JP2000091708A

JP2000091708A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP2000091708A
Application number: JP10260547A
Authority: JP
Inventors: Leney John; ジョン、レニー
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-09-14
Filing date: 1998-09-14
Publication date: 2000-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】活性層からの電子のオーバーフローに対する
バリア効果を維持しつつ、活性層に対する正孔の流入に
対するバリアを低減することができる半導体発光素子を
提供することを目的とする。【解決手段】活性層に注入された電子のオーバーフロ
ーを抑制するバリアとして作用し、さらに、活性層に注
入される前の正孔に対するバリア作用が緩和されたオー
バーフロー防止層を設ける。具体的には、層厚や組成が
徐々に変化する超格子や組成が連続的または階段状に変
化する構造とすることにより、正孔の流入を促進して、
キャリアのロスを解消し、発光効率の高い半導体発光素
子を実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体発光素子に
関する。より具体的には、本発明は、活性層からの電子
のオーバーフローに対するバリア効果を維持しつつ、活
性層に対する正孔の流入に対するバリアを低減すること
ができる半導体発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体発光素子、特に半導体レーザ素子
や高輝度の発光ダイオード（ＬＥＤ）においては、発光
を生ずる活性層に対して、キャリアを高い密度で閉じ込
めることが必要とされる。キャリアの閉じ込めをより完
全にするために、いわゆるキャップ層を設けた構造が提
案されている。このキャップ層は、活性層からのキャリ
アのオーバーフロー、すなわち流出を防ぐ役割を有す
る。

【０００３】以下の説明においては、半導体発光素子の
一例として、窒化物系半導体を用いた半導体レーザを例
に挙げて説明する。なお、本願において「窒素物系半導
体」とは、Ｂ_xＩｎ_yＡｌ_zＧａ_(1-x-y-z)Ｎ（Ｏ≦ｘ，
ｙ，ｚ≦１）のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を含み、Ｖ族
元素はＮに加えて、リン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）などを含
有する混晶も含む。さらに、ＢｅＣＮ₂などのＩＩ族−
ＩＶ族−Ｎ₂型の化合物も含むものとする。

【０００４】窒化物系半導体は、マグネシウム（Ｍｇ）
を用いたｐ型のドーピングが成功したことによって注目
され、青色の可視光波長帯や紫外線波長帯における種々
の半導体レーザ構造が提案されている。しかしながら、
安定したレーザ発振は未だ実現されておらず、解決すべ
き多くの課題が残されている。大きな問題のひとつは、
動作電圧としきい値電流が極めて高いことである。その
原因は、活性層を構成する多重量子井戸（ＭＱＷ：mult
iple quantum well）のバリアがウエルに対して十分に
高くない点にある。これは、窒化ガリウム系半導体の場
合には、ウエル層のインジウムの組成が低い程、発光効
率が高いことによる。つまり、ウエル層の発光効率を改
善するためには、そのインジウム組成を低くする必要が
あるが、このために、ウエル層のバンドギャップが大き
くなり、バリア層とのエネルギ差を十分に確保すること
ができない。

【０００５】この結果として、多数のキャリア、特に電
子がガイド層やクラッド層にオーバーフローしてロスが
生ずることとなる。クラッド層のアルミニウム（Ａｌ）
の組成を上げることにより、このオーバーフローを減ら
すことができる。一方で、十分な光の閉じ込めを達成す
るために、クラッド層は厚く形成する必要がある。しか
し、アルミニウムの組成を上げてクラッド層を厚く成長
するとクラックが発生し、クラックの発生を抑えつつ、
厚いＡｌＧａＮのクラッド層を成長することは困難であ
った。

