JP2001244575A - Semiconductor light emitting element - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、光記録・読み出し
用光源、光書込み用光源、発光表示装置等に応用される
半導体発光素子に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor light emitting device applied to an optical recording / reading light source, an optical writing light source, a light emitting display, and the like.
【0002】[0002]
【従来の技術】AlGaInP系半導体材料は、発光波
長が635〜670nm帯の赤色レーザー材料として注
目されている。また、近年特に高密度光ディスク用光源
としての期待が大きい。例えば文献「Appl.Phys.Lett.,
vol.63,No.11,1486,1993,watanabe et al」には、Al
GaInP系材料による634nmのレーザー発振が報
告されている。この発光素子は上下のクラッド層にそれ
ぞれpドープ(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pとnドー
プ(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pを用い、クラッド層
の間の活性領域をGa0.65In0.35P/(Al0.5Ga
0.5)0.5In0.5Pよりなる多重量子井戸構造とし、活
性領域と上下のクラッド層の間にアンドープ(Al0.5
Ga0.5)0.5In0.5P光ガイド層(キャリア閉じ込め
層)を設けた分離閉じ込めヘテロ構造(SCH構造)に
よって構成されている。2. Description of the Related Art AlGaInP-based semiconductor materials have attracted attention as red laser materials having an emission wavelength of 635 to 670 nm. In recent years, in particular, there is great expectation as a light source for high-density optical disks. For example, in the document `` Appl.Phys.Lett.,
vol. 63, No. 11, 1486, 1993, watanabe et al '' contains Al
634 nm laser oscillation by a GaInP-based material has been reported. This light emitting element uses p-doped (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P and n-doped (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P for the upper and lower cladding layers, respectively, and the active region between the cladding layers is Ga 0.65 In 0.35. P / (Al 0.5 Ga
0.5 ) 0.5 In0.5 P has a multiple quantum well structure, and an undoped (Al 0.5
Ga 0.5) is constituted by 0.5 an In 0.5 P optical guide layer (separate confinement heterostructure provided carrier confinement layer) (SCH structure).
【0003】AlGaInPでは、Al組成によって屈
折率、バンドギャップエネルギーを調整し、キャリア閉
じ込め層と分離して発振波長オーダーの光閉じ込め層を
設けて活性領域の光強度を増加させ、発振閾値電流を低
減している。しかし、AlGaInP系材料によるダブ
ルヘテロ構造では、活性層とクラッド層のバンドギャッ
プエネルギー差が十分ではなく、さらにヘテロ接合の伝
導帯側バンドオフセット比が十分ではないために、活性
層から光ガイド層、及びクラッド層へ電子が溢れ出し易
いという問題点がある。In AlGaInP, the refractive index and band gap energy are adjusted by the Al composition, and a light confinement layer of an oscillation wavelength order is provided separately from the carrier confinement layer to increase the light intensity in the active region and reduce the oscillation threshold current. are doing. However, in the double hetero structure of the AlGaInP-based material, the band gap energy difference between the active layer and the cladding layer is not sufficient, and the band offset ratio of the heterojunction on the conduction band side is not sufficient. In addition, there is a problem that electrons easily overflow into the cladding layer.
【0004】活性層から溢れ出した電子は、一部がクラ
ッド層に閉じ込められて光ガイド層に分布し、残りがク
ラッド層へリークアウトする。この電子リークによって
素子の閾値電流が増加することは勿論であるが、光ガイ
ド層に溢れ出した電子も素子特性に大きな影響を与え
る。光ガイド層に電子が溢れ出した状態では、擬フェル
ミ準位をレーザー発振に必要な値にまで上昇させるため
の電子注入量、つまり閾値電流が高くなる。さらに、光
ガイド層に分布した電子が非発光再結合によって消滅す
ることも閾値電流を高くする原因となる。このような発
振閾値電流の増加は、最終的に素子特性温度、高出力化
等の諸特性に悪影響を与える。Some of the electrons that have overflowed from the active layer are confined in the cladding layer and distributed to the light guide layer, and the rest leaks out to the cladding layer. The electron leakage naturally increases the threshold current of the device, but the electrons that overflow into the optical guide layer also have a large effect on the device characteristics. In a state where electrons overflow into the light guide layer, the amount of injected electrons for raising the pseudo-Fermi level to a value required for laser oscillation, that is, the threshold current increases. Furthermore, the fact that electrons distributed in the light guide layer disappear due to non-radiative recombination also causes an increase in threshold current. Such an increase in the oscillation threshold current ultimately adversely affects various characteristics such as the device characteristic temperature and high output.
