JP4287702B2 - Oxide 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、例えば半導体レーザなどの半導体発光素子に関し、さらに詳しくは、発振閾値電流が低く信頼性に優れた酸化物半導体発光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
酸化亜鉛(ZnO)は、約3.4eVのバンドギャップエネルギを有する直接遷移型半導体で、励起子結合エネルギが60meVと極めて高く、また原材料が安価、環境や人体に無害で成膜手法が簡便であるなどの特徴を有し、高効率・低消費電力で環境性に優れた発光デバイスを実現出来る可能性がある。
【0003】
なお、以下においてZnO系半導体とは、ZnOおよびこれを母体としたMgZnOあるいはCdZnOなどで表される混晶を含めるものとする。
【0004】
半導体レーザ素子においては、光出射端面は105〜106W/cm2という極めて高密度な光エネルギに晒される。このため、上記光出射端面に微小な欠陥などがある場合でも、その微小な欠陥などがレーザ動作中に伝播増殖してしまう。AlGaAsやInGaAsPなどのIII−V族化合物半導体を用いた従来の半導体レーザ素子において、そのような欠陥の主な原因となるのは、光出射端面における酸化の進行である。すなわち、上記III−V族化合物半導体を構成する元素には、AlやGaなど酸化しやすい金属が含まれており、これらの金属が光出射端面に吸着した酸素と高い光エネルギ密度の基で反応し、母体半導体との結合を切って酸化物を形成する。このようにして生成された微小な欠陥が増殖を繰り返すと、光出射端面の半導体結晶が著しく破壊されて、素子が劣化に至る(例えば、非特許文献1参照。)。
【0005】
上記酸化の進行による素子劣化を防止するためは、通常、半導体レーザ素子の光出射端面上に保護膜を形成する。この保護膜の材料としては、上述したような劣化メカニズムを考慮すると、光出射端面が酸素と接しないことが好ましいと考えられ、硫化物が用いられている(例えば、特許文献1〜4参照。)。
【0006】
また、青色〜紫外領域の半導体レーザ素子として実用段階にあるIII族窒化物系半導体は、化学的に極めて安定であるので光出射端面が高いエネルギ密度に晒されても損傷を生じにくく、保護膜を用いなくても信頼性の高い半導体レーザ素子を作製することが可能である。
【0007】
【非特許文献1】
Applied Physics Letters,1974年,Vol.25,No.12,p708
【特許文献1】
特開平4−369885号公報
【特許文献2】
特開平3−149889号公報
【特許文献3】
特開平4−091484号公報
【特許文献4】
特開平9−121076号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ZnO系半導体で構成されたZnO系半導体レーザ素子では、ZnO系半導体が酸化物半導体であるので、上記従来のIII−V族化合物半導体レーザ素子のような酸化の進行による劣化が生じない。
【0009】
しかし、本発明者らの検討によれば、ZnO系半導体レーザ素子において光出射端面上に保護膜を形成しないと、実用的な素子寿命を確保出来ないという問題がある。
【0010】
そして、ZnO系半導体レーザ素子の光出射端面に従来の半導体レーザ素子と同様の保護膜を形成しても、光出射端面における欠陥の増殖を抑制出来ないことがわかった。
【0011】
また、ZnO系半導体レーザ素子の端面反射率は、青色〜紫外光に対しておよそ20%であり、上記従来のIII−V族化合物半導体レーザ素子の端面反射率30%よりも小さい。このため、上記ZnO系半導体レーザ素子は、上記従来のIII−V族化合物半導体レーザ素子に比べて反射損失が大きい。その結果、上記ZnO系半導体レーザ素子では、発振閾値電流が増大するという問題がある。
【0012】
そこで、本発明の目的は、素子寿命を延ばすことが出来、且つ、発振閾値電流を低減出来る信頼性に優れた酸化物半導体発光素子を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明者らの詳細な検討によると、ZnO系半導体レーザ素子における光出射端面の劣化は、水分などの吸着による還元が主な原因であり、従来の酸化を防止する役割が大きい端面保護技術では、還元性の劣化を抑止出来ないと考えられる。
【0014】
上記原因を考慮して、本発明者らは、実用的な素子寿命を確保出来でき、且つ、発振閾値電流を低減出来る信頼性に優れた酸化物半導体発光素子の構造を鋭意検討した。その結果、半導体レーザ素子の光出射端面を金属酸化物の保護膜で保護することにより上記目的が達せられることを見い出し本発明に至った。
【0015】
本発明の酸化物半導体発光素子は、
基板上に、少なくとも、第1導電型クラッド層、活性層、第2導電型クラッド層および第2導電型コンタクト層が順次積層され、
上記第1導電型クラッド層、活性層、第2導電型クラッド層および第2導電型コンタクト層はZnO系半導体から成り、
上記第1導電型クラッド層、活性層および第2導電型クラッド層を有する導波路と、
上記導波路の延在方向に垂直な光出射端面および光反射端面を有する光共振器と
を備え、
上記光出射端面および上記光反射端面がZnO系半導体から成り、
上記光出射端面と上記光反射端面との少なくとも一方の上に、屈折率が異なる複数の金属酸化物を含むと共に、複数の層から成る保護膜が形成され、
上記保護膜は、上記光出射端面または上記光反射端面に接すると共に、上記活性層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有するMgZnO混晶を含むことを特徴としている。
【0016】
ここで、「少なくとも」と言う文言は、活性層の両側の光ガイド層、エッチングストップ層、平坦化層およびキャップ層などを設けてもよいということを意味している。
【0017】
また、本明細書において、第1導電型とは、p型またはn型を意味する。また、第2導電型とは、第1導電型がp型の場合はn型、n型の場合はp型を意味する。
【0018】
上記構成の酸化物半導体発光素子によれば、上記金属酸化物はZnO系半導体との親和性が良く密着性に優れる。したがって、上記複数の金属酸化物層を含む保護膜を、光出射端面と光反射端面との少なくとも一方の上に形成することにより、光出射端面と光反射端面との少なくとも一方を還元雰囲気から保護することが出来る。つまり、還元雰囲気からの保護効果が高くなる。その結果、上記光出射端面と光反射端面との少なくとも一方において欠陥の増殖が抑制されて、素子寿命を延ばすことが出来る。つまり、長時間の駆動に対して信頼性に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【0019】
また、上記複数の金属酸化物層を含む保護膜を、光出射端面と光反射端面との少なくとも一方の上に形成することにより、素子の端面反射率が高くなり、反射損失が小さくなるので、発振閾値電流を低減出来る。
また、上記MgZnO混晶やBeZnO混晶は、ワイドギャップZnO系半導体であり、ZnOとの親和性に優れて、金属酸化物誘電体に比べ屈折率が大きい。また、上記保護膜は、そのワイドギャップZnO系半導体を含むことにより、端面反射率を微細に制御出来る。したがって、上記保護膜は、活性層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有するZnO系半導体を含んでいるので、端面反射率を微細に制御することが出来る。その結果、光学特性に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【0020】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記光出射端面からレーザ光を出射する。
【0021】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記保護膜が含む金属酸化物が非晶質または単結晶である。
【0022】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記金属酸化物は、非晶質または単結晶であるから、結晶粒界を含まない。これにより、上記光出射端面または光反射端面における欠陥の増殖が抑えられる。したがって、上記光出射端面または光反射端面に対する保護膜の保護効果を高く出来る。
【0023】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記保護膜は非晶質膜または単結晶薄膜である。
