JPH11307880A - 半導体発光装置 - Google Patents

半導体発光装置

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JPH11307880A
JPH11307880A JP12399098A JP12399098A JPH11307880A JP H11307880 A JPH11307880 A JP H11307880A JP 12399098 A JP12399098 A JP 12399098A JP 12399098 A JP12399098 A JP 12399098A JP H11307880 A JPH11307880 A JP H11307880A
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light emitting
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semiconductor
light
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JP12399098A
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Takashi Takahashi
孝志 高橋
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Ricoh Co Ltd
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Ricoh Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 発光効率を向上させることの可能なＡｌＧａ
ＩｎＮＰ系の半導体発光装置を提供する。 【解決手段】 ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型Ｇａ
Ａｓバッファ層１０２，ｎ型(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ
0.5Ｐクラッド層１０３，ノンドープ(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)
0.5Ｉｎ0.5Ｐ下部光導波層１０４，ノンドープＧａ0.5
Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０５ａ，ノンドープＧａ0.6Ｉｎ0.4
Ｎ0.01Ｐ0.99発光層１０６，ノンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5
Ｐ中間層１０５ｂ，ノンドープ(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉ
ｎ0.5Ｐ上部光導波層１０７，ｐ型(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5
Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１０８，ｐ型Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐス
パイク防止層１０９，ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１０
が順に積層されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光ディスク等の書
き込み装置などに利用可能な半導体発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、発光波長６８０ｎｍ〜６３０ｎｍ
のＡｌＧａＩｎＰ系材料を用いた半導体レーザ素子にお
いては、伝導帯側のバンド不連続が小さいため、高温高
出力動作が困難であることが知られている。高温高出力
動作を実現するため、図７に示すような構造が提案され
ている(特開平０８−３０７００５)。図７の構造は、
(００１)面を有するｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型Ｇａ
Ａｓバッファ層２，ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ光導波層３，膜
厚７ｎｍで歪量１．５％のアンドープＧａＩｎＮＰ圧縮
歪量子井戸層３層と膜厚４ｎｍのアンドープＡｌＧａＩ
ｎＰ無歪量子障壁層２層および量子井戸層両側に膜厚１
０ｎｍとしたアンドープ無歪ＡｌＧａＩｎＰ光分離閉じ
込め層とで構成される多重量子井戸活性層４，ｐ型Ａｌ
ＧａＩｎＰ光導波層５，ｐ型ＡｌＧａＩｎＰエッチスト
ップ層６，ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ光導波層７，ｐ型ＧａＩ
ｎＰ層８を、有機金属気相成長法により順次にエピタキ
シャル成長して構成されている。この後、ホトリソグラ
フィーによりＳｉＯ2マスクを形成し、ケミカルエッチ
ングにより層６に至るまで層８と層７をエッチング除去
してリッジストライプを形成する。次にＳｉＯ2マスク
を残したまま、ｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層兼光吸収層９を
選択成長する。さらにｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０を
埋め込み成長した後、ｐ電極１１およびｎ電極１２を蒸
着する。さらに劈開スクライブして素子の形に切り出し
て、図７の断面構造を有する素子を得る。
【０００３】図７の半導体レーザ素子においては、窒素
を含有したＧａＩｎＮＰ量子井戸層を用いることによ
り、伝導帯バンド不連続比を従来の０．５〜０．６から
０．８〜０．９にまで増大させている。これにより、高
