JPH1056236A - ３族窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents
３族窒化物半導体レーザ素子Info
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- JPH1056236A JPH1056236A JP22789096A JP22789096A JPH1056236A JP H1056236 A JPH1056236 A JP H1056236A JP 22789096 A JP22789096 A JP 22789096A JP 22789096 A JP22789096 A JP 22789096A JP H1056236 A JPH1056236 A JP H1056236A
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- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
- H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
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- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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Abstract
(57)【要約】
【課題】活性層においてキャリアを十分に閉じ込めてレ
ーザの出力を向上させること。 【解決手段】In0.2Ga0.8N/GaN の単一量子井戸構造の活
性層５の両側を活性層５よりも禁制帯幅の広いGaN のガ
イド層４１、６２で挟み、さらに、両側からAl0.08Ga
0.92N から成るクラッド層４、７１で挟み込み、キャリ
アの閉じ込めと光の閉じ込めとを分離させたレーザ素子
において、ガイド層４１、６２の厚さの一部において、
そのガイド層４１、６２の禁制帯幅よりも、より広い禁
制帯幅を有するAl0.15Ga0.75N から成るストッパ層４
２、６１を形成した。
ーザの出力を向上させること。 【解決手段】In0.2Ga0.8N/GaN の単一量子井戸構造の活
性層５の両側を活性層５よりも禁制帯幅の広いGaN のガ
イド層４１、６２で挟み、さらに、両側からAl0.08Ga
0.92N から成るクラッド層４、７１で挟み込み、キャリ
アの閉じ込めと光の閉じ込めとを分離させたレーザ素子
において、ガイド層４１、６２の厚さの一部において、
そのガイド層４１、６２の禁制帯幅よりも、より広い禁
制帯幅を有するAl0.15Ga0.75N から成るストッパ層４
２、６１を形成した。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は３族窒化物半導体を
用いた半導体レーザ素子に関する。特に、レーザの発振
効率を向上させた素子に関する。
用いた半導体レーザ素子に関する。特に、レーザの発振
効率を向上させた素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、青色や短波長領域のレーザ素子の
材料としてAlGaInN 系の化合物半導体を用いたものが知
られている。その化合物半導体は直接遷移型であること
から発光効率が高いこと、光の３原色の１つである青色
及び緑色を発光色とすること等から注目されている。
材料としてAlGaInN 系の化合物半導体を用いたものが知
られている。その化合物半導体は直接遷移型であること
から発光効率が高いこと、光の３原色の１つである青色
及び緑色を発光色とすること等から注目されている。
【０００３】AlGaInN 系半導体においても、Mgをドープ
して電子線を照射したり、熱処理によりｐ型化できる。
この結果、AlGaN のｐ伝導型のクラッド層と、InGaN の
活性層と、GaN のｎ層とを用いたダブルヘテロ構造を有
するレーザ素子が提案されている。又、レーザ素子にお
いては、薄い層に光を閉じ込めることが困難なことか
ら、キャリアの閉じ込め領域と光の閉じ込め領域とを分
離させたＳＣＨ(separate confinement heterostructur
e)構造が知られている。即ち、活性層をその両側からガ
イド層で挟み、さらに、その外側からクラッド層で挟ん
だ構造として、活性層にキャリアを閉じ込め、ガイド層
と活性層に光を閉じ込めるようにしている。
して電子線を照射したり、熱処理によりｐ型化できる。
この結果、AlGaN のｐ伝導型のクラッド層と、InGaN の
活性層と、GaN のｎ層とを用いたダブルヘテロ構造を有
するレーザ素子が提案されている。又、レーザ素子にお
いては、薄い層に光を閉じ込めることが困難なことか
ら、キャリアの閉じ込め領域と光の閉じ込め領域とを分
離させたＳＣＨ(separate confinement heterostructur
e)構造が知られている。即ち、活性層をその両側からガ
イド層で挟み、さらに、その外側からクラッド層で挟ん
だ構造として、活性層にキャリアを閉じ込め、ガイド層
と活性層に光を閉じ込めるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
なＳＣＨ構造で、さらに、レーザ出力を増加させるため
には、活性層へのキャリアの注入量を増加させる必要が
あるが、この場合、キャリアを薄い活性層に十分に閉じ
込めることができなくなり、キャリアがガイド層にオー
バフローして、レーザ出力を高出力とすることができな
いという問題がある。
なＳＣＨ構造で、さらに、レーザ出力を増加させるため
には、活性層へのキャリアの注入量を増加させる必要が
あるが、この場合、キャリアを薄い活性層に十分に閉じ
