JP2828617B2 - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ディスクなどに
用いられる半導体レーザや発光ダイオードなどの半導体
発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】ZnSe系II-VI族化合物半導体は、直接遷
移型で広いバンドギャップをもつ半導体材料であること
から、近年、この材料を用いて、青色のレーザ光を発す
る半導体レーザ（以下、「青色半導体レーザ」と称す
る）の開発が活発に行われている。図１３は、ZnSe系II
-VI族半導体材料を用いた従来の青色半導体レーザ１３
００の構造の一例を示す断面図である。

【０００３】具体的には、Siをドープしたn型GaAs基板
１３１の上に、Clをドープしたn型ZnSeエピタキシャル
層１３２、Clをドープしたn型ZnMgSSeクラッド層１３
３、Clをドープしたn型ZnSSe光導波層１３４、ZnCdSe活
性層１３５、Nをドープしたp型ZnSSe光導波層１３６、
及び、Nをドープしたp型ZnMgSSeクラッド層１３７が、
順次積層されている。p型ZnMgSSeクラッド層１３７は、
その一部がストライプ状の形状を有するように形成され
ており、そのストライプ部分の上には、Nをドープしたp
型ZnTeコンタクト層１３８が形成されている。一方、ス
トライプ部分以外のｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層１３
７の上には、ストライプ部分を両側から挟み込むように
多結晶SiO₂埋込層１３９が設けられている。さらに、p
型ZnTeコンタクト層１３８及び多結晶SiO₂埋込層１３９
の上には、p型AuPd電極１３１０が設けられている。一
方、n型GaAs基板１３１の下には、n型In電極１３１１が
設けられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のような構造を有
する従来の青色半導体レーザ１３００には、以下のよう
な解決すべき課題が存在している。

【０００５】第１に、従来の青色半導体レーザ１３００
で用いられている多結晶SiO₂埋込層１３９は、化学蒸着
法等によって形成される。しかし、一般にZnSe系II-VI
族化合物半導体材料の結晶成長温度は、約２５０℃と非
常に低い。そのために、ZnSe系II-VI族化合物半導体材
料からなる層の形成後に行われる多結晶SiO₂埋込層１３
９の形成工程において、先に形成されているZnSe系II-V
I族化合物半導体層の結晶劣化を生じさせないために
は、ZnSe系II-VI族化合物半導体層の成長温度よりも低
い温度で、多結晶SiO₂埋込層１３９を形成しなければな
らない。

【０００６】しかし、このような低温で形成されたSiO₂
は、ポーラスな多結晶となる。その結果、ZnSe層などに
対する密着性がきわめて悪くなり、容易にはがれなどを
生じる。従って、絶縁埋込層としてSiO₂を用いることに
は問題が多い。また、多結晶SiO₂埋込層１３９をエッチ
ングにおけるマスクとして用いる場合も、密着性の悪さ
やそのポーラスな性質からサイドエッチなどを生じやす
く、マスク材としての利用価値も低い。

【０００７】第２に、多結晶SiO₂の熱伝導率は大変低い
ため、発生した熱の放散が効率的になされない。その結
果、レーザ発振のしきい値を増大させるとともに、発光
素子の寿命も短くなる。

【０００８】本発明は、上記課題を鑑みて行われたもの
であり、その目的は、（１）II-VI族半導体レーザ構造
のエピタキシャル層の上で密着性良く形成され、熱伝導
率が高いとともに光閉じ込めに利用可能な低屈折率を有
する材料を用いて埋込層を形成する半導体発光素子、な
らびに（２）そのような半導体発光素子の製造方法、を
提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光素子
は、II-VI族半導体エピタキシャル層と、該II-VI族半導
体エピタキシャル層の上に設けられたZnO層と、を備え
ており、そのことによって上記目的が達成される。ある
実施形態では、前記II-VI族半導体エピタキシャル層が
レーザ構造である。

【００１０】本発明の他の局面によれば、半導体発光素
子が、II-VI族化合物半導体でできている活性層と、該
活性層を上下から挟み込むように設けられ、II-VI族化
合物半導体でできている第１のクラッド層及び第２のク
ラッド層と、該第１のクラッド層の上に形成されている
ZnO埋込層と、を備えており、そのことによって上記目
的が達成される。

【００１１】本発明のさらに他の局面によれば、半導体
発光素子が、基板と、該基板の上に順次エピタキシャル
成長された、それぞれII-VI族化合物半導体からなるn型
クラッド層、活性層、p型クラッド層、及びp型コンタク
ト層と、を備え、該p型コンタクト層はストライプ状に
形成されており、該p型クラッド層のうちで該ストライ
プ状p型コンタクト層の両側に位置する部分の上には、Z
nOからなる埋込層がさらに形成されていて、そのことに
よって上記目的が達成される。

【００１２】本発明のさらに他の局面によれば、半導体
発光素子が、II-VI族半導体エピタキシャル層を備え、
該II-VI族半導体エピタキシャル層が酸素原子を１×１
０¹⁴ｃｍ^-3以上含有する埋込層をさらに含んでいて、そ
のことによって上記目的が達成される。ある実施形態で
は、前記II-VI族半導体エピタキシャル層がレーザ構造
である。

