JP3586293B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
この発明は、半導体発光素子に関し、特に、緑色ないし青色で面発光可能な半導体発光素子、例えば半導体レーザーや発光ダイオードに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、光ディスクや光磁気ディスクに対する記録/再生の高密度化または高解像度化の要求から、緑色ないし青色で発光可能な半導体発光素子に対する要求が高まっており、その実現を目指して研究が活発に行われている。
【0003】
このような緑色ないし青色で発光可能な半導体発光素子の作製に用いる材料としては、II−VI族化合物半導体が有望である。特に、四元系のII−VI族化合物半導体であるZnMgSSe系化合物半導体は、波長400〜550nm帯の緑色ないし青色発光の半導体レーザーをGaAs基板上に作製するときのクラッド層や光導波層の材料として適していることが知られている(例えば、Electron. Lett. 28(1992)1798)。
【0004】
一方、近年、並列光情報処理や光インターコネクションなどの光エレクトロニクス分野への応用を目指して、基板の面に対して垂直な方向に発光可能な面発光型半導体発光素子が注目されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の面発光型半導体発光素子は、いずれもIII−V族化合物半導体を用いたものであり、II−VI族化合物半導体を用いた緑色ないし青色で面発光可能な面発光型半導体発光素子は未だ実現されていない。
【0006】
したがって、この発明の目的は、クラッド層および活性層の材料としてII−VI族化合物半導体を用いた、緑色ないし青色で面発光可能な半導体発光素子を提供することにある。
【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、この発明は、基板(1)上に積層されたn型のZnMgSSe系化合物半導体から成る第1のクラッド層(4)と、
第1のクラッド層(4)上に積層された活性層(6)と、
活性層(6)上に積層されたp型のZnMgSSe系化合物半導体から成る第2のクラッド層(8)と、
第2のクラッド層(8)上に積層された厚さが50〜100nmのp型のZnTe系化合物半導体層(12)と、
p型のZnTe系化合物半導体層(12)上に設けられた金属から成る格子状のp側電極(13)とを有し、
基板(1)の主面に対してほぼ垂直な方向に光が面状に取り出される
ことを特徴とする半導体発光素子である。
【0008】
この発明の好適な一実施形態においては、ZnTe系化合物半導体層(12)の厚さは、このZnTe系化合物半導体層(12)による光吸収を抑制するために、他に支障のない限り小さく選ばれ、具体的には、例えば2〜100nmに選ばれる。
【0009】
この発明の好適な一実施形態においては、ZnTe系化合物半導体層(12)上に金属から成る格子状の電極(13)が設けられる。さらに、より好適には、この格子状の電極(13)を覆うように、光取り出しに支障を生じない程度の厚さの金属膜(14)が全面に設けられる。この場合には、これらの格子状の電極(13)および金属膜(14)の全体により電流注入が行われる。
【0010】
この発明の典型的な一実施形態においては、第2のクラッド層(8)およびZnTe系化合物半導体層(12)はp型であり、ZnTe系化合物半導体層(12)上に格子状の電極(13)がp側電極として設けられる。この場合、このZnTe系化合物半導体層(12)は、p側電極との良好なオーミックコンタクトをとるためのp型コンタクト層となる。さらに、このZnTe系化合物半導体層(12)の厚さを2〜100nmに選べば、このZnTe系化合物半導体層(12)は透明電極となる。
【0011】
この発明の好適な一実施形態においては、第2のクラッド層(8)上にZnSSe系化合物半導体層(9)が設けられる。この場合、このZnSSe系化合物半導体層(9)は、第2のクラッド層(8)とともに第2導電型のクラッド層を構成して光閉じ込めおよびキャリア閉じ込めに寄与するとともに、格子状の電極(13)により注入される電流をこのZnSSe系化合物半導体層(9)に平行な方向に拡散させて活性層(6)の広い領域に電流が注入されるようにするためのものである。
【0012】