【0005】従来のAlGaInP系材料によるSCH
構造では、光閉じ込めに必要な屈折率差を作り込むため
に、光ガイド層として、クラッド層よりもAl組成の小
さなAlGaInPを用いる必要がある。クラッド層
と、光ガイド層の組成の組み合せは、Al組成の増加と
発光効率の関係から、図2のように伝導帯のΓ点とX点
の交差点である(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pをクラッ
ド層とし、直接遷移領域にある(Al0.5Ga0.5)0.5I
n0.5Pを光ガイド層とする例が多い。Al組成がバン
ドの交差点より小さな領域では、Al組成に対するバン
ドギャップエネルギーの変化量が大きく、光閉じ込めに
必要な屈折率差を設ける際に、光ガイド層がクラッド層
に比べて100meV以上もナローギャップとなり、活
性層から光ガイド層へキャリアが溢れ出しやすくなって
いる。SCH using conventional AlGaInP-based material
In the structure, it is necessary to use AlGaInP having an Al composition smaller than that of the cladding layer as a light guide layer in order to create a refractive index difference necessary for light confinement. The combination of the composition of the cladding layer and the composition of the light guide layer is, as shown in FIG. 2, the intersection of the 帯 point and the X point of the conduction band (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 from the relationship between the increase in the Al composition and the luminous efficiency. (Al 0.5 Ga 0.5 ) 0.5 I in the direct transition region with P as the cladding layer
In many cases, n 0.5 P is used as the light guide layer. In the region where the Al composition is smaller than the crossing point of the band, the amount of change in the band gap energy with respect to the Al composition is large. Thus, carriers easily overflow from the active layer to the light guide layer.
【0006】このような光ガイド層へのキャリアの溢れ
出しは、光ガイド層をワイドギャップとすることで低減
することができる。例えば、図2のAl組成0.73以
上に当る間接遷移領域にあるAlGaInPをクラッド
層と光ガイド層に用いれば、Al組成変化に対するバン
ドギャップエネルギー変化は小さくなり、キャリアの溢
れ出しを低減することができる。しかし、図2のように
GaAs基板に格子整合した組成では間接遷移領域とな
るAlGaInPのAl組成が大きく、素子の発光効率
の点から望ましいものではない。The overflow of carriers into the light guide layer can be reduced by setting the light guide layer to have a wide gap. For example, if AlGaInP in the indirect transition region corresponding to the Al composition of 0.73 or more in FIG. 2 is used for the cladding layer and the light guide layer, the band gap energy change with respect to the Al composition change becomes small, and the overflow of carriers can be reduced. Can be. However, in the composition lattice-matched to the GaAs substrate as shown in FIG. 2, the Al composition of AlGaInP serving as an indirect transition region is large, which is not desirable from the viewpoint of the luminous efficiency of the device.
【0007】また、特開平5−41560号公報では、
GaAs基板上に形成した格子定数がGaAsとGaP
の格子定数の間の値をとるAlGaInPダブルヘテロ
構造からなる発光素子が、600nmよりも短波長であ
るレーザーに関する技術として開示されている。この従
来技術では、発光素子の格子定数をGaAsとGaPの
格子定数の間の値とすることによってAlGaInPの
バンドギャップエネルギーは大きくなり短波長の発光が
得られる。また、上述のようなバンドギャップ構成を持
つSCH構造の作製に関し、以下のような利点がある。In Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-41560,
The lattice constants formed on a GaAs substrate are GaAs and GaP.
A light emitting device having an AlGaInP double heterostructure having a value between the lattice constants of the above is disclosed as a technique relating to a laser having a wavelength shorter than 600 nm. In this prior art, by setting the lattice constant of the light emitting element to a value between the lattice constants of GaAs and GaP, the band gap energy of AlGaInP increases, and light emission of a short wavelength can be obtained. In addition, there are the following advantages with respect to the fabrication of the SCH structure having the above band gap configuration.
【0008】図3はその一例として、GaAsから−1
%の格子不整を持つ無歪状態のAlGaInPの伝導帯
のΓ点及びX点に対応したバンドギャップエネルギーの
概要図を示したものである。図中の破線がΓ点、実線が
X点に対応したバンドギャップエネルギーを示してい
る。この格子定数の組成では、Al組成が0.23程度
のところにX点とΓ点の交差点があり、これ以上のAl
組成で間接遷移型半導体となる。また、間接遷移型半導
体となった後の、Al組成の変化に対するバンドギャッ
プエネルギー変化は小さい。FIG. 3 shows an example of -1 from GaAs.
