JP5408487B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
本発明は、ｐ型クラッド層とコンタクト層との間に中間層を有する半導体発光素子に関する。
従来、緑色から赤色の波長帯を発光する発光ダイオード（ＬＥＤ；Light Emitting Diode）などの半導体発光素子として、ＡｌＧａＩｎＰ系のものが知られている。このようなＡｌＧａＩｎＰ系の半導体発光素子は、例えば、ＧａＡｓ基板上に、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層およびコンタクト層をこの順に備えている。
ところが、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体発光素子では、例えば、ＡｌＧａＩｎＰを含むｐ型クラッド層と、ＧａＰを含むコンタクト層との間のヘテロ接合部分において、電圧降下が大きく、素子を駆動するための電圧（駆動電圧）が高くなりやすい。また、その接合部分において、格子不整合により格子欠陥やクロスハッチ構造が生じやすくなり、これにより駆動電圧が上昇し、素子が劣化しやすくなり、信頼性の低下を引き起こす。
そこで、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体発光素子では、これらの問題を改善するために、ＡｌＧａＩｎＰあるいはＧａＩｎＰを含む中間層をｐ型クラッド層とコンタクト層との間に設ける技術が知られている（例えば、特許文献１）。具体的には、ｐ型のＡｌＧａＩｎＰあるいはＧａＩｎＰからなる中間層を、ＧａＡｓ基板に対する格子整合率Δａ／ａが例えば−２．５％になるように設けている。
しかしながら、上記した特許文献１では、中間層を構成するＡｌＧａＩｎＰあるいはＧａＩｎＰのインジウム組成比が非常に小さく設定されており、ＧａＡｓ基板との格子不整合による格子欠陥やクロスハッチの発生を十分に抑えることが難しいものと考えられる。従って、中間層を設ける場合には、格子欠陥等の発生を抑制するために中間層のインジウム組成比を大きく設定する必要があるが、インジウム組成比が大きくなると、中間層のバンドギャップが狭く（小さく）なり、活性層からの発光を吸収し、発光出力が低くなるという問題が生じる。これらのことから、駆動電圧が低く、発光出力および信頼性が高い半導体発光素子が望まれている。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、駆動電圧を低く抑え、発光出力および信頼性を向上させることが可能な半導体発光素子を提供することにある。
本発明の第１の半導体発光素子は、ｎ型クラッド層、活性層、ＡｌＧａＩｎＰを含むｐ型クラッド層、中間層およびＧａＰを含むコンタクト層をこの順で備えたものである。中間層は、Ｇａ1-a Ｉｎa Ｐ（０．３５７≦ａ≦０．３８２）を含むと共に１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚さを有している。
本発明の第２の半導体発光素子は、ｎ型クラッド層、活性層、ＡｌＧａＩｎＰを含むｐ型クラッド層、中間層およびＧａＰを含むコンタクト層をこの順で備えたものである。中間層は、Ｇａ1-b Ｉｎb Ｐ（０．３５７≦ｂ≦０．３８２）を含有する第１半導体層と、（Ａｌc Ｇａ1-c ）1-d Ｉｎd Ｐ（０．４≦ｃ≦１，０＜ｄ＜１）を含有する第２半導体層とを含む超格子構造を有している。超格子構造中における第１半導体層の合計厚さは、１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。
本発明の第１の半導体発光素子では、ＡｌＧａＩｎＰを含むｐ型クラッド層とＧａＰを含むコンタクト層との間に、上記したＧａ1-a Ｉｎa Ｐを含むと共に１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚さを有する中間層を備えている。これにより、ｐ型クラッド層とコンタクト層との間の電圧降下が抑制される上、中間層における格子整合性が良好となるため、格子欠陥やクロスハッチ構造が生じにくくなり、その結果、素子が劣化しにくくなる。加えて、中間層のバンドギャップも十分に確保されるため、活性層からの発光光の吸収も抑制される。
本発明の第２の半導体発光素子では、ｐ型クラッド層とコンタクト層との間の中間層が、上記したＧａ1-b Ｉｎb Ｐを含有する第１半導体層と、（Ａｌc Ｇａ1-c ）1-d Ｉｎd Ｐを含有する第２半導体層とを含む超格子構造を有している。この中間層に含まれる第１半導体層が、上記したＧａ1-a Ｉｎa Ｐと同様の組成を有するＧａ1-b Ｉｎb Ｐを含むと共に所定の合計厚さを有することから、ｐ型クラッド層とコンタクト層との間の電圧降下が抑制される上、素子の劣化および活性層からの発光光の吸収が抑制される。さらに、中間層が第１半導体層と第２半導体層とを含む超格子構造を有することから、中間層における実効的なバンドギャップがさらに広がるため、活性層からの発光光の吸収がより抑制される。
