JPH0321093A - 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］ 本発明は半導体発光装置に係り、特に可視領域の波長で
発振する半導体レーザに関する。

［従来の技術］ 従来の半導体レーザは、０．８μｍ帯のＡ．ＱＧａ　Ａ
　ｓ　／　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ系や１　．３〜ｌ．５，ｉｚ
ｍ帯の■ｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系が主流となっている。

しかし近年、光記録ディスク、コンパク１〜ディスク等
の記録読取り、レーザプリンタ、ＰＯＳ用のスキャナ、
計測、プラスチックファイバ光伝送の光源等として、可
視領域の波長で発振する半導体レーザへの要求が高まっ
ている。

そして現在、最も期待されている可視レーザとして、Ｇ
　ａ　ｏ．　５＋　Ｉ　ｎ　０．　４９Ｐ活性層の上下
をバンドギャップのより大きいＡ．ｌｌＧａＩｎＰクラ
ッド層によってに挟んだダブルへテロ′ｌｆＪ造を、Ｇ
ａＡｓ基板上に格子整合的に形成した半導体レーサがあ
る。この半導体レーザの発振波長は６５８ｎｍである。

［発明か解決しようとする課題］ 上記のような可視レーザにおいて、更にその発振波長を
短波長化することか求められている。この短波長化によ
って、例えば光記録ディスク等においては、記録密度を
大幅に向上することができ、また、発振波長大−６３０
ｎｍのｌ−Ｉ　ｅ　−　Ｎ　ｅガスレーザとの置換えも
可能となってぐるがらである。

そしてこの発振波長の短波長化の課題を解決する最も一
般的な方法として、Ｇａｏ．ｓ＋Ｉ　ｎｏ．＜＊Ｐ活性
層にＡＩを導入して、Ａ．ＱＧａＩｎＰの４元混晶から
なるバンドギャップのより大きい活性層を形成する方法
がある。

しかしこの方法は、Ａ１固相組成が増加するために、Ａ
．ＩＩＧａＩｎＰ活性層が間接遷移領域に近づくこと及
び酸化され易くなって結晶性の劣化を３ 生じることにより、発光効率の低下を招くという問題が
あった。

そこで本発明は、発光効率を低下させることなく、発振
波長の短波長化を実現することができる半導体発光装置
を提供することを目的とする。

［課題を解決するための千段］ 上記課題は、ＧａＡｓ基板と、このＧａＡｓ基板上に形
成された第１及び第２のクラッド層と、これら第１及び
第２のクラッド層に挟まれ、前記第１及び第２のクラッ
ド層よりバンドギャップの小さい活性層とを具備ずるダ
ブルへテロ構造の半導体発光装置において、前記活性層
が、前記ＧａＡｓ基板より小さい格子定数をもつＧａＩ
ｎＰウェル層と前記Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板より大きい格子
定数をもちかつ前記ＧａＩｎＰウェル層よりもバンドギ
ャップの大きいバリア層とを積層した歪超格子構造によ
って形成され、前記ＧａＡｓ基板の格子定数とほぼ等し
い平均格子定数を有することを特徴とする半導体発光装
置によって達成される。

４ また上記課題は、上記装置において、前記バリア層が、
ＡｆＪＩｎＰ又はＡｆＪＧａＩｎＰから形成されている
ことを特徴とする半導体発光装置によって達成される。

［作　用］ すなわち本発明は、ＧａＡｓより小さい格子定数をもつ
ＧａｌｎＰウェル層が活性層に設けられていることによ
り、ＧａＡｓと等しい格子定数を有するＧａｘ　Ｉ　ｎ
ｘ−＋　Ｐ　（ｘ＝０．　５　１　）よりも組成Ｘが大
きくなり、従ってバンドギャップが大きくなって、発振
波長を短波長化することができる。

そしてこのＧａＩｎＰウェル層には、Ａｊ固相組成が入
っていないため、発光効率の低下を招くことはない。

また、活性層においては、Ｇ　ａ　Ａ　ｓより大きい格
子定数をもつバリア層か、ＧａｒｎＰウェル層と歪超格
子多層Ｍ３ｆｉによって形成されていることにより、活
性層全体としてはＧａＡｓの格子定数５ ６ とほぼ等しい平均格子定数を有することになり、格子不
整合によるミスフィット転位の発生は防止され、結晶性
が損なわれることはない。

