JP5344676B2 - LIGHT EMITTING BOARD AND LIGHT EMITTING ELEMENT - Google Patents
LIGHT EMITTING BOARD AND LIGHT EMITTING ELEMENT Download PDFInfo
- Publication number
- JP5344676B2 JP5344676B2 JP2008222095A JP2008222095A JP5344676B2 JP 5344676 B2 JP5344676 B2 JP 5344676B2 JP 2008222095 A JP2008222095 A JP 2008222095A JP 2008222095 A JP2008222095 A JP 2008222095A JP 5344676 B2 JP5344676 B2 JP 5344676B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light emitting
- point
- layer
- substrate
- light
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
- Led Devices (AREA)
Abstract
Description
本発明は、光増幅器、発光ダイオード、半導体レーザなどの発光素子に用いられる基板、および当該基板を用いた発光素子に関する。 The present invention relates to a substrate used for a light-emitting element such as an optical amplifier, a light-emitting diode, or a semiconductor laser, and a light-emitting element using the substrate.
高輝度青色発光ダイオード(LED)の実現以来、紫外〜可視光領域の発光デバイスの材料として、窒化物半導体が非常に注目されている。これまでに発光ダイオードとしては、青色、緑色、白色が実用化されており、たとえば、交通信号、各種インディケーター、イルミネーション、液晶バックライトなどに使用されている。さらに、この材料を用いた半導体レーザについても開発が進み、これまでに、青紫色と純青色のレーザが開発されており、それぞれ次世代DVD(Blu−ray)用光源、およびフルカラーディスプレイに実用化されつつある。ところが、このように技術が進展している中で、光の三原色の1つである緑色の半導体レーザが未だに実現されておらず、これが「Green Gap Problem」という言葉の由来となっている。 Since the realization of high-intensity blue light-emitting diodes (LEDs), nitride semiconductors have received much attention as materials for light-emitting devices in the ultraviolet to visible light region. To date, blue, green, and white light-emitting diodes have been put into practical use, and are used, for example, for traffic signals, various indicators, illumination, liquid crystal backlights, and the like. Furthermore, the development of semiconductor lasers using this material has progressed, and blue-violet and pure blue lasers have been developed so far, which have been put to practical use in next-generation DVD (Blu-ray) light sources and full-color displays, respectively. It is being done. However, as the technology advances in this way, a green semiconductor laser, which is one of the three primary colors of light, has not yet been realized, and this is the origin of the term “Green Gap Problem”.
緑色の半導体レーザを実現するためには、青色半導体レーザの発光層に用いられているIn(x)Ga(1−x)NのIn組成(x)を大きくしていくことが最も簡単なアプローチである。しかし、InGaN発光層のIn組成を大きくしていくと、ピエゾ電界と呼ばれる発光層内部の電界が発生し、これが発光層での発光効率を著しく低下させてしまい、緑色レーザの実現を阻む要因となっている。この「電界」の問題を解決する方法として、従来とは異なる結晶面方位の基板上に素子を作製することが提案されている。具体的には、従来用いられていたGaN(0001)面(C面)の基板に代えて、ピエゾ電界の抑制のために、非極性面あるいは半極性面と呼ばれるカテゴリーの基板面方位を用いるという提案がなされている。ここで、非極性面とはC面に垂直な面であり、半極性面とはC面から40〜65度傾いた面をいう。 In order to realize a green semiconductor laser, the simplest approach is to increase the In composition (x) of In (x) Ga (1-x) N used in the light emitting layer of the blue semiconductor laser. It is. However, when the In composition of the InGaN light-emitting layer is increased, an electric field inside the light-emitting layer called a piezo electric field is generated, which significantly reduces the light-emitting efficiency in the light-emitting layer and is a factor that hinders the realization of a green laser. It has become. As a method for solving this “electric field” problem, it has been proposed to fabricate an element on a substrate having a crystal plane orientation different from the conventional one. Specifically, instead of the conventionally used GaN (0001) plane (C plane) substrate, a category substrate plane orientation called a nonpolar plane or semipolar plane is used to suppress the piezoelectric field. Proposals have been made. Here, the nonpolar plane is a plane perpendicular to the C plane, and the semipolar plane is a plane inclined by 40 to 65 degrees from the C plane.
これらの面方位を用いると、理論上、ピエゾ電界は大幅に低減することが予測されている。最近、実際に非極性面(m面)上に形成された青色レーザにおいても、ピエゾ電界が大幅に抑制されていることを示唆する結果が得られている(非特許文献1参照)。
非特許文献1に記載の半導体レーザの構成を用いても緑色のレーザは実現されていない。この原因の1つに、レーザの共振器ミラー端面の平坦性が挙げられる。非極性面GaN基板上にレーザ素子を作製した場合に、レーザの光学利得を大きく得るためには、c軸に平行に共振器ストライプを形成する必要がある。これは、共振器ミラー端面をC面にすることを意味するが、C面は電荷中性面ではないために、容易に劈開することはできず、たとえ劈開できたとしても理想的に平坦なミラー面を形成することが難しいためである。
Even if the configuration of the semiconductor laser described in Non-Patent
これまでに報告された非極性面上レーザでは、通常、共振器ミラーはC面となっているが、このレーザを緑色領域まで長波長化できないのは、C面共振器ミラーの平坦性を確保できないのが原因であると考えられる。上述の議論は、半極性基板上のレーザ素子においても、ほぼ同様に当てはまり、平坦な共振器ミラー面を形成することが難しいという状況になっている。 In the lasers on nonpolar planes reported so far, the resonator mirror is usually the C plane, but this laser cannot be extended to the green region because the flatness of the C plane resonator mirror is ensured. It is thought that the cause is not possible. The above discussion applies to laser elements on a semipolar substrate in a similar manner, and it is difficult to form a flat resonator mirror surface.
