JP2001237459A - 半導体発光素子 - Google Patents
半導体発光素子Info
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 ダブルヘテロ接合構造の半導体発光素子であ
って、発光効率が高く、かつ動作電圧が低い半導体発光
素子を提供する。 【構成】 ｎ型クラッド層４と活性層５とｐ型クラッド
層６のサンドイッチ構造を少なくとも有し、前記活性層
のバンドギャップエネルギーが前記両クラッド層のバン
ドギャップエネルギーより小さい材料で形成されるダブ
ルヘテロ接合型の半導体発光素子であって、前記ｎ型ク
ラッド層のバンドギャップエネルギーが前記ｐ型クラッ
ド層のバンドギャップエネルギーより小さくなるように
前記両クラッド層の材料が選定されてなる。
って、発光効率が高く、かつ動作電圧が低い半導体発光
素子を提供する。 【構成】 ｎ型クラッド層４と活性層５とｐ型クラッド
層６のサンドイッチ構造を少なくとも有し、前記活性層
のバンドギャップエネルギーが前記両クラッド層のバン
ドギャップエネルギーより小さい材料で形成されるダブ
ルヘテロ接合型の半導体発光素子であって、前記ｎ型ク
ラッド層のバンドギャップエネルギーが前記ｐ型クラッ
ド層のバンドギャップエネルギーより小さくなるように
前記両クラッド層の材料が選定されてなる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体発光素子に関す
る。さらに詳しくは、動作電圧を低くして高輝度の発光
がえられる半導体発光素子に関する。
る。さらに詳しくは、動作電圧を低くして高輝度の発光
がえられる半導体発光素子に関する。
【０００２】ここに半導体発光素子とは、ｐｎ接合また
はｐｉｎなどダブルヘテロ接合を有する発光ダイオード
（以下、ＬＥＤという）、スーパルミネッセントダイオ
ード（ＳＬＤ）または半導体レーザダイオード（以下、
ＬＤという）などの光を発生する半導体素子をいう。
はｐｉｎなどダブルヘテロ接合を有する発光ダイオード
（以下、ＬＥＤという）、スーパルミネッセントダイオ
ード（ＳＬＤ）または半導体レーザダイオード（以下、
ＬＤという）などの光を発生する半導体素子をいう。
【０００３】
【従来の技術】従来青色のＬＥＤは赤色や緑色に比べて
輝度が小さく実用化に難点があったが、近年チッ化ガリ
ウム系化合物半導体を用い、Ｍｇをドーパントとした低
抵抗のｐ型半導体層がえられたことにより、輝度が向上
し脚光をあびている。
輝度が小さく実用化に難点があったが、近年チッ化ガリ
ウム系化合物半導体を用い、Ｍｇをドーパントとした低
抵抗のｐ型半導体層がえられたことにより、輝度が向上
し脚光をあびている。
【０００４】ここにチッ化ガリウム系化合物半導体と
は、III 族元素のＧａとＶ族元素のＮとの化合物または
III 族元素のＧａの一部または全部がＡｌ、Ｉｎなど他
のIII族元素と置換したものおよび／またはＶ族元素の
Ｎの一部がＰ、Ａｓなど他のＶ族元素と置換した化合物
からなる半導体をいう。
は、III 族元素のＧａとＶ族元素のＮとの化合物または
III 族元素のＧａの一部または全部がＡｌ、Ｉｎなど他
のIII族元素と置換したものおよび／またはＶ族元素の
Ｎの一部がＰ、Ａｓなど他のＶ族元素と置換した化合物
からなる半導体をいう。
【０００５】従来のチッ化ガリウム系化合物半導体を用
いたＬＥＤはつぎのように製造され、図４に完成したチ
ッ化ガリウム系化合物半導体のＬＥＤのチップの斜視図
を示す。
いたＬＥＤはつぎのように製造され、図４に完成したチ
ッ化ガリウム系化合物半導体のＬＥＤのチップの斜視図
を示す。
【０００６】まず、サファイア（Ａｌ2Ｏ3単結晶）など
からなる基板２１に４００〜７００℃の低温で有機金属
化合物気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法という）により
キャリアガスＨ2 とともに有機金属化合物ガスであるト
リメチルガリウム（以下、ＴＭＧという）、アンモニア
（ＮＨ3）およびドーパントとしてのＳｉＨ4などを供給
し、ｎ型のＧａＮ層からなる低温バッファ層２２を０．
０１〜０．２μｍ程度形成し、ついで７００〜１２００
℃の高温で同じガスを供給し同じ組成のｎ型のＧａＮか
らなる高温バッファ層２３を２〜５μｍ程度形成する。
からなる基板２１に４００〜７００℃の低温で有機金属
化合物気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法という）により
キャリアガスＨ2 とともに有機金属化合物ガスであるト
リメチルガリウム（以下、ＴＭＧという）、アンモニア
（ＮＨ3）およびドーパントとしてのＳｉＨ4などを供給
し、ｎ型のＧａＮ層からなる低温バッファ層２２を０．
０１〜０．２μｍ程度形成し、ついで７００〜１２００
℃の高温で同じガスを供給し同じ組成のｎ型のＧａＮか
らなる高温バッファ層２３を２〜５μｍ程度形成する。
【０００７】ついで前述のガスにさらにトリメチルアル
ミニウム（以下、ＴＭＡという）の原料ガスを反応管内
に加え、ｎ型ドーパントのＳｉを含有したｎ型ＡｌzＧ
ａ1-zＮ（０＜ｚ≦１）層を成膜し、ｎ型クラッド層２
４を０．１〜０．３μｍ程度形成する。
ミニウム（以下、ＴＭＡという）の原料ガスを反応管内
に加え、ｎ型ドーパントのＳｉを含有したｎ型ＡｌzＧ
ａ1-zＮ（０＜ｚ≦１）層を成膜し、ｎ型クラッド層２
４を０．１〜０．３μｍ程度形成する。
【０００８】つぎに、バンドギャップエネルギーがクラ
ッド層のそれより小さくなる材料、たとえば前述の原料
ガスのＴＭＡに代えてトリメチルインジウム（以下、Ｔ
ＭＩという）を導入し、ＩｎyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦１）
からなる活性層２５を０．０５〜０．１μｍ程度形成す
る。
ッド層のそれより小さくなる材料、たとえば前述の原料
ガスのＴＭＡに代えてトリメチルインジウム（以下、Ｔ
ＭＩという）を導入し、ＩｎyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦１）
からなる活性層２５を０．０５〜０．１μｍ程度形成す
る。
【０００９】さらに、ｎ型クラッド層２４の形成に用い
たガスと同じ原料ガスで不純物原料ガスをＳｉＨ4 に代
えてｐ型不純物としてのＭｇまたはＺｎをビスシクロペ
ンタジエニルマグネシウム（以下、Ｃｐ2Ｍｇという）
またはジメチル亜鉛（以下、ＤＭＺｎという）として加
えて反応管に導入し、ｐ型クラッド層２６であるｐ型Ａ
ｌz Ｇａ1-z Ｎ層を気相成長させる。ここでＡｌの組成
比ｚは製造上の容易さからｎ型クラッド層２４のｚと同
じ値になるように反応ガスを供給している。これらのｎ
型クラッド層２４と活性層２５とｐ型クラッド層２６と
によりダブルヘテロ接合が形成される。
たガスと同じ原料ガスで不純物原料ガスをＳｉＨ4 に代
えてｐ型不純物としてのＭｇまたはＺｎをビスシクロペ
ンタジエニルマグネシウム（以下、Ｃｐ2Ｍｇという）
またはジメチル亜鉛（以下、ＤＭＺｎという）として加
えて反応管に導入し、ｐ型クラッド層２６であるｐ型Ａ
ｌz Ｇａ1-z Ｎ層を気相成長させる。ここでＡｌの組成
比ｚは製造上の容易さからｎ型クラッド層２４のｚと同
じ値になるように反応ガスを供給している。これらのｎ
型クラッド層２４と活性層２５とｐ型クラッド層２６と
によりダブルヘテロ接合が形成される。
【００１０】ついでキャップ層２７形成のため、前述の
バッファ層２３と同様の原料ガスで不純物原料ガスとし
てＣｐ2ＭｇまたはＤＭＺｎを供給してｐ型のＧａＮ層
を０．３〜２μｍ程度成長させる。
バッファ層２３と同様の原料ガスで不純物原料ガスとし
てＣｐ2ＭｇまたはＤＭＺｎを供給してｐ型のＧａＮ層
を０．３〜２μｍ程度成長させる。
【００１１】そののち保護膜を設けてｐ型層のアニール
