WO2006109418A1 - 半導体発光素子 - Google Patents

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Kyosuke Kuramoto
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Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha
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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor laser or a light emitting diode using a nitride III-V compound semiconductor.
  • AlInGaN has been used as a semiconductor laser capable of emitting light from the blue region to the ultraviolet region, which is necessary for increasing the density of optical discs, in place of conventional GaAs-based semiconductor lasers (see, for example, Patent Document 1).
  • Research and development of semiconductor lasers using nitride-based III-V compound semiconductors such as these have been actively conducted and put into practical use.
  • an electron barrier layer having a larger bandgap than the active layer is inserted on the p-electrode side of the active layer to prevent electrons from overblowing from the active layer, thereby reducing luminous efficiency.
  • This electron barrier layer uses a p-type AlGaN or AlInGaN material.
  • the greater the A1 composition ratio the greater the effect of suppressing electron overflow with a larger band gap.
  • the A1 composition ratio is also determined for both strengths and weaknesses.
  • the thicker the electron barrier layer the greater the effect of suppressing the overflow of electrons, but conversely, the crystallinity deteriorates, and the layer thickness is also determined by the strength and weakness of both.
  • the electron barrier layer has a layer thickness that can sufficiently suppress the overflow of electrons
  • the light guide layer on the p-electrode side than the electron barrier layer has a higher A1 composition ratio than the electron barrier layer. It is more advantageous from the viewpoint of crystallinity to reduce the thickness. For this reason, the light guide layer and the p-type cladding layer also have an AlGaN, GaN, or InGaN force that has a smaller A1 composition ratio than the electron barrier layer.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a conventional semiconductor light emitting device having such a structure.
  • an n-type buffer layer 2 made of GaN with a thickness of 1. O / zm on a GaN substrate 1 in order from the bottom, and A1 with a thickness of 1.0 m
  • An n-type cladding layer 3 made of AlGaN having a composition ratio of 0.07
  • an n-type light guide layer 4 made of GaN having a thickness of lOO nm
  • an AND layer having a thickness of 7 nm.
  • a clad layer 10 and a p-type contact layer 11 made of GaN having a thickness of 100 ⁇ m are formed!
  • the active layer 6 has a thickness of 3.5 nm and an In composition ratio of 0.14, three undoped InGaN well layers, a thickness of 7. Onm, and an In yarn ratio of 0.02.
  • This is a multiple quantum well structure in which two undoped InGaN barrier layers are alternately stacked.
  • a ridge 12 is formed by etching toward the ⁇ 1100> direction.
  • the width of the ridge 12 is 1.5 m, and the etching depth is 450 nm.
  • a 200 nm thick SiO insulating film 13 is formed so as to cover the side surface of the ridge 12 and the p-type cladding layer 10.
  • the insulating film 13 is provided with an opening 14 in a portion on the ridge 12.
  • the p-type electrode 15 is in electrical contact with the p-type contact layer 11 through the opening 14.
  • the p-type electrode 15 is formed by sequentially stacking Pd and Au films.
  • an n-type electrode 16 in which a Ti film and an A1 film are sequentially laminated is provided on the back side of the GaN substrate 1.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 7-235725
  • the InGaN layer When grown on a GaN substrate or an underlying layer having a lattice constant close to GaN, the InGaN layer is subjected to compressive strain in the growth plane direction, and the AlGaN layer is subjected to tensile strain. Since these layers have a wurtzite structure, a piezo electric field is generated in the crystal growth direction by the piezo effect due to this strain. Since the direction of strain is different between the InGaN layer and the AlGaN layer, the direction of the generated piezoelectric field is different.
  • Figures 7 and 8 show the simulation results of the valence band structure in the a- ⁇ part of Fig. 6 when the piezo effect is not considered and when it is considered.
  • the direction of the piezoelectric field is indicated by an arrow.
  • the electron barrier layer 8 due to the piezoelectric effect, a positive charge indicated by a symbol + is generated on the optical waveguide layer 7 side, and a negative charge indicated by a symbol 1 is generated on the p-type light guide layer 9 side. Is generated.
  • the electron barrier layer 8 and p A large band bending occurs near the interface of the type light guide layer 9 and the hole concentration becomes very high.
  • FIG. 9 shows a simulation result of current density in the case of FIG. However, it is shown separately for the current due to holes and the current due to electrons. From this, it can be seen that the current density of the current due to holes is greatly reduced at the point A between the electron barrier layer 8 and the p-type light guide layer 9. This is because the band bending due to the piezoelectric field described above occurs at point A, and this causes the current to spread laterally, resulting in a decrease in current density.
  • the electron barrier layer is not AlGaN but InAlGaN (0 ⁇ xl ⁇ l, 0 ⁇ yl ⁇ l) that receives tensile strain.
  • Light guide layer is not AlGaN but InAlGaN (0 ⁇ xl ⁇ l, 0 ⁇ yl ⁇ l) that receives tensile strain.
  • a nitride III-V compound semiconductor is a material that generates a special effect called a piezo effect.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to obtain a semiconductor light emitting device capable of improving the light emission characteristics.
  • a semiconductor light emitting device includes an active layer having a gallium nitride-based compound semiconductor power, and an InAlGaN (0 ⁇ xl) provided on the P layer side of the active layer and receiving tensile strain.
  • the first semiconductor layer also has a force, and In Al Ga N (0 ⁇ x2 ⁇ 1, 0 ⁇ y2 ⁇ 1) force has a smaller bandgap than the first semiconductor layer.
