JPH10256670A - Compound semiconductor element - Google Patents

Compound semiconductor element

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JPH10256670A
JPH10256670A JP6120397A JP6120397A JPH10256670A JP H10256670 A JPH10256670 A JP H10256670A JP 6120397 A JP6120397 A JP 6120397A JP 6120397 A JP6120397 A JP 6120397A JP H10256670 A JPH10256670 A JP H10256670A
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JP
Japan
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layer
compound
superlattice
semiconductor
gaas
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JP6120397A
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Japanese (ja)
Inventor
Toshihide Izumitani
敏英 泉谷
Yuzo Hirayama
雄三 平山
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To realize a new semiconductor laser by allowing growth of a compound thin film equivalent to a semiconductor of the compound of nitride, phosphorus, and arsenide, which is not realized so far. SOLUTION: Relating to a compound semiconductor laser wherein a plurality of semiconductor thin films of III-V based semiconductor are laminated on an n-type GaAs substrate 11, an active layer 14 among a plurality semiconductor thin films is formed of super lattice of 100nm in thickness, in combination of a GaAs layer 142 of 5.6nm for undope and a GaInN layer 142 of 0.5nm. And relating to the GaInN layer 142 part, Ga:In is designed to be 8:2 so that it is almost equal to GaAs in combination length in design.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、化合物半導体素子
に係わり、特にIII-V族化合物半導体を用いて発光ダイ
オードや半導体レーザ等を形成した化合物半導体素子に
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a compound semiconductor device, and more particularly to a compound semiconductor device using a group III-V compound semiconductor to form a light emitting diode or a semiconductor laser.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、III-V族化合物半導体を利用した
発光ダイオード(LED)や半導体レーザ(LD)が、
光通信,マルチメディア関連事業,LED表示パネルに
使用され広く普及してきている。中でもInGaAsP
系の混晶半導体は、発光波長が1.3〜1.5μmと光
ファイバーの透過率の高い領域にあるため、光通信用光
源としての重要性が極めて高く、これからの通信産業の
キーデバイスである。この半導体により作られた半導体
レーザは、発振しきい値や寿命という点では満足すべき
性能に達しているが、温度特性という点においては可視
のLDに比べ大きく劣り、温度特性の向上が求められて
いる。
2. Description of the Related Art In recent years, light emitting diodes (LEDs) and semiconductor lasers (LDs) using III-V compound semiconductors have been developed.
It is widely used for optical communication, multimedia related business and LED display panel. Above all, InGaAsP
Since the mixed crystal semiconductor of the system has an emission wavelength of 1.3 to 1.5 μm in a region where the transmittance of an optical fiber is high, it is extremely important as a light source for optical communication, and is a key device in the communication industry in the future. . Semiconductor lasers made of this semiconductor have achieved satisfactory performance in terms of oscillation threshold and life, but are significantly inferior to visible LDs in terms of temperature characteristics, and improved temperature characteristics are required. ing.

【0003】温度特性を改善する鍵は、素子構造ではな
く材料の性質にある。それは、ダブルヘテロ構造を構成
する2つの半導体層の伝導帯側のエネルギー差が小さい
ため、電子のオーバーフローが発生し光出力の低下を招
くという現象で説明される。即ち、材料の本質的性質に
起因し回避不可能である。これに対し最近、InGaN
Asという化合物を用いることにより、上記のオーバー
フローを阻止し得るという提案がある。しかし、このI
nGaAsにNを加えた形の化合物はNを組成比でパー
セントのオーダーまで混入させることが極めて困難であ
り、所望の窒素濃度のものが得られていない。
The key to improving the temperature characteristics is not the element structure but the material properties. This is explained by the phenomenon that the energy difference on the conduction band side of the two semiconductor layers constituting the double hetero structure is small, so that the overflow of electrons occurs and the light output is reduced. That is, it cannot be avoided due to the intrinsic properties of the material. On the other hand, recently InGaN
There is a proposal that the above overflow can be prevented by using a compound called As. However, this I
In a compound in which N is added to nGaAs, it is extremely difficult to mix N to the order of percent in composition ratio, and a compound having a desired nitrogen concentration has not been obtained.

【0004】また、表示用素子の分野では、青色から緑
色の波長のLDやLEDに対する根強い要望がある。こ
れに関して、これまで困難であったGaInNからなる
発光素子が実験的に製造されだした。この半導体の発光
波長は一般に青色域にあり極めて短く、ディスプレイ用
光源としての利用から緑色で発光するInの組成の高い
膜の成長が研究されている。しかし、Inが多くなると
空気中で化学的に不安定になるという致命的欠点があ
る。これに対し、Nの代わりに一部As又はPを入れる
と効果があることは容易に推定されるが、Nを単純にA
sで置き換えることは不可能に近く、効果的なAs又は
Pの混入方法の開発が望まれている。
[0004] In the field of display elements, there is a strong demand for LDs and LEDs having wavelengths from blue to green. In this regard, a light emitting device made of GaInN, which has been difficult until now, has been experimentally manufactured. The emission wavelength of this semiconductor is generally very short in the blue region, and the growth of a film having a high In composition that emits green light has been studied for use as a light source for displays. However, there is a fatal drawback that when the amount of In increases, it becomes chemically unstable in the air. On the other hand, it is easily presumed that the effect is obtained by partially adding As or P instead of N, but N is simply expressed as A
Substitution with s is almost impossible, and development of an effective method of incorporating As or P is desired.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】このように従来、Ga
AsやGaPにNを1パーセント以上入れる試みはごく
一部の研究機関で試みられてきたが、NはPやAsと原
子半径や電気陰性度が大きく異なることが原因で満足す
る成果は得られていない。この数年、Nのプラズマソー
スが開発され2〜3%の導入が可能になったが、プラズ
マの悪影響が示唆され素子としての応用は疑問視されて
いる。さらに、素子としての応用を考えると5%以上で
質の高い単結晶薄膜が必要であった。また逆に、GaI
nNからなる発光素子で、Nの代わりに一部AsやPで
置き換えることも困難であった。
As described above, conventionally, Ga
Attempts to add 1% or more of N to As or GaP have been attempted by only a few research institutions, but N has achieved satisfactory results due to the large difference in atomic radius and electronegativity from P and As. Not. In recent years, N plasma sources have been developed, and 2-3% of them can be introduced. However, the adverse effect of plasma has been suggested, and application as an element has been questioned. Furthermore, considering application as an element, a high-quality single crystal thin film of 5% or more was required. Conversely, GaI
It was also difficult to partially replace As with P instead of N in a light emitting element composed of nN.

