JPH01243483A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、直接遷移型の■−Ｖ系混晶であるＧａＩｎＰ
Ａｓ系混晶から構成される発光ダイオード（ＬＥＤ）や
半導体レーザ（ＬＤ）などの半導体発光装置に関する。

〔従来の技術ｌ〕

■−Ｖ族化合物半導体材料である四元混晶のＧａＩｎＰ
Ａｓは、直接遷移型バンドギャップを有し、赤色〜波長
ｌ−以上の長波長から黄色〜橙色の短波長まで広波長帯
の材料であり、現在赤色または１．３−１１．５−帯の
発光素子として実用化されている。この赤色発光素子は
高品質な基板結晶が得られるＧａＡｓ基板上にＧａＩｎ
ＰＡｓ活性層及びクラッド層を成長させたものである。

また、１．３−及び１．５Ｐ−帯の発光素子は同じく高
品質な基板の１つであるＩｎＰ基板上にＧａＩｎＰＡｓ
の活性層及びクラッド層を成長させたものである。第４
図にＧａＸ１ｎ＋−＊　ＰｙＡｓ、−、の等バンドギャ
ップ線と等格子定数線を示す０図から理解できるように
、ＧａＸ１ｎ＋−ｘＰｙＡｓ＋−ｙはＸ、ｙを適当に選
ぶことによって５．４５λ〜６．０６人の格子定数で０
．３６ｅＶ〜２．２ｅＶのバンドギャップを任意に設定
できる。しかし現実に結晶成長可能なのは、格子定数の
一致という制約があるため、ＧａＡｓ及びＩｎＰを基板
とし各々の格子整合ライン上の組成だけである。

〔発明が解決しようとする課Ｂ１） ところで、基板結晶として用いた二元化合物のＧａＡｓ
は１　、４２ｅＶのバンドギャップであり、８７０ｎｍ
より短波長側の光に対して大きな光吸収係数を有してい
る。従って可視発光素子の場合、ＧａＩｎＰＡｓ活性層
と平行方向に光を取り出す端面発光型では問題ないが、
活性層と垂直方向に光を取り出す面発光型光素子の場合
には、上記理由により放射光がＧａＡｓ基板に吸収され
、放熱性の良好なジャンクションダウンとして光を取り
出すことは不可能である。また、基板側を下にしてマウ
ントしても基板側に放射した光は取り出せず、高輝度化
の妨げとなる。すなわち、最終的な素子となったＬＥＤ
またはＬＤの光を取り出す方向に制限があり、素子化に
対するデザインに大きな制約が存在するという課題があ
る。

また基板としては、大面積でかつ高品質の結晶であるこ
と、及び混晶エピタキシャル薄膜と同じ結晶構造を有す
ることが望ましい。そこで■−■族化合物のＧａＩｎＰ
Ａｓ混晶エピタキシヤル成長に関しては、同じＩ［［−
Ｖ族の二元化合物であるＧａＰが基板結晶として選定さ
れる。ＧａＰはＧａＡｓと異なり２．２６ｅＶと広いバ
ンドギャップを有し、５５０ｎｍより長波長の光に対し
て透明であり、しかも熱伝導率が良く放熱性に優れてい
るので、ＧａＰを基板に用いた素子では、発光を基板側
からも取り出せ、熱放散性に有利なジャンクションダウ
ンとすることができる。また、基板側を下にしてもＧａ
Ｐが透明であるため基板側に放射した光も上部に取り出
すことができる。このように、任意の方向に光を放出す
ることができ、発光素子の設計に対して大きな自由度が
得られると共に、活性層での発熱を効率良く放散させる
ことが可能になる。

そのような多大な利点があるにもかかわらず、ＧａＰ基
板を用いたＧａＩｎＰＡｓ系の発光素子が現在までのと
ころ開発されていないのは、ＧａＰとＧａＩｎＰＡｓの
格子定数の不一致（格子不整合）によりＧａＰ基板上に
直接遷移型のＧａＩｎＰＡｓをエピタキシャル成長させ
るのは不可能と見なされていたからである。