  • the semiconductor layer and the first Between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, the band gap is smaller than the band gap of the first semiconductor layer and larger than the band gap of the second semiconductor layer.In Al Ga N x3 y3 l -x3- y3
  • a first semiconductor layer that also has a force and a band gap smaller than that of the first semiconductor layer.
  • the force s can be relaxed, and the generation of high-concentration holes in this portion can be suppressed, thereby suppressing the current spread in the lateral direction. Thereby, the light emission characteristics can be improved.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a semiconductor light emitting element according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a valence band structure of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing a simulation result of current density in the case of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a diagram showing a valence band structure of a semiconductor light emitting element according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing a simulation result of current density in the case of FIG.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a conventional semiconductor light emitting device.
  • FIG. 7 is a diagram showing the valence band structure of a conventional semiconductor light emitting device without considering the piezo effect.
  • FIG. 8 is a diagram showing a valence band structure of a conventional semiconductor light emitting device when a piezo effect is taken into consideration.
  • FIG. 9 is a diagram showing a simulation result of current density in the case of FIG.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a semiconductor light emitting element according to Embodiment 1 of the present invention.
  • This semiconductor light emitting device is a nitride semiconductor laser having a ridge structure.
  • an n-type buffer layer 2 made of GaN having a thickness of 1. O / zm on a GaN substrate 1 in order from the bottom, and A1 having a thickness of 1.0 m
  • An n-type cladding layer 3 made of AlGaN with a composition ratio of 0.07
  • an n-type optical guide layer 4 made of GaN with a thickness of lOOnm
  • an optical waveguide layer 5 with an undoped InGaN force with a thickness of 7 nm.
  • an active layer 6 an optical waveguide layer 7 made of an undoped InGaN having a thickness of 20 nm and an In composition ratio of 0.02, and p-type AlGaN having a thickness of 20 nm and an A1 composition ratio of 0.2. It consists of an electron barrier layer 8, an intermediate layer 17 with p-type InAlGaN force, a p-type light guide layer 9 made of p-type GaN with a thickness of lOOnm, and AlGaN with a thickness of 400 nm and an A1 composition ratio of 0.07.
  • a p-type cladding layer 10 and a p-type contact layer 11 having a GaN force with a thickness of lOOnm are formed.
  • the active layer 6 has a thickness of 3.5 nm and an In composition ratio of 0.14, three undoped InGaN well layers, a thickness of 7. Onm, and an In yarn ratio of 0.02.
  • This is a multiple quantum well structure in which two undoped InGaN barrier layers are alternately stacked.
  • a ridge 12 is formed by etching toward the ⁇ 1100> direction.
  • the width of the ridge 12 is 1.5 m, and the etching depth is 450 nm.
  • a 200 nm thick SiO insulating film 13 is formed so as to cover the side surface of the ridge 12 and the p-type cladding layer 10.
  • the insulating film 13 is provided with an opening 14 in a portion on the ridge 12.
  • the p-type electrode 15 is in electrical contact with the p-type contact layer 11 through the opening 14.
  • the p-type electrode 15 has a structure in which, for example, Pd and Au films are sequentially stacked.
  • an n-type electrode 16 in which a Ti film and an A1 film are sequentially laminated is provided on the back side of the GaN substrate 1.
  • an n-type buffer layer 2 is formed on a GaN substrate 1 whose surface has been cleaned by thermal cleaning or the like, at a growth temperature of 1000 ° C., for example, by an organic metal chemical vapor deposition (MOCVD) method.
  • MOCVD organic metal chemical vapor deposition
  • P-type cladding layer 10 and p-type contact layer 11 are sequentially stacked.
  • the growth temperature of these layers is, for example, 1000 ° C for the n-type cladding layer 3 and n-type light guide layer 4, and 740 ° C for the undoped InGaN optical waveguide layer 5 to the undoped InGaN optical waveguide layer 7.
  • the temperature from the electron barrier layer 8 to the p-type contact layer 11 is 1000 ° C.
  • a resist is applied to the entire surface, and a resist pattern having a predetermined shape corresponding to the shape of the mesa portion is formed by lithography.
  • etching is performed into the p-type cladding layer 10 by, for example, the RIE method to produce a ridge 12 having an optical wave structure.
  • an etching gas for example, a chlorine-based gas is used.
  • an insulating film 13 having a thickness of, for example, 0. 0 and having an SiO force of, for example, 0.0 is formed on the entire surface again by, for example, a CVD method, a vacuum evaporation method, a sputtering method,
  • the insulating film 13 on the ridge 12 is removed, so-called lift-off is performed.
  • an opening 14 is formed on the ridge 12.
  • a resist is applied, lithography is performed, and then wet etching or dry etching is performed to form a p-type electrode on the surface.
  • an n-type electrode is formed by sequentially depositing Ti and A1 films on the back surface of the substrate by vacuum deposition. Then, an alloying process for bringing the n-type electrode 16 into ohmic contact is performed.
  • the wafer is processed into a bar shape by cleaving or the like to form surface resonator end faces, and further, end faces are coated on these end faces of the resonator, and then this bar is chipped by cleaving or the like.
  • the semiconductor light emitting element according to the first embodiment is manufactured through the above steps.
  • the intermediate layer 17 is provided between the electron barrier layer 8 and the p-type light guide layer 9.
  • This intermediate layer 17 has a thickness of lOnm, an In composition ratio of 0.04, an A1 composition ratio of 0.18, and a Ga composition ratio of 0.78, and is substantially strain-free because it is substantially lattice matched to the GaN substrate 1. is there.
