JPH11509047A - 放射放出半導体ダイオード及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、活性層（２）と一方のクラッド層（１，３）との間に位置する電荷キャリァのためのバリャ（４Ａ）を有するＩｎＧａＰ／ＩｎＡｌＧａＰ材料系の放射放出半導体ダイオードに関するものである。このダイオードは０．６と０．７μｍとの間の放射波長を有し、効率が高いことにより例えば光デイスクから情報を読み出し及び／又は書き込む装置に好適な放射源として作用するダイオードレーザとして構成する場合に好適である。既知のダイオードの欠点は、高い光パワーを発生するのに不十分であること、及び高い歩留りで良好な再現性をもって製造できないことである。本発明のダイオードにおいて、バリャ（４Ａ）はＡｌＰの単一のバリャ層（４）だけで構成する。このダイオードは、驚くほど高い効率及び特に有用な寿命を有することが判明した。このダイオードの効率は、バリャ層（４）のない対応するダイオードの効率の約３９％高い。本発明によるダイオードの寿命は、極めて長く例えば４０００時間である。バリャ層（４）の組成を制御する課題はＡｌＰを形成する際に存在しないので、本発明のダイオードは良好な再現性及び歩留りをもって製造することができる。ＡｌＰのバリャ層（４）の厚さは、好ましくは５ｎｍ以下、例えば２．５ｎｍとする。このように極めて薄い厚さのバリャ層（４）はバリャ（４Ａ）として極めて有効である。

Description

【発明の詳細な説明】 放射放出半導体ダイオード及びその製造方法 本発明は、第１導電型の好ましくはＧａＡｓから成る基板と、その上に位置す る半導体層構造体とを具える半導体本体を有し、前記半導体層構造体が少なくと も、第１導電型のＩｎＡｌＧａＰ又はＩｎＡｌＰから成る第１のクラッド層と、 第１導電型と反対の第２導電型のＩｎＡｌＧａＰ又はＩｎＡｌＰから成る第２の クラッド層と、第１のクラッド層と第２のクラッド層との間に位置する活性層及 びｐｎ接合とを具え、前記活性層が、順方向の十分な電流強度を与えた場合活性 層の一部を構成する細条状の活性区域で電荷キャリァの再結合により電磁放射を 発生することができ、前記第１のクラッド層及び第２のクラッド層に接続導体が 接続され、前記活性層と第１又は第２のクラッド層との間に第１又は第２のクラ ッド層よりも大きなバンドギャップを有する電荷キャリァに対する障壁が存在す る放射放出半導体ダイオードに関するものである。また、本発明はこのダイオー ドの製造方法にも関するものである。 このダイオードは０．６μm と０．７μｍとの間の放射を放出し、情報を読み 出し及び／又は書き込む光デイスク用のシステム、レーザプリンタ、又はバーコ ードリーダの放射源として用いられるレーザとして好適である。 このようなダイオードは１９９３年１２月２８日に公開された米国特許第５２ ７４６５６号から既知である。この公報から既知のダイオードは活性層とクラッ ド層との間に位置するＩｎＡｌＧａＰ又はＩｎＡｌＰにより形成した電荷キャリ ァのためのバリャを有している。さらに、この公報によれば、バリャは交互に形 成した量子井戸層と障壁層とを有するＭＱＢ（Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｂ ａｒｒｉｅｒ）層構造を具える。バリャの電荷キャリァのための厚さは５ｎｍと １０ｎｍとの間に位置するように記載されている。この障壁は、ダイオードの放 射ビームがバリャを経てクラッド層に到達するようにされている。大きなバンド ギャップを有するバリャと小さなバンドギャップを有するクラッド層とを結合す ることは以下の目的を有する。