JP2007201040A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた光学特性を有する７５０〜９５０ｎｍ帯の半導体発光素子を提供する。
【解決手段】半導体発光素子１は、ガリウム・ヒ素（ＧａＡｓ）基板１１と、ＧａＡｓ基板１１上に堆積するｎ型のアルミニウム・ガリウム・ヒ素（ＡｌＧａＡｓ）の下部クラッド層１２と、下部クラッド層１２上に堆積し、インジウム・ガリウム・ヒ素（ＩｎＧａＡｓ）井戸層１３１と障壁層１３２が交互に積層された量子井戸活性層１３と、量子井戸活性層１３上に堆積するｐ型のＡｌＧａＡｓの上部クラッド層１４と、上部クラッド層１４上に堆積するコンタクト層１５とを含み、ＧａＡｓ基板１１の下面に第１の金属電極１６と、コンタクト層１５の上面に第２の金属電極１７を有する。障壁層１３２は、ガリウム・ヒ素・リン（ＧａＡｓＰ）障壁層１３３とＡｌＧａＡｓ障壁層１３４の少なくとも一層から構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子に係り、特に、優れた光学特性を有する７５０〜９５０ｎｍ帯の半導体発光素子に関する。

近年、光通信および産業用に利用される半導体発光素子においては、発光特性の改善を図るため、活性層に量子井戸構造が用いられている。以下、この量子井戸構造を有する活性層を量子井戸活性層という。

特に井戸層に基板とは異なる格子定数を持つ材料を用いた歪量子井戸構造を用いることは、井戸層のバンド構造を変化させることにより発光特性がさらに改善されるため注目されている。

このような歪量子井戸半導体発光素子としては、量子井戸活性層としてインジウム・ガリウム・ヒ素（ＩｎＧａＡｓ）の井戸層とガリウム・ヒ素・リン（ＧａＡｓＰ）の障壁層とを交互に積層した９８０ｎｍ帯レーザが既に実用化されている（例えば、非特許文献１参照）。

上記の歪量子井戸半導体発光素子は、井戸層に約１．４％の圧縮歪を有するが、障壁層に約１％の引張歪を有しており、量子井戸活性層の圧縮歪と引張歪とを相殺する歪補償構造となっている。なお、量子井戸活性層は膜厚が５．５ｎｍである井戸層を３層有し、合計膜厚は４６．５ｎｍ、平均歪は−０．１５％である。

また、基板にインジウム・リン（ＩｎＰ）、井戸層に圧縮歪を有するインジウム・ガリウム・ヒ素・リン（ＩｎＧａＡｓＰ）を用い、障壁層と、障壁層の基板側に位置する井戸層との間に、基板と同一材料である膜厚１ｎｍのＩｎＰの薄膜層を挿入した１．５μｍ帯歪量子井戸半導体レーザも提案されている（例えば、特許文献１参照）。

上記の歪量子井戸半導体発光素子では、井戸層の形成時に、歪の加わった井戸層の表面が無歪のＩｎＰ薄膜層でカバーされるので、井戸層数を多くした場合であっても、各井戸層内の格子歪を一定に保つことができる。
特開平０７−３８２０６号公報（［００１７］−［００１９］、図１） Appl. Phys. Lett. Vol.62, No14, 5 April 1993

しかしながら、９８０ｎｍ帯より波長の短い７５０〜９５０ｎｍ帯の波長の光を発生する半導体発光素子において、非特許文献１に記載されたＩｎＧａＡｓの井戸層とＧａＡｓＰの障壁層で構成された歪量子井戸構造を採用するためには、井戸層の膜厚を薄くすること、あるいは、井戸層を構成するＩｎＧａＡｓの組成比を変えることによって、井戸層の圧縮歪を小さくすることが必要となるが、いずれの方法を採用しても量子井戸活性層全体の圧縮歪が減少するため、量子井戸活性層の歪は引張側に偏り、半導体レーザの光学特性が劣化するという課題があった。