本発明の第１および第２の半導体発光素子によれば、ｐ型クラッド層およびコンタクト層の間に設けられた中間層が、上記したＧａ1-a Ｉｎa Ｐを含むと共に所定の厚さを有する、あるいはＧａ1-b Ｉｎb Ｐを含有する第１半導体層を所定の合計厚さで有している。これにより、駆動電圧を低く抑え、発光出力および信頼性を向上させることができる。特に、本発明の第２の半導体素子によれば、中間層が上記した第１半導体層と第２半導体層とを含む超格子構造を有するので、発光出力をさらに向上させることができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、説明する順序は以下の通りである。
１．第１の実施の形態（ｐ型クラッド層とｐ側コンタクト層との間に中間層を有する半導体発光素子の一例）
２．変形例（他の中間層の例）
３．第２の実施の形態（他の半導体発光素子の一例）
１．第１の実施の形態（ｐ型クラッド層とｐ側コンタクト層との間に中間層を有する半導体発光素子の一例）
２．変形例（他の中間層の例）
３．第２の実施の形態（他の半導体発光素子の一例）
＜１．第１の実施の形態＞
図１は本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の断面構成を模式的に表している。図２は図１に示した積層構造２０を構成する各層におけるエネルギーバンドの伝導帯下端の準位を模式的に表している。本実施の形態における半導体発光素子１は、基板１０の上に、活性層１４を有する積層構造２０を備え、積層構造２０の上にはｐ側電極２１、基板１０の裏面側にはｎ側電極２２がそれぞれ設けられている。この半導体発光素子１は、活性層１４から光が発せられるものであり、例えば、発光ダイオードとして用いられるものである。
図１は本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の断面構成を模式的に表している。図２は図１に示した積層構造２０を構成する各層におけるエネルギーバンドの伝導帯下端の準位を模式的に表している。本実施の形態における半導体発光素子１は、基板１０の上に、活性層１４を有する積層構造２０を備え、積層構造２０の上にはｐ側電極２１、基板１０の裏面側にはｎ側電極２２がそれぞれ設けられている。この半導体発光素子１は、活性層１４から光が発せられるものであり、例えば、発光ダイオードとして用いられるものである。
積層構造２０は、基板１０側から順に、バッファ層１１、ｎ側コンタクト層１２、ｎ型クラッド層１３、活性層１４、ｐ型クラッド層１５、中間層１６およびｐ側コンタクト層１７を有している。積層構造２０のうち、バッファ層１１およびｎ側コンタクト層１２を除く各層は、ＡｌＧａＩｎＰ（アルミニウム・ガリウム・インジウム・リン）系半導体によりそれぞれ構成されている。なお、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体とは、長周期型周期表における１３族元素のアルミニウム（Ａｌ），ガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）から選択される元素と、１５族元素のリン（Ｐ）とを含む化合物半導体のことをいう。
基板１０は、結晶成長用基板として用いられているものであり、ガリウム・ヒ素（ＧａＡｓ）基板などである。なお、ここでの基板１０は、ＧａＡｓ基板とする。
バッファ層１１は、ｎ側コンタクト層１２からｐ側コンタクト層１７までの各半導体層の結晶成長性を良好にするために基板１０の表面に形成されたものである。バッファ層１１は、例えば、ｎ型不純物（ｎ型ドーパント）を含むＧａＡｓにより形成されている。ｎ型ドーパントとしては、例えばＳｅが挙げられる。バッファ層１１中におけるｎ型ドーパントの濃度（ドーピング濃度）は、例えば５×１０18ｃｍ-3である。バッファ層１１の厚さは、例えば２００ｎｍである。また、バッファ層１１は、図１および図２では１層よりなっているが、２層構造であってもよく、その場合、例えば、基板１０側から順に、Ｓｅドープのｎ型ＧａＡｓ層およびＳｅドープのｎ型ＧａＩｎＰ層を有している。この場合のｎ型ＧａＡｓ層では、その厚さが、例えば２００ｎｍであり、Ｓｅのドーピング濃度は、例えば５×１０18ｃｍ-3である。また、ｎ型ＧａＩｎＰ層では、例えば、Ｇａ0.506 Ｉｎ0.494 Ｐを含み、その厚さが２００ｎｍであり、Ｓｅのドーピング濃度は２×１０18ｃｍ-3である。このように形成されたｎ型ＧａＩｎＰ層の基板１０に対する格子整合率Δａ／ａは０．０７５％となる。なお、バッファ層１１の構成材料は、上記したものに限られず、他の成分を含んでいてもよい。このことは、後述する各層についても同様である。
ｎ側コンタクト層１２は、例えばｎ型ドーパントを含むＧａＡｓにより形成されている。ｎ側コンタクト層１２中におけるｎ型ドーパントの濃度は、例えば２×１０18ｃｍ-3である。ｎ側コンタクト層１２の厚さは、例えば１００ｎｍである。
ｎ型クラッド層１３は、そのバンドギャップが活性層１４のバンドギャップよりも大きく、かつ屈折率が活性層１４の屈折率よりも小さいものである。ｎ型クラッド層１３は、ｎ型ドーパントを含み、例えばｎ型（Ａｌx1Ｇａ1-x1）1-x2Ｉｎx2Ｐ（０＜ｘ１≦１，０＜ｘ２＜１）により形成されている。このｎ型クラッド層１３では、伝導帯下端が活性層１４の伝導帯下端よりも高くなっている。このようなｎ型クラッド層１３の一例としては、５×１０18ｃｍ-3の濃度でＳｅドープされた厚さ９００ｎｍのｎ型Ａｌ0.506 Ｉｎ0.494 Ｐ層が挙げられる。この場合のｎ型クラッド層１３の基板１０に対する格子整合率Δａ／ａは、例えば０．０７５％となる。
