JP2003060314A - Nitride semiconductor element - Google Patents

Nitride semiconductor element

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勲 木戸口
Nobuyuki Otsuka
信之 大塚
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雄三郎 伴
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a GaN-based semiconductor laser having stable vertical and lateral modes by improving optical confinement. SOLUTION: In this GaN-based semiconductor laser, an n-type Al0.07 Ga0.93 N first clad layer, an active layer, and a p-type Al0.07 Ga0.93 N second clad layer are laminated upon a substrate. In addition, the optical confinement to the active layer is improved, and occurrence of cracks in crystals is suppressed by forming an AlGaN layer having an Al composition, which is higher than (or equal to) that of the first clad layer between the first clad layer and substrate.

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】本発明は光情報処理分野など
への応用が期待されている半導体レーザなどのGaN系半
導体発光素子および製造方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a GaN-based semiconductor light emitting device such as a semiconductor laser, which is expected to be applied to the field of optical information processing, and a manufacturing method.

【0002】[0002]

【従来の技術】V族元素に窒素(N)を有する窒化物半導
体は、そのバンドギャップの大きさから、短波長発光素
子の材料として有望視されている。中でも窒化ガリウム
系化合物半導体(GaN系半導体:AlxGayInzN(0≦x, y, z
≦1、x+y+z=1))は研究が盛んに行われ、青色発光ダイ
オード(LED)、緑色LEDが実用化されている。また、光
ディスク装置の大容量化のために、400nm帯に発振波長
を有する半導体レーザが熱望されており、GaN系半導体
を材料とする半導体レーザが注目され現在では実用レベ
ルに達しつつある。
2. Description of the Related Art Nitride semiconductors containing nitrogen (N) as a group V element are regarded as a promising material for short-wavelength light emitting devices because of their band gap. Among them, gallium nitride-based compound semiconductors (GaN-based semiconductors: Al x Ga y In z N (0 ≤ x, y, z
≤1, x + y + z = 1)) has been actively researched, and blue light emitting diodes (LEDs) and green LEDs have been put to practical use. Further, a semiconductor laser having an oscillation wavelength in the 400 nm band is eagerly awaited in order to increase the capacity of an optical disk device, and a semiconductor laser made of a GaN-based semiconductor has been drawing attention and is now reaching a practical level.

【0003】図5はレーザ発振が達成されているGaN系
半導体レーザの構造断面図である。サファイア基板50
1上に有機金属気相成長法(MOVPE法)によりGaNバッフ
ァ層502、n-GaN層503、n-AlGaNクラッド層50
4、n-GaN光ガイド層505、Ga1-xInxN/Ga1-yInyN (0<
y<x<1)から成る多重量子井戸(MQW)活性層506、
p-GaN第2光ガイド層507、p- AlGaNクラッド層50
8、p-GaNコンタクト層509が成長される。そしてp-G
aNコンタクト層509上に幅3から10ミクロン程度の幅
のリッジストライプが形成され、その両側はSiO25
11によって埋め込まれる。その後リッジストライプお
よびSiO2511上に例えばNi/Auから成るp電極51
0、また一部をn-GaN層503が露出するまでエッチン
グした表面に例えばTi/Alから成るn電極512が形成
される。本素子においてn電極512を接地し、p電極
510に電圧を印可すると、MQW活性層506に向か
ってp電極510側からホールが、またn電極512側
から電子が注入され、前記MQW活性層506内で光学
利得を生じ、発振波長400nm帯のレーザ発振を起こす。
MQW活性層506の材料であるGa1-xInxN/Ga1-yInyN
薄膜の組成や膜厚によって発振波長は変化する。現在室
温以上での連続発振が実現されている。
FIG. 5 is a structural sectional view of a GaN-based semiconductor laser in which laser oscillation has been achieved. Sapphire substrate 50
GaN buffer layer 502, n-GaN layer 503, and n-AlGaN clad layer 50 on the first layer by metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE method).
4, n-GaN optical guide layer 505, Ga 1-x In x N / Ga 1-y In y N (0 <
a multiple quantum well (MQW) active layer 506 composed of y <x <1),
p-GaN second optical guide layer 507, p-AlGaN cladding layer 50
8. The p-GaN contact layer 509 is grown. And pG
A ridge stripe having a width of about 3 to 10 microns is formed on the aN contact layer 509, and SiO 25 is formed on both sides of the ridge stripe.
It is embedded by 11. Then, on the ridge stripe and the SiO 2 511, a p-electrode 51 made of, for example, Ni / Au
An n-electrode 512 made of, for example, Ti / Al is formed on the surface of the n-GaN layer 503, which is 0 or partially etched until the n-GaN layer 503 is exposed. In this element, when the n-electrode 512 is grounded and a voltage is applied to the p-electrode 510, holes are injected from the p-electrode 510 side toward the MQW active layer 506 and electrons are injected from the n-electrode 512 side, so that the MQW active layer 506 is An optical gain is generated inside, and laser oscillation in the oscillation wavelength 400 nm band occurs.
Ga 1-x In x N / Ga 1-y In y N which is the material of the MQW active layer 506
The oscillation wavelength changes depending on the composition and thickness of the thin film. At present, continuous oscillation above room temperature has been realized.

