであれば特に限定しないが、ＨＣｌ等ハライドガス、Ｃｌ2等のハロゲンガスを用いるのが好ましい。ＭＯＣＶＤ反応室内への反応性ガス導入量は、Ｈ2キャリアガスとの流量との比が０．０００５〜０．０５程度となることが好ましい。
上記以外に、以下に列挙する様な実施態様と組み合わせることが可能である等、本発明は様々なリッジ導波型の半導体発光装置に応用可能である。
【００４６】
【実施例】
以下に実施例および比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、試薬、割合、操作等は、本発明の精神から逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例に制限されるものではない。
【００４７】
（実施例）
本実施例では、結晶成長法として、膜厚、組成の制御性及び量産性に優れるＭＯＶＰＥ法を用いて、図１に示す断面構造を有する半導体発光装置を製造した。まず、最初に（１００）面から［０−１−１］Ａ方向に１０°あるいは１５°程度オフさせた厚さ３５０μｍのＧａＡｓ基板１０１の上に、ＭＯＣＶＤ法により厚さ０．５μｍのＳｉドープｎ型ＧａＡｓバッファ層（ｎ＝１ｘ１０18ｃｍ-3）（図示せず）、厚さ０．１μｍのＳｉドープＡｌＧａＡｓ組成グレード層（ｎ＝１ｘ１０18ｃｍ-3）１０２、厚さ１．５μｍのＳｉドープＡｌ0.75Ｇａ0.25Ａｓクラッド層（ｎ＝１ｘ１０18ｃｍ-3）１０３、厚さ０．１μｍのＳｉドープＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ光ガイド層（ｎ＝１ｘ１０18ｃｍ-3）１０４、厚さ０．１５μｍのＳｉドープｎ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層（ｎ＝１ｘ１０18ｃｍ-3）１０５、厚さ７０ｎｍのノンドープ（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐ光閉じ込め層１０６あるいは厚さ５ｎｍのノンドープ（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐバリア層１０７に挟まれた厚さ５〜６ｎｍのノンドープＧａ0.44Ｉｎ0.56Ｐ井戸層１０８（４層）からなる四重量子井戸（ＱＱＷ）活性層１０９、厚さ０．１μｍのＺｎドープｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層（ｐ＝７ｘ１０17ｃｍ-3）１１０、厚さ１．２μｍのＺｎドープｐ型Ａｌ0.75Ｇａ0.25Ａｓクラッド層（ｐ＝１．５ｘ１０18ｃｍ-3；屈折率３．２９、波長６５５ｎｍ）１１１、厚さ０．１μｍのＺｎドープＡｌＧａＡｓ組成グレード層（ｐ＝１ｘ１０18ｃｍ-3）１１２、厚さ０．２μｍのＺｎドープＧａＡｓキャップ層（ｐ＝１ｘ１０18ｃｍ-3）１１３を順次積層することにより、ダブルへテロ構造を形成した（図１（ａ））。
【００４８】
次にこのダブルへテロ基板の表面にＳｉＮｘ保護膜１１４を２００ｎｍ堆積させ、フォトリソグラフィ法によりこのＳｉＮｘ膜１１４にオフアングルの方向と直交する［０１−１］Ｂ方向に幅５μｍのストライプ状のＳｉＮｘ保護膜１１４を２５０μｍ間隔で多数形成した。
続いてＳｉＮｘ保護膜１１４をエッチングマスクとして、エッチングすべき材料に適したエッチャントを選択して、複数回のウェットエッチングにより、ＳｉドープＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ光ガイド層（ｎ＝１ｘ１０18ｃｍ-3）１０４が露出するまでエッチングを行った。その結果、活性層の横幅が約３μｍ、底部の横幅が約３．５μｍのストライプ状のリッジが形成された。
【００４９】
リッジが形成されたウェハをＭＯＣＶＤ装置に設置して、厚み１．５μｍのアンドープＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ電流阻止層（比抵抗１０5Ω・ｃｍ以上；屈折率３．４２、波長６５５ｎｍ）１１５、厚み０．５μｍのＳｉドープｎ型ＧａＡｓ表面保護層（ｎ＝２．０ｘ１０18ｃｍ-3）１１６をエッチングにより形成されたリッジ構造の両脇にＭＯＣＶＤ法により成長させた。このとき、高抵抗のＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ電流阻止層１１５の成長中にＳｉＮｘ膜１１４上への多結晶の堆積を抑制するのに十分な流量のＨＣｌガスを成長用基板に対してガス流の上流側から導入した。
ＳｉＮｘ膜１１４を除去した後、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層（ｐ＝２．０ｘ１０19ｃｍ-3）１１７を３μｍ成長させて本発明のエピタキシャルウェハの製造を終了した（図１（ｂ））。
【００５０】
この後、ｐ側の電極１１８を蒸着し、基板を１００μｍまで薄くした後に、ｎ側電極１１９を蒸着し、アロイした（図１（ｃ））。こうして作製したウエハーより、ファブリー・ペロー面を形成するために劈開によりチップバーに切り出して、レーザ共振器構造を形成した。このときの共振器長は３５０μｍとした。前端面３２％−後端面８０％の非対称コーティングを施した後、２次劈開によりチップに分離した。チップをジャンクション・ダウンで組立した後、連続通電（ＣＷ）にて電流−光出力、電流−電圧特性を測定した。
【００５１】
２５℃において、発振波長が平均６５５ｎｍ、しきい値電流が平均１０ｍＡと低いこと、スロープ効率が平均０．６ｍＷ／ｍＡと高いこと、動作電圧が平均２．２Ｖと低いことが確認された。従来のロスガイドレーザに比べて、ストライプ幅を比較的狭くしている割には、低い動作電圧が得られたのは、リッジ部が低抵抗になるようにＡｌＧａＡｓとしていることが原因と考えられる。５ｍＷ出力における垂直広がり角は平均３０°、水平広がり角は平均２５°であり、ほぼ円形に近いの単一ピークの遠視野像（ビーム広がり角）が得られることが確認され、光ファイバーとの結合効率を向上させやすいことが判った。また、８０℃においても、しきい値電流が平均３０ｍＡの低いしきち値電流で発振し、最高１００℃の高温までレーザ発振を達成できた。マルチモードのＧＩ（Graded Index）型ＰＯＦと試作したレーザを用いた信号伝送実験で、１００ｍの長さで２．５ｂｐｓまでのきれいなアイパターン伝送が確認でき、試作したレーザ素子は高速応答性に優れることが判明した。本実施例のように、リッジ部及び電流阻止層をＡｌＧａＡｓとし、かつ活性層を歪み量子井戸とした埋め込み構造により、活性層外部への漏れ電流、導波路損失及びリッジ部通過抵抗を低減できることから、しきい値電流、動作電流及び動作電圧が低くでき、かなりの高温までレーザ発振させることができたと考えられる。さらに、制御性良くリッジ形状を決めることができたため、諸特性のバッチ内及びバッチ間のばらつきも小さいことが判明した。
これらの結果から、本実施例の半導体レーザは光ファイバーを用いた短距離光通信、光データリンク用光源などに利用されることがわかる。また、高い信頼性（８０℃の高温における５ｍＷ出力での１０００時間以上安定動作）が得られることが確認されている。
【００５２】
（実施例２）
ｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１１０、ノンドープＧａ0.44Ｉｎ0.56Ｐ井戸層１０８を４層含む四重量子井戸（ＱＱＷ）活性層１０９及びｎ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１０５をエッチングする工程において、埋め込み成長直前にＭＯＣＶＤ成長室にＨＣｌガスを導入し、反応性ガスエッチングを施して、ｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ光ガイド層１０４までエッチングを行い、さらにエッチング後大気にさらすことなく引き続いて、ＭＯＣＶＤ装置内で電流阻止層の埋め込み成長を行ったこと以外は実施例１と同一プロセスでチップを作製した。実施例１と同様に良好なレーザ特性が得られ、特に非常に高い信頼性（８０℃の高温における５ｍＷ出力での１０，０００時間以上安定動作）が得られた。このことは、活性層両脇及びリッジ両脇の底面の酸化が低減できたことから、活性層内部への転位伝搬や欠陥を介したリーク電流の増大による素子の劣化を実施例１よりも抑制できたことによるものと考えられる。
【００５３】
実施例１及び２に基づいたレーザ素子試作結果から、良好なレーザ特性（動作電流、最高光出力、最高発振温度等）、高速応答性、低いビームアスペクト比（より円形に近いビーム形状）を得るために好適な条件が次のように確認された。活性層の横幅については、下限は１．０μｍ以上が好ましく、１．５μｍ以上がより好ましい。上限については、５μｍ以下が好ましく、４μｍ以下がより好ましい。また、共振器長の長さについては、下限は１５０μｍ以上が好ましく、２００μｍ以上がより好ましい。上限については、７００μｍ以下が好ましく、６００μｍ以下がより好ましい。
【００５４】
また、実施例１及び２では、組立方法としてジャンクション・ダウンを用いたが、半田の這い上がりの懸念から、通信用ではジャンクション・アップ組立とする。すなわちチップ発光点が上側となり、エピタキシャル面側電極がサブマウントもしくはヒートシンクと半田によりアロイ接合させることもあるが、本発明の半導体発光装置では、従来の素子構造よりも発熱を大幅に低減できているので、ジャンクション・アップでも高温でのレーザ特性や信頼性が優れることは言うまでもない。
【００５５】
