JP2004087763A - 窒化物系半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本GaN系半導体レーザ素子は発光波長が460nmの半導体レーザ素子であって、活性層付近の構造10は、膜厚80nmの下部GaN光ガイド層12と、障壁層14、歪補償層16A、井戸層18、及び歪補償層16Bの3周期と、障壁層と、膜厚80nmの上部GaN光ガイド層20とから構成されている。障壁層は膜厚50ÅのInX1Ga1−X1N(X1=0.02)層として、歪補償層は膜厚10ÅのAlX2Ga1−X2N(X2=0.04)層として、井戸層は膜厚25ÅのInX3Ga1−X3N(X3=0.18)層として構成されている。全ての井戸層とそれと隣合う障壁層との間に歪補償層が介在している。歪補償層のバンドギャップエネルギーは、障壁層のそれより大きく、また歪補償層のフリースタンディングでの格子定数は障壁層のそれより小さい。
【選択図】 図2
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物系半導体発光素子に関し、更に詳細には、しきい値電流が小さく、スロープ効率が大きな窒化物系半導体発光素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
窒化ガリウム系発光素子は、GaN、In、Alを含む混晶化合物半導体で構成された半導体発光素子であって、化合物半導体の格子定数はAlN、GaN、InNの順に大きくなる。
従来、405nmの窒化ガリウム系半導体レーザ素子90を作製するときには、例えば図7に示すように、サファイア基板又はGaN基板91上に、n−GaNバッファ層92、n−AlGaNクラッド層93、GaN光ガイド層94、活性層95、GaN光ガイド層96、p−AlGaNクラッド層97、p−GaNコンタクト層98を積層している。
ここで、活性層95は、図示しないが、InGaN井戸層と、井戸層よりバンドギャップエネルギーが大きなInGaN障壁層とからなる量子井戸構造として構成され、井戸層及び障壁層のIn組成は、それぞれ、8%及び2%である。
【0003】
上述の積層構造の構成で活性層を結晶成長させた際、活性層を構成する井戸層及び障壁層は、その格子定数がGaNと比較して大きいので、歪が井戸層に導入されるものの、405nmの波長帯では、井戸層のIn組成が低いので、化合物半導体層同士の界面、或いは各化合物半導体層内から格子欠陥が発生するような現象は起こり難かった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような窒化物系化合物半導体層からなる積層構造で、青色帯(波長460nm)あるいは緑色帯(波長510nm)の半導体レーザ素子を作製するためには、InGaN井戸層のIn組成を、それぞれ、20%及び30%にすることが必要である。
しかし、発光波長を長くするために、InGaN井戸層のIn組成を20%或いは30%に大きくして行くと、InGaN井戸層の格子定数が大きくなり、活性層を構成する井戸層と障壁層との界面、或いは井戸層の膜中に、歪みが生じる。
その結果、格子欠陥が導入され、発光効率が悪化するという問題があった。格子欠陥が導入されると、電流を注入して発光させる際、格子欠陥が非発光中心として働き、発光効率が悪化するからである。
また、歪みが生じるために、井戸層内でIn組成が大きな相と、In組成が小さい相に相分離するために、所定の発光波長での発光効率が悪化する。
【0005】
例えば、460nmで発光させるために、膜厚25ÅのInX3Ga1−X3N(X3=0.18)井戸層と、膜厚50ÅのInX1Ga1−X1N(X1=0.02)障壁層とで構成した従来の量子井戸構造では、活性層のカソードミネッセンス強度面内分布を観察すると、図8に示すように、460nmの光を発光していない非発光領域A(黒色の領域)が多数存在している。図8は、カソードミネッセンス強度面内分布の写真の写しで、元の写真は参考写真として特許庁に提出されている。
そして、非発光領域がレーザストライプに重なると、半導体レーザ素子のしきい値上昇、及びスロープ効率の悪化を招くことになる。
【0006】