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、非極性基板または半極性基板を用いた発光素子において、発光端面の平坦性を向上させ、発光波長を緑色領域まで長波長化する技術の提供にある。 The present invention has been made in view of these problems, and the object thereof is to improve the flatness of the light emitting end face in a light emitting device using a nonpolar substrate or a semipolar substrate, and to extend the emission wavelength to the green region. Is to provide technology.
本発明のある態様は、発光素子用基板である。当該発光素子用基板は、混晶組成をAl(x)In(y)Ga(1−x−y)N、0≦x≦1、0≦y≦1と表すとき、点(x,y)がA点(0.68,0.32)、B点(0.19,0.17)、C点(0.16,0.55)およびD点(0.38,0.62)を頂点とする四角形の領域内に位置する非極性AlInGaN混晶基板を備えることを特徴とする。 One embodiment of the present invention is a light-emitting element substrate. When the mixed crystal composition is expressed as Al (x) In (y) Ga (1-xy) N, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, the light emitting element substrate has a point (x, y). Vertices A point (0.68, 0.32), B point (0.19, 0.17), C point (0.16, 0.55) and D point (0.38, 0.62) And a nonpolar AlInGaN mixed crystal substrate located in a rectangular region.
この態様によれば、発光素子を形成する場合に、発光端面を電荷中性面とすることができる。電荷中性面は、容易に劈開することができ、C面に比べて平坦性を向上させることができる。この結果、発光素子の発光波長を緑域領域にまで長波長化することが可能となる。また、発光層における歪みが抑制されるため、発光層の結晶構造を良好に維持した状態で結晶成長させることができる。 According to this aspect, when the light emitting element is formed, the light emitting end face can be a charge neutral surface. The charge neutral surface can be easily cleaved, and the flatness can be improved as compared with the C surface. As a result, the light emission wavelength of the light emitting element can be extended to the green region. Further, since distortion in the light emitting layer is suppressed, the crystal can be grown in a state in which the crystal structure of the light emitting layer is well maintained.
上記態様の発光素子用基板において、点(x,y)がA’点(0.3,0.2)、B点(0.19,0.17)、C点(0.16,0.55)およびD’点(0.3,0.59)を頂点とする四角形の領域内に位置していてもよい。 In the light emitting element substrate of the above aspect, the points (x, y) are A ′ point (0.3, 0.2), B point (0.19, 0.17), C point (0.16, 0. 55) and D ′ point (0.3, 0.59) may be located in a rectangular area having the vertex.
本発明の他の態様は、発光素子用基板である。当該発光素子用基板は、混晶組成をAl(x)In(y)Ga(1−x−y)N、0≦x≦1、0≦y≦1と表すとき、点(x,y)がE点(0.69,0.31)、F点(0.16,0.15)、G点(0,0.27)、H点(0,0.5)およびI点(0.39,0.61)を頂点とする五角形の領域内に位置する半極性AlInGaN混晶基板を備えることを特徴とする。 Another embodiment of the present invention is a light emitting element substrate. When the mixed crystal composition is expressed as Al (x) In (y) Ga (1-xy) N, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, the light emitting element substrate has a point (x, y). Are E point (0.69, 0.31), F point (0.16, 0.15), G point (0, 0.27), H point (0, 0.5) and I point (0. And a semipolar AlInGaN mixed crystal substrate located in a pentagonal region having a vertex of 39, 0.61).
上記態様の発光素子用基板において、点(x,y)がE’点(0.3,0.19)、F点(0.16,0.15)、G点(0,0.27)、H点(0,0.5)およびI’点(0.3,0.58)を頂点とする五角形の領域内に位置していてもよい。 In the light emitting element substrate of the above aspect, the points (x, y) are E ′ point (0.3, 0.19), F point (0.16, 0.15), G point (0, 0.27). , H point (0, 0.5) and I ′ point (0.3, 0.58) may be located in a pentagonal region.
本発明のさらに他の態様は、発光素子である。当該発光素子は、上述したいずれかの態様の発光素子用基板と、発光素子用基板の上に形成され、n型クラッド層とp型クラッド層との間に設けられた量子井戸構造で構成される発光層と、を備える。 Yet another embodiment of the present invention is a light emitting element. The light-emitting element includes a light-emitting element substrate according to any one of the aspects described above and a quantum well structure formed on the light-emitting element substrate and provided between the n-type cladding layer and the p-type cladding layer. A light emitting layer.
上記態様の発光素子において、発光層からの発光の偏光の光学利得が、基板面内でc軸に垂直な方向より、c軸を基板面に投影した方向の方が強く、発光層からの発光が出射される発光端面がc軸を基板面に投影した方向と平行であってもよい。 In the light-emitting element of the above aspect, the optical gain of polarized light emitted from the light-emitting layer is stronger in the direction in which the c-axis is projected onto the substrate surface than in the direction perpendicular to the c-axis in the substrate surface. May be parallel to the direction in which the c-axis is projected onto the substrate surface.
本発明のさらに他の態様は、発光素子である。当該発光素子は、主表面が非極性面または半極性面であり、混晶組成がAl(x)In(y)Ga(1−x−y)N、0≦x<1、0<y<1、x+y<1と表されるAlInGaN混晶基板と、AlInGaN混晶基板の上に形成され、n型クラッド層とp型クラッド層との間に設けられた量子井戸構造で構成される発光層と、を備え、発光層の歪みが−2%〜+2%であり、発光層の発光端面が電荷中性面である。 Yet another embodiment of the present invention is a light emitting element. In the light-emitting element, the main surface is a nonpolar plane or a semipolar plane, and the mixed crystal composition is Al (x) In (y) Ga (1-xy) N, 0 ≦ x <1, 0 <y <. 1. An AlInGaN mixed crystal substrate expressed as x + y <1, and a light emitting layer formed on the AlInGaN mixed crystal substrate and having a quantum well structure provided between the n-type cladding layer and the p-type cladding layer The strain of the light emitting layer is -2% to + 2%, and the light emitting end face of the light emitting layer is a charge neutral surface.
