JP4100817B2 - Semiconductor light emitting device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
AlGaInP系材料は、AlGaInN系材料およびB(ボロン)系材料を除きIII−V族半導体のなかで最も大きい直接遷移型の材料であり、バンドギャップエネルギーは最大で約2.3eV(波長540nm)が得られる。このため、従来よりカラーディスプレイ等に用いられる高輝度緑色〜赤色発光ダイオード等の発光素子や,レーザプリンタ,CD,DVD等の光書き込み用等に用いられる可視光半導体レーザの材料として研究開発が行なわれている。これらの中で、特に、半導体レーザには、GaAs基板に格子整合する材料が用いられている。特に高密度記録等のためには高温高出力安定動作し、かつ短波長である素子が必要となっている。
【0003】
半導体レーザを作製するためには、クラッド層(活性層よりバンドギャップの大きい材料からなる)を用い、キャリアと光を活性層(発光層)に閉じ込める構造が必要である。通常のバルク活性層のダブルヘテロ(DH)構造で短波長にする場合は活性層にはAlが添加されたAlGaInPを用いる必要がある。Alの添加はバンドギャップを大きくする効果があるが、Alが非常に活性なため、成長中、雰囲気内や原料内のわずかな酸素等と結合してディープレベルを形成し発光効率の低下を招きやすいので、Al組成は小さい方が好ましい。そこで、発振波長を短波長化する他の方法として、活性層(井戸層)にはGaInP量子井戸構造を用い、光ガイド層としてAlGaInPを用いたSCH−QW(Separate Confinement Heterostructure-Quantum Well)とする方法が行われている。さらに、低閾値化するために、特開平6−77592号に示されるように、量子井戸層に歪を加えた歪量子井戸構造が通常用いられている。この場合、歪量子井戸層の格子定数は基板と異なるので、格子緩和が起こる臨界膜厚以下の厚さを用いることができる。また、635nm帯のような短波長レーザには歪の種類として引張り歪の方が有効であることが特開平6−275915号に示されている。引張り歪井戸層は、基板であるGaAsに対してGaPに近い組成のGaInPとなるので、ワイドギャップとなり圧縮歪井戸層に対して井戸層として適正な厚さの井戸層を用いることができ、界面の悪影響を低減できることが大きな理由と考えられる。だたし、引張り歪井戸層を用いると、TMモードとなるため、他の波長帯の通常の半導体レーザ(TEモード)と偏光が90°違ってくるので、その利用には注意が必要である。
【0004】
しかしながら、(AlxGa1−x)0.5In0.5P光ガイド層には光が閉じ込められるが、Al組成xが通常0.5程度と大きいため、レーザの共振器面となる端面でのAlに起因する表面再結合により端面破壊が起こりやすく高出力を出すことが困難であり、長時間安定動作させるのも困難であった。
【0005】
また、AlGaInP系ヘテロ接合を形成すると、伝導帯のバンドオフセット比が小さく、活性層(発光層)とクラッド層の伝導帯側のバンド不連続(ΔEc)が小さいので、注入キャリア(電子)が活性層からクラッド層にオーバーフローしやすく半導体レーザの発振閾値電流の温度依存性が大きく、温度特性が悪いなどの問題があった。この問題は波長が短波長になるほど顕著になる。例えば635nm帯,650nm帯の赤色レーザで比較すると、わずかな波長差であるのにかかわらず635nm帯レーザの高温特性は圧倒的に悪い。
【0006】
このような問題を解決するため、活性層とクラッド層との間に、非常に薄い層を多数積層した多重量子障壁(MQB)構造を設け、注入キャリアを閉じ込める構造が特開平4−114486号に提案されている。しかし、この場合には、構造が複雑となるうえ、効果を得るためには厚さの制御を良くし、各層の界面を原子層レベルで平坦にする必要があり、現実にはその効果を得ることは困難であった。
【0007】
このように、従来のGaAs基板格子整合系材料では、温度特性および短波長化には限界があり、高温(例えば80°),高出力(例えば30mW以上),安定動作(例えば一万時間)する635nm帯またはそれより短波長のレーザの実現は困難であった。上記のように、GaAsより格子定数が小さいAlGaInP系材料は、GaAs基板上に成長できる材料に比べてワイドギャップなので、短波長化に有利である。このような他の材料系を用いた発振波長600nm以下の短波長レーザの提案がなされている。例えば、GaP基板上に、クラッド層としてAlyGa1−yP(0≦y≦1)を用い、活性層として直接遷移型の圧縮歪GaxIn1−xP(0<x<1)を用い、活性層にはアイソエレクトロニックトラップ(Isoelectronic trap)の不純物としてNをドープした素子が特開平6−53602号に提案されている。しかしながら、この構造は、活性層のAl含有量が少ない材料を用いて短波長化できるというメリットがあるが、最もGaPに格子定数が近くて直接遷移となるGa0.7In0.3P活性層においてもGaP基板と2.3%格子不整合しており、格子不整合に起因するミスフィット転位が発生しない臨界膜厚が薄くなってしまうので、実用上好ましくない。
【0008】
また、GaAs基板上にGaAsとGaPとの間の格子定数を有する(AlGa)aIn1−aP(0.51<a≦0.73)からなるダブルヘテロ構造体を、これに格子整合するGaPxAs1−xバッファ層などを介して形成する素子が特開平5−41560号に提案されている。この技術では、バッファ層により基板とダブルヘテロ構造体の格子不整を解消している。図1に格子定数とバンドギャップエネルギーとの関係を示す。図1において、実線は直接遷移の材料、破線は間接遷移の材料である。GaAsとGaPとの間の格子定数を有する(AlGa)aIn1−aP(0.51<a≦0.73)系材料はAlInPとGaInPとで囲まれた範囲の材料である。この技術では、GaAs基板格子整合材料よりワイドギャップのAlGaInPをクラッド層と活性層に用いることができるので、600nmより短い波長のレーザなど短波長化に有利であることがわかる。しかしながら、特開平5−41560号に提案されているレーザは、600nmより短い波長のレーザを実現するための構造からなり、635nm,650nm帯等の600nmより長い波長のレーザを考慮した構造ではなかった。例えば、バンドギャップの格子定数依存性は、間接遷移材料であるAlInPよりもGaInPの方が、直接遷移であるGa組成が0.73までの範囲では大きいことがわかる。クラッド層にはワイドギャップ材料が適しているので、GaPの格子定数に近い格子定数のAl(Ga)InPを用いた方がよいが、逆に、635nm,650nm帯の活性層の材料となる(Al)GaInPの格子定数は、クラッド層のそれとは大きくずれてしまい、大きな圧縮歪を有し、好ましくないなど不十分であった。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、高温,高出力,安定動作する635nm,650nm帯等の赤色半導体レーザ、室温において600nmより短い波長で発振する可視半導体レーザや高発光効率の可視発光ダイオードなどの半導体発光素子を提供することを目的としている。
【0010】
【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、半導体基板上に、光を発生する活性層と光を閉じ込めるクラッド層とを有するヘテロ接合が形成されている半導体発光素子において、
活性層はAsを含んでいる ( Al x Ga 1−x ) α In 1−α P t As 1−t ( 0≦x<1、0<α1≦1、0≦t<1 )からなり、
クラッド層は活性層よりバンドギャップが大きくGaPとGaAsとの間の格子定数を有するAlを含んだ(AlyGa1−y)βIn1−βPvAs1−v(0<y≦1、0.5<β<1、0<v≦1)からなることを特徴としている。
【0017】
また、請求項2記載の発明は、請求項1記載の半導体発光素子において、半導体基板はGaPAsからなり、該半導体基板上にヘテロ接合部が結晶成長されていることを特徴としている。
【0018】
また、請求項3記載の発明は、請求項1記載の半導体発光素子において、半導体基板はGaAsまたはGaPからなり、半導体基板とクラッド層との間に、両者の格子不整を緩和する緩和バッファ層を介してヘテロ接合部が結晶成長されていることを特徴としている。
【0019】
また、請求項4記載の発明は、請求項3記載の半導体発光素子において、緩和バッファ層は、その格子定数が半導体基板の格子定数から成長方向に徐々に変化してクラッド層の格子定数に近づくグレーデッド層からなることを特徴としている。
【0020】
また、請求項5記載の発明は、請求項3記載の半導体発光素子において、緩和バッファ層は少なくとも2種類の格子定数の違う材料を交互に積層した歪超格子構造からなることを特徴としている。
【0021】
また、請求項6記載の発明は、請求項3記載の半導体発光素子において、緩和バッファ層はクラッド層の成長温度より低い温度で成長した低温バッファ層からなることを特徴としている。
【0022】
また、請求項7記載の発明は、請求項3乃至請求項6のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、緩和バッファ層は、GaInPまたはGaPAsからなることを特徴としている。
【0023】
また、請求項8記載の発明は、請求項2または請求項3記載の半導体発光素子において、半導体基板の面方位は、(100)面から[011]方向に0°から54.7°の範囲で傾いた面、または、(100)面から[0―11]方向に10°から54.7°の範囲で傾いた面、または、これらと等価な面であることを特徴としている。
【0024】
また、請求項9記載の発明は、請求項2または請求項3記載の半導体発光素子において、ヘテロ接合部が結晶成長されるに先立って、GaPAs基板表面が機械的研磨により平坦化され、または、緩和バッファ層成長後であってヘテロ接合部が結晶成長される前の表面が機械的研磨により平坦化されていることを特徴としている。
【0025】
また、請求項10記載の発明は、請求項2または請求項3記載の半導体発光素子において、半導体基板とヘテロ接合部との間に、層の界面の上面が下面(基板側)よりも平坦である層を含むことを特徴としている。
【0026】
また、請求項11記載の発明は、請求項10記載の半導体発光素子において、層の界面の上面が下面(基板側)より平坦である層は、Seを5×1018cm−3以上にドープしたGaInPであることを特徴としている。
【0027】
また、請求項12記載の発明は、請求項3記載の半導体発光素子において、緩和バッファ層は、Seを5×1018cm−3以上にドープしたGaInPであることを特徴としている。
【0028】
また、請求項13記載の発明は、請求項1乃至請求項12のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、ヘテロ接合部は有機金属気相成長法または分子線エピタキシー法により成長されたものであることを特徴としている。
【0029】
また、請求項14記載の発明は、請求項13記載の半導体発光素子において、緩和バッファ層は、有機金属気相成長法または分子線エピタキシー法により成長されたものであることを特徴としている。
【0030】
【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。図2は本発明に係る半導体発光素子の構成例を示す図である。図2を参照すると、この半導体発光素子は、GaAsの半導体基板1上に、光を発生する活性層2と光を閉じ込めるクラッド層3とを有するヘテロ接合部4が形成されている。
【0031】
ここで、本発明の第1の実施形態では、活性層2は(AlxGa1−x)αIn1−αPtAs1−t(0≦x<1、0<α≦1、0≦t≦1)からなり、クラッド層3は活性層2よりバンドギャップが大きく、GaPとGaAsとの間の格子定数を有するAlを含んだ(AlyGa1−y)βIn1−βPvAs1−v(0<y≦1、0.5<β<1、0<v≦1)からなっている。
【0032】
この第1の実施形態では、クラッド層3は、GaPとGaAsの間の格子定数を有するAlを含んだ(AlyGa1−y)βIn1−βPvAs1−v(0<y≦1、0.5<β<1、0<v≦1)であり、GaAs半導体基板1に形成できるクラッド層材料よりバンドギャップが大きく短波長化に有利である。また、活性層2は(AlxGa1−x)αIn1−αPtAs1−t(0≦x<1、0<α≦1、0≦t≦1)からなるので、クラッド層3に対して歪みを有することもでき、さらに従来材料よりエネルギーギャップを狭いもの(ナローギャップ)にすることもできる。このため、従来より素子設計の幅が大きく広がり、600nmより短い波長のみならず、600nmより長い波長の発光素子においても良好な特性を得ることができる。
【0033】
また、本発明の第2の実施形態では、図2の半導体発光素子において、活性層2は(AlxGa1−x)αIn1−αPtAs1−t(0≦x<1、0<α≦1、0≦t≦1)単一量子井戸からなり、クラッド層3は活性層2よりバンドギャップが大きくGaPとGaAsとの間の格子定数を有するAlを含んだ(AlyGa1−y)βIn1−βPvAs1−v(0<y≦1、0.5<β<1、0<v≦1)からなり、ヘテロ接合部4において、活性層2とクラッド層3との間には、図3に示すように、バンドギャップが活性層2より大きくクラッド層3より小さい(AlzGa1−z)γIn1−γPuAs1−u(0≦z<1、0.5<γ<1、0<u≦1)からなる光ガイド層5が設けられている。
【0034】
この第2の実施形態では、クラッド層3はGaPとGaAsとの間の格子定数を有するAlを含んだ(AlyGa1−y)βIn1−βPvAs1−v(0<y≦1、0.5<β<1、0<v≦1)であり、GaAs半導体基板1に形成できるクラッド層材料よりバンドギャップが大きく短波長化に有利である。また、(AlzGa1−z)γIn1−γPuAs1−u(0≦z<1、0.5<γ<1、0<u≦1) からなる光ガイド層5および(AlxGa1−x)αIn1−αPtAs1−t(0≦x<1、0<α≦1、0≦t≦1)からなる単一量子井戸の活性層2によりSCH構造を形成しているので、GaAs基板格子整合材料より少ないAl組成でワイドギャップが得られるようになり、従来に比べて光ガイド層5のAl組成を低減でき、非発光再結合電流の低減,表面再結合電流の低減等により、発光効率を向上させることができ、レーザの場合、端面劣化しにくくなり、高出力でも安定動作が可能となる。また、クラッド層3に対して歪みを有することもでき、さらに従来材料よりエネルギーギャップを狭くする(ナローギャップにする)こともできる。さらに、GaInPはGa組成を小さくすると格子定数が大きくなるとともにバンドギャップは小さくなる。Sandip等(Appl.Phys.Lett.60,1992,pp630〜632)によるバンド不連続の見積もりを参考にすると、バンドギャップの変化は伝導帯側で起こり、価電子帯側のエネルギーはほとんど変化していない。つまり、組成を変えても価電子帯のエネルギーの変化は小さい。一方、GaInPへAlを添加すると、伝導帯エネルギーは大きくなり価電子帯エネルギーは小さくなる。その変化は価電子帯側の方が大きい。従来、GaAs基板上構造では、大きなAl組成のAlGaInPを光ガイド層にする必要があり、GaInP量子井戸層との間に大きな価電子帯側のバンド不連続を有していた。つまり、伝導帯側のバンド不連続は充分な大きさではなかった。これに対し、本発明の第2の実施形態によれば、光ガイド層5のAl組成を低減できるので、大きな伝導帯バンド不連続が得られる。これにより、従来AlGaInP系材料による赤色レーザで問題であった伝導帯側のバンド不連続が小さいためのキャリア(電子)オーバーフローを著しく改善することができる。このため、従来より素子設計の幅が大きく広がるので、600nmより短い波長のみならず、600nmより長い波長の発光素子においても良好な特性を得ることができる。
【0035】
また、本発明の第3の実施形態では、図2の半導体発光素子において、ヘテロ接合部4の活性層2は、井戸層と障壁層とで構成される量子井戸構造であり、井戸層は(Alx1Ga1−x1)α1In1−α1Pt1As1−t1(0≦x1<1、0<α1≦1、0≦t1≦1)からなり、障壁層は(Alx2Ga1−x2)α2In1−α2Pt2As1−t2(0≦x2<1、0.5<α2<1、0≦t2≦1)からなり、クラッド層3は活性層2よりバンドギャップが大きく、GaPとGaAsとの間の格子定数を有するAlを含んだ(AlyGa1−y)βIn1−βPvAs1−v(0<y≦1、0.5<β<1、0<v≦1)からなり、ヘテロ接合部4において、活性層2とクラッド層3との間には、図3に示したと同様に、バンドギャップが活性層2より大きくクラッド層3より小さい(AlzGa1−z)γIn1−γPuAs1−u(0≦z<1、0.5<γ<1、0<u≦1)からなる光ガイド層5が設けられている。
【0036】
この第3の実施形態では、クラッド層3は、GaPとGaAsの間の格子定数を有するAlを含んだ(AlyGa1−y)βIn1−βPvAs1−v(0<y≦1、0.5<β<1、0<v≦1)であり、GaAs半導体基板1に形成できるクラッド層材料よりバンドギャップが大きく、短波長化に有利である。また、(AlzGa1−z)γIn1−γPuAs1−u(0≦z<1、0.5<γ<1、0<u≦1) からなる光ガイド層5、および、(Alx1Ga1−x1)α1In1−α1Pt1As1−t1(0≦x1<1、0<α1≦1、0≦t1≦1)からなる量子井戸と(Alx2Ga1−x2)α2In1−α2Pt2As1−t2(0≦x2<1、0<α2≦1、0≦t2≦1)からなる障壁層によりSCH構造を形成しているので、従来に比べて光ガイド層5のAl組成を低減でき、非発光再結合電流の低減,表面再結合電流の低減等により発光効率を向上させることができ、レーザの場合、端面劣化しにくくなり、高出力でも安定動作が可能となる。また、クラッド層3に対して井戸層に歪みを有することもでき、障壁層の歪みの方向を井戸層と反対方向とすることで井戸層の歪みを補償して良好な量子井戸構造を得ることもできる。また、多重量子井戸構造とすることでキャリアを十分に井戸層に閉じ込めることが可能となる。また、従来材料よりエネルギーギャップを狭くする(ナローギャップにする)こともできる。さらに、GaInPは、Ga組成を小さくすると、格子定数が大きくなるとともにバンドギャップは小さくなる。Sandipら(Appl.Phys.Lett.60,1992,pp630〜632)によるバンド不連続の見積もりを参考にすると、バンドギャップの変化は伝導帯側で起こり価電子帯側のエネルギーはほとんど変化していない。つまり、組成を変えても価電子帯のエネルギーの変化は小さい。一方、GaInPへAlを添加すると、伝導帯エネルギーは大きくなり価電子帯エネルギーは小さくなる。その変化は価電子帯側の方が大きい。従来、GaAs基板上構造では大きなAl組成のAlGaInPを光ガイド層にする必要があり、GaInP量子井戸層との間に大きな価電子帯側のバンド不連続を有していた。つまり、伝導帯側のバンド不連続は充分な大きさではなかった。これに対し、本発明の第3の実施形態によれば、光ガイド層5のAl組成を低減できるので、大きな伝導帯バンド不連続が得られる。これにより、従来AlGaInP系材料による赤色レーザで問題であった伝導帯側のバンド不連続が小さいためのキャリア(電子)オーバーフローを著しく改善することができ、低閾値で温度特性は良好であった。このため、従来より素子設計の幅が大きく広がるので、600nmより短い波長のみならず、600nmより長い波長の発光素子においても、良好な特性を得ることができる。
【0037】
また、本発明の第4の実施形態では、上記第1,第2または第3の実施形態の半導体発光素子において、活性層2は、Asを含んでいる(AlxGa1−x)αIn1−αPtAs1−t(0≦x<1、0<α1≦1、0≦t≦1)からなっている。
【0038】
この第4の実施形態では、Asの添加はバンドギャップを小さくするので、格子定数がGaPに近く大きなバンドギャップであるクラッド層3を用いた場合でも、635nm,650nm帯等の600nmより長波長の素子に対応できる。すなわち、従来のGaAs半導体基板上の635nm,650nm帯の素子に比べて大きなバンドギャップのクラッド層3となり、キャリアのオーバーフローが低減され、高温安定動作など良好な素子特性を得ることができる。
【0039】
また、本発明の第5の実施形態では、上記第2,第3または第4の実施形態の半導体発光素子において、光ガイド層5は、Alを含まないGaγIn1−γPuAs1−u(0.5<γ<1、0<u≦1)からなっている。
【0040】
この第5の実施形態は、格子定数がGaAsより小さくなるとバンドギャップが大きくなり、同じバンドギャップの材料を得るためにはAl組成を低減できることに着目してなされたものであり、この第5の実施形態によれば、従来に比べて光ガイド層5のAl組成を低減できる。例えばGaAs半導体基板1上の赤色レーザでは、通常、バンドギャップ波長が570nm程度の(Al0.5Ga0 .5)0.5In0.5Pが用いられているが、第5の実施形態のGaPとGaAsとの間の格子定数を有する材料によると、Alを含まないGa0.7In0.3Pによりこのバンドギャップ波長が達成される。このため、635nm,650nm帯等の赤色レーザにおいても、活性領域をAlを含まない材料で形成でき、Alに起因する非発光再結合電流,表面再結合電流を低減できること等により、発光効率を向上させることができ、端面劣化しにくくなり、高出力でも安定動作が可能となる。
【0041】
また、本発明の第6の実施形態では、上記第1,第2,第3,第4または第5の実施形態の半導体発光素子において、クラッド層はAsを含んでいる(AlyGa1−y)βIn1−βPvAs1−v(0<y≦1、0.5<β<1、0<v<1)からなっている。
【0042】