活性層１４は、所定の発光波長（例えば赤色帯）に対応したバンドギャップを有し、例えばその中心領域に発光領域を備えている。この活性層１４は、例えば、量子井戸層と障壁層とを交互に積層してなる多重量子井戸構造を備えている。例えば、アンドープＩｎx3Ｇａ1-x3Ｐ（０＜ｘ３＜１）からなる量子井戸層とアンドープ（Ａｌx4Ｇａ1-x4）1-x5Ｉｎx5Ｐ（０＜ｘ４≦１，０＜ｘ５＜１）からなる障壁層とを一組として、それが複数積層されている。上記した活性層１４のＩｎ組成比ｘ３，ｘ５およびＡｌ組成比ｘ４は、発光波長や発光波長幅、光密度などを勘案して決定される。このような活性層１４の一例としては、Ｇａ0.506 Ｉｎ0.494 Ｐからなる量子井戸層と（Ａｌ0.6 Ｇａ0.4 ）0.506 Ｉｎ0.494 Ｐからなる障壁層との組が３９．５組積層されたものが挙げられる。この場合の活性層１４の基板１０に対する格子整合率Δａ／ａは、例えば０．０７５％となる。なお、活性層１４は、多重量子井戸構造以外の構造、例えば単一量子井戸構造やバルク構造を有するものであってもよく、その他に何らかの層を含んでいてもよい。
ｐ型クラッド層１５は、ＡｌＧａＩｎＰを主に含み、そのバンドギャップが活性層１４のバンドギャップよりも大きく、かつ屈折率が活性層１４の屈折率よりも小さくなっている。このｐ型クラッド層１５は、ｐ型不純物（ｐ型ドーパント）を含むＡｌＧａＩｎＰとして、例えばｐ型（Ａｌx6Ｇａ1-x6）1-x7Ｉｎx7Ｐ（０＜ｘ６≦１，０＜ｘ７＜１）により形成されている。このｐ型クラッド層１５では、伝導帯下端が活性層１４の伝導帯下端よりも高く、ｎ型クラッド層１３の伝導帯下端よりも低くなっている。ｐ型ドーパントとしては、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）が挙げられる。このようなｐ型クラッド層１５の一例としては、１×１０18ｃｍ-3の濃度でＭｇドープされた厚さ９５５ｎｍのｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.506 Ｉｎ0.494 Ｐ層が挙げられる。この場合のｐ型クラッド層１５の基板１０に対する格子整合率Δａ／ａは、例えば０．０７５％となる。なお、ここでの「主に含む」とは、層を構成する材料の主成分の１つであることを意味し、その他にも主となる成分（他の主成分）を含むことや、主成分に対して組成比が少ない微量成分を含むことを否定するものではない。
中間層１６は、ｐ型クラッド層１５とｐ側コンタクト層１７との間の電圧降下を抑制するものであり、Ｇａ1-a Ｉｎa Ｐ（０．３５７≦ａ≦０．４０８）を含むと共に、１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚さを有している。すなわち、ここでの中間層１６は単層構造になっている。これにより、中間層１６を設けない場合と比較して駆動電圧を低く抑えることができる。この中間層１６は、例えばｐ型ドーパントを含んでいてもよい。中間層１６のＩｎ組成比ａが０．３５７以上０．４０８以下であるのは、この範囲内であれば、素子の劣化および活性層１４からの発光光の吸収が抑制されるからである。具体的には、Ｉｎ組成比ａが０．３５７未満であると、基板１０との格子整合率の絶対値が大きくなり、格子欠陥およびクロスハッチ構造がより多く発生することになり、その結果、素子が劣化しやすくなり、信頼性が低下する。一方、Ｉｎ組成比ａが０．４０８超になると、中間層１６のバンドギャップが狭くなり、活性層１４からの発光光が吸収されやすくなり、発光出力が低下する。中でも、中間層１６のＩｎ組成比ａは０．３５７以上０．３８２以下であることが好ましい。発光出力がより向上するからである。また、中間層１６の総厚が１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下であるのは、その範囲内であれば、駆動電圧が低く抑えられ、活性層１４からの発光光の吸収が抑制されるからである。具体的には、中間層１６の総厚が１０ｎｍより薄いと、駆動電圧が高くなりやすくなり、その上、ｐ側コンタクト層１７に含まれるｐ型ドーパントが活性層１４に流れ込みやすくなるため、駆動電圧の上昇および素子の劣化が生じ、信頼性が低下する。一方、中間層１６の総厚が２０ｎｍより厚いと、Ｇａ1-a Ｉｎa ＰのＩｎ組成比ａが上記の範囲内であっても、発光光の吸収が生じやすくなり、さらにＧａ1-a Ｉｎa Ｐの臨界膜厚が２０ｎｍであるため、格子不整合が生じる。すなわち、このように中間層１６において、上記したＩｎ組成比ａを有するＧａ1-a Ｉｎa Ｐを含むと共に、所定の総厚を有することにより、駆動電圧が低く抑えられ、発光出力および信頼性が向上する。
このような中間層１６の一例としては、例えば、厚さ１５ｎｍのＭｇドープされたｐ型Ｇａ0.680 Ｉｎ0.392 Ｐ層が挙げられる。この場合の中間層１６の基板１０に対する格子整合率Δａ／ａは、例えば−０．６７６％となる。
