JP2008153531A - Semiconductor light-emitting element - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor light-emitting element whose property can be improved. <P>SOLUTION: A semiconductor laser 30 comprises a substrate 1, an AlGaN layer 2 formed on the upper surface 1a of the substrate 1, and a quantum well light-emitting layer 4 composed of InGaN formed on the AlGaN layer 2. The AlGaN layer 2 comprises a first AlGaN layer 2a and a second AlGaN layer 2b formed on the first AlGaN layer 2a. The Al density of the first AlGaN layer 2a is higher than the Al density of the second AlGaN layer 2b. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は半導体発光素子に関し、より特定的には、InGaNよりなる量子井戸発光層を備えた半導体発光素子に関する。   The present invention relates to a semiconductor light emitting device, and more particularly to a semiconductor light emitting device including a quantum well light emitting layer made of InGaN.

InGaNよりなる窒化物半導体は、紫外領域から赤外領域までの波長領域の光を発する発光素子の材料としてよく知られている。たとえば特開2003−229638号公報(特許文献1)には、InGaNを用いた発光素子の構成が開示されている。具体的には、n型GaN基板上に、n型AlGaNクラッド層、n型GaN第1光ガイド層、InGaN活性層、p型InGaN第2光ガイド層、p型AlGaNクラッド層、およびp型GaNコンタクト層を順次積層した積層構造が開示されている。n型AlGaNクラッド層およびp型AlGaNクラッド層は、レーザ発振のための光閉じ込め層として機能する。   A nitride semiconductor made of InGaN is well known as a material of a light emitting element that emits light in a wavelength region from an ultraviolet region to an infrared region. For example, Japanese Patent Laying-Open No. 2003-229638 (Patent Document 1) discloses a configuration of a light emitting element using InGaN. Specifically, an n-type AlGaN cladding layer, an n-type GaN first light guide layer, an InGaN active layer, a p-type InGaN second light guide layer, a p-type AlGaN cladding layer, and a p-type GaN on an n-type GaN substrate. A laminated structure in which contact layers are sequentially laminated is disclosed. The n-type AlGaN cladding layer and the p-type AlGaN cladding layer function as an optical confinement layer for laser oscillation.

また、特許文献1と同様にInGaNよりなる窒化物半導体を発光層として用いた発光素子は、たとえば特開2002−190635号公報(特許文献2)、特開平11−191658号公報(特許文献3)、特開2005−39223号公報(特許文献4)、および特開2000−223743号公報(特許文献5)にも開示されている。特に特許文献2、4および5には、GaNなどの窒化物半導体基板とInGaN発光層との間にAlGaN層が形成された構成が開示されている。特許文献4には、GaN基板と、GaN基板上に形成されたGaNホモエピタキシャル層との間にAlGaN中間層を形成した構成が開示されている。また特許文献5には、C面に対して傾斜した上面を有するGaN基板上に発光層を形成した構成が開示されている。なお、特許文献3には、サファイア基板とInGaN発光層との間にAlGaN層が形成された構成が開示されている。   Similarly to Patent Document 1, light emitting elements using a nitride semiconductor made of InGaN as a light emitting layer are disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2002-190635 (Patent Document 2) and Japanese Patent Laid-Open No. 11-191658 (Patent Document 3). JP-A-2005-39223 (Patent Document 4) and JP-A-2000-223743 (Patent Document 5). In particular, Patent Documents 2, 4 and 5 disclose a configuration in which an AlGaN layer is formed between a nitride semiconductor substrate such as GaN and an InGaN light emitting layer. Patent Document 4 discloses a configuration in which an AlGaN intermediate layer is formed between a GaN substrate and a GaN homoepitaxial layer formed on the GaN substrate. Patent Document 5 discloses a configuration in which a light emitting layer is formed on a GaN substrate having an upper surface inclined with respect to the C plane. Patent Document 3 discloses a configuration in which an AlGaN layer is formed between a sapphire substrate and an InGaN light emitting layer.

窒化物半導体基板の中でも特にGaN基板を用いた場合には、GaN基板は高い転位密度を有する領域を含んでおり、またその表面が汚染されていることが多い。このため、GaN基板上に結晶性の高いエピタキシャル層を形成することは難しく、GaN基板上においてエピタキシャル層が成長しない領域が生じることもある。このような問題を解決するために、特許文献4では、GaN基板との濡れ性のよいAlGaN層をGaN基板上に形成し、その上にGaNホモエピタキシャル層を形成することによって、GaN基板表面の平坦性を確保している。またAlGaNは窒化物半導体基板との濡れ性が良いので、AlGaN層を形成することによってAlGaN層上に形成されるエピタキシャル層の成長面を平坦にすることができる。
特開2003−229638号公報 特開2002−190635号公報 特開平11−191658号公報 特開2005−39223号公報 特開2000−223743号公報
In particular, when a GaN substrate is used among the nitride semiconductor substrates, the GaN substrate includes a region having a high dislocation density, and the surface thereof is often contaminated. For this reason, it is difficult to form an epitaxial layer with high crystallinity on the GaN substrate, and there may be a region where the epitaxial layer does not grow on the GaN substrate. In order to solve such a problem, in Patent Document 4, an AlGaN layer having good wettability with a GaN substrate is formed on the GaN substrate, and a GaN homoepitaxial layer is formed on the AlGaN layer. Flatness is ensured. Further, since AlGaN has good wettability with the nitride semiconductor substrate, the growth surface of the epitaxial layer formed on the AlGaN layer can be flattened by forming the AlGaN layer.
JP 2003-229638 A JP 2002-190635 A JP 11-191658 A JP 2005-39223 A JP 2000-223743 A

AlGaN層に含まれるAlは、横方向に移動せずに(下層を選ばずに)成長する性質を有している。AlGaN層と窒化物半導体基板との濡れ性がよいのはこのAlの性質に起因している。そこで、AlGaN層のAl濃度を高めることによって、AlGaN層上に形成されるエピタキシャル層の成長面が一層平坦になり、発光ダイオードや半導体レーザなどの半導体発光素子の特性(半導体レーザのしきい値や駆動電圧など)を向上できるとも考えられる。   Al contained in the AlGaN layer has a property of growing without moving in the lateral direction (without selecting a lower layer). The good wettability between the AlGaN layer and the nitride semiconductor substrate is attributed to the properties of Al. Therefore, by increasing the Al concentration of the AlGaN layer, the growth surface of the epitaxial layer formed on the AlGaN layer becomes flatter, and characteristics of semiconductor light emitting devices such as light emitting diodes and semiconductor lasers (threshold values of the semiconductor laser and It is considered that the driving voltage can be improved.

しかしながら、AlGaN層のAl濃度が高いと、InGaN発光層との格子定数の差が大きくなり、InGaN発光層の結晶性が低下する。加えて、AlGaN層にクラックが生じやすくなり、AlGaN層を厚く形成することができなくなる。AlGaN層が薄いとInGaN発光層の結晶性の低下を招く。また、半導体レーザにおいてはAlGaN層が薄いと、発光光の基板側への漏れが大きくなるため半導体レーザの特性が悪化する。特に窒化物半導体基板はサファイア基板に比べて屈折率が高いので、発光光が漏れやすい。これらの理由により、AlGaN層のAl含有量を高めても半導体発光素子の特性を向上することには限界があった。   However, if the Al concentration of the AlGaN layer is high, the difference in lattice constant from the InGaN light emitting layer increases, and the crystallinity of the InGaN light emitting layer decreases. In addition, cracks are likely to occur in the AlGaN layer, and the AlGaN layer cannot be formed thick. If the AlGaN layer is thin, the crystallinity of the InGaN light emitting layer is lowered. In addition, in a semiconductor laser, if the AlGaN layer is thin, the leakage of emitted light to the substrate side becomes large, and the characteristics of the semiconductor laser deteriorate. In particular, since the nitride semiconductor substrate has a higher refractive index than the sapphire substrate, the emitted light tends to leak. For these reasons, there is a limit to improving the characteristics of the semiconductor light emitting device even if the Al content of the AlGaN layer is increased.

したがって、本発明の目的は、特性を向上することのできる半導体発光素子を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device capable of improving characteristics.

