JP3464890B2 - Semiconductor light emitting device - Google Patents

Semiconductor light emitting device

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JP3464890B2 JP20440697A JP20440697A JP3464890B2 JP 3464890 B2 JP3464890 B2 JP 3464890B2 JP 20440697 A JP20440697 A JP 20440697A JP 20440697 A JP20440697 A JP 20440697A JP 3464890 B2 JP3464890 B2 JP 3464890B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は半導体発光装置に係
り、特にGa等のIII族元素を含む窒化物の多層構造
からなる半導体発光装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor light emitting device, and more particularly to a semiconductor light emitting device having a multilayer structure of a nitride containing a group III element such as Ga.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来GaN系半導体発光装置は、Mg添
加によるp型層の形成に成功して以来、青色から紫外の
波長領域における半導体レーザとして、各地で開発が進
められてきた。しかし僅かにレーザ発光が得られたもの
の、商品化に至るまでにはまだ多くの解決すべき問題が
残されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, GaN-based semiconductor light emitting devices have been developed in various places as semiconductor lasers in the wavelength range from blue to ultraviolet since the formation of a p-type layer by adding Mg was successful. However, although a slight amount of laser emission was obtained, many problems to be solved still remain before commercialization.

【0003】主な問題点の一つは、レーザ発光のしきい
値電流と動作電圧が大きいことである。その理由は、仕
事関数のもっとも大きい金属を電流電極に用いても、な
お良好なオーミックコンタクトが得られないためであ
る。
One of the main problems is that the threshold current and operating voltage of laser emission are large. The reason is that a good ohmic contact cannot be obtained even if the metal having the largest work function is used for the current electrode.

【0004】オーミックコンタクトの特性を改善するた
めには、電流電極の下地となるn型及びp型GaNから
なるコンタクト層のキャリア密度を高くしなければなら
ないが、GaN結晶は特にp型不純物としてのMgイオ
ンの活性化率が低く、添加したMgに比べて3桁小さい
正孔密度しか得られないことが大きな問題となってい
る。現在のところ、GaN系半導体におけるMgイオン
の活性化率の低さは、一般にGaN系結晶の固有の限界
と考えられており、これを改善しようとする試みはまだ
成功するに至っていない。
In order to improve the characteristics of ohmic contact, it is necessary to increase the carrier density of the contact layer made of n-type and p-type GaN, which is the base of the current electrode, but GaN crystal is particularly used as a p-type impurity. It is a big problem that the activation rate of Mg ions is low and that the hole density obtained is three orders of magnitude lower than that of the added Mg. At present, the low activation rate of Mg ions in GaN-based semiconductors is generally considered to be an inherent limit of GaN-based crystals, and attempts to improve this have not yet been successful.

【0005】Mgの添加と同時にキャリアガスから混入
する水素を除去すれば、正孔密度の高いp型層が得られ
るという議論もあるが、実際にはキャリアガス中の水素
濃度を減らせば、Mgイオンの活性化率はさらに低下す
ることが知られている。
It is argued that if hydrogen mixed in from the carrier gas is removed at the same time as Mg is added, a p-type layer having a high hole density can be obtained, but in reality, if the hydrogen concentration in the carrier gas is reduced, Mg It is known that the activation rate of ions is further reduced.

【0006】例えばScNのような数種の窒化膜をp型
GaN層上に堆積すれば、オーミックコンタクトの特性
が改善されることを示唆する報告がある(寺口信明、特
開平8−32115参照)。しかしまだ実験的には確認
されていない。
There is a report suggesting that the characteristics of ohmic contact can be improved by depositing several kinds of nitride films such as ScN on the p-type GaN layer (see Nobuaki Teraguchi, JP-A-8-32115). . However, it has not been confirmed experimentally yet.

【0007】GaN系半導体発光装置は青色から紫外の
光源として注目を集めてきたが、一方、窒化物系の材料
を用いて長波長の半導体発光装置を製造することも重要
な課題となっている。これに成功すればGaAsやGa
Pのような異種材料の発光装置を混在させることなく、
GaN系材料のみでマルチカラーディスプレイ装置を形
成する利点がある。
While GaN-based semiconductor light emitting devices have been attracting attention as light sources from blue to ultraviolet, manufacturing a long wavelength semiconductor light emitting device using a nitride-based material has also become an important issue. . If this succeeds, GaAs or Ga
Without mixing light emitting devices of different materials such as P,
There is an advantage of forming a multi-color display device only with a GaN-based material.

【0008】しかし、GaN系発光装置の発光効率は、
長波長側で大幅に低下する傾向がある。その理由の1つ
は、長波長化に役立つ窒化物のIn組成を増加すればI
nのボールアップ(成長層の表面に水泡状に未反応のI
nを排出する現象)を生じ、結晶中に金属Inが析出し
て、高品質の結晶を成長することができないことであ
る。また、In組成の増加に伴い、隣接するGaN系結
晶層との間の格子定数の不整合が増加し、格子歪みを通
じて多くの転位線やクラック等の欠陥が成長層に発生す
るようになる。
However, the luminous efficiency of the GaN-based light emitting device is
It tends to be significantly reduced on the long wavelength side. One of the reasons is that if the In composition of the nitride, which helps to increase the wavelength, is increased, I
n ball-up (unreacted I on the surface of the growth layer
(Phenomenon of discharging n) occurs, and metal In is precipitated in the crystal, so that a high-quality crystal cannot be grown. In addition, as the In composition increases, the mismatch of the lattice constant between the adjacent GaN-based crystal layers increases, and many defects such as dislocation lines and cracks occur in the growth layer due to lattice distortion.

【0009】このような問題は、結晶成長中における温
度制御の方法を改善することによりある程度回避するこ
とが可能であるが、まだInを含む窒化物を用いた良好
な長波長半導体発光装置は得られていないのが現状であ
る。
Although such a problem can be avoided to some extent by improving the method of controlling the temperature during crystal growth, a good long wavelength semiconductor light emitting device using a nitride containing In is still obtained. The current situation is that it has not been done.

【0010】長寿命の半導体レーザ装置を得るために
は、平滑な鏡面からなる光キャビティの反射面を形成す
ることが極めて重要である。しかしGaN系材料はウル
ツ鉱型の結晶構造になり易く、この構造の結晶は非常に
堅い性質があるため、良好なへき開面を得ることが困難
である。ここにへき開面とは、面間隔が大きくて結合力
の弱い結晶面に沿って生じる単結晶の破断面をいう。
In order to obtain a long-lived semiconductor laser device, it is extremely important to form the reflecting surface of the optical cavity having a smooth mirror surface. However, a GaN-based material tends to have a wurtzite type crystal structure, and a crystal having this structure has a very hard property, so that it is difficult to obtain a good cleavage plane. Here, the cleavage plane refers to a fracture surface of a single crystal formed along a crystal plane having a large interplanar spacing and a weak bonding force.

【0011】また成長基板として用いるサファイアとの
間の格子不整合が大きく、このためサファイア基板と共
にGaN系成長層をへき開する際、良好な鏡面を得るこ
とが困難となる。サファイア基板を用いる場合は、格子
不整合を緩和するために基板表面をその(11バー0
0)結晶面に対し3度の傾斜角を設けて研磨し、その上
にGaN系の結晶を成長する。このため、サファイア基
板を極めて薄くしてへき開し易くすれば、サファイアの
断面は平坦なへき開面となるが、その上に成長したGa
N系レーザの多層構造の断面は平坦にならない。
Further, there is a large lattice mismatch with sapphire used as a growth substrate, which makes it difficult to obtain a good mirror surface when cleaving the GaN-based growth layer together with the sapphire substrate. When using a sapphire substrate, the substrate surface (11 bar 0
0) An inclination angle of 3 degrees with respect to the crystal plane is provided and polishing is performed, and a GaN-based crystal is grown on the surface. For this reason, if the sapphire substrate is made extremely thin to facilitate cleavage, the sapphire cross section will be a flat cleavage surface, but the Ga grown on it will grow.
The cross section of the multilayer structure of the N-based laser is not flat.

【0012】サファイアに比べて格子定数の値がGaN
に近いSiCを基板として用いることも可能であるが、
実際にはSiCがサファイアより堅い材料であるため、
へき開性はさらに低下する。
Compared to sapphire, the value of the lattice constant is GaN.
It is possible to use SiC close to
In fact, since SiC is a harder material than sapphire,
Cleavability is further reduced.

【0013】ここで従来のGaN系半導体発光装置と、
長波長領域における本発明の半導体発光装置との構造上
の対応関係を明らかにするため、従来開発されたGaN
系半導体発光装置の構造と、これを長波長化するときの
問題点を図を用いてさらに詳細に説明する。
Here, a conventional GaN-based semiconductor light emitting device,
In order to clarify the structural correspondence with the semiconductor light emitting device of the present invention in the long wavelength region, GaN conventionally developed has been developed.
The structure of the semiconductor-based semiconductor light emitting device and the problems in increasing the wavelength of the semiconductor light emitting device will be described in more detail with reference to the drawings.

