JP2005294753A - 半導体発光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】 オーバーフロー層から活性層への不純物の拡散を抑制し、発光効率の低下を抑制することを可能にする。
【解決手段】 結晶基板１上に形成された第１導電型の第１クラッド層２と、第１クラッド層上に形成された活性層４と、活性層上に形成され活性層に不純物が拡散するのを防止する拡散防止層５１と、拡散防止層上に形成され活性層に注入されたキャリアのオーバーフローを防止する第１導電型と異なる第２導電型のオーバーフロー防止層５と、オーバーフロー防止層上に形成された第２導電型の第２クラッド層７とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体発光素子に関する。
波長４００ｎｍ帯の青紫色のレーザ光を発光する半導体発光素子は次世代ＤＶＤ(digital versatile disk)などへの開発が進んでいる。その素子構造としては、例えば、ＧａＮ基板上にＩｎＧａＡｌＮ系材料で構成したダブルヘテロ接合を有し、上部クラッド層をリッジ形状にしたリッジ導波路型半導体発光素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。このリッジ導波路型半導体発光素子は、ｎ型のＧａＮ基板上にＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるノンドープのｎ型コンタクト層が形成されている。このノンドープのｎ型コンタクト層上にはＳｉがドープされたＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるｎ型コンタクト層が形成され、このｎ型コンタクト層の一部の領域にｎ側電極が設けられ、このｎ側電極が設けられていない領域上にはＳｉがドープされＩｎ０．０８Ｇａ０．９２Ｎからなるｎ型クラック防止層が設けられている。ｎ型クラック防止層上に、ノンドープのＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎからなる層とＳｉをドープしたＧａＮからなる層を交互に１６０回積層した多層膜（超格子構造）からなるｎ型クラッド層が形成されている。このｎ型クラッド層上にノンドープのＧａＮからなるｎ型ガイド層が形成されている。ｎ型ガイド層上にはＳｉがドープされたＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎからなる障壁層とアンドープのＩｎ０．１１Ｇａ０．８９Ｎからなる井戸層を交互に３回積層しその上に障壁層を積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層が形成されている。この活性層上にはＭｇがドープされたＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎからなるｐ型オーバーフロー防止層が形成されている。このｐ型オーバーフロー防止層上にはノンドープのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる層とＭｇがドープされたＧａＮからなる層が交互に１００回積層された多層膜（超格子構造）からなりリッジ形状に形成されたｐ型クラッド層が形成されている。このｐ型クラッド層の側部にはＺｒ酸化物からなる保護膜が形成され、上記ｐ型クラッド層上にはＭｇがドープされたＧａＮからなるｐ型コンタクト層が形成されている。そして、上記ｐ型クラッド層および保護膜上にはｐ側電極が形成された構成となっている。
オーバーフロー防止層はバンドギャップが広いため、ｎ側電極から注入された電子を遮り、電子を活性層に閉じ込めることができるが、オーバーフロー防止効果を高くするためにはバンドギャップが大きくなるようにオーバーフロー防止層の不純物濃度を高くする必要がある。この場合、不純物が活性層まで拡散してしまい、発光再結合が阻害され、発光効率が低下するという問題があった。
特開２０００−２９９４９７号公報
本発明は、オーバーフロー層から活性層への不純物の拡散を抑制し、発光効率が低下するのを抑制することのできる半導体発光素子を提供することを目的とする。
本発明の一態様による半導体発光素子は、結晶基板上に形成された第１導電型の第１クラッド層と、前記第１クラッド層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成され前記活性層に不純物が拡散するのを防止する拡散防止層と、前記拡散防止層上に形成され前記活性層に注入されたキャリアのオーバーフローを防止する前記第１導電型と異なる第２導電型のオーバーフロー防止層と、前記オーバーフロー防止層上に形成された第２導電型の第２クラッド層とを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、オーバーフロー層から活性層への不純物の拡散を抑制し、発光効率が低下するのを抑制することができる。
以下本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による半導体発光素子の構成を図１に示す。