込めることができなくなり、キャリアがガイド層にオー
バフローして、レーザ出力を高出力とすることができな
いという問題がある。
【０００５】そこで本発明の目的は、活性層においてキ
ャリアを十分に閉じ込めてレーザの出力を向上させるこ
とである。
ャリアを十分に閉じ込めてレーザの出力を向上させるこ
とである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、３族
窒化物半導体により形成され、活性層の両側を活性層よ
りも禁制帯幅の広いガイド層で挟み、さらに、両側から
クラッド層で挟み込み、キャリアの閉じ込めと光の閉じ
込めとを分離させたＳＣＨ構造のレーザ素子において、
ガイド層の厚さの一部において、そのガイド層の禁制帯
幅よりも、より広い禁制帯幅を有する混晶比の３族窒化
物半導体から成るストッパ層を形成したことを特徴とす
る。このストッパ層が活性層の両側に存在することか
ら、活性層に注入されたキャリアの閉じ込め効果が高く
なり、レーザ出力が向上する。
窒化物半導体により形成され、活性層の両側を活性層よ
りも禁制帯幅の広いガイド層で挟み、さらに、両側から
クラッド層で挟み込み、キャリアの閉じ込めと光の閉じ
込めとを分離させたＳＣＨ構造のレーザ素子において、
ガイド層の厚さの一部において、そのガイド層の禁制帯
幅よりも、より広い禁制帯幅を有する混晶比の３族窒化
物半導体から成るストッパ層を形成したことを特徴とす
る。このストッパ層が活性層の両側に存在することか
ら、活性層に注入されたキャリアの閉じ込め効果が高く
なり、レーザ出力が向上する。
【０００７】請求項２の発明では、ストッパ層を活性層
に接して形成しているので、活性層におけるキャリアの
閉じ込めがより効率良く行われる。又、請求項３では、
ストッパ層がガイド層の中に形成することで、キャリア
を閉じ込める領域を任意に設定できる。
に接して形成しているので、活性層におけるキャリアの
閉じ込めがより効率良く行われる。又、請求項３では、
ストッパ層がガイド層の中に形成することで、キャリア
を閉じ込める領域を任意に設定できる。
【０００８】請求項４の発明では、ストッパ層の厚さを
５０〜５００Åとすることで、キャリアの閉じ込めを効
率良く行うことができる。さらに、請求項５の発明で
は、活性層を単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造と
したために、レーザの出力を向上させることができる。
又、請求項６の発明では、３族窒化物半導体を、一般式
(Al x Ga1-x ) y In1-y N;0 ≦x ≦1,0 ≦y ≦1 を満た
す半導体とすることで、短波長から長波長に渡るレーザ
を得ることができる。
５０〜５００Åとすることで、キャリアの閉じ込めを効
率良く行うことができる。さらに、請求項５の発明で
は、活性層を単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造と
したために、レーザの出力を向上させることができる。
又、請求項６の発明では、３族窒化物半導体を、一般式
(Al x Ga1-x ) y In1-y N;0 ≦x ≦1,0 ≦y ≦1 を満た
す半導体とすることで、短波長から長波長に渡るレーザ
を得ることができる。
【０００９】請求項７の発明では、活性層をInx1Ga1-x1
N; 0≦x1≦1 、ストッパ層をAlx2Ga1-x2N;0.1 ≦x2≦0.
3 で構成することで、活性層の禁制帯幅よりも禁制帯幅
の広いストッパ層で活性層を挟むことができ、短波長か
ら長波長のレーザ出力を向上させることができる。
N; 0≦x1≦1 、ストッパ層をAlx2Ga1-x2N;0.1 ≦x2≦0.
3 で構成することで、活性層の禁制帯幅よりも禁制帯幅
の広いストッパ層で活性層を挟むことができ、短波長か
ら長波長のレーザ出力を向上させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施例に
基づいて説明する。なお本発明は下記実施例に限定され
るものではない。図１は本願実施例のレーザ素子100 の
全体図を示す。レーザ素子100 は、サファイア基板１を
有しており、そのサファイア基板１上に0.05μｍのAlN
バッファ層２が形成されている。
基づいて説明する。なお本発明は下記実施例に限定され
るものではない。図１は本願実施例のレーザ素子100 の
全体図を示す。レーザ素子100 は、サファイア基板１を
有しており、そのサファイア基板１上に0.05μｍのAlN
バッファ層２が形成されている。
【００１１】そのバッファ層２の上には、膜厚約4.0 μ
ｍ、電子濃度2 ×1018/cm3のシリコン(Si)ドープGaN か
ら成る高キャリア濃度ｎ+ 層３が形成され、そのｎ+ 層
３の上には、膜厚約1 μｍ、電子濃度5 ×1017/cm3のシ
リコン(Si)ドープのn-Al0.08Ga0.92N から成るクラッド
層４が形成されている。クラッド層４の上には、膜厚約
0.1 μm 、電子濃度5 ×1017/cm3のシリコン(Si)ドープ
のn-GaN から成るガイド層４１が形成され、そのガイド
層４１の上には、膜厚約 200Å、電子濃度5 ×1017/cm3
のシリコン(Si)ドープのn-Al0.15Ga0.85N から成るスト
ッパ層４２が形成されている。
ｍ、電子濃度2 ×1018/cm3のシリコン(Si)ドープGaN か
ら成る高キャリア濃度ｎ+ 層３が形成され、そのｎ+ 層
３の上には、膜厚約1 μｍ、電子濃度5 ×1017/cm3のシ
リコン(Si)ドープのn-Al0.08Ga0.92N から成るクラッド
層４が形成されている。クラッド層４の上には、膜厚約
0.1 μm 、電子濃度5 ×1017/cm3のシリコン(Si)ドープ
のn-GaN から成るガイド層４１が形成され、そのガイド
