JP3754120B2 - 半導体発光装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は多層の化合物半導体より構成され、青色から近紫外の波長領域において、低雑音でかつ長時間の連続動作が可能なレーザーダイオード、及び高輝度で長寿命な発光ダイオード等の半導体発光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＧａＮ及びＧａＮ系混晶は、禁制帯幅が３．４ｅＶ以上と大きく、また直接遷移形であるため短波長の半導体レーザーダイオード（以下ＬＤと略称）の材料として期待されている。発光ダイオード（以下ＬＥＤと略称）としても、ＧａＮを用いた青色ＬＥＤの開発が従来から行われている。しかし、ＧａＮ及びＧａＮ系混晶を用いたＬＤにおいては、パルス動作が報告されているのみであり連続動作は実現していない。短波長のＬＤを高密度記録用の光源として使用するためには、連続動作が可能であるばかりでなく横モードが単峰に制御され、かつ低雑音でなくてはならないが、まだこれらの事項については、何等の検討もなされていない。またＧａＮを用いた青色ＬＥＤについても、高輝度で長寿命のものは得られていない。
【０００３】
図９に発光層と第１、第２のとじ込め層を具備する従来の代表的な可視領域ＬＤの構造を示す。ＧａＩｎＰ（以下特に必要な場合のほかＡ_x Ｂ_1-x Ｃ、０≦ｘ≦１の化合物をＡＢＣと略称する。４元系も同じ）から成る発光層３７の下部にｎ−ＡｌＧａＡｓから成る第１のとじ込め層３６が設けられ、前記発光層３７の上部に凸状に加工されたｐ−ＡｌＧａＩｎＰから成る第２のとじ込め層３８が形成される。凸状に加工された前記第２のとじ込め層３８の両側面に接して、基板３４と同じ格子定数を有するｎ−ＧａＡｓ又はｎ−ＡｌＧａＡｓから成る電流阻止層３９を設ける。凸状に加工された第２のとじ込め層３８の頂上面にｐ⁺ −ＧａＩｎＰから成る中間コンタクト層４０が形成され、前記中間コンタクト層４０及び前記電流阻止層３９の上部と電流供給用電極４２との間にｐ−ＧａＡｓから成るコンタクト層４１が形成される。なお３５はｎ−ＧａＡｓ基板３４上への多層成長を容易にするためのｎ−ＧａＡｓバッファ層、４３は前記基板に設けた電流電極である。
【０００４】
図９に示す従来の可視領域のＬＤにおいては、横モード制御は発光層３７からの発光エネルギーが前記電流阻止層３９の禁制帯幅よりも大きいことによる光吸収効果を利用して行われる。またこの構造では、最後に成長するコンタクト層４１として、成長基板３４及び前記電流阻止層３９と同じ材料が用いられているために装置全体として格子整合がとり易く、凸状にエッチング加工された第２の光とじ込め層３８の両側面に接して再成長により形成される前記電流阻止層３９も高品質とすることができる。しかし上記のようなＬＤの構成では横モード制御が以下に述べるように光吸収により行われる。図９のＬＤの構成は、格子整合の立場からは優れているが、光吸収の効果が大きいために、レーザ発光のしきい値電流が大きくなる欠点がある。
【０００５】
上記の従来例の説明に用いたように、閉じ込め層とは、キャリヤを発光層内に集中し、またＬＤ発光が高い効率で安定に生ずるよう光の導波モードを前記発光層と整合させるため、前記発光層の上下両面に構成される多層構造をいう。電流阻止層とは、前記発光層とこれに電流を供給する上部電極との間に、一部の領域を除いて電流を阻止することができる構造を構成し、これを用いて前記発光層の面内に、ＬＤの横モード制御に適した電流の集中を生じさせることをいう。この時前記電流阻止層は、同時にＬＤ発光の横モードを制御するように構成することができる。
【０００６】
とくに発光層へのキャリヤ集中のみ着目したヘテロ障壁によるキャリヤ閉じ込め層、ヘテロ界面の屈折率の差を用いた光閉じ込め層、導波層、クラッド層等の通常の技術用語は必要に応じて随時使用する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は低雑音で安定な横モードを備え、かつ長寿命の連続動作が可能な、青色から近紫外の波長領域のＧａＮ系のＬＤ、及び同様な波長領域のＧａＮ系の高輝度、長寿命なＬＥＤを実現することを目的としている。
【０００８】
図９を用いて説明したように、従来の代表的な可視領域ＬＤの構造においては、電流阻止層３９の禁制帯幅がＧａＩｎＰ発光層３７の発光エネルギーよりも小さいために、電流阻止層３９の屈折率がＡｌＧａＩｎＰ閉じ込め層３８の屈折率よりも大きく、屈折率差に基づく電流阻止層３９の横モード制御機能を期待することはできない。
