JP2002270969A - Nitride semiconductor light emitting element and optical device using it - Google Patents

Nitride semiconductor light emitting element and optical device using it

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JP2002270969A
JP2002270969A JP2001063421A JP2001063421A JP2002270969A JP 2002270969 A JP2002270969 A JP 2002270969A JP 2001063421 A JP2001063421 A JP 2001063421A JP 2001063421 A JP2001063421 A JP 2001063421A JP 2002270969 A JP2002270969 A JP 2002270969A
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JP
Japan
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layer
light emitting
nitride semiconductor
well
barrier layer
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JP2001063421A
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Japanese (ja)
Inventor
Teruyoshi Takakura
輝芳 高倉
Yuzo Tsuda
有三 津田
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Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nitride semiconductor light emitting element in which crystallinity and emission efficiency are enhanced by suppressing a crystal system separation and phase separation caused by adding As, P or Sb to an InGaN based well layer. SOLUTION: The nitride semiconductor light emitting element comprises an emission layer 107 formed by combining a plurality of well layers and one or a plurality of barrier layers wherein the well layer is composed of a nitride represented by a formula InAlGaN1-x-y-z Asx Py Sbz (where, 0<=x<=0.1, 0<=y<=0.2, 0<=z<=0.05, x+y+z>0). The compositional ratio of As, P or Sb added to the InGaN based well layer is set within a specified range and Al is added additionally thus suppressing the crystal system separation and phase separation.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化物半導体発光
素子およびそれを用いた光学装置に関し、特に、多重量
子井戸構造を有する発光効率の高い窒化物半導体発光素
子およびそれを用いた半導体発光装置に関する。
The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device and an optical device using the same, and more particularly to a nitride semiconductor light emitting device having a multiple quantum well structure and a high luminous efficiency, and a semiconductor light emitting device using the same. About.

【0002】[0002]

【従来の技術】青色に近い光を発する半導体レーザとし
て、InGaN活性層を有するものが開発されてきた。
この半導体レーザにおいて、Inの量を増やせば発振波
長を長波長側にシフトさせることができる。しかし、I
nGaN層は、もともと下地層との格子不整合が大きい
うえ、Inの組成比を高くすれば、層の結晶性が低下
し、In含量が高い非発光の領域とIn含量が低い領域
とができてしまい、発光効率が低下する。
2. Description of the Related Art As a semiconductor laser emitting near blue light, a semiconductor laser having an InGaN active layer has been developed.
In this semiconductor laser, the oscillation wavelength can be shifted to the longer wavelength side by increasing the amount of In. But I
The nGaN layer originally has a large lattice mismatch with the underlying layer, and if the composition ratio of In is increased, the crystallinity of the layer is reduced, and a non-light emitting region having a high In content and a region having a low In content can be formed. As a result, the luminous efficiency decreases.

【0003】特開平11−204880号公報は、その
ような問題に対し、In1-yGay zAs1-zからなる量
子井戸活性層を有する半導体レーザを開示する。同公報
によれば、従来のInGaN活性層にAsをわずかに含
ませることにより、いわゆるボーイング効果により発振
波長が長波長化され、また、InGaN活性層にAsを
わずかに含ませることにより、GaN光導波層に対して
格子不整合量を小さくすることができる。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-204880 discloses that
For such a problem, In1-yGayN zAs1-zConsisting of
A semiconductor laser having a subwell active layer is disclosed. Publication
According to the conventional InGaN active layer, As is slightly contained.
Oscillation due to the so-called Boeing effect
The wavelength is increased, and As is added to the InGaN active layer.
By slightly including the GaN optical waveguide layer,
The amount of lattice mismatch can be reduced.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
11−204880号公報は、Asの添加量について、
「Asをわずかに含ませる」としか記載しておらず、具
体的にどれくらいの量でAsを添加すれば、所望の効果
が得られるかについて何ら開示していない。実際、In
GaNAs結晶からなる量子井戸層を用いて発光素子を
作製する場合、井戸層中のAs含量を高くすれば、N
(窒素)の含有率の高い六方晶系領域とNの含有率の低
い立方晶系領域ができやすくなる。(以後、同じ層にこ
のような結晶系の異なる領域が形成される現象を「結晶
系分離」と呼ぶ。)また、結晶系分離を起こした窒化物
半導体結晶中にInが含有されていると、In組成の高
い領域とIn組成の低い領域ができやすくなる。(以
後、同じ層にこのような組成の異なる領域が形成される
現象を「相分離」と呼ぶ。)これらは、結晶性と発光効
率の低下を招いてしまい、多重量子井戸構造の窒化物半
導体発光素子の作製を困難にする。このような結晶系分
離および相分離は、Asだけでなく、PまたはSbを添
加する場合にも生じる。
However, Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-204880 discloses that the amount of As added is
The document only states that "As is slightly contained", and specifically does not disclose how much As should be added to obtain a desired effect. In fact, In
When a light emitting device is manufactured using a quantum well layer made of a GaNAs crystal, if the content of As in the well layer is increased, N
A hexagonal region having a high (nitrogen) content and a cubic region having a low N content are easily formed. (Hereinafter, a phenomenon in which such regions having different crystal systems are formed in the same layer is referred to as “crystal system separation”.) In addition, if the nitride semiconductor crystal that has undergone the crystal system separation contains In, it is considered that In is contained. , A region having a high In composition and a region having a low In composition are easily formed. (Hereinafter, the phenomenon that such regions having different compositions are formed in the same layer is referred to as "phase separation.") These cause a decrease in crystallinity and luminous efficiency, and cause a nitride semiconductor having a multiple quantum well structure. This makes it difficult to manufacture a light-emitting element. Such crystal system separation and phase separation occur when not only As but also P or Sb is added.

【0005】かくして本発明の目的は、InGaN系井
戸層にAs、PまたはSbを含有させることによって生
じる上記問題を解決し、結晶系分離および相分離が抑制
され、結晶性および発光効率の向上した窒化物半導体発
光素子およびそれを用いた光学装置を提供することにあ
る。
Thus, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems caused by adding As, P or Sb to an InGaN-based well layer, to suppress crystal system separation and phase separation, and to improve crystallinity and luminous efficiency. An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor light emitting device and an optical device using the same.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、窒化物半
導体発光素子の多重量子井戸構造にInGaN系窒化物
半導体を使用する場合、As、PまたはSbの組成比を
所定の範囲内とし、さらにAlを添加することにより、
結晶系分離および相分離を抑制できることを見出した。
Means for Solving the Problems When the InGaN nitride semiconductor is used for the multiple quantum well structure of the nitride semiconductor light emitting device, the present inventors set the composition ratio of As, P or Sb within a predetermined range. , And further by adding Al,
It has been found that crystal separation and phase separation can be suppressed.

【0007】かくして本発明により、複数の井戸層と1
つまたは複数の障壁層とが組み合わされた発光層を有す
る窒化物半導体発光素子が提供され、該素子は、井戸層
が、式InAlGaN1-x-y-zAsxySbz(式中、0
≦x≦0.1、0≦y≦0.2、0≦z≦0.05、x
+y+z>0)で表される窒化物からなることを特徴と
する。
Thus, according to the present invention, a plurality of well layers and one well layer are formed.
One or nitride semiconductor light emitting device and a plurality of barrier layers has a light-emitting layer in combination is provided, the element is well layer, wherein InAlGaN 1-xyz As x P y Sb z ( wherein 0
≦ x ≦ 0.1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 ≦ z ≦ 0.05, x
+ Y + z> 0).

【0008】特に、本発明において、井戸層におけるA
lの含有量は1×1019/cm3以上であることが好ま
しい。また、本発明において、井戸層は、式InaAlb
Ga 1-a-b1-x-y-zAsxySbz(式中、0<a≦
0.5、0<b≦0.2、0≦x≦0.1、0≦y≦
0.2、0≦z≦0.05、x+y+z>0)で表され
る窒化物からなることが好ましい。本発明において、井
戸層におけるAs、PおよびSbの総含有量(As、P
またはSbのいずれかが含有される場合は、その総含有
量、As、PおよびSbの任意の組み合わせが含有され
る場合は、組み合わせた元素の総含有量)は1018/c
3以上とすることができる。
Particularly, in the present invention, A in the well layer
l content is 1 × 1019/ CmThreePreferably more than
New In the present invention, the well layer has the formula InaAlb
Ga 1-abN1-xyzAsxPySbz(Where 0 <a ≦
0.5, 0 <b ≦ 0.2, 0 ≦ x ≦ 0.1, 0 ≦ y ≦
0.2, 0 ≦ z ≦ 0.05, x + y + z> 0)
It is preferable to be made of nitride. In the present invention, the well
Total content of As, P and Sb in the door layer (As, P
Or when any of Sb is contained, the total content thereof
And any combination of As, P and Sb.
The total content of the combined elements) is 1018/ C
mThreeThe above can be considered.

【0009】本発明において、障壁層は、III族元素
として少なくともGaを含みかつV族元素としてNのみ
を含む、III−V族化合物半導体からなるものとする
ことができる。または、障壁層は、III族元素として
少なくともGaを含み、かつV族元素としてAs、Pお
よびSbよりなる群から選ばれた少なくとも1種の元素
とNとを含む、III−V族化合物半導体からなるもの
でもよい。
In the present invention, the barrier layer may be made of a III-V compound semiconductor containing at least Ga as a group III element and containing only N as a group V element. Alternatively, the barrier layer is formed of a group III-V compound semiconductor containing at least Ga as a group III element and at least one element selected from the group consisting of As, P, and Sb as a group V element and N. It may be.

【0010】典型的に、本発明において発光層は、それ
に隣接する2つの層の間に存在する。これら2つの層の
少なくともいずれかは、AlおよびNを含む窒化物から
なることが好ましい。
[0010] Typically, in the present invention, the light emitting layer exists between two adjacent layers. At least one of these two layers is preferably made of a nitride containing Al and N.

【0011】本発明において、発光層を構成している井
戸層の数は、2以上10以下であることが好ましく、井
戸層の厚みは、0.4nm以上20nm以下であること
が好ましい。また、障壁層の厚みは1nm以上20nm
以下であることが好ましい。
In the present invention, the number of the well layers constituting the light emitting layer is preferably 2 or more and 10 or less, and the thickness of the well layer is preferably 0.4 nm or more and 20 nm or less. The thickness of the barrier layer is 1 nm to 20 nm.
The following is preferred.

【0012】本発明の好ましい態様において、井戸層お
よび/または障壁層には、Si、O、S、C、Ge、Z
n、CdおよびMgよりなる群から選ばれた少なくとも
1種の元素が添加されている。そのような添加元素の含
有量は、1×1016〜1×1020/cm3であることが
好ましい。
In a preferred embodiment of the present invention, the well layer and / or the barrier layer includes Si, O, S, C, Ge, Z
At least one element selected from the group consisting of n, Cd and Mg is added. The content of such an additional element is preferably 1 × 10 16 to 1 × 10 20 / cm 3 .

【0013】本発明による素子は、GaN基板上に発光
層が形成されているものとすることができる。
The device according to the present invention may have a light emitting layer formed on a GaN substrate.

【0014】また本発明により、上記窒化物半導体発光
素子を用いた光ピックアップ装置等の光学装置が提供さ
れる。
According to the present invention, there is provided an optical device such as an optical pickup device using the nitride semiconductor light emitting device.

【0015】なお、本明細書において、「発光層」は、
光を発する機能に直接関与する層であって、井戸層と障
壁層から構成されているものと定義される。ここで、井
戸層のバンドギャップエネルギー<障壁層のバンドギャ
ップエネルギーの関係が成立しているものとする。典型
的に、本発明において発光層の主となる結晶系は六方晶
系である。
In the present specification, the “light-emitting layer” is
It is a layer directly involved in the function of emitting light, and is defined as being composed of a well layer and a barrier layer. Here, it is assumed that the relationship of the band gap energy of the well layer <the band gap energy of the barrier layer holds. Typically, the main crystal system of the light emitting layer in the present invention is a hexagonal system.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】(井戸層へのAl添加の作用効
果)Asを含むInGaN系結晶は、その成長過程にお
いて、Nの含有率の高い六方晶系とNの含有率の低い立
方晶系(閃亜鉛鉱構造)に分離(結晶系分離)しやす
い。また、V族元素であるNおよびAsとうまく結合で
きなかったInは、偏析しやすく、金属ドロップレット
化しやすい。そのような偏析が起こると、In組成の高
い領域と低い領域ができる相分離が起こる。このこと
は、発光効率の低下と発光波長の半値幅の増大(色斑)
の原因となる。結晶系分離および相分離の現象は、井戸
層におけるAsの含有量が1×1018/cm3以上であ
るとき、特に顕著となる。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS (Effects of Al Addition to Well Layer) In a growth process of an InGaN-based crystal containing As, a hexagonal system having a high N content and a cubic system having a low N content are used. (Crystal sphalerite structure). Further, In, which could not be combined well with N and As, which are Group V elements, easily segregates and easily forms metal droplets. When such segregation occurs, phase separation occurs in which a region having a high In composition and a region having a low In composition occur. This means that the luminous efficiency decreases and the FWHM of the luminous wavelength increases (color spots).
Cause. The phenomena of crystal system separation and phase separation become particularly remarkable when the content of As in the well layer is 1 × 10 18 / cm 3 or more.

【0017】上述した結晶系分離および相分離は、In
GaNAs井戸層に限らず、InGaNP井戸層および
InGaNSb井戸層においても起こるため、InGa
N結晶中に、As、PおよびSbの少なくともいずれか
のV族元素が井戸層に含有されることによって結晶系分
離および相分離が起こるものと考えられる。これには、
III族原子であるInおよびGaと、V族原子である
NおよびAs、PまたはSbとの反応において、Gaと
As、PまたはSbとの結合力が他の原子同士の結合力
よりも極めて強いことと、Nの揮発性がAs、Pまたは
Sbに比べて極めて高いこと(結晶からNが抜け出して
しまうこと)が起因していると考えられる。したがっ
て、これら結晶系分離と相分離を抑制するためには、N
を結晶中に効率良く取り込むことと、GaとAs、Pま
たはSbとの結合力を緩和することが肝要である。
The above-described crystal system separation and phase separation are performed by using In
Since it occurs not only in the GaNAs well layer but also in the InGaNP well layer and the InGaNSb well layer, InGaP
It is considered that crystal system separation and phase separation occur when at least one of the group V elements of As, P and Sb is contained in the well layer in the N crystal. This includes
In the reaction between group III atoms In and Ga and group V atoms N and As, P or Sb, the bonding force between Ga and As, P or Sb is much stronger than the bonding force between other atoms. This is considered to be due to the fact that the volatility of N is extremely higher than that of As, P or Sb (N escapes from the crystal). Therefore, in order to suppress these crystal system separation and phase separation, N
It is important to efficiently incorporate Si into the crystal and to reduce the bonding force between Ga and As, P or Sb.

【0018】本発明では、As、PおよびSbの少なく
ともいずれかを含むInGaN系結晶にAlを含有させ
ることにより、結晶系分離および相分離を抑制する。特
定的には、井戸層をInAlGaN1-x-y-zAsxy
z(0≦x≦0.1、0≦y≦0.2、0≦z≦0.
05、x+y+z>0)(式1)で表される窒化物の結
晶で構成することにより結晶系分離および相分離を抑制
する。Alは反応性が高く、Nを結晶中に効率良く取り
込ませることができるため、式1で表される窒化物の結
晶は、容易に成長させることができる。また、Alを含
む窒化物は高温(たとえば1000℃)でも安定して存
在する。反応性の高いIII族原子であるAlは、結晶
からNが抜けるのを効果的に防止する。さらに、Gaと
As、PまたはSbとの結合力をAlによって緩和でき
るため、窒化物半導体結晶中に効率良くInを取り込ま
せることができる。このことも、結晶系分離と相分離の
抑制に繋がるものと考えられる。
In the present invention, crystal system separation and phase separation are suppressed by adding Al to an InGaN-based crystal containing at least one of As, P and Sb. In particular, the well layer InAlGaN 1-xyz As x P y S
b z (0 ≦ x ≦ 0.1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 ≦ z ≦ 0.
05, x + y + z> 0) The crystal system separation and the phase separation are suppressed by using a nitride crystal represented by the following formula (1). Since Al has high reactivity and can efficiently incorporate N into the crystal, the nitride crystal represented by the formula 1 can be easily grown. The nitride containing Al exists stably even at a high temperature (for example, 1000 ° C.). Al, which is a highly reactive group III atom, effectively prevents N from leaving the crystal. Furthermore, since the bonding force between Ga and As, P or Sb can be reduced by Al, In can be efficiently incorporated into the nitride semiconductor crystal. It is considered that this also leads to suppression of crystal system separation and phase separation.

