JPH09293934A

JPH09293934A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JPH09293934A
Application number: JP12936496A
Authority: JP
Inventors: Satoru Kijima; 悟喜嶋; Norikazu Nakayama; 典一中山; Akira Ishibashi; 晃石橋
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1996-04-26
Filing date: 1996-04-26
Publication date: 1997-11-11

Abstract

(57)【要約】【課題】ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体により形成される
各層の厚さの自由度が大きく、更に発光効率も向上させ
ることができる半導体発光素子を提供する。【解決手段】ＩｎＰにより形成した基板１の上にＭｇ
ＺｎＣｄＳｅにより形成した第１導電型クラッド層２，
ガイド層３，活性層４，ガイド層５および第２導電型ク
ラッド層６が順次積層されている。各層２〜６の組成は
基板１と格子整合するように決定される。第２導電型ク
ラッド層６の上には半導体層７，超格子半導体層８およ
びコンタクト層９が順次積層されている。コンタクト層
９はＺｎＴｅにより形成されると共に不純物が添加され
低抵抗となっている。コンタクト層９の上には格子状の
電極１０が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板上にＩＩ−Ｖ
Ｉ族化合物半導体により形成された第１導電型クラッド
層，活性層および第２導電型クラッド層を順次積層して
なる半導体発光素子に係り、特に面発光レーザダイオー
ド、面発光ダイオード等のように光を面状に取り出すこ
とができる半導体発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光ディスクや光磁気ディスクに対
する記録・再生の高密度・高解像度の要求や、屋内外デ
ィスプレイのフルカラー化の要求から緑色や青色で発光
可能な半導体発光素子の研究が活発に行われている。

【０００３】このような緑色や青色で発光可能な半導体
発光素子を構成する材料としては、ＩＩ族元素の亜鉛
（Ｚｎ），水銀（Ｈｇ），カドミウム（Ｃｄ），マグネ
シウム（Ｍｇ）のうち少なくとも１種と、ＶＩ族元素の
硫黄（Ｓ），セレン（Ｓｅ），テルル（Ｔｅ）のうち少
なくとも１種とから成るＩＩ−ＶＩ族化合物半導体が有
望である。

【０００４】このようなＩＩ−ＶＩ族化合物半導体によ
り発光効率の高い半導体発光素子を形成するためには、
基板の上に直接的にあるいはバッファ層を介して結晶性
に優れた化合物半導体を形成することが必要である。従
来、この基板には、結晶性に優れ入手が容易であるガリ
ウム（Ｇａ）と砒素（Ａｓ）との化合物半導体や亜鉛と
セレンとの化合物半導体により形成されたものなどが広
く用いられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＺｎＳ
ｅ系半導体レーザに代表されるＩＩ−ＶＩ族化合物半導
体発光素子では、基板と反対側の電極の発熱が大きいた
め、発光効率が低下してしまうという問題があった。こ
れは特に、ｎ型基板を用いて半導体レーザを作製した場
合に顕著である。

【０００６】また、この種の半導体発光素子において
は、格子不整合が存在するためクラッド層などの各層の
厚さが基板に対して厳密に臨界膜厚内に納められている
ことが必要であり、各層の厚さの選定の自由度はほとん
どなくかつ厚さにも厳密性を要していた。そのため、製
造に際しては各層の厚さを厳密に制御しなければなら
ず、製造における自由度が小さく不便であるという問題
もあった。

【０００７】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体により形
成される各層の厚さの自由度が大きく、更に発光効率を
向上させることもできる半導体発光素子を提供すること
にある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体発光
素子は、基板の上に第１導電型クラッド層と活性層と第
２導電型クラッド層とが順次積層されその積層方向に光
が面状に取り出されるものであって、基板はインジウム
とリンとを含む化合物半導体により形成されると共に、
第１導電型クラッド層，活性層および第２導電型クラッ
ド層はＩＩ族元素として亜鉛，水銀，カドムウムおよび
マグネシウムからなる群のうちの少なくとも１種とＶＩ
族元素として硫黄，セレンおよびテルルからなる群のう
ちの少なくとも１種とを含むＩＩ−ＶＩ族化合物半導体
によりそれぞれ形成されたものである。