【０００９】
発明者の研究によれば、このとき横モード制御に対して有効となるのは、屈折率の虚数部に相当する光吸収係数であることが判明した。すなわち従来の代表的な可視領域ＬＤの構造において、横モード制御は、ｎ−ＧａＡｓから成る電流阻止層３９の大きな光吸収に基づくものであることが明らかとなった。
【００１０】
従来の可視領域のＬＤに比べてはるかに発光波長の短い、青色から近紫外の波長領域のＧａＮ系のＬＤ、ＬＥＤでは、ＬＤ動作を行うために約３倍から４倍の励起キャリヤ密度が必要である。このため、ＬＤのしきい値電流を大きくする光吸収の効果を小さくしなければならない。ＧａＮ系のＬＤでは、基板に相当する材料がＧａＮとなるために、ＧａＮよりも禁制帯幅の小さいＧａＩｎＮを発光層とし、電流阻止層としてＧａＮを用いれば電流阻止層による光吸収が小さく、かつ格子整合のとれた構成となるが、一方電流阻止層の光吸収が小さいため横モードの不安定や雑音の増加が予想される。このように、従来の可視領域ＬＤ構成の考え方を単に延長するのみでは、実用的なＧａＮ系青色ＬＤ、ＬＥＤを得ることができない。
【００１１】
上記のようにＧａＮ及びＧａＮ系混晶を用いたＬＤ、ＬＥＤの装置構成として、サファイヤ、ＳｉＣ等の基板上にＧａＮ系混晶材料から成る発光層、光及びキャリヤ閉じ込めのための閉じ込め層から成る多層構造を形成したものが、候補として考えられる。しかし前記多層構造と、これを成長するサファイヤ、ＳｉＣ等の成長基板との間の格子不整合、あるいは多層構造を構成する化合物半導体薄層間の格子不整合が存在するために、前記多層構造中に高密度の転位が発生し、発光強度の低下や寿命の低下を生ずる。
【００１２】
室温で連続動作するＬＤを実現するには、動作電流を低減するために発光層の厚さを０．００１〜０．０１μｍ程度にしなければならない。またキャリヤと光の十分な閉じ込め効果を発揮させるためには、閉じ込め層の膜厚が十分に厚いことと、活性層と閉じ込め層の禁制帯幅の差が大きく、かつ発光層と閉じ込め層の間のヘテロ接合介面が平坦であることが要求される。
【００１３】
発明者の研究によれば、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ（０≦ｘ≦１）を用いて閉じ込め層を形成するには、Ａｌ組成ｘとして最低０．１、望ましくは０．１５から０．３の値を有することが必要であり、また発光層との格子整合の関係からは０．１５以下とすることが望ましい。しかし、ｘの値を０．１５以下とすれば、光の閉じ込め効果が低下するために、動作電流の増加が避けられない。前記光閉じ込め効果の低下を回復するためには、発光層と光閉じ込め層との間に両者の中間の禁制帯幅を有する光導波層を挿入することが有効な方法であるが、このとき前記発光層へのキャリヤ閉じ込め効果が低下するため、その対策として前記発光層を、光導波層を構成するＡｌＧａＮより禁制帯幅の小さいＧａＩｎＮにしなければならない。
【００１４】
一方閉じ込め層の膜厚は、青色から近紫外の波長領域では少なくとも０．２μｍ、望ましくは０．３μｍから０．５μｍとしなければならない。しかし、Ａｌ組成の高いＡｌＧａＮは、とくにｐ形の比抵抗が高く、このため閉じ込め層の膜厚が大であれば、発光装置の動作電圧が大となり、実用的な装置を得ることができない。
【００１５】
従って本発明の解決しようとする課題は、ＧａＮ系青色ＬＤにおいて、しきい値電流低減につながる発光層の厚さ方向の光とじ込めを屈折率差で行い、低雑音化と高密度記録につながる横モード制御を、電流阻止層に不純物を添加して適度な光吸収係数を生じさせることにより達成することにある。すなわちＧａＩｎＮ発光層を中心として、これらの諸機能を具備し、かつ格子整合のとれた化合物半導体材料の最適な組み合わせを見い出だすことにある。高輝度ＬＥＤは、ＬＤと同様な構造のものを、しきい値電流以下で動作することにより達成されるので、技術的課題は基本的にはＬＤと同様である。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決する手段は次の通りである。
高濃度の不純物添加により比抵抗を大幅に低減したＢＰ又はＳｉＣをコンタクト層として用いることにより、ＧａＮ系ＬＤ、ＬＥＤの動作電圧を低減することができる。また従来の可視ＬＤのように、電流阻止層と発光層との禁制帯幅の差に基づく電流阻止層の極めて大きな光吸収により、横モードを制御するのではなく、高濃度に不純物を添加する方法で電流阻止層の光吸収を適度に増加することにより、電流阻止層に横モード制御機能を付与し、ＧａＮ系青色ＬＤの低雑音化と高密度な光読み取りを可能とすることができる。
