JPH0883956A - 半導体発光素子 - Google Patents
半導体発光素子Info
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- JPH0883956A JPH0883956A JP21989294A JP21989294A JPH0883956A JP H0883956 A JPH0883956 A JP H0883956A JP 21989294 A JP21989294 A JP 21989294A JP 21989294 A JP21989294 A JP 21989294A JP H0883956 A JPH0883956 A JP H0883956A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 ダブルヘテロ接合構造の半導体発光素子であ
って、発光効率が高く、かつ動作電圧が低い半導体発光
素子を提供する。 【構成】 ｎ型クラッド層４と活性層５とｐ型クラッド
層６のサンドイッチ構造を少なくとも有し、前記活性層
のバンドギャップエネルギーが前記両クラッド層のバン
ドギャップエネルギーより小さい材料で形成されるダブ
ルヘテロ接合型の半導体発光素子であって、前記ｎ型ク
ラッド層のバンドギャップエネルギーが前記ｐ型クラッ
ド層のバンドギャップエネルギーより小さくなるように
前記両クラッド層の材料が選定されてなる。
って、発光効率が高く、かつ動作電圧が低い半導体発光
素子を提供する。 【構成】 ｎ型クラッド層４と活性層５とｐ型クラッド
層６のサンドイッチ構造を少なくとも有し、前記活性層
のバンドギャップエネルギーが前記両クラッド層のバン
ドギャップエネルギーより小さい材料で形成されるダブ
ルヘテロ接合型の半導体発光素子であって、前記ｎ型ク
ラッド層のバンドギャップエネルギーが前記ｐ型クラッ
ド層のバンドギャップエネルギーより小さくなるように
前記両クラッド層の材料が選定されてなる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体発光素子に関す
る。さらに詳しくは、動作電圧を低くして高輝度の発光
がえられる半導体発光素子に関する。
る。さらに詳しくは、動作電圧を低くして高輝度の発光
がえられる半導体発光素子に関する。
【０００２】ここに半導体発光素子とは、ｐｎ接合また
はｐｉｎなどダブルヘテロ接合を有する発光ダイオード
（以下、ＬＥＤという）、スーパルミネッセントダイオ
ード（ＳＬＤ）または半導体レーザダイオード（以下、
ＬＤという）などの光を発生する半導体素子をいう。
はｐｉｎなどダブルヘテロ接合を有する発光ダイオード
（以下、ＬＥＤという）、スーパルミネッセントダイオ
ード（ＳＬＤ）または半導体レーザダイオード（以下、
ＬＤという）などの光を発生する半導体素子をいう。
【０００３】
【従来の技術】従来青色のＬＥＤは赤色や緑色に比べて
輝度が小さく実用化に難点があったが、近年チッ化ガリ
ウム系化合物半導体を用い、Ｍｇをドーパントとした低
抵抗のｐ型半導体層がえられたことにより、輝度が向上
し脚光をあびている。
輝度が小さく実用化に難点があったが、近年チッ化ガリ
ウム系化合物半導体を用い、Ｍｇをドーパントとした低
抵抗のｐ型半導体層がえられたことにより、輝度が向上
し脚光をあびている。
【０００４】ここにチッ化ガリウム系化合物半導体と
は、III 族元素のＧａとＶ族元素のＮとの化合物または
III 族元素のＧａの一部がＡｌ、Ｉｎなど他のIII 族元
素と置換したものおよび／またはＶ族元素のＮの一部が
Ｐ、Ａｓなど他のＶ族元素と置換した化合物からなる半
導体をいう。
は、III 族元素のＧａとＶ族元素のＮとの化合物または
III 族元素のＧａの一部がＡｌ、Ｉｎなど他のIII 族元
素と置換したものおよび／またはＶ族元素のＮの一部が
Ｐ、Ａｓなど他のＶ族元素と置換した化合物からなる半
導体をいう。
【０００５】従来のチッ化ガリウム系化合物半導体を用
いたＬＥＤはつぎのように製造され、図４に完成したチ
ッ化ガリウム系化合物半導体のＬＥＤのチップの斜視図
を示す。
いたＬＥＤはつぎのように製造され、図４に完成したチ
ッ化ガリウム系化合物半導体のＬＥＤのチップの斜視図
を示す。
【０００６】まず、サファイア（Ａｌ2 Ｏ3 単結晶）な
どからなる基板２１に４００〜７００℃の低温で有機金
属化合物気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法という）によ
りキャリアガスＨ2 とともに有機金属化合物ガスである
トリメチルガリウム（以下、ＴＭＧという）、アンモニ
ア（ＮＨ3 ）およびドーパントとしてのＳｉＨ4 などを
供給し、ｎ型のＧａＮ層からなる低温バッファ層２２を
０．０１〜０．２μｍ程度形成し、ついで７００〜１２
００℃の高温で同じガスを供給し同じ組成のｎ型のＧａ
Ｎからなる高温バッファ層２３を２〜５μｍ程度形成す
る。
どからなる基板２１に４００〜７００℃の低温で有機金
属化合物気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法という）によ
りキャリアガスＨ2 とともに有機金属化合物ガスである
トリメチルガリウム（以下、ＴＭＧという）、アンモニ
ア（ＮＨ3 ）およびドーパントとしてのＳｉＨ4 などを
供給し、ｎ型のＧａＮ層からなる低温バッファ層２２を
０．０１〜０．２μｍ程度形成し、ついで７００〜１２
００℃の高温で同じガスを供給し同じ組成のｎ型のＧａ
Ｎからなる高温バッファ層２３を２〜５μｍ程度形成す
る。
【０００７】ついで前述のガスにさらにトリメチルアル
ミニウム（以下、ＴＭＡという）の原料ガスを反応管内
に加え、ｎ型ドーパントのＳｉを含有したｎ型Ａｌz Ｇ