先にも述べたように混晶の良質エピタキシャル薄膜を得
ようとすると混晶の格子定数と一致した基板が必要であ
り、格子整合がとられない限り、目的とする組成をもつ
混晶薄膜を形成することはできない。

従って本発明の〔課題１〕に対する目的は、ＧａＰ基板
を用い、ＧａＰ基板上にＧａＩｎＰＡｓ活性層を有する
半導体発光装置を提供することにある。

〔従来の技術２〕 〔従来の技術１〕で述べたように、ＧａＡｓ基板上にＧ
ａＩｎＰＡｓ活性層を成長させた赤色発光素子並びにＩ
ｎＰ基板を用いた１、３ｐ＠及び１．５−帯の発光素子
は周知である。言い換えると、ＧａＡｓ基板上にＧａＩ
ｎＰＡｓをエピタキシャル成長させる場合は、Ｇａ。

Ｉｎ、、　Ｐ　、＾ｓ＋−，のうち約６５０〜９５０　
ｎ＋ｍ範囲内の発光波長のものしか得られず、ＩｎＰ基
板上ではさらに長波長領域の発光波長となる。それ以外
の特に黄色〜橙色の短波長のものは未だ開発されるに至
っていない、第４図から分かるように、短波長領域の発
光素子が未開発であるのは格子整合する良質な基板結晶
が存在しないからである。逆に、この問題点が解決でき
れば、すなわち、格子定数がＧａＡａより小さ（、Ｇａ
Ｐより大きい基板が用意できれば、この材料系でさらに
バンドギャップの広い発光領域を持った発光素子を形成
し得るわけである。この所望する格子定数の基板を得る
ための従来技術としてＧａＰＡｓ基板がある。　Ｇａ、
　Ｉｎ、−、Ｐ及びＧａＰ　ｙ　ＡＳ＋−ｙの格子定数
及びバンドギャップは、 ａ　（Ｘ）　＝５．４５１２Ｘ＋５．８６８８　（１−
Ｘ）　　Ｃ人〕（１）Ｅ、　　（Ｘ）　＝１．３５１　
＋０．６４３　Ｘ＋０．７８６　Ｘ”（ｅＶ　ａｔ　３
００　Ｋ　）　（２）ａ　（Ｙ）　＝５．４５１２Ｙ＋
５．６５３３　（Ｉ　　Ｙ）　　［入］（３）Ｅ、　　
（Ｙ）　＝１．４２４　＋１．１５Ｙ＋０．１７６、　
Ｙ、”（ｅＶ　ａｔ　３００　Ｋ　）　（４）で与えら
れる。たとえば、Ｇａ、ＩＩｎ＋−＋＋　Ｐで５７０ｎ
ｍ（２，１７５ｅＶ　）相当のバンドギャップを与える
組成は（２）より、Ｘ　＝０．６９４、また（１）　＝
　（３）よりＹ＝０．３６８が得られる。すなわち、Ｇ
ａＰまたはＧａＡｓ基板上にＧａＰ　ｙ　ＡＳ＋−ｙの
組成を順次変化させて成長させ、最終的にｃａｐＯ，３
６１１Ａｓａ、ｉ３ｔなる組成のＧａＰＡｓ基板を用意
すれば、Ｇａｏ、　ｂｑａｌｎｏ、　ｚｏｈＰの成長が
可能になる。この例は、たとえば特開昭６２−１１９９
８４号公報に示されている。

〔発明が解決しようとする課題２〕 しかしてＧａＡｓ基板上にＧａＩｎＰＡｓ活性層を設け
た発光素子は、その発光波長が６５０〜９５０ｎｍ程度
の赤色〜近赤外で、これ以外の波長、たとえば５７０〜
６３０　ｎｍ　（黄色〜橙色）短波長の発光素子は研究
開発途上にあるのが実情である。これは前述したように
、Ｇａ＋ｃ　Ｉｎ＋−ｘ　Ｐ　ｙ　ＡＳ＋−ｙ混晶で６
５０〜９５００Ｉ１１程度の波長のものはＧａＡｓ基板
上に成長させることが可能であるが、黄色〜橙色波長（
５７０〜６３０ｎｍ程度）のもの、換言するとＧａ、ｌ
Ｉｒ＋＋−＊　ｐ、　ＡＳ＋−ｙのＧａＡｓに対する格
子整合条件下以外で格子定数がＧａＡｓより小さい組成
のＧａＩｎＰＡｓ混晶は、エピタキシャル成長が困難で
あると目されてきたがためである。それ故、多様な波長
が得られる■−■族化合物半導体混晶において短波長化
への研究が盛んに行われている実情を踏まえると、特に
ＧａＩｎＰＡｓの短波長化を実現させた発光素子の出現
が待望されるわけである。

しかして上記の例において、（４）よりＥ、　＝１．８
７１ｅＶとなり、ＧａＰＡｓ組成傾斜層は６６０ｎｍよ
り長波長の光を吸収することが分かる。この例において
、ＧａＩｎＰＡｓを活性層とした発光素子では第４図よ
り５７０〜６６０ｎ−の発光波長となる。すなわち、Ｇ
ａＰＡｓでＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数に調整した
基板は格子整合するＧａＩｎＰＡｓ系のバンドギャップ
より小さくなり、課題１で述べた光吸収の問題が同様に
存在していることが分かる。

従って本発明の〔課題２〕に対する目的は、ＧａＰ基板
上に形成した目的とする格子定数まで組成変化させた組
成傾斜層のバンドギャップが活性Ｎ！：Ｄバンドギャッ
プ以上となる構成の半導体発光装置、特に５５０〜６３
０ｎｍの発光波長である半導体発光装置を提供すること
にある。

〔発明が解決しようとする課題３〕 上記のＧａＰＡｓ基板は、通常気相成長で作製されるが
、特有のクロスハツチパターンの表面モホロジーとなり
、その上に多層膜を形成しても表面モホロジーの改善は
され難く、平坦な界面は得られない、また、ミスフィツ
ト転位が多数存在し、端面発光型のＬＥＤ、ＬＤの性能
、信頼性を著しく低いものにしている。

従って本発明の〔課題３〕に対する目的は、ＧａＰ基板
上に、格子定数がＧａＰと異なっていても表面モホロジ
ーが良好で転位の少ないＧａＩｎＰＡｓ系の多層膜を有
する半導体発光装置を提供することにある。

〔課題１〜３を解決するための手段〕 上記課題１〜３に対する目的を達成するために、本発明
の半導体発光装置においては、ＧａＰ基板と、ＧａＰ基
板上に設けた歪超格子と、歪超格子上に設けた多層とで
構成され、多層がＧａＩｎＰＡｓ活性層及びＡｌを含有
するＡｌＧａＩｎＰもしくは含有しないＧａＩｎＰクラ
ッド層を有することを特徴とするものである。

本発明の課４１１１〜３に対する半導体発光装置では、
５５０ｎｍより長波長の光に対して透明であるＧａＰ基
板上に発光領域のバンドギャップ以上のバンドギャップ
を有する材料からなる歪超格子を設けたことにより、従
来はＧａＰ基板には成長困難と見なされていた領域のＧ
ａＩｎＰＡｓ混晶の活性層をＧａＰ基板にエピタキシャ
ル成長させることができるようになり、高輝度ＬＥＤが
実現された。換言すると、ＧａＡｓ及びＩｎＰ基板結晶
に対するＧａＩｎＰＡｓ混晶の格子整合条件下の組成混
晶だけでなく整合条件を外れた組成混晶もエピタキシャ
ル成長させ、半導体発光装置の材料として使用すること
を可能にしたものである。

