JPH04236477A - 半導体発光素子 - Google Patents
半導体発光素子Info
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- JPH04236477A JPH04236477A JP3005224A JP522491A JPH04236477A JP H04236477 A JPH04236477 A JP H04236477A JP 3005224 A JP3005224 A JP 3005224A JP 522491 A JP522491 A JP 522491A JP H04236477 A JPH04236477 A JP H04236477A
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- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 21
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- ZSBXGIUJOOQZMP-JLNYLFASSA-N Matrine Chemical compound C1CC[C@H]2CN3C(=O)CCC[C@@H]3[C@@H]3[C@H]2N1CCC3 ZSBXGIUJOOQZMP-JLNYLFASSA-N 0.000 description 5
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- 229910052984 zinc sulfide Inorganic materials 0.000 description 1
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【技術分野】本発明は、特にレーザ装置に用いられる半
導体発光素子に関する。
導体発光素子に関する。
【０００２】
【背景技術】ＧａＮ等のＩＩＩ−Ｖナイトライド系混晶
エピタキシャル層を使った半導体発光素子では、従来、
基板結晶としてサファイア（α−Ａｌ２Ｏ３）が用いら
れていた。 ＧａＮの結晶構造はウルツ型であり、一
方、基板結晶であるサファイアはコランダム型である。 ともに六方晶系であるが、サファイアが原子面としては
１３回の繰返し周期を持つように、両者は等価ではない
。さらに両者の格子定数が大きく異なり、互いの格子不
整合は１４％にも及ぶ。こうした格子不整合のために良
好なエピタキシャル層を形成することが難しく、これら
を使った発光素子において効率の良い発光出力を得るこ
とができなかった。
エピタキシャル層を使った半導体発光素子では、従来、
基板結晶としてサファイア（α−Ａｌ２Ｏ３）が用いら
れていた。 ＧａＮの結晶構造はウルツ型であり、一
方、基板結晶であるサファイアはコランダム型である。 ともに六方晶系であるが、サファイアが原子面としては
１３回の繰返し周期を持つように、両者は等価ではない
。さらに両者の格子定数が大きく異なり、互いの格子不
整合は１４％にも及ぶ。こうした格子不整合のために良
好なエピタキシャル層を形成することが難しく、これら
を使った発光素子において効率の良い発光出力を得るこ
とができなかった。
【０００３】
【発明の目的】よって、本発明は上記のような問題点を
排除するためになされたものであり、その目的とすると
ころは、基板結晶との格子整合のとれた良好なエピタキ
シャル層を形成し、発光効率の良い半導体発光素子を提
供することである。
排除するためになされたものであり、その目的とすると
ころは、基板結晶との格子整合のとれた良好なエピタキ
シャル層を形成し、発光効率の良い半導体発光素子を提
供することである。
【０００４】
【発明の構成】本発明による半導体発光素子は、複数の
