JP2004172382A - Nitride semiconductor light emitting element and method for manufacturing the same - Google Patents

Nitride semiconductor light emitting element and method for manufacturing the same Download PDF

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智輝 大野
Shigetoshi Ito
茂稔 伊藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize the reduction of an oscillation threshold and the improvement of yield by improving light emitting efficiency at the central wavelength of a laser. <P>SOLUTION: A nitride semiconductor light emitting element is configured by successively setting a lower cladding layer constituted of a nitride semiconductor containing Al and Ga, a lower guide layer constituted of a nitride semiconductor primarily containing In and Ga, and an active layer containing a nitride semiconductor primarily containing In and Ga on a substrate. Further, in the element the lower guide layer is provided with a first layer, and a second layer whose content of In is larger than that of the first layer successively from the active layer. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、活性層の発光効率を改善した窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
窒化物半導体発光素子は、発振波長が400nm前後であり、光ディスクシステム用として開発が進められている。また、高出力まで耐久性があるため、ハイパワー光源やパルス発振器など応用分野は広く検討されている。様々な用途に用いるにあたって、発振閾値の低減が重要な問題点であり、基板の改善やエピタキシャル成長技術、多重量子井戸活性層など様々な改良が行なわれている。従来の改良された窒化物半導体発光素子の構造を図14に示す(特許文献1参照)。
【0003】
図14に示すとおり、この発光素子は、サファイア基板451上に、バッファ層452、n型コンタクト層453、第2のn型クラッド層454、第1のn型クラッド層455、活性層456、第1のp型クラッド層457、第2のp型クラッド層458、p型コンタクト層459を順次積層したものである。InとGaを含有する窒化物半導体からなる第1のn型クラッド層455あるいは第1のp型クラッド層457を設けることによって、活性層456の結晶性を改善し、発光効率を高めている。
【0004】
しかしながら、先例に従った窒化物半導体発光素子を発振閾値以下で動作させて、数μmのスポットサイズでウェハ裏面から発光スペクトルを観察したところ、いくつかの特徴が見られる。レーザ共振器内のスポット位置を変えて測定すると、最大強度が得られる波長がばらつき、発光スペクトルの半値全幅が広かったり、440nm以上の長波長領域にサブピークが見られることが多い。このような窒化物半導体発光素子は、単峰的かつ半値全幅の狭い発光スペクトルを有する窒化物半導体発光素子と比較して、誘導放出確率が低いため、発振閾値が高い。
【0005】
また、先例に従ったInとGaとを含有する窒化物半導体からなるnガイド層を設ける発光素子も既に開示されており、GaNあるいはAlGaNからなる層上にInGaNからなる活性層を設ける場合に見られた、結晶性の悪化を抑制している(特許文献1、特許文献2および特許文献3参照)。しかしながら、本研究者により詳細に検討した結果、これらの構造では効果が十分とは言えない。
【0006】
【特許文献1】
特開平8−228025号公報
【0007】
【特許文献2】
特開平9−266327号公報
【0008】
【特許文献3】
特開平11−330614号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、レーザの中心波長における発光効率を改善することで、発振閾値の低減および歩留りの改善を図ることにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物半導体発光素子は、AlとGaとを含有する窒化物半導体からなる下部クラッド層と、InとGaとを主に含有する窒化物半導体からなる下部ガイド層と、InとGaとを主に含有する窒化物半導体を含む活性層とを基板上に順次設け、下部ガイド層が、活性層から順に第1の層と、第1の層よりもInの含有率が大きい第2の層とを有することを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明の窒化物半導体発光素子は、下部クラッド層と活性層の間に積層する下部ガイド層が、活性層から順に第1の層と、第1の層よりもInの含有率が大きい第2の層とを有することを特徴とする。活性層の下層の構造を検討した結果、n−クラッド層と活性層の間に、InとGaとを主に含む窒化物半導体からなる下部ガイド層を設け、下部ガイド層には、活性層から順に第1の層および第2の層があって、第2の層のInの含有率が、活性層における井戸層のInの含有率とほぼ等しくすることにより、活性層からの発光スペクトルは単峰的かつ半値全幅が狭くなり、発振閾値が低くすることができる。第2の層は、n型不純物を添加してあってもよく、不純物を添加してなくてもよい。
【0012】
第2の層が活性層に非常に近い場合、p型電極およびn型電極から注入されたキャリアの一部が第2の層で再結合されるため、第2の層も発光層として機能する。また、活性層の実質的なバンドギャップと第2の層の実質的なバンドギャップが異なる場合には、どちらか一方の誘導放出確率が低下する。バンドギャップがほぼ同じであっても、第2の層は下地の影響により発光効率が低く、また、発光層の体積が増加するため、発振閾値電流が上がる。このように第2の層は、p型電極から注入されたホールが流入しないように、活性層における基板側の井戸層までの距離を20nm以上としておくことが望ましい。
【0013】
活性層はInとGaを主に含有し、エピタキシャル成長温度はおおよそ650℃から850℃程度であり、一般的に活性層に隣接する層はAlとGa、あるいはGaを主に含有する窒化物半導体からなり、エピタキシャル成長温度は900℃以上であることが多く、本発明においても1075℃で実施している。なお、本明細書に記載する「主に含有している」は、記載された原料が少なくとも99%含まれていることを意味し、添加される不純物が異なっていてもよい。たとえば、活性層に1%以下のAlが混在してあってもよいという意味である。また、活性層とは、発光に直接寄与している層を指す。量子井戸では電子の広がりを考慮した層を指すこともあるが、特に記載しない限り井戸層のみであっても障壁層をも含んでいてもよい。また、いくつかの量子井戸によって形成される多重量子井戸では、両端に位置する井戸層から井戸層までであっても、障壁層から障壁層までであってもよい。
【0014】
活性層が良好な発光特性を有するためには、Ga、あるいはAlとGaを主に含有する窒化物半導体からなる層とInとGaを主に含有する窒化物半導体からなる活性層の格子定数の違いから、活性層に生じる歪み、および活性層成長後の温度変化、熱履歴による影響を削減する必要がある。活性層の歪み削減には、活性層下部にバッファの役目をする下部ガイド層を設け、下部ガイド層は、InとGaを主に含有する窒化物半導体からなる層とし、下部ガイド層には、活性層における井戸層のInの含有率に近い第2の層を設ける必要がある。活性層成長後には、AlとGaを主に含有する窒化物半導体からなるキャリアブロック層(Alの含有率は0.15以上、望ましくは0.2以上)があって、Gaを主に含有するp型ガイド層、AlとGaを主に含有するp型クラッド層、およびGaを主に含有する窒化物半導体からなるp型コンタクト層が設けられる。これらの層は900℃以上でエピタキシャル成長されることが多いため、少なからず活性層の状態に変化を与える。
【0015】
ところで、活性層などのInを含有する窒化物層では、Inがエネルギ的に安定な偏析された状態になりやすく、活性層成長速度を適当にして層内でのInの拡散を制御し、成長中に中断を用いて積極的に偏析を調整したりすることができる。一方、活性層成長後の温度変化も活性層のInの偏析状態を変化させるため、特に成長温度を激しく上下させるような工程は、活性層の特性を維持するのが困難になるばかりでなく、悪化させる。
【0016】
たとえば、キャリアブロック層成長後、p型のInとGaを主に含有するガイド層であって、成長温度を650℃以上850℃以下で設ける場合、活性層成長後に少なくとも1回の降温および昇温過程が生じる。製造される窒化物半導体発光素子は活性層を安定に成長することが非常に難しく、発振波長がロット間、同一ウェハ内でばらつき、歩留りが低下しやすい。このように活性層成長後の昇温工程後に、低温成長プロセス、特に830℃以下で成長する層を設けないことが望ましく、設ける場合には、少なくとも活性層と100nm程度離間する必要がある。よって、本明細書では、n層のみにInとGaを主に含有する窒化物半導体からなる下部ガイド層を設ける非対称ガイド層構造を配している。光子分布の偏りが生じる場合には活性層とキャリアブロック層の間にInとGaを主に含有する窒化物半導体からなる層を設けることが効果的である。
【0017】
GaN基板上にAlとGaを主に含有する窒化物半導体からなるn型クラッド層があって、さらにGaを主に含有する窒化物半導体からなるn型ガイド層が数十nm積層され、(ただし、かかるn型ガイド層は省略してあってもよい。)、その後、成長温度を730℃程度に降温してから、InとGaを主に含有する窒化物層を含む第2の層を設ける。第2の層の成長温度は650℃から830℃程度が望ましい。ここで基板はGaNに限定されるものではなく、サファイア、SiC、GaAs、Si、ZrBなどであってもよい。ただし、これらの基板であれば、それぞれn型クラッド層下部に適切な窒化物層が挿入される。
【0018】
第2の層の成長後、830℃以下の成長温度で第1の層を積層する。第1の層は、InとGaを主に含有する窒化物半導体である。下部ガイド層の成長開始から活性層の成長開始までの過程における成長温度は830℃以下とし、また、成長温度の変化は80℃以下とする。これによって、基板および活性層下部のAlとGaを主に含有する窒化物半導体層、あるいはGaを主に含有する層から活性層が受けている歪みを緩和することができる。特に第2の層はInの含有率が活性層とほぼ同様であって、第2の層の成長後に積層される活性層は歪みの少ない条件で成長できる。内部ロスの増加が抑えられるため、第2の層はレーザ光をほとんど吸収しないことが望ましいが、レーザ光を吸収する程度に第2の層の実質的なバンドギャップが小さくても、第2の層のキャリア寿命が活性層とほぼ同様であるか、十分長ければ、半導体発光素子がレーザ発振するに伴い、速やかに吸収特性が飽和するために、発振閾値、あるいは実用域の低出力における電流値の上昇は無視することができる。これにより製造された窒化物半導体発光素子を閾値以下で動作させたときの発光スペクトルは単峰的であって、半値全幅は狭くなり、発光効率が向上する。
【0019】
第1の層はSiなどのn型不純物を添加してあっても、不純物を添加してなくてもよいが、第2の層と活性層を少なくとも20nm以上離すのが望ましい。間隔は、第2の層における最上部の井戸層の層上部から、活性層における最下部の井戸層の最下部までの距離を指す。なお、第1の層、第2の層ともに成長中断を数nm〜数10nmの間隔で行なっても良い。これにより成長時のモホロジーが改善されるために良好な活性層の成長が可能になる。なお、活性層の井戸層数や井戸幅に関わらず本発明の効果がある。
【0020】
実施の形態1
