JP2004179428A

JP2004179428A - 半導体発光素子

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Publication number: JP2004179428A
Application number: JP2002344536A
Authority: JP
Inventors: Haruo Tanaka; 治夫田中; Masayuki Sonobe; 雅之園部; Takaaki Nagura; 孝昭名倉
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2002-11-27
Filing date: 2002-11-27
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2022-11-27
Also published as: JP4571372B2

Abstract

【課題】従来の可視光の半導体発光素子は、ＩｎＧａＮからなる活性層をＡｌＧａＮからなるクラッド層ではさんだダブルヘテロ構造の窒化ガリウム系化合物半導体で構成していた。しかし、活性層の結晶性が悪いために大きな発光出力を得ることができなかった。本発明は、半導体発光素子の井戸層の結晶性を改善することにより、大きな発光出力を得ることを目的とする
【解決手段】本発明は、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層と、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層とではさまれた層を多重井戸構造、あるいはＳＣＨ（ＳｅｐａｒａｔｅＣｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔＨｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造とする。
【選択図】図２

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。特に、発光効率の向上を図った半導体発光素子に関する。半導体発光素子とは、発光ダイオード、スーパールミネッセントダイオード、半導体レーザなどの光を発生する半導体素子をいう。
【０００２】
【従来の技術】
従来の可視光の半導体発光素子は、ＩｎＧａＮからなる活性層をＡｌＧａＮからなるクラッド層ではさんだダブルヘテロ構造の窒化ガリウム系化合物半導体で構成していた。すなわち、ｎ型ＡｌＧａＮからなるクラッド層、クラッド層よりもバンドギャップエネルギーの小さいＩｎＧａＮからなる活性層、ｐ型ＡｌＧａＮからなるクラッド層を積層し、ダブルヘテロ構造で発光させていた。
【０００３】
これらの窒化ガリウム化合物には格子整合のよい基板がないため、サファイヤ基板にＧａＮを積層して格子整合を図っていた。また、ＩｎＧａＮからなる活性層の結晶欠陥を改善するために、ＡｌＧａＮ層やＩｎＧａＮ層を複数積層して、その上層にダブルヘテロ構造を形成していたが（例えば、特許文献１参照。）、十分には活性層の結晶欠陥が改善されているとは言えず、大きな発光出力を得ることができなかった。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２８４６４５号公報（第３図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
発明者は、可視光の半導体発光素子の発光出力を向上させるため、検討を進めた結果、ＩｎＧａＮは結晶性が悪いことから、ＩｎＧａＮが積層されることにより、格子歪が発生し、発光出力の低下につながることを見出した。
【０００６】
発明者は、このような問題を解決するために、発光効率の向上と光出力の増大に向けて各種実験を行った。試作した半導体発光素子のエネルギーバンドを図１に示す。図１において、１１はｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層、１２はｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層、１３はＩｎ_ｑＧａ_１−ｑＮからなる層、３１はノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層である。
【０００７】
井戸層１３への電子や正孔の閉じ込め効果が大きくなるように、井戸層１３のＩｎ_ｑＧａ_１−ｑＮよりもバンドギャップエネルギーの大きいｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１とｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２で井戸層をはさんでいる。そこで、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１に対して、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２はｙ≦ｘ／２として、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２のバンドギャップエネルギーを小さくし、電子の井戸層１１への注入は低電圧で行え、井戸層からの正孔の漏れを防止できるようにしたものである。ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２と井戸層１３との間にはノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層を設けている。
【０００８】
このような構造の半導体発光素子に電流を通電して発光出力を測定したところ、十分な発光出力が得られなかった。このことから、バッファ層だけでは、井戸層の結晶性を十分に改善することができなかったものと推察できる。本発明は、半導体発光素子の井戸層の結晶性を改善すること等により、大きな発光出力を得ることを目的とする
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層と、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層とではさまれた層を多重井戸構造、あるいはＳＣＨ（ＳｅｐａｒａｔｅＣｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔＨｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造とする。