  • the semiconductor light emitting device according to the first embodiment has a threshold value of 37 mA and a differential efficiency of 1.42 WZA, and the light emission characteristics of the conventional semiconductor light emitting device are 45 mA and 1.35 WZA, respectively. Has improved.
  • FIG. 2 shows the result of simulating the valence band structure in the aa ′ part of FIG.
  • band bending occurs at the interface between the electron barrier layer 8 and the intermediate layer 17 and at the interface between the intermediate layer 17 and the p-type light guide layer 9, respectively.
  • the band discontinuity in these band bends is smaller than in the conventional structure, and the hole concentration generated at each interface is greatly reduced. Therefore, there are two parts with a high hole concentration, but since each hole concentration is small, the overall reduction in resistance can be suppressed.
  • FIG. 3 shows the simulation result of the current density in the case of FIG.
  • the decrease in current density at point B between the electron barrier layer 8 and the intermediate layer 17 in FIG. 3 is smaller than the decrease in current density at point A in FIG. Therefore, the structure of Embodiment 1 can suppress the current spread in the lateral direction, and thus the light emission characteristics can be improved.
  • the first semiconductor layer that also has a force, and In Al Ga with a smaller band gap than the first semiconductor layer
  • the band gap is smaller than the band gap of the first semiconductor layer.
  • the semiconductor light-emitting element has a third semiconductor layer that has 3 ⁇ 1) power.
  • the first semiconductor layer has Al Ga N (yl ⁇ 0.15) force
  • the second semiconductor layer is In
  • the first semiconductor layer also has Al Ga N force
  • the second semiconductor layer is also Al Ga N.
  • the first semiconductor layer also has Al Ga N force
  • the second semiconductor layer is made of Al Ga N
  • the third semiconductor layer is
  • the band gap difference between the first semiconductor layer and the third semiconductor layer, and the third semiconductor layer Since the band gap difference between the two semiconductor layers can be reduced, there is an advantage that the operating voltage can be lowered by reducing the barrier of holes moving from the p layer side to the active layer.
  • the layer thickness of the intermediate layer 17 must be increased to some extent. You can also.
  • the crystallinity of crystals containing In is generally not good. This is because if the growth temperature is high, In is difficult to be taken into the crystal, so the growth temperature must be lowered, and the crystallinity deteriorates due to the growth at this low temperature. Therefore, the upper limit of the layer thickness of the intermediate layer 17 (third semiconductor layer) is limited by its crystallinity, and is preferably 10 nm or less, preferably 50 nm or less, more preferably 30 nm or less. In addition, when the layer thickness is smaller than lnm, the effect hardly occurs, so a layer thickness of lnm or more is necessary.
  • the same effect can be obtained by providing the intermediate layer 17 between the electron barrier layer 8 and the p-type cladding layer 10.
  • a sapphire substrate such as a sapphire substrate is lattice-matched to the low-temperature GaN buffer fabricated on the substrate.
  • the same effect is obtained when using an underlayer with a lattice constant close to GaN, such as a GaN layer fabricated using lateral selective growth technology, on a substrate that is not lattice-matched to GaN, such as a fa layer or a sapphire substrate. Can be obtained.
  • the intermediate layer 17 has a thickness of 10 nm, an In composition ratio of 0.01, an A1 composition ratio of 0.14, a Ga composition ratio of 0.85, and has a tensile strain.
  • the p-type InAlGaN layer is provided.
  • the other structure is the same as that of the first embodiment, and the manufacturing method is the same as that of the first embodiment.
  • the semiconductor light emitting device according to Embodiment 2 has a threshold of 30 mA and a differential efficiency of 1.52 WZA, which is an improvement over the conventional semiconductor light emitting device.
  • FIG. 17 a layer having a lattice constant force that receives a tensile strain larger than the lattice constant of the GaN substrate 1 may be used.
  • Figure 4 shows the valence band structure at the aa 'part of the structure shown in Fig. 1 in this case. Positive charges generated by the piezo effect in the electron barrier layer 8 and the intermediate layer 17 are indicated by + symbols, and negative charges are indicated by one symbol. Since both the electron barrier layer 8 and the intermediate layer 17 are subjected to tensile strain, a positive charge and a negative charge are generated simultaneously at the interface between the two layers and cancel each other.
  • the strain amount of the intermediate layer 17 is set appropriately, the electric charge generated at this interface becomes very small, and the band bending becomes small. Furthermore, since the band discontinuity amount is also small, the hole concentration is very small. On the other hand, a new negative charge is generated at the interface between the intermediate layer 17 and the p-type light guide layer 9, but this negative charge can be reduced by appropriately setting the strain amount of the intermediate layer 17.
  • the band discontinuity is reduced and the hole concentration is extremely reduced at both the interface between the electron barrier layer 8 and the intermediate layer 17 and the interface between the intermediate layer 17 and the p-type light guide layer 9. Can be made smaller. Therefore, there are two parts with a high hole concentration, but since each hole concentration is small, it is possible to suppress a decrease in resistance as a whole.
  • FIG. 5 shows the simulation result of the current density in the case of FIG.
  • the decrease in current density at point C between electron barrier layer 8 and intermediate layer 17 in Fig. 5 is smaller than the decrease in current density at point A in Fig. 9 and point B in Fig. 3. It is summer. Therefore, with the above structure, the spread of the lateral current can be further suppressed by inserting the intermediate layer 17.
