JP2009158831A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率及び長期信頼性に優れた、中赤外領域の光を放射する半導体発光素子を提供する。
【解決手段】Ｉｎ_１−ｘＡｌ_ｘＳｂ（０．１≦ｘ≦０．５）からなるクラッド層と、Ｉｎ及びＳｂ並びにＡｌ、Ｇａ、Ａｓの少なくとも１種の元素を含有する半導体からなる発光層と、を備えており、前記クラッド層の格子定数ａ１と前記発光層の格子定数ａ２との相対値Δａ（Δａ＝（ａ２−ａ１）／ａ１）が−０．００５≦Δａ≦０．００５であり、３〜１０μｍの波長の中赤外線を放射するようにする。
【選択図】図１

Description

この発明は、ガス分析用光源として好適な３〜１０μｍの中赤外領域の光を放射する半導体発光素子に関するものである。

従来公知の中赤外領域の光を放射する半導体発光素子としては、例えば図４に示すように、ＧａＡｓ基板１２上に、バッファー層１３、ｎ型ＩｎＡｌＳｂクラッド層１４（厚さ３μｍ）、ｉ型ＩｎＡｌＳｂ発光層１５（厚さ２μｍ）、ｐ型ＩｎＡｌＳｂバリア層１７（厚さ２０ｎｍ）、ｐ型ＩｎＡｌＳｂクラッド層１６（厚さ１μｍ）が積層してなるものが知られている。この半導体発光素子１１においては、ｐ型ＩｎＡｌＳｂからなるバリア層１７が電子の漏れ防止層として機能しているが、Ａｌの組成比が他層より０．１５程度高いため格子不整合となり、これに起因する結晶成長条件等の制約から２０ｎｍ程度の薄膜しか形成できず、また正孔（ホール）の障壁はない。更に、ホモ接合に近い構造であるために、図５に示すように、発光層１５への電子、正孔の閉じ込めが不充分で電流漏れが発生する。

このため、このような構成を有する従来の中赤外領域の光を放射する半導体発光素子は、発光効率が低く、充分な光出力が得られないという欠点を有している。また、バリア層は他の層と２％もの大きな格子不整合を有しており結晶品質が劣化しやすい構成であり、長期信頼性の観点からも問題がある。
特表２００２−５２０８２４ 特開平５−３７０１１ H. Hardaway et al., "Optimising InAlSb LED…", Proc. SPIE, 5564, 105(2004) G. R. Nash et al., "InSb/AlInSb QW LEDs", Appl. Phys. Lett., 88, 051107(2006)

そこで本発明は、発光効率及び長期信頼性に優れた、中赤外領域の光を放射する半導体発光素子を提供すべく図ったものである。

すなわち本発明の第１の態様に係る半導体発光素子は、Ｉｎ_１−ｘＡｌ_ｘＳｂ（０．１≦ｘ≦０．５）からなるクラッド層と、Ｉｎ及びＳｂ並びにＡｌ、Ｇａ、Ａｓの少なくとも１種の元素を含有する半導体からなる発光層と、を備えており、前記クラッド層の格子定数ａ１と前記発光層の格子定数ａ２との相対値Δａ（Δａ＝（ａ２−ａ１）／ａ１）が−０．００５≦Δａ≦０．００５であり、３〜１０μｍの波長の中赤外線を放射することを特徴とする。

また、本発明の第２の態様に係る半導体発光素子は、３〜１０μｍの波長の中赤外線を放射する半導体発光素子であって、Ｉｎ_１−ｘＡｌ_ｘＳｂ（０．１≦ｘ≦０．５）からなるクラッド層と、少なくとも井戸層と障壁層とを有する量子井戸構造からなる発光層と、を備えており、前記井戸層及び障壁層は、それぞれ、厚みが２０ｎｍ以下であって、Ｉｎ及びＳｂ並びにＡｌ、Ｇａ、Ａｓの少なくとも１種の元素を含有する半導体からなり、以下の条件を満たすことを特徴とする。
Ａｌ組成比：障壁層＞井戸層
Ｉｎ組成比：障壁層＜井戸層
Ａｓ組成比：障壁層＜井戸層
Ｇａ組成比：障壁層＞井戸層