【0004】このレーザはリッジストライプの幅と高さ
を制御することによって、水平方向の横モードにおいて
基本モードでレーザ発振するような工夫が成される。す
なわち、基本横モードと高次モード(1次以上のモー
ド)の光閉じ込め係数に差を設けることで、基本横モー
ドでの発振を可能としている。
By controlling the width and height of the ridge stripe, this laser is devised so as to oscillate in the fundamental mode in the horizontal transverse mode. That is, by providing a difference in the optical confinement coefficient between the fundamental transverse mode and the higher-order modes (first-order and higher modes), oscillation in the fundamental transverse mode is possible.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】ところが、垂直方向の
横モード(垂直横モード)においては課題が残されてい
る。図6は、図5に示す半導体レーザの構成材料の垂直
方向の屈折率分布と光の分布を示したものである。活性
層および光ガイド層の部分に大きな光強度を持たせるた
めには、6次のモードにならざるを得ない。これは、図
5のレーザに2つのコア(屈折率の高い部分)が存在す
るためである。すなわち、第1のコアが活性層および光
ガイド層で、第2のコアがGaN層(サファイア基板と
クラッド層の間の層)である。
However, a problem remains in the horizontal transverse mode (vertical transverse mode). FIG. 6 shows the refractive index distribution and the light distribution in the vertical direction of the constituent materials of the semiconductor laser shown in FIG. In order to give a large light intensity to the active layer and the light guide layer, the sixth mode is inevitable. This is because the laser of FIG. 5 has two cores (portions having a high refractive index). That is, the first core is the active layer and the light guide layer, and the second core is the GaN layer (the layer between the sapphire substrate and the cladding layer).

【0006】6次モードでレーザ発振すると、遠視野像
(FFP)においても多数の発光点が結像することにな
る。したがって、レンズ等で集光する場合、単一のスポ
ットには絞れなくなる。これを解決する方法として、
(1)AlGaN第一クラッド層(図5におけるn-AlGa
Nクラッド層504)を厚くする方法、(2)AlGa
N第一クラッド層のAl組成を向上させる方法、が考え
られる。いずれも活性層および光ガイド層の外部に染み
出す光の量を低減するのに効果的である。
When the laser is oscillated in the sixth mode, a large number of light emitting points are imaged even in a far field image (FFP). Therefore, when the light is focused by a lens or the like, it cannot be focused on a single spot. As a way to solve this,
(1) AlGaN first cladding layer (n-AlGa in FIG. 5)
Method for thickening N clad layer 504), (2) AlGa
A method of improving the Al composition of the N first cladding layer is conceivable. Both are effective in reducing the amount of light that seeps out of the active layer and the light guide layer.

【0007】ところが、上記(1)(2)の方法を試み
ても、新たな課題が生じてくる。GaN層上に厚い、ま
たはAl組成の高いAlGaN層を堆積する場合、冷却
時にクラック(割れ)が生じてしまう。この原因は明ら
かではないが、サファイア基板、GaN、AlGaNの
熱膨張係数の違いに起因しているものと考えられる。ク
ラックの生じたAlGaN上に活性層を堆積すると、均
一性の低下、信頼性の低下などの不具合を生じることに
なる。
However, even if the above methods (1) and (2) are tried, new problems arise. When a thick AlGaN layer having a high Al composition is deposited on the GaN layer, cracks will occur during cooling. The cause of this is not clear, but it is considered to be due to the difference in the thermal expansion coefficient of the sapphire substrate, GaN, and AlGaN. If the active layer is deposited on the cracked AlGaN, problems such as deterioration of uniformity and reliability will occur.

【0008】本発明は上記の事情を鑑みてなされたもの
であり、垂直方向の横モードの安定な窒化物半導体素子
を提供するものである。特に光ディスク用レーザへの応
用において効果的である。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a stable nitride semiconductor device having a transverse transverse mode. It is particularly effective in application to lasers for optical disks.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明の窒化物半導体素
子は、基板とクラッド層との間に、該クラッド層のAl組
成と等しいか、あるいは該クラッド層のAl組成より高い
Alを含有するGaN系半導体層を有している。ただし、
バッファー層は除く。
In the nitride semiconductor device of the present invention, the Al composition between the substrate and the clad layer is equal to or higher than the Al composition of the clad layer.
It has a GaN-based semiconductor layer containing Al. However,
The buffer layer is excluded.

