JPS6255985A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、発光あるいはレーザ発揚する半導体発光素子
に関する。

（従来技術とその問題点） 多元混晶化合物半導体はその構成元素の組み合わせによ
り広い範囲でエネルギーギャップおよび屈折率を変えら
れる。この性質を利用して多元混晶化合物の半導体層を
複数層積層してダブルへテロ構造を形成し、高効率の発
光ダイオードやレーザダイオードが製作されている。し
かるに特性が優れ、信頼性の高いこれらの半導体発光素
子を得るためには各半導体層の格子定数を基板の値と一
致させるか極めて近い値にさせる必要がある。従来広く
用いられているＡＩ！ｘＧａ、−ｘＡｓ（Ｑ≦Ｘ≦１）
系化合物牛導体は、アルミニウム組成Ｘに依らず格子定
数はほぼ一定である。このため、ＡＩ！ｘＧａｔ−ｘＡ
ｓ系では前述のダブルへテロ構造を構成する場合、格子
定数一致の条件を常に満足したまま各層のアルミニウム
組成を設定することができる。また、半導体発光素子の
クラッド層と活性層との間に光導波のための層（光導波
層とよぶ）を挾んだり、或いは光導波層内のアルミニウ
ム組成を層面と垂直方向に連続的に変えても格子定数不
一致の問題は生じない。

ところが近年、ＡＩ！ｘＧａｓ−ｘＡｓ系で得られるよ
りも広い波長範囲（可視光或から赤外或）の発光或いは
レーザ発掘が要求され、他の構成元素から成る化合物半
導体が発光素子を製作するのに用いられるようになった
。可視光域では（Ａ　ｌ　ｘ　Ｇ　ａ　ｓ　−ｘ　）６
，５Ｉ　ｎｏ−ｓ　Ｐ系、ＧａｘＩｎｌ−ｘ　ＰｙＡｓ
　Ｉ−ｙ系などの化合物半導体が、また赤外域ではＧａ
ｘＩｎ　ｓ　−ｘ　ＡｓｙＳｂｌ−ｙ系、ＧａｘＩｒｚ
−ｘＰｙｋｓｓ−ｙ系などの化合物半導体（いずれのｘ
、ｙまＯ＜　ｘ≦１．０＜ｙ≦ｌの値をとる）が用いら
れている。基板用半導体としてはＧａＡｓ、Ｇａｒｂ、
ＩｎＰなどが用いられ、これら基根上に気相成長法（有
機全域熱分解法（ＭＯＶＰＢ）、−・ロダン輸送法（１
−ＩＴＶＰＲ））、液相成長法（ＬＰＥ）、或いは分子
線法（ＭＢＥ）等によシ、ダブルへテロ構造が形成され
ている。このとき基板と格子整合するように多元混晶の
各組成を精密に制御しなければならない。

