JPH08181386A - 半導体光素子 - Google Patents
半導体光素子Info
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- JPH08181386A JPH08181386A JP32024094A JP32024094A JPH08181386A JP H08181386 A JPH08181386 A JP H08181386A JP 32024094 A JP32024094 A JP 32024094A JP 32024094 A JP32024094 A JP 32024094A JP H08181386 A JPH08181386 A JP H08181386A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 高効率な短波長半導体光素子を実現する。
【構成】 GaAs基板1上に例えばアンモニア雰囲気中で
高温でアニールすることにより表面窒化層2を作製す
る。その後、有機金属気相成長法によりn-Al0.2Ga0.8N
第１クラッド層3、GaN/Al0.2Ga0.8N多重量子井戸活性層
4、p-Al0.2Ga0.8N第２クラッド層5、p-GaNコンタクト層
6を連続的に形成する。続いてSiO2絶縁膜7を堆積して電
流注入のためのストライプ状の開口をエッチングにより
形成する。最後にアノード電極8、カソード電極9を形成
する。この半導体レーザのGaAs基板１からＧａＮコンタ
クト層６まではすべて閃亜鉛鉱型結晶により構成されて
いる。 【効果】 閃亜鉛鉱型GaN系材料では量子効果や２軸性
歪等を制御することによりホールの状態密度を大きく低
減させることが可能となり、発光素子の効率を格段に向
上させることができる。
高温でアニールすることにより表面窒化層2を作製す
る。その後、有機金属気相成長法によりn-Al0.2Ga0.8N
第１クラッド層3、GaN/Al0.2Ga0.8N多重量子井戸活性層
4、p-Al0.2Ga0.8N第２クラッド層5、p-GaNコンタクト層
6を連続的に形成する。続いてSiO2絶縁膜7を堆積して電
流注入のためのストライプ状の開口をエッチングにより
形成する。最後にアノード電極8、カソード電極9を形成
する。この半導体レーザのGaAs基板１からＧａＮコンタ
クト層６まではすべて閃亜鉛鉱型結晶により構成されて
いる。 【効果】 閃亜鉛鉱型GaN系材料では量子効果や２軸性
歪等を制御することによりホールの状態密度を大きく低
減させることが可能となり、発光素子の効率を格段に向
上させることができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信、光情報処理分
野などに用いられる発光素子、特にAlGaInN系短波長の
半導体光素子に関するものである。
野などに用いられる発光素子、特にAlGaInN系短波長の
半導体光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、多くの分野で半導体レーザの需要
が高まり、GaAs系、およびInP系を中心として活発に研
究開発が進められてきた。それに伴いMBE,MOVPEをはじ
めとする半導体レーザの結晶成長技術が大きな進展を遂
げ、高品質の化合物半導体結晶が再現性よく作製できる
ようになってきた。そして現在では発振波長630nm程度
のGaInP/AlGaInP系半導体レーザが製品化されている。
さらに短波長化を目指して色々な材料で半導体発光素子
の開発が進められている。なかでもZnCdSe系材料で発振
波長500nm前後の短波長半導体レーザの室温連続発振が
最近になって達成され、世の中の注目を集めて、現在実
用化に向けての開発が進められている。
が高まり、GaAs系、およびInP系を中心として活発に研
究開発が進められてきた。それに伴いMBE,MOVPEをはじ
めとする半導体レーザの結晶成長技術が大きな進展を遂
げ、高品質の化合物半導体結晶が再現性よく作製できる
ようになってきた。そして現在では発振波長630nm程度
のGaInP/AlGaInP系半導体レーザが製品化されている。
さらに短波長化を目指して色々な材料で半導体発光素子
の開発が進められている。なかでもZnCdSe系材料で発振
波長500nm前後の短波長半導体レーザの室温連続発振が
最近になって達成され、世の中の注目を集めて、現在実
用化に向けての開発が進められている。
【０００３】ただし、動作電圧が高く、しかも電流注入
時の結晶中の格子欠陥の増殖が激しいために、実用レベ
ルの信頼性を得ることが困難であり実用化にはまだ多く
の時間を要すると考えられている。