【0024】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記保護膜は、非晶質膜または単結晶膜であるから、結晶粒界を含まない。これにより、上記光出射端面または光反射端面における欠陥の増殖が確実に抑えられる。したがって、上記光出射端面または光反射端面に対する保護膜の保護効果をより高く出来る。
【0025】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記保護膜は、Mg(マグネシウム)、Sc(スカンジウム)、Y(イットリウム)、Ti(チタン)、Zr(ジルコニウム)、Hf(ハフニウム)、Ce(セリウム)、V(バナジウム)、Nb(ニオブ)、Ta(タンタル)、Mo(モリブデン)、W(タングステン)、Re(レニウム)、Al(アルミニウム)、Ga(ガリウム)、Si(シリコン)およびGe(ゲルマニウム)の酸化物のうちの少なくとも1つを含んでいる。
【0026】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記保護膜は、Mg、Sc、Y、Ti、Zr、Hf、Ce、V、Nb、Ta、Mo、W、Re、Al、Ga、SiおよびGeの酸化物のうちの少なくとも1つを含むので、非晶質または単結晶構造を取り易い。したがって、上記保護膜の結晶粒界を低減することが出来る。
【0027】
【0028】
【0029】
【0030】
【0031】
【0032】
【0033】
【0034】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記保護膜を構成する上記複数の層の1層当たりの層厚は、略λ/(4n)(但し、λ:発振波長、n:保護膜の屈折率)である。
【0035】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記保護膜を構成する複数の層の1層当たりの層厚が略λ/(4n)であるので、高い反射率を有する保護膜を少ない積層数で形成出来る。
【0036】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記MgZnO混晶は、上記複数の金属酸化物のうち、バンドギャップエネルギが最も大きい。
【0037】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記保護膜の反射率は、屈折率の大きな薄膜と小さな薄膜とを交互に積層して制御するが、一般に屈折率が小さい酸化物の方がバンドギャップエネルギが大きい。バンドギャップエネルギの大きい金属酸化物がZnO系半導体(光出射端面または光反射端面)と接していることにより、ZnO系半導体とのバンドギャップオフセットが大きいので、電流がリークするのを防止出来て、低電流化と端面損傷防止とが実現される。
【0038】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記光出射端面および上記光反射端面上に上記保護膜が形成され、上記光出射端面上に形成された上記保護膜と、上記光反射端面上に形成された上記保護膜とは反射率が異なっている。
【0039】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記光出射端面および光反射端面上に保護膜を形成するので、信頼性を更に向上させることが出来る。
【0040】
また、上記光出射端面上に形成された上記保護膜と、上記光反射端面上に形成された上記保護膜とのうちの一方の端面を高反射面とし、他方を端面を低反射面とすることにより、損失を抑制して光出射効率を向上させることが出来る。
【0041】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記保護膜の反射率が5%〜35%または70%〜95%の範囲内である。
【0042】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記光出射端面上に形成した保護膜の反射率を5%〜35%に設定することにより、十分な光出力を確保出来る。
【0043】
また、上記光反射端面上に形成した保護膜の反射率を70%〜95%に設定することにより、光出射効率を向上させることが出来る。
【0044】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を説明する前に、まず、本発明をより理解し易くするために参考例1を説明する。
【0045】
(参考例1)
本参考例1では、ZnO系半導体レーザ素子に本発明を適用した一例について説明する。
【0046】
図1に、本参考例1のZnO系半導体レーザ素子の模式斜視図を示し、図2に、上記半導体レーザ素子の模式側面図を示す。
【0047】
上記半導体レーザ素子は、図1,2に示すように、亜鉛面を主面としたn型ZnO単結晶基板101上に、Gaドーピング濃度が1×1018cm-3で厚さ0.1μmのn型ZnOバッファ層102、Gaドーピング濃度が3×1018cm-3で厚さ1μmのn型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層103、Gaドーピング濃度が5×1017cm-3で厚さ30nmのn型ZnO光ガイド層104、ノンドープ量子井戸活性層105、Nドーピング濃度が1×1018cm-3で厚さ30nmのp型ZnO光ガイド層106、Nドーピング濃度が5×1019cm-3で厚さ1.2μmのp型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層107、Nドーピング濃度が1×1020cm-3で厚さ0.5μmのp型ZnOコンタクト層108が順次積層されている。
【0048】
本参考例1では、n型ZnO単結晶基板101が基板の一例に、n型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層103が第1導電型クラッド層の一例に、量子井戸活性層105が活性層の一例に、p型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層107が第2導電型クラッド層の一例に、p型ZnOコンタクト層108が第2導電型コンタクト層の一例にそれぞれ相当する。
【0049】
上記量子井戸活性層105は、厚さ5nmのZnO障壁層と、厚さ6nmのCd0.1Zn0.9O井戸層とが交互に積層されて成っている。上記ZnO障壁層は2層ある一方、Cd0.1Zn0.9O井戸層は3層ある。
【0050】
上記p型ZnOコンタクト層108、および、p型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層107の上部は、リッジストライプ形状にエッチング加工され、側面がn型Mg0.2Zn0.8O電流ブロック層109によって埋め込まれている。つまり、上記p型ZnOコンタクト層108と、p型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層107の上部との両側には、n型Mg0.2Zn0.8O電流ブロック層109が形成されている。上記n型Mg0.2Zn0.8O電流ブロック層109はGaが3×1018cm-3の濃度でドーピングされている。
【0051】
また、上記n型ZnO単結晶基板101の下にはn型オーミック電極110が形成される一方、p型ZnOコンタクト層108およびn型Mg0.2Zn0.8O電流ブロック層109の上にはp型オーミック電極111が形成されている。
【0052】
また、上記半導体レーザ素子は、n型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層103、量子井戸活性層105およびp型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層107を有する導波路と、この導波路の延在方向に垂直な光出射端面113および光反射端面114を有する光共振器とを備えている。上記光出射端面113および光反射端面114は劈開によって形成されている。また、上記光出射端面113上には保護膜の一例としての酸化物多層膜112Aを形成すると共に、光反射端面114上にも保護膜の一例としての酸化物多層膜112Bを形成している。この酸化物多層膜112A,112Bは共に、金属酸化物の一例としての厚さ60nmのMgO層と、金属酸化物の一例としての厚さ70nmのSiO2層が交互に積層されて成っている。また、上記酸化物多層膜112A,112Bは、波長410nmの光に対する反射率が20%となるように、MgO層とSiO2層との層数が調整されている。