【０００９】この半導体発光素子では、赤色から青色ま
で発光が可能であり、基板に対する各層の積層方向に光
が面状に取り出される。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。

【００１１】図１は本発明の第１の実施の形態に係る半
導体発光素子の構成を表すものである。なお、図１は図
３のＡ−Ａ矢視方向の断面構造を表している。この半導
体発光素子は、ｎ型のＩｎＰにより形成された厚さが例
えば約３００μｍの基板１の上にＩＩ族元素のマグネシ
ウム，亜鉛およびカドミウムとＶＩ族元素のセレンとを
含むＩＩ−ＶＩ族化合物半導体によりそれぞれ形成され
た第１導電型クラッド層２，ガイド層３，活性層４，ガ
イド層５および第２導電型クラッド層６が順次積層され
ており、赤色から青色までが発光可能となっている。

【００１２】第１導電型クラッド層２は厚さが例えば約
７００ｎｍであって、ｎ型の不純物として塩素（Ｃｌ）
が添加されたＭｇx(Ｚｎy Ｃｄ1-y)1-x Ｓｅにより形成
されている。ガイド層３は厚さが例えば約１００ｎｍで
あって、ｎ型の不純物として塩素が添加されたＭｇx'
（Ｚｎy'Ｃｄ1-y')1-x' Ｓｅにより形成されている。活
性層４は厚さが例えば約６〜１２ｎｍの単一または多重
量子井戸構造とされており、Ｍｇx''(Ｚｎy'' Ｃｄ1-
y'')1-x'' Ｓｅにより形成されている。

【００１３】ガイド層５は厚さが例えば約１００ｎｍで
あって、ｐ型の不純物として窒素（Ｎ）が添加されたＭ
ｇx'（Ｚｎy'Ｃｄ1-y')1-x' Ｓｅにより形成されてい
る。第２導電型クラッド層６は厚さが例えば約５００ｎ
ｍであって、ｐ型の不純物として窒素が添加されたＭｇ
x(Ｚｎy Ｃｄ1-y)1-x Ｓｅにより形成されている。

【００１４】なお、x,y,1-y,1-x,x',y',1-y',1-x',x''
y'',1-y'',1-x''はそれぞれ組成比を表しており、x,y,
x',y',x''y''はそれぞれ１よりも小さく０よりも大きな
値である。これらの組成比はＩｎＰと格子整合するよう
に選択され、図２に示したエネルギーギャップと格子定
数との関係図からそれぞれ求められる。

【００１５】この第２導電型クラッド層６の上には、ｐ
側電極と良好なオーミックコンタクトをとるための各
層、すなわち半導体層７，超格子半導体層８およびコン
タクト層９が順次積層されている。

【００１６】半導体層７は厚さが例えば約５００ｎｍで
あって、ｐ型不純物として窒素を添加したＭｇp(Ｚｎq
Ｃｄ1-q)1-p Ｓｅにより形成されている。なお、p,q,1-
p,1-q はそれぞれ組成比を表しており、p,q はそれぞれ
１よりも小さく０よりも大きな値である。これらの組成
比は第２導電型クラッド層６と格子整合するようにそれ
ぞれ選択される。

【００１７】この半導体層７は、第２導電型クラッド層
６と同様に光およびキャリヤを閉じ込めると共に、電流
を半導体層７の表面に対して平行方向に拡散させて活性
層４の広い領域に電流を均一に注入できるようにする機
能を有している。また、半導体層７の抵抗は第２導電型
クラッド層６に比べて低くなっており、第２導電型クラ
ッド層６に比べて電圧降下を減少させ、半導体発光素子
の動作電圧を低くできるようになっている。