温動作と高出力動作を改善している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本願の
発明者は、ＡｌＧａＩｎＰ層上にＧａＩｎＮＰ層を直接
形成した半導体発光素子では、発光効率を十分高くする
ことは困難であることを見出し、そこで、図８のような
構造を提案した。図８の構造では、ｎ−ＧａＡｓ基板２
１上に、順次に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層２２，ｎ−
(Ａｌx1Ｇａ1-x1)0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層(０＜ｘ１
≦１)２３，ｎ−(Ａｌx2Ｇａ1-x2)0.51Ｉｎ0.49Ｐガイ
ド層(０＜ｘ２＜ｘ１≦１)２４，多重量子井戸構造部
(ＭＱＷ)２５，ｐ−(Ａｌx2Ｇａ1-x2)0.51Ｉｎ0.49Ｐガ
イド層２６，ｐ−(Ａｌx1Ｇａ1-x1)0.51Ｉｎ0.49Ｐクラ
ッド層２７，ｐ−ＧａＡｓコンタクト層２８が形成され
ている。また、多重量子井戸部２５は、ガイド層２４，
２６と同組成の(Ａｌx2Ｇａ1-x2)0.51Ｉｎ0.49Ｐバリア
２９と、Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｎ0.01Ｐ0.99活性層３０との
境界毎にＧａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ中間層３１が挿入された構
造となっている。また、図８では、コンタクト層２８上
に、さらに絶縁膜であるＳｉＯ2層３２とｐ側電極３３
が形成され、また素子の裏面にはｎ側電極３４が形成さ
れている。
【０００５】図８の半導体レーザ素子においては、Ｇａ
0.51Ｉｎ0.49Ｎ0.01Ｐ0.99活性層３０と(Ａｌx2Ｇａ
1-x2)0.51Ｉｎ0.49Ｐバリア層２９または(Ａｌx2Ｇａ
1-x2)0.51Ｉｎ0.49Ｐガイド層２４，２６との境界毎
に、ＡｌとＮを含まないIII−Ｖ族半導体であるＧａ
0.51Ｉｎ0.49Ｐ中間層３１を挿入していることにより、
結晶性の良好なＧａ0.51Ｉｎ0.49Ｎ0.01Ｐ0.99活性層３
０を得ることができ、多重量子井戸構造の発光効率を増
加させることができる。
【０００６】ところで、Ｖ族元素がＡｓやＰからなるII
I−Ｖ族半導体材料に対して窒素(Ｎ)をＶ族構成元素と
して導入すると、禁制帯幅の窒素組成に対するボーイン
グが大きく生じる。このため、比較的小さい窒素組成で
は、禁制帯幅が縮小する。このとき、禁制帯幅の縮小は
主に伝導帯側で生じる。特に、III族元素としてＡｌを
含まない場合には、価電子帯のバンド端は窒素を導入す
ることによって、低エネルギー側にシフトする。そのた
め、ＧａＩｎＮＰ活性層と、窒素を除いて同一組成のＧ
ａＩｎＰ中間層のバンドダイアグラムは、図１(ａ)に示
すようなもの(タイプIIのもの)になってしまう。従っ
て、特に低注入領域において、伝導帯電子と価電子帯正
孔との重なり積分が小さくなり、発光効率が低いという
問題があった。
【０００７】本発明は、発光効率を向上させることの可
能なＡｌＧａＩｎＮＰ系の半導体発光装置を提供するこ
とを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、ＧａＡｓ基板上に、Ｇａx
Ｉｎ1-xＮyＰ1-y混晶半導体からなる発光層と、(Ａｌz
Ｇａ1-z)wＩｎ1-wＰクラッド層または光導波層または障
壁層と、発光層とクラッド層または光導波層または障壁
層との間に積層された、ＡｌとＮを含まないIII−Ｖ族
半導体からなる中間層とを有する半導体発光装置であっ
て、前記中間層は、ＧａＡｓ基板と格子整合し、前記発
光層はＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を有していることを
特徴としている。
【０００９】また、請求項２記載の発明は、ＧａＡｓ基
板上に、ＧａxＩｎ1-xＮyＰ1-y混晶半導体からなる発光
層と、(ＡｌzＧａ1-z)wＩｎ1-wＰクラッド層または光導
波層または障壁層と、発光層とクラッド層または光導波
層または障壁層との間に積層された、ＡｌとＮを含まな
いIII−Ｖ族半導体からなる中間層とを有する半導体発
光装置であって、前記中間層はＧａＡｓ基板と格子整合
し、前記発光層はＧａＡｓ基板に対して引張歪を有して
いることを特徴としている。
【００１０】また、請求項３記載の発明は、請求項１ま
たは請求項２記載の半導体発光装置において、ΔＥNを
窒素を添加することによる価電子帯のエネルギー準位の
変化量とし、ΔＥstrainを歪を加えたことによる価電子
帯のエネルギー準位の変化量とし、ΔＥvをIII族元素組
成を格子整合条件から変えたことによる価電子帯のエネ
ルギー準位の変化量とするときに、ＧａxＩｎ1-xＮyＰ
1-y混晶半導体からなる発光層が、ΔＥN＋ΔＥstrain＋
ΔＥv＞０を満たすような組成を有していることを特徴
としている。
【００１１】また、請求項４記載の発明は、ＧａＡｓ基
板上に、ＧａxＩｎ1-xＮyＰ1-y混晶半導体からなる発光
層と、(ＡｌzＧａ1-z)wＩｎ1-wＰクラッド層または光導
波層または障壁層と、発光層とクラッド層または光導波
層または障壁層との間に積層された、ＡｌとＮを含まな
いIII−Ｖ族半導体からなる中間層とを有する半導体発
光装置であって、前記発光層にはｐ型不純物がドーピン
グされていることを特徴としている。
【００１２】また、請求項５記載の発明は、ＧａＡｓ基
板上に、ＧａxＩｎ1-xＮyＰ1-y混晶半導体からなる発光
層と、(ＡｌzＧａ1-z)wＩｎ1-wＰクラッド層または光導
波層または障壁層と、発光層とクラッド層または光導波
層または障壁層との間に積層された、ＡｌとＮを含まな
いIII−Ｖ族半導体からなる中間層とを有する半導体発
光装置であって、少なくともｎ型クラッド層側に設けた
中間層にはｎ型不純物がドーピングされていることを特
徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。本発明の第１の実施形態の半導体発
光装置は、ＧａＡｓ基板上に、ＧａxＩｎ1-xＮyＰ1-y混
晶半導体からなる発光層と、(ＡｌzＧａ1-z)wＩｎ1-wＰ
クラッド層または光導波層または障壁層と、発光層とク
ラッド層または光導波層または障壁層との間に積層され
た、ＡｌとＮを含まないIII−Ｖ族半導体からなる中間
層とを有しており、ここで、中間層はＧａＡｓ基板と格
子整合し、発光層はＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を有し
ている。
【００１４】化合物半導体からなるヘテロ構造における
バンドオフセットの理論としては、Harrisonの強結合理
論が広く知られている。また、化合物半導体層に圧縮歪
を加えたときの伝導帯と価電子帯のバンド端シフト量Δ
Ｅc，ΔＥvは次式で表される。
【００１５】
【数１】ΔＥc＝−２ａ{(Ｃ11−Ｃ12)／Ｃ11}ε ΔＥv＝２ａ'{(Ｃ11−Ｃ12)／Ｃ11}ε−ｂ{(Ｃ11＋２Ｃ
12)／Ｃ11}ε
【００１６】ここで、ａは伝導帯の静水圧変形ポテンシ
ャル，ａ'は価電子帯の静水圧変形ポテンシャル，ｂは
軸性変形ポテンシャル，εは格子歪，Ｃ11，Ｃ12は弾性
定数である。
【００１７】図２(ａ)には、上記のHarrison理論と圧縮
歪によるエネルギー準位のシフトから求めた、ＧａＡｓ
基板上に圧縮歪ＧａxＩｎ1-xＰを形成したときの伝導帯
と価電子帯のエネルギーレベルＥc，Ｅvが示されてい
る。なお、歪量のパラメータは、Ｇａ組成量ｘとなる。
図２(ａ)から、Ｇａ組成ｘを格子整合条件であるｘ＝
０．５２よりも小さくして、膜に圧縮歪を有するように
していくと、価電子帯のエネルギーレベルＥvがＧａＡ
ｓ基板と格子整合している場合よりも高エネルギー側に
シフトすることがわかる。従って、中間層としてＧａＡ
ｓと格子整合するＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐを用い、発光層とし
て圧縮歪ＧａＩｎＮＰを用いると、図１(ｂ)に示すよう
に、窒素を導入したことによる価電子帯バンド端のシフ
ト量が補償されて、ＧａＩｎＰ中間層との価電子帯バン
ド不連続が小さくなる。これにより、ＧａＩｎＮＰ発光
層からＧａＩｎＰ中間層への正孔の漏れを小さくするこ
とができ、発光効率を改善することができる。
【００１８】また、本発明の第２の実施形態の半導体発
光装置は、ＧａＡｓ基板上に、ＧａxＩｎ1-xＮyＰ1-y混
晶半導体からなる発光層と、(ＡｌzＧａ1-z)wＩｎ1-wＰ
クラッド層または光導波層または障壁層と、発光層とク
ラッド層または光導波層または障壁層との間に積層され
た、ＡｌとＮを含まないIII−Ｖ族半導体からなる中間
層とを有しており、ここで、中間層はＧａＡｓ基板と格
子整合し、発光層はＧａＡｓ基板に対して引張歪を有し
ている。
【００１９】化合物半導体の真空準位を基準とした伝導
帯下端と価電子帯上端のエネルギーレベルについては、
例えば文献「Appl.Phys.Lett.,Vol.60,No.5,pp.630-632
(1992)」からも知ることができる。また、化合物半導体
層に引張歪を加えたときの伝導帯と価電子帯のバンド端
シフト量ΔＥc，ΔＥvは次式で表される。
【００２０】
【数２】ΔＥc＝−２ａ{(Ｃ11−Ｃ12)／Ｃ11}ε ΔＥv＝２ａ'{(Ｃ11−Ｃ12)／Ｃ11}ε＋ｂ{(Ｃ11＋２Ｃ
12)／Ｃ11}ε
【００２１】図２(ｂ)には、ＧａＡｓ基板上に引張歪Ｇ
ａxＩｎ1-xＰを形成したときの伝導帯と価電子帯のエネ
ルギーレベルＥc，Ｅvを求めた結果が示されている。な
お、歪量のパラメータは、Ｇａ組成量ｘとなる。図２
(ｂ)から、Ｇａ組成ｘを格子整合条件であるｘ＝０．５
２よりも大きくして、膜に引張歪を有するようにしてい
くと、価電子帯のエネルギーレベルＥvがＧａＡｓ基板
と格子整合している場合よりも高エネルギー側にシフト
することがわかる。従って、中間層としてＧａＡｓと格
子整合するＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐを用い、発光層として引張
歪ＧａＩｎＮＰを用いると、図１(ｃ)に示すように、窒
素を導入したことによる価電子帯バンド端のシフト量が
補償されて、ＧａＩｎＰ中間層との価電子帯バンド不連
続が小さくなる。そのため、ＧａＩｎＮＰ発光層からＧ
ａＩｎＰ中間層への正孔の漏れを小さくすることがで
き、発光効率を改善することができる。
【００２２】なお、引張歪の場合には圧縮歪の場合とは
異なり、図２(ｂ)からわかるように、伝導帯下端も高エ
ネルギー側にシフトしている。引張歪ＧａＩｎＮＰ発光
層の伝導帯下端が、格子整合ＧａＩｎＰ中間層の伝導帯
下端よりも上になってしまうと、逆に電子の閉じ込めが
低下してしまうので、引張歪ＧａＩｎＮＰ発光層の伝導
帯下端が、格子整合ＧａＩｎＰ中間層の伝導帯下端より
も下に位置するように引張歪量，窒素組成を制御する必
要がある。
【００２３】また、上述の第１，第２の実施形態の半導
体発光装置において、ＧａxＩｎ1-xＮyＰ1-y混晶半導体
からなる発光層は、次式を満たすような組成を有してい
るのが良い。
【００２４】
【数３】ΔＥN＋ΔＥstrain＋ΔＥv＞０
【００２５】ここで、ΔＥNは窒素を添加することによ
る価電子帯のエネルギー準位(レベル)Ｅvの変化量，Δ
Ｅstrainは歪を加えたことによる価電子帯のエネルギー
準位(レベル)Ｅvの変化量，ΔＥvはIII族元素組成を格
子整合条件から変えたことによる価電子帯のエネルギー
準位(レベル)Ｅvの変化量である。
【００２６】ＧａＩｎＮＰ発光層が上式(数３)を満たす
場合には、格子整合ＧａＩｎＰ中間層とヘテロ構造を形
成させると、バンドダイアグラムは、図１(ｄ)に示すよ
うになる(タイプＩのものになる)。この場合には、伝導
帯電子と価電子帯正孔の両方がＧａＩｎＮＰ発光層に集
中するため、素子の発光効率を向上させることができ
る。
