JPH1174621A - Nitride group semiconductor luminous element - Google Patents
Nitride group semiconductor luminous elementInfo
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- JPH1174621A JPH1174621A JP23488197A JP23488197A JPH1174621A JP H1174621 A JPH1174621 A JP H1174621A JP 23488197 A JP23488197 A JP 23488197A JP 23488197 A JP23488197 A JP 23488197A JP H1174621 A JPH1174621 A JP H1174621A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、光情報処理,光通
信,光計測などの技術分野で用いられる窒化物系半導体
発光素子に係わり、特に分離閉じ込めへテロ構造(SC
H:separate confinement heterostructure)を有する
窒化物系半導体発光素子に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nitride-based semiconductor light emitting device used in technical fields such as optical information processing, optical communication, and optical measurement, and more particularly to a separated confinement heterostructure (SC).
H: a nitride-based semiconductor light emitting device having a separate confinement heterostructure).
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、短波長発光素子の需要が高まり、
ZnSe系及びGaN系材料を用いた短波長発光素子の
研究開発が活発に行われている。ZnSe系材料では、
発振波長500nm前後の短波長半導体レーザの室温連
続発振が達成されているが、結晶欠陥の増殖に起因する
素子劣化が問題となり、素子の長寿命化が達成できず、
実用化には至っていない。2. Description of the Related Art In recent years, demand for short-wavelength light emitting devices has increased,
Research and development of short-wavelength light emitting devices using ZnSe-based and GaN-based materials have been actively conducted. In a ZnSe-based material,
Although continuous oscillation at room temperature of a short-wavelength semiconductor laser having an oscillation wavelength of about 500 nm has been achieved, device deterioration due to the growth of crystal defects becomes a problem, and a longer life of the device cannot be achieved.
It has not been put to practical use.
【0003】一方、GaN系材料では近年、青色発光ダ
イオード(LED)が実用化され、現在GaN系青色半
導体レーザの研究開発が精力的に行われている。また最
近、GaN系半導体レーザにおいても室温連続発振が達
成されたが、この材料系においては、いまだ物性に関し
て未知な部分が多く、実用化に際して解決すべき問題も
多い。その主なものとして、しきい値電流が高いこと、
またクラック(割れ)が発生する問題がある。この材料
系では、従来実用化が可能となつた材料系と同様の素子
構造では、解決できない問題も多いと思われる。On the other hand, in recent years, a blue light emitting diode (LED) has been put to practical use as a GaN-based material, and research and development of a GaN-based blue semiconductor laser are currently being vigorously conducted. Recently, continuous oscillation at room temperature has also been achieved in a GaN-based semiconductor laser. However, in this material system, there are still many unknown parts regarding physical properties, and there are many problems to be solved in practical use. The main reasons are that the threshold current is high,
There is also a problem that cracks (cracks) occur. In this material system, it seems that there are many problems that cannot be solved by an element structure similar to that of a material system which has been practically used conventionally.
【0004】GaN系青色半導体レーザでは、従来、p
型及びn型伝導を有するAlGaNクラッド層の間に、
多重量子井戸構造(MQW)を有するInGaN系活性
層を有するSCH構造が多く用いられおり、しきい値電
流を低減するためにはMQWの井戸層と障壁層のペア数
を低減する必要がある。しかし、現実にはMQWのペア
数を低減すると、成長層にクラックが発生する問題が生
じる。従って、しきい値を低減することと、クラックの
発生を抑制することがトレードオフの関係にあり、卜一
タルの素子特性を向上させることが困難である。In a GaN-based blue semiconductor laser, conventionally, p
Between an AlGaN cladding layer having n-type and n-type conduction,
An SCH structure having an InGaN-based active layer having a multiple quantum well structure (MQW) is often used. To reduce the threshold current, it is necessary to reduce the number of pairs of the MQW well layer and the barrier layer. However, in reality, when the number of MQW pairs is reduced, a problem occurs in which cracks occur in the growth layer. Therefore, there is a trade-off between reducing the threshold value and suppressing the occurrence of cracks, and it is difficult to improve the total element characteristics.
【0005】また、従来の素子構造では光の閉じ込めが
不十分であることも、しきい値が高い要因であった。光
の閉じ込めを十分にするためには、AlGaNクラッド
層の高Al組成化、膜厚の増加が効果的であるが、これ
によりクラックの発生が顕著になる問題が生じる。従っ
て、光の閉じ込めを十分にし、しきい値を低減するため
には、クラッド層の高Al組成化や膜厚増加以外の方法
が必要となる。[0005] In addition, insufficient light confinement in the conventional element structure is also a factor of high threshold. In order to sufficiently confine the light, it is effective to increase the Al composition and increase the film thickness of the AlGaN cladding layer, but this causes a problem that cracks become noticeable. Therefore, in order to sufficiently confine light and reduce the threshold value, a method other than increasing the Al composition and increasing the film thickness of the cladding layer is required.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】このように従来、Ga
N系半導体レーザの実用化には、しきい値電流の低減と
共に、クラック(割れ)の発生を抑制することが必須で
あるが、これらはトレードオフの関係にあり、卜一タル
の素子特性を向上させることは困難であった。As described above, conventionally, Ga
For the practical use of N-based semiconductor lasers, it is essential to reduce the threshold current and to suppress the occurrence of cracks. However, these are in a trade-off relationship, and the total element characteristics must be reduced. It was difficult to improve.
【0007】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、しきい値電流低減と
クラックの抑制とを同時に達成することができ、トータ
ルの素子特性向上をはかり得る窒化物系半導体発光素子
を提供することにある。The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and an object of the present invention is to simultaneously reduce the threshold current and suppress cracks, thereby improving the total element characteristics. It is an object of the present invention to provide a nitride-based semiconductor light-emitting device that can solve the problem.
【0008】[0008]
(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、基板上に複数の
窒化物系半導体層を積層してなり、活性層を一対の光閉
じ込め層で挟み、その外側をp型及びn型の一対のクラ
ッド層で挟んだ分離閉じ込めヘテロ構造を有し、かつそ
の外側にp型及びn型のコンタクト層を有する窒化物系
半導体発光素子であって、前記一対の光閉じ込め層のう
ち、p側の光閉じ込め層の屈折率は前記コンタクト層の
それと同じ又はそれよりも大きく、n側の光閉じ込め層
の屈折率はp側の光閉じ込め層のそれよりも大きいこと
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 comprises a plurality of nitride-based semiconductor layers laminated on a substrate, an active layer sandwiched between a pair of optical confinement layers, and the outside thereof sandwiched between a pair of p-type and n-type cladding layers. A nitride-based semiconductor light-emitting device having a heterostructure and having p-type and n-type contact layers outside thereof, wherein the refractive index of the p-side light confinement layer of the pair of light confinement layers is The refractive index of the n-side light confinement layer is the same as or larger than that of the contact layer, and is larger than that of the p-side light confinement layer.
【0009】また本発明は、窒化物系半導体からなる活
性層を該活性層よりもバンドギャップの大きい窒化物系
半導体からなる一対の光閉じ込め層で挟み、その外側を
光閉じ込め層よりもバンドギャップの大きいAlを含む
窒化物系半導体からなるp型及びn型の一対のクラッド
層で挟んだ分離閉じ込めヘテロ構造を有し、かつその外
側にクラッド層よりもバンドギャップの小さい窒化物系
半導体からなるp型及びn型のコンタクト層を有する窒
化物系半導体発光素子であって、前記一対の光閉じ込め
層のうち、n側の光閉じ込め層は前記コンタクト層より
も屈折率が大きく、p側の光閉じ込め層はn側の光閉じ
込め層よりも屈折率が小さく、かつ前記コンタクト層と
同じ又はそれよりも屈折率が大きいことを特徴とする。Further, according to the present invention, an active layer made of a nitride-based semiconductor is sandwiched between a pair of optical confinement layers made of a nitride-based semiconductor having a larger band gap than the active layer. Having a separate confinement heterostructure sandwiched between a pair of p-type and n-type cladding layers made of a nitride-based semiconductor containing Al having a large diameter, and made of a nitride-based semiconductor having a band gap smaller than that of the cladding layer on the outside thereof. A nitride-based semiconductor light-emitting device having p-type and n-type contact layers, wherein, of the pair of light confinement layers, an n-side light confinement layer has a higher refractive index than the contact layer, and a p-side light confinement layer. The confinement layer has a lower refractive index than the n-side optical confinement layer, and has the same or higher refractive index as the contact layer.