本発明の半導体発光素子は、窒化物半導体基板と、窒化物半導体基板の一方の主面上に形成されたAlsGa1-sN(0<s≦1)層と、AlsGa1-sN層上に形成されたInGaNよりなる量子井戸発光層とを備えている。AlsGa1-sN層における窒化物半導体基板に最も近い部分のAl濃度は、AlsGa1-sN層における量子井戸発光層に最も近い部分のAl濃度よりも高い。 The semiconductor light emitting device of the present invention includes a nitride semiconductor substrate, an Al s Ga 1-s N (0 <s ≦ 1) layer formed on one main surface of the nitride semiconductor substrate, an Al s Ga 1- consisting of InGaN formed on the s N layer and a quantum well active layer. Al concentration closest to the nitride semiconductor substrate at the Al s Ga 1-s N layer is higher than the Al concentration of the portion nearest to the quantum well active layer in the Al s Ga 1-s N layer.

本発明の半導体発光素子によれば、AlsGa1-sN層における窒化物半導体基板に最も近い部分のAl濃度が高いので、窒化物半導体基板の一方の主面にAlsGa1-sN層が正常に成長しやすくなり、窒化物半導体基板上のエピタキシャル層の表面平坦性を改善することができる。同時に、AlsGa1-sN層における量子井戸発光層に最も近い部分のAl濃度が低いので、量子井戸発光層との格子定数の差が小さくなり、量子井戸発光層の結晶性を向上することができる。加えて、AlsGa1-sN層における量子井戸発光層に最も近い部分のAl濃度が低いので、AlsGa1-sN層にクラックが生じにくくなり、AlsGa1-sN層を厚く形成することができる。これにより、半導体発光素子が半導体レーザである場合に、発光光の窒化物半導体基板側への漏れを防ぎ、発光特性を向上することができる。また、量子井戸発光層の結晶性の低下を防ぐことができるため、半導体発光素子の特性を向上することができる。 According to the semiconductor light emitting device of the present invention, the Al s Ga 1-s N layer has a high Al concentration in the portion closest to the nitride semiconductor substrate, so that Al s Ga 1-s is formed on one main surface of the nitride semiconductor substrate. The N layer can easily grow normally, and the surface flatness of the epitaxial layer on the nitride semiconductor substrate can be improved. At the same time, since the Al concentration in the Al s Ga 1-s N layer closest to the quantum well light emitting layer is low, the difference in lattice constant from the quantum well light emitting layer is reduced, and the crystallinity of the quantum well light emitting layer is improved. be able to. In addition, since the Al concentration of the portion nearest to the quantum well active layer in the Al s Ga 1-s N layer is low, Al s Ga 1-s N layer cracks hardly occur in, Al s Ga 1-s N layer Can be formed thick. Thereby, when the semiconductor light emitting element is a semiconductor laser, it is possible to prevent leakage of emitted light to the nitride semiconductor substrate side and improve the light emission characteristics. Moreover, since the crystallinity fall of a quantum well light emitting layer can be prevented, the characteristic of a semiconductor light-emitting device can be improved.

本発明の半導体発光素子において好ましくは、AlsGa1-sN層が窒化物半導体基板の一方の主面に接して形成される。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the Al s Ga 1-s N layer is preferably formed in contact with one main surface of the nitride semiconductor substrate.

これにより、窒化物半導体基板の一方の主面の全域にわたってAlsGa1-sN層が正常に成長しやすくなり、特性をさらに向上することができる。 As a result, the Al s Ga 1 -s N layer can easily grow normally over the entire area of one main surface of the nitride semiconductor substrate, and the characteristics can be further improved.

本発明の半導体発光素子において好ましくは、AlsGa1-sN層は第1AlGaN層と、第1AlGaN層上に形成された第2AlGaN層とを有している。第1AlGaN層のAl濃度は第2AlGaN層のAl濃度よりも高い。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, preferably, the Al s Ga 1-s N layer has a first AlGaN layer and a second AlGaN layer formed on the first AlGaN layer. The Al concentration of the first AlGaN layer is higher than the Al concentration of the second AlGaN layer.

これにより、第1AlGaN層によって窒化物半導体基板上のエピタキシャル層の表面平坦性を確保しつつ、第2AlGaN層によって量子井戸発光層との格子定数の差を小さくすることができる。加えて、第2AlGaN層を厚く形成することにより、半導体発光素子が半導体レーザである場合に、半導体レーザの発光光の窒化物半導体基板側への漏れを防ぎ、半導体レーザの特性を向上することができる。   Thereby, the difference in lattice constant with the quantum well light emitting layer can be reduced by the second AlGaN layer while ensuring the surface flatness of the epitaxial layer on the nitride semiconductor substrate by the first AlGaN layer. In addition, when the second AlGaN layer is formed thick, when the semiconductor light emitting device is a semiconductor laser, leakage of the emitted light of the semiconductor laser to the nitride semiconductor substrate side can be prevented, and the characteristics of the semiconductor laser can be improved. it can.

本発明の半導体発光素子において好ましくは、第2AlGaN層はAltGa1-tN(0<t≦0.05)よりなっている。第2AlGaN層のAl組成を5%以下とすることにより、特性を一層向上することができる。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, preferably, the second AlGaN layer is made of Al t Ga 1-t N (0 <t ≦ 0.05). By setting the Al composition of the second AlGaN layer to 5% or less, the characteristics can be further improved.

本発明の半導体発光素子において好ましくは、第2AlGaN層の膜厚は第1AlGaN層の膜厚よりも厚い。   In the semiconductor light emitting device of the present invention, the second AlGaN layer is preferably thicker than the first AlGaN layer.

第2AlGaN層はAl濃度が低いので、膜厚を厚くしてもクラックが生じにくい。したがって、第2AlGaN層の膜厚を厚くすることで結晶性を一層改善するとともに、基板側への光の漏れを防ぐことができる。   Since the second AlGaN layer has a low Al concentration, cracks are unlikely to occur even when the film thickness is increased. Therefore, increasing the thickness of the second AlGaN layer can further improve the crystallinity and prevent light leakage to the substrate side.

本発明の半導体発光素子において好ましくは、AlsGa1-sN層のAl濃度は、窒化物半導体基板側から量子井戸発光層側にかけて徐々に小さくなっている。これにより、AlsGa1-sN層の表面平坦性を向上しつつ、量子井戸発光層の結晶品質を向上することができる。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, preferably, the Al concentration of the Al s Ga 1-s N layer gradually decreases from the nitride semiconductor substrate side to the quantum well light emitting layer side. Thereby, the crystal quality of the quantum well light emitting layer can be improved while improving the surface flatness of the Al s Ga 1 -s N layer.

本発明の半導体発光素子において好ましくは、AlsGa1-sN層における窒化物半導体基板に最も近い部分はAlsGa1-sN(0.05≦s≦1)よりなっている。窒化物半導体基板に最も近い部分のAl組成を5%以上とすることにより、AlsGa1-sN層の表面平坦性が向上する。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, preferably, the Al s Ga 1-s N layer closest to the nitride semiconductor substrate is made of Al s Ga 1-s N (0.05 ≦ s ≦ 1). By setting the Al composition closest to the nitride semiconductor substrate to 5% or more, the surface flatness of the Al s Ga 1-s N layer is improved.

本発明の半導体発光素子において好ましくは、AlsGa1-sN層における量子井戸発光層に最も近い部分はAlsGa1-sN(0<s<0.05)よりなっている。量子井戸発光層に最も近い部分のAl組成を5%未満とすることにより、量子井戸発光層の結晶品質が向上する。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, preferably, the Al s Ga 1-s N layer closest to the quantum well light emitting layer is made of Al s Ga 1-s N (0 <s <0.05). By making the Al composition in the portion closest to the quantum well light emitting layer less than 5%, the crystal quality of the quantum well light emitting layer is improved.

本発明の半導体発光素子において好ましくは、窒化物半導体基板はAluGa1-uN(0≦u≦1)よりなっている。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, preferably, the nitride semiconductor substrate is made of Al u Ga 1-u N (0 ≦ u ≦ 1).

上記基板は熱的に安定であり、かつ製造が容易であるため、窒化物半導体基板として適している。   The substrate is suitable as a nitride semiconductor substrate because it is thermally stable and easy to manufacture.