しかして歪超格子は、格子定数の異なる数種の５０〜２
００００人のエピタキシャル成長薄膜を５層以上交互に
成長させた構造で、ヘテロ界面に格子定数の差に起因す
る歪場が存在している。現在、ｓｉ基基土上のＧａＡｓ
成長でこの歪超格子の多くの研究がなされている。すな
わち、基板と格子定数の異なる結晶をエピタキシャル成
長させる有力な手段となっている。これは、エピタキシ
ャル成長薄膜が非常に薄い場合、ミスフィツト転位が入
り難く、また界面の歪場が転位の伝播を止める作用を持
っていることなどを利用したものである。

本発明では、ＧａＰ基板上にＡｌＩｎＰ　／ＧａＰの構
造を少なくとも含んだ歪超格子を使い、ＧａＰ上に目的
とするＧａＩｎＰ混晶を成長させることを可能にした。

すなわち、ＧａＡｓの格子定数より小さく、ＧａＰの格
子定数より大きい格子定数の基板が製作できたわけであ
る。この時、目的とするＧａＩｎＰ混晶のバンドギャッ
プ以上のバンドギャップを持つ材料で歪超格子を設定す
ることが重要である。従って、Ｚｎ５ｅなどの■−■系
の材料を使っても構わない。

ここでは基板をＧａＰとしたが、端面発光デバイスを作
製する場合はＧａＡｓ基板を使っても構わない。

ＧａＰ基板を用いた半導体発光装置は多層を有するが、
この多層はＡｌを含有するＡｌＧａＩｎＰもしくは含有
しないＧａＩｎＰクラッド層、ＧａＩｎＰＡｓ活性層及
びＡｌＧａＩｎＰもしくはＧａＩｎＰクラッド層からな
るダブルヘテロ構造、或いはＧａＩｎＰＡｓ活性層及び
ＡｌＧａＩｎＰもしくはＧａＩｎＰクラッド層からなる
シングルヘテロ構造などからなるものである。

本発明の半導体発光装置の構成材料はＬＥＤやＬＤに最
適なものであり、ダブルヘテロ接合またはシングルヘテ
ロ接合いずれの構造であってもＬＥＤまたはＬＤ用の材
料として好適である。ヘテロ接合部にｐ−ｎ接合を形成
し面発光素子としてもよいし、通常のＬＤの形状にして
もよい。また、多層に選択的に異種導電型となるドーパ
ントを拡散し、拡散領域とＧａＩｎＰＡｓ活性層により
発光領域を形成してＬＥＤまたはＬＤとしてもよく、実
質的に極小の発光領域になり、発光領域に対する電流注
入効率の向上、発光輝度の増加、高速変調などが得られ
都合がよい。拡散ドーパントとしてはＧａＩｎＰＡｓ活
性層の伝導型により異なり、ドナーではＳ、　Ｓｉ、　
Ｔｅ、　Ｓｅなど、アクセプタではＧｅ、　Ｂｅ。

Ｃｄ、　Ｍｇ、、Ｚｎなどが例示される。

なお、多層のクラッド層はＡｌを含有しないＧａＩｎＰ
よりもＡｌを含有するＡｌＧａＩｎＰからなることが好
ましい。これは、Ａｌの添加によってクラッド層のバン
ドギャップを大きくすることができるからであり、特に
本発明の発光装置の構造を用いてＬＤとする場合、ＬＤ
材料の望ましい一条件としてクラッド層の材料が活性層
に比べて十分大きなバンドギャップ差と比屈折率差を持
つことが挙げられ、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層はこの条
件に合致するからである。

〔実施例〕

以下、本発明の半導体発光装置を図面に基づいて詳細に
説明する。

第１図はＧａＰ基板１を用いたダブルヘテロ構造の基本
構造回で、この構造は、ＧａＰ基板１上に歪超格子層２
を形成し、歪超格子層２上にダブルヘテロ接合を有する
多層、すなわちＡｌＧａＩｎＰクラッド層３、ＧａＩｎ
ＰＡｓ活性層４及びＡｌＧａＩｎＰクラッド層５を順に
エピタキシャル成長させたものである。

