JP2662792B2 - Semiconductor light emitting device - Google Patents

Semiconductor light emitting device

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JP2662792B2
JP2662792B2 JP7099488A JP7099488A JP2662792B2 JP 2662792 B2 JP2662792 B2 JP 2662792B2 JP 7099488 A JP7099488 A JP 7099488A JP 7099488 A JP7099488 A JP 7099488A JP 2662792 B2 JP2662792 B2 JP 2662792B2
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、直接遷移型のIII−V系混晶であるGaInP系
混晶から構成される発光ダイオード(LED)や半導体レ
ーザ(LD)などの半導体発光装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to a light-emitting diode (LED), a semiconductor laser (LD), etc. composed of a GaInP-based mixed crystal which is a direct transition type III-V-based mixed crystal. A semiconductor light emitting device.

〔従来の技術1〕 四元混晶の化合物半導体材料である〔AlyGa1-yxIn
1-xPのバンドギャップ及び格子定数のx、y依存性を第
4図に示す。この系は、窒化物を除くIII−V族化合物
半導体混晶中で最大の直接遷移型バンドギャップを有
し、赤色波長はもちろんのこと緑色〜橙色短波長化に最
も有利な材料であり、現在赤色LED及びLD用材料として
使用されている。これら、LED及びLDは、高品質の基板
結晶であるGaAsと同一の格子定数のGaInP及びAlGaInP混
晶の層から構成されている。
[Related Art 1] [Al y Ga 1-y ] x In which is a quaternary compound semiconductor material
FIG. 4 shows the dependence of the band gap and lattice constant of 1- xP on x and y. This system has the largest direct transition band gap in III-V compound semiconductor mixed crystals excluding nitrides, and is the most advantageous material for shortening the wavelength from green to orange as well as red wavelength. Used as a material for red LEDs and LDs. These LEDs and LDs are composed of GaInP and AlGaInP mixed crystal layers having the same lattice constant as GaAs which is a high-quality substrate crystal.

すなわち、組成傾斜層を基板上に設けることなく、Ga
As基板上にAlGaInPクラッド層及びGaInPまたはAlGaInP
活性層を直接成長させて作製したものである。この系で
は、〔AlyGa1-yxIn1-xP(0≦y<1,x=0.51)がGaAs
と格子整合し、たとえばy=0なる組成の活性層及びy
=0.5なる組成のクラッド層でヘテロ構造を有した赤色
発光素子が得られる。また活性層のyの値を適当に選ぶ
ことにより黄色の発光素子も得られている。また理論的
には550nm発光波長の発光素子も可能である。第4図で
説明すれば、GaAs基板上にGaAs格子整合ライン上の〔Al
yGa1-y0.51In0.49P(0<y<1)をクラッド層に、
Ga0.51In0.49Pを活性層としたダブルヘテロ構造の赤色
発光素子として開発されており、このライン上で活性層
のAl混晶比を高めることにより、更に短波長の発光素子
が得られるわけである。
That is, without providing the composition gradient layer on the substrate,
AlGaInP cladding layer and GaInP or AlGaInP on As substrate
It is produced by directly growing an active layer. In this system, [Al y Ga 1-y ] x In 1-x P (0 ≦ y <1, x = 0.51) is GaAs
And an active layer having a composition of, for example, y = 0 and y
A red light-emitting device having a heterostructure with a cladding layer having a composition of = 0.5 can be obtained. A yellow light-emitting element is also obtained by appropriately selecting the value of y in the active layer. In addition, a light emitting element having an emission wavelength of 550 nm is theoretically possible. Referring to FIG. 4, on the GaAs substrate, [Al
y Ga 1-y ] 0.51 In 0.49 P (0 <y <1) for the cladding layer,
It has been developed as a red light emitting device with a double hetero structure using Ga 0.51 In 0.49 P as the active layer. By increasing the Al mixed crystal ratio of the active layer on this line, a light emitting device with a shorter wavelength can be obtained. is there.

〔発明が解決しようとする課題1〕 ところで、基板結晶として二元化合物のGaAsを用いた
場合、GaAsはバンドギャップが1.42eVであり、870nmよ
り短波長側の光に対して大きな光吸収係数を有してい
る。従って、可視発光素子の場合、活性層と平行に光を
放出するいわゆる端面放射型では問題ないが、活性層と
垂直方向に光を出す場合、すなわち面発光型の場合に
は、上記理由により放射光のGaAs基板への吸収が問題と
なる。すなわち、熱放射性の良好なジャンクションダウ
ンでGaAs基板側から光を取り出すことは不可能である
し、また、基板側を下にしてマウントしても基板の吸収
効果のために高輝度化の防げとなるからである。すなわ
ち、最終的な素子となったLEDまたはLDの光を取り出す
方向に制限があり、素子化に対するデザインに大きな制
約が存在するという課題がある。
[Problem 1 to be Solved by the Invention] By the way, when a binary compound GaAs is used as a substrate crystal, GaAs has a band gap of 1.42 eV and has a large light absorption coefficient for light having a wavelength shorter than 870 nm. Have. Therefore, in the case of a visible light emitting element, there is no problem in the so-called edge emission type which emits light in parallel with the active layer. The absorption of light into the GaAs substrate becomes a problem. In other words, it is impossible to extract light from the GaAs substrate side due to good thermal radiation junction-down, and even if mounting is done with the substrate side down, it is possible to prevent high brightness due to the absorption effect of the substrate. Because it becomes. In other words, there is a limitation in the direction in which light of the LED or LD which is the final element is extracted, and there is a problem that there is a great restriction in the design of the element.