【0014】InGaNの超格子(以下MQW; Multi
Quantum Wellと略称する)活性層を備えた従来のGaN
系半導体発光装置の断面構造を図14に示す。この半導
体発光装置の主要部はInGaN・MQW活性層28
と、n型及びp型GaN(以下n−GaN、p−GaN
と略称する)からなる光ガイド層5、7と、n−AlG
aN、p−AlGaNクラッド層4、8から構成され
る。クラッド層4、8は禁制帯幅の大きいAlGaNか
らなり、レーザ発光の効率を高めるために光とキャリア
の閉じ込めに寄与する。なお以下の説明において、3元
系以上の元素を有する層の組成を示すサフィックスは特
に必要がある場合の他は省略する。
InGaN superlattice (hereinafter MQW; Multi)
GaN with an active layer (abbreviated as Quantum Well)
FIG. 14 shows a sectional structure of the semiconductor light emitting device. The main part of this semiconductor light emitting device is the InGaN MQW active layer 28.
And n-type and p-type GaN (hereinafter n-GaN, p-GaN
Abbreviated as “) and light guide layers 5 and 7, and n-AlG
It is composed of aN and p-AlGaN cladding layers 4 and 8. The clad layers 4 and 8 are made of AlGaN having a large forbidden band width and contribute to confine light and carriers in order to enhance the efficiency of laser emission. In the following description, the suffix indicating the composition of the layer containing a ternary or higher element is omitted unless otherwise necessary.

【0015】この半導体発光装置は下側がn型であり、
サファイア基板27の上に引き続き形成される。GaN
層2、9はAl/Pt/Au電極3、Pt/Au電極1
1の下地をなすコンタクト層である。電流狭窄はSiO
2 膜10により行われる。
This semiconductor light emitting device has an n type on the lower side,
It is continuously formed on the sapphire substrate 27. GaN
Layers 2 and 9 are Al / Pt / Au electrode 3 and Pt / Au electrode 1
1 is a contact layer that forms a base. Current constriction is SiO
2 The film 10 is used.

【0016】なお、図15に示す他の半導体発光装置の
構造では、電流狭窄はp−GaNコンタクト層9と反対
導電型の内部ストライプを形成するn−GaN層29に
よりなされる。
In the structure of another semiconductor light emitting device shown in FIG. 15, the current confinement is performed by the n-GaN layer 29 forming an internal stripe of the opposite conductivity type to the p-GaN contact layer 9.

【0017】また図15において、内部ストライプを形
成するn−GaN電流狭窄層29のキャリア密度を大き
くするか、または活性層に比べて禁制帯幅の小さい材料
を用いることができればレーザ光の吸収を生じ、レーザ
光の横モードが制御され、安定な円形断面の光ビームを
得ることができる。しかし、従来GaN系結晶中におい
ては不純物イオンの活性化率が低いため、図15に示す
内部ストライプ構造を用いても、十分にその利点が得ら
れないことが問題点の1つであった。ここに横モードと
は、活性層とガイド層を長手方向に伝わる光ビームの横
幅方向の広がりを定めるモードのことをいう。
Further, in FIG. 15, if the carrier density of the n-GaN current confinement layer 29 forming the internal stripe is increased, or if a material having a smaller forbidden band width than that of the active layer can be used, absorption of laser light can be achieved. As a result, the transverse mode of the laser light is controlled, and a light beam having a stable circular cross section can be obtained. However, one of the problems is that the conventional GaN-based crystal has a low activation rate of impurity ions, so that even if the internal stripe structure shown in FIG. 15 is used, the advantage cannot be sufficiently obtained. Here, the lateral mode refers to a mode that determines the spread of the light beam propagating in the longitudinal direction through the active layer and the guide layer in the lateral direction.

【0018】図14、図15に示す従来のGaN系半導
体発光装置は、共にサファイア基板27の上に形成さ
れ、レーザを構成するGaN系多層構造の結晶系はウル
ツ鉱型となっている。なお成長基板としてSiCの単結
晶を用いる場合もある。長波長領域の発光を得るために
は、前述のようにIn組成が大きく禁制帯幅の小さい窒
化物を活性層としなければならない。このときGaN系
結晶に生じる問題点が図16に示されている。
The conventional GaN-based semiconductor light-emitting devices shown in FIGS. 14 and 15 are both formed on a sapphire substrate 27, and the crystal system of the GaN-based multilayer structure forming the laser is wurtzite type. A single crystal of SiC may be used as the growth substrate. In order to obtain light emission in the long wavelength region, a nitride having a large In composition and a small band gap must be used as the active layer as described above. FIG. 16 shows the problem that occurs in the GaN-based crystal at this time.

【0019】図16はInN、GaN、AlNの禁制帯
幅と格子定数との関係を示す図である。図の上部の実線
と破線は、3元化合物Gax Al1-x N、Iny Ga
1-y N、Inz Al1-z Nにおける組成x、y、zの値
をそれぞれ0から1まで変化したときの格子定数の変化
と禁制帯幅の変化を示す。図の下部の破線はGaN系結
晶と格子整合するサファイア基板の(0001)面の実
効的な格子定数である。
FIG. 16 is a diagram showing the relationship between the band gap and the lattice constant of InN, GaN, and AlN. The solid and broken lines in the upper part of the figure represent the ternary compounds Ga x Al 1-x N, In y Ga.
The changes in the lattice constant and the change in the forbidden band width when the values of the compositions x, y, and z in 1-y N and In z Al 1-z N are changed from 0 to 1 are shown. The broken line at the bottom of the figure is the effective lattice constant of the (0001) plane of the sapphire substrate that is lattice-matched with the GaN-based crystal.

【0020】この図から長波長の発光を得るためには、
組成をInN側に近づけることが必須であることがわか
る。またInz Al1-z N(0≦z≦1)の破線上では
サファイア基板との格子不整合がzに比例して大きくな
るので、Iny Ga1-y N(0≦y≦1)の実線上にお
いて、サファイア基板と格子整合可能の範囲でyの最適
値を選択するのがもっとも有利であることがわかる。
To obtain long-wavelength light emission from this figure,
It can be seen that it is essential to bring the composition closer to the InN side. On the broken line of In z Al 1-z N (0 ≦ z ≦ 1), the lattice mismatch with the sapphire substrate increases in proportion to z, so In y Ga 1-y N (0 ≦ y ≦ 1) It is understood that it is most advantageous to select the optimum value of y in the range where lattice matching with the sapphire substrate is possible, on the solid line.

【0021】Inの組成を増加すれば成長層内の過剰歪
みによりクラックが発生するので、成長層の厚さを極め
て小さくしなければならない。また前述したようにIn
のボールアップ現象を生じるので、これらを回避するた
めにはGaN系半導体レーザの活性層のIn組成の値
は、図16に矢印で示すようにIn組成20%以下に制
限しなければならない。
If the composition of In is increased, cracks will occur due to excessive strain in the growth layer, so the thickness of the growth layer must be made extremely small. In addition, as described above, In
In order to avoid these, the value of the In composition of the active layer of the GaN-based semiconductor laser must be limited to 20% or less of the In composition as shown by the arrow in FIG.

【0022】なお発光ダイオードの場合は、In組成の
値をさらに大きくすることが可能であり黄色に近い発光
が得られるが、やはり波長と共に発光効率が指数関数的
に低下することが知られている。
In the case of a light emitting diode, it is possible to further increase the value of In composition and obtain light emission close to yellow, but it is also known that the light emission efficiency decreases exponentially with wavelength. .

【0023】[0023]

【発明が解決しようとする課題】上記したように、従来
のGaN系半導体発光装置は高濃度のp型及びn型層を
得ることが困難であるため、オーミック特性の優れた電
流電極を得ることができず、動作電圧が過大になるとい
う欠点があった。また内部ストライプ型の構造において
も、活性層の近傍にキャリア密度の大きい吸収領域を設
けることによりレーザ光の横モードを制御し、安定な円
形断面のレーザビームを得ることが困難となっていた。
As described above, since it is difficult to obtain high-concentration p-type and n-type layers in the conventional GaN-based semiconductor light-emitting device, it is possible to obtain a current electrode having excellent ohmic characteristics. However, there is a drawback that the operating voltage becomes excessive. Also in the internal stripe type structure, it is difficult to control the transverse mode of laser light by providing an absorption region having a high carrier density in the vicinity of the active layer and obtain a laser beam having a stable circular cross section.