ｐ側コンタクト層１７は、ＧａＰ（ガリウム・リン）を主に含み、中間層１６側から順に、Ｍｇ拡散抑制層１７Ａ、相互拡散抑制スペーサ層１７Ｂおよびキャップ層１７Ｃを有している。
Ｍｇ拡散抑制層１７Ａは、ｐ型クラッド層１５および中間層１６中に含まれるＭｇ（ｐ型ドーパント）のキャップ層１７Ｃへの拡散を抑制するためのものであり、ｐ型ドーパントであるＭｇを、ｐ型クラッド層１５中のＭｇよりも高濃度で含み、ｐ型ＧａＰにより形成されている。Ｍｇ拡散抑制層１７Ａの一例としては、例えば、１．２×１０19ｃｍ-3の濃度でＭｇドープされた厚さ４５０ｎｍのＧａＰ層が挙げられる。
相互拡散抑制スペーサ層１７Ｂは、Ｍｇ拡散抑制層１７Ａ側からキャップ層１７ＣへのＭｇの拡散と、キャップ層１７Ｃ中に含まれるｐ型ドーパントである亜鉛（Ｚｎ）のＭｇ拡散抑制層１７Ａ側への拡散とを抑制するためのものである。この相互拡散抑制スペーサ層１７Ｂは、例えばアンドープＧａＰにより形成されている。相互拡散抑制スペーサ層１７Ｂの一例としては、厚さ１００ｎｍのアンドープＧａＰ層が挙げられる。
キャップ層１７Ｃは、例えばｐ型ドーパントとしてＺｎがドープされたＧａＰにより形成され、ｐ側電極２１と電気的に接続されている。キャップ層１７Ｃの一例としては、１．５×１０19ｃｍ-3の濃度でＺｎドープされた厚さ５０ｎｍのＧａＰ層が挙げられる。
ｐ側電極２１は、例えば、チタン（Ｔｉ）層、白金（Ｐｔ）層および金（Ａｕ）層をｐ側コンタクト層１７のキャップ層１７Ｃの表面にこの順に積層した構造を有しており、ｐ側コンタクト層１７と電気的に接続されている。ｎ側電極２２は、例えば、金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）との合金層，ニッケル（Ｎｉ）層および金（Ａｕ）層とをこの順に積層した構造を有しており、基板１０と電気的に接続されている。
この半導体発光素子１は、例えば、次のようにして製造することができる。
まず、例えばＧａＡｓからなる基板１０上に、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気相成長）法により積層構造２０を形成する。この際、原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、アルシン（ＡｓＨ3 ）、ホスフィン（ＰＨ3 ）を用い、ドナー不純物の原料としては、例えばセレン化水素（Ｈ2 Ｓｅ）を用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えばジスペンタジエニルマグネシウムあるいはジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）を用いる。
具体的には、基板１０上に、バッファ層１１、ｎ側コンタクト層１２、ｎ型クラッド層１３、活性層１４、ｐ型クラッド層１５、中間層１６、Ｍｇ拡散抑制層１７Ａ、相互拡散抑制スペーサ層１７Ｂおよびキャップ層１７Ｃをこの順に積層させる。
最後に、例えば真空蒸着法により、キャップ層１７Ｃ上にｐ側電極２１を、基板１０の裏面にｎ側電極２２をそれぞれ形成する。これにより、図１に示した半導体発光素子１が完成する。
この半導体発光素子１では、ｐ側電極２１とｎ側電極２２との間に所定の電圧が印加されると、ｎ側電極２２から電子が、ｐ側電極２１から正孔がそれぞれ活性層１４へ注入される。この活性層１４に注入された電子と正孔が再結合することにより発光領域から光子が発生し、その結果、発光光となって外部に射出される。
本実施の形態の半導体発光素子では、ｐ型クラッド層１５とｐ側コンタクト層１７との間に、中間層１６を備えている。中間層１６は、Ｇａ1-a Ｉｎa Ｐ（０．３５７≦ａ≦０．４０８）を含むと共に、１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚さを有している。これにより、ｐ型クラッド層１５とｐ側コンタクト層１７との間の電圧降下が抑制される上、中間層１６における格子整合性が良好になるため、格子欠陥やクロスハッチ構造が生じにくくなり、素子が劣化しにくくなる。加えて、中間層１６のバンドギャップも十分に確保されるため、活性層１４からの発光光の吸収も抑制される。よって、本実施の形態の半導体発光素子によれば、駆動電圧を低く抑え、発光出力および信頼性を向上させることができる。この場合、特に、中間層１６のＩｎ組成比ａが０．３５７以上０．３８２以下であれば、発光出力をより向上させることができる。
＜２．変形例（他の半導体素子の一例）＞
図３は図１に示した半導体発光素子１の変形例に係るエネルギーバンドの伝導帯下端の準位を模式的に表している。本変形例の半導体発光素子は、中間層１６の構成を除き、図１に示した半導体発光素子１と同様の構成を有している。
図３は図１に示した半導体発光素子１の変形例に係るエネルギーバンドの伝導帯下端の準位を模式的に表している。本変形例の半導体発光素子は、中間層１６の構成を除き、図１に示した半導体発光素子１と同様の構成を有している。