層４１の上には、膜厚約 200Å、電子濃度5 ×1017/cm3
のシリコン(Si)ドープのn-Al0.15Ga0.85N から成るスト
ッパ層４２が形成されている。
【００１２】そして、そのストッパ層４２の上には、膜
厚50ÅのGaN から成るバリア層５１と膜厚50ÅのIn0.2G
a0.8N から成る井戸層５２と膜厚50ÅのGaN から成るバ
リア層５３とで構成された単一量子井戸構造（ＳＱＷ）
の活性層５が形成され、その活性層５の上には、膜厚約
200Å、ホール濃度 2×1017/cm3、マグネシウム（Mg)
濃度 5×1019/cm3のp-Al0.15Ga0.85N から成るストッパ
層６１が形成されている。さらに、ストッパ層６１の上
には、膜厚約0.1 μm 、ホール濃度 2×1017/cm3、マグ
ネシウム（Mg) 濃度 5×1019/cm3のp-GaN から成るガイ
ド層６２が形成されており、そのガイド層６２の上に
は、膜厚約 1μｍ、ホール濃度 2×1017/cm3、マグネシ
ウム（Mg) 濃度 5×1019/cm3のp-Al0.08Ga0.92N から成
るクラッド層７１が形成されている。
厚50ÅのGaN から成るバリア層５１と膜厚50ÅのIn0.2G
a0.8N から成る井戸層５２と膜厚50ÅのGaN から成るバ
リア層５３とで構成された単一量子井戸構造（ＳＱＷ）
の活性層５が形成され、その活性層５の上には、膜厚約
200Å、ホール濃度 2×1017/cm3、マグネシウム（Mg)
濃度 5×1019/cm3のp-Al0.15Ga0.85N から成るストッパ
層６１が形成されている。さらに、ストッパ層６１の上
には、膜厚約0.1 μm 、ホール濃度 2×1017/cm3、マグ
ネシウム（Mg) 濃度 5×1019/cm3のp-GaN から成るガイ
ド層６２が形成されており、そのガイド層６２の上に
は、膜厚約 1μｍ、ホール濃度 2×1017/cm3、マグネシ
ウム（Mg) 濃度 5×1019/cm3のp-Al0.08Ga0.92N から成
るクラッド層７１が形成されている。
【００１３】さらに、クラッド層７１の上には、順次、
膜厚約200 ｎｍ，ホール濃度 3×1017/cm3、マグネシウ
ム（Mg) 濃度 5×1019/cm3のp-GaN から成る第１コンタ
クト層７２、膜厚約100 ｎｍ，ホール濃度 6×1017/c
m3、マグネシウム（Mg) 濃度 1×1020/cm3の p+ -GaNか
ら成る第２コンタクト層７３が形成されている。そし
て、第２コンタクト層７３上にSiO2から成る絶縁膜１０
が形成され、その絶縁膜１０の一部に開けられた窓にNi
/Au の２重層からなる電極９が形成されている。一方、
ｎ+ 層３上にはAlから成る電極８が形成されている。
膜厚約200 ｎｍ，ホール濃度 3×1017/cm3、マグネシウ
ム（Mg) 濃度 5×1019/cm3のp-GaN から成る第１コンタ
クト層７２、膜厚約100 ｎｍ，ホール濃度 6×1017/c
m3、マグネシウム（Mg) 濃度 1×1020/cm3の p+ -GaNか
ら成る第２コンタクト層７３が形成されている。そし
て、第２コンタクト層７３上にSiO2から成る絶縁膜１０
が形成され、その絶縁膜１０の一部に開けられた窓にNi
/Au の２重層からなる電極９が形成されている。一方、
ｎ+ 層３上にはAlから成る電極８が形成されている。
【００１４】次に、この構造の半導体素子の製造方法に
ついて説明する。上記レーザ素子100 は、有機金属気相
成長法（以下ＭＯＶＰＥ）による気相成長により製造さ
れた。用いられたガスは、アンモニア(NH3) 、キャリア
ガス（H2）、トリメチルガリウム(Ga(CH3)3)（以下「TM
G 」と記す) 、トリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)（以
下「TMA 」と記す) 、トリメチルインジウム(In(CH3)3)
（以下「TMI 」と記す) 、シラン(SiH4)とシクロペンタ
ジエニルマグネシウム(Mg(C5H5)2)(以下「CP2Mg 」と記
す）である。
ついて説明する。上記レーザ素子100 は、有機金属気相
成長法（以下ＭＯＶＰＥ）による気相成長により製造さ
れた。用いられたガスは、アンモニア(NH3) 、キャリア
ガス（H2）、トリメチルガリウム(Ga(CH3)3)（以下「TM
G 」と記す) 、トリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)（以
下「TMA 」と記す) 、トリメチルインジウム(In(CH3)3)
（以下「TMI 」と記す) 、シラン(SiH4)とシクロペンタ
ジエニルマグネシウム(Mg(C5H5)2)(以下「CP2Mg 」と記
す）である。
【００１５】まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄した
ａ面を主面とした単結晶のサファイア基板１をM0VPE 装
置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常
圧でH2を流速2 liter/分で約30分間反応室に流しながら
温度1100℃でサファイア基板１をベーキングした。
ａ面を主面とした単結晶のサファイア基板１をM0VPE 装
置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常
圧でH2を流速2 liter/分で約30分間反応室に流しながら
温度1100℃でサファイア基板１をベーキングした。
【００１６】次に、温度を 400℃まで低下させて、H2を
20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMA を 1.8×10-5
モル／分で約90秒間供給してAlN のバッファ層２を約0.