【0053】
本参考例1の半導体レーザ素子に電流を流したところ、光出射端面113から波長410nmの青色発振光が得られた。そして、上記半導体レーザ素子において、発振閾値電流は40mAで、素子寿命(60℃、光出力5mWで連続発振させ、動作電流が初期値より20%増大した時間で定義する)は5000時間であった。
【0054】
下表1に、前面(光出射端面)と後面(光出射端面)とを種々の多層膜で保護したりしなかったりした比較例1〜5の発振閾値電流および素子寿命を示す。
【0055】
上記比較例1〜5においては、前面および後面の光反射率は、前後面共に端面保護を行わない場合(20%)と同じになるように多層膜の積層数を調整した。
【0056】
また、上記素子寿命は、60℃、光出力5mW(連続発振)で動作電流が初期値より20%増大した時間とする。
【0057】
また、本参考例1のMgO/SiO2多層膜は、ZnO系半導体レーザ素子端面(前面および後面)にMgO層が接しており、比較例2のSi3N4/MgO多層膜は、ZnO系半導体レーザ素子端面にSi3N4層が接している。
【0058】
【表1】
【0059】
上記表1の結果より、端面保護を行わない場合(比較例5)や硫黄処理のみを行った場合(比較例4)に比べ、前面および後面をMgOを含む多層膜で端面保護した場合(本参考例1や比較例1)の方が発振閾値電流が低く、素子寿命が向上することが判る。
【0060】
また、本参考例1と比較例3との比較より、酸化物多層膜は片端面のみより両端面に形成した方が保護効果が強いことが判る。つまり、上記前面と後面との一方に、MgOを含む多層膜で端面保護を行っても、前面および後面に端面保護を行わない場合よりも、素子寿命を延ばすことができるが、前面と後面との両方に、MgOを含む多層膜で端面保護を行えば、素子寿命を更に延ばすことが出来る。また、上記前面と後面との両方に、MgOを含む多層膜で端面保護を行うことにより、閾値電流の低減効果も得ることが出来る。
【0061】
そして、本参考例1と比較例1との比較より、保護膜は金属酸化物の積層によって構成された方が特性改善効果が高いことが判る。
【0062】
更に、本参考例1と比較例2との結果より、酸化物層がZnO系半導体レーザ素子端面と接した方が特性改善効果が高いことが判る。つまり、上記半導体レーザ素子の光出射端面や光反射端面に、多層膜が含む金属酸化物層を接触させることにより、特性改善効果を高めることが出来る。
【0063】
以上の結果より、ZnO系半導体レーザ素子の光出射端面,光反射端面のうちの少なくとも一方の上に、屈折率が異なる複数の金属酸化物を含む多層膜が形成することにより、素子寿命が長くなって信頼性が向上することがわかる。この理由は、上記金属酸化物はZnO系半導体と同じ酸化物であるための親和性が良く密着性に優れ、特に複数の金属酸化物層より成る多層膜を光出射端面,光反射端面上に形成することにより、光出射端面,光反射端面を還元雰囲気から保護する効果が高くなるためと考えられる。
【0064】
上記金属酸化物の結晶が粒界を含んでいると、高い光エネルギに晒された時に破壊されやすいため、非晶質または単結晶である金属酸化物を用いることが好ましい。また、上記光出射端面,光反射端面上に形成する多層膜が非晶質または単結晶薄膜であればより好ましい。
【0065】
上記酸化物多層膜を構成する金属としては、Mg、Sc、Y、Ti、Zr、Hf、Ce、V、Nb、Ta、Mo、W、Re、Al、Ga、SiおよびGeなどが好ましい。これらの金属の金属イオンの多くは電子軌道が異方性を持たないので、上記金属の酸化物は非晶質または単結晶となりやすい。
【0066】
本参考例1において、MgO層およびSiO2層は、それぞれ1層当りの層厚が略λ/(4n)(λ:発振波長、n:酸化物層の屈折率)となるように作製している。これにより、上記酸化物多層膜112A,112Bでは、入射光に対する各境界(各層間の境界)からの反射光の位相が全て揃い、高い反射率が得られるので好ましい。
【0067】
なお、上記酸化物多層膜112A,112Bでの光反射は、入射光が屈折率の高い酸化物層から屈折率の低い酸化物層への境界では位相が変化しないのに対し、その逆では位相がπだけ変化する。
【0068】
(実施形態)
本実施形態のZnO系半導体レーザ素子は、厚さ55nmのMg0.3Zn0.7O層と厚さ40nmのTiO2層との交互積層で構成した酸化物多層膜を、上記酸化物多層膜112A,112Bの代わりに用いた他は、上記参考例1と同様に作製した。
【0069】
本実施形態の酸化物多層膜は、光出射端面および光反射端面にMg0.3Zn0.7O層が接するように形成されている。また、上記Mg0.3Zn0.7O層とTiO2層との層数は、波長410nmの光に対する酸化物多層膜の反射率が20%となるように調整している。
【0070】
本実施形態の半導体レーザ素子に電流を流したところ、光出射端面から波長410nmの青色発振光が得られ、発振閾値電流と素子寿命とは、上記参考例1と同様であった。
【0071】
比較例6として、光出射端面および光反射端面にTiO2層が接するように酸化物多層膜を形成した他は、本実施形態と同様に半導体レーザ素子を作製した。この比較例2の半導体レーザ素子は、発振閾値電流が本実施形態よりも20%増大し、素子寿命が30%短くなった。
【0072】
比較例6の半導体レーザ素子では、TiO2がMg0.3Zn0.7Oに比べてバンドギャップエネルギが小さいため、ZnO半導体からの漏れ電流によって特性が悪化したものと考えられる。したがって、多層膜を構成する金属酸化物のうち、バンドギャップエネルギの最も大きい金属酸化物がZnO半導体と接していることが好ましい。つまり、上記酸化物多層膜が含む複数の金属酸化物のうち、最もバンドギャップエネルギが大きい金属酸化物が光出射端面,光反射端面に接することが好ましい。
【0073】
(参考例2)
本参考例2のZnO系半導体レーザ素子は、厚さ35nmのCaHfO3層と厚さ50nmのCeO層との交互積層で構成した酸化物多層膜を、上記酸化物多層膜112A,112Bの代わりに用いた他は、上記参考例1と同様に作製した。
【0074】
本参考例2の半導体レーザ素子に電流を流したところ、光出射端面から波長410nmの青色発振光が得られ、発振閾値電流と素子寿命とは上記参考例1と同様であった。
【0075】
図3(a)に、αβO3なる組成を有するペロブスカイト酸化物の表面構造を示す。また、図3(b)に、ZnOの表面構造を示す。
【0076】
図3(a),(b)に示すように、ペロブスカイト構造の(111)面は、ZnO系半導体などのウルツ鉱結晶構造の(0001)面と類似の表面構造を有する。このため、ペロブスカイトは、ZnO系半導体との親和性に優れ、ZnO界面に積層した際の結晶欠陥が極めて小さい。
【0077】
このようなペロブスカイトのαβO3は、次の(a)〜(c)の条件のうちの何れか1つを満たすことが好ましい。
(a) 上記αの元素はLi、NaおよびKより選択された1つ以上を含み、且つ、上記βの元素はTaまたはNbを含む。
(b) 上記αの元素はCd、Ca、Sr、BaおよびBiより選択された1つ以上を含み、且つ、上記βの元素はTi、Zr、HfおよびSnより選択された1種つ以上を含む。
(c) 上記αの元素はBi、希土類およびアルカリ土類より選択された1つ以上を含み、且つ、上記βの元素はIn、Al、GaおよびScより選択された1つ以上を含む。
【0078】
特に、上記αβO3は、KNbO3、KTaO3、BaTiO3、CaSnO3、CaZrO3、CaHfO3、CdSnO3、SrHfO3、SrSnO3、SrTiO3およびYScO3のいずれか1つであれば、六角形の格子形状がZnO(0001)面と整合し易くなり、界面欠陥の極めて少ない高品質な多層反射膜を形成出来る。
【0079】
(参考例3)
本参考例3のZnO系半導体レーザ素子では、MgO層とSiO2層との層数を調整することにより、光出射端面上の酸化物多層膜の反射率を10%とし、光反射端面上の酸化物多層膜の反射率を80%とした他は、上記参考例1と同様にして本発明の酸化物半導体発光素子を作製した。
【0080】
本参考例3の半導体レーザ素子に電流を流したところ、光出射端面から波長410nmの青色発振光が得られた。また、上記半導体レーザ素子は、発振閾値電流が上記参考例1に比べ20%低減し、素子寿命が上記参考例1に比べ20%長くなった。
【0081】
本参考例3で示したように、光反射端面上の酸化物多層膜の反射率を高くする一方、光出射端面上の酸化物多層膜の反射率を低くすることにより、光出射効率を向上させることが出来る。
【0082】