ここでの中間層１６も、Ｇａ1-a Ｉｎa Ｐ（０．３５７≦ａ≦０．４０８）を含んでいる。ただし、この中間層１６では、井戸層１６Ａ（第１半導体層）と障壁層１６Ｂ（第２半導体層）とを交互に積層してなる超格子構造を備えている。井戸層１６ＡはＧａ1-b Ｉｎb Ｐ（０．３５７≦ｂ≦０．４０８）により形成され、超格子構造中における井戸層１６Ａの合計厚さは、１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下になっている。障壁層１６Ｂは（Ａｌc Ｇａ1-c ）1-d Ｉｎd Ｐ（０．４≦ｃ≦１，０＜ｄ＜１）により形成されている。これにより、中間層１６をＧａ1-a Ｉｎa Ｐ（０．３５７≦ａ≦０．４０８）を含む単層構造とした場合と比較して、中間層１６における実効的なバンドギャップが大きくなる。この場合においても、井戸層１６ＡのＩｎ組成比ｂは０．３５７以上０．３８２以下であることが好ましい。発光出力がより向上するからである。
井戸層１６Ａおよび障壁層１６Ｂは、ｐ型ドーパントを含んでいてもよい。井戸層１６Ａの１層あたりの厚さは、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましい。障壁層１６Ｂの１層当たりの厚さは、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましい。この中間層１６の一例としては、厚さ４ｎｍのＭｇドープされたｐ型Ｇａ0.680 Ｉｎ0.392 Ｐを含む井戸層１６Ａと、厚さ４ｎｍからなるＭｇドープされたｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.52 Ｉｎ0.48 Ｐを含む障壁層１６Ｂとの組を２．５組有するものなどが挙げられる。なお、図３では、中間層１６が、井戸層１６Ａと障壁層１６Ｂとの組を２．５組有する場合について示している。また、中間層１６は、井戸層１６Ａおよび障壁層１６Ｂの他に何らかの層を含んでいてもよい。
本変形例に係る半導体発光素子では、中間層１６が、井戸層１６Ａと障壁層１６Ｂとを含む超格子構造を有し、井戸層１６Ａの超格子構造中における合計厚さが１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下になっている。これにより、駆動電圧の上昇および素子の劣化が抑制されるうえ、活性層１４からの発光光の吸収がさらに抑制される。よって、本変形例の半導体発光素子によれば、駆動電圧を低く抑え、信頼性を向上させることができ、特に、発光出力を向上させることができる。この他の作用効果は、上記した第１の実施の形態と同様である。
＜３．第２の実施の形態＞
図４は本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子２の構成を表すものであり、図４（Ａ）は図４（Ｂ）中のＩＩ（Ａ）−ＩＩ（Ａ）線に沿った断面構成を表し、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のｎ側電極５２の側からみた平面構成を表している。
図４は本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子２の構成を表すものであり、図４（Ａ）は図４（Ｂ）中のＩＩ（Ａ）−ＩＩ（Ａ）線に沿った断面構成を表し、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のｎ側電極５２の側からみた平面構成を表している。
この半導体発光素子２は、ｎ側電極５２、保護層５３、活性層３３を含む積層構造３０、多層反射膜４０、基板５０およびｐ側電極５１をこの順で備えている。この半導体発光素子２では、活性層３３からの発光光は多層反射膜４０により反射され、ｎ側電極５２の側から取り出される。
積層構造３０は、ｎ側電極５２の側から順に、ｎ側コンタクト層３１、ｎ型クラッド層３２、活性層３３、ｐ型クラッド層３４、中間層３５およびｐ側コンタクト層３６を有している。ｐ側コンタクト層３６は、中間層３５の側から順に、Ｍｇ拡散抑制層３６Ａ、相互拡散抑制スペーサ層３６Ｂおよびキャップ層３６Ｃを有している。この積層構造３０は、上記した半導体発光素子１において基板１０の上に設けられた積層構造２０と同様に作製されたのち、基板１０と積層構造２０のバッファ層１１と、ｎ側コンタクト層１２の一部とを取り除いたものである。すなわち、ｎ側コンタクト層３１、ｎ型クラッド層３２、活性層３３、ｐ型クラッド層３４、中間層３５およびｐ側コンタクト層３６は、ｎ側コンタクト層３１の平面形状を除き、上記した第１の実施の形態および変形例におけるｎ側コンタクト層１２、ｎ型クラッド層１３、活性層１４、ｐ型クラッド層１５、中間層１６、およびｐ側コンタクト層１７とそれぞれ同様の構成を有している。従って、積層構造３０を構成する各層のバンドラインナップは、図２あるいは図３に示したものと同様になっている。
ｎ側コンタクト層３１は、ｎ型クラッド層３２の一面上に２つの矩形状の領域に分かれて設けられている。これらｎ側コンタクト層３１の２つの領域の間のｎ型クラッド層３２の一面上には、例えば窒化シリコンからなる保護層５３が設けられている。
多層反射膜４０は、活性層３３からの発光光をｎ側電極５２に反射するためのものであり、積層構造３０の側から順に、コンタクト部４１、第１多層反射膜４２および第２多層反射膜４３を有している。なお、多層反射膜４０は、積層構造３０のｐ側コンタクト層３６上にコンタクト部４１および第１多層反射膜４２を形成すると共に、基板５０上に第２多層反射膜４３を形成したのちに、第１多層反射膜４２と第２多層反射膜４３とを接合することにより作製されるものである。
