JP2661576B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

半導体発光素子

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、化合物半導体、特に２
−６族化合物の発光ダイオ−ド、半導体レ−ザに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来の２−６族化合物半導体レ−ザとし
て、クラッド層、光ガイド層、量子井戸層が、それぞれ
ＺｎＭｇＳＳｅ、ＺｎＳＳｅ、ＺｎＣｄＳｅからなる分
離閉じ込めヘテロ（ＳＣＨ）構造のレ−ザがあり、室温
でのレ−ザ発振が得られているものである（ジャパニ−
ズ、ジャ−ナル、オブ、アプライド、フィジックス（Ｊ
ａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅ
ｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ）第３３巻第頁Ｌ９３８〜第頁Ｌ９
４０、１９９４年）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術において、Ｍｇ組成が１０％以上のＺｎＭｇＳＳ
ｅは、ｐ型の抵抗が高くなってしまうため、クラッド層
でのキャリアの閉じ込めを大きくすることができない。
また、Ｍｇを含まない２−６族化合物半導体のバンドラ
インナップは、一般にタイプ２と呼ばれる関係にあり、
格子整合した材料系では再結合確率の高い量子井戸構造
ができないため、格子長の違う材料系からなる歪量子井
戸を用いている。このため、量子井戸の閉じ込めを大き
くすることができない。
【０００４】このように従来技術においては、キャリア
に対して、クラッド層の閉じ込めも量子井戸による閉じ
込めも不十分なために、発振しきい値電流が高く、室温
での寿命が短いという問題を有していた。本発明の目的
は、キャリアの閉じ込めを大きくして、室温で安定に動
作する半導体発光素子を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、少なくとも閉
じ込め層、量子井戸層、ｐ側バリア層、ｎ側バリア層と
を有し、各層の価電子帯端のエネルギ−位置が前記量子
井戸層で最も高く、前記ｐ側バリア層、前記ｎ側バリア
層、前記閉じ込め層の順に低く、伝導帯端のエネルギ−
位置が前記量子井戸層で最も低く、前記ｎ側バリア層、
前記ｐ側バリア層、前記閉じ込め層の順に高いバンド構
造であり、前記ｐ側バリア層と前記ｎ側バリア層とのバ
ンドラインナップがタイプ２であり、前記閉じ込め層と
前記ｐ側バリア層とのバンドラインナップがタイプ１で
あり、前記閉じ込め層と前記ｎ側バリア層とのバンドラ
インナップがタイプ１であり、電流注入により前記ｐ側
バリア層より前記量子井戸層へ正孔を注入し、前記ｎ側
バリアより電子を注入し、前記量子井戸層において再結
合することを特徴とする半導体発光素子である。
【０００６】また、本発明は、上記半導体発光素子にお
いて、ｐ側バリア層、ｎ側バリア層がＺｎＣｄＳＳｅ系
で構成され、閉じ込め層がＺｎＭｇＳＳｅ系で構成され
ていることを特徴とする半導体発光素子である。本発明
において、バンドラインナップがタイプ１とは、ヘテロ
接合を形成する第１の材料と第２の材料との価電子帯端
と伝導帯端の真空準位からのエネルギー位置を比べた時
に、価電子帯端が第１の材料より第２の材料で高くなっ
ている時に、伝導帯端が第１の材料より第２の材料で低
くなっている関係をいい、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ接合