【0010】また、本発明の窒化物半導体素子は、活性
層を挟むクラッド層構造を備えており、該クラッド層構
造と基板との間に薄膜多層構造を有しており、該薄膜多
層構造は高Al組成の層と低Al組成の層から構成され
ており、該薄膜多層構造の平均Al組成が該クラッド層
構造の平均Al組成と等しいか、あるいは該クラッド層構
造の平均Al組成より高い平均Al組成を有している。
Further, the nitride semiconductor device of the present invention has a clad layer structure sandwiching the active layer, and has a thin film multilayer structure between the clad layer structure and the substrate. An average Al composition of the thin film multilayer structure is equal to the average Al composition of the clad layer structure, or is higher than the average Al composition of the clad layer structure. It has an Al composition.

【0011】また、活性層と、該活性層を挟むクラッド
層構造とを備えた窒化物半導体素子であって、該クラッ
ド層構造と基板との間に薄膜多層構造を有しており、該
薄膜多層構造は高Al組成の層と低Al組成の層から構
成されており、該薄膜多層構造の平均Al組成が該クラ
ッド層構造の平均Al組成と等しいか、あるいは該クラッ
ド層構造の平均Al組成より高い平均Al組成を有してお
り、薄膜多層構造を構成している高Al組成の層と低A
l組成の層のいずれかに不純物が添加してある。
A nitride semiconductor device having an active layer and a clad layer structure sandwiching the active layer, wherein the nitride semiconductor device has a thin film multilayer structure between the clad layer structure and the substrate. The multilayer structure is composed of a layer having a high Al composition and a layer having a low Al composition, and the average Al composition of the thin film multilayer structure is equal to the average Al composition of the clad layer structure or the average Al composition of the clad layer structure. A layer having a higher average Al composition and a higher Al composition and a lower A constituting a thin film multilayer structure.
Impurities are added to any of the layers having the l composition.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を用いて詳細に説明する。本発明の製造方法は、
窒化物半導体の成長方法はMOVPE法に限定するものでは
なく、ハイドライド気相成長法(H-VPE法)や分子線エ
ピタキシー法(MBE法)など、窒化物半導体層を成長さ
せるためにこれまで提案されている全ての方法に適用で
きる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. The manufacturing method of the present invention is
The nitride semiconductor growth method is not limited to the MOVPE method, and has been proposed so far for growing a nitride semiconductor layer such as a hydride vapor phase epitaxy method (H-VPE method) and a molecular beam epitaxy method (MBE method). It can be applied to all the methods described.

【0013】(実施の形態1)図1は第1の実施例を示
すGaN系半導体レーザの構造断面図である。図1に示
すレーザの作製方法は以下の通りである。
(First Embodiment) FIG. 1 is a structural sectional view of a GaN-based semiconductor laser showing a first embodiment. The method for manufacturing the laser shown in FIG. 1 is as follows.

【0014】まず、サファイア基板1上に500℃でTM
GとNH3とを供給してGaNバッファ層2を堆積する。そ
の後、1020℃まで昇温させ、TMG、SiH4、TMA等を供給し
てn-Al0.15Ga0.85N層3、n-Al0.07Ga0.93Nク
ラッド層4、n-GaN光ガイド層5、多重量子井戸(MQ
W)活性層6、p-GaN光ガイド層7、p-Al0.07Ga
0.93Nクラッド層8、p-GaNコンタクト層9が順次
積層される。p-GaNコンタクト層9およびp-Al
0.07Ga0.93Nクラッド層8は、水平横モードの制御の
ために、リッジストライプ状に加工されている。ストラ
イプ幅は3〜5ミクロン程度である。p-GaNコンタ
クト層9上にはp電極10が形成され、リッジの側壁は
絶縁膜11で覆われている。絶縁膜11の開口部のp電
極10表面と、絶縁膜11の一部には配線電極12が設
けられている。また、n-Al0.15Ga0.85N層3の一部
が露出するまでエッチングを行った表面には、n電極1
3が形成されている。
First, TM is placed on the sapphire substrate 1 at 500.degree.
G and NH 3 are supplied to deposit the GaN buffer layer 2. After that, the temperature is raised to 1020 ° C., TMG, SiH 4 , TMA, etc. are supplied to supply n-Al 0.15 Ga 0.85 N layer 3, n-Al 0.07 Ga 0.93 N cladding layer 4, n-GaN optical guide layer 5, multiple layers. Quantum well (MQ
W) Active layer 6, p-GaN optical guide layer 7, p-Al 0.07 Ga
The 0.93 N cladding layer 8 and the p-GaN contact layer 9 are sequentially stacked. p-GaN contact layer 9 and p-Al
The 0.07 Ga 0.93 N cladding layer 8 is processed into a ridge stripe shape for controlling the horizontal transverse mode. The stripe width is about 3-5 microns. A p-electrode 10 is formed on the p-GaN contact layer 9, and the sidewall of the ridge is covered with an insulating film 11. A wiring electrode 12 is provided on the surface of the p-electrode 10 in the opening of the insulating film 11 and a part of the insulating film 11. The surface of the n-Al 0.15 Ga 0.85 N layer 3 which was etched until a part of the N-layer 3 was exposed had an n-electrode 1
3 is formed.