FIG. 3 is a schematic diagram showing band gap energies corresponding to Γ points and X points of a conduction band of AlGaInP in an unstrained state having% lattice mismatch. The broken line in the drawing indicates the band gap energy corresponding to the point 、, and the solid line indicates the band gap energy corresponding to the point X. In the composition of this lattice constant, there is an intersection of the point X and the point Γ where the Al composition is about 0.23.
The composition is an indirect transition type semiconductor. Further, a change in band gap energy with respect to a change in Al composition after becoming an indirect transition semiconductor is small.
【0009】このように、クラッド層、光ガイド層の格
子定数がGaAsよりも小さい場合には、Γ点とX点の
交差点のAl組成が小さくなり、GaAsに格子整合し
ている場合よりも小さなAl組成の領域で、略クラッド
層と光ガイド層のバンドギャップエネルギーが等しいS
CH構造が得られ、発光効率、信頼性において利点があ
る。しかし、実際にはキャリアに対するポテンシャルバ
リアは、単にバンドギャップエネルギーのみでは決まら
ず、ヘテロ接合間のドーピングレベルにも依存してい
る。このため、キャリアの閉じ込め効率等を向上させる
ためには、このことを考慮において素子を作製する必要
がある。As described above, when the lattice constants of the cladding layer and the light guide layer are smaller than GaAs, the Al composition at the intersection of the Γ point and the X point becomes smaller, and is smaller than that in the case where the lattice matching with GaAs is performed. In the Al composition region, the band gap energies of the substantially clad layer and the optical guide layer are equal to each other.
A CH structure is obtained, and there are advantages in luminous efficiency and reliability. However, in reality, the potential barrier for carriers is not simply determined by the band gap energy alone, but also depends on the doping level between heterojunctions. Therefore, in order to improve the carrier confinement efficiency and the like, it is necessary to manufacture an element in consideration of this.
【0010】[0010]
【発明が解決しようとする課題】上述の特開平5−41
560号公報記載の半導体発光素子は、発光波長が60
0nm以下の短波長化に対して開示されている技術であ
って、発光波長が630〜660nm帯の赤色レーザー
に関する上述の問題に配慮して設計されてはいない。そ
こで本発明は、閾値電流値が低減されて高特性温度を持
ち、630〜660nmの波長帯で高出力、安定動作す
る赤色半導体レーザー素子及び発光ダイオード等の半導
体発光素子を提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The above-mentioned JP-A-5-41
The semiconductor light emitting device described in Japanese Patent No. 560 has an emission wavelength of 60.
This is a technique disclosed for shortening the wavelength to 0 nm or less, and is not designed in consideration of the above-described problem relating to a red laser having an emission wavelength of 630 to 660 nm. Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device such as a red semiconductor laser device and a light emitting diode which have a high characteristic temperature with a reduced threshold current value, have a high output in a wavelength band of 630 to 660 nm, and operate stably. I do.
【0011】[0011]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の手段として、本発明は、活性層の上下に光ガイド層と
クラッド層を有し、該クラッド層及び光ガイド層の格子
定数がGaAsとGaPの格子定数の間の値をとるAl
GaInP系材料もしくはAlGaInAsP系材料か
ら構成される半導体発光素子において、前記クラッド層
と光ガイド層が間接遷移領域組成であり、さらに光ガイ
ド層の一方または両方が、隣接するクラッド層と同一導
電型に不純物ドーピングされている構成としたものであ
る。As a means for achieving the above object, the present invention has a light guide layer and a clad layer above and below an active layer, and the lattice constant of the clad layer and the light guide layer is GaAs. Between Al and the lattice constant of GaP
In a semiconductor light emitting device composed of a GaInP-based material or an AlGaInAsP-based material, the cladding layer and the light guide layer have an indirect transition region composition, and one or both of the light guide layers have the same conductivity type as an adjacent clad layer. It is configured to be doped with impurities.
【0012】[0012]
【発明の実施の形態】以下、本発明の構成、動作及び作
用について図面を参照して詳細に説明する。本発明の半
導体発光素子、例えば半導体レーザー素子は、格子定数
がGaAsとGaPの格子定数の間の値をとる間接遷移
領域にあるAlGaInP系材料もしくはAlGaIn
AsPをクラッド層及び光ガイド層とし、さらに光ガイ
ド層を隣接するクラッド層と同一導電型(伝導型)に不
純物ドーピングして構成するものである。すなわち、本
発明は、AlGaInP系材料もしくはAlGaInA
sP系材料からなる発光素子において、クラッド層の格
子定数が、GaAsとGaPの格子定数の間の値をと
り、且つクラッド層と光ガイド層の組成が、間接遷移領
域にあるSCH構造に対して、光ガイド層を隣接するク
ラッド層と同一導電型にドーピングして、活性層へのキ
ャリア閉じ込め効率、及び注入効率の改善を行うもので
ある。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The structure, operation and operation of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. The semiconductor light-emitting device of the present invention, for example, a semiconductor laser device, has an AlGaInP-based material or AlGaIn in an indirect transition region where the lattice constant takes a value between the lattice constants of GaAs and GaP.
