JP3562518B2

JP3562518B2 - 半導体発光装置

Info

Publication number: JP3562518B2
Application number: JP2002233755A
Authority: JP
Inventors: 浩之奥山; 克洋秋本
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1991-02-21
Filing date: 2002-08-09
Publication date: 2004-09-08
Anticipated expiration: 2019-09-08
Also published as: JP2003086901A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光装置、特に、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体による短波長発光、例えば青色ないし紫外線発光をなす半導体発光素子、例えば半導体レーザによる電流注入型の半導体発光装置に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
例えば光ディスク、光磁気ディスクに対する記録再生の高密度、高解像化の要求から、青色ないしは紫外線の短波長半導体レーザ、すなわち短波長半導体発光装置の要求が高まっている。
青色ないしは紫外線発光の半導体レーザを構成するには、直接遷移型のバンドギャップＥｇが大きい材料が要求される。特にダブルヘテロ接合型半導体レーザにおいては、クラッド層として、活性層より更にバンドギャップの高いものが要求される。
【０００３】
一方、半導体レーザ等の半導体発光装置においては、その各半導体層をエピタキシャル成長させる基体、いわゆるサブストレイトは、一般の各種化合物半導体素子で広く用いられていて、結晶性にすぐれ、入手が容易で廉価なＧａＡｓや、ＧａＰによる単結晶基体が用いられることが望ましい。
【０００４】
また、従来、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体は、光デバイス材料として特にＩＩｂ−ＶＩ族、またはこれらの混晶が、直接遷移型のバンド構造であることから有望視されている。
一方、間接遷移型であるが、蛍光体として、バンドギャップＥｇが大きい材料のＩＩａ−ＶＩ族化合物が注目されている。
しかしながら、このＩＩａ−ＶＩ族は、空気中で加水分解するなど不安定な化合物で基本的な物性についても未だ不明である。
【０００５】
そこで、ＩＩｂ−ＶＩ族化合物によって光学デバイスを構成することが有利と考えられる。ところが、このＩＩｂ−ＶＩ族において、活性層及びクラッド層として互いにバンドギャップの異なる材料を選定することは、これらＩＩｂ−ＶＩ族間での混晶を用いても困難である。
即ち、図７に各材料の格子定数ａ−バンドギャップＥｇの関係を示すように、ＩＩ−ＶＩ族の混晶は、いわゆるボウイング・パラメータ（ｂｏｗｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒ）が大であって、相互に格子整合をとりつつ大きなバンドギャップ差を有する材料の組み合わせが困難となる。
【０００６】
現在、青色領域の発光で提案されているものとして、活性層にＺｎＳｅを用い、クラッド層にＺｎＳＳｅとＺｎＳｅの超格子を用いるもの、活性層にＺｎＣｄＳを用い、クラッド層にＺｎＳＳｅを用いるものがあるが、これらはいずれも、活性層とクラッド層のバンドギャップ差が１００ｍｅＶ以下であって、クラッド層としての機能、即ち、光及びキャリアの閉じ込めを行う上で問題がある。
