JP3586293B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

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Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、半導体発光素子に関し、特に、緑色ないし青色で面発光可能な半導体発光素子、例えば半導体レーザーや発光ダイオードに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ディスクや光磁気ディスクに対する記録／再生の高密度化または高解像度化の要求から、緑色ないし青色で発光可能な半導体発光素子に対する要求が高まっており、その実現を目指して研究が活発に行われている。
【０００３】
このような緑色ないし青色で発光可能な半導体発光素子の作製に用いる材料としては、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体が有望である。特に、四元系のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体であるＺｎＭｇＳＳｅ系化合物半導体は、波長４００〜５５０ｎｍ帯の緑色ないし青色発光の半導体レーザーをＧａＡｓ基板上に作製するときのクラッド層や光導波層の材料として適していることが知られている（例えば、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｌｅｔｔ． ２８（１９９２）１７９８）。
【０００４】
一方、近年、並列光情報処理や光インターコネクションなどの光エレクトロニクス分野への応用を目指して、基板の面に対して垂直な方向に発光可能な面発光型半導体発光素子が注目されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の面発光型半導体発光素子は、いずれもＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いたものであり、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いた緑色ないし青色で面発光可能な面発光型半導体発光素子は未だ実現されていない。
【０００６】
したがって、この発明の目的は、クラッド層および活性層の材料としてＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いた、緑色ないし青色で面発光可能な半導体発光素子を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は、基板（１）上に積層されたｎ型のＺｎＭｇＳＳｅ系化合物半導体から成る第１のクラッド層（４）と、
第１のクラッド層（４）上に積層された活性層（６）と、
活性層（６）上に積層されたｐ型のＺｎＭｇＳＳｅ系化合物半導体から成る第２のクラッド層（８）と、
第２のクラッド層（８）上に積層された厚さが５０〜１００ｎｍのｐ型のＺｎＴｅ系化合物半導体層（１２）と、
ｐ型のＺｎＴｅ系化合物半導体層（１２）上に設けられた金属から成る格子状のｐ側電極（１３）とを有し、
基板（１）の主面に対してほぼ垂直な方向に光が面状に取り出される
ことを特徴とする半導体発光素子である。
【０００８】
この発明の好適な一実施形態においては、ＺｎＴｅ系化合物半導体層（１２）の厚さは、このＺｎＴｅ系化合物半導体層（１２）による光吸収を抑制するために、他に支障のない限り小さく選ばれ、具体的には、例えば２〜１００ｎｍに選ばれる。
【０００９】
この発明の好適な一実施形態においては、ＺｎＴｅ系化合物半導体層（１２）上に金属から成る格子状の電極（１３）が設けられる。さらに、より好適には、この格子状の電極（１３）を覆うように、光取り出しに支障を生じない程度の厚さの金属膜（１４）が全面に設けられる。この場合には、これらの格子状の電極（１３）および金属膜（１４）の全体により電流注入が行われる。
【００１０】
この発明の典型的な一実施形態においては、第２のクラッド層（８）およびＺｎＴｅ系化合物半導体層（１２）はｐ型であり、ＺｎＴｅ系化合物半導体層（１２）上に格子状の電極（１３）がｐ側電極として設けられる。この場合、このＺｎＴｅ系化合物半導体層（１２）は、ｐ側電極との良好なオーミックコンタクトをとるためのｐ型コンタクト層となる。さらに、このＺｎＴｅ系化合物半導体層（１２）の厚さを２〜１００ｎｍに選べば、このＺｎＴｅ系化合物半導体層（１２）は透明電極となる。
【００１１】
この発明の好適な一実施形態においては、第２のクラッド層（８）上にＺｎＳＳｅ系化合物半導体層（９）が設けられる。この場合、このＺｎＳＳｅ系化合物半導体層（９）は、第２のクラッド層（８）とともに第２導電型のクラッド層を構成して光閉じ込めおよびキャリア閉じ込めに寄与するとともに、格子状の電極（１３）により注入される電流をこのＺｎＳＳｅ系化合物半導体層（９）に平行な方向に拡散させて活性層（６）の広い領域に電流が注入されるようにするためのものである。
【００１２】
ここで、このＺｎＳＳｅ系化合物半導体層（９）の厚さは、良好な光閉じ込め特性およびキャリア閉じ込め特性を確保しつつこのＺｎＳＳｅ系化合物半導体層（９）の十分な低抵抗化を図り、さらに格子状の電極（１３）により注入される電流がこのＺｎＳＳｅ系化合物半導体層（９）を通過する間にこのＺｎＳＳｅ系化合物半導体層（９）に平行な方向に拡散されるようにするためなどの理由により、好適には例えば０．１〜１０μｍに選ばれる。また、格子状の電極（１３）により注入される電流を十分に拡散させるためには、このＺｎＳＳｅ系化合物半導体層（９）の厚さは、好適には０．５μｍ以上に選ばれる。