実施例のリッジ形成時のエッチング工程において、ｐ型ＧａＡｓキャップ層及びｐ型Ａｌ0.75Ｇａ0.25Ａｓクラッド層のエッチングには、リン酸−過酸化水素系、酒石酸−過酸化水素系などが用いられる。本実施例では、リン酸：過酸化水素：水の混合組成比が１：１：１５となるエッチング液を使用した。また、ｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１１０、四重量子井戸（ＱＱＷ）活性層１０９及びｎ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１０５のエッチングには、硫酸、塩酸、リン酸−塩酸系などが用いられる。本実施例では、上記のＡｌＧａＩｎＰ又はＧａＩｎＰからなる層の組成に適したエッチャント液を使用し、複数回のエッチングを行った。これらのエッチングでは、ＡｌＧａＩｎＰ又はＧａＩｎＰとＡｌＧａＡｓとのエッチングレート選択比をお互いに大きくとることができるため、制御性良くリッジ形状を形成することができる。さらに、上記のエッチングは、ウェットエッチングに限るものではなく、リッジ形状制御あるいはリッジ側壁及リッジ両脇底面の酸化低減の観点から、ドライエッチングあるいは反応性ガスエッチングで形成してもよい。ドライエッチングでは、形状制御（面方位の影響を受けない）という利点があるものの、損傷（ダメージ）が入りやすいあるいは残留生成物があるなどの欠点を有しているので、ウェット処理（表面エッチング）あるいは反応性ガスエッチングと組み合わせて用いることも有効である。本実施例において、活性層の左右両脇がエッチングで露出されるので、高信頼化の観点から、活性層をエッチングする工程において、ドライエッチングあるいは反応性ガスエッチングで形成することが好ましく、さらにエッチング後大気にさらすことなく引き続いて、電流阻止層の埋め込み成長を行うことがより好ましい。このとき、ＭＯＣＶＤ装置内での反応性ガスエッチングは、その後の選択成長と基本的に同じ条件（基板温度、反応室内圧力、ガス流量等）で行う（気相エッチング）ことが、エッチングから成長への切り替え時間低減の観点から好ましい。
【００５６】
上記のＭＯＣＶＤ法において、使用した原料ガスとしてＩＩＩ族原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を、Ｖ族原料にはアルシン（ＡｓＨ3）及びホスフィン（ＰＨ3）を、キャリアガスには精製により高純度化された水素（Ｈ2）を用いた。また、ｐ型ドーパントにはジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）、ｎ型ドーパントにはジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）を用いた。
上記実施例における結晶成長条件は、成長温度６５０〜７５０℃、圧力１０2ｈＰａ、Ｖ／ＩＩＩ比２５〜５０（ＡｌＧａＡｓ）及び５００〜７５０（ＡｌＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＰ）、成長速度２〜５μｍ／ｈｒ（ＡｌＧａＡｓ）及び１〜２μｍ／ｈｒ（ＡｌＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＰ）であった。また、ｎ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層の成長時にはＨＣｌガスをＨＣｌ／ＩＩＩ族のモル比が０．２、特にＨＣｌ／ＴＭＡのモル比が０．３となる様に導入した。
【００５７】
実施例２におけるガスエッチング（気相エッチング）条件は、基本的には後の成長条件と同じになるように設定した。例えば、基板温度６５０〜７５０℃、圧力１０2ｈＰａ、ＨＣｌガス導入量５０ｓｃｃｍ（ＨＣｌ／Ｈ2のモル比０．００５）とした。
上記実施例では基板側にｎ型の基板を用いたが、ｐ型基板を用いて上記の構造の各層の導電型を反転させてエピタキシャルウェハを作製してもよい。また、結晶成長法はＭＯＶＰＥ法に限定されるものではなく、ＭＢＥ法、ＣＢＥ法等の気相成長法においても本発明の半導体発光素子を良好に製造することができる。
【００５８】
半導体レーザにおいては活性層の膜厚が比較的薄いために（通常０．１μｍ以下）、亜鉛およびセレンのような拡散係数の大きい不純物をドーパントに用いると、クラッド層のドーパントが、活性層を通りこして反対側の層へ拡散してしまい、レーザ特性を大きく劣化させてしまったり、再現性を大きく損なうという問題を生じ易かった。Ｚｎ拡散を抑制するための方法として、ｎ側クラッドのキャリア濃度を上げることを試みたが、表面モホロジー不良や非発光センターの増大等の結晶品質の劣化により、素子特性を悪化させてしまった。そこで、本発明のようにＡｌＧａＩｎＰクラッド層の厚みを極力薄くすることにより、トータルの不純物拡散量を低減させることができ、拡散を防止するための余分なドービングが不要になった。そのためにｎ型クラッド層のキャリア濃度を１×１０18ｃｍ-3以下に抑えることができ、結晶品質及び素子特性を向上することができた。
【００５９】
活性層を量子井戸構造等のような超薄膜にすると、上述の不純物の拡散の抑制はますます必要となる。そこで本発明では、ｐ型ＡｌＧａＡｓＰ系化合物クラッド層のドーピング不純物としてＣを、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系化合物クラッド層のドーピング不純物としてＢｅまたはＭｇを、ｎ型ＡｌＧａＡｓＰ系化合物クラッド層及びｎ型ＡｌＧａＩｎＰ系化合物クラッド層のドーピング不純物としてＳｉをそれぞれ用いることにより不純物拡散をさらに低減させ、素子作製の歩留りや再現性を大きく向上させることができた。
【００６０】
また、ＡｌＧａＡｓＰ系化合物はＡｌＧａＩｎＰ系化合物と比較して、抵抗率が低い、熱抵抗が低い等の利点も有しており、電流狭窄のために形成されるリッジ部をＡｌＧａＡｓＰ系化合物にすることにより、従来の素子構造に比べて素子の動作電圧及び発熱を低減することができた。このことにより、素子の特性や信頼性の向上も図ることができた。
【００６１】
さらに、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物に特有な原子配列の秩序化によるバンドギャップの減少すなわち発光波長の短波長化の抑制、あるいは表面モホロジーの良化及び安定化に関しては面方位を（１００）から〔０１１〕方向に５〜２５度傾斜させた第１導電型のＧａＡｓ基板を用いることが有効であった。
また、発光層のＡｌ組成の低減化は、素子の信頼性、寿命の向上の点で重要であるが、これは、ＧａＡｓＰ基板を用いることにより容易に達成することができた。このときは、格子整合を取るためにＡｌＧａＡｓＰクラッドを採用するのが好ましい。
さらに、本発明により成長時間及び原料コストの低減かつ除害等の装置への負担の軽減を大いにはかることができ、多数枚同時成長可能な大型の量産装置による安定生産が可能となった。
【００６２】
（比較例）
ｎ型及びｐ型のＡｌＧａＡｓクラッド層１０３、１１１は使用せず、クラッド層をＡｌＧａＩｎＰ単一層とし、ｎ型及びｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０５、１１０の厚みをそれぞれ２．０μｍ、１．５μｍとし、ＡｌＧａＡｓ組成グレード層１０２、１１２は使用せず、かわりに同じ厚みのＧａ0.52Ｉｎ0.48Ｐからなる中間バンドギャップ層を形成したこと以外、実施例１と同一の条件でレーザチップを作製した。チップジャンクション・ダウンで組立した後、連続通電（ＣＷ）にてレーザ特性を測定した。２５℃において、しきい値電流は平均１５ｍＡであり実施例１とあまり大きく変わらなかったが、５ｍＷにおける動作電圧が２．５Ｖとかなり高くなった。６０℃では、しきい値電流が平均５０ｍＡまでに上昇し、最高発振温度は８０℃までであった。このように、リッジ部をＡｌＧａＩｎＰとした埋込構造であることから、リッジ部通過抵抗が高くなるために、動作電圧が高くなったり、発熱による高温でのしきい値電流の増大しやすくなることが、レーザ特性劣化の要因と考えられる。
また、レーザチップの組立方式をジャンクション・アップにすると、発熱の問題が更に深刻になり、レーザ特性や信頼性はさらに悪化した。
【００６３】
【発明の効果】
本発明にしたがって、ＡｌＧａＩｎＰ系を用いた可視光（通常６３０〜６９０ｎｍ）レーザ構造を埋め込み構造とし、特にチップ作製プロセスにおいて活性層のエッチング後に大気にさらすことなく電流阻止層を埋込成長を行うことにより、光ファイバーとの結合に適したほぼ円形に近いビームを形成でき、かつ低いしきい値電流、高い最高発振温度、高い信頼性等の優れたレーザ特性を有する半導体発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の半導体発光装置及びその製造方法を説明する断面説明図である。
【図２】 本発明の半導体発光装置における共振器方向のストライプ幅の変化を説明する平面図である。
【図３】 ＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料を用いた従来の半導体レーザダイオードの模式的構造を説明する断面説明図である。
【符号の説明】
１０１： 基板
１０２： ｎ型組成グレード層
１０３： ｎ型第１クラッド層
１０４： 光ガイド層
１０５： ｎ型第２クラッド層
１０６： 光閉じ込め層
１０７： バリア層
１０８： 量子井戸層
１０９： 活性層
１１０： ｐ型第１クラッド層
１１１： ｐ型第２クラッド層
１１２： ｐ型組成グレード層
１１３： ｐ型キャップ層
１１４： ＳｉＮｘ保護膜
１１５： ｎ型電流阻止層
１１６： ｎ型保護層
１１７： ｐ型コンタクト層
１１８： ｐ側電極
１１９： ｎ側電極
Ｗ１： 端部近傍のストライプ幅
Ｗ２： 中央部のストライプ幅
３０１： 基板
３０２： ｎ型クラッド層
３０３： 活性層
３０４： ｐ型クラッド層
３０５： ｎ型電流阻止層
３０６： ｐ型コンタクト層[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a semiconductor light emitting device, and more particularly to a semiconductor light emitting device such as a semiconductor laser using AlGaInP-based and AlGaAsP-based semiconductor materials.