ここで、このZnSSe系化合物半導体層(9)の厚さは、良好な光閉じ込め特性およびキャリア閉じ込め特性を確保しつつこのZnSSe系化合物半導体層(9)の十分な低抵抗化を図り、さらに格子状の電極(13)により注入される電流がこのZnSSe系化合物半導体層(9)を通過する間にこのZnSSe系化合物半導体層(9)に平行な方向に拡散されるようにするためなどの理由により、好適には例えば0.1〜10μmに選ばれる。また、格子状の電極(13)により注入される電流を十分に拡散させるためには、このZnSSe系化合物半導体層(9)の厚さは、好適には0.5μm以上に選ばれる。
この発明の好適な一実施形態においては、第2のクラッド層(8)上にZnSSe系化合物半導体層(9)およびZnTe系化合物半導体層(12)が順次積層される。
【0013】
この発明の好適な他の一実施形態においては、基板(1)と第1のクラッド層(4)との間に光反射層(18)が設けられる。ここで、この光反射層(18)としては、典型的には、半導体多層膜や誘電体多層膜から成るブラッグリフレクターが用いられる。このブラッグリフレクターとしては、具体的には、例えばZnMgSSe/ZnSSe超格子層から成るものが用いられる。
【0014】
この発明の典型的な一実施形態においては、第1のクラッド層(4)および第2のクラッド層(8)はZnMgSSe系化合物半導体から成り、活性層(6)は例えばZnCdSe系化合物半導体またはZnSe系化合物半導体から成る。このとき、この半導体発光素子の発光波長は、活性層(6)がZnCdSe系化合物半導体から成る場合には、その組成に応じて緑色ないし青色の波長帯(例えば、512nm)になり、活性層(6)がZnSe系化合物半導体から成る場合には、青色の波長帯(例えば、470nm)になる。
【0015】
この発明において、基板(1)としては、例えば、GaAs基板、ZnSe基板、GaP基板などが用いられる。
【0016】
【作用】
この発明による半導体発光素子によれば、クラッド層および活性層の材料としてII−VI族化合物半導体を用いていることにより緑色ないし青色で発光可能であり、しかも基板の主面とほぼ垂直な方向に面状に光が取り出される。これによって、緑色ないし青色で面発光可能な面発光型の半導体発光素子を実現することができる。
【0017】
また、第2のクラッド層(8)上にZnTe系化合物半導体層(12)が積層され、このZnTe系化合物半導体層(12)上に格子状の電極(13)が設けられた場合には、このZnTe系化合物半導体層(12)は不純物ドーピングによりキャリア濃度を十分に高くして大幅な低抵抗化を図ることができるため、格子状の電極(13)との良好なオーミックコンタクトをとることができる。これによって、半導体発光素子の低動作電圧化を図ることができるとともに、格子状の電極(13)とZnTe系化合物半導体層(12)とのコンタクト部における発熱を抑制することができることにより発光効率の劣化や半導体発光素子の劣化を防止することができる。さらに、このZnTe系化合物半導体層(12)の厚さを2〜100nmに選んだ場合には、このZnTe系化合物半導体層(12)は透明電極となるので、このZnTe系化合物半導体層(12)により光取り出しに支障が生じることはない。また、このZnTe系化合物半導体層(12)の厚さを十分に大きく、例えば50nm程度以上にすることにより、格子状の電極(13)により注入される電流をこのZnTe系化合物半導体層(12)に平行な方向に拡散させることができる。これによって、活性層(6)の広い領域に電流が注入されるようにすることができ、均一性に優れた面発光の実現に寄与することができる。
【0018】
また、ZnTe系化合物半導体層(12)上に格子状の電極(13)が設けられた場合には、この格子状の電極(13)によりZnTe系化合物半導体層(12)に注入される電流は、例えばストライプ状の電極を用いた場合と比べて、より均一な分布で活性層(6)に注入される。これによって、面発光の均一性の向上を図ることができる。
【0019】
さらに、第2のクラッド層(8)とZnTe系化合物半導体層(12)との間にZnSSe系化合物半導体層(9)が設けられた場合には、このZnSSe系化合物半導体層(9)も第2導電型のクラッド層として用いることができることにより、良好な光閉じ込め特性およびキャリア閉じ込め特性を確保することができる。また、このZnSSe系化合物半導体層(9)の厚さを0.5μm程度以上に選べば、格子状の電極(13)により注入される電流をこのZnSSe系化合物半導体層(9)に平行な方向に十分に拡散させることができる。これによって、均一性に優れた面発光が可能となる。
【0020】