【００１７】
光及びキャリヤを閉じ込めるための閉じ込め層としては、ＧａＩｎＮ発光層と格子整合するＧａＮ、ＡｌＧａＮを用いることにより、屈折率の差に基づく光とじ込めとヘテロ界面によるキャリヤのとじ込めを行う。
また光閉じ込め層にＧａＩｎＮから成る可飽和吸収層を含ませることにより、自己間欠動作する低雑音高密度光読取り用ＬＤを得ることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の第１の実施の形態を説明する。
図１に本発明の第１の実施の形態の半導体発光装置である青色ＬＤの断面構造を示す。ドナー濃度１−５×１０¹⁸／ｃｍ³ 、望ましくは３−５×１０¹⁸／ｃｍ³ の面指数（０００１）を有するｎ−ＳｉＣ基板２のＳｉ面上に、Ｓｉドープｎ−ＡｌＮから成る電子濃度１−５×１０¹⁹／ｃｍ³ 、厚さ１−１００ｎｍのバッファ層３を１３５０℃の温度で形成する。次に格子不整合による歪みを除去するために、ＮＨ₃ と水素の混合気流中で１４００℃で３０分アニールした後、Ｓｉドープｎ−ＧａＮから成るドナー濃度１−５×１０¹⁸／ｃｍ³ 、厚さ１−５μｍの第１コンタクト層４を成長する。
【００１９】
引き続き装置の主要部を構成するＳｉドープｎ−Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎから成るドナー濃度５×１０¹⁷／ｃｍ³ −３×１０¹⁸／ｃｍ³ 、厚さ０．２−０．５μｍの第１クラッド層５と、Ｓｉドープｎ−ＧａＮから成るドナー濃度５×１０¹⁷／ｃｍ³ −１×１０¹⁸／ｃｍ³ 、厚さ０．１−０．２μｍの第１導波層６と、意識的には不純物を添加しない厚さ０．００１−０．０５μｍのＧａ_0.85Ｉｎ_0.15Ｎから成る発光層７と、Ｍｇドープｐ−Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎから成るアクセプタ濃度１−５×１０¹⁸／ｃｍ³ 、厚さ０．０１−０．０５μｍの第２クラッド層８と、Ｍｇドープｐ−Ｇａ_0.8 Ｉｎ_0.2 Ｎから成るアクセプタ濃度１−５×１０¹⁸／ｃｍ³ 、厚さ０．００１−０．０５μｍの可飽和吸収層９と、Ｍｇドープｐ−Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎから成るアクセプタ濃度１−５×１０¹⁸／ｃｍ³ 、厚さ０．０１−０．０５μｍの第３クラッド層１０を形成する。
【００２０】
次に凸形のストライプ状に加工したＭｇドープｐ−ＧａＮから成るアクセプタ濃度１−５×１０¹⁸／ｃｍ³ 、厚さ０．０１−０．１μｍの第２導波層１１と、Ｍｇドープｐ−Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎから成るアクセプタ濃度１−３×１０¹⁹／ｃｍ³ 、厚さ０．２−０．５μｍの第４クラッド層１２と、Ｍｇドープｐ−ＧａＮから成るアクセプタ濃度２−９×１０¹⁹／ｃｍ³ 、厚さ０．０１−０．１μｍの中間コンタクト層１３を順に形成する。凸形のストライプ状に加工した前記第２導波層１１と第４クラッド層１２と中間コンタクト層１３の上にはＭｇドープｐ−ＢＰから成るアクセプタ濃度１−９×１０¹⁹／ｃｍ³ 、厚さ０．５５μｍのコンタクト層１４を形成する。ここでコンタクト層の厚さとは、凸形ストライプの頂上面から、ＰａＺｎ／Ａｕから成る最上部の電流供給用電極１５の下面までの距離である。なおＴｉ／Ｐｔ／Ａｕから成る電流供給用の対向電極１がｎ−ＳｉＣ基板２に設けられている。
【００２１】
この構造では、電流狭窄はＢＰとＡｌＧａＮ混晶及びＧａＮとの間の高いヘテロ障壁と、高濃度Ｍｇドープ中間コンタクト領域での実効障壁高さの低下により達成される。ＡｌＧａＮ混晶及びＧａＮでは、正孔の有効質量が極めて大きいので、わずかな障壁高さで正孔電流を阻止することができる。また第４クラッド層１２と中間コンタクト層１３の間の障壁を実質的に消失させるには、両者の間に構成原子の相互拡散が誘発されるよう、Ｍｇのドーピング濃度を１×１０¹⁹／ｃｍ³ 以上とすることが望ましい。
【００２２】
第２クラッド層８は発光層７からの電子の漏れを抑制するものであり、第２導波層１１は第１導波層６とほぼ同程度の厚さにすることにより、導波される光強度の最大値を発光層７の位置に制御することにより、動作電流を低減する効果がある。この効果は０．０１μｍ以下の極薄発光層の場合に重要である。
【００２３】