【００１８】超格子半導体層８は、ＺｎＴｅとＭｇm(Ｚ
ｎn Ｃｄ1-n)1-m Ｓｅとを交互に積層して形成されてい
る。この超格子半導体層８は、半導体層７とコンタクト
層９との間の価電子体の不連続によりコンタクト層９か
ら半導体層７に注入される正孔に対して生ずる障壁を実
質的に除去するためのものである。なお、m,n,1-m,1-n
はそれぞれ組成比を表しており、m,n はそれぞれ１より
も小さく０よりも大きな値である。

【００１９】コンタクト層９は、ｐ型不純物として窒素
を添加したＺｎＴｅにより形成されている。このＺｎＴ
ｅは、不純物の添加によってキャリヤ濃度を高くし抵抗
を大幅に低くすることができる。本実施の形態において
も、キャリア濃度を十分に高くし抵抗を大幅に低くして
おり、半導体素子の低動作電圧化を図ると共にコンタク
ト層９における発熱を抑制するようになっている。ま
た、コンタクト層９の厚さは十分に薄い２〜１００ｎｍ
として透明電極とすることにより、光を吸収しないよう
にしている。

【００２０】このコンタクト層９の上には、図３に示し
たような格子状のｐ側電極１０が設けられている。この
ｐ側電極１０は、オーミック性のある金属、例えばパラ
ジウム（Ｐｄ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）をコン
タクト層９側から順次積層して形成されている。なお、
コンタクト層９の表面のうちｐ側電極１０を除く領域は
発光面１１として機能する。また、基板１の裏面にはイ
ンジウムにより形成されたｎ側電極１２が全面に設けら
れている。

【００２１】このような構成を有する半導体発光素子
は、次のようにして形成することができる。

【００２２】まず、ｎ型のＩｎＰ基板１の上に、分子線
エピタキシー（ＭＢＥ；MolecularBeam Epitaxy）法に
より、例えば２５０〜３００℃の範囲内の温度におい
て、第１導電型クラッド層２，ガイド層３，活性層４，
ガイド層５，第２導電型クラッド層６，半導体層７，超
格子半導体層８およびコンタクト層９を順次エピタキシ
ャル成長させる。

【００２３】このＭＢＥ法によるエピタキシャル成長に
おいては、マグネシウム原料として純度９９．９％以上
のマグネシウムを用い、Ｚｎ原料として純度９９．９９
９９％のＺｎを用い、カドミウム原料として純度９９．
９９９９％のＣｄを用い、Ｓｅ原料として純度９９．９
９９９％のセレンを用いる。また、第１導電型クラッド
層２およびガイド層３に対する不純物である塩素の添加
は、純度９９．９９９９％の塩化亜鉛（ＺｎＣｌ₂）を
原料として用いて行う。一方、ガイド層５，第２導電型
クラッド層６，半導体層７，超格子半導体層８およびコ
ンタクト層９に対する不純物である窒素の添加は、例え
ば電子サイクロトロン共鳴ＥＣＲ（Electron Cycrotron
Rcsonance）により発生された窒素のプラズマを照射す
ることにより行う。

【００２４】次いで、コンタクト層９の上にｐ側電極１
０の反転パターンに対応する形状のレジストパターン
（図示せず）をリソグラフィーにより形成したのち、ス
パッタリング法や真空蒸着法などによりｐ側電極１０を
形成するための金属膜（すなわちパラジウム，白金およ
び金の３層よりなる膜）を全面に形成する。そののち、
このレジストパターンをその上に形成された金属膜と共
に除去し（リフトオフ）、格子状のｐ側電極１０を形成
する。また、基板１の裏面にスパッタリング法や真空蒸
着法などによりインジウム膜を形成し、ｎ側電極１２を
形成する。これにより、図１に示した構成を有する半導
体発光素子が形成される。

【００２５】次に、このようにして形成された半導体発
光素子の作用について説明する。

【００２６】この半導体発光素子では、ｐ側電極１０と
ｎ側電極１２との間に必要な電圧が印加されると、ｐ側
電極１０からコンタクト層９に電流が注入される。この
とき、ｐ側電極１０が格子状に形成されているので、コ
ンタクト層９の全体に渡って均一に電流が注入される。
また、コンタクト層９が低抵抗のＺｎＴｅにより形成さ
れているので、ｐ側電極１０との間が良好なオーミック
コンタクトとなり、動作電圧が低くなると共に、コンタ
クト層９における発熱が抑制される。