【0010】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) 各クラッド層はAlz Ga1-z N(0<z≦1)で
形成され、各コンタクト層はGaNで形成され、n側の
光閉じ込め層はInx Ga1-x N(0<x≦1)で形成
され、p側の光閉じ込め層はIny Ga1-y N(0≦y
<x)で形成されていること。Here, preferred embodiments of the present invention include the following. (1) Each cladding layer is formed by Al z Ga 1-z N ( 0 <z ≦ 1), each contact layer is formed of GaN, the light confinement layer of n-side In x Ga 1-x N ( 0 <X ≦ 1), and the p-side optical confinement layer is In y Ga 1-y N (0 ≦ y).
<X).
【0011】(2) 活性層は、InGaN系多重量子井戸
構造であること。 (3) p側の光閉じ込め層の膜厚を、n側の光閉じ込め層
の膜厚よりも厚くしたこと。(2) The active layer has an InGaN-based multiple quantum well structure. (3) The thickness of the p-side optical confinement layer is larger than the thickness of the n-side optical confinement layer.
【0012】また本発明は、基板上に複数の窒化物系半
導体層を積層してなり、活性層を該活性層よりもバンド
ギャップの大きい一対の光閉じ込め層で挟み、さらにそ
の外側を光閉じ込め層よりもバンドギャップの大きいp
型及びn型の一対のクラッド層で挟んだ分離閉じ込めヘ
テロ構造を有する窒化物系半導体発光素子であって、前
記活性層が第1の活性層と第2の活性層に分離されてお
り、第1の活性層と第2の活性層の間に、前記光閉じ込
め層よりもバンドギャップが小さく、第1及び第2の活
性層よりもバンドギャップが大きいクラック防止層を設
けてなることを特徴とする。ここで、活性層は井戸層と
障壁層からなる量子井戸構造を有し、クラック防止層の
バンドギャップは活性層の井戸層よりも大きく障壁層よ
りは小さいのが望ましい。According to the present invention, a plurality of nitride-based semiconductor layers are stacked on a substrate, and the active layer is sandwiched between a pair of optical confinement layers having a band gap larger than that of the active layer. P with a larger band gap than the layer
A nitride-based semiconductor light-emitting device having a separate confinement heterostructure sandwiched between a pair of n-type and n-type cladding layers, wherein the active layer is separated into a first active layer and a second active layer; A crack preventing layer having a smaller band gap than the light confinement layer and a larger band gap than the first and second active layers is provided between the first active layer and the second active layer. I do. Here, the active layer has a quantum well structure including a well layer and a barrier layer, and the band gap of the crack prevention layer is desirably larger than the well layer of the active layer and smaller than the barrier layer.
【0013】(作用)SCH構造を有する窒化物系半導
体発光素子においては、しきい値電流を低減するため
に、InGaN系MQW活性層の井戸層及び障壁層のペ
ア数を低減することが必須である。また、光の閉じ込め
が不十分であるため、しきい値電流を低減できない問題
を解決するために、AlGaNクラッド層の膜厚又はA
l組成を増加させることが効果的である。しかし、MQ
Wペア数の低減やAlGaNクラッド層の膜厚又はAl
組成の増加に伴い、クラックの発生が顕著になる。従来
は、SCH構造の下部にクラックを防止するための層を
挿入している例があり、この方法でもクラック防止の効
果は多少あるが、その効果は完全ではなく、実用化には
耐え得ないものである。また、この方法では光の閉じ込
めが不十分でしきい値を低減できない問題を解決するこ
とはできない。(Function) In a nitride semiconductor light emitting device having an SCH structure, it is essential to reduce the number of pairs of well layers and barrier layers of an InGaN MQW active layer in order to reduce the threshold current. is there. In addition, in order to solve the problem that the threshold current cannot be reduced due to insufficient light confinement, the thickness of the AlGaN cladding layer or A
It is effective to increase the l composition. However, MQ
Reduction of the number of W pairs, thickness of AlGaN cladding layer or Al
As the composition increases, the occurrence of cracks becomes remarkable. Conventionally, there is an example in which a layer for preventing cracks is inserted below the SCH structure. This method has some effects of preventing cracks, but the effect is not perfect and cannot withstand practical use. Things. Further, this method cannot solve the problem that the threshold value cannot be reduced due to insufficient light confinement.
【0014】そこで本発明では、MQWペア数の低減、
光閉じ込め効果の増大をクラックの発生を抑制しながら
実現し、実用に十分絶え得る低しきい値の短波長半導体
発光素子を提供する。即ち本発明では、光閉じ込め層、
特にn側の光閉じ込め層にInGaNを用いることで、
MQWペア数を低減しても、クラックの発生を抑制で
き、光の閉じ込め効果が大幅に増加する。また、これに
より低しきい値半導体発光素子を実現できる。Therefore, in the present invention, the number of MQW pairs can be reduced,
Provided is a short-wavelength semiconductor light-emitting device having a low threshold value, which can increase an optical confinement effect while suppressing the occurrence of cracks and can be sufficiently practically used. That is, in the present invention, a light confinement layer,
In particular, by using InGaN for the n-side optical confinement layer,
Even if the number of MQW pairs is reduced, the occurrence of cracks can be suppressed, and the light confinement effect can be greatly increased. In addition, a low-threshold semiconductor light emitting device can be realized.
【0015】n側,p側のいずれの光閉じ込め層にIn
GaNを用いても、クラック防止効果、光閉じ込め効果
は得られるが、実際には総合的に素子特性を向上させる
ための素子構造の設計が必要である。即ち、構造上の制
約や物性上の制約などを考慮した素子構造の設計が必要
である。図3に示した従来の構造を主体にした場合、
(1) p側への電子のオーバフローが顕著であるため、こ
れを抑制できる構造が望ましい。(2) InGaN系活性
層成長後の再昇温過程で活性層の再蒸発を防止できる構
造にする必要がある。また、物性を考慮した場合、(3)
p型伝導で高いキャリア濃度を有するInGaNを得る
ことは現状の技術では難しい。(4) InGaNをp側光
閉じ込め層に用いるよりも、n側光閉じ込め層に用いた
場合の方がクラック防止効果が大きい。In either the n-side or the p-side light confinement layer, In
Even if GaN is used, a crack preventing effect and an optical confinement effect can be obtained, but in actuality, it is necessary to design an element structure for comprehensively improving element characteristics. That is, it is necessary to design an element structure in consideration of structural restrictions and physical property restrictions. When the conventional structure shown in FIG. 3 is mainly used,
(1) Since the overflow of electrons to the p-side is remarkable, a structure capable of suppressing this is desirable. (2) It is necessary to have a structure that can prevent re-evaporation of the active layer during the re-heating process after the growth of the InGaN-based active layer. In consideration of physical properties, (3)
Obtaining InGaN having a high carrier concentration by p-type conduction is difficult with the current technology. (4) The crack prevention effect is greater when InGaN is used for the n-side optical confinement layer than for the p-side optical confinement layer.
【0016】以上の構造上の制約及び物性上の制約か
ら、n側光閉じ込め層にInGaNを用いることが効果
的である。また、このn側InGaN光閉じ込め層のI
n組成は井戸層のIn組成よりも低くなくてはならな
い。一例として、井戸層のIn組成が20%の場合、n
側InGaN光閉じ込め層のIn組成は5〜8%程度が
望ましい。一方、p側光閉じ込め層には、従来通りp型
GaNを用いても大きな効果は得られるが、より光の閉
じ込め効果及びクラック防止効果を増すため、p側光閉
じ込め層にもInGaNを用いても良い。但し、前記し
た (1) (2) (3)の理由により、n側InGaN光閉じ込
め層のIn組成よりも低くする必要がある。上述の例の
場合、In組成は2〜3%程度が望ましい。また、(1)
のp側への電子のオーバフローの問題や光強度分布の非
対称性を考慮し、例えばp側には光閉じ込め層を設けな
くても良い。From the above structural and physical restrictions, it is effective to use InGaN for the n-side optical confinement layer. The I-side of the n-side InGaN optical confinement layer
The n composition must be lower than the In composition of the well layer. As an example, when the In composition of the well layer is 20%, n
The In composition of the side InGaN light confinement layer is preferably about 5 to 8%. On the other hand, a large effect can be obtained by using p-type GaN for the p-side optical confinement layer as before, but in order to further enhance the light confinement effect and crack prevention effect, InGaN is also used for the p-side optical confinement layer. Is also good. However, for the reasons (1), (2) and (3) described above, it is necessary to lower the In composition of the n-side InGaN optical confinement layer. In the case of the above example, the In composition is preferably about 2 to 3%. Also, (1)
In consideration of the problem of electron overflow to the p-side and the asymmetry of the light intensity distribution, for example, it is not necessary to provide a light confinement layer on the p-side.