【0015】本素子においてn電極13とp電極10の
間に電圧を印加すると、MQW活性層6に向かってp電
極10から正孔(ホール)がn電極13から電子が注入
され、活性層で利得を生じ、405nmの波長でレーザ発振
を起こす。MQW活性層6は厚さ2.5nmのGa0.8In0.2N井
戸層と厚さ6.0nmのGaNバリア層から構成されてい
る。
In this device, when a voltage is applied between the n-electrode 13 and the p-electrode 10, holes are injected from the p-electrode 10 toward the MQW active layer 6 and electrons are injected from the n-electrode 13 to the active layer. Gain is generated and laser oscillation occurs at a wavelength of 405 nm. The MQW active layer 6 is composed of a Ga 0.8 In 0.2 N well layer having a thickness of 2.5 nm and a GaN barrier layer having a thickness of 6.0 nm.

【0016】図1に示す構造で特徴的なことは、バッフ
ァー層2の直上にn-Al0.15Ga0. 85N層3が存在する
ことである。この層の厚さは4ミクロンと十分に厚い。
したがって、垂直方向も十分に光を閉じ込めることがで
き、安定な垂直横モードでレーザ発振を生じることがで
きる。ただし、n-Al0.07Ga0.93Nクラッド層4とn-
Al0.15Ga0.85N層3のトータルの厚さが1ミクロン
以上であれば、安定な垂直横モードを得ることが可能と
なる。
The structural characteristic that a shown in FIG. 1, is that the n-Al 0.15 Ga 0. 85 N layer 3 is present immediately above the buffer layer 2. This layer is thick enough at 4 microns.
Therefore, light can be sufficiently confined in the vertical direction, and laser oscillation can be generated in a stable vertical transverse mode. However, n-Al 0.07 Ga 0.93 N cladding layer 4 and n-
If the total thickness of the Al 0.15 Ga 0.85 N layer 3 is 1 μm or more, a stable vertical transverse mode can be obtained.

【0017】図1においてn-AlGaN層3のAl組成
は0.13としたが、クラッド層4のAl組成と同じ
か、高ければ良い。すなわち、クラッド層4の屈折率と
同じか、小さい屈折率を有する材料を選択することが垂
直横モードの安定化のためには重要である。
Although the Al composition of the n-AlGaN layer 3 is 0.13 in FIG. 1, it may be the same as or higher than the Al composition of the cladding layer 4. That is, it is important for stabilizing the vertical transverse mode to select a material having a refractive index equal to or smaller than that of the cladding layer 4.

【0018】この構造でn-AlGaN層3を設けた理由
は、垂直横モードの安定化のためだけではない。この層
の存在でクラックの発生を大きく抑制できるからであ
る。
The reason for providing the n-AlGaN layer 3 in this structure is not only for stabilizing the vertical transverse mode. This is because the presence of this layer can greatly suppress the occurrence of cracks.

【0019】図1において、n-Al0.07Ga0.93Nクラ
ッド層4と基板との間には、バッファー層を除いて、A
l組成の低い層(従来の図5に示されるn-GaN層50
3)は存在していない。基板(またはバッファー層)か
ら活性層に向けて、n-Al0. 15Ga0.85N層3、n-Al
0.07Ga0.93Nクラッド層4、n-GaN光ガイド層5
と、Al組成が段階的に(単調に)減少している。この
ような構成とすることで、従来生じていたクラックが発
生しないことを筆者らは実験的に見出した。クラック発
生を抑制できた原因は、明確にわかっているわけではな
いが、熱膨張係数の違いに起因する応力の加わる方向が
一定となるためと考えられる。冷却時にクラックが生じ
ないことから、活性層を高品質とすることができ、信頼
性の高いデバイスを得ることができる。
In FIG. 1, between the n-Al 0.07 Ga 0.93 N cladding layer 4 and the substrate, except for the buffer layer, A
layer having a low l composition (conventional n-GaN layer 50 shown in FIG. 5)
3) does not exist. From the substrate (or buffer layer) toward the active layer, n-Al 0. 15 Ga 0.85 N layer 3, n-Al
0.07 Ga 0.93 N cladding layer 4, n-GaN optical guide layer 5
Then, the Al composition decreases stepwise (monotonically). The authors have experimentally found that with such a configuration, cracks that have conventionally occurred do not occur. The reason why the crack generation can be suppressed is not clear, but it is considered that the direction in which the stress is applied due to the difference in the thermal expansion coefficient becomes constant. Since no cracks are generated during cooling, the active layer can have high quality and a highly reliable device can be obtained.