ａ1-z Ｎ（０＜ｚ≦１）層を成膜し、ｎ型クラッド層２
４を０．１〜０．３μｍ程度形成する。
ミニウム（以下、ＴＭＡという）の原料ガスを反応管内
に加え、ｎ型ドーパントのＳｉを含有したｎ型Ａｌz Ｇ
ａ1-z Ｎ（０＜ｚ≦１）層を成膜し、ｎ型クラッド層２
４を０．１〜０．３μｍ程度形成する。
【０００８】つぎに、バンドギャップエネルギーがクラ
ッド層のそれより小さくなる材料、たとえば前述の原料
ガスのＴＭＡに代えてトリメチルインジウム（以下、Ｔ
ＭＩという）を導入し、Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ（０≦ｙ≦
１）からなる活性層２５を０．０５〜０．１μｍ程度形
成する。
ッド層のそれより小さくなる材料、たとえば前述の原料
ガスのＴＭＡに代えてトリメチルインジウム（以下、Ｔ
ＭＩという）を導入し、Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ（０≦ｙ≦
１）からなる活性層２５を０．０５〜０．１μｍ程度形
成する。
【０００９】さらに、ｎ型クラッド層２４の形成に用い
たガスと同じ原料ガスで不純物原料ガスをＳｉＨ4 に代
えてｐ型不純物としてのＭｇまたはＺｎをビスシクロペ
ンタジエニルマグネシウム（以下、Ｃｐ2 Ｍｇという）
またはジメチル亜鉛（以下、ＤＭＺｎという）として加
えて反応管に導入し、ｐ型クラッド層２６であるｐ型Ａ
ｌz Ｇａ1-z Ｎ層を気相成長させる。ここでＡｌの組成
比ｚは製造上の容易さからｎ型クラッド層２４のｚと同
じ値になるように反応ガスを供給している。これらのｎ
型クラッド層２４と活性層２５とｐ型クラッド層２６と
によりダブルヘテロ接合が形成される。
たガスと同じ原料ガスで不純物原料ガスをＳｉＨ4 に代
えてｐ型不純物としてのＭｇまたはＺｎをビスシクロペ
ンタジエニルマグネシウム（以下、Ｃｐ2 Ｍｇという）
またはジメチル亜鉛（以下、ＤＭＺｎという）として加
えて反応管に導入し、ｐ型クラッド層２６であるｐ型Ａ
ｌz Ｇａ1-z Ｎ層を気相成長させる。ここでＡｌの組成
比ｚは製造上の容易さからｎ型クラッド層２４のｚと同
じ値になるように反応ガスを供給している。これらのｎ
型クラッド層２４と活性層２５とｐ型クラッド層２６と
によりダブルヘテロ接合が形成される。
【００１０】ついでキャップ層２７形成のため、前述の
バッファ層２３と同様の原料ガスで不純物原料ガスとし
てＣｐ2 ＭｇまたはＤＭＺｎを供給してｐ型のＧａＮ層
を０．３〜２μｍ程度成長させる。
バッファ層２３と同様の原料ガスで不純物原料ガスとし
てＣｐ2 ＭｇまたはＤＭＺｎを供給してｐ型のＧａＮ層
を０．３〜２μｍ程度成長させる。
【００１１】そののち保護膜を設けてｐ型層のアニール
のための熱処理または電子線照射を行い、ｐ型クラッド
層２６およびキャップ層２７の活性化を行う。
のための熱処理または電子線照射を行い、ｐ型クラッド
層２６およびキャップ層２７の活性化を行う。
【００１２】ついで、保護膜を除去したのち、ｎ側の電
極を形成するため、レジストを塗布してパターニングを
行い、成長した各半導体層の一部をエッチング除去して
ｎ型層であるクラッド層２４またはバッファ層２３を露
出させる。
極を形成するため、レジストを塗布してパターニングを
行い、成長した各半導体層の一部をエッチング除去して
ｎ型層であるクラッド層２４またはバッファ層２３を露
出させる。
【００１３】ついで、Ａｕ、Ａｌなどの金属膜をそれぞ
れ、たとえば蒸着、スパッタリングなどにより形成して
ｐ側およびｎ側の両電極２９、３０をそれぞれ形成し、
ダイシングすることによりＬＥＤチップを形成してい
る。
れ、たとえば蒸着、スパッタリングなどにより形成して
ｐ側およびｎ側の両電極２９、３０をそれぞれ形成し、
ダイシングすることによりＬＥＤチップを形成してい
る。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】従来のチッ化ガリウム
系化合物半導体において、ダブルヘテロ接合の半導体発
光素子は、発光効率が高いが動作電圧が高い。また、動
作電圧を低くするためにｎ型クラッド層とｐ型クラッド
層にバンドギャップエネルギーが小さい材料、すなわち
Ａｌz Ｇａ1-z ＮのＡｌ組成比ｚの小さい材料を用いる
と、動作電圧は低くなるが、活性層からｐ型クラッド層
への電子の流出が増え、発光効率が低下するという問題
がある。
系化合物半導体において、ダブルヘテロ接合の半導体発
光素子は、発光効率が高いが動作電圧が高い。また、動
作電圧を低くするためにｎ型クラッド層とｐ型クラッド
層にバンドギャップエネルギーが小さい材料、すなわち
Ａｌz Ｇａ1-z ＮのＡｌ組成比ｚの小さい材料を用いる
と、動作電圧は低くなるが、活性層からｐ型クラッド層
への電子の流出が増え、発光効率が低下するという問題
がある。
【００１５】本発明はこのような問題を解決し、ダブル
ヘテロ構造の半導体発光素子であって、発光効率が低下
せず、かつ、動作電圧が低い半導体発光素子を提供する
ことを目的とする。
ヘテロ構造の半導体発光素子であって、発光効率が低下
せず、かつ、動作電圧が低い半導体発光素子を提供する
ことを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光素子
は、ｎ型クラッド層と活性層とｐ型クラッド層のサンド
イッチ構造を少なくとも有し、前記活性層のバンドギャ
ップエネルギーが前記両クラッド層のバンドギャップエ
ネルギーより小さい材料で形成されるダブルヘテロ接合
型の半導体発光素子であって、前記ｎ型クラッド層のバ
ンドギャップエネルギーが前記ｐ型クラッド層のバンド
ギャップエネルギーより小さくなるように前記両クラッ