【００１０】
具体的には、本願発明は、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層と、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、Ｉｎ_ｑＧａ_１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎ_ｒＧａ_１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、主に、前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層に近い井戸層で電子と正孔を再結合させて発光させる半導体発光素子である。
【００１１】
本願他の発明は、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層と、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、Ｉｎ_ｑＧａ_１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎ_ｒＧａ_１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、前記井戸層は前記多重井戸層内で前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層に向けてｑが漸増し、前記障壁層は前記多重井戸層内でｒが一定の半導体発光素子である。
【００１２】
本願他の発明は、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層と、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、Ｉｎ_ｑＧａ_１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎ_ｒＧａ_１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、前記井戸層は前記多重井戸層内でｑが一定で、前記障壁層は前記多重井戸層内で前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層に向けてｒが漸増する半導体発光素子である。
【００１３】
本願他の発明は、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層と、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、Ｉｎ_ｑＧａ_１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎ_ｒＧａ_１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、前記井戸層は前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層に向けてｑが漸増し、前記障壁層は前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層に向けてｒが漸増する半導体発光素子である。
【００１４】
本願発明のこれらの半導体発光素子によれば、Ｉｎ_ｑＧａ_１−ｑＮからなる井戸層とＩｎ_ｒＧａ_１−ｒＮからなる障壁層であって、隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された多重井戸層とすることにより、多重井戸層での結晶性が改善されると推察される。ひとつの井戸層を有する半導体発光素子に比べて、多重井戸層を有する半導体発光素子の方が大きな発光出力を得ることが出来る。
【００１５】
さらに、本願他の発明は、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層と、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる層との間に、Ｉｎ_ｓＧａ_１−ｓＮ（０＜ｓ≦１）からなる井戸層と、該井戸層の片側、又は両側に接するＩｎ_ｔＧａ_１−ｔＮ（０≦ｔ＜１、ｔ＜ｓ）からなるＳＣＨ層とを有する半導体発光素子である。
【００１６】
本願他の発明は、前記ＳＣＨ層を有する半導体発光素子において、前記井戸層を前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層に寄せた位置に配置したことを特徴とする半導体発光素子である。
【００１７】
本願他の発明は、前記ＳＣＨ層を有する半導体発光素子において、又は、前記井戸層を前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層に寄せた位置に配置した半導体発光素子において、前記ＳＣＨ層はｔが一定であることを特徴とする半導体発光素子である。
【００１８】
本願他の発明は、前記ＳＣＨ層を有する半導体発光素子において、又は、前記井戸層を前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層に寄せた位置に配置した半導体発光素子において、前記ＳＣＨ層は井戸層に向けてｔが漸増することを特徴とする半導体発光素子である。
【００１９】
ここで、ＳＣＨ層（ＳｅｐａｒａｔｅＣｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔＨｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）とは、井戸層に接するように配置し、かつ井戸層よりもエネルギーギャップを大きくした層をいう。
【００２０】
本願発明のこれらの半導体発光素子によれば、ＳＣＨ層を設けることによって、電子及び正孔を集中させることが出来る。このため、ひとつの井戸層を有する半導体発光素子に比べて、ＳＣＨ層を有する半導体発光素子の方が電子と正孔を効率的に再結合させることができ、大きな発光出力を得ることが出来る。
【００２１】
さらに、本願他の発明は、前記半導体発光素子において、前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層に、ｐ型Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０＜ｚ≦１、ｚ＞ｘ）からなる層を設けたことを特徴とする半導体発光素子である。