【0017】一方、n側とp側の光閉じ込め層のIn組
成(屈折率)が異なるため、活性層内における光の閉じ
込めが非対称となり、光の強度分布の中心が活性層の中
心からずれる。この光強度分布は、n側とp側の光閉じ
込め層の膜厚を変化させることにより制御できる。例え
ば、n側光閉じ込め層にInGaNを、p側光閉じ込め
層にGaNを用いた場合、両者の膜厚が同じであれば、
光の強度分布の中心はn側にずれる。しかし、p側光閉
じ込め層の膜厚をn側光閉じ込め層よりも大きくするこ
とで、このずれを中心位置に戻すことができる。On the other hand, since the In compositions (refractive indexes) of the n-side and p-side light confinement layers are different, the confinement of light in the active layer becomes asymmetric, and the center of the light intensity distribution is shifted from the center of the active layer. This light intensity distribution can be controlled by changing the thickness of the n-side and p-side light confinement layers. For example, when InGaN is used for the n-side optical confinement layer and GaN is used for the p-side optical confinement layer, if both have the same film thickness,
The center of the light intensity distribution is shifted to the n side. However, by making the thickness of the p-side light confinement layer larger than that of the n-side light confinement layer, this shift can be returned to the center position.
【0018】また、クラック防止層をn及びp側の光閉
じ込め層の中心部に設けることも可能であり、その場
合、クラック防止層の上部と下部、つまりn側とp側に
活性層を有する構造となる。It is also possible to provide a crack prevention layer at the center of the n- and p-side light confinement layers. In this case, active layers are provided above and below the crack prevention layer, that is, on the n-side and p-side. Structure.
【0019】[0019]
【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。 (実施形態1)図1に本発明の第1の実施形態に係わる
窒化物系半導体レーザの素子構造断面を示し、図2に図
1の素子構造におけSCH構造のバンド図を示す。ま
た、参考のため、従来のSCH構造を有する窒化物系半
導体レーザの概略構造図を図3に示し、その素子構造に
おけるバンド図を図4に示す。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The details of the present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments. (Embodiment 1) FIG. 1 shows a cross section of the device structure of a nitride semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows a band diagram of the SCH structure in the device structure of FIG. For reference, a schematic structural diagram of a conventional nitride-based semiconductor laser having an SCH structure is shown in FIG. 3, and a band diagram in the device structure is shown in FIG.
【0020】まず、本実施形態によるSCH構造を有す
る窒化物系半導体レーザについて、図1を用いて説明す
る。本実施形態レーザは、サファイア基板11上に、バ
ッファ層(図示せず)を介して、アンドープGaN下地
層12、n型GaNコンタクト層13、厚さ0.33μ
mのn型Al0.16Ga0.84Nクラッド層14が順次形成
されている。活性層の光を十分に閉じ込め、低しきい値
の半導体レーザを作成するためには、AlGaNクラッ
ド層14のAl組成を十分に高くするか、又は膜厚を十
分にする必要がある。しかし、AlGaNクラッド層1
4のAl組成を高くする、又は膜厚を厚くすることによ
り、レーザ用多層膜にクラック(割れ)が発生する問題
が生じる。このクラックは、Al組成が高いほど、また
膜厚が厚いほど顕著になる。First, the nitride semiconductor laser having the SCH structure according to the present embodiment will be explained with reference to FIG. The laser according to the present embodiment has an undoped GaN underlayer 12, an n-type GaN contact layer 13, a thickness of 0.33 μm on a sapphire substrate 11 via a buffer layer (not shown).
m n-type Al 0.16 Ga 0.84 N cladding layers 14 are sequentially formed. In order to sufficiently confine the light of the active layer and produce a semiconductor laser with a low threshold value, it is necessary to make the Al composition of the AlGaN cladding layer 14 sufficiently high or to make the film thickness sufficient. However, the AlGaN cladding layer 1
By increasing the Al composition or increasing the film thickness of No. 4, a problem arises in that a crack occurs in the laser multilayer film. This crack becomes more remarkable as the Al composition is higher and the film thickness is larger.
【0021】本実施形態では、この問題を解決するため
に、n型AlGaNクラッド層14の上に、n側光閉じ
込めとクラック防止の両方の効果を兼ね備えた、厚さ
0.2μmのIn0.07Ga0.93Nから成るクラック防止
兼光閉じ込め層15を形成している。クラック防止兼光
閉じ込め層15の上部には、厚さ2nmのIn0.15Ga
0.85N井戸層と厚さ4nmのIn0.05Ga0.95N障壁層
の3対から成る多重量子井戸構造(MQW)を有するI
nGaN系活性層16が形成され、その上部には、厚さ
0.25μmのp側GaN光閉じ込め層17、p型Al
0.16Ga0.84Nクラッド層18、p型GaNコンタクト
層19が上記の順に形成されている。In this embodiment, in order to solve this problem, 0.2 μm thick In 0.07 Ga having both effects of confining n-side light and preventing cracks is formed on the n-type AlGaN cladding layer 14. A crack prevention / light confinement layer 15 made of 0.93 N is formed. On top of the crack prevention / optical confinement layer 15, a 2 nm thick In 0.15 Ga
An IW having a multiple quantum well structure (MQW) comprising three pairs of a 0.85 N well layer and a 4 nm thick In 0.05 Ga 0.95 N barrier layer.
An nGaN-based active layer 16 is formed, and a p-side GaN light confinement layer 17 having a thickness of 0.25 μm and a p-type Al
The 0.16 Ga 0.84 N cladding layer 18 and the p-type GaN contact layer 19 are formed in the above order.
【0022】また、上記多層構造の一部はn型GaNコ
ンタクト層13までドライエッチング法により除去さ
れ、露出したコンタクト層13上にTi/Alから成る
n側電極20が形成されている。そして、p型GaNコ
ンタクト層19上にはp側電極21が形成されている。A part of the multilayer structure is removed by the dry etching method up to the n-type GaN contact layer 13, and an n-side electrode 20 made of Ti / Al is formed on the exposed contact layer 13. Then, a p-side electrode 21 is formed on the p-type GaN contact layer 19.
【0023】次に、本実施形態レーザの製造方法につい
て説明する。このレーザは、周知の有機金属気相成長
(MOCVD)法により作成した。有機金属原料とし
て、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルアルミ
ニウム(TMA)、トリメチルインジウム(TMI)、
ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2 Mg)
を用いた。また、ガス原料として、アンモニア(NH
3 )、シラン(SiH4 )を用いた。さらに、キャリア
ガスとして水素及び窒素を用いた。Next, a method of manufacturing the laser according to the present embodiment will be described. This laser was produced by a well-known metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. As organic metal raw materials, trimethylgallium (TMG), trimethylaluminum (TMA), trimethylindium (TMI),
Biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg)
Was used. In addition, ammonia (NH
3 ), silane (SiH 4 ) was used. Further, hydrogen and nitrogen were used as carrier gases.
【0024】まず、有機洗浄、酸洗浄によって処理した
サファイア基板11をMOCVD装置の反応室内に導入
し、高周波によって加熱されるサセプタ上に設置した。
次いで、常圧で水素を25L/分の流量で流しながら、
温度1200℃で約10分間、気相エッチングを施し表
面にできた自然酸化膜を除去した。First, a sapphire substrate 11 treated by organic cleaning and acid cleaning was introduced into a reaction chamber of a MOCVD apparatus, and was placed on a susceptor heated by high frequency.
Next, while flowing hydrogen at a flow rate of 25 L / min at normal pressure,
Vapor phase etching was performed at a temperature of 1200 ° C. for about 10 minutes to remove a natural oxide film formed on the surface.
【0025】次いで、サファイア基板11上に550℃
程度の低温においてバッフア層を成長した後、基板温度
を1100℃にし、キャリアガスとして水素20.5L
/分を流し、アンモニアを9.5L/分、TMGを10
0cc/分で60分間供給することにより、アンドープ
GaN下地層12(2.0μm)を形成した。続いてS
iH4 を10cc加え、連続してn型GaNコンタクト
層13(4.0μm)を形成した。続いて、TMAを6
0cc/分加えることにより、n型Al0.16Ga0.84N
クラッド層(0.33μm)を形成した。Next, a 550 ° C.
After growing the buffer layer at a low temperature, the substrate temperature is set to 1100 ° C. and 20.5 L of hydrogen is used as a carrier gas.
/ Min, ammonia 9.5 L / min, TMG 10
By supplying the solution at 0 cc / min for 60 minutes, an undoped GaN underlayer 12 (2.0 μm) was formed. Then S
10 cc of iH 4 was added, and an n-type GaN contact layer 13 (4.0 μm) was continuously formed. Then, TMA is 6
By adding 0 cc / min, n-type Al 0.16 Ga 0.84 N
A cladding layer (0.33 μm) was formed.