[0002]
[Prior art]
As an example of a conventional semiconductor laser diode (LD) using an AlGaInP-based semiconductor material, there is one having a structure schematically shown in FIG.
That is, in FIG. 3, 301 is an n-type GaAs substrate, and 302 is a clad layer made of n-type AlGaInP formed on the
[0003]
[0004]
AlGaInP or AlInP (hereinafter collectively referred to as “AlGaInP-based compound”) has disadvantages such as higher resistivity and higher thermal resistance than AlGaAsP or AlGaAs (hereinafter also referred to as “AlGaAsP-based compound”). is doing. This causes problems such as an increase in the operating voltage of the element and an increase in heat generation, which is a major obstacle to improving the characteristics and reliability of the element. In particular, the above problem becomes more serious when current confinement is performed or the light emission density is increased as in a semiconductor laser.
[0005]
Further, zinc (Zn) is generally used as a dopant for the cladding layer of the p-type AlGaInP-based compound. However, since the activation rate of Zn is low, doping is performed at a high concentration in order to reduce the resistivity. There is a need. However, when Zn is doped at a high concentration, Zn that has not been activated diffuses at a high rate in the AlGaInP-based compound crystal during growth, and the pn junction position may be greatly shifted to the n side from the light emitting layer. . In this case, an abnormality is caused in the current-voltage characteristic, or the threshold current of the laser is increased. Such Zn diffusion from the p-type AlGaInP-based compound layer becomes conspicuous as the layer thickness of the p-type AlGaInP-based compound layer increases. Further, when the thickness of the light emitting layer is relatively thin like a laser, in particular, in a quantum well laser having a very thin light emitting layer (10 nm or less), an abnormality in current-voltage characteristics due to Zn diffusion tends to occur. Si having a small diffusion coefficient is effective for the n-type AlGaInP-based compound layer.
[0006]
In general, when a double heterostructure is used, in order to sufficiently confine carriers and light in the active layer, a film thickness of about 1 to 2 μm is required for the cladding layer. When an AlGaInP compound is grown by metalorganic vapor phase epitaxy, an organic metal that is a Group III material and a PH that is a Group V material Three The feed molar ratio (V / III) must be very large. For this reason, there are problems that the growth rate cannot be increased so much that the growth raw material cost is considerably higher than that of an AlGaAs compound or the like. In particular, in large-scale equipment for mass production capable of growing a large number of sheets at the same time, it becomes increasingly serious in terms of detoxification.
[0007]
In order to solve these problems, a semiconductor light emitting device having an active layer made of AlGaInP or GaInP in Japanese Patent Laid-Open No. 8-125285 discloses a Zn-doped p-type AlGaInP compound clad to such an extent that the element characteristics of the light emitting element are not deteriorated. It is described that the layer is thinned to reduce Zn diffusion into the active layer and the n-side cladding. However, if the thickness of the AlGaInP-based compound cladding layer above and below the active layer is reduced, the confinement of carriers and light becomes insufficient and the device characteristics are deteriorated. Therefore, the shortage is substantially reduced by AlGaAsP having the same band gap and refractive index. It is described that a system compound can be substituted.
[0008]
Visible (usually 630 to 690 nm) lasers using an AlGaInP system have been put into practical use in place of conventional AlGaAs (near wavelength 780 nm) as an information processing light source in order to improve the recording density centered on digital video disks. . The following studies have been made toward shortening the wavelength, operating at a low threshold, and operating at a high temperature.
First, in the production of a visible laser comprising an AlGaInP / GaInP system, a quantum well structure is adopted for the active layer, and further compression or tensile strain is applied to the quantum well layer, thereby shortening the wavelength and lowering the threshold value. ing.
[0009]
Furthermore, by using a substrate that is turned off in the [011] direction (or [0-1-1] direction) from the (100) plane, the reduction of the band gap due to the formation of the natural superlattice (ordering) is suppressed, and the substrate is short. It is possible to facilitate wavelength conversion, to facilitate high-concentration doping of p-type dopants (for example, Zn, Be, Mg), and to improve the oscillation threshold current and temperature characteristics of the device due to an increase in the hetero barrier. However, when the off-angle is small, step bunching appears prominently and large irregularities are formed at the heterointerface, so that when the quantum well structure (GaInP well layer of about 10 nm or less) is fabricated, the quantum effect on the bulk active layer As a result, the shift amount for shortening the PL wavelength (or oscillation wavelength) due to is smaller than the design value. By increasing the off angle, step bunching is suppressed, the heterointerface is flattened, and the wavelength can be shortened by the quantum effect as designed. In this way, the formation of natural superlattices and the generation of step bunching, which are factors that hinder the shortening of wavelengths, are suppressed, and the increase in oscillation threshold current and the temperature characteristics due to the shortening of wavelengths by p-type high-concentration doping. In order to suppress deterioration, a substrate that is turned off by about 8 to 16 degrees in the [011] direction (or [0-1-1] direction) from the normal (100) plane is used. However, it is necessary to select an appropriate off-angle according to the target wavelength such as 650 nm and 635 nm in consideration of the thickness of the GaInP well layer and the amount of strain.