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体混晶が基板結晶上にエピタキ
シャル層として形成されてなる半導体発光素子であって
、前記基板結晶をＺｎＯとし、前記エピタキシャル層の
組成を ＡｌｐＧａ１−ｐ−ｑＩｎｑＮ （０≦ｐ ＜１，０＜ｑ ＜１） 及び ＡｌｘＧａ１−ｘＮ１−ｙＰｙ （０≦ｘ ≦１，０＜ｙ ＜１） としたことを特徴とするものである。
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体混晶が基板結晶上にエピタキ
シャル層として形成されてなる半導体発光素子であって
、前記基板結晶をＺｎＯとし、前記エピタキシャル層の
組成を ＡｌｐＧａ１−ｐ−ｑＩｎｑＮ （０≦ｐ ＜１，０＜ｑ ＜１） 及び ＡｌｘＧａ１−ｘＮ１−ｙＰｙ （０≦ｘ ≦１，０＜ｙ ＜１） としたことを特徴とするものである。
【０００５】
【発明の作用】本発明による半導体発光素子においては
、ＧａＮエピタキシャル層の組成中、Ｇａの一部をＩｎ
やＡｌで置換したり、Ｎの一部をＰで置換したので、基
板結晶ＺｎＯとの格子整合が得られる。
、ＧａＮエピタキシャル層の組成中、Ｇａの一部をＩｎ
やＡｌで置換したり、Ｎの一部をＰで置換したので、基
板結晶ＺｎＯとの格子整合が得られる。
【０００６】
【実施例】複数のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ＧａＮ，Ａ
ｌＮ，ＩｎＮ，ＧａＰ，ＡｌＰに関して、横軸に格子定
数、縦軸にバンドギャップ（禁制帯幅）をとりプロット
すると、図１のようなＧａＮ，ＡｌＮ，ＩｎＮ，ＧａＰ
，ＡｌＰと記した５点となる。ここで、混晶系における
ベガード則を仮定すると、上記５つの２元系半導体を適
当な比率で混合することにより、同図中実線で囲まれた
三角形及び四角形内の領域において当該４元系混晶の物
性値（格子定数とバンドギャップ）を実現することがで
きる。なお、図１において、ＧａＰ，ＡｌＰの結晶構造
は閃亜鉛型であるので、ウルツ型であるナイトライドＧ
ａＮ及びＡｌＮと合わせるべく格子定数を換算したもの
である。また、ＧａＮ，ＡｌＮ，ＩｎＮは直接遷移型半
導体であり、各伝導帯及び価電子帯のそれぞれエネルギ
ー最小値及び最大値でのバンドギャップを示し、間接遷
移型であるＧａＰ，ＡｌＰについては、Γ（波数ｋ＝０
）における伝導帯及び価電子帯のそれぞれエネルギー極
小値及び極大値でのバンドギャップを示したものである
。
ｌＮ，ＩｎＮ，ＧａＰ，ＡｌＰに関して、横軸に格子定
数、縦軸にバンドギャップ（禁制帯幅）をとりプロット
すると、図１のようなＧａＮ，ＡｌＮ，ＩｎＮ，ＧａＰ
，ＡｌＰと記した５点となる。ここで、混晶系における
ベガード則を仮定すると、上記５つの２元系半導体を適
当な比率で混合することにより、同図中実線で囲まれた
三角形及び四角形内の領域において当該４元系混晶の物
性値（格子定数とバンドギャップ）を実現することがで
きる。なお、図１において、ＧａＰ，ＡｌＰの結晶構造
は閃亜鉛型であるので、ウルツ型であるナイトライドＧ
ａＮ及びＡｌＮと合わせるべく格子定数を換算したもの
である。また、ＧａＮ，ＡｌＮ，ＩｎＮは直接遷移型半
導体であり、各伝導帯及び価電子帯のそれぞれエネルギ
ー最小値及び最大値でのバンドギャップを示し、間接遷
移型であるＧａＰ，ＡｌＰについては、Γ（波数ｋ＝０
）における伝導帯及び価電子帯のそれぞれエネルギー極
小値及び極大値でのバンドギャップを示したものである
。
【０００７】図中点線で示した直線ｌ１は基板結晶Ｚｎ
Ｏの格子定数３．２４Åのラインである。基板結晶Ｚｎ
Ｏは半導体ＧａＮと同じウルツ型の結晶構造であり、Ｇ
ａＮに近い格子定数を有していることが分かる。このラ
インｌ１とＧａＮ−ＩｎＮ間の３元系混晶のラインとの
交点Ａ、及びラインｌ１とＡｌＮ−ＩｎＮ間の３元系混
晶のラインとの交点Ｂの組成をベガード則を用いればそ
