JPH10126006A - Nitride semiconductor device - Google Patents
Nitride semiconductor deviceInfo
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- JPH10126006A JPH10126006A JP29021896A JP29021896A JPH10126006A JP H10126006 A JPH10126006 A JP H10126006A JP 29021896 A JP29021896 A JP 29021896A JP 29021896 A JP29021896 A JP 29021896A JP H10126006 A JPH10126006 A JP H10126006A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、窒化物半導体デバ
イスに係り、より具体的には、レーザダイオード(L
D)デバイス、発光ダイオード(LED)デバイス等の
窒化物半導体発光デバイスおよび太陽電池等の受光デバ
イスに関し、とりわけ窒化物半導体発光デバイスに関す
る。The present invention relates to a nitride semiconductor device, and more particularly, to a laser diode (L)
D) Devices, nitride semiconductor light emitting devices such as light emitting diode (LED) devices, and light receiving devices such as solar cells, and more particularly to nitride semiconductor light emitting devices.
【0002】[0002]
【従来の技術】窒化物半導体は、その組成に依存して
1.95〜6.0eVまでのバンドギャップエネルギー
を有し得るため、発光ダイオード(LED)デバイス、
レーザダイオード(LD)デバイス等の半導体発光デバ
イスの材料として従来より注目されている。最近、この
窒化物半導体材料を用いて高輝度の青色LEDデバイス
と、緑色LEDデバイスが実用化されている。これらの
LEDデバイスは、p−n接合を有するダブルへテロ構
造を有しており、出力は両者とも1mWを超えている。2. Description of the Related Art Nitride semiconductors can have bandgap energies from 1.95 to 6.0 eV depending on their composition, so that light emitting diode (LED) devices,
BACKGROUND ART As a material for semiconductor light emitting devices such as a laser diode (LD) device, it has been attracting attention. Recently, high-luminance blue LED devices and green LED devices have been put to practical use using this nitride semiconductor material. These LED devices have a double heterostructure with a pn junction, and both have outputs exceeding 1 mW.
【0003】従来のLEDデバイスは、基本的には、I
nGaNよりなる活性層が共にAlGaNよりなるn型
とp型のクラッド層との間に挟まれたダブルへテロ構造
を有する。n型クラッド層にはGaNよりなるn型コン
タクト層が形成され、またp型クラッド層にはGaNよ
りなるp型コンタクト層が形成されている。この積層構
造は、例えばサファイアよりなる基板上に設けられてい
る。[0003] Conventional LED devices basically have I
The active layer made of nGaN has a double hetero structure sandwiched between n-type and p-type cladding layers both made of AlGaN. An n-type contact layer made of GaN is formed on the n-type clad layer, and a p-type contact layer made of GaN is formed on the p-type clad layer. This laminated structure is provided on a substrate made of, for example, sapphire.
【0004】LDデバイスも基本的には前記LEDデバ
イスと同様の構造を有し得る。しかしながら、特にLD
デバイスの場合は、光とキャリアとを別々に閉じこめる
分離閉じ込め型構造が用いられることが多い。窒化物半
導体の分離閉じ込め型LDデバイスは、例えば特開平6
−21511号公報に示されている。この公報には、一
方がn型GaNよりなり他方がp型GaNよりなる2つ
の光ガイド層の間に挟まれたInGaN活性層を備え、
n型光ガイド層の上にn型AlGaNよりなるキャリア
閉じ込め層が形成され、p型光ガイド層の上にp型Al
GaNよりなるもう一つのキャリア閉じ込め層が形成さ
れた分離閉じ込め型構造の発光デバイスが開示されてい
る。[0004] An LD device can basically have the same structure as the LED device. However, especially LD
In the case of a device, a separate confinement type structure in which light and carriers are separately confined is often used. For example, Japanese Patent Laid-Open Publication No.
-21511. This publication includes an InGaN active layer sandwiched between two light guide layers, one of which is made of n-type GaN and the other is made of p-type GaN.
A carrier confinement layer made of n-type AlGaN is formed on the n-type light guide layer, and p-type Al is formed on the p-type light guide layer.
A light emitting device having a separate confinement structure in which another carrier confinement layer made of GaN is formed is disclosed.
【0005】ところで、通常のダブルへテロ構造の半導
体素子においては、活性層に接して、活性層よりもバン
ドギャップエネルギーが大きい第1のクラッド層が設け
られ、その第1のクラッド層に接して、第1のクラッド
層よりもバンドギャップエネルギーが大きい第2のクラ
ッド層が設けられる。これは電子と正孔とが、エネルギ
ー準位に従って、効率よく活性層に注入されるようにす
るためである。[0005] In a conventional semiconductor device having a double hetero structure, a first cladding layer having a bandgap energy larger than that of the active layer is provided in contact with the active layer, and in contact with the first cladding layer. And a second cladding layer having a band gap energy larger than that of the first cladding layer. This is so that electrons and holes are efficiently injected into the active layer according to the energy level.
【0006】窒化物半導体LDデバイスの場合も同様
に、活性層に接してバンドギャップエネルギーが次第に
大きくなるように、光ガイド層、キャリア閉じ込め層
(光閉じ込め層)のようなクラッド層が順次形成されて
いる(例えば、前記公報参照)。Similarly, in the case of a nitride semiconductor LD device, a cladding layer such as an optical guide layer and a carrier confinement layer (optical confinement layer) is sequentially formed so that the band gap energy gradually increases in contact with the active layer. (For example, see the above publication).
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、インジ
ウムを含有する活性層を有する従来の窒化物半導体デバ
イス特にLDデバイスは、上記構造では発光効率が低い
ことが判明している。特にデバイスに印加する電流を増
大させるに従いデバイス温度が上昇すると、発光効率の
低下が激しいことがわかった。However, it has been found that a conventional nitride semiconductor device, particularly an LD device, having an active layer containing indium has a low luminous efficiency with the above structure. In particular, it was found that when the device temperature was increased as the current applied to the device was increased, the luminous efficiency was significantly reduced.
【0008】従って、本発明の目的は、インジウムを含
む窒化物半導体を包含する活性層を有する窒化物半導体
素子であって、発光効率が高い窒化物半導体デバイスを
提供することである。また、本発明の他の目的は、デバ
イス温度が上昇しても発光効率の低下が少ない窒化物半
導体デバイスを提供することである。Accordingly, an object of the present invention is to provide a nitride semiconductor device having an active layer containing a nitride semiconductor containing indium and having a high luminous efficiency. Another object of the present invention is to provide a nitride semiconductor device in which the luminous efficiency does not decrease much even when the device temperature rises.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、第1の側面において、第1および第2の
表面を有し、インジウムを含有する窒化物半導体を包含
する量子井戸構造の活性層、並びに該活性層の第1の表
面に接して形成され、該活性層のバンドギャップエネル
ギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する第
1の窒化物半導体層と、該活性層の第1の表面側におい
て、該第1の窒化物半導体層よりも該活性層から離れた
位置に形成され、該第1の窒化物半導体層のバンドギャ
ップエネルギーよりも小さなバンドギャップエネルギー
を有する第2の窒化物半導体層と、該活性層の第1の表
面側において、該第2の窒化物半導体層よりも該活性層
から離れた位置に形成され、該第2の窒化物半導体層の
バンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップ
エネルギーを有する第3の窒化物半導体層とを含む窒化
物半導体層構造を備えたことを特徴とする窒化物半導体
発光デバイスを提供する。According to a first aspect of the present invention, there is provided a quantum well having first and second surfaces and including a nitride semiconductor containing indium. An active layer having a structure, a first nitride semiconductor layer formed in contact with a first surface of the active layer and having a band gap energy larger than a band gap energy of the active layer; A second nitride layer formed at a position farther from the active layer than the first nitride semiconductor layer on the surface side of the first nitride semiconductor layer and having a bandgap energy smaller than the bandgap energy of the first nitride semiconductor layer. A second nitride semiconductor layer formed on the first surface side of the active layer, at a position farther from the active layer than the second nitride semiconductor layer, and a band gap of the second nitride semiconductor layer. Providing a third nitride semiconductor light emitting device comprising the nitride semiconductor layer structure including a nitride semiconductor layer having a band gap energy than Energy.
【0010】本発明の窒化物半導体デバイスにおいて、
活性層は、究極的に正電極に接触すべき層構造と究極的
に負電極に接触すべき層構造とにより挟持される。以下
の記述において、究極的に正電極に接触すべき層構造が
形成される側をp側といい、究極的に負電極に接触すべ
き層構造が形成される側をn側ということがある。In the nitride semiconductor device of the present invention,
The active layer is sandwiched between a layer structure that ultimately contacts the positive electrode and a layer structure that ultimately contacts the negative electrode. In the following description, the side where the layer structure that ultimately contacts the positive electrode is formed is referred to as the p-side, and the side where the layer structure that ultimately contacts the negative electrode is formed is the n-side. .
【0011】そこで、上記窒化物半導体層構造は、活性
層のp側もしくはn側に、またはp側およびn側の双方
に設けることができる。上記第1の窒化物半導体層は、
キャリアがトンネリングし得るに十分薄い厚さを有する
ことが好ましく、より具体的には、0.1μm以下の厚
さを有することが好ましい。通常、この第1の窒化物半
導体層は、少なくとも10オングストローム以上の厚さ
を有することが好ましい。Therefore, the nitride semiconductor layer structure can be provided on the p-side or the n-side of the active layer, or on both the p-side and the n-side. The first nitride semiconductor layer includes:
It is preferable that the carrier has a thickness small enough to enable tunneling, and more specifically, it is preferable that the carrier has a thickness of 0.1 μm or less. Usually, it is preferable that the first nitride semiconductor layer has a thickness of at least 10 angstroms or more.
【0012】また、本発明は、第2の側面において、n
型窒化物半導体からなる第1のクラッド層;該第1のク
ラッド層上に設けられ、インジウムおよびガリウムを含
む窒化物半導体からなり70オングストローム以下の厚
さを有し、下地層上に該下地層に対して格子不整合の状
態で設けられた少なくとも1層の井戸層を包含する量子
井戸構造の活性層であって、該井戸層は複数のインジウ
ムリッチ領域とインジウムプア領域を包含する活性層;
および該活性層上に設けられ、アクセプター不純物をド
ープした窒化物半導体からなる第2のクラッド層を備え
たことを特徴とする窒化物半導体デバイスを提供する。Further, the present invention provides, in a second aspect, n
A first cladding layer made of a type nitride semiconductor; a first cladding layer provided on the first cladding layer, made of a nitride semiconductor containing indium and gallium and having a thickness of 70 angstroms or less; An active layer having a quantum well structure including at least one well layer provided in a lattice mismatch with respect to the active layer, the active layer including a plurality of indium-rich regions and an indium-poor region;
And a nitride semiconductor device provided on the active layer and comprising a second cladding layer made of a nitride semiconductor doped with an acceptor impurity.
【0013】本発明において、広く窒化物半導体という
とき、周期律表第3族元素の窒化物、より具体的には、
式Inx Aly Ga1-x-y N(0≦x≦1、0≦y≦
1、0≦x+y≦1)で示される窒化物半導体を指す。In the present invention, when widely referred to as a nitride semiconductor, a nitride of an element of Group 3 of the periodic table, more specifically,
Formula In x Al y Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦
1, 0 ≦ x + y ≦ 1).
【0014】本発明者らは、特にインジウムを含有する
活性層を有する窒化物半導体デバイスにおける、温度上
昇に伴う発光効率の低下について研究した。その結果、
発光効率の低下の主な原因は、インジウムを含有する窒
化物半導体特にInGaNは、アルミニウムを含む窒化
物半導体または窒化ガリウム(GaN)に比べて成長し
にくいという性質を有していることにあることがわかっ
た。すなわち、InGaNを構成するInNとGaN
は、その分解温度が著しく異なり、InGaNは成長中
にInNとGaNとに相分離する傾向にあり、インジウ
ム含有率を多くすると均一な組成の活性層が得られにく
い。そこで、InGaN活性層を有する従来の窒化物半
導体では、インジウムの含有率が低く抑えられる傾向に
ある。The present inventors have studied on a decrease in luminous efficiency with a rise in temperature, particularly in a nitride semiconductor device having an active layer containing indium. as a result,
The main cause of the decrease in luminous efficiency is that a nitride semiconductor containing indium, particularly InGaN, has a property that it is difficult to grow as compared with a nitride semiconductor containing aluminum or gallium nitride (GaN). I understood. That is, InN and GaN constituting InGaN
Has a significantly different decomposition temperature, and InGaN tends to phase-separate into InN and GaN during growth. If the indium content is increased, it is difficult to obtain an active layer having a uniform composition. Therefore, in a conventional nitride semiconductor having an InGaN active layer, the indium content tends to be kept low.
【0015】そのようにインジウム含有率が低いInG
aN活性層にGaNよりなる光ガイド層を接して形成し
た場合、当該活性層と光ガイド層との間のバンドオフセ
ットは極めて小さくなる。このことを、従来の窒化物半
導体発光デバイスに対応するエネルギーバンドを示す図
である図6を参照して説明する。図6に示すように、従
来の窒化物半導体素子では、活性層(InGaN)のバ
ンドギャップエネルギーに比べて、InGaN活性層を
直接挟んでいる光ガイド層(GaN)のバンドギャップ
エネルギーはそれほど大きくない(InGaN中のIn
の含有率が低いので、InGaN組成がGaN組成に近
似するため)。このため、半導体デバイスに印加する電
流値を増大させるにつれデバイスの温度が上昇すると、
その熱エネルギーの影響により、それぞれn層およびp
層から活性層に注入された電子および正孔が再結合して
光(hν)を発する前に、電子と正孔とは活性層をオー
バーフローしてそれぞれ注入側とは反対側のガイド層
(GaN)にまで、すなわち電子はp型光ガイド層に、
正孔はn型光ガイド層にまで達してしまう。その結果、
従来の構造では発光効率が低く、特に、温度が上昇する
と特に効率が低下する。InG having such a low indium content
When an optical guide layer made of GaN is formed in contact with the aN active layer, the band offset between the active layer and the optical guide layer becomes extremely small. This will be described with reference to FIG. 6 showing an energy band corresponding to a conventional nitride semiconductor light emitting device. As shown in FIG. 6, in the conventional nitride semiconductor device, the bandgap energy of the light guide layer (GaN) directly sandwiching the InGaN active layer is not so large as compared with the bandgap energy of the active layer (InGaN). (In in InGaN
Is low, so that the InGaN composition approximates the GaN composition). For this reason, when the temperature of the device rises as the current value applied to the semiconductor device increases,
Due to the effect of its thermal energy, the n-layer and p-layer respectively
Before the electrons and holes injected from the layer into the active layer recombine and emit light (hν), the electrons and holes overflow the active layer and each of the guide layer (GaN) on the side opposite to the injection side. ), That is, the electrons are transferred to the p-type light guide layer,
The holes reach the n-type light guide layer. as a result,
In the conventional structure, the luminous efficiency is low, and particularly, when the temperature increases, the efficiency decreases.
