JP3904709B2 - Nitride-based semiconductor light-emitting device and method for manufacturing the same - Google Patents

Nitride-based semiconductor light-emitting device and method for manufacturing the same Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はGaN、AlGaN、InGaN等の窒化物系の化合物半導体を用いた発光素子およびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
窒化物系化合物半導体については、サフアイヤ、SiC、スピネルなどの基板上に成長する六方晶型結晶が現在のところ、最も良好な結晶とされている。しかしサファイヤ基板、スピネル基板は導電性が低いため電極はp型、n型とも窒化物半導体表面に形成している。半導体レーザのような高電流注入では表面を電流が多く流れるいわゆるリーク電流が生じ、発光に寄与する電流が少ないため、発光効率が低く、半導体レーザの信頼性も低い。さらに、リーク電流を防いだり、半導体レーザを低電流動作させるために必要な電流密度を上げるための、電流狭窄構造を形成することが困難である。このため、従来は低動作電流で高電流注入においてもリーク電流がなく信頼性の高い半導体レーザ構造が得られていない。
【0003】
また、従来の光ディスク記録の読み出し用光へッドとしての半導体レーザは、発振中の強度変化によるノイズが問題となっており、この対策として例えば自励発振型構造が用いられるが、超薄膜活性層構造では自励発振を得ることは難しい。このため、高周波重畳法やレーザ自体を二種類用いる方法などか採用されているが、いずれも構造は複雑である。また、活性層の膜厚を場所により変えて2種類のレーザを形成する方法も報告されているが、この方法では活性層の厚さの制御が極めて難しいという問題がある。また、読み出しと書き込みを行うヘッドでは出力の異なる2種類のレーザを用いることが一般的であるが、いずれもその構造は複雑である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来の窒化物系半導体レーザでは光ディスク記録の読み出し側光へッドとして実用可能な性能を満たした半導体レーザを安価に容易に作成することは困難であった。
【0005】
したがって、本発明の目的は上記事情を考慮し、簡単な構造で自励発振を行うことが可能な窒化物系半導体発光素子およびその製造方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本願第1の発明は、基板上に活性層およびこれに隣接する隣接層を含む、六方晶系の結晶構造を有する3元以上のIII −V族化合物半導体からなる混晶層が積層形成された窒化物系半導体発光素子において、前記隣接層はInGaNを含む多重量子井戸構造を有しており、前記隣接層には、この隣接層を構成するインジウムの濃度が周辺より高い島状領域が点在し、前記島状領域の最大径が100nm以下であり、かつ前記島状領域の不純物濃度が周辺部の不純物濃度に比べて低いことを特徴とする窒化物系半導体発光素子である。
【0007】
本願第2の発明は、前記活性層には穴状領域が点在し、この穴状領域が前記隣接層を形成する半導体によって埋め込まれていることを有する前記第1の発明に記載の窒化物系半導体発光素子である。
【0008】
本願第3の発明は、前記隣接層には穴状領域が点在していることを有する前記第1の発明に記載の窒化物系半導体発光素子である。
【0009】
本願第の発明は、前記活性層は多重量子井戸構造を有しており、この活性層には、この活性層を構成するインジウムの濃度が周辺より高い島状領域が点在し、この島状領域は、この領域を囲む領域の材料のバンドギャップに比べて同じか、または、10meV以内の差で小さいバンドギャップを有する前記第1の発明に記載の窒化物系半導体発光素子である。
【0010】
本願第の発明は、前記不純物はSi、C、Ge、Sn、Pbの内の少なくも1つであることを有する前記第1乃至第の発明に記載の窒化物系半導体発光素子である。
【0011】
本願第の発明は、前記島状領域相互の間隔をd、その周辺部の屈折率をn、前記島状領域の発光波長をλとした時、λm=2nd(m=1、2、3、4)を満たすことを有する前記第の発明に記載の窒化物系半導体発光素子である。
【0012】
本願第の発明は、前記活性層には穴状領域が点在し、この穴状領域が前記隣接層を形成する半導体によって埋め込まれており、かつ、前記隣接層には穴状領域が点在し、この穴状領域が前記隣接層に隣接し活性層側ではない層を形成する半導体によって埋め込まれていることを有する前記第乃至の発明に記載の窒化物系半導体発光素子である。
【0017】
本願第の発明は、基板上に活性層およびこれに隣接する多重量子井戸隣接層を含む、六方晶系の結晶構造を有する3元以上のIII −V族化合物半導体からなる混晶層を積層形成した窒化物系半導体発光素子の製造方法において、前記多重量子井戸隣接層はInGaNを含む多重量子井戸構造を有しており、井戸層の成長用の原料ガスと障壁層の成長用の原料ガスを交互に所定時間供給して井戸層および障壁層を交互に成長させるとともに、前記井戸層の成長と前記障壁層の成長との間に所定の待機時間を設けて、前記多重量子井戸隣接層に、この多重量子井戸隣接層を構成するインジウムの濃度が周辺より高くかつ不純物濃度が周辺部の不純物濃度に比べて低い最大径が100nm以下の島状領域を点在して形成することを有する窒化物系半導体発光素子の製造方法である。
【0018】
本願第10の発明は、前記井戸層の成長用の原料ガスはトリメチルインジウム、トリメチルガリウムおよびアンモニアガスであり、前記障壁層の成長用の原料ガスはトリメチルガリウムおよびアンモニアガスであることを有する第の発明に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法である。
【0019】
本願第13の発明は、基板上に活性層およびこれに隣接する多重量子井戸隣接層を含む、六方晶系の結晶構造を有する3元以上のIII −V族化合物半導体からなる混晶層を積層形成した窒化物系半導体発光素子を有機金属を用いた気相成長により製造するに際し、前記気相成長の原料ガスとして、トリメチルインジウム、トリメチルガリウムおよびアンモニアガスを用い、成長温度を700℃以上850℃以下とし、かつ、すべての原料ガスとキャリアガス流量の総和を標準換算で一分間に10リットル以上50リットル以下とし、さらにV族元素とIII族元素のモル流量比を1000以上15000以下で、前記活性層のエピタキシャル成長を行い、さらに水素、窒素、及びアンモニアを流しながら昇温した後、前記活性層に点在して形成された穴状領域を前記多重量子井戸隣接層を形成する半導体によって埋め込むことを有する窒化物系半導体発光素子の製造方法である。
【0020】
要約すれば、本発明は、窒化物半導体発光素子の活性層または活性層に隣接する隣接層を可飽和吸収領域にすることにより自励発振を生じさせるようにしたものである。
【0021】
したがって、本発明によれば、自励発振を複雑な構造を用いずに発生することかでき、低ノイズの特性をもった光デイスク記録の読み出し用半導体レーザを形成できる。また、書き込み用を読み出し用と同じ構造で作製が可能で、書き込み読み出し両用へツドの構造を簡素化できる。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて詳細に説明する。
図1は本発明の第1の実施形態に係わる窒化物系半導体レーザの概略構成を説明する断面図である。同図中で、100はサファイヤ基板、101はn型GaNバッファー層(Siドーブ、3〜5×1018cm-3、0.1μm)であり、102はn型GaNコンタクト層(Siドーブ、3〜5×1018cm-3、4μm)、103はn型AlGaNクラッド層(Siドープ、5×1017cm-3、0.3μm)、104はn型In0.1 Ga0.9 N/GaN多重量子井戸(multiple quantum well) 隣接層(Siドーブ、5×1017cm-3、井戸幅2nm、障壁幅4nm、ペアー数3)、105はIn0.3 Ga0.7 N/GaN多重量子井戸活性層(アンドープ、井戸幅2nm、障壁幅4nm、ペアー数3)、106はp型GaN隣接層(Mgドープ,5×1017cm-3、0.1μm)、107はp型AlGaNクラッド層(Mgドープ、5×1017cm-3、0.3μm)、108はp型GaNコンタクト層(Mgドープ、1〜3×1018cm-3、0.5μm)、109はn型GaN通電障壁層(Siドープ、1×1018cm-3、0.3μm)、110はp側電極、111はn側電極である。
【0023】
図1に示した半導体レーザの製造方法は次のとおりである。始めに有機金属を用いた気相成長(Metal Organic Chemical Vapour Deposition:MOCVD)法により、サファイア基板100の上に、n型GaNバッファー層101からn型GaN層109まで成長する。その後、n型GaN層109の上に一部フォトリソグラフィーによりマスクを形成し、p型AlGaNクラッド層107が露出するまでエッチングを行う。次に、p型GaNコンタクト層108を成長する。その後n型GaNコンタクト層102を形成するためにn型GaNコンタクト層102を形成する部分をマスクで覆いエッチング除去する。マスクを除去しn側電極111、p側電極110を形成し、図1の構造の窒化物系半導体レーザが製造できる。
【0024】
ここで、前記n型In0.1 Ga0.9 N/GaN多重量子井戸隣接層104(Siドープ、井戸幅2nm、障壁幅4nm、ペアー数3)は次のように成長させる。成長温度は760℃、In0.1 Ga0.9 N層の成長には、TMI(トリメチルインジウム)、TMG(トリメチルガリウム)、アンモニアガスおよびシランを用い、通常の厚膜成長で1μm/hの成長速度が得られる条件下で8秒間成長する。これによって幅2nmの井戸層が形成される。ついで、1秒間の待機時間をおいてTMG(トリメチルガリウム)、アンモニアガスおよびシランを用い、同じ成長速度の条件下で18秒間成長させる。これによって幅4nmの障壁層が形成される。以下同じプロセスを3回繰り返し、井戸(well)層と障壁(barrier)層のペアを3組積層形成した。
【0025】
このようにして成長した多重量子井戸隣接層104には、層の面内方向において、In組成が局所的に多い部分が形成されることが判明した。
図2は、カソード・ルミネッセンス法による多重量子井戸隣接層104の井戸層の発光波長の面内分布を表す模式図である。すなわち、同図中においては、ハッチで示した領域において、周囲よりも波長の長い発光が観察された。一般に、カソード・ルミネッセンス法により得られる発光の波長は、ターゲットの組成に依存して変化する。ここでは、インジウムの含有量が多い程、その発光波長は長くなる。すなわち、多重量子井戸隣接層104は、その面内において、インジウムの組成が高い領域が島状に存在することが分かった。その分布状態と発光波長を詳細に調べた結果、多重量子井戸隣接層104の各井戸層には、直径約2nmで、インジウム組成約30%の島状の領域が多数形成されていることが分かった。この島状の領域は周辺に比べInが多く、活性層105からの発光波長に対応するバンドギャップとほぼ同じバンドギャップを有する。また、多重量子井戸層104には、前述したようにシリコン(Si)をドープしているが、図3に示したように、インジウム濃度が高い領域にはシリコンが含まれにくく、その結果として、インジウム濃度が高い部分のキャリヤ濃度は低い。
【0026】
図4は多重量子井戸隣接層104におけるInGaN井戸層とGaN障壁層のペアのコンダクション・バンドの状態を示す模式図である。すなわち同図において、横方向は隣接層104の厚み方向の距離を示し、縦方向はエネルギー・レベルを示している。同図に示したように、GaN障壁層に高濃度にドナーが存在してエネルギー・バンドが大きく湾曲している。このようにエネルギー・バンドが湾曲することにより、この部分でのInGaN井戸層へのキャリヤの閉じ込めは有効質量の小さい電子に対しては弱くなり、発光は生じない。また、活性層105が発光することにより、この隣接層104でのIn組成の多い部分での吸収が生じるが、その吸収は、微少な島状の領域で起こる。従って、隣接層104は可飽和吸収状態となり自励発振状態となる。このような自励発振状態は高出力の条件であっても持続した。また、この隣接層104に含まれる不純物を、n型不純物であるシリコン(Si)、炭素(C)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)のいずれかとした場合には、しきい値上昇等の悪影響はなかった。
【0027】
本実施形態のレーザはしきい値20mAで室温連続発振した。発振波長は420nm、動作電圧は3.8Vであった。50mW時にS/Nは本構造を用いない従来の半導体レーザの20dBに比べ130dBと向上した。また、従来の活性層近傍に可飽和吸収層を設けた厚い活性層の自励発振型レーザでは高出力は困難であったが本実施形態では200mWまで安定した横モードで出力を出す事ができた。
【0028】
次に、本発明者は、前述した製造方法により島状の吸収領域が形成された本発明の窒化物系レーザを多数個製造し、自励発振の生ずる割合を調べた。
図5は、製造した窒化物系半導体レーザについて光出力を変化させて発光させた場合、自励発振を生じた窒化物系半導体発光素子の割合を示したグラフである。同図において、横軸は光出力を示し、縦軸は自励発振を起こした窒化物系半導体発光素子の割合を示す。図中の黒丸は本発明の窒化物系半導体発光素子を表す。また図中の白丸は、比較例であり、島状の吸収領域の代わりに、層状の吸収領域を形成した窒化物系半導体発光素子を示している。この比較例についてさらに詳しく説明すると、活性層からみてガイド層の外側に、層厚10nmのIn0.25Ga0.75N吸収層を設けた。
【0029】
図4から、層状の吸収領域を設けた比較例では、自励発振を生ずる割合が低く、しかも安定していないのに対して、島状の吸収領域が形成された本発明の窒化物系半導体発光素子は低出力から高出力に亘って、自励発振を生ずる窒化物系半導体発光素子が得られる確率が安定して高いことが分かる。
【0030】
図6は、本発明による半導体レーザを光ディスクのデータ読み出しに応用した状態を説明する模式図である。すなわち、同図においては、図示しない半導体レーザ素子からレーザ光150が放出され、レンズ152により集束されて光ディスク160に入射する。光ディスク160の表面には、同心円上にトラック162が設けられ、そのトラック162に沿ってピット164が形成されている。レンズ152により集束されたレーザ光は、このピット164の有無に応じて反射率が変化し、図示しない受光部において検出される。ここで、本発明による窒化物系半導体レーザから得られる波長が420nmのレーザ・ビームを用いた場合には、同図に示したようにレンズにより集束されて極めて細いビーム154Aを得ることができる。同図には、比較のために、従来の、DVDシステム(波長:λ=650nm、開口比:NA=0.6)のレーザ・ビーム154Bと、コンパクト・ディスクシステム(波長:λ=780nm、開口比:NA=0.45)のレーザ・ビーム154Cとを示した。これらの比較から明らかなように、本発明の窒化物系半導体レーザを用いた場合には、極めて集束されたレーザ・ビームを得ることができ、光ディスク160におけるトラック162の間隔と、ピット164の間隔をそれぞれ縮小することができる。その結果として、従来のDVDシステムと比較しても、記録容量を約3倍増大することができる。
