JP3816176B2 - Semiconductor light emitting device and optical semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体発光素子、光半導体素子、発光ダイオード及び表示装置に関するものであり、より詳しくは、青色から紫外にかけた波長帯の光を発光するGaN 等のウルツ鉱型化合物半導体を発光部に有する半導体発光素子、光半導体素子、発光ダイオード及び表示装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、光ディスク用光源として、青色から紫外にかけての領域に波長を有する短波長レーザの開発が盛んである。青色レーザ用光源としては、II-VI 族のZnSe系材料を使用した光素子と、III-V族のGaN 系材料を使用した光素子がある。そのうち、半導体レーザの研究に関してはZnSe系材料が先んじていて、既に室温連続発振が得られるという報告がある。しかし、ZnSe系材料は本質的に劣化し易い材料であることから信頼性に問題があり、未だ実用化に至ってはいない。
【0003】
一方、数年前にGaN を使用した高輝度のLEDの発表されたことを境にして、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。そして、1996年に日亜化学によってInGaN を用いてレーザ発振する半導体レーザが発表された。
発光素子として用いられているGaN 系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。ここで、6H−SiCのうち“H”は、6階回転対称を有する結晶であることを示し、また、“6”は、結晶が6相の原子又は分子の配列が周期的に形成された六相同期構造を有する結晶であることを示している。
【0004】
六方晶系のサファイア基板又は6H−SiC基板を用いる半導体レーザの形成は、次のような手順により形成される。
サファイア基板を用いた場合には、例えば図24(a) に示すように、(0001)面を主面とするサファイア(0001)基板141上に、GaN バッファ層142を介して、n型Al0.1Ga0.9N クラッド層143、n型GaN 光ガイド層144、Ga0.9ln0.1N 活性層145、p型GaN 光ガイド層146、及び、p型Al0.1Ga0.9N クラッド層147をMOVPE法によってエピタキシャル成長させた後に、エッチングによりn型Al0.1Ga0.9N クラッド層143の一部を露出させて、その露出面上にTi/Au電極148からなるn側電極を設けると共に、p型Al0.1 Ga0.9Nクラッド層147上にはNi/Au電極14 9 からなるp側電極を設け、このような工程により半導体レーザが形成される。
【0005】
一方、6H−SiC基板を用いる場合には、図24(b) に示すように、(0001)Si面即ち、6H−SiC(0001)基板151のうちSi面の上に、n型AIN バッファ層15 2 を介して、n型Al0.1Ga0.9N クラッド層153、n型GaN 光ガイド層154、Ga0.9ln0.1N 活性層155、p型GaN 光ガイド層156、及び、p型Al0.1Ga0.9N クラッド層157をMOVPE法によってエピタキシャル成長した後に、さらに、6H−SiC(0001)基板151裏面にTi/Au電極158からなるn側電極を設けると共に、p型Al0.1Ga0.9N クラッド層157上にはNi/Au電極159からなるp側電極を設ける工程を経て、これにより半導体レーザが形成される。
【0006】
この様な従来の発光素子においては、GaN 系のエピタキシャル層142〜147,152〜157は、サファイア(0001)基板141或いは6H−SiC(0001)基板151の<0001>方向に(0001)面が成長することから、面内での歪みは等方的となり、Ga0.9ln0.1N 活性層145,155は一軸異方性のままであった。その<0001>方向は、c軸方向である。
【0007】
次に、GaN 系半導体のエネルギーバンド構造について説明する。
図25(a) は、歪みがかからない状態のGaN 系半導体の価電子帯のバンド構造を示す図であり、HH(Heavy Hole)とLH(Light Hole)のバンドがほぼ縮退しており、また、GaN 系半導体においてはCHバンドが近接している。
上記図24(a) に示した従来の発光素子においては、n型Al0.1Ga0.9N クラッド層143乃至p型Al0.1Ga0.9N クラッド層147の面内格子定数が、GaN バッファ層142の直上のn型Al0.1Ga0.9N クラッド層143の格子定数で規定されるため、コヒーレントに成長したn型GaN 光ガイド層144乃至p型GaN 光ガイド層146は格子不整合及び熱膨張係数差による圧縮応力を受ける。
【0008】
また、図24(b) に示した素子においても同様で、熱膨張係数差では引張応力を受けるが、Ga0.9ln0.1N 活性層155に関しては格子定数による歪みの影響が強く、圧縮応力が働いている。
以上のような半導体レーザの他に、本発明者等は、GaN の光学利得が従来材料に比べて非常に高いことを見い出し、この材料が面発光レーザに適していることを確認している。
【0009】
次に、面発光レーザについて説明する。
基板上に形成された活性層の垂直方向に共振軸を有する光共振器(垂直共振器)を備え、活性層表面の垂直方向に光を出射する構造を有している。そのような面発光半導体レーザは、共振器長が短くて閾値電流が低いこと、半導体レーザ素子の2次元アレイを容易に実現できること、単位ウエーハ面積当たりの素子数が多いこと、或いはウェーハのまま素子の試験ができること等、特性上及び製造上の有用な性質を有しており、特に光ディスク用又は短距離光通信用として短波長光を発振する面発光レーザの開発が進められている。
【0010】
しかし、従来材料の面発光レーザは、発振光の偏光面の方向が固定されないため、使用中に偏光面が変化し又は偏光面の変化に伴い発光出力特性にキンクを生ずることがある。これでは、偏光を利用した光ディスクの読み出しができず、また光による書込み・読出しを安定して行うことができず、さらに安定した通信を実現することができない。
【0011】
そこで、面発光半導体レーザの発振光の偏光面方位を固定し安定化することが必要とされている。
従来の面発光半導体レーザの活性層は、閃亜鉛鉱型結晶の(001) 面を主面とする基板上に堆積されていた。他方、GaN に代表される六方晶半導体を活性層とする面発光半導体レーザを同様の構造で構成する場合には、六方晶結晶のc軸に垂直な(0001)面を主面とする基板上に活性層を堆積することが予想される。以下、かかる構造を有する従来の面発光半導体レーザのについて説明する。
【0012】
図26は、従来の面発光半導体レーザ斜視図であり、垂直共振器を有する面発光半導体レーザの基本構造を表している。
図26に示すように、基板101は六方晶結晶、例えばサファイアからなり、c軸104に垂直な主面を有する。或いは、基板1は閃亜鉛鉱型結晶の(001) 面を主面とする。かかる基板101上に第一導電型の障壁層107, 活性層102及び第二導電型の障壁層108が順次工ピタキシャルに堆積される。さらに、第二導電型の障壁層108上に円板形の多層膜からなる反射鏡103が形成される。この反射鏡103を一方の反射面とし、障壁層107の下面、即ち障壁層107と基板101との界面を他の反射面として、活性層102に平行な反射面と活性層102に垂直な共振軸とを有する光共振器が構成される。
【0013】
ところで、現在実現されている閃亜鉛鉱型結晶の活性層を用いた面発光半導体レーザでは、反射鏡103を半導体の多層構造としかつ光共振器の両反射面に設けられる。
これに対して、光学利得が大きいGaN を活性層とする面発光半導体レーザは上記の反射鏡103を一方に備えることで発振可能であるとされる。また、発振光は、基板101の下面(主面の反対面)に形成された光学的窓から出射される。
【0014】
上述した面発光半導体レーザの活性層102は基板101上にエピタキシャルに堆積される。従って、六方晶又は閃亜鉛鉱型結晶からなる活性層102は、六方晶のc軸又は閃亜鉛鉱型結晶の<001>軸が面に垂直な薄層として形成される。
他方 ,共振器は活性層102に垂直な共振軸を有するから、発振光は活性層102に垂直に進行し、活性層102面が偏光規定面となる。即ち、偏光規定面をxy面とし光の進行方向をz軸にとるとき、発振光は、偏光面がx軸を含むx偏光105及び偏光面がy軸を含むy偏光106から構成される。このz軸は、活性層2に垂直、即ち六方晶のc軸又は閃亜鉛鉱型結晶の<001>軸に平行であり、光学的異方性の回転対称軸をなすため、x偏光105とy偏光106とは結晶との光学的結合が等しい。このため、結晶学的にはx偏光105とy偏光106とのいずれも等しい強度で発振することができるので、発振光の偏光面は定まらず、偏光面は不安定になる。
【0015】
かかる発振光の偏光面を安定化するため、反射鏡を楕円形又は長方形にすることで、x偏光105又はy偏光106の一方のみを発振させる半導体レーザが開発された。しかし、この半導体レーザは、出射光が円形ビームにならないという問題があり、また反射鏡の形状を精密に製造することが難しい。
さらに、かかる不都合を解消すべく、活性層102又は障壁層107, 108に面内屈折率分布を形成することでz軸廻りの屈折率の対称性を劣化させ、発振光の偏光面を規定する半導体レーザが提案された。しかし、屈折率分布を形成するための工程が必要で、製造工程が複雑になることは避けられない。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
従来のGaN 系の半導体の場合、価電子帯におけるエネルギー的に一番高いバンドHH、LHが二重に縮退しているので、このようなGaN 系半導体ではHHとLHの双方のバンドに正孔が分布するので、このためレーザ発振をさせるための閾値電流密度が高くなるという問題があった。
【0017】
また、6H−SiC基板上にGaN 系半導体を成長する際に、そのGaN 系半導体層の(0001)面に熱膨張により生じた応力によってクラッキングが発生し易く、結晶性が良いものが得られにくい。
なお、発光部を構成する上記Ga0.9ln0.1N 活性層145,155に(0001)面内で熱膨張係数差、格子不整合による圧縮応力がかかる場合には、図25(b) に示すように、無歪みの状態からさらにCHバンドのエネルギーがHH、LHに対して相対的に低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高いバンドHH、LHは二重に縮退したままである。
【0018】
さらに、閾値電流密度が高くなるもう1つの原因として、サファイア基板に劈開性がないということが挙げられる。
それらの問題の他に、従来の垂直共振器を有する面発光半導体レーザでは、活性層の面内異方性が小さいため発振光の偏光面が定まらず、出射光の偏光面を固定することができない、あるいは発振が安定しないということが挙げられる。
【0019】
また、反射鏡を長方形にして偏光面を規定する構造では、出射光が円形ビームにならず、また微細化するにつれて矩形状のパターンの形成が困難という問題がある。さらに、活性層又は障壁層に面内屈折率を形成する方法は、製造工程の簡素化に限界がある。ところで、発振光の偏光面が定まらないことは、面発光半導体レーザを光磁気ディスク装置の光源に用いる場合に別な問題が生じる。
【0020】
即ち、光磁気ディスク装置では、光の偏光面の回転を検出することによってデータを読むためにレーザ光の偏光面が揃っていることが必要になる。しかし、従来の面発光レーザでは偏光面が揃っていないのでデータ読み出し素子として使用されていない。
本発明は、光発振に必要な閾値電流密度を低減し、クラキングの発生し難いGaN 系半導体層を有するとともに、面発光半導体レーザにおいては光の偏光面を固定し且つ偏光面の変動を抑制できる半導体発光素子、光半導体素子、発光ダイオード及び表示装置を提供することを目的とする。
【0021】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、図2又は図10に例示するように、基板11(41)の主面上に直接又は第1の半導体層12(52)を介して形成された第2の半導体層13(47)と、前記第2の半導体層13(47)の上に形成され、且つエネルギーバンドギャップが前記第2の半導体層13(47)よりも小さく、一軸異方性を有する半導体よりなる活性層14(42)と、前記活性層14(42)上に形成されてエネルギーバンドギャップが前記活性層14(42)よりも大きい第3の半導体層15(48)と、前記第2の半導体層13(47)、前記活性層14(42)及び前記第3の半導体層15(48)に膜厚方向に電流を流すための一対の電極17,18とを有し、少なくとも前記活性層14(42)の膜厚方向は前記一軸異方性の軸とは異なる方向であり、前記活性層14(42)は、膜厚が1〜20nmである1層の Al x Ga 1-x-y In y N (但し、0≦x≦1、0≦y≦1)からなる単層構造を有しているか、又は、各膜厚が1〜20nmの多層の Al x Ga 1-x-y In y N (但し、0≦x≦1、0≦y≦1)からなる多重量子井戸構造を有すると共に、異方性を示すc軸に垂直でない面内で歪みが加わえられてc面内歪異方性を有することを特徴とする半導体発光素子によって解決する(以下、この半導体発光素子を「半導体発光素子 I 」とする)
上記半導体発光素子 I は、前記基板が SiC で形成されていることを特徴とする(以下、この半導体発光素子を「半導体発光素子 II 」とする)
【0022】
上記課題は、図2又は図10に例示するように、 GaN 又は AlN からなる基板11(41)の主面上に直接又は第1の半導体層12(52)を介して形成された第2の半導体層13(47)と、前記第2の半導体層13(47)の上に形成され、且つエネルギーバンドギャップが前記第2の半導体層13(47)よりも小さく、一軸異方性を有する半導体よりなる活性層14(42)と、前記活性層14(42)上に形成されてエネルギーバンドギャップが前記活性層14(42)よりも大きい第3の半導体層15(48)と、前記第2の半導体層13(47)、前記活性層14(42)及び前記第3の半導体層15(48)に膜厚方向に電流を流すための一対の電極17,18とを有し、少なくとも前記活性層14(42)の膜厚方向は前記一軸異方性の軸とは異なる方向であり、前記活性層14(42)が Al x Ga 1-x-y In y N (但し、0≦x≦1、0≦y≦1)で形成されていると共に、前記活性層14(42)の発光部は異方性を示すc軸に垂直でない面内で歪みが加わえられてc面内歪異方性を有することを特徴とする半導体発光素子により解決する(以下、この半導体発光素子を「半導体発光素子 III 」とする)。
【0023】
上記半導体素子 II 又は III において、前記基板11(41)の主面は、{11−20}面、{1−100}面、又は、{11−20}面若しくは{1−100}面から−5度〜+5度の範囲内で傾いた面であることを特徴とする。
また、上記半導体素子 II 又は III において、前記基板11(41)の主面は、{11−20}面及び{1−100}面のいずれかの面に対してオフ角θ(但し、0°≦θ≦ 10 °)だけオフした面であることを特徴とする。
【0024】
また、上記半導体素子 II 又は III において、前記基板11(41)の主面が{11−20}面、{11−20}面から−5度〜+5度の範囲内で傾いた面、又は{11−20}面に対してオフ角θ(但し、0°≦θ≦ 10 °)だけオフした面であり、前記基板11(41)、前記第2の半導体層13(47)、前記第3の半導体層15(48)及び前記活性層14(42)は、{0001}面又は{1−100}面で劈開されていることを特徴とする。
【0025】
また、上記半導体素子 II 又は III において、前記基板11(41)の主面が{1−100}面、{1−100}面から−5度〜+5度の範囲内で傾いた面、又は{1−100}面に対してオフ角θ(但し、0°≦θ≦ 10 °)だけオフした面であり、前記基板11(41)、前記第2の半導体層13(47)、前記第3の半導体層15(48)及び前記活性層14(42)は、{0001}面又は{11−20}面で劈開されていることを特徴とする。
また、上記半導体素子 II 又は III において、前記基板41の主面が{0001}面であり、該基板41の表面に前記主面と交差する面方位を有する小面が設けられていると共に、該小面の上方に形成した前記活性層が発光部であることを特徴とする。この場合、前記小面は{1−100}面又は{11−20}面に垂直な面方位に形成され、該{1−100}面又は該{11−20}面は共振器の両端の劈開面であることを特徴とする。
【0026】
また、上記課題は、図2又は図10に例示するように、サファイアからなる基板11(41)の主面上に直接又は第1の半導体層12(52)を介して形成された第2の半導体層13(47)と、前記第2の半導体層13(47)の上に形成され、且つエネルギーバンドギャップが前記第2の半導体層13(47)よりも小さく、一軸異方性を有する半導体よりなる活性層14(42)と、前記活性層14(42)上に形成されてエネルギーバンドギャップが前記活性層14(42)よりも大きい第3の半導体層15(48)と、前記第2の半導体層13(47)、前記活性層14(42)及び前記第3の半導体層15(48)に膜厚方向に電流を流すための一対の電極17,18とを有し、前記基板11(41)の主面は{1−102}面であり、少なくとも前記活性層14(42)の膜厚方向は前記一軸異方性の軸とは異なる方向であり、前記活性層14(42)が Al x Ga 1-x-y In y N (但し、0≦x≦1、0≦y≦1)で形成されていると共に、前記活性層14(42)の発光部は異方性を示すc軸に垂直でない面内で歪みが加わえられてc面内歪異方性を有することを特徴とする半導体発光素子により解決する(以下、この半導体発光素子を「半導体発光素子 IV 」とする)。
【0027】
上記課題は、図2又は図10に例示するように、 LiAlO 2 からなる基板11(41)の主面上に直接又は第1の半導体層12(52)を介して形成された第2の半導体層13(47)と、前記第2の半導体層13(47)の上に形成され、且つエネルギーバンドギャップが前記第2の半導体層13(47)よりも小さく、一軸異方性を有する半導体よりなる活性層14(42)と、前記活性層14(42)上に形成されてエネルギーバンドギャップが前記活性層14(42)よりも大きい第3の半導体層15(48)と、前記第2の半導体層13(47)、前記活性層14(42)及び前記第3の半導体層15(48)に膜厚方向に電流を流すための一対の電極17,18とを有し、少なくとも前記活性層14(42)の膜厚方向は前記一軸異方性の軸とは異なる方向であり、前記活性層14(42)が Al x Ga 1-x-y In y N (但し、0≦x≦1、0≦y≦1)で形成されていると共に、前記活性層14(42)の発光部は異方性を示すc軸に垂直でない面内で歪みが加わえられてc面内歪異方性を有することを特徴とする半導体発光素子により解決する(以下、この半導体発光素子を「半導体発光素子 V 」とする)。
上記半導体発光素子 V において、前記基板11(41)の主面は{100}面又は{100}面から−5度から+5度の角度でオフした面であることを特徴とする(以下、この半導体発光素子を「半導体発光素子 VI 」とする)。
また、上記半導体発光素子 V 又は VI は、前記 Al x Ga 1-x-y In y N の組成比xと組成比yが、xy座標において、y=0.214x−0.328を示す直線とy=0.353x−0.209を示す直線の間の範囲内に存在することを特徴とする。
【0028】
上記半導体発光素子 I 等において、前記第2の半導体層13(47)は Al u Ga 1-u-v ln v N (但し、 0 ≦u≦ 1 0 ≦v≦ 1 )からなり、且つ、前記第3の半導体層15(48)は Al w Ga 1-w-z In z N (但し、 0 ≦w≦1、 0 ≦z≦1)からなることを特徴とする。
【0029】
また、上記半導体発光素子 I 等において、前記活性層14(42)のa軸の格子定数a 1 と、前記第2の半導体層13(47)及び前記第3の半導体層15(48)のa軸の格子定数a 2 ,a 3 とが、a 1 <a 2 、a 1 <a 3 の関係を満たし、更に前記活性層14(42)のc軸の格子定数c 1 と、前記第2の半導体層13(47)及び前記第3の半導体層15(48)のc軸の格子定数c 2 ,c 3 とが、c 1 <c 2 、及び、c 1 <c 3 の関係を満たすことを特徴とする。
また、上記半導体発光素子 I 等において、前記活性層14(42)のa軸の格子定数a 1 と、前記第2の半導体層13(47)及び前記第3の半導体層15(48)のa軸の格子定数a 2 ,a 3 とが、a 1 >a 2 、a 1 >a 3 の関係を満たし、更に前記活性層14(42)のc軸の格子定数c 1 と、前記第2の半導体層13(47)及び前記第3の半導体層15(48)のc軸の格子定数c 2 ,c 3 とが、c 1 >c 2 、及び、c 1 >c 3 の関係を満たすことを特徴とする。
【0030】
また、上記半導体発光素子 I 等において、図17に例示するように、前記第2の半導体層47の下方又は第3の半導体層48の上方にはミラー層が形成されており、該ミラー層を一端として前記活性層42、前記第2及び第3の半導体層47、48の膜厚方向に共振器が形成されていることを特徴とする。この場合、前記共振器の共振波長は、フォトルミネッセンス光強度が最大となる波長であることを特徴とする。
【0031】
また、上記半導体発光素子 I 等において、前記活性層42は、 GaN 又は InGaN の第1の層と、 AlGaInN GaN 又は InGaN の第2の層とからなる多層構造を有する多重量子井戸層、 GaN 単層、 InGaN 単層、及び AlGaInN 単層のいずれかからなることを特徴とする。この場合、前記第2の半導体層47が第一導電型の AlGaN からなり、前記第3の半導体層48が第二導電型の AlGaN からなることを特徴とする。
【0032】
上記課題は、図18に示すように、 GaN 、又は AlN からなる基板53、前記基板53の上方に形成されたウルツ鉱構造結晶からなる第1の活性層58、該第1の活性層58の下に形成された第1導電型不純物を含む第1の障壁層56、該第1の活性層58の上に形成された第2導電型不純物を含む第2の障壁層60、及び、該第1の活性層58と第1及び第2の障壁層56,60の膜厚方向に電流を流すための電極64,65を有する面発光半導体レーザ66と、前記基板53の上方に形成されたウルツ鉱構造結晶からなる第2の活性層58、該第2の活性層58の下に形成された第1導電型不純物を含む第1の半導体層56、該第2の活性層58の上に形成された第2導電型不純物を含む第2の半導体層60、及び、該第2の活性層58と第1及び第2の半導体層56,60の膜厚方向に流れる電流を外部に取り出す電極64,65を有し、前記面発光半導体レーザ66から電気的に分離されている受光素子67とを有する光半導体装置であって、前記第1の活性層58が一軸異方性を有する半導体からなり、少なくとも前記活性層58の膜厚方向は前記一軸異方性の軸とは異なる方向であり、前記活性層58が Al x Ga 1-x-y In y N (但し、0≦x≦1、0≦y≦1)で形成されていると共に、前記活性層58の発光部は異方性を示すc軸に垂直でない面内で歪みが加わえられてc面内歪異方性を有することを特徴とする光半導体装置により解決する(以下、この光半導体装置を「光半導体装置I」とする)。
上記光半導体装置Iにおいて、前記基板53の主面が{1−100}面又は{11−20}面であることを特徴とする。
【0033】
上記課題は、図18に示すように、主面を{1−102}面としたサファイアからなる基板、前記基板の上方に形成されたウルツ鉱構造結晶からなる第1の活性層、該第1の活性層の下に形成された第1導電型不純物を含む第1の障壁層、該第1の活性層の上に形成された第2導電型不純物を含む第2の障壁層、及び、該第1の活性層と第1及び第2の障壁層の膜厚方向に電流を流すための電極を有する面発光半導体レーザと、前記基板の上方に形成されたウルツ鉱構造結晶からなる第2の活性層、該第2の活性層の下に形成された第1導電型不純物を含む第1の半導体層、該第2の活性層の上に形成された第2導電型不純物を含む第2の半導体層、及び、該第2の活性層と第1及び第2の半導体層の膜厚方向に流れる電流を外部に取り出す電極を有し、前記面発光半導体レーザから電気的に分離されている受光素子とを有する光半導体装置であって、前記第1の活性層が一軸異方性を有する半導体からなり、少なくとも前記活性層の膜厚方向は前記一軸異方性の軸とは異なる方向であり、前記活性層が Al x Ga 1-x-y In y N (但し、0≦x≦1、0≦y≦1)で形成されていると共に、前記活性層の発光部は異方性を示すc軸に垂直でない面内で歪みが加わえられてc面内歪異方性を有することを特徴とする光半導体装置により解決する(以下、この光半導体装置を「光半導体装置 II 」とする)。
上記光半導体装置 I 等において、前記第1の活性層58及び前記第2の活性層58は、 GaN InGaN AlGaN 、又は AlGaInN からなることを特徴とする。
また、上記光半導体装置等において、前記第1の障壁層56、前記第2の障壁層60、前記第1の半導体層56、及び前記第2の半導体層60は、 GaN InGaN AlGaN 、又は AlGaInN からなることを特徴とする。
【0034】
次に、上記した発明の作用を説明する。本発明では、基板の主面を選ぶことによって、その基板の上に形成されるAl x Ga 1-x-y In y N からなる活性層のc軸がその半導体層の面に対して垂直でなくなるようにしている。したがって、その基板の上に形成されるAl x Ga 1-x-y In y N からなる活性層に、面方向の圧縮歪又は引張歪をかけると、その活性層は3軸異方性を持つようになる。この結果、活性層の価電子帯での縮退が解け、そのような活性層を有する半導体レーザの発振の閾値電流が低下する。
【0035】
このような構造によれば、化合物半導体層による発光の偏光面(光学的異方性)が一義的に決定できる。
また、基板の上にそのような活性層などを成長して面発光半導体レーザを形成すると、活性層の面内異方性が大きくなって電場ベクトルが一方向に定められるため、偏光が決定できる。
【0036】
このように、面発光半導体レーザの発振光の偏光面が一義的に定まると、光磁気ディスク装置の光源としての使用が可能になるとともに、面発光半導体レーザと同一基板に受光素子を製造することが容易になる。これにより、従来行っていた半導体レーザと受光素子の取付け作業が不要になるとともに、受発光装置の小型化がさらに進むことになる。
【0037】
なお、基板としては、GaNのようなウルツ鉱型構造、LiAlO2のような四方晶、サファイア、6H−SiCのような六方晶の結晶を用いる。ところで、発光ダイオードを構成するウルツ鉱型化合物半導体結晶のc軸方向が、光の放出方向とほぼ直交するようにすると、偏光方向が定まる。そこで、そのような発光ダイオードを表示装置の表示面に複数個配置し、1つの発光ダイオードによって画素の一部又は全部を構成するようにするととともに、隣接する発光ダイオードの偏光方向を互いに90度相違させる。これにより、右目偏光方向用の発光ダイオードと左目偏光用の発光ダイオードを隣接することができ、立体表示装置で偏向子を省略して部品点数を減らし、製造コストを低減できる。しかも、そのような表示装置は画像が明るくなる。
【0038】
【発明の実施の形態】
そこで、以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
(第1実施形態)
図1(a) 及び(b) は、本発明の第一実施形態の構成図である。
図1(a) 及び(b) に示す半導体レーザにおいて、一軸異方性結晶構造を有する第一の半導体層1を発光部とし、この第一の半導体層1の異方性を示す軸に垂直でない面内で歪みを加えて3軸異方性を持たせている。
【0039】
このように、異方性を示す軸(即ち、c軸)に対して垂直とならない面内で歪みを加えると、加わる歪みは各方位において等方的において三軸異方性を示すことになる。この結果、価電子帯におけるHHとLHの縮退が解け、レーザ発振のための閾値電流密度が低減する。
即ち、図1(b) に示すように、エネルギー的に最上位にあったHHとLHのバンドの縮退が解け、LHとHHとCH(crystalline field split hole)の各バンドの相互間にエネルギー差が生じるので、レーザ発振のためにはHHにのみキャリアを遷移させればよく、閾値電流密度が大きくなる。このとき、トップバンドの分極で決定される電場ベクトルの向きに垂直に共振器を作製する。
【0040】
これに対して、従来技術で説明したように、c軸に垂直なGaInN 層の(0001)面内で圧縮応力がかかった活性層を有する半導体レーザでは、レーザ発振させるために、HH、LHの2つのバンドの双方をキャリアで満たす必要があり、閾値電流密度が高くなる。
図1(a) において、第一の半導体層1とは異なる格子定数を有する第二及び第三の半導体2、3によって第一の半導体層1が挟まれ、しかも、それらの層の界面が第一の半導体層1の異方性を示す軸に垂直でないようにする。
【0041】
この様に、第一の半導体層1よりなる発光部の主面をc軸に垂直でない面で構成し、この第一の半導体層1とは格子定数の異なる第二の半導体2及び第三の半導体層3で第一の半導体層1を挟むと、それらの格子定数の差に基づいて、c軸に垂直でない面内に歪み加わり、発光部に三軸異方性を持たせることができる。
次に、第1〜第3の半導体層1、2、3についての材料、結晶格子定数について説明する。
【0042】
上記した第一の半導体層1を構成する材料として、例えばAIx Ga1-x-y Iny N (但し、0≦x≦1、0≦y≦1)を用いる。そのようなウルツ鉱型の窒化物半導体は、一軸異方性を有する発光素子用半導体材料として最も典型的且つ有用なものである。
また、第二の半導体層2を構成する材料としてAlu Ga1-u-v Inv N (但し、0≦u≦1、0≦v≦1)を採用し、且つ、第三の半導体層3を構成する材料としてAlw Ga1-w-z Inz N (但し、0≦w≦1、0≦z≦1)を採用する。第二の半導体層2及び第三の半導体層3として、同じGaN 系材料からなる第一の半導体層1とは混晶比の異なるGaN 系半導体を用いることによって、結晶性を損なうことなく第一の半導体層1に対して応力を加えることができる。第二の半導体層2と第三の半導体層3の混晶比は同じであっても良い。
【0043】
さらに、第一の半導体層1のa軸の格子定数a1 と、第二の半導体層2及び第三の半導体層3のa軸の格子定数a2 ,a3 とが、a1 <a2 、a1 <a3 の関係を満たすようにする。加えて、第一の半導体層1のc軸の格子定数c1 と、第二の半導体層2及び第三の半導体層3のc軸の格子定数c2 ,c3 とが、c1 <c2 、c1 <c3 の関係を満たすようにする。
【0044】
このような格子定数の関係にすると、第一の半導体層1に面内二軸性引張応力を加えることができ、それによってバンドの縮退を解いて閾値電流密度を低減することができる。この場合には、圧縮応力に比べて価電子帯のエネルギー的に一番高いバンドと二番目のバンドとのエネルギー差が大きくなり(図14参照)、且つトップバンドがLHとなるため、閾値電流密度がさらに低減する。
【0045】
これに対して、第一の半導体層1のa軸の格子定数a1 と、第二の半導体層2及び第三の半導体層3のa軸格子定数a2 ,a3 とが、a1 >a2 、a1 >a3 の関係を満たすようにする。かつ、第一の半導体層1のc軸の格子定数c1 と、第二の半導体層2及び第三の半導体層3のc軸の格子定数c2 ,c3 とが、c1 >c2 、c1 >c3 の関係を満たすようにする。
【0046】
このような格子定数の関係にすると、第一の半導体層1の面内に圧縮応力(歪)を加えることができ、それによってHH,LHバンドの縮退を解いて閾値電流密度を低減することができるとともにに、引張応力になる場合に比べてクラックの発生の心配がなくなるので、信頼性がより高められる。
また、第二の半導体層2及び第三の半導体層3のエネルギーバンドギャップが、第一の半導体層1のエネルギーギャッブよりも大きいような材料と膜厚を選択する。このようなエネルギーバンドギャップの関係を設定することによって、光及びキャリアを第一の半導体層1に閉じ込められ、効率よい発光が得られる。
【0047】
また、半導体レーザを構成する基板の構成材料として、GaN 、AIN 、或いは、SiC のいずれかから形成されたものを選択する。半導体レーザを構成する半導体基板として、一軸異方性結晶構造のGaN 、AIN 、或いは、SiC のいずれかからなる基板を用いた場合、その主面を適当に選択することによって、基板上に成長した第一の半導体層1に歪みを加えたときに第一の半導体層1に三軸異方性をもたせることができる。
【0048】
半導体レーザを構成する基板上に最初に設けた半導体層を、基板と同じ組成にする。例えばGaN 系の混晶基板を用い、同じ組成のクラッド層を基坂上に直接設ける。これによって、クラッド層上で発光部を構成する第一の半導体層1に対して効果的に歪みを加えることができる。
次に、上記した基板の面方位について説明する。
【0049】
半導体レーザを構成する半導体基板の主面を、{1−100}面または{11−20}面のいずれかからオフ角θ(但し、0°≦θ≦10°)だけオフさせた面に形成する。なお、本明細書においては、通常“1バー" 或いは“2バー" で表される指数を便宜的に、“−1 "或いは“−2" 等で表記する。
半導体レーザを構成する基板として一軸異方性結晶構造を有する半導体を用いた場合、その主面を{1−100}面又は{11−20}面にすることによって、基板上方の第一の半導体層1に歪みを加えて三軸異方性をもたせることができる。この場合、図1(c) に示すように、双晶等の発生を抑制するためにオフ角θ(但し、0°≦θ≦10°)だけ主面をオフしても良い。
【0050】
また、半導体レーザの共振器を構成する劈開面を、{0001}面、{1−100)面、及び、{11−20}面のいずれかにする。
基板の主面として{1−100}面を用いた場合には、{0001}面、{11−20}面のいずれかが基板の主面に対して垂直な劈開面となる。また、基板の主面として{11−20}面を用いた場合には、{0001}面、{1−100}面のいずれかが基板の主面に対して垂直な劈開面となる。この場合、第一の半導体層1の2つの劈開面によって共振器が構成される。
【0051】
さらに、半導体レーザを構成する半導体基板の主面を{0001}面とすると共に、その基板の表面に{0001}面以外の小面を設け、この小面上に設けた第一の半導体層1を発光部(活性層)とした。その小面は、半導体基板の{0001}面に対して傾斜する面をも含む概念である。
このように、三軸異方性を持たせるための{0001}面以外の小面を、基板の一部に設けても良いものであり、その小面によって、例えばTS(Terraced Substrate)型半導体レーザ等の一部を構成できる。
【0052】
小面を、{1−100}面、或いは{11−20}面のいずれかと垂直な面とし、この垂直な面を共振器を構成する劈開面としてもよい。
この場合にも、小面に垂直な{1−100}面又は{11−20}面を劈開面とすることによって、2つの劈開面によって共振器を構成することができる。
次に、上記した光半導体装置の構造とその製造方法を具体的に説明する。
【0053】
第1例
まず、図2(a) に示すように、(1−100)面を主面とするn型GaN (1−100)基板11上に、TMGa(トリメチルガリウム)を10〜100μmol /分、例えば、45μmol /分、TMA1(トリメチルアルミニウム)を10〜100μmol /分、例えば、45μmol /分、アンモニア(NH3)を0. 02〜0.2mol /分、例えば、0.1mol /分、Si2 6 を0. 0001〜0. 002μmol /分、例えば、0. 0007μmol /分、及び、キャリアガスとしての水素を300〜3000sccm、例えば、1000sccm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、100〜5000nm、好適には2000nmのn型Al0.1Ga0.9N クラッド層12を成長させる。
