JP2001223441A - 窒化物半導体の発光素子 - Google Patents
窒化物半導体の発光素子Info
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Abstract
のキャリア注入によって発生するキャリアオーバーフロ
ーおよびストレインを減らすための手段を具備する半導
体発光素子を提供する。 【解決手段】 AlGaN/GaNの二重層が複数回積層された
多重量子障壁あるいはAlGaN/InGaNの二重層が複数回積
層されたストレイン補償の多重量子障壁を活性層の上部
および下部のうち選択された何れか一側に具備し、また
p型クラッド層が不要である。
Description
り、特にGaNを採用した半導体発光素子において多くの
キャリア(carrier)注入によって発生するキャリアオ
ーバーフロー(overflow)を抑制しつつストレイン(st
rain)を減らせるレーザーダイオードに関する。
ーダイオードあるいは光増幅器などを構成する半導体発
光素子はInyGa1-yN/InyGa1-yN層1、2よりなる多重量
子ウェル(Multi-Quantum Well、以下、MQWと称する)
構造の活性層1、2および活性層1、2上に順次に積層
されたp-AlxGa1-xNキャリア遮断層3およびp、n-GaN光
導波層4で構成されている。
バンドダイヤグラムであって、量子ウェル構造のキャリ
アがキャリア遮断層のエネルギー障壁により抜け出せな
いように形成されている。
のレーザーダイオードや光増幅器などの半導体発光素子
を備えなければならない構造で、このような青緑色のレ
ーザーダイオードはフルカラーディスプレー(Full col
or display)とDVDなどの高密度記録媒体を具現するの
に必要な重要な要素の1つとなっている。
い温度特性を有する青緑色の素子を実現するためには活
性層内の電流注入、つまりキャリア注入が効率的であ
り、活性層を越えて通過するキャリアの数を減少させる
効率的な構造として設計する必要がある。一般にこのよ
うなキャリアオーバーフローを防止するために、図1の
ようなキャリアの電子を遮断する電子遮断層(electron
blocking layer)3を挿入する技術が使われている。
aN青緑色レーザーはGaNと格子定数が一致する基板が存
在しないために、結局MOCVD方法で成長されるGaN、InGa
N、AlGaNなどの結晶の品質が劣る。これは活性層として
使われるInGaNの光利得の減少を引き起こす。したがっ
て、レーザーが発振するためには多量の注入電流、すな
わち数多くのキャリアを要求することになる。さらに、
電流の注入が増加すると、活性層だけでなく、障壁とし
て使われるGaNやAlGaN層へのキャリアオーバーフローが
増加されて効率的なレーザーの発振が不可能となる。こ
れを改善するために、図1に示されたように、200Å
の厚さに蒸着されたAlGaN単一層よりなるキャリア遮断
(carrier blocking)層を挿入する構造がNichiaなどの
多くの研究グループで使われている。しかし、AlGaN単
一層の挿入は障壁以上のエネルギーを有するキャリアオ
ーバーフローは防止できない。高いエネルギーを有する
キャリアを遮断するためにはAlの含量(mole fractio
n)の多いAlGaN層を使用しなければならないが、これは
格子定数の合わないGaN層との付加的なストレイン(add
itional strain)を発生させ、試料のクラック(crac
k)を発生させる原因となる。また、効率的なキャリア
遮断のためにはp型不純物のドーピングが必須的である
が、Al含量の大きなAlGaN層にp型物質をドーピングす
るのは非常に難しいということが知られている。
する技術的課題は、前記従来の問題点を改善するための
ものであって、活性層に注入される電流が障壁を越えて
オーバーフローされることを効率よく遮断しつつストレ
インの発生を最小化する半導体の発光素子を提供するこ
とである。
は、電流が障壁を越えてオーバーフローされることを効
率よく遮断しつつストレイン発生を最小化し、基板方向
への光損失を減らしつつ活性層の劣化を防止して工程を
単純化しうる半導体の発光素子を提供することである。
るために本発明は、0<x<1とする時、GaN系の化合物半