  • a p-type AlGaN layer having a thickness of 10 nm and an A1 composition ratio of 0.2 is provided as the intermediate layer 17.
  • the other structure is the same as that of the first embodiment, and the manufacturing method is the same as that of the first embodiment.
  • the semiconductor light emitting device according to Embodiment 3 has a threshold of 28 mA and a differential efficiency of 1.56 WZA, which is an improvement over the conventional semiconductor light emitting device.
  • an AlGaN material may be used for the intermediate layer 17.
  • AlGaN materials are always subject to tensile strain.
  • the A1 composition ratio can be increased in order to make the band gap of the intermediate layer 17 smaller than the electron barrier layer 8 and larger than the p-type light guide layer 9. It may be smaller than 8 and larger than the p-type light guide layer 9. Therefore, an intermediate layer satisfying the above two conditions can be easily manufactured.
  • the first semiconductor layer that also has In Al Ga N (0 ⁇ xl ⁇ l, 0 ⁇ yl ⁇ l) force subjected to tensile strain, and the band gap is smaller than that of the first semiconductor layer.
  • Al Ga N In Al Ga

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Abstract

　本発明の半導体発光素子は、窒化ガリウム系化合物半導体からなる活性層と、活性層よりもｐ層側に設けられ、引張り歪を受けているＩｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ１－ｘ１－ｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１）からなる第１の半導体層と、第１の半導体層よりもバンドギャップの小さいＩｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１－ｘ２－ｙ２Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１）からなる第２の半導体層と、第１の半導体層と第２の半導体層との間に、バンドギャップが第１の半導体層のバンドギャップよりも小さく、第２の半導体層のバンドギャップよりも大きいＩｎｘ３Ａｌｙ３Ｇａ１－ｘ３－ｙ３Ｎ（０≦ｘ３≦１、０≦ｙ３≦１）からなる第３の半導体層とを有する。

Description

半導体発光素子
技術分野
[0001] 本発明は、窒化物系 III V族化合物半導体を用いた半導体レーザや発光ダイォ ードに関するものである。 背景技術
[0002] 従来の GaAs系の半導体レーザ (例えば、特許文献 1参照）に代わって、近年では 、光ディスクの高密度化に必要である青色領域から紫外線領域に及ぶ発光が可能な 半導体レーザとして、 AlInGaNなどの窒化物系 III V族化合物半導体を用いた半 導体レーザの研究開発が盛んに行われ、実用化されて 、る。
[0003] このような半導体レーザでは、活性層の p電極側に活性層よりも大きなバンドギヤッ プを持つ電子障壁層を挿入して、活性層から電子がオーバーブローするのを防ぎ、 発光効率の低下を防 、で 、る。この電子障壁層には p型の AlGaN又は AlInGaN材 料が用いられる力 A1組成比が大きいほどバンドギャップが大きぐ電子のオーバー フローを抑制する効果が大きい。しかし、 A1組成比が大き過ぎると結晶性が悪くなり、 力えって発光効率を低下させてしまう。そのため、両者の得失力も電子障壁層の A1 組成比が決定される。また、電子障壁層の層厚が厚いほど、電子のオーバーフロー を抑制する効果が大きいが、逆に結晶性が悪くなることから、両者の得失力も層厚が 決定される。
[0004] 一方、電子障壁層が電子のオーバーフローを十分抑制できるだけの層厚を持って いれば、それよりも p電極側にある光ガイド層ゃクラッド層は、電子障壁層よりも A1組 成比を小さくする方が結晶性の観点からは有利である。このため、光ガイド層や p型ク ラッド層は、電子障壁層よりも A1組成比の小さい AlGaN、 GaN又は InGaN力も構成 される。図 6は、このような構造を持つ従来の半導体発光素子を示す断面図である。
[0005] 図 6に示すように、 GaN基板 1上に、下から順番に、厚さが 1. O /z mの GaNからな る n型バッファ層 2と、厚さが 1. 0 mで A1組成比が 0. 07の AlGaNからなる n型クラ ッド層 3と、厚さが lOOnmの GaNからなる n型光ガイド層 4と、厚さが 7nmのアンド一 プ InGaN力 なる光導波層 5と、活性層 6と、厚さが 20nmで In組成比が 0. 02のァ ンドープ InGaNからなる光導波層 7と、厚さが 20nmで A1組成比が 0. 2の p型 AlGa Nからなる電子障壁層 8と、厚さが lOOnmの p型 GaNからなる p型光ガイド層 9と、厚 さが 400nmで A1組成比が 0. 07の AlGaNからなる p型クラッド層 10と、厚さが 100η mの GaNからなる p型コンタクト層 11が形成されて!、る。