本発明の半導体発光素子において好ましくは、窒化物半導体基板は相対的に欠陥密度の低い低欠陥領域と、相対的に欠陥密度が高く、かつ窒化物半導体基板の一方の主面において点状または線状に分布する欠陥集中領域とを有している。   In the semiconductor light-emitting device of the present invention, preferably, the nitride semiconductor substrate has a low defect region having a relatively low defect density, and has a relatively high defect density, and a dot or line on one main surface of the nitride semiconductor substrate. And a defect concentration region distributed in a shape.

本発明の半導体発光素子において好ましくは、低欠陥領域の転位密度は1×107個/cm2未満である。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the dislocation density in the low defect region is preferably less than 1 × 10 7 / cm 2 .

これにより、低欠陥領域を発光領域とすることができ、半導体発光素子の特性および信頼性をさらに向上することができる。   Thereby, a low defect area | region can be made into a light emission area | region, and the characteristic and reliability of a semiconductor light-emitting device can be improved further.

本発明の半導体発光素子によれば、半導体発光素子の特性を向上することができる。   According to the semiconductor light emitting device of the present invention, the characteristics of the semiconductor light emitting device can be improved.

以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における半導体レーザの構成を示す断面図である。図1を参照して、本実施の形態における半導体発光素子としての半導体レーザ30は、窒化物半導体基板としての基板1と、AlGaN層2と、中間層3と、量子井戸発光層4と、ガイド層5と、p型電子ブロック層6と、p型クラッド層7と、p型コンタクト層8と、絶縁層10と、電極11および12とを備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor laser according to Embodiment 1 of the present invention. Referring to FIG. 1, a semiconductor laser 30 as a semiconductor light emitting device in the present embodiment includes a substrate 1 as a nitride semiconductor substrate, an AlGaN layer 2, an intermediate layer 3, a quantum well light emitting layer 4, and a guide. A layer 5, a p-type electron blocking layer 6, a p-type cladding layer 7, a p-type contact layer 8, an insulating layer 10, and electrodes 11 and 12 are provided.

基板1は窒化物半導体よりなっており、たとえばAluGa1-uN(0≦u≦1)よりなっている。より具体的には、基板1はAlNまたはGaNよりなっている。基板1の上面1a上にはAlGaN層2が上面1aに接して形成されている。AlGaN層2上にはInvGa1-vN(0≦v<1)よりなる中間層3が形成されている。中間層3上には量子井戸発光層4が形成されている。量子井戸発光層4は図示しない複数の障壁層と井戸層とを有している。障壁層と井戸層とは積層方向(図1中縦方向)に交互に形成されている。井戸層はInwGa1-wN(0<w<0.5)よりなっており、障壁層はInxGa1-xN(0≦x<w)よりなっている。障壁層におけるエネルギ障壁によって、量子井戸発光層4に注入されたキャリアが井戸層に閉じ込められる。 The substrate 1 is made of a nitride semiconductor, and is made of, for example, Al u Ga 1-u N (0 ≦ u ≦ 1). More specifically, the substrate 1 is made of AlN or GaN. On the upper surface 1a of the substrate 1, an AlGaN layer 2 is formed in contact with the upper surface 1a. An intermediate layer 3 made of In v Ga 1-v N (0 ≦ v <1) is formed on the AlGaN layer 2. A quantum well light emitting layer 4 is formed on the intermediate layer 3. The quantum well light emitting layer 4 has a plurality of barrier layers and well layers (not shown). The barrier layers and the well layers are alternately formed in the stacking direction (vertical direction in FIG. 1). The well layer is made of In w Ga 1-w N (0 <w <0.5), and the barrier layer is made of In x Ga 1-x N (0 ≦ x <w). The carriers injected into the quantum well light emitting layer 4 are confined in the well layer by the energy barrier in the barrier layer.

図2は、本発明の実施の形態1におけるAlGaN層内のAl組成分布を示す図である。図1および図2を参照して、AlGaN層2は、AlsGa1-sN(0<s≦1)よりなっており、第1AlGaN層2aと第2AlGaN層2bとを有している。第1AlGaN層2aは基板1側に形成されており、第2AlGaN層2bは量子井戸発光層4側(第1AlGaN層2a上)に形成されている。第1AlGaN層2aのAl濃度は第2AlGaN層2bの濃度よりも高い。具体的には、第1AlGaN層2aのAl組成は12%であり、第2AlGaN層2bのAl組成は3%である。これにより、AlGaN層2における基板1に最も近い部分(基板1との境界面)のAl濃度が量子井戸発光層4に最も近い部分(中間層3との境界面)のAl濃度よりも高くなっている。 FIG. 2 is a diagram showing an Al composition distribution in the AlGaN layer according to the first embodiment of the present invention. Referring to FIGS. 1 and 2, the AlGaN layer 2 is made of Al s Ga 1-s N (0 <s ≦ 1), and includes a first AlGaN layer 2a and a second AlGaN layer 2b. The first AlGaN layer 2a is formed on the substrate 1 side, and the second AlGaN layer 2b is formed on the quantum well light emitting layer 4 side (on the first AlGaN layer 2a). The Al concentration of the first AlGaN layer 2a is higher than the concentration of the second AlGaN layer 2b. Specifically, the Al composition of the first AlGaN layer 2a is 12%, and the Al composition of the second AlGaN layer 2b is 3%. As a result, the Al concentration of the AlGaN layer 2 closest to the substrate 1 (interface with the substrate 1) is higher than the Al concentration of the portion closest to the quantum well light emitting layer 4 (interface with the intermediate layer 3). ing.

また、第2AlGaN層2bはAltGa1-tN(0<t≦0.05)よりなっていることが好ましく、第2AlGaN層2bの膜厚は第1AlGaN層2aの膜厚よりも厚いことが好ましい。 The second AlGaN layer 2b is preferably made of Al t Ga 1-t N (0 <t ≦ 0.05), and the film thickness of the second AlGaN layer 2b is thicker than the film thickness of the first AlGaN layer 2a. Is preferred.

また、第1AlGaN層2aの膜厚を500nm以下、好ましくは200nm以下とすることにより、第1AlGaN層2aにクラックが入るのを抑止することができる。第1AlGaN層2aの膜厚を5nm以上、好ましくは20nm以上とすることにより、GaN基板上にAlGaN層2を均一に形成することができる。   Moreover, by making the film thickness of the first AlGaN layer 2a 500 nm or less, preferably 200 nm or less, it is possible to prevent the first AlGaN layer 2a from cracking. By setting the thickness of the first AlGaN layer 2a to 5 nm or more, preferably 20 nm or more, the AlGaN layer 2 can be uniformly formed on the GaN substrate.

さらに、第2AlGaN層2bの膜厚を400nm以上とすることにより、発光光の基板1側への漏れを効果的に防ぐことができ、第2AlGaN層2bの膜厚を1μm以上とすることにより、量子井戸発光層4の結晶性を向上することができる。第2AlGaN層2bの膜厚を4μm以下とすることにより、第2AlGaN層2bにクラックが入るのを抑止することができ、第2AlGaN層2bの膜厚を3μm以下とすることにより、第2AlGaN層2bの形成を効率よく行なうことができる。   Furthermore, by setting the film thickness of the second AlGaN layer 2b to 400 nm or more, leakage of emitted light to the substrate 1 side can be effectively prevented, and by setting the film thickness of the second AlGaN layer 2b to 1 μm or more, The crystallinity of the quantum well light emitting layer 4 can be improved. By setting the film thickness of the second AlGaN layer 2b to 4 μm or less, it is possible to prevent the second AlGaN layer 2b from cracking, and by setting the film thickness of the second AlGaN layer 2b to 3 μm or less, the second AlGaN layer 2b Can be formed efficiently.

