JP2006245441A - Semiconductor light emitting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体発光素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device.
発光ダイオード等の半導体発光素子は、P型半導体とN型半導体との間に活性層を備えている。発光ダイオードに順方向バイアス電圧を印加すると、PN接合間のエネルギー障壁が低くなる。N型半導体からP型半導体に移動した電子は、高エネルギー準位の伝導帯から、低エネルギー準位の価電子帯に遷移し、正孔と再結合する。この遷移に伴って失ったエネルギーは光として外部に放出される。エネルギーバンドギャップが大きいほど、発光波長は短くなる。 A semiconductor light emitting element such as a light emitting diode includes an active layer between a P-type semiconductor and an N-type semiconductor. When a forward bias voltage is applied to the light emitting diode, the energy barrier between the PN junctions is lowered. The electrons transferred from the N-type semiconductor to the P-type semiconductor transition from the high energy level conduction band to the low energy level valence band and recombine with holes. The energy lost with this transition is emitted to the outside as light. The larger the energy band gap, the shorter the emission wavelength.
従来、活性層におけるキャリアの再結合効率を向上させ、発光効率を向上させるため、活性層はエネルギーバンドギャップが活性層よりも大きなクラッド層によって挟まれる。活性層に多重量子井戸(MQW)構造を用いると、再結合を行うキャリアの井戸層への局在化により再結合確率が向上し、発光効率を向上させることができる。 Conventionally, in order to improve the carrier recombination efficiency and the light emission efficiency in the active layer, the active layer is sandwiched between clad layers having an energy band gap larger than that of the active layer. When a multi-quantum well (MQW) structure is used for the active layer, the recombination probability is improved due to the localization of carriers for recombination to the well layer, and the light emission efficiency can be improved.
また、活性層とクラッド層とを直接接触させず、これらの間に組成が連続的に変化したグレーデッド層を設けるものも提案されており、このような半導体発光素子は、例えば、下記特許文献1、特許文献2、特許文献3、特許文献4に記載されている。
しかしながら、活性層とクラッド層との間に介在するグレーデッド層がノンドープで形成されている場合には、グレーデッド層のフェルミ準位は禁制帯の中ほどに存在する。高不純物濃度のP型クラッド層のフェルミ準位は、価電子帯寄りに存在する。高不純物濃度のN型クラッド層のフェルミ準位は、伝導帯寄りに存在する。 However, when the graded layer interposed between the active layer and the cladding layer is formed non-doped, the Fermi level of the graded layer exists in the middle of the forbidden band. The Fermi level of the high impurity concentration P-type cladding layer exists near the valence band. The Fermi level of the N-type cladding layer having a high impurity concentration exists near the conduction band.
すなわち、互いに隣接するノンドープ・グレーデッド層と高濃度クラッド層との境界部分では、これらのフェルミ準位を一致させると、エネルギーバンドのノッチが発生する。P型クラッド層の場合にはノッチが正孔に対する障壁となり、N型クラッド層の場合にはノッチが電子に対する障壁となり、いずれの場合も活性層へのキャリアのスムーズな注入が阻害される。この結果、応答特性の低下を招いていた。 That is, at the boundary between the non-doped graded layer and the high-concentration cladding layer adjacent to each other, when these Fermi levels are matched, a notch in the energy band is generated. In the case of the P-type cladding layer, the notch becomes a barrier against holes, and in the case of the N-type cladding layer, the notch becomes a barrier against electrons, and in any case, smooth injection of carriers into the active layer is hindered. As a result, the response characteristics are degraded.
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、発光効率を低下させずに応答特性を向上可能な半導体発光素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device capable of improving response characteristics without reducing light emission efficiency.