【００２７】また、本発明の第３の実施形態の半導体発
光装置は、ＧａＡｓ基板上に、ＧａxＩｎ1-xＮyＰ1-y混
晶半導体からなる発光層と、(ＡｌzＧａ1-z)wＩｎ1-wＰ
クラッド層または光導波層または障壁層と、発光層とク
ラッド層または光導波層または障壁層との間に積層され
た、ＡｌとＮを含まないIII−Ｖ族半導体からなる中間
層とを有しており、ここで、発光層にはｐ型不純物がド
ーピングされている。
【００２８】一般に、半導体層にｐ型不純物をドーピン
グすると、半導体層のフェルミ準位(Ｅfp)は低エネルギ
ー側にシフトする。ヘテロ接合では、フェルミ準位が一
致するように接合されるため、注入キャリア密度がＧａ
ＩｎＮＰ発光層のｐ型ドーピング濃度よりも低い領域で
は、ＧａＩｎＮＰ発光層の価電子帯上端はノンドープの
場合に比べて高エネルギー側にシフトする。そのため、
ＧａＩｎＮＰ発光層の価電子帯上端と格子整合ＧａＩｎ
Ｐ中間層の価電子帯上端のエネルギー準位とのバンド不
連続は小さくなる。すなわち、ＧａＩｎＮＰ発光層の価
電子帯上端は、格子整合ＧａＩｎＰ中間層の価電子帯上
端のエネルギー準位よりも上に位置するようになる(図
１(ｅ))。従って、ｐ型不純物の低注入領域において、
ＧａＩｎＮＰ発光層からＧａＩｎＰ中間層への正孔の漏
れを小さくすることができ、これによって、発光効率を
改善することができる。
【００２９】また、本発明の第４の実施形態の半導体発
光装置は、ＧａＡｓ基板上に、ＧａxＩｎ1-xＮyＰ1-y混
晶半導体からなる発光層と、(ＡｌzＧａ1-z)wＩｎ1-wＰ
クラッド層または光導波層または障壁層と、発光層とク
ラッド層または光導波層または障壁層との間に積層され
た、ＡｌとＮを含まないIII−Ｖ族半導体からなる中間
層とを有しており、ここで、少なくともｎ型クラッド層
側に設けられた中間層に、ｎ型不純物がドーピングされ
ている。
【００３０】一般に、半導体層にｎ型不純物をドーピン
グすると、半導体層のフェルミ準位(Ｅfn)は高エネルギ
ー側にシフトする。ヘテロ接合では、フェルミ準位が一
致するように接合されるため、注入キャリア密度がＧａ
ＩｎＮ中間層のｎ型ドーピング濃度よりも低い領域で
は、ＧａＩｎＰ中間層の価電子帯上端はノンドープの場
合に比べて低エネルギー側にシフトする。そのため、Ｇ
ａＩｎＰ中間層の価電子帯上端とＧａＩｎＮＰ発光層と
の価電子帯バンド不連続は小さくなる。すなわち、Ｇａ
ＩｎＰ中間層の価電子帯上端は、ＧａＩｎＮＰ発光層の
価電子帯上端のエネルギー位置よりも下に位置するよう
になる(図１(ｆ))。従って、低注入領域において、Ｇａ
ＩｎＮＰ発光層からＧａＩｎＰ中間層への正孔の漏れを
小さくすることができる、これによって、発光効率を改
善することができる。
【００３１】
【実施例】実施例１ 図３は実施例１の半導体発光装置(半導体レーザ素子)を
示す図であり、実施例１(図３)は、本発明の第２の実施
形態による半導体発光装置の具体例となっている。図３
を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型Ｇａ
Ａｓバッファ層１０２，ｎ型(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ
0.5Ｐクラッド層１０３，ノンドープ(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)
0.5Ｉｎ0.5Ｐ下部光導波層１０４，ノンドープＧａ0.5
Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０５ａ，ノンドープＧａ0.6Ｉｎ0.4
Ｎ0.01Ｐ0.99発光層１０６，ノンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5
Ｐ中間層１０５ｂ，ノンドープ(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉ
ｎ0.5Ｐ上部光導波層１０７，ｐ型(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5
Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１０８，ｐ型Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐス
パイク防止層１０９，ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１０
が順に積層されている。
【００３２】ここで、各層の結晶成長方法としては、有
機金属気相成長法を用いた。また、ｎ型(Ａｌ0.7Ｇａ
0.3)0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１０３の層厚は１μｍ，ノ
ンドープ(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ下部光導波層１
０４の層厚は０．１μｍ，ノンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ
中間層１０５ａの層厚は２ｎｍ，ノンドープＧａ0.6Ｉ
ｎ0.4Ｎ0.01Ｐ0.99発光層１０６の層厚は３０ｎｍ，ノ
ンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０５ｂの層厚は２ｎ
ｍ，ノンドープ(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部光導
波層１０７の層厚は０．１μｍ，ｐ型(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)
0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１０８の層厚は１μｍ，ｐ型Ｇ
ａ0.5Ｉｎ0.5Ｐスパイク防止層１０９の層厚は５０ｎ
