(57)【要約】【課題】格子整合系の半導体発光装置において電子のオーバーフローを抑制する歪層を設けることで、半導体発光装置の高効率化と温度特性の向上を図ることを可能とする。【解決手段】格子整合系のｎ型クラッド層１３とｐ型クラッド層１５との間に活性層１４を有する半導体発光装置１であって、活性層１４とｐ型クラッド層１５との間に、電子のオーバーフローを抑制するもので臨界的膜厚以下の歪層２１を有するものであり、歪層はＡｌＩｎＰ層もしくはＡｌＧａＩｎＰ層からなり、（ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＰ層からなるもので、組成比ｙは０．５３５未満である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
格子整合系のｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に活性層を有する半導体発光装置であって、
前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間に、電子のオーバーフローを抑制するもので臨界的膜厚以下の歪層を有する
ことを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】
前記歪層と前記活性層の伝導帯のバンドオフセットＥ１と前記ｐ型クラッド層と前記活性層の伝導帯のバンドオフセットＥ２は、Ｅ１＞Ｅ２なる関係を有する
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光装置。
【請求項３】
前記歪層はＡｌＩｎＰ層からなる
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光装置。
【請求項４】
前記歪層はＡｌＧａＩｎＰ層からなる
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光装置。
【請求項５】
前記歪層は、ＡｌyＩｎ1-yＰ層からなるもので、組成比ｙは０より大きく０．５３５未満である
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光装置。
【請求項６】
前記歪層は、ＡｌyＩｎ1-yＰ層の組成比ｙがｙ＝０．５３５における伝導帯最下点のエネルギーレベルよりもΓ点およびＸ点が高いエネルギーレベルとなる範囲にある
ことを特徴とする請求項５記載の半導体発光装置。
【請求項７】
前記歪層は、(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＰ層からなるもので、組成比ｙは０より大きく０．５３５未満である
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光装置。
【請求項８】
前記歪層は、(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＰ層の組成比ｙがｙ＝０．５３５における伝導帯最下点のエネルギーレベルよりもΓ点およびＸ点が高いエネルギーレベルとなる範囲にある
ことを特徴とする請求項７記載の半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光特性の向上が容易な半導体発光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＡｌＧａＩｎＰ材料を用いた半導体発光装置は、最も一般的なものの一つに赤色レーザダイオードと高輝度発光ダイオードとがある（例えば、非特許文献１、２参照。）。例えば、半導体発光装置における活性化領域には、室温での発光波長が例えば６５０ｎｍ（１．９ｅＶ）となる発光材料として、３元系材料であるＩｎ0.5Ｇａ0.5Ｐが用いられている。また、上記Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ｐにアルミニウムを添加することによって、黄緑色の発光領域（例えば５５０ｎｍ）にシフトさせることができる。この活性化領域は、通常、ＧａＡｓ基板上に格子整合させて成長されている。
【０００３】