窒化物半導体発光素子において、下部クラッド層と活性層の間に下部ガイド層を設け、下部ガイド層が、第1の層と第2の層とを有することにより、電流注入時の発光効率を改善することができる。図1(a)は、実施の形態1で製造する半導体発光素子の共振器方向から見た断面図である。この発光素子は、n型電極1、n−GaN基板2、n−GaN層3、n−AlGaNクラッド層4、n−GaNガイド層5、n−InGaN第3の層6、n−InGaN第2の層7、n−InGaN第1の層8、n−InGaN活性層9、p−AlGaNキャリアブロック層10、p−GaNガイド層11、p−AlGaNクラッド層12、p−GaNコンタクト層13、絶縁層14およびp型電極15からなる。n−InGaN活性層9は、障壁層と井戸層からなり、多重量子井戸(MQW)構造である。図1(b)は、実施の形態1で製造する発光素子の各層のエネルギレベルを示す模式図である。第3の層6と第1の層8のInの含有率は等しくしている。
【0021】
本明細書で記載しているエピタキシャル成長法とは、基板上に結晶膜を成長する方法であって、VPE(気相エピタキシャル)法、CVD(化学気相デポジション)法、MOVPE(有機金属気相エピタキシャル)法、MOCVD(有機金属化学気相デポジション)法、Halide−VPE(ハロゲン化学気相エピタキシャル)法、MBE(分子線エピタキシャル)法、MOMBE(有機金属分子線エピタキシャル)法、GSMBE(ガス原料分子線エピタキシャル)法、CBE(化学ビームエピタキシャル)法を含む。
【0022】
第2の層のInの含有率を変更して自然放出光の半値全幅の変化をSIMSにより調べたところ(図3)、活性層が量子井戸層であるときは、第2の層のInの含有率In(x)2が、活性層における井戸層のIn含有率In(x)0と比較して下記の範囲内にあれば、半値全幅が狭くなり、発光効率が向上するので望ましい。In(x)2−0.10≦In(x)0≦In(x)2+0.10
実施の形態1における第2の層の層厚dは、活性層における井戸層の層厚dと同様になっている。PL(フォトルミネッセンス)測定により第2の層からの発光スペクトルと活性層からの発光スペクトルを比較すると、ほぼ同様のときに最も半値全幅が狭くなる。したがって、活性層の特性向上に効果が見られる条件は、活性層の実質的なバンドギャップをEgとし、第2の層の実質的なバンドギャップをEgとするとき、
Eg−0.35eV≦Eg
であり、第2の層がレーザ光をほとんど吸収しないことがより望ましいため、
Eg−0.05eV≦Eg
であればより望ましい。
【0023】
第2の層の位置については、第2の層の最上部(p型電極側)から活性層の最下部(n型電極側の井戸層の最下部)までの距離をLとすると、
<20nm
のとき、電流注入時に第2の層からの自然放出光(EL:エレクトロルミネッセンス)が観測される。通常、n−InGaN第1の層8においてはホールの移動度は低いが、上記範囲ではホールが第2の層7に注入されてしまうようであり、発振閾値が上昇する。よって、Lは、
≧20nm
が望ましい。一方、第2の層と活性層の間隔を広くしていくと、自然放出光の半値全幅が大きくなり、活性層の結晶性が悪化する。よって、
≦500nm
であることが望ましい。
【0024】
n−InGaN第3の層6およびn−InGaN第1の層8の成長温度について検討する。ここで言う成長温度とは、成長時のウェハの温度を指す。第2の層7および活性層9の成長温度を固定して、n−InGaN第3の層6およびn−InGaN第1の層8の成長温度を変更したところ、第3の層の成長開始から第1の層の成長終了まで、すなわち、下部ガイド層の成長開始から活性層の成長開始までの成長温度の変化ΔTが、
ΔT>80℃
になると、自然放出光の半値全幅が増大し、図5に示すように440nm以上に発光成分がみられ、発光強度が低下する。この成分は活性層のバンドテールか、In含有率の揺らぎの影響と考えている。よって、
ΔT≦80℃
とする必要がある。
【0025】
第2の層7および活性層9の成長温度を高くすると、上記温度差の範囲内でも自然放出光の半値幅が増大することがわかる。したがって、n−InGaN下部ガイド層の成長開始から活性層の成長開始までの各層のすべての成長温度Tは、T≦830℃
とする必要がある。
【0026】
第2の層7の層厚dを検討したところ、上記条件に適合していれば、本明細書の効果が期待できる。具体的な第2の層の層厚dは、第2の層が単一量子井戸であれば、0.5nm〜20nmが望ましい。第2の層の層厚が0.5nm未満になると、Inの原子半径がGaおよびNよりも大きいため、層状に形成されにくくなり、上記の効果を期待し難い。一方、20nmよりも厚くなると、Inの含有率が活性層とほぼ同様であれば、実質的なバンドギャップが小さくなるために内部ロスα[cm−1]の増加が著しく、内部ロスα[cm−1]の増加を抑えるために、Inの含有率が小さくなり、本発明における効果が小さくなる。
【0027】
第3の層6について検討する。第3の層6を省くと、窒化物半導体発光素子の内部ロスα[cm−1]が増加する。n−GaNガイド層5と第2の層7の界面で吸収が生じていると考えられる。このようにInの含有率が大きい第2の層とn−GaNガイド層5を隣接させると、格子不整合が大きく、界面に結晶性の悪い領域が形成されるためと考えられる。よって、第2の層7よりもInの含有率が小さい第3の層8がある方が望ましい。一方、第3の層の層厚dの上限は、活性層の閉じ込め係数や垂直横モードにより規定されるべきパラメータであり、本明細書で述べる効果からは規定されない。ここでいう下部ガイド層とは、n−GaNガイド層5(n−GaNガイド層がない場合はn−AlGaNクラッド層4)と活性層9の間に挟まれた層をいい、InとGaを主に含有する窒化物層であって、第3の層6、第2の層7および第1の層8を含む。ただし、第3の層6が省かれている場合には、第2の層7および第1の層8を含む。
【0028】
n−AlGaNクラッド層4など、n−ガイド層と基板との間の層構造が変わっても本明細書の効果は期待できる。また、n−InGaN第3の層6およびn−InGaN第1の層8からInを除いた場合でも、n−InGaN第2の層7により自然放出光の半値全幅、発光効率の向上が期待できるが、本発明の発光素子よりは効果が小さい。一方、実施の形態1ではGaN基板を用いているが、サファイア、SiC、GaAs、Si、ZrBなどの基板であっても、その効果は期待できる。通常、これらの基板を用いる場合には、基板上にバッファ層があり、その上にAlとGaとを含有するn型窒化物層を設ける。
【0029】
本発明における窒化物半導体発光素子は、リッジ構造を有する。本構造では、リッジ部による電流狭窄と、作りつけの屈折率差により、屈折率導波路構造をなしている。しかしながら、本発明の効果はリッジ構造に限ったものではなく、ストライプ電極による利得導波路構造であったり、リッジ構造の絶縁層がAlとGa、あるいはGaを主に含有する層からなる同一屈折率の埋め込み構造であったり、ブロック構造であってもよく、公知の半導体発光素子の光閉じ込め技術を適用することができる。ただし、第2の層の光閉じ込め係数が変化しないように各層の層厚を若干調整する必要があるが、実施形態1で特に層厚を規定した層、すなわち、第1の層8、第2の層7および第3の層6に関しては前述の範囲に従う。
【0030】
実施の形態2
実施の形態1における第2の層を多重量子井戸構造にすると、窒化物半導体発光素子は、閾値以下で動作させたときの自然放出光のスペクトルが単峰的であって、半値全幅が狭く、発光効率の改善が見られるので望ましい。図6は、本構造における各層のエネルギレベルを示す模式図である。この発光素子は、基板上に、n−AlGaNクラッド層604、n−GaNガイド層605、n−InGaN第3の層606、n−InGaN第2の層607、n−InGaN第1の層608、n−InGaN活性層609、p−AlGaNキャリアブロック層610、p−GaNガイド層611、p−AlGaNクラッド層612が形成されている。
【0031】
多重量子井戸からなる第2の層607における井戸層のInの含有率をIn(x)2`とし、活性層609における井戸層のInの含有率をIn(x)0とすると、
In(x)2`−0.10≦In(x)0≦In(x)2`+0.10
であれば、本明細書の効果が期待できるので望ましい。また、第2の層607の実質的なバンドギャップEg2`とし、活性層609の実質的なバンドギャップをEgとすると、
Eg−0.35eV≦Eg2`
が望ましく、第2の層がレーザ光をほとんど吸収しない方がより望ましいため、
Eg−0.05eV≦Eg2`
がより望ましい。
【0032】
第1の層608のバンドギャップをEg、第3の層606のバンドギャップをEgとすると、
Eg>Eg2`
Eg>Eg2`
が望ましく、多重量子井戸からなる第2の層607の最上部(p型電極側)から活性層の最下部(n型電極側の井戸層の端)までの距離をL1`とすれば、
20nm≦L1`≦500nm
が望ましい。
【0033】
一方、多重量子井戸からなる第2の層のひとつの井戸層の層厚d2`を検討したところ、
0.5nm≦d2`≦20nm
が望ましい。前述のようにInの原子半径がGaおよびNよりも大きいために、層状に形成しにくいことによるものである。
【0034】
実施の形態3
実施の形態3では、実施の形態1におけるn−GaNガイド層を省略した構造について検討する。図7(a)は、半導体発光素子を共振器方向から見たときの断面図である。また、図7(b)は、本構造における各層のエネルギレベルを示す模式図である。この発光素子は、n型電極701、n−GaN基板702、n−GaN層703、n−AlGaNクラッド層704、n−InGaN第3の層706、n−InGaN第2の層707、n−InGaN第1の層708、n−InGaN活性層709、p−AlGaNキャリアブロック層710、p−GaNガイド層711、p−AlGaNクラッド層712、p−GaNコンタクト層713、絶縁層714およびp型電極715からなる。
【0035】
実施の形態1におけるn−GaNガイド層の膜厚を変更すると、活性層の光閉じ込め係数が変化する。第3の層、第2の層、第1の層はn側の光ガイド層としても機能するため、n−GaNガイド層がなくても伝播光は活性層の周りに閉じ込められる。特に、第1の層から第3の層が厚い場合には、n−GaNガイド層を設けない方が、活性層の閉じ込め係数を高くすることができので望ましい。このように製造された窒化物半導体発光素子は、閾値以下で動作させたときの自然放出光スペクトルが単峰的であって、発光効率が改善する。
【0036】
実施の形態4
実施の形態4では、実施の形態1におけるn−InGaN第1の層のInの含有率を変更した構造について検討する。図8(a)は、n−InGaN第1の層のInの含有率を下げた半導体発光素子を、共振器方向から見た断面図である。図8(b)は、本構造における各層のエネルギレベルを示す模式図である。この発光素子は、n型電極801、n−GaN基板802、n−GaN層803、n−AlGaNクラッド層804、n−GaNガイド層805、n−InGaN第3の層806、n−InGaN第2の層807、n−InGaN第1の層808、n−InGaN活性層809、p−AlGaNキャリアブロック層810、p−GaNガイド層811、p−AlGaNクラッド層812、p−GaNコンタクト層813、絶縁層814およびp型電極815からなる。
【0037】
図9(a)は、n−InGaN第1の層のInの含有率を上げた半導体発光素子を、共振器方向から見た断面図である。図9(b)は、本構造における各層のエネルギレベルを示す模式図である。この発光素子は、n型電極901、n−GaN基板902、n−GaN層903、n−AlGaNクラッド層904、n−GaNガイド層905、n−InGaN第3の層906、n−InGaN第2の層907、n−InGaN第1の層908、n−InGaN活性層909、p−AlGaNキャリアブロック層910、p−GaNガイド層911、p−AlGaNクラッド層912、p−GaNコンタクト層913、絶縁層914およびp型電極915からなる。
【0038】
図10(a)は、n−InGaN第1の層のInの含有率が単一ではなく、Inの含有率が異なる領域が2つ以上ある半導体発光素子を、共振器方向から見た断面図である。図10(b)は、本構造における各層のエネルギレベルを示す模式図である。この発光素子は、n型電極101、n−GaN基板102、n−GaN層103、n−AlGaNクラッド層104、n−GaNガイド層105、n−InGaN第3の層106、n−InGaN第2の層107、n−InGaN第1の層108、n−InGaN活性層109、p−AlGaNキャリアブロック層110、p−GaNガイド層111、p−AlGaNクラッド層112、p−GaNコンタクト層113、絶縁層114およびp型電極115からなる。
【0039】
図11(a)は、n−InGaN第1の層のInの含有率が連続的に変化している半導体発光素子を、共振器方向から見た断面図である。図11(b)は、本構造における各層のエネルギレベルを示す模式図である。この発光素子は、n型電極151、n−GaN基板152、n−GaN層153、n−AlGaNクラッド層154、n−GaNガイド層155、n−InGaN第3の層156、n−InGaN第2の層157、n−InGaN第1の層158、n−InGaN活性層159、p−AlGaNキャリアブロック層160、p−GaNガイド層161、p−AlGaNクラッド層162、p−GaNコンタクト層163、絶縁層164およびp型電極165からなる。