ｍ，ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１０の層厚は０．５ｎ
ｍとした。
【００３３】そして、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１０
を幅５μｍのストライプ形状に残してエッチングした
後、積層構造表面にＳｉＯ2絶縁膜１１１を堆積し、フ
ォトリソグラフィー工程とエッチングによってｐ型Ｇａ
Ａｓコンタクト層１１０上のＳｉＯ2絶縁膜１１１を除
去して電流注入領域を形成し、さらにその上に、ｐ側オ
ーミック電極１１２を蒸着した。また、ｎ型ＧａＡｓ基
板１０１の裏面にはｎ側オーミック電極１１３を形成し
た。
【００３４】図３の半導体レーザ素子では、Ａｌを構成
元素として含むノンドープ(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5
Ｐ光導波層１０４，１０７と、Ｎを構成元素として含む
ノンドープＧａ0.6Ｉｎ0.4Ｎ0.01Ｐ0.99発光層１０６と
の間に、ＡｌとＮを構成元素として含まないノンドープ
Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０５ａ，１０５ｂが挿入され
ている。これにより、ノンドープＧａ0.6Ｉｎ0.4Ｎ0.01
Ｐ0.99発光層１０６の結晶性を改善して、発光層の発光
効率を向上させている。
【００３５】さらに、ノンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間
層１０５ａ，１０５ｂは、ＧａＡｓ基板１０１に対して
格子整合する組成となっており、ノンドープＧａ0.6Ｉ
ｎ0.4Ｎ0.01Ｐ0.99発光層１０６は、基板１０１に対し
て、０．６％の引張歪を有している。格子整合したＧａ
0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０５ａ，１０５ｂに窒素(Ｎ)を１
％導入すると、禁制帯幅は約１５０ｍｅＶ縮小し、価電
子帯上端のエネルギー準位は約１８ｍｅＶのレベル分Δ
ＥNだけ低下する(ΔＥN＝１８ｍｅＶ)。一方、ＧａＩｎ
Ｐの組成を変えて引張歪を有するようにした場合には
(すなわち、例えばＧａ0.6Ｉｎ0.4Ｐとした場合には)、
図２(ｂ)より、Ｇａ0.6Ｉｎ0.4Ｐの価電子帯上端のエネ
ルギー準位はＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐに比べて、約３４ｍｅＶ
上昇する(ΔＥstrain＋ΔＥv＝３４ｍｅＶ)。従って、
ΔＥN＋ΔＥstrain＋ΔＥv＞０を満足しており、ノンド
ープＧａ0.6Ｉｎ0.4Ｎ0.01Ｐ0.99発光層１０６の価電子
帯上端は、ノンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０５
ａ，１０５ｂの価電子帯上端よりも上に位置するように
なる(図１(ｄ))。
【００３６】また、ノンドープＧａ0.6Ｉｎ0.4Ｎ0.01Ｐ
0.99発光層１０６の伝導帯下端のエネルギー準位は、ノ
ンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０５ａ，１０５ｂの
伝導帯下端よりも約８０ｍｅＶ低下する(図１(ｄ))。こ
れにより、ノンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０５
ａ，１０５ｂとノンドープＧａ0.6Ｉｎ0.4Ｎ0.01Ｐ0.99
発光層１０６のＤＨ構造(ダブルヘテロ接合構造)はタイ
プＩになる。従って、伝導帯電子と価電子帯正孔の両方
がノンドープＧａ0.6Ｉｎ0.4Ｎ0.01Ｐ0.99発光層１０６
に集中するため、発光効率が向上する。
【００３７】このように、実施例１では、中間層として
ＧａＡｓと格子整合するＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐを用い、発光
層として引張歪ＧａＩｎＮＰを用いているため、窒素
(Ｎ)を導入したことによる価電子帯バンド端のシフト量
が補償されて、ＧａＩｎＰ中間層との価電子帯バンド不
連続が小さくなり、これによって、ＧａＩｎＮＰ発光層
からＧａＩｎＰ中間層への正孔の漏れを小さくすること
ができ、発光効率を改善することができる。
【００３８】実施例２ 図４は本発明の実施例２の半導体発光装置(半導体レー
ザ素子)を示す図であり、実施例２(図４)は、本発明の
第１の実施形態の具体例となっている。図４において、
発光層以外の構造は実施例１と同様にして形成した。す
なわち、図４を参照すると、ノンドープ(Ａｌ0.5Ｇａ
0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ下部光導波層１０４上には、層厚２ｎ
ｍのノンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０５ａ，層厚
３０ｎｍのノンドープＧａ0.45Ｉｎ0.55Ｎ0.01Ｐ0.99発
光層２０１，層厚２ｎｍのノンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ
中間層１０５ｂ，ノンドープ(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ
0.5Ｐ上部光導波層１０７が順に積層されている。
【００３９】図４の半導体レーザ素子では、Ａｌを構成
元素として含むノンドープ(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5
Ｐ光導波層１０４，１０７と、Ｎを構成元素として含む
ノンドープＧａ0.45Ｉｎ0.55Ｎ0.01Ｐ0.99発光層２０１
との間に、ＡｌとＮを構成元素として含まないノンドー
プＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０５ａ，１０５ｂを設けて
いることにより、ノンドープＧａ0.45Ｉｎ0.55Ｎ0.01Ｐ
