(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にＧａＮ或いはＡｌＮからなる低温バッファ層を設け、前記低温バッファ層の直上に設ける成長層をＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、或いは、ＡｌＧａＩｎＮのいずれかとするとともに、前記成長層上にＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、或いは、ＡｌＧａＩｎＮのいずれかからなる障壁層を形成し、且つ、ＧａＮからなる活性層とによってダブルヘテロ接合構造を構成することにより、前記活性層に引張歪みを導入したことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
基板上に低温バッファ層を設けるとともに、前記低温バッファ層の直上にＧａＮより格子定数の大きな障壁層を形成し、且つ、ＧａＮからなる活性層とによってダブルヘテロ接合構造を構成することにより、前記活性層に引張歪みを導入したことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
上記活性層に導入される引張歪みが、１．０％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【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ものであり、特に、ＧａＮ系化合物半導体からなる活性層に引張歪みを導入した短波長半導体レーザ等の半導体発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、青色から近紫外領域に波長を有する短波長半導体レーザの開発が盛んであり、青色半導体レーザ用材料としては、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体のＺｎＳｅ系と、III-Ｖ族化合物半導体のＧａＮ系とが研究されている。
【０００３】
この内、ＺｎＳｅ系は高品質の基板として実績の高いＧａＡｓにほぼ格子整合することから、長い間ＺｎＳｅ系の方が有利であると考えられ、世界中の研究者の大半がこのＺｎＳｅ系の研究に従事していたという経緯があり、レーザの研究に関してはＺｎＳｅ系の方が先んじている。
【０００４】
このＺｎＳｅ系については、既に、注入励起による室温連続発振が報告されているが、本質的に劣化しやすい材料であることから信頼性が問題となり、未だ実用化には至っていない。
【０００５】
一方、ＧａＮ系の場合には、２年前の日亜化学によるＧａＮ高輝度ＬＥＤの発表を境に、ＺｎＳｅ系でネックになっている信頼性に関して耐環境性に優れるＧａＮが見直され、世界中で研究者の大きな増加を見ている。
【０００６】
このＧａＮ系化合物半導体は、ウルツ鉱型化合物半導体であるため、類似の結晶構造を有する六方晶系のサファイア基板或いは６Ｈ−ＳｉＣ基板上にＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）を用いてエピタキシャル成長させていたので、ここで、図４を参照して従来の短波長発光素子を説明する。
【０００７】
図４（ａ）参照
まず、（０００１）面を主面とするサファイア基板２１上に、ＧａＮ低温バッファ層２２を介して、ｎ型Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎクラッド層２３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層２４、Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ活性層２５、ｐ型ＧａＮ光ガイド層２６、及び、ｐ型Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎクラッド層２７をＭＯＶＰＥ法によってエピタキシャル成長させたのち、エッチングによりｎ型Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎクラッド層２３の一部を露出させて、Ｔｉ／Ａｕ電極２８からなるｎ側電極を設けると共に、ｐ型Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎクラッド層２７上にはＮｉ／Ａｕ電極２９からなるｐ側電極を設けていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の短波長発光素子の場合、光励起による発振の報告から、しきい値電流密度が大きいことが指摘されており、ごく最近の注入励起によるレーザ発振の成功の報告（必要ならば、Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，ｖｏｌ３５，ｐ．Ｌ７４，１９９６参照）においても、しきい値電流密度が４ｋＡ／ｃｍ2 以上とされている。
【０００９】
また、理論計算からも、バンドの有効質量が大きいことなどから、同じくしきい値電流密度が非常に大きくなることが予測されているので、ここで、図４（ｂ）を参照して、ＧａＮ系化合物半導体のバンド構造を説明する。
【００１０】
図４（ｂ）参照