一方、キャリア（電子・正孔）閉じ込め層として用いることが可能な材料としては、４元系材料であるＡｌＧａＩｎＰ（例えば、非特許文献３参照。）もしくは３元系材料であるＡｌＩｎＰがあり、両方ともに室温でＧａＡｓ基板上に格子整合させて成膜することができる。これらの閉じ込め層はおよそ２．３ｅＶ〜２．３５ｅＶのバンドギャップを有している。特に、レーザダイオードのような導波路構造を形成する場合はμｍオーダーの膜厚が必要であり、結晶性を維持して製膜させるには格子整合させることが重要となる。
【０００４】
電子のオーバーフローは内部量子効率の上限を決める原因のひとつである。特に電流注入量が高い場合、発光波長が短い場合に重要となる（例えば、非特許文献１、２参照。）。その理由は、伝導帯のバンドオフセットが比較的小さいことにある。例えば、１．９ｅＶの活性層（例えばＩｎ0.5Ｇａ0.5Ｐ）に対して２．３５ｅＶのクラッド層を用いた場合、価電子帯と伝導帯のバンドオフセット比を５０：５０と仮定すると、伝導帯のバンドオフセットは２２５ｍｅＶとなる。また、黄−緑領域のより短波長発光の場合、伝導帯バンドオフセットはより小さくなり、特性温度（温度依存性の安定度を示す指標）は著しく小さくなる。すなわち、高温時での発光強度が著しく低下してしまう。これらは一般の使用者にとって重要な問題となる。
【０００５】
高出力レーザダイオードにおいて、ＡｌＩｎＰを閉じ込め層に用いた場合、ＡｌＧａＩｎＰ層の場合に比べて特性が向上することが報告されている（例えば、非特許文献４参照。）。その理由は、ＡｌＩｎＰは、ＡｌＧａＩｎＰと比較して、低屈折率であり、かつ熱抵伝導率が高いためである。発光ダイオードの場合も同様に閉じ込め材料としてよく用いられている（例えば、非特許文献１、２参照。）。ＡｌyＩｎ(1-y)Ｐの室温におけるＧａＡｓとの格子不整を図３に示す。ｙ＝０．５３５でＧａＡｓに格子整合する。また図８に示すようにおよそｙ＜０．３５の領域では直接遷移、およそｙ＞０．３５の領域では間接遷移となる。ＧａＡｓに格子整合する条件（ｙ＝０．５３５）ではバンドギャップ２．３ｅＶの間接遷移となる。バンドギャップはｙの増加に伴い大きくなる。
【０００６】
電子のオーバーフローを抑制する方法としては、現在、以下のような方法が開示されている。
【０００７】
例えば、（１）微傾斜基板上に成長させることによって、自然超格子を抑制し、その結果としてバンドギャップを大きくすることができる（例えば、非特許文献３参照。）。この方法は既に実用化されているデバイスにおいて使用されているが、この効果はもともと自然超格子によってバンドギャップが縮小している分だけであり、キャリアのオーバーフローの観点からは不十分である。
【０００８】
（２）多重量子バリア構造は量子効果を用いて理論的には伝導帯のエネルギーレベルを上げることができる。しかし、非常に正確に膜の組成および厚さを制御することが必要で、実現するのは極めて困難である。
【０００９】
（３）ＡｌＧａＩｎＰ層に引っ張り歪を導入する、すなわち（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰの組成をｙ＞０．５３５とすることでバンドギャップを広げることができる。電子のオーバーフローを抑制するにはバンドギャップ差ではなく、伝導帯のエネルギー差が大きくなることが重要である。このとき、伝導帯のオフセットと価電子帯のオフセット比が変らないとすれば、伝導帯のエネルギーレベルも上がることが期待できる（例えば、非特許文献２、４参照。）。しかし、実際はオフセット比が一定とは限らない。
【００１０】
（４）ｐ型不純物を高濃度にドーピングする。この方法は、電子に対するバリアの高さを増加することができる（例えば、非特許文献３参照。）とされている。しかしながら、（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ材料系ではｐ型不純物のドーピングはおよそ２×１０18ｃｍ-3が限界である。また高濃度にドーピングした場合は深いレベルを形成し非発光再結合を増加させ、素子の発光効率を下げてしまう恐れがある。
【００１１】