【００１３】本発明の半導体発光素子の製造方法は、II
-VI族半導体エピタキシャル層の上にプラズマ化した酸
素を用いてZnO層を形成する工程を包含しており、その
ことによって上記目的が達成される。

【００１４】本発明の他の局面によれば、半導体発光素
子の製造方法が、NO₃化合物を含有する溶媒の中に金属
部材及びII-VI族半導体部材を浸し、該金属部材を正電
極ならびに該II-VI族半導体部材を負電極として両部材
の間に電圧を印加して、それによって該II-VI族半導体
部材の表面にZnO層を形成する工程を包含しており、そ
のことによって上記目的が達成される。

【００１５】本発明のさらに他の局面によれば、半導体
発光素子の製造方法が、基板の上にそれぞれII-VI族化
合物半導体からなるn型クラッド層、活性層、p型クラッ
ド層、及びp型コンタクト層を、順次エピタキシャル成
長する工程と、該p型コンタクト層をストライプ状にエ
ッチングする工程と、該p型クラッド層のうちで該スト
ライプ状p型コンタクト層の両側に位置する領域の上
に、ZnOからなる埋込層を形成する工程と、を包含して
おり、そのことによって上記目的が達成される。ある実
施形態では、前記埋込層の形成工程でプラズマ化した酸
素を用いる。他の実施形態では、前記埋込層の形成工程
で、NO₃化合物を含有する溶媒の中に金属部材及びII-VI
族半導体部材を浸し、該金属部材を正電極ならびに該II
-VI族半導体部材を負電極として両部材の間に電圧を印
加して、それによって該II-VI族半導体部材の表面にZnO
層を形成して、該ZnO層を該埋込層とする。

【００１６】本発明のさらに他の局面によれば、半導体
発光素子が、II-VI族化合物半導体でできている活性層
と、該活性層を上下から挟み込むように設けられ、該II
-VI族化合物半導体でできている上部クラッド層及び下
部クラッド層と、該上部クラッド層の上に形成された酸
素イオンが注入されている埋込層と、を備えており、そ
のことによって上記目的が達成される。

【００１７】本発明のさらに他の局面によれば、半導体
発光素子が、基板と、該基板の上に順次エピタキシャル
成長された、それぞれII-VI族化合物半導体からなるn型
クラッド層、活性層、p型クラッド層、及びp型コンタク
ト層と、を備え、該p型コンタクト層はストライプ状に
形成されており、該p型クラッド層のうちで該ストライ
プ状p型コンタクト層の両側に位置する部分の上には、
酸素イオンが注入されている埋込層がさらに形成されて
いて、そのことによって上記目的が達成される。

【００１８】本発明のさらに他の局面によれば、半導体
発光素子の製造方法が、II-VI族半導体エピタキシャル
層の所定の領域に酸素イオンを注入して埋込層を形成す
る工程を包含しており、そのことによって上記目的が達
成される。

【００１９】本発明のさらに他の局面によれば、半導体
発光素子の製造方法が、基板の上にそれぞれII-VI族化
合物半導体からなるn型クラッド層、活性層、p型クラッ
ド層、及びp型コンタクト層を、順次エピタキシャル成
長する工程と、該p型コンタクト層をストライプ状にエ
ッチングする工程と、該p型クラッド層のうちで該スト
ライプ状p型コンタクト層の両側に位置する所定の領域
に酸素イオンを注入して埋込層を形成する工程と、を包
含しており、そのことによって上記目的が達成される。

【００２０】具体的には、本発明では、青色半導体レー
ザ構造に含まれるII-VI族半導体エピタキシャル構造の
上にZnO層を形成し、それを絶縁埋込層とする。このZnO
層は、例えば、プラズマ化した酸素を用いることにより
形成することができる。或いは、ＮＯ₃化合物を含有す
る溶媒の中に金属部材及びII-VI族半導体部材を浸し、
金属部材を正電極ならびにII-VI族半導体部材を負電極
として両部材の間に電圧を印加して、それによってII-V
I族半導体部材の表面にZnO層を形成することもできる。

【００２１】或いは、本発明によれば、青色半導体レー
ザ構造に含まれるII-VI族半導体エピタキシャル構造中
に酸素を１×１０¹⁴ｃｍ^-3以上含有した層を設けて、そ
れを絶縁埋込層とすることもできる。この場合には、加
速酸素イオンを用いて酸素を添加することができる。

【００２２】以下、作用について説明する。

【００２３】本発明で絶縁埋込層の材料として使用する
ZnO層は、II-VI族化合物半導体材料の一つであって、Zn
Se、ZnSSe、ZnMgSSeなどの材料に対する密着性が極めて
良い。また、耐酸性及び耐酸化性に優れている。さら
に、吸水性がほとんどなく、形状や寸法の安定性に優れ
ている。

【００２４】また、ZnOは、熱伝導性が極めて良く、そ
の熱伝導率の値はSiO₂の値の約30倍近い。従って、ZnO
を絶縁埋込層として用いることにより、活性層で発生し
た熱が、ZnO絶縁埋込層を通して効率的に放散される。