【0054】
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、Si2H6 を0. 0001〜0. 002μmol /分、例えば、0. 0007μmol /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50〜500nm、好適には100nmのn型GaN 光ガイド層13を成長させる。
【0055】
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、100μmo l/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窒素を300〜3000sccm、例えば、1000sccmを流し、成長圧力を70〜760Torr、例えば、100 Torr とし、成長温度を550〜800℃、例えば、650℃とした状態で、厚さ1〜20nm、好適には3nmのGa0.9In0.1N 活性層14を成長させる。
【0056】
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、ビスシクロベ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50〜500nm、好適には100nmのp型GaN 光ガイド層15を成長させる。
【0057】
引き続いて、TMGaを10〜100μmol /分、例えば、45μmol /分、TMAlを10〜100μmol /分、例えば、45μmol /分、アンモニアを0. 02〜0. 2mo l/分、例えば、01mol /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水素を300〜3000sccm、例えば、1000sccm流し、成長圧力を70〜760Torr、例えば、100 Torr とし、成長温度を850〜1100 ℃、例えば、950℃とした状態で、100〜2000nm、好適には500nmのp型Al0.1Ga0.9 N クラッド層16を成長させる。
【0058】
なお、この場合のAl0.1 Ga0.9 N クラッド層12, 16の成長速度は0. 6〜5. 5μm/時、典型的には2. 6μm/時であり、また、GaN 光ガイド層13, 15の成長速度は0. 5〜5. 2μm/時、典型的には2. 4μm/時であり、さらに、Ga0.9In0.1N 活性層14の成長速度は0. 1〜1. 5μm/時、典型的には0. 6μm/時である。
【0059】
次いで、n型GaN (1−100)基板11の裏面にn側電極としてのTi/Au電極17を設け、一方、p型Al0.1Ga0.9 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、適当に素子分離したのち、(0001)面で劈開して共振器を形成して半導体レーザが完成する。
この場合、(0001)面は基板の主面である(1−100)面に対して垂直であるので、一対の劈開面が共振器として作用することになる。
【0060】
この第一の例においては、基板として(1−100)面を用いているので、その上に成長するn型Al0.1Ga0.9N クラッド層12乃至p型Al0.1Ga0.9 N クラッド層16の成長面も(1−100)面となり、Ga0.9 In0.1N活性層14はn型GaN 光ガイド層13との格子定数の差により、(1−100)面内において圧縮応力を受けるため、3軸異方性となる。
【0061】
即ち、第一の例における面内の原子間隔は、n型Al0.1Ga0.9N クラッド層12のa軸及びc軸の格子定数3. 189Å及び5. 185Åで規定されるため、a軸及びc軸の格子定数が3. 225Å及び5. 243ÅであるGa0.9In0.1N 活性層14には圧縮応力が加わり、3軸異方性となる。
なお、Ga0.9In0.1N 、GaN 、及び、Al0.1Ga0.9N のエネルギーバンドギャップは、それぞれ3. 15eV、3. 4eV、及び3. 7eVである。
【0062】
この様なGaN 系半導体に面内圧縮応力が印加された場合、図2(b) に示すように、エネルギー的に最上位にあり縮退していたHHとLHのバンドの縮退がとけて分離し、LHが最上位になり、このLH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、閾値電流密度が大きく低減する。
この第一の例においては、基板として(1−100)面を主面とする GaN (1−100)基板11を用いているが、(11−20)面を主面とする GaN 基板を用いても良く、更に、(1−100)面、或いは(11−20)面を主面とするAlN 基板或いはSiC 基板を用いても良く、且つ、この主面については(1−100)面或いは(11−20)面と結晶学的に等価な全ての面を含むものであり、本実施形態の以下の例等においても同様である。
【0063】
なお、半導体レーザの活性層、クラッド層が形成される基板として、GaN 以外にAlN 、SiC その他の基板を用いてもよい。例えば、図2(a) に示した素子構造におけるGaN 基板をAlN 基板に置き換え、その上に図2(a) と同じ構造を設ければ良く、また、SiC 基板を用いる場合には、n型SiC 基坂上に厚さ5〜100nm、例えば、20nmのn型AlN バッファ層を介してその上に図2(a) と同じ構造を設ければ良い。
【0064】
なお、図3に示すように、AlN 基板11aの抵抗が高いと思われる場合には、AlGaN クラッド層12の一部に電極17aを接続した構造を採用する。AlN バッファ層を使用する場合にも同様である。これらは、以下の例でも同様に採用してもよい。
なお、本実施形態及び以下の実施形態では、図2(c) に示すように、活性層のエネルギーバンドギャップは、クラッド層、後述するガイド層、後述する光閉じ込め層のエネルギーバンドギャップよりも小さい。
【0065】
第2例
次に、図4を参照して本実施形態の第2例を説明する。
まず、図4(a) に示すように、(1−100)面を主面とするn型GaN (1−100)基板21上に、TMGaを2. 5〜25μmol /分、例えば、10μmol /分、TMAlを30〜300μmol /分、例えば、150μmol /分、TMInを250〜2500μmol /分、例えば、1000μmol /分、アンモニアを0. 02〜0. 2mol /分、例えば、01mol /分、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窒素を300〜3000sccm、例えば、1000sccm流し、成長圧力を70〜760Torr、例えば、100Torrとし、成長温度を550〜900℃、例えば、700℃とした状態で、100〜5000nm、好適には2000nmのn型Al0.4 Ga0.3 In0.3Nクラッド層22を成長させる。
【0066】
引き続いて、TMGaを5〜50μmol /分、例えば、20μmol /分、TMAlを10〜100μmo l/分、例えば、50μmol /分、TMInを150〜1500μmol /分、例えば、660μmol /分、アンモニアを0. 02〜0. 2mol /分、例えば、0.1mol /分、Si2H6 を0. 0001〜0. 002μmol /分、例えば、0. 0007μmol /分、及び、キャリアガスとしての窒素を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550〜900℃、例えば、700℃とした状態で、厚さ50〜500nm、好適には100nmのn型Al0.15Ga0.65In0.2N光ガイド層23を成長させる。
【0067】
引き続いて、TMGaを2. 5〜25μmol /分、例えば、10μmmol /分、TMInを25〜250μmol /分、例えば、100μmol /分、アンモニアを0. 02〜0. 2mol /分、例えば、01mol /分、及び、キャリアガスとしての窒素を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550〜900℃、例えば、700℃とした状態で、厚さ1〜20nm、好適には3nmのGa0.9In0.1N 活性層24を成長させる。
【0068】
引き続いて、TMGaを5〜50μmol /分、例えば、20μmol /分、TMAlを10〜100μmol /分、例えば、50μmol /分、TMInを150〜1500μmol /分、例えば、660μmol /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窒素を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550〜900℃、例えば、700℃とした状態で、厚さ50〜500nm、好適には100nmのp型Al0.15Ga0.65In0.2N光ガイド層25を成長させる。
【0069】
引き続いて、TMGaを2. 5〜25μmol /分、例えば、10μmol /分、TMAlを30〜300μmol /分、例えば、150μmol /分、TMInを250〜2500μmol /分、例えば、1000μmol /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. 05ひmol /分、及び、キャリアガスとしての窒素を300〜3000sccm、例えば、1000sccm流し、成長圧力を70〜760Torr、例えば、100Torrとし、成長温度を550〜900℃、例えば、700℃とした状態で、100〜2000nm、好適には500nmのp型Al0.4Ga0.3In0.3Nクラッド層26を成長させる。
【0070】
なお、この場合のAl0.4Ga0.3In0.3N クラッド層22, 26の成長速度は0. 2〜3. 0μm/時、典型的には1. 2μm /時であり、また、Al0.15Ga0.65In0,.2N 光ガイド層23, 25の成長速度は0. 3〜5. 0μm/時、典型的には1. 8μm/時であり、さらに、Ga0.9 In0.1N活性層14の成長速度は0. 1〜1. 5μm/時、典型的には0. 6μm/時である。
【0071】
次いで、表面が(1−100)面のn型GaN 基板21の裏面にn側電極としてTi/Au電極27を設け、一方、p型Al0.4Ga0.3In0.3N クラッド層26上にはp側電極としてNi/Au電極28を設け、適当に素子分離したのち、(0001)面で劈開して共振器を形成して半導体レーザが完成する。
この第二の例においては、基板として(1−100)面を用いているので、その上に成長するn型Al0.4Ga0.3In0.3N クラッド層22乃至p型Al0.4Ga0.3In0.3N クラッド層26の成長面も(1−100)面となり、Ga0.9 In0.1N活性層24は引張応力を受けるため、3軸異方性となる。
【0072】
即ち、第二の例における面内の原子間隔は、n型Al0.4Ga0.3In0.3N クラッド層22のa軸及びc軸の格子定数、3. 266Å及び5. 276Åで規定されるため、a軸及びc軸の格子定数が3. 225Å及び5. 243ÅであるGa0.9In0.1N 活性層24には引張応力が加わり、3軸異方性となる。
なお、Ga0.9In0.1N 、Al0.15Ga0.65In0.2N、及び、Al0.4Ga0.3In0.3N のエネルギーバンドギャップは、それぞれ3. 15eV、3. 4eV及び3. 6eVである。
【0073】
このように、GaN 系半導体に面内引張応力が印加された場合、図4(b) に示すように、エネルギー的に最上位にあり縮退していたHHとLHのバンドの縮退が解けて分離し、HHが最上位になると共に、LHとHHとのエネルギー差をより大きくとることができるので、閾値電流密度をさらに低減することができる。
このように、閾値電流密度の低減に関しては、成長面内の二軸性圧縮応力による図2(b) の価電子帯のバンド構造より、面内の二軸性引張応力による図4(b) の価電子帯のバンド構造の方が1番上と2番目のバンド間のエネルギー差を大きく取ることができるので望ましいが、引張応力の場合には、活性層にクラックが発生する可能性が高くなるので、素子寿命の観点からは圧縮応力の方が望ましいことになる。
【0074】
なお、この第二の例においても、AlN 基板を用いる場合には、図4(a) に示した素子構造におけるGaN 基板をAlN 基仮に置き換え、その上に図4(a) と同じ構造を設ければ良く、また、SiC 基板を用いる場合には、n型SiC 基板上に厚さ5〜100nm、例えば、20nmのAlN バッファ層を介してその上に図4(a) と同じ構造を設ければ良い。
【0075】
第3例
次に、図5を参照して、本実施形態の第3の例について説明するが、製造条件は第1例と全く同じであるので、構造について説明する。
図5に斜視図を示す素子は所謂TS型半導体レーザであり、基板として(0001)面を主面とするGaN 基板の段差部に(11−21)面からなる(11−21)小面32を設けたn型GaN (0001)基板31を用いたものである。 このn型GaN (0001)基板31の上に、第一の例と全く同ようにn型Al0.1Ga0.9Nクラッド層12、n型GaN 光ガイド層13、Ga0.9In0.1N 活性層14、p型GaN 光ガイド層15、及び、p型Al0.1 Ga0.9Nクラッド層16を順次成長させる。
【0076】
次いで、Ti/Au電極17、及び、SiO2等の絶縁膜33に設けた開口を介してNi/Au電極18を設けて適当に素子分離したのち、(1−100)面で劈開することにより、一対の(1−100)劈開面34を共振器とするTS型半導体レーザが完成する。
この場合、基板の主面は(0001)面でc軸に垂直な面であるが、実際に発光部、即ち、レーザ発振部となるのは(11−21)面に平行な面であり、この(11−21)面内において圧縮応力が印加され3軸異方性となり、図2(b) のように縮退が解けるので閾値電流密度が低下するが、応力が加わるのが(11−21)小面32であるので、第一の例に比べて応力の影響が小さくなり、閾値電流密度低減の効果は劣ることになる。
【0077】
なお、この場合の小面は(11−21)小面32に限られるものでない。
また、この第3の例においても、基板はGaN 、LiAlO3に限られるものでなく、AlN 或いはSiC を用いても良く、基板の材料を変えることに伴う構成の変更は第一の例における置き換えの場合と同ようであり、且つ、第二の例と同ような組成の半導体を用いた場合には、第二の例と同ように、活性層には引張応力がかかることになる。
【0078】
第4例
上記の第1〜第3の例においては基板として2元化合物基板を用いて説明しているが、Al0.1Ga0.9N或いはAl0.4Ga0.3In0.3N 等の混晶基板を用いても良い。その場合には、その上に形成されるAl0.1Ga0.9Nクラッド層又はAl0.4Ga0.3In0.3N クラッド層との格子整合が完全に取れるので、成長層の結晶性を損なうことがない。
【0079】
その他の半導体レーザの形成に用いる基板としては、図6(a) に示すように、正方晶を有するLiAlO2基板35を使用してもよく、その例を以下に説明する。なお、LiAlO2は、リチウムアルミネートと呼ばれる。
そこで次に、LiAlO2基板35を用いて半導体レーザを形成する工程について説明する。
【0080】
LiAlO2基板35の主面は、{100}面又は{100}面から所定の角度、例えば±5度の範囲内でオフしたものを用いる。
まず、イソプロピルアルコール、エチルアルコールのような有機洗浄剤を用いてLiAlO2基板35の表面を洗浄する。
次に、有機金属気相成長装置(不図示)の成長炉内のサセプタ上にLiAlO2基板35を載置する。その後に、LiAlO2基板35の周囲の雰囲気を窒素で置換しながら、その雰囲気の圧力を100Torrまでに減圧する。
【0081】
続いて、後述する成長温度よりも50度高い温度でLiAlO2基板35を加熱し、これによりLiAlO2基板35表面の元素を昇華させてサーマルクリーニングを行う。
その後に、LiAlO2基板35を例えば800〜1050℃の成長温度まで下げ、ついで、成長雰囲気にTMGaガス、アンモニアガス、Si2H6 ガスを導入する。TMGaは、恒温槽において窒素ガスを用いてバブリングしてガス状にされたものであり、その窒素ガスはキャリアガスとして用いられている。また、Si2H6 のうちのSi元素はn型のドーパントとして機能する。
【0082】
TMGaガスの流量は、10〜100μmol /min の範囲内に設定する。また、アンモニアガスの流量は2×104 〜2×105 μmol /min の範囲内とする。さらに、窒素ガスは、0.3〜3.0μmol /min の範囲内に設定する。
この場合、TMGaガスの流量を45μmol /min 、アンモニアガスの流量を1×105 μmol /min 、窒素ガスの流量を1.0μmol /min に設定して、さらに、成長温度を930℃に設定すると、LiAlO2基板上のGaN の成長速度は2.4μm/hとなる。なお、上記したガス流量、成長温度の範囲内での条件によれば、GaN の成長速度は、0.5〜5.2μm/hとなる。
【0083】
そのような条件によってLiAlO2基板35の上に、膜厚が例えば5〜100nmのn型のGaN バッファ層36を成長する。
続いて、第1例と同ような条件でn型Al0.1Ga0.9N クラッド層12、GaN 光ガイド層13、Ga0.9In0.1N 活性層14、p型GaN 光ガイド層15、p型Al0.1Ga0.9N クラッド層16を順に形成する。なお、p型のドーパントとして、マグネシウム(Mg)を用いる。
【0084】
それらの層の形成条件、膜厚、原料ガスは、第1例と同じにする。
次に、LiAlO2基板35を成長炉から取り出した後に、n型Al0.1Ga0.9N クラッド層12の一部を露出させて、そのn型Al0.1Ga0.9N クラッド層12の一部にn側電極としてTi/Au電極37を形成し、さらに、p型Al0.1Ga0.9N クラッド層16上にはp側電極としてTi/Au電極18を形成する。そして、LiAlO2基板35とその上の層36,12〜16及び電極を適当に素子分離して半導体レーザを完成させる。
【0085】
ところで、図7に示すように、正方晶のLiAlO2基板35の{100}面上に六方晶のGaN を成長すると、LiAlO2のa軸とGaN のc軸は平行になり、LiAlO2のc軸とGaN のa軸は平行になる。
この結果、LiAlO2基板35の{100}面上では、GaN が(1−100)面を上にして成長することになるので、Al0.1Ga0.9N クラッド層12の下地面はGaN 層36の(1−100)面となる。
【0086】
したがって、第1例と同ように、Al0.1Ga0.9N クラッド層12、GaN 光ガイド層13、Ga0.9In0.1N 活性層14、p型GaN 光ガイド層15、p型Al0.1Ga0.9N クラッド層16の成長面も(1−100)面となり、Ga0.9In0.1N 活性層14はn型GaN 光ガイド層13との格子定数の差により、(1−100)面内においては圧縮応力を受けるために、第1例と同ように3軸異方性を有することになる。
【0087】
また、図7に示すように、正方晶のLiAlO2のa軸方向の原子間距離L1 は5.1687Å、正方晶のLiAlO2のc軸方向の原子間距離L2 は6.2679Åの正方晶であり、また、六方晶のGaN のa軸方向の原子間距離L3 は3.189Åであり、六方晶のGaN のc軸方向の原子間距離L4 は5.185Åである。
したがって、各原子間距離、a軸、c軸の方向を考え併せると、GaN バッファ層とLiAlO2基板の相互の格子不整合は次のようになる。
【0088】
GaN バッファ層36のc軸方向において、GaN バッファ層36とLiAlO2基板35の格子不整合は、次式(1)のように小さい。
(cGaN −aLiAlO2)/aLiAlO2 = 3.2×10-3 …(1)
ただし、cGaN はGaN のc軸方向の原子間距離、aLiAlO2はLiAlO2のa軸方向の原子間距離である。
【0089】
また、GaN バッファ層のa軸方向において、GaN バッファ層とLiAlO2基板の格子不整合は、次式(2)のように小さい。
(2×aGaN −cLiAlO2)/cLiAlO2 = 1.8×10-3 …(2)
ただし、aGaN はGaN のa軸方向の原子間距離、cLiAlO2はLiAlO2のc軸方向の原子間距離である。
【0090】
このようにLiAlO2基板35とGaN 層36との格子不整合が小さいと、{100}面か又はその面から0〜5度オフした面のいずれかをLiAlO2基板35の主面となし、その主面の上にGaN 層36を形成すると、GaN 層36は熱膨張によるクラックが生じにくくなる。
この場合、GaN 層36のc軸は、LiAlO2基板35の主面から0〜5度傾斜することになり、GaN 層36ではc軸に垂直でない面内に歪みがかかることになる。この結果、GaN 層36にかかる歪みは3軸異方性を示すことになり、これによってエネルギーバンド構造の価電子帯におけるHHとLHの2重の縮退が解けて、半導体レーザの閾値電流密度が低下する。
【0091】
また、そのような(1−100)面成長した単結晶のGaN 層をX線照射の回折の強度分布を示すロッキングカーブを測定すると、図8に示すように、半値幅にして200〜500秒(″)の結晶性の良い膜が得られる。
以上の説明では、LiAlO2基板上にGaN 膜を形成することについて説明したが、図6(b) に示すように、LiAlO2基板35の上にAlx Ga1-x-y Iny N 層を直に形成する場合についても同ような結晶構造となる。即ち、{100}面又は{100}面から0又は0〜5度オフした面をLiAlO2基板35の主面となし、その主面の上に第2例と同様に、n型Al0.4Ga0.3In0.3Nクラッド層12、n型Al0.15Ga0.65In0.2N光ガイド層13、Ga0.9 In0.1N活性層14、p型Al0.15Ga0.65In0.2N光ガイド層115、n型Al0.4Ga0.3In0.3Nクラッド層16を順に形成し、それらの層から半導体レーザを構成してもよい。この場合の成長条件、膜厚などは、上記した第2例と同じにする。
【0092】
ところで、Alx Ga1-x-y Iny N (0≦x≦1、0≦y≦1)のa軸方向の原子間距離La1の式(11)で示され、LiAlO2のc軸方向の原子間距離La2は式(12)で示され、Alx Ga1-x-y Iny N のa軸方向とLiAlO2のc軸方向は平行である。また、Alx Ga1-x-y Iny N のc軸方向の原子間距離Lc1の式(13)で示され、GaN のa軸方向の原子間距離Lc2は式(14)で示され、Alx Ga1-x-y Iny N のc軸方向とLiAlO2のa軸方向は平行である。
【0093】
La1=xaAlN +aGaN −xaGaN −yaGaN +yaInN …(11)
La2=cLiAlO2 …(12)
Lc1=xcAlN +cGaN −xcGaN −ycGaN +ycInN …(13)
Lc2=aLiAlO2 …(14)
それらの式では、aAlN はAlN のa軸方向の原子間距離、aGaN はGaN のa軸方向の原子間距離、aInN はInN のa軸方向の原子間距離、cLiAlO2はLiAlO2のc軸方向の原子間距離であり、また、cAlN はAlN のc軸方向の原子間距離、cGaN はGaN のc軸方向の原子間距離、cInN はInN のc軸方向の原子間距離、aLiAlO2はLiAlO2のa軸方向の原子間距離である。
【0094】
また、Alx Ga1-x-y Iny N の組成比x,yについて、格子不整合が2×10-2%となる条件の式(15)〜(18)を求め、これをx,y座標に描いたところ、式(15)〜(18)の条件を満たすx,yは、図9の斜線で示した領域となり、その斜線で示したxとyの組成比を選択すると結晶性が良くて熱膨張などによるクラックが結晶に生じにくくなる。なお、式(15)は、x≦1ではyが負となるので、図9において表されていない。
【0095】
【数1】

Figure 0003816176
【0096】
(その他の例)
記の第1〜第3の例においては、基板の主面として(1−100)面、或いは、(11−21)面等のジャスト面を用いているが、双晶等を抑制するために、(1−100)面、或いは、(11−21)面をオフ角θ(0°≦θ≦10°)の範囲内でオフした基板を用いても良い。
【0097】
さらに、上記の例においては、活性層としてGa0.9In0.1N 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。
【0098】
上記の例においては光ガイド層を用いているが、必ずしも必要なものでなく、クラッド層と活性層とによって直接へテロ接合を形成しても良く、さらに、光ガイド層及びクラッド層は必ずしも上下対称的にする必要はなく、互いに混晶比の異なるAla Ga1-a-b Inb N を用いても良いものである。
また、上記した例に用いた原料も上記の原料に限られるものではなく、有機金属原料はメチル系に代えてエチル系、即ち、TEGa(トリエチルガリウム)、TEAl(トリエチルアルミニウム)、及び、TEIn(トリエチルインジウム)を用いても良く、さらに、窒素(N)源としてもアンモニアの代わりに、N2H4、( CH3)3CNH2 、C2H5N3、或いは、CH3NH ・NH2 を用いても良い。
【0099】
さらに、不純物原料も、n型用としてはSi2H6 の代わりに、SiH4或いはCH3SiH3 を用いても良く、また、p型用としてはビスシクロペンタジエニルマグネシウム〔(C5H5)2Mg 〕の代わりに、(CH3C5H4)2 Mg、(C5H5C5H4)2Mg 、(i-C3H7C5H4)2Mg、或いは、(n-C3H7C5H4)2を用いても良い。
(第2実施形態)
図10は本実施形態の面発光半導体レーザの基本構造を示す斜視図である。図11は本発明の活性層の結晶方位を表す図であり、図10に表された半導体レーザの活性層の結晶方位と座標軸との関係を表している。
【0100】
本発明の第一の構成では、図10を参照して、基板41の上方に形成された活性層42は、その面内にc軸を有する六方晶の半導体層から構成される。即ち、図10及び図11に示すように、活性層42の主面内にxz平面を活性層42の垂直方向にy軸をとるとき、活性層42を構成する六方晶半導体結晶のc軸の方向、即ち<0001>方向を、活性層42面内にあるz軸に向けて配置する。
【0101】
このように活性層42の面内にc軸を含むようにすることにより、以下に説明するように発振光の偏光面が規定される。なお、x及びy軸方位の結晶方位はとくに制限されないが、例えば、<11−20>方向を活性層42の面内にあるx軸に、かつ<1−100>方位を活性層2の膜厚方向にあるy軸とすることができる。
【0102】
以下、本実施形態において発振光の偏光面が規定される理由を説明する。
初めに活性層内に歪がない場合について説明する。図12はGaN のエネルギバンド構造図であり、六方晶半導体のバンド構造を表している。図12に示すように、GaN の価電子帯VBは、電子の波動ベクトルk=0の近傍で、HH、CH及びLHの3つのバンドが禁止帯の底の近くに存在する。
【0103】
ここで、GaN 中に歪が無い場合、波動ベクトルk=0において、最もエネルギが高い価電子帯のバンドをHHバンドと、次にエネルギが高いものをLHバンドと、最低のエネルギのものをCHバンドとしている。なお、これらのHH、LH、CHバンドは結晶のc軸方向をXYZ3軸直交座標のZ軸にとるとき、c軸に垂直な方向に分極を有する2つのp軌道関数px 及びpy と、c軸方向に分極を有する軌道関数pz とを用いて次のように表される。
【0104】
HHバンド; (px +py )/√2
LHバンド; (px −py )/√2
CHバンド; pz
このうちHHバンドが最も禁止帯の底に近いため、伝導帯CBから価電子帯VBへの自然放出はHHバンドへの発光遷移が優先する。このHHバンドはp軌道の結合状態からなり、c軸廻りに対称である。このため、GaN の自然放出に伴う発光は、c軸に垂直に電場が振動する偏光状態を有する。また、かかる偏光を生ずる遷移確率は、振動方位のc軸廻りの回転に対して等価である。なお、上述の説明はGaN についてしたが、六方晶半導体結晶についても同ようである。なお、閃亜鉛鉱型半導体結晶では、三軸等方であるため光学特性は等方的である。
【0105】
従来の垂直共振器を有する面発光半導体レーザでは、図26に示すように、活性層102はc軸104に垂直に形成されるから、発振光はc軸104に沿って進行する。このため発振光の偏光面はc面となり、電場はc軸104に垂直に振動する。その結果、上述した自然放出光の偏光のc軸廻りの対称性から、XY面内の何れの方向に振動する発振光も同等に生ずる。従って、発振光の偏光面は固定されず、発振が不安定となる。
【0106】
他方、本実施形態では、図10に示すように、活性層42は面内にc軸を有するから、発振光の進行方向はc軸に垂直である。既述のようにHHがバンド端の場合に自然放出光の電場の振動方向はc軸に垂直であるから、発振光の電場の振動方向は、c軸と発振光の進行方向との両方位に垂直な方向、即ち、活性層面内に含まれかつc軸に垂直な方向に一義的に定まる。
【0107】
従って、本構成の面発光半導体レーザでは、活性層に垂直に進行する発振光の電場方向はc軸に垂直な方向に固定される。なお、面発光半導体レーザでは、共振器が膜厚方向にあるので、トップバンドによって決定される偏光方向(発光の電場ベクトルの方向)は、必ず活性層面内である必要がある。即ち、発光の電場ベクトルの向きを決定するトップバンドの分極は、活性層面内にある必要がある。
【0108】
次に、活性層のPL( フォトルミネッセンス) 発光波長とその偏光面方位について説明する。図13は、HHがバンド端の場合の本発明の活性層のPL発光特性を表す図であり、第一の構成の半導体レーザに用いられるc軸を面内に有するGaN 薄膜からなる活性層のPL発光強度の計算値を表している。図13中のパラメータは、PL光の偏光面の方位、即ち、活性層表面内での電場の振動方向とc軸とのなす角度θである。なお、以下の説明はGaN に限らず、六方晶半導体結晶についても同ように適用できる。
【0109】
図13に示すように、活性層のPL発光を偏光面、即ち電場の偏光面と波長とについて分光したとき、PL光の偏光面がc軸に直交する場合(図中の90°で示す) に、活性層のPL発光スペクトル強度は最大となる。この最大強度に対応する波長は約366nmであり、この波長は、図12に示すように、伝導帯CBから価電子帯VBのHHバンドへの推移による発光に対応している。他方、PL光の偏光面がc軸に平行な場合( 図中の0°で示す)、発光強度は小さく、そのスペクトルの極大の波長は略360nmと短くなる。これは、PL発光の偏光面をc軸に垂直な偏光面からc軸に平行な偏光面に変化することで、PL発光が、HHバンドへの遷移による発光からCHバンドへの遷移による発光に移行したことを示している。
【0110】
即ち、x軸方向へ分極するp軌道からなるHHバンドへの遷移は偏光面がc軸に垂直な光のみを放出するのに対し、CHバンドはz軸方向へ分極するp軌道からなるため、c軸に平行な偏光面を有する光の放出はCHバンドへの遷移により初めて可能となるからである。
また、本実施形態では、半導体層2のフォトルミネッセンス光の偏光面及び波長をフォトルミネッセンス光強度が最大となるように選択した場合に、フォトルミネッセンス光の波長と、光共振器の共振波長とを合わせる。この波長の光の工ネルギは、電子のHHバンドへの遷移に伴う発光のフォトェネルギに等しい。従って、かかる波長で発振させることにより、発振光をHHバンドへの電子の遷移による発光のみに制限することができる。この場合、c軸に平行な偏光面を有するCHバンドへの遷移に伴う発光は混在できないから、発振光の偏光面の変動をー層確実に防止することができる。
【0111】
なお、その共振波長は、厳密に最大強度が得られる波長である必要はない。例えば、主としてHHバンドへの電子の遷移に伴う発光が起こり且つCHバンドへの遷移に伴う発光が少なく、しかもその結果、HHバンドへの電子の遷移による発振からCHバンドへの電子の遷移による発振へ発振モードが変動することを抑制できる程度に、最大強度に近い波長であればよい。
【0112】
次に活性層内に歪がある場合について説明する。
図14(a) 〜(e) は、GaN のエネルギバンドの歪依存性を表す図であり、歪みを有するGaN の価電子帯のエネルギーの計算値を表している。なお、図11を参照して、<0001>方向の歪をεz 、<11−20>方向の歪をεx 、及び<1−100>方位の歪をεy とし、それぞれの歪みの値は、圧縮歪の状態を負に、引張歪の状態を正として示されている。
【0113】
図14(a) は、εz =0とし、εx を変えた場合である。なお、εy は、yが成長方向のため拘束の無い状態である。即ち、結晶の<11−20>方向に一軸歪を加えたときの価電子帯のエネルギの変化を計算した結果である。同ように、図14(b) は、εz に0. 5%の引張歪を付加し、さらにεx を加えた場合である。また、図14(c) 、(d) はそれぞれεz に0. 5%及び1. 0%の圧縮歪を付加し、さらにεx を加えた場合である。なお、εy の拘束は無い状態である。
【0114】
図14(a) 〜(c) を参照して、歪εx が圧縮でεz が1.0%以上の圧縮の場合は、p軌道からなるX又はZブランチがエネルギーバンド構造の禁止帯の底(即ち、価電子帯の最上)に位置する価電子帯のバンドとなる。従って、伝導帯からの発光遷移はX又はZブランチへの遷移が優先的に起こり、その結果、Xが上の場合は上述した歪が無い場合の発光と同ように、c軸に垂直な偏光面を有する光のみが発振する。また、Zがバンド端の場合はc軸に平行な光が発振する。
【0115】
一方、図14(d) を参照して、歪εz が1%以上の圧縮歪を有し、かつεx が引張歪の場合は、X及びYブランチよりもZブランチの方がエネルギが高くなる。このため、伝導帯からの電子の遷移については、Zブランチへの推移が優先してc軸に平行な偏光面で発振する光が生じる。なお、前述したように面発光半導体レーザは、活性層に垂直に共振器があるため、電場ベクトルは活性層面内である必要がある。従って、電場ベクトルを決定するトップバンドの波動関数の分極が活性層面内にあることが必要となる。即ち、図11のような構造を作製するきには、Y方向が共振器となるため、Yがトップバンドでは発振しない。
【0116】
図14(e) は、εy を拘束の無い状態としたとき、εz =εx とした場合、言い換えれば<0001>と<11−20>を含む面内に面内二軸性歪を与えた場合の価電子帯のエネルギバンドの計算値である。面内圧縮歪に対して、Xが最もエネルギが高く、この場合はa軸方向に電場方向のある発振光が生ずる。なお、光の進行方向がYブランチの分極方向を向く場合は、CHバンドへの遷移に基づく発振が生ずる。
【0117】
上述のように、活性層に歪を有する場合は、発振光はc軸に垂直な偏光面を有する場合と、c軸に平行な偏光面を有する場合とが生ずる。しかし、いずれの場合も発振光の偏光面は光共振器の光軸と結晶軸方向により一義に定まるから、面発光半導体レーザの偏光面は予め規定されかつ偏光面は変動しない。
ところで、図10に示す構成において、活性層42としては、GaN 、lnGaN 若しくはAIGalnN を含む多重量子井戸層(MQW)、又は、GaN 、lnGaN 若しくはAIGalnN からなる単層のいずれかを選択する。
【0118】
また、図10に示した基板41として、(11−20)面を主面とするSiC 基板を用いてもよい。また、(1−100)面を主面とするSiC 基板、又は、(1−102)面を主面とするサファイア基板を用いてもよい。
さらに、その基板41の主面の上には、第一導電型の第一の障壁層47、活性層42、第二導電型の第二の障壁層48が順次成長され、それらによってダブルヘテロ接合構造が構成される。また、そのダブルヘテロ接合構造の上又は下に反射面を形成すると、第一の障壁層47、活性層42、第二の障壁層48を光共振器として構成することができる。第一及び第二の障壁層47、48の構成材料をAIGaN とし、さらに、活性層42をAIGaN 又はGaN 又はInGaN の単層、又は、そのような材料を含む多重量子井戸層から構成することにより、c軸が面内に存在するGaN 系半導体からなる活性層42を有する面発光半導体レーザが実現される。
