JP5208438B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザやＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの半導体発光素子に係り、特に波長５００ｎｍないし６００ｎｍの緑色域に好適な半導体発光素子に関する。

半導体レーザは、小型・高信頼性を有する発光素子として、多くの分野で実用化されている。特に可視域から赤外域のレーザにおいては、主な用途は光ディスクなどの光記録であり、実用化されているものとしては、ＣＤ（Compact Disc）などに用いられるＡｌＧａＡｓ系レーザ（波長７８０ｎｍ）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）などに用いられるＡｌＧａＩｎＰ系レーザ（波長６５０ｎｍ）、次世代ＤＶＤなどに用いられるＡｌＧａＩｎＮ系レーザ（波長４０５ｎｍ）などがある。また、赤色や青色レーザはバイオ・メディカル用途や、ディスプレイへの応用も盛んである。

しかし、今日まで、緑色域（波長５００ｎｍ〜６００ｎｍ）の半導体レーザは未だ実現されていない。

緑色レーザは、その視認性の良さからレーザポインタとして現在広く用いられているが、これはＳＨＧ（Second Harmonic Generation）を利用した固体レーザを用いたものであり、高コストであることや温度特性が不安定であること等の問題点がある。また、ディスプレイ分野において、緑色半導体レーザが実用化されれば、ＲＧＢ光源のすべてに半導体レーザを用いることができ、小型で低コストであり、色再現性が高い等の利点をもつディスプレイが実現可能となる。

これまで、緑色域の半導体レーザは、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体であるＺｎＳｅ系混晶を用い、企業や研究機関で開発が行われてきた。しかしながら、この材料には素子寿命が短いという実用上決定的な問題があった。非特許文献１では、ＺｎＳｅ系材料は原子間の結合が弱く、発光中に結晶欠陥が増殖するということが指摘されている。

一方、非特許文献２には、ＩｎＰ基板上でベリリウム（Ｂｅ）を含むＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いた素子について、数千時間の素子寿命を達成したという報告がある。これは、ベリリウムの共有結合性が強いため、原子間の結合が強く、ＺｎＳｅ系で発現したような欠陥の増殖が抑制されたからであると考えられている。
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しかしながら、このようなベリリウム（Ｂｅ）を含んだＩＩ−ＶＩ族化合物半導体の緑色半導体レーザでは、以下のような問題があった。

現在、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体に対する有用なアクセプタのドーパントは、事実上窒素（Ｎ）のみであり、ＲＦ（Radio Frequency ；高周波）によるラジカル窒素の導入によりドーピングが実現しうる。そして、ラジカル窒素ドーピングはテルル（Ｔｅ）系の母体材料にのみ高いキャリア濃度が得られるということが知られている。一方、テルル（Ｔｅ）系材料はＶＢＭ（Valence Band Maximum）が高いため、テルル（Ｔｅ）系材料をｐ型クラッド層に用いた場合、活性層材料との接合においてタイプＩＩ接合を形成しやすい。従って、ｐ型クラッド層の高キャリア濃度化とタイプＩ接合との両立は困難である。例えば、非特許文献３では、図５に示したように、ｐ型クラッド層の高キャリア濃度化を狙い、ＢｅＺｎＴｅ単層膜をｐ型クラッド層に用い、活性層をタイプＩＩ超格子（ＢｅＺｎＴｅ／ＺｎＣｄＳｅ）としたレーザ構造を作製しているが、ｐ型クラッド層と活性層とがタイプＩＩ接合となっているので、発光の効率が極めて低くなってしまっていた。

これを解決するため、非特許文献４では、上述した活性層とｐ型クラッド層とのタイプＩＩ接合を回避しようとして、ｐ型クラッド層にＭｇＳｅ／ＢｅＺｎＴｅという超格子を用いている。しかし、ＭｇＳｅは酸化しやすい材料であり、材料の信頼性に乏しい。特に、非特許文献５では、窒素がドープされたＭｇＳｅでは材料劣化が著しく、素子の信頼性に乏しいことが示唆されている。また、超格子構造はバルクに比べて電気特性が劣るなどのデメリットが考えられる。

