JP2007208300A - Semiconductor laser, and method of manufacturing same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor laser where, a threshold current density for a short wavelength semiconductor laser using a nitride compound semiconductor can be reduced, and to provide a method of manufacturing the same. <P>SOLUTION: In an electron block layer disposed at the p-side of the active layer of a semiconductor laser using a nitride compound semiconductor, the Mg concentration thereof is set equal to or greater than 7×10<SP>19</SP>cm<SP>-3</SP>. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は半導体レーザ及びその製造方法に関するものであり、特に、ナイトライド系化合物半導体を用いた半導体レーザにおけるしきい値電流密度Jthを低減するための構成に特徴のある半導体レーザ及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor laser and a method for manufacturing the same, and more particularly to a semiconductor laser characterized by a configuration for reducing the threshold current density Jth in a semiconductor laser using a nitride compound semiconductor and a method for manufacturing the same. It is about.

従来、短波長半導体レーザは、光ディスクやDVD等の光源として用いられているが、光ディスクの記録密度はレーザ光の波長の二乗に反比例するため、より短い波長の半導体レーザが要請されており、現在商品化されている最短波長の半導体レーザは630〜650nm近傍に波長を有する赤色半導体レーザであり、昨年発売されたDVDに用いられている。   Conventionally, short-wavelength semiconductor lasers have been used as light sources for optical disks, DVDs, etc., but since the recording density of optical disks is inversely proportional to the square of the wavelength of the laser light, shorter-wavelength semiconductor lasers have been demanded. The shortest-wavelength semiconductor laser that has been commercialized is a red semiconductor laser having a wavelength in the vicinity of 630 to 650 nm, and is used in the DVD released last year.

しかし、より記録密度を高めるためにはさらなる短波長化が必要であり、例えば、光ディスクに動画を2時間記録するためには波長が400nm近辺の青色半導体レーザが不可欠となり、そのため、近年では次世代光ディスク用光源として、青色領域に波長を有する短波長半導体レーザに開発が盛んになされている。   However, in order to further increase the recording density, it is necessary to further shorten the wavelength. For example, in order to record a moving image on an optical disk for 2 hours, a blue semiconductor laser having a wavelength of around 400 nm is indispensable. As a light source for an optical disk, a short wavelength semiconductor laser having a wavelength in a blue region has been actively developed.

この様な青色半導体レーザ用材料としては、II−VI族化合物半導体のZnSe系と、III-V族化合物半導体のGaN系とが研究されており、この内、ZnSe系は高品質の基板として実績の高いGaAsにほぼ格子整合することから、長い間ZnSe系の方が有利であると考えられ、世界中の研究者の大半がこのZnSe系の研究に従事していたという経緯があり、レーザの研究に関してはZnSe系の方が先んじている。   As such blue semiconductor laser materials, IISe-VI group compound semiconductor ZnSe series and III-V group compound semiconductor GaN series have been studied. Of these, ZnSe series has been proven as a high-quality substrate. It is considered that the ZnSe system is more advantageous for a long time because it is lattice-matched to GaAs, which has a high level of GaAs. Most of the researchers all over the world have been engaged in research on this ZnSe system. Regarding the research, the ZnSe system is ahead.

このZnSe系については、既に、注入励起による室温連続発振が報告されているが、本質的に劣化しやすい材料であることから信頼性が問題となり、未だ実用化には至っていない。   As for this ZnSe system, room temperature continuous oscillation by injection excitation has already been reported, but since it is a material that is inherently easily deteriorated, reliability is a problem, and it has not yet been put into practical use.

一方、GaN系の場合には、1993年末の日亜化学によるGaN高輝度LEDの発表を境に、ZnSe系でネックになっている信頼性に関して耐環境性に優れるGaNが見直され、世界中で研究者の大きな増加を見ている。   On the other hand, in the case of the GaN system, GaN with excellent environmental resistance has been reconsidered with respect to the reliability that has become a bottleneck in the ZnSe system after the announcement of GaN high-brightness LED by Nichia Chemical at the end of 1993. We are seeing a large increase in researchers.

次いで、1995年12月初めには、同じく日亜化学によりパルスレーザ発振の成功が報告されて以来、急速に研究が進み、室温連続発振(CW発振)において、35時間の発振持続時間が報告されて以来、現在では、加速試験で推定10000時間の発振持続時間が報告されている。   Next, in early December 1995, Nichia also reported the success of pulsed laser oscillation, and research has progressed rapidly. In room temperature continuous oscillation (CW oscillation), a 35-hour oscillation duration was reported. Since then, an oscillation duration of an estimated 10,000 hours has been reported in an accelerated test.

ここで、図9及び図10を参照して従来の短波長半導体発光素子を説明するが、図9(a)は従来の短波長半導体レーザの光軸に垂直な概略的断面図であり、図9(b)は短波長発光ダイオードの概略的断面図であり、また、図10はバッファ層構造の異なる短波長半導体レーザの光軸に垂直な概略的断面図である。
図9(a)参照
まず、(0001)面を主面とするサファイア基板811上に、GaNバッファ層812を介して、n型GaNバッファ層813、n型In0.1 Ga0.9 N層814、n型Al0.15Ga0.85Nクラッド層815、n型GaN光ガイド層816、InGaNMQW活性層817、p型Al0.2 Ga0.8 N層818、p型GaN光ガイド層819、p型Al0.15Ga0.85Nクラッド層820、及び、p型GaNコンタクト層821をMOVPE法(有機金属気相成長法)によってエピタキシャル成長させる。
Here, a conventional short wavelength semiconductor light emitting device will be described with reference to FIGS. 9 and 10. FIG. 9A is a schematic cross-sectional view perpendicular to the optical axis of a conventional short wavelength semiconductor laser. 9 (b) is a schematic sectional view of a short wavelength light emitting diode, and FIG. 10 is a schematic sectional view perpendicular to the optical axis of a short wavelength semiconductor laser having a different buffer layer structure.
9A. First, an n-type GaN buffer layer 813, an n-type In 0.1 Ga 0.9 N layer 814, and an n-type are disposed on a sapphire substrate 811 having a (0001) plane as a main surface via a GaN buffer layer 812. Al 0.15 Ga 0.85 N clad layer 815, n-type GaN light guide layer 816, InGaN MQW active layer 817, p-type Al 0.2 Ga 0.8 N layer 818, p-type GaN light guide layer 819, p-type Al 0.15 Ga 0.85 N clad layer 820 Then, the p-type GaN contact layer 821 is epitaxially grown by the MOVPE method (metal organic vapor phase epitaxy).

次いで、ドライ・エッチングによりn型GaNバッファ層813の一部を露出させて、Ti/Auからなるn側電極822を設けると共に、p型GaNコンタクト層821上にはNi/Auからなるp側電極823を設けたのち、さらに、ドライ・エッチングを施して一対の平行な端面を形成し、この端面を共振器面にすることによってパルスレーザ発振に成功している(例えば、非特許文献1参照)。   Next, a part of the n-type GaN buffer layer 813 is exposed by dry etching, an n-side electrode 822 made of Ti / Au is provided, and a p-side electrode made of Ni / Au is formed on the p-type GaN contact layer 821. After providing 823, dry etching is further performed to form a pair of parallel end faces, and this end face is used as a resonator face to succeed in pulsed laser oscillation (see, for example, Non-Patent Document 1). .

図9(b)参照
また、発光ダイオードの場合には、サファイア基板811上に、GaNバッファ層812を介して、n型GaN層824、n型またはp型のIn0.15Ga0.85N活性層825、及び、p型GaN層826をMOVPE法によってエピタキシャル成長させる。
In the case of a light emitting diode, an n-type GaN layer 824, an n-type or p-type In 0.15 Ga 0.85 N active layer 825, and a GaN buffer layer 812 are provided on a sapphire substrate 811. Then, the p-type GaN layer 826 is epitaxially grown by the MOVPE method.

この場合、低注入で動作する発光ダイオードとして実用的な発光輝度を得るためには、In0.15Ga0.85N活性層825のSi濃度或いはZn濃度を1×1017〜1×1021cm-3にする必要があり、また、In0.15Ga0.85N活性層825の層厚は1〜500nm、より好適には、10〜100nmにする必要がある(例えば、特許文献1或いは特許文献2参照)。 In this case, in order to obtain light emission luminance practical as a light emitting diode operating with low injection, the Si concentration or Zn concentration of the In 0.15 Ga 0.85 N active layer 825 is set to 1 × 10 17 to 1 × 10 21 cm −3 . In addition, the layer thickness of the In 0.15 Ga 0.85 N active layer 825 needs to be 1 to 500 nm, and more preferably 10 to 100 nm (see, for example, Patent Document 1 or Patent Document 2).

図10参照
図10は従来の他の短波長半導体レーザの光軸に垂直な断面図であり、まず、(0001)面を主面とするサファイア基板831上に、GaNバッファ層832を介して、n型GaN中間層833、n型Al0.09Ga0.91Nクラッド層834、n型GaN光ガイド層835、MQW活性層836、p型Al0.18Ga0.82Nオーバーフロー防止層837、p型GaN光ガイド層838、p型Al0.09Ga0.91Nクラッド層839、及び、p型GaNコンタクト層840をMOVPE法によって順次エピタキシャル成長させる。
FIG. 10 is a cross-sectional view perpendicular to the optical axis of another conventional short wavelength semiconductor laser. First, on a sapphire substrate 831 having a (0001) plane as a main surface, a GaN buffer layer 832 is interposed. n-type GaN intermediate layer 833, n-type Al 0.09 Ga 0.91 N cladding layer 834, n-type GaN light guide layer 835, MQW active layer 836, p-type Al 0.18 Ga 0.82 N overflow prevention layer 837, p-type GaN light guide layer 838 Then, the p-type Al 0.09 Ga 0.91 N clad layer 839 and the p-type GaN contact layer 840 are sequentially epitaxially grown by the MOVPE method.

次いで、図9(a)の場合と同様に、ドライ・エッチングによりp型GaNコンタクト層840及びp型Al0.09Ga0.91Nクラッド層839をメサエッチングすると共に、n型GaN中間層833の一部を露出させて、n型GaN中間層833の露出部にTi/Auからなるn側電極841を設けると共に、p型GaNコンタクト層840上にはストライプ状開口を有するSiO2 膜842を介してNi/Auからなるp側電極843を設け、次いでドライ・エッチングを施して共振器面となる一対の平行な端面を形成したものである。 Next, as in the case of FIG. 9A, the p-type GaN contact layer 840 and the p-type Al 0.09 Ga 0.91 N clad layer 839 are mesa-etched by dry etching, and a part of the n-type GaN intermediate layer 833 is removed. is exposed, provided with an n-side electrode 841 made of Ti / Au on the exposed portion of the n-type GaN intermediate layer 833, is formed on p-type GaN contact layer 840 through the SiO 2 film 842 having a stripe-shaped opening Ni / A p-side electrode 843 made of Au is provided, and then dry etching is performed to form a pair of parallel end faces serving as a resonator surface.

また、オーバーフロー防止層、即ち、キャリアストッパー層をn型層側にも設けることも提案されており(例えば、特許文献3参照)、この場合には、n型不純物濃度が1×1018cm-3のSiドープのn型Al0.15Ga0.85N層を正孔ストッパー層として、また、p型不純物濃度が5×1019cm-3のMgドープのp型Al0.15Ga0.85N層を電子ストッパー層として活性層と光ガイド層との間に設けており、その際の成長温度はGaN或いはAlGaNを成長させる際の通常の成長温度である1100℃である。
特開平06−260682号公報 特開平06−260683号公報 特開平10−056236号公報 S.Nakamura et al.,Japanese Journal of Applied Physics, vol.35,p.L74,1996
It has also been proposed to provide an overflow prevention layer, that is, a carrier stopper layer on the n-type layer side (see, for example, Patent Document 3). In this case, the n-type impurity concentration is 1 × 10 18 cm −. 3 Si-doped n-type Al 0.15 Ga 0.85 N layer as a hole stopper layer, and Mg-doped p-type Al 0.15 Ga 0.85 N layer with a p-type impurity concentration of 5 × 10 19 cm −3 as an electron stopper layer The growth temperature is 1100 ° C., which is a normal growth temperature for growing GaN or AlGaN.
Japanese Patent Laid-Open No. 06-260682 Japanese Patent Laid-Open No. 06-260683 Japanese Patent Laid-Open No. 10-056236 S. Nakamura et al. , Japan Journal of Applied Physics, vol. 35, p. L74, 1996

しかし、従来の短波長半導体レーザの場合、しきい値電流密度が3.6kA/cm2 程度と、非常に大きいという問題があり、これは基板のサファイアに劈開性がないことのほかに、GaN系化合物半導体、即ち、ナイトライド系化合物半導体という材料が、光学利得を発生するためには、本質的に大きなキャリア密度を必要とするためである。 However, in the case of the conventional short wavelength semiconductor laser, there is a problem that the threshold current density is about 3.6 kA / cm 2 , which is very large. This is because a material such as a nitride compound semiconductor, that is, a nitride compound semiconductor, essentially requires a large carrier density in order to generate an optical gain.

即ち、従来、実用化されている半導体レーザは、AlGaAs系やAlGaInP系等の閃亜鉛鉱型結晶構造のIII-V族化合物半導体を用いているのに対して、ナイトライド系化合物半導体は、非常に大きな禁制帯幅を有する六方晶ウルツ鉱構造であり、閃亜鉛鉱型結晶材料とは全く異なった物性を有しているためである。   In other words, the semiconductor lasers that have been put into practical use use III-V group compound semiconductors with zinc blende type crystal structures such as AlGaAs and AlGaInP, whereas nitride compound semiconductors are extremely This is because it has a hexagonal wurtzite structure with a large forbidden band width, and has completely different physical properties from the zinc blende type crystal material.

この様なナイトライド系化合物半導体の物性上の大きな特徴は、六方晶であり結晶に異方性が存在すること、禁制帯幅が大きく有効質量が大きいこと、スピン軌道相互作用が小さく、価電子帯に、HH(Heavy Hole)、LH(Light Hole)、及び、CHの3つのバンドが近接して存在することの三つが挙げられる。   The major physical properties of such nitride compound semiconductors are hexagonal crystals and the presence of anisotropy in crystals, large forbidden band width and large effective mass, small spin-orbit interaction, and valence electrons. There are three bands in which three bands of HH (Heavy Hole), LH (Light Hole), and CH are close to each other.