【0024】さらに長波長領域のGaN系半導体発光装
置においては本来発光効率が低く、また禁制帯幅の小さ
いInを多量に含む材料を成長することがいちじるしく
困難であるという問題があった。このほかサファイア基
板上にGaN系半導体レーザを形成する際、GaN系の
材料はウルツ鉱型の結晶構造となるため、へき開が困難
であり、レーザ動作に必要な良好な反射面を得ることが
困難であるという問題があった。
Further, in the GaN-based semiconductor light emitting device in the long wavelength region, there is a problem that it is extremely difficult to grow a material containing a large amount of In having a low emission efficiency and a small forbidden band width. In addition, when forming a GaN-based semiconductor laser on a sapphire substrate, the GaN-based material has a wurtzite crystal structure, which makes cleavage difficult and it is difficult to obtain a good reflective surface necessary for laser operation. There was a problem that was.

【0025】本発明は上記の問題点を解決すべくなされ
たもので、高い効率で長波長領域の発光が可能な、新規
な窒化物半導体材料を用いることにより、従来不十分で
あったp型不純物イオンの活性化率を向上し、電流電極
における電圧降下を低減して発光効率を向上し、さらに
内部ストライプ構造によるレーザ光の横モード制御を可
能とし、また特殊な基板を用いることにより前記窒化物
半導体材料と基板との格子整合性を高めてへき開性を改
善し、容易に良好な反射面を得ることができる長寿命で
生産性に優れた半導体発光装置を提供することを目的と
する。
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and by using a novel nitride semiconductor material capable of emitting light in a long wavelength region with high efficiency, p-type which has been conventionally insufficient. The activation rate of impurity ions is improved, the voltage drop at the current electrode is reduced, the luminous efficiency is improved, and the transverse mode control of laser light is enabled by the internal stripe structure. It is an object of the present invention to provide a semiconductor light emitting device having a long life and excellent productivity, in which the lattice matching between the object semiconductor material and the substrate is improved to improve the cleavage, and a good reflecting surface can be easily obtained.

【0026】[0026]

【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光装置
はScを含む窒化物を材料として用い、GaN系結晶に
Scを加えることによりMg等のp型不純物イオンの活
性化率を向上することを特徴とする。
In a semiconductor light emitting device of the present invention, a nitride containing Sc is used as a material, and Sc is added to a GaN-based crystal to improve the activation rate of p-type impurity ions such as Mg. Is characterized by.

【0027】また、結晶成長をNaCl型単結晶基板上
に行うことにより、同じくNaCl型結晶構造を有する
Scを含むGaN系結晶の成長を促進し、基板に対する
格子整合性に優れ禁制帯幅が小さく、かつへき開性の良
好な半導体発光装置を形成することに特徴がある。この
ようにして、従来のGaN系の材料では不可能であった
長波長領域において、高い発光効率で動作する長寿命の
半導体発光装置を得ることができる。
Further, by performing the crystal growth on the NaCl type single crystal substrate, the growth of the GaN type crystal containing Sc also having the NaCl type crystal structure is promoted, the lattice matching with the substrate is excellent, and the forbidden band width is small. Moreover, it is characterized in forming a semiconductor light emitting device having good cleavage. In this way, it is possible to obtain a long-lived semiconductor light emitting device that operates with high luminous efficiency in a long wavelength region, which was impossible with conventional GaN-based materials.

【0028】具体的には本発明の半導体発光装置は、少
なくとも前記半導体発光装置の多層構造をなす層の1つ
に、少なくともSc、Y及びランタナイド、アクチナイ
ド元素、Zr、Hf、V、Nb及びTaのいずれか1つ
を含むことを特徴とする。
Specifically, in the semiconductor light emitting device of the present invention, at least one of the layers constituting the multilayer structure of the semiconductor light emitting device has at least Sc, Y and a lanthanide, an actinide element, Zr, Hf, V, Nb and Ta. It is characterized by including any one of.

【0029】好ましくは前記少なくともSc、Y及びラ
ンタナイド、アクチナイド元素、Zr、Hf、V、Nb
及びTaのいずれか1つを含む層は、p型であることを
特徴とする。
Preferably, the above-mentioned at least Sc, Y and lanthanide, actinide element, Zr, Hf, V, Nb
And a layer containing any one of Ta are p-type.

【0030】また好ましくは前記少なくともSc、Y及
びランタナイド、アクチナイド元素、Zr、Hf、V、
Nb及びTaのいずれか1つを含む層に、さらに酸素を
含めたことを特徴とする。
Preferably, at least the above Sc, Y and lanthanide, actinide element, Zr, Hf, V,
The layer containing any one of Nb and Ta further contains oxygen.

【0031】また好ましくは前記多層構造をなす層の1
つには、Inx Scy Gaz AlwN(x+y+z+w
=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦w≦
1)の組成を有する層が含まれることを特徴とする。
It is also preferable that one of the layers having the above-mentioned multilayer structure is used.
Thing, In x Sc y Ga z Al w N (x + y + z + w
= 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, 0 ≦ w ≦
A layer having the composition of 1) is included.

【0032】また前記多層構造をなす層の1つには、I
x Scy Gaz Alw N(x+y+z+w=1、0≦
x≦1、0≦y<0.6、0≦z≦1、0≦w≦1)の
組成を有する層が含まれ、かつ前記の組成を有する層が
閃亜鉛鉱型の結晶構造を有する層に隣接して形成される
ことを特徴とする。
One of the layers forming the multilayer structure is I
n x Sc y Ga z Al w N (x + y + z + w = 1,0 ≦
x ≦ 1, 0 ≦ y <0.6, 0 ≦ z ≦ 1, 0 ≦ w ≦ 1), and the layer having the above composition has a zinc blende type crystal structure. It is characterized in that it is formed adjacent to the layer.

【0033】本発明の半導体発光装置は、その多層構造
がInx Scy Gaz Alw N(x+y+z+w=1、
0≦x≦1、0.6≦y≦1、0≦z≦1、0≦w≦
1)の組成範囲のいずれかの値を有する層からなり、そ
の成長基板はNaCl型の結晶構造を有する単結晶基板
であることを特徴とする。
The semiconductor light emitting device of the present invention has a multilayer structure In x Sc y Ga z Al w N (x + y + z + w = 1,
0 ≦ x ≦ 1, 0.6 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, 0 ≦ w ≦
It is characterized in that it is composed of a layer having any one of the values in the composition range of 1), and its growth substrate is a single crystal substrate having a NaCl type crystal structure.

【0034】好ましくは前記NaCl型の結晶構造を有
する単結晶基板は、MgOからなることを特徴とする。
また本発明の半導体発光装置は、少なくとも活性層及び
電流狭窄層のいずれかの組成が、Inx Scy Gaz
w N(x+y+z+w=1、0≦x≦1、0≦y≦
1、0≦z≦1、0≦w≦1)の範囲内のいずれかの値
であることを特徴とする。
Preferably, the single crystal substrate having the NaCl type crystal structure is made of MgO.
The semiconductor light-emitting device of the present invention, any of the compositions of at least the active layer and the current confinement layer, In x Sc y Ga z A
l w N (x + y + z + w = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦
1, 0 ≦ z ≦ 1, 0 ≦ w ≦ 1).

【0035】また本発明の半導体発光装置の活性層は超
格子構造を有し、前記超格子構造のバリア層はInx
1-x N(0≦x≦0.2)、ウエル層はScy Ga
1-y N(0.3≦y≦1)からなることを特徴とする。
また好ましくは前記超格子構造のバリア層はScy1Ga
1-y1N、ウエル層はScy2Ga1-y2N(y2>y1)か
らなることを特徴とする。
The active layer of the semiconductor light emitting device of the present invention has a superlattice structure, and the barrier layer of the superlattice structure is In x G 2.
a 1-x N (0 ≦ x ≦ 0.2), the well layer is Sc y Ga
1-yN (0.3 ≦ y ≦ 1).
Preferably, the barrier layer having the superlattice structure is Sc y1 Ga.
1-y1 N, and the well layer is made of Sc y2 Ga 1-y2 N (y2> y1).

【0036】[0036]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図1は本発明の第1の実施
の形態のScを含む長波長のGaN系半導体発光装置の
断面構造を示す図である。図1に示す本発明の半導体発
光装置は、n−Si基板1とScGaN/InGaN・
MQW活性層6とを有する点に特徴がある。ScGaN
はScの組成を増加すれば禁制帯幅が減少する。その他
の多層構造の組成は図14と同様である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a cross-sectional structure of a long-wavelength GaN-based semiconductor light emitting device containing Sc according to the first embodiment of the present invention. The semiconductor light emitting device of the present invention shown in FIG. 1 includes an n-Si substrate 1 and ScGaN / InGaN.
It is characterized in that it has an MQW active layer 6. ScGaN
Increases the composition of Sc, the band gap decreases. The composition of the other multilayer structures is the same as in FIG.

【0037】図1におけるSi基板1は、不純物を添加
しない伝導度の低いSi単結晶である。したがって図1
4のサファイア基板27と同様に、下部のAl/Pt/
Au電流電極3はn−GaNコンタクト層2の上面に形
成される。
The Si substrate 1 in FIG. 1 is a Si single crystal having low conductivity and containing no impurities. Therefore, FIG.
Similar to the sapphire substrate 27 of 4, the lower Al / Pt /
The Au current electrode 3 is formed on the upper surface of the n-GaN contact layer 2.