【００２５】さらに、ZnOは、ZnSe、ZnSSe、ZnMgSSeな
どに比べて屈折率が低いが、その差は適切な範囲であ
る。

【００２６】具体的には、例えばクラッド層の屈折率が
典型的には約２．５〜２．６であるのに対して、絶縁埋
込層を構成するZnO層の屈折率は約２．２である。クラ
ッド層と絶縁埋込層との間に存在する屈折率差がこの程
度の値である場合には、クラッド層のストライプ部分の
幅を５〜１０μｍ程度にまで大きくしても、単一横モー
ドレーザ発振が良好に実現される。これに対して、従来
のSiO₂による絶縁埋込層では屈折率が約１．４であっ
て、クラッド層との間の屈折率差が大きい。そのため、
安定した単一横モードレーザ発振を実現するためには、
クラッド層に形成するストライプ幅を２μｍ程度にまで
小さくしなければならない。しかし、そのような小さい
幅のストライプの形成は、困難を伴う。

【００２７】このように、ZnO層からなる絶縁埋込層
は、横方向の光閉込め層として有効に機能する。

【００２８】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）本発明の第１の実施形態を、図面
に基づいて説明する。

【００２９】図１は、本発明の第１の実施形態による、
ZnSe系II-VI族半導体を用いた青色半導体レーザ１００
の構造を示す断面図である。

【００３０】半導体レーザ１００では、Siをドープした
n型GaAs基板１１の上に、Clをドープしたn型ZnSeエピタ
キシャル層１２（厚さ０．０３μｍ）、Clをドープした
n型ZnMgSSeクラッド層１３（Zn_0.9Mg_0.1S_0.1Se_0.9、厚
さ１．０μｍ）、Clをドープしたn型ZnSSe光導波層１４
（ZnS_0.06Se_0.94、厚さ０．１２μｍ）、ZnCdSe活性層
１５（Zn_0.8Cd_0.2Se、厚さ０．００６μｍ）、及び、N
をドープしたp型ZnSSe光導波層１６（ZnS_0.06Se_0.94、
厚さ０．１２μｍ）が、順次積層されている。

【００３１】p型ZnSSe光導波層１６の上には、p型ZnMgS
Seクラッド層１７が、その一部がストライプ状の形状を
有するように形成されており、そのストライプ部分の上
には、Nをドープしたp型ZnTeコンタクト層１８が形成さ
れている。一方、ストライプ部分以外のp型ZnMgSSeクラ
ッド層１７の上には、ストライプ部分を両側から挟み込
むように多結晶ZnO埋込層１９が設けられている。さら
に、p型ZnTeコンタクト層１８及び多結晶ZnO埋込層１９
の上には、p型AuPd電極１１０が設けられている。一
方、n型GaAs基板１１の下には、n型In電極１１１が設け
られている。

【００３２】以上のように積層される各層のうちで、n
型ZnSeエピタキシャル層１２は、GaAs基板１１には格子
整合しないが、GaAs基板１１とII-VI族半導体材料から
構成される上部構造との間のバッファ層として機能す
る。一方、n型ZnSeエピタキシャル層１２の上に積層さ
れるn型ZnMgSSeクラッド層１３及びn型ZnSSe光導波層１
４は、GaAs基板１１と格子整合している。また、n型ZnS
Se光導波層１４の上に積層されるZnCdSe活性層１５は、
GaAs基板１１に格子整合しないが、その厚さが０．００
６μｍと薄く臨界膜厚以下であるので、格子不整合に起
因する転位は発生しない。

【００３３】このように、本実施形態の半導体レーザ１
００では、多結晶ZnOからなる埋込層１９が設けられ
て、電流狭窄及び光閉込めの役割を担っている。ZnOは
熱放散が良いことから、しきい値電流密度の低減と素子
の長寿命化が実現できる。また、効果的な光閉込めによ
り、単一横モードレーザ発振が得られる。

【００３４】なお、本実施形態では埋込層１９を多結晶
ZnOから構成しているが、単結晶ZnOで構成しても同様の
効果を得ることができる。

【００３５】さらに、以上の説明では埋込層１９の材料
としてZnOを用いているが、或いは多結晶ZnSを埋込層１
９の材料として用いることもできる。但し、多結晶ZnS
は吸水性が強く、吸水による変質を起こしやすい。ま
た、材料強度的にもろいことから、ZnSeなどに対する密
着性が悪い。従って、絶縁埋込層やエッチングマスク材
料としての利用価値も、あまり高いとは言えない。それ
に対して、以上で説明した本実施形態のように埋込層１
９をZnOから構成することで、吸水性が低く、またII-VI
族化合物半導体材料に対する密着性がよい埋込層１９を
得ることができて、しきい値が低い半導体レーザを実現
することができる。

【００３６】次に、本実施形態における半導体レーザ１
００の製造工程の一例を、図２（ａ）〜図２（ｅ）を参
照して説明する。以下に説明する本実施形態における製
造工程では、ZnSe系II-VI族半導体材料の成長方法とし
て、分子線エピタキシー法を用いている。