【００２２】
本願発明の半導体発光素子によれば、ｐ型Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮからなる層において、ｚ＞ｘとすることにより、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層よりもバンドギャップエネルギーを大きくして、井戸層からの電子の逃げを少なくすることができる。
【００２３】
本願他の発明は、前記半導体発光素子の前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層と前記多重井戸層又は前記ＳＣＨ層との間に、前記ｐ型Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０＜ｚ≦１、ｚ＞ｘ）からなる層を設けたことを特徴とする半導体発光素子である。
【００２４】
本願発明の半導体発光素子によれば、ｐ型Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮからなる層を前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層と前記多重井戸層又は前記ＳＣＨ層との間に設けることによって、より効率的に井戸層からの電子の逃げを少なくすることができる。
【００２５】
さらに、本願他の発明は、前記半導体発光素子の前記ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる層と前記多重井戸層又はＳＣＨ層との間にノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層を設けたことを特徴とする半導体発光素子である。
【００２６】
本願発明の半導体発光素子によれば、ＧａＮ層はＡｌＧａＮ層やＩｎＧａＮ層に比較して結晶性がよく、ノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層を設けることによって、井戸層での結晶性が改善されると推察される。バッファ層を有しない半導体発光素子に比べて、ノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層を有する半導体発光素子の方が大きな発光出力を得ることが出来る。
【００２７】
本願他の発明は、前記半導体発光素子の前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層又は前記ｐ型Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０＜ｚ≦１、ｚ＞ｘ）からなる層と前記多重井戸層又は前記ＳＣＨ層との間にノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層を設けたことを特徴とする半導体発光素子である。
【００２８】
本願発明の半導体発光素子によれば、ＧａＮ層はＡｌＧａＮ層やＩｎＧａＮ層に比較して結晶性がよく、ノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層を設けることによって、井戸層での結晶性が改善されると推察される。バッファ層を有しない半導体発光素子に比べて、ノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層を有する半導体発光素子の方が大きな発光出力を得ることが出来る。
【００２９】
さらに、本願他の発明は、前記半導体発光素子において、少なくとも前記多重井戸層又は井戸層をメサ形状にして、レーザ発振が可能なことを特徴とする半導体発光素子である。
メサ形状にすることによって、電流及び発光した光を集中させてレーザ発振を容易にすることができる。
【００３０】
さらに、本願他の発明は、前記半導体発光素子において、発光した光を前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層の側から出射させることを特徴とする半導体発光素子である。
本願発明の半導体発光素子によれば、再結合の行われる井戸層は前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層に近い位置である。前記ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層を基板側にすると、再結合の行われる井戸層の結晶性がより改善される配置となると推察され、大きな発光出力を得ることが出来る。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
本願発明の実施の形態である半導体発光素子のエネルギーバンド図を図２、図３、図４、図５に示す。図２、図３、図４、図５において、１１はｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層、１２はｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層、１３はＩｎ_ｑＧａ_１−ｑＮからなる井戸層、１４はＩｎ_ｒＧａ_１−ｒＮからなる障壁層、１５は井戸層１３と障壁層１４が交互に積層された多重井戸層、３１はノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層、３２はノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層である。
【００３２】