れぞれ Ａ点：Ｇａ０．８２Ｉｎ０．１８Ｎ Ｂ点：Ａｌ０．６９Ｉｎ０．３１Ｎ と見積ることができる。一方、ラインｌ１とＧａＮ−Ｇ
ａＰ間の３元系混晶のラインとの交点Ｃ、及びラインｌ
１とＡｌＮ−ＡｌＰ間の３元系混晶のラインとの交点Ｄ
の組成をベガード則を用いればこれらもＣ点：ＧａＮ０
．９１Ｐ０．０９ Ｄ点：ＡｌＮ０．８２Ｐ０．１８ と見積ることができる。
Ｏの格子定数３．２４Åのラインである。基板結晶Ｚｎ
Ｏは半導体ＧａＮと同じウルツ型の結晶構造であり、Ｇ
ａＮに近い格子定数を有していることが分かる。このラ
インｌ１とＧａＮ−ＩｎＮ間の３元系混晶のラインとの
交点Ａ、及びラインｌ１とＡｌＮ−ＩｎＮ間の３元系混
晶のラインとの交点Ｂの組成をベガード則を用いればそ
れぞれ Ａ点：Ｇａ０．８２Ｉｎ０．１８Ｎ Ｂ点：Ａｌ０．６９Ｉｎ０．３１Ｎ と見積ることができる。一方、ラインｌ１とＧａＮ−Ｇ
ａＰ間の３元系混晶のラインとの交点Ｃ、及びラインｌ
１とＡｌＮ−ＡｌＰ間の３元系混晶のラインとの交点Ｄ
の組成をベガード則を用いればこれらもＣ点：ＧａＮ０
．９１Ｐ０．０９ Ｄ点：ＡｌＮ０．８２Ｐ０．１８ と見積ることができる。
【０００８】また、線分ＡＢ及び線分ＣＤは、混晶Ａｌ
ＧａＩｎＮ系及び混晶ＡｌＧａＮＰ系で基板結晶ＺｎＯ
と格子整合がとれる組成範囲を示すものであり、これに
再びベガード則を仮定すれば、各線分の物性値はそれぞ
れ、上記Ａ点組成とＢ点組成間の混晶（４元系混晶）及
び上記Ｃ点組成とＤ点組成間の混晶により実現されるこ
とになるので、 （Ｇａ０．８２Ｉｎ０．１８Ｎ）１−ｖ（Ａｌ０．６９
Ｉｎ０．３１Ｎ）ｖ ………（１）及び （ＧａＮ０．９１Ｐ０．０９）１−ｗ （ＡｌＮ０．８２Ｐ０．１８）ｗ ………（２）
という概略の組成範囲にてエピタキシャル層を形成すれ
ば基板結晶ＺｎＯとの格子整合がなされることになる。
ＧａＩｎＮ系及び混晶ＡｌＧａＮＰ系で基板結晶ＺｎＯ
と格子整合がとれる組成範囲を示すものであり、これに
再びベガード則を仮定すれば、各線分の物性値はそれぞ
れ、上記Ａ点組成とＢ点組成間の混晶（４元系混晶）及
び上記Ｃ点組成とＤ点組成間の混晶により実現されるこ
とになるので、 （Ｇａ０．８２Ｉｎ０．１８Ｎ）１−ｖ（Ａｌ０．６９
Ｉｎ０．３１Ｎ）ｖ ………（１）及び （ＧａＮ０．９１Ｐ０．０９）１−ｗ （ＡｌＮ０．８２Ｐ０．１８）ｗ ………（２）
という概略の組成範囲にてエピタキシャル層を形成すれ
ば基板結晶ＺｎＯとの格子整合がなされることになる。
【０００９】半導体レーザ素子を形成する場合、エピタ
キシャル層をいわゆるダブルヘテロ構造とすることが一
般的に採用されている。この場合、活性層における光子
の閉込めを有効に行なうため、クラッド層のバンドギャ
ップを、活性層のバンドギャップより０．３ｅＶ程度大
きい値に設定するのが好ましいと言われており、ＺｎＯ
を基板結晶とする場合は、上記組成式（１）及び（２）
で表わされる組成範囲の中から、互いのバンドギャップ
差が約０．３ｅＶとなるものを形成すれば良いことにな
る。例えば図１中において、活性層として最もシンプル
な組成としてＡｌＧａＩｎＮ混晶系のＣ点を選択した場
合には、当該Ｃ点組成におけるバンドギャップよりも０
．３ｅＶだけ大きいバンドギャップを有するＥ点組成を
クラッド層に適用すれば良い。上記Ｃ点における混晶系
とは異なる混晶ＡｌＧａＮＰ系のＥ点の組成は、上述の
ｌ１線上の４元系混晶の組成式（２）及びベガード則よ
り算出することができる。
キシャル層をいわゆるダブルヘテロ構造とすることが一
般的に採用されている。この場合、活性層における光子
の閉込めを有効に行なうため、クラッド層のバンドギャ
ップを、活性層のバンドギャップより０．３ｅＶ程度大
きい値に設定するのが好ましいと言われており、ＺｎＯ
を基板結晶とする場合は、上記組成式（１）及び（２）
で表わされる組成範囲の中から、互いのバンドギャップ