一方において、バリャ層のバンドギャップが大き いことにより活性層の電荷キャリァに対して良好な閉じ込めを行い、これにより ダイオードに高い効率を与え、他方においてクラッド層のバンドギャップが小さ いため高不純物濃度にすることによりクラッド層の抵抗を小さくすることである 。 この既知のダイオードの欠点は、障壁のないダイオードと比べて改善がなく又 は不十分な改善しかないことである。既知のダイオードの別の欠点は、その製造 が比較的困難なことである。この理由は、障壁を構成する層の組成及び厚さを制 御することが困難なためである。この結果として障壁の高さ及び／又は厚さが小 さくなり過ぎると、効果が不十分なものとなり有用性がなくなってしまう。一方 、障壁の高さ及び／又は厚さが大きくなり過ぎると、障壁に許容できないストレ スが発生しダイオードの寿命が短くなり過ぎてしまう。 本発明の目的は、一方において極めて高い効率を有し、他方において容易に製 造することができ、有用で寿命の長く歩留の高いダイオードを提供することにあ る。 この目的を達成するための、本発明によれば、冒頭部で述べた型式の放射放出 半導体ダイオードにおいて、障壁をＡｌＰを有する単一のバリャ層だけで形成し たことを特徴とする。本発明は、一方において活性層からリークする電荷キャリ ヤが十分なコヒーレンス性を有する場合だけしか満足するように機能することが できず、これは実際的できなく又は少なくともほとんど実際的でないという驚く べき認識に基き、他方において単一の極めて薄いＡｌＰのバリャ層が優れた障壁 を形成するという驚くべき実験結果に基いている。本発明によるダイオードは、 障壁のないダイオードの効率よりも３０％も高い驚くほど高い効率を有している 。本発明によるダイオードは極めて容易に製造することができる。この理由は、 バリャ層の堆積プロセス中に単一のＡｌＰ層を成長させるため単一のIII 族元素 と単一のＶ族元素だけが必要となるからである。すなわち、本発明によるダイオ ードにおいてはは障壁の組成を制御する際の問題が全く存在しない。この結果、 有用なダイオードの歩留が極めて高くなる。 本発明によるダイオードの好適実施例においては、ＡｌＰのバリャ層が５ｎｍ 以下の厚さを有する。本発明によるダイオードにおいて障壁により発生するスト レスは、障壁から活性層までの距離が極めて短いにもかかわらず、許容できるこ とが判明している。本発明によるダイオードは驚くほど長い寿命を有しているこ とが実験から判明した。例えば２．５ｎｍの厚さのように極めて薄い厚さを有す る障壁の優れた効率も極めて驚くべきことである。この理由は、１９９３年１２ 月５日に公開された欧州特許出願第０５０７９９号の特に第７頁、II、１〜１６ に記載されているように、電荷キャリャが障壁をトンネリングするのを防止する ためには電子の場合１０ｎｍ以上の厚さの障壁が必要でありホールの場合５ｎｍ 以上の厚さが必要であると一般に思われているからである。 障壁は活性層の両側に存在することができるが、本発明においてはこの障壁は それぞれ単一のバリャ層で構成され、本発明によるダイオードは、好ましくは活 性層とｐ導電形のクラッド層との間にだけ単一のバリャ層の障壁を有する。活性 層とｎ形クラッド層との間の別の障壁は効率の増加にほとんど寄与しないことが 判明した。ダイオードにおける張力を最小にするため、すなわちダイオードの寿 命を長くするため、活性層とｎ形クラッド層との間の障壁は、好ましは削除する 。 極めて望ましい変形例において、バリャ層は、活性層から電荷キャリャの拡散 長に等しい距離内に存在する。これは、例えば活性層とｐ形クラッド層との間に 存在するバリャ層が活性層から４０ｎｍ以下の距離で存在する必要があることを 意味する。