【００３７】まず、図２（ａ）に示すようにn型GaAs基
板１１を用意して、図２（ｂ）に示すようにGaAs基板１
１の上に、Clをドープしたn型ZnSeエピタキシャル層１
２、Clをドープしたn型ZnMgSSeクラッド層１３、Clをド
ープしたn型ZnSSe光導波層１４、ZnCdSe活性層１５、N
をドープしたp型ZnSSe光導波層１６、Nをドープしたp型
ZnMgSSeクラッド層１７、そしてNをドープしたp型ZnTe
コンタクト層１８を、順次エピタキシャル成長する。

【００３８】次に、フォトリソグラフ法によってストラ
イプ状のレジスト１１２のパターンを、エピタキシャル
成長で得られたエピタキシャル層の上、具体的には最上
層のp型ZnTeコンタクト層１８の上に形成し、それをマ
スクとして用いて、エピタキシャル層をストライプ状に
エッチングする。具体的には、図２(ｃ）に示すよう
に、レジストマスク１１２で覆われていない領域で、N
をドープしたp型ZnMgSSeクラッド層１７とNをドープし
たp型ZnTeコンタクト層１８とを飽和臭素水液を用いて
エッチングする。エッチャントは、飽和臭素水：燐酸：
水＝１：２：３の混合溶液である。

【００３９】その後、スパッタ法を用いて、室温でウエ
ハ全面にZnO層１９を形成する。ZnO層１９を形成後に、
アセトンによるリフトオフを用いて、レジスト層１１２
及びレジスト層１１２の上に堆積したZnO層を除去する
（図２（ｄ）参照）。そして、その後に、ウエハの上面
の全体に渡って、蒸着法を用いて図２（ｅ）に示すよう
にp型AuPd電極１１０を形成する。さらに、その後、GaA
s基板１１の裏面側に、やはり蒸着法によってn型In電極
１１１を堆積する。これによって、半導体レーザ１００
が形成される。

【００４０】以上の説明では、ZnO層の形成にスパッタ
法を用いているが、プロセス温度が十分に低い場合でも
ZnO層の堆積速度を大きくするためには、プラズマ化し
た酸素をスパッタ装置に導入することが効果的である。
図３は、プラズマ化した酸素を用いてZnO層を形成する
際に用いられる装置３００の概略図を示す。

【００４１】図３の構成において、真空容器３０の中に
設けられた電極３６の上に、ＩＩ−ＶＩ族半導体材料の
ウエハ３１を配置する。また、ウエハ３１に相対するよ
うに、他の電極３７の上にＺｎＯターゲット３２を配置
する。さらに、真空容器３０には、アルゴンガス導入管
３３、酸素ガス導入管３４、及び排気系３５が設けられ
ている。

【００４２】具体的には、ZnOターゲット３２をウエハ
３１に対して負電位に保った状態で、真空容器３０の中
に導入した放電ガス、例えばArガスを減圧して、放電を
起こす。これによって、Arイオンを、負電位に保ってあ
るZnOターゲット３２に向かって加速衝突させる。この
衝突で、ターゲット３２から離脱したZnOがその近くに
位置するII-VI族半導体ウエハ（基板）３１の上に堆積
する。

【００４３】図３に示す装置３００の構成では、アルゴ
ンガス導入管３３からArガスを真空容器３０の中に導入
すると同時に、酸素ガス導入管３４より酸素を真空容器
３０の中に導入する。放電によってプラズマ化した酸素
は、II-VI族半導体基板３１の上に堆積するZnO膜の中に
取り込まれる。これによって、堆積されるZnO膜の中の
酸素の抜けを防ぐことができ、良質なZnO膜を得ること
ができる。さらに、低いプロセス温度においても、従来
技術の堆積方法に比べて、ZnO膜の堆積速度は数倍程度
増加する。

【００４４】以上で説明した本発明の第１の実施形態の
製造方法においては、ZnO膜の形成にスパッタ法を用い
ているが、電気化学的にII-VI族半導体基板を酸化してZ
nO膜を得る方法も有効である。

【００４５】図４は、ZnO膜の電気化学的な形成に用い
られる装置４００の概略図である。

【００４６】電解液４２の中に、II-VI族半導体ウエハ
（基板）４１と電極４３とを浸す。電解液４２として
は、エチレングリコール或いはN-メチルアセトアミドな
どの溶媒に、KNO₃或いはNH₄NO₃などの塩を加えたものを
用いる。そして、II-VI族半導体基板４１を負電極と
し、白金などの金属からなる電極４３を正電極として、
両電極４１及び４３の間に電圧を印加し、半導体基板４
１の表面を酸化する。

【００４７】その酸化の機構は、ZnSeとZnOとの界面を
離れたZnイオンがZnO膜中を電界で移動拡散し、酸化膜
の表面で酸素と反応するものである。酸化膜の成長速度
は回路を流れる電流密度にほぼ比例する。従って、一定
電流で酸化する場合には、両電極４１及び４３の間の電
圧が次第に上昇してZnO膜の絶縁破壊が起こるため、成
長できる膜厚に制限がある。典型的には、約２００ｎｍ
程度が限界である。