導体よりなる活性層と、前記活性層の上部および下部に
各々AlxGa1-xN層とGaN層の二重層を少なくとも2回以上
繰り返して積層してエネルギーバンドが複数個の多重量
子の障壁構造を有するように前記活性層の上部および下
部のうち少なくとも何れか一側に形成された多重量子障
壁層とを具備することを特徴とする窒化物半導体の発光
素子を提供する。この際、前記活性層あるいは多重量子
障壁層の上下部には各々GaN光導波層がさらに備えられ
ており、前記活性層はInxGa1-xN層とInyGa1-yN層の二重
層、InxGa1-xN層とAlyGa1-yN層の二重層、InxGa1-xN層
とIn yAlzGa1-y-zN層の二重層、InxAsyGa1-x-yN層とInzG
a1-zN層の二重層およびInxAs yGa1-x-yN層とAlyGa1-yN層
の二重層のうち何れか1つの二重層が複数回以上積層さ
れて多重量子ウェル構造よりなることが望ましい。この
際、0≦x<1、0≦y<1、0≦z<1、x+y<1であり、y+
z<1である。
ル障壁層は、前記AlxGa1-xN層とGaN層の二重層毎に前記
AlxGa1-xN層あるいはGaN層の厚さを変えて前記多重量子
障壁のエネルギー準位を異ならせて形成し、あるいは前
記AlxGa1-xN層のAl含量を変えて形成される多重量子障
壁のエネルギー準位を異ならせて形成したことも望まし
い。
前記多重量子障壁層はAlxGa1-xN層とInyGa1-yN層の二重
層を少なくとも2回以上繰り返し積層してエネルギーバ
ンドが複数個の多重量子障壁構造を有するように形成さ
れることも望ましい。この場合、前記多重量子障壁層は
AlxGa1-xN層とInyGa1-yN層の二重層毎に前記AlxGa1-xN
層あるいはInyGa1-yN層の厚さを変えて形成される前記
多重量子障壁のエネルギー準位を異ならせて形成した
り、あるいは前記AlxGa1-xN層のAl含量を変えて形成さ
れる多重量子障壁のエネルギー準位を変えて形成したり
する。
に本発明は、活性層を中心に対向するレイジングのため
のp型およびn型物質層からp型クラッド層を除去する
代わりにn型クラッド層のエネルギーバンド幅を従来に
比べてはるかに広げ、前記p型物質層と前記活性層との
間に備えられるキャリア障壁層のキャリア遮断効率を高
めたことを特徴とする半導体発光素子を提供する。
に本発明は、基板と、前記基板上に形成された光放出が
起こる活性層と、前記基板と前記活性層との間に備えら
れているが、前記基板方向への光損失を防止するように
備えられたn型クラッド層を含むレイジングのためのn
型物質層と、前記活性層上に順次に備えられたキャリア
障壁層、p型導波層およびp型化合物の半導体層と、前
記活性層へのキャリア拡散のための電位差を形成するn
型およびp型電極とを具備することを特徴とするレーザ
ーダイオードを提供する。この際、前記n型物質層は、
前記n型クラッド層と前記活性層との間に備えられたn
型導波層と、前記n型クラッド層と前記基板との間に備
えられており、前記n型電極と連結されるn型化合物の
半導体層よりなる。また、前記n型物質層は前記n型ク
ラッド層と前記活性層との間に備えられたn型導波層と
前記n型クラッド層と前記基板との間に備えられたn型
化合物の半導体層を具備する。前記活性層は多重量子ウ
ェル(MQW)構造を有するIII−V族窒化物化合物の半導
体層である。
発明の実施形態に係る半導体発光素子のレーザーダイオ
ードを詳しく説明する。
おいて主に多重量子ウェル構造よりなる活性層に多くの
キャリアを注入することによって発生するキャリアオー
バーフローを抑制するための構造であって、図3ないし
図8に示されたように、多重量子障壁(multiple quant
um barrier;MQB)を活性層の上部および下部のうち少な
くとも何れか一側に形成されたことを特徴とする。すな
わち、図3に示されたように、多重量子障壁層7、8を
活性層5、6の上部にのみ形成するか、図5に示された
ように、多重量子障壁層7、8を活性層5、6の下部に
のみ形成するか、図7に示されたように、多重量子障壁
層7、8を活性層5、6の上下部に形成する。図4、図
6および図8は各々図3、図5および図7の実施の形態
のエネルギーバンドダイヤグラムである。
