JP2011238678A - 半導体発光装置 - Google Patents

半導体発光装置 Download PDF

Info

Publication number
JP2011238678A
JP2011238678A JP2010107181A JP2010107181A JP2011238678A JP 2011238678 A JP2011238678 A JP 2011238678A JP 2010107181 A JP2010107181 A JP 2010107181A JP 2010107181 A JP2010107181 A JP 2010107181A JP 2011238678 A JP2011238678 A JP 2011238678A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
electron confinement
electron
emitting device
well
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2010107181A
Other languages
English (en)
Inventor
Toru Takayama
徹 高山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Corp filed Critical Panasonic Corp
Priority to JP2010107181A priority Critical patent/JP2011238678A/ja
Priority to US13/094,013 priority patent/US20110272667A1/en
Publication of JP2011238678A publication Critical patent/JP2011238678A/ja
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/04—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34333—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer based on Ga(In)N or Ga(In)P, e.g. blue laser
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/14—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a carrier transport control structure, e.g. highly-doped semiconductor layer or current-blocking structure
    • H01L33/145—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a carrier transport control structure, e.g. highly-doped semiconductor layer or current-blocking structure with a current-blocking structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/20—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/2004—Confining in the direction perpendicular to the layer structure
    • H01S5/2009—Confining in the direction perpendicular to the layer structure by using electron barrier layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
    • H01S5/3211—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures characterised by special cladding layers, e.g. details on band-discontinuities
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/3407—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers characterised by special barrier layers