The cladding layer and the light guide layer are made of AsP, and the light guide layer is formed by doping impurities with the same conductivity type (conductivity type) as the adjacent cladding layer. That is, the present invention relates to an AlGaInP-based material or AlGaInA
In a light emitting device made of an sP-based material, the lattice constant of the cladding layer takes a value between the lattice constants of GaAs and GaP, and the composition of the cladding layer and the light guide layer is different from the SCH structure in the indirect transition region. In addition, the light guide layer is doped to the same conductivity type as the adjacent cladding layer to improve the carrier confinement efficiency and the injection efficiency in the active layer.
【0013】SCH構造によって光閉じ込め構造を形成
するためにクラッド層側はAl組成の大きい(屈折率の
小さい)AlGaIn(As)Pとする必要がある。図4
は、AlInP,GaInPのバンド端エネルギーの概
要を示したものであるが、間接遷移領域ではAlInP
組成が小さい方が伝導帯エネルギーが大きい。したがっ
て、アンドープAlGaInP光ガイド層と、n−Al
GaInPクラッド層よりなるヘテロ接合のバンドエネ
ルギーの概要は、熱平衡状態で図5(a)のようにな
る。つまり、光ガイド層が、活性層への電子注入を妨げ
てしまっている。また、素子の動作時では、光ガイド層
伝導帯によるポテンシャルバリア高さは図5(a)の熱
平衡状態よりも低下しているものの、依然として、活性
層への電子注入を妨げる原因となっている。In order to form a light confinement structure by the SCH structure, the cladding layer side needs to be made of AlGaIn (As) P having a large Al composition (small refractive index). FIG.
Shows an outline of the band edge energies of AlInP and GaInP.
The smaller the composition, the higher the conduction band energy. Therefore, the undoped AlGaInP light guide layer and the n-Al
An outline of the band energy of the hetero junction composed of the GaInP clad layer is as shown in FIG. That is, the light guide layer hinders electron injection into the active layer. Further, during operation of the device, although the height of the potential barrier due to the conduction band of the light guide layer is lower than the thermal equilibrium state of FIG. 5A, it still causes the injection of electrons into the active layer. .
【0014】本発明の如く上記の光ガイド層にn型ドー
ピングし電子密度を増加させると、クラッド層と光ガイ
ド層間のヘテロ接合に発生する拡散電位が減少し、光ガ
イド層伝導帯がnクラッド層伝導帯に近づき電子に対す
るポテンシャルバリアは低くなる。図5(b)は光ガイ
ド層に不純物ドーピングを行った際の熱平衡状態におけ
るバンドエネルギーの概要を示したものである。この場
合、光ガイド層とクラッド層の伝導帯エネルギーは同程
度となり、光ガイド層の不純物濃度の増加により空乏層
幅が狭くなる。そして図のように、ヘテロ界面にはバン
ド不連続に起因するスパイク状及びノッチ状のポテンシ
ャルバリアが形成される。この結果、トンネル、熱放出
が容易になり、電子の注入効率が大幅に向上する。ま
た、価電子帯側では、ホールに対するポテンシャルバリ
アが相対的に高くなり、ホールの閉じ込め効率が向上す
る。When the electron density is increased by n-type doping of the light guide layer as in the present invention, the diffusion potential generated at the heterojunction between the clad layer and the light guide layer is reduced, and the conduction band of the light guide layer becomes n-clad. As it approaches the layer conduction band, the potential barrier for electrons decreases. FIG. 5B shows an outline of the band energy in a thermal equilibrium state when the light guide layer is doped with impurities. In this case, the conduction band energies of the light guide layer and the cladding layer are substantially the same, and the width of the depletion layer is reduced due to an increase in the impurity concentration of the light guide layer. As shown in the figure, spike-like and notch-like potential barriers are formed at the hetero interface due to band discontinuity. As a result, tunneling and heat release are facilitated, and electron injection efficiency is greatly improved. On the valence band side, the potential barrier for holes is relatively high, and the hole confinement efficiency is improved.