【００２７】コンタクト層９に注入された電流は、この
コンタクト層９や半導体層７などを通過する際に、層に
平行な方向に十分に拡散される。また、半導体層７が低
抵抗のＭｇＺｎＣｄＳｅにより形成されているので、電
圧降下が減少し動作電圧が低くなる。このようにしてガ
イド層５まで通過した電流は、活性層４の全体に渡って
均一な分布で注入される。活性層４では、全体において
電子−正孔再結合による発光が均一に起こる。この光
は、図１において矢印で示したように、ｐ側電極１０側
の発光面１１から面状に取り出される。

【００２８】このように本実施の形態に係る半導体発光
素子によれば、ＩｎＰにより基板１を形成すると共に第
１導電型クラッド層２，ガイド層３，活性層４，ガイド
層５および第２導電型クラッド層６をＭｇＺｎＣｄＳｅ
によりそれぞれ形成するようにしたので、ＭｇＺｎＣｄ
Ｓｅの組成を適宜に選択することにより第１導電型クラ
ッド層２，ガイド層３，活性層４，ガイド層５および第
２導電型クラッド層６と基板１とをそれぞれ格子整合さ
せることができる。従って、第１導電型クラッド層２，
ガイド層３，活性層４，ガイド層５および第２導電型ク
ラッド層６それぞれの厚さの自由度が大きくなり、製造
における自由度も大きくすることができる。

【００２９】また、このように格子整合させることによ
り、第１導電型クラッド層２，ガイド層３，活性層４，
ガイド層５および第２導電型クラッド層６それぞれの結
晶におけるストレスなどの歪みを小さくすること、すな
わち欠陥を少なくすることができる。従って、素子の劣
化を抑制でき、寿命の長期化を図ることができる。

【００３０】更に、この半導体発光素子によれば、Ｚｎ
Ｔｅにより形成したコンタクト層９を第２導電型クラッ
ド層６とｐ側電極１０との間に積層するようにしたの
で、不純物を添加することによりコンタクト層９のキャ
リヤ濃度を高くして抵抗を大幅に低くすることができ、
ｐ側電極１０との良好なオーミックコンタクトをとるこ
とができる。従って、半導体発光素子の動作電圧を低く
することができると共に、コンタクト層９における発熱
を抑制することができ、発光効率の低下を防止すること
ができる。

【００３１】加えて、この半導体発光素子によれば、格
子状のｐ側電極１０を設けるようにしたので、例えばス
トライプ状の電極を設けた場合に比べてより均一な分布
で活性層４に電流を注入することができる。従って、面
発光の均一性を向上させることができる。

【００３２】更にまた、この半導体発光素子によれば、
ＭｇＺｎＣｄＳｅにより形成した半導体層７を第２導電
型クラッド層６の上に積層するようにしたので、電流を
半導体層７に平行な方向に拡散させることができ、より
均一な分布で活性層４に電流を注入することができる。
従って、面発光の均一性を向上させることができる。ま
た、半導体層７の抵抗を第２導電型クラッド層６に比べ
て低くすることにより、光およびキャリヤの閉じ込め特
性をより向上させると共に、電圧降下を減少させて半導
体素子の動作電圧を低くすることができる。

【００３３】図４は本発明の第２の実施の形態に係る半
導体発光素子の構成を表すものである。この半導体発光
素子は、基板１と第１導電型クラッド層２との間に光反
射層１３が積層されたことを除き、他の構成は第１の実
施の形態と同一である。よって、第１の実施の形態と同
一の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な
説明は省略する。

