JP2016051883A - 半導体発光素子および光結合装置 - Google Patents

半導体発光素子および光結合装置 Download PDF

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Abstract

【課題】結晶欠陥の増殖が抑制された半導体発光素子および光結合装置を提供する。
【解決手段】半導体発光素子は、In(Ga1−yAl1−xAs(但し、0<x≦0.2、0<y<1)からなるn層(n:1以上10以下の整数)の井戸層と、前記井戸層と交互に積層されたGa1−zAlAs(但し、0<z<1)からなる(n+1)層の障壁層と、を含む歪量子井戸構造を含む発光層を有する半導体積層体を備え、前記発光層は、700nm以上かつ870nm以下のピーク波長を有する光を放出する。
【選択図】図3

Description

本発明の実施形態は、半導体発光素子および光結合装置に関する。
光結合装置は、赤色光〜赤外光の波長の光信号を半導体発光素子から放出し、シリコン(Si)フォトダイオードなどの受光素子により電気信号に変換して出力する。このため、入力端子と、出力端子と、が電気的に絶縁された状態で信号を伝送することが可能である。
光結合装置は、産業機器や通信機器などにおいてその用途が益々拡大している。
赤色光〜赤外光は、AlGaAsやInGaAlPなどからなる発光層から放出される。Alを含むこれらの材料からなる発光層において、機械的に導入された微小結晶欠陥やエピタキシャル成長時に導入されたヘテロ界面での微小点欠陥等がデバイス動作時のストレスにより、非発光中心となる。非発光中心は、光吸収を生じたり再結合中心となり結晶欠陥の増殖や伝播を生じ光出力の低下を生じることがある。
特開平9−162482号公報
赤色光〜赤外光を発光するAlGaAs系発光層における結晶欠陥の増殖や伝播が抑制された半導体発光素子、および光結合装置を提供する。
実施形態の半導体発光素子は、AlGaAs系にInを微量添加したIn(Ga1−yAl1−xAs(但し、0<x≦0.2、0<y<1)からなるn層(n:1以上10以下の整数)の井戸層と、前記井戸層と交互に積層されたGa1−zAlAs(但し、0<z<1)からなる(n+1)層の障壁層と、を含む歪量子井戸構造を含む発光層を有する半導体積層体を備え、前記発光層は、700nm以上かつ870nm以下のピーク波長を有する光を放出する。
図1(a)は第1の実施形態にかかる半導体発光素子の模式平面図、図1(b)はA−A線に沿った模式断面図、である。 図2(a)は半導体積層体のE部を拡大した模式断面図、図2(b)は量子井戸構造のバンド図、である。 In組成比に対する臨界膜厚依存性を表すグラフ図である。 図4(a)は本実施形態の光結合装置の応用例の構成図、図4(b)は光結合装置の負荷に流れる電流波形図、図4(c)は発光素子の駆動パルスの電流波形図、である。 図5(a)〜(f)は、光結合装置の高温高湿動作試験の結果を表すグラフ図である。 770nmの波長の光を放出可能な井戸層のIn組成比とAl組成比との関係を表すグラフ図である。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態を説明する。
図1(a)は第1の実施形態にかかる半導体発光素子の模式平面図、図1(b)はA−A線に沿った模式断面図、である。
半導体発光素子50は、半導体基板37と、半導体基板37上に設けられ発光層25を含む半導体積層体40と、第1電極20と、第2電極42と、を有する。
第1電極20は、円形状のパッド部20aを含む。また、第1電極20は、チップの対角線の方向に線状の突起部20bをさらに含むことができる。このようにすると、平面視において、発光層25の広い領域で発光させ、光出力を高めることができる。
半導体基板37の裏面には第2電極42が設けられる。
なお、半導体基板37の結晶成長面は、低次の結晶面から、たとえば、3〜20度傾斜した面とすることができる。傾斜基板を用いると、半導体積層体40への不純物ドーピング効率を高めることが容易となり光学的特性などを高めることができる。
