JP3796065B2

JP3796065B2 - 発光素子及びその製造方法

Info

Publication number: JP3796065B2
Application number: JP14348799A
Authority: JP
Inventors: 伸彦林; 隆司狩野
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1999-05-24
Filing date: 1999-05-24
Publication date: 2006-07-12
Anticipated expiration: 2019-05-24
Also published as: JP2000332295A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザ、発光ダイオード等の発光素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高密度・大容量の光ディスクシステムに用いられる記録或いは再生用の光源として、青色又は紫色の光を発するＧａＮ系半導体レーザ素子の研究開発が行われている。
【０００３】
このＧａＮ系半導体レーザ素子やＧａＮ系発光ダイオードでは、ＩｎＧａＮ層を発光層として用いているが、ＩｎＧａＮ層は結晶成長すると、成長後にＩｎＧａＮ層を構成する原子、特にＩｎ及びＮが脱離するため、発光層の結晶性が低下し、しきい値電流が大きくなるという問題がある。
【０００４】
また、ＩｎＧａＮからなる発光層を成長した後に、ＡｌＧａＮからなるキャップ層を形成した半導体レーザが提案されている。しかしながら、このＡｌＧａＮのキャップ層を用いた構成のものにおいても、上述したＩｎＧａＮ層を構成する原子の脱離を十分に防止することは出来なかった
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来例の欠点に鑑み為されたものであり、発光層からＩｎ、Ｎ等の構成原子の脱離を抑え、しきい値電流が大きくなることを防止した発光素子及びその製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の発光素子は、第１クラッド層上にＩｎとＮを含有する活性層を有する発光層が形成され、該発光層上に第２クラッド層が形成されている発光素子において、前記発光層は、前記活性層上にＢ（ホウ素）を含有するキャップ層を備えることを特徴とする。
【０００７】
このような構成では、活性層上にＩｎ及びＮとの結合力が強いＢを含有するキャップ層が存在するため、活性層からのＩｎ及びＮの脱離が防止される。
【０００８】
更に、前記発光層が前記活性層上に光ガイド層を有する構成であり、前記キャップ層が前記活性層と前記光ガイド層との間に形成されている場合、前記活性層に近接して前記キャップ層が形成されるため、活性層からのＩｎ及びＮの脱離が十分に防止される。
【０００９】
また、前記発光層は前記活性層上に光ガイド層を有する構成であり、前記キャップ層は前記光ガイド層上に形成されている場合であっても、活性層からのＩｎ及びＮの脱離は防止される。
【００１０】
また、前記キャップ層はＢを含んでいるため、前記キャップ層のバンドギャップが前記活性層のバンドギャップよりも大きくなり、前記活性層に注入されたキャリアの漏れが抑制される。
【００１１】
更に、前記キャップ層のバンドギャップが、前記活性層及び前記光ガイド層のバンドギャップよりも大きい場合、前記活性層からのキャリアの漏れの防止は効果的である。
【００１２】
特に、前記キャップ層がｐ型の半導体層である場合、キャリアが漏れやすいｐ型側からのキャリアの漏れが抑制される。
【００１３】
また、前記キャップ層がアンドープの層である場合、キャリアの拡散による活性層の結晶性の劣化が抑制される。
【００１４】
また、前記活性層がＩｎとＮを含有するバリア層と井戸層とからなる多重量子井戸構造であっても良い。
【００１５】
また、前記活性層がＧａを有する場合、発光層から青色又は紫色の光が効率良く発光する。
【００１６】
更に、この場合、前記キャップ層としては、ＢＧａＮ、ＢＡｌＧａＮが適している。
【００１７】