【0040】
第1の層の実質的なバンドギャップをEgとし、活性層の実質的なバンドギャップをEgとするとき、活性層におけるキャリア閉じ込め効果を得るため、
Eg<Eg
が望ましい。また、第1の層のInの含有率をIn(x)1とし、活性層における障壁層のInの含有率In(x)0`とするとき、
In(x)0`−0.02≦In(x)1≦In(x)0`+0.02
0≦In(x)1
が望ましい。
【0041】
このように製造された窒化物半導体発光素子は、閾値以下で動作させたときの自然放出光スペクトルが単峰的であって、発光効率の改善が期待される。n−InGaN第1の層は、第2の層から活性層成長における成長過程において成長温度変化を極力抑えるために、Inをわずかに混晶させている。したがって、その含有率は狭域に限定されるものではないが、活性層へのキャリア閉じ込め効果を高め、閾値を下げることができる点で、第1の層のInの含有率は、活性層における井戸層のInの含有率より小さいことが望ましい。
【0042】
実施の形態5
実施の形態5では、実施の形態1における第3の層が、第3の層よりもInの含有率が大きい第4の層を有する構造について検討する。図12(a)は、半導体発光素子を共振器方向から見たときの断面図である。図12(b)は、本構造における各層のエネルギレベルを示す模式図である。この発光素子は、n型電極251、n−GaN基板252、n−GaN層253、n−AlGaNクラッド層254、n−GaNガイド層255、n−InGaN第3の層256、n−InGaN第4の層250、n−InGaN第2の層257、n−InGaN第1の層258、n−InGaN活性層259、p−AlGaNキャリアブロック層260、p−GaNガイド層261、p−AlGaNクラッド層262、p−GaNコンタクト層263、絶縁層264およびp型電極265からなる。
【0043】
実施の形態1において第2の層は、基板やn−AlGaNクラッド層およびn−GaNガイド層から活性層にかかる歪みを緩和する役割も果たしており、実施の形態5における第4の層250はその効果を助長するものである。具体的には第4の層250の実質的なバンドギャップをEgとし、第4の層のInの含有率をIn(x)4とするとき、
In(x)3<In(x)4
かつ
In(x)0−0.10≦In(x)4≦In(x)0+0.10
が望ましい。また、活性層の特性向上に効果が見られる条件は、
Eg−0.35eV≦Eg
であり、第2の層がレーザ光をほとんど吸収しない方がよいため、
Eg−0.05eV≦Eg
がより望ましい。
【0044】
このように製造された窒化物半導体発光素子は、実施の形態1に対して、閾値以下の動作で観測される自然放出光の半値全幅の狭化を促進するものである。なお、実施の形態5では第4の層250は単一量子井戸からなるが、多重量子井戸構造であったり、実質的なバンドギャップの異なる複数の層からなるものであってもよく、その場合にはそれぞれの層が、上記のEgとIn(x)4の条件を満たしていればよい。
【0045】
実施の形態6
実施の形態6では、実施の形態1における活性層とp型キャリアブロック層との間に、p−InGaN第5の層を有する構造について検討する。図13(a)は、p−InGaN第5の層を有する半導体発光素子を、共振器方向から見たときの断面図である。図13(b)は、本構造における各層のエネルギレベルを示す模式図である。この発光素子は、n型電極351、n−GaN基板352、n−GaN層353、n−AlGaNクラッド層354、n−GaNガイド層355、n−InGaN第3の層356、n−InGaN第2の層357、n−InGaN第1の層358、n−InGaN活性層359、p−InGaN第5の層350、p−AlGaNキャリアブロック層360、p−GaNガイド層361、p−AlGaNクラッド層362、p−GaNコンタクト層363、絶縁層364およびp型電極365からなる。
【0046】
実施の形態1に従った構造では、活性層下部のガイド層はInとGaを主に含有する窒化物半導体からなり、活性層上部のガイド層はGaを主に含有する窒化物半導体からなるため、両者の屈折率が異なり、後者のガイド層の方が低屈折率になっている。このような非対称ガイド層によって、垂直方向の光分布は基板側に引っ張られる。光分布の中心が活性層位置からずれると、活性層の光閉じ込め係数が小さくなるため、発振閾値が上昇する。このため、活性層上に活性層に隣接して、InとGaとを主に含有する窒化物半導体からなる第5の層を設けると、活性層を垂直方向の光分布中心に近づけることが可能になり、閾値を低減できる点で望ましい。
【0047】
第5の層はホールの移動度を高くする方がよく、Mgなどのp型不純物を添加すると効果的である。また、第5の層は、n型あるいはノンドープ層であっても効果は期待できる。一方、p型キャリアブロック層成長後に、基板温度を下げ、InとGaを含有するp型窒化物層を設けたところ、閾値以下で動作させたときの自然放出光の半値全幅が広がったり、単峰的なスペクトルにならず、閾値が上昇した。活性層成長後の温度履歴により、活性層にInの偏析が生じたためと思われる。
【0048】
【実施例】
実施例1
本実施例では、図1に示すような窒化物半導体発光素子を製造した。まず、MOCVD装置にn−GaN基板2をセットし、V族原料のNHとIII族原料のTMGaを用いて550℃の成長温度で、GaNバッファ層を25nm成長した。つぎに、1075℃の成長温度で、原料にSiHを加え、n−GaN層3(Si不純物濃度1×1018/cm)を3μm形成した。続いて、III族原料のTMAlを用いて、厚さ1.5μmのn−Al0.1Ga0.9Nクラッド層4(Si不純物濃度1×1018/cm)を成長し、続いてn−GaNガイド層5を0.05μm成長した。
【0049】
その後、基板温度を725℃に下げ、n−In0.02Ga0.98N第3の層6(ノンドープ)を8nm成長し、ほぼ温度一定のまま、n−In0.14Ga0.86N第2の層7(ノンドープ)を4nm成長し、n−In0.02Ga0.98N第1の層8(ノンドープ)を46nm成長した。第2の層の成長後、あるいは第3の層から第1の層において数nm程度の間隔で1秒以上180秒以内の成長中断を行なっても良い。これにより、各層の平坦性が向上し、発光半値幅が減少する。第3の層6、第2の層7、第1の層8はそれぞれ、Siを不純物濃度1×1017/cmから1×1022/cm程度の範囲で添加してあってもよい。
【0050】
その後、厚さ4nmのIn0.15Ga0.85N井戸層と、厚さ8nmのIn0.02Ga0.98N障壁層より構成される、3周期の活性層(多重量子井戸構造)9を井戸層/障壁層/井戸層/障壁層/井戸層/障壁層の順序で成長した。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なっても良い。これにより各層の平坦性が向上し、発光半値幅が減少する。
【0051】
つぎに、基板温度を再び1050℃まで昇温して、厚さ18nmのp−Al0.3Ga0.7Nキャリアブロック層10、厚さ0.1μmのp−GaNガイド層11を成長した。p型不純物として、Mgを5×1019/cm〜2×1020/cmで添加した。続いて、基板温度1050℃のまま、厚さ0.5μmのp−Al0.1Ga0.9Nクラッド層12、厚さ0.1μmのp−GaNコンタクト層13を成長した。p型不純物として、Mgを5×1019/cm〜2×1020/cmで添加した。各層を構成する元素およびドープ元素の各原料に、TMGa、TMAl、TMIn、NH、CpMg、SiHを用いた。
【0052】
p−GaNコンタクト層13形成後、ドライエッチングによりリッジ構造を形成し、絶縁層14上面にPd/Mo/Auからなるp型電極15を形成した。絶縁層には、SiOを用いたが、ZrO、SiO、Ta、TiO、Alなどから選ばれた層、またはこれらの混合物を用いてもよい。また、AlGaNなどの半導体であっても屈折率を調整するために用いることができる。その後、GaN基板2の裏面側から研磨もしくはエッチングにより基板の一部を除去し、ウェハの厚さを100μm〜200μm程度までに薄く調製した。これは、後の工程でウェハを分割し、個々のレーザチップにするのを容易にするための工程である。特に、レーザ端面ミラーも分割時に形成する場合には、80μm〜150μm程度に薄く調製することが望ましい。本実施例においては、研削機および研磨機を用いてウェハの厚さを120μm程度に調製したが、研磨機のみで調製してもよい。ウェハの裏面は、研磨機により磨き、平坦にした。
【0053】
研磨後、GaN基板2の裏面に薄い金属膜を蒸着し、n型電極1を得た。n型電極1は、基板側からHf/Al/Mo/Pt/Auの層構造よりなるものとした。このような薄い金属膜を膜厚の制御性よく形成するには真空蒸着法が適しており、本実施例においても真空蒸着法を用いた。ただし、イオンプレーティング法やスパッタ法などの他の手法を用いても良いことは言うまでもない。p、n型電極の特性の向上のため、金属膜形成後、500℃でアニールを行ない、良好なオーミック電極を得た。なお、アニールは、p型電極の形成後およびn型電極の形成後にそれぞれ行なってもよく、また、n型電極におけるHf/Al形成後に行なった後、Mo/Pt/Auを形成してもよい。
【0054】
このようにして製造された半導体発光素子を下記の方法で分割した。まず、表面からダイヤモンドポイントでスクライブラインを入れ、ウェハに適宜、力を入れて、スクライブラインに沿ってウェハを分割した。スクライブラインは裏面から入れてもよく、また、他の手法としては、ワイヤソーもしくは薄板ブレードを用いて傷入れもしくは切断を行なうダイシング法、エキシマレーザなどのレーザ光の照射加熱とその後の急冷により照射部にクラックを生じさせ、これをスクライブラインとするレーザスクライビング法、高エネルギ密度のレーザ光を照射し、この部分を蒸発させて、溝入れ加工を行なうレーザアブレーション法などを用いても同様にチップに分割可能である。
【0055】
分割後、ファブリペロー共振器をなす端面に誘電体の多層膜を設けて、反射率を変えた。このような反射膜はシステムに応じて形成されるものであり、一概に定まるものではないが、一般的に後面は80%以上の後反射膜が望ましい。特に、後面のさらに後ろに光出力を検出する受光素子が設けられていない場合には、90%以上の反射膜を設けるとよい。これにより半導体発光素子内の光子密度が向上するため発振閾値が低下する。このような高反射膜は、低屈折率と高屈折率の材質を交互に4/λの層厚で形成すればよく、SiO、TiO、Ta、Al、ZrOなどが用いられている。
【0056】
ところで、外部微分効率を上げるために出射面側の端面の反射率を落としても良い。しかしながら、高反射膜と比較して波長分散の少ない低反射膜を設計することは難しく、特に405nm近辺の波長においては、上述の誘電体にSiOやTiOとZrOの混合体などを加えた少なくとも3つ以上の材質からなる多層膜を設けることで設計が容易になる。一方で、低出力の雑音特性に注目すれば、劈界面からなる端面の反射率を22%程度若干高くすることも有益であって、50%以下の前面反射膜を設けるとよい。
【0057】
つぎに、ダイボンディング法により、レーザチップをヒートシンク上にマウントし、半導体レーザ装置を得た。チップは、n型電極側を接合面にするジャンクアップで強固に接着した。ここでいうヒートシンクはステムなどのことである。なお、p型電極側を接合面とするジャンクションダウンであってもよく、その場合には、p型電極構造がPd/Mo/Pt/Auであったり、Pd/Mo/Ni/Auなどであるとよい。
【0058】
このように製造された窒化物半導体発光素子の諸特性を調べた。窒化物半導体発光素子の共振器長は500μm、ストライプ幅1.5μmとした。室温25℃において閾値33mAで連続発振し、発振波長405±5nmであった。閾値以下で本素子を動作させ、図2のように自然放出光のスペクトルを観測した。自然放出光の半値全幅を調べたとろ13.5nmであり、440nm以上ではほとんど発光が無かった。
【0059】
比較例1
実施例1における第2の層のみを無くした以外は実施例1と同様にして窒化物半導体発光素子を製造し、諸特性を調べた。その結果、室温25℃において閾値42mAで連続発振し、発振波長は405±5nmであった。閾値以下で、本素子を動作させ、図4に示すような自然放出光のスペクトルを観測した。自然放出光の半値全幅を調べたところ17.5nmであり、発光強度が低下した。発振閾値の上昇は活性層の結晶性の低下、あるいは歪みの変化と考えられた。
【0060】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【0061】
【発明の効果】
本発明によれば、レーザの中心波長における発光効率を改善することで、発振閾値の低減および歩留りの改善を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1における窒化物半導体発光素子を示す図であり、(a)は共振器方向から見たときの断面図であり、(b)は各層のエネルギレベルを示す模式図である。
【図2】本発明の実施例1における窒化物半導体発光素子の自然放出光のスペクトルを示す図である。