ド層の材料が選定されている。
は、ｎ型クラッド層と活性層とｐ型クラッド層のサンド
イッチ構造を少なくとも有し、前記活性層のバンドギャ
ップエネルギーが前記両クラッド層のバンドギャップエ
ネルギーより小さい材料で形成されるダブルヘテロ接合
型の半導体発光素子であって、前記ｎ型クラッド層のバ
ンドギャップエネルギーが前記ｐ型クラッド層のバンド
ギャップエネルギーより小さくなるように前記両クラッ
ド層の材料が選定されている。
【００１７】また、前記ｎ型クラッド層がｎ型Ａｌx Ｇ
ａ1-x Ｎ（０≦ｘ≦０．５）からなり、前記活性層がＩ
ｎy Ｇａ1-y Ｎ（０≦ｙ≦１）からなり、前記ｐ型クラ
ッド層がｐ型Ａｌz Ｇａ1-z Ｎ（０＜ｚ≦１）からな
り、２ｘ≦ｚであることが好ましい。
ａ1-x Ｎ（０≦ｘ≦０．５）からなり、前記活性層がＩ
ｎy Ｇａ1-y Ｎ（０≦ｙ≦１）からなり、前記ｐ型クラ
ッド層がｐ型Ａｌz Ｇａ1-z Ｎ（０＜ｚ≦１）からな
り、２ｘ≦ｚであることが好ましい。
【００１８】前記クラッド層の一方と基板とのあいだに
ＧａＮからなるバッファ層が設けられていることが、ク
ラッド層の歪を緩和することができ、クラッド層での結
晶欠陥や転位の発生を防止することができるとともに、
半導体層の抵抗を下げられるため好ましい。
ＧａＮからなるバッファ層が設けられていることが、ク
ラッド層の歪を緩和することができ、クラッド層での結
晶欠陥や転位の発生を防止することができるとともに、
半導体層の抵抗を下げられるため好ましい。
【００１９】
【作用】本発明の半導体発光素子によれば、ｎ型クラッ
ド層にｐ型クラッド層よりバンドギャップエネルギーの
小さい材料を用いているため、ｎ型クラッド層から活性
層への電子の注入は低電圧で容易になされる。一方ｐ型
クラッド層は従来と同様にバンドギャップエネルギーが
大きい材料が用いれているため、活性層からｐ型クラッ
ド層への電子の逃げは少なく、活性層内での電子と正孔
の再結合に寄与する。また、正孔については電子よりも
有効質量が大きいため、ｎ型クラッド層のバンドギャッ
プエネルギーが小さくても活性層に注入された正孔のｎ
型クラッド層側への逃げは少ない。そのため正孔のムダ
もなく活性層内での再結合に寄与し、ｎ型クラッド層の
バンドギャップエネルギーが小さくなった分だけ動作電
圧を低くすることができ、従来と同程度の輝度の発光を
する。
ド層にｐ型クラッド層よりバンドギャップエネルギーの
小さい材料を用いているため、ｎ型クラッド層から活性
層への電子の注入は低電圧で容易になされる。一方ｐ型
クラッド層は従来と同様にバンドギャップエネルギーが
大きい材料が用いれているため、活性層からｐ型クラッ
ド層への電子の逃げは少なく、活性層内での電子と正孔
の再結合に寄与する。また、正孔については電子よりも
有効質量が大きいため、ｎ型クラッド層のバンドギャッ
プエネルギーが小さくても活性層に注入された正孔のｎ
型クラッド層側への逃げは少ない。そのため正孔のムダ
もなく活性層内での再結合に寄与し、ｎ型クラッド層の
バンドギャップエネルギーが小さくなった分だけ動作電
圧を低くすることができ、従来と同程度の輝度の発光を
する。
【００２０】ｎ型クラッド層のバンドギャップエネルギ
ーの小さくできる割合は、正孔の有効質量が電子の３倍
程度であるため、ｐ型クラッド層と活性層とのバンドギ
ャップエネルギー差の１／２程度にすることができ、Ａ
ｌz Ｇａ1-z Ｎ材料をクラッド層に用いれば、Ａｌの比
率ｚをｐ型クラッド層のＡｌの比率の半分以下にするこ
とができ、動作電圧を５〜１０％低下させることができ
る。
ーの小さくできる割合は、正孔の有効質量が電子の３倍
程度であるため、ｐ型クラッド層と活性層とのバンドギ
ャップエネルギー差の１／２程度にすることができ、Ａ
ｌz Ｇａ1-z Ｎ材料をクラッド層に用いれば、Ａｌの比
率ｚをｐ型クラッド層のＡｌの比率の半分以下にするこ
とができ、動作電圧を５〜１０％低下させることができ
る。
【００２１】
【実施例】つぎに添付図面を参照しながら本発明の半導
体発光素子を説明する。
体発光素子を説明する。
【００２２】図１は本発明の半導体発光素子の一実施例
であるメサ型形状の半導体レーザチップの断面説明図、
図２はその製造工程図、図３は本発明の半導体発光素子
のｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層の禁制
帯を主としたエネルギーバンド図の概略図である。
であるメサ型形状の半導体レーザチップの断面説明図、
図２はその製造工程図、図３は本発明の半導体発光素子
のｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層の禁制
帯を主としたエネルギーバンド図の概略図である。
【００２３】図１において、１はサファイア（Ａｌ2 Ｏ
3 単結晶）などの基板で、ｎ型ＧａＮからなり、０．０
１〜０．２μｍ程度の低温バッファ層２、ｎ型ＧａＮか
らなり、２〜３μｍ程度の高温バッファ層３、ｎ型でバ
ンドギャップエネルギー（禁制帯幅）がｐ型クラッド層
より小さい材料、たとえばＡｌx Ｇａ1-x Ｎ（０≦ｘ≦
０．５、たとえばｘ＝０．０７）からなり、０．１〜
０．３μｍ程度のｎ型クラッド層４、ノンドープまたは
ｎ型もしくはｐ型で両クラッド層よりバンドギャップエ
ネルギーが小さく、かつ、屈折率が大きい材料、たとえ
ばＩｎy Ｇａ1-yＮ（０≦ｙ≦１）からなり、０．０５
〜０．１μｍ程度の活性層５、ｐ型ＡｌzＧａ1-z Ｎ
（０＜ｚ≦１、２ｘ≦ｚ、たとえばｚ＝０．１５）から
なり０．１〜０．３μｍ程度のｐ型クラッド層、ｐ型Ｇ
ａＮからなり、０．３〜２μｍ程度のキャップ層７が順
次積層され、キャップ層７上にＡｕなどからなるｐ側電