図２、図３、図４、図５において、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２と多重井戸層１５との間にノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層３１を、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１と多重井戸層１５との間にノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層３２を設けると、ＡｌＧａＮ層はＧａＮ層に対して、ｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｓｓ（伸張性の力）が加わり、ＩｎＧａＮ層はＧａＮ層に対して、ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｓｓ（圧縮性の力）が加わる。ＧａＮ層はＡｌＧａＮ層やＩｎＧａＮ層に比較して結晶性がよく、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２やｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１とＩｎ_ｑＧａ_１−ｑＮからなる井戸層１３とを直接、接触させるよりも、ノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層３１または３２を設けることによって、井戸層１３での結晶性が改善されると推察される。従って、バッファ層を有しない半導体発光素子に比べて、ノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層を有する半導体発光素子の方が効率的に発光させることができ、大きな発光出力を得ることが出来る。
【００３３】
図２、図３、図４、図５において、Ｉｎ_ｑＧａ_１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層１３と、井戸層１３に隣接するＩｎ_ｒＧａ_１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層１４とを交互に複数積層された多重井戸層１５を設けている。井戸層１３と井戸層１３に隣接する障壁層１４との間では、ｒ＜ｑの関係になるように設定されている。井戸層１３と障壁層１４とを繰り返して積層することによって、井戸層での結晶性が改善されると推察される。従って、ひとつの井戸層を有する半導体発光素子に比べて、多重井戸層を有する半導体発光素子の方が効率的に発光させることができ、大きな発光出力を得ることが出来る。
【００３４】
井戸層１３の厚さは正孔のドブロイ波の波長よりも短い４ｎｍ以下とし、障壁層１４の厚さを電子のドブロイ波の波長よりも長い１０ｎｍ以上とすることが好ましい。
【００３５】
図２においては、多重井戸層内での各井戸層１３及び各障壁層１４はそれぞれ同じバンドギャップエネルギーを持たせている。各障壁層１４をＧａＮ（Ｉｎ_ｒＧａ_１−ｒＮにおいて、ｒ＝０）で構成し、Ｉｎ_ｑＧａ_１−ｑＮからなる井戸層１３と交互に積層することによって、井戸層での結晶性が改善される。
【００３６】
図２において、井戸層１３の厚さを３ｎｍとし、障壁層１４をＧａＮ（Ｉｎ_ｒＧａ_１−ｒＮにおいて、ｒ＝０）で構成し、その厚さを１８ｎｍとして、また、各井戸層のバンドギャップエネルギーＥｇを僅かシフトして発光波長をずらせ、発光波長を検出することによって多重井戸層１５においてどの井戸層が発光しているかを実験で確認したところ、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１に最も近い井戸層で発光強度が最も強いことが判明した。これは、電子と正孔の有効質量の差から、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１に最も近い井戸層で電子と正孔の再結合が起こっていると推測される。ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２の側を基板側にして、各井戸層を積層するとｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１に近い側の井戸層の結晶性が改善されると推察される。従って、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１に近い井戸層での結晶性がよい場合は、これらの井戸層で電子と正孔の再結合が効率的に起こるようにすると、大きな発光出力が得られる。
【００３７】
また、図２の構成では、障壁層の屈折率が支配的となるため、屈折率が比較的ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１、又はｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２に近くなり、面発光型の半導体発光素子に適している。
【００３８】
図３は、井戸層１３が多重井戸層１５内でｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１に向けてＩｎ_ｑＧａ_１−ｑＮからなる井戸層のｑが漸増し、障壁層１４は多重井戸層１５内でＩｎ_ｒＧａ_１−ｒＮからなる障壁層のｒが一定の半導体発光素子である。特に、各障壁層１４をＧａＮ（Ｉｎ_ｒＧａ_１−ｒＮにおいて、ｒ＝０）で構成し、Ｉｎ_ｑＧａ_１−ｑＮからなる井戸層１３と交互に積層することによって、井戸層での結晶性が改善される。ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２の側を基板側にして、各井戸層を積層するとｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１に近い井戸層の結晶性が改善されると推察される。ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１に近い井戸層でのバンドギャップエネルギーを最も小さくし、その井戸層に正孔を蓄積しやすくして、電子と正孔の再結合が効率的に起こるようにすると、大きな発光出力が得られる。従って、このようなエネルギーバンドとなる半導体発光素子において、効率的に発光させることができ、大きな発光出力を得ることが出来る。
また、図３の構成では、障壁層の屈折率が支配的となるため、屈折率が比較的ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１、又はｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２に近くなり、面発光型の半導体発光素子に適している。
【００３９】
図４は、井戸層１３は多重井戸層１５内でＩｎ_ｑＧａ_１−ｑＮからなる井戸層のｑが一定で、障壁層１４は多重井戸層１５内でｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１に向けてＩｎ_ｒＧａ_１−ｒＮからなる障壁層のｒが漸増する半導体発光素子である。障壁層を徐々に発光する井戸層に近づけて交互に積層することによって、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１に近い井戸層の結晶性が改善されると推察される。ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１に近い井戸層で電子と正孔の再結合が起こるため、大きな発光出力が得られる。従って、このようなエネルギーバンドとなる半導体発光素子において、効率的に発光させることができ、大きな発光出力を得ることが出来る。
