JP2001244575A - 半導体発光素子 - Google Patents
半導体発光素子Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】閾値電流値が低減されて高特性温度を持ち、６
３０〜６６０ｎｍ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
素子を実現する。 【解決手段】本発明は、活性層６の上下に光ガイド層
５，７とクラッド層４，８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ＡｌＧａＩｎ
ＡｓＰ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４，８と光ガイド層５，７が間接遷移領
域組成であり、さらに光ガイド層５，７の一方または両
方が、隣接するクラッド層４，８と同一導電型（ｎ型ま
たはｐ型）に不純物ドーピングされている構成とした。
３０〜６６０ｎｍ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
素子を実現する。 【解決手段】本発明は、活性層６の上下に光ガイド層
５，７とクラッド層４，８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ＡｌＧａＩｎ
ＡｓＰ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４，８と光ガイド層５，７が間接遷移領
域組成であり、さらに光ガイド層５，７の一方または両
方が、隣接するクラッド層４，８と同一導電型（ｎ型ま
たはｐ型）に不純物ドーピングされている構成とした。
Description
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
％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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
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。
【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。
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。
【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。
ルギーの格子定数による変化を示す図である。
【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。
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。
【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。
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。
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
Claims (1)
- 【請求項１】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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000056198A JP2001244575A (ja) | 2000-03-01 | 2000-03-01 | 半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000056198A JP2001244575A (ja) | 2000-03-01 | 2000-03-01 | 半導体発光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001244575A true JP2001244575A (ja) | 2001-09-07 |
Family
ID=18577194
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000056198A Pending JP2001244575A (ja) | 2000-03-01 | 2000-03-01 | 半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001244575A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111819702A (zh) * | 2019-11-26 | 2020-10-23 | 天津三安光电有限公司 | 一种红外发光二极管 |
-
2000
- 2000-03-01 JP JP2000056198A patent/JP2001244575A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111819702A (zh) * | 2019-11-26 | 2020-10-23 | 天津三安光电有限公司 | 一种红外发光二极管 |
| WO2021102696A1 (zh) * | 2019-11-26 | 2021-06-03 | 天津三安光电有限公司 | 一种红外发光二极管 |
| US20210313486A1 (en) * | 2019-11-26 | 2021-10-07 | Tianjin Sanan Optoelectronics Co., Ltd. | Infrared light-emitting diode |
| CN111819702B (zh) * | 2019-11-26 | 2024-04-09 | 天津三安光电有限公司 | 一种红外发光二极管 |
| US12009453B2 (en) * | 2019-11-26 | 2024-06-11 | Tianjin Sanan Optoelectronics Co., LTD | Infrared light-emitting diode |
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