Abstract

【課題】低動作電流及び低動作電圧により、高出力動作が可能な半導体発光装置を得られるようにする。
【解決手段】半導体発光装置は、第１導電型のIII族窒化物半導体からなる第１クラッド層１０１の上に形成された活性層１０３と、活性層１０３の上に形成されたＡｌｘｂＧａｙｂＩｎ１−ｘｂ−ｙｂＮからなる電子閉じ込めバリア層及びＡｌｘｗＧａｙｗＩｎ１−ｘｗ−ｙｗＮからなる２層以上の電子閉じ込めウェル層により構成される量子井戸電子障壁層１０４と、量子井戸電子障壁層１０４の上に形成された第２導電型のIII族窒化物半導体からなる第２クラッド層１０５とを備えている。各電子閉じ込めウェル層は、それぞれ電子閉じ込めバリア層の間に形成され、各電子閉じ込めウェル層の禁制帯幅エネルギーは、第２クラッド層１０５側から活性層１０３側に向かって順次増大している。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光装置に関し、特に、高出力の動作をする半導体発光装置に関する。
近年、光ディスクシステムの大容量化の進展によって、ＣＤ（compact disc）及びＤＶＤ（digital versatile disc）よりも大容量の記録を可能とするＢｌｕ−ｒａｙ（登録商標）光ディスクシステムの市場が立ち上がり、波長が４０５ｎｍ帯の青紫色レーザ光を得ることが可能な窒化物材料を用いた半導体レーザ装置（以下、半導体レーザ）が実用化されている。
光ディスクシステムの光源となる半導体レーザには、記録速度の高倍速化による高出力動作、及び８５℃以上における高温動作が強く要望されている。
このような高温高出力動作を阻害する大きな要因の一つとしては、高温動作の際に漏れ電流が発生することによる動作電流の増大がある。これは、半導体レーザの活性層に注入された電子が、半導体レーザの自己発熱により励起されて、ｐ型クラッド層に漏れだすこと（オーバーフロー）により生じる。動作電流の増大は、半導体レーザの自己発熱量のさらなる増大を招き、半導体レーザの長期動作の保証に対する信頼性の低下を原因となる。
また、高温高出力動作を阻害する他の要因としては、動作電圧の増大がある。動作電圧が増大すると、半導体レーザの動作電力の増大を招き、ジュール発熱による温度上昇を引き起こす。その結果、さらなる動作電流の増大が生じることにより、動作電圧が大きくなって、半導体レーザの信頼性を低下させるという重大な問題が生じることとなる。また、半導体レーザを駆動するための駆動回路の駆動電圧にも上限値があるため、動作電圧の増大は、信頼性の保証及び駆動回路による動作の制御保証の観点において重大な問題となる。
半導体レーザにおいて、活性層からの電子のオーバーフローを防止するためには、活性層よりも禁制帯幅エネルギー（バンドギャップエネルギー）が大きいｐ型の半導体層を活性層の近傍に設けることにより、伝導帯に電位障壁（ΔＥｃ）を形成する方法が一般に用いられている。窒化物系の青紫色半導体レーザにおいては、活性層には窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）系材料からなる多重量子井戸（multi quantum well：ＭＱＷ）層を用い、クラッド層には窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系材料からなるクラッド層が広く用いられている。この場合、電子のオーバーフローを抑制するためにクラッド層のアルミニウム（Ａｌ）の組成を大きくしてΔＥｃを増大させると、ＡｌＧａＮ系材料とＩｎＧａＮ系材料との熱膨張係数の差により、半導体レーザにクラックが発生するという問題が生じることとなる。
これらの問題を解決するための半導体発光装置が特許文献１及び特許文献２等に提示されている。
第１の従来例の半導体発光装置について図１２及び図１３を参照しながら説明する。
図１２に示すように、窒化物半導体基板２０１の上には、シリコン（Ｓｉ）等のｎ型不純物がドープされたＡｌａＧａ１−ａＮ（０＜ａ＜１）からなるｎ型コンタクト層２０２、ＳｉがドープされたＩｎｇＧａ１−ｇＮ（０．０５≦ｇ≦０．２）からなるクラック防止層２０３及びＡｌｅＧａ１−ｅＮ（０．１２≦ｅ＜０．１５）を含む積層膜であるｎ型クラッド層２０４が順次形成されている。ｎ型クラッド層２０４の上には、アンドープの窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるｎ型ガイド層２０５、ＩｎｂＧａ１−ｂＮ（０≦ｂ＜１）からなる多重量子井戸構造の活性層２０６及びマグネシウム（Ｍｇ）がドープされたＡｌｄＧａ１−ｄＮ（０＜ｄ≦１）からなる少なくとも１層のｐ型電子閉じ込め層２０７が順次形成されている。Ｐ型電子閉じ込め層２０７の上には、アンドープのＧａＮからなるｐ型ガイド層２０８及びＡｌｆＧａ１−ｆＮ（０＜ｆ≦１）を含む積層膜でありリッジ部を有するｐ型クラッド層２０９が順次形成されている。ｐ型クラッド層２０９のリッジ部の頂面の上には、ＭｇがドープされたＧａＮからなるｐ型コンタクト層２１０が形成され、その頂面を除く上面の上には保護膜２１３が形成されている。また、ｐ型コンタクト層２１０及び保護膜２１３の上には、ｐ側電極２１１が形成され、ｎ型コンタクト層２０２の上におけるクラック防止層２０３が形成されていない領域に、ｎ側電極２１２が形成されている。
この構造において、ｎ側電極２１２から注入された電子は、ｎ型クラッド層２０４を経て、活性層２０６に注入される。高温高出力動作の際に、活性層に注入された電子は熱により励起されるが、図１３に示すように、ｐ型電子閉じ込め層２０７と活性層２０６との界面のΔＥｃにより電子のオーバーフローの発生は抑制される。
また、ｐ型電子閉じ込め層２０７の厚さは、１ｎｍ〜１００ｎｍと薄くすることにより、半導体発光装置にクラックが発生することを抑制している。
以下、第２の従来例の半導体発光装置について図１４及び図１５を参照しながら説明する。
図１４に示すように、ｎ型ＧａＮ層３０１の上に、ＧａＮ系の複数の化合物半導体層３０２、３０３を複数回繰り返して積層されたＭＱＷを有する活性層３０７が形成されている。活性層３０７の上には、各々ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（バリア層）３０４とＧａＮ層（ウェル層）３０５との二重層を少なくとも２回以上繰り返して積層して、エネルギーバンドが複数個の多重量子の障壁構造を有するように形成されたｐ型の多重量子障壁（multi quantum barrier：ＭＱＢ）層３０８が形成されている。ｐ型ＭＱＢ層３０８の上には、ｐ型ＧａＮ層３０６が形成されている。
この構造において、ｎ型ＧａＮ層３０１側から注入された電子は、活性層３０７に注入される。高温高出力動作の際において、活性層３０７に注入された電子は、熱により励起されるが、ｐ型ＭＱＢ層３０８と活性層３０７との界面のΔＥｃにより、電子のオーバーフローの発生は抑制される。また、図１５に示すように、ｐ型ＭＱＢ層３０８の各ウェル層３０５のバンドギャップエネルギーは一定とし、その膜厚を活性層３０７に向かって順次薄くしている。このような層構成のｐ型ＭＱＢ層３０８を活性層３０７の上に設けることにより、クラックの発生を防止すると共に、量子効果によって第１の従来例よりも実効的なΔＥｃを相対的に大きくすることができる。
このため、高温高出力動作時においても電子のオーバーフローを抑制できて、低動作電流により駆動する半導体発光装置を得ることが可能となる。
特開２０００−１８３４６２号公報 特開２００１−２２３４４１号公報
しかしながら、活性層の上に形成されるＡｌＧａＮ層は、電子のオーバーフローを抑制すると共に、ｐ側電極から活性層に注入されるホールに対しては、価電子帯の電位障壁（ΔＥｖ）を形成するため、エネルギー障壁として機能する。
従って、第１の従来例及び第２の従来例における構造では、電子のオーバーフローを抑制することは可能であるが、ホールに対してもエネルギー障壁として機能するため、動作電圧が増大することとなる。
また、従来のＭＱＢ構造において、活性層側に向かってホールがＭＱＢ層を伝導する場合、ホールはバリア層をトンネル効果により通過できても、ウェル層の最もエネルギーの小さい基底準位に存在する確率が高くなる。また、ホールは、ＭＱＢ層の各バリア層をトンネル効果によって通過する場合と、そのポテンシャルエネルギーよりも高いエネルギーを得ることによって通過する場合とがある。従って、ホールがＭＱＢ層の各バリア層をそのポテンシャルエネルギー以上のエネルギーを得て伝導する場合は、ＭＱＢ層のウェル層の基底準位とバリア層のポテンシャルエネルギーとの差に相当する電圧をバイアス印加する必要がある。その結果、動作電圧が増大することとなる。
窒化物系の青紫色半導体レーザにおいて、動作電圧の増大は、半導体レーザの動作温度の上昇及び動作電流の増大につながり、信頼性、動作可能温度及び動作可能光出力の低下につながる。
本発明は、前記の問題に鑑み、その目的は、低動作電流及び低動作電圧により、高出力動作が可能な半導体発光装置を得られるようにすることにある。
前記の目的を達成するために、本発明は半導体発光装置を、禁制帯幅エネルギーがそれぞれ異なる積層構造の電子障壁層を備えている構成とする。
具体的に、本発明に係る半導体発光装置は、第１導電型のIII族窒化物半導体からなる第１クラッド層と、第１クラッド層の上に形成された活性層と、活性層の上に形成されたＡｌｘｂＧａｙｂＩｎ１−ｘｂ−ｙｂＮからなる電子閉じ込めバリア層（０≦ｘｂ＜１、０＜ｙｂ≦１、０≦１−ｘｂ−ｙｂ＜１）及びＡｌｘｗＧａｙｗＩｎ１−ｘｗ−ｙｗＮからなる２層以上の電子閉じ込めウェル層（０≦ｘｗ＜１、０＜ｙｗ≦１、０≦１−ｘｗ−ｙｗ＜１）により構成される量子井戸電子障壁層と、量子井戸電子障壁層の上に形成された第２導電型のIII族窒化物半導体からなる第２クラッド層とを備え、各電子閉じ込めウェル層は、それぞれ電子閉じ込めバリア層の間に形成され、各電子閉じ込めウェル層の禁制帯幅エネルギーは、第２クラッド層側から活性層側に向かって順次増大している。