【0031】
さらに、本発明の窒化物系半導体レーザによれば、同一の窒化物系半導体レーザにより、光記録媒体からの読み出し及び書き込みが可能になる。すなわち、本発明の半導体レーザは、容易に自励発振を生ずるために、データ読み出しを低いノイズで安定して行うことができ、さらに、高出力動作が可能であるために、データ書き込み動作も行うことができる。その結果として、データの読み出しと書き込みとを兼用できるピックアップ・ヘッドの構造を飛躍的に単純化できる。
【0032】
なお、前述した例では、多重量子井戸隣接層104は3ペアーの井戸層と障壁層のものを用いたが、ペアー数は層の厚さとInの組成により適宜決定することができる。また、障壁層はGaNに限定されず、InやAl等を含んだ材料でもよい。
【0033】
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。
図7は本発明の第2の実施形態に係わる窒化物系半導体レーザの概略構成を説明する断面図である。同図において、200はp型SiC基板、201はp型AlNバッファ層(Mgドープ、3〜5×1020cm-3、0.1μm)、202はp型GaN層(Mgドープ、1×1019cm-3、4μm)、203はp型Al0.3 Ga0.7 Nクラッド層(Mgドーブ、5×1017cm-3、0.3μm)、204はAl0.1 Ga0.9 N隣接層(アンドープ、0.1μm)、205は多重量子井戸活性層In0.1 Ga0.9 N/Al0.1 Ga0.9 N(アンドープ、井戸幅1nm、障壁幅2nm、ペアー数3)、206はAl0.1 Ga0.9 N隣接層(アンドープ、0.1μm )、207はn型Al0.3 Ga0.7 Nクラッド層(Siドープ、5×1017cm-3、0.3μm)、208はp型GaN電流狭窄層(Mgドープ、5×1017cm-3、0.1μm)、209はn型GaNコンタクト層(Siド一プ、1〜3×1019cm-3、0.1μm)、210はn側電極、211はp側電極である。
【0034】
この窒化物系半導体レーザの製造方法は次のとおりである。始めにMOCVD法によりp型GaN電流狭窄層208まで成長しその後、 p型GaN電流狭窄層208の上に一部フォトリソグラフィーによりマスク(図示せず)を形成し、n型Al0.3 Ga0.7 Nクラッド層207が露出するまでエッチングを行う。次に、p型GaNコンタクト層209を成長する。両面に電極を形成し、その後劈開により共振器の端面(facet)を形成する。
【0035】
本実施形態においては、In0.1 Ga0.9 N/Al0.1 Ga0.9 N多重量子井戸活性層205も、前述した実施形態の多重量子井戸隣接層104と同様なプロセスにより製造する。具体的には、InGaNの成長にはTMG、TMIおよびアンモニアガスを用い、AlGaN層の成長には、TMA(トリメチルアルミニウム)、TMG、アンモニアガスを用い、成長温度860℃、原料のV/III 比が約170、各層での成長中断時間を1秒として、3回繰り返して成長させる。この結果、井戸厚2nm、障壁厚4nm、ぺアー数3の多重量子井戸層を形成できる。
【0036】
このようなプロセスにより、多重量子井戸活性層205の井戸層部分にもインジウム(In)組成が局所的に多い領域が形成される。具体的には、各井戸層において、直径2nm、In組成約20%の島状の領域が面内に分布して多数形成される。この領域は周辺に比べInが多いことにより、格子定数がずれて、歪みがかかる。その結果として、Inの含有量は多いがバンドギャップは周辺の領域と10meV以下の違いしかない。この半導体レーザに電流を注入すると、In組成が高いこの島状の領域ではドーパントのSiが少なく導電性が低いため発光が効率的に行われる。
【0037】
図8は、この活性層205を透過型電子顕微鏡(transmission electron microscope)により観察した結果を表す模式図である。すなわち、活性層205においては、In濃度が周辺より高濃度となっている島状の領域が面内方向に規則正しく並んでいる。このインジウム高濃度組成領域の直径は、概ね70nmであり、その間隔は概ね200nmであった。また、本発明者の実験の結果、成長条件を変える事によってこの島状領域の間隔をコントロールできる事か判明した。
【0038】
この島状領域相互の間隔をd,この島状領域の周辺部の屈折率をnとした場合、高濃度領域の発光波長がλであればd=λm/2n(m=1、2、3、4)の場合がもっとも自励発振を安定して生ずる事ができた。なお、mが4を超える場合には自励発振の安定性が低下した。これは通常、多数ある発振モードが選択されることによると考えられる。
【0039】
本実施形態によれば、分布帰還型レーザのような複雑な構造を用いなくても、自励発振を行うことができるとともに、モードホッピングの抑制を行うことができ、低ノイズ化が実現できることが分かった。
【0040】
図9は発光波長400〜430nmのそれぞれにおける最適成長条件を表すグラフである。すなわち、同図の横軸は成長温度(℃)で、縦軸はInの含有割合(%)を示し、それぞれの発光波長において、固層中のInの含有割合と、成長温度の最適条件を示す。
【0041】
活性層内に形成される島状のインジウム高濃度領域においてはドナーが少ない。従って、島状の領域は発光効率が高く、さらに、量子的な閉じ込め効果により発光効率の高い励起子分子(双極子)の安定的な存在を促進する。これにより高In濃度の島状領域は体積的には微小であるが、レーザ発振するに十分な反転分布を形成することが可能である。一方、Inが高濃度の領域の周辺の低In領域においては、バンドギャップは島状領域よりも大きいもののドナーが存在するためにその準位による吸収により可飽和吸収層として働き自励発振状態となる。この状態は高出力時であっても持続した。
【0042】
活性層にドープする不純物については、n型となるSi、C、Ge、Sn、Pb以外ではしきい値が上昇して実用的ではなかった。一方、Siの場合には、特に高い発光効率が得られた。
【0043】
本構造の半導体レーザではしきい値10mAで発振波長は375nmが得られ、基本横モード発振し、5000時間までの安定動作も確認した。本実施形態では基板としてSiCを用いたが導電性の基板であれば良く、ZnO基板の場合にはさらに優れた電流電圧特性が得られた。また、電流狭窄層208は活性層205に対して基板200の側に設けても良く、また、活性層205の両側に設けても良い。また、電流狭窄層の材料は、コンタクト層に比べ屈折率の高い材料でもよい。
【0044】
次に、本発明の第3の実施形態を説明する。
図10は本発明の第3の実施形態を示す窒化物系半導体レーザの断面図である。同図において、300はサファイヤ基板、301はGaNバッファー層(0.01μm)であり、302はp型GaNコンタクト層(Mgドープ、3〜5×1018cm-3、1μm)、303はp型Al0.2 Ga0.8 Nクラッド層(Mgドープ、5×1017cm-3、0.3μm)、304はp型GaN隣接層(Mgドープ、5×1017cm-3、0.1μm)、305はIn0.3 Ga0.7 N/GaN多重量子井戸活性層(アンドープ、井戸幅2nm、障壁幅4nm、ペアー数3)、306はn型GaN隣接層(Siドープ、5×1017cm-3、0.1μm)、307はn型Al0.2 Ga0.8 Nクラッド層(Siドープ、5×1017cm-3、0.3μm)、308はp型GaN通電障壁層(Mgド−プ、1×1018cm-3、0.3μm)、309はn型GaNコンタクト層(Siドープ、1〜3×1018cm-3、0.5μm)、310はn側電極、311はp側電極である。
【0045】
以下にその製造方法の概略を述べる。結晶成長はMOCVD法によって行った。始めに、サファイヤ基板300にMOCVD法によりGaNバッファー層301を成長させるが、サファイヤ基板300は図11(a)、(b)に示されるように、スリット状の切れ目320が入っているものを用いた。ここで、切れ目320の開口は、例えば、約250μm×30μm、切れ目同士の間隔は約250μm程度とすることができる。
【0046】
本実施形態においては、まず、サファイヤ基板300上に横方向の成長速度が速くなる条件でGaNバッファー層301の成長を行う。すなわち、結晶成長時に、GaNの供給速度に対して成長温度を十分に高くすることにより、基板表面でのGaN原子の移動が高まる。このような条件でバッファー層301を成長することによって、サファイヤ基板300の切れ目320の部分はGaNバッファー層301で塞がれる状態となる。
【0047】
その後、通常の成長状態で順次p型GaNコンタクト層302からp型GaN通電障壁層308まで成長を行う。p型GaN通電障壁層308まで成長した後、フオトリソグラフィーによりp型GaN通電障壁層308の上に部分的にマスク(図示せず)を形成し、 n型Al0.2 Ga0.8 Nクラッド層307が露出するまでエッチングを行う。次にマスクを除去し、n型GaNコンタクト層309を成長する。コンタクト層309の上にNiとAuを蒸着してn側電極310を形成する。また、基板300下面側よりGaNバッファー層301をエッチングにより除去し、Pt、Ti、Auを順次蒸着してp側電極311を形成する。これをレーザ素子とするため劈開により端面(図示せず)を形成し、ダイシングにより半導体発光素子を分離して図10の半導体レーザを得る。端面には図示しないが誘電体多層膜による高反射コートを施してある。
【0048】
次に、本実施形態における上記In0.2 Ga0.8 N/GaN多重量子井戸活性層305の具体的な成長条件を説明する。成長温度は740℃で、InGaN層はTMG、TMIおよびアンモニアガスを用い、GaN層はTMGおよびアンモニアガスを用いる。InGaN井戸層は成長速度がIn0.2 Ga0.8 Nの厚膜成長で1μm/hの得られる成長条件で7秒、GaN障壁層はTMIを止めて20秒の成長を行う。また、InGaN井戸層とGaN障壁層の成長の間には1.5秒の待機時間を設ける。厚膜と量子井戸のような薄膜とでは成長条件が同じでも成長速度が異なるが、これは成長の初期過程で成長速度が異なるためである。このような成長を行うことにより、In0.2 Ga0.8 N/GaN多重量子井戸活性層305内にはIn組成が局所的に多い部分が井戸層部分に形成される。具体的には各井戸層に直径2nm、In組成約30%の領域か多数形成される。この領域は周辺に比べInが多いことにより歪みがかかり、これによりInが多いがバンドギャップは周辺の領域と10meV以下の違いしかない。この窒化物系半導体レーザに電流注入を行った場合、In組成が高いこの領域ではドーパントのSiが少なく導電性が低くキャリヤの注入は主にその周辺に行われる。
【0049】
図12は、活性層305の透過型電子顕微鏡による観察の結果を表す模式図である。すなわち、電子顕微鏡により格子像を観察した結果、活性層305においては、数nmの径の島状領域が点在することが観察された。特性X線スペクトル分析法を用いてこの島状の領域の組成を調べた結果、周囲よりもIn濃度が高いことが確認された。さらに、カソードルミネッセンス法により観察した結果、この島状領域に対応して規則正しく並んだ発光点が観測できた。
【0050】
このような島状の領域が形成される原因は、GaNの上にGaNと格子整合しないInGaNを成長するために、島状の成長が起こるからであると考えられる。ここで、本発明者は、種々の成長条件で形成した島状領域の直径と、半導体レーザの外部量子効率との関係について調べた。
【0051】
図13は、島状領域の大きさと外部量子効率との関係を表すグラフである。すなわち、同図において、縦軸は外部量子効率を表し、横軸は島状領域の平均径を表す。同図から分かるように、島状領域の直径が小さくなるほど、外部量子効率が増加する傾向が得られた。特に高い外部量子効率を得るためには、島状領域の直径は100nm以下であることが望ましい。島状領域の径がこれ以上大きくなると、図13に示すように発光効率が著しく低下することが分かった。
【0052】
次に、本発明者は、島状領域とその周辺部のインジウムの濃度の2次元的な分布を詳細に調べた結果、直径が100nm以下の島状領域が存在するためには、島状領域の端部において、2nmごとに10%以上の割合でインジウム濃度が変化する必要があることが分かった。つまり、島状領域の端部において、これ以上の急峻なインジウム濃度の増加がある場合には、直径100nm以下の島状領域が存在し得ることが分かった。
【0053】
活性層内の高In組成部はドナーが少ないのでIn組成の高い部分は発光効率が良い。また、量子的な閉じ込め効果により発光効率の良い励起子分子の安定的な存在を促す。これにより島状の高In領域は、体積的には微小であるが発振するに十分な反転分布を形成することが可能である。そして島状高濃度領域の周辺の低In領域は、バンドギャップは島状高濃度領域より大きいものの、ドナーが存在するためにその準位による吸収により可飽和吸収層として働き自励発振状態となる。この状態は高出力時であっても持続した。
【0054】
活性層にドープする不純物としては、n型となるSi、C、Ge、Sn、Pb以外ではしきい値が上昇し実用的ではなかった。
この実施形態では活性層の下に、横方向に成長させたGaNバッファー層301が設けられているので極端に転位や欠陥か少ない。その結果として、リーク電流が抑制され、半導体発光素子の破壊も起こりにくかった。
【0055】
また本実施形態の半導体レーザはしきい値20mAで室温連続発振し、発振波長は420nm、動作電圧は3.8Vであった。また、自励発振を行う事により50mW動作時のS/Nは、本構造を用いない従来の半導体レーザの20dBに比べ130dBと顕著に向上した。また、活性層に量子井戸構造を採用しているため自励発振で200mW、自励発振を維持しない場合は300mWの高出力を得る事かできた。また、半導体発光素子の寿命はライフテストにおける劣化傾向から10万時間以上と予想され、低ノイズ、高出力、高信頼性を実現できた。
【0056】
本実施形態では基板としてサフアイヤ基板を用いているか石英ガラス、ダイヤモンド、BNなどでも良い。さらに成長方法としてMBE(MolecularBeam Epitaxy)法を用いると、パイレックスガラスやZnO等も基板として用いる事ができる。
【0057】
次に、本発明の第4の実施形態について説明する。
第14図は本発明の第4の実施形態に係わる窒化物系半導体発光ダイオード(LED)の概略構成を説明するためのものである。同図において、400はサファイヤ基板、401はGaNバッファ層(3〜5×1018cm-3,4μm)、402はn型GaNコンタクト層(Siドープ,1×1018cm-3,2μm),403はn型GaN層(Siドープ,5×1017cm-3,0.1μm),404はIn0.3 Ga0.7 N/GaN 3MQW活性層(Siドープ,井戸層2nm,障壁層4nm),405はp型GaN層(Mgドープ,5×1017cm-3,0.1μm),406はGaNコンタクト層(Mgドープ, 3×1018cm-3,0.05μm),410はp側電極,411はn側電極,412はITO(Indium Tin Oxide)透明電極である。
