JPH1051073A - 半導体発光装置 - Google Patents
半導体発光装置Info
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- JPH1051073A JPH1051073A JP20447096A JP20447096A JPH1051073A JP H1051073 A JPH1051073 A JP H1051073A JP 20447096 A JP20447096 A JP 20447096A JP 20447096 A JP20447096 A JP 20447096A JP H1051073 A JPH1051073 A JP H1051073A
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- JP
- Japan
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- gan
- tensile strain
- low
- emitting device
- light emitting
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 半導体発光装置に関し、極めて簡単な手段を
適用することに依って、ＧａＮ系材料に引っ張り歪みの
導入を可能とし、短波長光を発生する半導体発光装置の
しきい値電流密度を低減させようとする。 【解決手段】 ＺｎＯ基板１上に形成され、例えば５０
０〔℃〕の低温で成長されたＧａＮからなる低温成長バ
ッファ層２と、低温成長バッファ層２上に形成され、Ｚ
ｎＯ基板１との熱膨張係数差に由来する引っ張り歪みが
導入されたアンドープＧａＮ活性層５とを備える。
適用することに依って、ＧａＮ系材料に引っ張り歪みの
導入を可能とし、短波長光を発生する半導体発光装置の
しきい値電流密度を低減させようとする。 【解決手段】 ＺｎＯ基板１上に形成され、例えば５０
０〔℃〕の低温で成長されたＧａＮからなる低温成長バ
ッファ層２と、低温成長バッファ層２上に形成され、Ｚ
ｎＯ基板１との熱膨張係数差に由来する引っ張り歪みが
導入されたアンドープＧａＮ活性層５とを備える。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＧａＮ系材料を用
い、引っ張り歪みを導入した半導体発光装置に関する。
い、引っ張り歪みを導入した半導体発光装置に関する。
【０００２】近年、青色領域から近紫外領域の波長をも
つ光を発生する短波長半導体レーザの開発が盛んであ
る。
つ光を発生する短波長半導体レーザの開発が盛んであ
る。
【０００３】一般に、青色発光の半導体レーザ用材料と
しては、二族・六族のＺｎＳｅ系と三族・五族のＧａＮ
系が知られているところであるが、ＺｎＳｅ系は、高品
質の基板として実績があるＧａＡｓに格子整合すること
から、今まで、ＺｎＳｅ系が有利であると考えられてき
た。
しては、二族・六族のＺｎＳｅ系と三族・五族のＧａＮ
系が知られているところであるが、ＺｎＳｅ系は、高品
質の基板として実績があるＧａＡｓに格子整合すること
から、今まで、ＺｎＳｅ系が有利であると考えられてき
た。
【０００４】そのようなことから、世界に於ける研究者
の大半がＺｎＳｅ系の研究に携わっていて、その研究は
他の系に比較して先行し、既に、室温連続発振が報告さ
れているのであるが、ＺｎＳｅが本質的に劣化し易い材
料であることから、信頼性に問題があり、未だ、実用化
に至っていない。
の大半がＺｎＳｅ系の研究に携わっていて、その研究は
他の系に比較して先行し、既に、室温連続発振が報告さ
れているのであるが、ＺｎＳｅが本質的に劣化し易い材
料であることから、信頼性に問題があり、未だ、実用化
に至っていない。
【０００５】本発明は、充分に商用性がある短波長半導
体レーザを実現する為の一手段を提供することができ
る。
体レーザを実現する為の一手段を提供することができ
る。
【０００６】
【従来の技術】２年前、ＧａＮを材料とした高輝度のＬ
ＥＤ（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅ）につ