時の結晶中の格子欠陥の増殖が激しいために、実用レベ
ルの信頼性を得ることが困難であり実用化にはまだ多く
の時間を要すると考えられている。
【０００４】その一方、もう一つの短波長レーザとして
有望視されている材料に、ウルツ鉱型GaN系材料があ
る。この材料系ではエピタキシャル成長をするための格
子整合する高品質な基板が存在しないため、ZnCdSe系と
比べて半導体発光素子の開発が遅れていたが、近年屋外
でも使用可能な1cdを越える高輝度な発光ダイオードが
実現されるようになっており、今後半導体レーザの実現
が期待されている。発光ダイオードとしては素子寿命が
105時間程度と他の実用化されている半導体発光素子材
料と比較しても遜色なく、半導体レーザへの応用も十分
可能と思われる。
有望視されている材料に、ウルツ鉱型GaN系材料があ
る。この材料系ではエピタキシャル成長をするための格
子整合する高品質な基板が存在しないため、ZnCdSe系と
比べて半導体発光素子の開発が遅れていたが、近年屋外
でも使用可能な1cdを越える高輝度な発光ダイオードが
実現されるようになっており、今後半導体レーザの実現
が期待されている。発光ダイオードとしては素子寿命が
105時間程度と他の実用化されている半導体発光素子材
料と比較しても遜色なく、半導体レーザへの応用も十分
可能と思われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な発光ダイオードを屋外表示用として使用するため、あ
るいは消費電力を低減するために、さらなる高効率化が
望まれている。また、現在研究が進められている半導体
レーザの実現のためには、現状の材料で発光効率が十分
とは言えず、より高い発光効率が必要となる。
な発光ダイオードを屋外表示用として使用するため、あ
るいは消費電力を低減するために、さらなる高効率化が
望まれている。また、現在研究が進められている半導体
レーザの実現のためには、現状の材料で発光効率が十分
とは言えず、より高い発光効率が必要となる。
【０００６】本発明は従来よりも発光効率の高い、短波
長半導体発光素子を提供することを目的とするものであ
る。
長半導体発光素子を提供することを目的とするものであ
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、ホールの状態密度が小さい閃亜鉛鉱構造、
例えばGaN系材料等を発光層に用いて、従来のウルツ鉱
型結晶よりも格段に発光効率の高い短波長半導体発光素
子を実現するものである。
に本発明は、ホールの状態密度が小さい閃亜鉛鉱構造、
例えばGaN系材料等を発光層に用いて、従来のウルツ鉱
型結晶よりも格段に発光効率の高い短波長半導体発光素
子を実現するものである。
【０００８】
【作用】AlGaInN系材料では、活性層に閃亜鉛鉱型の結
晶を用い、さらに量子効果や２軸性歪等を制御すること
により、ホールの状態密度を大きく低減させることが可
能となり、発光素子の効率を向上させることができる。
晶を用い、さらに量子効果や２軸性歪等を制御すること
により、ホールの状態密度を大きく低減させることが可
能となり、発光素子の効率を向上させることができる。
【０００９】
【実施例】現在、GaN系発光デバイスとして実用化され
ているものはすべてウルツ鉱構造の結晶が用いられてい
る。GaN系結晶にはウルツ鉱型のほかにGaAs等の従来のI
II-V族化合物半導体と同様の結晶構造である閃亜鉛鉱型
とがある。
ているものはすべてウルツ鉱構造の結晶が用いられてい
る。GaN系結晶にはウルツ鉱型のほかにGaAs等の従来のI
II-V族化合物半導体と同様の結晶構造である閃亜鉛鉱型
とがある。
【００１０】しかし、ウルツ鉱型結晶は材料的に、特に
価電子帯の状態密度が大きい。状態密度が大きいと、発
光素子として動作させるためには非常に高い密度のキャ
リアを活性層に注入しなければならない。その結果発光
効率は低く、特に半導体レーザのように単一のエネルギ
ーでの発光を利用する場合には効率の低下が著しくな
る。
価電子帯の状態密度が大きい。状態密度が大きいと、発
光素子として動作させるためには非常に高い密度のキャ
リアを活性層に注入しなければならない。その結果発光
効率は低く、特に半導体レーザのように単一のエネルギ
ーでの発光を利用する場合には効率の低下が著しくな
る。
【００１１】そこで本実施例では、このようなウルツ鉱
型GaN系材料とは異なる、閃亜鉛鉱型を用いた半導体発
光素子について説明する。
型GaN系材料とは異なる、閃亜鉛鉱型を用いた半導体発
光素子について説明する。
【００１２】（実施例１）図1に閃亜鉛鉱型GaN/AlGaN量