【0026】次いで、サファイア基板11を760℃ま
で降温し、キャリアガスを水素から窒素20.5L/分
に切り替え、アンモニアを9.5L/分、TMGを10
cc/分、TMIを150cc/分で約8分間流すこと
により、厚さ0.2μmのクラック防止兼光閉じ込め層
15を成長した。次いで、TMIの供給量を450c
c、50ccと交互に切り替えることにより、厚さ2n
mのIn0.15Ga0.85N井戸層、厚さ4nmのIn0.05
Ga0.95N障壁層から成る多重量子井戸構造(MQW)
を有するInGaN系活性層16を形成した。Next, the temperature of the sapphire substrate 11 is lowered to 760 ° C., the carrier gas is switched from hydrogen to nitrogen 20.5 L / min, ammonia is 9.5 L / min, and TMG is 10
By flowing TMI at a rate of 150 cc / min for about 8 minutes, a 0.2 μm-thick crack prevention / optical confinement layer 15 was grown. Next, the supply amount of TMI was increased to 450 c.
By alternately switching between c and 50 cc, the thickness 2n
m In 0.15 Ga 0.85 N well layer, 4 nm thick In 0.05
Multiple quantum well structure (MQW) consisting of Ga 0.95 N barrier layer
Was formed.
【0027】次いで、サファイア基板11を1080℃
に昇温し、窒素キャリアガス20.5L/分、アンモニ
ア9.5L/分、TMG100cc/分、及びp型ドー
パント原料としてCP2 Mgを50ccを加えることに
より、厚さ0.25μmのp側光閉じ込め層17を3分
間成長し、その後TMA60cc/分を供給し、CP2
Mgを100ccに増加することにより、p型Al0.16
Ga0.84Nクラッド層18(0.33μm)を形成す
る。続いて、TMAの供給を停止し、CP2 Mgの供給
量は50ccとしてp型GaNコンタクト層19を形成
した。Next, the sapphire substrate 11 is heated to 1080 ° C.
The temperature was increased to 20.5 L / min of nitrogen carrier gas, 9.5 L / min of ammonia, 100 cc / min of TMG, and 50 cc of CP 2 Mg as a p-type dopant raw material, whereby a 0.25 μm thick p-side light was added. The confinement layer 17 is grown for 3 minutes, after which 60 cc / min of TMA is supplied and CP 2
By increasing Mg to 100 cc, p-type Al 0.16
A Ga 0.84 N cladding layer 18 (0.33 μm) is formed. Subsequently, the supply of TMA was stopped, and the supply amount of CP 2 Mg was set to 50 cc to form the p-type GaN contact layer 19.
【0028】p型GaNコンタクト層19を形成した
後、有機金属原料の供給を停止し、窒素キャリアガス2
0.5L/分、及びアンモニア9.5L/分のみを引き
続き供給し、基板温度を自然降温した。但し、アンモニ
アの供給は基板温度が350℃に達した際に停止した。After the formation of the p-type GaN contact layer 19, the supply of the organometallic material is stopped and the nitrogen carrier gas 2
Subsequently, only 0.5 L / min and 9.5 L / min of ammonia were continuously supplied, and the substrate temperature was naturally lowered. However, the supply of ammonia was stopped when the substrate temperature reached 350 ° C.
【0029】以上の方法で作成されたウェハをMOCV
D装置から取り出したところ、平坦性に優れ、クラック
の無い、良質な窒化物系半導体レーザ用多層膜が得られ
ていることが確認できた。The wafer prepared by the above method is subjected to MOCV
When taken out of the D apparatus, it was confirmed that a good quality multilayer film for a nitride-based semiconductor laser having excellent flatness and no cracks was obtained.
【0030】次に、上記の方法で作成されたレーザ用多
層膜をn側電極を形成するためにドライエッチングによ
りエッチングを行い、n型コンタクト層13を露出さ
せ、その上部にTi/Alから成るn側電極20を形成
した。また、p型GaNコンタクト層19上にはp側電
極21を形成した。Next, the laser multilayer film formed by the above-described method is etched by dry etching to form an n-side electrode, exposing the n-type contact layer 13, and made of Ti / Al on the upper portion. An n-side electrode 20 was formed. Further, a p-side electrode 21 was formed on the p-type GaN contact layer 19.
【0031】このようにして作成した図1の素子構造に
おけSCH構造のバンド図を、図2に示す。この図に示
すように、本実施形態によるレーザ用多層膜では、しき
い値電流低減のため、MQWのペア数が3対と少なく、
またこのMQWペア数低減により問題となるクラック発
生の問題を解決するため、MQW活性層16の下部に、
MQW活性層16中の井戸層と障壁層の間のバンドギャ
ップを有するInGaNクラック防止兼光閉じ込め層1
5が設けられている。FIG. 2 shows a band diagram of the SCH structure in the element structure of FIG. 1 prepared as described above. As shown in this figure, in the laser multilayer film according to the present embodiment, the number of MQW pairs is as small as 3 pairs in order to reduce the threshold current.
Further, in order to solve the problem of crack generation which becomes a problem due to the reduction in the number of MQW pairs,
InGaN crack prevention and light confinement layer 1 having a band gap between a well layer and a barrier layer in MQW active layer 16
5 are provided.
【0032】このn側のクラック防止兼光閉じ込め層1
5は、MQW活性層16の上部(p側)の光閉じ込め層
17よりも屈折率が大きい(In組成が小さい)ため、
光の閉じ込め効果も大きい。但し、n側のクラック防止
兼光閉じ込め層15がp側の光閉じ込め層17と同じ膜
厚であると、活性層15に対して光の閉じ込めがn側に
偏ることになる。そこで、n側のクラック防止兼光閉じ
込め層15の膜厚をp側の光閉じ込め層17よりも薄く
することにより、これを防止している。This n-side crack prevention and light confinement layer 1
5 has a higher refractive index (lower In composition) than the light confinement layer 17 above (p side) the MQW active layer 16,
The light confinement effect is also large. However, if the crack prevention and light confinement layer 15 on the n side has the same thickness as the light confinement layer 17 on the p side, light confinement to the active layer 15 will be biased toward the n side. Therefore, this is prevented by making the thickness of the n-side crack prevention and light confinement layer 15 smaller than that of the p-side light confinement layer 17.
【0033】このように本実施形態では、クラック防止
兼光閉じ込め層15を設けることにより、クラックを抑
制し、光の閉じ込め効果が大きく、かつMQWのペア数
の低減を可能にしたレーザ素子を実現することができ、
しきい値電流密度が大幅に低減できる。As described above, in the present embodiment, by providing the crack prevention and light confinement layer 15, a laser element which suppresses cracks, has a large light confinement effect, and can reduce the number of MQW pairs is realized. It is possible,
The threshold current density can be greatly reduced.
【0034】次に、n側電極20及びp側電極21を形
成した上記半導体素子のI−V特性を測定したところ、
良好なオーミック接触が得られた。次に、上述の電極を
有する半導体多層膜を形成したウェハを350μm×5
00μmの大きさに劈開することにより共振器ミラーを
形成し、半導体レーザを作成した。この半導体レーザに
電流注入したところ、波長417nmで室温連続発振し
た。素子の動作電圧は5.0V、しきい電流密度は1.
2kA/cm2 であった。また、素子寿命は従来の10
00倍以上に延び、素子の信頼性が大幅に向上した。Next, the IV characteristics of the semiconductor device on which the n-side electrode 20 and the p-side electrode 21 were formed were measured.
Good ohmic contact was obtained. Next, the wafer on which the semiconductor multilayer film having the above-mentioned electrodes was formed was 350 μm × 5
A cavity mirror was formed by cleaving to a size of 00 μm, and a semiconductor laser was fabricated. When a current was injected into this semiconductor laser, continuous oscillation at room temperature continued at a wavelength of 417 nm. The operating voltage of the device was 5.0 V, and the threshold current density was 1.
It was 2 kA / cm 2 . The element life is 10
It has increased to more than 00 times, and the reliability of the device has been greatly improved.
【0035】一方、本発明による効果を検証するため、
図3に示す従来のSCH構造を有するレーザ素子も作成
し、素子特性を調べ、本実施形態による素子と比較し
た。図3に示す従来型のSCH構造を有するレーザ素子
において、SCH構造部以外の素子部、またその成長方
法、及び素子の作成方法は、図1に示す実施形態による
レーザ素子と同様である。On the other hand, in order to verify the effect of the present invention,
A laser device having the conventional SCH structure shown in FIG. 3 was also prepared, and its device characteristics were examined and compared with the device according to the present embodiment. In the laser device having the conventional SCH structure shown in FIG. 3, the device portions other than the SCH structure portion, the method of growing the same, and the method of manufacturing the device are the same as those of the laser device according to the embodiment shown in FIG.
【0036】図3における31〜41は図1の11〜2
1に対応している。基本的な構成は図1と同様である
が、この参考例では、光閉じ込め層35,37が共にG
aNで形成されている。また、MQW活性層36におけ
る井戸層と障壁層のペア数は、3対のものと10対のも
のの2種類を作成した。1. Reference numerals 31 to 41 in FIG. 3 denote reference numerals 11 to 2 in FIG.