即ち、ＩｎＧａＡｓの井戸層とＧａＡｓＰの障壁層で構成された歪量子井戸構造は引張歪に弱く、例えば量子井戸活性層の膜厚が約６０ｎｍであるときに量子井戸活性層の平均歪が引張側に約０．３５％以上となると、歪緩和により結晶欠陥の発生が顕著となり、非発光再結合の増加により、半導体レーザの光学特性が劣化する。

例えば、非特許文献１における歪量子井戸半導体発光素子において、井戸層の組成を変えずに、井戸層厚を３．５ｎｍとして、９００ｎｍ付近の発光素子を得ようとした場合、量子井戸活性層の合計膜厚は４０．５ｎｍであり、平均歪は−０．３８％となる。ここで、さらに高出力特性を得るため井戸層数を５層にすると、平均歪は同じままで合計膜厚は６７．５ｎｍとなるが、この場合にはフォトルミネッセンス特性において非発光領域が顕著に現れることが、本出願人が行った実験において確認されている。このことは、量子井戸活性層の合計膜厚が平均的な格子歪から見積もられる臨界膜厚の１／２以下であっても、フォトルミネッセンス特性に異常が現れることを意味しており、この材料系が引張歪に非常に弱いことを示している。

図５は、井戸層にＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓ、障壁層にＧａＡｓ_０．７Ｐ_０．３を用いた場合における、井戸層厚と量子井戸活性層の発光波長の関係を示す図である。図中のひし形（◆）、四角（■）、三角（▲）はＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓの組成比を示すｘがそれぞれｘ＝０．０５、ｘ＝０．１０、ｘ＝０．２０である場合のデータを示している。

さらに、図６にＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓの井戸層数を５層とした場合の歪量の指標として、量子井戸活性層の平均歪（％）と合計膜厚（ｎｍ）の積を横軸に取り、量子井戸活性層の発光波長を縦軸に取った関係を示す。なお、障壁層の合計膜厚は５０ｎｍで一定としている。図６において、歪量が−２０よりも小さい領域（破線の左側の領域）は、量子井戸活性層の格子歪が特に大きいことを示している。つまり、井戸層にＩｎＧａＡｓ、障壁層にＧａＡｓＰを用いた７５０ｎｍ〜９５０ｎｍの波長帯で発光する構造においては、結晶内に格子歪が多く蓄積され、半導体レーザの光学特性に悪影響を及ぼすという問題がある。

また、特許文献１に記載された歪量子井戸半導体発光素子にあっては、中間層により、個々の井戸層における格子歪は安定化するが、格子歪そのものは軽減されないため、井戸層と障壁層との間で平均的な格子歪が存在する場合には、層数が増えることにより格子歪が蓄積され、結晶欠陥発生の原因となるという課題があった。

また、上記の歪量子井戸半導体発光素子においては、井戸層と障壁層の材料に４元材料が用いられており、３元材料が用いられた場合と比較して、組成および膜厚の再現性が低いため、素子特性の安定性も低いという課題もあった。

本発明は、従来の課題を解決するためになされたものであって、優れた光学特性を有する７５０〜９５０ｎｍ帯の歪量子井戸半導体発光素子を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体発光素子は、ガリウム・ヒ素基板と、前記ガリウム・ヒ素基板上に堆積する下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に堆積し、障壁層と井戸層が交互に積層された量子井戸活性層と、前記量子井戸活性層上に堆積する上部クラッド層と、前記上部クラッド層上に堆積するコンタクト層とを含む半導体発光素子であって、前記井戸層が圧縮歪を持つ材料から成り、前記障壁層が、ガリウム・ヒ素・リン層とアルミニウム・ガリウム・ヒ素層から成る構成を有している。

この構成により、圧縮歪を有する井戸層に対し、引張歪を有するガリウム・ヒ素・リンと無歪のアルミニウム・ガリウム・ヒ素を組み合わせた障壁層を用いることにより、量子井戸活性層全体の平均的な格子歪の絶対量を適度に小さくすることが可能となり、歪緩和による結晶欠陥の発生を抑制することができるとともに、各層の接合面においても、良好な界面を形成することが可能となる。