子井戸半導体レーザの素子断面図を示す。はじめに(00
1)GaAs基板1上に例えばアンモニア雰囲気中で高温でア
ニールすることにより表面窒化層2を作製する。その
後、有機金属気相成長法によりn-Al0.2Ga0.8N第１クラ
ッド層3、GaN/Al0.2Ga0.8N多重量子井戸活性層4、p-Al
0.2Ga0.8N第２クラッド層5、p-GaNコンタクト層6を連続
的に形成する。続いてSiO2絶縁膜7を堆積して電流注入
のためのストライプ状の開口をエッチングにより形成
し、最後にアノード電極8、カソード電極9を形成してい
る。
子井戸半導体レーザの素子断面図を示す。はじめに(00
1)GaAs基板1上に例えばアンモニア雰囲気中で高温でア
ニールすることにより表面窒化層2を作製する。その
後、有機金属気相成長法によりn-Al0.2Ga0.8N第１クラ
ッド層3、GaN/Al0.2Ga0.8N多重量子井戸活性層4、p-Al
0.2Ga0.8N第２クラッド層5、p-GaNコンタクト層6を連続
的に形成する。続いてSiO2絶縁膜7を堆積して電流注入
のためのストライプ状の開口をエッチングにより形成
し、最後にアノード電極8、カソード電極9を形成してい
る。
【００１３】ここでGaAs基板１上に成長したGaN系結晶
は閃亜鉛鉱型になる。すなわち、図1の半導体レーザも
ＧａＡｓ基板１〜ＧａＮコンタクト層６まではすべて閃
亜鉛鉱型結晶により構成されている。
は閃亜鉛鉱型になる。すなわち、図1の半導体レーザも
ＧａＡｓ基板１〜ＧａＮコンタクト層６まではすべて閃
亜鉛鉱型結晶により構成されている。
【００１４】図2にGaN/Al0.2Ga0.8N多重量子井戸4付近
のバンドダイヤグラムを示す。GaN/Al0.2Ga0.8N多重量
子井戸4はGaN量子井戸層13およびAl0.2Ga0.8Nバリア層1
4を交互に積層した構造を有している。外部から注入さ
れる電子およびホールはGaN量子井戸層13内に閉じ込め
られ、ここで再結合により光を放出する。発光効率はこ
の再結合の確率によって決定される。再結合の確率は電
子およびホールのエネルギー分布に強く依存し、端的に
は状態密度が小さいほど同じキャリア密度あたりの再結
合の確率が高くできる。一般に電子よりもホールの状態
密度の方が大きいのでホールの状態密度の大小が発光効
率を大きく左右すると考えることができる。
のバンドダイヤグラムを示す。GaN/Al0.2Ga0.8N多重量
子井戸4はGaN量子井戸層13およびAl0.2Ga0.8Nバリア層1
4を交互に積層した構造を有している。外部から注入さ
れる電子およびホールはGaN量子井戸層13内に閉じ込め
られ、ここで再結合により光を放出する。発光効率はこ
の再結合の確率によって決定される。再結合の確率は電
子およびホールのエネルギー分布に強く依存し、端的に
は状態密度が小さいほど同じキャリア密度あたりの再結
合の確率が高くできる。一般に電子よりもホールの状態
密度の方が大きいのでホールの状態密度の大小が発光効
率を大きく左右すると考えることができる。
【００１５】図3に閃亜鉛鉱型およびウルツ鉱型結晶の
価電子帯のkzに対するのバンド構造を示す。kzは成長方
向に対する波数であり、閃亜鉛鉱型では(001)方向、ウ
ルツ鉱型では(0001)方向を仮定している。
価電子帯のkzに対するのバンド構造を示す。kzは成長方
向に対する波数であり、閃亜鉛鉱型では(001)方向、ウ
ルツ鉱型では(0001)方向を仮定している。
【００１６】図3(a)の閃亜鉛鉱型の場合、kz=0ではヘビ
ーホール21とライトホール22とが縮退している。このよ
うにバンドが近接すると互いにミキシングを起こし、そ
の結果価電子帯の状態密度、すなわちバンドの曲率が大
きくなる。
ーホール21とライトホール22とが縮退している。このよ
うにバンドが近接すると互いにミキシングを起こし、そ
の結果価電子帯の状態密度、すなわちバンドの曲率が大
きくなる。
【００１７】ところがもし、z方向に垂直な量子井戸を
用いると、図３(c)に示すように量子効果によってヘビ
ーホール21とライトホール22をも分離することが可能と
なる。したがってバンド間のミキシングを低減でき、ホ
ールの状態密度を小さくすることが可能であり、低しき
い値で発光することになる。ところで図３(c)は量子井
戸構造を活性層に用いたものであり、横軸は量子井戸層
の面内での波数ｋ〃を示している。(c)に示すように、
量子井戸構造を用いると縮帯がとけヘビーホールとライ
トホールとを分離できる上に、ヘビーホール４１の曲率
が小さくなり、状態密度がかなり小さくできることがわ
かる。
用いると、図３(c)に示すように量子効果によってヘビ
ーホール21とライトホール22をも分離することが可能と