【0019】本発明の井戸層は、As、PおよびSbの
何れかの元素を少なくとも含有しているため、電子また
はホールの有効質量を小さくすることができる。式1で
表される窒化物は、典型的に、III族元素としてI
n、AlおよびGaを含み、V族元素としてAs、Pお
よびSbの少なくともいずれかとNとを含む、III−
V族化合物半導体であり、そこにおいて、V族元素の総
原子数に対する、As原子数の割合(原子百分率)は1
0%以下であり、P原子数の割合(原子百分率)は20
%以下であり、Sb原子数の割合(原子百分率)は5%
以下である。As原子数の割合が10%を超えると、A
l添加によって結晶系分離および相分離を十分抑制する
ことができなくなる。同様に、P原子数の割合およびS
b原子数の割合がそれぞれ20%および5%を超える
と、Al添加によって結晶系分離および相分離を十分抑
制することができなくなる。式1で示される組成の窒化
物を多重量子井戸構造に使用することによって、低消費
電力、高出力および長寿命のレーザ等の発光素子を得る
ことができる。
Since the well layer of the present invention contains at least one of As, P and Sb, the effective mass of electrons or holes can be reduced. The nitride represented by Formula 1 typically comprises I as a Group III element.
III- containing n, Al and Ga, and containing at least one of As, P and Sb and N as a group V element.
A group V compound semiconductor, in which the ratio (atomic percentage) of the number of As atoms to the total number of atoms of the group V element is 1
0% or less, and the ratio of the number of P atoms (atomic percentage) is 20%.
% Or less, and the ratio of the number of Sb atoms (atomic percentage) is 5%.
It is as follows. When the ratio of the number of As atoms exceeds 10%, A
By the addition of l, the crystal system separation and phase separation cannot be sufficiently suppressed. Similarly, the ratio of the number of P atoms and S
When the ratio of the number of b atoms exceeds 20% and 5%, respectively, it becomes impossible to sufficiently suppress crystal system separation and phase separation by adding Al. By using the nitride having the composition represented by the formula 1 in the multiple quantum well structure, a light emitting device such as a laser with low power consumption, high output, and long life can be obtained.

【0020】(多重量子井戸構造について)多重量子井
戸構造を形成する上で、井戸層に結晶系分離や相分離が
生じてしまうと井戸層と接する障壁層との界面が荒れて
しまい、その障壁層に接する次の層(例えば、井戸層)
にも影響を及ぼしてしまう。このことにより、結晶性や
発光強度が低下する。これに対し、本発明の井戸層は、
多重量子井戸構造の発光素子の形成を容易にする。本発
明によれば、上述したとおり、井戸層の結晶系分離や相
分離を抑制することができ、したがって、井戸層と障壁
層の界面が荒れず、井戸層を積層したとしても、結晶性
が高いために発光強度の強い発光素子が得られる。
(Regarding the Multiple Quantum Well Structure) In the formation of the multiple quantum well structure, if a crystal system separation or a phase separation occurs in the well layer, the interface between the well layer and the barrier layer in contact with the well layer becomes rough, and the barrier of the well layer becomes rough. The next layer in contact with the layer (for example, a well layer)
Will also be affected. As a result, the crystallinity and the emission intensity decrease. In contrast, the well layer of the present invention
A light emitting device having a multiple quantum well structure is easily formed. According to the present invention, as described above, the crystal system separation and the phase separation of the well layer can be suppressed. Therefore, the interface between the well layer and the barrier layer is not roughened, and even if the well layers are stacked, the crystallinity is low. A light-emitting element with high light-emission intensity is obtained because of its high intensity.

【0021】発光強度について、図14を見るとわかる
ように、1層のみの井戸層から構成される単一量子井戸
構造に比べて、複数の井戸層(たとえば2層以上10層
以下)で構成される多重量子井戸構造の方が発光強度が
強いことがわかる。また、図5に、発光層(多重量子井
戸構造)を構成している井戸層数とレーザ閾値電流密度
との関係を示す。図中の○印はサファイア基板を、●印
はGaN基板を用いたときのレーザ閾値電流密度をそれ
ぞれ表している。井戸層数が10層以下のとき、閾値電
流密度が10kA/cm2以下になり、室温連続発振が
可能である。発振閾値電流密度を更に低減するために
は、2層以上5層以下が好ましかった。また、サファイ
ア基板よりもGaN基板を用いたほうが、閾値電流密度
が低くなる傾向が見られた。
As can be seen from FIG. 14, the emission intensity is composed of a plurality of well layers (for example, two or more layers and ten layers or less) as compared with a single quantum well structure composed of only one well layer. It can be seen that the light emission intensity is higher in the multiple quantum well structure. FIG. 5 shows the relationship between the number of well layers constituting the light emitting layer (multiple quantum well structure) and the laser threshold current density. In the drawing, the mark を indicates a sapphire substrate, and the mark ● indicates a laser threshold current density when a GaN substrate is used. When the number of well layers is 10 or less, the threshold current density becomes 10 kA / cm 2 or less, and continuous oscillation at room temperature is possible. In order to further reduce the oscillation threshold current density, two or more layers and five layers or less are preferable. Also, the tendency that the threshold current density was lower when a GaN substrate was used than when a sapphire substrate was used was observed.

【0022】このように、本発明によれば、InAlG
aN1-x-y-zAsxySbz(0≦x≦0.1、0≦y≦
0.2、0≦z≦0.05、x+y+z>0)井戸層を
用いることによって、結晶系分離と相分離の割合の少な
い井戸層を作製することができるため、井戸層と障壁層
の界面が荒れず結晶性が向上し、多重量子井戸構造を容
易に作製することができる。本発明で使用される発光層
は、低消費電力、高出力および長寿命の発光素子をもた
らすことができる。
Thus, according to the present invention, InAlG
aN 1-xyz As x P y Sb z (0 ≦ x ≦ 0.1,0 ≦ y ≦
0.2, 0 ≦ z ≦ 0.05, x + y + z> 0) By using a well layer, a well layer having a small ratio of crystal system separation and phase separation can be formed, and thus an interface between the well layer and the barrier layer is obtained. Is not roughened, the crystallinity is improved, and a multiple quantum well structure can be easily manufactured. The light emitting layer used in the present invention can provide a light emitting device with low power consumption, high output and long life.

【0023】(井戸層の好ましい組成および構成)ま
ず、前述の結晶系分離がどの程度のAs、PまたはSb
の添加量によって起こるのか調べた。その結果、InG
aN結晶中にAs、PまたはSbを1×10 18/cm3
添加すると結晶系分離が起こり始め(結晶系分離の割合
約2〜3%程度)、原子百分率でV族元素全体における
As組成比が10%程度、P組成比が20%程度、Sb
組成比が5%程度になると、結晶系分離は約23〜25
%程度になった。また、InGaN結晶中にAs、Pま
たはSbが添加され、結晶系分離の割合が3%程度にな
った結晶中にInが5%(III族元素全体に対するI
nの原子百分率)程度含有されていると、相分離が起こ
り始め(相分離の割合約1〜2%程度)、その結晶系分
離の割合が増えるにつれて、徐々に相分離の割合が増し
ていった。結晶系分離が約23〜25%程度になると相
分離の割合は13〜15%程度になる。ここで結晶系分
離の割合および相分離の割合は、結晶の単位体積中、結
晶系分離または相分離を起こしている部分(該当部分)
とそうでない部分(平均組成比で構成されている部分)
とを判別し、該単位体積に対する該当部分の割合として
求められる。
(Preferable composition and structure of well layer)
What is the degree of As, P or Sb
It was investigated whether the phenomenon occurs depending on the amount of addition. As a result, InG
1 × 10 As, P or Sb in aN crystal 18/ CmThree
When added, crystal separation begins to occur (percentage of crystal separation)
About 2 to 3%), and the atomic percentage in the entire group V element
As composition ratio is about 10%, P composition ratio is about 20%, Sb
When the composition ratio becomes about 5%, the crystal separation becomes about 23 to 25.
%. In addition, As, P,
Or Sb is added, and the ratio of crystal system separation becomes about 3%.
5% of In in the crystal (I
n), phase separation occurs.
(The phase separation ratio is about 1-2%)
As the separation rate increases, the phase separation rate gradually increases.
I went. When the crystal separation becomes about 23-25%,
The ratio of separation is about 13 to 15%. Where the crystalline component
The rate of separation and the rate of phase separation
Part where crystal system separation or phase separation has occurred (applicable part)
And the other part (the part composed of the average composition ratio)
Is determined as the ratio of the corresponding part to the unit volume.
Desired.

【0024】図2は、In0.01Ga0.990.920.08
戸層にAlを添加することによって生じる、結晶系分離
の割合とその発光素子の発光強度について示している。
図2において、横軸はAlの添加量を、左縦軸は結晶系
分離の割合(%)を、右縦軸は発光強度をそれぞれ示し
ている。また、○印はAlの添加量と結晶系分離の割合
との関係を、●印はAlの添加量と発光強度との関係を
それぞれ示している。図2における発光強度はAlが添
加されていないときの発光強度を1として規格化されて
いる。
FIG. 2 shows the ratio of crystal separation caused by adding Al to the In 0.01 Ga 0.99 N 0.92 P 0.08 well layer and the emission intensity of the light emitting device.
In FIG. 2, the horizontal axis indicates the amount of Al added, the left vertical axis indicates the percentage of crystal system separation (%), and the right vertical axis indicates the emission intensity. In addition, ○ indicates the relationship between the amount of Al added and the ratio of crystal system separation, and ● indicates the relationship between the amount of Al added and the emission intensity. The emission intensity in FIG. 2 is standardized with the emission intensity when Al is not added as 1.

【0025】図2を参照すると、結晶系分離の割合
(%)は、Alの添加量が5×1018/cm3の辺りか
ら減少し始め、1×1019/cm3以上になると3%以
下になった。一方、発光強度は、同じく、5×1018
cm3の辺りから増加し始め、1×1019/cm3以上に
なると約10倍程度になった。これらの関係から、結晶
系分離と発光強度には相関関係があることがわかった。
Referring to FIG. 2, the rate of crystal system separation (%) starts decreasing from around 5 × 10 18 / cm 3 , and becomes 3% when the amount becomes 1 × 10 19 / cm 3 or more. It became the following. On the other hand, the emission intensity was 5 × 10 18 /
It started to increase from around 3 cm 3 and increased to about 10 times when it exceeded 1 × 10 19 / cm 3 . From these relationships, it was found that there was a correlation between the crystal system separation and the emission intensity.

【0026】図2は、In0.01Ga0.990.920.08
晶について述べたが、InaGa1-a1-x-y-zAsxy
Sbz(0<a≦0.5、0≦x≦0.1、0≦y≦
0.2、0≦z≦0.05、x+y+z>0)結晶であ
れば、Alを添加することにより図2と同様の特性が得
られた。一方、Alの組成比が20%を超えると結晶性
が悪くなり、発光効率が低下する傾向が見られる。
FIG. 2 describes the In 0.01 Ga 0.99 N 0.92 P 0.08 crystal, but In a Ga 1 -a N 1 -xyz As x P y
Sb z (0 <a ≦ 0.5, 0 ≦ x ≦ 0.1, 0 ≦ y ≦
0.2, 0 ≦ z ≦ 0.05, x + y + z> 0) When the crystal was used, the same characteristics as in FIG. 2 were obtained by adding Al. On the other hand, when the composition ratio of Al exceeds 20%, the crystallinity deteriorates, and the luminous efficiency tends to decrease.

【0027】結晶系分離と相分離との間には以下のよう
な関係が見られる。In0.01Ga0. 990.920.08井戸
層において、Alの添加量が5×1018/cm3未満で
は、結晶系分離は約7〜9%程度生じていた。このと
き、約4〜5%程度の相分離が生じていた。またAlの
添加量を1×1019/cm3程度添加することにより結
晶系分離の割合が約3%程度生じ、相分離の割合は約1
%程度であった。この相分離は、結晶系分離が生じた領
域の結晶結合から取り残されたInが偏析するために生
じる。したがって、結晶系分離と相分離には相関関係が
あるとわかる。そして、結晶系分離が起きるのをできる
限り抑えることにより、結合に取り残されたInの割合
が減り、相分離が生じるのを抑えることができることが
わかる。
The following relationship is observed between the crystal system separation and the phase separation. In In 0.01 Ga 0. 99 N 0.92 P 0.08 well layers, the addition amount of Al is less than 5 × 10 18 / cm 3, the crystal system separation had occurred about 7-9%. At this time, about 4 to 5% of phase separation had occurred. Also, by adding Al in an amount of about 1 × 10 19 / cm 3 , the rate of crystal separation is about 3%, and the rate of phase separation is about 1%.
%. This phase separation occurs due to segregation of In remaining from the crystal bond in the region where the crystal system separation has occurred. Therefore, it is understood that there is a correlation between the crystal system separation and the phase separation. Then, it can be seen that by suppressing the occurrence of crystal system separation as much as possible, the ratio of In remaining in the bond is reduced, and the occurrence of phase separation can be suppressed.

【0028】相分離において、In組成の高い領域は非
発光になりやすく、発光効率の低下や半値幅の増大(色
斑)の原因となる。したがって、井戸層における相分離
の割合はできるだけ少なく(たとえば3%以下)に抑え
ることが望ましい。
In the phase separation, a region having a high In composition tends to emit no light, which causes a decrease in luminous efficiency and an increase in half width (color spot). Therefore, it is desirable that the ratio of phase separation in the well layer be kept as low as possible (eg, 3% or less).

【0029】以上のことを整理すると、発光強度の高い
(発光効率の高い)多重量子井戸構造の井戸層を得るに
は、結晶系分離の割合が3%以下であり、相分離の割合
が3%以下であることが望ましい。このような結晶系分
離の割合および相分離の割合を得るためには、上述した
ように、Alの添加量を1×1019/cm3以上にする
ことがより効果的である。また、III族原子に対する
Alの含有率が高いと結晶性が低下するため、Al組成
比(III族原子の総数に対するAl原子数の百分率)
は20%以下であることが好ましい。
Summarizing the above, in order to obtain a well layer having a multiple quantum well structure having high emission intensity (high emission efficiency), the ratio of crystal system separation is 3% or less and the ratio of phase separation is 3% or less. % Is desirable. In order to obtain such a rate of crystal system separation and a rate of phase separation, as described above, it is more effective to set the addition amount of Al to 1 × 10 19 / cm 3 or more. Also, since the crystallinity is reduced when the content of Al with respect to group III atoms is high, the Al composition ratio (percentage of the number of Al atoms with respect to the total number of group III atoms)
Is preferably 20% or less.

【0030】したがって、本発明の好ましい態様におい
て、井戸層は、InaAlbGa1-a- b1-x-y-zAsxy
Sbz。Al(式2)で表される窒化物により構成する
ことができ、ドーピングレベルの場合のAl添加量は、
1×1019/cm3以上であり、Alが組成比レベルで
添加される場合、式中の組成比bについて、0<b≦
0.2である。また、式2中、0<a≦0.5、0≦x
≦0.1、0≦y≦0.2、0≦z≦0.05、x+y
+z>0である。さらに、井戸層の数は、上述のように
2以上10以下であることが好ましい。
[0030] Thus, in a preferred embodiment of the present invention, the well layer, In a Al b Ga 1- a- b N 1-xyz As x P y
Sb z . It can be composed of a nitride represented by Al (formula 2), and the amount of Al added at the doping level is:
When it is 1 × 10 19 / cm 3 or more and Al is added at the composition ratio level, the composition ratio b in the formula is 0 <b ≦
0.2. Further, in Expression 2, 0 <a ≦ 0.5, 0 ≦ x
≦ 0.1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 ≦ z ≦ 0.05, x + y
+ Z> 0. Further, the number of well layers is preferably 2 or more and 10 or less as described above.

【0031】本発明において、井戸層は、従来のInG
aNAs井戸層に比べて厚くしても、結晶系分離および
相分離が起こりにくいため、その厚みを300nm程度
までとすることができる。しかしながら、多重量子井戸
効果を有する発光素子として考えた場合、有効な好まし
い井戸層厚は0.4nm以上20nm以下である。井戸
層厚が0.4nmを下回ると、量子井戸効果によるキャ
リアの閉じ込め準位が高くなりすぎて発光効率が低下す
るおそれがある。一方、井戸層厚が20nmよりも厚く
なると、量子井戸効果が得られにくくなってくる。
In the present invention, the well layer is made of a conventional InG
Even if it is thicker than the aNAs well layer, since the crystal system separation and the phase separation hardly occur, the thickness can be reduced to about 300 nm. However, when considered as a light emitting device having a multiple quantum well effect, an effective and preferable well layer thickness is 0.4 nm or more and 20 nm or less. When the thickness of the well layer is less than 0.4 nm, the level of confinement of carriers due to the quantum well effect becomes too high, and the luminous efficiency may be reduced. On the other hand, when the well layer thickness is larger than 20 nm, it becomes difficult to obtain the quantum well effect.

【0032】(本発明における障壁層の構成) InaAlbGa1-a-b1-x-y-zAsxySbz(0<a
≦0.5、0<b≦0.2、0≦x≦0.1、0≦y≦
0.2、0≦z≦0.05、x+y+z>0、 ただし、Alの添加量は1×1019/cm3以上であ
る)井戸層に対し、最も好ましい障壁層は、As、Pお
よびSbを含まない窒化物半導体からなる障壁層であ
る。なぜならば障壁層自体にAs、PおよびSbを含有
しなければ結晶系分離を起こすことがないため、多重量
子井戸構造の作製に支障をきたさないからである。
[0032] (Configuration of the barrier layer in the present invention) In a Al b Ga 1- ab N 1-xyz As x P y Sb z (0 <a
≦ 0.5, 0 <b ≦ 0.2, 0 ≦ x ≦ 0.1, 0 ≦ y ≦
0.2, 0 ≦ z ≦ 0.05, x + y + z> 0, where the addition amount of Al is 1 × 10 19 / cm 3 or more) For the well layer, the most preferable barrier layers are As, P and Sb. This is a barrier layer made of a nitride semiconductor containing no. This is because crystal separation does not occur unless the barrier layer itself contains As, P, and Sb, and thus does not hinder the fabrication of the multiple quantum well structure.

