JP4284946B2 - Nitride semiconductor light emitting device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物系半導体発光素子に関し、更に詳細には、しきい値電流が小さく、スロープ効率が大きな窒化物系半導体発光素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
窒化ガリウム系発光素子は、GaN、In、Alを含む混晶化合物半導体で構成された半導体発光素子であって、化合物半導体の格子定数はAlN、GaN、InNの順に大きくなる。
従来、405nmの窒化ガリウム系半導体レーザ素子90を作製するときには、例えば図7に示すように、サファイア基板又はGaN基板91上に、n−GaNバッファ層92、n−AlGaNクラッド層93、GaN光ガイド層94、活性層95、GaN光ガイド層96、p−AlGaNクラッド層97、p−GaNコンタクト層98を積層している。
ここで、活性層95は、図示しないが、InGaN井戸層と、井戸層よりバンドギャップエネルギーが大きなInGaN障壁層とからなる量子井戸構造として構成され、井戸層及び障壁層のIn組成は、それぞれ、8%及び2%である。
【0003】
上述の積層構造の構成で活性層を結晶成長させた際、活性層を構成する井戸層及び障壁層は、その格子定数がGaNと比較して大きいので、歪が井戸層に導入されるものの、405nmの波長帯では、井戸層のIn組成が低いので、化合物半導体層同士の界面、或いは各化合物半導体層内から格子欠陥が発生するような現象は起こり難かった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような窒化物系化合物半導体層からなる積層構造で、青色帯(波長460nm)あるいは緑色帯(波長510nm)の半導体レーザ素子を作製するためには、InGaN井戸層のIn組成を、それぞれ、20%及び30%にすることが必要である。
しかし、発光波長を長くするために、InGaN井戸層のIn組成を20%或いは30%に大きくして行くと、InGaN井戸層の格子定数が大きくなり、活性層を構成する井戸層と障壁層との界面、或いは井戸層の膜中に、歪みが生じる。
その結果、格子欠陥が導入され、発光効率が悪化するという問題があった。格子欠陥が導入されると、電流を注入して発光させる際、格子欠陥が非発光中心として働き、発光効率が悪化するからである。
また、歪みが生じるために、井戸層内でIn組成が大きな相と、In組成が小さい相に相分離するために、所定の発光波長での発光効率が悪化する。
【0005】
例えば、460nmで発光させるために、膜厚25ÅのInX3Ga1-X3N(X3=0.18)井戸層と、膜厚50ÅのInX1Ga1-X1N(X1=0.02)障壁層とで構成した従来の量子井戸構造では、活性層のカソードミネッセンス強度面内分布を観察すると、図8に示すように、460nmの光を発光していない非発光領域A(黒色の領域)が多数存在している。図8は、カソードミネッセンス強度面内分布の写真の写しで、元の写真は参考写真として特許庁に提出されている。
そして、非発光領域がレーザストライプに重なると、半導体レーザ素子のしきい値上昇、及びスロープ効率の悪化を招くことになる。
【0006】
そこで、本発明の目的は、結晶性が良好で、発光効率の高い量子井戸構造の活性層を有する窒化物系半導体発光素子を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る窒化物系半導体発光素子(以下、第1の発明と言う)は、Inを含む窒化物系化合物半導体層からなる量子井戸構造の活性層を有する窒化物系半導体発光素子において、
量子井戸構造を構成する障壁層のバンドギャップエネルギーより大きなバンドギャップエネルギーを有する歪補償層が、量子井戸構造を構成する井戸層のうち少なくとも1層の井戸層と該少なくとも一層の井戸層を挟む両障壁層との間にそれぞれ介在していることを特徴としている。
【0008】
第1の発明では、全ての井戸層と井戸層を挟む両障壁層との間に歪補償層を介在させることが好ましいものの、少なくとも1層の井戸層と該少なくとも一層の井戸層を挟む両障壁層との間に歪補償層をそれぞれ介在させても良い。
全ての歪補償層の組成が同一である必要はなく、井戸層と井戸層を挟む両障壁層との間にそれぞれ介在する2層の歪補償層の組成が相互にことなっていも良い。
【0009】
本発明に係る別の窒化物系半導体発光素子(以下、第2の発明と言う)は、Inを含む窒化物系化合物半導体層からなる量子井戸構造の活性層を有する窒化物系半導体発光素子において、
量子井戸構造を構成する障壁層のバンドギャップエネルギーより大きなバンドギャップエネルギーを有する歪補償層が、障壁層内又は井戸層内に介在していることを特徴としている。
【0010】