また、基板(1)と第1のクラッド層(4)との間に光反射層(18)が設けられた場合には、活性層(9)で発生する光のうち基板(1)側に向かう光をこの光反射層(18)により格子状の電極(13)側に反射させることができるので、この基板(1)側に向かう光が基板(1)により吸収されるのを防止することができ、この基板(1)側に向かう光をも面発光に利用することができる。そして、発光効率を大幅に向上させることができ、光取り出し部から効率的に光を取り出すことができる。
【0021】
以上により、クラッド層および活性層の材料としてII−VI族化合物半導体を用いた、緑色ないし青色で面発光可能な半導体発光素子を実現することができる。
【0022】
【実施例】
以下、この発明の実施例について図面を参照しながら説明する。なお、実施例の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
【0023】
図1はこの発明の第1実施例による面発光型発光ダイオードを示す平面図である。また、図2は図1における一発光面に対応する部分を拡大して示す断面図である。
【0024】
図1および図2に示すように、この第1実施例による面発光型発光ダイオードにおいては、ドナー不純物として例えばSiがドープされた(100)面方位のn型GaAs基板1上に、ドナー不純物として例えばClがドープされたn型ZnSeバッファ層2、ドナー不純物として例えばClがドープされたn型ZnSSe層3、ドナー不純物として例えばClがドープされたn型ZnMgSSeクラッド層4、ドナー不純物として例えばClがドープされたn型ZnSSe光導波層5、活性層6、アクセプタ不純物として例えばNがドープされたp型ZnSSe光導波層7、アクセプタ不純物として例えばNがドープされたp型ZnMgSSeクラッド層8、アクセプタ不純物として例えばNがドープされたp型ZnSSe層9、アクセプタ不純物として例えばNがドープされたp型ZnSeコンタクト層10、p型ZnSeから成る障壁層とp型ZnTeから成る量子井戸層とを交互に積層したp型ZnSe/ZnTe多重量子井戸(MQW)層11およびアクセプタ不純物として例えばNがドープされたp型ZnTeコンタクト層12が順次積層されている。そして、p型ZnTeコンタクト層12上に格子状のp側電極13が設けられ、さらにこのp側電極13を覆うように全面にAu膜14が設けられている。この場合、このAu膜14もp側電極として用いられる。一方、n型GaAs基板1の裏面には、n側電極15が設けられている。p型ZnSe/ZnTeMQW層11については後に詳細に説明する。
【0025】
この第1実施例において、活性層6は、例えば厚さが6〜12nmのZnCdSe(例えば、Zn0.85Cd0.15Se)から成る量子井戸層を含む単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を有する。
【0026】
n型ZnSSe層3およびp型ZnSSe層9としては、例えばZnS0.06Se0.94層が用いられる。同様に、n型ZnSSe光導波層5およびp型ZnSSe光導波層7としては、例えばZnS0.06Se0.94層が用いられる。n型ZnMgSSeクラッド層4およびp型ZnMgSSeクラッド層8としては、例えばZn0.91Mg0.09S0.18Se0.82層が用いられる。このZn0.91Mg0.09S0.18Se0.82層から成るn型ZnMgSSeクラッド層4およびp型ZnMgSSeクラッド層8はGaAsと格子整合し、ZnS0.06Se0.94層から成るn型ZnSSe層3、p型ZnSSe層9、n型ZnSSe光導波層5およびp型ZnSSe光導波層7はこれらのn型ZnMgSSeクラッド層4およびp型ZnMgSSeクラッド層8と格子整合する。
【0027】
n型ZnSSe層3の厚さは例えば0.7μmであり、有効ドナー濃度ND −NA (ただし、ND はドナー濃度、NA はアクセプタ濃度)は例えば(2〜5)×1017cm−3である。n型ZnMgSSeクラッド層4の厚さは例えば0.7μmであり、ND −NA は例えば(2〜5)×1017cm−3である。さらに、n型ZnSSe光導波層5の厚さは例えば100nmであり、ND −NA は例えば(2〜5)×1017cm−3である。また、p型ZnSSe光導波層7の厚さは例えば100nmであり、有効アクセプタ濃度NA −ND は例えば(2〜5)×1017cm−3である。p型ZnMgSSeクラッド層8の厚さは例えば0.5μmであり、NA −ND は例えば1×1017cm−3である。p型ZnSSe層9の厚さは例えば0.5μmであり、NA −ND は例えば(2〜5)×1017cm−3である。p型ZnSeコンタクト層10の厚さは例えば100nmであり、NA −ND は例えば(5〜8)×1017cm−3である。さらに、p型ZnTeコンタクト層12の厚さは2〜100nmであり、NA −ND は例えば1×1019cm−3である。