【００４８】この方法により、II-VI族半導体基板４１
にダメージを与えることなく、室温で良質のZnO膜を形
成することができる。

【００４９】（第２の実施の形態）以下に、本発明の第
２の実施形態を図面を参照して説明する。

【００５０】図５は、ZnSe系II-VI族半導体を用いた本
実施形態の青色半導体レーザ５００の構造を示す断面図
である。

【００５１】半導体レーザ５００では、Siをドープした
n型GaAs基板５１の上に、Clをドープしたn型ZnSeエピタ
キシャル層５２、Clをドープしたn型ZnMgSSeクラッド層
５３、Clをドープしたn型ZnSSe光導波層５４、ZnCdSe活
性層５５、Nをドープしたp型ZnSSe光導波層５６、及
び、Nをドープしたp型ZnMgSSeクラッド層５７が、順に
積層されている。

【００５２】p型ZnMgSSeクラッド層５７は、その一部が
ストライプ状の形状を有するように形成されており、そ
のストライプ部分の上には、Nをドープしたp型ZnTeコン
タクト層５８が形成されている。一方、ストライプ部分
以外のp型ZnMgSSeクラッド層５７の上には、ストライプ
部分を両側から挟み込むように酸素をイオン注入した埋
込層５９が設けられている。さらに、p型ZnTeコンタク
ト層５８及び埋込層５９の上には、p型AuPd電極５１０
が設けられている。一方、n型GaAs基板５１の下には、n
型In電極５１１が設けられている。

【００５３】このように、本実施形態の半導体レーザ５
００では、酸素をイオン注入した層５９を埋込層として
設けて、電流狭窄及び光閉込めの役割を担っている。こ
のような層は熱放散が良いことから、しきい値電流密度
の低減と素子の長寿命化が実現できる。

【００５４】また、第１の実施形態におけるZnO層によ
る埋込層の場合と同様に、クラッド層に対して適切な範
囲の屈折率の差を確保することができる。これによっ
て、効果的な光閉込めが実現されて、良好な単一横モー
ドレーザ発振が得られる。

【００５５】本構造の半導体レーザ５００では、波長約
５００ｎｍにおいて、室温での連続発振が実現される。
図６は、クラッド層５７のストライプ幅が５μｍである
場合について、室温で連続発振した場合に得られる電流
−光出力特性のグラフの一例である。

【００５６】次に、本実施形態における半導体レーザ５
００の製造工程の一例を、図７（ａ）〜図７（ｄ）を参
照して説明する。以下に説明する本実施形態における製
造工程では、ZnSe系II-VI族半導体材料の成長方法とし
て、分子線エピタキシー法を用いている。

【００５７】まず、図７（ａ）に示すようにn型GaAs基
板５１を用意して、図７（ｂ）に示すようにGaAs基板５
１の上に、Clをドープしたn型ZnSeエピタキシャル層５
２、Clをドープしたn型ZnMgSSeクラッド層５３、Clをド
ープしたn型ZnSSe光導波層５４、ZnCdSe活性層５５、N
をドープしたp型ZnSSe光導波層５６、Nをドープしたp型
ZnMgSSeクラッド層５７、そしてNをドープしたp型ZnTe
コンタクト層５８を、順次エピタキシャル成長する。

【００５８】次に、フォトリソグラフ法によってストラ
イプ状のレジスト５１２のパターンを、エピタキシャル
成長で得られたエピタキシャル層の上、具体的には最上
層のp型ZnTeコンタクト層５８の上に形成し、それをマ
スクとして用いて、図７(ｃ）に示すように、エピタキ
シャル層に酸素イオン５１３を注入する。

【００５９】その後に、アセトンによるリフトオフを用
いてレジスト層５１２を除去する（図７（ｄ）参照）。
そして、その後に、ウエハの上面の全体に渡って、蒸着
法を用いて図７（ｄ）に示すようにp型AuPd電極５１０
を形成する。さらに、その後、GaAs基板５１の裏面側
に、やはり蒸着法によってn型In電極５１１を堆積す
る。これによって、半導体レーザ５００が形成される。

【００６０】イオン注入条件は、例えば、加速電圧９０
Ｖ、ドーズ量１×１０¹³ｃｍ^-2に設定する。この場合
に、ＬＳＳ理論から計算される飛程は、Ｒｐ＝０．１４
μｍである。これによって、p型ZnMgSSeクラッド層５７
及びp型ZnTeコンタクト層５８のうちでレジスト５１２
で覆われていない部分に酸素イオン５１３が注入され
て、注入層５９が形成される。

【００６１】ZnSe系II-VI族半導体に酸素をイオン注入
する場合、ドーズ量は１×１０¹⁴ｃｍ^-2以下であり、か
つ５×１０¹²ｃｍ^-2以上であることが望ましい。この範
囲のドーズ量であれば、深さ２Ｒｐ（０．２８μｍ）の
領域における酸素不純物濃度は１×１０¹⁴ｃｍ^-3以上と
なり、この領域は高抵抗になる。しかし、この範囲より
大きなドーズ量においては、II-VI族半導体材料に特有
の照射損傷欠陥による活性層への影響が大きくなり、レ
ーザ発振を得ることが困難である。また、この範囲より
小さなドーズ量においては、高抵抗化が困難となり、絶
縁埋込層として用いることができなくなる。