【0038】図2、図3は低抵抗のn−Si基板1a及
びp−Si基板12をエピタキシャル基板として、それ
ぞれn型側及びp型側から半導体レーザの多層構造を形
成した第1の実施の形態の変形例である。このように伝
導度の高いSi基板を用いれば、下部電極を直接Si基
板の下部から取り出すことができる。このときn−Si
基板に対してAl/Pt/Au電極3、p−Siに対し
てPt/Au電極11を用いれば良好なオーミック電極
が得られる。
FIGS. 2 and 3 show a first embodiment in which a multilayer structure of a semiconductor laser is formed from the n-type side and the p-type side using the low-resistance n-Si substrate 1a and p-Si substrate 12 as epitaxial substrates, respectively. It is a modification of a form. By using the Si substrate having high conductivity as described above, the lower electrode can be directly taken out from the lower portion of the Si substrate. At this time, n-Si
A good ohmic electrode can be obtained by using the Al / Pt / Au electrode 3 for the substrate and the Pt / Au electrode 11 for p-Si.

【0039】図4、図5を用いてScGaN/InGa
N・MQW活性層6の詳細な構造、及びSi基板1、1
a及び12を用いた理由について説明する。図4に示す
ように、前記活性層6はInx Ga1-x N(0≦x≦
0.2)のバリア層と、Scy Ga1-y N(0.3≦y
≦1)のウエル層とを交互に積層したMQW構造を有
し、その上下に隣接するする光ガイド層5、7も同様に
Inx Ga1-x N(0≦x≦0.2)により形成され
る。この組成範囲のMQW活性層を用いることにより、
青から赤までの広い波長範囲の発光を得ることができ
る。
ScGaN / InGa with reference to FIGS. 4 and 5.
Detailed structure of N. MQW active layer 6 and Si substrates 1, 1
The reason for using a and 12 will be described. As shown in FIG. 4, the active layer 6 is made of In x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦
0.2) barrier layer and Sc y Ga 1-y N (0.3 ≦ y
≦ 1) has an MQW structure in which well layers are alternately stacked, and the light guide layers 5 and 7 adjacent to the upper and lower sides are similarly formed by In x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 0.2). It is formed. By using the MQW active layer having this composition range,
It is possible to obtain light emission in a wide wavelength range from blue to red.

【0040】Scの組成がy<0.6の範囲ではScy
Ga1-y Nの結晶構造は閃亜鉛鉱型である。もしScの
組成がy>0.6の範囲でもScy Ga1-y Nは閃亜鉛
鉱型であるとして、他の閃亜鉛鉱型のGaN系の結晶と
格子整合させたとすれば、その格子整合状態は対応する
波長領域のIn系材料を用いた場合に比べてずっと劣る
ものになる。
When the composition of Sc is in the range of y <0.6, Sc y
The crystal structure of Ga 1-y N is zinc blende type. If Sc y Ga 1-y N is zinc blende type even if the composition of Sc is y> 0.6, and if it is lattice-matched with other zinc blende type GaN-based crystals, its lattice The matching state is much inferior to the case where the In-based material in the corresponding wavelength region is used.

【0041】Scの組成がy>0.6となれば、Scy
Ga1-y N層の結晶構造はNaCl型に変化する。図5
に示すように、NaCl型のScNと閃亜鉛鉱型のGa
Nとは完全に格子整合する。したがってy>0.6のN
aCl型Scy Ga1-y Nの閃亜鉛鉱型結晶との格子整
合状態は、y<0.6における閃亜鉛鉱型同士の格子整
合状態よりもむしろ安定である。
If the composition of Sc is y> 0.6, Sc y
The crystal structure of the Ga 1-y N layer changes to the NaCl type. Figure 5
As shown in, the NaCl-type ScN and the zinc blende-type Ga
It is perfectly lattice-matched with N. Therefore, N of y> 0.6
The lattice matching state of the aCl-type Sc y Ga 1-y N with the zinc blende type crystal is more stable than the lattice matching state of the zinc blende types with y <0.6.

【0042】このことから、ScGaNはNaCl型に
おいて格子整合状態がより厳密に成り立ち、歪みが緩和
することがわかる。またNaCl型結晶はイオン性が強
く、やや不安定な閃亜鉛鉱型のGaN系結晶を安定化す
る作用がある。
From this, it is understood that the lattice matching state of ScGaN in the NaCl type is more rigorously established and the strain is relaxed. Further, the NaCl type crystal has strong ionicity and has an action of stabilizing a rather unstable zinc blende type GaN type crystal.

【0043】次に図6乃至図8に基づき本発明の第2の
実施の形態について説明する。図6に本発明の第2の実
施の形態に係るMQW活性層の構造を示す。図4と異な
り、MQW活性層のバリア層とウエル層及び活性層の上
下に隣接する導波層は全てScGaNにより形成され
る。Scの組成はバリア層及び導波層をScy1Ga1-y1
N、ウエル層をScy2Ga1-y2Nとするとき、y2>y
1が成り立つようにする。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 6 shows the structure of the MQW active layer according to the second embodiment of the present invention. Different from FIG. 4, the barrier layer of the MQW active layer, the well layer, and the waveguide layers vertically adjacent to the active layer are all made of ScGaN. The composition of Sc is such that the barrier layer and the waveguide layer are Sc y1 Ga 1 -y1.
N, when the well layer is Sc y2 Ga 1 -y2 N, y2> y
Make sure 1 holds.

【0044】第1の実施の形態の説明から明らかなよう
に、上記の場合Scの組成によりMQW活性層は3つの
異なる型に分けることができる。すなわち、第1にSc
組成が小さい場合、MQW活性層は全て閃亜鉛鉱型結晶
で構成される。ウエル層のSc組成を増加すればNaC
l型のウエル層が閃亜鉛鉱型のマトリックスに埋め込ま
れるようになり、さらにSc組成を増加すればMQW活
性層は全てNaCl型の結晶から構成される。これらの
形態のうちどれを選択するかは所要の発光波長により定
められる。
As is apparent from the description of the first embodiment, in the above case, the MQW active layer can be divided into three different types depending on the composition of Sc. That is, firstly Sc
When the composition is small, the MQW active layer is entirely composed of zinc blende type crystals. If the Sc composition of the well layer is increased,
The l-type well layer is embedded in a zinc blende type matrix, and if the Sc composition is further increased, the MQW active layer is entirely composed of NaCl type crystals. Which of these forms is selected is determined by the required emission wavelength.

【0045】半導体発光装置を構成する多層構造を全て
Sc組成の大きいNaCl型の層からなるようにすれ
ば、これに応じて基板の材料もNaCl型の単結晶を用
いることができる。このようにSc組成の大きい多層構
造に使用することができる基板材料の結晶構造と格子定
数を表1に示す。なおScNの格子定数は4.22Aで
ある。基板は必ずしもNaCl型に限らず、格子整合が
成り立てば閃亜鉛鉱型(表1でZBと表示)を用いるこ
ともできる。
If the multilayer structure constituting the semiconductor light emitting device is made up of all NaCl type layers having a large Sc composition, the substrate material can be NaCl type single crystal accordingly. Table 1 shows the crystal structures and lattice constants of the substrate materials that can be used for the multilayer structure having a large Sc composition. The lattice constant of ScN is 4.22A. The substrate is not limited to the NaCl type, and a zinc blende type (indicated as ZB in Table 1) may be used as long as lattice matching is established.

【0046】[0046]

【表1】 [Table 1]

【0047】本発明の第2の実施の形態のScを含むG
aN系半導体レーザの断面構造を図7に示す。このSc
を含むGaN系半導体レーザは、NaCl型のMgOを
基板として用いた内部ストライプ構造を有し、レーザを
構成する多層構造が全てScy Ga1-y N(y>0.
6)のNaCl型の層からなることに特徴がある。
G containing Sc according to the second embodiment of the present invention
FIG. 7 shows a sectional structure of an aN-based semiconductor laser. This Sc
GaN-based semiconductor lasers containing Mg have an internal stripe structure using NaCl-type MgO as a substrate, and all the multilayer structures constituting the laser are Sc y Ga 1-y N (y> 0.
It is characterized in that it is composed of the NaCl type layer of 6).