この態様によれば、発光素子の発光端面を電荷中性面とすることにより、C面に比べて平坦性を向上させることができる。この結果、発光素子の発光波長を緑域領域にまで長波長化することが可能となる。また、発光層に係る歪みが抑制され、を結晶成長させる場合に発光層の結晶構造を良好に維持することができる。 According to this aspect, the flatness can be improved as compared with the C plane by setting the light emitting end face of the light emitting element to be a charge neutral plane. As a result, the light emission wavelength of the light emitting element can be extended to the green region. In addition, when the crystal growth of the light emitting layer is suppressed, the crystal structure of the light emitting layer can be maintained well.
上述した態様の発光素子において、発光層からの発光の偏光の光学利得が、基板面内でc軸に垂直な方向より、c軸を基板面に投影した方向の方が強くなる範囲から点(x,y)が選択されてもよい。また、前記発光層から発せられる光の発光波長が500〜550nmであってもよい。 In the light-emitting element of the above-described aspect, the optical gain of the polarized light emitted from the light-emitting layer is a point (from the range in which the direction in which the c-axis is projected onto the substrate surface is stronger than the direction perpendicular to the c-axis in the substrate surface ( x, y) may be selected. The emission wavelength of light emitted from the light emitting layer may be 500 to 550 nm.
本発明によれば、非極性基板または半極性基板を用いた発光素子において、発光端面の平坦性を向上させ、発光波長を緑色領域まで長波長化させることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in the light emitting element using a nonpolar board | substrate or a semipolar board | substrate, the flatness of a light emission end surface can be improved and the light emission wavelength can be lengthened to a green region.
以下、本発明の実施の形態および実施例を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。 Hereinafter, embodiments and examples of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.
(実施の形態)
実施の形態に係る発光素子用基板は、基板の主表面が非極性面または半極性面であるAlInGaN混晶基板である。非極性面はC面に垂直な面であり、たとえば、m面およびa面が挙げられる。また、半極性面はC面との角度が40〜65度の面であり、たとえば、(11−22)面および(10−12)面が挙げられる。電界中性面としては、非極性面(m面、a面)および半極性面が挙げられる。当該AlInGaN混晶基板は、少なくとも1つのPn接合を有する発光ダイオード、半導体レーザ、半導体光増幅器などの化合物半導体発光素子用の基板として好適に用いられる。
(Embodiment)
The substrate for a light emitting device according to the embodiment is an AlInGaN mixed crystal substrate in which the main surface of the substrate is a nonpolar plane or a semipolar plane. The nonpolar plane is a plane perpendicular to the C plane, and examples thereof include an m plane and an a plane. The semipolar plane is a plane having an angle of 40 to 65 degrees with the C plane, and examples thereof include (11-22) plane and (10-12) plane. Examples of the electric field neutral plane include a nonpolar plane (m plane, a plane) and a semipolar plane. The AlInGaN mixed crystal substrate is suitably used as a substrate for a compound semiconductor light emitting device such as a light emitting diode having at least one Pn junction, a semiconductor laser, or a semiconductor optical amplifier.
AlInGaN混晶基板は、Al(x)In(y)Ga(1−x−y)N、0≦x<1、0<y<1、x+y<1と表される混晶組成を有する。すなわち、InおよびGaが必須であり、Alは任意の成分である。 The AlInGaN mixed crystal substrate has a mixed crystal composition represented by Al (x) In (y) Ga (1-xy) N, 0 ≦ x <1, 0 <y <1, and x + y <1. That is, In and Ga are essential, and Al is an arbitrary component.
AlInGaNの組成に対する条件として下記の項目が挙げられる。 The following items may be mentioned as conditions for the composition of AlInGaN.
・条件(1)「発光層から放射された光の偏光に関し、X1偏光、X2偏光およびX3偏光のうち、X2偏光の光学利得が最大であること」
X1偏光、X2偏光およびX3偏光は、次のように定義される。すなわち、図1に示すように、X1偏光は、基板面内でc軸に垂直な偏光である。X2偏光は、c軸を基板面に射影した方向の偏光である。また、X3偏光は、基板に垂直な方向の偏光である。なお、「偏光の方向」は、「光の電場ベクトルの方向」を指す。
Condition (1) “The optical gain of X2 polarized light is the maximum among X1 polarized light, X2 polarized light and X3 polarized light with respect to the polarized light emitted from the light emitting layer”
X1 polarized light, X2 polarized light, and X3 polarized light are defined as follows. That is, as shown in FIG. 1, X1 polarized light is polarized light perpendicular to the c-axis in the substrate plane. X2 polarized light is polarized light in a direction in which the c-axis is projected onto the substrate surface. X3 polarized light is polarized light in a direction perpendicular to the substrate. The “polarization direction” refers to the “direction of the electric field vector of light”.