第３図に（Ａ　／　Ｘ　Ｇ　ａ　ｔ−り０４　Ｉ　ｎ＋
１．Ｓ　Ｐ系を用いＧａ、）４　Ｉ　ｎ０４　Ｐを活性
層とするダブルへテロ構造レーザダイオードの従来例を
示す（アプライド・フィジクスーレターズ（Ａｐｐｌ　
−Ｐｈｙｓ−Ｌｅｔ　ｔ−）第４３巻ｐｐ９８７−９８
９（１９８３）。ｎ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板５０１上に例
えばＭＯＣＶＤ法により、ｎ型Ａｊ６．３　Ｇａ（１，
７）（、−５Ｉｎ６４Ｐクラツド層５０２１アンドープ
Ｇａ６．５　Ｉ　”０．Ｓ　Ｐ活性層５０３、ｐ型（Ａ
Ｉ！ｏ、ｓＧ　ａｏ、？　）　６．５　Ｉ　ｎ９．５　
Ｐクラッド／＊　５０４、オーミックコンタクト用ｐ型
Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層５０５を順次形成し、さらにストライ
プ状開口５０９をもつＳｉｎ、膜５０６上にＡ　ｕ　／
　Ｚ　ｎなどのｐ型用１に５０７を、基板５０１の裏面
にＡ　ｕ　Ｇ　ｅ　などのｎ型用電極５０８をそれぞれ
形成したものである。、これは、通常のダブルへテロ構
造であるが、このような比較的簡単な構造のものでもＡ
Ｉ！ＧａＩｎＰ系で実現することはＡ　ｊ　Ｇ　ａ　Ａ
　ｓ系に比べて非常に困難である。その理由を以下に述
べる。Ａ　／　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ系ではアルばニウム（Ａ
Ｉりとガリウム（Ｇａ）の組成比によらずいずれの組成
でもＧａＡｓ基板とほぼ格子整合するが、Ａ　Ｉ　Ｇ　
ａ　Ｉ　ｎ　Ｐ系ではＡＩとＧａのモル分率の和とイン
ジウム（Ｉｎ）のモル分率の比を約１　：　ＩＫ保たな
いと大きな格子不整合を生じる。格子不整合が生ずると
結晶性が劣化し、従って素子特性が劣化することになる
。このようにＡＩＧａＩｎＰ系では多層構造にした場合
、きらには組成を成長時に連続的に変化させる場合には
、格子照合条件を保ったまま組成を変化させることは非
常に困難となる。

第４図ｆａ）は、ＡＩ！ＧａＡｓ系で実現された傾斜屈
折率分離光導波へテロ構造（ＧＲＩＮ−８ＣＨ）レーヂ
アプライド−フィツクス・レターズ（Ａｐｐｌ・Ｐｈｙ
ｓ−Ｌｅｔ、ｔ−）第４０巻ｐｐｚｘ７−２１９（１９
８２））の断面図である。基板面に垂直方向のエネルギ
ーバンド、および屈折率のダイヤグラムを第４図（ｂ）
。

（Ｃ）に併せて示す。ｎｆｉＧａＡｓ基板５２１上にｎ
型Ａ／６．５Ｇａ、、、Ａｓクラッド層５２２、クラッ
ド層５２２から活性層５２４に向かってＡ／組成を０．
４から連続的に０．２まで減らしたｎ型Ａｌ！ＧａＡｓ
グレーディッド層５２３、アンドーグ活性層５２４、活
性層５２４からクラッド層５２６に向かってＡＩ！組成
を０．２から連続的Ｋ　Ｏ，４まで増やしたｐ型Ａ　Ｉ
　Ｇ　ａ　Ａ　ｓグレーティラド層５２５、ｐ型Ａ１０
．５Ｇａ６．５　Ａｓクラッド４５２６、オーミックコ
ンタクト用ｐ型ＧａＡｓ層５２７を順次形成したのち、
ストライプ状開口５３１をもつｓｉｏ、膜５２８上にＡ
　ｕ　／　Ｚ　ｎなどのｐ型用を極５２９を、基板５２
１の裏面にＡ　ｕ　Ｇ　ｅなどのｎ型用電極５３０をそ
れぞれ形成したものである。活性Ｎ５２４の厚みを５０
０Ａ以下にすることと、Ａ／組成の傾斜をもつグレーデ
ィッド層５２３および５２５をもっことにより、従来の
ダブルへテロ構造と較べて、そのレーザ発振閾値を大幅
に低減することができるが、発揚可能な波長範囲が０．
７〜０．８７μｍに限られるという欠点がある。これ以
外の可視域、赤外域の波長範囲の発振を得るにはＡＩ！
ＧａＡｓ糸を用いたのではためでＡＩ！ＧａＩｎＰ六〇
ａＩｎＡｓＳｂ系などＡ、ｇＧａＡｓ系以外の材料を用
いなければならない。ところがこれらの材料は基板と格
子整合するためには組成の厳しい制御が必要となり、高
機能、高性能化のだめの複雑な多層構造をとることが非
猟に困難であった。

