JP2021184456A - 窒化物半導体レーザダイオード - Google Patents
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Abstract
Description
本開示に係る窒化物半導体レーザダイオードは、Al組成比が0.3より大きいAlGaNで形成された活性層を備えている。また、本開示に係る窒化物半導体レーザダイオードは、活性層よりも上方に形成され、活性層から離れる方向に向かってAl組成比が連続的に増加するAlGaNで形成された領域を含む組成傾斜領域と、組成傾斜領域よりも上方に形成され、p型のAlGaNで形成されたp型半導体層と、を備えている。
組成傾斜領域は、例えばAlGaNで形成された上部ガイド層と、上部ガイド層の活性層と反対側に形成された組成傾斜層とを含んでいる。組成傾斜層は、活性層から離れる方向に向かってAl組成比が連続的に増加するAlGaNで形成されている。
以下、本開示の第一実施形態に係る窒化物半導体レーザダイオード1について、図1から図4を参照して説明する。
窒化物半導体レーザダイオード1は、紫外光を発光可能なレーザダイオードである。窒化物半導体レーザダイオード1は、電流注入によって紫外光をレーザ発振することが可能である。窒化物半導体レーザダイオード1は、例えば、波長が280nmから320nmのUVB領域の発光を得ることができる。
図1から図4を参照して、窒化物半導体レーザダイオード1の構成について説明する。
図1に示すように、窒化物半導体レーザダイオード1は、基板11の上層に設けられた窒化物半導体活性層(活性層の一例)352と、窒化物半導体活性層352よりも上方に形成され、窒化物半導体活性層352から離れる方向に向かってAl組成比が連続的に増加するAlGaNで形成された領域を含む組成傾斜領域と、を備えている。また、窒化物半導体レーザダイオード1は、組成傾斜領域よりも上方に形成されたp型半導体層32を備えている。第一実施形態では、上部ガイド層353と組成傾斜層34とによって組成傾斜領域が構成されている。
ここで、図1に示すように、上述した窒化物半導体活性層352及び上部ガイド層353は、下部ガイド層351とともに発光部35に含まれている。窒化物半導体活性層352は、例えば井戸層と障壁層(図1中不図示)で構成されている。
以下、窒化物半導体レーザダイオード1を構成する各部について詳細に説明する。
組成傾斜層34は、発光部35の上部ガイド層353とp型半導体層32との間に設けられている。
組成傾斜層34は、窒化物半導体活性層352から離れる方向に向かってAl組成比が連続的に増加するAlGaNで形成されている。これにより、電子とホールとが、上部ガイド層353と第二AlGaNが直接接することで出来るエネルギーの溝(エネルギーポケット、詳しくは後述する)で消費されて上部ガイド層353のバンドギャップエネルギーに相当する発光が生じることを抑制し、窒化物半導体活性層352の井戸層へ電子と正孔を注入するキャリア注入効率の低下を抑制することができる。
p型半導体側から以下の積層構造を形成している。図3Aは電流密度6A/cm2、電位差5.6Vでのバンド図、図3Bは電流密度20kA/cm2、電位差5.84Vでのバンド図を示している。
第二窒化物半導体層(図3A、図3B中不図示):GaN、10nm、Mgドープ
p型半導体層
第二AlGaN領域:AlGaN、Al組成比45%→0%、厚さ75nm、Mgドープ
第一AlGaN領域:AlGaN、Al組成比90%→45%、厚さ260nm、Mgドープ
電子ブロック層:AlGaN、Al組成比90%、厚さ30nm、アンドープ
発光部
上部ガイド層:AlGaN、Al組成比45%、厚さ158nm、アンドープ
井戸層:AlGaN、Al組成比35%、厚さ4nm、アンドープ
障壁層:AlGaN、Al組成比45%、厚さ8nm、アンドープ
井戸層:AlGaN、Al組成比35%、厚さ4nm、アンドープ
下部ガイド層:AlGaN、Al組成比45%、厚さ158nm、アンドープ
第一窒化物半導体層:AlGaN、Al組成比55%、厚さ1000nm、Siドープ
第二窒化物半導体層33:GaN、10nm、Mgドープ
p型半導体層32
第二AlGaN領域322:AlGaN、Al組成比45%→0%、厚さ75nm、Mgドープ
第一AlGaN領域321:AlGaN、Al組成比90%→45%、厚さ260nm、Mgドープ
組成傾斜層34:AlGaN、Al組成比45%→90%、厚さ30nm、アンドープ
発光部35
上部ガイド層353:AlGaN、Al組成比45%、厚さ158nm、アンドープ
井戸層:AlGaN、Al組成比35%、厚さ4nm、アンドープ
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井戸層:AlGaN、Al組成比35%、厚さ4nm、アンドープ
下部ガイド層351:AlGaN、Al組成比45%、厚さ158nm、アンドープ
第一窒化物半導体層31:AlGaN、Al組成比55%、厚さ1000nm、Siドープ
組成傾斜層34におけるAl組成の傾斜率は、内部量子効率IQEの向上を重視する場合には、10%/nmより大きく15%/nmより小さいことがより好ましい。また、組成傾斜層34におけるAl組成の傾斜率は、上部ガイド層353における発光の抑制を重視する場合には、1%/nmより大きく10%/nmより小さいことが好ましい。さらに光閉じ込め効率係数Γを高くするためには、傾斜率は1%/nmより大きいことが好ましい。
また、組成傾斜層34の厚さが50nm以下の場合、窒化物半導体活性層352での光閉じ込め効率が向上する。また、組成傾斜層34が厚い場合、電子が上部ガイド層353に発生し続けてキャリアが捕捉されるが、組成傾斜層34が薄い場合、トンネル効果によりホールを窒化物半導体活性層352の井戸層まで運ぶことができるため、キャリアの捕捉を抑制することができるため好ましい。組成傾斜層34が50nmより厚い場合、後述する図20に示すように駆動電圧が増加する。例えば報告されているUVBレーザダイオードやUVCレーザダイオードの駆動電圧を考慮すると、20V以下での駆動が好ましいため、膜厚は125nm以下が好ましいが、実用化を想定すると10V以下での駆動がより好ましいため膜厚は50nm以下が更に好ましい。
p型半導体層32は、AlGaNで形成されている。p型半導体層32は、厚さ方向においてAl組成比が一定のAlGaNで形成されていても良く、窒化物半導体活性層352から離れる方向に向かってAl組成比が減少するAlGaNで形成されていてもよい。