【０００６】これに対して、活性層とガイド層との間に
高いアルミニウム組成を有するキャップ層を設けた構造
が提案されている。

【０００７】図１０は、このようなキャップ層を設けた
半導体レーザを表す概略断面図である。

【０００８】この構造を開示した文献としては、例え
ば、特開平９−２１９５５６号公報や、中村らより報告
されたＰｒｏｃ．２ｎｄＩｎｔ．Ｃｏｎｆ．Ｎｉｔｒ
ｉｄｅＳｅｍ．；Ｓ１（１９９７）ｐ．４４４を挙げる
ことができる。図１０に示した半導体発光素子は、サフ
ァイア基板１０１の上に、ｎ型コンタクト層１０２、ｎ
型クラッド層１０４、ｎ型光ガイド層１０５、活性層１
０６、ｐ型キャップ層１１２、ｐ型光ガイド層１０７、
ｐ型クラッド層１０８、ｐ型コンタクト層１０９がこの
順に積層された構造を有する。

【０００９】クラッド層１０４、１０８は、キャリアを
活性層１０６に閉じ込め、活性層から高い光出力を得る
ために、活性層よりも大きなバンドギャップを有するこ
とが必要とされる。

【００１０】また、ｐ型の各層は図示したようにメサ状
に加工され、注入電流を狭窄するようにされている。素
子の側面は、ＳｉＯ２などからなる保護膜１１０に覆わ
れ、ｐ型コンタクト層１０２の上にはｎ側電極１０３が
形成され、ｐ型コンタクト層１０９の上にはｎ側電極１
１１が形成されている。各層の材料は、例えば、ｎ型コ
ンタクト層１０２としてＧａＮ、ｎ型クラッド層１０４
としてＡｌＧａＮ、ｎ型光ガイド層１０５としてＧａ
Ｎ、活性層１０６としてＩｎＧａＮからなる多重量子井
戸（ＭＱＷ）、ｐ型キャップ層１１２としてＡｌＧａ
Ｎ、ｐ型光ガイド層１０７としてＧａＮ、ｐ型クラッド
層１０８としてＡｌＧａＮ、ｐ型コンタクト層１０９と
してＧａＮをそれぞれ用いることができる。

【００１１】また、ｎ側電極１０３としては、例えばア
ルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）をこの
順序に積層したもの、ｐ側電極１１１としては、例えば
白金（Ｐｔ）と金（Ａｕ）をこの順序に積層したものを
それぞれ用いることができる。

【００１２】図１０に示した半導体レーザにおいては、
キャップ層１１２を設けることによって、ｐ型ガイド層
やｐ型クラッド層への電子のオーバーフローをある程度
抑制することができる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】従来は、電子のオーバ
ーフローを阻止するために、アルミニウム組成を高くし
たＡｌＧａＮキャップ層１１２が用いられ、その層の層
厚を薄くしつつ高濃度にドーピングすることによって、
正孔は活性層に容易に流入することができると考えられ
ていた。

【００１４】しかし、本発明者の検討の結果、この認識
は誤りであり、正孔が活性層に流入することが困難であ
り、そのために、レーザ素子に大きなロスが生ずること
が判明した。以下に、この理由について詳細に説明す
る。

【００１５】図１１は、図１０の素子のバンド構造を表
し、低注入電流の条件下におけるキャリアの流れを説明
する概念図である。同図に示したように、ＡｌＧａＮか
らなるキャップ層１１２は、価電子帯において、ｐ型ガ
イド層との間に約１５０ｍｅＶ程度のショットキ・バリ
アを有する。正孔は、窒化ガリウム系半導体中において
質量が大きく移動度が小さいため、ｐ型ＡｌＧａＮキャ
ップ層１１２のエネルギ・バリアを超えて活性層１０６
に到達することが困難である。正孔がキャップ層１１２
のバリアを超えて活性層に注入されるためには、非常に
高い電界が必要とされ、これは、レーザに対する印加電
圧が高く、注入レベルが高いの場合に限定される。つま
り、低注入条件の下では、同図に表したように、正孔の
活性層への流入はキャップ層１１２により制限されてし
まう。

【００１６】これに対して、活性層１０６に流入した電
子は、はるかに高い移動度を有し、しかも、再結合する
相手となる正孔が活性層中には存在しないために長いラ
イフタイムを有する。その結果として、活性層中の電子
は、キャップ層１１２を越えてｐ型ガイド層１０７にオ
ーバーフローし、ガイド層で正孔と再結合して発光を生
ずるようになる。

