JPH0974249A - 半導体発光装置 - Google Patents
半導体発光装置Info
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- JPH0974249A JPH0974249A JP22904595A JP22904595A JPH0974249A JP H0974249 A JPH0974249 A JP H0974249A JP 22904595 A JP22904595 A JP 22904595A JP 22904595 A JP22904595 A JP 22904595A JP H0974249 A JPH0974249 A JP H0974249A
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Abstract
し、信頼性の確保を図る。 【解決手段】 発光層(14,15)に接する少なくと
も1つの界面には導電性酸化物(17)を設け、導電性
酸化物が発光層に対してキャリア注入を行ない、且つ光
閉込め又は発光取出しを行なう半導体発光装置。
Description
導体を用いた半導体発光装置に係り、特に、結晶欠陥に
起因した劣化を阻止し得る半導体発光装置に関する。
体レーザや発光ダイオード(LED)が広く用いられて
いる。しかしながら、この種の半導体レーザやLEDの
うち、実用化されたものは、半導体レーザでは赤色可視
領域から赤外領域までの波長領域であり、光輝度LED
では半導体レーザの波長領域と純青色領域である。
光素子材料として、CdZnMgSSe系やInGaA
lN系が注目されており、このような短波長領域の半導
体発光素子の実現により、光ディスクの光密度化、屋外
メッセージボードのフルカラー化が期待される。しかし
ながら、CdZnMgSSe系やInGaAlN系の材
料は、結晶性に乏しくレーザに満足な積層構造をもつも
のが未だ開発されていない。これは、CdZnMgSS
e系やInGaAlN系を用いた発光素子では、発光の
ための積層構造の格子整合が困難であると共に、異種基
板との格子整合が困難であるため、欠陥の発生が原因で
素子が劣化し易く、信頼性が確保されないからである。
また、InGaAlN系の材料の場合、青色発光素子と
してのLEDが実用化されたが、可視光領域の全ては網
羅されていない。また、半導体レーザとしては、InG
aAlN系の場合、サファイア基板を用いるため、へき
開による出射面形成が困難であり、未だレーザ発振の報
告はない。
GaInAlP系赤色発光素子及びInP基板上のIn
GaAsP系赤外発光素子の場合、発光のための積層構
造と基板との格子整合が容易であり、さらにはへき開に
よる端面形成が容易であるため、長寿命の半導体レーザ
及びLEDが達成されている。しかし材料固有の問題に
より、これらの系では短波長領域の発光素子は実現が困
難である。
域の半導体発光素子は、種々の要望があるにも関わら
ず、材料に起因して格子整合が困難であって、欠陥の発
生により信頼性が確保されないため、実用化されていな
い。本発明は上記実情を考慮してなされたもので、結晶
欠陥に起因する劣化を阻止し、信頼性を確保し得る半導
体発光装置を提供することを目的とする。
は、化合物半導体にて形成された発光層を具備してなる
半導体発光装置において、前記発光層に接する少なくと
も1つの界面には、前記発光層に対してキャリア注入を
行ない、且つ光閉込め又は発光取出しが可能な導電性酸
化物を具備してなる半導体発光装置である。なお、光閉
込めは、例えば従来型ストライプ構造レーザの場合であ
り、高い光閉込め効果により電極での光反射をなくすこ
とが可能である。一方、発光取出しは面発光素子の場合
であり、導電性酸化物が青色光に対して透明なので高効
率に発光を取出すことが可能である。
1に対応する半導体発光装置において、前記発光層と前
記導電性酸化物との界面には回折格子を具備してなる半
導体発光装置である。
される導電性酸化物について説明する。導電性酸化物