ＧａＮ系化合物半導体においては、価電子帯におけるホールからみてエネルギー的に一番低いバンド、即ち、ＨＨ（Ｈｅａｖｙ  Ｈｏｌｅ）とＬＨ（Ｌｉｇｈｔ  Ｈｏｌｅ）が２重に縮退し、スピン軌道相互作用による分だけエネルギー的に分離しており、また、それ以外に、ＧａＮ系化合物半導体に特有なＣＨというバンドが現れる。
【００１１】
一方、最近の研究により、本出願人は、上述の従来の短波長発光素子においては、ｎ型Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎクラッド層２３乃至ｐ型Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎクラッド層２７の面内格子定数が、ＧａＮ低温バッファ層２２の直上のｎ型Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎクラッド層２３の格子定数で規定されることをつきとめた。
【００１２】
したがって、ｎ型Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎクラッド層２３上にコヒーレントに成長したｎ型ＧａＮ光ガイド層２４、Ｇａ0.9 Ｉｎ0.1 Ｎ活性層２５、及び、ｐ型ＧａＮ光ガイド層２６は格子不整及び熱膨張係数差により、（０００１）面内で圧縮応力を受けることになる。
【００１３】
この圧縮応力の場合には、ＣＨバンドのホールからみたエネルギーがＨＨバンド、ＬＨバンドに対して相対的にさらに高いバンド構造となるだけで、価電子帯のエネルギー的に一番低いバンドは２重に縮退したままであり、この様なＧａＮ系化合物半導体ではレーザ発振させるためには、縮退しているＨＨ、ＬＨの二つのバンドをキャリアで満たす必要があり、レーザ発振をさせるためのしきい値電流密度が高いという問題があった。
【００１４】
したがって、本発明は、ＧａＮ系化合物半導体を用いた半導体発光素子、特に、短波長半導体レーザにおいて、レーザ発振に必要なしきい値電流密度を低減することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
図１は本発明の原理的構成の説明図であり、また、図２はＧａＮの価電子帯のバンド構造の歪み依存性の説明図であり、この図１及び図２を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
（１）本発明は、半導体発光素子において、基板１上にＧａＮ或いはＡｌＮからなる低温バッファ層２を設け、低温バッファ層２の直上に設ける成長層３をＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、或いは、ＡｌＧａＩｎＮのいずれかとするとともに、成長層３上にＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、或いは、ＡｌＧａＩｎＮのいずれかからなる障壁層４，６を形成し、且つ、ＧａＮからなる活性層５とによってダブルヘテロ接合構造を構成することにより、活性層５に引張歪みを導入したことを特徴とする。
【００１６】
上述のように、本出願人は、サファイアの（０００１）面を主面とした基板１を用いてＧａＮ系化合物半導体を成長させた場合、各層の格子定数は、低温バッファ層２の直上に設けた成長層３の格子定数によって規定されることを発見したので、低温バッファ層２の直上に設ける成長層３をＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、或いは、ＡｌＧａＩｎＮのいずれかとし、且つ、成長層３の格子定数を活性層５の格子定数より大きくすることにより、青色発光に適した禁制帯幅を有する活性層５に引張歪みを導入することができる。
【００１７】
一方、バンド構造の歪み依存性の理論計算からは、引張歪みの導入により、バンド端を形成するのがＣＨバンドのみとなるため、活性層５に引張歪みを導入することによって、しきい値電流密度を低減させることが可能になる。
【００１８】
図２参照
図２から明らかなように、従来の様に無歪み或いは圧縮歪みの場合には、ホールから見て最低位にあるＨＨバンドとＬＨバンドは縮退した状態であるが、引張歪みを導入することによって、ＣＨバンドがエネルギー的降下してＣＨバンドのみによってバンド端を形成することになり、レーザ発振させるためには、ＣＨバンドのみをキャリアで満せば良いので、しきい値電流密度が低減する。
【００１９】
なお、図２においては、破線の円で示す領域においては、波動関数の結合が大きくなり、ＬＨバンドとＣＨバンドの波動関数が入れ代わる形になって、ＣＨバンドがエネルギー的に最低位（図面としては最上位）に移行することになる。
【００２１】
特に、障壁層４，６を成長層３とは別個の層で構成することにより、特定の格子定数を有するクラッド層を、任意の禁制帯幅のＧａＮ系化合物半導体によって構成することができる。
【００２４】
（２）また、本発明は、半導体発光素子において、基板１上に低温バッファ層２を設けるとともに、低温バッファ層２の直上にＧａＮより格子定数の大きな障壁層４を形成し、且つ、ＧａＮからなる活性層５とによってダブルヘテロ接合構造を構成することにより、活性層５に引張歪みを導入したことを特徴とする。
【００２５】
この様に、障壁層４、即ち、クラッド層として成長層３自体を用いることにより、製造工程が簡素化される。