本発明に係る半導体発光装置によると、各電子閉じ込めウェル層の禁制帯幅エネルギーは、第２クラッド層側から活性層側に向かって順次増大するため、活性層に近づくにつれて各電子閉じ込めウェル層に存在するエネルギー準位の数を少なくし、且つ、最大のエネルギー準位の大きさを徐々に大きくすることができる。従って、注入されたホールを効率良く、第２クラッド層から活性層側に向かって順次選択的に高いエネルギー準位に存在させることができる。このため、低いバイアス電圧においてもホールは第２クラッド層と量子井戸電子障壁層との間の価電子帯の電位障壁（ΔＥｖ）を越える確率が増大し、動作電圧を効率よく低減することができる。
また、電子に対しては、量子井戸電子障壁層の各電子閉じ込めウェル層のバンドギャップエネルギーが、活性層側に向かって順次大きくなるため、活性層側に向かって各電子閉じ込めウェル層に存在するエネルギー準位の数を順次少なくし、且つ、最大のエネルギー準位の大きさを徐々に大きくすることができる。従って、活性層に最も近接する電子閉じ込めバリア層の膜厚が１０ｎｍ程度以下の超薄膜であっても、活性層に注入された電子のキャリアオーバーフローを抑制することが可能となる。
本発明に係る半導体発光装置において、電子閉じ込めウェル層のうち第２クラッド層に最も近接している層のＡｌの組成比であるｘｗは、０以上且つ０．０５以下であることが好ましい。
このようにすると、第２クラッド層に最も近い電子閉じ込めウェル層に形成されるエネルギー準位の数を大きくでき、ホールが第２クラッド層から電子閉じ込めバリア層を通過して、第２クラッド層に最も近い電子閉じ込めウェル層に達する確率を増大させることができる。その結果、低いバイアス電圧の印加時においてもホールが活性層へ流れることが可能となる。
本発明に係る半導体発光装置において、電子閉じ込めウェル層の膜厚は、２ｎｍ以上且つ６ｎｍ以下であり、電子閉じ込めバリア層の膜厚は、２ｎｍ以上且つ８ｎｍ以下であることが好ましい。
このようにすると、電子閉じ込めウェル層において量子準位を制御性良く形成することが可能となり、また、トンネル効果によりキャリアが電子閉じ込めバリア層を通過する確率を高めることが可能となる。
本発明に係る半導体発光装置において、電子閉じ込めウェル層の膜厚は、活性層に近い層ほど薄いことが好ましい。
このようにすると、活性層により近い電子閉じ込めウェル層に形成される電子のエネルギー準位の大きさをより大きくすることが可能となる。その結果、トンネル効果により活性層に注入された電子が、活性層に最も近接する電子閉じ込めバリア層を通過する確率を小さくすることが可能となる。従って、活性層からの電子のオーバーフローを抑制できるため、高温高出力動作時においても漏れ電流の少ない低動作電流特性を得ることが可能となる。
本発明に係る半導体発光装置において、第１クラッド層は、半導体基板の上に形成されていることが好ましい。
このようにして、半導体基板に導電性を持たせると、半導体発光装置の表面と半導体基板の裏面とに電極を形成し、半導体発光装置を駆動させることが可能となる。その結果、半導体基板に対して同一側にｎ側電極とｐ側電極を形成する必要がなくなり、半導体発光装置の寸法を小さくすることが可能となる。
この場合、半導体基板は、窒化ガリウムからなることが好ましい。
このようにすると、半導体基板が半導体発光装置を構成する窒化物材料と同一の材料系となるため、他のシリコン及びヒ化ガリウムといった他の材料系の基板を用いた場合と比べて、半導体発光装置の構成層と基板とにおける格子定数及び熱膨張係数を近い値にすることが可能となる。また、窒化ガリウムは熱伝導性に優れ、放熱性を向上できる。その結果、長期動作における信頼性を向上できる。
本発明に係る半導体発光装置において、電子閉じ込めバリア層のうち活性層に最も近接しているＡｌの組成比であるｘｂは、０．２以上であることが好ましい。
このようにすると、伝導帯に高いエネルギー障壁を形成することが可能となり、電子のオーバーフローを抑制することが可能となる。従って、高温高出力動作時においても漏れ電流の少ない低動作電流特性を得ることが可能となる。
本発明に係る半導体発光装置において、電子閉じ込めバリア層の格子定数は、半導体基板の格子定数よりも小さいことが好ましい。
このようにすると、電子閉じ込めバリア層には引っ張り歪が生じ、電子閉じ込めバリア層のバンドギャップエネルギーが増大する。このため、電子閉じ込めウェル層に形成される量子準位のエネルギーを大きくすることが可能となる。このため、活性層に近い電子閉じ込めウェル層に形成される電子のエネルギー準位をより大きくすることが可能となる。その結果、活性層に注入された電子が、トンネル効果により活性層に最も近接する電子閉じ込めバリア層を通過する確率を小さくすることが可能となる。従って、電子の活性層からのオーバーフローを抑制できるため、高温高出力動作時においても漏れ電流の少ない低動作電流特性を得ることが可能となる。
本発明に係る半導体発光装置において、電子閉じ込めバリア層の格子定数をＬｂ、前記電子閉じ込めウェル層の格子定数をＬｗ、窒化ガリウムの格子定数をＬｇとすると、２−０．０１≦（Ｌｂ＋Ｌｗ）／Ｌｇ≦２＋０．０１であることが好ましい。
このようにすると、電子閉じ込めバリア層の格子不整とは互いに逆方向の格子不整を電子閉じ込め層に生じさせることができ、さらに、電子閉じ込めバリア層に生じた歪を電子閉じ込めウェル層に生じた歪により補償することが可能となる。その結果、電子閉じ込めバリア層のＡｌの組成比を０．２以上に高くしても、活性層材料と電子閉じ込めバリア層と熱膨張係数の差のよる格子欠陥の発生を抑制することが可能となる。また、この構成により、電子閉じ込めバリア層と電子閉じ込めウェル層とにおいて、窒化ガリウムとの格子不整による格子欠陥の発生を抑制することが可能となる。
本発明に係る半導体発光装置によると、高出力動作時においても、低動作電圧及び低動作電流による駆動が可能となる。
本発明の第１の実施形態〜第４の実施形態に係る半導体発光装置を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体発光装置の量子井戸電子障壁層の詳細を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体発光装置の活性層及び量子井戸電子障壁層の近傍のバンド構造図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体発光装置の電子閉じ込めバリア層の伝導帯端エネルギーと電子のエネルギー準位との差（ΔＥｃｑ）及び電子閉じ込めバリア層の価電子帯端エネルギーとホールのエネルギー準位との差（ΔＥｖｑ）の関係を示すバンド構造図である。 （ａ）は本発明の第１の実施形態及び第２の実施形態に係る半導体発光装置における厚さが４ｎｍの電子閉じ込めウェル層のＡｌの組成比と電子閉じ込めウェル層のΔＥｃｑの計算結果との関係を示すグラフである。（ｂ）は本発明の第１の実施形態及び第２の実施形態に係る半導体発光装置における厚さが４ｎｍの電子閉じ込めウェル層のＡｌの組成比と電子閉じ込めウェル層のΔＥｖｑの計算結果との関係を示すグラフである。 （ａ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体発光装置における厚さが２ｎｍの電子閉じ込めウェル層のＡｌの組成比と電子閉じ込めウェル層のΔＥｃｑの計算結果との関係を示すグラフである。（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体発光装置における厚さが２ｎｍの電子閉じ込めウェル層のＡｌの組成比と電子閉じ込めウェル層のΔＥｖｑの計算結果との関係を示すグラフである。 （ａ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体発光装置における厚さが６ｎｍの電子閉じ込めウェル層のＡｌの組成比と電子閉じ込めウェル層のΔＥｃｑの計算結果との関係を示すグラフである。（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体発光装置における厚さが６ｎｍの電子閉じ込めウェル層のＡｌの組成比と電子閉じ込めウェル層のΔＥｖｑの計算結果との関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る半導体発光装置の活性層及び量子井戸電子障壁層の近傍のバンド構造図である。 （ａ）は本発明の第３の実施形態及び第４の実施形態に係る半導体発光装置における厚さが４ｎｍの電子閉じ込めウェル層のＡｌの組成比と電子閉じ込めウェル層のΔＥｃｑの計算結果との関係を示すグラフである。（ｂ）は本発明の第３の実施形態及び第４の実施形態に係る半導体発光装置における厚さが４ｎｍの電子閉じ込めウェル層のＡｌの組成比と電子閉じ込めウェル層のΔＥｖｑの計算結果との関係を示すグラフである。 （ａ）は本発明の第４の実施形態に係る半導体発光装置における厚さが２ｎｍの電子閉じ込めウェル層のＡｌの組成比と電子閉じ込めウェル層のΔＥｃｑの計算結果との関係を示すグラフである。（ｂ）は本発明の第４の実施形態に係る半導体発光装置における厚さが２ｎｍの電子閉じ込めウェル層のＡｌの組成比と電子閉じ込めウェル層のΔＥｖｑの計算結果との関係を示すグラフである。 （ａ）は本発明の第４の実施形態に係る半導体発光装置における厚さが６ｎｍの電子閉じ込めウェル層のＡｌの組成比と電子閉じ込めウェル層のΔＥｃｑの計算結果との関係を示すグラフである。（ｂ）は本発明の第４の実施形態に係る半導体発光装置における厚さが６ｎｍの電子閉じ込めウェル層のＡｌの組成比と電子閉じ込めウェル層のΔＥｖｑの計算結果との関係を示すグラフである。 第１の従来例の半導体発光装置を示す断面図である。 第１の従来例の半導体発光装置の活性層の近傍のバンド構造図である。 第２の従来例の半導体発光装置を示す断面図である。 第２の従来例の半導体発光装置の活性層の近傍のバンド構造図である。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る半導体発光装置について図１を参照しながら説明する。