本発明の保護膜の一例としての酸化物多層膜は、ZnO系半導体レーザ素子を還元雰囲気から保護するのみならず、積層数によって反射率を制御することが出来、反射損失を低減して発振閾値電流を下げ、信頼性に優れた半導体レーザ素子を作製出来る。
【0083】
上記光出射端面上の酸化物多層膜の反射率が5%〜35%であれば、十分な光出力を確保出来る。また、上記光反射端面上の酸化物多層膜の反射率が70%以上であれば、十分な反射率を確保出来る。但し、半導体レーザ素子の光出力をモニタするために光反射端面からの光出力を受光素子で検出する場合には、光反射端面上の酸化物多層膜の反射率を95%以下にすると好ましい。
【0084】
(参考例4)
本参考例4では、面発光型のZnO系半導体レーザ素子に本発明を適用した一例について説明する。
【0085】
図4に、本参考例4の面発光型半導体レーザ素子の模式斜視図を示す。この半導体レーザ素子は基板側から発振光を取り出す構造になっており、図4に示された構造は積層順とは上下が逆になっている。つまり、図4において、n型ZnO単結晶基板201下の複数の成長層では、図中上側の成長層が図中下側の成長層よりも先に積層されたものである。
【0086】
以下では、基板上に上記複数の成長層が形成されているものとして説明を行う。つまり、以下の説明の上下は図4における上下とは逆となる。
【0087】
上記面発光型半導体レーザ素子は、亜鉛面を主面としたn型ZnO単結晶基板201上に、厚さ20nmのMg0.15Zn0.85O第1エッチングストップ層202、Gaドーピング濃度が1×1018cm-3で厚さ0.1μmのn型ZnOバッファ層203、Gaドーピング濃度が1×1018cm-3で厚さ1.0μmのn型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層204、ノンドープ量子井戸活性層205、Nドーピング濃度が5×1018cm-3で厚さ0.1μmのp型Mg0.1Zn0.9O第1クラッド層206、厚さ20nmのMg0.15Zn0.85O第2エッチングストップ層207、Nドーピング濃度が5×1019cm-3で厚さ1.1μmのp型Mg0.1Zn0.9O第2クラッド層208、Nドーピング濃度が1×1020cm-3で厚さ0.5μmのp型ZnOコンタクト層209がこの順で積層されている。
【0088】
本参考例4では、n型ZnO単結晶基板201が基板の一例に、n型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層204が第1導電型クラッド層の一例に、Mg0.15Zn0.85O第1エッチングストップ層202のn型ZnO単結晶基板201側の表面が光出射端面の一例に、量子井戸活性層205が活性層の一例に、p型ZnOコンタクト層209が第2導電型コンタクト層の一例にそれぞれ相当している。また、上記p型Mg0.1Zn0.9O第1クラッド層206とp型Mg0.1Zn0.9O第2クラッド層208が第2導電型クラッド層の一例を構成している。
【0089】
上記量子井戸活性層205は、厚さ5nmのZnO障壁層2層と、厚さ6nmのCd0.05Zn0.95O井戸層3層とが交互に積層されている。上記ZnO障壁層は2層ある一方、Cd0.05Zn0.95O井戸層が3層ある。
【0090】
上記p型ZnOコンタクト層209およびp型Mg0.1Zn0.9O第2クラッド層208は円柱状にエッチング加工され、側面がn型Mg0.3Zn0.7O電流ブロック層210によって埋め込まれている。つまり、上記p型ZnOコンタクト層209およびp型Mg0.1Zn0.9O第2クラッド層208は、n型ZnO単結晶基板201の表面と略平行な方向においてn型Mg0.3Zn0.7O電流ブロック層210で取り囲まれている。このn型Mg0.3Zn0.7O電流ブロック層210は、Gaが1×1018cm-3の濃度でドーピングされている。
【0091】
上記n型ZnO基板201下にはn型オーミック電極211が形成されている。このn型オーミック電極211およびn型ZnO基板201では、p型ZnOコンタクト層209およびp型Mg0.1Zn0.9O第2クラッド層218直下に対応する部分がエッチングで除去されて開口部が形成されている。このエッチングにより露出したMg0.15Zn0.85O第1エッチングストップ層207下に、保護膜の一例としての多層反射膜212を形成している。この多層反射膜212は、金属酸化物の一例としてのCaZrO3と、金属酸化物の一例としてのAl2O3との交互積層で構成されている。また、上記多層反射膜212は、波長400nmの発光に対する反射率が20%となるように、CaZrO3およびAl2O3の層数が調整されている。
【0092】
上記p型ZnOコンタクト層209上には、p型オーミック電極213、Ag高反射電極214およびAuパッド電極215が順次形成されている。上記Ag高反射膜214は波長200nmの発光に対する反射率が95%である。
【0093】
本参考例4の半導体レーザ素子に電流を流したところ、開口部から波長400nmの青色発振光が得られた。
【0094】
比較例7として、多層反射膜212を形成しない他は、本参考例4と同様にして面発光型半導体レーザ素子を作製した。この比較例7の面発光型半導体レーザ素子は、本参考例4に比べて発振閾値電流が10%増大し、素子寿命が1/10になった。
【0095】
比較例8として、多層反射膜212をSi3N4とAlNとの交互積層で構成した他は、本参考例4と同様にして面発光型半導体レーザ素子を作製した。この比較例8の面発光型半導体レーザ素子は、発振閾値電流は本参考例4と略同じであったが、素子寿命が本参考例4よりも20%短かくなった。
【0096】
本参考例4の結果より、面発光型のZnO系半導体レーザ素子に対しても本発明は効果を有し、光出射端面に金属酸化物を含む多層膜が形成されることにより、素子寿命が長くなって信頼性が向上することがわかる。
【0097】
上記実施形態および参考例1〜3で述べた好ましい条件は、本参考例4に用いてもよいのは言うまでもない。
【0098】
また、本参考例4では、Ag高反射電極214が光反射端面の一例に相当している。
【0099】
上記実施形態および参考例1〜4の半導体レーザ素子は、基板上に、少なくとも、n型クラッド層、活性層、p型クラッド層およびp型コンタクト層が順次積層される構造を有していたが、基板上に、少なくとも、p型クラッド層、活性層、n型クラッド層およびn型コンタクト層が順次積層される構造を有してもよい。
【0100】
【発明の効果】
以上より明らかなように、本発明の酸化物半導体発光素子は、光共振器が有する光出射端面,光反射端面のうちの少なくとも一方の上に、屈折率の異なる複数の金属酸化物を含むと共に、複数の層から成る保護膜が形成されているので、保護膜とZnO系半導体との親和性が良いと共に、保護膜において還元雰囲気からの保護効果が高い。したがって、素子寿命を延ばすことが出来、且つ、発振閾値電流を低減出来る。つまり、長時間の駆動に対して信頼性に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は本発明の参考例1のZnO系半導体レーザ素子の模式斜視図である。
【図2】 図2は上記参考例1のZnO系半導体レーザ素子の模式側面図である。
【図3】 図3(a)はペロブスカイト酸化物の表面構造を表す図であり、図3(b)はZnOの表面構造を表す図である。
【図4】 図4は本発明の参考例4の面発光型半導体レーザ素子の模式斜視図である。
【符号の説明】
101,201 n型ZnO単結晶基板
103,204 n型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層
105,205 量子井戸活性層
107 p型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層107
108,209 p型ZnOコンタクト層
113 光出射端面
114 光反射端面
206 p型Mg0.1Zn0.9O第1クラッド層
208 p型Mg0.1Zn0.9O第2クラッド層
212 多層反射膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light emitting element such as a semiconductor laser, and more particularly to an oxide semiconductor light emitting element having a low oscillation threshold current and excellent reliability.
