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CN101156285A - 半导体发光元件 - Google Patents

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CN101156285A
CN101156285A CNA2006800116798A CN200680011679A CN101156285A CN 101156285 A CN101156285 A CN 101156285A CN A2006800116798 A CNA2006800116798 A CN A2006800116798A CN 200680011679 A CN200680011679 A CN 200680011679A CN 101156285 A CN101156285 A CN 101156285A
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semiconductor
semiconductor layer
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semiconductor light
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藏本恭介
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

本发明所涉及的半导体发光元件具有：由氮化镓系化合物半导体构成的活性层；与活性层相比设置在p层一侧，由受到拉伸变形的Inx1Aly1Ga1－x1－y1N(0≤x1≤1、0≤y1≤1)构成的第1半导体层；由能带间隙比第1半导体层小的Inx2Aly2Ga1－x2－y2N(0≤x2≤1、0≤y2≤1)构成的第2半导体层；位于第1半导体层和第2半导体层之间，由能带间隙比第1半导体层的能带间隙小、比第2半导体层的能带间隙大的Inx3Aly3Ga1－x3－y3N(0≤x3≤1、0≤y3≤1)构成的第3半导体层。

Description

半导体发光元件
技术领域
本发明涉及使用了氮化物系III-V族化合物半导体的半导体激光器及发光二极管。
背景技术
近年来，替代现有的GaAs系的半导体激光器(例如，参考专利文献1)，作为可以自光盘高密度化所需的蓝色区域至紫外线区域发光的半导体激光器，使用了AlInGaN等氮化物系III-V族化合物半导体的半导体激光器的研究开发正在盛行，并被实用化。
在这种半导体激光器，在活性层的p电极一侧插入具有比活性层更大的能带间隙(bandgap)的电子势垒层，防止自活性层溢流电子，从而防止发光效率的下降。在该电子势垒层中采用p型的AlGaN或AlInGaN材料，Al构成比例越高，能带间隙越大，抑制电子的溢流的效果越好。但是，Al构成比例过高，则会导致结晶性变差，反而使发光效率降低。因此，根据两者的得失来决定电子势垒层的Al构成比例。此外，电子势垒层的层厚越厚，抑制电子的溢流的效果越好，但是相反也会导致结晶性变差，因此，根据两者的得失来决定层厚。
另一方面，如果电子势垒层具有仅能够充分抑制电子的溢流的层厚，则更靠近p电极一侧的光导层及包覆(clad)层，从结晶性的观点考虑，使Al构成比例比电子势垒层小是有利的。为此，光导层及p型包覆层由Al构成比例比电子势垒层小的AlGaN、GaN或InGaN构成。图6是表示具有如上结构的现有的半导体发光元件的剖面图。
如图6所示，在GaN基板1上，自下方开始依次形成有，由厚度为1.0μm的GaN构成的n型缓冲层2、由厚度为1.0μm且Al构成比例为0.07的AlGaN构成的n型包覆层3、由厚度为100nm的GaN构成的n型光导层4，由厚度为7nm的非掺杂InGaN构成的光波导层5、活性层6、由厚度为20nm且In构成比例为0.02的非掺杂InGaN构成的光波导层7、由厚度为20nm且Al构成比例为0.2的p型AlGaN构成的电子势垒层8、由厚度为100nm的p型GaN构成的p型光导层9、由厚度为400nm且Al构成比例为0.07的AlGaN构成的p型包覆层10、由厚度为100nm的GaN构成的p型接触层11。