好ましくは、バリャ層は活性層とクラッド層との間の界面に位置する 。一方、バリャ層はクラッド層又は個別閉じ込め層内に位置することができる。 好ましくは、本発明によるダイオードの活性層は、ＧａＩｎＰ又はＩｎＡｌＧ ａＰの交互に形成した量子井戸層とＩｎＡｌＧａＰの別のバリャ層との多重量子 井戸構造を有するが、好ましくはＩｎＡｌＧａＰの個別の閉じ込め層により包囲 する。この場合、本発明によるダイオードの始動電流は最小になるので、ダイオ ードの高い出力パワーが望まれる用途に極めて好適である。同一の理由により、 量子井戸層は、好ましくは基板の格子定数とは異なる格子定数により生ずる機械 的なストレスが与えられる。量子井戸層の引張歪みによりダイオードの放出波長 は短くなる。光ディスクの読出及び／又は書込システムの放射源の上述した用途 の場合、高い出力だけでなく波長をできるだけ短くすることが必要である。波長 が短くなることにより、システムの情報密度を高くすることができる。活性層が ＩｎＡｌＧａＰの別のバリャ層により分離されＩｎＡｌＧａＰの個別の閉じ込め 層により包囲されているＩｎＧａＰの２個の量子井戸層を有するダイオードにお いて、特に好ましい結果が得られる。 本発明による方法は、第１導電型のＧａＡｓ基板上に、少なくとも第１導電型 のＩｎＡｌＧａＰ又はＩｎＡｌＰから成る第１のクラッド層と、ＩｎＧａＰ又は ＩｎＡｌＧａＰのＫ活性層と、第１導電型とは反対の第２導電型のＩｎＡｌＧａ Ｐ又はＩｎＡｌＰから成る第２のクラッド層とを有する半導体層構造体を形成し 、前記第１のクラッド層及び第２のクラッド層に接続導体を形成し、前記活性層 と第１又は第２のクラッド層との間に前記第１又は第２のクラッド層のバンドギ ャップよりも大きいバンドギャップを有する電荷キャリァのための障壁を形成し て放射放出半導体ダイオードを製造するに当たり、前記バリャ層をＡｌＰの単一 のバリャ層により形成することを特徴とする。 本発明による方法の好適実施例においては、ＡｌＰバリャ層の厚さとして５ｎ ｍ以下の厚さを選択する。 以下実施例及び添付図面に基づいて本発明を詳細に説明する。 図１は本発明による放射放出半導体ダイオードを共振キャビィティの長手方向 と直交する線図的断面として示す。 図２は図１のダイオードの活性層と隣接する半導体層の構造体を示す。 図３は図１のダイオードの活性層の周囲の厚さ方向の伝導帯の勾配をプロット した線図である。 図４〜６は図１のダイオードの本発明による順次の製造工程を線図的に示す。 図７は図１のダイオードに適合するＡｌＰバリャ層を有する多数のダイオード 及びこのバリャ層を有しない多数のダイオードの外部効率（η_ext）を示す。 図面は線図的なものでありスケール通りに記載せず、厚さ方向の寸法は明瞭に するため拡大されている。対応する部材は種々の図面において同一符号を付すこ とにする。 図１は本発明によるダイオードの第１及び第２の実施例を共振キャビィティの 長手方向と直交する線図的断面として示し、本例ではダイオードレーザの形態の ものとして示す。 このダイオードは、第１導電形、本例の場合ｎ形の基板１１を有する半導体本 体１０を具え、本例では基板１１はＧａＡｓの単結晶で構成し、この基板に接続 導体９を形成する。この上に半導体層構造体を形成し、本例ではこの半導体層構 造体は、ｎ−ＡｌＧａＡｓのバッファ層１２と、ｎ−ＩｎＡｌＧａＰの第１のク ラッド層１と、ＩｎＧａＰとＩｎＡｌＧａＰとの活性層２と、Ｐ−ＩｎＡｌＧａ Ｐの第２のクラッド層３と、Ｐ−ＩｎＡｌＧａＰの第３のクラッド層５と、Ｉｎ ＧａＰの中間層１４と、ＩｎＧａＰの遷移層６と、Ｐ−ＧａＡｓのコンタクト層 ７とを有する。