差が約０．３ｅＶとなるものを形成すれば良いことにな
る。例えば図１中において、活性層として最もシンプル
な組成としてＡｌＧａＩｎＮ混晶系のＣ点を選択した場
合には、当該Ｃ点組成におけるバンドギャップよりも０
．３ｅＶだけ大きいバンドギャップを有するＥ点組成を
クラッド層に適用すれば良い。上記Ｃ点における混晶系
とは異なる混晶ＡｌＧａＮＰ系のＥ点の組成は、上述の
ｌ１線上の４元系混晶の組成式（２）及びベガード則よ
り算出することができる。
【００１０】図２に、上述の如く基板結晶ＺｎＯに格子
整合をとったＡｌｘＧａ１−ｘＮ１−ｙＰｙ（０≦ｘ
≦１，０＜ｙ ＜１）系混晶で活性層を形成し、Ａｌｐ
Ｇａ１−ｐ−ｑＩｎｑＮ（０≦ｐ ＜１，０＜ｙ ＜１
）系混晶でクラッド層を形成したダブルヘテロ構造半導
体レーザ素子の構成の一例が示されている。ここでは、
基板結晶１をｎ型ＺｎＯとし、上記見積られた組成範囲
に従って、活性層２を混晶ＧａＮ０．９１Ｐ０．０９と
し、クラッド層３及び４をそれぞれｐ型及びｎ型の混晶
Ａｌ０．２０Ｇａ０．５８Ｉｎ０．２２Ｎとしてエピタ
キシャル層５を形成したものである。
整合をとったＡｌｘＧａ１−ｘＮ１−ｙＰｙ（０≦ｘ
≦１，０＜ｙ ＜１）系混晶で活性層を形成し、Ａｌｐ
Ｇａ１−ｐ−ｑＩｎｑＮ（０≦ｐ ＜１，０＜ｙ ＜１
）系混晶でクラッド層を形成したダブルヘテロ構造半導
体レーザ素子の構成の一例が示されている。ここでは、
基板結晶１をｎ型ＺｎＯとし、上記見積られた組成範囲
に従って、活性層２を混晶ＧａＮ０．９１Ｐ０．０９と
し、クラッド層３及び４をそれぞれｐ型及びｎ型の混晶
Ａｌ０．２０Ｇａ０．５８Ｉｎ０．２２Ｎとしてエピタ
キシャル層５を形成したものである。
【００１１】図３には、図２の構成とは逆にＡｌｐＧａ
１−ｐ−ｑＩｎｑＮ（０≦ｐ ＜１，０＜ｙ ＜１）系
混晶で活性層を形成し、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ１−ｙＰｙ
（０≦ｘ ≦１，０＜ｙ ＜１）系混晶でクラッド層を
形成した実施例が示されている。この場合でも上述の如
き組成式（１）及び（２）よって当該二つの混晶の組成
を導出することができ、基板結晶１をｎ型ＺｎＯとし、
活性層２を混晶Ｇａ０．８２Ｉｎ０．１８Ｎとし、クラ
ッド層３及び４をそれぞれｐ型及びｎ型の混晶ＧａＮ０
．９１Ｐ０．０９としてエピタキシャル層５を形成して
いる。
１−ｐ−ｑＩｎｑＮ（０≦ｐ ＜１，０＜ｙ ＜１）系
混晶で活性層を形成し、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ１−ｙＰｙ
（０≦ｘ ≦１，０＜ｙ ＜１）系混晶でクラッド層を
形成した実施例が示されている。この場合でも上述の如
き組成式（１）及び（２）よって当該二つの混晶の組成
を導出することができ、基板結晶１をｎ型ＺｎＯとし、
活性層２を混晶Ｇａ０．８２Ｉｎ０．１８Ｎとし、クラ
ッド層３及び４をそれぞれｐ型及びｎ型の混晶ＧａＮ０
．９１Ｐ０．０９としてエピタキシャル層５を形成して
いる。
【００１２】Ａｌは活性であるため、高品質のエピタキ
シャル層を形成することは難しいことが知られており、
本実施例では上記組成をｘ＝０，ｑ＝０として、各層と
もＡｌを含まないヘテロ構造を容易に構成可能としてい
る。このことは実際のデバイス作製の面で極めて有効で
ある。このようにして構成された半導体レーザ素子では
、通常、クラッド層に順方向バイアスを印加することに
より活性層に光子を発生せしめ、層内部の光共振によっ
て活性層の劈開面より誘導放出されたレーザ光を得るこ
とができる。
シャル層を形成することは難しいことが知られており、
本実施例では上記組成をｘ＝０，ｑ＝０として、各層と
もＡｌを含まないヘテロ構造を容易に構成可能としてい
る。このことは実際のデバイス作製の面で極めて有効で
ある。このようにして構成された半導体レーザ素子では
