JPH10321942A

JPH10321942A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JPH10321942A
Application number: JP12424097A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Kamimura; 信行上村; Yoshiteru Hasegawa; 義晃長谷川; Akihiko Ishibashi; 明彦石橋; Yoshihiro Hara; 義博原; Isao Kidoguchi; 勲木戸口; Masahiro Kume; 雅博粂; Yuzaburo Ban; 雄三郎伴
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-05-14
Filing date: 1997-05-14
Publication date: 1998-12-04

Abstract

(57)【要約】【課題】窒素を含有するIII −Ｖ族化合物を用いた半
導体発光素子において、発光特性を向上し動作電圧を低
減できるようにする。【解決手段】面方位が（０００１）のサファイアより
なる基板１１上には、上部に段差部を有するｎ型ＧａＮ
層１３が形成されている。ｎ型ＧａＮ層１３の上におけ
る段差部の上段側には、アンドープＧａＮよりなる第１
のガイド層１５と、活性層１６ｂを含む多重量子井戸層
１６と、アンドープＧａＮよりなる第２のガイド層１７
と、ｐ型不純物であるＭｇが活性層１６ｂ側の領域へ拡
散することを抑制する拡散抑制層１８と、ｐ型Ａｌ_0.1
Ｇａ_0.9 Ｎよりなるｐ型クラッド層１９と、ｐ型ＧａＮ
よりなるｐ型コンタクト層２０と、Ｎｉよりなる第１の
金属膜２２ａ及び該第１の金属膜２２ａの上にＡｕより
なる第２の金属膜２２ｂが積層されてなる陽電極２２と
が順次形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、活性層及びクラッ
ド層に窒素（Ｎ）を含むIII −Ｖ族化合物よりなる半導
体発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、次世代高密度情報処理技術のキー
デバイスとして、レーザの短波長化を可能にする窒素を
含むIII −Ｖ族化合物半導体が注目を集めている。

【０００３】以下、窒素を含むIII −Ｖ族化合物半導体
を用いた従来の半導体発光素子を図面に基づいて説明す
る。

【０００４】図５は従来の、窒素を含むIII −Ｖ族化合
物半導体よりなるレーザ素子又は発光ダイオード素子を
示す構成断面図である。図５に示すように、面方位が
（０００１）のサファイアよりなる基板１０１上には、
ＧａＮよりなるバッファ層１０２と、該バッファ層１０
２の上に、上部に段差部を有するｎ型ＧａＮ層１０３と
が順次形成されている。

【０００５】ｎ型ＧａＮ層１０３の上における段差部の
上段側には、ｎ型Ｇａ_0.95Ｉｎ_0.05Ｎ層１０４と、ｎ型
Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなるｎ型クラッド層１０５と、
ｎ型ＧａＮよりなるｎ型ガイド層１０６と、アンドープ
Ｇａ_0.95Ｉｎ_0.05Ｎよりなるバリア層１０７ａとアンド
ープＧａ_0.8 Ｉｎ_0.2Ｎ層よりなる活性層１０７ｂとが
四重に交互に積層されてなる多重量子井戸層１０７と、
ｐ型Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8Ｎ層１０８と、ｐ型ＧａＮよりな
るｐ型ガイド層１０９と、ｐ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0. ₉₅Ｎより
なるｐ型クラッド層１１０と、ｐ型ＧａＮよりなるコン
タクト層１１１と、Ｎｉ及びＡｕが積層されてなる陽電
極１１２とが順次形成されている。

【０００６】ｎ型ＧａＮ層１０３の上における段差部の
下段側には、Ｔｉ及びＡｌが積層されてなる陰電極１１
３が形成されている。

【０００７】図５に示す半導体発光素子は、キャビティ
長が７００μｍで、ストライプ幅が２μｍであって、四
重の活性層１０７ｂにより多重量子井戸が形成されるダ
ブルヘテロ構造を有していることを特徴とする。このダ
ブルヘテロ構造によって、発振波長が４０８ｎｍ、しき
い値電圧が８Ｖ、しきい値電流が１３０ｍＡ、しきい値
電流密度が９ｋＡ／ｃｍ² 、及び寿命が１秒の室温連続
発振を実現している（Shuji Nakamura et al.; Applied
Physics Letters Vol. 69(1996)pp.4056-4058）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の半導体発光素子は、発光効率が悪く動作電圧が高い
という問題を有している。

【０００９】本発明は、前記従来の問題を解決し、発光
特性を向上し動作電圧を低減することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明は、活性層とクラッド層との間に、不純物の
拡散を抑制するＡｌＮよりなる半導体層を設けるもので
ある。