なお、従来、活性層をタイプＩＩ超格子とした構造が提案されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）が、それらはすべてＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いたものであり、基本構造が異なっている。例えば、特許文献１では、活性層をＧａＡｓ／ＡｌＳｂ超格子とし、この超格子活性層のいずれの層よりもクラッド層のＥｇを大きくしている。また、特許文献２は、超格子活性層にＧａＡｓ／ＧａＰ，ＧａＡｓ／ＡｌＡｓを用いており、各層を２元混晶により構成すると共に、クラッド層材料を、超格子活性層で用いた二元混晶からなる三元混晶（例えば、ＧａＡｓ／ＧａＰの場合は、ＧａＡｓ_0.5 Ｐ_0.5 ）とするようにしたものである。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、ｐ型クラッド層のキャリア濃度および電気特性を高めると共に、発光の効率を向上させることができる半導体発光素子を提供することにある。

本発明による半導体発光素子は、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体により構成され、ｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層の間に活性層を有するものであって、活性層はタイプＩＩ超格子構造を有し、活性層とｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層とはタイプＩ接合され、ｐ型クラッド層はＶＩ族元素としてテルル（Ｔｅ）を含む単層であるものである。ここにタイプＩとは、電子および正孔ともにバンドギャップの小さい半導体内に閉じ込められる構造をいい、タイプＩＩとは、電子と正孔とが閉じ込められる空間的位置が異なっている構造をいう。

また、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体とは、亜鉛（Ｚｎ），マグネシウム（Ｍｇ），ベリリウム（Ｂｅ）およびカドミウム（Ｃｄ）からなる群のうちの少なくとも１種のＩＩ族元素と、酸素（Ｏ），硫黄（Ｓ），セレン（Ｓｅ）およびテルル（Ｔｅ）からなる群のうちの少なくとも１種のＶＩ族元素とを含むものをいう。

本発明の半導体発光素子では、活性層がタイプＩＩ超格子構造を有しており、この活性層とｐ型クラッド層との接合がタイプＩ構造になっている。よって、発光の効率が高くなる。また、ｐ型クラッド層がＶＩ族元素としてテルル（Ｔｅ）を含む単層であるので、キャリア濃度および電気特性が向上する。

本発明の半導体発光素子によれば、活性層をタイプＩＩ超格子構造とすると共に、この活性層とｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層とをタイプＩ接合させるようにしたので、発光の効率を高めることができる。また、ｐ型クラッド層をＶＩ族元素としてテルル（Ｔｅ）を含む単層とするようにしたので、高いキャリア濃度および高い電気特性を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る半導体レーザの主要部の構造を表すものである。この半導体レーザ１０は、例えば、レーザポインタに用いられる波長５００ｎｍないし６００ｎｍの緑色半導体レーザであり、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体よりなるｎ型クラッド層１２とｐ型クラッド層１３との間に，活性層１４を有している。これらｎ型クラッド層１２，活性層１４およびｐ型クラッド層１３は、例えばＩｎＰよりなる基板１１に順に積層され、ｐ型クラッド層１３上には、超格子層１５およびキャップ層１６が順に形成されている。

ｎ型クラッド層１２は、例えば、積層方向における厚み（以下、単に厚みという）が０．５μｍであり、ＭｇＳｅ層とＺｎ_0.48Ｃｄ_0.52Ｓｅ混晶層とを交互に積層した超格子構造を有している。

ｐ型クラッド層１３は、ＶＩ族元素としてテルル（Ｔｅ）を含んでいる。ＶＩ族元素としてテルル（Ｔｅ）を含むＩＩ−ＶＩ族化合物半導体混晶は、ラジカル窒素のドーピングにより、１０の２０乗台の高キャリア濃度を有するｐ型半導体となりうる。これにより、この半導体レーザ１０では、ｐ型クラッド層１３のキャリア濃度を高めることができるようになっている。