いて研究成果の発表があった（要すれば、「１９９４年
４月１日 日経ＢＰ社発行 雑誌“日経マイクロデバイ
ス”１９９４年４月号 第９９頁乃至第１０３頁」、を
参照）。
ＥＤ（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅ）につ
いて研究成果の発表があった（要すれば、「１９９４年
４月１日 日経ＢＰ社発行 雑誌“日経マイクロデバイ
ス”１９９４年４月号 第９９頁乃至第１０３頁」、を
参照）。
【０００７】この発表を境にして、信頼性がネックにな
っていたＺｎＳｅ材料に代わり、耐環境性に優れている
ＧａＮが見直され、研究が広がりつつある。
っていたＺｎＳｅ材料に代わり、耐環境性に優れている
ＧａＮが見直され、研究が広がりつつある。
【０００８】ＧａＮ系電流注入型半導体発光装置の発振
は、室温パルス発振が報告されたばかりであるが、しき
い値電流密度が大きい旨を指摘され、また、理論計算に
依っても、バンドの有効質量が大きいことなどから、同
じく、しきい値電流密度が非常に大きくなることが予測
されている。
は、室温パルス発振が報告されたばかりであるが、しき
い値電流密度が大きい旨を指摘され、また、理論計算に
依っても、バンドの有効質量が大きいことなどから、同
じく、しきい値電流密度が非常に大きくなることが予測
されている。
【０００９】理論計算に依れば、ＧａＮ系材料を用いた
場合、引っ張り歪みの導入に依ってバンド端を形成する
のはＣＨバンドのみとなる為、引っ張り歪みがしきい値
電流密度の低減に有効であることが予測されている。
場合、引っ張り歪みの導入に依ってバンド端を形成する
のはＣＨバンドのみとなる為、引っ張り歪みがしきい値
電流密度の低減に有効であることが予測されている。
【００１０】図２は価電子帯構造の歪み依存性を表す線
図であり、縦軸には価電子帯エネルギ準位を、横軸に歪
みをそれぞれ採ってある。
図であり、縦軸には価電子帯エネルギ準位を、横軸に歪
みをそれぞれ採ってある。
【００１１】図では、電子に対し正に縦軸を採ってある
ので、ホールのエネルギは、縦軸で下方になるほど大き
くなる。従って、バンド端となるのは、一番上のバンド
である。
ので、ホールのエネルギは、縦軸で下方になるほど大き
くなる。従って、バンド端となるのは、一番上のバンド
である。
【００１２】図からすると、圧縮歪み、即ち、歪み量が
負の方向では、バンド端にＨＨとＬＨとが近接して存在
することが看取され、これからすると、バンド端に於け
る状態密度が非常に大きく、フェルミ・レベルは上がり
難いことが推定される。
負の方向では、バンド端にＨＨとＬＨとが近接して存在
することが看取され、これからすると、バンド端に於け
る状態密度が非常に大きく、フェルミ・レベルは上がり
難いことが推定される。
【００１３】これに対し、引っ張り歪み、即ち、歪み量
が正の方向では、バンド端がＣＨバンドだけになること
が看取され、これからすると、バンド端に於ける状態密
度が低減されて、圧縮歪みや無歪の状態に比較し、フェ
ルミ・レベルが上がり易くなることが期待される。
が正の方向では、バンド端がＣＨバンドだけになること
が看取され、これからすると、バンド端に於ける状態密
度が低減されて、圧縮歪みや無歪の状態に比較し、フェ
ルミ・レベルが上がり易くなることが期待される。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】前記したように、Ｇａ
Ｎ系材料を用いた場合、引っ張り歪みを導入することで
しきい値電流密度を低減できることが明らかであるが、
それを実現することは大変困難である。
Ｎ系材料を用いた場合、引っ張り歪みを導入することで
しきい値電流密度を低減できることが明らかであるが、
それを実現することは大変困難である。
【００１５】通常、半導体結晶に歪みを導入するには、
格子定数のずれを利用することが多いのであるが、Ｇａ
Ｎに比較して適当な量、即ち、０．５〔％〕以内の範囲
で、格子定数が大きい材料がない為である。
格子定数のずれを利用することが多いのであるが、Ｇａ
Ｎに比較して適当な量、即ち、０．５〔％〕以内の範囲
で、格子定数が大きい材料がない為である。
【００１６】本発明では、極めて簡単な手段を適用する