【0028】
n型ZnSeバッファ層2の厚さは、ZnSeとGaAsとの間にはわずかではあるが格子不整合が存在することから、この格子不整合に起因してこのn型ZnSeバッファ層2およびその上の各層のエピタキシャル成長時に転位が発生するのを防止するために、ZnSeの臨界膜厚(〜100nm)よりも十分に小さく選ばれるが、この第1実施例においては例えば33nmである。
【0029】
p側電極13としては、例えばAu電極、Ti/Au電極、Pd/Pt/Au電極などが用いられる。また、n側電極15としては、例えばIn電極が用いられる。
この第1実施例による面発光型発光ダイオードは、例えば1mm×1mmの正方形の平面形状を有する。
【0030】
この第1実施例において、p型ZnSSe層9は、p型ZnMgSSeクラッド層8に加えた第2のp型クラッド層としての機能、p側電極13およびAu膜14から注入される電流をこのp型ZnSSe層9に平行な方向に拡散させる機能、p型ZnMgSSeクラッド層8との格子整合をとる機能、ヒートシンク上へのダイオードチップのマウントの際のチップ端面におけるはんだの這い上がりによる短絡を防止するためのスペーサ層としての機能などを有する。
【0031】
上述のようにp型ZnSSe層9はp型ZnMgSSeクラッド層8とともに第2のp型クラッド層を構成することにより、光閉じ込め特性およびキャリア閉じ込め特性を向上させることができる。また、ZnSSeにおける正孔の移動度はZnMgSSeにおけるそれよりも大きいことにより、p型クラッド層の全体の厚さを同一とした場合、p型クラッド層をp型ZnMgSSeクラッド層8だけで構成した場合に比べて、p型クラッド層をp型ZnMgSSeクラッド層8とp型ZnSSe層9とにより構成した場合の方が、p型クラッド層を低抵抗化することができる。このようにp型クラッド層が低抵抗化されることは、このp型クラッド層による電圧降下の減少をもたらすため、面発光型発光ダイオードの低動作電圧化に寄与する。
【0032】
また、p側電極13およびAu膜14から注入される電流をこのp型ZnSSe層9に平行な方向に拡散させることができることにより、活性層6の広い領域に電流が注入されるようにすることができ、これによって均一性に優れた面発光を実現することができる。
【0033】
さらに、p型ZnSeコンタクト層10をp型ZnMgSSeクラッド層8上に直接積層するとこれらの層の間に格子不整合が存在することにより結晶性の劣化が生じやすいが、p型ZnMgSSeクラッド層8上にこれと格子整合するp型ZnSSe層9を積層し、このp型ZnSSe層9上にp型ZnSeコンタクト層10を積層しているので、これらのp型ZnSSe層9およびp型ZnSeコンタクト層10の結晶性を良好にすることができる。これは、p側電極13およびAu膜14のオーミックコンタクト特性の向上に寄与する。
【0034】
以上の利点に加えて、p型ZnSSe層9が設けられていることにより、次のような利点をも得ることができる。すなわち、このp型ZnSSe層9を第2のp型クラッド層として用いる場合には、二元系や三元系のII−VI族化合物半導体ほどにはエピタキシャル成長が容易でないp型ZnMgSSeクラッド層8の厚さを最小限にすることができ、従って面発光型発光ダイオードの製造もその分だけ容易になる。
【0035】
n型ZnSSe層3は、活性層6の両側の屈折率分布を対称にする機能、n型ZnMgSSeクラッド層4に加えた第2のn型クラッド層としての機能、n型ZnMgSSeクラッド層4との格子整合をとる機能、ヒートシンク上へのダイオードチップのマウントの際のチップ端面におけるはんだの這い上がりによる短絡を防止するためのスペーサ層としての機能などを有する。
【0036】
p型ZnTeコンタクト層12は、その厚さが2〜100nmと小さく、かつそのNA −ND が1×1019cm−3と極めて高いため、低抵抗の透明電極として機能する。これによって、このp型ZnTeコンタクト層12上に設けられているp側電極13およびAu膜14との良好なオーミックコンタクトをとることができるとともに、このp型ZnTeコンタクト層12が全面に設けられていても光の取り出しに支障が生じないようにすることができる。さらに、このp型ZnTeコンタクト層12の厚さを50nm程度以上にした場合には、p側電極13およびAu膜14から注入される電流をこのp型ZnTeコンタクト層12に平行な方向に拡散させることができ、これは均一性に優れた面発光の実現に寄与する。
【0037】