尚、クラッド層としては、ＢＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ等が適している。
【００１８】
また、本発明の発光素子の製造方法は、第１クラッド層上にＩｎとＮを含有する活性層を有する発光層が形成され、該発光層上に第２クラッド層が形成されている発光素子の製造方法において、前記活性層を形成した後、Ｂを含有するキャップ層を形成し、次いで前記第２クラッド層を形成することを特徴とする。
【００１９】
このような製造方法では、活性層を形成した後、Ｉｎ及びＮとの結合力が強いＢを含有するキャップ層を形成するため、活性層からのＩｎ及びＮの脱離は防止される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２１】
図１は本発明の実施の形態である第１実施例の半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。
【００２２】
この第１実施例の半導体レーザ装置は、リッジ導波型の半導体レーザ装置であり、サファイア基板１のｃ面上に、ＭＯＣＶＤ法により、アンドープのＢ_0.01Ａｌ_0.49Ｇａ_0.5Ｎからなる厚さ３００Åのバッファ層２、アンドープのＢ_0.02Ｇａ_0.98Ｎからなる厚さ２μｍのｉ−ＢＧａＮ層３、Ｓｉドープのｎ型のＢ_0.01Ｇａ_0.99Ｎからなる厚さ３μｍのＢＧａＮ層４、Ｓｉドープのｎ型のＢ_0.01Ａｌ_0.14Ｇａ_0.85Ｎからなる厚さ０．１μｍのクラック防止層５、Ｓ１ドープのｎ型のＢ_0.01Ａｌ_0.14Ｇａ_0.85Ｎからなる厚さ１μｍの第１クラッド層６、後述する多重量子井戸構造の発光層７、Ｍｇドープのｐ型のＢ_0.01Ａｌ_0.14Ｇａ_0.85Ｎからなる厚さ１μｍの第２クラッド層８、Ｍｇドープのｐ型のＢ_0.01Ｇａ_0.99Ｎからなる厚さ０．２μｍのｐ−コンタクト層９が順に積層された半導体ウエハにより構成されている。尚、Ｂはジボランガス又は有機金属であるトリエチルボロンを原料として反応管に供給することにより各層に含まれる。
【００２３】
上記半導体ウエハには、反応性イオンエッチング又は反応性イオンビームエッチングにより第２クラッド層８の所定の深さまで除去されてストライプ状のリッジ部１０が形成され、同様のエッチングによりＢＧａＮ層４の所定の深さまで除去されて電極形成面１１が形成されている。尚、第２クラッド層８のリッジ部１０以外の厚みは横モード制御を行うために、０．０５〜０．４μｍであるのが好ましい。
【００２４】
また、リッジ部１０の両側面、第２クラッド層８の平坦面、第２クラッド層８の側面からＢＧａＮ層４の側面、及びＢＧａＮ層４の電極形成面のうち実際に電極が形成される部分を除いた部分にはＳｉＯ₂等よりなる絶縁膜１２が形成され、コンタクト層９の上面にはｐ型電極１３１が形成され、ＢＧａＮ層４の電極形成面１１にはｎ型電極１３２が形成されている。
【００２５】
図２は発光層７の構造を示す断面図、図３は発光層７のエネルギーバンドを示す図である。発光層７は第１クラッド層６上に形成されたＳｉドープのｎ型のＧａＮからなる厚さ０．１μｍの第１光ガイド層７Ａと、その上にＳｉドープのｎ型のＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎからなる厚さ６ｎｍのバリア層７１ａ、Ｓｉドープのｎ型のＩｎ_0.10Ｇａ_0.90Ｎからなる厚さ３ｎｍの井戸層７１ｂ、Ｓｉドープのｎ型のＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎからなる厚さ６ｎｍのバリア層７２ａ、Ｓｉドープのｎ型のＩｎ_0.10Ｇａ_0.90Ｎからなる厚さ３ｎｍの井戸層７２ｂ、Ｓｉドープのｎ型のＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎからなる厚さ６ｎｍのバリア層７３ａ、Ｓｉドープのｎ型のＩｎ_0.10Ｇａ_0.90Ｎからなる厚さ３ｎｍの井戸層７３ｂ、Ｓｉドープのｎ型のＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎからなる厚さ６ｎｍのバリア層７４ａとが順に積層された多重量子井戸構造の活性層７Ｂと、その上に形成されたＭｇドープのｐ型のＢ_0.03Ｇａ_0.97Ｎからなる厚さ５００Åのキャップ層７Ｃと、その上に形成されたＭｇドープのｐ型のＧａＮからなる厚さ０．１μｍの第２光ガイド層７Ｄとからなる。第２光ガイド層７Ｄ上には、第２クラッド層８が形成されている。