そこで、本発明の目的は、結晶性が良好で、発光効率の高い量子井戸構造の活性層を有する窒化物系半導体発光素子を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る窒化物系半導体発光素子(以下、第1の発明と言う)は、Inを含む窒化物系化合物半導体層からなる量子井戸構造の活性層を有する窒化物系半導体発光素子において、
量子井戸構造を構成する障壁層のバンドギャップエネルギーより大きなバンドギャップエネルギーを有する歪補償層が、量子井戸構造を構成する井戸層のうち少なくとも1層の井戸層と該少なくとも一層の井戸層を挟む両障壁層との間にそれぞれ介在していることを特徴としている。
【0008】
第1の発明では、全ての井戸層と井戸層を挟む両障壁層との間に歪補償層を介在させることが好ましいものの、少なくとも1層の井戸層と該少なくとも一層の井戸層を挟む両障壁層との間に歪補償層をそれぞれ介在させても良い。
全ての歪補償層の組成が同一である必要はなく、井戸層と井戸層を挟む両障壁層との間にそれぞれ介在する2層の歪補償層の組成が相互にことなっていも良い。
【0009】
本発明に係る別の窒化物系半導体発光素子(以下、第2の発明と言う)は、Inを含む窒化物系化合物半導体層からなる量子井戸構造の活性層を有する窒化物系半導体発光素子において、
量子井戸構造を構成する障壁層のバンドギャップエネルギーより大きなバンドギャップエネルギーを有する歪補償層が、障壁層内又は井戸層内に介在していることを特徴としている。
【0010】
第2の発明では、全ての障壁層内又は井戸層内にそれぞれ歪補償層を介在させることが好ましいものの、少なくとも1層の障壁層内又は少なくとも1層の井戸層内に歪補償層を介在させても良い。
全ての歪補償層の組成が同一である必要はなく、例えば各障壁層内又は各井戸層内にそれぞれ介在している障壁層のうち少なくとも2層の障壁層の組成が相互に異なっていても良い。
【0011】
第1及び第2の発明は、活性層がInを含む窒化物系化合物半導体層からなる量子井戸構造である限り適用できる。例えば井戸層及び障壁層がInGaN層で構成されているとき、歪補償層がInに代えてAlを有するAlGaN層である。
【0012】
歪補償層は、必ずしも、井戸層と障壁層との間、井戸層内、又は障壁層内に介在させることは必要でなく、光ガイド層内に介在させても良い。
即ち、本発明に係る別の窒化物系半導体発光素子(以下、第3の発明と言う)は、Inを含む窒化物系化合物半導体層からなる量子井戸構造の活性層を有する窒化物系半導体発光素子において、
光ガイド層及び量子井戸構造を構成する障壁層の双方のバンドギャップエネルギーより大きなバンドギャップエネルギーを有する歪補償層が、活性層の上下に設けられている光ガイド層の少なくとも一方の光ガイド層内に介在していることを特徴としている。
【0013】
第3の発明の好適な実施態様では、複数層の歪補償層が光ガイド層内に周期的に介在する。また、光ガイド層がInGaN層で構成されているとき、歪補償層はInに代えてAlを有するAlGaN層である。
【0014】
第1から第3の発明の好適な実施態様では、歪補償層の膜厚が、井戸層の膜厚及び障壁層の膜厚の双方より薄い。これにより、歪補償層が窒化物系半導体発光素子の光学的特性に影響しないようにすることができる。
第1から第3の発明で、窒化物系半導体レーザ素子とは、窒化物系化合物半導体層の積層構造を備えた半導体レーザ素子である。窒化物系化合物半導体とは、V族として窒素(N)を有し、組成がAlaBbGacInd NxPyAsz(a+b+c+d=1、0≦a、b、c、d≦1、x+y+z=1、0<x≦1、0≦y、z≦1)で表示される化合物半導体である。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照し、実施形態例を挙げて本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。尚、以下の実施形態例で示す成膜方法、化合物半導体層の組成及び膜厚等は、本発明の理解を容易にするための一つの例示であって、本発明はこの例示に限定されるものではない。
実施形態例1
本実施形態例は、第1の発明に係る窒化物系半導体発光素子をGaN系半導体レーザ素子に適用した実施形態の一例であって、図1は本実施形態例のGaN系半導体レーザ素子の活性層付近の構成を示す断面図、及び図2は活性層付近のバンド構造図である。