【0119】
次に、本実施形態を図面に基づいてさらに説明する。
本出願の発明者は、活性層42のPL発光のスペクトルを測定することにより、PL発光の波長と偏光面との関係が、伝導帯からHHバンドへの遷移による発光と、伝導帯からCHバンドへの遷移による発光により説明できることを以下の実験により明らかにした。
【0120】
先ず、(1−100)面を主面とするSiC 基坂の上に、周知のMOVPE(有機金属気相エピタキシャル成長) 法を用いて、アンドープのGaN 薄膜を堆積し、そのフォトルミネッセンス光の偏光面方位及び波長に対するフォトルミネッセンス光強度を測定した。
図15及び図16にその結果を示す。図15は本実施形態の活性層42のPL発光スペクトルであり、図15中のAは電場ベクトルがc軸に垂直なフォトルミネッセンス光を、Bは電場ベクトルがc軸に平行なフォトルミネッセンス光を表している。図16は本発明の活性層のPL発光強度の偏光面依存性を表す図であり、偏光面を固定したときのPL発光の最大強度( 以下「ピーク強度」という。) が偏光面により変化するよう子を表している。なお、図16中のCは実験値を、Dは計算値を表している。
【0121】
図15を参照して、c軸に垂直な偏光面を有するフォトルミネッセンス光の強度Aは、366nm近傍に強い極大を有する。これに対して、c軸に平行な偏光面を有するフォトルミネッセンス光の強度Bは、より短波長の362nm近傍に弱い極大値を有する。これらの極大値が現れる波長及び極大の大きさは、図13に示す計算値と良く一致する。
【0122】
次に、図16に示すように、PL発光のピーク強度は、偏光面がc軸に垂直なとき最大となり、偏光面がc軸に平行なとき最少となる。この実験値Cは、計算値Dと良く一致する。このことは、図13の計算結果が実験をよく再現することを意味している。
図17は、本実施形態をさらに具体化した素子の断面図であり、その素子は、垂直共振器を有する面発光半導体レーザである。
【0123】
基板41, 例えば(11−20)面を主面とするSiC 基坂41の上に、MOVPE法を用いて、低温で成長する厚さ50nmのGaN バッファ層52、厚さ0. 5μmのn型GaN コンタクト層49、厚さ1μmのSiドープn 型Al0.1Ga0.9N 障壁層47, 厚さ0. 1μmのアンドープGaN 活性層42, 厚さ1μmのMgドープp型Al0.1Ga0.9N 障壁層48, 及びp型GaN コンタクト層51を下から順に成長する。
【0124】
続いて、厚さ30nmのSiO2膜と厚さ30nmのAl2O3 膜を交互に各20層ずつ贋層した多層膜を堆積し、この多層膜をフォトレジストリソグラフィーによりパターニングして平面形状が円又は方形のDBR鏡43を形成する。このDBR鏡43は、n型コンタクト層49と基板41との界面を反射面として波長366nmの垂直光共振器を構成する。
【0125】
次いで、DBR鏡43の一側方の領域にある各層を反応性イオンエッチング(RIE)法によりエッチングし、これによりn型コンタクト層49の一部を露出させる。その後に、n型コンタクト層49の表出面に厚さ100nmのTiよりなる電極50aを形成し、p型のコンタクト層51の上に膜厚100nmのNiよりなる電極50bを形成する。さらに、基板41の裏面を研磨して光が出射する光学的窓を形成して面発光半導体レーザを完成する。
【0126】
そのような面発光半導体レーザでは、基板41のc軸の垂直方向が電場の振動方向となる光を発振し偏光面が固定されるから、予め偏光方向が規定されたレーザ光を安定に発振させることができる。
本実施形態例の面発光半導体レーザの他の例は、活性層を多重量子井戸層構造としたものである。(11−20) 面を主面とするSiC基板41上に、MOVPE法を用いて、低温で成長する厚さ0. 5nmのAIN バッファ層42, 厚さ0. 5μmのn型GaN コンタクト層49、厚さ1μmのSiドープn型Al0.1Ga0.9N 障壁層47、In0.15Ga0.85N 井戸層とln0.05Ga0.95N バリア層とを交互に各10層づつ重層した多重量子井戸層からなる活性層42, 厚さ1μmのMgドープp型Al0.1Ga0.9N 障壁層48、及びp型GaN コンタクト層51をこの順序で堆積する。そして、既述の実施形態と同様の工程を経て面発光半導体レーザが製造される。
【0127】
上述した面発光半導体レーザでは、(1−100)面又は(11−20)面を主面とする基板を用いることにより、光の偏向を揃わせている。そのような面発光半導体レーザを構成する基板には、受光素子を併せて搭載した構造を採用することが可能である。
図18(a) は、面発光半導体レーザ(発光素子)とフォトダイオード(受光素子)を搭載した光装置を示す断面図、図18(b) は、その光装置を示す平面図である。
【0128】
図18(a) 及び(b) において、SiC 基板53の主面である(1−100)面又は(11−20)面の上には、膜厚50nmのAlN 高温バッファ層54、多層構造のミラー層55、膜厚1μmのn型の障壁層56、膜厚500nmのアンドープの下側光閉じ込め層57、アンドープのMQW活性層58、p型の障壁層59、膜厚500nmのアンドープの上側光閉じ込め層60、膜厚50nmのGaN コンタクト層60aがMOVPE法によって順に積層されている。
【0129】
ミラー層55は、膜厚40nmのAl0.4Ga0.6 N層と膜厚40nmのAl0.1Ga0.9N 層を交互に30周期積層して構成されたものである。また、MQW活性層58は、膜厚4nmのIn0.2Ga0.8N 井戸層を膜厚4nmのIn0.05Ga0.95N 障壁層で挟んだ構造を有している。また、下側及び上側の光閉じ込め層57,60はそれぞれGaN より形成されている。
【0130】
さらに、n型及びp型の障壁層56,59はそれぞれAl0.1Ga0.9N から構成され、そのうちのn型の障壁層56は、不純物濃度2×1018 atoms/cm3でSiがドープされ、また、p型の障壁層59は、不純物濃度1×1017 atoms/cm3でMgがドープされている。p型の障壁層の上のコンタクト層60aには1×1018atoms/cm3 でMgがドープされている。
【0131】
n型の障壁層56からp型の障壁層59までの複数の層は、SCH(separate confinement heterostructure)構造を構成している。
このように積層した化合物半導体層は、複数回のパターニングを経て図18(a),(b) に示すような断面構造及び平面構造の形状に加工されている。
すなわち、面発光半導体レーザ66と受光素子67は同じ形状を有しており、コンタクト層60aからn型の障壁層56の上部までは直径20μmの円柱部62となり、さらにn型の障壁層56の下部からミラー層55の上部までは円柱部の外方に広がったフランジ部63となっている。ミラー層55はアンドープであり、高抵抗となっているので、円柱部62とフランジ部63は他の領域の化合物半導体層から略筒状の溝61を介して電気的に分離されている。
【0132】
そして、円柱部62のコンタクト層60aの上面には、中央に直径10μm程度の光放出窓64aを有する環状のTiよりなるp側電極64が接続され、また、フランジ部63のn型障壁層56には、円柱部62に接触しないNiよりなるn側電極65が接続されている。
以上のような円柱部62とその下のn型の障壁層56によって膜厚方向の共振器が形成される。
【0133】
フォトダイオード67は、図18(b) に示すように、面発光半導体レーザ66の周囲に離れて複数個、例えば4個形成されている。
それらのような面発光半導体レーザ66とフォトダイオード67を有する光装置は、例えば光磁気ディスク装置に取付けられる。そして、面発光半導体レーザ66ではp側電極64とn側電極65に正バイアスの電圧68が印加されて小さくても閾値電流が供給される。また、フォトダイオード67ではp側電極64とn側電極65に逆バイアスの電圧が印加され、これによりフォトダイオード67への入射光量によって検出回路69に流れる電流値が大きくなる。
【0134】
この場合、面発光半導体レーザ66が発振して窓64aを通して光が照射され、図示しない回折格子、レンズなどを通して光磁気ディスクに照射される。光磁気ディスクで反射したその光は、レンズ、偏向プリズムを通して4つの受光素子67に入力する。その面発光半導体レーザ66では、既に説明したように、基板41のc軸の垂直方向が電場の振動方向となる光を発振し偏光面が固定されるから、レーザ光の偏光面が揃うことになる。しかも、光磁気ディスクで反射したレーザ光は、同じ偏光面のフォトダイオード67に入射する。
【0135】
このように、同じ基板上に形成された面発光半導体レーザ66とフォトダイオード67が偏光面を有することになったので、光磁気ディスク装置の書込み用光素子と読み出し用光素子を集積化することができ、それらの装置の小型化と製造効率が良くなる。
以上のように、本実施形態によれば、活性層に垂直な共振軸を有する垂直共振型の面発光半導体レーザにおいて、発振光の偏光面が活性層の結晶方位により一義に規定されるため、発振光の偏光方位を予め定めることができ、かつ偏光方位の変動が少ない安定した動作特性を有する垂直共振型の面発光半導体レーザを提供することができるので、情報処理装置の性能向上に寄与するところが大きい。
【0136】
なお、活性層58は、GaN 、InGaN 、AlGaN 又はAlGaInN のいずれから形成してもよいし、また、半導体よりなる障壁層57,59は、GaN 、InGaN 、AlGaN 又はAlGaInN から構成してもよい。ただし、活性層58と障壁層57,59が同じ材料系より構成する場合には、障壁層57,59よりも活性層58の方がエネルギーバンドギャップが小さくなる組成比を選択する必要がある。
【0137】
なお、基板の材料として炭化シリコン(SiC)の他にサファイアを使用してもよい。
(第3実施形態)
従来の発光ダイオードは、光の出射方向に対して円偏光であるので、直線偏光を得たい場合には、ポラロイド等の偏光子を通すことによって直線偏光した偏光光を得ていた。
【0138】
また、直線偏光した偏光光を利用して立体画像を表示する場合、右目用画像と左目用画像を互いに偏光方向の異なる光で表示し、それを互いに偏光方向の異なる右目用偏光子と左目用偏光子を介して見ることによって立体画像として認識しており、特に、大型立体画像表示装置の場合には、投影方式を採用している。
しかし、従来の発光ダイオードを用いて直線偏光を得ようとする場合には、偏光子を必要とするため部品点数が多くなるという問題があり、且つ、発光ダイオードと偏光子とを組み合わせる工程が必要になるため、生産コストが高くつくという問題がある。
【0139】
また、偏光子を介して円偏光を特定の方向に偏光した直線偏光にしているので、偏光子の偏光方向と偏光方向の異なる光は取り出せず無駄になるので、発光効率が悪いという問題がある。
さらに、大型立体表示装置の場合には、投影方式であるため、従来の投影方式の表示装置と同ように、明るいところでは表示画像が非常に見ずらくなり、実質的に利用できないという問題もある。
【0140】
図19は本実施形態の原理的構成の説明図であり、この図19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。
本実施形態は、図19(a) 及び(b) に例示するように、発光ダイオード70において、発光ダイオード70を構成するウルツ鉱型化合物半導体結晶のc軸方向が光の放出方向とほぼ直交していることを特徴とする。
【0141】
このようにGaN のようなウルツ鉱型化合物半導体を用いた場合、ウルツ鉱型化合物半導体は、GaAs等の他のIII-V 族化合物半導体と異なり六方晶系であり、このようなウルツ鉱型化合物半導体における発光は伝導帯から価電子帯のHH(Heavy Hole)あるいはLH(Light Hole)への遷移によって起こるが、これらはa軸方向に関するバンドであるため、c軸方向、即ち、<0001>方向に垂直な方向に偏光した光が強く現れ、逆にc軸方向に平行に偏光した光はほとんど現れないので、偏光子を用いなくとも直線偏光した光が得られることになる。
【0142】
なお、本発明において、c軸方向が光の放出方向とほぼ直交するとは、c軸と最も強度の大きな光の放出方向とが純粋に直交するもの以外に、±5°の範囲の角度を含むものである。
また、本実施形態は、ウルツ鉱型化合物半導体結晶のc軸方向と結晶成長方向とがー致していることを特徴とする。
【0143】
成長基板として、サファイアの{0001}面、{11−20}面、6H−SiCの{0001}面、或いは、スピネルの{111}面を用いた場合、ウルツ鉱型化合物半導体結晶の結晶成長方向はc軸方向となるので、図1(a) に示すように活性層に平行に光を取り出すことによって、直線偏光した光が得られる。 なお、本明細書においては、“1バー" 或いは“2バー" 等の結晶方位を便宜的に、“−1" 或いは“−2" 等として表す。
【0144】
また、本実施形態は、ウルツ鉱型化合物半導体結晶のc軸方向と結晶成長方向とがほぼ直交していることを特徴とする。
成長基板の主面として、サファイア基板のr面、即ち、{1−102}面、又は、6H−SiCの{1−100}面若しくは{11−20}面を用いた場合、ウルツ鉱型化合物半導体結晶の結晶成長方向はc軸方向とほぼ平行になるので、図1(b) に示すように活性層に垂直に光を取り出すことによって、直線偏光した光が得られ、且つ、広い面からの光が偏光光となるので、発光領域を大きく取ることができる。
【0145】
また、本実施形態は、上記したウルツ鉱型化合物半導体が、III 族の窒化物からなるIII-V 族化合物半導体であることを特徴とする。
このように、ウルツ鉱型化合物半導体として、安定な結晶構造を有するGaN 系化合物半導体等のIII 族の窒化物からなるIII-V 族化合物半導体を用いることによって、1. 9eV〜6. 2eVの広い範囲に渡り高効率の短波長発光が得られ、混晶比を調整することによって、所望の発光波長を得ることができる。
【0146】
さらに、本実施形態は、表示装置において、光の放出方向がc軸方向とほぼ直交するウルツ鉱型化合物半導体結晶からなる複数の発光ダイオード70を用い、この複数の発光ダイオード70を、偏光方向がある方向uに偏光した右目用発光ダイオードと、右目用発光ダイオードの偏光方向uに垂直な方向vに偏光した左目用発光ダイオードとになるように配置し、立体表示を得るようにしたことを特徴とする。
【0147】
光の放出方向がc軸方向とほぼ直交するウルツ鉱型化合物半導体結晶からなる発光ダイオード70は、c軸方向に垂直に、即ち、a 軸方向に偏光しており、このa軸方向に偏光した発光ダイオード70を光の放出方向を軸として90°回転させた場合には、c軸方向に垂直で、且つ、回転させる前の偏光方向に対して垂直に偏光した直線偏光光となるため、一方を右目用とし、他方を左目用とすることによって、立体画像の表示が可能になる。
【0148】
なお、図19において、69a,69bは、発光ダイオード70に接続される1対の端子を示している。
第1例
ここで、図20(a),(b) 及び図21(a),(b) を参照して、本実施形態の第1例を説明する。図20(a) は発光ダイオードの断面図であり、図20(b) は発光ダイオードを素子化した場合の断面図である。また、図21(a) はGaN 系化合物半導体のΓ点近傍のバンドダイヤグラムであり、さらに、図21(b) は、発光強度の偏光角分布を示す図である。
【0149】
まず、図20(a) に示すように、(0001)面、即ち、c面を主面とするサファイア基板71上に、MOVPE法(有機金属気相成長法)を用いて、厚さ5〜50nm、例えば20nmのGaN バッファ層72、厚さ0. 5〜5. 0μm、例えば、3. 0μmのn型Al0.05 Ga0.95N層73、厚さ10〜100nm、例えば50nmのIn0.1Ga0.9N 活性層74、及び、厚さ0. 1〜1. 0μm、例えば0. 5μmのp型Al0.05Ga0.95N 層75を順次エピタキシャル成長させる。
【0150】
次いで、n型Al0.05Ga0.95N 層73の一部が露出するように反応性イオンエッチング法によってエッチングしたのち、p型Al0.05Ga0.95N 層75の表面にp側電極としてNi電極76を設けるとともに、n型Al0.05Ga0.95N 層73の露出表面にn側電極としてTi電極77を設ける。
なお、この場合、GaN バッファ層72からp型Al0.05Ga0.95N 層75までの各層は、サファイア基板71のc軸方向に成長するので、そのc軸はサファイア基板17の主面と垂直になる。そのc軸方向は<0001>方向と等価である。
【0151】
上記のようにして形成した発光ダイオード78を、図20(b) に示すように、その光の放出方向が、c軸方向とほぼ垂直になるようにステム79にマウントする。
この場合、ステム79に対しては短絡を防止するために絶縁体スペーサ80を介してマウントするとともに、n側電極であるTi電極77をマイナス端子81にワイヤボンディングし、また、p側電極であるNi電極76をプラス端子82にワイヤボンディングし、最後に、エポキシ樹脂等で樹脂モールドする。
【0152】
図21(a) は、GaN 系化合物半導体のΓ点近傍のバンドダイヤグラムであり、図から明らかなように、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。
【0153】
そして、このようなGaN 系化合物半導体においては、Γ点、即ちKz =0における伝導帯とHHバンド及びLHバンドとの間の遷移によって発光が生ずることになるが、Γ点におけるHHバンド及びLHバンドはa軸方向に関するバンドであるのでc軸に垂直な方向に偏光した光が得られることになる。
図21(b) は、本発明の本実施形態の発光ダイオードの光の放出方向からみた発光強度の偏光角分布を示す図であり、a軸に平行な、即ち、a軸方向に偏光した光が得られるが、a軸に対して90°偏光した、即ち、a軸に垂直に偏光した光は殆ど得られない。
【0154】
したがって、本発明においては、偏光子等を用いることなく特定の方向に偏光した直線偏光光を得ることができるので、部品点数が増加することなく、且つ、発光ダイオードと偏光子の組み合わせ工程が不要になるので、生産コストを低コストにすることができる。
なお、この第1例においては、基板として、(0001)面を主面とするサファイア基板を用いているが、(0001)面を主面とするサファイア基板に限られるものではなく、(11−20)面を主面とするサファイア基板(0001)面を主面とする6H−SiC基板、或いは、(111)面を主面とするスピネル基板を用いても良いものである。
【0155】
第2例
次に、図22を参照して本発明の第2の例を説明する。まず、図22(a) に示すように、(1−102)面、即ち、面を主面とするサファイア基板91上に、MOVPE法を用いて、厚さ5〜50nm、例えば20nmのGaN バッファ層92、厚さ0. 5〜5. 0μm、例えば3. 0μmのn型Al0.05Ga0.95N 層93、厚さ10〜100nm、例えば50nmのln0.1Ga0.9N 活性層94、及び、厚さ0. 1〜1. 0μm 、例えば0. 5μmのp型Al0.05Ga0.95N 層95を順次エピタキシャル成長させる。
【0156】
次いで、反応性イオンエッチング法によってn型Al0.05Ga0.95N 層93の一部を露出させたのち、p型Al0.05Ga0.95N 層95の表面にp側電極として非常に薄いNiからなる半透明電極96を設けるとともに、n型Al0.05Ga0.95N 層93の露出表面にn側電極としてTi電極97を設ける。
なお、この場合、GaN バッファ層92からp型Al0.05Ga0.95N 層95の各層のc軸の方向は、サファイア基板91の基板面内の方向に向いて成長するので、c軸は基板面と平行になる。
【0157】
そのようにして形成された発光ダイオード84は、図22(b) に示すように、その光の放出方向をc軸方向とほぼ垂直になるように導電性ペーストを用いてステム85にマウントする。
そして、n側電極であるTi電極97をマイナス端子86にワイヤボンディングすると共に、p側電極である半透明電極96をプラス端子87にワイヤボンディングし、最後に、エポキシ樹脂等のモールド樹脂88によって封止する。
【0158】
この場合にも、第1例と同ように、光の放出方向はc軸に垂直であるので、a軸方向に偏光した光が得られ、a軸に対して90°偏光した、即ち、a軸に垂直に偏光した光は殆ど得られない。
したがって、本発明においては、偏光子等を用いることなく特定の方向に偏光した直線偏光光を得ることができるので、部品点数が増加することなく、且つ、発光ダイオードと偏光子の組み合わせ工程が不要になる。この結果、発光ダイオードの生産コストは低コストになる。
【0159】
また、この第2例の場合は、面発光型であるので、上記の第1例に比べて発光領域を大きくすることができ、第1例と比べて10倍程度の発光強度が期待できる。
なお、第2例においては、基板として、r面を主面とするサファイア基板を用いているが、r面を主面とするサファイア基板に限られるものではなく、(1−100)面を主面とするSiC基板、或いは、(11−20)面を主面とするSiC基板を用いても良いものである。
【0160】
また、第2例においては、p側電極として薄いNi膜からなる半透明電極96を用いているが、半透明電極96に限られるものではなく、通常の厚さのNi電極をメッシュ状に設けて、メッシュの間から光を取り出すようにしても良い。
第3例
次に、図23を参照して本発明の第3例を説明する。
【0161】
図23は、上記の第1例、第2例の発光ダイオードを用いた立体画像表示用の表示パネル90を表すものである。例えば、第1例の発光ダイオードを用いて、その偏光方向がX方向になるように配置した発光ダイオード98と、この発光ダイオード98の光軸を中心として偏向方向を90°回転させて配置したY方向に偏光する発光ダイオード99とを組み合わせて構成したものである。なお、X方向とY方向は、ともに表示パネル90の面に対して平行であり、かつ、X方向とY方向は互いに直交する関係にある。
【0162】
この場合、一方の発光ダイオード98を右目用とし、他方の発光ダイオード99を左目用とし、両者に互いに異なった画像信号を入力し、この発光表示画像を右目用と左目用とで互いに異なった偏光子を介して見ることによって立体画像を表示することになる。
なお、この場合、a軸方向に純粋に平行な角度に対して±20°程度の範囲の偏光角の光を有効に利用することができる。
【0163】
この第3例の表示装置は、発光表示であるので、従来の投影方式の立体表示装置より輝度を高くすることができ、したがって、大型化した場合にも明るい場所での使用が可能になる。
この場合、例えば、100インチの表示パネル90を構成する場合には、約200万画素で構成することになる。そして、X方向に偏光した発光ダイオード98とY方向に偏光する発光ダイオード99との配置は、図23に示すように1個毎交互に配置しても良いし、或いは、特に図示しないが、画素毎に纏まった個数の発光ダイオードを交互に配置しても良く、さらに、各発光ダイオードの発光波長を調整することによってカラー表示も可能になる。
【0164】
なお、上記の実施の形態における面方位は一例であり、記載されている面方位と結晶学的に等価な全ての面を含むものである。
また、上記の各例においては、活性層としてln組成比が0. 1のln0.1Ga0.9N を用いているが、必要とする波長に応じて混晶比をAlx In yGa1-x-y N (0≦x ≦1、0≦y ≦1)の範囲内で変えても良いものであり、それに伴って、活性層を挟むp型Al0.05Ga0.95N 層及びn型Al0.05Ga0.95N 層を活性層より禁制帯幅の大きなAIa lnb Ga1-a-b N (0≦a ≦1、0≦b ≦1)で構成すれば良い。
【0165】
さらに、GaN 基板の代わりにサファイア基板を使用する場合には、基板の主面を(11−20)面とする。
以上述べたように、本実施形態によれば、GaN 系化合物半導体等のウルツ鉱型化合物半導体を用いて発光ダイオードを構成する場合、光の放出方向をウルツ鉱型化合物半導体のc軸と垂直にすることによって、偏光子を用いることなく直線偏光した光を得ることができ、また、このようは直線偏光した発光ダイオードを用いることによって、明るい場所でも使用が可能な発光表示による立体画像表示装置を構成することができる。
【0166】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、結晶基板の主面を選ぶことによって、その結晶基板の上に形成される六方晶型又はウルツ鉱型の半導体層のc軸がその半導体層の面に対して垂直でなくなるために、その結晶基板の上に形成される六方晶型又はウルツ鉱型の活性層に、面方向の圧縮歪又は引張歪をかけてその活性層に3軸異方性を持たせることができ、活性層の価電子帯での縮退を解くことができ、そのような活性層を有する半導体レーザの発振の閾値電流を低下することができる。
【0167】
また、そのような構造によれば、化合物半導体層による発光の偏光面が一義的に決定できるので、そのような結晶基板の上に障壁層、活性層などを成長して面発光半導体レーザを形成すると、活性層の面内異方性が大きくなって電場ベクトルが一方向に定められるため、偏光が決定できる。
さらに、面発光半導体レーザの発振光の偏光面が一義的に定まると、光磁気ディスク装置の光源としての使用が可能になるとともに、面発光半導体レーザと同一基板に受光素子を製造することが容易になる。これにより、従来行っていた半導体レーザと受光素子の取付け作業が不要になるとともに、受発光装置の小型化をさらに促進することができる。
【0168】
一方、発光ダイオードを構成するウルツ鉱型化合物半導体結晶のc軸方向が、光の放出方向とほぼ直交するようにすると、偏光方向が定まるので、そのような発光ダイオードを表示装置の表示面に複数個配置し、1つの発光ダイオードによって画素の一部又は全部を構成するようにするととともに、隣接する発光ダイオードの偏光方向を互いに90度相違し、これにより、右目偏光方向用の発光ダイオードと左目偏光用の発光ダイオードを隣接することができ、立体表示装置で偏向子を省略して部品点数を減らし、製造コストを低減できる。しかも、そのような表示装置は画像が明るくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1(a) は、本発明の第1実施形態のクラッド層と活性層の層構造図、図1(b) は、図1(a) の層構造によって得られる活性層の価電子帯エネルーバンド構造図、図1(c) は、本発明の第1実施形態で使用する基板の主面の面方位を示す図である。
【図2】図2(a) は、本発明の第1実施形態の層構造を採用した半導体レーザの第1の例を光出力端から見た層構造図、図2(b) は、図2(a) の層構造によって得られる活性層の価電子帯エネルーバンド構造図、図2(c) は、2つのクラッド層と活性層の相対的なエネルギーバンド構造図である。
【図3】図3は、本発明の第1実施形態の層構造を採用した半導体レーザの基板を高抵抗材から形成する場合の構造図である。
【図4】図4(a) は、本発明の第1実施形態の層構造を採用した半導体レーザの第2の例を光出力端から見た層構造図、図4(b) は、図4(a) の層構造によって得られる活性層の価電子帯エネルーバンド構造図である。
【図5】図5(a) は、本発明の第1実施形態の層構造を採用した半導体レーザの第3の例の斜視図、図5(b) は、図5(a) の半導体レーザにおける基板主面に対する小面の傾斜角度を示す図である。
【図6】図6(a) は、本発明の第1実施形態の層構造を採用した半導体レーザの第4の例を光出力端から見た層構造図、図6(b) は、その第4の例で基板を高抵抗材料から構成した場合の半導体レーザを光出力端から見た層構造図である。
【図7】 図7は、本発明の第1実施形態において、主面に平行なc軸を有する正方晶基板の主面の上に、六方晶半導体層を形成する場合の各結晶の完面像の特殊形の相対的関係を示す図である。
【図8】図8は、本発明の第1実施形態において、正方晶基板上に形成した六方晶層のX線回折ロッキングカーブを示す図である。
【図9】図9は、正方晶のLiAlO2基板上に六方晶のAlx Ga1-x-y Iny N 層を成長する場合に、組成比xと組成比yの関係を示すxy座標図である。
【図10】図10は、本発明の第2実施形態を示す面発光レーザの電極を除いた層構造示す斜視図である。
【図11】図11は、本発明の第2実施形態を示す面発光レーザの活性層の結晶の完面像の特殊形を示す斜視図である。
【図12】図12は、本発明の第2実施懈怠の面発光レーザの活性層のエネルギーバンド構造図である。
【図13】 図13は、本発明の第2実施形態の面発光レーザにおいて、活性層の偏光面の方位とc軸のなす角度をパラーメータにした場合の波長とPL発光強度の関係を計算で求めた図である。
【図14】図14(a) 〜(e) は、本発明の第2実施形態の面発光レーザにおいて、活性層を構成するGaN のエネルギーバンドの結晶歪依存性を示す図である。
【図15】図15は、本発明の第2実施形態の面発光レーザにおいて、活性層の偏光面の方位とc軸のなす角度をパラーメータにした場合の波長とPL発光強度の関係の実験により求めた図である。
【図16】図16は、本発明の第2実施形態の面発光レーザにおいて、活性層の偏光面の方位とc軸のなす角度とPL発光強度の関係を示す曲線を計算と実験で求めた図である。
【図17】図17は、本発明の第2実施形態の面発光レーザを示す断面図である。
【図18】図18(a) は、面発光レーザと受光素子を有する本発明の第2実施形態の光装置を示す断面図、図18(b) は、その光装置の平面図である。
【図19】 図19(a) は、本発明の第3実施形態の端部発光型の発光ダイオードの原理的構成図、図19(b) は、本発明の第3実施形態の面発光型の発光ダイオードの原理的構成図である。
【図20】図20(a) は、本発明の第3実施形態の端部発光型の発光ダイオードの層構造図、図20(b) は、その発光ダイオードをパッケージ化した構成を示す断面図である。
【図21】図21(a) は、図20(a) で示した発光ダイーオドにおけるGaN 系化合物半導体のバンドダイヤグラム、図21(b) は、その発光ダイオードの光の放出方向からみた発光強度の偏光角分布を示す図である。
【図22】図22(a) は、本発明の第3実施形態の面発光型の発光ダイオードの層構造図、図22(b) は、その発光ダイオードをパッケージ化した構成を示す断面図である。
【図23】図23は、本発明の第3実施形態の表示装置に使用する発光ダイオードの偏向関係を示す平面構成図である。
【図24】図24(a) は、従来の半導体ダイオードの第1例を示す断面図、図24(b) は、従来の半導体ダイオードの第2例を示す断面図である。
【図25】 図25(a) 、(b) は、従来の半導体ダイオードの価電子帯のエネルギーバンド図である。
【図26】図26は、従来の面発光型半導体レーザを示す斜視図である。
【符号の説明】
1 第一の半導体
2 第二の半導体
3 第三の半導体
1 l n型GaN (1−100)基板
12 n型Al0.1Ga0.9N クラッド層
13 n型GaN 光ガイド層
14 Ga0.9In0.1N 活性層
15 p型GaN 光ガイド層
16 p型Al0.1Ga0.9N クラッド層
17 Ti/Au電極
18 Ni/Au電極
21 n型GaN (1−100)基板
22 n型Al0.4Ga0.3In0.3Nクラッド層
23 n型Al0.15Ga0.65In0.2N光ガイド層
24 Ga0.9In0.1N 活性層
25 p型Al0.15Ga0.65In0.2N光ガイド層
26 p型Al0.4Ga0.3In0.3Nクラッド層
27 Ti/Au電極
28 Ni/Au電極
31 n型GaN (0001)基板
32 (11−21)小面
33 絶縁膜
34 (1−100)劈開面
41 基板
42 活性層
43 DBR鏡
44 c軸
44a z偏光
45 x偏光
46 y偏光
47, 48 障壁層
49, 51 コンタクト層
50a、50b 電極
52 バッファ層
53 SiC 基板
54 AlN 高温バッファ層
55 ミラー層
56 n型の障壁層
57 下側光閉じ込め層
58 活性層
59 p型の障壁層
60 上側光閉じ込め層
61 溝
62 円柱部
63 フランジ部
64 光放出窓
65 n側電極
66 面発光半導体レーザ(発光素子)
67 フォトダイオード(受光素子)
68 電源
69 光量検出回路
70 発光ダイオード
71 サファイア基板
72 GaN バッファ層
73 n型Al0.05Ga0.95N 層
74 Al0.1Ga0.9N 活性層
75 p型Al0.05Ga0.95N 層
76 Ni電極
77 Ti電極
78 発光ダイオード
79 ステム
80 絶縁体スベーサ
81 マイナス端子
82 プラス端子
83 モールド樹脂
84 発光ダイオード
85 ステム
86 マイナス端子
87 プラス端子
88 モールド樹脂
90 表示パネル
91 サファイア基板
92 GaN バッファ層
93 n型Alo.o 5Gao.9 5N 層
94 Al0.1Ga0.9N 活性層
95 p型Al0.05Ga0.95N 層
96 半透明電極
97 Ti電極
98 水平方向に偏光する発光ダイオード
99 垂直方向に偏光する発光ダイオード[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light-emitting element, an optical semiconductor element, a light-emitting diode, and a display device. More specifically, the light-emitting part includes a wurtzite compound semiconductor such as GaN that emits light in a wavelength band from blue to ultraviolet. The present invention relates to a semiconductor light emitting element, an optical semiconductor element, a light emitting diode, and a display device.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a short wavelength laser having a wavelength in a region from blue to ultraviolet has been actively developed as a light source for optical disks. As a blue laser light source, there are an optical element using a II-VI group ZnSe-based material and an optical element using a group III-V GaN-based material. Among them, there is a report that ZnSe-based materials are ahead in research on semiconductor lasers, and continuous oscillation at room temperature has already been obtained. However, ZnSe-based materials are inherently prone to deterioration and thus have a problem in reliability, and have not yet been put into practical use.
[0003]
On the other hand, with the announcement of high-brightness LEDs using GaN several years ago, GaN with excellent environmental resistance has been reviewed, and a large increase in researchers has been observed all over the world. In 1996, Nichia announced a semiconductor laser that oscillates using InGaN.