【００１１】本発明に係る半導体発光素子は、基板上に
形成され、窒素を含むIII −Ｖ族化合物よりなる第１導
電型の第１のクラッド層と、第１のクラッド層の上に形
成され、窒素を含むIII −Ｖ族化合物よりなる活性層
と、活性層の上側に形成され、窒素を含むIII −Ｖ族化
合物よりなる第２導電型の第２のクラッド層とを備え、
活性層と第２のクラッド層との間に形成されており、第
２のクラッド層の第２導電型の不純物が活性層側の領域
へ拡散することを抑制するＡｌＮを含む拡散抑制層を備
えている。

【００１２】本発明に係る第２の半導体発光素子は、基
板上に形成され、窒素を含むIII −Ｖ族化合物よりなる
第１導電型の第１のクラッド層と、第１のクラッド層の
上に形成され、窒素を含むIII −Ｖ族化合物よりなる活
性層と、活性層の上側に形成され、窒素を含むIII −Ｖ
族化合物よりなる第２導電型の第２のクラッド層とを備
え、活性層と第２のクラッド層との間に形成されてお
り、ＡｌＮよりなる半導体層を含む複数の半導体層より
なり、第２のクラッド層の第２導電型の不純物が活性層
側の領域へ拡散することを抑制する拡散抑制層を備えて
いる。

【００１３】第１又は２の半導体発光素子によると、活
性層と第２導電型の第２のクラッド層との間に形成さ
れ、第２導電型の不純物が活性層側の領域へ拡散するこ
とを抑制するＡｌＮを含む拡散抑制層を備えているた
め、該ＡｌＮを構成するＡｌは、例えば同じIII 族元素
であり、最も一般的に用いられるＧａよりもその原子半
径が小さいため、ＡｌＮよりなる結晶格子の格子間の間
隙がＧａＮに比べて小さいので、不純物原子が拡散でき
なくなる。

【００１４】第２の半導体発光素子において、拡散抑制
層は、ＡｌＮよりなる半導体層とＧａＮよりなる半導体
層とが交互に積層された積層体よりなることが好まし
い。このようにすると、ＡｌＮ層とＧａＮ層とが互いに
ヘテロ接合されるため、ＡｌＮ層のエネルギーバンドギ
ャップがＧａＮ層に比べて大きいので、ＧａＮ層に量子
井戸を形成することができる。

【００１５】第１又は第２の半導体発光素子において、
第２導電型の不純物はＭｇであることが好ましい。

【００１６】第１又は第２の半導体発光素子において、
拡散抑制層は、ＡｌＮよりなる半導体層とＡｌ_x Ｇａ
_1-x-y Ｉｎ_y Ｎ（但し、式中のｘは０≦ｘ＜１であり、
ｙは０≦ｙ≦１である。）よりなる半導体層とが交互に
積層された積層体よりなることが好ましい。

【００１７】第１又は第２の半導体発光素子において、
活性層はＧａ_1-x Ｉｎ_x Ｎ（但し、式中のｘは０＜ｘ≦
１である。）よりなることが好ましい。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の一実施形態を図面を参照
しながら説明する。

【００１９】図１は本発明の一実施形態に係る半導体発
光素子を示す構成断面図である。図１に示すように、面
方位が（０００１）のサファイアよりなる基板１１上に
は、アンドープＧａＮよりなり、厚さが３０ｎｍで結晶
格子の整合性を高めるためのバッファ層１２と、該バッ
ファ層１２の上に、厚さが３．０μｍで上部に段差部を
有するｎ型ＧａＮ層１３とが順次形成されている。

【００２０】ｎ型ＧａＮ層１３の上における段差部の上
段側には、ｎ型Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎよりなり、厚さが５
００ｎｍのキャリアを封じ込めるための第１のクラッド
層としてのｎ型クラッド層１４と、アンドープＧａＮよ
りなり、厚さが１００ｎｍのキャリア封じ込めの効果を
高める第１のガイド層１５と、アンドープＧａ_0.95Ｉｎ
_0.05Ｎよりなり厚さが５ｎｍのバリア層１６ａとアンド
ープＧａ_0.8 Ｉｎ_0.2Ｎ層よりなり厚さが２．５ｎｍの
活性層１６ｂとが五重に交互に積層され、さらにその上
にもう一層のバリア層１６ａが積層されてなる多重量子
井戸層１６と、アンドープＧａＮよりなり、厚さが１０
０ｎｍのキャリア封じ込めの効果を高める第２のガイド
層１７と、アンドープＡｌＮよりなる半導体層１８１と
アンドープＧａＮよりなる半導体層１８２とが十一重に
交互に積層され、さらにその上にもう一層のＡｌＮ層１
８１が積層された積層体よりなり、ｐ型不純物の活性層
１６ｂ側の領域への拡散を抑制する拡散抑制層１８と、
ｐ型Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎよりなり、厚さが５００ｎｍの
キャリアを封じ込めるための第２のクラッド層としての
ｐ型クラッド層１９と、ｐ型ＧａＮよりなり、厚さが３
００ｎｍのｐ型コンタクト層２０と、断面Ｔ字形で且つ
その脚部が酸化シリコンよりなる電流狭さく層２１に囲
まれたＮｉよりなる第１の金属膜２２ａ及び該第１の金
属膜２２ａの上にＡｕよりなる第２の金属膜２２ｂが積
層されてなる陽電極２２とが順次形成されている。