を参照すれば、本発明に係る多重量子障壁を有する半導
体発光素子はGaN系化合物半導体よりなる単一活性層
(図示せず)あるいはInxGa1-xN層とInyGa1-yN層の二重
層、InxGa1-xN層とAlyGa1-yN層の二重層、InxGa1-xN層
とIn yAlzGa1-y-zN層の二重層、InxAsyGa1-x-yN層とInzG
a1-zN層の二重層およびInxAs yGa1-x-yN層とAlyGa1-yN層
の二重層のうち何れかの二重層が複数回以上積層されて
多重量子ウェル構造よりなる活性層5、6を具備する。
この際、0≦x<1、0≦y<1、0≦z<1、x+y<1であ
り、y+z<1である。そして活性層5、6に注入された障
壁以上のエネルギーを有するキャリアのオーバーフロー
を遮断する遮断層を挿入して防止するが、遮断効果を極
大化すると共に遮断層によるストレインの影響を最小化
するために、遮断層としてAlxGa1-xN層とGaN層の二重
層、AlxGa1-xN層とInyGa1-yN層の二重層(この際、0<x
<1、0<y≦1)あるいはAlxGa1-xN層とAlyGa1-yN層の
二重層(この際、0<x<1、0≦y<1およびx>y)を少な
くとも2回以上繰り返し積層してエネルギーバンドが複
数個の多重量子障壁構造を有するストレイン補償の多重
量子障壁(Strain-compensating MQB)層7、8を活性
層5、6の上部に備えたり(第1実施形態)、活性層
5、6の下部に備えたりする(第2実施形態)。
に、上部および下部のストレイン補償の多重量子ウェル
障壁層7、8がAlxGa1-xN層7およびGaN層8の二重層よ
りなる場合にはこれら二重層毎にAlxGa1-xN層7あるい
はGaN層8の厚さを変えて形成し、多重量子障壁のエネ
ルギー準位を異ならせて形成したり、あるいはAlxGa1-x
N層7毎にAl含量を変えて各層毎に障壁のエネルギー準
位を異ならせたりする。
多重量子ウェル障壁層がAlxGa1-xN層とInyGa1-yN層の二
重層を少なくとも2回以上繰り返し積層して形成する場
合にも、このストレイン補償の多重量子障壁層は二重層
毎にAlxGa1-xN層あるいはInyGa1-yN層の厚さを変えて形
成し、多重量子障壁のエネルギー準位を異ならせたり、
あるいは二重層毎にAlxGa1-xN層のAl含量を変えて多重
量子障壁のエネルギー準位を異ならせたりする。
多重量子ウェル障壁層がAlxGa1-xN層とAlyGa1-yN層の二
重層を少なくとも2回以上繰り返し積層して形成する場
合にも、このストレイン補償の多重量子障壁層は二重層
毎にAlxGa1-xN層あるいはAlyGa1-yN層の厚さを変えて形
成し、多重量子障壁のエネルギー準位を異ならせたり、
あるいは二重層毎にAlxGa1-xN層のAl含量を変えて多重
量子障壁のエネルギー準位を異ならせたりする。
重量子障壁二重層7、8が多重量子ウェル構造5、6の
活性層に注入されたキャリアを遮断する原理は次の通り
である。
壁内の量子ウェルに拘束される量子効果によって単一隔
壁のキャリア障壁よりキャリアオーバーフローを減少さ
せるものである。
障壁10とAlxGa1-xN/GaN多重量子障壁11とAlxGa1-xN
/InyGa1-yNストレイン補償の多重量子障壁12によるキ
ャリア反射度を計算したグラフである。
果によって実際のエネルギー準位差によるエネルギー障
壁が、注入されるキャリアに焦点をあててみれば非常に
高まったことが分かる。特に、AlxGa1-xN/InyGa1-yNス
トレイン補償の多重量子障壁の場合、より高いエネルギ
ーのキャリアまで反射率が高くてさらに効率的なエネル
ギー障壁として使用されうる。さらに、AlxGa1-xN/InyG
a1-yNストレイン補償の多重量子障壁の場合にはAlGaNが
GaNと引っ張りストレインを有し、逆にInGaNはGaNと圧
縮ストレイン(compressive strain)を有するので相互
ストレイン補償がなされて成長時にクラックが存在しな
くかつ厚い層の量子障壁を成長させることができてさら
に効率的である。
素子は活性層から非活性層へのキャリアオーバーフロー
を抑制するために活性層領域の次にAlGaN/GaN二重層あ
るいはAlGaN/InGaN二重層を反復的に成長させた多重量