図1を参照して、量子井戸発光層4上にはたとえばアンドープGaNよりなるガイド層5が形成されており、ガイド層5上にはたとえばAlGaNよりなるp型電子ブロック層6が形成されている。p型電子ブロック層6上にはAlGaNよりなるp型クラッド層7が形成されており、p型クラッド層7上にはGaNよりなるp型コンタクト層8が形成されている。p型コンタクト層8上には開口部10aを有する絶縁層10が形成されている。開口部10a内を埋めるように電極12が絶縁層10上に形成されている。電極12は絶縁層10と直接接触している。基板1の下面1bには電極11が形成されている。   Referring to FIG. 1, a guide layer 5 made of, for example, undoped GaN is formed on quantum well light-emitting layer 4, and a p-type electron block layer 6 made of, for example, AlGaN is formed on guide layer 5. . A p-type cladding layer 7 made of AlGaN is formed on the p-type electron blocking layer 6, and a p-type contact layer 8 made of GaN is formed on the p-type cladding layer 7. An insulating layer 10 having an opening 10 a is formed on the p-type contact layer 8. An electrode 12 is formed on the insulating layer 10 so as to fill the opening 10a. The electrode 12 is in direct contact with the insulating layer 10. An electrode 11 is formed on the lower surface 1 b of the substrate 1.

本実施の形態の半導体レーザ30においては、電極11(p電極)および電極12(n電極)へ所定の電位が与えられると、電極11および電極12の間に電圧が発生し、第2AlGaN層2bおよびp型クラッド層7の各々から量子井戸発光層4へキャリアが注入される。そして、注入されたキャリア同士が量子井戸発光層においてそれぞれ再結合し、光が放出される。この光は、量子井戸発光層の端面から紙面に垂直な方向に放出される。   In the semiconductor laser 30 of the present embodiment, when a predetermined potential is applied to the electrode 11 (p electrode) and the electrode 12 (n electrode), a voltage is generated between the electrode 11 and the electrode 12, and the second AlGaN layer 2b. Then, carriers are injected from each of the p-type cladding layers 7 into the quantum well light emitting layer 4. Then, the injected carriers are recombined in the quantum well light emitting layer, and light is emitted. This light is emitted in the direction perpendicular to the paper surface from the end face of the quantum well light emitting layer.

続いて、本実施の形態における半導体レーザの製造方法について、図3〜図5を用いて説明する。   Next, a method for manufacturing a semiconductor laser in the present embodiment will be described with reference to FIGS.

始めに図3を参照して、基板1の上面1a上に、第1AlGaN層2aと、第2AlGaN層2bと、中間層3と、量子井戸発光層4と、ガイド層5と、p型電子ブロック層6と、p型クラッド層7と、p型コンタクト層8とをこの順序でエピタキシャル成長させる。これらの層はたとえばMOCVD法(有機金属気相成長法)を用いて形成される。   First, referring to FIG. 3, on the upper surface 1a of the substrate 1, a first AlGaN layer 2a, a second AlGaN layer 2b, an intermediate layer 3, a quantum well light emitting layer 4, a guide layer 5, and a p-type electron block. The layer 6, the p-type cladding layer 7, and the p-type contact layer 8 are epitaxially grown in this order. These layers are formed using, for example, MOCVD (metal organic chemical vapor deposition).

ここで、第1AlGaN層2aおよび第2AlGaN層2bは、Alを含むガスの濃度および成長温度を変えることにより形成される。また、量子井戸発光層4における障壁層および井戸層は、Inを含むガスの濃度を周期的に変化させることで形成される。   Here, the first AlGaN layer 2a and the second AlGaN layer 2b are formed by changing the concentration of Al-containing gas and the growth temperature. Further, the barrier layer and the well layer in the quantum well light emitting layer 4 are formed by periodically changing the concentration of the gas containing In.

次に図4を参照して、p型コンタクト層8上に絶縁層10を形成する。続いて、絶縁層10上に図示しないレジストを形成し、このレジストをマスクとして絶縁層10をエッチングする。その結果、絶縁層10の所定の位置に開口部10aが形成される。   Next, referring to FIG. 4, insulating layer 10 is formed on p-type contact layer 8. Subsequently, a resist (not shown) is formed on the insulating layer 10, and the insulating layer 10 is etched using the resist as a mask. As a result, an opening 10 a is formed at a predetermined position of the insulating layer 10.

次に図5を参照して、開口部10aを埋めるように絶縁層10上に電極12を形成する。続いて、基板1の下面1bに電極11を形成する。その後、図中A−A線に沿って基板1をダイシングし、個々の半導体レーザに分離する。以上の工程により、図1に示す半導体レーザ30が得られる。   Next, referring to FIG. 5, an electrode 12 is formed on insulating layer 10 so as to fill opening 10a. Subsequently, an electrode 11 is formed on the lower surface 1 b of the substrate 1. Thereafter, the substrate 1 is diced along the line AA in the figure, and separated into individual semiconductor lasers. Through the above steps, the semiconductor laser 30 shown in FIG. 1 is obtained.

本実施の形態における半導体レーザ30は、基板1と、基板1の上面1a上に形成されたAlGaN層2と、AlGaN層2上に形成されたInGaNよりなる量子井戸発光層4とを備えている。AlGaN層2における基板1に最も近い部分のAl濃度は、AlGaN層2における量子井戸発光層4に最も近い部分のAl濃度よりも高い。   The semiconductor laser 30 in the present embodiment includes a substrate 1, an AlGaN layer 2 formed on the upper surface 1 a of the substrate 1, and a quantum well light-emitting layer 4 made of InGaN formed on the AlGaN layer 2. . The Al concentration in the AlGaN layer 2 closest to the substrate 1 is higher than the Al concentration in the AlGaN layer 2 closest to the quantum well light-emitting layer 4.

本実施の形態における半導体レーザ30によれば、基板1に最も近い部分にある第1AlGaN層2aのAl濃度が高いので、エピタキシャル層の表面平坦性を改善することができる。同時に、量子井戸発光層4に最も近い部分にある第2AlGaN層2bのAl濃度が低いので、量子井戸発光層4との格子定数の差が小さくなり、量子井戸発光層4の結晶性を向上することができる。加えて、AlGaN層2にクラックが生じにくくなり、AlGaN層2を厚く形成することができる。これにより、発光光の基板1側への漏れを防ぐとともに、量子井戸発光層4の結晶性の低下を防ぐことができる。その結果、半導体レーザの発光特性を向上することができる。   According to the semiconductor laser 30 in the present embodiment, since the Al concentration of the first AlGaN layer 2a in the portion closest to the substrate 1 is high, the surface flatness of the epitaxial layer can be improved. At the same time, since the Al concentration of the second AlGaN layer 2b closest to the quantum well light emitting layer 4 is low, the difference in lattice constant with the quantum well light emitting layer 4 is reduced, and the crystallinity of the quantum well light emitting layer 4 is improved. be able to. In addition, cracks are unlikely to occur in the AlGaN layer 2, and the AlGaN layer 2 can be formed thick. Thereby, leakage of emitted light to the substrate 1 side can be prevented, and deterioration of crystallinity of the quantum well light emitting layer 4 can be prevented. As a result, the light emission characteristics of the semiconductor laser can be improved.

また、AlGaN層2が基板1の上面1aに接して形成されるので、基板1の上面1aの全域にわたってAlGaN層2が正常に成長しやすくなり、半導体レーザの発光特性をさらに向上することができる。   Further, since the AlGaN layer 2 is formed in contact with the upper surface 1a of the substrate 1, the AlGaN layer 2 is likely to grow normally over the entire upper surface 1a of the substrate 1, and the light emission characteristics of the semiconductor laser can be further improved. .

また、AlGaN層2は第1AlGaN層2aと、第1AlGaN層2a上に形成された第2AlGaN層2bとを有しており、第1AlGaN層2aのAl濃度は第2AlGaN層2bのAl濃度よりも高い。これにより、第1AlGaN層2aによって基板1との濡れ性を確保しつつ、第2AlGaN層2bによって量子井戸発光層4との格子定数の差を小さくすることができる。加えて、第2AlGaN層2bを厚く形成することにより、発光光の基板1側への漏れを防ぎ、半導体レーザの発光特性を改善することができる。   The AlGaN layer 2 includes a first AlGaN layer 2a and a second AlGaN layer 2b formed on the first AlGaN layer 2a. The Al concentration of the first AlGaN layer 2a is higher than the Al concentration of the second AlGaN layer 2b. . Thereby, the difference in lattice constant with the quantum well light-emitting layer 4 can be reduced by the second AlGaN layer 2b while the wettability with the substrate 1 is ensured by the first AlGaN layer 2a. In addition, by forming the second AlGaN layer 2b thick, leakage of emitted light to the substrate 1 side can be prevented and the light emission characteristics of the semiconductor laser can be improved.