【0006】本発明は、上記の事情を考慮して成された
もので、その目的とするところは、従来作成できなかっ
た窒化物と燐及び砒化物との化合物半導体と同等の性質
を有する化合物薄膜を成長可能とし、従来にない発光素
子及び電子デバイスへの応用が期待できる化合物半導体
素子を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a compound having properties equivalent to those of a compound semiconductor of nitride, phosphorus and arsenide, which could not be produced conventionally. It is an object of the present invention to provide a compound semiconductor element which can grow a thin film and can be expected to be applied to a light emitting element and an electronic device which have not existed conventionally.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】[Means for Solving the Problems]

(構成)上記課題を解決するために本発明は、次のよう
な構成を採用している。即ち本発明は、単結晶基板上に
III-V族化合物半導体からなる複数の半導体薄膜が積層
された化合物半導体素子において、前記複数の半導体薄
膜の少なくとも一部は、窒素を含むV族元素及び III族
元素からなる第1の化合物層と、窒素を含まないV族元
素及び III族元素からなる第2の化合物層とを交互に積
層してなり、第1及び第2の化合物層のうち、前記基板
と格子定数の遠い方を前記基板と格子定数の近い方より
も薄く形成してなることを特徴とする。
(Structure) In order to solve the above problem, the present invention employs the following structure. That is, the present invention provides a single crystal substrate
In a compound semiconductor device in which a plurality of semiconductor thin films made of a group III-V compound semiconductor are stacked, at least a part of the plurality of semiconductor thin films is formed of a first compound layer made of a group V element containing nitrogen and a group III element. And a second compound layer comprising a group V element and a group III element that do not contain nitrogen are alternately laminated, and the one of the first and second compound layers having a lattice constant farthest from the substrate is the substrate. It is characterized by being formed thinner than the one having a closer lattice constant.

【0008】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は次のものがあげられる。 (1) 第1及び第2の化合物層のうち、膜厚の薄い方は5
nm以下であること。 (2) 基板はGaAs又はInPであり、第1の化合物層
を第2の化合物層よりも薄く形成したこと。
Here, preferred embodiments of the present invention include the following. (1) Of the first and second compound layers, the thinner one is 5
nm or less. (2) The substrate is GaAs or InP, and the first compound layer is formed thinner than the second compound layer.

【0009】(3) 基板はGaP又はSiであり、第2の
化合物層を第1の化合物層よりも薄く形成したこと。 (4) 第1の化合物層はAlv Gaw In1-v-w N(0≦
v,w≦1)であり、第2の化合物層はAlx Gay
1-x-y Asz1-z (0≦x,y,z≦1)であるこ
と。
(3) The substrate is made of GaP or Si, and the second compound layer is formed thinner than the first compound layer. (4) the first compound layer is Al v Ga w In 1-vw N (0 ≦
v, a w ≦ 1), the second compound layer Al x Ga y I
n 1-xy As z P 1-z (0 ≦ x, y, z ≦ 1).

【0010】(5) 第1及び第2の化合物層の交互積層の
周期を20nm以下とした。 (6) 第1及び第2の化合物層の厚さの比を、1/2以下
又は2倍以上としたこと。
(5) The cycle of alternate lamination of the first and second compound layers is set to 20 nm or less. (6) The ratio of the thicknesses of the first and second compound layers is set to 1/2 or less or 2 times or more.

【0011】(7) III-V族化合物として、B,A1,G
a,In,N,P,As,Sbを用いること。 (作用)前述したように、NがAsやPと容易に置換し
ない理由は、NはPやAsと原子半径や電気陰性度が大
きく異なることが原因であり、本質的に回避できない。
そこで、混合していないものに混合している効果を発生
させるという方法が考えられる。そのために、超格子の
概念を利用する。
(7) As group III-V compounds, B, A1, G
Use a, In, N, P, As, and Sb. (Operation) As described above, the reason why N is not easily replaced with As or P is that N is significantly different from P or As in atomic radius or electronegativity, and thus cannot be essentially avoided.
Therefore, a method of generating an effect of mixing with unmixed ones can be considered. For that purpose, the concept of a superlattice is used.

【0012】一般に、AとBの混晶半導体は、AとBの
超格子半導体と性質が近い。超格子を用いる利点は、通
常は安定に混合しない組成比のものでも超格子構造では
作製できる可能性があることにある。現状の超格子で
は、量子井戸構造の形成やゾーンフォルディングによる
バンド構造の変化しか応用が考えておらず、ここで提唱
する熱力学的に不安定なAs,PとNの混晶半導体への
利用は新概念である。
In general, a mixed crystal semiconductor of A and B has properties similar to those of the superlattice semiconductor of A and B. The advantage of using a superlattice is that even a composition having a composition ratio that does not normally mix stably can be produced with a superlattice structure. In the current superlattice, only the change of the band structure due to the formation of the quantum well structure and the zone folding is considered, and the proposed superlattice is applied to the thermodynamically unstable mixed crystal semiconductor of As, P and N proposed here. Use is a new concept.