0.99発光層２０１の結晶性が改善され、発光効率を向上
させている。
【００４０】さらに、ノンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間
層１０５ａ，１０５ｂは、ＧａＡｓ基板１０１に対して
格子整合する組成となっており、ノンドープＧａ0.45Ｉ
ｎ0.55Ｎ0.01Ｐ0.99発光層２０１は基板に対して、約
０．５％の圧縮歪を有している。格子整合したＧａ0.5
Ｉｎ0.5ＰにＮを１％導入すると、禁制帯幅は約１５０
ｍｅＶ縮小し、価電子帯上端のエネルギー準位は約１８
ｍｅＶのレベル分ΔＥNだけ低下する(ΔＥN＝１８ｍｅ
Ｖ)。一方、ＧａＩｎＰの組成を変えて圧縮歪を有する
ようにした場合には(すなわち、例えばＧａ0.45Ｉｎ
0.55Ｐとした場合には)、図２(ａ)より、Ｇａ0.45Ｉｎ
0.55Ｐの価電子帯上端のエネルギー準位はＧａ0.5Ｉｎ
0.5Ｐに比べて、約３３ｍｅＶ上昇する(ΔＥstrain＋Δ
Ｅv＝３３ｍｅＶ)。従って、ΔＥN＋ΔＥstrain＋ΔＥv
＞０を満足しており、ノンドープＧａ0.45Ｉｎ0.55Ｎ
0.01Ｐ0.99発光層２０１の価電子帯上端は、ノンドープ
Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０５ａ，１０５ｂの価電子帯
上端よりも上に位置するようになる(図１(ｄ))。
【００４１】また、ノンドープＧａ0.45Ｉｎ0.55Ｎ0.01
Ｐ0.99発光層２０１の伝導帯下端のエネルギー準位は、
ノンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０５ａ，１０５ｂ
の伝導帯下端よりも下に位置する(図１(ｄ))。従って、
ノンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０５ａ，１０５ｂ
とノンドープＧａ0.45Ｉｎ0.55Ｎ0.01Ｐ0.99発光層２０
１のＤＨ構造(ダブルヘテロ接合構造)はタイプＩにな
る。従って、伝導帯電子と価電子帯正孔の両方がノンド
ープＧａ0.45Ｉｎ0.55Ｎ0.01Ｐ0.99発光層２０１に集中
するため、発光効率が向上する。
【００４２】このように、実施例２では、中間層として
ＧａＡｓと格子整合するＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐを用い、発光
層として圧縮歪ＧａＩｎＮＰを用いているため、窒素
(Ｎ)を導入したことによる価電子帯バンド端のシフト量
が補償されて、ＧａＩｎＰ中間層との価電子帯バンド不
連続が小さくなり、これによって、ＧａＩｎＮＰ発光層
からＧａＩｎＰ中間層への正孔の漏れを小さくすること
ができ、発光効率を改善することができる。
【００４３】実施例３ 図５は本発明の実施例３の半導体発光装置(半導体レー
ザ素子)を示す図であり、実施例３(図５)は、本発明の
第３の実施形態の具体例となっている。図５において、
発光層以外の構造は実施例１と同様にして形成した。す
なわち、図５を参照すると、ノンドープ(Ａｌ0.5Ｇａ
0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ下部光導波層１０４上には、層厚２ｎ
ｍのノンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０５ａ，層厚
３０ｎｍのＭｇドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｎ0.01Ｐ0.99発光
層３０１，層厚２ｎｍのノンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ中
間層１０５ｂ，ノンドープ(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5
Ｐ上部光導波層１０７が積層されている。ここで、Ｍｇ
ドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｎ0.01Ｐ0.99発光層３０１のＭｇ
ドーピング濃度は２×１０18ｃｍ-3とした。
【００４４】Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｎ0.01Ｐ0.99にｐ型不純物
であるＭｇをドーピングすると、フェルミ準位が低エネ
ルギー側にシフトする。ヘテロ接合では、フェルミ準位
が一致するように接合されるため、注入キャリア密度が
Ｍｇドーピング濃度よりも低い領域では、ＭｇドープＧ
ａ0.5Ｉｎ0.5Ｎ0.01Ｐ0.99発光層３０１の価電子帯上端
はノンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｎ0.01Ｐ0.99の場合に比べ
て高エネルギー側にシフトする。これにより、Ｍｇドー
プＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｎ0.01Ｐ0.99発光層３０１の価電子帯
上端はノンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０５との価
電子帯バンド不連続が小さくなる。すなわち、Ｍｇドー
プＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｎ0.01Ｐ0.99発光層３０１の価電子帯
上端はノンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０５の価電
子帯上端のエネルギー準位よりも上に位置するようにな
る(図１(ｅ))。従って、特に低注入領域において、Ｍｇ
ドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｎ0.01Ｐ0.99発光層３０１からノ
ンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層１０５ａ，１０５ｂへ
の正孔の漏れを小さくすることができ、発光効率を改善