ＧａＮからなるｎ型基板１上に層厚が０．５μｍ以上２．０μｍ以下のＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎからなるｎ型クラッド層２が形成されている。このｎ型クラッド層２上に層厚が０．０１μｍ以上０．１μｍ以下のＧａＮからなるｎ型光ガイド層３が形成されている。このｎ型光ガイド層３上に、層厚が３ｎｍ以上１０ｎｍ以下のＳｉがドープされたＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなる障壁層と層厚が２ｎｍ以上５ｎｍ以下のノンドープのＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなる井戸層を交互に２乃至４回積層した後に層厚が３ｎｍ以上１０ｎｍ以下のＳｉがドープされたＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなる障壁層が形成された多重量子井戸ＭＱＷ(Multiple Quantum Well)構造の活性層４が設けられている。この活性層４上に層厚が０．０２μｍ以上０．１μｍ以下のノンドープのＧａＮからなる拡散防止層５１が形成されている。この拡散防止層５１上に層厚が５ｎｍ以上２０ｎｍ以下のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなるｐ＋型のオーバーフロー防止層５が設けられている。拡散防止層５１は薄すぎるとｐ＋型オーバーフロー防止層５の不純物が活性層４まで拡散してしまい、厚すぎるとオーバーフロー防止層５が活性層４から離れてしまい、オーバーフロー防止の効果が無くなってしまう。
オーバーフロー防止層５上に層厚が０．０１μｍ以上０．１μｍ以下のＧａＮからなるｐ型の光ガイド層６が形成されている。この光ガイド層６上には層厚が０．５μｍ以上２．０μｍ以下のＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎからなるｐ型のクラッド層７が形成されている。クラッド層７上に層厚が０．０２μｍ以上０．２μｍ以下のＧａＮからなるｐ＋型のコンタクト層８が設けられている。なお、クラッド層７の途中までコンタクト層８およびクラッド層７がリッジ形状に形成され、リッジ形状に形成されたクラッド層７およびコンタクト層８の部分がリッジ型導波路１０となる。なお、リッジ型導波路１０は紙面に垂直な方向に延在している。すなわち、紙面に垂直かつ上からみるとリッジ型導波路１０はストライプ形状となっている。
リッジ型導波路１０の上部以外の全表面に層厚が０．２μｍ以上０．７μｍ以下のＳｉＯ２からなる保護膜９を形成し、リッジ型導波路１０上にｐ側電極１１を形成し、ＧａＮ基板１の下にｎ側電極１２を設けた構成となっている。なお、ｐ側電極１１はＰｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｕ等から選択された少なくとも一つの金属からなる層、選択された２つ以上の金属を積層した積層膜、またはそれらの金属の合金から構成することができる。また、ｎ側電極１２はＴｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｌ等から選択された少なくとも一つの金属からなる層、選択された２つ以上の金属を積層した積層膜、またはそれらの金属の合金から構成することもできる。なお、クラッド層２およびクラッド７は、層厚が１ｎｍ以上５ｎｍ以下のＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎからなる層とＧａＮからなる層を交互に成長した超格子層とすることもできる。また、オーバーフロー防止層５および拡散防止層５１を形成する際の温度が活性層４の形成温度より高くすることが好ましい。
比較例として、本実施形態による半導体発光素子の拡散防止層５１を形成しないでかつ活性層４に不純物が拡散していない半導体発光素子を比較例１、拡散防止層５１を形成しないでかつ活性層４に不純物が拡散した半導体発光素子を比較例２として形成した。これらの比較例１および比較例２は、図５に示す構造を有している。
本実施形態による半導体発光素子と、比較例１および比較例２の半導体発光素子の印加電流に対する光出力の特性（Ｉ−Ｌ特性）をシミュレーションした。上記特性を雰囲気が室温の場合を図２に示し、雰囲気が１００℃の場合を図３に示す。
不純物が活性層４まで拡散した比較例２の場合、本実施形態および比較例１に比べてしきい値電流が増加し、効率（Ｉ−Ｌ特性グラフの傾き）も低下し、高温でのＩ−Ｌ特性の飽和が顕著になってしまうことが分かる。これは不純物拡散によるｐ−ｎ接合の位置ずれや準位が作られることによる非発光の再結合が増加することが原因である。
これに対し、本実施形態では、比較例１および比較例２に比べてしきい値電流が低下するとともに効率が増加し、Ｉ−Ｌ特性の飽和が見られない。すなわち、比較例１の活性層に不純物の拡散がない場合よりも改善されていることが分かる。これは、本実施形態では、活性層４とオーバーフロー防止層５との間に拡散防止層５１が設けられているため、屈折率の低いオーバーフロー防止層５が活性層４から少し離れ、活性層４への光の閉じ込めが増加したためと思われる。
以上説明したように、本実施形態によればオーバーフロー層から活性層への不純物の拡散を抑制し、発光効率が低下するのを抑制することができる。