【０００７】
また、特開平１−１６９９８５号には、青色半導体レーザとして、ＧａＡｓ基板に、ＺｎＳ_ＸＳｅ_１−Ｘを活性層とするクラッド層材料にＺｎ_ＸＭｇ_１−ＸＴｅを用いることの構成が開示され、また、特開昭６３−２３３５７６号においても、ｐｎ接合型発光素子の開示があるが、実験的には、ＧａＡｓ，ＧａＰに格子整合するＺｎ_ＸＭｇ_１−ＸＴｅは存在していない。
【０００８】
上述した諸事情からバンドギャップＥｇ≧２．７ｅＶの、ダブルヘテロ構造の半導体レーザは実用化されるに至って居らず、まして、ＧａＡｓ，ＺｎＳｅ，ＧａＰ等を基体とする室温で連続発振をする半導体レーザは得られていない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、特にＧａＡｓ、またはＺｎＳｅ、あるいはＧａＰ等の化合物半導体基体を用いた、しかも発光効率などの特性にすぐれた短波長発光の電流注入型のダブルヘテロ接合型半導体発光装置を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電流注入型の半導体発光装置であって、基体上に、エピタキシャル成長層による少なくとも第１導電型の第１のクラッド層と、活性層と、第２導電型の第２のクラッド層とを有する半導体発光素子が形成されて成る。
そして、その第１及び第２のクラッド層が、ＺｎＭｇＳＳｅ混晶化合物半導体より成り、第２のクラッド層の表面の一部が絶縁層で覆われ、更にこの第２のクラッド層の表面の残りの一部及び絶縁層に跨がって電極が形成された構成とするものである。
【００１１】
また、本発明は、電流注入型の半導体発光装置であって、基体上に、エピタキシャル成長層による少なくとも第１導電型の第１のクラッド層と、活性層と、第２導電型の第２のクラッド層を有し、第１及び第２のクラッド層が、ＺｎＭｇＳＳｅ混晶化合物半導体より成る半導体発光素子が形成されて成る。
そして第１及び第２のクラッド層が、ＺｎＭｇＳＳｅ混晶化合物半導体より成り、第１導電型の第１のクラッド層は、塩素（Ｃｌ）のドープによりｎ型とされ、上記第２導電型の第２のクラッド層は窒素（Ｎ）のドープによりｐ型とされた構成とする。
【００１２】
上述の各構成において、第１及び第２のクラッド層は、Ｚｎ_xＭｇ_1-xＳ_yＳｅ_1-y（ｘ、ｙは原子比）の組成を有し、ｘ及びｙが、
０．７≦ｘ＜１．０
０＜ｙ＜１
とし得る。
【００１３】
上述した本発明構成によれば、ＧａＡｓ、またはＺｎＳｅ、あるいはＧａＰ等の化合物半導体基体に整合し、高い発光効率をもって短波長発光を行うことができる電流注入型の半導体レーザあるいは半導体発光ダイオード等の半導体発光装置を構成することができた。
即ち、本発明においては、バンドギャップが、２．７ｅＶ以上の例えばＺｎＳＳｅ，ＺｎＣｄＳ，ＺｎＳｅによる活性層に対し、その光及びキャリアの閉じ込め機能を充分発揮できる程度に高いバンドギャップ差を得ることのできるバンドギャップＥｇを有するものとしてＩＩａ−ＶＩ族と、ＩＩｂ−ＶＩ族の混晶のＺｎ_ｘＭｇ_１−ｘＳ_ｙＳｅ_１−ｙを見出すに至り、これによって電流注入型のダブルヘテロ接合型（以下ＤＨ型という）の短波長半導体レーザ、発光ダイオード等の半導体発光素子を構成するものであり、充分高いバンドギャップ差を得ることができることと、第２クラッド層に対して絶縁層によって限定的に電極がコンタクトされた構成とすることによる電流注入型構成としたことによって発光効率の高い半導体発光装置を構成することができたものである。