[0010]
On the other hand, in the field of optical communications, there are plans to further promote in-home data links such as FTTH (Fiber to the home) and home multimedia, and optical LANs in office buildings and offices. However, with the widespread use of such short-distance optical communications, there is a need for parts that have a significantly reduced cost compared to parts used in conventional trunk systems. Therefore, in recent years, low-loss optical transmission using a plastic optical fiber (POF) has attracted attention from the viewpoint of reducing the cost of the fiber and its module parts and facilitating fiber connection. As a light source suitable for this POF, a semiconductor laser or a light emitting diode having a wavelength of 650 nm has been developed (S. Yamazaki, et.al, Proc. ECOC'94 PDP, 1994, PP1-4, AKDutta, et.al, IEEE Photonics Technolgy Letter, Vol. 7, No. 10, 1995, PP1134-1136). In particular, the semiconductor laser can realize a high transmission rate of about several Gbps required for bidirectional communication by devising the LD chip to reduce the RC time constant. However, for a visible light source suitable for optical communication using an optical fiber, an element having sufficient characteristics including the coupling efficiency with the fiber and the reliability at high temperature has not been produced.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to solve the above-described problems of the prior art. That is, the present invention provides a semiconductor light-emitting device having a low threshold current, a high maximum oscillation temperature, high reliability, and suitable for coupling with an optical fiber because it can form a nearly circular beam. This was a problem to be solved.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
As a result of diligent investigations to solve the above problems, the present inventors made a clad layer made of AlGaInP or AlInP of the first conductivity type on a substrate, and made of GaInP or AlGaInP formed on the clad layer. An active layer, a first cladding layer made of AlGaInP or AlInP of the second conductivity type formed on the active layer, and a second layer of AlGaAsP or AlGaAs of the second conductivity type formed on the first cladding layer. The clad layer is composed of at least a current blocking layer sandwiching both side surfaces of the active layer. The bottom surface of the current blocking layer is in contact with the top surface of the cladding layer made of AlGaInP or AlInP of the first conductivity type. Semiconductor light-emitting device A clad layer made of AlGaAsP or AlGaAs of the first conductivity type on the substrate, a clad layer made of AlGaInP or AlInP of the first conductivity type, an active layer made of GaInP or AlGaInP formed on the clad layer, the activity A first cladding layer made of AlGaInP or AlInP of the second conductivity type formed on the layer, a second cladding layer made of AlGaAsP or AlGaAs of the second conductivity type formed on the first cladding layer, the active A semiconductor light emitting device comprising at least a current blocking layer sandwiching both side surfaces of the layer, wherein a bottom surface of the current blocking layer is in contact with an upper surface of the cladding layer made of the first conductivity type AlGaAsP or AlGaAs; And a clad layer made of AlGaAsP or AlGaAs of the first conductivity type on the substrate A light guide layer of the first conductivity type, a cladding layer made of the first conductivity type AlGaInP or AlInP, an active layer made of GaInP or AlGaInP formed on the cladding layer, and a second layer formed on the active layer A first clad layer made of conductive AlGaInP or AlInP, a second clad layer made of AlGaAsP or AlGaAs of the second conductive type formed on the first clad layer, and a current blocking layer sandwiching both side surfaces of the active layer And the bottom surface of the current blocking layer is in contact with the top surface of the light guide layer made of the first conductivity type AlGaAsP or AlGaAs. Found that the desired effect was effectively achieved.
[0013]
As a preferred embodiment of the semiconductor light emitting device of the present invention, a clad layer made of AlGaAsP or AlGaAs of the first conductivity type is formed between the substrate and a clad layer made of the first conductivity type AlGaInP or AlInP. An aspect in which a first conductivity type light guide layer is formed between the first conductivity type AlGaAsP or AlGaAs cladding layer and the first conductivity type AlGaInP or AlInP cladding layer; A mode in which the refractive index of the layer is smaller than the refractive index of the active layer; a mode in which the band gap of the current blocking layer is larger than the band gap of the active layer; the current blocking layer is a first conductive type, a second conductive type An embodiment having one or more compound semiconductor layers including a compound semiconductor layer of a type or high resistance; the current blocking layer is AlGa an aspect made of sP or AlGaAs; an aspect in which a bottom surface of the current blocking layer is in contact with an upper surface of a cladding layer made of the first conductivity type AlGaInP or AlInP; a bottom surface of the current blocking layer is made of the first conductivity type A mode in which the top surface of the cladding layer made of AlGaAsP or AlGaAs is in contact; A mode in which the bottom surface of the current blocking layer is in contact with the top surface of the light guide layer made of AlGaAsP or AlGaAs of the first conductivity type; The aspect comprised by the barrier layer and / or optical confinement layer which pinches | interposes a quantum well layer and a quantum well layer; The aspect by which the impurity is doped to the said barrier layer or the said optical confinement layer can be mentioned.
[0014]
In another preferred embodiment of the semiconductor light emitting device of the present invention, the light guide layer is made of a first conductivity type AlGaAsP or AlGaAs; the active layer has a thickness of 0.05 to 0.5 μm; An aspect in which the number of quantum well layers is 3 to 6; an aspect in which compression or tensile strain is applied to the quantum well layers; an aspect in which the surface of the substrate has an off-angle with respect to a low-order plane orientation; A mode in which the oscillation wavelength in the vicinity is 630 to 700 nm; a mode having a ridge structure for performing current confinement; a mode in which the width of the bottom of the ridge structure is wider than the center of the device in the vicinity of the device end surface; A mode in which the width of the bottom of the ridge structure is narrower than the center of the device in the vicinity of the device end surface; a mode in which the far field image has a single peak; Aspect is, the of the cladding layer, the carrier concentration of the n-type layer is 1 × 10 18 cm -3 Embodiments in which the p-type cladding layer closest to the electrode is made of AlGaAsP or AlGaAs containing C as a dopant; the p-type cladding layer closest to the active layer is made of AlGaInP or AlInP containing Be and / or Mg as a dopant Embodiment: Embodiment using Si as an n-type dopant; Embodiment in which the low refractive index current blocking layer is selectively grown by metalorganic vapor phase epitaxy while adding a small amount of a gas containing a halogen element; An embodiment formed by reactive gas etching; an embodiment in which after the active layer is etched, the current blocking layer is formed by subsequent burying growth without exposure to the atmosphere.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The semiconductor light emitting device of the present invention will be specifically described below with details of each layer and an example of a manufacturing process.
The semiconductor light emitting device of the present invention is formed on a substrate, a clad layer made of AlGaInP or AlInP of the first conductivity type, an active layer made of GaInP or AlGaInP formed on the clad layer, and the active layer. A second cladding layer made of AlGaInP or AlInP of the second conductivity type, a second cladding layer made of AlGaAsP or AlGaAs of the second conductivity type formed on the first cladding layer, and sandwiching both side surfaces of the active layer It comprises at least a current blocking layer.
[0016]
In this specification, the expression “B layer formed on the A layer” means that the B layer is formed so that the bottom surface of the B layer is in contact with the top surface of the A layer, and that one or more is formed on the top surface of the A layer. And the case where the B layer is formed on the layer. Further, the above expression also includes the case where the upper surface of the A layer and the bottom surface of the B layer are in partial contact and one or more layers exist between the A layer and the B layer in other portions. Specific embodiments are apparent from the following description of each layer and specific examples. In the present specification, “to” represents a range including numerical values before and after.
[0017]
The substrate of the semiconductor light emitting device of the present invention is not particularly limited in terms of conductivity and material as long as it can grow a double heterostructure crystal thereon. Preferred are conductive materials, preferably GaAs, InP, GaP, ZnSe, ZnO, Si, Al, suitable for crystal thin film growth thereon. 2 O Three A crystal substrate having a zinc blende type structure. Usually, a GaAs substrate is used for the AlGaInP-based visible laser. In this case, the substrate crystal growth surface is preferably a low-order surface or a crystallographically equivalent surface, and the (100) surface is most preferable. Note that in the present specification, the (100) plane does not necessarily have to be a strictly (100) plane, and includes even a case having an off-angle of about 30 ° at the maximum. Formation of a natural superlattice (ordering) by using a substrate turned off in the [011] direction (or [0-1-1] direction) from the (100) plane in the production of a visible laser comprising an AlGaInP / GaInP system Suppresses the reduction of the band gap due to, makes it easy to shorten the wavelength, facilitates high-concentration doping of p-type dopants (for example, Zn, Be, Mg), increases the oscillation threshold current and temperature of the device by increasing the hetero barrier The characteristics can be improved. However, when the off-angle is small, step bunching appears prominently and large irregularities are formed on the heterogeneous sea surface. When a quantum well structure (GaInP well layer of about 10 nm or less) is fabricated, the quantum effect on the bulk active layer As a result, the shift amount for shortening the PL wavelength (or oscillation wavelength) due to the above becomes smaller than the design value. By increasing the off angle, step bunching is suppressed, the heterointerface is flattened, and the wavelength can be shortened by the quantum effect as designed. In this way, the formation of natural superlattices and the generation of step bunching, which are factors that hinder the shortening of wavelengths, are suppressed, and the increase in oscillation threshold current and the temperature characteristics due to the shortening of wavelengths by p-type high-concentration doping. In order to suppress deterioration, a substrate that is turned off by about 8 to 16 degrees in the [011] direction (or [0-1-1] direction) from the normal (100) plane is used. However, it is necessary to select an appropriate off-angle according to the target wavelength such as 650 nm and 635 nm in consideration of the thickness of the GaInP well layer and the amount of strain.