【図3】本発明の実施の形態1における第2の層のInの含有率を変更した場合の自然放出光の半値全幅の変化を示す図である。
【図4】比較例1における窒化物半導体発光素子の自然放出光のスペクトルを示す図である。
【図5】成長温度の変化が80℃より高い場合の窒化物半導体発光素子の自然放出光(スペクトル)を示す図である。
【図6】本発明の実施の形態2における各層のエネルギレベルを示す模式図である。
【図7】本発明の実施の形態3における窒化物半導体発光素子を示す図であり、(a)は共振器方向から見たときの断面図であり、(b)は各層のエネルギレベルを示す模式図である。
【図8】本発明の実施の形態4における窒化物半導体発光素子を示す図であり、(a)は共振器方向から見たときの断面図であり、(b)は各層のエネルギレベルを示す模式図である。
【図9】本発明の実施の形態4における窒化物半導体発光素子を示す図であり、(a)は共振器方向から見たときの断面図であり、(b)は各層のエネルギレベルを示す模式図である。
【図10】本発明の実施の形態4における窒化物半導体発光素子を示す図であり、(a)は共振器方向から見たときの断面図であり、(b)は各層のエネルギレベルを示す模式図である。
【図11】本発明の実施の形態4における窒化物半導体発光素子を示す図であり、(a)は共振器方向から見たときの断面図であり、(b)は各層のエネルギレベルを示す模式図である。
【図12】本発明の実施の形態5における窒化物半導体発光素子を示す図であり、(a)は共振器方向から見たときの断面図であり、(b)は各層のエネルギレベルを示す模式図である。
【図13】本発明の実施の形態6における窒化物半導体発光素子を示す図であり、(a)は共振器方向から見たときの断面図であり、(b)は各層のエネルギレベルを示す模式図である。
【図14】従来の窒化物半導体発光素子の断面図である。
【符号の説明】
1 n型電極、2 n−GaN基板、3 n−GaN層、4 n−AlGaNクラッド層、5 n−GaNガイド層、6 n−InGaN第3の層、7 n−InGaN第2の層、8 n−InGaN第1の層、9 n−InGaN活性層、10 p−AlGaNキャリアブロック層、11 p−GaNガイド層、12p−AlGaNクラッド層、13 p−GaNコンタクト層、14 絶縁層、15 p型電極、250 n−InGaN第4の層、350 p−InGaN第5の層。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device with improved luminous efficiency of an active layer and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
The nitride semiconductor light emitting device has an oscillation wavelength of about 400 nm, and is being developed for an optical disk system. In addition, since it is durable up to a high output, application fields such as a high power light source and a pulse oscillator are widely studied. Reduction of the oscillation threshold is an important problem when used in various applications, and various improvements such as improvement of a substrate, an epitaxial growth technique, and a multiple quantum well active layer have been made. FIG. 14 shows the structure of a conventional improved nitride semiconductor light emitting device (see Patent Document 1).
[0003]
As shown in FIG. 14, this light-emitting element has a buffer layer 452, an n-type contact layer 453, a second n-type cladding layer 454, a first n-type cladding layer 455, an active layer 456, a sapphire substrate 451. One p-type cladding layer 457, a second p-type cladding layer 458, and a p-type contact layer 459 are sequentially laminated. By providing the first n-type cladding layer 455 or the first p-type cladding layer 457 made of a nitride semiconductor containing In and Ga, the crystallinity of the active layer 456 is improved and the light emission efficiency is increased.
[0004]
However, when the nitride semiconductor light emitting device according to the precedent is operated at an oscillation threshold or less and the emission spectrum is observed from the back surface of the wafer with a spot size of several μm, some characteristics are observed. When the measurement is performed while changing the spot position in the laser resonator, the wavelength at which the maximum intensity is obtained varies, and the full width at half maximum of the emission spectrum is wide, and a subpeak is often observed in a long wavelength region of 440 nm or more. Such a nitride semiconductor light-emitting device has a lower threshold for stimulated emission than a nitride semiconductor light-emitting device having a light emission spectrum having a single peak and a narrow full width at half maximum, and thus has a high oscillation threshold.
[0005]
Further, a light emitting device provided with an n-guide layer made of a nitride semiconductor containing In and Ga according to the precedent example has already been disclosed, and it is difficult to find a case where an active layer made of InGaN is provided on a layer made of GaN or AlGaN. Thus, the deterioration of crystallinity is suppressed (see Patent Document 1, Patent Document 2, and Patent Document 3). However, as a result of a detailed study by the present researcher, these structures are not sufficiently effective.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-8-228025
[0007]
[Patent Document 2]
JP-A-9-266327
[0008]
[Patent Document 3]
JP-A-11-330614
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
It is an object of the present invention to reduce the oscillation threshold and improve the yield by improving the luminous efficiency at the center wavelength of a laser.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The nitride semiconductor light-emitting device of the present invention has a lower cladding layer made of a nitride semiconductor containing Al and Ga, a lower guide layer made of a nitride semiconductor mainly containing In and Ga, and In and Ga. And an active layer containing a nitride semiconductor mainly containing a first layer. The lower guide layer is composed of a first layer in order from the active layer and a second layer having a higher In content than the first layer. And a layer.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the nitride semiconductor light emitting device according to the present invention, the lower guide layer laminated between the lower clad layer and the active layer includes, in order from the active layer, a first layer and a second layer having a higher In content than the first layer. And a layer of As a result of examining the structure of the lower layer of the active layer, a lower guide layer made of a nitride semiconductor mainly containing In and Ga is provided between the n-cladding layer and the active layer. There are a first layer and a second layer in order, and the In content of the second layer is made substantially equal to the In content of the well layer in the active layer, so that the emission spectrum from the active layer is simple. The peak and full width at half maximum are narrowed, and the oscillation threshold can be lowered. The second layer may or may not have an n-type impurity added.