（発明の目的） 本発明の目的は、このような従来の欠点を除去し、広い
波長範囲にわたって発光し、高性能、高機能、高信頼性
を有する半導体発光素子を提供することにある。

（発明の構成） 本発明によれば、ガリウムおよびアルミニウムののうち
一方或いはその両方を用族元素としてもつ二元或いは三
元ｍ−ｖ化合物半導体基板上に、多元化合物半導体より
成る活性層と、この活性層の上下両面に設けられた活性
層よりも大きなエネルギーギャップと小さな屈折率をも
つ多元化合物半導体より成るクラッド層とを有する半導
体発光素子において、活性層と一方のクラッド層或いは
両方のクラッド層との間にガリウムおよびアルミニウム
のうち一方或いはその両方を用族元素としてもちかつ活
性層よりも大きなエネルギーギャップと小さな屈折率を
もつ二元或いは三元化合物半導体層をもつ構造をそなえ
た半導体発光素子が得られる。さらに活性層とクラッド
層との間に形成された化合物半導体層のアルミニウム組
成が、活性層に接する側からクラッド層に接する側に向
かって大きくなる前述の半導体発光素子が得られる。

（実施例） 以下１図面を用いて本発明の詳細な説明する。

本発明のＭ−４１の実施例を第１図に示す。第１図（ａ
＞は第１の実施例の模式図、第１図（ｂｌは第１の実施
例のエネルギーバンドダイヤグラム、第１図ＩＣ）は第
１の実施例の屈折率ダイヤグラムをそれぞれ示す。第１
図（ａｌ　、　（ｂｌ　、　（Ｃ）で共通する部分は同
じ番号を附した。本実施例は波長０．６５μｍで発振す
る赤色可視光半導体レーザの構造を示しており、その形
成法は次のとおシである。ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に
エピタキシャル成長法によシ厚さ１．０μｍのｎ型（Ａ
ｌａ、ｓ　Ｇ　３ｏ、ｒ　）　ｏ、ｓ　Ｉ　ｎｏ、　ｉ
　Ｐクラッド層１０２゜厚さ０．４μｍのｎ型Ａｌ！６
．５０ａ（１，５Ａｓガイド層１０３、厚さ０．０：（
μｍのアンドープＧａ６，５　Ｉｎ６．５　Ｐ活性層１
０４、厚さ０．４μｍのｐ型Ａｌ！ｏ、ｓ　Ｇａ□、５
　Ａｓガイド層１０５、厚さ１．０μｍのｐ型（ｋ１６
．ｓ　Ｇａ（、，７）ｏ、５Ｉｎ（１，５Ｐクラッド層
１０６、厚さｌ、９３ｍのｐ型ＧａＡｓ層１０７を順次
成長する。エピタキシャル成長法としてはＭＯＶＰＥ法
、ＭＢＥ法等のいずれでもよい。さらにストライブ状開
口（幅ｌＯμｍ）−Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板１０１上にＡ　
ｕ　／　Ｇ　ｅ合金によるｎ電極１）０を形成て完成す
る。活性層１０４にはストライプ状に電流が注入され励
起されて効率よい発振が可能となる。成長層方向の距離
Ｘに対するエネルギバンドダイヤグラムおよび屈折率ダ
イヤグラムを第１図（ｂｌ　、　（ｃ）にそれぞれ示す
。注入されたキャリアは第１図（ｂ）に示されているよ
うに、最もエネルギーギャップの小さなＧ　ａ６．５　
Ｉ　ｎｏ、Ｓ　Ｐ活性層１０４に閉じこめられレーザ発
振に寄与する。本実施例は、活性層でのキャリア密度を
高め、レーザ発振閾電流値を下げるために活性層１０４
の厚さは０．０３μｍと薄くしであるので、光は活性層
１０４のみに閉じこめられず光のガイド量１０３゜１０
５中にも拡がる。屈折率のダイヤグラム第１図（Ｃ）で
わかるように、ガイド層１０３，１０５および活性層１
０４の屈折率はクラッド層１０２，１０６のそれよりも
大きいので、レーザ発振光は活性層１０４および光のガ
イド層１０３．１０５に閉じ込められる。光および注入
キャリアの閉じ込めを十分に行なうには、そのために必
要な屈折率差、エネルギーギャップ差をもつクラッド層
で活性層を挾まねばならない。その役割を担うのが（Ａ
ｌｏ、５Ｇａ０，７　）（、，５Ｉ　ｎｏ、Ｉｓ　Ｐク
ラッド層１０２および１０６である。諒１図（ｂ）およ
び（Ｃ１に示されているように、エネルギーギャップは
活性層１０４、ガイド層１０３および１０５、クラッド
層１０２および１０６の順に大きくなり、屈折率はこの
順番で小さくなっている。Ａ　７１　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ系
では、Ｇ　ａ　Ｉ　ｎ　Ｐに対して、充分なエネルギー
ギャップ差および屈折率差をとることができないので、
クラッド層としてはＡｌＧａ工ｎＰを用いる必要がある
。ところがガイド層に対してはＡ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ
系でも、本実施例の如く適当なＡＩ組成のものを用いれ
ば、その効果を十分果たすことができる。ガイド層とし
て適当な組成のＡｌＧａＩｎＰ系を用いることもできる
が、この場合、基板と格子整合を保つ組成にする必要が
あシ、結晶成長の際の困難度、素子にした場合の信頼性
維持の困難さが憎すことになり、素子歩留りも低下する
。そこで本実施例の如く、組成の如何に拘わらず基板と
格子整合するＡ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓを用いることによ
りこれらの不都合は解消され、しかも所望の素子特性を
得ることができる。