【0033】As、PおよびSbを含まない窒化物半導
体として、例えば、InGaN、GaN、AlGaN、
およびInAlGaNが挙げられる。これらのうち、障
壁層に最も好ましい材料は、InGaNである。Inを
含有させることによって障壁層の成長温度を井戸層のそ
れと同程度まで低くすることができ、結晶性を向上させ
ることができるからである。ただし、InGaNのIn
組成比(III族原子の総数に対するIn原子数の百分
率)は15%以下であることが好ましい。In組成比が
15%を超えると結晶性が悪くなり、発光効率が低下し
得るためである。したがって、障壁層のより好ましい組
成は、式InxGa1-xN(式中、0<x≦0.15)で
表すことができる。
As a nitride semiconductor not containing As, P and Sb, for example, InGaN, GaN, AlGaN,
And InAlGaN. Of these, the most preferred material for the barrier layer is InGaN. This is because by containing In, the growth temperature of the barrier layer can be lowered to about the same as that of the well layer, and the crystallinity can be improved. However, the InGaN In
The composition ratio (percentage of the number of In atoms to the total number of group III atoms) is preferably 15% or less. If the In composition ratio exceeds 15%, the crystallinity is deteriorated, and the luminous efficiency may be reduced. Therefore, a more preferred composition of the barrier layer can be represented by the formula In x Ga 1 -xN (where 0 <x ≦ 0.15).

【0034】障壁層について、次に好ましい材料はGa
Nである。InおよびAlを含まないため、それらによ
る結晶性の悪化の心配が無いからである。しかしなが
ら、成長温度を高くしなければ結晶性が悪くなるため、
成長温度をできるだけ高くすることが肝要である。次に
好ましい材料は、AlGaNである。これを用いる場
合、高温で成長しなければ結晶性が悪くなるため、Al
の組成比をできるだけ抑え(III族元素に対するAl
の組成比が原子百分率で10%以下)、成長温度をでき
るだけ高く(ただし、900℃以下)することが望まし
い。
For the barrier layer, the next preferred material is Ga
N. Because it does not contain In and Al, there is no concern about deterioration of crystallinity due to them. However, if the growth temperature is not increased, the crystallinity will deteriorate,
It is important to keep the growth temperature as high as possible. The next preferred material is AlGaN. When this is used, the crystallinity deteriorates unless it is grown at a high temperature.
As low as possible (Al to group III element
Is preferably 10% or less in atomic percentage) and the growth temperature is preferably as high as possible (but 900 ° C. or less).

【0035】InAlGaN障壁層は、Alが含まれて
いるため高い成長温度でも安定して存在する。一般にA
lを含む窒化物半導体結晶は高温(1000℃以上)で
成長しなければ結晶性が低下するが、Inを含有させる
ことにより、成長温度を井戸層と同じ程度まで下げるこ
とができる。しかしながら、Alは反応性が高いことか
ら、As、PまたはSbが含有されていない場合、Al
とNが結合しやすく、結合反応に取り残されたInが偏
析して金属ドロップレット化してしまい相分離をもたら
し得る。この相分離の割合が10%を超えると、障壁層
としての機能に支障を来たし、発光効率の低下を招いて
しまう。従ってInAlGaNを障壁層に用いるのはあ
まり好ましいとは言えない。しかしながら、InAlG
aN結晶を障壁層に用いたい場合、III族原子に対す
るInおよびAlの各組成比をできるだけ少なくするこ
とが望ましい。たとえば、III族原子の総数に対する
Al組成比(原子百分率)は5%以下、Inの組成比
(原子百分率)は5%以下であることが好ましい。すな
わち、InxAlyGa1-x-yN(0<x≦0.05、0
<y≦0.05)を障壁層に用いることが好ましい。こ
の組成比が満たされていれば相分離の割合を10%以下
に抑えられる。
The InAlGaN barrier layer exists stably even at a high growth temperature because it contains Al. Generally A
If the nitride semiconductor crystal containing l does not grow at a high temperature (1000 ° C. or higher), the crystallinity will decrease. However, by including In, the growth temperature can be lowered to the same level as that of the well layer. However, since Al has high reactivity, when As, P or Sb is not contained, Al
And N are easily bonded, and In remaining in the bonding reaction segregates to form metal droplets, which may cause phase separation. When the ratio of the phase separation exceeds 10%, the function as a barrier layer is hindered, and the luminous efficiency is reduced. Therefore, it is not preferable to use InAlGaN for the barrier layer. However, InAlG
When it is desired to use an aN crystal for the barrier layer, it is desirable to reduce the composition ratio of In and Al to Group III atoms as much as possible. For example, the Al composition ratio (atomic percentage) to the total number of group III atoms is preferably 5% or less, and the In composition ratio (atomic percentage) is preferably 5% or less. That is, In x Al y Ga 1-xy N (0 <x ≦ 0.05, 0
<Y ≦ 0.05) is preferably used for the barrier layer. If this composition ratio is satisfied, the rate of phase separation can be suppressed to 10% or less.

【0036】本発明において、As、PおよびSbの少
なくとも何れかを含有する窒化物半導体を障壁層に使用
してもよい。障壁層にあえてAs、PまたはSbを含有
することに対し、利点は主に2つある。第一に、これら
の元素を含有する障壁層は、井戸層とほぼ同一の温度で
成長させることができるため、発光層の結晶性が良好に
なることである。第二に、As、PまたはSbを含有さ
せることによって、屈折率を大きくすることができ、光
の閉じ込め効率を向上させ、レーザ発振閾値電流密度の
低減や光学特性の向上を図ることができる。As、P、
Sbまたはそれらの組み合わせを含有する障壁層のため
の窒化物半導体には、例えば、InAlGaNAs、I
nAlGaNP、InAlGaNSb、InAlGaN
AsP、InAlGaNAsPSb、AlGaNAs、
AlGaNP、AlGaNSb、AlGaNAsP、A
lGaNAsPSb、GaNAs、GaNP、GaNS
b、GaNAsP、GaNAsPSb、InGaNA
s、InGaNP、InGaNSb、InGaNAs
P、InGaNAsPSbが挙げられる。
In the present invention, a nitride semiconductor containing at least one of As, P and Sb may be used for the barrier layer. There are two main advantages to including As, P or Sb in the barrier layer. First, since the barrier layer containing these elements can be grown at substantially the same temperature as the well layer, the crystallinity of the light emitting layer is improved. Secondly, by containing As, P or Sb, the refractive index can be increased, the light confinement efficiency can be improved, the laser oscillation threshold current density can be reduced, and the optical characteristics can be improved. As, P,
Nitride semiconductors for barrier layers containing Sb or a combination thereof include, for example, InAlGaNAs, I
nAlGaNP, InAlGaNSb, InAlGaN
AsP, InAlGaNAsPSb, AlGaNAs,
AlGaNP, AlGaNSb, AlGaNAsP, A
lGaNAsPSb, GNAs, GNP, GANS
b, GNAsP, GNAsPSb, InGaNA
s, InGaNP, InGaNSb, InGaNAs
P, InGaNAsPSb.

【0037】上記のうち障壁層に最も好ましい材料は、
InAlGaNAs、InAlGaNP、InAlGa
NSb、InAlGaNAsPまたはInAlGaNA
sPSbである。本発明において、これらは、井戸層と
同じ構成元素を有するため、井戸層と同じ成長温度で形
成することができ、井戸層と同様の効果をもたらし得
る。本発明において、障壁層におけるこれらの各構成元
素の組成比は、井戸層と同様の範囲内とすることができ
る。
Of the above, the most preferred material for the barrier layer is
InAlGaNAs, InAlGaNP, InAlGa
NSb, InAlGaNAsP or InAlGaNA
sPSb. In the present invention, since these have the same constituent elements as the well layer, they can be formed at the same growth temperature as the well layer, and can provide the same effect as the well layer. In the present invention, the composition ratio of each of these constituent elements in the barrier layer can be in the same range as in the well layer.

【0038】次に好ましい障壁層の材料は、AlGaN
As、AlGaNP、AlGaNSb、AlGaNAs
PまたはAlGaNAsPSbである。これらは、A
s、PまたはSbを含有しているため、井戸層の同じ程
度まで成長温度を下げることができる。また、結晶系分
離の割合は、Alを含有しているために約3%程度に抑
えることができる。また、Inを含んでいないために相
分離も起こらない。障壁層を構成するAlGaNAs、
AlGaNP、AlGaNSb、AlGaNAsPまた
はAlGaNAsPSbにおいて、Al、As、Pおよ
びSbの各組成比は本発明の井戸層と同様とすることが
できる。
The next preferred barrier layer material is AlGaN
As, AlGaNP, AlGaNSb, AlGaNAs
P or AlGaNAsPSb. These are A
Since s, P or Sb is contained, the growth temperature can be reduced to the same degree as that of the well layer. Further, the ratio of crystal system separation can be suppressed to about 3% because of containing Al. Also, phase separation does not occur because it does not contain In. AlGaNAs constituting a barrier layer,
In AlGaNP, AlGaNSb, AlGaNAsP or AlGaNAsPSb, the respective composition ratios of Al, As, P and Sb can be the same as those of the well layer of the present invention.

【0039】次に好ましい障壁層の材料は、GaNA
s、GaNP、GaNSb、GaNAsPまたはGaN
AsPSbである。GaN結晶は成長温度をできるだけ
高くする必要があるが、As、PまたはSbを含有させ
ることにより井戸層と同じ程度まで成長温度を下げるこ
とができる。しかしながら、Alを含まない窒化物半導
体結晶にAs、PまたはSbを含有させると、上述した
ような結晶系分離が起こり得る。従って、As、Pおよ
びSbの各組成比をできるだけ小さくすることが望まし
い。As、PおよびSbの各組成比(V族原子の総数に
対する当該原子の百分率)が、Asの場合5%以下、P
の場合10%以下、Sbの場合2%以下であれば、結晶
系分離の割合を約12〜14%程度にすることができ
る。障壁層における結晶系分離の割合が15%以下であ
れば、GaNAs結晶、GaNP結晶、GaNSb結
晶、GaNAsP結晶またはGaNAsPSb結晶を障
壁層に用いる場合でも、発光強度に殆ど影響をあたえず
にすむ。障壁層が直接発光に寄与する層ではないため、
結晶系分離の割合が15%以下であれば、障壁層として
の機能に支障を来さないと考えられる。
The next preferred barrier layer material is GNA.
s, GaNP, GaNSb, GaNASP or GaN
AsPSb. Although the growth temperature of the GaN crystal must be as high as possible, the growth temperature can be reduced to the same extent as that of the well layer by adding As, P, or Sb. However, when As, P, or Sb is contained in a nitride semiconductor crystal that does not contain Al, the above-described crystal system separation may occur. Therefore, it is desirable to reduce the composition ratio of As, P and Sb as much as possible. The composition ratio of As, P and Sb (percentage of the group V atoms to the total number of atoms) is 5% or less for As,
In the case of 10% or less in the case of Sb and 2% or less in the case of Sb, the ratio of crystal system separation can be about 12 to 14%. If the percentage of crystal system separation in the barrier layer is 15% or less, even when a GaNAs crystal, a GaNP crystal, a GaNSb crystal, a GaNasP crystal, or a GaNasPSb crystal is used for the barrier layer, the emission intensity is hardly affected. Since the barrier layer does not directly contribute to light emission,
If the ratio of crystal system separation is 15% or less, it is considered that the function as a barrier layer is not hindered.

【0040】次に好ましい障壁層材料は、InGaNA
s、InGaNP、InGaNSb、InGaNAsP
またはInGaNAsPSbである。これらは、Inお
よびAs、PまたはSbを含有しているため、井戸層と
同じ程度まで成長温度を下げることができる。しかしな
がら、これらはAlを含有していないため、結晶系分離
を引き起こし得る。さらに、Inを含んでいるために相
分離も引き起こし得る。そのため、In、As、Pおよ
びSbの各組成比をできるだけ小さくすることが望まし
い。III族原子の総数に対するIn組成比(原子百分
率)が15%以下、V族原子の総数に対する組成比(原
子百分率)がAsの場合5%以下、Pの場合10%以
下、Sbの場合2%以下であれば、結晶系分離の割合を
約12〜14%程度、相分離の割合を約7〜9%程度に
抑えることができる。障壁層における結晶系分離の割合
が15%以下、相分離の割合が10%以下であれば、I
nGaNAs結晶、InGaNP結晶、InGaNSb
結晶、InGaNAsP結晶あるいはInGaNAsP
Sb結晶を障壁層に用いても、発光強度に殆ど影響を与
えることがない。障壁層は直接発光に寄与する層ではな
いために、上記各組成比が満たされていれば、障壁層と
しての機能に支障を来さないと考えられる。
The next preferred barrier layer material is InGaNA
s, InGaNP, InGaNSb, InGaNAsP
Or InGaNAsPSb. Since these contain In and As, P or Sb, the growth temperature can be lowered to the same degree as the well layer. However, since they do not contain Al, they can cause crystal system separation. Further, phase separation may be caused due to the inclusion of In. Therefore, it is desirable to reduce the composition ratio of In, As, P, and Sb as much as possible. The In composition ratio (atomic percentage) to the total number of group III atoms is 15% or less, the composition ratio (atomic percentage) to the total number of group V atoms is 5% or less for As, 10% or less for P, and 2% for Sb. If it is below, the ratio of crystal system separation can be suppressed to about 12 to 14%, and the ratio of phase separation can be suppressed to about 7 to 9%. If the ratio of crystal separation in the barrier layer is 15% or less and the ratio of phase separation is 10% or less, I
nGaNAs crystal, InGaNP crystal, InGaNSb
Crystal, InGaNAsP crystal or InGaNAsP
Even if the Sb crystal is used for the barrier layer, the emission intensity is hardly affected. Since the barrier layer is not a layer directly contributing to light emission, it is considered that the function as the barrier layer will not be affected if the above composition ratios are satisfied.

【0041】障壁層の厚みは、1nm以上20nm以下
が好ましい。障壁層が1nmより薄くても、また20n
mより厚くても井戸層と障壁層の間の界面が荒れ始める
ためである。障壁層の数は、井戸層の数に応じて設定す
ることができる。
The thickness of the barrier layer is preferably 1 nm or more and 20 nm or less. Even if the barrier layer is thinner than 1 nm,
This is because the interface between the well layer and the barrier layer starts to be rough even if the thickness is larger than m. The number of barrier layers can be set according to the number of well layers.

【0042】(発光層に隣接する層)典型的に、本発明
による素子において、発光層には2つの窒化物半導体層
が隣接する。それら2つの隣接する層のうち少なくとも
一方はAlおよびNを含む窒化物半導体、たとえばAl
GaNからなることが好ましい。典型的に、本発明によ
る素子は、窒化物半導体結晶からなる基板、または窒化
物半導体結晶膜が他の結晶材料上に成長させられた構造
を有する基板と、該基板上に形成された、窒化物半導体
からなるn型層およびp型層と、n型層とp型層との間
に配置された発光層とを備える。その場合、発光層に隣
接するn型層およびp型層の少なくとも一方が、Alお
よびNを含む窒化物半導体、たとえばAlGaNからな
ることが好ましい。本発明において、そのようなAlを
含む層を発光層に隣接させることにより、設計波長から
のシフト量を小さく抑えることができ、あるいは、発光
強度を高めることができる。
(Layer Adjacent to Light Emitting Layer) Typically, in the device according to the present invention, two nitride semiconductor layers are adjacent to the light emitting layer. At least one of the two adjacent layers is a nitride semiconductor containing Al and N, for example, Al
Preferably, it is made of GaN. Typically, the device according to the present invention comprises a substrate made of a nitride semiconductor crystal, or a substrate having a structure in which a nitride semiconductor crystal film is grown on another crystal material, and a nitride film formed on the substrate. An n-type layer and a p-type layer made of a semiconductor, and a light-emitting layer disposed between the n-type layer and the p-type layer. In that case, it is preferable that at least one of the n-type layer and the p-type layer adjacent to the light emitting layer is made of a nitride semiconductor containing Al and N, for example, AlGaN. In the present invention, by providing such a layer containing Al adjacent to the light emitting layer, the amount of shift from the design wavelength can be suppressed small, or the light emission intensity can be increased.