上述の課題を解決するため、本発明に係る半導体発光素子は、第1のクラッド層と、第1のクラッド層上に形成された第1のグレーデッド層と、第1のグレーデッド層上に形成された活性層と、活性層上に形成された第2のグレーデッド層と、第2のグレーデッド層上に形成された第2のクラッド層とを備えた半導体発光素子において、第1及び第2のクラッド層は高キャリア濃度を有しており、第1及び/又は第2のグレーデッド層は、それぞれに隣接するクラッド層との境界近傍において、キャリア濃度がクラッド層に向かうに従って連続的に増加していることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problem, a semiconductor light emitting device according to the present invention includes a first cladding layer, a first graded layer formed on the first cladding layer, and a first graded layer. In a semiconductor light emitting device comprising: an active layer formed; a second graded layer formed on the active layer; and a second cladding layer formed on the second graded layer. The second cladding layer has a high carrier concentration, and the first and / or second graded layers are continuous in the vicinity of the boundary with the adjacent cladding layer as the carrier concentration moves toward the cladding layer. It is characterized by increasing.
なお、半導体発光素子における「活性層」とはキャリアの再結合が生じる半導体層のことであり、「クラッド層」とは「活性層」よりもエネルギーバンドギャップが大きい半導体層のことであり、「グレーデッド層」とは、「活性層」と「クラッド層」との間のエネルギーバンドギャップを有してエネルギーバンドギャップが連続的に変化した半導体層のことであり、「キャリア濃度」とは室温における不純物濃度を意味し、「高キャリア濃度」とは5×1017cm−3以上のキャリア濃度を意味することとする。 The “active layer” in the semiconductor light emitting device is a semiconductor layer in which carrier recombination occurs, and the “cladding layer” is a semiconductor layer having a larger energy band gap than the “active layer”. A “graded layer” is a semiconductor layer having an energy band gap between the “active layer” and the “cladding layer”, and the energy band gap is continuously changed. The “high carrier concentration” means a carrier concentration of 5 × 10 17 cm −3 or more.
また、「クラッド層」は、屈折率が低くエネルギーバンドギャップが大きい半導体層であり、せき止め機能(電子と正孔をせき止める機能)及び窓機能(P型半導体層やN型半導体層が一種の窓として働き、活性層で発生した光の自己吸収が少なく、効率よく光を取り出せる機能)を有しているものを意味し、必ずしも活性層に隣接することを要するものではない。 The “cladding layer” is a semiconductor layer having a low refractive index and a large energy band gap, and has a blocking function (function for blocking electrons and holes) and a window function (a P-type semiconductor layer or an N-type semiconductor layer is a kind of window). It has a function of having a function of taking out light efficiently with little self-absorption of light generated in the active layer, and is not necessarily required to be adjacent to the active layer.
なお、グレーデッド層におけるクラッド層に対する「境界近傍」とは、活性層との境界よりも相対的に近い位置を意味する。 The “near boundary” of the graded layer with respect to the cladding layer means a position relatively closer to the boundary with the active layer.
また、半導体発光素子の活性層が多重量子井戸構造である場合の活性層のエネルギーバンドギャップとは、井戸層のエネルギーバンドギャップである事と定義する。 Further, the energy band gap of the active layer when the active layer of the semiconductor light emitting device has a multiple quantum well structure is defined as the energy band gap of the well layer.
上述の半導体発光素子においては、クラッド層が高キャリア濃度を有しているため、活性層からのキャリアのオーバーフローが抑制される。活性層の近傍はフリーキャリアに起因する発光の吸収を抑制するため、キャリア濃度は低く設定される。活性層とクラッド層の間において介在するグレーデッド層はこれらの間の急激な組成変化を緩和しており、キャリアを効率よく活性層に導く効果があり、発光効率を向上させている。 In the semiconductor light emitting device described above, since the cladding layer has a high carrier concentration, the overflow of carriers from the active layer is suppressed. In the vicinity of the active layer, the carrier concentration is set low in order to suppress absorption of light emission caused by free carriers. The graded layer interposed between the active layer and the clad layer relaxes the rapid composition change between them, and has the effect of efficiently guiding carriers to the active layer, thereby improving the light emission efficiency.
