JPH02205090A - 半導体発光素子 - 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】 〔概　要〕 発光ダイオードやレーザダイオード等の半導体発光素子
に関し。

例えばＴｎＧａＡＩＰのような比較的酸化されやすい半
導体材料を用いて構成される可視領域の発光素子を、　
ＭＯＶＰＥ法を用いて製造するのに適した構造を提供す
ることを目的とし。

禁制帯幅Ｅ、　＋を有する第１の半導体から成る活性層
と、禁制帯幅Ｅ、□（但しＥｇ２＞　Ｅｇ１）を有する
第２の半導体から成り、該活性層上に形成されたクラッ
ド層と、禁制帯幅Ｅｇ３（但しＥｇ１＜　Ｅｇ３≦Ｅｇ
２）を有し、該クラッド層と同一導電型であり、該第２
の半導体との接合界面において価電子帯の不連続による
スパイク状の障壁が形成される第３の半導体から成り、
該クラッド層上に形成されたキャップ層と、該クラッド
層とキャップ層との間に介在するように設けられた半導
体層であって、所望の発光領域に対応する形状を有し、
該クラッド層側において禁制帯幅がＥｇ□であり、該キ
ャップ層側において禁制帯幅がＥｇ３であるように連続
的に変化する組成勾配を有し、該クラッド層と同一導電
型の混晶半導体層とを備えることにより構成される。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、化合物半導体を用いて構成される発光ダイオ
ードやレーザダイオード等の発光素子に関する。

〔従来′の技術〕

発光ダイオードやレーザダイオード等の発光素子におい
ては、注入キャリヤを発光領域（活性領域）に集中して
流す（キャリヤの閉じ込め）構造が必要である。このた
めに９通常、活性領域の周囲に電流を流し難くするため
の手段（電流狭窄構造）が設けられる。レーザダイオー
ドにおいては。

さらに１発生した光を共振器を構成する伝播路内に閉じ
込める構造が必要であり、前記電流狭窄構造はこのよう
な光閉じ込め機能も具備するように設計される。

上記電流狭窄構造の一つとして、活性領域の周囲に、注
入キャリヤに対して逆方向のｐｎ接合を形成する構造が
ある。これを第４図を参照して説明する。

図において、Ａは活性領域、Ｂは電流狭窄領域である。

活性領域Ａは２例えばｎ型１ｎＰ基板１上に順次エピタ
キシャル成長させたｎ型ＩｎＰ層２゜ｎ型またはｐ型の
ＩｎＧａＡｓＰ層３．Ｐ型ｊｎ　Ｐ層４１およびｐ型１
ｎＧａＡｓＰ層５を、エツチングによりメサ形状に加工
して形成される。ＩｎＧａＡｓＰ層３は活性層を構成し
、　　ＩｎＰ層２および４がクラッド層を構成している
。ｐ−１ｎＧａＡｓＰ層５は電極６とｐ−１ｎＰ層４と
のオーミックコンタクトを形成するためのキャップ層を
構成する。電流狭窄領域Ｂには、ｐ型１ｎＰ層７．およ
び７．とｎ型１ｎＰ層７２が形成されており、これらに
より活性領域Ａの前記メサが埋め込まれている。

電極６から電極８に向かって電流を流した場合。

活性領域Ａには順方向電流が流れるが、電流狭窄領域Ｂ
においては、少なくともＩｎＰ層７□、７Ｉ、とＩｎＰ
層２によるｎｐｎ接合が形成されているため。

電流は流れない。

〔発明が解決しようとする課題〕

第４図の構造においては、ｐ型１ｎＰ層７１は、光閉じ
込めのために、活性層であるＩｎＧａＡｓＰ層３より深
い位置に形成する必要がある。このため、活性領域Ａに
おける前記メサの高さＨは１通常、５μｍ程度となる。

したがって、電流狭窄領域ＢにおけるＩｎＰ層７．、７
２．７３は、この高さのメサを埋め込むことができる厚
さを有していなければならない。従来、このような厚さ
のエピタキシャル成長層を得る方法として液相成長法（
ＬＰＥ）が用いられてきた。