It is preferable to use a buffer layer having a thickness of about 0.2 to 2 μm on the substrate in order not to bring defects of the substrate into the epitaxial growth layer.
[0018]
The double heterostructure formed on the substrate includes a first conductivity type AlGaInP or AlInP clad layer, an GaInP or AlGaInP active layer formed thereon, and a second conductivity type AlGaInP formed thereon. Alternatively, at least a clad layer made of AlInP is used, and the composition of the clad layer is selected so that the refractive index of the clad layer is smaller than that of the active layer. In addition, the double heterostructure may include a layer that functions as a light confinement layer. At this time, the composition of the light confinement layer is selected so that the refractive index is smaller than that of the active layer. In addition, the active layer is not limited to a single layer, and is stacked on a plurality of quantum well layers, a barrier layer sandwiched between them, and an uppermost quantum well layer and a lower quantum well layer. It may have a multi-quantum well structure (MQW) made of the optical confinement layer.
[0019]
The cladding layer made of the first conductivity type AlGaInP or AlInP is preferably required to have a thickness of about 1 to 2 μm when the first conductivity type cladding layer is a single layer.
The first conductivity type clad layer may be composed of a plurality of layers. Specifically, in addition to the above clad layer (first conductivity type second clad layer) made of AlGaInP or AlInP, for example, the first conductivity type clad layer is closer to the substrate side. A mode in which a cladding layer (first conductivity type first cladding layer) made of one conductivity type AlGaAs or AlGaAsP is formed can be exemplified. When the first conductivity type cladding layer is composed of two or more layers, the thickness of the first conductivity type first cladding layer can be reduced, and the lower limit is preferably 0.01 μm or more, more preferably 0.05 μm or more. . As an upper limit, 0.5 micrometer or less is preferable and 0.3 micrometer or less is more preferable. The carrier concentration of the first conductivity type first cladding layer is 2 × 10. 17 cm -3 ~ 3x10 18 cm -3 Is preferred, within that range 5 × 10 17 cm -3 Or more, preferably 2 × 10 18 cm -3 The following is preferred.
[0020]
In the semiconductor light emitting device of the present invention, a light guide layer can be formed. In particular, it is preferably formed between the first conductivity type first cladding layer and the first conductivity type second cladding layer.
The light guide layer has a function of causing the light of the active layer to ooze out to the light guide layer side and spreading the light emission pattern of the near-field image in the vertical direction. The material is not particularly limited as long as the refractive index of the light guide layer is lower than that of the active layer and larger than that of the first conductivity type first cladding layer and the first conductivity type second cladding layer. Is preferable, it is preferably AlGaAs, AlGaAsP, AlGaInP, or AlInP. AlGaInP or AlInP has the advantage that surface oxidation is less likely to occur than AlGaAs or AlGaAs, but has problems such as poor thermal conduction and change in refractive index due to the formation of a natural superlattice compared to AlGaAs or AlGaAsP. In the case of AlGaAs or AlGaAsP, the upper limit of the Al composition is preferably 0.7 or less and more preferably 0.6 or less from the viewpoint of refractive index control. The lower limit is preferably 0.3 or more, and more preferably 0.4 or more. GaInP or (Al x Ga 1-x ) 0.5 In 0.5 Also in the case of P, from the viewpoint of refractive index control, the upper limit of the Al composition x is preferably 0.6 or less, more preferably 0.5 or less, and most preferably 0.5 or less. The lower limit is preferably 0 or more. Since the light guide layer can reduce the Al composition more than the clad layer, there is also an advantage that the surface oxidation during the process such as etching can be reduced. The upper limit of the thickness of the light guide layer is preferably 0.5 μm or less, and more preferably 0.3 μm or less. The lower limit is preferably 0.005 μm or more, and more preferably 0.01 μm or more.
[0021]
The active layer made of GaInP or AlGaInP may be a bulk active layer, but from the viewpoint of lowering the threshold and improving the response speed, a quantum well layer having one or a plurality of quantum well layers and a barrier layer sandwiching the quantum well layers And / or preferably comprising a light confinement layer. By adopting a quantum well structure in the active layer, the wavelength can be shortened (630 nm to 660 nm), the threshold value can be reduced, and the response speed can be increased as compared with a single-layer bulk active layer. In this case, a multi-quantum well (MQW) structure is used to improve high-temperature operation. In this case, a multi-quantum well (MQW) structure is used to improve high-temperature operation. x In 1-x P, x <0.52) or tensile (Ga x In 1-x It is effective that a distortion of P, x> 0.52) is added. Further, in order to improve the response speed, it is preferable to have a modulation doped structure in which impurities are doped in the barrier layer and / or the optical confinement layer of the active layer.
[0022]
The carrier concentration in the active layer is not particularly limited, but the quantum well layer and the barrier layer are not particularly doped with impurities and are in an undoped state (even in this case (usually 1 × 10 17 cm -3 It is more preferable from the viewpoint of improving and stabilizing the performance of the device, and the optical confinement layer is at least an undoped state at least near the quantum well layer. It is preferable.
[0023]
The thickness of the quantum well layer is preferably 3 to 7 nm and more preferably 4 to 6 nm when the oscillation wavelength near room temperature is 630 to 670 nm. On the other hand, when the oscillation wavelength near room temperature is 670 to 700 nm, 6 to 10 nm is preferable, and 7 to 9 nm is more preferable.
The thickness of the well layer is preferably 2 to 8 nm, and more preferably 4 to 6 nm.
The optical confinement layer is effective from the viewpoint of preventing contamination (diffusion) of impurities such as Zn into the quantum well layer and increasing confinement in the quantum well layer, and by appropriately selecting the thickness of the optical confinement layer, Reduction of laser oscillation threshold current, improvement of life, etc. can be realized. Specifically, the lower limit of the thickness of the light confinement layer is preferably 30 nm or more, and more preferably 40 nm or more when the oscillation wavelength near room temperature is 630 to 670 nm. As an upper limit, 200 nm or less is preferable and 100 nm or less is more preferable. On the other hand, when the oscillation wavelength near room temperature is 630 to 670 nm, the lower limit is preferably 5 nm or more, and more preferably 10 nm or more. As an upper limit, 100 nm or less is preferable and 50 nm or less is more preferable.
[0024]
When the oscillation wavelength near room temperature is 630 to 670 nm, the upper limit of the number of quantum well layers in the active layer is preferably 6 or less and more preferably 5 or less from the viewpoint of temperature characteristics. The lower limit is preferably 2 or more, and more preferably 3 or more. On the other hand, when the oscillation wavelength near room temperature is 670 to 700 nm, the upper limit is preferably 5 or less, and more preferably 4 or less. The lower limit is preferably 1 or more, and more preferably 2 or more.
[0025]
For the first cladding layer made of the second conductivity type AlGaInP or AlInP compound, the second conductivity type second cladding layer made of the second conductivity type AlGaAs or AlGaAsP having substantially the same refractive index is formed on the first cladding layer. Therefore, the film thickness can be reduced to such an extent that carriers can be confined. The lower limit of the membrane pressure is preferably 0.01 μm or more, more preferably 0.05 μm or more. The upper limit of the membrane pressure is preferably 0.5 μm or less, and more preferably 0.3 μm or less. Carrier concentration is 1 × 10 17 cm -3 ~ 3x10 18 cm -3 Is preferred, within that range 2 × 10 17 cm -3 Or more, preferably 2 × 10 18 cm -3 The following is preferred.
[0026]
The second cladding layer made of the second conductivity type AlGaAs or AlGaAsP needs to have a film thickness that does not allow light to ooze out into the contact layer formed thereon. The film thickness is preferably in the range of 0.3 to 3 μm, preferably within the range of 0.5 μm or more, and preferably 1.5 μm or less. Carrier concentration is 1 × 10 17 cm -3 ~ 3x10 18 cm -3 Is preferred, within that range 2 × 10 17 cm -3 Or more, preferably 2 × 10 18 cm -3 The following is preferred.