【0015】次にp型クラッド層と光ガイド層付近のバ
ンドエネルギーについて説明する。図6(a)は光ガイ
ド層がアンドープである場合の、熱平衡状態のバンドエ
ネルギーの概要を示したものである。p型不純物濃度が
低い場合は、光ガイド層の伝導帯エネルギーがクラッド
層に比べて低いので、活性層から光ガイド層に電子が溢
れ出し易くなっている。素子が順方向バイアスされた動
作状態ではこれより改善されるものの電子閉じ込めの点
では、まだ十分なものではない。光ガイド層をp型にド
ーピングした場合は、図6(b)の概要図の如く、光ガ
イド層の価電子帯がpクラッド層の価電子帯に近づき伝
導帯側のエネルギー、つまり、活性層から見た電子のポ
テンシャルバリアが高くなる。これによって活性層への
電子の閉じ込め効率が向上する。Next, the band energy near the p-type cladding layer and the light guide layer will be described. FIG. 6A shows an outline of the band energy in a thermal equilibrium state when the light guide layer is undoped. When the p-type impurity concentration is low, since the conduction band energy of the light guide layer is lower than that of the clad layer, electrons easily overflow from the active layer to the light guide layer. This is better in forward-biased operation of the device, but still not sufficient in terms of electron confinement. When the light guide layer is doped with p-type, the valence band of the light guide layer approaches the valence band of the p-cladding layer and the energy on the conduction band side, that is, the active layer, as shown in the schematic diagram of FIG. The potential barrier of the electrons as viewed from above increases. This improves the efficiency of confining electrons in the active layer.
【0016】また、アンドープの場合は、図6(a)の
ようなバンド不連続を持ち、クラッド層と光ガイド層間
にできるスパイク状のポテンシャルバリアが高く幅も広
い。これらはホールの注入効率を低下させている。価電
子帯ホールの有効質量は、伝導帯電子の有効質量に比べ
て重く、このため、活性層からホールが溢れ出しにくい
反面、逆に注入もしにくいという問題がある。電子では
殆ど問題とならないようなヘテロ界面に形成されるポテ
ンシャルスパイクによっても影響を受け易い。In the case of undoping, there is a band discontinuity as shown in FIG. 6A, and a spike-like potential barrier formed between the cladding layer and the light guide layer is high and wide. These lower the hole injection efficiency. The effective mass of a valence band hole is heavier than the effective mass of a conduction band electron. Therefore, there is a problem that holes do not easily overflow from the active layer but are difficult to inject. It is also susceptible to potential spikes formed at the heterointerface, which are of little concern for electrons.
【0017】光ガイド層をp型にドーピングした場合
は、図6(b)の概要図のように、光ガイド層の価電子
帯がpクラッド層の価電子帯に近づき、スパイク高さは
低く幅が狭くなる。これによってホールの熱放出、トン
ネリングが容易になり注入効率が向上する。以上のこと
から、ホールの注入効率、及び電子の閉じ込め効率が向
上し、閾値電流が減少する。尚、以上の説明では、例と
してAlGaInPについて説明を行ったが、クラッド
層、光ガイド層の組成としてAsが含まれているAlG
aInAsPについても同様である。また、光ガイド層
がクラッド層に対し歪を有していても良い。When the light guide layer is doped with p-type, the valence band of the light guide layer approaches the valence band of the p clad layer as shown in the schematic diagram of FIG. The width becomes narrow. This facilitates heat release and tunneling of holes and improves injection efficiency. As described above, the hole injection efficiency and the electron confinement efficiency are improved, and the threshold current is reduced. In the above description, AlGaInP has been described as an example. However, AlG containing As as a composition of the cladding layer and the light guide layer is described.
The same applies to aInAsP. Further, the light guide layer may have a strain with respect to the cladding layer.
【0018】[0018]
【実施例】以下、本発明の半導体発光素子の実施例をリ
ッジストライプ構造の半導体レーザー素子によって説明
する。図1は本発明の半導体発光素子の一実施例を示す
図であって、半導体レーザー素子の構造を模式的に示す
断面図である。図1に示す半導体レーザー素子は、例え
ば基板としてn−GaAs基板1を用い、該基板1と素
子部の格子不整を解消するためのn−GaAs0.7P0.3
格子緩和バッファー層2、n−Ga0.66In0.34Pバッ
ファー層3を介して素子部が形成されており、該素子部
は、上記n−Ga0.66In0.34Pバッファー層3上に順
に積層された、格子定数がGaAsとGaPの格子定数
の間の値をとる、 n−(Ala1Ga1-a1)b1In1-b1Pクラッド層4、
(0.51<b1<1:本実施例では、a1=0.4、
b1=0.66)、 n−(Ala2Ga1-a2)b2In1-b2P光ガイド層5、(a
2<a1:本実施例ではa2=0.23,b2=0.6
6)、 アンドープGaInAsP活性層6、 p−(Ala2Ga1-a2)b2In1-b2P光ガイド層7、(a
2<a1:本実施例ではa2=0.23,b2=0.6
6)、 p−(Ala1Ga1-a1)b1In1-b1Pクラッド層8、
(0.51<b1<1:本実施例では、a1=0.4、
b1=0.66)、 SiO2絶縁膜9、 p−Gab3In1-b3P中間層10(本実施例ではb3=
0.66)、 p−GaAsb4P1-b4コンタクト層11(本実施例で
は、b4=0.70)、 によって構成されており、裏面研磨の後、素子の上下に
は導通を取るためのp側電極12とn側電極13が設け
られている。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the semiconductor light emitting device of the present invention will be described below with reference to a semiconductor laser device having a ridge stripe structure. FIG. 1 is a view showing one embodiment of the semiconductor light emitting device of the present invention, and is a sectional view schematically showing the structure of a semiconductor laser device. The semiconductor laser device shown in FIG. 1 uses, for example, an n-GaAs substrate 1 as a substrate, and n-GaAs 0.7 P 0.3 for eliminating lattice irregularity between the substrate 1 and an element portion.