また基板としては、大面積でかつ高品質の結晶である
こと、及び混晶エピタキシャル薄膜と同じ結晶構造を有
することが望ましい。そこでIII−V族化合物のAlGaInP
混晶エピタキシャル成長に関しては、同じIII−V族の
二元化合物であるGaPが基板結晶として選定される。GaP
はGaAsと異なり2.26eVと広いバンドギャップを有し、55
0nmより長波長の光に対して透明であり、GaPを基板に用
いた素子では、発光を基板側からも取り出せ、熱放散性
に有利なジャンクションダウンとすることができる。ま
た、基板側を下にしてもGaPが透明であるため、基板側
に放射した光も上部に取り出すことができる。このよう
に、任意の方向に光を放出することができ、発光素子の
設計に対して大きな自由度が得られると共に、活性層で
の発熱を効率良く放散させることが可能になる。
It is also desirable that the substrate be a large-area and high-quality crystal and have the same crystal structure as the mixed crystal epitaxial thin film. Therefore, III-V group compound AlGaInP
For mixed crystal epitaxial growth, GaP which is the same III-V binary compound is selected as the substrate crystal. GaP
Has a wide band gap of 2.26 eV, unlike GaAs,
In an element that is transparent to light having a wavelength longer than 0 nm and uses GaP as a substrate, light emission can be extracted from the substrate side, and a junction down advantageous for heat dissipation can be achieved. Further, since GaP is transparent even when the substrate side is down, light emitted to the substrate side can also be extracted to the upper side. As described above, light can be emitted in an arbitrary direction, and a great degree of freedom can be obtained for the design of the light emitting element, and heat generated in the active layer can be efficiently dissipated.

そのような多大な利点があるにもかかわらず、GaP基
板を用いたAlGaInP系混晶から構成される発光素子が現
在までのところ開発されていないのは、GaPとAlGaInPの
格子定数の不一致(格子不整合)によりGaP基板上に直
接遷移型のAlGaInPをエピタキシャル成長させるのは不
可能とみなされていたからである。先にも述べたように
混晶の良質エピタキシャル薄膜を得ようとすると混晶の
格子定数と一致した基板が必要であり、格子整合がとら
れない限り、目的とする組成をもつ混晶薄膜を形成する
ことはできない。
Despite such great advantages, a light-emitting device composed of an AlGaInP-based mixed crystal using a GaP substrate has not been developed so far because of a mismatch between the lattice constants of GaP and AlGaInP. This is because it was considered impossible to epitaxially grow the transition type AlGaInP directly on the GaP substrate due to (mismatch). As described above, in order to obtain a high-quality epitaxial thin film of a mixed crystal, a substrate matching the lattice constant of the mixed crystal is required. Unless lattice matching is achieved, a mixed crystal thin film having a desired composition is obtained. It cannot be formed.

また、上記AlGaInP系発光素子において、630〜550nm
の領域まで短波長化するためには、活性層のAlGaInPのA
l含有率を高める必要がある。しかし、Alが酸化され易
いため、Al含有率が高まると素子劣化の進行が速まり、
素子として安定性、信頼性に欠けることになるので、一
般に活性層にはAlはできるだけ含有させないこと、すな
わちGaInPであることが好ましい。
Further, in the AlGaInP-based light emitting device, 630 to 550 nm
In order to shorten the wavelength to the region of
l It is necessary to increase the content. However, because Al is easily oxidized, the progress of element deterioration is accelerated when the Al content increases,
Since the device lacks stability and reliability, it is generally preferable that the active layer contains as little Al as possible, that is, GaInP.

従って本発明の〔課題1〕に対する目的は、GaP基板
を用い、GaP基板上にAlを含有するAlGaInPまたはAlを含
有しないGaInPを活性層としたシングルヘテロまたはダ
ブルヘテロ構造の半導体発光装置を提供することにあ
る。
Accordingly, it is an object of the present invention to provide a semiconductor light emitting device having a single hetero structure or a double hetero structure using a GaP substrate and using AlGaInP containing Al or GaInP not containing Al as an active layer on a GaP substrate. It is in.