这里，活性层6是由3层厚度为3.5nm且In构成比例为0.14的非掺杂InGaN井层、2层厚度为7.0nm且In构成比例为0.02的非掺杂InGaN势垒层，分别相互层叠的多重量子井结构。此外，在p型包覆层10及p型接触层11上，通过蚀刻面向<1100>方向形成有脊12。该脊12的宽度为1.5μm，蚀刻深度为450nm。并且，形成有厚度为200nm的SiO2绝缘膜13以覆盖在脊12的侧面部分及p型包覆层10上。该绝缘膜13中，在脊12上的部分设有开口14。通过该开口14，p型电极15与p型接触层11电接触。p型电极15例如是依次层叠Pd和Au膜形成的。此外，在GaN基板1的背面一侧，设有依次层叠Ti膜和Al膜的n型电极16。
发明内容
本发明试图解决的课题
在GaN基板上或在具有接近GaN的晶格常数的基底层上成长时，InGaN层在成长面内方向上受到压缩变形，AlGaN层受到拉伸变形。由于这些层采用纤维锌矿结构，因此通过由于该变形引起的压电效果在结晶成长方向上产生压电场。并且，由于InGaN层和AlGaN层上的变形方向不同，所以产生的压电场方向也不同。
在不考虑压电效果的情况和考虑时的情况下，模拟图6的a-a’部分中的价电子带(valence electron band)结构的结果分别如图7、图8所示。在图8中，压电场的方向以箭头表示。在电子势垒层8中，由于压电效果，在光波导层7一侧产生以“+”符号表示的正电荷，在p型光导层9一侧产生以“-”符号表示的负电荷，由此产生压电场。此外，在电子势垒层8与p型光导层9的界面近处产生巨大的能带弯曲，空穴浓度变得很高。这样，载流子浓度变高则电阻变低，因此在活性层6的上部与结晶方向相垂直的面内方向上存在有低电阻层。另外，在InAlGaN层也产生同样的压电效果，但其压电场的方向由该材料承受的变形的方向决定。
接下来，在图9中表示图8所示情况下的电流密度的模拟结果。但是将基于空穴的电流和基于电子的电流分别进行图示。由此可知基于空穴的电流的电流密度在电子势垒层8与p型光导层9之间的A点处急剧减小。这是因为，在A点上产生由于上述压电场引起的能带弯曲，基于该原因在横方向上电流扩展(spreading)的结果，导致电流密度减小。
如此，如图6所示的脊型结构那样，在仅在p侧的一部分区域中进行电流注入的发光元件中，如果设置电子势垒层，则自p电极注入的空穴在上述低电阻区域中横方向上急剧变宽。由此，空穴也在横方向上变宽的状态下被注入到活性层，活性层中的电流密度变小，发光特性急剧恶化。
另外，上述的现有示例仅仅示出了一个例子，在电子势垒层不是AlGaN而是受到拉伸变形的Inx1Aly1Ga1-x1-y1N(0≤x1≤1、0≤y1≤1)的情况，及光导层不是GaN而是比电子势垒层能带间隙小的Inx2Aly2Ga1- x2-y2N(0≤x2≤1、0≤y2≤1)的情况中也有同样问题发生。也就是说，上述问题起因于氮化物系III-V族化合物半导体是产生称为压电效果的特殊效果的材料的情况。
本发明是为了解决如上所述问题而提出，其目的是提供可以改善发光特性的半导体发光元件。
用于解决课题的手段
本发明所涉及的半导体发光元件具有：由氮化镓系化合物半导体构成的活性层；与活性层相比设置在p层一侧，由受到拉伸变形的Inx1Aly1Ga1-x1-y1N(0≤x1≤1、0≤y1≤1)构成的第1半导体层；由能带间隙比第1半导体层小的Inx2Aly2Ga1-x2-y2N(0≤x2≤1、0≤y2≤1)构成的第2半导体层；位于第1半导体层和第2半导体层之间，由能带间隙比第1半导体层的能带间隙小、比第2半导体层的能带间隙大的Inx3Aly3Ga1-x3-y3N(0≤x3≤1、0≤y3≤1)构成的第3半导体层。本发明的其他特征将在下文明示。
发明效果
基于本发明，可以缓解在由受到拉伸变形的Inx1Aly1Ga1-x1-y1N(0≤x1≤1、0≤y1≤1)构成的第1半导体层和由能带间隙比第1半导体层小的Inx2Aly2Ga1-x2-y2N(0≤x2≤1、0≤y2≤1)构成的第2半导体层之间部分的能带弯曲，可以抑制在该部分产生高浓度的空穴，可以抑制在横方向上的电流扩展。由此能够改善发光特性。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的半导体发光元件的剖面图。
图2是表示本发明的实施方式1所涉及的半导体发光元件的价电子带结构的图。
图3是表示图2情况下的电流密度的模拟结果的图。
图4是表示本发明的实施方式2所涉及的半导体发光元件的价电子带结构的图。