より、詳しく説明すると、まず、第1に、ホールの有効質量が大きいことに起因する特徴としては、
a.ホールの有効質量が大きいため、価電子帯の擬フェルミ準位EFpが上がりにくいこと、また
b.ホールの有効質量が大きく、また、LO(縦光学)フォノン散乱等が大きいため、ホールの移動度が小さいこと、また、
c.ホールの有効質量mが大きいため、温度Tにおけるホールの平均速度、即ち、ホールの熱速度vp は、
(m/2)vp 2 =(3/2)kTから、
p ∝m-1/2となり、
ホールの熱速度vp が小さいことが挙げられる。
More specifically, first, as a feature due to the large effective mass of holes, first,
a. The effective mass of the hole is large, so that the quasi-Fermi level E Fp of the valence band is difficult to increase, and b. Since the effective mass of the hole is large and LO (longitudinal optical) phonon scattering is large, the mobility of the hole is small,
c. Since the effective mass m of the hole is large, the average hole velocity at the temperature T, that is, the heat velocity v p of the hole is
From (m / 2) v p 2 = (3/2) kT,
v p ∝m -1/2
It is mentioned that the heat velocity v p of the hole is small.

第2に、価電子帯に、HH、LH、CHの3つのバンドが近接して存在し、その内の2つの有効質量が大きいことにより、ホールに対する擬フェルミ準位EFpが上がりにくいことが原因で、
d.反転分布を達成するために必要な伝導帯の擬フェルミ準位EFnの上昇が従来材料よりも大きくなり、且つ、バリア層と井戸層、或いは、活性層と光ガイド層とを構成するGaN/InGaN、或いは、Inx Ga1-x N/Iny Ga1-y Nのヘテロ接合における価電子帯におけるエネルギー不連続ΔEV と禁制帯幅の差ΔEg との比、即ち、ΔEV /ΔEg が、従来の材料系では0.4程度であったのに対して0.7程度と大きく、界面におけるバンドのオフセットが3:7で価電子帯側に偏るという特徴がある。
Second, there are three bands of HH, LH, and CH close to the valence band, and the two effective masses of them are large, so that the quasi-Fermi level E Fp for the hole is difficult to increase. Cause
d. Increase in quasi-Fermi level E Fn of the conduction band required to achieve the population inversion is larger than the conventional material, and the barrier layer and the well layer, or, GaN constituting the active layer and the optical guide layer / The ratio between the energy discontinuity ΔE V in the valence band and the difference ΔE g of the forbidden band width in the heterojunction of InGaN or In x Ga 1-x N / In y Ga 1-y N, that is, ΔE V / ΔE g is as large as about 0.7 compared to about 0.4 in the conventional material system, and the band offset at the interface is 3: 7 and is biased toward the valence band side.

これらが原因となって、p型層側から活性層へのホールの注入が効率良く行われなくなり、特に、活性層が多重量子井戸(MQW)構造である場合、ホールの注入効率の悪さは量子井戸層(ウエル層)間のホール密度の不均一を生むことになり、且つ、活性層で有効に消費されない電子がp側へ溢れ出しp側光ガイド層或いはp型クラッド層へのオーバーフロー電流となることを、本発明者等はシミュレーションにより見出したのでこの事情を図11乃至図15を参照して説明する。
なお、図11乃至図15のシミュレーションについては、エレクトロンブロック層、即ち、オーバーフロー防止層の設けない構成でシミュレーションしている。
For these reasons, holes are not efficiently injected from the p-type layer side into the active layer. In particular, when the active layer has a multiple quantum well (MQW) structure, the poor hole injection efficiency is The hole density is uneven between the well layers (well layers), and electrons that are not effectively consumed in the active layer overflow to the p-side and overflow current to the p-side light guide layer or p-type cladding layer. Since the present inventors have found through simulation, this situation will be described with reference to FIGS.
In addition, about the simulation of FIG. 11 thru | or FIG. 15, it simulates by the structure which does not provide an electron block layer, ie, an overflow prevention layer.

図11参照
図11は、活性層近傍におけるフェルミ準位の変化を示すものであり、図において拡大した円内に示す様に、価電子帯におけるホールに対する擬フェルミ準位EFpが、活性層においてp側光ガイド層より低エネルギー側にあることがわかる。
FIG. 11 shows the change of the Fermi level in the vicinity of the active layer. As shown in the enlarged circle in the figure, the pseudo Fermi level E Fp for the hole in the valence band is expressed in the active layer. It can be seen that it is on the lower energy side than the p-side light guide layer.

即ち、通常の材料系においては、ホールの注入によって擬平衡状態に達し、活性層とp側光ガイド層の擬フェルミ準位EFpはほぼ一致することになるが、ナイトライド系半導体材料においては、活性層とp側光ガイド層の擬フェルミ準位EFpの不一致が非常に大きく、p側光ガイド層から活性層へホールが有効に注入されていないことを示している。 That is, in a normal material system, a pseudo-equilibrium state is reached by hole injection, and the quasi-Fermi level E Fp of the active layer and the p-side light guide layer substantially coincide with each other. The mismatch between the quasi-Fermi level E Fp between the active layer and the p-side light guide layer is very large, indicating that holes are not effectively injected from the p-side light guide layer into the active layer.

図12参照
図12は、ウエル層が5層のMQW構造短波長半導体レーザにおけるホール電流の層位置依存性を示す図であり、注入されたホールがどこで再結合により消滅するかをシミュレーションした結果を示した図であり、図から明らかな様に、p型クラッド層より注入されたホール電流は、活性層に達する前にp側光ガイド層で4kA/cm2 だけ消費されている。
FIG. 12 is a diagram showing the layer position dependence of the hole current in the MQW structure short wavelength semiconductor laser having five well layers. The simulation results of where the injected holes disappear due to recombination are shown. As is apparent from the figure, the hole current injected from the p-type cladding layer is consumed by 4 kA / cm 2 in the p-side light guide layer before reaching the active layer.

この消費された電流はレーザ発振に寄与しない無効電流であり、しきい値電流密度Jthの増加につながるものであるが、この様に、p側光ガイド層での再結合が大きい理由は、p型クラッド層から活性層へのホールの注入効率が悪いためである考えられる。 This consumed current is a reactive current that does not contribute to laser oscillation and leads to an increase in the threshold current density Jth . Thus, the reason why recombination in the p-side light guide layer is large is as follows. This is probably because the efficiency of hole injection from the p-type cladding layer to the active layer is poor.

また、活性層がMQW構造である場合、ホールの注入効率の悪さは量子井戸層(ウエル層)間のホール密度の不均一を生み、レーザ発振を非効率にすることになるので、この事情を図13及び図14を参照して説明する。
図13参照
図13は、図11の状態における素子膜厚方向のホール密度分布のシミュレーション結果を示す図であり、図から明らかなように、MQW活性層におけるホール密度がp側光ガイド層に近いほど大きく、不均一になっていることが理解される。
In addition, when the active layer has an MQW structure, the poor hole injection efficiency results in non-uniform hole density between the quantum well layers (well layers), which makes laser oscillation inefficient. This will be described with reference to FIGS.
FIG. 13 is a diagram showing a simulation result of the hole density distribution in the element thickness direction in the state of FIG. 11, and as is clear from the figure, the hole density in the MQW active layer is close to the p-side light guide layer. It is understood that it is so large and non-uniform.

図14参照
図14は、同じく図11の状態における素子膜厚方向の電子密度分布のシミュレーション結果を示す図であり、図から明らかなように、n側光ガイド層側から注入されるMQW活性層における電子密度もp側光ガイド層に向かうほど大きく不均一になっていることが理解され、これは上述のホール不均一注入が原因で、電荷中性条件を満たすために電子がホールに引き寄せられる結果である。
FIG. 14 is a diagram showing a simulation result of the electron density distribution in the element film thickness direction in the state of FIG. 11 as well. As is apparent from FIG. 14, the MQW active layer injected from the n-side light guide layer side It is understood that the electron density in the region also becomes large and non-uniform as it goes toward the p-side light guide layer. This is due to the above-described non-uniform injection of holes, and the electrons are attracted to the holes to satisfy the charge neutrality condition. It is a result.

この様に、ホールと電子ともに同様の不均一が起きていることによって、多重量子井戸構造中における光学利得の発生を著しく不均一にすることが予想されるので、この事情を図15を参照して説明する。
図15参照
図15は、上述のナイトライド系化合物半導体を用いたMQW半導体レーザの多重量子井戸中における光学利得分布の説明図であり、p型クラッド層側から第1番目の量子井戸においてはp型クラッド層からの正孔の供給が多いため、大きな光学利得を有しているが、n型クラッド層側へ向かうにつれて光学利得は減少し、n型クラッド層側の2つの量子井戸においては光学利得を発生しないばかりか、光の損失が生じるという従来の閃亜鉛鉱型結晶構造の半導体を用いたレーザと異なる特性となる。
In this way, it is expected that the generation of optical gain in the multiple quantum well structure will be remarkably non-uniform due to the occurrence of the same non-uniformity in both holes and electrons. I will explain.
FIG. 15 is an explanatory diagram of the optical gain distribution in the multiple quantum well of the MQW semiconductor laser using the above-mentioned nitride compound semiconductor, and in the first quantum well from the p-type cladding layer side, FIG. Since the supply of holes from the type cladding layer is large, it has a large optical gain. However, the optical gain decreases toward the n-type cladding layer side, and the two quantum wells on the n-type cladding layer side are optical. This is different from the conventional laser using a zincblende crystal structure semiconductor that not only generates gain but also causes light loss.

即ち、閃亜鉛鉱型結晶構造の半導体を用いた従来の半導体レーザにおいては、MQW構造が5層程度の量子井戸層から構成される場合には、キャリアが均一に注入されることが常識であり、光通信用長波長レーザでは5〜10層程度、DVD用赤色レーザでも5層程度用いているが、光学利得は均一に発生している。   That is, in conventional semiconductor lasers using a zincblende crystal structure semiconductor, it is common knowledge that carriers are uniformly injected when the MQW structure is composed of about five quantum well layers. The long wavelength laser for optical communication uses about 5 to 10 layers, and the red laser for DVD uses about 5 layers, but the optical gain is uniformly generated.

この様な光学利得の量子井戸層間の不均一による光吸収層の発生は、二つの悪影響を与えることになり、第一は、光吸収層となっているn側の2つの量子井戸層においても、図13及び図14から明らかなようにキャリアが高密度に存在するため、再結合電流が大きいことを意味し、p側の3つの量子井戸層がレーザ発振のしきい値フェルミ準位に達する電流量をn側の2つの量子井戸層が増加させる結果となる。   The generation of the light absorption layer due to the non-uniformity between the quantum well layers having such an optical gain has two adverse effects. First, even in the two quantum well layers on the n side serving as the light absorption layer, As apparent from FIGS. 13 and 14, since the carriers exist at high density, it means that the recombination current is large, and the three quantum well layers on the p side reach the threshold Fermi level of laser oscillation. As a result, the two quantum well layers on the n side increase the amount of current.

第二に、n側の2つの量子井戸層が光吸収層であるために、レーザ発振するために克服すべき内部ロスが増加し、しきい値フェルミ準位EF thそのものが上昇してしまうという悪影響が生ずることになる。 Second, since the two quantum well layers on the n side are light absorption layers, the internal loss to be overcome for laser oscillation increases, and the threshold Fermi level E F th itself increases. This will cause an adverse effect.

図16参照
図16は、多重量子井戸活性層における量子井戸層の数を変えて実際に作製したMQW半導体レーザの光出力−電流特性を示す図であり、この場合、全体の光閉じ込めを一定にするために膜厚を変化させているが、5層の量子井戸層からなる活性層を設けたMQW半導体レーザの方が3層の量子井戸層からなる活性層を設けたMQW半導体レーザの場合よりしきい値電流密度Jthが高く、且つ、レーザ発振後の効率も悪いことがわかる。
FIG. 16 is a diagram showing optical output-current characteristics of an MQW semiconductor laser actually manufactured by changing the number of quantum well layers in the multiple quantum well active layer. In this case, the entire optical confinement is constant. However, the MQW semiconductor laser provided with the active layer consisting of the five quantum well layers is different from the MQW semiconductor laser provided with the active layer consisting of the three quantum well layers. It can be seen that the threshold current density Jth is high and the efficiency after laser oscillation is also poor.

これは、半導体レーザの効率は内部量子効率と内部ロスで決定されるため、n側の2つの量子井戸層が光吸収層になっていることによって、内部量子効率及び内部ロスの両者が劣化していることが原因であると考えられる。   This is because the efficiency of the semiconductor laser is determined by the internal quantum efficiency and the internal loss, and both the internal quantum efficiency and the internal loss are degraded by the fact that the two quantum well layers on the n side are light absorption layers. This is considered to be the cause.

また、従来のMQW構造半導体レーザでは、放射光電磁場の強度分布(放射光強度分布)が、図15に示す様に、活性層の中心位置に最大強度位置が来るように対称構造になっており、光学利得を発生する第1層目の量子井戸と最大強度位置とが一致していないため、光閉じ込めが有効に行われないという問題がある。   Further, in the conventional MQW structure semiconductor laser, the intensity distribution (radiation intensity distribution) of the radiated photoelectric magnetic field has a symmetric structure so that the maximum intensity position comes to the center position of the active layer as shown in FIG. There is a problem that optical confinement is not effectively performed because the quantum well of the first layer that generates optical gain and the maximum intensity position do not match.

即ち、レーザ発振に寄与する実質的な利得は、光学利得に放射光強度分布を掛けたものであり、光学利得が大きくとも、その光学利得を発生する位置に放射光強度分布が存在しなければ発振に寄与できないことになる。   That is, the substantial gain that contributes to laser oscillation is the optical gain multiplied by the radiated light intensity distribution. Even if the optical gain is large, the radiated light intensity distribution must be present at the position where the optical gain is generated. It cannot contribute to oscillation.

そして、実際には、放射光の活性層への分布は、全層を合計しても全体の光強度の約3%程度であるので、図15に示すようにただでさえ小さい光分布が最大光学利得を発生する層で大きくならないことは大きな問題となる。   Actually, the distribution of the radiated light to the active layer is about 3% of the total light intensity even if all the layers are summed, so that even a small light distribution is maximum as shown in FIG. It is a big problem that the layer that generates the optical gain does not become large.

また、現在報告されている、量子井戸層が10層乃至20層のMQWレーザの場合には、量子井戸構造全体では、光閉じ込めが充分であっても、実質的に、光学利得を発生しているp型クラッド層側から第1番目の量子井戸での光閉じ込めがかなり小さくなり、しきい値電流密度Jthが増加するという問題がある。 In addition, in the case of MQW lasers with 10 to 20 quantum well layers, which are currently reported, even if the entire quantum well structure has sufficient optical confinement, an optical gain is substantially generated. There is a problem that light confinement in the first quantum well from the p-type cladding layer side becomes considerably small and the threshold current density Jth increases.