【0016】そこで、本発明の窒化物半導体デバイスに
おいては、インジウムを含む窒化物半導体を包含する活
性層に接してこれを挟んで形成される2つの第1の層
(第1のp側層および第1のn側層)を活性層のバンド
ギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネル
ギーを有する窒化物半導体で形成する。これら第1の層
は、活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバ
ンドギャップエネルギーを有していればよく、好ましく
は、2つの第1の層は活性層よりも0.01〜4.05
eV大きなバンドギャップエネルギーを有する。このよ
うな大きなバンドギャップエネルギーを有する第1の層
の存在により、活性層に注入された電子または正孔が活
性層をオーバーフローすることがなくなる。そして、各
第1の層上に、好ましくはこれと接して第1の層のバン
ドギャップエネルギーよりも小さなバンドギャップエネ
ルギーを有するが、好ましくは活性層のバンドギャップ
エネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有
する窒化物半導体で形成された2つの第2の層(第2の
p側層および第2のn側層)を設ける。これら第2の層
は、第1の層のバンドギャップエネルギーよりも小さな
バンドギャップエネルギーを有していればよく、好まし
くは第1のバンドギャップエネルギーよりも0.01〜
4.05eV小さなバンドギャップエネルギーを有す
る。さらに、各第2の層上に、好ましくはこれと接し
て、第2の層のバンドギャップエネルギーよりも大きな
バンドギャップエネルギーを有する窒化物半導体で形成
された2つの第3の層(第3のp側層および第3のn側
層)を設ける。これら第3の層は、第2の層のバンドギ
ャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギ
ーを有していればよく、好ましくは、第2の層のバンド
ギャップエネルギーよりも0.01〜4.05eV大き
なバンドギャップエネルギーを有する。かくして、第3
の層側から注入された電子または正孔は、より小さなバ
ンドギャップエネルギーを有する第2の層へ効率的に注
入されるが、第1の層のバンドギャップエネルギーが大
きいため、活性層への注入は第1の層により阻止される
傾向にある。そこで、本発明では、電子または正孔がこ
の第1の層をトンネル効果により突き抜けること(トン
ネリング)ができる程度に第1の層を薄く形成する。こ
うして、電子または正孔は、第3の層から活性層まで効
率的に注入されることとなる。かくして、本発明のデバ
イスにおいて、電子および正孔は第3の層から活性層へ
と効率的に注入され、かつ電子または正孔は注入側とは
反対側の第1の層に阻止されてたとえデバイス温度が上
昇しても活性層をオーバーフローすることがない。な
お、窒化物半導体のバンドギャップエネルギーについて
述べると、AlNのバンドギャップエネルギーは6.0
eVであり、GaNのバンドギャップエネルギーは3.
4eVであり、InNのバンドギャップエネルギーは
1.95eVである。Therefore, in the nitride semiconductor device of the present invention, two first layers (a first p-side layer and a first p-side layer) formed in contact with and sandwiching an active layer containing a nitride semiconductor containing indium. The first n-side layer) is formed of a nitride semiconductor having a band gap energy larger than that of the active layer. These first layers only need to have a band gap energy larger than the band gap energy of the active layer, and preferably, the two first layers are 0.01 to 4.05 higher than the active layer.
eV has a large band gap energy. The presence of the first layer having such a large band gap energy prevents electrons or holes injected into the active layer from overflowing the active layer. And, on each of the first layers, preferably has a band gap energy smaller than the band gap energy of the first layer in contact with the first layer, but preferably has a band gap energy larger than the band gap energy of the active layer. Two second layers (a second p-side layer and a second n-side layer) formed of a nitride semiconductor are provided. These second layers only need to have a band gap energy smaller than the band gap energy of the first layer, and are preferably 0.01 to more than the first band gap energy.
It has a small bandgap energy of 4.05 eV. Furthermore, on each second layer, preferably in contact therewith, two third layers (third layers) formed of a nitride semiconductor having a band gap energy larger than the band gap energy of the second layer. (a p-side layer and a third n-side layer). These third layers only need to have a bandgap energy larger than the bandgap energy of the second layer, and preferably 0.01 to 4.05 eV larger than the bandgap energy of the second layer. It has band gap energy. Thus, the third
Are efficiently injected into the second layer having a smaller bandgap energy, but are injected into the active layer because the first layer has a large bandgap energy. Tend to be blocked by the first layer. Therefore, in the present invention, the first layer is formed thin enough to allow electrons or holes to penetrate the first layer by tunnel effect (tunneling). Thus, electrons or holes are efficiently injected from the third layer to the active layer. Thus, in the device of the present invention, electrons and holes are efficiently injected from the third layer into the active layer, and electrons or holes are blocked by the first layer on the side opposite to the injection side. Even if the device temperature rises, the active layer does not overflow. The band gap energy of the nitride semiconductor is described as follows. The band gap energy of AlN is 6.0.
eV, and the bandgap energy of GaN is 3.
4 eV, and the band gap energy of InN is 1.95 eV.
【0017】以上の説明からも明らかなように、本発明
において、第1の層、第2の層および第3の層からなる
3層構造は、活性層の一方の表面に設けられていれば、
電子または正孔の一方が活性層をオーバーフローするこ
とが阻止される。最も好ましくは、この3層構造は活性
層の両側(p側およびn側)に設けられる。As is apparent from the above description, in the present invention, the three-layer structure including the first layer, the second layer, and the third layer is provided if it is provided on one surface of the active layer. ,
One of the electrons or holes is prevented from overflowing the active layer. Most preferably, the three-layer structure is provided on both sides (p-side and n-side) of the active layer.
【0018】[0018]
【発明の実施の形態】以下、図1ないし図5を参照して
本発明を説明する。これらの図を通じて、同一要素・部
材は、同一符号で示されている。図1は本発明の第1の
態様によるLDデバイスの一構造を示す模式的な断面図
である。このLDデバイスにおいて、本発明の3層構造
はp側に設けられている。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below with reference to FIGS. In these drawings, the same elements and members are denoted by the same reference numerals. FIG. 1 is a schematic sectional view showing one structure of an LD device according to the first embodiment of the present invention. In this LD device, the three-layer structure of the present invention is provided on the p-side.
【0019】図1に示すLDデバイスは、基板11上
に、バッファ層12を介して、n型コンタクト層13、
n型キャリア閉じ込め層(光閉じ込め層)14、n型光
ガイド層15、活性層16、活性層16よりもバンドギ
ャップエネルギーが大きい第1のp側窒化物半導体層1
01、第1のp側窒化物半導体層よりもバンドギャップ
エネルギーが小さい第2のp側窒化物半導体層102、
第2のp側窒化物半導体層102よりもバンドギャップ
が大きい第3のp側窒化物半導体層103およびp型コ
ンタクト層17を含む窒化物半導体積層構造が設けられ
ている。p型コンタクト層17上にはコンタクトホール
18aを設けた電流狭窄層18が設けられている。n型
コンタクト層13の露出表面上には負電極19が設けら
れ、電流狭窄層20上には正電極20が設けられてい
る。正電極20は、電流狭窄層18のコンタクトホール
18aを通してp型コンタクト層17と接している。The LD device shown in FIG. 1 has an n-type contact layer 13 on a substrate 11 via a buffer layer 12.
n-type carrier confinement layer (optical confinement layer) 14, n-type light guide layer 15, active layer 16, first p-side nitride semiconductor layer 1 having a larger band gap energy than active layer 16
01, the second p-side nitride semiconductor layer 102 having a smaller band gap energy than the first p-side nitride semiconductor layer,
A nitride semiconductor laminated structure including a third p-side nitride semiconductor layer 103 having a larger band gap than the second p-side nitride semiconductor layer 102 and a p-type contact layer 17 is provided. On the p-type contact layer 17, a current confinement layer 18 provided with a contact hole 18a is provided. A negative electrode 19 is provided on the exposed surface of the n-type contact layer 13, and a positive electrode 20 is provided on the current confinement layer 20. The positive electrode 20 is in contact with the p-type contact layer 17 through the contact hole 18a of the current confinement layer 18.
【0020】基板11は、スピネル(MgAl2 O
4 )、サファイア(Al2 O3 、A面、R面、C面を含
む)、SiC(6H、4H、3Cを含む)、ZnS、Z
nO、GaAs、GaN等窒化物半導体を成長するため
に提案されている通常の材料が使用できる。The substrate 11 is made of spinel (MgAl 2 O).
4 ), sapphire (including Al 2 O 3 , A-plane, R-plane, C-plane), SiC (including 6H, 4H, 3C), ZnS, Z
Conventional materials proposed for growing nitride semiconductors such as nO, GaAs, and GaN can be used.
【0021】バッファ層12は、AlN、GaN、Al
GaN等で形成することができ、900℃以下の温度
で、数十オングストローム〜数百オングストロームの厚
さで形成することができる。バッファ層12は、基板1
1とその上に形成される窒化物半導体層との格子定数不
整合を緩和するために形成されるものである。従って、
窒化物半導体と格子整合した基板、窒化物半導体の格子
定数に近い格子定数を有する基板等を使用する際、また
窒化物半導体の成長方法等によっては省略することもで
きる。The buffer layer 12 is made of AlN, GaN, Al
It can be formed of GaN or the like, and can be formed at a temperature of 900 ° C. or less with a thickness of several tens angstroms to several hundred angstroms. The buffer layer 12 is formed on the substrate 1
1 is formed to reduce lattice constant mismatch between the nitride semiconductor layer 1 and the nitride semiconductor layer formed thereon. Therefore,
When a substrate lattice-matched with a nitride semiconductor, a substrate having a lattice constant close to the lattice constant of a nitride semiconductor, or the like is used, it may be omitted depending on a nitride semiconductor growth method or the like.
【0022】n型コンタクト層13は、窒化物半導体で
形成され、、特にGaN、Ina Ga1-a N(0<a<
1)で形成することが好ましい。(本明細書において、
Ina Ga1-a N(0<a<1)または類似の表現によ
り示される窒化物半導体を単にInGaNということが
ある)。特に、SiをドープしたGaNでn型コンタク
ト層13を形成すると、キャリア濃度の高いn型層が得
られ、また負電極19との好ましいオーミック接触が得
られるので、レーザ素子の閾値電流を低下させることが
できる。n型コンタクト層13の厚さに特に制限はない
が、通常0.1μm〜5μmの厚さで形成できる。The n-type contact layer 13 is formed of a nitride semiconductor, and in particular, GaN, In a Ga 1 -aN (0 <a <
It is preferable to form in 1). (In this specification,
In a Ga 1-a N ( 0 <a <1) or simply as InGaN nitride semiconductor represented by similar expressions). In particular, when the n-type contact layer 13 is formed of Si-doped GaN, an n-type layer having a high carrier concentration is obtained, and a favorable ohmic contact with the negative electrode 19 is obtained, so that the threshold current of the laser device is reduced. be able to. Although the thickness of the n-type contact layer 13 is not particularly limited, it can be usually formed with a thickness of 0.1 μm to 5 μm.
【0023】n型コンタクト層13のエッチングにより
露出した表面に形成される負電極19は、n型コンタク
ト層13との好ましいオーミック接触が得られるので、
Al、Ti、W、Cu、Zn、Sn、In等の金属若し
くはそれらの合金で形成することが好ましい。The negative electrode 19 formed on the exposed surface of the n-type contact layer 13 can obtain a preferable ohmic contact with the n-type contact layer 13.
It is preferable to use a metal such as Al, Ti, W, Cu, Zn, Sn, or In or an alloy thereof.
【0024】n型キャリア閉じ込め層14、およびこの
層14上に形成されているn型光ガイド層15は、それ
ぞれ、n型窒化物半導体で形成される。図1に示す態様
において、n型光ガイド層15は、活性層16のバンド
ギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネル
ギーを有し、n型キャリア閉じ込め層14は、n型光ガ
イド層15のバンドギャップエネルギーよりも大きなバ
ンドギャップエネルギーを有する。n型キャリア閉じ込
め層14は、通常、0.1μm〜1μmの厚さで形成さ
れ、n型光ガイド層15は、通常、100オングストロ
ームないし1μmの厚さで形成されることが望ましい。The n-type carrier confinement layer 14 and the n-type light guide layer 15 formed on this layer 14 are each formed of an n-type nitride semiconductor. In the embodiment shown in FIG. 1, the n-type light guide layer 15 has a bandgap energy larger than the bandgap energy of the active layer 16, and the n-type carrier confinement layer 14 has a bandgap energy of the n-type light guide layer 15. It has a larger bandgap energy. It is desirable that the n-type carrier confinement layer 14 is usually formed with a thickness of 0.1 μm to 1 μm, and the n-type light guide layer 15 is usually formed with a thickness of 100 Å to 1 μm.
【0025】n型光ガイド層15上に形成されている活
性層16は、量子井戸構造(すなわち、単一量子井戸構
造または多重量子井戸構造)を有し、この量子井戸構造
は、n型光ガイド層15および第1のp側窒化物半導体
層101の両者のバンドギャップよりも小さなバンドギ
ャップを有するインジウム含有窒化物半導体すなわちI
nd Ale Ga1-d-e N(0<d≦1、0≦e≦1、0
<d+e≦1)よりなる井戸層を有する。好ましくは、
井戸層は、三元混晶のInf Ga1-f N(0<f<1)
で形成される。三元混晶のInGaNは四元混晶のもの
に比べて結晶性が良好な層を提供するので、発光出力が
向上する。The active layer 16 formed on the n-type light guide layer 15 has a quantum well structure (that is, a single quantum well structure or a multiple quantum well structure), and the quantum well structure is an n-type light guide. The indium-containing nitride semiconductor having a band gap smaller than the band gap of both the guide layer 15 and the first p-side nitride semiconductor layer 101, ie, I
nd Al e Ga 1-de N (0 <d ≦ 1, 0 ≦ e ≦ 1, 0
<D + e ≦ 1). Preferably,
Well layer of a ternary mixed crystal In f Ga 1-f N ( 0 <f <1)
Is formed. Since the ternary mixed crystal InGaN provides a layer having better crystallinity than the quaternary mixed crystal, the light emission output is improved.