图5是表示图4情况下的电流密度的模拟结果的图。
图6是表示现有的半导体发光元件的剖面图。
图7是表示在不考虑压电效果的情况下，现有的半导体发光元件的价电子带结构的图。
图8是表示在考虑压电效果的情况下，现有的半导体发光元件的价电子带结构的图。
图9是表示图8情况下的电流密度的模拟结果的图。
符号说明
1基板
2型缓冲层
3型包覆层
4型光导层
5光波导层
6活性层
7光波导层
8电子势垒层
9型光导层
10型包覆层
11型接触层
12脊
13绝缘膜
14开口
15型电极
16型电极
17中间层
具体实施方式
实施方式1
下面，将参照图1说明本发明的第1实施方式。图1是表示本发明的实施方式1所涉及的半导体发光元件的剖面图。该半导体发光元件是具有脊型结构的氮化物系半导体激光器。
如图1所示，在GaN基板1上，自下方开始依次形成有，由厚度为1.0μm的GaN构成的n型缓冲层2、由厚度为1.0μm且Al构成比例为0.07的AlGaN构成的n型包覆层3、由厚度为100nm的GaN构成的n型光导层4，由厚度为7nm的非掺杂InGaN构成的光波导层5、活性层6、由厚度为20nm且In构成比例为0.02的非掺杂InGaN构成的光波导层7、由厚度为20nm且Al构成比例为0.2的p型AlGaN构成的电子势垒层8、由p型InAlGaN构成的中间层17、由厚度为100nm的p型GaN构成的p型光导层9、由厚度为400nm且Al构成比例为0.07的AlGaN构成的p型包覆层10、由厚度为100nm的GaN构成的p型接触层11。
这里，活性层6是由3层厚度为3.5nm且In构成比例为0.14的非掺杂InGaN井层、2层厚度为7.0nm且In构成比例为0.02的非掺杂InGaN势垒层，分别相互层叠的多重量子井结构。此外，在p型包覆层10及p型接触层11上，通过蚀刻面向<1100>方向形成有脊12。该脊12的宽度为1.5μm，蚀刻深度为450nm。并且，形成有厚度为200nm的SiO2绝缘膜13以覆盖在脊12的侧面部分及p型包覆层10上。在该绝缘膜13中，在脊12上的部分设有开口14。通过该开口14，p型电极15与p型接触层11电接触。p型电极15例如是依次层叠Pd和Au膜的结构。此外，在GaN基板1的背面一侧，设有依次层叠Ti膜和Al膜的n型电极16。
对该实施方式1所涉及的半导体发光元件的制造方法进行说明。首先，在事先通过热清洗(thermal cleaning)等对表面进行清洁化处理后的GaN基板1上，通过有机金属化学气相沉积(MOCVD)法，例如在1000℃的成长温度下成长n型缓冲层2。接下来，同样通过MOCVD法，依次层叠n型包覆层3、n型光导层4和光波导层5、活性层6、光波导层7、电子势垒层8、中间层17、p型光导层9、p型包覆层10及p型接触层11。这里，这些层的成长温度，例如n型包覆层3和n型光导层4为1000℃、自非掺杂InGaN光波导层5至非掺杂InGaN光波导层7为740℃、自电子势垒层8至p型接触层11为1000℃。
在以上的结晶成长结束后，在整个表面涂敷抗蚀剂，并通过平板印刷术形成与平台(mesa)部的形状相应的预定形状的抗蚀剂图形。将该抗蚀剂图形作为掩模，例如通过RIE法进行深入至p型包覆层10的层内的蚀刻，制作成为光波导结构的脊12。另外，作为蚀刻气体例如使用氯系气体。
接下来，在残留有抗蚀剂图形的状态下，再次在整个表面，例如通过CVD法、真空蒸镀法、溅射法等，形成例如由厚度为0.2μm的SiO2构成的绝缘膜13，并在除去抗蚀剂的同时除去位于脊12上的绝缘膜13，即进行所谓的剥离(lift-off)。由此在脊12上形成开口14。
接下来，在整个表面例如通过真空蒸镀法依次形成Pt和Au膜之后，涂敷抗蚀剂，实施平板印刷术，之后通过进行湿法蚀刻或干法蚀刻形成表面的p型电极15。并且，在基板的背面前面，通过真空蒸镀法依次层叠Ti和Al膜，形成n型电极。并且，对n型电极16实施用于欧姆接触的合金化(alloying)处理。
接下来，通过切割晶片等加工成条状形成面共振器端面，进一步在这些共振器端面上实施端面涂敷(coating)后，通过切割该条状物等来实现芯片化。通过以上工序，制造出实施方式1的半导体发光元件。
如上所示，在实施方式1所涉及的半导体发光元件中，电子势垒层8和p型光导层9之间设置有中间层17。在该中间层17，厚度为10nm且In构成比例为0.04，Al构成比例为0.18，Ga构成比例为0.78，由于相对GaN基板1几乎晶格匹配，所以实质上无变形。在该实施方式1所涉及的半导体发光元件，阈值是37mA，微分效率是1.42W/A，在现有的半导体发光元件中分别是45mA、1.35W/A，所以与其相比发光特性得到了改善。