さらに、上述のdの理由により、禁制帯幅の差ΔEg の影響の約70%が価電子帯側に現れ、伝導帯側のエネルギー不連続ΔEC は小さくなり、電子のオーバーフローが問題となるため、従来の短波長半導体レーザにおいては、オーバーフロー防止層或いはキャリアストッパ層を設けているが、それによって、放射光強度分布がさらにn側にずれた非対称構造となり、光学利得の大きなp型クラッド層側から第1番目の量子井戸での光閉じ込めがさらに小さくなり、しきい値電流密度Jthが増加するという問題がある。 Furthermore, for the reason of d described above, about 70% of the influence of the forbidden band width difference ΔE g appears on the valence band side, the energy discontinuity ΔE C on the conduction band side becomes small, and electron overflow becomes a problem. Therefore, in the conventional short wavelength semiconductor laser, an overflow prevention layer or a carrier stopper layer is provided, but this results in an asymmetric structure in which the emitted light intensity distribution is further shifted to the n side, and a p-type cladding layer having a large optical gain. There is a problem that light confinement in the first quantum well from the side is further reduced and the threshold current density Jth is increased.

したがって、ナイトライド系化合物半導体を用いたMQW半導体レーザの特性を改善するためには、しきい値電流密度Jthを低減させることが必要になるが、そのためには、上述のキャリアの不均一注入を改善することが有効となる。 Therefore, in order to improve the characteristics of an MQW semiconductor laser using a nitride compound semiconductor, it is necessary to reduce the threshold current density Jth . For this purpose, the above-described non-uniform carrier injection is performed. It is effective to improve.

しかし、上述の様にナイトライド系化合物半導体を用いたMQW半導体レーザの場合には、ナイトライド系化合物半導体に特有な問題があり、従来の閃亜鉛鉱型結晶構造半導体の常識を適用するだけでは優れた解決手段が見つからず、ナイトライド系化合物半導体を用いたMQW半導体レーザに採用されている構成で、ナイトライド系化合物半導体には本質的ではない構成が無いか否かを検討することが必要になる。   However, in the case of MQW semiconductor lasers using nitride compound semiconductors as described above, there are problems peculiar to nitride compound semiconductors, and simply applying the common sense of conventional zincblende crystal structure semiconductors. An excellent solution cannot be found, and it is necessary to examine whether the nitride compound semiconductor has a non-essential configuration in the MQW semiconductor laser using the nitride compound semiconductor. become.

そこで、検討するに、一般に、ホールの注入効率を改善するために、p側光ガイド層をp型層とすることによりホール濃度を高めることが考えられるが、この場合には、かえって、ホールの注入効率が低下するという問題がある。
即ち、ホールの注入効率が低い主たる原因は、p側光ガイド層におけるホールの移動度が小さいことであるが、p型ドーピングによって散乱が増えてホールの移動度を更に低下させることになる。
さらに、p型不純物のドーピング濃度を高めても、不純物の活性化率が小さいため、ホール濃度がなかなか上がらないことも問題となる。
Therefore, in general, in order to improve the hole injection efficiency, it is conceivable to increase the hole concentration by making the p-side light guide layer a p-type layer. In this case, however, There exists a problem that injection | pouring efficiency falls.
That is, the main cause of the low hole injection efficiency is that the mobility of holes in the p-side light guide layer is small, but the scattering increases due to p-type doping, which further reduces the mobility of holes.
Furthermore, even if the doping concentration of the p-type impurity is increased, since the activation rate of the impurity is small, the hole concentration does not increase easily.

また、一般に、MQW半導体レーザにおけるキャリアの不均一注入を改善するためには、多重量子井戸構造におけるウエル層の膜厚を薄くすること、バリア層の厚さを薄くすること、及び、バリア層の高さを低く、即ち、禁制帯幅を小さくすることが有効であると考えられる。   In general, in order to improve the non-uniform injection of carriers in the MQW semiconductor laser, the thickness of the well layer in the multiple quantum well structure, the thickness of the barrier layer, and the barrier layer It is considered effective to reduce the height, that is, to reduce the forbidden bandwidth.

この内、ウエル層の膜厚は、レーザの光学利得特性を大きく左右し、レーザ設計の最重要項目であるため、独立に変化させることは難しいという問題があり、また、ナイトライド系MQW青色半導体レーザにおいて、バリア層の禁制帯幅を小さくするということは、バリア層中のIn組成を増加することを意味することになるが、これは歪の増加をもたらし、結晶性が劣化することになるので好ましくないので、この事情を図17を参照して説明する。   Among these, the film thickness of the well layer greatly affects the optical gain characteristics of the laser and is the most important item in laser design, so there is a problem that it is difficult to change it independently, and the nitride MQW blue semiconductor In the laser, reducing the forbidden band width of the barrier layer means increasing the In composition in the barrier layer, which leads to an increase in strain and deteriorates the crystallinity. Since this is not preferable, this situation will be described with reference to FIG.

図17参照
図17は、バリア層として用いたInx Ga1-x Nを用いた場合の発光効率のIn組成比x依存性についての実験結果を示す図であり、In組成比xが大きいほど活性層にかかる歪がおおきくなり、発光効率が小さくなるため、バリア層のIn組成比xを大きくできず、したがって、量子井戸構造のバリアを低くして注入効率を高めることができない。
FIG. 17 is a diagram showing experimental results on the dependence of the luminous efficiency on the In composition ratio x when In x Ga 1-x N used as the barrier layer is used. Since the strain applied to the active layer is increased and the light emission efficiency is decreased, the In composition ratio x of the barrier layer cannot be increased. Therefore, the barrier of the quantum well structure cannot be decreased to increase the injection efficiency.

一方、バリア層の膜厚については、従来の閃亜鉛鉱型結晶構造半導体を用いたレーザにおいては、膜厚が薄いと量子井戸層間の波動関数の滲み出しによる相互作用が無視できなくなり、階段状であるはずの光学利得分布がなまり、一定キャリア密度当たりの光学利得が発生が低下するため、5nm以上の厚さにしており、この構成をナイトライド系化合物半導体を用いたMQW半導体レーザにおいてもそのまま採用している。   On the other hand, with regard to the film thickness of the barrier layer, in the conventional laser using a zinc blende type crystal structure semiconductor, if the film thickness is thin, the interaction due to the oozing of the wave function between the quantum well layers cannot be ignored, and the stepped shape The optical gain distribution that should have been reduced and the generation of the optical gain per fixed carrier density is reduced, so the thickness is set to 5 nm or more. This structure is also applied to an MQW semiconductor laser using a nitride compound semiconductor as it is. Adopted.

しかし、ナイトライド系化合物半導体を用いたMQW半導体レーザにおいては、上述のようにキャリアの有効質量が大きいため、量子井戸からの波動関数の滲み出しが少なく、且つ、バンド・ギャップの不均一性のため階段状の光学利得分布がもともと若干なまっており、そのため、5nm以上の膜厚は本質的な要件ではないとの結論に至った。   However, in the MQW semiconductor laser using a nitride compound semiconductor, since the effective mass of the carrier is large as described above, the wave function oozes out from the quantum well and the band gap is not uniform. For this reason, the stepwise optical gain distribution has been slightly reduced from the beginning, and therefore, it has been concluded that a film thickness of 5 nm or more is not an essential requirement.

また、上述の様に、活性層で有効に消費されない電子がp側へ溢れ出しp側光ガイド層或いはp型クラッド層へのオーバーフロー電流となるとともに、p側光ガイド層から活性層へのホールの注入効率が悪いことが原因で、p側光ガイド層に溜まったホールが電子をp側層へと引き寄せることによっても、オーバーフローを増加させることになる。   In addition, as described above, electrons that are not effectively consumed in the active layer overflow to the p-side and become an overflow current to the p-side light guide layer or the p-type cladding layer, and holes from the p-side light guide layer to the active layer. Due to the poor injection efficiency, the holes accumulated in the p-side light guide layer attract electrons to the p-side layer, thereby increasing the overflow.

さらに、上述のdの理由により、ヘテロ接合界面におけるバンドのオフセットが3:7で価電子帯側に偏り、伝導帯側のエネルギー不連続ΔEC は小さくなるので、この点からも電子のオーバーフローが問題となっており、従来の短波長の半導体レーザにおいては、オーバーフロー防止層或いはキャリアストッパ層を設けているが、それでも、しきい値キャリア密度Nthが高いのでオーバーフローが起きやすいという問題があり、この様にナイトライド系半導体においては、他の半導体よりも電子のオーバーフローが本質的な問題となる。 Furthermore, because of the above-mentioned d, since the band offset at the heterojunction interface is 3: 7, the band is biased toward the valence band side, and the energy discontinuity ΔE C on the conduction band side becomes small. has become a problem, in the semiconductor laser of conventional short wavelength, is provided with the overflow preventing layer or the carrier stopper layer, nevertheless, there is a problem that the overflow easily occurs because the threshold carrier density N th is high, Thus, in a nitride-based semiconductor, an overflow of electrons becomes an essential problem as compared with other semiconductors.

即ち、半導体レーザのしきい値電流密度Jthは、τs を電子のライフタイム、dを活性層の厚さ、eを素電荷、Nthをしきい値キャリア密度とした場合、
th=Nth・d・e/τs
で表され、しきい値フェルミ準位EF thは、キャリア密度Nに依存するフェルミ準位EF のしきい値キャリア密度Nthにおける値、即ち、
F th=EF (Nth
で表される。
That is, the threshold current density J th of the semiconductor laser is as follows: τ s is the electron lifetime, d is the thickness of the active layer, e is the elementary charge, and N th is the threshold carrier density.
J th = N th · d · e / τ s
The threshold Fermi level E F th is a value at the threshold carrier density N th of the Fermi level E F depending on the carrier density N, that is,
E F th = E F (N th )
It is represented by

このしきい値キャリア密度Nthは、キャリア密度Nの関数であるGm (modal gain:モード利得)がキャビティ・ロスを上回ってレーザ発振を開始するキャリア密度であり、しきい値キャリア密度Nthを小さくするためにはGm を大きくする必要がある。 The threshold carrier density N th is a carrier density at which G m (modal gain), which is a function of the carrier density N, exceeds the cavity loss to start laser oscillation, and the threshold carrier density N th In order to reduce the value, it is necessary to increase G m .

このGm はΓを光閉じ込め係数とし、Gを活性層の組成及びキャリア密度等で決まる利得とすると、
m =Γ・G
で表されるので、活性層の厚さが薄くなり、且つ、光閉じ込めが不十分であればGm が小さくなり、それに伴ってしきい値キャリア密度Nthも大きくなり、したがって、しきい値フェルミ準位EF thが上がりやすくなる。
このしきい値フェルミ準位EF thも大きくなると、高エネルギー状態の電子の数が多くなるので、この点からも電子のオーバーフローが問題となる。
This G m has Γ as an optical confinement factor, and G as a gain determined by the composition of the active layer, carrier density, etc.
G m = Γ · G
Therefore, if the thickness of the active layer is thin and the optical confinement is insufficient, G m becomes small, and accordingly, the threshold carrier density N th also becomes large. The Fermi level E F th is likely to rise.
If this threshold Fermi level E F th is also increased, the number of electrons in a high energy state is increased, so that the overflow of electrons becomes a problem also from this point.

また、有効質量が大きいことが主な原因で、オーバーフロー防止層を設けない場合、p型クラッド層への電子のオーバーフローによるリーク電流が非常に大きいことを本発明者等はシミュレーションにより見出したのでこの事情を図18を参照して説明する。
図18参照
図18は、In0.15Ga0.85Nからなる5層のウエル層をIn0.05Ga0.95Nバリア層で挟んだMQW構造短波長半導体レーザにおける、電子のオーバーフロー電流の総電流量依存性のシミュレーション結果を、AlGaNクラッド層のAl組成を変化させて示したものであり、クラッド層のAl組成比が0.05の場合、即ち、Al0.05Ga0.95N層を用いた場合には、低電流領域からリーク電流が増加しはじまり、20kA/cm2 の時に、総電流量の半分以上がリークすることが分かる。
In addition, the present inventors have found through simulation that the leakage current due to the overflow of electrons to the p-type cladding layer is very large when the overflow prevention layer is not provided mainly due to the large effective mass. The situation will be described with reference to FIG.
FIG. 18 shows a simulation of the dependence of the overflow current of electrons on the total current amount in an MQW structure short wavelength semiconductor laser in which five well layers of In 0.15 Ga 0.85 N are sandwiched between In 0.05 Ga 0.95 N barrier layers. The results are shown by changing the Al composition of the AlGaN cladding layer. When the Al composition ratio of the cladding layer is 0.05, that is, when an Al 0.05 Ga 0.95 N layer is used, the low current region is shown. Thus, it can be seen that the leakage current starts to increase, and at 20 kA / cm 2 , more than half of the total current leaks.

この様なリーク電流は、レーザ発振に寄与しない無効電流であり、これ自体がしきい値電流密度Jthの増加につながるばかりか発熱の原因ともなって、より一層レーザ発振を困難にするものである。 Such a leakage current is a reactive current that does not contribute to laser oscillation, which itself leads to an increase in the threshold current density Jth and also causes heat generation, which further makes laser oscillation more difficult. .

クラッド層としてAl組成比が0.05のAl0.05Ga0.95N層を用いた場合には、活性層との禁制帯幅の差は500meVもあり、従来の材料系では十分な差であるが、ナイトライド系においてはこの様にオーバーフロー電流が無視できない大きさになるため、オーバーフローによるリーク電流を低減するために、クラッド層のAl組成比を大きくしたAl0.15Ga0.85N層等が用いられている。 When an Al 0.05 Ga 0.95 N layer having an Al composition ratio of 0.05 is used as the cladding layer, the difference in the forbidden band width from the active layer is 500 meV, which is a sufficient difference in the conventional material system. In the nitride system, since the overflow current is not negligible, an Al 0.15 Ga 0.85 N layer or the like having a large Al composition ratio in the cladding layer is used to reduce the leakage current due to overflow. .

また、本発明者は、オーバーフロー電流は素子温度にも依存することをシミュレーションにより見出したのでこの事情を図19を参照して説明する。
図19参照
図19は、Al0.1 Ga0.9 Nクラッド層を用いた場合の電子のオーバーフロー電流の総電流量依存性のシミュレーション結果を、素子温度を変化させて示したものであり、図から明らかなように、素子温度が上昇すると高電流領域でオーバーフローが増加することが分かる。
The present inventor has found through simulation that the overflow current also depends on the element temperature. This situation will be described with reference to FIG.
FIG. 19 shows the simulation result of the total current amount dependence of the electron overflow current when the Al 0.1 Ga 0.9 N clad layer is used, with the element temperature changed, which is apparent from the figure. Thus, it can be seen that the overflow increases in the high current region as the element temperature rises.