【００１７】このプロセスによりキャリアの大きなロス
が生ずる。また、このような半導体レーザの性能を改善
するために、超格子からなるクラッド層を用いる構造
が、特開平１０−８４１３４号公報（発明者：中村ら）
において開示されているが、前述した問題を解決するに
は至っていない。

【００１８】一方、この問題を解決する方法として、ｐ
型ＡｌＧａＮキャップ層１１２に高い濃度でマグネシウ
ム（Ｍｇ）をドーピングすることも考えられる。しか
し、これには、次に説明する２つの問題がある。

【００１９】すなわち、第１の問題は、ｐ型ＡｌＧａＮ
の正孔キャリア濃度の上限は、１０¹⁷ｃｍ^-3程度に限定
され、高い濃度のドーピングが困難なことである。

【００２０】第２の問題は、ｐ型ＡｌＧａＮのドーピン
グ効率は極めて低く、上限のドーピングレベルにおいて
は過剰のマグネシウムが生ずることである。この過剰の
マグネシウムは、発光素子の動作中においても極めて容
易に活性層中に拡散し、活性層の発光効率を大幅に低下
させる原因となる。

【００２１】これらの問題があるために、キャップ層１
１２を高い濃度にドーピングすることは困難である。

【００２２】一方、窒化物系半導体を用いた発光素子に
特有の問題として、ＡｌＧａＮからなるキャップ層１１
２を設けると、発光強度の経時劣化を引き起こすことも
分かった。これは、キャップ層とガイド層との格子定数
の相違に起因して、ガイド層に正孔に対するトラップ準
位が発生するためであると考えられる。

【００２３】以上詳述したように、従来のＡｌＧａＮキ
ャップ層を用いた半導体レーザにおいては、正孔の活性
層への流入が阻害され、そのために、レーザ素子に大き
なロスが生ずることが判明した。さらに、これを防ぐた
めに、キャップ層に高濃度のドーピングを施そうとする
と別の問題が生ずる。また、正孔のトラップ準位が発す
るという問題があることも分かった。

【００２４】本発明は、かかる課題の認識に基づいてな
されたものである。すなわち、その目的は、活性層から
の電子のオーバーフローに対するバリア効果を維持しつ
つ、活性層に対する正孔の流入に対するバリアを低減す
ることができる半導体発光素子を提供することにある。

【００２５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明によれば、独特の構成を有するオーバーフロ
ー防止層を導入する。

【００２６】すなわち、本発明の半導体発光素子は、活
性層を備え、前記活性層に電子と正孔とを注入して発光
を生じさせる半導体発光素子であって、前記活性層に注
入された前記電子と前記正孔のいずれか一方のオーバー
フローを抑制するバリアとして作用するオーバーフロー
防止層をさらに備え、前記オーバーフロー防止層は、さ
らに、前記活性層に注入される前の前記電子と前記正孔
のいずれか他方に対するバリア作用が緩和されてなるこ
とを特徴とする。

【００２７】または、本発明の半導体発光素子は、活性
層と、オーバーフロー防止層と、を備え、前記活性層に
電子と正孔とを注入して発光を生じさせる半導体発光素
子であって、前記オーバーフロー防止層は、前記活性層
側の端面においては、前記活性層よりも大きく且つ急峻
に変化する第１のバンドギャップを有し、前記活性層か
らみて反対側においては、層厚方向に端面に近づくにつ
れて実効的なバンドギャップが前記第１のバンドギャッ
プよりも小さくなるものとして構成されていることを特
徴とする。

【００２８】ここで、本発明の望ましい実施の形態とし
て、前記オーバーフロー防止層は、複数のバリア層と複
数のウエル層とを含む超格子を有し、前記複数のバリア
層と前記複数のウエル層の少なくともいずれかは、層厚
または組成が一定でないことを特徴とする。

【００２９】または、前記オーバーフロー防止層は、そ
の層厚方向に沿って組成が連続的に変化する部分を有す
ることを特徴とする。

【００３０】または、前記オーバーフロー防止層は、そ
の層厚方向に沿って組成が階段状に変化する部分を有す
ることを特徴とする。

【００３１】本発明は、特に窒化物系半導体を用いた半
導体発光素子に用いて好適であり、具体的には、前記活
性層は、窒化物系半導体からなり、前記オーバーフロー
防止層は、アルミニウムを含む窒化物半導体からなる半
導体発光素子に用いて好適である。