またｐ−ＡｌＧａＮ第３クラッド層１０は、凸形のストライプをエッチング加工をする時、エッチング自己停止層としても機能する。すなわち、塩素イオンを用いた気相エッチングによりｐ−ＧａＮ第２光導波層１１の途中まで除去した後、ｐ−ＢＰコンタクト層１４を有機金属気相成長法で成長する直前に、水素中で約１０００℃の熱処理をすることにより、残存するＧａＮ層のみを選択的に除去することができる。この方法は前記エッチング後、ｐ−ＢＰコンタクト層１４を再成長する時の表面清浄化工程としても有効であり、ｐ−ＢＰコンタクト層１４と第３クラッド層１０の表面及び２導波層１１、第４クラッド層１２の側面との間のヘテロ接合界面に良好な障壁を形成することにより、優れた電流阻止機能を発揮することができる。
【００２４】
ｐ−ＧａＩｎＮ可飽和吸収層９は、本実施の形態のＬＤ装置を光記録の読取り光源として用いる時、繰り返し周期数ＧＨｚ以上の自己間欠動作を行うことにより戻り光による雑音を防止するため挿入されたものである。従って、本第１の実施の形態の発光装置を、高輝度青色ＬＥＤとして用いるときには、前記可飽和吸収層９は省略することができる。
【００２５】
ＢＰは間接遷移形半導体であるため比較的光吸収係数が小さい。また直接遷移に対応する禁制帯幅がＧａＮより大きいために屈折率がＧａＮより小さく、屈折率による光の導波効果と閉じ込め効果が期待できる。このため、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ層を薄くすることができる利点がある。またＢＰはＡｌＧａＮ、ＧａＮとのヘテロ接合界面で電流狭窄を行うと同時に、前記不純物添加により生じた１０² 〜１０³ ／ｃｍの適度な光吸収損失により、ＬＤのしきい値電流を増加することなく安定した基本横モードの制御を行うことができる。従って低雑音で波面歪み等の少ない高密度の光ディスク用読取り光源に適した良好な特性が実現される。
【００２６】
電流供給用のｎ側電極１は、Ｔｉ：０．１μｍ、Ｐｔ：０．１μｍ、Ａｕ：０．５μｍ、ｐ側電極１５は、ＰｄＺｎ：０．１μｍ、Ａｕ：０．５μｍを順次形成した後、不活性ガスもしくは窒素ガス中で温度４００〜８００℃で熱処理し、オーミック電極を形成する。このほかｎ側電極としてはＴｉＡｌ、Ｎｉを、ｐ側電極としてはＮｉ、ＮｉＺｎ及びその合金を使用することができる。
【００２７】
なおＡｌＮバッファ層３の成長に際しては、他の窒化化合物層の成長時に比べて、ＮＨ₃ 流量を１／１０から１／１００に減少した。これは成長初期にＳｉＣ基板２の表面が窒化し、高抵抗の膜を形成するのを防止するためである。ＡｌＮバッファ層の膜厚は０．００１〜０．１μｍとするのが適切である。これ以下ではバッファ層が完全な連続膜にならないため、その上に成長する窒化化合物層の結晶品質が低下する。また膜厚が厚すぎる場合にはひび割れが発生し、電気抵抗が増加する。
【００２８】
図２は本発明の第１の実施の形態の変形例を示す青色ＬＤの断面図である。本変形例では凸形に加工されたｐ−ＧａＮ第２導波層１１、ｐ−ＡｌＧａＮ第４クラッド層１２、ｐ⁺ −ＧａＮ中間コンタクト層１３の両側の面上にｎ−ＢＰ電流阻止層１６を設け、前記１３と１６の上にｐ−ＢＰコンタクト層１７を形成したものである。この時電流狭窄は、ｎ−ＢＰ１６とｐ−ＢＰ１７及びｐ−ＡｌＧａＮ１０等の間に形成されるヘテロｐｎ接合により行われるため障壁高さが大となり、第３、第４のｐ形クラッド層１０、１２及び第２導波層１１のドーピング濃度をより高くしてＬＤの動作抵抗を低減することができる。
【００２９】
図３はＢＰが厚膜成長可能でありかつ安定であることを利用して、図２に示すＬＤ構造を形成の後、バッファ層３を含めてｎ−ＳｉＣ基板２を研磨により除去した他の変形例である。この時ｎ−ＧａＮの電流供給電極１８としてＴｉ／Ａｌを用いる。この様にｎ−ＳｉＣ基板２及びバッファ層３を除去することにより、ＬＤの動作電圧を低減し、長寿命の連続動作に必要な熱抵抗の大幅な低減を達成することができる。
【００３０】
図４は図２の凸形に加工されたｐ形層の両脇に、ｎ−ＳｉＣ電流阻止層１９を設けた他の変形例である。ｎ−ＳｉＣを用いる場合には、アルミナをマスクとしてｐ形層を凸に加工した後、選択成長により電流阻止層を自己整合的に形成することができる利点がある。
【００３１】