【００２６】
尚、第１クラッド層６及び第１光ガイド層７Ａを形成する際の成長温度は１０００℃〜１１００℃、活性層７Ｂ及びキャップ層７Ｃを形成する際の成長温度は７５０℃〜８５０℃、第２光ガイド層７Ｄ及び第２クラッド層８を形成する際の成長温度は１０００℃〜１１００℃である。
【００２７】
このような構造の発光層７を有する半導体レーザは、活性層７Ｂ上に、Ｂを含有するキャップ層７Ｃが形成され、その上に第２光ガイド層７Ｄが形成された構造である。即ち、活性層７Ｂは、形成された直後に、III族元素の中では、Ｉｎ及びＮとの結合力が強いＢを含有するキャップ層７Ｃで覆われるため、活性層７ＢからＩｎ及びＢは脱離し難い。このため、活性層７Ｂの結晶性の劣化は抑えられ、しきい値電流は小さくなる。
【００２８】
また、キャップ層７ＣはＢを含有しているため、バンドギャップが大きくなり、活性層７Ｂに注入したキャリアの漏れを防ぐ。特に、本実施例では、キャップ層７Ｃがｐ型の半導体層であり、更に活性化されたキャリア濃度が約１×１０¹⁸ｃｍ^-3であるので、活性層７Ｂからキャリアが漏れやすいｐ型側でのキャリアの漏れを防止出来る。
【００２９】
尚、キャップ層７Ｃを形成する際、キャリアの拡散によって活性層７Ｂの結晶性を劣化させる場合は、キャップ層７Ｃをアンドープにしておく方が、しきい値電流の低下には有効である。
【００３０】
また、上述の第１実施例では、本発明をリッジ導波型の半導体レーザに用いた場合について説明したが、本発明はそれ以外の構造、例えば、図４に示すようなセルフアライン構造の第２実施例の半導体レーザに用いても同様の効果が得られる。
【００３１】
図４において、２１はサファイア基板であり、サファイア基板２１のｃ面上には、ＭＯＣＶＤ法により、アンドープのＢ_0.01Ａｌ_0.49Ｇａ_0.5Ｎからなる厚さ３００Åのバッファ層２２、アンドープのＢ_0.02Ｇａ_0.98Ｎからなる厚さ２μｍのＢＧａＮ層２３、Ｓｉドープのｎ型のＢ_0.01Ｇａ_0.99Ｎからなる厚さ３μｍのＧａＮ層２４、Ｓｉドープのｎ型のＢ_0.01Ａｌ_0.14Ｇａ_0.85Ｎからなる厚さ０．１μｍのクラック防止層２５、Ｓｉドープのｎ型のＢ_0.01Ａｌ_0.14Ｇａ_0.85Ｎからなる厚さ１μｍの第１クラッド層２６、発光層２７、Ｍｇドープのｐ型のＢ_0.01Ａｌ_0.14Ｇａ_0.85Ｎからなる厚さ０．２μｍの第２クラッド層２８、Ｓｉドープのｎ型のＢ_0.02Ａｌ_0.15Ｇａ_0.83Ｎからなる厚さ０．５μｍの電流ブロック層２９、Ｍｇドープのｐ型のＢ_0.01Ａｌ_0.14Ｇａ_0.85Ｎからなる厚さ０．５μｍの第３クラッド層３０、Ｍｇドープのｐ−ＧａＮからなる厚さ０．２μｍのｐ−コンタクト層３１が順に積層された半導体ウエハが構成されている。
【００３２】
尚、電流ブロック層２９は電流通路となる部分がエッチングにより除去されている。また、この半導体ウエハには、反応性イオンエッチング又は反応性イオンビームエッチングによりｎ−ＧａＮ層２４の所定の深さまで除去されて電極形成面３２が形成されている。ｐ−コンタクト層３１の上面にはｐ−電極３３が形成され、ｎ−クラッド層２４の電極形成面３２にはｎ−電極３４が形成されている。
【００３３】
発光層２７は、上述の第１実施例の発光層と同様に図２及び図３に示した構造である。
【００３４】
また、上述の第１、第２実施例では、キャップ層７ＣをＢＧａＮにより構成しているが、更にＡｌを含有するＢＡｌＧａＮ（例えば、Ｂ_0.03Ａｌ_0.17Ｇａ_0.80Ｎ）により構成してもよい。
【００３５】
また、上述の第１、第２実施例では、活性層７Ｂ、キャップ層７Ｃ、第２クラッド層７Ｄが順に形成された構成であるが、活性層７Ｂ、第２クラッド層７Ｄ、キャップ層７Ｃを順に形成してもよい。
【００３６】
