JP7458332B2 - 半導体発光装置 - Google Patents
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Description
実施形態は、半導体発光装置に関する。
赤外発光素子とシリコンフォトダイオードとを組み合わせたフォトカプラーが広く用いられている。このような発光素子には、高い発光効率を有することが求められる。
実施形態は、発光効率を向上させた半導体発光装置を提供する。
実施形態に係る半導体発光装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられた発光層と、を備える。前記発光層は、前記半導体基板から前記発光層に向かう第１方向に交互に積層された量子井戸層と障壁層とを含む。前記量子井戸層は、前記半導体基板の格子定数よりも大きい格子定数を有する第１半導体混晶を含み、前記第１方向の第１層厚を有し、前記第１方向における前記第１半導体混晶の格子間隔と前記基板の前記格子定数との差の絶対値を前記第１半導体混晶の前記格子間隔で除した第１歪率と、前記第１層厚と、の積である第１歪量を有する。前記障壁層は、前記半導体基板の格子定数よりも小さい格子定数を有する第２半導体混晶を含み、前記第１方向の第２層厚を有し、前記第１方向における前記第２半導体混晶の格子間隔と前記基板の前記格子定数との差の絶対値を前記第２半導体混晶の前記格子間隔で除した第２歪率と、前記第２層厚と、の積である第２歪量を有する。前記量子井戸層および前記障壁層は、前記第１歪量が前記第２歪量よりも大きくなるように設けられる。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
図１（ａ）および（ｂ）は、実施形態に係る半導体発光装置１を示す模式断面図である。図１（ａ）は、ｎ形ＧａＡｓ基板の上にエピタキシャル成長された半導体層の構造を表している。図１（ｂ）は、発光層の構造を表している。半導体発光装置１は、赤外発光ダイオード（ＬＥＤ）である。
図１（ａ）に示すように、半導体発光装置１は、ｎ形ＧａＡｓ基板（以下、ＧａＡｓ基板１０１）と、ｎ形クラッド層１０２と、発光層１０３と、ｐ形クラッド層１０４と、ｐ形コンタクト層１０５と、を備える。
ｎ形クラッド層１０２は、ＧａＡｓ基板１０１の上に設けられる。ｎ形クラッド層１０２は、例えば、組成式Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓで表されるＡｌＧａＡｓ混晶を含む。
発光層１０３は、ｎ形クラッド層１０２とｐ形クラッド層１０４との間に設けられる。発光層１０３は、多重量子井戸構造（Multi-Quantum Well：ＭＱＷ）を有する。
ｐ形クラッド層１０４は、発光層１０３の上に設けられる。ｐ形クラッド層１０４は、例えば、組成式Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓで表されるＡｌＧａＡｓ混晶を含む。
ｐ形コンタクト層１０５は、ｐ形クラッド層１０４の上に設けられる。ｐ形コンタクト層１０５は、例えば、ＧａＡｓ層である。ｐ形コンタクト層１０５は、最表面層であり、電極形成のために設けられる。
図１（ｂ）に示すように、発光層１０３は、ＭＱＷ構造を有し、量子井戸層１０３ａと障壁層１０３ｂとを含む。量子井戸層１０３ａと障壁層１０３ｂは交互に積層され、量子井戸層１０３ａは、隣り合う障壁層１０３ｂの間に位置する。
量子井戸層１０３ａは、例えば、組成式Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓで表されるＩｎＧａＡｓ混晶を含む。障壁層１０３ｂは、例えば、組成式ＧａＡｓ０．９Ｐ０．１で表されるＧａＡｓＰ混晶を含む。
量子井戸層１０３ａは、例えば、組成式Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓで表されるＩｎＧａＡｓ混晶を含む。障壁層１０３ｂは、例えば、組成式ＧａＡｓ０．９Ｐ０．１で表されるＧａＡｓＰ混晶を含む。
