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JPH0821761B2 - Semiconductor light emitting device - Google Patents
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JPH0821761B2 - Semiconductor light emitting device - Google Patents

Semiconductor light emitting device

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JPH0821761B2
JPH0821761B2 JP62298117A JP29811787A JPH0821761B2 JP H0821761 B2 JPH0821761 B2 JP H0821761B2 JP 62298117 A JP62298117 A JP 62298117A JP 29811787 A JP29811787 A JP 29811787A JP H0821761 B2 JPH0821761 B2 JP H0821761B2
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JP
Japan
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layer
semiconductor
insulating film
strained superlattice
crystal
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豊 永井
利隆 青柳
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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  • Recrystallisation Techniques (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、互いに熱膨張係数の異なる半導体結晶と
絶縁膜,金属等の間に生じた内部応力および内部応力に
起因する欠陥の転位を緩和する半導体発光装置に関する
ものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application] The present invention relaxes internal stress generated between a semiconductor crystal and an insulating film, a metal, etc., having different thermal expansion coefficients, and dislocations of defects caused by the internal stress. The present invention relates to a semiconductor light emitting device.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

第4図は従来の電極ストライプレーザ装置を示す断面
図である。この図で、1はn形GaAs基板(以下、単に基
板という。他の符号についても略称する)、2はn形Al
GaAs下クラッド層、3はp形GaAs活性層、4はp形AlGa
As上クラッド層、5はp形GaAsコンタクト層、7は絶縁
(SiO2)膜、8はp側電極、9はn側電極である。
FIG. 4 is a sectional view showing a conventional electrode stripe laser device. In this figure, 1 is an n-type GaAs substrate (hereinafter simply referred to as a substrate, other symbols are also abbreviated), and 2 is n-type Al.
GaAs lower clad layer, 3 p-type GaAs active layer, 4 p-type AlGa
As upper cladding layer, 5 is a p-type GaAs contact layer, 7 is an insulating (SiO 2 ) film, 8 is a p-side electrode, and 9 is an n-side electrode.

次に動作について説明する。 Next, the operation will be described.

第4図に示す半導体レーザ装置において、p側電極8
に(+),n側電極9に(−)となるように電圧を印加す
ると、電流はp側電極8→コンタクト層5→上クラッド
層4→活性層3→下クラッド層2→基板1を流れる。こ
の結果、活性層3に電子が注入され、電子とホールの再
結合により光が発生する。電流を増加すると電子注入が
増加し、再結合による光も増加する。電流がしきい値を
越えるとレーザ発振が始まり、レーザ光が装置外部に出
射される。
In the semiconductor laser device shown in FIG. 4, the p-side electrode 8
When a voltage is applied to (+) and (−) to the n-side electrode 9, the current flows through the p-side electrode 8 → contact layer 5 → upper cladding layer 4 → active layer 3 → lower cladding layer 2 → substrate 1. Flowing. As a result, electrons are injected into the active layer 3 and light is generated by recombination of electrons and holes. Increasing the current increases electron injection and also increases recombination light. When the current exceeds the threshold value, laser oscillation starts and laser light is emitted to the outside of the device.

なお、絶縁膜7は、電流を狭い領域に狭窄し、局所的
に電流密度を上げることにより、より低いしきい値電流
でレーザ発振を生じせしめるという機能を具備してい
る。
The insulating film 7 has a function of confining the current to a narrow region and locally increasing the current density to cause laser oscillation with a lower threshold current.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