〔発明が解決しようとする課題2〕 課題1でも述べたようにAlを含有するAlGaInP活性層
は、Alが酸化され易いこと、熱伝導率、易動度などの点
から素子としての性能、安定性、信頼性に劣るため、Al
GaInP活性層のAl濃度はできるだけ低くすることが好ま
しい。
[Problem 2 to be Solved by the Invention] As described in the problem 1, the AlGaInP active layer containing Al has a high performance as an element from the viewpoint of easy oxidation of Al, thermal conductivity, mobility and the like. Performance and reliability.
It is preferable that the Al concentration of the GaInP active layer be as low as possible.

またGaAs基板上にGaInP活性層を設けた発光素子は、
その発光波長が650〜700nmの赤色で、これ以外の波長、
たとえば550〜630nm(緑色〜橙色)の発光素子は発光領
域にAlを含有させることが不可避であり、上記の問題点
の発生が避け難い。しかし、格子定数がGaAsの格子定数
とGaPの格子定数の間である基板が用意できればAlPの混
晶比の小さい組成で550〜630nmに相当するバンドギャッ
プの混晶を得ることができる。これは第4図より明らか
ではあるが、今までそのような格子定数の良質の基板が
供給され得ないがために、この領域組成の混晶は利用さ
れなかった。
In addition, a light emitting device provided with a GaInP active layer on a GaAs substrate,
Its emission wavelength is red at 650-700nm, other wavelengths,
For example, in a light emitting element of 550 to 630 nm (green to orange), it is inevitable that Al is contained in a light emitting region, and it is difficult to avoid the above-mentioned problems. However, if a substrate having a lattice constant between the lattice constant of GaAs and the lattice constant of GaP can be prepared, a mixed crystal having a bandgap equivalent to 550 to 630 nm can be obtained with a composition having a small mixed crystal ratio of AlP. Although this is clear from FIG. 4, a mixed crystal having this region composition has not been used because a substrate of such a high quality having a lattice constant cannot be supplied until now.

従って本発明の〔課題2〕に対する目的は、格子定数
がGaAsの格子定数より小さく、GaPの格子定数より大き
い基板を用い、その基板上に成長させたAlGaInPまたはG
aInP活性層を有する半導体発光装置、特に550〜630nmの
緑色〜橙色短波長の光を放射する半導体発光装置を提供
することにある。
Accordingly, an object of the present invention is to provide an AlGaInP or G substrate grown on a substrate having a lattice constant smaller than that of GaAs and larger than that of GaP.
An object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device having an aInP active layer, in particular, a semiconductor light emitting device that emits light of a short wavelength of green to orange of 550 to 630 nm.

〔従来の技術2〕 〔従来の技術1〕で述べたように、GaAs基板上にAlGa
InP活性層を成長させた赤色LDは周知であるが、これはG
aAs基板にエピタキシャル成長させるAlGaInP混晶がGaAs
との格子整合がとられており、両者の格子定数は完全に
一致している。言い換えると、GaAs基板上にAlGaInPを
エピタキシャル成長させる場合は、〔AlyGa1-yxIn1-x
Pのx=0.51、すなわちGaAsとの格子整合ライン上の混
晶のものしか得られない。緑色〜橙色の短波長化に伴う
問題点は記述したとおりである。
[Prior art 2] As described in [Prior art 1], AlGa on a GaAs substrate is used.
Red LDs with grown InP active layers are well known,
AlGaInP mixed crystal epitaxially grown on aAs substrate is GaAs
Are lattice matched with each other, and the lattice constants of both are completely matched. In other words, when AlGaInP is epitaxially grown on a GaAs substrate, [Al y Ga 1-y ] x In 1-x
Only x = 0.51 for P, that is, a mixed crystal on the lattice matching line with GaAs can be obtained. The problems associated with shortening the wavelength from green to orange are as described above.

また、この問題点を解決する手段として、格子定数が
GaAsより小さく、GaPより大きく基板を用意すること
で、低いAlP混晶比でかつバンドギャップの広い発光領
域を形成し得ることを述べた。この所望する格子定数の
基板を得るための従来技術としてGaAs基板がある。GaxI
n1-xP及びGaPyAs1-yの格子定数及びバンドギャップは、 a(X)=5.4512X+5.8688(1−X)〔Å〕 (1) Eg(X)=1.351+0.643X+0.768X2〔eV at300K〕
(2) a(Y)=5.4512Y+5.6533(1−Y)〔Å〕 (3) Eg(Y)=1.424+1.15Y+0.176Y2〔eV at300K〕(4) で与えられる。たとえば、GaxIn1-xPで570nm(2.175e
V)相当の活性領域組成を得ようとすれば(2)より、
X=0.694、また(1)=(3)よりY=0.368が得られ
る。すなわち、GaPまたはGaAs基板上にGaPyAs1-yの組成
を順次変化させて成長させ、最終的にGaP0.368As0.632
なる組成のGaPAs基板を用意すれば、Ga0.694In0.306
の成長が可能になる。その例は、たとえば特開昭62−11
9984号公報に示されている。
As a solution to this problem, the lattice constant
It has been described that by preparing a substrate smaller than GaAs and larger than GaP, a light emitting region with a low AlP mixed crystal ratio and a wide band gap can be formed. As a conventional technique for obtaining a substrate having the desired lattice constant, there is a GaAs substrate. Ga x I
The lattice constants and band gaps of n 1-x P and GaP y As 1-y are as follows: a (X) = 5.4512X + 5.8688 (1-X) [Å] (1) E g (X) = 1.351 + 0.643X + 0 .768X 2 [eV at300K]
(2) is given by a (Y) = 5.4512Y + 5.6533 (1-Y) [Å] (3) E g (Y) = 1.424 + 1.15Y + 0.176Y 2 [eV At300K] (4). For example, Ga x In 1-x P is 570nm (2.175e
V) To obtain a substantial active region composition, from (2)
X = 0.694 and Y = 0.368 from (1) = (3). That is, sequentially changing the composition of the GaP y As 1-y on GaP or GaAs substrates grown, finally GaP 0.368 As 0.632
If a GaPAs substrate having the following composition is prepared, Ga 0.694 In 0.306 P
Growth is possible. An example is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-11 / 1987.
No. 9984.