この構造は、ＧａＩｎＰＡｓ活性層４をＧａＰ基板１に
成長させたことを特徴とするが、前述したようにこれは
ＧａＰ基板１に歪超格子層２を設けたことに拠る。Ｇａ
Ｐ基板１及び広いバンドギャップ材料で設定した歪超格
子層２はＧａＩｎＰＡｓ活性層４からの放射光に対して
透明であり、かつＧａＰ基板１は熱伝導率が高くて放熱
性に優れているため、素子にした場合に発光の取り出す
方向に制限がなく、延いては素子化に対するデザインが
自由であると共に、ＧａＩｎＰＡｓ活性層４での発熱が
効率良く放散される。また、面発光型ＬＥＤとして使う
と外部量子効率が著しく向上した。

上記ＧａＰ基板を用いた発光素子において、たとえば黄
色ＬＥＤを製造する場合には、第２図に示すように、通
常のダブルヘテロ構造の高輝度ＬＥＤと同様の構造でよ
＜　、ＧａＩｎＰＡｓ活性層４のバンドギャップを２．
１３８ｅＶ　、　ＡｌＧａｒｎＰクラッド層３．５のバ
ンドギャップを２．３ｅＶ以上に設定すればよい。また
第３図に示すように、構成している多層とは異なる伝導
型のドーパント（すなわちＧａＩｎＰＡｓ活性層４の伝
導型がｐ型ではドナー、ｎ型ではアクセプタ）を拡散し
て拡散領域ＤＲとＧａＩｎＰＡｓ活性層４とによって発
光領域ＡＲを形成し、ｐ側電極材及びｎ側電極材Ｅｌ、
Ｅ２を真空蒸着などの手段によって設ければよい、また
黄色〜橙色短波長帯のＬＤを製造するには、さらに材料
の両端を襞間するなどによりストライプ状の活性領域を
共振器構造にすればよい。第２図の構造を具備する発光
素子では、ＧａＰ基板１で光が吸収されることがないた
めにＳｉＯ□による反射板を設けることや、光の取り出
し方向の反射防止を施すことによって任意の方向に光を
放射することができるために、素子の設計上で大きな自
由度がある。加えて、ＧａＰ基板１が放熱性に優れてい
るため、ＧａＩｎＰＡｓ活性層４の発熱の放散が良い、
第３図の構造を具備する発光素子では、特に５７０〜６
３０　ｎ＋＊波長帯のＧａＩｎＰＡｓ活性層を設ければ
短波長帯の可視光ＬＤを提供できる。

第３図に示すような構造のＬＤは、ＧａＩｎＰＡｓが直
接遷移型バンドギャップを有すると共に長波長化のみな
らず短波長化にも有利であるという特性を活かすべく、
黄色〜橙色の可視領域の短波長が得られ、光デイスクメ
モリやビデオディスクの高密度化、レーザプリンタの高
速化など光情報処理システムの高性能化の鍵を握る有用
なものである。

また、黄色〜橙色の可視光ＬＤは目に見えるコヒーレン
ト光を出す小形、軽量の光源として従来の赤外域で発振
するＬＤにない新たな応用の可能性を秘めているもので
ある。

次に、上述の如き数々の利点が得られるに至ったＧａＰ
基板１に対する歪超格子層２の形成方法の一例を以下に
述べる。

まず、＜０１１　＞方向に２°オフの（１００）　ｐ型
ＧａＰ基板上に通常の減圧ＭＯＶＰＥ技術でｐ型のＧａ
ＰをＩＰ成長させ、続いて０．１ｐ＠のｐ型Ａｌ＋、　
７２Ｉｎｏ、　ｚｔＰ及びｐ型ＧａＰを交互に１０層ず
つ成長させ、次にｐ型（Ａｌｏ、ｗ　Ｇａｏ、ｓ　）　
ｏ、？３Ｉｎ＋、ｉｙＰを１μｍ成長させた。