05μｍの厚さに形成した。次に、サファイア基板１の温
度を1150℃に保持し、H2を20liter／分、NH3 を10 lite
r／分、TMG を 1.7×10-4モル／分、H2ガスにより0.86p
pm に希釈されたシランを20×10-8モル／分で40分導入
し、膜厚約4.0 μｍ、電子濃度 1×1018/cm3、シリコン
濃度 4×1018/cm3のシリコン(Si)ドープGaN から成る高
キャリア濃度ｎ+ 層３を形成した。
20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMA を 1.8×10-5
モル／分で約90秒間供給してAlN のバッファ層２を約0.
05μｍの厚さに形成した。次に、サファイア基板１の温
度を1150℃に保持し、H2を20liter／分、NH3 を10 lite
r／分、TMG を 1.7×10-4モル／分、H2ガスにより0.86p
pm に希釈されたシランを20×10-8モル／分で40分導入
し、膜厚約4.0 μｍ、電子濃度 1×1018/cm3、シリコン
濃度 4×1018/cm3のシリコン(Si)ドープGaN から成る高
キャリア濃度ｎ+ 層３を形成した。
【００１７】次に、サファイア基板１の温度を1100℃に
保持し、N2又はH2を10 liter／分、NH3 を 10liter／
分、TMG を1.12×10-4モル／分、TMA を0.47×10-4モル
／分、及び、H2ガスにより0.86ppm に希釈されたシラン
を10×10-9mol/分で、60分供給して、膜厚約1 μｍ、濃
度1 ×1018/cm3のシリコンドープのn-Al0.08Ga0.92N か
ら成るクラッド層４を形成した。
保持し、N2又はH2を10 liter／分、NH3 を 10liter／
分、TMG を1.12×10-4モル／分、TMA を0.47×10-4モル
／分、及び、H2ガスにより0.86ppm に希釈されたシラン
を10×10-9mol/分で、60分供給して、膜厚約1 μｍ、濃
度1 ×1018/cm3のシリコンドープのn-Al0.08Ga0.92N か
ら成るクラッド層４を形成した。
【００１８】上記のクラッド層４を形成した後、続いて
温度を1100°C に保持し、H2を20 liter／分、NH3 を10
liter／分、TMG を 1.12 ×10-4モル／分、H2ガスによ
り0.86ppm に希釈されたシランを10×10-9モル／分で 5
分導入し、膜厚約0.1 μｍ、電子濃度 5×1017/cm3、シ
リコン濃度 1×1018/cm3のn-GaN から成るガイド層４１
を形成した。
温度を1100°C に保持し、H2を20 liter／分、NH3 を10
liter／分、TMG を 1.12 ×10-4モル／分、H2ガスによ
り0.86ppm に希釈されたシランを10×10-9モル／分で 5
分導入し、膜厚約0.1 μｍ、電子濃度 5×1017/cm3、シ
リコン濃度 1×1018/cm3のn-GaN から成るガイド層４１
を形成した。
【００１９】次に、サファイア基板１の温度を1100℃に
保持し、N2又はH2を10 liter／分、NH3 を 10liter／
分、TMG を2.24×10-4モル／分、TMA を0.24×10-4モル
／分、及び、H2ガスにより0.86ppm に希釈されたシラン
を10×10-9mol/分で、1.2 分供給して、膜厚約200 Å、
濃度 1×1018/cm3のシリコンドープのn-Al0.15Ga0.85N
から成るストッパ層４２を形成した。
保持し、N2又はH2を10 liter／分、NH3 を 10liter／
分、TMG を2.24×10-4モル／分、TMA を0.24×10-4モル
／分、及び、H2ガスにより0.86ppm に希釈されたシラン
を10×10-9mol/分で、1.2 分供給して、膜厚約200 Å、
濃度 1×1018/cm3のシリコンドープのn-Al0.15Ga0.85N
から成るストッパ層４２を形成した。
【００２０】次に、サファイア基板１の温度を800 ℃に
保持し、N2又はH2を20 liter／分、NH3 を10 liter／
分、TMG を2.0 ×10-4モル／分で、1.5 分間導入して、
膜厚約50ÅのGaN から成るバリア層５１を形成した。次
に、サファイア基板１の温度を同一に保持して、N2又は
H2、NH3 の供給量を一定として、TMG を7.2 ×10-5モル
／分、TMI を0.19×10-4モル／分で1.5 分間導入して、
膜厚約 50 ÅのIn0.2Ga0.8N から成る井戸層５２を形成
した。さらに、バリア層５１と同一条件で、バリア層５
３を形成した。このようにして、厚さ150 ÅのＳＱＷ構
造の活性層５を形成した。
保持し、N2又はH2を20 liter／分、NH3 を10 liter／
分、TMG を2.0 ×10-4モル／分で、1.5 分間導入して、
膜厚約50ÅのGaN から成るバリア層５１を形成した。次
に、サファイア基板１の温度を同一に保持して、N2又は
H2、NH3 の供給量を一定として、TMG を7.2 ×10-5モル
／分、TMI を0.19×10-4モル／分で1.5 分間導入して、
膜厚約 50 ÅのIn0.2Ga0.8N から成る井戸層５２を形成
した。さらに、バリア層５１と同一条件で、バリア層５
３を形成した。このようにして、厚さ150 ÅのＳＱＷ構
造の活性層５を形成した。
【００２１】次に、サファイア基板１の温度を1100℃に
保持し、N2又はH2を10 liter／分、NH3 を 10liter／
分、TMG を2.24×10-4モル／分、TMA を0.24×10-4モル
／分、及び、CP2Mg を2 ×10-5モル／分で、1.2 分間供
給して厚さ200 Åの濃度 5×1019/cm3にマグネシウムの
ドープされたp-Al0.15Ga0.85N から成るストッパ層６１
を形成した。
保持し、N2又はH2を10 liter／分、NH3 を 10liter／
分、TMG を2.24×10-4モル／分、TMA を0.24×10-4モル
／分、及び、CP2Mg を2 ×10-5モル／分で、1.2 分間供
給して厚さ200 Åの濃度 5×1019/cm3にマグネシウムの