チップサイズの横方向の辺の長さL1および縦方向の辺の長さL2は、それぞれ150〜250μmなどとすることができる。また、チップの高さHは、100〜170μmなどとすることができる。このアスペクト比(H/L)はスクライブ法による素子分離を行った場合であり、ダイシング法を用いた場合は、チップの機械的強度を保証する限りにおいてさらに50μmなどとすることができる。
図2(a)は半導体積層体のE部を拡大した模式断面図、図2(b)は歪量子井戸構造のバンド図、である。
半導体積層体40は、発光層25を有する。また発光層25は、n(n:1以上の整数)層の井戸層26と井戸層26と交互に積層された(n+1)層の障壁層27とからなる量子井戸構造を含む。発光層25から放出される放出光は、700〜870nmの範囲のピーク波長を有するものとする。
また、半導体基板37は、たとえば、n形GaAsからなるものとし、ドナー濃度は、1×1018cm−3とする。半導体積層体40は、半導体基板37の側から、バッファ層36、反射層35、n形クラッド層33、発光層25、p形クラッド層23、p形電流拡散層22、およびp形コンタクト層21を有する。半導体積層体40は、たとえば、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法やMBE(Molecular Beam Epitaxy)法を用いて形成することができる。
バッファ層36は、GaAsなどからなり、厚さを0.5μm、ドナー濃度を5×1017cm−3とすることができる。反射層35は、In0.5Al0.5PとAl0.2Ga0.8Asとを20ペア積層したブラッグ反射器などとすることができる。反射層35を設けると、下方に向かう放出光を上方の光出射面の側に反射することにより、光取出し効率を高めることができる。
n形クラッド層33は、In0.5(Ga0.4Al0.60.5Pなどからなり、厚さ0.6μm、ドナー濃度1×1018cm−3などとすることができる。p形クラッド層23は、In0.5(Ga0.4Al0.60.5Pなどからなり、厚さ0.6μm、アクセプタ濃度8×1017cm−3などとすることができる。
また、p形電流拡散層22は、Al0.6Ga0.4Asからなり、厚さ2.5μm、アクセプタ濃度2×1018cm−3などとすることができる。p形コンタクト層21は、GaAsからなり、厚さを0.01μm、アクセプタ濃度を2×1018cm−3などとすることができる。なお、それぞれの層の導電形は、それぞれ反対導電形であってもよく、材料・不純物濃度・厚さは、これらに限定されない。
また、発光層25は、井戸層26と障壁層27とを有する。井戸層26は、ln(Ga1−yAl1−xAs(0<x≦0.2、0<y<1)からなり、ノンドープとし、1層の厚さは11nm以下などとする。また障壁層27は、AlGa1−zAs(0≦z≦1)からなり、ノンドープとし、1層の厚さは10nmより大きく50nm以下などとする。
図2(b)は、井戸層26の層数nが2つ、井戸層26を挟む障壁層27の層数(n+1)が3つ、の歪量子井戸構造のバンド図を表す。伝導帯92および価電子帯93は、擬フェルミレベル90を合わせるように表されている。2つの井戸層26a、26bには、電子およびホールがそれぞれ蓄積される。障壁層27a、27b、27cの厚さTb1、Tb2、Tb3が小さいと、量子効率が高くなるが、p形クラッド層23とn形クラッド層33との間の薄い領域にキャリアが蓄積されるので接合容量が大きくなる。
他方、障壁層27a、27b、27cの厚さTb1、Tb2、Tb3が大きいと、キャリアはp形クラッド層23とn形クラッド層33との間の厚い領域に蓄積されるので接合容量が小さくなる。
図3は、図2(b)に示した構造において、障壁層のAl組成比を0.5として、井戸層のIn組成比に対する臨界膜厚依存性の計算結果の一例を表すグラフ図である。
縦軸は臨界膜厚hc(nm)、横軸はIn組成比(%)、である。井戸層26の格子定数と障壁層27の格子定数とが不整合であっても、それぞれの層が薄いので、その弾性限界範囲内で歪むことにより臨界膜厚以下であれば、格子整合条件に制約されずに結晶性が良好に保たれる。但し、x>0.2となると、図2(b)に示した構造において、エピタキシャル成長温度と室温との温度差がもたらすそれぞれの材料の線膨張係数差による圧縮または引っ張り応力と、それぞれの層厚とが弾性限界を越える。このため、井戸層26のIn組成比xを0.2、膜厚を5nmにした場合、クロスハッチが入り、結晶性が低下し、計算結果と実際の複数のヘテロエピタキシャル成長での結晶性低下はほほ一致し、臨界膜厚を超えるような構造は著しく結晶性が低下するので好ましくないことが判明した。