ここで、グレーデッド層のクラッド層近傍において、キャリア濃度が連続的に増加しているので、エネルギーバンドギャップにノッチが生じるのが抑制され、活性層へのキャリアのスムーズな注入が行われる。したがって、この半導体発光素子においては、発光効率を低下させずに応答特性を向上させることができる。ここでいう「応答特性」とは、電流を注入してから発効するまでの応答速度に加えて、半導体発光素子を駆動する際のスムーズなキャリアの注入を含めて考えることを意味するものとする。 Here, since the carrier concentration continuously increases in the vicinity of the clad layer of the graded layer, the occurrence of notches in the energy band gap is suppressed, and the carrier is smoothly injected into the active layer. Therefore, in this semiconductor light emitting device, the response characteristics can be improved without reducing the light emission efficiency. The term “response characteristics” as used herein means to consider smooth carrier injection when driving a semiconductor light-emitting element, in addition to the response speed from when current is injected until it takes effect. .
また、第1のクラッド層、第1のグレーデッド層、第2のグレーデッド層及び第2のクラッド層が、それぞれAlGaInPからなる場合、10%程度の応答速度改善が得られた。 In addition, when the first cladding layer, the first graded layer, the second graded layer, and the second cladding layer are each made of AlGaInP, a response speed improvement of about 10% was obtained.
また、活性層は、GaInP及びAlGaInPを交互に積層してなる多重量子井戸構造を有することが好ましく、この場合には、バリア層(AlGaInP)がクラッド層やグレーデッド層と容易に格子整合するため、発光効率が低下しない。 The active layer preferably has a multiple quantum well structure in which GaInP and AlGaInP are alternately stacked. In this case, the barrier layer (AlGaInP) is easily lattice-matched with the cladding layer or graded layer. The luminous efficiency does not decrease.
また、第1及び/又は第2のグレーデッド層は、それぞれに隣接するクラッド層との界面において、キャリア濃度及び組成がクラッド層と等しく設定されると、スムーズなキャリア注入を行うことができる。 In addition, the first and / or second graded layer can perform smooth carrier injection when the carrier concentration and the composition are set to be equal to those of the cladding layer at the interface with the adjacent cladding layer.
本発明の半導体発光素子によれば、発光効率を低下させずに応答特性を向上させることができる。 According to the semiconductor light emitting device of the present invention, the response characteristics can be improved without lowering the light emission efficiency.
以下、実施の形態に係る半導体発光素子(発光ダイオード)について説明する。なお、同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。 Hereinafter, a semiconductor light emitting device (light emitting diode) according to an embodiment will be described. In addition, the same code | symbol shall be used for the same element and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図1は実施の形態に係る半導体発光素子の平面図、図2は図1に示した半導体発光素子のII−II矢印線断面図である。 FIG. 1 is a plan view of a semiconductor light emitting device according to the embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II of the semiconductor light emitting device shown in FIG.
この半導体発光素子100は、コンタクト層1上に、DBR層2、クラッド層3、グレーデッド層4、グレーデッド層5、活性層6、グレーデッド層7、グレーデッド層8、クラッド層9、DBR層10、コンタクト層11を順次積層してなる。下部のコンタクト層1の下面にはカソード電極E1が設けられ、上部のコンタクト層11の上面には中央部が開口したアノード電極E2が設けられている。コンタクト層11上には絶縁層20が形成されている。