極８、積層された半導体層の一部がエッチング除去され
て露出した高温バッファ層３上にＡｌなどからなるｎ側
電極９が形成され、さらに電流ストライプを形成するた
め、キャップ層７およびｐ型クラッド層の一部がエッチ
ングされてメサ型形状にされ、半導体レーザのチップが
形成されている。
3 単結晶）などの基板で、ｎ型ＧａＮからなり、０．０
１〜０．２μｍ程度の低温バッファ層２、ｎ型ＧａＮか
らなり、２〜３μｍ程度の高温バッファ層３、ｎ型でバ
ンドギャップエネルギー（禁制帯幅）がｐ型クラッド層
より小さい材料、たとえばＡｌx Ｇａ1-x Ｎ（０≦ｘ≦
０．５、たとえばｘ＝０．０７）からなり、０．１〜
０．３μｍ程度のｎ型クラッド層４、ノンドープまたは
ｎ型もしくはｐ型で両クラッド層よりバンドギャップエ
ネルギーが小さく、かつ、屈折率が大きい材料、たとえ
ばＩｎy Ｇａ1-yＮ（０≦ｙ≦１）からなり、０．０５
〜０．１μｍ程度の活性層５、ｐ型ＡｌzＧａ1-z Ｎ
（０＜ｚ≦１、２ｘ≦ｚ、たとえばｚ＝０．１５）から
なり０．１〜０．３μｍ程度のｐ型クラッド層、ｐ型Ｇ
ａＮからなり、０．３〜２μｍ程度のキャップ層７が順
次積層され、キャップ層７上にＡｕなどからなるｐ側電
極８、積層された半導体層の一部がエッチング除去され
て露出した高温バッファ層３上にＡｌなどからなるｎ側
電極９が形成され、さらに電流ストライプを形成するた
め、キャップ層７およびｐ型クラッド層の一部がエッチ
ングされてメサ型形状にされ、半導体レーザのチップが
形成されている。
【００２４】本発明の半導体発光素子は前述の半導体レ
ーザの実施例で示されるように、ｎ型クラッド層４のバ
ンドギャップエネルギーがｐ型クラッド層６のバンドギ
ャップエネルギーより小さく、かつ、これらのバンドギ
ャップエネルギーが活性層５のバンドギャップエネルギ
ーより大きい材料で両クラッド層４、６および活性層５
が形成されていることに特徴がある。
ーザの実施例で示されるように、ｎ型クラッド層４のバ
ンドギャップエネルギーがｐ型クラッド層６のバンドギ
ャップエネルギーより小さく、かつ、これらのバンドギ
ャップエネルギーが活性層５のバンドギャップエネルギ
ーより大きい材料で両クラッド層４、６および活性層５
が形成されていることに特徴がある。
【００２５】電子と正孔の再結合を効率よく行わせ、発
光効率を上げるため、バンドギャップエネルギーの大き
い材料からなるクラッド層によりバンドギャップエネル
ギーの小さい材料からなる活性層５を挟み込むダブルヘ
テロ接合構造の半導体発光素子が半導体レーザや高輝度
のＬＥＤに用いられている。クラッド層にバンドギャッ
プエネルギーが大きい材料を使用すると電子や正孔の閉
じ込め効果が大きくなりムダなく発光に寄与するが動作
電圧が高くなり、実際には活性層からの電子や正孔の漏
れが無視できる程度のバンドギャップエネルギーの材料
が選定されている。しかしｐｎ接合に比べ動作電圧は高
くなる。本発明ではこの電子や正孔の漏れが無視できる
程度を維持しながら動作電圧を低下させることができる
ようにしたものである。すなわち、正孔の有効質量は電
子の有効質量の３倍程度と大きく、バンドギャップエネ
ルギーが小さくても電子よりも漏れが小さくなる。その
ため、ｎ型クラッド層にｐ型クラッド層のバンドギャッ
プエネルギーより小さいバンドギャップエネルギーの材
料を用いることにより、電子の活性層への注入は低電圧
で行え、活性層からの正孔の漏れを防止できるようにし
たものである。
光効率を上げるため、バンドギャップエネルギーの大き
い材料からなるクラッド層によりバンドギャップエネル
ギーの小さい材料からなる活性層５を挟み込むダブルヘ
テロ接合構造の半導体発光素子が半導体レーザや高輝度
のＬＥＤに用いられている。クラッド層にバンドギャッ
プエネルギーが大きい材料を使用すると電子や正孔の閉
じ込め効果が大きくなりムダなく発光に寄与するが動作
電圧が高くなり、実際には活性層からの電子や正孔の漏
れが無視できる程度のバンドギャップエネルギーの材料
が選定されている。しかしｐｎ接合に比べ動作電圧は高
くなる。本発明ではこの電子や正孔の漏れが無視できる
程度を維持しながら動作電圧を低下させることができる
ようにしたものである。すなわち、正孔の有効質量は電
子の有効質量の３倍程度と大きく、バンドギャップエネ
ルギーが小さくても電子よりも漏れが小さくなる。その
ため、ｎ型クラッド層にｐ型クラッド層のバンドギャッ
プエネルギーより小さいバンドギャップエネルギーの材
料を用いることにより、電子の活性層への注入は低電圧
で行え、活性層からの正孔の漏れを防止できるようにし
たものである。
【００２６】前述の図１の半導体レーザのエネルギーバ
ンド図の概略図を示した図３を参照しながら本発明の作
用を詳説する。図３において、Ｖは価電子帯、Ｆは禁制
帯、Ｃは伝導帯のエネルギー帯をそれぞれ示し、Ａはｎ
型ＧａＮからなる高温バッファ層３、Ｂはｎ型Ａｌ0.07
Ｇａ0.93Ｎからなるｎ型クラッド層４、ＤはＩｎy Ｇａ
1-y Ｎからなる活性層５、ＧはＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎから
なるｐ型クラッド層、Ｊはｐ型ＧａＮからなるキャップ
層７の範囲のエネルギーバンドをそれぞれ示している。
ンド図の概略図を示した図３を参照しながら本発明の作
用を詳説する。図３において、Ｖは価電子帯、Ｆは禁制
帯、Ｃは伝導帯のエネルギー帯をそれぞれ示し、Ａはｎ
型ＧａＮからなる高温バッファ層３、Ｂはｎ型Ａｌ0.07
Ｇａ0.93Ｎからなるｎ型クラッド層４、ＤはＩｎy Ｇａ
1-y Ｎからなる活性層５、ＧはＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎから
なるｐ型クラッド層、Ｊはｐ型ＧａＮからなるキャップ
層７の範囲のエネルギーバンドをそれぞれ示している。
【００２７】本実施例の半導体レーザは、図３に示され
るように、Ｂで示されるｎ型クラッド層のバンドギャッ
プエネルギーがＧで示されるｐ型クラッド層のバンドギ
ャップエネルギーより小さく形成されている。破線Ｂ１
で示したものが、従来の構造でｐ型クラッド層と同じバ
ンドギャップエネルギーのばあいを示す。
るように、Ｂで示されるｎ型クラッド層のバンドギャッ
プエネルギーがＧで示されるｐ型クラッド層のバンドギ
ャップエネルギーより小さく形成されている。破線Ｂ１
で示したものが、従来の構造でｐ型クラッド層と同じバ
ンドギャップエネルギーのばあいを示す。
【００２８】この構成で、ｐ側電極８とｎ側電極９との
あいだに電圧が印加されると電子Ｅはｎ型ＧａＮ（高温
バッファ層Ａ）側からｐ側に流れ、活性層の伝導帯Ｋ１
内に流れ込む。この際ｎ型クラッド層のバンドギャップ
エネルギーが低いため、電子Ｅは活性層の伝導帯Ｋ１内
に流れ易く、低い電圧でも活性層に電子が供給される。
また活性層の伝導帯Ｋ１内に流れ込んだ電子Ｅはｐ側電
極に引張られるが、ｐ型クラッド層のバンドギャップエ
ネルギーが大きいため、活性層内に閉じ込められる。一
方、正孔Ｈはｐ型ＧａＮ（コンタクト層Ｊ）側からｎ側
に流れ、活性層の価電子帯Ｋ２内に流れ込む。活性層の
価電子帯Ｋ２内に流れ込んだ正孔Ｈはｎ側電極に引張ら
れるが、正孔Ｈの有効質量は電子の有効質量の３倍程度
と大きく、ｎ型クラッド層Ｂのバンドギャップエネルギ
ーが低くても乗り越えることができず活性層の価電子帯
内に有効に閉じ込められる。その結果、活性層内で電子
と正孔の再結合が効率的に行われ、高い発光効率がえら
れる。
あいだに電圧が印加されると電子Ｅはｎ型ＧａＮ（高温
バッファ層Ａ）側からｐ側に流れ、活性層の伝導帯Ｋ１
内に流れ込む。この際ｎ型クラッド層のバンドギャップ
エネルギーが低いため、電子Ｅは活性層の伝導帯Ｋ１内
に流れ易く、低い電圧でも活性層に電子が供給される。
また活性層の伝導帯Ｋ１内に流れ込んだ電子Ｅはｐ側電
極に引張られるが、ｐ型クラッド層のバンドギャップエ
ネルギーが大きいため、活性層内に閉じ込められる。一
方、正孔Ｈはｐ型ＧａＮ（コンタクト層Ｊ）側からｎ側
に流れ、活性層の価電子帯Ｋ２内に流れ込む。活性層の
価電子帯Ｋ２内に流れ込んだ正孔Ｈはｎ側電極に引張ら
れるが、正孔Ｈの有効質量は電子の有効質量の３倍程度
と大きく、ｎ型クラッド層Ｂのバンドギャップエネルギ
ーが低くても乗り越えることができず活性層の価電子帯
内に有効に閉じ込められる。その結果、活性層内で電子
と正孔の再結合が効率的に行われ、高い発光効率がえら
れる。
【００２９】以上のように本発明によれば、ｎ型クラッ
ド層のバンドギャップエネルギーがｐ型クラッド層のそ
れより小さくなるように各半導体層を選定しているた
め、低い電圧で活性層への電子の注入を行うことができ
るとともに、無効電流を増加させず、発光効率を向上す
ることができる。ｎ型クラッド層のバンドギャップエネ
ルギーをｐ型クラッド層のそれより小さくする程度は活
性層のバンドギャップエネルギーにより定まり、活性層
とのバンドギャップエネルギーの差でｐ型層のばあいの
１／３〜１／２程度低くなるようにすればよい。
ド層のバンドギャップエネルギーがｐ型クラッド層のそ
れより小さくなるように各半導体層を選定しているた
め、低い電圧で活性層への電子の注入を行うことができ
るとともに、無効電流を増加させず、発光効率を向上す
ることができる。ｎ型クラッド層のバンドギャップエネ
ルギーをｐ型クラッド層のそれより小さくする程度は活
性層のバンドギャップエネルギーにより定まり、活性層
とのバンドギャップエネルギーの差でｐ型層のばあいの
１／３〜１／２程度低くなるようにすればよい。
【００３０】一般式Ａｌp Ｇａq Ｉｎ1-p-q Ｎ（０≦ｐ
＜１、０＜ｑ≦１、０＜ｐ＋ｑ≦１）からなるチッ化ガ
リウム系化合半導体を用いてバンドギャップエネルギー
を小さくするにはｐを小さく、すなわちＡｌの組成比を
小さくし、またはｐ＋ｑを小さく、すなわちＩｎの組成
比を大きくすることによりえられる。そのためクラッド
層のバンドギャップエネルギーが活性層のそれより大き
く、かつ、ｎ型クラッド層のバンドギャップエネルギー
がｐ型クラッド層のそれより小さくなるようにＡｌおよ
びＩｎの組成比を調整することにより、所望のバンドギ
ャップエネルギーの半導体層がえられる。
＜１、０＜ｑ≦１、０＜ｐ＋ｑ≦１）からなるチッ化ガ
リウム系化合半導体を用いてバンドギャップエネルギー
を小さくするにはｐを小さく、すなわちＡｌの組成比を
小さくし、またはｐ＋ｑを小さく、すなわちＩｎの組成
比を大きくすることによりえられる。そのためクラッド
層のバンドギャップエネルギーが活性層のそれより大き
く、かつ、ｎ型クラッド層のバンドギャップエネルギー
がｐ型クラッド層のそれより小さくなるようにＡｌおよ
びＩｎの組成比を調整することにより、所望のバンドギ
ャップエネルギーの半導体層がえられる。
【００３１】また、図１に示される実施例は半導体レー
ザであるため、活性層内に光も閉じ込めて発振させる必
要があり、クラッド層の屈折率が活性層のそれより小さ
くなるようにしたが、ＬＥＤのばあいは必ずしもその必
要はない。しかし、前述の組成比でＡｌの組成比を大き
くすると屈折率は小さくなる。
ザであるため、活性層内に光も閉じ込めて発振させる必
要があり、クラッド層の屈折率が活性層のそれより小さ
くなるようにしたが、ＬＥＤのばあいは必ずしもその必
要はない。しかし、前述の組成比でＡｌの組成比を大き
くすると屈折率は小さくなる。
【００３２】つぎに、図２を参照しながら、図１に示さ
れた半導体レーザの製法を説明する。
れた半導体レーザの製法を説明する。