活性層とｐおよびｎクラッド層の間（つまり活性層の両側）に薄膜の電子閉じ込め層を用いて電子のオーバーフローを抑制する構造が報告されている（例えば、特許文献１参照）。電子閉じ込め層としてはＧａＡＳに格子整合するＡｌＩｎＰ層が提案されている。また、薄膜であるため、格子不整材料であっても臨海膜厚以下であれば格子緩和を伴わない成長が可能であることが提案されている。しかし、材料の選択の幅が広げる手段として提示されているのみで、より効果を得るための具体的な格子不整材料については示されていない。
【００１２】
【特許文献１】特開平６−６９５９３号公報
【非特許文献１】T.Gessmann，E.F.Schubert「High-efficiency AlGaInP light-emitting diodes for solid-state lightening applications」J.Applied Physics 95[5] (2004) p.2203-2216
【非特許文献２】K.Streubel，N.Linder，R.Wirth，A.Jaeger「High Brightness AlGaInP Light-Emitting Diodes」IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics 8[2] (2002) p.321-332
【非特許文献３】D.P.Bour，R.S.Geels，D.W.Treat，T.L.Paoli，F.Ponce，R.L.Thornton，B.S.Krusor，R.D.Bringans，D.F.Welch「Strained GaxIn1-xP/(AlGa)0.5In0.5P Heterostructures and Quantum-Well Laser Diodes」IEEE J.Quantum Electr. 30[2] (1994) p.593-607
【非特許文献４】D.Imanishi，Y.Hamaguchi，H.Yamanaka，T.Nagatake，T.Kitamura，T.Moriya，Y.Ito，Y.Sato，S.Ito and S.Hirata「3W Operation of 643 nm Wavelength Laser Diode Arrays with Index Guided Structure」Proceedings 18th IEEE International Semiconductor Laser Conference，Garmisch (Germany) Sep./Oct. (2002)
【非特許文献５】K.S.Teng，M.Brown，A.Kestle，P.Smowton，P.Blood，S.Pinches，P.A.Mawby，S.P.Wilks「An investigation of multi-quantum barriers for band offset engineering in AlGaInP/GaInP lasers」Appl. Surface Science 190 (2002) p.284-287
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
解決しようとする問題点は、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に活性層を有する半導体発光装置において、格子整合系の材料層では、バンドギャップが小さいために電子のオーバーフローを抑制することが困難という点である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の半導体発光装置は、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に活性層を有する半導体発光装置であって、前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間に、電子のオーバーフローを抑制するもので臨界的厚さ以下の歪層を有することを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の半導体発光装置は、活性層とｐ型クラッド層との間に伝導帯のバンドオフセットが大きくなる層を用るためキャリア（電子）のオーバーフローを抑止することができる。また、歪層の膜厚が臨界膜厚以下の膜厚であるため、ミスフィット転位を生じることはない。したがって、結晶性の悪化を伴うことはない。よって、温度上昇時の半導体発光装置の光出力の増大、内部量子効果の増大、外部量子効果の増大が得られ、半導体発光装置の特性温度Ｔ0の増大が得られる。すなわち、半導体発光装置の高効率化と温度特性の向上が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