The semiconductor
アノード電極E2は、絶縁層20上に形成され中央部が開口した円環部E2aと、絶縁層20上に形成され円環部E2aに電気的に接続された電極パッド部E2bと、円環部E2a上の複数の位置から内側に収束するように延びた複数のコンタクト部E2cを備えている。各コンタクト部E2c間には開口が形成される。
The anode electrode E2 includes an annular portion E2a formed on the
各半導体層1〜11の材料、組成、導電型、キャリア濃度(cm−3)、厚み(nm)は以下の通りである。なお、表中の「〜」の左側には活性層6に近い場合の値を記載し、右側には活性層6から遠い場合の値を記載し、「/」の左右には交互に積層される2つの半導体層を記載することとする。
詳説すれば、活性層6は、2つの下側のグレーデッド層5,4と、2つの上側のグレーデッド層7,8によって挟まれている。
More specifically, the
下側のグレーデッド層5は、活性層6から離れるに従って厚み方向にAl0.3Ga0.2In0.5PからAl0.325Ga0.175In0.5Pまで変化し、グレーデッド層4は、厚み方向にAl0.325Ga0.175In0.5PからAl0.35Ga0.15In0.5Pまで変化し、クラッド層3(Al0.35Ga0.15In0.5P)に連続している。
The lower graded
グレーデッド層7は、活性層6から離れるに従って厚み方向にAl0.3Ga0.2In0.5PからAl0.325Ga0.175In0.5Pまで変化し、グレーデッド層8は、厚み方向にAl0.325Ga0.175In0.5PからAl0.35Ga0.15In0.5Pまで変化し、クラッド層9(Al0.35Ga0.15In0.5P)に連続している。
The graded
また、DBR(Distributed Bragg Reflector)層2,10は多層反射膜であり、これは高屈折率層(Al0.5GaAs)と低屈折率層(Al0.98GaAs)を交互に積層したものである。また、出射効率の観点から、カソード電極E1側のDBR層2の発光波長に対する反射率を、アノード電極E2側のDBR層10の発光波長に対する反射率よりも高くすることが好ましい。
Further, DBR (Distributed Bragg Reflector)
また、活性層6は、ノンドープの多重量子井戸(MQW)構造を有しており、フォトルミネッセンスピーク波長は650nmである。また、井戸層及びバリア層の厚み及び数は、井戸層5nm、バリア層5nmで井戸層3層、バリア層2層である。
The
カソード電極E1とアノード電極E2との間に順方向バイアス電圧を印加すると、カソード電極E1から電子が、アノード電極E2から正孔が注入され、これらが活性層6内で再結合すると、発光が生じる。
When a forward bias voltage is applied between the cathode electrode E1 and the anode electrode E2, electrons are injected from the cathode electrode E1 and holes are injected from the anode electrode E2. When these recombine in the
クラッド層3,9はエネルギーバンドギャップが活性層6よりも大きいので、キャリアの閉じ込め効果が高いが、クラッド層3,9は高キャリア濃度(5×1017cm−3以上)を有しているため、クラッド層のフェルミ準位が、価電子帯若しくは伝導帯に近づき、活性層とクラッド層のエネルギー差が大きくなり、活性層6からのキャリアのオーバーフローが抑制される。
Since the
活性層6とクラッド層3,9の間において介在するグレーデッド層4,5,7,8は、これらの間の急激な組成変化を緩和しており、キャリアを効率よく活性層に導く効果があり、発光効率を向上させている。
Graded
活性層6の近傍に位置するグレーデッド層5,7は、フリーキャリアに起因する発光の吸収を抑制するため、そのキャリア濃度は低く設定されている(ノンドープ)。また、クラッド層3,9の近傍に位置するグレーデッド層4,8は、活性層6から離れるに従ってキャリア濃度が連続的に増加している。グレーデッド層4,8のクラッド層3,9近傍において、キャリア濃度が連続的に増加しているので、これらの界面において、エネルギーバンドギャップにノッチが生じるのが抑制され、活性層6へのキャリアがスムーズに注入できる。したがって、この半導体発光素子においては、発光効率を低下させずに応答特性を向上させることができる。
The graded layers 5 and 7 positioned in the vicinity of the
グレーデッド層4,8のキャリア濃度C4、C8は、活性層6とグレーデッド層5,7との界面位置を原点O、O’とし、これらの原点から離れる厚み方向距離をd、グレーデッド層5,7の厚みをD、初期値C0、係数Cとすると、例えば、以下のように示される。
C4=C0+C×(d−D)
The carrier concentrations C 4 and C 8 of the graded layers 4 and 8 are such that the interface positions between the
C 4 = C 0 + C × (d−D)
ここで、C0は0.5〜1.0×1017cm−3程度であり、係数Cは、0.4から1×1016cm−3/nm程度である。厚みDは、25nm〜70nm程度である。クラッド層のキャリア濃度は1〜2×1018cm−3程度が好ましい。 Here, C 0 is about 0.5 to 1.0 × 10 17 cm −3 and the coefficient C is about 0.4 to 1 × 10 16 cm −3 / nm. The thickness D is about 25 nm to 70 nm. The carrier concentration of the cladding layer is preferably about 1 to 2 × 10 18 cm −3 .