【0043】(発光素子用基板)一般的に、窒化物半導
体の結晶は、GaN等の窒化物半導体、サファイア、6
H−SiC、4H−SiC、3C−SiC、Si、スピ
ネル(MgAl24)等の基板上に成長させることがで
きる。特に、窒化物半導体、たとえばInaAlbGac
N(0≦a≦1、0≦b≦1、0≦c≦1、a+b+c
=1)からなる基板を好ましく使用することができる。
窒化物半導体レーザの場合、垂直横モードの単峰化のた
めにはクラッド層よりも屈折率の低い層が該クラッド層
の外側に接している必要があり、AlGaN基板を用い
るのがより好ましい。また、六方晶系のInaAlbGa
cN(0≦a≦1、0≦b≦1、0≦c≦1、a+b+
c=1)基板において、窒素元素の約10%以下がA
s、PおよびSbのいずれかの元素で置換されていても
良い。さらに、基板には、Si、O、Cl、S、C、G
e、Zn、Cd、Mg、Be等がドーピングされていて
も良い。n型窒化物半導体基板を使用する場合、前記ド
ーピング元素のうち、Si、OまたはClが特に好まし
い。
(Substrate for Light-Emitting Element) In general, the crystal of the nitride semiconductor is a nitride semiconductor such as GaN, sapphire,
It can be grown on a substrate such as H-SiC, 4H-SiC, 3C-SiC, Si, and spinel (MgAl 2 O 4 ). In particular, a nitride semiconductor, for example In a Al b Ga c
N (0 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1, 0 ≦ c ≦ 1, a + b + c
= 1) can be preferably used.
In the case of a nitride semiconductor laser, a layer having a lower refractive index than the cladding layer needs to be in contact with the outside of the cladding layer in order to make the vertical and transverse modes unimodal, and it is more preferable to use an AlGaN substrate. In addition, hexagonal In a Al b Ga
c N (0 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1, 0 ≦ c ≦ 1, a + b +
c = 1) In the substrate, about 10% or less of the nitrogen element is A
It may be substituted with any element of s, P and Sb. Further, Si, O, Cl, S, C, G
e, Zn, Cd, Mg, Be or the like may be doped. When an n-type nitride semiconductor substrate is used, Si, O, or Cl is particularly preferable among the doping elements.

【0044】以下の実施例では、上記基板のうち、サフ
ァイア基板および窒化物半導体基板のようなC面({0
001}面)を主表面に露出させる基板を使用してい
る。しかし、基板主表面の面方位は、C面の他に、A面
({11−20}面)、R面({1−102}面)、M
面({1−100}面)であってもよい。また、主表面
が上記面方位から2度以内のオフ角度を有する基板は、
表面モフォロジーが良好であり、好ましく使用すること
ができる。
In the following embodiments, among the above substrates, a C-plane (# 0) such as a sapphire substrate and a nitride semiconductor substrate is used.
001) is exposed on the main surface. However, the plane orientation of the main surface of the substrate is not only the C plane but also the A plane ({11-20} plane), the R plane ({1-102} plane), and the M plane.
Plane ({1-100} plane). In addition, a substrate whose main surface has an off angle of 2 degrees or less from the above plane orientation,
It has good surface morphology and can be used preferably.

【0045】(結晶成長法)窒化物半導体の結晶を成長
させる方法として、有機金属気相成長法(MOCV
D)、分子線エピタキシー法(MBE)、ハイドライド
気相成長法(HVPE)が一般的である。中でも、形成
する窒化物半導体の結晶性や生産性を考慮すると、基板
として、GaNまたはサファイアを使用し、成長方法と
してはMOCVD法を使用するのが最も一般的な方法で
ある。
(Crystal Growth Method) As a method of growing a nitride semiconductor crystal, a metal organic chemical vapor deposition (MOCV) method is used.
D), molecular beam epitaxy (MBE), and hydride vapor phase epitaxy (HVPE) are common. Among them, in consideration of the crystallinity and productivity of a nitride semiconductor to be formed, it is the most common method to use GaN or sapphire as a substrate and to use MOCVD as a growth method.

【0046】(実施例1)本発明により、図1に示すよ
うな窒化物半導体レーザダイオード素子が得られる。こ
の素子は、C面(0001)サファイア基板100、低
温GaNバッファ層101、n型GaN層102、n型
In0.07Ga0.93Nクラック防止層103、n型Al
0.1Ga0.9Nクラッド層104、n型GaN光ガイド層
105、発光層106、p型Al0.2Ga0.8N遮蔽層1
07、p型GaN光ガイド層108、p型Al0.1Ga
0.9Nクラッド層109、p型GaNコンタクト層11
0、n電極111、p電極112、およびSiO2誘電
体膜113から構成されている。当該素子は、以下のよ
うなプロセスにより製造される。
Embodiment 1 According to the present invention, a nitride semiconductor laser diode device as shown in FIG. 1 is obtained. This device comprises a C-plane (0001) sapphire substrate 100, a low-temperature GaN buffer layer 101, an n-type GaN layer 102, an n-type In 0.07 Ga 0.93 N crack prevention layer 103, an n-type Al
0.1 Ga 0.9 N cladding layer 104, n-type GaN light guide layer 105, light emitting layer 106, p-type Al 0.2 Ga 0.8 N shielding layer 1
07, p-type GaN optical guide layer 108, p-type Al 0.1 Ga
0.9 N cladding layer 109, p-type GaN contact layer 11
0, n electrode 111, p electrode 112, and SiO 2 dielectric film 113. The device is manufactured by the following process.

【0047】まず、MOCVD装置に、サファイア基板
100をセットし、V族原料のNH3(アンモニア)と
III族原料のTMGa(トリメチルガリウム)を用い
て、550℃の成長温度で低温GaNバッファ層101
を25nm成長させる。次に、1050℃の成長温度で
前記原料にSiH4(シラン)を加え、n型GaN層1
02(Si不純物濃度1×1018/cm3)を3μmの
厚みで形成する。続いて、成長温度を700℃から80
0℃程度に下げ、III族原料であるTMIn(トリメ
チルインジウム)の供給を行い、n型In0.07Ga0.93
Nクラック防止層103を40nmの厚みで成長させ
る。再び、基板温度を1050℃に上げ、TMAl(ト
リメチルアルミニウム)のIII族原料を用いて、0.
8μm厚のn型Al0.1Ga0.9Nクラッド層104(S
i不純物濃度1×1018/cm3)を成長させ、続いて
n型GaN光ガイド層105(Si不純物濃度1×10
18/cm3)を0.1μmの厚みで成長させる。その
後、基板温度を800℃に下げ、3周期の、厚さ4nm
のたとえばIn0.05Al0.02Ga0.930.980.02井戸
層と厚さ6nmのたとえばIn0.05Ga0.95N障壁層よ
り構成される発光層(多重量子井戸構造)106を、障
壁層/井戸層/障壁層/井戸層/障壁層/井戸層/障壁
層の順序で成長させる。その際、障壁層と井戸層の両方
にSiH4(Si不純物濃度は1×1018/cm3)を添
加する。
First, the sapphire substrate 100 is set in an MOCVD apparatus, and a low-temperature GaN buffer layer 101 is grown at a growth temperature of 550 ° C. using NH 3 (ammonia) as a group V material and TMGa (trimethylgallium) as a group III material.
Is grown to 25 nm. Next, at a growth temperature of 1050 ° C., SiH 4 (silane) is added to the raw material to form an n-type GaN layer 1.
02 (Si impurity concentration 1 × 10 18 / cm 3 ) is formed with a thickness of 3 μm. Subsequently, the growth temperature is increased from 700 ° C to 80 ° C.
The temperature was lowered to about 0 ° C., and TMIn (trimethylindium) as a group III raw material was supplied, and n-type In 0.07 Ga 0.93
The N crack preventing layer 103 is grown to a thickness of 40 nm. Again, the substrate temperature was raised to 1050 ° C., and a group III raw material of TMAl (trimethylaluminum) was used.
8 μm thick n-type Al 0.1 Ga 0.9 N cladding layer 104 (S
i impurity concentration of 1 × 10 18 / cm 3 ), followed by n-type GaN optical guide layer 105 (Si impurity concentration of 1 × 10 18 / cm 3 ).
18 / cm 3 ) with a thickness of 0.1 μm. Thereafter, the temperature of the substrate is lowered to 800 ° C., and the thickness is reduced to 4 cycles for 3 cycles.
A light emitting layer (multiple quantum well structure) 106 composed of, for example, an In 0.05 Al 0.02 Ga 0.93 N 0.98 P 0.02 well layer and a 6 nm-thick In 0.05 Ga 0.95 N barrier layer. / Well layer / barrier layer / well layer / barrier layer. At that time, SiH 4 (Si impurity concentration is 1 × 10 18 / cm 3 ) is added to both the barrier layer and the well layer.

【0048】障壁層と井戸層、または井戸層と障壁層と
の間に、1秒以上180秒以内の成長中断を行っても良
い。このことにより、各層の平坦性が向上し、発光半値
幅が減少する。
The growth may be interrupted for 1 second to 180 seconds between the barrier layer and the well layer or between the well layer and the barrier layer. As a result, the flatness of each layer is improved, and the emission half width is reduced.

【0049】井戸層の組成比は、目的とする発光素子の
波長に応じて調整することができる。例えば、表1〜表
6にInAlGaNAs混晶、表7〜表12にInAl
GaNP混晶における発光波長とIn組成比との関係を
示している。表1〜表12に示す組成比付近で結晶成長
を行えば、おおよその目的とする発光波長を得ることが
できる。InAlGaNSb結晶におけるSb組成比
(V族原子の総数に対するSb原子の百分率)は、約5
%以内になるようにそれぞれの組成比を適正化すること
が好ましい。
The composition ratio of the well layer can be adjusted according to the desired wavelength of the light emitting device. For example, Tables 1 to 6 show InAlGaNAs mixed crystals, and Tables 7 to 12 show InAlGaNAs.
4 shows the relationship between the emission wavelength and the In composition ratio in a GaNP mixed crystal. By performing crystal growth near the composition ratios shown in Tables 1 to 12, an approximate target emission wavelength can be obtained. The Sb composition ratio (percentage of Sb atoms to the total number of group V atoms) in the InAlGaNSb crystal is about 5%.
It is preferable to optimize the respective composition ratios so as to be within%.

【0050】[0050]

【表1】 [Table 1]

【0051】[0051]

【表2】 [Table 2]

【0052】[0052]

【表3】 [Table 3]

【0053】[0053]

【表4】 [Table 4]

【0054】[0054]

【表5】 [Table 5]

【0055】[0055]

【表6】 [Table 6]

【0056】[0056]

【表7】 [Table 7]

【0057】[0057]

【表8】 [Table 8]

【0058】[0058]

【表9】 [Table 9]

【0059】[0059]

【表10】 [Table 10]

【0060】[0060]

【表11】 [Table 11]

【0061】[0061]

【表12】 [Table 12]

【0062】発光層106を形成した後、基板温度を再
び1050℃まで昇温して、厚み20nmのp型Al
0.2Ga0.8N遮蔽層107、厚み0.1μmのp型Ga
N光ガイド層108、厚み0.5μmのp型Al0.1
0.9Nクラッド層109、および厚み0.1μmのp
型GaNコンタクト層110を成長させる。p型用不純
物としてMg(Mg源としてEtCP2Mg(ビスエチ
ルシクロペンタジエニルマグネシウム)を使用)を5×
1019/cm3〜2×1020/cm3の濃度で添加する。
After forming the light emitting layer 106, the substrate temperature was raised again to 1050 ° C.
0.2 Ga 0.8 N shielding layer 107, 0.1 μm thick p-type Ga
N light guide layer 108, 0.5 μm thick p-type Al 0.1 G
a 0.9 N clad layer 109 and 0.1 μm thick p
A type GaN contact layer 110 is grown. Mg as a p-type impurity (using EtCP 2 Mg (bisethylcyclopentadienyl magnesium) as a Mg source) is 5 ×
It is added at a concentration of 10 19 / cm 3 to 2 × 10 20 / cm 3 .

【0063】p型GaNコンタクト層110のp型不純
物濃度は、p型電極112の形成位置に近づくにしたが
って高くなるようにした方が好ましい。このことにより
p電極形成によるコンタクト抵抗が低減する。また、p
型不純物であるMgの活性化を妨げるp型層中の残留水
素を除去するために、p型層の成長中に微量の酸素を混
入させてもよい。
It is preferable that the p-type impurity concentration of the p-type GaN contact layer 110 be increased as the position where the p-type electrode 112 is formed is increased. This reduces the contact resistance due to the formation of the p-electrode. Also, p
To remove residual hydrogen in the p-type layer that hinders activation of Mg, which is a type impurity, a small amount of oxygen may be mixed during the growth of the p-type layer.

【0064】この様なp型GaNコンタクト層110の
成長後、MOCVD装置のリアクター内を全窒素キャリ
アガスとNH3に変えて、60℃/分で温度を降下させ
る。基板温度が800℃に達した時点で、NH3の供給
を停止して、5分間、前記基板温度で待機してから、室
温まで降下させる。基板の保持温度は650℃から90
0℃の間が好ましく、待機時間は、3分以上10分以下
が好ましい。また、降下温度の到達速度は、30℃/分
以上が好ましい。
After the growth of the p-type GaN contact layer 110, the inside of the reactor of the MOCVD apparatus is changed to all nitrogen carrier gas and NH 3 , and the temperature is lowered at 60 ° C./min. When the substrate temperature reaches 800 ° C., the supply of NH 3 is stopped, the substrate is kept at the substrate temperature for 5 minutes, and then cooled to room temperature. Substrate holding temperature is from 650 ° C to 90
The temperature is preferably between 0 ° C. and the waiting time is preferably 3 minutes or more and 10 minutes or less. Further, the reaching speed of the falling temperature is preferably 30 ° C./min or more.

【0065】このようにして作製される成長膜をラマン
測定によって評価した結果、前記手法により、従来の窒
化物半導体で利用されているp型化アニールを行わなく
とも、成長後すでにp型化の特性を示していた。また、
p電極形成によるコンタクト抵抗も低減していた。
As a result of evaluating the grown film produced in this manner by Raman measurement, it was found that the p-type annealing was already performed after the growth by the above method without performing the p-type annealing used in the conventional nitride semiconductor. Characteristics. Also,
The contact resistance due to the formation of the p-electrode was also reduced.

【0066】次に、MOCVD装置から取り出したエピ
タキシャル成長層を有するウエハに対し、以下のような
プロセスを行い、レーザダイオード素子を得る。まず、
反応性イオンエッチング装置を用いてn型GaN層10
2を部分的に露出させ、Ti/Alの順序で露出部分に
n電極111を形成する。このようなn電極材料の他
に、Ti/Mo、Hf/Al等を用いてもよい。p電極
部分には、サファイア基板の<1−100>方向に沿っ
てストライプ状にエッチングを行い、次いで必要な場所
にSiO2誘電体膜113を蒸着する。そして、p型G
aNコンタクト層110が露出する部分に、Pd/Au
の順序で蒸着を行い、2μm幅のリッジストライプ形状
のp電極112を形成する。上記p電極材料の他に、N
i/Au、Pd/Mo/Auを用いても良い。最後に、
へき開あるいはドライエッチングを用いて、共振器長5
00μmのファブリ・ペロー共振器を作製する。共振器
長は一般に300μmから1000μmが好ましい。該
共振器のミラー端面は、サファイア基板のM面が端面に
なるように形成する(図3参照)。たとえば、へき開お
よびレーザ素子のチップ分割は、図3に示す破線に沿っ
て基板側からスクライバーで行う。このことにより、端
面の急峻性やスクライブによる削りカスがエピタキシャ
ル成長面に付着しないため歩留まりが良い。上記レーザ
共振器の帰還手法以外に、一般に知られているDFB
(Distributed Feedback)、DBR(Distributed Brag
g Reflector)を用いても構わない。ファブリ・ペロー
共振器のミラー端面を形成後、該ミラー端面に70%の
反射率を有するSiO2とTiO2の誘電体膜を交互に蒸
著し、誘電体多層反射膜を形成する。この誘電体材料以
外に、SiO2/Al23を誘電多層反射膜として用い
ても良い。
Next, a laser diode element is obtained by performing the following process on the wafer having the epitaxial growth layer taken out of the MOCVD apparatus. First,
N-type GaN layer 10 using a reactive ion etching apparatus
2 is partially exposed, and an n-electrode 111 is formed on the exposed portion in the order of Ti / Al. In addition to such an n-electrode material, Ti / Mo, Hf / Al, or the like may be used. The p-electrode portion is etched in a stripe shape along the <1-100> direction of the sapphire substrate, and then a SiO 2 dielectric film 113 is deposited at a necessary place. And p-type G
Pd / Au is applied to a portion where the aN contact layer 110 is exposed.
To form a ridge stripe-shaped p-electrode 112 having a width of 2 μm. In addition to the above p-electrode material, N
i / Au or Pd / Mo / Au may be used. Finally,
Resonator length 5 using cleavage or dry etching
Fabricate a 00 μm Fabry-Perot resonator. Generally, the resonator length is preferably 300 μm to 1000 μm. The mirror end face of the resonator is formed such that the M plane of the sapphire substrate is the end face (see FIG. 3). For example, cleavage and chip division of the laser element are performed by a scriber from the substrate side along a broken line shown in FIG. As a result, the sharpness of the end face and shavings due to scribing do not adhere to the epitaxial growth surface, so that the yield is good. In addition to the feedback method of the above laser cavity, a generally known DFB
(Distributed Feedback), DBR (Distributed Brag)
g Reflector). After forming the mirror end face of the Fabry-Perot resonator, dielectric mirror films of SiO 2 and TiO 2 having a reflectivity of 70% are alternately deposited on the mirror end face to form a dielectric multilayer reflective film. In addition to this dielectric material, SiO 2 / Al 2 O 3 may be used as the dielectric multilayer reflective film.