(100)面や(100)からの傾きが小さいGaP,GaAs,GaP0.4As0.6基板上にMOCVD法等でAlGaInPを成長すると、成長表面にヒロックと呼ばれる丘状欠陥が多数観察された。これは、AlInP等のAl組成が大きい場合に特に顕著であった。このヒロックが成長層中に多数存在すると、レーザ,LED等のデバイス特性を悪くしたり、歩留まりを落とす原因となり、生産上好ましくない。成長中にAlまたはGaがドロップレットを形成し、これが核となってヒロックが形成される。本願の発明者らは、AlGaInP成長中にAsを含ませることでヒロックの密度を激減できることを見い出した。図11(a),(b)には、(100)面から[110]方向に2°offしたGaP0.4As0.6エピ基板上のAlInP(図11(a))とAlInPAs(図11 (b))の表面ノマルスキー(表面モフォロジー)写真を示す。ここで、図11(a)のAlInPと図11(b)のAlInPAsとは、750℃で成長した。AlInPAsのAs組成は約10%であった。ヒロックは成長条件にも依存し、AlInPの成長温度を700℃から750℃に上げることでヒロック密度を低減できたが、図11(a)に示すようにまだ多い。しかしながら、Asを添加することで、図11 (b)に示すように、ヒロック密度を激減させることができた。成長温度を700℃に下げても同様にヒロック密度が激減した。これは、AlまたはGaのドロップレット形成が抑えられるためであると考えられる。As組成がわずかでも効果があり、As組成が大きいほど、ヒロック密度の低減効果は大きかった。As添加によるヒロック低減効果により、デバイス特性の悪化,歩留まり低下を抑えることができる。
【0043】
また、本発明の第7の実施形態では、上記第2,第3,第4,第5または第6の実施形態の半導体発光素子において、井戸層の格子定数は、クラッド層より大きく、圧縮歪を有しているものとなっている。
【0044】
従来のGaAs基板上の635nm帯レーザでは、圧縮歪井戸層にするとバンドギャップが小さい材料(主にGaInP)となり、井戸幅が狭くなりすぎ、界面の影響が大きくなって良好な性能が得られ難いことから、引張り歪井戸層が用いられている。このため、偏光はTMモードとなっていた。これに対し、本発明の第6の実施形態では、バンドギャップが大きくなるので、クラッド層3より格子定数が大きい材料を井戸層に用いても、最適な厚さの量子井戸層を形成でき、高性能の圧縮歪635nm帯レーザ構造を容易に得ることができる。また、圧縮歪を有することで偏光はTEモードとなり、一般的な他の波長帯のレーザと同じになり光学系を変更しないで使用できるなど、応用上都合が良い。
【0045】
また、本発明の第8の実施形態では、第1,第2,第3,第4,第5,第6または第7の実施形態の半導体発光素子において、半導体基板1はGaPAsからなり、この半導体基板1上にヘテロ接合部4が結晶成長されている。
【0046】
この第8の実施形態では、GaPとGaAsとの間の格子定数となるGaPAsを、GaPまたはGaAs基板1上に厚く(例えば30μmの厚さに)成長し、実質的にGaPAs基板とみなせるものをVPE(気相成長)法等により成長可能である。そして、最上部をヘテロ接合部4(少なくともクラッド層3)の格子定数と同じにすることで、格子不整なく本材料系を成長することができる。
【0047】
また、本発明の第9の実施形態では、第1,第2,第3,第4,第5,第6または第7の実施形態の半導体発光素子において、半導体基板1はGaAsまたはGaPからなり、図4に示すように、半導体基板1とクラッド層3との間に両者の格子不整を緩和する緩和バッファ層6を介してヘテロ接合部4が結晶成長されている。
【0048】
この第9の実施形態では、GaAsまたはGaP基板1上に格子不整を緩和する緩和バッファ層6を介してヘテロ接合部4を形成することで、格子不整が緩和されてヘテロ接合部4を成長できる。また、一貫して同じ結晶成長装置で連続して成長を行なうことができ、一台の装置で済むので容易でありコスト的にメリットがある。
【0049】
なお、第9の実施形態の半導体発光素子において、緩和バッファ層6は、その格子定数が半導体基板1の格子定数から成長方向に徐々に変化してクラッド層3の格子定数に近づくグレーデッド層として構成できる。
【0050】
このように、グレーデッド層を緩和バッファ層6として用いる場合には、格子緩和が徐々に起こるので、貫通転位がグレーデッド層より上層に成長することを防ぐことができ、ヘテロ接合部4の結晶性を低下させないで済む。
【0051】
また、第9の実施形態の半導体発光素子において、緩和バッファ層6は、少なくとも2種類の格子定数の違う材料を交互に積層した歪超格子構造として構成することもできる。
【0052】
このように、歪超格子構造を緩和バッファ層6として用いる場合には、格子緩和に伴う結晶欠陥をこの歪超格子構造内に閉じ込めることができ、ヘテロ接合部4の結晶性の低下を防ぐことができる。
【0053】
また、第9の実施形態の半導体発光素子において、緩和バッファ層6は、クラッド層3の成長温度より低い温度で成長した低温バッファ層として構成することができる。
【0054】
このように、低温バッファ層を緩和バッファ層6として用いる場合には、格子緩和に伴う結晶欠陥をこの低温バッファ層内に閉じ込めることができ、ヘテロ接合部4の結晶性の低下を防ぐことができる。
【0055】
また、上記の各例において、緩和バッファ層6には、GaInPまたはGaPAsを用いることができる。
【0056】
GaPAsまたはGaInPは三元材料であり制御が容易である。GaPAsを用いる場合、半導体基板1がGaP基板の時はGaPにAsを加えるだけで良く、また、半導体基板1がGaAs基板の時はGaAsにPを加えるだけで良く、制御しやすい。また、GaInPの場合は、蒸気圧が高いV族がPだけなので、特に歪超格子構造を成長するとき界面の制御がしやすい。
【0057】
また、上記第8または第9の実施形態の半導体発光素子において、半導体基板1の面方位は、(100)面から[011]方向に0°から54.7°の範囲で傾いた面、または、(100)面から[0―11]方向に10°から54.7°の範囲で傾いた面、または、これらと等価な面であるのが良い。
【0058】
すなわち、半導体基板1の面方位を、(100)面から[011]方向に0°から54.7°の範囲で傾いたものとすることで、または、(100)面から[0―11]方向に10°から54.7°の範囲で傾いたものとすることで、自然超格子の形成を抑制でき、自然超格子が形成された場合に比べて同じ組成比でワイドギャップとなるので短波長化に有利となる。また、端面型レーザは、通常、へき開面を共振器に用いる。基板1の面方位を上記の方向に傾けると、傾けた方向に対して垂直方向のへき開面は垂直とならないが、傾けた方向にへき開すると垂直面が得られ、レーザの共振器にできる。上記方向以外に傾けると、へき開面は垂直とならないので好ましくない。また、基板の面方位を(100)面から傾けることで、ヒロック密度を低減できる。これにより、デバイス特性の悪化,歩留まり低下を抑えることができる。
【0059】
また、上記第8または第9の実施形態の半導体発光素子において、ヘテロ接合部が結晶成長されるに先立って、GaPAs基板表面が機械的研磨により平坦化され、または、緩和バッファ層成長後であってヘテロ接合部が結晶成長される前の表面が機械的研磨により平坦化されているのが良い。
【0060】
GaPAs基板1の表面、または、緩和バッファ層6成長後の表面上には、通常、格子不整にかかわるクロスハッチ状の凹凸ができる。この凹凸はその上にヘテロ接合部4を成長した時の新たな結晶欠陥発生の起源となり得る。研磨により平坦にし、その上にヘテロ接合部4を成長することで、これを防ぐことができる。
【0061】
また、第8または第9の実施形態の半導体発光素子において、半導体基板1と上記ヘテロ接合部4との間に、層の界面の上面が下面(基板側)より平坦である層を含むこともできる。
【0062】
すなわち、GaPAs基板1の表面、または、緩和バッファ層6成長後の表面上には、通常、格子不整にかかわるクロスハッチ状の凹凸ができる。この凹凸は、その上にヘテロ接合部4を成長した時の新たな結晶欠陥発生の起源となり得る。このような凹凸を埋め込んで成長する層を含むと、その上層は平坦になり、これを防ぐことができる。
【0063】
なお、この場合、層の界面の上面が下面(基板側)より平坦である層は、Seを5×1018cm−3以上にドープしたGaInPとすることができる。
【0064】
すなわち、本願の発明者は、Seを高濃度にドープしたGaInPは、凹凸を埋め込んで成長する性質を有していることを見出した。これにより、層の界面の上面が下面(基板側)より平坦となるので、ヘテロ接合部4を成長した時の凹凸を起源とする新たな結晶欠陥発生を防ぐができる。
【0065】
また、第9の実施形態の半導体発光素子において、緩和バッファ層6は、Seを5×1018cm−3以上にドープしたGaInPであるのが良い。
【0066】
すなわち、格子不整にかかわるクロスハッチ状の凹凸を発生させる起源となる緩和バッファ層6自体に、凹凸を埋め込んで成長する性質を有しているSeを高濃度にドープしたGaInPを用いることで、格子不整を緩和する効果,表面を平坦にする効果を併せもたせることができ、トータルの成長層の厚さを低減できる。
【0067】
また、上述した各例の半導体発光素子において、ヘテロ接合部4は、有機金属気相成長法(MOCVD)または分子線エピタキシー法(MBE)により、これを成長させることができる。
【0068】
すなわち、AlGaInP(As)系材料は、溶液から固相へのAlの偏析係数が大きく、組成制御の点から液層成長は困難である。また、ハロゲン輸送法による気相成長法(VPE)は、原料であるAlClが石英反応管を腐食する問題があり困難である。一方、有機金属気相成長法(MOCVD)または分子線エピタキシー法(MBE)は非平衡性の高い成長方法であり、成長がIII族原料供給律則となっているので、これらの材料の成長には極めて有効であり容易に成長できる。
【0069】
また、緩和バッファ層6についても、これを有機金属気相成長法(MOCVD)または分子線エピタキシー法(MBE)により、成長させることができる。
【0070】
この場合には、ヘテロ接合部の結晶成長装置と同じ装置で連続して成長を行なうことができ、一台の装置で済むので、容易でありコスト的にメリットがある。
【0071】
【実施例】
以下に本発明に係る実施例について説明する。なお、以下の実施例1〜実施例7においては、半導体発光素子(半導体レーザ素子)の基本構成は、図5のようになっている。すなわち、各実施例ごとに材料や組成等を相違しているが、各実施例の基本構成は図5のものとなっている。従って、実施例1〜実施例7では、便宜上、実施例1〜実施例7の半導体発光素子が図5の基本構成のものとなっているとして説明する。なお、図5の半導体発光素子は、層構造としてはSCH−SQW構造である。
【0072】
実施例1
実施例1では、まず(100)面から[011]方向に15°offしたGaAs基板11上に、MOCVD法により、Ga組成を0.5から0.7まで徐々に変化させSeを5×1018cm−3以上にドープした膜厚が2μmのn−GaInPグレーデッドバッファ層12を積層し、その上に表面平坦化層としてSeを5×1018cm−3以上にドープしたn−Ga0.7In0.3Pからなる膜厚が1μmの組成均一層13を成長し、格子不整合を緩和させる。Seをドープすることにより格子緩和に伴うクロスハッチ状の凹凸が低減された。実験によると、Seを高濃度(5×1018cm3以上が好ましい)にドープしたGaInPは凹凸を埋め込んで成長する性質を有していることがわかった。つまり、Seをドープしたn−Ga0.7In0.3P組成均一層13の界面の上面が下面(基板側)より平坦であった。平坦でない表面上にヘテロ接合部を成長すると、この凹凸を起源とする新たな結晶欠陥が発生していたが、平坦にすることで、これを防ぐことができた。グレーデッド層にSeを高濃度に添加したので表面平坦化の効果が得られ表面平坦化層を薄くすることができた。
【0073】
次に、GaPとGaAsとの間の格子定数であってGa0.7In0.3Pの格子定数と等しいn−(AlyGa1−y)βIn1−βPvAs1−v(y=1、β=0.7、v=1)クラッド層14(膜厚が1μm)、(AlzGa1−z)γIn1−γPuAs1−u(z=0.1、γ=0.7、u=1)光ガイド層15(膜厚が0.1μm)、圧縮歪を有する(AlxGa1−x)αIn1−αPtAs1−t(x=0、α=0.6、t=1)単一量子井戸活性層16(膜厚が8nm)、(AlzGa1−z)γIn1−γPuAs1−u(z=0.1、γ=0.7、u=1)光ガイド層17(膜厚が0.1μm)、p−(AlyGa1−y)βIn1−βPvAs1−v(y=1、β=0.7、v=1)クラッド層18(膜厚が1μm)、p−Ga0.7In0.3Pキャップ層19(膜厚が0.1μm)、p−GaAsコンタクト層20(膜厚が0.005μm)を成長させた。ここで、クラッド層14,18およびガイド層15,17は、Ga0.7In0.3P組成均一層13に格子整合している。
【0074】
そして、コンタクト層20上には、絶縁膜21としてのSiO2とp側電極22とが形成され、また、基板11の裏面にはn側電極23が形成されている。この半導体発光素子は、絶縁膜ストライプ構造として構成されているが、他の構造を用いることもできる。
【0075】
この実施例1では、クラッド層14,18および光ガイド層15,17が従来のGaAs基板に格子整合する材料系よりもワイドギャップとなり、この構造により600nmよりも短い波長595nmで発振する半導体レーザが得られた。そして、600nmよりも短い波長であるのにかかわらず、GaAs基板上の従来の635nm帯レーザ等に用いられる光ガイド層に比べてAl組成を低減することができた。このため、Alに起因する非発光再結合電流が低減され、発光効率が向上した。また、表面再結合電流も低減され、端面光劣化のレベルも高くなり、高出力が得られるようになった。さらに、実施例1では量子井戸活性層16にGaInPを用いている。GaInPはGa組成を小さくすると格子定数が大きくなるとともにバンドギャップは小さくなる。Sandipら(Appl.Phys.Lett.60,1992,pp630〜632)によるバンド不連続の見積もりを参考にすると、バンドギャップの変化は主に伝導帯側で起こり、価電子帯側のエネルギーはほとんど変化していない。つまり、組成を変えても価電子帯のエネルギーの変化は小さい。一方、GaInPへAlを添加すると、伝導帯エネルギーは大きくなり、価電子帯エネルギーは小さくなる。その変化は、価電子帯側の方が大きい。従来、GaAs基板上構造では、大きなAl組成のAlGaInPを光ガイド層にする必要があり、GaInP量子井戸層との間に大きな価電子帯側のバンド不連続を有していた。つまり、伝導帯側のバンドは充分な大きさではなかった。本発明によれば、光ガイド層15,17のAl組成を低減できるので、大きな伝導帯バンド不連続が得られる。これにより、従来AlGaInP系材料による赤色レーザで問題があった伝導帯側のバンド不連続が小さいためのキャリア(電子)オーバーフローを著しく改善することができ、低閾値で温度特性は良好であった。
【0076】
また、実施例1において、クラッド層14,18の組成は、活性層16よりもバンドギャップが大きく、Alを含んだ(AlyGa1−y)βIn1−βPvAs1−v(0<y≦1、0.5<β<1、0<v≦1)を用いることができる。光ガイド層15,17は、バンドギャップがクラッド層14,18よりも小さく活性層16よりも大きく格子定数がクラッド層14,18と同じである(AlzGa1−z)γIn1−γPuAs1−u(0≦z<1、0.5<γ<1、0<u≦1)を用いることができる。また、実施例1では、活性層16は、単一量子井戸活性層を用いたが、多重量子井戸でも良い。また、クラッド層14,18のβの値によって格子定数が変わるが、緩和バッファ層(12,13)の最上面の格子定数をクラッド層14,18と同じになるように変えることで対応できる。
【0077】
また、GaAs基板の面方位は、(100)面から[011]方向に0°から54.7°の範囲、または、(100)面から[011]方向に10°から54.7°の範囲で傾いていると自然超格子の形成を抑制できるので、バンドギャップの減少を防ぐことができ短波長化に有利である。また、端面型レーザは通常へき開面を共振器に用いる。基板11の面方位を上記の方向に傾けると、傾けた方向に対して垂直方向のへき開面は垂直とならないが、傾けた方向にへき開すると垂直面が得られレーザの共振器にできる。上記方向以外に傾けると、へき開面は垂直とならないので好ましくない。また、基板の面方位を(100)面から傾けることで、ヒロック密度を低減でき、これにより、デバイス特性の悪化,歩留まり低下を抑えることができる。また、実施例1では、格子緩和バッファ層12,13とヘテロ接合部とをMOCVD法により1回で成長しており、1台の装置で済むので容易でありコスト的にメリットがある。また、図5の構造は、MBE法(分子線エピタキシー)でも成長できる。ヘテロ接合部であるAlGaInP(As)系材料は溶液から固相へのAlの偏析係数が大きく組成制御の点から液層成長は困難である。また、ハロゲン輸送法による気相成長法(VPE)は原料であるAlClが石英反応管を腐食する問題があり困難である。一方、有機金属気相成長法(MOCVD)または分子線エピタキシー法(MBE)は非平衡性の高い成長方法であり、成長がIII族原料供給律則となっているので、これらの材料の成長には極めて有効であり容易に成長できる。実施例1では、半導体レーザについて説明したが、発光ダイオードにも応用できる。
【0078】
実施例2
実施例2はAsを含んだ量子井戸活性層による635nm,650nm等の赤色レーザへの応用例となっている。すなわち、実施例2では、量子井戸活性層にはAsが含まれている。実施例2では、まず(100)面から[011]方向に15°offしたGaAs基板11上に、MOCVD法により、Ga組成を0.5から0.7まで徐々に変化させ、Seを5×1018cm−3以上にドープした膜厚が2μmのn−GaInPグレーデッドバッファ層12を積層し、その上にSeを5×1018cm−3以上にドープしたn−Ga0.7In0.3Pからなる膜厚が1μmの組成均一層13を成長し、格子不整合を緩和させる。Seを高濃度にドープすることにより格子緩和に伴うクロスハッチ状の凹凸が低減された。つまり、Seをドープしたn−Ga0.7In0.3P組成均一層13の界面の上面が下面(基板側)より平坦であった。これにより、ヘテロ接合部を成長した時の凹凸を起源とする新たな結晶欠陥発生を防ぐことができる。
【0079】
次に、GaPとGaAsとの間の格子定数であってGa0.7In0.3Pの格子定数と等しいn−(AlyGa1−y)βIn1−βPvAs1−v(y=0.7、β=0.7、v=1)クラッド層14(膜厚が1μm)、(AlzGa1−z)γIn1−γPuAs1−u(z=0.1、γ=0.7、u=1)光ガイド層15(膜厚が0.1μm)、圧縮歪を有するAsが含まれる(AlxGa1−x)αIn1−αPtAs1−t(x=0、α=0.6、t=0.9)単一量子井戸活性層16(膜厚が8nm)、(AlzGa1−z)γIn1−γPuAs1−u(z=0.1、γ=0.7、u=1)光ガイド層17(膜厚が0.1μm)、p−(AlyGa1−y)βIn1−βPvAs1−v(y=0.7、β=0.7、v=1)クラッド層18(膜厚が1μm)、p−Ga0.7In0.3Pキャップ層19(膜厚が0.1μm)、p−GaAsコンタクト層20(膜厚が0.005μm)を成長する。クラッド層14,18および光ガイド層15,17は、Ga0.7In0.3Pに格子整合している。
【0080】
そして、コンタクト層20上には、絶縁膜21としてのSiO2とp側電極22とが形成され、また、基板11の裏面にはn側電極23が形成されている。この半導体発光素子は、絶縁膜ストライプ構造として構成されているが、他の構造を用いることもできる。
【0081】
実施例2のクラッド層14,18の格子定数では、AlGaInPの中でバンドギャップが小さいGaInPを用いても635nmを得るには歪みが1%を大きく越えてしまい結晶性が低下するので、井戸層16にAsを添加してバンドギャップを調整した。もちろん必要な波長が得られるような構造(組成)ならAsを添加しなくても良い。
【0082】
実施例2の構造により、波長635nmで発振する半導体レーザが得られた。また、圧縮歪量子井戸活性層16を用いているので、偏光はTEモードであった。他の波長帯のレーザの多くはTEモードなので応用上都合がよい。もちろん、井戸層が直接遷移の材料であれば、引張り歪量子井戸活性層を用いてもかまわない。直接遷移である引張り歪量子井戸層を用いるためにはクラッド層の格子定数を実施例2のものより大きくすることが望ましい。クラッド層14,18および光ガイド層15,17が従来のGaAs基板に格子整合する材料系よりワイドギャップとなり,バンド不連続が大きくなった結果、キャリアの閉じ込めは良好になった。また、圧縮歪の効果,量子井戸の効果の他に、ワイドギャップの材料を圧縮歪量子井戸層として用いることができるので、従来のGaAs基板に格子定数するクラッド層を用いた圧縮歪量子井戸層に比べて井戸幅は厚くなり、界面の悪影響が低減された。また、光ガイド層のIII族にしめるAl組成は0.07であり、従来より低減でき、Alに起因する非発光再結合電流が低減され、発光効率が向上した。また、表面再結合電流も低減され、端面光劣化のレベルも向上し、高出力が得られるようになった。
【0083】
また、クラッド層14,18の組成は、活性層16よりバンドギャップが大きく、Alを含んだ(AlyGa1−y)βIn1−βPvAs1−v (0<y≦1、0.5<β<1、0<v≦1)を用いることができる。また、光ガイド層15,17は、バンドギャップがクラッド層14,18より小さく活性層16より大きく格子定数がクラッド層と同じである(AlzGa1−z)γIn1−γPuAs1−u(0≦z<1、0.5<γ<1、0<u≦1)を用いることができる。また、実施例2では、単一量子井戸活性層を用いたが、多重量子井戸でも良い。また、クラッド層14,18のβの値によって格子定数が変わるが、格子緩和バッファ層の最上面の格子定数をクラッド層14,18と同じになるように変えることで対応できる。
【0084】
また、実施例2のように、GaAs基板11の面方位は(100)面から[011]方向に0°から54.7°の範囲、または、(100)面から[011]方向に10°から54.7°の範囲で傾いていると、自然超格子の形成を抑制できるので、バンドギャップの減少を防ぐことができ、短波長化に有利である。また、上記例では、格子緩和バッファ層12,13とヘテロ接合部をMOCVD法により成長したが、MBE法(分子線エピタキシー)でも成長できる。
【0085】
実施例3