なお、グレーデッド層に添加するP型の不純物としてはMgを用いることができる。MgはZnよりも拡散定数が小さく、添加時の制御が容易であるという利点がある。また、N型の不純物としては、Siを用いた。 Note that Mg can be used as a P-type impurity added to the graded layer. Mg has the advantage that the diffusion constant is smaller than that of Zn, and control during addition is easy. Si was used as the N-type impurity.
なお、グレーデッド層のAlGaInP組成が、活性層6の発光波長の光を一定レベル以上吸収する組成の場合には、ノンドープとする。この吸収が少なくなるAlGaInP組成からエネルギーバンドギャップが広くなるクラッド層3,9にかけてのグレーデッド層4,8は、ノンドープから徐々にキャリア濃度が増加する。また、グレーデッド層4,8とクラッド層3,9との界面では、これらの層のAlGaInP組成及びキャリア濃度が一致し、スムーズなキャリア注入を行うことができる。
In the case where the AlGaInP composition of the graded layer is a composition that absorbs light of the emission wavelength of the
キャリアのドープを開始する部位は、活性層6の発光に対して、十分にフリーキャリア吸収が小さくなるようなグレーデッド層の組成(エネルギーバンドギャップE)となる部位である。また、キャリアのドープを開始する部位は、ドーパントの活性層6への拡散が問題とならない程度、活性層6から離れた部位(距離D)である。
The part where carrier doping is started is a part having a graded layer composition (energy band gap E) that sufficiently reduces free carrier absorption for the light emission of the
エネルギーバンドギャップE及び距離Dは以下の通りである。
エネルギーバンドギャップE=1.89〜1.92eV
距離D=25nm〜70nm
The energy band gap E and the distance D are as follows.
Energy band gap E = 1.89 to 1.92 eV
Distance D = 25 nm to 70 nm
図3は、図2に示した半導体発光素子の縦断面図(a)、厚み方向に対するエネルギーバンドギャップのグラフ(b)、厚み方向に対する不純物濃度(c)のグラフである。なお、この厚みは、下部のコンタクト層1の露出面位置を0とし、積層方向を正とする。なお、不純物濃度は、室温におけるキャリア濃度を示すこととする。
FIG. 3 is a longitudinal sectional view (a) of the semiconductor light emitting device shown in FIG. 2, an energy band gap graph (b) with respect to the thickness direction, and an impurity concentration (c) graph with respect to the thickness direction. This thickness is defined such that the exposed surface position of the
活性層6から連続するグレーデッド層5,7の厚みは40nmであり、グレーデッド層5,7のエネルギーバンドギャップは活性層6との境界から離れるに従って徐々に大きくなり、活性層6から40nm以上離れたグレーデッド層4,8では、その組成を更にクラッド層3,9に近づけている。すなわち、グレーデッド層4,8では、エネルギーバンドギャップを連続的に変化させつつ、不純物濃度をノンドープからクラッド層3,9の不純物濃度まで徐々に変化させている。
The thickness of graded
この構造により、後述の比較例で示されるグレーデッド層−クラッド層界面に生じるエネルギー準位のノッチが抑制される。本構造を採用することで、光出力を維持した状態で応答速度を向上させることが出来る。また、ノッチが抑制されるため、順方向電圧も低減することができる。 With this structure, the notch of the energy level generated at the graded layer-cladding layer interface shown in a comparative example described later is suppressed. By adopting this structure, the response speed can be improved while maintaining the light output. Moreover, since the notch is suppressed, the forward voltage can also be reduced.
なお、本例では、内側のグレーデッド層5,7のエネルギーバンドギャップの傾斜(厚み方向に対する変化率)は、外側のグレーデッド層4,8のエネルギーバンドギャップの傾斜よりも小さい。
In this example, the gradient of the energy band gap of the inner graded
図4は、別の半導体発光素子の縦断面図(a)、厚み方向のエネルギーバンドギャップのグラフ(b)、厚み方向の不純物濃度(c)のグラフである。 FIG. 4 is a longitudinal sectional view (a) of another semiconductor light emitting device, a graph (b) of the energy band gap in the thickness direction, and a graph of the impurity concentration (c) in the thickness direction.