第2の発明では、全ての障壁層内又は井戸層内にそれぞれ歪補償層を介在させることが好ましいものの、少なくとも1層の障壁層内又は少なくとも1層の井戸層内に歪補償層を介在させても良い。
全ての歪補償層の組成が同一である必要はなく、例えば各障壁層内又は各井戸層内にそれぞれ介在している障壁層のうち少なくとも2層の障壁層の組成が相互に異なっていても良い。
【0011】
第1及び第2の発明は、活性層がInを含む窒化物系化合物半導体層からなる量子井戸構造である限り適用できる。例えば井戸層及び障壁層がInGaN層で構成されているとき、歪補償層がInに代えてAlを有するAlGaN層である。
【0012】
歪補償層は、必ずしも、井戸層と障壁層との間、井戸層内、又は障壁層内に介在させることは必要でなく、光ガイド層内に介在させても良い。
即ち、本発明に係る別の窒化物系半導体発光素子(以下、第3の発明と言う)は、Inを含む窒化物系化合物半導体層からなる量子井戸構造の活性層を有する窒化物系半導体発光素子において、
光ガイド層及び量子井戸構造を構成する障壁層の双方のバンドギャップエネルギーより大きなバンドギャップエネルギーを有する歪補償層が、活性層の上下に設けられている光ガイド層の少なくとも一方の光ガイド層内に介在していることを特徴としている。
【0013】
第3の発明の好適な実施態様では、複数層の歪補償層が光ガイド層内に周期的に介在する。また、光ガイド層がInGaN層で構成されているとき、歪補償層はInに代えてAlを有するAlGaN層である。
【0014】
第1から第3の発明の好適な実施態様では、歪補償層の膜厚が、井戸層の膜厚及び障壁層の膜厚の双方より薄い。これにより、歪補償層が窒化物系半導体発光素子の光学的特性に影響しないようにすることができる。
第1から第3の発明で、窒化物系半導体レーザ素子とは、窒化物系化合物半導体層の積層構造を備えた半導体レーザ素子である。窒化物系化合物半導体とは、V族として窒素(N)を有し、組成がAlaBbGacInd NxPyAsz(a+b+c+d=1、0≦a、b、c、d≦1、x+y+z=1、0<x≦1、0≦y、z≦1)で表示される化合物半導体である。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照し、実施形態例を挙げて本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。尚、以下の実施形態例で示す成膜方法、化合物半導体層の組成及び膜厚等は、本発明の理解を容易にするための一つの例示であって、本発明はこの例示に限定されるものではない。
実施形態例1
本実施形態例は、第1の発明に係る窒化物系半導体発光素子をGaN系半導体レーザ素子に適用した実施形態の一例であって、図1は本実施形態例のGaN系半導体レーザ素子の活性層付近の構成を示す断面図、及び図2は活性層付近のバンド構造図である。
本実施形態例のGaN系半導体レーザ素子は発光波長が460nmの半導体レーザ素子であって、活性層付近の構造10は、図1に示すように、膜厚80nmの下部GaN光ガイド層12と、障壁層14、歪補償層16A、井戸層18、及び歪補償層16Bの3周期と、障壁層14と、膜厚80nmの上部GaN光ガイド層20とから構成されている。
【0016】
障壁層14は膜厚50ÅのInX1Ga1-X1N(X1=0.02)層として、歪補償層16は膜厚10ÅのAlX2Ga1-X2N(X2=0.04)層として、井戸層18は膜厚25ÅのInX3Ga1-X3N(X3=0.18)層として構成されている。
本実施形態例では、全ての井戸層18とそれと隣合う障壁層14との間に歪補償層16が介在している。歪補償層16A、Bのバンドギャップエネルギーは、図2に示すように、障壁層14のバンドギャップエネルギーより大きく、また、歪補償層16A、Bのフリースタンディングでの格子定数は、障壁層14のそれより小さい。
【0017】
実施形態例1の活性層構造の活性層のカソードミネッセンス強度面内分布を観察すると、図3に示すように、全領域が460nmで発光しており、非発光領域は存在していない。図8に示す従来の活性層のカソードミネッセンス強度面内分布と比較すると、本発明の効果を十分に認識することができる。図3はカソードミネッセンス強度面内分布の写真の写しであって、元の写真は参考写真として特許庁に提出している。
本実施形態例では、活性層を結晶成長させる際、歪補償層16を井戸層18と障壁層14との間に介在させることにより、歪の蓄積が緩和されるので、結晶欠陥が発生し難くなり、非発光領域が減少する。
これにより、本実施形態例の活性層付近の構造10を備えた窒化物系半導体レーザ素子のしきい値が低下し、スロープ効率が向上する。
【0018】
本実施形態例では、歪補償層16A、BはAlGaN層であるが、これに限らず、障壁層14より大きなバンドギャップエネルギーを有する限り、InAlGaN層で構成しても良い。また、本実施形態例では、歪補償層16A、Bは同じ膜厚、同じ組成であるが、互いに異なる組成、膜厚でも良い。