図１に示すように、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる半導体基板１００の上に、例えば膜厚が２．５μｍのｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなる第１クラッド層１０１と、例えば膜厚が８６ｎｍのｎ型ＡｌＧａＮからなるガイド層１０２が順次形成されている。ガイド層１０２の上には、例えば窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）系の材料からなる多重量子井戸を含む活性層１０３が形成され、活性層１０３の上には、ｐ型の量子井戸電子障壁層１０４が形成されている。量子井戸電子障壁層１０４の上には、ｐ型ＡｌＧａＮからなり、リッジ部を有する第２クラッド層１０５が形成され、第２クラッド層１０５のリッジ部の頂面の上には、例えば膜厚０．１μｍのｐ型ＧａＮからなるコンタクト層１０６が形成されている。第２クラッド層１０５のリッジ部の頂面を除く上面と側面とに、光分布に対して透明なＳｉＮからなる誘電体の電流ブロック層１０７が形成され、コンタクト層１０６及び電流ブロック層１０７を覆うように、ｐ側電極１０８が形成されている。半導体基板１００の下には、ｎ側電極１０９が形成されている。なお、第２クラッド層１０５において、リッジ部の幅は１．４μｍであり、また、リッジ部の頂面から活性層１０３までの距離が０．５μｍであり、リッジ部の下端部から活性層１０３までの距離は０．１μｍ（ｄｐ）である。
ここで、第１の実施形態では、活性層１０３において垂直方向に光を閉じ込めるために第１クラッド層１０１及び第２クラッド層１０５のアルミニウム（Ａｌ）の組成比を０．０５としている。第１クラッド層１０１及び第２クラッド層１０５のＡｌの組成比を大きくすると、活性層１０３と第１クラッド層１０１との間及び活性層１０３と第２クラッド層１０５との間の屈折率の差を大きくすることができる。このため、活性層１０３において垂直方向に光を強く閉じ込めることが可能となり、発振しきい電流を小さくすることが可能となる。しかしながら、第１クラッド層１０１及び第２クラッド層１０５と半導体基板１００との熱膨張係数の差のため、第１クラッド層１０１及び第２クラッド層１０５のＡｌの組成比を過剰に大きくすると格子欠陥が生じて信頼性の低下につながる。従って、第１クラッド層１０１及び第２クラッド層１０５のＡｌの組成比は０．２以下とする必要がある。
また、本実施形態の構造において、コンタクト層１０６から注入された電流は電流ブロック層１０７により、リッジ部にのみ狭窄され、リッジ部の底部の下方に位置する活性層１０３に集中して電流が注入されて、数十ｍＡといった少ない注入電流によりレーザ発振に必要なキャリアの反転分布の状態にできる。活性層１０３に注入されたキャリアの再結合により発光した光は、活性層１０３と垂直な方向には、第１クラッド層１０１及び第２クラッド層１０５により光閉じ込めがなされる。また、活性層１０３と平行な方向には、電流ブロック層１０７が第１クラッド層１０１及び第２クラッド層１０５よりも屈折率が低いため、光閉じ込めがなされる。また、電流ブロック層１０７はレーザ発振光に対して透明であるため光吸収がなく、低損失の導波路を実現することができる。また、導波路を伝播する光分布は電流ブロック層１０７に大きく浸み出すことができるため、高出力動作に適した１０−３のオーダの屈折率差（Δｎ）を容易に得ることができる。さらに、その大きさを電流ブロック層１０７と活性層１０３との間の距離（ｄｐ）の大きさにより、精密に制御することができる。このため、光分布を精密に制御しつつ、低動作電流により高出力の動作が可能な半導体発光装置を得ることができる。
半導体発光装置を光ディスクシステムの記録及び再生のための光源として用いる場合、レーザ出射光を光ディスクの上に回折限界まで集光するには、その光分布が単峰性の基本横モード発振を生じている必要がある。
高温高出力状態まで安定した基本横モード発振を生じるためには、高次横モードをカットオフして高次横モードを生じないように導波路の構造を決めなければならない。
このためには、Δｎを１０−３のオーダで精密に制御するのみならず、リッジ部の底部の幅を狭くし、高次横モードをカットオフ状態にする必要がある。
リッジ部の底部の幅は、高次横モード発振を抑制するために、１．５μｍ以下にする必要がある。リッジ部の底部の幅を狭くすると、リッジ部の上面の幅もリッジ部のメサ形状に応じて狭くなる。リッジ部の上面の幅が狭くなりすぎると、リッジ部の上部から注入される電流の経路の幅が狭くなり、半導体発光装置の直列抵抗（Ｒｓ）の増大を招くため、動作電圧が増大してしまう。従って、安定な基本横モード発振を生じさせるために、リッジ部の底部の幅を単純に狭くするとＲｓの増大につながり、動作電圧が増大するため、発熱の原因となり高温高出力動作が困難になる。
そこで、本発明の第１の実施形態においては、Ｒｓの増大を招かず、基本横モード発振を得るためにリッジ部の幅を１．４μｍとしている。
また、本発明の第１の実施形態では、第２クラッド層１０５と半導体基板１００との熱膨張係数の差に基づくクラックの発生及び格子欠陥の発生を抑制するために、第２クラッド層１０５のＡｌの組成比は０．０５としている。この場合、活性層１０３と第２クラッド層１０５との間の伝導帯のバンド構造に生じるΔＥｃは０．３５ｅＶ程度であるため、単純に活性層１０３の上に第２クラッド層１０５を形成しただけでは、高温高出力動作時において、電子は第２クラッド層１０５にオーバーフローしてしまう。
そこで、本発明の第１の実施形態においては、活性層１０３と第２クラッド層１０５との間に、量子井戸電子障壁層１０４を設けている。量子井戸電子障壁層１０４の構造について図２を参照しながら説明する。
図２に示すように、量子井戸電子障壁層１０４は、それぞれｐ型の電子閉じ込めウェル層である第１ウェル層１０４ｗ１、第２ウェル層１０４ｗ２及び第３ウェル層１０４ｗ３とそれぞれｐ型の電子閉じ込めバリア層である第１バリア層１０４ｂ１、第２バリア層１０４ｂ２、第３バリア層１０４ｂ３及び第４バリア層１０４ｂ４とにより構成されている。具体的には、活性層１０３の上に、第１バリア層１０４ｂ１、第１ウェル層１０４ｗ１、第２バリア層１０４ｂ２、第２ウェル層１０４ｗ２、第３バリア層１０４ｂ３、第３ウェル層１０４ｗ３及び第４バリア層１０４ｂ４が順次形成されている。すなわち、各ウェル層はバリア層同士の間に形成されている。ここで、量子井戸電子障壁層１０４は７層である例を示しているが、７層でなくても、ウェル層がバリア層同士の間に形成されていれば構わない。電子閉じ込めバリア層は、第２クラッド層１０５と同じく例えばｐ型ＡｌＧａＮからなる。また、ΔＥｃを大きくするために電子閉じ込めバリア層のＡｌの組成比は０．３としている。この場合、ΔＥｃの値は０．７１ｅＶとなり、電子のオーバーフローを抑制するのに十分に大きい値を得ることが可能となる。
しかしながら、第２クラッド層１０５と第４バリア層１０４ｂ４との界面の価電子帯にも０．３５ｅＶのバンドの不連続量（ΔＥｖ）が生じ、ホールに対しては電位障壁として機能する。この電位障壁のために、電流−電圧特性における立ち上がり電圧が増大するのみならず、Ｒｓが増大し、動作電圧の増大につながってしまう。窒化物系半導体発光装置は、材料の物性上のバンドギャップエネルギーが大きいため、元々の動作電圧が高く、動作電圧の低減は非常に重要である。
そこで、本発明の第１の実施形態では、電子のオーバーフローを抑制する機能を保持しつつ、ホールに対しては可能な限り余分なバイアス電圧を印加せずともホールが量子井戸電子障壁層１０４を伝導可能とするような電子閉じ込めウェル層のバンドギャップエネルギーを設定している。
量子井戸電子障壁層１０４のバンドギャップエネルギーについて図３を参照しながら説明する。
図３に示すように、電子閉じ込めウェル層のバンドギャップエネルギーは、活性層１０３側から第２クラッド層１０５側に向かって順次バンドギャップエネルギーが小さくなるように設定されている。
さらに、第１ウェル層１０４ｗ１のバンドギャップエネルギーは、第１バリア層１０４ｂ１のバンドギャップエネルギーと近い値に設定されている。その結果、活性層１０３に注入された電子は、高温高出力動作時において熱により励起されたとしても、第１ウェル層１０４ｗ１のバンドギャップエネルギーが大きいため、トンネル効果により第１ウェル層１０４ｗ１に達する確率を低減することが可能となる。特に、第１ウェル層１０４ｗ１における電子の量子エネルギー準位が基底準位にのみ形成され、第２準位が形成されないように、第１ウェル層１０４ｗ１の組成と膜厚とを設定すれば、トンネル効果により電子が第１ウェル層１０４ｗ１に達する確率の低減効果が大きくなる。
また、第３ウェル層１０４ｗ３のバンドギャップエネルギーは、第２クラッド層１０５のバンドギャップエネルギーと近いように設定されている。このため、第３ウェル層１０４ｗ３には、価電子帯において、ホールの複数の量子エネルギー準位が形成される。その結果、第２クラッド層１０５から活性層１０３に向かって注入されたホールが、低いバイアス電圧の印加時においても、トンネル効果により第４バリア層１０４ｂ４を通過し、第３ウェル層１０４ｗ３に注入される確率を高めることが可能となる。従って、第３ウェル層１０４ｗ３におけるホールのキャリア密度を高めることが可能となり、トンネル効果により第３バリア層ｂ３を通過し、第２ウェル層１０４ｗ２に達することができるホールの確率を高めることができる。このため、第２ウェル層１０４ｗ２におけるホールのキャリア濃度を高めることが可能となる。