コンタクト部４１は、積層構造３０のｐ側コンタクト層３６の表面上の一方向に向かって平行して設けられた一対の矩形状の導電部４１Ａと、一対の導電部４１Ａの間およびそれらの外側のｐ側コンタクト層３６の表面上に設けられた絶縁部４１Ｂとを有している。導電部４１Ａは、例えば、ｐ側コンタクト層３６側から順に、厚さ１０ｎｍのチタン（Ｔｉ）層および厚さ１００ｎｍの金と亜鉛との合金（ＡｕＺｎ）層が積層された構造を有している。絶縁部４１Ｂは、例えば、厚さ１１０ｎｍの酸化シリコンからなる。
第１多層反射膜４２および第２多層反射膜４３は、例えば金属からなる層を複数積層したものである。第１多層反射膜４２は、例えば、コンタクト部４１の側から順に、厚さ１０ｎｍのＡｌ層、厚さ４００ｎｍのＡｕ層、厚さ５０ｎｍのＴｉ層、厚さ１００ｎｍのＰｔ層および厚さ５００ｎｍのＡｕ層を積層した構造を有している。第２多層反射膜は、例えば、第１多層反射膜４２の側から順に、厚さ５００ｎｍのＡｕ層、厚さ１００ｎｍのＰｔ層、厚さ５０ｎｍのＴｉ層、厚さ４００ｎｍのＡｕ層、厚さ４５ｎｍのＮｉ層および厚さ１６０ｎｍのＡｕＧｅ層を積層した構造を有している。
基板５０は、第２多層反射膜４３の形成用基板として用いられるものであり、例えばＧａＡｓ基板などである。
ｐ側電極５１は、例えば、Ｔｉ層、Ｐｔ層およびＡｕ層を基板５０の表面にこの順に積層した構造を有しており、基板５０と電気的に接続されている。ｎ側電極５２は、ｎ側コンタクト層３１の表面上および保護層５３の表面の一部に設けられており、例えば、ＡｕＧｅ層，Ｎｉ層およびＡｕ層とをこの順に積層した構造を有しており、ｎ側コンタクト層３１と電気的に接続されている。
この半導体発光素子２は、例えば、次のようにして製造することができる。
まず、例えばＧａＡｓからなる基板上に、上記した積層構造２０を形成する場合と同様に、積層構造を形成する。こののち、エッチング法を用いて、ＧａＡｓからなる基板およびバッファ層を取り除くと共に、ｎ側コンタクト層の一部を取り除くことにより、積層構造３０が形成される。
続いて、積層構造３０のキャップ層３６Ｃ上に導電部４１Ａおよび絶縁部４１Ｂをパターニングすることにより、コンタクト部４１を形成したのち、コンタクト部４１上に、真空蒸着法により、第１多層反射膜４２を形成する。また、一方、ＧａＡｓからなる基板５０の一面上に第２多層反射膜４３を形成すると共に、その反対面上にｐ側電極５１を形成する。次いで、第１多層反射膜４２と、基板５０に形成された第２多層反射膜４３とを対向させて接続する。
最後に、積層構造３０のｎ側コンタクト層３１の間のｎ型クラッド層３２の表面に保護層５３を形成すると共に、ｎ側コンタクト層３１の表面上および保護層５３の一部の表面上に例えば真空蒸着法により、ｎ側電極５２を形成する。以上により、図４に示した半導体発光素子２が完成する。
この半導体発光素子２では、ｐ側電極５１とｎ側電極５２との間に所定の電圧が印加されると、ｎ側電極５２から電子が、ｐ側電極５１から正孔がそれぞれ活性層３３へ注入される。この活性層３３に注入された電子と正孔とが再結合することにより発光領域から光子が発生し、その結果、発光光となり、多層反射膜４０によりｎ側電極５２の側から外部に射出される。
本実施の形態の半導体発光素子２においても、ｐ型クラッド層３４とｐ側コンタクト層３６との間に、中間層３５を備えている。中間層３５は、上記した第１の実施の形態あるいは変形例における中間層１６と同様の構成を有している。よって、第１の実施の形態の半導体発光素子１あるいは変形例に係る半導体発光素子と同様に作用し、駆動電圧を低く抑え、発光出力および信頼性を向上させることができる。
本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。
（実験例１〜５）
図４に示した半導体発光素子２を以下の手順により作製した。
図４に示した半導体発光素子２を以下の手順により作製した。
まず、ＭＯＣＶＤ法により積層構造３０を形成した。この際、原料としては、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、アルシン（ＡｓＨ3 ）、ホスフィン（ＰＨ3 ）を用い、ドナー不純物の原料としては、セレン化水素（Ｈ2 Ｓｅ）を用い、アクセプタ不純物の原料としては、ジスペンタジエニルマグネシウムあるいはジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）を用いた。