【００３２】

【発明の実施の形態】本発明によれば、独特の構成を有
するオーバーフロー防止層を導入することにより、キャ
リアのロスを効果的に抑制し、従来よりも発光効率が高
く、寿命が長く、しきい値電流密度が低く、かつ動作電
圧も低い半導体発光素子を実現することができる。

【００３３】以下に、窒化物系半導体を用いた半導体レ
ーザを例に挙げつつ、本発明の実施の形態について説明
する。

【００３４】図１は、本発明の半導体発光素子を表す概
略断面図である。すなわち、同図に例示した半導体発光
素子は、窒化物系半導体を用いた半導体レーザである。
この半導体レーザにおいては、サファイア基板１０１の
上に、ｎ型コンタクト層１０２、ｎ型クラッド層１０
４、ｎ型光ガイド層１０５、活性層１０６、オーバーフ
ロー防止層１２、ｐ型光ガイド層１０７、ｐ型クラッド
層１０８、ｐ型コンタクト層１０９がこの順に積層され
た構造を有する。

【００３５】各層の役割、或いは組成や層厚について
は、図１０に関して前述したものと同様とできるものも
あるので、同一の部分には同一の符号を付して詳細な説
明は省略する。また、ｐ型の各層は図示したようにメサ
状に加工され、注入電流を狭窄するようにされている。
なお、電流の狭窄や光の閉じ込めのためには、図示した
以外にも、例えば、選択埋め込みリッジ型（Selectivel
y Buried Ridge：ＳＢＲ）レーザや、絶縁ストライプ
（Isolated Stripe）型レーザのような各種の構造を採
用しても良い。

【００３６】本発明の半導体発光素子の特徴は、活性層
１０６とガイド層１０７の間に設けられたオーバーフロ
ー防止層１２にある。

【００３７】図２は、本発明の半導体発光素子のオーバ
ーフロー防止層の具体例を表す価電子帯バンド構造の概
念図である。すなわち、同図は、オーバーフロー防止層
１２の価電子帯のエネルギー・レベルを表す。同図の例
においては、オーバーフロー防止層１２は、ＡｌＧａＮ
からなるバリア層１２ＢとＧａＮからなるウエル層１２
Ｗとを交互に積層した超格子構造を有する。この超格子
は、実効的なエネルギ・レベルを低エネルギのガイド層
から活性層に向かって徐々に変化させるように設計す
る。その具体的な構造は、ウエル及びバリアの材料に応
じて、適宜設計することができる。超格子を構成する材
料や層厚を最適化することによって、発光素子の特性を
制御することが可能であり、所望の特性を実現すること
ができる。すなわち、従来よりも高い効率と長い寿命を
有する発光素子を提供することができる。

【００３８】図２に示した具体例においては、ガイド層
１０７から活性層１０６に近づくにつれて、バリア層１
２Ｂの層厚は徐々に厚くなり、ウエル層１２Ｗの層厚
は、逆に薄くなるように形成されている。また、同図の
例では、各バリア層のＡｌ組成は同一である。

【００３９】このように、超格子を構成する各層の層厚
を徐々に変化させると、図２に点線で示したように、量
子効果により得られるエネルギ・レベルを徐々に変化さ
せることができる。すなわち、ｐ型ガイド層１０７から
活性層１０６に向かって、オーバーフロー防止層１２の
価電子帯の実効的なエネルギ・レベルは階段状に徐々に
変化する。その結果として、正孔に対する実効的な障壁
が低下し、正孔はこの階段に沿って活性層１０６に流入
することができるようになる。

【００４０】一方、オーバーフロー防止層１２のうち
で、活性層１０６に隣接したバリア層１２ＢＲは、活性
層からの電子のオーバーフローを防ぐための障壁として
作用する。すなわち、オーバーフロー防止層１２の活性
層側の端面は、急峻に立ち上がった大きいバンドギャッ
プを有する。従って、その組成と層厚を適宜設定するこ
とにより、電子のオーバーフローを効果的に抑制するこ
とができる。具体的には、窒化物系半導体レーザの場合
には、バリア層１２ＢＲは、ＡｌＧａＮ（アルミニウム
組成約２５％）で層厚約２０ｎｍ程度とすることが望ま
しい。