また、電子閉じ込めウェル層のバンドギャップエネルギーは活性層１０３に向かって順次増大させているため、これに伴って電子閉じ込めウェル層の価電子帯に形成されるホールの基底準位の量子エネルギー準位の大きさも徐々に大きくなり、且つ、量子エネルギー準位の数も徐々に少なくなる。従って、電子閉じ込めウェル層を活性層１０３に向かってホールが伝導するにつれて、電子閉じ込めウェル層のそれぞれの価電子帯に存在するホールが、より高いエネルギーを有する量子準位に存在する確率が高くなる。特に、活性層１０３に最も近接する第１ウェル層１０４ｗ１の価電子帯に形成されるホールのエネルギー準位が、第１バリア層１０４ｂ１の価電子帯端から０．０５ｅＶ以内となるように第１ウェル層１０４ｗ１のバンドギャップエネルギーを設定すれば、動作電圧の低減効果を高めることができる。この場合、第１ウェル層１０４ｗ１には、第１バリア層１０４ｂ１の価電子帯端のエネルギーとほぼ同等のエネルギーを有するホールが存在することとなる。その結果、半導体発光装置の動作中の自己発熱による熱エネルギーにより、ホールが第１バリア層１０４ｂ１を超えることが可能となるためバイアス電圧を余分に付加する必要がなくなる。
従って、本実施形態に係る半導体発光装置は、低いバイアスの印加時においても電子閉じ込めバリア層を通過することが可能となり、動作電圧の増大を防止することが可能となる。
次に、量子井戸電子障壁層１０４の具体的な構造について説明を行う。電子閉じ込めバリア層のＡｌの組成比を０．２以上とすると電子閉じ込めバリア層と活性層１０３との間の伝導帯のΔＥｃが０．５ｅＶ以上の値となり、活性層１０３からの電子のオーバーフローを抑制することが可能となる。しかしながら、Ａｌの組成比を過剰に大きくすると、半導体発光装置にクラックが生じたり、格子欠陥が発生しやすくなったりする。そこで、電子閉じ込めバリア層にＡｌＧａＮを用いる場合、電子のオーバーフローの抑制とクラック及び格子欠陥の発生の抑制とのために、そのＡｌの組成比は０．２以上且つ０．５以下の範囲で設定する必要がある。ただし、電子閉じ込めバリア層のＡｌの組成比を大きくすると、第２クラッド層１０５側から注入されるホールに対しても電位障壁として機能するため動作電圧の増大につながる。従って、動作電圧の増大の防止の観点から、電子閉じ込めバリア層のＡｌの組成比は０．４以下に設定する必要がある。本発明の第１の実施形態における電子閉じ込めバリア層には、Ａｌの組成比が０．３のＡｌＧａＮ層が用いられている。
電子閉じ込めバリア層にＡｌの組成比が０．３のＡｌＧａＮを用い、電子閉じ込めウェル層に厚さが４ｎｍのＡｌＧａＮ層を用いた場合における電子閉じ込めウェル層のＡｌの組成比の設定について図４及び図５を参照しながら説明する。
以下に説明するエネルギー準位の計算では、図４に示すように、電子に対しては電子閉じ込めバリア層の伝導帯端から、電子閉じ込めウェル層の伝導帯に形成されるエネルギー準位までの大きさ（ΔＥｃｑ）を示している。また、ホールに対しては電子閉じ込めバリア層の価電子帯端から、電子閉じ込めウェル層の価電子帯に形成されるエネルギー準位までの大きさ（ΔＥｖｑ）を示している。
本実施形態では、電子閉じ込めウェル層の膜厚を４ｎｍで一定とし、第３ウェル層１０４ｗ３、第２ウェル層１０４ｗ２及び第１ウェル層１０４ｗ１のＡｌの組成比をそれぞれ０．０５、０．１５及び０．２５と活性層１０３に向かって順次増大させていく。このようにすると、図５（ｂ）に示すように、第３ウェル層１０４ｗ３、第２ウェル層１０４ｗ２及び第１ウェル層１０４ｗ１に形成されるホールのエネルギー準位をΔＥｖｑに換算して、基底状態のホールのエネルギー準位をそれぞれ０．１７ｅＶ、０．１１ｅＶ及び０．０３５ｅＶと小さな間隔で活性層１０３に向かって順次小さくすることが可能となる。その結果、第２クラッド層１０５から活性層１０３に向かって注入されるホールのエネルギーレベルは、活性層１０３に向かって順次効率良く増大し、量子井戸電子障壁層１０４を介して、活性層１０３に到達する。その結果、動作電圧の増大を抑制することが可能となる。
また、このとき、図５（ａ）に示すように、電子に対しては、活性層１０３に最も近接するＡｌの組成比が０．２５である第１ウェル層１０４ｗ１に形成される電子のエネルギー準位は基底準位のみであり、ΔＥｃｑも０．０５ｅＶと小さい値である。このため、電子が、活性層１０３に最も近接する第１バリア層１０４ｂ１をトンネル効果により通過し、第１ウェル層１０４ｗ１に漏れ出す確率が小さくなる。
従って、電子閉じ込めウェル層を備えていても、活性層１０３に最も近接する第１バリア層１０４ｂ１と活性層１０３との界面において形成されるΔＥｃの値が低下することを抑制できる。
このように、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光装置によると、高温高出力動作の際においても、低動作電流且つ低動作電圧により駆動できる。
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る半導体発光装置について説明する。第２の実施形態において、第１の実施形態と同一の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
本発明の第２の実施形態においては、電子閉じ込めバリア層にＡｌの組成比が０．３のＡｌＧａＮを用い、第３ウェル層１０４ｗ３、第２ウェル層１０４ｗ２及び第１ウェル層１０４ｗ１にＡｌの組成比がそれぞれ０．０５、０．１５及び０．２５と順次増大させたＡｌＧａＮを用いている。また、第１の実施形態と異なり、第１ウェル層１０４ｗ１、第２ウェル層１０４ｗ２及び第３ウェル層１０４ｗ３の膜厚をそれぞれ２ｎｍ、４ｎｍ及び６ｎｍとしている。
第２の実施形態における各電子閉じ込めウェル層に形成される電子及びホールの量子準位について図５〜図８を参照しながら説明する。図５は膜厚が４ｎｍである第２ウェル層１０４ｗ２、図６は膜厚が２ｎｍである第１ウェル層１０４ｗ１、図７は膜厚が６ｎｍである第３ウェル層１０４ｗ３についてそれぞれ示している。
図５（ｂ）、図６（ｂ）及び図７（ｂ）に示すように、電子閉じ込めウェル層のＡｌの組成比と膜厚とを上記のように変化させることにより、基底状態のホールのエネルギー準位をΔＥｖｑに換算して０．１７ｅＶ、０．１１ｅＶ、０．０２５ｅＶと活性層１０３に向かって小さな間隔で順次小さくすることが可能となる。その結果、第２クラッド層１０５から活性層１０３に向かって注入されるホールのエネルギーレベルは、活性層１０３に向かって順次効率良く増大し、量子井戸電子障壁層１０４を介して、活性層１０３に到達する。その結果、動作電圧の増大を抑制することが可能となる。この場合、量子井戸電子障壁層１０４のバンド構造は図８に示すような構造となる。
このとき、電子に対しては、図６（ａ）に示すように、第１ウェル層１０４ｗ１に形成される電子のエネルギー準位は基底準位のみであり、この膜厚を最も薄くしたため、ΔＥｃｑも０．０２５ｅＶとなり、第１の実施形態の場合の０．０５ｅＶと比較して半減されている。この場合、電子が、第１バリア層１０４ｂ１をトンネル効果により通過し、第１ウェル層１０４ｗ１に漏れ出す確率がさらに小さくなる。
従って、電子閉じ込めウェル層を備えていても、第１バリア層１０４ｂ１と活性層１０３との界面において形成されるΔＥｃの値が低下することを抑制できる。
このように、本発明の第２の実施形態に係る半導体発光装置によると、高温高出力動作の際においても、低動作電流且つ低動作電圧により駆動できる。
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態に係る半導体発光装置について説明する。ここで、第３の実施形態において、第１の実施形態と同一の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
本発明の第３の実施形態においては、電子閉じ込めバリア層にＡｌの組成比が０．３のＡｌＧａＮ層を用い、電子閉じ込めウェル層に厚さが４ｎｍの窒化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧａＩｎＮ）層を用いている。また、第３ウェル層１０４ｗ３、第２ウェル層１０４ｗ２及び第１ウェル層１０４ｗ１のＡｌの組成比をそれぞれ０．０５、０．１５及び０．２５と順次増大させた構造としている。
このとき、電子閉じ込めバリア層に半導体基板１００との格子定数の差に基づく引っ張り歪が生じている。したがって、電子閉じ込めバリア層のＡｌの組成比を大きくして電子のオーバーフローの抑制効果を高めると引っ張り歪が大きくなり、活性層１０３の近傍に格子欠陥が発生するおそれがある。
そこで、本発明の第３の実施形態に係る構造では、電子閉じ込めバリア層の引っ張り歪を補償するために、電子閉じ込めウェル層に圧縮性の歪を生じさせている。
具体的には、電子閉じ込めバリア層の格子定数をＬｂ、電子閉じ込めウェル層をＬｗ、半導体基板１００のＧａＮの格子定数をＬｇとすると、（Ｌｂ＋Ｌｗ）／Ｌｇ＝２を満たすように各電子閉じ込めウェル層のＩｎの組成比を決定すればよい。このように設定することにより、半導体基板１００との格子定数の差に基づく歪の方向が、電子閉じ込めバリア層に圧縮性の格子不整が生じている場合は、電子閉じ込めウェル層に、電子閉じ込めバリア層の圧縮歪を補償できる大きさの引っ張り性の格子不整を生じさせることが可能である。また、電子閉じ込めバリア層に引っ張り性の格子不整が生じている場合は、電子閉じ込めウェル層に、電子閉じ込めバリア層の引っ張り歪を補償できる大きさの圧縮性の格子不整を生じさせることが可能である。
本発明の第３の実施形態においては、第３ウェル層１０４ｗ３、第２ウェル層１０４ｗ２及び第１ウェル層１０４ｗ１のＡｌの組成比をそれぞれ０．０５、０．１５及び０．２５と変化させた場合、Ｉｎの組成比もそれぞれ０．０７１、０．０９１及び０．１１と変化させている。
このように電子閉じ込め層の組成を設定することにより、量子井戸電子障壁層１０４に生じる格子不整による歪を補償し、Ａｌの組成比が大きい電子閉じ込めバリア層を用いた場合においても、格子欠陥の発生を抑制することが可能となる。その結果、半導体発光装置の長期動作の信頼性を向上させることが可能となる。
また、（Ｌｂ＋Ｌｗ）／Ｌｇの値を完全に２に一致させる必要はなく、格子不整を補償するためには、（Ｌｂ＋Ｌｗ）／Ｌｇの大きさが、２−０．０１≦（Ｌｂ＋Ｌｗ）／Ｌｇ≦２＋０．０１を満たしていれば格子欠陥の発生を抑制する効果を得ることができる。