【００６２】図８には、酸素をイオン注入した層５９の
絶縁性を示す目的で、その層５９における電流−電圧特
性を示している。これより、−２０Ｖ〜＋２０Ｖの範囲
の電圧を層５９に印加しても全く電流は流れず、有効な
絶縁性を有していることがわかる。なお、本実施形態で
は、イオン注入後に２７５℃で１０分間の熱処理を行な
うが、これはドーズ量によっては省略可能である。

【００６３】（第３の実施の形態）青緑色半導体レーザ
においては、高密度光ディスクメモリやレーザプリンタ
への適用のためには、非点隔差が小さく安定した基本横
モードレーザ発振の実現が要求される。埋め込みリッジ
構造におけるインデックスガイド効果は、そのような特
性を実現するために効果的である。以下では、本発明の
第３の実施形態として、ZnO埋込層を用いてビーム非点
隔差を小さくし、安定した横モードレーザ発振を実現し
た、実インデックスガイド型青緑色半導体レーザを説明
する。

【００６４】図９（ａ）は、本実施形態のZnCdSe/ZnSSe
/ZnMgSSeＳＣＨインデックスガイド型レーザ９００の構
成を示す断面図である。

【００６５】半導体レーザ９００では、Siをドープした
n型GaAs基板９１の上に、Clをドープしたn型ZnSeエピタ
キシャル層９２（厚さ０．０１μｍ）、Clをドープした
n型ZnMgSSeクラッド層９３（Zn_0.9Mg_0.1S_0.1Se_0.9、厚
さ２．０μｍ）、Clをドープしたn型ZnSSe光導波層９４
（ZnS_0.06Se_0.94、厚さ０．１１μｍ）、ZnCdSe活性層
９５（Zn_0.8Cd_0.2Se、厚さ０．００６μｍ）、Nをドー
プしたp型ZnSSe光導波層９６（ZnS_0.06Se_0.94、厚さ
０．１２μｍ）、及びp型ZnMgSSeクラッド層９７が、順
次積層されている。

【００６６】p型ZnMgSSeクラッド層９７は、その一部が
ストライプ状の形状を有するように形成されている。ス
トライプ部分の厚さは０．７４μｍであり、それ以外の
部分の厚さは０．２３μｍである。ストライプ部分の上
には、GaAs基板９１に格子整合するp型ZnSSe層９８（Zn
S_0.06Se_0.94、厚さ０．４５μｍ）、p型ZnSe層９９、及
びp型ZnTeとp型ZeSeとの多重量子井戸層９１１を介し
て、Nをドープしたp型ZnTeコンタクト層９１２が形成さ
れている。一方、ストライプ部分以外のp型ZnMgSSeクラ
ッド層９７の上及びストライプ部分の側面には、ZnO埋
込層９１３が設けられている。さらに、p型ZnTeコンタ
クト層９１２及び多結晶ZnO埋込層９１３の上には、p型
AuPd電極９１４が設けられている。一方、n型GaAs基板
９１の下には、n型In電極９１５が設けられている。

【００６７】以上のように積層される各層のうちで、n
型ZnSeエピタキシャル層９２は、GaAs基板９１には格子
整合しないが、GaAs基板９１とII-VI族半導体材料から
構成される上部構造との間のバッファ層として機能す
る。一方、n型ZnSeエピタキシャル層９２の上に積層さ
れるn型ZnMgSSeクラッド層９３及びn型ZnSSe光導波層９
４は、GaAs基板９１と格子整合している。また、n型ZnS
Se光導波層９４の上に積層されるZnCdSe活性層９５は、
GaAs基板９１に格子整合しないが、その厚さが０．００
６μｍと薄く臨界膜厚以下であるので、格子不整合に起
因する転位は発生しない。

【００６８】さらに、p型ZnMgSSeクラッド層９７の上の
p型ZnSSe層９８は、P型ZnMgSSe層９７とP型ZnSe層９９
との間の急激なバンドオフセットの変化を緩和するため
に挿入されている。また、多重量子井戸層９１１は、図
９（ｂ）に示すようにZnSe層とZnTe層とが交互に積層さ
れて、結果として、下層のZnSe層９９から上層のZeTe層
９１２への組成変化が徐々に起こるようになっている。

【００６９】このように、本実施形態の半導体レーザ９
００では、屈折率が約２.２であるZnOからなる埋込層９
１３が設けられていて、電流狭窄及び光閉込めの役割を
担っている。ZnOは熱放散が良いことから、しきい値電
流密度の低減と素子の長寿命化が実現できる。また、効
果的な光閉込めにより、単一横モードレーザ発振が得ら
れる。

【００７０】上記各層のエピタキシャル成長は、約２７
０℃の成長温度で行われる。また、リッジ型導波路構造
は、load-locked型電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）
プラズマエッチングシステムを用いて、形成される。レ
ーザ構造は、Cl₂ガスとH₂ガスの放電を使用して形成さ
れる。ＥＣＲプラスマエッチングの異方性特性によっ
て、リッジ部分の側壁を垂直にするとともに表面を平滑
化することができ、高精度でリッジパターンを形成する
ことができる。