実施例3が実施例2と違うところは格子緩和バッファ層12の材料である。すなわち、実施例3では、(100)面から[011]方向に15°offしたGaAs基板11上に、MOCVD法により、P組成を0から0.4まで徐々に変化させ、Seをドープした膜厚が2μmのn−GaPAsグレーデッド格子緩和バッファ層12を積層し、その上にSeをドープしたn−GaP0.4As0.6からなる膜厚が1μmの組成均一層13を成長し、格子不整合を緩和させた。すなわち、実施例1,実施例2ではGaInPを格子緩和バッファ層に用いているが、実施例3ではGaPAsを格子緩和バッファ層に用いている。他は実施例2と同じである。実施例3においても実施例2と同じ効果を得た。
【0086】
実施例4
実施例4が実施例2と違うところは格子緩和バッファ層12の構造である。すなわち、実施例4では、(100)面から[011]方向に15°オフしたGaAs基板11上に、MOCVD法により、図6に示すように、GaAs基板11に格子整合するGa0.5In0.5Pとクラッド層14の格子定数と同じであるGa0.7In0.3PとからなるSeを5×1018cm−3以上にドープしたn−歪超格子からなる膜厚が2μmの格子緩和バッファ層(n−GaInP/GaInP超格子バッファ層)12を積層し、その上にSeを5×1018cm−3以上にドープしたn−Ga0.7In0.3Pからなる1μmの組成均一層13を成長し、格子不整合を緩和させた。他は実施例2と同じである。実施例4においても実施例2と同じ効果を得た。
【0087】
実施例5
実施例5が実施例2と違うところは格子緩和バッファ層12の構造である。すなわち、実施例5では、(100)面から[011]方向に15°オフしたGaAs基板11上に、MOCVD法により、クラッド層14の格子定数と同じであるGaP0.4As0.6からなるクラッド層14よりも低温で成長した膜厚が0.1μmのn−低温格子緩和バッファ層(n−GaPAs低温バッファ層)12を積層し、その上にSeを5×1018cm−3以上にドープしたn−Ga0.7In0.3Pからなる膜厚が2μmの組成均一層13を成長し、格子不整合を緩和させた。他は実施例2と同じである。実施例5においても実施例2と同じ効果を得た。
【0088】
実施例6
実施例6はAlを含まない光ガイド層による635nm,650nm等の赤色レーザへの応用例となっている。実施例6では、まず(100)面から[011]方向に15°オフしたGaAs基板11上に、MOCVD法により、Ga組成を0.5から0.7まで徐々に変化させ、Seを5×1018cm−3以上にドープした膜厚が2μmのn−GaInPグレーデッドバッファ層12を積層し、その上にSeを5×1018cm−3以上にドープしたn−Ga0.7In0.3Pからなる膜厚が1μmの組成均一層13を成長し、格子不整合を緩和させる。Seを高濃度にドープすることにより、格子緩和に伴うクロスハッチ状の凹凸が低減された。つまり、Seをドープしたn−Ga0.7In0.3P組成均一層13の界面の上面が下面(基板側)より平坦であった。これにより、ヘテロ接合部成長した時の凹凸を起源とする新たな結晶欠陥発生を防ぐことができる。
【0089】
次に、GaPとGaAsとの間の格子定数であってGa0.7In0.3Pの格子定数と等しいn−(AlyGa1−y)βIn1−βPvAs1−v(y=0.7、β=0.7、v=1)クラッド層14(膜厚が1μm),Alを含まない(AlzGa1−z)γIn1−γPuAs1−u(z=0、γ=0.7、u=1)光ガイド層15(膜厚が0.1μm),図7にその構造を示すように圧縮歪を有する(AlxGa1−x)αIn1−αPtAs1−t(x=0、α=1、t=0.3)井戸層(膜厚が8nm)とAlを含まない(AlzGa1−z)γIn1−γPuAs1−u(z=0、γ=0.7、u=1)障壁層(膜厚が10nm)とが交互に3層積層された多重量子井戸活性層16,Alを含まない(AlzGa1−z)γIn1−γPuAs1−u(z=0、γ=0.7、u=1)光ガイド層17(膜厚が0.1μm),p−(AlyGa1−y)βIn1−βPvAs1−v(y=0.7、β=0.7、v=1)クラッド層18(膜厚が1μm),p−Ga0.7In0.3Pキャップ層19(膜厚が0.1μm),p−GaAsコンタクト層20(膜厚が0.005μm)を成長する。クラッド層14,18および光ガイド層15,17はGa0.7In0.3Pに格子整合している。
【0090】
そして、コンタクト層20上には、絶縁膜21としてのSiO2とp側電極22とが形成され、また、基板11の裏面にはn側電極23が形成されている。この半導体発光素子は、絶縁膜ストライプ構造として構成されているが、他の構造を用いることもできる。
【0091】
この実施例6のクラッド層14,18の格子定数では、AlGaInPの中でバンドギャップが小さいGaInPを用いても650nmを得るには歪みを大きくしなければならず、結晶性が低下するので、井戸層16にはAsを添加してバンドギャップを調整した。また、GaInPはGa組成を小さくすると格子定数が大きくなるとともにバンドギャップは小さくなる。Sandipら(Appl.Phys.Lett.60,1992,pp630〜632)によるバンド不連続の見積もりを参考にするとバンドギャップの変化は伝導帯側で起こり、価電子帯側のエネルギーはほとんど変化していない。つまり、AlフリーのワイドギャップGaInP光ガイド層とこれより格子定数が大きい圧縮歪GaInP量子井戸層とのヘテロ接合を作ると、バンド不連続はほぼ伝導帯側だけとなる。これにより、従来AlGaInP系材料による赤色レーザで問題であった伝導帯側のバンド不連続が小さいためのキャリア(電子)オーバーフローを著しく改善することができる。しかし逆に、価電子帯側でホールの閉じ込めが悪くなることが懸念される。ここで、GaInPへAs添加するとバンドギャップが小さくなるが、これは価電子帯側の変化の方が大きいので、ホールをも充分閉じ込められる構造を実現できる効果がある。
【0092】
実施例6の構造により、波長650nmで発振する半導体レーザが得られた。偏光はTEモードであった。クラッド層14,18および光ガイド層15,17が従来のGaAs基板に格子整合する材料系よりワイドギャップとなりバンド不連続が大きくなった結果、キャリアの閉じ込めは良好になった。また、実施例6では、多重量子井戸構造としたので、キャリアをさらに十分に井戸層に閉じ込めることが可能となる。そして、圧縮歪の効果,量子井戸の効果の他にワイドギャップの材料を圧縮歪量子井戸層として用いることができるので、従来のGaAs基板に格子整合するクラッド層を用いた圧縮歪井戸層に比べて井戸幅は厚くなり、界面の悪影響が低減された。また、光ガイド層15,17および井戸層16にはAlを含まない構造としたので、Alに起因する非発光再結合電流が低減され、発光効率が向上した。また、表面再結合電流も低減され、端面光劣化のレベルも格段に向上し、高出力が得られるようになった。このため、高温高出力安定動作する赤色レーザが得られた。
【0093】
クラッド層14,18の組成は、活性層16よりバンドギャップが大きくAlを含んだ (AlyGa1−y)βIn1−βPvAs1−v(0<y≦1、0.5<β<1、0<v≦1)を用いることができる。また、クラッド層14,18のβの値によって格子定数が変わるが、格子緩和バッファ層12の最上面の格子定数をクラッド層14と同じになるように変えることで対応できる。また、実施例6では、障壁層にクラッド層14,18と同じ格子定数の障壁層を用いたが、井戸層の歪みが大きいときなどには歪組成とし、歪の方向を井戸層と反対方向とすることで、井戸層の歪みを補償し、良好な量子井戸構造を得ることができる。
【0094】
また、実施例6のように、GaAs基板11の面方位は、(100)面から[011]方向に0°から54.7°の範囲、または、(100)面から[011]方向に10°から54.7°の範囲で傾いていると、自然超格子の形成を抑制できるので、バンドギャップの減少を防ぐことができ、同じ組成でもクラッド層14,18,光ガイド層15,17がワイドギャップになるので好ましい。また、実施例6では格子緩和バッファ層12,13とヘテロ接合部をMOCVD法により成長したが、MBE法(分子線エピタキシー)でも成長できる。
【0095】
実施例7
実施例7はAlを含まない光ガイド層による635nm,650nm等の赤色レーザへの応用例となっている。実施例7では、まず(100)面から[011]方向に15°offしたGaP基板11上に、MOCVD法により、Ga組成を1から0.78まで徐々に変化させ、Seを5×1018cm−3以上にドープした膜厚が2μmのn−GaInPグレーデッドバッファ層12を積層し、その上にSeを5×1018cm−3以上にドープしたn−Ga0.78In0.22Pからなる膜厚が1μmの組成均一層13を成長し、格子不整合を緩和させる。Seを高濃度にドープすることにより格子緩和に伴うクロスハッチ状の凹凸が低減された。つまり、Seをドープしたn−Ga0.78In0.22P組成均一層の界面の上面が下面(基板側)より平坦であった。これにより、ヘテロ接合部を成長した時の凹凸を起源とする新たな結晶欠陥発生を防ぐことができる。次に、GaPとGaAsとの間の格子定数であってGa0.78In0.22Pの格子定数と等しいn−(AlyGa1−y)βIn1−βPvAs1−v(y=0.7、β=0.78、v=1)クラッド層14(膜厚が1μm),Alを含まない(AlzGa1−z)γIn1−γPuAs1−u(z=0、γ=0.78、u=1)光ガイド層15(膜厚が0.1μm),図7にその構造を示すように圧縮歪を有する(AlxGa1−x)αIn1−αPtAs1−t(x=0、α=1、t=0.3)圧縮歪量子井戸層16(膜厚が8nm)とAlを含まない(AlzGa1−z)γIn1−γPuAs1−u(z=0、γ=0.78、u=1)障壁層(膜厚が10nm)とが交互に3層に積層された多重量子井戸活性層16,Alを含まない(AlzGa1−z)γIn1−γPuAs1−u(z=0、γ=0.78、u=1)光ガイド層17(膜厚が0.1μm),p−(AlyGa1−y)βIn1−βPvAs1−v(y=0.7、β=0.78、v=1)クラッド層18(膜厚が1μm),p−Ga0.7In0.3Pキャップ層19(膜厚が0.1μm),p−GaPコンタクト層20(膜厚が0.005μm)を成長する。クラッド層14,18および光ガイド層15,17はGa0.78In0.22Pに格子整合している。
【0096】
そして、コンタクト層20上には、絶縁膜21としてのSiO2とp側電極22とが形成され、また、基板11の裏面にはn側電極23が形成されている。この半導体発光素子は、絶縁膜ストライプ構造として構成されているが、他の構造を用いることもできる。
【0097】
実施例7のクラッド層14,18の格子定数では、AlGaInPの中でバンドギャップが小さいGaInPを用いても635nmを得るには歪みを大きくしなければならず、結晶性が低下するので、井戸層16にはAsを添加してバンドギャップを調整した。
【0098】
実施例7の構造により波長635nmで発振する半導体レーザが得られた。偏光はTEモードであった。クラッド層14,18および光ガイド層15,17が従来のGaAs基板に格子整合する材料系よりワイドギャップとなりキャリアの閉じ込めは良好になった。そして、圧縮歪の効果,量子井戸の効果の他にワイドギャップの材料を圧縮歪量子井戸層として用いることができるので、従来のGaAs基板に格子整合するクラッド層を用いた圧縮歪井戸層に比べて井戸幅は厚くなり、界面の悪影響が低減された。また、光ガイド層15,17および井戸層16にはAlを含まない構造としたので、Alに起因する非発光再結合電流が低減され発光効率が向上した。また、表面再結合電流も低減され端面光劣化のレベルも格段に向上し高出力が得られるようになった。このため、高温高出力安定動作する赤色レーザが得られた。
【0099】
クラッド層14,18の組成は、活性層16よりバンドギャップが大きく、Alを含んだ (AlyGa1−y)βIn1−βPvAs1−v(0<y≦1、0.5<β<1、0<v≦1)を用いることができる。また、クラッド層14,18のβの値によって格子定数が変わるが、格子緩和バッファ層12,13の最上面の格子定数をクラッド層14と同じになるように変えることで対応できる。
【0100】
また、実施例7のように、GaAs基板11の面方位は、(100)面から[011]方向に0°から54.7°の範囲、または、(100)面から[011]方向に10°から54.7°の範囲で傾いていると、自然超格子の形成を抑制できるので、バンドギャップの減少を防ぐことができ、同じ組成でもクラッド層14,18、光ガイド層15,17がワイドギャップになるので好ましい。また、実施例7では、格子緩和バッファ層12,13とヘテロ接合部をMOCVD法により成長したが、MBE法(分子線エピタキシー)でも成長できる。
【0101】
実施例8
図8は実施例8の半導体発光素子(半導体レーザ素子)を示す図である。層構造としてはSCH−SQW構造である。実施例8は、GaPAs基板を用いた例である。すなわち、実施例8では、(100)面から[011]方向に15°オフしたGaAs基板31上に、VPE法(気相成長)によりP組成を0から0.4まで徐々に変化させたGaPAsグレーデッド層32を30μmの膜厚で積層し、その上にGaP0.4As0.6からなる組成均一層33を20μmの膜厚で成長し、このようにして成長させた成長層の厚さが例えば50μmのGaPAs基板34を用いている。ここで、GaPAs基板34とは、VPE法等によりGaAsまたはGaP基板上に例えば30μm以上厚く成長したエピ基板のことである。成長層の表面は格子不整合が充分緩和されており、GaPAs基板といえる。
【0102】
実施例8では、次に、MOCVD法により、Seをドープしたn−Ga0.7In0.3Pバッファ層35(膜厚が1μm)を成長し、表面を平坦化する。次に、GaPとGaAsとの間の格子定数であってGaP0.4As0.6の格子定数と等しいn−(AlyGa1−y)βIn1−βPvAs1−v(y=0.7、β=0.7、v=1)クラッド層36(膜厚が1μm)、 (AlzGa1−z)γIn1−γPuAs1−u(z=0.1、γ=0.7、u=1)光ガイド層37(膜厚が0.1μm)、圧縮歪を有する(AlxGa1−x)αIn1−αPtAs1−t(x=0、α=0.55、t=1)単一量子井戸活性層38(膜厚が8nm)、 (AlzGa1−z)γIn1−γPuAs1−u(z=0.1、γ=0.7、u=1) 光ガイド層39(膜厚が0.1μm)、p−(AlyGa1−y)βIn1−βPvAs1−v(y=0.7、β=0.7、v=1)クラッド層40(膜厚が1μm),p−Ga0.7In0.3Pキャップ層41(膜厚が0.1μm)、p−GaAsコンタクト層42(膜厚が0.05μm)を成長する。クラッド層36,40および光ガイド層37,39は、GaPAs基板34に格子整合している。そして、コンタクト層42上には、絶縁膜43としてのSiO2とp側電極44とが形成され、また、基板31の裏面にはn側電極45が形成されている。この半導体発光素子は、絶縁膜ストライプ構造として構成されているが、他の構造を用いることもできる。
【0103】
実施例8の構造により、波長635nmで発振する半導体レーザが得られた。偏光はTEモードであった。クラッド層36,40および光ガイド層37,39が従来のGaAs基板に格子整合する材料系よりワイドギャップとなり、キャリアの閉じ込めは良好になった。圧縮歪の効果,量子井戸の効果の他に、ワイドギャップの材料を圧縮歪量子井戸層として用いることができるので、従来のGaAs基板に格子整合するクラッド層を用いた圧縮歪井戸層に比べて井戸幅は厚くなり、界面の悪影響が低減された。また、従来より光ガイド層のAl組成が低減され、端面光劣化する光出力レベルが高くなった。この結果、高温,高出力安定動作するレーザが得られた。
【0104】
クラッド層36,40の組成は活性層38よりバンドギャップが大きく、Alを含んだ (AlyGa1−y)βIn1−βPvAs1−v(0<y≦1、0.5<β<1、0<v≦1)を用いることができる。光ガイド層37,39は、バンドギャップがクラッド層より小さく活性層より大きく格子定数がクラッド層と同じである(AlzGa1−z)γIn1−γPuAs1−u(0≦z<1、0.5<γ<1、0<u≦1)を用いることができる。また、実施例8では、単一量子井戸活性層を用いた多重量子井戸でも良い。また、クラッド層36,40のβの値によって格子定数が変わるが、GaPAs基板34の最上面の格子定数をクラッド層36,40と同じになるように変えることで対応できる。また、この実施例8のように、GaAs基板の面方位は(100)面から[011]方向に0°から54.7°の範囲、または、(100)面から[011]方向に10°から54.7°の範囲で傾いていると、自然超格子の形成を抑制できるので、バンドギャップの減少を防ぐことができ、同じ組成でも、クラッド層,光ガイド層がワイドギャップになるので好ましい。
【0105】
実施例9
図9は実施例9の半導体発光素子(半導体レーザ素子)を示す図である。実施例9はAlを含まない光ガイド層による635nm,650nm等の赤色レーザへの応用例である。層構造としてはSCH−MQW構造である。実施例9では、まず、(100)面から[011]方向に15°オフしたGaP基板51上に、VPE法(気相成長)により、P組成を1から0.55まで徐々に変化させたGaPAsグレーデッド層52を30μmの膜厚で積層し、その上にGaP0.55As0.45からなる組成均一層53を20μmの膜厚で成長し、このように成長させた成長層の厚さが例えば50μmのGaPAs基板54を用いている。
【0106】
そして、実施例9では、ヘテロ接合部を結晶成長する前に、クロスハッチ状の凹凸が表面にあったGaPAs基板54の表面を機械的研磨することにより平坦化(ラッピングした界面)にした。また研磨によるダメージを取るために表面を少し薬液によりエッチングすることで除去した。これにより、凹凸が起源であるヘテロ接合部成長した時の新たな結晶欠陥発生を防ぐことができる。
【0107】
次に、MOCVD法により、n−Ga0.78In0.22Pからなる膜厚が0.3μmのバッファ層55、GaPとGaAsとの間の格子定数であってGa0.78In0.22Pの格子定数と等しいn−(AlyGa1−y)βIn1−βPvAs1−v(y=0.7、β=0.78、v=1)クラッド層56(膜厚が1μm)、Alを含まない(AlzGa1−z)γIn1−γPuAs1−u(z=0、γ=0.78、u=1)光ガイド層57(膜厚が0.1μm)、圧縮歪を有する (AlxGa1−x)αIn1−αPtAs1−t(x=0、α=1、t=0.3)(膜厚が8nm)とAlを含まない(AlzGa1−z)γIn1−γPuAs1−u(z=0、γ=0.78、u=1)障壁層(膜厚が10μm)とが交互に3層に積層された多重量子井戸活性層58、Alを含まない(AlzGa1−z)γIn1−γPuAs1−u(z=0、γ=0.78、u=1)光ガイド層59(膜厚が0.1μm)、p−(AlyGa1−y)βIn1−βPvAs1−v(y=0.7、β=0.78、v=1)クラッド層60(膜厚が1μm)、p−Ga0.7In0.3Pキャップ層61(膜厚が0.1μm)、p−GaPコンタクト層62(膜厚が0.005μm)を成長する。クラッド層56,60およびガイド層57,59はGa0.78In0.22Pに格子整合している。
【0108】
そして、コンタクト層62上には、絶縁膜63としてのSiO2とp側電極64とが形成され、また、基板51の裏面にはn側電極65が形成されている。この半導体発光素子は、絶縁膜ストライプ構造として構成されているが、他の構造を用いることもできる。
【0109】
実施例9のクラッド層56,60の格子定数では、AlGaInPの中でバンドギャップが小さいGaInPを用いても635nmを得るには歪みを大きくしなければならず、結晶性の低下が懸念されるので、井戸層58にはAsを添加してバンドギャップを調整した。
【0110】
実施例9の構造により波長635nmで発振する半導体レーザが得られた。偏光はTEモードであった。クラッド層56,60および光ガイド層57,59が従来のGaAs基板に格子整合する材料系よりワイドギャップとなりキャリアの閉じ込めは良好になった。圧縮歪の効果,量子井戸の効果の他にワイドギャップの材料を圧縮歪量子井戸層として用いることができるので、従来のGaAs基板に格子整合するクラッド層を用いた圧縮歪井戸層に比べて井戸幅は厚くなり、界面の悪影響が低減された。また、光ガイド層57,59および井戸層58にはAlを含まない構造としたので、Alに起因する非発光再結合電流が低減され、発光効率が向上した。また、表面再結合電流も低減され、端面光劣化のレベルも向上し、高出力が得られるようになった。このため、高温高出力安定動作する赤色レーザが得られた。
【0111】
クラッド層56,60の組成は活性層58よりバンドギャップが大きくAlを含んだ (AlyGa1−y)βIn1−βPvAs1−v(0<y≦1、0.5<β<1、0<v≦1)を用いることができる。また、クラッド層56,60のβの値によって格子定数が変わるが、格子緩和バッファ層の最上面の格子定数をクラッド層と同じになるように変えることで対応できる。
【0112】
また、実施例9のように、GaPAs基板の面方位は(100)面から[011]方向に0°から54.7°の範囲、または、(100)面から[011]方向に10°から54.7°の範囲で傾いていると、自然超格子の形成を抑制できるので、バンドギャップの減少を防ぐことができ、同じ組成でもクラッド層、光ガイド層がワイドギャップになるので好ましい。また、実施例9では、ヘテロ接合部をMOCVD法により成長したが、MBE法(分子線エピタキシー)でも成長できる。
【0113】
実施例10
図10は実施例10の半導体発光素子(半導体レーザ素子)を示す図である。実施例10も、層構造としてはSCH−SQW構造である。実施例10では、まず、(100)面から[110]方向に2°オフしたGaP0.4As0.6基板71上に、VPE法(気相成長)により、P組成を0から0.4まで徐々に変化させたGaPAsグレーデッド層72を30μmの膜厚で積層し、その上にGaP0.4As0.6からなる組成均一層73を20μmの膜厚で成長し、このように成長させた成長層の厚さが例えば50μmのGaPAs基板74を用いている。ここで、GaPAs基板とは、VPE法等によりGaAsまたはGaP基板上に例えば30μm以上厚く成長したエピ基板のことである。成長層の表面は格子不整合が充分緩和されており、GaPAs基板といえる。