【0013】しかし、単純に任意の組み合せでの超格子
が作製できるわけではない。In,Ga,Alの窒物化
はウルツ型の結晶構造を持ち、燐化物や砒化物はダイヤ
モンド構造を持ち、各々の結晶構造が違うため、通常の
成長方法では結晶欠陥の発生が避けられない。
However, it is not always possible to produce a superlattice in any combination. The nitride of In, Ga, and Al has a wurtz-type crystal structure, and phosphide and arsenide have a diamond structure, and the respective crystal structures are different. Therefore, generation of crystal defects is unavoidable in a normal growth method.

【0014】ところで、薄膜成長の世界では結晶構造が
異なっても10nm以下程度の薄い層が成長するとき下
地の結晶構造と同じ結晶構造になり、転位などの欠陥が
発生しないというという現象(pseudomorphic )が多く
の系で確認されている。そこで一方の層が十分薄くさえ
あれば、超格子構造を作ることにより異なる結晶構造の
組み合せでも欠陥の少ない薄膜が成長可能になる。従っ
て、窒化物層と、砒化物又は燐化物の組成比が一方に偏
つている組成の化合物の合成ができる。この場合、組成
比異種構造の組み合わせでは、結合長さが近いほど欠陥
の発生が少なくなり望ましい。また、同種の構造同士で
も格子定数に差がある場合にも応用可能な技術である。
By the way, in the world of thin film growth, when a thin layer having a thickness of about 10 nm or less is grown even if the crystal structure is different, the crystal structure becomes the same as the underlying crystal structure, and defects such as dislocations do not occur (pseudomorphic). Has been identified in many systems. Therefore, as long as one layer is sufficiently thin, a thin film with few defects can be grown even by a combination of different crystal structures by forming a superlattice structure. Therefore, it is possible to synthesize a compound having a composition in which the composition ratio of the nitride layer and the arsenide or phosphide is one-sided. In this case, in the combination of the structures having different composition ratios, the closer the bond length is, the more the occurrence of defects is reduced. The technique is also applicable to the case where the same type of structure has a difference in lattice constant.

【0015】このように本発明では、従来の方法では混
合しない組成の化合物を合成する。通常とは違う結晶構
造を実現するという点が、バンド構造の設計のための超
格子構造の利用とは大きく異なる。この方法によれば、
窒化物の性質を取り入れたGaAsやInP等の高品質
の半導体薄膜が作製可能となり、発光素子等の性能向上
に対する効果は極めて大きい。
As described above, in the present invention, a compound having a composition which is not mixed by the conventional method is synthesized. The realization of an unusual crystal structure is significantly different from the use of a superlattice structure for designing a band structure. According to this method,
A high-quality semiconductor thin film such as GaAs or InP incorporating the properties of nitride can be manufactured, and the effect of improving the performance of a light-emitting element or the like is extremely large.

【0016】従って本発明によれば、砒化物や燐化物に
窒素を混入した化合物や逆に窒化物に砒素や燐を混入し
た化合物と同じ性質の半導体薄膜が作製可能になる。こ
の薄膜を発光デバイスに使用すると発光領域の拡大にな
るばかりではなく、特に長波長の素子において活性層と
クラッド層の伝導帯側のエネルギー差が大きく取れるた
め、温度特性の大幅な向上や高出力化の効果がある。
Therefore, according to the present invention, a semiconductor thin film having the same properties as a compound obtained by mixing nitrogen into arsenide or phosphide or a compound obtained by mixing arsenic or phosphorus into nitride can be produced. When this thin film is used in a light emitting device, not only does the light emitting region become enlarged, but also in a device with a long wavelength, the energy difference between the active layer and the cladding layer on the conduction band side can be increased. It has the effect of conversion.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を図示の実施
形態によって説明する。 (第1の実施形態)図1は、本発明の第1の実施形態に
係わる超格子LDの半導体積層構造を示す図である。こ
れは、平均としてGaInNAsの性質を示すGaAs
とGaInNの超格子により形成された活性層と、Ga
AIAsのクラッド層からなるダブルヘテロ構造を持つ
LD用ウェハの例である。GaAsに少量のNを混入す
るとバンドギャップが小さくなる効果とInの導入によ
り、発振波長を1.3μm前後に設計した。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The details of the present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments. (First Embodiment) FIG. 1 is a diagram showing a semiconductor laminated structure of a superlattice LD according to a first embodiment of the present invention. This is because GaAs exhibits the properties of GaInNAs on average.
An active layer formed of a superlattice of GaInN and GaInN;
This is an example of an LD wafer having a double hetero structure composed of a cladding layer of AIAs. The oscillation wavelength was designed to be around 1.3 μm due to the effect of reducing the band gap when a small amount of N was mixed into GaAs and the introduction of In.

【0018】基板11としてn型GaAsウェハを使用
し、その上にn型GaAsバッファ層12(膜厚2μ
m、キャリア濃度3×1018cm-3)を成長した後に、
n型Ga0.7 Al0.3 Asクラッド層13(膜厚1.5
μm、キャリア濃度8×1017cm-3),活性層14,
p型Ga0.7 AI0.3 Asクラッド層15(膜厚2.5
μm、キャリア濃度1×l018cm-3),p型GaAs
層コンタクト層16(膜厚0.3μm、キャリア濃度3
×1018cm-3)を順次成長した。
An n-type GaAs wafer is used as a substrate 11, on which an n-type GaAs buffer layer 12 (having a thickness of 2 μm) is formed.
m and a carrier concentration of 3 × 10 18 cm −3 ),
n-type Ga 0.7 Al 0.3 As clad layer 13 (film thickness 1.5
μm, carrier concentration of 8 × 10 17 cm −3 ), active layer 14,
p-type Ga 0.7 AI 0.3 As clad layer 15 (film thickness 2.5
μm, carrier concentration 1 × 10 18 cm −3 ), p-type GaAs
Layer contact layer 16 (thickness 0.3 μm, carrier concentration 3
× 10 18 cm -3 ) was sequentially grown.