本実施形態例のGaN系半導体レーザ素子は発光波長が460nmの半導体レーザ素子であって、活性層付近の構造10は、図1に示すように、膜厚80nmの下部GaN光ガイド層12と、障壁層14、歪補償層16A、井戸層18、及び歪補償層16Bの3周期と、障壁層14と、膜厚80nmの上部GaN光ガイド層20とから構成されている。
【0016】
障壁層14は膜厚50ÅのInX1Ga1−X1N(X1=0.02)層として、歪補償層16は膜厚10ÅのAlX2Ga1−X2N(X2=0.04)層として、井戸層18は膜厚25ÅのInX3Ga1−X3N(X3=0.18)層として構成されている。
本実施形態例では、全ての井戸層18とそれと隣合う障壁層14との間に歪補償層16が介在している。歪補償層16A、Bのバンドギャップエネルギーは、図2に示すように、障壁層14のバンドギャップエネルギーより大きく、また、歪補償層16A、Bのフリースタンディングでの格子定数は、障壁層14のそれより小さい。
【0017】
実施形態例1の活性層構造の活性層のカソードミネッセンス強度面内分布を観察すると、図3に示すように、全領域が460nmで発光しており、非発光領域は存在していない。図8に示す従来の活性層のカソードミネッセンス強度面内分布と比較すると、本発明の効果を十分に認識することができる。図3はカソードミネッセンス強度面内分布の写真の写しであって、元の写真は参考写真として特許庁に提出している。
本実施形態例では、活性層を結晶成長させる際、歪補償層16を井戸層18と障壁層14との間に介在させることにより、歪の蓄積が緩和されるので、結晶欠陥が発生し難くなり、非発光領域が減少する。
これにより、本実施形態例の活性層付近の構造10を備えた窒化物系半導体レーザ素子のしきい値が低下し、スロープ効率が向上する。
【0018】
本実施形態例では、歪補償層16A、BはAlGaN層であるが、これに限らず、障壁層14より大きなバンドギャップエネルギーを有する限り、InAlGaN層で構成しても良い。また、本実施形態例では、歪補償層16A、Bは同じ膜厚、同じ組成であるが、互いに異なる組成、膜厚でも良い。
また、本実施形態例では、歪補償層16が全ての井戸層18とそれを挟む障壁層14との間に介在しているが、これに限ることはなく、一部の井戸層18とそれを挟む障壁層14との間に介在していても良い。
更には、活性層は、3周期の量子井戸構造に限るものではない。
【0019】
本実施形態例では、障壁層14は、InGaN層であるが、4元混晶のInAlGaN層で構成しても良い。
また、光ガイド層12、20はGaN層であるが、GaNに限る必要はなく、InGaN、AlGaN、及びInAlGaNのいずれを使用しても良く、それらを積層した構造でも良い。また、光ガイド層12及び20は、同一である必要は無く、例えばAl及びIn組成が異なっても、膜厚が異なっていても良く、更には一方が単層膜で、他方が積層膜でも良い。
【0020】
実施形態例2
本実施形態例は、第2の発明に係る窒化物系半導体発光素子をGaN系半導体レーザ素子に適用した実施形態の一例であって、図4は活性層付近のバンド構造図である。
本実施形態例のGaN系半導体レーザ素子は発光波長が460nmの半導体レーザ素子であって、活性層付近の構造30は、図4に示すように、膜厚80nmの下部GaN光ガイド層32と、障壁層34、障壁層34内に設けられた歪補償層36、及び井戸層38の3周期と、障壁層34と、膜厚80nmの上部GaN光ガイド層40とから構成されている。
【0021】
障壁層34、歪補償層36、及び井戸層38の組成は、実施形態例1と同じである。
歪補償層36のバンドギャップエネルギーは、図3に示すように、障壁層34のバンドギャップエネルギーより大きく、また歪補償層36のフリースタンディングでの格子定数は、障壁層34のそれより小さい。
【0022】
本実施形態例では、活性層を結晶成長させる際、歪補償層36を障壁層34内に介在させることにより、歪の蓄積が緩和されるので、結晶欠陥が発生し低くなり、実施形態例1と同様に、非発光領域が減少する。
これにより、本実施形態例の活性層付近の構造30を備えた窒化物系半導体レーザ素子のしきい値が低下し、スロープ効率が向上する。
【0023】
実施形態例3
本実施形態例は、第2の発明に係る窒化物系半導体発光素子をGaN系半導体レーザ素子に適用した実施形態の別の一例であって、図5は活性層付近のバンド構造図である。