【0048】すなわち、本第2の実施の形態のScを含
むGaN系半導体レーザは、Sc0.7 Ga0.3 N/Sc
0.85Ga0.15N・MQW活性層18と、これに隣接する
n−Sc0.7 Ga0.3 N及びp−Sc0.7 Ga0.3 Nか
らなる光ガイド層17、19と、これに隣接するn−A
0.2 Sc0.6 Ga0.2 N及びp−Al0.2 Sc0.6
0.2 Nからなるクラッド層16、20と、さらにこれ
に隣接するn−Sc0.6 Ga0.4 N及びp−Sc0.6
0.4 Nコンタクト層15、21と、上部のp−Al
0.2 Sc0.6 Ga0.2 Nからなるクラッド層20及びp
−Sc0.6 Ga0.4 Nコンタクト層21との間に、前記
上部のクラッド層とコンタクト層との接合面を両側から
ストライプ状に狭めるように形成された、n−ScNか
らなる内部ストライプ型の電流狭窄層22から構成され
る。
That is, the GaN-based semiconductor laser including Sc of the second embodiment is Sc 0.7 Ga 0.3 N / Sc.
0.85 Ga 0.15 N MQW active layer 18, adjacent optical guide layers 17 and 19 of n-Sc 0.7 Ga 0.3 N and p-Sc 0.7 Ga 0.3 N, and adjacent n-A
l 0.2 Sc 0.6 Ga 0.2 N and p-Al 0.2 Sc 0.6 G
a 0.2 N cladding layers 16 and 20, and n-Sc 0.6 Ga 0.4 N and p-Sc 0.6 G adjacent to the cladding layers 16 and 20.
a 0.4 N contact layers 15 and 21 and p-Al on top
Clad layer 20 made of 0.2 Sc 0.6 Ga 0.2 N and p
An internal stripe type current constriction made of n-ScN formed between the -Sc 0.6 Ga 0.4 N contact layer 21 and the junction surface between the upper cladding layer and the contact layer so as to narrow the junction surface from both sides. Composed of layer 22.

【0049】これらの多層構造は、絶縁性のNaCl型
MgO基板14の上にエピタキシャル成長により形成さ
れる。上下のコンタクト層15、21の上にはそれぞれ
Al/Pt/Au及びPt/Auからなる電流電極3、
11が形成される。
These multi-layered structures are formed by epitaxial growth on the insulating NaCl type MgO substrate 14. On the upper and lower contact layers 15 and 21, current electrodes 3 made of Al / Pt / Au and Pt / Au, respectively,
11 is formed.

【0050】この第2の実施の形態の半導体レーザは、
基板を含めて全てNaCl型の結晶から構成される。N
aCl型結晶はイオン結合からなるため、サファイアま
たはSiCのような共有結合からなる堅い基板に比べて
へき開性に優れ、レーザのキャビティーを構成する反射
面を極めて容易に形成することができる。このように完
全な鏡面状のへき開面が得られることから、反射面から
のレーザ光の損失を回避し、レーザの利得を向上するこ
とができる。
The semiconductor laser of the second embodiment is
The substrate, including the substrate, is composed entirely of NaCl type crystals. N
Since the aCl type crystal is composed of an ionic bond, it has a better cleavage property than a rigid substrate composed of a covalent bond such as sapphire or SiC, and a reflective surface forming a laser cavity can be formed very easily. Since a perfect mirror-like cleaved surface is obtained in this way, it is possible to avoid the loss of laser light from the reflecting surface and improve the laser gain.

【0051】第2の実施の形態の変形例として、絶縁性
のMgO基板14の上にp型側から成長したScを含む
GaN系半導体発光装置の断面構造を図8に示す。この
とき埋め込み電流狭窄層はp−ScN層24となる。そ
の他の構成は図7と同様であるため説明を省略する。
As a modification of the second embodiment, FIG. 8 shows a sectional structure of a GaN-based semiconductor light emitting device containing Sc grown from the p-type side on an insulating MgO substrate 14. At this time, the buried current constriction layer becomes the p-ScN layer 24. The other configuration is similar to that of FIG. 7, and thus the description is omitted.

【0052】先に図15で説明したように、埋め込み電
流狭窄層はレーザ活性層に集中的にキャリアを供給する
ことによりレーザ発光の効率を高める効果と、前記電流
狭窄層を光の吸収体として用い、横モード制御を行うこ
とにより光ビームの断面形状を円形とし、かつ光ビーム
を安定化する作用とがある。
As described above with reference to FIG. 15, the buried current confinement layer has the effect of enhancing the efficiency of laser emission by supplying carriers intensively to the laser active layer, and the current confinement layer serves as a light absorber. The cross-sectional shape of the light beam is made circular by using the transverse mode control to stabilize the light beam.

【0053】前記埋め込み電流狭窄層が光の吸収体とし
て働くためには、その禁制帯幅を小さくするか、または
キャリア濃度を高くしなければならない。Scを含まな
い図15に示すような従来のGaN系半導体レーザで
は、GaN埋め込み電流狭窄層29の禁制帯幅は活性層
28の実効的な禁制帯幅より大きく、またこれを高いキ
ャリア濃度とすることが困難であった。このため、従来
のGaN系半導体レーザ装置では実用上重要な円形断面
を有し、低雑音でかつ安定な光ビームを得ることができ
なかった。
In order for the embedded current constriction layer to act as a light absorber, its forbidden band width must be reduced or its carrier concentration must be increased. In the conventional GaN-based semiconductor laser that does not contain Sc as shown in FIG. 15, the forbidden band width of the GaN-embedded current confinement layer 29 is larger than the effective forbidden band width of the active layer 28, and this is set to a high carrier concentration. Was difficult. Therefore, in the conventional GaN-based semiconductor laser device, it was not possible to obtain a stable light beam having a circular cross section that is practically important and having low noise.

【0054】しかしGaN系の結晶にScを加えること
により、禁制帯幅を活性層の禁制帯幅に比べて十分小さ
くすることができ、また不純物添加量に対するキャリア
の活性化率が大幅に増加して、容易に5×1018cm-3
程度のキャリア密度にすることができる。このようにし
て、図7、図8に示すScを含むGaN系の半導体レー
ザでは、n−ScN層22及びp−ScN層24からな
る埋め込み電流狭窄層に、レーザ光の横モード制御機能
を付与することができ、円形断面を有する安定で信号対
雑音比の小さい実用性の高い光ビームを得ることができ
た。
However, by adding Sc to the GaN-based crystal, the forbidden band width can be made sufficiently smaller than the forbidden band width of the active layer, and the carrier activation rate with respect to the impurity addition amount is significantly increased. Easily, 5 × 10 18 cm -3
The carrier density can be about the same. As described above, in the GaN-based semiconductor laser including Sc shown in FIGS. 7 and 8, the embedded current confinement layer formed of the n-ScN layer 22 and the p-ScN layer 24 is provided with the lateral mode control function of the laser light. It was possible to obtain a stable and highly practical light beam having a small signal-to-noise ratio and a circular cross section.

【0055】図7、図8に示すScを含むGaN系半導
体レーザにおいて、n−Sc0.6 Ga0.4 N及びp−S
0.6 Ga0.4 Nコンタクト層15、21は、Scを加
えることにより容易にキャリア密度を高めることができ
るので、Al/Pt/Au電極3、Pt/Au電極13
との間のオーミック特性が大幅に改善し、低い動作電圧
が得られることはいうまでもない。
In the GaN-based semiconductor laser containing Sc shown in FIGS. 7 and 8, n-Sc 0.6 Ga 0.4 N and p-S are used.
Since the carrier density of the c 0.6 Ga 0.4 N contact layers 15 and 21 can be easily increased by adding Sc, the Al / Pt / Au electrode 3 and the Pt / Au electrode 13 are formed.
It goes without saying that the ohmic characteristics between and are significantly improved and a low operating voltage can be obtained.

【0056】ここでp型不純物であるMgを例として、
ScをGaN系の結晶に加えることにより不純物イオン
の活性化率が高められる理由について説明する。先にの
べたように、GaN結晶はMgを添加することにより、
p型とすることができるが、Mgイオンの活性化率が低
いため正孔密度の小さいp型結晶しか得ることができな
い。その理由は、MgとH(水素)とがGaN系の結晶
中で複合体を形成し、Mgイオンの活性化率を低下させ
るためと考えられている。
Here, taking Mg which is a p-type impurity as an example,
The reason why the activation rate of impurity ions is increased by adding Sc to a GaN-based crystal will be described. As mentioned above, by adding Mg to the GaN crystal,
Although it can be a p-type, only a p-type crystal having a low hole density can be obtained because the activation rate of Mg ions is low. It is considered that the reason is that Mg and H (hydrogen) form a complex in a GaN-based crystal and reduce the activation rate of Mg ions.

【0057】この現象はMg添加後熱処理を行うこと
や、H分圧の低いガス雰囲気中でMgを添加し、結晶を
成長することによっては解決することができない。本発
明において、GaN系結晶にMg添加すると同時にSc
を組成として加えれば、Mgイオンの活性化率が大幅に
向上することが始めて見いだされた。
This phenomenon cannot be solved by performing a heat treatment after adding Mg or by adding Mg in a gas atmosphere having a low H partial pressure to grow a crystal. In the present invention, Sc is added at the same time when Mg is added to the GaN-based crystal.
It has been found for the first time that the addition rate of Mg as the composition significantly improves the activation rate of Mg ions.