[0002]
[Prior art]
Zinc oxide (ZnO) is a direct transition type semiconductor having a band gap energy of about 3.4 eV, exciton binding energy is as high as 60 meV, the raw material is inexpensive, harmless to the environment and the human body, and the film formation method is simple. There is a possibility that a light-emitting device having characteristics such as high efficiency and low power consumption and excellent environmental performance can be realized.
[0003]
In the following, the ZnO-based semiconductor includes ZnO and mixed crystals represented by MgZnO or CdZnO based on the ZnO.
[0004]
In the semiconductor laser element, the light emitting end face is 10Five-106W / cm2It is exposed to extremely high density light energy. For this reason, even if there is a minute defect or the like on the light emitting end face, the minute defect or the like propagates and propagates during the laser operation. In a conventional semiconductor laser device using a III-V group compound semiconductor such as AlGaAs or InGaAsP, the main cause of such defects is the progress of oxidation at the light emitting end face. That is, the elements constituting the III-V compound semiconductor include metals that are easily oxidized, such as Al and Ga, and these metals react with oxygen adsorbed on the light emitting end face based on a group having a high light energy density. Then, an oxide is formed by cutting the bond with the base semiconductor. When the minute defects generated in this manner are repeatedly propagated, the semiconductor crystal on the light emitting end face is remarkably broken and the element is deteriorated (for example, see Non-Patent Document 1).
[0005]
In order to prevent element degradation due to the progress of oxidation, a protective film is usually formed on the light emitting end face of the semiconductor laser element. As the material of this protective film, it is considered that the light emitting end face is preferably not in contact with oxygen in consideration of the deterioration mechanism as described above, and sulfide is used (for example, see Patent Documents 1 to 4). ).
[0006]
In addition, Group III nitride semiconductors, which are in practical use as semiconductor laser elements in the blue to ultraviolet region, are chemically extremely stable, so that even if the light emitting end face is exposed to a high energy density, it is difficult to cause damage, and a protective film It is possible to manufacture a highly reliable semiconductor laser device without using the above.
[0007]
[Non-Patent Document 1]
Applied Physics Letters, 1974, Vol. 25, No. 12, p708
[Patent Document 1]
JP-A-4-3698585
[Patent Document 2]
JP-A-3-149898
[Patent Document 3]
JP-A-4-091484
[Patent Document 4]
JP-A-9-121076
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in a ZnO-based semiconductor laser device composed of a ZnO-based semiconductor, since the ZnO-based semiconductor is an oxide semiconductor, deterioration due to the progress of oxidation does not occur unlike the conventional III-V group compound semiconductor laser device.
[0009]
However, according to the study by the present inventors, there is a problem that a practical element lifetime cannot be secured unless a protective film is formed on the light emitting end face of the ZnO-based semiconductor laser element.
[0010]
It has been found that even if a protective film similar to that of the conventional semiconductor laser element is formed on the light emitting end face of the ZnO-based semiconductor laser element, the growth of defects on the light emitting end face cannot be suppressed.
[0011]
Further, the end face reflectance of the ZnO-based semiconductor laser element is approximately 20% with respect to blue to ultraviolet light, and is smaller than the end face reflectance of 30% of the conventional III-V group compound semiconductor laser element. Therefore, the ZnO-based semiconductor laser element has a larger reflection loss than the conventional III-V group compound semiconductor laser element. As a result, the ZnO-based semiconductor laser device has a problem that the oscillation threshold current increases.
[0012]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an oxide semiconductor light emitting device with excellent reliability that can extend the device life and reduce the oscillation threshold current.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
According to the detailed study by the present inventors, the deterioration of the light emitting end face in the ZnO-based semiconductor laser element is mainly caused by reduction due to adsorption of moisture or the like, and in the conventional end face protection technology that plays a large role in preventing oxidation. Therefore, it is considered that reducing deterioration cannot be suppressed.
[0014]
In consideration of the above causes, the present inventors have intensively studied the structure of an oxide semiconductor light emitting device excellent in reliability that can ensure a practical device lifetime and can reduce the oscillation threshold current. As a result, the inventors have found that the above object can be achieved by protecting the light emitting end face of the semiconductor laser element with a protective film made of metal oxide.
[0015]
The oxide semiconductor light emitting device of the present invention is
At least a first conductivity type cladding layer, an active layer, a second conductivity type cladding layer, and a second conductivity type contact layer are sequentially stacked on the substrate,
The first conductivity type cladding layer, the active layer, the second conductivity type cladding layer and the second conductivity type contact layer are made of a ZnO-based semiconductor,
A waveguide having the first conductivity type cladding layer, the active layer, and the second conductivity type cladding layer;
An optical resonator having a light emitting end face and a light reflecting end face perpendicular to the extending direction of the waveguide;
With
The light emitting end face and the light reflecting end face are made of a ZnO-based semiconductor,
On at least one of the light emitting end surface and the light reflecting end surface, a plurality of metal oxides having different refractive indexes and a protective film composed of a plurality of layers are formed.,
The protective film includes a MgZnO mixed crystal that is in contact with the light emitting end face or the light reflecting end face and has a band gap larger than the band gap of the active layer.It is characterized by that.
[0016]
Here, the term “at least” means that a light guide layer, an etching stop layer, a planarization layer, a cap layer, and the like on both sides of the active layer may be provided.
[0017]
In the present specification, the first conductivity type means p-type or n-type. The second conductivity type means n-type when the first conductivity type is p-type, and p-type when the first conductivity type is n-type.
[0018]
According to the oxide semiconductor light emitting device having the above configuration, the metal oxide has good affinity with the ZnO-based semiconductor and excellent adhesion. Therefore, by forming the protective film including the plurality of metal oxide layers on at least one of the light emitting end face and the light reflecting end face, at least one of the light emitting end face and the light reflecting end face is protected from the reducing atmosphere. I can do it. That is, the protective effect from the reducing atmosphere is enhanced. As a result, the growth of defects is suppressed on at least one of the light emitting end face and the light reflecting end face, and the device life can be extended. That is, an oxide semiconductor light-emitting element with excellent reliability with respect to long-time driving can be manufactured.
[0019]
Further, by forming the protective film including the plurality of metal oxide layers on at least one of the light emitting end face and the light reflecting end face, the end face reflectivity of the element is increased, and the reflection loss is reduced. The oscillation threshold current can be reduced.