Since GaN-based semiconductors used as light-emitting elements are wurtzite compound semiconductors, MOVPE (organometallic vapor phase epitaxy) is performed on a hexagonal sapphire substrate or 6H-SiC substrate having a similar crystal structure. It was used for epitaxial growth. Here, “H” in 6H—SiC indicates a crystal having a sixth-order rotational symmetry, and “6” indicates that the crystal is periodically formed in an array of six-phase atoms or molecules. It shows that the crystal has a six-phase synchronized structure.
[0004]
A semiconductor laser using a hexagonal sapphire substrate or a 6H-SiC substrate is formed by the following procedure.
When a sapphire substrate is used, for example, as shown in FIG. 24A, an n-type Al layer is formed on a sapphire (0001) substrate 141 having a (0001) plane as a main surface through a GaN buffer layer 142.0.1Ga0.9N clad layer 143, n-type GaN light guide layer 144, Ga0.9ln0.1N active layer 145, p-type GaN light guide layer 146, and p-type Al0.1Ga0.9After N-cladding layer 147 is epitaxially grown by MOVPE, n-type Al is etched.0.1Ga0.9N A part of the cladding layer 143 is exposed, and an n-side electrode composed of a Ti / Au electrode 148 is provided on the exposed surface, and a p-type Al0.1Ga0.9A p-side electrode made of Ni / Au electrode 14 9 is provided on the N clad layer 147, and a semiconductor laser is formed by such a process.
[0005]
On the other hand, when a 6H—SiC substrate is used, as shown in FIG.SiN-type Al layer on the Si surface of the 6H-SiC (0001) substrate 151 via the n-type AIN buffer layer 15 2.0.1Ga0.9N clad layer 153, n-type GaN light guide layer 154, Ga0.9ln0.1N active layer 155, p-type GaN light guide layer 156, and p-type Al0.1Ga0.9After the N clad layer 157 is epitaxially grown by the MOVPE method, an n-side electrode made of a Ti / Au electrode 158 is further provided on the back surface of the 6H-SiC (0001) substrate 151, and p-type Al0.1Ga0.9A semiconductor laser is formed through a process of providing a p-side electrode made of a Ni / Au electrode 159 on the N clad layer 157.
[0006]
In such a conventional light emitting device, the GaN-based epitaxial layers 142 to 147 and 152 to 157 have the (0001) plane in the <0001> direction of the sapphire (0001) substrate 141 or 6H-SiC (0001) substrate 151. As it grows, the in-plane strain becomes isotropic and Ga0.9ln0.1N active layers 145 and 155 remained uniaxially anisotropic. The <0001> direction is the c-axis direction.
[0007]
Next, the energy band structure of the GaN-based semiconductor will be described.
FIG. 25 (a) is a diagram showing the band structure of the valence band of a GaN-based semiconductor in an undistorted state, and the bands of HH (Heavy Hole) and LH (Light Hole) are almost degenerate. In GaN-based semiconductors, the CH band is close.
In the conventional light emitting device shown in FIG. 24 (a), n-type Al0.1Ga0.9N clad layer 143 to p-type Al0.1Ga0.9The in-plane lattice constant of the N cladding layer 147 is n-type Al immediately above the GaN buffer layer 142.0.1Ga0.9Since it is defined by the lattice constant of the N cladding layer 143, the coherently grown n-type GaN light guide layer 144 to p-type GaN light guide layer 146 are subjected to compressive stress due to lattice mismatch and thermal expansion coefficient difference.
[0008]
The same applies to the element shown in FIG. 24 (b).0.9ln0.1The N active layer 155 is strongly influenced by the strain due to the lattice constant, and compressive stress is acting.
In addition to the above semiconductor lasers, the present inventors have found that the optical gain of GaN is much higher than that of conventional materials, and have confirmed that this material is suitable for surface emitting lasers.
[0009]
Next, the surface emitting laser will be described.
An optical resonator (vertical resonator) having a resonance axis in the vertical direction of the active layer formed on the substrate has a structure for emitting light in the vertical direction of the surface of the active layer. Such a surface emitting semiconductor laser has a short cavity length and a low threshold current, can easily realize a two-dimensional array of semiconductor laser elements, has a large number of elements per unit wafer area, or is an element as a wafer. Development of surface-emitting lasers that oscillate short-wavelength light, particularly for optical disks or short-distance optical communication, has been promoted.
[0010]
However, since the direction of the polarization plane of the oscillation light is not fixed in the surface emitting laser of the conventional material, the polarization plane may change during use, or the light output characteristics may be kinked with the change of the polarization plane. This makes it impossible to read the optical disk using polarized light, and to stably perform writing and reading with light, and further stable communication cannot be realized.
[0011]
Therefore, it is necessary to fix and stabilize the polarization plane orientation of the oscillation light of the surface emitting semiconductor laser.
The active layer of a conventional surface emitting semiconductor laser has been deposited on a substrate whose principal surface is the (001) plane of a zinc blende crystal. On the other hand, when a surface-emitting semiconductor laser having a hexagonal semiconductor represented by GaN as an active layer is configured in the same structure, on a substrate having a (0001) plane perpendicular to the c-axis of the hexagonal crystal as the main surface. It is expected to deposit an active layer. Hereinafter, a conventional surface emitting semiconductor laser having such a structure will be described.
[0012]
FIG. 26 is a perspective view of a conventional surface emitting semiconductor laser, showing the basic structure of a surface emitting semiconductor laser having a vertical resonator.
As shown in FIG. 26, the substrate 101 is made of a hexagonal crystal, for example, sapphire, and has a main surface perpendicular to the c-axis 104. Alternatively, the substrate 1 has a (001) plane of zinc blende type crystal as a main surface. On the substrate 101, a first conductivity type barrier layer 107, an active layer 102, and a second conductivity type barrier layer 108 are sequentially deposited in a processive manner. Further, the reflecting mirror 103 made of a disk-shaped multilayer film is formed on the second conductivity type barrier layer 108. The reflecting mirror 103 is used as one reflecting surface, and the lower surface of the barrier layer 107, that is, the interface between the barrier layer 107 and the substrate 101 is used as another reflecting surface, and the reflecting surface parallel to the active layer 102 and the resonance perpendicular to the active layer 102 are used. An optical resonator having an axis is configured.
[0013]
By the way, in a surface emitting semiconductor laser using an active layer of zinc blende type crystal currently realized, the reflecting mirror 103 has a semiconductor multilayer structure and is provided on both reflecting surfaces of the optical resonator.
On the other hand, a surface emitting semiconductor laser using GaN having a large optical gain as an active layer can be oscillated by providing the reflecting mirror 103 on one side. The oscillation light is emitted from an optical window formed on the lower surface (opposite surface of the main surface) of the substrate 101.
[0014]
The active layer 102 of the surface emitting semiconductor laser described above is epitaxially deposited on the substrate 101. Therefore, the active layer 102 made of hexagonal crystal or zinc blende type crystal is formed as a thin layer whose hexagonal c-axis or zinc oxide type crystal <001> axis is perpendicular to the plane.
On the other hand, since the resonator has a resonance axis perpendicular to the active layer 102, the oscillation light travels perpendicular to the active layer 102, and the surface of the active layer 102 becomes the polarization defining surface. That is, when the polarization defining plane is the xy plane and the traveling direction of the light is on the z axis, the oscillation light is composed of the x polarization 105 whose polarization plane includes the x axis and the y polarization 106 whose polarization plane includes the y axis. This z-axis is perpendicular to the active layer 2, that is, parallel to the hexagonal c-axis or the <001> axis of the zinc blende type crystal and forms a rotationally symmetric axis of optical anisotropy. The optical coupling with the y-polarized light 106 is equal to the crystal. For this reason, crystallographically, both the x-polarized light 105 and the y-polarized light 106 can oscillate with the same intensity, so the polarization plane of the oscillation light is not fixed and the polarization plane becomes unstable.
[0015]
In order to stabilize the polarization plane of the oscillation light, a semiconductor laser that oscillates only one of the x-polarized light 105 and the y-polarized light 106 by developing an elliptical or rectangular reflecting mirror has been developed. However, this semiconductor laser has a problem that the emitted light does not become a circular beam, and it is difficult to precisely manufacture the shape of the reflecting mirror.
Furthermore, in order to eliminate such inconvenience, an in-plane refractive index distribution is formed in the active layer 102 or the barrier layers 107 and 108 to degrade the symmetry of the refractive index around the z axis, thereby defining the polarization plane of the oscillation light. A semiconductor laser has been proposed. However, a process for forming the refractive index distribution is necessary, and it is inevitable that the manufacturing process becomes complicated.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
In the case of a conventional GaN-based semiconductor, the highest energy bands HH and LH in the valence band are double degenerate, and in such a GaN-based semiconductor, holes are present in both the HH and LH bands. Therefore, there is a problem that the threshold current density for causing laser oscillation increases.
[0017]
In addition, when a GaN-based semiconductor is grown on a 6H—SiC substrate, cracking is likely to occur due to stress generated by thermal expansion on the (0001) plane of the GaN-based semiconductor layer, and it is difficult to obtain a crystal with good crystallinity. .
The above Ga constituting the light emitting part0.9ln0.1N When the active layers 145 and 155 are subjected to compressive stress due to a difference in thermal expansion coefficient and lattice mismatch in the (0001) plane, as shown in FIG. Only has a relatively low band structure with respect to HH and LH, and the bands HH and LH having the highest valence band energy remain double degenerate.
[0018]
Furthermore, another reason for the high threshold current density is that the sapphire substrate is not cleaved.
In addition to these problems, in the surface emitting semiconductor laser having a conventional vertical cavity, the polarization plane of the oscillation light is not fixed because the in-plane anisotropy of the active layer is small, and the polarization plane of the emitted light can be fixed. It is not possible or the oscillation is not stable.
[0019]
  In addition, in the structure where the reflecting mirror is rectangular and the plane of polarization is defined, the emitted light is converted into a circular beam.NotFurther, there is a problem that it is difficult to form a rectangular pattern as the size is reduced. Furthermore, the method of forming an in-plane refractive index in the active layer or the barrier layer has a limit in simplifying the manufacturing process. By the way, the fact that the plane of polarization of the oscillation light is not fixed causes another problem when the surface emitting semiconductor laser is used as the light source of the magneto-optical disk apparatus.
[0020]
That is, in the magneto-optical disk apparatus, it is necessary that the polarization planes of the laser beams are aligned in order to read data by detecting the rotation of the polarization plane of the light. However, conventional surface emitting lasers are not used as data reading elements because their polarization planes are not uniform.
The present invention reduces the threshold current density necessary for light oscillation, has a GaN-based semiconductor layer in which cracking does not easily occur, and can fix the polarization plane of light and suppress fluctuations in the polarization plane in a surface emitting semiconductor laser. An object is to provide a semiconductor light emitting element, an optical semiconductor element, a light emitting diode, and a display device.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
  As illustrated in FIG. 2 or FIG. 10, the above problem is that the second semiconductor layer 13 (47) formed directly on the main surface of the substrate 11 (41) or via the first semiconductor layer 12 (52). ), And an active layer 14 made of a semiconductor having a uniaxial anisotropy that is formed on the second semiconductor layer 13 (47) and has an energy band gap smaller than that of the second semiconductor layer 13 (47). (42), a third semiconductor layer 15 (48) formed on the active layer 14 (42) and having an energy band gap larger than that of the active layer 14 (42), and the second semiconductor layer 13 ( 47), and a pair of electrodes 17 and 18 for flowing a current in the film thickness direction through the active layer 14 (42) and the third semiconductor layer 15 (48), and at least the active layer 14 (42). The film thickness direction is different from the uniaxial anisotropy axis. Direction der thatThe active layer 14 (42) is a single layer having a thickness of 1 to 20 nm. Al x Ga 1-xy In y N (However, it has a single layer structure consisting of 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) or a multilayer having a thickness of 1 to 20 nm. Al x Ga 1-xy In y N (However, it has a multi-quantum well structure of 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), and strain is added in a plane that is not perpendicular to the c-axis indicating anisotropy, resulting in anisotropic c-plane strain. Have sexSolved by a semiconductor light emitting device characterized by(Hereinafter, this semiconductor light emitting element is referred to as “semiconductor light emitting element. I ”).
Semiconductor light emitting device I The substrate is SiC (Hereinafter, this semiconductor light-emitting element is referred to as “semiconductor light-emitting element.” II ”).
[0022]
As illustrated in FIG. 2 or FIG. GaN Or AlN A second semiconductor layer 13 (47) formed directly or via a first semiconductor layer 12 (52) on a main surface of a substrate 11 (41) comprising the second semiconductor layer 13 (47) An active layer 14 (42) made of a semiconductor having an energy band gap smaller than that of the second semiconductor layer 13 (47) and having uniaxial anisotropy; and on the active layer 14 (42) A third semiconductor layer 15 (48) having an energy band gap larger than that of the active layer 14 (42), the second semiconductor layer 13 (47), the active layer 14 (42), and the first semiconductor layer 15 (48). The semiconductor layer 15 (48) has a pair of electrodes 17 and 18 for flowing current in the film thickness direction, and at least the film thickness direction of the active layer 14 (42) is the axis of the uniaxial anisotropy. Are in different directions and the active layer 14 (42 There Al x Ga 1-xy In y N (However, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), and the light emitting portion of the active layer 14 (42) is distorted in a plane that is not perpendicular to the c-axis indicating anisotropy. This is solved by a semiconductor light emitting device characterized by having c-plane strain anisotropy (hereinafter referred to as “semiconductor light emitting device”). III ”).