従来の電極ストライプレーザ装置は、以上のように構
成されており、この種の電極ストライプレーザ装置にお
いては、絶縁膜7は電流の低しきい値化を図るためには
不可欠であった。ところが、絶縁膜7とGaAs結晶は熱膨
張係数が異なる。したがって、絶縁膜7の形成時の温度
が室温以上の場合は、絶縁膜7の形成跡、室温に戻す
と、絶縁膜7とGaAs結晶の間には熱膨張係数の相違によ
る応力が発生する。また、絶縁膜7を室温で形成したと
しても、高温エージング試験のように、半導体レーザを
室温以外の温度で使用すれば、同様に応力が発生する。
結晶中に応力がかかると、結晶中の欠陥・転位が活性化
され、点欠陥の放出吸収を繰り返しながら転位が伸長
し、転位網を形成する。転位が活性層3に到達すると、
転位は活性層3内では非発光領域となるため、しきい値
や動作電流の上昇を招く。活性層3内に転位網が発達す
ると、ついにはレーザ発振不可能の状態に陥る。したが
って、絶縁膜7を用いる構造の半導体レーザ装置では、
常に信頼性が問題点となっていた。
The conventional electrode stripe laser device is configured as described above, and in this kind of electrode stripe laser device, the insulating film 7 is indispensable for lowering the threshold current. However, the thermal expansion coefficient of the insulating film 7 is different from that of the GaAs crystal. Therefore, when the temperature at the time of forming the insulating film 7 is room temperature or higher, when the temperature of the insulating film 7 is returned to room temperature, stress is generated between the insulating film 7 and the GaAs crystal due to the difference in thermal expansion coefficient. Even when the insulating film 7 is formed at room temperature, similar stress is generated when the semiconductor laser is used at a temperature other than room temperature as in the high temperature aging test.
When stress is applied to the crystal, defects and dislocations in the crystal are activated, and the dislocations are extended while repeating emission and absorption of point defects to form a dislocation network. When the dislocation reaches the active layer 3,
Since the dislocation becomes a non-light emitting region in the active layer 3, it causes an increase in threshold value and operating current. When the dislocation network develops in the active layer 3, the laser oscillation is finally impossible. Therefore, in the semiconductor laser device having the structure using the insulating film 7,
Reliability has always been a problem.

この発明は、上記のような問題点を解消するためにな
されたもので、結晶上に絶縁膜のような結晶と異なる熱
膨張係数を有する膜を形成しても結晶の内部に応力や欠
陥・転位が到達しないような半導体装置を得ることを目
的とする。
The present invention has been made to solve the above problems. Even if a film having a coefficient of thermal expansion different from that of a crystal, such as an insulating film, is formed on the crystal, stress and defects It is an object to obtain a semiconductor device in which dislocations do not reach.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

この発明の半導体発光装置に係る第1の発明は、半導
体結晶と、この半導体結晶とは異なる熱膨張係数を有す
る物質からなる絶縁膜又は金属層とが接着して構成され
る半導体装置において、前記絶縁膜又は金属層に接する
側の前記半導体結晶の表面に、互いに格子定数の異なる
2種類以上の薄層で構成された歪超格子層を形成するよ
うにしたものであり、その第2の発明は、第1の発明に
おいて、歪超格子層を形成する半導体結晶の表面が、半
導体装置の表面側であるようにしたものであり、その第
3の発明は、第1,2の発明において絶縁膜又は金属層に
接する側の表面に歪超格子層を形成する半導体結晶がコ
ンタクト層であるようにしたものである。
The first invention relating to the semiconductor light emitting device of the present invention is a semiconductor device in which a semiconductor crystal and an insulating film or a metal layer made of a substance having a coefficient of thermal expansion different from that of the semiconductor crystal are bonded together, A strained superlattice layer composed of two or more types of thin layers having different lattice constants is formed on the surface of the semiconductor crystal on the side in contact with the insulating film or the metal layer. In the first invention, the surface of the semiconductor crystal forming the strained superlattice layer is on the surface side of the semiconductor device, and the third invention is the insulation method according to the first and second inventions. The semiconductor crystal forming the strained superlattice layer on the surface in contact with the film or the metal layer is a contact layer.