【0019】活性層14は、アンドープの5.6nmの
GaAs層141と0.5nmのGaInN層142の
組み合せで、厚さ100nmの超格子で形成している。
GaInN層142の部分はGa:Inを8:2としG
aAsと結合長さがほほ等しくなるように設計した。こ
れが、超格子部分の欠陥の抑制に効果的である。
The active layer 14 is a combination of an undoped 5.6 nm GaAs layer 141 and a 0.5 nm GaInN layer 142, and is formed of a 100 nm thick superlattice.
The GaInN layer 142 has a Ga: In ratio of 8: 2 and G
It was designed so that the bond length was almost equal to aAs. This is effective for suppressing defects in the superlattice portion.

【0020】各半導体層は、MOCVD法(有機金属気
相成長法)により成長した。In原料はトリメチルイン
ジウム(TMI)、Ga原料はトリエチルガリウム(T
EGa)、Al原料はトリメチルアルミニウム(TM
A)、砒素原料はアルシン(As3 )、窒素原料はモノ
メチルヒドラジンを使用した。n型のドーピングにはシ
ラン(SiH4 )、p型のドーピングにはジメチル亜鉛
(DMZ)を利用した。燐を用いる場合はフォスフィン
(PH3 )を使用する。
Each semiconductor layer was grown by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). In raw material is trimethylindium (TMI), and Ga raw material is triethylgallium (TMI).
EGa) and Al raw materials are trimethyl aluminum (TM
A), arsine (As 3 ) was used as the arsenic raw material, and monomethylhydrazine was used as the nitrogen raw material. Silane (SiH 4 ) was used for n-type doping, and dimethyl zinc (DMZ) was used for p-type doping. When using phosphorus, phosphine (PH 3 ) is used.

【0021】MOCVD法による成長は活性層14の部
分だけを III族原料とV族原料を交互に供給するALE
法(Atomic Layer Epitaxy)の手段を採用した。これに
よって、原子層レベルでの厚さ制御が可能になり、良好
な超格子が作成できる。
In the growth by MOCVD, only the portion of the active layer 14 is supplied by ALE in which a group III material and a group V material are alternately supplied.
Method (Atomic Layer Epitaxy) was adopted. Thereby, the thickness can be controlled at the atomic layer level, and a good superlattice can be formed.

【0022】このウェハを使用し、発振波長1.2μm
のストライプ幅3μmのファブリペロー型LDを作製し
た。このレーザのしきい値の特性温度(T0 )を測定し
たところ、120Kと大幅な上昇が確認された。超格子
部分のIn組成を減らし引張歪みを導入することによ
り、しきい値は15%ほど低下する。
Using this wafer, an oscillation wavelength of 1.2 μm
Of a Fabry-Perot LD having a stripe width of 3 μm. When the characteristic temperature (T 0 ) of the threshold value of the laser was measured, a large increase of 120 K was confirmed. The threshold value is reduced by about 15% by reducing the In composition of the superlattice portion and introducing tensile strain.

【0023】(第2の実施形態)図2は、本発明の第2
の実施形態に係わる超格子LDのバンド構造と超格子の
構造を示す図である。
(Second Embodiment) FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention.
It is a figure which shows the band structure of the superlattice LD and the structure of a superlattice which concern on embodiment.

【0024】本実施形態は、第1の実施形態の変形で、
活性層14に歪み量子井戸構造を導入した例である。本
実施形態の活性層14は、井戸層14aと障壁層14b
を交互に積層した3重量子井戸構造と、その両側に形成
された光ガイド層14cから構成されている。
This embodiment is a modification of the first embodiment.
This is an example in which a strained quantum well structure is introduced into the active layer 14. The active layer 14 of this embodiment includes a well layer 14a and a barrier layer 14b.
Are alternately stacked, and the light guide layers 14c formed on both sides of the triple quantum well structure.

【0025】井戸層14aは、2.5nmのGaAs層
141と0.5nmのInGaN層142を交互に積層
した第1の超格子からなり、1つの井戸層の厚さは10
nmに形成されている。障壁層14bは、2.7nmの
GaAs層141と0.3nmのInGaAs層142
を交互に積層した第2の超格子からなり、1つの障壁層
の厚さは15nmに形成されている。光ガイド層14c
は、第2の超格子と同じ構造の第3の超格子からなり、
厚さ100nmに形成されている。
The well layer 14a is composed of a first superlattice in which a GaAs layer 141 of 2.5 nm and an InGaN layer 142 of 0.5 nm are alternately laminated, and the thickness of one well layer is 10 μm.
nm. The barrier layer 14b includes a 2.7-nm GaAs layer 141 and a 0.3-nm InGaAs layer 142.
Are alternately stacked, and one barrier layer has a thickness of 15 nm. Light guide layer 14c
Consists of a third superlattice having the same structure as the second superlattice,
It is formed to a thickness of 100 nm.

【0026】本実施形態における発振波長は、量子効果
のために第1の実施形態より短波長で、約1.1μmで
ある。また、このウェハを使用し発振波長1.1μmの
ストライプ幅3μmのファブリペロー型LDを作製した
ところ、第1の実施形態と同様に、しきい値の特性温度
(T0 )の上昇が確認された。
The oscillation wavelength in this embodiment is shorter than that of the first embodiment and is about 1.1 μm due to the quantum effect. When a Fabry-Perot LD having an oscillation wavelength of 1.1 μm and a stripe width of 3 μm was manufactured using this wafer, an increase in the threshold characteristic temperature (T 0 ) was confirmed, as in the first embodiment. Was.

【0027】(第3の実施形態)図3は、本発明の第3
の実施形態に係わる超格子LDの半導体積層構造を示す
図である。
(Third Embodiment) FIG. 3 shows a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a semiconductor multilayer structure of a superlattice LD according to the embodiment.