【0067】上記プロセスにおいて、反応性イオンエッ
チングを用いてn型GaN層102を露出させるのは、
サファイア基板100が電気絶縁性であるためである。
従って、GaN基板またはSiC基板のような導電性を
有する基板を使用する場合は、n型GaN層102を露
出させる工程は必要なく、直接、基板の裏面にn型電極
を形成して良い。
In the above process, the reason for exposing the n-type GaN layer 102 using reactive ion etching is as follows.
This is because the sapphire substrate 100 is electrically insulating.
Therefore, when using a conductive substrate such as a GaN substrate or a SiC substrate, a step of exposing the n-type GaN layer 102 is not required, and an n-type electrode may be directly formed on the back surface of the substrate.

【0068】次に、上記プロセスにより得られたレーザ
ダイオードチップは、以下のプロセスによりパッケージ
に実装することができる。上記発光層を用いたレーザダ
イオードの特性を活かし、高密度記録用光ディスクに適
した青紫色(410nm波長)高出力(50mW)レー
ザとして用いる場合、サファイア基板は熱伝導率が低い
ので、放熱対策に注意を払わなければならない。したが
って、例えば、Inハンダ材を用いて、Junction down
でパッケージ本体にレーザダイオードチップを接続する
と好ましい。あるいは、直接パッケージ本体やヒートシ
ンク部にレーザダイオードチップを取り付けるのではな
く、Si、AlN、ダイヤモンド、Mo、CuW、BN
等のサブマウントを介して接続しても良い。
Next, the laser diode chip obtained by the above process can be mounted on a package by the following process. Taking advantage of the characteristics of the laser diode using the above light emitting layer and using it as a blue-violet (410 nm wavelength) high power (50 mW) laser suitable for an optical disk for high-density recording, the sapphire substrate has a low thermal conductivity. Care must be taken. Therefore, for example, using an In solder material,
It is preferable to connect a laser diode chip to the package body. Alternatively, instead of directly attaching a laser diode chip to a package body or a heat sink, Si, AlN, diamond, Mo, CuW, BN
Or the like may be connected via a submount.

【0069】一方、サファイア基板のかわりに、熱伝導
率の高いSiC基板、窒化物半導体基板(例えばGaN
基板)、あるいはGaN厚膜基板(たとえば、図4に示
す基板800から種基板801を研削により除去したも
の)の上に、上述の発光層を有する窒化物半導体レーザ
ダイオードを作製する場合、例えば、Inはんだ材を用
いて、レーザダイオードチップをJunction upでパッケ
ージ本体に接続すると好ましい。あるいは、直接パッケ
ージ本体やヒートシンク部に取り付けるのではなく、S
i、AlN、ダイヤモンド、Mo、CuW、BN等のサ
ブマウントを介して接続させても良い。
On the other hand, instead of a sapphire substrate, a SiC substrate having a high thermal conductivity or a nitride semiconductor substrate (for example, GaN
When manufacturing a nitride semiconductor laser diode having the above-mentioned light emitting layer on a GaN thick film substrate (for example, a substrate 800 shown in FIG. 4 in which the seed substrate 801 is removed by grinding), for example, It is preferable to connect the laser diode chip to the package body by junction up using In solder material. Alternatively, instead of directly attaching to the package body or heat sink,
The connection may be made via a submount of i, AlN, diamond, Mo, CuW, BN, or the like.

【0070】以上により、発光層を構成している井戸層
に、As、PまたはSbを含みかつInとAlを含む窒
化物半導体を用いたレーザダイオードが作製される。
As described above, a laser diode using a nitride semiconductor containing As, P, or Sb and containing In and Al in the well layer constituting the light emitting layer is manufactured.

【0071】(発光層の不純物の添加について)実施例
1では、井戸層と障壁層の両方に不純物としてSi(原
料:SiH4)を添加したが、片方の層のみに添加して
も良いし、両層ともに添加しなくてもレーザ発振は可能
であった。しかしながら、フォトルミネッセンス(P
L)測定によれば、発光層中(障壁層と井戸層の両方)
にSiを供給した方が、供給しない場合より、PL発光
強度が約1.2倍から1.4倍程度強かった。このこと
から、発光ダイオードにおいては、発光層中にSi等の
不純物を添加した方が好ましい。InAlGaN
1-x-y-zAsxySbz混晶系によって構成される井戸層
では、As、PおよびSbを全く含有していないInG
aN結晶に比べて、Inによる局在準位が形成されにく
いため、発光強度が井戸層の結晶性に強く依存するもの
と考えられる。したがって、Si等の不純物を発光層に
添加することによって発光層の結晶性を向上させること
ができるため、不純物の添加により発光強度を高めるこ
とができる。Siのかわりに、O、S、C、Ge、Z
n、CdあるいはMgを添加しても同様の効果が得られ
る。また、発光層に添加する不純物の量は、約1×10
16〜1×1020/cm3程度が好ましい。不純物量が1
×1016/cm3より少ないと結晶性が向上されにく
い。一方、不純物が1×1020/cm3よりも多くなる
と、不純物を添加したことによる結晶欠陥が増大し、返
って結晶性が低下し得る。一般に、レーザダイオードの
場合、障壁層のみに不純物を添加する変調ドープを行う
と、井戸層内でのキャリア吸収がないために閾値電流密
度の低下につながるが、むしろ本発明の井戸層において
は、不純物を添加した方がレーザの閾値が低かった。サ
ファイア基板上に結晶成長を行う場合、結晶欠陥が多く
(貫通転位密度約1×1010/cm2)、井戸層内での
キャリア吸収を考慮するよりも、不純物を添加して結晶
性を向上させた方がレーザ閾値電流密度に有効であった
と考えられる。
(Regarding Addition of Impurity in Light Emitting Layer) In the first embodiment, Si (raw material: SiH 4 ) is added as an impurity to both the well layer and the barrier layer, but it may be added to only one of the layers. Laser oscillation was possible without adding both layers. However, the photoluminescence (P
L) According to the measurement, in the light emitting layer (both the barrier layer and the well layer)
When PL was supplied, the PL emission intensity was about 1.2 to 1.4 times stronger than when not supplied. For this reason, in a light emitting diode, it is preferable to add an impurity such as Si to the light emitting layer. InAlGaN
1-xyz In As x P y well layer composed of Sb z mixed crystal, As, not at all contain P and Sb InG
Since a localized level due to In is less likely to be formed than in the aN crystal, it is considered that the emission intensity strongly depends on the crystallinity of the well layer. Therefore, the crystallinity of the light-emitting layer can be improved by adding an impurity such as Si to the light-emitting layer, so that the emission intensity can be increased by adding the impurity. O, S, C, Ge, Z instead of Si
Similar effects can be obtained by adding n, Cd or Mg. The amount of impurities added to the light emitting layer is about 1 × 10
It is preferably about 16 to 1 × 10 20 / cm 3 . 1 impurity
If it is less than × 10 16 / cm 3 , it is difficult to improve the crystallinity. On the other hand, if the amount of impurities is more than 1 × 10 20 / cm 3 , crystal defects due to the addition of the impurities increase, and the crystallinity may decrease. In general, in the case of a laser diode, performing modulation doping in which an impurity is added only to the barrier layer leads to a decrease in threshold current density because there is no carrier absorption in the well layer, but rather, in the well layer of the present invention, The threshold value of the laser was lower when the impurity was added. When a crystal is grown on a sapphire substrate, there are many crystal defects (threading dislocation density of about 1 × 10 10 / cm 2 ), and the crystallinity is improved by adding impurities rather than considering the carrier absorption in the well layer. This is considered to be more effective for the laser threshold current density.

【0072】(AlGaN遮蔽層について)図1に示す
AlGaN遮蔽層107は、発光層とp型層との間にお
いて、発光層に接するように設けられる。遮蔽層上に形
成されるp型層は、レーザダイオードの場合、たとえば
p型光ガイド層であり、発光ダイオードの場合は、たと
えばp型クラッド層あるいはp型コンタクト層である。
PL測定によれば、該遮蔽層が無い場合と有る場合とで
は、遮蔽層が有る場合の方が、設計波長からのシフト量
が小さく、PL発光強度も強かった。これは、発光層に
接する様にAlを含有する遮蔽層を設けたことにより、
発光層中に生じたわずかな結晶系分離と相分離がp型層
へ伝播するのが防止されるためだと考えられる。特に、
発光層が井戸層/障壁層/井戸層・・・/障壁層/井戸
層(図6参照)の構造を有する場合、上記遮蔽層の効果
が顕著に見られた。以上のことから、遮蔽層の構成要素
として少なくともAlが含有されていることが肝要であ
る。また遮蔽層をp層側に設ける場合、遮蔽層の極性は
p型が好ましい。これは、遮蔽層がp型でないと、発光
層でキャリアのpn接合位置がずれてしまい、発光効率
が低下するためである。一方、n型AlGaN遮蔽層
を、発光層とn型層との間に、発光層に接する様に設け
ても良い。n型遮蔽層に接するn型層は、レーザダイオ
ードの場合、たとえばn型光ガイド層であり、発光ダイ
オードの場合、n型クラッド層あるいはn型コンタクト
層である。n型AlGaN遮蔽層の効果は、p型AlG
aN遮蔽層のそれとほぼ同じである。
(Regarding AlGaN Shielding Layer) The AlGaN shielding layer 107 shown in FIG. 1 is provided between the light emitting layer and the p-type layer so as to be in contact with the light emitting layer. The p-type layer formed on the shielding layer is, for example, a p-type light guide layer in the case of a laser diode, and is, for example, a p-type cladding layer or a p-type contact layer in the case of a light-emitting diode.
According to the PL measurement, the shift amount from the design wavelength was smaller and the PL emission intensity was stronger when there was the shielding layer than when there was the shielding layer. This is because the shielding layer containing Al is provided so as to be in contact with the light emitting layer.
This is considered to be because slight crystal system separation and phase separation generated in the light emitting layer are prevented from propagating to the p-type layer. In particular,
When the light emitting layer has a structure of well layer / barrier layer / well layer... / Barrier layer / well layer (see FIG. 6), the effect of the above-mentioned shielding layer was remarkably observed. From the above, it is important that at least Al is contained as a component of the shielding layer. When the shielding layer is provided on the p-layer side, the polarity of the shielding layer is preferably p-type. This is because if the shielding layer is not p-type, the pn junction position of the carrier in the light emitting layer is shifted, and the luminous efficiency is reduced. On the other hand, an n-type AlGaN shielding layer may be provided between the light emitting layer and the n-type layer so as to be in contact with the light emitting layer. The n-type layer in contact with the n-type shielding layer is, for example, an n-type light guide layer in the case of a laser diode, and an n-type cladding layer or an n-type contact layer in the case of a light-emitting diode. The effect of the n-type AlGaN shielding layer is p-type AlG
It is almost the same as that of the aN shielding layer.

【0073】(発光層のバンドギャップ構造について)
図6〜図10に発光層のバンドギャップ構造の具体例を
それぞれ示す。光ガイド層と障壁層が同一の窒化物半導
体材料で構成される場合、それらのバンドギャップエネ
ルギーおよび屈折率は同じになる。そのようなバンドギ
ャップ構造は図10に示される。そのような場合、サブ
バンドによる多重量子井戸効果を得にくく、レーザダイ
オードの場合は利得の減少(閾値電流密度の増加)、発
光ダイオードの場合は発光波長の半値幅の増加〈色斑の
原因)を招き、あまり好ましくない。そこで、図6〜図
9に示すように、障壁層のバンドギャップエネルギーを
光ガイド層のそれより小さくすることにより、図10の
場合と比べてサブバンドによる多重量子井戸効果が得や
すくなり、かつ光ガイド層よりも屈折率が大きくなる。
したがって、光閉じ込め効率が上がり、垂直横モードの
特性(単峰化)が良くなる。特に、障壁層中にAs、
P、Sbを含有していると屈折率が大きくなる傾向に有
るため、そのようなバンドギャップの構成は好ましい。
(Regarding Band Gap Structure of Light Emitting Layer)
6 to 10 show specific examples of the band gap structure of the light emitting layer. When the light guide layer and the barrier layer are made of the same nitride semiconductor material, they have the same band gap energy and refractive index. Such a bandgap structure is shown in FIG. In such a case, it is difficult to obtain the multiple quantum well effect due to the sub-band. In the case of a laser diode, the gain decreases (the threshold current density increases). In the case of a light-emitting diode, the half-width of the emission wavelength increases (causes of color spots) And is not very desirable. Therefore, as shown in FIGS. 6 to 9, by making the bandgap energy of the barrier layer smaller than that of the optical guide layer, it becomes easier to obtain the multiple quantum well effect by the subband than in the case of FIG. The refractive index is higher than that of the light guide layer.
Therefore, the light confinement efficiency is increased, and the characteristics (single peak) of the vertical / lateral mode are improved. In particular, As in the barrier layer,
When P and Sb are contained, the refractive index tends to increase, so that such a band gap configuration is preferable.

【0074】光ガイド層のバンドギャップエネルギーよ
りも障壁層のそれを小さくする発光層の構成は、図6と
図7に示すように2種類ある。即ち、発光層が、井戸層
で始まり井戸層で終わる構成と、障壁層で始まり障壁層
で終わる構成である。また、上記と同様に、遮蔽層がな
い場合の発光層の構成は、図8および図9に示す通りで
ある。
As shown in FIGS. 6 and 7, there are two types of structures of the light emitting layer for making the barrier layer smaller than the band gap energy of the light guide layer. That is, the light-emitting layer has a configuration in which the light-emitting layer starts with the well layer and ends with the well layer, and a configuration in which the light-emitting layer starts with the barrier layer and ends with the barrier layer. Similarly to the above, the structure of the light emitting layer without the shielding layer is as shown in FIGS.

【0075】(実施例2)発光層の井戸層と障壁層を構
成する窒化物半導体材料の組み合わせは、下記の表のと
おりである。その他の構成は、実施例1と同様である。
(Example 2) Combinations of the nitride semiconductor materials forming the well layers and the barrier layers of the light emitting layer are as shown in the following table. Other configurations are the same as in the first embodiment.

【0076】[0076]

【表13】 [Table 13]

【0077】表13中、○印は、好ましい井戸層と障壁
層の窒化物半導体材料の組み合わせを示している。一
方、△印は○印と比べてあまり好ましくない井戸層と障
壁層との組み合わせを示している(その理由について
は、前述の「障壁層について」の項を参照)。また、表
中に記載している井戸層は5元系であるが、InAlG
aN1-x-y-zAsxySbz(0≦x≦0.1、0≦y≦
0.2、0≦z≦0.05、x+y+z>0)による混
晶であっても良い。
In Table 13, circles indicate preferable combinations of the nitride semiconductor materials of the well layer and the barrier layer. On the other hand, the mark “を” indicates a combination of a well layer and a barrier layer which is not so preferable as compared with the mark “○” (for the reason, see the above-mentioned “About the barrier layer”). Although the well layers described in the table are of a quinary system, InAlG
aN 1-xyz As x P y Sb z (0 ≦ x ≦ 0.1,0 ≦ y ≦
0.2, 0 ≦ z ≦ 0.05, x + y + z> 0).

【0078】発光層を構成している井戸層の層数、障壁
層厚、井戸層厚および発光層中の不純物濃度等、発光層
に関する条件は、実施例1と同様である。
The conditions relating to the light emitting layer, such as the number of well layers constituting the light emitting layer, the thickness of the barrier layer, the thickness of the well layer, and the impurity concentration in the light emitting layer, are the same as those in the first embodiment.

【0079】(実施例3)本実施例の構成を図11に示
す。実施例1と同様の構成において、サファイア基板の
替わりにn型GaN基板700({0001}面)を用
いている。
(Embodiment 3) FIG. 11 shows the configuration of this embodiment. In the configuration similar to that of the first embodiment, an n-type GaN substrate 700 ({0001} plane) is used instead of the sapphire substrate.

【0080】GaN基板を用いた場合、低温GaNバッ
ファ層101を形成せずに、n型GaN層102を直接
GaN基板上に成長させても良い。しかしながら、結晶
性や表面モフォロジーがあまり好ましくないGaN基板
を使用する場合、それらの改善のために低温GaNバッ
ファ層101を挿入した方が好ましい。
When a GaN substrate is used, the n-type GaN layer 102 may be grown directly on the GaN substrate without forming the low-temperature GaN buffer layer 101. However, when using a GaN substrate having poor crystallinity and surface morphology, it is preferable to insert the low-temperature GaN buffer layer 101 in order to improve them.