すなわち、In組成比xの増加に従って、臨界膜厚hcが減少し井戸層26の厚さ上限値が制限される。なお、障壁層27をAlGa1−zAs(0<z<1)とする場合、障壁層27よりも井戸層26の方が格子定数が大きい。このため、井戸層26は、その成長面に沿って圧縮応力を受け、障壁層27はその成長面に沿って引っ張り応力を受ける。臨界膜厚hc(マーク◆)は、式(1)のMathewsの式から算出した。

Figure 2016051883
たとえば、In組成比xが0.2のとき、臨界膜厚hcは略5nmとなり、井戸層26の厚さTw1、Tw2を5nm以下にすることができる。また、In組成比xを0.1とすると、臨界膜厚hcは、略11nmとなり、井戸層26の厚さTw1、Tw2を11nm以下にすることができる。In組成比xの増大に応じて格子定数が大きくなるため、それに応じて格子緩和すると考えられる臨界膜厚hcが減少する。しかしながら、実際、複数層のヘテロエピタキシャル成長膜の場合、計算値と実際のデバイス構造での良好な結晶条件には誤差があり、臨界膜厚hcの1/2程度の膜厚でないと良好な結晶性が得られない。すなわち、In組成比xが0.1のとき、臨界膜厚は略5nm程度とする必要があった。また更に、In組成が0の場合、臨界膜厚は200nmと計算され、現実的に可能な100nmよりさらに薄い、5nmの井戸層の厚さでも通電により結晶欠陥の増殖、伝播によるデバイスの劣化、つまり信頼性の低下問題がみられた。
次に、半導体発光素子の長期信頼性と量子井戸構造の歪との関係を説明する。
図4(a)は本実施形態の光結合装置の応用例の構成図、図4(b)は光結合装置の負荷に流れる電流波形図、図4(c)は発光素子の駆動パルスの電流波形図、である。
図4(a)に表す光結合装置5は、発光部5aと、受光部5bと、を有する。発光部5aは、第1の実施形態にかかる発光素子50を含むものとする。受光部5bは,受光素子60と、制御回路62と、コモン・ソース接続されたNチャネルMOSFET70と、を有する。
光結合装置5は、たとえば、交流電源80と、負荷82と、に接続される。交流電源80の周波数f1は、たとえば、100kHzなどとする。発光素子50がオンとなり、その放出光により、受光素子60が光起電力を生じる。出力端子31がプラスの期間、電流は、光結合装置5の出力端子31からMOSFET70を経由して、出力端子32から負荷82、交流電源の向きに流れる。出力端子31がマイナスの期間、電流は反対方向に流れる。このため、負荷82には、図4(b)に表すように、周波数がf1の交流電流が流れる。すなわち、光結合装置5は、駆動信号に応じて発光素子50をオンまたはオフに切り替え、交流負荷電流をオンまたはオフに切り替えるフォトリレーとして動作する。
なお、光結合装置5の受光部5bは、少なくとも受光素子60を有していればよい。半導体受光素子は、Si、Ge、InGaAsなどからなるフォトダイオード、フォトトランジスタ、受光ICなどとすることができ、入力電気信号に対応した光電流を出力する。
高速デジタル信号を送受信する光データリンクなどにおいて、パルスの繰り返し周波数が、たとえば、5〜50MHzであると、その周期は、0.02〜0.2μsなどと短い。他方、光結合装置5をメカリレーの代わりに半導体用高速テスターなどに応用する場合、図4(c)に表すように、発光素子50を駆動するパルスの繰り返し周波数が、たとえば、1〜10kHzであると、その周期Tは、0.1〜1msなどと長くなる。すなわち、発光素子50がオンしている時間が十分に長くなる。この場合、発光素子50は、長い周期Tのパルス駆動においても、長時間動作で光出力の低下を生じないことが要求される。このため、発光素子50の発光層25は、第1の実施形態で説明した歪量子井戸構造を有する発光素子とする。
図5(a)〜(f)は、光結合装置の高温高湿動作試験の結果を表すグラフ図である。すなわち、図5(a)はx=0における直流通電時間に対する順方向電圧依存性、図5(b)はx=0における光結合効率依存性、図5(c)はx=0.04における直流通電時間に対する順方向電圧依存性、図5(d)はx=0.04における光結合効率依存性、図5(e)はx=0.08における直流通電時間に対する順方向電圧依存性、図5(f)はx=0.08における光結合効率依存性、を表す。なお、素子の障壁層の厚さを15nm、Al組成比zを0.5、井戸層26の厚さを5nm、とし、In組成比xを変化した時の試験結果である。