【0028】本実施形態は、第1の実施形態の変形で、
井戸層に歪みを加えたものである。即ち、井戸層14a
の第1の超格子のGaAs部分にInを加え圧縮歪みを
導入し、第2の超格子のGaAs部分にPを加え引張歪
みを導入して、井戸層14aと障壁層14bで歪み補償
をしている。これによって、10個以上の量子井戸を形
成することが可能になる。発振波長も更に短く約1.0
μmである。
This embodiment is a modification of the first embodiment.
The strain is applied to the well layer. That is, the well layer 14a
In addition, In is added to the GaAs portion of the first superlattice to introduce a compressive strain, and P is added to the GaAs portion of the second superlattice to introduce a tensile strain, thereby compensating the strain in the well layer 14a and the barrier layer 14b. ing. This makes it possible to form ten or more quantum wells. Oscillation wavelength is shorter and about 1.0
μm.

【0029】(第4の実施形態)図4は、本発明の第4
の実施形態に係わる超格子LDの半導体積層構造を示す
図である。これは、1.5μmのレーザを構成する例で
ある。
(Fourth Embodiment) FIG. 4 shows a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a semiconductor multilayer structure of a superlattice LD according to the embodiment. This is an example of forming a 1.5 μm laser.

【0030】第1の実施形態と同様に、GaAs基板1
1上にGaAlAsクラッド層13まで形成し、その上
にGaAsに格子整合する発光波長1.2μmのInG
aAsP層171とGaInN層172の超格子を10
0nm成長し、これを活性層17としたものである。I
nGaAsP層171の厚さは5.0nm、GaInN
層172の厚さは0.9nmである。
As in the first embodiment, the GaAs substrate 1
1 is formed up to a GaAlAs cladding layer 13, and an InG layer having an emission wavelength of 1.2 μm lattice-matched to GaAs is formed thereon.
The super lattice of the aAsP layer 171 and the GaInN layer 172 is 10
The active layer 17 is grown to a thickness of 0 nm. I
The thickness of the nGaAsP layer 171 is 5.0 nm, and GaInN
Layer 172 has a thickness of 0.9 nm.

【0031】本実施形態では、超格子の部分はInGa
AsPより更にバンドギャップが広がり、発振波長1.
3〜1.6μmのLDが作製された。 (第5の実施形態)図5は、本発明の第5の実施形態に
係わる超格子LDの半導体積層構造を示す図である。こ
れは、680〜720nmのレーザを構成する例であ
る。
In this embodiment, the portion of the superlattice is InGa
The band gap is wider than AsP, and the oscillation wavelength is 1.
LDs of 3 to 1.6 μm were produced. (Fifth Embodiment) FIG. 5 is a diagram showing a semiconductor laminated structure of a superlattice LD according to a fifth embodiment of the present invention. This is an example of constructing a 680-720 nm laser.

【0032】GaAs基板11上に、n型GaAsバッ
ファ層12を介してInGaPクラッド層83を形成
し、その上にGaAsに格子整合する又は格子定数の少
し大きいInGaP層181とInGaN層182の超
格子を作り、これを活性層18としたものである。In
GaP層181の厚さは5.0nm、InGaN層18
2の厚さは0.9nmである。
An InGaP cladding layer 83 is formed on a GaAs substrate 11 with an n-type GaAs buffer layer 12 interposed therebetween, and a superlattice of an InGaP layer 181 and an InGaN layer 182 having lattice matching with GaAs or having a slightly larger lattice constant is formed thereon. And this is used as the active layer 18. In
The thickness of the GaP layer 181 is 5.0 nm,
The thickness of 2 is 0.9 nm.

【0033】(第6の実施形態)図6は、本発明の第6
の実施形態に係わる超格子LDの半導体積層構造を示す
図である。これは、第1の実施形態の構造を簡単にし、
発振波長を短くした例である。
(Sixth Embodiment) FIG. 6 shows a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a semiconductor multilayer structure of a superlattice LD according to the embodiment. This simplifies the structure of the first embodiment,
This is an example in which the oscillation wavelength is shortened.

【0034】GaAs基板11上に、n型GaAsバッ
ファ層12を介してn型GaAsクラッド層93を形成
し、その上にGaAs層191とGaN層192の超格
子を成長し活性層19を形成している。GaAs層19
1の厚さは4.0nm、GaN層192の厚さは0.7
nmである。
An n-type GaAs cladding layer 93 is formed on a GaAs substrate 11 with an n-type GaAs buffer layer 12 interposed therebetween, and a superlattice of a GaAs layer 191 and a GaN layer 192 is grown thereon to form an active layer 19. ing. GaAs layer 19
1 has a thickness of 4.0 nm, and the GaN layer 192 has a thickness of 0.7
nm.

【0035】本実施形態では、Nの混入効果により長波
長化するためにGaAsをクラッドとして利用でき、そ
の製造が容易になる。発振波長は0.95〜1.0μm
で実用に適している。
In the present embodiment, GaAs can be used as the cladding to increase the wavelength due to the effect of the incorporation of N, which facilitates its manufacture. Oscillation wavelength is 0.95 to 1.0 μm
Suitable for practical use.

【0036】(第7の実施形態)図7は、本発明の第7
の実施形態に係わる超格子LEDの半導体積層構造を示
す図である。本実施形態は、これまでの窒素の混入によ
りバンドギャップが小さくなった例と逆に、バンドギャ
ップが大きくなる効果を利用した例である。
(Seventh Embodiment) FIG. 7 shows a seventh embodiment of the present invention.
It is a figure showing the semiconductor lamination structure of the super lattice LED concerning an embodiment. This embodiment is an example in which the effect of increasing the band gap is used, contrary to the conventional example in which the band gap is reduced by mixing nitrogen.

【0037】窒素の混入量がある程度大きくなれば、バ
ンドギャップは元の砒化物や燐化物より大きくなる。こ
の効果を利用して第1の超格子21でクラッド層を形成
し、第2の超格子22で活性層を形成する。
If the amount of nitrogen is increased to some extent, the band gap becomes larger than that of the original arsenide or phosphide. By utilizing this effect, a cladding layer is formed by the first superlattice 21 and an active layer is formed by the second superlattice 22.

