(57)【要約】【課題】  遮断周波数を高めるとともに、発光効率の低下を抑制することができる半導体発光装置を提供する。【解決手段】  支持基板の上に、化合物半導体からなる第１のクラッド層が形成されている。その上に、第１のクラッド層よりも小さなバンドギャップを有する第１のキャリア閉込層が配置されている。その上に、第１のキャリア閉込層よりも小さなバンドギャップを有する井戸層を含む活性層が配置されている。その上に、活性層よりも大きなバンドギャップを有する第２のキャリア閉込層が配置されている。その上に、バンドギャップが第２のキャリア閉込層よりも大きく、第１のクラッド層とは逆導電型の第２のクラッド層が配置されている。第１及び第２のキャリア閉込層に同一導電型の不純物がドープされており、活性層には、不純物がドープされていないか、またはキャリア閉込層にドープされている不純物と同一導電型の不純物が低濃度にドープされている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体からなる支持基板と、
前記支持基板の上に形成された化合物半導体からなる第１導電型の第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層の上に配置され、該第１のクラッド層よりも小さなバンドギャップを有する化合物半導体からなる第１のキャリア閉込層と、
前記第１のキャリア閉込層の上に配置され、該第１のキャリア閉込層よりも小さなバンドギャップを有する化合物半導体からなる井戸層を少なくとも１層含む活性層と、
前記活性層の上に配置され、該活性層よりも大きなバンドギャップを有する化合物半導体からなる第２のキャリア閉込層と、
前記第２のキャリア閉込層の上に配置され、バンドギャップが該第２のキャリア閉込層よりも大きく、前記第１のクラッド層とは逆の第２導電型の第２のクラッド層と
を有し、
前記第１及び第２のキャリア閉込層に同一導電型の不純物がドープされており、前記活性層には、不純物がドープされていないか、または該第１及び第２のキャリア閉込層にドープされている不純物と同一導電型の不純物がドープされ、その濃度が、該第１及び第２のキャリア閉込層の不純物の濃度よりも低い半導体発光装置。
【請求項２】
前記活性層の不純物の濃度が、前記第１及び第２のキャリア閉込層の不純物の濃度の１／３以下である請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項３】
さらに、前記第１のキャリア閉込層と前記第１のクラッド層との間に、バンドギャップが両者のバンドギャップの中間の大きさであり、該第１のクラッド層と同一導電型の化合物半導体からなる第１の中間層と、
前記第２のキャリア閉込層と前記第２のクラッド層との間に、バンドギャップが両者のバンドギャップの中間の大きさであり、該第２のクラッド層と同一導電型の化合物半導体からなる第２の中間層と
を有する請求項１または２に記載の半導体発光装置。
【請求項４】
前記第１及び第２のキャリア閉込層がＡｌＧａＡｓで形成されており、前記第１及び第２のクラッド層のうちｎ型導電性を示すクラッド層がＩｎＧａＰで形成されている請求項１〜３のいずれかに記載の半導体発光装置。
【請求項５】
前記活性層が、少なくとも２層の量子井戸層と、少なくとも１層の障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有する請求項１〜４のいずれかに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、半導体発光装置に関し、特にキャリアを閉じ込める閉込層が、活性層の上下に配置された半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外空間光通信に利用される発光素子は、ＧａＡｓ発光層を、ＧａＡｓよりもバンドギャップの大きなＡｌＧａＡｓ等の層で挟み込んだダブルへテロ構造を有する。このＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系のダブルへテロ構造を有する発光素子では、遮断周波数と発光出力との双方を高めることが困難である。近年、ネットワーク社会の発展とともに、高速にデータを伝送する必要性が高まり、遮断周波数の高い発光素子の開発が望まれている。ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系発光ダイオードのＧａＡｓ活性層にＺｎをドープすることにより、遮断周波数を高めることができる。ところが、遮断周波数上昇の十分な効果を得るためには、大量のＺｎをドープしなければならない。大量のＺｎをドープすると、発光出力が低下してしまう。
【０００３】