ドープされたp-Al0.15Ga0.85N から成るストッパ層６１
を形成した。
【００２２】続いて、サファイア基板１の温度を1100°
C に保持し、H2を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、
TMG を 1.12 ×10-4モル／分、CP2Mg を2 ×10-5モル／
分で、 5分導入し、膜厚約0.1 μｍ、 5×1019/cm3にマ
グネシウムのドープされたp-GaN から成るガイド層６２
を形成した。
C に保持し、H2を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、
TMG を 1.12 ×10-4モル／分、CP2Mg を2 ×10-5モル／
分で、 5分導入し、膜厚約0.1 μｍ、 5×1019/cm3にマ
グネシウムのドープされたp-GaN から成るガイド層６２
を形成した。
【００２３】次に、サファイア基板１の温度を1100℃に
保持し、N2又はH2を10 liter／分、NH3 を 10liter／
分、TMG を1.12×10-4モル／分、TMA を0.47×10-4モル
／分、及び、CP2Mg を2 ×10-5モル／分で、60分供給し
て、膜厚約 1μｍ、濃度 5×1019/cm3にマグネシウムの
ドープされたp-Al0.08Ga0.92N から成るクラッド層７１
を形成した。
保持し、N2又はH2を10 liter／分、NH3 を 10liter／
分、TMG を1.12×10-4モル／分、TMA を0.47×10-4モル
／分、及び、CP2Mg を2 ×10-5モル／分で、60分供給し
て、膜厚約 1μｍ、濃度 5×1019/cm3にマグネシウムの
ドープされたp-Al0.08Ga0.92N から成るクラッド層７１
を形成した。
【００２４】次に、温度を1100℃に保持し、N2又はH2を
20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を1.12×10-4
モル／分、及び、CP2Mg を 2×10-5モル／分で 1分間導
入し、膜厚約200 ｎｍのマグネシウム(Mg)ドープのGaN
から成る第１コンタクト層７２を形成した。第１コンタ
クト層７２のマグネシウム濃度は 5×1019/cm3である。
20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を1.12×10-4
モル／分、及び、CP2Mg を 2×10-5モル／分で 1分間導
入し、膜厚約200 ｎｍのマグネシウム(Mg)ドープのGaN
から成る第１コンタクト層７２を形成した。第１コンタ
クト層７２のマグネシウム濃度は 5×1019/cm3である。
【００２５】次に、温度を1100℃に保持し、N2又はH2を
20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を1.12×10-4
モル／分、及び、CP2Mg を 4×10-5モル／分で30秒間導
入し、膜厚約100 ｎｍのマグネシウム(Mg)ドープのGaN
から成るｐ+ の第２コンタクト層７３を形成した。第２
コンタクト層７３のマグネシウム濃度は 1×1020/cm3で
ある。上記のように各層の成長完了状態では、ストッパ
層６１、ガイド層６２、クラッド層７１、第１コンタク
ト層７２、第２コンタクト層７３は、まだ、抵抗率108
Ωcm以上の絶縁体である。
20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を1.12×10-4
モル／分、及び、CP2Mg を 4×10-5モル／分で30秒間導
入し、膜厚約100 ｎｍのマグネシウム(Mg)ドープのGaN
から成るｐ+ の第２コンタクト層７３を形成した。第２
コンタクト層７３のマグネシウム濃度は 1×1020/cm3で
ある。上記のように各層の成長完了状態では、ストッパ
層６１、ガイド層６２、クラッド層７１、第１コンタク
ト層７２、第２コンタクト層７３は、まだ、抵抗率108
Ωcm以上の絶縁体である。
【００２６】次に、電子線照射装置を用いて、第２コン
タクト層７３，第１コンタクト層７２，クラッド層７
１，ガイド層６２，ストッパ層６１に一様に電子線を照
射した。電子線の照射条件は、加速電圧約10KV、試料電
流１μＡ、ビームの移動速度0.2mm/sec 、ビーム径60μ
ｍφ、真空度5.0 ×10-5Torrである。この電子線の照射
により、第２コンタクト層７３，第１コンタクト層７
２，クラッド層７１，ガイド層６２，ストッパ層６１
は、それぞれ、ホール濃度 6×1017/cm3,3×1017/cm3,2
×1017/cm3,2×1017/cm3,2×1017/cm3、抵抗率 2Ωcm,
1 Ωcm,0.7Ωcm, 0.7Ωcm, 0.7 Ωcmのｐ伝導型半導体
となった。このようにして多層構造のウエハが得られ
た。
タクト層７３，第１コンタクト層７２，クラッド層７
１，ガイド層６２，ストッパ層６１に一様に電子線を照
射した。電子線の照射条件は、加速電圧約10KV、試料電
流１μＡ、ビームの移動速度0.2mm/sec 、ビーム径60μ
ｍφ、真空度5.0 ×10-5Torrである。この電子線の照射
により、第２コンタクト層７３，第１コンタクト層７
２，クラッド層７１，ガイド層６２，ストッパ層６１
は、それぞれ、ホール濃度 6×1017/cm3,3×1017/cm3,2
×1017/cm3,2×1017/cm3,2×1017/cm3、抵抗率 2Ωcm,
1 Ωcm,0.7Ωcm, 0.7Ωcm, 0.7 Ωcmのｐ伝導型半導体
となった。このようにして多層構造のウエハが得られ
た。
【００２７】続いて、図２〜図４に示すように、ｎ+ 層
３の電極８を形成するために、第２コンタクト層７３、
第１コンタクト層７２、クラッド層７１、ガイド層６
２，ストッパ層６１、活性層５、ストッパ層４２，ガイ
ド層４１，クラッド層４の一部を、エッチングにより除
去した。次に、一様にSiO2による絶縁膜１０を形成し
て、電極形成部に窓を明け、その窓の第２コンタクト層
７３の上に、一様にNi/Auの２層を蒸着し、フォトレジ