また、本実施形態例では、歪補償層16が全ての井戸層18とそれを挟む障壁層14との間に介在しているが、これに限ることはなく、一部の井戸層18とそれを挟む障壁層14との間に介在していても良い。
更には、活性層は、3周期の量子井戸構造に限るものではない。
【0019】
本実施形態例では、障壁層14は、InGaN層であるが、4元混晶のInAlGaN層で構成しても良い。
また、光ガイド層12、20はGaN層であるが、GaNに限る必要はなく、InGaN、AlGaN、及びInAlGaNのいずれを使用しても良く、それらを積層した構造でも良い。また、光ガイド層12及び20は、同一である必要は無く、例えばAl及びIn組成が異なっても、膜厚が異なっていても良く、更には一方が単層膜で、他方が積層膜でも良い。
【0020】
実施形態例2
本実施形態例は、第2の発明に係る窒化物系半導体発光素子をGaN系半導体レーザ素子に適用した実施形態の一例であって、図4は活性層付近のバンド構造図である。
本実施形態例のGaN系半導体レーザ素子は発光波長が460nmの半導体レーザ素子であって、活性層付近の構造30は、図4に示すように、膜厚80nmの下部GaN光ガイド層32と、障壁層34、障壁層34内に設けられた歪補償層36、及び井戸層38の3周期と、障壁層34と、膜厚80nmの上部GaN光ガイド層40とから構成されている。
【0021】
障壁層34、歪補償層36、及び井戸層38の組成は、実施形態例1と同じである。
歪補償層36のバンドギャップエネルギーは、図3に示すように、障壁層34のバンドギャップエネルギーより大きく、また歪補償層36のフリースタンディングでの格子定数は、障壁層34のそれより小さい。
【0022】
本実施形態例では、活性層を結晶成長させる際、歪補償層36を障壁層34内に介在させることにより、歪の蓄積が緩和されるので、結晶欠陥が発生し低くなり、実施形態例1と同様に、非発光領域が減少する。
これにより、本実施形態例の活性層付近の構造30を備えた窒化物系半導体レーザ素子のしきい値が低下し、スロープ効率が向上する。
【0023】
実施形態例3
本実施形態例は、第2の発明に係る窒化物系半導体発光素子をGaN系半導体レーザ素子に適用した実施形態の別の一例であって、図5は活性層付近のバンド構造図である。
本実施形態例のGaN系半導体レーザ素子は発光波長が460nmの半導体レーザ素子であって、活性層付近の構造50は、図5に示すように、膜厚80nmの下部GaN光ガイド層52と、障壁層54、井戸層56、井戸層56内に設けられた歪補償層58、障壁層54と、膜厚80nmの上部GaN光ガイド層60とから構成されている。
【0024】
障壁層54、井戸層56、及び歪補償層58の組成は、実施形態例1と同じである。
歪補償層58のバンドギャップエネルギーは、図5に示すように、障壁層54のバンドギャップエネルギーより大きく、また歪補償層58のフリースタンディングでの格子定数は、障壁層54のそれより小さい。
【0025】
本実施形態例では、活性層を結晶成長させる際、歪補償層58を井戸層56内に介在させることにより、歪の蓄積が緩和されるので、結晶欠陥が発生し難くなり、実施形態例1と同様に、非発光領域が減少する。
これにより、本実施形態例の活性層付近の構造50を備えた窒化物系半導体レーザ素子のしきい値が低下し、スロープ効率が向上する。
【0026】
実施形態例4
本実施形態例は、第3の発明に係る窒化物系半導体発光素子をGaN系半導体レーザ素子に適用した実施形態の一例であって、図6は活性層付近のバンド構造図である。
本実施形態例のGaN系半導体レーザ素子は発光波長が460nmの半導体レーザ素子であって、活性層付近の構造70は、図6に示すように、膜厚80nmの下部GaN光ガイド層72と、多重量子井戸構造の活性層74と、膜厚80nmの上部GaN光ガイド層76とから構成されている。
【0027】
本実施形態例では、下部及び上部GaN光ガイド層72、76内に、それぞれ、複数層の歪補償層78が介在している。
GaN光ガイド層72、76の平均組成はInX Ga1-X N(X=0.02)であって、図6に示すように、膜厚800ÅのGaN光ガイド層72、76内に、それぞれ、複数層の膜厚10ÅのAlX1Ga1-X1N(X1=0.04)歪補償層78が200Å周期で介在している。
【0028】
歪補償層78のバンドギャップエネルギーは、図6に示すように、GaN光ガイド層72及び76のバンドギャップエネルギーより大きく、また歪補償層78のフリースタンディングでの格子定数は、GaN光ガイド層72及び76のそれより小さい。
【0029】
本実施形態例では、歪補償層78が光ガイド層72、76内に介在していることにより、活性層の結晶成長に際して、歪の蓄積が緩和されるので、結晶欠陥が発生し難くなり、非発光領域が減少する。