のための熱処理または電子線照射を行い、ｐ型クラッド
層２６およびキャップ層２７の活性化を行う。
のための熱処理または電子線照射を行い、ｐ型クラッド
層２６およびキャップ層２７の活性化を行う。
【００１２】ついで、保護膜を除去したのち、ｎ側の電
極を形成するため、レジストを塗布してパターニングを
行い、成長した各半導体層の一部をエッチング除去して
ｎ型層であるクラッド層２４またはバッファ層２３を露
出させる。
極を形成するため、レジストを塗布してパターニングを
行い、成長した各半導体層の一部をエッチング除去して
ｎ型層であるクラッド層２４またはバッファ層２３を露
出させる。
【００１３】ついで、Ａｕ、Ａｌなどの金属膜をそれぞ
れ、たとえば蒸着、スパッタリングなどにより形成して
ｐ側およびｎ側の両電極２９、３０をそれぞれ形成し、
ダイシングすることによりＬＥＤチップを形成してい
る。
れ、たとえば蒸着、スパッタリングなどにより形成して
ｐ側およびｎ側の両電極２９、３０をそれぞれ形成し、
ダイシングすることによりＬＥＤチップを形成してい
る。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】従来のチッ化ガリウム
系化合物半導体において、ダブルヘテロ接合の半導体発
光素子は、発光効率が高いが動作電圧が高い。また、動
作電圧を低くするためにｎ型クラッド層とｐ型クラッド
層にバンドギャップエネルギーが小さい材料、すなわち
ＡｌzＧａ1-zＮのＡｌ組成比ｚの小さい材料を用いる
と、動作電圧は低くなるが、活性層からｐ型クラッド層
への電子の流出が増え、発光効率が低下するという問題
がある。
系化合物半導体において、ダブルヘテロ接合の半導体発
光素子は、発光効率が高いが動作電圧が高い。また、動
作電圧を低くするためにｎ型クラッド層とｐ型クラッド
層にバンドギャップエネルギーが小さい材料、すなわち
ＡｌzＧａ1-zＮのＡｌ組成比ｚの小さい材料を用いる
と、動作電圧は低くなるが、活性層からｐ型クラッド層
への電子の流出が増え、発光効率が低下するという問題
がある。
【００１５】本発明はこのような問題を解決し、ダブル
ヘテロ構造の半導体発光素子であって、発光効率が低下
せず、かつ、動作電圧が低い半導体発光素子を提供する
ことを目的とする。
ヘテロ構造の半導体発光素子であって、発光効率が低下
せず、かつ、動作電圧が低い半導体発光素子を提供する
ことを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光素子
は、チッ化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型クラッ
ド層と活性層とｐ型クラッド層のサンドイッチ構造を少
なくとも有し、前記活性層のバンドギャップエネルギー
が前記両クラッド層のバンドギャップエネルギーより小
さい材料で形成されるダブルヘテロ接合型の半導体発光
素子であって、前記ｎ型クラッド層のバンドギャップエ
ネルギーと前記活性層のバンドギャップエネルギーとの
差が、前記ｐ型クラッド層のバンドギャップエネルギー
と前記活性層のバンドギャップエネルギーとの差の１／
３〜１／２程度になるように、前記ｎ型クラッド層がｎ
型ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦０．５）からなり、前記活
性層がＩｎyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦１）からなり、前記ｐ
型クラッド層がｐ型ＡｌzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦１）から
なり、発光ダイオードを構成するように、前記両クラッ
ド層の材料が選定されてなる。
は、チッ化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型クラッ
ド層と活性層とｐ型クラッド層のサンドイッチ構造を少
なくとも有し、前記活性層のバンドギャップエネルギー
が前記両クラッド層のバンドギャップエネルギーより小
さい材料で形成されるダブルヘテロ接合型の半導体発光
素子であって、前記ｎ型クラッド層のバンドギャップエ
ネルギーと前記活性層のバンドギャップエネルギーとの
差が、前記ｐ型クラッド層のバンドギャップエネルギー
と前記活性層のバンドギャップエネルギーとの差の１／
３〜１／２程度になるように、前記ｎ型クラッド層がｎ
型ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦０．５）からなり、前記活
性層がＩｎyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦１）からなり、前記ｐ
型クラッド層がｐ型ＡｌzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦１）から
なり、発光ダイオードを構成するように、前記両クラッ
ド層の材料が選定されてなる。
【００１７】本発明の半導体発光素子は、請求項１記載
の半導体発光素子において、前記サンドイッチ構造が半
導体レーザを構成するように形成されている。
の半導体発光素子において、前記サンドイッチ構造が半
導体レーザを構成するように形成されている。
【００１８】本発明の半導体発光素子は、請求項２記載
の半導体レーザにおいて、前記活性層の屈折率が前記両
クラッド層の屈折率より大きくなるように前記活性層お
よび両クラッド層の材料が選定されてなる。本発明の半
導体発光素子は、請求項２または３記載記載の半導体レ
ーザにおいて、前記ｎ型クラッド層がｎ型ＡｌxＧａ1-x
Ｎ（０≦ｘ≦０．５）からなり、前記活性層がＩｎyＧ
ａ1-yＮ（０≦ｙ≦１）からなり、前記ｐ型クラッド層
がｐ型ＡｌzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦１）からなることを特
徴とする。本発明の半導体発光素子は、請求項２、３ま
たは４記載の半導体レーザにおいて、前記サンドイッチ
構造は基板上に設けられるとともに、該サンドイッチ構
造と前記基板とのあいだに少なくともＧａＮからなるバ
ッファ層が設けられてなることを特徴とする。本発明の
半導体発光素子は、請求項２、３、４または５記載の半
導体レーザにおいて、前記サンドイッチ構造は基板上に
設けられるとともに、該サンドイッチ構造の前記基板と
反対側の表面側に少なくともＧａＮからなるキャップ層
が設けられてなることを特徴とする。本発明の半導体発
光素子は、請求項６記載の半導体レーザにおいて、前記
キャップ層および前記サンドイッチ構造の一部がエッチ
ングされてメサ型形状にされてなることを特徴とする。
このように、半導体レーザでは、前記活性層の屈折率が
前記両クラッド層の屈折率より大きくなるように前記活
性層および両クラッド層の材料が選定される。また、前
記ｎ型クラッド層がｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦０．
５）からなり、前記活性層がＩｎyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦
１）からなり、前記ｐ型クラッド層がｐ型ＡｌzＧａ1-z
Ｎ（０＜ｚ≦１）からなる構成にすることができる。前
記サンドイッチ構造は基板上に設けられるとともに、該
サンドイッチ構造と前記基板とのあいだに少なくともＧ
ａＮからなるバッファ層が設けられていることが、クラ
ッド層の歪を緩和することができ、クラッド層での結晶
欠陥や転位の発生を防止することができるとともに、半
導体層の抵抗を下げられるため好ましい。また、該サン
ドイッチ構造の前記基板と反対側の表面側に少なくとも
ＧａＮからなるキャップ層が設けられる構造にすること
ができる。さらに、前記キャップ層および前記サンドイ
ッチ構造の一部がエッチングされてメサ型形状にされる