【0020】(実施の形態2)実施の形態1では、垂直
横モードの安定化およびクラック抑制のために、単一の
AlGaN層3を付加した。ここでは、基板1から活性
層へ向けて、段階的にあるいは線形的にAl組成が減少
する場合について述べる。
(Embodiment 2) In Embodiment 1, a single AlGaN layer 3 is added to stabilize the vertical transverse mode and suppress cracks. Here, the case where the Al composition decreases stepwise or linearly from the substrate 1 to the active layer will be described.

【0021】図2に示す構造では、サファイア基板1上
に、GaNバッファ層201、n-Al0.2Ga0.8N層2
02、n-Al0.16Ga0.84N層203、n-Al0.12Ga
0.88N層204、n-Al0.1Ga0.9N層205、n-Al
0.07Ga0.93Nクラッド層4が積層されている。クラッ
ド層4上の構造は図1の構造と同様である。
In the structure shown in FIG. 2, the GaN buffer layer 201 and the n-Al 0.2 Ga 0.8 N layer 2 are formed on the sapphire substrate 1.
02, n-Al 0.16 Ga 0.84 N layer 203, n-Al 0.12 Ga
0.88 N layer 204, n-Al 0.1 Ga 0.9 N layer 205, n-Al
A 0.07 Ga 0.93 N cladding layer 4 is laminated. The structure on the clad layer 4 is similar to the structure in FIG.

【0022】このように多段階でAl組成を減少させる
ことで、図1の構造よりもさらにクラック発生を抑制で
き、歩留まりを向上させることができる。
By thus reducing the Al composition in multiple stages, it is possible to further suppress the occurrence of cracks and improve the yield as compared with the structure of FIG.

【0023】また、図2の構造はAl組成が図3(a)
に示すように階段状に減少しているが、図3(b)のよ
うに、バッファー層から活性層に向けて線形的に単調減
少させても構わない。この場合、Alを含有する層全体
がクラッド層を兼ねている。あくまでAlを含有する層
とバッファー層との間にGaN層がないことが、垂直横
モードの安定化とクラック抑制のために必要となる。
Further, the structure of FIG. 2 has an Al composition of FIG.
However, it may be linearly and monotonically decreased from the buffer layer toward the active layer as shown in FIG. 3B. In this case, the entire Al-containing layer also serves as the cladding layer. The absence of a GaN layer between the Al-containing layer and the buffer layer is absolutely necessary for stabilizing the vertical transverse mode and suppressing cracks.

【0024】(実施の形態3)実施の形態1および実施
の形態2では、クラッド層4とバッファー層との間のA
lを含有する層が厚膜の場合について説明した。ここで
は、クラック抑制のために特殊な薄膜多層構造を用いる
場合について説明する。ここで言う“薄膜”とは、光が
その膜の屈折率の変化の影響を大きく受けないくらいの
厚さのことを言い、λ/(4n)以下の膜厚を有する層
を言う。ここで、λはレーザの発振波長、nは層の屈折
率である。
(Third Embodiment) In the first and second embodiments, A between the cladding layer 4 and the buffer layer is
The case where the layer containing 1 is a thick film has been described. Here, a case where a special thin film multilayer structure is used for crack suppression will be described. The "thin film" referred to here means a thickness at which light is not significantly affected by a change in the refractive index of the film, and means a layer having a film thickness of λ / (4n) or less. Here, λ is the oscillation wavelength of the laser, and n is the refractive index of the layer.

【0025】図4はバッファ層とn-GaN光ガイド層
の間に設けた層のAl組成分布を示したものである。図
4(a)では、n-AlGaNクラッド層にAl組成8
%(一定)の層を用いており、クラッド層とバッファー
層の間には、特殊な薄膜多層構造が設けられている。こ
の薄膜多層構造は、高Al組成のAlGaN(Al組成
=18%)とGaN層から構成されており、膜厚は5n
mである。この薄膜多層構造の平均Al組成は9%であ
り、n-AlGaNクラッド層のAl組成よりも高くし
てある。
FIG. 4 shows the Al composition distribution of the layer provided between the buffer layer and the n-GaN optical guide layer. In FIG. 4A, the Al composition 8 is added to the n-AlGaN cladding layer.
% (Constant) layer is used, and a special thin film multilayer structure is provided between the cladding layer and the buffer layer. This thin film multilayer structure is composed of AlGaN (Al composition = 18%) having a high Al composition and a GaN layer, and has a film thickness of 5 n.
m. The average Al composition of this thin film multilayer structure is 9%, which is higher than the Al composition of the n-AlGaN cladding layer.

【0026】薄膜多層構造を構成する層の膜厚は5nm
と非常に薄いために、光はその屈折率変化の影響を受け
ることはない。したがって、光は薄膜多層構造の平均的
な屈折率によって閉じ込められることになる。薄膜多層
構造のトータルの厚さは1ミクロン程度であり、安定な
垂直横モードでレーザ発振することができる。効果的に
光を閉じ込めるために、AlGaN層のAl組成は0.
1以上が望ましい。
The film thickness of the layers constituting the thin film multilayer structure is 5 nm.
Since it is very thin, the light is not affected by the change in its refractive index. Therefore, light is confined by the average refractive index of the thin film multilayer structure. The total thickness of the thin film multi-layer structure is about 1 micron, and laser oscillation can be performed in a stable vertical transverse mode. In order to effectively confine light, the Al composition of the AlGaN layer is 0.
1 or more is desirable.