ストの塗布、フォトリソグラフィー工程、エッチング工
程を経て、第２コンタクト層７３の上に電極９を形成し
た。一方、ｎ+ 層３に対しては、アルミニウムを蒸着し
て電極８を形成した。
３の電極８を形成するために、第２コンタクト層７３、
第１コンタクト層７２、クラッド層７１、ガイド層６
２，ストッパ層６１、活性層５、ストッパ層４２，ガイ
ド層４１，クラッド層４の一部を、エッチングにより除
去した。次に、一様にSiO2による絶縁膜１０を形成し
て、電極形成部に窓を明け、その窓の第２コンタクト層
７３の上に、一様にNi/Auの２層を蒸着し、フォトレジ
ストの塗布、フォトリソグラフィー工程、エッチング工
程を経て、第２コンタクト層７３の上に電極９を形成し
た。一方、ｎ+ 層３に対しては、アルミニウムを蒸着し
て電極８を形成した。
【００２８】その後、上記のごとく処理されたウエハ
は、各素子毎に切断され、図１に示す構造の発光ダイオ
ードを得た。このレーザ素子は発光ピーク波長420 ｎｍ
であった。従来構造のＬＤに比べて発光出力は２倍にな
った。
は、各素子毎に切断され、図１に示す構造の発光ダイオ
ードを得た。このレーザ素子は発光ピーク波長420 ｎｍ
であった。従来構造のＬＤに比べて発光出力は２倍にな
った。
【００２９】上記のレーザ素子100 のエネルギーダイヤ
グラムは、図５に示されるようになる。図５において、
活性層５に注入された電子とホールは、ストッパ層４２
とストッパ層６１との存在により、効率良く、活性層５
に閉じ込められる。又、活性層５で発光した光は、ガイ
ド層４１からガイド層６２の範囲に分布して、クラッド
層４とクラッド層７１への光の漏れが少ない。
グラムは、図５に示されるようになる。図５において、
活性層５に注入された電子とホールは、ストッパ層４２
とストッパ層６１との存在により、効率良く、活性層５
に閉じ込められる。又、活性層５で発光した光は、ガイ
ド層４１からガイド層６２の範囲に分布して、クラッド
層４とクラッド層７１への光の漏れが少ない。
【００３０】AlGaInN 系においては、十分に低抵抗なｐ
型層が得られていない。キャリアを注入するために電圧
を印加すると、特にｐ型層側に高い電界がかかる。この
ため通常のＳＣＨ構造では活性層に隣接する電子に対す
る障壁が実効的に低くなってしまい、電子のオーバーフ
ローが起きやすくなる。又、ｐ型層のホールはｐ型層に
かかる高電界により加速されて活性層に注入されるた
め、活性層に隣接するホールに対する障壁を乗り越えて
オーバーフローしてしまう。ところが、本構造では、活
性層の両側に禁制帯幅がガイド層よりも広いストッパ層
を入れたために、それぞれのストッパ層の働きにより電
子およびホールの活性層からのオーバーフローが抑制さ
れ、より高い光出力までの動作や、より高温までのレー
ザ発振が実現できた。
型層が得られていない。キャリアを注入するために電圧
を印加すると、特にｐ型層側に高い電界がかかる。この
ため通常のＳＣＨ構造では活性層に隣接する電子に対す
る障壁が実効的に低くなってしまい、電子のオーバーフ
ローが起きやすくなる。又、ｐ型層のホールはｐ型層に
かかる高電界により加速されて活性層に注入されるた
め、活性層に隣接するホールに対する障壁を乗り越えて
オーバーフローしてしまう。ところが、本構造では、活
性層の両側に禁制帯幅がガイド層よりも広いストッパ層
を入れたために、それぞれのストッパ層の働きにより電
子およびホールの活性層からのオーバーフローが抑制さ
れ、より高い光出力までの動作や、より高温までのレー
ザ発振が実現できた。
【００３１】又、上記実施例では活性層５に単一量子井
戸構造（ＳＱＷ）を用いたが、多重量子井戸構造（ＭＱ
Ｗ）や、単層であっても良い。又、上記実施例では、活
性層５に接してストッパ層４２、６１を設けたが、図６
に示すように、ストッパ層４２、６１を、それぞれ、ガ
イド層４１、６２の厚さ方向に沿った一部の厚さとして
設けても良い。
戸構造（ＳＱＷ）を用いたが、多重量子井戸構造（ＭＱ
Ｗ）や、単層であっても良い。又、上記実施例では、活
性層５に接してストッパ層４２、６１を設けたが、図６
に示すように、ストッパ層４２、６１を、それぞれ、ガ
イド層４１、６２の厚さ方向に沿った一部の厚さとして
設けても良い。
【００３２】又、クラッド層４、ガイド層４１、ストッ
パ層４２のシリコン濃度は、1 ×1017/cm3〜1 ×1020/c
m3が望ましい。1 ×1017/cm3以下であると高抵抗とな
り、1×1020/cm3以上であると結晶性が低下し望ましく
ない。
パ層４２のシリコン濃度は、1 ×1017/cm3〜1 ×1020/c
m3が望ましい。1 ×1017/cm3以下であると高抵抗とな
り、1×1020/cm3以上であると結晶性が低下し望ましく
ない。
【００３３】ストッパ層４２、６１の厚さは、50〜500
Åが望ましい。50Åよりも薄くなると活性層５における
キャリアの閉じ込め効果が小さく、500 Åよりも厚い
と、光の閉じ込めが悪くなると共にキャリアの活性層５
への注入効率が低下するので望ましくない。ガイド層４
１、６２の厚さは、500 〜5000Åが望ましい。500 Åよ
りも薄いと、光の閉じ込め効果が少なく、又、5000Åよ
りも厚いと、光の閉じ込めが悪くなるので望ましくな
い。又、ストッパ層４２、６１のAlの混晶比は、活性層
５をInGaN 系の半導体で構成した場合に、0.1 〜0.3 が
望ましい。0.1 よりも小さいと、活性層５に対する障壁
が小さくなり、キャリアの閉じ込め効果が低下し、0.3
よりも大きいと、活性層５に対するキャリアの注入効率
が低下するので望ましくない。
Åが望ましい。50Åよりも薄くなると活性層５における
キャリアの閉じ込め効果が小さく、500 Åよりも厚い
と、光の閉じ込めが悪くなると共にキャリアの活性層５
への注入効率が低下するので望ましくない。ガイド層４
１、６２の厚さは、500 〜5000Åが望ましい。500 Åよ
りも薄いと、光の閉じ込め効果が少なく、又、5000Åよ
りも厚いと、光の閉じ込めが悪くなるので望ましくな
い。又、ストッパ層４２、６１のAlの混晶比は、活性層
５をInGaN 系の半導体で構成した場合に、0.1 〜0.3 が
望ましい。0.1 よりも小さいと、活性層５に対する障壁