【0026】その中でも、活性層16は、InGaNよ
りなる井戸層と、井戸層よりもバンドギャップエネルギ
ーが大きい窒化物半導体よりなる障壁層とを交互に積層
した多重量子井戸構造(最小で3層構造となる)とする
ことが特に好ましい。本発明において、多重量子井戸構
造は、n型光ガイド層15等のn型層上に直接設けられ
た最下層としての井戸層および以後述べる第1のp側窒
化物半導体101等のp型層に直接接する最上層として
の井戸層を有する構造であっても、あるいはn型光ガイ
ド層15等のn型層上に直接設けられた最下層としての
障壁層および第1のp側窒化物半導体層101等のp型
層に直接接する最上層としての障壁層を有する構造であ
ってもよい。障壁層を形成する窒化物半導体には、Ga
N、AlGaN等が含まれる。しかしながら、障壁層を
井戸層と同様に三元混晶のInf'Ga1-f'N(0<f’
<1、ただし、f’<f)で形成することが特に好まし
い。このように活性層16をバンドギャップエネルギー
が異なるInGaN層を積層した多重量子井戸構造とす
ると、活性層16のインジウムモル分率を変えるかある
いは以後述べる第1もしくは第3のn側もしくはp側窒
化物半導体層のアルミニウムモル分率を変えることによ
って、量子準位間発光により約365nm〜660nm
の波長の高出力のLDデバイスを実現することができ
る。さらに、井戸層の上にInGaN障壁層を積層する
と、InGaN障壁層はAlGaNに比べて結晶が柔ら
かいので、その上に形成するクラッド層としての例えば
AlGaN層の厚さをクラックを発生させずに厚くでき
るので、優れたレーザ発振が実現できる。Among them, the active layer 16 has a multiple quantum well structure (minimum three-layer structure) in which well layers made of InGaN and barrier layers made of a nitride semiconductor having a larger band gap energy than the well layers are alternately stacked. Is particularly preferable. In the present invention, the multiple quantum well structure includes a well layer as a lowermost layer directly provided on an n-type layer such as the n-type light guide layer 15 and a p-type layer such as a first p-side nitride semiconductor 101 described later. Structure, or a barrier layer and a first p-side nitride semiconductor as a lowermost layer provided directly on an n-type layer such as an n-type light guide layer 15 even if the structure has a well layer as an uppermost layer directly in contact with A structure having a barrier layer as an uppermost layer directly in contact with a p-type layer such as the layer 101 may be employed. Ga nitride is used for the nitride semiconductor forming the barrier layer.
N, AlGaN, and the like. However, as with the well barrier layer layer of a ternary mixed crystal In f 'Ga 1-f' N (0 <f '
<1, however, it is particularly preferable to form f ′ <f). As described above, when the active layer 16 has a multiple quantum well structure in which InGaN layers having different band gap energies are stacked, the indium mole fraction of the active layer 16 is changed, or the first or third n-side or p-side nitridation described later is performed. About 365 nm to 660 nm by quantum level emission by changing the aluminum mole fraction of the semiconductor layer.
And a high-power LD device having a wavelength of Further, when an InGaN barrier layer is stacked on the well layer, the crystal of the InGaN barrier layer is softer than that of AlGaN. Therefore, excellent laser oscillation can be realized.
【0027】多重量子井戸構造では、井戸層は70オン
グストローム以下、障壁層は150オングストローム以
下の厚さを有することが特に望ましい。一方、1つの量
子井戸層により構成される単一量子井戸構造の活性層は
70オングストローム以下の厚さを有することが特に望
ましい。井戸層、障壁層とも、厚さの下限は5オングス
トロームであることが好ましい。In the multiple quantum well structure, it is particularly desirable that the well layer has a thickness of 70 angstroms or less and the barrier layer has a thickness of 150 angstroms or less. On the other hand, it is particularly desirable that the active layer having a single quantum well structure composed of one quantum well layer has a thickness of 70 Å or less. The lower limit of the thickness of both the well layer and the barrier layer is preferably 5 angstroms.
【0028】活性層16は、不純物をドープしないもの
でも(ノンドープ)、井戸層および/または障壁層に不
純物(アクセプター不純物および/またはドナー不純
物)をドープしたものでもよい。特に好ましい活性層1
6は、ノンドープ活性層、およびシリコンまたはゲルマ
ニウムドープ活性層であり、不純物をドープした活性層
のうち、特に好ましいものはシリコンドープ活性層であ
る。特に、活性層にシリコンをドープすると、LDデバ
イスにあっては、閾値電流が低下する傾向にある。な
お、シリコンのドープは、活性層を構成すべき窒化物半
導体の成長中に、原料ガスに例えばテトラエチルシラン
等の有機シリコンガス、シラン等の水素化シリコンガ
ス、四塩化シリコン等のハロゲン化シリコンガス等を添
加することによって行うことができる。The active layer 16 may be one in which no impurity is doped (non-doped), or one in which a well layer and / or a barrier layer is doped with an impurity (acceptor impurity and / or donor impurity). Particularly preferred active layer 1
Reference numeral 6 denotes a non-doped active layer and a silicon or germanium-doped active layer. Of the active layers doped with impurities, a particularly preferable one is a silicon-doped active layer. In particular, when the active layer is doped with silicon, the threshold current tends to decrease in LD devices. The silicon doping is carried out during the growth of the nitride semiconductor to form the active layer, for example, when the source gas is an organic silicon gas such as tetraethylsilane, a silicon hydride gas such as silane, or a silicon halide gas such as silicon tetrachloride. And the like.
【0029】活性層16に接して設けられている第1の
p側窒化物半導体層101は、活性層16(より厳密に
は、その井戸層)よりもバンドギャップエネルギーが大
きい窒化物半導体で形成されている。特に好ましくは第
1の窒化物半導体層は、Alを含む窒化物半導体すなわ
ちIng Alh Ga1-g-h N(0≦g≦1、0<h≦
1、0<g+h≦1)で形成され、特に好ましくは三元
混晶のAlj Ga1-j N(0<j<1)で形成される。
(本明細書において、Alj Ga1-j N(0<j<1)
または類似の表現で示される窒化物半導体を単にAlG
aNということがある)。The first p-side nitride semiconductor layer 101 provided in contact with the active layer 16 is formed of a nitride semiconductor having a larger band gap energy than the active layer 16 (more strictly, its well layer). Have been. Particularly preferably, the first nitride semiconductor layer is made of a nitride semiconductor containing Al, that is, In g Al h Ga 1-gh N (0 ≦ g ≦ 1, 0 <h ≦
1, 0 <g + h ≦ 1), particularly preferably, ternary mixed crystal Al j Ga 1 -jN (0 <j <1).
(In this specification, Al j Ga 1-j N (0 <j <1)
Alternatively, a nitride semiconductor represented by a similar expression is simply referred to as AlG
aN).
【0030】第1のp側窒化物半導体層101は、i型
かp型であることが好ましい。特にAlGaNは高キャ
リア濃度のp型が得られやすく、しかもInGaNを包
含する井戸層を含む活性層16に接して形成することに
より、発光出力が高い素子を得ることができる。The first p-side nitride semiconductor layer 101 is preferably an i-type or a p-type. In particular, AlGaN can easily obtain a p-type with a high carrier concentration, and when formed in contact with the active layer 16 including a well layer containing InGaN, an element having a high light emission output can be obtained.
【0031】なお、本発明において、窒化物半導体(活
性層の窒化物半導体も含む)をp型とするには、結晶成
長中にMg、Zn、C、Be、Ca、Ba等のアクセプ
ター不純物をドープすることによって得られる。アクセ
プター不純物濃度は、1×1017〜1×1022/cm3
であることが好ましい。特にアクセプター不純物がマグ
ネシウムである場合、その濃度は、1×1018〜1×1
020/cm3 、特に1×1019〜1×1020/cm3 で
あることが殊に好ましい。いずれの場合でも、高キャリ
ア濃度のp層を得るためには、アクセプター不純物をド
ープした後、不活性ガス雰囲気中、400℃以上でアニ
ーリング(熱処理)することがより望ましい。アニーリ
ングを行うことにより、通常、Mgドープp型AlGa
Nの場合で1×1017〜1×1019/cm3 のキャリア
濃度が得られる。またi型の窒化物半導体を得るには、
例えば、Alj Ga1-j Nにおいてjの値が0.5以上
の窒化物半導体を成長させることにより、アクセプター
不純物をドープすることなくi型窒化物半導体を得るこ
とができる。また、i型窒化物半導体は、p型窒化物半
導体層にその正孔キャリア濃度を補償するだけのドナー
不純物をドープするか、n型窒化物半導体層にその電子
キャリア濃度を補償するだけのアクセプター不純物をド
ープすることによっても得られる。In the present invention, in order to make the nitride semiconductor (including the nitride semiconductor of the active layer) p-type, an acceptor impurity such as Mg, Zn, C, Be, Ca, or Ba is added during crystal growth. Obtained by doping. The acceptor impurity concentration is 1 × 10 17 to 1 × 10 22 / cm 3
It is preferred that Particularly, when the acceptor impurity is magnesium, its concentration is 1 × 10 18 to 1 × 1.
It is particularly preferred that it is 0 20 / cm 3 , especially 1 × 10 19 to 1 × 10 20 / cm 3 . In any case, in order to obtain a p-layer having a high carrier concentration, it is more desirable to perform annealing (heat treatment) at 400 ° C. or more in an inert gas atmosphere after doping with an acceptor impurity. By performing annealing, usually, Mg-doped p-type AlGa
In the case of N, a carrier concentration of 1 × 10 17 to 1 × 10 19 / cm 3 can be obtained. To obtain an i-type nitride semiconductor,
For example, by growing a nitride semiconductor having a value of j of 0.5 or more in Al j Ga 1 -jN, an i-type nitride semiconductor can be obtained without doping an acceptor impurity. In addition, the i-type nitride semiconductor is obtained by doping the p-type nitride semiconductor layer with a donor impurity that only compensates for the hole carrier concentration, or by accepting the n-type nitride semiconductor layer only by compensating the electron carrier concentration. It can also be obtained by doping impurities.
【0032】第1の窒化物半導体層101の厚さは、第
1の窒化物半導体層101をキャリアがトンネリングし
得るに十分に薄い厚さを有することが好ましい。より具
体的には、半導体層101は、0.1μm以下、さらに
好ましくは0.05μm(500オングストロング)以
下、最も好ましくは0.03μm(300オングストロ
ーム)以下の厚さを有することが望ましい。半導体層1
01の厚さをこのように薄くすると、第1のp側窒化物
半導体層101中のクラック発生を防止でき、結晶性の
良い窒化物半導体層を成長させることができる。またA
lの比率が大きいAlGaN程薄く形成するとレーザ発
振しやすくなる。例えば、jの値が0.2以上のAlj
Ga1-j Nを用いた場合、500オングストローム以下
の厚さで半導体層101を形成することが望ましい。第
1のp側窒化物半導体層101の厚さの下限には特に制
限はないが、10オングストローム以上の膜厚で形成す
ることが望ましい。It is preferable that the thickness of the first nitride semiconductor layer 101 is thin enough to allow carriers to tunnel through the first nitride semiconductor layer 101. More specifically, the semiconductor layer 101 preferably has a thickness of 0.1 μm or less, more preferably 0.05 μm (500 Å) or less, and most preferably 0.03 μm (300 Å) or less. Semiconductor layer 1
When the thickness of the first p-side nitride semiconductor layer 01 is reduced as described above, cracks in the first p-side nitride semiconductor layer 101 can be prevented, and a nitride semiconductor layer having good crystallinity can be grown. A
When AlGaN having a larger ratio of 1 is formed thinner, laser oscillation becomes easier. For example, when the value of j is 0.2 or more, Al j
When Ga 1 -jN is used, it is desirable to form the semiconductor layer 101 with a thickness of 500 Å or less. The lower limit of the thickness of the first p-side nitride semiconductor layer 101 is not particularly limited, but is preferably formed to a thickness of 10 Å or more.
【0033】第2のp側窒化物半導体層102は、第1
のp側窒化物半導体層101のバンドギャップエネルギ
ーよりも小さなバンドギャップエネルギーを有し、かつ
第1のp側窒化物半導体層101よりも活性層から離れ
た位置にあり、最も望ましくは図1に示すように、第1
のp側窒化物半導体層101に接して形成する。第2の
p側窒化物半導体層102は、好ましくはInk Ga
1-k N(0≦k≦1)で形成され、特にGaNまたはI
nGaNで形成することが好ましい。この第2のp側窒
化物半導体層102をGaNまたはInGaNで形成す
ると、比較的厚く形成してもクラックが入ることが少な
く結晶性の良い第2の半導体層102が得られる。第2
のp側窒化物半導体層102は0.01μm〜5μm、
さらに好ましくは0.02μm〜1μmの厚さを有する
ことが好ましく、この範囲の厚さにおいて、例えば好ま
しい光ガイド層として作用し得る。なお、第2のp側窒
化物半導体層102は、アクセプター不純物を含有する
ものであり、またp型であることが好ましい。The second p-side nitride semiconductor layer 102 is formed of the first
Has a band gap energy smaller than the band gap energy of the p-side nitride semiconductor layer 101, and is located farther from the active layer than the first p-side nitride semiconductor layer 101. As shown, the first
Is formed in contact with the p-side nitride semiconductor layer 101. The second p-side nitride semiconductor layer 102 is preferably made of In k Ga
1-k N (0 ≦ k ≦ 1), especially GaN or I
Preferably, it is formed of nGaN. When the second p-side nitride semiconductor layer 102 is formed of GaN or InGaN, the second semiconductor layer 102 having few cracks and high crystallinity can be obtained even when formed relatively thick. Second
P-side nitride semiconductor layer 102 is 0.01 μm to 5 μm,
More preferably, it has a thickness of 0.02 μm to 1 μm, and in this range of thickness, it can act, for example, as a preferred light guide layer. Note that the second p-side nitride semiconductor layer 102 contains an acceptor impurity and is preferably a p-type.
【0034】さらに、特にInGaNまたはGaNで形
成された第2のp側窒化物半導体層102は、以後説明
する第3のp側窒化物半導体層103を成長させる際の
バッファ層としても作用する。InGaNまたはGaN
は、AlGaNに比べて結晶が柔らかい。従って、活性
層よりもバンドギャップが大きい第1のp側窒化物半導
体層101と、第3のp側窒化物半導体層103との間
にInGaNまたはGaNからなる第2のp側窒化物半
導体層102を存在させることにより、第3のp側窒化
物半導体層103にクラックが発生することが防止さ
れ、それにより、第3のp側窒化物半導体層103を第
1のp側窒化物半導体層101に比べて厚く形成するこ
とができる。Further, the second p-side nitride semiconductor layer 102 formed of InGaN or GaN in particular also functions as a buffer layer when growing a third p-side nitride semiconductor layer 103 described later. InGaN or GaN
Has a softer crystal than AlGaN. Accordingly, a second p-side nitride semiconductor layer made of InGaN or GaN is provided between the first p-side nitride semiconductor layer 101 having a larger band gap than the active layer and the third p-side nitride semiconductor layer 103. The presence of 102 prevents cracks from occurring in the third p-side nitride semiconductor layer 103, whereby the third p-side nitride semiconductor layer 103 can be replaced with the first p-side nitride semiconductor layer. 101 can be formed thicker.