【0058】
同図の各半導体層はMOCVD法により成長した。活性層404の成長時にはそれぞれのIn0.3 Ga0.7 N井戸層の成長後に成長中断時間を1秒から3秒設けてIn濃度が高い島状領域を作成した。活性層以外の成長は通常の成長方法で行った.成長後p電極となる部分をマスキングしn型GaNコンタクト層402が露出するまでドライエッチングしてメサ形状を形成する.マスクを除去し,メサの側面などリーク電流が流れやすい部分にはSiO2 を付けた.メサ形状の上面には全面透明電極を形成しさらに一部分でn側電極411に遠い部分にp側電極410を形成し、n側電極411を形成した,半導体発光素子構造とした.
作成後に発光素子を分解し活性層部分を透過電子顕微鏡で観察したところ井戸層部分にInが周りより高い領域が観察され,その領域はほぼ4nmの直径であった.また,特性X線により調べたところ、この高濃度領域は周りのIn濃度が低い領域に比べIn濃度が10%程度多く含まれていることがわかった.
素子の動作電圧は2.7Vで光出力は10mAで10mWであった.また,100mAでは50mWであった.発光効率も良く外部量子効率は30%に達した.このような高効率で発光強度が強い素子が実現できたのは、活性層にあるIn濃度が高い領域に注入されたキャリヤが、その高In濃度領域に閉じ込められて非発光再結合をすることなく再結合したためである.
本実施形態では光源として青色のみを用いているが、活性層中のIn量を増量することにより赤色光に近い波長まで発光可能となり、フィルタなどを用いれば、赤、緑、青の三原色ができ、GaN系のフルカラー発光素子を実現することもできる。
【0059】
次に、本発明の第5の実施形態について説明する。
図15は本発明の第5の実施形態に係わる窒化物系半導体発光素子の概略構成を説明するためのものである。同図に示した発光素子においては、サファイア基板500の上に、バッファー層501、n型GaNコンタクト層(Siドープ、3〜5×1018cm-3、4μm)502、n型AlGaNクラッド層(Siドープ、5×1017cm-3、0.3μm)503、ノンドープGaN隣接層(0. 1μm)504、InGaN多重量子井戸(MQW)活性層505、ノンドープGaN隣接層(0.1μm)506、p型AlGaNクラッド層(Mgドープ、5×1017cm-3、0.3μm)507、p型GaNコンタクト層(Mgドープ、5×1018cm-3、0.5μm)508、SiO2 (二酸化珪素)膜509が順次積層されている。また、510はp側電極、511はn側電極である。
【0060】
製造方法は次の通りである。MOCVD法で基板500の上にバッファー層501を成長し、次に成長温度1100℃でTMG(トリメチルガリウム)、TMA(トリメチルアルミニウム) 、アンモニア、水素、窒素を用いて、n型GaNコンタクト層502、n型AlGaNクラッド層503、ノンドープGaN隣接層504を順次積層する。
【0061】
次に、III族の原料ガスの供給を停止し、基板温度を760℃に降温する。この温度で、TMGを−15℃に保ち、水素ガスをキャリアガスとして10cc/分、アンモニアを20℃で10L/分、窒素を19.7L/分流し、これに加えてTMI(トリメチルインジウム)を37℃で窒素をキャリアガスとして500cc/分と15cc/分との組み合わせで約1.5分ずつ20回繰り返し切り替えて供給し、InGaN多重量子井戸活性層505の成長を行う。
【0062】
この後、TMGとTMIの供給を止めることで成長を停止し、水素を40cc/分、窒素を19. 96L/分、アンモニアを10L/分の流量で流しながら、1100℃まで4分間かけて昇温する。ついで温度を1100℃で保持し、水素を500cc/分、窒素を14.5L/分、TMGを100cc/分、アンモニアを10L/分の流量供給してノンドープGaN隣接層506を積層する。この後これにCp2 Mg(ビスシクロペンタジエニルマグネシウム)とTMAを加えてp型AlGaNクラッド層507を形成し、次にTMAの供給を止めてp型GaNコンタクト層508を積層する。この後、SiO2 膜509の堆積、フォトリソグラフィー、エッチング、p側電極510、n側電極511の蒸着、アロイ等の行程を経て図15に示す窒化物系半導体発光素子が完成する。
【0063】
なお、前述の工程においては、隣接層504を成長した後に成長温度を760℃まで高温したが、この温度は、700℃以上850℃以下であることが望ましい。以下に、この理由を説明する。
【0064】
本発明者は、InGaNの成長条件を調べるために、まず、原料ガスとキャリヤガスの流量の総和を1分あたり30リットルにし、V族元素とIII 族元素のガスの流量比を8400にし、様々な成長温度でInGaNの成長を行った。これをフォトルミネッセンス(Photo Luminescence:PL)で評価したところ、表1に示すように700℃以上850℃以下の範囲において、十分な強度のPL発光が観測できた。成長温度が700℃を下回ると、成長が不十分となり、PL発光強度が上がらない。成長温度が850℃を上回ると、結晶がダメージを受けるため、PL発光強度が極端に低減した。
【0065】
【表1】

Figure 0003904709
【0066】
次に、本発明者は、成長温度を760℃に固定し、原料ガスとキャリヤガスの流量の総和を1分あたり30リットルにし、V族元素とIII 族元素のモル流量比依存性を調べた。その結果、表2の様にV族元素とIII 族元素のモル流量比が1000以上15000以下では十分な強度のPL発光が見られた。
V族元素とIII 族元素のモル流量比が1000を下回ると、十分に反応しないため、PL発光強度が上がらない。
V族元素とIII 族元素のモル流量比が15000を上回ると、本来III 族元素が反応するべき結晶格子にもV族元素が割り込んで反応してしまい、III 族元素が十分に反応できないため、PL発光強度が極端に低減した。
【0067】
【表2】
Figure 0003904709
【0068】
さらに、成長温度を760℃に固定し、V族元素とIII 族元素の流量比を8400にし、すべての原料ガスとキャリヤガスの1分間あたりの総流量に対する依存性を調べたところ、表3の様に一分間あたりの総流量が10リットル以上、50リットル以下では十分な強度のPL発光が見られた。一分間あたりの総流量が10リットルを下回ると、十分に反応しないため、PL発光強度が上がらない。一分間あたりの総流量が50リットルを上回ると、流速が早くなり、十分な反応時間がとれないため、PL発光強度が極端に低減した。
【0069】
【表3】
Figure 0003904709
【0070】
本実施形態では、InGaN多重量子井戸活性層505およびノンドープGaN隣接層506ともに意図的にはドーピングを施していない。本発明者の実験によれば、上記のように成長した場合、GaN層の方がInGaN層よりも高抵抗であることがわかっている。また、上記のように成長したものの断面をTEM(透過電子顕微鏡)で観察したところ、 InGaN多重量子井戸活性層505に穴状領域(ピット)が存在し、このピットがノンドープGaN隣接層506によって埋め込まれ、平坦化されていることがわかった。従って前記の実施形態の半導体発光素子によれば、以下に述べる原理により自励発振が生じる。
【0071】
すなわち、活性層に穴状領域が存在することにより、活性層内を流れる電流に分布ができ、低電流密度領域が可飽和吸収領域となるので、自励発振が生じる。このことについて以下に詳述する。
【0072】
図16は、本実施形態の発光素子における注入電流の流れを示す断面模式図である。同図においては、分かり易くするために、図16に示した発光素子の構造を簡略化した構造を例示して説明する。図16に示したように、ノンドープGaN層553とノンドープInGaN層554のヘテロ接合があり、しかもノンドープInGaN層554側の界面には穴(ピット)Pがある。両者にはそれぞれp型コンタクト層552、n型コンタクト層555を介してp側電極551、n側電極556が接続されている。
【0073】
いま、両電極に順方向に電圧をかけたとすると、ノンドープGaN層553の方がノンドープInGaN層554に比べてバンドギャップが大きいために、電流は図16中の矢印で示すように流れ、InGaN層554のうちの穴状領域の下の部分の電流密度は他の領域の電流密度に比べて、疎になる。
【0074】
本発明者は、この現象を実証するために二次元のシミュレーションを実行し、電流の分布を調べた。図17にシミュレーションで用いた層構造を示す。層構造はレーザ構造を模したものであり、5×1018cm-3にドープされた厚さ0.1μmのn型GaNコンタクト層561、5×1017cm-3にドープされた厚さ0.3μmのn型Al0.15Ga0.85Nクラッド層562、厚さ0.1μmのノンドープGaN隣接層563、厚さ0.1μmのノンドープIn0.08Ga0.92N活性層564、厚さ0.1μmのノンドープGaN隣接層565、5×1017cm-3にドープされた厚さ0.3μmのp型Al0.15Ga0.85Nクラッド層566、5×1018cm-3にドープされた厚さ0.1μmのp型GaNコンタクト層567からなる。ノンドープIn0.08Ga0.92N活性層564のノンドープGaN隣接層563に接する界面には幅0.1μm、深さ0.05μmの穴状領域(ピット)Pが1μmの間隔を置いて並んでいる。実際のピットの形状はこのような矩形では必ずしもないが、計算の簡便化のためにこのような形状でシミュレーションを行った。形状の違いがシミュレーション結果に本質的な影響を及ぼさないことは言うまでもない。
【0075】
このような構造に4Vの電圧を印加した時の穴状領域(ピット)の直下での電流密度の分布を図18に示す。ピットの部分で電流密度が30%以上も低減している。このように電流の疎密が穴状領域の存在によってもたらされることが明らかとなった。そして、このような電流分布が生じることになり、レーザ発振が生じる際には、まず、電流が密な部分で発振が始まり、電流が疎の部分が可飽和吸収体となることになる。尚、隣接層がノンドープでなく、5×1017cm-3にドープされている場合についても同様の結果であった。このように、穴状領域が存在することで、電流の疎密が発生することになる。そして、電流が疎の部分は可飽和吸収体となり、自励発振が実現できる。
【0078】
次に、本発明の第の実施の形態について説明する。図19は本発明の第の実施形態に係わる窒化物系半導体発光素子の概略構成を説明するためのものである。同図において、700はサファイア基板、701はバッファー層、702はn型GaNコンタクト層(Siドープ、3〜5×1018cm-3、4μm)、703はn型AlGaNクラッド層(Siドープ、5×1017cm-3、0. 3μm)、704はn型In0.1 Ga0.9 N/In0.02Ga0.98N多重量子井戸隣接層(Siドープ、5×1017cm-3、井戸幅2nm、障壁幅4nm、20層)、705はIn0.2 Ga0.8 N/In0.05Ga0.95N多重量子井戸活性層(ノンドープ、井戸幅2nm、障壁幅4nm、10層)、706はp型GaN隣接層(Mgドープ、5×1017cm-3、0.1μm)、707はp型AlGaNクラッド層(Mgドープ、5×1017cm-3、0.3μm)、708はp型GaNコンタクト層(Mgドープ、5×1018cm-3、0.5μm)、709はSiO2 膜、710はp側電極、711はn側電極である。
【0079】
n型In0.1 Ga0.9 N/In0.02Ga0.98N多重量子井戸隣接層704は次のように成長させる。成長温度は760℃で、In0.1 Ga0.9 N井戸層の成長にはTMI、TMG、アンモニア、SiH4 を用い、厚さが2nmの井戸層を成長する。次に、1秒間、アンモニアだけを供給した状態で待機したのち、TMI、TMG、アンモニア、SiH4 を用いて厚さが4nmのIn0.02Ga0.98N障壁層を成長する。つぎに再度1秒間の待機時間をおいて井戸層を同様に成長する。このようなプロセスを合計20回繰り返すことでn型In0.1 Ga0.9 N/In0.02Ga0.98N多重量子井戸隣接層704が形成できる。
【0080】
また、 In0.2 Ga0.8 N/In0.05Ga0.95N多重量子井戸活性層705の成長方法は次の通りである。760℃の成長温度で、In0.2 Ga0.8 Nを2nm成長し、1秒間の待機時間を設てIn0.05Ga0.95Nを成長する。このサイクルを合計10回繰り返す。
【0081】
このような成長方法によってn型In0.1 Ga0.9 N/In0.02Ga0.98N多重量子井戸隣接層704とIn0.2 Ga0.8 N/In0.05Ga0.95N多重量子井戸活性層705共に、島状領域を有し、かつ、ピットを有する構造を形成することが可能となる。
【0082】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。例えば、前述した第1から第の実施形態では活性層はノンドープ層であるが、n型あるいはp型にドープされていても良い。またこれに隣接する層はドーピングされていなくても、あるいはn型やp型にドーピングされていても良い。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。
【0083】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明の窒化物系半導体レーザによれば、複雑な構造を用いずに、自励発振を生じる窒化物系半導体発光素子が高い確率で得られる。これによって、低ノイズの特性をもった光ディスク記録の読み出し用半導体レーザとして実用可能な性能を満たした半導体レーザを安価に容易に作成でき、その有用性は絶大である。さらに、同じ構造の窒化物系半導体レーザにより記録媒体からの読み出しおよび書き込みが可能になり読み出し書き込み兼用へッドの構造を飛躍的に単純化できた。
一方、本発明の窒化物系半導体発光ダイオードによれば、発光効率の高い窒化物系発光ダイオードが得られた。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の窒化物系半導体発光素子の第1の実施形態を示す断面図である。
【図2】 図1に示す多重量子井戸隣接層104の面内発光分布を表す模式図である。
【図3】 図1に示す多重量子井戸隣接層104におけるIn組成比とドナー濃度の関係を示すグラフである。
【図4】 図1に示す多重量子井戸隣接層104におけるバンド構造を示す模式図である。
【図5】 図1に示す窒化物系半導体発光素子の光出力に対する自励発振生起割合を示すグラフである。
【図6】 半導体レーザを光ディスクの読み出しに応用した状態を説明する模式図である。
【図7】 本発明の窒化物系半導体発光素子の第2の実施形態を示す断面図である。
【図8】 図7に示す活性層205を透過型電子顕微鏡により観察した結果を表す模式図である。
【図9】 図7に示す窒化物系半導体発光素子の製造条件を示すグラフである。
【図10】 本発明の窒化物系半導体発光素子の第3の実施形態を示す断面図である。
【図11】 図10に示す窒化物系半導体発光素子に用いる基板の構造を示す概略図で、(a)は平面図、(b)は側面図である。
【図12】 図10に示す活性層305の透過型電子顕微鏡による観察の結果を表す模式図である。