本発明の第２の実施例を第２図に示す。第２図（ａ）は
第２の実施例の模式図、第２図（ｂ）は第２の実施例の
エネルギーバンドダイヤグラム、第２図（Ｃ）は第２の
実施例の屈折率ダイヤグラムをそれぞれ示す。第２図（
ａ）　、　（ｂ）　、　（Ｃ）で共通する部分は同じ番
号を附した。本実施例は波長０．６３６ｎｍで発振する
低発振閾値赤色可視光半導体レーザの構造を示しておシ
、その形成法を次に説明する。エピタキシャル結晶成長
法としては、ＭＢＥ法又はＭＯＶＰＥ法を用いる。まず
ｎ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板２０１上に厚さ１、　Ｏ、！１
　ｍのｎ型（Ａ１６．ｅ　Ｇ　ａｏ、４　）ｏ、ｓ　Ｉ
　ｎｏ、５　Ｐクラッド層２０２を成長する。この上に
成長方向に連続的にＡ１組成が０．７から０５に減少す
るＡｌｘＧａｘ−ｘＡｓグレーディッド層２０３を０４
μｍ成長する。

続いて厚さ０．０１μｍのアンドープ（Ａｌｏ、ＩＯａ
Ｏ，９）ｏ、ｓＩｎ、ＪＰ活性層２０４を成長し、その
上に成長方向に連続的にＡ１組成が０．５から０７に増
加するｋｌ　ｘＧａ　１−　、Ａｓグレーディッド２０
５を０．４　μｍ成長する。さらにその上に厚さ１．０
μｍのｐ型（Ａｌｏ、ｓ　Ｇａ６．４　）ｏ、ｓ　Ｉ　
ｎｏ、Ｓ　ＰクラッドＮ２０６、厚さ１．０μｍのｐ型
Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層２０７を順次成長する。

続いてストライプ状開口（Ｉ唱１０μｍ）２１）をもつ
Ｓｉ偽絶縁膜２０８上にＡ　ｕ　／　Ｚ　ｎ合金にょる
ｎ電極２０９およびｎ−ＧａＡｓ基板２０１上にＡ　ｕ
　／　Ｇ　ｅ合金によるｎ電極２１０を形成する。