ことにより、メサ型の半導体レーザがえられる。
の半導体レーザにおいて、前記活性層の屈折率が前記両
クラッド層の屈折率より大きくなるように前記活性層お
よび両クラッド層の材料が選定されてなる。本発明の半
導体発光素子は、請求項２または３記載記載の半導体レ
ーザにおいて、前記ｎ型クラッド層がｎ型ＡｌxＧａ1-x
Ｎ（０≦ｘ≦０．５）からなり、前記活性層がＩｎyＧ
ａ1-yＮ（０≦ｙ≦１）からなり、前記ｐ型クラッド層
がｐ型ＡｌzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦１）からなることを特
徴とする。本発明の半導体発光素子は、請求項２、３ま
たは４記載の半導体レーザにおいて、前記サンドイッチ
構造は基板上に設けられるとともに、該サンドイッチ構
造と前記基板とのあいだに少なくともＧａＮからなるバ
ッファ層が設けられてなることを特徴とする。本発明の
半導体発光素子は、請求項２、３、４または５記載の半
導体レーザにおいて、前記サンドイッチ構造は基板上に
設けられるとともに、該サンドイッチ構造の前記基板と
反対側の表面側に少なくともＧａＮからなるキャップ層
が設けられてなることを特徴とする。本発明の半導体発
光素子は、請求項６記載の半導体レーザにおいて、前記
キャップ層および前記サンドイッチ構造の一部がエッチ
ングされてメサ型形状にされてなることを特徴とする。
このように、半導体レーザでは、前記活性層の屈折率が
前記両クラッド層の屈折率より大きくなるように前記活
性層および両クラッド層の材料が選定される。また、前
記ｎ型クラッド層がｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦０．
５）からなり、前記活性層がＩｎyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦
１）からなり、前記ｐ型クラッド層がｐ型ＡｌzＧａ1-z
Ｎ（０＜ｚ≦１）からなる構成にすることができる。前
記サンドイッチ構造は基板上に設けられるとともに、該
サンドイッチ構造と前記基板とのあいだに少なくともＧ
ａＮからなるバッファ層が設けられていることが、クラ
ッド層の歪を緩和することができ、クラッド層での結晶
欠陥や転位の発生を防止することができるとともに、半
導体層の抵抗を下げられるため好ましい。また、該サン
ドイッチ構造の前記基板と反対側の表面側に少なくとも
ＧａＮからなるキャップ層が設けられる構造にすること
ができる。さらに、前記キャップ層および前記サンドイ
ッチ構造の一部がエッチングされてメサ型形状にされる
ことにより、メサ型の半導体レーザがえられる。
【００１９】本発明の半導体発光素子によれば、ｎ型ク
ラッド層にｐ型クラッド層よりバンドギャップエネルギ
ーの小さい材料を用いているため、ｎ型クラッド層から
活性層への電子の注入は低電圧で容易になされる。一方
ｐ型クラッド層は従来と同様にバンドギャップエネルギ
ーが大きい材料が用いられているため、活性層からｐ型
クラッド層への電子の逃げは少なく、活性層内での電子
と正孔の再結合に寄与する。また、正孔については電子
よりも有効質量が大きいため、ｎ型クラッド層のバンド
ギャップエネルギーが小さくても活性層に注入された正
孔のｎ型クラッド層側への逃げは少ない。そのため正孔
のムダもなく活性層内での再結合に寄与し、ｎ型クラッ
ド層のバンドギャップエネルギーが小さくなった分だけ
動作電圧を低くすることができ、従来と同程度の輝度の
発光をする。
ラッド層にｐ型クラッド層よりバンドギャップエネルギ
ーの小さい材料を用いているため、ｎ型クラッド層から
活性層への電子の注入は低電圧で容易になされる。一方
ｐ型クラッド層は従来と同様にバンドギャップエネルギ
ーが大きい材料が用いられているため、活性層からｐ型
クラッド層への電子の逃げは少なく、活性層内での電子
と正孔の再結合に寄与する。また、正孔については電子
よりも有効質量が大きいため、ｎ型クラッド層のバンド
ギャップエネルギーが小さくても活性層に注入された正
孔のｎ型クラッド層側への逃げは少ない。そのため正孔
のムダもなく活性層内での再結合に寄与し、ｎ型クラッ
ド層のバンドギャップエネルギーが小さくなった分だけ
動作電圧を低くすることができ、従来と同程度の輝度の
発光をする。
【００２０】ｎ型クラッド層のバンドギャップエネルギ
ーの小さくできる割合は、正孔の有効質量が電子の３倍
程度であるため、１／３程度まで下げることができ、ｎ
型クラッド層と活性層との差がｐ型クラッド層と活性層
とのバンドギャップエネルギー差より小さくその差の１
／３以上、好ましくは１／２程度にすることができ、Ａ
ｌzＧａ1-zＮ材料をクラッド層に用いれば、Ａｌの比率
ｚをｐ型クラッド層のＡｌの比率の半分以下にすること
ができ、動作電圧を５〜１０％低下させることができ
る。
ーの小さくできる割合は、正孔の有効質量が電子の３倍
程度であるため、１／３程度まで下げることができ、ｎ
型クラッド層と活性層との差がｐ型クラッド層と活性層
とのバンドギャップエネルギー差より小さくその差の１
／３以上、好ましくは１／２程度にすることができ、Ａ
ｌzＧａ1-zＮ材料をクラッド層に用いれば、Ａｌの比率
ｚをｐ型クラッド層のＡｌの比率の半分以下にすること
ができ、動作電圧を５〜１０％低下させることができ
る。
【００２１】
【発明の実施の形態】つぎに添付図面を参照しながら本
発明の半導体発光素子を説明する。
発明の半導体発光素子を説明する。
【００２２】図１は本発明の半導体発光素子の一実施例
であるメサ型形状の半導体レーザチップの断面説明図、
図２はその製造工程図、図３は本発明の半導体発光素子
のｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層の禁制
帯を主としたエネルギーバンド図の概略図である。
であるメサ型形状の半導体レーザチップの断面説明図、
図２はその製造工程図、図３は本発明の半導体発光素子
のｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層の禁制
帯を主としたエネルギーバンド図の概略図である。
【００２３】図１において、１はサファイア（Ａｌ2 Ｏ
3 単結晶）などの基板で、ｎ型ＧａＮからなり、０．０
１〜０．２μｍ程度の低温バッファ層２、ｎ型ＧａＮか
らなり、２〜３μｍ程度の高温バッファ層３、ｎ型でバ
ンドギャップエネルギー（禁制帯幅）がｐ型クラッド層
より小さい材料、たとえばＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦
０．５、たとえばｘ＝０．０７）からなり、０．１〜
０．３μｍ程度のｎ型クラッド層４、ノンドープまたは
ｎ型もしくはｐ型で両クラッド層よりバンドギャップエ
ネルギーが小さく、かつ、屈折率が大きい材料、たとえ
ばＩｎyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦１）からなり、０．０５〜
０．１μｍ程度の活性層５、ｐ型ＡｌzＧａ1 -zＮ（０＜
ｚ≦１、２ｘ≦ｚ、たとえばｚ＝０．１５）からなり
０．１〜０．３μｍ程度のｐ型クラッド層、ｐ型ＧａＮ
からなり、０．３〜２μｍ程度のキャップ層７が順次積
層され、キャップ層７上にＡｕなどからなるｐ側電極
８、積層された半導体層の一部がエッチング除去されて
露出した高温バッファ層３上にＡｌなどからなるｎ側電
極９が形成され、さらに電流ストライプを形成するた
め、キャップ層７およびｐ型クラッド層の一部がエッチ
ングされてメサ型形状にされ、半導体レーザのチップが
形成されている。
3 単結晶）などの基板で、ｎ型ＧａＮからなり、０．０
１〜０．２μｍ程度の低温バッファ層２、ｎ型ＧａＮか
らなり、２〜３μｍ程度の高温バッファ層３、ｎ型でバ
ンドギャップエネルギー（禁制帯幅）がｐ型クラッド層
