JP4285949B2

JP4285949B2 - Nitride semiconductor light emitting device

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Publication number: JP4285949B2
Application number: JP2002187786A
Authority: JP
Inventors: 剛神川; 有三津田; 真也石田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2022-06-27
Also published as: JP2004031770A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード素子、レーザダイオード素子等の発光素子に関するもので、特に、窒化物半導体よりなる窒化物半導体発光素子に関する。尚、本明細書で説明する窒化物半導体とは、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で構成される。又、この窒化物半導体において、その結晶構造が六方晶系であれば、約１０％以下のＡｓ、Ｐ、Ｓｂのいずれかの元素が置換されていても構わない。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体は、高輝度青色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）、純緑色ＬＥＤの材料として用いられ、フルカラーＬＥＤディスプレイ、交通信号灯、イメージスキャナー光源等の各種光源に実用化されている。又、青紫色半導体レーザ素子の材料としても用いられ、光ディスクの情報読み出しおよび書き込み用光源等への応用も期待されている。
【０００３】
このような窒化物半導体を用いた窒化物半導体発光素子の基本的な構成が、例えば、特開平６−１７７４２３号公報に開示されている。この特開平６−１７７４２３号公報で開示されている窒化物半導体発光素子は、図１２に示すように、サファイア等の基板９０１上に、ＧａＮよりなるバッファ層９０２と、ｎ型ＧａＮ層９０３と、ｎ型ＩｎＧａＮ層９０４と、ｐ型ＧａＮ層９０５とが順に積層された構造となる。
【０００４】
図１２のような窒化物半導体発光素子において、ｎ型ＩｎＧａＮ層９０４は、ＩｎとＧａの組成比の異なる２つのｎ型ＩｎＧａＮ層膜が交互に積層された多層膜で形成されている多重量子井戸構造とされ、発光層として用いられる。このｎ型ＩｎＧａＮ層９０４は、バンドギャップエネルギーの小さいＩｎＧａＮの井戸層と、バンドギャップエネルギーの大きいＩｎＧａＮ障壁層とが積層された構成の活性層となる。
【０００５】
この活性層となるｎ型ＩｎＧａＮ層９０４には、井戸層にキャリアを効率よく注入し閾値電流密度を低減させるために、Ｓｉ等のｎ型不純物がドープされている。このような構成の活性層を備えることによって、発光素子の光出力を向上させることができ、半導体レーザ素子を構成した場合、駆動時の閾値電流を低下させることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、発光層となる活性層にＳｉ等の不純物をドープすることによって、活性層内でのフリーキャリア散乱の増加や結晶性の悪化を招くため、半導体レーザ素子などにおいては、発生する光出力の低下の原因となる。このようなＳｉ等の不純物の活性層へドープする量を抑えた窒化物半導体発光素子が、特許第３２１７００４号公報において開示されている。
【０００７】
特許第３２１７００４号公報において、ｎ型不純物がドープされていないＩｎＧａＮ層である井戸層と、ｎ型不純物がドープされたＩｎＧａＮ層とｎ型不純物がドープされていないＩｎＧａＮ層とから構成される障壁層とが積層されて、体重量子井戸構造の活性層が構成される。このような活性層の障壁層において、ｎ型不純物がドープされたＩｎＧａＮ層は、ｎ型不純物がドープされていないＩｎＧａＮ層に挟まれた状態となるため、井戸層と接していない。
【０００８】
このように障壁層を構成するとき、障壁層の膜厚を８ｎｍで一定とし、障壁層を構成するｎ型不純物がドープされていないＩｎＧａＮ層の膜厚を変化させて、駆動時の閾値電流密度を測定した。この測定結果を、図１３のグラフに示す。図１３より、ｎ型不純物がドープされていないＩｎＧａＮ層の膜厚が１ｎｍより薄くなると閾値電流密度が増加することがわかる。これは、ｎ型不純物がドープされたＩｎＧａＮ層の膜厚が厚くなり光が散乱されるフリーキャリア散乱領域が増加し内部損失が大きくなったためと考えられる。
【０００９】
又、ｎ型不純物がドープされていないＩｎＧａＮ層の膜厚が３ｎｍより厚くなると閾値電流密度が増加することがわかる。これは、ｎ型不純物がドープされたＩｎＧａＮ層で生成されたキャリアが井戸層に達するまでに、ｎ型不純物がドープされていないＩｎＧａＮ層で消費され、効率よく井戸層に注入されないためであると考えられる。又、ｎ型不純物がドープされていないＩｎＧａＮ層の膜厚が１〜３ｎｍであっても、このｎ型不純物がドープされていないＩｎＧａＮ層があるために、効率よく井戸層にキャリアを注入できないため、閾値電流密度が高くなる。
【００１０】
本発明は、Ｓｉ等の不純物をドープする量を抑えるとともに、効率よくキャリアの発生を促すことができるバンドギャップ構造を有する窒化物半導体発光素子を提案することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の窒化物半導体発光素子は、ｎ型不純物がドープされたｎ型窒化物半導体層と、キャリアをトラップする複数の井戸層と該井戸層よりもバンドギャップエネルギーの高い複数の障壁層とが積層されて成る多重量子井戸構造である活性層と、ｐ型不純物がドープされたｐ型窒化物半導体層とから成り、前記ｎ型窒化物半導体層と前記活性層と前記ｐ型窒化物半導体層とが順に積層された窒化物半導体発光素子において、前記障壁層が、ｎ型不純物がドープされたドープ層と、ｎ型不純物がドープされていないアンドープ層とを有し、前記障壁層を構成する前記ドープ層及び前記アンドープ層の総数が３層であるとともに、前記障壁層の前記ドープ層が前記井戸層と接し、前記アンドープ層が前記井戸層と接していないことを特徴とする。
【００１２】
この構成によると、ｎ型不純物がドープされたドープ層が井戸層と接しているため、ドープ層で発生したキャリアが効率よく井戸層に供給される。障壁層にｎ型不純物がドープされていないアンドープ層を備えるため、障壁層内のｎ型不純物の濃度を抑えることができ、フリーキャリア散乱による内部損失を抑制することができる。
【００１３】
このような窒化物半導体発光素子において、前記障壁層を構成する前記ドープ層及び前記アンドープ層の総数を３層とするとともに、前記井戸層と接していない前記アンドープ層を設けるようにしても構わない。このとき、前記ドープ層の膜厚ｄａを、０．３ｎｍ≦ｄａ≦３ｎｍとする。
【００１５】
更に、前記障壁層の膜厚ｄｂを、７ｎｍ≦ｄｂ≦１２ｎｍとする。又、前記ドープ層にドープされたｎ型不純物の濃度Ｘを、５×１０¹⁵ｃｍ^-3≦Ｘ≦１×１０²⁰ｃｍ^-3とする。又、前記井戸層の膜厚ｄｃを、２ｎｍ≦ｄｃ≦７ｎｍとする。
【００１６】
又、前記障壁層をＧａＮ層とする。このとき、ドープ層及びアンドープ層いずれもＧａＮ層としても構わないし、ドープ層のみにＩｎがその組成に含まれるようにしても構わないし、アンドープ層のみにＩｎがその組成に含まれるようにしても構わないし、ドープ層及びアンドープ層いずれにもＩｎがその組成に含まれるようにしても構わない。更に、井戸層がＩｎＧａＮ層であるとともに、ｎ型不純物がドープされていない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
＜窒化物半導体発光素子の構成＞
以下の各実施形態において共通となる窒化物半導体発光素子の構成について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の窒化物半導体発光素子の構成を示す概略断面図である。
【００１８】
図１の窒化物半導体発光素子は、ｎ型ＧａＮ基板１００の表面上に、ｎ型ＧａＮ層１、ｎ型Ｉｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防止層２、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層４、活性層５、ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層７、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層８、ｐ型ＧａＮコンタクト層９が順に積層されて構成される。
【００１９】
更に、このように各窒化物半導体層が積層されて構成された窒化物半導体発光素子は、ｐ型ＡｌＧａＮ層８の上側部分及びｐ型ＧａＮコンタクト層９がストライプ状のリッジ構造とされ、このリッジ構造の両側にＳｉＯ₂誘電体膜１１が設けられる。そして、ｎ型ＧａＮ基板１００の裏面にｐ型電極１２が設けられるとともに、ｐ型ＧａＮコンタクト層９及びＳｉＯ₂誘電体膜１１の表面にｎ型電極１０が設けられる。
【００２０】
このような構成の窒化物半導体発光素子は、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）によって、窒化物半導体からなる積層構造をＧａＮ基板１００表面上に形成することで製作する。
【００２１】
このとき、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、ｎ型ＧａＮ基板１００の表面に、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮ層１を３μｍ、Ｓｉドープのｎ型ＩｎＧａＮクラック防止層２を４０ｎｍ、Ｓｉドープのｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３を１μｍ、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮ光ガイド層４を０．１μｍ、活性層５、Ｍｇドープのｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層６を２０ｎｍ、Ｍｇドープのｐ型ＧａＮ光ガイド層７を０．１μｍ、Ｍｇドープのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８を０．４μｍ、Ｍｇドープのｐ型ＧａＮコンタクト層９を０．１μｍ、それぞれ順に成長させた。
【００２２】
このようにして、ｎ型ＧａＮ基板１００上に窒化物半導体積層構造を作製した後、熱処理などによりＭｇドープ層を低抵抗ｐ型にした上で、ＡｌＧａＮクラッド層８と、ＧａＮコンタクト層９には、共振器方向に延伸したストライプ状のリッジを設けるとともに、このリッジ部分の両側及びＡｌＧａＮクラッド層８の表面にＳｉＯ₂誘電体膜１１を設ける。その後、Ａｕ／Ｍｏ／Ｐｄからなるｐ型電極１２、Ａｌ／Ｈｆからなるｎ型電極１０を形成して、窒化物半導体発光素子を作製する。
【００２３】
又、活性層５は、井戸層と障壁層とを順次積層した多層膜構造の多重量子井戸構造である。このとき、多重量子井戸構造の積層構造を最小としたとき、活性層５は、障壁層を１層とするとともにこの障壁層の両側に設けられた２層の井戸層を設けた３層構造、又は、井戸層を１層とするとともにこの井戸層の両側に設けられた２層の障壁層を設けた３層構造となる。
【００２４】
この多重量子井戸構造となる活性層５において、ｎ型ＧａＮ光ガイド層４及びｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層６に接する両側の２つの最外層を、いずれも井戸層としても構わないし、逆に、いずれも障壁層としても構わない。又、一方の最外層を井戸層とするとともに、他方の最外層を障壁層としても構わない。このような各構成の多重量子井戸構造となる活性層において、更に、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層６に接した最外層を障壁層及び井戸層のいずれで構成しても構わない。
【００２５】
このような多重量子井戸構造の活性層５において、井戸層及び障壁層は、ともに、窒化物半導体で形成される。即ち、井戸層は、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）や、ＧａＮ_１−ｘＡｓ_ｘ（０＜ｘ＜１）、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ_ｙＡｓ_１−ｙ（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）、ＧａＮ_１−ｘＰ_ｘ（０＜ｘ＜１）、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ_ｙＰ_１−ｙ（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）又はこれらの化合物で構成される。又、障壁層については、井戸層を構成するこれらの窒化物半導体およびＧａＮのいずれか又はこれらの化合物で構成され、更に、井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体によって構成される。
【００２６】
更に、この活性層５において構成される井戸層は全て、意図的に不純物がドープされない状態であるアンドープとされる。これは、井戸層に不純物をドープした場合、窒化物半導体発光素子の劣化が早く、その寿命に影響を与えるため、アンドープとした方がよいためである。又、ｐ型不純物としてｐ型窒化物半導体層にＭｇをドープしているが、その添加濃度は、５×１０¹⁹〜２×１０²⁰ｃｍ^-3の濃度で添加している。
【００２７】
このような共通の構成の窒化物半導体発光素子において、以下の各実施形態では、活性層５内部の積層構造が異なる。よって、以下の各実施形態では、活性層５内部の積層構造を中心に説明する。又、以下の各実施形態における窒化物半導体発光素子として、窒化物半導体レーザ素子を例に挙げて説明する。
【００２８】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態について、図面を参照して説明する。図２は、窒化物半導体レーザ素子の活性層５の積層構造を示すための断面図である。
【００２９】
図２に示すように、活性層５は、障壁層２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃと井戸層２０２とによる多重量子井戸構造で構成される。本実施形態では、障壁層２０１ａ／井戸層２０２／障壁層２０１ｂ／井戸層２０２／障壁層２０１ｂ／井戸層２０２／障壁層２０１ｃの順序で成長させて構成し、井戸層２０２の層数を３層とした。
【００３０】
このように活性層５を構成する際、本実施形態において、井戸層２０２をアンドープのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層とする。又、井戸層２０２の厚さを２〜７ｎｍの範囲とする。これは、井戸層２０２の厚さが２ｎｍより薄いと、界面散乱が増加し、又、移動層２０２の厚さが７ｎｍより厚くなると、井戸層２０２内で電子と正孔の空間的な分離が起こって再結合確率を下げる。よって、井戸層２０２の厚さを２〜７ｎｍの範囲外とした場合、駆動時の閾値電流を上昇させてしまう。尚、本実施形態では、この井戸層２０２の厚さを４ｎｍとする。
【００３１】
又、障壁層２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃはそれぞれ、３層構造とする。そして、ｎ型ＧａＮ光ガイド層４と井戸層２０２とに挟まれた障壁層２０１ａは、ｎ型ＧａＮ光ガイド層４と接するｎ側近接層２０３ｘと、井戸層２０２と接する井戸近接層２０３ｙと、３層の中間に位置する中間層２０４とによって構成される。又、井戸層２０２に挟まれた障壁層２０１ｂは、２層の井戸近接層２０３ｙと、中間層２０４とによって構成される。又、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層６と井戸層２０２とに挟まれた障壁層２０１ｃは、井戸近接層２０３ｙと、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層６と接するｐ側近接層２０３ｚと、中間層２０４とによって構成される。
【００３２】
このようにして、障壁層２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃそれぞれを構成するとき、ｎ側近接層２０３ｘ及び井戸近接層２０３ｙ及びｐ側近接層２０３ｚの厚さをそれぞれ３ｎｍとするとともに、中間層２０４の厚さを２ｎｍとし、障壁層２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃの厚さをそれぞれ８ｎｍとする。又、井戸近接層２０３ｙにのみ、Ｓｉ等のn型不純物をドープする。
【００３３】
このとき、ドープされたＳｉ濃度を、５×１０¹⁵ｃｍ^-3〜１×１０²⁰ｃｍ^-3とする方がよい。これは、Ｓｉ濃度を１×１０²⁰ｃｍ^-3以上としたとき、Ｓｉの過剰ドープが活性層の結晶性を悪化させてしまい、又、Ｓｉ濃度を５×１０¹⁵ｃｍ^-3以下としたとき、キャリアの生成が起こらなくなり、それぞれ、閾値電流密度の増加を引き起こしてしまうためである。このドープされたＳｉ濃度は、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析）などの測定方法を用いて測定される。
【００３４】
尚、本実施形態においては、Ｓｉ濃度を、１×１０¹⁸ｃｍ^-3とする。又、ｎ側近接層２０３ｘ及びｐ側近接層２０３ｚを、アンドープとしたが、Ｓｉ等のｎ型不純物をドープしても構わない。又、上記範囲以内であれば、井戸近接層２０３ｙにおいて、ｎ側ＧａＮ光ガイド層４側の井戸層２０２と近接している層と、ｐ側ＡｌＧａＮキャリアブロック層６側の井戸層２０２と近接している層との間で、Ｓｉ濃度は異なっていても構わない。
【００３５】
このように構成された活性層５のバンドダイヤグラムを、図３に示す。図３より明らかなように、障壁層２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃのバンドギャップエネルギーより小さいバンドギャップエネルギーとなる井戸層２０２に、井戸近接層２０３ｙが接していることがわかる。
【００３６】