【0114】
次に、MOCVD法により、n−GaP0.4As0.6バッファ層75(膜厚が1μm)、GaPとGaAsとの間の格子定数であってGaP0.4As0.6の格子定数と等しいAsを含むn−(AlyGa1−y)βIn1−βPvAs1−v(y=0.5、β=0.8、v=0.85)クラッド層76(膜厚が1μm)、(AlzGa1−z)γIn1−γPuAs1−u(z=0、γ=0.7、u=1)光ガイド層77(膜厚が0.1μm)、圧縮歪を有する (AlxGa1−x)αIn1−αPtAs1−t(x=0、α=0.65、t=0.9)単一量子井戸活性層78(膜厚が25nm)、(AlzGa1−z)γIn1−γPuAs1−u(z=0、γ=0.7、u=1) 光ガイド層79(膜厚が0.1μm)、p−(AlyGa1−y)βIn1−βPvAs1−v(y=0.5、β=0.8、v=0.85)クラッド層80(膜厚が1μm)、p−Ga0.7In0.3Pキャップ層81(膜厚が0.1μm)、p−GaP0.4As0.6コンタクト層82(膜厚が0.2μm)を成長する。クラッド層76,80および光ガイド層77,79は、GaPAs基板74に格子整合している。
【0115】
そして、コンタクト層82上には、絶縁膜83としてのSiO2とp側電極84とが形成され、また、基板71の裏面にはn側電極85が形成されている。この半導体発光素子は、絶縁膜ストライプ構造として構成されているが、他の構造を用いることもできる。
【0116】
実施例10の構造により、波長660nmで発振する半導体レーザが得られた。
【0117】
実施例10では、GaP0.4As0.6基板71の面方位は(100)面から[110]方向に2°オフしており、わずかな傾きである。このような(100)面や(100)からの傾きが小さいGap,GaAs,GaP0.4As0.6基板上に、MOCVD法でAlGaInPを成長すると、成長表面にヒロックが多数観察された。このヒロックは、AlInP等、Al組成が大きい場合には、GaInPに比べて特に顕著であった。このヒロックが成長層中に多数存在すると、レーザ,LED等のデバイス特性を悪くしたり、歩留まりを落とす原因となり、生産上好ましくない。特に、実施例10のようなレーザでは、クラッド層76,80は厚いのでその影響は大きい。本願の発明者等は、AlGaInP成長中にAsを含ませることで、ヒロック密度を低減できることを見出した。これは、AlまたはGaのドロップレット形成が抑えられるためであると考えられる。これにより、デバイス特性の悪化,歩留まり低下を抑えることができた。また、光ガイド層77,79および井戸層78には、Alを含まない構造としたので、Alに起因する非発光再結合電流が低減され、発光効率が向上した。また、表面再結合電流も低減され、端面光劣化のレベルも格段に向上し、高出力が得られるようになった。このため、高温高出力安定動作する赤色レーザが得られた。
【0118】
実施例10では、単一量子井戸活性層を用いたが、多重量子井戸でも良い。その場合、障壁層には(Alx2Ga1−x2)α2In1−α2Pt2As1−t2(0≦x2<1、0.5<α2≦1、0≦t2≦1)を用いることができる。また、光ガイド層77,79にAsを含んでいても良い。
【0119】
上述した半導体レーザは、もちろん発光ダイオード(LED)に応用した場合にも効果がある。この場合、高輝度で温度特性の良好な可視LEDが得られる。
【0120】
【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、半導体基板上に、光を発生する活性層と光を閉じ込めるクラッド層とを有するヘテロ接合が形成されている半導体発光素子において、活性層はAsを含んでいる ( Al x Ga 1−x ) α In 1−α P t As 1−t ( 0≦x<1、0<α1≦1、0≦t<1 )からなり、クラッド層は活性層よりバンドギャップが大きく、GaPとGaAsとの間の格子定数を有するAlを含んだ(AlyGa1−y)βIn1−βPvAs1−v(0<y≦1、0.5<β<1、0<v≦1)からなり、活性層はAsを含んでいる ( Al x Ga 1−x ) α In 1−α P t As 1−t ( 0≦x<1、0<α1≦1、0≦t<1 ) からなっており、Asの添加はバンドギャップを小さくするので、格子定数がGaPに近く大きなバンドギャップであるクラッド層を用いた場合でも、635nm,650nm帯等の600nmより長波長の素子に対応できる。すなわち、従来のGaAs基板上の635nm,650nm帯の素子に比べて大きなバンドギャップのクラッド層となり、キャリアのオーバーフローが低減され、高温安定動作など良好な素子特性を得ることができる。これにより、高温,高出力,安定動作する635nm,650nm帯等の赤色半導体レーザ、高発光効率の可視発光ダイオードなどを提供することができる。
【0127】
また、請求項2記載の発明によれば、請求項1記載の半導体発光素子において、半導体基板はGaPAsからなり、該半導体基板上にヘテロ接合部が結晶成長されることを特徴としている。GaPとGaAsとの間の格子定数となるGaPAsを、GaPまたは基板上に厚く(例えば30μmの厚さに)成長し、実質的にGaPAs基板とみなせるものをVPE(気相成長)法等により成長可能である。そして、最上部をヘテロ接合部(少なくともクラッド層)の格子定数と同じにすることで、格子不整なく本材料系を成長することができる。これにより、高温,高出力,安定動作する635nm,650nm帯等の赤色半導体レーザ、室温において600nmより短い波長で発振する可視半導体レーザや高発光効率の可視発光ダイオードなどを提供することができる。
【0128】
また、請求項3記載の発明によれば、請求項1記載の半導体発光素子において、半導体基板はGaAsまたはGaPからなり、半導体基板とクラッド層との間に、両者の格子不整を緩和する緩和バッファ層を介してヘテロ接合部が結晶成長されており、GaAsまたはGaP基板上に格子不整を緩和する緩和バッファ層を介してヘテロ接合部を形成することで、格子不整が緩和されてヘテロ接合部を成長できる。また、一貫して同じ結晶成長装置で連続して成長を行なうことができ、一台の装置で済むので容易でありコスト的にメリットがある。これにより、高温,高出力,安定動作する635nm,650nm帯等の赤色半導体レーザ、室温において600nmより短い波長で発振する可視半導体レーザや高発光効率の可視発光ダイオードなどを提供することができる。
【0129】
また、請求項4記載の発明によれば、請求項3記載の半導体発光素子において、緩和バッファ層は、その格子定数が半導体基板の格子定数から成長方向に徐々に変化してクラッド層の格子定数に近づくグレーデッド層からなっており、グレーデッド層を緩和バッファ層として用いることで格子緩和が徐々に起こるので、貫通転位がグレーデッド層より上層に成長することを防ぐことができ、ヘテロ接合部の結晶性を低下させないで済む。これにより、高温,高出力,安定動作する635nm,650nm帯等の赤色半導体レーザ、室温において600nmより短い波長で発振する可視半導体レーザや高発光効率の可視発光ダイオードなどを提供することができる。
【0130】
また、請求項5記載の発明によれば、請求項3記載の半導体発光素子において、緩和バッファ層は、少なくとも2種類の格子定数の違う材料を交互に積層した歪超格子構造からなっており、歪超格子構造を緩和バッファ層として用いることで、格子緩和に伴う結晶欠陥をこの歪超格子構造内に閉じ込めることができ、ヘテロ接合部の結晶性の低下を防ぐことができる。これにより、高温,高出力,安定動作する635nm,650nm帯等の赤色半導体レーザ、室温において600nmより短い波長で発振する可視半導体レーザや高発光効率の可視発光ダイオードなどを提供することができる。
【0131】
また、請求項6記載の発明によれば、請求項3記載の半導体発光素子において、緩和バッファ層はクラッド層の成長温度より低い温度で成長した低温バッファ層からなっており、低温バッファ層を緩和バッファ層として用いることで、格子緩和に伴う結晶欠陥をこの低温バッファ層内に閉じ込めることができ、ヘテロ接合部の結晶性の低下を防ぐことができる。これにより、高温,高出力,安定動作する635nm,650nm帯等の赤色半導体レーザ、室温において600nmより短い波長で発振する可視半導体レーザや高発光効率の可視発光ダイオードなどを提供することができる。
【0132】
また、請求項7記載の発明によれば、請求項3乃至請求項6のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、緩和バッファ層は、GaInPまたはGaPAsからなることを特徴としている。GaPAsまたはGaInPは三元材料であり、制御が容易である。GaPAsを用いる場合、半導体基板がGaP基板の時はGaPにAsを加えるだけで良く、また、半導体基板がGaAs基板の時はGaAsにPを加えるだけで良く、制御しやすい。また、GaInPの場合は、蒸気圧が高いV族がPだけなので、特に歪超格子構造を成長するとき界面の制御がしやすい。これにより、高温,高出力,安定動作する635nm,650nm帯等の赤色半導体レーザ、室温において600nmより短い波長で発振する可視半導体レーザや高発光効率の可視発光ダイオードなどを提供することができる。
【0133】
また、請求項8記載の発明によれば、請求項2または請求項3記載の半導体発光素子において、半導体基板の面方位は、(100)面から[011]方向に0°から54.7°の範囲で傾いた面、または、(100)面から[0―11]方向に10°から54.7°の範囲で傾いた面、または、これらと等価な面となっており、半導体基板の面方位が(100)面から[011]方向に0°から54.7°の範囲、または、(100)面から[0―11]方向に10°から54.7°の範囲で傾いているので、自然超格子の形成を抑制でき、自然超格子が形成された場合に比べて同じ組成比でワイドギャップとなるので短波長化に有利となる。また、端面型レーザは、通常、へき開面を共振器に用いる。基板の面方位を上記の方向に傾けると、傾けた方向に対して垂直方向のへき開面は垂直とならないが、傾けた方向にへき開すると垂直面が得られ、レーザの共振器にできる。上記方向以外に傾けると、へき開面は垂直とならないので好ましくない。また、基板の面方位を(100)面から傾けることで、ヒロック密度を低減でき、これにより、デバイス特性の悪化,歩留まり低下を抑えることができる。これにより、高温,高出力,安定動作する635nm,650nm帯等の赤色半導体レーザ、室温において600nmより短い波長で発振する可視半導体レーザや高発光効率の可視発光ダイオードなどを提供することができる。
【0134】
また、請求項9記載の発明によれば、請求項2または請求項3記載の半導体発光素子において、ヘテロ接合部が結晶成長されるに先立って、GaPAs基板表面が機械的研磨により平坦化され、または、緩和バッファ層成長後であってヘテロ接合部が結晶成長される前の表面が機械的研磨により平坦化されていることを特徴としている。GaPAs基板の表面、または、緩和バッファ層成長後の表面上には、通常、格子不整にかかわるクロスハッチ状の凹凸ができる。この凹凸はその上にヘテロ接合部を成長した時の新たな結晶欠陥発生の起源となり得る。研磨により平坦にし、その上にヘテロ接合部を成長することで、これを防ぐことができる。これにより、高温,高出力,安定動作する635nm,650nm帯等の赤色半導体レーザ、室温において600nmより短い波長で発振する可視半導体レーザや高発光効率の可視発光ダイオードなどを提供することができる。
【0135】
また、請求項10記載の発明によれば、請求項2または請求項3記載の半導体発光素子において、半導体基板とヘテロ接合部との間に、層の界面の上面が下面(基板側)よりも平坦である層を含むことを特徴としている。GaPAs基板の表面、または、緩和バッファ層成長後の表面上には、通常、格子不整にかかわるクロスハッチ状の凹凸ができる。この凹凸は、その上にヘテロ接合部成長した時の新たな結晶欠陥発生の起源となり得る。このような凹凸を埋め込んで成長する層を含むと、その上層は平坦になり、これを防ぐことができる。これにより、高温,高出力,安定動作する635nm,650nm帯等の赤色半導体レーザ、室温において600nmより短い波長で発振する可視半導体レーザや高発光効率の可視発光ダイオードなどを提供することができる。
【0136】
また、請求項11記載の発明によれば、請求項10記載の半導体発光素子において、層の界面の上面が下面(基板側)より平坦である層は、Seを5×1018cm−3以上にドープしたGaInPであることを特徴としている。本願の発明者は、Seを高濃度にドープしたGaInPは凹凸を埋め込んで成長する性質を有していることを見出した。これにより、層の界面の上面が下面(基板側)より平坦となるので、ヘテロ接合部を成長した時の凹凸を起源とする新たな結晶欠陥発生を防ぐができる。これにより、高温,高出力,安定動作する635nm,650nm帯等の赤色半導体レーザ、室温において600nmより短い波長で発振する可視半導体レーザや高発光効率の可視発光ダイオードなどを提供することができる。
【0137】
また、請求項12記載の発明によれば、請求項3記載の半導体発光素子において、緩和バッファ層は、Seを5×1018cm−3以上にドープしたGaInPであることを特徴としており、格子不整にかかわるクロスハッチ状の凹凸を発生させる起源となる緩和バッファ層自体に、凹凸を埋め込んで成長する性質を有しているSeを高濃度にドープしたGaInPを用いることで、格子不整を緩和する効果,表面を平坦にする効果を併せもたせることで、トータルの成長層の厚さを低減できる。これにより、高温,高出力,安定動作する635nm,650nm帯等の赤色半導体レーザ、室温において600nmより短い波長で発振する可視半導体レーザや高発光効率の可視発光ダイオードなどを提供することができる。
【0138】
また、請求項13記載の発明によれば、請求項1乃至請求項12のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、ヘテロ接合部は有機金属気相成長法(MOCVD)または分子線エピタキシー法(MBE)により成長されたものであることを特徴としている。AlGaInP(As)系材料は、溶液から固相へのAlの偏析係数が大きく、組成制御の点から液層成長は困難である。また、ハロゲン輸送法による気相成長法(VPE)は、原料であるAlClが石英反応管を腐食する問題があり困難である。一方、有機金属気相成長法(MOCVD)または分子線エピタキシー法(MBE)は非平衡性の高い成長方法であり、成長がIII族原料供給律則となっているので、これらの材料の成長には極めて有効であり容易に成長できる。これにより、高温,高出力,安定動作する635nm,650nm帯等の赤色半導体レーザ、室温において600nmより短い波長で発振する可視半導体レーザや高発光効率の可視発光ダイオードなどを提供することができる。
【0139】
また、請求項14記載の発明によれば、請求項13記載の半導体発光素子において、緩和バッファ層は、有機金属気相成長法(MOCVD)または分子線エピタキシ法(MBE)により成長されたものであるので、ヘテロ接合部の結晶成長装置と同じ装置で連続して成長を行なうことができ、一台の装置で済み、容易でありコスト的にメリットがある。これにより、高温,高出力,安定動作する635nm,650nm帯等の赤色半導体レーザ、室温において600nmより短い波長で発振する可視半導体レーザや高発光効率の可視発光ダイオードなどを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】格子定数とバンドギャップエネルギーとの関係を示す図である。
【図2】本発明に係る半導体発光素子の構成例を示す図である。
【図3】本発明に係る半導体発光素子の構成例を示す図である。
【図4】本発明に係る半導体発光素子の構成例を示す図である。
【図5】本発明の実施例1〜実施例7の半導体発光素子の基本構成を示す図である。
【図6】実施例4の超格子バッファ層を示す図である。
【図7】実施例6,実施例7の活性層を示す図である。
【図8】本発明の実施例8の半導体発光素子の構成を示す図である。
【図9】本発明の実施例9の半導体発光素子の構成を示す図である。
【図10】本発明の実施例10の半導体発光素子の構成を示す図である。
【図11】 (100)面から[110]方向に2°offしたGaP0.4As0.6エピ基板上のAlInPとAlInPAsの表面ノマルスキー(表面モフォロジー)写真を示す図である。
【符号の説明】
1 半導体基板
2 活性層
3 クラッド層
4 ヘテロ接合部
5 光ガイド層
6 緩和バッファ層
11 半導体基板
12 グレーデッドバッファ層,超格子バッファ層,低温バッファ層
13 組成均一層
14,18 クラッド層
15,17 光ガイド層
16 活性層
19 キャップ層
20 コンタクト層
21 SiO2
22 p側電極
23 n側電極
11 半導体基板
12 グレーデッドバッファ層,超格子バッファ層,低温バッファ層
13 組成均一層
14,18 クラッド層
15,17 光ガイド層
16 活性層
19 キャップ層
20 コンタクト層
21 SiO2
22 p側電極
23 n側電極
11 半導体基板
12 グレーデッドバッファ層,超格子バッファ層,低温バッファ層
13 組成均一層
14,18 クラッド層
15,17 光ガイド層
16 活性層
19 キャップ層
20 コンタクト層
21 SiO2
22 p側電極
23 n側電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light emitting device.
[0002]
[Prior art]
The AlGaInP-based material is the largest direct transition material among III-V semiconductors except for the AlGaInN-based material and B (boron) -based material, and has a maximum band gap energy of about 2.3 eV (wavelength 540 nm). can get. For this reason, research and development have been carried out as materials for light-emitting elements such as high-intensity green to red light-emitting diodes conventionally used for color displays and the like, and for visible light semiconductor lasers used for optical writing for laser printers, CDs, DVDs, etc. It is. Among these, in particular, a material that lattice-matches to a GaAs substrate is used for a semiconductor laser. In particular, for high-density recording or the like, an element that operates stably at high temperature and high output and has a short wavelength is required.
[0003]
In order to manufacture a semiconductor laser, it is necessary to use a clad layer (made of a material having a larger band gap than the active layer) and to confine carriers and light in the active layer (light emitting layer). In the case of a short wavelength with a normal bulk active layer double hetero (DH) structure, it is necessary to use AlGaInP doped with Al for the active layer. The addition of Al has the effect of increasing the band gap, but since Al is very active, it combines with the slight amount of oxygen in the atmosphere and raw materials during growth to form a deep level, leading to a decrease in luminous efficiency. Since the Al composition is easy, a smaller Al composition is preferable. Therefore, as another method for shortening the oscillation wavelength, an SCH-QW (Separate Confinement Heterostructure-Quantum Well) using a GaInP quantum well structure for the active layer (well layer) and AlGaInP as the light guide layer is used. The way is done. Further, in order to lower the threshold value, a strained quantum well structure in which a strain is applied to a quantum well layer is generally used as disclosed in JP-A-6-77592. In this case, since the lattice constant of the strain quantum well layer is different from that of the substrate, a thickness equal to or less than the critical film thickness at which lattice relaxation occurs can be used. Japanese Patent Laid-Open No. 6-275915 discloses that tensile strain is more effective as a type of strain for a short wavelength laser such as the 635 nm band. Since the tensile strain well layer is GaInP having a composition close to GaP with respect to GaAs as a substrate, a wide gap is formed, and a well layer having an appropriate thickness can be used as a well layer for the compressive strain well layer. The main reason is that the adverse effects of can be reduced. However, if a tensile strain well layer is used, the mode becomes TM mode, so the polarization differs from that of a normal semiconductor laser (TE mode) in other wavelength bands by 90 °. .