【００２１】なお、基板１１に絶縁体であるサファイア
を用いており、基板の裏面に陰電極が設けられないた
め、ｎ型ＧａＮ層１３の上における段差部の下段側にＴ
ｉ層２４ａ及びＡｌ層２４ｂが積層されてなる陰電極２
４が形成されている。

【００２２】図１における拡散抑制層１８の拡大図に示
すように、拡散抑制層１８は、第２のガイド層１７側か
ら順に、ＡｌＮが１原子層よりなるＡｌＮ（１）層１８
１ａ、ＧａＮが１０原子層よりなるＧａＮ（１０）層１
８２ａというように、ＡｌＮ（２）層１８１ｂ、ＧａＮ
（６）層１８２ｂ、ＡｌＮ（３）層１８１ｃ、ＧａＮ
（４）層１８２ｃ、ＡｌＮ（４）層１８１ｄ、ＧａＮ
（３）層１８２ｄ、ＡｌＮ（６）層１８１ｅ、ＧａＮ
（２）層１８２ｅ、ＡｌＮ（１０）層１８１ｆ、ＧａＮ
（１）層１８２ｆ、ＡｌＮ（１０）層１８１ｇ、ＧａＮ
（２）層１８２ｇ、ＡｌＮ（６）層１８１ｈ、ＧａＮ
（３）層１８２ｈ、ＡｌＮ（４）層１８１ｉ、ＧａＮ
（４）層１８２ｉ、ＡｌＮ（３）層１８１ｊ、ＧａＮ
（６）層１８２ｊ、ＡｌＮ（２）層１８１ｋ、ＧａＮ
（１０）層１８２ｋ、及びＡｌＮ（１）層１８１ｌが形
成されている。

【００２３】以下、前記のように構成された半導体発光
素子の製造方法を説明する。

【００２４】まず、面方位が（０００１）のサファイア
よりなる基板１１の主面に対して有機溶媒を用いて洗浄
等の前処理を施した後、有機金属気相エピタキシャル成
長法を用い、圧力が７０×１３３．３Ｐａの水素雰囲気
中で基板１１を温度が１０９０℃になるまで加熱し、基
板１１の表面に付着している吸着ガス、酸化物又は水分
子等を除去する。ちなみに、圧力単位Ｐａは、Ｔｏｒｒ
と１３３．３Ｐａ≒１Ｔｏｒｒなる関係を有する。

【００２５】その後、基板１１の温度を５５０℃にまで
下げ、基板１１上に、トリメチルガリウムを流量５．５
ｓｃｃｍで、アンモニアを流量２．５ｌ／ｍｉｎで導入
すると共にシランを導入して、基板１１の上にアンドー
プＧａＮよりなるバッファ層１２を３０ｎｍの厚さに成
長させる。その後、基板１１の温度を１０６０℃にまで
上げ、トリメチルガリウムを流量０．２７ｓｃｃｍで、
アンモニアを流量５．０ｌ／ｍｉｎで、及びシランを流
量１２．５ｓｃｃｍで導入することにより、基板１１の
上のバッファ層１２上に厚さが３．０μｍのｎ型ＧａＮ
層１３を成長させる。

【００２６】次に、基板１１上に、トリメチルガリウム
を流量２．７ｓｃｃｍで、トリメチルアルミニウムを流
量５．４ｓｃｃｍで、アンモニアを流量２．５ｌ／ｍｉ
ｎで、及びシランを流量１２．５ｓｃｃｍで導入して、
基板１１の上のｎ型ＧａＮ層１３上にｎ型Ａｌ_0.1 Ｇａ
_0.9 Ｎよりなり、厚さが５００ｎｍのｎ型クラッド層１
４を成長させる。

【００２７】次に、基板１１上に、トリメチルガリウム
を流量２．７ｓｃｃｍで、アンモニアを流量２．５ｌ／
ｍｉｎで導入して、基板１１の上のｎ型クラッド層１４
上にアンドープＧａＮよりなり、厚さが１００ｎｍの第
１のガイド層１５を成長させる。