【００７１】本実施形態の半導体レーザ９００につい
て、室温でパルス駆動された場合の特性を以下に説明す
る。典型的には、光出力−電流特性は、２００ｍＡ以上
の範囲までキンクフリーである。しきい電流値は、約２
００ｍＡである。

【００７２】さらに、レーザ発振モードにおける遠視野
パターンの検討結果を以下に述べる。図１０は、幅５μ
ｍのリッジを設けた場合における横方向遠視野パターン
特性を示すグラフである。

【００７３】これより、注入電流を広い範囲で変化させ
て出力を変化させても、出力ビームは非点隔差を有さ
ず、一定の遠視野全角を有していることがわかる。これ
より、横方向での実インデックスガイドモードが成立し
ていることがわかる。さらに、注入電流が変化しても横
方向の形状が一定であることは、出力１８ｍＷまでの範
囲で、単一横モードレーザ発振が成立していることを意
味している。横方向の遠視野放射角は、しきい値よりも
上の範囲で約７度と狭くなっている。

【００７４】図１１は、出力３ｍＷの場合の、接合面に
平行な面内で測定された、レーザ出力端の近傍における
レーザスポットサイズを示している。

【００７５】一般に、レーザビームのビームウエスト
（すなわち、レーザスポット径が最も小さくなっている
箇所）とレーザ出力端との間の距離を非点隔差と称す
る。図１１に示すように、従来技術による構造を有する
半導体レーザでは非点隔差が約２５μｍであるのに対し
て、本実施形態では、その実インデックスガイド型構造
によって、非点隔差は０．５μｍ以下である。従って、
本実施形態によれば、図１２（ａ）及び（ｂ）に示すよ
うに、レーザビームを横からみても（図１２（ａ））、
或いは上からみても（図１２（ｂ））、ビームウエスト
がレーザ出射端面に位置している。これによって、レー
ザをレンズによって絞る場合に、そのビームスポット径
を最小値にすることが可能になる。

【００７６】以上に説明した各実施形態における半導体
レーザでは、クラッド層に設けられるストライプの幅
は、典型的には約５μｍである。

【００７７】なお、上記の本実施形態の説明では、ZnSe
系II-VI族半導体レーザを例に示しているが、ZnS系II-V
I族半導体レーザにおいても本発明が利用できるのは言
うまでもない。

【００７８】また、各層の組成や厚さは、上記の説明の
中で言及した特定の値に限られるわけではない。

【００７９】

【発明の効果】本発明では、ZnO層または酸素を添加し
たZnSe系半導体層を半導体レーザの埋込層に用いる。こ
れにより、埋込層のZnSe系半導体層への密着性が向上
し、熱放散が向上する。そのため、ZnSe系青色半導体レ
ーザにおいて、従来にない、低しきい値電流密度、長寿
命、高パワー、高温動作などが得られ、工業的価値は極
めて高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態における青色半導体レ
ーザの断面図である。

【図２】（ａ）〜（ｅ）は、図１に示す青色半導体レー
ザの製造工程を示す断面図である。

【図３】本発明の実施形態にて使用される、プラズマ化
した酸素を用いたZnO膜の形成装置の構成を示す断面図
である。

【図４】本発明の実施形態にて使用される、電気化学的
なZnO膜の形成装置の構成を示す断面図である。

【図５】本発明の第２の実施形態における青色半導体レ
ーザの構造を示す断面図である。

【図６】図５に示す青色半導体レーザの電流−光出力特
性を示すグラフである。

【図７】（ａ）〜（ｄ）は、図５に示す青色半導体レー
ザの製造工程を示す断面図である。

【図８】図５に示す半導体レーザに含まれる、酸素をイ
オン注入した層（埋込層）における電流−電圧特性を示
すグラフである。

【図９】（ａ）は、本発明の第３の実施形態における青
色半導体レーザの断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示
す半導体レーザに含まれる多重量子井戸層の構成を示す
拡大された断面図である。

【図１０】図９（ａ）に示す半導体レーザにおける横方
向遠視野パターン特性を示す図である。

【図１１】図９（ａ）に示す半導体レーザのレーザ端面
の近傍における接合面に平行な面で測定した、出力３ｍ
Ｗの際のビームスポット径の変化を示すグラフである。

【図１２】図９（ａ）に示す本発明の半導体レーザにお
けるビームウエストの形状を模式的に示す図であり、
（ａ）はビームを横からみた図であり、（ｂ）はビーム
を上から見た図である。