そして、実際の素子では、オーバーフローした電流がp側電極まで達して発熱して素子温度を上昇させることになり、この素子温度の上昇によって更にオーバーフロー電流が増加するという悪循環が生じ、レーザ発振を阻害するものと考えられる。   In an actual device, the overflowed current reaches the p-side electrode and heat is generated to raise the device temperature. This rise in device temperature creates a vicious circle in which the overflow current further increases, impeding laser oscillation. It is thought to do.

一方、電子のオーバーフローを防止するために、p型Al0.15Ga0.85N層或いはAl0.18Ga0.82N層等のオーバーフロー防止層を設けた場合、このAl0.15Ga0.85N層或いはAl0.18Ga0.82N層はp側光ガイド層より屈折率が低いので、レーザ発振を得るために必要な光閉じ込めが大きく減少してしまう問題があり、且つ、ヘテロ接合界面にエネルギースパイクを形成して正孔の注入に対するバリアとなる問題がある。 On the other hand, when an overflow prevention layer such as a p-type Al 0.15 Ga 0.85 N layer or an Al 0.18 Ga 0.82 N layer is provided to prevent an overflow of electrons, this Al 0.15 Ga 0.85 N layer or Al 0.18 Ga 0.82 N layer is provided. Has a lower refractive index than that of the p-side light guide layer, so that there is a problem that the optical confinement necessary for obtaining laser oscillation is greatly reduced, and an energy spike is formed at the heterojunction interface to prevent hole injection. There is a problem that becomes a barrier.

また、上述の図10に示す様に、ナイトライド系化合物半導体を用いた従来のMQW半導体レーザにおいて、MQW活性層836とp型GaN光ガイド層838との間に、禁制帯幅の大きなp型Al0.18Ga0.82Nオーバーフロー防止層837を設けた場合には、内部ロスの増加を助長すると共にホールに対する電位障壁を大きくし駆動電圧を上昇させるという問題があり、また、電子親和力の差に起因する電位障壁によっても駆動電圧が上昇するという問題があるので、この事情を図20を参照して説明する。 Further, as shown in FIG. 10 described above, in a conventional MQW semiconductor laser using a nitride compound semiconductor, a p-type having a large forbidden band between the MQW active layer 836 and the p-type GaN light guide layer 838. In the case where the Al 0.18 Ga 0.82 N overflow prevention layer 837 is provided, there is a problem that the increase of internal loss is increased and the potential barrier against holes is increased to increase the driving voltage, and also due to the difference in electron affinity. Since there is a problem that the drive voltage rises due to the potential barrier, this situation will be described with reference to FIG.

図20(a)参照
図20(a)は従来の短波長半導体レーザのバンドダイヤグラムであり、図から明らかなように、p型Al0.18Ga0.82Nオーバーフロー防止層837の禁制帯幅が大きいため、p型GaN光ガイド層838との間に形成される障壁、即ち、実線で示す電圧非印加時の価電子帯のバンド端と破線で示す電圧印加時の価電子帯のバンド端844との間のエネルギー差が大きくなり、したがって、MQW活性層836へのホールの注入のための印加電圧Vを増大させることになる。
See FIG. 20A. FIG. 20A is a band diagram of a conventional short wavelength semiconductor laser. As is clear from FIG. 20, the forbidden band width of the p-type Al 0.18 Ga 0.82 N overflow prevention layer 837 is large. A barrier formed between the p-type GaN light guide layer 838, that is, between the band edge of the valence band when no voltage is applied as indicated by a solid line and the band edge 844 of the valence band when a voltage is applied as indicated by a broken line. Therefore, the applied voltage V for injecting holes into the MQW active layer 836 is increased.

図20(b)参照
図20(b)は、p型Al0.18Ga0.82Nオーバーフロー防止層837の近傍における価電子帯側のバンドダイヤグラムを模式的に示す図であり、図に示すように、MQW活性層836とp型Al0.18Ga0.82Nオーバーフロー防止層837との界面、及び、p型Al0.18Ga0.82Nオーバーフロー防止層837とp型GaN光ガイド層838との界面に電子親和力の差に起因してノッチ845,846が形成され、このノッチ845,846がホールの注入に対する電位障壁となり、ホールの注入効率が低下することになる。
See FIG. 20B. FIG. 20B is a diagram schematically showing a band diagram on the valence band side in the vicinity of the p-type Al 0.18 Ga 0.82 N overflow prevention layer 837. As shown in FIG. Due to the difference in electron affinity at the interface between the active layer 836 and the p-type Al 0.18 Ga 0.82 N overflow prevention layer 837 and at the interface between the p-type Al 0.18 Ga 0.82 N overflow prevention layer 837 and the p-type GaN light guide layer 838 Thus, notches 845 and 846 are formed, and the notches 845 and 846 serve as a potential barrier against hole injection, and the hole injection efficiency is lowered.

また、このオーバーフローを助長する他の要因としては、p型クラッド層の比抵抗が高いこと、及び、p型クラッド層における非発光寿命が短いことが挙げられ、これらの要因は本質的なものではないため、これらを改善することによってオーバーフローを低減することも考えられる。   In addition, other factors that promote this overflow include a high specific resistance of the p-type cladding layer and a short non-emission lifetime in the p-type cladding layer. These factors are not essential. Therefore, it is conceivable to reduce overflow by improving them.

しかし、現状では十分な結晶品質を有するp型クラッド層が得られておらず、例えば、比抵抗に関しては、p型クラッド層に対するドーピングが難しく、十分でないことが原因であるが、Al組成比の増加とともにドーピングが一層困難になるので、オーバーフローを低減するためにAl組成比の大きなp型クラッド層を使用した場合に、その比抵抗を低下させることは容易ではない。   However, a p-type cladding layer having sufficient crystal quality has not been obtained at present. For example, regarding the specific resistance, doping to the p-type cladding layer is difficult and insufficient, but the Al composition ratio is low. As doping increases, doping becomes more difficult. Therefore, when a p-type cladding layer having a large Al composition ratio is used to reduce overflow, it is not easy to reduce the specific resistance.

また、非発光寿命に関しても、アンドープの結晶でも非発光寿命が1ns(ナノ秒)程度と従来材料より短く、p型ドーピング層に至っては0.1ns以下と考えられ、現実的には改善が難しいという問題がある。   Further, regarding the non-emission lifetime, even in an undoped crystal, the non-emission lifetime is about 1 ns (nanosecond), which is shorter than that of the conventional material. There is a problem.

即ち、ナイトライド系化合物半導体の結晶品質上の特徴としては、転位密度が非常に高いことが挙げられ、特に、成長基板としてサファイア基板を用いた場合には、成長層と十分格子整合しないため、成長層の結晶性が悪く、例えば、通常の転位密度は1010cm-2に達することが報告されており、また、非発光寿命が1ns(ナノ秒)程度と非常に速いという問題がある。 That is, the crystal quality characteristics of the nitride-based compound semiconductor include a very high dislocation density. In particular, when a sapphire substrate is used as the growth substrate, it does not sufficiently lattice match with the growth layer. The crystallinity of the growth layer is poor. For example, it has been reported that the normal dislocation density reaches 10 10 cm −2 , and there is a problem that the non-emission lifetime is as fast as about 1 ns (nanosecond).

また、p型不純物のドーピングによって、p側光ガイド層の結晶性が劣化し、非発光寿命はさらに短く0.1ns(=100ps)程度となり、非発光性再結合の量が増大することになり、レーザ発振のためのしきい値電流密度Jthがさらに増大することになる。 In addition, the p-type impurity doping deteriorates the crystallinity of the p-side light guide layer, the non-emission lifetime is further shortened to about 0.1 ns (= 100 ps), and the amount of non-emission recombination increases. As a result, the threshold current density J th for laser oscillation further increases.

このため、Mgをドープしてもホール濃度を上げることが容易ではないナイトライド系半導体において、p側光ガイド層のホール濃度を上げることによる効果より、p型ドーピングに伴う移動度の低下や、結晶性の劣化の方が問題になるものと考えられる。   For this reason, in a nitride-based semiconductor where it is not easy to increase the hole concentration even if Mg is doped, the effect of increasing the hole concentration of the p-side light guide layer is due to a decrease in mobility associated with p-type doping, It is considered that the deterioration of crystallinity becomes a problem.

一方、転位密度に関しては、1010cm-2の値は、転位密度が104 cm-2以下である従来の閃亜鉛鉱型結晶構造半導体の約100万倍であるが、この様なナイトライド系化合物半導体においては、転位は非発光中心を形成しないのでデバイスの特性には影響しないと言われており、したがって、非発光中心を低減するために転位密度を低減する必要はないので、この様な高密度の転位密度が存在したままで半導体レーザが実現されている。 On the other hand, regarding the dislocation density, the value of 10 10 cm −2 is about 1 million times that of the conventional zinc blende type crystal structure semiconductor whose dislocation density is 10 4 cm −2 or less. In compound semiconductors, it is said that dislocations do not form non-luminescent centers and thus do not affect device characteristics.Therefore, it is not necessary to reduce the dislocation density in order to reduce non-luminescent centers. Semiconductor lasers have been realized in the presence of a high density of dislocation density.

また、ナイトライド系半導体レーザの活性層として通常用いられているInGaNは、上記のナイトライド系化合物半導体に共通する物性的特徴の他に、従来材料と全く異なる性質を有している。
即ち、InGaNはInNとGaNとの混晶であるが、InNの禁制帯幅が1.9eVであるのに対してGaNの禁制帯幅は3.4eVと非常に大きく異なり、また、結晶成長温度もInNが600℃前後であるのに対して、GaNが1000℃前後と大きく異なっている。
InGaN, which is usually used as an active layer of a nitride semiconductor laser, has properties that are completely different from those of conventional materials, in addition to the physical characteristics common to the nitride compound semiconductor.
That is, InGaN is a mixed crystal of InN and GaN, while the forbidden band width of InN is 1.9 eV, whereas the forbidden band width of GaN is very different from 3.4 eV. Also, while InN is around 600 ° C., GaN is significantly different from around 1000 ° C.

これらのことが原因で、このInGaN混晶は非常に混ざりにくいことが知られており、非混晶領域が大きく、且つ、In組成比が0.2以下と小さい領域においても、In組成比の増加に伴い組成分離している割合が大きくなるという問題がある。   For these reasons, it is known that this InGaN mixed crystal is very difficult to mix, and even in a region where the non-mixed crystal region is large and the In composition ratio is as small as 0.2 or less, the In composition ratio is low. There is a problem that the proportion of composition separation increases with the increase.

この結果、In組成比が0.15程度のInGaN層において、200μm程度のマクロな領域で見たフォトルミネッセンス(PL)スペクトルの半値幅は、組成分離による結晶内不均一を反映して非常に大きく、良い結晶でも150meVである。   As a result, in the InGaN layer with an In composition ratio of about 0.15, the half-value width of the photoluminescence (PL) spectrum seen in a macro region of about 200 μm is very large, reflecting in-crystal nonuniformity due to composition separation. Even a good crystal is 150 meV.

このことは、従来の閃亜鉛鉱型結晶構造の半導体では薄膜化すれば大きくなるはずのPLスペクトルの半値幅がInGaN混晶では逆に小さくなり、この現象が、極低温に冷却しても半値幅の変化は殆どないという、従来の材料とは全く異なる性質の原因である。   This is because the half-width of the PL spectrum, which should increase when the semiconductor is thinned with a conventional zinc blende crystal structure, becomes smaller with an InGaN mixed crystal. This phenomenon is reduced even when cooled to a very low temperature. This is due to a property that is completely different from the conventional material, that is, there is almost no change in the value range.

これらのInGaNにおける特徴は、サファイア基板、SiC基板、或いは、スピネル基板等の成長基板として用いる基板の種類に依存せず、また、減圧MOVPE法(減圧有機金属気相成長法)、常圧MOVPE法、或いは、MBE法(分子線エピタキシャル成長法)等の成長方法にも依存せず、さらに、六方晶或いは立方晶等の結晶構造にも依存せずに出現するものであり、この様な本質的な特徴は、ある程度許容すべき、避けられない特殊性であると考えられる。   The characteristics of these InGaN do not depend on the type of substrate used as a growth substrate such as a sapphire substrate, SiC substrate, or spinel substrate, and also include a reduced pressure MOVPE method (a reduced pressure metal organic vapor phase growth method), a normal pressure MOVPE method. Or, it does not depend on the growth method such as MBE method (molecular beam epitaxial growth method), and also appears without depending on the crystal structure such as hexagonal crystal or cubic crystal. Features are considered to be inevitable specialities that should be tolerated to some extent.

この様に、従来のInGaNを活性層とする短波長半導体レーザや発光ダイオード(LED)においては、この様な結晶内組成不均一性をそのままにして開発が進められており、LEDでは実際にこの大きな組成不均一性を持ったまま製品化が行われているものと考えられる。   In this way, conventional short-wavelength semiconductor lasers and light-emitting diodes (LEDs) that use InGaN as an active layer have been developed with such in-crystal composition non-uniformity intact. It is thought that commercialization is carried out with a large compositional non-uniformity.

また、短波長半導体レーザにおいても、上述の様にレーザ発振には成功しているものの、これまでは適当な評価手段がなかったため、実際の短波長半導体レーザにおいて、レーザ共振器全体でどの程度の組成不均一が生じているのかは分からず、且つ、この様な組成不均一がデバイス特性にどの様な影響を及ぼすかは知られておらず、したがって、レーザ発振に必要な結晶品質がどの程度のものであり、且つ、この様な品質の結晶をどの様な条件で成長した場合に再現性良く得られるかは全く未知であった。   Even in short-wavelength semiconductor lasers, although laser oscillation has been successful as described above, there has been no appropriate evaluation means so far. It is not known whether the compositional nonuniformity is occurring, and it is not known how the compositional nonuniformity affects the device characteristics. Therefore, how much crystal quality is necessary for laser oscillation. It was completely unknown whether the crystal of such quality can be obtained with good reproducibility when grown.

そこで、本発明者等は、最近、短波長半導体レーザの活性層となるInGaN混晶について、1μmという微小スポット径でフォトルミネッセンス(PL)測定を行うことにより、InGaN混晶中の組成不均一の程度を定量的に評価する手法を開発した。   Therefore, the present inventors recently performed photoluminescence (PL) measurement with a small spot diameter of 1 μm on an InGaN mixed crystal serving as an active layer of a short-wavelength semiconductor laser, thereby achieving non-uniform composition in the InGaN mixed crystal. A method to quantitatively evaluate the degree was developed.