発光層１０３は、例えば、４層の量子井戸層１０３ａを含む。量子井戸層１０３ａは、例えば、５．８ナノメートル（ｎｍ）の層厚を有し、波長９５０ｎｍの赤外光を発する。以下、「層厚」とは、ＧａＡｓ基板１０１からｐ形コンタクト層１０５に向かう積層方向の厚さである。
図２は、ＧａＡｓ系直接遷移型化合物半導体材料の格子定数とエネルギーバンドギャップとの関係を示すグラフである。図２中には、ＧａＡｓを中心として、ＡｌＧａＡｓ混晶、ＧａＡｓＰ混晶およびＩｎＧａＡｓ混晶のそれぞれの組成に対応する格子定数およびエネルギーバンドギャップの関係を表している。
組成式ＩｎＸＧａ１－ＸＡｓ（０＜Ｘ＜１）で表されるＩｎＧａＡｓ混晶では、Ｉｎ組成「Ｘ」の増加と共にエネルギーバンドギャップが狭くなり、格子定数が大きくなる。ＩｎＧａＡｓ混晶のエネルギーバンドギャップは、ＧａＡｓのエネルギーバンドギャップよりも狭い。また、ＩｎＧａＡｓ混晶の格子定数は、ＧａＡｓの格子定数よりも大きい。
例えば、量子井戸層１０３ａのＩｎＧａＡｓ混晶は、Ｘ＝０．２のＩｎ組成を有し、格子定数５．７３オングストローム（Å）、エネルギーバンドギャップ１．１４エレクトロンボルト（ｅＶ）を有する。
組成式ＧａＡｓ１－ＹＰＹ（０＜Ｙ＜１）で表されるＧａＡｓＰ混晶では、Ｐ組成「Ｙ」の増加と共にエネルギーバンドギャップが広くなり、格子定数が小さくなる。ＧａＡｓＰ混晶のエネルギーバンドギャップは、ＧａＡｓのエネルギーバンドギャップよりも広い。また、ＧａＡｓＰ混晶の格子定数は、ＧａＡｓの格子定数よりも小さい。
例えば、障壁層１０３ｂのＧａＡｓＰ混晶は、Ｙ＝０．１のＰ組成を有し、格子定数５．６３Å、エネルギーバンドギャップ１．５１ｅＶを有する。
組成式ＡｌＺＧａ１－ＺＡｓ（０＜Ｚ＜１）で表されるＡｌＧａＡｓ混晶では、Ａｌ組成「Ｚ」の増加と共にエネルギーバンドギャップが広がる。ＡｌＧａＡｓ混晶のエネルギーバンドギャップは、ＧａＡｓのエネルギーバンドギャップよりも広い。一方、Ａｌ組成「Ｚ」の変化に対するＡｌＧａＡｓの格子定数の変化は小さい。
図２中に示すＩｎＧａＡｓ混晶は、赤外発光素子の発光材料として広く使われている。例えば、フォトカプラーを構成する発光ダイオード（ＬＥＤ）の発光材料である。フォトカプラーに用いられるＬＥＤの発光波長は、Ｓｉ系フォトダイオード（ＰＤ）の光感度が高い波長領域、例えば、１０００ｎｍ近傍に調整される。
例えば、ＭＱＷ構造を有する発光層１０３において、量子井戸層１０３ａにＩｎＧａＡｓ混晶を用いる場合、ＩｎＧａＡｓ混晶のＩｎ組成Ｘは、０．１５～０．２の範囲に調整される。このような組成のＩｎＧａＡｓ混晶の格子定数は、例えば、エピタキシャル成長基板として実用的に用いることが可能な化合物半導体材料の中でＧａＡｓの格子定数に最も近い。このため、発光層１０３は、ＧａＡｓ基板上に形成されることが好ましい。また、ＭＱＷを構成する障壁層１０３ｂおよびＬＥＤの他の構成材料も、ＧａＡｓＰおよびＡｌＧａＡｓなど格子定数がＧａＡｓ基板に近い化合物半導体混晶を用いて形成される。
これらの化合物半導体混晶の作成方法の一つとして、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法が用いられる。ＭＯＣＶＤ法では、ＧａＡｓ基板１０１を加熱し。結晶成長用の各種原料、例えば、ＴＭＩ（トリメチルインジウム：(CH)3In）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム：(CH)3Ga）およびＴＭＡ（トリメチルアルミニウム：(CH)3Al）のうちの少なくとも２つ、および、アルシン（AsH3）およびホスフィン（PH3）のうちの少なくとも１つを基板表面に供給し、熱分解させる。これにより、所望の化合物半導体混晶を、ＧａＡｓ基板１０１の上に堆積させることができる。例えば、各化合物半導体混晶の層厚を原料の供給量および供給時間により制御しながら順に堆積することにより、ＬＥＤの基本構造（図１参照）を形成することができる。
しかしながら、ＩｎＧａＡｓ混晶の格子定数は、ＧａＡｓ基板の格子定数に近いといえども一致する訳ではなく、両者の間には格子不整合がある。このため、格子不整合に起因した格子歪がＩｎＧａＡｓ混晶の堆積中に溜められ、堆積層の層厚の増加と共に大きくなる。堆積層中の格子歪が臨界点を超えると、結晶格子の緩和が生じ、結晶欠陥が生成される。このため、発光層１０３の発光特性が劣化する。