【００１４】
すなわち、本発明は、図１及び図２にその一例の略線的斜視図を示すように、基体１上に少なくとも第１導電型の第１のクラッド層２と、活性層３と、第２導電型の第２のクラッド層３とを積層するようにエピタキシャル成長したダブルヘテロ接合型半導体発光素子を構成する。
【００１５】
そして、本発明においては、その第１及び第２のクラッド層２及び３を、ＺｎＭｇＳＳｅ化合物半導体によって構成する。
【００１６】
また、基体１は、化合物半導体基体のＧａＡｓもしくはこれに格子定数が近似するＺｎＳｅ、或いはＧａＰによって構成する。
【００１７】
そして、基体１をＧａＡｓまたはＺｎＳｅとするときは、第１及び第２のクラッド層は、具体的にはＺｎ_xＭｇ_1-xＳ_yＳｅ_1-y（ｘ、ｙは原子比）の組成を有し、そのｘ、ｙを、
０．７≦ｘ＜１．０
０＜ｙ＜１
とし得る。
【００１８】
また基体１をＧａＰとするときは、第１及び第２のクラッド層は、具体的には、Ｚｎ_xＭｇ_1-xＳ_yＳｅ_1-y（ｘ、ｙは原子比）の組成を有し、そのｘ、ｙを、
０．５≦ｘ＜１．０
０．４≦ｙ≦１．０
とし得る。
【００１９】
ここで本発明においては、いずれの場合もｘ値は１未満としてＩＩａ族のＭｇを含むＩＩａ−ＶＩと、ＩＩｂ−ＶＩとの混晶とすることに特徴を有し、このためＭｇは、実際上１×１０^１９（原子／ｃｍ^３）以上とすれば良いものである。
【００２０】
上述したように、本発明では、クラッド層２及び４として、ＩＩｂ−ＶＩ族とＩＩａ−ＶＩ族の混晶によるＺｎＭｇＳＳｅを用いるものであるが、このＭｇは、ＺｎやＣｄなどより原子番号が小さいにも関わらず、Ｚｎに比し共有結合半径が大きいという特徴をもつため、これを含むＺｎＭｇＳＳｅは、ＧａＡｓ，ＺｎＳｅ，ＧａＰに格子整合しバンドギャップＥｇの大なる材料となり得る。
【００２１】
Ｚｎ_ｘＭｇ_１−ｘＳ_ｙＳｅ_１−ｙにおけるｘ及びｙを変化させた各材料のフォトルミネッセンス（ＰＬ）のスペクトルのバンド端発光ピークを測定するとそのピークはＭｇの組成を増すことによって高エネルギー側にシフトする。
【００２２】
しかしながら、Ｍｇの組成が大となると共に表面のモフォロジーが悪化する。ところが、これを考慮してもＧａＰや、これに比し格子定数の大きいＧａＡｓ，ＺｎＳｅ基体についてもＺｎ_ｘＭｇ_１−ｘＳ_ｙＳｅ_１−ｙにおいて上述した各ｘ及びｙ値の特定によってこれらと格子整合する格子定数を示し、かつバンドギャップを４ｅＶ程度にまで上げることができた。
【００２３】
また、上述の組成範囲に基くＺｎＭｇＳＳｅにおいて、室温で３〜４ヶ月間放置しても加水分解反応は起らず安定な材料であることの確認もなされた。
【００２４】
上述の構成によるＤＨ型半導体発光素子によれば、活性層のバンドギャップＥｇが、２．７ｅＶ以上であっても、これより少なくとも１００ｍｅＶは超える充分高いバンドギャップＥｇを有し、ＧａＡｓ，ＺｎＳｅやＧａＰの基体上に良好に格子整合させる組成のクラッド層２及び４を形成できるので、結晶性にすぐれ、しかも、クラッド層の機能を確実に行わしめることができる、即ち、発光効率が高く、しきい値電流が低い短波長発光半導体レーザ或いは発光ダイオードを構成できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１に示すように、ＧａＡｓ、またはＺｎＳｅ、或いはＧａＰの単結晶基板より成る基体１上に、必要に応じて、図示しないがバッファ層をエピタキシャル成長し、その上にｐ型またはｎ型の第１のクラッド層２と、充分不純物濃度の低いｐ型、ｎ型或いは真性ｉ型の活性層３と、ｎ型またはｐ型の第２のクラッド層４とをＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）、ＭＯＣＶＤ法（化学的気相成長法）等によって連続エピタキシーする。