【0035】第3のp側窒化物半導体層103は、第2
のp側窒化物半導体層102のバンドギャップエネルギ
ーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有し、第2
のp側窒化物半導体層102よりも活性層から離れた位
置にあり、最も望ましくは図1に示すように第2のp側
窒化物半導体層102に接して形成される。第3のp側
窒化物半導体層103は、Alを含む窒化物半導体すな
わちInm Aln Ga1-m-n N(0≦m≦1、0<n≦
1、0<m+n≦1)で形成することが好ましく、特に
好ましくは三元混晶のAlGaNで形成する。The third p-side nitride semiconductor layer 103 is formed on the second
Has a band gap energy larger than the band gap energy of the p-side nitride semiconductor layer 102 of the second
1 is more distant from the active layer than the p-side nitride semiconductor layer 102, and is most preferably formed in contact with the second p-side nitride semiconductor layer 102 as shown in FIG. The third p-side nitride semiconductor layer 103 is made of a nitride semiconductor containing Al, that is, In m Al n Ga 1-mn N (0 ≦ m ≦ 1, 0 <n ≦
1, 0 <m + n ≦ 1), and is particularly preferably formed of ternary mixed crystal AlGaN.
【0036】この第3のp側窒化物半導体層103は、
第2のp側窒化物半導体層102のバンドギャップエネ
ルギーより大きなバンドギャップエネルギーを有するこ
とが要求される。第3のp側窒化物半導体層103は、
キャリア閉じ込め層及び光閉じ込め層として作用するか
らである。この第3のp側窒化物半導体層103は、
0.01μm以上、2μm以下、さらに好ましくは0.
05μm以上、1μm以下の厚さを有することが望まし
く、この厚さの範囲内において、結晶性の良いキャリア
閉じ込め層として作用し得る。なお、第3のp側窒化物
半導体層103はアクセプター不純物を含有するもので
あり、また好ましくはp型である。This third p-side nitride semiconductor layer 103
The second p-side nitride semiconductor layer 102 is required to have a band gap energy larger than the band gap energy. The third p-side nitride semiconductor layer 103 is
This is because it functions as a carrier confinement layer and a light confinement layer. This third p-side nitride semiconductor layer 103
0.01 μm or more and 2 μm or less, more preferably 0.1 μm or less.
It is desirable to have a thickness of not less than 05 μm and not more than 1 μm, and within this thickness range, it can act as a carrier confinement layer having good crystallinity. Note that the third p-side nitride semiconductor layer 103 contains an acceptor impurity, and is preferably a p-type.
【0037】第3のp側窒化物半導体層103上に形成
されているp型コンタクト層17は、p型窒化物半導体
で形成される。特に、p型コンタクト層103をInG
aNまたはGaN、とりわけMgをドープしたp型Ga
Nで形成すると、最もキャリア濃度の高いp型層が得ら
れ、正電極と良好なオーミック接触を達成し、それによ
り閾値電流を低下させることができる。The p-type contact layer 17 formed on the third p-side nitride semiconductor layer 103 is formed of a p-type nitride semiconductor. In particular, the p-type contact layer 103 is made of InG
aN or GaN, especially p-type Ga doped with Mg
When formed with N, a p-type layer having the highest carrier concentration is obtained, and good ohmic contact with the positive electrode is achieved, whereby the threshold current can be reduced.
【0038】正電極20は、オーミック接触を得るため
に、Ni、Pd、Ir、Rh、Pt、Ag、Au等の比
較的仕事関数の高い金属又はこれらの合金好ましくはで
形成されることが好ましい。The positive electrode 20 is preferably formed of a metal having a relatively high work function such as Ni, Pd, Ir, Rh, Pt, Ag, or Au, or an alloy thereof, preferably, in order to obtain ohmic contact. .
【0039】電流狭窄層18は、絶縁性材料、好ましく
は二酸化ケイ素で形成される。この電流狭窄層18は、
省くことができる。ところで、図1において、n型キャ
リア閉じ込め層14は、クラック防止層30を介してn
型コンタクト層13上に形成されている。The current confinement layer 18 is formed of an insulating material, preferably silicon dioxide. This current confinement layer 18
Can be omitted. By the way, in FIG. 1, the n-type carrier confinement layer 14 has the n-type
It is formed on the mold contact layer 13.
【0040】すなわち、アルミニウムを含有する窒化物
半導体は、厚さを厚く成長させると成長した結晶にクラ
ックが発生しやすいという性質を有する。特に、n型の
アルミニウム含有窒化物半導体をGaN層またはAlG
aN層上にクラックを発生させないで直接厚く成長させ
ることが困難である。例えば、n型GaN等で形成され
るn型コンタクト層13上に、n型キャリア閉じ込め層
14のように、例えば0.1μm以上と厚く形成する必
要があるn型層をアルミニウムを含有する窒化物半導体
特にAlGaNで形成することが困難である。そこで、
n型コンタクト層13の上に、クラック防止層30とし
て、インジウムを含有する窒化物半導体、好ましくはI
np Ga1-p N(0<p≦1)からなるn型層を形成し
た後に、n型のアルミニウム含有窒化物半導体からなる
n型キャリア閉じ込め層14を形成する。クラック防止
層30の存在により、n型キャリア閉じ込め層14は、
クラックを発生することなく、所望の厚さ(例えば、
0.1μm以上)に成長させることができる。クラック
防止層30は、100オングストローム以上、0.5μ
m以下の厚さを有することが好ましい。なお、このクラ
ック防止層30は、n型コンタクト層13層内部にあっ
ても同様の効果を奏する。That is, the nitride semiconductor containing aluminum has such a property that, when the nitride semiconductor is grown to a large thickness, cracks are easily generated in the grown crystal. In particular, an n-type aluminum-containing nitride semiconductor is made of a GaN layer or AlG
It is difficult to grow directly thick without generating cracks on the aN layer. For example, an n-type layer that needs to be formed as thick as 0.1 μm or more, such as an n-type carrier confinement layer 14, on an n-type contact layer 13 formed of n-type GaN or the like nitride containing aluminum It is difficult to form a semiconductor, especially AlGaN. Therefore,
On the n-type contact layer 13, a nitride semiconductor containing indium, preferably I
After forming an n-type layer made of n p Ga 1-p N (0 <p ≦ 1), an n-type carrier confinement layer 14 made of an n-type aluminum-containing nitride semiconductor is formed. Due to the presence of the crack prevention layer 30, the n-type carrier confinement layer 14
The desired thickness (e.g.,
0.1 μm or more). The crack preventing layer 30 has a thickness of at least 100 Å and a thickness of 0.5 μm.
m. The same effect can be obtained even when the crack prevention layer 30 is provided inside the n-type contact layer 13 layer.
【0041】図2は本発明の第2の態様による窒化物半
導体LDデバイスを概略的に示す断面図であり、図1と
同一符号は同一部材を示している。図2を参照すると、
基板11上には、バッファ層12を介して、n型コンタ
クト層13、クラック防止層30、第3のn側窒化物半
導体層203、第2のn側窒化物半導体層202、第1
のn側窒化物半導体層201、活性層16、p型光ガイ
ド層31、p型キャリア閉じ込め層(光閉じ込め層)3
2、p型コンタクト層17、電流狭窄層18が順次形成
されている。n型コンタクト層13には負電極19が、
p型コンタクト層17には、正電極20が電気的に接続
されている。FIG. 2 is a sectional view schematically showing a nitride semiconductor LD device according to a second embodiment of the present invention, and the same reference numerals as in FIG. 1 denote the same members. Referring to FIG.
On the substrate 11, an n-type contact layer 13, a crack prevention layer 30, a third n-side nitride semiconductor layer 203, a second n-side nitride semiconductor layer 202,
N-side nitride semiconductor layer 201, active layer 16, p-type light guide layer 31, p-type carrier confinement layer (light confinement layer) 3
2. A p-type contact layer 17 and a current confinement layer 18 are sequentially formed. The n-type contact layer 13 has a negative electrode 19,
The positive electrode 20 is electrically connected to the p-type contact layer 17.
【0042】図2に示すLDデバイスにおいて、第1の
n側窒化物半導体層201、第2のn側窒化物半導体層
202および第3のn側窒化物半導体層203は、導電
型を除いて、それらのバンドギャップエネルギー、それ
らを構成する窒化物半導体材料およびそれらの厚さの範
囲の点において、それぞれ図1に関して説明した対応す
る第1のp側窒化物半導体層101、第2のp側窒化物
半導体層102および第3のp側窒化物半導体層103
と基本的に同様であり、第1のp側窒化物半導体層10
1、第2のp側窒化物半導体層102および第3のp側
窒化物半導体層103について述べた材料の好ましさ、
厚さの好ましさ等も、それぞれ、第1のn側窒化物半導
体層201、第2のn側窒化物半導体層202および第
3のn側窒化物半導体層203について適用し得る。In the LD device shown in FIG. 2, the first n-side nitride semiconductor layer 201, the second n-side nitride semiconductor layer 202, and the third n-side nitride semiconductor layer 203 have the same structure except for the conductivity type. In terms of their band gap energies, their constituent nitride semiconductor materials and their thickness ranges, the corresponding first p-side nitride semiconductor layer 101 and second p-side Nitride semiconductor layer 102 and third p-side nitride semiconductor layer 103
Is basically the same as that of the first p-side nitride semiconductor layer 10.
1. the preference of the materials described for the second p-side nitride semiconductor layer 102 and the third p-side nitride semiconductor layer 103;
The favorable thickness and the like can be applied to the first n-side nitride semiconductor layer 201, the second n-side nitride semiconductor layer 202, and the third n-side nitride semiconductor layer 203, respectively.
【0043】簡単に繰り返すと、活性層16に接して形
成されている第1のn側窒化物半導体層201は、活性
層16(より厳密には、その井戸層)よりもバンドギャ
ップエネルギーが大きい窒化物半導体で形成されてい
る。特に好ましくは第1のn側窒化物半導体層201
は、Alを含む窒化物半導体で形成され、殊に好ましく
は三元混晶のAlGaNで形成される。To briefly repeat, the first n-side nitride semiconductor layer 201 formed in contact with the active layer 16 has a larger band gap energy than the active layer 16 (more strictly, its well layer). It is formed of a nitride semiconductor. Particularly preferably, the first n-side nitride semiconductor layer 201
Is formed of a nitride semiconductor containing Al, and is particularly preferably formed of ternary mixed crystal AlGaN.
【0044】第1のn側窒化物半導体層201の厚さ
も、第1のp側窒化物半導体101と同様、第1のn側
窒化物半導体層201をキャリア(電子キャリア)がト
ンネリングし得るに十分に薄い厚さを有する。より具体
的には、半導体層201は、0.1μm以下、さらに好
ましくは0.05μm(500オングストロング)以
下、最も好ましくは0.03μm(300オングストロ
ーム)以下の厚さを有することが望ましい。第1のn側
側窒化物半導体層201も、10オングストローム以上
の厚さを有することが望ましい。The thickness of the first n-side nitride semiconductor layer 201 is similar to that of the first p-side nitride semiconductor 101 so that carriers (electron carriers) can tunnel through the first n-side nitride semiconductor layer 201. It has a sufficiently thin thickness. More specifically, the semiconductor layer 201 preferably has a thickness of 0.1 μm or less, more preferably 0.05 μm (500 angstroms) or less, and most preferably 0.03 μm (300 angstroms) or less. It is desirable that the first n-side nitride semiconductor layer 201 also has a thickness of 10 Å or more.
【0045】なお、第1のn側窒化物半導体層201
は、n型かi型であることが好ましい。本発明におい
て、n型窒化物半導体(活性層の場合も含む)はノンド
ープ(不純物をドープしない状態)でも得られるが、好
ましいn型とするには、結晶成長中にSi、Ge、S
n、S等のドナー不純物をドープすることによって得ら
れる。その場合、ドナー不純物は、1×1016〜1×1
022/cm3 の濃度でドープすることが好ましい。とり
わけシリコンは、1×1017〜1×1021/cm3 の濃
度が特に好ましく、1×1018〜1×1020/cm3 の
濃度が最も好ましい。The first n-side nitride semiconductor layer 201
Is preferably n-type or i-type. In the present invention, an n-type nitride semiconductor (including the case of an active layer) can be obtained even in a non-doped state (in a state where impurities are not doped). However, in order to obtain a preferable n-type, Si, Ge, S
It is obtained by doping a donor impurity such as n or S. In that case, the donor impurity is 1 × 10 16 to 1 × 1
It is preferable to dope at a concentration of 0 22 / cm 3 . In particular, silicon is particularly preferably at a concentration of 1 × 10 17 to 1 × 10 21 / cm 3 , and most preferably at a concentration of 1 × 10 18 to 1 × 10 20 / cm 3 .
【0046】第2のn側窒化物半導体層202は、第1
のn側窒化物半導体層201のバンドギャップエネルギ
ーよりも小さなバンドギャップエネルギーを有し、かつ
第1のn側窒化物半導体層201よりも活性層から離れ
た位置にあり、最も望ましくは図2に示すように、第1
のn側窒化物半導体層201に接して形成する。第2の
n側窒化物半導体層202は、好ましくはInk Ga
1-k N(0≦k≦1)で形成され、特にGaNまたはI
nGaNで形成することが好ましい。第2のn側窒化物
半導体層202は0.01μm〜5μm、さらに好まし
くは0.02μm〜1μmの厚さを有することが好まし
く、この範囲の厚さにおいて、例えば好ましい光ガイド
層として作用し得る。第2のn側窒化物半導体層202
は、n型である。なお、図1に関して説明したように、
第2のp側窒化物半導体層102は、その上に比較的厚
く形成される第3のp側窒化物半導体層103を成長さ
せるため際のバッファ層として作用している。同様に、
第2のn側窒化物半導体層202も、第1のn側窒化物
半導体層201を成長させる際のバッファ層として作用
するが、第1のn側窒化物半導体層201は薄いので、
バッファ層としての役割はそれほど重要でない。The second n-side nitride semiconductor layer 202 is formed of the first
2 has a band gap energy smaller than the band gap energy of the n-side nitride semiconductor layer 201, and is located at a position farther from the active layer than the first n-side nitride semiconductor layer 201. As shown, the first
Is formed in contact with the n-side nitride semiconductor layer 201. The second n-side nitride semiconductor layer 202 is preferably made of In k Ga
1-k N (0 ≦ k ≦ 1), especially GaN or I
Preferably, it is formed of nGaN. The second n-side nitride semiconductor layer 202 preferably has a thickness of 0.01 μm to 5 μm, more preferably 0.02 μm to 1 μm, and in this range of thickness, for example, can act as a preferred light guide layer . Second n-side nitride semiconductor layer 202
Is n-type. As described with reference to FIG.