〔作用〕[Action]

この発明においては、半導体結晶と、この半導体結晶
とは熱膨張係数の異なる物質からなる膜が接着される半
導体結晶の表面に、歪超格子層を形成したことから、熱
膨張係数の異なる物質からなる膜との接着によって生じ
る応力は歪超格子層によって緩和されるので、結晶内部
には伝わらない。また、もし歪超格子層と接着する物質
との界面で応力による欠陥の転位が発生しても歪超格子
層内では転位は歪超格子層を形成する各層の面内に伸長
するという性質があるため、歪超格子層より下部に転位
は伸長しない。
In the present invention, since the strained superlattice layer is formed on the surface of the semiconductor crystal to which the semiconductor crystal and the film made of the material having a different thermal expansion coefficient from the semiconductor crystal are bonded, Since the stress generated by the adhesion with the film is relaxed by the strained superlattice layer, it is not transmitted to the inside of the crystal. Further, even if dislocations of defects due to stress occur at the interface between the strained superlattice layer and the substance to be adhered, the dislocations have the property of extending within the plane of each layer forming the strained superlattice layer. Therefore, dislocations do not extend below the strained superlattice layer.

〔実施例〕〔Example〕

以下、この発明の一実施例を図面について説明する。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第1図(a),(b)はこの発明の一実施例を示す半
導体レーザ装置の断面図および部分拡大断面図である。
1 (a) and 1 (b) are a sectional view and a partially enlarged sectional view of a semiconductor laser device showing an embodiment of the present invention.

第1図において、第4図と同一符号は同じものを示
し、6は前記絶縁膜7が接するコンタクト層5の最表面
に形成した歪超格子層である。この歪超格子層6は、互
いに異なる2種類以上の薄層を交互に積層させて構成さ
れている。
In FIG. 1, the same symbols as those in FIG. 4 indicate the same things, and 6 is a strained superlattice layer formed on the outermost surface of the contact layer 5 in contact with the insulating film 7. The strained superlattice layer 6 is configured by alternately laminating two or more kinds of thin layers different from each other.

まず、歪超格子層6の機能について説明する。 First, the function of the strained superlattice layer 6 will be described.

一般に異種物質のヘテロ接合においては、双方の層の
間に格子不整合があると層中に内部応力が発生する。層
厚が大きくなると内部応力が弾性限界を越えて、格子不
整合による転位が発生する。ところが、歪超格子層6で
は各層の層厚が薄いために格子不整合による歪は発生し
ない。この様相を第2図について説明する。
Generally, in a heterojunction of different materials, if there is a lattice mismatch between both layers, internal stress occurs in the layers. When the layer thickness increases, the internal stress exceeds the elastic limit and dislocations due to lattice mismatch occur. However, in the strained superlattice layer 6, since each layer is thin, strain due to lattice mismatch does not occur. This aspect will be described with reference to FIG.

第2図は歪超格子層6a,6bの2種の層で構成される歪
超格子層6の内部応力の状態を示した図である。図中の
矢印は応力の大きさと方向を示し、点線はそれぞれの層
がバルクの場合に占有する位置を示す。歪超格子層6a,6
bの各層は内部応力によって相互に伸び縮みして格子不
整合が吸収される。
FIG. 2 is a diagram showing a state of internal stress of the strained superlattice layer 6 composed of two types of strained superlattice layers 6a and 6b. The arrows in the figure indicate the magnitude and direction of the stress, and the dotted lines indicate the positions occupied by the respective layers in the bulk. Strained superlattice layer 6a, 6
Each layer of b expands and contracts mutually due to internal stress, and the lattice mismatch is absorbed.

この歪超格子層6に接して絶縁膜7のような熱膨張係
数の違いにより結晶に内部応力を加える層が形成される
と、歪超格子層6は第3図に示すように、歪超格子層6
内の内部応力が変化して絶縁膜7によって加えられた内
部応力を緩和する。この結果、絶縁膜7によって加えら
れた内部応力は結晶内部には伝わらない。また、歪超格
子層6は貫通転位を止めるという性質がある。これを以
下に説明する。
When a layer such as an insulating film 7 which applies an internal stress to the crystal is formed in contact with the strained superlattice layer 6, the strained superlattice layer 6 is strained as shown in FIG. Lattice layer 6
The internal stress in the inside changes to relieve the internal stress applied by the insulating film 7. As a result, the internal stress applied by the insulating film 7 is not transmitted inside the crystal. Further, the strained superlattice layer 6 has the property of stopping threading dislocations. This will be explained below.