〔発明が解決しようとする課題3〕 上記の例において、(4)よりEg=1.871eVとなり、G
aPAs組成傾斜層は570nmの光を吸収することがわかる。
すなわち、GaPAsでGaAsとGaPの間の格子定数の基板は格
子整合するGaInP系のバンドギャップより小さくなり、
課題1と全く同様の問題がある。
[Problem 3 to be Solved by the Invention] In the above example, E g = 1.871 eV from (4), and G
It is understood that the aPAs composition gradient layer absorbs light of 570 nm.
That is, in GaPAs, the substrate having a lattice constant between GaAs and GaP becomes smaller than the band gap of the lattice-matched GaInP system,
There is exactly the same problem as problem 1.

従って本発明の〔課題3〕に対する目的は、GaP基板
上に形成した目的とする格子定数まで組成変化させた組
成傾斜層のバンドギャップが活性層のバンドギャップ以
上となる材料構成とした半導体発光装置を提供すること
にある。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device having a material composition in which the band gap of a composition gradient layer formed on a GaP substrate and changed in composition to a target lattice constant is equal to or larger than the band gap of an active layer. Is to provide.

〔発明が解決しようとする課題4〕 上記のGaPAs基板は、通常気相成長で作製されるが、
特有のクロスハッチパターンの表面モホロジーとなり、
その上に多層膜を形成しても表面モホロジーの改善はさ
れ難く、平坦な界面は得られない。また、ミスフィット
転位が多数存在し、端面発光型のLED、LDの性能、信頼
性を著しく低いものにしている。
[Problem 4 to be Solved by the Invention] The above-mentioned GaPAs substrate is usually produced by vapor phase growth,
It becomes a surface morphology of a unique cross hatch pattern,
Even if a multilayer film is formed thereon, the surface morphology is hardly improved, and a flat interface cannot be obtained. In addition, there are many misfit dislocations, which significantly reduce the performance and reliability of edge-emitting LEDs and LDs.

従って本発明の〔課題4〕に対する目的は、GaP基板
上に、格子定数がGaPと異なっていても表面モホロジー
が良好で転位の少ないAlGaInP系の多層膜を有する半導
体発光装置を提供することにある。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device having an AlGaInP-based multilayer film having good surface morphology and few dislocations even on a GaP substrate even if the lattice constant is different from that of GaP. .

〔課題1〜4を解決するための手段〕 上記課題1〜4に対する目的を達成するために、本発
明の半導体発光装置においては、GaP基板と、GaP基板上
に設けた発光領域のバンドギャップ以上のバンドギャッ
プを有する材料からなる歪超格子と、歪超格子上に設け
た多層とで構成され、多層がAlを含有するAlGaInPもし
くは含有しないGaInP活性層及びAlGaInPクラッド層を有
することを特徴とするものである。
[Means for Solving Problems 1 to 4] In order to achieve the objects for the above problems 1 to 4, in the semiconductor light emitting device of the present invention, the band gap between the GaP substrate and the light emitting region provided on the GaP substrate is not less than A strained superlattice made of a material having a band gap of, and a multilayer provided on the strained superlattice, wherein the multilayer has an AlGaInP active layer containing Al or a GaInP active layer not containing Al and an AlGaInP cladding layer. Things.