この井戸近接層２０３ｙは、ｎ型不純物がドープされているため、キャリアが発生しやすい状態となる。この発生したキャリアが、井戸層２０２にトラップされるため、井戸層２０２にトラップされるキャリアの量が多くなり、光出力を高めることができる。又、井戸近接層２０３ｙが井戸層２０２と接しているので、発生したキャリアが井戸層２０２に達する確率が高い。そして、上述の条件で作成した窒化物半導体レーザ素子の閾値電流密度は、２．３ｋＡ／ｃｍ²となった。
【００３７】
又、図４に、障壁層２０１（障壁層２０１ａ〜２０１ｃに相当する）全体の膜厚を８ｎｍで一定として、井戸近接層２０３ｙの膜厚を変化させたときの閾値電流密度を表したグラフを示す。尚、ｎ側ＧａＮ光ガイド層４側の井戸層２０２と近接している井戸近接層２０３ｙの膜厚と、ｐ側ＡｌＧａＮキャリアブロック層６側の井戸層２０２と近接している井戸近接層２０３ｙの膜厚とが等しいものとする。即ち、井戸近接層２０３ｙが１ｎｍの時は、中間層２０４は６ｎｍとなり、井戸近接層２０３ｙが２ｎｍの時は、中間層２０４は４ｎｍとなり、井戸近接層２０３ｙが３ｎｍの時は、中間層２０４は２ｎｍとなる。
【００３８】
この図４の結果より、井戸近接層２０３ｙが３ｎｍ以下となるとき、閾値電流密度が低減することがわかる。尚、井戸近接層２０３ｙが３ｎｍより厚い場合、閾値電流密度が増加するのは、ｎ型不純物がドープされる井戸近接層２０３ｙをこれ以上厚くしても、井戸層２０２に注入されるキャリアの量が増加せず、障壁層２０１にドープされるｎ型不純物の割合が多くなるためである。即ち、このｎ型不純物の割合が多くなると、活性層５内のフリーキャリア散乱が増加し内部損失が大きくなるため、閾値電流密度が増加する。
【００３９】
そこで、井戸近接層２０３ｙの層厚を３ｎｍ以下とすることで、ｎ型不純物のドープ量が抑えられるため、フリーキャリア散乱による内部損失の増加を抑えることができる。又、井戸層２０２と接する井戸近接層２０３ｙにｎ型不純物をドープするので、井戸層２０２に効率よくキャリアが供給することができるものと考えられる。但し、井戸近接層２０３ｙの膜厚が０．３ｎｍ以下になると、ｎ型不純物のドープ量が十分でなく、十分なキャリア数が井戸層２０２に注入できなくなるため、再び閾値電流密度が増大する。
【００４０】
この図４のような井戸近接層２０３ｙの膜厚と閾値電流密度との関係を、井戸層２０２の膜厚を２ｎｍ〜７ｎｍの範囲で変化させるとともに、又、障壁層２０１の膜厚を７ｎｍ〜１２ｎｍの範囲で変化させて、調べたが、その結果は、図４に示した結果と一致した。又、障壁層２０１の膜厚を７ｎｍ未満とした場合、閾値電流密度が増加する。これは、活性層５全体の膜厚が薄くなり、光閉じ込めが弱くなったためと考えられる。更に、障壁層２０１の厚さを１２ｎｍ以上とした場合、各井戸層２０２が離れすぎて、移動度の小さいホールが各井戸層２０２に均一に注入されなくなり、ゲインの低下を引き起こすため、閾値電流密度が上昇する。
【００４１】
上述の結果より、窒化物半導体レーザ素子の活性層５において、障壁層２０１の層厚を７〜１２ｎｍの範囲とし、井戸層２０２の膜厚を２〜７ｎｍの範囲とするとともに、ドーピングされる井戸近接層２０３ｙの膜厚を０．３ｎｍ〜３ｎｍ以下とすることで、フリーキャリア散乱による内部損失の増加を抑え、効率よく井戸層２０２にキャリアを注入できるため、閾値電流密度を低減することができる。
【００４２】
＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態について、図面を参照して説明する。図５は、窒化物半導体レーザ素子の活性層５を構成する各層のバンドギャップエネルギーの関係を示すバンドダイヤグラムである。尚、本実施形態において、活性層５の構成については、第１の実施形態と同様、図２のような構成となる。
【００４３】
本実施形態では、第１の実施形態と異なり、障壁層２０１ａ〜２０１ｃにおいて、中間層２０４をＩｎＧａＮ層とし、ｎ側近接層２０３ｘ及び井戸近接層２０３ｙ及びｐ側近接層２０３ｚをＧａＮ層としている。このとき、ｎ側近接層２０３ｘ及び井戸近接層２０３ｙ及びｐ側近接層２０３ｚに対して、Ｓｉなどのｎ型不純物をドープする。
【００４４】
又、中間層２０４は、フリーキャリア散乱による内部損失の増加を防ぐために、アンドープとなっている。この中間層２０４の組成を、Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎで形成する。このように、Ｉｎが中間層２０４の組成に含まれるため、ＧａＮ層で構成されるｎ側近接層２０３ｘ及び井戸近接層２０３ｙ及びｐ側近接層２０３ｚに対して、そのバンドギャップエネルギーが低くなる。このバンドギャップエネルギーは、Ｉｎの含有率によって決定し、その含有率が多くなるほど低くなる。よって、中間層２０４において、井戸層２０２におけるＩｎの含有率よりも低くなるように設定される。
【００４５】
このように活性層５が構成された窒化物半導体レーザ素子においても、第１の実施形態とほぼ同様の結果が得られた。よって、障壁層２０１の層厚を７ｎｍ〜１２ｎｍの範囲とし、井戸層２０２の膜厚を２〜７ｎｍの範囲とするとともに、ドープされる井戸近接層２０３ｙの膜厚を０．３ｎｍ〜３ｎｍ以下とすることで、フリーキャリア散乱による内部損失の増加を抑え、効率よく井戸層２０２にキャリアを注入できるため、閾値電流密度を低減することができる。
【００４６】
本実施形態のように、障壁層２０１の一部をＩｎＧａＮ層とした場合、活性層５は熱によるダメージに弱くなり、活性層５を成長させた後、１０００℃以上でｐ層を成長させる際に、熱ダメージを受けてしまう。しかし、本実施形態のように、ＩｎＧａＮ層とされる中間層２０４を、ＧａＮ層とされるｎ側近接層２０３ｘ及び井戸近接層２０３ｙ及びｐ側近接層２０３ｚで挟みこむため、熱ダメージを受けにくくすることができ、閾値電流密度が２ｋＡ／cm²程度の良好な特性の窒化物半導体レーザ素子を得ることができる。尚、障壁層２０１に含まれるＩｎＧａＮ層におけるＩｎの組成は０．１以下に抑える方が好ましい。又、ｎ側近接層２０３ｘ及びｐ側近接層２０３ｚに対して、ｎ型不純物をドープするものとしたが、中間層２０４と同様、アンドープとしても構わない。
【００４７】
＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態について、図面を参照して説明する。図６は、窒化物半導体レーザ素子の活性層５を構成する各層のバンドギャップエネルギーの関係を示すバンドダイヤグラムである。尚、本実施形態において、活性層５の構成については、第１の実施形態と同様、図２のような構成となる。
【００４８】
本実施形態では、第１の実施形態と異なり、障壁層２０１ａ〜２０１ｃにおいて、井戸近接層２０３ｙをＩｎＧａＮ層とし、ｎ側近接層２０３ｘ及びｐ側近接層２０３ｚ及び中間層２０４をＧａＮ層としている。このとき、井戸近接層２０３ｙに対して、Ｓｉ等のｎ型不純物をドープする。この井戸近接層２０３ｙの組成を、Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎで形成する。又、ｎ側近接層２０３ｘ及びｐ側近接層２０３ｚ及び中間層２０４は、フリーキャリア散乱による内部損失の増加を防ぐために、アンドープとなっている。
【００４９】
このように、Ｉｎが井戸近接層２０３ｙの組成に含まれるため、ＧａＮで構成されるｎ側近接層２０３ｘ及びｐ側近接層２０３ｚ及び中間層２０４に対して、そのバンドギャップエネルギーが低くなる。尚、井戸近接層２０３ｚにおけるＩｎの含有率は、井戸層２０２よりも低くなるように設定される。又、ｎ型ＧａＮ光ガイド層４側の井戸近接層２０３ｙとｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層６側の井戸近接層２０３ｙそれぞれにおいて、Ｉｎの組成が異なっていても構わない。
【００５０】
本実施形態のように構成された窒化物半導体レーザ素子においても、第１の実施形態とほぼ同様の結果が得られた。即ち、障壁層２０１の層厚を７ｎｍ〜１２ｎｍの範囲とし、井戸層２０２の膜厚を２〜７ｎｍの範囲とするとともに、ドープされる井戸近接層２０３ｙの膜厚を０．３ｎｍ〜３ｎｍ以下とすることで、閾値電流密度を低減することができる。
【００５１】
尚、ｎ側近接層２０３ｘ及びｐ側近接層２０３ｚをＧａＮとしたが、井戸近接層２０３ｙと同様、その組成にＩｎを含むようにしても構わない。又、このｎ側近接層２０３ｘ及びｐ側近接層２０３ｚに、ｎ型不純物をドープするようにしても構わない。
【００５２】
＜第４の実施形態＞
本発明の第４の実施形態について、図面を参照して説明する。図７は、窒化物半導体レーザ素子の活性層５を構成する各層のバンドギャップエネルギーの関係を示すバンドダイヤグラムである。尚、本実施形態において、活性層５の構成については、第１の実施形態と同様、図２のような構成となる。
【００５３】
本実施形態では、第１の実施形態と異なり、障壁層２０１ａ〜２０１ｃを、ＩｎＧａＮ層とする。即ち、ｎ側近接層２０３ｘ及び井戸近接層２０３ｙ及びｐ側近接層２０３ｚ及び中間層２０４それぞれの組成を、Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎで形成する。このとき、井戸層２０２はアンドープで、障壁層２０１ａ〜２０１ｃに関しては、ｎ側近接層２０３ｘ及び井戸近接層２０３ｙ及びｐ側近接層２０３ｚに、Ｓｉ等のｎ型不純物をドープする。このとき、ｎ側近接層２０３ｘ及びｐ側近接層２０３ｚについては、アンドープでも構わない。
【００５４】
本実施形態のように構成された窒化物半導体レーザ素子においても、第１の実施形態とほぼ同様の結果が得られた。即ち、障壁層２０１の層厚を７ｎｍ〜１２ｎｍの範囲とし、井戸層２０２の膜厚を２〜７ｎｍの範囲とするとともに、ドープされる井戸近接層２０３ｙの膜厚を０．３ｎｍ〜３ｎｍ以下とすることで、閾値電流密度を低減することができる。
【００５５】
しかし、第３の実施形態及び第４の実施形態のように、井戸近接層２０３ｙをＩｎＧａＮ層とした場合、活性層５が熱によるダメージに弱くなり、活性層５を成長させた後、１０００℃以上でｐ層を成長させる際に、熱ダメージを受ける。よって、障壁層２０１ａ〜２０１ｃと井戸層２０２との界面の急峻性が崩れることがあり、活性層５からの発光スペクトルがブロード化して、窒化物半導体レーザ素子の出力特性を悪化させてしまう。このため、井戸近接層２０３ｙをＧａＮ層とする方が好ましい。
【００５６】
＜第５の実施形態＞
本発明の第５の実施形態について、図面を参照して説明する。図８は、窒化物半導体レーザ素子の活性層５の積層構造を示すための断面図である。尚、図２に示すと同一部分については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００５７】
図８に示すように、活性層５において、障壁層２０１ａ〜２０１ｃが２層となっている。この障壁層２０１ａ〜２０１ｃ及び第１の実施形態と同様アンドープのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層である井戸層２０２が、障壁層２０１ａ／井戸層２０２／障壁層２０１ｂ／井戸層２０２／障壁層２０１ｂ／井戸層２０２／障壁層２０１ｃの順序で成長されて、多重量子井戸構造が構成される。本実施形態においても、井戸層２０２の層数が３層とした。
【００５８】
本実施形態に置いても、駆動時の閾値電流を抑制するために、井戸層２０２の膜厚を２〜７ｎｍの範囲であることが好ましく、本実施形態では、４ｎｍとする。又、障壁層２０１ａは、ｎ型ＧａＮ光ガイド層４と接するｎ側近接層２０３ｘと、井戸層２０２と接するｐ側井戸近接層２０３ｂとによって構成される。又、障壁層２０１ｂは、ｎ側ＧａＮ光ガイド層４側の井戸層２０２と接するｎ側井戸近接層２０３ａと、ｐ側ＡｌＧａＮキャリアブロック層６側の井戸層２０２と接するｐ側井戸近接層２０３ｂとによって構成される。又、障壁層２０１ｃは、ｎ側井戸近接層２０３ａと、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層６と接するｐ側近接層２０３ｚとによって構成される。
【００５９】
そして、ｎ側近接層２０３ｘ及びｎ側井戸近接層２０３ａをＧａＮ層とし、ｐ側近接層２０３ｚ及びｐ側井戸近接層２０３ｂをＩｎＧａＮ層とする。このとき、ｐ側近接層２０３ｚ及びｐ側井戸近接層２０３ｂの組成が、Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.95Ｎで形成されるとともに、アンドープとされる。又、ｎ側近接層２０３ｘ及びｎ側井戸近接層２０３ａには、Ｓｉ等のｎ型不純物がドープされる。そして、ｎ側近接層２０３ｘ及びｐ側近接層２０３ｚ及びｎ側井戸近接層２０３ａ及びｐ側井戸近接層２０３ｂそれぞれの膜厚を４ｎｍとし、障壁層２０１ａ〜２０１ｃそれぞれの膜厚を８ｎｍとする。
【００６０】
ｎ側近接層２０３ｘ及びｎ側井戸近接層２０３ａにドープされるＳｉ濃度は、第１の実施形態と同様の理由から、５×１０¹⁵ｃｍ^-3〜１×１０²⁰ｃｍ^-3とした方がよい。尚、本実施形態では、１×１０¹⁸ｃｍ^-3とする。又、上記範囲以内であれば、ｎ側近接層２０３ｘ及びｎ側井戸近接層２０３ａにドープされるＳｉ濃度が異なっていても構わない。
【００６１】
このように構成された活性層５のバンドダイヤグラムを、図９に示す。ｐ側井戸近接層２０３ｂ及びｐ側近接層２０３ｚはＩｎを組成に含むため、ｎ側井戸近接層２０３ａ及びｎ側近接層２０３ｘよりもバンドギャップエネルギーが低くなる。又、ｎ型不純物がドープされたｎ側井戸近接層２０３ａが井戸層２０２と接しているので、ｎ側井戸近接層２０３ａで発生したキャリアが効率よく井戸層２０２にトラップされる。そして、上述の条件で作成した窒化物半導体レーザ素子の閾値電流密度は、２．５ｋＡ／ｃｍ²となった。
【００６２】
又、図１０に、障壁層２０１（障壁層２０１ａ〜２０１ｃに相当する）全体の膜厚を８ｎｍで一定として、ｎ側井戸近接層２０３ａ（ｎ側近接層２０３ｘを含む）の膜厚を変化させたときの閾値電流密度を表したグラフを示す。つまり、ｎ側井戸近接層２０３ａが１ｎｍの時は、ｐ側井戸近接層２０３ｂは７ｎｍで、ｎ側井戸近接層２０３ａが２ｎｍの時は、ｐ側井戸近接層２０３ｂは６ｎｍで、ｎ側井戸近接層２０３ａが４ｎｍの時は、ｐ側井戸近接層２０３ｂは４ｎｍとなり、障壁層２０１の全体厚さが８ｎｍになるように、ｐ側井戸近接層２０３ｂの膜厚が決定される。
【００６３】
この図１０の結果より、ｎ側井戸近接層２０３ａが４ｎｍ以下となるとき、閾値電流密度が低減することがわかる。尚、ｎ側井戸近接層２０３ａが４ｎｍより厚い場合、閾値電流密度が増加するのは、ｎ型不純物がドープされるｎ側井戸近接層２０３ａをこれ以上厚くしても、井戸層に注入されるキャリアの量が増加せず、井戸層２０２に注入されるキャリアの量が増加せず、障壁層２０１にドープされるｎ型不純物の割合が多くなるためである。
【００６４】
しかし、ｎ側井戸近接層２０３ａ及びｎ側近接層２０３ｘの膜厚を４ｎｍ以下にすることで、フリーキャリア散乱による内部損失の増加を抑え、更に、Ｓｉドープされることで、井戸層２０２に効率よくキャリアが供給されて低閾値電流密度の素子が実現できたと考えられる。但し、ｎ側井戸近接層２０３ａ及びｎ側近接層２０３ｘの膜厚が０．３ｎｍ以下になると十分なキャリア数が井戸層２０２に注入できなくなるため、再び閾値電流密度の増大を引き起こす。また、ｎ側近接層２０３ｘに関して、本実施形態では、Ｓｉドープを行ったが、アンドープとしても、図１０の結果と同じであった。
【００６５】
この図１０のようなｎ側井戸近接層２０３ａの膜厚と閾値電流密度との関係を、井戸層２０２の膜厚を２ｎｍ〜７ｎｍの範囲で変化させるとともに、又、障壁層２０１の膜厚を７ｎｍ〜１２ｎｍの範囲で変化させて、調べたが、第１の実施形態と同様、その結果は、図１０に示した結果と一致した。
【００６６】
上述の結果より、窒化物半導体レーザ素子の活性層５において、障壁層２０１の層厚を７〜１２ｎｍの範囲とし、井戸層２０２の膜厚を２〜７ｎｍの範囲とするとともに、ｎ型不純物のドープを、ｎ側井戸近接層２０３ａ及びｎ側近接層２０３ｘに行うことで、最も効率よくキャリアを井戸層２０２に注入できる。又、ｎ側井戸近接層２０３ａ及びｎ側近接層２０３ｘの層厚を０．３〜４ｎｍとすることで、フリーキャリア散乱による内部損失の増加を抑え、効率よく井戸層２０２にキャリアを注入できるため閾値電流密度を低減することができる。
【００６７】
このように構成された窒化物半導体レーザ素子を、ハンダ等を用いてステムにマウントし、ワイヤーボンディングにより電気的な接続を行って、半導体レーザ装置を組んだとき、その特性歩留まりを良好なものとすることができる。尚、本実施形態において、ｐ側井戸近接層２０３ｂ及びｐ側近接層２０３ｚをＩｎＧａＮ層としたが、ＧａＮ層としても、ほぼ同じ結果が得られる。
【００６８】
＜第６の実施形態＞
本発明の第６の実施形態について、図面を参照して説明する。図１１は、窒化物半導体レーザ素子の活性層５を構成する各層のバンドギャップエネルギーの関係を示すバンドダイヤグラムである。尚、本実施形態において、活性層５の構成については、第５の実施形態と同様、図８のような構成となる。
【００６９】
本実施形態では、第１の実施形態と異なり、障壁層２０１ａ〜２０１ｃにおいて、ｎ側井戸近接層２０３ａ及びｎ側近接層２０３ｘをＩｎ_0.15Ｇａ_0.95Ｎ層とするとともにアンドープとし、ｐ側井戸近接層２０３ｂ及びｐ側近接層２０３ｚをＧａＮ層とするとともにＳｉ等のｎ型不純物をドープする。そして、障壁層２０１ａ〜２０１ｃの膜厚を一定として、ｐ側井戸近接層２０３ｂ及びｐ側近接層２０３ｚの膜厚を変化させた場合、図１０と同様の傾向を示した。
【００７０】
このように活性層５が構成された窒化物半導体レーザ素子においても、第５の実施形態とほぼ同様の結果が得られた。よって、障壁層２０１の層厚を７ｎｍ〜１２ｎｍの範囲とし、井戸層２０２の膜厚を２〜７ｎｍの範囲とするとともに、ドープされるｐ側井戸近接層２０３ｂ及びｐ側近接層２０３ｚの膜厚を０．３ｎｍ〜４ｎｍ以下とすることで、フリーキャリア散乱による内部損失の増加を抑え、効率よく井戸層２０２にキャリアを注入できるため、閾値電流密度を低減することができる。
【００７１】
尚、本実施形態において、ｎ側井戸近接層２０３ａ及びｎ側近接層２０３ｘをＩｎＧａＮ層としたが、ＧａＮ層としても、ほぼ同じ結果が得られる。又、ｐ側近接層２０３ｚをノンドープとしても、ほぼ同じ結果が得られる。
【００７２】
上述の各実施形態で構成された窒化物半導体レーザ素子を、ハンダ等を用いてステムにマウントし、ワイヤーボンディングにより電気的な接続を行って、半導体レーザ装置を組んだとき、その特性歩留まりを良好なものとすることができる。
【００７３】
【発明の効果】