[0027]
The bottom surface of the current blocking layer sandwiching at least the ridge structure including the active layer from both sides is the upper surface of the cladding layer made of the first conductivity type AlGaInP or AlInP, the upper surface of the cladding layer made of the first conductivity type AlGaAs or AlGaAsP, the first It is preferably formed so as to be in contact with either the upper surface of the light guide layer made of conductive type AlGaAs or AlGaAsP. That is, when the ridge structure is formed by etching, the clad layer made of AlGaInP or AlInP of the first conductivity type, the AlGaAs or AlGaAsP of the first conductivity type, due to the difference in the material system between AlGaAs or AlGaAsP and AlGaInP or AlInP. Since either the cladding layer or the light guide layer made of AlGaAs or AlGaAsP of the first conductivity type can function as an etching stop layer, it is possible to improve the uniformity of the cladding layer thickness on both sides of the ridge structure Thus, the uniformity of the laser characteristics and the yield can be improved. On the other hand, it is not preferable to form the bottom surfaces of the layers on both sides of the ridge so as to be in contact with the upper surface of the first conductivity type GaAs buffer layer or the first conductivity type GaAs substrate because the following problems occur. That is, since the height of the ridge is increased, the passage resistance is increased, the response speed cannot be improved, and the lateral width (stripe width) of the active layer has to be widened. Instability of transverse mode is caused. Further, since the band gap is smaller than that of the clad layer in contact with the current blocking layer, the leakage current is likely to increase, and the laser characteristics and reliability are deteriorated.
[0028]
The material of the current blocking layer is not particularly limited, and may be a dielectric or a semiconductor. Since the dielectric and the semiconductor each have advantages and disadvantages as described below, the material of the current blocking layer is preferably determined appropriately in consideration of these advantages and disadvantages.
When a dielectric is used as the material for the current blocking layer, for example, SiNx, SiO 2 , Al 2 O Three Etc. can be used. Using a dielectric has the advantage of being able to form a layer with a low refractive index and excellent insulating properties, but it has poor heat dissipation due to low thermal conductivity, poor cleavage, and difficult to flatten. For this reason, it has drawbacks such as being difficult to assemble at junction down.
[0029]
On the other hand, when a semiconductor is used as the material for the current blocking layer, the heat conductivity is higher than that of the dielectric film, so the heat dissipation is good, the cleaving property is good, and the flattening is easy, so it is easy to assemble with junction up. The contact layer can be easily formed on the entire surface, so that there is an advantage that the contact resistance can be easily lowered. On the other hand, the RC time constant is increased due to the increase in capacitance due to the pn junction, and a high refractive index of AlGaAs, AlInP, etc. When an Al composition compound is required, there are disadvantages such as measures such as surface oxidation. In consideration of a lower refractive index than that of the second conductivity type second cladding layer and lattice matching with the GaAs substrate, it is preferable to use AlGaAs or AlGaAsP, or AlGaInP or AlInP as the semiconductor. AlGaInP or AlInP has poor thermal conductivity compared to AlGaAs or AlGaAsP, changes in refractive index due to the formation of a natural superlattice, and instability of In composition in selective growth (ridge side walls and bottom surface). If it is possible to prevent poly deposition on the protective film (selective growth with HCl addition), it is preferable to select AlGaAs or AlGaAsP. However, in the case of AlGaAs or AlGaAsP, if the Al composition is too close to AlAs, deliquescence is exhibited, so the upper limit of the Al composition is preferably 0.95 or less, more preferably 0.90 or less, and most preferably 0.85 or less. preferable. Since the refractive index must be lower than that of the active layer, the lower limit of the Al composition is preferably 0.30 or more, more preferably 0.40 or more, and most preferably 0.45 or more.
[0030]
By making the refractive index of the current blocking layer lower than the refractive index of the active layer sandwiched between the current blocking layers, it becomes possible to reduce single transverse mode oscillation and operating current. If the refractive index difference between the current blocking layer and the active layer is too large, the light is too confined in the active layer, causing a problem that the kink level and the optical end face damage (COD) level in the current-light output are reduced. . On the other hand, if the difference in refractive index between the current blocking layer and the active layer is too small, light easily leaks to the outside of the active layer, resulting in a problem that the oscillation threshold current increases and efficiency in current-light output decreases. Occurs. Considering these things, the refractive index difference between the current blocking layer and the active layer is preferably 0.001 or more, more preferably 0.003 or more, when the current blocking layer is a compound semiconductor. The above is most preferable. The upper limit is preferably 1.0 or less, more preferably 0.5 or less, and most preferably 0.1 or less. When the current blocking layer is a dielectric, the lower limit is preferably 0.1 or more, more preferably 0.3 or more, and most preferably 0.7 or more. The upper limit is preferably 3.0 or less, more preferably 2.5 or less, and most preferably 1.8 or less.
[0031]
By making the band gap of the current blocking layer larger than the band gap of the active layer sandwiched between the current blocking layers, current can be effectively injected into the active layer, and the oscillation threshold current can be reduced. Temperature characteristics can be improved.
The current blocking layer may be formed of two or more layers having different refractive indexes, carrier concentrations, or conductivity types from the viewpoint of controlling light distribution (particularly in the lateral direction) or improving the current blocking function. In the case of the ridge structure, a surface protective layer may be formed on the surface side of the current blocking layer for the purpose of improving the current blocking function, suppressing surface oxidation, or protecting the surface of the process. The conductivity type of the surface protective layer is not particularly defined, but when a GaAs substrate is used, the second conductivity type cap layer is made of Al. x Ga 1-x As is preferable, and the Al composition at this time is preferably 0.4 or less, more preferably 0.2 or less, and most preferably 0.1 or less.
[0032]
The conductivity type of the current blocking layer is one or more of the first conductivity type, the second conductivity type, or the high resistance (undoped or doped with impurities (O, Cr, Fe, etc.) that form a deep order) Can be configured in combination. Further, it may be formed of a plurality of layers having different conductivity types or compositions. The current blocking layer that forms the side of the ridge is preferably of the opposite conductivity type or high resistance to the layer in contact with the bottom surface. As for the thickness, if it is too thin, current blocking may be hindered. Therefore, the lower limit is 0.1 μm or more, more preferably 0.5 μm or more. 5 μm or less is preferable, and 3 μm or less is more preferable.
[0033]
A cap layer of the second conductivity type may be formed on the surface of the second conductivity type second cladding layer for the purpose of preventing oxidation and protecting the process. When a GaAs substrate is used, the second conductivity type cap layer is made of Al. x Ga 1-x As is preferable, and x is preferably 0.4 or less, more preferably 0.2 or less, and most preferably 0.1 or less. For carrier concentration, the lower limit is 1x10 17 cm -3 Preferably, 3x10 17 cm -3 More preferably, 5 × 10 17 cm -3 The above is most preferable. The upper limit is 2x10 20 cm -3 Preferred is 5x10 19 cm -3 The following is more preferred, 3x10 19 cm -3 The above is most preferable. Increase the carrier concentration of the cap layer (5x10 18 cm -3 By setting the above, it can function as a contact layer.
[0034]
When forming an electrode on the current confinement portion, it is preferable to form the electrode material through a contact layer having a low resistance (high carrier concentration) in order to reduce the contact resistance with the electrode material. In particular, it is preferable to form the electrode after forming a contact layer over the entire surface of the uppermost layer on which the electrode is to be formed.
At this time, a material having a refractive index smaller than that of the active layer is selected for the cladding layer, and a material having a band gap usually smaller than that of the cladding layer is selected for the contact layer, and an appropriate carrier density is obtained with a low resistance to achieve ohmic properties with the metal electrode (Cm -3 ). The lower limit of the carrier density is 1 × 10 18 Or more, preferably 3 × 10 18 More preferably, 5 × 10 18 The above is most preferable. The upper limit is 2 × 10 20 The following is preferred, 5 × 10 19 The following is more preferable: 3 × 10 18 The following are most preferred.
[0035]
The composition was gradually changed between the substrate or buffer layer and the clad layer, or between the cap layer or contact layer and the clad layer in order to suppress an increase in pass resistance due to band gap discontinuity. A composition clade layer may be inserted.
[0036]
The kind of dopant used for the above-described cladding layer, current blocking layer, and the like can be appropriately selected within a range in which the function required for each layer can be exhibited. When the p-type layer is an AlGaAsP-based compound layer, Zn, C, Be, Mg and combinations thereof are preferable as the dopant, and when the p-type layer is an AlGaInP-based compound, Zn, Be, Mg and combinations thereof are preferred. As the n-type dopant, Si, Se, Te and combinations thereof are preferable.