【００２８】次に、基板１１の温度を７３０℃にまで下
げ、基板１１上に、トリメチルガリウムを流量２．７ｓ
ｃｃｍで、トリメチルインジウムを流量２７ｓｃｃｍ
で、アンモニアを流量１０ｌ／ｍｉｎで、及び窒素を流
量１０ｌ／ｍｉｎで導入して、基板１１の上の第１のガ
イド層１５上にアンドープＧａ_0.95Ｉｎ_0.05Ｎよりな
り、厚さが５．０ｎｍのバリア層１６ａを成長させる。
引き続き、基板１１の温度をそのままにし、基板１１上
に、トリメチルガリウムを流量１０．８ｓｃｃｍで、ト
リメチルインジウムを流量２７ｓｃｃｍで、アンモニア
を流量１０ｌ／ｍｉｎで、及び窒素を流量１０ｌ／ｍｉ
ｎで導入して、バリア層１６ａ上にアンドープＧａ_0.8
Ｉｎ_0.2 Ｎよりなり、厚さが２．５ｎｍの活性層１６ｂ
を成長させる。これらのバリア層１６ａ及び活性層１６
ｂを一対とする計５対の成膜を繰り返した後、その上に
もう一層のバリア層１６ａを積層することにより、五重
に交互に積層されてなる多重量子井戸層１６を形成す
る。

【００２９】次に、基板１１の温度を１０６０℃にまで
上げ、基板１１上に、トリメチルガリウムを流量２．７
ｓｃｃｍで、アンモニアを流量２．５ｌ／ｍｉｎで導入
して、基板１１の上の多重量子井戸層１６上にアンドー
プＧａＮよりなり、厚さが１００ｎｍの第２のガイド層
１７を成長させる。

【００３０】次に、基板１１の温度を１０６０℃のま
ま、基板１１上に、トリメチルアルミニウムを流量５．
４ｓｃｃｍで、及びアンモニアを流量２．５ｌ／ｍｉｎ
で導入して、基板１１の上の第２のガイド層１７上にＡ
ｌＮ（１）層１８１ａを成長させる。次に、基板１１上
に、トリメチルガリウムを流量２．７ｓｃｃｍで、及び
アンモニアを流量２．５ｌ／ｍｉｎで導入して、基板１
１の上のＡｌＮ（１）層１８１ａ上にＧａＮ（１０）層
１８２ａを成長させる。このように、前述したＡｌＮ層
１８１ｂ〜１８１ｋとＧａＮ層１８２ｂ〜１８２ｋとを
交互に成長させ、ＧａＮ（１０）層１８２ｋの上にＡｌ
Ｎ（１）層１８１ｌを成長させることにより、拡散抑制
層１８を形成する。

【００３１】その後、基板１１上に、トリメチルガリウ
ムを流量２．７ｓｃｃｍで、トリメチルアルミニウムを
流量５．４ｓｃｃｍで、アンモニアを流量２．５ｌ／ｍ
ｉｎで、及びシクロペンタジエニルマグネシウムを流量
５．０ｓｃｃｍで導入して、基板１１の上の拡散抑制層
１８上にｐ型Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎよりなり、厚さが５０
０ｎｍのｐ型クラッド層１９を成長させる。

【００３２】次に、基板１１の温度を６８０℃にまで下
げ、基板１１上に、トリメチルガリウムを流量２．７ｓ
ｃｃｍで、アンモニアを流量５．０ｌ／ｍｉｎ、シクロ
ペンタジエニルマグネシウムを流量５．０ｓｃｃｍで導
入して、基板１１の上のｐ型クラッド層１９上に厚さが
ｐ型ＧａＮよりなり、３００ｎｍのｐ型コンタクト層２
０を成長させる。

【００３３】次に、成膜された基板１１に対して、窒素
雰囲気において温度が７００℃で、１時間のアニールを
行なって、ｐ型クラッド層１８、ｐ型ＧａＮ層１９及び
ｐ型コンタクト層２０中のｐ型不純物イオンであるＭｇ
を活性化させる。