ｐ型クラッド層１３は、テルル（Ｔｅ）を含む単層であることが好ましい。超格子構造に比べて電気特性を高めることができるからである。

ｐ型クラッド層１３の構成材料としては、例えば、Ｂｅ_x Ｚｎ_1-x Ｓｅ_y Ｔｅ_1-y 混晶（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）が挙げられる。図２は、この四元混晶について、Ｅｇ（室温）の組成比ｘ，ｙに対する依存性を計算した結果を表したものであり、破線Ｌは基板１１を構成するＩｎＰ（格子定数５．８６９Å（０．５８６９ｎｍ））に格子整合する組成比を表している。なお、図２の計算に用いた種々の物性値は、非特許文献６〜非特許文献１０に記載されたものを用いている。ｐ型クラッド層１３は、基板１１を構成するＩｎＰに格子整合すること、かつ、緑色域の活性層１４を念頭に置いた場合、Ｅｇがおよそ２．７ｅＶ以上であることが必要である。これを満足するためには、組成比ｘ，ｙは、図２から分かるように、例えばｘ≧０．３、ｙ≦０．２であることが好ましい。上述したように、ＶＩ族元素としてテルル（Ｔｅ）を含むＩＩ−ＶＩ族化合物半導体混晶は、ｐ型の高キャリア濃度が実現可能であり、ＺｎＴｅ・ＢｅＴｅに関してもこれに準ずる。よって、テルル（Ｔｅ）の組成比（１−ｙ）を０．８以上とすることにより、１０の２０乗台に近い高いキャリア濃度を得ることができ、ｐ型クラッド層１３の電気伝導性の向上が実現できる。

また、ｐ型クラッド層１３がＢｅＺｎＳｅＴｅ混晶により構成され、マグネシウム（Ｍｇ）を含まないので、吸湿などによる材料劣化のおそれがなく、優れた材料安定性を得ることができる。

活性層１４は、タイプＩＩ超格子構造を有している。具体的には、活性層１４の超格子構造を構成する一方の層（Ａ層）は、価電子帯の上端がｐ型クラッド層１３よりも高く、他方の層（Ｂ層）は、ｐ型クラッド層１３と同等の元素構成を有する混晶により構成されている。これにより、活性層１４の実効的なＶＢＭ（超格子構造中の価電子帯第一量子準位の上端）は、ｐ型クラッド層１３を構成するＢｅ_0.3 Ｚｎ_0.7 Ｓｅ_0.2 Ｔｅ_0.8 混晶のＶＢＭ（価電子帯上端）よりも高いエネルギー準位に形成され、活性層１４とｐ型クラッド層１３との接合はタイプＩ構造になる。よって、この半導体レーザ１０では、発光の効率を高めることができるようになっている。なお、Ｂ層は、ｐ型クラッド層１３の混晶とほぼ同様な元素で構成されていればよい。また同一な元素構成の場合、各元素の組成比は完全に同一である必要はない。

これに対して、上述した特許文献２は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に関するものであり基本構造において異なるばかりでなく、クラッド層を、超格子活性層で用いた二元混晶からなる三元混晶（例えば、ＧａＡｓ／ＧａＰの場合は、ＧａＡｓ_0.5 Ｐ_0.5 ）により構成しているので、バンドラインナップにおいても本実施の形態とは異なる。具体的には、以下に図３および図４を参照して説明するように、本実施の形態のｐ型クラッド層１３のＶＢＭは、活性層１４のＢ層のそれと同等で、Ａ層のＶＢＭよりも低い。これに対して、特許文献２の構造では、ｐ型クラッド層のＶＢＭは超格子活性層の二層それぞれのＶＢＭのほぼ中間位置にあり、活性層とｐ型クラッド層との接合はタイプＩＩ構造になる可能性が高い。