図５は、本発明の第２の実施の形態を示す利得ガイド形青色ＬＤの断面図である。参照番号１〜８までは図１と同様であるため説明を省略する。ｐ−ＡｌＧａＮ第２クラッド８の上にｐ−ＧａＮ第２導波層２０、ｐ−ＡｌＧａＮ第３クラッド層２１を形成する。ｐ−ＧａＩｎＮ過飽和吸収層（図示されていない）は、必要に応じて前記第２、第３のクラッド層の間に挿入する。平坦な第３クラッド層上に凹状に加工したｐ−ＧａＮ第３導波層２２と、その両側の上面に電流阻止用のｎ−ＧａＮ２３を形成する。前記凹状に加工したｐ−ＧａＮ第３導波層２２及び電流阻止用のｎ−ＧａＮ２３の上に凹面を埋め込むようにｐ−ＢＰコンタクト層２４が形成される。
【００３２】
この時電流阻止はｎ−ＧａＮ２３とｐ−ＢＰ２４との間のヘテロｐｎ接合により行われる。また横モード制御は前記ＢＰにより埋め込まれた発光層上部の凹状の閉じ込め層により生じた横方向の実効屈折率の変化に基づき行われる。本変形例はＬＤ動作のしきい値電流以下で、このまま高輝度青色ＬＥＤとして動作することもできるが、とくに高輝度青色ＬＥＤ又はパルス動作の青色ＬＤとして用いる場合には、ｐ−ＧａＮ第３導波層２２の凹状加工と、電流阻止用のｎ−ＧａＮ２３を省略し、ＢＰを含めて全て平坦な多層構造とすることができる。
【００３３】
次に図６に示す青色ＬＤの断面図に基づき、本発明の第３の実施の形態を説明する。本実施の形態ではｎ−ＳｉＣ基板２への電流電極としてＡｕＧｅ／Ａｕ２５を用いている他、ＧａＩｎＮ発光層７まで第１の実施の形態と同じであるため、説明を省略する。ＧａＩｎＮ発光層７の上にＭｇドープｐ−ＧａＮから成る厚さ０．０５μｍの第２光導波層２６、ｐ−ＧａＩｎＮ過飽和吸収層９、凸形ストライプ状に加工したＭｇドープｐ−Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎから成る厚さ０．３μｍの第２クラッド層２８、Ｍｇドープｐ−ＧａＮから成る厚さ０．５μｍの中間コンタクト層２８が順次形成される。
【００３４】
凸形のストライプ状に加工した第２クラッド層２７と中間コンタクト層２８の両側には、１０¹⁹〜１０²⁰／ｃｍ³ と高濃度にＭｎをドープすることにより光吸収を増加させたＧａＮ電流阻止層２９が、酸化シリコン又は窒化シリコンをマスクとして、選択成長により形成される。最後にＭｇドープｐ−ＧａＮから成る厚さ０．５μｍのコンタクト層３０が形成される。
【００３５】
上記の構造において、第１導波層６の厚さ０．１〜０．２μｍが、第２導波層２６の厚さ０．０５μｍよりも厚いのは、ＧａＩｎＮ発光層内の正孔の有効質量が大きいために、第１導波層６と発光層７との間のヘテロ障壁により十分な正孔の閉じ込め効果が得られ、第１導波層６での正孔の再結合を無視することができることによる。ｐ−ＧａＮから成る第２導波層２６は比抵抗が高いので、これを薄くすることによりコンタクト層との間の電圧降下を低減することができる。
【００３６】
可飽和吸収層９の働きで繰返し数ＧＨｚ以上の自己間欠動作を生じ、光読取りの際の戻り光による雑音の増大が防止される。なお図６の構成をパルス動作の青色ＬＤ又は高輝度青色ＬＥＤとして用いるときには、前記可飽和吸収層９と電流阻止層２９を省略し、全て平面の多層構造により前記ＬＤ、ＬＥＤを構成することができる。
【００３７】
電流電極はｎ側の電極２５にＡｕＧｅ：０．１μｍ、Ａｕ：０．５μｍ、ｐ側の電極３１にＰｄ：０．５μｍ、Ｃｒ：０．１μｍ、Ａｕ：０．５μｍ、を形成の後不活性ガス又は窒素ガス中で４００〜８００℃で熱処理することによりオーミックコンタクトが形成される。
【００３８】
上記のようにＧａＮ電流阻止層２９には不純物として高濃度のＭｎをドープするが、ＭｎをドープすることによりＧａＮが高抵抗となり、動作電流を阻止することができる。同時に前記ＧａＮ電流阻止層２９は１０² 〜１０³ ／ｃｍの適度な光吸収係数を示すようになり、ＬＤ発光の横モードを制御することができる。この時電流阻止層２９への添加不純物は、Ｍｎ以外にも遷移金属Ｃｒ、Ｖなどを用いることができる。ドナーとアクセプタを同時に高濃度に添加してもよい。ドナーとしてはＳｉ、Ｓｅ、アクセプタとしてはＺｎ、Ｃｄなどがある。ＣとＨの同時添加も同様な効果がある。例えばプロパン等の炭化水素を、不純物として添加することにより、同程度のＣとＨが取り込まれるため、製造上有利である。
【００３９】