子の障壁構造を有する。この多重量子障壁は活性層に多
数のキャリアを注入する場合に発生するキャリアオーバ
ーフローを抑制する効果は同一なレーザー構造で従来の
電子遮断(electron blocking)層を挿入した構造と、
本発明で提案されたAlxGa1-xN/GaN多重量子障壁を採用
した構造のレーザー発振特性を比較することによってそ
の特性がわかる。
た。従来の積層構造におけるLI特性グラフ13において
発振開始電流は約550mAで、本発明によって提案され
たレーザー構造におけるLI特性グラフ14において発振
開始電流は約270mA程度の値であって、半分程度減少
したことがわかる。使われた試料が同じ活性層構造を有
するのでキャリアによる光利得値が同一なものと仮定で
きるため、発振開始電流の減少は同一な電流の注入時、
効率的なキャリアオーバーフローが可能で活性層に存在
するキャリア数が増加して光利得が増加したことを意味
する。
効率的な電子遮断障壁層を具備して光モードの損失を軽
減しうる構造としてn型クラッド層を具備するが、p型
クラッド層は除去したレーザーダイオードに関するもの
である。
である。基板40はサファイア基板であることが望まし
いが、SiC、Si、GaAs、GaNおよびZnOよりなる群から選
択されたいずれか1つであっても良い。基板40を構成
する物質によって電極は基板40の底面か、あるいは基
板40の上側に構成されうる。例えば、基板40がサフ
ァイア基板の場合、基板の高抵抗性により基板40の上
側で必要な物質層と接触されるように電極が構成され、
基板40がSiCの場合、基板40の底面と接触されるよ
うに電極が構成されうる。また、p型電極をリッジ(ri
dge)形に具備する場合、n型電極は下記n型化合物の
半導体層と接触されるように構成されることもできる。
その方法は様々に有り得る。
のn型物質層Mが形成されている。n型物質層Mは基板4
0上に順次に形成されたn型化合物の半導体層42、n
型クラッド層44およびn型導波層46で構成されてい
る。n型化合物の半導体層42はIII−V族窒化物化合物
の半導体層で、n-GaN層であることが望ましい。そし
て、n型クラッド層44は所定の割合でAlを含有するn-
AlxGa1-xN層(この際、0<x≦0.2)の単層であるこ
とが望ましく、複層で有り得るが、例えばAlGaN層とGaN
層よりなる超格子(super lattice)層でありうる。い
ずれの場合でもn型クラッド層44は基板40方向への
光モードの損失を最小化しうる厚さであることが望まし
い。例えば、n型クラッド層44の厚さは0.5〜1.
7μmほどである。この際、考慮しなければならない点
が半導体の発光素子全体のストレインである。したがっ
て、n型クラッド層44は前記光モードを最小化しうる
厚さであれば良いが、厚さをそれより若干小さな値とし
て半導体の発光素子全体のストレインを減らせるように
しても良い。n型クラッド層44の厚さは従来のレーザ
ーダイオードに備えられたものよりはるかに厚いもので
ある。このようにn型クラッド層44を厚くすることで
基板40への光モードの損失を最小化しうる。n型導波
層46はIII−V族窒化物化合物の半導体層であって、n-
GaN層であることが望ましい。レイジングのためのn型
物質層M上には活性層48が形成されているので、活性
層48は多重量子ウェル構造を有する物質層であるのが
望ましく、III−V族窒化物化合物の半導体層の中でもIn
を所定の割合で含有するInGaN層であることがさらに望
ましい。また、活性層48はこのように単層であって
も、第1ないし第3実施形態において説明したように複
層であっても良く、これは前記実施形態において詳しく
説明したのでその詳細な説明は省略する。活性層48上
に電子遮断層50およびp型導波層52が順次に形成さ
れている。この際、電子遮断層50は電子遮断効率を高
めるために所定の割合でAlを含有するAlGaN層であるこ
とが望ましいが、第1ないし第3実施形態において説明
したような多重量子障壁層5、6で有り得る。p型導波
層52はドーピング物質がp型であることを除いてはn
型導波層46と同じ物質層である。ただし、その厚さは
光モードと光利得とが最大化されうる厚さであることが
望ましく、例えば0.15〜0.2μmほどが望まし
