JP5429153B2 - Gallium nitride semiconductor light emitting device - Google Patents
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Description
本発明は、窒化ガリウム系半導体発光素子に関する。 The present invention relates to a gallium nitride based semiconductor light emitting device.
従来、n型クラッド層、n型光ガイド層、活性層、電子ブロック層、p型光ガイド層及びp型クラッド層が半導体基板上にこの順に積層されてなる半導体発光素子が知られている(例えば、下記非特許文献1参照)。非特許文献1に記載された半導体発光素子では、n型光ガイド層及びp型光ガイド層が互いに同じ組成を有している。
Conventionally, a semiconductor light emitting device is known in which an n-type cladding layer, an n-type light guide layer, an active layer, an electron block layer, a p-type light guide layer, and a p-type cladding layer are stacked in this order on a semiconductor substrate ( For example, see Non-Patent
ところで、近年、窒化ガリウム系半導体発光素子に対しては、光閉じ込め効率を向上させて閾値電流を低減する観点から、クラッド層のIn組成やAl組成を大きくして屈折率を小さくすることや、光ガイド層のIn組成を大きくして屈折率を大きくすることが検討されている。しかしながら、これらの場合、In組成やAl組成の増加に伴い、GaN等からなる半導体基板と各半導体層との格子不整合が大きくなり正孔や電子の移動度が低下するため、各半導体層の比抵抗が増大してしまい動作電圧が高くなる。そのため、窒化ガリウム系半導体発光素子に対しては、動作電圧の増加を抑制しつつ閾値電流を低減することが求められている。 Incidentally, in recent years, for gallium nitride based semiconductor light emitting devices, from the viewpoint of improving the optical confinement efficiency and reducing the threshold current, the In composition and Al composition of the cladding layer can be increased to reduce the refractive index, It has been studied to increase the refractive index by increasing the In composition of the light guide layer. However, in these cases, as the In composition and Al composition increase, the lattice mismatch between the semiconductor substrate made of GaN or the like and each semiconductor layer increases and the mobility of holes and electrons decreases. The specific resistance increases and the operating voltage increases. Therefore, it is required for gallium nitride based semiconductor light-emitting elements to reduce the threshold current while suppressing an increase in operating voltage.
本発明は、上記課題を解決しようとするものであり、動作電圧の増加を抑制しつつ閾値電流を低減することが可能な窒化ガリウム系半導体発光素子を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a gallium nitride based semiconductor light emitting device capable of reducing the threshold current while suppressing an increase in operating voltage.
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、以下の知見を見出した。すなわち、上部InGaN半導体層及び下部InGaN半導体層に活性層が挟まれた積層構造を半導体基板上に有する窒化ガリウム系半導体発光素子において、活性層上に位置する上部InGaN半導体層では、正孔の移動度が低いこと等に起因して、活性層の下に位置する下部InGaN半導体層に比してIn組成の増加に伴い比抵抗が増加し易い。そのため、上部InGaN半導体層では、光閉じ込め効率を向上させて閾値電流を低減する観点からIn組成を高めると、比抵抗が顕著に大きくなり動作電圧が高くなる。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found the following findings. That is, in a gallium nitride based semiconductor light-emitting device having a stacked structure in which an active layer is sandwiched between an upper InGaN semiconductor layer and a lower InGaN semiconductor layer on a semiconductor substrate, in the upper InGaN semiconductor layer located on the active layer, movement of holes Due to the low degree, the specific resistance tends to increase as the In composition increases as compared to the lower InGaN semiconductor layer located below the active layer. Therefore, in the upper InGaN semiconductor layer, when the In composition is increased from the viewpoint of improving the optical confinement efficiency and reducing the threshold current, the specific resistance is remarkably increased and the operating voltage is increased.
一方、下部InGaN半導体層では、上部InGaN半導体層に比してIn組成の増加に伴い比抵抗が増加し難く、In組成を高めた場合であっても比抵抗の増加量が少なく、動作電圧が高くなることを抑制することができる。また、このような現象は、下部InGaN半導体層の導電型がn型である場合に顕著に確認される。そのため、このようなn型の下部InGaN半導体層では、In組成を高めることにより、動作電圧の増加を抑制しつつ閾値電流を低減することができる。 On the other hand, in the lower InGaN semiconductor layer, the specific resistance is less likely to increase as the In composition increases compared to the upper InGaN semiconductor layer, and even if the In composition is increased, the increase in specific resistance is small and the operating voltage is low. It can suppress becoming high. Such a phenomenon is remarkably confirmed when the conductivity type of the lower InGaN semiconductor layer is n-type. Therefore, in such an n-type lower InGaN semiconductor layer, by increasing the In composition, the threshold current can be reduced while suppressing an increase in operating voltage.