図３は、このような半導体レーザ１０の主要部のバンド構成の一例を表したものである。活性層１４は、例えば、Ｂｅ_0.48Ｚｎ_0.52Ｔｅ／Ｂｅ_0.21Ｚｎ_0.79Ｓｅ_0.3 Ｔｅ_0.7 のタイプＩＩ超格子構造を有している。これにより、活性層１４の実効的なＶＢＭ１４１は、ｎ型クラッド層１２の超格子構造における実効的なＶＢＭ１２１およびｐ型クラッド層１３を構成するＢｅ_0.3 Ｚｎ_0.7 Ｓｅ_0.2 Ｔｅ_0.8 混晶のＶＢＭ１３１よりも高いエネルギー準位に形成され、活性層１４とｎ型クラッド層１２およびｐ型クラッド層１３とはタイプＩ接合となっている。

図４は、半導体レーザ１０の主要部のバンド構成の他の例を表したものである。活性層１４は、ＢｅＴｅ／Ｂｅ_0.21Ｚｎ_0.79Ｓｅ_0.3 Ｔｅ_0.7 のタイプＩＩ超格子構造を有している。この場合も、活性層１４の実効的なＶＢＭ１４１は、ｎ型クラッド層１２の超格子構造における実効的なＶＢＭ１２１およびｐ型クラッド層１３を構成するＢｅ_0.3 Ｚｎ_0.7 Ｓｅ_0.2 Ｔｅ_0.8 混晶のＶＢＭ１３１よりも高いエネルギー準位に形成され、活性層１４とｎ型クラッド層１２およびｐ型クラッド層１３とはタイプＩ接合となっている。

非特許文献１１では、ＢｅＴｅは発光が間接遷移であることが示唆されており、また、非特許文献１２ではＩｎＰと格子整合するＢｅＺｅＴｅ混晶もまた間接遷移であることが示唆されている。ただし、ＢｅＴｅのＶＢＭはΓ点にあり、ＣＢＭ（Conduction Band Minimum ）はＸ点にある。よって、活性層１４のＢ層のＣＢＭがΓ点にあれば、タイプＩＩ超格子構造の活性層１４は、直接遷移（Γ−Γ）での発光が可能である。

また、図３および図４に示した活性層１４はいずれも、従来の活性層に比べテルル（Ｔｅ）組成比が大きい（従来；テルル（Ｔｅ）組成比０．６、本実施の形態；テルル（Ｔｅ）組成比０．８）。非特許文献１３では、ＺｎＳｅＴｅ混晶においてテルル（Ｔｅ）組成比が大きいほど（０．６５以上）発光スペクトラムのＦＷＨＭが小さく発光特性が良好であることが示されている。ＢｅＺｎＳｅＴｅにおいてもＺｎＳｅＴｅと同等な現象が期待され、本実施の形態の活性層１４は従来の活性層と比べ発光特性の向上が期待される。

活性層１４のＢ層の組成比と、Ａ層／Ｂ層のＭＬ数については、所望の発光波長が得られるように適宜設計されうる。例えば、Ｂｅ_0.21Ｚｎ_0.79Ｓｅ_0.3 Ｔｅ_0.7 混晶を用いた場合、Ａ層／Ｂ層を２〜１０／１０〜１５ＭＬ程度にすれば、波長約５３０ｎｍの発光が得られる。

また、屈折率段差に関しては、非特許文献１４では、ＢｅＺｎＴｅ混晶は屈折率が比較的大きい材料であることが示唆されている（波長約５５０ｎｍに対して約３．０５）。よって、ｐ型クラッド層１３をＢｅＺｎＳｅＴｅ混晶、活性層１４をＢｅＺｎＴｅ混晶（またはＢｅＴｅ）／ＢｅＺｎＳｅＴｅ混晶の超格子構造により構成することにより、ｐ型クラッド層１３が活性層１４よりも低い屈折率を有し、活性層１４への良好な光閉じ込めを実現することができる。