GaAsやInP等の光デバイスでよく用いられる結晶にお
いては、転位は(111)面に沿って伸長する。(100)面
の結晶基板を用いた場合は転位は基板の面に対して55゜
傾いている面内で上昇・下降運動を繰り返す。したがっ
て、従来の絶縁膜とGaAs結晶の界面での内部応力によっ
て生じた転位は(110)面からみた場合、あたかも下方
に伸長するかのように挙動する。
In crystals often used in optical devices such as GaAs and InP, dislocations extend along the (111) plane. When a (100) crystal substrate is used, dislocations repeatedly move up and down within a plane inclined by 55 ° with respect to the substrate plane. Therefore, the dislocations generated by the internal stress at the interface between the conventional insulating film and the GaAs crystal behave as if they extend downward when viewed from the (110) plane.

歪超格子層6においては、歪超格子層6を構成する2
種類の層のヘテロ界面では格子定数の違いに起因する内
部応力が働いている。一般に、転位の挙動はヘテロ界面
での内部応力に強く影響され、界面近傍の内部応力が大
きい領域では、転位は界面を貫通するよりもむしろ界面
に平行に伸長する傾向がある。したがって、何十層もの
層を積層させることにより形成された歪超格子層6にお
いては転位は容易に貫通することはできない。したがっ
て、絶縁膜7と歪超格子層6の界面で生じた転位が結晶
内部にまで伸長する可能性はほとんどない。
In the strained superlattice layer 6, the strained superlattice layer 6 is formed 2
Internal stress due to the difference in lattice constants is working at the hetero-interface of different types of layers. In general, the behavior of dislocations is strongly influenced by the internal stress at the hetero interface, and in the region where the internal stress is large near the interface, the dislocation tends to extend parallel to the interface rather than penetrating the interface. Therefore, dislocations cannot easily penetrate in the strained superlattice layer 6 formed by stacking dozens of layers. Therefore, there is almost no possibility that dislocations generated at the interface between the insulating film 7 and the strained superlattice layer 6 extend into the inside of the crystal.

以上のように、歪超格子層6のために結晶内部の活性
層3には内部応力や転位の影響を受けないので、信頼性
に優れた半導体レーザ装置を得ることができる。
As described above, because of the strained superlattice layer 6, the active layer 3 inside the crystal is not affected by internal stress or dislocation, so that a highly reliable semiconductor laser device can be obtained.

なお、上記実施例では絶縁膜7と半導体レーザ装置の
場合のみについて示したが、半導体結晶が、この半導体
結晶と熱膨張率が異なる物質からなる膜と接着する場
合、例えば半導体レーザ装置をヒートシンクに接着する
場合等にも適用できる。
Although only the case of the insulating film 7 and the semiconductor laser device is shown in the above embodiment, when the semiconductor crystal is bonded to a film made of a substance having a different coefficient of thermal expansion from the semiconductor crystal, for example, the semiconductor laser device is used as a heat sink. It can also be applied when adhering.

また、半導体レーザ装置に限らず、熱膨張率の異なる
物質に接着するような半導体結晶からなる半導体装置す
べてに適用可能である。
Further, the present invention is not limited to the semiconductor laser device, and can be applied to all semiconductor devices made of semiconductor crystals that adhere to substances having different thermal expansion coefficients.