すなわち、本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子は、半導体基板と、半導体基板上に配置されると共にn型InxGa1−xN半導体(0.04≦x≦0.06)からなる第1光ガイド層と、第1光ガイド層上に配置された活性層と、活性層上に配置されると共にInyGa1−yN半導体(0.01≦y≦0.03)からなる第2光ガイド層と、を備える。 That is, the gallium nitride based semiconductor light-emitting device according to the present invention includes a semiconductor substrate and a n-type In x Ga 1-x N semiconductor (0.04 ≦ x ≦ 0.06) disposed on the semiconductor substrate. A first light guide layer, an active layer disposed on the first light guide layer, a first layer made of In y Ga 1-y N semiconductor (0.01 ≦ y ≦ 0.03) and disposed on the active layer. Two light guide layers.
本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子では、InyGa1−yN半導体からなる第2光ガイド層の比抵抗は、n型InxGa1−xN半導体からなる第1光ガイド層に比してIn組成の増加に伴い増加し易く、第1光ガイド層の比抵抗は、第2光ガイド層に比してIn組成の増加に伴い比抵抗が増加し難い。本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子では、第2光ガイド層のIn組成yを低くして0.01≦y≦0.03の範囲に調整しつつ、第1光ガイド層のIn組成xを高くして0.04≦x≦0.06の範囲に調整している。このようにIn組成の増加に伴う比抵抗の増加の程度に応じて各半導体層のIn組成を調整することで、比抵抗の増加を抑制しつつ光閉じ込め効率を良くすることができる。したがって、本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子では、動作電圧の増加を抑制しつつ閾値電流を低減することができる。 In the gallium nitride based semiconductor light emitting device according to the present invention, the specific resistance of the second light guide layer made of In y Ga 1-y N semiconductor is the same as that of the first light guide layer made of n-type In x Ga 1-x N semiconductor. Compared to the second light guide layer, the resistivity of the first light guide layer is less likely to increase as the In composition increases. In the gallium nitride based semiconductor light emitting device according to the present invention, the In composition x of the first light guide layer is adjusted while lowering the In composition y of the second light guide layer so as to be in the range of 0.01 ≦ y ≦ 0.03. Is adjusted to a range of 0.04 ≦ x ≦ 0.06. Thus, by adjusting the In composition of each semiconductor layer in accordance with the degree of increase in specific resistance accompanying the increase in In composition, light confinement efficiency can be improved while suppressing increase in specific resistance. Therefore, in the gallium nitride based semiconductor light emitting device according to the present invention, the threshold current can be reduced while suppressing an increase in operating voltage.
半導体基板の主面は、半極性主面であってもよく、当該半極性主面は、窒化ガリウム系半導体のc軸に直交する面(c面({0001}面))から窒化ガリウム系半導体のm軸方向に傾斜していることが好ましい。この場合、動作電圧の増加を抑制しつつ閾値電流を更に低減することができる。 The main surface of the semiconductor substrate may be a semipolar main surface, and the semipolar main surface extends from a surface (c surface ({0001} surface)) perpendicular to the c-axis of the gallium nitride semiconductor to the gallium nitride semiconductor. It is preferable to incline in the m-axis direction. In this case, the threshold current can be further reduced while suppressing an increase in operating voltage.
半極性主面のm軸方向への傾斜角度は、63°以上80°未満であることが好ましい。この場合、動作電圧の増加を抑制しつつ閾値電流を更に低減することができる。 The inclination angle of the semipolar main surface in the m-axis direction is preferably 63 ° or more and less than 80 °. In this case, the threshold current can be further reduced while suppressing an increase in operating voltage.
活性層は、510〜550nmの光を発生可能な量子井戸構造を有していてもよい。 The active layer may have a quantum well structure capable of generating light of 510 to 550 nm.