[0012]
When the second layer is very close to the active layer, part of the carriers injected from the p-type electrode and the n-type electrode are recombined in the second layer, so that the second layer also functions as a light-emitting layer. . Further, when the substantial band gap of the active layer is different from the substantial band gap of the second layer, the stimulated emission probability of one of the two layers is reduced. Even if the band gaps are almost the same, the second layer has low luminous efficiency due to the influence of the base, and the volume of the luminescent layer increases, so that the oscillation threshold current increases. As described above, it is preferable that the distance between the active layer and the well layer on the substrate side in the active layer is set to 20 nm or more so that the holes injected from the p-type electrode do not flow into the second layer.
[0013]
The active layer mainly contains In and Ga, the epitaxial growth temperature is about 650 ° C. to 850 ° C., and the layer adjacent to the active layer is generally made of Al and Ga, or a nitride semiconductor mainly containing Ga. In many cases, the epitaxial growth temperature is 900 ° C. or higher, and the present invention is also performed at 1075 ° C. Note that “mainly contained” described in the present specification means that at least 99% of the described raw material is contained, and impurities to be added may be different. For example, it means that 1% or less of Al may be mixed in the active layer. The active layer refers to a layer that directly contributes to light emission. The quantum well may refer to a layer in consideration of the spread of electrons, but may include only a well layer or a barrier layer unless otherwise specified. In a multiple quantum well formed by several quantum wells, the quantum well may be from well layers located at both ends to a well layer, or may be from a barrier layer to a barrier layer.
[0014]
In order for the active layer to have good light-emitting characteristics, the lattice constant of Ga or a layer composed of a nitride semiconductor mainly containing Al and Ga and the lattice constant of an active layer composed of a nitride semiconductor mainly containing In and Ga are determined. Due to the difference, it is necessary to reduce the distortion caused in the active layer, the temperature change after the active layer is grown, and the influence of the thermal history. In order to reduce the distortion of the active layer, a lower guide layer serving as a buffer is provided below the active layer, and the lower guide layer is a layer made of a nitride semiconductor mainly containing In and Ga. It is necessary to provide a second layer close to the In content of the well layer in the active layer. After the growth of the active layer, there is a carrier block layer made of a nitride semiconductor mainly containing Al and Ga (Al content is 0.15 or more, preferably 0.2 or more), and mainly contains Ga. A p-type guide layer, a p-type clad layer mainly containing Al and Ga, and a p-type contact layer made of a nitride semiconductor mainly containing Ga are provided. Since these layers are often epitaxially grown at 900 ° C. or higher, they change the state of the active layer to some extent.
[0015]
By the way, in a nitride layer containing In such as an active layer, In tends to be in an energy-stable segregated state, and the diffusion of In in the layer is controlled by appropriately controlling the growth rate of the active layer. During breaks, segregation can be actively adjusted. On the other hand, since the temperature change after the active layer growth also changes the segregation state of In in the active layer, especially the step of raising or lowering the growth temperature not only makes it difficult to maintain the characteristics of the active layer, make worse.
[0016]
For example, in the case where a p-type guide layer mainly containing In and Ga is provided at a growth temperature of 650 ° C. or more and 850 ° C. or less after growth of the carrier block layer, at least one temperature decrease and temperature increase after growth of the active layer A process occurs. It is very difficult for a manufactured nitride semiconductor light emitting device to grow an active layer stably, the oscillation wavelength varies between lots, within the same wafer, and the yield tends to decrease. As described above, it is desirable not to provide a low-temperature growth process, particularly a layer that grows at 830 ° C. or lower, after the temperature raising step after the active layer is grown. Therefore, in this specification, an asymmetric guide layer structure in which a lower guide layer made of a nitride semiconductor mainly containing In and Ga is provided only in the n-layer is provided. When the photon distribution is biased, it is effective to provide a layer made of a nitride semiconductor mainly containing In and Ga between the active layer and the carrier block layer.
[0017]
There is an n-type cladding layer made of a nitride semiconductor mainly containing Al and Ga on a GaN substrate, and an n-type guide layer made of a nitride semiconductor mainly containing Ga is laminated by several tens of nm. The n-type guide layer may be omitted.) Then, after the growth temperature is lowered to about 730 ° C., a second layer including a nitride layer mainly containing In and Ga is provided. . The growth temperature of the second layer is desirably about 650 ° C. to 830 ° C. Here, the substrate is not limited to GaN, but may be sapphire, SiC, GaAs, Si, ZrB.2And so on. However, for these substrates, an appropriate nitride layer is inserted below the n-type cladding layer.
[0018]
After the growth of the second layer, the first layer is stacked at a growth temperature of 830 ° C. or lower. The first layer is a nitride semiconductor mainly containing In and Ga. The growth temperature in the process from the start of the growth of the lower guide layer to the start of the growth of the active layer is 830 ° C. or less, and the change in the growth temperature is 80 ° C. or less. Thus, the strain applied to the active layer from the nitride semiconductor layer mainly containing Al and Ga below the substrate and the active layer, or the layer mainly containing Ga can be reduced. In particular, the content of the second layer is substantially the same as that of the active layer, and the active layer laminated after the growth of the second layer can be grown under a condition with little distortion. It is desirable that the second layer hardly absorbs laser light because the increase in internal loss is suppressed. However, even if the second layer has a substantially small band gap to absorb laser light, If the carrier lifetime of the layer is almost the same as that of the active layer, or if it is sufficiently long, the absorption characteristics are quickly saturated as the semiconductor light emitting device oscillates. Rise can be ignored. When the manufactured nitride semiconductor light emitting device is operated below the threshold, the emission spectrum is monomodal, the full width at half maximum is narrowed, and the luminous efficiency is improved.
[0019]
The first layer may or may not be doped with an n-type impurity such as Si, but it is desirable that the second layer and the active layer are separated by at least 20 nm or more. The spacing refers to the distance from the top of the top well layer in the second layer to the bottom of the bottom well layer in the active layer. Note that the growth of both the first layer and the second layer may be interrupted at intervals of several nm to several tens nm. Thereby, the morphology during the growth is improved, so that a good growth of the active layer becomes possible. The effects of the present invention can be obtained regardless of the number of well layers and the well width of the active layer.
[0020]
Embodiment 1
In a nitride semiconductor light emitting device, a lower guide layer is provided between a lower clad layer and an active layer, and the lower guide layer has a first layer and a second layer, thereby improving luminous efficiency during current injection. can do. FIG. 1A is a cross-sectional view of the semiconductor light emitting device manufactured in the first embodiment as viewed from the resonator direction. This light emitting device includes an n-type electrode 1, an n-GaN substrate 2, an n-GaN layer 3, an n-AlGaN cladding layer 4, an n-GaN guide layer 5, an n-InGaN third layer 6, and an n-InGaN second layer. Layer 7, n-InGaN first layer 8, n-InGaN active layer 9, p-AlGaN carrier block layer 10, p-GaN guide layer 11, p-AlGaN cladding layer 12, p-GaN contact layer 13, insulating It comprises a layer 14 and a p-type electrode 15. The n-InGaN active layer 9 includes a barrier layer and a well layer, and has a multiple quantum well (MQW) structure. FIG. 1B is a schematic diagram showing the energy level of each layer of the light emitting device manufactured in the first embodiment. The third layer 6 and the first layer 8 have the same In content.
[0021]
The epitaxial growth method described in this specification is a method for growing a crystal film on a substrate, and includes a VPE (vapor phase epitaxial) method, a CVD (chemical vapor deposition) method, and a MOVPE (organic metal vapor phase) method. Epitaxial), MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition), Halide-VPE (Halogen Chemical Vapor Deposition), MBE (Molecular Beam Epitaxy), MOMBE (Metal Organic Molecular Beam Epitaxy), GSMBE (Gas Raw Material) Molecular beam epitaxy) and CBE (chemical beam epitaxy).
[0022]
When the change in the full width at half maximum of the spontaneous emission light was examined by changing the content ratio of In in the second layer by SIMS (FIG. 3), when the active layer was a quantum well layer, the change in In of the second layer was confirmed. Content In(X) 2Is the In content rate In of the well layer in the active layer In(X) 0When the value is within the following range, the full width at half maximum is narrowed, and the luminous efficiency is improved. In(X) 2−0.10 ≦ In(X) 0≤In(X) 2+0.10
Layer thickness d of the second layer in the first embodiment2Is the thickness d of the well layer in the active layer.0Is similar to When the emission spectrum from the second layer and the emission spectrum from the active layer are compared by PL (photoluminescence) measurement, the full width at half maximum becomes narrowest at almost the same time. Therefore, the condition under which the effect of improving the characteristics of the active layer is seen is that the substantial band gap of the active layer is changed to Eg.0And the substantial band gap of the second layer is Eg2When
Eg0−0.35 eV ≦ Eg2
Since it is more desirable that the second layer hardly absorbs laser light,
Eg0−0.05 eV ≦ Eg2
Is more desirable.