【００２６】
（３）また、本発明は、上記（１）または（２）において、活性層５に導入される引張歪みが１．０％以下であることを特徴とする。
【００２７】
上述の様に、しきい値電流密度を低減するために引張歪みは必要であるが、あまり、歪みが大きいと、即ち、格子定数が異なりすぎると転位が発生しやすくなり、結晶性が劣化するので、引張歪みの大きさは１．０％以下が適当である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図３を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図３参照
まず、（０００１）面を主面とするサファイア基板１１上に、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を１０〜１００μｍｏｌ／分、例えば、４５μｍｏｌ／分、アンモニアを０．０２〜０．２ｍｏｌ／分、例えば、０．１ｍｏｌ／分、及び、キャリアガスとしての水素を３００〜３０００ｓｃｃｍ、例えば、１０００ｓｃｃｍを流し、成長圧力を７０〜７６０Ｔｏｒｒ、例えば、１００Ｔｏｒｒとし、成長温度を４００〜８００℃、例えば、５００℃とした状態で、厚さ１００〜１０００Å、例えば、５００ÅのＧａＮ低温バッファ層１２を成長させる。
【００２９】
引き続いて、ＴＭＧａを２．５〜２５μｍｏｌ／分、例えば、１０μｍｏｌ／分、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）を２５〜２５０μｍｏｌ／分、例えば、１００μｍｏｌ／分、アンモニアを０．０２〜０．２ｍｏｌ／分、例えば、０．１ｍｏｌ／分、及び、キャリアガスとしてのＮ2 を３００〜３０００ｓｃｃｍ、例えば、１０００ｓｃｃｍを流し、成長圧力を７０〜７６０Ｔｏｒｒ、例えば、１００Ｔｏｒｒとし、成長温度を５５０〜８００℃、例えば、６５０℃とした状態で、厚さ０．１〜２．０μｍ、例えば、０．５μｍのＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎバッファ層１３を成長させる。
【００３０】
引き続いて、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）を１０〜１００μｍｏｌ／分、例えば、４５μｍｏｌ／分、ＴＭＧａを１０〜１００μｍｏｌ／分、例えば、４５μｍｏｌ／分、アンモニアを０．０２〜０．２ｍｏｌ／分、例えば、０．１ｍｏｌ／分、ドーパントして、Ｓｉ2 Ｈ6 を０．０００１〜０．００２μｍｏｌ／分、例えば、０．０００７μｍｏｌ／分、及び、キャリアガスとしてのＨ2 を３００〜３０００ｓｃｃｍ、例えば、１０００ｓｃｃｍを流し、成長圧力を７０〜７６０Ｔｏｒｒ、例えば、１００Ｔｏｒｒとし、成長温度を８５０〜１１００℃、例えば、９５０℃とした状態で、厚さ０．５〜２．５μｍ、例えば、１．０μｍのｎ型Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎクラッド層１４を成長させる。
【００３１】
引き続いて、ＴＭＧａを１０〜１００μｍｏｌ／分、例えば、４５μｍｏｌ／分、アンモニアを０．０２〜０．２ｍｏｌ／分、例えば、０．１ｍｏｌ／分、及び、キャリアガスとしての水素を３００〜３０００ｓｃｃｍ、例えば、１０００ｓｃｃｍを流し、成長圧力を７０〜７６０Ｔｏｒｒ、例えば、１００Ｔｏｒｒとし、成長温度を８００〜１０５０℃、例えば、９３０℃とした状態で、厚さ３〜１００ｎｍ、例えば、３０ｎｍのＧａＮ活性層１５を成長させる。
【００３２】
引き続いて、ＴＭＡｌを１０〜１００μｍｏｌ／分、例えば、４５μｍｏｌ／分、ＴＭＧａを１０〜１００μｍｏｌ／分、例えば、４５μｍｏｌ／分、アンモニアを０．０２〜０．２ｍｏｌ／分、例えば、０．１ｍｏｌ／分、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを０．０１〜０．５μｍｏｌ／分、例えば、０．０５μｍｏｌ／分、及び、キャリアガスとしてのＨ2 を３００〜３０００ｓｃｃｍ、例えば、１０００ｓｃｃｍを流し、成長圧力を７０〜７６０Ｔｏｒｒ、例えば、１００Ｔｏｒｒとし、成長温度を８５０〜１１００℃、例えば、９５０℃とした状態で、厚さ０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍのｐ型Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎクラッド層１６を成長させる。
【００３３】
次いで、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって、ｐ型Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎクラッド層１６乃至ｎ型Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎクラッド層１４の一部をエッチングし、露出したｎ型Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎクラッド層１４にｎ側電極としてのＴｉ／Ａｕ電極１７を設け、一方、ｐ型Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎクラッド層１６上にはｐ側電極としてＮｉ／Ａｕ電極１８を設ける。