また、上述の第１、第２実施例では、ｎ型の第１クラッド層６、２６、発光層７、２７、ｐ型の第２クラッド層８、２８を順に形成した構造であるが、その逆に、ｐ型の第１クラッド層、発光層、ｎ型の第２クラッド層を順に形成した構造に本発明を用いても良い。この場合、発光層７の活性層７Ｂ層上には、ｎ型若しくはアンドープのキャップ層を形成すれば良い。
【００３７】
尚、上述の実施例では、基板材料としてサファイア基板を用いたが、ＳｉＣやＧａＮ等の他の材料で構成してもよい。
【００３８】
また、本発明は、半導体レーザ以外にも発光ダイオード等の他の発光素子にも適用可能である。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、発光層中における活性層からのＩｎ、Ｎ等の構成原子の脱離が抑制され、結晶性の劣化が少なく、発光効率の良い発光素子及びその製造方法を提供し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の半導体レーザの全体構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第１実施例の半導体レーザにおける発光層の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第１実施例の半導体レーザにおける発光層のエネルギーバンドの構成を示す図である。
【図４】本発明の第２実施例の半導体レーザにおける発光層の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１、２１サファイア基板
６、２６第１クラッド層
７、２７発光層
７Ａ第１光ガイド層
７Ｂ活性層
７Ｃキャップ層
７Ｄ第２光ガイド層
７１ａ、７２ａ、７３ａ、７４ａ井戸層
７１ｂ、７２ｂ、７３ｂバリア層
８、２８第２クラッド層

Claims

第１クラッド層上にＩｎとＮを含有する活性層を有する発光層が形成され、該発光層上に第２クラッド層が形成され、前記発光層は前記活性層上に光ガイド層を有する発光素子において、前記発光層は、前記活性層と前記光ガイド層との間にＢを含有するキャップ層を備えることを特徴とする発光素子。
第１クラッド層上にＩｎとＮを含有する活性層を有する発光層が形成され、該発光層上に第２クラッド層が形成され、前記発光層は前記活性層上に光ガイド層を有する発光素子において、前記発光層は、前記光ガイド層上にＢを含有するキャップ層を備えることを特徴とする発光素子。
前記キャップ層のバンドギャップが、前記活性層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする請求項１又は２記載の発光素子。
前記キャップ層のバンドギャップが、前記活性層及び前記光ガイド層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする請求項１又は２記載の発光素子。
前記キャップ層がｐ型の半導体層であることを特徴とする請求項３又は４記載の発光素子。
前記キャップ層がアンドープの層であることを特徴とする請求項１又は２記載の発光素子。
第１クラッド層上にＩｎとＮを含有する活性層を有する発光層が形成され、該発光層上に第２クラッド層が形成されている発光素子において、前記発光層は、前記活性層上にＢを含有するキャップ層を備え、該キャップ層がアンドープの層であることを特徴とする発光素子。
前記活性層がＩｎとＮを含有するバリア層と井戸層とからなる多重量子井戸構造であることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６又は７記載の発光素子。
前記活性層がＧａを含有することを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７又は８記載の発光素子。
前記キャップ層がＢＧａＮ或いはＢＡｌＧａＮであることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８又は９記載の発光素子。
第１クラッド層上にＩｎとＮを含有する活性層を有する発光層が形成され、該発光層上に第２クラッド層が形成されている発光素子の製造方法において、前記活性層を形成した後、Ｂを含有するキャップ層を７５０℃〜８５０℃の成長温度で形成し、次いで前記第２クラッド層を形成することを特徴とする発光素子の製造方法。