【００４１】図３は、本発明の半導体発光素子のバンド
構造を表し、低注入電流の条件下におけるキャリアの流
れを説明する概念図である。図１１と比較すると明らか
なように、本発明によればキャリアの流れが大幅に改善
される。すなわち、本発明のオーバーフロー防止層１２
は、高ドーピングを施さなくても正孔の流れを容易にす
る。その結果として、従来よりも低い動作電圧で正孔を
活性層に流入させることが可能となり、素子の動作電圧
を低下することができる。同時に、活性層における正孔
の濃度が大幅に上昇するので、活性層における電子の再
結合が促進され、電子の平均自由行程が短縮される。そ
の結果として、特に、低電流密度の条件において、電子
のオーバーフローを抑制することができる。つまり、本
発明によれば、キャリアのロスを抑制し、活性層におい
て発光再結合を極めて高い確率で生じさせることができ
るようになる。

【００４２】同時に、本発明によれば、オーバーフロー
防止層１２が極めて有効に作用するので、クラッド層の
アルミニウム組成をあまり高くする必要がなくなる。一
般に、窒化物系半導体を用いた発光素子においては、ア
ルミニウム組成の高い層を設けると、結晶の歪みに起因
して特性の劣化が生じやすいが、本発明によれば、クラ
ッド層のアルミニウム組成を下げることができるので、
特性を劣化させることなく、光の閉じ込めに必要な十分
に厚いクラッド層を成長することが可能となる。

【００４３】図４は、本発明の半導体発光素子の光出力
特性を表すグラフ図である。同図においては、半導体レ
ーザの動作電流と光出力の関係が表され、図１０に例示
した従来の半導体レーザの特性も併せて示した。本発明
によれば、キャリアのロスが極めて効果的に抑制される
ために、レーザ発振が促進され、発振しきい値電流を従
来よりも低下させることができる。また、レーザ発振状
態での電流に対す光出力の傾き、すなわちスロープ効率
も大幅に改善される。

【００４４】さらに、このようにしきい値が低下し、効
率も改善される結果として、素子の発熱が低下し、発光
素子の寿命も長くなる。

【００４５】本発明におけるオーバーフロー防止層１２
は、図２に示した具体例には限定されない。オーバーフ
ロー防止層を構成する超格子の周期数や各層厚の変化の
させかたは、適宜決定することができる。例えば、各バ
リア層の層厚は一定とし、ウエル層の層厚のみを徐々に
変化させても良い。逆に、各ウエル層の層厚は一定と
し、バリア層の層厚のみを徐々に変化させても良い。一
方、バリア層やウエル層の組成を同時に変化させても良
い。

【００４６】但し、超格子を構成する各層の層厚は、量
子効果を効果的に生じさせる層厚に設定することが望ま
しい。すなわち、各層の層厚は、概ね１０ｎｍ（ナノメ
ータ）程度以下とすることが望ましい。また、活性層に
隣接したバリア層１２ＢＲは、電子のオーバーフローを
効果的に抑制するために、これよりも厚く形成しても良
い。

【００４７】図５は、本発明の半導体発光素子のオーバ
ーフロー防止層の第２の具体例を表すバンド構造の概念
図である。すなわち、同図は、オーバーフロー防止層１
２の価電子帯のエネルギー・レベルを表す。同図の例に
おいては、オーバーフロー防止層１２は、ＡｌＧａＮか
らなり、その組成が連続的に変化しているグレーデッド
部１２ＧＲと、ほぼ一定値とされているバリア部１２Ｂ
Ｒとを有する。グレーデッド部１２ＧＲのアルミニウム
組成は、ガイド層１０７から活性層１０６に向かって連
続的に増加し、バリア部ＢＲにおいては概ね一定値を維
持するように形成されている。