[0006] ここで、活性層 6は、厚さが 3. 5nmで In組成比が 0. 14のアンドープ InGaN井戸 層を 3層、厚さが 7. Onmで In糸且成比が 0. 02のアンドープ InGaN障壁層を 2層、そ れぞれ交互に積層した多重量子井戸構造である。また、 p型クラッド層 10及び p型コ ンタクト層 11には、エッチングにより、〈1100〉方向に向かってリッジ 12が形成されて いる。このリッジ 12の幅は 1. 5 mで、エッチングの深さは 450nmである。そして、リ ッジ 12の側面部及び p型クラッド層 10上を覆うように厚さ 200nmの SiO絶縁膜 13が
2
形成されている。この絶縁膜 13には、リッジ 12上の部分に開口 14が設けられている 。この開口 14を介して p型電極 15が p型コンタクト層 11に電気的に接触している。 p 型電極 15は、例えば Pd及び Au膜を順次積層したものである。また、 GaN基板 1の 裏面側には、 Ti膜と A1膜を順次積層した n型電極 16が設けられている。
[0007] 特許文献 1 :日本特開平 7— 235725号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0008] GaN基板上又は GaNに近い格子定数を持つ下地層上に成長した場合、 InGaN 層は成長面内方向に圧縮歪を受け、 AlGaN層は引張り歪を受ける。これらの層はゥ ルツ鉱構造を取るため、この歪によるピエゾ効果によって結晶成長方向にピエゾ電界 を発生する。そして、 InGaN層と AlGaN層では歪の方向が異なるため、発生するピ ェゾ電界の方向は異なる。
[0009] ピエゾ効果を考慮しない場合と、考慮した場合について、図 6の a—^部分での価 電子帯バンド構造をシミュレーションした結果をそれぞれ図 7、図 8に示す。図 8中に おいてピエゾ電界の方向を矢印で示している。電子障壁層 8では、ピエゾ効果により 、光導波層 7側に +の記号で示す正電荷が発生し、 p型光ガイド層 9側に一の記号で 示す負電荷が発生して、これがピエゾ電界を発生させている。また、電子障壁層 8と p 型光ガイド層 9の界面近くで大きなバンド曲がりが発生して正孔濃度が非常に高くな る。このようにキャリア濃度が高くなると抵抗が低くなるため、活性層 6の上部に結晶 方向と垂直な面内方向に低抵抗の層が存在することになる。なお、 InAlGaN層でも 、同様のピエゾ効果が発生するが、そのピエゾ電界の方向はその材料が受ける歪の 方向で決定される。
[0010] 次に、図 8の場合における電流密度のシミュレーション結果を図 9に示す。ただし、 正孔による電流と、電子による電流に分けて図示している。これから、正孔による電流 の電流密度が、電子障壁層 8と p型光ガイド層 9との間の A点で大きく減少しているこ とが分かる。これは、 A点において上記のピエゾ電界によるバンド曲がりが発生し、こ れが原因で横方向に電流が広がった結果、電流密度が減少したものである。
[0011] このように、図 6に示すリッジ型構造のように p側の一部の領域にのみ電流注入を行 う発光素子において、電子障壁層を設けると、 p電極カゝら注入した正孔が上述の低抵 抗領域において横方向に大きく広がってしまう。このため、活性層にも正孔が横方向 に広がった状態で注入され、活性層における電流密度が小さくなつて、発光特性が 大きく劣化してしまう。
[0012] なお、上記の従来例は一例を示したものであり、電子障壁層が AlGaNではなく引 張り歪を受ける In Al Ga N (0≤xl≤l、 0≤yl≤l)の場合や、光ガイド層
xl yl 1— xl— l
が GaNではなく電子障壁層よりもバンドギャップの小さな In Al Ga N (0≤x
x2 y2 l -x2-y2
2≤1、 0≤y2≤l)の場合でも同様の問題が発生する。即ち、上記の問題は、窒化 物系 III V族化合物半導体がピエゾ効果という特殊な効果を発生する材料であるこ とに起因している。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、発光 特性を改善することができる半導体発光素子を得るものである。
課題を解決するための手段
[0013] 本発明に係る半導体発光素子は、窒化ガリウム系化合物半導体力もなる活性層と 、活性層よりも P層側に設けられ、引張り歪を受けている In Al Ga N (0≤xl
xl yl 1— xl— l
≤1、 0≤yl≤l)力もなる第 1の半導体層と、第 1の半導体層よりもバンドギャップの 小さい In Al Ga N (0≤x2≤ 1、 0≤y2≤ 1)力もなる第 2の半導体層と、第 1 の半導体層と第 2の半導体層との間に、バンドギャップが第 1の半導体層のバンドギ ヤップよりも小さぐ第 2の半導体層のバンドギャップよりも大きい In Al Ga N x3 y3 l -x3-y3
(0≤x3≤l, 0≤y3≤l)力もなる第 3の半導体層とを有する。本発明のその他の特 徴は以下に明らかにする。
発明の効果
[0014] 本発明により、引張り歪を受けている In Al Ga N (0≤xl≤l, 0≤yl≤l) xl yl 1— xl— l
力もなる第 1の半導体層と、第 1の半導体層よりもバンドギャップの小さい In Al Ga x2 y2 1
N (0≤x2≤l、0≤y2≤l)力 なる第 2の半導体層との間の部分でのバンド曲
-x2-y2
力 sりを緩和することができ、この部分に高濃度の正孔が発生するのを抑制して、横方 向の電流広がりを抑えることができる。これにより、発光特性を改善することができる。 図面の簡単な説明
[0015] [図 1]本発明の実施の形態 1に係る半導体発光素子を示す断面図である。
[図 2]本発明の実施の形態 1に係る半導体発光素子の価電子帯バンド構造を示す図 である。
[図 3]図 2の場合における電流密度のシミュレーション結果を示す図である。
[図 4]本発明の実施の形態 2に係る半導体発光素子の価電子帯バンド構造を示す図 である。
[図 5]図 4の場合における電流密度のシミュレーション結果を示す図である。
[図 6]従来の半導体発光素子を示す断面図である。
[図 7]ピエゾ効果を考慮しな 、場合につ!、て、従来の半導体発光素子の価電子帯バ ンド構造を示す図である。
[図 8]ピエゾ効果を考慮した場合について、従来の半導体発光素子の価電子帯バン ド構造を示す図である。
[図 9]図 8の場合における電流密度のシミュレーション結果を示す図である。
符号の説明
[0016] 1 基板
2 型バッファ層
3 型クラッド、層 4 型光ガイド層
5 光導波層
6 活性層
7 光導波層
8 電子障壁層
9 型光ガイド層
10 型クラッド層
11 型コンタクト層
12 リッジ
13 絶縁膜
14 開口
15 型電極
16 型電極
17 中間層
発明を実施するための最良の形態
[0017] 実施の形態 1.