勿論、ＧａＩｎＰウェル層とバリア層との間においても
、それぞれの超格子層の厚さを所定の臨界膜厚以下にず
ることによって、完全に歪んだ状態を維持することがで
き、格子不整合によるミスフィッ１〜転位の発生を防止
ずることができる。

［実施例コ 以下、本発明を図示する実施例に基づいて具体的に説明
する。

第１図は本発明の一実施例による半導体発光装置を示す
断面図である。

結晶面の面方位が（００１）のｎ＋型ＧａＡｓ基板２上
に、ＧａＡｓに格子整合し、かつ直接遷移型として最も
大きなバンドギャップＥｇ＝２．３３ｅＶを有ずるｎ型
（　Ａ．ｌｌ　ｏ．　ａｓＧ　ａ　ｏ．　＋ｓ）　ｏ．
　ｓＩｎｏ４９Ｐクラッド層４が形成されている。そし
てこのｎ型（　Ａ．Ｇ　ｏ．ａｓＧａｏ．＋ｓ）　ｏ．
ｓ＋Ｉ　ｎｏ．，９Ｐクラッド層４上に、活性層６がヘ
テロ接合されて形成されている。

この活性層６は、例えばＭＯＣＶＤ法を用いて形成され
たＧ　ａ　０．　６３　Ｉ　ｎ　（１．　３７Ｐウェル
層８と（Ａｊ　（１．９９Ｇ　ａ　ｏ．ｏｓ）　０．　
３９１　ｎ　ｏ６＋Ｐバリア層１０とをペアとする歪超
格子多層ｍ造によって構成されている。すなわち、Ｇａ
ｏ６ｉＩ　ｎｏ３７Ｐウェル層８と（　Ａｊ　０．９５
Ｇ　ａ　Ｏ．０５）　０．３９Ｉ　ｎ　０．６１Ｐバリ
ア層１０とが、それぞれ５０〜１００人以下の膜厚で交
互に積層され、互いの格子定数の違いによって歪んだ状
態になっている。

このような活性層６上に、ｐ型（　Ａ　ｊ　０．　８５
Ｇ　ａｏ．＋ｓ）　ｏ．ｓ＋Ｉ　ｎｏ４，Ｐクラッド層
１２がヘテロ接合されて形成されている。

こうして、Ｇ　ａ　ｏ．　６３　Ｉ　ｎ　０．　３７Ｐ
ウェル層８と（　Ａ．Ｉｌｌ１．９５Ｇ　ａ　０．０５
）　０．３９１　ｎ　０．６１Ｐバリア層１０との歪超
格子構造によって構成されている活性層６は、上下をｎ
型（ＡＩｌ　ｏ．ｓｓＧａｏ．＋５）　ｏ．ｓ＋Ｉｎ　
０．　４９Ｐクラッド層４とｐ型（　Ａ　．Ｉｌｏ．　
ａｓＧ　ａ　ｏ．　＋ｓ）ｏ．　ｓ＋　Ｉ　ｎ　０．　
４９Ｐクラッド層１２との挟まれたダブ７ ルヘテロ接合格造となっている。

そしてｐ型（　Ａｊ　ｏ．ｓｓＧａｏ．＋ｓ）　ｏ，＋
Ｔ　ｒｌｏ．．＋，Ｐクラッド層１２」二には、ｐ４型
Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　：Ｔンタクト層１４を介して、ｐ型電
極１６か形成されている。また、ｎ＋型Ｇ　ａ　Ａ　ｓ
基板２底面」二にＣよ、ｎ型電１＃ｉ　１　８か形戒さ
れている。