図７、図８は前記第３の実施の形態の変形例である。図７においてはコンタクト層としてｐ−ＢＰ１７を用いている。また図８においてはコンタクト層としてＡｌを高濃度に添加したｐ−ＳｉＣを用いている。ＢＰもＳｉＣも共に間接遷移形であるため比較的光吸収が小さく、かつ正孔の移動度が大きいのでｐ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層２７、ｐ−ＧａＮ中間コンタクト層２８の厚さを薄くしても、コンタクト層３２の光吸収の影響が小さいので、動作電圧を大幅に低減することができる。前述の通りＢＰではＧａＮよりも屈折率が小さいために、コンタクト層としての機能のほかに光閉じ込めにも寄与するので、前記第２クラッド層２７、中間コンタクト層２８の厚さを更に薄くできる利点がある。なお図８に示す変形例では、ＳｉＣコンタクト層３２を厚く成長した後、ＳｉＣ基板２とバッファ層３を研磨により除去することができる。このようにして、動作電圧と熱抵抗を大幅に低減することができる。
【００４０】
図１０は本発明のＬＤ、ＬＥＤを作製するのに用いた製造装置の構成を示す断面図である。石英反応管６１のガス導入口６２から、気相成長の原料となる混合ガスが導入される。図の６３はガスの排気口である。反応管６１の内部には、カーボンサセプタ６４が配置され、ＳｉＣ成長基板６７が前記カーボンサセプタ６４の上に載置される。カーボンサセプタ６４は高周波コイル６５により誘導加熱される。基板６７の温度は熱電対６６を用いて測定され、温度コントローラ（図示されていない）により制御される。本発明のＬＤ、ＬＥＤは前記図１０の製造装置を用いて次のような方法で作製される。
【００４１】
ＳｉＣ成長基板６７をカーボンサセプタ６４に載置した後、ガス導入口６２から高純度水素を１ｌ／ｍｉｎ導入し、反応管６１の大気を置換する。次にガス排気口６３をロータリポンプに接続し、反応管内部の圧力を１０〜１００ｔｏｒｒの範囲に設定する。
【００４２】
ＳｉＣ成長基板６７を水素中で１５００℃に加熱し表面を清浄化する。次に基板温度を１０５０〜１４００℃に低下し、水素ガスにＮＨ₃ ガス、Ｎ₂ Ｈ₄ ガス、又はＮを含む有機化合物、例えば（ＣＨ₃ ）₂ Ｎ₂ Ｈ₂ を導入すると共に、有機金属化合物を導入し気相成長を行う。Ｇａ化合物としては、例えばＧａ（ＣＨ₃ ）₃ 又はＧａ（Ｃ₂ Ｈ₅ ）₃ を導入して成長を行う。Ａｌ化合物としては、例えばＡｌ（ＣＨ₃ ）₃ 又はＡｌ（Ｃ₂ Ｈ₅ ）₃ 、Ｉｎ化合物としては、例えばＩｎ（ＣＨ₃ ）₃ 又はＩｎ（Ｃ₂ Ｈ₅ ）₃ を導入してＡｌ、Ｉｎの添加を行う。不純物を添加する場合には不純物原料を同時に導入する。
【００４３】
不純物添加の原料としては、ｎ形不純物用としてＳｉ水素化物、例えばＳｉＨ₄ 、有機金属Ｓｉ化合物、例えばＳｉ（ＣＨ₃ ）₄ 、又はＨ₂ Ｓｅ等がある。ｐ形不純物用として有機金属Ｍｇ化合物、例えばＣｐ₂ Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）又は有機金属Ｚｎ（ＣＨ₃ ）₂ 等を使用する。炭素を添加するためにはプロパンガス、エタン、ペンタンを使用する。Ｉｎの取り込み率を改善するためＩｎを含む層を形成する際には、窒素、アルゴン等の水素を含まない雰囲気中で成長し、原料としてはＮＨ₃ ガスより分解率が高い（ＣＨ₃ ）₂ Ｎ₂ Ｈ₂ を用いる。
【００４４】
ｐ形不純物の活性化率を増加するためには、結晶中への水素の混入を抑制することが重要である。このため、成長温度から冷却する際、７００〜８５０℃まではＮＨ₃ ガス中で冷却して窒素の解離を抑え、それ以下の温度では不活性ガス中で冷却することにより水素の混入を抑制する。ｐ形不純物の活性化率を高めるためには、ＲＦプラズマにより生成した窒素ラジカル中で熱処理する。この方法によれば、結晶中からの窒素原子の離脱を完全に防止することができるため、９００〜１２００℃での高温熱処理が可能であるばかりでなく、窒素空孔等の格子欠陥を除去することもできる。
【００４５】
高温熱処理の具体例は次の通りである。原料としてＮＨ₃ を１×１０^-3ｍｏｌ／ｍｉｎ、Ｇａ（ＣＨ₃ ）₃ を１×１０^-5ｍｏｌ／ｍｉｎ、Ａｌ（ＣＨ₃ ）₃ を１×１０^-6ｍｏｌ／ｍｉｎ導入して成長を行う。基板温度は１０５０℃、圧力７６ｔｏｒｒ、原料ガスの総流量は１ｌ／ｍｉｎ、ｎ形不純物としてＳｉとＳｅ、ｐ形不純物としてＭｇと炭素を用いる。この時の不純物の原料ガスはＳｉＨ₄ 、Ｈ₂ Ｓｅ、Ｃｐ₂ Ｍｇ、プロパンを使用する。
【００４６】
ＧａＮ系ヘテロ構造部を成長後、３塩化硼素を用いたプラズマエッチングにより、図１に示した中間コンタクト層１３、第４クラッド層１２、ＧａＮ第２導波層１１を凸形に加工する。この時前述のように、前記ＧａＮ第２導波層１１を途中までエッチングして凸形のメサストライプを形成した後、有機金属気相成長の炉内で、ＮＨ₃ と水素を含む雰囲気中で温度約１０００〜１２００℃で３０分熱処理する。この熱処理により表面が清浄化されると共に、前記プラズマエッチングで故意に残されたＧａＮ第２導波層が選択的に除去される。この熱処理工程により再現性よく前記凸形構造が形成され、良好なモード制御が達成される。