活性層における井戸層の数は、3以下であってもよい。 The number of well layers in the active layer may be 3 or less.
第1光ガイド層の膜厚は、30〜200nmであることが好ましい。この場合、動作電圧の増加を抑制しつつ閾値電流を更に低減することができる。 The film thickness of the first light guide layer is preferably 30 to 200 nm. In this case, the threshold current can be further reduced while suppressing an increase in operating voltage.
第2光ガイド層の膜厚は、30〜200nmであることが好ましい。この場合、動作電圧の増加を抑制しつつ閾値電流を更に低減することができる。 The film thickness of the second light guide layer is preferably 30 to 200 nm. In this case, the threshold current can be further reduced while suppressing an increase in operating voltage.
本発明によれば、動作電圧の増加を抑制しつつ閾値電流を低減することが可能な窒化ガリウム系半導体発光素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a gallium nitride based semiconductor light emitting device capable of reducing the threshold current while suppressing an increase in operating voltage.
以下、本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of a gallium nitride based semiconductor light emitting device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本実施形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子を示す模式断面図である。本実施形態に係る半導体レーザ(窒化ガリウム系半導体発光素子)1は、半導体基板10、半導体領域20、活性層30及び半導体領域40を備えている。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a gallium nitride based semiconductor light emitting device according to this embodiment. A semiconductor laser (gallium nitride based semiconductor light emitting device) 1 according to this embodiment includes a
半導体基板10は、例えば、GaN基板等の窒化ガリウム系半導体基板である。半導体基板10は、互いに対向する表面10aと裏面10bとを有している。半導体基板10の表面10aは、例えば、窒化ガリウム系半導体のc軸に直交する面から窒化ガリウム系半導体のm軸方向に傾斜した半極性主面である。表面10aのm軸方向への傾斜角度は、動作電圧の増加を抑制しつつ閾値電流を更に低減する観点から、63°以上80°未満が好ましく、70°以上80°未満がより好ましく、71°以上79°以下が更に好ましい。
The
半導体レーザ1は、半導体領域20、活性層30及び半導体領域40を半導体基板10の表面10a上に表面10aの法線方向にエピタキシャル成長させて形成される。半導体基板10の表面10a上にエピタキシャル成長する半導体領域(半導体領域20、活性層30、半導体領域40)の各構成層の主面は、表面10aの結晶方位を引き継ぐ傾向がある。
The
半導体領域20は、一又は複数の窒化ガリウム系半導体層から構成されており、一又は複数のInxGa1−xN半導体層を有している。半導体領域20における少なくとも一つのInxGa1−xN半導体層のIn組成xは、0.04≦x≦0.06であり、0.04≦x≦0.05が好ましい。また、半導体領域20における全てのInxGa1−xN半導体層のIn組成xが0.04≦x≦0.06であることが好ましい。半導体領域20における全てのInxGa1−xN半導体層のIn組成xが0.04未満であると、光閉じ込め効率が充分に向上せず、閾値電流が低減しなくなる。半導体領域20における全てのInxGa1−xN半導体層のIn組成xが0.06を超えると、半導体基板10との格子不整合が増大し、動作電圧が増加してしまう。
The
また、半導体領域20における少なくとも一つのInxGa1−xN半導体層の膜厚は、30〜200nmが好ましく、100〜150nmがより好ましい。また、半導体領域20における全てのInxGa1−xN半導体層の膜厚が30〜200nmであることが好ましい。半導体領域20における全てのInxGa1−xN半導体層の膜厚が30nm未満であると、閾値電流が増加する傾向がある。半導体領域20における全てのInxGa1−xN半導体層の膜厚が200nmを超えると、閾値電流が増加する傾向がある。
The thickness of the at least one In x Ga 1-x N semiconductor layer in the