【００３４】次に、アニール後の基板１１に陽電極２２
及び陰電極２４を形成する方法を説明する。

【００３５】まず、基板１１におけるｐ型コンタクト層
２０の上の陽電極２２形成領域に開口部を有するマスク
パターンを形成した後、基板の上に全面にわたって厚さ
が１μｍのマスク用Ｎｉを蒸着させる。次に、マスクパ
ターンを除去した後、混合比が１：１の塩素と水素とか
らなるＥＣＲプラズマ中で、圧力が１３３．３ｍＰａ、
ＲＦパワーが４００Ｗ、ＲＦ周波数が１３．５６ＭＨ
ｚ、及び基板１１を保持する基板ホルダとグリッドとの
間の電圧を５００Ｖにそれぞれ設定して、マスク用Ｎｉ
をマスクとして基板１１に対して２０分間のドライエッ
チングを行なって、ｎ型ＧａＮ層１３を露出させる。そ
の後、大気圧の窒素雰囲気下で、硝酸を用いてマスク用
Ｎｉを除去する。なお、マスク用Ｎｉの代わりにアルミ
ニウム等の金属又はＳｉＯ₂ 等の誘電体を用いてもよ
い。

【００３６】次に、ＣＶＤ法を用いて、基板１１の上に
全面にわたって、ＳｉＯ₂ よりなり、膜厚が１００ｎｍ
の誘電膜を堆積する。なお、ＣＶＤ法としては、光ＣＶ
Ｄ法であっても、プラズマＣＶＤ法であってもよい。

【００３７】続いて、基板１１上の誘電膜の上に全面に
わたってレジスト膜を塗布した後、フォトリソグラフィ
を用いて、基板１１の上のｐ型コンタクト層２０の上面
における陽電極形成領域、及び基板１１の上のｎ型Ｇａ
Ｎ層１３の露出面における陰電極形成領域にそれぞれ選
択的に幅が１０μｍの開口部を有するレジストパターン
を形成し、該レジストパターンをマスクとして、混合比
が１：１０のフッ化水素とフッ化アンモニウムとからな
る水溶液を用いて基板１１に対してウエットエッチング
を行なって、ｐ型コンタクト層２０の上面の陽電極形成
領域及びｎ型ＧａＮ層１３の露出面の陰電極形成領域に
それぞれ開口部を有し、ＳｉＯ₂ よりなる電流狭さく層
２１を形成する。この場合、図１に示した半導体発光素
子とは異なり、陰電極２４にも、陽電極２２と同様の電
流狭さく層２１が形成される。

【００３８】次に、アセトン及びＯ₂ プラズマを用いて
基板１１上のレジストパターンを除去した後、ｐ型コン
タクト層２０の上面における電流狭さく層２１及び該電
流狭さく層２１の開口部にＮｉよりなる第１の金属膜２
２ａと、該第１の金属膜２２ａの上にＡｕよりなる第２
の金属膜２２ｂを順次蒸着して陽電極２２を形成する。

【００３９】次に、ｎ型ＧａＮ層１３の上面における電
流狭さく層及び該電流狭さく層の開口部にＴｉ層２４ａ
及びＡｌ層２４ｂを順次蒸着して陰電極２４を形成す
る。

【００４０】次に、キャビティ長が０．５ｍｍになるよ
うに基板１１をへき開して半導体発光素子を完成させ
る。

【００４１】以下、本実施形態に係る半導体発光素子の
特性を説明する。

【００４２】まず、光学的特性は、レーザ光の発振波長
が４１０ｎｍであり、端面の反射率がフロント及びリア
共に２２％である。また、レーザ光の内部損失は５ｃｍ
^-1、共振器における損失は２０ｃｍ^-1である。

【００４３】次に、電気的特性を説明する。

【００４４】ｐ型クラッド層１９及びｎ型クラッド層１
４のキャリア密度はそれぞれ１×１０¹⁸／ｃｍ³ 、ｐ型
コンタクト層２０及びｎ型ＧａＮ層１３のキャリア密度
はそれぞれ３×１０¹⁸／ｃｍ³ である。

【００４５】移動度は、ｐ型クラッド層１９、ｐ型コン
タクト層２０がそれぞれ１０ｃｍ²／Ｖ・ｓであり、ｎ
型クラッド層１４及びｎ型ＧａＮ層１３がそれぞれ２５
０ｃｍ² ／Ｖ・ｓであるため、十分に抵抗率が小さいｐ
型クラッド層１９、ｎ型クラッド層１４、ｐ型コンタク
ト層２０及びｎ型ＧａＮ層１３が実現されている。

【００４６】陽電極２２側において、ｐ型のコンタクト
層２０と該コンタクト層２０と接する第１の金属膜２２
ａであるＮｉとの間においてオーミック接触が実現し、
同様に、陰電極２４側において、ｎ型ＧａＮ層１３とＴ
ｉ層２４ａとの間にもオーミック接触が実現している。