このようなp型半導体層32を有する窒化物半導体レーザダイオード1は、例えば紫外線B波を発光する紫外線レーザダイオードである。
さらに、p型半導体層32は、Al組成比の異なる複数の領域が積層された構成であっても良い。例えば、p型半導体層32は、上部ガイド層353上に形成された第一AlGaN領域321と、第一AlGaN領域321よりも窒化物半導体活性層352から離れた第二AlGaN領域322とを有していても良い。第一AlGaN領域321と第二AlGaN領域322とは、例えば平均のAl組成比やAl組成比の変化率が互いに異なる領域である。
一方、Al組成比0.2以下の領域では、Mgを不純物としてドープすることで導電性のp型半導体を形成できるので、Al組成を傾斜させることによる分極ドーピングによってp型化させる効果が非常に小さい。
以上のように、p型半導体層32では、Al組成を傾斜させることで正孔を生成する分極ドーピングによるp型化の方法が好ましい。
この場合、分極ドーピングによる正孔の生成量を多くするために、p型半導体層32のAl組成比(電子ブロック層を有する場合には電子ブロック層のAl組成比も同様に)を、上部ガイド層353より少なくとも0.3以上高くする必要が生じる。
一方、p型半導体層32のAl組成比が0.3より大きく、かつp型半導体層32のAl組成比の最大値が0.6未満の場合、Al組成の傾斜率が小さくなることから正孔の生成量が少なくなり、レーザダイオードとして十分な導電性が得られない場合がある。この場合、レーザダイオードの駆動電圧が高くなったり、あるいは電子オーバーフローが促進されてレーザ発光効率が低下する問題が生じる。
以下、各層について詳細に説明する。
第一AlGaN領域321は、AlGaNで形成されている。また、第一AlGaN領域321は、厚さ方向において一定のAl組成比を有するAlGaNで形成されていても良く、窒化物半導体活性層352から離れる方向に向かってAl組成比が減少するAlGaNで形成されていても良い。
より具体的に、第一AlGaN領域321は、Alx1Ga(1−x1)Nで形成されている。第一AlGaN領域321におけるAlの組成比x1は、例えば0.45≦x1≦0.9であることが好ましい。第一AlGaN領域321のAl組成比x1は、厚さ方向において0.45以上0.9以下の範囲で略一定であってもよく、窒化物半導体活性層352から離れる方向に向かって0.9から0.45まで変化してもよい。
本実施形態においては、Al組成比が窒化物半導体活性層352から離れる方向に向かって0.9から0.45まで減少する第一AlGaN領域321について説明する。
また、第一AlGaN領域321は、Mgを含んでいてもよい。
第一AlGaN領域321は、150nm以上400nm未満の厚さであることが好ましく、200nm以上400nm未満であることがさらに好ましい。第一AlGaN領域321の厚さは、例えば260nmである。
第二AlGaN領域322は、第一AlGaN領域321よりも窒化物半導体活性層352から離れた領域であって、AlGaNで形成されている。また、第二AlGaN領域322は、窒化物半導体活性層352とは反対側の表面に突出部を有していてもよい。
第二AlGaN領域322は、厚さ方向においてAl組成比が一定のAlGaNで形成されていても良く、突出部の先端に向かってAl組成比が減少する構成となっていてもよい。
より具体的に、第二AlGaN領域322は、Alx2Ga(1−x2)Nで形成されている。第二AlGaN領域322におけるAlの組成比x2は、例えば0<x2≦0.45であることが好ましい。すなわち、第二AlGaN領域322のAl組成比x2は、厚さ方向において0超0.45以下の範囲で略一定であってもよく、窒化物半導体活性層352から離れる方向に向かって0.45からほぼ0まで変化してもよい。第二AlGaN領域322が突出部の先端に向かってAl組成比が減少するAlGaNで形成された場合、第二窒化物半導体層33を構成するAlGaNとの障壁を顕著に低下させることができる。このため、第二AlGaN領域322と第二窒化物半導体層33との間の抵抗をより低下させるとともに、ショットキー障壁が低減し、キャリア注入効率がより向上する。
本実施形態においては、Al組成比が窒化物半導体活性層352から離れる方向に向かって0.45からほぼ0まで減少する第二AlGaN領域322について説明する。
第二AlGaN領域322では、突出部の先端に向かう方向のAl組成比x2の変化率が、第一AlGaN領域321におけるAl組成比x1の変化率よりも大きくなっていることが好ましい。これにより、第二AlGaN領域322から第一AlGaN領域321へ効率的に電流を流すことが可能となる。第二AlGaN領域322が複数層で形成されている場合には、第二AlGaN領域322の複数層のうち一層のAl組成比x2の変化率が第一AlGaN領域321におけるAl組成比x1の変化率よりも大きくなっていればよい。
なお、第一AlGaN領域321及び第二AlGaN領域322の双方で連続的にAl組成比が変化することがより好ましい。ここで、第一AlGaN領域321及び第二AlGaN領域322の双方でAl組成が連続的に変化とは、第一AlGaN領域321及び第二AlGaN領域322が接触する界面のAl組成比が一致していることをいう。また、第一AlGaN領域321及び第二AlGaN領域322が接触する界面のAl組成比は、第一AlGaN領域321のAl組成比x1の膜厚に対するグラフの回帰直線と、第二AlGaN領域322のAl組成比x2の膜厚に対するグラフの回帰直線との交点におけるAl組成比をいう。
また、第二AlGaN領域322を構成するAlGaNは、n型半導体のドーパントとしてSi、p型半導体のドーパントとしてMgを含んでいても良い。第二AlGaN領域322は、連続的にAl組成比x2が減少する領域であり、+c面成長の際には分極により第二AlGaN領域322中に正孔が発生する。この場合、第二AlGaN領域322は、ドーパントとしてMgを含んでいても良い。また、第二AlGaN領域322は、−c面成長の際には分極により第二AlGaN領域322中に電子が発生する。この場合、第二AlGaN領域322は、ドーパントとしてSiを含んでいても良い。
例えば第二窒化物半導体層33がGaNで形成されている場合等、被覆層である第二窒化物半導体層33からp型半導体層32(第二AlGaN領域322)へのホール注入が難しい場合がある。しかしながら、第二AlGaN領域322が突出部を有していることにより、第二AlGaN領域322と第二窒化物半導体層33との接触面積を大きくすることができ、直列抵抗及び疑似エネルギー障壁を低減させることができる。このため、ショットキー成分の低減や、キャリア注入効率の向上を図ることができる。
また、第二AlGaN領域322が突出部を有していることにより、歪みが緩和し、第二AlGaN領域322におけるクラックの発生が抑制される。
発光部35は、窒化物半導体活性層352と、窒化物半導体活性層352の一方の面に設けられた下部ガイド層351と、窒化物半導体活性層352の他方の面に設けられた上部ガイド層353とを備えている。下部ガイド層351は、第一窒化物半導体層31と窒化物半導体活性層352との間に設けられている。上部ガイド層353は、窒化物半導体活性層352とp型半導体層32との間に設けられている。
下部ガイド層351は、第一窒化物半導体層31の第二積層部312の上に形成されている。下部ガイド層351は、窒化物半導体活性層352で発光した光を発光部35に閉じ込めるために、第二積層部312と屈折率差を設けている。下部ガイド層351は、例えばAlN、GaNの混晶により形成されている。下部ガイド層351は、具体的には、Alx7Ga(1−x7)N(0<x7<1)により形成される。
また、下部ガイド層351を形成する材料には、P、As又はSbといったN以外のV族元素や、In又はBといったIII族元素、C、H、F、O、Si、Cd、Zn又はBe等の不純物が含まれていてもよい。
X)により特定することが出来る。Al組成比x7は、AlとGaのモル数の和に対するAlのモル数の比率と定義でき、具体的にはEDXから分析及び定量されたAl、Gaのモル数の値を用いて定義することができる。下部ガイド層351のAl組成比x7は、第二積層部312のAl組成比x6よりも小さくてもよい。これにより、下部ガイド層351は、第二積層部312よりも屈折率が大きくなり、窒化物半導体活性層352で発光した光を発光部35に閉じ込めることが可能となる。
窒化物半導体活性層352は、窒化物半導体レーザダイオード1の発光が得られる発光層である。
窒化物半導体活性層352は、例えばAlN、GaN、及びその混晶により形成される。より具体的に、窒化物半導体活性層352は、例えばAlx8Ga(1−x8)N(0.3<x8≦1)で形成される。これは、窒化物半導体活性層352におけるAlGaNのAl組成比x8が0.3より大きい場合、窒化物半導体活性層352以外の層(上部ガイド層353)で不要な発光が生じやすくなるという、本実施形態に係る窒化物半導体レーザダイオード1特有の課題を有することに起因する。すなわち、短波長(UVB領域)の光を発光する窒化物半導体レーザダイオード1では、このような特有の課題を有するAl組成を有する構成において、組成傾斜層によりこの不要な発光が抑制できる効果が向上する。
このため、UVB領域の発光を得ることができる窒化物半導体レーザダイオードでは、上部ガイド層とp型半導体層との間に形成されるエネルギーポケットが深くなり、この溝にキャリアが補足されやすくなっていると考えられる。
窒化物半導体活性層352は、P、As又はSbといったN以外のV族元素や、In又はBといったIII族元素、C、H、F、O、Si、Cd、Zn又はBe等の不純物が含まれていてもよい。
井戸層及び障壁層のAl組成比は断面構造のエネルギー分散型X線解析(EDX)により特定することが出来る。Al組成比は、AlとGaのモル数の和に対するAlのモル数の比率と定義でき、具体的にはEDXから分析及び定量されたAl、Gaのモル数の値を用いて定義することができる。
上部ガイド層353は、窒化物半導体活性層352の上に形成されている。上部ガイド層353は、窒化物半導体活性層352で発光した光を発光部35に閉じ込めるために、第二窒化物半導体層33と屈折率差を設けている。上部ガイド層353は、例えばAlN、GaN、及びその混晶により形成されている。上部ガイド層353は、具体的には、Alx9Ga(1−x9)N(0≦x9≦1)により形成される。
また、上部ガイド層353を形成する材料には、P、As又はSbといったN以外のV族元素や、In又はBといったIII族元素、C、H、F、O、Si、Cd、Zn又はBe等の不純物が含まれていてもよい。
リッジ部半導体層17は、p型半導体層32の一部を含んで形成されている。リッジ部半導体層17は、第一AlGaN領域321に形成された突出領域321aと、突出部を含む第二AlGaN領域322と、第二窒化物半導体層33とを有している。リッジ部半導体層17が第一AlGaN領域321の一部に形成されることにより、第一電極14から注入されるキャリア(正孔)がリッジ部半導体層17中で基板11の水平方向に拡散することが抑制される。これにより、窒化物半導体活性層352での発光が、リッジ部半導体層17の下方に位置する領域(すなわち第一AlGaN領域321の突出領域321aの下方に位置する領域)に制御される。その結果、窒化物半導体レーザダイオード1は、高電流密度を実現し、レーザ発振の閾値を低減させることが可能になる。
基板11は、例えばSi、SiC、MgO、Ga2O3、Al2O3、ZnO、GaN、InN、AlN、あるいはこれらの混晶等が挙げられる。基板11は、上層薄膜を支持し、結晶性を向上させ、さらに外部へ放熱する機能を有する。そのため、基板11としては、AlGaNを高品質で成長させることができ、熱伝導率の高いAlN基板を用いることが好ましい。基板の成長面は一般的に用いられる+c面AlNが低コストなため良いが、−c面AlNであっても、半極性面基板であっても、非極性面基板であっても良い。分極ドーピングの効果を大きくする観点からは、+c面AlNが好ましい。
基板11の厚さは、上層にAlGaN層を積層させる目的であるならば特に制限されないが、50μm以上1μm以下であることが好ましい。また、基板11の結晶品質には特に制限はないが、貫通転位密度が1×109cm−2以下であることが好ましく、1×108cm−2以下であることがより好ましい。これにより、基板11の上方に、高い発光効率を有する薄膜素子を形成することができる。
AlN層30は、第一窒化物半導体層31よりも窒化物半導体活性層352から離れて、基板11の全面に形成されている。本開示において、窒化物半導体レーザダイオード1がAlN層30を有することにより、p型半導体層32の第二AlGaN領域322の上面に突出部が形成されやすくなる。すなわち、AlN層30は、第二AlGaN領域322の上面に突出部を形成するための下地層としても機能する。