・条件(2)「発光層の歪みが−2%から+2%の範囲であること」
条件(1)に合致するようにAlInGaNの組成を調整することにより、従来の発光素子で利用されていたX1偏光に代えて、X2偏光を利用することができる。このため、発光素子の発光端面を従来のC面から、電荷中性面とすることができる。より詳しくは、AlInGaN混晶基板の主表面を非極性面(m面)とした場合には、発光端面を非極性面(a面)とすることができる。また、AlInGaN混晶基板の主表面を非極性面(a面)とした場合には、発光端面を非極性面(m面)とすることができる。この場合、図1に示したc軸はX3方向と垂直となり、c軸とX3軸とのなす角θは90度となる。また、AlInGaN混晶基板の主表面を半極性面とした場合には、発光端面を非極性面(m面)、非極性面(a面)などの電荷中性面とすることができる。この場合、図1に示したc軸とX3軸とのなす角θは40〜65度となる。具体的には、AlInGaN混晶基板の主表面を(11−22)面(θ=58度)にしたときは、発光端面を非極性面(m面)とすることができる。また、AlInGaN混晶基板の主表面を(10−12)面(θ=43度)にしたときには、発光端面を非極性面(a面)とすることができる。
Condition (2) “The strain of the light emitting layer is in the range of −2% to + 2%”
By adjusting the composition of AlInGaN so as to meet the condition (1), X2 polarized light can be used instead of the X1 polarized light used in the conventional light emitting device. For this reason, the light emitting end face of the light emitting element can be changed from a conventional C plane to a charge neutral plane. More specifically, when the main surface of the AlInGaN mixed crystal substrate is a nonpolar plane (m plane), the light emitting end face can be a nonpolar plane (a plane). Further, when the main surface of the AlInGaN mixed crystal substrate is a nonpolar plane (a plane), the light emitting end face can be a nonpolar plane (m plane). In this case, the c-axis shown in FIG. 1 is perpendicular to the X3 direction, and the angle θ formed by the c-axis and the X3 axis is 90 degrees. When the main surface of the AlInGaN mixed crystal substrate is a semipolar plane, the light emitting end face can be a charge neutral plane such as a nonpolar plane (m plane) or a nonpolar plane (a plane). In this case, the angle θ formed by the c-axis and the X3 axis shown in FIG. 1 is 40 to 65 degrees. Specifically, when the main surface of the AlInGaN mixed crystal substrate is a (11-22) plane (θ = 58 degrees), the light emitting end face can be a nonpolar plane (m plane). In addition, when the main surface of the AlInGaN mixed crystal substrate is a (10-12) plane (θ = 43 degrees), the light emitting end face can be a nonpolar plane (a plane).
また、条件(2)に合致するようにAlInGaNの組成を調整することにより、発光層に係る歪みが抑制され、を結晶成長させる場合に発光層の結晶構造を良好に維持することができる。 Further, by adjusting the composition of AlInGaN so as to meet the condition (2), the distortion of the light emitting layer is suppressed, and the crystal structure of the light emitting layer can be favorably maintained when crystal growth is performed.
これにより、たとえば、実施の形態に係る発光素子用基板を用いて半導体レーザを形成する場合に、共振器ミラー端面を電荷中性面とすることができる。電荷中性面は、クーロン力によりで互いに引き合うプラスの電荷とマイナスの電荷を引き離すことを要しないため、容易に劈開することができ、C面に比べて平坦性を向上させることができる。この結果、半導体レーザの発光波長を緑域領域(500〜550nm)にまで長波長化することが可能となる。 Thereby, for example, when a semiconductor laser is formed using the substrate for a light emitting element according to the embodiment, the end face of the resonator mirror can be a charge neutral surface. Since the charge neutral surface does not need to separate the positive charge and the negative charge that are attracted to each other by Coulomb force, it can be easily cleaved, and the flatness can be improved as compared with the C surface. As a result, the emission wavelength of the semiconductor laser can be extended to the green region (500 to 550 nm).
(実施例1)
図2は、実施例1に係る半導体レーザダイオード10の構造を示す概略図である。半導体レーザダイオード10は、基板20と、基板20の上に結晶成長によって順に形成されたn型半導体層30、発光層40、p型半導体層50、基板20の裏面に設けられたn側電極60およびp型半導体層50の上に形成されたp側電極70を備える。
Example 1
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the structure of the
実施例1の基板20は、非極性面(m面)を主表面とする非極性AlInGaN混晶基板である。非極性AlInGaN混晶基板は、たとえば、MOCVD法を用いて形成することができる。基板20の厚さは、たとえば、100μmである。AlInGaNの組成については後述する。
The
n型半導体層30は、基板20側から順に、n−GaN層32、n−AlGaNクラッド層34、およびn−InGaNガイド層36を含む。
The n-
n−GaN層32は、n側電極60とのオーミックコンタクトを取るための低抵抗層である。n−GaN層32は、GaNにn型不純物として、たとえば、Siをドープすることにより形成される。