本実施形態例のGaN系半導体レーザ素子は発光波長が460nmの半導体レーザ素子であって、活性層付近の構造50は、図5に示すように、膜厚80nmの下部GaN光ガイド層52と、障壁層54、井戸層56、井戸層56内に設けられた歪補償層58、障壁層54と、膜厚80nmの上部GaN光ガイド層60とから構成されている。
【0024】
障壁層54、井戸層56、及び歪補償層58の組成は、実施形態例1と同じである。
歪補償層58のバンドギャップエネルギーは、図5に示すように、障壁層54のバンドギャップエネルギーより大きく、また歪補償層58のフリースタンディングでの格子定数は、障壁層54のそれより小さい。
【0025】
本実施形態例では、活性層を結晶成長させる際、歪補償層58を井戸層56内に介在させることにより、歪の蓄積が緩和されるので、結晶欠陥が発生し難くなり、実施形態例1と同様に、非発光領域が減少する。
これにより、本実施形態例の活性層付近の構造50を備えた窒化物系半導体レーザ素子のしきい値が低下し、スロープ効率が向上する。
【0026】
実施形態例4
本実施形態例は、第3の発明に係る窒化物系半導体発光素子をGaN系半導体レーザ素子に適用した実施形態の一例であって、図6は活性層付近のバンド構造図である。
本実施形態例のGaN系半導体レーザ素子は発光波長が460nmの半導体レーザ素子であって、活性層付近の構造70は、図6に示すように、膜厚80nmの下部GaN光ガイド層72と、多重量子井戸構造の活性層74と、膜厚80nmの上部GaN光ガイド層76とから構成されている。
【0027】
本実施形態例では、下部及び上部GaN光ガイド層72、76内に、それぞれ、複数層の歪補償層78が介在している。
GaN光ガイド層72、76の平均組成はInX Ga1−X N(X=0.02)であって、図6に示すように、膜厚800ÅのGaN光ガイド層72、76内に、それぞれ、複数層の膜厚10ÅのAlX1Ga1−X1N(X1=0.04)歪補償層78が200Å周期で介在している。
【0028】
歪補償層78のバンドギャップエネルギーは、図6に示すように、GaN光ガイド層72及び76のバンドギャップエネルギーより大きく、また歪補償層78のフリースタンディングでの格子定数は、GaN光ガイド層72及び76のそれより小さい。
【0029】
本実施形態例では、歪補償層78が光ガイド層72、76内に介在していることにより、活性層の結晶成長に際して、歪の蓄積が緩和されるので、結晶欠陥が発生し難くなり、非発光領域が減少する。
これにより、本実施形態例の光ガイド層構造を備えた窒化物系半導体レーザ素子のしきい値が低下し、スロープ効率が向上する。
【0030】
尚、本実施形態例で、光ガイド層72、76内に加えて、井戸層と障壁層との間にも歪補償層を介在させても良い。
つまり、多重量子井戸構造の活性層74は、図6に示すように、膜厚25ÅのInX3Ga1−X3N(X3=0.18)井戸層80と、井戸層80を挟む膜厚50ÅのInX2Ga1−X2N(X2=0.08)障壁層82と、井戸層80と井戸層80の両側の障壁層82との間に介在する膜厚10ÅのAlX4Ga1−X4N(X4=0.04)歪補償層84A、Bとで構成されている。
歪補償層84のバンドギャップエネルギーは、図6に示すように、障壁層82のバンドギャップエネルギーより大きく、また歪補償層84のフリースタンディングでの格子定数は、障壁層82のそれより小さい。
これにより、本実施形態例では、本発明の効果が一層大きくなる。
【0031】
【発明の効果】
第1及び第2の発明によれば、障壁層のバンドギャップエネルギーより大きなバンドギャップエネルギーを有する歪補償層を井戸層と井戸層を挟む両障壁層との間に介在させることにより、又は歪補償層を井戸層内又は障壁層内に介在させることにより、活性層の結晶成長に際して、歪の蓄積を緩和させることにより、結晶欠陥の発生を抑制し、非発光領域を減少させている。
また、第3の発明によれば、光ガイド層のバンドギャップエネルギーより大きなバンドギャップエネルギーを有する歪補償層を光ガイド層内に介在させることにより、歪の蓄積を緩和させることにより、結晶欠陥の発生を抑制し、非発光領域を減少させている。
第1から第3の発明に係る窒化物系半導体発光素子を適用することにより、しきい値電流が小さく、スロープ効率が上昇し、所定の発光波長での発光効率が高い窒化物系半導体レーザ素子を実現し、また定の発光波長での発光効率の高い窒化物系発光ダイオードを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態例1のGaN系半導体レーザ素子の活性層付近の構成を示す断面図である。