[0004]
However, (AlxGa1-x)0.5In0.5Light is confined in the P light guide layer, but since the Al composition x is usually as large as about 0.5, end face breakage is likely to occur due to surface recombination caused by Al at the end face serving as the laser cavity surface. It was difficult to produce a stable operation for a long time.
[0005]
Also, when an AlGaInP heterojunction is formed, the band offset ratio of the conduction band is small, and the band discontinuity (ΔEc) between the active layer (light emitting layer) and the clad layer on the conduction band side is small, so that injected carriers (electrons) are active. There is a problem that the temperature dependence of the oscillation threshold current of the semiconductor laser is large and the temperature characteristics are poor, because the layer tends to overflow from the layer to the cladding layer. This problem becomes more prominent as the wavelength becomes shorter. For example, when compared with red lasers in the 635 nm band and the 650 nm band, the high temperature characteristics of the 635 nm band laser are overwhelmingly bad despite the slight wavelength difference.
[0006]
In order to solve such a problem, Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-114486 discloses a structure in which a multiple quantum barrier (MQB) structure in which a number of very thin layers are stacked is provided between an active layer and a cladding layer to confine injected carriers. Proposed. However, in this case, the structure becomes complicated, and in order to obtain the effect, it is necessary to improve the thickness control and to flatten the interface of each layer at the atomic layer level. It was difficult.
[0007]
As described above, the conventional GaAs substrate lattice-matching material has limitations in temperature characteristics and wavelength reduction, and operates at a high temperature (for example, 80 °), a high output (for example, 30 mW or more), and a stable operation (for example, 10,000 hours). It has been difficult to realize a laser having a wavelength of 635 nm or shorter. As described above, an AlGaInP material having a lattice constant smaller than that of GaAs is advantageous in shortening the wavelength because it has a wider gap than a material that can be grown on a GaAs substrate. There has been proposed a short wavelength laser using such other material system and having an oscillation wavelength of 600 nm or less. For example, Al is used as a cladding layer on a GaP substrate.yGa1-yUsing P (0 ≦ y ≦ 1), direct transition type compressive strain Ga as an active layerxIn1-xJapanese Patent Laid-Open No. 6-53602 proposes an element in which P (0 <x <1) is used and N is doped in the active layer as an impurity of an isoelectronic trap. However, this structure has an advantage that the wavelength can be shortened by using a material having a low Al content in the active layer, but the lattice constant is the closest to GaP and a direct transition occurs.0.7In0.3The P active layer also has a 2.3% lattice mismatch with the GaP substrate, and the critical film thickness at which misfit dislocations due to the lattice mismatch do not occur becomes thin.
[0008]
Moreover, it has a lattice constant between GaAs and GaP on a GaAs substrate (AlGa)aIn1-aGaP that lattice-matches a double heterostructure made of P (0.51 <a ≦ 0.73)xAs1-xAn element formed through a buffer layer or the like is proposed in JP-A-5-41560. In this technique, the buffer layer eliminates lattice irregularities between the substrate and the double heterostructure. FIG. 1 shows the relationship between the lattice constant and the band gap energy. In FIG. 1, the solid line represents the direct transition material, and the broken line represents the indirect transition material. Has a lattice constant between GaAs and GaP (AlGa)aIn1-aThe P (0.51 <a ≦ 0.73) material is a material in a range surrounded by AlInP and GaInP. In this technique, AlGaInP having a wider gap than that of the GaAs substrate lattice matching material can be used for the cladding layer and the active layer, which is advantageous for shortening the wavelength of a laser having a wavelength shorter than 600 nm. However, the laser proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-41560 has a structure for realizing a laser having a wavelength shorter than 600 nm, and is not a structure considering a laser having a wavelength longer than 600 nm such as 635 nm and 650 nm bands. . For example, it can be seen that the dependence of the band gap on the lattice constant is larger in the GaInP range up to 0.73 in GaInP than in the indirect transition material AlInP. Since a wide gap material is suitable for the clad layer, it is better to use Al (Ga) InP having a lattice constant close to that of GaP, but conversely, it becomes a material for the active layer in the 635 nm and 650 nm bands ( The lattice constant of Al) GaInP deviated greatly from that of the cladding layer, and had a large compressive strain, which was not preferable.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention provides a semiconductor light emitting device such as a 635 nm or 650 nm band red semiconductor laser that operates stably at high temperature, high output, and visible light, a visible semiconductor laser that oscillates at a wavelength shorter than 600 nm at room temperature, or a visible light emitting diode with high luminous efficiency. The purpose is that.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention according to
Active layerContains As ( Al x Ga 1-x ) α In 1-α P t As 1-t ( 0 ≦ x <1, 0 <α1 ≦ 1, 0 ≦ t <1 )Consists of
The cladding layer contains Al having a larger band gap than the active layer and having a lattice constant between GaP and GaAs (AlyGa1-y)βIn1-βPvAs1-v(0 <y ≦ 1, 0.5 <β <1, 0 <v ≦ 1).
[0017]
Also,Claim 2The described invention is claimed.1In the semiconductor light emitting device described above, the semiconductor substrate is made of GaPAs, and the heterojunction portion is crystal-grown on the semiconductor substrate.
[0018]
Also,Claim 3The described invention is claimed.1In the semiconductor light emitting device described above, the semiconductor substrate is made of GaAs or GaP, and the heterojunction portion is crystal-grown between the semiconductor substrate and the cladding layer via a relaxation buffer layer that relaxes lattice mismatch between the two. It is a feature.
[0019]
Also,Claim 4The described inventionClaim 3In the semiconductor light-emitting device described above, the relaxation buffer layer is characterized by comprising a graded layer whose lattice constant gradually changes from the lattice constant of the semiconductor substrate in the growth direction and approaches the lattice constant of the cladding layer.
[0020]
Also,Claim 5The described inventionClaim 3In the described semiconductor light emitting device, the relaxation buffer layer is characterized by having a strained superlattice structure in which at least two kinds of materials having different lattice constants are alternately stacked.
[0021]
Also,Claim 6The described inventionClaim 3In the described semiconductor light emitting device, the relaxation buffer layer is characterized by comprising a low-temperature buffer layer grown at a temperature lower than the growth temperature of the cladding layer.
[0022]
Also,Claim 7The described inventionClaim 3ThruClaim 6In the semiconductor light emitting device according to any one of the above, the relaxation buffer layer is made of GaInP or GaPAs.
[0023]
Also,Claim 8The described inventionClaim 2OrClaim 3In the semiconductor light-emitting element described above, the plane orientation of the semiconductor substrate is a plane inclined in the range of 0 ° to 54.7 ° in the [011] direction from the (100) plane, or [0-11] from the (100) plane. The surface is inclined in the range of 10 ° to 54.7 ° in the direction or a surface equivalent to these.
[0024]
Also,Claim 9The described inventionClaim 2OrClaim 3In the semiconductor light-emitting device described above, the surface of the GaPAs substrate is planarized by mechanical polishing before the heterojunction is crystal-grown, or after the growth of the relaxation buffer layer and before the heterojunction is crystal-grown. The surface is flattened by mechanical polishing.
[0025]
Also,Claim 10The described inventionClaim 2OrClaim 3The semiconductor light-emitting element described above is characterized in that a layer whose upper surface at the interface of the layer is flatter than the lower surface (substrate side) is provided between the semiconductor substrate and the heterojunction portion.
[0026]
Also,Claim 11The described inventionClaim 10In the semiconductor light-emitting element described above, a layer whose upper surface at the interface of the layer is flatter than the lower surface (substrate side) is
[0027]
Also,Claim 12The described inventionClaim 3In the described semiconductor light emitting device, the relaxation buffer layer has Se of 5 × 10 5.18cm-3It is characterized by being GaInP doped as described above.