また、図5(a)、(c)、(d)において、縦軸は発光素子の順方向電流が10mAにおける順方向電圧(V)、横軸は時間(h)、である。また、図5(b)、(d)、(f)において、縦軸は光結合効率の変動率、横軸は時間(h)、である。
高温高湿動作試験は、温度を85℃、湿度を85%、発光素子50の動作電流を10mAとして、直流通電する。
発光素子50は、劈開などで端面(図1にS1で表す)に生じた転位などの結晶欠陥を含んでいる。0.5ms以上の長い周期のパルスで動作を続けると、非発光再結合で生じたエネルギーが格子振動などに使われ、もともと存在した転位がさらに増殖しやすくなる。特に高温で直流動作させると、結晶欠陥が連鎖的に増殖する。このため、端面劣化などを生じ、光出力が低下しやすい。
図5(a)、(b)において、発光素子の井戸層はInを含まず、Ga0.94Al0.06Asからなり、1つの井戸層の厚さは5nmとする。また、障壁層は、Al0.5Ga0.5Asからなり、その厚さは15nmとする。通電時間が1500時間を越えると、順方向電圧VFが突発的に低下する(すなわち、結晶欠陥の増殖により光出力が低下する)発光素子が生じ、光結合効率が突発的に低下し生じ始める。この場合、GaAsに対する井戸層の格子不整合率は、略0.0001と小さいにもかかわらず、光結合効率は突発的に低下する。すなわち、In組成xが0で臨界膜厚が実効的に100nmより薄い5nmであっても、結晶欠陥の増殖、伝播が起こり、急速な信頼性低下が起きる。素子を解析すると、素子端部のスクライブ痕から結晶欠陥がチップ内部にデンドライクに伝播し、結晶方位に沿って素子端に突き抜ける、結晶欠陥が見られる。その結晶欠陥は発光層の井戸層を中心に伝播している様子が観察された。同じく、ボールボンディング時のダメージに起因した表面圧痕下からの同様な結晶欠陥の導入と伝播も同じく観察された。
他方、図5(c)、(d)において、発光素子50の井戸層26は、In0.04(Ga0.94Al0.060.96Asからなり、その厚さは5nmとする。また、障壁層は、Al0.5Ga0.5Asからなり、その厚さは15nmとする。このとき、直流通電時間が4056時間になっても、順方向電圧VFが突発的に低下する発光素子50は生じず、光結合効率の低下も小さい。たとえば、図5(d)において、光結合効率の変動率は、直流通電時間が4000時間において、0とマイナス8%の間にとどまっている。
また、図5(e)、(f)において、発光素子50の井戸層26は、In0.08(Ga0.94Al0.060.92Asからなり、その厚さは5nmとする。また、障壁層は、Al0.5Ga0.5Asからなり、その厚さは15nmとする。このとき、通電時間が4056時間になっても、順方向電圧が突発的に低下する発光素子を生じず、光結合効率の低下も小さい。たとえば、図5(f)において、光結合効率の変動率は、直流通電時間が4000時間において、0とマイナス6%の間にとどまっている。
すなわち、In組成比xを、0よりも大きくかつ0.2以下とすることにより、発光素子50の突発劣化を抑制し、光結合装置5の光結合効率の低下を抑制できている。AlGaAs系井戸層に、微量のInを添加することにより、結晶欠陥の導入と伝播が抑制され、その範囲はIn組成比xの増加による格子定数の増加に対する臨界膜厚を超えない膜厚で良好な素子特性が得られることが判明した。その臨界膜厚は一般的な計算される臨界膜厚hc以下であり、その1/2を超えないことで良好なデバイス特性を得られることが分かった。また、MOCVD法ではIn組成比の制御は、TMI(トリメチルインジウム)のガス流を増すフローによって制御しているが、その制御性は、コンマ数%であり総層流量に対するTMI流量が少ないことから実質、2〜4%の組成制御が現実的である。したがって、In組成比xを、0.02以上とすると、結晶成長におけるIn組成比xを安定に制御でき発光素子の歩留まりを安定化できるのでより好ましい。