より小さい材料、たとえばＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦
０．５、たとえばｘ＝０．０７）からなり、０．１〜
０．３μｍ程度のｎ型クラッド層４、ノンドープまたは
ｎ型もしくはｐ型で両クラッド層よりバンドギャップエ
ネルギーが小さく、かつ、屈折率が大きい材料、たとえ
ばＩｎyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦１）からなり、０．０５〜
０．１μｍ程度の活性層５、ｐ型ＡｌzＧａ1 -zＮ（０＜
ｚ≦１、２ｘ≦ｚ、たとえばｚ＝０．１５）からなり
０．１〜０．３μｍ程度のｐ型クラッド層、ｐ型ＧａＮ
からなり、０．３〜２μｍ程度のキャップ層７が順次積
層され、キャップ層７上にＡｕなどからなるｐ側電極
８、積層された半導体層の一部がエッチング除去されて
露出した高温バッファ層３上にＡｌなどからなるｎ側電
極９が形成され、さらに電流ストライプを形成するた
め、キャップ層７およびｐ型クラッド層の一部がエッチ
ングされてメサ型形状にされ、半導体レーザのチップが
形成されている。
【００２４】本発明の半導体発光素子は前述の半導体レ
ーザの実施例で示されるように、ｎ型クラッド層４のバ
ンドギャップエネルギーがｐ型クラッド層６のバンドギ
ャップエネルギーより小さく、かつ、これらのバンドギ
ャップエネルギーが活性層５のバンドギャップエネルギ
ーより大きい材料で両クラッド層４、６および活性層５
が形成されていることに特徴がある。
ーザの実施例で示されるように、ｎ型クラッド層４のバ
ンドギャップエネルギーがｐ型クラッド層６のバンドギ
ャップエネルギーより小さく、かつ、これらのバンドギ
ャップエネルギーが活性層５のバンドギャップエネルギ
ーより大きい材料で両クラッド層４、６および活性層５
が形成されていることに特徴がある。
【００２５】電子と正孔の再結合を効率よく行わせ、発
光効率を上げるため、バンドギャップエネルギーの大き
い材料からなるクラッド層によりバンドギャップエネル
ギーの小さい材料からなる活性層５を挟み込むダブルヘ
テロ接合構造の半導体発光素子が半導体レーザや高輝度
のＬＥＤに用いられている。クラッド層にバンドギャッ
プエネルギーが大きい材料を使用すると電子や正孔の閉
じ込め効果が大きくなりムダなく発光に寄与するが動作
電圧が高くなり、実際には活性層からの電子や正孔の漏
れが無視できる程度のバンドギャップエネルギーの材料
が選定されている。しかしｐｎ接合に比べ動作電圧は高
くなる。本発明ではこの電子や正孔の漏れが無視できる
程度を維持しながら動作電圧を低下させることができる
ようにしたものである。すなわち、正孔の有効質量は電
子の有効質量の３倍程度と大きく、バンドギャップエネ
ルギーが小さくても電子よりも漏れが小さくなる。その
ため、ｎ型クラッド層にｐ型クラッド層のバンドギャッ
プエネルギーより小さいバンドギャップエネルギーの材
料を用いることにより、電子の活性層への注入は低電圧
で行え、活性層からの正孔の漏れを防止できるようにし
たものである。
光効率を上げるため、バンドギャップエネルギーの大き
い材料からなるクラッド層によりバンドギャップエネル
ギーの小さい材料からなる活性層５を挟み込むダブルヘ
テロ接合構造の半導体発光素子が半導体レーザや高輝度
のＬＥＤに用いられている。クラッド層にバンドギャッ
プエネルギーが大きい材料を使用すると電子や正孔の閉
じ込め効果が大きくなりムダなく発光に寄与するが動作
電圧が高くなり、実際には活性層からの電子や正孔の漏
れが無視できる程度のバンドギャップエネルギーの材料
が選定されている。しかしｐｎ接合に比べ動作電圧は高
くなる。本発明ではこの電子や正孔の漏れが無視できる
程度を維持しながら動作電圧を低下させることができる
ようにしたものである。すなわち、正孔の有効質量は電
子の有効質量の３倍程度と大きく、バンドギャップエネ
ルギーが小さくても電子よりも漏れが小さくなる。その
ため、ｎ型クラッド層にｐ型クラッド層のバンドギャッ
プエネルギーより小さいバンドギャップエネルギーの材
料を用いることにより、電子の活性層への注入は低電圧
で行え、活性層からの正孔の漏れを防止できるようにし
たものである。
【００２６】前述の図１の半導体レーザのエネルギーバ
ンド図の概略図を示した図３を参照しながら本発明の作
用を詳説する。図３において、Ｖは価電子帯、Ｆは禁制
帯、Ｃは伝導帯のエネルギー帯をそれぞれ示し、Ａはｎ
型ＧａＮからなる高温バッファ層３、Ｂはｎ型Ａｌ0.07
Ｇａ0.93Ｎからなるｎ型クラッド層４、ＤはＩｎyＧａ
1-yＮからなる活性層５、ＧはＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎから
なるｐ型クラッド層、Ｊはｐ型ＧａＮからなるキャップ
層７の範囲のエネルギーバンドをそれぞれ示している。
ンド図の概略図を示した図３を参照しながら本発明の作
用を詳説する。図３において、Ｖは価電子帯、Ｆは禁制
帯、Ｃは伝導帯のエネルギー帯をそれぞれ示し、Ａはｎ
型ＧａＮからなる高温バッファ層３、Ｂはｎ型Ａｌ0.07
Ｇａ0.93Ｎからなるｎ型クラッド層４、ＤはＩｎyＧａ
1-yＮからなる活性層５、ＧはＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎから
なるｐ型クラッド層、Ｊはｐ型ＧａＮからなるキャップ
層７の範囲のエネルギーバンドをそれぞれ示している。
【００２７】本実施例の半導体レーザは、図３に示され
るように、Ｂで示されるｎ型クラッド層のバンドギャッ
プエネルギーがＧで示されるｐ型クラッド層のバンドギ
ャップエネルギーより小さく形成されている。破線Ｂ１
で示したものが、従来の構造でｐ型クラッド層と同じバ
ンドギャップエネルギーのばあいを示す。
るように、Ｂで示されるｎ型クラッド層のバンドギャッ
プエネルギーがＧで示されるｐ型クラッド層のバンドギ
ャップエネルギーより小さく形成されている。破線Ｂ１
で示したものが、従来の構造でｐ型クラッド層と同じバ
ンドギャップエネルギーのばあいを示す。
【００２８】この構成で、ｐ側電極８とｎ側電極９との
あいだに電圧が印加されると電子Ｅはｎ型ＧａＮ（高温
バッファ層Ａ）側からｐ側に流れ、活性層の伝導帯Ｋ1
内に流れ込む。この際ｎ型クラッド層のバンドギャップ
エネルギーが低いため、電子Ｅは活性層の伝導帯Ｋ1 内
に流れ易く、低い電圧でも活性層に電子が供給される。
また活性層の伝導帯Ｋ1 内に流れ込んだ電子Ｅはｐ側電
極に引張られるが、ｐ型クラッド層のバンドギャップエ
ネルギーが大きいため、活性層内に閉じ込められる。一
方、正孔Ｈはｐ型ＧａＮ（コンタクト層Ｊ）側からｎ側
に流れ、活性層の価電子帯Ｋ2 内に流れ込む。活性層の
価電子帯Ｋ2 内に流れ込んだ正孔Ｈはｎ側電極に引張ら
れるが、正孔Ｈの有効質量は電子の有効質量の３倍程度
と大きく、ｎ型クラッド層Ｂのバンドギャップエネルギ
ーが低くても乗り越えることができず活性層の価電子帯
内に有効に閉じ込められる。その結果、活性層内で電子
と正孔の再結合が効率的に行われ、高い発光効率がえら
れる。
あいだに電圧が印加されると電子Ｅはｎ型ＧａＮ（高温
バッファ層Ａ）側からｐ側に流れ、活性層の伝導帯Ｋ1
内に流れ込む。この際ｎ型クラッド層のバンドギャップ
エネルギーが低いため、電子Ｅは活性層の伝導帯Ｋ1 内
に流れ易く、低い電圧でも活性層に電子が供給される。
また活性層の伝導帯Ｋ1 内に流れ込んだ電子Ｅはｐ側電
極に引張られるが、ｐ型クラッド層のバンドギャップエ
ネルギーが大きいため、活性層内に閉じ込められる。一
方、正孔Ｈはｐ型ＧａＮ（コンタクト層Ｊ）側からｎ側
に流れ、活性層の価電子帯Ｋ2 内に流れ込む。活性層の
価電子帯Ｋ2 内に流れ込んだ正孔Ｈはｎ側電極に引張ら
れるが、正孔Ｈの有効質量は電子の有効質量の３倍程度
と大きく、ｎ型クラッド層Ｂのバンドギャップエネルギ