下記特許文献１に、赤外空間光通信用として、活性層にＩｎＧａＡｓ歪量子井戸層を用いた発光素子が開示されている。この発光素子は、ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸層を一対のＡｌＧａＡｓキャリア閉込層で挟み、この積層構造をｐ型のＡｌＧａＡｓクラッド層とｎ型のＡｌＧａＡｓクラッド層で挟んだ構造を有する。発光層に量子井戸を用いているため、キャリアの再結合速度が速く、高い遮断周波数を得ることができる。通信速度の高速化のために、遮断周波数のさらなる向上が望まれている。
【０００４】
下記特許文献２に、ＩｎＧａＰ量子井戸層を、ＡｌＧａＩｎＰバリア層で挟んだ発光素子が開示されている。量子井戸層及びバリア層にｐ型不純物をドープすることにより、応答特性を向上することができたとの報告がなされている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３４４０１３号公報
【特許文献２】特開２００２−１１１０５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献２に開示されているように、活性層及びバリア層に不純物をドープすることにより、遮断周波数を高めることができる。ところが、ドープされた不純物による準位が非発光再結合中心となり、発光に寄与しない電流が増加する。このため、発光効率が低下してしまう。
【０００７】
本発明の目的は、遮断周波数を高めるとともに、発光効率の低下を抑制することができ、かつ注入電流変化による遮断周波数の変化を抑制することが可能な半導体発光装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一観点によると、半導体からなる支持基板と、前記支持基板の上に形成された化合物半導体からなる第１導電型の第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層の上に配置され、該第１のクラッド層よりも小さなバンドギャップを有する化合物半導体からなる第１のキャリア閉込層と、前記第１のキャリア閉込層の上に配置され、該第１のキャリア閉込層よりも小さなバンドギャップを有する化合物半導体からなる井戸層を少なくとも１層含む活性層と、前記活性層の上に配置され、該活性層よりも大きなバンドギャップを有する化合物半導体からなる第２のキャリア閉込層と、前記第２のキャリア閉込層の上に配置され、バンドギャップが該第２のキャリア閉込層よりも大きく、前記第１のクラッド層とは逆の第２導電型の第２のクラッド層とを有し、前記第１及び第２のキャリア閉込層に同一導電型の不純物がドープされており、前記活性層には、不純物がドープされていないか、または該第１及び第２のキャリア閉込層にドープされている不純物と同一導電型の不純物がドープされ、その濃度が、該第１及び第２のキャリア閉込層の不純物の濃度よりも低い半導体発光装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
キャリア閉込層に不純物をドープすることにより、遮断周波数の向上を図ることができる。活性層をアンドープにすることにより、または活性層の不純物濃度を低くすることにより、発光効率の低下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１に、第１の実施例による発光ダイオードの断面図を示す。ｐ型ＧａＡｓからなる支持基板１の主面上にｐ型ＧａＡｓからなるバッファ層２、ｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓからなる下側クラッド層３、ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなる下側キャリア閉込層４、アンドープのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなる活性層（量子井戸層）５、ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなる上側キャリア閉込層６、ｎ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓからなる上側クラッド層７、ｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなる上側クラッド層８、及びｎ型ＧａＡｓからなるコンタクト層９がこの順番に積層された積層構造を有する。ｐ型不純物（ドーパント）としてＺｎが用いられ、ｎ型不純物としてＳｉが用いられている。
【００１１】
キャリア閉込層４及び６のバンドギャップは、活性層５のバンドギャップよりも大きく、クラッド層３及び７のバンドギャップは、キャリア閉込層４及び６のバンドギャップよりも大きい。
【００１２】