なお、ｎ型のクラッド層２およびｐ型のクラッド層７はＡｌｓＧａ１−ｓＮであるかまたはＡｌｓＧａ１−ｓＮ／ＧａＮからなる超格子(０．０＜ｓ≦０．３)であることが好ましい。
また、活性層４はＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＩｎｙＧａ１−ｙＮからなる多重量子井戸活性層(０．０５≦ｘ≦１．０、０≦ｙ≦１．０、ｘ＞ｙ)であることが好ましい。
また、オーバーフロー防止層５はＡｌｔＧａ１−ｔＮからなり、オーバーフロー防止層５におけるＡｌの化学量論比ｔはクラッド層２、７におけるＡｌの化学量論比ｓより大きいことが好ましい。
また、拡散防止層５１はＡｌｕＧａ１−ｕＮ(０≦ｕ＜ｔ)からなり、拡散防止層５１におけるＡｌの化学量論比ｕは０以上でかつオーバーフロー防止層５におけるＡｌの化学量論比ｔよりも小さいことが好ましい。このように構成することにより、屈折率が大きくなり、活性層への光の閉じこめを強くすることができる。
また、オーバーフロー防止層５は不純物濃度が５×１０１８／ｃｍ−３以上でかつ拡散防止層はノンドープであることが好ましい。このように構成することにより、キャリアの活性層からのオーバーフローを、より防止することができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による半導体発光素子の構成を図４に示す。
本実施形態による半導体発光素子は、図１に示す第１実施形態による半導体発光素子において、ノンドープのＧａＮからなる拡散防止層５１をやや厚め、例えば０．１μｍ〜０．１５μｍにして光ガイド機能も持たせ、ＧａＮからなるｐ型の光ガイド層６を除去した構成となっている。オーバーフロー防止層５は活性層４に近いほど効果が大きいが、不純物の濃度を高くすることにより障壁を高くできるため、活性層４とオーバーフロー防止層が少し離れても、オーバーフロー防止効果を維持することができる。したがって、本実施形態においては、オーバーフロー防止層５の不純物の濃度が第１実施形態に比べて高くなるように構成されている。
この実施形態も、第１実施形態と同様に、オーバーフロー層から活性層への不純物の拡散を抑制し、発光効率が低下するのを抑制することができる。
本発明の第１実施形態による半導体発光素子の構成を示す断面図。 第１実施形態による半導体発光素子と、比較例１、２による半導体発光素子の雰囲気が室温であるときのＩ−Ｌ特性をシミュレーションによって求めた特性グラフ。 第１実施形態による半導体発光素子と、比較例１、２による半導体発光素子の雰囲気が１００℃であるときのＩ−Ｌ特性をシミュレーションによって求めた特性グラフ。 本発明の第２実施形態による半導体発光素子の構成を示す断面図。 比較例１および比較例２による半導体発光素子の構成を示す断面図。
符号の説明
１ ｎ型基板
２ ｎ型クラッド層
３ ｎ型光ガイド層
４ ＭＱＷ構造の活性層
５ ｐ型オーバーフロー防止層
５１ 拡散防止層
６ ｐ型光ガイド層
７ ｐ型クラッド層
８ ｐ型コンタクト層
９ 保護膜
１０ リッジ構造
１１ ｐ側電極
１２ ｎ側電

Claims (4)

  1. 結晶基板上に形成された第１導電型の第１クラッド層と、
    前記第１クラッド層上に形成された活性層と、
    前記活性層上に形成され前記活性層に不純物が拡散するのを防止する拡散防止層と、
    前記拡散防止層上に形成され前記活性層に注入されたキャリアのオーバーフローを防止する前記第１導電型と異なる第２導電型のオーバーフロー防止層と、
    前記オーバーフロー防止層上に形成された第２導電型の第２クラッド層と
    を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
  2. 前記第１導電型の第１クラッド層および第２導電型の第２クラッド層がＡｌｓＧａ１−ｓＮからなる層かまたはＡｌｓＧａ１−ｓＮ／ＧａＮからなる超格子(０．０＜ｓ≦０．３)層であり、前記活性層がＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＩｎｙＧａ１−ｙＮからなる多重量子井戸活性層(０．０５≦ｘ≦１．０、０≦ｙ≦１．０、ｘ＞ｙ)であり、前記オーバーフロー防止層がＡｌｔＧａ１−ｔＮ(ｔ＞ｓ)からなる層であり、前記拡散防止層がＡｌｕＧａ１−ｕＮ(０≦ｕ＜ｔ)からなる層であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
  3. 前記オーバーフロー防止層の不純物濃度が５×１０１８／ｃｍ−３以上であり、前記拡散防止層がノンドープ層であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体発光素子。
  4. 前記オーバーフロー防止層の層厚が５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、前記拡散防止層の層厚が０．１μｍ以上０．１５μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体発光素子。
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