や、ＺｎＳＳｅ／ＺｎＭｇＳＳｅ接合などがこれにあた
る。これに対し、バンドラインナップがタイプ２とは、
価電子帯端が第１の材料より第２の材料で高くなってい
る時に、伝導帯端が第１の材料より第２の材料で高くな
っている関係をいい、ＺｎＣｄＳＳｅ系や、ＺｎＣｄＳ
ｅＴｅ系の２−６族化合物半導体のヘテロ接合がこれに
あたる。
【０００７】
【作用】本発明においては、ｐ側バリア層とｎ側バリア
層とのバンドラインナップがタイプ２であって、価電子
帯端および伝導帯端のエネルギ−位置関係がｐ側バリア
層に比べｎ側バリア層で低くなっている。このため、ｐ
側バリア層から量子井戸層に注入された正孔はｎ側バリ
ア層へは拡散せず、また、ｎ側バリア層から量子井戸層
に注入された電子はｐ側バリア層へ拡散せず、量子井戸
層で効率よく再結合する。量子井戸層は歪を導入するこ
とにより、正孔と電子の両方を閉じ込めることができ
る。このような構造は、バンドラインナップがタイプ２
である材料系で初めて可能となる。さらに、閉じ込め層
はキャリアと光の閉じ込めを強くする。
【０００８】
【実施例】本発明の実施例について図面を参照して説明
する。図１は本発明の一実施例を示す断面図、図２はバ
ンドラインナップを示す図である。まず、図１について
説明すると半導体発光素子は、ｎ型ＧａＡｓからなる基
板（１）上に、閉じ込め層（２）、ｎ側バリア層
（３）、量子井戸層（４）、ｐ側バリア層（５）、閉じ
込め層（６）、ＺｎＳ０．０６Ｓｅ０．９４層（７）、
ＺｎＳｅ層（８）ｐ電極（９）とｎ電極（１０）とから
成るものである。
【０００９】これについて具体的に示す。ｎ型ＧａＡｓ
からなる基板（１）上に、塩素ドープＺｎ０．９１Ｍｇ
０．０９Ｓ０．１６Ｓｅ０．８４（層厚１μｍ、塩素濃
度５×１０１７ｃｍ−３）からなる閉じ込め層（２）、
塩素ド−プＺｎ０．９Ｃｄ０．１Ｓ０．２２Ｓｅ
０．７８（層厚１００ｎｍ、塩素濃度１×１０１７ｃｍ
−３）からなるｎ側バリア層（３）、Ｚｎ０．７５Ｃｄ
０．２５Ｓｅ（層厚７ｎｍ）からなる歪のある量子井戸
層（４）、窒素ド−プＺｎＳ０．０６Ｓｅ０．９４（層
厚１００ｎｍ、窒素濃度４×１０１７ｃｍ−３）からな
るｐ側バリア層（５）、窒素ドープＺｎ０．９１Ｍｇ
０．０９Ｓ０．１６Ｓｅ０．８４（層厚０．５μｍ、窒
素濃度１×１０１７ｃｍ−３）からなる閉じ込め層
（６）、ＺｎＳ０．０６Ｓｅ０．９４層（７）（層厚
０．６μｍ、窒素濃度４×１０１７ｃｍ−３）、ＺｎＳ
ｅ層（８）（層厚１００ｎｍ、窒素濃度１×１０１８ｃ
ｍ−３）を分子線結晶成長法（ＭＢＥ）により成長させ
る。次いで、真空蒸着により金を蒸着してｐ電極（９）
とｎ電極（１０）とを形成し、へき開により共振器を形
成して緑青色半導体レ−ザを作製した。量子井戸層
（４）以外の半導体成長層は基板（１）に格子整合して
いる。
【００１０】つぎに、図２について説明する。価電子帯
端（１１）および伝導帯端（１２）のエネルギ−位置は
図２に示す通りであり、ｐ側バリア層（５）とｎ側バリ
ア層（３）とを構成するＺｎＣｄＳＳｅ系のバンドライ
ンナップはタイプ２であり、閉じ込め層（２）、（６）
を構成するＺｎＭｇＳＳｅ系はタイプ１である。量子井
戸層（４）は歪の効果により価電子帯端（１１）の位置
が高く、伝導帯端（１２）の位置が低くなっている。電
流注入により、正孔はｐ側バリア層（５）から量子井戸
層（４）へと流れるが、ｎ側バリア層（３）の価電子帯
端（１１）がｐ側バリア層（５）の価電子帯端（１１）
より６０ｍｅＶ低いため、ｎ側バリア層（３）へは拡散
せず、量子井戸層（４）に蓄積する。
【００１１】電子は、ｎ側バリア層（３）から量子井戸
層（４）へと流れるが、ｐ側バリア層（５）の伝導帯端
