JP2007235107A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率が高い半導体発光素子を得る。
【解決手段】本発明に係る半導体発光素子は、窒化ガリウム系化合物半導体からなる半導体発光素子であって、基板上に、第１導電型の第１クラッド層と、活性層と、第２導電型のＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる電子障壁層と、第２導電型の第２クラッド層とが順に積層され、前記電子障壁層は前記活性層及び前記第２クラッド層よりもバンドギャップが大きく、前記電子障壁層の厚さが２ｎｍ以上７ｎｍ以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体レーザや発光ダイオードなどの半導体発光素子に関するものである。

近年、光ディスクの高密度化に必要である青色領域から紫外線領域の発光が可能な半導体レーザとして、ＡｌＩｎＧａＮなどの窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザの研究開発が盛んに行われ、既に実用化されている（例えば、特許文献１参照）。

これまでに報告されている窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザにおいては、活性層からｐ型クラッド層側に電子がオーバーフローし、発光効率が低下することを防止するため、活性層よりもｐ側電極に近い側に、活性層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを持ち、電子のオーバーフローを抑制する働きを持つ電子障壁層を挿入している。

特開２００２−２４６６４２号公報

電子障壁層の材料として、ＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮが用いられる。この材料はＡｌ組成比が大きいほどバンドギャップが大きくなり、原理的に電子に対して大きな障壁となって、電子のオーバーフローを抑制する効果が大きくなる。しかし、格子定数の小さなＡｌ組成比が大きくなると結晶性が悪くなり、電子障壁層又はその近傍で結晶欠陥が発生する。この結晶欠陥による非発光再結合のため、実際には発光効率がかえって低下するという問題があった。

また、電子障壁層は、その上下にある層よりも大きなバンドギャップを持つため、電子のオーバーフローを抑制する一方、正孔が活性層側に注入されるのを阻害する。この悪影響を低減するために、電子障壁層は通常ｐ型にドーピングされる。しかし、窒化ガリウム系化合物半導体ではｐ型ドーパントとしてＭｇが用いられるが、このＭｇに起因した大きな光吸収により、発光効率が低下するという問題があった

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、発光効率が高い半導体発光素子を得るものである。

本発明に係る半導体発光素子は、窒化ガリウム系化合物半導体からなる半導体発光素子であって、基板上に、第１導電型の第１クラッド層と、活性層と、第２導電型のＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる電子障壁層と、第２導電型の第２クラッド層とが順に積層され、前記電子障壁層は前記活性層及び前記第２クラッド層よりもバンドギャップが大きく、前記電子障壁層の厚さが２ｎｍ以上７ｎｍ以下である。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。

本発明により、発光効率が高い半導体発光素子を得ることができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体発光素子を示す断面図である。ＧａＮ基板１上に、厚さが１．０μｍのｎ型ＧａＮバッファ層２、厚さが１．０μｍでＡｌ組成比が０．０７のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３、厚さが１００ｎｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層４、厚さが７ｎｍのアンドープＩｎＧａＮ光閉じ込め層５、厚さが３．５ｎｍでＩｎ組成比が０．１４のアンドープＩｎＧａＮ井戸層の３層と厚さが７．０ｎｍでＩｎ組成比が０．０２のアンドープＩｎＧａＮ障壁層の２層とを交互に積層した多重量子井戸活性層６、厚さが２０ｎｍでＩｎ組成比が０．０２のアンドープＩｎＧａＮ光閉じ込め層７、厚さが３０ｎｍでＡｌ組成比が０．０３のアンドープＡｌＧａＮ中間層８、厚さが５ｎｍでＩｎ組成比が０．０２のアンドープＩｎＧａＮ中間層９、厚さが４．５ｎｍ（従来は２０ｎｍ）でＡｌ組成比が０．１８のｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１０、厚さが４００ｎｍでＡｌ組成比が０．０７のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１、厚さが１００ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１２が順番に設けられている。

また、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１及びｐ型ＧａＮコンタクト層１２には、〈１−１００〉方向に向かって、エッチングによりリッジ１３が形成されている。このリッジ１３の幅は例えば１．５μｍ、エッチングの深さは４５０ｎｍである。このリッジ部側面部又はリッジ横底面部には、厚さ２００ｎｍのＳｉＯ_２膜１４がリッジ１３を覆うように形成されている。このＳｉＯ_２膜１４のリッジ１３上には開口１５が設けられており、この開口によりｐ側電極１６とｐ型ＧａＮコンタクト層１２との電気的接触が図られている。ｐ側電極１６は、Ｐｄ及びＡｕ膜を順次積層した構造となっている。ＧａＮ基板１の裏面には、ＴｉとＡｌ膜を順次積層したｎ側電極１７が設けられている。