ｐｎ接合は第１のクラッド層１と第２のクラッド層３との間に存 在する。中間層１４は、第３のクラッド層５及び遷移層６を含む細条状のメサ２ ０の形成中にエッチング停止層として作用する。メサ２０のいずれかの側の中間 層１４とコンタクト層７との間にｎ−ＧａＡｓの電流阻止層１５が存在する。細 条状の活性区域は、動作中に活性層２のメサ２０の下側に発生する。細条状の活 性区域を境界すると共にレーザ型のダイオードの共振キャビィティのためのミラ ー面として作用する半導体本体１０の２個の端面は紙面に平行に存在する。本例 のダイオードはインデックス−ガィデッド兼ＢＲ（埋込みリッジ）型とする。第 １のクラッド層１と第２のクラッド層３との間に位置するｐｎ接合の電気的接続 はコンタクト層７及び基板１の接続導体８，９によりそれぞれ行なう。 図２及び図３は図１のダイオードの半導体層構造体及び活性層２の厚さ方向（ ｚ）の伝導帯の勾配を線図的に示す。本例では、活性層２は２個の量子井戸層２ Ａを有する多重量子井戸構造を有し、これら量子井戸層は別の障壁層２Ｂにより 互いに分離され２個の個別の閉じ込め層２Ｃにより包囲する。活性層２と第１又 は第２のクラッド層１，３との間に、本例では第２のクラッド層３よりも大きい バンドギャップを有する電荷のためのバリャ４Ａ（図１〜３参照）が存在する。 本発明においては、バリャ４ＡはＡｌＰより成る単一のバリャ層４だけにより 構成する。活性層２からの電荷キャリャがコヒーレントとなるだけ満足するよう に機能するＭＱＢの障壁とは異なり、単一のバリャ層４により障壁４Ａは、Ａｌ Ｐから成る場合良好に動作する。第１に、このバリャ層４によりダイオードの効 率が大幅に増加する。次に、この比較的薄いバリャ層４はダイオードに大き過ぎ るストレスを導入しない。このストレスを導入しないことにより、特に長い有用 な寿命が得られる。ＡｌＰ層４の成長は層４の組成制御に全く問題を生じないの で、本発明によるダイオードは極めて再現性に優れ高い歩留で製造することがで きる。従って、このダイオードのコストを安価にすることができ、当面の用途に 極めて重要である。 バリャ層４の厚さは５ｎｍ以下とし、本例では好ましくは２．５ｎｍとする。 このように薄い厚さはバリャ層が障壁４Ａとして満足するように機能することの 妨げとならず、しかも本発明によるダイオードの効率が約３０％増加することは 極めて驚くべきことである。バリャ層４の厚さをこのように薄くするとによりダ イオードに導入されるストレスは顕著に小さくなる。これは、本例のダイオード の寿命が極めて長くなることを証明しており、本例のダイオードの寿命は５ｍＷ の光出力、５０℃において４０００時間以上である。これにより、本発明による ダイオードは当面の用途に対して極めて好適である。本例のバリャ層４は、活性 層２と第２のダイオード層３との間の界面に存在する。これは、活性層２とバリ ャ層４との間の距離が４０ｎｍ従って電子の拡散距離以下であることを意味する 。バリャ層４は、この結果として障壁４Ａとして満足するように機能することが できる。 本例のダイオードにおいて、活性層２とｐ型クラッド層３との間本例の場合第 ２のクラッド層３との間に単一のバリャ層４だけで構成される１個の障壁４Ａだ けが存在する。本発明によるダイオードにおいては、活性層２とｎ形のクラッド 層１すなわち第１のクラッド層１との間の障壁はダイオードの効率を増加させる のにほとんど寄与しないことが実際に判明した。活性層２とｐ形クラッド層３と の間に単一の障壁４Ａだけを用いることにより、ダイオードのストレスが最小に なりダイオードの製造が特に容易になる。半導体材料及びその組成、厚さ、不純 物レベル、及び種々の層に生ずるストレスレベルを以下の表に示す。