また、図４の構成では、障壁層の屈折率が支配的となるため、屈折率分布が比較的井戸層に近くなり、端面発光型の半導体発光素子にも適用できる。
【００４０】
図５は、Ｉｎ_ｑＧａ_１−ｑＮからなる井戸層１３と隣接するＩｎ_ｒＧａ_１−ｒＮからなる障壁層１４との間ではｒ＜ｑの関係を維持しつつ、井戸層１３は前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層に向けてＩｎ_ｑＧａ_１−ｑＮからなる井戸層のｑが漸増し、障壁層１４はｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層に向けてＩｎ_ｒＧａ_１−ｒＮからなる障壁層のｒが漸増する半導体発光素子である。障壁層と井戸層とを交互に積層することによって、上層となるｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１に近い井戸層の結晶性が改善されると推察される。ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１に近い井戸層で電子と正孔の再結合が起こるため、大きな発光出力が得られる。従って、このようなエネルギーバンドとなる半導体発光素子において、効率的に発光させることができ、大きな発光出力を得ることが出来る。
また、図５の構成では、障壁層の屈折率が支配的となるため、屈折率分布が比較的井戸層に近くなり、端面発光型の半導体発光素子にも適用できる。
【００４１】
図２、図３、図４、図５において、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１のｘに対して、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２のｙについて、ｙ≦ｘ／２となる関係になるように設定すれば、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１よりｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２のバンドギャップエネルギーを小さくすることができる。電子については、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２のバンドギャップエネルギーを相対的に小さくすることによって、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２から多重井戸層１５への電子の注入が低電圧でなされる。ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１のバンドギャップエネルギーを相対的に大きくすることによって、多重井戸層１５からｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１への電子の逃げを少なくすることができる。正孔については、電子よりも有効質量が大きいため、多重井戸層１５に注入された正孔のｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２への逃げは少ない。このため、低電圧で動作させることができると同時に、電子や正孔の閉じ込め効果が高まり、効率的に発光させることができ、大きな発光出力を得ることが出来る。
【００４２】
（実施の形態２）
本願発明の実施の形態である半導体発光素子のエネルギーバンド図を図６から図１０に示す。図６乃至図１０において、１１はｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層、１２はｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層、２１はＩｎ_ｓＧａ_１−ｓＮからなる井戸層、２２はＩｎ_ｔＧａ_１−ｔＮからなるＳＣＨ層である。ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１とＳＣＨ層２２との間にノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層を設けてもよい。また、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２とＳＣＨ層２２との間にノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層３１を設けてもよい。
【００４３】
図６乃至図１０において、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１のｘに対して、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２のｙについて、ｙ≦ｘ／２となる関係になるように設定すれば、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１よりｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２のバンドギャップエネルギーを小さくすることができる。電子については、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２のバンドギャップエネルギーを相対的に小さくすることによって、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２からＳＣＨ層２２への電子の注入が低電圧でなされる。ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１のバンドギャップエネルギーを相対的に大きくすることによって、ＳＣＨ層２２からｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１への電子の逃げを少なくすることができる。正孔については、電子よりも有効質量が大きいため、ＳＣＨ層２２に注入された正孔のｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２への逃げは少ない。このため、効率的に発光させることができ、大きな発光出力を得ることが出来る。