が小さくなり、キャリアの閉じ込め効果が低下し、0.3
よりも大きいと、活性層５に対するキャリアの注入効率
が低下するので望ましくない。
【図１】本発明の具体的な実施例に係るレーザ素子の構
成を示した断面図。
成を示した断面図。
【図２】同実施例のレーザ素子の製造工程を示した断面
図。
図。
【図３】同実施例のレーザ素子の製造工程を示した断面
図。
図。
【図４】同実施例のレーザ素子の製造工程を示した断面
図。
図。
【図５】同実施例のレーザ素子のエネルギーダイヤグラ
ムを示した説明図。
ムを示した説明図。
【図６】他の実施例にかかるレーザ素子のガイド層、ス
トッパ層、活性層の構成を示した断面図。
トッパ層、活性層の構成を示した断面図。
100 …レーザ素子 １…サファイア基板 ２…バッファ層 ３…高キャリア濃度ｎ+ 層 ４…クラッド層 ４１…ガイド層 ４２…ストッパ層 ５…活性層 ６１…ストッパ層 ６２…ガイド層 ７１…クラッド層 ７２…第１コンタクト層 ７３…第２コンタクト層 ８…電極 ９…電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 591014950 天野 浩 愛知県名古屋市名東区山の手２丁目104 宝マンション山の手508号 (72)発明者 永井 誠二 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑１ 番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 山崎 史郎 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑１ 番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 小池 正好 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑１ 番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 冨田 一義 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 加地 徹 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 赤崎 勇 愛知県名古屋市西区浄心１丁目１番38− 805 (72)発明者 天野 浩 愛知県名古屋市名東区山の手２丁目104 宝マンション山の手508号
Claims (7)
- 【請求項１】３族窒化物半導体により形成され、活性層
の両側を活性層よりも禁制帯幅の広いガイド層で挟み、
さらに、両側からクラッド層で挟み込み、キャリアの閉
じ込めと光の閉じ込めとを分離させたレーザ素子におい
て、 前記ガイド層の厚さの一部において、そのガイド層の禁
制帯幅よりも、より広い禁制帯幅を有する混晶比の３族
窒化物半導体から成るストッパ層を形成したことを特徴
とする３族窒化物半導体レーザ素子。 - 【請求項２】前記ストッパ層は前記活性層に接して形成
されていることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化
物半導体レーザ素子。 - 【請求項３】前記ストッパ層は前記ガイド層の中に形成
されていることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化
物半導体レーザ素子。 - 【請求項４】前記ストッパ層の厚さは５０〜５００Åで
あることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物半導
体レーザ素子。 - 【請求項５】前記活性層は単一量子井戸構造又は多重量
子井戸構造であることを特徴とする請求項１に記載の３
族窒化物半導体レーザ素子。 - 【請求項６】前記３族窒化物半導体は、(Al x Ga1-x )
y In1-y N;0 ≦x ≦1,0 ≦y ≦1 であることを特徴とす
る請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の３族窒化物
半導体レーザ素子。 - 【請求項７】前記活性層をInx1Ga1-x1N; 0≦x1≦1 、前
記ストッパ層をAlx2Ga1-x2N;0.1 ≦x2≦0.3 で構成した
ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記
載の３族窒化物半導体レーザ素子。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22789096A JPH1056236A (ja) | 1996-08-08 | 1996-08-08 | ３族窒化物半導体レーザ素子 |
| US08/908,938 US5889806A (en) | 1996-08-08 | 1997-08-08 | Group III nitride compound semiconductor laser diodes |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22789096A JPH1056236A (ja) | 1996-08-08 | 1996-08-08 | ３族窒化物半導体レーザ素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1056236A true JPH1056236A (ja) | 1998-02-24 |
Family
ID=16867936
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22789096A Pending JPH1056236A (ja) | 1996-08-08 | 1996-08-08 | ３族窒化物半導体レーザ素子 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5889806A (ja) |
| JP (1) | JPH1056236A (ja) |
Cited By (7)
