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JP2018029098A - 半導体発光デバイスおよび多層反射膜 - Google Patents

半導体発光デバイスおよび多層反射膜 Download PDF

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春彦 吉田
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和哉 大平
紘崇 上村
Hirotaka Uemura
紘崇 上村
紀夫 飯塚
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紀夫 飯塚
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Abstract

【課題】 比較的簡素な構造の光反射構造を備え、もって同一基板上に半導体受光デバイスを同時に作製することを可能にする半導体発光デバイスを提供する。
【解決手段】 実施形態に係る半導体発光デバイスは、基板と、活性層を含む半導体発光構造と、前記基板と前記半導体発光構造との間に配置された第１の光反射構造と、前記半導体発光構造の上側に配置された第２の光反射構造と、前記半導体発光構造に電流を印加するための一対の電極を備える。前記第１の光反射構造および前記第２の光反射構造の少なくとも一方は、屈折率が周期的に変化するように配置された高屈折率領域と低屈折率領域とによりそれぞれ構成された複数の構造体層、および隣り合う前記構造体層の間に配置された低屈折率層を含む多層反射膜である。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体発光デバイスおよび多層反射膜に関する。
近年、基板間における大容量データの伝送の需要が高まり、ケーブル等による電気的な配線に代わって、光ファイバによる光配線（光リンク）が実用化されている。
光リンクは、半導体発光デバイスと半導体受光デバイスとを含んで構成される。半導体発光デバイスは、一般的に、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）デバイスが用いられ、ＶＣＳＥＬは、活性層（発光層）を含む半導体層を上下２つの反射鏡で挟んだ構造を備える。反射鏡は、例えば分布ブラッグ反射鏡（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：以下、ＤＢＲと記す）である（特許文献１）。ＤＢＲを備えるＶＣＳＥＬは、レーザ発振に必要な高い反射率を得るために、数十層の積層体のＤＢＲに構成する必要があり、当該ＶＥＣＳＥＬの厚さは、数μｍ程度になる。
他方、光リンクに用いられる半導体受光デバイスは、ＤＢＲのような数十層の積層体を備えずに構成でき、半導体発光デバイスとは層構造が大きく異なるために、光リンクに用いられる半導体発光デバイスと半導体受光デバイスとの同時集積化は困難である。
特許第４２７５９４８号公報
従って、比較的簡素な構造の光反射構造を備え、もって同一基板上に半導体受光デバイスを同時に作製することを可能にする半導体発光デバイスについてのニーズが存在する。
実施形態によると、基板と、活性層を含む半導体発光構造と、前記基板と前記半導体発光構造との間に配置された第１の光反射構造と、前記半導体発光構造の上側に配置された第２の光反射構造と、前記半導体発光構造に電流を印加するための一対の電極とを備える半導体発光デバイスが提供される。前記第１の光反射構造および前記第２の光反射構造の少なくとも一方は、屈折率が周期的に変化するように配置された高屈折率領域と低屈折率領域とによりそれぞれ構成された複数の構造体層、および隣り合う前記構造体層の間に配置された低屈折率層を含む多層反射膜である。
第１の実施形態に係る半導体発光デバイスの概略断面図である。 第１の実施形態に係る半導体発光デバイスの製造方法の一例を説明するための概略断面図である。 第１の実施形態に係る半導体発光デバイスの製造方法の一例を説明するための概略断面図である。 第１の実施形態に係る半導体発光デバイスの製造方法の一例を説明するための概略断面図である。 第１の実施形態に係る半導体発光デバイスの製造方法の一例を説明するための概略断面図である。 第１の実施形態に係る半導体発光デバイスの製造方法の一例を説明するための概略断面図である。 第２の実施形態に係る半導体発光デバイスの概略断面図である。 実験例の反射膜における時間領域差分法シミュレーションによる光の反射率および反射光の波長範囲を示す図である。 半導体受光デバイスの製造方法の一例を説明するための概略断面図である。 半導体受光デバイスの製造方法の一例を説明するための概略断面図である。
以下、１つまたはそれ以上の実施形態について適宜図面を参照して説明する。これらの図は、正確な縮尺ではない。そして、全図にわたって、同一または同様の要素には、同じ符号を付している。
１つの実施形態に係る半導体発光デバイスは、基板と、活性層を含む半導体発光構造と、前記基板と前記半導体発光構造との間に配置された第１の光反射構造と、前記半導体発光構造の上側に配置された第２の光反射構造と、前記半導体発光構造に電流を印加するための一対の電極とを備える。前記第１の光反射構造および前記第２の光反射構造の少なくとも一方は、屈折率が周期的に変化するように配置された高屈折率領域と低屈折率領域とによりそれぞれ構成された複数の構造体層、および隣り合う前記構造体層の間に配置された低屈折率層を含む多層反射膜である。
１つまたはそれ以上の実施形態において、前記低屈折率層の厚さｄと、前記低屈折率層の屈折率ｎと、前記半導体発光デバイスの発光波長λとは、以下の式
ｄ＜（１／４ｎ）・λ （１）
を満たす。