この様な評価を行った結果、InGaNMQW(多重量子井戸)活性層のPLピーク波長が、結晶内で非常に大きな分布を有することが判明したので、図21及び図22を参照して説明する。
なお、この測定を行った従来の短波長半導体レーザの詳細については未発表である。
As a result of such an evaluation, it has been found that the PL peak wavelength of the InGaN MQW (multiple quantum well) active layer has a very large distribution in the crystal, which will be described with reference to FIGS.
The details of the conventional short-wavelength semiconductor laser that performed this measurement have not been published.

図21(a)参照
図21(a)は、レーザ発振しなかった素子において、10000μm2 の領域内でPLスペクトルを2μmおきに2500点測定した場合の、各測定点におけるPLピーク波長とPL光強度の相関を示すものであり、396nm(≒3.131eV)から416nm(≒2.980eV)の範囲に渡って、PLピーク波長、PL光強度ともに大きく分布し、PLピーク波長分布範囲は151meV、即ち、約150meVであった。
FIG. 21A shows the PL peak wavelength and the PL light at each measurement point when the PL spectrum was measured at 2500 points every 2 μm in the region of 10,000 μm 2 in the element that did not oscillate. It shows the correlation of intensity, and both PL peak wavelength and PL light intensity are widely distributed over a range of 396 nm (≈3.11 eV) to 416 nm (≈2.980 eV), and the PL peak wavelength distribution range is 151 meV, That is, it was about 150 meV.

因に、光通信用半導体レーザとして用いられているInGaAs系の活性層について同様の評価を行った結果、PLピーク波長分布が5meV程度の分布、即ち、InGaN混晶の1/30程度の分布しか持っていなかったことが判明し、この結果からもInGaN系が非常に特殊な材料系であり、従来の常識が通用しないことが分かる。   Incidentally, as a result of the same evaluation of the InGaAs-based active layer used as a semiconductor laser for optical communication, the PL peak wavelength distribution is about 5 meV, that is, about 1/30 of the InGaN mixed crystal. From this result, it was found that the InGaN system is a very special material system, and conventional common sense is not applicable.

このInGaN系半導体レーザにおいては、物性上の理由からしきい値電流密度Jthが本質的に高い上、この様な活性層の組成不均一の大きさはレーザ発振を達成する上で致命的な欠点となるものであり、上述の評価からは、PLピーク波長分布が150meV以上の場合にはレーザ発振しないという結果が得られている。 In this InGaN-based semiconductor laser, the threshold current density J th is essentially high for reasons of physical properties, and the nonuniform composition of the active layer is fatal in achieving laser oscillation. This is a drawback. From the above evaluation, it is obtained that the laser oscillation does not occur when the PL peak wavelength distribution is 150 meV or more.

図21(b)参照
図21(b)は、レーザ発振した素子において、10000μm2 の領域内でPLスペクトルを2μmおきに2500点測定した場合の、各測定点におけるPLピーク波長とPL光強度の相関を示すものであり、PLピーク波長分布範囲は400nm(≒3.100eV)から412nm(≒3.009eV)の範囲に渡って、91meV、即ち、約90meVであり、且つ、PL光強度分布も小さいものであった。
Refer to FIG. 21B. FIG. 21B shows the PL peak wavelength and the PL light intensity at each measurement point when the PL spectrum is measured at 2500 points every 2 μm in the region of 10000 μm 2 in the laser-oscillated device. The PL peak wavelength distribution range is 91 meV, that is, about 90 meV over the range from 400 nm (≈3.100 eV) to 412 nm (≈3.009 eV), and the PL light intensity distribution is also It was a small one.

図22(a)参照
図22(a)は、上記の様なPLピーク波長分布を有するInGaN系半導体レーザの電流−光出力特性(I−L特性)を示す図であり、414.3nmの波長において、室温パルス発振が達成されたが、電流を増大するにつれて明確にキンクが現れている。
なお、PL波長とレーザ発振波長とは互いに若干異なるものである。
See FIG. 22A. FIG. 22A is a diagram showing current-light output characteristics (IL characteristics) of an InGaN-based semiconductor laser having the PL peak wavelength distribution as described above, and has a wavelength of 414.3 nm. At room temperature, pulse oscillation was achieved, but kink clearly appears as the current is increased.
Note that the PL wavelength and the laser oscillation wavelength are slightly different from each other.

図22(b)参照
図22(b)は、図22(a)と同じInGaN系半導体レーザに、しきい値電流密度Jthの1.1倍、1.2倍、或いは、1.3倍の電流を流した場合の発振波長を表すもので、電流が多くなるにしたがって多波長発振が起こっており、この多波長発振が図22(a)におけるI−L特性におけるキンクの原因となっていることが分かる。
See FIG. 22B. FIG. 22B shows the same InGaN-based semiconductor laser as in FIG. 22A, 1.1 times, 1.2 times, or 1.3 times the threshold current density J th. The multi-wavelength oscillation occurs as the current increases, and this multi-wavelength oscillation causes a kink in the IL characteristic in FIG. 22 (a). I understand that.

従来、InGaN系半導体レーザにおいては、発振波長が多波長であったり、或いは、注入電流によって大きく変化することが知られており、これは、活性層内における量子ドット(量子箱)化が反映しているものと考えられていた。
即ち、従来においては、多波長発振が量子効果に起因すると考えられており(必要ならば、Japanese Journal of Applied Physics,vol.35,1996,p.217参照)、実際に、InGaN層中に量子ドットが存在することが報告(必要ならば、Applied Physics Letters,vol.70,1997,p.981参照)されている。
Conventionally, in InGaN-based semiconductor lasers, it is known that the oscillation wavelength is multi-wavelength or changes greatly depending on the injection current, which reflects the formation of quantum dots (quantum boxes) in the active layer. It was thought that.
That is, in the past, it has been considered that multiwavelength oscillation is caused by the quantum effect (see Japan Journal of Applied Physics, vol. 35, 1996, p. 217, if necessary). It is reported that dots exist (if necessary, see Applied Physics Letters, vol. 70, 1997, p. 981).

しかし、本発明者の研究の結果、上述の様に活性層内における組成不均一性に起因するPLピーク波長の空間的分布が多波長発振の原因であると考えられるに至ったので、この事情を図23を参照して説明する。   However, as a result of the inventor's research, the spatial distribution of the PL peak wavelength caused by the compositional non-uniformity in the active layer as described above has been considered to be the cause of multiwavelength oscillation. Will be described with reference to FIG.

図23参照
図23の棒グラフは、図21(b)に示した測定結果におけるPLピーク波長のヒストグラムであり、一方、折れ線グラフは図12に示したように実際にレーザ発振した半導体レーザについて光励起による発振スペクトルの強度分布を示したもので、両者を重ね合わせると、非常に良い一致が得られ、このことから、多波長発振はPLピーク波長分布、即ち、活性層内の組成不均一が原因であると考えられる。
23 is a histogram of the PL peak wavelength in the measurement results shown in FIG. 21 (b), while the line graph is the result of optical excitation of the semiconductor laser actually oscillated as shown in FIG. This shows the intensity distribution of the oscillation spectrum, and when they are overlapped, a very good agreement is obtained. From this, the multiwavelength oscillation is caused by the PL peak wavelength distribution, that is, the compositional non-uniformity in the active layer. It is believed that there is.

そして、この様な多波長発振は、しきい値電流密度Jthを増加させるばかりか、I−L特性におけるキンク、近視野像及び遠視野像の劣化等の光学特性の劣化にもつながるため、光学装置用光源としてもInGaN系半導体レーザにおいては、活性層の組成分布を抑制することが重要になる。 Then, such a multi-wavelength oscillation is only or kink in the I-L characteristic, because it leads to deterioration of the optical properties of the deterioration of the near field pattern and far field pattern to increase the threshold current density J th, In an InGaN-based semiconductor laser as an optical device light source, it is important to suppress the composition distribution of the active layer.

この様に、本発明者等の実験の結果、レーザ発振のためには150meV以下のPLピーク波長分布、即ち、In組成比において±0.03の分布範囲内になるように設定することが必要であることが判明し、また、多波長発振を抑制するためには、PLピーク波長分布を90meV以下に、即ち、In組成比において±0.018以下にすることが必要であることが判明し、好適には50meV以下、さらに、より好適には、20meV以下にすることが望ましい。   As described above, as a result of experiments by the present inventors, it is necessary to set the PL peak wavelength distribution of 150 meV or less, that is, within the distribution range of ± 0.03 in the In composition ratio for laser oscillation. It was also found that the PL peak wavelength distribution must be 90 meV or less, that is, the In composition ratio must be ± 0.018 or less in order to suppress multiwavelength oscillation. , Preferably 50 meV or less, more preferably 20 meV or less.

さらに、上記の図9(b)の短波長半導体発光素子は本質的に発光ダイオードであるため、不純物濃度或いは層厚についての記載はあるものの、半導体レーザにした場合には、どの様な条件で効率の良い、低しきい値電流密度でのレーザ発振が生ずるかについては何ら示唆するところがないものである。   Furthermore, since the short wavelength semiconductor light emitting device in FIG. 9B is essentially a light emitting diode, there are descriptions on the impurity concentration or the layer thickness, but under any conditions when a semiconductor laser is used. There is no suggestion about whether laser oscillation occurs at a low threshold current density with high efficiency.

したがって、本発明は、ナイトライド系化合物半導体を用いた短波長半導体レーザのしきい値電流密度を低減することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to reduce the threshold current density of a short wavelength semiconductor laser using a nitride compound semiconductor.

ここで、課題を解決するための手段を説明するが、図1は本発明の原理的構成の説明図である。
図1参照
(1)本発明は、本発明は、ナイトライド系化合物半導体を用いた半導体レーザにおいて、活性層のp側に設けるエレクトロンブロック層のMg濃度を7×1019cm-3以上とすることを特徴とする。
Here, means for solving the problem will be described. FIG. 1 is an explanatory view of the principle configuration of the present invention.
See FIG. 1. (1) The present invention is a semiconductor laser using a nitride compound semiconductor, and the Mg concentration of the electron block layer provided on the p side of the active layer is 7 × 10 19 cm −3 or more. It is characterized by that.

この様に、活性層のp側に設けるエレクトロンブロック層のMg濃度を7×1019cm-3以上とすることによって、発光スペクトルの評価から、キャリアのオーバーフローを効果的に抑制することができる。 Thus, by setting the Mg concentration of the electron block layer provided on the p side of the active layer to 7 × 10 19 cm −3 or more, carrier overflow can be effectively suppressed from the evaluation of the emission spectrum.

この理由は必ずしも明らかではないが、エレクトロンブロック層の価電子帯側に深い不純物準位が高密度に形成され、この不純物準位を介した不純物伝導(impurity conduction、或いは、hopping conduction)或いはトンネル伝導によってホールが活性層に注入されるので、ホールの注入効率が改善されるためと考えられる。   The reason for this is not necessarily clear, but deep impurity levels are formed at a high density on the valence band side of the electron block layer. Impurity conduction or hopping conduction or tunnel conduction through this impurity level. This is because holes are injected into the active layer due to the above, and the hole injection efficiency is improved.

(2)また、本発明は、ナイトライド系化合物半導体を用いた半導体レーザの製造方法において、活性層のp側に設けるエレクトロンブロック層の成長温度を600℃〜900℃としたことを特徴とする。   (2) Further, the present invention is characterized in that, in the method of manufacturing a semiconductor laser using a nitride compound semiconductor, the growth temperature of the electron block layer provided on the p side of the active layer is 600 ° C. to 900 ° C. .

(3)また、本発明は、上記(2)において、エレクトロンブロック層の成長温度を活性層の成長温度と同じにしたことを特徴とする。   (3) Further, the present invention is characterized in that, in the above (2), the growth temperature of the electron block layer is the same as the growth temperature of the active layer.

この様に、エレクトロンブロック層の成長温度を、従来の成長温度である1100℃近傍より低い、活性層の成長温度と同様の600℃〜900℃とすることによって、活性層における発光強度を高め、且つ、p型光ガイド層における発光を低減することができる。   Thus, the emission temperature in the active layer is increased by setting the growth temperature of the electron block layer to 600 ° C. to 900 ° C., which is the same as the growth temperature of the active layer, lower than the conventional growth temperature of about 1100 ° C. In addition, light emission in the p-type light guide layer can be reduced.

(4)また、本発明は、上記(2)または(3)において、エレクトロンブロック層のMg濃度が7×1019cm-3以上になるようにMgをドープすることを特徴とする。 (4) Further, the present invention is characterized in that, in the above (2) or (3), Mg is doped so that the Mg concentration of the electron block layer is 7 × 10 19 cm −3 or more.

この様に、活性層のp側に設けるエレクトロンブロック層のMg濃度が7×1019cm-3以上となるようにMgをドープすることによって、発光スペクトルの評価から、キャリアのオーバーフローを効果的に抑制することができる。 Thus, by doping Mg so that the Mg concentration of the electron block layer provided on the p side of the active layer is 7 × 10 19 cm −3 or more, it is possible to effectively prevent carrier overflow from the evaluation of the emission spectrum. Can be suppressed.

本発明によれば、ナイトライド系化合物半導体からなる半導体レーザに挿入するp型エレクトロンブロック層を、Mg濃度が7×1019cm-3以上の高濃度層によって構成しているので、電子をオーバーフローを殆ど完全に抑制することができ、それによってしきい値電流密度Jthが低減されて低消費電力化が可能になり、光情報記録装置等の光源としてその高密度化に寄与するところが大きい。 According to the present invention, since the p-type electron block layer inserted into the semiconductor laser made of a nitride compound semiconductor is constituted by the high concentration layer having an Mg concentration of 7 × 10 19 cm −3 or more, the electrons overflow. Can be suppressed almost completely, thereby reducing the threshold current density Jth and reducing the power consumption. As a light source for an optical information recording apparatus or the like, it contributes to increasing the density.

本発明は、ナイトライド系化合物半導体を用いた半導体レーザの活性層のp側に設けるエレクトロンブロック層を設ける際に、その成長温度を600℃〜900℃としてMg濃度を7×1019cm-3以上としたものである。 In the present invention, when an electron block layer provided on the p side of an active layer of a semiconductor laser using a nitride compound semiconductor is provided, the growth temperature is set to 600 ° C. to 900 ° C., and the Mg concentration is set to 7 × 10 19 cm −3. That's it.