【００４４】
図６乃至図１０において、井戸層２１に接するように井戸層２１の両側にＳＣＨ層２２を設けている。Ｉｎ_ｓＧａ_１−ｓＮからなる井戸層２１の両側にＩｎ_ｔＧａ_１−ｔＮからなるＳＣＨ層２２を設け、ｔ＜ｓとすることによって、ＳＣＨ層に電子と正孔を閉じ込めて、井戸層２１で効率的に再結合させることができる。また、井戸層２１のバンドギャップエネルギーをＳＣＨ層２２よりも小さくして、井戸層２１で電子と正孔の再結合を容易にして、井戸層２１で集中的に発光させることができる。また、ＳＣＨ層の屈折率が支配的となるため、屈折率分布が比較的井戸層に近くなり、端面発光型の半導体発光素子にも適用することができる。
【００４５】
図６乃至図１０において、井戸層２１をＳＣＨ層２２の中で、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層１１に寄せた位置に配置している。電子と正孔の有効質量の違いから、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１に近い位置の井戸層２１で電子と正孔が再結合することが効率的であると考えられる。そこで、井戸層２１をｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１に近い位置に配置することによって、井戸層で集中的に電子と正孔の再結合させて、大きな発光出力を得ることができる。
【００４６】
図６は、Ｉｎ_ｔＧａ_１−ｔＮからなるＳＣＨ層２２のｔを０≦ｔ＜１の範囲内で平坦にしている。ＳＣＨ層２２のバンドギャップエネルギーがｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２よりも小さく、井戸層２１よりも大きければよい。ＳＣＨ層での組成を一定にすると、製造が容易になる。
なお、図６の構成に、井戸層を複数設けて多重量子井戸構造の半導体レーザとすると、発光特性の改善が図れる。
【００４７】
図７は、Ｉｎ_ｔＧａ_１−ｔＮからなるＳＣＨ層２２のｔを井戸層２１に向けて線形的に漸増させたものである。ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２とＳＣＨ層２２の間にノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層も設けて、バッファ層のバンドギャップエネルギーから井戸層のバンドギャップエネルギーに向けて、Ｉｎ_ｔＧａ_１−ｔＮからなるＳＣＨ層２２のｔを漸増させてもよい。また、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１とＳＣＨ層２２の間にノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層も設けて、バッファ層のバンドギャップエネルギーから井戸層のバンドギャップエネルギーに向けて、Ｉｎ_ｔＧａ_１−ｔＮからなるＳＣＨ層２２のｔを漸増させてもよい。
【００４８】
ＳＣＨ層を積層するときに、滑らかにエネルギーバンドを変化させることが困難な場合は、図８に示すように、ＩｎとＧａの比率を徐々に変えてＳＣＨ層を積層することで、図７と同じ効果が得られる。
【００４９】
図７又は図８に示すエネルギーバンドとすることにより、半導体発光素子において井戸層に向けて結晶性を改善しつつ、井戸層で電子と正孔の再結合を容易にして、井戸層２１で集中的に発光させることができる。
【００５０】
図９、図１０はＩｎ_ｔＧａ_１−ｔＮからなるＳＣＨ層２２のｔを井戸層２１に向けて放物的に漸増させたものであり、ＳＣＨ層を積層するときに、滑らかにエネルギーバンドを変化させることが困難な場合は、図１０に示すように、ＩｎとＧａの比率を徐々に変えてＳＣＨ層を積層することで、図９と同じ効果が得られる。
【００５１】
図６乃至図１０において、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１のｘに対して、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２のｙについて、ｙ≦ｘ／２となる関係になるように設定すれば、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１よりｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２のバンドギャップエネルギーを小さくすることができる。電子については、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２のバンドギャップエネルギーを相対的に小さくすることによって、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２からＳＣＨ層２２への電子の注入が低電圧でなされる。ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１のバンドギャップエネルギーを相対的に大きくすることによって、ＳＣＨ層２２からｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１への電子の逃げを少なくすることができる。正孔については、電子よりも有効質量が大きいため、ＳＣＨ層２２に注入された正孔のｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層１２への逃げは少ない。このため、低電圧で動作させることができると同時に、電子や正孔の閉じ込め効果が高まり、効率的に発光させることができ、大きな発光出力を得ることが出来る。
【００５２】
図１１に、ＳＣＨ層の光集中効果を表す図を示す。図１１において、ＳＣＨ層のない井戸層だけの半導体発光素子（図１１において、「ＳＣＨ層なし」）、図６に対応するバンドエネルギーを持つ半導体発光素子（図１１において、「平坦型ＳＣＨ層」）、図７に対応するバンドエネルギーを持つ半導体発光素子（図１１において、「線形型ＳＣＨ層」）、図９に対応するバンドエネルギーを持つ半導体発光素子（図１１において、「放物型ＳＣＨ層」）の光強度分布である。波長４００ｎｍにおいて、井戸層の幅が４．３ｎｍ、井戸層とｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１− _ｘＮからなる層との距離が５ｎｍ、井戸層とｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層との距離が２５ｎｍのときに、井戸層で発光した光の閉じ込め効果をシミュレーションしたものである。