【００２６】
本発明は、図１、図２に示すように、電流注入型の半導体レーザを構成するもので、第２のクラッド層４上に必要に応じてこれと同導電型のキャップ層（図示せず）が連続エピタキシーされてこの上に、或いは第２のクラッド層４上に直接的に窒化シリコン層等の絶縁層５が形成され、これに穿設したストライプ状の窓５Ｗを通じて一方の電極６が第２のクラッド層４或いはこれの上のキャップ層にオーミックに被着される。
【００２７】
そして他方の電極７は、基体１の裏面側にオーミックに被着されるか、この裏面とオーミックに接合するヒートシンク等をもって兼ねる。
【００２８】
図１及び図２において第１及び第２のクラッド層２及び４は、ＺｎＭｇＳＳｅ化合物半導体より成り、Ｃｌのドープによってｎ型とされ、Ｎ（窒素）のドープによってｐ型とされる。
【００２９】
そして、その光出射端面８は、壁開面によって形成し得る。
【００３０】
図３は、Ｚｎ_ｘＭｇ_１−ｘＳ_ｙＳｅ_１−ｙにおける組成比ｘ，ｙを変化させた各材料の、それぞれによるフォトルミネセンス（ＰＬ）のスペクトラムのバンド端発光から得たバンドギャップＥｇ（ｅＶ）と、Ｘ線回折の（４００）ピークにより得た格子定数ａ（Å）とを、各材料の組成を示すプロット点に〔Ｅｇ，ａ〕の値を添書したもので、図３中直線ＡでＧａＡｓと格子整合した。
【００３１】
この直線Ａは、下記（数１）で与えられる。
【数１】
ｙ＝−１．１５８ｘ＋１．２１８
【００３２】
そして、ここに充分すぐれた光学的特性を示し、成長温度と室温での熱膨張率の差などを考慮した上での格子整合の範囲は、下記（数２）となった。
【数２】
−１．１５８ｘ＋１．１１８≦ｙ≦−１．１５８ｘ＋１．３１８
【００３３】
尚、図３中＊印は、未測定を表わす。
【００３４】
図４は、ＧａＡｓに格子接合している範囲で、光学的特性が良くなることを示したものである。ＧａＡｓの格子定数は５．６５３Åであるが、図４ではバンドギャップＥｇ＝２．９９〜３．００ｅＶの範囲のものにおいて、格子定数の違いに対するバンド端発光（Ｉ_２）／ディープ（ｄｅｅｐ）発光（これは結晶の光学特性が反映する）の測定結果を示したものである。これをみて明らかなように格子定数がＧａＡｓのそれに近いところで最も良い特性を示している。
【００３５】
更に図５は、Ｍｇの量を変化させたときの上述のＩ_２／ｄｅｅｐを測定したもので、これによれば、ＧａＡｓ基体を用いるとき、
【数３】
０．８５≦ｘ＜１．０
とすることがより好ましいことが分かる。
【００３６】
実施例１
図１において、厚さ１００μｍのＧａＡｓ基体１上に、順次１．５μｍの厚さのＺｎＭｇＳＳｅによる第１のクラッド層２、厚さ５０μｍのＺｎＳｅによる活性層３、厚さ１５０ｎｍのＺｎＭｇＳＳｅによる第２のクラッド層４を順次ＭＢＥによって連続エピタキシーし、長さ（共振器長）４００μｍ、幅６００μｍの半導体チップを作製した。第１及び第２のクラッド層２及び４は、共にｘ＝０．９４，ｙ＝０．１７とした。このチップをヒートシンク２１上にマウントして第２のクラッド層４側から波長３３７ｎｍのＮ２レーザ光Ｌｅを照射して励起したところ光出射端８から波長４７０．５ｎｍのレーザ光Ｌの発光が得られた。図６は、このときの励起光Ｌｅの強度とレーザ光出力の強度との測定結果を示したものである。