支持基板１のＺｎ濃度は１×１０１９ｃｍ−３であり、支持基板１の主面の結晶面方位は（１００）である。バッファ層２のＺｎ濃度は１×１０１８ｃｍ−３であり、その厚さは０．２μｍである。下側クラッド層３のＺｎ濃度は５×１０１７ｃｍ−３であり、その厚さは１μｍである。下側キャリア閉込層４及び上側キャリア閉込層６のＺｎ濃度は５×１０１８ｃｍ−３であり、その厚さは５０ｎｍである。活性層５の厚さは３ｎｍである。上側クラッド層７のＳｉ濃度は５×１０１７ｃｍ−３であり、その厚さは１μｍである。上側クラッド層８のＳｉ濃度は１×１０１８ｃｍ−３であり、その厚さは４．５μｍである。コンタクト層９のＳｉ濃度は２×１０１８ｃｍ−３であり、その厚さは５０ｎｍである。これらの各層は、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）により形成することができる。
【００１３】
支持基板１の底面に、ＡｕＺｎ合金からなるｐ側電極１０が形成されている。コンタクト層９の上面に、ＡｕＧｅ合金からなるｎ側電極１１が形成されている。これらの電極は、真空蒸着により形成することができる。
【００１４】
図１に示した積層構造をダイシングし、一辺が３００μｍの正方形のチップに分割する。各チップをステム上にボンディングし、リード線で配線を行うことにより発光ダイオードが完成する。
【００１５】
この発光ダイオードの遮断周波数は２８０ＭＨｚであり、注入電流５０ｍＡ時の発光出力が０．５７ｍＷであった。
【００１６】
以下に、発光ダイオードの遮断周波数の測定方法について説明する。５０ｍＡの順方向直流電流に、振幅１０ｍＡの正弦波交流電流を重畳させた脈流を発光ダイオードに流す。重畳させている交流電流の周波数を変化させて光出力の振幅を測定する。周波数がｆ０の時の光出力の振幅に対して、光出力の振幅が−３ｄＢとなる周波数を遮断周波数ｆｃとする。ここで、ｆ０＝（１／１００）ｆｃである。
【００１７】
図２に、下側キャリア閉込層４及び上側キャリア閉込層６のＺｎ濃度と遮断周波数との関係を示す。横軸はＺｎ濃度を単位「ｃｍ−３」で表し、縦軸は遮断周波数を単位「ＭＨｚ」で表す。最も左側の点は、キャリア閉込層に不純物をドープしていない試料の遮断周波数を示す。図２に示したグラフからわかるように、Ｚｎ濃度を高めるに従って、遮断周波数が上昇する。特に、Ｚｎ濃度が３×１０１７ｃｍ−３を超えると、遮断周波数の上昇が顕著になる。遮断周波数上昇の理由は以下のように考察される。
【００１８】
キャリア閉込層４及び６にＺｎがドープされているため、アンドープの場合に比べて、活性層５に隣接するキャリア閉込層４及び６に多くのキャリアが存在する。このため、発光ダイオードに電圧を印加すると、キャリア閉込層４及び６内のキャリアが迅速に活性層５に注入される。これにより、発光の立ち上がり時間が短くなる。その結果、遮断周波数が上昇したと考えられる。
【００１９】
また、活性層５には、非発光再結合中心になり得る不純物がドープされていないため、非発光再結合による発光効率の低下を防止することができる。
【００２０】
図３に、第２の実施例による発光ダイオードの断面図を示す。第２の実施例では、図１に示した第１の実施例の発光ダイオードのＧａＡｓ支持基板１の代わりに、ｐ型ＡｌＧａＡｓからなる支持基板１Ａが用いられている。その他の構造は、第１の実施例の構造と同一である。支持基板１Ａの主面の結晶面方位は（１００）である。
【００２１】
支持基板１ＡのＡｌの組成比を０．３にし、Ｚｎ濃度を３×１０１７ｃｍ−３にし、厚さを１５０μｍとした場合、注入電流が５０ｍＡの時の発光出力が３．２１ｍＷであった。第１の実施例の場合に比べて、発光出力が高くなっている。これは、支持基板１Ａのバンドギャップが、発光スペクトルのピークを示す波長のエネルギよりも大きいため、放射光が基板で吸収されることなく外部に取り出されるためと考えられる。
【００２２】
第２の実施例による発光ダイオードの出力は、第１の実施例による発光ダイオードの出力の約５倍になっている。以下、発光出力が５倍になる理由について、より詳しく考察する。
【００２３】
活性層で発生した光のうち、出射表面に臨界角以上の入射角で入射する光は、出射表面で全反射されて再び半導体中に戻る。基板がＧａＡｓで形成されている場合には、半導体中に戻された光が基板で吸収される。このため、基板内を多重反射するうちに、光はほとんど消滅してしまう。基板がＡｌＧａＡｓで形成されている場合には、半導体中に戻された光がＡｌＧａＡｓ基板で吸収されない。このため、光は基板内を多重反射しながら外部に出射する。従って、発光出力が５倍程度に増加すると考えられる。
【００２４】
発光出力を高めるために、支持基板の材料として、発光スペクトルのピークを示す波長のエネルギよりも大きなバンドギャップを有する半導体を用いることが好ましい。
【００２５】
図４に、第３の実施例による発光ダイオードの断面図を示す。以下、図１に示した第１の実施例による発光ダイオードの構造との相違点について説明する。
【００２６】