【００３４】この光反射層１３は、Ｍｇj(Ｚｎk Ｃｄ1-
k)1-j ＳｅとＭｇj'( Ｚｎk'Ｃｄ1-k')1-j' Ｓｅとを交
互に積層した超格子層によるブラッグリフレクタにより
形成されている。なお、j,k,1-j,1-k,j',k',1-j',1-k'
はそれぞれ組成比を表しており、j,k,j',k' はそれぞれ
１よりも小さく０よりも大きな値である。この光反射層
１３を構成する超格子層の各層の厚さは、それに屈折率
をかけた光学的距離が発光波長の１／4 と等しくされて
おり、反射率が最大となるようになっている。なお、こ
の光反射層１３の反射率をより高くするためには、超格
子層の繰り返し周期を多くすればよい。

【００３５】この半導体発光素子では、ｐ側電極１０と
ｎ側電極１２との間に必要な電圧が印加され活性層４に
おいて電子−正孔再結合による発光が起こると、活性層
４で発生した光のうち基板１に向かう光も光反射層１３
によってｐ側電極１０側に反射されて、図４において矢
印で示したようにｐ側電極１０側の発光面１１から面状
に取り出される。

【００３６】このように本実施の形態に係る半導体発光
素子によれば、基板１と第１導電型クラッド層２との間
に光反射層１３を設けるようにしたので、活性層４で発
生した光のうち基板１に向かう光をｐ側電極１０側に反
射させることができ、基板１に向かう光が基板１によっ
て吸収されるのを防止すると共に、基板１に向かう光も
発光面１１からの面発光に利用することができる。よっ
て、光反射層１３が設けられていない場合に比べて発光
効率を２倍にすることができる。

【００３７】なお、このようなブラッグリフレクタによ
る光反射層１３を設けた場合には、ブラックリフレクタ
により電圧降下が生じ、動作電圧を低くすることができ
なくなる虞れがある。しかしながら、このブラックリフ
レクタを構成するＭｇj(Ｚｎk Ｃｄ1-k)1-j ＳｅとＭｇ
j'( Ｚｎk'Ｃｄ1-k')1-j' Ｓｅとの超格子層におけるヘ
テロ界面部分を組成傾斜させたり、このＭｇj(Ｚｎk Ｃ
ｄ1-k)1-j ＳｅとＭｇj'( Ｚｎk'Ｃｄ1-k')1-j' Ｓｅと
の超格子層に不純物を高濃度に添加したり、あるいは、
いわゆるデルタドープによるマイクロキャパシタを設け
たりすることによりこの電圧降下を減少させることがで
きる。従って、素子の劣化を抑制し、寿命の長期化を図
ることができる。

【００３８】以上、実施の形態を挙げて本発明を説明し
たが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではな
く、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態
においては、第１導電型クラッド層２，ガイド層３，活
性層４，ガイド層５および第２導電型クラッド層６をＭ
ｇＺｎＣｄＳｅによりそれぞれ構成するようにしたが、
ＩＩ族元素として亜鉛，水銀，マグネシウムおよびカド
ミウムからなる群のうちの少なくとも１種とＶＩ族元素
として硫黄，セレンおよびテルルからなる群のうちの少
なくとも１種とを含むＩＩ−ＶＩ族化合物半導体であれ
ば、上記実施の形態と同様に構成することができる。そ
のときの組成比は、ＩｎＰの格子定数との関係により適
宜決定すればよい。

【００３９】また、上記実施の形態においては、基板１
の上に直接第１導電型クラッド層２を形成するようにし
たが、基板１と第１導電型クラッド層２との間にＩｎＧ
ａＡｓなどによるバッファ層を設けるようにしてもよ
い。

【００４０】更に、本発明に係る半導体発光素子は、赤
色，緑色および青色の３原色を発光することができるの
で、この半導体発光素子を単体で用いる場合のみなら
ず、複数配設してディスプレ−等に用いることもでき
る。

【００４１】加えて、上記実施の形態においては、ＭＢ
Ｅ法によりＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を形成するように
したが、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor D
eposition ）などの他の方法により形成することもでき
る。