ここで、本発明の第１の態様は発光層が単一層（バルク構造）であるものであり、本発明の第２の態様は発光層が量子井戸構造を有するものである。

このようなものであれば、ＩｎＡｌＳｂからなるクラッド層が、当該クラッド層とほぼ同じ格子定数を有し、かつ、バンドギャップが小さいＩｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｂ、Ａｓ等の元素を任意に組み合わせて構成される発光層を挟み込む、ダブルヘテロ接合構造を有するので、発光層へ電子及び正孔を閉じ込めることが可能となり、漏れ電流の発生が防止され、広範な組成において発光効率を改善することができる。また、積層構造を格子整合系で構成するため各層は充分な厚みを確保できる上、結晶品質が向上し長期信頼性も向上する。

また、本発明の第１の態様に係る半導体発光素子は、前記クラッド層の格子定数ａ１と前記発光層の格子定数ａ２とが略同じ値であり、相対値Δａ（Δａ＝（ａ２−ａ１）／ａ１）が−０．００５≦Δａ≦０．００５である、即ちａ１に対するａ２の差は±０．５％以内に収まる、ことにより格子破壊が生じにくい。

一方、本発明の第２の態様に係る半導体発光素子は、障壁層と井戸層との、Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ及びＡｓの組成比が所定の関係にあることより、井戸層のバンドギャップを小さくすることができるので、井戸層へ電子及び正孔を閉じ込め漏れ電流の発生を防止することが可能となり、発光効率が良好なものとなる。

本発明に係る半導体発光素子において、基板としては、例えば、ＧａＡｓからなるものが挙げられ、一方、バッファー層としては、例えば、クラッド層と格子整合をとるため、Ｉｎ_１−ｘＡｌ_ｘＳｂ（０．１≦ｘ≦０．５）からなるものが挙げられる。

このように本発明によれば、発光層へ電子及び正孔を閉じ込め漏れ電流の発生を防ぐことが可能となり、広範な組成において発光効率を改善することができる。また、積層構造を格子整合系で構成するため結晶品質が向上し長期信頼性も向上する。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。

本実施形態に係る半導体発光素子１は、図１に示すように、基板２上に、バッファー層３と、ｎ型クラッド層４と、発光層５と、ｐ型クラッド層６と、が順に積層された構造を有する。

基板２は、ＧａＡｓからなる。

バッファー層３は、Ｉｎ_１−ｘＡｌ_ｘＳｂ（０．１≦ｘ≦０．５）からなる。

各クラッド層４、６は、Ｉｎ_１−ｘＡｌ_ｘＳｂ（０．１≦ｘ≦０．５）からなり、例えば、クラッド層４はn型Ｉｎ_０．８５Ａｌ_０．１５Ｓｂ（厚み１μｍ）よりなり、クラッド層６はｐ型Ｉｎ_０．８５Ａｌ_０．１５Ｓｂ（厚み１μｍ）よりなる。クラッド層４の格子定数は６．４３Åである。

発光層５は、Ｉｎ及びＳｂ並びにＡｌ、Ｇａ、Ａｓの少なくとも１種の元素を含有する半導体からなり、例えばｉ型Ｉｎ_０．８５Ｇａ_０．１５Ｓｂ（厚み１μｍ）よりなる。発光層５の格子定数は６．４２Åである。

クラッド層４、６の格子定数ａ１と発光層５の格子定数ａ２とは略同じ値であり、その相対値Δａ（Δａ＝（ａ２−ａ１）／ａ１）は−０．００５≦Δａ≦０．００５である。即ち、クラッド層４、６の格子定数ａ１に対する発光層５の格子定数ａ２の差は±０．５％の範囲に包含される。

本実施形態に係る半導体発光素子１は、ＭＢＥ法又はＭＯＣＶＤ法により、基板２上に、バッファー層３、ｎ型クラッド層４、発光層５、及び、ｐ型クラッド層６を、順に結晶成長させることにより製造される。