ことに依って、ＧａＮ系材料に引っ張り歪みの導入を可
能とし、短波長光を発生する半導体発光装置のしきい値
電流密度を低減させようとする。
ことに依って、ＧａＮ系材料に引っ張り歪みの導入を可
能とし、短波長光を発生する半導体発光装置のしきい値
電流密度を低減させようとする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、サファイ
ア基板上に形成したＧａＮ系結晶の研究を行なってきた
のであるが、低温バッファ層上に成長された結晶層で
は、その歪み量は、格子定数差に依存せず、基板との熱
膨張係数差のみで決定されることを確認した。
ア基板上に形成したＧａＮ系結晶の研究を行なってきた
のであるが、低温バッファ層上に成長された結晶層で
は、その歪み量は、格子定数差に依存せず、基板との熱
膨張係数差のみで決定されることを確認した。
【００１８】この現象を利用すれば、熱膨張係数差を利
用してＧａＮ系結晶に引っ張り歪みを導入することが可
能となる。
用してＧａＮ系結晶に引っ張り歪みを導入することが可
能となる。
【００１９】ところで、ＺｎＯ基板は、ａ軸の格子定数
３．２５２〔Å〕をもち、この上にＧａＮを直接成長し
たのでは、約３．２〔％〕の引っ張り歪みが導入され、
歪み量が大き過ぎて、まともな結晶は得られない。
３．２５２〔Å〕をもち、この上にＧａＮを直接成長し
たのでは、約３．２〔％〕の引っ張り歪みが導入され、
歪み量が大き過ぎて、まともな結晶は得られない。
【００２０】然しながら、ＺｎＯ基板とＧａＮ層との間
に低温成長のバッファ層を介在させた場合、低温成長バ
ッファ層上の結晶に於ける歪み量は、略熱膨張係数差の
みに依存する。
に低温成長のバッファ層を介在させた場合、低温成長バ
ッファ層上の結晶に於ける歪み量は、略熱膨張係数差の
みに依存する。
【００２１】ＺｎＯ基板の熱膨張係数は２．９×１０-6
／Ｋであり、また、ＧａＮ層の熱膨張係数は５．５９×
１０-6／Ｋであるから、両者の間には、約０．３〔％〕
の引っ張り歪みを導入することができる。
／Ｋであり、また、ＧａＮ層の熱膨張係数は５．５９×
１０-6／Ｋであるから、両者の間には、約０．３〔％〕
の引っ張り歪みを導入することができる。
【００２２】このようなことから、本発明に依る半導体
発光装置に於いては、 （１）ＺｎＯ基板（例えばＺｎＯ基板１）上に形成され
た低温成長バッファ層（例えば５００〔℃〕で成長され
たＧａＮバッファ層２）と、該低温成長バッファ層上に
形成され該ＺｎＯ基板との熱膨張係数差に由来する引っ
張り歪みが導入されたＧａＮ活性層（例えば引っ張り歪
みが導入されたアンドープＧａＮ活性層５）とを備えて
なることを特徴とするか、或いは、
発光装置に於いては、 （１）ＺｎＯ基板（例えばＺｎＯ基板１）上に形成され
た低温成長バッファ層（例えば５００〔℃〕で成長され
たＧａＮバッファ層２）と、該低温成長バッファ層上に
形成され該ＺｎＯ基板との熱膨張係数差に由来する引っ
張り歪みが導入されたＧａＮ活性層（例えば引っ張り歪
みが導入されたアンドープＧａＮ活性層５）とを備えて
なることを特徴とするか、或いは、
【００２３】（２）ＺｎＯ基板上に形成された低温成長
バッファ層と、該低温成長バッファ層上に形成され該Ｚ
ｎＯ基板との熱膨張係数差に由来する引っ張り歪みが導
入されたＧａＩｎＮ活性層とを備えてなることを特徴と
するか、或いは、
バッファ層と、該低温成長バッファ層上に形成され該Ｚ
ｎＯ基板との熱膨張係数差に由来する引っ張り歪みが導
入されたＧａＩｎＮ活性層とを備えてなることを特徴と
するか、或いは、
【００２４】（３）前記（１）に於いて、引っ張り歪み
が導入されたＧａＮ活性層をＡｌＧａＮ或いはＡｌＩｎ
Ｎ或いはＡｌＧａＩｎＮから選択した材料で構成された
障壁層で挟んで形成したダブル・ヘテロ構造を備えてな
ることを特徴とするか、或いは、
が導入されたＧａＮ活性層をＡｌＧａＮ或いはＡｌＩｎ
Ｎ或いはＡｌＧａＩｎＮから選択した材料で構成された
障壁層で挟んで形成したダブル・ヘテロ構造を備えてな
ることを特徴とするか、或いは、
【００２５】（４）前記（２）に於いて、引っ張り歪み
が導入されたＧａＩｎＮ活性層をＡｌＧａＮ或いはＡｌ