在图2中表示了模拟图1的a-a’部分中的价电子带结构的结果。如图所示，在电子势垒层8和中间层17的界面以及中间层17和p型光导层9的界面上，分别产生了能带弯曲。但是，这些能带弯曲上的能带不连续量与现有的结构相比小，各自界面上产生的空穴浓度大幅度降低。因此，虽然空穴浓度高的部分变为2个，但各自的空穴浓度小，所以可以作为整体抑制电阻值的降低。
在图3中表示了图2情况下的电流密度的模拟结果。图3中的电子势垒层8和中间层17之间的B点上的电流密度的降低量，比图9中的A点上的电流密度的降低量小。因此，基于实施方式1的结构，可以抑制横方向上的电流扩展，所以能够改善发光特性。
不限于以上示例，只要是具有如下结构的半导体发光元件就能够获得同样的效果，即具有：由氮化镓系化合物半导体构成的活性层；与活性层相比设置在p层一侧，由受到拉伸变形的Inx1Aly1Ga1-x1-y1N(0≤x1≤1、0≤y1≤1)构成的第1半导体层；由能带间隙比第1半导体层小的Inx2Aly2Ga1-x2-y2N(0≤x2≤1、0≤y2≤1)构成的第2半导体层；位于第1半导体层和第2半导体层之间，由能带间隙比第1半导体层的能带间隙小、比第2半导体层的能带间隙大的Inx3Aly3Ga1-x3-y3N(0≤x3≤1、0≤y3≤1)构成的第3半导体层。但是最理想是0＜y2＜y3＜y1≤1。
此外，当第1半导体层由Aly1Ga1-y1N(y1≥0.15)构成，第2半导体层由Inx2Ga1-x2N(x2≥0)构成时，压电效果变得非常大，上述问题点变得突出，因此本发明的效果也变得非常显著。
进一步，当第1半导体层由Aly1Ga1-y1N构成，第2半导体层也由Aly2Ga1-y2N构成的情况下，当其Al构成的差值y1-y2比0.15大时，压电效果变得特别大，上述问题点变得突出，因此本发明的效果也变得非常显著。
此外，当第1半导体层由Aly1Ga1-y1N构成，第2半导体层由Aly2Ga1-y2N构成，第3半导体层由Aly3Ga1-y3N构成的情况下，当y3比{(y1+y2)/2}×0.7大，且比{(y1+y2)/2}×1.3小时，第1半导体层与第3半导体层的能带间隙差及第3半导体层与第2半导体层的能带间隙差均可减小，所以自p层一侧向活性层移动的空穴的势垒变小，由此具有可以降低工作电压的优点。
这里，InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1、0≤y≤1)的晶格常数与GaN基板1几乎相同，所以中间层17的层厚也可以适当加厚。但是，包含In的结晶的结晶性通常不好。这是因为，成长温度如果高则In变得难于进入结晶内，需要降低成长温度，由于该低温下的成长导致结晶性变差的缘故。因此，中间层17(第3半导体层)的层厚的上限受到其结晶性的限制，为小于等于100nm，最好是小于等于50nm，更理想是小于等于30nm。此外，当层厚比1nm还小时，几乎不产生其效果，所以需要大于等于1nm的层厚。
此外，在没有p型光导层9的情况下，只要在电子势垒层8和p型包覆层10之间设置中间层17，则也可以获得同样的效果。并且，替代GaN基板，使用如下基板的情况也可以获得同样的效果，例如，在蓝宝石基板等与GaN晶格不匹配的基板上制作的低温GaN缓冲层，或在蓝宝石基板等与GaN晶格不匹配的基板上使用横方向选择成长技术制作的GaN层等具有与GaN相近晶格常数的基底层。
实施方式2
实施方式2所涉及的半导体发光元件，设置有受到拉伸变形的p型InAlGaN层作为中间层17，其厚度为10nm，In构成比例为0.01，Al构成比例为0.14，Ga构成比例为0.85。除此之外的结构与实施方式1相同，制造方法也与实施方式1相同。
该实施方式2所涉及的半导体发光元件，阈值是30mA，微分效率是1.52W/A，与现有的半导体发光元件相比发光特性得到改善。