【図13】 図10に示す活性層305における島状領域の平均径と半導体発光素子の外部量子効率の関係を示すグラフである。
【図14】 本発明の窒化物系半導体発光素子の第4の実施形態を示す断面図である。
【図15】 本発明の窒化物系半導体発光素子の第5の実施形態を示す断面図である。
【図16】 隣接層が活性層よりもバンドギャップが大きいの場合の電流経路を示す概略図である。
【図17】 2次元のシュミレーションで用いた層構造を示す概略図である。
【図18】 図17に示した素子に対する2次元のシュミレーションにおいて4Vの電圧を印加した時の穴状領域の直下での電流密度の分布図である。
【図19】 本発明の窒化物系半導体発光素子の第の実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
100 サファイヤ基板,
101 n型GaNバッファー層
102 n型GaNコンタクト層
103 n型AlGaNクラッド層
104 n型In0.1 Ga0.9 N/GaN多重量子井戸隣接層
105 In0.3 Ga0.7 N/GaN多重量子井戸活性層
106 p型GaN隣接層
107 p型AlGaNクラッド層
108 p型GaNコンタクト層
109 n型GaN通電障壁層
110 p側電極
111 n側電極
150 レーザ光
152 レンズ
154A 本発明による窒化物系半導体レーザ・ビーム
154B 従来のDVDシステムのレーザ・ビーム
154C コンパクト・ディスクシステムのレーザ・ビーム
160 光ディスク
162 トラック
164 ピット
200 p型SiC基板
201 p型AlNバッフア層
202 p型GaN層
203 p型Al0.3 Ga0.7 Nクラッド層
204 Al0.1 Ga0.9 N隣接層
205 In0.1 Ga0.9 N/Al0.1 Ga0.9 N多重量子井戸活性層
206 Al0.1 Ga0.9 N隣接層
207 n型Al0.3 Ga0.7 Nクラッド層
208 p型GaN電流狭窄層
209 n型GaNコンタクト層
210 n側電極
211 p側電極
300 サファイヤ基板
301 GaNバッファー層
302 p型GaNコンタクト層
303 p型Al0.2 Ga0.8 Nクラッド層
304 p型GaN隣接層
305 In0.3 Ga0.7 N/GaN多重量子井戸活性層
306 n型GaN隣接層
307 n型Al0.2 Ga0.8 Nクラッド層
308 p型GaN通電障壁層
309 n型GaNコンタクト層
310 n側電極
311 p側電極
400 サファイヤ基板
401 GaNバッファ層
402 n型GaNコンタクト層
403 n型 GaN層
404 In0.3 Ga0.7 N/GaN 3MQW活性層
405 p型 GaN層
406 p型GaNコンタクト層
410 p側電極
411 n側電極
412 ITO透明電極
500 サファイア基板
501 バッファ層
502 n型GaNコンタクト層
503 n型AlGaNクラッド層
504 ノンドープGaN隣接層
505 InGaNMQW活性層
506 ノンドープGaN隣接層
507 p型AlGaNクラッド層
508 p型GaNコンタクト層
509 SiO2
510 p側電極
511 n側電極
551 p側電極
552 p型コンタクト層
553 ノンドープGaN層
554 ノンドープInGaN層
555 n型コンタクト層
556 n側電極
P ピット
561 n型GaNコンタクト層
562 n型Al0.15Ga0.85Nクラッド層
563 ノンドープGaN隣接層
564 ノンドープIn0.08Ga0.92N活性層
565 ノンドープGaN隣接層
566 p型Al0.15Ga0.85Nクラッド層
567 p型GaNコンタクト
700 サファイヤ基板
701 バッファー層
702 n型GaNコンタクト層
703 n型AlGaNクラッド層
704 n型In0.1 Ga0.9 N/In0.02Ga0.98N多重量子井戸活性層
705 In0.2 Ga0.8 N/In0.05Ga0.95N多重量子井戸活性層
706 p型GaN隣接層
707 p型AlGaNクラッド層
708 p型GaNコンタクト層
709 SiO2
710 p側電極
711 n側電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a light emitting device using a nitride compound semiconductor such as GaN, AlGaN, InGaN, and the manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
Regarding nitride compound semiconductors, hexagonal crystals grown on a substrate such as sapphire, SiC, and spinel are currently the best crystals. However, since the sapphire substrate and the spinel substrate have low conductivity, both the p-type and n-type electrodes are formed on the surface of the nitride semiconductor. In a high current injection such as a semiconductor laser, a so-called leak current that flows a large amount of current occurs on the surface, and the current that contributes to light emission is small. Furthermore, it is difficult to form a current confinement structure for preventing leakage current and increasing the current density necessary for operating the semiconductor laser at a low current. For this reason, conventionally, a semiconductor laser structure having a low operating current and no leakage current even at high current injection and having high reliability has not been obtained.
[0003]
In addition, a conventional semiconductor laser as a read-out optical head for optical disc recording has a problem of noise due to intensity change during oscillation. For example, a self-oscillation type structure is used as a countermeasure, but an ultra-thin active It is difficult to obtain self-excited oscillation in the layer structure. For this reason, a high-frequency superposition method or a method using two kinds of lasers is adopted, but the structure is complicated. In addition, a method of forming two types of lasers by changing the thickness of the active layer depending on the location has been reported, but this method has a problem that it is extremely difficult to control the thickness of the active layer. In general, a head for reading and writing uses two types of lasers having different outputs, but the structure of both is complicated.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, it has been difficult for a conventional nitride semiconductor laser to easily and inexpensively produce a semiconductor laser satisfying a practical performance as a read-side light head for optical disk recording.
[0005]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a nitride-based semiconductor light-emitting device capable of performing self-excited oscillation with a simple structure, and a method for manufacturing the same, in consideration of the above circumstances.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
  In the first invention of the present application, a mixed crystal layer composed of a ternary or more group III-V compound semiconductor having a hexagonal crystal structure including an active layer and an adjacent layer adjacent thereto is formed on a substrate. In the nitride semiconductor light emitting device, the adjacent layerHas a multiple quantum well structure containing InGaN, and the adjacent layerMake up this adjacent layerindiumDotted with islands with higher concentrations ofThe island regionThe nitride-based semiconductor light-emitting device is characterized in that the maximum diameter is 100 nm or less and the impurity concentration of the island-like region is lower than the impurity concentration of the peripheral portion.
[0007]
The second invention of the present application is the nitride according to the first invention, wherein the active layer is dotted with hole-like regions, and the hole-like regions are filled with a semiconductor forming the adjacent layer. This is a semiconductor light emitting device.
[0008]
  A third invention of the present application is the nitride-based semiconductor light-emitting element according to the first invention, wherein the adjacent layers are dotted with hole-like regions.The
[0009]
  No. of this application4In the present invention, the active layer has a multi-quantum well structure, and the active layer constitutes the active layer.indiumThe island-like regions having a higher concentration than that of the surrounding region are dotted, and the island-like regions have the same band gap as that of the material surrounding the region, or have a band gap that is small by a difference within 10 meV. A nitride-based semiconductor light-emitting device according to the first aspect of the invention.
[0010]
  No. of this application5In the invention, the impurity is at least one of Si, C, Ge, Sn, and Pb.4The nitride-based semiconductor light-emitting device described in the invention.
[0011]
No. of this application6According to the invention, λm = 2nd (m = 1, 2, 3, 4) where d is the distance between the island regions, n is the refractive index of the periphery thereof, and λ is the emission wavelength of the island regions. Said first having4The nitride-based semiconductor light-emitting device described in the invention.