Corresponds to 1. Although the basic configuration is the same as that of FIG. 1, in this reference example, both the optical confinement layers 35 and 37 are G layers.
aN. The number of pairs of the well layer and the barrier layer in the MQW active layer 36 is two, three pairs and ten pairs.
【0037】サファイア基板31上にGaN下地層32
からp型GaNコンタクト層39までのレーザ用多層膜
をMOCVD装置を用いて作成した後、反応炉から取り
出したところ、3対のMQW構造を有するレーザ用多層
膜の成長層表面にはクラックが非常に多く発生した。一
方、10対のMQW構造を有するレーザ用多層膜の成長
層表面ではウェハの一部にクラックが発生したが、3対
の場合に比べると、その密度は小さいことが明らかであ
る。On a sapphire substrate 31, a GaN underlayer 32
After forming a multilayer film for the laser from the P-type GaN contact layer 39 to the p-type GaN contact layer 39 by using the MOCVD apparatus, it was taken out of the reaction furnace. As a result, cracks were extremely found on the growth layer surface of the laser multilayer film having three pairs of MQW structures. Occurred many times. On the other hand, cracks occurred in a part of the wafer on the growth layer surface of the laser multilayer film having the 10 pairs of MQW structure, but it is clear that the density is smaller than that of the 3 pairs.
【0038】次に、上記の2つの試料について、多層構
造の一部をn型GaNコンタクト層33までドライエッ
チング法により除去し、その上部にTi/AIから成る
n側電極40を形成した。また、p型GaNコンタクト
層39上にはp側電極41を形成した。Next, with respect to the above two samples, a part of the multilayer structure was removed to the n-type GaN contact layer 33 by dry etching, and an n-side electrode 40 made of Ti / AI was formed thereon. Further, a p-side electrode 41 was formed on the p-type GaN contact layer 39.
【0039】このようにして作成した従来型のGaN系
青色半導体レーザにおけるSCH構造のバンド図を、図
4に示す。上記半導体素子のI−V特性を測定したとこ
ろ、良好なオーミック接触が得られた。FIG. 4 shows a band diagram of the SCH structure in the conventional GaN-based blue semiconductor laser fabricated as described above. When the IV characteristics of the semiconductor element were measured, good ohmic contact was obtained.
【0040】次に、上述の電極を有する半導体多層膜を
形成したウェハを350μm×500μmの大きさに劈
開することにより共振器ミラーを形成し、半導体レーザ
を作成した。これらの半導体レーザに電流注入したとこ
ろ、以下の結果を得た。10対のMQW活性層を有する
素子は、波長417nmで室温連続発振し、発振時の動
作電圧は約5Vであった。しかし、しきい電流密度は1
5kA/cm2 と高く、素子寿命30分弱と短い。ま
た、ウェハ面内における素子特性のばらつきは小さい。Next, the semiconductor mirror was formed by cleaving the wafer on which the semiconductor multilayer film having the above-mentioned electrodes was formed into a size of 350 μm × 500 μm to form a resonator mirror. When current was injected into these semiconductor lasers, the following results were obtained. The device having 10 pairs of MQW active layers continuously oscillated at room temperature at a wavelength of 417 nm, and the operating voltage during oscillation was about 5V. However, the threshold current density is 1
As high as 5 kA / cm 2 , the device lifetime is as short as less than 30 minutes. In addition, variations in element characteristics within the wafer surface are small.
【0041】一方、3対のMQW活性層を有する素子で
は、クラックが多く発生し、素子作成プロセス中に1素
子内にもクラックによる切断部が多く存在するため、通
電不可能な素子も多く存在し、歩留まりが非常に低い。
但し、ウェハ面内の約10%の素子では、波長417n
mで室温連続発振し、発振時の動作電圧は約5Vであっ
た。しきい値電流密度は、10対のMQW活性層を有す
る素子に比べ低く、7kA/cm2 であった。また、発
振した素子の寿命は30秒から長いものでは30時間程
度であった。On the other hand, in a device having three pairs of MQW active layers, many cracks are generated, and there are many cut portions due to cracks in one device during the device fabrication process. And the yield is very low.
However, for about 10% of the devices in the wafer plane, the wavelength 417n
m and continuous oscillation at room temperature, and the operating voltage during oscillation was about 5V. The threshold current density was lower than the device having 10 pairs of MQW active layers, that is, 7 kA / cm 2 . The life of the oscillated element was about 30 hours for a long one from 30 seconds.
【0042】以上のように、従来のGaN系半導体レー
ザでは、しきい値電流低減のためにInGaN系MQW
活性層のペア数を低減すると、クラックが多発する問題
が生じ、素子の歩留まりや特性が大幅に損なわれる問題
があった。また、従来構造では光の閉じ込めが不十分で
あったため、しきい値の低減が困難であった。これに対
し本実施形態では、InGaN系MQW活性層のペア数
の低減が可能になり、かつn側光閉じ込め層に従来のG
aNよりも屈折率の高いGaNを用いたことにより、光
の閉じ込め効果が高まり、しきい値電流を大幅に低減さ
せることができた。またその結果、素子の信頼性、歩留
まりが大幅に向上した。As described above, in the conventional GaN-based semiconductor laser, the InGaN-based MQW is used to reduce the threshold current.
When the number of pairs of active layers is reduced, cracks occur frequently, and the yield and characteristics of the device are greatly impaired. Further, in the conventional structure, light was not sufficiently confined, so that it was difficult to reduce the threshold value. On the other hand, in the present embodiment, the number of pairs of InGaN-based MQW active layers can be reduced, and the conventional G
By using GaN having a higher refractive index than aN, the effect of confining light was enhanced, and the threshold current was able to be significantly reduced. As a result, the reliability and the yield of the device were greatly improved.
【0043】また、予想以上の効果として、n側光閉じ
込め層として従来のGaNを用いた場合に比べ、本実施
形態によるInGaNを用いた場合の方が成長層表面の
平坦性が向上した。原子間力顕微鏡(AFM)により測
定した成長層表面の凹凸は、従来構造で約100nm、
本実施形態による成長層では約20nmであった。この
平坦性の向上により、電極形成などの素子プロセスにお
ける歩留まりや信頼性が向上した。また、この成長層表
面の平坦性向上は、当然のことながら活性層におけるM
QW構造の秩序性を向上させ、従来構造における光の散
乱等の悪影響を低減し、またキャリアの注入、再結合な
ど電気的な特性に対する悪影響等も除外できる。Also, as an unexpected effect, the flatness of the growth layer surface was improved when InGaN according to the present embodiment was used as compared with the case where conventional GaN was used as the n-side optical confinement layer. The roughness of the growth layer surface measured by an atomic force microscope (AFM) is about 100 nm in the conventional structure,
In the growth layer according to the present embodiment, the thickness was about 20 nm. Due to the improvement of the flatness, the yield and reliability in an element process such as electrode formation have been improved. The improvement in the flatness of the surface of the growth layer is, of course, due to the M
The ordering of the QW structure can be improved, adverse effects such as light scattering in the conventional structure can be reduced, and adverse effects on electrical characteristics such as carrier injection and recombination can be excluded.
【0044】このように本実施形態によれば、GaN系
短波長レーザにおいて困難であったしきい値電流の低減
が可能になる。この材料系のレーザでは、一般的にMQ
W構造を有するInGaN系活性層が用いられている
が、しきい値電流低減のため、MQWのペア数を低減す
ると、クラックが多発し、MQWのペア数低減によるし
きい値低減とクラックの発生(クラック密度)がトレー
ドオフの関係にあった。即ち、クラックの発生を抑制し
た構造ではしきい値電流が高く、またしきい値電流を低
くした構造ではクラックが多発し、素子の歩留まり、信
頼性が著しく低下する問題があった。本実施形態は、上
記の問題を解決し、クラックの発生を抑止すると同時
に、MQWのペア数を低減することができ、その結果、
しきい値電流を大幅に低減できる。これにより、素子の
歩留まり、初期特性、信頼性が大幅に向上する。As described above, according to the present embodiment, it is possible to reduce the threshold current which has been difficult in the GaN-based short wavelength laser. In this material laser, generally MQ
Although an InGaN-based active layer having a W structure is used, when the number of MQW pairs is reduced to reduce the threshold current, cracks occur frequently, and the threshold is reduced and the crack is generated by reducing the number of MQW pairs. (Crack density) had a trade-off relationship. That is, in the structure in which the generation of cracks is suppressed, the threshold current is high, and in the structure in which the threshold current is low, cracks occur frequently, and the yield and reliability of the device are significantly reduced. The present embodiment can solve the above problem, suppress the occurrence of cracks, and at the same time, reduce the number of MQW pairs, and as a result,
The threshold current can be greatly reduced. As a result, the yield, initial characteristics, and reliability of the device are greatly improved.