【0038】第1の超格子21は3nmのInGaP層
211と1.5nmのGaN層212からなり、第2の
超格子22は4nmのInGaP層221と1nmのG
aN層222からなる。発光波長は、InGaPの波長
より短い570nmで、緑色LEDに利用できる。
The first superlattice 21 is composed of a 3 nm InGaP layer 211 and a 1.5 nm GaN layer 212, and the second superlattice 22 is composed of a 4 nm InGaP layer 221 and a 1 nm GGaP layer.
An aN layer 222 is formed. The emission wavelength is 570 nm, which is shorter than the wavelength of InGaP, and can be used for green LEDs.

【0039】(第8の実施形態)図8は、本発明の第8
の実施形態に係わる超格子LDの半導体積層構造を示す
図である。これは、これまでとは逆に窒化物にAsを混
入した形の超格子を利用した例である。
(Eighth Embodiment) FIG. 8 shows an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a semiconductor multilayer structure of a superlattice LD according to the embodiment. This is an example of using a superlattice in which As is mixed into a nitride, which is contrary to the conventional case.

【0040】GaAs基板11上に600℃程度の温度
で0.1nm/hrという遅い成長速度でGaNを成長
とすると、ダイヤモンド構造をとる。これとGaAsを
組み合わせることにより、安定した立方晶GaNが実現
する。
When GaN is grown on the GaAs substrate 11 at a temperature of about 600 ° C. and at a low growth rate of 0.1 nm / hr, a diamond structure is formed. By combining this with GaAs, stable cubic GaN is realized.

【0041】クラッドを形成する第1の超格子31は、
3nmのGaN層311と1nmのGaAs312と
し、活性層を形成する第2の超格子32は、2nmのG
aN層321と1nmのGaAs層322とした。これ
により、第7の実施形態よりさらに短波長の530nm
の発光が得られる。
The first superlattice 31 forming the cladding is
The GaN layer 311 of 3 nm and the GaAs 312 of 1 nm are used.
An aN layer 321 and a 1 nm GaAs layer 322 were used. Thereby, the wavelength of 530 nm which is shorter than that of the seventh embodiment is obtained.
Is obtained.

【0042】各層の成長は、窒素のプラズマソースを備
えた分子線エピタキシー(MBE)装置を使用した。 (第9の実施形態)図9は、本発明の第9の実施形態に
係わる超格子LDの半導体積層構造を示す図である。こ
れは、InP基板に1.5〜3μmの赤外で発振する素
子を形成した例である。
Each layer was grown using a molecular beam epitaxy (MBE) apparatus equipped with a plasma source of nitrogen. (Ninth Embodiment) FIG. 9 is a view showing a semiconductor laminated structure of a superlattice LD according to a ninth embodiment of the present invention. This is an example in which an element oscillating at 1.5 to 3 μm in the infrared region is formed on an InP substrate.

【0043】InP基板上41にInPクラッド層42
を成長し、2.5nmのInGaAs層441と0.5
nmのInGaN層442からなる100nmの超格子
活性層44を成長した。
An InP cladding layer 42 is formed on an InP substrate 41.
Is grown, and a 2.5 nm InGaAs layer 441 and 0.5
A 100 nm superlattice active layer 44 composed of a 100 nm InGaN layer 442 was grown.

【0044】本実施形態では、InGaAs層441は
InPと格子整合をとっているため、発振波長はこれま
でのInGaAsP系半導体より長くなっている。 (第10の実施形態)図10は、本発明の第10の実施
形態に係わる超格子LDの半導体積層構造を示す図であ
る。これは、GaP基板を利用した例である。
In this embodiment, since the InGaAs layer 441 is lattice-matched with InP, the oscillation wavelength is longer than that of the conventional InGaAsP-based semiconductor. (Tenth Embodiment) FIG. 10 is a diagram showing a semiconductor laminated structure of a superlattice LD according to a tenth embodiment of the present invention. This is an example using a GaP substrate.

【0045】GaP基板51上にGaPクラッド層52
を成長し、1.5nmのGaP層541と0.7nmの
GaN層542からなる短周期の超格子54を250n
m作製する。
A GaP cladding layer 52 is formed on a GaP substrate 51.
Is grown to form a short-period superlattice 54 composed of a 1.5-nm GaP layer 541 and a 0.7-nm GaN layer 542 for 250 n.
m.

【0046】本実施形態では、Nの混入によりGaPの
波長より長い580nmで発光するLEDが作製され
る。Nの混入によりGaPNのバンドが直接遷移型に近
づき、発光効率が従来のNドープGaPのLEDより高
い。クラッド層52がGaPで済むという長所がある。
In this embodiment, an LED that emits light at 580 nm longer than the wavelength of GaP is produced by mixing N. Due to the incorporation of N, the GaPN band approaches the direct transition type, and the luminous efficiency is higher than that of the conventional N-doped GaP LED. There is an advantage that the cladding layer 52 can be made of GaP.

【0047】(第11の実施形態)図11は、本発明の
第11の実施形態に係わる超格子LDの半導体積層構造
を示す図である。これは、シリコン基板を使用した例で
ある。
(Eleventh Embodiment) FIG. 11 is a view showing a semiconductor laminated structure of a superlattice LD according to an eleventh embodiment of the present invention. This is an example using a silicon substrate.

【0048】GaPNはシリコンと格子整合するためシ
リコン上のへテロエピタキシーが比較的容易に行える。
シリコン基板61上に低温成長したGaPバッファ層6
2を成長し、その上に1.5nmのGaP層641と
0.5nmのGaN層642からなる第1の超格子64
を形成してクラッド層とし、1.5nmのGaP層67
1と0.7nmのGaN層672からなる第2の超格子
67を形成して活性層とした。
Since GaPN lattice-matches with silicon, heteroepitaxy on silicon can be performed relatively easily.
GaP buffer layer 6 grown at low temperature on silicon substrate 61
And a first superlattice 64 comprising a 1.5 nm GaP layer 641 and a 0.5 nm GaN layer 642 thereon.
Is formed as a cladding layer, and a 1.5 nm GaP layer 67 is formed.
A second superlattice 67 composed of a 1 and 0.7 nm GaN layer 672 was formed to form an active layer.