以下、本発明の実施形態 1について図面を参照しながら説明する。図 1は本発明の 実施の形態 1に係る半導体発光素子を示す断面図である。この半導体発光素子は、 リッジ構造を有する窒化物系半導体レーザである。
[0018] 図 1に示すように、 GaN基板 1上に、下から順番に、厚さが 1. O /z mの GaNからな る n型バッファ層 2と、厚さが 1. 0 mで A1組成比が 0. 07の AlGaNからなる n型クラ ッド層 3と、厚さが lOOnmの GaNからなる n型光ガイド層 4と、厚さが 7nmのアンド一 プ InGaN力 なる光導波層 5と、活性層 6と、厚さが 20nmで In組成比が 0. 02のァ ンドープ InGaNからなる光導波層 7と、厚さが 20nmで A1組成比が 0. 2の p型 AlGa Nからなる電子障壁層 8と、 p型 InAlGaN力もなる中間層 17と、厚さが lOOnmの p型 GaNからなる p型光ガイド層 9と、厚さが 400nmで A1組成比が 0. 07の AlGaNからな る p型クラッド層 10と、厚さが lOOnmの GaN力もなる p型コンタクト層 11が形成されて いる。 [0019] ここで、活性層 6は、厚さが 3. 5nmで In組成比が 0. 14のアンドープ InGaN井戸 層を 3層、厚さが 7. Onmで In糸且成比が 0. 02のアンドープ InGaN障壁層を 2層、そ れぞれ交互に積層した多重量子井戸構造である。また、 p型クラッド層 10及び p型コ ンタクト層 11には、エッチングにより、〈1100〉方向に向かってリッジ 12が形成されて いる。このリッジ 12の幅は 1. 5 mで、エッチングの深さは 450nmである。そして、リ ッジ 12の側面部及び p型クラッド層 10上を覆うように厚さ 200nmの SiO絶縁膜 13が
2
形成されている。この絶縁膜 13には、リッジ 12上の部分に開口 14が設けられている 。この開口 14を介して p型電極 15が p型コンタクト層 11に電気的に接触している。 p 型電極 15は、例えば Pd及び Au膜を順次積層した構造である。また、 GaN基板 1の 裏面側には、 Ti膜と A1膜を順次積層した n型電極 16が設けられている。
[0020] この実施の形態 1に係る半導体発光素子の製造方法について説明する。まず、あ らカじめサーマルクリーニングなどにより表面を清浄ィ匕した GaN基板 1上に、有機金 属化学気相成長（MOCVD)法により、例えば 1000°Cの成長温度で n型バッファ層 2を成長させる。次に、同じく MOCVD法により、 n型クラッド層 3、 n型光ガイド層 4及 び光導波層 5、活性層 6、光導波層 7、電子障壁層 8、中間層 17、 p型光ガイド層 9、 p 型クラッド層 10及び p型コンタクト層 11を順次積層する。ここで、これらの層の成長温 度は、例えば、 n型クラッド層 3及び n型光ガイド層 4は 1000°C、アンドープ InGaN光 導波層 5からアンドープ InGaN光導波層 7までは 740°C、電子障壁層 8から p型コン タクト層 11までは 1000°Cとする。
[0021] 以上の結晶成長が終了した後、全面にレジストを塗布し、リソグラフィ一によりメサ部 の形状に対応した所定形状のレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマ スクとして、例えば RIE法により p型クラッド層 10の層内までエッチングを行い、光導 波構造となるリッジ 12を作製する。なお、エッチングガスとしては例えば塩素系ガスを 用いる。
[0022] 次に、レジストパターンを残したまま、再び全面に、例えば CVD法、真空蒸着法、ス ノ ッタリング法などにより例えば厚さが 0. の SiO力もなる絶縁膜 13を形成し、
2
レジスト除去と同時にリッジ 12上にある絶縁膜 13を除去する、いわゆるリフトオフを行 う。これ〖こより、リッジ 12上に開口 14が形成される。 [0023] 次に、全面に例えば真空蒸着法により Pt及び Au膜を順次形成した後、レジストを 塗布し、リソグラフィーを行った後、ウエットエッチング或いはドライエッチングを行うこ とにより、表面の p型電極 15を形成する。そして、基板の裏面前面に真空蒸着法によ り Ti及び A1膜を順次積層して n型電極を形成する。そして、 n型電極 16をォーミック 接触させるためのァロイ処理を行う。
[0024] 次に、ウェハを劈開などによりバー状に加工して面共振器端面を形成し、更にこれ らの共振器端面に端面コーティングを施した後、このバーを劈開などによりチップィ匕 する。以上の工程により、実施の形態 1に係る半導体発光素子が製造される。