[0012]
  No. of this application7In the invention of the present invention, the active layer is dotted with hole-like regions, the hole-like regions are embedded with a semiconductor forming the adjacent layer, and the adjacent layer is dotted with hole-like regions, The hole-shaped region is buried by a semiconductor forming a layer adjacent to the adjacent layer and not on the active layer side.4Thru6The nitride-based semiconductor light-emitting device described in the invention.
[0017]
  No. of this application9According to the present invention, a nitride layer is formed by laminating a mixed crystal layer composed of a ternary or more group III-V compound semiconductor having a hexagonal crystal structure, including an active layer and an adjacent multiple quantum well layer on the substrate. In the method for manufacturing a physical semiconductor light emitting device, the multiple quantum well adjacent layer has a multiple quantum well structure containing InGaN, and the source gas for growing the well layer and the source gas for growing the barrier layer are alternately used. The well layer and the barrier layer are alternately grown by supplying for a predetermined time, and a predetermined waiting time is provided between the growth of the well layer and the growth of the barrier layer. Nitride-based semiconductor having island-like regions having a maximum diameter of 100 nm or less, the concentration of indium constituting the quantum well adjacent layer being higher than that of the periphery and lower than the impurity concentration of the periphery. Light emission It is a manufacturing method of an element.
[0018]
  No. of this application10According to the present invention, the source gas for growing the well layer is trimethylindium, trimethylgallium and ammonia gas, and the source gas for growing the barrier layer is trimethylgallium and ammonia gas.9This is a method for manufacturing the nitride-based semiconductor light-emitting device described in the invention.
[0019]
  No. of this application13According to the present invention, a nitride layer is formed by laminating a mixed crystal layer composed of a ternary or more group III-V compound semiconductor having a hexagonal crystal structure, including an active layer and an adjacent multiple quantum well layer on the substrate. When manufacturing a physical semiconductor light emitting device by vapor phase growth using an organic metal, trimethylindium, trimethylgallium and ammonia gas are used as the raw material gas for the vapor phase growth, the growth temperature is set to 700 ° C. or higher and 850 ° C. or lower, In addition, the sum of all the raw material gases and the carrier gas flow rate is 10 to 50 liters per minute in standard conversion, and the molar flow rate ratio of the group V element to the group III element is 1000 to 15000,After the epitaxial growth of the active layer and further raising the temperature while flowing hydrogen, nitrogen, and ammonia, the hole-like regions formed in the active layer are filled with the semiconductor that forms the adjacent layer of the multiple quantum well.And a method for manufacturing a nitride-based semiconductor light-emitting device.
[0020]
In summary, according to the present invention, the self-excited oscillation is generated by making the active layer of the nitride semiconductor light emitting device or the adjacent layer adjacent to the active layer into a saturable absorption region.
[0021]
Therefore, according to the present invention, self-excited oscillation can be generated without using a complicated structure, and a read semiconductor laser for optical disk recording having low noise characteristics can be formed. Further, writing can be made with the same structure as that for reading, and the structure of the head for both writing and reading can be simplified.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a nitride-based semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention. In the figure, 100 is a sapphire substrate, 101 is an n-type GaN buffer layer (Si dove, 3-5 × 1018cm-3, 0.1 μm), and 102 is an n-type GaN contact layer (Si dove, 3-5 × 1018cm-34 μm) and 103 are n-type AlGaN cladding layers (Si-doped, 5 × 1017cm-3, 0.3 μm), 104 is n-type In0.1 Ga0.9 N / GaN multiple quantum well Adjacent layer (Si dove, 5 × 1017cm-3Well width 2 nm, barrier width 4 nm, number of pairs 3), 105 is In0.3 Ga0.7 N / GaN multiple quantum well active layer (undoped, well width 2 nm, barrier width 4 nm, number of pairs 3), 106 is a p-type GaN adjacent layer (Mg doped, 5 × 1017cm-3, 0.1 μm), 107 is a p-type AlGaN cladding layer (Mg-doped, 5 × 1017cm-3, 0.3 μm), 108 is a p-type GaN contact layer (Mg-doped, 1-3 × 1018cm-3, 0.5 μm), 109 is an n-type GaN conduction barrier layer (Si-doped, 1 × 1018cm-30.3 μm), 110 is a p-side electrode, and 111 is an n-side electrode.
[0023]
The manufacturing method of the semiconductor laser shown in FIG. 1 is as follows. First, the n-type GaN buffer layer 101 to the n-type GaN layer 109 are grown on the sapphire substrate 100 by vapor phase growth (Metal Organic Chemical Deposition: MOCVD) using an organic metal. Thereafter, a mask is partially formed on the n-type GaN layer 109 by photolithography, and etching is performed until the p-type AlGaN cladding layer 107 is exposed. Next, the p-type GaN contact layer 108 is grown. Thereafter, in order to form the n-type GaN contact layer 102, the portion where the n-type GaN contact layer 102 is to be formed is covered with a mask and removed by etching. The nitride semiconductor laser having the structure of FIG. 1 can be manufactured by removing the mask and forming the n-side electrode 111 and the p-side electrode 110.
[0024]
Here, the n-type In0.1 Ga0.9 The N / GaN multiple quantum well adjacent layer 104 (Si-doped, well width 2 nm, barrier width 4 nm, number of pairs 3) is grown as follows. Growth temperature is 760 ° C, In0.1 Ga0.9 For the growth of the N layer, TMI (trimethylindium), TMG (trimethylgallium), ammonia gas, and silane are used, and growth is performed for 8 seconds under the condition that a growth rate of 1 μm / h is obtained by normal thick film growth. As a result, a well layer having a width of 2 nm is formed. Next, the substrate is grown for 18 seconds using TMG (trimethylgallium), ammonia gas, and silane with a waiting time of 1 second under the same growth rate conditions. As a result, a barrier layer having a width of 4 nm is formed. Thereafter, the same process was repeated three times to form three pairs of well layers and barrier layers.
[0025]
In the multi-quantum well adjacent layer 104 grown in this way, it has been found that a portion having a locally large In composition is formed in the in-plane direction of the layer.
FIG. 2 is a schematic diagram showing the in-plane distribution of the emission wavelength of the well layer of the multiple quantum well adjacent layer 104 by the cathode luminescence method. That is, in the figure, light emission having a wavelength longer than that of the surroundings was observed in the hatched region. In general, the wavelength of light emission obtained by the cathodoluminescence method varies depending on the composition of the target. Here, the greater the indium content, the longer the emission wavelength. That is, it was found that the multiple quantum well adjacent layer 104 has an island-like region having a high indium composition in the plane. As a result of examining the distribution state and the emission wavelength in detail, it is found that in each well layer of the multiple quantum well adjacent layer 104, a large number of island-like regions having a diameter of about 2 nm and an indium composition of about 30% are formed. It was. This island-like region has more In than the periphery, and has almost the same band gap as the band gap corresponding to the emission wavelength from the active layer 105. In addition, the multiple quantum well layer 104 is doped with silicon (Si) as described above. However, as shown in FIG. 3, the region having a high indium concentration is unlikely to contain silicon, and as a result, The carrier concentration in the portion where the indium concentration is high is low.
[0026]
FIG. 4 is a schematic diagram showing a state of a conduction band of an InGaN well layer and a GaN barrier layer pair in the multiple quantum well adjacent layer 104. That is, in the figure, the horizontal direction indicates the distance in the thickness direction of the adjacent layer 104, and the vertical direction indicates the energy level. As shown in the figure, the GaN barrier layer has a high concentration of donors and the energy band is greatly curved. Since the energy band is curved in this manner, the confinement of carriers in the InGaN well layer in this portion becomes weak for electrons having a small effective mass, and no light emission occurs. Further, when the active layer 105 emits light, absorption occurs in a portion with a large In composition in the adjacent layer 104, but the absorption occurs in a minute island-shaped region. Therefore, the adjacent layer 104 enters a saturable absorption state and a self-oscillation state. Such a self-excited oscillation state persisted even under high output conditions. If the impurity contained in the adjacent layer 104 is any one of n-type impurities such as silicon (Si), carbon (C), germanium (Ge), tin (Sn), and lead (Pb), There were no adverse effects such as an increase in threshold.
[0027]
The laser of this embodiment oscillated at room temperature at a threshold of 20 mA. The oscillation wavelength was 420 nm and the operating voltage was 3.8V. At 50 mW, the S / N was improved to 130 dB compared with 20 dB of the conventional semiconductor laser not using this structure. In addition, high output is difficult with a thick active layer self-pulsation type laser in which a saturable absorption layer is provided in the vicinity of a conventional active layer, but in this embodiment, output can be output in a stable transverse mode up to 200 mW. It was.
[0028]
Next, the present inventor manufactured a large number of nitride lasers of the present invention in which island-shaped absorption regions were formed by the above-described manufacturing method, and investigated the rate of occurrence of self-excited oscillation.
FIG. 5 is a graph showing the ratio of nitride-based semiconductor light-emitting elements in which self-oscillation occurs when the manufactured nitride-based semiconductor laser emits light while changing the light output. In the figure, the horizontal axis indicates the optical output, and the vertical axis indicates the ratio of nitride-based semiconductor light-emitting elements that have caused self-excited oscillation. Black circles in the figure represent the nitride-based semiconductor light-emitting device of the present invention. White circles in the figure are comparative examples, and show nitride-based semiconductor light-emitting elements in which layered absorption regions are formed instead of island-shaped absorption regions. This comparative example will be described in more detail. When viewed from the active layer, an In layer having a thickness of 10 nm is formed outside the guide layer.0.25Ga0.75An N absorption layer was provided.
[0029]
From FIG. 4, in the comparative example in which the layered absorption region is provided, the rate of occurrence of self-oscillation is low and is not stable, whereas the nitride-based semiconductor of the present invention in which the island-shaped absorption region is formed It can be seen that the light-emitting element has a stable and high probability of obtaining a nitride-based semiconductor light-emitting element that generates self-excited oscillation from low output to high output.
[0030]
FIG. 6 is a schematic diagram for explaining a state in which the semiconductor laser according to the present invention is applied to data reading from an optical disk. That is, in the figure, a laser beam 150 is emitted from a semiconductor laser element (not shown), is focused by a lens 152, and enters the optical disc 160. On the surface of the optical disk 160, tracks 162 are provided on concentric circles, and pits 164 are formed along the tracks 162. The reflectance of the laser light focused by the lens 152 changes depending on the presence or absence of the pit 164, and is detected by a light receiving unit (not shown). Here, when a laser beam having a wavelength of 420 nm obtained from the nitride-based semiconductor laser according to the present invention is used, an extremely thin beam 154A can be obtained by being focused by a lens as shown in FIG. For comparison, the figure shows a conventional laser beam 154B of a DVD system (wavelength: λ = 650 nm, aperture ratio: NA = 0.6) and a compact disk system (wavelength: λ = 780 nm, aperture). Laser beam 154C with a ratio: NA = 0.45). As is clear from these comparisons, when the nitride-based semiconductor laser of the present invention is used, a very focused laser beam can be obtained, and the distance between the tracks 162 and the distance between the pits 164 in the optical disk 160. Can be reduced respectively. As a result, the recording capacity can be increased about three times as compared with the conventional DVD system.
[0031]
Furthermore, according to the nitride semiconductor laser of the present invention, reading and writing from an optical recording medium can be performed by the same nitride semiconductor laser. That is, since the semiconductor laser of the present invention easily generates self-excited oscillation, data reading can be stably performed with low noise, and further, a high output operation is possible, so that a data writing operation is also performed. be able to. As a result, the structure of the pickup head that can be used for both reading and writing data can be greatly simplified.
[0032]
In the above-described example, the multi-quantum well adjacent layer 104 includes three pairs of well layers and barrier layers. However, the number of pairs can be determined as appropriate depending on the layer thickness and the In composition. Further, the barrier layer is not limited to GaN, and may be a material containing In, Al, or the like.
[0033]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a nitride-based semiconductor laser according to the second embodiment of the present invention. In the figure, 200 is a p-type SiC substrate, 201 is a p-type AlN buffer layer (Mg-doped, 3-5 × 1020cm-3, 0.1 μm), 202 is a p-type GaN layer (Mg-doped, 1 × 1019cm-34 μm), 203 is p-type Al0.3 Ga0.7 N clad layer (Mg dove, 5 × 1017cm-3, 0.3 μm), 204 is Al0.1 Ga0.9 N adjacent layer (undoped, 0.1 μm), 205 is a multiple quantum well active layer In0.1 Ga0.9 N / Al0.1 Ga0.9 N (undoped, well width 1 nm, barrier width 2 nm, number of pairs 3), 206 is Al0.1 Ga0.9 N adjacent layer (undoped, 0.1 μm), 207 is n-type Al0.3 Ga0.7 N clad layer (Si doped, 5 × 1017cm-3, 0.3 μm), 208 is a p-type GaN current confinement layer (Mg-doped, 5 × 1017cm-3, 0.1 μm), 209 is an n-type GaN contact layer (Si-doped, 1-3 × 1019cm-30.1 μm), 210 is an n-side electrode, and 211 is a p-side electrode.