The second p-side nitride semiconductor layer 102 functions as a buffer layer for growing a relatively thick third p-side nitride semiconductor layer 103 formed thereon. Similarly,
The second n-side nitride semiconductor layer 202 also functions as a buffer layer when growing the first n-side nitride semiconductor layer 201, but since the first n-side nitride semiconductor layer 201 is thin,
Its role as a buffer layer is not very important.
【0047】第3のn側窒化物半導体層203も、第3
のp側窒化物半導体層103と同様、キャリア閉じ込め
層及び光閉じ込め層として作用するため第2のn側窒化
物半導体層202のバンドギャップエネルギーよりも大
きなバンドギャップエネルギーを有し、第2のn側窒化
物半導体層202よりも活性層16から離れた位置にあ
り、最も望ましくは図2に示すように第2のn側窒化物
半導体層202に接して形成される。第3のn側窒化物
半導体層203も、Alを含む窒化物半導体で形成する
ことが好ましく、特に好ましくは三元混晶のAlGaN
で形成する。この第3のn側窒化物半導体層203も、
0.01μm以上、2μm以下、さらに好ましくは0.
05μm以上、1μm以下の厚さを有することが望まし
く、この厚さの範囲内において、結晶性の良いキャリア
閉じ込め層および光閉じ込め層として作用し得る。な
お、第3のn側窒化物半導体層203はn型である。好
ましくはアルミニウムを含有する窒化物半導体からなる
第3のn側窒化物半導体層203は、好ましくはn型G
aNで形成されるn型コンタクト層13上に、クラック
防止層30を介して形成されている。The third n-side nitride semiconductor layer 203 is also a third
Similarly to the p-side nitride semiconductor layer 103, the second n-side nitride semiconductor layer 202 has a band gap energy larger than that of the second n-side nitride semiconductor layer 202 because it acts as a carrier confinement layer and a light confinement layer. It is located at a position farther from the active layer 16 than the side nitride semiconductor layer 202, and is most preferably formed in contact with the second n-side nitride semiconductor layer 202 as shown in FIG. The third n-side nitride semiconductor layer 203 is also preferably formed of a nitride semiconductor containing Al, particularly preferably a ternary mixed crystal AlGaN.
Formed. This third n-side nitride semiconductor layer 203 also
0.01 μm or more and 2 μm or less, more preferably 0.1 μm or less.
It is desirable to have a thickness of not less than 05 μm and not more than 1 μm, and within this thickness range, it can act as a carrier confinement layer and a light confinement layer with good crystallinity. Note that the third n-side nitride semiconductor layer 203 is an n-type. The third n-side nitride semiconductor layer 203 preferably made of a nitride semiconductor containing aluminum is preferably made of n-type G
On the n-type contact layer 13 formed of aN, a crack preventing layer 30 is formed.
【0048】p型光ガイド層31およびp型キャリア閉
じ込め層(光閉じ込め層)32は、それぞれp型窒化物
半導体で形成される。p型キャリア閉じ込め層(光閉じ
込め層)32のバンドギャップエネルギーは、p型光ガ
イド層31のそれよりも大きい。The p-type light guide layer 31 and the p-type carrier confinement layer (light confinement layer) 32 are each formed of a p-type nitride semiconductor. The band gap energy of the p-type carrier confinement layer (light confinement layer) 32 is larger than that of the p-type light guide layer 31.
【0049】図3は、活性層の両側(p側およびn側)
にそれぞれ本発明の3層積層構造を形成した現在のとこ
ろ最も好ましい態様による窒化物半導体LDデバイスを
示している。図3を参照すると、基板11上には、バッ
ファ層12を介して、n型コンタクト層13、クラック
防止層30、第3のn側窒化物半導体層203、第2の
n側窒化物半導体層202、第1のn側窒化物半導体層
201、活性層16、第1のp側窒化物半導体層10
1、第2のp側窒化物半導体層102、第3のp側窒化
物半導体層103およびp型コンタクト層17を含む窒
化物半導体積層構造が設けられている。p型コンタクト
層17上にはコンタクトホール18aを設けた電流狭窄
層18が設けられている。n型コンタクト層13の露出
表面上には負電極19が設けられ、電流狭窄層20上に
は正電極20が設けられている。正電極20は、電流狭
窄層18のコンタクトホール18aを通してp型コンタ
クト層17と接している。図3に示すデバイスを構成す
る要素は、図1および図2に関して説明した通りのもの
である。FIG. 3 shows both sides (p side and n side) of the active layer.
1 shows a nitride semiconductor LD device according to the presently most preferred embodiment in which the three-layer laminated structure of the present invention is formed. Referring to FIG. 3, an n-type contact layer 13, a crack prevention layer 30, a third n-side nitride semiconductor layer 203, and a second n-side nitride semiconductor layer are provided on a substrate 11 via a buffer layer 12. 202, first n-side nitride semiconductor layer 201, active layer 16, first p-side nitride semiconductor layer 10
A nitride semiconductor multilayer structure including a first, second p-side nitride semiconductor layer 102, a third p-side nitride semiconductor layer 103, and a p-type contact layer 17 is provided. On the p-type contact layer 17, a current confinement layer 18 provided with a contact hole 18a is provided. A negative electrode 19 is provided on the exposed surface of the n-type contact layer 13, and a positive electrode 20 is provided on the current confinement layer 20. The positive electrode 20 is in contact with the p-type contact layer 17 through the contact hole 18a of the current confinement layer 18. Elements that make up the device shown in FIG. 3 are as described with respect to FIGS.
【0050】なお、本発明の窒化物半導体デバイスを構
成する窒化物半導体層は、有機金属気相成長法(MOV
PE)により好ましく成長させることができる。しかし
ながら、窒化物半導体層は、例えば、ハイドライド気相
成長法(HDVPE)、分子線気相成長法(MBE)等
窒化物半導体を成長させるために従来使用されている他
の方法によっても成長させることができる。The nitride semiconductor layer constituting the nitride semiconductor device of the present invention is formed by metal organic chemical vapor deposition (MOV).
PE) can be preferably grown. However, the nitride semiconductor layer may also be grown by other methods conventionally used for growing nitride semiconductors, such as hydride vapor deposition (HDVPE), molecular beam vapor deposition (MBE), and the like. Can be.
【0051】図4は、図3に示す構造の、多重量子井戸
構造の活性層を有するLDデバイスのエネルギーバンド
を概略的に示す。図4に示すように、本発明のダブルへ
テロ構造のLDデバイスでは、インジウム含有窒化物半
導体を包含する活性層16に接して、第1のp側窒化物
半導体層101および第1のn側窒化物半導体層201
が設けられている。すなわち、活性層16(より厳密に
は、その井戸層)のバンドギャップエネルギーよりも大
きく、さらに第2のp側窒化物半導体層102および第
2のp側窒化物半導体層202のバンドギャップエネル
ギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する2
つの第1の窒化物半導体層101、201が、活性層1
6に接して設けられている。しかも、これら2つの第1
の窒化物半導体層の膜厚を薄く設定してあるため、これ
ら半導体層101、201は、キャリアに対してバリア
として作用することはなく、第3のn側窒化物半導体層
203側から第2のn側窒化物半導体層202に注入さ
れた電子キャリアと、第3のp側窒化物半導体層103
側から第2のp側窒化物半導体層102に注入された正
孔キャリアは、トンネル効果によりそれぞれ第1のn側
窒化物半導体層201および第1のp側窒化物半導体層
101を突き抜けることができ、活性層16において効
率よく再結合し、光(hν)を発する。FIG. 4 schematically shows the energy band of an LD device having an active layer of a multiple quantum well structure having the structure shown in FIG. As shown in FIG. 4, in the LD device having the double hetero structure according to the present invention, the first p-side nitride semiconductor layer 101 and the first n-side are in contact with the active layer 16 containing the indium-containing nitride semiconductor. Nitride semiconductor layer 201
Is provided. That is, it is larger than the band gap energy of the active layer 16 (more strictly, the well layer), and is larger than the band gap energy of the second p-side nitride semiconductor layer 102 and the second p-side nitride semiconductor layer 202. Also have a large bandgap energy 2
The first nitride semiconductor layers 101 and 201 are
6 is provided. Moreover, these two first
Since the thickness of the nitride semiconductor layer is set to be small, these semiconductor layers 101 and 201 do not act as a barrier against carriers, and the second n-side Electron carriers injected into the n-side nitride semiconductor layer 202 of FIG.
The hole carriers injected into the second p-side nitride semiconductor layer 102 from the side may pass through the first n-side nitride semiconductor layer 201 and the first p-side nitride semiconductor layer 101 by a tunnel effect, respectively. Then, they are efficiently recombined in the active layer 16 and emit light (hν).
【0052】そして注入されたキャリアは、第1の窒化
物半導体層101、201のハンドギャップエネルギー
が大きいため、デバイスの温度が上昇しても、または注
入電流密度が増えても、キャリアは活性層16をオーバ
ーフローせず、第1の窒化物半導体層101、201で
阻止されるため、キャリアが活性層16に有効に蓄積さ
れ、効率よく発光することが可能となる。従って、本発
明の窒化物半導体デバイスは、デバイス温度が上昇して
も発光効率が低下することが少なく、閾値電流の低いL
Dデバイスとなる。The injected carriers have a large hand gap energy of the first nitride semiconductor layers 101 and 201. Therefore, even if the device temperature rises or the injected current density increases, the carriers will remain in the active layer. 16 is prevented by the first nitride semiconductor layers 101 and 201 without overflowing, carriers can be effectively accumulated in the active layer 16 and light can be efficiently emitted. Therefore, in the nitride semiconductor device of the present invention, the luminous efficiency does not easily decrease even when the device temperature increases, and the low threshold current L
It becomes a D device.
【0053】ところで、本発明者らは、本発明のデバイ
スにおける活性層、特にインジウムとガリウムを含有す
る窒化物半導体からなる井戸層を有する活性層について
詳細に研究した。その結果、例えばInGaNを成長さ
せると、条件によっては、成長したInGaN層が、イ
ンジウム含有率において全体的に不均一となり、かくし
てインジウムリッチ領域とインジウムプア領域を形成す
ることがわかった。このように形成されたインジウムリ
ッチ領域に電子キャリアと正孔キャリアが局在し、エキ
シトンに基づく発光またはバイエキシトンに基づく発光
をする。すなわち、インジウムリッチ領域は、量子ドッ
トまたは量子ボックスを構成する。InGaN井戸層
が、このような量子ドットまたは量子ボックスを形成す
るためには、n型半導体層上に当該井戸層が、図1〜図
3に関して説明したデバイスにおけるように、n型半導
体層(アルミニウム含有窒化物半導体15、201)上
に当該n型半導体層に対して格子不整合の状態で形成さ
れ、その厚さが70オングストローム以下であることが
必要であることがわかった。この井戸層構造は、これを
形成した後短時間好ましくは2ないし20秒間おいてか
らその上に半導体層を形成するようにすると都合よく形
成される。なお、この井戸層を有する活性層上に形成さ
れるさらなる層は、アクセプター不純物を含有していれ
ばよい。このような構成のLDデバイスは、通常の量子
井戸レーザーよりも閾値電流が低く、より高い特性温度
を有し得る。The present inventors have studied in detail the active layer in the device of the present invention, particularly an active layer having a well layer made of a nitride semiconductor containing indium and gallium. As a result, it has been found that, for example, when InGaN is grown, depending on the conditions, the grown InGaN layer becomes entirely nonuniform in the indium content, thus forming an indium-rich region and an indium-poor region. Electron carriers and hole carriers are localized in the indium-rich region thus formed, and emit light based on excitons or light based on biexcitons. That is, the indium-rich region forms a quantum dot or a quantum box. In order for the InGaN well layer to form such a quantum dot or quantum box, the well layer is formed on the n-type semiconductor layer (aluminum layer) as in the device described with reference to FIGS. It has been found that it is necessary that the n-type semiconductor layer be formed on the containing nitride semiconductors 15 and 201) in a state of lattice mismatch with the n-type semiconductor layer and have a thickness of 70 Å or less. This well layer structure is conveniently formed by forming a semiconductor layer thereon a short time after the formation thereof, preferably for 2 to 20 seconds. Note that the additional layer formed on the active layer having the well layer may contain an acceptor impurity. An LD device having such a configuration has a lower threshold current and may have a higher characteristic temperature than a normal quantum well laser.
【0054】かくして、本発明は、n型窒化物半導体か
らなる第1のクラッド層;該第1のクラッド層上に設け
られ、インジウムおよびガリウムを含む窒化物半導体か
らなり70オングストローム以下の厚さを有し、下地層
上に該下地層に対して格子不整合の状態で設けられた少
なくとも1層の井戸層を包含する量子井戸構造の活性層
であって、該井戸層は複数のインジウムリッチ領域とイ
ンジウムプア領域を包含する活性層;および該活性層上
に設けられ、アクセプター不純物をドープした窒化物半
導体からなる第2のクラッド層を備えたことを特徴とす
る窒化物半導体デバイスをも提供する。ここで、下地層
というとき、図1〜図3に関して説明したデバイスにお
けるようになn型半導体層(アルミニウム含有窒化物半
導体15、201)等の該第1のクラッド層自体または
当該第1のクラッド層上に設けられた障壁層あるいは障
壁層自体を指すものとする。図5は、このデバイスを概
念的に示す断面図である。図5では、活性層は、簡便の
ため単一量子井戸構造を有するものとして示されてい
る。図5に示すように、n型窒化物半導体からなる第1
のクラッド層52上に格子不整合状態で70オングスト
ローム以下の厚さに形成された量子井戸層(活性層)5
4は、例えば全体的にはInGaNで形成されるが、相
分離を生じさせることによってインジウムリッチ領域5
4aとインジウムプア領域54bを構成する。より詳し
くは、インジウムリッチ領域54aとインジウムプア領
域54bとがドットまたはボックスとして存在し、これ
らは大きさが20〜50オングストロームであり得、各
インジウムリッチ領域54aと各インジウムプア領域5
4bとは井戸層の面方向において交互にほぼ規則的に配
列されている。この活性層54の上には、アクセプター
不純物をドープした窒化物半導体からなる第2のクラッ
ド層56が設けられている。Thus, the present invention provides a first cladding layer comprising an n-type nitride semiconductor; a first cladding layer provided on the first cladding layer, comprising a nitride semiconductor containing indium and gallium and having a thickness of 70 angstroms or less. An active layer having a quantum well structure including at least one well layer provided on the underlayer in a lattice mismatch with respect to the underlayer, wherein the well layer includes a plurality of indium-rich regions. And an active layer including an indium-poor region; and a second cladding layer provided on the active layer and made of a nitride semiconductor doped with an acceptor impurity. . Here, when referring to the underlayer, the first cladding layer itself or the first cladding layer such as an n-type semiconductor layer (aluminum-containing nitride semiconductor 15, 201) as in the device described with reference to FIGS. It refers to the barrier layer provided on the layer or the barrier layer itself. FIG. 5 is a sectional view conceptually showing this device. In FIG. 5, the active layer is shown as having a single quantum well structure for convenience. As shown in FIG. 5, a first n-type nitride semiconductor
Quantum well layer (active layer) 5 formed in a lattice mismatched state to a thickness of 70 Å or less on the cladding layer 52 of FIG.