[0028]
Also,Claim 13The invention described in
[0029]
Also,Claim 14The described inventionClaim 13In the semiconductor light emitting device described above, the relaxation buffer layer is grown by a metal organic chemical vapor deposition method or a molecular beam epitaxy method.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of a semiconductor light emitting element according to the present invention. Referring to FIG. 2, in this semiconductor light emitting device, a
[0031]
Here, in the first embodiment of the present invention, the
[0032]
In the first embodiment, the
[0033]
Further, in the second embodiment of the present invention, in the semiconductor light emitting device of FIG.xGa1-x)αIn1-αPtAs1-t(0.ltoreq.x <1, 0 <.alpha..ltoreq.1, 0.ltoreq.t.ltoreq.1) Al is a single quantum well, and the
[0034]
In this second embodiment, the
[0035]
In the third embodiment of the present invention, in the semiconductor light emitting device of FIG. 2, the
[0036]
In the third embodiment, the
[0037]
In the fourth embodiment of the present invention, in the semiconductor light emitting device of the first, second, or third embodiment, the
[0038]
In this fourth embodiment, the addition of As reduces the band gap, so even when the
[0039]
In the fifth embodiment of the present invention, in the semiconductor light emitting device of the second, third, or fourth embodiment, the
[0040]
In the fifth embodiment, the band gap is increased when the lattice constant is smaller than that of GaAs, and the Al composition can be reduced in order to obtain the same band gap material. According to the embodiment, the Al composition of the
[0041]
In the sixth embodiment of the present invention, in the semiconductor light emitting device of the first, second, third, fourth, or fifth embodiment, the cladding layer contains As (AlyGa1-y)βIn1-βPvAs1-v(0 <y ≦ 1, 0.5 <β <1, 0 <v <1).
[0042]
GaP, GaAs, GaP with small inclination from (100) plane and (100)0.4As0.6When AlGaInP was grown on the substrate by MOCVD or the like, many hill-like defects called hillocks were observed on the growth surface. This was particularly remarkable when the Al composition such as AlInP was large. If a large number of hillocks are present in the growth layer, the device characteristics such as laser and LED are deteriorated and the yield is lowered, which is not preferable in production. During the growth, Al or Ga forms droplets, which serve as nuclei to form hillocks. The inventors of the present application have found that the density of hillocks can be drastically reduced by including As during AlGaInP growth. 11 (a) and 11 (b) show GaP that is 2 ° off from the (100) plane in the [110] direction.0.4As0.6The surface Nomarski (surface morphology) photograph of AlInP (FIG. 11 (a)) and AlInPAs (FIG. 11 (b)) on an epitaxial substrate is shown. Here, AlInP in FIG. 11A and AlInPAs in FIG. 11B were grown at 750 ° C. The As composition of AlInPAs was about 10%. Hillocks depend on the growth conditions, and the hillock density could be reduced by raising the growth temperature of AlInP from 700 ° C. to 750 ° C., but it is still large as shown in FIG. However, by adding As, the hillock density could be drastically reduced as shown in FIG. 11 (b). Similarly, even when the growth temperature was lowered to 700 ° C., the hillock density decreased drastically. This is presumably because the formation of Al or Ga droplets is suppressed. Even a small As composition was effective, and the larger the As composition, the greater the effect of reducing the hillock density. Due to the effect of reducing hillocks due to the addition of As, it is possible to suppress deterioration of device characteristics and yield reduction.
[0043]
In the seventh embodiment of the present invention, in the semiconductor light emitting device of the second, third, fourth, fifth, or sixth embodiment, the lattice constant of the well layer is larger than that of the cladding layer, and the compressive strain is increased. It has become.
[0044]
In a conventional 635 nm band laser on a GaAs substrate, a compression strain well layer results in a material with a small band gap (mainly GaInP), the well width becomes too narrow, and the influence of the interface becomes large, making it difficult to obtain good performance. Therefore, a tensile strain well layer is used. For this reason, polarization was TM mode. On the other hand, in the sixth embodiment of the present invention, since the band gap is increased, even when a material having a larger lattice constant than the
[0045]
In the eighth embodiment of the present invention, in the semiconductor light emitting device of the first, second, third, fourth, fifth, sixth or seventh embodiment, the
[0046]
In the eighth embodiment, a GaPAs having a lattice constant between GaP and GaAs is grown thick on a GaP or GaAs substrate 1 (for example, to a thickness of 30 μm) and can be substantially regarded as a GaPAs substrate. It can be grown by VPE (vapor phase epitaxy) method or the like. Then, by making the uppermost portion the same as the lattice constant of the heterojunction portion 4 (at least the cladding layer 3), this material system can be grown without lattice irregularities.
[0047]
In the ninth embodiment of the present invention, in the semiconductor light emitting device of the first, second, third, fourth, fifth, sixth or seventh embodiment, the
[0048]
In the ninth embodiment, by forming the
[0049]
In the semiconductor light emitting device of the ninth embodiment, the
[0050]
As described above, when the graded layer is used as the
[0051]
In the semiconductor light emitting device of the ninth embodiment, the
[0052]
As described above, when the strained superlattice structure is used as the
[0053]
In the semiconductor light emitting device of the ninth embodiment, the
[0054]
Thus, when the low-temperature buffer layer is used as the
[0055]
In each of the above examples, GaInP or GaPAs can be used for the
[0056]
GaPAs or GaInP is a ternary material and is easy to control. In the case of using GaPAs, when the
[0057]
In the semiconductor light emitting device of the eighth or ninth embodiment, the plane orientation of the
[0058]
That is, the plane orientation of the
[0059]
In the semiconductor light emitting device of the eighth or ninth embodiment, the GaPAs substrate surface is planarized by mechanical polishing prior to crystal growth of the heterojunction portion, or after growth of the relaxation buffer layer. The surface before the heterojunction crystal is grown should be flattened by mechanical polishing.
[0060]
On the surface of the
[0061]
Further, in the semiconductor light emitting device of the eighth or ninth embodiment, a layer in which the upper surface of the interface of the layer is flatter than the lower surface (substrate side) may be included between the
[0062]
That is, on the surface of the
[0063]
In this case, a layer whose upper surface at the interface of the layer is flatter than the lower surface (substrate side) is
[0064]
That is, the inventor of the present application has found that GaInP doped with Se at a high concentration has a property of growing while embedding irregularities. Thereby, since the upper surface of the interface of the layer becomes flatter than the lower surface (substrate side), it is possible to prevent the occurrence of new crystal defects originating from irregularities when the
[0065]
Further, in the semiconductor light emitting device of the ninth embodiment, the
[0066]
That is, by using GaInP doped with Se at a high concentration, which has a property of embedding the unevenness in the
[0067]
Further, in the semiconductor light emitting device of each example described above, the
[0068]
That is, the AlGaInP (As) -based material has a large segregation coefficient of Al from the solution to the solid phase, and liquid layer growth is difficult from the viewpoint of composition control. Further, the vapor phase growth method (VPE) by the halogen transport method is difficult because AlCl as a raw material corrodes the quartz reaction tube. On the other hand, metal organic vapor phase epitaxy (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE) is a highly non-equilibrium growth method, and growth is based on the Group III material supply rule. Is extremely effective and can grow easily.
[0069]
The
[0070]
In this case, growth can be continuously performed using the same apparatus as the crystal growth apparatus for the heterojunction portion, and since only one apparatus is required, it is easy and has an advantage in cost.
[0071]
【Example】
Examples according to the present invention will be described below. In the following Examples 1 to 7, the basic configuration of the semiconductor light emitting element (semiconductor laser element) is as shown in FIG. That is, the materials, compositions, and the like are different for each example, but the basic configuration of each example is that of FIG. Therefore, in the first to seventh embodiments, for convenience, the semiconductor light emitting devices of the first to seventh embodiments will be described as having the basic configuration shown in FIG. Note that the semiconductor light emitting device of FIG. 5 has a SCH-SQW structure as a layer structure.
[0072]
Example 1
In Example 1, first, the Ga composition is gradually changed from 0.5 to 0.7 by MOCVD on the GaAs substrate 11 which is 15 ° off from the (100) plane in the [011] direction.18cm-3The n-GaInP graded buffer layer 12 having a thickness of 2 μm doped as described above is stacked, and Se is formed as a surface flattening layer thereon with 5 × 10 5.18cm-3N-Ga doped above0.7In0.3A composition uniform layer 13 made of P and having a thickness of 1 μm is grown to alleviate the lattice mismatch. By doping Se, cross-hatched irregularities associated with lattice relaxation were reduced. According to experiments, Se has a high concentration (5 × 1018cm3It was found that GaInP doped to the above has a property of growing with embedding irregularities. That is, n-Ga doped with Se0.7In0.3The upper surface of the interface of the P composition uniform layer 13 was flatter than the lower surface (substrate side). When a heterojunction was grown on a non-planar surface, new crystal defects originated from the irregularities were generated, but this could be prevented by flattening. Since Se was added to the graded layer at a high concentration, the effect of surface flattening was obtained, and the surface flattened layer could be thinned.
[0073]
Next, the lattice constant between GaP and GaAs, Ga0.7In0.3N- (Al equal to the lattice constant of PyGa1-y)βIn1-βPvAs1-v(Y = 1, β = 0.7, v = 1) cladding layer 14 (film thickness is 1 μm), (AlzGa1-z)γIn1-γPuAs1-u(z = 0.1, γ = 0.7, u = 1) Light guide layer 15 (film thickness is 0.1 μm), having compressive strain (AlxGa1-x)αIn1-αPtAs1-t(x = 0, α = 0.6, t = 1) Single quantum well active layer 16 (film thickness is 8 nm), (AlzGa1-z)γIn1-γPuAs1-u(z = 0.1, γ = 0.7, u = 1) Light guide layer 17 (film thickness is 0.1 μm), p- (AlyGa1-y)βIn1-βPvAs1-v(y = 1, β = 0.7, v = 1) Clad layer 18 (film thickness is 1 μm), p-Ga0.7In0.3A P cap layer 19 (with a film thickness of 0.1 μm) and a p-GaAs contact layer 20 (with a film thickness of 0.005 μm) were grown. Here, the cladding layers 14 and 18 and the guide layers 15 and 17 are made of Ga.0.7In0.3It is lattice-matched to the P composition uniform layer 13.
[0074]
On the
[0075]
In the first embodiment, the
[0076]
In Example 1, the composition of the cladding layers 14 and 18 has a band gap larger than that of the active layer 16 and contains Al (AlyGa1-y)βIn1-βPvAs1-v(0 <y ≦ 1, 0.5 <β <1, 0 <v ≦ 1) can be used. The optical guide layers 15 and 17 have a band gap smaller than that of the cladding layers 14 and 18 and larger than that of the active layer 16 and have the same lattice constant as that of the cladding layers 14 and 18 (AlzGa1-z)γIn1-γPuAs1-u(0 ≦ z <1, 0.5 <γ <1, 0 <u ≦ 1) can be used. In Example 1, the active layer 16 is a single quantum well active layer, but may be a multiple quantum well. Further, although the lattice constant varies depending on the value of β of the cladding layers 14 and 18, this can be dealt with by changing the lattice constant of the uppermost surface of the relaxation buffer layers (12 and 13) to be the same as that of the cladding layers 14 and 18.
[0077]
The plane orientation of the GaAs substrate is in the range of 0 ° to 54.7 ° in the [011] direction from the (100) plane, or in the range of 10 ° to 54.7 ° in the [011] direction from the (100) plane. If it is inclined, the formation of the natural superlattice can be suppressed, so that the reduction of the band gap can be prevented, which is advantageous for shortening the wavelength. Further, the end face type laser usually uses a cleavage plane as a resonator. When the surface orientation of the substrate 11 is tilted in the above direction, the cleavage plane perpendicular to the tilted direction does not become perpendicular, but when the surface is cleaved in the tilted direction, a vertical plane is obtained and a laser resonator can be obtained. If it is tilted in a direction other than the above, the cleavage plane will not be vertical, which is not preferable. Further, by tilting the plane orientation of the substrate from the (100) plane, the hillock density can be reduced, and thereby deterioration of device characteristics and yield can be suppressed. In the first embodiment, the lattice relaxation buffer layers 12 and 13 and the heterojunction are grown at a time by the MOCVD method. Since only one apparatus is required, there is a merit and cost advantage. The structure of FIG. 5 can also be grown by MBE (molecular beam epitaxy). An AlGaInP (As) material that is a heterojunction has a large segregation coefficient of Al from a solution to a solid phase, so that liquid layer growth is difficult from the viewpoint of composition control. Further, the vapor phase growth method (VPE) by the halogen transport method is difficult because AlCl as a raw material corrodes the quartz reaction tube. On the other hand, metal organic vapor phase epitaxy (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE) is a highly non-equilibrium growth method, and growth is based on the Group III material supply rule. Is extremely effective and can grow easily. In the first embodiment, the semiconductor laser is described, but the present invention can also be applied to a light emitting diode.
[0078]
Example 2
The second embodiment is an application example to a red laser of 635 nm, 650 nm, etc. by an As-containing quantum well active layer. That is, in Example 2, the quantum well active layer contains As. In Example 2, first, the Ga composition is gradually changed from 0.5 to 0.7 by MOCVD on the GaAs substrate 11 which is 15 ° off from the (100) plane in the [011] direction, and Se is 5 ×. 1018cm-3The n-GaInP graded buffer layer 12 having a thickness of 2 μm doped as described above is laminated, and Se is added 5 × 10 5 thereon.18cm-3N-Ga doped above0.7In0.3A composition uniform layer 13 made of P and having a thickness of 1 μm is grown to alleviate the lattice mismatch. By doping Se at a high concentration, cross-hatched irregularities associated with lattice relaxation were reduced. That is, n-Ga doped with Se0.7In0.3The upper surface of the interface of the P composition uniform layer 13 was flatter than the lower surface (substrate side). As a result, it is possible to prevent the occurrence of new crystal defects originating from irregularities when the heterojunction portion is grown.
[0079]
Next, the lattice constant between GaP and GaAs, Ga0.7In0.3N- (Al equal to the lattice constant of PyGa1-y)βIn1-βPvAs1-v(y = 0.7, β = 0.7, v = 1) Clad layer 14 (film thickness is 1 μm), (AlzGa1-z)γIn1-γPuAs1-u(z = 0.1, γ = 0.7, u = 1) The light guide layer 15 (with a film thickness of 0.1 μm) and As having compressive strain are included (AlxGa1-x)αIn1-αPtAs1-t(x = 0, α = 0.6, t = 0.9) Single quantum well active layer 16 (film thickness is 8 nm), (AlzGa1-z)γIn1-γPuAs1-u(z = 0.1, γ = 0.7, u = 1) Light guide layer 17 (film thickness is 0.1 μm), p- (AlyGa1-y)βIn1-βPvAs1-v(y = 0.7, β = 0.7, v = 1) Clad layer 18 (film thickness is 1 μm), p-Ga0.7In0.3A P cap layer 19 (with a film thickness of 0.1 μm) and a p-GaAs contact layer 20 (with a film thickness of 0.005 μm) are grown. The cladding layers 14 and 18 and the light guide layers 15 and 17 are made of Ga.0.7In0.3P is lattice matched.
[0080]
On the
[0081]
In the lattice constants of the cladding layers 14 and 18 of Example 2, even when GaInP having a small band gap is used in AlGaInP, the strain greatly exceeds 1% to obtain 635 nm, and the crystallinity is lowered. As was added to 16 to adjust the band gap. Of course, it is not necessary to add As if the structure (composition) can provide the necessary wavelength.
[0082]
With the structure of Example 2, a semiconductor laser oscillating at a wavelength of 635 nm was obtained. Further, since the compression strain quantum well active layer 16 is used, the polarization is TE mode. Many lasers in other wavelength bands are convenient for application because they are TE modes. Of course, if the well layer is a direct transition material, a tensile strain quantum well active layer may be used. In order to use a tensile strain quantum well layer that is a direct transition, it is desirable to make the lattice constant of the cladding layer larger than that of the second embodiment. The clad layers 14 and 18 and the light guide layers 15 and 17 have a wider gap than the conventional material system lattice-matched to the GaAs substrate, and as a result of increased band discontinuity, carrier confinement is improved. In addition to the effects of compressive strain and quantum well, a wide gap material can be used as the compressive strain quantum well layer. Therefore, a compressive strain quantum well layer using a clad layer having a lattice constant on a conventional GaAs substrate is used. Compared with, the well width became thicker, and the adverse effect of the interface was reduced. In addition, the Al composition included in the group III of the light guide layer is 0.07, which can be reduced as compared with the prior art, non-radiative recombination current caused by Al is reduced, and luminous efficiency is improved. In addition, the surface recombination current is reduced, the level of end face light degradation is improved, and high output can be obtained.
[0083]
Further, the composition of the cladding layers 14 and 18 has a band gap larger than that of the active layer 16 and contains Al (AlyGa1-y)βIn1-βPvAs1-v (0 <y ≦ 1, 0.5 <β <1, 0 <v ≦ 1) can be used. The light guide layers 15 and 17 have a band gap smaller than that of the cladding layers 14 and 18 and larger than that of the active layer 16 and have the same lattice constant as that of the cladding layer (AlzGa1-z)γIn1-γPuAs1-u(0 ≦ z <1, 0.5 <γ <1, 0 <u ≦ 1) can be used. In Example 2, a single quantum well active layer is used, but a multiple quantum well may be used. Further, although the lattice constant varies depending on the β value of the cladding layers 14 and 18, this can be dealt with by changing the lattice constant of the uppermost surface of the lattice relaxation buffer layer to be the same as that of the cladding layers 14 and 18.
[0084]
Further, as in Example 2, the plane orientation of the GaAs substrate 11 is in the range of 0 ° to 54.7 ° from the (100) plane to the [011] direction, or 10 ° from the (100) plane to the [011] direction. If it is inclined within the range of 54.7 °, the formation of the natural superlattice can be suppressed, so that the reduction of the band gap can be prevented, which is advantageous for shortening the wavelength. In the above example, the lattice relaxation buffer layers 12 and 13 and the heterojunction are grown by the MOCVD method, but can also be grown by the MBE method (molecular beam epitaxy).
[0085]
Example 3
The difference between the third embodiment and the second embodiment is the material of the lattice relaxation buffer layer 12. That is, in Example 3, a film doped with Se by gradually changing the P composition from 0 to 0.4 by the MOCVD method on the GaAs substrate 11 which is 15 ° off from the (100) plane in the [011] direction. An n-GaP layer in which an n-GaPAs graded lattice relaxation buffer layer 12 having a thickness of 2 μm is stacked and Se is doped thereon.0.4As0.6A uniform composition layer 13 having a film thickness of 1 μm was grown to alleviate the lattice mismatch. That is, in Example 1 and Example 2, GaInP is used for the lattice relaxation buffer layer, but in Example 3, GaPAs is used for the lattice relaxation buffer layer. Others are the same as in the second embodiment. In Example 3, the same effect as in Example 2 was obtained.