The n-GaN layer 32 is a low resistance layer for making ohmic contact with the n-
n−AlGaNクラッド層34は、n−InGaNガイド層36より屈折率が小さく、n−InGaNガイド層36との間にヘテロ接合を有する。これにより、n−AlGaNクラッド層34は、発光層40から放射された光を発光層40に閉じ込める役割を有する。具体的には、n−AlGaNクラッド層34は、AlGaNにn型不純物として、たとえば、Siをドープすることにより形成される。n−AlGaNクラッド層34の厚さは、たとえば、1μmである。
The n-AlGaN cladding layer 34 has a refractive index smaller than that of the n-InGaN guide layer 36 and has a heterojunction with the n-InGaN guide layer 36. Thereby, the n-AlGaN cladding layer 34 has a role of confining the light emitted from the
n−InGaNガイド層36は、発光層40からの光を閉じ込める役割を有する。具体的には、n−InGaNガイド層36は、InGaNにn型不純物として、たとえば、Siをドープすることにより形成される。n−InGaNガイド層36の厚さは、たとえば、0.1μmである。なお、n−InGaNガイド層36は、発光層40からの光を閉じ込めることができればよく、n型不純物を含んでいなくてもよい。
The n-InGaN guide layer 36 has a role of confining light from the
一方、p型半導体層50は、発光層40の上に設けられ、p側電極70側から順に、p−GaN層52、p−AlGaNクラッド層54、p−InGaNガイド層56、およびp−AlGaNブロック層58を含む。
On the other hand, the p-
p−GaN層52は、p側電極70とのオーミックコンタクトを取るための低抵抗層である。p−GaN層52は、GaNにp型不純物として、たとえば、Mgをドープすることにより形成される。
The p-GaN layer 52 is a low resistance layer for making ohmic contact with the p-
p−AlGaNクラッド層54は、p−InGaNガイド層56より屈折率が小さく、p−InGaNガイド層56との間にヘテロ接合を有する。これにより、p−AlGaNクラッド層54は、発光層40から放射された光を発光層40に閉じ込める役割を有する。具体的には、p−AlGaNクラッド層54は、AlGaNにp型不純物として、たとえば、Mgをドープすることにより形成される。p−AlGaNクラッド層54の厚さは、たとえば、0.5μmである。
The p-AlGaN cladding layer 54 has a refractive index smaller than that of the p-InGaN guide layer 56 and has a heterojunction with the p-InGaN guide layer 56. Thereby, the p-AlGaN cladding layer 54 has a role of confining the light emitted from the
p−InGaNガイド層56は、発光層40からの光を閉じ込める役割を有する。具体的には、p−InGaNガイド層56は、InGaNにp型不純物として、たとえば、Mgをドープすることにより形成される。p−InGaNガイド層56の厚さは、たとえば、0.1μmである。p−InGaNガイド層56は、発光層40からの光を閉じ込めることができればよく、p型不純物を含んでいなくてもよい。
The p-InGaN guide layer 56 has a role of confining light from the
p−AlGaNブロック層58は、発光層40からの電子の流出を抑制し、電子と正孔の再結合の効率を高める役割を有する。具体的には、p−AlGaNブロック層58は、AlGaNにp型不純物として、たとえば、Mgをドープすることにより形成される。
The p-AlGaN block layer 58 has a role of suppressing the outflow of electrons from the
発光層40は、SiがドープされたInGaN層(量子井戸層)とGaN層(バリア層)とが交互に3層ずつ積層された多重量子井戸構造(MQW)を有し、電子と正孔とが再結合することにより光を放射し、放射された光を増幅する。本実施例の発光層40に用いられるInGaN層の組成は、In0.3Ga0.7Nである。InGaN層、GaN層の厚さは、それぞれ3nm、5nmである。発光層40から放射される光は緑色であり、発光波長は、たとえば、530nmである。
The
n側電極60は、基板20の裏面に電気的に接続されている。n側電極60は、たとえば、Alで形成される。
The n-
p側電極70は、p型半導体層50の上にc軸と垂直な方向にストライプ状に設けられている。p側電極70は、たとえば、Pd/Auで形成される。
The p-
以上説明した層構造を有する半導体レーザダイオード10では、発光層40の量子井戸面が非極性面(m面)であるため、ピエゾ電界が大幅に低減される。また、共振器ミラー端面が電荷中性面である非極性面(a面)である。このため、共振器ミラー端面における劈開を容易に行うことができ、共振器ミラー端面の平坦性を向上させることができる。
In the
(偏光特性の計算)
上述した半導体レーザダイオード10に関して、偏光特性と非極性AlInGaN混晶基板におけるAlInGaN組成との関係を下記計算方法に従って調べ、上述した条件(1)を満たす組成領域を算出した。
(Calculation of polarization characteristics)
Regarding the
一般に、化合物半導体発光素子の偏光特性は、量子井戸の価電子帯の電子状態によって主に決まる。このため、半導体レーザダイオード10の偏光特性を計算するにあたり、発光層40の歪み量子井戸の価電子帯の電子状態を下記のようにモデル化した。
In general, the polarization characteristics of a compound semiconductor light emitting device are mainly determined by the electronic state of the valence band of the quantum well. For this reason, in calculating the polarization characteristics of the
バルクInGaNにおいては、価電子帯頂上付近にA、B、Cと呼ばれる3つのバンドがあり、これらのガンマ点の電子状態は、ほぼ|X+iY>、|X−iY>、|Z>となっている。図3に示すように、伝導帯から価電子帯への光学遷移において、A、Bへの遷移はC面内の偏光のみに対して許容となり、Cへの遷移はc軸方向の偏光に対してのみ許容となる。 In bulk InGaN, there are three bands called A, B, and C near the top of the valence band, and the electronic states of these gamma points are almost | X + iY>, | X-iY>, | Z>. Yes. As shown in FIG. 3, in the optical transition from the conduction band to the valence band, the transition to A and B is allowed only for the polarization in the C plane, and the transition to C is for the polarization in the c-axis direction. Only allowed.