4 is formed, for example, entirely of InGaN, but is caused by phase separation to form an indium-rich region 5.
4a and the indium poor region 54b. More specifically, indium-rich region 54a and indium-poor region 54b are present as dots or boxes, which may be between 20 and 50 angstroms in size, with each indium-rich region 54a and each indium-poor region 5a.
4b are alternately and almost regularly arranged in the plane direction of the well layer. On this active layer 54, a second cladding layer 56 made of a nitride semiconductor doped with an acceptor impurity is provided.
【0055】もちろん、量子ドットまたは量子ボックス
を構成する井戸層を有する活性層は、図1〜図3に関し
て説明したデバイスにおける活性層16を構成すること
が好ましい。なお、相分離した井戸層のバンドギャップ
エネルギーは、当該井戸層の平均組成によって決まる。Of course, the active layer having a well layer constituting a quantum dot or quantum box preferably constitutes the active layer 16 in the device described with reference to FIGS. Note that the band gap energy of the phase-separated well layer is determined by the average composition of the well layer.
【0056】このような量子ドットまたは量子ボックス
を構成する井戸層を有する活性層において、アクセプタ
ー不純物および/またはドナー不純物をドープすると、
閾値電流がより一層低下し得る。When an active layer having a well layer constituting such a quantum dot or quantum box is doped with an acceptor impurity and / or a donor impurity,
The threshold current may be even lower.
【0057】すなわち、1つの井戸層の面内においてイ
ンジウムの含有率が不均一であることは、単一の井戸層
の面方向においてバンドギャップの異なるInGaN領
域(インジウムリッチ領域およびインジウムプア領域)
が存在することを意味する。従って、伝導帯に存在する
電子は一旦インジウムリッチ領域に落ち、そこから価電
子帯に存在する正孔と再結合することによりhνのエネ
ルギーを放出する。言い換えると、電子キャリアと正孔
キャリアとが井戸層のインジウムリッチ領域(相)に局
在化し、局在エキシトンを形成し、レーザの閾値電流を
低下させる助けとなるとともに、レーザの発光出力を向
上させる。That is, the fact that the indium content is not uniform in the plane of one well layer means that the InGaN regions (indium rich region and indium poor region) having different band gaps in the plane direction of the single well layer.
Means that there is. Therefore, the electrons existing in the conduction band once fall into the indium-rich region, and recombine therefrom with the holes existing in the valence band, thereby emitting hν energy. In other words, electron carriers and hole carriers are localized in the indium-rich region (phase) of the well layer, forming localized excitons, helping to lower the threshold current of the laser, and improving the emission output of the laser. Let it.
【0058】このような井戸層に、シリコン等のドナー
不純物および/またはアクセプター不純物をドープする
と、伝導帯と価電子帯との間に、さらに不純物レベルの
エネルギー準位が形成される。そのため、電子キャリア
は、より深い不純物レベルのエネルギー準位に落ち、正
孔キャリアは、p型不純物のレベルに移動して、そこで
電子キャリアと正孔キャリアとが再結合してより小さな
エネルギーhνを放出する。このことは、電子キャリア
と正孔キャリアとがより一層局在化し、この一層局在化
して形成されたエキシトンの効果によりレーザデバイス
の閾値電流が低下するものと信じられる。井戸層にドー
プする不純物としては、シリコンおよびゲルマニウムが
好ましく、特にシリコンが好ましい。特にシリコンをド
ープすることによりデバイスの閾値電流がさらに低下す
る傾向にある。なお、シリコン、マグネシウム等の不純
物は、井戸層だけでなく、障壁層にもドープしてもよ
く、また多重量子井戸構造の活性層の場合には、井戸層
1層のみ、または障壁層1層のみにドープしてもよい。When such a well layer is doped with a donor impurity and / or an acceptor impurity such as silicon, an impurity level energy level is further formed between the conduction band and the valence band. Therefore, the electron carriers fall to the energy level of the deeper impurity level, and the hole carriers move to the level of the p-type impurity, where the electron carriers and the hole carriers recombine to generate a smaller energy hν. discharge. It is believed that the electron carriers and the hole carriers are more localized, and the threshold current of the laser device is reduced due to the effect of the excitons formed by the more localized electron carriers and hole carriers. As impurities to be doped into the well layer, silicon and germanium are preferable, and silicon is particularly preferable. In particular, doping with silicon tends to further reduce the threshold current of the device. Incidentally, impurities such as silicon and magnesium may be doped not only in the well layer but also in the barrier layer. In the case of an active layer having a multiple quantum well structure, only one well layer or one barrier layer is formed. You may dope only.
【0059】[0059]
【実施例】以下、本発明を実施例により説明する。 実施例1 本実施例では、図3に示す構造の窒化物半導体LDデバ
イスを作製した。The present invention will be described below with reference to examples. Example 1 In this example, a nitride semiconductor LD device having the structure shown in FIG. 3 was manufactured.
【0060】まず、よく洗浄したスピネル基板11(M
gAl2 O4 )を反応容器内にセットし、反応容器内を
水素で十分置換した後、水素を流しながら、基板の温度
を1050℃まで上昇させ、基板のクリーニングを行っ
た。First, the spinel substrate 11 (M
gAl 2 O 4 ) was set in the reaction vessel, and after sufficiently replacing the inside of the reaction vessel with hydrogen, the temperature of the substrate was increased to 1050 ° C. while flowing hydrogen to clean the substrate.
【0061】ついで、温度を510℃まで下げ、キャリ
アガスとして水素を用い、原料ガスとしてアンモニアと
トリメチルガリウム(TMG)とを用い、基板11上に
GaNバッファ層12を約200オングストロームの厚
さに成長させた。Then, the temperature is lowered to 510 ° C., hydrogen is used as a carrier gas, ammonia and trimethylgallium (TMG) are used as source gases, and a GaN buffer layer 12 is grown to a thickness of about 200 angstroms on the substrate 11. I let it.
【0062】バッファ層成長後、TMG流のみ止めてア
ンモニアガスを流しながら、温度を1030℃まで上昇
させた。1030℃で、TMGガスを追加し、ドーパン
トガスとしてシランガス(SiH4 )を用いて、n型コ
ンタクト層13としてSiドープn型GaN層を4μm
の厚さに成長させた。After the growth of the buffer layer, the temperature was increased to 1030 ° C. while only the TMG flow was stopped and the ammonia gas was flown. At 1030 ° C., a TMG gas is added, a silane gas (SiH 4 ) is used as a dopant gas, and a Si-doped n-type GaN layer is formed as an n-type contact layer 13 by 4 μm.
Grown to a thickness of
【0063】次に、温度を800℃に下げ、原料ガスと
してTMG、TMI(トリメチルインジウム)およびア
ンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い
て、SiドープIn0.1 Ga0.9 Nよりなるクラック防
止層30を500オングストロームの厚さに成長させ
た。Next, the temperature was lowered to 800 ° C., a crack prevention layer 30 made of Si-doped In 0.1 Ga 0.9 N was formed by using TMG, TMI (trimethylindium) and ammonia as source gases, and using silane gas as an impurity gas. Grow to a thickness of 500 angstroms.
【0064】ついで、温度を1030℃に上げ、原料ガ
スとしてトリメチルアルミニウム(TMA)、TMGお
よびアンモニアを用い、ドーパントとしてシランを用
い、Siドープn型Al0.2 Ga0.8 Nよりなる第3の
n型窒化物半導体層203を0.5μmの厚さに成長さ
せた。Then, the temperature was raised to 1030 ° C., trimethylaluminum (TMA), TMG and ammonia were used as source gases, silane was used as a dopant, and a third n-type nitride of Si-doped n-type Al 0.2 Ga 0.8 N was used. The target semiconductor layer 203 was grown to a thickness of 0.5 μm.
【0065】次に、温度を800℃に下げ、TMA流の
み止めて、Siドープn型GaNよりなる第2のn型窒
化物半導体層202を0.2μmの厚さに成長させた。
ついで、温度を1050℃に上げ、原料ガスにTMA、
TMGおよびアンモニアを用い、ドーパントとしてシラ
ンを用いて、Siドープn型Al0.1 Ga0.9Nよりな
る第1のn型窒化物半導体層201を300オングスト
ロームの厚さに成長させた。Next, the temperature was lowered to 800 ° C., only the TMA flow was stopped, and a second n-type nitride semiconductor layer 202 made of Si-doped n-type GaN was grown to a thickness of 0.2 μm.
Then, the temperature was raised to 1050 ° C., and TMA was added to the raw material gas.
Using TMG and ammonia and silane as a dopant, a first n-type nitride semiconductor layer 201 made of Si-doped n-type Al 0.1 Ga 0.9 N was grown to a thickness of 300 Å.
【0066】次に原料ガスとしてTMG、TMIおよび
アンモニアを用いて活性層16を以下の通りに成長させ
た。まず、温度を800℃に保持して、ノンドープIn
0.2Ga0.8 Nよりなる井戸層を25オングストローム
の膜厚で成長させた。次にTMIのモル比を変化させ
て、同一温度で、ノンドープIn0.01Ga0.99Nよりな
る障壁層を50オングストロームの膜厚で成長させる。
この操作を2回繰り返し、最後に井戸層を積層し、全部
で7層の多重量子井戸構造の活性層を成長させた。Next, the active layer 16 was grown as follows using TMG, TMI and ammonia as source gases. First, the temperature was maintained at 800 ° C.
A well layer of 0.2 Ga 0.8 N was grown to a thickness of 25 Å. Next, by changing the molar ratio of TMI, a barrier layer made of non-doped In 0.01 Ga 0.99 N is grown at the same temperature with a thickness of 50 Å.
This operation was repeated twice, and finally, the well layers were stacked to grow a total of seven active layers having a multiple quantum well structure.
【0067】次に、温度を1050℃に上げ、TMG、
TMA、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウ
ム(Cp2 Mg)を用い、Mgドープp型Al0.1 Ga
0.9Nよりなる第1のp型窒化物半導体層101を30
0オングストロームの厚さに成長させた。Next, the temperature was raised to 1050 ° C., and TMG,
Using TMA, ammonia and cyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg), Mg-doped p-type Al 0.1 Ga
The first p-type nitride semiconductor layer 101 of 0.9 N
It was grown to a thickness of 0 Å.
【0068】続いて、1050℃で、TMG、アンモニ
ア、およびCp2 Mgを用いて、Mgドープp型GaN
よりなる第2のp型窒化物半導体層102を0.2μm
の厚さに成長させた。Subsequently, at 1050 ° C., TMG, ammonia and Cp 2 Mg were used to form Mg-doped p-type GaN.
The second p-type nitride semiconductor layer 102 of 0.2 μm
Grown to a thickness of
【0069】ついで、1050℃で、TMG、TMA、
アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウム(Cp
2 Mg)を用い、、Mgドープp型Al0.2 Ga0.8 N
よりなる第3のp型窒化物半導体層103を0.5μm
の厚さに成長させる。Then, at 1050 ° C., TMG, TMA,
Ammonia, cyclopentadienyl magnesium (Cp
2 Mg) using Mg-doped p-type Al 0.2 Ga 0.8 N
The third p-type nitride semiconductor layer 103 of 0.5 μm
Grow to a thickness of
【0070】最後に、1050℃でMgドープp型Ga
Nよりなるp型コンタクト層17を0.5μmの厚さに
成長させた。全ての反応終了後、温度を室温まで下げて
ウェーハを反応容器から取り出し、700℃でウェーハ
のアニーリングを行い、p型層をさらに低抵抗化した。
次に、最上層のp型コンタクト層17からn型コンタク
ト層13の表面が露出するまでストライプ状にエッチン
グした。エッチング後、p型コンタクト層17の表面に
二酸化シリコンよりなる電流狭窄層18を形成し、これ
にコンタクトホールを形成した後、電流狭窄層30を介
して、p型コンタクト層17と接するようにNiとAu
よりなる正電極20をストライプ状に形成した。一方T
iとAlよりなる負電極19をストライプ状に形成し
た。Finally, at 1050 ° C., Mg-doped p-type Ga
A p-type contact layer 17 made of N was grown to a thickness of 0.5 μm. After completion of all the reactions, the temperature was lowered to room temperature, the wafer was taken out of the reaction vessel, and the wafer was annealed at 700 ° C. to further reduce the resistance of the p-type layer.
Next, strip etching was performed until the surface of the n-type contact layer 13 was exposed from the uppermost p-type contact layer 17. After the etching, a current confinement layer 18 made of silicon dioxide is formed on the surface of the p-type contact layer 17, a contact hole is formed in the current confinement layer 18, and Ni is then contacted with the p-type contact layer 17 via the current confinement layer 30. And Au
The positive electrode 20 was formed in a stripe shape. On the other hand, T
A negative electrode 19 made of i and Al was formed in a stripe shape.
【0071】次に、ウェーハをストライプ状の電極に垂
直な方向でバー状に切断し、切断面を研磨して平行鏡を
作成した後、平行鏡にSiO2 とTiO2 とを交互に積
層した誘電体多層膜を形成した。最後に電極に平行な方
向で、バーを切断してストライプサイズ4μm×600
μmのレーザチップとした後、チップをヒートシンクに
設置し、常温でレーザ発振を試みたところ、パルス電流
下(パルス幅10マイクロ秒、デューティ比10%)
で、発振波長400nmのレーザ発振が確認され、閾値
パルス電流密度=2kA/cm2 、T0 (特性温度)=
200Kであった。Next, the wafer was cut into bars in the direction perpendicular to the striped electrodes, and the cut surface was polished to form a parallel mirror. Then, SiO 2 and TiO 2 were alternately stacked on the parallel mirror. A dielectric multilayer film was formed. Finally, the bar is cut in a direction parallel to the electrode, and the stripe size is 4 μm × 600.