[0034]
The manufacturing method of this nitride semiconductor laser is as follows. First, a p-type GaN current confinement layer 208 is grown by MOCVD, and then a mask (not shown) is partially formed on the p-type GaN current confinement layer 208 by photolithography.0.3 Ga0.7 Etching is performed until the N clad layer 207 is exposed. Next, the p-type GaN contact layer 209 is grown. Electrodes are formed on both sides, and then the cavity facets are formed by cleavage.
[0035]
In this embodiment, In0.1 Ga0.9 N / Al0.1 Ga0.9 The N multiple quantum well active layer 205 is also manufactured by the same process as the multiple quantum well adjacent layer 104 of the above-described embodiment. Specifically, TMG, TMI, and ammonia gas are used for the growth of InGaN, TMA (trimethylaluminum), TMG, and ammonia gas are used for the growth of the AlGaN layer, the growth temperature is 860 ° C., and the V / III ratio of the raw material About 170, and the growth interruption time in each layer is 1 second, and the growth is repeated three times. As a result, a multiple quantum well layer having a well thickness of 2 nm, a barrier thickness of 4 nm, and a pair number of 3 can be formed.
[0036]
By such a process, a region having a locally large indium (In) composition is also formed in the well layer portion of the multiple quantum well active layer 205. Specifically, in each well layer, a large number of island-like regions having a diameter of 2 nm and an In composition of about 20% are distributed in the plane. In this region, since there is more In than in the periphery, the lattice constant is shifted and distortion is applied. As a result, although the In content is large, the band gap is only 10 meV or less different from the surrounding region. When current is injected into this semiconductor laser, light emission is efficiently performed in this island-shaped region having a high In composition because the dopant Si is low and the conductivity is low.
[0037]
FIG. 8 is a schematic diagram showing a result of observing the active layer 205 with a transmission electron microscope. That is, in the active layer 205, island-like regions whose In concentration is higher than that of the periphery are regularly arranged in the in-plane direction. The diameter of the indium high-concentration composition region was approximately 70 nm, and the interval was approximately 200 nm. Further, as a result of experiments by the inventors, it has been found that the interval between the island regions can be controlled by changing the growth conditions.
[0038]
When the interval between the island regions is d and the refractive index of the periphery of the island regions is n, if the emission wavelength of the high concentration region is λ, then d = λm / 2n (m = 1, 2, 3 In the case of 4), the self-excited oscillation was able to occur most stably. When m exceeds 4, the stability of self-oscillation is reduced. This is usually considered to be due to selection of a large number of oscillation modes.
[0039]
According to the present embodiment, self-excited oscillation can be performed without using a complicated structure such as a distributed feedback laser, mode hopping can be suppressed, and low noise can be realized. I understood.
[0040]
FIG. 9 is a graph showing optimum growth conditions in each of the emission wavelengths of 400 to 430 nm. In other words, the horizontal axis in the figure is the growth temperature (° C.), and the vertical axis is the In content ratio (%), and the respective In content ratio in the solid layer and the optimum conditions for the growth temperature are shown for each emission wavelength. Show.
[0041]
There are few donors in the island-like indium high concentration region formed in the active layer. Therefore, the island-shaped region has high emission efficiency, and further promotes the stable existence of excitonic molecules (dipoles) with high emission efficiency due to the quantum confinement effect. As a result, the island-like region having a high In concentration is very small in volume, but an inversion distribution sufficient for laser oscillation can be formed. On the other hand, in the low In region around the region where the In concentration is high, the band gap is larger than that of the island region, but there are donors. Become. This state persisted even at high output.
[0042]
As for impurities doped in the active layer, the threshold value increased except for n-type Si, C, Ge, Sn, and Pb, which was not practical. On the other hand, in the case of Si, particularly high luminous efficiency was obtained.
[0043]
In the semiconductor laser of this structure, an oscillation wavelength of 375 nm was obtained at a threshold value of 10 mA, a fundamental transverse mode oscillation was observed, and stable operation up to 5000 hours was confirmed. In the present embodiment, SiC is used as the substrate, but any conductive substrate may be used. In the case of a ZnO substrate, further excellent current-voltage characteristics are obtained. The current confinement layer 208 may be provided on the substrate 200 side with respect to the active layer 205 or may be provided on both sides of the active layer 205. The material of the current confinement layer may be a material having a higher refractive index than that of the contact layer.
[0044]
Next, a third embodiment of the present invention will be described.
FIG. 10 is a sectional view of a nitride semiconductor laser showing the third embodiment of the present invention. In the figure, 300 is a sapphire substrate, 301 is a GaN buffer layer (0.01 μm), and 302 is a p-type GaN contact layer (Mg-doped, 3 to 5 × 1018cm-31 μm), 303 is p-type Al0.2 Ga0.8 N clad layer (Mg doped, 5 × 1017cm-3, 0.3 μm), 304 is a p-type GaN adjacent layer (Mg-doped, 5 × 1017cm-3, 0.1 μm), 305 is In0.3 Ga0.7 N / GaN multiple quantum well active layer (undoped, well width 2 nm, barrier width 4 nm, number of pairs 3), 306 is an n-type GaN adjacent layer (Si doped, 5 × 1017cm-3, 0.1 μm), 307 is n-type Al0.2 Ga0.8 N clad layer (Si doped, 5 × 1017cm-3, 0.3 μm), 308 is a p-type GaN conduction barrier layer (Mg doped, 1 × 1018cm-3, 0.3 μm) and 309 are n-type GaN contact layers (Si-doped, 1 to 3 × 1018cm-30.5 μm), 310 is an n-side electrode, and 311 is a p-side electrode.
[0045]
The outline of the manufacturing method is described below. Crystal growth was performed by the MOCVD method. First, a GaN buffer layer 301 is grown on a sapphire substrate 300 by MOCVD. As shown in FIGS. 11A and 11B, a sapphire substrate 300 having a slit 320 is used. It was. Here, the opening of the cut 320 can be, for example, about 250 μm × 30 μm, and the interval between the cuts can be about 250 μm.
[0046]
In the present embodiment, first, the GaN buffer layer 301 is grown on the sapphire substrate 300 under the condition that the lateral growth rate is increased. That is, at the time of crystal growth, the growth of the GaN atoms on the substrate surface is increased by making the growth temperature sufficiently higher than the supply rate of GaN. By growing the buffer layer 301 under such conditions, the cut 320 of the sapphire substrate 300 is blocked by the GaN buffer layer 301.
[0047]
Thereafter, growth is sequentially performed from the p-type GaN contact layer 302 to the p-type GaN conduction barrier layer 308 in a normal growth state. After the growth up to the p-type GaN conduction barrier layer 308, a mask (not shown) is partially formed on the p-type GaN conduction barrier layer 308 by photolithography to form an n-type Al.0.2 Ga0.8 Etching is performed until the N clad layer 307 is exposed. Next, the mask is removed, and an n-type GaN contact layer 309 is grown. Ni and Au are vapor-deposited on the contact layer 309 to form the n-side electrode 310. Further, the GaN buffer layer 301 is removed from the lower surface side of the substrate 300 by etching, and Pt, Ti, and Au are sequentially deposited to form the p-side electrode 311. In order to use this as a laser element, an end face (not shown) is formed by cleavage, and the semiconductor light emitting element is separated by dicing to obtain the semiconductor laser of FIG. Although not shown in the drawings, the end face is coated with a highly reflective coating made of a dielectric multilayer film.
[0048]
Next, the In in the present embodiment0.2 Ga0.8 Specific growth conditions for the N / GaN multiple quantum well active layer 305 will be described. The growth temperature is 740 ° C., the InGaN layer uses TMG, TMI, and ammonia gas, and the GaN layer uses TMG and ammonia gas. InGaN well layer has a growth rate of In0.2 Ga0.8 The GaN barrier layer grows for 20 seconds while stopping TMI under the growth condition of 1 μm / h obtained by N thick film growth. Further, a waiting time of 1.5 seconds is provided between the growth of the InGaN well layer and the GaN barrier layer. The growth rate differs between the thick film and the thin film such as the quantum well even if the growth conditions are the same, because the growth rate is different in the initial stage of growth. By performing such growth, In0.2 Ga0.8 In the N / GaN multiple quantum well active layer 305, a portion having a locally large In composition is formed in the well layer portion. Specifically, a large number of regions having a diameter of 2 nm and an In composition of about 30% are formed in each well layer. This region is distorted due to a large amount of In as compared with the surrounding area. This causes a large amount of In, but the band gap is only 10 meV or less different from the surrounding region. When current injection is performed on this nitride-based semiconductor laser, in this region where the In composition is high, the dopant Si is small, the conductivity is low, and carriers are injected mainly in the vicinity thereof.
[0049]
FIG. 12 is a schematic diagram showing a result of observation of the active layer 305 with a transmission electron microscope. That is, as a result of observing the lattice image with an electron microscope, it was observed that island layers having a diameter of several nm were scattered in the active layer 305. As a result of examining the composition of this island-shaped region using the characteristic X-ray spectrum analysis method, it was confirmed that the In concentration was higher than the surroundings. Furthermore, as a result of observation by the cathodoluminescence method, emission points regularly arranged corresponding to the island-like regions were observed.
[0050]
The reason why such island-shaped regions are formed is thought to be because island-shaped growth occurs in order to grow InGaN that does not lattice match with GaN on GaN. Here, the present inventor examined the relationship between the diameter of the island-like region formed under various growth conditions and the external quantum efficiency of the semiconductor laser.
[0051]
FIG. 13 is a graph showing the relationship between the size of the island region and the external quantum efficiency. That is, in the figure, the vertical axis represents the external quantum efficiency, and the horizontal axis represents the average diameter of the island regions. As can be seen from the figure, the external quantum efficiency tends to increase as the diameter of the island region decreases. In order to obtain a particularly high external quantum efficiency, it is desirable that the diameter of the island-shaped region is 100 nm or less. It has been found that when the diameter of the island-shaped region is further increased, the luminous efficiency is remarkably lowered as shown in FIG.
[0052]
Next, as a result of examining in detail the two-dimensional distribution of the indium concentration in the island region and its peripheral part, the present inventor found that the island region has a diameter of 100 nm or less. It was found that the indium concentration needs to change at a rate of 10% or more every 2 nm. That is, it has been found that an island-shaped region having a diameter of 100 nm or less can exist when there is a further sharp increase in indium concentration at the end of the island-shaped region.
[0053]
Since the high In composition portion in the active layer has few donors, the portion with a high In composition has good light emission efficiency. In addition, the quantum confinement effect promotes the stable existence of excitonic molecules with good emission efficiency. Thereby, the island-like high In region can form a population inversion sufficient to oscillate although it is minute in volume. The low In region around the island-like high-concentration region has a band gap larger than that of the island-like high-concentration region, but because of the presence of donors, it acts as a saturable absorption layer and becomes a self-excited oscillation state. . This state persisted even at high output.
[0054]
As impurities to be doped into the active layer, the threshold value increased except for n-type Si, C, Ge, Sn, and Pb, which was not practical.
In this embodiment, since the laterally grown GaN buffer layer 301 is provided under the active layer, there are extremely few dislocations and defects. As a result, the leakage current is suppressed, and the semiconductor light emitting device is hardly broken.
[0055]
The semiconductor laser of this embodiment oscillated continuously at room temperature with a threshold of 20 mA, the oscillation wavelength was 420 nm, and the operating voltage was 3.8V. Further, the S / N at the time of 50 mW operation is significantly improved to 130 dB as compared with 20 dB of the conventional semiconductor laser not using this structure by performing self-excited oscillation. Further, since a quantum well structure is employed for the active layer, a high output of 200 mW was obtained by self-excited oscillation, and 300 mW was obtained when the self-excited oscillation was not maintained. In addition, the lifetime of the semiconductor light emitting device is expected to be 100,000 hours or more due to the deterioration tendency in the life test, and low noise, high output, and high reliability can be realized.
[0056]
In this embodiment, a sapphire substrate is used as the substrate, or quartz glass, diamond, BN, or the like may be used. Further, when an MBE (Molecular Beam Epitaxy) method is used as a growth method, Pyrex glass, ZnO, or the like can also be used as a substrate.
[0057]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.
FIG. 14 is for explaining a schematic configuration of a nitride-based semiconductor light emitting diode (LED) according to the fourth embodiment of the present invention. In this figure, 400 is a sapphire substrate, 401 is a GaN buffer layer (3-5 × 1018cm-3, 4 μm), 402 is an n-type GaN contact layer (Si-doped, 1 × 1018cm-3, 2 μm), 403 is an n-type GaN layer (Si-doped, 5 × 1017cm-3, 0.1 μm), 404 is In0.3 Ga0.7 N / GaN 3MQW active layer (Si-doped, well layer 2 nm, barrier layer 4 nm), 405 is a p-type GaN layer (Mg-doped, 5 × 1017cm-3, 0.1 μm), 406 is a GaN contact layer (Mg-doped, 3 × 1018cm-30.05 μm), 410 is a p-side electrode, 411 is an n-side electrode, and 412 is an ITO (Indium Tin Oxide) transparent electrode.