い。p型導波層52上にp型化合物の半導体層54が形
成されている。p型化合物の半導体層54はドーピング
物質がp型であることを除いてはn型化合物の半導体層
42と同じ物質層であることが望ましい。ただし、p型
化合物の半導体層54はその上にp型電極(図示せず)
が備えられるのでp型導波層52よりドーピング濃度を
高めて電気抵抗を低めたことが望ましい。
レーザーダイオードはp型物質層にp型クラッド層を備
えない代わりに、キャリア障壁層(電子遮断層)の遮断
効率をはるかに高めて従来のn型クラッド層よりさらに
一層厚くしたn型クラッド層を具備する。
の物質層に比べて相対的に高温形成過程であり、ドーピ
ング過程を伴う。ところが、p型クラッド層を具備しな
いことによって高温工程とドーピング注入工程などの省
略が可能なので製造工程を単純化し、活性層48の特性
変化を防止しうる。また、活性層48と熱的、結晶学的
不整合の大きなp型クラッド層を具備しないことによっ
て、レーザーダイオード全体のストレインを減らして素
子のクラックを防止でき、素子の抵抗および動作電圧を
低めて素子の信頼性を高められる。また、p型クラッド
層を具備しないことによって生じるストレインマージン
だけn型クラッド層を厚くして基板方向への光モードの
損失を減らせて安定した光モードと向上された光利得が
得られる。
るのはn型クラッド層の厚さが従来に比べてはるかに厚
くてその分エネルギーバンド幅も広くなるからである
が、これは図12を参照することによってさらに明白に
なる。
(b)は各々従来および本発明の第4実施形態に係るレ
ーザーダイオードを構成する物質層のエネルギーバンド
ダイヤグラムであって、従来のn型クラッド層のエネル
ギーバンドEncより本発明のn型クラッド層のエネルギ
ーバンドEnc'幅がはるかに広いことがわかる。合わせ
て、従来の電子遮断層のエネルギーバンドEebに対応す
る本発明の電子遮断層のエネルギーバンドEeb'に続いて
従来のp型クラッド層のエネルギーバンドEpcに対応する
エネルギーバンドが示されないことが分かる。部材番号
EmqwおよびEmqw'は各々従来および本発明に係る多重量
子ウェル構造を有する活性層のエネルギーバンドを示
す。
に係るレーザーダイオードの特性を確認するために次の
ような実験を実施した。この実験は3つのレーザーダイ
オード群を対象として実施し、各レーザーダイオード群
の光導波路解釈を通じて光利得と光モードとを調べるた
めに、複素(complex)TMM(Transfer Matrix Method)
を用いて光導波路に拘束される光モードと光利得とを同
時に計算した。
ド群の中から第1レーザーダイオード群は各々厚さが
0.5μmのnおよびp型クラッド層を全て具備するが、
p型導波層の厚さは異ならせたものであり、第2レーザ
ーダイオード群はクラッド層の中から0.5μmのn型
クラッド層のみを具備するが、p型導波層の厚さは異な
らせたものであり、第3レーザーダイオード群は第2レ
ーザーダイオード群と同一なものであるが、n型クラッ
ド層の厚さを1.0μmとしたものである。
構成する各物質層の屈折率分布を示したものであって、
活性層を中心としたn型およびp型側の一部物質層に対
して屈折率分布のみを拡大して示したものである。
対応する屈折率を、Rn1およびRp1は各々n型およびp
型導波層に対応する屈折率を、Reは電子遮断層に対応す
る屈折率を、各々示す。また、部材番号Rn2およびRp2
は各々n型およびp型クラッド層に対応する屈折率を、R
n3およびRp3は各々n型およびp型化合物の半導体層
に対応する屈折率を、各々表す。
分布は活性層からn型およびp型化合物の半導体層まで
順次に低くなる分布を示していることが分かる。ただ
し、例外的に電子遮断層の屈折率Reはn型およびp型ク
ラッド層の屈折率Rn2、Rp2よりも小さい。
ーダイオード構造を設計するために、前記第1ないし第
3レーザーダイオード群の光利得と光モードを計算し
た。
3レーザーダイオード群別に示したグラフであって、参
照図形■、●および◆は各々第1ないし第3レーザーダ
イオード群に対した利得変化を示すグラフである。図1
4を参照すれば、光利得を最も大きく得られるp型導波
層の厚さは各レーザーダイオード群の光導波路構造によ