【0081】本実施例では、n型のGaN基板700を
用いているため、n電極111はGaN基板の裏面から
とることができる。また、GaN基板はへき開端面が非
常に急峻であるため、ミラー損失が低く、へき開による
共振器長300μmのファブリ・ペロー共振器を作製し
た。共振器長は一般に300μmから1000μmが好
ましい。該共振器のミラー端面は、GaN基板の{1−
100}面が端面になるように形成している。へき開お
よびレーザ素子のチップ分割は、図3に示す破線に沿っ
て基板側からスクライバーで行っている。このことによ
り、端面の急峻性やスクライブによる削りカスがエピタ
キシャル成長表面に付着しないため歩留まりが良い。前
記レーザ共振器の帰還手法以外に、一般に知られている
DFB(Distributed Feedback)、DBR(Distribute
d Bragg Reflector)を用いても構わない。ファブリ・
ペロー共振器のミラー端面を形成後、該ミラー端面に7
0%の反射率を有するSiO2とTiO2の誘電体膜を交
互に蒸着し、誘電体多層反射膜を形成する。前記誘電体
材料以外に、SiO2/Al23を誘電多層反射膜とし
て用いても良い。
In this embodiment, since the n-type GaN substrate 700 is used, the n-electrode 111 can be taken from the back surface of the GaN substrate. Further, since the cleavage end face of the GaN substrate was very steep, the mirror loss was low, and a Fabry-Perot resonator having a cavity length of 300 μm by cleavage was manufactured. Generally, the resonator length is preferably 300 μm to 1000 μm. The mirror end face of the resonator is the
It is formed so that the 100 ° plane is the end face. Cleavage and chip division of the laser element are performed by a scriber from the substrate side along a broken line shown in FIG. As a result, the sharpness of the end face and shavings due to scribing do not adhere to the epitaxial growth surface, so that the yield is good. In addition to the feedback method of the laser cavity, generally known DFB (Distributed Feedback), DBR (Distribute
d Bragg Reflector). Fabry
After forming the mirror end face of the Perot resonator, 7
SiO 2 and TiO 2 dielectric films having a reflectance of 0% are alternately deposited to form a dielectric multilayer reflective film. In addition to the dielectric material, SiO 2 / Al 2 O 3 may be used as the dielectric multilayer reflective film.

【0082】サファイア基板の替わりにGaN基板を用
いたことにより、エピタキシャル成長層中にクラックを
発生させることなく、n型AlGaNクラッド層とp型
AlGaNクラッド層厚を厚くすることができる。好ま
しくは、AlGaNクラッド層厚は0.8μm〜1.0
μmである。このことにより、垂直横モードの単峰化と
光閉じ込め効率が増し、レーザの光学特性の向上とレー
ザ閾値電流密度の低減が図れる。また、発光層の性能
は、上述したように、井戸層の結晶性(結晶欠陥)に強
く依存するため、GaN基板を用いると、発光層中の結
晶欠陥密度(例えば貫通転位密度)が低減し、レーザ発
振閾値電流密度は、サファイア基板を使用する実施例1
に比べて、10%から20%低減する(図5参照)。
By using a GaN substrate instead of a sapphire substrate, the thickness of the n-type AlGaN cladding layer and the thickness of the p-type AlGaN cladding layer can be increased without generating cracks in the epitaxial growth layer. Preferably, the thickness of the AlGaN cladding layer is 0.8 μm to 1.0 μm.
μm. As a result, the single-peak vertical and transverse modes and the light confinement efficiency are increased, and the optical characteristics of the laser are improved and the threshold current density of the laser is reduced. Further, as described above, the performance of the light emitting layer strongly depends on the crystallinity (crystal defects) of the well layer. Therefore, when a GaN substrate is used, the crystal defect density (for example, threading dislocation density) in the light emitting layer decreases. Example 1 using a sapphire substrate for laser oscillation threshold current density
Compared with 10% to 20% (see FIG. 5).

【0083】本実施例において、発光層を構成している
井戸層の層数、障壁層厚、井戸層厚および発光層中の不
純物濃度等、発光層に関する条件は、実施例1と同様で
あり、発光層の窒化物半導体材料については実施例2と
同様である。ただし、発光層中の不純物濃度について
は、障壁層中のみに不純物を添加する変調ドープ、もし
くは、井戸層に3×1018/cm3以下の不純物濃度を
添加することによって、レーザ閾値電流密度が低減し
た。これは、上述したように、発光層の結晶性がサファ
イア基板を使用する場合に比べて向上したためである。
In this embodiment, the conditions relating to the light emitting layer, such as the number of well layers constituting the light emitting layer, the thickness of the barrier layer, the thickness of the well layer, and the impurity concentration in the light emitting layer, are the same as in the first embodiment. The nitride semiconductor material of the light emitting layer is the same as in the second embodiment. However, with respect to the impurity concentration in the light emitting layer, the laser threshold current density can be reduced by modulating doping in which an impurity is added only in the barrier layer or by adding an impurity concentration of 3 × 10 18 / cm 3 or less to the well layer. Reduced. This is because, as described above, the crystallinity of the light emitting layer is improved as compared with the case where a sapphire substrate is used.

【0084】(実施例4)本実施例は、図1に示す実施
例1のサファイア基板100を図4に示すような構造の
基板800に置き換えた以外は、実施例1または実施例
2と同様である。図4に示す基板800は、種基板80
1、低温バッファ層802、n型GaN膜803、誘電
体膜804、およびn型GaN厚膜805から構成され
ている。このような基板は以下に示すプロセスにより製
造される。
(Embodiment 4) This embodiment is the same as Embodiment 1 or Embodiment 2 except that the sapphire substrate 100 of Embodiment 1 shown in FIG. 1 is replaced with a substrate 800 having a structure as shown in FIG. It is. The substrate 800 shown in FIG.
1, a low-temperature buffer layer 802, an n-type GaN film 803, a dielectric film 804, and an n-type GaN thick film 805. Such a substrate is manufactured by the following process.

【0085】まず、MOCVD法で種基板801上に低
温バッファ層802を550℃で積層する。次に、10
50℃の成長温度でSiをドーピングしながら、1μm
からなるn型GaN膜803を作製する。n型GaN膜
803を作製後、MOCVD装置から、基板を取りだ
し、スパッター法、CVD法またはEB蒸着法を用いて
誘電体膜804を100nm形成し、リソグラフイー技
術で、誘電体膜804を周期的なストライプ状パターン
に加工する。ストライプ状パターンの形成においては、
n型GaN膜803に対して<1−100>方向に伸び
るストライプを形成し、この方向に対して垂直方向であ
る<11−20>方向にストライプ幅5μm、ピッチ1
0μmの周期的ストライプ状パターンを形成した。続い
て、ストライプ形状に加工した誘電体膜804の付いた
基板をHVPE装置中にセットし、成長温度1100
℃、Si濃度1×1018/cm3、厚さ350μmのn
型GaN厚膜805を積層する。上記製造方法によって
n型GaN厚膜805を形成後、基板をHVPE装置か
ら取り出し、実施例1(図1)と同様のレーザダイオー
ドを作製する。ただし、レーザダイオードのリッジスト
ライプ部分が図4に示すライン810およびライン81
1上に位置しないようにして作製する。これは、貫通転
位密度(結晶欠陥)の少ない部分にレーザ素子を作製す
るためである。このようにして作製されたレーザダイオ
ードの特性は実施例3と同様である。
First, a low-temperature buffer layer 802 is laminated at 550 ° C. on a seed substrate 801 by MOCVD. Next, 10
1 μm while doping Si at a growth temperature of 50 ° C.
An n-type GaN film 803 is formed. After forming the n-type GaN film 803, the substrate is taken out from the MOCVD apparatus, a dielectric film 804 is formed to a thickness of 100 nm using a sputtering method, a CVD method or an EB vapor deposition method, and the dielectric film 804 is periodically formed by a lithographic technique. Into a striped pattern. In forming a stripe pattern,
A stripe extending in the <1-100> direction is formed on the n-type GaN film 803, and a stripe width of 5 μm and a pitch of 1 in a <11-20> direction perpendicular to this direction.
A periodic stripe pattern of 0 μm was formed. Subsequently, the substrate having the dielectric film 804 processed into a stripe shape is set in an HVPE apparatus, and a growth temperature of 1100 is set.
℃, Si concentration 1 × 10 18 / cm 3 , thickness of 350 μm n
Type GaN thick film 805 is laminated. After forming the n-type GaN thick film 805 by the above manufacturing method, the substrate is taken out from the HVPE apparatus, and a laser diode similar to that of Example 1 (FIG. 1) is manufactured. However, the ridge stripe portion of the laser diode corresponds to lines 810 and 81 shown in FIG.
It is manufactured so as not to be located on the upper side of the first. This is for producing a laser element in a portion having a small threading dislocation density (crystal defect). The characteristics of the laser diode thus manufactured are the same as those of the third embodiment.

【0086】また、基板800から研磨機で種基板80
1を剥ぎ取り、得られる基板上にレーザダイオードを作
製しても良い。この場合、得られる基板は、低温バッフ
ァ層802〜n型GaN厚膜805を含む。また、低温
バッファ層802以下の層を全て研磨機で剥ぎ取って、
得られる基板上にレーザダイオードを作製しても良い。
この場合、基板はn型GaN膜803〜n型GaN厚膜
805を含む。さらに、誘電体膜804以下の層を全て
研磨機で剥ぎ取って、得られる基板上にレーザダイオー
ドを作製しても良い。この場合、基板はn型GaN厚膜
805の部分からなる。種基板801や上述したような
部分を剥ぎ取る場合、実施例3と同様に基板の裏面から
n電極111をとることができる。また、種基板801
はレーザダイオードを作製後に剥ぎ取ってもよい。
Further, the seed substrate 80 is polished from the substrate 800 with a polishing machine.
1 may be peeled off, and a laser diode may be manufactured on the obtained substrate. In this case, the obtained substrate includes the low-temperature buffer layer 802 to the n-type GaN thick film 805. Also, all layers below the low-temperature buffer layer 802 are peeled off with a polishing machine,
A laser diode may be manufactured on the obtained substrate.
In this case, the substrate includes the n-type GaN film 803 to the n-type GaN thick film 805. Further, all layers below the dielectric film 804 may be peeled off with a polishing machine, and a laser diode may be manufactured over the obtained substrate. In this case, the substrate is composed of the n-type GaN thick film 805. When the seed substrate 801 or the above-described portion is peeled off, the n-electrode 111 can be taken from the back surface of the substrate as in the third embodiment. Also, the seed substrate 801
May be peeled off after manufacturing the laser diode.

【0087】上記基板800の製造において、種基板8
01には、C面サファイア、M面サファイア、A面サフ
ァイア、R面サファイア、GaAs、ZnO、MgO、
スピネル、Ge、Si、6H−SiC種基板、4H−S
iC種基板、3C−SiC種基板の何れかを用いること
ができる。低温バッファ層802は、450℃から60
0℃の成長温度で形成した低温GaNバッファ層、低温
AlNバッファ層、低温AlxGa1-xNバッファ層(0
<x<1)、低温InyGa1-yNバッファ層(0<y≦
1)の何れかとすることができる。n型GaN膜803
のかわりに、n型AlzGa1-zN膜(0<z<1)を使
用してもよい。誘電体膜804は、SiO2膜、SiNx
膜、TiO2膜、A123膜の何れかとすることができ
る。また、誘電体膜のかわりに、タングステンやモリブ
デン等の金属膜を使用してもよいし、誘電体膜の部分を
空洞にしてもよい。n型GaN厚膜805のかわりに、
n型AlwGa1-wN厚膜(0<w≦1)を使用してもよ
く、その厚膜は20μm以上あれば良い。
In the manufacture of the substrate 800, the seed substrate 8
01, C-plane sapphire, M-plane sapphire, A-plane sapphire, R-plane sapphire, GaAs, ZnO, MgO,
Spinel, Ge, Si, 6H-SiC seed substrate, 4H-S
Any of an iC seed substrate and a 3C-SiC seed substrate can be used. The low temperature buffer layer 802 is
A low-temperature GaN buffer layer, a low-temperature AlN buffer layer, and a low-temperature Al x Ga 1-x N buffer layer (0
<X <1), low-temperature In y Ga 1-y N buffer layer (0 <y ≦
1). n-type GaN film 803
Instead, an n-type Al z Ga 1 -zN film (0 <z <1) may be used. The dielectric film 804 is made of a SiO 2 film, SiN x
It can be any one of a film, a TiO 2 film, and an A1 2 O 3 film. Further, instead of the dielectric film, a metal film such as tungsten or molybdenum may be used, or a portion of the dielectric film may be hollow. Instead of the n-type GaN thick film 805,
An n-type Al w Ga 1-w N thick film (0 <w ≦ 1) may be used, and the thick film may be 20 μm or more.

【0088】(実施例5)実施例1において光ガイド層
は、n型層、p型層ともにGaN層で構成されている
が、このGaN層の窒素原子をAs、P、Sbの何れか
の元素で置換しても良い。本実施例では、GaN
1-x-y-zAsxySbz(0≦x≦0.075、0≦y≦
0.1、0≦z≦0.025、x+y+z≠0)からな
る光ガイド層を使用する。他の構造は実施例1と同様で
ある。
(Embodiment 5) In the first embodiment, the light guide layer is composed of a GaN layer for both the n-type layer and the p-type layer, and nitrogen atoms of this GaN layer are replaced with any one of As, P and Sb. It may be replaced by an element. In this embodiment, GaN
1-xyz As x P y Sb z (0 ≦ x ≦ 0.075,0 ≦ y ≦
0.1, 0 ≦ z ≦ 0.025, x + y + z ≠ 0). Other structures are the same as in the first embodiment.

【0089】従来のAlGaNクラッド層/GaN光ガ
イド層では、たとえクラッド層のAl組成を増したとし
ても互いの層の屈折率差が小さく、逆に格子不整合が増
してしまい、クラックの発生や結晶性の低下を招いてし
まう。一方、AlGaNクラッド層と上記GaN
1-x-y-zAsxySbz光ガイド層の場合、As、Pまた
はSbの非常に大きなボウイング効果のため、AlGa
Nクラッド層/GaN光ガイド層に比べて、僅かな格子
不整合で、エネルギーギャップ差が大きくなると同時
に、屈折率差も大きくなる。このことにより窒化物半導
体レーザダイオードのレーザ光を効率良く閉じ込めるこ
とができ、垂直横モード特性(単峰化)が向上する。
In the conventional AlGaN cladding layer / GaN optical guide layer, even if the Al composition of the cladding layer is increased, the difference in the refractive index between the layers is small, and conversely, the lattice mismatch increases, and the generation of cracks and This causes a decrease in crystallinity. On the other hand, the AlGaN cladding layer and the GaN
For 1-xyz As x P y Sb z light guide layer, As, because of the very large bowing effect of P or Sb, AlGa
Compared with the N clad layer / GaN optical guide layer, slight lattice mismatch causes an increase in energy gap difference and an increase in refractive index difference. As a result, the laser light of the nitride semiconductor laser diode can be efficiently confined, and the vertical and transverse mode characteristics (single peak) are improved.

【0090】このGaN1-x-y-zAsxySbz(0≦x
≦0.075、0≦y≦0.1、0≦z≦0.025、
x+y+z≠0)光ガイド層の各組成比x、y、zは、
そのエネルギーギャップが障壁層のエネルギーギャップ
以上になるように、調整すれば良い。例えば、青紫色レ
ーザ(410nm)のGaN1-xAsx光ガイド層の場
合、Asの組成比xは0.015以下、GaN1-yy
ガイド層の場合、Pの組成比yは0.025以下、Ga
1-zSbz光ガイド層の場合、Sbの組成比zは0.0
1以下が好ましい。
[0090] The GaN 1-xyz As x P y Sb z (0 ≦ x
≦ 0.075, 0 ≦ y ≦ 0.1, 0 ≦ z ≦ 0.025,
x + y + z ≠ 0) Each composition ratio x, y, z of the light guide layer is:
It may be adjusted so that the energy gap is equal to or larger than the energy gap of the barrier layer. For example, in the case of a GaN 1-x As x light guide layer of a blue-violet laser (410 nm), the composition ratio x of As is 0.015 or less, and in the case of a GaN 1-y Py light guide layer, the composition ratio y of P is 0.025 or less, Ga
In the case of the N 1-z Sb z light guide layer, the composition ratio z of Sb is 0.0
It is preferably 1 or less.

【0091】(実施例6)本実施例による窒化物半導体
発光ダイオード素子を図12および図13に示す。図1
2は断面図、図13は上面図である。図12に示すとお
り、当該素子は、C面(0001)サファイア基板90
0、低温GaNバッファ層901(膜厚30nm)、n
型GaN層902(膜厚3μm、Si不純物濃度1×1
18/cm 3)、n型Al0.1Ga0.9N隔離層兼クラッ
ド層903(膜厚20nm、Si不純物濃度1×1018
/cm3)、発光層904、p型Al0.1Ga0.9N遮蔽
層兼クラッド層905(膜厚20nm、Mg不純物濃蜃
6×1019/cm3)、p型GaNコンタクト層906
(膜厚200nm、Mg不純物濃度1×1020/c
3)、透光性p電極907、パッド電極908、n電
極909、および誘電体膜910から構成されている。
(Embodiment 6) The nitride semiconductor according to the present embodiment
The light emitting diode element is shown in FIGS. FIG.
2 is a sectional view, and FIG. 13 is a top view. As shown in FIG.
The element is a C-plane (0001) sapphire substrate 90
0, low-temperature GaN buffer layer 901 (thickness: 30 nm), n
Type GaN layer 902 (thickness 3 μm, Si impurity concentration 1 × 1
018/ Cm Three), N-type Al0.1Ga0.9N isolation layer and crack
Layer 903 (film thickness 20 nm, Si impurity concentration 1 × 1018
/ CmThree), Light emitting layer 904, p-type Al0.1Ga0.9N shielding
Layer / cladding layer 905 (film thickness 20 nm, Mg impurity concentration
6 × 1019/ CmThree), P-type GaN contact layer 906
(Film thickness 200 nm, Mg impurity concentration 1 × 1020/ C
m Three), Translucent p-electrode 907, pad electrode 908, n-electrode
It comprises a pole 909 and a dielectric film 910.