[0023]
The above semiconductor element II Or III The main surface of the substrate 11 (41) is -5 degrees to +5 degrees from the {11-20} plane, the {1-100} plane, the {11-20} plane, or the {1-100} plane. The surface is inclined within the range.
Also, the semiconductor element II Or III The main surface of the substrate 11 (41) has an off-angle θ relative to any one of the {11-20} plane and the {1-100} plane (where 0 ° ≦ θ ≦ Ten The feature is that the surface is only off.
[0024]
Also, the semiconductor element II Or III The main surface of the substrate 11 (41) is a {11-20} plane, a plane tilted within a range of −5 to +5 degrees from the {11-20} plane, or a {11-20} plane Off angle θ (however, 0 ° ≦ θ ≦ Ten The substrate 11 (41), the second semiconductor layer 13 (47), the third semiconductor layer 15 (48), and the active layer 14 (42) are {0001}. It is characterized by being cleaved by a plane or {1-100} plane.
[0025]
Also, the semiconductor element II Or III The main surface of the substrate 11 (41) is a {1-100} plane, a plane tilted within a range of −5 to +5 degrees from the {1-100} plane, or a {1-100} plane Off angle θ (however, 0 ° ≦ θ ≦ Ten The substrate 11 (41), the second semiconductor layer 13 (47), the third semiconductor layer 15 (48), and the active layer 14 (42) are {0001}. It is characterized by being cleaved at a plane or {11-20} plane.
Also, the semiconductor element II Or III The main surface of the substrate 41 is a {0001} plane, and a small surface having a plane orientation intersecting the main surface is provided on the surface of the substrate 41, and the substrate 41 is formed above the small surface. The active layer is a light emitting portion. In this case, the facet is formed in a plane orientation perpendicular to the {1-100} plane or the {11-20} plane, and the {1-100} plane or the {11-20} plane is at both ends of the resonator. It is a cleavage plane.
[0026]
Further, as illustrated in FIG. 2 or FIG. 10, the above-described problem is a second problem that is formed directly on the main surface of the substrate 11 (41) made of sapphire or via the first semiconductor layer 12 (52). Semiconductor formed on the semiconductor layer 13 (47) and the second semiconductor layer 13 (47) and having an energy band gap smaller than that of the second semiconductor layer 13 (47) and having uniaxial anisotropy An active layer 14 (42), a third semiconductor layer 15 (48) formed on the active layer 14 (42) and having an energy band gap larger than that of the active layer 14 (42), and the second semiconductor layer 15 (48). A pair of electrodes 17 and 18 for flowing a current in the film thickness direction through the semiconductor layer 13 (47), the active layer 14 (42) and the third semiconductor layer 15 (48), and the substrate 11 The main surface of (41) is the {1-102} surface There is a direction different from the thickness direction of the uniaxial anisotropy axis of at least the active layer 14 (42), the active layer 14 (42) Al x Ga 1-xy In y N (However, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), and the light emitting portion of the active layer 14 (42) is distorted in a plane that is not perpendicular to the c-axis indicating anisotropy. This is solved by a semiconductor light emitting device characterized by having c-plane strain anisotropy (hereinafter referred to as “semiconductor light emitting device”). IV ”).
[0027]
As illustrated in FIG. 2 or FIG. LiAlO 2 A second semiconductor layer 13 (47) formed directly or via a first semiconductor layer 12 (52) on a main surface of a substrate 11 (41) comprising the second semiconductor layer 13 (47) An active layer 14 (42) made of a semiconductor having an energy band gap smaller than that of the second semiconductor layer 13 (47) and having uniaxial anisotropy; and on the active layer 14 (42) A third semiconductor layer 15 (48) having an energy band gap larger than that of the active layer 14 (42), the second semiconductor layer 13 (47), the active layer 14 (42), and the first semiconductor layer 15 (48). The semiconductor layer 15 (48) has a pair of electrodes 17 and 18 for flowing current in the film thickness direction, and at least the film thickness direction of the active layer 14 (42) is the axis of the uniaxial anisotropy. Are in different directions and the active layer 14 (42 There Al x Ga 1-xy In y N (However, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), and the light emitting portion of the active layer 14 (42) is distorted in a plane that is not perpendicular to the c-axis indicating anisotropy. This is solved by a semiconductor light emitting device characterized by having c-plane strain anisotropy (hereinafter referred to as “semiconductor light emitting device”). V ”).
Semiconductor light emitting device V The main surface of the substrate 11 (41) is a {100} plane or a plane off from the {100} plane at an angle of −5 degrees to +5 degrees (hereinafter, this semiconductor light emitting device is referred to as “ Semiconductor light emitting device VI ”).
Also, the semiconductor light emitting device V Or VI Said Al x Ga 1-xy In y N The composition ratio x and the composition ratio y are in the range between a straight line indicating y = 0.214x−0.328 and a straight line indicating y = 0.353x−0.209 in the xy coordinates. And
[0028]
Semiconductor light emitting device I Etc., the second semiconductor layer 13 (47) is Al u Ga 1-uv ln v N (However, 0 ≦ u ≦ 1 , 0 ≦ v ≦ 1 ) And the third semiconductor layer 15 (48) Al w Ga 1-wz In z N (However, 0 ≦ w ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1).
[0029]
Also, the semiconductor light emitting device I Etc., the a-axis lattice constant a of the active layer 14 (42) 1 And the a-axis lattice constant a of the second semiconductor layer 13 (47) and the third semiconductor layer 15 (48). 2 , A Three And a 1 <A 2 , A 1 <A Three And the c-axis lattice constant c of the active layer 14 (42). 1 And the c-axis lattice constant c of the second semiconductor layer 13 (47) and the third semiconductor layer 15 (48). 2 , C Three And c 1 <C 2 And c 1 <C Three It is characterized by satisfying the relationship.
Also, the semiconductor light emitting device I Etc., the a-axis lattice constant a of the active layer 14 (42) 1 And the a-axis lattice constant a of the second semiconductor layer 13 (47) and the third semiconductor layer 15 (48). 2 , A Three And a 1 > A 2 , A 1 > A Three And the c-axis lattice constant c of the active layer 14 (42). 1 And the c-axis lattice constant c of the second semiconductor layer 13 (47) and the third semiconductor layer 15 (48). 2 , C Three And c 1 > C 2 And c 1 > C Three It is characterized by satisfying the relationship.
[0030]
Also, the semiconductor light emitting device I 17, a mirror layer is formed below the second semiconductor layer 47 or above the third semiconductor layer 48 as illustrated in FIG. 17. The active layer 42, with the mirror layer as one end, A resonator is formed in the film thickness direction of the second and third semiconductor layers 47 and 48. In this case, the resonance wavelength of the resonator is a wavelength that maximizes the photoluminescence light intensity.
[0031]
Also, the semiconductor light emitting device I Etc., the active layer 42 comprises: GaN Or InGaN A first layer of AlGaInN , GaN Or InGaN A multiple quantum well layer having a multilayer structure composed of the second layer of GaN Single layer, InGaN Single layer, and AlGaInN It consists of one of the single layers. In this case, the second semiconductor layer 47 is of the first conductivity type. AlGaN And the third semiconductor layer 48 is of the second conductivity type. AlGaN It is characterized by comprising.
[0032]
As shown in FIG. GaN Or AlN A first active layer 58 made of a wurtzite structure crystal formed above the substrate 53, and a first conductivity type impurity formed under the first active layer 58. The barrier layer 56, the second barrier layer 60 including a second conductivity type impurity formed on the first active layer 58, and the first active layer 58 and the first and second barrier layers 56 , 60, a surface emitting semiconductor laser 66 having electrodes 64, 65 for flowing current in the film thickness direction, a second active layer 58 made of a wurtzite structure crystal formed above the substrate 53, the second The first semiconductor layer 56 including a first conductivity type impurity formed under the active layer 58 and the second semiconductor layer 60 including a second conductivity type impurity formed over the second active layer 58. And in the film thickness direction of the second active layer 58 and the first and second semiconductor layers 56, 60. An optical semiconductor device having electrodes 64 and 65 for taking out current to the outside and a light receiving element 67 electrically isolated from the surface emitting semiconductor laser 66, wherein the first active layer 58 is uniaxial. The active layer 58 is made of a semiconductor having anisotropy, and at least the film thickness direction of the active layer 58 is different from the axis of the uniaxial anisotropy. Al x Ga 1-xy In y N (However, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), and the light emitting portion of the active layer 58 is strained in a plane that is not perpendicular to the c-axis indicating anisotropy. This is solved by an optical semiconductor device having in-plane strain anisotropy (hereinafter, this optical semiconductor device is referred to as “optical semiconductor device I”).
In the optical semiconductor device I, the main surface of the substrate 53 is a {1-100} plane or a {11-20} plane.
[0033]
As shown in FIG. 18, the above-mentioned problem is that a substrate made of sapphire whose principal surface is a {1-102} plane, a first active layer made of a wurtzite structure crystal formed above the substrate, the first A first barrier layer including a first conductivity type impurity formed under the first active layer, a second barrier layer including a second conductivity type impurity formed over the first active layer, and A surface-emitting semiconductor laser having an electrode for flowing current in the film thickness direction of the first active layer and the first and second barrier layers, and a second composed of a wurtzite structure crystal formed above the substrate An active layer; a first semiconductor layer including a first conductivity type impurity formed under the second active layer; and a second semiconductor layer including a second conductivity type impurity formed over the second active layer. The semiconductor layer and the current flowing in the film thickness direction of the second active layer and the first and second semiconductor layers are extracted to the outside. An optical semiconductor device having a pole and a light receiving element electrically separated from the surface emitting semiconductor laser, wherein the first active layer is made of a semiconductor having uniaxial anisotropy, and at least the active The thickness direction of the layer is different from the axis of uniaxial anisotropy, and the active layer is Al x Ga 1-xy In y N (However, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), and the light emitting portion of the active layer is strained in a plane that is not perpendicular to the c-axis indicating anisotropy and is c-plane This is solved by an optical semiconductor device having an internal strain anisotropy (hereinafter referred to as “optical semiconductor device”). II ”).
Optical semiconductor device I Etc., the first active layer 58 and the second active layer 58 are: GaN , InGaN , AlGaN Or AlGaInN It is characterized by comprising.
In the optical semiconductor device or the like, the first barrier layer 56, the second barrier layer 60, the first semiconductor layer 56, and the second semiconductor layer 60 are: GaN , InGaN , AlGaN Or AlGaInN It is characterized by comprising.
[0034]
  Next, the operation of the above-described invention will be described. In the present invention, the main surface of the substrate is selected to be formed on the substrate.Al x Ga 1-xy In y N Active layer consisting ofThe c-axis is not perpendicular to the surface of the semiconductor layer. Therefore, formed on the substrateAl x Ga 1-xy In y N Active layer consisting ofFurther, when a compressive strain or tensile strain in the plane direction is applied, the active layer has triaxial anisotropy. As a result, the degeneration in the valence band of the active layer is solved, and the oscillation threshold current of the semiconductor laser having such an active layer is reduced.
[0035]
According to such a structure, the polarization plane (optical anisotropy) of light emission by the compound semiconductor layer can be uniquely determined.
When a surface emitting semiconductor laser is formed by growing such an active layer on a substrate, the in-plane anisotropy of the active layer is increased and the electric field vector is determined in one direction, so that polarization can be determined. .
[0036]
Thus, when the plane of polarization of the oscillation light of the surface emitting semiconductor laser is uniquely determined, it can be used as a light source for the magneto-optical disk device, and a light receiving element is manufactured on the same substrate as the surface emitting semiconductor laser. Becomes easier. As a result, the conventional mounting operation of the semiconductor laser and the light receiving element becomes unnecessary, and the size of the light receiving and emitting device is further reduced.
[0037]
  As the substrate, wurtzite structure such as GaN, LiAlO2A tetragonal crystal such as sapphire and a hexagonal crystal such as 6H—SiC are used. By the way, when the c-axis direction of the wurtzite compound semiconductor crystal constituting the light emitting diode is set to be substantially orthogonal to the light emission direction, the polarization direction is determined. Therefore, a plurality of such light emitting diodes are arranged on the display surface of the display device so that one light emitting diode forms part or all of a pixel, and the polarization directions of adjacent light emitting diodes differ from each other by 90 degrees. Let Thereby, the light-emitting diode for the right-eye polarization direction and the light-emitting diode for the left-eye polarization can be adjacent to each other, and the number of components can be reduced by omitting the deflector in the stereoscopic display device, thereby reducing the manufacturing cost. Moreover, such a display device brightens the image.
[0038]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Accordingly, embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIGS. 1A and 1B are configuration diagrams of the first embodiment of the present invention.
In the semiconductor laser shown in FIGS. 1A and 1B, the first semiconductor layer 1 having a uniaxial anisotropic crystal structure is used as a light emitting portion, and the axis perpendicular to the axis indicating the anisotropy of the first semiconductor layer 1 is used. In this plane, distortion is applied to give triaxial anisotropy.
[0039]
As described above, when strain is applied in a plane that is not perpendicular to the axis indicating anisotropy (that is, the c-axis), the applied strain is isotropic in each direction and exhibits triaxial anisotropy. . As a result, the degeneracy of HH and LH in the valence band is solved, and the threshold current density for laser oscillation is reduced.
That is, as shown in FIG. 1 (b), the degeneracy of the HH and LH bands, which was the highest in terms of energy, is solved, and the energy difference between the LH, HH, and CH (crystalline field split hole) bands. Therefore, for laser oscillation, carriers need only be shifted to HH, and the threshold current density increases. At this time, a resonator is manufactured perpendicular to the direction of the electric field vector determined by the polarization of the top band.
[0040]
On the other hand, as described in the prior art, in a semiconductor laser having an active layer subjected to compressive stress in the (0001) plane of the GaInN layer perpendicular to the c-axis, HH and LH Both of the two bands need to be filled with carriers, which increases the threshold current density.
In FIG. 1 (a), the first semiconductor layer 1 is sandwiched between the second and third semiconductors 2 and 3 having a lattice constant different from that of the first semiconductor layer 1, and the interface between these layers is the first. The semiconductor layer 1 is not perpendicular to the axis indicating the anisotropy.
[0041]
In this way, the main surface of the light emitting portion made of the first semiconductor layer 1 is configured by a surface that is not perpendicular to the c-axis, and the second semiconductor 2 and the third semiconductor layer having a lattice constant different from that of the first semiconductor layer 1. When the first semiconductor layer 1 is sandwiched between the semiconductor layers 3, strain is added in a plane that is not perpendicular to the c-axis based on the difference between the lattice constants, so that the light emitting portion can have triaxial anisotropy.
Next, materials and crystal lattice constants for the first to third semiconductor layers 1, 2, and 3 will be described.
[0042]
As a material constituting the first semiconductor layer 1 described above, for example, AIxGa1-xyInyN (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) is used. Such a wurtzite type nitride semiconductor is most typical and useful as a semiconductor material for a light emitting device having uniaxial anisotropy.
In addition, as a material constituting the second semiconductor layer 2, AluGa1-uvInvN (however, 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1) is adopted, and Al is used as a material constituting the third semiconductor layer 3.wGa1-wzInzN (where 0 ≦ w ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1) is adopted. As the second semiconductor layer 2 and the third semiconductor layer 3, by using a GaN-based semiconductor having a mixed crystal ratio different from that of the first semiconductor layer 1 made of the same GaN-based material, the first semiconductor layer 2 and the third semiconductor layer 3 are not affected by the loss of crystallinity. Stress can be applied to the semiconductor layer 1. The mixed crystal ratio of the second semiconductor layer 2 and the third semiconductor layer 3 may be the same.
[0043]
Further, the a-axis lattice constant a of the first semiconductor layer 11And the a-axis lattice constant a of the second semiconductor layer 2 and the third semiconductor layer 32, AThreeAnd a1<A2, A1<AThreeTo satisfy the relationship. In addition, the c-axis lattice constant c of the first semiconductor layer 11And the c-axis lattice constant c of the second semiconductor layer 2 and the third semiconductor layer 32, CThreeAnd c1<C2, C1<CThreeTo satisfy the relationship.
[0044]
With such a lattice constant relationship, in-plane biaxial tensile stress can be applied to the first semiconductor layer 1, whereby the degeneration of the band can be solved and the threshold current density can be reduced. In this case, the energy difference between the highest band and the second band in terms of energy in the valence band is larger than the compressive stress (see FIG. 14), and the top band is LH. The density is further reduced.
[0045]
On the other hand, the a-axis lattice constant a of the first semiconductor layer 11And the a-axis lattice constant a of the second semiconductor layer 2 and the third semiconductor layer 32, AThreeAnd a1> A2, A1> AThreeTo satisfy the relationship. And the c-axis lattice constant c of the first semiconductor layer 11And the c-axis lattice constant c of the second semiconductor layer 2 and the third semiconductor layer 32, CThreeAnd c1> C2, C1> CThreeTo satisfy the relationship.
[0046]
With such a lattice constant relationship, compressive stress (strain) can be applied in the plane of the first semiconductor layer 1, thereby degenerating the HH and LH bands and reducing the threshold current density. At the same time, since there is no concern about the occurrence of cracks compared to the case of tensile stress, the reliability is further improved.
Further, a material and a film thickness are selected such that the energy band gap of the second semiconductor layer 2 and the third semiconductor layer 3 is larger than the energy gap of the first semiconductor layer 1. By setting such an energy band gap relationship, light and carriers are confined in the first semiconductor layer 1, and efficient light emission is obtained.
[0047]
In addition, a material made of GaN, AIN, or SiC is selected as the constituent material of the substrate constituting the semiconductor laser. When a substrate made of GaN, AIN, or SiC having a uniaxial anisotropic crystal structure is used as a semiconductor substrate constituting a semiconductor laser, it is grown on the substrate by appropriately selecting its main surface. When strain is applied to the first semiconductor layer 1, the first semiconductor layer 1 can be given triaxial anisotropy.
[0048]
The semiconductor layer first provided on the substrate constituting the semiconductor laser has the same composition as the substrate. For example, a GaN mixed crystal substrate is used, and a clad layer having the same composition is directly provided on the base slope. Thereby, distortion can be effectively applied to the first semiconductor layer 1 constituting the light emitting portion on the cladding layer.
Next, the plane orientation of the above substrate will be described.
[0049]
The main surface of the semiconductor substrate constituting the semiconductor laser is formed on a surface that is turned off from either the {1-100} plane or the {11-20} plane by an off angle θ (where 0 ° ≦ θ ≦ 10 °). To do. In the present specification, an index normally represented by “1 bar” or “2 bar” is represented by “−1”, “−2” or the like for convenience.
When a semiconductor having a uniaxial anisotropic crystal structure is used as the substrate constituting the semiconductor laser, the first semiconductor above the substrate is formed by setting its main surface to the {1-100} plane or {11-20} plane. The layer 1 can be strained to have triaxial anisotropy. In this case, as shown in FIG. 1C, the main surface may be turned off by an off angle θ (where 0 ° ≦ θ ≦ 10 °) in order to suppress the generation of twins and the like.
[0050]
Further, the cleavage plane constituting the resonator of the semiconductor laser is any one of {0001} plane, {1-100) plane, and {11-20} plane.
When the {1-100} plane is used as the main surface of the substrate, either the {0001} plane or the {11-20} plane is a cleavage plane perpendicular to the main surface of the substrate. Further, when the {11-20} plane is used as the main surface of the substrate, either the {0001} plane or the {1-100} plane is a cleavage plane perpendicular to the main surface of the substrate. In this case, a resonator is constituted by two cleaved surfaces of the first semiconductor layer 1.
[0051]
Further, the main surface of the semiconductor substrate constituting the semiconductor laser is a {0001} plane, and a small surface other than the {0001} surface is provided on the surface of the substrate, and the first semiconductor layer 1 provided on this small surface is provided. Was the light emitting part (active layer). The small surface is a concept including a surface inclined with respect to the {0001} plane of the semiconductor substrate.
In this way, a small surface other than the {0001} surface for giving triaxial anisotropy may be provided on a part of the substrate, and the small surface allows, for example, a TS (Terraced Substrate) type semiconductor. A part of a laser or the like can be configured.
[0052]
The facet may be a plane perpendicular to either the {1-100} plane or the {11-20} plane, and this perpendicular plane may be a cleavage plane constituting the resonator.
Also in this case, the resonator can be configured by two cleavage planes by using the {1-100} plane or the {11-20} plane perpendicular to the facet as a cleavage plane.
Next, the structure of the above-described optical semiconductor device and the manufacturing method thereof will be specifically described.
[0053]
First example
First, as shown in FIG. 2 (a), TMGa (trimethylgallium) is added at 10 to 100 μmol / min, for example, on an n-type GaN (1-100) substrate 11 having a (1-100) plane as a main surface. 45 μmol / min, 10 to 100 μmol / min of TMA1 (trimethylaluminum), for example, 45 μmol / min, ammonia (NHThree) Between 0.02 and 0.2 mol / min, for example, 0.1 mol / min, Si2H6Of 0.0001 to 0.002 μmol / min, for example, 0.0007 μmol / min, and 300 to 3000 sccm of hydrogen as a carrier gas, for example, 1000 sccm, a growth pressure of 70 to 760 Torr, for example, 100 Torr, and a growth temperature N-type Al of 100 to 5000 nm, preferably 2000 nm in a state of 850 to 1100 ° C., for example, 950 ° C.0.1Ga0.9N Clad layer 12 is grown.
[0054]
Subsequently, TMGa is 10 to 100 μmol / min, for example, 45 μmol / min, ammonia is 0.02 to 0.2 mol / min, for example, 0.1 mol / min, Si2H6Of 0.0001 to 0.002 μmol / min, for example, 0.007 μmol / min, and 300 to 3000 sccm of hydrogen as a carrier gas, for example, 1000 sccm, and a growth pressure of 70 to 760 Torr, for example, 100 Torr. The n-type GaN light guide layer 13 having a thickness of 50 to 500 nm, preferably 100 nm is grown in a state where the temperature is 800 to 1050 ° C., for example, 930 ° C.
[0055]
Subsequently, TMGa is 2.5 to 25 μmol / min, for example, 10 μmol / min, TMIn (trimethylindium) is 25 to 250 μmol / min, for example, 100 μmol / min, ammonia is 0.02 to 0.2 mol / min, For example, 0.1 mol / min and nitrogen as a carrier gas are flowed through 300 to 3000 sccm, for example, 1000 sccm, the growth pressure is set to 70 to 760 Torr, for example, 100 Torr, and the growth temperature is set to 550 to 800 ° C., for example, 650 Ga at a thickness of 1 to 20 nm, preferably 3 nm, at a temperature of0.9In0.1N The active layer 14 is grown.
[0056]
Subsequently, TMGa is 10 to 100 μmol / min, such as 45 μmol / min, ammonia is 0.02 to 0.2 mol / min, such as 0.1 mol / min, and biscyclopentadienylmagnesium is 0.01 to 0.00. 5 μmol / min, for example, 0.05 μmol / min, and 300 to 3000 sccm, for example, 1000 sccm of hydrogen as a carrier gas are allowed to flow, the growth pressure is 70 to 760 Torr, for example, 100 Torr, and the growth temperature is 800 to 1050 ° C. For example, the p-type GaN light guide layer 15 having a thickness of 50 to 500 nm, preferably 100 nm is grown in a state of 930 ° C.
[0057]
Subsequently, TMGa is 10 to 100 μmol / min, such as 45 μmol / min, TMAl is 10 to 100 μmol / min, such as 45 μmol / min, ammonia is 0.02 to 0.2 mol / min, such as 01 mol / min, Biscyclopentadienylmagnesium is supplied in an amount of 0.01 to 0.5 μmol / min, for example, 0.05 μmol / min, and hydrogen as a carrier gas is supplied in an amount of 300 to 3000 sccm, for example, 1000 sccm, and a growth pressure is set to 70 to 760 Torr, for example, 100 Torr and a growth temperature of 850 to 1100 ° C., for example, 950 ° C., 100 to 2000 nm, preferably 500 nm p-type Al.0.1Ga0.9N Clad layer 16 is grown.
[0058]
In this case, Al0.1Ga0.9The growth rate of the N cladding layers 12 and 16 is 0.6 to 5.5 μm / hour, typically 2.6 μm / hour, and the growth rate of the GaN light guide layers 13 and 15 is 0.5 to 5 2 μm / hour, typically 2.4 μm / hour, and Ga0.9In0.1The growth rate of the N active layer 14 is 0.1 to 1.5 μm / hour, typically 0.6 μm / hour.
[0059]
Next, a Ti / Au electrode 17 as an n-side electrode is provided on the back surface of the n-type GaN (1-100) substrate 11, while p-type Al0.1Ga0.9A Ni / Au electrode 18 is provided on the N clad layer 16 as a p-side electrode, and after appropriate element separation, cleavage is performed on the (0001) plane to form a resonator, thereby completing a semiconductor laser.
In this case, since the (0001) plane is perpendicular to the (1-100) plane which is the main surface of the substrate, the pair of cleavage planes act as a resonator.
[0060]
In this first example, since the (1-100) plane is used as the substrate, the n-type Al grown thereon is used.0.1Ga0.9N clad layer 12 to p-type Al0.1Ga0.9The growth surface of the N cladding layer 16 is also a (1-100) plane, and Ga0.9In0.1The N active layer 14 has a triaxial anisotropy because it receives a compressive stress in the (1-100) plane due to a difference in lattice constant with the n-type GaN light guide layer 13.
[0061]
That is, the in-plane atomic spacing in the first example is n-type Al.0.1Ga0.9N Since the lattice constants of the a-axis and c-axis of the clad layer 12 are defined by 3.189 and 5.185Å, the lattice constants of the a-axis and c-axis are 3.225Å and 5.243Å, respectively.0.9In0.1A compressive stress is applied to the N active layer 14 to provide triaxial anisotropy.
Ga0.9In0.1N, GaN, and Al0.1Ga0.9The energy band gaps of N are 3.15 eV, 3.4 eV, and 3.7 eV, respectively.
[0062]
When in-plane compressive stress is applied to such a GaN-based semiconductor, as shown in FIG. 2 (b), the degenerate HH and LH bands that are degenerate at the top of energy are separated. , LH becomes the highest level, and laser oscillation is performed by the transition between the LH and the conduction band, and the threshold current density is greatly reduced.
In this first example, the GaN (1-100) substrate 11 having the (1-100) plane as the main surface is used as the substrate, but a GaN substrate having the (11-20) plane as the main surface is used. Further, an AlN substrate or SiC substrate having a (1-100) plane or a (11-20) plane as a main surface may be used, and the (1-100) plane or the main surface may be used. This includes all planes that are crystallographically equivalent to the (11-20) plane, and the same applies to the following examples of this embodiment.
[0063]
As the substrate on which the active layer and cladding layer of the semiconductor laser are formed, in addition to GaN, AlN, SiC or other substrates may be used. For example, the GaN substrate in the element structure shown in FIG. 2 (a) may be replaced with an AlN substrate, and the same structure as in FIG. 2 (a) may be provided thereon. The same structure as that shown in FIG. 2 (a) may be provided on the SiC base slope through an n-type AlN buffer layer having a thickness of 5 to 100 nm, for example, 20 nm.
[0064]
As shown in FIG. 3, when the resistance of the AlN substrate 11a is considered to be high, a structure in which the electrode 17a is connected to a part of the AlGaN cladding layer 12 is adopted. The same applies when using an AlN buffer layer. These may be similarly adopted in the following examples.
In this embodiment and the following embodiments, as shown in FIG. 2C, the energy band gap of the active layer is smaller than the energy band gap of the cladding layer, the guide layer described later, and the optical confinement layer described later. .
[0065]
Second example
Next, a second example of this embodiment will be described with reference to FIG.
First, as shown in FIG. 4 (a), TMGa is added on the n-type GaN (1-100) substrate 21 having the (1-100) plane as a main surface, and the thickness is 2.5 to 25 μmol / min, for example, 10 μmol / min. Min, TMAl 30-300 μmol / min, eg 150 μmol / min, TMIn 250-2500 μmol / min, eg 1000 μmol / min, ammonia 0.02-0.2 mol / min, eg 01 mol / min, Si2H6Of 0.0001 to 0.002 μmol / min, for example, 0.007 μmol / min, and nitrogen as a carrier gas is allowed to flow at 300 to 3000 sccm, for example, 1000 sccm, the growth pressure is set at 70 to 760 Torr, for example, 100 Torr, and the growth temperature N-type Al of 100 to 5000 nm, preferably 2000 nm in a state of 550 to 900 ° C., for example 700 ° C.0.4Ga0.3 In0.3An N clad layer 22 is grown.