[0058]
Each semiconductor layer in the figure was grown by MOCVD. During the growth of the active layer 404, each In0.3 Ga0.7 After the growth of the N well layer, an island-like region having a high In concentration was created by providing a growth interruption time of 1 to 3 seconds. Growth other than the active layer was performed by the usual growth method. After the growth, the portion that becomes the p-electrode is masked and dry-etched until the n-type GaN contact layer 402 is exposed to form a mesa shape. The mask is removed, and there is no SiO2 Was attached. A transparent semiconductor electrode was formed on the top surface of the mesa shape, and a p-side electrode 410 was formed in a part far from the n-side electrode 411, and an n-side electrode 411 was formed, thereby obtaining a semiconductor light emitting device structure.
After the fabrication, the light emitting device was disassembled and the active layer portion was observed with a transmission electron microscope. As a result, a region where In was higher than the surrounding area was observed in the well layer portion, and the region was approximately 4 nm in diameter. Further, when examined by characteristic X-rays, it was found that this high concentration region contained about 10% more In concentration than the surrounding region with low In concentration.
The operating voltage of the device was 2.7 V, and the optical output was 10 mW at 10 mA. In addition, it was 50 mW at 100 mA. Luminous efficiency was good and the external quantum efficiency reached 30%. Such a high-efficiency device with high emission intensity was realized because carriers injected into the high In concentration region in the active layer were confined in the high In concentration region and non-radiative recombination occurred. This is because of recombination.
In this embodiment, only blue is used as the light source. However, by increasing the amount of In in the active layer, it is possible to emit light up to a wavelength close to red light, and if filters are used, the three primary colors of red, green, and blue can be obtained. A GaN-based full-color light emitting device can also be realized.
[0059]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described.
FIG. 15 is a view for explaining a schematic configuration of a nitride-based semiconductor light-emitting device according to the fifth embodiment of the present invention. In the light emitting device shown in the figure, on the sapphire substrate 500, a buffer layer 501, an n-type GaN contact layer (Si-doped, 3 to 5 × 1018cm-34 μm) 502, n-type AlGaN cladding layer (Si doped, 5 × 1017cm-3, 0.3 μm) 503, non-doped GaN adjacent layer (0.1 μm) 504, InGaN multiple quantum well (MQW) active layer 505, non-doped GaN adjacent layer (0.1 μm) 506, p-type AlGaN cladding layer (Mg-doped, 5 × 1017cm-3, 0.3 μm) 507, p-type GaN contact layer (Mg-doped, 5 × 1018cm-3, 0.5 μm) 508, SiO2 A (silicon dioxide) film 509 is sequentially stacked. Reference numeral 510 denotes a p-side electrode, and 511 denotes an n-side electrode.
[0060]
The manufacturing method is as follows. A buffer layer 501 is grown on the substrate 500 by MOCVD, and then an n-type GaN contact layer 502 is formed using TMG (trimethylgallium), TMA (trimethylaluminum), ammonia, hydrogen, and nitrogen at a growth temperature of 1100 ° C. An n-type AlGaN cladding layer 503 and a non-doped GaN adjacent layer 504 are sequentially stacked.
[0061]
Next, the supply of the group III source gas is stopped, and the substrate temperature is lowered to 760 ° C. At this temperature, TMG was kept at -15 ° C., hydrogen gas was used as a carrier gas, 10 cc / min, ammonia at 10 ° C./min at 20 ° C., and nitrogen at 19.7 L / min. In addition, TMI (trimethylindium) was added. The InGaN multiple quantum well active layer 505 is grown by repeatedly switching and supplying 20 times at 1.5 ° C. in combination of 500 cc / min and 15 cc / min with nitrogen as a carrier gas at 37 ° C.
[0062]
Thereafter, the growth was stopped by stopping the supply of TMG and TMI, and the temperature was increased to 1100 ° C. over 4 minutes while flowing hydrogen at 40 cc / min, nitrogen at 19.96 L / min, and ammonia at 10 L / min. Warm up. Subsequently, the temperature is maintained at 1100 ° C., and hydrogen is supplied at 500 cc / min, nitrogen is supplied at 14.5 L / min, TMG is supplied at 100 cc / min, and ammonia is supplied at 10 L / min to stack the non-doped GaN adjacent layer 506. After this, Cp2 Mg (biscyclopentadienyl magnesium) and TMA are added to form a p-type AlGaN cladding layer 507, and then the supply of TMA is stopped to form a p-type GaN contact layer 508. After this, SiO2 The nitride-based semiconductor light-emitting device shown in FIG. 15 is completed through steps such as deposition of film 509, photolithography, etching, vapor deposition of p-side electrode 510 and n-side electrode 511, and alloy.
[0063]
In the above-described process, the growth temperature is increased to 760 ° C. after the adjacent layer 504 is grown, but this temperature is preferably 700 ° C. or higher and 850 ° C. or lower. The reason for this will be described below.
[0064]
In order to investigate the growth conditions of InGaN, the inventor first sets the total flow rate of the source gas and the carrier gas to 30 liters per minute, sets the gas flow rate ratio of the group V element to the group III element to 8400, InGaN was grown at various growth temperatures. When this was evaluated by photoluminescence (Photo Luminescence: PL), as shown in Table 1, PL light having a sufficient intensity could be observed in the range of 700 ° C. to 850 ° C. When the growth temperature is lower than 700 ° C., the growth becomes insufficient and the PL emission intensity does not increase. When the growth temperature exceeded 850 ° C., the crystal was damaged, so that the PL emission intensity was extremely reduced.
[0065]
[Table 1]
Figure 0003904709
[0066]
Next, the inventor fixed the growth temperature at 760 ° C., set the sum of the flow rates of the source gas and the carrier gas to 30 liters per minute, and investigated the dependence of the group V element and the group III element on the molar flow rate ratio. . As a result, as shown in Table 2, when the molar flow ratio of the group V element to the group III element was 1000 or more and 15000 or less, PL light emission with sufficient intensity was observed.
When the molar flow rate ratio of the group V element and the group III element is less than 1000, the PL emission intensity does not increase because the reaction does not sufficiently occur.
If the molar flow ratio of the group V element to the group III element exceeds 15000, the group V element is interrupted and reacts with the crystal lattice to which the group III element should react, and the group III element cannot sufficiently react. The PL emission intensity was extremely reduced.
[0067]
[Table 2]
Figure 0003904709
[0068]
Furthermore, the growth temperature was fixed at 760 ° C., the flow rate ratio of the Group V element to the Group III element was 8400, and the dependence on the total flow rate per minute of all the source gases and the carrier gas was examined. Thus, when the total flow rate per minute was 10 liters or more and 50 liters or less, sufficient PL emission was observed. When the total flow rate per minute is less than 10 liters, the PL emission intensity does not increase because the reaction does not sufficiently occur. When the total flow rate per minute exceeded 50 liters, the flow rate increased and sufficient reaction time could not be obtained, so that the PL emission intensity was extremely reduced.
[0069]
[Table 3]
Figure 0003904709
[0070]
In this embodiment, neither the InGaN multiple quantum well active layer 505 nor the non-doped GaN adjacent layer 506 is intentionally doped. According to experiments by the present inventors, it has been found that when grown as described above, the GaN layer has a higher resistance than the InGaN layer. Further, when a cross section of the grown layer was observed with a TEM (transmission electron microscope), a hole-like region (pit) was present in the InGaN multiple quantum well active layer 505, and this pit was buried by the non-doped GaN adjacent layer 506. It was found that it was flattened. Therefore, according to the semiconductor light emitting device of the above-described embodiment, self-excited oscillation occurs according to the principle described below.
[0071]
That is, due to the presence of the hole-shaped region in the active layer, the current flowing in the active layer is distributed, and the low current density region becomes the saturable absorption region, so that self-excited oscillation occurs. This will be described in detail below.
[0072]
FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing the flow of injected current in the light emitting device of this embodiment. In the figure, for the sake of easy understanding, a simplified structure of the light emitting element shown in FIG. 16 will be described as an example. As shown in FIG. 16, there is a heterojunction between the non-doped GaN layer 553 and the non-doped InGaN layer 554, and there is a hole (pit) P at the interface on the non-doped InGaN layer 554 side. A p-side electrode 551 and an n-side electrode 556 are connected to both via a p-type contact layer 552 and an n-type contact layer 555, respectively.
[0073]
Assuming that a voltage is applied to both electrodes in the forward direction, the non-doped GaN layer 553 has a larger band gap than the non-doped InGaN layer 554, so that the current flows as indicated by the arrows in FIG. The current density in the portion below the hole-shaped region of 554 is sparse compared to the current density in other regions.
[0074]
In order to verify this phenomenon, the present inventor performed a two-dimensional simulation and examined the current distribution. FIG. 17 shows the layer structure used in the simulation. The layer structure mimics the laser structure and is 5 × 1018cm-3Doped n-type GaN contact layer 561, 5 × 1017cm-3Doped n-type Al with a thickness of 0.3 μm0.15Ga0.85N-cladding layer 562, non-doped GaN adjacent layer 563 with a thickness of 0.1 μm, non-doped In with a thickness of 0.1 μm0.08Ga0.92N active layer 564, 0.1 μm thick non-doped GaN adjacent layer 565, 5 × 1017cm-3Doped p-type Al with a thickness of 0.3 μm0.15Ga0.85N clad layer 566, 5 × 1018cm-3And a p-type GaN contact layer 567 having a thickness of 0.1 μm. Non-doped In0.08Ga0.92Hole-like regions (pits) P having a width of 0.1 μm and a depth of 0.05 μm are arranged at an interval of 1 μm at the interface of the N active layer 564 in contact with the non-doped GaN adjacent layer 563. Although the actual pit shape is not necessarily such a rectangle, a simulation was performed with such a shape for the sake of simplicity of calculation. Needless to say, the difference in shape does not have a substantial effect on the simulation results.
[0075]
FIG. 18 shows the distribution of current density immediately below the hole-like region (pit) when a voltage of 4 V is applied to such a structure. The current density is reduced by 30% or more in the pit portion. Thus, it has become clear that the current density is brought about by the presence of the hole-like region. Then, such a current distribution is generated, and when laser oscillation occurs, first, oscillation starts at a portion where the current is dense, and a portion where the current is sparse becomes a saturable absorber. Note that the adjacent layer is not non-doped and is 5 × 10 5.17cm-3The same result was obtained when the material was doped. As described above, the presence of the hole-shaped region causes current density. The portion where the current is sparse becomes a saturable absorber, and self-oscillation can be realized.
[0078]
  Next, the first of the present invention6The embodiment will be described. Figure19Is the first of the present invention6This is for explaining a schematic configuration of the nitride-based semiconductor light-emitting device according to the embodiment. In the figure, 700 is a sapphire substrate, 701 is a buffer layer, 702 is an n-type GaN contact layer (Si-doped, 3 to 5 × 1018cm-34 μm) and 703 are n-type AlGaN cladding layers (Si-doped, 5 × 1017cm-3, 0.3 μm), 704 is n-type In0.1 Ga0.9 N / In0.02Ga0.98N multiple quantum well adjacent layer (Si doped, 5 × 1017cm-3, Well width 2 nm, barrier width 4 nm, 20 layers), 705 is In0.2 Ga0.8 N / In0.05Ga0.95N multiple quantum well active layer (non-doped, well width 2 nm, barrier width 4 nm, 10 layers), 706 is a p-type GaN adjacent layer (Mg-doped, 5 × 1017cm-3, 0.1 μm), 707 is a p-type AlGaN cladding layer (Mg-doped, 5 × 1017cm-3, 0.3 μm) and 708 are p-type GaN contact layers (Mg-doped, 5 × 1018cm-3, 0.5 μm), 709 is SiO2 A film, 710 is a p-side electrode, and 711 is an n-side electrode.
[0079]
n-type In0.1 Ga0.9 N / In0.02Ga0.98The N multiple quantum well adjacent layer 704 is grown as follows. Growth temperature is 760 ° C, In0.1 Ga0.9 For growth of N well layer, TMI, TMG, ammonia, SiHFour Then, a well layer having a thickness of 2 nm is grown. Next, after waiting for 1 second with only ammonia supplied, TMI, TMG, ammonia, SiHFour 4 nm thick In0.02Ga0.98N barrier layer is grown. Next, a well layer is grown in the same manner with a waiting time of 1 second again. By repeating such a process 20 times in total, n-type In0.1 Ga0.9 N / In0.02Ga0.98An N multiple quantum well adjacent layer 704 can be formed.