【００４７】図２は本実施形態に係る半導体発光素子の
電流電圧特性を表わすグラフである。図２において、１
Ａは本実施形態に係る半導体発光素子の出力電力を表わ
す曲線であり、１Ｂは本実施形態に係る半導体発光素子
に印加される順方向電圧を表わす曲線である。一方、１
０Ａは従来の半導体発光素子の出力電力を表わす曲線で
あり、１０Ｂは従来の半導体発光素子に印加される順方
向電圧を表わす曲線である。図２において、本実施形態
に係る半導体発光素子のしきい値電圧は、曲線１Ａに示
すように４．８Ｖであり、そのしきい値電流は曲線１Ｂ
に示すように１１０ｍＡであることがわかる。一方、従
来の半導体発光素子のしきい値電圧は曲線１０Ａに示す
ように８Ｖであり、そのしきい値電流は曲線１０Ｂに示
すように１３０ｍＡである。また、しきい値電流密度
は、本実施形態に係る半導体発光素子が２ｋＡ／ｃｍ²
であり、従来の半導体発光素子が９ｋＡ／ｃｍ² であ
る。これにより、本実施形態に係る半導体発光素子の電
流電圧特性は従来の半導体発光素子よりも明らかに向上
していることがわかる。

【００４８】これは、ｐ型不純物であるＭｇが活性層１
６ｂ側に拡散するのを抑制する拡散抑制層１８が設けら
れているためである。すなわち、ＡｌＮ結晶を構成する
Ａｌの原子半径が、ＧａＮ結晶を構成するＧａの原子半
径よりも小さいため、ＡｌＮ結晶内の隙間がＧａＮ結晶
内の隙間よりも小さいので、Ａｌ原子に置換された不純
物イオンのＭｇが結晶内に拡散できないからである。

【００４９】以下、具体的に、不純物Ｍｇの活性層１６
ｂ側の領域への拡散が抑制される様子を図面を参照しな
がら説明する。

【００５０】図３は二次イオン質量分析計（ＳＩＭＳ）
を用いて分析した本実施形態に係る半導体発光素子及び
従来の半導体発光素子におけるｐ型不純物であるＭｇ濃
度を示すグラフである。図３において、曲線２は本実施
形態に係る半導体発光素子のＭｇ濃度を示し、曲線１１
は従来の半導体発光素子のＭｇ濃度を示している。な
お、深さ方向を表わすスケールＡは本実施形態に係る半
導体発光素子を示し、スケールＢは従来の半導体発光素
子を示し、その符号は各半導体層又は金属層にそれぞれ
対応している。図３の曲線２に示すように、本実施形態
に係る半導体発光素子のＭｇ濃度は、ｐ型クラッド層１
９と拡散抑制層１８との界面で急峻に低下し、１０¹⁴／
ｃｍ³ 以下になっている。一方、曲線１１に示す従来の
半導体発光素子の場合は、活性層１０７領域においても
１０¹⁷／ｃｍ³ 以上存在している。

【００５１】このように、本実施形態によると、第２の
ガイド層１７とｐ型クラッド層１９との間にＡｌＮを含
む拡散抑制層１８を設けているため、ｐ型クラッド層１
９から活性層１６ｂ側の領域への不純物Ｍｇの拡散を抑
えることができる。従って、不純物Ｍｇの濃度が活性層
１６ｂ領域において１０¹⁴／ｃｍ³ 以下であるため、活
性層領域１６ｂに侵入した該Ｍｇによって発光効率が低
下することがない。このことが、前述したように、しき
い値電流密度が従来の４分の１以下である２．０ｋＡ／
ｃｍ² となり、且つ、本発光素子の動作電圧を低減でき
る要因の１つである。

【００５２】さらに、本実施形態の特徴として、拡散抑
制層１８が数原子層程度の膜厚のＡｌＮ層１８１ａ〜１
８１ｌとＧａＮ層１８２ａ〜１８２ｋとが交互に組み合
わせられたヘテロ接合よりなることにより、図４（ａ）
における拡散抑制層１８の荷電子帯エネルギーバンド図
に示すように、量子井戸を形成する各ＧａＮ層１８２ａ
〜１８２ｋ内で量子トンネル準位が形成される。さら
に、拡散抑制層１８は、各量子井戸の量子トンネル準位
がすべて等しくなるように、原子層数と該原子層数の変
化量とが採用されているため、すなわち、図１の拡散抑
制層１８の拡大図に示すように、ＡｌＮ層１８１ａ〜１
８１ｌは拡散抑制層１８の中央部で最大値１０を取ると
共に両端部で最小値１を取り、一方、ＧａＮ層１８２ａ
〜１８２ｋは拡散抑制層１８の両端部で最大値１０を取
ると共に中央部で最小値１を取るように形成されている
ため、各ＧａＮ層１８２ａ〜１８２ｋにトンネル電流が
流れるので、その結果、発光素子の内部抵抗が低減す
る。従って、これによっても、発光素子の動作電圧が低
減することになる。