ーが低くても乗り越えることができず活性層の価電子帯
内に有効に閉じ込められる。その結果、活性層内で電子
と正孔の再結合が効率的に行われ、高い発光効率がえら
れる。
【００２９】以上のように本発明によれば、ｎ型クラッ
ド層のバンドギャップエネルギーがｐ型クラッド層のそ
れより小さくなるように各半導体層を選定しているた
め、低い電圧で活性層への電子の注入を行うことができ
るとともに、無効電流を増加させず、発光効率を向上す
ることができる。ｎ型クラッド層のバンドギャップエネ
ルギーをｐ型クラッド層のそれより小さくする程度は活
性層のバンドギャップエネルギーにより定まり、活性層
とのバンドギャップエネルギーの差でｐ型層のばあいの
１／３〜１／２程度低く、すなわち１／３〜１／２程度
になるようにすればよい。
ド層のバンドギャップエネルギーがｐ型クラッド層のそ
れより小さくなるように各半導体層を選定しているた
め、低い電圧で活性層への電子の注入を行うことができ
るとともに、無効電流を増加させず、発光効率を向上す
ることができる。ｎ型クラッド層のバンドギャップエネ
ルギーをｐ型クラッド層のそれより小さくする程度は活
性層のバンドギャップエネルギーにより定まり、活性層
とのバンドギャップエネルギーの差でｐ型層のばあいの
１／３〜１／２程度低く、すなわち１／３〜１／２程度
になるようにすればよい。
【００３０】一般式ＡｌpＧａqＩｎ1-p-qＮ（０≦ｐ＜
１、０＜ｑ≦１、０＜ｐ＋ｑ≦１）からなるチッ化ガリ
ウム系化合半導体を用いてバンドギャップエネルギーを
小さくするにはｐを小さく、すなわちＡｌの組成比を小
さくし、またはｐ＋ｑを小さく、すなわちＩｎの組成比
を大きくすることによりえられる。そのためクラッド層
のバンドギャップエネルギーが活性層のそれより大き
く、かつ、ｎ型クラッド層のバンドギャップエネルギー
がｐ型クラッド層のそれより小さくなるようにＡｌおよ
びＩｎの組成比を調整することにより、所望のバンドギ
ャップエネルギーの半導体層がえられる。
１、０＜ｑ≦１、０＜ｐ＋ｑ≦１）からなるチッ化ガリ
ウム系化合半導体を用いてバンドギャップエネルギーを
小さくするにはｐを小さく、すなわちＡｌの組成比を小
さくし、またはｐ＋ｑを小さく、すなわちＩｎの組成比
を大きくすることによりえられる。そのためクラッド層
のバンドギャップエネルギーが活性層のそれより大き
く、かつ、ｎ型クラッド層のバンドギャップエネルギー
がｐ型クラッド層のそれより小さくなるようにＡｌおよ
びＩｎの組成比を調整することにより、所望のバンドギ
ャップエネルギーの半導体層がえられる。
【００３１】また、図１に示される実施例は半導体レー
ザであるため、活性層内に光も閉じ込めて発振させる必
要があり、クラッド層の屈折率が活性層のそれより小さ
くなるようにしたが、ＬＥＤのばあいは必ずしもその必
要はない。しかし、前述の組成比でＡｌの組成比を大き
くすると屈折率は小さくなる。
ザであるため、活性層内に光も閉じ込めて発振させる必
要があり、クラッド層の屈折率が活性層のそれより小さ
くなるようにしたが、ＬＥＤのばあいは必ずしもその必
要はない。しかし、前述の組成比でＡｌの組成比を大き
くすると屈折率は小さくなる。
【００３２】つぎに、図２を参照しながら、図１に示さ
れた半導体レーザの製法を説明する。
れた半導体レーザの製法を説明する。
【００３３】まず、図２（ａ）に示されるように、サフ
ァイアなどからなる基板１に、ＭＯＣＶＤ法によりたと
えばｎ型ＧａＮなどのチッ化ガリウム系化合物半導体か
らなる低温バッファ層２を０．０１〜０．２μｍ程度成
長し、ついで７００〜１２００℃程度の高温で同じ組成
のｎ型のＧａＮからなる高温バッファ層３を２〜５μｍ
程度形成する。
ァイアなどからなる基板１に、ＭＯＣＶＤ法によりたと
えばｎ型ＧａＮなどのチッ化ガリウム系化合物半導体か
らなる低温バッファ層２を０．０１〜０．２μｍ程度成
長し、ついで７００〜１２００℃程度の高温で同じ組成
のｎ型のＧａＮからなる高温バッファ層３を２〜５μｍ
程度形成する。
【００３４】つぎに、さらにＴＭＩを供給して、たとえ
ばｎ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ（０≦ｘ≦０．５、たとえばｘ
＝０．０７）からなるｎ型クラッド層４を０．１〜０．
３μｍ程度形成する。そののち、ＴＭＡに代えてＴＭＩ
を供給しノンドープまたはｎ型もしくはｐ型のＩｎyＧ
ａ1-yＮ（０≦ｙ≦１、たとえば、ｙ＝０．０６）から
なる活性層５を０．０５〜０．１μｍ程度の厚さに成長
させる。ついで、ｎ型クラッド層４の形成に用いた原料
ガスと同じ原料ガスを用い、ＴＭＡをｎ型クラッド層４
のばあいの倍程度の２０〜１００ｓｃｃｍの流量で反応
管に供給してｐ型クラッド層６であるｐ型ＡｌzＧａ1-z
Ｎ（０＜ｚ≦１、２ｘ≦ｚ、たとえばｚ＝０．１５）層
を０．１〜０．３μｍ程度形成する。さらにバッファ層
３の成膜と同じ原料ガスを供給してｐ型のＧａＮからな
るキャップ層７を０．３〜２μｍの厚さ成膜する。
ばｎ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ（０≦ｘ≦０．５、たとえばｘ
＝０．０７）からなるｎ型クラッド層４を０．１〜０．
３μｍ程度形成する。そののち、ＴＭＡに代えてＴＭＩ
を供給しノンドープまたはｎ型もしくはｐ型のＩｎyＧ
ａ1-yＮ（０≦ｙ≦１、たとえば、ｙ＝０．０６）から
なる活性層５を０．０５〜０．１μｍ程度の厚さに成長
させる。ついで、ｎ型クラッド層４の形成に用いた原料
ガスと同じ原料ガスを用い、ＴＭＡをｎ型クラッド層４
のばあいの倍程度の２０〜１００ｓｃｃｍの流量で反応
管に供給してｐ型クラッド層６であるｐ型ＡｌzＧａ1-z
Ｎ（０＜ｚ≦１、２ｘ≦ｚ、たとえばｚ＝０．１５）層
を０．１〜０．３μｍ程度形成する。さらにバッファ層
３の成膜と同じ原料ガスを供給してｐ型のＧａＮからな
るキャップ層７を０．３〜２μｍの厚さ成膜する。
【００３５】前述のバッファ層３やクラッド層４をｎ型
に形成するためには、Ｓｉ、Ｇｅ、ＴｅをＳｉＨ4、Ｇ
ｅＨ4、ＴｅＨ4などの不純物原料ガスとして反応ガス内
に混入し、クラッド層６やキャップ層７をｐ型に形成す
るためには、ＭｇやＺｎをＣｐ2ＭｇやＤＭＺｎの有機
金属ガスとして原料ガスに混入する。ただしｎ型のばあ
いは不純物を混入しなくても、成膜時にＮが蒸発し易く
自然にｎ型になるため、その性質を利用してもよい。
に形成するためには、Ｓｉ、Ｇｅ、ＴｅをＳｉＨ4、Ｇ
ｅＨ4、ＴｅＨ4などの不純物原料ガスとして反応ガス内
に混入し、クラッド層６やキャップ層７をｐ型に形成す
るためには、ＭｇやＺｎをＣｐ2ＭｇやＤＭＺｎの有機
金属ガスとして原料ガスに混入する。ただしｎ型のばあ
いは不純物を混入しなくても、成膜時にＮが蒸発し易く
自然にｎ型になるため、その性質を利用してもよい。
【００３６】そののちＳｉＯ2やＳｉ3Ｎ4などの保護膜
１０を半導体層の成長層表面全面に設け（図２（ｂ）参
照）、４００〜８００℃、２０〜６０分間程度のアニー
ルを行い、ｐ型層であるｐ型クラッド層６およびキャッ
プ層７の活性化を行う。
１０を半導体層の成長層表面全面に設け（図２（ｂ）参
照）、４００〜８００℃、２０〜６０分間程度のアニー
ルを行い、ｐ型層であるｐ型クラッド層６およびキャッ
プ層７の活性化を行う。
【００３７】アニールが完了すると、図２（ｃ）に示さ
れるように、レジスト膜１１などのマスクを設けてｎ型
のクラッド層４またはｎ型の高温バッファ層３が露出す
るまで、積層された半導体層をエッチングする。このエ
ッチングは、たとえばＣｌ2およびＢＣｌ3 の混合ガス
の雰囲気の下で反応性イオンエッチングにより行われ
る。
れるように、レジスト膜１１などのマスクを設けてｎ型
のクラッド層４またはｎ型の高温バッファ層３が露出す
るまで、積層された半導体層をエッチングする。このエ
ッチングは、たとえばＣｌ2およびＢＣｌ3 の混合ガス