なる。したがってバンド間のミキシングを低減でき、ホ
ールの状態密度を小さくすることが可能であり、低しき
い値で発光することになる。ところで図３(c)は量子井
戸構造を活性層に用いたものであり、横軸は量子井戸層
の面内での波数ｋ〃を示している。(c)に示すように、
量子井戸構造を用いると縮帯がとけヘビーホールとライ
トホールとを分離できる上に、ヘビーホール４１の曲率
が小さくなり、状態密度がかなり小さくできることがわ
かる。
【００１８】（実施例２）また、別の実施例として、活
性層を閃亜鉛型構造とし、量子井戸構造を用いる代わり
に、面内に平行な２軸性歪を用いても、活性層に量子井
戸構造を用いたのと同様の効果が得られる。ここで２軸
性歪とは、面内の互いに直角をなす２方向の歪の量が等
しいことをいう。量子井戸構造では、量子井戸層のＺ方
向（成長方向）に垂直な面内で、たとえば所定の方向
（ｘ方向）と、その方向に直角方向（ｙ方向）の２方向
の歪が等しいことである。現在実用化されているAlGaIn
P系のIII-V族化合物半導体を用いた半導体レーザではこ
の２軸性歪による手法により高性能化が図られてきてい
る。少なくとも量子井戸構造の内、量子井戸層での２軸
の歪の量が等しければ、状態密度が小さくなり、レーザ
の特性として最も大きい効果が得られる。
性層を閃亜鉛型構造とし、量子井戸構造を用いる代わり
に、面内に平行な２軸性歪を用いても、活性層に量子井
戸構造を用いたのと同様の効果が得られる。ここで２軸
性歪とは、面内の互いに直角をなす２方向の歪の量が等
しいことをいう。量子井戸構造では、量子井戸層のＺ方
向（成長方向）に垂直な面内で、たとえば所定の方向
（ｘ方向）と、その方向に直角方向（ｙ方向）の２方向
の歪が等しいことである。現在実用化されているAlGaIn
P系のIII-V族化合物半導体を用いた半導体レーザではこ
の２軸性歪による手法により高性能化が図られてきてい
る。少なくとも量子井戸構造の内、量子井戸層での２軸
の歪の量が等しければ、状態密度が小さくなり、レーザ
の特性として最も大きい効果が得られる。
【００１９】一方、GaN系発光デバイスで現状用いられ
ているウルツ鉱型の場合は図3(b)に示すようになってい
る。バンド端からの２つのバンド、第１のホール31およ
び第２のホール32はz方向の曲率がほとんど同じである
ことがわかる。量子効果によるエネルギーシフトはz方
向のバンドの曲率に比例するので量子効果によって第１
のホール31と第２のホール32とのエネルギー間隔を拡大
することはできない。したがって状態密度を小さくでき
ない。
ているウルツ鉱型の場合は図3(b)に示すようになってい
る。バンド端からの２つのバンド、第１のホール31およ
び第２のホール32はz方向の曲率がほとんど同じである
ことがわかる。量子効果によるエネルギーシフトはz方
向のバンドの曲率に比例するので量子効果によって第１
のホール31と第２のホール32とのエネルギー間隔を拡大
することはできない。したがって状態密度を小さくでき
ない。
【００２０】また、活性層に２軸性歪を用いても、でも
この２つのバンドはほぼ同じエネルギーシフトをするの
で、やはりエネルギー間隔は変わらない。したがって、
第１のホール31と第２のホール32とは強くミキシングし
た状態を保持し、非常に大きい状態密度を持っている。
この２つのバンドはほぼ同じエネルギーシフトをするの
で、やはりエネルギー間隔は変わらない。したがって、
第１のホール31と第２のホール32とは強くミキシングし
た状態を保持し、非常に大きい状態密度を持っている。
【００２１】以上の説明から明らかなように、ウルツ鉱
型GaN系材料はホールの状態密度が大きく、構造を変化
させてもこの状態密度を低減させることが困難である。
このため半導体発光素子として用いると効率の低い素子
しか原理的に得られないことになる。ところが本実施例
のように、閃亜鉛鉱型GaN系材料を用いれば、量子効
果、２軸性歪等の制御により発光素子の高効率化が可能
となる。
型GaN系材料はホールの状態密度が大きく、構造を変化
させてもこの状態密度を低減させることが困難である。
このため半導体発光素子として用いると効率の低い素子
しか原理的に得られないことになる。ところが本実施例
のように、閃亜鉛鉱型GaN系材料を用いれば、量子効
果、２軸性歪等の制御により発光素子の高効率化が可能
となる。
【００２２】なお、本実施例ではGaN量子井戸層を用い
たが、GaN結晶のほか、AlGaInN混晶系のいかなる組成の
材料でも同様の効果が得られる。また、活性層が量子井
戸構造ではなくバルク結晶であっても、２軸性歪等によ
り量子井戸構造を用いたのと同様の効果が得られる。
