[发明专利]半导体发光元件

说明书

技术领域

本发明涉及使用了氮化物系III-V族化合物半导体的半导体激光器及发光二极管。

背景技术

近年来，替代现有的GaAs系的半导体激光器(例如，参考专利文献1)，作为可以自光盘高密度化所需的蓝色区域至紫外线区域发光的半导体激光器，使用了AlInGaN等氮化物系III-V族化合物半导体的半导体激光器的研究开发正在盛行，并被实用化。

在这种半导体激光器，在活性层的p电极一侧插入具有比活性层更大的能带间隙(bandgap)的电子势垒层，防止自活性层溢流电子，从而防止发光效率的下降。在该电子势垒层中采用p型的AlGaN或AlInGaN材料，Al构成比例越高，能带间隙越大，抑制电子的溢流的效果越好。但是，Al构成比例过高，则会导致结晶性变差，反而使发光效率降低。因此，根据两者的得失来决定电子势垒层的Al构成比例。此外，电子势垒层的层厚越厚，抑制电子的溢流的效果越好，但是相反也会导致结晶性变差，因此，根据两者的得失来决定层厚。

另一方面，如果电子势垒层具有仅能够充分抑制电子的溢流的层厚，则更靠近p电极一侧的光导层及包覆(clad)层，从结晶性的观点考虑，使Al构成比例比电子势垒层小是有利的。为此，光导层及p型包覆层由Al构成比例比电子势垒层小的AlGaN、GaN或InGaN构成。图6是表示具有如上结构的现有的半导体发光元件的剖面图。

如图6所示，在GaN基板1上，自下方开始依次形成有，由厚度为1.0μm的GaN构成的n型缓冲层2、由厚度为1.0μm且Al构成比例为0.07的AlGaN构成的n型包覆层3、由厚度为100nm的GaN构成的n型光导层4，由厚度为7nm的非掺杂InGaN构成的光波导层5、活性层6、由厚度为20nm且In构成比例为0.02的非掺杂InGaN构成的光波导层7、由厚度为20nm且Al构成比例为0.2的p型AlGaN构成的电子势垒层8、由厚度为100nm的p型GaN构成的p型光导层9、由厚度为400nm且Al构成比例为0.07的AlGaN构成的p型包覆层10、由厚度为100nm的GaN构成的p型接触层11。

这里，活性层6是由3层厚度为3.5nm且In构成比例为0.14的非掺杂InGaN井层、2层厚度为7.0nm且In构成比例为0.02的非掺杂InGaN势垒层，分别相互层叠的多重量子井结构。此外，在p型包覆层10及p型接触层11上，通过蚀刻面向<1100>方向形成有脊12。该脊12的宽度为1.5μm，蚀刻深度为450nm。并且，形成有厚度为200nm的SiO₂绝缘膜13以覆盖在脊12的侧面部分及p型包覆层10上。该绝缘膜13中，在脊12上的部分设有开口14。通过该开口14，p型电极15与p型接触层11电接触。p型电极15例如是依次层叠Pd和Au膜形成的。此外，在GaN基板1的背面一侧，设有依次层叠Ti膜和Al膜的n型电极16。

发明内容

本发明试图解决的课题

在GaN基板上或在具有接近GaN的晶格常数的基底层上成长时，InGaN层在成长面内方向上受到压缩变形，AlGaN层受到拉伸变形。由于这些层采用纤维锌矿结构，因此通过由于该变形引起的压电效果在结晶成长方向上产生压电场。并且，由于InGaN层和AlGaN层上的变形方向不同，所以产生的压电场方向也不同。

在不考虑压电效果的情况和考虑时的情况下，模拟图6的a-a’部分中的价电子带(valence electron band)结构的结果分别如图7、图8所示。在图8中，压电场的方向以箭头表示。在电子势垒层8中，由于压电效果，在光波导层7一侧产生以“+”符号表示的正电荷，在p型光导层9一侧产生以“-”符号表示的负电荷，由此产生压电场。此外，在电子势垒层8与p型光导层9的界面近处产生巨大的能带弯曲，空穴浓度变得很高。这样，载流子浓度变高则电阻变低，因此在活性层6的上部与结晶方向相垂直的面内方向上存在有低电阻层。另外，在InAlGaN层也产生同样的压电效果，但其压电场的方向由该材料承受的变形的方向决定。

接下来，在图9中表示图8所示情况下的电流密度的模拟结果。但是将基于空穴的电流和基于电子的电流分别进行图示。由此可知基于空穴的电流的电流密度在电子势垒层8与p型光导层9之间的A点处急剧减小。这是因为，在A点上产生由于上述压电场引起的能带弯曲，基于该原因在横方向上电流扩展(spreading)的结果，导致电流密度减小。