本発明に係る半導体発光素子は、前記井戸層がインジウム・ガリウム・ヒ素から成り、発光波長が、７５０〜９５０ナノメートルである構成を有している。

この構成により、障壁層がガリウム・ヒ素・リン層とアルミニウム・ガリウム・ヒ素層から成り、井戸層がインジウム・ガリウム・ヒ素から成るため、量子井戸活性層が全て３元材料から構成され、発光波長が７５０〜９５０ナノメートルである半導体発光素子においても、優れた発光特性を有する高出力半導体発光素子を再現性良く提供することが可能となる。

本発明に係る半導体発光素子は、前記障壁層が、一層のガリウム・ヒ素・リン層と一層のアルミニウム・ガリウム・ヒ素層とを積層したものである構成を有している。

この構成により、量子井戸活性層の格子歪を低減し、かつ、障壁層の材料であるガリウム・ヒ素・リンとアルミニウム・ガリウム・ヒ素の間に良好な界面が形成され易いことから、結晶品質の優れた歪量子井戸活性層を形成することができることとなる。

本発明に係る半導体発光素子は、前記障壁層が、一層のガリウム・ヒ素・リン層と一層のアルミニウム・ガリウム・ヒ素層と一層のガリウム・ヒ素・リン層とを積層したものである構成を有している。

本発明に係る半導体発光素子は、前記障壁層が、一層のアルミニウム・ガリウム・ヒ素層と一層のガリウム・ヒ素・リン層と一層のアルミニウム・ガリウム・ヒ素層とを積層したものである構成を有している。

これらの構成により、井戸層を構成する材料と、障壁層を構成する何れかの材料との界面で結晶品質に相違が現れるような場合においても、優れた発光特性を得ることが可能となる。

本発明は、井戸層と障壁層の材料としてともに３元材料を用い、量子井戸活性層の格子歪を低減し、かつ、結晶品質の優れた歪量子井戸活性層を形成することにより、安定性の高い優れた光学特性を有する半導体発光素子を提供することができるものである。

以下、本発明の実施の形態の半導体発光素子について、図面を用いて説明する。

本発明に係る半導体発光素子１は、図１に示すように、ガリウム・ヒ素（ＧａＡｓ）基板１１と、ＧａＡｓ基板１１上に堆積するｎ型のアルミニウム・ガリウム・ヒ素（ＡｌＧａＡｓ）から成る下部クラッド層１２と、下部クラッド層１２上に堆積し、インジウム・ガリウム・ヒ素（ＩｎＧａＡｓ）井戸層１３１と障壁層１３２が交互に積層された量子井戸活性層１３と、量子井戸活性層１３上に堆積するｐ型のＡｌＧａＡｓから成る上部クラッド層１４と、上部クラッド層１４上に堆積するコンタクト層１５とを含む。なお、ＧａＡｓ基板１１の下面には第１の金属電極１６が、コンタクト層１５の上面には第２の金属電極１７が形成される。

そして、障壁層１３２は、ガリウム・ヒ素・リン（ＧａＡｓＰ）障壁層１３３とＡｌＧａＡｓ障壁層１３４の少なくとも各一層を含む構成である。

それぞれの膜厚は、ＩｎＧａＡｓ井戸層１３１が７ｎｍ、障壁層１３２を構成するＧａＡｓＰ障壁層１３３およびＡｌＧａＡｓ障壁層１３４がそれぞれ４．５ｎｍおよび７．５ｎｍである。

図２は半導体発光素子１のエネルギーギャップの説明図である。障壁層１３２を構成するＧａＡｓＰ障壁層１３３とＡｌＧａＡｓ障壁層１３４のエネルギーギャップを略等しくすることは、半導体レーザが発生する光のスペクトルの半値幅を狭くして、コヒーレント性を向上することのみならず、量子井戸活性層全体の有効屈折率を高め、光の閉じ込め係数を高めるとともに、温度特性を向上させる点で望ましい。