[0023]
Regarding the position of the second layer, the distance from the top of the second layer (p-type electrode side) to the bottom of the active layer (bottom of the well layer on the n-type electrode side) is L.1Then
L1<20 nm
At this time, spontaneous emission light (EL: electroluminescence) from the second layer is observed at the time of current injection. Normally, the mobility of holes is low in the n-InGaN first layer 8, but in the above range, holes seem to be injected into the second layer 7, and the oscillation threshold increases. Therefore, L1Is
L1≧ 20nm
Is desirable. On the other hand, when the distance between the second layer and the active layer is increased, the full width at half maximum of the spontaneous emission light increases, and the crystallinity of the active layer deteriorates. Therefore,
L1≤500nm
It is desirable that
[0024]
The growth temperature of the n-InGaN third layer 6 and the n-InGaN first layer 8 will be discussed. Here, the growth temperature refers to the temperature of the wafer during growth. When the growth temperatures of the second layer 7 and the active layer 9 were fixed and the growth temperatures of the n-InGaN third layer 6 and the n-InGaN first layer 8 were changed, the growth of the third layer was started. The change ΔT in the growth temperature from the start of the growth of the lower guide layer to the start of the growth of the active layer until the end of the growth of the first layer,
ΔT> 80 ° C
Then, the full width at half maximum of the spontaneous emission light increases, and as shown in FIG. 5, a light emission component is observed at 440 nm or more, and the light emission intensity decreases. This component is considered to be the effect of the band tail of the active layer or the fluctuation of the In content. Therefore,
ΔT ≦ 80 ° C
It is necessary to
[0025]
It can be seen that when the growth temperature of the second layer 7 and the active layer 9 is increased, the half width of the spontaneous emission increases even within the range of the temperature difference. Therefore, all the growth temperatures T of each layer from the start of the growth of the n-InGaN lower guide layer to the start of the growth of the active layer are T ≦ 830 ° C.
It is necessary to
[0026]
Layer thickness d of second layer 72As a result, if the above conditions are satisfied, the effect of the present specification can be expected. Specific layer thickness d of the second layer2Is preferably 0.5 nm to 20 nm if the second layer is a single quantum well. If the thickness of the second layer is less than 0.5 nm, the atomic radius of In is larger than that of Ga and N, so that it is difficult to form the layer, and it is difficult to expect the above effect. On the other hand, when the thickness is larger than 20 nm, if the content of In is substantially the same as that of the active layer, the substantial band gap becomes small, so that the internal loss αi[Cm-1], The internal loss αi[Cm-1] Is suppressed, the In content is reduced, and the effect of the present invention is reduced.
[0027]
Consider the third layer 6. When the third layer 6 is omitted, the internal loss α of the nitride semiconductor light emitting devicei[Cm-1] Increases. It is considered that absorption occurs at the interface between the n-GaN guide layer 5 and the second layer 7. It is considered that when the second layer having a large In content and the n-GaN guide layer 5 are adjacent to each other as described above, a lattice mismatch is large and a region having poor crystallinity is formed at the interface. Therefore, it is desirable to have the third layer 8 having a smaller In content than the second layer 7. On the other hand, the thickness d of the third layer3Is a parameter to be defined by the confinement coefficient of the active layer and the vertical transverse mode, and is not defined by the effects described in this specification. The lower guide layer referred to here is a layer sandwiched between the active layer 9 and the n-GaN guide layer 5 (or the n-AlGaN cladding layer 4 if there is no n-GaN guide layer). It is a nitride layer mainly contained and includes a third layer 6, a second layer 7, and a first layer 8. However, when the third layer 6 is omitted, the second layer 7 and the first layer 8 are included.
[0028]
Even if the layer structure between the n-guide layer and the substrate, such as the n-AlGaN cladding layer 4, changes, the effect of the present specification can be expected. In addition, even when In is removed from the n-InGaN third layer 6 and the n-InGaN first layer 8, improvement in the full width at half maximum of spontaneous emission light and luminous efficiency can be expected by the n-InGaN second layer 7. However, the effect is smaller than that of the light emitting device of the present invention. On the other hand, although the GaN substrate is used in the first embodiment, sapphire, SiC, GaAs, Si, ZrB2Even with such a substrate, the effect can be expected. Usually, when these substrates are used, a buffer layer is provided on the substrate, and an n-type nitride layer containing Al and Ga is provided thereon.
[0029]
The nitride semiconductor light emitting device according to the present invention has a ridge structure. In this structure, a refractive index waveguide structure is formed by current constriction by the ridge portion and a built-in refractive index difference. However, the effect of the present invention is not limited to the ridge structure, but may be a gain waveguide structure using a stripe electrode, or the same refractive index in which the insulating layer of the ridge structure is composed of Al and Ga or a layer mainly containing Ga. May be a buried structure or a block structure, and a known light confinement technology of a semiconductor light emitting device can be applied. However, it is necessary to slightly adjust the thickness of each layer so that the light confinement coefficient of the second layer does not change. However, in the first embodiment, the layer whose thickness is particularly defined, that is, the first layer 8 and the second layer The layer 7 and the third layer 6 follow the above-mentioned range.
[0030]
Embodiment 2
When the second layer in the first embodiment has a multiple quantum well structure, the nitride semiconductor light emitting device has a monomodal spontaneous emission spectrum when operated at a threshold or less, has a narrow full width at half maximum, and It is desirable because luminous efficiency is improved. FIG. 6 is a schematic diagram showing the energy level of each layer in the present structure. This light emitting device includes an n-AlGaN cladding layer 604, an n-GaN guide layer 605, an n-InGaN third layer 606, an n-InGaN second layer 607, an n-InGaN first layer 608, An n-InGaN active layer 609, a p-AlGaN carrier block layer 610, a p-GaN guide layer 611, and a p-AlGaN cladding layer 612 are formed.
[0031]
In the second layer 607 comprising multiple quantum wells, the In content of the well layer is set to In.(X) 2 `And the In content of the well layer in the active layer 609 is In(X) 0Then
In(X) 2 `−0.10 ≦ In(X) 0≤In(X) 2 `+0.10
If so, it is desirable because the effects of the present specification can be expected. In addition, the substantial band gap Eg of the second layer 6072 `And the substantial band gap of the active layer 609 is Eg0Then
Eg0−0.35 eV ≦ Eg2 `
Is desirable, and it is more desirable that the second layer hardly absorbs laser light.
Eg0−0.05 eV ≦ Eg2 `
Is more desirable.
[0032]
The bandgap of the first layer 608 is set to Eg1, The band gap of the third layer 606 is set to Eg.3Then
Eg1> Eg2 `
Eg3> Eg2 `
And the distance from the uppermost part (p-type electrode side) of the second layer 607 made of multiple quantum wells to the lowermost part of the active layer (end of the well layer on the n-type electrode side) is L.1 `given that,
20 nm ≦ L1 `≤500nm
Is desirable.
[0033]
On the other hand, the thickness d of one well layer of the second layer composed of multiple quantum wells2 `After examining,
0.5 nm ≦ d2 `≤20nm
Is desirable. This is because the atomic radius of In is larger than that of Ga and N as described above, so that it is difficult to form a layer.
[0034]
Embodiment 3
In the third embodiment, a structure in which the n-GaN guide layer in the first embodiment is omitted will be discussed. FIG. 7A is a cross-sectional view when the semiconductor light emitting device is viewed from the resonator direction. FIG. 7B is a schematic diagram showing the energy level of each layer in the present structure. This light emitting device includes an n-type electrode 701, an n-GaN substrate 702, an n-GaN layer 703, an n-AlGaN cladding layer 704, an n-InGaN third layer 706, an n-InGaN second layer 707, and n-InGaN First layer 708, n-InGaN active layer 709, p-AlGaN carrier block layer 710, p-GaN guide layer 711, p-AlGaN cladding layer 712, p-GaN contact layer 713, insulating layer 714, and p-type electrode 715 Consists of
[0035]
Changing the thickness of the n-GaN guide layer in the first embodiment changes the light confinement coefficient of the active layer. Since the third layer, the second layer, and the first layer also function as n-side light guide layers, propagating light is confined around the active layer without the n-GaN guide layer. In particular, when the first to third layers are thick, it is preferable not to provide the n-GaN guide layer because the confinement coefficient of the active layer can be increased. The nitride semiconductor light-emitting device manufactured in this manner has a monomodal spontaneous emission spectrum when operated at a threshold or less, and improves luminous efficiency.
[0036]
Embodiment 4
In the fourth embodiment, a structure in which the In content of the n-InGaN first layer in the first embodiment is changed will be examined. FIG. 8A is a cross-sectional view of a semiconductor light emitting device in which the In content of the n-InGaN first layer is reduced, as viewed from the resonator direction. FIG. 8B is a schematic diagram showing the energy level of each layer in the present structure. This light emitting device includes an n-type electrode 801, an n-GaN substrate 802, an n-GaN layer 803, an n-AlGaN cladding layer 804, an n-GaN guide layer 805, an n-InGaN third layer 806, and an n-InGaN second layer 806. Layer 807, n-InGaN first layer 808, n-InGaN active layer 809, p-AlGaN carrier block layer 810, p-GaN guide layer 811, p-AlGaN cladding layer 812, p-GaN contact layer 813, insulation It comprises a layer 814 and a p-type electrode 815.
[0037]
FIG. 9A is a cross-sectional view of a semiconductor light emitting device in which the content of In in the n-InGaN first layer is increased, as viewed from the resonator direction. FIG. 9B is a schematic diagram showing the energy level of each layer in the present structure. This light emitting device includes an n-type electrode 901, an n-GaN substrate 902, an n-GaN layer 903, an n-AlGaN cladding layer 904, an n-GaN guide layer 905, an n-InGaN third layer 906, and an n-InGaN second layer 906. Layer 907, n-InGaN first layer 908, n-InGaN active layer 909, p-AlGaN carrier block layer 910, p-GaN guide layer 911, p-AlGaN cladding layer 912, p-GaN contact layer 913, insulation It comprises a layer 914 and a p-type electrode 915.
[0038]
FIG. 10A is a cross-sectional view of a semiconductor light emitting device in which the In-content of the n-InGaN first layer is not unity and has two or more regions having different In-contents, as viewed from the resonator direction. It is. FIG. 10B is a schematic diagram showing the energy level of each layer in the present structure. This light emitting device includes an n-type electrode 101, an n-GaN substrate 102, an n-GaN layer 103, an n-AlGaN cladding layer 104, an n-GaN guide layer 105, an n-InGaN third layer 106, and an n-InGaN second layer 106. Layer 107, n-InGaN first layer 108, n-InGaN active layer 109, p-AlGaN carrier block layer 110, p-GaN guide layer 111, p-AlGaN cladding layer 112, p-GaN contact layer 113, insulation It comprises a layer 114 and a p-type electrode 115.