【0092】上記発光ダイオードの構成のうち、n型A
0.1Ga0.9N遮蔽層兼クラッド層903は無くても構
わない。透光性p電極907は、NiもしくはPdで構
成され、パッド電極908はAuで、n電極909はT
i/Al、Hf/Au、Ti/Mo、またはHf/Al
で構成されている。本実施例の発光層は、井戸層と障壁
層にそれぞれSiH4(Si不純物濃度5×1017/c
3)を添加している。
In the structure of the light emitting diode, n-type A
The l 0.1 Ga 0.9 N shielding layer / cladding layer 903 may be omitted. The translucent p-electrode 907 is made of Ni or Pd, the pad electrode 908 is made of Au, and the n-electrode 909 is made of T or Td.
i / Al, Hf / Au, Ti / Mo, or Hf / Al
It is composed of In the light emitting layer of this embodiment, the well layer and the barrier layer are each made of SiH 4 (Si impurity concentration 5 × 10 17 / c).
m 3 ).

【0093】なお、発光層を構成している井戸層および
障壁層の窒化物半導体材料については、実施例2と同様
である。また、サファイア基板900の替わりに、Ga
N基板を用いた場合は実施例3と同様の効果が、図4に
示す基板を用いた場合は実施例4と同様の効果が得られ
る。導電性のGaN基板を使用する場合、図13に示す
ように片面側からpとnの両電極を取らずに、GaN基
板の裏面側からn電極を、エピ表面側から透光性p電極
をとることができる。本実施例において、発光層を構成
している障壁層厚、井戸層厚および不純物濃度等、発光
層に関する条件や結晶成長方法については、実施例1と
同様である。
The nitride semiconductor materials of the well layers and the barrier layers constituting the light emitting layer are the same as in the second embodiment. Also, instead of the sapphire substrate 900, Ga
When the N substrate is used, the same effect as in the third embodiment is obtained, and when the substrate shown in FIG. 4 is used, the same effect as in the fourth embodiment is obtained. In the case of using a conductive GaN substrate, as shown in FIG. 13, instead of removing both the p and n electrodes from one side, an n electrode from the back side of the GaN substrate and a translucent p electrode from the epi surface side are used. Can be taken. In the present embodiment, the conditions for the light emitting layer, such as the thickness of the barrier layer, the thickness of the well layer, and the impurity concentration, which constitute the light emitting layer, and the crystal growth method are the same as in the first embodiment.

【0094】発光ダイオードの発光層を構成している井
戸層数と発光強度の関係について図14に示す。図14
中の発光ダイオードの発光強度は、従来のInGaN井
戸層を用いたときの発光強度を1として規格化している
(破線)。また、図中の○印はサファイア基板を、●印
はGaN基板を、それぞれ用いたときの発光強度につい
て示している。この図から発光ダイオードにおける好ま
しい井戸層の数は、2層以上10層以下である。また、
サファイア基板よりもGaN基板を用いることによって
発光強度が向上することがわかる。
FIG. 14 shows the relationship between the number of well layers constituting the light emitting layer of the light emitting diode and the light emission intensity. FIG.
The light emission intensity of the middle light emitting diode is standardized with the light emission intensity when the conventional InGaN well layer is used as 1 (broken line). In the figure, the mark ○ indicates the emission intensity when a sapphire substrate was used, and the mark ● indicates the light emission intensity when a GaN substrate was used. From this figure, it is preferable that the number of well layers in the light emitting diode is 2 or more and 10 or less. Also,
It can be seen that the emission intensity is improved by using a GaN substrate rather than a sapphire substrate.

【0095】(実施例7)本実施例により、窒化物半導
体スーパールミネッセントダイオード素子が提供され
る。該素子について、結晶成長方法およびその構成は実
施例1と同様である(図1参照)。一方、発光層を構成
している井戸層および障壁層の窒化物半導体材料につい
ては、実施例2と同様である。また、サファイア基板9
00の替わりにGaN基板を用いた場合は実施例3と同
様の効果が、図4に示す基板を用いた場合は実施例4と
同様の効果が得られる。また、発光層を構成している障
壁層厚、井戸層厚および不純物濃度等、発光層に関する
条件や結晶成長方法は、実施例1と同様である。また、
スーパールミネッセンスダイオードの発光層を構成して
いる井戸層数と発光強度の関係については実施例6と同
様である。
(Embodiment 7) The present embodiment provides a nitride semiconductor superluminescent diode device. The crystal growth method and the structure of the element are the same as those of the first embodiment (see FIG. 1). On the other hand, the nitride semiconductor materials of the well layers and the barrier layers constituting the light emitting layer are the same as in the second embodiment. The sapphire substrate 9
When a GaN substrate is used instead of 00, the same effect as in the third embodiment is obtained, and when the substrate shown in FIG. 4 is used, the same effect as in the fourth embodiment is obtained. The conditions relating to the light emitting layer, such as the thickness of the barrier layer, the thickness of the well layer, and the impurity concentration, and the crystal growth method are the same as those in the first embodiment. Also,
The relationship between the number of well layers constituting the light emitting layer of the superluminescence diode and the light emission intensity is the same as in the sixth embodiment.

【0096】(実施例8)本実施例では、発光層を構成
している井戸層と障壁層にC不純物を1×1020/cm
3添加した以外は、実施例1、実施例3、実施例4、実
施例6または実施例7と同じである。
(Embodiment 8) In this embodiment, the C impurity is added to the well layer and the barrier layer constituting the light emitting layer at 1 × 10 20 / cm.
It is the same as Example 1, Example 3, Example 4, Example 6, or Example 7 except that 3 was added.

【0097】(実施例9)本実施例では、発光層を構成
している井戸層と障壁層にMg不純物を1×10 16/c
3添加した以外は、実施例1、実施例3、実施例4、
実施例6または実施例7と同じである。
(Embodiment 9) In this embodiment, the light emitting layer is formed
1 × 10 Mg impurity in well layer and barrier layer 16/ C
mThreeExcept for the addition, Example 1, Example 3, Example 4,
This is the same as the sixth or seventh embodiment.

【0098】(実施例10)本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、5周期のIn0.05Al
0.1Ga0.850.980.02井戸層(2nm)/Al0.02
Ga0.98N障壁層(4nm)である以外は、実施例1、
実施例3、実施例4、実施例6または実施例7と同じで
ある。
(Embodiment 10) In this embodiment, the well layer and the barrier layer constituting the light emitting layer are formed by five periods of In 0.05 Al.
0.1 Ga 0.85 N 0.98 P 0.02 well layer (2 nm) / Al 0.02
Example 1 except for the Ga 0.98 N barrier layer (4 nm)
This is the same as the third, fourth, sixth or seventh embodiment.

【0099】(実施例11)本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、10周期のIn0.05Al
0.1Ga0.850.99As0.01井戸層(0.4nm)/G
aN障壁層(1nm)である以外は、実施例1、実施例
3、実施例4、実施例6または実施例7と同じである。
(Embodiment 11) In this embodiment, the well layer and the barrier layer constituting the light emitting layer are composed of 10 cycles of In 0.05 Al.
0.1 Ga 0.85 N 0.99 As 0.01 well layer (0.4 nm) / G
Except for the aN barrier layer (1 nm), it is the same as Example 1, Example 3, Example 4, Example 6, or Example 7.

【0100】(実施例12)本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、3周期のIn0.2Al0.2
Ga0.60.990.01井戸層(6nm)/Al0.1Ga
0.90.99As0.01障壁層(6nm)である以外は、実
施例1、実施例3、実施例4、実施例6または実施例7
と同じである。
(Embodiment 12) In this embodiment, the well layer and the barrier layer constituting the light emitting layer are formed by three periods of In 0.2 Al 0.2
Ga 0.6 N 0.99 P 0.01 well layer (6 nm) / Al 0.1 Ga
Example 1, Example 3, Example 4, Example 6, or Example 7 except that the barrier layer is 0.9 N 0.99 As 0.01 barrier layer (6 nm).
Is the same as

【0101】(実施例13)本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、4周期のIn0.2Al0.2
Ga0.60.99As0.01井戸層(4nm)/Al0.1Ga
0.90.990.01障壁層(10nm)である以外は、実
施例1、実施例3、実施例4、実施例6または実施例7
と同じである。
(Embodiment 13) In this embodiment, the well layer and the barrier layer constituting the light emitting layer are formed of four periods of In 0.2 Al 0.2
Ga 0.6 N 0.99 As 0.01 well layer (4 nm) / Al 0.1 Ga
Example 1, Example 3, Example 4, Example 6, or Example 7 except that it is a 0.9 N 0.99 P 0.01 barrier layer (10 nm).
Is the same as

【0102】(実施例14)本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、2周期のIn0.05Al
0.03Ga0.920.980.02井戸層(18nm)/In
0.02Ga0.98N障壁層(20nm)である以外は、実施
例1、実施例3、実施例4、実施例6または実施例7と
同じである。
(Embodiment 14) In this embodiment, the well layer and the barrier layer constituting the light emitting layer are composed of two periods of In 0.05 Al.
0.03 Ga 0.92 N 0.98 P 0.02 well layer (18 nm) / In
This is the same as Example 1, Example 3, Example 4, Example 6, or Example 7 except that it is a 0.02 Ga 0.98 N barrier layer (20 nm).

【0103】(実施例15)本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、6周期のIn0.1Al
0.05Ga0.850.99As0.01井戸層(4nm)/GaN
障壁層(3nm)である以外は、実施例1、実施例3、
実施例4、実施例6または実施例7と同じである。
(Embodiment 15) In this embodiment, the well layer and the barrier layer constituting the light emitting layer are formed of six periods of In 0.1 Al.
0.05 Ga 0.85 N 0.99 As 0.01 Well layer (4 nm) / GaN
Except for the barrier layer (3 nm), Examples 1, 3,
This is the same as the fourth, sixth, or seventh embodiment.

【0104】(実施例16)本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、4周期のIn0.1Al
0.05Ga0.850.980.02井戸層(6nm)/In0.03
Al0.0lGa0.960. 990.01障壁層(3nm)である
以外は、実施例1、実施例3、実施例4、実施例6また
は実施例7と同じである。
(Embodiment 16) In this embodiment, the well layer and the barrier layer constituting the light emitting layer are formed of four periods of In 0.1 Al.
0.05 Ga 0.85 N 0.98 P 0.02 well layer (6 nm) / In 0.03
Besides being Al 0.0l Ga 0.96 N 0. 99 P 0.01 barrier layers (3 nm), the Example 1, Example 3, Example 4, the same as in Example 6 or Example 7.

【0105】(実施例17)本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、5周期のIn0.1A1
0.01Ga0.890.99As0.01井戸層(4nm)/GaN
0.99As0.01障壁層(10nm)である以外は、実施例
1、実施例3、実施例4、実施例6または実施例7と同
じである。
(Embodiment 17) In this embodiment, the well layer and the barrier layer constituting the light emitting layer are composed of five periods of In 0.1 A1.
0.01 Ga 0.89 N 0.99 As 0.01 well layer (4 nm) / GaN
It is the same as Example 1, Example 3, Example 4, Example 6, or Example 7 except that the barrier layer is 0.99 As 0.01 (10 nm).

【0106】(実施例18)本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、6周期のIn0.02Al
0.03Ga0.950.98As0.02井戸層(4nm)/GaN
障壁層(4nm)である以外は、実施例1、実施例3、
実施例4、実施例6または実施例7と同じである。
(Embodiment 18) In this embodiment, the well layer and the barrier layer constituting the light emitting layer are formed of six periods of In 0.02 Al.
0.03 Ga 0.95 N 0.98 As 0.02 well layer (4 nm) / GaN
Except for the barrier layer (4 nm), Examples 1, 3,
This is the same as the fourth, sixth, or seventh embodiment.

【0107】(実施例19)本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、3周期のIn0.05Al
0.01Ga0.940.98Sb0.02井戸層(5nm)/GaN
障壁層(5nm)である以外は、実施例1、実施例3、
実施例4、実施例6または実施例7と同じである。
(Embodiment 19) In this embodiment, the well layer and the barrier layer constituting the light emitting layer are formed by three periods of In 0.05 Al.
0.01 Ga 0.94 N 0.98 Sb 0.02 Well layer (5 nm) / GaN
Except for the barrier layer (5 nm), Examples 1, 3,
This is the same as the fourth, sixth, or seventh embodiment.

【0108】(実施例20)本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、4周期のIn0.2Al
0.03Ga0.770.970.03井戸層(4nm)/In0.02
Al0.03Ga0.950. 98As0.02障壁層(8nm)であ
る以外は、実施例1、実施例3、実施例4、実施例6ま
たは実施例7と同じである。
(Embodiment 20) In this embodiment, the well layer and the barrier layer constituting the light emitting layer are formed of four periods of In 0.2 Al.
0.03 Ga 0.77 N 0.97 P 0.03 well layer (4 nm) / In 0.02
Besides being Al 0.03 Ga 0.95 N 0. 98 As 0.02 barrier layers (8 nm) is Example 1, Example 3, Example 4, the same as in Example 6 or Example 7.

【0109】(実施例21)本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、3周期のIn0.2Al
0.05Ga0.750.98As0.02井戸層(15nm)/In
0.02Ga0.980.98As0.02障壁層(10nm)である
以外は、実施例1、実施例3、実施例4、実施例6また
は実施例7と同じである。
Embodiment 21 In this embodiment, the well layer and the barrier layer constituting the light emitting layer are formed by three periods of In 0.2 Al.
0.05 Ga 0.75 N 0.98 As 0.02 well layer (15 nm) / In
It is the same as Example 1, Example 3, Example 4, Example 6, or Example 7 except that it is a 0.02 Ga 0.98 N 0.98 As 0.02 barrier layer (10 nm).

【0110】(実施例22)本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、3周期のIn0.1Al
0.01Ga0.890.940.06井戸層(5nm)/Al0.03
Ga0.970.98Sb0. 02障壁層(5nm)である以外
は、実施例1、実施例3、実施例4、実施例6または実
施例7と同じである。
(Embodiment 22) In this embodiment, the well layer and the barrier layer constituting the light emitting layer are formed by three periods of In 0.1 Al.
0.01 Ga 0.89 N 0.94 P 0.06 well layer (5 nm) / Al 0.03
Besides being Ga 0.97 N 0.98 Sb 0. 02 barrier layer (5 nm), the Example 1, Example 3, Example 4, the same as in Example 6 or Example 7.

【0111】(実施例23)本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、2周期のIn0.1Al
0.03Ga0.870.96As0.04井戸層(6nm)/In
0.15Ga0.850.970. 03障壁層(6nm)である以外
は、実施例1、実施例3、実施例4、実施例6または実
施例7と同じである。
(Embodiment 23) In this embodiment, the well layer and the barrier layer constituting the light emitting layer are composed of two periods of In 0.1 Al.
0.03 Ga 0.87 N 0.96 As 0.04 well layer (6 nm) / In
Except a 0.15 Ga 0.85 N 0.97 P 0. 03 barrier layer (6 nm), Example 1, Example 3, Example 4, the same as in Example 6 or Example 7.

【0112】(実施例24)本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、4周期のIn0.35Al
0.1Ga0.550.98As0.02井戸層(10nm)/In
0.1Al0.1Ga0.80. 950.05障壁層(4nm)であ
る以外は、実施例1、実施例3、実施例4、実施例6ま
たは実施例7と同じである。
(Embodiment 24) In this embodiment, the well layer and the barrier layer constituting the light emitting layer are formed of four periods of In 0.35 Al.
0.1 Ga 0.55 N 0.98 As 0.02 well layer (10 nm) / In
Except a 0.1 Al 0.1 Ga 0.8 N 0. 95 P 0.05 barrier layers (4 nm), Example 1, Example 3, Example 4, the same as in Example 6 or Example 7.

【0113】(実施例25)本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、4周期のIn0.35Al
0.05Ga0.60.940.06井戸層(10nm)/GaN
0.95As0.05障壁層(15nm)である以外は、実施例
1、実施例3、実施例4、実施例6または実施例7と同
じである。
(Embodiment 25) In this embodiment, the well layer and the barrier layer constituting the light emitting layer are formed of four periods of In 0.35 Al.
0.05 Ga 0.6 N 0.94 P 0.06 well layer (10 nm) / GaN
It is the same as Example 1, Example 3, Example 4, Example 6, or Example 7 except that the barrier layer is 0.95 As 0.05 barrier layer (15 nm).

【0114】(実施例26)本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、3周期のIn0.2Al
0.02Ga0.780.95As0.05井戸層(20nm)/Ga
0.90.1障壁層(20nm)である以外は、実施例
1、実施例3、実施例4、実施例6または実施例7と同
じである。
(Embodiment 26) In this embodiment, the well layer and the barrier layer constituting the light emitting layer are formed by three periods of In 0.2 Al.
0.02 Ga 0.78 N 0.95 As 0.05 Well layer (20 nm) / Ga
This is the same as Example 1, Example 3, Example 4, Example 6, or Example 7 except that the barrier layer is N 0.9 P 0.1 (20 nm).

【0115】(実施例27)本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、2周期のIn0.1Al0.1
Ga0.80.980.02井戸層(5nm)/Al0.01Ga
0.990.95As0.05障壁層(5nm)であり、発光層と
p型層との間には障壁層を用いず、n型Al 0.15Ga
0.85N遮蔽層をn型層と発光層との間に用いたこと以外
は、実施例1、実施例3、実施例4、実施例6または実
施例7と同じである。また、n型Al0. 15Ga0.85N遮
蔽層を用いたことによって、実施例1、実施例3、実施
例4、実施例6または実施例7とほぼ同じ効果が得られ
た。
(Embodiment 27) In this embodiment, a light emitting layer is formed.
The well layer and the barrier layer are composed of two periods of In.0.1Al0.1
Ga0.8N0.98P0.02Well layer (5 nm) / Al0.01Ga
0.99N0.95As0.05A barrier layer (5 nm),
No barrier layer is used between the p-type layer and n-type Al 0.15Ga
0.85Other than using an N shielding layer between the n-type layer and the light emitting layer
Is the same as Example 1, Example 3, Example 4, Example 6, or
This is the same as the seventh embodiment. Also, n-type Al0. 15Ga0.85N shield
By using the shielding layer, Example 1, Example 3,
Almost the same effects as in Example 4, Example 6, or Example 7 can be obtained.
Was.

【0116】(実施例28)本発明による紫外光から青
紫色(380nm〜410nmの発振波長)の窒化物半
導体レーザは、従来の窒化物半導体レーザに比べて、レ
ーザ発振閾値電流密度が低く、レーザ光中の自然放出光
が減少し、雑音にも強い。また、本発明によるレーザ
は、高出力(50mW)、高温雰囲気中で安定して動作
するため、高密度記録再生用光ディスクに適したレーザ
である。実施例1〜実施例5の窒化物半導体レーザを使
用した光学装置の一例を図15に示す。
(Example 28) The nitride semiconductor laser of the present invention, which emits ultraviolet light to bluish purple light (oscillation wavelength of 380 nm to 410 nm), has a lower laser oscillation threshold current density than the conventional nitride semiconductor laser. Spontaneous emission of light is reduced, and it is strong against noise. Further, the laser according to the present invention is a laser suitable for an optical disk for high-density recording / reproduction because it operates stably in a high output (50 mW) and high temperature atmosphere. FIG. 15 shows an example of an optical device using the nitride semiconductor laser of the first to fifth embodiments.

【0117】図15に示す光学装置は、情報記録装置の
一例としての光ディスク装置である。装置において、レ
ーザ150からのレーザ光は、入力情報に応じて光変調
器151で変調され、追従鏡153で反射され、レンズ
154を通してディスク160上に記録される。再生時
は、ディスク160上のビット配列によって光学的に変
化を受けたレーザ光がスプリッター152を通して光検
出器155で検出され、再生信号となる。これらの動作
およびディスク用モーター157は制御回路156によ
り制御されている。レーザ出力は、通常、記録時30m
Wで、再生時5mW程度である。
The optical device shown in FIG. 15 is an optical disk device as an example of an information recording device. In the apparatus, a laser beam from a laser 150 is modulated by an optical modulator 151 according to input information, reflected by a tracking mirror 153, and recorded on a disk 160 through a lens 154. At the time of reproduction, laser light optically changed by the bit arrangement on the disk 160 is detected by the photodetector 155 through the splitter 152, and becomes a reproduction signal. These operations and the disk motor 157 are controlled by a control circuit 156. Laser output is usually 30m during recording
W and about 5 mW during reproduction.

【0118】また、本発明によるレーザー素子は、上記
光ディスク装置の他に、レーザプリンターやプロジェク
ター等にも有効である。プロジェクターでは、本発明に
よる発光層を用いた光の三原色(青色、緑色、赤色)レ
ーザダイオードを使用することができる。
Further, the laser element according to the present invention is effective for a laser printer, a projector, and the like in addition to the above-mentioned optical disk device. In the projector, a laser diode of three primary colors (blue, green, and red) using the light emitting layer according to the present invention can be used.

【0119】(実施例29)実施例6または7の発光ダ
イオードまたはスーパールミネッセントダイオードは、
白色光源、あるいはディスプレイに適用される。この場
合、光の三原色(赤色、緑色、青色)の発光ダイオード
またはスーパールミネッセントダイオードを使用する。
(Embodiment 29) The light emitting diode or the super luminescent diode of the embodiment 6 or 7
Applies to white light sources or displays. In this case, light emitting diodes of three primary colors of light (red, green, and blue) or superluminescent diodes are used.

【0120】従来の液晶ディスプレーに用いられていた
ハロゲン光源に替わって、この白色光源は、低消費電力
かつ高輝度のバックライトとして利用できる。これは、
携帯ノートパソコン、携帯電話等によるマン・マシーン
インターフェイスの液晶ディスプレイ用バックライトと
して利用でき、小型化で高鮮明な液晶ディスプレイを提
供できる。
Instead of the halogen light source used in the conventional liquid crystal display, this white light source can be used as a backlight with low power consumption and high luminance. this is,
It can be used as a backlight for a liquid crystal display of a man-machine interface by a portable notebook personal computer, a mobile phone, or the like, and can provide a small-sized and clear liquid crystal display.

【0121】[0121]

【発明の効果】以上述べたように、本発明は、InAl
GaN1-x-y-zAsxySbz(0≦x≦0.1、0≦y
≦0.2、0≦z≦0.05、x+y+z>0)で表さ
れる窒化物を井戸層に使用し、必要に応じて井戸層の各
構成元素の組成比を適正化し、必要に応じて障壁層の構
成元素およびその組成比を適正化し、さらに遮蔽層を必
要に応じて導入することにより、結晶系分離や相分離が
生じるのを抑制し、優れた結晶性と高い発光効率を有す
る窒化物半導体発光素子を提供することができ、さら
に、そのような素子を用いて高性能の光学装置を提供す
ることができる。
As described above, the present invention relates to InAl
GaN 1-xyz As x P y Sb z (0 ≦ x ≦ 0.1,0 ≦ y
≦ 0.2, 0 ≦ z ≦ 0.05, x + y + z> 0) is used for the well layer, and if necessary, the composition ratio of each constituent element of the well layer is optimized. By optimizing the constituent elements of the barrier layer and its composition ratio, and further introducing a shielding layer as necessary, it suppresses occurrence of crystal system separation and phase separation, and has excellent crystallinity and high luminous efficiency A nitride semiconductor light emitting device can be provided, and a high-performance optical device can be provided using such a device.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 実施例1のレーザ素子の構造を示す概略断面
図である。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating a structure of a laser device according to a first embodiment.

【図2】 Alの添加濃度と、結晶系分離の割合および
発光強度との関係を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the additive concentration of Al, the ratio of crystal system separation, and the emission intensity.

【図3】 チップの分割およびへき開について説明する
模式図である。
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating division and cleavage of a chip.

【図4】 窒化物半導体厚膜を使用する基板の構造を示
す概略断面図である。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a structure of a substrate using a nitride semiconductor thick film.

【図5】 レーザダイオードの井戸層数と閾値電流密度
との関係を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between the number of well layers of a laser diode and a threshold current density.

【図6】 バンドギャップエネルギー構造の一例を示す
模式図である。
FIG. 6 is a schematic diagram illustrating an example of a band gap energy structure.

【図7】 バンドギャップエネルギー構造のもう一つの
例を示す模式図である。
FIG. 7 is a schematic view showing another example of the bandgap energy structure.

【図8】 バンドギャップエネルギー構造の他の例を示
す模式図である。
FIG. 8 is a schematic diagram showing another example of the bandgap energy structure.

【図9】 バンドギャップエネルギー構造の他の例を示
す模式図である。
FIG. 9 is a schematic view showing another example of the bandgap energy structure.

【図10】 バンドギャップエネルギー構造の他の例を
示す模式図である。
FIG. 10 is a schematic diagram showing another example of the bandgap energy structure.

【図11】 窒化物半導体基板を用いたレーザ構造の一
例を示す概略断面図である。
FIG. 11 is a schematic sectional view showing an example of a laser structure using a nitride semiconductor substrate.

【図12】 発光ダイオード構造の一例を示す概略断面
図である。
FIG. 12 is a schematic sectional view showing an example of a light emitting diode structure.

【図13】 図12に示す発光ダイオード構造の平面図
である。
13 is a plan view of the light emitting diode structure shown in FIG.

【図14】 発光ダイオードの井戸層数と発光強度との
関係を示す図である。
FIG. 14 is a diagram showing a relationship between the number of well layers and light emission intensity of a light emitting diode.

【図15】 情報記録装置の一例としての光ディスク装
置を示す模式図である。
FIG. 15 is a schematic diagram illustrating an optical disc device as an example of an information recording device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

100,900 サファイア基板、101,901 低
温GaNバッファ層、102,902 n型GaN層、
103 n型In0.07Ga0.93Nクラック防止層、10
4 n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層、105 n型G
aN光ガイド層、106,904 発光層、107 p
型Al0.2Ga0.8N遮蔽層、108 p型GaN光ガイ
ド層、109 p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層、11
0,906 p型GaNコンタクト層、111,909
n電極、112 p電極、113 SiO2誘電体
膜、700 n型GaN基板、800 基板、801
種基板、802 低温バッファ層、803 n型GaN
膜、804,910 誘電体膜、805 n型GaN厚
膜、903 n型Al0.1Ga0.9N遮蔽層兼クラッド
層、905 p型Al0.1Ga0.9N遮蔽層兼クラッド
層、907 透光性p電極、908 パッド電極。
100,900 sapphire substrate, 101,901 low temperature GaN buffer layer, 102,902 n-type GaN layer,
103 n-type In 0.07 Ga 0.93 N crack preventing layer, 10
4 n-type Al 0.1 Ga 0.9 N cladding layer, 105 n-type G
aN light guide layer, 106,904 light emitting layer, 107 p
-Type Al 0.2 Ga 0.8 N shielding layer, 108 p-type GaN optical guide layer, 109 p-type Al 0.1 Ga 0.9 N cladding layer, 11
0,906 p-type GaN contact layer, 111,909
n electrode, 112 p electrode, 113 SiO 2 dielectric film, 700 n-type GaN substrate, 800 substrate, 801
Seed substrate, 802 Low temperature buffer layer, 803 n-type GaN
Film, 804,910 dielectric film, 805 n-type GaN thick film, 903 n-type Al 0.1 Ga 0.9 N blocking layer and the cladding layer, 905 p-type Al 0.1 Ga 0.9 N blocking layer and the cladding layer, 907 transparent p-electrode , 908 pad electrode.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5F041 CA05 CA34 CA40 CA46 CA53 CA54 CA56 CA57 CA65 CA82 CA83 CA88 CA92 FF11 5F045 AA04 AB14 AB17 AC12 AF09 AF13 BB04 BB16 CA11 DA53 DA55 5F073 AA13 AA74 AA83 BA06 BA07 BA09 CA20 CB02 CB05 CB17 CB19 CB22 DA05 DA24 DA32 EA23  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 5F041 CA05 CA34 CA40 CA46 CA53 CA54 CA56 CA57 CA65 CA82 CA83 CA88 CA92 FF11 5F045 AA04 AB14 AB17 AC12 AF09 AF13 BB04 BB16 CA11 DA53 DA55 CB19 CB22 DA05 DA24 DA32 EA23

Claims (14)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 複数の井戸層と1つまたは複数の障壁層
とが組み合わされた発光層を有する窒化物半導体発光素
子であって、 前記井戸層が、式InAlGaN1-x-y-zAsxySbz
(式中、0≦x≦0.1、0≦y≦0.2、0≦z≦
0.05、x+y+z>0)で表される窒化物からなる
ことを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
1. A nitride semiconductor light emitting device having a plurality of well layers and one or more light emitting layers and barrier layers are combined, the well layer, wherein InAlGaN 1-xyz As x P y Sb z
(Where 0 ≦ x ≦ 0.1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 ≦ z ≦
A nitride semiconductor light emitting device comprising a nitride represented by the formula: 0.05, x + y + z> 0).
【請求項2】 前記井戸層におけるAlの含有量が1×
1019/cm3以上であることを特徴とする、請求項1
に記載の窒化物半導体発光素子。
2. The method according to claim 1, wherein the content of Al in the well layer is 1 ×.
2. The method according to claim 1, wherein the density is 10 19 / cm 3 or more.
3. The nitride semiconductor light emitting device according to item 1.
【請求項3】 前記井戸層が、式InaAlbGa1-a-b
1-x-y-zAsxySbz(式中、0<a≦0.5、0<
b≦0.2、0≦x≦0.1、0≦y≦0.2、0≦z
≦0.05、x+y+z>0)で表される窒化物からな
ることを特徴とする、請求項1または2に記載の窒化物
半導体発光素子。
Wherein the well layer is of the formula In a Al b Ga 1-ab
During N 1-xyz As x P y Sb z ( wherein, 0 <a ≦ 0.5,0 <
b ≦ 0.2, 0 ≦ x ≦ 0.1, 0 ≦ y ≦ 0.2, 0 ≦ z
3. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the nitride semiconductor light emitting device is made of a nitride represented by ≦ 0.05, x + y + z> 0).
【請求項4】 前記障壁層は、III族元素として少な
くともGaを含みかつV族元素としてNのみを含む、I
II−V族化合物半導体からなるものであることを特徴
とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の窒化物半
導体発光素子。
4. The barrier layer according to claim 1, wherein said barrier layer contains at least Ga as a group III element and contains only N as a group V element.
The nitride semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 3, wherein the nitride semiconductor light emitting device is made of a II-V compound semiconductor.
【請求項5】 前記障壁層は、III族元素として少な
くともGaを含み、かつV族元素としてAs、Pおよび
Sbよりなる群から選ばれた少なくとも1種の元素とN
とを含む、III−V族化合物半導体からなるものであ
ることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記
載の窒化物半導体発光素子。
5. The barrier layer contains at least Ga as a group III element and at least one element selected from the group consisting of As, P and Sb as a group V element and N.
The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, comprising a III-V compound semiconductor comprising:
【請求項6】 前記井戸層におけるAs、PおよびSb
の総含有量が1018/cm3以上であることを特徴とす
る、請求項1〜5のいずれか1項に記載の窒化物半導体
発光素子。
6. As, P and Sb in the well layer
6. The nitride semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein the total content of is 10 18 / cm 3 or more.
【請求項7】 前記発光層は、それに隣接する2つの層
の間に存在し、 前記2つの層の少なくともいずれかは、AlおよびNを
含む窒化物からなることを特徴とする、請求項1〜6の
いずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。
7. The light emitting layer according to claim 1, wherein the light emitting layer is present between two adjacent layers, and at least one of the two layers is made of a nitride containing Al and N. 7. The nitride semiconductor light-emitting device according to any one of items 6 to 6.
【請求項8】 前記発光層を構成している前記井戸層の
数が2以上10以下であることを特徴とする、請求項1
〜7のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。
8. The light emitting device according to claim 1, wherein the number of said well layers constituting said light emitting layer is 2 or more and 10 or less.
8. The nitride semiconductor light-emitting device according to any one of items 7 to 7.
【請求項9】 前記井戸層の厚みが0.4nm以上20
nm以下であることを特徴とする、請求項1〜8のいず
れか1項に記載の窒化物半導体発光素子。
9. The method according to claim 1, wherein the thickness of the well layer is at least 0.4 nm and at least 20.
The nitride semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 8, wherein the thickness is equal to or less than nm.
【請求項10】 前記障壁層の厚みが1nm以上20n
m以下であることを特徴とする、請求項1〜9のいずれ
か1項に記載の窒化物半導体発光素子。
10. The barrier layer has a thickness of 1 nm or more and 20 n or more.
10. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein m is equal to or less than m.
【請求項11】 前記井戸層および/または前記障壁層
に、Si、O、S、C、Ge、Zn、CdおよびMgよ
りなる群から選ばれた少なくとも1種の元素が添加され
ていることを特徴とする、請求項1〜10のいずれか1
項に記載の窒化物半導体発光素子。
11. The method according to claim 1, wherein at least one element selected from the group consisting of Si, O, S, C, Ge, Zn, Cd, and Mg is added to the well layer and / or the barrier layer. A method according to any one of claims 1 to 10, wherein
Item 3. The nitride semiconductor light emitting device according to item 1.
【請求項12】 前記元素の添加量が1×1016〜1×
1020/cm3であることを特徴とする、請求項11に
記載の窒化物半導体発光素子。
12. The amount of the element added is 1 × 10 16 to 1 ×.
Characterized in that it is a 10 20 / cm 3, a nitride semiconductor light emitting device according to claim 11.
【請求項13】 GaN基板を有し、 前記GaN基板上に前記発光層が形成されていることを
特徴とする、請求項1〜12のいずれか1項に記載の窒
化物半導体発光素子。
13. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, further comprising a GaN substrate, wherein the light emitting layer is formed on the GaN substrate.
【請求項14】 請求項1〜13のいずれか1項に記載
の窒化物半導体発光素子を用いた光学装置。
14. An optical device using the nitride semiconductor light emitting device according to claim 1.
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