１つまたはそれ以上の実施形態において、前記低屈折率層の厚さｄと、前記低屈折率層の屈折率ｎと、前記半導体発光デバイスの発光波長λとは、以下の式
ｅｘｐ（−２πｎｄ／λ）＜０．５ （２）
を満たす。
１つまたはそれ以上の実施形態において、前記基板と前記第１の光反射構造との間に形成された第１の誘電体層、および／または前記第２の光反射構造と前記電極との間に形成された第２の誘電体層をさらに含む。
１つまたはそれ以上の実施形態において、前記第２の光反射構造は、前記一対の電極のうちの一方の電極を兼ねる金属層を含む。
１つまたはそれ以上の実施形態において、前記複数の構造体層は、互いに厚さが異なる。
１つまたはそれ以上の実施形態において、前記低屈折率領域は、酸化シリコンまたは空気からなり、高屈折率領域はシリコンからなる。
１つまたはそれ以上の実施形態において、前記低屈折率層は、酸化シリコンからなる。
１つまたはそれ以上の実施形態において、前記構造体層は、フォトニック結晶により構成されている。
１つまたはそれ以上の実施形態において、前記第１の光反射構造は、１つの構造体層で構成される単層の反射膜からなり、前記第２の光反射構造は、前記多層反射膜からなり、当該構造体層は、屈折率が周期的に変化するように配置された高屈折率領域と低屈折率領域とにより構成される。
１つまたはそれ以上の実施形態において、前記半導体発光構造は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物を含む。
１つまたはそれ以上の実施形態において、前記基板は、前記活性層を形成する半導体材料が有するバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する半導体材料で形成されている。
１つまたはそれ以上の実施形態において、前記基板は、前記半導体発光構造を構成する半導体とは異種の半導体材料で構成された異種基板である。
１つまたはそれ以上の実施形態において、シリコン基板である。
１つまたはそれ以上の実施形態において、第１の光反射構造は、前記基板上に形成された、基板と同種の半導体により囲包され、かつその表面が前記同種半導体の表面を含む面に含まれるか、該面よりも下側に位置している。
図１は、第１の実施形態に係る半導体発光デバイス１０を概略的に示す。この半導体発光デバイス１０は、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）デバイスであって、第２の光反射構造が、多層反射膜を含むものである。
図１に示すように、半導体発光デバイス１０は、基板１１を備える。基板１１は、その上に形成する、活性層（すなわち、発光層）を含む半導体発光構造の半導体と同種の半導体材料で形成された同種基板であってもよいし、上記半導体発光構造の半導体とは異種の半導体材料で形成された異種基板（例えば、活性層を含む半導体発光構造の半導体がＩＩＩ−Ｖ族またはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体である場合におけるシリコン基板）であってもよい。基板１１は、シリコン、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、サファイアを例示することができる。
基板１１上には、誘電体層（例えば、シリコン酸化物層）１２を介して第１の光反射構造１３が設けられている。この第１の光反射構造１３は、屈折率が周期的に変化する構造体層により構成されている。構造体層１３は、周期的に二次元配置された、屈折率が相対的に高い高屈折率領域と屈折率が相対的に低い低屈折率領域とにより構成されている。より具体的には、構造体層１３は、フォトニック結晶の薄膜から構成することができる。すなわち、構造体層１３は、高屈折率の材料からなる高屈折率層を母材とし、その母材に、母材よりも屈折率の低い誘電体材料が一定の間隔をもって埋め込まれている。母材としてはアモルファスシリコン、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮを、誘電体材料としてはシリコン、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの酸化物、窒化物、または酸窒化物を、それぞれ例示することができる。図１において、母材１３１を構成するアモルファスシリコンには、複数の空孔が面内方向に一定の間隔をもって穿設され、誘電体材料１３２が、アモルファスシリコン層１３１内の空孔を埋め込んでいる。なお、誘電体材料１３２の代わりに空気を用いることもできる。
構造体層１３の上には、低屈折率層１４が設けられている。低屈折率層１４は、誘電体材料または透明電極材料で形成することができる。誘電体材料としてはシリコン、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの酸化物、窒化物、または酸窒化物を、それぞれ例示することができる。透明電極材料としては、インジウムチタン酸化物（ＩＴｉＯ）、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）を、それぞれ例示することができる。
誘電体層１２、第１の光反射構造を構成する構造体層１３および低屈折率層１４を囲んで、基板１１と同種の半導体層（以下、同種半導体層という）１５が配置されている。例えば、基板１１がシリコン基板である場合、半導体層１５は、シリコンで形成することができる。構造体層１３は、その表面が同種半導体層１５の表面を含む面に含まれるように配置されていてもよいし、同種半導体層１５に埋め込まれて配置されてもよい。あるいは、誘電体層１２、第１の光反射構造を構成する構造体層１３および低屈折率層１４は、それに対応する凹部を基板１１内に形成し、その凹部内に形成することもできる。その場合は、構造体層１３の表面は、基板１１の表面よりも下側に位置することができる。このような誘電体層１２、第１の光反射構造を構成する構造体層１３および低屈折率層１４の配置により、以後詳述する誘電体層１２、第１の光反射構造を構成する構造体層１３および低屈折率層１４の上側に形成される半導体発光構造１６に掛かる応力が緩和され、低屈折率層１４と半導体発光構造１６との接合界面での剥離が生ぜず、環境温度の変化や温度サイクルに供された場合でも、デバイスの特性が安定に維持され、高信頼性を確保することができる。