の雰囲気の下で反応性イオンエッチングにより行われ
る。
【００３８】ついでＡｕ、Ａｌなどの金属膜をスパッタ
リングなどにより形成し、積層された化合物半導体層の
表面でｐ型層に電気的に接続されるｐ側電極８、露出し
た高温バッファ層３表面でｎ型層に電気的に接続される
ｎ側電極９を形成し、キャップ層７およびｐ型クラッド
層６の一部をメサエッチングする（図１参照）。
リングなどにより形成し、積層された化合物半導体層の
表面でｐ型層に電気的に接続されるｐ側電極８、露出し
た高温バッファ層３表面でｎ型層に電気的に接続される
ｎ側電極９を形成し、キャップ層７およびｐ型クラッド
層６の一部をメサエッチングする（図１参照）。
【００３９】つぎに、各チップにダイシングして、半導
体レーザチップが形成される。
体レーザチップが形成される。
【００４０】前記実施例ではメサ型形状の電流ストライ
プ構造の半導体レーザについて説明したが、電流制限層
埋込型など種々の構造の半導体レーザやダブルヘテロ接
合構造のＬＥＤなどのチッ化ガリウム系化合物半導体を
用いた半導体発光素子についても本発明を適用できる。
さらに半導体材料も前記実施例組成の材料に限定され
ず、前記ＡｌpＧａqＩｎ1-p-qＮのＮの一部または全部
をＡｓおよび／またはＰなどで置換した材料やヒ化ガリ
ウム系化合物半導体を用いた半導体発光素子でも同様に
本発明を適用できる。
プ構造の半導体レーザについて説明したが、電流制限層
埋込型など種々の構造の半導体レーザやダブルヘテロ接
合構造のＬＥＤなどのチッ化ガリウム系化合物半導体を
用いた半導体発光素子についても本発明を適用できる。
さらに半導体材料も前記実施例組成の材料に限定され
ず、前記ＡｌpＧａqＩｎ1-p-qＮのＮの一部または全部
をＡｓおよび／またはＰなどで置換した材料やヒ化ガリ
ウム系化合物半導体を用いた半導体発光素子でも同様に
本発明を適用できる。
【００４１】
【発明の効果】本発明の半導体発光素子によれば、ｎ型
クラッド層のバンドギャップエネルギーがｐ型クラッド
層のバンドギャップエネルギーよりも小さくなるように
半導体材料が選定されているため、無効電流が少なく、
かつ、低い動作電圧で高輝度の発光をさせることがで
き、発光効率の高い半導体発光素子をうることができ
る。
クラッド層のバンドギャップエネルギーがｐ型クラッド
層のバンドギャップエネルギーよりも小さくなるように
半導体材料が選定されているため、無効電流が少なく、
かつ、低い動作電圧で高輝度の発光をさせることがで
き、発光効率の高い半導体発光素子をうることができ
る。
【図１】本発明の半導体発光素子の一実施例の断面説明
図である。
図である。
【図２】図１の製造工程を示す断面説明図である。
【図３】本発明の半導体発光素子の一実施例のクラッド
層および活性層の禁制帯を主としたエネルギーバンド図
である。
層および活性層の禁制帯を主としたエネルギーバンド図
である。
【図４】従来の半導体発光素子の一例を示す斜視図であ
る。
る。
１ 基板 ４ ｎ型クラッド層 ５ 活性層 ６ ｐ型クラッド層
【手続補正書】
【提出日】平成１３年３月３０日（２００１．３．３
０）
０）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１６】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光素子
は、n型AlxGa1-xN（0≦x≦0.5）層と、p型AlzGa1-zN（0
＜z≦1）層とでInyGa1-yN（0≦y≦1）層をはさんだサン
ドイッチ構造を有し、前記ｎ型AlxGa1-xN層のバンドギ
ャップエネルギーが前記ｐ型AlxGa1-xN層のそれより小
さくすると共に、正孔の有効質量が電子の有効質量より
も大きいことを利用してInyGa1-yN層から前記ｎ型AlxGa
1-xN層への正孔の漏れを防止できるように、Ａｌおよび
Ｉｎの組成比を調整して、無効電流を増大させないよう
に構成されている。
は、n型AlxGa1-xN（0≦x≦0.5）層と、p型AlzGa1-zN（0
＜z≦1）層とでInyGa1-yN（0≦y≦1）層をはさんだサン
ドイッチ構造を有し、前記ｎ型AlxGa1-xN層のバンドギ
ャップエネルギーが前記ｐ型AlxGa1-xN層のそれより小
さくすると共に、正孔の有効質量が電子の有効質量より
も大きいことを利用してInyGa1-yN層から前記ｎ型AlxGa
1-xN層への正孔の漏れを防止できるように、Ａｌおよび
Ｉｎの組成比を調整して、無効電流を増大させないよう
に構成されている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１７】本発明の半導体発光ダイオードは、請求項
１記載の半導体発光素子において前記ｎ型AlxGa1-xN層
は、ｎ側電極に接続されており、前記ｎ側電極との間に
ＧａＮからなるバッファ層が介在せしめられていること
を特徴とする。
１記載の半導体発光素子において前記ｎ型AlxGa1-xN層
は、ｎ側電極に接続されており、前記ｎ側電極との間に
ＧａＮからなるバッファ層が介在せしめられていること
を特徴とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１８】本発明の半導体発光ダイオードは、基板
と、前記基板上に設けられるn型GaNからなるバッファ層
と、前記バッファ層上に設けられるn型AlxGa1-zN（0≦x
≦0．5）層と、前記n型 AlxGa1-xN層上に設けられるIny
Gal-yN（O≦y≦1）層と、前記ＩnyGa1-yN層上に設けら
れるp型AlzGal-zN（0＜z≦1、 2x≦z）とを有し、ｎ型A
lxGa1-xN層のバンドギャップエネルギーがｐ型AlxGa1-x
N層のそれより小さくすると共に、正孔の有効質量が電
子の有効質量よりも大きいことを利用してＩnyGa 1-yN層
から前記ｎ型AlxGa1-xN層への正孔の漏れを防止できる
ように、ＡｌおよびＩｎの組成比を調整して、無効電流
を増大させないようにしたダブルヘテロ接合型の発光ダ
イオードを構成している。本発明の半導体レーザは、n
型AlxGa1-xN（0≦x≦0.5）層と、p型AlzGa1-zN（0＜z≦
1、2x≦z）層とでInyGa1-yN （0≦y≦1）層をはさんだ
サンドイッチ構造を有し、前記ｎ型AlxGa1-xN層のバン
ドギャップエネルギーがｐ型AlxGa1-xN層のそれより小
さくすると共に、正孔の有効質量が電子の有効質量より
も大きいことを利用してＩnyGa1-yN層から前記ｎ型AlxG
a1-xN層への正孔の漏れを防止できるように、Ａｌおよ
びＩｎの組成比を調整して、無効電流を増大させないよ
うにし、かつＩnyGa1-yN層の膜厚がレーザ発振が可能と
なる程度であることを特徴とする。本発明の半導体レー
ザは、請求項４記載の半導体レーザにおいて、前記サン
ドイッチ構造は基板上に設けられると共に、前記サンド
イッチ構造と前記基板とのあいだに少なくともＧａＮか
らなるバッファ層が設けられてなる。本発明の半導体レ
ーザは、請求項４または５記載の半導体レーザにおい
て、前記サンドイッチ構造は基板上に設けられると共
に、前記サンドイッチ構造の前記基板と反対側の表面側
に少なくともＧａＮからなるキャップ層が設けられてな
る。本発明の半導体レーザは、請求項６記載の半導体レ
ーザにおいて、前記キャップ層および前記サンドイッチ
構造の一部がエッチングされてメサ形状にされてなる。
本発明の半導体レーザは、基板と、前記基板上に設けら
れるn型GaNからなるバッファ層と、前記バッファ層上に
設けられ、n型AlxGa1-zN（0≦x≦0．5）層と、前記n型
AlxGa1-xN層上に設けられるInyGal-yN（O≦y≦1）層
と、前記ＩnyGa1-yN層上に設けられるp型AlzGal-zN（0
＜z≦1）N層と、前記p型 AlxGa1-xN層上に設けられ、ｐ