ここで、図2乃至図8を参照して、エレクトロンブロック層の不純物濃度を7×1019cm-3以上とすると共に、エレクトロンブロック層の成長温度を600℃〜900℃とすることによって、電子のオーバーフローを防止し、それによって、しきい値電流密度を低減させる、本発明の実施例1を説明する。
まず、図2を参照して、本発明の実施例1の短波長半導体レーザの製造工程を説明する。
図2参照
まず、改良レイリー法によりバルク成長させた、(0001)面、即ち、c面を主面とする六方晶の6H−SiCからなるキャリア濃度が4×1018cm-3のn型SiC基板711上に、TMGa、TMAl、アンモニア、ドーパント源としてSiH4 、及び、キャリアガスとしての水素を成長ガスとして用いたMOVPE法によって、成長圧力を70〜760Torr、例えば、100Torrとし、成長温度を800〜1200℃、例えば、1100℃とした状態で、厚さ50nm〜5μm、例えば、350nmで、不純物濃度が不純物濃度が5×1017〜1×1019cm-3、例えば、8×1018cm-3のn型Al0.09Ga0.91Nバッファ層712を成長させる。
Here, referring to FIG. 2 to FIG. 8, the impurity concentration of the electron block layer is set to 7 × 10 19 cm −3 or more and the growth temperature of the electron block layer is set to 600 ° C. to 900 ° C. Embodiment 1 of the present invention will be described that prevents the overflow of the current and thereby reduces the threshold current density.
First, with reference to FIG. 2, the manufacturing process of the short wavelength semiconductor laser of Example 1 of this invention is demonstrated.
See FIG. 2. First, n-type SiC having a carrier concentration of 4 × 10 18 cm −3 made of hexagonal 6H—SiC having a (0001) plane, that is, a c-plane as a principal plane, is grown in bulk by the modified Rayleigh method. On the substrate 711, the growth pressure is set to 70 to 760 Torr, for example, 100 Torr, and the growth temperature is set to 800 Torr by MOVPE using TMGa, TMAl, ammonia, SiH 4 as a dopant source, and hydrogen as a carrier gas as a growth gas. ˜1200 ° C., for example, 1100 ° C., thickness 50 nm to 5 μm, eg 350 nm, impurity concentration 5 × 10 17 to 1 × 10 19 cm −3 , eg 8 × 10 18 cm -3 n-type Al 0.09 Ga 0.91 N buffer layer 712 is grown.

引き続いて、TMAl、TMGa、アンモニア、ドーパントとしてSiH4 、及び、キャリアガスとしての水素を用いて、成長圧力を70〜760Torr、例えば、100Torrとし、成長温度を800〜1200℃、例えば、1100℃とした状態で、厚さ0.1〜2.0μm、例えば、0.55μmで、不純物濃度が1.0×1017〜1.0×1020cm-3、例えば、2.0×1018cm-3のn型Al0.09Ga0.91Nクラッド層713を成長させる。 Subsequently, using TMAl, TMGa, ammonia, SiH 4 as a dopant, and hydrogen as a carrier gas, the growth pressure is set to 70 to 760 Torr, for example, 100 Torr, and the growth temperature is set to 800 to 1200 ° C., for example, 1100 ° C. In this state, the thickness is 0.1 to 2.0 μm, for example, 0.55 μm, and the impurity concentration is 1.0 × 10 17 to 1.0 × 10 20 cm −3 , for example, 2.0 × 10 18 cm. -3 n-type Al 0.09 Ga 0.91 N cladding layer 713 is grown.

引き続いて、TMGa、アンモニア、ドーパントとしてSiH4 、及び、キャリアガスとしての水素を用いて、成長圧力を70〜760Torr、例えば、100Torrとし、成長温度を800〜1200℃、例えば、1100℃とした状態で、厚さ10〜300nm、例えば、100nmで、不純物濃度が5×1017〜1×1019cm-3、例えば、2×1018cm-3のn型GaN光ガイド層714を成長させる。 Subsequently, using TMGa, ammonia, SiH 4 as a dopant, and hydrogen as a carrier gas, the growth pressure is set to 70 to 760 Torr, for example, 100 Torr, and the growth temperature is set to 800 to 1200 ° C., for example, 1100 ° C. Then, an n-type GaN light guide layer 714 having a thickness of 10 to 300 nm, for example, 100 nm, and an impurity concentration of 5 × 10 17 to 1 × 10 19 cm −3 , for example, 2 × 10 18 cm −3 is grown.

引き続いて、TMGa、TMIn、アンモニア、及び、キャリアガスとしてのN2 を用いて、成長圧力を70〜760Torr、例えば、100Torrとし、成長温度を600〜900℃、例えば、780℃とした状態で、厚さ1nm〜10nm、例えば、5nmのアンドープIn0.03Ga0.97Nバリア層で分離された厚さ3〜10nm、例えば、4nmのアンドープIn0.15Ga0.85Nウエル層を2〜10層、例えば、3層成長させてMQW活性層715を形成する。 Subsequently, using TMGa, TMIn, ammonia, and N 2 as a carrier gas, the growth pressure is set to 70 to 760 Torr, for example, 100 Torr, and the growth temperature is set to 600 to 900 ° C., for example, 780 ° C. 2 to 10 layers, for example, 3 layers of undoped In 0.15 Ga 0.85 N well layer having a thickness of 3 to 10 nm, for example, 4 nm, separated by an undoped In 0.03 Ga 0.97 N barrier layer of 1 nm to 10 nm, for example, 5 nm An MQW active layer 715 is formed by growth.

引き続いて、TMAl、TMGa、アンモニア、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム、及び、キャリアガスとしてのN2 を用いて、成長圧力を70〜760Torr、例えば、100Torrとし、成長温度を600〜900℃、例えば、780℃とした状態で、厚さ5〜30nm、例えば、20nmで、不純物濃度が7×1019cm-3以上、例えば、1×1020cm-3のp+ 型Al0.18Ga0.82Nエレクトロンブロック層716を成長させる。 Subsequently, using TMAl, TMGa, ammonia, biscyclopentadienylmagnesium, and N 2 as a carrier gas, the growth pressure is set to 70 to 760 Torr, for example, 100 Torr, and the growth temperature is set to 600 to 900 ° C., for example, A p + type Al 0.18 Ga 0.82 N electron block having a thickness of 5 to 30 nm, for example, 20 nm, and an impurity concentration of 7 × 10 19 cm −3 or more, for example, 1 × 10 20 cm −3 at 780 ° C. Layer 716 is grown.

引き続いて、TMGa、アンモニア、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム、及び、キャリアガスとしてのN2 を用いて、成長圧力を70〜760Torr、例えば、100Torrとし、成長温度を800〜1200℃、例えば、1100℃とした状態で、厚さ10〜300nm、例えば、100nmで、不純物濃度が1.0×1017〜1.0×1020cm-3、例えば、1.5×1019cm-3のp型GaN光ガイド層717を成長させる。 Subsequently, using TMGa, ammonia, biscyclopentadienylmagnesium, and N 2 as a carrier gas, the growth pressure is set to 70 to 760 Torr, for example, 100 Torr, and the growth temperature is set to 800 to 1200 ° C., for example, 1100 ° C. P-type having a thickness of 10 to 300 nm, for example, 100 nm, and an impurity concentration of 1.0 × 10 17 to 1.0 × 10 20 cm −3 , for example, 1.5 × 10 19 cm −3 . A GaN light guide layer 717 is grown.

引き続いて、TMAl、TMGa、アンモニア、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム、及び、キャリアガスとしてのN2 を用いて、成長圧力を70〜760Torr、例えば、100Torrとし、成長温度を800〜1200℃、例えば、1100℃とした状態で、厚さ0.1〜2.0μm、例えば、0.55μmで、不純物濃度が1.0×1017〜1.0×1020cm-3、例えば、1.5×1019cm-3のp型Al0.09Ga0.91Nクラッド層718を成長させる。 Subsequently, using TMAl, TMGa, ammonia, biscyclopentadienylmagnesium, and N 2 as a carrier gas, the growth pressure is set to 70 to 760 Torr, for example, 100 Torr, and the growth temperature is set to 800 to 1200 ° C., for example, In a state of 1100 ° C., the thickness is 0.1 to 2.0 μm, for example, 0.55 μm, and the impurity concentration is 1.0 × 10 17 to 1.0 × 10 20 cm −3 , for example, 1.5 × A p-type Al 0.09 Ga 0.91 N clad layer 718 of 10 19 cm −3 is grown.

引き続いて、TMGa、アンモニア、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム、及び、キャリアガスとしてのN2 を用いて、成長圧力を70〜760Torr、例えば、100Torrとし、成長温度を800〜1200℃、例えば、1100℃とした状態で、厚さ0.1〜2.0μm、例えば、0.1μmで、不純物濃度が1.0×1017〜1.0×1020cm-3、例えば、1.5×1019cm-3のp型GaN第1コンタクト層719を成長させ、引き続いて、p型GaN第1コンタクト層719と同じ条件で、不純物濃度が5.0×1019〜5.0×1020cm-3、例えば、1.5×1020cm-3で、厚さが5〜50nm、例えば、20nmのp+ 型GaN第2コンタクト層720を成長させる。
なお、この場合の成長速度は、n型層712〜714については、2μm/hrとし、MQW活性層715については、0.3μm/hrとし、p+ 型Al0.18Ga0.82Nエレクトロンブロック層716については、0.9μm/hrとし、また、p型層717〜720については、2.6μm/hrとする。
Subsequently, using TMGa, ammonia, biscyclopentadienylmagnesium, and N 2 as a carrier gas, the growth pressure is set to 70 to 760 Torr, for example, 100 Torr, and the growth temperature is set to 800 to 1200 ° C., for example, 1100 ° C. In this state, the thickness is 0.1 to 2.0 μm, for example, 0.1 μm, and the impurity concentration is 1.0 × 10 17 to 1.0 × 10 20 cm −3 , for example, 1.5 × 10 19. A p-type GaN first contact layer 719 of cm −3 is grown, and subsequently, the impurity concentration is 5.0 × 10 19 to 5.0 × 10 20 cm − under the same conditions as the p-type GaN first contact layer 719. 3. A p + -type GaN second contact layer 720 having a thickness of, for example, 1.5 × 10 20 cm −3 and a thickness of 5 to 50 nm, for example, 20 nm is grown.
The growth rate in this case is 2 μm / hr for the n-type layers 712 to 714, 0.3 μm / hr for the MQW active layer 715, and about the p + -type Al 0.18 Ga 0.82 N electron blocking layer 716. Is 0.9 μm / hr, and the p-type layers 717 to 720 are 2.6 μm / hr.

次いで、n型SiC基板711の裏面を研磨して、全体の厚さが100μm程度まで薄くしたのち、ドライ・エッチングによりp+ 型GaN第2コンタクト層720乃至p型Al0.09Ga0.91Nクラッド層718をメサエッチングして、例えば、幅が4μmで高さが0.5μmのストライプ状メサを形成する。 Next, after polishing the back surface of the n-type SiC substrate 711 to reduce the total thickness to about 100 μm, the p + -type GaN second contact layer 720 to the p-type Al 0.09 Ga 0.91 N clad layer 718 are formed by dry etching. Then, for example, a stripe mesa having a width of 4 μm and a height of 0.5 μm is formed.

次いで、n型SiC基板711の裏面にはNi/Ti/Auからなるn側電極722を設けると共に、p+ 型GaN第2コンタクト層720上には、例えば、幅が2μmのストライプ状開口を有するSiO2 膜721を介してNi/Ti/Auからなるp側電極723を設け、共振器長Lが700μmとなるように素子分割することによってMQW半導体レーザが完成する。
なお、ストライプの方向は〈1−100〉方向とし、劈開面は(1−100)面とする。
Next, an n-side electrode 722 made of Ni / Ti / Au is provided on the back surface of the n-type SiC substrate 711, and a stripe-shaped opening having a width of 2 μm, for example, is formed on the p + -type GaN second contact layer 720. An MQW semiconductor laser is completed by providing a p-side electrode 723 made of Ni / Ti / Au via the SiO 2 film 721 and dividing the element so that the resonator length L becomes 700 μm.
The stripe direction is the <1-100> direction, and the cleavage plane is the (1-100) plane.

図3参照
図3は上記の本発明の実施例1のMQW半導体レーザの電流−光出力特性を測定した結果の内、最もしきい値電流の小さかった素子の電流−光出力特性を示すものであり、図から明らかなように、しきい値電流の最小値は380mAであった。
また、図示しないものの、今回測定した内での最大値は600mAで、平均は500mAであり、それ以前のしきい値電流である650〜1600mA、平均値900mAに比較して大幅にしきい値電流が低減している。
FIG. 3 shows the current-light output characteristics of the element having the smallest threshold current among the results of measuring the current-light output characteristics of the MQW semiconductor laser of Example 1 of the present invention. As is apparent from the figure, the minimum value of the threshold current was 380 mA.
Although not shown, the maximum value measured this time is 600 mA, the average is 500 mA, and the threshold current is much larger than the previous threshold currents of 650 to 1600 mA and the average value of 900 mA. Reduced.

この様な、p+ 型エレクトロンブロック層を用いた効果を確認するために、上記の半導体レーザと同様の結晶成長工程で表面発光型LEDを作製して発光スペクトルを測定したので、その結果を図4及び図6を参照して説明する。
図4(a)及び(b)参照
図4(b)は、測定のために作製した表面発光型LEDの概略的断面図であり、また、図4(a)は上面図であり、(0001)面、即ち、c面を主面とする六方晶の6H−SiCからなるキャリア濃度が4×1018cm-3のn型SiC基板731上に、厚さが0.35μmで、不純物濃度が不純物濃度が8×1018cm-3のn型Al0.09Ga0.91Nバッファ層732、厚さが0.55μmで、不純物濃度が2.0×1018cm-3のn型Al0.09Ga0.91Nクラッド層733、厚さ100nmで、不純物濃度が2×1018cm-3のn型GaN光ガイド層734、厚さが5nmのアンドープIn0.03Ga0.97Nバリア層で分離された厚さ4nmのアンドープIn0.15Ga0.85Nウエル層を3層成長させたMQW活性層735、厚さが20nmのp型Al0.18Ga0.82Nエレクトロンブロック層736、厚さが100nmで、不純物濃度が5.0×1019cm-3のp型GaN光ガイド層737、厚さが0.2μmで、不純物濃度が5.0×1019cm-3のp型Al0.09Ga0.91Nクラッド層738、厚さが0.1μmで、不純物濃度が5.0×1019cm-3のp型GaN第1コンタクト層739、厚さが20nmで、不純物濃度が1.5×1020cm-3のp+ 型GaN第2コンタクト層740を順次堆積させる。
In order to confirm the effect of using such a p + -type electron block layer, a surface-emitting LED was fabricated in the same crystal growth process as the above semiconductor laser, and the emission spectrum was measured. 4 and FIG.
4A and 4B. FIG. 4B is a schematic cross-sectional view of a surface-emitting LED manufactured for measurement, and FIG. 4A is a top view. ) Plane, that is, on the n-type SiC substrate 731 having a carrier concentration of 4 × 10 18 cm −3 made of hexagonal 6H—SiC with the c-plane as the principal plane, the thickness is 0.35 μm and the impurity concentration is n-type Al 0.09 Ga 0.91 n buffer layer 732 of impurity concentration 8 × 10 18 cm -3, a thickness of 0.55 .mu.m, the impurity concentration is 2.0 × 10 18 cm -3 n-type Al 0.09 Ga 0.91 n Clad layer 733, n-type GaN light guide layer 734 with a thickness of 100 nm and impurity concentration of 2 × 10 18 cm −3 , 4 nm thick undoped separated by an undoped In 0.03 Ga 0.97 N barrier layer with a thickness of 5 nm In 0.15 Ga 0.85 MQW active layer and the N-well layer is grown three-layer 35, the thickness is 20nm of p-type Al 0.18 Ga 0.82 N electron blocking layer 736, a thickness of 100 nm, p-type GaN optical guide layer 737 of impurity concentration is 5.0 × 10 19 cm -3, thickness 0 in .2μm, p-type Al 0.09 Ga 0.91 N cladding layer 738 of impurity concentration is 5.0 × 10 19 cm -3, a thickness of 0.1 [mu] m, the impurity concentration is 5.0 × 10 19 cm -3 p A p + -type GaN second contact layer 740 having a thickness of 20 nm and an impurity concentration of 1.5 × 10 20 cm −3 is sequentially deposited.