低屈折率層１４の表面を含んで同種半導体層１５の上には、第１導電型の第１のコンタクト層を兼ねる第１導電型の第１のクラッド層１６１、第１導電型の第１の光閉じ込め層１６２、活性層１６３、第２導電型の第２の光閉じ込め層１６４、第２導電型の第２のクラッド層１６５を含む半導体発光構造１６が設けられている。ここで、第１導電型と第２導電型は、互いに反対の導電型をいい、一方がｐ型であれば、他方はｎ型であり、逆に一方がｎ型であれば、他方はｐ型である。第１のクラッド層１６１と第２のクラッド層１６５は、いずれもｎ型またはｐ型のＩｎＰで形成することが好都合である。
半導体発光構造１６の上には、低屈折率層１７が設けられている。低屈折率層１７は、誘電体材料または透明電極材料で形成することができる。誘電体材料としてはシリコン、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの酸化物、窒化物、または酸窒化物を、それぞれ例示することができる。透明電極材料としては、インジウムチタン酸化物（ＩＴｉＯ）、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）を、それぞれ例示することができる。
半導体発光構造１６の上には、低屈折率層１７を介して第２の光反射構造が設けられている。この第２の光反射構造は、本実施形態では、多層反射膜１８により構成される。
一般に、第２の光反射構造を構成する多層反射膜は、離間配置された、それぞれ屈折率が周期的に変化する複数の構造体層（図１において、多層反射膜１８を構成する２つの構造体層１８１および１８３）を含む。多層反射膜に含まれる複数の構造体層のそれぞれは、第１の光反射構造を構成する構造体層１３と同様に構成することができる。すなわち、第２の光反射構造を構成する複数の構造体層のそれぞれは、周期的に二次元配置された、屈折率が相対的に高い高屈折率領域と屈折率が相対的に低い低屈折率領域とにより構成される。構造体層は、それぞれ、フォトニック結晶の薄膜から構成することができる。すなわち、第２の光反射構造を構成する複数の造体層は、それぞれ、高屈折率の材料からなる高屈折率層を母材とし、その母材に、母材よりも屈折率の低い誘電体材料が一定の間隔をもって埋め込まれている。母材としてはアモルファスシリコン、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮを、誘電体材料としてはシリコン、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの酸化物、窒化物、または酸窒化物を、それぞれ例示することができる。図１において、母材１８１１を構成するアモルファスシリコンには、複数の空孔が面内方向に一定の間隔をもって穿設され、誘電体材料１８１２が、アモルファスシリコン層１８１１内の空孔を埋め込んでいる。同様に、第３の構造体層１８３は、高屈折率の材料からなる高屈折率層を母材とし、その母材に、母材よりも屈折率の低い誘電体材料が一定の間隔をもって埋め込まれている。母材としてはアモルファスシリコン、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮを、誘電体材料としてはシリコン、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの酸化物、窒化物、または酸窒化物を、それぞれ例示することができる。図１において、母材１８３１を構成するアモルファスシリコンには、複数の空孔が面内方向に一定の間隔をもって穿設され、誘電体材料１８３２が、アモルファスシリコン層１８３１内の空孔を埋め込んでいる。なお、誘電体材料１８１２および１８３２の代わりに、それぞれ空気を用いることもできる。
多層反射膜を構成する複数の構造体層は、同じ厚さを有していてもよいし、異なる厚さを有していてもよい。
多層反射膜を構成する隣り合う２つの構造体層の間には、隣り合う２つの構造体層に接して、上記高屈折率領域を形成する高屈折材料よりも屈折率の低い層が設けられている。この低屈折率層は、それぞれ誘電体材料であるシリコン、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの酸化物、窒化物、または酸窒化物を例示することができる。図１において、２つの構造体層１８１と構造体層１８３との間には、低屈折率層１８２が、構造体層１８１および構造体層１８３と接して、設けられている。
多層反射膜１８の上には、誘電体層１９が設けられている。誘電体層１９は、低屈折率層１８２を形成する誘電体材料で形成することができる。
半導体発光構造１６は、電流狭窄構造を備えてもよい。電流狭窄構造は、半導体レーザの内部で拡散する無効電流を低減するために、半導体レーザ内部を通過する電流を狭窄し、活性層１６３を含む発光領域あるいはアパーチャを画定する。
本実施形態では、半導体発光構造１６内に、電流狭窄層２０が設けられている。電流狭窄層２０は、例えばプロトン注入により形成することができる。
上記構造において、第１のクラッド層１６１の一部を含み電流狭窄層２０は、図１に示すように、円錐台形状または角錐台形状を得るようにメサ加工することができる。