After forming a laser chip of μm, the chip was set on a heat sink and laser oscillation was attempted at room temperature. Under pulse current (pulse width 10 microseconds, duty ratio 10%)
In laser oscillation of the oscillation wavelength 400nm was confirmed, the threshold pulse current density = 2kA / cm 2, T 0 ( characteristic temperature) =
It was 200K.
【0072】次に、デバイスの閾値電流密度の温度依存
性により本発明のLDデバイスを評価した。LDの閾値
電流密度Jthは、 exp(T/T0 ) (但し、T:動作温度(K)、T0 :特性温度(K))
に比例する。すなわち、T0 が大きいほどLDデバイス
は、高温でも閾値電流密度が低く安定に動作する。Next, the LD device of the present invention was evaluated based on the temperature dependence of the threshold current density of the device. The LD threshold current density J th is exp (T / T 0 ) (where T: operating temperature (K), T 0 : characteristic temperature (K))
Is proportional to That is, as T 0 is larger, the LD device operates stably with a lower threshold current density even at a high temperature.
【0073】実施例1のデバイスにおいて、第1の窒化
物半導体層101、201をいずれも形成しなかった場
合は、レーザ発振しなかった。また、実施例1におい
て、第1の窒化物半導体層101、201のいずれか一
方のみを形成しなかった場合の本発明のLDデバイス
は、Jth=3kA/cm2 、T0 は100Kであった。
実施例1のLDデバイスは、第1の窒化物半導体層10
1、201双方のAlj Ga1-j Nのj値が0.1の場
合(実施例1)、前に述べたように、Jth=2kA/c
m2 、T0 =200Kであったが、j値が0.2の場合
は、Jth=1.5kA/cm2 、T0 =300K、j値
が0.3の場合はJth=1.4kA/cm2、T0 =4
00Kであり、本発明のLDデバイスの温度特性が非常
に優れていることを示している。In the device of Example 1, when neither the first nitride semiconductor layer 101 nor 201 was formed, laser oscillation did not occur. Further, in Example 1, when only one of the first nitride semiconductor layers 101 and 201 was not formed, the LD device of the present invention had J th = 3 kA / cm 2 and T 0 was 100K. Was.
The LD device according to the first embodiment includes a first nitride semiconductor layer 10
1,201 If j values of both the Al j Ga 1-j N is 0.1 (Example 1), as mentioned previously, J th = 2kA / c
m 2 , T 0 = 200 K, but when the j value is 0.2, J th = 1.5 kA / cm 2 , when T 0 = 300 K, and when the j value is 0.3, J th = 1. 0.4 kA / cm 2 , T 0 = 4
00K, which indicates that the temperature characteristics of the LD device of the present invention are very excellent.
【0074】実施例2 第1のn側窒化物半導体層201を成長させなかった以
外は、実施例1と同様にして本発明のLDデバイスを得
た。このLDは図1に示すLDデバイスと同一の構造を
有しており、図1のn型キャリア閉じ込め層(光閉じ込
め層)14が、第3のn側窒化物半導体層203に相当
し、n型光ガイド層15が、第2のn側窒化物半導体層
202に相当するものである。このLDデバイスはJth
=3kA/cm2 で発振波長400nmのレーザ発振が
確認され、T0 =100Kであった。Example 2 An LD device of the present invention was obtained in the same manner as in Example 1 except that the first n-side nitride semiconductor layer 201 was not grown. This LD has the same structure as the LD device shown in FIG. 1, and the n-type carrier confinement layer (light confinement layer) 14 in FIG. 1 corresponds to the third n-side nitride semiconductor layer 203, and n The mold light guide layer 15 corresponds to the second n-side nitride semiconductor layer 202. This LD device is J th
= 3 kA / cm 2 , laser oscillation with an oscillation wavelength of 400 nm was confirmed, and T 0 = 100K.
【0075】実施例3 第1のp側窒化物半導体層101を成長させなかった以
外は、実施例1と同様にして本発明のLDデバイスを得
た。このLDは図2に示すLDデバイスと同一の構造を
有しており、図2のp型キャリア閉じ込め層(光閉じ込
め層)32が、第3のp側窒化物半導体層103に相当
し、p型光ガイド層31が、第2のp側窒化物半導体層
102に相当するものである。このLDデバイスは、実
施例2のLDと同じく、Jth=3kA/cm2 で発振波
長400nmのレーザ発振が確認され、T0 =100K
であった。Example 3 An LD device of the present invention was obtained in the same manner as in Example 1, except that the first p-side nitride semiconductor layer 101 was not grown. This LD has the same structure as the LD device shown in FIG. 2, and the p-type carrier confinement layer (light confinement layer) 32 in FIG. 2 corresponds to the third p-side nitride semiconductor layer 103, The mold light guide layer 31 corresponds to the second p-side nitride semiconductor layer 102. In this LD device, laser oscillation with an oscillation wavelength of 400 nm was confirmed at J th = 3 kA / cm 2 , as in the LD of Example 2, and T 0 = 100 K
Met.
【0076】実施例4 活性層16を、50オングストロームの膜厚のノンドー
プIn0.2 Ga0.8 Nの井戸層よりなる単一量子井戸構
造とし、第1のp型窒化物半導体層101をAl0.3 G
a0.7 Nで形成した以外は、実施例2と同様にして本発
明のLDデバイスを得た。このLDもJth=5kA/c
m2 で発振波長410nmのレーザ発振が確認され、T
0 =50Kであった。Embodiment 4 The active layer 16 has a single quantum well structure consisting of a well layer of non-doped In 0.2 Ga 0.8 N having a thickness of 50 Å, and the first p-type nitride semiconductor layer 101 is formed of Al 0.3 G
An LD device of the present invention was obtained in the same manner as in Example 2, except that the LD device was formed of a 0.7 N. This LD also has J th = 5 kA / c
Laser oscillation with an oscillation wavelength of 410 nm was confirmed at m 2 , and T
0 = 50K.
【0077】実施例5 第2のn型窒化物半導体層202をSiドープn型In
0.01Ga0.99Nで形成し、第2のp型窒化物半導体10
2をMgドープp型In0.01Ga0.99Nで形成した以外
は実施例1と、同様にしてLDデバイスを作製した。こ
のLDデバイスは、実施例1のLDデバイスと全く同一
の特性を示した。Embodiment 5 The second n-type nitride semiconductor layer 202 is made of Si-doped n-type In
The second p-type nitride semiconductor 10 formed of 0.01 Ga 0.99 N
Except that 2 was formed by Mg-doped p-type In 0.01 Ga 0.99 N as in Example 1 to prepare an LD device in the same manner. This LD device showed exactly the same characteristics as the LD device of Example 1.
【0078】実施例6 活性層の井戸層および障壁層に、それぞれ、ドナー不純
物としてシリコンを1×1019/cm3 の濃度でドープ
した以外は、実施例1と同様にして本発明のLDデバイ
スを作製した。このLDデバイスは、実施例1のLDデ
バイスに比べて、閾値電流がおよそ5%低下し、T0 は
およそ10%向上した。Example 6 The LD device of the present invention was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the well layer and the barrier layer of the active layer were each doped with silicon at a concentration of 1 × 10 19 / cm 3 as a donor impurity. Was prepared. In this LD device, the threshold current was reduced by about 5% and T 0 was improved by about 10% as compared with the LD device of Example 1.
【0079】実施例7 活性層の井戸層および障壁層に、それぞれ、アクセプタ
ー不純物としてマグネシウムを1×1018/cm3 の濃
度でドープした以外は、実施例1と同様にして本発明の
LDデバイスを作製した。このLDデバイスは、実施例
1のLDデバイスとほぼ同等の特性を示した。Example 7 The LD device of the present invention was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the active layer well layer and the barrier layer were each doped with magnesium at a concentration of 1 × 10 18 / cm 3 as an acceptor impurity. Was prepared. This LD device exhibited almost the same characteristics as the LD device of Example 1.
【0080】実施例8 活性層の井戸層および障壁層に、それぞれ、ドナー不純
物としてシリコンを1×1019/cm3 の濃度でおよび
アクセプター不純物としてマグネシウムを1×1018/
cm3 の濃度でドープした以外は、実施例1と同様にし
て本発明のLDデバイスを作製した。このLDデバイス
は、実施例6のLDデバイスとほぼ同等の特性を示し
た。Example 8 In the well layer and the barrier layer of the active layer, silicon was used as a donor impurity at a concentration of 1 × 10 19 / cm 3 and magnesium was used as an acceptor impurity at 1 × 10 18 / cm 3.
An LD device of the present invention was produced in the same manner as in Example 1, except that the LD device was doped at a concentration of cm 3 . This LD device showed almost the same characteristics as the LD device of Example 6.
【0081】実施例9 各ノンドープIn0.2 Ga0.8 N(平均組成)井戸層形
成後、5秒間そのまま保持してから各障壁層を形成した
以外は、実施例1と同様にしてLDデバイスを作製し
た。このLDデバイスにおいて、井戸層は、インジウム
リッチ領域とインジウムプア領域とに相分離しており、
インジウムリッチ領域は組成がほぼIn0.4 Ga0.6 N
に相当し、インジウムプア領域は組成がほぼIn0.02G
a0.98Nに相当するものであった。また、井戸層の断面
TEM写真により、それぞれ平均で30オングストロー
ムの大きさのインジウムリッチ領域とインジウムプア領
域とが面方向に互いに交互に規則的に並んでいることが
確認された(図5参照)。こうして作製したLDデバイ
スは、実施例1のLDデバイスに対して閾値電流密度に
おいておよそ30%低下し、T0 において20%向上し
ていた。Example 9 After forming each non-doped In 0.2 Ga 0.8 N (average composition) well layer, an LD device was manufactured in the same manner as in Example 1 except that each barrier layer was formed after holding for 5 seconds. . In this LD device, the well layer is phase-separated into an indium-rich region and an indium-poor region,
The composition of the indium-rich region is almost In 0.4 Ga 0.6 N
And the composition of the indium-poor region is almost In 0.02 G
a 0.98 N. In addition, a cross-sectional TEM photograph of the well layer confirmed that indium-rich regions and indium-poor regions each having an average size of 30 Å were alternately and regularly arranged in the plane direction (see FIG. 5). . The LD device manufactured in this manner had a threshold current density reduced by about 30% and an improvement in T 0 by 20% with respect to the LD device of Example 1.
【0082】実施例10 各井戸層にシリコンをドープした以外は実施例9と同様
にしてLDデバイスを作製した。このLDデバイスは、
実施例1のLDデバイスに対して閾値電流密度において
およそ40%低下し、T0 において30%向上してい
た。なお、上記各実施例において、濃度を特に指摘しな
かった不純物も、いずれも先に述べた好ましい範囲内で
ドープしたものであった。Example 10 An LD device was manufactured in the same manner as in Example 9 except that each well layer was doped with silicon. This LD device is
Decreased approximately 40% in the threshold current density with respect to LD device of Example 1, was increased by 30% at T 0. In each of the above examples, the impurities whose concentration was not specifically indicated were all doped within the preferable ranges described above.
【0083】以上説明した実施例では、最も好ましい例
として、活性層と、第1の窒化物半導体層と、第2の窒
化物半導体層と、第3の窒化物半導体層とが接して形成
されている例について説明したが、本発明では活性層に
接して形成されているのは、第1の窒化物半導体層のみ
でよく、第1の窒化物半導体層と第2の窒化物半導体層
との間、第2の窒化物半導体層と第3の窒化物半導体層
との間に、他の窒化物半導体層を挿入することもでき
る。ドープした不純物の濃度は、In the embodiment described above, as the most preferable example, the active layer, the first nitride semiconductor layer, the second nitride semiconductor layer, and the third nitride semiconductor layer are formed in contact with each other. However, in the present invention, only the first nitride semiconductor layer may be formed in contact with the active layer, and the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer may be formed in contact with the active layer. During this time, another nitride semiconductor layer can be inserted between the second nitride semiconductor layer and the third nitride semiconductor layer. The concentration of the doped impurity is
【0084】[0084]
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、イ
ンジウムを含む窒化物半導体を包含する活性層を有する
窒化物半導体素子であって、発光効率が高い窒化物半導
体デバイスが提供され、またデバイス温度が上昇しても
発光効率の低下が少ない窒化物半導体デバイスが提供さ
れる。As described above, according to the present invention, there is provided a nitride semiconductor device having an active layer containing a nitride semiconductor containing indium and having high luminous efficiency. Also provided is a nitride semiconductor device in which the decrease in luminous efficiency is small even when the device temperature increases.
【図1】本発明の第1の態様に係るLDデバイスを概略
的に示す断面図。FIG. 1 is a sectional view schematically showing an LD device according to a first embodiment of the present invention.
【図2】本発明の第2の態様に係るLDデバイスを概略
的に示す断面図。FIG. 2 is a sectional view schematically showing an LD device according to a second embodiment of the present invention.
【図3】本発明の第3の態様に係るLDデバイスを概略
的に示す断面図。FIG. 3 is a sectional view schematically showing an LD device according to a third embodiment of the present invention.
【図4】図3に示すデバイス構造に対応するエネルギー
バンドを示す図。FIG. 4 is a view showing an energy band corresponding to the device structure shown in FIG. 3;
【図5】本発明の第4の態様に係るLDデバイスを概略
的に示す断面図。FIG. 5 is a sectional view schematically showing an LD device according to a fourth embodiment of the present invention.
【図6】従来のLDデバイスの層構造に対応するエネル
ギーバンドを示す図。FIG. 6 is a diagram showing an energy band corresponding to a layer structure of a conventional LD device.
11…基板 13…n型コンタクト層 14…n型キャリア閉じ込め層 15…n型光ガイド層 16,54…活性層 17…p型コンタクト層 19…負電極 20…正電極 30…クラック防止層 52…第1のクラッド層 54a…インジウムリッチ領域 54b…インジウムプア領域 56…第2のクラッド層 101…第1のp側窒化物半導体層 102…第2のp側窒化物半導体層 103…第3のp側窒化物半導体層 201…第1のn側窒化物半導体層 202…第2のn側窒化物半導体層 203…第3のn側窒化物半導体層。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Substrate 13 ... n-type contact layer 14 ... n-type carrier confinement layer 15 ... n-type light guide layer 16, 54 ... Active layer 17 ... p-type contact layer 19 ... negative electrode 20 ... positive electrode 30 ... crack prevention layer 52 ... First cladding layer 54a Indium rich region 54b Indium poor region 56 Second cladding layer 101 First p-side nitride semiconductor layer 102 Second p-side nitride semiconductor layer 103 Third p Side nitride semiconductor layer 201: first n-side nitride semiconductor layer 202: second n-side nitride semiconductor layer 203: third n-side nitride semiconductor layer.