これにより、本実施形態例の光ガイド層構造を備えた窒化物系半導体レーザ素子のしきい値が低下し、スロープ効率が向上する。
【0030】
尚、本実施形態例で、光ガイド層72、76内に加えて、井戸層と障壁層との間にも歪補償層を介在させても良い。
つまり、多重量子井戸構造の活性層74は、図6に示すように、膜厚25ÅのInX3Ga1-X3N(X3=0.18)井戸層80と、井戸層80を挟む膜厚50ÅのInX2Ga1-X2N(X2=0.08)障壁層82と、井戸層80と井戸層80の両側の障壁層82との間に介在する膜厚10ÅのAlX4Ga1-X4N(X4=0.04)歪補償層84A、Bとで構成されている。
歪補償層84のバンドギャップエネルギーは、図6に示すように、障壁層82のバンドギャップエネルギーより大きく、また歪補償層84のフリースタンディングでの格子定数は、障壁層82のそれより小さい。
これにより、本実施形態例では、本発明の効果が一層大きくなる。
【0031】
【発明の効果】
第1及び第2の発明によれば、障壁層のバンドギャップエネルギーより大きなバンドギャップエネルギーを有する歪補償層を井戸層と井戸層を挟む両障壁層との間に介在させることにより、又は歪補償層を井戸層内又は障壁層内に介在させることにより、活性層の結晶成長に際して、歪の蓄積を緩和させることにより、結晶欠陥の発生を抑制し、非発光領域を減少させている。
また、第3の発明によれば、光ガイド層のバンドギャップエネルギーより大きなバンドギャップエネルギーを有する歪補償層を光ガイド層内に介在させることにより、歪の蓄積を緩和させることにより、結晶欠陥の発生を抑制し、非発光領域を減少させている。
第1から第3の発明に係る窒化物系半導体発光素子を適用することにより、しきい値電流が小さく、スロープ効率が上昇し、所定の発光波長での発光効率が高い窒化物系半導体レーザ素子を実現し、また定の発光波長での発光効率の高い窒化物系発光ダイオードを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態例1のGaN系半導体レーザ素子の活性層付近の構成を示す断面図である。
【図2】実施形態例1のGaN系半導体レーザ素子の活性層付近のバンド構造図である。
【図3】カソードミネッセンス強度面内分布の写真の写しである。
【図4】実施形態例2のGaN系半導体レーザ素子の活性層付近のバンド構造図である。
【図5】実施形態例3のGaN系半導体レーザ素子の活性層付近のバンド構造図である。
【図6】実施形態例4のGaN系半導体レーザ素子の活性層付近のバンド構造図である。
【図7】405nmの半導体レーザ素子の断面図である。
【図8】カソードミネッセンス強度面内分布の写真の写しである。
【符号の説明】
10……実施形態例1のGaN系半導体レーザ素子の活性層付近の構造、12……下部GaN光ガイド層、14……障壁層、16……歪補償層、18……井戸層、20……上部GaN光ガイド層、30……実施形態例2のGaN系半導体レーザ素子の活性層付近の構造、32……下部GaN光ガイド層、34……障壁層、36……歪補償層、38……井戸層、40……上部GaN光ガイド層、50……実施形態例3のGaN系半導体レーザ素子の活性層付近の構造、52……下部GaN光ガイド層、54……障壁層、56……井戸層、58……歪補償層、60……上部GaN光ガイド層、70……実施形態例4のGaN系半導体レーザ素子の活性層付近の構造、72……下部GaN光ガイド層、74……多重量子井戸構造の活性層、76……上部GaN光ガイド層、78……歪補償層、80……井戸層、82……障壁層、84……歪補償層、90……405nmの半導体レーザ素子、91……サファイア基板又はGaN基板、92……n−GaNバッファ層、93……n−AlGaNクラッド層、94……GaN光ガイド層、95……活性層、96……GaN光ガイド層、97……p−AlGaNクラッド層、98……p−GaNコンタクト層。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device, and more particularly to a nitride semiconductor light emitting device having a small threshold current and a large slope efficiency.
[0002]
[Prior art]
The gallium nitride-based light emitting device is a semiconductor light emitting device composed of a mixed crystal compound semiconductor containing GaN, In, and Al, and the lattice constant of the compound semiconductor increases in the order of AlN, GaN, and InN.