【００３７】
実施例２
図１において、基体１をＧａＡｓ単結晶基板によって構成した。そして、第１及び第２のクラッド層２及び４を厚さ１μｍのＺｎ_ｘＭｇ_１−ｘＳ_ｙＳｅ_１−ｙで、ｘを約０．８、ｙを約０．３とした。また活性層３を、厚さ０．１μｍのＺｎＳ_ｚＳｅ_１−ｚで、ｚを約０．０６とした。
【００３８】
この構成において、第２のクラッド層４側から電子線照射による励起を行う。このとき、波長約４７０ｎｍの発光が生じた。
【００３９】
因みに、この実施例２におけるクラッド層２及び４の構成材料についてのフォトルミネッセンスＰＬの４°Ｋのバンド端発光を測定したところ、そのバンド端ＢＥは約３．１ｅＶであった。また、その活性層３は、ＢＥが約２．８ｅＶであり、クラッド層２及び４と、活性層３は共にＧａＡｓ基体１上に、良く格子整合してエピタキシャル成長されている。
【００４０】
上述したところから明らかなように、クラッド層２及び４と、活性層３とは、これらのＢＥの差をみて（ＢＥはエネルギーギャップより稍々小さい）明らかなようにそのバンドギャップ差は、約３００ｍｅＶという高い値を示す。
【００４１】
実施例３
実施例２と同様の構成による半導体チップを作製し、これに図２で説明した電極６及び７を設けて両電極間６及び７に順方向電圧を印加したところ同様のレーザ発光が生じた。
【００４２】
実施例４
図１において、それぞれ基体１をＧａＡｓ単結晶基板によって構成した。そして、第１及び第２のクラッド層２及び４を、厚さ１μｍのＺｎ_ｘＭｇ_１−ｘＳ_ｙＳｅ_１−ｙで、ｘを約０．８、ｙを約０．３とした。また、活性層３を、厚さ０．１μｍのＺｎ_ｚＣｄ_１−ｚＳで、ｚを約０．４２とした。
【００４３】
この構成において同様に、第２のクラッド層４側から電子線照射による励起を行った。
このとき、波長約４５０ｎｍの発光が生じた。
因みに、この実施例４におけるクラッド層２及び４の構成材料についてのフォトルミネッセンスＰＬのバンド端発光を測定したところ、そのバンド端ＢＥは約３．１ｅＶであった。また、その活性層３は、ＢＥが約２．８５ｅＶであり、クラッド層２及び４と、活性層３は共にＧａＡｓ基体１上に、良く格子整合してエピタキシャル成長された。
【００４４】
そして、上述したところから明らかなように、クラッド層２及び４と、活性層３のバンドギャップ差は、約３００ｍｅＶ弱となる。
【００４５】
実施例５
実施例４と同様の構成による半導体チップを作製し、これに図２で説明した電極６及び７を設けて両電極間６及び７に順方向電圧を印加したところ同様のレーザ発光が生じた。
【００４６】
上述の各実施例は、基体１が、ＺｎＳｅ，ＧａＡｓの場合であるが、基体１がＧａＰである場合は、Ｚｎ_ｘＭｇ_１−ｘＳ_ｙＳｅ_１−ｙにおいて、
０．５≦ｘ＜１．０
０．４≦ｙ≦１．０
でＧａＰ基体１と良く整合し、かつバンドギャップが大となった。
【００４７】
実施例６
図１において、それぞれ基体１をＧａＰ単結晶基板によって構成した。そして、第１及び第２のクラッド層２及び４を、厚さ１μｍのＺｎ_ｘＭｇ_１−ｘＳ_ｙＳｅ_１−ｙで、ｘを約０．８５、ｙを約１とした。また活性層３を、厚さ０．１μｍのＺｎＳ_ｚＳｅ_１−ｚで、ｚを約０．８４とした。
【００４８】
この構成において、同様に、第２のクラッド層４側から電子線照射による励起を行った。このとき、波長が４００ｎｍ以下の発光が生じた。
【００４９】
実施例７
実施例６と同様の構成による半導体チップを作製し、これに図２で説明した電極６及び７を設けて両電極間６及び７に順方向電圧を印加したところ同様のレーザ発光が生じた。