型ＧａＮからなるキャップ層とを有し、ｎ型AlxGa1-xN
層のバンドギャップエネルギーがｐ型AlxGa1-xN層のそ
れより小さくすると共に、正孔の有効質量が電子の有効
質量よりも大きいことを利用してＩnyGa1-yN層から前記
ｎ型Al xGa1-xN層への正孔の漏れを防止できるように、
ＡｌおよびＩｎの組成比を調整して、無効電流を増大さ
せないようにしたことを特徴とする。
と、前記基板上に設けられるn型GaNからなるバッファ層
と、前記バッファ層上に設けられるn型AlxGa1-zN（0≦x
≦0．5）層と、前記n型 AlxGa1-xN層上に設けられるIny
Gal-yN（O≦y≦1）層と、前記ＩnyGa1-yN層上に設けら
れるp型AlzGal-zN（0＜z≦1、 2x≦z）とを有し、ｎ型A
lxGa1-xN層のバンドギャップエネルギーがｐ型AlxGa1-x
N層のそれより小さくすると共に、正孔の有効質量が電
子の有効質量よりも大きいことを利用してＩnyGa 1-yN層
から前記ｎ型AlxGa1-xN層への正孔の漏れを防止できる
ように、ＡｌおよびＩｎの組成比を調整して、無効電流
を増大させないようにしたダブルヘテロ接合型の発光ダ
イオードを構成している。本発明の半導体レーザは、n
型AlxGa1-xN（0≦x≦0.5）層と、p型AlzGa1-zN（0＜z≦
1、2x≦z）層とでInyGa1-yN （0≦y≦1）層をはさんだ
サンドイッチ構造を有し、前記ｎ型AlxGa1-xN層のバン
ドギャップエネルギーがｐ型AlxGa1-xN層のそれより小
さくすると共に、正孔の有効質量が電子の有効質量より
も大きいことを利用してＩnyGa1-yN層から前記ｎ型AlxG
a1-xN層への正孔の漏れを防止できるように、Ａｌおよ
びＩｎの組成比を調整して、無効電流を増大させないよ
うにし、かつＩnyGa1-yN層の膜厚がレーザ発振が可能と
なる程度であることを特徴とする。本発明の半導体レー
ザは、請求項４記載の半導体レーザにおいて、前記サン
ドイッチ構造は基板上に設けられると共に、前記サンド
イッチ構造と前記基板とのあいだに少なくともＧａＮか
らなるバッファ層が設けられてなる。本発明の半導体レ
ーザは、請求項４または５記載の半導体レーザにおい
て、前記サンドイッチ構造は基板上に設けられると共
に、前記サンドイッチ構造の前記基板と反対側の表面側
に少なくともＧａＮからなるキャップ層が設けられてな
る。本発明の半導体レーザは、請求項６記載の半導体レ
ーザにおいて、前記キャップ層および前記サンドイッチ
構造の一部がエッチングされてメサ形状にされてなる。
本発明の半導体レーザは、基板と、前記基板上に設けら
れるn型GaNからなるバッファ層と、前記バッファ層上に
設けられ、n型AlxGa1-zN（0≦x≦0．5）層と、前記n型
AlxGa1-xN層上に設けられるInyGal-yN（O≦y≦1）層
と、前記ＩnyGa1-yN層上に設けられるp型AlzGal-zN（0
＜z≦1）N層と、前記p型 AlxGa1-xN層上に設けられ、ｐ
型ＧａＮからなるキャップ層とを有し、ｎ型AlxGa1-xN
層のバンドギャップエネルギーがｐ型AlxGa1-xN層のそ
れより小さくすると共に、正孔の有効質量が電子の有効
質量よりも大きいことを利用してＩnyGa1-yN層から前記
ｎ型Al xGa1-xN層への正孔の漏れを防止できるように、
ＡｌおよびＩｎの組成比を調整して、無効電流を増大さ
せないようにしたことを特徴とする。
【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態について
説明する。 半導体レーザでは、前記活性層の屈折率が前
記両クラッド層の屈折率より大きくなるように前記活性
層および両クラッド層の材料が選定される。また、前記
ｎ型クラッド層がｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦０．
５）からなり、前記活性層がＩｎyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦
１）からなり、前記ｐ型クラッド層がｐ型ＡｌzＧａ1-z
Ｎ（０＜ｚ≦１）からなる構成にすることができる。前
記サンドイッチ構造は基板上に設けられるとともに、該
サンドイッチ構造と前記基板とのあいだに少なくともＧ
ａＮからなるバッファ層が設けられていることが、クラ
ッド層の歪を緩和することができ、クラッド層での結晶
欠陥や転位の発生を防止することができるとともに、半
導体層の抵抗を下げられるため好ましい。また、該サン
ドイッチ構造の前記基板と反対側の表面側に少なくとも
ＧａＮからなるキャップ層が設けられる構造にすること
ができる。さらに、前記キャップ層および前記サンドイ
ッチ構造の一部がエッチングされてメサ型形状にされる
ことにより、メサ型の半導体レーザがえられる。
説明する。 半導体レーザでは、前記活性層の屈折率が前
記両クラッド層の屈折率より大きくなるように前記活性
層および両クラッド層の材料が選定される。また、前記
ｎ型クラッド層がｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦０．
５）からなり、前記活性層がＩｎyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦
１）からなり、前記ｐ型クラッド層がｐ型ＡｌzＧａ1-z
Ｎ（０＜ｚ≦１）からなる構成にすることができる。前
記サンドイッチ構造は基板上に設けられるとともに、該
サンドイッチ構造と前記基板とのあいだに少なくともＧ
ａＮからなるバッファ層が設けられていることが、クラ
ッド層の歪を緩和することができ、クラッド層での結晶
欠陥や転位の発生を防止することができるとともに、半
導体層の抵抗を下げられるため好ましい。また、該サン
ドイッチ構造の前記基板と反対側の表面側に少なくとも
ＧａＮからなるキャップ層が設けられる構造にすること
ができる。さらに、前記キャップ層および前記サンドイ
ッチ構造の一部がエッチングされてメサ型形状にされる
ことにより、メサ型の半導体レーザがえられる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１９】本発明の半導体発光素子によれば、ｎ型ク
ラッド層にｐ型クラッド層よりバンドギャップエネルギ
ーの小さい材料を用いているため、ｎ型クラッド層から
活性層への電子の注入は低電圧で容易になされる。一方
ｐ型クラッド層は従来と同様にバンドギャップエネルギ
ーが大きい材料が用いれているため、活性層からｐ型ク
ラッド層への電子の逃げは少なく、活性層内での電子と
正孔の再結合に寄与する。また、正孔については電子よ
りも有効質量が大きいため、ｎ型クラッド層のバンドギ
ャップエネルギーが小さくても活性層に注入された正孔
のｎ型クラッド層側への逃げは少ない。そのため正孔の
ムダもなく活性層内での再結合に寄与する。また、ｎ型
クラッド層のバンドギャップエネルギーが小さくなった
分だけ動作電圧を低くすることができ、従来と同程度の
輝度の発光をする。
ラッド層にｐ型クラッド層よりバンドギャップエネルギ
ーの小さい材料を用いているため、ｎ型クラッド層から
活性層への電子の注入は低電圧で容易になされる。一方
ｐ型クラッド層は従来と同様にバンドギャップエネルギ
ーが大きい材料が用いれているため、活性層からｐ型ク
ラッド層への電子の逃げは少なく、活性層内での電子と
正孔の再結合に寄与する。また、正孔については電子よ
りも有効質量が大きいため、ｎ型クラッド層のバンドギ
ャップエネルギーが小さくても活性層に注入された正孔
のｎ型クラッド層側への逃げは少ない。そのため正孔の
ムダもなく活性層内での再結合に寄与する。また、ｎ型
クラッド層のバンドギャップエネルギーが小さくなった
分だけ動作電圧を低くすることができ、従来と同程度の