[0066]
Subsequently, TMGa is 5 to 50 μmol / min, for example, 20 μmol / min, TMAl is 10 to 100 μmol / min, for example, 50 μmol / min, TMIn is 150 to 1500 μmol / min, for example, 660 μmol / min, and ammonia is 0.5%. 02 to 0.2 mol / min, for example, 0.1 mol / min, Si2H6Of 0.0001 to 0.002 μmol / min, for example, 0.007 μmol / min, and 300 to 3000 sccm, for example, 1000 sccm of nitrogen as a carrier gas, and a growth pressure of 70 to 760 Torr, for example, 100 Torr. N-type Al having a thickness of 50 to 500 nm, preferably 100 nm, at a temperature of 550 to 900 ° C., for example 700 ° C.0.15Ga0.65In0.2N light guide layer 23 is grown.
[0067]
Subsequently, TMGa is 2.5 to 25 μmol / min, for example 10 μmmol / min, TMIn is 25 to 250 μmol / min, for example 100 μmol / min, Ammonia is 0.02 to 0.2 mol / min, for example 01 mol / min. The thickness of the carrier gas is 300 to 3000 sccm, for example 1000 sccm, the growth pressure is 70 to 760 Torr, for example 100 Torr, and the growth temperature is 550 to 900 ° C., for example 700 ° C. 1-20 nm, preferably 3 nm Ga0.9In0.1N The active layer 24 is grown.
[0068]
Subsequently, TMGa is 5 to 50 μmol / min, such as 20 μmol / min, TMAl is 10 to 100 μmol / min, such as 50 μmol / min, TMIn is 150 to 1500 μmol / min, such as 660 μmol / min, and ammonia is 0.02. 0.2 mol / min, for example 0.1 mol / min, biscyclopentadienyl magnesium 0.01-0.5 μmol / min, for example 0.05 μmol / min, and nitrogen as the carrier gas 300- A p-type film having a thickness of 50 to 500 nm, preferably 100 nm in a state where a flow rate of 3000 sccm, for example, 1000 sccm, a growth pressure of 70 to 760 Torr, for example, 100 Torr, and a growth temperature of 550 to 900 ° C., for example, 700 ° C. Al0.15Ga0.65In0.2N light guide layer 25 is grown.
[0069]
Subsequently, TMGa is 2.5 to 25 μmol / min, for example 10 μmol / min, TMAl is 30 to 300 μmol / min, for example 150 μmol / min, TMIn is 250 to 2500 μmol / min, for example 1000 μmol / min, and ammonia is 0 02 to 0.2 mol / min, for example, 0.1 mol / min, biscyclopentadienylmagnesium to 0.01 to 0.5 μmol / min, for example, 0.05 mol / min, and as a carrier gas A nitrogen flow of 300 to 3000 sccm, for example, 1000 sccm, a growth pressure of 70 to 760 Torr, for example, 100 Torr, a growth temperature of 550 to 900 ° C., for example, 700 ° C., and a p of 100 to 2000 nm, preferably 500 nm. Type Al0.4Ga0.3In0.3An N clad layer 26 is grown.
[0070]
In this case, Al0.4Ga0.3In0.3The growth rate of the N clad layers 22 and 26 is 0.2 to 3.0 μm / hour, typically 1.2 μm / hour.0.15Ga0.65In0, .2The growth rate of the N light guide layers 23 and 25 is 0.3 to 5.0 μm / hour, typically 1.8 μm / hour.0.9In0.1The growth rate of the N active layer 14 is 0.1 to 1.5 μm / hour, typically 0.6 μm / hour.
[0071]
Next, a Ti / Au electrode 27 is provided as an n-side electrode on the back surface of the n-type GaN substrate 21 having a (1-100) surface, while p-type Al0.4Ga0.3In0.3A Ni / Au electrode 28 is provided as a p-side electrode on the N clad layer 26, and after appropriate element separation, cleavage is performed on the (0001) plane to form a resonator, thereby completing a semiconductor laser.
In this second example, since the (1-100) plane is used as the substrate, n-type Al grown on it is used.0.4Ga0.3In0.3N clad layer 22 to p-type Al0.4Ga0.3In0.3The growth surface of the N cladding layer 26 is also a (1-100) plane, and Ga0.9In0.1Since the N active layer 24 receives tensile stress, it becomes triaxial anisotropy.
[0072]
That is, the in-plane atomic spacing in the second example is n-type Al.0.4Ga0.3In0.3N Since the clad layer 22 is defined by the a-axis and c-axis lattice constants of 3.266、3 and 5.276Å, the a-axis and c-axis lattice constants are 3.225Å and 5.243Å.0.9In0.1A tensile stress is applied to the N active layer 24, resulting in triaxial anisotropy.
Ga0.9In0.1N, Al0.15Ga0.65In0.2N and Al0.4Ga0.3In0.3The energy band gaps of N are 3.15 eV, 3.4 eV and 3.6 eV, respectively.
[0073]
In this way, when in-plane tensile stress is applied to the GaN-based semiconductor, as shown in FIG. 4 (b), the degeneracy of the HH and LH bands that are degenerate at the highest energy level is resolved and separated. In addition, since HH becomes the highest level and the energy difference between LH and HH can be increased, the threshold current density can be further reduced.
As described above, regarding the reduction of the threshold current density, the band structure of the valence band in FIG. 2 (b) due to the biaxial compressive stress in the growth plane is different from that in FIG. 4 (b) due to the in-plane biaxial tensile stress. The band structure of the valence band is preferable because the energy difference between the first and second bands can be increased, but in the case of tensile stress, the active layer is more likely to crack. Therefore, compressive stress is more desirable from the viewpoint of device lifetime.
[0074]
Also in this second example, when an AlN substrate is used, the GaN substrate in the element structure shown in FIG. 4 (a) is replaced with an AlN substrate, and the same structure as in FIG. 4 (a) is provided thereon. If a SiC substrate is used, the same structure as that shown in FIG. 4A can be provided on an n-type SiC substrate through an AlN buffer layer having a thickness of 5 to 100 nm, for example, 20 nm. It ’s fine.
[0075]
Third example
Next, a third example of the present embodiment will be described with reference to FIG. 5. Since the manufacturing conditions are exactly the same as those in the first example, the structure will be described.
The element shown in the perspective view in FIG. 5 is a so-called TS type semiconductor laser, and has a (11-21) facet formed of a (11-21) face at a step portion of a GaN substrate having a (0001) face as a main face. The n-type GaN (0001) substrate 31 provided with is used. On this n-type GaN (0001) substrate 31, n-type Al is exactly the same as in the first example.0.1Ga0.9N clad layer 12, n-type GaN light guide layer 13, Ga0.9In0.1N active layer 14, p-type GaN light guide layer 15, and p-type Al0.1Ga0.9The N clad layer 16 is grown sequentially.
[0076]
Next, Ti / Au electrode 17 and SiO2The Ni / Au electrode 18 is provided through an opening provided in the insulating film 33 and the like to appropriately separate the elements, and then the (1-100) plane is cleaved to form a pair of (1-100) cleavage planes 34. A TS type semiconductor laser as a resonator is completed.
In this case, the main surface of the substrate is a (0001) plane that is perpendicular to the c-axis, but the light emitting section, that is, the laser oscillation section is actually a plane parallel to the (11-21) plane. In this (11-21) plane, a compressive stress is applied to form triaxial anisotropy, and the degeneration can be solved as shown in FIG. 2B, so that the threshold current density is lowered, but the stress is applied (11-21). ) Since the face is 32, the influence of stress is smaller than that of the first example, and the effect of reducing the threshold current density is inferior.
[0077]
In this case, the facet is not limited to (11-21) facet 32.
Also in this third example, the substrate is GaN, LiAlO.ThreeHowever, AlN or SiC may be used, and the configuration change accompanying the change of the material of the substrate is the same as the replacement in the first example, and the same as in the second example. When a semiconductor having such a composition is used, a tensile stress is applied to the active layer as in the second example.
[0078]
Fourth example
In the above first to third examples, a binary compound substrate is used as the substrate.0.1Ga0.9N or Al0.4Ga0.3In0.3A mixed crystal substrate such as N may be used. In that case, Al formed on it0.1Ga0.9N clad layer or Al0.4Ga0.3In0.3Since the lattice matching with the N cladding layer can be perfectly taken, the crystallinity of the growth layer is not impaired.
[0079]
As a substrate used for forming other semiconductor lasers, as shown in FIG. 6 (a), LiAlO having tetragonal crystals is used.2A substrate 35 may be used, an example of which will be described below. LiAlO2Is called lithium aluminate.
So next, LiAlO2A process of forming a semiconductor laser using the substrate 35 will be described.
[0080]
LiAlO2As the main surface of the substrate 35, a {100} plane or a surface that is turned off within a predetermined angle, for example, ± 5 degrees from the {100} plane is used.
First, LiAlO using an organic cleaning agent such as isopropyl alcohol and ethyl alcohol2The surface of the substrate 35 is cleaned.
Next, on the susceptor in the growth furnace of the metalorganic vapor phase epitaxy apparatus (not shown), LiAlO2A substrate 35 is placed. After that, LiAlO2While replacing the atmosphere around the substrate 35 with nitrogen, the pressure in the atmosphere is reduced to 100 Torr.
[0081]
Subsequently, LiAlO at a temperature 50 degrees higher than the growth temperature described later.2Substrate 35 is heated and thereby LiAlO2Thermal cleaning is performed by sublimating elements on the surface of the substrate 35.
After that, LiAlO2The substrate 35 is lowered to a growth temperature of, for example, 800 to 1050 ° C., and then TMGa gas, ammonia gas, Si2H6Introduce gas. TMGa is gasified by bubbling with nitrogen gas in a thermostatic chamber, and the nitrogen gas is used as a carrier gas. Si2H6Of these, the Si element functions as an n-type dopant.
[0082]
The flow rate of TMGa gas is set within a range of 10 to 100 μmol / min. The flow rate of ammonia gas is 2 × 10Four~ 2x10FiveWithin the range of μmol / min. Furthermore, the nitrogen gas is set within a range of 0.3 to 3.0 μmol / min.
In this case, the flow rate of TMGa gas is 45 μmol / min and the flow rate of ammonia gas is 1 × 10.FiveWhen the flow rate of nitrogen gas is set to 1.0 μmol / min and the growth temperature is set to 930 ° C., LiAlO2The growth rate of GaN on the substrate is 2.4 μm / h. Note that, according to the above conditions within the range of gas flow rate and growth temperature, the growth rate of GaN is 0.5 to 5.2 μm / h.
[0083]
LiAlO depending on such conditions2On the substrate 35, an n-type GaN buffer layer 36 having a thickness of, for example, 5 to 100 nm is grown.
Subsequently, n-type Al under the same conditions as in the first example0.1Ga0.9N cladding layer 12, GaN light guide layer 13, Ga0.9In0.1N active layer 14, p-type GaN light guide layer 15, p-type Al0.1Ga0.9N clad layer 16 is formed in order. Note that magnesium (Mg) is used as the p-type dopant.
[0084]
The formation conditions, film thickness, and source gas of these layers are the same as those in the first example.
Next, LiAlO2After removing the substrate 35 from the growth furnace, n-type Al0.1Ga0.9N A part of the cladding layer 12 is exposed and its n-type Al0.1Ga0.9N Ti / Au electrode 37 is formed as an n-side electrode on a part of clad layer 12, and p-type Al0.1Ga0.9A Ti / Au electrode 18 is formed on the N clad layer 16 as a p-side electrode. And LiAlO2The substrate 35, the layers 36, 12 to 16 and the electrodes thereon and the electrodes are appropriately separated to complete the semiconductor laser.
[0085]
By the way, as shown in FIG.2When hexagonal GaN is grown on the {100} face of the substrate 35, LiAlO2The a-axis of GaN and c-axis of GaN are parallel, and LiAlO2The c-axis of GaN and the a-axis of GaN are parallel.
As a result, LiAlO2On the {100} face of the substrate 35, GaN grows with the (1-100) face up.0.1Ga0.9The ground below the N cladding layer 12 is the (1-100) plane of the GaN layer 36.
[0086]
Therefore, as in the first example, Al0.1Ga0.9N cladding layer 12, GaN light guide layer 13, Ga0.9In0.1N active layer 14, p-type GaN light guide layer 15, p-type Al0.1Ga0.9The growth surface of the N cladding layer 16 is also a (1-100) plane, and Ga0.9In0.1Since the N active layer 14 receives compressive stress in the (1-100) plane due to the difference in lattice constant from the n-type GaN optical guide layer 13, it has triaxial anisotropy as in the first example. It will be.
[0087]
Also, as shown in FIG. 7, tetragonal LiAlO2Interatomic distance L in the a-axis direction1Is 5.1687Å, tetragonal LiAlO2Inter-atomic distance L in the c-axis direction2Is a tetragonal crystal of 6.2679Å, and the interatomic distance L in the a-axis direction of hexagonal GaNThreeIs 3.189Å, and the interatomic distance L in the c-axis direction of hexagonal GaNFourIs 5.185cm.
Therefore, considering the interatomic distance, the a-axis direction, and the c-axis direction, the GaN buffer layer and LiAlO2The mutual lattice mismatch of the substrates is as follows.
[0088]
In the c-axis direction of the GaN buffer layer 36, the GaN buffer layer 36 and LiAlO2The lattice mismatch of the substrate 35 is small as in the following formula (1).
(CGaN-ALiAlO2/ ALiAlO2  = 3.2 × 10-3    ... (1)
Where cGaNIs the distance between atoms in the c-axis direction of GaN, aLiAlO2LiAlO2The interatomic distance in the a-axis direction.
[0089]
In addition, in the a-axis direction of the GaN buffer layer, the GaN buffer layer and LiAlO2The lattice mismatch of the substrate is small as in the following equation (2).
(2xaGaN-CLiAlO2) / CLiAlO2  = 1.8 × 10-3  ... (2)
However, aGaNIs the interatomic distance in the a-axis direction of GaN, cLiAlO2LiAlO2The distance between atoms in the c-axis direction.
[0090]
LiAlO like this2When the lattice mismatch between the substrate 35 and the GaN layer 36 is small, either the {100} plane or the plane off by 0 to 5 degrees from the plane is LiAlO.2If the GaN layer 36 is formed on the main surface of the substrate 35, the GaN layer 36 is unlikely to crack due to thermal expansion.
In this case, the c-axis of the GaN layer 36 is LiAlO.2The inclination is 0 to 5 degrees from the main surface of the substrate 35, and the GaN layer 36 is distorted in a plane that is not perpendicular to the c-axis. As a result, the strain applied to the GaN layer 36 exhibits triaxial anisotropy, which solves the double degeneration of HH and LH in the valence band of the energy band structure, thereby increasing the threshold current density of the semiconductor laser. descend.
[0091]
Further, when a rocking curve showing the intensity distribution of diffraction of X-ray irradiation of such a (1-100) plane-grown single-crystal GaN layer was measured, as shown in FIG. A film having good crystallinity (") can be obtained.
In the above description, LiAlO2Although the formation of the GaN film on the substrate has been described, as shown in FIG.2Al on the substrate 35xGa1-xyInyThe same crystal structure is obtained when the N layer is formed directly. That is, a surface which is 0 or 0 to 5 degrees off from the {100} face or {100} face is LiAlO.2The main surface of the substrate 35 is formed, and the n-type Al is formed on the main surface in the same manner as in the second example.0.4Ga0.3In0.3N clad layer 12, n-type Al0.15Ga0.65In0.2N light guide layer 13, Ga0.9In0.1N active layer 14, p-type Al0.15Ga0.65In0.2N light guide layer 115, n-type Al0.4Ga0.3In0.3The N clad layer 16 may be formed in order, and a semiconductor laser may be configured from these layers. The growth conditions, film thickness, etc. in this case are the same as those in the second example.
[0092]
By the way, AlxGa1-xyInyN (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) interatomic distance La in the a-axis direction1LiAlO represented by the formula (11)2C-axis interatomic distance La2Is represented by equation (12) and AlxGa1-xyInyA axis direction of N and LiAlO2The c-axis directions are parallel. Also, AlxGa1-xyInyInter-atomic distance Lc in the c-axis direction of N1The interatomic distance Lc in the a-axis direction of GaN2Is represented by formula (14) and AlxGa1-xyInyC axis direction of N and LiAlO2The a-axis direction is parallel.
[0093]
La1= XaAlN+ AGaN-XaGaN-YaGaN+ YaInN    (11)
La2= CLiAlO2            (12)
Lc1= XcAlN+ CGaN-XcGaN-YcGaN+ YcInN    ... (13)
Lc2= ALiAlO2            ... (14)
In those equations, aAlNIs the distance between atoms in the a-axis direction of AlN, aGaNIs the interatomic distance in the a-axis direction of GaN, aInNIs the interatomic distance in the a-axis direction of InN, cLiAlO2LiAlO2Is the distance between atoms in the c-axis direction, and cAlNIs the distance between atoms in the c-axis direction of AlN, cGaNIs the distance between atoms in the c-axis direction of GaN, cInNIs the distance between atoms in the c-axis direction of InN, aLiAlO2LiAlO2The interatomic distance in the a-axis direction.
[0094]
Also, AlxGa1-xyInyFor the composition ratio x, y of N, the lattice mismatch is 2 × 10-2When the expressions (15) to (18) for the condition of% are obtained and drawn in the x and y coordinates, x and y satisfying the conditions of the expressions (15) to (18) are indicated by hatched lines in FIG. When the composition ratio of x and y indicated by the oblique lines is selected, the crystallinity is good and cracks due to thermal expansion or the like are less likely to occur in the crystal. Equation (15) is not represented in FIG. 9 because y is negative when x ≦ 1.
[0095]
[Expression 1]
Figure 0003816176
[0096]
(Other examples)
In the first to third examples, a just surface such as the (1-100) surface or the (11-21) surface is used as the main surface of the substrate. Alternatively, a substrate in which the (1-100) plane or the (11-21) plane is turned off within the range of the off angle θ (0 ° ≦ θ ≦ 10 °) may be used.
[0097]
Furthermore, in the above example, Ga is used as the active layer.0.9In0.1N is used, but the mixed crystal ratio is Al depending on the required wavelength.xGa1-xyInyN (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) may be changed, and accordingly, the mixed crystal ratio of the light guide layer and the cladding layer is changed to Al.aGa1-abInbYou may change within the range of N (0 <= a <= 1, 0 <= b <= 1).
[0098]
In the above example, the light guide layer is used. However, this is not always necessary, and the heterojunction may be formed directly by the clad layer and the active layer. There is no need to make it symmetrical, Al with different mixed crystal ratiosaGa1-abInbN may be used.
In addition, the raw materials used in the above examples are not limited to the above raw materials, and the organic metal raw materials are ethyl based instead of methyl based, that is, TEGa (triethylgallium), TEAl (triethylaluminum), and TEIn ( Triethylindium) may be used, and nitrogen (N) source may be replaced with ammonia instead of ammonia.2HFour, (CHThree)ThreeCNH2 , C2HFiveNThreeOr CHThreeNH ・ NH2May be used.
[0099]
Furthermore, the impurity material is Si for n-type.2H6Instead of SiHFourOr CHThreeSiHThreeIn addition, biscyclopentadienyl magnesium [(CFiveHFive)2Instead of (Mg), (CHThreeCFiveHFour)2Mg, (CFiveHFiveCFiveHFour)2Mg, (i-CThreeH7CFiveHFour)2Mg or (n-CThreeH7CFiveHFour)2May be used.
(Second Embodiment)
FIG. 10 is a perspective view showing the basic structure of the surface emitting semiconductor laser of this embodiment. FIG. 11 is a diagram showing the crystal orientation of the active layer of the present invention, and shows the relationship between the crystal orientation of the active layer of the semiconductor laser shown in FIG. 10 and the coordinate axis.
[0100]
In the first configuration of the present invention, referring to FIG. 10, active layer 42 formed above substrate 41 is formed of a hexagonal semiconductor layer having a c-axis in its plane. That is, as shown in FIGS. 10 and 11, when the xz plane is taken in the main surface of the active layer 42 and the y-axis is taken in the direction perpendicular to the active layer 42, the c-axis of the hexagonal semiconductor crystal constituting the active layer 42 is shown. The direction, that is, the <0001> direction is arranged toward the z axis in the active layer 42 plane.
[0101]
Thus, by including the c-axis in the plane of the active layer 42, the plane of polarization of the oscillation light is defined as described below. The crystal orientation of the x and y axis orientations is not particularly limited. For example, the <11-20> direction is the x axis in the plane of the active layer 42 and the <1-100> orientation is the film of the active layer 2. The y axis in the thickness direction can be used.
[0102]
Hereinafter, the reason why the plane of polarization of oscillation light is defined in this embodiment will be described.
First, a case where there is no strain in the active layer will be described. FIG. 12 is a diagram showing the energy band structure of GaN, which shows the band structure of a hexagonal semiconductor. As shown in FIG. 12, the valence band VB of GaN has three bands of HH, CH, and LH near the bottom of the forbidden band in the vicinity of the electron wave vector k = 0.
[0103]
Here, when there is no distortion in GaN, in wave vector k = 0, the highest energy valence band is the HH band, the next highest energy is the LH band, and the lowest energy is CH. A band. These HH, LH, and CH bands have two p-orbital functions p having polarization in the direction perpendicular to the c-axis when the c-axis direction of the crystal is taken as the Z-axis of the XYZ 3-axis orthogonal coordinates.xAnd pyAnd orbital function p having polarization in the c-axis directionzAnd is expressed as follows.
[0104]
HH band; (px+ Py) / √2
LH band; (px-Py) / √2
CH band; pz
Among these, since the HH band is closest to the bottom of the forbidden band, the emission transition to the HH band is prioritized for spontaneous emission from the conduction band CB to the valence band VB. This HH band consists of a p-orbital coupling state and is symmetric about the c-axis. For this reason, light emission accompanying spontaneous emission of GaN has a polarization state in which the electric field vibrates perpendicularly to the c-axis. Further, the transition probability that causes such polarization is equivalent to the rotation of the vibration direction around the c-axis. Although the above description has been given for GaN, the same applies to hexagonal semiconductor crystals. In addition, since the zinc blende type semiconductor crystal is triaxial isotropic, its optical characteristics are isotropic.
[0105]
In the conventional surface emitting semiconductor laser having a vertical cavity, the active layer 102 is formed perpendicular to the c-axis 104 as shown in FIG. For this reason, the plane of polarization of the oscillation light is the c-plane, and the electric field vibrates perpendicularly to the c-axis 104. As a result, oscillating light that vibrates in any direction in the XY plane is equally generated due to the symmetry of the polarization of spontaneous emission light around the c-axis. Therefore, the polarization plane of the oscillation light is not fixed, and the oscillation becomes unstable.
[0106]
On the other hand, in the present embodiment, as shown in FIG. 10, the active layer 42 has a c-axis in the plane, and thus the traveling direction of the oscillation light is perpendicular to the c-axis. As described above, since the vibration direction of the electric field of spontaneous emission light is perpendicular to the c-axis when HH is at the band edge, the vibration direction of the electric field of the oscillation light is both the c-axis and the traveling direction of the oscillation light. It is uniquely determined in the direction perpendicular to the direction, that is, the direction included in the active layer plane and perpendicular to the c-axis.
[0107]
Therefore, in the surface emitting semiconductor laser of this configuration, the electric field direction of the oscillation light traveling perpendicular to the active layer is fixed in the direction perpendicular to the c-axis. In the surface emitting semiconductor laser, since the resonator is in the film thickness direction, the polarization direction (direction of the electric field vector of light emission) determined by the top band must be in the active layer plane. That is, the polarization of the top band that determines the direction of the electric field vector of light emission needs to be in the active layer plane.
[0108]
Next, the PL (photoluminescence) emission wavelength of the active layer and its polarization plane orientation will be described. FIG. 13 is a diagram showing the PL emission characteristics of the active layer of the present invention when HH is at the band edge. The active layer made of a GaN thin film having a c-axis in the plane used in the semiconductor laser having the first configuration is shown in FIG. The calculated value of PL emission intensity is shown. The parameter in FIG. 13 is the orientation of the polarization plane of the PL light, that is, the angle θ formed by the oscillation direction of the electric field in the active layer surface and the c-axis. The following description is applicable not only to GaN but also to hexagonal semiconductor crystals.
[0109]
As shown in FIG. 13, when the PL emission of the active layer is dispersed with respect to the plane of polarization, that is, the plane of polarization of the electric field and the wavelength, the plane of polarization of the PL light is perpendicular to the c-axis (shown at 90 ° in the figure). In addition, the PL emission spectrum intensity of the active layer is maximized. The wavelength corresponding to the maximum intensity is about 366 nm, and this wavelength corresponds to light emission due to the transition from the conduction band CB to the HH band of the valence band VB as shown in FIG. On the other hand, when the polarization plane of PL light is parallel to the c-axis (indicated by 0 ° in the figure), the emission intensity is small and the maximum wavelength of the spectrum is as short as about 360 nm. This is because by changing the polarization plane of PL emission from a polarization plane perpendicular to the c-axis to a polarization plane parallel to the c-axis, the PL emission changes from emission due to transition to the HH band to emission due to transition to the CH band. Indicates that it has migrated.
[0110]
That is, the transition to the HH band consisting of the p orbital polarized in the x axis direction emits only light whose polarization plane is perpendicular to the c axis, whereas the CH band consists of the p orbital polarized in the z axis direction. This is because light having a polarization plane parallel to the c-axis can be emitted only by transition to the CH band.
In this embodiment, when the polarization plane and wavelength of the photoluminescence light of the semiconductor layer 2 are selected so that the photoluminescence light intensity is maximized, the wavelength of the photoluminescence light and the resonance wavelength of the optical resonator are Match. The energy of light of this wavelength is equal to the photoenergy of light emission accompanying the transition of electrons to the HH band. Therefore, by oscillating at such a wavelength, the oscillation light can be limited only to light emission due to the transition of electrons to the HH band. In this case, since light emission accompanying the transition to the CH band having a polarization plane parallel to the c-axis cannot be mixed, fluctuation of the polarization plane of the oscillation light can be surely prevented.
[0111]
Note that the resonance wavelength does not have to be a wavelength that can strictly obtain the maximum intensity. For example, light emission mainly occurs due to the transition of electrons to the HH band and light emission associated with the transition to the CH band is small, and as a result, oscillation due to the transition of electrons to the HH band to transition to the CH band. It is sufficient that the wavelength is close to the maximum intensity to the extent that fluctuations in the oscillation mode can be suppressed.
[0112]
Next, a case where there is a strain in the active layer will be described.
FIGS. 14A to 14E are diagrams showing the strain dependence of the energy band of GaN, and represent calculated values of the energy of the valence band of GaN having strain. Referring to FIG. 11, the strain in the <0001> direction is εz, Strain in the <11-20> direction is εx, And <1-100> orientation strain εyThe respective strain values are shown with the compression strain state being negative and the tensile strain state being positive.
[0113]
FIG. 14 (a) shows εz= 0 and εxThis is the case where ΕyIs an unconstrained state because y is the growth direction. That is, it is the result of calculating the change in energy of the valence band when uniaxial strain is applied in the <11-20> direction of the crystal. Similarly, FIG. 14 (b) shows εz0.5% tensile strain is added to thexIs added. 14 (c) and 14 (d) are respectively εz0.5% and 1.0% compression strains are added to thexIs added. ΕyThere is no restraint.
[0114]
Referring to FIGS. 14 (a) to 14 (c), the strain εxIs compressed and εzWhen the compression is 1.0% or more, the X or Z branch consisting of the p orbital becomes a band of the valence band located at the bottom of the forbidden band of the energy band structure (that is, the top of the valence band). Therefore, the emission transition from the conduction band preferentially occurs to the X or Z branch. As a result, when X is above, the polarization perpendicular to the c-axis is the same as the emission without the distortion described above. Only light with a surface oscillates. When Z is the band edge, light oscillating parallel to the c-axis oscillates.
[0115]
On the other hand, referring to FIG.zHas a compression strain of 1% or more and εxIs tensile strain, the Z branch has higher energy than the X and Y branches. For this reason, with respect to the transition of electrons from the conduction band, the transition to the Z branch is prioritized, and light is generated that oscillates on a polarization plane parallel to the c axis. As described above, since the surface emitting semiconductor laser has a resonator perpendicular to the active layer, the electric field vector needs to be in the active layer plane. Therefore, the polarization of the top band wave function that determines the electric field vector needs to be in the active layer plane. That is, when the structure as shown in FIG. 11 is manufactured, since the Y direction becomes a resonator, Y does not oscillate in the top band.