半導体発光デバイス１０は、半導体発光構造１６に電流を印加するための一対の電極をさらに備える。電流狭窄層２０の表面の一部および半導体発光構造１６の最上層１６５の表面を除き、電流狭窄層２０の周囲および第１のクラッド層１６１の表面を覆って、絶縁層２１が形成されている。上記一対の電極のうちの一方の電極２２１は、絶縁層２１を介して第１のクラッド層１６１に接続されている。電極２２１は、環状であり得る。
他方の電極２２２は、多層反射膜１８、誘電体層１９および電流狭窄層２０の周囲、ならびに絶縁層２１から露出している電流狭窄層２０の一部表面および半導体発光構造１６の最上層１６５の表面を覆って形成されている。すなわち、半導体発光構造１６の最上層１６５は、電極２２２に対するコンタクト層として機能している。電極２２２は、金属層で形成することができる。この金属層は、前記一対の電極のうちの他方の電極を兼ねるものであることはいうまでもないが、それに加えて、多層反射膜１８を含む第２の光反射構造の反射率をさらに高める。多層反射膜１８を含む第２の光反射構造の反射率は、この金属層２２２をさらに設けることにより、ほぼ９９．９％の反射率を達成し得る。かかる金属層２２２は、レーザから出射される光に応じて選択することができる。例えば出射光が可視光である場合、金属層２２２を銀で形成することができ、出射光が近赤外光である場合、金属層２２２を金、アルミニウムまたは銅で形成することができる。
このように、金属層２２２を第２の光反射構造の最上層として設けることにより、活性層１６３で発生した光を基板１１側から取り出すことがより一層確実となる。
活性層１６３で発生した光は、２つの光反射構造の間を往復しながら増幅され、第１の光反射構造１３を通して基板１１の面に垂直方向に放出される。その場合、活性層１６３で発生した光が基板１１を透過するためには、基板１１を形成する半導体材料として、バンドギャップエネルギーが活性層を形成する半導体材料のバンドギャップエネルギーよりも大きい半導体材料を用いる。例えば、活性層をＩＩＩ−Ｖ族半導体またはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体で形成した場合、基板１１をシリコンで形成することができる。
次に、図１に示す（第１の実施形態に係る）半導体発光デバイス１０の製造方法の一例を図２〜図６を参照して、説明する。
この方法は、基板１１が半導体発光構造１６の半導体とは異種の半導体材料で形成された異種基板である図１に示す半導体レーザデバイスを製造するための方法の一例である。
まず、図２の（Ａ）に示すように、シリコン基板等の異種基板１１上に、誘電体層（例えば、シリコン酸化物層）１２、アモルファスシリコン層１３１および低屈折率層（例えば、シリコン酸化物層）１４を形成する。
次に、シリコン酸化物層１４をパターニングし、このパターニングしたシリコン酸化物層１４をマスクとして、アモルファスシリコン層１３１をウエットまたはドライエッチングして、アモルファスシリコン層１３１内に一定周期で離間する開口１３３を形成する（図２の（Ｂ））。
しかる後、マスクとしてのシリコン酸化物層１４を除去することなく、アモルファスシリコン層１３１の開口１３３内を含みシリコン酸化物層１４全面上に誘電体層を形成した後、この形成した誘電体層を除去し、シリコン酸化物層１４の表面をＣＭＰにより平坦化する（図２の（Ｃ））。
ついで、構造体層１３に対応する部分を除き、シリコン酸化物層１４、アモルファスシリコン層１３１およびその下の誘電体層１２を順次エッチングにより除去し、基板１１の表面を露出させる。その後、シリコン酸化物層１４および露出した基板１１表面上に基板１１と同種の半導体、例えばアモルファスシリコン１５を堆積させた後、アモルファスシリコン１５を、シリコン酸化物層１４の表面が露出するまで、ＣＭＰにより平坦化する（図３の（Ｄ））。この構造体層１３を備える半導体構造を第１の半導体構造ということとする。
他方、図３の（Ｅ）に示すように、同種基板（例えばＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板）３０上に、第２のクラッド層１６５、第２の光閉じ込め層１６４、活性層１６３、第１の光閉じ込め層１６２、第１のクラッド層（コンタクト層を兼ねる）を積層して、半導体発光構造１６を形成する。半導体発光構造１６は、例えばＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成される。この場合、第１のクラッド層１６１と第２のクラッド層１６５は、いずれもｎ型またはｐ型ＩｎＰで形成することが好都合である。かくして、活性層を含む半導体発光構造１６が得られ、これを、以下、第２の半導体構造ということとする。
次に、上記第１の半導体構造と上記第２の半導体構造とを、第１の半導体構造におけるシリコン酸化物層１４を含む表面と、第２の半導体構造における第１のクラッド層１６１とが対面するように両半導体構造を接合する。第１のクラッド層１６１がＩｎＰで形成されていると、アモルファスシリコン層１５との直接接合が可能である。（図３の（Ｆ））。こうして得られた構造を、第３の半導体構造ということとする。
次に、第３の半導体構造から、機械研磨またはウエットエッチングにより、同種基板３０を除去する。半導体発光構造１６の表面（第２のクラッド層１６５）が露出する（図４の（Ｇ））。
次に、上記露出した第２のクラッド層１６５上に、低屈折率層１７（例えば、シリコン酸化物層）、アモルファスシリコン層１８１１、低屈折率層（例えば、シリコン酸化物層）１８２およびアモルファスシリコン層１８３１を形成する（図４の（Ｈ））。
次に、アモルファスシリコン層１８３１上に、レジスト層１８４を形成してパターニングし、アモルファスシリコン層１８３１、シリコン酸化物層１８２およびアモルファスシリコン層１８１１をドライエッチング（例えば、六フッ化硫黄ガスを用いる）して、これら３つの層１８３１、１８２および１８１１内に一定周期で離間する開口１８５を形成する（図４の（Ｉ））。