って変わることが分かる。
びp型クラッド層を全て具備する第1レーザーダイオー
ド群の場合、p型導波層の厚さが約0.12μmの時に
光利得が最大となり、p型クラッド層を含まない第2お
よび第3レーザーダイオード群の場合、p型導波層の厚
さが0.15〜0.22μm、望ましくは約0.2μmで
光利得が最大となることが分かる。
さ変化に伴う前記第1ないし第3レーザーダイオード群
の光モードの変化を示すグラフ図であって、全部類似し
た傾向を示しているが、p型導波層の厚さが、光モード
が最大となる厚さより薄い場合に光モードはn型導波層
に偏り、その反対の場合には光モードはp型導波層に偏
ることが見られる。各図面において部材符号G1max、G
2maxおよびG3maxは各々光利得の最大のグラフを示
す。
ザーダイオード群の場合、光モードはp型導波層の厚さ
が0.1μmの時に最大となるが、p型導波層の厚さが
0.1μmより薄い時光モードはn型導波層(図面の左
側)に偏り、p型導波層の厚さが0.1μmより厚い
0.2μmまたは0.4μmである場合に光モードはp型
導波層(図面の右側)に偏るのが見られる。
第2および第3レーザーダイオード群の場合、光モード
はp型導波層の厚さが0.2μmの時に最大となるが、
p型導波層の厚さがこれより薄い場合やこれより厚い場
合には程度の差はあるが第1レーザーダイオード群の場
合と同じ特性を示すということがわかる。
利得を得られる厚さより薄い場合、光モードがn型導波
層に偏り、これは光モードの損失を意味して結局光利得
が減少されるということを意味する。したがって、この
際は光利得の減少を補償するためにさらに多くのキャリ
ア(電子)を供給しなければならないので、結局レイジ
ングのための臨界電流値が大きくなる。
る光利得の減少が発生するが、これはp型導波層を含む
共振領域(n型導波層+活性層+p型導波層)に拘束され
る光モードが広くなって活性層に拘束される量が減少さ
れるからであると予測される。
ードの損失を最小化しかつ単一横モードを有するレーザ
ー発振が可能な光導波路構造を有するレーザーダイオー
ドが可能であるのがわかり、これがp型クラッド層の除
去の代わりにn型クラッド層を相対的に厚くした本発明
に係るレーザーダイオードであることが分かった。ま
た、p型クラッド層を除去することによって、レーザー
ダイオードの全体ストレインも小さくなることが分かっ
た。
載されているが、それらは発明の範囲を限定するための
ものではなく、望ましい実施形態の例示に過ぎない。例
えば、当業者なら本発明の技術的思想をIII−V族化合物
の半導体層でない他の化合物半導体層を用いたレーザー
ダイオード構造に適用でき、前記構造と異なる構造のレ
ーザーダイオード、例えばリッジウェーブガイドを具備
するレーザーダイオードにも適用できる。この時は電子
遮断層の構成やn型クラッド層の構造が変わることもで
きる。このように本発明の技術的思想を含む変形された
レーザーダイオードを具現することが可能なために本発
明の範囲は実施形態によって決まるのではなく、特許請
求の範囲に記載された技術的思想によってのみ決まるべ
きである。
二重層が複数回積層された多重量子障壁あるいはAlGaN/
InGaNの二重層が複数回積層されたストレイン補償の多
重量子障壁を活性層の上部および下部のうち少なくとも
選択されたいずれか一側に備えたり、同一な構造でp型
クラッド層を除去するが、n型クラッド層の厚さは相対
的に厚くしたレーザーダイオードまたはこれらの組み合
わせたりしたものであって、後者において前記多重量子
障壁層の代わりに電子遮断の効率を高めた電子遮断層を
具備するレーザーダイオードを提供する。したがって、
本発明に係るレーザーダイオードを用いる場合に次のよ
うな効果が得られる。
た電子遮断層により活性層からオーバーフローされるキ
ャリア量を減らせる。
補償の多重量子障壁の場合にストレイン補償によりレー
ザーダイオード内のストレインを減らせるが、活性層と
熱的、結晶学的に不整合の大きなp型クラッド層を具備
しないことによって、レーザーダイオードの全体ストレ
インをさらに減少させ、その結果ディバイスを構成する
各物質層のクラックを防止しうる。
って、p型不純物が増加して抵抗が低まると共に、光モ
ードの損失が減り、光利得が増加されるので、レーザー