【００４７】
次に基板温度を１１００〜１２５０℃に設定し、反応管にジボランとホスフィンを導入してｐ−ＢＰコンタクト層１４を成長する。ｐ形不純物としてはＭｇ、Ｚｎ、ｎ形不純物としてはＳｉ、Ｓｅを用いる。図６に示すように最後にｐ−ＧａＮコンタクト層３０を成長する場合には、ウエハを窒素ラジカル中で温度４００〜１０００℃、好ましくは６００〜８００℃で熱処理することにより、熱処理中の窒素の抜けを抑え、ｐ形層をより低抵抗とすることができる。
【００４８】
図１１に熱処理装置の構成の概要を示す。ガス導入口からアルゴンと窒素の混合ガスを導入し、排気口よりロータリポンプを用いて排気することにより、石英管７１の内部の圧力をプラズマ発生部で安定なガスプラズマが維持されるよう調整する。図の７５はプラズマ発生用の高周波電源である。支持台７３上に被処理体を載置して前記の熱処理を行う。例えば図１に示すように、最後に成長するコンタクト層がｐ−ＢＰである場合には、前記熱処理を加えなくてもコンタクト層として十分低抵抗の特性を得ることができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上述べたように高濃度の不純物添加により比抵抗を大幅に低減したＢＰ、ＧａＮ又はＳｉＣをコンタクト層として用いることにより、ＧａＮ系青色ＬＤ、ＬＥＤの動作電圧を低減し、長寿命の連続動作を実現することができる。
【００５０】
ＢＰ、ＧａＮ又はＳｉＣから成る電流阻止層に、高濃度の不純物を添加することにより、電流阻止層としての機能と横モード制御機能を有する低雑音で高密度な光読み出しが可能なＬＤを得ることができる。
【００５１】
また発光層にＧａＩｎＮ混晶を用い、電流阻止層及びコンタクト抵抗低減のための材料にＢＰ、ＧａＮ又はＳｉＣを用いて、発光層との間の禁制帯幅の差を小さくし、前記禁制帯幅の差に基づく過大な光吸収による損失を防止することにより、動作電流の小さい青色ＬＤ、又は高輝度の青色ＬＥＤを得ることができる。また光閉じ込め層にＧａＩｎＮ混晶から成る過飽和吸収層を含ませることにより、自己間欠動作する低雑音高密度記録用ＬＤを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態のＬＤの構造を示す断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の変形例を示す断面図。
【図３】基板を除去した本発明のＬＤ構造の変形例を示す断面図。
【図４】本発明の第１の実施の形態の他の変形例を示す断面図。
【図５】本発明の第２の実施の形態のＬＤの構造を示す断面図。
【図６】本発明の第３の実施の形態のＬＤの構造を示す断面図。
【図７】本発明の第３の実施の形態の変形例を示す断面図。
【図８】本発明の第３の実施の形態の他の変形例を示す断面図。
【図９】従来の可視光領域のＬＤの構造を示す断面図。
【図１０】本発明のＬＤ、ＬＥＤの製造装置の構成を示す断面図。
【図１１】本発明のＬＤ、ＬＥＤ熱処理装置の構成を示す略図。
【符号の説明】
１ Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極
２ ｎ−ＳｉＣ基板
３ ｎ−ＡｌＮバッファ層
４ ｎ−ＧａＮ第１コンタクト層
５ ｎ−ＡｌＧａＮ第１クラッド層
６ ｎ−ＧａＮ第１導波層
７ ＧａＩｎＮ発光層
８ ｐ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層
９ ｐ−ＧａＩｎＮ可飽和吸収層
１０ ｐ−ＡｌＧａＮ第３クラッド層
１１ ｐ−ＧａＮ第２導波層
１２ ｐ−ＡｌＧａＮ第４クラッド層
１３ ｐ⁺ −ＧａＮ中間コンタクト層
１４ ｐ−ＢＰコンタクト層
１５ ＰｄＺｎ／Ａｕ電極
１６ ｎ−ＢＰ電流阻止層
１７ ｐ−ＢＰコンタクト層
１８ Ｔｉ／Ｎ電極
１９ ｎ−ＳｉＣで電流阻止層
２０ ｐ−ＧａＮ第２導波層
２１ ｐ−ＡｌＧａＮ第３クラッド層
２２ ｐ−ＧａＮ第３導波層
２３ ｎ−ＧａＮ電流阻止層
２４ ｐ−ＢＰコンタクト層
２５ ＡｕＧｅ／Ａｕ電極
２６ ｐ−ＧａＮ第２導波層
２７ ｐ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層
２８ ｐ⁺ ＧａＮ中間コンタクト層
２９ ＧａＮ：Ｍｎ電流阻止層
３０ ｐ−ＧａＮコンタクト層
３１ Ｐｄ／Ｃｒ／Ａｕ電極