【0058】GaN系結晶にScを組成として加えれ
ば、結晶中に含まれたMgとHとの複合体はScが格子
点を占めることにより分離し、Hは格子間に侵入して不
活性化するする一方、分離したMgは他の格子点を占め
るようになって、正孔を供給するMgイオンになると考
えられる。Scを組成として加えることにより、従来3
×1017cm-3が限界であったGaN系結晶の正孔密度
を5×1018cm-3まで高めることができた。なお、上
記のような良好な結果を得るためには、ScとMgの添
加を精密に制御して十分に均一性を確保することが必要
であった。
When Sc is added to the GaN-based crystal as a composition, the composite of Mg and H contained in the crystal is separated by the fact that Sc occupies the lattice point, and H penetrates into the interstitial lattice and is inactivated. On the other hand, it is considered that the separated Mg will occupy other lattice points and become Mg ions that supply holes. By adding Sc as a composition, the conventional 3
The hole density of the GaN-based crystal, which was limited to × 10 17 cm -3, could be increased to 5 × 10 18 cm -3 . In order to obtain good results as described above, it was necessary to precisely control the addition of Sc and Mg to ensure sufficient uniformity.

【0059】上記の作用はScに限らず、Y及びランタ
ナイド、アクチナイド元素、Zr、Hf、V、Nb及び
Taまたはこれらを混合したものについてみられた。ま
た上記金属と同時に、少量の酸素を混入させることによ
っても低抵抗のp型が得られる。なおこれらの元素を組
成として加えることにより、p型不純物に限らずn型不
純物イオンの活性化率を高める効果もみられた。
The above-mentioned action was observed not only in Sc but also in Y and lanthanide, actinide element, Zr, Hf, V, Nb and Ta, or a mixture thereof. Also, a low resistance p-type can be obtained by mixing a small amount of oxygen together with the above metal. It should be noted that the effect of increasing the activation rate of not only p-type impurities but also n-type impurity ions was observed by adding these elements as a composition.

【0060】次に図9、図10に基づき本発明の第3の
実施の形態について説明する。図9は第3の実施の形態
のScを含むGaN系レーザの断面構造を示す図であ
る。このScを含むGaN系半導体レーザは、導電性の
p−MgO基板上に形成されていること、下部のPt/
Au電流電極11がp−MgO基板の下部から取り出さ
れていること、及びp−ScN埋め込み電流狭窄層24
の下部にn−Sc0.6 Ga0.4 N層15aを一部残留さ
せ、その上に再度n−Sc0.6 Ga0.4 Nコンタクト層
15を形成する選択埋め込みリッジ(以下SBR; Sele
ctively Buried Ridgeと略称する)構造のp−ScNか
らなる電流狭窄層24を有することが図8と異なつてい
る。
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 9 is a diagram showing a cross-sectional structure of a GaN-based laser containing Sc according to the third embodiment. This GaN-based semiconductor laser containing Sc is formed on a conductive p-MgO substrate, and Pt /
The Au current electrode 11 is taken out from the lower portion of the p-MgO substrate, and the p-ScN embedded current confinement layer 24.
The lower the allowed to remain partially n-Sc 0.6 Ga 0.4 N layer 15a, selects buried ridge (hereinafter SBR to form an n-Sc 0.6 Ga 0.4 N contact layer 15 again thereon; Sele
This is different from FIG. 8 in that it has a current confinement layer 24 made of p-ScN having a ctively Buried Ridge structure.

【0061】MgO基板は伝導度が大きいp型結晶を得
ることができるので、この上にp型側からScを含むG
aN系の多層構造を形成することにより、p−MgO基
板23の下部から電流電極を取り出した、生産性の高い
レーザを製造することができる。またp−ScN埋め込
み電流狭窄層24の下部にn−Sc0.6 Ga0.4 N層1
5aを一部残留させたSBR構造とすることにより、両
者の界面特性が改善され正孔の再結合率が低下するた
め、効率の高い半導体レーザが得られる。
Since a Mg-type substrate can obtain a p-type crystal having a high conductivity, a G-containing Sc layer is formed on the MgO substrate from the p-type side.
By forming the aN-based multilayer structure, it is possible to manufacture a highly productive laser in which the current electrode is taken out from the lower portion of the p-MgO substrate 23. The n-Sc 0.6 Ga 0.4 N layer 1 is formed below the p-ScN embedded current confinement layer 24.
By adopting the SBR structure in which 5a is partially left, the interface characteristics between both are improved and the recombination rate of holes is reduced, so that a highly efficient semiconductor laser can be obtained.

【0062】図10は、前記SBR構造においてp−S
cN電流狭窄層24と最終のn−Sc0.6 Ga0.4 Nコ
ンタクト層15の成長を省略し、n−Al0.2 Sc0.6
Ga0.2 Nクラッド層16の一部を残すようにn−Sc
0.6 Ga0.4 N層15aと前記n−Al0.2 Sc0.6
0.2 Nクラッド層16とをメサ加工したリッジ型のS
cGaN系半導体レーザである。上部のAl/Pt/A
u電極3は、n−Sc0.6 Ga0.4 N層15aをコンタ
クト層としてその上に形成される。
FIG. 10 shows p-S in the SBR structure.
The growth of the cN current constriction layer 24 and the final n-Sc 0.6 Ga 0.4 N contact layer 15 is omitted, and n-Al 0.2 Sc 0.6 is omitted.
Ga 0.2 N n-Sc so as to leave a part of the clad layer 16
0.6 Ga 0.4 N layer 15a and n-Al 0.2 Sc 0.6 G
a 0.2 N ridge-type S that is mesa processed with the cladding layer 16
It is a cGaN semiconductor laser. Al / Pt / A on top
The u electrode 3 is formed on the n-Sc 0.6 Ga 0.4 N layer 15a as a contact layer.

【0063】図10に示すメサリッジ型のScを含むG
aN系半導体レーザは、図9のSBR構造を形成するた
めのエピタキシャル工程が大幅に簡略化されるので、図
9に比べてさらに生産性が高い。
G containing mesa ridge type Sc shown in FIG.
The aN semiconductor laser has much higher productivity than that of FIG. 9 because the epitaxial process for forming the SBR structure of FIG. 9 is greatly simplified.

【0064】次に図11に基づき本発明の第4の実施の
形態について説明する。図11のScを含むGaN系内
部ストライプ半導体レーザは、図15で説明したGaN
系内部ストライプ半導体レーザに比べて、ScGaN/
InGaN・MQW活性層を有すること、n−ScGa
N電流狭窄層を有すること、及びSi基板上に多層構造
が形成されていることが異なる。
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The GaN-based internal stripe semiconductor laser including Sc in FIG. 11 is the GaN described in FIG.
ScGaN / compared to the internal stripe semiconductor laser
Having an InGaN MQW active layer, n-ScGa
The difference is that it has an N-current constriction layer and that a multilayer structure is formed on a Si substrate.

【0065】ここにSi基板は不純物添加しない伝導度
が低いものを用いているため、下部のAl/Pt/Au
電極3は下部のn−GaNコンタクト層2の上部から取
り出す構造となっている。
Since the Si substrate used here has a low conductivity without adding impurities, the lower Al / Pt / Au substrate is used.
The electrode 3 has a structure that is taken out from the upper portion of the lower n-GaN contact layer 2.

【0066】先にのべたようにSi基板上にScを含ま
ないGaN系半導体層を成長すれば、閃亜鉛鉱型の結晶
が得られる。したがって、図11に示すようにn−Ga
Nコンタクト層2、n−AlGaNクラッド層4、n−
InGaNガイド層5を成長すれば、全て閃亜鉛鉱型の
層が成長する。
As described above, if a GaN-based semiconductor layer containing no Sc is grown on a Si substrate, a zinc blende type crystal is obtained. Therefore, as shown in FIG. 11, n-Ga
N contact layer 2, n-AlGaN cladding layer 4, n-
When the InGaN guide layer 5 is grown, a zinc blende type layer is grown.

【0067】閃亜鉛鉱型のn−InGaNガイド層5の
上にScGaN/InGaN・MQW活性層6を積層す
る際、もし組成がScy Ga1-y N(0.3<y<0.
6)の範囲であれば閃亜鉛鉱型のScGaN層が成長
し、Scy Ga1-y N(0.6<y<1)の範囲であれ
ばNaCl型のScGaN層が成長する。
When stacking the ScGaN / InGaN MQW active layer 6 on the zinc blende type n-InGaN guide layer 5, if the composition is Sc y Ga 1-y N (0.3 <y <0.
In the range of 6), a zinc blende type ScGaN layer grows, and in the range of Sc y Ga 1-y N (0.6 <y <1), a NaCl type ScGaN layer grows.