この発明の好適な一実施形態においては、第２のクラッド層（８）上にＺｎＳＳｅ系化合物半導体層（９）およびＺｎＴｅ系化合物半導体層（１２）が順次積層される。
【００１３】
この発明の好適な他の一実施形態においては、基板（１）と第１のクラッド層（４）との間に光反射層（１８）が設けられる。ここで、この光反射層（１８）としては、典型的には、半導体多層膜や誘電体多層膜から成るブラッグリフレクターが用いられる。このブラッグリフレクターとしては、具体的には、例えばＺｎＭｇＳＳｅ／ＺｎＳＳｅ超格子層から成るものが用いられる。
【００１４】
この発明の典型的な一実施形態においては、第１のクラッド層（４）および第２のクラッド層（８）はＺｎＭｇＳＳｅ系化合物半導体から成り、活性層（６）は例えばＺｎＣｄＳｅ系化合物半導体またはＺｎＳｅ系化合物半導体から成る。このとき、この半導体発光素子の発光波長は、活性層（６）がＺｎＣｄＳｅ系化合物半導体から成る場合には、その組成に応じて緑色ないし青色の波長帯（例えば、５１２ｎｍ）になり、活性層（６）がＺｎＳｅ系化合物半導体から成る場合には、青色の波長帯（例えば、４７０ｎｍ）になる。
【００１５】
この発明において、基板（１）としては、例えば、ＧａＡｓ基板、ＺｎＳｅ基板、ＧａＰ基板などが用いられる。
【００１６】
【作用】
この発明による半導体発光素子によれば、クラッド層および活性層の材料としてＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いていることにより緑色ないし青色で発光可能であり、しかも基板の主面とほぼ垂直な方向に面状に光が取り出される。これによって、緑色ないし青色で面発光可能な面発光型の半導体発光素子を実現することができる。
【００１７】
また、第２のクラッド層（８）上にＺｎＴｅ系化合物半導体層（１２）が積層され、このＺｎＴｅ系化合物半導体層（１２）上に格子状の電極（１３）が設けられた場合には、このＺｎＴｅ系化合物半導体層（１２）は不純物ドーピングによりキャリア濃度を十分に高くして大幅な低抵抗化を図ることができるため、格子状の電極（１３）との良好なオーミックコンタクトをとることができる。これによって、半導体発光素子の低動作電圧化を図ることができるとともに、格子状の電極（１３）とＺｎＴｅ系化合物半導体層（１２）とのコンタクト部における発熱を抑制することができることにより発光効率の劣化や半導体発光素子の劣化を防止することができる。さらに、このＺｎＴｅ系化合物半導体層（１２）の厚さを２〜１００ｎｍに選んだ場合には、このＺｎＴｅ系化合物半導体層（１２）は透明電極となるので、このＺｎＴｅ系化合物半導体層（１２）により光取り出しに支障が生じることはない。また、このＺｎＴｅ系化合物半導体層（１２）の厚さを十分に大きく、例えば５０ｎｍ程度以上にすることにより、格子状の電極（１３）により注入される電流をこのＺｎＴｅ系化合物半導体層（１２）に平行な方向に拡散させることができる。これによって、活性層（６）の広い領域に電流が注入されるようにすることができ、均一性に優れた面発光の実現に寄与することができる。
【００１８】
また、ＺｎＴｅ系化合物半導体層（１２）上に格子状の電極（１３）が設けられた場合には、この格子状の電極（１３）によりＺｎＴｅ系化合物半導体層（１２）に注入される電流は、例えばストライプ状の電極を用いた場合と比べて、より均一な分布で活性層（６）に注入される。これによって、面発光の均一性の向上を図ることができる。
【００１９】
さらに、第２のクラッド層（８）とＺｎＴｅ系化合物半導体層（１２）との間にＺｎＳＳｅ系化合物半導体層（９）が設けられた場合には、このＺｎＳＳｅ系化合物半導体層（９）も第２導電型のクラッド層として用いることができることにより、良好な光閉じ込め特性およびキャリア閉じ込め特性を確保することができる。また、このＺｎＳＳｅ系化合物半導体層（９）の厚さを０．５μｍ程度以上に選べば、格子状の電極（１３）により注入される電流をこのＺｎＳＳｅ系化合物半導体層（９）に平行な方向に十分に拡散させることができる。これによって、均一性に優れた面発光が可能となる。
【００２０】
また、基板（１）と第１のクラッド層（４）との間に光反射層（１８）が設けられた場合には、活性層（９）で発生する光のうち基板（１）側に向かう光をこの光反射層（１８）により格子状の電極（１３）側に反射させることができるので、この基板（１）側に向かう光が基板（１）により吸収されるのを防止することができ、この基板（１）側に向かう光をも面発光に利用することができる。そして、発光効率を大幅に向上させることができ、光取り出し部から効率的に光を取り出すことができる。
【００２１】
以上により、クラッド層および活性層の材料としてＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いた、緑色ないし青色で面発光可能な半導体発光素子を実現することができる。
【００２２】
【実施例】
以下、この発明の実施例について図面を参照しながら説明する。なお、実施例の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
【００２３】
図１はこの発明の第１実施例による面発光型発光ダイオードを示す平面図である。また、図２は図１における一発光面に対応する部分を拡大して示す断面図である。
【００２４】