また、第2AlGaN層2bの膜厚は第1AlGaN層2aの膜厚よりも厚い。これにより、第2AlGaN層2bの膜厚を厚くしてもクラックが生じにくくなり、量子井戸発光層4の結晶性を一層改善することができる。   The film thickness of the second AlGaN layer 2b is thicker than the film thickness of the first AlGaN layer 2a. Thereby, even if the thickness of the second AlGaN layer 2b is increased, cracks are less likely to occur, and the crystallinity of the quantum well light-emitting layer 4 can be further improved.

さらに、基板1はAluGa1-uN(0≦u≦1)よりなっているので、基板1の製造が容易となる。 Furthermore, since the substrate 1 is made of Al u Ga 1-u N (0 ≦ u ≦ 1), the substrate 1 can be easily manufactured.

(実施の形態2)
図6は、本発明の実施の形態2における半導体レーザの構成を示す断面図である。図6を参照して、本実施の形態における半導体レーザ30は、AlGaN層2の組成分布において実施の形態1の半導体レーザと異なっている。
(Embodiment 2)
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor laser according to the second embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6, semiconductor laser 30 in the present embodiment differs from the semiconductor laser in the first embodiment in the composition distribution of AlGaN layer 2.

図7は、本発明の実施の形態2におけるAlGaN層内のAl組成分布を示す図である。図6および図7を参照して、AlGaN層2中のAl濃度は基板1との境界面から中間層3との境界面にかけて一定の割合で徐々に減少している。具体的には、Al組成は12%から3%に減少している。このため、本実施の形態のAlGaN層2は1つの層により構成されている。また、AlGaN層2のAl組成分布は図7に示す場合の他、たとえば図8のようなものであってもよい。図6および図8を参照して、AlGaN層2中のAl濃度は基板1との境界面から減少し、AlGaN層2中のある位置で極小値となり、中間層3との境界面にかけて増加している。図7および図8のいずれの場合にも、AlGaN層2における基板1に最も近い部分(基板1との境界面)のAl濃度が量子井戸発光層4に最も近い部分(中間層3との境界面)のAl濃度よりも高くなっている。   FIG. 7 is a diagram showing an Al composition distribution in the AlGaN layer in the second embodiment of the present invention. Referring to FIGS. 6 and 7, the Al concentration in AlGaN layer 2 gradually decreases at a constant rate from the boundary surface with substrate 1 to the boundary surface with intermediate layer 3. Specifically, the Al composition is reduced from 12% to 3%. For this reason, the AlGaN layer 2 of this Embodiment is comprised by one layer. Further, the Al composition distribution of the AlGaN layer 2 may be as shown in FIG. 8, for example, in addition to the case shown in FIG. 6 and 8, the Al concentration in the AlGaN layer 2 decreases from the boundary surface with the substrate 1, reaches a minimum value at a certain position in the AlGaN layer 2, and increases toward the boundary surface with the intermediate layer 3. ing. 7 and FIG. 8, the Al concentration of the AlGaN layer 2 closest to the substrate 1 (interface with the substrate 1) is close to the quantum well light-emitting layer 4 (boundary with the intermediate layer 3). Surface) is higher than the Al concentration.

なお、これ以外の半導体レーザ30の構成、動作、および製造方法は、実施の形態1における半導体レーザと同様であるため、同一の構成には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。   Since the other configuration, operation, and manufacturing method of semiconductor laser 30 are the same as those of the semiconductor laser according to the first embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.

本実施の形態における半導体レーザ30によれば、実施の形態1における半導体レーザと同様の効果を得ることができる。   According to the semiconductor laser 30 in the present embodiment, the same effect as that of the semiconductor laser in the first embodiment can be obtained.

(実施の形態3)
図9は、本発明の実施の形態3における半導体レーザに使用される基板を模式的に示した図である。(a)は斜視図であり、(b)は(a)のIXB−IXB線に沿う断面図である。図9(a)、(b)を参照して、本実施の形態における基板1は、低欠陥領域50と、低欠陥領域50に比べて欠陥密度の高い領域である欠陥集中領域51とを有している。欠陥集中領域51は基板1の上面1aにおいて点状に分布しており、厚さ方向(図9(b)中縦方向)に基板1を貫通している。
(Embodiment 3)
FIG. 9 is a diagram schematically showing a substrate used in the semiconductor laser according to the third embodiment of the present invention. (A) is a perspective view, (b) is sectional drawing which follows the IXB-IXB line | wire of (a). Referring to FIGS. 9A and 9B, substrate 1 in the present embodiment has low defect region 50 and defect concentration region 51 which is a region having a higher defect density than low defect region 50. is doing. The defect concentration regions 51 are distributed in the form of dots on the upper surface 1a of the substrate 1 and penetrate the substrate 1 in the thickness direction (vertical direction in FIG. 9B).

なお、図9(a)、(b)においては、低欠陥領域50と欠陥集中領域51との境界線が実線で示されているが、低欠陥領域50と欠陥集中領域51との境界には実際にはこのような線はない。   In FIGS. 9A and 9B, the boundary line between the low defect region 50 and the defect concentration region 51 is indicated by a solid line, but the boundary between the low defect region 50 and the defect concentration region 51 is Actually there is no such line.

本実施の形態における基板1は、製造時に欠陥をある領域に集中させることにより、それ以外の領域の欠陥を低減したものである。このような基板1を半導体レーザ30が備えていることにより、低欠陥領域50を発光領域とすることができ、半導体レーザの発光特性をさらに向上することができる。   The substrate 1 in the present embodiment is one in which defects in other regions are reduced by concentrating defects in a certain region during manufacturing. Since the semiconductor laser 30 includes such a substrate 1, the low defect region 50 can be used as a light emitting region, and the light emission characteristics of the semiconductor laser can be further improved.

なお、本実施の形態における基板としては、図9に示すように欠陥集中領域51が点状に分布している場合の他、図10に示すように欠陥集中領域51が上面1aにおいて線状に分布しているものであってもよい。   As the substrate in the present embodiment, the defect concentration region 51 is linearly formed on the upper surface 1a as shown in FIG. 10 in addition to the case where the defect concentration region 51 is distributed in a dot shape as shown in FIG. It may be distributed.

本実施例では、本発明例1の半導体レーザおよび比較例1の半導体レーザを製造し、それぞれの半導体レーザの発光特性を調べた。本発明例1の半導体レーザは以下の製造方法により製造した。   In this example, the semiconductor laser of Example 1 of the present invention and the semiconductor laser of Comparative Example 1 were manufactured, and the emission characteristics of each semiconductor laser were examined. The semiconductor laser of Example 1 of the present invention was manufactured by the following manufacturing method.