具体的には、まず、ＧａＡｓ基板上に、ｎ型ＧａＡｓからなるバッファ層（厚さ２００ｎｍ；Ｓｅドープ濃度５×１０18ｃｍ-3）、ｎ型ＧａＡｓからなるｎ側コンタクト層（厚さ１００ｎｍ；Ｓｅドープ濃度２×１０18ｃｍ-3）、およびｎ型Ａｌ0.506 Ｉｎ0.494 Ｐからなるｎ型クラッド層３２（厚さ９００ｎｍ；Ｓｅドープ濃度５×１０18ｃｍ-3）をこの順に積層した。続いて、ｎ型クラッド層３２の上に、Ｇａ0.506 Ｉｎ0.494 Ｐからなる量子井戸層（厚さ５ｎｍ）と（Ａｌ0.6 Ｇａ0.4 ）0.506 Ｉｎ0.494 Ｐからなる障壁層（厚さ７．１ｎｍ）との組を３９．５組積層された活性層３３を形成した。続いて、活性層３３上に、ｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.506 Ｉｎ0.494 Ｐからなるｐ型クラッド層３４（厚さ９５５ｎｍ；Ｍｇドープ濃度１×１０18ｃｍ-3）と、Ｍｇドープされたｐ型Ｇａ1-a Ｉｎa Ｐからなる厚さ２０ｎｍの中間層３５をこの順で形成した。この際、実験例１〜５において、中間層３５中におけるＩｎ組成比ａは表１に示したようにした。この中間層３５の上に、ｐ型ＧａＰからなるＭｇ拡散抑制層３６Ａ（厚さ４５０ｎｍ；Ｍｇドープ濃度１．２×１０19ｃｍ-3）、アンドープＧａＰからなる相互拡散抑制スペーサ層３６Ｂ（厚さ１００ｎｍ）およびｐ型ＧａＰからなるキャップ層３６Ｃ（厚さ５０ｎｍ；Ｚｎドープ濃度１．５×１０19ｃｍ-3）をこの順で積層した。
ここで、キャップ層３６Ｃの表面モホロジを光学顕微鏡（ノマルスキ微分干渉計）により観察した。実験例１〜５を代表して実験例１，５についての結果を図５に示す。図５（Ａ）は実験例１における表面モホロジの写真であり、図５（Ｂ）は実験例５における表面モホロジ写真である。
こののち、フォトグラフィ法およびエッチング法を用いて、ＧａＡｓからなる基板およびバッファ層を取り除くと共に、ｎ側コンタクト層の一部を取り除くことにより、積層構造３０を形成した。
続いて、積層構造３０のキャップ層３６Ｃ上に、Ｔｉ層（厚さ１０ｎｍ）および金と亜鉛との合金（ＡｕＺｎ）層（厚さ１００ｎｍ）をこの順に形成したのち、ＡｕＺｎ層上にフォトリソグラフィ法によりマスクパターンを形成した。このマスクパターンを用いて、導電部４１Ａをパターニングしたのち、蒸着法により酸化シリコンからなる絶縁部４１Ｂを形成した。続いて、コンタクト部４１の上に、真空蒸着法により、厚さ１０ｎｍのＡｌ層、厚さ４００ｎｍのＡｕ層、厚さ５０ｎｍのＴｉ層、厚さ１００ｎｍのＰｔ層および厚さ５００ｎｍのＡｕ層をこの順に積層することにより、第１多層反射膜４２を形成した。
また、一方、ｎ型ＧａＡｓからなる基板５０の一面上に、ＡｕＧｅ層（厚さ１６０ｎｍ）、Ｎｉ層（厚さ４５ｎｍ）、Ａｕ層（厚さ４００ｎｍ）、Ｔｉ層（厚さ５０ｎｍ）、Ｐｔ層（厚さ１００ｎｍ）およびＡｕ層（厚さ５００ｎｍ）をこの順に積層して第２多層反射膜４３を形成すると共に、基板５０の反対面上にｐ側電極５１を形成した。次いで、第１多層反射膜４２と、基板５０に形成された第２多層反射膜４３とを対向させて接続した。
最後に、積層構造３０のｎ側コンタクト層３１の間のｎ型クラッド層３２の表面に窒化シリコンからなる保護層５３（厚さ８５ｎｍ）を形成すると共に、ｎ側コンタクト層３１の表面上および保護層５３の一部の表面上に真空蒸着法により、ｎ側電極５２を形成した。以上により、図４に示した半導体発光素子２が完成した。
（実験例６）
中間層３５を形成する際にＩｎ組成比ａを０．３４０にしたことを除き、実験例１〜５と同様の手順を経た。なお、実験例６についてもキャップ層３６Ｃの表面モホロジを実験例１〜５と同様に観察したところ、図５（Ｃ）に示した結果が得られた。
中間層３５を形成する際にＩｎ組成比ａを０．３４０にしたことを除き、実験例１〜５と同様の手順を経た。なお、実験例６についてもキャップ層３６Ｃの表面モホロジを実験例１〜５と同様に観察したところ、図５（Ｃ）に示した結果が得られた。
これらの実験例１〜６の半導体発光素子について、４０ｍＡの電流を印加して駆動電圧（ｍＶ）および光出力（ｍＷ）を測定したところ、表１および図６に示した結果が得られた。また、各実験例の中間層３５における、積層構造３０の結晶成長用基板として用いたＧａＡｓ基板に対する格子整合率を算出した。その結果も表１に併せて示す。
図５に示したように、中間層３５のＩｎ組成比ａが０．３５７あるいは０．４０８である実験例１，５では、そのＩｎ組成比ａが０．３４０である実験例６のようなクロスハッチ構造（図５（Ｃ）中の筋状のもの）はほとんど観察されなかった。特に、実験例５では、実験例１よりも表面の凹凸が少ないことがわかった。これらの結果は、表１に示したように、ＧａＡｓ基板に対する格子整合率の結果と対応しており、中間層３５のＩｎ組成比ａが大きくなると、格子整合率の絶対値が小さくなった。これらの結果から、中間層３５に含まれるｐ型Ｇａ1-a Ｉｎa ＰのＩｎ組成比ａが０．３５７以上０．４０８以下であれば、クロスハッチ構造などの格子不整合が発生しにくくなるため、駆動電圧の上昇および素子の劣化が抑制されるものと考えられる。
また、表１および図６に示したように、中間層３５のＩｎ組成比ａが大きくなると光出力が低下する傾向がみられたが、Ｉｎ組成比ａ＝０．４０８以下の範囲では、駆動電圧が低く抑えられ、光出力が０．２５ｍＷ以上となり良好であった。この場合、特に、Ｉｎ組成比ａが０．３８２以下では、０．２８０ｍＷ以上の光出力が得られた。この結果は、中間層３５に含まれるｐ型Ｇａ1-a Ｉｎa ＰのＩｎ組成比ａが０．３５７以上０．４０８以下であれば、中間層３５による光吸収が十分に抑制されることを表している。
なお、ここでは２０ｎｍの厚さを有する中間層３５を設けた場合の結果を示したが、その厚さを１０ｎｍ以上２０ｎｍ未満の範囲内にした場合においても同様の結果が得られた。