【0045】(実施形態2)図5は、本発明の第2の実
施形態に係わる半導体レーザを示す素子構造断面図であ
る。なお、図1と同一部分には同一符号を付して、その
詳しい説明は省略する。(Embodiment 2) FIG. 5 is a sectional view of the element structure showing a semiconductor laser according to a second embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
【0046】本実施形態では、第1の実施形態と同様の
半導体レーザの素子構造において、MQW型InGaN
系活性層16の代わりに、単一量子井戸構造(SQW)
型InGaN系活性層26を用い、p側光閉じ込め層2
7に第1の実施形態におけるGaNの代わりにInGa
Nを用いたものである。活性層26とp側光閉じ込め層
27以外は、第1の実施形態と同じ構造とした。In this embodiment, in the device structure of the semiconductor laser similar to that of the first embodiment, an MQW type InGaN
Single quantum well structure (SQW) instead of active layer 16
P-side optical confinement layer 2 using p-type InGaN-based active layer 26
7 is InGa instead of GaN in the first embodiment.
N is used. The structure other than the active layer 26 and the p-side light confinement layer 27 is the same as that of the first embodiment.
【0047】本実施形態では、活性層26をSQWとし
ているため、第1の実施形態の場合に比べ、よりクラッ
クが生じ易く、光の閉じ込めが厳しい構造である。従っ
て、本実施形態では、p側光閉じ込め層27にもn側光
閉じ込め層と同様にInGaNを用いることにより、ク
ラック防止効果及び光閉じ込め効果を増加させる必要が
ある。しかし、(課題を解決するための手段)の項でも
説明した理由により、p側InGaN光閉じ込め層27
のIn組成は余り高いと素子特性が悪化する。本実施形
態では、p側光閉じ込め層27に厚さ0.2μmのIn
0.03Ga0.97Nを用いた。In this embodiment, since the active layer 26 is made of SQW, cracks are more likely to occur and light confinement is severer than in the case of the first embodiment. Therefore, in the present embodiment, it is necessary to increase the crack prevention effect and the light confinement effect by using InGaN for the p-side light confinement layer 27 similarly to the n-side light confinement layer. However, the p-side InGaN optical confinement layer 27 is also provided for the reason described in the section (Means for solving the problem).
If the In composition is too high, the device characteristics deteriorate. In this embodiment, the p-side optical confinement layer 27 has a thickness of 0.2 μm
0.03 Ga 0.97 N was used.
【0048】第1の実施形態と同様の成長条件で作成し
たレーザ用多層膜の表面平坦性は極めて良好で、AFM
による測定で凹凸は約10nmであることが分った。次
に、上記のレーザ用多層膜に第1の実施形態と同様のプ
ロセスを施し、n側電極20及びp側電極21を形成し
た後に、I−V特性を測定したところ良好なオーミック
接触が得られた。The surface flatness of the laser multilayer film formed under the same growth conditions as in the first embodiment is extremely good.
Measurement showed that the roughness was about 10 nm. Next, the same process as that of the first embodiment was applied to the above-described laser multilayer film to form an n-side electrode 20 and a p-side electrode 21. After measuring the IV characteristics, a good ohmic contact was obtained. Was done.
【0049】次に、上記の電極を形成したウェハを35
0μm×500μmの大きさにへき開することにより共
振器ミラーを形成し、半導体レーザを作成した。この半
導体レーザに電流注入したところ、波長417nmで室
温連続発振した。素子の動作電圧は4.8V、しきい電
流密度は1kA/cm2 であった。また、素子寿命も従
来の1000倍以上に延び、素子の信頼性が大幅に向上
した。Next, the wafer on which the above-mentioned electrodes are formed is moved to 35
A cavity was formed by cleaving to a size of 0 μm × 500 μm, and a semiconductor laser was fabricated. When a current was injected into this semiconductor laser, continuous oscillation at room temperature continued at a wavelength of 417 nm. The operating voltage of the device was 4.8 V, and the threshold current density was 1 kA / cm 2 . In addition, the life of the device was increased to 1000 times or more as compared with the conventional device, and the reliability of the device was greatly improved.
【0050】SQW構造のInGaN系活性層を用いた
場合、従来型の構造ではクラックが多発し、素子の作成
が困難であったが、本実施形態で作成したレーザ素子で
は、n側及びp側にInGaN光閉じ込め層を設けたこ
とで、クラックの発生を抑制すると同時に、光の閉じ込
め効果も増大し、しきい値電流を大幅に低減することが
可能となり、素子の歩留まり及び信頼性が顕著に向上し
た。When an InGaN-based active layer having the SQW structure is used, cracks occur frequently in the conventional structure, making it difficult to fabricate the device. However, in the laser device fabricated in this embodiment, the n-side and p-side Is provided with an InGaN light confinement layer, crack generation is suppressed, and at the same time, the light confinement effect is increased, and the threshold current can be significantly reduced. As a result, the yield and reliability of the device are significantly reduced. Improved.
【0051】(第3の実施形態)本実施形態では、活性
層におけるキャリアのオーバフローを防止するための工
夫を加えた素子構造で、かつMQWの井戸数を低減し、
光の閉じ込め効果を高め、クラックの発生を抑制できる
窒化物系低しきい値半導体レーザを提供するための例を
示す。(Third Embodiment) In the present embodiment, the element structure is designed to prevent carrier overflow in the active layer, and the number of MQW wells is reduced.
An example for providing a nitride-based low-threshold semiconductor laser that can enhance the light confinement effect and suppress the occurrence of cracks will be described.
【0052】窒化物系半導体レーザでは、活性層におけ
る電子のオーバフローが問題となる。電子と正孔の再結
合確率をより高めるために、電子のオーバフローを抑制
する必要がある。本実施形態では、電子のオーバフロー
を抑制するため、InGaN系MQW活性層上に高Al
組成のGaAlN層(Al組成を20%、膜厚を5n
m)を設け、p側光閉じ込め層は設けない構造とする。In the nitride semiconductor laser, the overflow of electrons in the active layer poses a problem. In order to further increase the recombination probability of electrons and holes, it is necessary to suppress the overflow of electrons. In the present embodiment, in order to suppress the overflow of electrons, high Al is deposited on the InGaN-based MQW active layer.
GaAlN layer of composition (Al composition 20%, film thickness 5n
m) and no p-side light confinement layer is provided.
【0053】図6に本実施形態による窒化物系半導体レ
ーザの素子構造断面を示し、以下に層構造を簡単に説明
する。成長はMOCVD法により行った。サファイア基
板81上に、GaNバッファ層82a、アンドープGa
N下地層82、n型GaNコンタクト層83、n型Ga
0.84Al0.16N電流注入層(0.3μm)91、アンド
ープIn0.05Ga0.95N光閉じ込め層(0.3μm)9
2、アンドープInGaN系MQW活性層(4対)93
を順次形成し、その上にキャリアオーバフロー防止層と
してGa0.8 Al0.2 N層(5nm)94を形成する。
その上に、p型Ga0.93Al0.07N電流注入層(0.4
μm)95、p型GaN電流注入層85、n型GaN電
流狭窄層86を順次形成する。FIG. 6 shows a cross section of the device structure of the nitride semiconductor laser according to the present embodiment, and the layer structure will be briefly described below. The growth was performed by the MOCVD method. A GaN buffer layer 82a and an undoped Ga
N underlayer 82, n-type GaN contact layer 83, n-type Ga
0.84 Al 0.16 N current injection layer (0.3 μm) 91, undoped In 0.05 Ga 0.95 N light confinement layer (0.3 μm) 9
2. Undoped InGaN-based MQW active layer (4 pairs) 93
Are sequentially formed, and a Ga 0.8 Al 0.2 N layer (5 nm) 94 is formed thereon as a carrier overflow prevention layer.
On top of that, a p-type Ga 0.93 Al 0.07 N current injection layer (0.4
μm) 95, a p-type GaN current injection layer 85, and an n-type GaN current confinement layer 86 are sequentially formed.
【0054】次いで、n型GaN電流狭窄層86を部分
的にパターニングし、エッチング等によりp型GaN電
流注入層85を最表面に露出させる。その後、p型Ga
N電流注入層85及びn型GaN電流狭窄層86上に
は、再びMOCVD法により、p型GaNコンタクト層
87を形成する。Next, the n-type GaN current confinement layer 86 is partially patterned, and the p-type GaN current injection layer 85 is exposed to the outermost surface by etching or the like. Then, p-type Ga
On the N current injection layer 85 and the n-type GaN current confinement layer 86, a p-type GaN contact layer 87 is formed again by the MOCVD method.