本発明例1:実施の形態1に示す製造方法に従って半導体レーザを製造した。始めに、貫通転位密度1×106cm-2未満の低欠陥領域と、線状に分布する欠陥集中領域とを有するn型GaN(0001)基板を準備し、成膜装置内のサセプタ上に配置した。続いて、装置内圧力を30kPaにコントロールしながらアンモニアと水素とを導入し、基板を1050℃に加熱した状態で10分間クリーニングを行なった。続いて、基板温度を1100℃まで上昇させ、キャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウム(24μmol/分)、トリメチルアルミニウム(4.3μmol/分)、アンモニア、およびモノシランを装置内に導入した。これにより、膜厚50μmのn型第1AlGaN層(Al組成12%)を成長した。次に基板温度を1100℃に保ったまま、キャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウム(99μmol/分)、トリメチルアルミニウム(8.2μmol/分)、アンモニア、およびモノシランを装置内に導入した。これにより、膜厚2μmのn型第2AlGaNクラッド層(Al組成3%)を成長した。次に基板温度を1100℃に保ったまま、キャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウムおよびアンモニアを装置内に導入し、膜厚3nmのノンドープGaN中間層を成長した。次に層の成長を一旦中断し、基板温度を880℃まで上昇させ、キャリアガスを主に窒素として、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、およびアンモニアを装置内に導入した。これにより、厚さ15nmのノンドープInGaN障壁層(In組成1%)を成長した。その後基板温度を800℃に低下させ、キャリアガスを主に窒素として、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、およびアンモニアを装置内に導入した。これにより、膜厚3nmのノンドープInGaN井戸層(In組成8%)を成長した。ノンドープInGaN障壁層を形成する工程とノンドープInGaN井戸層を形成する工程とを繰り返すことによって、3周期の量子井戸発光層を形成した。 Invention Example 1: A semiconductor laser was manufactured according to the manufacturing method shown in the first embodiment. First, an n-type GaN (0001) substrate having a low defect region having a threading dislocation density of less than 1 × 10 6 cm −2 and a defect concentration region distributed linearly is prepared and formed on a susceptor in a film forming apparatus. Arranged. Subsequently, ammonia and hydrogen were introduced while controlling the internal pressure of the apparatus at 30 kPa, and cleaning was performed for 10 minutes while the substrate was heated to 1050 ° C. Subsequently, the substrate temperature was raised to 1100 ° C., and trimethylgallium (24 μmol / min), trimethylaluminum (4.3 μmol / min), ammonia, and monosilane were introduced into the apparatus mainly using hydrogen as a carrier gas. Thereby, an n-type first AlGaN layer (Al composition 12%) having a thickness of 50 μm was grown. Next, with the substrate temperature maintained at 1100 ° C., the carrier gas was mainly hydrogen, and trimethylgallium (99 μmol / min), trimethylaluminum (8.2 μmol / min), ammonia, and monosilane were introduced into the apparatus. Thereby, an n-type second AlGaN cladding layer (Al composition 3%) having a thickness of 2 μm was grown. Next, with the substrate temperature kept at 1100 ° C., the carrier gas was mainly hydrogen, and trimethylgallium and ammonia were introduced into the apparatus to grow a 3 nm thick non-doped GaN intermediate layer. Next, the layer growth was temporarily stopped, the substrate temperature was raised to 880 ° C., and trimethylgallium, trimethylindium, and ammonia were introduced into the apparatus mainly using nitrogen as a carrier gas. As a result, a non-doped InGaN barrier layer (In composition 1%) having a thickness of 15 nm was grown. Thereafter, the substrate temperature was lowered to 800 ° C., and trimethylgallium, trimethylindium, and ammonia were introduced into the apparatus mainly using nitrogen as a carrier gas. Thereby, a 3 nm-thick non-doped InGaN well layer (In composition 8%) was grown. By repeating the step of forming the non-doped InGaN barrier layer and the step of forming the non-doped InGaN well layer, a three-period quantum well light-emitting layer was formed.

次に層の成長を一旦中断し、基板温度を1050℃に上昇させた後、キャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウムおよびアンモニアを装置内に導入した。これにより、膜厚100nmのノンドープGaNガイド層を成長した。続いてキャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニア、およびシクロペンタジエニルマグネシウムを装置内に導入した。これにより、膜厚20nmのp型AlGaN電子ブロック層(Al組成18%)を成長した。その後キャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニア、およびシクロペンタジエニルマグネシウムを装置内に導入した。これにより、膜厚150nmのp型AlGaNクラッド層(Al組成7%)を成長した。次にキャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウム、アンモニア、およびシクロペンタジエニルマグネシウムを装置内に導入した。これにより、膜厚50nmのp型GaNコンタクト層を成長した。   Next, the layer growth was temporarily interrupted, the substrate temperature was raised to 1050 ° C., and then trimethylgallium and ammonia were introduced into the apparatus mainly using hydrogen as a carrier gas. Thereby, a non-doped GaN guide layer having a thickness of 100 nm was grown. Subsequently, trimethylgallium, trimethylaluminum, ammonia, and cyclopentadienylmagnesium were introduced into the apparatus mainly using hydrogen as a carrier gas. Thereby, a p-type AlGaN electron block layer (Al composition 18%) having a thickness of 20 nm was grown. Thereafter, trimethylgallium, trimethylaluminum, ammonia, and cyclopentadienylmagnesium were introduced into the apparatus mainly using hydrogen as a carrier gas. As a result, a p-type AlGaN cladding layer (Al composition 7%) having a thickness of 150 nm was grown. Next, trimethylgallium, ammonia, and cyclopentadienylmagnesium were introduced into the apparatus mainly using hydrogen as a carrier gas. As a result, a p-type GaN contact layer having a thickness of 50 nm was grown.

その後、基板を成膜装置内から取り出し、光学顕微鏡を用いてp型コンタクト層の表面観察を行なったところ、良好な表面平坦性が得られていた。次にp型GaNコンタクト層上に絶縁膜を形成し、エッチングによって絶縁膜に幅5μmの開口部を開口し、Ni/Auよりなるp電極を形成した。次に、GaN基板を減厚した後で基板の下面にn型電極を形成した。その後、長さ800μmのバー状にダイシングし、端面ミラーを形成した。以上の方法により図1の半導体レーザ(青紫色発光素子)を得た。   Thereafter, the substrate was taken out from the film forming apparatus, and the surface of the p-type contact layer was observed using an optical microscope. As a result, good surface flatness was obtained. Next, an insulating film was formed on the p-type GaN contact layer, an opening having a width of 5 μm was opened in the insulating film by etching, and a p-electrode made of Ni / Au was formed. Next, after reducing the thickness of the GaN substrate, an n-type electrode was formed on the lower surface of the substrate. Thereafter, dicing into a bar having a length of 800 μm was performed to form an end face mirror. The semiconductor laser (blue-violet light emitting element) of FIG. 1 was obtained by the above method.

また、比較例1の半導体レーザは以下の製造方法により製造した。
比較例1:本発明例1の製造方法において、第1および第2AlGaN層を形成する代わりに、膜厚0.6μmのn型AlGaN層(Al組成7%)を形成した。n型AlGaN層を形成する際には、基板温度を1100℃に保ったまま、キャリアガスを主に窒素として、トリメチルガリウム(49μmol/分)、トリメチルアルミニウム(4.0μmol/分)、アンモニア、およびモノシランを装置内に導入した。これ以外は本発明例1と同様の方法を用いて半導体レーザ(青紫色発光素子)を製造した。
The semiconductor laser of Comparative Example 1 was manufactured by the following manufacturing method.
Comparative Example 1: In the manufacturing method of Invention Example 1, instead of forming the first and second AlGaN layers, an n-type AlGaN layer (Al composition 7%) having a thickness of 0.6 μm was formed. When forming the n-type AlGaN layer, the carrier gas is mainly nitrogen while keeping the substrate temperature at 1100 ° C., trimethylgallium (49 μmol / min), trimethylaluminum (4.0 μmol / min), ammonia, and Monosilane was introduced into the apparatus. Except for this, a semiconductor laser (blue-violet light emitting device) was manufactured in the same manner as in Example 1 of the present invention.

このようにして得られた本発明例1の半導体レーザおよび比較例1の半導体レーザの各々に室温でパルス電流を印加したところ、レーザ発振が観測された。スロープ効率は本発明例1では1.0W/Aであり、比較例1では0.4W/Aであった。これらの結果から、本発明によれば半導体レーザの発光特性を向上できることが分かる。   When a pulse current was applied at room temperature to each of the semiconductor laser of Example 1 of the present invention and the semiconductor laser of Comparative Example 1 thus obtained, laser oscillation was observed. The slope efficiency was 1.0 W / A in Invention Example 1 and 0.4 W / A in Comparative Example 1. From these results, it can be seen that according to the present invention, the light emission characteristics of the semiconductor laser can be improved.