[0037]
When a zinc blende type substrate is used and the substrate surface is the (100) plane or a crystallographic equivalent plane, the stripe region defined by the opening of the current blocking layer is in the [01-1] direction or a crystal It is preferable to extend in a scientifically equivalent direction. This is because, when the stripe region is selected in the [01-1] direction, the stimulated emission probability can be increased more than in the [011] direction, and a lower threshold value can be achieved.
[0038]
To achieve high output operation, widening the stripe width is effective from the viewpoint of reducing the light density at the end face, but to reduce the operating current, narrowing the stripe width reduces waveguide loss. From the viewpoint of Therefore, as shown in FIG. 2A, the stripe width W2 near the center, which is the gain region, is made relatively narrow, and the stripe width W1 near the end portion is made relatively wide, thereby reducing the low operating current. High output operation can be realized at the same time, and high reliability can be secured.
[0039]
On the other hand, it is effective to reduce the stripe width in order to realize a beam having a nearly circular shape. However, if the stripe width is reduced, the injection current density is not preferable from the viewpoint of suppressing bulk deterioration. Therefore, as shown in FIG. 2B, the beam spot can be reduced by making the stripe width W2 near the center as the gain region relatively wide and making the stripe width W1 near the end relatively narrow. Low operating current can be realized at the same time, and high reliability can be ensured.
[0040]
From the center to the vicinity of the end, it is preferable to provide a portion where the stripe width gradually increases or decreases as shown in FIG. The length of the end portion where the stripe width is constant may be designed in accordance with desired characteristics. From the viewpoint of cleavage accuracy, 5 to 30 μm is preferable, and 10 to 20 μm is more preferable. The length of the portion where the stripe width gradually increases or decreases is preferably 5 to 100 μm and more preferably 10 to 50 μm from the viewpoint of reducing the waveguide loss.
[0041]
However, if necessary, a stripe window may be produced as follows.
(1) A stripe width or length of an end portion having a constant width and a gradually increasing or decreasing portion becomes asymmetric on both sides of the chip.
(2) The width is gradually increased or decreased to the end without forming the constant width end.
(3) The stripe width is gradually increased or decreased only at one end (the front end face that is usually the high output light extraction side).
(4) The stripe width at the end is different between the front end face and the rear end face.
(5) A combination of some of the above (1) to (4).
[0042]
Further, if the electrode is not provided near the end face, the following effects are obtained.
(1) Reducing the recombination current at the end makes it possible to achieve a high-output operation with high reliability (particularly when the width is wider than the center).
(2) Suppressing bulk deterioration due to current injection into the stripe region near the end and reducing recombination current at the end face facilitates production of a laser beam with a small spot diameter with high reliability (particularly If the width is wider than the center).
[0043]
The method for producing the semiconductor light emitting device of the present invention is not particularly limited. As a crystal growth method, a known growth method such as MOCVD method or MBE method can be used. The specific growth conditions of each layer vary depending on the layer composition, growth method, device shape, etc., but when a III-V compound semiconductor layer is grown using the MOCVD method, the double heterostructure grows. The temperature is preferably about 650 to 750 ° C., and the V / III ratio is about 20 to 60 (in the case of AlGaAs) or about 350 to 550 (in the case of AlGaInP).
[0044]
When a ridge structure is formed on the active layer, a SiNx film, SiO 2 Film, SiON film, Al 2 O Three A protective film is formed from the group consisting of a film, a ZnO film, a SiC film, and amorphous Si. These protective films are used for etching and selective growth of the current blocking layer. From the viewpoint of simplifying the process and realizing continuous process of etching (dry etching and / or reactive gas etching) / selective growth, The same protective film is preferably used for selective growth. A method of forming a current blocking layer by selective growth is generally used. In this case, the growth temperature is preferably 600 to 700 ° C. and the V / III ratio is about 40 to 60 (in the case of AlGaAs). In particular, when the portion selectively grown using the protective film contains Al, such as AlGaAs or AlGaAsP, it is very preferable to introduce a small amount of HCl gas during the growth because poly deposition on the mask is prevented. As the Al composition is higher or the ratio of the mask portion / opening portion is larger, poly deposition is prevented and selective growth is performed only on the opening portion when other growth conditions are constant (selective mode). The amount of HCl introduced necessary for this increases. On the other hand, when the introduction amount of HCl gas is too large, the growth of the AlGaAs layer does not occur, and conversely, the semiconductor layer is etched (etching mode), but when other growth conditions are made constant as the Al composition becomes higher, The amount of HCl introduced necessary to enter the etching mode increases. Therefore, the optimum amount of HCl introduced depends greatly on the number of moles of the group III raw material containing Al such as trimethylaluminum. Specifically, the lower limit of the ratio of the number of moles of HCl supplied to the number of moles of Group III raw material containing Al (HCl / Group III) is preferably 0.01 or more, more preferably 0.05 or more, and One or more is most preferred. The upper limit is preferably 50 or less, more preferably 10 or less, and most preferably 5 or less. However, when the compound semiconductor layer containing In in the ridge is selectively grown (particularly, HCl is introduced), the composition control of the ridge tends to be difficult.
[0045]
In addition, when a semiconductor layer such as an active layer is etched “in-situ” in an MOCVD apparatus (reaction chamber), it is not particularly limited as long as it is a reactive gas, but a halide gas such as HCl, Cl 2 It is preferable to use a halogen gas such as The amount of reactive gas introduced into the MOCVD reaction chamber is H 2 The ratio of the flow rate to the carrier gas is preferably about 0.0005 to 0.05.
In addition to the above, the present invention can be applied to various ridge waveguide type semiconductor light emitting devices, such as being able to be combined with embodiments as listed below.
[0046]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. The materials, reagents, ratios, operations, and the like shown in the following examples can be appropriately changed without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention is not limited to the specific examples shown below.
[0047]
(Example)
In this example, a semiconductor light emitting device having the cross-sectional structure shown in FIG. 1 was manufactured by using the MOVPE method having excellent film thickness, composition controllability, and mass productivity as the crystal growth method. First, a 0.5 μm thick Si-doped layer is formed by MOCVD on a
[0048]
Next, a 200 nm SiNx
Subsequently, using the SiNx
[0049]
The wafer with the ridge formed is placed in an MOCVD apparatus and an undoped Al with a thickness of 1.5 μm 0.6 Ga 0.4 As current blocking layer (specific resistance 10 Five Ω · cm or more: Refractive index 3.42, wavelength 655 nm) 115, 0.5 μm thick Si-doped n-type GaAs surface protective layer (n = 2.0 × 10 18 cm -3 116) was grown by MOCVD on both sides of the ridge structure formed by etching. At this time, high resistance Al 0.6 Ga 0.4 During the growth of the As
After removing the
[0050]
Thereafter, the p-
[0051]
At 25 ° C., it was confirmed that the oscillation wavelength was as low as 655 nm on average, the threshold current was as low as 10 mA on average, the slope efficiency was as high as 0.6 mW / mA on average, and the operating voltage was as low as 2.2 V on average. Compared to the conventional loss guide laser, the reason why the operating voltage was low for the relatively narrow stripe width is that AlGaAs is used so that the ridge portion has a low resistance. . At 5 mW output, the vertical divergence angle is 30 ° on average and the horizontal divergence angle is 25 ° on average, confirming that a far-field image (beam divergence angle) of a single peak that is almost circular is obtained, and is coupled with an optical fiber. It turns out that it is easy to improve efficiency. Further, even at 80 ° C., it oscillated with a threshold current having an average threshold current of 30 mA, and laser oscillation could be achieved up to a high temperature of 100 ° C. In a signal transmission experiment using a multimode GI (Graded Index) POF and a prototype laser, a clean eye pattern transmission up to 2.5 bps at a length of 100 m can be confirmed, and the prototype laser device has excellent high-speed response. It has been found. Since the buried structure in which the ridge portion and the current blocking layer are made of AlGaAs and the active layer is a strained quantum well as in this embodiment, leakage current to the outside of the active layer, waveguide loss, and ridge portion passage resistance can be reduced. It is considered that the threshold current, the operating current and the operating voltage can be lowered, and the laser oscillation can be performed up to a considerably high temperature. Furthermore, since the ridge shape could be determined with good controllability, it was found that the variation of various characteristics within and between batches was small.
From these results, it can be seen that the semiconductor laser of this embodiment is used for short-distance optical communication using an optical fiber, an optical data link light source, and the like. Further, it has been confirmed that high reliability (stable operation for 1000 hours or more at 5 mW output at a high temperature of 80 ° C.) can be obtained.