下側クラッド層３と下側キャリア閉込層４との間に、ｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる下側中間層２０が配置され、上側クラッド層７と上側キャリア閉込層６との間に、ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる上側中間層２１が配置されている。下側中間層２０及び上側中間層２１の各々の厚さは２０ｎｍである。また、下側中間層２０のＺｎ濃度は５×１０１７ｃｍ−３であり、上側中間層２１のＳｉ濃度は５×１０１７ｃｍ−３である。
【００２７】
第３の実施例の発光ダイオードの、注入電流５０ｍＡ時の発光出力は０．６７ｍＷであり、第１の実施例の発光ダイオードの発光出力よりも高くなった。クラッド層とキャリア閉込層との間に、両者の中間のバンドギャップを持つ中間層を配置すると、エネルギバンド端のポテンシャルの不連続な段差が緩和される。２つの層の界面の良質化により、発光出力が増加したと考えられる。
【００２８】
図５に、第４の実施例による発光ダイオードの断面図を示す。図１に示した第１の実施例による発光ダイオードのｎ型ＡｌＧａＡｓからなる上側クラッド層７の代わりに、ＧａＡｓ基板と格子整合するｎ型Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐからなる上側クラッド層７Ａが配置されている。その他の構造は、第１の実施例の発光ダイオードの構造と同一である。第４の実施例の発光ダイオードに、５０ｍＡ±５ｍＡの脈流を注入した時の遮断周波数は２６７ＭＨｚであった。また、注入電流が５０ｍＡの時の発光出力は０．８７ｍＷであった。
【００２９】
発光出力が第１の実施例の発光ダイオードよりも改善された理由は、上側クラッド層７ＡをＩｎＧａＰで形成したことにより、上側クラッド層７Ａと上側キャリア閉込層６との界面が良質になったこと、及び界面における伝導帯下端の不連続性が緩和されたためと考えられる。特に、ｐ型のＧａＡｓまたはｐ型のＡｌＧａＡｓ層の上にｎ型のＩｎＧａＰ層を形成すると、良質な界面を得ることができる。
【００３０】
第１の実施例の発光ダイオードに５０ｍＡの電流を注入した時の順方向電圧は１．５１Ｖであった。これに対し、第４の実施例の発光ダイオードに５０ｍＡの電流を注入した時の順方向電圧は１．４４Ｖであった。このように、上部クラッド層７ＡをＩｎＧａＰで形成することにより、駆動電圧の低電圧化を図ることが可能になる。
【００３１】
図６に、上部クラッド層７Ａの厚さと発光出力との関係を示す。横軸は上部クラッド層７Ａの厚さを単位「μｍ」で表し、縦軸は注入電流５０ｍＡ時の発光出力を単位「ｍＷ」で表す。上部クラッド層７Ａを薄くするに従って、発光出力が増大していることがわかる。特に、厚さを０．２５μｍ以下の領域で、発光出力の増加傾向が顕著になる。
【００３２】
なお、ＩｎＧａＰ上部クラッド層７Ａを挿入することの十分な効果を得るためには、その厚さを０．０５μｍ以上とすることが好ましい。
【００３３】
図７に、第５の実施例による発光ダイオードの断面図を示す。図１に示した第１の実施例では、活性層５の両側のキャリア閉込層４及び６の導電型がｐ型であったが、第５の実施例では、下側キャリア閉込層４Ａ及び上側キャリア閉込層６Ａが、ともにｎ型にされている。その他の構成は、第１の実施例の発光ダイオードの構成と同様である。一対のキャリア閉込層４Ａ及び６ＡのＳｉ濃度は１×１０１８ｃｍ−３であり、各々の厚さは５０ｎｍである。
【００３４】
５０ｍＡ±５ｍＡの脈流を注入した時の遮断周波数は１１４ＭＨｚであった。また、注入電流が５０ｍＡのときの発光出力は１．００ｍＷであった。
【００３５】
図８に、遮断周波数の注入電流依存性を示す。横軸は注入電流の直流成分を単位「ｍＡ」で表し、縦軸は規格化遮断周波数を相対目盛で表す。「規格化遮断周波数」は、１００ｍＡ±５ｍＡの脈流を注入した時の遮断周波数を１．０とした相対値である。図中の三角記号、菱形記号、及び四角記号は、それぞれキャリア閉込層がｎ型、ｐ型、及びアンドープである試料の規格化遮断周波数を示す。注入電流が減少するに従って遮断周波数が低下していることがわかる。ただし、キャリア閉込層がｎ型の試料は、他の２つの試料に比べて遮断周波数の低下の度合いが少ない。また、キャリア閉込層がｐ型の試料は、アンドープの試料に比べて遮断周波数の低下の度合いが少ない。
【００３６】
このように、キャリア閉込層に不純物をドープすることにより、注入電流の大きさの変化に対して遮断周波数の変動を抑制することができる。
【００３７】
図９に、第６の実施例による発光ダイオードの断面図を示す。図１に示した第１の実施例の発光ダイオードでは、活性層５を単層の量子井戸層で構成していたが、第６の実施例では多重量子井戸構造が採用されている。その他の構成は、第１の実施例による発光ダイオードの構成と同様である。この多重量子井戸構造は、量子井戸層５ａ、障壁層５ｂ、及び量子井戸層５ｃがこの順番に積層された３層構造を有する。量子井戸層５ａ及び５ｃは、アンドープのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓで形成され、各々の厚さは３ｎｍである。障壁層５ｂは、アンドープのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓで形成され、その厚さは２ｎｍである。