次いで、n型SiC基板731の裏面にはNi/Ti/Auからなるn側電極741を設けるとともに、p+ 型GaN第2コンタクト層740の表面には略正方形の開口部を有するSiO2 膜742を介してNi/Auからなる半透明電極743を設け、その周囲にNi/Auからなるボンディングパッド744を設けることによってp側電極を形成する。
なお、半透明電極743を介して見えているp+ 型GaN第2コンタクト層740の寸法は37μm角であり、また、素子寸法は300μm角である。
Next, an n-side electrode 741 made of Ni / Ti / Au is provided on the back surface of the n-type SiC substrate 731 and an SiO 2 film 742 having a substantially square opening on the surface of the p + -type GaN second contact layer 740. A p-side electrode is formed by providing a translucent electrode 743 made of Ni / Au with a bonding pad 744 made of Ni / Au around it.
Note that the p + -type GaN second contact layer 740 visible through the semitransparent electrode 743 has a 37 μm square dimension and an element dimension of 300 μm square.

この様な、表面発光型LEDを、p型Al0.18Ga0.82Nエレクトロンブロック層736のMg濃度を0〜2×1020cm-3の範囲で変化させるとともに、p型Al0.18Ga0.82Nエレクトロンブロック層736の成長温度を780℃及び1100℃の2つの温度にして結晶成長を行った。 In such a surface emitting LED, the Mg concentration of the p-type Al 0.18 Ga 0.82 N electron block layer 736 is changed in the range of 0 to 2 × 10 20 cm −3 , and the p-type Al 0.18 Ga 0.82 N electron block is changed. Crystal growth was performed by setting the growth temperature of the layer 736 to two temperatures of 780 ° C. and 1100 ° C.

ついで、この表面発光型LEDに、室温において、幅100μsで、周波数が1kHzのパルス電流を順方向に100mA通電し、半透明電極743から放射される光をレンズで集光したのち、グレーティングを通して分光し、光電子増倍管により検出することによって測定を行った。   Next, a 100 mA pulse current with a width of 100 μs and a frequency of 1 kHz is applied to the surface-emitting LED at room temperature in the forward direction, and the light emitted from the translucent electrode 743 is condensed by a lens, and then dispersed through a grating. The measurement was performed by detecting with a photomultiplier tube.

図5参照
図5は、表面発光型LEDとして、従来の条件であるエレクトロンブロック層のMg濃度が5×1019cm-3で、成長温度が1100℃の試料と、新条件であるエレクトロンブロック層のMg濃度が1×1020cm-3で、成長温度が780℃の試料との測定結果を比較したものである。
図から明らかなように、新条件において、InGaNからなるMQW活性層735の発光中心波長である400nm近傍の発光強度が格段に強くなっており、強度比にして約10倍になっている。
FIG. 5 shows a surface-emitting LED in which a conventional electron blocking layer has a Mg concentration of 5 × 10 19 cm −3 and a growth temperature of 1100 ° C. The measurement results were compared with a sample having a Mg concentration of 1 × 10 20 cm −3 and a growth temperature of 780 ° C.
As is apparent from the figure, the emission intensity in the vicinity of 400 nm which is the emission center wavelength of the MQW active layer 735 made of InGaN is remarkably increased under the new conditions, which is about 10 times the intensity ratio.

また、従来条件のLEDにおいては、波長363nmをピークにしたp型GaN光ガイド層737の発光が存在するが、新条件のLEDにおいては、この波長帯の発光がほとんど見られず、このことから、p型GaN光ガイド層737へオーバーフローする電子が無くなったものと考えられる。   In addition, in the conventional condition LED, the p-type GaN light guide layer 737 has a light emission peaking at a wavelength of 363 nm. However, in the new condition LED, the light emission in this wavelength band is hardly seen. It is considered that the electrons overflowing into the p-type GaN light guide layer 737 have disappeared.

図6(a)参照
図6(a)は、InGaNからなるMQW活性層735における発光強度のMg濃度依存性を表す図であり、図から明らかなように、7×1019cm-3近傍を境にして発光強度が急激に増加し、従来条件の場合と比較すると3桁程度増加する。
また、同じMg濃度の場合には、成長温度を780℃とした新条件の場合に、2桁程度以上の発光強度の増加が見られる。
See FIG. 6A. FIG. 6A is a diagram showing the Mg concentration dependence of the emission intensity in the MQW active layer 735 made of InGaN. As is clear from the figure, the vicinity of 7 × 10 19 cm −3 is shown. The light emission intensity suddenly increases at the boundary, and increases by about three orders of magnitude compared with the conventional condition.
Further, in the case of the same Mg concentration, the emission intensity increases by about two orders of magnitude or more under the new condition where the growth temperature is 780 ° C.

図6(b)参照
図6(b)は、p型GaN光ガイド層737における発光強度のMg濃度依存性を表す図であり、図から明らかなように、5×1019cm-3近傍を境にして発光強度が減少するが、成長温度を780℃とした新条件の場合には、Mg濃度を7×1019cm-3以上とした場合に、発光がほとんど観測されなかった。
Refer to FIG.
FIG. 6B is a diagram showing the Mg concentration dependency of the emission intensity in the p-type GaN light guide layer 737. As is clear from the figure, the emission intensity is around 5 × 10 19 cm −3. Although it decreases, in the case of the new condition where the growth temperature is 780 ° C., light emission is hardly observed when the Mg concentration is 7 × 10 19 cm −3 or more.

以上の図5及び図6の測定結果から、本発明の実施例1の様に、p+ 型Al0.18Ga0.82Nエレクトロンブロック層716のMg濃度を7×1019cm-3以上、より好適には、1×1020cm-3以上にすることによって電子のオーバーフローを防止することができ、MQW活性層715において効率良く再結合が行われるので、しきい値電流密度Jthの低減が可能になる。 From the measurement results of FIG. 5 and FIG. 6, the Mg concentration of the p + -type Al 0.18 Ga 0.82 N electron block layer 716 is more preferably 7 × 10 19 cm −3 or more, as in Example 1 of the present invention. The electron overflow can be prevented by setting it to 1 × 10 20 cm −3 or more, and the recombination is efficiently performed in the MQW active layer 715, so that the threshold current density J th can be reduced. Become.

特に、p+ 型Al0.18Ga0.82Nエレクトロンブロック層716の結晶成長温度をMQW活性層715と同じ範囲の600℃〜900℃、例えば、780℃とした場合に、効果が顕著になる。
なお、下限の600℃はInGaNの単結晶成長が可能な温度の下限であり、また、上限の900℃はInGaNの成長温度の実質的な上限である。
In particular, when the crystal growth temperature of the p + -type Al 0.18 Ga 0.82 N electron block layer 716 is set to 600 ° C. to 900 ° C., for example, 780 ° C., in the same range as the MQW active layer 715, the effect becomes remarkable.
The lower limit of 600 ° C. is the lower limit of the temperature at which InGaN single crystal growth is possible, and the upper limit of 900 ° C. is the substantial upper limit of the InGaN growth temperature.

この様に、p+ 型Al0.18Ga0.82Nエレクトロンブロック層716のMg濃度を7×1019cm-3以上にすることにより、電子のオーバーフローがほぼ完全に抑制される理由は不明であるが、1.0×1020cm-3はMgが活性化する濃度限界以上の高不純物濃度であるので、p+ 型Al0.18Ga0.82Nエレクトロンブロック層716の価電子帯側の禁制帯に高密度の不純物準位が形成され、この不純物準位がホールの注入効率の改善に役立ち、その結果、電子のオーバーフローが抑制されるとも考えられるので、この事情を図7を参照して説明する。 Thus, the reason why the overflow of electrons is almost completely suppressed by setting the Mg concentration of the p + -type Al 0.18 Ga 0.82 N electron block layer 716 to 7 × 10 19 cm −3 or more is unknown. Since 1.0 × 10 20 cm −3 is a high impurity concentration higher than the concentration limit at which Mg is activated, it has a high density in the forbidden band on the valence band side of the p + -type Al 0.18 Ga 0.82 N electron blocking layer 716. Impurity levels are formed, and this impurity level helps to improve the hole injection efficiency. As a result, it is considered that the overflow of electrons is suppressed. This situation will be described with reference to FIG.

図7参照
図7はMQW活性層715近傍のバンドダイヤグラムであり、p型GaN光ガイド層717におけるホールは、不純物準位724によるトンネル伝導或いは不純物準位724を介した不純物伝導によってMQW活性層715に注入されるので、ホールの注入効率が改善され、その結果、従来においてはp型GaN光ガイド層717に滞留したホールの電界により引き寄せられていた電子が引き寄せられなくなるので、電子のオーバーフローが抑制されるのではないかと考えられ、それによって、しきい値電流密度Jth低くすることが可能になる。
FIG. 7 is a band diagram in the vicinity of the MQW active layer 715. Holes in the p-type GaN light guide layer 717 are formed by the MQW active layer 715 by tunnel conduction through the impurity level 724 or impurity conduction through the impurity level 724. As a result, the efficiency of hole injection is improved. As a result, electrons that have been attracted by the electric field of the holes staying in the p-type GaN light guide layer 717 can no longer be attracted. The threshold current density Jth can be lowered.

図7及び図20(a)参照
また、このMQW半導体レーザを駆動する場合、p型GaN光ガイド層717の価電子帯のバンド端が不純物準位724に達する程度に印加電圧Vをすれば良く、図7と図20(a)との対比から明らかなように、従来のMQW半導体レーザに比べて駆動電圧を低くすることが可能になる。
See FIG. 7 and FIG. 20A. When this MQW semiconductor laser is driven, the applied voltage V may be set so that the band edge of the valence band of the p-type GaN light guide layer 717 reaches the impurity level 724. As is apparent from the comparison between FIG. 7 and FIG. 20A, the drive voltage can be lowered as compared with the conventional MQW semiconductor laser.

次に、図8を参照して、従来の短波長半導体レーザのp型エレクトロンブロック層、即ち、p型オーバーフロー防止層におけるMg濃度が5×1019cm-3以下であった理由について検討する。
図8(a)参照
図8(a)は、p型GaN層におけるp型キャリア濃度、即ち、ホール濃度のMg濃度依存性を調べた図であり、Mg濃度が低い場合、p型キャリア濃度はMg濃度と共に増加するが、Mg濃度が約5×1019cm-3の時に最大になり、それ以上のMg濃度では逆に低下する。
Next, the reason why the Mg concentration in the p-type electron block layer of the conventional short wavelength semiconductor laser, that is, the p-type overflow prevention layer is 5 × 10 19 cm −3 or less will be examined with reference to FIG.
FIG. 8A is a diagram in which the p-type carrier concentration in the p-type GaN layer, that is, the Mg concentration dependence of the hole concentration is examined. When the Mg concentration is low, the p-type carrier concentration is Although it increases with the Mg concentration, it becomes maximum when the Mg concentration is about 5 × 10 19 cm −3 , and decreases when the Mg concentration is higher than that.

この様なp型GaN層におけるp型キャリア濃度のMg濃度依存性は、p型AlGaN層についても成立するものであり、したがって、p+ 型Al0.18Ga0.82Nエレクトロンブロック層716においても、5×1019cm-3を境としてp型キャリア濃度が低下すると考えられる。 Such a dependency of the p-type carrier concentration in the p-type GaN layer on the Mg concentration also holds true for the p-type AlGaN layer. Therefore, even in the p + -type Al 0.18 Ga 0.82 N electron block layer 716, 5 × It is considered that the p-type carrier concentration decreases at 10 19 cm −3 as a boundary.

この様に、あるドーパント濃度を境として、それ以上のドーパント濃度でキャリア濃度が飽和或いは低下する現象は、他の化合物半導体においても一般的に見られる現象であり、従来の短波長半導体レーザにおいて、p型エレクトロンブロック層のMg濃度として5×1019cm-3という値が用いられているのは、上述の事情によるものと推測される。 As described above, the phenomenon in which the carrier concentration is saturated or lowered at a dopant concentration higher than a certain dopant concentration is a phenomenon that is generally observed in other compound semiconductors. In a conventional short wavelength semiconductor laser, It is estimated that the value of 5 × 10 19 cm −3 is used as the Mg concentration of the p-type electron block layer due to the above-described circumstances.

したがって、本発明の実施例1の様に、p型エレクトロンブロック層のMg濃度を7×1019cm-3以上とすることは、p型キャリア濃度を増加させる手段としては全く有効ではなく、かえって不利であるので、Mgの濃度を7×1019cm-3以上とすることによって電子のオーバーフローが抑制されるという本発明者による新たな知見なしには採用し得ない構成である。 Therefore, setting the Mg concentration of the p-type electron block layer to 7 × 10 19 cm −3 or more as in Example 1 of the present invention is not at all effective as a means for increasing the p-type carrier concentration. Since it is disadvantageous, it is a configuration that cannot be adopted without new knowledge by the present inventor that the overflow of electrons is suppressed by setting the Mg concentration to 7 × 10 19 cm −3 or more.