次に、レジスト層１８４を除去し、開口１８５内を含みアモルファスシリコン層１８３１全面上に誘電体層（例えば、シリコン酸化物層）１９を形成した後、この形成した誘電体層１９の表面をＣＭＰで平坦化する。かくして、半導体発光構造１６上には、屈折率が周期的に変化する２つの構造体層の間に、低屈折率層が配置される多層反射膜１８が作製される（図５の（Ｊ））。
次に、構造体層１３および多層反射膜１８に対応する部分を除き、誘電体層１９およびその下の積層体を順次エッチングにより除去し、第２のクラッド層１６５の一部表面を露出させる。ついで、電流狭窄層形成予定部にイオン注入を行う。このイオン注入は、例えばプロトン注入である。このイオン注入により、半導体発光構造１６内に電流狭窄層２０が形成される（図５の（Ｋ））。この電流狭窄層２０は、環状であり得る。
そして、電流狭窄層２０を、円錐台形状にメサ加工する（図６の（Ｌ））。
しかる後、絶縁層２１、電極２２１および２２２を形成することにより、図１に示す構造の半導体発光デバイス１０が製造される。いうまでもなく、電流狭窄層２０により画定された半導体発光構造１６と、上下の第２および第１の光反射構造１８および１３とは、光共振器を構成する。
図２〜図６を参照して説明した製造方法によれば、完成した半導体発光デバイスは、異種基板（例えば、シリコン基板）１１上に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成された半導体発光構造１６を有するものの、半導体発光構造１６は同種基板３０上に形成しているので格子整合性が達成されており、従って、異種基板上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる場合のような格子不整合について注意を払う必要がない。言い換えると、この手法によると、ヘテロエピタキシャル成長を行う必要がない。
ここで、上記活性層を含む半導体発光構造を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ならびに当該化合物半導体と併せて用いる構造体層の高屈折率領域の母材および基板の例を以下に挙げる：
＜ＩｎＰ系（その１）＞
活性層：Ｉｎの組成比が異なるＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰの多重量子井戸構造
第１および第２の光閉じ込め層：ＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＰ
第１および第２のクラッド層：ＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＰ
第１および第２のコンタクト層：ＩｎＰまたはＩｎＧａＡｓ
発光波長帯：１．２〜１．７μｍ
構造体層の高屈折率領域の母材：アモルファスシリコンまたはＩｎＰ
基板：ＩｎＰ。
＜ＩｎＰ系（その２）＞
活性層：Ｉｎの組成比が異なるＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓの多重量子井戸構造
第１および第２の光閉じ込め層：ＩｎＧａＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＰ
第１および第２のクラッド層：ＩｎＧａＡｌＡｓまたはＩｎＰ
第１および第２のコンタクト層：ＩｎＰまたはＩｎＧａＡｓ
発光波長帯：１．３μｍ
構造体層の高屈折率領域の母材：アモルファスシリコンまたはＩｎＰ
基板：ＩｎＰ。
＜ＧａＡｓ系（その１）＞
発光層：ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓの多重量子井戸構造
第１および第２の光閉じ込め層：ＡｌＧａＡｓまたはＧａＡｓ
第１および第２のクラッド層：ＡｌＧａＡｓまたはＧａＡｓ
第１および第２のコンタクト層：ＧａＡｓ
発光波長帯：０．９〜１．１５μｍ
構造体層の高屈折率領域の母材：ＧａＡｓ
基板：ＧａＡｓ。
＜ＧａＡｓ系（その２）＞
活性層：ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓの多重量子井戸構造
第１および第２の光閉じ込め層：ＡｌＧａＡｓまたはＧａＡｓ
第１および第２のクラッド層：ＡｌＧａＡｓまたはＧａＡｓ
第１および第２のコンタクト層：ＧａＡｓ
発光波長帯：０．６２〜０．８７μｍ
構造体層の高屈折率領域の母材：ＡｌＧａＡｓ
基板：ＧａＡｓ。
＜ＧａＡｓ系（その３）＞
活性層：ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓの多重量子井戸構造
第１および第２の光閉じ込め層：ＡｌＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＡｓまたはＧａＡｓ 第１および第２のクラッド層：ＡｌＧａＩｎＰまたはＧａＡｓ
第１および第２のコンタクト層：ＧａＡｓ
発光波長帯：０．５４〜０．７μｍ
構造体層の高屈折率領域の母材：ＡｌＧａＡｓ
基板：ＧａＡｓ。
＜ＧａＮ系＞
活性層：ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮの多重量子井戸構造
第１および第２の光閉じ込め層：ＡｌＧａＮまたはＧａＮ
第１および第２のクラッド層：ＡｌＧａＮまたはＧａＮ
第１および第２のコンタクト層：ＧａＮまたはＩｎＧａＮ
発光波長帯：０．３〜０．６μｍ
構造体層の高屈折率領域の母材：ＧａＮまたはＡｌＧａＮ
基板：サファイアまたはＧａＡｓ
半導体層は、ＺｎＳｅ系、例えばＣｄＺｎＳＳｅ等のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体で形成することもできる。