【0027】実施の形態1および実施の形態2では、A
lを含有する層とバッファー層との間にGaN層がない
ことがクラック抑制のために必要となると説明した。図
4においては、クラッド層の下部にGaN層(5nm)
が存在していることになる。しかしながら、非常に薄く
し、また多層構造とすることで、冷却時におけるクラッ
ク発生を抑制できることが実験的にわかっている。Ga
N層を挟んでいるAl0.18Ga0.82N層が熱収
縮による歪みを緩和しているためと思われる。すなわ
ち、歪緩和層として機能している。
In the first and second embodiments, A
It was explained that the absence of a GaN layer between the layer containing 1 and the buffer layer is necessary for crack suppression. In FIG. 4, a GaN layer (5 nm) is formed under the cladding layer.
Will exist. However, it has been experimentally found that the generation of cracks during cooling can be suppressed by making the layer very thin and having a multi-layer structure. Ga
It is considered that the Al0.18Ga0.82N layer sandwiching the N layer relaxes the strain due to thermal contraction. That is, it functions as a strain relaxation layer.

【0028】図4(b)では、クラッド層も薄膜多層構
造(図中では第二の薄膜多層構造と記載)となってい
る。ここで、クラッド層の平均Al組成が、クラッド層
下部の第一の薄膜多層構造の平均Al組成よりも低くし
てあり、このことがクラック抑制には大切である。
In FIG. 4B, the clad layer also has a thin film multi-layer structure (described as a second thin film multi-layer structure in the drawing). Here, the average Al composition of the clad layer is lower than the average Al composition of the first thin film multilayer structure below the clad layer, which is important for crack suppression.

【0029】図4では、高Al組成の層としてAl0.18
Ga0.82Nを低Al組成の層としてGaNを用いて説明
したが、Al組成に差があればよく、いずれの層もAl
を含有しても構わない。
In FIG. 4, Al 0.18 is formed as a layer having a high Al composition.
Although Ga 0.82 N has been described using GaN as a layer having a low Al composition, it is sufficient if there is a difference in Al composition.
May be included.

【0030】さらにクラックを抑制するためには、不純
物のドーピング量を低減させることも効果的である。
Further, in order to suppress cracks, it is also effective to reduce the doping amount of impurities.

【0031】アンドープAlxGa1-xN(0≦x≦1)
に比べn型AlxGa1-xNの方がクラックが発生しやす
い傾向にある。図4において、薄膜多層構造を構成する
層のいずれか一方に不純物を添加することで、よりクラ
ック発生を抑えることができる。特に、バンドギャップ
の大きなAlGaN層にドーピングする方が、多数キャ
リア(電子)の活性層への注入を妨げることがないた
め、望ましい。n型不純物としては、SiやSeが望ま
しい。
Undoped Al x Ga 1-x N (0≤x≤1)
In comparison with n-type Al x Ga 1 -x N, cracks tend to occur more easily. In FIG. 4, the generation of cracks can be further suppressed by adding impurities to either one of the layers forming the thin film multilayer structure. In particular, it is preferable to dope the AlGaN layer having a large band gap, because it does not hinder the injection of majority carriers (electrons) into the active layer. Si or Se is preferable as the n-type impurity.

【0032】本発明では、GaN系半導体レーザを例に取
って説明したが、発光ダイオードや電子デバイス等の活
性領域を成長させる際にも本発明の効果は大きいことは
言うまでもない。発光ダイオードではクラックの発生を
抑制でき、高品質の活性層が得られるために、発光効率
を向上させることができる。また、電子デバイスではキ
ャリアの移動度が大きく向上する。
Although the present invention has been described by taking the GaN semiconductor laser as an example, it is needless to say that the present invention has a great effect also in growing an active region of a light emitting diode, an electronic device or the like. In the light emitting diode, generation of cracks can be suppressed and a high quality active layer can be obtained, so that the light emitting efficiency can be improved. In addition, the mobility of carriers is greatly improved in electronic devices.

【0033】また、実施の形態1〜実施の形態3まで個
々に説明したが、これらを組み合わせても本発明の効果
は大きいことは言うまでもない。例えば、図4の薄膜多
層構造のAl組成を活性層へ向かって徐々に減少させて
もよい。
Although the first to third embodiments have been individually described, it goes without saying that the effects of the present invention are great even if they are combined. For example, the Al composition of the thin film multilayer structure of FIG. 4 may be gradually decreased toward the active layer.