また、キャリア濃度が飽和するような高ドーピング濃度領域においては、過剰ドーピングによる結晶性の低下という現象が見られることが一般的であり、結晶性の低下に伴ってキャリアの移動度も低下するので、他に特段の事情がない限り過剰ドーピングは採用されない手法であり、この点からも、p型エレクトロンブロック層のMg濃度を7×1019cm-3以上にすることは予測し得ないものである。 In addition, in a high doping concentration region where the carrier concentration is saturated, a phenomenon of crystallinity deterioration due to overdoping is generally observed, and the mobility of the carrier decreases as the crystallinity decreases. This is a technique in which excessive doping is not employed unless there are other special circumstances. From this point of view, it is unpredictable that the Mg concentration of the p-type electron block layer is 7 × 10 19 cm −3 or more. is there.

図8(b)参照
図8(b)は、MOVPE法で成長させたp型GaN層におけるp型キャリア濃度の成長温度依存性を調べた図であり、成長温度の上昇と共にp型キャリア濃度が増加する。 即ち、成長温度を低くするとp型キャリア濃度は増加せず、逆に低下することが分かる。
FIG. 8B is a diagram in which the growth temperature dependence of the p-type carrier concentration in the p-type GaN layer grown by the MOVPE method is examined. As the growth temperature increases, the p-type carrier concentration increases. To increase. That is, it can be seen that when the growth temperature is lowered, the p-type carrier concentration does not increase but decreases.

この様なp型GaN層におけるp型キャリア濃度の成長温度依存性は、p型AlGaN層についても成立するものであり、したがって、p型エレクトロンブロック層の成長温度を、本発明のように600℃〜900℃とするこは、600℃〜900℃、より好適には730〜830℃、例えば、780℃とすることによって電子のオーバーフローが抑制されるという本発明者による新たな知見なしには採用し得ない構成である。   The growth temperature dependence of the p-type carrier concentration in such a p-type GaN layer is also established for the p-type AlGaN layer. Therefore, the growth temperature of the p-type electron block layer is set to 600 ° C. as in the present invention. ˜900 ° C. is adopted without new knowledge by the present inventors that the overflow of electrons is suppressed by setting the temperature to 600 ° C. to 900 ° C., more preferably 730 to 830 ° C., for example, 780 ° C. It is a configuration that cannot be done.

また、GaN層或いはAlGaN層の成長温度を900℃以下と低くすると、表面モホロジーが著しく悪化するため、通常は、p型GaN層或いはp型AlGaN層の結晶成長温度として900℃〜1200℃の範囲、例えば、1100℃の高い温度を採用しており、この点からも、p型エレクトロンブロック層の結晶成長温度を600℃〜900℃にすることは予測し得ないものである。   Further, when the growth temperature of the GaN layer or AlGaN layer is lowered to 900 ° C. or lower, the surface morphology is remarkably deteriorated. Therefore, the crystal growth temperature of the p-type GaN layer or p-type AlGaN layer is usually in the range of 900 ° C. to 1200 ° C. For example, a high temperature of 1100 ° C. is adopted, and from this point, it is unpredictable that the crystal growth temperature of the p-type electron block layer is 600 ° C. to 900 ° C.

以上、本発明の実施例1を説明してきたが、本発明は実施例に記載した構成に限られるものではなく、各種の変更が可能であり、例えば、p型エレクトロンブロック層をAl0.18Ga0.82Nで構成しているが、この様な組成比に限られるものでなく、他の組成比のAlGaNでも良く、さらには、活性層及びp型クラッド層の組成に応じてAlx Gay In1-x-y N(0<x<1、0<y<1)の範囲内で変えても良いものである。 As described above, the first embodiment of the present invention has been described. However, the present invention is not limited to the configuration described in the embodiment, and various modifications are possible. For example, a p-type electron block layer is formed of Al 0.18 Ga 0.82. Although it is composed of N, it is not limited to such a composition ratio, AlGaN with other composition ratios may be used, and Al x Ga y In 1 depending on the composition of the active layer and the p-type cladding layer. -xy N those may be varied within the scope of (0 <x <1,0 <y <1).

また、上記の実施例1の説明においては、活性層としてウエル層が3層のMQW活性層を用いているが、他の構成のMQW活性層、例えば、厚さ5nmの6層のIn0.03Ga0.97Nバリア層によって、厚さ2.5nmの5層のIn0.15Ga0.85Nウエル層を交互に挟んだMQW活性層等を用いても良く、さらには、SQW活性層を用いても良いものである。 In the description of the first embodiment, the MQW active layer having three well layers is used as the active layer. However, the MQW active layer having another structure, for example, six layers of In 0.03 Ga having a thickness of 5 nm, is used. An MQW active layer or the like in which five layers of In 0.15 Ga 0.85 N well layers with a thickness of 2.5 nm are alternately sandwiched between 0.97 N barrier layers may be used. Furthermore, an SQW active layer may be used. is there.

また、上記の実施例1の説明においては、p側光ガイド層をp型層で、また、n側光ガイド層をn型層で構成しているが、少なくとも一方をアンドープ層で構成しても良いものである。   In the description of the first embodiment, the p-side light guide layer is a p-type layer and the n-side light guide layer is an n-type layer, but at least one of them is an undoped layer. Is also good.

本発明の原理的構成の説明図である。It is explanatory drawing of the fundamental structure of this invention. 本発明の実施例1のMQW半導体レーザの説明図である。It is explanatory drawing of the MQW semiconductor laser of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1のMQW半導体レーザの電流−光出力特性の説明図である。It is explanatory drawing of the current-light output characteristic of the MQW semiconductor laser of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1における効果を確認するために作製した表面発光型LEDの説明図である。It is explanatory drawing of the surface emitting LED produced in order to confirm the effect in Example 1 of this invention. 表面発光型LEDの発光スペクトル強度の構成条件依存性の説明図である。It is explanatory drawing of the structural condition dependence of the emission spectrum intensity | strength of surface emitting LED. 表面発光型LEDにおける発光強度のMg濃度依存性の説明図である。It is explanatory drawing of Mg density | concentration dependence of the emitted light intensity in surface emitting type LED. 本発明の実施例1のMQW半導体レーザのMQW活性層近傍のバンドダイヤグラムである。2 is a band diagram near the MQW active layer of the MQW semiconductor laser according to Example 1 of the present invention. p型GaN層におけるp型キャリア濃度の構成条件依存性の説明図である。It is explanatory drawing of the structural condition dependence of the p-type carrier density | concentration in a p-type GaN layer. 従来の短波長半導体発光素子の説明図である。It is explanatory drawing of the conventional short wavelength semiconductor light-emitting device. 従来の短波長半導体レーザの説明図である。It is explanatory drawing of the conventional short wavelength semiconductor laser. 従来のMQW半導体レーザの発振時のバンドダイヤグラムである。It is a band diagram at the time of the oscillation of the conventional MQW semiconductor laser. 従来のMQW構造短波長半導体レーザにおけるホール電流の層位置依存性の説明図である。It is explanatory drawing of the layer position dependence of the hole current in the conventional MQW structure short wavelength semiconductor laser. 従来のMQW半導体レーザの発振時のホール密度分布の説明図である。It is explanatory drawing of the hole density distribution at the time of the oscillation of the conventional MQW semiconductor laser. 従来のMQW半導体レーザの発振時の電子密度分布の説明図である。It is explanatory drawing of the electron density distribution at the time of the oscillation of the conventional MQW semiconductor laser. 従来のMQW短波長半導体レーザにおける光学利得と放射光強度分布の説明図である。It is explanatory drawing of the optical gain and radiation intensity distribution in the conventional MQW short wavelength semiconductor laser. 従来のMQW半導体レーザの光出力−電流特性の説明図である。It is explanatory drawing of the optical output-current characteristic of the conventional MQW semiconductor laser. 量子井戸構造活性層の発光効率のInx Ga1-x Nバリア層のIn組成比x依存性の説明図である。A In x Ga 1-x N In composition ratio of the barrier layer x dependency of illustration of the light emission efficiency of the quantum well structure active layer. オーバーフロー電流のクラッド層組成依存性の説明図である。It is explanatory drawing of the clad layer composition dependence of an overflow current. オーバーフロー電流の素子温度依存性の説明図である。It is explanatory drawing of the element temperature dependence of the overflow current. 従来の短波長半導体レーザのバンドダイヤグラムの説明図である。It is explanatory drawing of the band diagram of the conventional short wavelength semiconductor laser. 従来の短波長半導体レーザのPLピーク波長分布の説明図である。It is explanatory drawing of PL peak wavelength distribution of the conventional short wavelength semiconductor laser. 従来の短波長半導体レーザにおける光出力特性の説明図である。It is explanatory drawing of the optical output characteristic in the conventional short wavelength semiconductor laser. 従来の短波長半導体レーザにおけるPLピーク波長のヒストグラムと光強度の相関の説明図である。It is explanatory drawing of the correlation of the histogram of PL peak wavelength, and light intensity in the conventional short wavelength semiconductor laser.

符号の説明Explanation of symbols

711 n型SiC基板
712 n型Al0.09Ga0.91Nバッファ層
713 n型Al0.09Ga0.91Nクラッド層
714 アンドープGaN光ガイド層
715 MQW活性層
716 p+ 型Al0.18Ga0.82Nエレクトロンブロック層
717 p型GaN光ガイド層
718 p型Al0.09Ga0.91Nクラッド層
719 p型GaN第1コンタクト層
720 p+ 型GaN第2コンタクト層
721 SiO2
722 n側電極
723 p側電極
724 不純物準位
731 n型SiC基板
732 n型Al0.09Ga0.91Nバッファ層
733 n型Al0.09Ga0.91Nクラッド層
734 n型GaN光ガイド層
735 MQW活性層
736 p型Al0.18Ga0.82Nエレクトロンブロック層
737 p型GaN光ガイド層
738 p型Al0.09Ga0.91Nクラッド層
739 p型GaN第1コンタクト層
740 p+ 型GaN第2コンタクト層
741 n側電極
742 SiO2
743 半透明電極
744 ボンディングパッド
811 サファイア基板
812 GaNバッファ層
813 n型GaNバッファ層
814 n型In0.1 Ga0.9 N層
815 n型Al0.15Ga0.85Nクラッド層
816 n型GaN光ガイド層
817 InGaNMQW活性層
818 p型Al0.2 Ga0.8 N層
819 p型GaN光ガイド層
820 p型Al0.15Ga0.85Nクラッド層
821 p型GaNコンタクト層
822 n側電極
823 p側電極
824 n型GaN層
825 In0.15Ga0.85N活性層
826 p型GaN層
831 サファイア基板
832 GaNバッファ層
833 n型GaN中間層
834 n型Al0.09Ga0.91Nクラッド層
835 n型GaN光ガイド層
836 MQW活性層
837 p型Al0.18Ga0.82Nオーバーフロー防止層
838 p型GaN光ガイド層
839 p型Al0.09Ga0.91Nクラッド層
840 p型GaNコンタクト層
841 n側電極
842 SiO2
843 p側電極
844 電圧印加時の価電子帯のバンド端
845 ノッチ
846 ノッチ
711 n-type SiC substrate 712 n-type Al 0.09 Ga 0.91 N buffer layer 713 n-type Al 0.09 Ga 0.91 N cladding layer 714 undoped GaN light guide layer 715 MQW active layer 716 p + type Al 0.18 Ga 0.82 N electron block layer 717 p-type GaN light guide layer 718 p-type Al 0.09 Ga 0.91 N clad layer 719 p-type GaN first contact layer 720 p + -type GaN second contact layer 721 SiO 2 film 722 n-side electrode 723 p-side electrode 724 impurity level 731 n-type SiC substrate 732 n-type Al 0.09 Ga 0.91 N buffer layer 733 n-type Al 0.09 Ga 0.91 N cladding layer 734 n-type GaN light guide layer 735 MQW active layer 736 p-type Al 0.18 Ga 0.82 N electron block layer 737 p-type GaN light guide Layer 738 p-type Al 0.09 Ga 0.91 N clad Layer 739 p-type GaN first contact layer 740 p + -type GaN second contact layer 741 n-side electrode 742 SiO 2 film 743 translucent electrode 744 bonding pad 811 sapphire substrate 812 GaN buffer layer 813 n-type GaN buffer layer 814 n-type In 0.1 Ga 0.9 N layer 815 n-type Al 0.15 Ga 0.85 N cladding layer 816 n-type GaN light guide layer 817 InGaN MQW active layer 818 p-type Al 0.2 Ga 0.8 N layer 819 p-type GaN light guide layer 820 p-type Al 0.15 Ga 0.85 N Cladding layer 821 p-type GaN contact layer 822 n-side electrode 823 p-side electrode 824 n-type GaN layer 825 In 0.15 Ga 0.85 N active layer 826 p-type GaN layer 831 sapphire substrate 832 GaN buffer layer 833 n-type GaN intermediate layer 834 n-type Al 0.09 Ga 0.91 N Clad layer 835 n-type GaN light guide layer 836 MQW active layer 837 p-type Al 0.18 Ga 0.82 N overflow prevention layer 838 p-type GaN light guide layer 839 p-type Al 0.09 Ga 0.91 N clad layer 840 p-type GaN contact layer 841 n side Electrode 842 SiO 2 film 843 p-side electrode 844 Band edge of valence band when voltage is applied 845 notch 846 notch

Claims (4)

ナイトライド系化合物半導体を用いた半導体レーザにおいて、活性層のp側に設けるエレクトロンブロック層のMg濃度を7×1019cm-3以上とすることを特徴とする半導体レーザ。 A semiconductor laser using a nitride compound semiconductor, wherein the electron block layer provided on the p side of the active layer has a Mg concentration of 7 × 10 19 cm −3 or more. ナイトライド系化合物半導体を用いた半導体レーザの製造方法において、活性層のp側に設けるエレクトロンブロック層の成長温度を600℃〜900℃としたことを特徴とする半導体レーザの製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor laser using a nitride compound semiconductor, wherein the growth temperature of an electron block layer provided on the p side of the active layer is set to 600 ° C. to 900 ° C. 上記エレクトロンブロック層の成長温度を活性層の成長温度と同じにしたことを特徴とする請求項2記載の半導体レーザの製造方法。 3. The method of manufacturing a semiconductor laser according to claim 2, wherein the growth temperature of the electron block layer is the same as the growth temperature of the active layer. 上記エレクトロンブロック層のMg濃度が7×1019cm-3以上になるようにMgをドープすることを特徴とする請求項2または3に記載の半導体レーザの製造方法。 4. The method of manufacturing a semiconductor laser according to claim 2, wherein Mg is doped so that the Mg concentration of the electron block layer is 7 × 10 19 cm −3 or more.
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