この半導体発光素子では、内側のグレーデッド層5,7のエネルギーバンドギャップの傾斜は、外側のグレーデッド層4,8のエネルギーバンドギャップの傾斜と等しくしてあり、厚み方向に対して一定である。すなわち、図3に示したものよりも外側のグレーデッド層4,8の厚みを大きくし、エネルギーバンドギャップの厚み方向変化率を緩慢にしてある。
In this semiconductor light emitting device, the slope of the energy band gap of the inner graded
なお、グレーデッド層のエネルギーバンドギャップは、クラッド層に近くなるほど、傾斜が急になるような構造としてもよい。 The energy band gap of the graded layer may have a structure in which the slope becomes steeper as it gets closer to the cladding layer.
上述の半導体発光素子のエネルギーバンドギャップについて更に考察する。 The energy band gap of the above semiconductor light emitting device will be further considered.
図5は、実施の形態に係る半導体発光素子の上側のグレーデッド層7,8の近傍におけるエネルギーバンド図である。
FIG. 5 is an energy band diagram in the vicinity of the upper graded
内側のグレーデッド層7、活性層6はノンドープである。一方、外側のグレーデッド層8はグレーデッドドープ(不純物濃度が厚み方向に変化)されている。フェルミ準位EFは活性層6、グレーデッド層7,8、クラッド層9において一致している。伝導帯の下端Ecは、活性層6から離れるに従ってフェルミ準位EFから離隔し、クラッド層9内では一定となる。また、価電子帯の上端Evは、活性層6から離れるに従ってフェルミ準位EFから離隔し、外側のグレーデッド層8内において若干、フェルミ準位に近づき、クラッド層9内では一定となる。なお、本例ではP型不純物としてZnを用いる。
The inner graded
後述の比較例では、一点鎖線Aで示される箇所においてノッチが生じるが、実施の形態に係る半導体発光素子では、ノッチは観察されない。 In a comparative example described later, a notch is generated at a position indicated by a dashed line A, but the notch is not observed in the semiconductor light emitting device according to the embodiment.
また、ここでは、P型のグレーデッド層とクラッド層との界面について説明しているが、N型のグレーデッド層とクラッド層との界面についても同様である。 Although the interface between the P-type graded layer and the clad layer is described here, the same applies to the interface between the N-type graded layer and the clad layer.
また、AlGaInP層を成長させるためにはMOVPE成長装置を用いることができる。 Further, a MOVPE growth apparatus can be used to grow the AlGaInP layer.
例えば、GaAs基板をサセプタにフェイスダウンでセットし、Inの原料としてTMI(trimethylindium)、Gaの原料としてTMG(trimethylgallium)、Alの原料としてTMA(trimethylaluminum)、Pの原料としてPH3(phosphine)、N型ドーパントとしてSi2H6(disilane)、P型ドーパントとしてZn用のDEZ(diethylzinc)又はMg用のCp2Mg((bis)cyclopentadienylmagnesium)を用いることができる。AlGaInPは、標準的には成長温度650℃、成長圧力50Torr(6.7×103Pa)で作製することができる。
(比較例1)
For example, a GaAs substrate is set face down on a susceptor, TMI (trimethyllinium) as a source of In, TMG (trimethylgallium) as a source of Ga, TMA (trimethylaluminum) as a source of Al, PH 3 (phosphine) as a source of P, Si 2 H 6 (disilanes) can be used as the N-type dopant, and DEZ (diethylzinc) for Zn or Cp 2 Mg ((bis) cyclopentadienyl magnesium) for Mg can be used as the P-type dopant. AlGaInP can be typically manufactured at a growth temperature of 650 ° C. and a growth pressure of 50 Torr (6.7 × 10 3 Pa).
(Comparative Example 1)
次に、比較例1について説明する。 Next, Comparative Example 1 will be described.