【００３３】まず、図２（ａ）に示されるように、サフ
ァイアなどからなる基板１に、ＭＯＣＶＤ法によりたと
えばｎ型ＧａＮなどのチッ化ガリウム系化合物半導体か
らなる低温バッファ層２を０．０１〜０．２μｍ程度成
長し、ついで７００〜１２００℃程度の高温で同じ組成
のｎ型のＧａＮからなる高温バッファ層３を２〜５μｍ
程度形成する。
ァイアなどからなる基板１に、ＭＯＣＶＤ法によりたと
えばｎ型ＧａＮなどのチッ化ガリウム系化合物半導体か
らなる低温バッファ層２を０．０１〜０．２μｍ程度成
長し、ついで７００〜１２００℃程度の高温で同じ組成
のｎ型のＧａＮからなる高温バッファ層３を２〜５μｍ
程度形成する。
【００３４】つぎに、さらにＴＭＩを供給して、たとえ
ばｎ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ（０≦ｘ≦０．５、たとえばｘ
＝０．０７）からなるｎ型クラッド層４を０．１〜０．
３μｍ程度形成する。そののち、ＴＭＡに代えてＴＭＩ
を供給しノンドープまたはｎ型もしくはｐ型のＩｎy Ｇ
ａ1-y Ｎ（０≦ｙ≦１、たとえば、ｙ＝０．０６）から
なる活性層５を０．０５〜０．１μｍ程度の厚さに成長
させる。ついで、ｎ型クラッド層４の形成に用いた原料
ガスと同じ原料ガスを用い、ＴＭＡをｎ型クラッド層４
のばあいの倍程度の２０〜１００ｓｃｃｍの流量で反応
管に供給してｐ型クラッド層６であるｐ型Ａｌz Ｇａ
1-z Ｎ（０＜ｚ≦１、２ｘ≦ｚ、たとえばｚ＝０．１
５）層を０．１〜０．３μｍ程度形成する。さらにバッ
ファ層３の成膜と同じ原料ガスを供給してｐ型のＧａＮ
からなるキャップ層７を０．３〜２μｍの厚さ成膜す
る。
ばｎ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ（０≦ｘ≦０．５、たとえばｘ
＝０．０７）からなるｎ型クラッド層４を０．１〜０．
３μｍ程度形成する。そののち、ＴＭＡに代えてＴＭＩ
を供給しノンドープまたはｎ型もしくはｐ型のＩｎy Ｇ
ａ1-y Ｎ（０≦ｙ≦１、たとえば、ｙ＝０．０６）から
なる活性層５を０．０５〜０．１μｍ程度の厚さに成長
させる。ついで、ｎ型クラッド層４の形成に用いた原料
ガスと同じ原料ガスを用い、ＴＭＡをｎ型クラッド層４
のばあいの倍程度の２０〜１００ｓｃｃｍの流量で反応
管に供給してｐ型クラッド層６であるｐ型Ａｌz Ｇａ
1-z Ｎ（０＜ｚ≦１、２ｘ≦ｚ、たとえばｚ＝０．１
５）層を０．１〜０．３μｍ程度形成する。さらにバッ
ファ層３の成膜と同じ原料ガスを供給してｐ型のＧａＮ
からなるキャップ層７を０．３〜２μｍの厚さ成膜す
る。
【００３５】前述のバッファ層３やクラッド層４をｎ型
に形成するためには、Ｓｉ、Ｇｅ、ＴｅをＳｉＨ4 、Ｇ
ｅＨ4 、ＴｅＨ4 などの不純物原料ガスとして反応ガス
内に混入し、クラッド層６やキャップ層７をｐ型に形成
するためには、ＭｇやＺｎをＣｐ2 ＭｇやＤＭＺｎの有
機金属ガスとして原料ガスに混入する。ただしｎ型のば
あいは不純物を混入しなくても、成膜時にＮが蒸発し易
く自然にｎ型になるため、その性質を利用してもよい。
に形成するためには、Ｓｉ、Ｇｅ、ＴｅをＳｉＨ4 、Ｇ
ｅＨ4 、ＴｅＨ4 などの不純物原料ガスとして反応ガス
内に混入し、クラッド層６やキャップ層７をｐ型に形成
するためには、ＭｇやＺｎをＣｐ2 ＭｇやＤＭＺｎの有
機金属ガスとして原料ガスに混入する。ただしｎ型のば
あいは不純物を混入しなくても、成膜時にＮが蒸発し易
く自然にｎ型になるため、その性質を利用してもよい。
【００３６】そののちＳｉＯ2 やＳｉ3 Ｎ4 などの保護
膜１０を半導体層の成長層表面全面に設け（図２（ｂ）
参照）、４００〜８００℃、２０〜６０分間程度のアニ
ールを行い、ｐ型層であるｐ型クラッド層６およびキャ
ップ層７の活性化を行う。
膜１０を半導体層の成長層表面全面に設け（図２（ｂ）
参照）、４００〜８００℃、２０〜６０分間程度のアニ
ールを行い、ｐ型層であるｐ型クラッド層６およびキャ
ップ層７の活性化を行う。
【００３７】アニールが完了すると、図２（ｃ）に示さ
れるように、レジスト膜１１などのマスクを設けてｎ型
のクラッド層４またはｎ型の高温バッファ層３が露出す
るまで、積層された半導体層をエッチングする。このエ
ッチングは、たとえばＣｌ2およびＢＣｌ3 の混合ガス
の雰囲気の下で反応性イオンエッチングにより行われ
る。
れるように、レジスト膜１１などのマスクを設けてｎ型
のクラッド層４またはｎ型の高温バッファ層３が露出す
るまで、積層された半導体層をエッチングする。このエ
ッチングは、たとえばＣｌ2およびＢＣｌ3 の混合ガス
の雰囲気の下で反応性イオンエッチングにより行われ
る。
【００３８】ついでＡｕ、Ａｌなどの金属膜をスパッタ
リングなどにより形成し、積層された化合物半導体層の
表面でｐ型層に電気的に接続されるｐ側電極８、露出し
た高温バッファ層３表面でｎ型層に電気的に接続される
ｎ側電極９を形成し、キャップ層７およびｐ型クラッド
層６の一部をメサエッチングする（図１参照）。
リングなどにより形成し、積層された化合物半導体層の
表面でｐ型層に電気的に接続されるｐ側電極８、露出し
た高温バッファ層３表面でｎ型層に電気的に接続される
ｎ側電極９を形成し、キャップ層７およびｐ型クラッド
層６の一部をメサエッチングする（図１参照）。
【００３９】つぎに、各チップにダイシングして、半導
体レーザチップが形成される。
体レーザチップが形成される。
【００４０】前記実施例ではメサ型形状の電流ストライ
プ構造の半導体レーザについて説明したが、電流制限層
埋込型など種々の構造の半導体レーザやダブルヘテロ接
合構造のＬＥＤなどのチッ化ガリウム系化合物半導体を
用いた半導体発光素子についても本発明を適用できる。