上述のp型ZnSe/ZnTeMQW層11が設けられているのは、p型ZnSeコンタクト層10とp型ZnTeコンタクト層12とを直接接合すると、接合界面において価電子帯に大きな不連続が生じ、これがp側電極13およびAu膜14からp型ZnTeコンタクト層12に注入される正孔に対する障壁となることから、この障壁を実効的になくすためである。
【0038】
すなわち、p型ZnSe中のキャリア濃度は典型的には5×1017cm−3程度であり、一方、p型ZnTe中のキャリア濃度は1019cm−3以上とすることが可能である。また、p型ZnSe/p型ZnTe界面における価電子帯の不連続の大きさは約0.5eVである。このようなp型ZnSe/p型ZnTe接合の価電子帯には、接合がステップ接合であると仮定すると、p型ZnSe側に
W=(2εφT /qNA )1/2 (1)
の幅にわたってバンドの曲がりが生じる。ここで、qは電子の電荷の絶対値、εはZnSeの誘電率、φT はp型ZnSe/p型ZnTe界面における価電子帯の不連続ポテンシャル(約0.5eV)を表す。
【0039】
(1)式を用いてこの場合のWを計算すると、W=32nmとなる。このときに価電子帯の頂上がp型ZnSe/p型ZnTe界面に垂直な方向に沿ってどのように変化するかを示したのが図2である。ただし、p型ZnSeおよびp型ZnTeのフェルミ準位は価電子帯の頂上に一致すると近似している。図2に示すように、この場合、p型ZnSeの価電子帯はp型ZnTeに向かって下に曲がっている。この下に凸の価電子帯の変化は、このp型ZnSe/p型ZnTe接合に注入された正孔に対してポテンシャル障壁として働く。
【0040】
この問題は、p型ZnSeコンタクト層10とp型ZnTeコンタクト層12との間にp型ZnSe/ZnTeMQW層11を設けることにより解決することができる。このp型ZnSe/ZnTeMQW層11は具体的には例えば次のように設計される。
【0041】
図3は、p型ZnTeから成る量子井戸層の両側をp型ZnSeから成る障壁層によりはさんだ構造の単一量子井戸におけるp型ZnTeから成る量子井戸の幅LW に対して第1量子準位E1 がどのように変化するかを有限障壁の井戸型ポテンシャルに対する量子力学的計算により求めた結果を示す。ただし、この計算では、量子井戸層および障壁層における電子の質量としてp型ZnSeおよびp型ZnTe中の正孔の有効質量mh を想定して0.6m0 (m0 :電子の静止質量)を用い、また、井戸の深さは0.5eVとしている。
【0042】
図3より、量子井戸の幅LW を小さくすることにより、量子井戸内に形成される量子準位E1 を高くすることができることがわかる。p型ZnSe/ZnTeMQW層11はこのことを利用して設計する。
【0043】
この場合、p型ZnSe/p型ZnTe界面からp型ZnSe側に幅Wにわたって生じるバンドの曲がりはp型ZnSe/p型ZnTe界面からの距離x(図2)の二次関数
φ(x)=φT {1−(x/W)2 } (2)
で与えられる。従って、p型ZnSe/ZnTeMQW層11の設計は、(2)式に基づいて、p型ZnTeから成る量子井戸層のそれぞれに形成される量子準位E1 がp型ZnSeおよびp型ZnTeの価電子帯の頂上のエネルギーと一致し、しかも互いに等しくなるようにLW を段階的に変えることにより行うことができる。
【0044】
図4は、p型ZnSe/ZnTeMQW層11におけるp型ZnSeから成る障壁層の幅LB を2nmとした場合の量子井戸幅LW の設計例を示す。ここで、p型ZnSeコンタクト層10のNA −ND は5×1017cm−3とし、p型ZnTeコンタクト層12のNA −ND は1×1019cm−3としている。図4に示すように、この場合には、合計で7個ある量子井戸の幅LW を、その量子準位E1 がp型ZnSeおよびp型ZnTeのフェルミ準位と一致するように、p型ZnSeコンタクト層10からp型ZnTeコンタクト層12に向かってLW =0.3nm、0.4nm、0.5nm、0.6nm、0.8nm、1.1nm、1.7nmと変化させている。
【0045】
なお、量子井戸の幅LW の設計に当たっては、厳密には、それぞれの量子井戸の準位は相互に結合しているためにそれらの相互作用を考慮する必要があり、また、量子井戸と障壁層との格子不整合による歪みの効果も取り入れなければならないが、多重量子井戸の量子準位を図4のようにフラットに設定することは原理的に十分可能である。
【0046】
図4において、p型ZnTeに注入された正孔は、p型ZnSe/ZnTeMQW層11のそれぞれの量子井戸に形成された量子準位E1 を介して共鳴トンネリングによりp型ZnSe側に流れることができるので、p型ZnSe/p型ZnTe界面のポテンシャル障壁は実効的になくなる。したがって、この第1実施例による面発光型発光ダイオードによれば、良好な電圧−電流特性を得ることができるとともに、低動作電圧化を図ることができる。