[0080]
Also, In0.2 Ga0.8 N / In0.05Ga0.95The growth method of the N multiple quantum well active layer 705 is as follows. At a growth temperature of 760 ° C, In0.2 Ga0.8 N is grown by 2 nm, and a 1 second standby time is set.0.05Ga0.95Grow N. This cycle is repeated a total of 10 times.
[0081]
By such a growth method, n-type In0.1 Ga0.9 N / In0.02Ga0.98N multiple quantum well adjacent layer 704 and In0.2 Ga0.8 N / In0.05Ga0.95Both the N multiple quantum well active layer 705 can have a structure having island-like regions and pits.
[0082]
  The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. For example, from the first to the first mentioned above6In this embodiment, the active layer is a non-doped layer, but may be doped n-type or p-type. Further, the adjacent layer may not be doped, or may be doped n-type or p-type. In addition, the present invention can be implemented with various modifications without departing from the gist thereof.
[0083]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the nitride-based semiconductor laser of the present invention, a nitride-based semiconductor light-emitting element that generates self-excited oscillation can be obtained with a high probability without using a complicated structure. As a result, a semiconductor laser satisfying the practical performance as a semiconductor laser for reading optical disc recording with low noise characteristics can be easily produced at low cost, and its usefulness is tremendous. Furthermore, reading and writing from the recording medium can be performed by the nitride semiconductor laser having the same structure, and the structure of the read / write combined head can be greatly simplified.
On the other hand, according to the nitride semiconductor light emitting diode of the present invention, a nitride light emitting diode with high luminous efficiency was obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a nitride-based semiconductor light-emitting device according to the present invention.
2 is a schematic diagram showing an in-plane light emission distribution of the multiple quantum well adjacent layer 104 shown in FIG.
3 is a graph showing the relationship between the In composition ratio and the donor concentration in the multiple quantum well adjacent layer 104 shown in FIG.
4 is a schematic diagram showing a band structure in the multiple quantum well adjacent layer 104 shown in FIG. 1. FIG.
5 is a graph showing the rate of occurrence of self-oscillation with respect to the light output of the nitride-based semiconductor light-emitting device shown in FIG.
FIG. 6 is a schematic diagram for explaining a state in which a semiconductor laser is applied to reading of an optical disc.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a second embodiment of the nitride-based semiconductor light-emitting device of the present invention.
FIG. 8 is a schematic diagram showing a result of observing the active layer 205 shown in FIG. 7 with a transmission electron microscope.
9 is a graph showing manufacturing conditions for the nitride-based semiconductor light-emitting device shown in FIG.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a third embodiment of the nitride-based semiconductor light-emitting device of the present invention.
11 is a schematic view showing the structure of a substrate used in the nitride-based semiconductor light-emitting device shown in FIG. 10, wherein (a) is a plan view and (b) is a side view.
12 is a schematic diagram showing a result of observation of an active layer 305 shown in FIG. 10 with a transmission electron microscope.
13 is a graph showing the relationship between the average diameter of island regions in the active layer 305 shown in FIG. 10 and the external quantum efficiency of the semiconductor light emitting device.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a fourth embodiment of the nitride-based semiconductor light-emitting device of the present invention.
FIG. 15 is a cross-sectional view showing a fifth embodiment of the nitride-based semiconductor light-emitting element of the present invention.
FIG. 16 is a schematic diagram showing a current path when an adjacent layer has a band gap larger than that of an active layer.
FIG. 17 is a schematic diagram showing a layer structure used in a two-dimensional simulation.
18 is a distribution diagram of current density immediately below a hole-shaped region when a voltage of 4 V is applied in a two-dimensional simulation for the element shown in FIG.
[Figure19The nitride-based semiconductor light-emitting device of the present invention6It is sectional drawing which shows this embodiment.
[Explanation of symbols]
100 sapphire substrate,
101 n-type GaN buffer layer
102 n-type GaN contact layer
103 n-type AlGaN cladding layer
104 n-type In0.1 Ga0.9 N / GaN multiple quantum well adjacent layer
105 In0.3 Ga0.7 N / GaN multiple quantum well active layer
106 P-type GaN adjacent layer
107 p-type AlGaN cladding layer
108 p-type GaN contact layer
109 n-type GaN conducting barrier layer
110 p-side electrode
111 n-side electrode
150 Laser light
152 lens
154A Nitride-based semiconductor laser beam according to the invention
154B Laser beam of conventional DVD system
154C Compact Disc System Laser Beam
160 Optical disc
162 tracks
164 pit
200 p-type SiC substrate
201 p-type AlN buffer layer
202 p-type GaN layer
203 p-type Al0.3 Ga0.7 N clad layer
204 Al0.1 Ga0.9 N adjacent layer
205 In0.1 Ga0.9 N / Al0.1 Ga0.9 N multiple quantum well active layer
206 Al0.1 Ga0.9 N adjacent layer
207 n-type Al0.3 Ga0.7 N clad layer
208 p-type GaN current confinement layer
209 n-type GaN contact layer
210 n-side electrode
211 p-side electrode
300 Sapphire substrate
301 GaN buffer layer
302 p-type GaN contact layer
303 p-type Al0.2 Ga0.8 N clad layer
304 p-type GaN adjacent layer
305 In0.3 Ga0.7 N / GaN multiple quantum well active layer
306 N-type GaN adjacent layer
307 n-type Al0.2 Ga0.8 N clad layer
308 p-type GaN conducting barrier layer
309 n-type GaN contact layer
310 n-side electrode
311 p-side electrode
400 Sapphire substrate
401 GaN buffer layer
402 n-type GaN contact layer
403 n-type GaN layer
404 In0.3 Ga0.7 N / GaN 3MQW active layer
405 p-type GaN layer
406 p-type GaN contact layer
410 p-side electrode
411 n-side electrode
412 ITO transparent electrode
500 Sapphire substrate
501 Buffer layer
502 n-type GaN contact layer
503 n-type AlGaN cladding layer
504 Non-doped GaN adjacent layer
505 InGaN MQW active layer
506 Non-doped GaN adjacent layer
507 p-type AlGaN cladding layer
508 p-type GaN contact layer
509 SiO2 film
510 p-side electrode
511 n-side electrode
551 p-side electrode
552 p-type contact layer
553 Non-doped GaN layer
554 Non-doped InGaN layer
555 n-type contact layer
556 n-side electrode
P pit
561 n-type GaN contact layer
562 n-type Al0.15Ga0.85N clad layer
563 Non-doped GaN adjacent layer
564 Non-doped In0.08Ga0.92N active layer
565 Non-doped GaN adjacent layer
566 p-type Al0.15Ga0.85N clad layer
567 p-type GaN contactlayer
700    Sapphire substrate
701 Buffer layer
702 n-type GaN contact layer
703 n-type AlGaN cladding layer
704 n-type In0.1 Ga0.9 N / In0.02Ga0.98N multiple quantum well active layer
705 In0.2 Ga0.8 N / In0.05Ga0.95N multiple quantum well active layer
706 p-type GaN adjacent layer
707 p-type AlGaN cladding layer
708 p-type GaN contact layer
709 SiO2 film
710 p-side electrode
711 n-side electrode

Claims (9)

基板上に活性層およびこれに隣接する隣接層を含む、六方晶系の結晶構造を有する3元以上のIII −V族化合物半導体からなる混晶層が積層形成された窒化物系半導体発光素子において、前記隣接層はInGaNを含む多重量子井戸構造を有しており、前記隣接層には、この隣接層を構成するインジウムの濃度が周辺より高い島状領域が点在し、前記島状領域の最大径が100nm以下であり、かつ前記島状領域の不純物濃度が周辺部の不純物濃度に比べて低いことを特徴とする窒化物系半導体発光素子。  In a nitride semiconductor light emitting device in which a mixed crystal layer made of a ternary or higher III-V compound semiconductor having a hexagonal crystal structure is formed on a substrate, including an active layer and an adjacent layer adjacent thereto The adjacent layer has a multiple quantum well structure containing InGaN, and the adjacent layer is dotted with island-like regions having a higher concentration of indium constituting the adjacent layer than the surroundings. A nitride-based semiconductor light-emitting device having a maximum diameter of 100 nm or less and an impurity concentration in the island-shaped region being lower than that in a peripheral portion. 前記活性層には穴状領域が点在し、この穴状領域が前記隣接層を形成する半導体によって埋め込まれていることを特徴とする請求項1記載の窒化物系半導体発光素子。  The nitride-based semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein the active layer is dotted with hole-like regions, and the hole-like regions are filled with a semiconductor forming the adjacent layer. 前記隣接層には穴状領域が点在していることを特徴とする請求項1記載の窒化物系半導体発光素子。  The nitride-based semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein the adjacent layers are dotted with hole-shaped regions. 前記活性層は多重量子井戸構造を有しており、この活性層には、この活性層を構成するインジウムの濃度が周辺より高い島状領域が点在し、この島状領域は、この領域を囲む領域の材料のバンドギャップに比べて同じか、または、10meV以内の差で小さいバンドギャップを有することを特徴とする請求項1記載の窒化物系半導体発光素子。  The active layer has a multiple quantum well structure, and this active layer is dotted with island-like regions where the concentration of indium constituting the active layer is higher than that of the periphery. The nitride-based semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein the nitride-based semiconductor light-emitting element has a band gap that is the same as or smaller than a band gap of a material in the surrounding region. 前記不純物はSi、C、Ge、Sn、Pbの内の少なくも1つであることを特徴とする請求項1乃至4記載の窒化物系半導体発光素子。  5. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the impurity is at least one of Si, C, Ge, Sn, and Pb. 前記島状領域相互の間隔をd、その周辺部の屈折率をn、前記島状領域の発光波長をλとした時、λm=2nd(m=1、2、3、4)を満たすことを特徴とする請求項4記載の窒化物系半導体発光素子。  When the distance between the island regions is d, the refractive index of the periphery thereof is n, and the emission wavelength of the island regions is λ, λm = 2nd (m = 1, 2, 3, 4) is satisfied. The nitride-based semiconductor light-emitting device according to claim 4. 前記活性層には穴状領域が点在し、この穴状領域が前記隣接層を形成する半導体によって埋め込まれており、かつ、前記隣接層には穴状領域が点在し、この穴状領域が前記隣接層に隣接し活性層側ではない層を形成する半導体によって埋め込まれていることを特徴とする請求項4乃至6記載の窒化物系半導体発光素子。  The active layer is dotted with hole-like regions, the hole-like regions are embedded with a semiconductor forming the adjacent layer, and the adjacent layer is dotted with hole-like regions. 7. The nitride-based semiconductor light-emitting element according to claim 4, wherein the nitride-based semiconductor light-emitting element is embedded with a semiconductor that forms a layer adjacent to the adjacent layer but not on the active layer side. 基板上に活性層およびこれに隣接する多重量子井戸隣接層を含む、六方晶系の結晶構造を有する3元以上のIII −V族化合物半導体からなる混晶層を積層形成した窒化物系半導体発光素子の製造方法において、前記多重量子井戸隣接層はInGaNを含む多重量子井戸構造を有しており、井戸層の成長用の原料ガスと障壁層の成長用の原料ガスを交互に所定時間供給して井戸層および障壁層を交互に成長させるとともに、前記井戸層の成長と前記障壁層の成長との間に所定の待機時間を設けて、前記多重量子井戸隣接層に、この多重量子井戸隣接層を構成するインジウムの濃度が周辺より高くかつ不純物濃度が周辺部の不純物濃度に比べて低い最大径が100nm以下の島状領域を点在して形成することを特徴とする窒化物系半導体発光素子の製造方法。  Nitride-based semiconductor light-emitting device in which a mixed crystal layer composed of a ternary or higher group III-V compound semiconductor having a hexagonal crystal structure is formed on a substrate, including an active layer and an adjacent multiple quantum well layer In the device manufacturing method, the multiple quantum well adjacent layer has a multiple quantum well structure containing InGaN, and a source gas for growing the well layer and a source gas for growing the barrier layer are alternately supplied for a predetermined time. The well layer and the barrier layer are alternately grown, and a predetermined waiting time is provided between the growth of the well layer and the growth of the barrier layer. A nitride-based semiconductor light-emitting device in which island-shaped regions having a maximum diameter of 100 nm or less and a maximum diameter lower than that of the periphery and having an impurity concentration lower than that of the periphery are dotted. of Production method. 前記井戸層の成長用の原料ガスはトリメチルインジウム、トリメチルガリウムおよびアンモニアガスであり、前記障壁層の成長用の原料ガスはトリメチルガリウムおよびアンモニアガスであることを特徴とする請求項記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。9. The nitride according to claim 8 , wherein the source gas for growing the well layer is trimethylindium, trimethylgallium and ammonia gas, and the source gas for growing the barrier layer is trimethylgallium and ammonia gas. For manufacturing a semiconductor light emitting device.
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