ストレスレ ベルの量の目安は、当該層と基板との間の格子定数の相対比（Δａ／ａ）とする 。 メサ２０の幅は５μm とする。半導体本体１０の長さ及び幅並びにメサ２０の 長さは約５００μm とする。導電層８，９は通常の厚さ及び組成とする。この実 施例のダイオードの放出波長は６３５ｎｍである。本発明の方法によるダイオー ドの製造について以下に説明する。 図４〜図６は図１のダイオードを製造するための本発明による方法の順次の製 造工程を線図的に示す。第１の成長プロセス（図４参照）において、層１２，１ ，２，４，３，１４，５及び６を基板上にこの順序で形成する。このために、Ｍ ＯＶＰＥ（＝有機金属気相エピタキシー）を用いる。本発明による材料、組成及 び厚さは、これらの層について上記表に示すように選択する。特に、ＡｌＰのバ リャ層４は本発明に基き活性層２と第２のクラッド層３との間に形成する。Ｓｉ Ｏ₂の細条状のマスク４０を最終的な半導体層構造体上に形成する。この後（図 ５参照）マスク４０のいずれかの側の半導体層構造をエッチング停止層４までエ ッチングすることにより形成する。第２の（ＭＯＶＰＥ）堆積プロセス（図６参 照） において、メサ２０のいずれかの側に電流阻止層１５を形成し、ほぼ平坦な構造 体を形成する。ＳｉＯ₂のマスクを除去した後、最後にコンタクト層７を第３の （ＭＯＶＰＥ）成長プロセスよりこの構造体上に形成する。両側８，９にメタラ イゼーションを形成し２個の端面をへき開した後、このダイオードは使用に供さ れる。 図７は、ＡｌＰバリャ層４を有しない（白ヌキ）及びＡｌＰバリャ層４を有す る（黒ヌキ）図１に相当する多数のダイオードの外部効率（η_ext）を示す。本 例では、基板１１に対する別のバリャ層２Ｂの格子定数の相対比（Δａ／ａ）を 可変パラメータとした。バリャ層４を有しないダイオードの平均効率をライン７ １で示し、その値は０．４７である。２．５ｎｍの厚さのＡｌＰのバリャ層４を 有するダイオードの平均効率をライン７２で示し、その値は０．６２である。こ れは、本発明によるダイオードはＡｌＰバリャ層４を有しないダイオードよりも １．３２（＝０．６２／０．４２）倍大きな効率を有することを意味し、これは 本発明の重要性を明確に示している。 本発明の範囲内において当業者は種々の変更や変形が可能であり、本発明は上 述した実施例だけに限定されるものではない。実施例で説明した半導体材料及び その組成以外の半導体材料及び組成を用いることができる。変形例として、基板 はシリコンで構成することができる。活性層は２個以上の多数の量子井戸層で構 成することができる。本発明によるダイオードの放出波長は、室温において６０ ０ｎｍと７００ｎｍとの間で変化することができる。導電形は、全て反射導電形 のもので置き換えることができる。ダイオードは、ＢＨ（埋込みヘテロ）型やＲ Ｗ（リッジ導波路）型のようなＢＲ型以外の型式のものとすることができる。Ｍ ＯＶＰＥに加えて又は代りに別のエピタキシャル堆積技術を用いることができる 。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 歩留りをもって製造することができる。ＡｌＰのバリャ 層（４）の厚さは、好ましくは５ｎｍ以下、例えば２． ５ｎｍとする。このように極めて薄い厚さのバリャ層 （４）はバリャ（４Ａ）として極めて有効である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．