[0116]
FIG. 14 (e) shows εyIs in an unconstrained state, εz= ΕxIn other words, it is a calculated value of the energy band of the valence band when in-plane biaxial strain is applied in the plane including <0001> and <11-20>. X has the highest energy with respect to the in-plane compressive strain. In this case, oscillation light having an electric field direction in the a-axis direction is generated. When the traveling direction of light faces the polarization direction of the Y branch, oscillation based on transition to the CH band occurs.
[0117]
As described above, when the active layer is strained, the oscillation light has a polarization plane perpendicular to the c-axis and a polarization plane parallel to the c-axis. However, in any case, the plane of polarization of the oscillation light is uniquely determined by the optical axis and the crystal axis direction of the optical resonator, so that the plane of polarization of the surface emitting semiconductor laser is defined in advance and the plane of polarization does not vary.
In the configuration shown in FIG. 10, as the active layer 42, either a multiple quantum well layer (MQW) containing GaN, lnGaN or AIGalnN or a single layer made of GaN, lnGaN or AIGalnN is selected.
[0118]
Further, as the substrate 41 shown in FIG. 10, a SiC substrate having the (11-20) plane as the main surface may be used. Moreover, you may use the SiC substrate which makes a (1-100) plane a main surface, or the sapphire substrate which makes a (1-102) surface a main surface.
Further, a first conductivity type first barrier layer 47, an active layer 42, and a second conductivity type second barrier layer 48 are sequentially grown on the main surface of the substrate 41, thereby forming a double heterojunction. Structure is constructed. Further, when a reflective surface is formed above or below the double heterojunction structure, the first barrier layer 47, the active layer 42, and the second barrier layer 48 can be configured as an optical resonator. By configuring the first and second barrier layers 47 and 48 as AIGaN, and further forming the active layer 42 from a single layer of AIGaN or GaN or InGaN, or a multiple quantum well layer containing such a material. Thus, a surface emitting semiconductor laser having an active layer 42 made of a GaN-based semiconductor having a c-axis in-plane is realized.
[0119]
Next, this embodiment is further demonstrated based on drawing.
The inventor of the present application measures the PL emission spectrum of the active layer 42, so that the relationship between the PL emission wavelength and the polarization plane is such that the emission from the transition from the conduction band to the HH band and the CH band from the conduction band. It was clarified by the following experiment that it can be explained by light emission due to transition to.
[0120]
First, an undoped GaN thin film is deposited on a SiC base slope having a (1-100) plane as a main surface by using a well-known MOVPE (metal organic vapor phase epitaxy) method, and the polarization plane of the photoluminescence light. Photoluminescence light intensity with respect to azimuth and wavelength was measured.
The results are shown in FIGS. FIG. 15 shows a PL emission spectrum of the active layer 42 of the present embodiment. A in FIG. 15 represents photoluminescence light whose electric field vector is perpendicular to the c axis, and B represents photoluminescence light whose electric field vector is parallel to the c axis. Represents. FIG. 16 is a diagram showing the polarization plane dependency of the PL emission intensity of the active layer of the present invention. The maximum intensity of PL emission (hereinafter referred to as “peak intensity”) when the polarization plane is fixed varies depending on the polarization plane. Represents Yoko. In FIG. 16, C represents an experimental value, and D represents a calculated value.
[0121]
Referring to FIG. 15, the intensity A of photoluminescence light having a polarization plane perpendicular to the c-axis has a strong maximum in the vicinity of 366 nm. On the other hand, the intensity B of photoluminescence light having a polarization plane parallel to the c-axis has a weak maximum value near 362 nm, which is a shorter wavelength. The wavelength at which these maximum values appear and the size of the maximum are in good agreement with the calculated values shown in FIG.
[0122]
Next, as shown in FIG. 16, the peak intensity of PL emission is maximum when the polarization plane is perpendicular to the c-axis, and is minimum when the polarization plane is parallel to the c-axis. This experimental value C agrees well with the calculated value D. This means that the calculation result of FIG. 13 reproduces the experiment well.
FIG. 17 is a cross-sectional view of an element that further embodies this embodiment, and the element is a surface emitting semiconductor laser having a vertical resonator.
[0123]
A GaN buffer layer 52 having a thickness of 50 nm and an n-type layer having a thickness of 0.5 μm is grown on the substrate 41, for example, a SiC base slope 41 having a (11-20) plane as a main surface by using the MOVPE method. GaN contact layer 49, Si-doped n-type Al with a thickness of 1 μm0.1Ga0.9N barrier layer 47, 0.1 μm thick undoped GaN active layer 42, 1 μm thick Mg doped p-type Al0.1Ga0.9An N barrier layer 48 and a p-type GaN contact layer 51 are grown in order from the bottom.
[0124]
Subsequently, 30 nm thick SiO2Film and 30nm thick Al2OThreeA multilayer film in which 20 films are alternately laminated is deposited, and this multilayer film is patterned by photoresist lithography to form a DBR mirror 43 having a circular or square planar shape. The DBR mirror 43 constitutes a vertical optical resonator having a wavelength of 366 nm with the interface between the n-type contact layer 49 and the substrate 41 as a reflection surface.
[0125]
Next, each layer in a region on one side of the DBR mirror 43 is etched by a reactive ion etching (RIE) method, thereby exposing a part of the n-type contact layer 49. Thereafter, an electrode 50 a made of Ti having a thickness of 100 nm is formed on the exposed surface of the n-type contact layer 49, and an electrode 50 b made of Ni having a thickness of 100 nm is formed on the p-type contact layer 51. Further, the rear surface of the substrate 41 is polished to form an optical window through which light is emitted, thereby completing the surface emitting semiconductor laser.
[0126]
In such a surface emitting semiconductor laser, since the polarization direction is fixed by oscillating light whose vertical direction of the c-axis of the substrate 41 is the electric field oscillation direction, the laser light whose polarization direction is defined in advance is stably oscillated. be able to.
Another example of the surface emitting semiconductor laser according to the present embodiment is an active layer having a multiple quantum well layer structure. On the SiC substrate 41 having the (11-20) plane as the main surface, the MOVPE method is used to grow the AIN buffer layer 42 having a thickness of 0.5 nm and the n-type GaN contact layer 49 having a thickness of 0.5 μm. Si-doped n-type Al with a thickness of 1 μm0.1Ga0.9N barrier layer 47, In0.15Ga0.85N well layer and ln0.05Ga0.95N active layer 42 consisting of multiple quantum well layers with 10 barrier layers alternately stacked, 1 μm thick Mg-doped p-type Al0.1Ga0.9An N barrier layer 48 and a p-type GaN contact layer 51 are deposited in this order. Then, a surface emitting semiconductor laser is manufactured through the same process as that of the above-described embodiment.
[0127]
In the surface emitting semiconductor laser described above, the deflection of light is aligned by using a substrate having a (1-100) plane or a (11-20) plane as a main surface. It is possible to employ a structure in which a light receiving element is also mounted on the substrate constituting such a surface emitting semiconductor laser.
18A is a cross-sectional view showing an optical device on which a surface emitting semiconductor laser (light emitting element) and a photodiode (light receiving element) are mounted, and FIG. 18B is a plan view showing the optical device.
[0128]
18 (a) and 18 (b), a 50 nm thick AlN high-temperature buffer layer 54 and a multilayer structure are formed on the (1-100) plane or (11-20) plane, which is the main surface of the SiC substrate 53. Mirror layer 55, 1 μm thick n-type barrier layer 56, 500 nm thick undoped lower light confinement layer 57, undoped MQW active layer 58, p-type barrier layer 59, 500 nm thick undoped upper light A confinement layer 60 and a GaN contact layer 60a having a thickness of 50 nm are sequentially stacked by the MOVPE method.
[0129]
The mirror layer 55 is made of Al with a film thickness of 40 nm.0.4Ga0.6 N layer and 40nm thick Al0.1Ga0.9N layers are alternately stacked for 30 periods. In addition, the MQW active layer 58 has a thickness of 4 nm.0.2Ga0.8N well layer 4nm thick In0.05Ga0.95N It has a structure sandwiched between barrier layers. The lower and upper optical confinement layers 57 and 60 are each formed of GaN.
[0130]
Further, the n-type and p-type barrier layers 56 and 59 are made of Al, respectively.0.1Ga0.9N type of which the n-type barrier layer 56 has an impurity concentration of 2 × 1018 atoms / cmThreeAnd the p-type barrier layer 59 has an impurity concentration of 1 × 1017 atoms / cmThreeMg is doped. The contact layer 60a on the p-type barrier layer has 1 × 1018atoms / cmThree Mg is doped.
[0131]
A plurality of layers from the n-type barrier layer 56 to the p-type barrier layer 59 form an SCH (separate confinement heterostructure) structure.
The compound semiconductor layers stacked in this way are processed into a cross-sectional structure and a planar structure as shown in FIGS. 18A and 18B through multiple times of patterning.
That is, the surface emitting semiconductor laser 66 and the light receiving element 67 have the same shape, and the cylindrical portion 62 having a diameter of 20 μm is formed from the contact layer 60 a to the upper portion of the n-type barrier layer 56. From the lower part to the upper part of the mirror layer 55 is a flange part 63 that spreads outward from the cylindrical part. Since the mirror layer 55 is undoped and has a high resistance, the cylindrical portion 62 and the flange portion 63 are electrically separated from the compound semiconductor layer in other regions via the substantially cylindrical groove 61.
[0132]
A p-side electrode 64 made of annular Ti having a light emission window 64a having a diameter of about 10 μm is connected to the upper surface of the contact layer 60a of the cylindrical portion 62, and the n-type barrier layer 56 of the flange portion 63. An n-side electrode 65 made of Ni that does not contact the cylindrical portion 62 is connected to the cylindrical portion 62.
A resonator in the film thickness direction is formed by the cylindrical portion 62 and the n-type barrier layer 56 therebelow.
[0133]
As shown in FIG. 18B, a plurality of, for example, four photodiodes 67 are formed around the surface emitting semiconductor laser 66 as shown in FIG.
An optical device having such a surface emitting semiconductor laser 66 and a photodiode 67 is attached to, for example, a magneto-optical disk device. In the surface emitting semiconductor laser 66, a positive bias voltage 68 is applied to the p-side electrode 64 and the n-side electrode 65, and a threshold current is supplied even if it is small. In the photodiode 67, a reverse bias voltage is applied to the p-side electrode 64 and the n-side electrode 65, whereby the value of the current flowing through the detection circuit 69 is increased by the amount of light incident on the photodiode 67.
[0134]
In this case, the surface emitting semiconductor laser 66 oscillates and emits light through the window 64a, and irradiates the magneto-optical disk through a diffraction grating and a lens (not shown). The light reflected by the magneto-optical disk is input to the four light receiving elements 67 through the lens and the deflection prism. In the surface emitting semiconductor laser 66, as already described, since the polarization plane is fixed by oscillating light whose vertical direction of the c-axis of the substrate 41 is the vibration direction of the electric field, the polarization plane of the laser light is aligned. Become. Moreover, the laser light reflected by the magneto-optical disk is incident on the photodiode 67 having the same polarization plane.
[0135]
Thus, since the surface emitting semiconductor laser 66 and the photodiode 67 formed on the same substrate have the polarization plane, the writing optical element and the reading optical element of the magneto-optical disk apparatus can be integrated. Therefore, downsizing and manufacturing efficiency of those devices are improved.
As described above, according to the present embodiment, in the vertical cavity surface emitting semiconductor laser having the resonance axis perpendicular to the active layer, the polarization plane of the oscillation light is uniquely defined by the crystal orientation of the active layer. It is possible to provide a vertical cavity surface emitting semiconductor laser having a stable operating characteristic in which the polarization direction of the oscillation light can be determined in advance and with little fluctuation in the polarization direction, which contributes to the improvement of the performance of the information processing apparatus. However, it is big.
[0136]
The active layer 58 may be formed of any one of GaN, InGaN, AlGaN, or AlGaInN, and the barrier layers 57 and 59 made of a semiconductor may be formed of GaN, InGaN, AlGaN, or AlGaInN. However, when the active layer 58 and the barrier layers 57 and 59 are made of the same material system, it is necessary to select a composition ratio in which the active layer 58 has a smaller energy band gap than the barrier layers 57 and 59.
[0137]
In addition, you may use sapphire other than a silicon carbide (SiC) as a material of a board | substrate.
(Third embodiment)
Since the conventional light emitting diode is circularly polarized with respect to the light emitting direction, when it is desired to obtain linearly polarized light, linearly polarized polarized light is obtained by passing a polarizer such as Polaroid.
[0138]
In addition, when displaying a stereoscopic image using linearly polarized polarized light, the right-eye image and the left-eye image are displayed with lights having different polarization directions, and the right-eye polarizer and left-eye images having different polarization directions are displayed. It is recognized as a stereoscopic image when viewed through a polarizer, and in particular, in the case of a large stereoscopic image display device, a projection method is adopted.
However, when obtaining linearly polarized light using a conventional light emitting diode, there is a problem that the number of parts is increased because a polarizer is required, and a process of combining the light emitting diode and the polarizer is necessary. Therefore, there is a problem that the production cost is high.
[0139]
In addition, since circularly polarized light is converted into linearly polarized light that is polarized in a specific direction via a polarizer, light having a polarization direction different from that of the polarizer cannot be extracted and is wasted, resulting in a problem of poor luminous efficiency. .
Furthermore, in the case of a large-sized stereoscopic display device, since it is a projection method, the display image becomes very difficult to see in a bright place as in the case of a conventional projection method display device, and there is a problem that it cannot be used substantially. is there.
[0140]
FIG. 19 is an explanatory diagram of the principle configuration of the present embodiment, and means for solving the problems in the present invention will be described with reference to FIG.
In this embodiment, as illustrated in FIGS. 19A and 19B, in the light emitting diode 70, the c-axis direction of the wurtzite compound semiconductor crystal constituting the light emitting diode 70 is substantially orthogonal to the light emission direction. It is characterized by.
[0141]
Thus, when a wurtzite compound semiconductor such as GaN is used, the wurtzite compound semiconductor is a hexagonal system unlike other III-V compound semiconductors such as GaAs. Light emission in a semiconductor is caused by a transition from a conduction band to an HH (Heavy Hole) or LH (Light Hole) in the valence band. Since these are bands in the a-axis direction, the c-axis direction, that is, the <0001> direction. Since light polarized in the direction perpendicular to the light appears strongly, and light polarized parallel to the c-axis direction hardly appears, linearly polarized light can be obtained without using a polarizer.
[0142]
In the present invention, the c-axis direction being substantially orthogonal to the light emission direction includes an angle in the range of ± 5 °, in addition to the case where the c-axis and the light emission direction with the highest intensity are orthogonal to each other. It is a waste.
Further, the present embodiment is characterized in that the c-axis direction of the wurtzite type compound semiconductor crystal and the crystal growth direction coincide.
[0143]
Crystal growth direction of wurtzite compound semiconductor crystal when {0001} face, {11-20} face, {0001} face of 6H-SiC, or {111} face of spinel is used as the growth substrate Since it is in the c-axis direction, linearly polarized light can be obtained by extracting light parallel to the active layer as shown in FIG. In the present specification, crystal orientations such as “1 bar” or “2 bar” are represented as “−1” or “−2” for convenience.
[0144]
In addition, this embodiment is characterized in that the c-axis direction of the wurtzite compound semiconductor crystal and the crystal growth direction are substantially orthogonal.
When the r-plane of the sapphire substrate, that is, the {1-102} plane, or the 6H-SiC {1-100} plane or {11-20} plane is used as the main surface of the growth substrate, the wurtzite compound Since the crystal growth direction of the semiconductor crystal is substantially parallel to the c-axis direction, linearly polarized light can be obtained by extracting light perpendicular to the active layer as shown in FIG. Since this light becomes polarized light, a large light emitting region can be taken.
[0145]
In addition, the present embodiment is characterized in that the wurtzite type compound semiconductor is a III-V group compound semiconductor made of a group III nitride.
Thus, by using a III-V group compound semiconductor made of a group III nitride such as a GaN-based compound semiconductor having a stable crystal structure as the wurtzite type compound semiconductor, a wide range of 1.9 eV to 6.2 eV is obtained. High-efficiency short wavelength light emission can be obtained over a range, and a desired light emission wavelength can be obtained by adjusting the mixed crystal ratio.
[0146]
Furthermore, in the present embodiment, in the display device, a plurality of light emitting diodes 70 made of a wurtzite compound semiconductor crystal whose light emission direction is substantially orthogonal to the c-axis direction are used. The right-eye light-emitting diode polarized in a certain direction u and the left-eye light-emitting diode polarized in a direction v perpendicular to the polarization direction u of the right-eye light-emitting diode are arranged to obtain a stereoscopic display. And
[0147]
The light emitting diode 70 made of a wurtzite compound semiconductor crystal whose light emission direction is substantially orthogonal to the c-axis direction is polarized perpendicular to the c-axis direction, that is, the a-axis direction, and polarized in the a-axis direction. When the light emitting diode 70 is rotated 90 ° about the light emission direction as an axis, linearly polarized light is polarized perpendicular to the c-axis direction and perpendicular to the polarization direction before being rotated. For the right eye and the other for the left eye, a stereoscopic image can be displayed.
[0148]
In FIG. 19, 69 a and 69 b indicate a pair of terminals connected to the light emitting diode 70.
First example
Here, a first example of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 20 (a) and 20 (b) and FIGS. 21 (a) and 21 (b). 20A is a cross-sectional view of the light emitting diode, and FIG. 20B is a cross-sectional view of the light emitting diode as an element. FIG. 21 (a) is a band diagram in the vicinity of the Γ point of a GaN-based compound semiconductor, and FIG. 21 (b) is a diagram showing a polarization angle distribution of emission intensity.
[0149]
First, as shown in FIG. 20A, a thickness of 5 to 5 is formed on a sapphire substrate 71 having a (0001) plane, that is, a c-plane as a main surface by using the MOVPE method (metal organic chemical vapor deposition method). GaN buffer layer 72 of 50 nm, for example 20 nm, n-type Al of thickness 0.5 to 5.0 μm, for example 3.0 μm0.05 Ga0.95N layer 73, 10-100 nm thick, for example 50 nm In0.1Ga0.9N active layer 74 and p-type Al with a thickness of 0.1 to 1.0 μm, for example 0.5 μm0.05Ga0.95N layer 75 is epitaxially grown sequentially.
[0150]
N-type Al0.05Ga0.95After etching by reactive ion etching so that part of the N layer 73 is exposed, p-type Al0.05Ga0.95An Ni electrode 76 is provided as a p-side electrode on the surface of the N layer 75, and n-type Al0.05Ga0.95A Ti electrode 77 is provided as an n-side electrode on the exposed surface of the N layer 73.
In this case, the GaN buffer layer 72 to the p-type Al0.05Ga0.95Each layer up to the N layer 75 grows in the c-axis direction of the sapphire substrate 71, so that the c-axis is perpendicular to the main surface of the sapphire substrate 17. The c-axis direction is equivalent to the <0001> direction.
[0151]
The light emitting diode 78 formed as described above is mounted on the stem 79 so that the light emission direction is substantially perpendicular to the c-axis direction, as shown in FIG.
In this case, the stem 79 is mounted via an insulator spacer 80 to prevent a short circuit, and the Ti electrode 77 which is an n-side electrode is wire-bonded to the negative terminal 81 and is also a p-side electrode. The Ni electrode 76 is wire-bonded to the plus terminal 82, and finally resin-molded with an epoxy resin or the like.
[0152]
FIG. 21 (a) is a band diagram in the vicinity of the Γ point of a GaN-based compound semiconductor. As is clear from the figure, the lowest band in terms of energy in view of the holes in the valence band, that is, HH (Heavy Hole). And LH (Light Hole) double degenerate and are separated energetically by the amount of spin-orbit interaction. In addition, a band called CH that is peculiar to GaN compound semiconductors appears.
[0153]
In such a GaN-based compound semiconductor, light emission occurs due to the transition between the Γ point, that is, the conduction band at Kz = 0, the HH band, and the LH band, but the HH band and the LH band at the Γ point. Since this is a band in the a-axis direction, light polarized in a direction perpendicular to the c-axis can be obtained.
FIG. 21 (b) is a diagram showing the polarization angle distribution of the light emission intensity as seen from the light emission direction of the light emitting diode according to the present embodiment of the present invention. The light is parallel to the a axis, that is, light polarized in the a axis direction. However, almost no light polarized by 90 ° with respect to the a-axis, ie, polarized perpendicular to the a-axis can be obtained.
[0154]
Therefore, in the present invention, linearly polarized light polarized in a specific direction can be obtained without using a polarizer or the like, so that the number of parts does not increase and the process of combining a light emitting diode and a polarizer is unnecessary. Therefore, the production cost can be reduced.
In the first example, a sapphire substrate having a (0001) plane as a main surface is used as the substrate, but the substrate is not limited to a sapphire substrate having a (0001) plane as a main surface. 20) A 6H-SiC substrate having a (0001) surface as a main surface or a spinel substrate having a (111) surface as a main surface may be used.
[0155]
  Second example
  Next, a second example of the present invention will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 22 (a), the (1-102) plane, that is,rA GaN buffer layer 92 having a thickness of 5 to 50 nm, for example, 20 nm, and a n-type Al having a thickness of 0.5 to 5.0 μm, for example, 3.0 μm are formed on a sapphire substrate 91 having a main surface as a surface.0.05Ga0.95N layer 93, ln with a thickness of 10 to 100 nm, for example 50 nm0.1Ga0.9N active layer 94 and p-type Al with a thickness of 0.1 to 1.0 μm, for example 0.5 μm0.05Ga0.95N layer 95 is epitaxially grown sequentially.
[0156]
Next, n-type Al is formed by reactive ion etching.0.05Ga0.95After exposing part of the N layer 93, p-type Al0.05Ga0.95A semi-transparent electrode 96 made of very thin Ni is provided on the surface of the N layer 95 as a p-side electrode, and n-type Al0.05Ga0.95A Ti electrode 97 is provided on the exposed surface of the N layer 93 as an n-side electrode.
In this case, the GaN buffer layer 92 to the p-type Al0.05Ga0.95Since the c-axis direction of each layer of the N layer 95 grows in the direction in the substrate surface of the sapphire substrate 91, the c-axis becomes parallel to the substrate surface.
[0157]
The light emitting diode 84 thus formed is mounted on the stem 85 using a conductive paste so that the light emission direction is substantially perpendicular to the c-axis direction, as shown in FIG.
Then, the Ti electrode 97 that is an n-side electrode is wire-bonded to the minus terminal 86, and the translucent electrode 96 that is the p-side electrode is wire-bonded to the plus terminal 87, and finally sealed with a mold resin 88 such as an epoxy resin. Stop.
[0158]
Also in this case, as in the first example, since the light emission direction is perpendicular to the c-axis, light polarized in the a-axis direction is obtained, and 90 ° polarized with respect to the a-axis, that is, a Almost no light polarized perpendicular to the axis is obtained.
Therefore, in the present invention, linearly polarized light polarized in a specific direction can be obtained without using a polarizer or the like, so that the number of parts does not increase and the process of combining a light emitting diode and a polarizer is unnecessary. become. As a result, the production cost of the light emitting diode is low.
[0159]
In the case of the second example, since it is a surface-emitting type, the light emitting region can be made larger than that in the first example, and a light emission intensity about 10 times that in the first example can be expected.
In the second example, a sapphire substrate having an r-plane as a main surface is used as the substrate, but is not limited to a sapphire substrate having an r-plane as a main surface, and a (1-100) plane is mainly used. A SiC substrate having a plane or a SiC substrate having a (11-20) plane as a main surface may be used.
[0160]
In the second example, a semi-transparent electrode 96 made of a thin Ni film is used as the p-side electrode. However, the semi-transparent electrode 96 is not limited to this, and a Ni electrode having a normal thickness is provided in a mesh shape. Then, light may be extracted from between the meshes.
Third example
Next, a third example of the present invention will be described with reference to FIG.
[0161]
FIG. 23 shows a display panel 90 for stereoscopic image display using the light emitting diodes of the first and second examples. For example, using the light emitting diode of the first example, the light emitting diode 98 arranged so that the polarization direction thereof is in the X direction, and the Y direction arranged by rotating the deflection direction by 90 ° around the optical axis of the light emitting diode 98. A light emitting diode 99 that is polarized in the direction is combined. The X direction and the Y direction are both parallel to the surface of the display panel 90, and the X direction and the Y direction are orthogonal to each other.
[0162]
In this case, one light-emitting diode 98 is used for the right eye, the other light-emitting diode 99 is used for the left eye, and different image signals are input to both, and this light-emitting display image is polarized differently for the right eye and the left eye. A stereoscopic image is displayed by viewing through the child.
In this case, light having a polarization angle in a range of about ± 20 ° with respect to an angle purely parallel to the a-axis direction can be effectively used.
[0163]
Since the display device of the third example is a light-emitting display, it can have higher luminance than a conventional projection-type stereoscopic display device, and therefore can be used in a bright place even when it is enlarged.
In this case, for example, when a 100-inch display panel 90 is configured, the display panel 90 is configured with about 2 million pixels. Then, the arrangement of the light emitting diodes 98 polarized in the X direction and the light emitting diodes 99 polarized in the Y direction may be alternately arranged as shown in FIG. The number of light emitting diodes collected every time may be alternately arranged, and color display is also possible by adjusting the light emission wavelength of each light emitting diode.
[0164]
The plane orientation in the above embodiment is an example, and includes all planes crystallographically equivalent to the plane orientation described.
In each of the above examples, the active layer has an ln composition ratio of 0.1.0.1Ga0.9N is used, but the mixed crystal ratio is Al depending on the required wavelength.xInyGa1-xyN (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) may be changed, and accordingly, p-type Al sandwiching the active layer0.05Ga0.95N layer and n-type Al0.05Ga0.95N layer has a larger forbidden bandwidth than active layeralnbGa1-abWhat is necessary is just to comprise by N (0 <= a <= 1, 0 <= b <= 1).
[0165]
Furthermore, when using a sapphire substrate instead of a GaN substrate, the main surface of the substrate is the (11-20) plane.
As described above, according to the present embodiment, when a light-emitting diode is configured using a wurtzite compound semiconductor such as a GaN-based compound semiconductor, the light emission direction is perpendicular to the c-axis of the wurtzite compound semiconductor. By doing so, it is possible to obtain linearly polarized light without using a polarizer, and by using a linearly polarized light emitting diode in this way, a stereoscopic image display device by light emitting display that can be used even in a bright place is provided. Can be configured.
[0166]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, by selecting the main surface of the crystal substrate, the c-axis of the hexagonal or wurtzite type semiconductor layer formed on the crystal substrate becomes the surface of the semiconductor layer. In order to become non-perpendicular to the crystal substrate, a hexagonal or wurtzite active layer formed on the crystal substrate is subjected to a compressive strain or a tensile strain in the plane direction to give triaxial anisotropy to the active layer. Therefore, the degeneration of the active layer in the valence band can be solved, and the oscillation threshold current of the semiconductor laser having such an active layer can be reduced.
[0167]
In addition, according to such a structure, the plane of polarization of light emitted by the compound semiconductor layer can be uniquely determined, so that a surface emitting semiconductor laser is formed by growing a barrier layer, an active layer, etc. on such a crystal substrate. Then, since the in-plane anisotropy of the active layer is increased and the electric field vector is determined in one direction, polarization can be determined.
Further, when the plane of polarization of the oscillation light of the surface emitting semiconductor laser is uniquely determined, it can be used as a light source for a magneto-optical disk device, and a light receiving element can be easily manufactured on the same substrate as the surface emitting semiconductor laser. become. As a result, the conventional mounting operation of the semiconductor laser and the light receiving element becomes unnecessary, and the downsizing of the light receiving and emitting device can be further promoted.
[0168]
On the other hand, since the polarization direction is determined when the c-axis direction of the wurtzite compound semiconductor crystal constituting the light emitting diode is substantially orthogonal to the light emission direction, a plurality of such light emitting diodes are provided on the display surface of the display device. Each of the pixels is arranged so that a part or all of the pixel is constituted by one light emitting diode, and the polarization directions of adjacent light emitting diodes are different from each other by 90 degrees. The light emitting diodes can be adjacent to each other, and the number of parts can be reduced by omitting the deflector in the stereoscopic display device, thereby reducing the manufacturing cost. Moreover, such a display device brightens the image.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 (a) is a layer structure diagram of a cladding layer and an active layer according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 1 (b) is an active layer obtained by the layer structure of FIG. 1 (a). FIG. 1 (c) is a diagram showing the plane orientation of the principal surface of the substrate used in the first embodiment of the present invention.