赤色レーザダイオードと高輝度発光ダイオード等の半導体発光装置において、特性温度Ｔ0の増大、温度上昇時の光出力の増大、内部量子効率の増大という目的を、活性層と前記ｐ型クラッド層との間に電子のオーバーフローを抑制するもので臨界的厚さ以下の歪層（オーバーフロー抑止層）を設けることで実現した。
【実施例１】
【００１７】
本発明の半導体発光装置に係る一実施例を、図１の概略構成断面図および図２のバンドダイアグラム図および図３のＧａＡｓ基板に対する格子不整と組成比との関係図によって説明する。
【００１８】
図１に示すように、基板１１にはｎ型ＧａＡｓ基板を用いる。このｎ型ＧａＡｓ基板上に、ｎ型のバッファ層１２、ｎ型のクラッド層１３、活性層１４、歪層（電流障壁層）２１、ｐ型のクラッド層１５およびｐ型のコンタクト層１６が下層より順に積層され、ヘテロ構造を有している。上記バッファ層１２は、例えば厚さ３００ｎｍのｎ型のＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層で形成されている。上記ｎ型のクラッド層１３は、例えば厚さ１μｍのｎ型のＡｌ0.5ＩｎＰ層で形成されている。さらに上記活性層１４は、例えば厚さ２０ｎｍの（Ａｌ0.4Ｇａ0.6）0.5Ｉｎ0.5Ｐガイド層、例えば厚さ５ｎｍのＧａ0.6Ｉｎ0.4Ｐ量子井戸層、例えば厚さ５ｎｍの（Ａｌ0.4Ｇａ0.6）0.5ＩｎＰバリア層からなる多重量子井戸ＳＣＨ構造で例えば３ウェルからなる。上記歪層２１は、Ａｌ0.4Ｉｎ0.6Ｐ薄膜で、例えば３０ｎｍの厚さに形成されている。ここでは、ＡｌyＩｎ1-yＰからなる歪層２１について示したが、ＡｌをＡｌＧａに置換えた(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＰについてもＡｌyＩｎ1-yＰと同様に用いることができる。上記ｐ型のクラッド層１５は、例えば厚さ１μｍのｐ型のＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層で形成され、その上部はリッジ状に形成されていて、インデックスガイド構造となっている。また上記コンタクト層１６は、例えば、ｐ型のＧａＡｓ層で形成されている。
【００１９】
さらに、コンタクト層１６の上部にはｐ側電極１７が形成されている。一方、基板１１にはｎ側電極１８が形成されている。上記ｐ側電極１７、ｎ側電極１８は、ともに金属の積層膜で形成されている。例えば、ｐ側電極１７は、コンタクト層１６側より、チタン（Ｔｉ）層、白金（Ｐｔ）層、金（Ａｕ）層からなる金属積層膜からなる。一方、ｎ側電極１８は、例えば、基板１２側より、金ゲルマニウム（Ａｕ−Ｇｅ）層、ニッケル（Ｎｉ）層、金（Ａｕ）層を順に積層して形成されている。
【００２０】
次に、上記のように構成された半導体発光装置１のエネルギーバンドについて、図２のバンドダイアグラム図によって説明する。ここでは、例えばＡｌyＩｎ1-yＰからなる歪層２１について説明する。なお、以下の説明において、ＡｌをＡｌＧａに置換えた(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＰについてもＡｌyＩｎ1-yＰと同様なことがいえる。
【００２１】
図２に示すように、上記半導体発光装置１は、活性層１４と歪層２１との伝導帯のバンドオフセットＥ１がｐ型クラッド層１５と活性層１４の伝導帯のバンドオフセットＥ２よりも大きくなるように形成されている。そして本発明の半導体発光装置１は、上記図１によって説明した構成に限定されることはなく、ｎ型クラッド層１３とｐ型クラッド層１５との間に活性層１４が形成され、その活性層１４とｐ型クラッド層１５との間に歪層２１が形成されているものであり、図２によって説明したようなバンドギャップを有するものであれば、如何なる半導体発光装置にも適用できる。
【００２２】