【0068】このときMQWを構成するInGaN層
は、図5にのべたようにいずれの場合も閃亜鉛鉱型とし
て格子整合することができるので、最終的にはScGa
N/InGaN・MQW活性層6の上のp−InGaN
ガイド層7、p−AlGaNクラッド層8、p−GaN
コンタクト層9まで、Scを含まないGaN系結晶は全
て閃亜鉛鉱型となって成長する。またn−ScGaN電
流狭窄層25はScの組成が0.6以下であれば閃亜鉛
鉱型、0.6以上であればNaCl型である。
At this time, the InGaN layer forming the MQW can be lattice-matched as a zinc blende type in any case as shown in FIG.
P-InGaN on N / InGaN MQW active layer 6
Guide layer 7, p-AlGaN cladding layer 8, p-GaN
Up to the contact layer 9, all GaN-based crystals not containing Sc grow as zinc blende type. The n-ScGaN current confinement layer 25 is a zinc blende type when the Sc composition is 0.6 or less, and a NaCl type when the Sc composition is 0.6 or more.

【0069】その結果図11に示す多層構造は、Sc組
成が0.6以下であれば全て閃亜鉛鉱型であり、O.6
以上であればScを含む層のみがNaCl型となり、こ
れがScを含まないGaN系の閃亜鉛鉱型結晶層に埋め
込まれた構造となる。
As a result, the multilayer structure shown in FIG. 11 is all zinc blende type if the Sc composition is 0.6 or less. 6
If it is above, only the layer containing Sc becomes NaCl type, and this is the structure embedded in the GaN-based zinc blende type crystal layer not containing Sc.

【0070】図11に示すScを含むGaN系半導体レ
ーザは、MQW活性層6と電流狭窄層25のみにしかS
cを含んでいないが、この構造により長波長側に波長範
囲が拡大された半導体レーザが可能となり、かつ円形断
面の安定なレーザビームが得られる等、ほぼScを含む
GaN系レーザが備える全ての利点を実現することがで
きる。
The GaN-based semiconductor laser containing Sc shown in FIG. 11 has S only in the MQW active layer 6 and the current confinement layer 25.
Although it does not contain c, this structure enables a semiconductor laser whose wavelength range is expanded to the long wavelength side, and a stable laser beam with a circular cross section can be obtained. The benefits can be realized.

【0071】第4の実施の形態の変形例として、導電性
のn−Si基板を用いてAl/Pt/Au電極をその下
部から取り出し生産性を向上すること、また導電性のp
−Si基板を用いてp型側から成長し、Pt/Au電極
を前記nーSi基板の下部から取り出すことが可能なこ
とは図1乃至図3の説明と同様である。
As a modification of the fourth embodiment, a conductive n-Si substrate is used to take out an Al / Pt / Au electrode from the lower part thereof to improve productivity, and a conductive p-type electrode is used.
The fact that the Pt / Au electrode can be grown from the p-type side using the —Si substrate and taken out from the lower portion of the n-Si substrate is the same as in the description of FIGS. 1 to 3.

【0072】次に図12、図13に基づき本発明の第5
の実施の形態について説明する。図12は前記第4の実
施の形態に比べて導電性のn−Si基板を用い、その下
部からAl電極26を取り出すこと、電流狭窄層が図9
で説明したSBR構造を有すること以外は図11のSc
を含むGaN系半導体レーザと同様である。また図13
は電流狭窄に図10で説明したメサリッジ構造を有する
他は、図12のScを含むGaN系レーザと同様であ
る。これらの半導体レーザはそれぞれ関連する部分で説
明した利点を有する。
Next, the fifth aspect of the present invention will be described with reference to FIGS.
The embodiment will be described. In FIG. 12, a conductive n-Si substrate is used as compared with the fourth embodiment, and the Al electrode 26 is taken out from the lower part of the substrate.
11 except that it has the SBR structure described in
It is similar to the GaN-based semiconductor laser including See also FIG.
Is similar to the GaN-based laser including Sc in FIG. 12 except that the current confinement has the mesa ridge structure described in FIG. Each of these semiconductor lasers has the advantages described in the related section.

【0073】また図12、図13において、n−Si基
板のかわりに導電性のp−Si基板を用い、p型側から
成長することにより、基板の下側にPt/Au電極11
を有するScを含むGaN系半導体レーザが得られる。
In FIGS. 12 and 13, a conductive p-Si substrate is used instead of the n-Si substrate, and the Pt / Au electrode 11 is formed on the lower side of the substrate by growing from the p-type side.
It is possible to obtain a GaN-based semiconductor laser that contains Sc having.

【0074】なお本発明は上記の実施の形態に限定され
ることはない。上記の実施の形態において、Scを含む
活性層は全てMQW構造の場合について説明したが、活
性層はScを含む単一層からなるものであってもよい。
また全て半導体レーザの場合について説明したが、例え
ばガイド層を省略する等の簡略化または多少の変更を行
えば、発光ダイオード、受光ダイオードとして用いるこ
とができる。また、本発明のScを含むGaN系半導体
層の示す特徴は、発光装置に限らずトランジスタ等の製
造にも用いることができる。その他本発明の要旨を逸脱
しない範囲で、種々変形して実施することができる。
The present invention is not limited to the above embodiment. In the above embodiments, the case where all the active layers containing Sc have the MQW structure has been described, but the active layer may be a single layer containing Sc.
Although all semiconductor lasers have been described, they can be used as a light emitting diode or a light receiving diode if they are simplified or slightly modified, for example, by omitting the guide layer. Further, the characteristics of the GaN-based semiconductor layer containing Sc of the present invention can be used not only for the light emitting device but also for manufacturing a transistor or the like. Other various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

【0075】[0075]

【発明の効果】上述したように本発明によれば、活性層
にSc含むGaNからなるMQW構造を用いることによ
り、従来InGaN・MQW活性層では不可能であった
長波長領域の半導体発光装置を得ることができる。ま
た、GaNコンタクト層にScを加えることにより、従
来に比べて不純物イオン、とくにMg等のp型不純物イ
オンの活性化率が高められ、低抵抗なオーミック電極を
有する動作電圧の低いGaN系半導体レーザを製造する
ことができる。
As described above, according to the present invention, by using the MQW structure made of GaN containing Sc in the active layer, a semiconductor light emitting device in a long wavelength region, which has been impossible in the conventional InGaN MQW active layer, is provided. Obtainable. Further, by adding Sc to the GaN contact layer, the activation rate of impurity ions, in particular, p-type impurity ions such as Mg is increased as compared with the prior art, and a GaN semiconductor laser having a low resistance ohmic electrode and a low operating voltage is provided. Can be manufactured.

【0076】また従来内部ストライプ型のGaN系半導
体レーザにおいて、GaN電流狭窄層のキャリア密度を
大きくできなかったため横モード制御が困難であった
が、Scを含むGaNを電流狭窄層として用いることに
より、活性層に比べて電流狭窄層の禁制帯幅を小さく
し、かつ、そのキャリア密度を高めることにより、安定
で雑音の少ない円形断面のレーザビームを得ることがで
きる。
In the conventional internal stripe type GaN-based semiconductor laser, it was difficult to control the transverse mode because the carrier density of the GaN current confinement layer could not be increased. However, by using GaN containing Sc as the current confinement layer, By making the forbidden band width of the current constriction layer smaller than that of the active layer and increasing the carrier density thereof, it is possible to obtain a stable laser beam having a circular cross section and less noise.

【0077】このほか、NaCl型のMgOまたはSi
を基板として、NaCl型または閃亜鉛鉱型のScを含
むGaN系多層構造を形成することにより、従来のサフ
ァイア基板上のウルツ鉱型GaN系半導体レーザに比べ
て、へき開性に優れた多層構造を形成することができ、
レーザ光の反射損を低減することができる。
In addition, NaCl type MgO or Si
As a substrate, a GaN-based multilayer structure containing NaCl-type or zinc-blende-type Sc is formed. Can be formed,
The reflection loss of laser light can be reduced.

【0078】このようにして、従来GaN系では不可能
であった長波長領域において、高い発光効率で動作する
長寿命の半導体発光装置を得ることができる。また同様
な効果はY及びランタナイド、アクチナイド元素、Z
r、Hf、V、Nb及びTaをGaN系の多層構造に加
えること、また上記金属と同時に少量の酸素を混入させ
ることにより達成することができる。
In this way, it is possible to obtain a long-life semiconductor light-emitting device that operates with high luminous efficiency in a long-wavelength region, which was not possible with conventional GaN-based materials. In addition, similar effects are obtained for Y and lanthanide, actinide element, Z
This can be achieved by adding r, Hf, V, Nb and Ta to the GaN-based multilayer structure, and mixing a small amount of oxygen with the above metals.

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

【図1】本発明の第1の実施の形態に係るScを含む半
導体発光装置の断面図。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor light emitting device including Sc according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第1の実施の形態の変形例を示す半導
体発光装置の断面図。
FIG. 2 is a cross-sectional view of a semiconductor light emitting device showing a modification of the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第1の実施の形態の他の変形例を示す
半導体発光装置の断面図。
FIG. 3 is a sectional view of a semiconductor light emitting device showing another modification of the first embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第1の実施の形態のScを含むMQW
構造の詳細を示す断面図。
FIG. 4 is an MQW including Sc according to the first embodiment of this invention.
Sectional drawing which shows the detail of a structure.