実施形態では、発光特性の劣化を防ぐことを目的として、発光層１０３に歪補償型ＭＱＷ構造を用いる。歪補償型ＭＱＷ構造は、例えば、ＩｎＧａＡｓ混晶の量子井戸層１０３ａと、ＧａＡｓＰ混晶の障壁層１０３ｂとを含む。
図２に示すように、ＧａＡｓＰ混晶は、ＩｎＧａＡｓ混晶よりも広いエネルギーバンドギャップを有するため、障壁層１０３ｂの材料に適する。また、ＧａＡｓＰ混晶は、ＧａＡｓ基板に対してＩｎＧａＡｓ混晶とは逆方向の格子不整合を有する。このようなＧａＡｓＰ混晶をＩｎＧａＡｓ混晶に隣接して配置することにより、ＧａＡｓ基板に対する格子不整合に起因した両者の歪量を相殺することが可能となる。
通常、このような歪補償型ＭＱＷ構造を形成する場合には、量子井戸層１０３ａおよび障壁層１０３ｂの各層厚に依存する歪量をバランスさせる。歪量は、例えば、ＧａＡｓ基板と化合物半導体混晶との間の格子定数差および化合物半導体混晶の層厚によって決まる。
量子井戸層１０３ａにおけるＩｎＧａＡｓ混晶の組成Ｘおよび層厚は、発光層１０３の発光波長に基づいて設定される。また、障壁層１０３ｂにおけるＧａＡｓＰ混晶の組成Ｙは、量子井戸層１０３ａのキャリア閉じ込め効果を優先して設定される。したがって、量子井戸層１０３ａおよび障壁層１０３ｂにおける歪量は、障壁層１０３ｂの層厚により制御される。この時、障壁層１０３ｂの層厚は、過剰歪による格子緩和が生じない範囲に収まるように設定される。言い換えれば、障壁層１０３ｂの層厚は、発光層１０３の結晶格子が弾性変形する範囲内に設定される。
このように、ＧａＡｓ基板１０１に対する格子歪の大きい化合物半導体混晶であっても、当該歪を補償する別の化合物半導体混晶と組み合わせることにより、結晶格子の弾性変形の臨界点を超えない設計が可能となり、発光特性の向上を図ることができる。しかしながら、このような歪補償構造は厳密に設計され、許容範囲の狭い構造パラメータを含む。このため、ＬＥＤの製造工程におけるバラツキや変動に起因した設計値からのズレは、発光特性の変動や劣化に繋がる。実施形態に係る半導体発光装置１は、このような不具合を解決できる構成を有する。
（実施例）
半導体発光装置１は、障壁層１０３ｂの層厚ｄｂａｒを、９．１ｎｍ、２０ｎｍおよび３０ｎｍと変化させた歪補償型ＭＱＷ構造を含む。
半導体発光装置１は、障壁層１０３ｂの層厚ｄｂａｒを、９．１ｎｍ、２０ｎｍおよび３０ｎｍと変化させた歪補償型ＭＱＷ構造を含む。
図３（ａ）は、発光層１０３の断面ＴＥＭ像である。
図３（ｂ）および（ｃ）は、高速フーリエ変換マッピング（Fast Fourier Transform Mapping：ＦＦＴＭ）を用いて可視化した格子間隔を表すヒートマップである。図３（ｂ）および（ｃ）に示す格子間隔は、図３（ａ）の断面ＴＥＭ像を基にフーリエ変換解析を行うことにより得られたものである。この例に示す発光層１０３は、層厚ｄｂａｒ＝３０ｎｍの障壁層１０３ｂを含む。
図３（ｂ）および（ｃ）は、高速フーリエ変換マッピング（Fast Fourier Transform Mapping：ＦＦＴＭ）を用いて可視化した格子間隔を表すヒートマップである。図３（ｂ）および（ｃ）に示す格子間隔は、図３（ａ）の断面ＴＥＭ像を基にフーリエ変換解析を行うことにより得られたものである。この例に示す発光層１０３は、層厚ｄｂａｒ＝３０ｎｍの障壁層１０３ｂを含む。
図３（ａ）に示すように、発光層１０３は、４層の量子井戸層１０３ａを含む。障壁層１０３ｂは、各量子井戸層１０３ａの上下に設けられている。量子井戸層１０３ａと障壁層１０３ｂとの境界は平坦であり、ミスフィット転位の発生が無いことがわかる。
図３（ｂ）は、＜００２＞方向の格子間隔を表している。図３（ｃ）は、＜２２０＞方向の格子間隔を表している。図３（ｂ）および（ｃ）中に示す「ＩｎＧａＡｓ」は、量子井戸層１０３ａのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ混晶であり、「ＧａＡｓＰ」は、障壁層１０３ｂのＧａＡｓ０．９Ｐ０．１混晶である。また、「ＡｌＧａＡｓ」は、ｎ形クラッド層１０２およびｐ形クラッド層１０４のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ混晶である。