次に、歪層２１について詳細に説明する。図３のＡｌyＩｎ1-yＰ層のＧａＡｓ基板に対する格子整合と組成比ｙとの関係図に示すように、組成比ｙ＝０．５３５を境にしてｙ＜０．５３５では圧縮歪を有し、ｙ＞０．５３５では引張歪を有する。すなわち、組成比ｙ＝０．５３５のとき、ＡｌyＩｎ1-yＰ層はＧａＡｓ基板に格子整合する。そしてｙ＜０．５３５ではＧａＡｓ基板に対して格子不整となる。そこで、本発明では、歪層２１の膜厚を臨界的膜厚以下とし、格子整合系の歪層２１としている。
【００２３】
次に、図４の室温におけるバンドポジションとＡｌyＩｎ1-yＰの組成比ｙとの関係図に示す。Ａｌ組成ｙが増えるほどバンドギャップは大きくなるが、伝導帯のエネルギーレベルはｙ＝０．３５付近で最大値を持つ。歪層２１の伝導帯のエネルギーレベルは、ｐ型クラッド層１５から活性層１４への電子のオーバーフローを抑止するために、格子整合したＡｌyＩｎ1-yＰの伝導帯エネルギーレベルよりも高い必要がある。つまり、歪層のΓ点でのエネルギーレベル、Ｘ点でのエネルギーレベルがともに格子整合するｙ＝０．５３５でのΓ点のエネルギーレベルよりも高い範囲であればよい。そして、上記交点ＣＰにおけるＡｌyＩｎ1-yＰが理論的な伝導帯の最大値となる。したがって、組成比ｙはおよそ０．３以上０．５３５未満であることが望ましい。
【００２４】
また、上記ＡｌyＩｎ1-yＰの歪層２１が組成比ｙ＜０．５３５の範囲でＧａＡｓ基板に格子整合するためには臨界的膜厚以下に成膜されていなければならない。
【００２５】
次に、図５のＡｌyＩｎ1-yＰの臨界膜厚と組成比ｙとの関係図に示すように、ｙ＜０．５３５の範囲では、例えばｙ＝０．３ではおよそ１００ｎｍ以下の膜厚とすればよく、ｙ＝０．４ではおよそ６８０ｎｍ以下の膜厚とすればよく、ｙ＝０．５ではおよそ７１０ｎｍ以下の膜厚とすればよい。すなわち、ｙ＜０．５３５の範囲においてＡｌyＩｎ1-yＰの膜厚は、図面左側の曲線で示される臨界膜厚値以下とすればよい。
【００２６】
次に、参考として、図６に、極低温である１２ＫでのＰＬ測定から求めた、Ａｌ0.36Ｉｎ0.64Ｐ/Ａｌ0.53Ｉｎ0.47Ｐダブルへテロ構造のエネルギーバンド図を示す（例えば、Y.Ishitani，E.Nomoto，T.Tanaka，S.Minagawa「The energy band alignment of Xc, Gammac, and Gammav points in (Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P/AlxIn1-xP heterostructures」J. Appl. Phys. 81(4) (1997) p1763-1770に開示されている）。Ａｌ0.36Ｉｎ0.64Ｐは圧縮歪の状態である。両者とも間接遷移であり、バンドギャップはＸバンドの最少点で決まる。バンドギャップとしてはＡｌ0.36Ｉｎ0.64Ｐの方が小さいが、伝導帯のエネルギーレベル（この場合はＸ点のエネルギーレベル）はＡｌ0.36Ｉｎ0.64Ｐ層のほうが高いことが示されている。もちろん、レーザ等のデバイスの動作は室温以上であり、このバンドダイアグラムがそのまま維持される訳ではないが、エネルギーレベルの大小関係はほぼ同じであると仮定できるので、ＡｌyＩｎ1-yＰの組成比がｙ＜０．５３５の範囲で高い伝導帯エネルギーを持つことが支持されている。
【００２７】
次に、図７に示すＡｌ0.535ＩｎＰの伝導帯オフセットとＡｌyＩｎ1-yＰの組成比ｙの関係図について説明する。図７中に挿入したグラフは、Ａｌ0.535ＩｎＰに１０ｎｍの厚さのＡｌyＩｎ1-yＰの歪層を挿入した場合の容量と電圧（Ｃ−Ｖ）測定の結果から、実効キャリア濃度（Ｎｄ−Ｎａ）と空乏層幅（Depletion Depth）との関係を調べた結果を示している。電子は伝導帯のエネルギーレベルが高い領域から低い領域へ移動するため、歪層の伝導帯のエネルギーレベルが相対的に高い場合は、電子濃度が局所的に下がる、つまり実効キャリア濃度（Ｎｄ−Ｎａ）が局所的に低くなる。逆に歪層の伝導帯のエネルギーレベルが相対的に低い場合は、電子濃度が局所的に上がる、つまり実効キャリア濃度（Ｎｄ−Ｎａ）が局所的に高くる。ｙ＜０．５３５の領域では実効キャリア濃度の分布に下に凹の形状が現れており、ｙ＞０．５３５の領域では実効キャリア濃度分布に凸形が現れている。このことからｙ＜０．５３５の領域では伝導帯のエネルギーレベルが格子整合の場合に比べて高くなっており、電子障壁層として作用することを示している。実効キャリア濃度分布の形状から求めた伝導帯オフセット量は３０ｍｅＶ〜５０ｍｅＶ程度である。図面中の破線は、伝導帯エネルギーレベルの組成依存性を示している。そして間接遷移型半導体の伝導帯のＸ点の変化を大まかに表している。したがって、この実験結果は、電子のオーバーフローを抑止するために、ｙ＜０．５３５のＡｌyＩｎ1-yＰからなる歪層２１を使用することが有効であることを明確に表している。