本実施例では、図1の半導体レーザにおける第2AlGaN層のAl組成とPL(フォトルミネッセンス)強度との関係を調べた。具体的には、以下の方法により半導体レーザを製造した。始めに、本発明例1と同様の方法により、n型GaN(0001)基板を準備し、クリーニングを行なった。そして、n型第1AlGaN層、n型第2AlGaNクラッド層、ノンドープGaN中間層、3周期の量子井戸発光層、およびノンドープGaNガイド層をn型GaN(0001)基板上に形成した。n型第2AlGaNクラッド層を形成する際には、トリメチルガリウムの供給量およびトリメチルアルミニウムの供給量の各々を変化させることにより、n型第2AlGaNクラッド層のAl組成を調節した。   In this example, the relationship between the Al composition of the second AlGaN layer and the PL (photoluminescence) intensity in the semiconductor laser of FIG. 1 was examined. Specifically, a semiconductor laser was manufactured by the following method. First, an n-type GaN (0001) substrate was prepared and cleaned by the same method as Example 1 of the present invention. Then, an n-type first AlGaN layer, an n-type second AlGaN cladding layer, a non-doped GaN intermediate layer, a three-period quantum well light-emitting layer, and a non-doped GaN guide layer were formed on the n-type GaN (0001) substrate. When forming the n-type second AlGaN cladding layer, the Al composition of the n-type second AlGaN cladding layer was adjusted by changing each of the supply amount of trimethylgallium and the supply amount of trimethylaluminum.

その後、基板を成膜装置内から取り出して、量子井戸構造に波長325nmのHe−Cdレーザを照射し、量子井戸構造からのPLの強度を観測した。図11は、本発明の実施例2における第2AlGaN層のAl組成とPL強度との関係を示す図である。図11を参照して、第2AlGaN層のAl組成が5%以下である場合には、PL強度が飛躍的に向上することが分かる。以上により、第2AlGaN層はAltGa1-tN(0<t≦0.05)よりなることが望ましい。 Thereafter, the substrate was taken out from the film forming apparatus, and the quantum well structure was irradiated with a He—Cd laser having a wavelength of 325 nm, and the intensity of PL from the quantum well structure was observed. FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the Al composition of the second AlGaN layer and the PL intensity in Example 2 of the present invention. Referring to FIG. 11, it can be seen that when the Al composition of the second AlGaN layer is 5% or less, the PL intensity is dramatically improved. As described above, the second AlGaN layer is preferably made of Al t Ga 1-t N (0 <t ≦ 0.05).

本実施例では、AlGaN層を基板の一方の主面に接して形成することの効果について調べた。本発明例2の半導体レーザは以下の製造方法により製造した。   In this example, the effect of forming the AlGaN layer in contact with one main surface of the substrate was examined. The semiconductor laser of Example 2 of the present invention was manufactured by the following manufacturing method.

本発明例2:始めに、本発明例1と同様の方法により、n型GaN(0001)基板を準備し、クリーニングを行なった。続いて、基板温度を1100℃まで上昇させ、キャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウム、アンモニア、およびモノシランを装置内に導入した。これにより、膜厚2μmのn型GaNバッファ層を形成した。その後、本発明例1と同様の方法により、n型第1AlGaN層、n型第2AlGaNクラッド層、ノンドープGaN中間層、3周期の量子井戸発光層、ノンドープGaNガイド層、p型AlGaN電子ブロック層、p型AlGaNクラッド層、およびp型GaNコンタクト層をn型GaNバッファ層上に形成した。   Invention Example 2: First, an n-type GaN (0001) substrate was prepared and cleaned by the same method as in Invention Example 1. Subsequently, the substrate temperature was raised to 1100 ° C., and trimethylgallium, ammonia, and monosilane were introduced into the apparatus mainly using hydrogen as a carrier gas. Thereby, an n-type GaN buffer layer having a thickness of 2 μm was formed. Thereafter, in the same manner as in Example 1, the n-type first AlGaN layer, the n-type second AlGaN cladding layer, the non-doped GaN intermediate layer, the three-period quantum well light emitting layer, the non-doped GaN guide layer, the p-type AlGaN electron blocking layer, A p-type AlGaN cladding layer and a p-type GaN contact layer were formed on the n-type GaN buffer layer.

その後、基板を成膜装置内から取り出し、光学顕微鏡を用いてp型コンタクト層の表面観察を行なったところ、ある程度良好な表面平坦性が得られていた。次に、本発明例1と同様の方法により、絶縁膜、p電極、およびn型電極を形成した。以上の工程により、半導体レーザ(青紫色発光素子)を得た。   Thereafter, the substrate was taken out from the film forming apparatus and the surface of the p-type contact layer was observed using an optical microscope. As a result, a certain degree of surface flatness was obtained. Next, an insulating film, a p-electrode, and an n-type electrode were formed by the same method as in Invention Example 1. Through the above steps, a semiconductor laser (blue-violet light emitting element) was obtained.

このようにして得られた本発明例2の半導体レーザに室温でパルス電流を印加したところ、レーザ発振が観測された。スロープ効率は0.6W/Aであった。本発明例1と本発明例2との結果から、AlGaN層を基板の一方の主面に接して形成することにより、発光特性を向上できることが分かる。   When a pulse current was applied at room temperature to the thus obtained semiconductor laser of Example 2 of the present invention, laser oscillation was observed. The slope efficiency was 0.6 W / A. From the results of Invention Example 1 and Invention Example 2, it can be seen that the emission characteristics can be improved by forming the AlGaN layer in contact with one main surface of the substrate.

本実施例では、本発明例3の半導体レーザを調べた。本発明例3の半導体レーザは以下の製造方法により製造した。   In this example, the semiconductor laser of Example 3 of the present invention was examined. The semiconductor laser of Example 3 of the present invention was manufactured by the following manufacturing method.

本発明例3:実施の形態2に示す製造方法に従って半導体レーザを製造した。始めに、本発明例1と同様の方法により、n型GaN(0001)基板を準備し、クリーニングを行なった。続いて、基板温度を1100℃まで上昇させ、キャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニア、およびモノシランを装置内に導入した。これにより、膜厚0.6μmのn型AlGaN層を成長した。n型AlGaN層形成の際には、トリメチルガリウムの供給量およびトリメチルアルミニウムの供給量を以下のように変化させた。AlGaN層成長開始時には、トリメチルガリウムの供給量を24μmol/分とし、トリメチルアルミニウムの供給量を4.3μmol/分とした。これにより、成長開始時におけるAlGaN層のAl組成を12%とした。そしてAlGaN層が成長するにつれてトリメチルガリウムおよびトリメチルアルミニウムの供給量を増加させていき、AlGaN層成長終了時には、トリメチルガリウムの供給量を99μmol/分とし、トリメチルアルミニウムの供給量を8.2μmol/分とした。これにより、成長終了時におけるAlGaN層のAl組成を12%とした。AlGaN層の形成には20分間を要した。その後、本発明例1と同様の方法により、ノンドープGaN中間層、3周期の量子井戸発光層、ノンドープGaNガイド層、p型AlGaN電子ブロック層、p型AlGaNクラッド層、およびp型GaNコンタクト層をAlGaN層上に形成した。   Invention Example 3: A semiconductor laser was manufactured according to the manufacturing method shown in the second embodiment. First, an n-type GaN (0001) substrate was prepared and cleaned by the same method as Example 1 of the present invention. Subsequently, the substrate temperature was raised to 1100 ° C., and trimethylgallium, trimethylaluminum, ammonia, and monosilane were introduced into the apparatus mainly using hydrogen as a carrier gas. Thereby, an n-type AlGaN layer having a thickness of 0.6 μm was grown. When forming the n-type AlGaN layer, the supply amount of trimethylgallium and the supply amount of trimethylaluminum were changed as follows. At the start of AlGaN layer growth, the supply amount of trimethylgallium was 24 μmol / min, and the supply amount of trimethylaluminum was 4.3 μmol / min. As a result, the Al composition of the AlGaN layer at the start of growth was set to 12%. As the AlGaN layer grows, the supply amount of trimethylgallium and trimethylaluminum is increased. At the end of the growth of the AlGaN layer, the supply amount of trimethylgallium is 99 μmol / min, and the supply amount of trimethylaluminum is 8.2 μmol / min. did. As a result, the Al composition of the AlGaN layer at the end of growth was set to 12%. It took 20 minutes to form the AlGaN layer. Thereafter, in the same manner as in Invention Example 1, a non-doped GaN intermediate layer, a three-period quantum well light-emitting layer, a non-doped GaN guide layer, a p-type AlGaN electron blocking layer, a p-type AlGaN cladding layer, and a p-type GaN contact layer are formed. It was formed on an AlGaN layer.