【図１３】従来の青色半導体レーザの構造を示す断面図
である。

【符号の説明】

１００ 半導体レーザ １１ Siをドープしたn型GaAs基板 １２ Clをドープしたn型ZnSeエピタキシャル層 １３ Clをドープしたn型ZnMgSSeクラッド層 １４ Clをドープしたn型ZnSSe光導波層 １５ ZnCdSe活性層 １６ Nをドープしたp型ZnSSe光導波層 １７ Nをドープしたp型ZnMgSSeクラッド層 １８ Nをドープしたp型ZnTeコンタクト層 １９ 多結晶ZnO埋込層 １１０ p型AuPd電極 １１１ n型In電極 １１２ レジスト ３１ II-VI族半導体ウエハ（基板） ３２ ZnOターゲット ３３ アルゴンガス導入管 ３４ 酸素ガス導入管 ３５ 排気系 ３６、３７ 電極 ４１ II-VI族半導体ウエハ（基板） ４２ 電解液 ４３ 白金電極 ５００ 半導体レーザ ５１ Siをドープしたn型GaAs基板 ５２ Clをドープしたn型ZnSeエピタキシャル層 ５３ Clをドープしたn型ZnMgSSeクラッド層 ５４ Clをドープしたn型ZnSSe光導波層 ５５ ZnCdSe活性層 ５６ Nをドープしたp型ZnSSe光導波層 ５７ Nをドープしたp型ZnMgSSeクラッド層 ５８ Nをドープしたp型ZnTeコンタクト層 ５９ 酸素をイオン注入した層 ５１０ p型AuPd電極 ５１１ n型In電極 ５１２ レジスト ５１３ 酸素イオン ９００ 半導体レーザ ９１ Siをドープしたn型GaAs基板 ９２ Clをドープしたn型ZnSeエピタキシャル層 ９３ Clをドープしたn型ZnMgSSeクラッド層 ９４ Clをドープしたn型ZnSSe光導波層 ９５ ZnCdSe活性層 ９６ Nをドープしたp型ZnSSe光導波層 ９７ Nをドープしたp型ZnMgSSeクラッド層 ９１１ p型ZnTe／ZnSe多重量子井戸層 ９１２ Nをドープしたp型ZnTeコンタクト層 ９１３ ZnO埋込層 ９１４ p型AuPd電極 ９１５ n型In電極

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−199752（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−334263（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−226633（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−21567（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−161981（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−342960（ＪＰ，Ａ) Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．［63 ］17（1993）ｐ．2315−2317 ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＬＥＴＴＥ ＲＳ［29］25（1993）ｐ．2194−2195 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01S 3/18 H01L 33/00 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、 該基板の上に順次エピタキシャル成長された、それぞれ
   II−VI族化合物半導体からなるｎ型クラッド層、活性
   層、及びｐ型クラッド層を備え、 該ｐ型クラッド層の上の所定の箇所には、電流狭窄及び
   横方向の光閉じ込めを行うＺｎＯ埋込層がさらに形成さ
   れている、単一横モード発振半導体レーザ。
2. 【請求項２】 前記ｎ型及びｐ型クラッド層は、ＺｎＳ
   ｅ、ＺｎＳＳｅ、或いはＺｎＭｇＳＳｅから形成されて
   いる、請求項１に記載の単一横モード発振半導体レー
   ザ。
3. 【請求項３】 前記ｎ型及びｐ型クラッド層の屈折率は
   約２．５〜約２．６の範囲にある、請求項１に記載の単
   一横モード発振半導体レーザ。
4. 【請求項４】 前記ｐ型コンタクト層がストライプ状に
   形成されており、前記ＺｎＯ埋込層は、該ｐ型クラッド
   層のうちで該ストライプ状ｐ型コンタクト層の両側に位
   置する部分の上に形成されている、請求項１に記載の単
   一横モード発振半導体レーザ。
5. 【請求項５】 ＮＯ₃化合物を含有する溶媒の中に金属
   部材及びII−VI族半導体部材を浸し、該金属部材を正電
   極ならびに該II−VI族半導体部材を負電極として両部材
   の間に電圧を印加して、それによって該II−VI族半導体
   部材の表面にＺｎＯ層を形成する工程を包含する、半導
   体発光素子の製造方法。
6. 【請求項６】 基板の上に、それぞれII−VI族化合物半
   導体からなるｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド
   層、及びｐ型コンタクト層を、順次エピタキシャル成長
   する工程と、 該ｐ型コンタクト層をストライプ状にエッチングする工
   程と、 該ｐ型クラッド層のうちで該ストライプ状ｐ型コンタク
   ト層の両側に位置する領域の上に、電流狭窄及び横方向
   の光閉じ込めを行うＺｎＯ埋込層を形成する工程と、 を包含する、単一横モード発振半導体レーザの製造方
   法。
7. 【請求項７】 前記ＺｎＯ埋込層の形成工程ではプラズ
   マ化した酸素を用いる、請求項６に記載の単一横モード
   発振半導体レーザの製造方法。
8. 【請求項８】 前記ＺｎＯ埋込層の形成工程では、ＮＯ
   ₃化合物を含有する溶媒の中に金属部材及びII−VI族半
   導体部材を浸し、該金属部材を正電極ならびに該II−VI
   族半導体部材を負電極として両部材の間に電圧を印加し
   て、それによって該II−VI族半導体部材の表面にＺｎＯ
   層を形成して、該ＺｎＯ層を該埋込層とする、請求項６
   に記載の単一横モード発振半導体レーザの製造方法。