本発明の課題1〜4に対する半導体発光装置では、55
0nmより長波長の光に対して透明であるGaP基板上に発光
領域のバンドギャップ以上のバンドギャップを有する材
料からなる歪超格子を設けたことにより、従来はGaAs基
板上にGaAsとの格子整合条件の混晶しか成長せず、GaP
基板には成長不可能であったAlGaInP系混晶をGaP基板に
エピタキシャル成長させることができるようになり、高
輝度LEDが実現された。換言すると、GaAs基板結晶に対
する格子整合条件下の組成混晶だけでなく整合条件を外
れた組成混晶もエピタキシャル成長させ、半導体発光装
置の材料として利用することを可能にしたものである。
また、GaAs基板に本手法を適用した場合、端面発光デバ
イスでは何の問題もなく、上述したようにAlP混晶比の
低い混晶で短波長(550〜630nm)の発光デバイスが得ら
れることは言うまでもない。
In the semiconductor light emitting device for the objects 1 to 4 of the present invention, 55
By providing a strained superlattice made of a material having a band gap equal to or greater than the band gap of the light emitting region on a GaP substrate that is transparent to light having a wavelength longer than 0 nm, lattice matching with GaAs has conventionally been achieved on a GaAs substrate. Only the mixed crystal of the condition grows and GaP
AlGaInP-based mixed crystals, which could not be grown on a substrate, can now be epitaxially grown on a GaP substrate, realizing a high-brightness LED. In other words, not only a composition mixed crystal under lattice matching conditions with respect to a GaAs substrate crystal but also a composition mixed crystal out of the matching conditions is epitaxially grown and can be used as a material for a semiconductor light emitting device.
In addition, when this method is applied to a GaAs substrate, there is no problem with an edge-emitting device, and as described above, it is possible to obtain a mixed crystal with a low AlP mixed crystal ratio and a short wavelength (550 to 630 nm) light emitting device. Needless to say.

しかして歪超格子は、格子定数の異なる数種の50〜20
000Åのエピタキシャル成長薄膜を5層以上交互に成長
させた構造で、ヘテロ界面に格子定数の差に起因する歪
場が存在している。現在、Si基板上へのGaAs成長でこの
歪超格子の多くの研究がなされている。すなわち、基板
の格子定数の異なる結晶をエピタキシャル成長させる有
力な手段となっている。これは、エピタキシャル成長薄
膜が非常に薄い場合、ミスフィット転位が入り難く、ま
た界面の歪場が転位の伝播を止める作用を持っているこ
となどを利用したものである。
Thus, strained superlattices have several types of
It has a structure in which five or more layers of 000 ° epitaxially grown thin films are alternately grown, and a strain field due to a difference in lattice constant exists at the hetero interface. At present, much research on this strained superlattice has been made in GaAs growth on a Si substrate. That is, it is an effective means for epitaxially growing crystals having different lattice constants of the substrate. This is based on the fact that when the epitaxially grown thin film is very thin, misfit dislocations are unlikely to enter, and that the strain field at the interface has the effect of stopping the propagation of dislocations.

本発明では、GaP基板上にAlInP/GaPの構造を少なくと
も含んだ歪超格子を使い、GaP上に目的とするGaInP混晶
を成長させることを可能にした。すなわち、GaAsの格子
定数より小さく、GaPの格子定数より大きい格子定数の
基板が製作できたわけである。この時、目的とするGaIn
P混晶のバンドギャップ以上のバンドギャップを持つ材
料で歪超格子を設定することが重要である。従って、Zn
SeなどのII−VI系の材料を使っても構わない。
In the present invention, it is possible to grow a target GaInP mixed crystal on GaP by using a strained superlattice at least including an AlInP / GaP structure on a GaP substrate. In other words, a substrate having a lattice constant smaller than that of GaAs and larger than that of GaP could be manufactured. At this time, the target GaIn
It is important to set the strained superlattice with a material having a band gap equal to or larger than the band gap of P mixed crystal. Therefore, Zn
II-VI materials such as Se may be used.

GaP基板を用いた半導体発光装置は多層を有するが、
この多層はAlGaInPクラッド層、GaInP活性層及びAlGaIn
Pクラッド層からなるダブルヘテロ構造、或いはGaInP活
性層及びAlGaInPクラッド層からなるシングルヘテロ構
造などからなるものである。
A semiconductor light emitting device using a GaP substrate has multiple layers,
This multilayer comprises an AlGaInP cladding layer, a GaInP active layer and an AlGaInP
It has a double hetero structure composed of a P clad layer or a single hetero structure composed of a GaInP active layer and an AlGaInP clad layer.

本発明の半導体発光装置に用いる材料はLEDやLDに最
適なものであり、ダブルヘテロ接合またはシングルヘテ
ロ接合いずれの構造であってもLEDまたはLD用材料とし
て好適である。ヘテロ接合部にp−n接合を形成し面発
光素子としてもよいし、通常のLDの形状にしてもよい。
また、多層の選択的に異種導電型となるドーパントを拡
散し、拡散領域とGaInP活性層により発光領域を形成し
てLEDまたはLDとしてもよく、実質的に極小の発光領域
になり、発光領域に対する電流注入効率の向上、発光輝
度の増加、高速変調などが得られ都合がよい。拡散ドー
パントとしてはGaInP活性層の伝導型により異なり、ド
ナーではS、Si、Te、Seなど、アクセプタではGe、Cd、
Mg、Be、Znなどが例示される。
The material used for the semiconductor light emitting device of the present invention is most suitable for an LED or LD, and any structure of a double hetero junction or a single hetero junction is suitable as an LED or LD material. A pn junction may be formed at the hetero junction to form a surface emitting device, or a normal LD shape.
Alternatively, a multi-layered dopant of different conductivity type may be selectively diffused, and a light emitting region may be formed by the diffusion region and the GaInP active layer to form an LED or LD. It is convenient because the current injection efficiency can be improved, the emission luminance can be increased, and high-speed modulation can be obtained. The diffusion dopant depends on the conductivity type of the GaInP active layer, such as S, Si, Te, Se for the donor, and Ge, Cd, or the like for the acceptor.
Examples include Mg, Be, and Zn.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の半導体発光装置を図面に基づいて詳細
に説明する。
Hereinafter, a semiconductor light emitting device of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