FIG. 2A is a layer structure view of a first example of a semiconductor laser adopting the layer structure of the first embodiment of the present invention as viewed from the light output end, and FIG. The valence band energy band structure diagram of the active layer obtained by the layer structure of 2 (a), FIG. 2 (c) is the relative energy band structure diagram of the two clad layers and the active layer.
FIG. 3 is a structural diagram when a substrate of a semiconductor laser employing the layer structure of the first embodiment of the present invention is formed from a high resistance material.
FIG. 4 (a) is a layer structure view of a second example of a semiconductor laser employing the layer structure of the first embodiment of the present invention as viewed from the light output end, and FIG. 4 (b) is a diagram of FIG. It is a valence band energy band structure diagram of an active layer obtained by the layer structure of 4 (a).
FIG. 5 (a) is a perspective view of a third example of a semiconductor laser employing the layer structure of the first embodiment of the present invention, and FIG. 5 (b) is a semiconductor laser of FIG. 5 (a). It is a figure which shows the inclination-angle of the small surface with respect to the board | substrate main surface in.
FIG. 6 (a) is a layer structure view of a fourth example of the semiconductor laser employing the layer structure of the first embodiment of the present invention as seen from the light output end, and FIG. It is the layer structure figure which looked at the semiconductor laser at the time of comprising a substrate from a high resistance material in the 4th example from the optical output end.
FIG. 7 is a view showing the completed state of each crystal when a hexagonal semiconductor layer is formed on the main surface of a tetragonal substrate having a c-axis parallel to the main surface in the first embodiment of the present invention. It is a figure which shows the relative relationship of the special form of an image.
FIG. 8 is a diagram showing an X-ray diffraction rocking curve of a hexagonal crystal layer formed on a tetragonal substrate in the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 shows tetragonal LiAlO.2Hexagonal Al on the substratexGa1-xyInyIt is an xy coordinate diagram showing the relationship between the composition ratio x and the composition ratio y when growing an N layer.
FIG. 10 is a perspective view showing a layer structure excluding an electrode of a surface emitting laser showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a perspective view showing a special form of a complete image of a crystal of an active layer of a surface emitting laser according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 12 is an energy band structure diagram of an active layer of a surface emitting laser according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a graph showing the relationship between the wavelength and PL emission intensity when the angle between the orientation of the polarization plane of the active layer and the c-axis is a parameter in the surface emitting laser according to the second embodiment of the present invention. FIG.
FIGS. 14A to 14E are diagrams showing the crystal strain dependence of the energy band of GaN constituting the active layer in the surface emitting laser according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a graph showing the relationship between the wavelength and PL emission intensity when the angle between the orientation of the polarization plane of the active layer and the c-axis is a parameter in the surface emitting laser according to the second embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 16 is a graph showing the relationship between the orientation of the polarization plane of the active layer, the angle formed by the c-axis, and the PL emission intensity in the surface emitting laser according to the second embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 17 is a sectional view showing a surface emitting laser according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 18 (a) is a cross-sectional view showing an optical device according to a second embodiment of the present invention having a surface emitting laser and a light receiving element, and FIG. 18 (b) is a plan view of the optical device.
FIG. 19 (a) is a diagram showing the basic configuration of an edge-emitting light emitting diode according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 19 (b) is a surface emitting type according to the third embodiment of the present invention. It is a fundamental block diagram of the light emitting diode.
FIG. 20 (a) is a layer structure diagram of an edge-emitting light emitting diode according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 20 (b) is a cross-sectional view showing a packaged configuration of the light emitting diode. It is.
FIG. 21 (a) is a band diagram of a GaN-based compound semiconductor in the light emitting diode shown in FIG. 20 (a), and FIG. 21 (b) is a graph showing the emission intensity as seen from the light emission direction of the light emitting diode. It is a figure which shows polarization angle distribution.
FIG. 22 (a) is a layer structure diagram of a surface light emitting type light emitting diode according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 22 (b) is a sectional view showing a configuration in which the light emitting diode is packaged. is there.
FIG. 23 is a plan view showing a deflection relationship of light emitting diodes used in a display device according to a third embodiment of the present invention.
24 (a) is a cross-sectional view showing a first example of a conventional semiconductor diode, and FIG. 24 (b) is a cross-sectional view showing a second example of a conventional semiconductor diode.
FIGS. 25A and 25B are energy band diagrams of a valence band of a conventional semiconductor diode. FIGS.
FIG. 26 is a perspective view showing a conventional surface emitting semiconductor laser.
[Explanation of symbols]
1 First semiconductor
2 Second semiconductor
3 Third semiconductor
1 l n-type GaN (1-100) substrate
12 n-type Al0.1Ga0.9N clad layer
13 n-type GaN light guide layer
14 Ga0.9In0.1N active layer
15 p-type GaN light guide layer
16 p-type Al0.1Ga0.9N clad layer
17 Ti / Au electrode
18 Ni / Au electrode
21 n-type GaN (1-100) substrate
22 n-type Al0.4Ga0.3In0.3N clad layer
23 n-type Al0.15Ga0.65In0.2N light guide layer
24 Ga0.9In0.1N active layer
25 p-type Al0.15Ga0.65In0.2N light guide layer
26 p-type Al0.4Ga0.3In0.3N clad layer
27 Ti / Au electrode
28 Ni / Au electrode
31 n-type GaN (0001) substrate
32 (11-21) Facets
33 Insulating film
34 (1-100) cleavage plane
41 Substrate
42 Active layer
43 DBR mirror
44 c-axis
44a z-polarized light
45 x polarization
46 y polarization
47, 48 barrier layers
49, 51 Contact layer
50a, 50b electrode
52 Buffer layer
53 SiC substrate
54 AlN high temperature buffer layer
55 Mirror layer
56 n-type barrier layer
57 Lower optical confinement layer
58 Active layer
59 p-type barrier layer
60 Upper optical confinement layer
61 groove
62 Cylinder
63 Flange
64 Light emission window
65 n-side electrode
66 Surface emitting semiconductor laser (light emitting device)
67 Photodiode (light receiving element)
68 Power supply
69 Light intensity detection circuit
70 Light emitting diode
71 Sapphire substrate
72 GaN buffer layer
73 n-type Al0.05Ga0.95N layers
74 Al0.1Ga0.9N active layer
75 p-type Al0.05Ga0.95N layers
76 Ni electrode
77 Ti electrode
78 Light Emitting Diode
79 stem
80 Insulator Subaser
81 Negative terminal
82 Positive terminal
83 Mold resin
84 Light-emitting diode
85 stem
86 Negative terminal
87 Positive terminal
88 Mold resin
90 Display panel
91 Sapphire substrate
92 GaN buffer layer
93 n-type Alo.o 5Gao.9 5N layer
94 Al0.1Ga0.9N active layer
95 p-type Al0.05Ga0.95N layers
96 translucent electrode
97 Ti electrode
98 Light Emitting Diode Polarized in Horizontal Direction
99 Light Emitting Diode Polarized in the Vertical Direction

Claims (25)

基板の主面上に直接又は第1の半導体層を介して形成された第2の半導体層と、
前記第2の半導体層の上に形成され、且つエネルギーバンドギャップが前記第2の半導体層よりも小さく、一軸異方性を有する半導体よりなる活性層と、
前記活性層上に形成されてエネルギーバンドギャップが前記活性層よりも大きい第3の半導体層と、
前記第2の半導体層、前記活性層及び前記第3の半導体層に膜厚方向に電流を流すための一対の電極とを有し、
少なくとも前記活性層の膜厚方向は前記一軸異方性の軸とは異なる方向であり、
前記活性層は、膜厚が1〜20nmである1層の Al x Ga 1-x-y In y N (但し、0≦x≦1、0≦y≦1)からなる単層構造を有しているか、又は、各膜厚が1〜20nmの多層の Al x Ga 1-x-y In y N (但し、0≦x≦1、0≦y≦1)からなる多重量子井戸構造を有すると共に、前記活性層の発光部は異方性を示すc軸に垂直でない面内で歪みが加わえられてc面内歪異方性を有することを特徴とする半導体発光素子。
A second semiconductor layer formed directly or via the first semiconductor layer on the main surface of the substrate;
An active layer formed on the second semiconductor layer and made of a semiconductor having an energy band gap smaller than that of the second semiconductor layer and having uniaxial anisotropy;
A third semiconductor layer formed on the active layer and having an energy band gap larger than that of the active layer;
A pair of electrodes for passing a current in the film thickness direction through the second semiconductor layer, the active layer, and the third semiconductor layer;
The thickness direction of at least the active layer is up direction der different from the axis of the uniaxial anisotropy,
Does the active layer have a single layer structure composed of one layer of Al x Ga 1 -xy In y N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) having a thickness of 1 to 20 nm? Or having a multiple quantum well structure composed of multiple layers of Al x Ga 1 -xy In y N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) each having a thickness of 1 to 20 nm, and the active layer The light emitting portion of the semiconductor light emitting element has a c in-plane strain anisotropy by adding strain in a plane that is not perpendicular to the c-axis indicating anisotropy .
前記基板が  The substrate is SiCSiC で形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。The semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein GaNGaN 又はOr AlNAlN からなる基板の主面上に直接又は第1の半導体層を介して形成された第2の半導体層と、A second semiconductor layer formed directly or via the first semiconductor layer on the main surface of the substrate comprising:
前記第2の半導体層の上に形成され、且つエネルギーバンドギャップが前記第2の半導体層よりも小さく、一軸異方性を有する半導体よりなる活性層と、  An active layer formed on the second semiconductor layer and made of a semiconductor having an energy band gap smaller than that of the second semiconductor layer and having uniaxial anisotropy;
前記活性層上に形成されてエネルギーバンドギャップが前記活性層よりも大きい第3の半導体層と、  A third semiconductor layer formed on the active layer and having an energy band gap larger than that of the active layer;
前記第2の半導体層、前記活性層及び前記第3の半導体層に膜厚方向に電流を流すための一対の電極とを有し、  A pair of electrodes for passing a current in the film thickness direction through the second semiconductor layer, the active layer, and the third semiconductor layer;
少なくとも前記活性層の膜厚方向は前記一軸異方性の軸とは異なる方向であり、  At least the film thickness direction of the active layer is a direction different from the axis of uniaxial anisotropy,
前記活性層が  The active layer is AlAl xx GaGa 1-x-y1-x-y InIn yy NN (但し、0≦x≦1、0≦y≦1)で形成されていると共に、前記活性層の発光部は異方性を示すc軸に垂直でない面内で歪みが加わえられてc面内歪異方性を有することを特徴とする半導体発光素子。(However, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), and the light emitting portion of the active layer is strained in a plane that is not perpendicular to the c-axis indicating anisotropy and is c-plane A semiconductor light emitting device having internal strain anisotropy.
前記基板の主面は、{11−20}面、{1−100}面、又は、{11−20}面若しくは{1−100}面から−5度〜+5度の範囲内で傾いた面であることを特徴とする請求項2又は3に記載の半導体発光素子。  The main surface of the substrate is a {11-20} plane, a {1-100} plane, or a plane tilted within a range of −5 to +5 degrees from the {11-20} plane or the {1-100} plane The semiconductor light-emitting device according to claim 2, wherein 前記基板の主面は、{11−20}面及び{1−100}面のいずれかの面に対してオフ角θ(但し、0°≦θ≦  The main surface of the substrate has an off-angle θ (where 0 ° ≦ θ ≦ with respect to any of the {11-20} plane and the {1-100} plane) 10Ten °)だけオフした面であることを特徴とする請求項2又は3に記載の半導体発光素子。The semiconductor light emitting device according to claim 2, wherein the semiconductor light emitting device is a surface that is turned off only by (°). 前記基板の主面が{11−20}面、{11−20}面から−5度〜+5度の範囲内で傾いた面、又は{11−20}面に対してオフ角θ(但し、0°≦θ≦  The main surface of the substrate is a {11-20} plane, a plane tilted within a range of −5 to +5 degrees from the {11-20} plane, or an off angle θ (provided that 0 ° ≦ θ ≦ 10Ten °)だけオフした面であり、前記基板、前記第2の半導体層、前記第3の半導体層及び前記活性層は、{0001}面又は{1−100}面で劈開されていることを特徴とする請求項2又は3に記載の半導体発光素子。And the substrate, the second semiconductor layer, the third semiconductor layer, and the active layer are cleaved at a {0001} plane or a {1-100} plane. The semiconductor light emitting device according to claim 2 or 3. 前記基板の主面が{1−100}面、{1−100}面から−5度〜+5度の範囲内で傾いた面、又は{1−100}面に対してオフ角θ(但し、0°≦θ≦  The main surface of the substrate is a {1-100} plane, a plane tilted within a range of −5 to +5 degrees from the {1-100} plane, or an off-angle θ (provided that 0 ° ≦ θ ≦ 10Ten °)だけオフした面であり、前記基板、前記第2の半導体層、前記第3の半導体層及び前記活性層は、{0001}面又は{11−20}面で劈開されていることを特徴とする請求項2又は3に記載の半導体発光素子。And the substrate, the second semiconductor layer, the third semiconductor layer, and the active layer are cleaved at a {0001} plane or a {11-20} plane. The semiconductor light emitting device according to claim 2 or 3. 前記基板の主面が{0001}面であり、該基板の表面に前記主面と交差する面方位を有する小面が設けられていると共に、該小面の上方に形成した前記活性層が発光部であることを特徴とする請求項2又は3に記載の半導体発光素子。  The main surface of the substrate is a {0001} plane, a small surface having a plane orientation intersecting the main surface is provided on the surface of the substrate, and the active layer formed above the small surface emits light The semiconductor light emitting element according to claim 2, wherein the semiconductor light emitting element is a part. 前記小面は{1−100}面又は{11−20}面に垂直な面方位に形成され、該{1−100}面又は該{11−20}面は共振器の両端の劈開面であることを特徴とする請求項8に記載の半導体発光素子。  The facet is formed in a plane orientation perpendicular to the {1-100} plane or the {11-20} plane, and the {1-100} plane or the {11-20} plane is a cleavage plane at both ends of the resonator. 9. The semiconductor light emitting device according to claim 8, wherein the semiconductor light emitting device is provided. サファイアからなる基板の主面上に直接又は第1の半導体層を介して形成された第2の半導体層と、A second semiconductor layer formed directly on the main surface of the substrate made of sapphire or via the first semiconductor layer;
前記第2の半導体層の上に形成され、且つエネルギーバンドギャップが前記第2の半導体層よりも小さく、一軸異方性を有する半導体よりなる活性層と、  An active layer formed on the second semiconductor layer and made of a semiconductor having an energy band gap smaller than that of the second semiconductor layer and having uniaxial anisotropy;
前記活性層上に形成されてエネルギーバンドギャップが前記活性層よりも大きい第3の半導体層と、  A third semiconductor layer formed on the active layer and having an energy band gap larger than that of the active layer;
前記第2の半導体層、前記活性層及び前記第3の半導体層に膜厚方向に電流を流すための一対の電極とを有し、  A pair of electrodes for passing a current in the film thickness direction through the second semiconductor layer, the active layer, and the third semiconductor layer;
前記基板の主面は{1−102}面であり、  The main surface of the substrate is a {1-102} surface,
少なくとも前記活性層の膜厚方向は前記一軸異方性の軸とは異なる方向であり、  At least the film thickness direction of the active layer is a direction different from the axis of uniaxial anisotropy,
前記活性層が  The active layer is AlAl xx GaGa 1-x-y1-x-y InIn yy NN (但し、0≦x≦1、0≦y≦1)で形成されていると共に、前記活性層の発光部は異方性を示すc軸に垂直でない面内で歪みが加わえられてc面内歪異方性を有することを特徴とする半導体発光素子。(However, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), and the light emitting portion of the active layer is strained in a plane that is not perpendicular to the c-axis indicating anisotropy and is c-plane A semiconductor light emitting device having internal strain anisotropy.
LiAlOLiAlO 22 からなる基板の主面上に直接又は第1の半導体層を介して形成された第2の半導体層と、A second semiconductor layer formed directly or via the first semiconductor layer on the main surface of the substrate comprising:
前記第2の半導体層の上に形成され、且つエネルギーバンドギャップが前記第2の半導体層よりも小さく、一軸異方性を有する半導体よりなる活性層と、  An active layer formed on the second semiconductor layer and made of a semiconductor having an energy band gap smaller than that of the second semiconductor layer and having uniaxial anisotropy;
前記活性層上に形成されてエネルギーバンドギャップが前記活性層よりも大きい第3の半導体層と、  A third semiconductor layer formed on the active layer and having an energy band gap larger than that of the active layer;
前記第2の半導体層、前記活性層及び前記第3の半導体層に膜厚方向に電流を流すための一対の電極とを有し、  A pair of electrodes for passing a current in the film thickness direction through the second semiconductor layer, the active layer, and the third semiconductor layer;
少なくとも前記活性層の膜厚方向は前記一軸異方性の軸とは異なる方向であり、  At least the film thickness direction of the active layer is a direction different from the axis of uniaxial anisotropy,
前記活性層が  The active layer is AlAl xx GaGa 1-x-y1-x-y InIn yy NN (但し、0≦x≦1、0≦y≦1)で形成されていると共に、前記活性層の発光部は異方性を示すc軸に垂直でない面内で歪みが加わえられてc面内歪異方性を有することを特徴とする半導体発光素子。(However, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), and the light emitting portion of the active layer is strained in a plane that is not perpendicular to the c-axis indicating anisotropy and is c-plane A semiconductor light emitting device having internal strain anisotropy.
前記基板の主面は{100}面又は{100}面から−5度から+5度の角度でオフした面であることを特徴とする請求項11に記載の半導体発光素子。  12. The semiconductor light emitting device according to claim 11, wherein the main surface of the substrate is a {100} plane or a plane off at an angle of -5 degrees to +5 degrees from the {100} plane. 前記  Said AlAl x x GaGa 1-x-y1-x-y InIn yy NN の組成比xと組成比yが、xy座標において、y=0.214x−0.328を示す直線とy=0.353x−0.209を示す直線の間の範囲内に存在することを特徴とする請求項11又は12に記載の半導体発光素子。The composition ratio x and the composition ratio y are in a range between a straight line showing y = 0.214x−0.328 and a straight line showing y = 0.353x−0.209 in the xy coordinates. The semiconductor light-emitting device according to claim 11 or 12. 前記第2の半導体層は  The second semiconductor layer is AlAl uu GaGa 1-u-v1-u-v lnln vv NN (但し、(However, 00 ≦u≦≦ u ≦ 11 , 00 ≦v≦≦ v ≦ 11 )からなり、且つ、前記第3の半導体層はAnd the third semiconductor layer is composed of AlAl ww GaGa 1-w-z1-w-z InIn zz NN (但し、(However, 00 ≦w≦1、≦ w ≦ 1, 00 ≦z≦1)からなることを特徴とする請求項1〜13のいずれか1項に記載の半導体発光素子。The semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein ≦ z ≦ 1). 前記活性層のa軸の格子定数a  A-axis lattice constant a of the active layer 11 と、前記第2の半導体層及び前記第3の半導体層のa軸の格子定数aAnd the a-axis lattice constant a of the second semiconductor layer and the third semiconductor layer 22 ,a, A 3Three とが、aAnd a 11 <a<A 22 、a, A 11 <a<A 3Three の関係を満たし、更に前記活性層のc軸の格子定数cAnd the c-axis lattice constant c of the active layer 11 と、前記第2の半導体層及び前記第3の半導体層のc軸の格子定数cAnd c-axis lattice constant c of the second semiconductor layer and the third semiconductor layer 22 ,c, C 3Three とが、cAnd c 11 <c<C 22 、及び、cAnd c 11 <c<C 3Three の関係を満たすことを特徴とする請求項1〜14のいずれか1項に記載の半導体発光素子。The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the relationship is satisfied. 前記活性層のa軸の格子定数a  A-axis lattice constant a of the active layer 11 と、前記第2の半導体層及び前記第3の半導体層のa軸の格子定数aAnd the a-axis lattice constant a of the second semiconductor layer and the third semiconductor layer 22 ,a, A 3Three とが、aAnd a 11 >a> A 22 、a, A 11 >a> A 3Three の関係を満たし、更に前記活性層のc軸の格子定数cAnd the c-axis lattice constant c of the active layer 11 と、前記第2の半導体層及び前記第3の半導体層のc軸の格子定数cAnd c-axis lattice constant c of the second semiconductor layer and the third semiconductor layer 22 ,c, C 3Three とが、cAnd c 11 >c> C 22 、及び、cAnd c 11 >c> C 3Three の関係を満たすことを特徴とする請求項1〜14のいずれか1項に記載の半導体発光素子。The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the relationship is satisfied. 前記第2の半導体層の下方又は第3の半導体層の上方にはミラー層が形成されており、該ミラー層を一端として前記活性層、前記第2及び第3の半導体層の膜厚方向に共振器が形成されていることを特徴とする請求項1〜16のいずれか1項に記載の半導体発光素子。  A mirror layer is formed below the second semiconductor layer or above the third semiconductor layer, and the mirror layer serves as one end in the film thickness direction of the active layer and the second and third semiconductor layers. The semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein a resonator is formed. 前記共振器の共振波長は、フォトルミネッセンス光強度が最大となる波長であることを特徴とする請求項17に記載の半導体発光素子。  The semiconductor light emitting element according to claim 17, wherein a resonance wavelength of the resonator is a wavelength at which a photoluminescence light intensity is maximum. 前記活性層は、  The active layer is GaNGaN 又はOr InGaNInGaN の第1の層と、A first layer of AlGalnNAlGalnN , GaNGaN 又はOr InGaNInGaN の第2の層とからなる多層構造を有する多重量子井戸層、A multiple quantum well layer having a multilayer structure composed of the second layer of GaNGaN 単層、Single layer, InGaNInGaN 単層、及びSingle layer, and AlGalnNAlGalnN 単層のいずれかからなることを特徴とする請求項1〜18のいずれか1項に記載の半導体発光素子。The semiconductor light-emitting element according to claim 1, comprising any one of a single layer. 前記第2の半導体層が第一導電型の  The second semiconductor layer is of a first conductivity type AlGaNAlGaN からなり、前記第3の半導体層が第二導電型のAnd the third semiconductor layer is of the second conductivity type. AlGaNAlGaN からなることを特徴とする請求項19に記載の半導体発光素子。The semiconductor light-emitting device according to claim 19, comprising: GaNGaN 、又はOr AlNAlN からなる基板、前記基板の上方に形成されたウルツ鉱構造結晶からなる第1の活性層、該第1の活性層の下に形成された第1導電型不純物を含む第1の障壁層、該第1の活性層の上に形成された第2導電型不純物を含む第2の障壁層、及び、該第1の活性層と第1及び第2の障壁層の膜厚方向に電流を流すための電極を有する面発光半導体レーザと、A first active layer made of a wurtzite structure crystal formed above the substrate, a first barrier layer containing a first conductivity type impurity formed under the first active layer, A second barrier layer containing a second conductivity type impurity formed on the first active layer, and a current to flow in the film thickness direction of the first active layer and the first and second barrier layers. A surface emitting semiconductor laser having a plurality of electrodes;
前記基板の上方に形成されたウルツ鉱構造結晶からなる第2の活性層、該第2の活性層の下に形成された第1導電型不純物を含む第1の半導体層、該第2の活性層の上に形成された第2導電型不純物を含む第2の半導体層、及び、該第2の活性層と第1及び第2の半導体層の膜厚方向に流れる電流を外部に取り出す電極を有し、前記面発光半導体レーザから電気的に分離されている受光素子とを有する光半導体装置であって、  A second active layer made of a wurtzite structure crystal formed above the substrate; a first semiconductor layer containing a first conductivity type impurity formed under the second active layer; and the second active layer A second semiconductor layer containing a second conductivity type impurity formed on the layer, and an electrode for taking out current flowing in the film thickness direction of the second active layer and the first and second semiconductor layers to the outside An optical semiconductor device having a light receiving element electrically isolated from the surface emitting semiconductor laser,
前記第1の活性層が一軸異方性を有する半導体からなり、少なくとも前記活性層の膜厚方向は前記一軸異方性の軸とは異なる方向であり、前記活性層が  The first active layer is made of a semiconductor having uniaxial anisotropy, and at least the film thickness direction of the active layer is different from the axis of uniaxial anisotropy, and the active layer has AlAl xx GaGa 1-x-y1-x-y InIn yy NN (但し、0≦x≦1、0≦y≦1)で形成されていると共に、前記活性層の発光部は異方性を示すc軸に垂直でない面内で歪みが加わえられてc面内歪異方性を有することを特徴とする光半導体装置。(However, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), and the light emitting portion of the active layer is strained in a plane that is not perpendicular to the c-axis indicating anisotropy and is c-plane An optical semiconductor device having internal strain anisotropy.
前記基板の主面が{1−100}面又は{11−20}面であることを特徴とする請求項21に記載の光半導体装置。  The optical semiconductor device according to claim 21, wherein the main surface of the substrate is a {1-100} plane or a {11-20} plane. 主面を{1−102}面としたサファイアからなる基板、前記基板の上方に形成されたウルツ鉱構造結晶からなる第1の活性層、該第1の活性層の下に形成された第1導電型不純物を含む第1の障壁層、該第1の活性層の上に形成された第2導電型不純物を含む第2の障壁層、及び、該第1の活性層と第1及び第2の障壁層の膜厚方向に電流を流すための電極を有する面発光半導体レーザと、  A substrate made of sapphire whose principal surface is a {1-102} plane, a first active layer made of a wurtzite structure crystal formed above the substrate, and a first active layer formed under the first active layer A first barrier layer including a conductivity type impurity; a second barrier layer including a second conductivity type impurity formed on the first active layer; and the first active layer and the first and second layers A surface emitting semiconductor laser having an electrode for flowing current in the thickness direction of the barrier layer;
前記基板の上方に形成されたウルツ鉱構造結晶からなる第2の活性層、該第2の活性層の下に形成された第1導電型不純物を含む第1の半導体層、該第2の活性層の上に形成さ  A second active layer made of a wurtzite structure crystal formed above the substrate; a first semiconductor layer containing a first conductivity type impurity formed under the second active layer; and the second active layer Formed on the layer れた第2導電型不純物を含む第2の半導体層、及び、該第2の活性層と第1及び第2の半導体層の膜厚方向に流れる電流を外部に取り出す電極を有し、前記面発光半導体レーザから電気的に分離されている受光素子とを有する光半導体装置であって、A second semiconductor layer containing the second conductivity type impurity, and an electrode for taking out current flowing in the thickness direction of the second active layer and the first and second semiconductor layers to the outside, An optical semiconductor device having a light receiving element electrically separated from the light emitting semiconductor laser,
前記第1の活性層が一軸異方性を有する半導体からなり、少なくとも前記活性層の膜厚方向は前記一軸異方性の軸とは異なる方向であり、前記活性層が  The first active layer is made of a semiconductor having uniaxial anisotropy, and at least the film thickness direction of the active layer is different from the axis of uniaxial anisotropy, and the active layer has AlAl xx GaGa 1-x-y1-x-y InIn yy NN (但し、0≦x≦1、0≦y≦1)で形成されていると共に、前記活性層の発光部は異方性を示すc軸に垂直でない面内で歪みが加わえられてc面内歪異方性を有することを特徴とする光半導体装置。(However, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), and the light emitting portion of the active layer is strained in a plane that is not perpendicular to the c-axis indicating anisotropy and is c-plane An optical semiconductor device having internal strain anisotropy.
前記第1の活性層及び前記第2の活性層は、  The first active layer and the second active layer are: GaNGaN , InGaNInGaN , AlGaNAlGaN 、又はOr AlGaInNAlGaInN からなることを特徴とする請求項21〜23のいずれか1項に記載の光半導体装置。The optical semiconductor device according to any one of claims 21 to 23, wherein the optical semiconductor device comprises: 前記第1の障壁層、前記第2の障壁層、前記第1の半導体層、及び前記第2の半導体層は、  The first barrier layer, the second barrier layer, the first semiconductor layer, and the second semiconductor layer are: GaNGaN , InGaNInGaN , AlGaNAlGaN 、又はOr AlGaInNAlGaInN からなることを特徴とする請求項21〜24のいずれか1項に記載の光半導体装置。25. The optical semiconductor device according to any one of claims 21 to 24, comprising:
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