【0055】次いで、SiO2 等によるマスキングによ
り、p型GaNコンタクト層83まで部分的にエッチン
グし、露出したコンタクト層83上にn側電極96を形
成し、さらにp型GaNコンタクト層87上にp側電極
97を形成する。Next, etching is performed partially to the p-type GaN contact layer 83 by masking with SiO 2 or the like, an n-side electrode 96 is formed on the exposed contact layer 83, and a p-type GaN contact layer 87 is formed on the p-type GaN contact layer 87. The side electrode 97 is formed.
【0056】このようにして作成した半導体レーザは、
発振波長410nmにて、910A/cm2 の低しきい
値で発振した。本実施形態のように、n側光閉じ込め層
にInGaNを用いることにより、クラック発生を抑制
することができ、同時に光の閉じ込め効果が向上する。
また、窒化物系半導体レーザで問題となる電子のp側へ
のオーバフローは、MQW直上へ高Al組成のGaAl
N層を挿入することで抑制でき、このため本実施形態の
ような構造の場合、必ずしもp側の光閉じ込め層を設け
る必要はない。但し、構造上、クラック発生抑制効果又
は光閉じ込め効果が不十分な場合には、図6において、
InGaN系MQW活性層93上にGaAlNキャリア
オーバフロー防止層(5nm)94を形成し、さらにそ
の上部にp側光閉じ込め層を設け、その上に本実施形態
と同様のp型GaAlN電流注入層95を形成するよう
な構造にしても良い。The semiconductor laser thus produced is
It oscillated at a low threshold of 910 A / cm 2 at an oscillation wavelength of 410 nm. By using InGaN for the n-side light confinement layer as in the present embodiment, it is possible to suppress the occurrence of cracks and at the same time improve the light confinement effect.
The overflow of electrons to the p-side, which is a problem in the nitride-based semiconductor laser, is caused by the high Al composition GaAl
This can be suppressed by inserting the N layer. Therefore, in the case of the structure as in the present embodiment, it is not always necessary to provide the p-side light confinement layer. However, if the crack generation suppressing effect or the light confinement effect is insufficient due to the structure, in FIG.
A GaAlN carrier overflow prevention layer (5 nm) 94 is formed on the InGaN-based MQW active layer 93, a p-side optical confinement layer is further provided thereon, and a p-type GaAlN current injection layer 95 similar to that of the present embodiment is formed thereon. It may be a structure to be formed.
【0057】(実施形態4)図7は、本発明の第4の実
施形態に係わる半導体レーザを示す素子構造断面図であ
る。(Embodiment 4) FIG. 7 is a sectional view showing an element structure of a semiconductor laser according to a fourth embodiment of the present invention.
【0058】本実施形態では、サファイア基板51上に
バッファ層52を介してn型GaNコンタクト層53を
形成し、このコンタクト層53上にn型AlGaNクラ
ッド層(Al組成:0.32)54、GaN光閉じ込め
層55、第1の多重量子井戸構造(MQW)のInGa
N系活性層56を順次形成する。ここで、活性層56
は、In組成20%のInGaN井戸層とGaN障壁層
とを組み合わせた2対のMQW構造とした。In this embodiment, an n-type GaN contact layer 53 is formed on a sapphire substrate 51 via a buffer layer 52, and an n-type AlGaN cladding layer (Al composition: 0.32) 54 is formed on the contact layer 53. GaN optical confinement layer 55, InGa of first multiple quantum well structure (MQW)
An N-based active layer 56 is formed sequentially. Here, the active layer 56
Has a two-pair MQW structure in which an InGaN well layer and a GaN barrier layer having an In composition of 20% are combined.
【0059】第1のMQW活性層56上に、厚さ40n
mのInGaN系クラック防止層(In組成:7%)5
7を形成した。また、その上部に第1のMQW構造を有
する活性層56と同様の構造を有する第2のMQW構造
のInGaN系活性層58を形成した。また、さらにそ
の上部にp型GaN光閉じ込め層59、p型AlGaN
クラッド層(Al組成:0.32)60を順次形成し、
n型AlGaNクラッド層54からp型AlGaNクラ
ッド層60までの層を図7に示すようにメサストライプ
状に形成した。On the first MQW active layer 56, a thickness of 40 n
m InGaN-based crack prevention layer (In composition: 7%) 5
7 was formed. Further, an InGaN-based active layer 58 having a second MQW structure having the same structure as the active layer 56 having the first MQW structure was formed thereon. Further, a p-type GaN light confinement layer 59 and a p-type AlGaN
A cladding layer (Al composition: 0.32) 60 is sequentially formed,
The layers from the n-type AlGaN cladding layer 54 to the p-type AlGaN cladding layer 60 were formed in a mesa stripe shape as shown in FIG.
【0060】メサストライプの側部には、i型GaN層
61を埋め込み、p型AlGaNクラッド層60及びi
型GaN層61上には、p型GaNコンタクト層62を
形成した。つまり、埋め込みメサ構造のダブルヘテロ構
造を形成し、さらにその上にp側電極とのコンタクト層
を形成した。埋め込みには、高抵抗のGaN層を用い
た。On the side of the mesa stripe, an i-type GaN layer 61 is embedded, and a p-type AlGaN cladding layer 60 and an i-type GaN layer 61 are formed.
On the p-type GaN layer 61, a p-type GaN contact layer 62 was formed. That is, a double hetero structure having a buried mesa structure was formed, and a contact layer with the p-side electrode was further formed thereon. A high-resistance GaN layer was used for embedding.
【0061】本実施形態の半導体レーザは、第1の実施
形態と同様にMOCVD法により作成した。このように
して作成したレーザ用ウェハにはクラックは存在せず、
良好な結晶が得られた。The semiconductor laser according to this embodiment is manufactured by the MOCVD method as in the first embodiment. There is no crack in the laser wafer created in this way,
Good crystals were obtained.
【0062】上述のように作成したレーザ用多層膜の活
性層付近のバンド図を図8に示す。第1の活性層56と
第2の活性層58の間に挿入されたクラック防止層57
のバンドギャップは、光閉じ込め層55,59のそれよ
りも小さく、第1及び第2の活性層56,58のそれよ
りも大きいものとなっている。より具体的には、クラッ
ク防止層57のバンドギャップは、活性層56,58を
構成するMQWの井戸層のそれよりは大きく、障壁層の
それよりは小さいものとなっている。なお、2つの活性
層56,58のうち一方だけをMQW構成とし、他方を
通常のアンドープ活性層或いはSQW構成にしてもよ
い。FIG. 8 shows a band diagram in the vicinity of the active layer of the laser multilayer film formed as described above. Crack preventing layer 57 inserted between first active layer 56 and second active layer 58
Is smaller than that of the optical confinement layers 55 and 59 and larger than that of the first and second active layers 56 and 58. More specifically, the band gap of the crack prevention layer 57 is larger than that of the MQW well layers constituting the active layers 56 and 58, and smaller than that of the barrier layers. Note that only one of the two active layers 56 and 58 may have an MQW configuration, and the other may have a normal undoped active layer or SQW configuration.
【0063】次に、n型GaNコンタクト層53上にT
i/Auから成るn側電極63を形成した。p型GaN
コンタクト層62上にはp側電極64を形成した。続い
て、このレーザ構造を基板側からスクライバなどを用い
て壁開し、共振器ミラーを作成した。Next, on the n-type GaN contact layer 53, T
An n-side electrode 63 made of i / Au was formed. p-type GaN
A p-side electrode 64 was formed on the contact layer 62. Subsequently, the laser structure was cleaved from the substrate side using a scriber or the like, and a resonator mirror was formed.
【0064】このようにして作成した半導体レーザは波
長420nmで連続発振した。この素子の動作電圧は
4.2Vで、しきい値電流密度は1kA/cm2 であっ
た。また、作成したレーザ用ウェハ内での素子特性のば
らつきは殆ど無く、素子寿命も従来素子の1000O倍
程度まで延び、信頼性が大幅に向上した。The semiconductor laser thus produced oscillated continuously at a wavelength of 420 nm. The operating voltage of this element was 4.2 V, and the threshold current density was 1 kA / cm 2 . Further, there was almost no variation in device characteristics in the prepared laser wafer, and the device life was extended to about 1000 times that of the conventional device, and the reliability was greatly improved.
【0065】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。半導体層成長のための基板はサフ
ァイアに限るものではなく、GaN,SiC,Si等を
用いることができる。また、実施形態では、pn構造に
おけるn層を活性層に対し基板側に設け、p層を反対側
(上部)に設けた構造を例に示したが、基板側にp層
を、成長層上部にn層を形成するような構造でも良い。The present invention is not limited to the above embodiments. The substrate for growing the semiconductor layer is not limited to sapphire, and GaN, SiC, Si or the like can be used. Further, in the embodiment, the structure in which the n layer in the pn structure is provided on the substrate side with respect to the active layer and the p layer is provided on the opposite side (upper part) is described as an example, but the p layer is provided on the substrate side and the upper part of the growth layer is provided. Alternatively, a structure in which an n-layer is formed on the substrate may be used.