たが、GaN結晶のほか、AlGaInN混晶系のいかなる組成の
材料でも同様の効果が得られる。また、活性層が量子井
戸構造ではなくバルク結晶であっても、２軸性歪等によ
り量子井戸構造を用いたのと同様の効果が得られる。
【００２３】
【発明の効果】本発明により、従来のウルツ鉱型結晶よ
りも格段に発光効率の大きくでき、青色から紫外光にか
けての高性能な半導体光素子が実現できる。
りも格段に発光効率の大きくでき、青色から紫外光にか
けての高性能な半導体光素子が実現できる。
【図１】閃亜鉛鉱型GaN/AlGaN量子井戸半導体レーザの
素子断面図
素子断面図
【図２】GaN/Al0.2Ga0.8N多重量子井戸4付近のバンドダ
イヤグラム
イヤグラム
【図３】閃亜鉛鉱型およびウルツ鉱型結晶の価電子帯の
バンド構造図
バンド構造図
１ (001)GaAs基板 ２ 表面窒化層 ３ n-Al0.2Ga0.8N第１クラッド層 ４ GaN/Al0.2Ga0.8N多重量子井戸活性層 ５ p-Al0.2Ga0.8N第２クラッド層 ６ p-GaNコンタクト層 ７ SiO2絶縁膜 ８ アノード電極 ９ カソード電極 １１ 伝導帯 １２ 価電子帯 １３ GaN量子井戸層 １４ Al0.2Ga0.8Nバリア層 ２１ ヘビーホール ２２ ライトホール ２３ スピン軌道分離ホール ３１ 第１のホール ３２ 第２のホール ３３ 第３のホール
Claims (6)
- 【請求項１】AlGaInN系化合物半導体から成る発光素子
において、少なくとも活性層が閃亜鉛鉱構造であること
を特徴とする半導体光素子。 - 【請求項２】活性層が単結晶である請求項１に記載の半
導体光素子。 - 【請求項３】GaAs単結晶を基板とし、前記基板上に化合
物半導体をエピタキシャル成長により形成した請求項１
に記載の半導体光素子。 - 【請求項４】立方晶SiC単結晶基板とし、前記基板上に
化合物半導体をエピタキシャル成長により形成した請求
項１に記載の半導体光素子。 - 【請求項５】活性層が単一あるいは複数のInGaN量子井
戸層を有する請求項１に記載の半導体光素子。 - 【請求項６】活性層に２軸性歪が存在する請求項１に記
載の半導体光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32024094A JPH08181386A (ja) | 1994-12-22 | 1994-12-22 | 半導体光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32024094A JPH08181386A (ja) | 1994-12-22 | 1994-12-22 | 半導体光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08181386A true JPH08181386A (ja) | 1996-07-12 |
Family
ID=18119292
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32024094A Pending JPH08181386A (ja) | 1994-12-22 | 1994-12-22 | 半導体光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08181386A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPH11298043A (ja) * | 1998-04-14 | 1999-10-29 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 半導体素子およびｉｉｉ族窒化物超格子構造の作製方法 |
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| US7119378B2 (en) | 2000-07-07 | 2006-10-10 | Nichia Corporation | Nitride semiconductor device |
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-
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- 1994-12-22 JP JP32024094A patent/JPH08181386A/ja active Pending
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