また、半導体発光素子の共振器長が６００μｍとなるように劈開され、前端面は反射率２０％の低反射コーティングが施され、後端面には反射率９５％の高反射コーティングが施されている。

次に、本実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法について説明する。まず、予めサーマルクリーニングなどにより表面を清浄化したＧａＮ基板１上に有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、例えば１０００℃の成長温度でｎ型ＧａＮバッファ層２を成長させ、その後、同じくＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層４、アンドープＩｎＧａＮ光閉じ込め層５、多重量子井戸活性層６、アンドープＩｎＧａＮ光閉じ込め層７、アンドープＡｌＧａＮ中間層８、アンドープＩｎＧａＮ中間層９、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１０、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１及びｐ型ＧａＮコンタクト層１２を順次積層する。

ここで、これらの層の成長温度は、例えば、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３及びｎ型ＧａＮ光ガイド層４は１０００℃、アンドープＩｎＧａＮ光閉じ込め層５からアンドープＩｎＧａＮ光閉じ込め層７までは７４０℃、アンドープＡｌＧａＮ中間層８は１０００℃、アンドープＩｎＧａＮ中間層９は７４０℃、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１０からｐ型ＧａＮコンタクト層１２は１０００℃とする。

以上の結晶成長が終了したウエハの全面に、レジストを塗布し、リソグラフィーによりメサ部の形状に対応した所定形状のレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクとして、例えばＲＩＥ法によりｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１の層内までエッチングを行う。このエッチングにより、光導波構造となるリッジ１３を作製する。このＲＩＥのエッチングガスとしては例えば塩素系ガスを用いる。

次に、マスクとして用いたレジストパターンを残したまま、再び基板全面に例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより例えば厚さが０．２μｍのＳｉＯ_２膜１４を形成し、レジスト除去と同時にリッジ上にあるＳｉＯ_２膜１４を除去する、いわゆるリフトオフを行う。これにより、リッジ上の開口１５が形成される。

次に、基板全面に例えば真空蒸着法によりＰｔ及びＡｕ膜を順次形成した後、レジスト塗布、リソグラフィー及び、ウェットエッチング又はドライエッチングにより、表面のｐ側電極１６を形成する。その後、基板の裏面前面に、真空蒸着法によりＴｉ及びＡｌ膜を順次形成し、ｎ側電極１７をオーミック接触させるためのアロイ処理を行う。

この後、この基板を劈開などによりバー状に加工して両共振器端面を形成し、更にこれらの共振器端面に端面コーティングを施した後、このバーを劈開などによりチップ化する。以上により、本実施の形態に係る半導体発光素子が製造される。

ここで、ＧａＮ基板上に結晶成長した場合、ＩｎＧａＮ層は成長面内方向に圧縮歪を、ＡＩＧａＮ層は引張歪を受ける。そして、これらの層はウルツ鉱構造であるため、歪により結晶成長方向にピエゾ電界が発生する。ＩｎＧａＮ層とＡｌＧａＮ層では歪の方向が異なるため、ピエゾ電界の方向も異なる。このピエゾ効果を考慮して、図１中ａ−ａ´部分の発振状態におけるバンド構造をシミュレーションした結果を図２，３に示す。ただし、図２は、電子障壁層１０の厚さを従来のように２０ｎｍとした場合であり、図３は、５ｎｍと薄くした場合である。

図２に示すように、電子障壁層１０では、ピエゾ効果により＋の記号で示す正電荷及び、−の記号で示す負電荷が発生し、これがピエゾ電界を発生させている。これにより、電子障壁層のバンド構造が大きく曲がっている。この場合に電子のオーバーフロー割合を計算したところ２５．６％となり、前端面反射率を２０％、後端面反射率を９５％としたときの、微分効率は１．０９Ｗ／Ａであった。

一方、図３に示すように、電子障壁層が薄くなると正電荷と負電荷の間隔が近くなり、電子障壁層内での電界強度が強くなる。その結果、電子障壁層にはより大きなバンド曲がりが発生し、電子障壁層のｐ電極側が大きく高エネルギー側に移動して実効的な電子障壁層高さ（図３中ｈで示す）が高くなる。その結果、電子が電子障壁層を超えてｐクラッド層ヘオーバーフローする量が低減し、より多くの電子がウェル内で発光再結合するため、発光効率が高くなる。この場合に電子のオーバーフロー割合の計算結果は１１．１％となり、前端面反射率を２０％、後端面反射率を９５％としたときの、微分効率は１．４２Ｗ／Ａとなり、電子障壁層の厚さが２０ｎｍの場合に比べて大きく改善する。