は、ワイドギャップ半導体の青色発光素子の発光層に対
してクラッド材料としてヘテロ構造を形成するために良
好なキャリア注入を期待でき、屈折率が発光層の屈折率
よりも低いために良好な光閉込めを実現でき、また、光
学的なバンドギャップが大きいために青色光に対して透
明な材料である。すなわち、導電性酸化物は、導電性電
極及びクラッド層の両者の機能をもっている。また、導
電性電極及びクラッド層の機能をもつことから、抵抗及
びノイズの減少を図ることができる。
濃度錫ドープ酸化インジウム(以下、ITOという)又
は酸化亜鉛(ZnO)が使用可能である。ITOは、立
方晶型の結晶構造を有して格子定数が1.0118nmとなっ
ている。このため、ITOは、GaN系又はZnSe系
の青色発光素子の材料とは大きな格子不整を生じるが、
後述するように本発明者らの研究により、青色発光素子
のクラッド層に用いられるp型AlGaNの上にITO
を堆積させ、逆バイアスを印加すると、容易にトンネル
電流が流れるため、接合面での熱の発生を生じさせにく
く、素子劣化の原因である結晶欠陥の増大を阻止可能な
材料であるといえる。なお、ITOにて容易にトンネル
電流が流れた理由は、ITOとAlGaNの電子親和力
が4.1〜4.3eVとほぼ等しく且つバンドギャップ
値がほぼ等しいからである。なお、AlGaNのAl組
成を増やしていくと、電子親和力が小さくなり、効果が
悪くなっていく。また、AlGaNに代えて、電子親和
力が4.09eVであるZnSeを用いた場合、前述同
様に容易にトンネル電流が流れるため、変形例として適
用可能である。
ような手段を講じたことにより、発光層に接する少なく
とも1つの界面には導電性酸化物を設け、導電性酸化物
が発光層に対してキャリア注入を行ない、且つ光閉込め
又は発光取出しを行なうので、結晶欠陥に起因する劣化
を阻止し、信頼性を確保することができる。
1に対応する発光層と導電性酸化物との界面には回折格
子を設けているので、請求項1に対応する作用に加え、
レーザ発振を得ることができる。
て図面を参照して説明する。図1は本発明の第1の実施
の形態に係る発光ダイオードの構造を示す断面図であ
る。この発光ダイオードは、有機金属エピタキシー法
(MOCVD)により、サファイア基板11上に厚さ1
00nmのAlNバッファ層12、厚さ0.5μmのn
型Al0.1 Ga0.9 Nクラッド層13、厚さ10nmの
In0.15Ga0.85N活性層14、厚さ50nmのp型G
aN光導波層15が順次形成される。なお、n型Al
0.1 Ga0.9 Nクラッド層13はドナー濃度が2×10
18cm-3であり、In0.15Ga0.85N活性層14はドナ
ー濃度が1×1018cm-3である。p型Al0.1 Ga
0.9 N光導波層15はアクセプタ濃度が2×1018cm
-3である。
は、200μmφの窓を有するSiN絶縁膜16、厚さ
0.5μmのITOクラッド層兼電極層17が順次形成
される。ITOクラッド層兼電極層17はドナー濃度が
1×1019cm-3である。次に、これら多層構造を有す
るウエハーの一部を塩酸系化学エッチングにより除去し
てn型Al0.1 Ga0.9 Nクラッド層13を露出し、該
n型Al0.1 Ga0.9Nクラッド層13上にn側電極と
してTi/Au電極18が蒸着形成される。
300μmにチップ化されて発光ダイオードが形成され
る。なお、In0.15Ga0.85N活性層14及びp型Al
0.1 Ga0.9 N光導波層15は、請求項1及び請求項2
の発光層に対応している。
ードの動作を説明する。この発光ダイオードでは、平衡
状態のエネルギーバンド図が図2のように示される。
Oクラッド層兼電極17に正電圧が印加され、n側電極
としてのTi/Au電極18に負電圧が印加されると、
In0.15Ga0.85N活性層14に順方向バイアスが印加
され、ITOクラッド層兼電極17とp型Al0.1 Ga
0.9 N光導波層15との界面には逆バイアスが印加され
る。
すように、p型Al0.1 Ga0.9 N光導波層15の荷電
子帯からITOクラッド層兼電極17の伝導帯に容易に
電子がトンネルし、p型Al0.1 Ga0.9 N光導波層1
5の荷電子帯に過剰な正孔が生成され、この正孔がIn
0.15Ga0.85N活性層14に注入される。
は、この正孔と、n型Al0.1 Ga0.9 Nクラッド層1
3から伝導帯に注入された電子とが再結合して発光を生
じる。
にて、波長420nm、輝度2カンデラであった。な
お、動作電圧は4Vである。さらに、この条件にて10
000時間以上の動作を確認することができた。
ば、p型Al0.1 Ga0.9 N光導波層15に接する界面
にはITOクラッド層兼電極17を設け、ITOクラッ
ド層兼電極17がトンネル電流を介してp型Al0.1 G
a0.9 N光導波層15に対してキャリア(正孔)注入を
行ない、且つ青色光に対して透明なことから良好な発光
取出しを行なう構造としたので、容易にトンネル電流が
流れて接合面にて熱を発生にくいため、格子不整である
にも関わらず、結晶欠陥に起因する劣化を阻止でき、も
って、信頼性を確保することができる。
導体レーザについて説明する。図4はこの半導体レーザ
の構造を示す鳥瞰図である。この半導体レーザは、有機
金属エピタキシー法(MOCVD)により、サファイア
基板21上に厚さ100nmのAlNバッファ層22、
厚さ0.5μmのn型Al0.1 Ga0.9 Nクラッド層2
3、厚さ10nmのIn0.15Ga0.85N活性層24、厚
さ50nmのp型Al0.1 Ga0.9 N光導波層25が順
次形成される。なお、n型Al0.1 Ga0.9 Nクラッド
層23はドナー濃度が2×1018cm-3であり、In
0.15Ga0.85N活性層24はドナー濃度が1×1018c
m-3である。p型Al0.1 Ga0.9N光導波層25はア
クセプタ濃度が2×1018cm-3である。
は、深さ20nmでピッチ150nmの2次の回折格子
26が形成され、この回折格子26上に、厚さ0.5μ
mのITOクラッド層兼電極層27が順次形成される。
ITOクラッド層兼電極層27はドナー濃度が1×10
19cm-3である。次に、これら多層構造を有するウエハ
ー上に幅10μmのストライプマスクを形成し、このス
トライプマスクを介して塩酸系化学エッチングにより該
ウエハの一部を除去してn型Al0.1 Ga0.9Nクラッ
ド層23を露出し、該n型Al0.1 Ga0.9 Nクラッド
層23上にn側電極としてTi/Au電極28が蒸着形
成される。
mにチップ化されて半導体レーザが形成される。次に、
このような半導体レーザの動作を説明する。
印加されると、しきい値電流50mAにおいて、波長4
20nm、最大出力100mWの室温連続発振が得られ
た。さらに、この半導体レーザでは、環境温度50℃、
光出力30mWの条件下にて10000時間以上の動作
を確認することができた。
前述同様に、In0.15Ga0.85N活性層24に順方向バ
イアスが印加されると、トンネル電流によりp型GaN
光導波層25の荷電子帯に過剰な正孔が生成され、この
正孔がIn0.15Ga0.85N活性層24に注入され、In
0.15Ga0.85N活性層24にて再結合するという良好な
キャリア注入の効果に加え、In0.15Ga0.85N活性層
24及びp型Al0.1Ga0.9 N光導波層25の等価屈
折率よりもITOクラッド層兼電極層27の屈折率がか
なり低いために良好な光閉込め効果が生じることによ
る。
ば、第1の実施の形態と同様の良好なキャリア注入の効
果に加え、In0.15Ga0.85N活性層24及びp型Al
0.1 Ga0.9 N光導波層25の等価屈折率よりもITO
クラッド層兼電極層27の屈折率がかなり低いために良
好な光閉込め効果を奏することができる。
イプ構造の半導体レーザにおいても第1の実施の形態と
同様に、格子不整であるにも関わらず、結晶欠陥に起因
する劣化を阻止でき、もって、信頼性を確保することが
できる。
0.1 Ga0.9 N光導波層とITOとの界面には回折格子
を設けているので、レーザ発振を得ることができる。次
に、本発明の第3の実施の形態に係る半導体レーザにつ
いて説明する。
図であり、図1と同一部分には同一符号を付してその詳
しい説明は省略し、ここでは異なる部分についてのみ述
べる。
ザは、図1に示す装置に比べ、p型Al0.1 Ga0.9 N
光導波層15とITOクラッド層兼電極層17との界面
に回折格子31を備えている。この回折格子31は、深
さ20nmでピッチ150nmの2次のものが同心円状
に形成されている。なお、その他の層構造は図1に示す
ものと同様であり、300μm×300μmにチップ化
されて半導体レーザが形成される。
きい値70mAにて、波長420nm、最大出力200
mWの室温連続発振が得られた。さらに、この半導体レ
ーザは、環境温度50℃、光出力30mWの条件下で1
0000時間以上の動作を確認できた。
第2の実施の形態と同様の良好なキャリア注入の効果に
加え、ITOが青色の波長域に対して透明であるために
高効率で発光を取出すことができたからである。
ば、第2の実施の形態と同様の良好なキャリア注入の効
果に加え、第1の実施例と同様の良好な光取出し効果を
奏することができる。
型の半導体レーザにおいても、第1の実施の形態と同様
に、格子不整であるにも関わらず、結晶欠陥に起因する
劣化を阻止でき、もって、信頼性を確保することができ
る。
は、GaN系青色発光素子のクラッド層としてITOを
用いた場合について説明したが、これに限らず、ZnS
e系青色発光素子のクラッド層としてITOを用いて
も、本発明を同様に実施して同様の効果を得ることがで
きる。これは、ITOとp型ZnSeとの接合がGaN
系と同様になるためであり、ZnSe系が、GaN系と
同様に、ITOの電子親和力である4.1〜4.3eV
の範囲にあることに起因する。
は、導電性酸化物半導体材料としてITOを用いた場合
について説明したが、これに限らず、ITOに代えて、
酸化亜鉛(ZnO)を用いても、本発明を同様に実施し
て同様の効果を得ることができる。
は、導電性酸化物半導体材料をGaN系エピ層の上部に
形成した場合について説明したが、例えばZnOをバッ
ファ層にした上部にGaN系エピ層を形成しても、同様
の効果を得ることができる。
格子のピッチを1種類とした場合について説明したが、
これに限らず、回折格子のピッチを2種以上設けた構成
としても、本発明を同様に実施して同様の効果を得るの
に加え、レーザ光の対称性の良い放射ビームパターンを
得ることができる。その他、本発明はその要旨を逸脱し
ない範囲で種々変形して実施できる。
れば、発光層に接する少なくとも1つの界面には導電性
酸化物を設け、導電性酸化物が発光層に対してキャリア
注入を行ない、且つ光閉込め又は発光取出しを行なうの
で、結晶欠陥に起因する劣化を阻止し、信頼性を確保で
きる半導体発光装置を提供できる。
の発光層と導電性酸化物との界面には回折格子を設けて
いるので、請求項1の効果に加え、レーザ発振を得られ
る半導体発光装置を提供できる。
ドの構造を示す断面図、
ンド図、
ルギーバンド図、
の構造を示す鳥瞰図、
の構造を示す断面図。
ファ層、13,23…n型Al0.1 Ga0.9 Nクラッド
層、14,24…In0.15Ga0.85N活性層、15,2
5…Al0.1 Ga0.9 N光導波層、16…SiN絶縁
膜、17,27…ITOクラッド層兼電極層、18,2
8…Ti/Au電極、26,31…回折格子。
Claims (2)
- 【請求項1】 化合物半導体にて形成された発光層を具
備してなる半導体発光装置において、 前記発光層に接する少なくとも1つの界面には、前記発
光層に対してキャリア注入を行ない、且つ光閉込め又は
発光取出しが可能な導電性酸化物を具備してなることを
特徴とする半導体発光装置。 - 【請求項2】 請求項1に記載の半導体発光装置におい
て、 前記発光層と前記導電性酸化物との界面には回折格子を
具備してなることを特徴とする半導体発光装置。
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