【００５３】
図１１より、ＳＣＨ層の存在によって、井戸層で発光した光を井戸層近辺に集中させることができることが分かる。ＳＣＨ層の屈折率を高くすると、半導体レーザや端面出射型発光ダイオードのように、井戸層に沿って出射させる半導体発光素子にとっては、効率的な光出力が得られることになる。
【００５４】
（実施の形態３）
本願発明の実施の形態である半導体発光素子のエネルギーバンド図を図１２、図１３に示す。図１２又は図１３において、１１はｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層、１２はｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層、１３はＩｎ_ｑＧａ_１−ｑＮからなる井戸層、１４はＩｎ_ｒＧａ_１−ｒＮからなる障壁層、１５は井戸層１３と障壁層１４が交互に積層された多重井戸層、３１はノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層、３２はノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層、３３はｐ型Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮからなるせき止め層である。
【００５５】
図２で説明した実施の形態との差はせき止め層３３である。電子の有効質量は正孔よりも小さいことから、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１を超えて電子が逃げてしまう可能性がある。そこで、ｐ型Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮからなるせき止め層３３をｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮに対して、ｚ＞ｘとすることによって、せき止め層３３のバンドギャップエネルギーを大きくして、電子の逃げを防止するものである。図１３に示すように、せき止め層３３をｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層１１と多重井戸層１５との間に配置すると、より効果的に電子をせき止めることができる。さらに、図１３において、せき止め層３３と多重井戸層１５との間にノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層を設けてもよい。実験では、３ｎｍの厚さのｐ型Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮからなるせき止め層であっても、電子の逃げを防止することができ、無効電流を低減することができた。
【００５６】
（実施の形態４）
本願発明の実施の形態である多重井戸層をメサ形状にした半導体発光素子の構造を図１４に示す。図１４において、１は半導体発光素子、１５は多重井戸層、１６はレーザ光の出射端面である。多重井戸層でレーザ発振した光は出射端面１６から出射する。
【００５７】
半導体発光素子１の少なくとも多重井戸層１５の部分を図１４に示すようなメサ形状にすることによって、多重井戸層１５に平行方向であって、レーザ光の出射方向に垂直な方向に対して電流狭窄することができる。電流狭窄によって、半導体発光素子の効率的な発光を可能とする。半導体発光素子がＳＣＨ層と井戸層とを有する場合であっても、少なくとも井戸層の部分を図１４に示すようなメサ形状にすることによって電流狭窄することができる。電流狭窄によって、半導体発光素子の効率的な発光を可能とする。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、半導体発光素子を効率的に発光させることができ、大きな発光出力を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】単一井戸層を有する半導体発光素子のエネルギーバンドを説明する図である。
【図２】本発明の多重井戸層を有する半導体発光素子のエネルギーバンドを説明する図である。
【図３】本発明の多重井戸層を有する半導体発光素子のエネルギーバンドを説明する図である。
【図４】本発明の多重井戸層を有する半導体発光素子のエネルギーバンドを説明する図である。
【図５】本発明の多重井戸層を有する半導体発光素子のエネルギーバンドを説明する図である。
【図６】本発明の平坦型ＳＣＨ層を有する半導体発光素子のエネルギーバンドを説明する図である。
【図７】本発明の線形型ＳＣＨ層を有する半導体発光素子のエネルギーバンドを説明する図である。
【図８】本発明の線形型ＳＣＨ層を有する半導体発光素子のエネルギーバンドを説明する図である。
【図９】本発明の放物型ＳＣＨ層を有する半導体発光素子のエネルギーバンドを説明する図である。
【図１０】本発明の放物型ＳＣＨ層を有する半導体発光素子のエネルギーバンドを説明する図である。
【図１１】本発明のＳＣＨ層を有する半導体発光素子の光強度分布を説明する図である。
【図１２】本発明のせき止め層を有する半導体発光素子のエネルギーバンドを説明する図である。
【図１３】本発明のせき止め層を有する半導体発光素子のエネルギーバンドを説明する図である。
【図１４】本発明のメサ形状を有する半導体発光素子の構造を説明する図である。
【符号の説明】
１：半導体発光素子
１１：ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる層
１２：ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる層
１３：Ｉｎ_ｑＧａ_１−ｑＮからなる井戸層
１４：Ｉｎ_ｒＧａ_１−ｒＮからなる障壁層
１５：井戸層と障壁層が交互に積層された多重井戸層
１６：出射端面
２１：Ｉｎ_ｓＧａ_１−ｓＮからなる井戸層
２２：Ｉｎ_ｔＧａ_１−ｔＮからなるＳＣＨ層
３１：ノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層
３２：ノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層