AlN層30は、第一窒化物半導体層31との間の格子定数差及び熱膨張係数差が小さく欠陥の少ない窒化物半導体層をAlN層30上に成長させることができる。また、AlN層30は、圧縮応力下で第一窒化物半導体層31を成長させることができ、第一窒化物半導体層31にクラックの発生を抑制することができる。このため、基板11がAlN又はAlGaN等の窒化物半導体で形成されている場合でも、欠陥の少ない窒化物半導体層をAlN層30を介して基板11の上方に成長できる。
AlN層30には、C、Si、Fe、Mg等の不純物が混入されていてもよい。
基板11の形成材料としてAlNを用いた場合、AlN層30と基板11とが同一材料で形成されることから、AlN層30と基板11との境界が不明確となる。本実施形態では、基板11がAlNで形成されている場合には、基板11が基板11とAlN層30とを構成しているものと見做す。
なお、AlN層30は必ずしも設けられていなくても良い。例えば、基板11上に第一窒化物半導体層31、発光部35、組成傾斜層34及びp型半導体層32を順に形成しても、p型半導体層32に突出部を形成することができる。
第一窒化物半導体層31は、窒化物半導体活性層352を含む発光部35のp型半導体層32とは反対側の面に設けられた層である。第一窒化物半導体層31は、基板11の上方に配置された第一積層部311と、第一積層部311上に積層された第二積層部312とを有している。第二積層部312は、第二積層部312表面の一部に形成された突出領域312aを有している。第二積層部312は、第一積層部311の上面311aの一部に配置されている。このため、第一積層部311の上面311aには、第二積層部312が形成されていない領域と、第二積層部312が形成されている領域とが存在する。第一積層部311の上面311aのうち、第二積層部312が形成されていない領域には、第一積層部311と接続する第二電極15が設けられている。
なお、第二積層部312は、第一積層部311の上面311aの全面に積層されていてもよい。
第一積層部311は、例えばAlx5Ga(1−x5)N(0<x5<1)で形成され
ている。第一積層部311は、AlGaNに、III族元素としてAl、Ga以外の例えばBやInを含んでいてもよいが、BやInを含む箇所において欠陥の形成や耐久性の変化が生じるため、Al、Ga以外のIII族元素を含まないことが好ましい。
また、第一積層部311は、AlGaNとともに、P、As又はSbといったN以外のV族元素や、C、H、F、O、Mg、Si等の不純物が含まれていてもよい。
また、第二積層部312は、AlGaNとともに、P、As、SbといったN以外のV族元素、In又はBといったIII族元素、又はC、H、F、O、Si、Cd、ZnもしくはBe等の不純物が含まれていてもよい。
第二積層部312の厚さは、特に制限されないが、例えば、100nm以上10μm以下であることが好ましい。第二積層部312の厚さが100nm以上である場合、第二積層部312の抵抗が低減する。第二積層部312の厚さが10μm以下である場合、第二積層部312の形成時のクラックの発生が抑制される。
第二窒化物半導体層33は、第二AlGaN領域322よりも窒化物半導体活性層352から離れた領域であって、第二AlGaN領域322の全面を被覆する被覆層である。第二窒化物半導体層33は、第二AlGaN領域322よりもAl組成比が低いAlGaN又はGaNで形成されていることが好ましい。すなわち、第二窒化物半導体層33は、Alx3Ga(1−x3)N(0≦x3<x2)で形成されている。
第二窒化物半導体層33の最上層がp型のGaN(p−GaN)である場合、第二窒化物半導体層33の上に配置される第一電極14とのコンタクト抵抗を下げることができるとともに、窒化物半導体レーザダイオード1が対応可能な紫外光の波長範囲が広くなる。これは、第二窒化物半導体層33としてp−GaNを用いると、第二AlGaN領域322のAlGaNのAl組成比を広く設計できるためである。
第二窒化物半導体層33は、複数の層を積層した構成であってもよい。この場合、上述した第二窒化物半導体層33のAl組成比は、最表層、すなわち第一電極14に接する表面での組成比を示す。
ドーパントの濃度は、基板11の垂直方向に一定であっても、不均一であっても良い。基板11の面内方向に一定であっても、不均一であっても良い。
第二窒化物半導体層33は、最上層にドーピング濃度が高い層を更に有している積層構造であっても良い。第二窒化物半導体層33は、二層以上の積層構造であっても良い。その場合、キャリアを窒化物半導体活性層352へ効率よく運搬する目的で、Al組成比は上層に向かうほど小さくなることが好ましい。
また、第二窒化物半導体層33の厚さが10μm未満である場合、p型半導体層32形成時にクラックが生じにくくなるため好ましい。
さらに、第二窒化物半導体層33の厚さがこの範囲内にある場合、第二窒化物半導体層33の成長中の格子緩和による3次元成長を抑制し、第二窒化物半導体層33の表面を平坦化することが可能となる。このため、第二窒化物半導体層33と第一電極14との接触性が安定し、再現性の高い駆動電圧の低い窒化物半導体レーザダイオード1を実現できる。
第一電極14は、リッジ部半導体層17上、すなわちリッジ部半導体層17の最上層である第二窒化物半導体層33上に形成されている。
第一電極14がn型電極の場合、第一電極14は、リッジ部半導体層17に電子を注入する目的で用いられるのであれば、一般的な窒化物半導体発光レーザダイオードのn型電極材料により形成される。例えば、第一電極14は、Ti、Al、Ni、Au、Cr、V、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、W又はその合金、又はITO等により形成される。
第一電極14がp型電極の場合、第一電極14は、第一電極14が窒化物半導体発光レーザダイオードに正孔(ホール)を注入する目的で用いられるのであれば、一般的な窒化物半導体発光レーザダイオードのp型電極材料により形成される。例えば、第一電極14は、Ni、Au、Pt、Ag、Rh、Pd、Cu又はその合金、又はITO等により形成され、特にNi、Au若しくはこれらの合金、又はITOであることが好ましい。第一電極14とリッジ部半導体層17とのコンタクト抵抗が小さくなるためである。
本実施形態では、第一電極14は、p型電極となるように形成されている。
第一電極14は、例えば240nmの厚さに形成されている。
第二電極15は、第一窒化物半導体層31の第二積層部312上に形成されている。