【0047】
上述のように構成されたこの第1実施例による面発光型発光ダイオードを動作させるには、p側電極13およびAu膜14とn側電極15との間に必要な電圧を印加して電流注入を行う。この場合、p型ZnTeコンタクト層12の全面にp側電極13およびAu膜14がコンタクトしているため、これらのp側電極13およびAu膜14からp型ZnTeコンタクト層12の全体にわたって電流が均一な分布で注入される。しかも、この場合、この電流は、p型ZnTeコンタクト層12やp型ZnSSe層9などを通過する間にそれらに平行な方向に十分に拡散される。これによって、活性層6の全体に均一な分布で電流が注入され、活性層6の全体において電子−正孔再結合による発光が均一に起こる。そして、図2において矢印で示すように、p側電極13側の発光面16から面状に光が取り出され、極めて均一性に優れた面発光が実現される。
【0048】
この第1実施例による面発光型発光ダイオードを、室温において注入電流20mAで動作させたところ、波長512nmの青緑色の面発光が観測された。このときの光度は4cdと極めて高かった。また、光出力は1.14mW、外部量子効率は2.35%であった。さらに、波長512nmの発光ピークの半値幅は10nmであった。
【0049】
次に、上述のように構成されたこの第1実施例による面発光型発光ダイオードの製造方法について説明する。
【0050】
この第1実施例による面発光型発光ダイオードを製造するには、まず、例えば分子線エピタキシー(MBE)法により、例えば250〜300℃の範囲内の温度、具体的には例えば295℃において、n型GaAs基板1上に、n型ZnSeバッファ層2、n型ZnSSe層3、n型ZnMgSSeクラッド層4、n型ZnSSe光導波層5、ZnCdSe量子井戸層を含む活性層6、p型ZnSSe光導波層7、p型ZnMgSSeクラッド層8、p型ZnSSe層9、p型ZnSeコンタクト層10、p型ZnSe/ZnTeMQW層11およびp型ZnTeコンタクト層12を順次エピタキシャル成長させる。この場合、これらの層を良好な結晶性でエピタキシャル成長させることができ、従って面発光型発光ダイオードの光出力の減少などの劣化を抑えることができ、高い信頼性を得ることができる。
【0051】
上述のMBE法によるエピタキシャル成長において、Zn原料としては純度99.9999%のZnを用い、Mg原料としては純度99.9%のMgを用い、S原料としては99.9999%のZnSを用い、Se原料としては純度99.9999%のSeを用いる。また、n型ZnSeバッファ層2、n型ZnSSe層3、n型ZnMgSSeクラッド層4およびn型ZnSSe光導波層5のドナー不純物としてのClのドーピングは例えば純度99.9999%のZnCl2 をドーパントとして用いて行う。一方、p型ZnSSe光導波層7、p型ZnMgSSeクラッド層8、p型ZnSSe層9、p型ZnSeコンタクト層10、p型ZnSe/ZnTeMQW層11およびp型ZnTeコンタクト層12のアクセプタ不純物としてのNのドーピングは、例えば電子サイクロトロン共鳴(ECR)により発生されたN2 プラズマを照射することにより行う。
【0052】
次に、p型ZnTeコンタクト層12上にp側電極13の反転パターンに対応する形状のレジストパターン(図示せず)をリソグラフィーにより形成した後、例えばスパッタリング法や真空蒸着法などによりp側電極形成用の金属膜を全面に形成する。次に、このレジストパターンをその上に形成された金属膜とともに除去する(リフトオフ)。このようにして、格子状のp側電極13がp型ZnTeコンタクト層12上に形成される。次に、例えばスパッタリング法や真空蒸着法などによりAu膜14を全面に形成する。この後、必要に応じて熱処理を行ってこれらのp側電極13およびAu膜14をp型ZnTeコンタクト層12にオーミックコンタクトさせる。一方、n型GaAs基板1の裏面にはIn電極のようなn側電極15を形成する。
【0053】
この後、以上のようにしてダイオード構造が形成されたn型GaAs基板1を1mm×1mmのサイズの正方形の形状に劈開し、目的とする面発光型発光ダイオードを完成させる。
【0054】
なお、この第1実施例による面発光型発光ダイオードを構成する各層のエピタキシャル成長は、MBE法の代わりに、有機金属化学気相成長(MOCVD)法により行ってもよい。
【0055】
以上のように、この第1実施例によれば、II−VI族化合物半導体を用いて青緑色で面発光可能でしかも極めて高輝度の高性能の面発光型発光ダイオードを実現することができる。