図6は、比較例1に係る半導体発光素子の上側のグレーデッド層7,8の近傍におけるエネルギーバンド図である。図7は、比較例1に係る半導体発光素子の縦断面図(a)、厚み方向に対するエネルギーバンドギャップのグラフ(b)、厚み方向に対する不純物濃度(c)のグラフである。
6 is an energy band diagram in the vicinity of the upper graded
比較例1に係る半導体発光素子は、外側のグレーデッド層4,8がノンドープである点のみが上述の実施の形態にかかる半導体発光素子と異なるが、以下、簡単に説明しておく。
The semiconductor light emitting device according to Comparative Example 1 is different from the semiconductor light emitting device according to the above-described embodiment only in that the outer graded
比較例1においても、活性層6の近傍は、高濃度ドーピングを行うとフリーキャリア吸収により活性層6での発光が吸収されやすくなるため、ノンドープで形成されている。また、クラッド層9は、活性層6からのキャリアのオーバーフローを抑制する為に、高濃度ドープが行われる。活性層6からP型のクラッド層9に延びるグレーデッド層7,8はノンドープで形成されている。
Also in Comparative Example 1, the vicinity of the
この場合、フェルミ準位EFがグレーデッド層7,8においては、禁制帯の中ほどに存在し、高濃度ドーピングしているP型のクラッド層9では、価電子帯の上端Ev寄りにフェルミ準位EFが形成される。このため、グレーデッド層8とクラッド層9の境界部分では、一点鎖線Aで示すように、エネルギーバンドのノッチが発生し、これが正孔に対する障壁となり、キャリアのスムーズな注入を阻害する。
In this case, the Fermi level E F is graded
すなわち、比較例1に係る半導体発光素子では、活性層6、内側のグレーデッド層7、外側のグレーデッド層8が全てノンドープであり、ノッチが発生し、キャリアのスムーズな流れを妨げ、応答特性の低下や、順電圧の上昇を招いている。
That is, in the semiconductor light emitting device according to Comparative Example 1, the
なお、ここではグレーデッド層とP型のクラッド層の界面近傍について説明を行ったが、グレーデッド層とN型のクラッド層の界面についても同様にノッチが発生する。すなわち、P型クラッド層の場合にはノッチが正孔に対する障壁となり、N型クラッド層の場合にはノッチが電子に対する障壁となり、いずれの場合も活性層へのキャリアのスムーズな注入が阻害される。
(比較例2)
Here, the vicinity of the interface between the graded layer and the P-type cladding layer has been described, but a notch is similarly generated at the interface between the graded layer and the N-type cladding layer. That is, in the case of the P-type cladding layer, the notch becomes a barrier against holes, and in the case of the N-type cladding layer, the notch becomes a barrier against electrons, and in any case, smooth injection of carriers into the active layer is hindered. .
(Comparative Example 2)
図8は、比較例2に係る半導体発光素子の縦断面図(a)、厚み方向に対するエネルギーバンドギャップのグラフ(b)、厚み方向に対する不純物濃度(c)のグラフである。本例では、グレーデッド層5,7の代わりに、活性層6の近傍にノンドープ層(Al0.3Ga0.2In0.5P)5’,7’を設け、グレーデッド層4,8の代わりに、その外側にP型及びN型の中間層(Al0.325Ga0.175In0.5P)4’,8’を設けている点が実施の形態のものと異なる。中間層4’,8’のエネルギーバンドギャップは、クラッド層3,9とノンドープ層5’,7’の中間のエネルギーバンドギャップであり、厚み方向に対して一定である。この場合でも、ノッチは解消されず、応答特性の劣化及び順電圧の上昇を招く。
FIG. 8 is a longitudinal sectional view (a) of the semiconductor light emitting device according to Comparative Example 2, a graph (b) of the energy band gap with respect to the thickness direction, and a graph of the impurity concentration (c) with respect to the thickness direction. In this example, non-doped layers (Al 0.3 Ga 0.2 In 0.5 P) 5 ′ and 7 ′ are provided in the vicinity of the
一方、図2に示した実施の形態に係る半導体発光素子では、以下の効果が得られた。
(1)比較例1の半導体発光素子の応答特性の遮断周波数は90MHz程度であったが、実施の形態の半導体発光素子の応答特性の遮断周波数(発光に変化のない周波数から3dB発光が減衰する周波数)は100MHzとなり、10%程度の応答速度の改善が見られた。
(2)実施の形態の半導体発光素子の光出力低下は殆ど認められなかった。
(3)発光に必要な順方向電圧が比較例1では2.07Vであったが、実施の形態の半導体発光素子を用いた場合、発光に必要な順方向電圧は2.02Vとなり、0.05Vも低下した。
On the other hand, the semiconductor light emitting device according to the embodiment shown in FIG. 2 has the following effects.