図１および図２に示すように、この第１実施例による面発光型発光ダイオードにおいては、ドナー不純物として例えばＳｉがドープされた（１００）面方位のｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ドナー不純物として例えばＣｌがドープされたｎ型ＺｎＳｅバッファ層２、ドナー不純物として例えばＣｌがドープされたｎ型ＺｎＳＳｅ層３、ドナー不純物として例えばＣｌがドープされたｎ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層４、ドナー不純物として例えばＣｌがドープされたｎ型ＺｎＳＳｅ光導波層５、活性層６、アクセプタ不純物として例えばＮがドープされたｐ型ＺｎＳＳｅ光導波層７、アクセプタ不純物として例えばＮがドープされたｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層８、アクセプタ不純物として例えばＮがドープされたｐ型ＺｎＳＳｅ層９、アクセプタ不純物として例えばＮがドープされたｐ型ＺｎＳｅコンタクト層１０、ｐ型ＺｎＳｅから成る障壁層とｐ型ＺｎＴｅから成る量子井戸層とを交互に積層したｐ型ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ多重量子井戸（ＭＱＷ）層１１およびアクセプタ不純物として例えばＮがドープされたｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１２が順次積層されている。そして、ｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１２上に格子状のｐ側電極１３が設けられ、さらにこのｐ側電極１３を覆うように全面にＡｕ膜１４が設けられている。この場合、このＡｕ膜１４もｐ側電極として用いられる。一方、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面には、ｎ側電極１５が設けられている。ｐ型ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅＭＱＷ層１１については後に詳細に説明する。
【００２５】
この第１実施例において、活性層６は、例えば厚さが６〜１２ｎｍのＺｎＣｄＳｅ（例えば、Ｚｎ０．８５Ｃｄ０．１５Ｓｅ）から成る量子井戸層を含む単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を有する。
【００２６】
ｎ型ＺｎＳＳｅ層３およびｐ型ＺｎＳＳｅ層９としては、例えばＺｎＳ０．０６Ｓｅ０．９４層が用いられる。同様に、ｎ型ＺｎＳＳｅ光導波層５およびｐ型ＺｎＳＳｅ光導波層７としては、例えばＺｎＳ０．０６Ｓｅ０．９４層が用いられる。ｎ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層４およびｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層８としては、例えばＺｎ０．９１Ｍｇ０．０９Ｓ０．１８Ｓｅ０．８２層が用いられる。このＺｎ０．９１Ｍｇ０．０９Ｓ０．１８Ｓｅ０．８２層から成るｎ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層４およびｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層８はＧａＡｓと格子整合し、ＺｎＳ０．０６Ｓｅ０．９４層から成るｎ型ＺｎＳＳｅ層３、ｐ型ＺｎＳＳｅ層９、ｎ型ＺｎＳＳｅ光導波層５およびｐ型ＺｎＳＳｅ光導波層７はこれらのｎ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層４およびｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層８と格子整合する。
【００２７】
ｎ型ＺｎＳＳｅ層３の厚さは例えば０．７μｍであり、有効ドナー濃度ＮＤ −ＮＡ （ただし、ＮＤ はドナー濃度、ＮＡ はアクセプタ濃度）は例えば（２〜５）×１０１７ｃｍ−３である。ｎ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層４の厚さは例えば０．７μｍであり、ＮＤ −ＮＡ は例えば（２〜５）×１０１７ｃｍ−３である。さらに、ｎ型ＺｎＳＳｅ光導波層５の厚さは例えば１００ｎｍであり、ＮＤ −ＮＡ は例えば（２〜５）×１０１７ｃｍ−３である。また、ｐ型ＺｎＳＳｅ光導波層７の厚さは例えば１００ｎｍであり、有効アクセプタ濃度ＮＡ −ＮＤ は例えば（２〜５）×１０１７ｃｍ−３である。ｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層８の厚さは例えば０．５μｍであり、ＮＡ −ＮＤ は例えば１×１０１７ｃｍ−３である。ｐ型ＺｎＳＳｅ層９の厚さは例えば０．５μｍであり、ＮＡ −ＮＤ は例えば（２〜５）×１０１７ｃｍ−３である。ｐ型ＺｎＳｅコンタクト層１０の厚さは例えば１００ｎｍであり、ＮＡ −ＮＤ は例えば（５〜８）×１０１７ｃｍ−３である。さらに、ｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１２の厚さは２〜１００ｎｍであり、ＮＡ −ＮＤ は例えば１×１０１９ｃｍ−３である。
【００２８】
ｎ型ＺｎＳｅバッファ層２の厚さは、ＺｎＳｅとＧａＡｓとの間にはわずかではあるが格子不整合が存在することから、この格子不整合に起因してこのｎ型ＺｎＳｅバッファ層２およびその上の各層のエピタキシャル成長時に転位が発生するのを防止するために、ＺｎＳｅの臨界膜厚（〜１００ｎｍ）よりも十分に小さく選ばれるが、この第１実施例においては例えば３３ｎｍである。
【００２９】
ｐ側電極１３としては、例えばＡｕ電極、Ｔｉ／Ａｕ電極、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ電極などが用いられる。また、ｎ側電極１５としては、例えばＩｎ電極が用いられる。