タイプＩＩ超格子の発光特性に関して説明する。タイプＩＩのヘテロ接合では電子とホールとが空間的に分離する構造となり、一般的に同一空間に電子とホールとが閉じ込められるタイプＩ構造に比べ、発光特性が悪いことが知られている。しかしながら、タイプＩＩのヘテロ接合においても、それを超格子構造としさらに電子とホールとの波動関数が重なり合うほどの短周期超格子とすれば、発光効率はタイプＩ構造のそれと同程度である可能性が期待される。

超格子層１５は、ｐ型クラッド層１３とキャップ層１６との価電子帯が不連続であるために生じる抵抗を小さくし、動作電圧を低くするためのものであり、例えば、ｐ型不純物として窒素（Ｎ）を添加したｐ型ＺｎＴｅ層と、ｐ型不純物として窒素（Ｎ）を添加したＢｅＺｎＴｅ層とを交互に積層した多重量子井戸構造を有している。キャップ層１６は、例えば、厚みが１０ｎｍ程度であり、ｐ型不純物として窒素（Ｎ）を添加したＺｎＴｅにより構成されている。

ｐ型クラッド層１３の一部，超格子層１５およびキャップ層１６は、細い帯状（図１においては紙面に対して垂直な方向に延長された帯状）の突条部（リッジ）とされており、活性層１４のうち突条部に対応する部分に電流が注入されるようになっている。突条部の両側のｐ型クラッド層１３上には、酸化アルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）またはポリイミド等よりなる絶縁層１７が形成されている。キャップ層１６の上には、ｐ側電極２１が形成されている。ｐ側電極２１は、例えばパラジウム（Ｐｄ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）が順次積層された構造を有しており、キャップ層１６および超格子層１５を介してｐ型クラッド層１３と電気的に接続されている。基板１１の裏面には、例えば金ゲルマニウム（ＡｕＧｅ），ニッケル（Ｎｉ）および金（Ａｕ）よりなるｎ側電極２２が形成されている。

更に、この半導体レーザ１０では、共振器方向において対向する一対の側面が共振器端面となっており、一対の共振器端面には一対の反射鏡膜（図示せず）がそれぞれ形成されている。これら一対の反射鏡膜のうち一方は低反射率となるように、他方は高反射率となるように反射率がそれぞれ調整されている。これにより、活性層１４において発生した光は一対の反射鏡膜の間を往復して増幅され、低反射率側の反射鏡膜からレーザビームとして出射するようになっている。

この半導体レーザ１０は、次のようにして製造することができる。

まず、例えば、上述した材料よりなる基板１１に、例えばＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy；分子線エピタキシー）法により、それぞれ上述した厚みおよび材料よりなるｎ型クラッド層１２，活性層１４，ｐ型クラッド層１３，超格子層１５およびキャップ層１６を順に積層する。

次いで、キャップ層１６の上に例えばレジストよりなるマスク（図示せず）を形成し、このマスクを用いたエッチングにより、キャップ層１６，超格子層１５およびｐ型クラッド層１３の一部を選択的に除去し、細い帯状の突条部とする。続いて、突条部の両側に、例えば真空蒸着法およびリフトオフ法により、酸化アルミニウムよりなる絶縁層１７を形成する。

絶縁層１８を形成したのち、例えば真空蒸着法により、キャップ層１６および絶縁層１７の上にパラジウム層，白金層および金層を順に形成してｐ型電極２１を形成する。また、基板１１の裏面に、蒸着により金ゲルマニウム層，ニッケル層および金層を順に形成してｎ側電極２２を形成する。ｎ側電極２２およびｐ側電極２１を形成したのち、基板１１を所定の大きさに整え、キャップ層１６の長さ方向において対向する一対の共振器端面に反射鏡膜（図示せず）を形成する。これにより、図１に示した半導体レーザ１０が形成される。