第1図はGaP基板1を用いたダブルヘテロ構造の基本
構造で、この構造は、GaP基板1上に歪超格子層2を形
成し、歪超格子層2上にダブルヘテロ接合を有する多
層、すなわちAlGaInPクラッド層3、Alを含有しないGaI
nP活性層4及びAlGaInPクラッド層5を順にエピタキシ
ャル成長させたものである。
FIG. 1 shows a basic structure of a double hetero structure using a GaP substrate 1. This structure has a multilayer structure in which a strained superlattice layer 2 is formed on a GaP substrate 1 and a double hetero junction is formed on the strained superlattice layer 2. That is, the AlGaInP cladding layer 3 and the Al-free GaI
The nP active layer 4 and the AlGaInP cladding layer 5 are sequentially grown epitaxially.

この構造は、GaInP活性層4をGaP基板1に成長させた
ことを特徴とするが、前述したようにこれはGaP基板1
に発光領域のバンドギャップ以上のバンドギャップを有
する材料からなる歪超格子層2を設けたことに拠り、Ga
P基板1に対してGaInP活性層4を形成可能になったが、
Alを含有するAlGaInPを活性層とすることも可能であ
る。特にGaInP活性層4ではAlを含有しないので素子と
して安定性、信頼性が大幅に向上した。またGaP基板1
及び発光領域のバンドギャップ以上のバンドギャップを
有する材料からなる歪超格子層2はGaInP活性層4から
の放射光に対して透明であり、かつGaP基板1は熱伝導
率が高くて放熱性に優れているため、素子にした場合に
発光の取り出す方向に制限がなく、延いては素子化に対
するデザインが自由であると共に、GaInP活性層4での
発熱が効率良く放散される。また面発光型LEDとして使
うと、外部量子効率が大幅に向上した。
This structure is characterized in that the GaInP active layer 4 is grown on the GaP substrate 1, but as described above,
Is provided with a strained superlattice layer 2 made of a material having a band gap equal to or larger than the band gap of the light emitting region.
The GaInP active layer 4 can be formed on the P substrate 1,
It is also possible to use AlGaInP containing Al as the active layer. In particular, since the GaInP active layer 4 does not contain Al, the stability and reliability of the device are greatly improved. GaP substrate 1
In addition, the strained superlattice layer 2 made of a material having a band gap equal to or larger than the band gap of the light emitting region is transparent to the light emitted from the GaInP active layer 4, and the GaP substrate 1 has high heat conductivity and heat dissipation. Since it is excellent, there is no limitation on the direction in which light is emitted when the device is used. In addition, the design for device formation is free, and heat generated in the GaInP active layer 4 is efficiently dissipated. When used as a surface-emitting LED, the external quantum efficiency was greatly improved.

上記GaP基板を用いた発光素子において、たとえば緑
色LEDを製造する場合には、第2図に示すように、通常
のダブルヘテロ構造の高輝度LEDと同様の構造で良く、G
aInP活性層4のバンドギャップを2.23eV、AlGaInPクラ
ッド層3、5のバンドギャップを2.4eVと設定すれば良
い。また第3図に示すように、構成している多層とは異
なる伝導型のドーパント(すなわちGaInP活性層4の伝
導型がp型ではドナー、n型ではアクセプタ)を拡散し
て拡散領域DRとGaInP活性層4とによって発光領域ARを
形成し、p側電極材及びn側電極材E1、E2を真空蒸着な
どの手段によって設けてもよい。光の取り出しは端面で
もよいし、面方向からでもよい。また短波長のLDを製造
するには、さらに材料の両端を劈開するなどによりスト
ライプ状の活性領域を共振器構造とすればよい。第2図
の構造を具備する発光素子では、GaP基板1で光が吸収
されることがないためにSiO2による反射板を設けること
や、光の取り出し方向の反射防止を施すことによって任
意の方向に光を放射することができるために、素子の設
計上で大きな自由度がある。加えて、Alを含有しないGa
InPを活性層とすることができるので発光素子の信頼性
も良い。さらにはGaP基板1が放熱性に優れているた
め、GaInP活性層4からの発熱の放散が良い。第3図の
構造を具備する発光素子でもAlを含有しないGaInPを活
性層とするので、特にLDとした場合に高安定性、高信頼
性が保証でき、非常に多種多様な用途に応用できる。
In the case of manufacturing a green LED, for example, in the light emitting device using the GaP substrate, as shown in FIG. 2, a structure similar to a normal double heterostructure high-brightness LED may be used.
The band gap of the aInP active layer 4 may be set to 2.23 eV, and the band gap of the AlGaInP cladding layers 3 and 5 may be set to 2.4 eV. As shown in FIG. 3, a dopant of a conductivity type different from that of the constituent multilayers (that is, a donor of the GaInP active layer 4 is a donor of a p-type and an acceptor of an n-type of the n-type is diffused) to diffuse the diffusion regions DR and GaInP. The light emitting region AR may be formed by the active layer 4 and the p-side electrode material and the n-side electrode materials E1 and E2 may be provided by means such as vacuum evaporation. Light may be extracted from the end face or from the plane. In order to manufacture an LD having a short wavelength, a stripe-shaped active region may be formed into a resonator structure by further cleaving both ends of the material. In the light-emitting device having the structure shown in FIG. 2, the light is not absorbed by the GaP substrate 1 so that a reflection plate made of SiO 2 is provided, and the light is taken out in any direction by preventing the light from being reflected. Since the device can emit light, there is a great degree of freedom in element design. In addition, Ga containing no Al
Since InP can be used as the active layer, the reliability of the light emitting element is high. Further, since the GaP substrate 1 is excellent in heat radiation, heat is radiated from the GaInP active layer 4 well. Even in a light emitting device having the structure shown in FIG. 3, since GaInP containing no Al is used as an active layer, high stability and high reliability can be guaranteed especially in the case of an LD, and it can be applied to a wide variety of applications.