【0034】[0034]

【発明の効果】以上説明したように、本発明のGaN系
半導体素子は、基板とクラッド層との間に、該クラッド
層のAl組成と等しいか、あるいは該クラッド層のAl組成
より高いAlを含有するGaN系半導体層(ただし、バッ
ファー層は除く)を有することにより、クラックを抑制
することが可能となって該クラッド層上に高品質の活性
層が積層でき、同時に垂直横モードを安定化させること
が可能となり、結果として信頼性が高く、かつ光ディス
クに用いる際に不具合の生じないデバイスを得ることが
できる。
As described above, in the GaN-based semiconductor device of the present invention, Al between the substrate and the clad layer is equal to or higher than the Al composition of the clad layer. By including the GaN-based semiconductor layer (excluding the buffer layer), cracks can be suppressed, a high-quality active layer can be stacked on the clad layer, and the vertical transverse mode can be stabilized at the same time. As a result, it is possible to obtain a device that is highly reliable and has no problems when used for an optical disc.

【0035】また、本発明のGaN系半導体素子は、活
性層を挟むクラッド層構造を備えており、該クラッド層
構造と基板との間に薄膜多層構造を有しており、該薄膜
多層構造は高Al組成の層と低Al組成の層から構成さ
れており、該薄膜多層構造の平均Al組成が該クラッド
層構造の平均Al組成と等しいか、あるいは該クラッド層
構造の平均Al組成より高い平均Al組成を有しており、
そのために、クラック抑制により高品質の活性層が積層
でき、同時に垂直横モードを安定化させることが可能と
なり、結果として信頼性が高く、かつ光ディスクに用い
る際に不具合の生じないデバイスを得ることができる。
The GaN-based semiconductor device of the present invention has a clad layer structure sandwiching the active layer, and has a thin film multilayer structure between the clad layer structure and the substrate. An average Al composition of the thin film multilayer structure is equal to the average Al composition of the clad layer structure, or is higher than the average Al composition of the clad layer structure. Has an Al composition,
Therefore, it is possible to stack a high-quality active layer by suppressing cracks and stabilize the vertical transverse mode at the same time, and as a result, it is possible to obtain a device that is highly reliable and has no problems when used in an optical disk. it can.

【0036】また、薄膜多層構造を構成している高Al
組成の層と低Al組成の層のいずれかに不純物が添加し
てあることで、さらにクラック発生を防止でき、高品質
の活性層を得ることができる。
In addition, the high Al that constitutes the thin film multilayer structure
By adding impurities to either the composition layer or the low Al composition layer, the occurrence of cracks can be further prevented and a high-quality active layer can be obtained.

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

【図1】本発明の第1の実施の形態を示すGaN系半導体
レーザの素子断面図
FIG. 1 is an element cross-sectional view of a GaN-based semiconductor laser showing a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第2の実施の形態を示すGaN系半導体
レーザの素子断面図
FIG. 2 is a device sectional view of a GaN semiconductor laser showing a second embodiment of the present invention.

【図3】AlGaN層のAl組成のプロファイルを示す
FIG. 3 is a diagram showing a profile of Al composition of an AlGaN layer.

【図4】AlGaN層のAl組成のプロファイルを示す
FIG. 4 is a diagram showing a profile of Al composition of an AlGaN layer.

【図5】従来のGaN系量子井戸半導体レーザの素子断面
FIG. 5 is a device sectional view of a conventional GaN-based quantum well semiconductor laser.

【図6】従来の課題を説明するための図で、半導体レー
ザの構成材料の屈折率分布と光の分布を示した図
FIG. 6 is a diagram for explaining a conventional problem, showing a refractive index distribution and a light distribution of constituent materials of a semiconductor laser.

【図7】従来の課題を説明するための図FIG. 7 is a diagram for explaining a conventional problem.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 サファイア基板 2 バッファー層 3 n-Al0.15Ga0.85N層 4 n-Al0.07Ga0.93Nクラッド層 5 n-GaN光ガイド層 6 MQW活性層 7 p-GaN光ガイド層 8 p-Al0.07Ga0.93Nクラッド層 9 p-GaNコンタクト層 10 p電極 11 絶縁膜 12 配線電極 13 n電極 201 GaNバッファー層 202 n-Al0.2Ga0.8N層 203 n-Al0.16Ga0.84N層 204 n-Al0.12Ga0.88N層 205 n-Al0.1Ga0.9N層 301 サファイア基板 302 バッファー層 303 n-GaN層 304 n-AlGaNクラッド層 305 n-GaN光ガイド層 306 MQW活性層 307 p-GaN光ガイド層 308 p-AlGaNクラッド層 309 p-GaNコンタクト層 310 p電極 311 SiO2 312 n電極1 Sapphire substrate 2 Buffer layer 3 n-Al 0.15 Ga 0.85 N layer 4 n-Al 0.07 Ga 0.93 N cladding layer 5 n-GaN optical guide layer 6 MQW active layer 7 p-GaN optical guide layer 8 p-Al 0.07 Ga 0.93 N cladding layer 9 p-GaN contact layer 10 p electrode 11 insulating film 12 wiring electrode 13 n electrode 201 GaN buffer layer 202 n-Al 0.2 Ga 0.8 N layer 203 n-Al 0.16 Ga 0.84 N layer 204 n-Al 0.12 Ga 0.88 N layer 205 n-Al 0.1 Ga 0.9 N layer 301 Sapphire substrate 302 Buffer layer 303 n-GaN layer 304 n-AlGaN cladding layer 305 n-GaN light guide layer 306 MQW active layer 307 p-GaN light guide layer 308 p-AlGaN Cladding layer 309 p-GaN contact layer 310 p electrode 311 SiO 2 312 n electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伴 雄三郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 5F073 AA11 AA13 AA45 AA51 AA74 AA89 CA07 CB05 CB07 DA05 DA35 EA18    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor, Yuzaburo Ban             1006 Kadoma, Kadoma-shi, Osaka Matsushita Electric             Sangyo Co., Ltd. F-term (reference) 5F073 AA11 AA13 AA45 AA51 AA74                       AA89 CA07 CB05 CB07 DA05                       DA35 EA18