[0086]
Example 4
The difference between the fourth embodiment and the second embodiment is the structure of the lattice relaxation buffer layer 12. That is, in Example 4, the GaCVD lattice-matched to the GaAs substrate 11 as shown in FIG. 6 on the GaAs substrate 11 off by 15 ° in the [011] direction from the (100) plane, as shown in FIG.0.5In0.5Ga which is the same as the lattice constant of P and the cladding layer 140.7In0.3Se composed of P is 5 × 1018cm-3A lattice relaxation buffer layer (n-GaInP / GaInP superlattice buffer layer) 12 composed of the n-strained superlattice doped as described above and having a film thickness of 2 μm is stacked, and Se is deposited thereon by 5 × 10 6.18cm-3N-Ga doped above0.7In0.3A 1 μm uniform composition layer 13 made of P was grown to relax the lattice mismatch. Others are the same as in the second embodiment. In Example 4, the same effect as in Example 2 was obtained.
[0087]
Example 5
The difference between the fifth embodiment and the second embodiment is the structure of the lattice relaxation buffer layer 12. That is, in Example 5, GaP which is the same as the lattice constant of the cladding layer 14 is formed on the GaAs substrate 11 which is 15 ° off from the (100) plane in the [011] direction by MOCVD.0.4As0.6An n-low-temperature lattice relaxation buffer layer (n-GaPAs low-temperature buffer layer) 12 having a thickness of 0.1 μm grown at a lower temperature than the clad layer 14 made of is laminated, and Se is 5 × 10 5 thereon.18cm-3N-Ga doped above0.7In0.3A uniform composition layer 13 made of P and having a thickness of 2 μm was grown to alleviate the lattice mismatch. Others are the same as in the second embodiment. In Example 5, the same effect as in Example 2 was obtained.
[0088]
Example 6
Example 6 is an application example to a red laser of 635 nm, 650 nm, or the like using a light guide layer that does not contain Al. In Example 6, first, the Ga composition is gradually changed from 0.5 to 0.7 by MOCVD on the GaAs substrate 11 which is 15 ° off from the (100) plane in the [011] direction, and Se is 5 ×. 1018cm-3The n-GaInP graded buffer layer 12 having a thickness of 2 μm doped as described above is laminated, and Se is added 5 × 10 5 thereon.18cm-3N-Ga doped above0.7In0.3A composition uniform layer 13 made of P and having a thickness of 1 μm is grown to alleviate the lattice mismatch. By doping Se at a high concentration, cross-hatched irregularities due to lattice relaxation were reduced. That is, n-Ga doped with Se0.7In0.3The upper surface of the interface of the P composition uniform layer 13 was flatter than the lower surface (substrate side). As a result, it is possible to prevent the occurrence of new crystal defects originating from the unevenness when the heterojunction is grown.
[0089]
Next, the lattice constant between GaP and GaAs, Ga0.7In0.3N- (Al equal to the lattice constant of PyGa1-y)βIn1-βPvAs1-v(y = 0.7, β = 0.7, v = 1) Cladding layer 14 (film thickness is 1 μm), does not contain Al (AlzGa1-z)γIn1-γPuAs1-u(z = 0, γ = 0.7, u = 1) Light guide layer 15 (film thickness is 0.1 μm), and has compressive strain as shown in FIG.xGa1-x)αIn1-αPtAs1-t(x = 0, α = 1, t = 0.3) well layer (film thickness is 8 nm) and no Al (AlzGa1-z)γIn1-γPuAs1-u(z = 0, γ = 0.7, u = 1) Multi-quantum well active layer 16 in which three barrier layers (thickness: 10 nm) are alternately stacked, does not contain Al (AlzGa1-z)γIn1-γPuAs1-u(z = 0, γ = 0.7, u = 1) Light guide layer 17 (film thickness is 0.1 μm), p- (AlyGa1-y)βIn1-βPvAs1-v(y = 0.7, β = 0.7, v = 1) Clad layer 18 (film thickness is 1 μm), p-Ga0.7In0.3A P cap layer 19 (film thickness is 0.1 μm) and a p-GaAs contact layer 20 (film thickness is 0.005 μm) are grown. The cladding layers 14 and 18 and the light guide layers 15 and 17 are made of Ga.0.7In0.3P is lattice matched.
[0090]
On the
[0091]
In the lattice constants of the cladding layers 14 and 18 of Example 6, even if GaInP having a small band gap is used in AlGaInP, the strain must be increased to obtain 650 nm, and the crystallinity is lowered. The band gap was adjusted by adding As to the layer 16. GaInP also has a smaller lattice constant and a smaller band gap as the Ga composition is decreased. Referring to the estimation of band discontinuity by Sandip et al. (Appl. Phys. Lett. 60, 1992, pp 630-632), the band gap changes on the conduction band side and the energy on the valence band side hardly changes. . That is, when a heterojunction is formed between an Al-free wide gap GaInP light guide layer and a compression strained GaInP quantum well layer having a larger lattice constant, the band discontinuity is almost only on the conduction band side. As a result, carrier (electron) overflow due to a small band discontinuity on the conduction band side, which has been a problem with conventional red lasers using AlGaInP materials, can be significantly improved. However, conversely, there is a concern that hole confinement worsens on the valence band side. Here, when As is added to GaInP, the band gap is reduced. However, since the change on the valence band side is larger, there is an effect of realizing a structure in which holes can be sufficiently confined.
[0092]
With the structure of Example 6, a semiconductor laser oscillating at a wavelength of 650 nm was obtained. Polarization was in TE mode. The clad layers 14 and 18 and the light guide layers 15 and 17 have a wider gap than a conventional material system lattice-matched to a GaAs substrate, and as a result, the band discontinuity is increased. In Example 6, since the multiple quantum well structure is used, carriers can be more sufficiently confined in the well layer. In addition to the effects of compressive strain and quantum well, a wide gap material can be used as the compressive strain quantum well layer. Compared to a conventional compressive strain well layer using a clad layer lattice-matched to a GaAs substrate. As a result, the well width was increased, and the adverse effect of the interface was reduced. Further, since the light guide layers 15 and 17 and the well layer 16 have a structure containing no Al, the non-light-emitting recombination current caused by Al is reduced, and the light emission efficiency is improved. In addition, the surface recombination current is reduced, the level of end face light degradation is greatly improved, and high output can be obtained. For this reason, a red laser capable of stable operation at high temperature and high output was obtained.
[0093]
The cladding layers 14 and 18 have a larger band gap than the active layer 16 and contain Al (AlyGa1-y)βIn1-βPvAs1-v(0 <y ≦ 1, 0.5 <β <1, 0 <v ≦ 1) can be used. Further, although the lattice constant varies depending on the β value of the cladding layers 14 and 18, it can be dealt with by changing the lattice constant of the uppermost surface of the lattice relaxation buffer layer 12 to be the same as that of the cladding layer 14. In Example 6, the barrier layer having the same lattice constant as that of the cladding layers 14 and 18 is used as the barrier layer. However, when the strain of the well layer is large, the strain composition is set, and the direction of the strain is opposite to the well layer. By so doing, it is possible to compensate for the distortion of the well layer and obtain a good quantum well structure.
[0094]
Further, as in Example 6, the plane orientation of the GaAs substrate 11 is in the range of 0 ° to 54.7 ° from the (100) plane to the [011] direction, or 10 from the (100) plane to the [011] direction. If the angle is in the range of 5 ° to 54.7 °, formation of a natural superlattice can be suppressed, so that the reduction of the band gap can be prevented, and the
[0095]
Example 7
Example 7 is an application example to a red laser of 635 nm, 650 nm, or the like by a light guide layer not containing Al. In Example 7, the Ga composition is first gradually changed from 1 to 0.78 by MOCVD on the GaP substrate 11 which is 15 ° off in the [011] direction from the (100) plane, and Se is 5 × 10 6.18cm-3The n-GaInP graded buffer layer 12 having a thickness of 2 μm doped as described above is laminated, and Se is added 5 × 10 5 thereon.18cm-3N-Ga doped above0.78In0.22A composition uniform layer 13 made of P and having a thickness of 1 μm is grown to alleviate the lattice mismatch. By doping Se at a high concentration, cross-hatched irregularities associated with lattice relaxation were reduced. That is, n-Ga doped with Se0.78In0.22The upper surface of the interface of the P composition uniform layer was flatter than the lower surface (substrate side). As a result, it is possible to prevent the occurrence of new crystal defects originating from irregularities when the heterojunction portion is grown. Next, the lattice constant between GaP and GaAs, Ga0.78In0.22N- (Al equal to the lattice constant of PyGa1-y)βIn1-βPvAs1-v(y = 0.7, β = 0.78, v = 1) Cladding layer 14 (film thickness is 1 μm), does not contain Al (AlzGa1-z)γIn1-γPuAs1-u(z = 0, γ = 0.78, u = 1) Light guide layer 15 (film thickness is 0.1 μm), and has compressive strain as shown in FIG.xGa1-x)αIn1-αPtAs1-t(x = 0, α = 1, t = 0.3) Compression strain quantum well layer 16 (film thickness is 8 nm) and no Al (AlzGa1-z)γIn1-γPuAs1-u(z = 0, γ = 0.78, u = 1) Multiple quantum well active layers 16 in which barrier layers (thickness is 10 nm) are alternately stacked in three layers, do not contain Al (AlzGa1-z)γIn1-γPuAs1-u(z = 0, γ = 0.78, u = 1) Light guide layer 17 (film thickness is 0.1 μm), p- (AlyGa1-y)βIn1-βPvAs1-v(y = 0.7, β = 0.78, v = 1) Clad layer 18 (film thickness is 1 μm), p-Ga0.7In0.3A P cap layer 19 (film thickness is 0.1 μm) and a p-GaP contact layer 20 (film thickness is 0.005 μm) are grown. The cladding layers 14 and 18 and the light guide layers 15 and 17 are made of Ga.0.78In0.22P is lattice matched.
[0096]
On the
[0097]
With the lattice constants of the cladding layers 14 and 18 of Example 7, the strain must be increased to obtain 635 nm even if GaInP having a small band gap is used in AlGaInP, and the crystallinity is lowered. In 16, the band gap was adjusted by adding As.
[0098]
With the structure of Example 7, a semiconductor laser oscillating at a wavelength of 635 nm was obtained. Polarization was in TE mode. The clad layers 14 and 18 and the light guide layers 15 and 17 have a wider gap than the conventional material system lattice-matched to the GaAs substrate, and carrier confinement is improved. In addition to the effects of compressive strain and quantum well, a wide gap material can be used as the compressive strain quantum well layer. Compared to a conventional compressive strain well layer using a clad layer lattice-matched to a GaAs substrate. As a result, the well width was increased, and the adverse effect of the interface was reduced. In addition, since the light guide layers 15 and 17 and the well layer 16 have a structure containing no Al, the non-radiative recombination current caused by Al is reduced and the light emission efficiency is improved. In addition, the surface recombination current is reduced, the level of end face light degradation is greatly improved, and a high output can be obtained. For this reason, a red laser capable of stable operation at high temperature and high output was obtained.
[0099]
The compositions of the cladding layers 14 and 18 have a larger band gap than the active layer 16 and contain Al (AlyGa1-y)βIn1-βPvAs1-v(0 <y ≦ 1, 0.5 <β <1, 0 <v ≦ 1) can be used. Further, although the lattice constant varies depending on the value of β of the cladding layers 14 and 18, this can be dealt with by changing the lattice constant of the uppermost surface of the lattice relaxation buffer layers 12 and 13 to be the same as that of the cladding layer 14.
[0100]
Further, as in Example 7, the plane orientation of the GaAs substrate 11 is in the range of 0 ° to 54.7 ° in the [011] direction from the (100) plane, or 10 in the [011] direction from the (100) plane. If the angle is in the range of 5 ° to 54.7 °, the formation of the natural superlattice can be suppressed, so that the reduction of the band gap can be prevented. Even with the same composition, the cladding layers 14 and 18 and the light guide layers 15 and 17 A wide gap is preferable. In Example 7, the lattice relaxation buffer layers 12 and 13 and the heterojunction are grown by the MOCVD method, but can also be grown by the MBE method (molecular beam epitaxy).
[0101]
Example 8
FIG. 8 is a diagram showing a semiconductor light emitting device (semiconductor laser device) of Example 8. The layer structure is an SCH-SQW structure. Example 8 is an example using a GaPAs substrate. That is, in Example 8, GaPAs in which the P composition was gradually changed from 0 to 0.4 on the GaAs substrate 31 off by 15 ° in the [011] direction from the (100) plane by the VPE method (vapor phase growth). A graded layer 32 is laminated with a thickness of 30 μm, and GaP is formed thereon.0.4As0.6A uniform composition layer 33 is grown to a thickness of 20 μm, and a GaPAs substrate 34 having a growth layer thickness of 50 μm, for example, is used. Here, the GaPAs substrate 34 is an epitaxial substrate grown to a thickness of, for example, 30 μm or more on a GaAs or GaP substrate by VPE or the like. The surface of the growth layer has a sufficiently relaxed lattice mismatch and can be said to be a GaPAs substrate.
[0102]
In Example 8, next, n-Ga doped with Se by MOCVD method.0.7In0.3A P buffer layer 35 (having a film thickness of 1 μm) is grown to flatten the surface. Next, the lattice constant between GaP and GaAs, GaP0.4As0.6N- (Al equal to the lattice constant ofyGa1-y)βIn1-βPvAs1-v(y = 0.7, β = 0.7, v = 1) cladding layer 36 (film thickness is 1 μm), (AlzGa1-z)γIn1-γPuAs1-u(z = 0.1, γ = 0.7, u = 1) Light guide layer 37 (film thickness is 0.1 μm), having compressive strain (AlxGa1-x)αIn1-αPtAs1-t(x = 0, α = 0.55, t = 1) Single quantum well active layer 38 (film thickness is 8 nm), (AlzGa1-z)γIn1-γPuAs1-u(z = 0.1, γ = 0.7, u = 1) Light guide layer 39 (film thickness is 0.1 μm), p- (AlyGa1-y)βIn1-βPvAs1-v(y = 0.7, β = 0.7, v = 1) Clad layer 40 (film thickness is 1 μm), p-Ga0.7In0.3A P cap layer 41 (with a film thickness of 0.1 μm) and a p-GaAs contact layer 42 (with a film thickness of 0.05 μm) are grown. The clad layers 36 and 40 and the light guide layers 37 and 39 are lattice-matched to the GaPAs substrate 34. On the contact layer 42, SiO as the insulating film 43 is formed.2And a p-side electrode 44 are formed, and an n-side electrode 45 is formed on the back surface of the substrate 31. This semiconductor light emitting device is configured as an insulating film stripe structure, but other structures can also be used.
[0103]
With the structure of Example 8, a semiconductor laser that oscillates at a wavelength of 635 nm was obtained. Polarization was in TE mode. The clad layers 36 and 40 and the light guide layers 37 and 39 have a wider gap than the conventional material system lattice-matched to the GaAs substrate, and carrier confinement is improved. In addition to the effects of compressive strain and quantum well, a wide gap material can be used as the compressive strain quantum well layer. Compared to conventional compressive strain well layers using a clad layer lattice-matched to a GaAs substrate. The well width became thicker and the adverse effect of the interface was reduced. Further, the Al composition of the light guide layer has been reduced compared to the prior art, and the light output level at which the end face light deteriorates has increased. As a result, a laser capable of stable operation at high temperature and high output was obtained.
[0104]
The composition of the cladding layers 36 and 40 has a larger band gap than the active layer 38 and contains Al (AlyGa1-y)βIn1-βPvAs1-v(0 <y ≦ 1, 0.5 <β <1, 0 <v ≦ 1) can be used. The optical guide layers 37 and 39 have a band gap smaller than that of the cladding layer and larger than that of the active layer, and have the same lattice constant as that of the cladding layer (AlzGa1-z)γIn1-γPuAs1-u(0 ≦ z <1, 0.5 <γ <1, 0 <u ≦ 1) can be used. In Example 8, a multiple quantum well using a single quantum well active layer may be used. Further, although the lattice constant varies depending on the value of β of the cladding layers 36 and 40, it can be dealt with by changing the lattice constant of the uppermost surface of the GaPAs substrate 34 to be the same as that of the cladding layers 36 and 40. Further, as in Example 8, the plane orientation of the GaAs substrate ranges from 0 ° to 54.7 ° in the [011] direction from the (100) plane, or 10 ° in the [011] direction from the (100) plane. If it is inclined within the range of 54.7 °, formation of a natural superlattice can be suppressed, so that the reduction of the band gap can be prevented, and even with the same composition, the clad layer and the light guide layer have a wide gap, which is preferable. .
[0105]
Example 9
FIG. 9 is a diagram showing a semiconductor light emitting device (semiconductor laser device) of Example 9. Example 9 is an application example to a red laser of 635 nm, 650 nm, etc. by a light guide layer not containing Al. The layer structure is an SCH-MQW structure. In Example 9, first, the P composition was gradually changed from 1 to 0.55 by the VPE method (vapor phase growth) on the GaP substrate 51 which was turned off by 15 ° in the [011] direction from the (100) plane. A GaPAs graded
[0106]
In Example 9, before the crystal growth of the heterojunction portion, the surface of the
[0107]
Next, n-Ga is formed by MOCVD.0.78In0.22A buffer layer 55 made of P having a thickness of 0.3 μm, a lattice constant between GaP and GaAs, and Ga0.78In0.22N- (Al equal to the lattice constant of PyGa1-y)βIn1-βPvAs1-v(Y = 0.7, β = 0.78, v = 1) Clad layer 56 (film thickness is 1 μm), does not contain Al (AlzGa1-z)γIn1-γPuAs1-u(z = 0, γ = 0.78, u = 1) Light guide layer 57 (film thickness is 0.1 μm), having compressive strain (AlxGa1-x)αIn1-αPtAs1-t(x = 0, α = 1, t = 0.3) (film thickness is 8 nm) and does not contain Al (AlzGa1-z)γIn1-γPuAs1-u(z = 0, γ = 0.78, u = 1) Multiple quantum well active layer 58 in which barrier layers (film thickness is 10 μm) are alternately stacked in three layers, and does not contain Al (AlzGa1-z)γIn1-γPuAs1-u(z = 0, γ = 0.78, u = 1) Light guide layer 59 (film thickness is 0.1 μm), p- (AlyGa1-y)βIn1-βPvAs1-v(y = 0.7, β = 0.78, v = 1) Clad layer 60 (film thickness is 1 μm), p-Ga0.7In0.3A P cap layer 61 (film thickness is 0.1 μm) and a p-GaP contact layer 62 (film thickness is 0.005 μm) are grown. The cladding layers 56 and 60 and the guide layers 57 and 59 are made of Ga.0.78In0.22P is lattice matched.