第二電極15がn型電極の場合、第二電極15は、第二電極15が第一窒化物半導体層31に電子を注入する目的で用いられるのであれば、一般的な窒化物半導体発光レーザダイオードのn型電極材料により形成される。例えば、第二電極15は、Ti、Al、Ni、Au、Cr、V、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、W若しくはその合金、又はITO等により形成される。
第二電極15がp型電極の場合、第二電極15は、第二電極15が窒化物半導体発光レーザダイオードに正孔(ホール)を注入する目的で用いられるのであれば、一般的な窒化物半導体発光レーザダイオードのp型電極材料により形成される。例えば、第二電極15は、Ni、Au、Pt、Ag、Rh、Pd、Cu若しくはその合金、又はITO等により形成され、特にNi、Au若しくはこれらの合金、又はITOであることが好ましい。第二電極15と第一窒化物半導体層31の第二積層部312とのコンタクト抵抗が小さくなるためである。
本実施形態では、第二電極15は、n型電極となるように形成されている。
第二電極15は、例えば60nmの厚さに形成されている。本開示では、第二電極15は、第一電極14と異なる厚さに形成されているが、第一電極14と同じ厚さに形成されていてもよい。
窒化物半導体レーザダイオード1がレーザダイオードに適用される場合、共振器面の形成が必要である。共振器面16aは、第一窒化物半導体層31の第二積層部312、発光部35、組成傾斜層34、p型半導体層32及び第二窒化物半導体層33のそれぞれの側面によって形成される同一平面で構成されている。共振器面16aは、図1において輪郭が太線によって図示されている面である。
また、裏側共振器面16bは、共振器面16aに対向する側面であって、第一窒化物半導体層31の第二積層部312、発光部35、組成傾斜層34、p型半導体層32及び第二窒化物半導体層33のそれぞれの側面によって形成される同一平面で構成されている。裏側共振器面16bは、図1において輪郭の一部が太線によって図示されている面である。
組成傾斜層34及びp型半導体層32は、次のようにして作製することができる。例えば、有機気相成長装置(MOVPE装置)を用いて、原料ガスである、TMG(トリメチルガリウム)の流量を連続的に増加させて、TMA(トリメチルアルミニウム)の流量を連続的に減少させながらアンモニアガスを同時に流してAlGaNを成長させる。このとき、AlGaNの成長時間を調整することで、組成傾斜層34及びp型半導体層32の厚さを調整することができる。
これにより、AlGaNのAl組成比が変化した組成変化層を作製することができる。この際、Cp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)をアンモニアガスと同時に流すことで、不純物としてAlGaN中にMgを添加することができる。
本実施形成における材料特定及び組成は、エネルギー分散型X線分析(EDX:Energy dispersive X-ray spectrometry)で実施する。各層の積層方向と垂直な断面を分割及び研磨あるいは集束イオンビーム(FIB:Focused Ion Beam)加工し、その断面を透過電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)を用いて観察することで各層の配置を明確化し、点分析が可能なエネルギー分散型X線分析(EDX:Energy dispersive X-ray Spectrometry)で同定する。また、半導体薄膜の膜厚は、薄膜積層方向と垂直な断面を分割及び研磨あるいは集束イオンビーム加工し、その断面を透過電子顕微鏡観察することによって測長する。
第一実施形態に係る窒化物半導体レーザダイオードは、以下の効果を有する。
(1)本実施形態に係る窒化物半導体レーザダイオードでは、上部ガイド層上面に形成される組成傾斜層が、窒化物半導体活性層から離れる方向に向かってAl組成比が連続的に増加するAlGaNで形成されている。
これにより、組成傾斜層と上部ガイド層との境界部分において、伝導帯のポテンシャルエネルギーが局所的に低くなるエネルギーポケットが生じにくくなる。このため、ホールがエネルギーポケットに捕捉されて上部ガイド層で発光が生じることを抑制し、井戸層での発光が得られやすくなる。
これにより、組成傾斜層と上部ガイド層との境界に形成されるエネルギーポケットが浅くなり、ホールがエネルギーポケットに捕捉されて上部ガイド層で発光が生じることをより抑制することができる。また、内部量子効率IQE及び光閉じ込め効率係数Γが向上するため、レーザダイオードの発光性能(発振閾値電流密度、発光出力など)が全体的に向上する。
これにより、窒化物半導体レーザダイオードの内部量子効率IQEが向上する。また、Al組成比の差が小さい程エネルギーポケットが浅くなり、キャリア注入効率(CIE)が向上するとともに、上部ガイド層で発光が生じることを抑制することができる。
これにより、エネルギーポケットが浅くなり、電子によるホールの捕捉を抑制することができ、上部ガイド層の発光を抑制できる。
以下、第二実施形態に係る窒化物半導体レーザダイオード2について、図5を用いて説明する。窒化物半導体レーザダイオード2は、窒化物半導体レーザダイオード1と同様の紫外光を発光可能なレーザダイオードである。
窒化物半導体レーザダイオード2は、基板11と、AlN層30と、第一窒化物半導体層31と、発光部35と、組成傾斜層34と、p型半導体層132と、第二窒化物半導体層33とがこの順に積層されている。また、p型半導体層132は、高Al組成領域132Aと、低Al組成領域132Bとが積層されて形成されている。窒化物半導体レーザダイオード2は、組成傾斜層34と、p型半導体層132とを繰り返す構造となっている。すなわち、窒化物半導体レーザダイオード2は、p型半導体層32に替えて、高Al組成領域132Aと、低Al組成領域132Bとが積層されたp型半導体層132を備え、かつ組成傾斜層34と、p型半導体層132とを繰り返す構造を有する点で、第一実施形態に係る窒化物半導体レーザダイオード1と相違する。
以下、p型半導体層132及び組成傾斜層34とp型半導体層132とを繰り返す構造について説明する。なお、p型半導体層132以外の基板11、AlN層30、第一窒化物半導体層31、組成傾斜層34、発光部35及び第二窒化物半導体層33については、第一実施形態で説明した各部の構成と同様であるため説明を省略する。
p型半導体層132は、第一AlGaN領域321に相当する高Al組成領域132Aと、第二AlGaN領域322に相当する低Al組成領域132Bとが積層された構成とされている。