【0056】
図6はこの発明の第2実施例による面発光型発光ダイオードを示す。この第2実施例による面発光型発光ダイオードの平面図は図1に示すと同様である。
【0057】
図6に示すように、この第2実施例による面発光型発光ダイオードは、p型ZnSSe層9の厚さが数μm程度と大きいこと、p側電極13の下の部分以外の部分におけるp型ZnSe/ZnTeMQW層11およびp型ZnTeコンタクト層12が除去されていてこの部分のp型ZnSeコンタクト層10上に例えばSiN膜から成る反射防止膜17が設けられていること、および、Au膜14が形成されていないことを除いて、第1実施例による面発光型発光ダイオードと同様な構造を有する。
【0058】
この第2実施例による面発光型発光ダイオードの製造方法は、第1実施例による面発光型発光ダイオードの製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【0059】
この第2実施例による面発光型発光ダイオードにおいては、Au膜14が形成されていないため、電流注入は格子状のp側電極13からのみ行われ、したがってこのp側電極13の近傍における電流分布は第1実施例による面発光型発光ダイオードに比べると不均一である。しかしながら、この電流は、上述のように厚さが数μm程度と大きいp型ZnSSe層9を通過する間にこのp型ZnSSe層9に平行な方向に十分に拡散されるため、p側電極13によって囲まれた部分の中央部における活性層6にも電流が注入される。図5において、その様子を正孔の経路により模式的に示す。以上のようにして、格子状のp側電極13からのみ電流注入が行われるにもかかわらず、均一性に優れた面発光を実現することができる。
【0060】
この第2実施例によっても、第1実施例と同様に、II−VI族化合物半導体を用いた青緑色で面発光可能でしかも極めて高輝度の高性能の面発光型発光ダイオードを実現することができる。
【0061】
図7はこの発明の第3実施例による面発光型発光ダイオードを示す。この第3実施例による面発光型発光ダイオードの平面図は図1に示すと同様である。
【0062】
図7に示すように、この第3実施例による面発光型発光ダイオードにおいては、n型ZnSSe層3とn型ZnMgSSeクラッド層4との間にZnMgSSe/ZnSSe超格子層から成るブラッグリフレクター18が設けられている。このブラッグリフレクター18の反射率が最大となるようにするために、このブラッグリフレクター18を構成するZnMgSSe/ZnSSe超格子層の各層の厚さは、それに屈折率をかけた光学的距離が発光波長の1/4に等しくなるように設定される。このブラッグリフレクター18の反射率をより高くするためには、このブラッグリフレクター18を構成するZnMgSSe/ZnSSe超格子層の繰り返し周期を多くするのがよい。その他の構成は、第1実施例による面発光型発光ダイオードと同様である。
【0063】
この第3実施例による面発光型発光ダイオードの製造方法は、第1実施例による面発光型発光ダイオードの製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【0064】
この第3実施例による面発光型発光ダイオードにおいては、活性層6で発生した光のうちn型GaAs基板1側に向かう光はブラッグリフレクター18によりp側電極13側に反射されるため、このn型GaAs基板1側に向かう光がn型GaAs基板1により吸収されるのを防止することができ、このn型GaAs基板1側に向かう光をも面発光に利用することができる。これによって、ブラッグリフレクター18が設けられていない場合に比べて発光効率を約2倍にすることができる。
【0065】
この第3実施例によれば、II−VI族化合物半導体を用いた、青緑色で面発光可能でしかも第1実施例および第2実施例に比べてさらに高輝度の面発光型発光ダイオードを実現することができる。
【0066】
なお、ブラッグリフレクター18を設けた場合には、このブラッグリフレクター18により電圧降下が生じることにより、低動作電圧化に支障が生じるおそれがある。しかしながら、このブラッグリフレクター18を構成するZnMgSSe/ZnSSe超格子層におけるヘテロ界面部分を組成傾斜させたり、このZnMgSSe/ZnSSe超格子層に不純物を高濃度にドープしたり、あるいは、いわゆるデルタドープによるマイクロキャパシタを設けたりすることによって、面発光型発光ダイオードの実際の動作時におけるこのブラッグリフレクター18による電圧降下を減少させることができる。そして、これによって、面発光型発光ダイオードの劣化を防止し、長寿命化を図ることができる。