これらのことから、半導体発光素子２では、以下のことが確認された。すなわち、ｐ型クラッド層３４とｐ側コンタクト層３６との間に、Ｇａ1-a Ｉｎa Ｐ（０．３５７≦ａ≦０．４０８）を含むと共に、１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚さを有する中間層３５を備えることにより、ｐ型クラッド層３４とｐ側コンタクト層３６との間の電圧降下が抑制される上、中間層３５における格子整合性が良好となるため、格子欠陥やクロスハッチ構造が生じにくくなり、素子の劣化が抑制される。加えて、上記のＩｎ組成比ａの範囲内であれば、中間層３５のバンドギャップも十分に確保されるため、活性層３３からの発光光の吸収も抑制される。よって、駆動電圧を低く抑え、発光出力および信頼性を向上させることができる。
なお、本実施例では、ＡｌＧａＩｎＰを含むｐ型クラッド層とＧａＰを含むｐ側コンタクト層との間の中間層が単層構造の場合の結果を示したが、その中間層が超格子構造を有する場合の結果については示していない。しかしながら、中間層がＧａ1-b Ｉｎb Ｐ（０．３５７≦ｂ≦０．４０８）を含有する井戸層と、（Ａｌc Ｇａ1-c ）1-d Ｉｎd Ｐ（０．４≦ｃ≦１，０＜ｄ＜１）を含有する障壁層とを含む超格子構造を有し、その超格子構造中における井戸層の合計厚さが１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下であれば、上記した単層構造の中間層と同じ機能を果たすため、その超格子構造を有する中間層を設けた場合においても、単層構造の中間層を設けた場合と同様の結果が得られることは明らかである。
以上、実施の形態およびその変形例ならびに実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態等に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、本発明の半導体発光素子は、半導体レーザとして用いることができる。
また、上記実施の形態等では、半導体発光素子に含まれる積層構造がバッファ層等を積層したものとして説明したが、その「積層」は、積層構造がバッファ層等以外の層を含む可能性を否定したものではない。すなわち、積層構造はバッファ層等の他に、他の層を含んでいてもよい。例えば、ｎ側コンタクト層とｎ型クラッド層との間に、ｐ型クラッド層に含まれるＡｌＧａＩｎＰよりもＡｌ組成比が高いｎ型ＡｌＧａＩｎＰを含む電流拡散層を有していてもよい。また、例えば、活性層と、ｎ型クラッド層あるいはｐ型クラッド層との間に、ｐ型およびｎ型のドーパントを含まないクラッド層を有していてもよい。この積層の意味するところは、積層構造以外の、例えば活性層などの積層した構造を有するものについても同様である。
さらに、上記した実施の形態等では、中間層の厚さや、中間層に含まれる材料のＩｎ組成比あるいはＡｌ組成比などについて、適正な数値範囲を説明しているが、その説明は、中間層の厚さ等が上記した範囲外となる可能性を完全に否定するものではない。すなわち、上記した適正範囲は、あくまで本発明の効果を得る上で特に好ましい範囲であり、本発明の効果が得られるのであれば、中間層の厚さ等が上記した範囲から多少外れてもよい。
１０，５０…基板、１１…バッファ層、１２，３１…ｎ側コンタクト層、１３，３２…ｎ型クラッド層、１４，３３…活性層、１５，３４…ｐ型クラッド層、１６，３５…中間層、１６Ａ…井戸層、１６Ｂ…障壁層、１７，３６…ｐ側コンタクト層、１７Ａ，３６Ａ…Ｍｇ拡散抑制層、１７Ｂ，３６Ｂ…相互拡散抑制スペーサ層、１７Ｃ，３６Ｃ…キャップ層、２０，３０…積層構造、２１，５１…ｐ側電極、２２，５２…ｎ側電極、４０…多層反射膜、４１…コンタクト部、４１Ａ…導電部、４１Ｂ…絶縁部、４２…第１多層反射膜、４３…第２多層反射膜。
Claims (4)
- ｎ型クラッド層、活性層、ＡｌＧａＩｎＰを含むｐ型クラッド層、中間層およびＧａＰを含むコンタクト層をこの順で備え、
前記中間層は、Ｇａ1-a Ｉｎa Ｐ（０．３５７≦ａ≦０．３８２）を含むと共に１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚さを有する
半導体発光素子。 - 前記ｎ型クラッド層、前記活性層、前記ＡｌＧａＩｎＰを含むｐ型クラッド層、前記中間層および前記ＧａＰを含むコンタクト層はＧａＡｓ基板上に設けられた
請求項１記載の半導体発光素子。 - ｎ型クラッド層、活性層、ＡｌＧａＩｎＰを含むｐ型クラッド層、中間層およびＧａＰを含むコンタクト層をこの順で備え、
前記中間層は、Ｇａ1-b Ｉｎb Ｐ（０．３５７≦ｂ≦０．３８２）を含有する第１半導体層と、（Ａｌc Ｇａ1-c ）1-d Ｉｎd Ｐ（０．４≦ｃ≦１，０＜ｄ＜１）を含有する第２半導体層とを含む超格子構造を有し、
前記超格子構造中における前記第１半導体層の合計厚さが１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下である
半導体発光素子。 - 前記ｎ型クラッド層、前記活性層、前記ＡｌＧａＩｎＰを含むｐ型クラッド層、前記中間層および前記ＧａＰを含むコンタクト層はＧａＡｓ基板上に設けられた
請求項３記載の半導体発光素子。
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