半導体領域20は、例えば、バッファ層20a、下部クラッド層20b、下部光ガイド層20c及び下部光ガイド層20dを有しており、InGaN半導体層である下部光ガイド層(第1光ガイド層)22として下部光ガイド層20dを有している。
The
バッファ層20aは、半導体基板10の表面10a上に配置されており、例えば、Si等をn型ドーパントとして含有するn型窒化ガリウム系半導体層(GaN層等)である。バッファ層20aのn型ドーパント濃度は、例えば3×1018/cm3である。バッファ層20aの膜厚は、例えば1.1μmである。
The
下部クラッド層20bは、バッファ層20a上に配置されており、例えば、Si等をn型ドーパントとして含有するn型窒化ガリウム系半導体層(In0.03Al0.14Ga0.83N層等)である。下部クラッド層20bのn型ドーパント濃度は、例えば1×1018〜5×1018/cm3である。下部クラッド層20bの膜厚は、例えば1.2μmである。
The
下部光ガイド層20cは、下部クラッド層20b上に配置されており、例えば、Si等をn型ドーパントとして含有するn型窒化ガリウム系半導体層(GaN層等)である。下部光ガイド層20cのn型ドーパント濃度は、例えば1×1018〜3×1018/cm3である。下部光ガイド層20cの膜厚は、例えば0.250μmである。
The lower
下部光ガイド層20dは、バッファ層20a、下部クラッド層20b及び下部光ガイド層20cを介して半導体基板10上に配置されている。下部光ガイド層20dは、Si等をn型ドーパントとして含有するn型InxGa1−xN半導体層(In0.025Ga0。975N半導体層等)である。下部光ガイド層20dの膜厚は、例えば0.115μmである。
The lower
下部光ガイド層20dのn型ドーパント濃度は、1×1017〜3×1018/cm3が好ましく、2×1017〜1×1018/cm3がより好ましい。下部光ガイド層20dのn型ドーパント濃度が1×1017/cm3未満であると、動作電圧が増加する傾向がある。下部光ガイド層20dのn型ドーパント濃度が3×1018/cm3を超えると、閾値電流が増加する傾向がある。
The n-type dopant concentration of the lower
活性層30は、下部光ガイド層20d上に配置されており、下部光ガイド層20dの主面20sに接合している。活性層30は、例えば単一量子井戸構造(SQW構造)や多重量子井戸構造(MQW構造)を有している。活性層30は、例えば510〜550nmの光を発生可能な量子井戸構造を有している。活性層30における井戸層の数は、例えば3以下であり、2以下であってもよい。本実施形態では、活性層30は、単一の井戸層から構成されている。活性層30は、例えばIn0.30Ga0.70N等の窒化ガリウム系半導体層であり、例えばノンドープである。活性層30を構成する井戸層の膜厚は、例えば3nmである。
The
半導体領域40は、一又は複数の窒化ガリウム系半導体層から構成されており、半導体領域40は、一又は複数のInyGa1−yN半導体層を有している。半導体領域40における少なくとも一つのInyGa1−yN半導体層のIn組成yは、0.01≦y≦0.03であり、0.02≦y≦0.03が好ましい。また、半導体領域40における全てのInyGa1−yN半導体層のIn組成yが0.01≦y≦0.03であることが好ましい。半導体領域40における全てのInyGa1−yN半導体層のIn組成yが0.01未満であると、光閉じ込め効率が充分に向上せず、閾値電流が低減しなくなる。半導体領域40における全てのInyGa1−yN半導体層のIn組成yが0.03を超えると、半導体基板10との格子不整合が増大し、動作電圧が増加してしまう。
The
また、半導体領域40における少なくとも一つのInyGa1−yN半導体層の膜厚は、30〜200nmが好ましく、100〜150nmがより好ましい。また、半導体領域40における全てのInyGa1−yN半導体層の膜厚が30〜200nmであることが好ましい。半導体領域40における全てのInyGa1−yN半導体層の膜厚が30nm未満であると、閾値電流が増加する傾向がある。半導体領域40における全てのInyGa1−yN半導体層の膜厚が200nmを超えると、閾値電流が増加する傾向がある。
The thickness of the at least one In y Ga 1-y N semiconductor layer in the
半導体領域40は、例えば、上部光ガイド層40a、電子ブロック層40b、上部光ガイド層40c、上部光ガイド層40d、上部クラッド層40e及びコンタクト層40fを有しており、InGaN半導体層である上部光ガイド層(第2光ガイド層)42として上部光ガイド層40a及び上部光ガイド層40cを有している。上部光ガイド層40aがIny1Ga1−y1N半導体層であり、上部光ガイド層40cがIny2Ga1−y2N半導体層であるとした場合に、本実施形態では、上部光ガイド層40a又は上部光ガイド層40cの少なくとも一方のIn組成(y1、y2)が0.01〜0.03であればよい。
The
上部光ガイド層40aは、活性層30上に配置されており、活性層30の主面30sに接合している。上部光ガイド層40aは、例えばノンドープのIny1Ga1−y1N半導体層(In0.025Ga0。975N半導体層等)である。上部光ガイド層40aの膜厚は、例えば0.075μmである。
The upper
電子ブロック層40bは、上部光ガイド層40a上に配置されており、例えば、Mg等をp型ドーパントとして含有するp型窒化ガリウム系半導体層(GaN層等)である。電子ブロック層40bのp型ドーパント濃度は、例えば1×1019/cm3である。電子ブロック層40bの膜厚は、例えば20nmである。