することができる。
【００４５】実施例４ 図６は本発明の実施例４の半導体発光装置(半導体レー
ザ素子)を示す図であり、実施例４(図６)は、本発明の
第４の実施形態の具体例となっている。図６において、
発光層近傍以外の構造は実施例１と同様にして形成し
た。すなわち、図６を参照すると、ノンドープ(Ａｌ0.5
Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐ下部光導波層１０４上には、層厚
２ｎｍのＳｉドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層４０１，層
厚３０ｎｍのノンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｎ0.01Ｐ0.99発
光層４０２，層厚２ｎｍのノンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ
中間層１０５ｂ，ノンドープ(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ
0.5Ｐ上部光導波層１０７が積層されている。ここで、
ＳｉドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層４０１のＳｉドーピ
ング濃度は５×１０18ｃｍ-3とした。
【００４６】Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐにｎ型不純物であるＳｉ
をドーピングすると、フェルミ準位が高エネルギー側に
シフトする。ヘテロ接合では、フェルミ準位が一致する
ように接合されるため、注入キャリア密度がＳｉドーピ
ング濃度よりも低い領域では、ＳｉドープＧａ0.5Ｉｎ
0.5Ｐ中間層４０１の価電子帯上端はノンドープＧａ0.5
Ｉｎ0.5Ｐの場合に比べて低エネルギー側にシフトす
る。これにより、ＳｉドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層４
０１の価電子帯上端はノンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｎ0.01
Ｐ0.09発光層４０２との価電子帯バンド不連続が小さく
なる。すなわち、ＳｉドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間層４
０１の価電子帯上端はノンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｎ0.01
Ｐ0.09発光層４０２の価電子帯上端のエネルギー位置よ
りも下に位置するようになる(図１(ｆ))。従って、特に
低注入領域において、ノンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｎ0.01
Ｐ0.09発光層４０２からＳｉドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ中
間層４０１への正孔の漏れを小さくすることができ、発
光効率を改善することができる。
【００４７】
【発明の効果】以上に説明したように、請求項１記載の
発明によれば、ＧａＡｓ基板上に、ＧａxＩｎ1-xＮyＰ
1-y混晶半導体からなる発光層と、(ＡｌzＧａ1-z)wＩｎ
1-wＰクラッド層または光導波層または障壁層と、発光
層とクラッド層または光導波層または障壁層との間に積
層された、ＡｌとＮを含まないIII−Ｖ族半導体からな
る中間層とを有する半導体発光装置であって、前記中間
層は、ＧａＡｓ基板と格子整合し、前記発光層はＧａＡ
ｓ基板に対して圧縮歪を有しているので、発光層から中
間層への正孔の漏れを小さくすることができ、発光効率
を改善することができる。
【００４８】また、請求項２記載の発明によれば、Ｇａ
Ａｓ基板上に、ＧａxＩｎ1-xＮyＰ1-y混晶半導体からな
る発光層と、(ＡｌzＧａ1-z)wＩｎ1-wＰクラッド層また
は光導波層または障壁層と、発光層とクラッド層または
光導波層または障壁層との間に積層された、ＡｌとＮを
含まないIII−Ｖ族半導体からなる中間層とを有する半
導体発光装置であって、前記中間層はＧａＡｓ基板と格
子整合し、前記発光層はＧａＡｓ基板に対して引張歪を
有しているので、発光層から中間層への正孔の漏れを小
さくすることができ、発光効率を改善することができ
る。
【００４９】また、請求項３記載の発明によれば、請求
項１または請求項２記載の半導体発光装置において、Δ
ＥNを窒素を添加することによる価電子帯のエネルギー
準位の変化量とし、ΔＥstrainを歪を加えたことによる
価電子帯のエネルギー準位の変化量とし、ΔＥvをIII族
元素組成を格子整合条件から変えたことによる価電子帯
のエネルギー準位の変化量とするときに、ＧａxＩｎ1-x
ＮyＰ1-y混晶半導体からなる発光層が、ΔＥN＋ΔＥ
strain＋ΔＥv＞０を満たすような組成を有しているの
で、ＧａＩｎＮＰ発光層と格子整合ＧａＩｎＰ中間層と
でヘテロ構造を形成すると、バンドダイアグラムがタイ
プＩになり、伝導帯の電子と価電子帯の正孔との両方が
ＧａＩｎＮＰ発光層に集中し、素子の発光効率を向上さ
せることができる。
【００５０】また、請求項４記載の発明によれば、Ｇａ
xＩｎ1-xＮyＰ1-y発光層にはｐ型不純物がドーピングさ
れているので、注入キャリア密度がＧａＩｎＮＰ発光層
のｐ型ドーピング濃度よりも低い領域では、ＧａＩｎＮ
Ｐ発光層の価電子帯上端はノンドープの場合に比べて高
エネルギー側にシフトし、従って、低注入領域におい
て、ｐ型ドープＧａＩｎＮＰ発光層からＧａＩｎＰ中間
層への正孔の漏れを小さくすることができ、発光効率を
改善することができる。
【００５１】また、請求項５記載の発明によれば、少な
くともｎ型クラッド層側に設けた中間層にはｎ型不純物
がドーピングされているので、注入キャリア密度が中間
層のｎ型ドーピング濃度よりも低い領域では、中間層の