Conventionally, when fabricating a 405 nm gallium nitride
Here, although not illustrated, the active layer 95 is configured as a quantum well structure including an InGaN well layer and an InGaN barrier layer having a larger band gap energy than the well layer, and the In composition of the well layer and the barrier layer is respectively 8% and 2%.
[0003]
When the active layer is crystal-grown with the structure of the above laminated structure, the well layer and the barrier layer constituting the active layer have a lattice constant larger than that of GaN, but strain is introduced into the well layer. In the wavelength band of 405 nm, since the In composition of the well layer is low, a phenomenon in which lattice defects are generated from the interface between the compound semiconductor layers or from within each compound semiconductor layer hardly occurs.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in order to fabricate a semiconductor laser device having a blue band (wavelength of 460 nm) or a green band (wavelength of 510 nm) with such a laminated structure composed of nitride-based compound semiconductor layers, the In composition of the InGaN well layer is , 20% and 30%.
However, when the In composition of the InGaN well layer is increased to 20% or 30% in order to increase the emission wavelength, the lattice constant of the InGaN well layer increases, and the well layer and the barrier layer constituting the active layer Distortion occurs in the interface of the above or in the film of the well layer.
As a result, there is a problem that lattice defects are introduced and the luminous efficiency is deteriorated. This is because when a lattice defect is introduced, when a current is injected to emit light, the lattice defect functions as a non-emission center and the light emission efficiency deteriorates.
In addition, since distortion occurs, the phase separation into a phase with a large In composition and a phase with a small In composition occur in the well layer, so that the light emission efficiency at a predetermined light emission wavelength deteriorates.