また、電極を形成する金属材料の例を以下に示す。
＜ＩｎＰ系半導体層の場合＞
ｐ−電極：Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの３層構造、Ａｎ／Ａｕの２層構造等
ｎ−電極：Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの３層構造等。
＜ＧａＡｓ系半導体層の場合＞
ｐ−電極：Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの３層構造等
ｎ−電極：ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕの３層構造等。
またアモルファスシリコン層１８１１および１８３１の厚さは、例えば、０．２μｍ〜０．５μｍである。
半導体発光構造１６を構成する第１および第２のコンタクト層１６１および１６５の厚さは、それぞれ、例えば、０．２μｍ〜１．５μｍであり、第１および第２のクラッド層１６１および１６５の厚さは、それぞれ、例えば、０．１μｍ〜０．５μｍであり、第１および第２の光閉じ込め層１６２および１６４の厚さは、それぞれ、例えば、０．０５μｍ〜０．２μｍであり、活性層１６３の厚さは、例えば、０．０５μｍ〜０．２μｍである。そして、電流狭窄層２０により画定されるアパーチャの直径は、例えば、５μｍ〜２０μｍである。
構造体層１３と第１のコンタクト層１６１との間に設けられている低屈折率層１４、および第２のコンタクト層１６５と多層反射膜１８との間に設けられている低屈折率層１７の厚さは、それぞれ、例えば１５０ｎｍ〜２００ｎｍである。
図７は、第２の実施形態に係る半導体発光デバイス４０の概略断面図である。
図７に示す半導体発光デバイス４０は、構造体層１８３の上に、低屈折率層４８４および構造体層４８５をさらに備える多層反射膜４８、その多層反射膜４８の上に誘電体層４９が設けられている以外は、図１に示す半導体発光デバイス１０と同じ構造を有する。
図７において、第２の光反射構造を構成する多層反射膜４８は、離間配置された、それぞれ屈折率が周期的に変化する３つの構造体層１８１、１８３および４８５を含む。構造体層４８５は、上記構造体層１８１および１８３と同様に構成することができる。すなわち、構造体層４８５は、周期的に二次元配置された、屈折率が相対的に高い高屈折率領域と屈折率が相対的に低い低屈折率領域とにより構成される。構造体層は、それぞれ、フォトニック結晶の薄膜から構成することができる。すなわち、構造体層４８５は、それぞれ、高屈折率の材料からなる高屈折率層を母材とし、その母材に、母材よりも屈折率の低い誘電体材料が一定の間隔をもって埋め込まれている。母材としてはアモルファスシリコン、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮを、誘電体材料としてはシリコン、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの酸化物、窒化物、または酸窒化物を、それぞれ例示することができる。図７において、母材４８５１を構成するアモルファスシリコンには、複数の空孔が面内方向に一定の間隔をもって穿設され、誘電体材料４８５２が、アモルファスシリコン層４８５１内の空孔を埋め込んでいる。なお、誘電体材料４８５２の代わりに、空気を用いることもできる。
多層反射膜を構成する隣り合う３つの構造体層の間には、それぞれ、隣り合う２つの構造体層に接して、上記高屈折率領域を形成する高屈折材料よりも屈折率の低い層が、それぞれ設けられている。この低屈折率層は、それぞれ誘電体材料であるシリコン、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの酸化物、窒化物、または酸窒化物を例示することができる。図７において、構造体層１８１と構造体層１８３との間には、低屈折率層１８２が、構造体層１８１および構造体層１８３と接して、また、構造体層１８３と構造体層４８５との間には、低屈折率層４８４が、構造体層１８３および構造体層４８５と接して、設けられている。
図７に示す多層反射膜４８は、図１に示す多層反射膜１８の構成に、低屈折率層４８４および構造体層４８５をさらに有することにより、反射率が向上し得る。
上記第２の光反射構造を構成する多層反射膜に含まれる低屈折率層の厚さｄおよび屈折率ｎ、ならびに半導体発光デバイスの発光波長λは、以下の式
ｄ＜（１／４ｎ）・λ （１）
を満たすように構成することができる。
上記式（１）は、低屈折率層を介して隣り合う２つの構造体層の間隔（低屈折率層の厚さ）が大きくなることによって、２つの構造体層間で光が共振、干渉することがないようにするための好ましい条件を規定する。
上記第２の光反射構造を構成する多層反射膜に含まれる低屈折率層の厚さｄおよび屈折率ｎ、ならびに半導体発光デバイスの発光波長λが、以下の式
ｅｘｐ（−２πｎｄ／λ）＜０．５ （２）
を満たすように構成することができる。
上記式（２）は、低屈折率層を介して隣り合う２つの構造体層の間隔（低屈折率層の厚さ）が小さくなることによって、多層反射膜として機能するために必要な構造体層内部の光閉じ込めモードが存在できなくなることを防止するために２つの構造体層の間隔（低屈折率層の厚さ）が有すべき条件を規定する。
また、上記式（２）は、低屈折率層に過剰に染み出した好ましくない光を半分以下に減衰させるための条件でもある。この場合、構造体層の屈折率および厚さも発光波長との関係によって、光の染み出し量が変化しこれに多少影響してくる。しかしながら、上記式（２）を満たすアモルファスシリコンとシリコン酸化物の組み合わせの多層反射膜の性能は、構造体層からなる単層反射膜の性能を上回る。