[0025] 上記のように、実施の形態 1に係る半導体発光素子では、電子障壁層 8と p型光ガ イド層 9との間に中間層 17が設けられている。この中間層 17は、厚さが lOnmで In組 成比 0. 04、A1組成比 0. 18、Ga組成比 0. 78であり、 GaN基板 1に対しほぼ格子整 合するため実質無歪である。この実施の形態 1に係る半導体発光素子は、しきい値 は 37mA、微分効率は 1. 42WZAであり、従来の半導体発光素子においてそれぞ れ 45mA、 1. 35WZ Aであったものよりも発光特性が改善している。
[0026] 図 1の a— a'部分での価電子帯バンド構造をシミュレーションした結果を図 2に示す 。図示のように、電子障壁層 8と中間層 17との界面及び中間層 17と p型光ガイド層 9 との界面でそれぞれバンド曲がりが生じる。しかし、これらのバンド曲がりにおけるバ ンド不連続量は従来の構造に比べて小さぐそれぞれの界面に発生する正孔濃度は 大幅に低減する。従って、正孔濃度が高い部分が 2つになるが、それぞれの正孔濃 度は小さいため、全体として抵抗値の低減を抑えることができる。
[0027] 図 2の場合における電流密度のシミュレーション結果を図 3に示す。図 3中の電子 障壁層 8と中間層 17の間の B点における電流密度の低下量は、図 9中の A点におけ る電流密度の低下量よりも小さくなつている。従って、実施の形態 1の構造により、横 方向の電流広がりを抑えることができるため、発光特性を改善することができる。
[0028] 上記の例に限らず、窒化ガリウム系化合物半導体力 なる活性層と、活性層よりも p 層側に設けられ、引張り歪を受けている In Al Ga N (0≤xl≤l, 0≤yl≤l
xl yl 1— xl— l
)力もなる第 1の半導体層と、第 1の半導体層よりもバンドギャップの小さい In Al Ga
x2 y2
N (0≤x2≤l、0≤y2≤l)力もなる第 2の半導体層と、第 1の半導体層と第 2 の半導体層との間に、バンドギャップが第 1の半導体層のバンドギャップよりも小さぐ 第 2の半導体層のバンドギャップよりも大きい In Al Ga N (0≤x3≤l, 0≤y
x3 y3 l -x3-y3
3≤1)力 なる第 3の半導体層とを有する半導体発光素子であれば、同様の効果を 得ることができる。ただし、 0く y2く y3く yl≤lであること力好ましい。
[0029] また、第 1の半導体層が Al Ga N (yl≥0. 15)力もなり、第 2の半導体層が In
yi l -yi χ
Ga N (x2≥0)力もなる場合には、ピエゾ効果が非常に大きくなり、前記問題点
2 1 -χ2
が顕著となるため、本発明の効果は非常に大きくなる。
[0030] さらに、第 1の半導体層が Al Ga N力もなり、第 2の半導体層も Al Ga Nか
yl 1 -yl y2 l -y2 らなる場合においては、その Al組成の差 yl—y2が 0. 15より大きいときに、特にピエ ゾ効果が大きくなり、前記問題点が顕著となるため、本発明の効果は非常に大きくな る。
[0031] また、第 1の半導体層が Al Ga N力もなり、第 2の半導体層が Al Ga Nから なり、第 3の半導体層が
Figure imgf000010_0001
X O. 7より大きぐ { (yl+y2)Z2} X l. 3より小さい場合には、第 1の半導体層と第 3 の半導体層とのバンドギャップ差、及び第 3の半導体層と第 2の半導体層とのバンド ギャップ差を共に小さくすることができることから、 p層側から活性層へ移動する正孔 の障壁が小さくなることで、動作電圧を下げることができるといったメリットがある。
[0032] ここで、 In Al Ga N (0≤x≤l、 0≤y≤l)の格子定数は GaN基板 1とほぼ同 じであることから、中間層 17の層厚はある程度大きくすることもできる。しかし、 Inを含 む結晶の結晶性は一般に良くない。これは、成長温度が高いと Inが結晶内に取り込 まれにくくなることから、成長温度を下げる必要があり、この低温での成長により結晶 性が劣化するためである。従って、中間層 17 (第 3の半導体層）の層厚の上限は、そ の結晶性で制限され、 lOOnm以下、好ましくは 50nm以下、より好ましくは 30nm以 下がよい。また、層厚が lnmよりも小さい場合には、その効果がほとんど発生しない ため、 lnm以上の層厚が必要である。
[0033] また、 p型光ガイド層 9が無い場合も、電子障壁層 8と p型クラッド層 10との間に中間 層 17を設ければ同様の効果を得ることができる。そして、 GaN基板の代わりに、例え ば、サファイア基板など GaNに格子整合して 、な 、基板上に作製した低温 GaNバッ ファ層や、サファイア基板など GaNに格子整合していない基板上に横方向選択成長 技術を用いて作製した GaN層などの GaNに近 、格子定数を持つ下地層を用いた場 合も同様の効果を得ることができる。
実施の形態 2.