[0039]
FIG. 11A is a cross-sectional view of a semiconductor light emitting device in which the In content of the n-InGaN first layer is continuously changing, as viewed from the resonator direction. FIG. 11B is a schematic diagram showing the energy level of each layer in the present structure. The light emitting device includes an n-type electrode 151, an n-GaN substrate 152, an n-GaN layer 153, an n-AlGaN cladding layer 154, an n-GaN guide layer 155, an n-InGaN third layer 156, and an n-InGaN second layer 156. 157, n-InGaN first layer 158, n-InGaN active layer 159, p-AlGaN carrier block layer 160, p-GaN guide layer 161, p-AlGaN cladding layer 162, p-GaN contact layer 163, insulation It comprises a layer 164 and a p-type electrode 165.
[0040]
The substantial band gap of the first layer is Eg1And the substantial band gap of the active layer is Eg0In order to obtain a carrier confinement effect in the active layer,
Eg0<Eg1
Is desirable. Further, the content of In in the first layer is changed to In.(X) 1And the content In of the barrier layer in the active layer In(X) 0 `When
In(X) 0 `−0.02 ≦ In(X) 1≤In(X) 0 `+0.02
0 ≦ In(X) 1
Is desirable.
[0041]
The nitride semiconductor light-emitting device manufactured in this way has a single-peak spontaneous emission spectrum when operated at a threshold or less, and is expected to improve luminous efficiency. In the n-InGaN first layer, In is slightly mixed with In in order to minimize a change in growth temperature during the growth process in growing the active layer from the second layer. Therefore, the content of the first layer is not limited to a narrow range, but the content of In in the first layer is increased in that the carrier confinement effect in the active layer can be enhanced and the threshold can be reduced. It is desirable that the content of In in the well layer is smaller than that.
[0042]
Embodiment 5
In the fifth embodiment, a structure in which the third layer in the first embodiment includes a fourth layer having a higher In content than the third layer will be described. FIG. 12A is a cross-sectional view when the semiconductor light emitting device is viewed from the resonator direction. FIG. 12B is a schematic diagram showing the energy level of each layer in the present structure. The light emitting device includes an n-type electrode 251, an n-GaN substrate 252, an n-GaN layer 253, an n-AlGaN cladding layer 254, an n-GaN guide layer 255, an n-InGaN third layer 256, and an n-InGaN fourth layer 256. Layer 250, n-InGaN second layer 257, n-InGaN first layer 258, n-InGaN active layer 259, p-AlGaN carrier block layer 260, p-GaN guide layer 261, p-AlGaN cladding layer 262 , A p-GaN contact layer 263, an insulating layer 264 and a p-type electrode 265.
[0043]
In the first embodiment, the second layer also serves to alleviate the strain applied to the active layer from the substrate, the n-AlGaN cladding layer and the n-GaN guide layer, and the fourth layer 250 in the fifth embodiment It promotes the effect. Specifically, the substantial band gap of the fourth layer 250 is changed to Eg.4And the content of In in the fourth layer is In(X) 4When
In(X) 3<In(X) 4
And
In(X) 0−0.10 ≦ In(X) 4≤In(X) 0+0.10
Is desirable. Conditions under which the effect of improving the characteristics of the active layer can be seen are as follows:
Eg0−0.35 eV ≦ Eg4
Since it is better that the second layer hardly absorbs laser light,
Eg0−0.05 eV ≦ Eg4
Is more desirable.
[0044]
The nitride semiconductor light-emitting device manufactured in this manner promotes the narrowing of the full width at half maximum of the spontaneous emission light observed in the operation below the threshold value as compared with the first embodiment. Although the fourth layer 250 is formed of a single quantum well in the fifth embodiment, it may be formed of a multiple quantum well structure or a plurality of layers having substantially different band gaps. Each layer has the above Eg4And In(X) 4It suffices if the condition described above is satisfied.
[0045]
Embodiment 6
In the sixth embodiment, a structure having a p-InGaN fifth layer between the active layer and the p-type carrier block layer in the first embodiment will be examined. FIG. 13A is a cross-sectional view of the semiconductor light emitting device having the p-InGaN fifth layer when viewed from the resonator direction. FIG. 13B is a schematic diagram showing the energy level of each layer in the present structure. The light emitting device includes an n-type electrode 351, an n-GaN substrate 352, an n-GaN layer 353, an n-AlGaN cladding layer 354, an n-GaN guide layer 355, an n-InGaN third layer 356, and an n-InGaN second layer 356. Layer 357, n-InGaN first layer 358, n-InGaN active layer 359, p-InGaN fifth layer 350, p-AlGaN carrier block layer 360, p-GaN guide layer 361, p-AlGaN cladding layer 362 , A p-GaN contact layer 363, an insulating layer 364 and a p-type electrode 365.
[0046]
In the structure according to the first embodiment, the guide layer below the active layer is made of a nitride semiconductor mainly containing In and Ga, and the guide layer above the active layer is made of a nitride semiconductor mainly containing Ga. The two guide layers have different refractive indexes, and the latter has a lower refractive index. The light distribution in the vertical direction is pulled toward the substrate by such an asymmetric guide layer. When the center of the light distribution deviates from the position of the active layer, the light confinement coefficient of the active layer becomes small, so that the oscillation threshold increases. Therefore, when the fifth layer made of a nitride semiconductor mainly containing In and Ga is provided on the active layer adjacent to the active layer, the active layer can be closer to the center of the vertical light distribution. , Which is desirable in that the threshold value can be reduced.
[0047]
It is better to increase the mobility of holes in the fifth layer, and it is effective to add a p-type impurity such as Mg. The effect can be expected even if the fifth layer is an n-type or non-doped layer. On the other hand, after the growth of the p-type carrier block layer, the substrate temperature was lowered, and a p-type nitride layer containing In and Ga was provided. The peak did not become a peak, and the threshold increased. This is probably because the segregation of In occurred in the active layer due to the temperature history after the growth of the active layer.
[0048]
【Example】
Example 1
In this example, a nitride semiconductor light emitting device as shown in FIG. 1 was manufactured. First, the n-GaN substrate 2 is set in the MOCVD apparatus, and NH3 as a group V raw material is set.3A GaN buffer layer was grown to a thickness of 25 nm at a growth temperature of 550 ° C. using a group III material TMGa. Next, at a growth temperature of 1075 ° C., SiH4To the n-GaN layer 3 (Si impurity concentration 1 × 1018/ Cm3) Was formed at 3 μm. Subsequently, 1.5 μm thick n-Al0.1Ga0.9N cladding layer 4 (Si impurity concentration 1 × 1018/ Cm3) Was grown, and then the n-GaN guide layer 5 was grown to 0.05 μm.
[0049]
Thereafter, the substrate temperature was lowered to 725 ° C., and n-In0.02Ga0.98An N third layer 6 (non-doped) is grown to a thickness of 8 nm, and n-In0.14Ga0.86N second layer 7 (non-doped) is grown to a thickness of 4 nm, and n-In0.02Ga0.98An N first layer 8 (non-doped) was grown to a thickness of 46 nm. After the growth of the second layer, or between the third layer and the first layer, the growth may be interrupted for 1 second to 180 seconds at intervals of about several nm. Thereby, the flatness of each layer is improved, and the luminescence half width is reduced. Each of the third layer 6, the second layer 7, and the first layer 8 has an impurity concentration of 1 × 1017/ Cm3From 1 × 1022/ Cm3You may add in the range of the extent.
[0050]
Then, a 4 nm thick In0.15Ga0.85N well layer and 8 nm thick In0.02Ga0.98A three-period active layer (multiple quantum well structure) 9 composed of an N barrier layer was grown in the order of well layer / barrier layer / well layer / barrier layer / well layer / barrier layer. 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 light emission half width is reduced.
[0051]
Next, the substrate temperature was raised again to 1050 ° C., and the 18 nm-thick p-Al0.3Ga0.7An N carrier block layer 10 and a p-GaN guide layer 11 having a thickness of 0.1 μm were grown. 5 × 10 Mg as a p-type impurity19/ Cm3~ 2 × 1020/ Cm3Was added. Subsequently, at a substrate temperature of 1050 ° C., a 0.5 μm-thick p-Al0.1Ga0.9An N-cladding layer 12 and a 0.1 μm-thick p-GaN contact layer 13 were grown. 5 × 10 Mg as a p-type impurity19/ Cm3~ 2 × 1020/ Cm3Was added. TMGa, TMAl, TMIn, NH3, Cp2Mg, SiH4Was used.
[0052]
After the formation of the p-GaN contact layer 13, a ridge structure was formed by dry etching, and a p-type electrode 15 made of Pd / Mo / Au was formed on the upper surface of the insulating layer 14. For the insulating layer, SiO2Was used, but ZrO2, SiO, Ta2O5, TiO2, Al2O3Or a mixture thereof. Further, even a semiconductor such as AlGaN can be used to adjust the refractive index. Thereafter, a part of the GaN substrate 2 was removed from the rear surface side by polishing or etching, and the thickness of the wafer was adjusted to be as thin as about 100 μm to 200 μm. This is a step for easily dividing the wafer into individual laser chips in a later step. In particular, when the laser end face mirror is also formed at the time of division, it is desirable to adjust the thickness to about 80 μm to 150 μm. In this embodiment, the thickness of the wafer is adjusted to about 120 μm by using a grinder and a polishing machine, but it may be adjusted only by a polishing machine. The back surface of the wafer was polished with a polishing machine and flattened.
[0053]
After polishing, a thin metal film was deposited on the back surface of the GaN substrate 2 to obtain an n-type electrode 1. The n-type electrode 1 had a layer structure of Hf / Al / Mo / Pt / Au from the substrate side. In order to form such a thin metal film with good controllability of the film thickness, a vacuum deposition method is suitable. In this embodiment, the vacuum deposition method was used. However, it goes without saying that another method such as an ion plating method or a sputtering method may be used. In order to improve the characteristics of the p-type and n-type electrodes, annealing was performed at 500 ° C. after forming the metal film to obtain a good ohmic electrode. The annealing may be performed after the formation of the p-type electrode and after the formation of the n-type electrode, respectively, or after the formation of Hf / Al in the n-type electrode, may be performed to form Mo / Pt / Au. .
[0054]
The semiconductor light emitting device thus manufactured was divided by the following method. First, a scribe line was formed at the diamond point from the surface, and the wafer was divided along the scribe line by appropriately applying force to the wafer. The scribe line may be inserted from the back side.Other methods include a dicing method of making a cut or cut using a wire saw or a thin blade, irradiation of a laser beam such as an excimer laser, and subsequent rapid cooling, followed by rapid cooling. A laser scribing method using a scribe line as a scribe line or a laser ablation method that irradiates a high energy density laser beam and evaporates this part to perform grooving is also applied to the chip. Can be divided.