上記式（１）および／または式（２）を満たすように構成される半導体発光デバイスに含まれる多層反射膜は、光の反射率および反射光の波長帯域幅が向上する。
上記多層反射膜に含まれる低屈折率層の厚さは、例えば１５０ｎｍ〜２００ｎｍである。
厚さが２５０ｎｍ以上の低屈折率層が、２つの構造体層の間に接して設けられている多層反射膜は、例えば、その多層反射膜に対して、波長帯１．３μｍ付近の光が垂直に入射したときに、反射光の波長帯１．３μｍ付近の狭帯域に、干渉、共鳴によると推察される大きい反射率の減少が生じ得る。
厚さが１５０ｎｍ未満の低屈折率層が、２つの構造体層の間に接して設けられている多層反射膜は、例えば、１つの構造体層で構成される単層の反射膜と比較して、反射率が減少し得る。
上記多層反射膜に含まれる構造体層の厚さは、例えば３６０ｎｍ〜４１０ｎｍである。
厚さが互いに異なる２つの構造体層の間に、低屈折率層が接して設けられている多層反射膜は、例えば、同じ厚さの構造体層の間に、低屈折率層が接して設けられている多層反射膜と比較して、反射率が向上し得る。
以下、実験例を説明する。
＜例１＞
屈折率が面内方向に周期的に変化するように配置されたアモルファスシリコン領域と酸化シリコン領域とにより構成された、厚さが４００ｎｍの構造体層を作製し、これを反射膜として用いた。
＜例２＞
屈折率が面内方向に周期的に変化するように配置されたアモルファスシリコン領域と酸化シリコン領域とによりそれぞれ構成された、厚さが３６０ｎｍおよび４１０ｎｍの構造体層の間に、厚さが２００ｎｍの酸化シリコン層が、当該２つの構造体層と接して設けられている多層反射膜を作製した。
＜例３＞
上記例２の厚さが３６０ｎｍおよび４１０ｎｍの構造体層の間に、厚さが２００ｎｍの酸化シリコン層が、当該２つの構造体層と接して設けられ、上記厚さが４１０ｎｍの構造体層と、屈折率が面内方向に周期的に変化するように配置されたアモルファスシリコン領域と酸化シリコン領域とにより構成された、厚さが３９０ｎｍの構造体層との間に、２００ｎｍの酸化シリコン層が、当該２つの構造体層と接して設けられている多層反射膜を作製した。
［評価］
時間領域差分法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ）シミュレーションにより、例１〜例３の反射膜に垂直に入射した波長帯１．３μｍ付近の光が、どのように反射されるかを解析した。その結果を図８に示す。
［結果］
例１の反射膜は、図８中の曲線ａで示すように、約２０ｎｍの波長帯域幅で９９．９％以上の反射率を示し、約４５ｎｍの波長帯域幅で９９．５％以上の反射率を示す。
例２の反射膜は、図８中の曲線ｂで示すように、約５０ｎｍの波長帯域幅で９９．９％以上の反射率を示し、約１００ｎｍの波長帯域幅で９９．５％以上の反射率を示す。
例３の反射膜は、図８中の曲線ｃで示すように、約８０ｎｍの波長帯域幅で９９．９％以上の反射率を示し、約１２５ｎｍの波長帯域幅で９９．５％以上の反射率を示す。
以上実験例から、多層反射膜は、多層になるに従って反射率および反射光の波長帯域幅が増大することが確認された。このような多層反射膜を含む半導体発光デバイスは、活性層で発生した光の波長のずれに対してトレランスを有する。
ところで、図２〜図６に関して説明した第１の実施形態に係る半導体発光デバイスの製造方法に準じて、いくつかの実施形態に係る多層反射膜を備える半導体受光デバイスを製造することができる。このような半導体受光デバイスの製造方法の一例を以下に説明する。
すなわち、図９の（Ａ）に示すように、図１に示す基板１１と同様の異種基板（例えばシリコン基板）１０１１上に、図２の（Ａ）〜（Ｃ）および図３の（Ｄ）に関して説明した手法に準じて、受光デバイスの下側の、屈折率が変化する構造体層１０１３および低屈折率層１０１４を形成する。構造体層１０１３は、誘電体層１０１２の上に形成され、低屈折率層１０１４は構造体層１０１３の上に形成されており、誘電体層１０１２、構造体層１０１３および低屈折率層１０１４の積層体は、アモルファスシリコン層１０１５により囲包されている。構造体層１０１３において、アモルファスシリコンからなる高屈折率領域１１３１とアモルファスシリコン内に設けられた空孔内に埋め込まれた誘電体材料からなる低屈折率領域１１３２が二次元配置されている。この構造体層１０１３は、回折格子である。受光デバイスの構造体層１０１３には、基板１０１１からの光が入射される。こうして得られた半導体構造（図９の（Ａ）に示す半導体構造）を半導体構造Ａということとする。
次に、図３の（Ｅ）に関して説明した手法に準じて、同種基板（例えばＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板）１０３０上に、第２のクラッド層１１６５、第２の光閉じ込め層１１６４、活性層１１６３、第１の光閉じ込め層１１６２、第１のクラッド層（コンタクト層を兼ねる）１１６１を積層して、半導体発光構造１０１６を形成して、活性層を含む半導体発光構造１０１６を有する半導体構造（半導体構造Ｂ）を得る。次に、上記半導体構造Ａと上記半導体構造Ｂとを、半導体構造Ａにおける低屈折率層１０１４を含む表面と、半導体構造Ｂにおける第１のクラッド層１１６１とが対面するように両半導体構造を接合する。第１のクラッド層１１６１がＩｎＰで形成されていると、アモルファスシリコン層１０１５との直接接合が可能である。こうして得られた構造を、半導体構造Ｃということとする（図９の（Ｂ））。
次に、半導体構造Ｃから、機械研磨またはウエットエッチングにより、同種基板１０３０を除去して、半導体発光構造１０１６（最上層１１６５）の表面を露出させる。ついで、最上層１１６５の上に図４の（Ｈ），（Ｉ）および図５の（Ｊ），（Ｋ）に関して説明した手法に準じて、低屈折率層１０１７、多層反射膜１０１８および誘電体層１０１９を構成する（図９の（Ｃ））。