図３（ｂ）に示すように、＜００２＞方向では、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ混晶の格子間隔に対し、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ混晶の格子間隔が広がり、ＧａＡｓ０．９Ｐ０．１混晶の格子間隔が狭くなっていることが分かる。
図３（ｃ）に示す＜２２０＞方向では、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ混晶、ＧａＡｓ０．９Ｐ０．１混晶およびＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ混晶の各格子間隔が揃い、略一定であることが分かる。例えば、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ混晶は、ＧａＡｓに格子整合すると見なしても良い。したがって、量子井戸層１０３ａおよび障壁層１０３ｂの積層方向に垂直な結晶面における格子間隔は、ＧａＡｓ基板１０１の格子間隔に整合していると見なせる。
これに対し、量子井戸層１０３ａおよび障壁層１０３ｂの積層方向における格子間隔は、ＧａＡｓ基板１０１の格子間隔とは一致せず（図３（ｂ）参照）、量子井戸層１０３ａの積層方向における格子間隔は、ＧａＡｓ基板１０１の格子間隔よりも広くなる。また、障壁層１０３ｂの積層方向における格子間隔は、ＧａＡｓ基板１０１の格子間隔よりも狭くなる。すなわち、ＧａＡｓ基板１０１に対する量子井戸層１０３ａおよび障壁層１０３ｂの格子変形は、積層方向において逆方向であり、ＧａＡｓ基板１０１に対する歪を相互に補償する形で積層される。
表１は、量子井戸層１０３ａのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ混晶および障壁層１０３ｂのＧａＡｓ０．９Ｐ０．１混晶の物性値を示している。なお、表中に示す３元混晶の物性値は、それぞれの終端組成である２元材料（ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＰ）の値をべガード則に基づいて比例配分したものである。
ここで、化合物半導体混晶の弾性定数と格子変形量の関係は次式により表される。
ここで、ａｓは、ＧａＡｓ基板１０１の格子定数である。△ａは、格子変形の無い化合物半導体混晶の格子定数と、ＧａＡｓ基板の格子定数ａｓとの差である。△ａ⊥は、格子変形した化合物半導体混晶の積層方向における格子間隔と、ＧａＡｓ基板１０１の格子定数ａｓとの差である。Ｃｉｊは、弾性スチフネス定数である。
ここで、化合物半導体混晶の弾性定数と格子変形量の関係は次式により表される。
ここで、ａｓは、ＧａＡｓ基板１０１の格子定数である。△ａは、格子変形の無い化合物半導体混晶の格子定数と、ＧａＡｓ基板の格子定数ａｓとの差である。△ａ⊥は、格子変形した化合物半導体混晶の積層方向における格子間隔と、ＧａＡｓ基板１０１の格子定数ａｓとの差である。Ｃｉｊは、弾性スチフネス定数である。
化合物半導体混晶のＧａＡｓ基板に対する歪率εは、化合物半導体混晶の積層方向における格子間隔ａ⊥と、ＧａＡｓ基板の格子定数ａｓとの差の絶対値をａ⊥で除した値として、次式で定義される。
化合物半導体結晶中の積層方向における歪量は、例えば、歪率εと層厚の積で表される。例えば、量子井戸層１０３ａにおける歪率をεｗｅｌｌとし、障壁層１０３ｂにおける歪率をεｂａｒとすると、量子井戸層１０３ａと障壁層１０３ｂとの間の歪量のバランスは、次式により定義される。
ここで、ｄｗｅｌｌは、量子井戸層１０３ａの層厚であり、ｄｂａｒは、障壁層１０３ｂの層厚である。例えば、量子井戸層１０３ａにおいて、発光波長～９５０ｎｍを得るためにＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ混晶の層厚ｄｗｅｌｌを５．８ｎｍとすると、歪バランス下におけるＧａＡｓ０．９Ｐ０．１混晶（障壁層１０３ｂ）の層厚ｄｂａｒは、２２．８ｎｍとなる。