An element portion is formed via the lattice relaxation buffer layer 2 and the n-Ga 0.66 In 0.34 P buffer layer 3, and the element portion is sequentially stacked on the n-Ga 0.66 In 0.34 P buffer layer 3. An n- (Al a1 Ga 1-a1 ) b1 In 1-b1 P cladding layer 4 whose lattice constant takes a value between the lattice constants of GaAs and GaP;
(0.51 <b1 <1: In this embodiment, a1 = 0.4,
b1 = 0.66), n- (Al a2 Ga 1-a2 ) b2 In 1-b2 P light guide layer 5, (a
2 <a1: a2 = 0.23, b2 = 0.6 in this embodiment
6), undoped GaInAsP active layer 6, p- (Al a2 Ga 1-a2 ) b2 In 1-b2 P light guide layer 7, (a
2 <a1: a2 = 0.23, b2 = 0.6 in this embodiment
6), p- (Al a1 Ga 1-a1 ) b1 In 1-b1 P clad layer 8,
(0.51 <b1 <1: In this embodiment, a1 = 0.4,
b1 = 0.66), SiO 2 insulating film 9, p- Gab3In1 -b3P intermediate layer 10 (b3 =
0.66), and a p-GaAs b4 P 1 -b4 contact layer 11 (b4 = 0.70 in the present embodiment). A p-side electrode 12 and an n-side electrode 13 are provided.
【0019】本実施例では、クラッド層4,8及び光ガ
イド層5,7の格子定数はGaAs基板1に対して−
1.0%の格子不整度としている。また、前記のような
格子定数を持つGaInPは600nmより短波長とな
るので、活性層6にはGaInAsP等を用いて赤色発
光が得られるように調整している。In this embodiment, the lattice constants of the cladding layers 4 and 8 and the light guide layers 5 and 7 are-
The lattice irregularity is 1.0%. Since GaInP having the above-mentioned lattice constant has a shorter wavelength than 600 nm, the active layer 6 is adjusted to emit red light by using GaInAsP or the like.
【0020】本実施例の素子の作製は、有機金属気相成
長法(MOCVD法)によって行った。その際、III 族
有機金属原料として、TMG,TMA,TMIを、ま
た、V族原料として、PH3,AsH3を用いている。p
型のクラッド層8及び光ガイド層7は、例えばDMZn
を5〜7×1017cm-3の濃度に不純物ドーピングして
いる。また、成長方法、及び原料、及び不純物ドーパン
トは、これらに限らず、他のものであっても良い。ま
た、格子不整を解消するための格子緩和バッファー層2
の材料としては、GaAsPの他に、GaInP等を用
いることもできる。また、半導体基板1としては、Ga
Asの他に、GaP基板等を用いても良いし、直接Ga
AsP基板の上に素子部を作製しても良い。The device of this embodiment was manufactured by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). At this time, TMG, TMA, and TMI are used as group III organic metal materials, and PH 3 and AsH 3 are used as group V materials. p
The mold cladding layer 8 and the light guide layer 7 are made of, for example, DMZn.
Is doped with an impurity at a concentration of 5 to 7 × 10 17 cm −3 . Further, the growth method, the raw material, and the impurity dopant are not limited thereto, and may be other materials. Also, a lattice buffer layer 2 for eliminating lattice irregularities
As a material of GaAsP, GaInP or the like can be used in addition to GaAsP. Further, as the semiconductor substrate 1, Ga
In addition to As, a GaP substrate or the like may be used.
An element portion may be formed on an AsP substrate.