【0049】(第12の実施形態)図12は、本発明の
第12の実施形態に係わる超格子LDの半導体積層構造
を示す図である。これは、第11の実施形態を改良した
例である。
(Twelfth Embodiment) FIG. 12 is a view showing a semiconductor laminated structure of a superlattice LD according to a twelfth embodiment of the present invention. This is an example in which the eleventh embodiment is improved.

【0050】活性層を形成する第2の超格子をGaAs
層741とGaN層742の超格子74にする。クラッ
ド層はGaPバッファ層62が兼ねている。本実施形態
の場合、発光波長は0.9〜1.1μmと長くなるが、
活性層74のバンドが完全に直接遷移型になるので効率
が一桁以上高く、クラッド層62とのバンドギャッブ差
も大きく取れるので、温度特性が高いLDがシリコン基
板上に作製できる。
The second superlattice forming the active layer is made of GaAs.
The layer 741 and the GaN layer 742 form a superlattice 74. The GaP buffer layer 62 also serves as the cladding layer. In the case of the present embodiment, the emission wavelength is as long as 0.9 to 1.1 μm,
Since the band of the active layer 74 is completely of a direct transition type, the efficiency is higher by one digit or more, and the band gap difference with the cladding layer 62 can be made large, so that an LD with high temperature characteristics can be manufactured on a silicon substrate.

【0051】なお、本発明は上述した各実施形態に限定
されるものではない。窒化物と燐及び砒化物のように混
ざりにくい混合物の組み合せ全てに適用可能である。実
施形態ではLD又はLEDに適用した場合を説明した
が、光半導体素子に限らず各種の電子デバイスに適用可
能である。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、
種々の変形して実施することができる。
The present invention is not limited to the above embodiments. It is applicable to all combinations of nitrides and mixtures that are difficult to mix, such as phosphorus and arsenide. In the embodiment, the case where the present invention is applied to an LD or an LED has been described. However, the present invention is not limited to an optical semiconductor element and can be applied to various electronic devices. In addition, without departing from the gist of the present invention,
Various modifications can be made.

【0052】[0052]

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば,窒素
を含むV族元素及び III族元素からなる第1の化合物層
と、窒素を含まないV族元素及び III族元素からなる第
2の化合物層とを交互に積層して、超格子構造を形成す
ることにより、従来作製できなかった窒化物と燐及び砒
化物の化合物半導体と同等の化合物薄膜が成長可能にな
る。このため、新規な発光素子や電子デバイスへの応用
が期待でき、その有用性は大である。
As described above, according to the present invention, the first compound layer composed of the group V element and the group III element containing nitrogen and the second compound layer composed of the group V element and the group III element containing no nitrogen are included. Are alternately stacked to form a superlattice structure, whereby a compound thin film equivalent to a nitride, phosphorus and arsenide compound semiconductor, which could not be produced conventionally, can be grown. Therefore, application to new light emitting elements and electronic devices can be expected, and its usefulness is great.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】第1の実施形態に係わる超格子LDの半導体積
層構造を示す図。
FIG. 1 is a view showing a semiconductor laminated structure of a superlattice LD according to a first embodiment.

【図2】第2の実施形態に係わる超格子LDのバンド構
造と超格子の構造を示す図。
FIG. 2 is a diagram showing a band structure of a superlattice LD and a structure of a superlattice according to a second embodiment.

【図3】第3の実施形態に係わる超格子LDの半導体積
層構造を示す図。
FIG. 3 is a diagram showing a semiconductor laminated structure of a superlattice LD according to a third embodiment.

【図4】第4の実施形態に係わる超格子LDの半導体積
層構造を示す図。
FIG. 4 is a diagram showing a semiconductor multilayer structure of a superlattice LD according to a fourth embodiment.

【図5】第5の実施形態に係わる超格子LDの半導体積
層構造を示す図。
FIG. 5 is a diagram showing a semiconductor multilayer structure of a superlattice LD according to a fifth embodiment.

【図6】第6の実施形態に係わる超格子LDの半導体積
層構造を示す図。
FIG. 6 is a diagram showing a semiconductor multilayer structure of a superlattice LD according to a sixth embodiment.

【図7】第7の実施形態に係わる超格子LEDの半導体
積層構造を示す図。
FIG. 7 is a view showing a semiconductor laminated structure of a super lattice LED according to a seventh embodiment.

【図8】第8の実施形態に係わる超格子LDの半導体積
層構造を示す図。
FIG. 8 is a diagram showing a semiconductor multilayer structure of a superlattice LD according to an eighth embodiment.

【図9】第9の実施形態に係わる超格子LDの半導体積
層構造を示す図。
FIG. 9 is a view showing a semiconductor multilayer structure of a superlattice LD according to a ninth embodiment.

【図10】第10の実施形態に係わる超格子LDの半導
体積層構造を示す図。
FIG. 10 is a diagram showing a semiconductor laminated structure of a superlattice LD according to a tenth embodiment.

【図11】第11の実施形態に係わる超格子LDの半導
体積層構造を示す図。
FIG. 11 is a diagram showing a semiconductor multilayer structure of a superlattice LD according to an eleventh embodiment.