【図5】閃亜鉛鉱型GaNとNaCl型ScNの整合性
を示す図。
FIG. 5 is a diagram showing the compatibility between zinc blende type GaN and NaCl type ScN.

【図6】本発明の第2の実施の形態のScを含むMQW
構造の詳細を示す断面図。
FIG. 6 is an MQW including Sc according to the second embodiment of this invention.
Sectional drawing which shows the detail of a structure.

【図7】本発明の第2の実施の形態に係るScを含む半
導体発光装置の断面図。
FIG. 7 is a sectional view of a semiconductor light emitting device including Sc according to a second embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第2の実施の形態の変形例を示す半導
体発光装置の断面図。
FIG. 8 is a sectional view of a semiconductor light emitting device showing a modified example of the second embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第3の実施の形態に係るScを含む半
導体発光装置の断面図。
FIG. 9 is a sectional view of a semiconductor light emitting device including Sc according to a third embodiment of the present invention.

【図10】本発明の第3の実施の形態の変形例を示す半
導体発光装置の断面図。
FIG. 10 is a cross-sectional view of a semiconductor light emitting device showing a modification of the third embodiment of the present invention.

【図11】本発明の第4の実施の形態に係るScを含む
半導体発光装置の断面図。
FIG. 11 is a sectional view of a semiconductor light emitting device including Sc according to a fourth embodiment of the present invention.

【図12】本発明の第5の実施の形態に係るScを含む
半導体発光装置の断面図。
FIG. 12 is a sectional view of a semiconductor light emitting device including Sc according to a fifth embodiment of the present invention.

【図13】本発明の第5の実施の形態の変形例を示す半
導体発光装置の断面図。
FIG. 13 is a sectional view of a semiconductor light emitting device showing a modification of the fifth embodiment of the present invention.

【図14】従来のストライプ型GaN系半導体発光装置
の断面図。
FIG. 14 is a sectional view of a conventional striped GaN-based semiconductor light emitting device.

【図15】従来の内部ストライプ型GaN系半導体発光
装置の断面図。
FIG. 15 is a sectional view of a conventional internal stripe type GaN-based semiconductor light emitting device.

【図16】InN、GaN、AlNの禁制帯幅と格子定
数との関係を示す図。
FIG. 16 is a diagram showing a relationship between a forbidden band width of InN, GaN, and AlN and a lattice constant.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…Si基板 1a…n−Si基板 2…n−GaNコンタクト層 3…Al/Pt/Au電極 4…n−AlGaNクラッド層 5…n−InGaNガイド層 6…ScGaN/InGaN・MQW活性層 7…p−InGaNガイド層 8…p−AlGaNクラッド層 9…p−GaNコンタクト層 10…SiO2 膜 11…Pt/Au電極 12…p−Si基板 14…MgO基板 15…n−Sc0.6 Ga0.4 Nコンタクト層 15a…n−Sc0.6 Ga0.4 N層 16…n−Al0.2 Sc0.6 Ga0.2 Nクラッド層 17…n−Sc0.7 Ga0.3 Nガイド層 18…Sc0.7 Ga0.3 N/Sc0.85Ga0.15N・MQ
W活性層 19…p−Sc0.7 Ga0.3 Nガイド層 20…p−Al0.2 Sc0.6 Ga0.2 Nクラッド層 21…p−Sc0.6 Ga0.4 Nコンタクト層 22…n−ScN電流狭窄層 24…p−ScN電流狭窄層 25…n−ScGaN電流狭窄層 26…Al電極 27…サファイア基板 28…InGaN・MQW活性層 29…n−GaN電流狭窄層
1 ... Si substrate 1a ... n-Si substrate 2 ... n-GaN contact layer 3 ... Al / Pt / Au electrode 4 ... n-AlGaN cladding layer 5 ... n-InGaN guide layer 6 ... ScGaN / InGaN.MQW active layer 7 ... p-InGaN guide layer 8 ... p-AlGaN cladding layer 9 ... p-GaN contact layer 10 ... SiO 2 film 11 ... Pt / Au electrode 12 ... p-Si substrate 14 ... MgO substrate 15 ... n-Sc 0.6 Ga 0.4 n Contacts layer 15a ... n-Sc 0.6 Ga 0.4 n layer 16 ... n-Al 0.2 Sc 0.6 Ga 0.2 n clad layer 17 ... n-Sc 0.7 Ga 0.3 n guiding layer 18 ... Sc 0.7 Ga 0.3 n / Sc 0.85 Ga 0.15 n · MQ
W active layer 19 ... p-Sc 0.7 Ga 0.3 N guiding layer 20 ... p-Al 0.2 Sc 0.6 Ga 0.2 N cladding layer 21 ... p-Sc 0.6 Ga 0.4 N contact layer 22 ... n-ScN current confinement layer 24 ... p- ScN current constriction layer 25 ... n-ScGaN current confinement layer 26 ... Al electrode 27 ... Sapphire substrate 28 ... InGaN.MQW active layer 29 ... n-GaN current confinement layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平8−32115(JP,A) 特開 平8−293624(JP,A) 特開 平8−274370(JP,A) 特開 平8−306958(JP,A) 特開 平8−148718(JP,A) 特開 平5−82447(JP,A) 特開 昭63−184324(JP,A) 特開 平10−256601(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/00 - 5/50 H01L 33/00 ─────────────────────────────────────────────────── --- Continuation of the front page (56) References JP-A-8-32115 (JP, A) JP-A-8-293624 (JP, A) JP-A-8-274370 (JP, A) JP-A-8- 306958 (JP, A) JP 8-148718 (JP, A) JP 5-82447 (JP, A) JP 63-184324 (JP, A) JP 10-256601 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H01S 5/00-5/50 H01L 33/00

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 基板上に形成された窒化物の多層構造か
らなる半導体発光装置において、 前記多層構造に含まれる活性層は、ウエル層がSc y
1-y N(0.3≦y≦1)、バリア層がIn x Ga 1-x
N(0≦x≦0.2)の超格子層からなることを特徴と
する半導体発光装置。
1. A semiconductor light emitting device having a multilayer structure of a nitride formed on a substrate, wherein an active layer included in the multilayer structure has a well layer of Sc y G 2.
a 1-y N (0.3 ≦ y ≦ 1), the barrier layer is In x Ga 1-x
A semiconductor light emitting device comprising a superlattice layer of N (0 ≦ x ≦ 0.2) .
【請求項2】 基板上に形成された窒化物の多層構造か
らなる半導体発光装置において、 前記多層構造に含まれる活性層は、ウエル層がSc y
1-y N(0.3≦y≦1)、バリア層がSc y1 Ga
1-y1 N(y>y1)の超格子層からなることを特徴とす
る半導体発光装置。
2. A semiconductor light emitting device having a multilayer structure of a nitride formed on a substrate, wherein an active layer included in the multilayer structure has a well layer of Sc y G
a 1-y N (0.3 ≦ y ≦ 1), the barrier layer is Sc y1 Ga
A semiconductor light-emitting device comprising a 1-y1 N (y> y1) superlattice layer .
【請求項3】 基板上に形成された窒化物の多層構造か
らなる半導体発光装置において、前記多層構造に含まれる活性層は、In x Sc y Ga z
w N(x+y+z+w=1、0≦x≦1、0.3≦y≦
1、0≦z≦1、0≦w≦1)で表される組成を有する
層を含む ことを特徴とする半導体発光装置。
In the semiconductor light-emitting device comprising a multilayer structure wherein a nitride formed on the substrate, an active layer included in the multilayer structure, In x Sc y Ga z A
l w N (x + y + z + w = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0.3 ≦ y ≦
1, 0 ≦ z ≦ 1, 0 ≦ w ≦ 1)
A semiconductor light-emitting device comprising a layer .
【請求項4】 前記活性層以外の層として、In x Sc y
Ga z Al w N(x+y+z+w=1、0≦x≦1、0.
6≦y≦1、0≦z≦1、0≦w≦1)で表される組成
を有する層を含むことを特徴とする請求項1乃至3のい
ずれかに記載の半導体発光装置。
4. An In x Sc y layer other than the active layer.
Ga z Al w N (x + y + z + w = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0.
6 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, 0 ≦ w ≦ 1)
4. A layer according to claim 1, which further comprises a layer having
The semiconductor light emitting device according to any one of the above.
【請求項5】 前記ウエル層がSc y Ga 1-y N(0.3
≦y≦1)のScの一部をY及びランタノイド、アクチ
ノイド元素、Zr、Hf、V、Nb及びTaのうち少な
くとも1種で置換した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装置。
5. The well layer is Sc y Ga 1-y N (0.3
≤ y ≤ 1) part of Sc is Y, lanthanoid, activator
Less of the elemental elements Zr, Hf, V, Nb and Ta
Substituted with at least one species, or
2. The semiconductor light emitting device according to item 2.
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