【0021】本実施例の素子の作製において、格子緩和
バッファー層2の成長条件は最適化されており、素子表
面も十分平坦で結晶性、発光効率も良好であった。図1
に示す構造の半導体レーザー素子の発振波長は639n
mであった。この素子の特性を評価したところ、閾値電
流は従来の素子と比べて低く、また特性温度も高い値が
得られた。In the fabrication of the device of this embodiment, the growth conditions for the lattice buffer layer 2 were optimized, and the device surface was sufficiently flat, and the crystallinity and luminous efficiency were good. FIG.
The oscillation wavelength of the semiconductor laser device having the structure shown in FIG.
m. When the characteristics of this device were evaluated, the threshold current was lower than that of the conventional device, and the characteristic temperature was higher.
【0022】[0022]
【発明の効果】以上説明したように、本発明では、活性
層の上下に光ガイド層とクラッド層を有し、該クラッド
層及び光ガイド層の格子定数がGaAsとGaPの格子
定数の間の値をとるAlGaInP系材料もしくはAl
GaInAsP系材料から構成される半導体発光素子に
おいて、前記クラッド層と光ガイド層が間接遷移領域組
成であり、さらに光ガイド層の一方または両方が、隣接
するクラッド層と同一導電型に不純物ドーピングされて
いる構成とした。即ち、n型クラッド層側の光ガイド層
に対してn型不純物ドーピングを行うことで、電子注入
の際のポテンシャルバリアを低くすることができ、これ
によって電子の注入効率とホールの閉じ込め効率が向上
した。したがって閾値電流値は飛躍的に低減した。さら
にp型クラッド層側の光ガイド層をp型に不純物ドーピ
ングすることにより、p型光ガイド層の伝導帯エネルギ
ーを高くすることができ、活性層への電子の閉じ込め効
率が向上して、p型光ガイド層に溢れ出した電子による
非発光再結合が減少した。また、ホール注入を妨げるス
パイク状のポテンシャルバリアも低くできた。これによ
って、素子の発振閾値電流は飛躍的に低減した。また、
素子の特性温度も高いものであった。また、クラッド層
と光ガイド層の格子定数をGaAsの格子定数よりも小
さく選んだことによって、間接遷移となるAlGaIn
PもしくはAlGaInAsPのAl組成を小さくでき
た。この結果、素子を構成する際のAl含有量は少なく
て済み、端面酸化等の素子劣化が低減し、閾値電流の増
加等の経時劣化は小さかった。以上のことから、AlG
aInP系材料もしくはAlGaInAsP系材料から
構成される、格子定数がGaAsとGaPの格子定数の
間にある赤色発光素子の特性を向上させる効果が得られ
た。As described above, according to the present invention, the light guide layer and the cladding layer are provided above and below the active layer, and the cladding layer and the light guiding layer have lattice constants between GaAs and GaP. AlGaInP-based material or Al
In a semiconductor light emitting device composed of a GaInAsP-based material, the cladding layer and the optical guide layer have an indirect transition region composition, and one or both of the optical guide layers are doped with impurities of the same conductivity type as the adjacent cladding layer. Configuration. That is, by performing n-type impurity doping on the light guide layer on the n-type cladding layer side, the potential barrier at the time of electron injection can be reduced, thereby improving electron injection efficiency and hole confinement efficiency. did. Therefore, the threshold current value was dramatically reduced. Further, by doping the light guide layer on the p-type clad layer side with p-type impurities, the conduction band energy of the p-type light guide layer can be increased, and the efficiency of confining electrons in the active layer is improved. Non-radiative recombination due to electrons spilling over the mold light guide layer was reduced. In addition, the spike-like potential barrier that hinders hole injection was also reduced. As a result, the oscillation threshold current of the device has been dramatically reduced. Also,
The characteristic temperature of the device was also high. In addition, by selecting the lattice constants of the cladding layer and the light guide layer to be smaller than the lattice constant of GaAs, AlGaIn which is an indirect transition is obtained.
The Al composition of P or AlGaInAsP could be reduced. As a result, the Al content in forming the device was small, the device deterioration such as end face oxidation was reduced, and the deterioration over time such as an increase in threshold current was small. From the above, AlG
The effect of improving the characteristics of a red light-emitting element composed of an aInP-based material or an AlGaInAsP-based material and having a lattice constant between GaAs and GaP was obtained.
【図1】本発明の半導体発光素子の一実施例を示す図で
あって、半導体レーザー素子の構造を模式的に示す断面
図である。FIG. 1 is a view showing one embodiment of a semiconductor light emitting device of the present invention, and is a cross-sectional view schematically showing a structure of a semiconductor laser device.