続いて、第１図に示す半導体発光装置を、第２図を用い
て説明する。

第２図（ａ），（ｂ）は、それぞれ第１図の半導体発光
装置の格子定数及びバンドキャップを示す図である。

ｎ４型ＧａＡｓ基板２の格子定数は５．６５３３人て゛
ある。そしてｎ型（　Ａ　．Ｑｏ．　ｓ，Ｇ　ａ　ｏ．
　＋ｓ）。

ｓ＋　Ｉ　ｎ　６．　４ｇＰクラッド層ｔ１は、このＧ
ａＡｓの格子定数に整合的に形或されている。

また、Ｇａｏ６ｉＩ　ｎｏ３ｔＰウエル層８と（Ａｊｏ
．　ｏ５Ｇ　ａ　ｏ。ＯＳ）　０．３９１　ｒｌ（１．
６１Ｐバリア層１０との歪超格子構造によって構成され
ている活性層６において、Ｇ　ａ　ｏ６ｓ　Ｉ　ｎ　Ｑ
．　３７Ｐウエル層８がＧａＡＳに対してミスフイッ１
〜率ｆ−−０．８７％であ８ ？、（　ＡｆＪＯ．９５Ｇ　ａｏ．ｏｓ）　０．３９Ｉ
　ｎｏ６＋Ｐバリア層１０かミスフィット率ｆ−＋０．
８７％であるため、活性層６全体としては、図中に破線
で示されるように、ｎ＋型Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板２の格子
定数５．６５３３人とほぼ等しい平均格子定数を有する
ことになる。

勿論、Ｇａｏ６ｉＩ　ｎｏ．ｉ■Ｐウェル層８と（Ａｊ
ｏ，ｓＧａｏ．ｏｓ）　０．３９Ｉ　ｎｏ６＋Ｐバリア
層ｌＯとの間には、１．７４％のミスフィットか生じる
が、このミスフィットに対する臨界膜厚は５０〜１００
人であり、Ｇａｏ６３Ｉ　ｎｏ．ｘ７Ｐウェル層８及び
゛（　Ａ．Ｑ　０．９５Ｇ　ａ　ｏ．ｏｓ）　０．３９
Ｉ　ｎ　０．６１Ｐバリア層１０はそれぞれこの臨界膜
厚以下の膜厚であるため、この歪超格子多層楊造は完全
に歪んだ状態が維持される。

従って、活性層６とｎ型（　Ａ　ｊ　ｏ．　ｓｓＧ　ａ
　ｏ．　＋　５）ｏ．　ｓ＋　Ｉ　ｎ　Ｏ．　４９Ｐク
ラッド層４との間において、また活性層６内において、
格子不整合によるミスフィット転位が発生ずることはな
く、従って結晶性か損なわれることはない。

同様にして、活性層６とｐ型（　Ａ　ｊ　ｏ．　ｓｓＧ
　ａ　ｏ１５）　０．５１Ｉ　ｎｏ．４，Ｐクラッド層
１２との間においても、格子整合的に形成されている。

次いで、第２図（ｂ）に示されるように、活性層６にお
けるＧ　ａ　０．　６３　Ｉ　ｎ　ｏ．　３７Ｐウエル
層８のバンドギャップは、一方においてｎ＋型ＧａＡｓ
基板２又は破線で示した従来のＧ　ａ　ｏ．　ｓ＋　Ｉ
　ｎ　０．　４９Ｐ活性層のバンドギャップよりも大き
く、また他方においてｎ型（　Ａｊ　ｏ．ｓｓＧ　ａ　
ｏ．　＋ｓ）　ｏ．ｓ＋　Ｉ　ｎ　０．　４９Ｐクラッ
ド層４及びｐ型（　Ａ．Ｑ　ｏ．ｓｓＧ　ａ　ｏ．　＋
ｓ）。

ｓ＋　Ｉ　ｎ　０．　４９Ｐクラッド層１２のバンドギ
ャップＥｇ＝２．３３ｅＶよりも小さい。

そして（　Ａ．Ｑ　０．９ＳＧ　ａ　Ｏ．０５）　０．
３９Ｉ　ｎ　０．６１Ｐバリア層１０のバンドギャップ
は、ｎ型（ＡＮ。８，Ｇ　ａ　ｏ．　＋ｓ）　ｏ．　ｓ
＋　Ｉ　ｎ　Ｏ．　４９Ｐクラツド層４及びｐ型（−Ａ
．Ｑ　ｏ．ｓｓＧａｏ．＋ｓ）　ｏ．ｓ＋Ｉ　ｎｏ．ａ
＊Ｐクラツド層１２よりも小さいが、Ｇ　ａ　０．　６
４　Ｉ　ｎ　（１．　３７Ｐウエル層８よりも大きい。

従って、活性Ｎ６全体は、よりバンドギャ・ンプの大き
いｎ型（　Ａ．Ｉｌｏ．ｓ，Ｇａｏ．＋ｓ）　０．５１
Ｉ　ｎｏ４＊？クラッド層４とｐ型（　Ａ　ｊ　ｏ．　
ｓｓＧ　ａ　ｏ．　＋ｓ）　ｏ．　ｓ＋Ｉｎｏ．＜＊Ｐ
クラッド層１２とに挟まれたダブルヘデロ接合構造を形
成すると共に、活性層６内においては、ＭＱＷ　（Ｍｕ
ｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ　；多重量子井戸）
′ｌｔＲ造を形成している。

また、活性層６においてバンドギャップが最も小さいＧ
ａｏ６３１ｎｏ３■Ｐウェル層８かこの半導体発光装置
の発振に関与するか、ここにはＡ１固相組或が入ってい
ないため、酸化され易くなって結晶性の劣化を生じるこ
ともなく、また活性層６が間接遷移領域に近づくことも
なく、従って発光効率の低下を招くこともない。

従って、Ｇ　ａ　ｏ６３Ｉ　ｎ　０．　３７Ｐウェル層
８のバンドギャップに規定されて、発振波長大，Ｌ＝　
６　３　０ｎｍの光が出力される。

このように本実施例によれば、従来の可視レーザに用い
られるＧａｏ．ｓ＋Ｉ　ｎｏ４，Ｐ活性層よりもバンド
ギャップの大きいＧａｏ６ｘＩ　ｎｏ．ｉ■Ｐウエル層
８が活性層に設けられているため、従来の発振波長λＰ
Ｌ−６５８ｎｍより短い発振波長λＰＬ一１１ ６３０ｎｍの光を出力することができる。

そしてこのＧ　ａ　（１．　６３　１　ｎ　ｏ．　ｉ７
Ｐウェル層８にはＡ．Ｉｌ固相組成が入っていないため
、発光効率が低下することもない。

また、Ｇ　ａ　Ｏ．１３　Ｉ　ｎ　ｏ．　ｓ７Ｐウエル
層８は、（Ａｊ　ｏ．ｓｓＧａｏ．ｏｓ）　０．３９Ｉ
　ｎｏ６＋Ｐバリア層１０との歪超格子構造を形成して
いるため、活性層６内における格子不整合によってミス
フィット転位が発生することはない。そして活性層６全
体としても、ＧａＡｓの格子定数５．６５３３人とほぼ
等しい平均格子定数を有することになるため、ｎ型（　
ＡＮ　ｏ．ａｓＧ　ａ　ｏ．　＋，）　ｏ．ｓ＋　Ｉ　
ｎ　（１．４９Ｐクラッド屑４及びｐ型（　Ａ．Ｏｏ．
ａｓＧ　ａｏ．＋ｓ）　ｏ．ｓ＋Ｉ　ｎ　Ｏ．４９Ｐク
ラッド層１２との間にも、格子整合的に形成されている
。従って、結晶性が損なわれることはなく、発光効率が
低下することもない。

こうして、例えば光記録ディスク等における記録密度を
大幅に向上させることができ、さらにまた、発振波長λ
＝　６　３　０　ｎ　ｍのＨ　ｅ　−　Ｎ　ｅガスレー
ザとの置換えも可能となる。

１２ なお、上記実ｊＩ例においては、活性層におけるウェル
層及びバリア層並びにこれらを挟むクラッド層は、それ
ぞれＧａｏ６３Ｉ　ｎｏ．ｓ７Ｐ及び（，１ｏ９ｓＧａ
ｏ．ｏｓ）　０．３９Ｉ　ｎｏ６＋Ｐ並びに（Ａｊｏ．
ａｓＧ　ａ　ｏ．　＋ｓ）　ｏ．　ｓｔ　Ｉ　ｎ　０．
　４９Ｐによって形或されているが、これらの組或比に
限定されない。このことを第３図を用いて説明する。

第３図は、３００’　Ｋにおける（ＡｆＪｘ　Ｇａ＋−
ｘ）ｙＩｎ＋−Ｙｐのｘ−ｙ組成比とバンドギャップ及
び格子定数との関係を示すマップである。

第３図における破ｍＡは、ＧａＡｓとの格子整合を示す
等格子定数線を示し、実線及び添付の数字はそれぞれ１
．４５〜２．３３ｅＶの直接遷移のバンドギャップを示
している。

いまウェル層は、Ａ１を含有せずにＧａＡｓよりも大き
いバンドギャップを有するものであるため、Ｇａｘ　Ｉ
　ｎ　＋−ｘ　Ｐウェル層の組成Ｘは、ｘ＞０．５１ であればよい。しかしこのＧ　ａ　ｘ　Ｉ　ｎ　＋　−
ｘ　Ｐウェル層は、ＧａＡｓと格子整合的に形成される
（Ａ１　３ １　４ ｊ　ｘ　Ｇａ　ｌ−Ｘ　）　ｙ　Ｉ　ｎ　＋−ｙ　Ｐク
ラッド層よりもバンドギャップが小さくなければならな
いため、その最大値Ｅｇ＝２．３３ｅＶより小さいこと
により、Ｇａｘ　Ｉ　ｎ　＋−ｘ　Ｐウェル層の組成Ｘ
の上陽か決定される。

第３図に示す一点鎖線Ｂは、上記実施例において、 ｘ＝０．　　６３ と設定したＧ　ａ　Ｏ．６ＢＩ　ｎ　０．３７Ｐウェル
層８の等格子定数線である。

こうして設定されるＧａｘ　Ｉ　ｎ　＋　−ｘ　Ｐ　（
　ｘ＞　０　．５１）ウェル層は、ＧａＡｓより小さい
格子定数をもっている。そして活性層におけるバリア層
は、このＧａｘ　Ｉ　ｎ＋−ｘ　Ｐ　（ｘ＞０．　５　
１　）ウェル屑の負のミスフィッ１・を打ち消すために
、ＧａＡｓより大きい格子定数をもつ等格子定数線上に
あれはよい。

ただし、このバリア層は、Ｇ　ａ　ｘ　Ｉ　ｎ　＋　−
ｘ　Ｐ（ｘ＞０．５１）ウェル層よりもバンドキャップ
が大きく、また（ＡｆＪｘ　Ｇ　ａ　１−ｘ　）　ｙ　
Ｉ　ｎ　＋　−ｙ　Ｐ？ラッド層よりもバンドギャップ
が小さくなければならないため、その等格子線上におい
ても一定の限定を受ける。

従って、バリア層は、（Ａｊ　ｘ　Ｇａ　ｌ−Ｘ　）　
ｙ　Ｉｒｚ−ｖＰに限定されず、Ｇａｘ　Ｉ　ｎ＋−ｘ
　Ｐ　（Ｘ＞０．５１）ウェル層の負のミスフィットを
打ち消し、Ｇａｘ　Ｉ　ｒｌ＋　−Ｘ　Ｐ　（ｘ＞０．
　５　１　）ウェル層よりもバンドギャップが大きく、
また（Ａ．Ｉ！ｘＧａｔ−ｘ　）　ｖ　Ｉ　ｎ＋−ｙ　
Ｐクラッド層よりもバンドギャップが小さいという条件
を満たすＡ．ｌｌＹＩｎＩｙＰであってもよい。

第３図に示す二点鎖ｍｃは、上記実施例におけるＧ　ａ
　０．６３１　ｎ　ｏ．ｓ■Ｐウェル層８の負のミスフ
ィットを打ち消すために、Ｇ　ａ　Ａ　ｓよい大きい格
子定数をもつ等格子定数線であり、この等格子定数線上
において、Ｇａｘ　Ｉ　Ｊ１＋−ｘ　Ｐ　（ｘ＞０．　
５　１　）ウェル層よりもバンドギャップが大きい領域
に、（　Ａｊ　０．９５Ｇ　ａ　ｏ．ｏｓ）　ｏ．ｓｏ
Ｉｎ　０．６１Ｐバリア層１０がある。

このように、活性層におけるウェル層及びバリ１５ ア層並びにクラッド層において、ウェル層及びバリア層
はそれぞれクラッド層よりもバンドギャップが小さく、
ウェル層はさらにバリア層よりもバンドギャップエネル
ギーが小さく、またウエル層及びバリア層の平均格子定
数がクラッド層の格子定数とほぼ等しくなる関係にあれ
ばよい。

そしてこうした条件を満たす組成をもつウェル層及びバ
リア層を組み合わせることにより、上記実施例による発
振波長λＰＬ−６３０ｎｍに限定されず、従来の発振波
長λｐＬ−６　５　８　ｎｍより短い他の発振波長の光
を出力することもできる。

［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、ＧａＡｓ基板上に形戒ず
るダブルヘテＯ構造の半導体発光装置において、ＧａＡ
ｓ基板より小さい格子定数をもつＧａＩｎＰウェル層と
ＧａＡｓ基板より大きい格子定数をもちかつ前記ＧａＩ
ｎＰウェル層よりもバンドギャップの大きいバリア層を
積層した歪超格子構造によって、ＧａＡｓの格子定数と
ほぼ等１６ しい平均格子定数を有ずる活性層を形成することにより
、発光効率を低下させることなく、可視光領域における
発振波長の短波長化を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例による半導体発光装置を示
す断面図、 第２図及び第３図は、それぞれ第１図の半導体装置を説
明するための図である。 図において、 ２・・・・・・ｎ＋型ＧａＡｓ基板、 ４　・−−　−−−　ｎ型（　Ａｊ　ｏ．ｓｓＧ　ａ　
ｏ．　＋ｓ）　ｏ．ｓ＋Ｉ　ｎ　Ｏ．４９Ｐクラッド層
、 ６・・・・・・活性層、 ８　−　−　Ｇ　ａ　Ｏ．　６３　Ｉ　ｎ　ｏ．　３７
Ｐウェル層、１　０−−　（Ａ．Ｉｌｏ．＊ｓＧａｏ．
ｏｓ）　０．３９Ｉ　ｎｏ６＋Ｐバリア層、 １　２　−−−　−−−　ｐ型（　Ａ．Ｑ　ｏ．ａｓＧ
ａｏ．＋ｓ）　ｏ．ｓ＋Ｉ　ｎｏ１　７ １　８ ，，Ｐクラッド層、 １ ４・・・・・・ｐ＋ 型Ｇ　ａ　Ａ　ｓコンタク１〜層、 １ ６・・・・・・ｐ型電極、 １　８ ・・・・・ｎ型電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ＧａＡｓ基板と、このＧａＡｓ基板上に形成された
   第１及び第２のクラッド層と、これら第１及び第２のク
   ラッド層に挟まれ、前記第１及び第２のクラッド層より
   バンドギャップの小さい活性層とを具備するダブルヘテ
   ロ構造の半導体発光装置において、 前記活性層が、前記ＧａＡｓ基板より小さい格子定数を
   もつＧａＩｎＰウェル層と前記ＧａＡｓ基板より大きい
   格子定数をもちかつ前記ＧａＩｎＰウェル層よりもバン
   ドギャップの大きいバリア層とを積層した歪超格子構造
   によって形成され、前記ＧａＡｓ基板の格子定数とほぼ
   等しい平均格子定数を有することを特徴とする半導体発
   光装置。 ２、請求項１記載の装置において、前記バリア層が、Ａ
   ｌＩｎＰ又はＡｌＧａＩｎＰから形成されていることを
   特徴とする半導体発光装置。