３３：ｐ型Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮからなるせき止め層

Claims

ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層と、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、
Ｉｎ_ｑＧａ_１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎ_ｒＧａ_１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、
主に、前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層に近い井戸層で電子と正孔を再結合させて発光させる半導体発光素子。
ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層と、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、
Ｉｎ_ｑＧａ_１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎ_ｒＧａ_１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、
前記井戸層は前記多重井戸層内で前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層に向けてｑが漸増し、
前記障壁層は前記多重井戸層内でｒが一定の半導体発光素子。
ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層と、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、
Ｉｎ_ｑＧａ_１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎ_ｒＧａ_１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、
前記井戸層は前記多重井戸層内でｑが一定で、
前記障壁層は前記多重井戸層内で前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層に向けてｒが漸増する半導体発光素子。
ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層と、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる層とではさまれた多重井戸層が、
Ｉｎ_ｑＧａ_１−ｑＮ（０＜ｑ≦１）からなる井戸層と、該井戸層に隣接するＩｎ_ｒＧａ_１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）からなる障壁層であって隣接する井戸層との間ではｒ＜ｑの関係になる障壁層とが交互に複数積層された層を含み、
前記井戸層は前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層に向けてｑが漸増し、
前記障壁層は前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層に向けてｒが漸増する半導体発光素子。
ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層と、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる層との間に、
Ｉｎ_ｓＧａ_１−ｓＮ（０＜ｓ≦１）からなる井戸層と、該井戸層の片側、又は両側に接するＩｎ_ｔＧａ_１−ｔＮ（０≦ｔ＜１、ｔ＜ｓ）からなるＳＣＨ層とを有する半導体発光素子。
請求項５に記載の半導体発光素子において、前記井戸層を前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層に寄せた位置に配置したことを特徴とする半導体発光素子。
請求項５又は６に記載の半導体発光素子において、前記ＳＣＨ層はｔが一定であることを特徴とする半導体発光素子。
請求項５又は６に記載の半導体発光素子において、前記ＳＣＨ層は井戸層に向けてｔが漸増することを特徴とする半導体発光素子。
請求項１乃至８に記載の半導体発光素子において、前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層に、ｐ型Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０＜ｚ≦１、ｚ＞ｘ）からなる層を設けたことを特徴とする半導体発光素子。
請求項１乃至８に記載の半導体発光素子において、前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層と前記多重井戸層又は前記ＳＣＨ層との間に、前記ｐ型Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０＜ｚ≦１、ｚ＞ｘ）からなる層を設けたことを特徴とする半導体発光素子。
請求項１乃至１０に記載の半導体発光素子において、前記ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる層と前記多重井戸層又は前記ＳＣＨ層との間にノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層を設けたことを特徴とする半導体発光素子。
請求項１乃至１０に記載の半導体発光素子において、前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層又は前記ｐ型Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０＜ｚ≦１、ｚ＞ｘ）からなる層と前記多重井戸層又は前記ＳＣＨ層との間にノンドープ型ＧａＮからなるバッファ層を設けたことを特徴とする半導体発光素子。
請求項１乃至１２に記載の半導体発光素子において、少なくとも前記多重井戸層又は井戸層をメサ形状にして、レーザ発振が可能なことを特徴とする半導体発光素子。
請求項１乃至１２に記載の半導体発光素子において、発光した光を前記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる層の側から出射させることを特徴とする半導体発光素子。