如此，作为中间层17，也可以使用其晶格常数比GaN基板1的晶格常数还大，受到拉伸变形的层。这种情况下的图1所示结构的a-a’部分中的价电子带结构如图4所示。将电子势垒层8和中间层17中由于压电效果而产生的正电荷以“+”符号表示，负电荷以“-”符号表示。由于电子势垒层8与中间层17都受到拉伸变形，因此在这两个层的界面中同时产生正电荷和负电荷，并分别互相抵消。由此，如果恰当地设定该中间层17的变形程度，则可以使在该界面中产生的电荷变得非常小，能带弯曲也变小。进一步，因为能带不连续量也变小了，所以空穴浓度也变得非常小。另一方面，虽然在中间层17和p型光导层9之间的界面上新产生了负电荷，但通过恰当地设定中间层17的变形程度，可以减小该负电荷。
由此，在电子势垒层8和中间层17之间的界面及中间层17和p型光导层9之间的界面中的任何一个界面上，都可以使能带不连续量变小，使空穴浓度也变得非常小。因此，虽然空穴浓度高的部分变为2个，但各自的空穴浓度小，所以可以作为整体抑制电阻值的降低。
在图5中表示了图4情况下的电流密度的模拟结果。图5中的电子势垒层8和中间层17之间的C点上的电流密度的降低量，比图9中的A点上的电流密度及图3中的B点上的降低量小。因此，基于上述结构，可以通过插入中间层17进一步抑制横方向上的电流扩展。
实施方式3
实施方式3所涉及的半导体发光元件，设置有p型AlGaN层作为中间层17，其厚度为10nm，Al构成比例为0.2。除此之外的结构与实施方式1相同，制造方法也与实施方式1相同。
该实施方式3所涉及的半导体发光元件，阈值是28mA，微分效率是1.56W/A，与现有的半导体发光元件相比发光特性得到改善。
这样，也可以使用AlGaN材料作为中间层17。在GaN基板上或在具有接近GaN的晶格常数的基底层上成长时，AlGaN材料必定受到拉伸变形。此外，当使用AlGaN材料作为中间层17时，可以使Al构成比例比电子势垒层8小、比p型光导层9大，从而使中间层17的能带间隙比电子势垒层8小且比p型光导层9大。由此，可以容易地制造出满足上述2个条件的中间层。
工业上的可适用性
基于本发明，可以缓解在由受到拉伸变形的Inx1Aly1Ga1-x1-y1N(0≤x1≤1、0≤y1≤1)构成的第1半导体层和由能带间隙比第1半导体层小的Inx2Aly2Ga1-x2-y2N(0≤x2≤1、0≤y2≤1)构成的第2半导体层之间的部分的能带弯曲，可以抑制在该部分产生高浓度的空穴，可以抑制在横方向上的电流扩展。由此能够改善发光特性。

Claims (11)

1.一种半导体发光元件，其特征是具有：
由氮化镓系化合物半导体构成的活性层；
与上述活性层相比设置在p层一侧，由受到拉伸变形的Inx1Aly1Ga1-x1-y1N(0≤x1≤1、0≤y1≤1)构成的第1半导体层；
由能带间隙比上述第1半导体层小的Inx2Aly2Ga1-x2-y2N(0≤x2≤1、0≤y2≤1)构成的第2半导体层；
位于上述第1半导体层和上述第2半导体层之间，由能带间隙比上述第1半导体层的能带间隙小、比上述第2半导体层的能带间隙大的Inx3Aly3Ga1-x3-y3N(0≤x3≤1、0≤y3≤1)构成的第3半导体层。
2.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征是，上述第3半导体层实质上无变形。
3.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征是，上述第3半导体层受到拉伸变形。
4.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征是，x3＝0，0＜y2＜y3＜y1≤1。
5.如权利要求1至4中任一项所述的半导体发光元件，其特征是，x1＝y2＝0，y1＞0.15。
6.如权利要求1、3、4中任一项所述的半导体发光元件，其特征是，x1＝x2＝0，y1-y2＞0.15。
7.如权利要求1、3、4中任一项所述的半导体发光元件，其特征是，x1＝x2＝x3＝0，{(y1+y2)/2}×0.7＜y3＜{(y1+y2)/2}×1.3。
8.如权利要求1至7中任一项所述的半导体发光元件，其特征是，上述第3半导体层的厚度大于等于1nm小于等于100nm。
9.如权利要求1至7中任一项所述的半导体发光元件，其特征是，上述第3半导体层的厚度大于等于1nm小于等于50nm。
10.如权利要求1至7中任一项所述的半导体发光元件，其特征是，上述第3半导体层的厚度大于等于1nm小于等于30nm。
11.如权利要求1至4、8至10中任一项所述的半导体发光元件，其特征是，x1＝0，0＜y1≤1。
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