この第１実施例による面発光型発光ダイオードは、例えば１ｍｍ×１ｍｍの正方形の平面形状を有する。
【００３０】
この第１実施例において、ｐ型ＺｎＳＳｅ層９は、ｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層８に加えた第２のｐ型クラッド層としての機能、ｐ側電極１３およびＡｕ膜１４から注入される電流をこのｐ型ＺｎＳＳｅ層９に平行な方向に拡散させる機能、ｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層８との格子整合をとる機能、ヒートシンク上へのダイオードチップのマウントの際のチップ端面におけるはんだの這い上がりによる短絡を防止するためのスペーサ層としての機能などを有する。
【００３１】
上述のようにｐ型ＺｎＳＳｅ層９はｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層８とともに第２のｐ型クラッド層を構成することにより、光閉じ込め特性およびキャリア閉じ込め特性を向上させることができる。また、ＺｎＳＳｅにおける正孔の移動度はＺｎＭｇＳＳｅにおけるそれよりも大きいことにより、ｐ型クラッド層の全体の厚さを同一とした場合、ｐ型クラッド層をｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層８だけで構成した場合に比べて、ｐ型クラッド層をｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層８とｐ型ＺｎＳＳｅ層９とにより構成した場合の方が、ｐ型クラッド層を低抵抗化することができる。このようにｐ型クラッド層が低抵抗化されることは、このｐ型クラッド層による電圧降下の減少をもたらすため、面発光型発光ダイオードの低動作電圧化に寄与する。
【００３２】
また、ｐ側電極１３およびＡｕ膜１４から注入される電流をこのｐ型ＺｎＳＳｅ層９に平行な方向に拡散させることができることにより、活性層６の広い領域に電流が注入されるようにすることができ、これによって均一性に優れた面発光を実現することができる。
【００３３】
さらに、ｐ型ＺｎＳｅコンタクト層１０をｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層８上に直接積層するとこれらの層の間に格子不整合が存在することにより結晶性の劣化が生じやすいが、ｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層８上にこれと格子整合するｐ型ＺｎＳＳｅ層９を積層し、このｐ型ＺｎＳＳｅ層９上にｐ型ＺｎＳｅコンタクト層１０を積層しているので、これらのｐ型ＺｎＳＳｅ層９およびｐ型ＺｎＳｅコンタクト層１０の結晶性を良好にすることができる。これは、ｐ側電極１３およびＡｕ膜１４のオーミックコンタクト特性の向上に寄与する。
【００３４】
以上の利点に加えて、ｐ型ＺｎＳＳｅ層９が設けられていることにより、次のような利点をも得ることができる。すなわち、このｐ型ＺｎＳＳｅ層９を第２のｐ型クラッド層として用いる場合には、二元系や三元系のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体ほどにはエピタキシャル成長が容易でないｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層８の厚さを最小限にすることができ、従って面発光型発光ダイオードの製造もその分だけ容易になる。
【００３５】
ｎ型ＺｎＳＳｅ層３は、活性層６の両側の屈折率分布を対称にする機能、ｎ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層４に加えた第２のｎ型クラッド層としての機能、ｎ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層４との格子整合をとる機能、ヒートシンク上へのダイオードチップのマウントの際のチップ端面におけるはんだの這い上がりによる短絡を防止するためのスペーサ層としての機能などを有する。
【００３６】
ｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１２は、その厚さが２〜１００ｎｍと小さく、かつそのＮＡ −ＮＤ が１×１０１９ｃｍ−３と極めて高いため、低抵抗の透明電極として機能する。これによって、このｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１２上に設けられているｐ側電極１３およびＡｕ膜１４との良好なオーミックコンタクトをとることができるとともに、このｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１２が全面に設けられていても光の取り出しに支障が生じないようにすることができる。さらに、このｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１２の厚さを５０ｎｍ程度以上にした場合には、ｐ側電極１３およびＡｕ膜１４から注入される電流をこのｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１２に平行な方向に拡散させることができ、これは均一性に優れた面発光の実現に寄与する。
【００３７】