本発明によると、ｎ型不純物がドープされたドープ層が井戸層と接しているため、ドープ層で発生したキャリアが効率よく井戸層に供給される。障壁層にｎ型不純物がドープされていないアンドープ層を備えるため、障壁層内のｎ型不純物の濃度を抑えることができ、フリーキャリア散乱による内部損失を抑制することができる。よって、駆動時の閾値電流密度の低い窒化物半導体発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】窒化物半導体発光素子の構成を示す概略断面図。
【図２】図１の窒化物半導体発光素子の活性層の構成を示す断面図の一例。
【図３】第１の実施形態の窒化物半導体素子の活性層のバンドダイヤグラム。
【図４】井戸近接層の膜厚を変化させたときの閾値電流密度を表したグラフ。
【図５】第２の実施形態の窒化物半導体素子の活性層のバンドダイヤグラム。
【図６】第３の実施形態の窒化物半導体素子の活性層のバンドダイヤグラム。
【図７】第４の実施形態の窒化物半導体素子の活性層のバンドダイヤグラム。
【図８】図１の窒化物半導体発光素子の活性層の構成を示す断面図の一例。
【図９】第５の実施形態の窒化物半導体素子の活性層のバンドダイヤグラム。
【図１０】ｎ側井戸近接層の膜厚を変化させたときの閾値電流密度を表したグラフ。
【図１１】第６の実施形態の窒化物半導体素子の活性層のバンドダイヤグラム。
【図１２】従来の窒化物半導体発光素子の構成を示す概略断面図。
【図１３】ｎ型不純物がドープされていないＩｎＧａＮ層の膜厚を変化させたときの閾値電流密度を表したグラフ。
【符号の説明】
１ｎ型ＧａＮ層
２ｎ型ＩｎＧａＮクラック防止層
３ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
４ｎ型ＧａＮ光ガイド層
５活性層
６ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層
７ｐ型ＧａＮ光ガイド層
８ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
９ｐ型ＧａＮコンタクト層
１０ｎ型電極
１１ＳｉＯ₂誘電体膜
１２ｐ型電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a light emitting element such as a light emitting diode element and a laser diode element, and more particularly to a nitride semiconductor light emitting element made of a nitride semiconductor. The nitride semiconductor described in this specification is composed of AlxGayInzN (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, x + y + z = 1). Further, in this nitride semiconductor, if the crystal structure is hexagonal, about 10% or less of any element of As, P, or Sb may be substituted.
[0002]
[Prior art]
Nitride semiconductors are used as materials for high-intensity blue LEDs (Light Emitting Diodes) and pure green LEDs, and have been put into practical use for various light sources such as full-color LED displays, traffic signal lights, and image scanner light sources. It is also used as a material for blue-violet semiconductor laser devices, and is expected to be applied to information reading and writing light sources for optical disks.
[0003]
A basic configuration of a nitride semiconductor light emitting device using such a nitride semiconductor is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 6-177423. As shown in FIG. 12, a nitride semiconductor light emitting device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 6-177423 has a buffer layer 902 made of GaN, an n-type GaN layer 903 on a substrate 901 such as sapphire, The n-type InGaN layer 904 and the p-type GaN layer 905 are sequentially stacked.
[0004]
In the nitride semiconductor light emitting device as shown in FIG. 12, the n-type InGaN layer 904 is formed of a multilayer film in which two n-type InGaN layer films having different composition ratios of In and Ga are alternately stacked. The structure is used as a light emitting layer. The n-type InGaN layer 904 is an active layer having a structure in which an InGaN well layer having a small band gap energy and an InGaN barrier layer having a large band gap energy are stacked.
[0005]
The n-type InGaN layer 904 serving as the active layer is doped with an n-type impurity such as Si in order to efficiently inject carriers into the well layer and reduce the threshold current density. By providing the active layer having such a configuration, the light output of the light emitting element can be improved. When a semiconductor laser element is configured, the threshold current during driving can be reduced.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, doping an impurity such as Si into the active layer that becomes the light emitting layer leads to an increase in free carrier scattering and a deterioration in crystallinity in the active layer. Causes a drop. A nitride semiconductor light emitting device that suppresses the amount of doping of an impurity such as Si into the active layer is disclosed in Japanese Patent No. 3217004.
[0007]
Japanese Patent No. 3217004 discloses a barrier layer composed of a well layer which is an InGaN layer not doped with n-type impurities, an InGaN layer doped with n-type impurities, and an InGaN layer not doped with n-type impurities. Are stacked to form an active layer having a weight quantum well structure. In such a barrier layer of the active layer, the InGaN layer doped with the n-type impurity is sandwiched between the InGaN layers not doped with the n-type impurity, and is not in contact with the well layer.
[0008]
When the barrier layer is configured in this way, the thickness of the barrier layer is fixed at 8 nm, and the thickness of the InGaN layer that is not doped with the n-type impurity is changed to change the threshold current density during driving. Was measured. The measurement results are shown in the graph of FIG. FIG. 13 shows that the threshold current density increases when the thickness of the InGaN layer not doped with n-type impurities is less than 1 nm. This is presumably because the thickness of the InGaN layer doped with n-type impurities is increased, the free carrier scattering region where light is scattered increases, and the internal loss increases.
[0009]
It can also be seen that the threshold current density increases when the thickness of the InGaN layer not doped with n-type impurities exceeds 3 nm. This is because the carriers generated in the InGaN layer doped with n-type impurities are consumed by the InGaN layer not doped with n-type impurities until they reach the well layer, and are not efficiently injected into the well layer. Conceivable. Even if the thickness of the InGaN layer not doped with n-type impurities is 1 to 3 nm, carriers cannot be efficiently injected into the well layer because of the InGaN layer not doped with n-type impurities. The threshold current density is increased.
[0010]
An object of the present invention is to propose a nitride semiconductor light emitting device having a band gap structure capable of suppressing the amount of doping impurities such as Si and efficiently promoting the generation of carriers.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a nitride semiconductor light emitting device of the present invention includes an n-type nitride semiconductor layer doped with an n-type impurity, a plurality of well layers for trapping carriers, and a band gap energy higher than that of the well layer. An active layer having a multiple quantum well structure in which a plurality of high barrier layers are stacked, and a p-type nitride semiconductor layer doped with a p-type impurity, the n-type nitride semiconductor layer and the active layer In the nitride semiconductor light emitting device in which the p-type nitride semiconductor layer is stacked in order, the barrier layer has a doped layer doped with n-type impurities and an undoped layer not doped with n-type impurities. And The total number of the doped layer and the undoped layer constituting the barrier layer is three layers, The doped layer of the barrier layer is in contact with the well layer. The undoped layer is not in contact with the well layer It is characterized by that.
[0012]
According to this configuration, since the doped layer doped with the n-type impurity is in contact with the well layer, carriers generated in the doped layer are efficiently supplied to the well layer. Since the barrier layer includes an undoped layer that is not doped with n-type impurities, the concentration of the n-type impurities in the barrier layer can be suppressed, and internal loss due to free carrier scattering can be suppressed.
[0013]
In such a nitride semiconductor light emitting device, the total number of the doped layers and the undoped layers constituting the barrier layer is 3 layers In addition, the undoped layer that is not in contact with the well layer may be provided. At this time, the thickness da of the doped layer is set to 0.3 nm ≦ da ≦ 3 nm.
[0015]
Further, the film thickness db of the barrier layer is set to 7 nm ≦ db ≦ 12 nm. The concentration X of the n-type impurity doped in the doped layer is 5 × 10 5. ¹⁵ cm ^-3 ≦ X ≦ 1 × 10 ²⁰ cm ^-3 And The film thickness dc of the well layer is 2 nm ≦ dc ≦ 7 nm.
[0016]
The barrier layer is a GaN layer. At this time, both the doped layer and the undoped layer may be GaN layers, only the doped layer may include In in the composition, or only the undoped layer may include In in the composition. It does not matter that In may be included in the composition in both the doped layer and the undoped layer. Furthermore, the well layer is an InGaN layer and is not doped with n-type impurities.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