【００５３】また、本実施形態に係る素子内の欠陥密度
は、従来の１００分の１以下の１０⁷ ／ｃｍ² であり、
大幅に欠陥密度が低減している。これはＡｌＮを含む拡
散抑制層１８とＧａ_1-x Ｉｎ_x Ｎよりなる多重量子井戸
層１６とを組み合わせた結果、ＧａＮに対する格子不整
合率が１０^-4程度と、従来の活性層における格子不整合
率の１００分の１程度に減少しているからである。

【００５４】すなわち、図６に示すように、拡散抑制層
１８にＧａＮに対する格子不整合率が３．１％のＡｌＮ
を含むことにより、ＧａＮに対する格子不整合率が２．
５％のＧａ_0.8 Ｉｎ_0.2Ｎよりなる活性層１６ｂにかか
る圧縮歪を打ち消すことができる。これにより、ｐ型ク
ラッド層１９に対する格子不整合率を従来の活性層に比
べて小さくできるため、活性層１６ｂから発生する欠陥
が低減して活性層の結晶性が向上するので、発光素子の
発光特性を向上させることができる。

【００５５】なお、サファイアよりなる基板１１の代わ
りにＳｉＣよりなる基板や、Ａｌ₂Ｏ₃ 、ＺｎＯ、Ｍｇ
Ａｌ₂ Ｏ₄ 又はＬｉＡｌＯ₂ 等の酸化物よりなる基板を
用いてもよく、さらに、ＳｉＣ傾斜基板を用いても同様
な効果が得られる。

【００５６】また、拡散抑制層１８中のＡｌＮ層１８１
の代わりに、ＡｌＮ層とＡｌ_x Ｇａ_1-x-y Ｉｎ_y Ｎ（但
し、ｘは０≦ｘ＜１であり、ｙは０≦ｙ≦１である。）
層とが交互に繰り返されてなる多層構造の積層体であっ
ても同様な効果を得られる。

【００５７】さらに、拡散抑制層１８にＭｇが添加され
ていても同様な効果を得ることができる。

【００５８】

【発明の効果】本発明に係る第１又は第２の半導体発光
素子によると、活性層と第２導電型の第２のクラッド層
との間に形成され、第２導電型の不純物が活性層側の領
域へ拡散することを抑制するＡｌＮを含む拡散抑制層を
備えているため、該ＡｌＮを構成するＡｌは、例えば同
じIII 族元素であるＧａよりもその原子半径が小さいた
め、ＡｌＮよりなる結晶格子の格子間の間隙が小さいの
で、不純物原子が拡散できなくなる。これにより、活性
層に侵入する第２導電型の不純物が抑制されるため、該
不純物に起因する発光効率の低下が生じないため、しき
い値電流密度が低減し、動作電圧を低減を実現できる。

【００５９】第２の半導体発光素子において、拡散抑制
層が、ＡｌＮよりなる半導体層とＧａＮよりなる半導体
層とが交互に積層された積層体よりなると、ヘテロ接合
によりＧａＮよりなる各半導体層に量子井戸が形成され
るため、複数の互いに隣接する量子井戸間で生じる量子
トンネル準位がすべて等しくなるように該ヘテロ接合を
形成すれば、該拡散抑制層にトンネル電流が流れるの
で、拡散抑制層が設けられていても発光素子の内部抵抗
が低減することになる。従って、発光素子の動作電圧が
低減する。

【００６０】第１又は第２の半導体発光素子において、
第２導電型の不純物がＭｇであると、第２導電型を容易
に且つ確実にｐ型とすることができる。

【００６１】また、第１又は第２の半導体発光素子にお
いて、拡散抑制層が、ＡｌＮよりなる半導体層とＡｌ_x
Ｇａ_1-x-y Ｉｎ_y Ｎ（但し、式中のｘは０≦ｘ＜１であ
り、ｙは０≦ｙ≦１である。）よりなる半導体層とが交
互に積層された積層体よりなると、窒素を含むIII −Ｖ
族化合物としてＧａ_1-x Ｉｎ_x Ｎよりなる活性層を用い
る場合には、格子整合が良好となり、発光特性が向上す
る。

【００６２】また、第１又は第２の半導体発光素子にお
いて、活性層に、Ｇａ_1-x Ｉｎ_x Ｎ（但し、式中のｘは
０＜ｘ≦１である。）を用いると、短波長のレーザ光を
発生する半導体発光素子を確実に実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る半導体発光素子を示
す構成断面図である。