さらに半導体材料も前記実施例組成の材料に限定され
ず、前記Ａｌp Ｇａq Ｉｎ1-p-q ＮのＮの一部または全
部をＡｓおよび／またはＰなどで置換した材料やヒ化ガ
リウム系化合物半導体を用いた半導体発光素子でも同様
に本発明を適用できる。
プ構造の半導体レーザについて説明したが、電流制限層
埋込型など種々の構造の半導体レーザやダブルヘテロ接
合構造のＬＥＤなどのチッ化ガリウム系化合物半導体を
用いた半導体発光素子についても本発明を適用できる。
さらに半導体材料も前記実施例組成の材料に限定され
ず、前記Ａｌp Ｇａq Ｉｎ1-p-q ＮのＮの一部または全
部をＡｓおよび／またはＰなどで置換した材料やヒ化ガ
リウム系化合物半導体を用いた半導体発光素子でも同様
に本発明を適用できる。
【００４１】
【発明の効果】本発明の半導体発光素子によれば、ｎ型
クラッド層のバンドギャップエネルギーがｐ型クラッド
層のバンドギャップエネルギーよりも小さくなるように
半導体材料が選定されているため、無効電流が少なく、
かつ、低い動作電圧で高輝度の発光をさせることがで
き、発光効率の高い半導体発光素子をうることができ
る。
クラッド層のバンドギャップエネルギーがｐ型クラッド
層のバンドギャップエネルギーよりも小さくなるように
半導体材料が選定されているため、無効電流が少なく、
かつ、低い動作電圧で高輝度の発光をさせることがで
き、発光効率の高い半導体発光素子をうることができ
る。
【図１】本発明の半導体発光素子の一実施例の断面説明
図である。
図である。
【図２】図１の製造工程を示す断面説明図である。
【図３】本発明の半導体発光素子の一実施例のクラッド
層および活性層の禁制帯を主としたエネルギーバンド図
である。
層および活性層の禁制帯を主としたエネルギーバンド図
である。
【図４】従来の半導体発光素子の一例を示す斜視図であ
る。
る。
１ 基板 ４ ｎ型クラッド層 ５ 活性層 ６ ｐ型クラッド層
Claims (3)
- 【請求項１】 ｎ型クラッド層と活性層とｐ型クラッド
層のサンドイッチ構造を少なくとも有し、前記活性層の
バンドギャップエネルギーが前記両クラッド層のバンド
ギャップエネルギーより小さい材料で形成されるダブル
ヘテロ接合型の半導体発光素子であって、前記ｎ型クラ
ッド層のバンドギャップエネルギーが前記ｐ型クラッド
層のバンドギャップエネルギーより小さくなるように前
記両クラッド層の材料が選定されてなる半導体発光素
子。 - 【請求項２】 前記ｎ型クラッド層がｎ型Ａｌx Ｇａ
1-x Ｎ（０≦ｘ≦０．５）からなり、前記活性層がＩｎ
y Ｇａ1-y Ｎ（０≦ｙ≦１）からなり、前記ｐ型クラッ
ド層がｐ型Ａｌz Ｇａ1-z Ｎ（０＜ｚ≦１）からなり、
２ｘ≦ｚである請求項１記載の半導体発光素子。 - 【請求項３】 前記クラッド層の一方と基板とのあいだ
にＧａＮからなるバッファ層が設けられてなる請求項１
または２記載の半導体発光素子。
Priority Applications (8)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21989294A JP3010412B2 (ja) | 1994-09-14 | 1994-09-14 | 半導体発光素子 |
| US08/528,308 US5751752A (en) | 1994-09-14 | 1995-09-14 | Semiconductor light emitting device and manufacturing method therefor |
| US09/012,790 US6115399A (en) | 1994-09-14 | 1998-01-23 | Semiconductor light emitting device |
| US09/166,071 US6084899A (en) | 1994-09-14 | 1998-10-05 | Semiconductor light emitting device and manufacturing method |
| US09/604,097 US6996150B1 (en) | 1994-09-14 | 2000-06-27 | Semiconductor light emitting device and manufacturing method therefor |
| US11/146,236 US7616672B2 (en) | 1994-09-14 | 2005-06-07 | Semiconductor light emitting device and manufacturing method therefor |
| US12/579,130 US7899101B2 (en) | 1994-09-14 | 2009-10-14 | Semiconductor light emitting device and manufacturing method therefor |
| US13/010,154 US8934513B2 (en) | 1994-09-14 | 2011-01-20 | Semiconductor light emitting device and manufacturing method therefor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21989294A JP3010412B2 (ja) | 1994-09-14 | 1994-09-14 | 半導体発光素子 |
Related Child Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11035013A Division JPH11274656A (ja) | 1999-02-12 | 1999-02-12 | 半導体発光素子 |