化合物半導体結晶中の積層方向における歪量は、例えば、歪率εと層厚の積で表される。例えば、量子井戸層１０３ａにおける歪率をεｗｅｌｌとし、障壁層１０３ｂにおける歪率をεｂａｒとすると、量子井戸層１０３ａと障壁層１０３ｂとの間の歪量のバランスは、次式により定義される。
ここで、ｄｗｅｌｌは、量子井戸層１０３ａの層厚であり、ｄｂａｒは、障壁層１０３ｂの層厚である。例えば、量子井戸層１０３ａにおいて、発光波長～９５０ｎｍを得るためにＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ混晶の層厚ｄｗｅｌｌを５．８ｎｍとすると、歪バランス下におけるＧａＡｓ０．９Ｐ０．１混晶（障壁層１０３ｂ）の層厚ｄｂａｒは、２２．８ｎｍとなる。
図４（ａ）および（ｂ）は、発光層１０３のＸ線回折スペクトルを示している。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示すＸ線回折スペクトルの横軸を拡大したものである。図４（ａ）および（ｂ）には、障壁層１０３ｂの層厚ｄｂａｒを、９．１ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍとした３構造のＸ線回折評価結果が示されている。
図４（ａ）に示すように．Ｘ線回折スペクトルは、ＧａＡｓ基板１０１の回折ピークと、ｎ形クラッド層１０２およびｐ形クラッド層１０４に含まれるＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ混晶の回折ピークと、ＭＱＷ構造に起因した複数のサテライトピークと、を含む。
サテライトピークは、ＭＱＷ構造の周期に対応した間隔（周期）を有する。例えば、障壁層１０３ｂの層厚ｄｂａｒが厚くなると共に、サテライトピークの周期は狭くなる。
図４（ａ）中のサテライトピークの周期と、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ混晶およびＧａＡｓ０．９Ｐ０．１混晶の格子定数（表１参照）とに基づいて、複数のサテライトピーク中の０次ピークを同定できる。０次ピークは、量子井戸層１０３ａおよび障壁層１０３ｂの平均格子間隔に対応する。
図４（ｂ）中の矢印は、回折スペクトルの０次ピークＰ０を示している。図４（ｂ）に示すように、０次ピークＰ０の位置は、障壁層１０３ｂの各層厚ｄｂａｒに応じて変化することが分かる。
図５は、障壁層１０３ｂの層厚ｄｂａｒと０次ピークＰ０の位置との関係を表すグラフである。図４（ｂ）中に示された各障壁厚ｄｂａｒにおける０次ピークＰ０の位置、および、ＧａＡｓ基板１０１のピーク位置と０次ピークＰ０が一致する時の障壁層厚（計算値）をプロットしている。
図５に示すように、ＧａＡｓ基板１０１の回折ピークは、障壁層１０３ｂの層厚ｄｂａｒ＝２０ｎｍの時の０次ピークの位置と、層厚ｄｂａｒ＝３０ｎｍの時の０次ピークの位置との間に位置することが分かる。
ＭＱＷ構造の０次ピークがＧａＡｓ基板１０１の回折ピークに重なる場合（相対角度：０ｓｅｃ）、量子井戸層１０３ａの歪量と障壁層１０３ｂの歪量とが完全歪補償の関係にあると言える。
ＭＱＷ構造の０次ピークがＧａＡｓ基板１０１の回折ピークに重なる層厚ｄｂａｒは、例えば、図５中の障壁層厚ｄｂａｒ＝２０ｎｍのプロット位置とｄｂａｒ＝３０ｎｍのプロット位置とを結ぶ線から求められる。図５によれば、量子井戸層１０３ａの歪量と障壁層１０３ｂの歪量とが完全歪補償の関係になる層厚ｄｂａｒは、約２３ｎｍである。この値は、歪バランスの条件から求められる層厚ｄｂａｒ＝２２．８ｎｍと良く一致する。また、図５（ａ）中に示す障壁層厚９．１ｎｍのプロット位置は完全歪補償の関係から外れている。これは、量子井戸層１０３ａと障壁層１０３ｂとの間の歪バランスが大きく崩れていることを表している。
図６（ａ）および（ｂ）は、ｎ形クラッド層１０２、発光層１０３およびｐ形クラッド層１０４に取り込まれた酸素（Ｏ）の分布を示すＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry）プロファイルである。図６（ｂ）は、図６（ａ）の横軸を拡大し、発光層１０３近傍の酸素分布を表したプロファイルである。
図６（ａ）に示すように、ｎ形クラッド層１０２およびｐ形クラッド層１０４には、発光層１０３よりも高濃度の酸素が取り込まれている。ｎ形クラッド層１０２およびｐ形クラッド層１０４は、酸素との親和性が高いアルミニウム（Ａｌ）を含むＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ混晶であるため、エピタキシャル成長過程におけるＡｌ－Ｏ結合に起因した酸素原子の取り込みが生じ易い。実施形態に係る成長条件下では、ｎ形クラッド層１０２およびｐ形クラッド層１０４は、３×１０１６～５×１０１６ｃｍ－３の濃度の酸素を含む。
図６（ｂ）に示すように、発光層１０３は、約１×１０１６ｃｍ－３の濃度の酸素を含む。ＳＩＭＳ測定における酸素の検出限界は、２．５×１０１５ｃｍ－３であり、これ以下の濃度の酸素は検出できない。したがって、図６（ｂ）に示す発光層１０３の酸素濃度は、有意な値である。
通常、発光層１０３は、非発光再結合センターを形成する酸素を取り込まないように形成される。本実施例では、ＭＯＣＶＤ法を用いたエピタキシャル成長における原料消費効率を考慮した好適な原料供給条件を設定し、ＩｎＧａＡｓ混晶の成長条件を適正化した結果として成長温度が比較的低温となっている。このため、発光層１０３への酸素の取り込みが生じたものである。
図７は、半導体発光装置１の構造を例示する模式断面図である。
図７に示すように、半導体発光装置１は、メサ型発光体１１０と、ｎ側電極６０１とｐ側電極６０２とを備える。
図７に示すように、半導体発光装置１は、メサ型発光体１１０と、ｎ側電極６０１とｐ側電極６０２とを備える。
メサ型発光体１１０は、ＧａＡｓ基板１０１の上に設けられる。メサ型発光体１１０は、ｎ形クラッド層１０２と、発光層１０３と、ｐ形クラッド層１０４と、ｐ形コンタクト層１０５と、を含む。
ｎ側電極６０１は、ＧａＡｓ基板１０１の表面上に設けられ、ＧａＡｓ基板１０１に電気的に接続される。ｎ側電極６０１およびメサ型発光体１１０は、ＧａＡｓ基板１０１上に並ぶ。
ｐ側電極６０２は、最上層のｐ形コンタクト層１０５の上に設けられ、ｐ形コンタクト層１０５に電気的に接続される。ｐ側電極６０２は、発光層１０３から放射される赤外光をＧａＡｓ基板１０１の方向に反射するように設けられる。
半導体発光装置１は、ｐ側電極６０２とｎ側電極６０１との間に電流を流し、発光層１０３に注入された電子と正孔の再結合により生成される赤外光を外部に放射するように構成される。発光層１０３から放射された赤外光は、ＧａＡｓ基板１０１の裏面から外部に放出される。
図８は、半導体発光装置１の光出力と、障壁層１０３ｂの層厚ｄｂａｒとの関係を示すグラフである。横軸は、層厚ｄｂａｒである。縦軸は、光出力であり、量子井戸層１０３ａの歪量と障壁層１０３ｂの歪量とがバランスする層厚ｄｂａｒにおける光出力で規格化されている。
図８中に示す実線は、半導体発光装置１の光出力を表している。また、図８中の破線は、比較例に係る半導体発光装置の光出力を表している。比較例に係る半導体発光装置は、半導体発光装置１と同じ構造を有しながらも、発光層１０３の酸素濃度がＳＩＭＳ測定の検出限界以下である。
図８に示すように、比較例に係る半導体発光装置では、量子井戸層１０３ａの歪量と障壁層１０３ｂの歪量とがバランスする層厚（ｄｂａｒ＝２２．８ｎｍ）において、光出力が最大となる。これに対し、半導体発光装置１では、障壁層の層厚ｄｂａｒが歪バランスする層厚（ｄｂａｒ＝２２．８ｎｍ）よりも薄い領域において、光出力が最大となっている。また、光出力特性のピークは、比較例に係る半導体発光装置の光出力特性のピークよりも広い幅を有する。
さらに、障壁層１０３ｂの層厚ｄｂａｒが１０ｎｍよりも薄くなると急激な光出力の低下がみられる。これは、Ｘ線回折評価結果（図５参照）でも見られるように、ＭＱＷ構造における歪量のバランスが大きく崩れ、発光特性を劣化させているものと考えられる。
図８によれば、半導体発光装置１では、例えば、ＭＱＷ構造の歪量がバランスする障壁層１０３ｂの層厚（ｄｂａｒ＝２２．８ｎｍ）の０．５３～１．０倍の層厚ｄｂａｒの範囲において、光出力が向上していることが分かる。言い換えれば、障壁層１０３ｂの層厚ｄｂａｒは、量子井戸層１０３ａにおける積層方向の歪率εｗｅｌｌと層厚ｄｗｅｌｌの積を、障壁層１０３ｂにおける積層方向の歪率εｂａｒで除した値の０．５３～１．０倍の範囲に設定することが好ましい。
また、障壁層１０３ｂのＧａＡｓＰ混晶のＰ組成「Ｙ」を変化させることにより、ＭＱＷ構造の歪バランスを変化させることもできる。例えば、Ｐ組成「Ｙ」を０．０５３～０．１の範囲で変化させると、障壁層１０３ｂの層厚ｄｂａｒを歪量がバランスする値の０．５３～１．０倍の範囲で変化させた場合と同じ歪量を実現できる。すなわち、障壁層１０３ｂの層厚をｄｂａｒ＝２２．８ｎｍに固定し、ＧａＡｓＰ混晶のＰ組成「Ｙ」を０．０５３～０．１の範囲に設定することにより、半導体発光装置１の光出力を向上させることができる。
障壁層１０３ｂにおける上記の層厚ｄｂａｒの範囲、および、ＧａＡｓＰ混晶のＰ組成「Ｙ」の範囲では、量子井戸層１０３ａの歪量と障壁層１０３ｂの歪量とがバランスせず、量子井戸層１０３ａの歪量が障壁層１０３ｂの歪量よりも大きくなる（εｗｅｌｌ×ｄｗｅｌｌ＞εｂａｒ×ｄｂａｒ）。この様に、半導体発光装置１の光出力は、ＭＱＷ構造における歪量のバランス（歪補償）以外の影響も受ける。
図８に示す半導体発光装置１と比較例に係る半導体発光装置の光出力特性は、化合物半導体混晶中の酸素の影響を示唆している。すなわち、発光層１０３に取り込まれる酸素の量により、発光特性が変化している。
化合物半導体混晶中の酸素の存在は、結晶の硬度に影響することが知られている。例えば、混晶中の酸素が弾性定数を変化させ、量子井戸層１０３ａと障壁層１０３ｂとの間の歪量のバランスが崩れた範囲における発光出力の向上に寄与しているものと考えられる。
一方、結晶中の酸素は非発光センターを形成する。このため、多量の酸素の存在は、発光特性を悪化させる。本発明者の鋭意実験によれは、結晶中の酸素濃度が１×１０１７ｃｍ－３を超えると、非発光再結合に起因した発光特性の劣化が顕著になる。したがって、結晶中の酸素により光出力を向上させるためには、酸素濃度を１×１０１７ｃｍ－３以下に制御することが望ましい。
実施形態に係る半導体発光装置１では、ＭＱＷ構造の歪補償に基づくパラメータの許容範囲よりも広い範囲において、光出力を向上させることができる。これにより、半導体発光装置１の製造過程におけるバラツキおよび変動の影響を抑制し、安定した製造を実現できる。
図９は、実施形態の変形例に係る発光層２０３を示す模式断面図である。発光層２０３は、量子井戸層２０３ａと障壁層２０３ｂとを含むＭＱＷ構造を有する。
量子井戸層２０３ａは、ＩｎＧａＡｓ混晶を含む。ＩｎＧａＡｓ混晶のＩｎ組成「Ｘ」は、例えば、０．２である。量子井戸層２０３ａは、例えば、５．８ナノメートル（ｎｍ）の層厚を有し、波長９５０ｎｍの赤外光を発する。
障壁層２０３ｂは、組成式ＡｌＺＧａ1－ＺＡｓ１－ＹＰＹ（０＜Ｚ＜１、０＜Ｙ＜１）で表されるＡｌＧａＡｓＰ混晶を含む。ＧａＡｓＰ混晶にＡｌを加えたＡｌＧａＡｓＰ混晶では、Ｐ組成「Ｙ」が同じＧａＡｓＰ混晶に比べて、格子定数を大きく変化させることなく、エネルギーバンドギャップを広げることができる。したがって、量子井戸層２０３ａと障壁層２０３ｂとの間の歪量のバランスを維持しながら、障壁層２０３ｂのエネルギーバンドギャップを広げることができる。これにより、量子井戸層２０３ａにおけるキャリア閉じ込めの効果を向上させることができる。さらに、Ａｌを加えたことにより、結晶中に酸素を取り込み易くなる。このため、結晶中の酸素濃度を高くして、光出力を向上させることが容易になる。障壁層２０３ｂは、例えば、組成式Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ０．９Ｐ０．１（Ａｌ組成Ｚ＝０．１、Ｐ組成Ｙ＝０．１）で表されるＡｌＧａＡｓＰ混晶を含む。
図９に示す発光層２０３を備えた半導体発光装置は、図８に示す障壁層厚の範囲において、半導体発光装置１と同等の光出力を有する。なお、発光層２０３中の酸素濃度は、２．５×１０１５～１．０×１０１７ｃｍ－３の範囲にある。
本実施形態は、上記の例に限定されるものでは無い。例えば、ＧａＡｓ１－ＹＰＹ障壁層１０３ｂおよびＡｌＺＧａ１－ＺＡｓ１－ＹＰＹ障壁層２０３ｂのＰ組成「Ｙ」は、ＩｎＧａＡｓ量子井戸層１０３ａ、２０３ａとの歪バランスおよび酸素濃度を考慮した範囲において、層厚ｄｂａｒと共に適宜設定される。また、ＩｎＸＧａ１－ＸＡｓ量子井戸層１０３ａ、２０３ａのＩｎ組成「Ｘ」および層厚は、例えば、発光波長９００ｎｍ～１０００ｎｍの範囲で適宜設定される。ここで。９００ｎｍは、ＧａＡｓ基板の吸収端波長であり、１０００ｎｍは、Ｓｉ系ＰＤが光感度を有する波長領域の長波長端である。さらに、量子井戸層１０３ａおよび２０３ａに設定されたＩｎＧａＡｓ混晶に対し、障壁層１０３ｂ、２０３ｂの層厚ｄｂａｒは、歪量をバランスさせる層厚ｄｂａｒの０．５３～１．０倍の範囲に設定される。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１…半導体発光装置、 １０１…ＧａＡｓ基板、 １０２…ｎ形クラッド層、 １０３、２０３…発光層、 １０３ａ、２０３ａ…量子井戸層、 １０３ｂ、２０３ｂ…障壁層、 １０４…ｐ形クラッド層、 １０５…ｐ形コンタクト層、 １１０…メサ型発光体、 ６０１…ｎ側電極、 ６０２…ｐ側電極
Claims (5)
- 半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられた発光層であって、
前記半導体基板から前記発光層に向かう第１方向に交互に積層され、互いに接する量子井戸層と障壁層とを含み、
前記量子井戸層は、前記半導体基板の格子定数よりも大きい格子定数を有する第１半導体混晶を含み、前記第１方向の第１層厚を有し、前記第１方向における前記第１半導体混晶の格子間隔と前記半導体基板の前記格子定数との差の絶対値を前記第１半導体混晶の前記格子間隔で除した第１歪率と、前記第１層厚と、の積である第１歪量を有し、
前記障壁層は、前記半導体基板の前記格子定数よりも小さい格子定数を有する第２半導体混晶を含み、前記第１方向の第２層厚を有し、前記第１方向における前記第２半導体混晶の格子間隔と前記半導体基板の前記格子定数との差の絶対値を前記第２半導体混晶の前記格子間隔で除した第２歪率と、前記第２層厚と、の積である第２歪量を有し、
前記量子井戸層および前記障壁層は、前記第１歪量が前記第２歪量よりも大きくなるように設けられる、前記発光層と、
を備え、
前記第１方向における前記量子井戸層の格子間隔は、前記第１方向における前記半導体基板の格子間隔よりも広く、
前記第１方向における前記障壁層の格子間隔は、前記第１方向における前記半導体基板の前記格子間隔よりも狭く、
前記第１方向と垂直にある第２方向における前記量子井戸層の格子間隔と、前記第２方向における前記障壁層の格子間隔と、の差は、前記第１方向における前記量子井戸層の前記格子間隔と、前記第１方向における前記半導体基板の前記格子間隔と、の差よりも小さく、且つ、前記第１方向における前記障壁層の前記格子間隔と、前記第１方向における前記半導体基板の前記格子間隔と、の差よりも小さく、
前記第１半導体混晶および前記第２半導体混晶は、酸素を含み、
前記酸素の濃度は、２．５×１０１５ｃｍ－３よりも高く、１．０×１０１７ｃｍ－３以下である半導体発光ダイオード。 - 前記第１半導体混晶は、組成式ＩｎＸＧａ１－ＸＡｓ（０＜Ｘ＜１）で表されるＩｎＧａＡｓ混晶であり、
前記第２半導体混晶は、組成式ＧａＡｓ１－ＹＰＹ（０＜Ｙ＜１）で表されるＧａＡｓＰ混晶および組成式ＡｌＺＧａ１－ＺＡｓ１－ＹＰＹ（０＜Ｙ＜１、０＜Ｚ＜１）で表されるＡｌＧａＡｓＰ混晶のいずれかであり、
前記第２方向における前記量子井戸層の格子間隔と、前記第２方向における前記障壁層の格子間隔と、前記第２方向における前記半導体基板の格子間隔と、は整合している請求項１記載の半導体発光ダイオード。 - 前記障壁層の前記第２層厚は、前記第１歪量を前記第２歪率で除した値の０．５３～１．０倍の範囲にある請求項１または２に記載の半導体発光ダイオード。
- 前記量子井戸層は、前記発光層から放出される光の波長が９００ｎｍよりも長く、１０００ｎｍよりも短くなるように設けられる前記第１半導体混晶および前記第１層厚を有する請求項１～３のいずれか１つに記載の半導体発光ダイオード。
- 前記半導体基板は、前記発光層から放出される光を透過する請求項１～４のいずれか１つに記載の半導体発光ダイオード。
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