上述のｐ型ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅＭＱＷ層１１が設けられているのは、ｐ型ＺｎＳｅコンタクト層１０とｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１２とを直接接合すると、接合界面において価電子帯に大きな不連続が生じ、これがｐ側電極１３およびＡｕ膜１４からｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１２に注入される正孔に対する障壁となることから、この障壁を実効的になくすためである。
【００３８】
すなわち、ｐ型ＺｎＳｅ中のキャリア濃度は典型的には５×１０１７ｃｍ−３程度であり、一方、ｐ型ＺｎＴｅ中のキャリア濃度は１０１９ｃｍ−３以上とすることが可能である。また、ｐ型ＺｎＳｅ／ｐ型ＺｎＴｅ界面における価電子帯の不連続の大きさは約０．５ｅＶである。このようなｐ型ＺｎＳｅ／ｐ型ＺｎＴｅ接合の価電子帯には、接合がステップ接合であると仮定すると、ｐ型ＺｎＳｅ側に
Ｗ＝（２εφＴ ／ｑＮＡ ）１／２ （１）
の幅にわたってバンドの曲がりが生じる。ここで、ｑは電子の電荷の絶対値、εはＺｎＳｅの誘電率、φＴ はｐ型ＺｎＳｅ／ｐ型ＺｎＴｅ界面における価電子帯の不連続ポテンシャル（約０．５ｅＶ）を表す。
【００３９】
（１）式を用いてこの場合のＷを計算すると、Ｗ＝３２ｎｍとなる。このときに価電子帯の頂上がｐ型ＺｎＳｅ／ｐ型ＺｎＴｅ界面に垂直な方向に沿ってどのように変化するかを示したのが図２である。ただし、ｐ型ＺｎＳｅおよびｐ型ＺｎＴｅのフェルミ準位は価電子帯の頂上に一致すると近似している。図２に示すように、この場合、ｐ型ＺｎＳｅの価電子帯はｐ型ＺｎＴｅに向かって下に曲がっている。この下に凸の価電子帯の変化は、このｐ型ＺｎＳｅ／ｐ型ＺｎＴｅ接合に注入された正孔に対してポテンシャル障壁として働く。
【００４０】
この問題は、ｐ型ＺｎＳｅコンタクト層１０とｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１２との間にｐ型ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅＭＱＷ層１１を設けることにより解決することができる。このｐ型ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅＭＱＷ層１１は具体的には例えば次のように設計される。
【００４１】
図３は、ｐ型ＺｎＴｅから成る量子井戸層の両側をｐ型ＺｎＳｅから成る障壁層によりはさんだ構造の単一量子井戸におけるｐ型ＺｎＴｅから成る量子井戸の幅ＬＷ に対して第１量子準位Ｅ１ がどのように変化するかを有限障壁の井戸型ポテンシャルに対する量子力学的計算により求めた結果を示す。ただし、この計算では、量子井戸層および障壁層における電子の質量としてｐ型ＺｎＳｅおよびｐ型ＺｎＴｅ中の正孔の有効質量ｍｈ を想定して０．６ｍ０ （ｍ０ ：電子の静止質量）を用い、また、井戸の深さは０．５ｅＶとしている。
【００４２】
図３より、量子井戸の幅ＬＷ を小さくすることにより、量子井戸内に形成される量子準位Ｅ１ を高くすることができることがわかる。ｐ型ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅＭＱＷ層１１はこのことを利用して設計する。
【００４３】
この場合、ｐ型ＺｎＳｅ／ｐ型ＺｎＴｅ界面からｐ型ＺｎＳｅ側に幅Ｗにわたって生じるバンドの曲がりはｐ型ＺｎＳｅ／ｐ型ＺｎＴｅ界面からの距離ｘ（図２）の二次関数
φ（ｘ）＝φＴ ｛１−（ｘ／Ｗ）２ ｝ （２）
で与えられる。従って、ｐ型ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅＭＱＷ層１１の設計は、（２）式に基づいて、ｐ型ＺｎＴｅから成る量子井戸層のそれぞれに形成される量子準位Ｅ１ がｐ型ＺｎＳｅおよびｐ型ＺｎＴｅの価電子帯の頂上のエネルギーと一致し、しかも互いに等しくなるようにＬＷ を段階的に変えることにより行うことができる。
【００４４】
図４は、ｐ型ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅＭＱＷ層１１におけるｐ型ＺｎＳｅから成る障壁層の幅ＬＢ を２ｎｍとした場合の量子井戸幅ＬＷ の設計例を示す。ここで、ｐ型ＺｎＳｅコンタクト層１０のＮＡ −ＮＤ は５×１０１７ｃｍ−３とし、ｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１２のＮＡ −ＮＤ は１×１０１９ｃｍ−３としている。図４に示すように、この場合には、合計で７個ある量子井戸の幅ＬＷ を、その量子準位Ｅ１ がｐ型ＺｎＳｅおよびｐ型ＺｎＴｅのフェルミ準位と一致するように、ｐ型ＺｎＳｅコンタクト層１０からｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１２に向かってＬＷ ＝０．３ｎｍ、０．４ｎｍ、０．５ｎｍ、０．６ｎｍ、０．８ｎｍ、１．１ｎｍ、１．７ｎｍと変化させている。
【００４５】
なお、量子井戸の幅ＬＷ の設計に当たっては、厳密には、それぞれの量子井戸の準位は相互に結合しているためにそれらの相互作用を考慮する必要があり、また、量子井戸と障壁層との格子不整合による歪みの効果も取り入れなければならないが、多重量子井戸の量子準位を図４のようにフラットに設定することは原理的に十分可能である。
【００４６】
図４において、ｐ型ＺｎＴｅに注入された正孔は、ｐ型ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅＭＱＷ層１１のそれぞれの量子井戸に形成された量子準位Ｅ１ を介して共鳴トンネリングによりｐ型ＺｎＳｅ側に流れることができるので、ｐ型ＺｎＳｅ／ｐ型ＺｎＴｅ界面のポテンシャル障壁は実効的になくなる。したがって、この第１実施例による面発光型発光ダイオードによれば、良好な電圧−電流特性を得ることができるとともに、低動作電圧化を図ることができる。