（１２）がｎ側バリア層（３）の伝導帯端（１２）より
８０ｍｅＶ高いため、ｐ側バリア層（５）へは拡散せ
ず、量子井戸層（４）に蓄積する。量子井戸層（４）で
は、注入された正孔と電子が高い効率で再結合する。閉
じ込め層（２）、（６）のバンドギャップは２．８ｅＶ
であり、屈折率が小さいので、キャリアと光を閉じ込め
ることができる。このようにして作製した半導体レ−ザ
の発振しきい値電流密度は３００Ａ／ｃｍ２と低く、実
用的な緑青色半導体レ−ザが実現された。
【００１２】上述の実施例では、活性層して単一の量子
井戸を用いたが、これに限らず、多重量子井戸を用いて
もよい。また、ｐ側バリア層とｎ側バリア層にＺｎＣｄ
ＳＳｅ系混晶を用いたが、これに限らず超格子や他の混
晶系を用いたり、閉じ込め層とｐ側またはｎ側バリア層
との間に光ガイド層を設けてもよい。また、上述の実施
例では、本発明を半導体レ−ザに用いたが、これに限ら
ず、発光ダイオ−ドに用いてもよい。
【００１３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ｐ側バリア層とｎ側バリア層とのバンドラインナップが
タイプ２であって、価電子帯端および伝導帯端のエネル
ギ−位置関係がｐ側バリア層に比べｎ側バリア層で低く
なってので、ｐ側バリア層から量子井戸層に注入された
正孔はｎ側バリア層へは拡散せず、また、ｎ側バリア層
から量子井戸層に注入された電子はｐ側バリア層へ拡散
せず、量子井戸層で効率よく再結合するものである。ま
た、量子井戸層は歪を導入することにより、正孔と電子
の両方を閉じ込めることができるものであり、キャリア
の閉じ込めを大きくして、室温で安定に動作するという
効果を奏するもので、実用的な緑青色レ−ザや発光ダイ
オ−ドが得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例を示す断面図である。
【図２】 バンドラインナップを示す図である。
【符号の説明】
１ 基板 ２ 閉じ込め層 ３ ｎ側バリア層 ４ 量子井戸層 ５ ｐ側バリア層 ６ 閉じ込め層 ７ ＺｎＳ０．０６Ｓｅ０．９４層 ８ ＺｎＳｅ層 ９ ｐ電極 １０ ｎ電極 １１ 価電子帯端 １２ 伝導帯端

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも閉じ込め層、量子井戸層、ｐ
    側バリア層、ｎ側バリア層とを有し、各層の価電子帯端
    のエネルギ−位置が前記量子井戸層で最も高く、前記ｐ
    側バリア層、前記ｎ側バリア層、前記閉じ込め層の順に
    低く、伝導帯端のエネルギ−位置が前記量子井戸層で最
    も低く、前記ｎ側バリア層、前記ｐ側バリア層、前記閉
    じ込め層の順に高いバンド構造であり、前記ｐ側バリア
    層と前記ｎ側バリア層とのバンドラインナップがタイプ
    ２であり、前記閉じ込め層と前記ｐ側バリア層とのバン
    ドラインナップがタイプ１であり、前記閉じ込め層と前
    記ｎ側バリア層とのバンドラインナップがタイプ１であ
    り、電流注入により前記ｐ側バリア層より前記量子井戸
    層へ正孔を注入し、前記ｎ側バリアより電子を注入し、
    前記量子井戸層において再結合することを特徴とする半
    導体発光素子。
  2. 【請求項２】 ｐ側バリア層、ｎ側バリア層がＺｎＣｄ
    ＳＳｅ系で構成され、閉じ込め層がＺｎＭｇＳＳｅ系で
    構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導
    体発光素子。
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