成長層方向の距Ｍｉｘに対するエネルギーバンドダイヤ
グラムおよび屈折率ダイヤグラムを第２図（ｂ）。

（Ｃ）にそれぞれ示す。注入されたキャリアは第２図（
ｂ）で示されているように最もエネルギーギャップの小
さい（Ａｌｏ、ｔ　ＧａＯ，ｓ）ｏ、ｓ　Ｉｎ６．Ｂ　
Ｐ活性層２０４に閉じ込められレーザ発振に寄与す′る
。本実施例では、活性層を厚さ０．０１μｍとごく薄く
し、前記第１の実施例よりもキャリア密度を高め、また
量子井戸効果を生ぜしめて発振閾値の低下をはかっであ
る。このとき、注入キャリアを効率よく活性層２０４に
集め、かつ光をクラッド層２０２，２０６゜の間に閉じ
込めるためにグレーディッド層２０３゜２０５を設けで
ある。第２図（ｂ）に示したように注入キャリアはブレ
ラディラド層２０３，２０５につくられた電界によシ活
性層２０４に集められ、第２図（Ｃ）に示したような屈
折率分布によシ光は活性層２０４を中心にしてグレーデ
ィッド層２０３゜２０５に亘って閉じ込められる。この
場合、グレーディッド層２０３，２０５には、組成を連
続的に変化させることが要求される。屈折率、エネルギ
ーギャップの値の観点からは、ＡｌＧａＩｎＰ系でも満
足されるのであるが、レーザ素子とする場合には、基板
と格子整合を保つ必要がある。Ａ　Ｉ　Ｇ　ａＩｎＰの
ように一般に組成を変えると格子定数の変わる材料で、
格子定数を一定に保ちながら組成を変えることは非常に
困難である。ところが本実施例のようにＡｌＧａＡｓ系
の材料をグレーディッド層として用いると、連続的に組
成を変えても格子定数はＧ　ａ　Ａ　ｓのそれとほぼ一
致している。またＡ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　Ｓは、ＡｌＧａ
１ｎＰ系のレーザに対しても、本実施例のようにエネル
ギーギャップの値や屈折率に対しての要請を満足する組
成を得ることができる。このようにして製作した素子は
従来のダブルへテロ構造素子と較べて発振閾値を大幅に
低減することができた。これは従来ＡｌＧａＡｓ系で得
らｈている０ＲＩＮ−８ＣＨレーザと同様の効果が本実
施例の構造を以てしても得られていることを意味してい
る。第１および第２の実施例で挙げた化合物組成２層厚
、導伝型などのパラメータは、ここで述べた値に限定さ
ハるものではない。

また本発明は他の化合物の組み合わせにも適用できる。

−例としてｎ型Ｇａｒｂ基板上に１μｍ厚さのｎ型Ａｌ
ｏ、ｓ　Ｇ　ａｏ、５Ｓ　ｂ　、　０．４　ｔｔ　ｍ厚
さのｎ型１４．１ｘＧａｉ−ｘｓｂグレーディッド層（
Ｘ：０．４→０．２）、０．０１μｍ厚さのアンドープ
Ｇａ。、４　Ｉ　ｎ。、６　Ａｓ０，５Ｓｂｏ、ｓ　ｓ
　０．４βｍ厚さのｐ型Ａ　ｌ　ｘ（）ａ　ｓ−ｘ　Ｓ
　ｂグレーディッド層（ｘ　：　ｏ、２→０．４）、１
μｍ厚さのｐ型ｋｌｏ、ｓ　ＧａＯ，５Ｓ　ｂクラッド
層を順に形成した多層構造により波長２．５μｍの赤外
発光の半導体レーザが得られる。