輝度の発光をする。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２１】 つぎに添付図面を参照しながら本発明の半
導体発光素子を説明する。
導体発光素子を説明する。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２５】電子と正孔の再結合を効率よく行わせ、発
光効率を上げるため、バンドギャップエネルギーの大き
い材料からなるクラッド層によりバンドギャップエネル
ギーの小さい材料からなる活性層５を挟み込むダブルヘ
テロ接合構造の半導体発光素子が半導体レーザや高輝度
のＬＥＤに用いられている。クラッド層にバンドギャッ
プエネルギーが大きい材料を使用すると電子や正孔の閉
じ込め効果が大きくなりムダなく発光に寄与するが動作
電圧が高くなり、実際には活性層からの電子や正孔の漏
れが無視できる程度のバンドギャップエネルギーの材料
が選定されている。しかしｐｎ接合に比べ動作電圧は高
くなる。本発明ではこの電子や正孔の漏れが無視でき
る。そしてまた動作電圧を低下させることができる。す
なわち、正孔の有効質量は電子の有効質量の３倍程度と
大きく、バンドギャップエネルギーが小さくても電子よ
りも漏れが小さくなる。そのため、ｎ型クラッド層にｐ
型クラッド層のバンドギャップエネルギーより小さいバ
ンドギャップエネルギーの材料を用いることにより、電
子の活性層への注入は低電圧で行える。また、活性層か
らの正孔の漏れを防止できる。
光効率を上げるため、バンドギャップエネルギーの大き
い材料からなるクラッド層によりバンドギャップエネル
ギーの小さい材料からなる活性層５を挟み込むダブルヘ
テロ接合構造の半導体発光素子が半導体レーザや高輝度
のＬＥＤに用いられている。クラッド層にバンドギャッ
プエネルギーが大きい材料を使用すると電子や正孔の閉
じ込め効果が大きくなりムダなく発光に寄与するが動作
電圧が高くなり、実際には活性層からの電子や正孔の漏
れが無視できる程度のバンドギャップエネルギーの材料
が選定されている。しかしｐｎ接合に比べ動作電圧は高
くなる。本発明ではこの電子や正孔の漏れが無視でき
る。そしてまた動作電圧を低下させることができる。す
なわち、正孔の有効質量は電子の有効質量の３倍程度と
大きく、バンドギャップエネルギーが小さくても電子よ
りも漏れが小さくなる。そのため、ｎ型クラッド層にｐ
型クラッド層のバンドギャップエネルギーより小さいバ
ンドギャップエネルギーの材料を用いることにより、電
子の活性層への注入は低電圧で行える。また、活性層か
らの正孔の漏れを防止できる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正内容】
【００４１】
【発明の効果】本発明の半導体発光素子によれば、ｎ型
クラッド層のバンドギャップエネルギーがｐ型クラッド
層のバンドギャップエネルギーよりも小さくなるように
半導体材料が選定されているため、無効電流が少ない。
また、低い動作電圧で高輝度の発光をさせることができ
る。従って、発光効率の高い半導体発光素子をうること
ができる。
クラッド層のバンドギャップエネルギーがｐ型クラッド
層のバンドギャップエネルギーよりも小さくなるように
半導体材料が選定されているため、無効電流が少ない。
また、低い動作電圧で高輝度の発光をさせることができ
る。従って、発光効率の高い半導体発光素子をうること
ができる。
Claims (7)
- 【請求項１】 チッ化ガリウム系化合物半導体からなる
ｎ型クラッド層と活性層とｐ型クラッド層のサンドイッ
チ構造を少なくとも有し、前記活性層のバンドギャップ
エネルギーが前記両クラッド層のバンドギャップエネル
ギーより小さい材料で形成されるダブルヘテロ接合型の
半導体発光素子であって、前記ｎ型クラッド層のバンド
ギャップエネルギーと前記活性層のバンドギャップエネ
ルギーとの差が、前記ｐ型クラッド層のバンドギャップ
エネルギーと前記活性層のバンドギャップエネルギーと
の差の１／３〜１／２程度になるように、前記ｎ型クラ
ッド層がｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦０．５）からな
り、前記活性層がＩｎyＧａ1 -yＮ（０≦ｙ≦１）からな
り、前記ｐ型クラッド層がｐ型ＡｌzＧａ1-zＮ（０＜ｚ
≦１）からなり、発光ダイオードを構成するように、前
記両クラッド層の材料が選定されてなる半導体発光素
子。 - 【請求項２】 請求項１記載の半導体発光素子におい
て、前記サンドイッチ構造が半導体レーザを構成するよ
うに形成されてなる半導体レーザ。 - 【請求項３】 前記活性層の屈折率が前記両クラッド層
の屈折率より大きくなるように前記活性層および両クラ
ッド層の材料が選定されてなる請求項２記載の半導体レ
ーザ。 - 【請求項４】 前記ｎ型クラッド層がｎ型ＡｌxＧａ1-x
Ｎ（０≦ｘ≦０．５）からなり、前記活性層がＩｎyＧ
ａ1-yＮ（０≦ｙ≦１）からなり、前記ｐ型クラッド層
がｐ型ＡｌzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦１）からなる請求項２
または３記載の半導体レーザ。 - 【請求項５】 前記サンドイッチ構造は基板上に設けら
れるとともに、該サンドイッチ構造と前記基板とのあい
だに少なくともＧａＮからなるバッファ層が設けられて
なる請求項２、３または４記載の半導体レーザ。 - 【請求項６】 前記サンドイッチ構造は基板上に設けら
れるとともに、該サンドイッチ構造の前記基板と反対側
の表面側に少なくともＧａＮからなるキャップ層が設け
られてなる請求項２、３、４または５記載の半導体レー
ザ。 - 【請求項７】 前記キャップ層および前記サンドイッチ
構造の一部がエッチングされてメサ型形状にされてなる
請求項６記載の半導体レーザ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001022018A JP2001237459A (ja) | 2001-01-30 | 2001-01-30 | 半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001022018A JP2001237459A (ja) | 2001-01-30 | 2001-01-30 | 半導体発光素子 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000383870A Division JP2001177186A (ja) | 2000-12-18 | 2000-12-18 | 半導体発光素子 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001099780A Division JP2001313441A (ja) | 2001-03-30 | 2001-03-30 | 半導体発光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001237459A true JP2001237459A (ja) | 2001-08-31 |
Family
ID=18887483
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001022018A Pending JP2001237459A (ja) | 2001-01-30 | 2001-01-30 | 半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001237459A (ja) |
-
2001
- 2001-01-30 JP JP2001022018A patent/JP2001237459A/ja active Pending
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20040210 |