【００３８】
５０ｍＡ±５ｍＡの脈流を注入した時の遮断周波数が１８５ＭＨｚであった。また、注入電流が５０ｍＡの時の発光出力が０．８０ｍＷであった。第１の実施例の場合に比べて、量子井戸層１層あたりに存在するキャリアの密度が減少するため、及びキャリアが障壁層を走行する時間が長くなるため、遮断周波数が低下する。ただし、発光領域が広くなるため、発光出力は増大する。
【００３９】
第６の実施例では、量子井戸層を２層にした多重量子井戸構造を採用したが、量子井戸層を３層以上にしてもよい。
【００４０】
図１０に、遮断周波数の注入電流依存性を示す。横軸は注入電流の直流成分を単位「ｍＡ」で表し、縦軸は規格化遮断周波数を相対目盛で表す。図中の四角記号、菱形記号、及び三角記号は、それぞれ量子井戸数が単層、２層、及び３層の試料の規格化遮断周波数を示す。量子井戸層の層数が増加するに従って、注入電流の大きさの変化に対する遮断周波数の変動が抑制されていることがわかる。
【００４１】
上記第１〜第６の実施例では、活性層に不純物をドープせず、その両側のキャリア閉込層に不純物をドープすることにより、遮断周波数を高くしたが、活性層を必ずしもアンドープにする必要はなく、キャリア閉込層よりも低濃度になるように不純物をドープしてもよい。
【００４２】
図１２に、活性層の不純物濃度と、発光出力及び遮断周波数との関係を示す。横軸は活性層の不純物濃度を単位「ｃｍ−３」で表し、左縦軸は発光出力を単位「ｍＷ」で表し、右縦軸は遮断周波数を単位「ＭＨｚ」で表す。図中の四角記号及び三角記号が、それぞれ発光出力及び遮断周波数を示す。なお、最も左側の三角及び四角記号は、活性層がアンドープである試料に対応する。最も右側の三角及び四角記号は、活性層の不純物濃度がキャリア閉込層の不純物濃度と等しい試料に対応する。
【００４３】
活性層の不純物濃度が高くなるに従って、発光出力が低下していることがわかる。これは、活性層中の不純物準位が非発光再結合中心として作用するためであると考えられる。また、活性層の不純物濃度を変化させても、遮断周波数に有意な差は見られない。発光効率の低下を防止するために、活性層に不純物をドープしないことが好ましい。なお、活性層に不純物がドープされる場合であっても、その濃度がキャリア閉込層の不純物濃度よりも低い場合には、発光出力の低下量が小さい。発光出力の低下量を小さくするために、特に、活性層の不純物濃度を、キャリア閉込層の不純物濃度の１／３以下にすることが好ましい。
【００４４】
遮断周波数を高くするためには、キャリア閉込層の不純物濃度を１×１０１８ｃｍ−３以上にすることが好ましく、発光出力の低下を抑制するために、活性層の不純物濃度を１×１０１８ｃｍ−３以下にすることが好ましい。
【００４５】
上記実施例では、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系の発光ダイオードについて説明したが、その他の化合物半導体を用いる場合にも、キャリア閉込層に不純物をドープすることは、遮断周波数の向上に有効である。
【００４６】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】第１の実施例による発光ダイオードの断面図である。
【図２】キャリア閉込層のＺｎ濃度と遮断周波数との関係を示すグラフである。
【図３】第２の実施例による発光ダイオードの断面図である。
【図４】第３の実施例による発光ダイオードの断面図である。
【図５】第４の実施例による発光ダイオードの断面図である。
【図６】ＩｎＧａＰ上部クラッド層の厚さと発光出力との関係を示すグラフである。
【図７】第５の実施例による発光ダイオードの断面図である。
【図８】遮断周波数の注入電流依存性を示すグラフである。
【図９】第６の実施例による発光ダイオードの断面図である。
【図１０】遮断周波数の注入電流依存性を示すグラフである。
【図１１】活性層の不純物濃度と、発光出力及び遮断周波数との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４８】
１  支持基板
２  バッファ層
３  下側クラッド層
４  下側キャリア閉込層
５  活性層
６  上側キャリア閉込層
７、８  上側クラッド層
９  コンタクト層
１０  ｐ側電極
１１  ｎ側電極
２０  下側中間層
２１  上側中間層
【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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【図９】
2005347695.tif 000011
【図１０】
2005347695.tif 000012
【図１１】
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