[0005]
For example, in order to emit light at 460 nm, an In X3 Ga 1 -X3 N (X3 = 0.18) well layer with a thickness of 25 mm and an In X1 Ga 1 -X1 N (X1 = 0.02) barrier with a thickness of 50 mm In the conventional quantum well structure composed of layers, when the in-plane distribution of the cathode minescence intensity of the active layer is observed, as shown in FIG. 8, a non-light emitting region A (black region) that does not emit light of 460 nm is obtained. ) Exists in large numbers. FIG. 8 is a copy of the cathode minescence intensity in-plane distribution, and the original photograph has been submitted to the JPO as a reference photograph.
When the non-light emitting region overlaps the laser stripe, the threshold value of the semiconductor laser element is increased and the slope efficiency is deteriorated.
[0006]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a nitride-based semiconductor light-emitting device having an active layer having a quantum well structure with good crystallinity and high light emission efficiency.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a nitride-based semiconductor light-emitting device according to the present invention (hereinafter referred to as a first invention) has a quantum well structure active layer made of a nitride-based compound semiconductor layer containing In. In a physical semiconductor light emitting device,
The strain compensation layer having a band gap energy larger than the band gap energy of the barrier layer constituting the quantum well structure includes at least one well layer and the at least one well layer among the well layers constituting the quantum well structure. It is characterized by being interposed between the barrier layers.
[0008]
In the first invention, although it is preferable that a strain compensation layer is interposed between all well layers and both barrier layers sandwiching the well layers, at least one well layer and both barriers sandwiching the at least one well layer are provided. A strain compensation layer may be interposed between the layers.
The composition of all strain compensation layers does not have to be the same, and the composition of the two strain compensation layers interposed between the well layer and both barrier layers sandwiching the well layer may be different from each other.
[0009]
Another nitride-based semiconductor light-emitting device according to the present invention (hereinafter referred to as a second invention) is a nitride-based semiconductor light-emitting device having an active layer having a quantum well structure composed of a nitride-based compound semiconductor layer containing In. ,
A strain compensation layer having a band gap energy larger than that of the barrier layer constituting the quantum well structure is interposed in the barrier layer or the well layer.
[0010]
In the second invention, although it is preferable to interpose a strain compensation layer in every barrier layer or well layer, a strain compensation layer is interposed in at least one barrier layer or in at least one well layer. May be.
The composition of all strain compensation layers does not have to be the same. For example, even if the composition of at least two barrier layers among the barrier layers interposed in each barrier layer or each well layer is different from each other, good.
[0011]
The first and second inventions can be applied as long as the active layer has a quantum well structure made of a nitride-based compound semiconductor layer containing In. For example, when the well layer and the barrier layer are composed of InGaN layers, the strain compensation layer is an AlGaN layer having Al instead of In.
[0012]
The strain compensation layer is not necessarily interposed between the well layer and the barrier layer, in the well layer, or in the barrier layer, but may be interposed in the light guide layer.
That is, another nitride-based semiconductor light-emitting device according to the present invention (hereinafter referred to as a third invention) is a nitride-based semiconductor light-emitting device having an active layer having a quantum well structure composed of a nitride-based compound semiconductor layer containing In. In the element
A strain compensation layer having a band gap energy larger than the band gap energy of both the light guide layer and the barrier layer constituting the quantum well structure is provided in at least one of the light guide layers provided above and below the active layer. It is characterized by intervening.
[0013]
In a preferred embodiment of the third invention, a plurality of strain compensation layers are periodically interposed in the light guide layer. When the light guide layer is composed of an InGaN layer, the strain compensation layer is an AlGaN layer having Al instead of In.
[0014]
In a preferred embodiment of the first to third inventions, the strain compensation layer is thinner than both the well layer and the barrier layer. Thereby, it is possible to prevent the strain compensation layer from affecting the optical characteristics of the nitride-based semiconductor light-emitting element.
In the first to third aspects of the invention, the nitride semiconductor laser element is a semiconductor laser element having a laminated structure of nitride compound semiconductor layers. A nitride-based compound semiconductor has nitrogen (N) as a group V and has a composition of Al a B b G c In d N x P y As z (a + b + c + d = 1, 0 ≦ a, b, c, d ≦ 1, x + y + z = 1, 0 <x ≦ 1, 0 ≦ y, z ≦ 1).