The MgZnO mixed crystals and BeZnO mixed crystals are wide gap ZnO-based semiconductors, have excellent affinity with ZnO, and have a higher refractive index than metal oxide dielectrics. The protective film includes the wide gap ZnO-based semiconductor, so that the end face reflectance can be finely controlled. Therefore, since the protective film includes a ZnO-based semiconductor having a band gap larger than that of the active layer, the end face reflectance can be finely controlled. As a result, an oxide semiconductor light-emitting element with excellent optical characteristics can be manufactured.
[0020]
The oxide semiconductor light emitting device of one embodiment emits laser light from the light emitting end face.
[0021]
In the oxide semiconductor light emitting device of one embodiment, the metal oxide included in the protective film is amorphous or single crystal.
[0022]
According to the oxide semiconductor light emitting device of the above embodiment, the metal oxide is amorphous or single crystal, and thus does not include a crystal grain boundary. Thereby, the proliferation of defects on the light emitting end face or the light reflecting end face is suppressed. Therefore, the protective effect of the protective film against the light emitting end face or the light reflecting end face can be enhanced.
[0023]
In one embodiment, the protective film is an amorphous film or a single crystal thin film.
[0024]
According to the oxide semiconductor light emitting device of the above embodiment, the protective film is an amorphous film or a single crystal film, and thus does not include a crystal grain boundary. This reliably suppresses the growth of defects on the light emitting end face or the light reflecting end face. Therefore, the protective effect of the protective film against the light emitting end face or the light reflecting end face can be further enhanced.
[0025]
In one embodiment, the protective film includes Mg (magnesium), Sc (scandium), Y (yttrium), Ti (titanium), Zr (zirconium), Hf (hafnium), and Ce (cerium). , V (vanadium), Nb (niobium), Ta (tantalum), Mo (molybdenum), W (tungsten), Re (rhenium), Al (aluminum), Ga (gallium), Si (silicon) and Ge (germanium) At least one of the oxides.
[0026]
According to the oxide semiconductor light emitting device of the above embodiment, the protective film includes Mg, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Ce, V, Nb, Ta, Mo, W, Re, Al, Ga, Si, and Since it contains at least one of Ge oxides, it is easy to assume an amorphous or single crystal structure. Therefore, the crystal grain boundary of the protective film can be reduced.
[0027]
[0028]
[0029]
[0030]
[0031]
[0032]
[0033]
[0034]
In the oxide semiconductor light emitting device of one embodiment, the layer thickness of each of the plurality of layers constituting the protective film is approximately λ / (4n) (where λ: oscillation wavelength, n: refraction of the protective film) Rate).
[0035]
According to the oxide semiconductor light emitting device of the above embodiment, since the layer thickness per layer of the plurality of layers constituting the protective film is approximately λ / (4n), the number of protective films having high reflectivity is reduced. Can be formed with numbers.
[0036]
The oxide semiconductor light emitting device of one embodiment isThe MgZnO mixed crystal isAmong the above metal oxides, the band gap energy is the largest.Yes.
[0037]
According to the oxide semiconductor light emitting device of the above embodiment, the reflectance of the protective film is controlled by alternately laminating thin films having a large refractive index and thin films having a small refractive index. High band gap energy. Since the metal oxide having a large band gap energy is in contact with the ZnO-based semiconductor (light emitting end surface or light reflecting end surface), the band gap offset with the ZnO-based semiconductor is large, so that current leakage can be prevented. Low current and end face damage prevention are realized.
[0038]
In one embodiment, the oxide semiconductor light emitting device includes the protective film formed on the light emitting end face and the light reflecting end face, the protective film formed on the light emitting end face, and the light reflecting end face. The reflectance is different from the above-described protective film.
[0039]
According to the oxide semiconductor light emitting device of the above embodiment, since the protective film is formed on the light emitting end face and the light reflecting end face, the reliability can be further improved.
[0040]
Further, one end surface of the protective film formed on the light emitting end surface and the protective film formed on the light reflecting end surface is a high reflection surface, and the other end surface is a low reflection surface. Thus, loss can be suppressed and light emission efficiency can be improved.
[0041]
In the oxide semiconductor light emitting device of one embodiment, the reflectance of the protective film is in the range of 5% to 35% or 70% to 95%.
[0042]
According to the oxide semiconductor light emitting device of the above embodiment, sufficient light output can be ensured by setting the reflectance of the protective film formed on the light emitting end face to 5% to 35%.
[0043]
Further, the light emission efficiency can be improved by setting the reflectance of the protective film formed on the light reflection end face to 70% to 95%.
[0044]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Before describing an embodiment of the present invention, first, Reference Example 1 will be described in order to make the present invention easier to understand.
[0045]
(Reference example1)
BookReference example1, an example in which the present invention is applied to a ZnO-based semiconductor laser element will be described.
[0046]
Figure 1 shows the bookReference example1 is a schematic perspective view of the ZnO-based semiconductor laser device 1 and FIG. 2 is a schematic side view of the semiconductor laser device.
[0047]
As shown in FIGS. 1 and 2, the semiconductor laser element has a Ga doping concentration of 1 × 10 on an n-type ZnO
[0048]
BookReference example1, the n-type ZnO
[0049]
The quantum well
[0050]
The p-type
[0051]
An n-
[0052]
The semiconductor laser element includes n-type Mg.0.1Zn0.9O-clad
[0053]
BookReference exampleWhen a current was passed through one semiconductor laser element, blue oscillation light having a wavelength of 410 nm was obtained from the light emitting
[0054]
Table 1 below shows the oscillation threshold currents and device lifetimes of Comparative Examples 1 to 5 in which the front surface (light emitting end surface) and the rear surface (light emitting end surface) are not protected by various multilayer films.
[0055]
In Comparative Examples 1 to 5, the number of multilayer films was adjusted so that the light reflectances of the front and rear surfaces were the same as when the front and rear surfaces were not protected (20%).
[0056]
The element lifetime is a time when the operating current is increased by 20% from the initial value at 60 ° C. and an optical output of 5 mW (continuous oscillation).
[0057]
Also bookReference example1 MgO / SiO2In the multilayer film, the MgO layer is in contact with the end faces (front face and rear face) of the ZnO-based semiconductor laser element.ThreeNFour/ MgO multilayer film is made of Si on the end face of ZnO-based semiconductor laser device.ThreeNFourLayers are touching.
[0058]
[Table 1]
[0059]
From the results of Table 1 above, when the end face protection is not performed (Comparative Example 5) or when only the sulfur treatment is performed (Comparative Example 4), the front face and the rear face are protected by the multilayer film containing MgO (thisReference example1 and Comparative Example 1) show that the oscillation threshold current is lower and the device life is improved.
[0060]
Also bookReference exampleFrom the comparison between 1 and Comparative Example 3, it can be seen that the oxide multilayer film has a stronger protective effect when it is formed on both end faces than only one end face. That is, even if end face protection is performed with a multilayer film containing MgO on one of the front and rear surfaces, the device life can be extended as compared with the case where end face protection is not performed on the front and rear surfaces. In both cases, if the end face is protected with a multilayer film containing MgO, the device life can be further extended. Further, by performing end face protection on both the front and rear surfaces with a multilayer film containing MgO, an effect of reducing the threshold current can be obtained.