<Configuration of nitride semiconductor light emitting device>
A configuration of a nitride semiconductor light emitting element that is common in the following embodiments will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the nitride semiconductor light emitting device of the present invention.
[0018]
The nitride semiconductor light emitting device of FIG. 1 includes an n-type GaN layer 1 and an n-type In on the surface of an n-type GaN substrate 100. _0.07 Ga _0.93 N crack prevention layer 2, n-type Al _0.1 Ga _0.9 N-clad layer 3, n-type GaN light guide layer 4, active layer 5, p-type Al _0.2 Ga _0.8 N carrier block layer 6, p-type GaN light guide layer 7, p-type Al _0.1 Ga _0.9 An N clad layer 8 and a p-type GaN contact layer 9 are sequentially stacked.
[0019]
Further, in the nitride semiconductor light emitting device configured by laminating the respective nitride semiconductor layers in this way, the upper portion of the p-type AlGaN layer 8 and the p-type GaN contact layer 9 have a striped ridge structure. SiO on both sides of the structure ₂ A dielectric film 11 is provided. A p-type electrode 12 is provided on the back surface of the n-type GaN substrate 100, and the p-type GaN contact layer 9 and SiO ₂ An n-type electrode 10 is provided on the surface of the dielectric film 11.
[0020]
The nitride semiconductor light emitting device having such a structure is manufactured by forming a laminated structure made of a nitride semiconductor on the surface of the GaN substrate 100 by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition).
[0021]
At this time, using an MOCVD apparatus, the Si-doped n-type GaN layer 1 is 3 μm, the Si-doped n-type InGaN crack prevention layer 2 is 40 nm, and the Si-doped n-type AlGaN cladding layer is formed on the surface of the n-type GaN substrate 100. 3 is 1 μm, Si-doped n-type GaN light guide layer 4 is 0.1 μm, active layer 5, Mg-doped p-type AlGaN carrier blocking layer 6 is 20 nm, and Mg-doped p-type GaN light guide layer 7 is 0.1 μm. Then, the Mg-doped p-type AlGaN cladding layer 8 was grown to 0.4 μm, and the Mg-doped p-type GaN contact layer 9 was grown to 0.1 μm in this order.
[0022]
In this way, after a nitride semiconductor multilayer structure is formed on the n-type GaN substrate 100, the Mg doped layer is made to have a low resistance p-type by heat treatment or the like, and then the AlGaN cladding layer 8 and the GaN contact layer 9 are formed. In addition, a stripe-shaped ridge extending in the cavity direction is provided, and SiO 2 is formed on both sides of the ridge portion and on the surface of the AlGaN cladding layer 8. ₂ A dielectric film 11 is provided. Thereafter, a p-type electrode 12 made of Au / Mo / Pd and an n-type electrode 10 made of Al / Hf are formed to produce a nitride semiconductor light emitting device.
[0023]
The active layer 5 has a multi-quantum well structure having a multilayer structure in which a well layer and a barrier layer are sequentially stacked. At this time, when the stacked structure of the multiple quantum well structure is minimized, the active layer 5 has a three-layer structure in which one barrier layer is provided and two well layers provided on both sides of the barrier layer are provided. Alternatively, a three-layer structure in which one well layer is provided and two barrier layers provided on both sides of the well layer are provided.
[0024]
In the active layer 5 having the multiple quantum well structure, the two outermost layers on both sides in contact with the n-type GaN light guide layer 4 and the p-type AlGaN carrier block layer 6 may be used as well layers. Can also be used as a barrier layer. One outermost layer may be a well layer and the other outermost layer may be a barrier layer. In such an active layer having a multiple quantum well structure, the outermost layer in contact with the p-type AlGaN carrier block layer 6 may be composed of either a barrier layer or a well layer.
[0025]
In the active layer 5 having such a multiple quantum well structure, the well layer and the barrier layer are both formed of a nitride semiconductor. That is, the well layer is In _x Ga _1-x N (0 <x <1) or GaN _1-x As _x (0 <x <1), In _x Ga _1-x N _y As _1-y (0 <x <1, 0 <y <1), GaN _1-x P _x (0 <x <1), In _x Ga _1-x N _y P _1-y (0 <x <1, 0 <y <1) or these compounds. As for the barrier layer, these nitride semiconductors constituting the well layer And GaN Or a nitride semiconductor having a larger band gap energy than the well layer.
[0026]
Further, all well layers formed in the active layer 5 are undoped, which is a state in which impurities are not intentionally doped. This is because when the impurity is doped in the well layer, the nitride semiconductor light emitting device deteriorates quickly and affects its life, so it is better to make it undoped. Further, Mg is doped in the p-type nitride semiconductor layer as a p-type impurity, and the addition concentration is 5 × 10 5. ¹⁹ ~ 2x10 ²⁰ cm ^-3 It is added at a concentration of.
[0027]
In the nitride semiconductor light emitting device having such a common configuration, the laminated structure inside the active layer 5 is different in each of the following embodiments. Therefore, in each of the following embodiments, the description will focus on the laminated structure inside the active layer 5. Further, as a nitride semiconductor light emitting device in each of the following embodiments, a nitride semiconductor laser device will be described as an example.
[0028]
<First Embodiment>
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a cross-sectional view for illustrating a laminated structure of the active layer 5 of the nitride semiconductor laser element.
[0029]
As shown in FIG. 2, the active layer 5 has a multiple quantum well structure including barrier layers 201 a, 201 b, 201 c and a well layer 202. In this embodiment, the barrier layers 201a / well layers 202 / barrier layers 201b / well layers 202 / barrier layers 201b / well layers 202 / barrier layers 201c are grown in this order, and the number of well layers 202 is three. It was.
[0030]
When configuring the active layer 5 in this manner, in this embodiment, the well layer 202 is formed of undoped In _0.15 Ga _0.85 N layer. Further, the thickness of the well layer 202 is set to a range of 2 to 7 nm. This is because when the thickness of the well layer 202 is less than 2 nm, the interface scattering increases, and when the thickness of the moving layer 202 is greater than 7 nm, spatial separation of electrons and holes in the well layer 202 is caused. Happen to lower the recombination probability. Therefore, when the thickness of the well layer 202 is outside the range of 2 to 7 nm, the threshold current during driving is increased. In the present embodiment, the thickness of the well layer 202 is 4 nm.
[0031]
Each of the barrier layers 201a, 201b, and 201c has a three-layer structure. The barrier layer 201a sandwiched between the n-type GaN light guide layer 4 and the well layer 202 includes an n-side proximity layer 203x in contact with the n-type GaN light guide layer 4, a well proximity layer 203y in contact with the well layer 202, The intermediate layer 204 is located between the three layers. The barrier layer 201b sandwiched between the well layers 202 is composed of two well proximity layers 203y and an intermediate layer 204. The barrier layer 201c sandwiched between the p-type AlGaN carrier block layer 6 and the well layer 202 includes a well proximity layer 203y, a p-side proximity layer 203z in contact with the p-type AlGaN carrier block layer 6, and an intermediate layer 204. Composed.
[0032]
Thus, when each of the barrier layers 201a, 201b, 201c is configured, the thickness of the n-side proximity layer 203x, the well proximity layer 203y, and the p-side proximity layer 203z is 3 nm, respectively, and the thickness of the intermediate layer 204 Is 2 nm, and the thicknesses of the barrier layers 201a, 201b, and 201c are each 8 nm. Further, only the well proximity layer 203y is doped with an n-type impurity such as Si.
[0033]