第３の実施形態において、各電子閉じ込めウェル層に形成される電子とホールの量子準位について図９を参照しながら説明する。
図９に示す計算結果では、ＡｌＧａＩｎＮ電子閉じ込め層のＩｎの組成比は、（Ｌｂ＋Ｌｗ）／Ｌｇ＝２の関係を満たすように変化させている。
図９（ｂ）に示すように、第３ウェル層１０４ｗ３、第２ウェル層１０４ｗ２及び第１ウェル層１０４ｗ１のＡｌの組成比を０．０５、０．１５及び０．２５と活性層１０３に向かって順次増大させていく。これにより、ΔＥｖｑに換算して、基底状態のホールのエネルギー準位を０．１８ｅＶ、０．１１ｅＶ及び０．０２５ｅＶと活性層１０３に向かって小さな間隔で順次小さくすることが可能となる。その結果、第２クラッド層１０５から活性層１０３に向かって注入されるホールのエネルギーレベルは、活性層１０３に向かって順次効率良く増大し、量子井戸電子障壁層１０４を介して、活性層１０３に到達する。その結果、動作電圧の増大を抑制することが可能となる。
また、このとき、図９（ａ）に示すように、電子に対しては、第１ウェル層１０４ｗ１に形成される電子のエネルギー準位は基底準位のみであり、ΔＥｃｑも０．０４ｅＶと小さくなっている。この場合、電子が、トンネル効果により第１バリア層１０４ｂ１を通過し、第１ウェル層１０４ｗ１に漏れ出す確率がさらに小さくなる。
従って、電子閉じ込めウェル層を備えていても、第１バリア層１０４ｂ１と活性層１０３との界面において形成されるΔＥｃの値が低下することを抑制できる。
本発明の第３の実施形態に係る半導体発光装置によると、高温高出力動作の際においても、低動作電流且つ低動作電圧により駆動ができ、さらに、半導体発光装置の長期動作の信頼性を高めることが可能となる。
（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態に係る半導体発光装置について説明する。ここで、第４の実施形態において、第１の実施形態及び第３の実施形態と同一の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
本発明の第４の実施形態においては、電子閉じ込めバリア層にＡｌの組成比０．３のＡｌＧａＮ層を用い、第１ウェル層１０４ｗ１、第２ウェル層１０４ｗ２及び第３ウェル層１０４ｗ３の厚さをそれぞれ２ｎｍ、４ｎｍ及び６ｎｍと変化させている。さらに、第３ウェル層１０４ｗ３、第２ウェル層１０４ｗ２及び第１ウェル層１０４ｗ１のＡｌの組成比をそれぞれ０．０５、０．１５及び０．２５と順次増大させた構造としている。
本発明の第４の実施形態に係る構造では、第３の実施形態と同様に、電子閉じ込めバリア層の引っ張り歪を補償するために、電子閉じ込めウェル層に圧縮性の歪を生じさせている。
また、第１ウェル層１０４ｗ１、第２ウェル層１０４ｗ２及び第３ウェル層１０４ｗ３のＩｎの組成比はそれぞれ０．１１、０．０９１及び０．０７１と変化している。
このように電子閉じ込めウェル層の組成を設定することにより、量子井戸電子障壁層１０４に生じる格子不整による歪を補償し、Ａｌの組成比が大きい電子閉じ込めバリア層を用いた場合においても、格子欠陥の発生を抑制することが可能となる。その結果、半導体発光装置の長期動作の信頼性を向上させることが可能となる。
第４の実施形態の各電子閉じ込めウェル層に形成される電子及びホールの量子準位について図９〜図１１を参照しながら説明する。図９は膜厚が４ｎｍである第２ウェル層１０４ｗ２、図１０は膜厚が２ｎｍである第１ウェル層１０４ｗ１、図１１は膜厚が６ｎｍである第３ウェル層１０４ｗ３についてそれぞれ示している。
図９（ｂ）、図１０（ｂ）及び図１１（ｂ）に示すように、電子閉じ込めウェル層のＡｌの組成比と膜厚とを上記のように変化させることにより、基底状態のホールのエネルギー準位をΔＥｖｑに換算して０．２ｅＶ、０．１１ｅＶ、０．０１５ｅＶとし、活性層１０３に向かって順次小さな間隔で小さくすることが可能となる。その結果、第２クラッド層１０５から活性層１０３に向かって注入されるホールのエネルギーレベルは、活性層１０３に向かって順次効率良く増大し、量子井戸電子障壁層１０４を介して、活性層１０３に到達する。その結果、動作電圧の増大を抑制することが可能となる。
また、このとき、図９（ａ）、図１０（ａ）及び図１１（ａ）に示すように、電子に対しては、第１ウェル層１０４ｗ１に形成される電子のエネルギー準位は基底準位のみである。また、第１ウェル層１０４ｗ１の膜厚を最も薄くしたため、ΔＥｃｑは０．０２ｅＶとなり、第１の実施形態の場合の０．０５ｅＶの半分以下の大きさとなっている。この場合、電子が、トンネル効果により第１バリア層１０４ｂ１を通過し、第１ウェル層１０４ｗ１に漏れ出す確率をさらに小さくすることができる。
従って、電子閉じ込めウェル層を備えていても、第１バリア層１０４ｂ１と活性層１０３との界面において形成されるΔＥｃの値が低下することを抑制できる。
本発明の第４の実施形態に係る半導体発光装置によると、高温高出力動作の際においても、低動作電流且つ低動作電圧により駆動でき、さらに、半導体発光装置の長期動作の信頼性を高めることが可能となる。
本発明の第１の実施形態〜第４の実施形態に係る半導体発光装置において、第３ウェル層１０４ｗ３のＡｌの組成比を０以上且つ０．０５以下とすることにより、第３ウェル層１０４ｗ３に形成されるホールの基底状態のエネルギー準位を第２クラッド層１０５の価電子帯のホールのエネルギーと近づけることができる。このため、トンネル効果により第４バリア層１０４ｂ４を通過する確率が高くなり、動作電圧の低減を行うことができる。
また、電子閉じ込めウェル層のＡｌの組成比を第２クラッド層１０５のＡｌの組成比以上とすることにより、電子閉じ込めウェル層に形成されるホールのエネルギーが、第２クラッド層１０５の価電子帯端エネルギー以下に低下する。これにより、ホールが量子井戸電子障壁層１０４を通過するための余分なバイアス電圧が付加されることを防止できる。
電子閉じ込めウェル層の膜厚を薄くすると、電子閉じ込めウェル層に形成されるホールのエネルギー準位の数が減少して、トンネル効果により電子閉じ込めバリア層を通過するホールの確率が低下する。また、電子閉じ込めウェル層と電子閉じ込めバリア層との界面では界面層同士が混晶化した場合、さらに電子閉じ込めウェル層の平均のＡｌの組成比が大きくなり量子準位の数の減少につながり、ホールのトンネル確率の低下が生じるおそれがある。また、電子閉じ込めウェル層の膜厚を過剰に大きくすると、電子閉じ込めウェル層に形成されるホールの準位の数が多くなりすぎ、効率良く高いエネルギー状態、すなわち、電子閉じ込めバリア層の価電子帯端エネルギーに最も近いエネルギー準位に存在するホールの確率が低下してしまう。従って、電子閉じ込めウェル層の膜厚は２ｎｍ以上且つ６ｎｍ以下で設定する必要がある。
また、ホールに対して、量子井戸電子障壁層１０４の電子閉じ込めバリア層をトンネル効果により伝導させるためには、電子閉じ込めバリア層はホールの波動関数の波長程度以下の薄さである必要があり、８ｎｍ以下でなければならない。逆に過剰に薄くすると、電子閉じ込めウェル層同士の間の量子準位の結合が強くなり、ミニバンドが形成され、各電子閉じ込めウェル層により形成されるホールの量子準位が分裂し、電子閉じ込めウェル層においてエネルギーの低い状態に存在するホールの確率が増大することとなる。このため、電子閉じ込めウェル層から活性層１０３にホールが伝導する場合、大きなヘテロ障壁の影響を受けるホールの割合が増して、動作電圧の低減効果が薄れてしまう。従って、高いトンネル確率を維持しつつ、電子閉じ込めウェル層同士の間のホールの量子準位の結合によるミニバンドの形成を防ぐためには、電子閉じ込めバリア層の膜厚は２ｎｍ以上且つ８ｎｍ以下で形成する必要がある。本発明の第１の実施形態〜第４の実施形態においては、電子閉じ込めバリア層の膜厚は４ｎｍとしている。
以上のように、窒化物系の半導体発光装置においても、本発明に係る量子井戸電子障壁層１０４を備えることにより、ホールは低いバイアス電圧の印加時においても、第２クラッド層１０５から活性層１０３に伝導することが可能となる。
また、本発明の第１の実施形態〜第４の実施形態では電子閉じ込めバリア層の材料の例としてＡｌＧａＮのみを示したが、ＡｌＧａＩｎＮを用いてもよい。この場合、電子閉じ込めバリア層に、第２クラッド層１０５のバンドギャップエネルギー以上であり、且つ、電子閉じ込めウェル層のバンドギャップエネルギーよりも大きいＡｌＧａＩｎＮを用いても同様の効果を得ることができる。
また、電子閉じ込めバリア層に引っ張り歪を生じさせるように組成を設定すると、電子閉じ込めバリア層のバンドギャップエネルギーが増大する。このため、電子閉じ込めウェル層に形成される量子準位のエネルギーを大きくすることが可能となる。その結果、電子閉じ込めバリア層と第２クラッド層１０５との界面の電位障壁を、より低いバイアス電圧においても通過することが可能となるため動作電圧が低減される。
また、本発明の第１の実施形態〜第４の実施形態では、電子閉じ込めウェル層は３層としたが、これに限られない。量子井戸電子障壁層１０４の合計膜厚が０．１μｍ以下を越えない範囲となるように量子井戸電子障壁層１０４を形成すれば、量子井戸電子障壁層１０４をホールがトンネル効果により伝導する効果により、動作電圧を低減することが可能となる。
なお、本発明は半導体レーザに限定されるものではなく、発光ダイオード等の半導体デバイスにおいても同様の効果をもたらす。
本発明に係る半導体発光装置は、高出力動作時においても、低動作電圧及び低動作電流による駆動が可能であり、特に、高出力の動作をする半導体発光装置等に有用である。
１００ 半導体基板
１０１ 第１クラッド層
１０２ ガイド層
１０３ 活性層
１０４ 量子井戸電子障壁層
１０４ｂ１ 第１バリア層
１０４ｂ２ 第２バリア層
１０４ｂ３ 第３バリア層
１０４ｂ４ 第４バリア層
１０４ｗ１ 第１ウェル層
１０４ｗ２ 第２ウェル層
１０４ｗ３ 第３ウェル層
１０５ 第２クラッド層
１０６ コンタクト層
１０７ 電流ブロック層
１０８ ｎ側電極
１０９ ｐ側電極