【００４８】グレーデッド部１２ＧＲにおいて、このよ
うに連続的に変化するエネルギ・レベルを形成すること
により、正孔に対する障壁は大幅に低下し、正孔は、ガ
イド層１０７から活性層１０６に容易に流入することが
できるようになる。本具体例は、エネルギ・レベルの変
化が極めてスムーズである点で、図２に示した例よりも
優れる。

【００４９】このような徐々に組成が変化するオーバー
フロー防止層は、例えば、有機金属気相成長（ＭＯＣＶ
Ｄ：metel-organic chemical vapor deposition）法に
より成長する際に各原料ガスの流量を徐々に変化させる
ことにより形成することができる。

【００５０】また、図５においては、グレーデッド部１
２ＧＲにおいて組成が連続的に変化し、バリア部１２Ｂ
Ｒにおいては組成が一定の場合を例示したが、これ以外
にも、例えば、バリア部１２ＢＲにおいても、アルミニ
ウム組成が変化するように形成しても良い。

【００５１】図６は、本発明の半導体発光素子のオーバ
ーフロー防止層の第３の具体例を表すバンド構造の概念
図である。すなわち、同図は、オーバーフロー防止層１
２の価電子帯のエネルギー・レベルを表す。同図の例に
おいても、オーバーフロー防止層は、ＡｌＧａＮからな
る。そのアルミニウム組成は、ガイド層１０７から活性
層１０６に向かって階段状に増加するように形成されて
いる。

【００５２】このようにしても、正孔に対する障壁は大
幅に低下し、正孔は、ガイド層から活性層に容易に流入
することができるようになる。一方、前述した具体例と
同様に、活性層に隣接したバリア部１２ＢＲの組成と層
厚を適宜設定することにより、電子のオーバーフローを
効果的に抑制することができる。

【００５３】本発明者の検討によれば、階段状の各ステ
ップの層厚は、５ｎｍから２０ｎｍの範囲とした場合に
良好な特性が得られることが分かった。階段の層数につ
いても、図示した例には限定されない。しかし、層数が
増加すると、界面準位などの影響により素子の抵抗が増
大する傾向が認めらるため、層数は１０層程度以下とす
ることが望ましい。

【００５４】本具体例は、アルミニウムの組成を階段状
に変化させている点で、前述した第２具体例よりも結晶
成長が容易となる。

【００５５】一方、オーバーフロー防止層１２を設ける
位置は、活性層とｐ型ガイド層との間には限定されな
い。

【００５６】図７は、本発明の半導体発光素子の変形例
を表す概略バンド構造図である。すなわち、同図に例示
した素子においては、オーバーフロー防止層１２は、ｐ
型ガイド層１０７とｐ型クラッド層１０８との間に設け
られている。このような位置にオーバーフロー防止１２
を設けても、活性層１０６からの電子のオーバーフロー
を防止しつつ、正孔の流入を促進させて発光効率の高い
発光素子を得ることができる。

【００５７】また、本変形例においても、オーバーフロ
ー防止層１２としては、図２〜図６に関して前述したよ
うな種々の構造のものを同様に用いて同様の効果を得る
ことができる。

【００５８】さらに、オーバーフロー防止層は、発光素
子のｎ側に設けても良い。

【００５９】図８は、本発明の半導体発光素子の第２の
変形例を表す概略断面図である。同図に例示した素子に
おいては、活性層１０６の両側にオーバーフロー防止層
１２Ａ、１２Ｂがそれぞれ設けられている。これらのオ
ーバーフロー防止層の具体的な構成としては、図２、図
５及び図６に関して前述したいずれかのものを採用する
ことができる。

【００６０】一般的に、窒化物系半導体を用いた半導体
レーザにおいては、発振波長が４１０ｎｍよりも長い場
合には、活性層からの正孔のオーバーフローは問題とな
らない場合が多い。しかし、発振波長がこれよりも短く
なると、正孔のオーバーフローが弊害を生ずるようにな
り、発振波長が３９０ｎｍ以下の場合には、正孔のオー
バーフローを防ぐための対策が必要とされる。