【図2】実施形態例1のGaN系半導体レーザ素子の活性層付近のバンド構造図である。
【図3】カソードミネッセンス強度面内分布の写真の写しである。
【図4】実施形態例2のGaN系半導体レーザ素子の活性層付近のバンド構造図である。
【図5】実施形態例3のGaN系半導体レーザ素子の活性層付近のバンド構造図である。
【図6】実施形態例4のGaN系半導体レーザ素子の活性層付近のバンド構造図である。
【図7】405nmの半導体レーザ素子の断面図である。
【図8】
カソードミネッセンス強度面内分布の写真の写しである。
【符号の説明】
10……実施形態例1のGaN系半導体レーザ素子の活性層付近の構造、12……下部GaN光ガイド層、14……障壁層、16……歪補償層、18……井戸層、20……上部GaN光ガイド層、30……実施形態例2のGaN系半導体レーザ素子の活性層付近の構造、32……下部GaN光ガイド層、34……障壁層、36……歪補償層、38……井戸層、40……上部GaN光ガイド層、50……実施形態例3のGaN系半導体レーザ素子の活性層付近の構造、52……下部GaN光ガイド層、54……障壁層、56……井戸層、58……歪補償層、60……上部GaN光ガイド層、70……実施形態例4のGaN系半導体レーザ素子の活性層付近の構造、72……下部GaN光ガイド層、74……多重量子井戸構造の活性層、76……上部GaN光ガイド層、78……歪補償層、80……井戸層、82……障壁層、84……歪補償層、90……405nmの半導体レーザ素子、91……サファイア基板又はGaN基板、92……n−GaNバッファ層、93……n−AlGaNクラッド層、94……GaN光ガイド層、95……活性層、96……GaN光ガイド層、97……p−AlGaNクラッド層、98……p−GaNコンタクト層。
Claims (9)
- Inを含む窒化物系化合物半導体層からなる量子井戸構造の活性層を有する窒化物系半導体発光素子において、
量子井戸構造を構成する障壁層のバンドギャップエネルギーより大きなバンドギャップエネルギーを有する歪補償層が、量子井戸構造を構成する井戸層のうち少なくとも1層の井戸層と該少なくとも一層の井戸層を挟む両障壁層との間にそれぞれ介在していることを特徴とする窒化物系半導体発光素子。 - 井戸層と井戸層を挟む両障壁層との間にそれぞれ介在する2層の歪補償層の組成が相互に異なることを特徴とする請求項1に記載の窒化物系半導体発光素子。
- Inを含む窒化物系化合物半導体層からなる量子井戸構造の活性層を有する窒化物系半導体発光素子において、
量子井戸構造を構成する障壁層のバンドギャップエネルギーより大きなバンドギャップエネルギーを有する歪補償層が、障壁層内又は井戸層内に介在していることを特徴とする窒化物系半導体発光素子。 - 各障壁層内又は各井戸層内にそれぞれ介在している障壁層のうち少なくとも2層の障壁層の組成が相互に異なることを特徴とする請求項3に記載の窒化物系半導体発光素子。
- 井戸層及び障壁層がInGaN層で構成されているとき、歪補償層がAlGaN層であることを特徴とする請求項1又は3に記載の窒化物系半導体発光素子。
- Inを含む窒化物系化合物半導体層からなる量子井戸構造の活性層を有する窒化物系半導体発光素子において、
光ガイド層及び量子井戸構造を構成する障壁層の双方のバンドギャップエネルギーより大きなバンドギャップエネルギーを有する歪補償層が、活性層の上下に設けられている光ガイド層の少なくとも一方の光ガイド層内に介在していることを特徴とする窒化物系半導体素子。 - 複数層の歪補償層が光ガイド層内に周期的に介在することを特徴とする請求項6に記載の窒化物系半導体発光素子。
- 光ガイド層がInGaN層で構成されているとき、歪補償層がAlGaN層であることを特徴とする請求項6又は8に記載の窒化物系半導体発光素子。
- 歪補償層の膜厚が、井戸層の膜厚及び障壁層の膜厚の双方より薄いことを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の窒化物系半導体発光素子。
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