（発明の効果） 以上述べたように、本発明によれば、光およびキャリア
の閉じ込めについては従来ある光ガイド層つきレーザ或
いは傾斜屈折率分離光４波へテロ構造（ＧＲＩＮ−８Ｃ
Ｈ）などの低閾値化レーザの機能を全く損わず、格子不
整合が結晶の品質に及ぼす悪影響を大きく軽減し、裏作
を容易とした半導体発光素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｄはそれぞれ本発明
の第１の実施例の構造、エネルギーバンドダイヤグラム
、屈折率ダイヤグラムを示す図、第２図（ａ）　、　（
ｂ）　、　（Ｃ）はそれぞれ第２の実施例の構造、エネ
ルギダイヤグラム、屈折率ダイヤグラムを示す図、第３
図は従来例を示す概略構造図、第４図（ａ）　、　（ｂ
）　、　（ｃｌけそれぞれ他の従来例の断面図、エネル
ギダイヤグラム、屈折率ダイクグラムを示す。 １０１．２０１．５０１，５２１．−−・ｎ−（）ａＡ
ｓ基板、１０２　、５０２＝”・ｎ　　（Ａｌｏ、ｓ　
Ｇａ０．７）０．８　Ｉｎ（、，５Ｐクラッド層、１０
３　・・・・・・ｎ−Ａｌｏ４　Ｇａ、、５　Ａｓガイ
ド層、１０４，５０３−・−・−アンドープＧａ０，５
　Ｉｎ、、５Ｆ活性層、１０５　・・・−ｐ−Ａｌ、、
５０ａ６４　Ａｓガイド層、１０６ｔ５０４”””ｐ　
　（ＡＪｏ、５Ｇａｏ、ｙ）ｏ、ｓ　Ｉｎ。、５Ｐクラ
ッド層、２０２−−　ｎ−（Ａｌｏ、ｓ　ＧａＱ、４）
０．５ＩｎＯ，ＳＰクラッド層、２０３　、５２３−・
”　ｎ　ＡｌｘＧａｔ−ｘｉｓグレーディッド層、２０
４・・・・・・アンドープ（Ａｌｏ、ｔＧａｏ、９）６
．５　Ｉ　ｎ６．ＢＰ活性層、２０５，５２５・−・−
・−ｐ−ｋｌｘＧａ　１−ｘＡｓＡｓ−ディッド層、２
０６−−−−・−ｐ−（Ａｌｏ、６Ｇ　ａｏ、４）ｏ、
ｓ　Ｉ　ｎｏ、５Ｐクラッド層、５２２・・・−−−ｎ
−Ａ１０．５　（）ａ６，５　Ａｓクラッド層、５２４
・・・・・・アンドープＧａＡｓ活性層、５２６　・−
”　ｐ　Ａｌｏ、ｓ　Ｇａ（、，５Ａｓクラッド層、１
０７，２０７，５０５，５２７・・・−・−ｐ−ＧａＡ
ｓ層、１０８，２０８．’５０６，５２８−・・５ｉＯ
ｚ膜、１０９，２０９，５０７，５２９・・・・・・ｐ
電極、１）０，２１０，５０８，５３（１・・・＝ｎ電
極、１）１．２１），５０９，５３１・・・・・・スト
ライブ状開口０ 代理人　弁理士　　内　原　　　晋 エネルｖ°− 屈析卑 ＣＣ） 第　１　■ エ　ヨト　ン１．　−ｑ”　　− ＜Ｃ＞ 第２　図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガリウムおよびアルミニウムのうちその一方或い
   はその両方をIII族元素としてもつ二元或いは三元III−
   Ｖ化合物半導体基板上に、多元化合物半導体より成る活
   性層と、該活性層の上下両面に設けられた活性層よりも
   大きなエネルギーギャップと小さな屈折率をもつ多元化
   合物半導体より成るクラッド層とを有する半導体発光素
   子において、前記活性層と一方のクラッド層或いは両方
   のクラッド層との間にガリウムおよびアルミニウムのう
   ち一方或いはその両方をIII族元素としてもちかつ前記
   活性層よりも大きなエネルギーギャップと小さな屈折率
   をもつ二元或いは三元化合物半導体層を設けたことを特
   徴とする半導体発光素子。
2. （２）活性層とクラッド層との間に形成された化合物半
   導体層中のアルミニウム組成が、活性層に接する側から
   クラッド層に接する側に向かって大きくされていること
   を特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の半導体発
   光素子。