At this time, the doped Si concentration is 5 × 10 5. ¹⁵ cm ^-3 ~ 1x10 ²⁰ cm ^-3 Is better. This means that the Si concentration is 1 × 10 ²⁰ cm ^-3 At the above, excessive doping of Si deteriorates the crystallinity of the active layer, and the Si concentration is 5 × 10 5. ¹⁵ cm ^-3 This is because carrier generation does not occur and the threshold current density increases in the following cases. This doped Si concentration is measured using a measuring method such as SIMS (secondary ion mass spectrometry).
[0034]
In the present embodiment, the Si concentration is 1 × 10 ¹⁸ cm ^-3 And The n-side proximity layer 203x and the p-side proximity layer 203z are undoped, but may be doped with an n-type impurity such as Si. Within the above range, in the well proximity layer 203y, the layer close to the well layer 202 on the n-side GaN light guide layer 4 side and the well layer 202 on the p-side AlGaN carrier block layer 6 side are close to each other. The Si concentration may be different from one layer to another.
[0035]
FIG. 3 shows a band diagram of the active layer 5 configured as described above. As is apparent from FIG. 3, the well proximity layer 203y is in contact with the well layer 202 having a band gap energy smaller than that of the barrier layers 201a, 201b, and 201c.
[0036]
Since the well proximity layer 203y is doped with an n-type impurity, carriers are likely to be generated. Since the generated carriers are trapped in the well layer 202, the amount of carriers trapped in the well layer 202 increases, and the light output can be increased. In addition, since the well proximity layer 203y is in contact with the well layer 202, the probability that the generated carriers reach the well layer 202 is high. The threshold current density of the nitride semiconductor laser element fabricated under the above conditions is 2.3 kA / cm. ² It became.
[0037]
FIG. 4 is a graph showing the threshold current density when the thickness of the well proximity layer 203y is changed while the entire thickness of the barrier layer 201 (corresponding to the barrier layers 201a to 201c) is constant at 8 nm. Show. Incidentally, the film thickness of the well proximity layer 203y adjacent to the well layer 202 on the n-side GaN light guide layer 4 side and the well proximity layer 203y adjacent to the well layer 202 on the p-side AlGaN carrier block layer 6 side. The film thickness is assumed to be equal. That is, when the well proximity layer 203y is 1 nm, the intermediate layer 204 is 6 nm. When the well proximity layer 203y is 2 nm, the intermediate layer 204 is 4 nm. When the well proximity layer 203y is 3 nm, the intermediate layer 204 is 2 nm.
[0038]
From the results of FIG. 4, it can be seen that the threshold current density decreases when the well proximity layer 203y is 3 nm or less. When the well proximity layer 203y is thicker than 3 nm, the threshold current density increases because the amount of carriers injected into the well layer 202 is increased even if the well proximity layer 203y doped with the n-type impurity is thicker than this. This is because the ratio of n-type impurities doped in the barrier layer 201 increases. That is, when the ratio of the n-type impurity increases, the free carrier scattering in the active layer 5 increases and the internal loss increases, so that the threshold current density increases.
[0039]
Therefore, by setting the layer thickness of the well proximity layer 203y to 3 nm or less, the doping amount of the n-type impurity can be suppressed, so that an increase in internal loss due to free carrier scattering can be suppressed. In addition, since the n-type impurity is doped in the well proximity layer 203y in contact with the well layer 202, it is considered that carriers can be efficiently supplied to the well layer 202. However, when the thickness of the well proximity layer 203y is 0.3 nm or less, the doping amount of the n-type impurity is not sufficient, and a sufficient number of carriers cannot be injected into the well layer 202, so that the threshold current density increases again.
[0040]
The relationship between the film thickness of the well proximity layer 203y and the threshold current density as shown in FIG. 4 is changed while the film thickness of the well layer 202 is changed in the range of 2 nm to 7 nm, and the film thickness of the barrier layer 201 is changed from 7 nm to 7 nm. The change was made within the range of 12 nm, and the results were examined. The results were consistent with the results shown in FIG. Further, when the thickness of the barrier layer 201 is less than 7 nm, the threshold current density increases. This is presumably because the film thickness of the entire active layer 5 was reduced and the light confinement was weakened. Further, when the thickness of the barrier layer 201 is 12 nm or more, each well layer 202 is too far away, and holes with low mobility are not uniformly injected into each well layer 202, causing a decrease in gain. Density increases.
[0041]
From the above results, in the active layer 5 of the nitride semiconductor laser device, the barrier layer 201 has a thickness of 7 to 12 nm, the well layer 202 has a thickness of 2 to 7 nm, and a well to be doped. By setting the film thickness of the proximity layer 203y to 0.3 nm to 3 nm or less, an increase in internal loss due to free carrier scattering can be suppressed and carriers can be efficiently injected into the well layer 202, so that the threshold current density can be reduced. .
[0042]
<Second Embodiment>
A second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 5 is a band diagram showing the relationship between the band gap energies of the respective layers constituting the active layer 5 of the nitride semiconductor laser element. In the present embodiment, the configuration of the active layer 5 is as shown in FIG. 2 as in the first embodiment.
[0043]
In the present embodiment, unlike the first embodiment, in the barrier layers 201a to 201c, the intermediate layer 204 is an InGaN layer, and the n-side proximity layer 203x, the well proximity layer 203y, and the p-side proximity layer 203z are GaN layers. At this time, the n-side proximity layer 203x, the well proximity layer 203y, and the p-side proximity layer 203z are doped with an n-type impurity such as Si.
[0044]
The intermediate layer 204 is undoped to prevent an increase in internal loss due to free carrier scattering. The composition of the intermediate layer 204 is changed to In _0.05 Ga _0.95 N. As described above, since In is included in the composition of the intermediate layer 204, the band gap energy of the n-side proximity layer 203x, the well proximity layer 203y, and the p-side proximity layer 203z formed of the GaN layer is low. This band gap energy is determined by the In content, and decreases as the content increases. Therefore, the intermediate layer 204 is set to be lower than the In content in the well layer 202.
[0045]
Also in the nitride semiconductor laser element in which the active layer 5 is configured in this way, the substantially same result as in the first embodiment was obtained. Therefore, the thickness of the barrier layer 201 is in the range of 7 nm to 12 nm, the thickness of the well layer 202 is in the range of 2 to 7 nm, and the thickness of the doped well proximity layer 203 y is 0.3 nm to 3 nm or less. By doing so, an increase in internal loss due to free carrier scattering can be suppressed and carriers can be efficiently injected into the well layer 202, so that the threshold current density can be reduced.
[0046]
When a part of the barrier layer 201 is an InGaN layer as in this embodiment, the active layer 5 is vulnerable to heat damage, and after the active layer 5 is grown, the p layer is grown at 1000 ° C. or higher. In addition, it will receive heat damage. However, as in the present embodiment, the intermediate layer 204, which is an InGaN layer, is sandwiched between the n-side proximity layer 203x, the well proximity layer 203y, and the p-side proximity layer 203z that are GaN layers, and thus is not easily damaged by heat. Threshold current density of 2 kA / cm ² A nitride semiconductor laser device having such good characteristics can be obtained. The In composition in the InGaN layer included in the barrier layer 201 is preferably suppressed to 0.1 or less. In addition, the n-type impurity is doped into the n-side proximity layer 203x and the p-side proximity layer 203z. However, as with the intermediate layer 204, it may be undoped.