高Al組成領域132Aは、Alx10Ga(1−x10)Nで形成されている。高Al組成領域132AにおけるAl組成比x10は、組成傾斜層34におけるAl組成比x4と同じかそれ以上、すなわちx4≦x10であることが好ましく、例えば0.45≦x1≦1であることが好ましい。すなわち、高Al組成領域132Aは、AlGaN又はGaNで形成されている。
高Al組成領域132Aは、一定のAl組成比を有していてもよく、傾斜したAl組成比を有していても良いが、一定のAl組成比を有していることが好ましい。
低Al組成領域132Bは、Alx11Ga(1−x11)Nで形成されている。低Al組成領域132BにおけるAl組成比x11は、組成傾斜層34におけるAl組成比x4と同じかそれ以下、すなわちx12≦x4であることが好ましい。
低Al組成領域132Bは、一定のAl組成比を有していてもよく、傾斜したAl組成比を有していても良いが、一定のAl組成比を有していることが好ましい。
図6Aは、組成傾斜層34及びp型半導体層132の積層構造の一構成例であり、図6Bは、図6Aに示す積層構造のAl組成比を示す模式図である。図6Aに示すように、窒化物半導体レーザダイオード2は、例えば組成傾斜層34、高Al組成領域132A及び低Al組成領域132Bを複数繰り返す構造を有している。
形成されることが好ましい。
上述した各構成は、組み合わせて用いられてもよい。
第二実施形態に係る窒化物半導体レーザダイオードは、第一実施形態と同様の効果を有している。
以下、第三実施形態に係る窒化物半導体レーザダイオード3について、図7から図10を用いて説明する。窒化物半導体レーザダイオード3は、窒化物半導体レーザダイオード1と同様の紫外光を発光可能なレーザダイオードである。
図7に示すように、窒化物半導体レーザダイオード3は、基板11と、AlN層30と、第一窒化物半導体層31と、発光部135と、組成傾斜層34と、p型半導体層32と、第二窒化物半導体層33とがこの順に積層されている。また、発光部135は、下部ガイド層351と、窒化物半導体活性層352と、上部ガイド層354とを備えている。すなわち、窒化物半導体レーザダイオード2は、上部ガイド層353に替えて、上部ガイド層354を備える点で、第一実施形態に係る窒化物半導体レーザダイオード1と相違する。
なお、上部ガイド層354を含む発光部135以外の基板11、AlN層30、第一窒化物半導体層31、組成傾斜層34及び第二窒化物半導体層33については、第一実施形態で説明した各部の構成と同様であるため説明を省略する。また、発光部135の下部ガイド層351及び窒化物半導体活性層352についても、第一実施形態で説明した各部の構成と同様であるため説明を省略する。
また、上部ガイド層354は、図8に示すように、上部ガイド層354の厚さ方向の全領域において窒化物半導体活性層352から離れる方向に向かってAl組成比が連続的に増加するAlGaNで形成されていてもよい。上部ガイド層354での不要な発光をより抑制するためには、上部ガイド層354の厚さ方向の全領域においてAl組成比が変化するAlGaNで上部ガイド層354が形成されていることが好ましい。
これは、上部ガイド層354と組成傾斜層34とによって構成される組成傾斜層においてエネルギーポケットが生じている場合、上部ガイド層354において膜厚方向にAl組成比が一定の領域がない方がキャリア注入効率の低下をさらに抑制することができるためである。さらに、上部ガイド層内部に例えば欠陥や、組成の局所ムラに起因するキャリ再結合が発生する場合にも、組成を傾斜させることで上部ガイド層内での再結合を抑制し、キャリアを活性層に注入することが出来る。これにより、キャリア注入効率を向上できる。
図10に示すように、上部ガイド層354を備える窒化物半導体レーザダイオード3から発光される光は、窒化物半導体活性層352以外の層から発光される光がほとんどなく、窒化物半導体活性層352から発光される中心波長294nmのピークが1つのみ生じている。このため、窒化物半導体レーザダイオード3では、窒化物半導体活性層352以外の層から不要な光が発生せず、キャリアが窒化物半導体活性層352に落ち込んで発光効率が向上する。
図11に示すように、窒化物半導体レーザダイオード1は、組成傾斜層34とp型半導体層32との間に設けられた電子ブロック層36を備えた窒化物半導体レーザダイオード1Aであってもよい。
以下、電子ブロック層36について説明する。
電子ブロック層36は、窒化物半導体活性層352よりもバンドギャップエネルギーが大きくなるように設計される。例えば窒化物半導体活性層352がAlGaNの場合、電子ブロック層36には、AlNの混晶比率が高いAlGaNを用いることが出来る。
電子ブロック層36は、基板11の水平方向に略平坦であることが望ましい。電子ブロック層36が略平坦であることで、p型半導体層32で局所的に集中した第二電極15から注入されたキャリア(電子)を、電子ブロック層36の水平面内に拡散させる役割がある。これは、電子ブロック層36のバンドギャップエネルギーが大きいために電子ブロック層36がキャリアの拡散の障壁となっているためである。
電子ブロック層36は、材料組成が膜厚方向に一定であっても、組成が変化していても良いが、電子を効率良くブロックし、さらに上述したキャリアを効率良く電子ブロック層36の水平面内に拡散するために組成が一定であることが好ましい(図12参照)。
第三実施形態に係る窒化物半導体レーザダイオードは、第一実施形態と同様の効果に加えて、以下の効果を有している。
(5)本実施形態に係る窒化物半導体レーザダイオードでは、上部ガイド層が、上部ガイド層の厚さ方向の全領域において窒化物半導体活性層から離れる方向に向かってAl組成比が連続的に増加するAlGaNで形成されていている。
これにより、窒化物半導体レーザダイオード3では、窒化物半導体活性層352以外の層から不要な光が発生せず、キャリアが窒化物半導体活性層352に落ち込んで発光効率が向上する。
実施例では、第一実施形態で説明した構成の窒化物半導体レーザダイオードに対してシミュレーションによる評価を行った。このシミュレーションでは、上述した薄膜シミュレータソフトSiLENSeを用いて評価を行った。
なお、例えば以下に示す組成におけるAlx→yとの記載は、層内の下層側から上層側に向けてAlの組成がxからyに徐々に変化した構成を示す。
・第一窒化物半導体層:組成 n−Al0.55Ga0.45N、厚さ 1μm
・下部ガイド層及び上部ガイド層:組成 u−Al0.45Ga0.55N、厚さ 各158nm
・窒化物半導体活性層(二重量子井戸構造)
井戸層:組成 Al0.35Ga0.65N、厚さ 4nm