[0108]
On the contact layer 62, SiO as an insulating film 63 is formed.2And a p-side electrode 64 are formed, and an n-side electrode 65 is formed on the back surface of the substrate 51. This semiconductor light emitting device is configured as an insulating film stripe structure, but other structures can also be used.
[0109]
With the lattice constants of the clad layers 56 and 60 of Example 9, even if GaInP having a small band gap is used in AlGaInP, the strain must be increased to obtain 635 nm, and there is a concern about the decrease in crystallinity. In the
[0110]
With the structure of Example 9, a semiconductor laser oscillating at a wavelength of 635 nm was obtained. Polarization was in TE mode. The clad layers 56 and 60 and the light guide layers 57 and 59 have a wider gap than the conventional material system lattice-matched to the GaAs substrate, and carrier confinement is improved. In addition to the effects of compressive strain and quantum well, a wide gap material can be used as the compressive strain quantum well layer, so that the well is better than a compressive strain well layer using a clad layer lattice-matched to a conventional GaAs substrate. The width was increased and the adverse effects of the interface were reduced. Further, since the light guide layers 57 and 59 and the
[0111]
The clad layers 56 and 60 have a larger band gap than the
[0112]
Further, as in Example 9, the plane orientation of the GaPAs substrate ranges from 0 ° to 54.7 ° in the [011] direction from the (100) plane, or from 10 ° in the [011] direction from the (100) plane. Inclination in the range of 54.7 ° can suppress the formation of the natural superlattice, which can prevent the reduction of the band gap and is preferable because the clad layer and the light guide layer have a wide gap even with the same composition. In Example 9, the heterojunction was grown by MOCVD, but it can also be grown by MBE (molecular beam epitaxy).
[0113]
Example 10
FIG. 10 is a diagram showing a semiconductor light emitting device (semiconductor laser device) of Example 10. Example 10 also has a SCH-SQW structure as a layer structure. In Example 10, first, GaP off by 2 ° in the [110] direction from the (100) plane.0.4As0.6On the
[0114]
Next, n-GaP is formed by MOCVD.0.4As0.6Buffer layer 75 (film thickness is 1 μm), a lattice constant between GaP and GaAs, GaP0.4As0.6N- (Al containing As equal to the lattice constant ofyGa1-y)βIn1-βPvAs1-v(Y = 0.5, β = 0.8, v = 0.85) cladding layer 76 (film thickness is 1 μm), (AlzGa1-z)γIn1-γPuAs1-u(z = 0, γ = 0.7, u = 1) Light guide layer 77 (film thickness is 0.1 μm), having compressive strain (AlxGa1-x)αIn1-αPtAs1-t(x = 0, α = 0.65, t = 0.9) Single quantum well active layer 78 (film thickness is 25 nm), (AlzGa1-z)γIn1-γPuAs1-u(z = 0, γ = 0.7, u = 1) Light guide layer 79 (film thickness is 0.1 μm), p- (AlyGa1-y)βIn1-βPvAs1-v(y = 0.5, β = 0.8, v = 0.85) Clad layer 80 (film thickness is 1 μm), p-Ga0.7In0.3P cap layer 81 (film thickness is 0.1 μm), p-GaP0.4As0.6A contact layer 82 (film thickness is 0.2 μm) is grown. The clad layers 76 and 80 and the light guide layers 77 and 79 are lattice-matched to the
[0115]
On the contact layer 82, SiO as the insulating film 83 is formed.2And a p-side electrode 84 are formed, and an n-side electrode 85 is formed on the back surface of the
[0116]
With the structure of Example 10, a semiconductor laser oscillating at a wavelength of 660 nm was obtained.
[0117]
In Example 10, GaP0.4As0.6The plane orientation of the
[0118]
In Example 10, a single quantum well active layer was used, but a multiple quantum well may be used. In that case, (Alx2Ga1-x2)α2In1-α2Pt2As1-t2(0 ≦ x2 <1, 0.5 <α2 ≦ 1, 0 ≦ t2 ≦ 1) can be used. The light guide layers 77 and 79 may contain As.
[0119]
Of course, the semiconductor laser described above is also effective when applied to a light emitting diode (LED). In this case, a visible LED having high luminance and good temperature characteristics can be obtained.
[0120]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, in a semiconductor light emitting device in which a heterojunction having an active layer for generating light and a cladding layer for confining light is formed on a semiconductor substrate, LayerContains As ( Al x Ga 1-x ) α In 1-α P t As 1-t ( 0 ≦ x <1, 0 <α1 ≦ 1, 0 ≦ t <1 )The clad layer has a larger band gap than the active layer and contains Al having a lattice constant between GaP and GaAs (AlyGa1-y)βIn1-βPvAs1-v(0 <y ≦ 1, 0.5 <β <1, 0 <v ≦ 1)The active layer contains As ( Al x Ga 1-x ) α In 1-α P t As 1-t ( 0 ≦ x <1, 0 <α1 ≦ 1, 0 ≦ t <1 ) Since the addition of As reduces the band gap, even when a clad layer having a large band gap close to GaP is used, it is possible to cope with elements having wavelengths longer than 600 nm such as 635 nm and 650 nm bands. . That is, the clad layer has a larger band gap than the conventional 635 nm and 650 nm band devices on the GaAs substrate, carrier overflow is reduced, and good device characteristics such as high temperature stable operation can be obtained. Accordingly, it is possible to provide a high-efficiency, high-efficiency, 635-nm, 650-nm-band red semiconductor laser, a visible light-emitting diode with high luminous efficiency, and the like.
[0127]
Also,Claim 2According to the described invention, the claims1In the semiconductor light emitting device described above, the semiconductor substrate is made of GaPAs, and the heterojunction portion is crystal-grown on the semiconductor substrate. GaPAs having a lattice constant between GaP and GaAs is grown thick on GaP or a substrate (for example, 30 μm thick), and a material that can be substantially regarded as a GaPAs substrate is grown by a VPE (vapor phase epitaxy) method or the like. Is possible. By making the uppermost portion the same as the lattice constant of the heterojunction portion (at least the cladding layer), the present material system can be grown without lattice irregularities. Accordingly, it is possible to provide a 635 nm or 650 nm band red semiconductor laser that operates stably at a high temperature, a high output, a visible semiconductor laser that oscillates at a wavelength shorter than 600 nm at room temperature, a visible light emitting diode with high luminous efficiency, and the like.
[0128]
Also,Claim 3According to the described invention, the claims1In the semiconductor light emitting device described above, the semiconductor substrate is made of GaAs or GaP, and a heterojunction portion is crystal-grown between the semiconductor substrate and the cladding layer via a relaxation buffer layer that relaxes lattice mismatch between the two. Alternatively, by forming the heterojunction portion on the GaP substrate via the relaxation buffer layer that relaxes the lattice mismatch, the lattice mismatch is relaxed and the heterojunction portion can be grown. In addition, it is possible to continuously perform the growth continuously with the same crystal growth apparatus, and it is easy and cost-effective because only one apparatus is required. Accordingly, it is possible to provide a 635 nm or 650 nm band red semiconductor laser that operates stably at a high temperature, a high output, a visible semiconductor laser that oscillates at a wavelength shorter than 600 nm at room temperature, a visible light emitting diode with high luminous efficiency, and the like.
[0129]
Also,Claim 4According to the described invention,Claim 3In the semiconductor light emitting device described above, the relaxation buffer layer is composed of a graded layer whose lattice constant gradually changes from the lattice constant of the semiconductor substrate toward the growth direction and approaches the lattice constant of the cladding layer, and relaxes the graded layer. Since lattice relaxation gradually occurs when used as a buffer layer, threading dislocations can be prevented from growing above the graded layer, and the crystallinity of the heterojunction can be prevented from being lowered. Accordingly, it is possible to provide a 635 nm or 650 nm band red semiconductor laser that operates stably at a high temperature, a high output, a visible semiconductor laser that oscillates at a wavelength shorter than 600 nm at room temperature, a visible light emitting diode with high luminous efficiency, and the like.
[0130]
Also,Claim 5According to the described invention,Claim 3In the described semiconductor light emitting device, the relaxation buffer layer has a strained superlattice structure in which at least two types of materials having different lattice constants are alternately stacked. By using the strained superlattice structure as the relaxation buffer layer, lattice relaxation is achieved. As a result, crystal defects associated with can be confined in the strained superlattice structure, and the crystallinity of the heterojunction can be prevented from being lowered. Accordingly, it is possible to provide a 635 nm or 650 nm band red semiconductor laser that operates stably at a high temperature, a high output, a visible semiconductor laser that oscillates at a wavelength shorter than 600 nm at room temperature, a visible light emitting diode with high luminous efficiency, and the like.
[0131]
Also,Claim 6According to the described invention,Claim 3In the described semiconductor light emitting device, the relaxation buffer layer is composed of a low-temperature buffer layer grown at a temperature lower than the growth temperature of the cladding layer. By using the low-temperature buffer layer as the relaxation buffer layer, crystal defects associated with lattice relaxation are eliminated. It can be confined in the low-temperature buffer layer, and the crystallinity of the heterojunction can be prevented from being lowered. Accordingly, it is possible to provide a 635 nm or 650 nm band red semiconductor laser that operates stably at a high temperature, a high output, a visible semiconductor laser that oscillates at a wavelength shorter than 600 nm at room temperature, a visible light emitting diode with high luminous efficiency, and the like.
[0132]
Also,Claim 7According to the described invention,Claim 3ThruClaim 6In the semiconductor light emitting device according to any one of the above, the relaxation buffer layer is made of GaInP or GaPAs. GaPAs or GaInP is a ternary material and is easy to control. In the case of using GaPAs, it is only necessary to add As to GaP when the semiconductor substrate is a GaP substrate, and it is only necessary to add P to GaAs when the semiconductor substrate is a GaAs substrate. In addition, in the case of GaInP, P is the only group V having a high vapor pressure, so that the interface can be easily controlled particularly when growing a strained superlattice structure. Accordingly, it is possible to provide a 635 nm or 650 nm band red semiconductor laser that operates stably at a high temperature, a high output, a visible semiconductor laser that oscillates at a wavelength shorter than 600 nm at room temperature, a visible light emitting diode with high luminous efficiency, and the like.
[0133]
Also,Claim 8According to the described invention,Claim 2OrClaim 3In the semiconductor light-emitting element described above, the plane orientation of the semiconductor substrate is a plane inclined in the range of 0 ° to 54.7 ° in the [011] direction from the (100) plane, or [0-11] from the (100) plane. It is a plane inclined in the range of 10 ° to 54.7 ° in the direction or a plane equivalent to these, and the plane orientation of the semiconductor substrate is 0 ° to 54.7 in the [011] direction from the (100) plane. When the natural superlattice is formed because the inclination is in the range of 10 ° or in the range of 10 ° to 54.7 ° in the [0-11] direction from the (100) plane. Compared to, a wide gap is obtained with the same composition ratio, which is advantageous for shortening the wavelength. Further, an end face type laser usually uses a cleavage plane as a resonator. When the plane orientation of the substrate is tilted in the above direction, the cleavage plane perpendicular to the tilted direction is not perpendicular to the substrate, but when the substrate is cleaved in the tilted direction, a vertical plane is obtained, which can be used as a laser resonator. If it is tilted in a direction other than the above, the cleavage plane will not be vertical, which is not preferable. Further, by tilting the plane orientation of the substrate from the (100) plane, the hillock density can be reduced, and thereby deterioration of device characteristics and yield can be suppressed. Accordingly, it is possible to provide a 635 nm or 650 nm band red semiconductor laser that operates stably at a high temperature, a high output, a visible semiconductor laser that oscillates at a wavelength shorter than 600 nm at room temperature, a visible light emitting diode with high luminous efficiency, and the like.
[0134]
Also,Claim 9According to the described invention,Claim 2OrClaim 3In the semiconductor light-emitting device described above, the surface of the GaPAs substrate is planarized by mechanical polishing before the heterojunction is crystal-grown, or after the growth of the relaxation buffer layer and before the heterojunction is crystal-grown. The surface is flattened by mechanical polishing. On the surface of the GaPAs substrate or the surface after the growth of the relaxation buffer layer, there are usually formed cross-hatched irregularities related to lattice irregularities. This unevenness can be the origin of new crystal defects when a heterojunction is grown thereon. This can be prevented by flattening by polishing and growing a heterojunction thereon. Accordingly, it is possible to provide a 635 nm or 650 nm band red semiconductor laser that operates stably at a high temperature, a high output, a visible semiconductor laser that oscillates at a wavelength shorter than 600 nm at room temperature, a visible light emitting diode with high luminous efficiency, and the like.
[0135]
Also,Claim 10According to the described invention,Claim 2OrClaim 3The semiconductor light-emitting element described above is characterized in that a layer whose upper surface at the interface of the layer is flatter than the lower surface (substrate side) is provided between the semiconductor substrate and the heterojunction portion. On the surface of the GaPAs substrate or the surface after the growth of the relaxation buffer layer, there are usually formed cross-hatched irregularities related to lattice irregularities. This unevenness can be the origin of new crystal defects when a heterojunction is grown thereon. When a layer that grows by embedding such irregularities is included, the upper layer becomes flat, and this can be prevented. Accordingly, it is possible to provide a 635 nm or 650 nm band red semiconductor laser that operates stably at a high temperature, a high output, a visible semiconductor laser that oscillates at a wavelength shorter than 600 nm at room temperature, a visible light emitting diode with high luminous efficiency, and the like.
[0136]
Also,Claim 11According to the described invention,Claim 10In the semiconductor light-emitting element described above, a layer whose upper surface at the interface of the layer is flatter than the lower surface (substrate side) is
[0137]
Also,Claim 12According to the described invention,Claim 3In the described semiconductor light emitting device, the relaxation buffer layer has Se of 5 × 10 5.18cm-3It is characterized by being doped GaInP as described above, and has a high concentration of Se that has the property of growing by embedding irregularities in the relaxation buffer layer itself that is the source of generating cross-hatched irregularities related to lattice irregularities. By using GaInP doped to, the total thickness of the growth layer can be reduced by combining the effect of relieving lattice irregularities and the effect of flattening the surface. Accordingly, it is possible to provide a 635 nm or 650 nm band red semiconductor laser that operates stably at a high temperature, a high output, a visible semiconductor laser that oscillates at a wavelength shorter than 600 nm at room temperature, a visible light emitting diode with high luminous efficiency, and the like.
[0138]
Also,Claim 13According to the described invention, claims 1 toClaim 12In the semiconductor light emitting device according to any one of the above, the heterojunction portion is grown by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE). AlGaInP (As) -based materials have a large segregation coefficient of Al from a solution to a solid phase, and liquid layer growth is difficult from the viewpoint of composition control. Further, the vapor phase growth method (VPE) by the halogen transport method is difficult because AlCl as a raw material corrodes the quartz reaction tube. On the other hand, metal organic vapor phase epitaxy (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE) is a highly non-equilibrium growth method, and growth is based on the Group III material supply rule. Is extremely effective and can grow easily. Accordingly, it is possible to provide a 635 nm or 650 nm band red semiconductor laser that operates stably at a high temperature, a high output, a visible semiconductor laser that oscillates at a wavelength shorter than 600 nm at room temperature, a visible light emitting diode with high luminous efficiency, and the like.
[0139]
Also,Claim 14According to the described invention,Claim 13In the described semiconductor light emitting device, since the relaxation buffer layer is grown by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE), it is continuously used in the same device as the heterojunction crystal growth device. Therefore, it can be grown, and only one device is required, which is easy and cost-effective. Accordingly, it is possible to provide a 635 nm or 650 nm band red semiconductor laser that operates stably at a high temperature, a high output, a visible semiconductor laser that oscillates at a wavelength shorter than 600 nm at room temperature, a visible light emitting diode with high luminous efficiency, and the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a relationship between a lattice constant and band gap energy.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of a semiconductor light emitting element according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of a semiconductor light emitting element according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of a semiconductor light emitting element according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a basic configuration of semiconductor light emitting devices of Examples 1 to 7 of the present invention.
6 is a diagram showing a superlattice buffer layer of Example 4. FIG.
7 is a view showing an active layer of Example 6 and Example 7. FIG.
FIG. 8 is a view showing a configuration of a semiconductor light emitting element of Example 8 of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a semiconductor light emitting element of Example 9 of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a semiconductor light emitting element of Example 10 of the present invention.
FIG. 11
[Explanation of symbols]
1 Semiconductor substrate
2 Active layer
3 Clad layer
4 Heterojunction
5 Light guide layer
6 Relaxation buffer layer
11 Semiconductor substrate
12 Graded buffer layer, superlattice buffer layer, low temperature buffer layer
13 Uniform composition layer
14,18 Cladding layer
15, 17 Light guide layer
16 Active layer
19 Cap layer
20 Contact layer
21 SiO2
22 p-side electrode
23 n-side electrode
11 Semiconductor substrate
12 Graded buffer layer, superlattice buffer layer, low temperature buffer layer
13 Uniform composition layer
14,18 Cladding layer
15, 17 Light guide layer
16 Active layer
19 Cap layer
20 Contact layer
21 SiO2
22 p-side electrode
23 n-side electrode
11 Semiconductor substrate
12 Graded buffer layer, superlattice buffer layer, low temperature buffer layer
13 Uniform composition layer
14,18 Cladding layer
15, 17 Light guide layer
16 Active layer
19 Cap layer
20 Contact layer
21 SiO2
22 p-side electrode
23 n-side electrode
Claims (14)
活性層はAsを含んでいる(AlxGa1−x)αIn1−αPtAs1−t(0≦x<1、0<α1≦1、0≦t<1)からなり、
クラッド層は活性層よりバンドギャップが大きくGaPとGaAsとの間の格子定数を有するAlを含んだ(AlyGa1−y)βIn1−βPvAs1−v(0<y≦1、0.5<β<1、0<v≦1)からなることを特徴とする半導体発光素子。In a semiconductor light emitting device in which a heterojunction having an active layer for generating light and a cladding layer for confining light is formed on a semiconductor substrate,
The active layer is made of (Al x Ga 1-x ) α In 1-α P t As 1-t (0 ≦ x <1, 0 <α1 ≦ 1, 0 ≦ t <1) containing As,
The cladding layer has a larger band gap than the active layer and contains Al having a lattice constant between GaP and GaAs (Al y Ga 1-y ) β In 1-β P v As 1-v (0 <y ≦ 1 , 0.5 <β <1, 0 <v ≦ 1).
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