ついで、図６の（Ｌ）に関して説明した手法に準じて、受光デバイスの半導体層を、それぞれ円錐台形状にメサ加工する。（図１０の（Ｄ））。
最後に、図６の（Ｌ）に関して説明した手法に準じて、受光デバイス構造に絶縁膜１０２１、ならびに電極１２２１および１２２２を形成する。こうして、半導体受光デバイスが製造される（図１０の（Ｅ））。
以上の説明からわかるように、上記半導体受光デバイスは、実施形態に係る半導体発光デバイスに含まれるような多層反射膜を有する。従って、実施形態に係る半導体発光デバイスは、同一基板上に半導体受光デバイスと同時に作製することが可能である。
いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１１，１０１１…基板、１２，１９，４９，１０１２，１０１９…誘電体層、１３，１８１，１８３，４８５…構造体層、１６，１０１６…半導体発光構造、１８，４８，１０１８…多層反射膜、２０…電流狭窄層、１８２，４８４…低屈折率層、２２１，２２２，１２２１，１２２２…電極

Claims (15)

  1. 基板と、
    活性層を含む半導体発光構造と、
    前記基板と前記半導体発光構造との間に配置された第１の光反射構造と、
    前記半導体発光構造の上側に配置された第２の光反射構造と、
    前記半導体発光構造に電流を印加するための一対の電極とを備え、
    前記第１の光反射構造および前記第２の光反射構造の少なくとも一方は、屈折率が周期的に変化するように配置された高屈折率領域と低屈折率領域とによりそれぞれ構成された複数の構造体層、および隣り合う前記構造体層の間に配置された低屈折率層を含む多層反射膜であることを特徴とする半導体発光デバイス。
  2. 前記低屈折率層の厚さｄと、前記低屈折率層の屈折率ｎと、前記半導体発光デバイスの発光波長λとは、以下の式
    ｄ＜（１／４ｎ）・λ （１）
    を満たすことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光デバイス。
  3. 前記低屈折率層の厚さｄと、前記低屈折率層の屈折率ｎと、前記半導体発光デバイスの発光波長λとは、以下の式
    ｅｘｐ（−２πｎｄ／λ）＜０．５ （２）
    を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光デバイス。
  4. 前記基板と前記第１の光反射構造との間に形成された第１の誘電体層、および／または前記第２の光反射構造と前記電極との間に形成された第２の誘電体層をさらに含む請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光デバイス。
  5. 前記第２の光反射構造は、前記一対の電極のうちの一方の電極を兼ねる金属層を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体発光デバイス。
  6. 前記複数の構造体層は、互いに厚さが異なることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体発光デバイス。
  7. 前記低屈折率領域は、酸化シリコンまたは空気からなり、高屈折率領域はシリコンからなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体発光デバイス。
  8. 前記低屈折率層は、酸化シリコンからなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体発光デバイス。
  9. 前記構造体層は、フォトニック結晶により構成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体発光デバイス。
  10. 前記第１の光反射構造は、１つの構造体層で構成される単層の反射膜からなり、前記第２の光反射構造は、前記多層反射膜からなり、当該構造体層は、屈折率が周期的に変化するように配置された高屈折率領域と低屈折率領域とにより構成されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体発光デバイス。
  11. 前記半導体発光構造は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物を含むことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体発光デバイス。
  12. 前記基板は、前記活性層を形成する半導体材料が有するバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する半導体材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の半導体発光デバイス。
  13. 前記基板は、前記半導体発光構造を構成する半導体とは異種の半導体材料で構成された異種基板であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の半導体発光デバイス。
  14. 前記基板は、シリコン基板であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の半導体発光デバイス。
  15. 前記第１の光反射構造は、前記基板上に形成された、基板と同種の半導体により囲包され、かつその表面が前記同種半導体の表面を含む面に含まれるか、該面よりも下側に位置していることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の半導体発光デバイス。
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