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below specifically and in detail with reference to the accompanying drawings. It should be noted that the film formation method, the composition and thickness of the compound semiconductor layer, and the like shown in the following embodiment examples are merely examples for facilitating the understanding of the present invention, and the present invention is limited to these examples. It is not a thing.
Embodiment 1
This embodiment is an example of an embodiment in which the nitride-based semiconductor light-emitting device according to the first invention is applied to a GaN-based semiconductor laser device. FIG. 1 shows the activity of the GaN-based semiconductor laser device of this embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration in the vicinity of the layer, and FIG. 2 is a band structure diagram in the vicinity of the active layer.
The GaN-based semiconductor laser device of the present embodiment is a semiconductor laser device having an emission wavelength of 460 nm, and the
[0016]
The
In this embodiment, the strain compensation layer 16 is interposed between all the well layers 18 and the adjacent barrier layers 14. As shown in FIG. 2, the band gap energy of the strain compensation layers 16A, B is larger than the band gap energy of the
[0017]
Observing the in-plane distribution of the cathode minescence intensity of the active layer having the active layer structure of Embodiment 1, as shown in FIG. 3, the entire region emits light at 460 nm, and no non-light emitting region exists. Compared with the in-plane distribution of the cathode minence intensity of the conventional active layer shown in FIG. 8, the effect of the present invention can be fully recognized. FIG. 3 shows a copy of the cathode minescence intensity in-plane distribution. The original photo was submitted to the JPO as a reference photo.
In the present embodiment example, when the active layer is crystal-grown, the strain compensation layer 16 is interposed between the
As a result, the threshold value of the nitride-based semiconductor laser device having the
[0018]
In this embodiment, the
In this embodiment, the strain compensation layer 16 is interposed between all the well layers 18 and the
Furthermore, the active layer is not limited to a three-period quantum well structure.
[0019]
In this embodiment, the
Moreover, although the light guide layers 12 and 20 are GaN layers, they are not limited to GaN, and any of InGaN, AlGaN, and InAlGaN may be used, and a structure in which they are stacked may be used. The light guide layers 12 and 20 do not have to be the same. For example, the Al and In compositions may be different or the film thicknesses may be different, and one may be a single layer film and the other may be a laminated film. good.
[0020]
Embodiment 2
This embodiment is an example of an embodiment in which the nitride-based semiconductor light-emitting device according to the second invention is applied to a GaN-based semiconductor laser device, and FIG. 4 is a band structure diagram in the vicinity of the active layer.
The GaN-based semiconductor laser device of the present embodiment is a semiconductor laser device having an emission wavelength of 460 nm, and the
[0021]
The compositions of the
As shown in FIG. 3, the band gap energy of the
[0022]
In the present embodiment example, when the active layer is crystal-grown, the
As a result, the threshold value of the nitride-based semiconductor laser device having the
[0023]
Embodiment 3
The present embodiment is another example of an embodiment in which the nitride-based semiconductor light-emitting device according to the second invention is applied to a GaN-based semiconductor laser device, and FIG. 5 is a band structure diagram in the vicinity of the active layer.
The GaN-based semiconductor laser device of the present embodiment is a semiconductor laser device having an emission wavelength of 460 nm, and the
[0024]
The compositions of the
As shown in FIG. 5, the band gap energy of the strain compensation layer 58 is larger than the band gap energy of the
[0025]
In this embodiment example, when the active layer is crystal-grown, the strain compensation layer 58 is interposed in the well layer 56, so that the accumulation of strain is alleviated, so that crystal defects are less likely to occur. Similarly, the non-light emitting area is reduced.
As a result, the threshold value of the nitride-based semiconductor laser device having the
[0026]
Embodiment 4
This embodiment is an example of an embodiment in which the nitride-based semiconductor light-emitting device according to the third invention is applied to a GaN-based semiconductor laser device, and FIG. 6 is a band structure diagram in the vicinity of the active layer.
The GaN-based semiconductor laser device of the present embodiment is a semiconductor laser device having an emission wavelength of 460 nm, and the
[0027]
In this embodiment, a plurality of strain compensation layers 78 are interposed in the lower and upper GaN light guide layers 72 and 76, respectively.