第１導電型の好ましくはＧａＡｓから成る基板（１１）と、その上に位置す る半導体層構造体とを具える半導体本体（１０）を有し、前記半導体層構造体が 少なくとも、第１導電型のＩｎＡｌＧａＰ又はＩｎＡｌＰから成る第１のクラッ ド層（１）と、第１導電型と反対の第２導電型のＩｎＡｌＧａＰ又はＩｎＡｌＰ から成る第２のクラッド層（３）と、第１のクラッド層（１）と第２のクラッド 層（３）との間に位置する活性層（２）及びｐｎ接合とを具え、前記活性層（２ ）が、順方向の十分な電流強度を与えた場合活性層の一部を構成する細条状の活 性区域で電荷キャリァの再結合により電磁放射を発生することができ、前記第１ のクラッド層（１）及び第２のクラッド層（３）に接続導体（８，９）が接続さ れ、前記活性層（２）と第１又は第２のクラッド層（１，３）との間に第１又は 第２のクラッド層（１，３）よりも大きなバンドギャップを有する電荷キャリァ に対する障壁（４Ａ）が存在する放射放出半導体ダイオードにおいて、前記障壁 （４Ａ）をＡｌＰから成る単一のバリャ層（４）だけにより構成したことを特徴 とする放射放出半導体ダイオード。 ２．請求項１に記載の放射放出半導体ダイオードにおいて、前記バリャ層（４） が５ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする放射放出半導体ダイオード。 ３．請求項１又は２に記載の放射放出半導体ダイオードにおいて、前記バリャ層 （４）がほぼ２．５ｎｍの厚さを有することを特徴とする放射放出半導体ダイオ ード。 ４．請求項１、２又は３に記載の放射放出半導体ダイオードにおいて、単一のバ リャ層（４）の形態の障壁（４Ａ）が、活性層（２）とｐ導電型のクラッド層（ ３）との間にだけ存在することを特徴とする放射放出半導体ダイオード。 ５．請求項１から４までのいずれか１項に記載の放射放出半導体ダイオードにお いて、前記バリャ層（４）が活性層（２）から電荷の拡散長に等しい距離内で存 在することを特徴とする放射放出半導体ダイオード。 ６．請求項１から５までのいずれか１項に記載の放射放出半導体ダイオードにお いて、前記活性層（２）が、ＩｎＧａＰ又はＩｎＡｌＧａＰの交互に形成した 量子井戸層（２Ａ）とＩｎＡｌＧａＰの別のバリャ層とから成る多重量子井戸構 造体を有し、この構造体がＩｎＡｌＧａＰの個別の閉じ込め層（２Ｃ）により好 ましく包囲されていることを特徴とする放射放出半導体ダイオード。 ７．請求項６に記載の放射放出半導体ダイオードにおいて、前記多重量子井戸構 造体（２Ａ，２Ｂ）が前記基板（１１）の格子定数とは異なる格子定数を有する ことを特徴とする放射放出半導体ダイオード。 ８．請求項１から７までのいずれか１項に記載の放射放出半導体ダイオードにお いて、放射放出半導体ダイオードを半導体ダイオードレーザとしたことを特徴と する放射放出半導体ダイオード。 ９．第１導電型のＧａＡｓ基板上に、少なくとも第１導電型のＩｎＡｌＧａＰ又 はＩｎＡｌＰから成る第１のクラッド層と、ＩｎＧａＰ又はＩｎＡｌＧａＰＫ活 性層（２）と、第１導電型とは反対の第２導電型のＩｎＡｌＧａＰ又はＩｎＡｌ Ｐから成る第２のクラッド層（３）とを有する半導体層構造体を形成し、前記第 １のクラッド層（１）及び第２のクラッド層（３）に接続導体（８，９）を形成 し、前記活性層（２）と第１又は第２のクラッド層（１，３）との間に前記第１ 又は第２のクラッド層（１，３）のバンドギャップよりも大きいバンドギャップ を有する電荷キャリァのためのバリャ（４Ａ）を形成して放射放出半導体ダイオ ードを製造するに当たり、前記バリャ層（４Ａ）をＡｌＰの単一のバリャ層（４ ）により形成することを特徴とする放射放出半導体ダイオードの製造方法。 10．請求項９に記載の方法において、前記ＡｌＰのバリャ層（４）の厚さとして ５ｎｍ以下の厚さを選択することを特徴とする方法。