The
上部光ガイド層40cは、電子ブロック層40b上に配置されている。上部光ガイド層40cは、例えば、Mg等をp型ドーパントとして含有するp型Iny2Ga1−y2N半導体層(In0.025Ga0。975N半導体層等)である。上部光ガイド層40cの膜厚は、例えば0.050μmである。
The upper
上部光ガイド層40cのp型ドーパント濃度は、1×1018〜1×1019/cm3が好ましく、2×1018〜7×1018/cm3がより好ましい。上部光ガイド層40cのp型ドーパント濃度が1×1018/cm3未満であると、動作電圧が増加する傾向がある。上部光ガイド層40cのp型ドーパント濃度が1×1019/cm3を超えると、閾値電流が増加する傾向がある。
The p-type dopant concentration of the upper
ここで、p型のInyGa1−yN半導体層の比抵抗とIn組成yとの関係の測定結果を図2に示す。縦軸はInyGa1−yN半導体層の比抵抗(Ω・cm)を示し、横軸はIn組成yを示す。p型ドーパントとしてMgを用い、p型ドーパント濃度を3×1018/cm3に調整して測定を行った。 Here, the measurement result of the relationship between the specific resistance of the p-type In y Ga 1-y N semiconductor layer and the In composition y is shown in FIG. The vertical axis represents the specific resistance (Ω · cm) of the In y Ga 1-y N semiconductor layer, and the horizontal axis represents the In composition y. Measurement was performed using Mg as the p-type dopant and adjusting the p-type dopant concentration to 3 × 10 18 / cm 3 .
図2を参照すると、In組成yの増加に伴い比抵抗が顕著に増加することが確認される。In組成yが増加するに伴い、InyGa1−yN半導体層における半導体基板10との格子不整合が増大したため、比抵抗が増加したものと推測される。
Referring to FIG. 2, it is confirmed that the specific resistance increases remarkably as the In composition y increases. As the In composition y increases, the lattice mismatch with the
上部光ガイド層40dは、上部光ガイド層40c上に配置されており、例えば、Mg等をp型ドーパントとして含有するp型窒化ガリウム系半導体層(GaN層等)である。上部光ガイド層40dのp型ドーパント濃度は、例えば2×1018〜2×1019/cm3である。上部光ガイド層40dの膜厚は、例えば0.250μmである。
The upper
上部クラッド層40eは、上部光ガイド層40d上に配置されており、例えば、Mg等をp型ドーパントとして含有するp型窒化ガリウム系半導体層(In0.03Al0.14Ga0.83N層等)である。上部クラッド層40eのp型ドーパント濃度は、例えば5×1018〜3×1019/cm3である。上部クラッド層40eの膜厚は、例えば0.40μmである。
The upper clad
コンタクト層40fは、上部クラッド層40e上に配置されており、例えば、Mg等をp型ドーパントとして含有するp+型窒化ガリウム系半導体層(GaN層等)である。コンタクト層40fのp型ドーパント濃度は、例えば3×1019/cm3である。コンタクト層40fの膜厚は、例えば0.050μmである。
The
本発明者の知見によれば、InGaN半導体層である下部光ガイド層22及び上部光ガイド層42に活性層30が挟まれた積層構造を半導体基板10上に有する半導体レーザ1において、活性層30上に位置する上部光ガイド層42では、正孔の移動度が低いことや、上部光ガイド層42がp型半導体である場合にはドーパント(例えばMg)のアクセプタ準位が高いことに起因して、活性層30の下に位置する下部光ガイド層22に比してIn組成の増加に伴い比抵抗が増加し易い。そのため、上部光ガイド層42では、光閉じ込め効率を向上させて閾値電流を低減する観点からIn組成を高めると、比抵抗が顕著に大きくなり動作電圧が高くなる。
According to the knowledge of the present inventors, in the
一方、下部光ガイド層22では、上部光ガイド層42に比してIn組成の増加に伴い比抵抗が増加し難く、In組成を高めた場合であっても比抵抗の増加量が少なく、動作電圧が高くなることを抑制することができる。また、このような現象は、下部光ガイド層22の導電型がn型である場合に顕著に確認される。そのため、このような下部光ガイド層22では、In組成を高めることにより、動作電圧の増加を抑制しつつ閾値電流を低減することができる。
On the other hand, in the lower
また、上部光ガイド層42では、比抵抗を低減する観点から、下部光ガイド層22に比してドーパント濃度を高くする傾向がある。しかしながら、このようにドーパント濃度を高くすると、光の吸収(内部ロス)が大きくなるため閾値電流が高くなる。そのため、このような上部光ガイド層42のIn組成を高めて屈折率を高めると、上部光ガイド層42に光が集中し光が吸収されてしまい易く、閾値電流が更に高くなる。