第3図に示すような構造のLDは、GaInP(またはAlGaI
nP)が最大の直接遷移型バンドギャップを有すると共に
短波長化に最も有利であるという特性を活かすべく、緑
色〜橙色の可視領域の短波長が得られ、高ディスクメモ
リやビデオディスクの高密度化、レーザプリンタの高速
化など光情報処理システムの高性能化の鍵を握る有用な
ものである。また、緑色〜橙色の可視光LDは目に見える
コヒーレント光を出す小形、軽量の光源として従来の赤
外域で発振するLDにない新たな応用の可能性を秘めてい
るものである。
An LD having a structure as shown in FIG. 3 is made of GaInP (or AlGaI).
In order to take advantage of the property that nP) has the largest direct transition bandgap and is most advantageous for shortening the wavelength, a short wavelength in the visible region from green to orange is obtained, and the density of high-disk memory and video disks is increased. This is a useful tool that holds the key to high performance of an optical information processing system such as high speed of a laser printer. In addition, green to orange visible light LDs have a potential for new applications not found in conventional LDs that oscillate in the infrared region as small, lightweight light sources that emit visible coherent light.

次に、上述の如き数々の利点が得られるに至ったGaP
基板1に対する歪超格子層2の形成方法の一例を以下に
述べる。
Next, GaP, which has obtained many advantages as described above,
An example of a method for forming the strained superlattice layer 2 on the substrate 1 will be described below.

まず、〈011〉方向に2゜オフの(100)p型GaP基板
上に通常の減圧MOVPE技術でp型のGaPを1μm成長さ
せ、続いて0.1μmのp型Al0.73In0.27P及びp型GaPを
交互に10層ずつ成長させ、次にP型〔Al0.7Ga0.30.73
In0.27Pを1μm成長させた。これは、緑色発光素子を
狙った場合の混晶比であるが、所望する発光波長で混晶
比が選ばれることは言うまでもない。
First, p-type GaP is grown to 1 μm on a (100) p-type GaP substrate, which is 2 ° off in the <011> direction, by a normal reduced pressure MOVPE technique, and then 0.1 μm of p-type Al 0.73 In 0.27 P and p-type GaP is alternately grown by 10 layers, and then P-type [Al 0.7 Ga 0.3 ] 0.73
In 0.27 P was grown at 1 μm. This is a mixed crystal ratio when a green light-emitting element is aimed at. Needless to say, the mixed crystal ratio is selected at a desired emission wavelength.

上記の如くGaP基板1上に歪超格子層2を形成した後
は、有機金属気相成長法(MOVPE)、分子線エピタキシ
ャル成長法(MBE)または液相エピタキシャル成長法(L
PE)などによって多層を構成するAlGaInPクラッド層
3、GaInP活性層4及びAlGaInPクラッド層5を歪超格子
層2上に順にエピタキシャル成長させれば第1図に示し
た構造の半導体発光装置が製造される。なお望ましく
は、MOVPEで歪超格子から連続して活性領域を含んだ多
層を成長させる方法がよい。
After the formation of the strained superlattice layer 2 on the GaP substrate 1 as described above, metal organic chemical vapor deposition (MOVPE), molecular beam epitaxy (MBE), or liquid phase epitaxy (L
If the AlGaInP cladding layer 3, the GaInP active layer 4 and the AlGaInP cladding layer 5 constituting a multilayer by PE) or the like are epitaxially grown on the strained superlattice layer 2 in order, the semiconductor light emitting device having the structure shown in FIG. 1 is manufactured. . More preferably, a method of growing a multilayer including an active region continuously from the strained superlattice by MOVPE is preferable.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本発明の半導体発光装置は、以上説明したように構成
されているので、以下に記載されるような効果を奏す
る。
Since the semiconductor light emitting device of the present invention is configured as described above, the following advantages can be obtained.