さらに、電子障壁層が薄くなることにより、結晶欠陥や歪による問題も大幅に緩和され、結晶欠陥による非発光再結合が低減するとともに、信頼性も大幅に向上する。

このような構造の半導体レーザにおける、７５℃での光出力−電流特性の測定結果を図４に示す。しきい値は４５ｍＡ、微分効率は１．４５Ｗ／Ａであり、電子障壁層が２０ｎｍの従来構造における４９ｍＡ、１．１５Ｗ／Ａに比べ改善している。

次に、電子障壁層のＡｌ組成比が０．１５，０．１８，０．２３の場合について、電子障壁層の厚さのみを変化させて、半導体発光素子のスロープ効率を計算した結果を図５に示し、ｎ型層から活性層へ注入された電子のうち、電子障壁層からｐ型クラッド層側へオーバーフローする割合を計算した結果を図６に示す。図５にあるように、電子障壁層の厚さが４から５ｎｍ程度の時に、微分効率が最大となり、電子のオーバーフロー量も少なくなる。一方、電子障壁層の厚さが２ｎｍよりも小さいと、逆にスロープ効率が小さくなる。これは、トンネル効果により電子がｐクラッド層側に移動するためと考えられる。

従って、電子障壁層が２ｎｍ以上、７ｎｍ以下の時に高い効率を得ることができる。特に、３ｎｍ以上、６ｎｍ以下の時にはさらに高い効率を得ることができる。

ここで、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１０は、Ａｌ組成比が小さい場合は、バンドギャップが小さくなるため、電子のオーバーフローが増大する。一方、Ａｌ組成比が大きい場合は、結晶性の問題がある。従って、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１０のＡｌ組成比としては、０．１以上０．３以下が好ましく、さらに０．１５以上０．２３以下がより好ましい。

また、活性層とＡｌＧａＮ電子障壁層との間に、電子障壁層よりもバンドギャップが小さい、単一の又は複数の中間層を挿入する。この中間層は、電子障壁層に接するＡｌを含まないＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層を有する。これにより、ＡｌＧａＮ電子障壁層とのバンドギャップ差を大きくし実効的なＡｌＧａＮ電子障壁層の高さを大きくして電子のオーバーフローを抑制し、さらにＡｌＧａＮ電子障壁層と逆の歪を導入することで歪応力を低減することができる。また、ｐ型ドーパントに起因した光吸収の観点からは、この中間層はアンドープであることが好ましい。
この中間層が薄い場合には、実効的なＡＩＧａＮ障壁層の高さを大きくする効果が小さくなり、厚い場合には結晶性が悪化するという問題がある。このため、中間層の厚さは２ｎｍ以上２０ｎｍ以下が好ましく、４ｎｍ以上１０ｎｍ以下がより好ましい。また、上記構造では活性層と電子障壁層との間に中間層があるが、この中間層が無く、活性層と電子障壁層が直接接している構造でも、電子障壁層の働きやピエゾ効果などは同じであるので、上記効果があることは言うまでもない。
さらに、上記説明は半導体レーザについてのものであるが、同様の構造をもつ半導体発光ダイオードの場合であっても、同様の効果があることは言うまでもない。この場合においても、ＩｎＧａＮ中間層９には、ＡｌＧａＮ電子障壁層とのバンドギャップ差を大きくすることで実効的なＡｌＧａＮ電子障壁層の高さを大きくし、電子のオーバーフローを抑制するという目的を持たせる必要がある。従って、ＩｎＧａＮ中間層９のバンドギャップを、活性層の中でＡｌＧａＮ電子障壁層に最も近い層のバンドギャップよりも小さくする必要がある。

なお、本実施の形態ではＧａＮ基板を用いたが、例えばサファイア基板などＧａＮに格子整合していない基板上に低温ＧａＮバッファ層を成長した基板や、サファイア基板上に、横方向成長技術を用いて、ＧａＮに近い格子定数を持つ下地層を作製した基板を用いても、本実施の形態と同様の効果を奏する。

また、半導体レーザの場合について説明したが、同様の構造をもつ半導体発光ダイオードの場合でも、本発明を同様に適用することができる。

また、ｐ電子障壁層１０のＡｌ組成比が０．１８の場合について説明したが、電子障壁層１０がＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）であり、かつその格子定数が、基板材料であるＧａＮ材料よりも小さい場合には、電子障壁層１０は引っ張り歪をうけ、ＡｌＧａＮ材料と同方向のピエゾ電界を発生し、同じ効果を奏する。ただし、電子障壁層１０がＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）材料の方が、格子定数が小さく、ピエゾ効果が大きいことから、発明の効果が大きい。

実施の形態２．
本実施の形態に係る半導体発光素子は、実施の形態１に比べてｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１０のＡｌ組成比が０．１６、厚さが５ｎｍである点が異なる。