【００６１】図８に例示した素子においては、活性層１
０６のｎ側にもオーバーフロー防止層１２Ｂを設けたこ
とにより、ｎ型ガイド層１０５からの電子の流入を妨げ
ることなく、活性層からの正孔のオーバーフローを効果
的に抑制することができる。その結果として、特に、短
波長領域において、キャリアのロスによる発光効率の低
下を解消し、さらに高効率で長寿命の半導体発光素子を
実現できる。

【００６２】図９は、本発明の半導体発光素子の第３の
変形例を表す概略断面図である。同図に例示した素子に
おいては、活性層１０６とｐ型ガイド層１０７との間に
オーバーフロー防止層１２が設けられている。ここで
も、オーバーフロー防止層としては、図２〜図６に関し
て前述したいずれかのものを採用することができる。

【００６３】一方、本変形例においては、ｎ型クラッド
層１１６とｐ型クラッド層１１７とがそれぞれ超格子に
より構成されている。具体的には、これらのクラッド層
は、それぞれＡｌＧａＮ（アルミニウム組成１４％、層
厚２．５ｎｍ）のバリア層とＧａＮ（層厚２．５ｎｍ）
のウエル層とを交互に１２０周期程度積層させた超格子
構造とすることができる。

【００６４】クラッド層１１６、１１７をこのような超
格子構造とすることにより、いわゆる多重量子バリア
（multiple quantum barrier：ＭＱＢ）効果が得られ、
クラッド層によるキャリアの閉じ込め効果をさらに向上
させることができる。

【００６５】また、図示した例においては、オーバーフ
ロー防止層１２を活性層１０６とｐ型ガイド層１０７と
の間に設けたが、これ以外にも、例えば、オーバーフロ
ー防止層１２は、ｐ型ガイド層１０７とクラッド層１１
７との間に設けても良い。また、活性層１０６とｎ型ガ
イド層１０５の間や、ｎ型クラッド層１１６とｎ型ガイ
ド層１０５との間に設けても良い。

【００６６】以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の
形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具
体例に限定されるものではない。

【００６７】すなわち、前述した各具体例は、半導体レ
ーザについても発光ダイオードについても同様に実施し
てそれぞれの効果を得ることができる。

【００６８】また、各具体例において示した各半導体層
の導電型は、反転して構成することも同様に可能であ
る。

【００６９】また、基板として用いることのできるもの
は、前述したサファイアに限定されず、その他にも、例
えば、スピネル、ＳｃＡｌＭｇＯ₄、ＬａＳｒＧａＯ₄、
（ＬａＳｒ）（ＡｌＴａ）Ｏ₃などの絶縁性基板や、Ｓ
ｉＣ、ＭｇＯ、Ｓｉ、ＧａＡｓなどの導電性基板も同様
に用いてそれぞれの効果を得ることができる。

【００７０】さらに、上述した具体例においては、窒化
物系半導体を用いた半導体レーザについて説明したが、
本発明は、これ以外にも、ＡｌＧａＡｓ系、ＧａＰ系、
ＩｎＧａＡｌＰ系、ＩｎＰ系、ＳｉＣ系、ＺｎＳＳｅ系
などの各種の材料系を用いた半導体発光素子に同様に適
用して同様の効果を得ることができる。

【００７１】

【発明の効果】本発明は、以上に説明した形態で実施さ
れ、以下に説明する効果を奏する。

【００７２】すなわち、本発明によれば、独特の構成を
有するオーバーフロー防止層を導入することにより、電
子のオーバーフローを抑制しつつ、高ドーピングを施さ
なくても正孔の流れを容易にする。その結果として、従
来よりも低い動作電圧で正孔を活性層に流入させること
が可能となり、素子の動作電圧を低下することができ
る。

【００７３】同時に、本発明によれば、活性層における
正孔の濃度が大幅に上昇するので、活性層における電子
の再結合が促進され、電子の平均自由行程が短縮され
る。その結果として、特に、低電流密度の条件におい
て、電子のオーバーフローを抑制することができる。つ
まり、本発明によれば、キャリアのロスを抑制し、活性
層において発光再結合を極めて高い確率で生じさせるこ
とができるようになる。