価電子帯上端はノンドープの場合に比べて低エネルギー
側にシフトし、従って、低注入領域において、ＧａＩｎ
ＮＰ発光層からｎ型ドープ中間層への正孔の漏れを小さ
くすることができ、発光効率を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】各半導体発光装置のＧａＩｎＰ中間層とＧａＩ
ｎＮＰ発光層のバンドダイアグラムを示す図である。
【図２】ＧａＡｓ基板上のＧａxＩｎ1-xＰ層の伝導帯と
価電子帯のエネルギー準位を示す図である。
【図３】本発明の実施例１による半導体発光装置を示す
図である。
【図４】本発明の実施例２による半導体発光装置を示す
図である。
【図５】本発明の実施例３による半導体発光装置を示す
図である。
【図６】本発明の実施例４による半導体発光装置を示す
図である。
【図７】従来の半導体発光素子を示す図である。
【図８】従来の半導体発光素子を示す図である。
【符号の説明】
１０１ ｎ型ＧａＡｓ基板 １０２ ｎ型ＧａＡｓバッファ層 １０３ ｎ型(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ0.5
Ｐクラッド層 １０４ ノンドープ(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5
Ｉｎ0.5Ｐ下部光導波層 １０５ａ，１０５ｂ ノンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5
Ｐ中間層 １０６ ノンドープＧａ0.6Ｉｎ0.4Ｎ0.01
Ｐ0.99発光層 １０７ ノンドープ(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5
Ｉｎ0.5Ｐ上部光導波層 １０８ ｐ型(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ0.5
Ｐクラッド層 １０９ ｐ型Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐスパイク防
止層 １１０ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層 １１１ ＳｉＯ2絶縁膜 １１２ ｐ側オーミック電極 １１３ ｎ側オーミック電極 ２０１ ノンドープＧａ0.45Ｉｎ0.55Ｎ
0.01Ｐ0.99発光層 ３０１ ＭｇドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｎ0.01
Ｐ0.99発光層 ４０１ ＳｉドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ中間
層 ４０２ ノンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｎ0.01
Ｐ0.09発光層

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ＧａＡｓ基板上に、ＧａxＩｎ1-xＮyＰ
    1-y混晶半導体からなる発光層と、(ＡｌzＧａ1-z)wＩｎ
    1-wＰクラッド層または光導波層または障壁層と、発光
    層とクラッド層または光導波層または障壁層との間に積
    層された、ＡｌとＮを含まないIII−Ｖ族半導体からな
    る中間層とを有する半導体発光装置であって、前記中間
    層は、ＧａＡｓ基板と格子整合し、前記発光層はＧａＡ
    ｓ基板に対して圧縮歪を有していることを特徴とする半
    導体発光装置。
  2. 【請求項２】 ＧａＡｓ基板上に、ＧａxＩｎ1-xＮyＰ
    1-y混晶半導体からなる発光層と、(ＡｌzＧａ1-z)wＩｎ
    1-wＰクラッド層または光導波層または障壁層と、発光
    層とクラッド層または光導波層または障壁層との間に積
    層された、ＡｌとＮを含まないIII−Ｖ族半導体からな
    る中間層とを有する半導体発光装置であって、前記中間
    層はＧａＡｓ基板と格子整合し、前記発光層はＧａＡｓ
    基板に対して引張歪を有していることを特徴とする半導
    体発光装置。
  3. 【請求項３】 請求項１または請求項２記載の半導体発
    光装置において、ΔＥNを窒素を添加することによる価
    電子帯のエネルギー準位の変化量とし、ΔＥstrainを歪
    を加えたことによる価電子帯のエネルギー準位の変化量
    とし、ΔＥvをIII族元素組成を格子整合条件から変えた
    ことによる価電子帯のエネルギー準位の変化量とすると
    きに、ＧａxＩｎ1-xＮyＰ1-y混晶半導体からなる発光層
    が、ΔＥN＋ΔＥstrain＋ΔＥv＞０を満たすような組成
    を有していることを特徴とする半導体発光装置。
  4. 【請求項４】 ＧａＡｓ基板上に、ＧａxＩｎ1-xＮyＰ
    1-y混晶半導体からなる発光層と、(ＡｌzＧａ1-z)wＩｎ
    1-wＰクラッド層または光導波層または障壁層と、発光
    層とクラッド層または光導波層または障壁層との間に積
    層された、ＡｌとＮを含まないIII−Ｖ族半導体からな
    る中間層とを有する半導体発光装置であって、前記発光
    層にはｐ型不純物がドーピングされていることを特徴と
    する半導体発光装置。
  5. 【請求項５】 ＧａＡｓ基板上に、ＧａxＩｎ1-xＮyＰ
    1-y混晶半導体からなる発光層と、(ＡｌzＧａ1-z)wＩｎ
    1-wＰクラッド層または光導波層または障壁層と、発光
    層とクラッド層または光導波層または障壁層との間に積
    層された、ＡｌとＮを含まないIII−Ｖ族半導体からな
    る中間層とを有する半導体発光装置であって、少なくと
    もｎ型クラッド層側に設けた中間層にはｎ型不純物がド
    ーピングされていることを特徴とする半導体発光装置。
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