Ａｌ組成比が小さいため、歪による影響が小さく信頼性の向上に有効である。通常Ａｌ組成が小さくなると、電子のオーバーフローが増大するが、電子障壁層を薄膜化することにより、電子のオーバーフローを抑制することができる。このため、７５℃でのしきい値は４７ｍＡ、微分効率は１．４２Ｗ／Ａと非常に良好な特性を示す。

実施の形態３．
本実施の形態に係る半導体発光素子は、実施の形態１に比べてｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１０のＡｌ組成比が０．２２、厚さが３ｎｍである点が異なる。

Ａｌ組成比が大きいため、電子障壁層１０の障壁高さが大きく、さらにピエゾ電界が大きいことから、より障壁高さを大きくすることができるため、電子オーバーフロー抑制効果が大きく、非常に高効率でさらに温度特性が良好となる。

実施の形態４．
本実施の形態に係る半導体発光素子は、実施の形態１に比べて、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１０のＡｌ組成比が０．２２、厚さが５ｎｍであり、ＩｎＧａＮ中間層９が無い点が異なり、その他の構成は実施の形態１と同様である。

ＩｎＧａＮ中間層は通常その前後のＡｌＧａＮ層に比べ２００℃程度低温で成長する必要があり、この時の温度ストレスにより、結晶欠陥が増大する可能性がある。これに対し、本実施の形態により、電子障壁層の実効的な高さが高くなることから、ＩｎＧａＮ中間層９が無い場合にも良好な特性を得ることができる。そして、ＩｎＧａＮ中間層成長時の熱ストレスがないことから高信頼のＬＤを得ることができる。

実施の形態５．
本実施の形態に係る半導体発光素子は、実施の形態１に比べてＡｌＧａＮ中間層８及びＩｎＧａＮ中間層９が無く、電子障壁層１０と活性層が直接接している点が異なる。この場合も、電子障壁層の働きやピエゾ効果などは同じであるので、実施の形態１と同様の効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る半導体発光素子を示す断面図である。 図１中ａ−ａ´部分の発振状態におけるバンド構造をシミュレーションした結果を示す図である（電子障壁層の厚さ２０ｎｍ）。 図１中ａ−ａ´部分の発振状態におけるバンド構造をシミュレーションした結果を示す図である（電子障壁層の厚さ５ｎｍ）。 ７５℃での光出力−電流特性の測定結果を示す図である。 電子障壁層の厚さのみを変化させて、半導体発光素子のスロープ効率を計算した結果を示す図である。 ｎ型層から活性層へ注入された電子のうち、電子障壁層からｐ型クラッド層側へオーバーフローする割合を計算した結果を示す図である。

符号の説明

１ ＧａＮ基板（基板）
２ ｎ型ＧａＮバッファ層
３ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層（第１クラッド層）
４ ｎ型ＧａＮ光ガイド層
５ アンドープＩｎＧａＮ光閉じ込め層
６ 多重量子井戸活性層（活性層）
７ アンドープＩｎＧａＮ光閉じ込め層
８ アンドープＡｌＧａＮ中間層（中間層）
９ アンドープＩｎＧａＮ中間層（中間層）
１０ ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層（電子障壁層）
１１ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（第２クラッド層）
１２ ｐ型ＧａＮコンタクト層
１３ リッジ
１４ ＳｉＯ_２膜
１５ 開口
１６ ｐ側電極
１７ ｎ側電極

Claims (10)

1. 窒化ガリウム系化合物半導体からなる半導体発光素子であって、
   基板上に、第１導電型の第１クラッド層と、活性層と、第２導電型のＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる電子障壁層と、第２導電型の第２クラッド層とが順に積層され、前記電子障壁層は前記活性層及び前記第２クラッド層よりもバンドギャップが大きく、前記電子障壁層の厚さが２ｎｍ以上７ｎｍ以下であることを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記電子障壁層の厚さが３ｎｍ以上６ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記電子障壁層は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
4. 前記電子障壁層のＡｌ組成比が０．１以上０．３以下であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体発光素子。
5. 前記活性層と前記電子障壁層の間に単一又は複数の中間層が設けられ、前記中間層は前記電子障壁層よりもバンドギャップが小さいことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体発光素子。
6. 前記中間層は、前記電子障壁層に接するＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層を有することを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。
7. 前記活性層と前記電子障壁層は接することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体発光素子。
8. 前記中間層は、前記電子障壁層に接する第１の中間層と前記第１の中間層よりバンドギャップが大きい第２の中間層を有することを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。
9. 前記第１の中間層はＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなることを特徴とする請求項８に記載の半導体発光素子。
10. 前記中間層はアンドープであることを特徴とする請求項５，６，８，９の何れか１項に記載の半導体発光素子。

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