【００７４】また、本発明によれば、オーバーフロー防
止層が極めて有効に作用するので、クラッド層のアルミ
ニウム組成をあまり高くする必要がなくなる。その結果
として、結晶の歪みにより特性を劣化させることなく、
光の閉じ込めに必要な十分に厚いクラッド層を成長する
ことが可能となる。

【００７５】すなわち、本発明によれば、キャリアのロ
スが極めて効果的に抑制されるために、レーザ発振が促
進され、発振しきい値電流を従来よりも低下させること
ができる。また、レーザ発振状態での電流に対す光出力
の傾き、すなわちスロープ効率も大幅に改善される。

【００７６】さらに、このようにしきい値が低下し、効
率も改善される結果として、素子の発熱が低下し、発光
素子の寿命も長くなる。

【００７７】以上説明したように、本発明によれば、高
性能且つ高信頼性を有する各種の半導体発光素子を提供
することができるようになり、産業上のメリットは多大
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体発光素子を表す概略断面図であ
る。

【図２】本発明の半導体発光素子のオーバーフロー防止
層の具体例を表す価電子帯バンド構造の概念図である。

【図３】本発明の半導体発光素子のバンド構造を表し、
低注入電流の条件下におけるキャリアの流れを説明する
概念図である。

【図４】本発明の半導体発光素子の光出力特性を表すグ
ラフ図である。

【図５】本発明の半導体発光素子のオーバーフロー防止
層の第２の具体例を表すバンド構造の概念図である。

【図６】本発明の半導体発光素子のオーバーフロー防止
層の第３の具体例を表すバンド構造の概念図である。

【図７】本発明の半導体発光素子の変形例を表す概略バ
ンド構造図である。

【図８】本発明の半導体発光素子の第２の変形例を表す
概略断面図である。

【図９】本発明の半導体発光素子の第３の変形例を表す
概略断面図である。

【図１０】キャップ層を設けた従来の半導体レーザを表
す概略断面図である。

【図１１】図１０の素子のバンド構造を表し、低注入電
流の条件下におけるキャリアの流れを説明する概念図で
ある。

【符号の説明】

１２オーバーフロー防止層１０１基板１０２ｎ型コンタクト層１０３ｎ側電極１０４ｎ型クラッド層１０５ｎ型ガイド層１０６活性層１０７ｐ型ガイド層１０８ｐ型クラッド層１０９ｐ型コンタクト層１１０保護膜１１１ｐ側電極１１２キャップ層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】活性層を備え、前記活性層に電子と正孔と
を注入して発光を生じさせる半導体発光素子であって、前記活性層に注入された前記電子と前記正孔のいずれか
一方のオーバーフローを抑制するバリアとして作用する
オーバーフロー防止層をさらに備え、前記オーバーフロー防止層は、さらに、前記活性層に注
入される前の前記電子と前記正孔のいずれか他方に対す
るバリア作用が緩和されてなることを特徴とする半導体
発光素子。
【請求項２】活性層と、オーバーフロー防止層と、を備
え、前記活性層に電子と正孔とを注入して発光を生じさ
せる半導体発光素子であって、前記オーバーフロー防止層は、前記活性層側の端面においては、前記活性層よりも大き
く且つ急峻に変化する第１のバンドギャップを有し、前記活性層からみて反対側においては、層厚方向に端面
に近づくにつれて実効的なバンドギャップが前記第１の
バンドギャップよりも小さくなるものとして構成されて
いることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】前記オーバーフロー防止層は、複数のバリ
ア層と複数のウエル層とを含む超格子を有し、前記複数
のバリア層と前記複数のウエル層の少なくともいずれか
は、層厚または組成が一定でない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素子。
【請求項４】前記オーバーフロー防止層は、その層厚方
向に沿って組成が連続的に変化する部分を有することを
特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項５】前記オーバーフロー防止層は、その層厚方
向に沿って組成が階段状に変化する部分を有することを
特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項６】前記活性層は、窒化物系半導体からなり、前記オーバーフロー防止層は、アルミニウムを含む窒化
物半導体からなることを特徴とする請求項１〜５のいず
れか１つに記載の半導体発光素子。