しかしながら、液相成長法は一般に成長温度が高いため
、ｆｉ（Ｐ）のような蒸気圧の高い成分あるいはアルミ
ニウム（Ａ１）のような酸化されやすい成分を含有する
化合物半導体結晶の表面が、燐の蒸発やアルミニウムの
酸化のような熱変性を受けやすい欠点がある。このため
２例えばＩｎＧａＡＩＰを用いる可視領域のレーザダイ
オードでは、′メサ状の活性領域の側面に表出するＩｎ
ＧａＡＩＰ　Ｎ表面に変性層が形成され、その結果、洩
れ電流が増加し、闇値電流が大きくなってしまう問題が
ある。

最近、有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）技術の進
歩により、液相成長法より低温で、しかも酸素の存在し
ない雰囲気中で化合物半導体をエピタキシャル成長させ
ることが可能になった。したがって、　ＭＯＰＶＥ法に
よれば、上記ＬＰＥ法におけるような結晶表面の熱変性
の問題が回避できるものと期待される。

しかしながら、　ＭＯＶＰＥ法は気相成長法の一種で。

液相成長法とは結晶成長のメカニズムが異なる。

このため、上記電流狭窄領域Ｂにおけるｎｐｎ接合層の
ような厚さ５μｍの半導体層を形成しようとすると、　
（１１１）面の特定の面が形成され、平坦に埋め込み成
長させることが難しく、埋め込み可能な厚さは、高々３
μｍ程度が限度である。その結果、上記のようにｐｎ接
合を用いた電流狭窄構造では１例えばＩｎＰ層７１，７
□、７３を一回の工程で成長することができず、これら
各々の層を成長するごとにエツチング工程を経た上で１
次の層を成長させなけれはならず、多数回の成長工程を
要する問題がある。

本発明は、上記のようなｐｎ接合を用いることに起因す
る問題点のない電流狭窄構造を提供すること、具体的に
は、電流狭窄領域を比較的小さな厚さの半導体層で形成
可能であり、したがって１例えばＩｎＧａＡＩＰのよう
な比較的酸化されやすい半導体材料を用いて構成される
可視領域の発光素子における電流狭窄領域をＭＯＰＶＥ
法により形成可能とし、しかも、横モード制御も可能な
電流狭窄構造を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、禁制帯幅Ｅｇ＋を有する第１の半導体から
成る活性層と、禁制帯幅Ｅｇ□（但しＥｇ□〉Ｅｇ１）
を有する第２の半導体から成り、該活性層上に形成され
たクラッド層と、禁制帯幅Ｅｇ３（但しＥ、ｌ＜　Ｅ、
、≦Ｅｇ２）を有し、該クラッド層と同一導電型であり
、該第２の半導体との接合界面において価電子帯の不連
続によるスパイク状の障壁が形成される第３の半導体か
ら成り、該クラッド層上に形成されたキャップ層と、該
クラッド層とキャップ層との間に介在するように設けら
れた半導体層であって、所望の発光領域に対応する形状
を有し、該クラッド層側において禁制帯幅がＥ、ｔであ
り、該キャップ層側において禁制帯幅が８１１３である
ように連続的に変化する組成勾配を有し。

該クラッド層と同一導電型の混晶半導体層とを備えたこ
とを特徴とする本発明に係る半導体発光素子によって達
成される。

〔作　用〕

第１図は本発明の原理的構造を示す断面図、第２図は本
発明の構造による電流狭窄動作を説明するためのエネル
ギーバンド図である。

第１図を参照して、禁制帯幅Ｅ□を有する半導体層１０
と禁制帯幅Ｅ、　　（但しＥ、≠Ｅｂ）を有する半導体
層１１とのへテロ接合界面に、禁制帯幅がＥ、からＥ、
に連続して変化する半導体ｔｆ１２を設ける。半導体層
１２は９紙面に垂直方向に延伸するストライプ状に設け
られている。半導体層１２は。

半導体層１０および１１のそれぞれとの界面において半
導体層１０および１１と同じ禁制帯幅を有し、これら界
面の間では禁制帯幅が連続的に変化するグレーデツド層
である。このようなグレーデツド層は。