ダイオードのレーザー発振のための臨界電流が減少され
る。
って、p型クラッド層の形成に伴う高温工程による活性
層の熱的劣化を防止できるのでレーザーダイオードの温
度特性が向上される。
ラッド層の形成と関連した工程が省略されることによっ
てレーザーダイオードの製造工程が単純化される。
的な垂直断面図である。
遮断障壁を示すエネルギーバンドダイヤグラムである。
フローとストレインの減少手段としてAlxGa1-xN/GaN多
重量子障壁あるいはAlxGa1-xN/InyGa1-yNストレイン補
償の多重量子障壁を具備する半導体発光素子の断面図で
ある。
ンドダイヤグラムである。
フローとストレインの減少手段としてAlxGa1-xN/GaN多
重量子障壁あるいはAlxGa1-xN/InyGa1-yNストレイン補
償の多重量子障壁を有する半導体発光素子の断面図であ
る。
ンドダイヤグラムである。
フローとストレインの減少手段としてAlxGa1-xN/GaN多
重量子障壁あるいはAlxGa1-xN/InyGa1-yNストレイン補
償の多重量子障壁を有する半導体発光素子の垂直断面図
である。
ンドダイヤグラムである。
1-xN/InyGa1-yNストレイン補償の多重量子障壁の電子反
射度を示すグラフである。
光素子と本発明の実施形態によるキャリアオーバーフロ
ーとストレインの減少手段として多重量子障壁を有する
半導体発光素子のLI特性を示すグラフである。
の断面図である。
バンドダイヤグラムである。
オード群から選択したレーザーダイオードの屈折率分布
の拡大図である。
ーザーダイオード群の光利得変化を示すグラフである。
オード群の光モード変化を示すグラフである。
オード群の光モード変化を示すグラフである。
オード群の光モード変化を示すグラフである。
Claims (21)
- 【請求項1】 0<x<1とする時、 GaN系の化合物半導体よりなる活性層と、 前記活性層の上部および下部に各々AlxGa1-xN層とGaN層
の二重層を少なくとも2回以上繰り返して積層してエネ
ルギーバンドが複数個の多重量子障壁構造を有するよう
に前記活性層の上部および下部のうち少なくともいずれ
か一側に形成された多重量子障壁層とを具備することを
特徴とする多重量子障壁を有する窒化物半導体の発光素
子。 - 【請求項2】 前記活性層あるいは多重量子障壁層の上
下部には各々GaN光導波層がさらに備えられたことを特
徴とする請求項1に記載の多重量子障壁を有する窒化物
半導体の発光素子。 - 【請求項3】 前記活性層はInxGa1-xN層とInyGa1-yN層
の二重層、InxGa1-xN層とAlyGa1-yN層の二重層、InxGa
1-xN層とInyAlzGa1-y-zN層の二重層、InxAsyGa1-x-yN層
とInzGa1-zN層の二重層およびInxAsyGa1-x-yN層とAlyGa
1-yN層の二重層のうちいずれか1つの二重層が複数回以
上積層されて多重量子ウェル構造よりなったものであっ
て、0≦x<1、0≦y<1、0≦z<1、x+y<1であり、y+
z<1であることを特徴とする請求項1に記載の多重量子
障壁を持った窒化物半導体の発光素子。 - 【請求項4】 0<x<1、0≦y<1、x>yとする時、 GaN系の化合物半導体よりなった活性層と、 前記活性層の上部および下部に各々AlxGa1-xN層とAlyGa
1-yN層の二重層を少なくとも2回以上繰り返し積層して
エネルギーバンドが複数個の多重量子の障壁構造を有す
るように前記活性層の上部および下部のうち少なくとも
いずれか一側に形成された多重量子障壁層とを備えるこ
とを特徴とする多重量子障壁を有する窒化物半導体の発
光素子。 - 【請求項5】 前記多重量子障壁層は、前記二重層毎に
前記AlxGa1-xN層の厚さを変えて形成し、多重量子障壁
のエネルギー準位を異ならせることを特徴とする請求項
4に記載の多重量子障壁を有する窒化物半導体の発光素
子。 - 【請求項6】 0<x<1、0≦y<1、x>yとする時、 前記多重量子障壁層は前記二重層毎に前記AlyGa1-yN層
の厚さを変えて形成し、多重量子障壁のエネルギー準位
を異ならせることを特徴とする請求項4に記載の多重量
子障壁を有する窒化物半導体の発光素子。 - 【請求項7】 0<x<1、0≦y<1、x>yとする時、 前記多重量子障壁層は前記二重層毎に前記AlxGa1-xN層