【００４７】
上述のように構成されたこの第１実施例による面発光型発光ダイオードを動作させるには、ｐ側電極１３およびＡｕ膜１４とｎ側電極１５との間に必要な電圧を印加して電流注入を行う。この場合、ｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１２の全面にｐ側電極１３およびＡｕ膜１４がコンタクトしているため、これらのｐ側電極１３およびＡｕ膜１４からｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１２の全体にわたって電流が均一な分布で注入される。しかも、この場合、この電流は、ｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１２やｐ型ＺｎＳＳｅ層９などを通過する間にそれらに平行な方向に十分に拡散される。これによって、活性層６の全体に均一な分布で電流が注入され、活性層６の全体において電子−正孔再結合による発光が均一に起こる。そして、図２において矢印で示すように、ｐ側電極１３側の発光面１６から面状に光が取り出され、極めて均一性に優れた面発光が実現される。
【００４８】
この第１実施例による面発光型発光ダイオードを、室温において注入電流２０ｍＡで動作させたところ、波長５１２ｎｍの青緑色の面発光が観測された。このときの光度は４ｃｄと極めて高かった。また、光出力は１．１４ｍＷ、外部量子効率は２．３５％であった。さらに、波長５１２ｎｍの発光ピークの半値幅は１０ｎｍであった。
【００４９】
次に、上述のように構成されたこの第１実施例による面発光型発光ダイオードの製造方法について説明する。
【００５０】
この第１実施例による面発光型発光ダイオードを製造するには、まず、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法により、例えば２５０〜３００℃の範囲内の温度、具体的には例えば２９５℃において、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＺｎＳｅバッファ層２、ｎ型ＺｎＳＳｅ層３、ｎ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層４、ｎ型ＺｎＳＳｅ光導波層５、ＺｎＣｄＳｅ量子井戸層を含む活性層６、ｐ型ＺｎＳＳｅ光導波層７、ｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層８、ｐ型ＺｎＳＳｅ層９、ｐ型ＺｎＳｅコンタクト層１０、ｐ型ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅＭＱＷ層１１およびｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１２を順次エピタキシャル成長させる。この場合、これらの層を良好な結晶性でエピタキシャル成長させることができ、従って面発光型発光ダイオードの光出力の減少などの劣化を抑えることができ、高い信頼性を得ることができる。
【００５１】
上述のＭＢＥ法によるエピタキシャル成長において、Ｚｎ原料としては純度９９．９９９９％のＺｎを用い、Ｍｇ原料としては純度９９．９％のＭｇを用い、Ｓ原料としては９９．９９９９％のＺｎＳを用い、Ｓｅ原料としては純度９９．９９９９％のＳｅを用いる。また、ｎ型ＺｎＳｅバッファ層２、ｎ型ＺｎＳＳｅ層３、ｎ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層４およびｎ型ＺｎＳＳｅ光導波層５のドナー不純物としてのＣｌのドーピングは例えば純度９９．９９９９％のＺｎＣｌ２ をドーパントとして用いて行う。一方、ｐ型ＺｎＳＳｅ光導波層７、ｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層８、ｐ型ＺｎＳＳｅ層９、ｐ型ＺｎＳｅコンタクト層１０、ｐ型ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅＭＱＷ層１１およびｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１２のアクセプタ不純物としてのＮのドーピングは、例えば電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）により発生されたＮ２ プラズマを照射することにより行う。
【００５２】
次に、ｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１２上にｐ側電極１３の反転パターンに対応する形状のレジストパターン（図示せず）をリソグラフィーにより形成した後、例えばスパッタリング法や真空蒸着法などによりｐ側電極形成用の金属膜を全面に形成する。次に、このレジストパターンをその上に形成された金属膜とともに除去する（リフトオフ）。このようにして、格子状のｐ側電極１３がｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１２上に形成される。次に、例えばスパッタリング法や真空蒸着法などによりＡｕ膜１４を全面に形成する。この後、必要に応じて熱処理を行ってこれらのｐ側電極１３およびＡｕ膜１４をｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１２にオーミックコンタクトさせる。一方、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面にはＩｎ電極のようなｎ側電極１５を形成する。