つまり、In(Ga1−yAl1−xAs混晶をMOCVD法を用いて結晶成長する場合、たとえば、水素ガスを粉末または粒状の高温TMI内に通過させてその飽和水蒸気に応じた濃度でガス化(昇華)する。この場合、ガス流量を制御するマスフローコントローラーの制御精度および他のMOガスおよび適正なIII/V族比を得るために流すTMIの流量比がきわめて小さく限界がある。このため、In組成比xの下限値は0.02とすることが好ましい。
このように、図5(c)、(d)、(e)、(f)は、井戸層26に圧縮応力を、かつ障壁層27に引っ張り応力を適正に加え、AlとGaの中にInを添加することにより物性値が変わり、In原子が結晶欠陥の伝播をピニングすることにより結晶欠陥の増殖が抑制され、光出力の低下が抑制されることを表すと考えられる。
また、この場合、井戸層26に圧縮歪を導入することにより、ホールの有効質量が低減されホール注入を均一にすることが容易となる。また、電子のキャリア閉じ込めポテンシャルを高く、かつホールの閉じ込めポテンシャルを低くできる。このため、電子のオーバーフローを抑制することが容易となる。この結果、たとえば、非発光再結合が抑制され、格子振動エネルギーが減少し、結晶欠陥の増殖が抑制されるなどの効果を生じるものと考えられる。
図6は、770nmの波長の光を放出可能な井戸層のIn組成比とAl組成比との関係を表すグラフ図である。
縦軸はAl組成比y、横軸はIn組成比x、である。なお、井戸層26は、その厚さTw1、Tw2を5nm、数を2つ、とする。また、障壁層27は、その厚さTb1、Tb2、Tb3を15nm、数を3つ、とする。たとえば、波長を770nmに設定する場合、In組成比xが0よりも大きくかつ0.10以下において、Al組成比yは、0.085よりも大きくかつ0.214以下とすることができる。
AlGa1−zAsからなる障壁層27において、Al組成比zを小さくすると、障壁差が小さくなりキャリアオーバーフローが生じやすくなるので、zの下限を0.3などとする。また、Al組成比zを大きくすると、障壁差が大きくなり、順方向電圧VFが高くなるため、zの上限を0.7などとする。
本実施形態により結晶欠陥の増殖が抑制された発光素子が提供される。また、この発光素子を有する光結合装置は、半導体発光素子のオン時間が長くても、光結合効率の低下を抑制することができる。このため、半導体装置用高速テスターなどにフォトリレーとして用いることができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
5 光結合装置、25 発光層、26 井戸層、 27 障壁層、35 反射層、37 半導体基板、40 半導体積層体、50 発光素子、60 受光素子、x In組成比、y Al組成比、Tw1、Tw2 井戸層の厚さ、Tb1、Tb2、Tb3 障壁層の厚さ

Claims (6)

  1. In(Ga1−yAl1−xAs(但し、0<x≦0.2、0<y<1)からなるn層(n:1以上10以下の整数)の井戸層と、前記井戸層と交互に積層されたGa1−zAlAs(但し、0<z<1)からなる(n+1)層の障壁層と、を含む歪量子井戸構造を含む発光層を有する半導体積層体を備え、
    前記発光層は、700nm以上かつ870nm以下のピーク波長を有する光を放出する半導体発光素子。
  2. それぞれの井戸層の厚さは、11nm以下であり、
    それぞれの障壁層の厚さは、10nm以上かつ50nm以下である請求項1記載の半導体発光素子。
  3. 0.02≦xである請求項1または2に記載の半導体発光素子。
  4. 0.04≦xである請求項1または2に記載の半導体発光素子。
  5. 前記半導体積層体は、前記発光層から放出される前記放出光を反射可能なブラッグ反射器をさらに有する請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
  6. 入力電気信号により駆動され、請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体発光素子と、
    前記光を受光し、電気信号に変換して出力する半導体受光素子と、
    を備え、
    前記半導体発光素子と前記半導体受光素子とは、電気的に絶縁された光結合装置。
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