のAl含量を変えて多重量子障壁のエネルギー準位を異な
らせることを特徴とする請求項4に記載の多重量子障壁
を有する窒化物半導体の発光素子。 - 【請求項8】 0<x<1とし、0<y≦1とする時、 GaN系の化合物半導体よりなる活性層と、 前記活性層の上部および下部に各々AlxGa1-xN層とInyGa
1-yN層の二重層を少なくとも2回以上繰り返し積層して
エネルギーバンドが複数個の多重量子障壁構造を有する
ように前記活性層の上部および下部のうち少なくともい
ずれか一側に形成された多重量子障壁層とを具備するこ
とを特徴とする多重量子障壁を有する窒化物半導体の発
光素子。 - 【請求項9】 前記多重量子障壁層は前記二重層毎に前
記AlxGa1-xN層の厚さを変えて前記多重量子障壁のエネ
ルギー準位を異ならせることを特徴とする請求項8に記
載の多重量子障壁を有する窒化物半導体の発光素子。 - 【請求項10】 前記多重量子障壁層は前記二重層毎に
前記InyGa1-yN層の厚さを変えて形成し、多重量子障壁
のエネルギー準位を異ならせることを特徴とする請求項
8に記載の多重量子障壁を持った窒化物半導体の発光素
子。 - 【請求項11】 前記多重量子障壁層は前記二重層毎に
前記AlxGa1-xN層のAl含量を異ならせて形成し、多重量
子障壁のエネルギー準位を異ならせて形成したことを特
徴とする請求項8に記載の多重量子障壁を有する窒化物
半導体の発光素子。 - 【請求項12】 基板と、 前記基板上に形成された光放出が起こる活性層と、 前記基板と前記活性層との間に備えられているが、前記
基板方向への光損失を防止するように備えられたn型ク
ラッド層を含むレイジングのためのn型物質層と、 前記活性層上に順次に備えられたキャリア障壁層、p型
導波層およびp型化合物の半導体層と、 前記活性層へのキャリア拡散のための電位差を形成する
n型およびp型電極とを具備することを特徴とする窒化
物半導体の発光素子。 - 【請求項13】 前記n型物質層は、 前記n型クラッド層と前記活性層との間に備えられたn
型導波層と、 前記n型クラッド層と前記基板との間に備えられてお
り、前記n型電極と連結されるn型化合物の半導体層よ
りなることを特徴とする請求項12に記載の窒化物半導
体の発光素子。 - 【請求項14】 前記活性層は多重量子ウェル構造を有
するIII−V族窒化物化合物半導体層であることを特徴と
する請求項12または13に記載の窒化物半導体の発光
素子。 - 【請求項15】 前記n型クラッド層の厚さは0.5μ
m〜1.7μmであることを特徴とする請求項12または
13に記載の窒化物半導体の発光素子。 - 【請求項16】 前記p型導波層の厚さは光モードと光
利得とが最大となる0.15μm〜0.22μmであるこ
とを特徴とする請求項12に記載の窒化物半導体の発光
素子。 - 【請求項17】 前記キャリア障壁層は単一層または多
重量子障壁層であることを特徴とする請求項12に記載
の窒化物半導体の発光素子。 - 【請求項18】 前記多重量子障壁層は前記AlxGa1-xN
層とInyGa1-yN層(0<x<1、0<y≦1)の二重層毎に前
記InyGa1-yN層の厚さを変えて形成される多重量子障壁
のエネルギー準位を異ならせて形成したことを特徴とす
る請求項17に記載の窒化物半導体の発光素子。 - 【請求項19】 前記多重量子障壁層は前記AlxGa1-xN
層とInyGa1-yN層(0<x<1、0<y≦1)の二重層毎に前
記AlxGa1-xN層のAl含量を変えて形成される多重量子障
壁のエネルギー準位を異ならせて形成したことを特徴と
する請求項17に記載の窒化物半導体の発光素子。 - 【請求項20】 前記p型導波層および前記p型化合物
の半導体層は同一な物質層であるが、p型化合物の半導
体層のドーピング濃度が前記p型導波層より高いことを
特徴とする請求項12に記載の窒化物半導体の発光素
子。 - 【請求項21】 前記基板はサファイア基板、SiC、S
i、GaAs、GaNおよびZnOよりなるグループのうち選択さ
れた何れか1つであることを特徴とする請求項12に記
載の窒化物半導体の発光素子。
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