このような構成を有する本実施形態によれば、図３に示すバンドギャップと格子定数の関係を表すグラフからわかるように、クラッド層４、６と略同じ格子定数を維持したまま発光層５の組成を変えることができ、更に組成を変えることにより発光層５のバンドギャプを変えることが可能になる。このため、本実施形態では、発光層５のバンドギャップをクラッド層４、６のバンドギャップよりも小さくすることができるため、図２に示すように、電気、正孔を発光層５に閉じ込めることが可能になり、漏れ電流の発生を防ぎ、発光効率を向上することができる。また、積層構造を格子整合系で構成するため結晶品質が向上し長期信頼性に優れたものとなる。

また、発光層５の組成を変えてバンドギャプを変えることにより、半導体発光素子１の発光波長を変化させることも可能となる。このように発光層５をＩｎＧａＡｌＳｂＡｓ系から構成することにより３〜１０μｍ、更にガス分析に好適である４〜７μｍ、特に４〜５μｍ近傍の広範な波長帯域の発光を実現することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

発光層５を前記実施形態とＩｎ組成は同じままＡｌを追加してＩｎＧａＡｌＳｂからなるものとしても、発光層５の格子定数を変えずにバンドギャップ及び得られる半導体発光素子１の発光波長を変化させることができる。また、クラッド層４、発光層５の格子定数も約６．３〜６．４８Åの間で変更しうる。

更に発光層５の組成をＩｎＳｂにＡｓを加えてＩｎＳｂＡｓとしても、発光層５の格子定数をクラッド層４、６の格子定数と略同じ値にすることが可能である。

また、前記実施形態では、発光層５がＩｎ_０．８５Ｇａ_０．１５Ｓｂの単一層（バルク構造）であったが、発光層５を、膜厚１０ｎｍのＩｎＳｂＡｓ井戸層及び膜厚１０ｎｍのＩｎＧａＡｌＳｂ障壁層を複数積層した多重量子井戸構造にすることにより、その量子効果により更に発光効率を向上することができる。

その他、前述した実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてもよく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

本発明によれば、発光効率が高く、長期信頼性にも優れた、中赤外線を放射する半導体発光素子を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の模式的断面図。 同実施形態に係る半導体発光素子おけるエネルギーバンドを示す概念図。 エネルギーバンドギャップと格子定数の関係を示すグラフ。 従来の半導体発光素子の模式的断面図。 従来の半導体発光素子おけるエネルギーバンドを示す概念図。

符号の説明

１・・・半導体発光素子
４・・・ｎ型クラッド層
５・・・発光層
６・・・ｐ型クラッド層

Claims (4)

1. Ｉｎ_１−ｘＡｌ_ｘＳｂ（０．１≦ｘ≦０．５）からなるクラッド層と、
   Ｉｎ及びＳｂ並びにＡｌ、Ｇａ、Ａｓの少なくとも１種の元素を含有する半導体からなる発光層と、を備えており、
   前記クラッド層の格子定数ａ１と前記発光層の格子定数ａ２との相対値Δａ（Δａ＝（ａ２−ａ１）／ａ１）が−０．００５≦Δａ≦０．００５であり、
   ３〜１０μｍの波長の中赤外線を放射することを特徴とする半導体発光素子。
2. ３〜１０μｍの波長の中赤外線を放射する半導体発光素子であって、
   Ｉｎ_１−ｘＡｌ_ｘＳｂ（０．１≦ｘ≦０．５）からなるクラッド層と、
   少なくとも井戸層と障壁層とを有する量子井戸構造からなる発光層と、を備えており、
   前記井戸層及び障壁層は、それぞれ、厚みが２０ｎｍ以下であって、Ｉｎ及びＳｂ並びにＡｌ、Ｇａ、Ａｓの少なくとも１種の元素を含有する半導体からなり、以下の条件を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
   Ａｌ組成比：障壁層＞井戸層
   Ｉｎ組成比：障壁層＜井戸層
   Ａｓ組成比：障壁層＜井戸層
   Ｇａ組成比：障壁層＞井戸層
3. ＧａＡｓからなる基板を備えている請求項１又は２記載の半導体発光素子。
4. Ｉｎ_１−ｘＡｌ_ｘＳｂ（０．１≦ｘ≦０．５）からなるバッファー層を備えている請求項１、２又は３記載の半導体発光素子。