、通常、クラッド層に順方向バイアスを印加することに
より活性層に光子を発生せしめ、層内部の光共振によっ
て活性層の劈開面より誘導放出されたレーザ光を得るこ
とができる。
【００１３】なお、上記実施例では、図１中のＣ点組成
もしくはＡ点組成にて活性層を形成し、当該活性奏より
も０．３ｅＶ大きいバンドギャップを有する組成にてク
ラッド層を形成しているが、これに限定されるものでは
なく、組成式の範囲に基づき要求される仕様に応じて適
宜組成すれば良いことは明らかである。また、同じよう
に基板結晶ＺｎＯに格子整合をとったＡｌｐＧａ１−ｐ
−ｑＩｎｑ系混晶とＡｌｘＧａ１−ｘＮ１−ｙＰｙ系混
晶とでｐｎ接合を形成し、発光ダイオードとすることも
可能である。
もしくはＡ点組成にて活性層を形成し、当該活性奏より
も０．３ｅＶ大きいバンドギャップを有する組成にてク
ラッド層を形成しているが、これに限定されるものでは
なく、組成式の範囲に基づき要求される仕様に応じて適
宜組成すれば良いことは明らかである。また、同じよう
に基板結晶ＺｎＯに格子整合をとったＡｌｐＧａ１−ｐ
−ｑＩｎｑ系混晶とＡｌｘＧａ１−ｘＮ１−ｙＰｙ系混
晶とでｐｎ接合を形成し、発光ダイオードとすることも
可能である。
【００１４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体発
光素子においては、ＺｎＯを基板結晶とし、エピタキシ
ャル層の組成中、半導体ＧａＮにおいてＧａの一部をＩ
ｎやＡｌで置換したり、Ｎの一部をＰで置換することに
より基板結晶ＺｎＯとの格子整合をなしているので、混
晶ＡｌＧａＩｎＮ系及び混晶ＡｌＧａＮＰ系の良好なエ
ピタキシャル層が得られ、これらにより発光効率の優れ
た半導体発光素子を構成することができる。
光素子においては、ＺｎＯを基板結晶とし、エピタキシ
ャル層の組成中、半導体ＧａＮにおいてＧａの一部をＩ
ｎやＡｌで置換したり、Ｎの一部をＰで置換することに
より基板結晶ＺｎＯとの格子整合をなしているので、混
晶ＡｌＧａＩｎＮ系及び混晶ＡｌＧａＮＰ系の良好なエ
ピタキシャル層が得られ、これらにより発光効率の優れ
た半導体発光素子を構成することができる。
【図１】ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とその混晶について
バンドギャップとその格子定数を示す。
バンドギャップとその格子定数を示す。
【図２】本発明の実施例におけるダブルヘテロ構造半導
体レーザ素子の構成を示す。
体レーザ素子の構成を示す。
【図３】本発明の他の実施例におけるダブルヘテロ構造
半導体レーザ素子の構成を示す。
半導体レーザ素子の構成を示す。
１………基板結晶
２………活性層
３，４…クラッド層
５………エピタキシャル層
Claims (1)
- 【請求項１】 複数のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体混晶
が基板結晶上にエピタキシャル層として形成されてなる
半導体発光素子であって、前記基板結晶をＺｎＯとし、
前記エピタキシャル層の組成を ＡｌｐＧａ１−ｐ−ｑＩｎｑＮ （０≦ｐ ＜１，０＜ｑ ＜１） 及び ＡｌｘＧａ１−ｘＮ１−ｙＰｙ （０≦ｘ ≦１，０＜ｙ ＜１） としたことを特徴とする半導体発光素子。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3005224A JPH04236477A (ja) | 1991-01-21 | 1991-01-21 | 半導体発光素子 |
| US07/736,471 US5173751A (en) | 1991-01-21 | 1991-07-26 | Semiconductor light emitting device |