【図２】本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の電
流電圧特性を表わすグラフである。

【図３】本発明の一実施形態に係る半導体発光素子及び
従来の半導体発光素子におけるｐ型不純物であるＭｇ濃
度を示すグラフである。

【図４】本発明の一実施形態に係る半導体発光素子にお
ける拡散抑制層を示し、（ａ）は価電子帯エネルギーバ
ンドと量子トンネル準位とを表わす図であり、（ｂ）は
（ａ）に対応する拡散抑制層の断面図である。

【図５】従来の半導体発光素子を示す構成断面図であ
る。

【図６】代表的なIII −Ｖ族化合物半導体のバンドギャ
ップと格子定数との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１１基板１２バッファ層１３ｎ型ＧａＮ層１４ｎ型クラッド層（第１のクラッド層）１５第１のガイド層１６多重量子井戸層１６ａバリア層１６ｂ活性層１７第２のガイド層１８拡散抑制層１８１ＡｌＮよりなる半導体層１８１ａＡｌＮ（１）層１８１ｂＡｌＮ（２）層１８１ｃＡｌＮ（３）層１８１ｄＡｌＮ（４）層１８１ｅＡｌＮ（６）層１８１ｆＡｌＮ（１０）層１８１ｇＡｌＮ（１０）層１８１ｈＡｌＮ（６）層１８１ｉＡｌＮ（４）層１８１ｊＡｌＮ（３）層１８１ｋＡｌＮ（２）層１８１ｌＡｌＮ（１）層１８２ＧａＮよりなる半導体層１８２ａＧａＮ（１０）層１８２ｂＧａＮ（６）層１８２ｃＧａＮ（４）層１８２ｄＧａＮ（３）層１８２ｅＧａＮ（２）層１８２ｆＧａＮ（１）層１８２ｇＧａＮ（２）層１８２ｈＧａＮ（３）層１８２ｉＧａＮ（４）層１８２ｊＧａＮ（６）層１８２ｋＧａＮ（１０）層１９ｐ型クラッド層（第２のクラッド層）２０コンタクト層２１電流狭さく層２２陽電極２２ａ第１の金属膜２２ｂ第２の金属膜２４陰電極２４ａＴｉ層２４ｂＡｌ層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者原義博大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者木戸口勲大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者粂雅博大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者伴雄三郎大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に形成され、窒素を含むIII −Ｖ
族化合物よりなる第１導電型の第１のクラッド層と、前
記第１のクラッド層の上に形成され、窒素を含むIII −
Ｖ族化合物よりなる活性層と、前記活性層の上側に形成
され、窒素を含むIII −Ｖ族化合物よりなる第２導電型
の第２のクラッド層とを備えた半導体発光素子におい
て、前記活性層と前記第２のクラッド層との間に形成されて
おり、前記第２のクラッド層の第２導電型の不純物が前
記活性層側の領域へ拡散することを抑制するＡｌＮを含
む拡散抑制層を備えていることを特徴とする半導体発光
素子。
【請求項２】基板上に形成され、窒素を含むIII −Ｖ
族化合物よりなる第１導電型の第１のクラッド層と、前
記第１のクラッド層の上に形成され、窒素を含むIII −
Ｖ族化合物よりなる活性層と、前記活性層の上側に形成
され、窒素を含むIII −Ｖ族化合物よりなる第２導電型
の第２のクラッド層とを備えた半導体発光素子におい
て、前記活性層と前記第２のクラッド層との間に形成されて
おり、ＡｌＮよりなる半導体層を含む複数の半導体層よ
りなり、前記第２のクラッド層の第２導電型の不純物が
前記活性層側の領域へ拡散することを抑制する拡散抑制
層を備えていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】前記拡散抑制層は、ＡｌＮよりなる半導
体層とＧａＮよりなる半導体層とが交互に積層された積
層体よりなることを特徴とする請求項２に記載の半導体
発光素子。
【請求項４】前記第２導電型の不純物はＭｇであるこ
とを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素
子。
【請求項５】前記拡散抑制層は、ＡｌＮよりなる半導体層とＡｌ_x Ｇａ_1-x-y Ｉｎ_y Ｎ
（但し、式中のｘは０≦ｘ＜１の実数であり、ｙは０≦
ｙ≦１の実数である。）よりなる半導体層とが交互に積
層された積層体よりなることを特徴とする請求項１又は
２に記載の半導体発光素子。
【請求項６】前記活性層はＧａ_1-x Ｉｎ_x Ｎ（但し、
式中のｘは０＜ｘ≦１の実数である。）よりなることを
特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。