GaP基板に発光領域のバンドギャップ以上のバンドギ
ャップを有する材料からなる歪超格子を設けることで1.
55eV〜2.25eVのバンドギャップを持ったAlを含有するAl
GaInP混晶の活性層、好ましくはAlを含有しないGaInp混
晶の活性層を成長させることができ、GaInP活性層を形
成すれば発光素子として信頼性に優れ、さらにGaP基板
を用いていることから発光の取り出し方向に制約がな
く、発光素子設計に対する自由度も大きく、しかも放熱
性に優れている。
By providing a strained superlattice made of a material having a band gap equal to or larger than the band gap of the light emitting region on a GaP substrate, 1.
Al containing Al with a band gap of 55 eV to 2.25 eV
Since an active layer of GaInP mixed crystal, preferably an active layer of GaInp mixed crystal containing no Al can be grown, if the GaInP active layer is formed, the light emitting element has excellent reliability, and furthermore, a GaP substrate is used. There is no restriction on the direction in which light emission is taken out, the degree of freedom for light emitting element design is large, and heat radiation is excellent.

GaP基板を用いた半導体発光装置において、結晶成長
中のドーパント制御によって、または拡散によりp−n
接合を形成し、p側電極及びn側電極を設けることによ
って特に緑色〜橙色短波長帯のLEDが簡単に得られる。
また、たとえば第3図のような構成材料を劈開するなど
により共振器を形成することによって特に短波長帯の可
視光LDを容易に得ることができる。
In a semiconductor light emitting device using a GaP substrate, pn is controlled by dopant control during crystal growth or by diffusion.
By forming a junction and providing a p-side electrode and an n-side electrode, an LED having a green to orange short wavelength band can be easily obtained.
In addition, for example, by forming a resonator by cleaving a constituent material as shown in FIG. 3 or the like, a visible light LD particularly in a short wavelength band can be easily obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の半導体発光装置の基本構造を示す断面
図、第2図は第1図の構造を用いた発光素子の一例の断
面図、第3図は第1図の構造を用いた発光素子の別例の
断面図、第4図はバンドギャップと格子定数の組成依存
性を示す図である。 1:GaP基板 2:歪超格子層 3、5:AlGaInPクラッド層 4:GaInP活性層 DR:拡散領域 AR:発光領域 E1、E2:電極
FIG. 1 is a sectional view showing a basic structure of a semiconductor light emitting device of the present invention, FIG. 2 is a sectional view of an example of a light emitting element using the structure of FIG. 1, and FIG. 3 uses the structure of FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view of another example of the light-emitting element, showing the composition dependence of the band gap and the lattice constant. 1: GaP substrate 2: Strained superlattice layer 3,5: AlGaInP cladding layer 4: GaInP active layer DR: Diffusion area AR: Emission area E1, E2: Electrode

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】GaP基板と、GaP基板上に設けた発光領域の
バンドギャップ以上のバンドギャップを有する材料から
なる歪超格子と、歪超格子上に設けた多層とで構成さ
れ、多層がAlを含有するAlGaInPもしくは含有しないGaI
nP活性層及びAlGaInPクラッド層を有することを特徴と
する半導体発光装置。
1. A strained superlattice comprising a GaP substrate, a strained superlattice made of a material having a bandgap equal to or larger than a bandgap of a light emitting region provided on the GaP substrate, and a multilayer provided on the strained superlattice, wherein the multilayer is made of Al. Containing AlGaInP or not containing GaI
A semiconductor light emitting device comprising an nP active layer and an AlGaInP cladding layer.
【請求項2】多層が歪超格子上に順に形成したAlGaInP
クラッド層、バンドギャップがクラッド層より小さいAl
GaInPもしくはGaInP活性層及びAlGaInPクラッド層から
なるダブルヘテロ構造を少なくとも有することを特徴と
する請求項(1)記載の半導体発光装置。
2. An AlGaInP structure in which a plurality of layers are sequentially formed on a strained superlattice.
Al with cladding layer and band gap smaller than cladding layer
2. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the semiconductor light emitting device has at least a double hetero structure including a GaInP or GaInP active layer and an AlGaInP cladding layer.
【請求項3】多層が歪超格子上に順に形成したバンドギ
ャップがクラッド層より小さいAlGaInPもしくはGaInP活
性層及びAlGaInPクラッド層からなるシングルヘテロ構
造を少なくとも有することを特徴とする請求項(1)記
載の半導体発光装置。
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the multilayer has at least a single heterostructure composed of an AlGaInP or GaInP active layer and an AlGaInP cladding layer in which a band gap formed on the strained superlattice is smaller than the cladding layer. Semiconductor light emitting device.
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