【００４２】更にまた、上記実施の形態においては、基
板１をＩｎＰにより形成するようにしたが、ＩｎＰと同
様の格子定数を有するものであれば同様にして基板に用
いることができる。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る半導体
発光素子によれば、基板をインジウムとリンとを含む化
合物半導体により形成すると共に、各クラッド層および
活性層をＩＩ族元素として亜鉛，水銀，カドムウムおよ
びマグネシウムからなる群のうちの少なくとも１種とＶ
Ｉ族元素として硫黄，セレンおよびテルルからなる群の
うちの少なくとも１種とを含むＩＩ−ＶＩ族化合物半導
体によりそれぞれ形成するようにしたので、それらの組
成を適宜に選択することにより各クラッド層および活性
層と基板とをそれぞれ格子整合させることができる。従
って、各クラッド層の厚さの自由度が大きくなり、製造
における自由度も大きくすることができるという効果を
奏する。

【００４４】また、このような格子整合により、各クラ
ッド層などの結晶におけるストレスなどの歪みを小さく
すること、すなわち欠陥を少なくすることができる。従
って、素子の劣化を抑制でき、寿命の長期化を図ること
ができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素
子を表す断面図である。

【図２】エネルギーギャップと格子定数との関係を表す
図である。

【図３】図１に示した半導体発光素子の平面図である。

【図４】本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素
子の断面図である。

【符号の説明】

１…基板、２…第１導電型クラッド層、３…ガイド層、
４…活性層、５…ガイド層、６…第２導電型クラッド
層、７…半導体層、８…超格子半導体層、９…コンタク
ト層、１０…ｐ側電極、１１…発光面、１２…ｎ側電
極、１３…光反射層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板の上に第１導電型クラッド層と活性
層と第２導電型クラッド層とが順次積層されその積層方
向に光が面状に取り出される半導体発光素子であって、前記基板はインジウムとリンとを含む化合物半導体によ
り形成されると共に、前記第１導電型クラッド層，前記
活性層および前記第２導電型クラッド層はＩＩ族元素と
して亜鉛，水銀，カドムウムおよびマグネシウムからな
る群のうちの少なくとも１種とＶＩ族元素として硫黄，
セレンおよびテルルからなる群のうちの少なくとも１種
とを含むＩＩ−ＶＩ族化合物半導体によりそれぞれ形成
されたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】前記第１導電型クラッド層，前記活性層
および前記第２導電型クラッド層はＩＩ族元素としてマ
グネシウム，亜鉛およびカドムウムとＶＩ族元素として
セレンとを含むＩＩ−ＶＩ族化合物半導体によりそれぞ
れ形成されたことを特徴とする請求項１記載の半導体発
光素子。
【請求項３】前記第２導電型クラッド層の上にＩＩ族
元素としての亜鉛とＶＩ族元素としてのテルルとを含む
ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体により形成されたコンタクト
層が積層されたことを特徴とする請求項１記載の半導体
発光素子。
【請求項４】前記コンタクト層の上に金属によって形
成された格子状の電極が設けられたことを特徴とする請
求項３記載の半導体発光素子。
【請求項５】前記第２導電型クラッド層の上にＩＩ族
元素としてのマグネシウム，亜鉛およびカドミウムとＶ
Ｉ族元素としてのセレンとを含むＩＩ−ＶＩ族化合物半
導体により形成された半導体層が積層されたことを特徴
とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項６】前記半導体層の上にＩＩ族元素としての
亜鉛とＶＩ族元素としてのテルルとを含むＩＩ−ＶＩ族
化合物半導体により形成されたコンタクト層が積層され
たことを特徴とする請求項５記載の半導体発光素子。
【請求項７】前記基板と前記第１導電型クラッド層と
の間に光反射層が積層されたことを特徴とする請求項１
記載の半導体発光素子。
【請求項８】前記光反射層は、ブラッグリフレクタに
より構成されたことを特徴とする請求項７記載の半導体
発光素子。
【請求項９】前記ブラッグリフレクタは、ＩＩ族元素
としてのマグネシウム，亜鉛およびカドミウムとＶＩ族
元素としてのセレンとを含む組成比が異なる２種類のＩ
Ｉ−ＶＩ族化合物半導体を交互に積層した超格子層によ
って形成されたことを特徴とする請求項８記載の半導体
発光素子。