実施の形態 2に係る半導体発光素子は、中間層 17として、厚さが 10nm、 In組成 比が 0. 01、 A1組成比が 0. 14、 Ga組成比が 0. 85であり、引張り歪を受けている p型 InAlGaN層を設けたものである。それ以外の構造は実施の形態 1と同じであり、製造 方法も実施の形態 1と同様である。
[0034] この実施の形態 2に係る半導体発光素子は、しきい値は 30mA、微分効率は 1. 52 WZAであり、従来の半導体発光素子よりも改善している。
[0035] このように、中間層 17として、その格子定数力 GaN基板 1の格子定数よりも大きぐ 引張り歪を受けて 、るものを用いてもょ 、。この場合における図 1に示す構造の a— a '部分での価電子帯バンド構造を図 4に示す。電子障壁層 8と中間層 17においてピ ェゾ効果により発生する正電荷を +の記号で示し、負電荷を一の記号で示す。電子 障壁層 8と中間層 17は共に引張り歪を受けるため、この 2つの層の界面では、正電 荷と負電荷が同時に発生し、それぞれが打ち消し合う。従って、この中間層 17の歪 量を適切に設定すれば、この界面で発生する電荷は非常に小さくなり、バンド曲がり も小さくなる。さらに、バンド不連続量も小さくなるので、正孔濃度は非常に小さくなる 。一方、中間層 17と p型光ガイド層 9との界面に新たに負電荷が発生するが、中間層 17の歪量を適切に設定することで、この負電荷を小さくすることができる。
[0036] これにより、電子障壁層 8と中間層 17との界面、及び中間層 17と p型光ガイド層 9と の界面の何れにおいても、バンド不連続量を小さくし、正孔濃度を非常に小さくする ことができる。従って、正孔濃度が高い部分が 2つになるが、それぞれの正孔濃度は 小さいため、全体として抵抗値の低減を抑えることができる。
[0037] 図 4の場合における電流密度のシミュレーション結果を図 5に示す。図 5中の電子 障壁層 8と中間層 17の間の C点における電流密度の低下量は、図 9中の A点におけ る電流密度、及び図 3中の B点の低下量よりも小さくなつている。従って、上記の構造 により、中間層 17の挿入により横方向電流の広がりを更に抑制することができる。 実施の形態 3.
実施の形態 3に係る半導体発光素子は、中間層 17として、厚さが 10nm、 A1組成 比が 0. 2の p型 AlGaN層を設けたものである。それ以外の構造は実施の形態 1と同 じであり、製造方法も実施の形態 1と同様である。
[0038] この実施の形態 3に係る半導体発光素子は、しきい値は 28mA、微分効率は 1. 56 WZAであり、従来の半導体発光素子よりも改善している。
[0039] このように、中間層 17として AlGaN材料を用いてもよい。 GaN基板上又は GaNに 近い格子定数を持つ下地層上に成長した場合、 AlGaN材料は必ず引張り歪を受け る。また、中間層 17として AlGaN材料を用いた場合、中間層 17のバンドギャップを 電子障壁層 8よりも小さくし、かつ p型光ガイド層 9よりも大きくするには、 A1組成比を 電子障壁層 8よりも小さぐ p型光ガイド層 9よりも大きくすればよい。従って、前記 2つ の条件を満たす中間層を容易に作製することができる。
産業上の利用可能性
[0040] 本発明により、引張り歪を受けている In Al Ga N (0≤xl≤l, 0≤yl≤l) 力もなる第 1の半導体層と、第 1の半導体層よりもバンドギャップの小さい In Al Ga
N (0≤x2≤l、0≤y2≤l)力 なる第 2の半導体層との間の部分でのバンド曲 力 sりを緩和することができ、この部分に高濃度の正孔が発生するのを抑制して、横方 向の電流広がりを抑えることができる。これにより、発光特性を改善することができる。

Claims

請求の範囲
[1] 窒化ガリウム系化合物半導体力 なる活性層と、
前記活性層よりも P層側に設けられ、引張り歪を受けている In Al Ga N (0
xl y丄 i _xl _yl
≤xl≤l、 0≤yl≤l)力もなる第 1の半導体層と、
前記第 1の半導体層よりもバンドギャップの小さい In Al Ga N (0≤x2≤l
x2 y2 l -x2-y2
、 0≤y2≤l)力もなる第 2の半導体層と、
前記第 1の半導体層と前記第 2の半導体層との間に、バンドギャップが前記第 1の 半導体層のバンドギャップよりも小さぐ前記第 2の半導体層のバンドギャップよりも大 きい In Al Ga N (0≤x3≤ 1、 0≤y3≤ 1)力もなる第 3の半導体層とを有す x3 y3 l -x3-y3
ることを特徴とする半導体発光素子。
[2] 前記第 3の半導体層が実質無歪であることを特徴とする請求項 1記載の半導体発 光素子。
[3] 前記第 3の半導体層が引張り歪を受けていることを特徴とする請求項 1記載の半導 体発光素子。
[4] x3 = 0、 0く y2く y3く yl≤lであることを特徴とする請求項 1記載の半導体発光素 子。
[5] xl =y2 = 0、yl >0. 15であることを特徴とする請求項 1〜4の何れか 1項に記載 の半導体発光素子。
[6] xl =x2 = 0、yl— y2>0. 15であることを特徴とする請求項 1, 3, 4の何れ力 1項 に記載の半導体発光素子。
[7] xl =x2 = x3 = 0、 { (yl +y2) /2} X 0. 7<y3< { (yl +y2) /2} X 1. 3であるこ とを特徴とする請求項 1, 3, 4の何れか 1項に記載の半導体発光素子。
[8] 前記第 3の半導体層の厚さが lnm以上 lOOnm以下であることを特徴とする請求項
1〜7の何れか 1項に記載の半導体発光素子。
[9] 前記第 3の半導体層の厚さが lnm以上 50nm以下であることを特徴とする請求項 1
〜7の何れか 1項に記載の半導体発光素子。
[10] 前記第 3の半導体層の厚さが lnm以上 30nm以下であることを特徴とする請求項 1
〜7の何れか 1項に記載の半導体発光素子。 xl = 0、 0く yl≤lであることを特徴とする請求項 1〜4、 8〜10の何れか 1項に記 載の半導体発光素子。
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