JP4239444B2 - Nitride semiconductor laser diode - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体デバイスに係り、より具体的には、レーザダイオード(LD)デバイス、発光ダイオード(LED)デバイス等の窒化物半導体発光デバイスおよび太陽電池等の受光デバイスに関し、とりわけ窒化物半導体発光デバイスに関する。
【0002】
【従来の技術】
窒化物半導体は、その組成に依存して1.95〜6.0eVまでのバンドギャップエネルギーを有し得るため、発光ダイオード(LED)デバイス、レーザダイオード(LD)デバイス等の半導体発光デバイスの材料として従来より注目されている。最近、この窒化物半導体材料を用いて高輝度の青色LEDデバイスと、緑色LEDデバイスが実用化されている。これらのLEDデバイスは、p−n接合を有するダブルへテロ構造を有しており、出力は両者とも1mWを超えている。
【0003】
従来のLEDデバイスは、基本的には、InGaNよりなる活性層が共にAlGaNよりなるn型とp型のクラッド層との間に挟まれたダブルへテロ構造を有する。n型クラッド層にはGaNよりなるn型コンタクト層が形成され、またp型クラッド層にはGaNよりなるp型コンタクト層が形成されている。この積層構造は、例えばサファイアよりなる基板上に設けられている。
【0004】
LDデバイスも基本的には前記LEDデバイスと同様の構造を有し得る。しかしながら、特にLDデバイスの場合は、光とキャリアとを別々に閉じこめる分離閉じ込め型構造が用いられることが多い。窒化物半導体の分離閉じ込め型LDデバイスは、例えば特開平6−21511号公報に示されている。この公報には、一方がn型GaNよりなり他方がp型GaNよりなる2つの光ガイド層の間に挟まれたInGaN活性層を備え、n型光ガイド層の上にn型AlGaNよりなるキャリア閉じ込め層が形成され、p型光ガイド層の上にp型AlGaNよりなるもう一つのキャリア閉じ込め層が形成された分離閉じ込め型構造の発光デバイスが開示されている。
【0005】
ところで、通常のダブルへテロ構造の半導体素子においては、活性層に接して、活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きい第1のクラッド層が設けられ、その第1のクラッド層に接して、第1のクラッド層よりもバンドギャップエネルギーが大きい第2のクラッド層が設けられる。これは電子と正孔とが、エネルギ―準位に従って、効率よく活性層に注入されるようにするためである。
【0006】
窒化物半導体LDデバイスの場合も同様に、活性層に接してバンドギャップエネルギーが次第に大きくなるように、光ガイド層、キャリア閉じ込め層(光閉じ込め層)のようなクラッド層が順次形成されている(例えば、前記公報参照)。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、インジウムを含有する活性層を有する従来の窒化物半導体デバイス特にLDデバイスは、上記構造では発光効率が低いことが判明している。特にデバイスに印加する電流を増大させるに従いデバイス温度が上昇すると、発光効率の低下が激しいことがわかった。
【0008】
従って、本発明の目的は、インジウムを含む窒化物半導体を包含する活性層を有する窒化物半導体素子であって、発光効率が高い窒化物半導体デバイスを提供することである。また、本発明の他の目的は、デバイス温度が上昇しても発光効率の低下が少ない窒化物半導体デバイスを提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本件発明は、InGaNよりなる井戸層と前記井戸層よりもバンドギャップが大きなInGaNよりなる障壁層とを交互に積層した多重量子井戸構造を有する活性層とp側のコンタクト層との間に、活性層に接して設けられ、IncAldGa1-c-dN(0≦c、0<d、c+d≦1)からなり膜厚500オングストローム以下の第1の窒化物半導体層と、IneAlfGa1-e-fN(0≦e、0<f、e+f≦1)からなり膜厚は0.01μm以上、2μm以下の第3の窒化物半導体層と、前記第1の窒化物半導体層と第3の窒化物半導体層との間に、InXGa1-XN(0≦X≦1)からなり、前記第1の窒化物半導体層よりも小さなバンドギャップエネルギーを有し、0.01μm〜5μmの厚さを有する第2の窒化物半導体層と、を有し、前記第3の窒化物半導体層は、前記第2の窒化物半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、かつ、前記第2の窒化物半導体層に接して形成され、前記第1の窒化物半導体層に接する前記活性層の最上層は、前記InGaNよりなる障壁層であることを特徴とする。
【0010】
本発明の窒化物半導体デバイスにおいて、活性層は、究極的に正電極に接触すべき層構造と究極的に負電極に接触すべき層構造とにより挟持される。以下の記述において、究極的に正電極に接触すべき層構造が形成される側をp側といい、究極的に負電極に接触すべき層構造が形成される側をn側ということがある。
【0011】
そこで、上記窒化物半導体層構造は、活性層のp側もしくはn側に、またはp側およびn側の双方に設けることができる。上記第1の窒化物半導体層は、キャリアがトンネリングし得るに十分薄い厚さを有することが好ましく、より具体的には、0.1μm以下の厚さを有することが好ましい。通常、この第1の窒化物半導体層は、少なくとも10オングストローム以上の厚さを有することが好ましい。
【0012】
また、本発明は、第2の側面において、n型窒化物半導体からなる第1のクラッド層;該第1のクラッド層上に設けられ、インジウムおよびガリウムを含む窒化物半導体からなり70オングストローム以下の厚さを有し、下地層上に該下地層に対して格子不整合の状態で設けられた少なくとも1層の井戸層を包含する量子井戸構造の活性層であって、該井戸層は複数のインジウムリッチ領域とインジウムプア領域を包含する活性層;および該活性層上に設けられ、アクセプター不純物をド―プした窒化物半導体からなる第2のクラッド層を備えたことを特徴とする窒化物半導体デバイスを提供する。
【0013】
本発明において、広く窒化物半導体というとき、周期律表第3族元素の窒化物、より具体的には、式InxAlyGa1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)で示される窒化物半導体を指す。
【0014】
本発明者らは、特にインジウムを含有する活性層を有する窒化物半導体デバイスにおける、温度上昇に伴う発光効率の低下について研究した。その結果、発光効率の低下の主な原因は、インジウムを含有する窒化物半導体特にInGaNは、アルミニウムを含む窒化物半導体または窒化ガリウム(GaN)に比べて成長しにくいという性質を有していることにあることがわかった。すなわち、InGaNを構成するInNとGaNは、その分解温度が著しく異なり、InGaNは成長中にInNとGaNとに相分離する傾向にあり、インジウム含有率を多くすると均一な組成の活性層が得られにくい。そこで、InGaN活性層を有する従来の窒化物半導体では、インジウムの含有率が低く抑えられる傾向にある。
【0015】
そのようにインジウム含有率が低いInGaN活性層にGaNよりなる光ガイド層を接して形成した場合、当該活性層と光ガイド層との間のバンドオフセットは極めて小さくなる。このことを、従来の窒化物半導体発光デバイスに対応するエネルギーバンドを示す図である図6を参照して説明する。図6に示すように、従来の窒化物半導体素子では、活性層(InGaN)のバンドギャップエネルギーに比べて、InGaN活性層を直接挟んでいる光ガイド層(GaN)のバンドギャップエネルギーはそれほど大きくない(InGaN中のInの含有率が低いので、InGaN組成がGaN組成に近似するため)。このため、半導体デバイスに印加する電流値を増大させるにつれデバイスの温度が上昇すると、その熱エネルギーの影響により、それぞれn層およびp層から活性層に注入された電子および正孔が再結合して光(hν)を発する前に、電子と正孔とは活性層をオーバーフローしてそれぞれ注入側とは反対側のガイド層(GaN)にまで、すなわち電子はp型光ガイド層に、正孔はn型光ガイド層にまで達してしまう。その結果、従来の構造では発光効率が低く、特に、温度が上昇すると特に効率が低下する。
【0016】
そこで、本発明の窒化物半導体デバイスにおいては、インジウムを含む窒化物半導体を包含する活性層に接してこれを挟んで形成される2つの第1の層(第1のp側層および第1のn側層)を活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する窒化物半導体で形成する。これら第1の層は、活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有していればよく、好ましくは、2つの第1の層は活性層よりも0.01〜4.05eV大きなバンドギャップエネルギーを有する。このような大きなバンドギャップエネルギーを有する第1の層の存在により、活性層に注入された電子または正孔が活性層をオーバーフローすることがなくなる。そして、各第1の層上に、好ましくはこれと接して第1の層のバンドギャップエネルギーよりも小さなバンドギャップエネルギーを有するが、好ましくは活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する窒化物半導体で形成された2つの第2の層(第2のp側層および第2のn側層)を設ける。これら第2の層は、第1の層のバンドギャップエネルギーよりも小さなバンドギャップエネルギーを有していればよく、好ましくは第1のバンドギャップエネルギーよりも0.01〜4.05eV小さなバンドギャップエネルギーを有する。さらに、各第2の層上に、好ましくはこれと接して、第2の層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する窒化物半導体で形成された2つの第3の層(第3のp側層および第3のn側層)を設ける。これら第3の層は、第2の層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギ―を有していればよく、好ましくは、第2の層のバンドギャップエネルギーよりも0.01〜4.05eV大きなバンドギャップエネルギーを有する。かくして、第3の層側から注入された電子または正孔は、より小さなバンドギャップエネルギーを有する第2の層へ効率的に注入されるが、第1の層のバンドギャップエネルギーが大きいため、活性層への注入は第1の層により阻止される傾向にある。そこで、本発明では、電子または正孔がこの第1の層をトンネル効果により突き抜けること(トンネリング)ができる程度に第1の層を薄く形成する。こうして、電子または正孔は、第3の層から活性層まで効率的に注入されることとなる。かくして、本発明のデバイスにおいて、電子および正孔は第3の層から活性層へと効率的に注入され、かつ電子または正孔は注入側とは反対側の第1の層に阻止されてたとえデバイス温度が上昇しても活性層をオーバーフローすることがない。なお、窒化物半導体のバンドギャップエネルギーについて述べると、AlNのバンドギャップエネルギーは6.0eVであり、GaNのバンドギャップエネルギーは3.4eVであり、InNのバンドギャップエネルギーは1.95eVである。
【0017】
以上の説明からも明らかなように、本発明において、第1の層、第2の層および第3の層からなる3層構造は、活性層の一方の表面に設けられていれば、電子または正孔の一方が活性層をオーバーフローすることが阻止される。最も好ましくは、この3層構造は活性層の両側(p側およびn側)に設けられる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、図1ないし図5を参照して本発明を説明する。これらの図を通じて、同一要素・部材は、同一符号で示されている。図1は本発明の第1の態様によるLDデバイスの一構造を示す模式的な断面図である。このLDデバイスにおいて、本発明の3層構造はp側に設けられている。
【0019】
図1に示すLDデバイスは、基板11上に、バッファ層12を介して、n型コンタクト層13、n型キャリア閉じ込め層(光閉じ込め層)14、n型光ガイド層15、活性層16、活性層16よりもバンドギャップエネルギーが大きい第1のp側窒化物半導体層101、第1のp側窒化物半導体層よりもバンドギャップエネルギーが小さい第2のp側窒化物半導体層102、第2のp側窒化物半導体層102よりもバンドギャップが大きい第3のp側窒化物半導体層103およびp型コンタクト層17を含む窒化物半導体積層構造が設けられている。p型コンタクト層17上にはコンタクトホール18aを設けた電流狭窄層18が設けられている。n型コンタクト層13の露出表面上には負電極19が設けられ、電流狭窄層20上には正電極20が設けられている。正電極20は、電流狭窄層18のコンタクトホール18aを通してp型コンタクト層17と接している。
【0020】
基板11は、スピネル(MgAl2O4)、サファイア(Al2O3、A面、R面、C面を含む)、SiC(6H、4H、3Cを含む)、ZnS、ZnO、GaAs、GaN等窒化物半導体を成長するために提案されている通常の材料が使用できる。
【0021】
バッファ層12は、AlN、GaN、AlGaN等で形成することができ、900℃以下の温度で、数十オングストローム〜数百オングストロームの厚さで形成することができる。バッファ層12は、基板11とその上に形成される窒化物半導体層との格子定数不整合を緩和するために形成されるものである。従って、窒化物半導体と格子整合した基板、窒化物半導体の格子定数に近い格子定数を有する基板等を使用する際、また窒化物半導体の成長方法等によっては省略することもできる。
【0022】
n型コンタクト層13は、窒化物半導体で形成され、特にGaN、InaGa1−aN(0<a<1)で形成することが好ましい。(本明細書において、InaGa1−aN(0<a<1)または類似の表現により示される窒化物半導体を単にInGaNということがある)。特に、SiをドープしたGaNでn型コンタクト層13を形成すると、キャリア濃度の高いn型層が得られ、また負電極19との好ましいオーミック接触が得られるので、レーザ素子の閾値電流を低下させることができる。n型コンタクト層13の厚さに特に制限はないが、通常0.1μm〜5μmの厚さで形成できる。
【0023】
n型コンタクト層13のエッチングにより露出した表面に形成される負電極19は、n型コンタクト層13との好ましいオーミック接触が得られるので、Al、Ti、W、Cu、Zn、Sn、In等の金属若しくはそれらの合金で形成することが好ましい。
【0024】
n型キャリア閉じ込め層14、およびこの層14上に形成されているn型光ガイド層15は、それぞれ、n型窒化物半導体で形成される。図1に示す態様において、n型光ガイド層15は、活性層16のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有し、n型キャリア閉じ込め層14は、n型光ガイド層15のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する。n型キャリア閉じ込め層14は、通常、0.1μm〜1μmの厚さで形成され、n型光ガイド層15は、通常、100オングストロ―ムないし1μmの厚さで形成されることが望ましい。
【0025】
n型光ガイド層15上に形成されている活性層16は、量子井戸構造(すなわち、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造)を有し、この量子井戸構造は、n型光ガイド層15および第1のp側窒化物半導体層101の両者のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有するインジウム含有窒化物半導体すなわちIndAleGa1−d−eN(0<d≦1、0≦e≦1、0<d+e≦1)よりなる井戸層を有する。好ましくは、井戸層は、三元混晶のInfGa1−fN(0<f<1)で形成される。三元混晶のInGaNは四元混晶のものに比べて結晶性が良好な層を提供するので、発光出力が向上する。
【0026】
その中でも、活性層16は、InGaNよりなる井戸層と、井戸層よりもバンドギャップエネルギ―が大きい窒化物半導体よりなる障壁層とを交互に積層した多重量子井戸構造(最小で3層構造となる)とすることが特に好ましい。本発明において、多重量子井戸構造は、n型光ガイド層15等のn型層上に直接設けられた最下層としての井戸層および以後述べる第1のp側窒化物半導体101等のp型層に直接接する最上層としての井戸層を有する構造であっても、あるいはn型光ガイド層15等のn型層上に直接設けられた最下層としての障壁層および第1のp側窒化物半導体層101等のp型層に直接接する最上層としての障壁層を有する構造であってもよい。障壁層を形成する窒化物半導体には、GaN、AlGaN等が含まれる。しかしながら、障壁層を井戸層と同様に三元混晶のInf’Ga1−f’N(0<f’<1、ただし、f’<f)で形成することが特に好ましい。このように活性層16をバンドギャップエネルギーが異なるInGaN層を積層した多重量子井戸構造とすると、活性層16のインジウムモル分率を変えるかあるいは以後述べる第1もしくは第3のn側もしくはp側窒化物半導体層のアルミニウムモル分率を変えることによって、量子準位間発光により約365nm〜660nmの波長の高出力のLDデバイスを実現することができる。さらに、井戸層の上にInGaN障壁層を積層すると、InGaN障壁層はAlGaNに比べて結晶が柔らかいので、その上に形成するクラッド層としての例えばAlGaN層の厚さをクラックを発生させずに厚くできるので、優れたレーザ発振が実現できる。
【0027】
多重量子井戸構造では、井戸層は70オングストローム以下、障壁層は150オングストローム以下の厚さを有することが特に望ましい。一方、1つの量子井戸層により構成される単一量子井戸構造の活性層は70オングストローム以下の厚さを有することが特に望ましい。井戸層、障壁層とも、厚さの下限は5オングストロームであることが好ましい。
【0028】
活性層16は、不純物をドープしないものでも(ノンドープ)、井戸層および/または障壁層に不純物(アクセプター不純物および/またはドナー不純物)をドープしたものでもよい。特に好ましい活性層16は、ノンドープ活性層、およびシリコンまたはゲルマニウムドープ活性層であり、不純物をドープした活性層のうち、特に好ましいものはシリコンドープ活性層である。特に、活性層にシリコンをドープすると、LDデバイスにあっては、閾値電流が低下する傾向にある。なお、シリコンのドープは、活性層を構成すべき窒化物半導体の成長中に、原料ガスに例えばテトラエチルシラン等の有機シリコンガス、シラン等の水素化シリコンガス、四塩化シリコン等のハロゲン化シリコンガス等を添加することによって行うことができる。
【0029】
活性層16に接して設けられている第1のp側窒化物半導体層101は、活性層16(より厳密には、その井戸層)よりもバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体で形成されている。特に好ましくは第1の窒化物半導体層は、Alを含む窒化物半導体すなわちIngAlhGa1−g−hN(0≦g≦1、0<h≦1、0<g+h≦1)で形成され、特に好ましくは三元混晶のAljGa1−jN(0<j<1)で形成される。(本明細書において、AljGa1−jN(0<j<1)または類似の表現で示される窒化物半導体を単にAlGaNということがある)。
【0030】
第1のp側窒化物半導体層101は、i型かp型であることが好ましい。特にAlGaNは高キャリア濃度のp型が得られやすく、しかもInGaNを包含する井戸層を含む活性層16に接して形成することにより、発光出力が高い素子を得ることができる。
【0031】
なお、本発明において、窒化物半導体(活性層の窒化物半導体も含む)をp型とするには、結晶成長中にMg、Zn、C、Be、Ca、Ba等のアクセプター不純物をドープすることによって得られる。アクセプター不純物濃度は、1×1017〜1×1022/cm3であることが好ましい。特にアクセプター不純物がマグネシウムである場合、その濃度は、1×1018〜1×1020/cm3、特に1×1019〜1×1020/cm3であることが殊に好ましい。いずれの場合でも、高キャリア濃度のp層を得るためには、アクセプター不純物をド―プした後、不活性ガス雰囲気中、400℃以上でアニ―リング(熱処理)することがより望ましい。アニーリングを行うことにより、通常、Mgドープp型AlGaNの場合で1×1017〜1×1019/cm3のキャリア濃度が得られる。またi型の窒化物半導体を得るには、例えば、AljGa1−jNにおいてjの値が0.5以上の窒化物半導体を成長させることにより、アクセプター不純物をドープすることなくi型窒化物半導体を得ることができる。また、i型窒化物半導体は、p型窒化物半導体層にその正孔キャリア濃度を補償するだけのドナー不純物をドープするか、n型窒化物半導体層にその電子キャリア濃度を補償するだけのアクセプター不純物をド―プすることによっても得られる。
【0032】
第1の窒化物半導体層101の厚さは、第1の窒化物半導体層101をキャリアがトンネリングし得るに十分に薄い厚さを有することが好ましい。より具体的には、半導体層101は、0.1μm以下、さらに好ましくは0.05μm(500オングストローム)以下、最も好ましくは0.03μm(300オングストロ―ム)以下の厚さを有することが望ましい。半導体層101の厚さをこのように薄くすると、第1のp側窒化物半導体層101中のクラック発生を防止でき、結晶性の良い窒化物半導体層を成長させることができる。またAlの比率が大きいAlGaN程薄く形成するとレーザ発振しやすくなる。例えば、jの値が0.2以上のAljGa1−jNを用いた場合、500オングストローム以下の厚さで半導体層101を形成することが望ましい。第1のp側窒化物半導体層101の厚さの下限には特に制限はないが、10オングストローム以上の膜厚で形成することが望ましい。
【0033】
第2のp側窒化物半導体層102は、第1のp側窒化物半導体層101のバンドギャップエネルギ―よりも小さなバンドギャップエネルギーを有し、かつ第1のp側窒化物半導体層101よりも活性層から離れた位置にあり、最も望ましくは図1に示すように、第1のp側窒化物半導体層101に接して形成する。第2のp側窒化物半導体層102は、好ましくはInkGa1−kN(0≦k≦1)で形成され、特にGaNまたはInGaNで形成することが好ましい。この第2のp側窒化物半導体層102をGaNまたはInGaNで形成すると、比較的厚く形成してもクラックが入ることが少なく結晶性の良い第2の半導体層102が得られる。第2のp側窒化物半導体層102は0.01μm〜5μm、さらに好ましくは0.02μm〜1μmの厚さを有することが好ましく、この範囲の厚さにおいて、例えば好ましい光ガイド層として作用し得る。なお、第2のp側窒化物半導体層102は、アクセプター不純物を含有するものであり、またp型であることが好ましい。
【0034】
さらに、特にInGaNまたはGaNで形成された第2のp側窒化物半導体層102は、以後説明する第3のp側窒化物半導体層103を成長させる際のバッファ層としても作用する。InGaNまたはGaNは、AlGaNに比べて結晶が柔らかい。従って、活性層よりもバンドギャップが大きい第1のp側窒化物半導体層101と、第3のp側窒化物半導体層103との間にInGaNまたはGaNからなる第2のp側窒化物半導体層102を存在させることにより、第3のp側窒化物半導体層103にクラックが発生することが防止され、それにより、第3のp側窒化物半導体層103を第1のp側窒化物半導体層101に比べて厚く形成することができる。
【0035】
第3のp側窒化物半導体層103は、第2のp側窒化物半導体層102のバンドギャップエネルギ―よりも大きなバンドギャップエネルギーを有し、第2のp側窒化物半導体層102よりも活性層から離れた位置にあり、最も望ましくは図1に示すように第2のp側窒化物半導体層102に接して形成される。第3のp側窒化物半導体層103は、Alを含む窒化物半導体すなわちInmAlnGa1−m−nN(0≦m≦1、0<n≦1、0<m+n≦1)で形成することが好ましく、特に好ましくは三元混晶のAlGaNで形成する。
【0036】
この第3のp側窒化物半導体層103は、第2のp側窒化物半導体層102のバンドギャップエネルギーより大きなバンドギャップエネルギーを有することが要求される。第3のp側窒化物半導体層103は、キャリア閉じ込め層及び光閉じ込め層として作用するからである。この第3のp側窒化物半導体層103は、0.01μm以上、2μm以下、さらに好ましくは0.05μm以上、1μm以下の厚さを有することが望ましく、この厚さの範囲内において、結晶性の良いキャリア閉じ込め層として作用し得る。なお、第3のp側窒化物半導体層103はアクセプター不純物を含有するものであり、また好ましくはp型である。
【0037】
第3のp側窒化物半導体層103上に形成されているp型コンタクト層17は、p型窒化物半導体で形成される。特に、p型コンタクト層103をInGaNまたはGaN、とりわけMgをドープしたp型GaNで形成すると、最もキャリア濃度の高いp型層が得られ、正電極と良好なオーミック接触を達成し、それにより閾値電流を低下させることができる。
【0038】
正電極20は、オーミック接触を得るために、Ni、Pd、Ir、Rh、Pt、Ag、Au等の比較的仕事関数の高い金属又はこれらの合金好ましくはで形成されることが好ましい。
【0039】
電流狭窄層18は、絶縁性材料、好ましくは二酸化ケイ素で形成される。この電流狭窄層18は、省くことができる。ところで、図1において、n型キャリア閉じ込め層14は、クラック防止層30を介してn型コンタクト層13上に形成されている。
【0040】
すなわち、アルミニウムを含有する窒化物半導体は、厚さを厚く成長させると成長した結晶にクラックが発生しやすいという性質を有する。特に、n型のアルミニウム含有窒化物半導体をGaN層またはAlGaN層上にクラックを発生させないで直接厚く成長させることが困難である。例えば、n型GaN等で形成されるn型コンタクト層13上に、n型キャリア閉じ込め層14のように、例えば0.1μm以上と厚く形成する必要があるn型層をアルミニウムを含有する窒化物半導体特にAlGaNで形成することが困難である。そこで、n型コンタクト層13の上に、クラック防止層30として、インジウムを含有する窒化物半導体、好ましくはInpGa1−pN(0<p≦1)からなるn型層を形成した後に、n型のアルミニウム含有窒化物半導体からなるn型キャリア閉じ込め層14を形成する。クラック防止層30の存在により、n型キャリア閉じ込め層14は、クラックを発生することなく、所望の厚さ(例えば、0.1μm以上)に成長させることができる。クラック防止層30は、100オングストローム以上、0.5μm以下の厚さを有することが好ましい。なお、このクラック防止層30は、n型コンタクト層13層内部にあっても同様の効果を奏する。
【0041】
図2は本発明の第2の態様による窒化物半導体LDデバイスを概略的に示す断面図であり、図1と同一符号は同一部材を示している。図2を参照すると、基板11上には、バッファ層12を介して、n型コンタクト層13、クラック防止層30、第3のn側窒化物半導体層203、第2のn側窒化物半導体層202、第1のn側窒化物半導体層201、活性層16、p型光ガイド層31、p型キャリア閉じ込め層(光閉じ込め層)32、p型コンタクト層17、電流狭窄層18が順次形成されている。n型コンタクト層13には負電極19が、p型コンタクト層17には、正電極20が電気的に接続されている。
【0042】
図2に示すLDデバイスにおいて、第1のn側窒化物半導体層201、第2のn側窒化物半導体層202および第3のn側窒化物半導体層203は、導電型を除いて、それらのバンドギャップエネルギー、それらを構成する窒化物半導体材料およびそれらの厚さの範囲の点において、それぞれ図1に関して説明した対応する第1のp側窒化物半導体層101、第2のp側窒化物半導体層102および第3のp側窒化物半導体層103と基本的に同様であり、第1のp側窒化物半導体層101、第2のp側窒化物半導体層102および第3のp側窒化物半導体層103について述べた材料の好ましさ、厚さの好ましさ等も、それぞれ、第1のn側窒化物半導体層201、第2のn側窒化物半導体層202および第3のn側窒化物半導体層203について適用し得る。
【0043】
簡単に繰り返すと、活性層16に接して形成されている第1のn側窒化物半導体層201は、活性層16(より厳密には、その井戸層)よりもバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体で形成されている。特に好ましくは第1のn側窒化物半導体層201は、Alを含む窒化物半導体で形成され、殊に好ましくは三元混晶のAlGaNで形成される。
【0044】
第1のn側窒化物半導体層201の厚さも、第1のp側窒化物半導体101と同様、第1のn側窒化物半導体層201をキャリア(電子キャリア)がトンネリングし得るに十分に薄い厚さを有する。より具体的には、半導体層201は、0.1μm以下、さらに好ましくは0.05μm(500オングストローム)以下、最も好ましくは0.03μm(300オングストロ―ム)以下の厚さを有することが望ましい。第1のn側窒化物半導体層201も、10オングストローム以上の厚さを有することが望ましい。
【0045】
なお、第1のn側窒化物半導体層201は、n型かi型であることが好ましい。本発明において、n型窒化物半導体(活性層の場合も含む)はノンド―プ(不純物をドープしない状態)でも得られるが、好ましいn型とするには、結晶成長中にSi、Ge、Sn、S等のドナー不純物をドープすることによって得られる。その場合、ドナー不純物は、1×1016〜1×1022/cm3の濃度でドープすることが好ましい。とりわけシリコンは、1×1017〜1×1021/cm3の濃度が特に好ましく、1×1018〜1×1020/cm3の濃度が最も好ましい。
【0046】
第2のn側窒化物半導体層202は、第1のn側窒化物半導体層201のバンドギャップエネルギ―よりも小さなバンドギャップエネルギーを有し、かつ第1のn側窒化物半導体層201よりも活性層から離れた位置にあり、最も望ましくは図2に示すように、第1のn側窒化物半導体層201に接して形成する。第2のn側窒化物半導体層202は、好ましくはInkGa1−kN(0≦k≦1)で形成され、特にGaNまたはInGaNで形成することが好ましい。第2のn側窒化物半導体層202は0.01μm〜5μm、さらに好ましくは0.02μm〜1μmの厚さを有することが好ましく、この範囲の厚さにおいて、例えば好ましい光ガイド層として作用し得る。第2のn側窒化物半導体層202は、n型である。なお、図1に関して説明したように、第2のp側窒化物半導体層102は、その上に比較的厚く形成される第3のp側窒化物半導体層103を成長させるため際のバッファ層として作用している。同様に、第2のn側窒化物半導体層202も、第1のn側窒化物半導体層201を成長させる際のバッファ層として作用するが、第1のn側窒化物半導体層201は薄いので、バッファ層としての役割はそれほど重要でない。
【0047】
第3のn側窒化物半導体層203も、第3のp側窒化物半導体層103と同様、キャリア閉じ込め層及び光閉じ込め層として作用するため第2のn側窒化物半導体層202のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有し、第2のn側窒化物半導体層202よりも活性層16から離れた位置にあり、最も望ましくは図2に示すように第2のn側窒化物半導体層202に接して形成される。第3のn側窒化物半導体層203も、Alを含む窒化物半導体で形成することが好ましく、特に好ましくは三元混晶のAlGaNで形成する。この第3のn側窒化物半導体層203も、0.01μm以上、2μm以下、さらに好ましくは0.05μm以上、1μm以下の厚さを有することが望ましく、この厚さの範囲内において、結晶性の良いキャリア閉じ込め層および光閉じ込め層として作用し得る。なお、第3のn側窒化物半導体層203はn型である。好ましくはアルミニウムを含有する窒化物半導体からなる第3のn側窒化物半導体層203は、好ましくはn型GaNで形成されるn型コンタクト層13上に、クラック防止層30を介して形成されている。
【0048】
p型光ガイド層31およびp型キャリア閉じ込め層(光閉じ込め層)32は、それぞれp型窒化物半導体で形成される。p型キャリア閉じ込め層(光閉じ込め層)32のバンドギャップエネルギーは、p型光ガイド層31のそれよりも大きい。
【0049】
図3は、活性層の両側(p側およびn側)にそれぞれ本発明の3層積層構造を形成した現在のところ最も好ましい態様による窒化物半導体LDデバイスを示している。図3を参照すると、基板11上には、バッファ層12を介して、n型コンタクト層13、クラック防止層30、第3のn側窒化物半導体層203、第2のn側窒化物半導体層202、第1のn側窒化物半導体層201、活性層16、第1のp側窒化物半導体層101、第2のp側窒化物半導体層102、第3のp側窒化物半導体層103およびp型コンタクト層17を含む窒化物半導体積層構造が設けられている。p型コンタクト層17上にはコンタクトホール18aを設けた電流狭窄層18が設けられている。n型コンタクト層13の露出表面上には負電極19が設けられ、電流狭窄層18上には正電極20が設けられている。正電極20は、電流狭窄層18のコンタクトホール18aを通してp型コンタクト層17と接している。図3に示すデバイスを構成する要素は、図1および図2に関して説明した通りのものである。
【0050】
なお、本発明の窒化物半導体デバイスを構成する窒化物半導体層は、有機金属気相成長法(MOVPE)により好ましく成長させることができる。しかしながら、窒化物半導体層は、例えば、ハイドライド気相成長法(HDVPE)、分子線気相成長法(MBE)等窒化物半導体を成長させるために従来使用されている他の方法によっても成長させることができる。
【0051】
図4は、図3に示す構造の、多重量子井戸構造の活性層を有するLDデバイスのエネルギーバンドを概略的に示す。図4に示すように、本発明のダブルへテロ構造のLDデバイスでは、インジウム含有窒化物半導体を包含する活性層16に接して、第1のp側窒化物半導体層101および第1のn側窒化物半導体層201が設けられている。すなわち、活性層16(より厳密には、その井戸層)のバンドギャップエネルギーよりも大きく、さらに第2のp側窒化物半導体層102および第2のp側窒化物半導体層202のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する2つの第1の窒化物半導体層101、201が、活性層16に接して設けられている。しかも、これら2つの第1の窒化物半導体層の膜厚を薄く設定してあるため、これら半導体層101、201は、キャリアに対してバリアとして作用することはなく、第3のn側窒化物半導体層203側から第2のn側窒化物半導体層202に注入された電子キャリアと、第3のp側窒化物半導体層103側から第2のp側窒化物半導体層102に注入された正孔キャリアは、トンネル効果によりそれぞれ第1のn側窒化物半導体層201および第1のp側窒化物半導体層101を突き抜けることができ、活性層16において効率よく再結合し、光(hν)を発する。
【0052】
そして注入されたキャリアは、第1の窒化物半導体層101、201のハンドギャップエネルギーが大きいため、デバイスの温度が上昇しても、または注入電流密度が増えても、キャリアは活性層16をオーバ―フローせず、第1の窒化物半導体層101、201で阻止されるため、キャリアが活性層16に有効に蓄積され、効率よく発光することが可能となる。従って、本発明の窒化物半導体デバイスは、デバイス温度が上昇しても発光効率が低下することが少なく、閾値電流の低いLDデバイスとなる。
【0053】
ところで、本発明者らは、本発明のデバイスにおける活性層、特にインジウムとガリウムを含有する窒化物半導体からなる井戸層を有する活性層について詳細に研究した。その結果、例えばInGaNを成長させると、条件によっては、成長したInGaN層が、インジウム含有率において全体的に不均一となり、かくしてインジウムリッチ領域とインジウムプア領域を形成することがわかった。このように形成されたインジウムリッチ領域に電子キャリアと正孔キャリアが局在し、エキシトンに基づく発光またはバイエキシトンに基づく発光をする。すなわち、インジウムリッチ領域は、量子ドットまたは量子ボックスを構成する。InGaN井戸層が、このような量子ドットまたは量子ボックスを形成するためには、n型半導体層上に当該井戸層が、図1〜図3に関して説明したデバイスにおけるように、n型半導体層(アルミニウム含有窒化物半導体15、201)上に当該n型半導体層に対して格子不整合の状態で形成され、その厚さが70オングストローム以下であることが必要であることがわかった。この井戸層構造は、これを形成した後短時間好ましくは2ないし20秒間おいてからその上に半導体層を形成するようにすると都合よく形成される。なお、この井戸層を有する活性層上に形成されるさらなる層は、アクセプター不純物を含有していればよい。このような構成のLDデバイスは、通常の量子井戸レーザーよりも閾値電流が低く、より高い特性温度を有し得る。
【0054】
かくして、本発明は、n型窒化物半導体からなる第1のクラッド層;該第1のクラッド層上に設けられ、インジウムおよびガリウムを含む窒化物半導体からなり70オングストローム以下の厚さを有し、下地層上に該下地層に対して格子不整合の状態で設けられた少なくとも1層の井戸層を包含する量子井戸構造の活性層であって、該井戸層は複数のインジウムリッチ領域とインジウムプア領域を包含する活性層;および該活性層上に設けられ、アクセプター不純物をドープした窒化物半導体からなる第2のクラッド層を備えたことを特徴とする窒化物半導体デバイスをも提供する。ここで、下地層というとき、図1〜図3に関して説明したデバイスにおけるようになn型半導体層(アルミニウム含有窒化物半導体15、201)等の該第1のクラッド層自体または当該第1のクラッド層上に設けられた障壁層あるいは障壁層自体を指すものとする。図5は、このデバイスを概念的に示す断面図である。図5では、活性層は、簡便のため単一量子井戸構造を有するものとして示されている。図5に示すように、n型窒化物半導体からなる第1のクラッド層52上に格子不整合状態で70オングストローム以下の厚さに形成された量子井戸層(活性層)54は、例えば全体的にはInGaNで形成されるが、相分離を生じさせることによってインジウムリッチ領域54aとインジウムプア領域54bを構成する。より詳しくは、インジウムリッチ領域54aとインジウムプア領域54bとがドットまたはボックスとして存在し、これらは大きさが20〜50オングストロームであり得、各インジウムリッチ領域54aと各インジウムプア領域54bとは井戸層の面方向において交互にほぼ規則的に配列されている。この活性層54の上には、アクセプター不純物をドープした窒化物半導体からなる第2のクラッド層56が設けられている。
【0055】
もちろん、量子ドットまたは量子ボックスを構成する井戸層を有する活性層は、図1〜図3に関して説明したデバイスにおける活性層16を構成することが好ましい。なお、相分離した井戸層のバンドギャップエネルギーは、当該井戸層の平均組成によって決まる。
【0056】
このような量子ドットまたは量子ボックスを構成する井戸層を有する活性層において、アクセプタ―不純物および/またはドナー不純物をドープすると、閾値電流がより一層低下し得る。
【0057】
すなわち、1つの井戸層の面内においてインジウムの含有率が不均一であることは、単一の井戸層の面方向においてバンドギャップの異なるInGaN領域(インジウムリッチ領域およびインジウムプア領域)が存在することを意味する。従って、伝導帯に存在する電子は一旦インジウムリッチ領域に落ち、そこから価電子帯に存在する正孔と再結合することによりhνのエネルギーを放出する。言い換えると、電子キャリアと正孔キャリアとが井戸層のインジウムリッチ領域(相)に局在化し、局在エキシトンを形成し、レーザの閾値電流を低下させる助けとなるとともに、レーザの発光出力を向上させる。
【0058】
このような井戸層に、シリコン等のドナー不純物および/またはアクセプター不純物をドープすると、伝導帯と価電子帯との間に、さらに不純物レベルのエネルギー準位が形成される。そのため、電子キャリアは、より深い不純物レベルのエネルギー準位に落ち、正孔キャリアは、p型不純物のレベルに移動して、そこで電子キャリアと正孔キャリアとが再結合してより小さなエネルギーhνを放出する。このことは、電子キャリアと正孔キャリアとがより一層局在化し、この一層局在化して形成されたエキシトンの効果によりレーザデバイスの閾値電流が低下するものと信じられる。井戸層にドープする不純物としては、シリコンおよびゲルマニウムが好ましく、特にシリコンが好ましい。特にシリコンをド―プすることによりデバイスの閾値電流がさらに低下する傾向にある。なお、シリコン、マグネシウム等の不純物は、井戸層だけでなく、障壁層にもドープしてもよく、また多重量子井戸構造の活性層の場合には、井戸層1層のみ、または障壁層1層のみにドープしてもよい。
【0059】
【実施例】
以下、本発明を実施例により説明する。
実施例1
本実施例では、図3に示す構造の窒化物半導体LDデバイスを作製した。
【0060】
まず、よく洗浄したスピネル基板11(MgAl2O4)を反応容器内にセットし、反応容器内を水素で十分置換した後、水素を流しながら、基板の温度を1050℃まで上昇させ、基板のクリーニングを行った。
【0061】
ついで、温度を510℃まで下げ、キャリアガスとして水素を用い、原料ガスとしてアンモニアとトリメチルガリウム(TMG)とを用い、基板11上にGaNバッファ層12を約200オングストロームの厚さに成長させた。
【0062】
バッファ層成長後、TMG流のみ止めてアンモニアガスを流しながら、温度を1030℃まで上昇させた。1030℃で、TMGガスを追加し、ドーパントガスとしてシランガス(SiH4)を用いて、n型コンタクト層13としてSiドープn型GaN層を4μmの厚さに成長させた。
【0063】
次に、温度を800℃に下げ、原料ガスとしてTMG、TMI(トリメチルインジウム)およびアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用いて、SiドープIn0.1Ga0.9Nよりなるクラック防止層30を500オングストロームの厚さに成長させた。
【0064】
ついで、温度を1030℃に上げ、原料ガスとしてトリメチルアルミニウム(TMA)、TMGおよびアンモニアを用い、ドーパントとしてシランを用い、Siドープn型Al0.2Ga0.8Nよりなる第3のn型窒化物半導体層203を0.5μmの厚さに成長させた。
【0065】
次に、温度を800℃に下げ、TMA流のみ止めて、Siドープn型GaNよりなる第2のn型窒化物半導体層202を0.2μmの厚さに成長させた。ついで、温度を1050℃に上げ、原料ガスにTMA、TMGおよびアンモニアを用い、ドーパントとしてシランを用いて、Siドープn型Al0.1Ga0.9Nよりなる第1のn型窒化物半導体層201を300オングストロームの厚さに成長させた。
【0066】
次に原料ガスとしてTMG、TMIおよびアンモニアを用いて活性層16を以下の通りに成長させた。まず、温度を800℃に保持して、ノンドープIn0.2Ga0.8Nよりなる井戸層を25オングストロームの膜厚で成長させた。次にTMIのモル比を変化させて、同一温度で、ノンドープIn0.01Ga0.99Nよりなる障壁層を50オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を2回繰り返し、最後に井戸層を積層し、全部で7層の多重量子井戸構造の活性層を成長させた。
【0067】
次に、温度を1050℃に上げ、TMG、TMA、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を用い、Mgドープp型Al0.1Ga0.9Nよりなる第1のp型窒化物半導体層101を300オングストロームの厚さに成長させた。
【0068】
続いて、1050℃で、TMG、アンモニア、およびCp2Mgを用いて、Mgドープp型GaNよりなる第2のp型窒化物半導体層102を0.2μmの厚さに成長させた。
【0069】
ついで、1050℃で、TMG、TMA、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を用い、Mgドープp型Al0.2Ga0.8Nよりなる第3のp型窒化物半導体層103を0.5μmの厚さに成長させる。
【0070】
最後に、1050℃でMgドープp型GaNよりなるp型コンタクト層17を0.5μmの厚さに成長させた。全ての反応終了後、温度を室温まで下げてウェーハを反応容器から取り出し、700℃でウェーハのアニーリングを行い、p型層をさらに低抵抗化した。次に、最上層のp型コンタクト層17からn型コンタクト層13の表面が露出するまでストライプ状にエッチングした。エッチング後、p型コンタクト層17の表面に二酸化シリコンよりなる電流狭窄層18を形成し、これにコンタクトホールを形成した後、電流狭窄層18を介して、p型コンタクト層17と接するようにNiとAuよりなる正電極20をストライプ状に形成した。一方TiとAlよりなる負電極19をストライプ状に形成した。
【0071】
次に、ウェーハをストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に切断し、切断面を研磨して平行鏡を作成した後、平行鏡にSiO2とTiO2とを交互に積層した誘電体多層膜を形成した。最後に電極に平行な方向で、バーを切断してストライプサイズ4μm×600μmのレーザチップとした後、チップをヒートシンクに設置し、常温でレーザ発振を試みたところ、パルス電流下(パルス幅10マイクロ秒、デューティ比10%)で、発振波長400nmのレーザ発振が確認され、閾値パルス電流密度=2kA/cm2、T0(特性温度)=200Kであった。
【0072】
次に、デバイスの閾値電流密度の温度依存性により本発明のLDデバイスを評価した。LDの閾値電流密度Jthは、exp(T/T0)(但し、T:動作温度(K)、T0:特性温度(K))に比例する。すなわち、T0が大きいほどLDデバイスは、高温でも閾値電流密度が低く安定に動作する。
【0073】
実施例1のデバイスにおいて、第1の窒化物半導体層101、201をいずれも形成しなかった場合は、レーザ発振しなかった。また、実施例1において、第1の窒化物半導体層101、201のいずれか一方のみを形成しなかった場合の本発明のLDデバイスは、Jth=3kA/cm2、T0は100Kであった。実施例1のLDデバイスは、第1の窒化物半導体層101、201双方のAljGa1−jNのj値が0.1の場合(実施例1)、前に述べたように、Jth=2kA/cm2、T0=200Kであったが、j値が0.2の場合は、Jth=1.5kA/cm2、T0=300K、j値が0.3の場合はJth=1.4kA/cm2、T0=400Kであり、本発明のLDデバイスの温度特性が非常に優れていることを示している。
【0074】
実施例2
第1のn側窒化物半導体層201を成長させなかった以外は、実施例1と同様にして本発明のLDデバイスを得た。このLDは図1に示すLDデバイスと同一の構造を有しており、図1のn型キャリア閉じ込め層(光閉じ込め層)14が、第3のn側窒化物半導体層203に相当し、n型光ガイド層15が、第2のn側窒化物半導体層202に相当するものである。このLDデバイスはJth=3kA/cm2で発振波長400nmのレーザ発振が確認され、T0 =100Kであった。
【0075】
実施例3
第1のp側窒化物半導体層101を成長させなかった以外は、実施例1と同様にして本発明のLDデバイスを得た。このLDは図2に示すLDデバイスと同一の構造を有しており、図2のp型キャリア閉じ込め層(光閉じ込め層)32が、第3のp側窒化物半導体層103に相当し、p型光ガイド層31が、第2のp側窒化物半導体層102に相当するものである。このLDデバイスは、実施例2のLDと同じく、Jth=3kA/cm2で発振波長400nmのレーザ発振が確認され、T0=100Kであった。
【0076】
実施例4
活性層16を、50オングストロームの膜厚のノンドープIn0.2Ga0.8Nの井戸層よりなる単一量子井戸構造とし、第1のp型窒化物半導体層101をAl0.3Ga0.7Nで形成した以外は、実施例2と同様にして本発明のLDデバイスを得た。このLDもJth=5kA/cm2で発振波長410nmのレーザ発振が確認され、T0=50Kであった。
【0077】
実施例5
第2のn型窒化物半導体層202をSiドープn型In0.01Ga0.99Nで形成し、第2のp型窒化物半導体102をMgドープp型In0.01Ga0.99Nで形成した以外は実施例1と、同様にしてLDデバイスを作製した。このLDデバイスは、実施例1のLDデバイスと全く同一の特性を示した。
【0078】
実施例6
活性層の井戸層および障壁層に、それぞれ、ドナー不純物としてシリコンを1×1019/cm3の濃度でドープした以外は、実施例1と同様にして本発明のLDデバイスを作製した。このLDデバイスは、実施例1のLDデバイスに比べて、閾値電流がおよそ5%低下し、T0はおよそ10%向上した。
【0079】
実施例7
活性層の井戸層および障壁層に、それぞれ、アクセプタ―不純物としてマグネシウムを1×1018/cm3の濃度でドープした以外は、実施例1と同様にして本発明のLDデバイスを作製した。このLDデバイスは、実施例1のLDデバイスとほぼ同等の特性を示した。
【0080】
実施例8
活性層の井戸層および障壁層に、それぞれ、ドナー不純物としてシリコンを1×1019/cm3の濃度でおよびアクセプター不純物としてマグネシウムを1×1018/cm3の濃度でドープした以外は、実施例1と同様にして本発明のLDデバイスを作製した。このLDデバイスは、実施例6のLDデバイスとほぼ同等の特性を示した。
【0081】
実施例9
各ノンドープIn0.2Ga0.8N(平均組成)井戸層形成後、5秒間そのまま保持してから各障壁層を形成した以外は、実施例1と同様にしてLDデバイスを作製した。このLDデバイスにおいて、井戸層は、インジウムリッチ領域とインジウムプア領域とに相分離しており、インジウムリッチ領域は組成がほぼIn0.4Ga0.6Nに相当し、インジウムプア領域は組成がほぼIn0.02Ga0.98Nに相当するものであった。また、井戸層の断面TEM写真により、それぞれ平均で30オングストロームの大きさのインジウムリッチ領域とインジウムプア領域とが面方向に互いに交互に規則的に並んでいることが確認された(図5参照)。こうして作製したLDデバイスは、実施例1のLDデバイスに対して閾値電流密度においておよそ30%低下し、T0において20%向上していた。
【0082】
実施例10
各井戸層にシリコンをドープした以外は実施例9と同様にしてLDデバイスを作製した。このLDデバイスは、実施例1のLDデバイスに対して閾値電流密度においておよそ40%低下し、T0において30%向上していた。なお、上記各実施例において、濃度を特に指摘しなかった不純物も、いずれも先に述べた好ましい範囲内でドープしたものであった。
【0083】
以上説明した実施例では、最も好ましい例として、活性層と、第1の窒化物半導体層と、第2の窒化物半導体層と、第3の窒化物半導体層とが接して形成されている例について説明したが、本発明では活性層に接して形成されているのは、第1の窒化物半導体層のみでよく、第1の窒化物半導体層と第2の窒化物半導体層との間、第2の窒化物半導体層と第3の窒化物半導体層との間に、他の窒化物半導体層を挿入することもできる。ドープした不純物の濃度は、
【0084】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、インジウムを含む窒化物半導体を包含する活性層を有する窒化物半導体素子であって、発光効率が高い窒化物半導体デバイスが提供され、またデバイス温度が上昇しても発光効率の低下が少ない窒化物半導体デバイスが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の態様に係るLDデバイスを概略的に示す断面図。
【図2】本発明の第2の態様に係るLDデバイスを概略的に示す断面図。
【図3】本発明の第3の態様に係るLDデバイスを概略的に示す断面図。
【図4】図3に示すデバイス構造に対応するエネルギーバンドを示す図。
【図5】本発明の第4の態様に係るLDデバイスを概略的に示す断面図。
【図6】従来のLDデバイスの層構造に対応するエネルギーバンドを示す図。
【符号の説明】
11…基板
13…n型コンタクト層
14…n型キャリア閉じ込め層
15…n型光ガイド層
16,54…活性層
17…p型コンタクト層
19…負電極
20…正電極
30…クラック防止層
52…第1のクラッド層
54a…インジウムリッチ領域
54b…インジウムプア領域
56…第2のクラッド層
101…第1のp側窒化物半導体層
102…第2のp側窒化物半導体層
103…第3のp側窒化物半導体層
201…第1のn側窒化物半導体層
202…第2のn側窒化物半導体層
203…第3のn側窒化物半導体層。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a nitride semiconductor device, and more particularly to a nitride semiconductor light emitting device such as a laser diode (LD) device and a light emitting diode (LED) device and a light receiving device such as a solar cell, and more particularly to a nitride semiconductor. The present invention relates to a light emitting device.
[0002]
[Prior art]
Nitride semiconductors can have a band gap energy ranging from 1.95 to 6.0 eV depending on their composition, so that they can be used as materials for semiconductor light emitting devices such as light emitting diode (LED) devices and laser diode (LD) devices. It has attracted attention from the past. Recently, high-intensity blue LED devices and green LED devices have been put into practical use using this nitride semiconductor material. These LED devices have a double heterostructure with a pn junction, and both outputs exceed 1 mW.
[0003]
A conventional LED device basically has a double hetero structure in which an active layer made of InGaN is sandwiched between an n-type and p-type clad layer made of AlGaN. An n-type contact layer made of GaN is formed on the n-type cladding layer, and a p-type contact layer made of GaN is formed on the p-type cladding layer. This laminated structure is provided on a substrate made of sapphire, for example.
[0004]
The LD device may basically have the same structure as the LED device. However, particularly in the case of an LD device, a separate confinement structure in which light and carriers are confined separately is often used. A nitride semiconductor separation and confinement type LD device is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 6-21511. This publication includes an InGaN active layer sandwiched between two light guide layers, one of which is made of n-type GaN and the other of which is made of p-type GaN, and a carrier made of n-type AlGaN on the n-type light guide layer. A light-emitting device having a separate confinement structure in which a confinement layer is formed and another carrier confinement layer made of p-type AlGaN is formed on the p-type light guide layer is disclosed.
[0005]
By the way, in an ordinary semiconductor device having a double hetero structure, a first cladding layer having a band gap energy larger than that of the active layer is provided in contact with the active layer, and the first cladding layer is in contact with the first cladding layer. A second cladding layer having a larger band gap energy than that of the other cladding layer is provided. This is because electrons and holes are efficiently injected into the active layer according to the energy level.
[0006]
Similarly, in the case of a nitride semiconductor LD device, a cladding layer such as a light guide layer and a carrier confinement layer (light confinement layer) is sequentially formed so that the band gap energy gradually increases in contact with the active layer ( For example, see the above publication).
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, it has been found that conventional nitride semiconductor devices, particularly LD devices, having an indium-containing active layer have low luminous efficiency in the above structure. In particular, it has been found that when the device temperature rises as the current applied to the device is increased, the luminous efficiency is drastically reduced.
[0008]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a nitride semiconductor device having an active layer containing a nitride semiconductor containing indium and having high luminous efficiency. Another object of the present invention is to provide a nitride semiconductor device in which a decrease in luminous efficiency is small even when the device temperature rises.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides:It has a multiple quantum well structure in which well layers made of InGaN and barrier layers made of InGaN having a larger band gap than the well layers are alternately stacked.Active layer andp-side contact layerIn contact with the active layerProvided,IncAldGa1-cdN (0 ≦ c, 0 <d, c + d ≦ 1)500 AngstromThe following first nitride semiconductor layer and IneAlfGa1-efA third nitride semiconductor layer made of N (0 ≦ e, 0 <f, e + f ≦ 1) and having a thickness of 0.01 μm or more and 2 μm or less, and the first nitride semiconductor layer and the third nitride In between the semiconductor layer, InXGa1-XFrom N (0 ≦ X ≦ 1)And having a smaller band gap energy than the first nitride semiconductor layer and a thickness of 0.01 μm to 5 μm.A second nitride semiconductor layer, wherein the third nitride semiconductor layer has a larger band gap energy than the second nitride semiconductor layer.And the uppermost layer of the active layer formed in contact with the second nitride semiconductor layer and in contact with the first nitride semiconductor layer is a barrier layer made of InGaN.
[0010]
In the nitride semiconductor device of the present invention, the active layer is sandwiched between a layer structure that should ultimately contact the positive electrode and a layer structure that should ultimately contact the negative electrode. In the following description, the side on which the layer structure that should ultimately contact the positive electrode is referred to as the p side, and the side on which the layer structure that ultimately contacts the negative electrode is formed may be referred to as the n side. .
[0011]
Therefore, the nitride semiconductor layer structure can be provided on the p side or the n side of the active layer, or on both the p side and the n side. The first nitride semiconductor layer preferably has a thickness sufficiently thin that carriers can tunnel, and more specifically, preferably has a thickness of 0.1 μm or less. In general, the first nitride semiconductor layer preferably has a thickness of at least 10 angstroms.
[0012]
According to the second aspect of the present invention, in the second aspect, the first clad layer made of an n-type nitride semiconductor; provided on the first clad layer and made of a nitride semiconductor containing indium and gallium and having a thickness of 70 angstroms or less. An active layer having a quantum well structure including at least one well layer provided on the base layer in a lattice-mismatched state with respect to the base layer, wherein the well layer includes a plurality of well layers An active layer including an indium rich region and an indium poor region; and a nitride semiconductor comprising a second cladding layer provided on the active layer and made of a nitride semiconductor doped with an acceptor impurity Provide a device.
[0013]
In the present invention, when broadly referred to as a nitride semiconductor, a nitride of a Group 3 element of the periodic table, more specifically, the formula InxAlyGa1-xyIt refers to a nitride semiconductor represented by N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1).
[0014]
The inventors of the present invention have studied the decrease in light emission efficiency with increasing temperature, particularly in a nitride semiconductor device having an active layer containing indium. As a result, the main cause of the decrease in luminous efficiency is that nitride semiconductors containing indium, especially InGaN, have a property that they are less likely to grow than nitride semiconductors containing aluminum or gallium nitride (GaN). I found out. That is, the decomposition temperature of InN and GaN constituting InGaN is remarkably different, and InGaN tends to phase-separate into InN and GaN during growth, and an active layer having a uniform composition can be obtained by increasing the indium content. Hateful. Therefore, in a conventional nitride semiconductor having an InGaN active layer, the indium content tends to be kept low.
[0015]
When the GaN light guide layer is formed in contact with the InGaN active layer having a low indium content, the band offset between the active layer and the light guide layer is extremely small. This will be described with reference to FIG. 6, which is a diagram showing an energy band corresponding to a conventional nitride semiconductor light emitting device. As shown in FIG. 6, in the conventional nitride semiconductor device, the band gap energy of the light guide layer (GaN) directly sandwiching the InGaN active layer is not so large as compared with the band gap energy of the active layer (InGaN). (Because the In content in InGaN is low, the InGaN composition approximates the GaN composition). For this reason, when the temperature of the device rises as the current value applied to the semiconductor device increases, the electrons and holes injected from the n layer and the p layer into the active layer recombine due to the influence of the thermal energy, respectively. Before emitting light (hν), electrons and holes overflow the active layer to the guide layer (GaN) opposite to the injection side, that is, electrons are in the p-type light guide layer, holes are It reaches even the n-type light guide layer. As a result, the light emission efficiency is low in the conventional structure, and particularly when the temperature rises, the efficiency decreases.
[0016]
Therefore, in the nitride semiconductor device of the present invention, two first layers (a first p-side layer and a first layer formed between and in contact with an active layer including a nitride semiconductor containing indium) are interposed. The n-side layer is formed of a nitride semiconductor having a band gap energy larger than that of the active layer. These first layers only have to have a band gap energy larger than that of the active layer, and preferably the two first layers have a band larger by 0.01 to 4.05 eV than the active layer. Has gap energy. Due to the presence of the first layer having such a large band gap energy, electrons or holes injected into the active layer do not overflow the active layer. Each first layer preferably has a band gap energy smaller than the band gap energy of the first layer, preferably in contact with the first layer, but preferably larger than the band gap energy of the active layer. Two second layers (second p-side layer and second n-side layer) formed of a nitride semiconductor are provided. These second layers only need to have a band gap energy smaller than that of the first layer, and preferably 0.01 to 4.05 eV smaller than the first band gap energy. Have Furthermore, on each second layer, preferably in contact therewith, two third layers (third layers) formed of a nitride semiconductor having a band gap energy larger than that of the second layer. a p-side layer and a third n-side layer). These third layers only have to have a band gap energy larger than that of the second layer, and preferably 0.01 to 4.05 eV higher than the band gap energy of the second layer. Has a large band gap energy. Thus, electrons or holes injected from the third layer side are efficiently injected into the second layer having a smaller band gap energy, but the first layer has a large band gap energy, so that it is active. Injection into the layer tends to be blocked by the first layer. Therefore, in the present invention, the first layer is formed so thin that electrons or holes can penetrate through the first layer by a tunnel effect (tunneling). Thus, electrons or holes are efficiently injected from the third layer to the active layer. Thus, in the device of the present invention, electrons and holes are efficiently injected from the third layer into the active layer, and electrons or holes are blocked by the first layer opposite to the injection side. Even if the device temperature rises, the active layer does not overflow. Regarding the band gap energy of the nitride semiconductor, the band gap energy of AlN is 6.0 eV, the band gap energy of GaN is 3.4 eV, and the band gap energy of InN is 1.95 eV.
[0017]
As is clear from the above description, in the present invention, if the three-layer structure including the first layer, the second layer, and the third layer is provided on one surface of the active layer, electrons or One of the holes is prevented from overflowing the active layer. Most preferably, this three-layer structure is provided on both sides (p side and n side) of the active layer.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described with reference to FIGS. Throughout these drawings, the same elements and members are denoted by the same reference numerals. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing one structure of an LD device according to the first embodiment of the present invention. In this LD device, the three-layer structure of the present invention is provided on the p side.
[0019]
1 includes an n-
[0020]
The substrate 11 is made of spinel (MgAl2O4), Sapphire (Al2O3Conventional materials proposed for growing nitride semiconductors such as SiC (including 6H, 4H, 3C), ZnS, ZnO, GaAs, GaN, etc. can be used. .
[0021]
The
[0022]
The n-
[0023]
The
[0024]
The n-type
[0025]
The
[0026]
Among them, the
[0027]
In the multiple quantum well structure, it is particularly desirable that the well layer has a thickness of 70 angstroms or less and the barrier layer has a thickness of 150 angstroms or less. On the other hand, it is particularly desirable that the active layer having a single quantum well structure constituted by one quantum well layer has a thickness of 70 angstroms or less. The lower limit of the thickness of both the well layer and the barrier layer is preferably 5 angstroms.
[0028]
The
[0029]
The first p-side
[0030]
The first p-side
[0031]
In the present invention, to make the nitride semiconductor (including the nitride semiconductor of the active layer) p-type, it is necessary to dope an acceptor impurity such as Mg, Zn, C, Be, Ca, Ba during crystal growth. Obtained by. Acceptor impurity concentration is 1 × 1017~ 1x1022/ Cm3It is preferable that In particular, when the acceptor impurity is magnesium, the concentration is 1 × 1018~ 1x1020/ Cm3, Especially 1 × 1019~ 1x1020/ Cm3Is particularly preferred. In any case, in order to obtain a p-layer with a high carrier concentration, it is more desirable to anneal (heat treat) at 400 ° C. or higher in an inert gas atmosphere after doping acceptor impurities. Annealing is usually performed in the case of Mg-doped p-type AlGaN at 1 × 1017~ 1x1019/ Cm3The carrier concentration can be obtained. In order to obtain an i-type nitride semiconductor, for example, AljGa1-jBy growing a nitride semiconductor having a value of j of 0.5 or more in N, an i-type nitride semiconductor can be obtained without doping an acceptor impurity. In addition, an i-type nitride semiconductor is an acceptor in which a p-type nitride semiconductor layer is doped with a donor impurity sufficient to compensate its hole carrier concentration, or an n-type nitride semiconductor layer is merely compensated for its electron carrier concentration. It can also be obtained by doping impurities.
[0032]
The thickness of the first
[0033]
The second p-side
[0034]
Further, the second p-side
[0035]
The third p-side
[0036]
The third p-side
[0037]
The p-
[0038]
The
[0039]
The
[0040]
That is, a nitride semiconductor containing aluminum has a property that cracks are likely to occur in the grown crystal when the thickness is increased. In particular, it is difficult to directly grow an n-type aluminum-containing nitride semiconductor without causing cracks on the GaN layer or the AlGaN layer. For example, an n-type nitride that needs to be formed to a thickness as thick as, for example, 0.1 μm or more like an n-type
[0041]
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a nitride semiconductor LD device according to the second embodiment of the present invention. The same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same members. Referring to FIG. 2, an n-
[0042]
In the LD device shown in FIG. 2, the first n-side
[0043]
To repeat briefly, the first n-side
[0044]
Similarly to the first p-
[0045]
The first n-side
[0046]
The second n-side
[0047]
Similarly to the third p-side
[0048]
The p-type
[0049]
FIG. 3 shows a nitride semiconductor LD device according to the presently most preferred embodiment in which the three-layer laminated structure of the present invention is formed on both sides (p side and n side) of the active layer. Referring to FIG. 3, an n-
[0050]
Note that the nitride semiconductor layer constituting the nitride semiconductor device of the present invention can be preferably grown by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE). However, the nitride semiconductor layer can also be grown by other methods conventionally used for growing nitride semiconductors such as hydride vapor phase epitaxy (HDVPE), molecular beam vapor phase epitaxy (MBE), etc. Can do.
[0051]
FIG. 4 schematically shows an energy band of an LD device having an active layer having a multiple quantum well structure having the structure shown in FIG. As shown in FIG. 4, in the double heterostructure LD device of the present invention, the first p-side
[0052]
Since the injected carriers have a large hand gap energy in the first nitride semiconductor layers 101 and 201, the carriers exceed the
[0053]
By the way, the present inventors have studied in detail the active layer in the device of the present invention, particularly an active layer having a well layer made of a nitride semiconductor containing indium and gallium. As a result, it has been found that, for example, when InGaN is grown, the grown InGaN layer becomes non-uniform in terms of indium content depending on conditions, thus forming an indium rich region and an indium poor region. Electron carriers and hole carriers are localized in the indium-rich region thus formed, and emit light based on excitons or light emitted based on bi-excitons. That is, the indium rich region constitutes a quantum dot or a quantum box. In order for the InGaN well layer to form such a quantum dot or quantum box, the well layer is formed on the n-type semiconductor layer as in the device described with reference to FIGS. It was found that it was formed on the contained nitride semiconductor 15, 201) in a lattice-mismatched state with respect to the n-type semiconductor layer and had a thickness of 70 angstroms or less. The well layer structure is conveniently formed by forming a semiconductor layer thereon after a short time, preferably 2 to 20 seconds after it is formed. In addition, the further layer formed on the active layer which has this well layer should just contain acceptor impurities. The LD device having such a configuration has a lower threshold current than a normal quantum well laser and may have a higher characteristic temperature.
[0054]
Thus, the present invention provides a first clad layer made of an n-type nitride semiconductor; a nitride semiconductor provided on the first clad layer and made of a nitride semiconductor containing indium and gallium, and having a thickness of 70 angstroms or less, An active layer having a quantum well structure including at least one well layer provided on the underlayer in a lattice mismatched state with respect to the underlayer, wherein the well layer includes a plurality of indium rich regions and an indium pore layer. There is also provided a nitride semiconductor device comprising: an active layer including a region; and a second cladding layer formed on the active layer and made of a nitride semiconductor doped with an acceptor impurity. Here, when the underlayer is referred to, the first cladding layer itself or the first cladding such as an n-type semiconductor layer (aluminum-containing nitride semiconductors 15 and 201) as in the device described with reference to FIGS. It shall mean the barrier layer provided on the layer or the barrier layer itself. FIG. 5 is a sectional view conceptually showing this device. In FIG. 5, the active layer is shown as having a single quantum well structure for simplicity. As shown in FIG. 5, the quantum well layer (active layer) 54 formed on the first clad layer 52 made of an n-type nitride semiconductor to a thickness of 70 angstroms or less in a lattice mismatched state is, for example, as a whole. InGaN is formed of InGaN, but indium rich region 54a and indium
[0055]
Of course, the active layer having the well layer constituting the quantum dot or the quantum box preferably constitutes the
[0056]
In an active layer having a well layer constituting such a quantum dot or quantum box, doping the acceptor impurity and / or donor impurity can further reduce the threshold current.
[0057]
That is, the non-uniform content of indium in the plane of one well layer means that there are InGaN regions (indium rich region and indium poor region) having different band gaps in the plane direction of the single well layer. Means. Accordingly, electrons existing in the conduction band once fall into the indium-rich region, and then recombine with holes existing in the valence band, thereby releasing hν energy. In other words, electron carriers and hole carriers are localized in the indium-rich region (phase) of the well layer, forming localized excitons, helping to lower the laser threshold current and improving the laser emission output. Let
[0058]
When such a well layer is doped with a donor impurity such as silicon and / or an acceptor impurity, an energy level at an impurity level is further formed between the conduction band and the valence band. Therefore, the electron carrier falls to the energy level of a deeper impurity level, and the hole carrier moves to the level of the p-type impurity, where the electron carrier and the hole carrier are recombined to reduce the smaller energy hν. discharge. This is believed to be that electron carriers and hole carriers are more localized, and the threshold current of the laser device is lowered by the effect of the exciton formed by further localization. As the impurity doped into the well layer, silicon and germanium are preferable, and silicon is particularly preferable. In particular, doping the silicon tends to further reduce the threshold current of the device. It should be noted that impurities such as silicon and magnesium may be doped not only in the well layer but also in the barrier layer. In the case of an active layer having a multiple quantum well structure, only one well layer or one barrier layer You may dope only.
[0059]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples.
Example 1
In this example, a nitride semiconductor LD device having the structure shown in FIG. 3 was produced.
[0060]
First, a well-cleaned spinel substrate 11 (MgAl2O4) Was set in the reaction vessel, and the inside of the reaction vessel was sufficiently replaced with hydrogen, and then the temperature of the substrate was raised to 1050 ° C. while flowing hydrogen to clean the substrate.
[0061]
Next, the temperature was lowered to 510 ° C., hydrogen was used as a carrier gas, ammonia and trimethyl gallium (TMG) were used as source gases, and a
[0062]
After growth of the buffer layer, the temperature was raised to 1030 ° C. while stopping only the TMG flow and flowing ammonia gas. At 1030 ° C., TMG gas was added, and silane gas (SiH as a dopant gas)4), An Si-doped n-type GaN layer was grown to a thickness of 4 μm as the n-
[0063]
Next, the temperature is lowered to 800 ° C., TMG, TMI (trimethylindium) and ammonia are used as source gases, silane gas is used as impurity gas, and Si-doped In0.1Ga0.9A
[0064]
Next, the temperature was raised to 1030 ° C., trimethylaluminum (TMA), TMG and ammonia were used as source gases, silane was used as a dopant, and Si-doped n-type Al0.2Ga0.8A third n-type
[0065]
Next, the temperature was lowered to 800 ° C., only the TMA flow was stopped, and a second n-type
[0066]
Next, the
[0067]
Next, the temperature was raised to 1050 ° C., and TMG, TMA, ammonia, cyclopentadienyl magnesium (Cp2Mg) and Mg-doped p-type Al0.1Ga0.9A first p-type
[0068]
Subsequently, at 1050 ° C., TMG, ammonia, and Cp2Using Mg, the second p-type
[0069]
Next, at 1050 ° C., TMG, TMA, ammonia, cyclopentadienyl magnesium (Cp2Mg) and Mg-doped p-type Al0.2Ga0.8A third p-type
[0070]
Finally, a p-
[0071]
Next, the wafer is cut into a bar shape in a direction perpendicular to the striped electrodes, and the cut surface is polished to create a parallel mirror.2And TiO2A dielectric multilayer film was alternately laminated. Finally, after cutting the bar in the direction parallel to the electrode to make a laser chip with a stripe size of 4 μm × 600 μm, the chip was placed on a heat sink and laser oscillation was attempted at room temperature. Under a pulse current (pulse width 10 micron) Second, duty ratio 10%), laser oscillation with an oscillation wavelength of 400 nm was confirmed, and threshold pulse current density = 2 kA / cm2, T0(Characteristic temperature) = 200K.
[0072]
Next, the LD device of the present invention was evaluated based on the temperature dependence of the threshold current density of the device. LD threshold current density JthExp (T / T0(However, T: Operating temperature (K), T0: Proportional to characteristic temperature (K). That is, T0The larger the value, the lower the threshold current density, and the LD device operates stably even at high temperatures.
[0073]
In the device of Example 1, when neither of the first nitride semiconductor layers 101 and 201 was formed, laser oscillation did not occur. In Example 1, when only one of the first nitride semiconductor layers 101 and 201 is not formed, the LD device of the present invention has Jth = 3 kA / cm.2, T0Was 100K. The LD device of Example 1 includes both Al of both the first nitride semiconductor layers 101 and 201.jGa1-jWhen the j value of N is 0.1 (Example 1), as described above,th= 2kA / cm2, T0= 200K, but j value is 0.2, Jth= 1.5kA / cm2, T0= 300K, j value is 0.3th= 1.4kA / cm2, T0= 400K, indicating that the LD device of the present invention has very excellent temperature characteristics.
[0074]
Example 2
An LD device of the present invention was obtained in the same manner as in Example 1 except that the first n-side
[0075]
Example 3
An LD device of the present invention was obtained in the same manner as in Example 1 except that the first p-side
[0076]
Example 4
The
[0077]
Example 5
The second n-type
[0078]
Example 6
Each of the well layer and the barrier layer of the active layer is made of 1 × 10 5 silicon as a donor impurity.19/ Cm3An LD device of the present invention was produced in the same manner as in Example 1 except that doping was performed at a concentration of. This LD device has a threshold current approximately 5% lower than that of the LD device of Example 1, and T0Improved by approximately 10%.
[0079]
Example 7
In the well layer and the barrier layer of the active layer, magnesium as an acceptor impurity is 1 × 1018/ Cm3An LD device of the present invention was produced in the same manner as in Example 1 except that doping was performed at a concentration of. This LD device exhibited almost the same characteristics as the LD device of Example 1.
[0080]
Example 8
Each of the well layer and the barrier layer of the active layer is made of 1 × 10 5 silicon as a donor impurity.19/
[0081]
Example 9
Each non-doped In0.2Ga0.8An LD device was fabricated in the same manner as in Example 1 except that each barrier layer was formed after the N (average composition) well layer was formed and held for 5 seconds. In this LD device, the well layer is phase-separated into an indium rich region and an indium poor region, and the indium rich region has a composition of almost In.0.4Ga0.6N, the composition of the indium poor region is almost In0.02Ga0.98It was equivalent to N. In addition, the cross-sectional TEM photograph of the well layer confirmed that indium rich regions and indium poor regions each having an average size of 30 angstroms were regularly arranged alternately in the plane direction (see FIG. 5). . The LD device fabricated in this way has a threshold current density that is approximately 30% lower than that of the LD device of Example 1, and T0It was improved by 20%.
[0082]
Example 10
An LD device was fabricated in the same manner as in Example 9 except that each well layer was doped with silicon. This LD device is approximately 40% lower in threshold current density than the LD device of Example 1, and
[0083]
In the embodiment described above, as the most preferable example, the active layer, the first nitride semiconductor layer, the second nitride semiconductor layer, and the third nitride semiconductor layer are formed in contact with each other. In the present invention, only the first nitride semiconductor layer may be formed in contact with the active layer, and between the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer, Another nitride semiconductor layer can be inserted between the second nitride semiconductor layer and the third nitride semiconductor layer. The concentration of doped impurities is
[0084]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a nitride semiconductor device having an active layer including a nitride semiconductor containing indium and having high luminous efficiency is provided, and the device temperature is increased. Even in this case, a nitride semiconductor device with little decrease in luminous efficiency is provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an LD device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing an LD device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing an LD device according to a third aspect of the present invention.
4 is a diagram showing an energy band corresponding to the device structure shown in FIG. 3;
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing an LD device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing an energy band corresponding to a layer structure of a conventional LD device.
[Explanation of symbols]
11 ... Board
13 ... n-type contact layer
14 ... n-type carrier confinement layer
15 ... n-type light guide layer
16, 54 ... active layer
17 ... p-type contact layer
19 ... Negative electrode
20 ... Positive electrode
30 ... Crack prevention layer
52. First cladding layer
54a: Indium rich region
54b: Indium poor region
56: Second cladding layer
101. First p-side nitride semiconductor layer
102 ... Second p-side nitride semiconductor layer
103. Third p-side nitride semiconductor layer
201: first n-side nitride semiconductor layer
202 ... Second n-side nitride semiconductor layer
203 ... Third n-side nitride semiconductor layer.
Claims (6)
活性層に接して設けられ、IncAldGa1-c-dN(0≦c、0<d、c+d≦1)からなり膜厚500オングストローム以下の第1の窒化物半導体層と、
IneAlfGa1-e-fN(0≦e、0<f、e+f≦1)からなり膜厚は0.01μm以上、2μm以下の第3の窒化物半導体層と、
前記第1の窒化物半導体層と第3の窒化物半導体層との間に、InXGa1-XN(0≦X≦1)からなり、前記第1の窒化物半導体層よりも小さなバンドギャップエネルギーを有し、0.01μm〜5μmの厚さを有する第2の窒化物半導体層と、を有し、
前記第3の窒化物半導体層は、前記第2の窒化物半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、かつ、前記第2の窒化物半導体層に接して形成され、
前記第1の窒化物半導体層に接する前記活性層の最上層は、前記InGaNよりなる障壁層であることを特徴とする窒化物半導体レーザダイオード。 Between an active layer having a multiple quantum well structure in which a well layer made of InGaN and a barrier layer made of InGaN having a band gap larger than that of the well layer are alternately stacked, and a contact layer on the p side ,
Provided in contact with the active layer, and In c Al d Ga 1-cd N (0 ≦ c, 0 <d, c + d ≦ 1) from become the first nitride film thickness 500 angstroms or less of the semiconductor layer,
In e Al f Ga 1-ef N (0 ≦ e, 0 <f, e + f ≦ 1) from become thickness 0.01μm or more, the third nitride semiconductor layer of 2μm or less,
Between the first nitride semiconductor layer and the third nitride semiconductor layer, In X Ga 1-X N (0 ≦ X ≦ 1) Tona is, smaller than the first nitride semiconductor layer A second nitride semiconductor layer having a band gap energy and a thickness of 0.01 μm to 5 μm ,
The third nitride semiconductor layer, said second band gap energy than that of the nitride semiconductor layer is rather large, and is formed in contact with the second nitride semiconductor layer,
The nitride semiconductor laser diode , wherein the uppermost layer of the active layer in contact with the first nitride semiconductor layer is a barrier layer made of InGaN .
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