【図12】第12の実施形態に係わる超格子LDの半導
体積層構造を示す図。
FIG. 12 is a diagram showing a semiconductor multilayer structure of a superlattice LD according to a twelfth embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11…n型GaAs基板 12…n型GaAsバッファ層 13…n型GaAlAsクラッド層 14…活性層 15…p型GaAlAsクラッド層 16…p型GaAsコンタクト層 17…InGaAsPとInGaNの超格子からなる活
性層 18…InGaPとInGaNの超格子からなる活性層 19…GaAsとGaNの超格子からなる活性層 21…InGaPとGaNからなるクラッド層 22…InGaPとGaNからなる活性層 31…GaNとGaAsからなるクラッド層 32…GaNとGaAsからなる活性層 41…InP基板 42…InPクラッド層 44…InGaAsとInGaNの超格子からなる活性
層 51…GaP基板 52…GaPクラッド層 54…GaPとGaNの超格子からなる活性層 61…Si基板 62…GaPバッフア層 64…GaPとGaNの超格子からなるクラッド層 67…GaPとGaNの超格子からなる活性層 74…GaAsとGaNの超格子からなる活性層 83…InGaPクラッド層 93…GaAsクラッド層 141,191,741…超格子の一部のGaAs層
(第2の化合物層) 142,182,442…超格子の一部のInGaN層
(第1の化合物層) 181,211,221…超格子の一部のInGaP層
(第2の化合物層) 192,212,222…超格子の一部のGaN(第1
の化合物層) 441…超格子の一部のInGaAs層(第2の化合物
層) 541,641,671…超格子の一部のGaP層(第
2の化合物層) 542,642,672,742…超格子の一部のGa
N層(第1の化合物層)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... n-type GaAs substrate 12 ... n-type GaAs buffer layer 13 ... n-type GaAlAs clad layer 14 ... active layer 15 ... p-type GaAlAs clad layer 16 ... p-type GaAs contact layer 17 ... Active layer consisting of a superlattice of InGaAsP and InGaN Reference Signs List 18 active layer composed of InGaP and InGaN superlattices 19 active layer composed of GaAs and GaN superlattices 21 cladding layer composed of InGaP and GaN 22 active layer composed of InGaP and GaN 31 cladding composed of GaN and GaAs Layer 32: Active layer composed of GaN and GaAs 41: InP substrate 42: InP clad layer 44: Active layer composed of a superlattice of InGaAs and InGaN 51: GaP substrate 52: GaP clad layer 54: composed of a superlattice of GaP and GaN Active layer 61 ... Si substrate 62 ... G P buffer layer 64: cladding layer composed of GaP and GaN superlattices 67: active layer composed of GaP and GaN superlattices 74: active layer composed of GaAs and GaN superlattices 83: InGaP cladding layer 93: GaAs cladding layer 141 , 191, 741... A part of the GaAs layer (second compound layer) of the superlattice 142, 182, 442... A part of the InGaN layer (first compound layer) 181, 211, 221. Part of InGaP layer (second compound layer) 192, 212, 222...
441: a part of the superlattice InGaAs layer (second compound layer) 541, 641, 671 ... a part of the superlattice GaP layer (second compound layer) 542, 642, 672, 742 ... Some Ga in the superlattice
N layer (first compound layer)

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】単結晶基板上にIII-V族化合物半導体から
なる複数の半導体薄膜が積層された化合物半導体素子に
おいて、 前記複数の半導体薄膜の少なくとも一部は、窒素を含む
V族元素及び III族元素からなる第1の化合物層と、窒
素を含まないV族元素及び III族元素からなる第2の化
合物層とを交互に積層してなり、 第1及び第2の化合物層のうち、前記基板と格子定数の
遠い方を前記基板と格子定数の近い方よりも薄く形成し
てなることを特徴とする化合物半導体素子。
1. A compound semiconductor device in which a plurality of semiconductor thin films made of a group III-V compound semiconductor are stacked on a single crystal substrate, wherein at least a part of the plurality of semiconductor thin films includes a group V element containing nitrogen and a group III element. A first compound layer made of a group III element and a second compound layer made of a group V element and a group III element that do not contain nitrogen are alternately laminated; A compound semiconductor device wherein a portion farther from the substrate and the lattice constant is formed thinner than a portion closer to the substrate and the lattice constant.
【請求項2】第1及び第2の化合物層のうち、膜厚の薄
い方は5nm以下であることを特徴とする請求項1記載
の化合物半導体素子。
2. The compound semiconductor device according to claim 1, wherein a thinner one of the first and second compound layers has a thickness of 5 nm or less.
【請求項3】前記基板はGaAs又はInPであり、第
1の化合物層を第2の化合物層よりも薄く形成したこと
を特徴とする請求項1又は2記載の化合物半導体素子。
3. The compound semiconductor device according to claim 1, wherein said substrate is made of GaAs or InP, and said first compound layer is formed thinner than said second compound layer.
【請求項4】前記基板はGaP又はSiであり、第2の
化合物層を第1の化合物層よりも薄く形成したことを特
徴とする請求項1又は2記載の化合物半導体素子。
4. The compound semiconductor device according to claim 1, wherein said substrate is made of GaP or Si, and said second compound layer is formed thinner than said first compound layer.
【請求項5】第1の化合物層はAlv Gaw In1-v-w
N(0≦v,w≦1)であり、第2の化合物層はAlx
Gay In1-x-y Asz1-z (0≦x,y,z≦1)
であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載
の化合物半導体素子。
5. The first compound layer is formed of Al v G aw In 1-vw.
N (0 ≦ v, w ≦ 1), and the second compound layer is Al x
Ga y In 1-xy As z P 1-z (0 ≦ x, y, z ≦ 1)
The compound semiconductor device according to claim 1, wherein
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000114594A (en) * 1998-10-06 2000-04-21 Toshiba Corp Semiconductor light emitting device
JP2001313418A (en) * 2000-04-28 2001-11-09 Furukawa Electric Co Ltd:The GaN-BASED LIGHT-EMITTING ELEMENT AND ITS CREATION METHOD
JP2010021430A (en) * 2008-07-11 2010-01-28 Sumitomo Electric Ind Ltd Semiconductor photonic element

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