ＡｌＧａＡｓは、ＧａＡｓＰと同等の大きさのバンドギャップを持たせることが可能な材料である上に、バンドオフセットも類似であることから、井戸層に閉じ込められるキャリアのエネルギーレベルを均一にすることが可能である。また、ＡｌＧａＡｓとＧａＡｓＰが隣接する構造では、他の構造、例えばＡｌＧａＡｓのみで形成された量子井戸構造等、と比較して、フォトルミネッセンス特性において遜色ない特性が得られることから、良好な界面が形成されていることが確認される。よって、ＡｌＧａＡｓをＧａＡｓＰとともに障壁層に用いることにより、障壁層にＧａＡｓＰのみを用いる場合と比較して、遜色のない良好な結晶が形成されると推察される。

ＡｌＧａＡｓとＧａＡｓＰが隣接する構造を持つ障壁層を７５０〜９５０ｎｍの波長帯で発光する半導体レーザに採用した場合においては、ＧａＡｓＰの引張歪層とＡｌＧａＡｓの無（弱）歪層を取り混ぜることで、量子井戸活性層の平均歪が大きく引張側に偏ることを軽減することが可能となる。さらには、ＧａＡｓＰの組成比またはＧａＡｓＰとＡｌＧａＡｓの膜厚比を適宜調整することにより、平均歪を０％に設計することも可能である。なお、図２において、プラスマイナスの符号はＧａＡｓ基板に対する歪の向き（圧縮歪：＋、引張歪：−）を示す。符号を示していない層はほぼ無歪である。

また、障壁層あるいは量子井戸活性層全体を３元材料のみで構成することにより、４元材料を用いた場合と比較して、各層の組成比および膜厚を所望の値となるように作製することが容易となり、半導体発光素子を再現性良く、安定して作製することが可能となる。

以下に半導体発光素子１の製造工程の一例を説明する。
１） ＧａＡｓ基板１１の上面に有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用いて、下部クラッド層１２としてｎ型のＡｌＧａＡｓ層を堆積する。
２） 次に、下部クラッド層１２上にＡｌＧａＡｓ障壁層１３４を堆積する。
３） ＡｌＧａＡｓ障壁層１３４上にＩｎＧａＡｓ井戸層１３１を堆積する。
４） ＩｎＧａＡｓ井戸層１３１上に障壁層１３２としてＡｌＧａＡｓ障壁層１３４とＧａＡｓＰ障壁層１３３を堆積する。

５） ＧａＡｓＰ障壁層１３３上にＩｎＧａＡｓ井戸層１３１を堆積する。
６） 再びＩｎＧａＡｓ井戸層１３１上に、ＡｌＧａＡｓ障壁層１３４とＧａＡｓＰ障壁層１３３が隣接する構造を持つ障壁層１３２を堆積する。
７） 再びＩｎＧａＡｓ井戸層１３１と障壁層１３２を堆積する。
８） ＩｎＧａＡｓ井戸層１３１とＧａＡｓＰ障壁層１３３を堆積する。
９） 上部クラッド層１４としてｐ型のＡｌＧａＡｓ層を堆積する。

その後、ｐ型のコンタクト層１５を順次堆積し、最後にＧａＡｓ基板１１の下面に第１の金属電極１６を、コンタクト層１５の上面に第２の金属電極１７を形成し、半導体発光素子１が完成する。

なお、各成長界面の成長条件や成長方法によっては、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓＰの最適な形成順序または組み合わせが異なる場合もあり得る。その場合は各装置において、所望の発光波長、および、好適なフォトルミネッセンス特性が得られる条件を選択する必要がある。