上記の如（ＧａＰ基板ｌ上に歪超格子層２を形成した後
は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、分子線エピタ
キシャル成長法（ＭＢＥ）または液相エピタキシャル成
長法（ＬＰＥ）などによって多層を構成するＡｌＧａＩ
ｎＰクラッド層３、ＧａＩｎＰＡｓ活性層４及びＡｌＧ
ａＩｎＰクラッド層５を歪超格子層２上に順にエピタキ
シャル成長させれば第１図に示した構造の半導体発光装
置が製造される。この時、ＧａＩｎＰＡｓ活性層４のバ
ンドギャップを２．１３８ｅＶ。

ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３．５のバンドギャップを２
．２５〜２．４ｅＶとなる混晶組成に制御する。この多
層は（Ａｌｏ、ｙ　Ｇａｏ、ｉ　）　ｏ、ｔｓｌｎａ、
ｚｔＰに格子整合していることは言うまでもない。また
、多層の成長方法は上記のように多種存在するが、特に
はＭＯＶＰＥで歪超格子の形成から連続的に形成するこ
とが望ましい。

〔発明の効果〕

本発明の半導体発光装置は、以上説明したように構成さ
れているので、以下に記載されるような効果を奏する。

ＧａＰ基板に歪超格子を設けることでＧ’ａＡｓ及びＩ
ｎＰに対するＧａＩｎＰＡｓの格子整合条件下にある組
成のＧａＩｎＰＡｓ混晶活性層だけでなく整合条件を外
れた組成のＧａＩｎＰＡｓ混晶活性層も成長させること
ができ、短波長から長波長までの広範囲な波長領域の発
光が得られ、さらにＧａＰ基板を用いていることから発
光の取り出し方向に制約がなく、発光素子設計に対する
自由度も太き（、しかも放熱性に優れている。

ＧａＰ基板を用いた半導体発光装置において、結晶成長
中のドーパント制御によりヘテロ接合部にｐ−ｎ接合を
形成してもよいし、多層に選択的に異種導電型となるド
ーパントを拡散して拡散領域とＧａＩｎＰＡｓ活性層と
によって発光領域を形成してもよい、しかる後に、ｐ側
電極及びｎ側電極を設けることによって特に黄色〜橙色
短波長帯のＬＥＤが簡単に得られる。また、これに加え
てたとえば第３図のような構成材料の襞間などにより共
振器を形成し、ＬＤを得ることも容易である。また、こ
のダブルヘテロ構造に既知の手段により電流注入構造及
び横モード制御構造を導入するなどにより特に短波長帯
の可視光ＬＤをも容易に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体発光装置の基本構造を示す断面
図、第２図は第１図の構造を用いた発光素子の一例の断
面図、第３図は第１図の構造を用いた発光素子の側倒の
断面図、第４図はバンドギャップと格子定数の組成依存
性を示す図である。 １　　　　　　　　：　ＧａＰ基板 ２　　　　　　　：歪超格子層 ３．５　　　　　：＾ｌＧａＩｎＰクラッド層４　　　
　　　　　：　ＧａＩｎＰＡｓ活性層ＤＲ：拡散領域 ＡＲ：発光領域 Ｅｌ、Ｅ２　　　：電極 第１図 第２図 第３図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ＧａＰ基板と、ＧａＰ基板上に設けた歪超格子と
   、歪超格子上に設けた多層とで構成され、多層がＧａＩ
   ｎＰＡｓ活性層及びＡｌを含有するＡｌＧａＩｎＰもし
   くは含有しないＧａＩｎＰクラッド層を有することを特
   徴とする半導体発光装置。
2. （２）多層が歪超格子上に順に形成したＡｌＧａＩｎＰ
   クラッド層、ＧａＩｎＰＡｓ活性層及びＡｌＧａＩｎＰ
   クラッド層からなるダブルヘテロ構造を少なくとも有す
   ることを特徴とする請求項（１）記載の半導体発光装置
   。
3. （３）多層が歪超格子上に順に形成したＧａＩｎＰＡｓ
   活性層及びＡｌＧａＩｎＰクラッド層からなるシングル
   ヘテロ構造を少なくとも有することを特徴とする請求項
   （１）記載の半導体発光装置。