【００２８】
すでに述べているが、電流ブロックとして有効なＡｌyＩｎ1-yＰの組成範囲の下限は以下の２つの理由によって決まる。一つは、直接遷移領域になると、Ａｌ組成ｙと共に伝導帯のエネルギーレベルが下がっていくためである（図４参照）。二つめの理由は、格子整合条件から離れるほど、大きな歪を有するため、臨界膜厚が薄くなるためである（図５参照）。膜厚が１０ｎｍ以下のような薄い場合はトンネル効果が支配的となり、いくら伝導帯のバンドオフセットが大きくても電子の障壁層としては有効ではない。
【００２９】
以上、説明したように、本発明の半導体発光装置１は、活性層１４とｐ型クラッド層１５との間に、電子のオーバーフローを抑制するもので臨界的厚さ以下の歪層２１を有するため、バンドギャップ伝導帯のバンドオフセットが大きくなるのでキャリア（電子）のオーバーフローを抑止することができる。また、歪層２１の膜厚が臨界的厚さ以下の膜厚であるため、ミスフィット転位を生じることはない。したがって、歪層２１は、格子整合系の電子のオーバーフロー抑止層になる。よって、半導体発光装置１は、温度上昇時において光出力が増大され、内部量子効果の増大、外部量子効果の増大が得られ、特性温度Ｔ0を高めることができる。すなわち、半導体発光装置１の高効率化と温度特性の向上が図れる。
【００３０】
なお、通常、(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＰは組成比ｙが０．５４より小さくなるとバンドギャップが小さくなることが報告されている。しかし、本発明は、実験の結果、組成比ｙを小さくするとバンドギャップ伝導帯のバンドオフセットは大きくなることが実験的に確かめられた（図７参照）ことに基づいている。前記図８をみると、Ａｌ組成比が０．５４のＡｌＩｎＰを用いてもバンドギャップが小さいためキャリア（電子・正孔）のオーバーフローを抑制できないと思うのが一般的であるが、本発明は、Ａｌ組成比が０．５３５未満の歪層２１をオーバーフロー防止層として設けることで、半導体発光装置（例えば半導体レーザ装置、半導体発光ダイオード等）の特性を向上できることを本発明者が見出したことによる。ただし、組成比ｙを０．５３５より小さくすると格子不整が生じるので、臨界膜厚より薄くすることにより格子整合系の歪層２１としたことを特徴としているものである。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の半導体発光装置は、各種半導体レーザ発光装置、半導体発光ダイオード、半導体発光レーザダイオード等の用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の半導体発光装置に係る一実施例を示した概略構成断面図である。
【図２】本発明の半導体発光装置に係るバンドギャップ図である。
【図３】ＡｌyＩｎ1-yＰ層のＧａＡｓ基板に対する格子整合と組成比との関係図である。
【図４】室温におけるバンドポジションとＡｌyＩｎ1-yＰの組成比ｙとの関係図である。
【図５】ＡｌyＩｎ1-yＰの臨界膜厚と組成比ｙとの関係図である。
【図６】極低温度である１２Ｋでのダブルへテロ構造の（ＡｌyＧａ1-y）0.5Ｉｎ0.5Ｐのエネルギーバンド図である。
【図７】Ａｌ0.535ＩｎＰの伝導帯オフセットとＡｌyＩｎ1-yＰの組成比ｙとの関係図である。
【図８】バンドギャップとＡｌyＩｎ1-yＰの組成比ｙとの関係図である。
【符号の説明】
【００３３】
１…半導体発光装置、１３…ｎ型クラッド層、１４…活性層、１５…ｐ型クラッド層、２１…歪層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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