[0047]
<Third Embodiment>
A third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 6 is a band diagram showing the relationship between the band gap energies of the respective layers constituting the active layer 5 of the nitride semiconductor laser element. In the present embodiment, the configuration of the active layer 5 is as shown in FIG. 2 as in the first embodiment.
[0048]
In the present embodiment, unlike the first embodiment, in the barrier layers 201a to 201c, the well proximity layer 203y is an InGaN layer, and the n-side proximity layer 203x, the p-side proximity layer 203z, and the intermediate layer 204 are GaN layers. At this time, the well proximity layer 203y is doped with an n-type impurity such as Si. The composition of the well proximity layer 203y is changed to In _0.05 Ga _0.95 N. The n-side proximity layer 203x, the p-side proximity layer 203z, and the intermediate layer 204 are undoped in order to prevent an increase in internal loss due to free carrier scattering.
[0049]
Thus, since In is included in the composition of the well proximity layer 203y, the band gap energy of the n-side proximity layer 203x, the p-side proximity layer 203z, and the intermediate layer 204 made of GaN is lower. The In content in the well proximity layer 203z is set to be lower than that in the well layer 202. Further, the In composition may be different in each of the well proximity layer 203y on the n-type GaN optical guide layer 4 side and the well proximity layer 203y on the p-type AlGaN carrier block layer 6 side.
[0050]
Also in the nitride semiconductor laser element configured as in the present embodiment, substantially the same result as in the first embodiment was obtained. That is, the thickness of the barrier layer 201 is in the range of 7 nm to 12 nm, the thickness of the well layer 202 is in the range of 2 to 7 nm, and the thickness of the doped well proximity layer 203 y is 0.3 nm to 3 nm or less. By doing so, the threshold current density can be reduced.
[0051]
The n-side proximity layer 203x and the p-side proximity layer 203z are GaN. However, like the well proximity layer 203y, the composition may include In. Further, the n-side impurity layer 203x and the p-side proximity layer 203z may be doped with an n-type impurity.
[0052]
<Fourth Embodiment>
A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 7 is a band diagram showing the relationship of the band gap energy of each layer constituting the active layer 5 of the nitride semiconductor laser device. In the present embodiment, the configuration of the active layer 5 is as shown in FIG. 2 as in the first embodiment.
[0053]
In the present embodiment, unlike the first embodiment, the barrier layers 201a to 201c are InGaN layers. That is, the composition of each of the n-side proximity layer 203x, the well proximity layer 203y, the p-side proximity layer 203z, and the intermediate layer 204 is changed to In _0.05 Ga _0.95 N. At this time, the well layer 202 is undoped, and for the barrier layers 201a to 201c, the n-side proximity layer 203x, the well proximity layer 203y, and the p-side proximity layer 203z are doped with an n-type impurity such as Si. At this time, the n-side proximity layer 203x and the p-side proximity layer 203z may be undoped.
[0054]
Also in the nitride semiconductor laser element configured as in the present embodiment, substantially the same result as in the first embodiment was obtained. That is, the thickness of the barrier layer 201 is in the range of 7 nm to 12 nm, the thickness of the well layer 202 is in the range of 2 to 7 nm, and the thickness of the doped well proximity layer 203 y is 0.3 nm to 3 nm or less. By doing so, the threshold current density can be reduced.
[0055]
However, as in the third and fourth embodiments, when the well proximity layer 203y is an InGaN layer, the active layer 5 is vulnerable to heat damage, and after the active layer 5 is grown, 1000 ° C. When the p layer is grown as described above, thermal damage is received. Therefore, the steepness of the interface between the barrier layers 201a to 201c and the well layer 202 may be lost, the emission spectrum from the active layer 5 becomes broad, and the output characteristics of the nitride semiconductor laser device are deteriorated. For this reason, it is preferable that the well proximity layer 203y be a GaN layer.
[0056]
<Fifth Embodiment>
A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 8 is a cross-sectional view for illustrating a laminated structure of the active layer 5 of the nitride semiconductor laser element. 2 that are the same as those shown in FIG. 2 are given the same reference numerals, and detailed descriptions thereof are omitted.
[0057]
As shown in FIG. 8, in the active layer 5, the barrier layers 201a to 201c are two layers. Similar to the barrier layers 201a to 201c and the first embodiment, undoped In _0.15 Ga _0.85 The N well layer 202 is grown in the order of barrier layer 201a / well layer 202 / barrier layer 201b / well layer 202 / barrier layer 201b / well layer 202 / barrier layer 201c to form a multiple quantum well structure. The Also in this embodiment, the number of well layers 202 is three.
[0058]
Even in this embodiment, the thickness of the well layer 202 is preferably in the range of 2 to 7 nm in order to suppress the threshold current during driving, and in this embodiment, the thickness is 4 nm. The barrier layer 201 a includes an n-side proximity layer 203 x in contact with the n-type GaN light guide layer 4 and a p-side well proximity layer 203 b in contact with the well layer 202. The barrier layer 201b includes an n-side well proximity layer 203a in contact with the well layer 202 on the n-side GaN light guide layer 4 side, and a p-side well proximity layer 203b in contact with the well layer 202 on the p-side AlGaN carrier block layer 6 side. Consists of. The barrier layer 201c is composed of an n-side well proximity layer 203a and a p-side proximity layer 203z in contact with the p-type AlGaN carrier block layer 6.
[0059]
The n-side proximity layer 203x and the n-side well proximity layer 203a are GaN layers, and the p-side proximity layer 203z and the p-side well proximity layer 203b are InGaN layers. At this time, the composition of the p-side proximity layer 203z and the p-side well proximity layer 203b is In _0.15 Ga _0.95 N is formed and undoped. The n-side proximity layer 203x and the n-side well proximity layer 203a are doped with an n-type impurity such as Si. Then, the thickness of each of the n-side proximity layer 203x, the p-side proximity layer 203z, the n-side well proximity layer 203a, and the p-side well proximity layer 203b is 4 nm, and the thickness of each of the barrier layers 201a to 201c is 8 nm.
[0060]
The Si concentration doped in the n-side proximity layer 203x and the n-side well proximity layer 203a is 5 × 10 5 for the same reason as in the first embodiment. ¹⁵ cm ^-3 ~ 1x10 ²⁰ cm ^-3 It is better to do. In this embodiment, 1 × 10 ¹⁸ cm ^-3 And Moreover, the Si concentration doped in the n-side proximity layer 203x and the n-side well proximity layer 203a may be different as long as it is within the above range.
[0061]
FIG. 9 shows a band diagram of the active layer 5 configured as described above. Since the p-side well proximity layer 203b and the p-side proximity layer 203z contain In in their compositions, the band gap energy is lower than that of the n-side well proximity layer 203a and the n-side proximity layer 203x. Further, since the n-side well proximity layer 203a doped with the n-type impurity is in contact with the well layer 202, carriers generated in the n-side well proximity layer 203a are efficiently trapped in the well layer 202. The threshold current density of the nitride semiconductor laser element fabricated under the above conditions is 2.5 kA / cm. ² It became.
[0062]