(1) Although the cutoff frequency of the response characteristic of the semiconductor light emitting device of Comparative Example 1 was about 90 MHz, the cutoff frequency of the response characteristic of the semiconductor light emitting device of the embodiment (3 dB emission attenuates from the frequency at which there is no change in emission). (Frequency) was 100 MHz, and the response speed was improved by about 10%.
(2) Almost no decrease in light output of the semiconductor light emitting device of the embodiment was observed.
(3) Although the forward voltage required for light emission was 2.07 V in Comparative Example 1, when the semiconductor light emitting device of the embodiment was used, the forward voltage required for light emission was 2.02 V. 05V also decreased.
以上、説明したように、実施の形態に係る半導体発光素子では、クラッド層とグレーデッド層との境界で発生していたエネルギーバンドギャップのノッチを無くし、発光効率を低下させることなく、応答特性を向上させることができる。すなわち、上述の例では、(第1の)クラッド層3、(第1の)グレーデッド層4、(第2の)グレーデッド層8及び(第2の)クラッド層9が、それぞれAlGaInPからなり、10%程度の応答速度改善が得られている。また、活性層6は、GaInP及びAlGaInPを交互に積層してなるMQW構造を有しており、バリア層(AlGaInP)がクラッド層やグレーデッド層と容易に格子整合するため、発光効率が向上する。なお、半導体発光素子の材料としては他のものも多く知られている。
As described above, the semiconductor light emitting device according to the embodiment eliminates the energy band gap notch generated at the boundary between the cladding layer and the graded layer, and reduces the response characteristics without reducing the light emission efficiency. Can be improved. That is, in the above example, the (first)
本発明は、半導体発光素子に利用することができる。 The present invention can be used for a semiconductor light emitting device.
1…コンタクト層、2…DBR層3…クラッド層、4…グレーデッド層、4’…中間層、5…グレーデッド層、5’…ノンドープ層、6…活性層、7…グレーデッド層、8…グレーデッド層、9…クラッド層、10…DBR層、11…コンタクト層、20…絶縁層、100…半導体発光素子、A…ノッチ、E1…カソード電極、E2…アノード電極、E2a…円環部、E2b…電極パッド部、E2c…コンタクト部。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記第1のクラッド層上に形成された第1のグレーデッド層と、
前記第1のグレーデ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た第2のグレーデッド層と、
前記第2のグレーデッド層上に形成された第2のクラッド層と、
を備えた半導体発光素子において、
前記第1及び第2のクラッド層は高キャリア濃度を有しており、
前記第1及び/又は第2のグレーデッド層は、それぞれに隣接する前記クラッド層との境界近傍において、キャリア濃度が前記クラッド層に向かうに従って連続的に増加していることを特徴とする半導体発光素子。 A first cladding layer;
A first graded layer formed on the first cladding layer;
An active layer formed on the first graded layer;
A second graded layer formed on the active layer;
A second cladding layer formed on the second graded layer;
In a semiconductor light emitting device comprising:
The first and second cladding layers have a high carrier concentration;
The first and / or second graded layer has a semiconductor light emission characterized in that the carrier concentration continuously increases toward the cladding layer in the vicinity of the boundary between the adjacent cladding layers. element.
The carrier concentration and the composition of the first and / or second graded layer are set to be equal to the cladding layer at an interface with the cladding layer adjacent to the first and / or second graded layer, respectively. Semiconductor light emitting device.
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