【００５３】
この後、以上のようにしてダイオード構造が形成されたｎ型ＧａＡｓ基板１を１ｍｍ×１ｍｍのサイズの正方形の形状に劈開し、目的とする面発光型発光ダイオードを完成させる。
【００５４】
なお、この第１実施例による面発光型発光ダイオードを構成する各層のエピタキシャル成長は、ＭＢＥ法の代わりに、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により行ってもよい。
【００５５】
以上のように、この第１実施例によれば、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いて青緑色で面発光可能でしかも極めて高輝度の高性能の面発光型発光ダイオードを実現することができる。
【００５６】
図６はこの発明の第２実施例による面発光型発光ダイオードを示す。この第２実施例による面発光型発光ダイオードの平面図は図１に示すと同様である。
【００５７】
図６に示すように、この第２実施例による面発光型発光ダイオードは、ｐ型ＺｎＳＳｅ層９の厚さが数μｍ程度と大きいこと、ｐ側電極１３の下の部分以外の部分におけるｐ型ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅＭＱＷ層１１およびｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１２が除去されていてこの部分のｐ型ＺｎＳｅコンタクト層１０上に例えばＳｉＮ膜から成る反射防止膜１７が設けられていること、および、Ａｕ膜１４が形成されていないことを除いて、第１実施例による面発光型発光ダイオードと同様な構造を有する。
【００５８】
この第２実施例による面発光型発光ダイオードの製造方法は、第１実施例による面発光型発光ダイオードの製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【００５９】
この第２実施例による面発光型発光ダイオードにおいては、Ａｕ膜１４が形成されていないため、電流注入は格子状のｐ側電極１３からのみ行われ、したがってこのｐ側電極１３の近傍における電流分布は第１実施例による面発光型発光ダイオードに比べると不均一である。しかしながら、この電流は、上述のように厚さが数μｍ程度と大きいｐ型ＺｎＳＳｅ層９を通過する間にこのｐ型ＺｎＳＳｅ層９に平行な方向に十分に拡散されるため、ｐ側電極１３によって囲まれた部分の中央部における活性層６にも電流が注入される。図５において、その様子を正孔の経路により模式的に示す。以上のようにして、格子状のｐ側電極１３からのみ電流注入が行われるにもかかわらず、均一性に優れた面発光を実現することができる。
【００６０】
この第２実施例によっても、第１実施例と同様に、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いた青緑色で面発光可能でしかも極めて高輝度の高性能の面発光型発光ダイオードを実現することができる。
【００６１】
図７はこの発明の第３実施例による面発光型発光ダイオードを示す。この第３実施例による面発光型発光ダイオードの平面図は図１に示すと同様である。
【００６２】
図７に示すように、この第３実施例による面発光型発光ダイオードにおいては、ｎ型ＺｎＳＳｅ層３とｎ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層４との間にＺｎＭｇＳＳｅ／ＺｎＳＳｅ超格子層から成るブラッグリフレクター１８が設けられている。このブラッグリフレクター１８の反射率が最大となるようにするために、このブラッグリフレクター１８を構成するＺｎＭｇＳＳｅ／ＺｎＳＳｅ超格子層の各層の厚さは、それに屈折率をかけた光学的距離が発光波長の１／４に等しくなるように設定される。このブラッグリフレクター１８の反射率をより高くするためには、このブラッグリフレクター１８を構成するＺｎＭｇＳＳｅ／ＺｎＳＳｅ超格子層の繰り返し周期を多くするのがよい。その他の構成は、第１実施例による面発光型発光ダイオードと同様である。
【００６３】
この第３実施例による面発光型発光ダイオードの製造方法は、第１実施例による面発光型発光ダイオードの製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【００６４】
この第３実施例による面発光型発光ダイオードにおいては、活性層６で発生した光のうちｎ型ＧａＡｓ基板１側に向かう光はブラッグリフレクター１８によりｐ側電極１３側に反射されるため、このｎ型ＧａＡｓ基板１側に向かう光がｎ型ＧａＡｓ基板１により吸収されるのを防止することができ、このｎ型ＧａＡｓ基板１側に向かう光をも面発光に利用することができる。これによって、ブラッグリフレクター１８が設けられていない場合に比べて発光効率を約２倍にすることができる。
【００６５】
この第３実施例によれば、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いた、青緑色で面発光可能でしかも第１実施例および第２実施例に比べてさらに高輝度の面発光型発光ダイオードを実現することができる。
【００６６】
なお、ブラッグリフレクター１８を設けた場合には、このブラッグリフレクター１８により電圧降下が生じることにより、低動作電圧化に支障が生じるおそれがある。しかしながら、このブラッグリフレクター１８を構成するＺｎＭｇＳＳｅ／ＺｎＳＳｅ超格子層におけるヘテロ界面部分を組成傾斜させたり、このＺｎＭｇＳＳｅ／ＺｎＳＳｅ超格子層に不純物を高濃度にドープしたり、あるいは、いわゆるデルタドープによるマイクロキャパシタを設けたりすることによって、面発光型発光ダイオードの実際の動作時におけるこのブラッグリフレクター１８による電圧降下を減少させることができる。そして、これによって、面発光型発光ダイオードの劣化を防止し、長寿命化を図ることができる。