In the upper
一方、下部光ガイド層22では、上部光ガイド層42に比して比抵抗が低くなり易いことから、ドーパント濃度を低く抑えることができる。そのため、このような下部光ガイド層22では、In組成を高めて屈折率が増加し下部光ガイド層22に光が集中する場合であっても、光の吸収(内部ロス)が増加することを抑制しつつ、光閉じ込め効率を良くして閾値電流を低減することができる。
On the other hand, since the specific resistance of the lower
以上のような半導体レーザ1では、上部光ガイド層42(InyGa1−yN半導体層)のIn組成yを低くして0.01≦y≦0.03の範囲に調整しつつ、下部光ガイド層22(InxGa1−xN半導体層)のIn組成xを高くして0.04≦x≦0.06の範囲に調整している。このように活性層30を基準として下部光ガイド層22及び上部光ガイド層42のIn組成が非対称となるように調整された半導体レーザ1では、In組成の増加に伴う比抵抗の増加の程度に応じて各半導体層のIn組成を調整することで、比抵抗の増加を抑制しつつ光閉じ込め効率を良くすることができる。したがって、半導体レーザ1では、動作電圧の増加を抑制しつつ閾値電流を低減することができる。
In the
本発明は上述の実施形態に限定されず、様々な変形態様が可能である。例えば、上述の実施形態において半導体基板10の表面10aは、窒化ガリウム系半導体のc軸に直交する面から窒化ガリウム系半導体のm軸の方向に傾斜しているが、窒化ガリウム系半導体のc軸に直交する面であってもよく、窒化ガリウム系半導体のc軸に直交する面から窒化ガリウム系半導体のa軸の方向に傾斜していてもよい。これらの場合においても、半導体レーザ1と同様にIn組成の増加に伴う比抵抗の増加の程度に応じて各半導体層のIn組成を調整することで、比抵抗の増加を抑制しつつ光閉じ込め効率を良くすることが可能であり、動作電圧の増加を抑制しつつ閾値電流を低減することができる。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made. For example, in the above-described embodiment, the
また、半導体領域40の表面側に、半導体発光素子の光導波方向に延びるリッジ部が形成されていてもよい。この場合、半導体領域40において電流挟搾されるため、半導体領域40における電圧降下は、格子不整合による高抵抗化の影響を大きく受けて増加し易い。しかしながら、リッジ部を有する半導体発光素子においても、半導体レーザ1と同様にIn組成の増加に伴う比抵抗の増加の程度に応じて各半導体層のIn組成を調整することで、比抵抗の増加を抑制しつつ光閉じ込め効率を良くすることが可能であり、動作電圧の増加を抑制しつつ閾値電流を低減することができる。
Further, a ridge portion extending in the optical waveguide direction of the semiconductor light emitting element may be formed on the surface side of the
また、上記半導体レーザ1では、上部光ガイド層40aはノンドープであるが、Mg等をp型ドーパントとして含有するp型窒化ガリウム系半導体層であってもよい。また、上記半導体レーザ1では、上部光ガイド層40a及び上部光ガイド層40cの間に電子ブロック層40bが配置されているが、電子ブロック層40bが配置されることなく単一の上部光ガイド層が形成されていてもよい。
In the
次に、半導体レーザ1と同様の構成を有する半導体発光素子モデルを用いたデバイスシミュレーションの結果について説明する。半導体発光素子モデルとしては、具体的には下記のモデルを用いた。
Next, a result of device simulation using a semiconductor light emitting element model having the same configuration as that of the
(半導体発光素子モデル)
半導体基板10(ノンドープGaN基板、主面:{20−21}面(c面からm軸方向への傾斜角度:75°)
バッファ層20a(n型GaN層、ドーパント:Si、ドーパント濃度:3×1018/cm3、膜厚:1.1μm)
下部クラッド層20b(n型In0.03Al0.14Ga0.83N層、ドーパント:Si、ドーパント濃度:2×1018/cm3、膜厚:1.2μm)
下部光ガイド層20c(n型GaN層、ドーパント:Si、ドーパント濃度:2×1018/cm3、膜厚:0.250μm)
下部光ガイド層20d(n型InxGa1−xN半導体層、In組成x:0.025≦x≦0.06、ドーパント:Si、ドーパント濃度:6×1017/cm3、膜厚:0.115μm)
活性層30(ノンドープIn0.30Ga0.70N層、膜厚:3nm)
上部光ガイド層40a(ノンドープIn0.025Ga0.975N半導体層、膜厚:0.075μm)
電子ブロック層40b(p型GaN層、ドーパント:Mg、ドーパント濃度:1×1019/cm3、膜厚:20nm)
上部光ガイド層40c(p型In0.025Ga0.975N層、ドーパント:Mg、ドーパント濃度:3×1018/cm3、膜厚:0.050μm)
上部光ガイド層40d(p型GaN層、ドーパント:Mg、ドーパント濃度:3×1018/cm3、膜厚:0.250μm)