さらに、上記実施例ではGaAs結晶のみについて示した
が、他の歪超格子層を形成しうるすべての結晶で構成さ
れる半導体装置について適用できる。
Further, although only the GaAs crystal is shown in the above embodiment, the present invention can be applied to a semiconductor device composed of all crystals capable of forming other strained superlattice layers.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上説明したように、この発明は、半導体結晶と熱膨
張係数の異なる物質からなる絶縁膜又は金属層に接する
半導体結晶の表面に、互いに格子定数の異なる2種類以
上の薄層で構成された歪超格子層を形成したので、半導
体結晶に熱膨張係数の異なる物質を接着しても、この物
質に接した歪超格子層により内部応力が緩和されるとと
もに、半導体結晶に接着する物質と歪超格子層の界面で
転位が発生しても歪超格子層を貫通できないため、結晶
内部に内部応力や転位が伝わらず、信頼性に優れた半導
体装置が得られるという効果がある。
As described above, according to the present invention, the strain formed by two or more kinds of thin layers having different lattice constants is formed on the surface of the semiconductor crystal that is in contact with the insulating film or the metal layer made of a substance having a different thermal expansion coefficient from that of the semiconductor crystal. Since the superlattice layer is formed, even if a substance having a different thermal expansion coefficient is bonded to the semiconductor crystal, the internal stress is relaxed by the strained superlattice layer that is in contact with this substance, and at the same time, the strained superlattice is Even if dislocations occur at the interface of the lattice layer, they cannot penetrate the strained superlattice layer, so that internal stress and dislocations are not transmitted to the inside of the crystal, and a semiconductor device having excellent reliability can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図(a),(b)はこの発明の一実施例を示す半導
体レーザ装置の断面図および部分拡大断面図、第2図は
絶縁膜がない場合の歪超格子層の内部応力の様相を示す
図、第3図は絶縁膜が歪超格子層に接している場合の内
部応力の様相を示す図、第4図は従来の電極ストライプ
レーザ装置の断面図である。 図において、1は基板、2は下クラッド層、3は活性
層、4は上クラッド層、5はコンタクト層、6は歪超格
子層、7は絶縁膜、8はp側電極、9はn側電極であ
る。 なお、各図中の同一符号は同一または相当部分を示す。
1 (a) and 1 (b) are a sectional view and a partially enlarged sectional view of a semiconductor laser device showing an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a state of internal stress of a strained superlattice layer without an insulating film. FIG. 3 is a diagram showing the state of internal stress when the insulating film is in contact with the strained superlattice layer, and FIG. 4 is a sectional view of a conventional electrode stripe laser device. In the figure, 1 is a substrate, 2 is a lower cladding layer, 3 is an active layer, 4 is an upper cladding layer, 5 is a contact layer, 6 is a strained superlattice layer, 7 is an insulating film, 8 is a p-side electrode, and 9 is n. It is a side electrode. The same reference numerals in each drawing indicate the same or corresponding parts.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】半導体結晶と、この半導体結晶とは異なる
熱膨張係数を有する物質からなる絶縁膜又は金属層とが
接着して構成される半導体装置において、前記絶縁膜又
は金属層に接する側の前記半導体結晶の表面に、互いに
格子定数の異なる2種類以上の薄層で構成された歪超格
子層を形成したことを特徴とする半導体発光装置。
1. A semiconductor device constituted by adhering a semiconductor crystal and an insulating film or a metal layer made of a substance having a different thermal expansion coefficient from that of the semiconductor crystal, on a side in contact with the insulating film or the metal layer. A semiconductor light emitting device, wherein a strained superlattice layer composed of two or more kinds of thin layers having different lattice constants is formed on the surface of the semiconductor crystal.
【請求項2】歪超格子層を形成する半導体結晶の表面
が、半導体装置の表面側であることを特徴とする特許請
求の範囲第(1)項記載の半導体発光装置。
2. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the surface of the semiconductor crystal forming the strained superlattice layer is the surface side of the semiconductor device.
【請求項3】絶縁膜又は金属層に接する側の表面に歪超
格子層を形成する半導体結晶がコンタクト層であること
を特徴とする特許請求の範囲第(1)項又は第(2)項
記載の半導体発光装置。
3. A semiconductor crystal forming a strained superlattice layer on the surface in contact with an insulating film or a metal layer is a contact layer, and the semiconductor crystal is a contact layer. The semiconductor light-emitting device described.
JP62298117A 1987-11-25 1987-11-25 Semiconductor light emitting device Expired - Lifetime JPH0821761B2 (en)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS617674A (en) * 1984-06-22 1986-01-14 Nec Corp Group iii-v compound semiconductor light-emitting element
JPH0632340B2 (en) * 1985-02-07 1994-04-27 日本電気株式会社 Semiconductor light emitting element
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