Claims (36)
ムを含有する窒化物半導体を包含する量子井戸構造の活
性層、並びに該活性層の第1の表面に接して形成され、
該活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバン
ドギャップエネルギーを有する第1の窒化物半導体層
と、該活性層の第1の表面側において、該第1の窒化物
半導体層よりも該活性層から離れた位置に形成され、該
第1の窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーより
も小さなバンドギャップエネルギーを有する第2の窒化
物半導体層と、該活性層の第1の表面側において、該第
2の窒化物半導体層よりも該活性層から離れた位置に形
成され、該第2の窒化物半導体層のバンドギャップエネ
ルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する
第3の窒化物半導体層とを含む窒化物半導体層構造を備
えたことを特徴とする窒化物半導体デバイス。1. An active layer having a quantum well structure including first and second surfaces and including a nitride semiconductor containing indium, and an active layer formed in contact with the first surface of the active layer,
A first nitride semiconductor layer having a bandgap energy larger than the bandgap energy of the active layer; and a first surface of the active layer further away from the active layer than the first nitride semiconductor layer. A second nitride semiconductor layer formed at a different position and having a bandgap energy smaller than the bandgap energy of the first nitride semiconductor layer; and a second surface on the first surface side of the active layer. A third nitride semiconductor layer formed at a position farther from the active layer than the nitride semiconductor layer and having a bandgap energy larger than the bandgap energy of the second nitride semiconductor layer; A nitride semiconductor device having a layer structure.
ンネリングし得るに十分薄い厚さを有する請求項1記載
のデバイス。2. The device of claim 1, wherein the first nitride semiconductor layer has a thickness that is small enough to allow carriers to tunnel.
下の厚さを有する請求項1または2記載のデバイス。3. The device according to claim 1, wherein the first nitride semiconductor layer has a thickness of 0.1 μm or less.
トローム以上の厚さを有する請求項3記載のデバイス。4. The device according to claim 3, wherein the first nitride semiconductor layer has a thickness of 10 Å or more.
形成されている請求項1ないし4のいずれか1項記載の
デバイス。5. The device according to claim 1, wherein the nitride semiconductor layer structure is formed on the p-side of the active layer.
半導体層に接して設けられている請求項5記載のデバイ
ス。6. The device according to claim 5, wherein the second nitride semiconductor layer is provided in contact with the first nitride semiconductor layer.
半導体層に接して設けられている請求項6記載のデバイ
ス。7. The device according to claim 6, wherein the third nitride semiconductor layer is provided in contact with the second nitride semiconductor layer.
形成されている請求項1ないし4のいずれか1項記載の
デバイス。8. The device according to claim 1, wherein the nitride semiconductor layer structure is formed on the n-side of the active layer.
半導体層に接して設けられている請求項8記載のデバイ
ス。9. The device according to claim 8, wherein the second nitride semiconductor layer is provided in contact with the first nitride semiconductor layer.
物半導体層に接して設けられている請求項9記載のデバ
イス。10. The device according to claim 9, wherein the third nitride semiconductor layer is provided in contact with the second nitride semiconductor layer.
ウムを含有する窒化物半導体を包含する量子井戸構造の
活性層、該活性層の第1の表面に接して形成され、窒化
物半導体からなり、該活性層よりも大きなバンドギャッ
プエネルギーを有する第1の層、該活性層の第1の表面
側において、該第1の層よりも該活性層から離れた位置
に形成され、アクセプター不純物を含有する窒化物半導
体からなり、該第1の層のバンドギャップエネルギーよ
りも小さなバンドギャップエネルギーを有する第2の
層、および該活性層の第1の表面側において、該第2の
層よりも該活性層から離れた位置に形成され、アクセプ
ター不純物を含有する窒化物半導体からなり、該第2の
層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャ
ップエネルギーを有する第3の層を備えたことを特徴と
する窒化物半導体デバイス。11. An active layer having a quantum well structure including first and second surfaces and including an indium-containing nitride semiconductor, a nitride semiconductor formed in contact with the first surface of the active layer. A first layer having a bandgap energy greater than that of the active layer, formed on the first surface side of the active layer at a position further away from the active layer than the first layer, and A second layer having a bandgap energy smaller than the bandgap energy of the first layer, and a first surface side of the active layer, the second layer having a bandgap energy smaller than that of the first layer. It is formed at a position away from the active layer, is made of a nitride semiconductor containing an acceptor impurity, and has a band gap energy larger than that of the second layer. A nitride semiconductor device comprising a third layer.
トンネリングし得るに十分薄い厚さを有する請求項11
記載のデバイス。12. The first nitride semiconductor layer has a thickness small enough to allow carriers to tunnel.
The described device.
以下の厚さを有する請求項11または12記載のデバイ
ス。13. The method according to claim 1, wherein the first nitride semiconductor layer has a thickness of 0.1 μm.
A device according to claim 11 or claim 12, having the following thickness:
ストローム以上の厚さを有する請求項13記載のデバイ
ス。14. The device according to claim 13, wherein the first nitride semiconductor layer has a thickness of 10 Å or more.
れている請求項11ないし14のいずれか1項記載のデ
バイス。15. The device according to claim 11, wherein the second layer is provided in contact with the first layer.
物半導体層に接して設けられている請求項15記載のデ
バイス。16. The device according to claim 15, wherein the third nitride semiconductor layer is provided in contact with the second nitride semiconductor layer.
ウムを含有する窒化物半導体を包含する量子井戸構造の
活性層、該活性層の第2の表面に接して形成され、窒化
物半導体からなり、該活性層のバンドギャップエネルギ
ーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する第1
の層、該活性層の第2の表面側において、該第1の層よ
りも該活性層から離れた位置に形成され、n型窒化物半
導体からなり、該第1の層のバンドギャップエネルギー
よりも小さなバンドギャップエネルギーを有する第2の
層、および該活性層の第2の表面側において、該第2の
層よりも該活性層から離れた位置に形成され、n型窒化
物半導体からなり、該第2の層のバンドギャップエネル
ギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する第
3の層を備えたことを特徴とする窒化物半導体デバイ
ス。17. An active layer having a quantum well structure including a first and second surface and including an indium-containing nitride semiconductor, and a nitride semiconductor formed in contact with the second surface of the active layer. And having a band gap energy larger than the band gap energy of the active layer.
Is formed on the second surface side of the active layer at a position farther from the active layer than the first layer, is made of an n-type nitride semiconductor, and has a bandgap energy of the first layer. A second layer having a small bandgap energy, and formed on a second surface side of the active layer at a position farther from the active layer than the second layer, comprising an n-type nitride semiconductor; A nitride semiconductor device comprising a third layer having a band gap energy larger than the band gap energy of the second layer.
トンネリングし得るに十分薄い厚さを有する請求項17
記載のデバイス。18. The semiconductor device according to claim 17, wherein the first nitride semiconductor layer has a thickness small enough to allow tunneling of carriers.
The described device.
以下の厚さを有する請求項17または18記載のデバイ
ス。19. The method according to claim 19, wherein the first nitride semiconductor layer has a thickness of 0.1 μm.
19. A device according to claim 17 or claim 18 having the following thickness.
ストローム以上の厚さを有する請求項19記載のデバイ
ス。20. The device according to claim 19, wherein the first nitride semiconductor layer has a thickness of 10 Å or more.
れている請求項17ないし20のいずれか1項記載のデ
バイス。21. The device according to claim 17, wherein the second layer is provided in contact with the first layer.
れている請求項21記載のデバイス。22. The device according to claim 21, wherein the third layer is provided in contact with the second layer.
ウムを含有する窒化物半導体を包含する量子井戸構造の
活性層;該活性層の第1の表面に接して形成され、該活
性層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギ
ャップエネルギーを有する第1のp側窒化物半導体層
と、該活性層の第1の表面側において、該第1のp側窒
化物半導体層よりも該活性層から離れた位置に形成さ
れ、該第1のp側窒化物半導体層のバンドギャップエネ
ルギーよりも小さなバンドギャップエネルギーを有する
第2のp側窒化物半導体層と、該活性層の第1の表面側
において、該第2のp側窒化物半導体層よりも該活性層
から離れた位置に形成され、該第2のp側窒化物半導体
層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャ
ップエネルギーを有する第3のp側窒化物半導体層とを
含む第1の窒化物半導体層構造;並びに該活性層の第2
の表面に接して形成され、該活性層のバンドギャップエ
ネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有す
る第1のn側窒化物半導体層と、該活性層の第2の表面
側において、該第1のn側窒化物半導体層よりも該活性
層から離れた位置に形成され、該第1のn側窒化物半導
体層のバンドギャップエネルギーよりも小さなバンドギ
ャップエネルギーを有する第2のn側窒化物半導体層
と、該活性層の第2の表面側において、該第2のn側窒
化物半導体層よりも該活性層から離れた位置に形成さ
れ、該第2のn側窒化物半導体層のバンドギャップエネ
ルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する
第3のn側窒化物半導体層とを含む第2の窒化物半導体
層構造を備えたことを特徴とする窒化物半導体デバイ
ス。23. An active layer having a quantum well structure including a first and second surfaces and including an indium-containing nitride semiconductor; an active layer formed in contact with a first surface of the active layer; A first p-side nitride semiconductor layer having a bandgap energy larger than that of the active layer, and a first surface side of the active layer, the first p-side nitride semiconductor layer being closer to the active layer than the first p-side nitride semiconductor layer. A second p-side nitride semiconductor layer formed at a distant position and having a bandgap energy smaller than the bandgap energy of the first p-side nitride semiconductor layer; and a first surface side of the active layer. Formed at a position further away from the active layer than the second p-side nitride semiconductor layer, and having a band gap energy larger than the band gap energy of the second p-side nitride semiconductor layer. A first nitride semiconductor layer structure including a third p-side nitride semiconductor layer;
A first n-side nitride semiconductor layer formed in contact with the surface of the active layer and having a bandgap energy larger than the bandgap energy of the active layer; and the first n-side nitride semiconductor layer on the second surface side of the active layer. A second n-side nitride semiconductor layer formed at a position farther from the active layer than the side-side nitride semiconductor layer and having a band gap energy smaller than a band gap energy of the first n-side nitride semiconductor layer; Formed on the second surface side of the active layer at a position farther from the active layer than the second n-side nitride semiconductor layer, and based on the bandgap energy of the second n-side nitride semiconductor layer. And a third n-side nitride semiconductor layer having a large band gap energy.
アがトンネリングし得るに十分薄い厚さを有する請求項
23記載のデバイス。24. The device of claim 23, wherein the first p-side nitride semiconductor layer has a thickness small enough to allow carriers to tunnel.
μm以下の厚さを有する請求項23または24記載のデ
バイス。25. The first p-side nitride semiconductor layer has a thickness of 0.1
25. The device according to claim 23 or 24, having a thickness of less than or equal to μm.
ングストローム以上の厚さを有する請求項25記載のデ
バイス。26. The device according to claim 25, wherein the first p-side nitride semiconductor layer has a thickness of 10 Å or more.
アがトンネリングし得るに十分薄い厚さを有する請求項
23ないし26のいずれか1項記載のデバイス。27. The device according to claim 23, wherein the first n-side nitride semiconductor layer has a thickness small enough for tunneling of carriers.
μm以下の厚さを有する請求項23ないし27のいずれ
か1項記載のデバイス。28. The first n-side nitride semiconductor layer has a thickness of 0.1
28. The device according to any one of claims 23 to 27, having a thickness of less than or equal to μm.
ングストローム以上の厚さを有する請求項28記載のデ
バイス。29. The device according to claim 28, wherein the first n-side nitride semiconductor layer has a thickness of 10 Å or more.
p側窒化物層に接して設けられ、第3のp側窒化物半導
体が第2のp側窒化物半導体に接して設けられている請
求項23ないし29のいずれか1項記載のデバイス。30. A second p-side nitride semiconductor layer provided in contact with the first p-side nitride layer, and a third p-side nitride semiconductor in contact with the second p-side nitride semiconductor 30. A device according to any one of claims 23 to 29 provided.
n側窒化物層に接して設けられ、第3のn側窒化物半導
体が第2のn側窒化物半導体に接して設けられている請
求項23ないし30のいずれか1項記載のデバイス。31. A second n-side nitride semiconductor layer is provided in contact with the first n-side nitride layer, and a third n-side nitride semiconductor is provided in contact with the second n-side nitride semiconductor. 31. The device according to any one of claims 23 to 30 provided.
ッド層;該第1のクラッド層上に設けられ、インジウム
およびガリウムを含む窒化物半導体からなり70オング
ストローム以下の厚さを有し、下地層上に該下地層に対
して格子不整合の状態で設けられた少なくとも1層の井
戸層を包含する量子井戸構造の活性層であって、該井戸
層は複数のインジウムリッチ領域とインジウムプア領域
を包含する活性層;および該活性層上に設けられ、アク
セプター不純物をドープした窒化物半導体からなる第2
のクラッド層を備えたことを特徴とする窒化物半導体デ
バイス。32. A first cladding layer made of an n-type nitride semiconductor; provided on the first cladding layer, made of a nitride semiconductor containing indium and gallium and having a thickness of 70 Å or less; An active layer having a quantum well structure including at least one well layer provided on the base layer so as to be lattice-mismatched with respect to the underlayer, wherein the well layer includes a plurality of indium-rich regions and indium-poor regions. An active layer comprising a nitride semiconductor provided on the active layer and doped with an acceptor impurity.
A nitride semiconductor device, comprising:
f<1)で示される窒化物半導体からなる請求項32記
載のデバイス。33. well layer, wherein In f Ga 1-f N ( 0 <
33. The device according to claim 32, comprising a nitride semiconductor represented by f <1).
請求項1、11、17、23または32記載のデバイ
ス。34. The device according to claim 1, 11, 17, 23 or 32, wherein the active layer is doped with impurities.
コンまたはゲルマニウムである請求項34記載のデバイ
ス。35. The device according to claim 34, wherein the impurity doped into the active layer is silicon or germanium.
くとも1つの井戸層にドープされている請求項34また
は35記載のデバイス。36. The device according to claim 34, wherein the impurity doped into the active layer is doped into at least one well layer.
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