【0067】
以上、この発明の実施例について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【0068】
例えば、上述の第3実施例による面発光型発光ダイオードと同様な構造により面発光型半導体レーザーを実現することもできる。すなわち、この場合には、ブラッグリフレクター18とp側電極13側の真空とにより垂直共振器構造が形成されるため、レーザー発振が可能である。
【0069】
また、上述の第1実施例〜第3実施例において用いられているn型ZnSSe光導波層5およびp型ZnSSe光導波層7の代わりにn型ZnSe光導波層およびp型ZnSe光導波層を用いてもよい。
【0070】
また、上述の第1実施例〜第3実施例においては、p型ZnSe光導波層7、p型ZnMgSSeクラッド層8、p型ZnSSe層9、p型ZnSeコンタクト層10、p型ZnSe/ZnTeMQW層11およびp型ZnTeコンタクト層16のアクセプタ不純物としてのNのドーピングは、ECRにより発生されたN2 プラズマを照射することにより行っているが、このNのドーピングは、例えば、高周波プラズマにより励起されたN2 を照射することにより行うようにしてもよい。
【0071】
なお、この発明による半導体発光素子によれば、緑色ないし青色での高輝度の発光が可能であるため、すでに実現されている赤色で発光な高輝度の半導体発光素子と組み合わせることにより、RGB3原色を構成することができる。これによって、カラーディスプレーなどの実現が可能となる。
【0072】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、クラッド層および活性層の材料としてII−VI族化合物半導体を用いた、緑色ないし青色で面発光可能な半導体発光素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1実施例による面発光型発光ダイオードを示す平面図である。
【図2】この発明の第1実施例による面発光型発光ダイオードを示す断面図である。
【図3】p型ZnSe/p型ZnTe界面の近傍の価電子帯を示すエネルギーバンド図である。
【図4】p型ZnTeから成る量子井戸の幅LW に対する量子井戸の第1量子準位E1 の変化を示すグラフである。
【図5】この発明の第1実施例による面発光型発光ダイオードにおけるp型ZnSe/ZnTeMQW層の設計例を示すエネルギーバンド図である。
【図6】この発明の第2実施例による面発光型発光ダイオードを示す断面図である。
【図7】この発明の第3実施例による面発光型発光ダイオードを示す断面図である。
【符号の説明】
1 n型GaAs基板
2 n型ZnSeバッファ層
3 n型ZnSSe層
4 n型ZnMgSSeクラッド層
5 n型ZnSSe光導波層
6 活性層
7 p型ZnSSe光導波層
8 p型ZnSSe光導波層
9 p型ZnMgSSeクラッド層
10 p型ZnSeコンタクト層
11 p型ZnSe/ZnTeMQW層
12 p型ZnTeコンタクト層
13 p側電極
14 Au膜
15 n側電極
17 反射防止膜
18 ブラッグリフレクター
Claims (5)
- 基板上に積層されたn型のZnMgSSe系化合物半導体から成る第1のクラッド層と、
上記第1のクラッド層上に積層された活性層と、
上記活性層上に積層されたp型のZnMgSSe系化合物半導体から成る第2のクラッド層と、
上記第2のクラッド層上に積層された厚さが50〜100nmのp型のZnTe系化合物半導体層と、
上記p型のZnTe系化合物半導体層上に設けられた金属から成る格子状のp側電極とを有し、
上記基板の主面に対してほぼ垂直な方向に光が面状に取り出される
ことを特徴とする半導体発光素子。 - 上記p側電極を覆うように設けられた、光取り出しに支障を生じない程度の厚さの金属膜を有することを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
- 上記活性層はZnCdSe系化合物半導体またはZnSe系化合物半導体から成ることを特徴とする請求項1または2記載の半導体発光素子。
- 上記基板はZnSe基板であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項記載の半導体発光素子。
- 上記基板はGaAs基板であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項記載の半導体発光素子。
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