また、図３のエネルギーギャップ図に示すように、障壁層としてフォトルミネッセンスの半値幅が狭いＡｌＧａＡｓとＧａＡｓＰの組み合わせから成る構造（ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ）、および、ＡｌＧａＡｓを２つのＧａＡｓＰ層で挟んだ構造（ＧａＡｓＰ／ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ）を用いることも可能である。なお、この例では、クラッド層としてＩｎＧａＰを用いることで、酸化に弱いＡｌ系材料の使用を極力抑えた構造としている。

また、図４のエネルギーギャップ図に示すように、障壁層としてクラッド層に隣接するＡｌＧａＡｓ、および、ＧａＡｓＰを２層のＡｌＧａＡｓ層で挟んだ構造（ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ／ＡｌＧａＡｓ）を用いることも可能である。

以上説明したように、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子は、井戸層と障壁層の材料としてともに３元材料を用い、量子井戸活性層の格子歪を低減し、かつ、結晶品質の優れた歪量子井戸活性層を形成することにより、安定性の高い優れた光学特性を有する７５０〜９５０ｎｍ帯の半導体発光素子として機能することができる。

なお、本願の目的は、量子井戸活性層の障壁層として、３元材料であるＡｌＧａＡｓとＧａＡｓＰを組み合わせて用いることで、井戸層の格子歪を緩和し、かつ結晶品質に優れた量子井戸活性層を安定して作製する点にある。従って、井戸層については、一定の歪が加えられる材料を用いるのであれば、３元材料にこだわるものではなく、圧縮歪を持つ材料であれば、例えば４元材料であるＡｌＩｎＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰであっても、同様の効果が期待できる。

以上のように、本発明に係る半導体発光素子は、７５０〜９５０ｎｍ帯において優れた光学特性を有するという効果を有し、レーザ加工機等において有効である。

本発明に係る半導体発光素子の各層の組成図 本発明に係る半導体発光素子のエネルギーギャップを示す図 本発明に係る半導体発光素子のエネルギーギャップを示す図 本発明に係る半導体発光素子のエネルギーギャップを示す図 井戸層厚と量子井戸活性層の発光波長の関係を示す図 歪量と量子井戸活性層の関係を示す図

符号の説明

１ 半導体発光素子
１１ ガリウム・ヒ素（ＧａＡｓ）基板
１２ 下部クラッド層
１３ 量子井戸活性層
１４ 上部クラッド層
１５ コンタクト層
１６ 第１の金属電極
１７ 第２の金属電極
１３１ インジウム・ガリウム・ヒ素（ＩｎＧａＡｓ）井戸層
１３２ 障壁層
１３３ ガリウム・ヒ素・リン（ＧａＡｓＰ）障壁層
１３４ アルミニウム・ガリウム・ヒ素（ＡｌＧａＡｓ）障壁層

Claims (5)

1. ガリウム・ヒ素基板と、
   前記ガリウム・ヒ素基板上に堆積する下部クラッド層と、
   前記下部クラッド層上に堆積し、障壁層と井戸層が交互に積層された量子井戸活性層と、
   前記量子井戸活性層上に堆積する上部クラッド層と、
   前記上部クラッド層上に堆積するコンタクト層とを含む半導体発光素子であって、
   前記井戸層が圧縮歪を持つ材料から成り、前記障壁層が、ガリウム・ヒ素・リン層とアルミニウム・ガリウム・ヒ素層から成る半導体発光素子。
2. 前記井戸層がインジウム・ガリウム・ヒ素から成り、発光波長が、７５０〜９５０ナノメートルである請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記障壁層が、一層のガリウム・ヒ素・リン層と一層のアルミニウム・ガリウム・ヒ素層とを積層したものである請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子。
4. 前記障壁層が、一層のガリウム・ヒ素・リン層と一層のアルミニウム・ガリウム・ヒ素層と一層のガリウム・ヒ素・リン層とを積層したものである請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子。
5. 前記障壁層が、一層のアルミニウム・ガリウム・ヒ素層と一層のガリウム・ヒ素・リン層と一層のアルミニウム・ガリウム・ヒ素層とを積層したものである請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子。

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