上部クラッド層40e(p型In0.03Al0.14Ga0.83N層、ドーパント:Mg、ドーパント濃度:7×1018/cm3、膜厚:0.40μm)
コンタクト層40f(p+型GaN層、ドーパント:Mg、ドーパント濃度:3×1019/cm3、膜厚:0.050μm)
(Semiconductor light emitting device model)
Semiconductor substrate 10 (non-doped GaN substrate, main surface: {20-21} plane (inclination angle from c-plane to m-axis direction: 75 °)
Lower
Lower
Active layer 30 (non-doped In 0.30 Ga 0.70 N layer, film thickness: 3 nm)
Upper
Upper
Upper
図3は、シミュレーションによって提供された半導体発光素子の内部ロスとIn組成との関係を示す図面である。縦軸は半導体発光素子の内部ロス(cm−1)を示し、横軸は下部光ガイド層20dのIn組成を示す。
FIG. 3 is a drawing showing the relationship between the internal loss and In composition of a semiconductor light emitting device provided by simulation. The vertical axis represents the internal loss (cm −1 ) of the semiconductor light emitting device, and the horizontal axis represents the In composition of the lower
図3を参照すると、In組成の増加に伴い内部ロスが低下していることが確認される。このような現象は、以下の要因によるものと推測される。すなわち、下部光ガイド層20dのIn組成が増加するに伴い下部光ガイド層20dの屈折率が増加し、下部光ガイド層20dに光が集中することとなる。これにより、下部クラッド層20bのように下部光ガイド層20dに比してドーパント濃度の高い半導体層に光が集中することが抑制されることとなり、内部ロスが低下したものと推測される。
Referring to FIG. 3, it is confirmed that the internal loss is reduced as the In composition increases. Such a phenomenon is assumed to be caused by the following factors. That is, as the In composition of the lower
図4は、シミュレーションによって提供された動作電圧とIn組成との関係を示す図面である。縦軸は200mAの電流を流すための動作電圧Vf(V)を示し、横軸は下部光ガイド層20dのIn組成を示す。
FIG. 4 is a drawing showing the relationship between operating voltage and In composition provided by simulation. The vertical axis represents the operating voltage Vf (V) for flowing a current of 200 mA, and the horizontal axis represents the In composition of the lower
図4を参照すると、In組成の変化に伴い動作電圧が大きく変動しないことが確認される。この結果より、In組成が0.025〜0.06の範囲では、In組成の変化に伴い下部光ガイド層20dの比抵抗が大きく変動しないことが確認される。
Referring to FIG. 4, it is confirmed that the operating voltage does not fluctuate greatly as the In composition changes. From this result, it is confirmed that when the In composition is in the range of 0.025 to 0.06, the specific resistance of the lower
図5は、シミュレーションによって提供されたレーザの縦方向広がり角とIn組成との関係を示す図面である。縦軸はレーザの縦方向広がり角(°)を示し、横軸は下部光ガイド層20dのIn組成を示す。
FIG. 5 is a drawing showing the relationship between the longitudinal divergence angle of the laser and the In composition provided by simulation. The vertical axis represents the vertical spread angle (°) of the laser, and the horizontal axis represents the In composition of the lower