[0052]
(Example 2)
p-type (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P clad
[0053]
Good laser characteristics (operating current, maximum light output, maximum oscillation temperature, etc.), high-speed response, and low beam aspect ratio (a beam shape closer to a circle) are obtained from the laser device prototype results based on Examples 1 and 2. Therefore, suitable conditions were confirmed as follows. The lower limit of the lateral width of the active layer is preferably 1.0 μm or more, and more preferably 1.5 μm or more. About an upper limit, 5 micrometers or less are preferable and 4 micrometers or less are more preferable. Further, the lower limit of the resonator length is preferably 150 μm or more, and more preferably 200 μm or more. About an upper limit, 700 micrometers or less are preferable and 600 micrometers or less are more preferable.
[0054]
In the first and second embodiments, the junction down is used as an assembling method. However, for communication, the junction up assembling is used because of fear of the solder rising. That is, the chip emission point is on the upper side, and the epitaxial surface side electrode may be alloy-bonded by submount or heat sink and solder. However, in the semiconductor light emitting device of the present invention, heat generation can be greatly reduced as compared with the conventional element structure. Therefore, it goes without saying that laser characteristics and reliability at high temperatures are excellent even at junction-up.
[0055]
In the etching process when forming the ridge of the embodiment, the p-type GaAs cap layer and the p-type Al 0.75 Ga 0.25 For etching the As cladding layer, phosphoric acid-hydrogen peroxide system, tartaric acid-hydrogen peroxide system, or the like is used. In this embodiment, an etching solution having a mixed composition ratio of phosphoric acid: hydrogen peroxide: water of 1: 1: 15 was used. Also, p-type (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P-
[0056]
In the above MOCVD method, trimethylgallium (TMG), trimethylaluminum (TMA), and trimethylindium (TMI) are used as the group III source as source gases, and arsine (AsH) is used as the group V source. Three ) And phosphine (PH Three ), Hydrogen (H 2 ) Was used. Also, dimethyl zinc (DMZn) is used for p-type dopants, and disilane (Si) is used for n-type dopants. 2 H 6 ) Was used.
The crystal growth conditions in the above examples are as follows: growth temperature 650-750 ° C., pressure 10 2 hPa, V / III ratios of 25-50 (AlGaAs) and 500-750 (AlGaInP, GaInP), growth rates of 2-5 μm / hr (AlGaAs), and 1-2 μm / hr (AlGaInP, GaInP). N-type Al 0.9 Ga 0.1 During the growth of the As layer, HCl gas was introduced so that the molar ratio of HCl / III group was 0.2, especially the molar ratio of HCl / TMA was 0.3.
[0057]
The gas etching (vapor phase etching) conditions in Example 2 were basically set to be the same as later growth conditions. For example, a substrate temperature of 650 to 750 ° C. and a pressure of 10 2 hPa, HCl gas introduction amount 50 sccm (HCl / H 2 The molar ratio was 0.005).
In the above embodiment, an n-type substrate is used on the substrate side, but an epitaxial wafer may be manufactured by inverting the conductivity type of each layer of the above structure using a p-type substrate. Further, the crystal growth method is not limited to the MOVPE method, and the semiconductor light emitting device of the present invention can be satisfactorily manufactured by vapor phase growth methods such as MBE method and CBE method.
[0058]
In semiconductor lasers, the active layer is relatively thin (usually 0.1 μm or less), so if an impurity with a large diffusion coefficient such as zinc or selenium is used as the dopant, the dopant in the cladding layer passes through the active layer. As a result, it diffuses to the opposite layer, which easily deteriorates the laser characteristics and greatly deteriorates the reproducibility. As a method for suppressing Zn diffusion, an attempt was made to increase the carrier concentration of the n-side cladding, but the device characteristics were deteriorated due to deterioration of crystal quality such as poor surface morphology and increase of non-luminescent center. Therefore, by reducing the thickness of the AlGaInP cladding layer as much as possible as in the present invention, the total impurity diffusion amount can be reduced, and unnecessary doving for preventing diffusion is unnecessary. Therefore, the carrier concentration of the n-type cladding layer is set to 1 × 10 18 cm -3 The crystal quality and device characteristics could be improved.
[0059]
If the active layer is an ultra-thin film such as a quantum well structure, it is more and more necessary to suppress the diffusion of impurities as described above. Therefore, in the present invention, C is used as a doping impurity for the p-type AlGaAsP-based compound cladding layer, Be or Mg is used as a doping impurity for the p-type AlGaInP-based compound cladding layer, and the n-type AlGaAsP-based compound cladding layer and the n-type AlGaInP-based compound cladding layer. By using Si as each doping impurity, impurity diffusion can be further reduced, and the yield and reproducibility of device fabrication can be greatly improved.
[0060]
In addition, the AlGaAsP-based compound has advantages such as lower resistivity and lower thermal resistance than the AlGaInP-based compound. By using an AlGaAsP-based compound as the ridge formed for current confinement, As compared with the conventional element structure, the operating voltage and heat generation of the element can be reduced. As a result, the characteristics and reliability of the device could be improved.
[0061]
Further, the orientation of the plane is changed from (100) to [011] for the reduction of the band gap by ordering of the atomic arrangement peculiar to the AlGaInP compound, that is, the suppression of the shortening of the emission wavelength, or the improvement and stabilization of the surface morphology. It is effective to use a GaAs substrate of the first conductivity type inclined by 5 to 25 degrees.
Further, the reduction of the Al composition of the light emitting layer is important in terms of improving the reliability and life of the device, but this can be easily achieved by using a GaAsP substrate. In this case, it is preferable to employ an AlGaAsP clad for obtaining lattice matching.
Furthermore, according to the present invention, the growth time and raw material cost can be reduced and the burden on the apparatus such as detoxification can be greatly reduced, and stable production by a large-scale mass production apparatus capable of simultaneously growing a large number of sheets has become possible.
[0062]
(Comparative example)
The n-type and p-type AlGaAs cladding layers 103 and 111 are not used, the cladding layer is an AlGaInP single layer, and the n-type and p-type AlGaInP cladding layers 105 and 110 are 2.0 μm and 1.5 μm in thickness, respectively. The composition grade layers 102 and 112 are not used, and Ga of the same thickness is used instead. 0.52 In 0.48 A laser chip was manufactured under the same conditions as in Example 1 except that an intermediate band gap layer made of P was formed. After assembling by chip junction down, laser characteristics were measured by continuous energization (CW). At 25 ° C., the threshold current averaged 15 mA, which was not much different from Example 1, but the operating voltage at 5 mW was considerably high at 2.5 V. At 60 ° C., the threshold current increased to an average of 50 mA, and the maximum oscillation temperature was up to 80 ° C. As described above, since the ridge portion has an embedded structure made of AlGaInP, the ridge portion passage resistance is increased, so that the operating voltage is increased and the threshold current at a high temperature is easily increased due to heat generation. However, this is considered to be a cause of laser characteristic deterioration.
Further, when the laser chip assembly method was made junction-up, the problem of heat generation became more serious, and the laser characteristics and reliability further deteriorated.
[0063]
【The invention's effect】
According to the present invention, a visible light (usually 630 to 690 nm) laser structure using an AlGaInP system is used as a buried structure, and in particular, a current blocking layer is buried and grown without being exposed to the atmosphere after etching the active layer in the chip manufacturing process. Thus, it is possible to provide a semiconductor light emitting device capable of forming a nearly circular beam suitable for coupling with an optical fiber and having excellent laser characteristics such as low threshold current, high maximum oscillation temperature, and high reliability. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional explanatory view illustrating a semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same according to the present invention.
FIG. 2 is a plan view illustrating a change in stripe width in the resonator direction in the semiconductor light emitting device of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory cross-sectional view illustrating a schematic structure of a conventional semiconductor laser diode using an AlGaInP-based semiconductor material.
[Explanation of symbols]
101: Substrate
102: n-type composition grade layer
103: n-type first cladding layer
104: Light guide layer
105: n-type second cladding layer
106: Optical confinement layer
107: Barrier layer
108: Quantum well layer
109: Active layer
110: p-type first cladding layer
111: p-type second cladding layer
112: p-type composition grade layer
113: p-type cap layer
114: SiNx protective film
115: n-type current blocking layer
116: n-type protective layer
117: p-type contact layer
118: p-side electrode
119: n-side electrode
W1: Stripe width near the edge
W2: Stripe width at the center
301: Substrate
302: n-type cladding layer
303: Active layer
304: p-type cladding layer
305: n-type current blocking layer
306: p-type contact layer
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