In FIG. 10, the entire thickness of the barrier layer 201 (corresponding to the barrier layers 201a to 201c) is constant at 8 nm, and the thickness of the n-side well proximity layer 203a (including the n-side proximity layer 203x) is changed. The graph showing the threshold current density at the time is shown. That is, when the n-side well proximity layer 203a is 1 nm, the p-side well proximity layer 203b is 7 nm, and when the n-side well proximity layer 203a is 2 nm, the p-side well proximity layer 203b is 6 nm and the n-side well proximity When the layer 203a is 4 nm, the thickness of the p-side well proximity layer 203b is determined so that the p-side well proximity layer 203b is 4 nm and the entire thickness of the barrier layer 201 is 8 nm.
[0063]
From the results of FIG. 10, it can be seen that the threshold current density is reduced when the n-side well proximity layer 203a is 4 nm or less. When the n-side well proximity layer 203a is thicker than 4 nm, the threshold current density is increased even if the n-side well proximity layer 203a doped with the n-type impurity is made thicker than that. This is because the amount of carriers does not increase, the amount of carriers injected into the well layer 202 does not increase, and the ratio of n-type impurities doped into the barrier layer 201 increases.
[0064]
However, when the film thickness of the n-side well adjacent layer 203a and the n-side adjacent layer 203x is set to 4 nm or less, an increase in internal loss due to free carrier scattering is suppressed, and further, the well layer 202 is efficiently doped by being doped with Si. It is considered that an element having a low threshold current density can be realized by supplying carriers well. However, if the film thickness of the n-side well adjacent layer 203a and the n-side adjacent layer 203x is 0.3 nm or less, a sufficient number of carriers cannot be injected into the well layer 202, which causes an increase in the threshold current density again. Further, in the present embodiment, Si doping was performed on the n-side adjacent layer 203x, but the undoped result was the same as the result of FIG.
[0065]
The relationship between the film thickness of the n-side well proximity layer 203a and the threshold current density as shown in FIG. 10 is changed while the film thickness of the well layer 202 is changed in the range of 2 nm to 7 nm, and the film thickness of the barrier layer 201 is changed. Although it was examined by changing in the range of 7 nm to 12 nm, the result coincided with the result shown in FIG. 10 as in the first embodiment.
[0066]
From the above results, in the active layer 5 of the nitride semiconductor laser element, the thickness of the barrier layer 201 is in the range of 7 to 12 nm, the thickness of the well layer 202 is in the range of 2 to 7 nm, and the n-type impurity By doping the n-side well adjacent layer 203a and the n-side adjacent layer 203x, carriers can be most efficiently injected into the well layer 202. Further, by setting the thickness of the n-side well adjacent layer 203a and the n-side adjacent layer 203x to 0.3 to 4 nm, an increase in internal loss due to free carrier scattering can be suppressed and carriers can be efficiently injected into the well layer 202. The threshold current density can be reduced.
[0067]
When the nitride semiconductor laser device configured in this way is mounted on a stem using solder or the like, and is electrically connected by wire bonding to form a semiconductor laser device, the characteristic yield is improved. can do. In the present embodiment, the p-side well adjacent layer 203b and the p-side adjacent layer 203z are InGaN layers, but substantially the same result can be obtained by using a GaN layer.
[0068]
<Sixth Embodiment>
A sixth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 11 is a band diagram showing the relationship of the band gap energy of each layer constituting the active layer 5 of the nitride semiconductor laser element. In the present embodiment, the configuration of the active layer 5 is as shown in FIG. 8 as in the fifth embodiment.
[0069]
In the present embodiment, unlike the first embodiment, in the barrier layers 201a to 201c, the n-side well adjacent layer 203a and the n-side adjacent layer 203x are replaced with In. _0.15 Ga _0.95 The n-layer is undoped and the p-side well adjacent layer 203b and the p-side adjacent layer 203z are GaN layers and doped with an n-type impurity such as Si. And when the film thickness of barrier layer 201a-201c was made constant and the film thickness of the p side well adjacent layer 203b and the p side adjacent layer 203z was changed, the tendency similar to FIG. 10 was shown.
[0070]
Also in the nitride semiconductor laser element in which the active layer 5 is configured as described above, substantially the same result as in the fifth embodiment was obtained. Therefore, the layer thickness of the barrier layer 201 is in the range of 7 nm to 12 nm, the film thickness of the well layer 202 is in the range of 2 to 7 nm, and the film thicknesses of the doped p-side well adjacent layer 203b and p-side adjacent layer 203z. By setting the thickness to 0.3 nm to 4 nm or less, an increase in internal loss due to free carrier scattering can be suppressed and carriers can be efficiently injected into the well layer 202, so that the threshold current density can be reduced.
[0071]
In the present embodiment, the n-side well proximity layer 203a and the n-side proximity layer 203x are InGaN layers, but substantially the same results can be obtained even when they are GaN layers. Moreover, substantially the same result can be obtained even if the p-side proximity layer 203z is non-doped.
[0072]
When the nitride semiconductor laser device configured in each of the above-described embodiments is mounted on a stem using solder or the like and electrically connected by wire bonding to form a semiconductor laser device, the characteristic yield is good. Can be.
[0073]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the doped layer doped with the n-type impurity is in contact with the well layer, carriers generated in the doped layer are efficiently supplied to the well layer. Since the barrier layer includes an undoped layer that is not doped with n-type impurities, the concentration of the n-type impurities in the barrier layer can be suppressed, and internal loss due to free carrier scattering can be suppressed. Therefore, a nitride semiconductor light emitting device having a low threshold current density during driving can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a nitride semiconductor light emitting device.
2 is an example of a cross-sectional view showing a configuration of an active layer of the nitride semiconductor light emitting device of FIG.
FIG. 3 is a band diagram of an active layer of the nitride semiconductor device of the first embodiment.
FIG. 4 is a graph showing threshold current density when the film thickness of the well proximity layer is changed.
FIG. 5 is a band diagram of an active layer of the nitride semiconductor device of the second embodiment.
FIG. 6 is a band diagram of an active layer of the nitride semiconductor device of the third embodiment.
FIG. 7 is a band diagram of an active layer of the nitride semiconductor device of the fourth embodiment.
8 is an example of a cross-sectional view showing a configuration of an active layer of the nitride semiconductor light emitting device of FIG.
FIG. 9 is a band diagram of an active layer of the nitride semiconductor device of the fifth embodiment.
FIG. 10 is a graph showing threshold current density when the film thickness of the n-side well adjacent layer is changed.
FIG. 11 is a band diagram of the active layer of the nitride semiconductor device of the sixth embodiment.
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a conventional nitride semiconductor light emitting device.
FIG. 13 is a graph showing threshold current density when the film thickness of an InGaN layer not doped with n-type impurities is changed.
[Explanation of symbols]
1 n-type GaN layer
2 n-type InGaN crack prevention layer
3 n-type AlGaN cladding layer
4 n-type GaN light guide layer
5 Active layer
6 p-type AlGaN carrier block layer
7 p-type GaN light guide layer
8 p-type AlGaN cladding layer
9 p-type GaN contact layer
10 n-type electrode
11 SiO ₂ Dielectric film
12 p-type electrode