[0061]
And booksReference exampleFrom the comparison between 1 and Comparative Example 1, it can be seen that the protective film has a higher effect of improving the characteristics when it is composed of a stack of metal oxides.
[0062]
In addition, bookReference exampleFrom the results of 1 and Comparative Example 2, it can be seen that the effect of improving the characteristics is higher when the oxide layer is in contact with the end face of the ZnO-based semiconductor laser device. That is, the effect of improving the characteristics can be enhanced by bringing the metal oxide layer included in the multilayer film into contact with the light emitting end face or the light reflecting end face of the semiconductor laser element.
[0063]
From the above results, the device life is increased by forming a multilayer film containing a plurality of metal oxides having different refractive indexes on at least one of the light emitting end face and the light reflecting end face of the ZnO-based semiconductor laser element. It turns out that reliability improves. This is because the metal oxide is the same oxide as the ZnO-based semiconductor and has good affinity and excellent adhesion. Particularly, a multilayer film composed of a plurality of metal oxide layers is formed on the light emitting end face and the light reflecting end face. This is considered to be because the effect of protecting the light emitting end face and the light reflecting end face from the reducing atmosphere is enhanced.
[0064]
If the metal oxide crystal includes a grain boundary, it is likely to be destroyed when exposed to high light energy. Therefore, it is preferable to use a metal oxide that is amorphous or single crystal. More preferably, the multilayer film formed on the light emitting end face and the light reflecting end face is an amorphous or single crystal thin film.
[0065]
As the metal constituting the oxide multilayer film, Mg, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Ce, V, Nb, Ta, Mo, W, Re, Al, Ga, Si, and Ge are preferable. Since many of the metal ions of these metals have no anisotropy in the electron orbit, the metal oxide is likely to be amorphous or single crystal.
[0066]
BookReference example1, the MgO layer and SiO2The layers are prepared so that the thickness of each layer is approximately λ / (4n) (λ: oscillation wavelength, n: refractive index of the oxide layer). Thereby, the
[0067]
Note that the light reflection at the
[0068]
(Execution formstate)
This embodimentStateA ZnO-based semiconductor laser device has an Mg thickness of 55 nm.0.3Zn0.7O layer and 40nm thick TiO2Except that an oxide multilayer film composed of alternating layers with layers is used instead of the
[0069]
This embodimentStateThe oxide multilayer film has Mg on the light emitting end face and the light reflecting end face.0.3Zn0.7The O layer is formed in contact. In addition, the Mg0.3Zn0.7O layer and TiO2The number of layers is adjusted so that the reflectance of the oxide multilayer film with respect to light having a wavelength of 410 nm is 20%.
[0070]
This embodimentStateWhen a current was passed through the semiconductor laser element, blue oscillation light having a wavelength of 410 nm was obtained from the light emitting end face, and the oscillation threshold current and element lifetime wereReference exampleIt was the same as 1.
[0071]
As Comparative Example 6, TiO is formed on the light emitting end face and the light reflecting end face.2Except that the oxide multilayer film is formed so that the layers are in contact, this embodimentState andSimilarly, a semiconductor laser element was produced. The semiconductor laser device of Comparative Example 2 has an oscillation threshold current of the present embodiment.StateThe device life was increased by 20% and the device life was shortened by 30%.
[0072]
In the semiconductor laser device of Comparative Example 6, TiO2Mg0.3Zn0.7Since the band gap energy is smaller than that of O, it is considered that the characteristics are deteriorated by the leakage current from the ZnO semiconductor. Therefore, it is preferable that the metal oxide having the largest band gap energy among the metal oxides constituting the multilayer film is in contact with the ZnO semiconductor. That is, it is preferable that the metal oxide having the largest band gap energy among the plurality of metal oxides included in the oxide multilayer film is in contact with the light emitting end face and the light reflecting end face.
[0073]
(Reference example 2)
BookReference example 2This ZnO-based semiconductor laser device has a CaHfO thickness of 35 nm.ThreeExcept that an oxide multilayer film composed of alternating layers of CeO layers with a thickness of 50 nm is used instead of the
[0074]
BookReference example 2When a current was passed through the semiconductor laser element, blue oscillation light having a wavelength of 410 nm was obtained from the light emitting end face, and the oscillation threshold current and element lifetime wereReference exampleIt was the same as 1.
[0075]
In FIG. 3 (a), αβOThreeThe surface structure of a perovskite oxide having the following composition is shown. FIG. 3B shows the surface structure of ZnO.
[0076]
As shown in FIGS. 3A and 3B, the (111) plane of the perovskite structure has a surface structure similar to the (0001) plane of a wurtzite crystal structure such as a ZnO-based semiconductor. For this reason, perovskite is excellent in affinity with a ZnO-based semiconductor, and crystal defects are extremely small when stacked on a ZnO interface.
[0077]
ΑβO of such perovskiteThreePreferably satisfies any one of the following conditions (a) to (c).
(A) The α element includes one or more selected from Li, Na, and K, and the β element includes Ta or Nb.
(B) The element of α includes one or more selected from Cd, Ca, Sr, Ba and Bi, and the element of β includes one or more selected from Ti, Zr, Hf and Sn. Including.
(C) The element of α includes one or more selected from Bi, rare earth, and alkaline earth, and the element of β includes one or more selected from In, Al, Ga, and Sc.
[0078]
In particular, the above αβOThreeIs KNbOThree, KTaOThree, BaTiOThree, CaSnOThree, CaZrOThree, CaHfOThree, CdSnOThree, SrHfOThree, SrSnOThree, SrTiOThreeAnd YScOThreeIf it is any one of these, it will become easy to match | combine a hexagonal lattice shape with a ZnO (0001) surface, and a high quality multilayer reflective film with very few interface defects can be formed.
[0079]
(Reference example 3)
BookReference example 3In the ZnO-based semiconductor laser device, the MgO layer and SiO2By adjusting the number of layers with the layer, the reflectance of the oxide multilayer film on the light emitting end face was set to 10%, and the reflectance of the oxide multilayer film on the light reflecting end face was set to 80%.Reference exampleIn the same manner as in Example 1, an oxide semiconductor light emitting device of the present invention was produced.
[0080]
BookReference example 3When a current was passed through the semiconductor laser element, blue oscillation light having a wavelength of 410 nm was obtained from the light emitting end face. The semiconductor laser element has an oscillation threshold current of the aboveReference exampleCompared to 1, the device life is reduced by 20%.Reference example20% longer than 1.
[0081]
BookReference example 3As described above, the light emission efficiency can be improved by increasing the reflectivity of the oxide multilayer film on the light reflection end face while reducing the reflectivity of the oxide multilayer film on the light output end face. .
[0082]
The oxide multilayer film as an example of the protective film of the present invention not only protects the ZnO-based semiconductor laser element from the reducing atmosphere, but also can control the reflectance by the number of stacked layers, thereby reducing the reflection loss and the oscillation threshold. A semiconductor laser element having excellent reliability can be manufactured by reducing the current.
[0083]
If the reflectance of the oxide multilayer film on the light emitting end face is 5% to 35%, sufficient light output can be secured. Moreover, if the reflectance of the oxide multilayer film on the light reflection end face is 70% or more, sufficient reflectance can be secured. However, when the light output from the light reflection end face is detected by the light receiving element in order to monitor the light output of the semiconductor laser element, the reflectivity of the oxide multilayer film on the light reflection end face is preferably 95% or less.