InGaN歪み量子井戸では、歪みや量子井戸の効果により、上述した3つの価電子帯バンドがミキシングを起こすため、その偏光特性はバルクとは全く異なる。このため、6×6 k・pハミルトニアン(S.L.Chuang and C.S.Chang:Phys.Rev.B54,2491(1996)参照)を用いることによって、上述の効果を取り入れ、非極性AlInGaN混晶基板上のInGaN歪み量子井戸の価電子帯の電子状態を計算した。なお、計算にあたり、無限障壁の量子井戸を仮定し、量子井戸内の電界をゼロとした。また、価電子帯の電子状態に関しては、ガンマ点のみについて計算した。伝導帯、価電子帯それぞれの基底状態間のバンド端発光について、図1に示した3つの異なる偏光(X1、X2、X3)に対して、光学行列要素を計算した。 In an InGaN strained quantum well, the above-described three valence band bands are mixed due to strain and quantum well effects, so that the polarization characteristics are completely different from those of the bulk. For this reason, by using 6 × 6 k · p Hamiltonian (see SLChuang and CSChang: Phys. Rev. B54, 2491 (1996)), the above effect is taken into account and the InGaN strain on the nonpolar AlInGaN mixed crystal substrate. The electronic state of the valence band of the quantum well was calculated. In the calculation, an infinite barrier quantum well was assumed and the electric field in the quantum well was zero. For the electronic state of the valence band, only the gamma point was calculated. The optical matrix elements were calculated for the three different polarizations (X1, X2, X3) shown in FIG. 1 for the band edge emission between the ground states of the conduction band and the valence band.
このような計算を、基板20の組成をAl(x)In(y)Ga(1−x−y)N、0≦x≦1、0≦y≦1と表すとき、(x、y)をそれぞれ独立に0≦x≦1、0≦y≦1の範囲で変化させて行った。各点(x、y)において、X1偏光、X2偏光、X3偏光の光学利得を計算し、これら3つの偏光のうち最大となる偏光を特定した。
When such a calculation represents the composition of the
図4は、非極性AlInGaN組成の相図において、発光層からの各偏光のうち最大となる偏光を示す図である。図4に示した領域R1、R2、R3は、それぞれ、X1偏光、X2偏光、X3偏光の光学利得が最大となる領域を示す。領域R2は、上述した条件(1)を満たす領域であり、AlInGaN組成を領域R2内とすることにより、非極性面(a面)を共振器ミラー端面(発光端面)とすることができる。この条件(1)と、条件(2)の発光層の歪みが−2%から+2%になる範囲であることという条件を満たす点(x,y)は、A点(0.68,0.32)、B点(0.19,0.17)、C点(0.16,0.55)およびD点(0.38,0.62)を頂点とする四角形の領域内に位置することが見出された。 FIG. 4 is a diagram showing the maximum polarized light among the polarized lights from the light emitting layer in the phase diagram of the nonpolar AlInGaN composition. Regions R1, R2, and R3 shown in FIG. 4 indicate regions where the optical gains of the X1-polarized light, the X2-polarized light, and the X3-polarized light are maximized, respectively. The region R2 is a region that satisfies the above-described condition (1). By setting the AlInGaN composition in the region R2, the nonpolar surface (a surface) can be used as the resonator mirror end surface (light emitting end surface). The point (x, y) that satisfies the condition (1) and the condition that the distortion of the light emitting layer in the condition (2) is in the range from −2% to + 2% is the point A (0.68, 0. 32), located within a quadrangular area having points B (0.19, 0.17), C (0.16, 0.55) and D (0.38, 0.62) as vertices Was found.
AlInGaN組成において、AlNの割合は30%以下であることが望ましい。In原子の原子半径(1.63Å)とAl原子の原子半径(1.43Å)が大きく違うために、AlNの割合が30%より高くなると、InNとAlNとを混合することが困難になり、AlInGaN混晶基板を結晶成長させることが難しくなる。また、AlNの割合が30%より高くなると、電気抵抗が増加し、半導体レーザダイオード10の発光強度の低下を招く。
In the AlInGaN composition, the proportion of AlN is desirably 30% or less. Since the atomic radius of In atoms (1.63 Å) and the atomic radius of Al atoms (1.43 Å) are greatly different, if the proportion of AlN is higher than 30%, it becomes difficult to mix InN and AlN. It becomes difficult to grow an AlInGaN mixed crystal substrate. On the other hand, when the AlN ratio is higher than 30%, the electrical resistance increases, and the emission intensity of the
このため、上述した条件(1)および(2)に、条件(3)として、「AlNの割合が30%以下であること」を加味することが望ましい。条件(3)を加味した場合には、点(x,y)は、A’点(0.3,0.2)、B点(0.19,0.17)、C点(0.16,0.55)およびD’点(0.3,0.59)を頂点とする四角形の領域内に位置することが見出された。 For this reason, it is desirable to consider that “the ratio of AlN is 30% or less” as the condition (3) to the above-described conditions (1) and (2). When the condition (3) is taken into consideration, the point (x, y) is the point A ′ (0.3, 0.2), point B (0.19, 0.17), point C (0.16). , 0.55) and D ′ point (0.3, 0.59) were found to lie within a rectangular area.