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| US6984840B2 (en) | 1998-05-18 | 2006-01-10 | Fujitsu Limited | Optical semiconductor device having an epitaxial layer of III-V compound semiconductor material containing N as a group V element |
| JP2007208300A (ja) * | 1997-07-30 | 2007-08-16 | Fujitsu Ltd | 半導体レーザ及びその製造方法 |
| JP2008243904A (ja) * | 2007-03-26 | 2008-10-09 | Toshiba Corp | 半導体発光素子およびその製造方法ならびに発光装置 |
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| JPWO2018003551A1 (ja) * | 2016-06-30 | 2019-04-18 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 半導体レーザ装置、半導体レーザモジュール及び溶接用レーザ光源システム |
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| JP3770014B2 (ja) | 1999-02-09 | 2006-04-26 | 日亜化学工業株式会社 | 窒化物半導体素子 |
| EP1168539B1 (en) * | 1999-03-04 | 2009-12-16 | Nichia Corporation | Nitride semiconductor laser device |
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| JP2000286448A (ja) | 1999-03-31 | 2000-10-13 | Toyoda Gosei Co Ltd | Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子 |
| JP2001119102A (ja) * | 1999-10-15 | 2001-04-27 | Toyoda Gosei Co Ltd | Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体レーザダイオード |
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| AT410266B (de) * | 2000-12-28 | 2003-03-25 | Tridonic Optoelectronics Gmbh | Lichtquelle mit einem lichtemittierenden element |
| US6822272B2 (en) * | 2001-07-09 | 2004-11-23 | Nichia Corporation | Multilayered reflective membrane and gallium nitride-based light emitting element |
| TW587346B (en) * | 2003-03-28 | 2004-05-11 | United Epitaxy Co Ltd | Optoelectronic device made by semiconductor compound |
| US7211831B2 (en) * | 2003-04-15 | 2007-05-01 | Luminus Devices, Inc. | Light emitting device with patterned surfaces |
| KR101034055B1 (ko) | 2003-07-18 | 2011-05-12 | 엘지이노텍 주식회사 | 발광 다이오드 및 그 제조방법 |
| DE102005048196B4 (de) * | 2005-07-29 | 2023-01-26 | OSRAM Opto Semiconductors Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Strahlungsemittierender Halbleiterchip |
| TWI341600B (en) * | 2007-08-31 | 2011-05-01 | Huga Optotech Inc | Light optoelectronic device and forming method thereof |
| TWI362769B (en) * | 2008-05-09 | 2012-04-21 | Univ Nat Chiao Tung | Light emitting device and fabrication method therefor |
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|---|---|---|---|---|
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| US5592501A (en) * | 1994-09-20 | 1997-01-07 | Cree Research, Inc. | Low-strain laser structures with group III nitride active layers |
| US5777350A (en) * | 1994-12-02 | 1998-07-07 | Nichia Chemical Industries, Ltd. | Nitride semiconductor light-emitting device |
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-
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