Claims

An n-type nitride semiconductor layer doped with an n-type impurity, a multiple quantum well structure in which a plurality of well layers for trapping carriers and a plurality of barrier layers having a higher band gap energy than the well layers are stacked. Nitride semiconductor light-emitting device comprising an active layer and a p-type nitride semiconductor layer doped with a p-type impurity, wherein the n-type nitride semiconductor layer, the active layer, and the p-type nitride semiconductor layer are sequentially stacked. In the element
The barrier layer includes a doped layer doped with n-type impurities and an undoped layer not doped with n-type impurities;
The total number of the doped layer and the undoped layer constituting the barrier layer is three layers,
Said doped layer of said barrier layer is contact with the well layer,
The nitride semiconductor light emitting device, wherein the undoped layer is not in contact with the well layer .

The doped layer is a GaN doped layer;
The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the undoped layer is a GaN undoped layer containing In .

3. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein a film thickness da of the doped layer is 0.3 nm ≦ da ≦ 3 nm .

4. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein a thickness db of the barrier layer is 7 nm ≦ db ≦ 12 nm . 5.

Concentration X of n-type impurity doped in said doped layer is in any of claims 1 to 4, characterized in that a ^{^{5 × 10 15 cm -3 ≦ X}} ≦ 1 × 10 20 cm -3 The nitride semiconductor light emitting device described.

6. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein a film thickness dc of the well layer is 2 nm ≦ dc ≦ 7 nm .

The nitride semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein the barrier layer is a GaN layer .

The nitride semiconductor light emitting device according to claim 7, wherein the composition of the undoped layer includes In .

The nitride semiconductor light emitting device according to claim 7, wherein In is included in a composition of the doped layer .

10. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 2, wherein an In composition in the InGaN layer included in the barrier layer is 0.1 or less. 11.

The undoped layer is made of In _{０．０５0.05} Ga _{０．９５0.95} The nitride semiconductor light emitting device according to claim 10, wherein the nitride semiconductor light emitting device is an N undoped layer.

The nitride semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 11, wherein the well layer is an InGaN layer and is not doped with an n-type impurity .