【0066】また、実施形態では、GaN系半導体レー
ザの例を説明したが、本発明は半導体レーザに限らず発
光ダイオード(LED)にも適用できる。さらに、Ga
N系材料に限らず、窒化物系半導体を用いた発光素子に
適用することができる。その他、本発明の要旨を逸脱し
ない範囲で、種々変形して実施することができる。Further, in the embodiment, the example of the GaN-based semiconductor laser has been described. However, the present invention is not limited to the semiconductor laser but can be applied to a light emitting diode (LED). Further, Ga
The present invention is not limited to N-based materials, and can be applied to light-emitting elements using nitride-based semiconductors. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
【0067】[0067]
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、S
CH構造を有する窒化物系半導体発光素子において、n
側の光閉じ込め層をコンタクト層であるGaN等の屈折
率よりも大きな屈折率を有するInGaN等で形成する
ことにより、しきい値電流低減とクラックの抑制とを同
時に達成することができ、トータルの素子特性向上をは
かり得る。その結果、素子の歩留まり、初期特性、信頼
性が大幅に向上する。As described in detail above, according to the present invention, S
In a nitride-based semiconductor light emitting device having a CH structure,
By forming the light confinement layer on the side of InGaN or the like having a refractive index larger than that of GaN or the like as the contact layer, it is possible to simultaneously reduce the threshold current and suppress cracks, and the total Device characteristics can be improved. As a result, the yield, initial characteristics, and reliability of the device are greatly improved.
【図1】第1の実施形態に係わるSCH構造を有する窒
化物系半導体レーザを示す素子構造断面図。FIG. 1 is an element structure cross-sectional view showing a nitride-based semiconductor laser having an SCH structure according to a first embodiment.
【図2】図1の素子構造におけるSCH構造のバンド
図。FIG. 2 is a band diagram of an SCH structure in the element structure of FIG.
【図3】第1の実施形態において比較のために示した従
来のSCH構造を有する窒化物系半導体レーザを示す素
子構造断面図。FIG. 3 is an element structure sectional view showing a conventional nitride-based semiconductor laser having an SCH structure shown for comparison in the first embodiment.
【図4】図5の従来型の窒化物系半導体レーザにおける
SCH構造のバンド図。FIG. 4 is a band diagram of an SCH structure in the conventional nitride semiconductor laser of FIG. 5;
【図5】第2の実施形態に係わる半導体レーザを示す素
子構造断面図。FIG. 5 is an element structure sectional view showing a semiconductor laser according to a second embodiment.
【図6】第3の実施形態に係わる半導体レーザを示す素
子構造断面図。FIG. 6 is a sectional view of an element structure showing a semiconductor laser according to a third embodiment.
【図7】第4の実施形態に係わる半導体レーザを示す素
子構造断面図。FIG. 7 is an element structure sectional view showing a semiconductor laser according to a fourth embodiment.
【図8】図7の構造における活性層付近のバンド図。FIG. 8 is a band diagram near an active layer in the structure of FIG. 7;
11…サファイア基板 12…アンドープGaN下地層 13…n型GaNコンタクト層 14…n型AlGaNクラッド層 15…n側InGaN光閉じ込め層兼クラック防止層 16…MQWのInGaN系活性層 17…p側GaN光閉じ込め層 18…p型AlGaNクラッド層 19…p型GaNコンタクト層 20…n側電極 21…p側電極 REFERENCE SIGNS LIST 11 sapphire substrate 12 undoped GaN underlayer 13 n-type GaN contact layer 14 n-type AlGaN cladding layer 15 n-side InGaN light confinement layer and anti-crack layer 16 MQW InGaN-based active layer 17 p-side GaN light Confinement layer 18 p-type AlGaN cladding layer 19 p-type GaN contact layer 20 n-side electrode 21 p-side electrode
Claims (4)
てなり、活性層を一対の光閉じ込め層で挟み、その外側
をp型及びn型の一対のクラッド層で挟んだ分離閉じ込
めヘテロ構造を有し、かつその外側にp型及びn型のコ
ンタクト層を有する窒化物系半導体発光素子であって、 前記一対の光閉じ込め層のうち、p側の光閉じ込め層の
屈折率は前記コンタクト層のそれと同じ又はそれよりも
大きく、n側の光閉じ込め層の屈折率はp側の光閉じ込
め層のそれよりも大きいことを特徴とする窒化物系半導
体発光素子。An isolated confinement in which a plurality of nitride-based semiconductor layers are laminated on a substrate, an active layer is sandwiched between a pair of optical confinement layers, and the outside thereof is sandwiched between a pair of p-type and n-type cladding layers. A nitride-based semiconductor light-emitting device having a heterostructure and having p-type and n-type contact layers outside thereof, wherein the refractive index of a p-side light confinement layer of the pair of light confinement layers is A nitride-based semiconductor light-emitting device characterized by being equal to or larger than that of a contact layer and having a refractive index of an n-side light confinement layer larger than that of a p-side light confinement layer.
よりもバンドギャップの大きい窒化物系半導体からなる
一対の光閉じ込め層で挟み、その外側を光閉じ込め層よ
りもバンドギャップの大きいAlを含む窒化物系半導体
からなるp型及びn型の一対のクラッド層で挟んだ分離
閉じ込めヘテロ構造を有し、かつその外側にクラッド層
よりもバンドギャップの小さい窒化物系半導体からなる
p型及びn型のコンタクト層を有する窒化物系半導体発
光素子であって、 前記一対の光閉じ込め層のうち、n側の光閉じ込め層は
前記コンタクト層よりも屈折率が大きく、p側の光閉じ
込め層はn側の光閉じ込め層よりも屈折率が小さく、か
つ前記コンタクト層と同じ又はそれよりも屈折率が大き
いことを特徴とする窒化物系半導体発光素子。2. An active layer made of a nitride-based semiconductor is sandwiched between a pair of optical confinement layers made of a nitride-based semiconductor having a larger band gap than the active layer, and the outside of the pair is made of Al having a larger band gap than the optical confinement layer. Having a separate confinement heterostructure sandwiched between a pair of p-type and n-type cladding layers made of a nitride-based semiconductor including, and a p-type and a nitride-based semiconductor having a band gap smaller than that of the cladding layer on the outside thereof. A nitride-based semiconductor light emitting device having an n-type contact layer, wherein, of the pair of light confinement layers, an n-side light confinement layer has a larger refractive index than the contact layer, and a p-side light confinement layer has A nitride-based semiconductor light-emitting device having a lower refractive index than the n-side light confinement layer and a refractive index equal to or higher than that of the contact layer.
<z≦1)で形成され、前記各コンタクト層はGaNで
形成され、前記n側の光閉じ込め層はInx Ga1-x N
(0<x≦1)で形成され、前記p側の光閉じ込め層は
Iny Ga1-y N(0≦y<x)で形成されていること
を特徴とする請求項1又は2記載の窒化物系半導体発光
素子。Wherein each said cladding layer is Al z Ga 1-z N ( 0
<Z ≦ 1), each of the contact layers is formed of GaN, and the n-side optical confinement layer is In x Ga 1 -xN.
It is formed by (0 <x ≦ 1), an optical confinement layer of the p-side In y Ga 1-y N ( 0 ≦ y <x) of claim 1 or 2, wherein the are formed of Nitride based semiconductor light emitting device.
てなり、活性層を該活性層よりもバンドギャップの大き
い一対の光閉じ込め層で挟み、さらにその外側を光閉じ
込め層よりもバンドギャップの大きいp型及びn型の一
対のクラッド層で挟んだ分離閉じ込めヘテロ構造を有す
る窒化物系半導体発光素子であって、 前記活性層が第1の活性層と第2の活性層に分離されて
おり、第1の活性層と第2の活性層の間に、前記光閉じ
込め層よりもバンドギャップが小さく、第1及び第2の
活性層よりもバンドギャップが大きいクラック防止層を
設けてなることを特徴とする窒化物系半導体発光素子。4. A semiconductor device comprising: a plurality of nitride-based semiconductor layers laminated on a substrate; an active layer sandwiched between a pair of optical confinement layers having a larger band gap than the active layer; What is claimed is: 1. A nitride semiconductor light emitting device having a separated confinement heterostructure sandwiched between a pair of p-type and n-type cladding layers having a large band gap, wherein said active layer is separated into a first active layer and a second active layer. A crack preventing layer having a smaller band gap than the light confinement layer and a larger band gap than the first and second active layers is provided between the first active layer and the second active layer. A nitride-based semiconductor light-emitting device.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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