Claims (9)

  1. 第１導電型のIII族窒化物半導体からなる第１クラッド層と
    前記第１クラッド層の上に形成された活性層と、
    前記活性層の上に形成されたＡｌｘｂＧａｙｂＩｎ１−ｘｂ−ｙｂＮからなる電子閉じ込めバリア層（０≦ｘｂ＜１、０＜ｙｂ≦１、０≦１−ｘｂ−ｙｂ＜１）及びＡｌｘｗＧａｙｗＩｎ１−ｘｗ−ｙｗＮからなる２層以上の電子閉じ込めウェル層（０≦ｘｗ＜１、０＜ｙｗ≦１、０≦１−ｘｗ−ｙｗ＜１）により構成される量子井戸電子障壁層と、
    前記量子井戸電子障壁層の上に形成された第２導電型のIII族窒化物半導体からなる第２クラッド層とを備え、
    前記各電子閉じ込めウェル層は、それぞれ前記電子閉じ込めバリア層の間に形成され、
    前記各電子閉じ込めウェル層の禁制帯幅エネルギーは、前記第２クラッド層側から前記活性層側に向かって順次増大していることを特徴とする半導体発光装置。
  2. 前記電子閉じ込めウェル層のうち前記第２クラッド層に最も近接している層のＡｌの組成比であるｘｗは、０以上且つ０．０５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装置。
  3. 前記電子閉じ込めウェル層の膜厚は、２ｎｍ以上且つ６ｎｍ以下であり、
    前記電子閉じ込めバリア層の膜厚は、２ｎｍ以上且つ８ｎｍ以下であ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装置。
  4. 前記電子閉じ込めウェル層の膜厚は、前記活性層に近い層ほど薄いことを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の半導体発光装置。
  5. 前記第１クラッド層は、半導体基板の上に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の半導体発光装置。
  6. 前記半導体基板は、窒化ガリウムからなることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光装置。
  7. 前記電子閉じ込めバリア層のうち前記活性層に最も近接している層のＡｌの組成比であるｘｂは、０．２以上であることを特徴とする請求項１〜６のうちのいずれか１項に記載の半導体発光装置。
  8. 前記電子閉じ込めバリア層の格子定数は、前記半導体基板の格子定数よりも小さいことを特徴とする請求項５〜７のうちのいずれか１項に記載の半導体発光装置。
  9. 前記電子閉じ込めバリア層の格子定数をＬｂ、前記電子閉じ込めウェル層の格子定数をＬｗ、窒化ガリウムの格子定数をＬｇとすると、２−０．０１≦（Ｌｂ＋Ｌｗ）／Ｌｇ≦２＋０．０１であることを特徴とする請求項６〜８のうちのいずれか１項に記載の半導体発光装置。
JP2010107181A 2010-05-07 2010-05-07 半導体発光装置 Withdrawn JP2011238678A (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010107181A JP2011238678A (ja) 2010-05-07 2010-05-07 半導体発光装置
US13/094,013 US20110272667A1 (en) 2010-05-07 2011-04-26 Semiconductor light emitting device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010107181A JP2011238678A (ja) 2010-05-07 2010-05-07 半導体発光装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2011238678A true JP2011238678A (ja) 2011-11-24