(実施例2)
図5は、実施例2に係る半導体レーザダイオード10の構造を示す概略図である。実施例2に係る半導体レーザダイオード10は、基板20として半極性面を主表面とする半極性AlInGaN混晶基板が用いられ、n型半導体層30、発光層40、およびp型半導体層50の表面がいずれも半極性面(図1に示したθは58度)である点が、実施例1と相違する。実施例2に係る半導体レーザダイオード10の他の構成は、実施例1と同様であるため、説明を適宜省略する。
(Example 2)
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating the structure of the
実施例2に係る半導体レーザダイオード10では、発光層40の量子井戸面が半極性面であるため、ピエゾ電界が大幅に低減される。また、共振器ミラー端面が電荷中性面である非極性面(m面)または非極性面(a面)である。このため、共振器ミラー端面における劈開を容易に行うことができ、共振器ミラー端面の平坦性を向上させることができる。
In the
実施例2に係る半導体レーザダイオード10について、実施例1と同様に発光層40の偏光特性について解析した。
Regarding the
図6は、半極性AlInGaN組成の相図において、発光層からの各偏光のうち最大となる偏光を示す図である。図6に示した領域R1、R2、R3は、それぞれ、X1偏光、X2偏光、X3偏光の光学利得が最大となる領域を示す。領域R2は、上述した条件(1)を満たす領域であり、AlInGaN組成を領域R2内とすることにより、非極性面(m面)を共振器ミラー端面(発光端面)とすることができる。この条件(1)と、条件(2)の発光層の歪みが−2%から+2%になる範囲であること、という条件を満たす点(x,y)は、E点(0.69,0.31)、F点(0.16,0.15)、G点(0,0.27)、H点(0,0.5)およびI点(0.39,0.61)を頂点とする五角形の領域内に位置することが見出された。 FIG. 6 is a diagram showing the maximum polarized light among the polarized lights from the light emitting layer in the phase diagram of the semipolar AlInGaN composition. Regions R1, R2, and R3 shown in FIG. 6 indicate regions where the optical gains of the X1-polarized light, the X2-polarized light, and the X3-polarized light are maximized, respectively. The region R2 is a region that satisfies the above-described condition (1). By setting the AlInGaN composition in the region R2, the nonpolar plane (m-plane) can be the resonator mirror end face (light emitting end face). The point (x, y) that satisfies the condition (1) and that the strain of the light emitting layer in the condition (2) is in the range from −2% to + 2% is the point E (0.69, 0). .31), F point (0.16, 0.15), G point (0, 0.27), H point (0, 0.5) and I point (0.39, 0.61) as vertices It was found to be located within a pentagonal region.
また、上述した条件(3)を加味した場合には、点(x,y)は、E’点(0.3,0.19)、F点(0.16,0.15)、G点(0,0.27)、H点(0,0.5)およびI’点(0.3,0.58)を頂点とする五角形の領域内に位置することが見出された。 Further, when the above condition (3) is taken into consideration, the point (x, y) is the point E ′ (0.3, 0.19), the point F (0.16, 0.15), the point G. It was found to be located in a pentagonal region having (0, 0.27), point H (0, 0.5) and point I ′ (0.3, 0.58) as vertices.
10 半導体レーザダイオード、20 基板、30 n型半導体層、40 発光層、50 p型半導体層、60 n側電極、70 p側電極 10 semiconductor laser diode, 20 substrate, 30 n-type semiconductor layer, 40 light emitting layer, 50 p-type semiconductor layer, 60 n-side electrode, 70 p-side electrode
Claims (8)
混晶組成をAl(x)In(y)Ga(1−x−y)N、0≦x≦1、0≦y≦1と表すとき、
点(x,y)がA点(0.68,0.32)、B点(0.19,0.17)、C点(0.16,0.55)およびD点(0.38,0.62)を頂点とする四角形の領域内に位置する非極性AlInGaN混晶基板を備えることを特徴とする発光素子用基板。 A substrate for a light emitting device in which an InGaN layer having an emission wavelength of 500 to 550 nm is formed as a quantum well layer provided between an n-type cladding layer and a p-type cladding layer,
When the mixed crystal composition is expressed as Al (x) In (y) Ga (1-xy) N, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1,
Points (x, y) are point A (0.68, 0.32), point B (0.19, 0.17), point C (0.16, 0.55) and point D (0.38, A substrate for a light-emitting element, comprising a nonpolar AlInGaN mixed crystal substrate located in a rectangular region having an apex at 0.62).
混晶組成をAl(x)In(y)Ga(1−x−y)N、0≦x≦1、0≦y≦1と表すとき、
点(x,y)がE点(0.69,0.31)、F点(0.16,0.15)、G点(0,0.27)、H点(0,0.5)およびI点(0.39,0.61)を頂点とする五角形の領域内に位置する半極性AlInGaN混晶基板を備えることを特徴とする発光素子用基板。 A substrate for a light emitting device in which an InGaN layer having an emission wavelength of 500 to 550 nm is formed as a quantum well layer provided between an n-type cladding layer and a p-type cladding layer,
When the mixed crystal composition is expressed as Al (x) In (y) Ga (1-xy) N, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1,
Point (x, y) is E point (0.69, 0.31), F point (0.16, 0.15), G point (0, 0.27), H point (0, 0.5) And a semipolar AlInGaN mixed crystal substrate located in a pentagonal region having an I point (0.39, 0.61) as a vertex.
前記発光素子用基板の上に形成され、n型クラッド層とp型クラッド層との間に設けられた量子井戸構造で構成される発光層と、
を備えることを特徴とする発光素子。 A substrate for a light emitting device according to any one of claims 1 to 5,
A light emitting layer formed on the light emitting element substrate and having a quantum well structure provided between an n-type cladding layer and a p-type cladding layer;
A light-emitting element comprising:
前記発光層からの発光が出射される発光端面がc軸を基板面に投影した方向と平行であることを特徴とする請求項6に記載の発光素子。 The optical gain of polarized light emitted from the light emitting layer is stronger in the direction in which the c axis is projected onto the substrate surface than in the direction perpendicular to the c axis in the substrate surface,
The light emitting element according to claim 6 , wherein a light emitting end face from which light emitted from the light emitting layer is emitted is parallel to a direction in which the c-axis is projected onto the substrate surface.