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】活性層と、該活性層を挟むクラッド層とを
備えた窒化物半導体素子であって、該活性層と基板との
間の第一のクラッド層がAlを含有しており、さらに該第
一のクラッド層と基板との間に、該第一のクラッド層の
Al組成と等しいか、あるいは該第一のクラッド層のAl組
成より高いAlを含有する窒化物半導体層(ただし、バッ
ファー層は除く)を有している窒化物半導体素子。
1. A nitride semiconductor device comprising an active layer and a clad layer sandwiching the active layer, wherein the first clad layer between the active layer and the substrate contains Al, Furthermore, between the first clad layer and the substrate,
A nitride semiconductor device having a nitride semiconductor layer (excluding a buffer layer) containing Al equal to or higher than the Al composition of the first cladding layer.
【請求項2】活性層と、該活性層を挟むクラッド層構造
とを備えた窒化物半導体素子であって、該クラッド層構
造と基板との間に薄膜多層構造を有しており、該薄膜多
層構造は高Al組成の層と低Al組成の層から構成され
ており、該薄膜多層構造の平均Al組成が該クラッド層
構造の平均Al組成と等しいか、あるいは該クラッド層構
造の平均Al組成より高い平均Al組成を有する窒化物半
導体素子。
2. A nitride semiconductor device comprising an active layer and a cladding layer structure sandwiching the active layer, wherein the nitride semiconductor device has a thin film multilayer structure between the cladding layer structure and a substrate. The multilayer structure is composed of a layer having a high Al composition and a layer having a low Al composition, and the average Al composition of the thin film multilayer structure is equal to the average Al composition of the clad layer structure or the average Al composition of the clad layer structure. A nitride semiconductor device having a higher average Al composition.
【請求項3】薄膜多層構造を構成している層の厚さがλ
/(4n)以下である請求項2に記載の窒化物半導体素
子。
3. The thickness of the layers constituting the thin film multilayer structure is λ.
/ (4n) or less, The nitride semiconductor element of Claim 2.
【請求項4】活性層と、該活性層を挟むクラッド層構造
とを備えた窒化物半導体素子であって、該クラッド層構
造と基板との間に薄膜多層構造を有しており、該薄膜多
層構造は高Al組成の層と低Al組成の層から構成され
ており、該薄膜多層構造の平均Al組成が該クラッド層
構造の平均Al組成と等しいか、あるいは該クラッド層構
造の平均Al組成より高い平均Al組成を有しており、薄
膜多層構造を構成している高Al組成の層と低Al組成
の層のいずれかに不純物が添加してある窒化物半導体素
子。
4. A nitride semiconductor device comprising an active layer and a clad layer structure sandwiching the active layer, the nitride semiconductor device having a thin film multilayer structure between the clad layer structure and a substrate. The multilayer structure is composed of a layer having a high Al composition and a layer having a low Al composition, and the average Al composition of the thin film multilayer structure is equal to the average Al composition of the clad layer structure or the average Al composition of the clad layer structure. A nitride semiconductor device having a higher average Al composition and having impurities added to either a high Al composition layer or a low Al composition layer forming a thin film multilayer structure.
【請求項5】薄膜多層構造を構成している高Al組成の
層に不純物が添加してある請求項4に記載の窒化物半導
体素子。
5. The nitride semiconductor device according to claim 4, wherein impurities are added to a layer having a high Al composition that constitutes a thin film multilayer structure.
【請求項6】高Al組成の層がAlxGa1-xN(0.1<x≦1)
であることを特徴とする請求項2から5のいずれかに記
載の窒化物半導体素子。
6. A layer of high Al composition is Al x Ga 1-x N (0.1 <x ≦ 1)
The nitride semiconductor device according to any one of claims 2 to 5, wherein
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