【００６７】
以上、この発明の実施例について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００６８】
例えば、上述の第３実施例による面発光型発光ダイオードと同様な構造により面発光型半導体レーザーを実現することもできる。すなわち、この場合には、ブラッグリフレクター１８とｐ側電極１３側の真空とにより垂直共振器構造が形成されるため、レーザー発振が可能である。
【００６９】
また、上述の第１実施例〜第３実施例において用いられているｎ型ＺｎＳＳｅ光導波層５およびｐ型ＺｎＳＳｅ光導波層７の代わりにｎ型ＺｎＳｅ光導波層およびｐ型ＺｎＳｅ光導波層を用いてもよい。
【００７０】
また、上述の第１実施例〜第３実施例においては、ｐ型ＺｎＳｅ光導波層７、ｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層８、ｐ型ＺｎＳＳｅ層９、ｐ型ＺｎＳｅコンタクト層１０、ｐ型ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅＭＱＷ層１１およびｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１６のアクセプタ不純物としてのＮのドーピングは、ＥＣＲにより発生されたＮ２ プラズマを照射することにより行っているが、このＮのドーピングは、例えば、高周波プラズマにより励起されたＮ２ を照射することにより行うようにしてもよい。
【００７１】
なお、この発明による半導体発光素子によれば、緑色ないし青色での高輝度の発光が可能であるため、すでに実現されている赤色で発光な高輝度の半導体発光素子と組み合わせることにより、ＲＧＢ３原色を構成することができる。これによって、カラーディスプレーなどの実現が可能となる。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、クラッド層および活性層の材料としてＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いた、緑色ないし青色で面発光可能な半導体発光素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例による面発光型発光ダイオードを示す平面図である。
【図２】この発明の第１実施例による面発光型発光ダイオードを示す断面図である。
【図３】ｐ型ＺｎＳｅ／ｐ型ＺｎＴｅ界面の近傍の価電子帯を示すエネルギーバンド図である。
【図４】ｐ型ＺｎＴｅから成る量子井戸の幅ＬＷ に対する量子井戸の第１量子準位Ｅ１ の変化を示すグラフである。
【図５】この発明の第１実施例による面発光型発光ダイオードにおけるｐ型ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅＭＱＷ層の設計例を示すエネルギーバンド図である。
【図６】この発明の第２実施例による面発光型発光ダイオードを示す断面図である。
【図７】この発明の第３実施例による面発光型発光ダイオードを示す断面図である。
【符号の説明】
１ ｎ型ＧａＡｓ基板
２ ｎ型ＺｎＳｅバッファ層
３ ｎ型ＺｎＳＳｅ層
４ ｎ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層
５ ｎ型ＺｎＳＳｅ光導波層
６ 活性層
７ ｐ型ＺｎＳＳｅ光導波層
８ ｐ型ＺｎＳＳｅ光導波層
９ ｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層
１０ ｐ型ＺｎＳｅコンタクト層
１１ ｐ型ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅＭＱＷ層
１２ ｐ型ＺｎＴｅコンタクト層
１３ ｐ側電極
１４ Ａｕ膜
１５ ｎ側電極
１７ 反射防止膜
１８ ブラッグリフレクター

Claims (5)

  1. 基板上に積層されたｎ型のＺｎＭｇＳＳｅ系化合物半導体から成る第１のクラッド層と、
    上記第１のクラッド層上に積層された活性層と、
    上記活性層上に積層されたｐ型のＺｎＭｇＳＳｅ系化合物半導体から成る第２のクラッド層と、
    上記第２のクラッド層上に積層された厚さが５０〜１００ｎｍのｐ型のＺｎＴｅ系化合物半導体層と、
    上記ｐ型のＺｎＴｅ系化合物半導体層上に設けられた金属から成る格子状のｐ側電極とを有し、
    上記基板の主面に対してほぼ垂直な方向に光が面状に取り出される
    ことを特徴とする半導体発光素子。
  2. 上記ｐ側電極を覆うように設けられた、光取り出しに支障を生じない程度の厚さの金属膜を有することを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
  3. 上記活性層はＺｎＣｄＳｅ系化合物半導体またはＺｎＳｅ系化合物半導体から成ることを特徴とする請求項１または２記載の半導体発光素子。
  4. 上記基板はＺｎＳｅ基板であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の半導体発光素子。
  5. 上記基板はＧａＡｓ基板であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の半導体発光素子。
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