３２ ｐ−ＳｉＣ：Ａｌコンタクト層
３３ Ｎｉ／Ａｕ電極
３４ ｎ−ＧａＡｓ基板
３５ ｎ−ＧａＡｓバッファ層
３６ ｎ−ＡｌＧａＡｓ第１閉じ込め層
３７ ＧａＩｎＰ発光層
３８ ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２閉じ込め層
３９ ｎ−ＧａＡｓ電流阻止層
４０ ｐ⁺ ＧａＩｎＰ中間コンタクト層
４１ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
４２ 上部電極
４３ 下部電極
６１ 石英容器
６２ ガス導入口
６３ 排気口
６４ カーボンサセプター
６５ 高周波コイル
６６ 熱電対
６７ 気相成長基板
７１ 石英容器
７２ 被熱処理基板
７３ 支持台
７４ 高周波コイル
７５ 高周波源

Claims (8)

1. 第１導電型の第１閉じ込め層と、発光層と、ストライプ状の凸部を有する第２導電型の第２閉じ込め層と、前記凸部の両側に形成された電流阻止層と、前記第２閉じ込め層の前記凸部の頂上面に形成された第２導電型のＧａＮから成る中間コンタクト層と、前記電流阻止層と前記中間コンタクト層上に形成された第２導電型のコンタクト層とを有し、
   前記第１閉じ込め層、前記発光層、及び前記第２閉じ込め層がＡｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＮ（０≦ｘ＋ｙ≦１、０≦ｘ、ｙ≦１）から構成され、前記コンタクト層がＢＰ又はＳｉＣから成ることを特徴とする半導体発光装置。
2. 前記電流阻止層はＢＰ、又はＳｉＣ、又は高濃度のＭｎ添加により発光波長における光吸収が増大したＧａＮ、又は高濃度のＺｎとＳｉの添加により発光波長における光吸収が増大したＧａＮ、又は高濃度の２族不純物の添加により発光波長における光吸収が増大したＧａＮであることを特徴とする請求項１に記載した半導体発光装置。
3. 第１導電型の第１閉じ込め層と、発光層と、ストライプ状の凸部を有する第２導電型の第２閉じ込め層と、前記ストライプ状の凸部を有する第２閉じ込め層を覆うように形成された第２導電型のコンタクト層とを有し、
   前記第１閉じ込め層、前記発光層、及び前記第２閉じ込め層がＡｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＮ（０≦ｘ＋ｙ≦１、０≦ｘ、ｙ≦１）から構成され、前記コンタクト層がＢＰ又はＳｉＣから構成され、かつ前記凸部の両側における前記第２閉じ込め層の上面と前記コンタクト層との界面に生じるヘテロ障壁、及び前記凸部の両側面と前記コンタクト層との界面に生じるヘテロ障壁が前記半導体発光装置の電流阻止層をなすことを特徴とする半導体発光装置。
4. 前記第２閉じ込め層の前記凸部の頂上面に、第２導電型のＧａＮから成る中間コンタクト層が設けられ、前記電流阻止層と前記中間コンタクト層上に、前記コンタクト層が形成されてなることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光装置。
5. 第１導電型の第１閉じ込め層と、発光層と、ストライプ状の凹部を有する第２導電型の第２閉じ込め層と、前記凹部の両側における前記第２閉じ込め層の上に形成された第１導電型の電流阻止層と、前記凹部を埋め込み、かつ前記電流阻止層を覆うように形成された第２導電型のコンタクト層とを有し、
   前記第１閉じ込め層、前記発光層、及び前記第２閉じ込め層がＡｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＮ（０≦ｘ＋ｙ≦１、０≦ｘ、ｙ≦１）から構成され、前記コンタクト層がＢＰ又はＳｉＣから成ることを特徴とする半導体発光装置。
6. 前記第２閉じ込め層は、第２導電型の可飽和吸収層を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載した半導体発光装置。
7. 前記可飽和吸収層は、Ｇａ_1-xＩｎ_xＮ（０≦ｘ≦１）であることを特徴とする請求項６に記載の半導体発光装置。
8. 前記第１、第２閉じ込め層のいずれか一方は、ＧａＮとＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）の２層構造を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の半導体発光装置。

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