[0055]
After the division, a reflectivity was changed by providing a dielectric multilayer film on the end face forming the Fabry-Perot resonator. Such a reflective film is formed according to the system, and is not absolutely determined. Generally, however, it is desirable that the rear surface has a rear reflective film of 80% or more. In particular, when a light receiving element for detecting light output is not provided further behind the rear surface, it is preferable to provide a reflection film of 90% or more. As a result, the photon density in the semiconductor light emitting device is improved, so that the oscillation threshold value is reduced. Such a high reflection film may be formed by alternately forming a material having a low refractive index and a material having a high refractive index with a layer thickness of 4 / λ.2, TiO2, Ta2O5, Al2O3, ZrO2Are used.
[0056]
By the way, in order to increase the external differential efficiency, the reflectance of the end surface on the emission surface side may be reduced. However, it is difficult to design a low-reflection film having less wavelength dispersion as compared with a high-reflection film. In particular, at a wavelength near 405 nm, SiO or TiO is used as the above-mentioned dielectric.2And ZrO2By providing a multilayer film made of at least three or more materials to which a mixture or the like is added, design becomes easy. On the other hand, if attention is paid to low-output noise characteristics, it is also useful to slightly increase the reflectivity of the end face composed of the cleavage interface by about 22%, and it is preferable to provide a front reflection film of 50% or less.
[0057]
Next, the laser chip was mounted on a heat sink by a die bonding method to obtain a semiconductor laser device. The chip was firmly bonded by junk-up with the n-type electrode side as the bonding surface. The heat sink here is a stem or the like. Note that the junction may be junction-down with the p-type electrode side as a bonding surface. In this case, the p-type electrode structure is Pd / Mo / Pt / Au or Pd / Mo / Ni / Au. Good.
[0058]
Various characteristics of the nitride semiconductor light emitting device thus manufactured were examined. The resonator length of the nitride semiconductor light emitting device was 500 μm, and the stripe width was 1.5 μm. Continuous oscillation was performed at a threshold of 33 mA at room temperature of 25 ° C., and the oscillation wavelength was 405 ± 5 nm. This device was operated at a threshold value or less, and the spectrum of spontaneous emission light was observed as shown in FIG. When the full width at half maximum of the spontaneous emission light was examined, it was 13.5 nm, and there was almost no light emission at 440 nm or more.
[0059]
Comparative Example 1
A nitride semiconductor light emitting device was manufactured in the same manner as in Example 1 except that only the second layer in Example 1 was eliminated, and various characteristics were examined. As a result, continuous oscillation was performed at a room temperature of 25 ° C. with a threshold value of 42 mA, and the oscillation wavelength was 405 ± 5 nm. The device was operated below the threshold, and the spectrum of spontaneous emission light as shown in FIG. 4 was observed. When the full width at half maximum of the spontaneous emission light was examined, it was 17.5 nm, and the emission intensity was reduced. The increase in the oscillation threshold was considered to be a decrease in the crystallinity of the active layer or a change in strain.
[0060]
The embodiments and examples disclosed this time are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
[0061]
【The invention's effect】
According to the present invention, the emission threshold can be reduced and the yield can be improved by improving the luminous efficiency at the center wavelength of the laser.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are diagrams showing a nitride semiconductor light emitting device according to a first embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a cross-sectional view as viewed from a resonator direction, and FIG. 1B shows an energy level of each layer. It is a schematic diagram.
FIG. 2 is a diagram showing a spectrum of spontaneous emission light of the nitride semiconductor light emitting device in Example 1 of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a change in full width at half maximum of spontaneous emission light when the In content of the second layer is changed in the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a spectrum of spontaneous emission light of the nitride semiconductor light emitting device in Comparative Example 1.
FIG. 5 is a diagram showing spontaneous emission light (spectrum) of a nitride semiconductor light emitting device when a change in growth temperature is higher than 80 ° C.
FIG. 6 is a schematic diagram showing an energy level of each layer according to the second embodiment of the present invention.
FIGS. 7A and 7B are diagrams showing a nitride semiconductor light emitting device according to a third embodiment of the present invention, wherein FIG. 7A is a cross-sectional view when viewed from the direction of a resonator, and FIG. It is a schematic diagram.
8A and 8B are diagrams showing a nitride semiconductor light emitting device according to a fourth embodiment of the present invention, wherein FIG. 8A is a cross-sectional view when viewed from the direction of a resonator, and FIG. 8B shows the energy level of each layer. It is a schematic diagram.
9A and 9B are diagrams showing a nitride semiconductor light emitting device according to a fourth embodiment of the present invention, in which FIG. 9A is a cross-sectional view as viewed from the direction of the resonator, and FIG. 9B shows the energy level of each layer. It is a schematic diagram.
FIGS. 10A and 10B are diagrams showing a nitride semiconductor light emitting device according to a fourth embodiment of the present invention, wherein FIG. 10A is a cross-sectional view when viewed from the direction of the resonator, and FIG. 10B shows the energy level of each layer. It is a schematic diagram.
FIGS. 11A and 11B are diagrams showing a nitride semiconductor light emitting device according to a fourth embodiment of the present invention, in which FIG. 11A is a cross-sectional view as viewed from the direction of a resonator, and FIG. 11B shows the energy level of each layer. It is a schematic diagram.
12A and 12B are diagrams showing a nitride semiconductor light emitting device according to a fifth embodiment of the present invention, in which FIG. 12A is a cross-sectional view when viewed from the direction of a resonator, and FIG. 12B shows the energy level of each layer. It is a schematic diagram.
13A and 13B are diagrams showing a nitride semiconductor light emitting device according to a sixth embodiment of the present invention, wherein FIG. 13A is a cross-sectional view as viewed from the direction of a resonator, and FIG. 13B shows an energy level of each layer. It is a schematic diagram.
FIG. 14 is a sectional view of a conventional nitride semiconductor light emitting device.
[Explanation of symbols]
1 n-type electrode, 2 n-GaN substrate, 3 n-GaN layer, 4 n-AlGaN cladding layer, 5 n-GaN guide layer, 6 n-InGaN third layer, 7 n-InGaN second layer, 8 n-InGaN first layer, 9 n-InGaN active layer, 10 p-AlGaN carrier block layer, 11 p-GaN guide layer, 12 p-AlGaN cladding layer, 13 p-GaN contact layer, 14 insulating layer, 15 p-type Electrodes, 250 n-InGaN fourth layer, 350 p-InGaN fifth layer.

Claims (10)

AlとGaとを含有する窒化物半導体からなる下部クラッド層と、InとGaとを主に含有する窒化物半導体からなる下部ガイド層と、InとGaとを主に含有する窒化物半導体を含む活性層とを基板上に順次設けてなる窒化物半導体発光素子であって、前記下部ガイド層が、前記活性層から順に第1の層と、該第1の層よりもInの含有率が大きい第2の層とを有することを特徴とする窒化物半導体発光素子。Including a lower clad layer made of a nitride semiconductor containing Al and Ga, a lower guide layer made of a nitride semiconductor mainly containing In and Ga, and a nitride semiconductor mainly containing In and Ga A nitride semiconductor light-emitting device having an active layer and a substrate successively provided on a substrate, wherein the lower guide layer has a first layer in order from the active layer and an In content higher than that of the first layer. A nitride semiconductor light emitting device comprising: a second layer. 前記第2の層から、前記活性層における基板側の井戸層までの距離Lが、
≧20nm
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。
From the second layer, the distance L 1 to the well layer of the substrate side of the active layer,
L 1 ≧ 20 nm
The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein
前記活性層は、量子井戸活性層であり、前記第2の層のInの含有率をIn(x)2とし、前記活性層における井戸層のInの含有率をIn(x)0とするとき、
In(x)2−0.10≦In(x)0≦In(x)2+0.10
であ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。
The active layer is a quantum well active layer, wherein the content of In in the second layer is In (x) 2, and the content of In in the well layer in the active layer is In (x) 0. ,
In (x) 2 -0.10 ≦ In (x) 0 ≦ In (x) 2 +0.10
The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein:
前記第1の層のInの含有率が、前記活性層における井戸層のInの含有率よりも小さいことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。4. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the content of In in the first layer is smaller than the content of In in the well layer in the active layer. 5. 前記下部ガイド層は、前記活性層から順に、第1の層と、第2の層と、該第2の層よりもInの含有率が小さい第3の層とを有す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。The lower guide layer includes, in order from the active layer, a first layer, a second layer, and a third layer having a lower In content than the second layer. Item 3. The nitride semiconductor light emitting device according to item 1. 前記第3の層は、該第3の層よりもInの含有率が大きい第4の層を有することを特徴とする請求項5に記載の窒化物半導体発光素子。The nitride semiconductor light-emitting device according to claim 5, wherein the third layer includes a fourth layer having a higher In content than the third layer. 前記第2の層は、多重量子井戸層であり、前記第2の層における井戸層のInの含有率をIn(x)2`とし、前記活性層における井戸層のInの含有率をIn(x)0とするとき、
In(x)2`−0.10≦In(x)0≦In(x)2`+0.10
であ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。
The second layer is a multiple quantum well layer, and the content of In in the well layer in the second layer is In (x) 2 `, and the content of In in the well layer in the active layer is In ( x) When 0 ,
In (x) 2`−0.10 ≦ In (x) 0 ≦ In (x) 2 ` + 0.10
The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein:
前記活性層上に該活性層に隣接して、InとGaを主に含有する窒化物半導体からなる第5の層を有することを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。The nitride according to claim 1, further comprising a fifth layer made of a nitride semiconductor mainly containing In and Ga on the active layer, adjacent to the active layer. Semiconductor light emitting device. 前記下部ガイド層の成長開始から前記活性層の成長開始までの成長温度の変化ΔTが、
ΔT≦80℃
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の製造方法。
The change ΔT in the growth temperature from the start of the growth of the lower guide layer to the start of the growth of the active layer is:
ΔT ≦ 80 ° C
The method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein
前記下部ガイド層の成長開始から前記活性層の成長開始までの各層の成長温度が830℃以下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の製造方法。2. The method according to claim 1, wherein a growth temperature of each layer from the start of the growth of the lower guide layer to the start of the growth of the active layer is 830 ° C. or less. 3.
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