例えば半導体層１０と半導体層１１の混晶組成を有し。

半導体層１０側で半導体層１０と同一組成であり、半導
体層１１側で半導体層１１と同一組成となるように組成
勾配を付与することにより形成できる。

第１図に示すＬ＋　　Ｌｘ断面およびＭ、−１’ｈ断面
における零バイアス時のエネルギーバンド構造は、それ
ぞれ、第２図（ａ）および（ｂ）に示すごとくである。

第２図には、ｐ型どうしの組合せの場合が示されており
５点線はフェルミ準位を示す。Ｌ”１−Ｌ２断面。

すなわち、半導体層１０と１１のへテロ接合界面におい
ては３価電帯Ｅｖの不連続により高さΔＥｖのスパイク
状の障壁が形成されている。障壁の高さΔＥＶは、　Ｇ
ａＡｓとこれに格子整合するＩｎＧａＡＩＰの場合を例
にとると０．６３ｅＶにも達する大きな値をとる。この
ような障壁は、急峻なヘテロ接合界面に一般に現れるも
のであり、半導体層１１から１０に流れる正孔電流に対
してバリヤとなる。

一方、Ｍｌ−Ｆｉｚ断面においては、第２図（ｂ）に示
すように、半導体層１０と１１の間には禁制帯幅ＥＸが
Ｅ３からＥｂに連続的に変化する半導体層１２が介在し
ているため、上記のようなスパイク状の障壁は形成され
ない。すなわち、半導体層１２を横切って流れる正孔電
流に対しては、上記ΔＥｖのバリヤは存在しない。

したがって、第１図に示すように、活性領域Ａにのみ半
導体層１２を設け、電流狭窄領域Ｂには半導体層１０と
１１のへテロ接合を形成した場合、電流狭窄領域Ｂを流
れる電流は活性領域Ａを流れる電流の約ｅｘｐ（−Δｎ
ｖ　／ｋＴ）倍となる。このようにして、電流狭窄領域
Ｂに流れる電流が抑制され、活性領域Ａに電流を集中し
て流すことができる。

（実施例〕 第３図は上記原理にもとづく電流狭窄構造を適用したレ
ーザダイオードの構造の実施例を示す要部図である。

ｎ型ＧａＡｓ基板２０上にｎ型Ｉｎｋ、　５（Ｇａｏ、
　３Ａ１０．７）Ｏ，！ＩＰから成る厚さ２μｍのクラ
ッド層２１．厚さ０．１５ｐｍのＩｎｏ、　５Ｇａｏ、
　、ｐから成る活性層２２．厚さ２μｍのｐ型１ｎｏ、
　５（Ｇａｏ、　３Ａ１０．　Ｊｏ、　ｓＰから成るク
ラッド層２３．およびグレーデツド層２４が順次エピタ
キシャル成長させである。グレーデツド層２４はＩｎＧ
ａＡＩＰとＧａＡｓの混晶であって、クラッド層２３と
の界面における組成がＩｎ、）、　５（Ｇａｏ、　３Ａ
１ｏ、　７）０．　ＳＰであり。

上端面における組成がＧａＡｓであるように組成が連続
的に変化して形成されており、ｐ型厚電層である。

グレーデツド層２４とクラッド層２３は１紙面に垂直な
方向に延伸する高さ（ｈ）のストライブ状のメサを成す
ように加工されている。この加工は、活性領域ＡをＳｉ
ｎ、膜でマスクし１通常のフォトリソグラフ技術を用い
て行われる。上記ストライプ状メサの幅（Ｗ）は３μｍ
ないしそれ以下とし、また。

電流狭窄領域Ｂには、厚さ０．２〜０．３μｍのクラッ
ド層２３が残されている。

上記ストライプ状メサの上には、ｐ型ＧａＡｓから成る
キャップ層２５がエピタキシャル成長されて必る。そし
て、キャップ層２５およびＧ＋ａＡｓ基板２０の表面に
、それぞれ、　Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ多層膜から成るｐ側電
極２６およびＡｕＧｅ／Ａｕ多層膜から成るｎ型電極２
７が形成されている。