前記AlInGaN混晶基板の上に形成され、n型クラッド層とp型クラッド層との間に設けられる量子井戸層としてInGaN層を含む発光層と、
を備え、
前記発光層の歪みが−2%〜+2%であり、
前記発光層の発光端面が電荷中性面であり、
前記発光層からの発光の偏光の光学利得が、基板面内でc軸に垂直な方向より、c軸を基板面に投影した方向の方が強くなる範囲から点(x,y)が選択され、
前記発光層から発せられる光の発光波長が500〜550nmであることを特徴とする発光素子。 The main surface is a nonpolar plane or a semipolar plane, and the mixed crystal composition is Al (x) In (y) Ga (1-xy) N, 0 ≦ x <1, 0 <y <1, x + y <1 AlInGaN mixed crystal substrate represented by
A light emitting layer formed on the AlInGaN mixed crystal substrate and including an InGaN layer as a quantum well layer provided between the n-type cladding layer and the p-type cladding layer ;
With
The strain of the light emitting layer is -2% to + 2%,
The light emitting end surface of the light emitting layer is a charge neutral surface;
The point (x, y) is selected from the range in which the optical gain of the polarized light emitted from the light emitting layer is stronger in the direction in which the c-axis is projected onto the substrate surface than in the direction perpendicular to the c-axis in the substrate surface. ,
The light emitting element characterized by the emission wavelength of the light emitted from the said light emitting layer being 500-550 nm .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008222095A JP5344676B2 (en) | 2008-08-29 | 2008-08-29 | LIGHT EMITTING BOARD AND LIGHT EMITTING ELEMENT |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008222095A JP5344676B2 (en) | 2008-08-29 | 2008-08-29 | LIGHT EMITTING BOARD AND LIGHT EMITTING ELEMENT |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2010056434A JP2010056434A (en) | 2010-03-11 |
JP5344676B2 true JP5344676B2 (en) | 2013-11-20 |
Family
ID=42072008
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008222095A Expired - Fee Related JP5344676B2 (en) | 2008-08-29 | 2008-08-29 | LIGHT EMITTING BOARD AND LIGHT EMITTING ELEMENT |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5344676B2 (en) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8867582B2 (en) | 2012-04-04 | 2014-10-21 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Laser diode assembly |
DE102012103160A1 (en) * | 2012-04-12 | 2013-10-17 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | laser diode device |
JP2014027092A (en) | 2012-07-26 | 2014-02-06 | Sharp Corp | Semiconductor light-emitting element |
Family Cites Families (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH04236478A (en) * | 1991-01-21 | 1992-08-25 | Pioneer Electron Corp | Semiconductor light emitting element |
JPH06164055A (en) * | 1992-11-25 | 1994-06-10 | Asahi Chem Ind Co Ltd | Quantum-well semiconductor laser |
JP2000261035A (en) * | 1999-03-12 | 2000-09-22 | Toyoda Gosei Co Ltd | GaN-BASED SEMICONDUCTOR DEVICE |
JP4497269B2 (en) * | 2002-08-23 | 2010-07-07 | ソニー株式会社 | Semiconductor laser device and manufacturing method thereof |
KR100707187B1 (en) * | 2005-04-21 | 2007-04-13 | 삼성전자주식회사 | Gan-based compound semiconductor device |
WO2006130696A2 (en) * | 2005-06-01 | 2006-12-07 | The Regents Of The University Of California | Technique for the growth and fabrication of semipolar (ga,al,in,b)n thin films, heterostructures, and devices |
JP5158834B2 (en) * | 2006-09-08 | 2013-03-06 | 古河電気工業株式会社 | Semiconductor light emitting device and method for manufacturing semiconductor light emitting device |
JP2010518626A (en) * | 2007-02-12 | 2010-05-27 | ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア | Optimization of laser rod orientation for nonpolar and semipolar (Ga, Al, In, B) N diode lasers |
-
2008
- 2008-08-29 JP JP2008222095A patent/JP5344676B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2010056434A (en) | 2010-03-11 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11552452B2 (en) | Semi-polar III-nitride optoelectronic devices on m-plane substrates with miscuts less than +/− 15 degrees in the c-direction | |
WO2010027016A1 (en) | Nitride semiconductor light-emitting element and semiconductor light-emitting element | |
JP5409210B2 (en) | Semiconductor light emitting device | |
JPWO2013021464A1 (en) | Nitride semiconductor ultraviolet light emitting device | |
JP6589859B2 (en) | Semiconductor optical device and display device | |
US20080273566A1 (en) | Semiconductor light-emitting element, method of producing semiconductor light-emitting element, backlight, display unit, electronic device, and light-emitting unit | |
JP6255939B2 (en) | Nitride semiconductor laser device | |
JP2006074050A (en) | Radioactive opto-electronic component having a quantum well structure and method for manufacturing it | |
JP2011211076A (en) | Group-iii nitride semiconductor light-emitting element | |
JP2009239075A (en) | Light emitting element | |
US9368940B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device | |
JP5344676B2 (en) | LIGHT EMITTING BOARD AND LIGHT EMITTING ELEMENT | |
JP5589380B2 (en) | Nitride semiconductor device | |
KR20140004361A (en) | Nitride semiconductor light emitting device using superlattice structure | |
JP2009158807A (en) | Semiconductor laser diode | |
JP2007329418A (en) | Nitride semiconductor light emitting element | |
WO2011101929A1 (en) | Semiconductor light-emitting device and method for manufacturing the same | |
JP2010062460A (en) | Nitride semiconductor light emitting element | |
JP2009032966A (en) | Semiconductor light-emitting device | |
JP2019041102A (en) | Laser diode | |
JP6103241B2 (en) | Light emitting element | |
Sun et al. | AlGaN-based thin-film ultraviolet laser diodes and light-emitting diodes | |
JP2008177624A (en) | Gallium nitride based semiconductor laser element | |
JP2008177624A5 (en) | ||
JP2011044596A (en) | Nitride semiconductor element, method of manufacturing the same, and semiconductor device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20110620 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20120725 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120925 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20121126 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20130326 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20130415 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20130806 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20130809 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5344676 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |