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JP2002280673A - Semiconductor light emitting device - Google Patents

Semiconductor light emitting device

Info

Publication number
JP2002280673A
JP2002280673A JP2001073463A JP2001073463A JP2002280673A JP 2002280673 A JP2002280673 A JP 2002280673A JP 2001073463 A JP2001073463 A JP 2001073463A JP 2001073463 A JP2001073463 A JP 2001073463A JP 2002280673 A JP2002280673 A JP 2002280673A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
light emitting
emitting device
semiconductor light
gan
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2001073463A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kenji Funato
健次 船戸
Takao Miyajima
孝夫 宮嶋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
Priority to JP2001073463A priority Critical patent/JP2002280673A/en
Publication of JP2002280673A publication Critical patent/JP2002280673A/en
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 活性層のIn組成分布のウエハ面内均一性が
良好な構成を備えたAlBGaInN系半導体発光素子
を提供する。 【解決手段】 本半導体発光素子は、Alx y Ga
1-x-y-z Inz N(1>x≧0、1>y≧0、及び1>
z>0)系半導体発光素子であって、単一量子井戸構造
の例では、GaN障壁層42A、Bと、GaN障壁層4
2A、Bに挟まれたInN井戸層44とを有する、図1
(a)に示すようなバンド構造の単一量子井戸構造から
なる活性層を備えている。また、本半導体発光素子は、
多重量子井戸構造の例では、GaN障壁層46A〜Dと
GaN障壁層46A〜Dの各障壁層間にそれぞれ挟まれ
たInN井戸層48A〜Cと有する、図1(b)に示す
ようなバンド構造の多重量子井戸構造からなる活性層を
備えている。
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an AlBGaInN-based semiconductor light emitting device having a configuration in which the uniformity of the In composition distribution of an active layer in a wafer surface is good. SOLUTION: This semiconductor light emitting device is made of Al x By y Ga
1-xyz In z N (1> x ≧ 0, 1> y ≧ 0, and 1>
z> 0) -based semiconductor light emitting device having a single quantum well structure, in which GaN barrier layers 42A and 42B and GaN barrier layers 4
1 having an InN well layer 44 sandwiched between 2A and 2B.
An active layer having a single quantum well structure having a band structure as shown in FIG. Further, the present semiconductor light emitting device
In the example of the multiple quantum well structure, a band structure as shown in FIG. 1B having GaN barrier layers 46A to 46D and InN well layers 48A to 48C sandwiched between the barrier layers of the GaN barrier layers 46A to 46D, respectively. Of an active layer having a multiple quantum well structure.

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、AlBGaInN
系半導体発光素子に関し、更に詳細には、活性層のIn
組成分布のウエハ面内均一性が良好な構成を備え、半導
体レーザ素子であれば、閾値電流値が低く、微分利得が
大きく、発光ダイオードであれば、色純度の高い、Al
BGaInN系半導体発光素子に関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to an AlBGaInN
More specifically, the active layer In
The semiconductor laser device has a configuration with good uniformity of the composition distribution in the wafer surface, has a low threshold current value, has a large differential gain, and has a high color purity for a light emitting diode.
The present invention relates to a BGaInN-based semiconductor light emitting device.

【0002】[0002]

【従来の技術】サファイア基板又はGaN基板上にGa
N系化合物半導体層の積層構造を備えるGaN系半導体
レーザ素子、なかでも、AlGaInN系化合物半導体
層の積層構造を備えたAlGaInN系半導体レーザ素
子は、青色から紫外領域に至る短波長域の光を発光する
半導体レーザ素子として注目されている。
2. Description of the Related Art Ga on a sapphire substrate or a GaN substrate.
A GaN-based semiconductor laser device having a stacked structure of N-based compound semiconductor layers, in particular, an AlGaInN-based semiconductor laser device having a stacked structure of AlGaInN-based compound semiconductor layers emits light in a short wavelength range from blue to the ultraviolet region. As a semiconductor laser device.

【0003】ここで、図4を参照して、従来のAlGa
InN系半導体レーザ素子の構成を説明する。図4は従
来のAlGaInN系半導体レーザ素子の構成を示す断
面図である。従来のAlGaInN系半導体レーザ素子
10は、図4に示すように、c面のサファイア基板12
上に、低温で成長させたGaNからなる第1バッファ層
14、GaNからなる第2バッファ層16、n型GaN
コンタクト層18、n型AlGaNからなる第1クラッ
ド層20、n型GaNからなる第1光ガイド層22、G
1-x Inx N/Ga1-y Iny N(x≠y)多重量子
井戸構造からなる活性層24、p型GaNからなる第2
光ガイド層26、p型AlGaNからなる第2クラッド
層28、及びp型GaNコンタクト層30を、順次、積
層した積層構造を備えている。
Here, referring to FIG. 4, a conventional AlGa
The configuration of the InN-based semiconductor laser device will be described. FIG. 4 is a sectional view showing a configuration of a conventional AlGaInN-based semiconductor laser device. As shown in FIG. 4, a conventional AlGaInN-based semiconductor laser device 10 includes a c-plane sapphire substrate 12.
A first buffer layer 14 made of GaN grown at a low temperature, a second buffer layer 16 made of GaN, n-type GaN
A contact layer 18, a first cladding layer 20 made of n-type AlGaN, a first light guide layer 22 made of n-type GaN, G
a 1-x In x N / Ga 1-y In y N (x ≠ y) Active layer 24 having a multiple quantum well structure, second active layer having a p-type GaN
The light guide layer 26, the second clad layer 28 made of p-type AlGaN, and the p-type GaN contact layer 30 are sequentially stacked.

【0004】積層構造のうち、n型GaNコンタクト層
18の上部層、第1クラッド層20、第1光ガイド層2
2、活性層24、第2光ガイド層26、第2クラッド層
28、及びコンタクト層30は、所定の方向に延在する
メサ部として形成されている。
In the laminated structure, the upper layer of the n-type GaN contact layer 18, the first cladding layer 20, the first light guide layer 2
2. The active layer 24, the second light guide layer 26, the second cladding layer 28, and the contact layer 30 are formed as mesa portions extending in a predetermined direction.

【0005】コンタクト層30上には、Ni/Au電極
のような多層金属膜のp側電極32がオーミック接合電
極として設けられ、また、n型コンタクト層18上に
は、Ti/Al電極のような多層金属膜のn側電極34
がオーミック接合電極として設けられている。
On the contact layer 30, a p-side electrode 32 of a multilayer metal film such as a Ni / Au electrode is provided as an ohmic junction electrode, and on the n-type contact layer 18, like a Ti / Al electrode. N-side electrode 34 of simple multilayer metal film
Are provided as ohmic junction electrodes.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述のAlG
aInN系半導体レーザ素子で一般的に用いられている
GaInN混晶系からなる活性層は、次のような問題が
ある。即ち、GaNとInNとの間の混和性の相違(mi
scibility gap)が大きいために、例えばMat.Res.Soc.S
ymp.Proc.vol.482,1998,p.613に報告されているよう
に、活性層に不均一なIn組成分布が生じ易いことであ
る。この不均一さの典型例として、上述の文献には、量
子ディスク(disk)が、或いはAppl.Phys.Lett.Vol.70,
1997,p.981には、量子ドット(dot)が活性層内に形成
されることが報告されている。
However, the above-mentioned AlG
The active layer composed of a GaInN mixed crystal system generally used in an aInN-based semiconductor laser device has the following problems. That is, the miscibility difference between GaN and InN (mi
Due to the large scibility gap, for example, Mat.Res.Soc.S
As reported in ymp. Proc. vol. 482, 1998, p. 613, the active layer is likely to have a non-uniform In composition distribution. As a typical example of this inhomogeneity, the above-mentioned literature includes a quantum disk (Appl. Phys. Lett. Vol. 70,
1997, p. 981, reports that quantum dots (dots) are formed in the active layer.

【0007】半導体レーザ素子で、このようなIn組成
の不均一な分布が活性層に生じていると、IEEE J.Selec
t.Topics Quantum Elect.Vol.4,1998,p.490に報告され
ているように、不均一なIn組成の分布に依存して、ウ
エハ面内の一部領域で、或いは局所的な領域で、有効な
共振器長(cavity長)が短くなったり、閾電流値が高か
ったり、或いは微分効率が低かったりする半導体レーザ
・チップが形成される。つまり、ウエハ面内でレーザ特
性がばらつくことになり、製品歩留りが低下する。
In a semiconductor laser device, when such an uneven distribution of the In composition occurs in the active layer, it has been reported that the J.Selec.
As reported in t.Topics Quantum Elect. Vol. 4, 1998, p. 490, depending on the distribution of the non-uniform In composition, in a partial region within the wafer plane or in a local region. A semiconductor laser chip is formed in which the effective cavity length (cavity length) is short, the threshold current value is high, or the differential efficiency is low. That is, the laser characteristics vary within the wafer surface, and the product yield decreases.

【0008】ところで、Appl.Phys.Lett.Vol.74,1999,
p.981に報告されているように、活性層のInの組成が
大きくなるほど、このようなIn組成の不均一分布が増
大する。つまり、In組成を大きくして、より長波長域
の発光素子を作製しようとすると、Inの組成揺らぎ
は、一層深刻な問題となり、製品歩留りの低下を招くこ
とになる。
By the way, Appl. Phys. Lett. Vol. 74, 1999,
As reported in p. 981, the greater the composition of In in the active layer, the greater the non-uniform distribution of the In composition. In other words, if an attempt is made to manufacture a light emitting element in a longer wavelength region by increasing the In composition, the fluctuation of the In composition becomes a more serious problem, leading to a reduction in product yield.

【0009】また、以上の問題では、AlGaInN系
半導体レーザ素子を例として取り上げているが、In組
成揺らぎは、AlGaInN系に加えて、AlBGaI
nN系半導体レーザ素子でも生じる問題である。更に
は、半導体レーザ素子に限らず、AlBGaInN系発
光ダイオードでも生じる問題である。例えば、発光ダイ
オードで、不均一なIn組成の分布が活性層に生じてい
ると、発光した光の色純度を悪化させる。
In the above problem, an AlGaInN-based semiconductor laser device is taken as an example.
This is a problem that also occurs in an nN-based semiconductor laser device. Furthermore, there is a problem that occurs not only in the semiconductor laser element but also in the AlBGaInN-based light emitting diode. For example, in a light emitting diode, if a non-uniform distribution of the In composition occurs in the active layer, the color purity of emitted light deteriorates.

【0010】そこで、本発明の目的は、活性層のIn組
成分布のウエハ面内均一性が良好な構成を備えたAlB
GaInN系半導体発光素子を提供することである。
It is an object of the present invention to provide an AlB having a structure in which the uniformity of the In composition distribution of the active layer in the wafer surface is excellent.
An object of the present invention is to provide a GaInN-based semiconductor light emitting device.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】活性層がGaInN3元
混晶であるかぎり、どうしても、GaNとInNとの間
の混和性の相違により、In組成のゆらぎが活性層に生
じて、上述の問題を引き起こす原因となる。そこで、本
発明者は、2元のInN井戸層とGaN障壁層とからな
る量子井戸構造により、GaInN3元混晶活性層に類
似する活性層を構成すること、また、InN井戸層の膜
厚を調整して量子閉じ込め効果を制御することを着想
し、本発明を発明するに到った。
As long as the active layer is a GaInN ternary mixed crystal, the difference in miscibility between GaN and InN causes fluctuations in the In composition in the active layer, and the above-mentioned problem is solved. Cause. Therefore, the present inventor has proposed that an active layer similar to a GaInN ternary mixed crystal active layer is formed by a quantum well structure including a binary InN well layer and a GaN barrier layer, and the thickness of the InN well layer is reduced. With the idea of controlling the quantum confinement effect by adjustment, the present invention has been made.

【0012】上記目的を達成するために、上述の知見に
基づいて、本発明に係る半導体発光素子は、活性層を有
するAlx y Ga1-x-y-z Inz N(1>x≧0、1
>y≧0、及び1>z>0)系半導体発光素子におい
て、活性層が、In以外のIII 族の2元III 族窒化物化
合物半導体からなる障壁層と、InNからなる井戸層と
の量子井戸構造として形成されていることを特徴として
いる。
[0012] To achieve the above object, on the basis of the above findings, the semiconductor light emitting device according to the present invention, Al x B y Ga 1- xyz In z N (1> x ≧ 0,1 having an active layer
> Y ≧ 0 and 1>z> 0) -based semiconductor light-emitting device, the active layer is formed by a quantum well of a barrier layer made of a group III binary group III nitride compound semiconductor other than In and a well layer made of InN. It is characterized by being formed as a well structure.

【0013】本発明で、In以外のIII 族の2元III 族
窒化物化合物半導体層とは、GaN、AlN、及びBN
等の化合物半導体層を言い、好適にはGaN層である。
量子井戸構造は、単一量子井戸構造でも、多重量子井戸
構造でも良い。本発明は、AlBGaInN系半導体レ
ーザ素子及びAlBGaInN系発光ダイオードに適用
することができる。
In the present invention, a group III binary group III nitride compound semiconductor layer other than In refers to GaN, AlN, and BN.
Etc., and is preferably a GaN layer.
The quantum well structure may be a single quantum well structure or a multiple quantum well structure. The present invention can be applied to an AlBGaInN-based semiconductor laser device and an AlBGaInN-based light emitting diode.

【0014】本発明では、例えばGaN障壁層とInN
井戸層との量子井戸構造を形成して、GaInN層に類
似させることにより、In組成の面内均一なGaInN
活性層を構成することができる。即ち、障壁層及び井戸
層ともにGaInN混晶を用いていないことにより、G
aInN混晶でのIn組成のゆらぎに起因するポテンシ
ャル(バンドギャップエネルギー)の不均一な揺らぎを
回避することができる。また、これにより、半導体レー
ザ素子の閾電流値を下げ、微分利得を増大させることが
できる。また、発光ダイオードの色純度を高めることが
できる。
In the present invention, for example, a GaN barrier layer and InN
By forming a quantum well structure with a well layer and resembling a GaInN layer, an in-plane uniform GaInN
An active layer can be configured. That is, since the GaInN mixed crystal is not used for both the barrier layer and the well layer, G
Non-uniform fluctuation of the potential (band gap energy) due to fluctuation of the In composition in the aInN mixed crystal can be avoided. In addition, this makes it possible to lower the threshold current value of the semiconductor laser device and increase the differential gain. Further, the color purity of the light emitting diode can be increased.

【0015】量子井戸構造の井戸層の井戸幅を調整する
ことにより、図5に示すように、波長と反比例関係の発
光エネルギー(光子エネルギー)を3.2eV弱の紫外
領域から2.0eV弱の赤色の範囲で制御することがで
きる。つまり、量子井戸構造の井戸層の井戸幅を制御す
ることにより、半導体発光素子の発光波長を紫外領域か
ら赤色の範囲で制御することができる。図5は、InN
井戸層からなる単一量子井戸層を例にして、井戸幅(n
m)と発光エネルギーとの関係を計算した結果を示すも
のである。
By adjusting the well width of the well layer of the quantum well structure, as shown in FIG. 5, the emission energy (photon energy) inversely proportional to the wavelength is reduced from the ultraviolet region of less than 3.2 eV to less than 2.0 eV. It can be controlled in the red range. That is, by controlling the well width of the well layer having the quantum well structure, the emission wavelength of the semiconductor light emitting device can be controlled in the range from the ultraviolet region to the red region. FIG.
Taking a single quantum well layer composed of a well layer as an example, the well width (n
10 shows the result of calculating the relationship between m) and the emission energy.

【0016】また、InN井戸層は、0.29nm以上
の層厚を有し、GaN障壁層及びInN井戸層の少なく
とも一方が、1×1018cm-3以上のn型またはp型の
キャリア密度になっていることが好ましい。これによ
り、半導体レーザ素子の閾電流値が低くなり、また、発
光ダイオードの発光効率を高めることができる。
The InN well layer has a layer thickness of 0.29 nm or more, and at least one of the GaN barrier layer and the InN well layer has an n-type or p-type carrier density of 1 × 10 18 cm −3 or more. It is preferred that As a result, the threshold current value of the semiconductor laser device is reduced, and the luminous efficiency of the light emitting diode can be increased.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下に、添付図面を参照し、実施
形態例を挙げて本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に
説明する。尚、以下の実施形態例及び実施例で示す成膜
方法、化合物半導体層の組成及び膜厚、プロセス条件等
は、本発明の理解を容易にするための一つの例示であっ
て、本発明は、この例示に限定されるものではない。実施形態例 本実施形態例は、本発明に係る半導体発光素子の実施形
態の一例であって、図1(a)及び(b)は、それぞ
れ、本実施形態例の半導体発光素子の要部である単一量
子井戸構造及び多重量子井戸構造のバンド図である。本
実施形態例の半導体発光素子は、Alx y Ga
1-x-y-z Inz N(1>x≧0、1>y≧0、及び1>
z>0)系半導体発光素子であって、単一量子井戸構造
の例では、GaN障壁層42A、Bと、GaN障壁層4
2A、Bに挟まれたInN井戸層44とを有する、図1
(a)に示すようなバンド構造の単一量子井戸構造から
なる活性層を備えている。また、本実施形態例の半導体
発光素子は、多重量子井戸構造の例では、GaN障壁層
46A〜Dと、GaN障壁層46A〜Dの各障壁層間に
それぞれ挟まれたInN井戸層48A〜Cとを有する、
図1(b)に示すようなバンド構造の多重量子井戸構造
からなる活性層を備えている。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. It should be noted that the film forming method, the composition and thickness of the compound semiconductor layer, the process conditions, and the like described in the following embodiments and examples are merely examples for facilitating understanding of the present invention. However, the present invention is not limited to this example. Embodiment This embodiment is an example of an embodiment of a semiconductor light emitting device according to the present invention, and FIGS. 1A and 1B are main portions of the semiconductor light emitting device of the embodiment. FIG. 2 is a band diagram of a single quantum well structure and a multiple quantum well structure. The semiconductor light-emitting device of the present embodiment is, Al x B y Ga
1-xyz In z N (1> x ≧ 0, 1> y ≧ 0, and 1>
z> 0) -based semiconductor light emitting device having a single quantum well structure, in which GaN barrier layers 42A and 42B and GaN barrier layers 4
1 having an InN well layer 44 sandwiched between 2A and 2B.
An active layer having a single quantum well structure having a band structure as shown in FIG. In the example of the multiple quantum well structure, the semiconductor light emitting device of the present embodiment includes GaN barrier layers 46A to 46D and InN well layers 48A to 48C sandwiched between the barrier layers of the GaN barrier layers 46A to 46D, respectively. Having,
An active layer having a multiple quantum well structure having a band structure as shown in FIG. 1B is provided.

【0018】本実施形態例の半導体発光素子は、GaN
障壁層/InN井戸層の量子井戸構造を備えることによ
り、活性層のIn組成の面内均一性が向上し、閾電流値
が高かったり、微分利得が低かったりする半導体レーザ
素子のチップ領域、或いは色純度の悪い発光ダイオード
領域がウエハから無くなり、歩留りが向上する。換言す
れば、半導体レーザ素子に適用すれば、平均的に、閾電
流値が低く、微分利得が高くなり、また、発光ダイオー
ドに適用すれば、色純度が向上する。また、半導体発光
素子の量子井戸構造の井戸層の厚さを制御することによ
り、発光波長を紫外領域から赤色の範囲で正確に設定す
ることができる。
The semiconductor light emitting device of this embodiment is made of GaN.
By providing the barrier layer / InN well layer with a quantum well structure, the in-plane uniformity of the In composition of the active layer is improved, and the threshold current value is high, the differential gain is low, or the chip region of the semiconductor laser device, or The light emitting diode region having poor color purity is eliminated from the wafer, and the yield is improved. In other words, when applied to a semiconductor laser device, the threshold current value is low and the differential gain is increased on average, and when applied to a light emitting diode, the color purity is improved. Further, by controlling the thickness of the well layer of the quantum well structure of the semiconductor light emitting device, the emission wavelength can be accurately set in the range from the ultraviolet region to the red region.

【0019】実施例1 本実施例は、本発明に係る半導体発光素子をAlGaI
nN系半導体レーザ素子に適用した実施例の一つであっ
て、図2は本実施例の半導体レーザ素子の層構造を示す
模式図であり、図2(a)は活性層の模式図である。図
2に示す部位のうち図4に示すものと同じものには同じ
符号を付している。図3についも同様である。本実施例
の半導体レーザ素子60は、AlGaInN系半導体レ
ーザ素子であって、活性層62の構成を除いて、基本的
には、従来のAlGaInN系半導体レーザ素子10と
同じ構成を備えている。活性層62は、図2(a)に示
すように、井戸幅0.87nmのInN井戸層62a
と、GaN障壁層62bとから構成されている。InN
井戸層62aの井戸幅が0.87nmであることによ
り、発光波長は472nmになる。
Embodiment 1 In this embodiment, a semiconductor light emitting device according to the present invention is made of AlGaI.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a layer structure of a semiconductor laser device of this embodiment, which is one of embodiments applied to an nN-based semiconductor laser device, and FIG. 2A is a schematic diagram of an active layer. . 2 that are the same as those shown in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals. The same applies to FIG. The semiconductor laser device 60 of the present embodiment is an AlGaInN-based semiconductor laser device, and basically has the same configuration as the conventional AlGaInN-based semiconductor laser device 10 except for the configuration of the active layer 62. As shown in FIG. 2A, the active layer 62 has an InN well layer 62a having a well width of 0.87 nm.
And a GaN barrier layer 62b. InN
Since the well width of the well layer 62a is 0.87 nm, the emission wavelength becomes 472 nm.

【0020】半導体レーザ素子60は、c面のサファイ
ア基板12上に、低温で成長させたGaNからなる第1
バッファ層14、GaNからなる第2バッファ層16、
n型GaNコンタクト層18、n型AlGaNからなる
第1クラッド層20、n型GaNからなる第1光ガイド
層22、活性層62、p型GaNからなる第2光ガイド
層26、p型AlGaNからなる第2クラッド層28、
及びp型GaNコンタクト層30を、順次、積層した積
層構造を備えている。
The semiconductor laser device 60 is composed of a first GaN grown on a c-plane sapphire substrate 12 at a low temperature.
A buffer layer 14, a second buffer layer 16 made of GaN,
n-type GaN contact layer 18, first cladding layer 20 of n-type AlGaN, first light guide layer 22 of n-type GaN, active layer 62, second light guide layer 26 of p-type GaN, p-type AlGaN Second cladding layer 28,
And a p-type GaN contact layer 30 are sequentially laminated.

【0021】積層構造のうちn型GaNコンタクト層1
8の上部層、第1クラッド層20、第1光ガイド層2
2、活性層62、第2光ガイド層26、第2クラッド層
28、及びp型GaNコンタクト層30は、所定の方向
に延在するメサ部として形成されている。また、半導体
レーザ素子60は、図2に示すように、SCH構造を備
え、n型の第1クラッド層20は膜厚が1.0μmでA
l組成が8%、及びp型の第2クラッド層28は膜厚が
0.5μmでAl組成が6%である。
The n-type GaN contact layer 1 of the laminated structure
8, the first cladding layer 20, the first light guide layer 2
2. The active layer 62, the second light guide layer 26, the second cladding layer 28, and the p-type GaN contact layer 30 are formed as mesa portions extending in a predetermined direction. Further, as shown in FIG. 2, the semiconductor laser device 60 has an SCH structure, and the n-type first cladding layer 20 has a thickness of 1.0 μm and has a thickness of 1.0 μm.
The l-composition is 8%, and the p-type second cladding layer 28 has a thickness of 0.5 μm and an Al composition of 6%.

【0022】また、p型コンタクト層30上には、Ni
/Au電極のような多層金属膜のp側電極32がオーミ
ック接合電極として設けられ、また、n型コンタクト層
18上には、Ti/Al電極のような多層金属膜のn側
電極34がオーミック接合電極として設けられている。
On the p-type contact layer 30, Ni
A p-side electrode 32 of a multilayer metal film such as an Au electrode is provided as an ohmic junction electrode, and an n-side electrode 34 of a multilayer metal film such as a Ti / Al electrode is It is provided as a bonding electrode.

【0023】本実施例の半導体レーザ素子60の活性層
62は、単一量子井戸構造として構成されているが、こ
れに限らない。例えば数十mWのハイパワー仕様等の半
導体レーザ素子の活性層は、井戸幅0.87nmのIn
N井戸層と層幅6nmのGaN障壁層とから構成された
多重量子井戸構造を備えている。
Although the active layer 62 of the semiconductor laser device 60 of this embodiment has a single quantum well structure, it is not limited to this. For example, an active layer of a semiconductor laser device having a high power specification of several tens mW or the like has a well width of 0.87 nm.
It has a multiple quantum well structure composed of an N well layer and a GaN barrier layer having a layer width of 6 nm.

【0024】本実施例の半導体レーザ素子60の積層構
造は、MOCVD法またはMBE法によるエピタキシャ
ル成長により形成される。MOCVD法の場合には、原
料は、TMG、TME、TMI、TMA、及びNH3
あり、n型ドーパントとしてSiH4を、p型ドーパン
トとしてビスメチルシクロペンタジエニルマグネシウム
を使用する。また、MBE法の場合には、原料はAl、
Ga、In、原子状N、Mg、及びSiである。
The laminated structure of the semiconductor laser device 60 of this embodiment is formed by epitaxial growth by MOCVD or MBE. In the case of the MOCVD method, the raw materials are TMG, TME, TMI, TMA, and NH 3 , and SiH 4 is used as an n-type dopant and bismethylcyclopentadienyl magnesium is used as a p-type dopant. In the case of the MBE method, the raw material is Al,
Ga, In, atomic N, Mg, and Si.

【0025】また、GaN障壁層及びInN井戸層の成
長条件は、以下の通りである。 成長法 :MOCVD法 成長温度:500℃ 成長圧力:760Torr 原料ガス:GaはTEG(トリエチルガリウム) InはTMI(トリメチルインジウム) NはNH3
The conditions for growing the GaN barrier layer and the InN well layer are as follows. Growth method: MOCVD method Growth temperature: 500 ° C. Growth pressure: 760 Torr Source gas: Ga is TEG (triethyl gallium) In is TMI (trimethyl indium) N is NH 3

【0026】実施例2 本実施例の半導体レーザ素子は、量子井戸のGaN障壁
層及びInN井戸層がSiドーピングにより、Si濃度
が1×1018cm-3のn型であることを除いて、実施例
1の半導体レーザ素子60と同じ構成を備えている。ド
ーピングの効果は、ピエゾ(piezzo)効果により誘起さ
れる内蔵電位を打ち消すことである。内蔵電位は、量子
シュタルク(quantum Stark)効果を引き起こす。内蔵
電位を打ち消すことにより、閾電流値及び閾電圧値を低
減することができる。
Embodiment 2 The semiconductor laser device of this embodiment is the same as the semiconductor laser device except that the GaN barrier layer and the InN well layer of the quantum well are n-type with Si concentration of 1 × 10 18 cm -3 due to Si doping. It has the same configuration as the semiconductor laser device 60 of the first embodiment. The effect of the doping is to cancel the built-in potential induced by the piezzo effect. The built-in potential causes a quantum Stark effect. By canceling the built-in potential, the threshold current value and the threshold voltage value can be reduced.

【0027】実施例3 本実施例は、本発明に係る半導体発光素子をAlGaI
nN系発光ダイオードに適用した実施例の一つであっ
て、図3は本実施例の発光ダイオードの層構造を示す模
式図であり、図3(a)は活性層の模式図である。本実
施例の発光ダイオード70は、AlGaInN系発光ダ
イオードであって、c面のサファイア基板72上に、低
温で成長させたGaNバッファ層74、GaNバッファ
層76、n型GaNコンタクト層78、n型AlGaN
クラッド層80、活性層82、p型AlGaNクラッド
層84、及びp型GaNコンタクト層86を、順次、積
層した積層構造を備えている。
Embodiment 3 In this embodiment, a semiconductor light emitting device according to the present invention is formed of AlGaI.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a layer structure of a light emitting diode of this embodiment, which is one of embodiments applied to an nN-based light emitting diode, and FIG. 3A is a schematic diagram of an active layer. The light-emitting diode 70 of this embodiment is an AlGaInN-based light-emitting diode, and a GaN buffer layer 74, a GaN buffer layer 76, an n-type GaN contact layer 78, and an n-type GaN buffer layer 74 grown at a low temperature on a c-plane sapphire substrate 72. AlGaN
It has a laminated structure in which a clad layer 80, an active layer 82, a p-type AlGaN clad layer 84, and a p-type GaN contact layer 86 are sequentially laminated.

【0028】積層構造のうちn型GaNコンタクト層7
8の上部層、n型AlGaNクラッド層80、活性層8
2、p型AlGaNクラッド層84、及びp型GaNコ
ンタクト層86は、所定の方向に延在するメサ部として
形成されている。
In the laminated structure, the n-type GaN contact layer 7
8, n-type AlGaN cladding layer 80, active layer 8
2. The p-type AlGaN cladding layer 84 and the p-type GaN contact layer 86 are formed as mesa portions extending in a predetermined direction.

【0029】活性層82は、図3(a)に示すように、
井戸幅0.87nmのInN井戸層82aとGaN障壁
層82bとから構成されている。InN井戸層82aの
井戸幅が0.87nmであることにより、発光波長は4
72nmになる。
The active layer 82 is formed as shown in FIG.
It is composed of an InN well layer 82a having a well width of 0.87 nm and a GaN barrier layer 82b. Since the well width of the InN well layer 82a is 0.87 nm, the emission wavelength is 4
72 nm.

【0030】また、p型コンタクト層86上には、Ni
/Au電極のような多層金属膜のp側電極88がオーミ
ック接合電極として設けられ、また、n型コンタクト層
78上には、Ti/Al電極のような多層金属膜のn側
電極90がオーミック接合電極として設けられている。
On the p-type contact layer 86, Ni
A p-side electrode 88 of a multilayer metal film such as an Au electrode is provided as an ohmic junction electrode, and an n-side electrode 90 of a multilayer metal film such as a Ti / Al electrode is provided on the n-type contact layer 78. It is provided as a bonding electrode.

【0031】本実施例の発光ダイオード80は、GaN
障壁層とInN井戸層との量子井戸構造を備えることに
より、色純度が向上し、また井戸層の厚さを制御するこ
とにより、発光波長を紫外領域から赤色の範囲で正確に
設定することができる。
The light emitting diode 80 of this embodiment is made of GaN
By providing the quantum well structure of the barrier layer and the InN well layer, the color purity is improved, and by controlling the thickness of the well layer, the emission wavelength can be accurately set in the range from the ultraviolet region to the red region. it can.

【0032】実施例4 本実施例の発光ダイオードは、量子井戸のGaN障壁層
及びInN井戸層がSiドーピングにより、Si濃度が
1×1018cm-3のn型であることを除いて、実施例3
の発光ダイオード80と同じ構成を備えている。ドーピ
ングの効果は、ピエゾ(piezzo)効果により誘起される
内蔵電位を打ち消すことにより、発光効率が高くなる。
内蔵電位は、量子シュタルク(quantumStark)効果を引
き起こす。
Embodiment 4 The light emitting diode of this embodiment is identical to the light emitting diode except that the GaN barrier layer and the InN well layer of the quantum well are n-type with Si concentration of 1 × 10 18 cm −3 by Si doping. Example 3
The same configuration as that of the light emitting diode 80 is provided. The effect of doping is to increase the luminous efficiency by canceling the built-in potential induced by the piezo effect.
The built-in potential causes a quantum Stark effect.

【0033】[0033]

【発明の効果】本発明によれば、In以外のIII 族の2
元III 族窒化物化合物半導体からなる障壁層と、InN
からなる井戸層との量子井戸構造としてAlBGaIn
N系半導体発光素子の活性層を形成することにより、半
導体レーザ素子に適用すると、閾電流値が低く、微分利
得が大きい、AlBGaInN系半導体レーザ素子を実
現することができる。また、発光ダイオードに適用する
と、色純度を高めることができる。また、井戸層及び/
又は障壁層にドーピングを施すことにより、更にAlB
GaInN系半導体レーザ素子の閾電流値を下げること
ができ、またAlBGaInN系発光ダイオードの発光
効率を高めることできる。更には、井戸層の厚みを調整
することにより、半導体発光素子の発光波長を紫外から
赤色の範囲で正確に制御できる。
According to the present invention, a group III compound other than In can be used.
A barrier layer made of an original group III nitride compound semiconductor;
AlBGaIn as a quantum well structure with a well layer composed of
When the present invention is applied to a semiconductor laser device by forming an active layer of an N-based semiconductor light-emitting device, an AlBGaInN-based semiconductor laser device having a low threshold current value and a large differential gain can be realized. Further, when applied to a light emitting diode, color purity can be increased. In addition, well layers and / or
Alternatively, by doping the barrier layer, AlB
The threshold current value of the GaInN-based semiconductor laser device can be reduced, and the luminous efficiency of the AlBGaInN-based light-emitting diode can be increased. Further, by adjusting the thickness of the well layer, the emission wavelength of the semiconductor light emitting device can be accurately controlled in the range from ultraviolet to red.

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

【図1】図1(a)及び(b)は、それぞれ、実施形態
例の半導体発光素子の要部である、単一量子井戸構造の
バンド図、及び多重量子井戸構造のバンド図である。
FIGS. 1A and 1B are a band diagram of a single quantum well structure and a band diagram of a multiple quantum well structure, respectively, which are main parts of a semiconductor light emitting device according to an embodiment.

【図2】図2は実施例1の半導体レーザ素子の層構造を
示す模式図であり、図2(a)は活性層の模式図であ
る。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a layer structure of the semiconductor laser device of Example 1, and FIG. 2A is a schematic diagram of an active layer.

【図3】図3は実施例3の発光ダイオードの層構造を示
す模式図であり、図3(a)は活性層の模式図である。
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a layer structure of a light emitting diode of Example 3, and FIG. 3A is a schematic diagram of an active layer.

【図4】従来の半導体レーザ素子の層構造を示す模式図
である。
FIG. 4 is a schematic diagram showing a layer structure of a conventional semiconductor laser device.

【図5】井戸層の井戸幅と光子エネルギーとの関係を示
すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing a relationship between a well width of a well layer and photon energy.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10……従来のAlGaInN系半導体レーザ素子、1
2……サファイア基板、14……低温で成長させたGa
Nからなる第1バッファ層、16……GaNからなる第
2バッファ層、18……n型GaNコンタクト層、20
……n型AlGaNからなる第1クラッド層、22……
n型GaNからなる第1光ガイド層、24……Ga1-x
Inx N/Ga1-y Iny N多重量子井戸構造の活性
層、26……p型GaNからなる第2光ガイド層、28
……p型AlGaNからなる第2クラッド層、30……
p型GaNコンタクト層、32……p側電極、34……
n側電極、42A、B……GaN障壁層、44……In
N井戸層、46A〜D……障壁層、48A〜C……井戸
層、60……実施例1のAlGaInN系半導体レーザ
素子、62 活性層(InN井戸層62aと、GaN障
壁層62bとから構成されている量子井戸構造)、70
……実施例3のAlGaInN系発光ダイオード、72
……サファイア基板、74……低温で成長させたGaN
バッファ層、76……GaNバッファ層、78……n型
GaNコンタクト層、80……n型AlGaNクラッド
層、82……活性層(InN井戸層82aと、GaN障
壁層82bとから構成されている量子井戸構造)、84
……p型AlGaNクラッド層、86……p型GaNコ
ンタクト層、88……p側電極、90……n側電極。
10: Conventional AlGaInN based semiconductor laser device, 1
2 ... Sapphire substrate, 14 ... Ga grown at low temperature
N. a first buffer layer made of N, 16... A second buffer layer made of GaN, 18.
... First cladding layer made of n-type AlGaN, 22
First optical guide layer made of n-type GaN, 24... Ga 1-x
In x N / Ga 1-y In y N multiple quantum well structure active layer 26... Second optical guide layer made of p-type GaN 28
... Second cladding layer made of p-type AlGaN, 30
p-type GaN contact layer, 32... p-side electrode, 34.
n-side electrode, 42A, B ... GaN barrier layer, 44 ... In
N well layers, 46A to D ... barrier layers, 48A to C ... well layers, 60 ... AlGaInN based semiconductor laser device of Example 1, 62 active layers (consisting of InN well layers 62a and GaN barrier layers 62b) Quantum well structure), 70
... AlGaInN-based light emitting diode of Example 3, 72
…… Sapphire substrate, 74 …… GaN grown at low temperature
Buffer layer, 76 GaN buffer layer, 78 n-type GaN contact layer, 80 n-type AlGaN cladding layer, 82 active layer (including InN well layer 82a and GaN barrier layer 82b Quantum well structure), 84
... p-type AlGaN cladding layer, 86 ... p-type GaN contact layer, 88 ... p-side electrode, 90 ... ... n-side electrode.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5F041 AA11 AA41 CA03 CA05 CA34 CA57 CB05 5F045 AA04 AB14 AB19 AC08 AC09 AC12 AD09 AF09 CA10 CA12 DA55 DA60 5F073 AA11 AA73 AA74 CB05 CB13 CB22 DA05 EA07 EA23  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 5F041 AA11 AA41 CA03 CA05 CA34 CA57 CB05 5F045 AA04 AB14 AB19 AC08 AC09 AC12 AD09 AF09 CA10 CA12 DA55 DA60 5F073 AA11 AA73 AA74 CB05 CB13 CB22 DA05 EA07 EA23

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 活性層を有するAlx y Ga1-x-y-z
Inz N(1>x≧0、1>y≧0、及び1>z>0)
系半導体発光素子において、 活性層が、In以外のIII 族の2元III 族窒化物化合物
半導体からなる障壁層と、InNからなる井戸層との量
子井戸構造として形成されていることを特徴とする半導
体発光素子。
Al x B y Ga 1-xyz with claim 1 active layer
In z N (1> x ≧ 0, 1> y ≧ 0, and 1>z> 0)
In the semiconductor light emitting device, the active layer is formed as a quantum well structure including a barrier layer made of a group III binary group III nitride compound semiconductor other than In and a well layer made of InN. Semiconductor light emitting device.
【請求項2】 障壁層がGaN層であることを特徴とす
る請求項1に記載の半導体発光素子。
2. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the barrier layer is a GaN layer.
【請求項3】 InN井戸層は、0.29nm以上の層
厚を有することを特徴とする請求項2に記載の半導体発
光素子。
3. The semiconductor light emitting device according to claim 2, wherein the InN well layer has a layer thickness of 0.29 nm or more.
【請求項4】 GaN障壁層及びInN井戸層の少なく
とも一方が、1×1018cm-3以上のn型またはp型の
キャリア密度になっていることを特徴とする請求項2又
は3に記載の半導体発光素子。
4. The device according to claim 2, wherein at least one of the GaN barrier layer and the InN well layer has an n-type or p-type carrier density of 1 × 10 18 cm −3 or more. Semiconductor light emitting device.
【請求項5】 n型キャリア密度が、Siのドーパント
により調整されていることを特徴とする請求項4に記載
の半導体発光素子。
5. The semiconductor light emitting device according to claim 4, wherein the n-type carrier density is adjusted by a Si dopant.
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