ＩｎＮ或いはＡｌＧａＩｎＮから選択した材料で構成さ
れた障壁層で挟んで形成したダブル・ヘテロ構造を備え
てなることを特徴とする。
が導入されたＧａＩｎＮ活性層をＡｌＧａＮ或いはＡｌ
ＩｎＮ或いはＡｌＧａＩｎＮから選択した材料で構成さ
れた障壁層で挟んで形成したダブル・ヘテロ構造を備え
てなることを特徴とする。
【００２６】前記手段を採ることに依り、ＧａＮ系活性
層に引っ張り歪みを容易に導入することが可能となっ
て、バンド端ではＣＨバンドのみとなり、状態密度が低
減される為、短波長光を発生する半導体発光装置を低い
しきい値電流密度で発振させることが可能となる。
層に引っ張り歪みを容易に導入することが可能となっ
て、バンド端ではＣＨバンドのみとなり、状態密度が低
減される為、短波長光を発生する半導体発光装置を低い
しきい値電流密度で発振させることが可能となる。
【００２７】
【発明の実施の形態】図１は本発明に於ける一実施の形
態を説明する為の短波長光発生用半導体レーザを表す要
部切断側面図である。
態を説明する為の短波長光発生用半導体レーザを表す要
部切断側面図である。
【００２８】図に於いて、１はＺｎＯ基板、２は低温成
長ＧａＮバッファ層、３はＧａＮバッファ層、４はｎ−
（Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 ）Ｎ障壁層、５はアンドープＧａＮ
活性層、６はｐ−（Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 ）Ｎ障壁層、７は
ｎ側電極、８はｐ側電極、をそれぞれ示している。
長ＧａＮバッファ層、３はＧａＮバッファ層、４はｎ−
（Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 ）Ｎ障壁層、５はアンドープＧａＮ
活性層、６はｐ−（Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 ）Ｎ障壁層、７は
ｎ側電極、８はｐ側電極、をそれぞれ示している。
【００２９】この半導体レーザを製造する工程は、極め
て簡単であり、次に、その一例を説明する。
て簡単であり、次に、その一例を説明する。
【００３０】（１） ＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌｏｒｇａ
ｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｕｒ ｄｅｐｏｓ
ｉｔｉｏｎ）法を適用することに依って、成長温度を例
えば５００〔℃〕として、ＺｎＯ基板１上に厚さが例え
ば５００〔Å〕のＧａＮバッファ層２を成長させる。
ｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｕｒ ｄｅｐｏｓ
ｉｔｉｏｎ）法を適用することに依って、成長温度を例
えば５００〔℃〕として、ＺｎＯ基板１上に厚さが例え
ば５００〔Å〕のＧａＮバッファ層２を成長させる。
【００３１】（２） 引き続きＭＯＣＶＤ法を適用し、
それぞれの物質被膜を成長させるのに必要な温度（〜１
１００〔℃〕〜）として、低温成長ＧａＮバッファ層２
上に厚さが例えば０．５〔μｍ〕のＧａＮバッファ層
３、厚さが例えば１〔μｍ〕のＳｉドープｎ−（Ａｌ
0.1 Ｇａ0.9 ）Ｎ障壁層４、厚さが例えば０．１〔μ
ｍ〕のアンドープＧａＮ活性層５、厚さが例えば１〔μ
ｍ〕のＭｇドープｐ−（Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 ）Ｎ障壁層６
を順に成長させる。
それぞれの物質被膜を成長させるのに必要な温度（〜１
１００〔℃〕〜）として、低温成長ＧａＮバッファ層２
上に厚さが例えば０．５〔μｍ〕のＧａＮバッファ層
３、厚さが例えば１〔μｍ〕のＳｉドープｎ−（Ａｌ
0.1 Ｇａ0.9 ）Ｎ障壁層４、厚さが例えば０．１〔μ
ｍ〕のアンドープＧａＮ活性層５、厚さが例えば１〔μ
ｍ〕のＭｇドープｐ−（Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 ）Ｎ障壁層６
を順に成長させる。
【００３２】（３） リソグラフィ技術に於けるレジス