障壁層:組成 Al0.45Ga0.55N、厚さ 8nm
・組成傾斜層(二層構造)
第一層:組成 u−Al0.55→0.65Ga0.45→0.35N、厚さ 20nm
第二層:組成 u−Al0.65→0.75Ga0.35→0.25N、厚さ 10nm
・p型半導体層
第一組成変化領域:組成 p−Al0.9→0.45Ga0.1→0.55N、厚さ
260nm
第二組成変化領域:組成 p−Al0.45→0Ga0.55→1N、厚さ 75nm
・第二窒化半導体層:組成 p−GaN、厚さ10nm
実施例1では、組成傾斜層におけるAl組成比の傾斜率の変化に応じた窒化物半導体レーザダイオードの性能をシミュレーションソフトSiLENSeを用いて計算及び評価した。構造は基本モデルのうち、組成傾斜層を厚さ30nm、一層構造のu−Al0.45→0.9Ga0.45→0.1Nで形成して、その膜厚を変化させた場合の傾向をグラフ化した。
以下の表1に示すように、上述した基本モデルの組成傾斜層におけるAl組成比の傾斜率[Al%/nm]を変化させたサンプル1−1〜サンプル1−13の窒化物半導体レーザダイオードを構成した。
サンプル1−1〜サンプル1−13の各窒化物半導体レーザダイオードにおける、第一ポケット及び第二ポケットのエネルギーポテンシャル、内部量子効率(IQE)及び光閉じ込め効率係数Γのシミュレーション結果を表1に示す。また、これらの評価結果を図14A、図14B及び図15に示す。ここで、図14Aは、サンプル1−3〜サンプル1−13の各窒化物半導体レーザダイオードにおける、第一ポケット及び第二ポケットのエネルギーポテンシャルと、内部量子効率(IQE)とを示すグラフである。図14Bは、図14AにおいてAl組成比の傾斜率が10Al%/nm以下の範囲を拡大して示すグラフである。図15は、サンプル1−1〜サンプル1−8の光閉じ込め効率係数Γの評価結果を示すグラフである。
実施例2では、上部ガイド層の厚さの変化に応じた窒化物半導体レーザダイオードの性能を評価した。
構造は、基本モデルのうち、組成傾斜層を厚さ30nmのu−Al0.55→0.84Ga0.45→0.16Nで形成して、上部ガイド層の膜厚を変化させた場合の傾向をグラフ化した。
以下の表2に示すように、上述した基本モデルの上部ガイド層の厚さを変化させたサンプル2−1〜サンプル2−9の窒化物半導体レーザダイオードを構成した。
サンプル2−1〜サンプル2−9の各窒化物半導体レーザダイオードにおける、第一ポケット及び第二ポケットのエネルギーポテンシャル、内部量子効率(IQE)及び光閉じ込め効率係数Γのシミュレーション結果を表2に示す。また、これらの評価結果を図16及び図17に示す。ここで、図16は、サンプル2−1〜サンプル2−6の各窒化物半導体レーザダイオードにおける、第一ポケット及び第二ポケットのエネルギーポテンシャルと、内部量子効率(IQE)とを示すグラフである。図17は、サンプル2−1〜2−9の光閉じ込め効率係数Γの評価結果を示すグラフである。
実施例3では、組成傾斜層の厚さの変化に応じた窒化物半導体レーザダイオードの性能を評価した。構造は、実施例1と同じ構造で、組成傾斜層の膜厚を変化させた場合の傾向をグラフ化した。
以下の表3に示すように、上述した基本モデルの組成傾斜層の厚さを変化させたサンプル3−1〜サンプル3−11の窒化物半導体レーザダイオードを構成した。
サンプル3−1〜サンプル3−11の各窒化物半導体レーザダイオードにおける、第一ポケット及び第二ポケットのエネルギーポテンシャル、内部量子効率(IQE)及び光閉じ込め効率係数Γのシミュレーション結果を表3に示す。また、これらの評価結果を図18及び図19に示す。ここで、図18は、サンプル3−1〜サンプル3−11の各窒化物半導体レーザダイオードにおける、第一ポケット及び第二ポケットのエネルギーポテンシャルと、内部量子効率(IQE)とを示すグラフである。図19は、サンプル3−1〜3−11の光閉じ込め効率係数Γの評価結果を示すグラフである。
また、図20は、組成傾斜層の厚さと駆動電圧の加算量との関係を示すグラフで
ある。
実施例4では、組成傾斜層とp型半導体層との接面における組成傾斜層のAl組成比とp型半導体層のAl組成比との差の変化に応じた窒化物半導体レーザダイオードの性能を評価した。
構造は、基本モデルの内、組成傾斜層にu−AlGaN30nmを用いて、この第一AlGaNの初端組成を45%、終端組成を50%から80%で変化させた場合の傾向をグラフ化した。
以下の表4に示すように、上述した基本モデルの組成傾斜層のp型半導体層側端面のAl組成(終端組成)を調整して接面におけるAl組成比を変化させたサンプル4−1〜サンプル4−6の窒化物半導体レーザダイオードを構成した。
サンプル4−1〜サンプル4−6の各窒化物半導体レーザダイオードにおける、第一ポケット及び第二ポケットのエネルギーポテンシャル、内部量子効率(IQE)及び光閉じ込め効率係数Γのシミュレーション結果を表4に示す。また、これらの評価結果を図21及び図22に示す。ここで、図21は、サンプル4−2、サンプル4−3、サンプル4−5、サンプル4−6の各窒化物半導体レーザダイオードにおける、第一ポケット及び第二ポケットのエネルギーポテンシャルと、内部量子効率(IQE)とを示すグラフである。図22は、サンプル4−1〜4−6の光閉じ込め効率係数Γの評価結果を示すグラフである。
なお、p型半導体層の組成傾斜層側端面のAl組成は0.9(90%)とした。
実施例5では、組成傾斜層とp型半導体層との接面における組成傾斜層のAl組成比とp型半導体層のAl組成比との差の変化に応じた窒化物半導体レーザダイオードの性能を評価した。構造は、基本モデルの内、組成傾斜層にu−AlGaN30nmを用いて、この第一AlGaNの初端組成を55%から90%に変化させて、終端組成を90%とした場合の傾向をグラフ化した。
以下の表5に示すように、上述した基本モデルの組成傾斜層のp型半導体層側端面のAl組成(終端組成)を調整して接面におけるAl組成比を変化させたサンプル5−1〜サンプル5−6の窒化物半導体レーザダイオードを構成した。
サンプル5−1〜サンプル5−6の各窒化物半導体レーザダイオードにおける、第一ポケット及び第二ポケットのエネルギーポテンシャル、内部量子効率(IQE)及び光閉じ込め効率係数Γのシミュレーション結果を表5に示す。また、これらの評価結果を図23及び図24に示す。ここで、図23は、サンプル5−1〜サンプル5−6の各窒化物半導体レーザダイオードにおける、第一ポケット及び第二ポケットのエネルギーポテンシャルと、内部量子効率(IQE)とを示すグラフである。図24は、サンプル5−1〜サンプル5−6の光閉じ込め効率係数Γの評価結果を示すグラフである。