Family

ID=44901362

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010107181A Withdrawn JP2011238678A (ja) 2010-05-07 2010-05-07 半導体発光装置

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20110272667A1 (ja)
JP (1) JP2011238678A (ja)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
MX2013004696A (es) 2010-10-27 2013-06-12 Gillette Co Dispositivo dosificador de composiciones que comprende una composicion hidratante no espumante.
KR20120129029A (ko) * 2011-05-18 2012-11-28 엘지이노텍 주식회사 발광 소자
US8723189B1 (en) * 2012-01-06 2014-05-13 Trustees Of Boston University Ultraviolet light emitting diode structures and methods of manufacturing the same
CN102569571B (zh) * 2012-03-06 2015-06-24 华灿光电股份有限公司 半导体发光二极管及其制造方法
DE102012107795B4 (de) * 2012-08-23 2022-02-03 OSRAM Opto Semiconductors Gesellschaft mit beschränkter Haftung Optoelektronischer Halbleiterkörper und optoelektronischer Halbleiterchip
DE102012220911A1 (de) * 2012-09-27 2014-05-15 Osram Opto Semiconductors Gmbh Halbleiterlaser mit verbesserter Stromführung
DE102013107969B4 (de) * 2013-07-25 2020-04-09 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optoelektronischer Halbleiterchip
JP6754918B2 (ja) * 2018-03-30 2020-09-16 パナソニックセミコンダクターソリューションズ株式会社 半導体発光素子
CN111725364A (zh) * 2019-03-20 2020-09-29 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 短波长深紫外led外延结构、其p型层材料及制法与应用
CN114188449B (zh) * 2021-11-11 2023-07-18 重庆康佳光电技术研究院有限公司 一种电子阻挡层生长方法、外延层及led芯片

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6593589B1 (en) * 1998-01-30 2003-07-15 The University Of New Mexico Semiconductor nitride structures
JP2002111135A (ja) * 2000-10-02 2002-04-12 Furukawa Electric Co Ltd:The 半導体レーザ素子、それを用いた光ファイバ増幅器用励起光源
ATE448589T1 (de) * 2001-04-12 2009-11-15 Nichia Corp Halbleiterelement aus galliumnitridzusammensetzung
TW550839B (en) * 2001-07-25 2003-09-01 Shinetsu Handotai Kk Light emitting element and method for manufacturing thereof
MY139533A (en) * 2001-11-05 2009-10-30 Nichia Corp Nitride semiconductor device
JP5196160B2 (ja) * 2008-10-17 2013-05-15 日亜化学工業株式会社 半導体発光素子
US20100327278A1 (en) * 2009-06-29 2010-12-30 University Of Seoul Industry Cooperation Foundation Laminated structures

Also Published As

Publication number Publication date
US20110272667A1 (en) 2011-11-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2011238678A (ja) 半導体発光装置
JP3433038B2 (ja) 半導体発光装置
US7333523B2 (en) Semiconductor laser device
JP4805887B2 (ja) 半導体レーザ装置
JPWO2012127778A1 (ja) 窒化物半導体発光素子
JP2006339657A (ja) ＩＩＩ−Ｖ族ＧａＮ系化合物半導体素子
US9214789B2 (en) Semiconductor light emitting element
US20110286487A1 (en) Semiconductor laser device
JP4930925B2 (ja) 二波長半導体レーザ装置
JP2007214221A (ja) 窒化物半導体レーザ素子
JP2005302784A (ja) 半導体発光素子及びその製造方法
US8446927B2 (en) Semiconductor laser device and manufacturing method thereof
US20110222568A1 (en) Semiconductor light emitting device
US20080175293A1 (en) Semiconductor laser device
JP2002094190A (ja) 窒化物系半導体発光素子
KR20050082251A (ko) 반도체 레이저 디바이스
US20100238963A1 (en) Gallium nitride based semiconductor laser device
JP2007005720A (ja) 半導体レーザ装置
JP2010283279A (ja) 半導体レーザ装置
JP4922619B2 (ja) 半導体レーザ素子
JPWO2005124952A1 (ja) 半導体発光装置およびその製造方法
JP2008103772A (ja) 半導体レーザ装置
JP2010186835A (ja) 窒化物半導体レーザ装置
JP2010021342A (ja) 半導体レーザ装置
JP2004200339A (ja) 酸化物半導体レーザ素子

Legal Events

Date Code Title Description
A300 Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300

Effective date: 20130806