【図2】GaAsと同じ格子定数を持つAlGaInP
のX点、Γ点に対応したバンドギャップエネルギーのA
l組成による変化を示す図である。FIG. 2 shows AlGaInP having the same lattice constant as GaAs.
A of band gap energy corresponding to point X and point Γ
It is a figure which shows the change by 1 composition.
【図3】GaAsから−1%の格子定数を持つAlGa
InPのX点、Γ点に対応したバンドギャップエネルギ
ーのAl組成による変化を示す図である。FIG. 3 shows AlGa having a lattice constant of -1% from GaAs.
It is a figure which shows the change by the Al composition of the band gap energy corresponding to the X point and the Γ point of InP.
【図4】AlInP、GaInPのバンドギャップエネ
ルギーの格子定数による変化を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a change in band gap energy of AlInP and GaInP depending on a lattice constant.
【図5】(a)は熱平衡状態にあるアンドープ光ガイド
層とn型クラッド層のバンドエネルギーの概要を示す
図、(b)は熱平衡状態にあるn型光ガイド層とn型ク
ラッド層のバンドエネルギーの概要を示す図である。5A is a diagram showing an outline of band energies of an undoped optical guide layer and an n-type clad layer in a thermal equilibrium state, and FIG. 5B is a diagram showing bands of an n-type optical guide layer and an n-type clad layer in a thermal equilibrium state. It is a figure showing the outline of energy.
【図6】(a)は熱平衡状態にあるアンドープ光ガイド
層とp型クラッド層のバンドエネルギーの概要を示す
図、(b)は熱平衡状態にあるp型光ガイド層とp型ク
ラッド層のバンドエネルギーの概要を示す図である。FIG. 6A is a diagram showing an outline of band energies of an undoped optical guide layer and a p-type clad layer in a thermal equilibrium state, and FIG. 6B is a diagram showing bands of a p-type optical guide layer and a p-type clad layer in a thermal equilibrium state. It is a figure showing the outline of energy.
1:n−GaAs基板 2:n−GaAs0.7P0.3格子緩和バッファー層 3:n−Ga0.66In0.34Pバッファー層 4:n−(Ala1Ga1-a1)b1In1-b1Pクラッド層 5:n−(Ala2Ga1-a2)b2In1-b2P光ガイド層 6:アンドープGaInAsP活性層 7:p−(Ala2Ga1-a2)b2In1-b2P光ガイド層 8:p−(Ala1Ga1-a1)b1In1-b1Pクラッド層 9:SiO2絶縁膜 10:p−Gab3In1-b3P中間層10 11:p−GaAsb4P1-b4コンタクト層 12:p側電極 13:n側電極1: n-GaAs substrate 2: n-GaAs 0.7 P 0.3 lattice buffer layer 3: n-Ga 0.66 In 0.34 P buffer layer 4: n- (Al a1 Ga 1-a1 ) b1 In 1-b1 P cladding layer 5 : N- (Al a2 Ga 1 -a 2 ) b2 In 1 -b 2 P light guide layer 6: undoped GaInAsP active layer 7: p- (Al a2 Ga 1 -a 2 ) b2 In 1 -b 2 P light guide layer 8: p - (Al a1 Ga 1-a1 ) b1 In 1-b1 P cladding layer 9: SiO 2 insulating film 10: p-Ga b3 In 1 -b3 P intermediate layer 10 11: p-GaAs b4 P 1-b4 contact layer 12 : P-side electrode 13: n-side electrode
Claims (1)
有し、該クラッド層及び光ガイド層の格子定数がGaA
sとGaPの格子定数の間の値をとるAlGaInP系
材料もしくはAlGaInAsP系材料から構成される
半導体発光素子において、 前記クラッド層と光ガイド層が間接遷移領域組成であ
り、さらに光ガイド層の一方または両方が、隣接するク
ラッド層と同一導電型に不純物ドーピングされているこ
とを特徴とする半導体発光素子。An optical guiding layer and a cladding layer are provided above and below an active layer, and the cladding layer and the optical guiding layer have a lattice constant of GaAs.
In a semiconductor light emitting device composed of an AlGaInP-based material or an AlGaInAsP-based material having a value between s and a lattice constant of GaP, the cladding layer and the light guide layer have an indirect transition region composition, and one of the light guide layers or A semiconductor light emitting device wherein both are doped with impurities of the same conductivity type as an adjacent cladding layer.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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CN111819702A (en) * | 2019-11-26 | 2020-10-23 | 天津三安光电有限公司 | Infrared light-emitting diode |
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CN111819702B (en) * | 2019-11-26 | 2024-04-09 | 天津三安光电有限公司 | Infrared light-emitting diode |
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