その後、基板を成膜装置内から取り出し、光学顕微鏡を用いてp型コンタクト層の表面観察を行なったところ、良好な表面平坦性が得られていた。次に本発明例1と同様の方法により、絶縁膜、p電極、およびn型電極を形成した。以上の工程により、半導体レーザ(青紫色発光素子)を得た。   Thereafter, the substrate was taken out from the film forming apparatus, and the surface of the p-type contact layer was observed using an optical microscope. As a result, good surface flatness was obtained. Next, an insulating film, a p-electrode, and an n-type electrode were formed by the same method as in Invention Example 1. Through the above steps, a semiconductor laser (blue-violet light emitting element) was obtained.

このようにして得られた本発明例3の半導体レーザに室温でパルス電流を印加したところ、レーザ発振が観測された。スロープ効率は1.2W/Aであった。本発明例3と比較例1との結果から、本発明によれば半導体レーザの発光特性を向上できることが分かる。   When a pulse current was applied at room temperature to the thus obtained semiconductor laser of Example 3 of the present invention, laser oscillation was observed. The slope efficiency was 1.2 W / A. From the results of Invention Example 3 and Comparative Example 1, it can be seen that according to the present invention, the emission characteristics of the semiconductor laser can be improved.

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明の実施の形態1における半導体レーザの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the semiconductor laser in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1におけるAlGaN層内のAl組成分布を示す図である。It is a figure which shows Al composition distribution in the AlGaN layer in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における半導体レーザの製造方法の第1工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the 1st process of the manufacturing method of the semiconductor laser in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における半導体レーザの製造方法の第2工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the 2nd process of the manufacturing method of the semiconductor laser in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における半導体レーザの製造方法の第3工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the 3rd process of the manufacturing method of the semiconductor laser in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態2における半導体レーザの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the semiconductor laser in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2におけるAlGaN層内のAl組成分布を示す図である。It is a figure which shows Al composition distribution in the AlGaN layer in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2におけるAlGaN層内のAl組成分布の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of Al composition distribution in the AlGaN layer in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3における半導体レーザに使用される基板を模式的に示した図である。(a)は斜視図であり、(b)は(a)のIXB−IXB線に沿う断面図である。It is the figure which showed typically the board | substrate used for the semiconductor laser in Embodiment 3 of this invention. (A) is a perspective view, (b) is sectional drawing which follows the IXB-IXB line | wire of (a). 本発明の実施の形態3における半導体レーザに使用される基板の他の例を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the other example of the board | substrate used for the semiconductor laser in Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施例2における第2AlGaN層のAl組成とPL強度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Al composition of 2nd AlGaN layer in Example 2 of this invention, and PL intensity | strength.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板、1a 基板上面、1b 基板下面、2 AlGaN層、2a 第1AlGaN層、2b 第2AlGaN層、3 中間層、4 量子井戸発光層、5 ガイド層、6 p型電子ブロック層、7 p型クラッド層、8 p型コンタクト層、10 絶縁層、10a 開口部、11,12 電極、30 半導体レーザ、50 低欠陥領域、51 欠陥集中領域。   1 substrate, 1a substrate upper surface, 1b substrate lower surface, 2 AlGaN layer, 2a first AlGaN layer, 2b second AlGaN layer, 3 intermediate layer, 4 quantum well light emitting layer, 5 guide layer, 6 p-type electron blocking layer, 7 p-type cladding Layer, 8 p-type contact layer, 10 insulating layer, 10a opening, 11, 12 electrode, 30 semiconductor laser, 50 low defect region, 51 defect concentration region.

Claims (11)

窒化物半導体基板と、
前記窒化物半導体基板の一方の主面上に形成されたAlsGa1-sN(0<s≦1)層と、
前記AlsGa1-sN層上に形成されたInGaNよりなる量子井戸発光層とを備え、
前記AlsGa1-sN層における前記窒化物半導体基板に最も近い部分のAl濃度は、前記AlsGa1-sN層における前記量子井戸発光層に最も近い部分のAl濃度よりも高いことを特徴とする、半導体発光素子。
A nitride semiconductor substrate;
An Al s Ga 1-s N (0 <s ≦ 1) layer formed on one main surface of the nitride semiconductor substrate;
A quantum well light emitting layer made of InGaN formed on the Al s Ga 1-s N layer,
Al concentration in the portion closest to the nitride semiconductor substrate in the Al s Ga 1-s N layer is higher than the Al concentration of the portion closest to the quantum well active layer in the Al s Ga 1-s N layer A semiconductor light emitting device characterized by the above.
前記AlsGa1-sN層が前記一方の主面に接して形成されることを特徴とする、請求項1に記載の半導体発光素子。 2. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the Al s Ga 1-s N layer is formed in contact with the one main surface. 前記AlsGa1-sN層は第1AlGaN層と、前記第1AlGaN層上に形成された第2AlGaN層とを有し、前記第1AlGaN層のAl濃度は前記第2AlGaN層のAl濃度よりも高いことを特徴とする、請求項1または2に記載の半導体発光素子。 The Al s Ga 1-s N layer has a first AlGaN layer and a second AlGaN layer formed on the first AlGaN layer, and the Al concentration of the first AlGaN layer is higher than the Al concentration of the second AlGaN layer. The semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein the semiconductor light emitting element is characterized in that 前記第2AlGaN層はAltGa1-tN(0<t≦0.05)よりなることを特徴とする、請求項3に記載の半導体発光素子。 Wherein the 2AlGaN layer is characterized by consisting of Al t Ga 1-t N ( 0 <t ≦ 0.05), the semiconductor light emitting device according to claim 3. 前記第2AlGaN層の膜厚は前記第1AlGaN層の膜厚よりも厚いことを特徴とする、請求項3または4に記載の半導体発光素子。   5. The semiconductor light emitting device according to claim 3, wherein a film thickness of the second AlGaN layer is larger than a film thickness of the first AlGaN layer. 6. 前記AlsGa1-sN層のAl濃度は、前記窒化物半導体基板側から前記量子井戸発光層側にかけて徐々に小さくなることを特徴とする、請求項1または2に記載の半導体発光素子。 3. The semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein the Al concentration of the Al s Ga 1-s N layer gradually decreases from the nitride semiconductor substrate side to the quantum well light emitting layer side. 前記AlsGa1-sN層における前記窒化物半導体基板に最も近い部分はAlsGa1-sN(0.05≦s≦1)よりなる、請求項6に記載の半導体発光素子。 The semiconductor light emitting element according to claim 6, wherein a portion of the Al s Ga 1-s N layer closest to the nitride semiconductor substrate is made of Al s Ga 1-s N (0.05 ≦ s ≦ 1). 前記AlsGa1-sN層における前記量子井戸発光層に最も近い部分はAlsGa1-sN(0<s<0.05)よりなる、請求項6または7に記載の半導体発光素子。 The Al s Ga 1-s portion closest to the quantum well active layer in the N layer is made of Al s Ga 1-s N ( 0 <s <0.05), the semiconductor light emitting device according to claim 6 or 7 . 前記窒化物半導体基板はAluGa1-uN(0≦u≦1)よりなることを特徴とする、請求項1〜8のいずれかに記載の半導体発光素子。 The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the nitride semiconductor substrate is made of Al u Ga 1-u N (0 ≦ u ≦ 1). 前記窒化物半導体基板は相対的に欠陥密度の低い低欠陥領域と、相対的に欠陥密度が高く、かつ前記一方の主面において点状または線状に分布する欠陥集中領域とを有することを特徴とする、請求項1〜9のいずれかに記載の半導体発光素子。   The nitride semiconductor substrate has a low defect region with a relatively low defect density and a defect concentration region with a relatively high defect density and distributed in a dotted or linear manner on the one main surface. The semiconductor light-emitting device according to claim 1. 前記低欠陥領域の転位密度は1×107個/cm2未満であることを特徴とする、請求項10に記載の半導体発光素子。 11. The semiconductor light emitting device according to claim 10, wherein the dislocation density of the low defect region is less than 1 × 10 7 pieces / cm 2 .
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