【００５０】
実施例８
図１において、それぞれ基体１をＧａＰ単結晶基板によって構成した。そして、第１及び第２のクラッド層２及び４を、厚さ１μｍのＺｎ_ｘＭｇ_１−ｘＳ_ｙＳｅ_１−ｙで、ｘを約０．８５、ｙを約１とした。また活性層３を厚さ０．１μｍのＺｎ_ｚＣｄ_１−ｚＳで、ｚを約０．９とした。
【００５１】
この構成において同様に、第２のクラッド層４側から電子線照射による励起を行うか、図２の電極６及び７間に順方向に電圧印加した。
【００５２】
この場合においても４００ｎｍ以下の波長の発光が生じた。
【００５３】
実施例９
実施例８と同様の構成による半導体チップを作製し、これに図２で説明した電極６及び７を設けて両電極間６及び７に順方向電圧を印加したところ同様のレーザ発光が生じた。
【００５４】
上述したように、例えば実施例１においては、ｘ＝０．９４としたものであるが、図５によれば０．７≦ｘ＜１において、ｘ＝０．９４と同等及びこれ以上の高い発光が得られている。
【００５５】
尚、本発明は、上述した構造に限定されるものではない。例えば上述のストライプ状の電極と共に、或いはストライプ状の電極に代って、活性層３の中央部にストライプ状の共振器部を形成するように両側部に電流を阻止する電流狭搾領域を、第２のクラッド層４側からこのクラッド層４と異る導電型の不純物の導入或いは高抵抗化のためのプロトン等の打ち込み等を行うことによって形成することもできるなど種々の構成を採り得る。
【００５６】
【発明の効果】
上述したように本発明によればＧａＡｓ，ＺｎＳｅ，ＧａＰ等の入手し易い、生産性にすぐれ廉価な基体１を用い、これに良く格子整合して、しかもバンドギャップが大なるクラッド層２及び４を構成するので、発光効率が高いなど特性の良い、安定した動作が可能な短波長発光の半導体発光装置を低価格に得ることができる。
【００５７】
したがって、光記録再生光源として用いることによって高記録密度、高解像度化と共に、光記録再生装置の低価格化に寄与するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体発光装置の一例の略線的斜視図である。
【図２】本発明による半導体発光装置の一例の略線的斜視図である。
【図３】Ｚｎ_ｘＭｇ_１−ｘＳ_ｙＳｅ_１−ｙのｘ，ｙ値とハンドギャップ及び格子定数の測定結果を示す図である。
【図４】バンド発光／ディープ発光の格子定数依存性の測定結果を示す図である。
【図５】バンド発光／ディープ発光−Ｚｎ_ｘＭｇ_１−ｘＳＳｅのｘ値の測定結果を示す図である。
【図６】本発明装置のの発光強度−励起光強度の測定結果を示す図である。
【図７】代表的化合物半導体の格子定数とエネルギーギャップを示す図である。
【符号の説明】
１‥‥基体、２‥‥第１導電型のクラッド層、３‥‥活性層、４‥‥第２導電型のクラッド層、５・・・絶縁層、６・・・電極

Claims

電流注入型の半導体発光装置であって、
基体上に、エピタキシャル成長層による少なくとも第１導電型の第１のクラッド層と、活性層と、第２導電型の第２のクラッド層とを有する半導体発光素子が形成され、上記第１及び第２のクラッド層が、ＺｎＭｇＳＳｅ混晶化合物半導体より成り、
上記第１導電型の第１のクラッド層は、塩素（Ｃｌ）のドープによりｎ型とされ、上記第２導電型の第２のクラッド層は窒素（Ｎ）のドープによりｐ型とされ、
上記第２のクラッド層の表面の一部が絶縁層で覆われ、更に当該第２のクラッド層の表面の残りの一部及び上記絶縁層に跨って電極が形成されて成ることを特徴とする半導体発光装置。