第３図の構造を有するレーザダイオードにおいては、第
１図および第２図で説明した原理により。

活性領域Ａには電流が流れやすく、一方、電流狭窄領域
Ｂには電流が流れ雛くなっており、所望の電流狭窄が達
成される。また、電流狭窄領域Ｂにおいては、クラッド
層２３が０．２〜０．３μｍ程度と薄くされており、　
ＧａＡｓから成る禁制帯幅の小さいキャップ層２５がｒ
ｎＧａＰから成る禁制帯幅の大きい活性層２２により接
近した構造となっている。このため、活性領域Ａで発生
し、電流狭窄領域Ｂに拡散した光は、キャップ層２５に
洩れ、ここで吸収されてしまう。その結果、レーザ発振
に寄与する光は、活性領域Ａのみを伝播する。すなわち
、レーザ光は活性領域Ａに閉じ込められ、横モード制御
が達成される。

なお１発光ダイオードの場合には、上記のような光閉じ
込め機能を必要とせず、電流狭窄機能のみを付与すれば
よいので、第３図に示すようなメサ構造を形成する必要
はなく、グレーデッドＮ２４のみを所望の発光領域の形
状に形成すればよい。

本発明の電流狭窄構造によれば、活性層２２はメサ状に
加工されることがなく、その成長後はクラッド層２３に
覆われた状態であるので、第４図に示した従来の構造に
おけるようなメサ側面での熱変性に起因する洩れ電流が
生じる問題がない。また。

活性領域Ａにおけるストライプ状メサの幅側）および高
さ（ｈ）は、横モード制御を考慮して、共に３μｍ以下
とする。したがって、このようなメサを埋め込むＧａＡ
ｓキャップ層２５をＭＯＶＰＥ法で形成することが実用
的に可能となる。しかも、キャップ層２５は単一層であ
るため、従来メサ加工後の結晶成長回数は一回のみでよ
＜＋ｐｎ接合を用いる電流狭窄の場合のように、メサ加
工後に複数回の結晶成長およ・びエツチング工程を繰り
返す場合に比べて、製造工程が著しく簡略化できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば５発光ダイオードやレーザダイオード等
の半導体発光素子における電流狭窄構造を、　ＭＯＰＶ
Ｄ法を用いて形成となる。その結果、高温で逸出しやす
い燐（Ｐ）や酸化されやすいＡＩを含有するＩｎＧａＡ
ＩＰ等の化合物半導体を用いる可視光領域の半導体発光
素子の電流狭窄領域における洩れ電流が低減され、低閾
値電流の半導体発光素子が提供可能となる。また、電流
狭窄領域にｐｎ接合を用いないため、製造工程が簡略化
され、半導体素子を製造コストおよび歩留りを向上可能
とする効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理的構造を示す断面図。 第２図は嬉本発明の構造による電流狭窄動作説明図。 第３図は本発明の電流狭窄構造を適用したレーザダイオ
ードの構造の実施例を示す断面図。 第４図はｐｎ接合を用いた従来の電流狭窄構造を示す断
面図 である。 図において。 １はＩｎＰ基板。 ２と４と７１と７□と７３はＩｎＰ層。 ３と５はＩｎＧａＡｓＰ層。 ６と８は電極。 １０と１１と１２は半導体層。 ２０はＧａＡｓ基板。 ２１と２３はクラッド層。 ２２は活性層。 ２４はグレーデツド層 ２５はキャップ層。 ２６はｐ側電極。 ２７はｎ型電極。 である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 禁制帯幅Ｅ＿ｇ＿１を有する第１の半導体から成る活性
   層と、 禁制帯幅Ｅ＿ｇ＿２（但しＥ＿ｇ＿２＞Ｅ＿ｇ＿１）を
   有する第２の半導体から成り、該活性層上に形成された
   クラッド層と、 禁制帯幅Ｅ＿ｇ＿３（但しＥ＿ｇ＿１＜Ｅ＿ｇ＿３≦Ｅ
   ＿ｇ＿２）を有し、該クラッド層と同一導電型であり、
   該第２の半導体との接合界面において価電子帯の不連続
   によるスパイク状の障壁が形成される第３の半導体から
   成り、該クラッド層上に形成されたキャップ層と、該ク
   ラッド層とキャップ層との間に介在するように設けられ
   た半導体層であって、所望の発光領域に対応する形状を
   有し、該クラッド層側において禁制帯幅がＥ＿ｇ＿２で
   あり、該キャップ層側において禁制帯幅がＥ＿ｇ＿３で
   あるように連続的に変化する組成勾配を有し、該クラッ
   ド層と同一導電型の混晶半導体層 とを備えたことを特徴とする半導体発光素子。