ト・プロセス、及び、エッチング・ガスをＣＨＦ3 又は
Ｃ2 Ｈ6 などとするドライ・エッチング法を適用するこ
とに依り、ｎ側電極形成予定部分に於いて、表面からｎ
−（Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 ）Ｎ障壁層４に達するエッチング
を行なって切り欠き部分４Ａを生成させる。
ト・プロセス、及び、エッチング・ガスをＣＨＦ3 又は
Ｃ2 Ｈ6 などとするドライ・エッチング法を適用するこ
とに依り、ｎ側電極形成予定部分に於いて、表面からｎ
−（Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 ）Ｎ障壁層４に達するエッチング
を行なって切り欠き部分４Ａを生成させる。
【００３３】（４） リソグラフィ技術に於けるレジス
ト・プロセス、真空蒸着法、レジストを溶解するリフト
・オフ法などを適用することに依り、前記切り欠き部分
４Ａを形成したことで一部が表出されたｎ−（Ａｌ0.1
Ｇａ0.9 ）Ｎ障壁層４上に厚さが例えば１０００〔Å〕
のＴｉからなるｎ側電極７を形成し、また、ｐ−（Ａｌ
0.1 Ｇａ0.9 ）Ｎ障壁層６上に厚さが例えば１０００
〔Å〕のＮｉからなるｐ側電極８を形成する。
ト・プロセス、真空蒸着法、レジストを溶解するリフト
・オフ法などを適用することに依り、前記切り欠き部分
４Ａを形成したことで一部が表出されたｎ−（Ａｌ0.1
Ｇａ0.9 ）Ｎ障壁層４上に厚さが例えば１０００〔Å〕
のＴｉからなるｎ側電極７を形成し、また、ｐ−（Ａｌ
0.1 Ｇａ0.9 ）Ｎ障壁層６上に厚さが例えば１０００
〔Å〕のＮｉからなるｐ側電極８を形成する。
【００３４】前記のようにして作成した半導体レーザで
は、アンドープＧａＮ活性層５に約０．３〔％〕程度の
引っ張り歪みが導入されて、バンド端はＣＨバンドのみ
となり、しきい値電流密度を低下させることができた。
は、アンドープＧａＮ活性層５に約０．３〔％〕程度の
引っ張り歪みが導入されて、バンド端はＣＨバンドのみ
となり、しきい値電流密度を低下させることができた。
【００３５】
【発明の効果】本発明に依る半導体発光装置に於いて
は、ＺｎＯ基板上に形成された低温成長バッファ層、該
低温成長バッファ層上に形成され該ＺｎＯ基板との熱膨
張係数差に由来する引っ張り歪みが導入されたＧａＮ活
性層とを備える。
は、ＺｎＯ基板上に形成された低温成長バッファ層、該
低温成長バッファ層上に形成され該ＺｎＯ基板との熱膨
張係数差に由来する引っ張り歪みが導入されたＧａＮ活
性層とを備える。
【００３６】前記構成を採ることに依り、ＧａＮ系活性
層に引っ張り歪みを容易に導入することが可能となっ
て、バンド端ではＣＨバンドのみとなり、状態密度が低
減される為、短波長光を発生する半導体発光装置を低い
しきい値電流密度で発振させることが可能となる。
層に引っ張り歪みを容易に導入することが可能となっ
て、バンド端ではＣＨバンドのみとなり、状態密度が低
減される為、短波長光を発生する半導体発光装置を低い
しきい値電流密度で発振させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に於ける一実施の形態を説明する為の短
波長光発生用半導体レーザを表す要部切断側面図であ
る。
波長光発生用半導体レーザを表す要部切断側面図であ
る。
【図２】価電子帯構造の歪み依存性を表す線図である。
１ ＺｎＯ基板 ２ 低温成長ＧａＮバッファ層 ３ ＧａＮバッファ層 ４ ｎ−（Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 ）Ｎ障壁層 ５ アンドープＧａＮ活性層 ６ ｐ−（Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 ）Ｎ障壁層 ７ ｎ側電極 ８ ｐ側電極
Claims (4)
- 【請求項１】ＺｎＯ基板上に形成された低温成長バッフ
ァ層と、 該低温成長バッファ層上に形成され該ＺｎＯ基板との熱
膨張係数差に由来する引っ張り歪みが導入されたＧａＮ
活性層とを備えてなることを特徴とする半導体発光装
置。 - 【請求項２】ＺｎＯ基板上に形成された低温成長バッフ