なお、組成傾斜層のp型半導体層側端面のAl組成は0.45(45%)とした。
14 第一電極
15 第二電極
16a 共振器面
16b 裏側共振器面
17 リッジ部半導体層
30 AlN層
31 第一窒化物半導体層
311 第一積層部
311a 上面
312 第二積層部
312a 突出領域
32 p型半導体層
321 第一AlGaN領域
321a 突出領域
322 第二AlGaN領域
33 第二窒化物半導体層
34 組成傾斜層
35 発光部
351 下部ガイド層
352 窒化物半導体活性層
353 上部ガイド層
36 電子ブロック層
132 p型半導体層
132A 高Al組成領域
132B 低Al組成領域
Claims (16)
- Al組成比が0.3より大きいAlGaNで形成された活性層と、
前記活性層よりも上方に形成され、前記活性層から離れる方向に向かってAl組成比が連続的に増加するAlGaNで形成された領域を含む組成傾斜領域と、
前記組成傾斜領域よりも上方に形成され、p型のAlGaNで形成されたp型半導体層と、
を備える
窒化物半導体レーザダイオード。 - 前記組成傾斜領域は、AlGaNで形成された上部ガイド層と、前記上部ガイド層の前記活性層と反対側に形成され、前記活性層から離れる方向に向かってAl組成比が連続的に増加するAlGaNで形成された組成傾斜層とを含む
請求項1に記載の窒化物半導体レーザダイオード。 - 前記活性層は、井戸層と、前記井戸層に隣接して設けられた障壁層とを有し、
前記上部ガイド層は、前記井戸層の上端に接して形成されており、
前記上部ガイド層を構成するAlGaNのAl組成比は、前記井戸層の上端から前記活性層から離れる方向に向かって連続的に増加する
請求項2に記載の窒化物半導体レーザダイオード。 - 前記上部ガイド層は、該上部ガイド層の厚さ方向の全領域において前記活性層から離れる方向に向かってAl組成比が連続的に増加するAlGaNで形成されている
請求項2又は3に記載の窒化物半導体レーザダイオード。 - 前記上部ガイド層は、該上部ガイド層の厚さ方向の全領域においてAl組成比が一定であるAlGaNで形成されている
請求項2に記載の窒化物半導体レーザダイオード。 - 前記組成傾斜領域のAl組成比が連続的に増加する領域におけるAl組成比の膜厚に対する傾斜率は、1%/nmより大きく15%/nmより小さい
請求項2から5のいずれか1項に記載の窒化物半導体レーザダイオード。 - 前記p型半導体層における平均のAl組成比は、前記組成傾斜層における平均のAl組成比よりも大きく、
前記組成傾斜層における平均のAl組成比は、前記上部ガイド層におけるAl組成よりも大きい
請求項2から6のいずれか1項に記載の窒化物半導体レーザダイオード。 - 前記上部ガイド層の厚さは、10nmより大きく500nmより小さい
請求項2から7のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザダイオード。 - 前記組成傾斜層の厚さは、3nmより大きく50nmより小さい
請求項2から8のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザダイオード。 - 前記p型半導体層と前記組成傾斜層との界面における、前記p型半導体層のAl組成比と前記組成傾斜層のAl組成比との差は、0より大きく1より小さい
請求項2から9のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザダイオード。 - 前記上部ガイド層と前記組成傾斜層との界面における、前記上部ガイド層のAl組成比と前記組成傾斜層のAl組成比との差は、0より大きく1より小さい
請求項2から10のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザダイオード。 - 前記p型半導体層は、前記組成傾斜層から離れるに従ってAl組成比が減少する前記AlGaNで形成されている
請求項2から11のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザダイオード。 - 前記組成傾斜層と前記p型半導体層との間に設けられた電子ブロック層を備える
請求項2から12のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザダイオード。 - 前記p型半導体層は、高Al組成領域と、低Al組成領域とが積層されて形成されており、
前記組成傾斜層と前記p型半導体層とを繰り返す構造を有する
請求項2から13のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザダイオード。 - 前記組成傾斜層は、前記活性層から離れる程薄く形成されている
請求項14に記載の窒化物半導体レーザダイオード。 - 複数の前記組成傾斜層におけるAl組成の傾斜率は、前記活性層から離れる程大きくなる
請求項14又は15に記載の窒化物半導体レーザダイオード。
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JP2020088315 | 2020-05-20 | ||
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JP (1) | JP2021184456A (ja) |
Cited By (1)
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---|---|---|---|---|
WO2023162839A1 (ja) * | 2022-02-24 | 2023-08-31 | 国立研究開発法人理化学研究所 | 紫外発光素子およびそれを備える電気機器 |
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2021
- 2021-02-25 JP JP2021029039A patent/JP2021184456A/ja active Pending
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WO2023162839A1 (ja) * | 2022-02-24 | 2023-08-31 | 国立研究開発法人理化学研究所 | 紫外発光素子およびそれを備える電気機器 |
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