【００３４】
次いで、同じく、反応性イオンエッチングによって、端面をエッチングすることによって、一対の平行なエッチング端面を形成して、共振器ミラーとする。
【００３５】
この場合、各層の面内の原子間隔は、Ｉｎ0.08Ｇａ0.92Ｎバッファ層１３のａ軸の格子定数３．２１８Åで規定されるため、ａ軸の格子定数が３．１８９ÅであるＧａＮ活性層１４には０．９％の引張歪みが導入され、ＣＨバンドが最上位に来ることになり、このＣＨバンドと伝導帯との間の遷移によってレーザ発振が行われることになり、しきい値電流密度が低減することになる。
【００３６】
なお、上記の実施の形態においては、低温バッファ層としてＧａＮ低温バッファ層を用いているが、ＡｌＮ等の他のナイトライド系化合物半導体を用いても良いものである。
【００３７】
また、ＧａＮ低温バッファ層１２の直上に設けるバッファ層は、Ｉｎ0.08Ｇａ0.92Ｎバッファ層１３である必要はなく、他の組成のＩｎＧａＮバッファ層や、ＡｌＩｎＮバッファ層或いはＡｌＩｎＧａＮバッファ層を用いても良いものであるが、その格子定数は、青色発光に適したＧａＮ或いはＩｎＧａＮ活性層に１．０％以下の適当な大きさの引張歪みを与えるために、活性層の格子定数より大きい必要がある。
【００３８】
また、上記の実施の形態においては、活性層としてＧａＮを用いているが、必要とする波長に応じて混晶比をＡｌx Ｇａ1-x-y Ｉｎy Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）の範囲内で変えても良いものであり、且つ、それに伴って、光ガイド層及びクラッド層の混晶比をＡｌa Ｇａ1-a-b Ｉｎb Ｎ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１）の範囲内で変えても良い。
【００３９】
例えば、Ａｌ0.4 Ｇａ0.3 Ｉｎ0.3 Ｎクラッド層とＩｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ活性層の組合せを用いても良く、この場合には、Ａｌ0.4 Ｇａ0.3 Ｉｎ0.3 Ｎクラッド層のａ軸の格子定数は３．２６６Åとなり、ａ軸の格子定数が３．２２５ÅであるＧａ0.9 Ｉｎ0.1 Ｎ活性層より大きくなる。
なお、Ｇａ0.9 Ｉｎ0.1 Ｎ、及び、Ａｌ0.4 Ｇａ0.3 Ｉｎ0.3 Ｎのエネルギーギャップは、それぞれ３．１５ｅＶ、及び、３．６ｅＶである。
【００４０】
また、上記の実施の形態においては光ガイド層を用いていないが、必要によって設けても良いものであり、クラッド層と活性層との間の禁制帯幅を有するＧａＮ系化合物半導体を用いれば良い。
【００４１】
さらに、上記の実施の形態は、半導体レーザであるものの、半導体レーザに限られるものでなく、通常の発光ダイオード（ＬＥＤ）も対象とするものであり、この場合には、エッチング端面を形成する必要はない。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、ＧａＮ系化合物半導体からなる短波長半導体発光素子を、低温バッファ層の直上に設けた格子定数が活性層の格子定数より大きな成長層を介して設けているので、ＧａＮ活性層或いはＩｎＧａＮ活性層には適当な大きさの引張歪みが導入され、ＣＨバンドがバンド端になるのでしきい値電流密度を低減することができ、光情報記録装置等の光源としてその高密度化に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】ＧａＮの価電子帯のバンド構造の歪み依存性の説明図である。
【図３】本発明の実施の形態の説明図である。
【図４】従来の短波長発光素子の説明図である。
【符号の説明】
１  基板
２  低温バッファ層
３  成長層
４  障壁層
５  活性層
６  障壁層
７  電極
８  電極
１１  サファイア基板
１２  ＧａＮ低温バッファ層
１３  Ｉｎ0.08Ｇａ0.92Ｎバッファ層
１４  ｎ型Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎクラッド層
１５  ＧａＮ活性層
１６  ｐ型Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎクラッド層
１７  Ｔｉ／Ａｕ電極
１８  Ｎｉ／Ａｕ電極
２１  サファイア基板
２２  ＧａＮ低温バッファ層
２３  ｎ型Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎクラッド層
２４  ｎ型ＧａＮ光ガイド層
２５  Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ活性層
２６  ｐ型ＧａＮ光ガイド層
２７  ｐ型Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎクラッド層
２８  Ｔｉ／Ａｕ電極
２９  Ｎｉ／Ａｕ電極
【図１】
0003716395.tif 000002
【図２】
0003716395.tif 000003
【図３】
0003716395.tif 000004
【図４】
0003716395.tif 000005