ァ層と、 該低温成長バッファ層上に形成され該ＺｎＯ基板との熱
膨張係数差に由来する引っ張り歪みが導入されたＧａＩ
ｎＮ活性層とを備えてなることを特徴とする半導体発光
装置。 - 【請求項３】引っ張り歪みが導入されたＧａＮ活性層を
ＡｌＧａＮ或いはＡｌＩｎＮ或いはＡｌＧａＩｎＮから
選択した材料で構成された障壁層で挟んで形成したダブ
ル・ヘテロ構造を備えてなることを特徴とする請求項１
記載の半導体発光装置。 - 【請求項４】引っ張り歪みが導入されたＧａＩｎＮ活性
層をＡｌＧａＮ或いはＡｌＩｎＮ或いはＡｌＧａＩｎＮ
から選択した材料で構成された障壁層で挟んで形成した
ダブル・ヘテロ構造を備えてなることを特徴とする請求
項２記載の半導体発光装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20447096A JPH1051073A (ja) | 1996-08-02 | 1996-08-02 | 半導体発光装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20447096A JPH1051073A (ja) | 1996-08-02 | 1996-08-02 | 半導体発光装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1051073A true JPH1051073A (ja) | 1998-02-20 |
Family
ID=16491070
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20447096A Withdrawn JPH1051073A (ja) | 1996-08-02 | 1996-08-02 | 半導体発光装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1051073A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2000016411A1 (en) * | 1998-09-10 | 2000-03-23 | Rohm Co., Ltd. | Semiconductor light-emitting device and method for manufacturing the same |
| US6365921B1 (en) * | 1999-06-15 | 2002-04-02 | Pioneer Corporation | Gallium-nitride-based semiconductor light emitting device and fabrication method |
| US7312480B2 (en) | 1998-10-22 | 2007-12-25 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Semiconductor device and method of fabricating the same |
| WO2008029915A1 (en) * | 2006-09-08 | 2008-03-13 | The Furukawa Electric Co., Ltd. | Semiconductor light emitting device and process for producing the same |
| JP2009032985A (ja) * | 2007-07-27 | 2009-02-12 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 半導体発光素子及びその製造方法 |
| CN102651432A (zh) * | 2012-05-17 | 2012-08-29 | 上海大学 | 一种薄膜型led制备的方法 |
-
1996
- 1996-08-02 JP JP20447096A patent/JPH1051073A/ja not_active Withdrawn
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