この半導体レーザ１０では、ｎ側電極２２とｐ側電極２１との間に所定の電圧が印加されると、活性層１４に電流が注入されて、電子−正孔再結合により発光が起こる。この光は、一対の反射鏡膜により反射され、その間を往復してレーザ発振を生じ、レーザビームとして外部に射出される。ここでは、活性層１４が、価電子帯の上端がｐ型クラッド層１３よりも高いＡ層と、ｐ型クラッド層１３と同等の元素構成を有する混晶よりなるＢ層とのタイプＩＩ超格子構造を有しており、活性層１４の実効的なＶＢＭ１４１が、ｐ型クラッド層１３を構成するＢｅ_0.3 Ｚｎ_0.7 Ｓｅ_0.2 Ｔｅ_0.8 混晶のＶＢＭ１３１よりも高いエネルギー準位に形成され、活性層１４とｐ型クラッド層１３との接合がタイプＩ構造になっている。よって、発光の効率が高くなる。また、ｐ型クラッド層１３がＶＩ族元素としてテルル（Ｔｅ）を含んでいるので、ｐ型クラッド層１３のキャリア濃度が高くなっており、電気伝導性が向上する。

このように本実施の形態では、活性層１４をタイプＩＩ超格子構造とすると共に、この活性層１４とｎ型クラッド層１２およびｐ型クラッド層１３とをタイプＩ接合させるようにしたので、発光の効率を高めることができる。また、ｐ型クラッド層１３はＶＩ族元素としてテルル（Ｔｅ）を含むので、キャリア濃度を高め、良好な電気特性を実現することができる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態において説明した各層の材料および厚み、または成膜方法および成膜条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、または他の成膜方法および成膜条件としてもよい。例えば、ｐ型クラッド層１３は、上述したＢｅＺｎＳｅＴｅ四元混晶に限らず、他のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体材料よりなる三元または四元混晶により構成されていてもよい。また、ｐ型クラッド層１３は、少なくともいずれかの層にテルル（Ｔｅ）を含む超格子構造であってもよい。

また、例えば、上記実施の形態では、半導体レーザ１０の構成を具体的に挙げて説明したが、全ての層を備える必要はなく、また、バッファ層など他の層を更に備えていてもよい。

更に、本発明は、半導体レーザのほか、ＬＥＤなど他の半導体発光素子にも適用可能である。

本発明の一実施の形態に係る半導体レーザの主要部の構成を表す断面図である。 Ｂｅ_x Ｚｎ_1-x Ｓｅ_y Ｔｅ_1-y 混晶（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）について、Ｅｇ（室温）の組成比ｘ，ｙに対する依存性を計算した結果を表した図である。 図１に示した半導体レーザの主要部のバンド構造の一例を表した図である。 図１に示した半導体レーザの主要部のバンド構造の他の例を表した図である。 従来の半導体レーザの主要部のバンド構造の一例を表した図である。

符号の説明

１０…半導体レーザ、１１…基板、１２…ｎ型クラッド層、１３…ｐ型クラッド層、１４…活性層

Claims (3)

1. ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体により構成され、ｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層の間に活性層を有する半導体発光素子であって、
   前記活性層はタイプＩＩ超格子構造を有し、前記活性層と前記ｎ型クラッド層および前記ｐ型クラッド層とはタイプＩ接合され、前記ｐ型クラッド層はＶＩ族元素としてテルル（Ｔｅ）を含む単層である
   ことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記活性層の超格子構造を構成する一方の層は、価電子帯の上端が前記ｐ型クラッド層よりも高く、他方の層は、前記ｐ型クラッド層と同一の元素構成を有する混晶により構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記活性層の超格子構造を構成する少なくとも一方の層は、ベリリウム（Ｂｅ）を含む混晶により構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。

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