[0084]
(Reference example 4)
BookReference example 4Now, an example in which the present invention is applied to a surface-emitting ZnO-based semiconductor laser element will be described.
[0085]
Figure 4 shows the bookReference example 41 is a schematic perspective view of the surface emitting semiconductor laser element. This semiconductor laser element has a structure for extracting oscillation light from the substrate side, and the structure shown in FIG. 4 is upside down from the stacking order. That is, in FIG. 4, in the plurality of growth layers under the n-type ZnO
[0086]
In the following description, it is assumed that the plurality of growth layers are formed on the substrate. That is, the upper and lower sides in the following description are opposite to the upper and lower sides in FIG.
[0087]
The surface-emitting type semiconductor laser device has a 20 nm-thick Mg layer on an n-type ZnO
[0088]
BookReference example 4Then, n-type ZnO
[0089]
The quantum well
[0090]
P-type
[0091]
An n-
[0092]
On the p-type
[0093]
BookReference example 4When a current was passed through the semiconductor laser element, blue oscillation light having a wavelength of 400 nm was obtained from the opening.
[0094]
As Comparative Example 7, the present example except that the multilayer
[0095]
As Comparative Example 8, the multilayer
[0096]
BookReference example 4As a result, the present invention is effective even for a surface-emitting type ZnO-based semiconductor laser element. By forming a multilayer film containing a metal oxide on the light emitting end face, the lifetime of the element is prolonged and the reliability is increased. It can be seen that the property is improved.
[0097]
Embodiment aboveAnd Reference Example 1The preferred conditions described in ~ 3 areReference example 4It goes without saying that it may be used for the above.
[0098]
Also bookReference example 4Then, the Ag
[0099]
Embodiment aboveandReference Example 14This semiconductor laser device has a structure in which at least an n-type cladding layer, an active layer, a p-type cladding layer, and a p-type contact layer are sequentially stacked on a substrate. The clad layer, the active layer, the n-type clad layer, and the n-type contact layer may be sequentially laminated.
[0100]
【The invention's effect】
As is clear from the above, the oxide semiconductor light emitting device of the present invention includes a plurality of metal oxides having different refractive indexes on at least one of the light emitting end face and the light reflecting end face of the optical resonator. Since the protective film composed of a plurality of layers is formed, the affinity between the protective film and the ZnO-based semiconductor is good, and the protective film has a high protective effect from the reducing atmosphere. Therefore, the device life can be extended and the oscillation threshold current can be reduced. That is, an oxide semiconductor light-emitting element with excellent reliability with respect to long-time driving can be manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 illustrates the present invention.Reference example1 is a schematic perspective view of one ZnO-based semiconductor laser element.
FIG. 2 shows the aboveReference example1 is a schematic side view of a ZnO-based semiconductor laser device No. 1;
FIG. 3A is a diagram showing a surface structure of a perovskite oxide, and FIG. 3B is a diagram showing a surface structure of ZnO.
FIG. 4 shows the present invention.Reference example 4It is a model perspective view of this surface emitting semiconductor laser element.
[Explanation of symbols]
101,201 n-type ZnO single crystal substrate
103,204 n-type Mg0.1Zn0.9O-clad layer
105,205 Quantum well active layer
107 p-type Mg0.1Zn0.9O-clad
108,209 p-type ZnO contact layer
113 Light exit end face
114 Light reflection end face
206 p-type Mg0.1Zn0.9O first cladding layer
208 p-type Mg0.1Zn0.9O second cladding layer
212 Multi-layer reflective film
Claims (7)
上記第1導電型クラッド層、活性層、第2導電型クラッド層および第2導電型コンタクト層はZnO系半導体から成り、
上記第1導電型クラッド層、活性層および第2導電型クラッド層を有する導波路と、
上記導波路の延在方向に垂直な光出射端面および光反射端面を有する光共振器と
を備え、
上記光出射端面および上記光反射端面がZnO系半導体から成り、
上記光出射端面と上記光反射端面との少なくとも一方の上に、屈折率が異なる複数の金属酸化物を含むと共に、複数の層から成る保護膜が形成され、
上記保護膜は、上記光出射端面または上記光反射端面に接すると共に、上記活性層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有するMgZnO混晶を含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。At least a first conductivity type cladding layer, an active layer, a second conductivity type cladding layer, and a second conductivity type contact layer are sequentially stacked on the substrate,
The first conductivity type cladding layer, the active layer, the second conductivity type cladding layer and the second conductivity type contact layer are made of a ZnO-based semiconductor,
A waveguide having the first conductivity type cladding layer, the active layer, and the second conductivity type cladding layer;
An optical resonator having a light emitting end face and a light reflecting end face perpendicular to the extending direction of the waveguide,
The light emitting end face and the light reflecting end face are made of a ZnO-based semiconductor,
On the at least one of the light emitting end surface and the light reflecting end surface, a plurality of metal oxides having different refractive indexes are formed, and a protective film composed of a plurality of layers is formed .
The oxide semiconductor light emitting element, wherein the protective film includes a MgZnO mixed crystal having a band gap larger than a band gap of the active layer while being in contact with the light emitting end face or the light reflecting end face .
上記保護膜は非晶質膜または単結晶薄膜であることを特徴とする酸化物半導体発光素子。The oxide semiconductor light emitting device according to claim 1,
The oxide semiconductor light emitting element, wherein the protective film is an amorphous film or a single crystal thin film.
上記保護膜は、Mg、Sc、Y、Ti、Zr、Hf、Ce、V、Nb、Ta、Mo、W、Re、Al、Ga、SiおよびGeの酸化物のうちの少なくとも1つを含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。The oxide semiconductor light emitting device according to claim 1,
The protective film contains at least one of oxides of Mg, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Ce, V, Nb, Ta, Mo, W, Re, Al, Ga, Si, and Ge. An oxide semiconductor light emitting device characterized by the above.
上記保護膜を構成する上記複数の層の1層当たりの層厚は、略λ/(4n)(但し、λ:発振波長、n:保護膜の屈折率)であることを特徴とする酸化物半導体発光素子。The oxide semiconductor light emitting device according to claim 1,
The thickness of each of the plurality of layers constituting the protective film is approximately λ / (4n) (where λ is the oscillation wavelength and n is the refractive index of the protective film). Semiconductor light emitting device.
上記MgZnO混晶は、上記複数の金属酸化物のうち、バンドギャップエネルギが最も大きいことを特徴とする酸化物半導体発光素子。The oxide semiconductor light emitting device according to claim 1,
The MgZnO mixed crystal, among the plurality of metal oxide, the oxide semiconductor light-emitting device bandgap energy and wherein when most us go large.
上記光出射端面および上記光反射端面上に上記保護膜が形成され、
上記光出射端面上に形成された上記保護膜と、上記光反射端面上に形成された上記保護膜とは反射率が異なっていることを特徴とする酸化物半導体発光素子。The oxide semiconductor light emitting device according to claim 1,
The protective film is formed on the light emitting end face and the light reflecting end face,
The oxide semiconductor light-emitting element, wherein the protective film formed on the light emitting end face and the protective film formed on the light reflecting end face have different reflectances.
上記保護膜の反射率が5%〜35%または70%〜95%の範囲内であることを特徴とする酸化物半導体発光素子。The oxide semiconductor light emitting device according to claim 1,
The oxide semiconductor light-emitting element, wherein the protective film has a reflectance of 5% to 35% or 70% to 95%.
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