The average composition of the GaN light guide layers 72 and 76 is In x Ga 1 -XN (X = 0.02), and as shown in FIG. In each case, an Al X1 Ga 1 -X1 N (X1 = 0.04)
[0028]
As shown in FIG. 6, the band gap energy of the
[0029]
In the present embodiment example, since the
As a result, the threshold value of the nitride-based semiconductor laser device having the light guide layer structure of this embodiment is lowered, and the slope efficiency is improved.
[0030]
In this embodiment, a strain compensation layer may be interposed between the well layer and the barrier layer in addition to the light guide layers 72 and 76.
That is, as shown in FIG. 6, the active layer 74 having a multiple quantum well structure has an In X3 Ga 1 -X3 N (X3 = 0.18) well layer 80 with a thickness of 25 mm and a thickness of 50 mm with the well layer 80 interposed therebetween. In X2 Ga 1 -X2 N (X2 = 0.08) barrier layer 82 and a well layer 80 and a barrier layer 82 on both sides of the well layer 80 with a thickness of 10 mm Al X4 Ga 1 -X4 N (X4 = 0.04) It is composed of
As shown in FIG. 6, the band gap energy of the strain compensation layer 84 is larger than the band gap energy of the barrier layer 82, and the lattice constant in the free standing of the strain compensation layer 84 is smaller than that of the barrier layer 82.
Thereby, in this embodiment, the effect of the present invention is further increased.
[0031]
【The invention's effect】
According to the first and second inventions, the strain compensation layer having a band gap energy larger than the band gap energy of the barrier layer is interposed between the well layer and both the barrier layers sandwiching the well layer, or the strain compensation By interposing the layer in the well layer or the barrier layer, the strain accumulation is reduced during crystal growth of the active layer, thereby suppressing the generation of crystal defects and reducing the non-light emitting region.
According to the third aspect of the present invention, the strain compensation layer having a band gap energy larger than the band gap energy of the light guide layer is interposed in the light guide layer, thereby reducing the accumulation of strain, thereby Generation | occurrence | production is suppressed and the non-light-emission area | region is reduced.
By applying the nitride semiconductor light emitting device according to the first to third inventions, a nitride semiconductor laser device having a small threshold current, an increased slope efficiency, and a high light emission efficiency at a predetermined light emission wavelength In addition, it is possible to realize a nitride-based light emitting diode with high emission efficiency at a constant emission wavelength.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration in the vicinity of an active layer of a GaN-based semiconductor laser device according to Embodiment 1;
2 is a band structure diagram in the vicinity of an active layer of a GaN-based semiconductor laser device according to Embodiment 1; FIG.
FIG. 3 is a copy of a photograph of an in-plane distribution of cathode minence intensity.
4 is a band structure diagram in the vicinity of an active layer of a GaN-based semiconductor laser device according to Embodiment 2. FIG.
5 is a band structure diagram in the vicinity of an active layer of a GaN-based semiconductor laser device according to Embodiment 3. FIG.
6 is a band structure diagram in the vicinity of an active layer of a GaN-based semiconductor laser device according to Embodiment 4. FIG.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a 405 nm semiconductor laser device.
FIG. 8 is a copy of a photograph of the cathode minescence intensity in-plane distribution.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (7)
AlGaN層からなる歪補償層が、前記量子井戸構造を構成する井戸層のうち少なくとも1層の井戸層と該少なくとも1層の井戸層を挟む両障壁層との間にそれぞれ介在しており、
前記AlGaN層の膜厚が、前記井戸層の膜厚及び前記障壁層の膜厚の双方より薄い、青色帯または緑色帯の窒化物系半導体発光素子。The well layer and the barrier layer have an active layer having a quantum well structure composed of an InGaN layer,
A strain compensation layer composed of an AlGaN layer is interposed between at least one well layer of the well layers constituting the quantum well structure and both barrier layers sandwiching the at least one well layer ;
A blue or green band nitride-based semiconductor light-emitting device in which the AlGaN layer has a thickness smaller than both the thickness of the well layer and the thickness of the barrier layer .
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