図5を参照すると、In組成の増加に伴いレーザの縦方向広がり角が増加していることが確認される。また、In組成0.025では、レーザの縦方向広がり角が小さいことが確認される。このような現象は、下部クラッド層20bと下部光ガイド層20dとの屈折率差が小さいため、光閉じ込め効率が充分に向上していないことによるものと推測される。一方、In組成0.04〜0.06では、レーザの縦方向広がり角が大きいことが確認される。このような現象は、下部クラッド層20bと下部光ガイド層20dの屈折率差が大きいため、光閉じ込め効率が充分に向上していることによるものと推測される。
Referring to FIG. 5, it is confirmed that the longitudinal spread angle of the laser increases as the In composition increases. In addition, it is confirmed that the longitudinal spread angle of the laser is small at the In composition of 0.025. Such a phenomenon is presumed to be due to the fact that the optical confinement efficiency is not sufficiently improved because the difference in refractive index between the
図6は、シミュレーションによって提供された閾値電流及びIn組成の関係と、スロープ効率及びIn組成の関係とを示す図面である。縦軸(左軸)は閾値電流Ith(mA)を示し、縦軸(右軸)はスロープ効率Se(W/A)を示し、横軸は下部光ガイド層20dのIn組成を示す。
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the threshold current and the In composition provided by the simulation, and the relationship between the slope efficiency and the In composition. The vertical axis (left axis) represents the threshold current Ith (mA), the vertical axis (right axis) represents the slope efficiency Se (W / A), and the horizontal axis represents the In composition of the lower
図6を参照すると、In組成0.025では、閾値電流が高いと共にスロープ効率が低いのに対し、In組成0.04〜0.06では、閾値電流が低いと共にスロープ効率が高いことが確認される。In組成0.04〜0.06では、In組成0.025に比して光閉じ込め効率が向上して下部光ガイド層20dや活性層30を通る光の割合が増加し、活性層30で誘電放出が起こり易くなることに起因して、閾値電流が低下すると共にスロープ効率が向上しているものと推測される。
Referring to FIG. 6, it is confirmed that the threshold current is low and the slope efficiency is low in the In composition 0.025, while the threshold current is low and the slope efficiency is high in the In composition 0.04 to 0.06. The When the In composition is 0.04 to 0.06, the optical confinement efficiency is improved as compared with the In composition 0.025, and the ratio of light passing through the lower
1…半導体レーザ(窒化ガリウム系半導体発光素子)、10…半導体基板、10a…主面、22…下部光ガイド層(第1光ガイド層)、30…活性層、42…上部光ガイド層(第2光ガイド層)。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記半導体基板上に配置されると共にn型InxGa1−xN半導体(0.04≦x≦0.06)からなる第1光ガイド層と、
前記第1光ガイド層上に配置された活性層と、
前記活性層上に配置されると共にInyGa1−yN半導体(0.01≦y≦0.03)からなる第2光ガイド層と、を備える、窒化ガリウム系半導体発光素子。 A semiconductor substrate;
A first light guide layer disposed on the semiconductor substrate and made of an n-type In x Ga 1-x N semiconductor (0.04 ≦ x ≦ 0.06);
An active layer disposed on the first light guide layer;
A gallium nitride based semiconductor light emitting device, comprising: a second light guide layer disposed on the active layer and made of an In y Ga 1-y N semiconductor (0.01 ≦ y ≦ 0.03).
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