| EP19910112811 EP0496030A3 (en) | 1991-01-21 | 1991-07-30 | Semiconductor light emitting device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3005224A JPH04236477A (ja) | 1991-01-21 | 1991-01-21 | 半導体発光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04236477A true JPH04236477A (ja) | 1992-08-25 |
Family
ID=11605223
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3005224A Pending JPH04236477A (ja) | 1991-01-21 | 1991-01-21 | 半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04236477A (ja) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06260680A (ja) * | 1993-03-05 | 1994-09-16 | Nichia Chem Ind Ltd | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
| JPH06260681A (ja) * | 1993-03-05 | 1994-09-16 | Nichia Chem Ind Ltd | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
| JPH06334168A (ja) * | 1993-03-26 | 1994-12-02 | Hitachi Ltd | 半導体素子 |
| JPH0897500A (ja) * | 1994-09-28 | 1996-04-12 | Sony Corp | 発光素子およびそれを用いたレーザｃｒｔ |
| JPH08222764A (ja) * | 1995-02-14 | 1996-08-30 | Showa Denko Kk | 発光ダイオード |
| JPH0945963A (ja) * | 1995-07-31 | 1997-02-14 | Eiko Eng:Kk | ＧａＮ系半導体装置 |
| US5886367A (en) * | 1996-08-07 | 1999-03-23 | Showa Denko K.K. | Epitaxial wafer device including an active layer having a two-phase structure and light-emitting device using the wafer |
| JP2002094110A (ja) * | 2000-09-12 | 2002-03-29 | ▲さん▼圓光電股▲ふん▼有限公司 | 発光ダイオードの構造 |
| JP2009510763A (ja) * | 2005-09-30 | 2009-03-12 | ソウル オプト デバイス カンパニー リミテッド | 発光ダイオード |
| USRE41336E1 (en) | 1995-01-31 | 2010-05-18 | Opnext Japan, Inc | Fabrication method for algainnpassb based devices |
-
1991
- 1991-01-21 JP JP3005224A patent/JPH04236477A/ja active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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