| JP11035012A Division JPH11274655A (ja) | 1999-02-12 | 1999-02-12 | 半導体発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0883956A true JPH0883956A (ja) | 1996-03-26 |
| JP3010412B2 JP3010412B2 (ja) | 2000-02-21 |
Family
ID=16742683
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21989294A Expired - Lifetime JP3010412B2 (ja) | 1994-09-14 | 1994-09-14 | 半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3010412B2 (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003204078A (ja) * | 1998-12-08 | 2003-07-18 | Nichia Chem Ind Ltd | 窒化物半導体素子 |
| US6853009B2 (en) | 1998-09-10 | 2005-02-08 | Toyoda Gosei Co., Ltd. | Light-emitting semiconductor device using gallium nitride compound semiconductor |
| KR100475714B1 (ko) * | 2001-03-27 | 2005-03-10 | 나이트라이드 세마이컨덕터스 코포레이션, 리미티드 | 질화물계 화합물 반도체장치 및 그 제조방법 |
| US7193246B1 (en) | 1998-03-12 | 2007-03-20 | Nichia Corporation | Nitride semiconductor device |
| US7345297B2 (en) | 2004-02-09 | 2008-03-18 | Nichia Corporation | Nitride semiconductor device |
| JP2014241397A (ja) * | 2013-05-17 | 2014-12-25 | 株式会社トクヤマ | 窒化物半導体発光素子、および窒化物半導体ウェーハ |
-
1994
- 1994-09-14 JP JP21989294A patent/JP3010412B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7193246B1 (en) | 1998-03-12 | 2007-03-20 | Nichia Corporation | Nitride semiconductor device |
| US7402838B2 (en) | 1998-03-12 | 2008-07-22 | Nichia Corporation | Nitride semiconductor device |
| US7947994B2 (en) | 1998-03-12 | 2011-05-24 | Nichia Corporation | Nitride semiconductor device |
| US6853009B2 (en) | 1998-09-10 | 2005-02-08 | Toyoda Gosei Co., Ltd. | Light-emitting semiconductor device using gallium nitride compound semiconductor |
| US7045809B2 (en) | 1998-09-10 | 2006-05-16 | Toyoda Gosei Co., Ltd. | Light-emitting semiconductor device using gallium nitride compound semiconductor |
| JP2003204078A (ja) * | 1998-12-08 | 2003-07-18 | Nichia Chem Ind Ltd | 窒化物半導体素子 |
| KR100475714B1 (ko) * | 2001-03-27 | 2005-03-10 | 나이트라이드 세마이컨덕터스 코포레이션, 리미티드 | 질화물계 화합물 반도체장치 및 그 제조방법 |
| US7345297B2 (en) | 2004-02-09 | 2008-03-18 | Nichia Corporation | Nitride semiconductor device |
| JP2014241397A (ja) * | 2013-05-17 | 2014-12-25 | 株式会社トクヤマ | 窒化物半導体発光素子、および窒化物半導体ウェーハ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3010412B2 (ja) | 2000-02-21 |
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| JPH11274655A (ja) | 半導体発光素子 |
Legal Events
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|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |