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JPH0786683A - Semiconductor light emitting device - Google Patents

Semiconductor light emitting device

Info

Publication number
JPH0786683A
JPH0786683A JP22536293A JP22536293A JPH0786683A JP H0786683 A JPH0786683 A JP H0786683A JP 22536293 A JP22536293 A JP 22536293A JP 22536293 A JP22536293 A JP 22536293A JP H0786683 A JPH0786683 A JP H0786683A
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JP
Japan
Prior art keywords
layer
znse
carrier concentration
compound semiconductor
plane
Prior art date
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Application number
JP22536293A
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Japanese (ja)
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JP3222652B2 (en
Inventor
Yukie Nishikawa
幸江 西川
Masayuki Ishikawa
正行 石川
Shinji Saito
真司 斎藤
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP22536293A priority Critical patent/JP3222652B2/en
Priority to US08/208,850 priority patent/US5488233A/en
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Abstract

PURPOSE:To provide a semiconductor laser made of a wide gap II-IV compound semiconductor which makes it possible to embody current construction structure and lower working voltage and provide high reliability and high light emission efficiency. CONSTITUTION:A semiconductor laser comprises a double heterostructure unit with buffer layers 12 to 15, which include In or Ga which has formed a growth on a p-GaAs substrate 11 and a p-Z buffer layer 16 laminated and formed on the buffer layers 12 to 15 and an undoped CdZnSe multiple quantum well active layer 18 and an n-ZnSSe clad layer 20. On a part of the surface of the substrate is formed a surface slanted by 15 deg. in the direction to [011] from a plane (100). The concentration of carriers of the p clad layer 16 on the slanted surface is arranged to be larger than that of the p clad layer 16 on the surface (100).

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、化合物半導体材料を用
いた半導体発光装置に係わり、特に基板の面方位を利用
して電流狭窄を行った半導体発光装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor light emitting device using a compound semiconductor material, and more particularly to a semiconductor light emitting device in which current confinement is performed by utilizing a plane direction of a substrate.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、青色の発光素子材料として、Zn
Se,ZnCdSe,ZnSSeなどのII−VI族化合物
半導体が注目されている。図8に、この種の化合物半導
体材料を用いた青色レーザの構造の一例を示す(M.A.Ha
sse, Appl.phys,Letter No.59p1272(1991) )。
2. Description of the Related Art In recent years, Zn has been used as a blue light emitting device material.
II-VI group compound semiconductors such as Se, ZnCdSe, and ZnSSe have attracted attention. Fig. 8 shows an example of the structure of a blue laser using this type of compound semiconductor material (MAHa
sse, Appl.phys, Letter No. 59p1272 (1991)).

【0003】図8において、81はn−GaAs基板で
あり、この基板81上にはn−GaAsバッファ層8
2,n−ZnSe層83,n−ZnSSeクラッド層8
4,n−ZnSeガイド層85,CdZnSe量子井戸
活性層86,p−ZnSeガイド層87,p−ZnSS
eクラッド層88及びp−ZnSe層89が順次成長形
成されている。p−ZnSe層89上には、ストライプ
状の開口部を有するポリイミド膜90を介してAuを蒸
着することにより、ストライプ状のAu電極91が被着
されている。そして、n−GaAs基板81の裏面には
In電極80が形成されている。
In FIG. 8, reference numeral 81 is an n-GaAs substrate, and the n-GaAs buffer layer 8 is formed on the substrate 81.
2, n-ZnSe layer 83, n-ZnSSe cladding layer 8
4, n-ZnSe guide layer 85, CdZnSe quantum well active layer 86, p-ZnSe guide layer 87, p-ZnSS
An e-clad layer 88 and a p-ZnSe layer 89 are sequentially grown and formed. A striped Au electrode 91 is deposited on the p-ZnSe layer 89 by depositing Au through a polyimide film 90 having a striped opening. An In electrode 80 is formed on the back surface of the n-GaAs substrate 81.

【0004】このようなレーザ構造においては、Au電
極91から電流を注入することにより、77Kにおいて
連続レーザ発振が得られる。しかし、Au電極91から
注入された電流が、p−ZnSe層89,p−ZnSS
eクラッド層88及びp−ZnSeガイド層87で拡散
されてしまい、電流を十分に狭窄できないという問題が
ある。この問題は、レーザ発振のしきい値電流を上昇さ
せ、また室温以上での動作を困難ならしめる。なお、発
振しきい値電流を低減させることは、動作電流の低減や
寿命特性の向上等の観点から非常に重要なことである。
In such a laser structure, by injecting a current from the Au electrode 91, continuous laser oscillation can be obtained at 77K. However, the current injected from the Au electrode 91 causes the p-ZnSe layer 89, p-ZnSS
There is a problem that the current cannot be sufficiently confined by being diffused by the e-cladding layer 88 and the p-ZnSe guide layer 87. This problem raises the threshold current of laser oscillation and makes it difficult to operate at room temperature or higher. Note that reducing the oscillation threshold current is very important from the viewpoint of reducing the operating current and improving the life characteristics.

【0005】この問題を解決するために、例えばGaA
lAsなどの III−V族化合物半導体を用いたレーザに
おいては、p−クラッド層にリッジを形成し、その上に
n型層を再成長して電流狭窄のための構造を形成し、電
流の狭窄を実現している。しかしながら、II−VI族化合
物半導体を用いたレーザにおいては、リッジを形成する
プロセスが確立されていないこと、またリッジ上への再
成長が困難であることから、 III−V族化合物半導体レ
ーザで用いられているような電流狭窄のための構造を作
成することは困難である。
In order to solve this problem, for example, GaA
In a laser using a III-V group compound semiconductor such as 1As, a ridge is formed in a p-cladding layer, and an n-type layer is regrown on the ridge to form a structure for current confinement. Has been realized. However, in a laser using a II-VI group compound semiconductor, a process for forming a ridge has not been established and it is difficult to regrow on the ridge. It is difficult to create a structure for current constriction as described above.

【0006】また、図8に示したレーザ構造において
は、動作電圧が高く、実用的な半導体レーザとして不可
欠な室温での連続発振やLEDの高発光効率はこれまで
実現されていなかった。II−VI族化合物半導体を用いた
半導体発光装置で動作電圧が著しく高い要因は、以下に
述べるように従来の III−V族半導体では問題とならな
かったZnSeなどワイドギャップII−VI族半導体を用
いた発光素子に特有の問題があるためである。即ち、p
型ZnSeなど特にp型の導電型を有するものに対し、
金属電極や他の半導体とのヘテロ接合を介して電流注入
を行う場合、大きな電圧降下を強いられるということで
ある。
Further, in the laser structure shown in FIG. 8, the operating voltage is high, and continuous oscillation at room temperature and high luminous efficiency of LEDs, which are indispensable as a practical semiconductor laser, have not been realized so far. The reason why the operating voltage is extremely high in the semiconductor light emitting device using the II-VI group compound semiconductor is that the wide gap II-VI group semiconductor such as ZnSe which is not a problem in the conventional III-V group semiconductor is used as described below. This is because there is a problem peculiar to the light emitting element. That is, p
For those having a p-type conductivity type, such as type ZnSe,
This means that a large voltage drop can be forced when injecting current through a metal electrode or a heterojunction with another semiconductor.

【0007】これは、図9(a)(b)に示すように、
金属とのショットキーバリアや他の半導体とのヘテロバ
リアが大きくなってしまうというZnSeなどワイドギ
ャップII−VI族化合物半導体に本質的な問題である。特
に、p−GaAs基板上にp−ZnSeを直接形成した
場合には、図9(b)に示すようにヘテロバリアが大き
くなり、大きな電圧降下を生じていた。このようなヘテ
ロバリアを低減するために、図9(c)に示すようにG
aAsとZnSeの中間的なバンドギャップを持つIn
GaP層などを用いることが提案されているが(特願平
4−16258号)、InGaPとZnSeの各々のキ
ャリア濃度がヘテロバリアにどのような影響を与えるか
について検討されていなかった。
As shown in FIGS. 9 (a) and 9 (b),
This is an essential problem in wide-gap II-VI group compound semiconductors such as ZnSe that a Schottky barrier with a metal and a heterobarrier with another semiconductor become large. In particular, when p-ZnSe was directly formed on the p-GaAs substrate, the hetero barrier became large as shown in FIG. 9B, and a large voltage drop was generated. In order to reduce such a hetero barrier, as shown in FIG.
In with a band gap intermediate between aAs and ZnSe
Although it has been proposed to use a GaP layer or the like (Japanese Patent Application No. 4-16258), it has not been examined how each carrier concentration of InGaP and ZnSe affects the heterobarrier.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】このように従来、II−
VI族化合物半導体を用いたレーザにおいては、電流の狭
窄が十分に行われず、発振しきい値電流が上昇するとい
う問題があった。また、ヘテロバリアが存在するために
電圧降下が大きく、レーザの室温連続発振や高信頼性が
達成されていなかった。
As described above, the conventional II-
The laser using the group VI compound semiconductor has a problem that the current is not sufficiently confined and the oscillation threshold current increases. Further, since the hetero barrier exists, the voltage drop is large, and the room temperature continuous oscillation and high reliability of the laser have not been achieved.

【0009】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、注入した電流を効果的
に狭窄し得る電流狭窄構造を実現することができ、動作
電圧が低く、高信頼性,高発光効率を有するワイドギャ
ップII−VI族化合物半導体による半導体発光装置を提供
することにある。
The present invention has been made in consideration of the above circumstances. An object of the present invention is to realize a current constriction structure capable of effectively confining an injected current, which has a low operating voltage. An object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device using a wide-gap II-VI group compound semiconductor, which has high reliability and high luminous efficiency.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、バッフ
ァ層に接するII−VI族化合物半導体層のキャリア濃度を
変化させることにより、ヘテロバリアによる電圧降下を
制御して電流狭窄を行うことにある。
The essence of the present invention is to control the voltage drop due to the heterobarrier to effect current confinement by changing the carrier concentration of the II-VI group compound semiconductor layer in contact with the buffer layer. .

【0011】即ち本発明は、単結晶基板上に成長形成さ
れたバッファ層と、このバッファ層上に積層形成された
該層とヘテロ接合をなすII−VI族化合物半導体層とを具
備してなる半導体発光装置であって、バッファ層に接す
るII−VI族化合物半導体層のうち、電流狭窄を行う部分
を除く部分のキャリア濃度を電流狭窄を行う部分よりも
大きくすることにより、バッファ層とII−VI族化合物半
導体層間のヘテロバリアを低くしてなることを特徴とす
る。
That is, the present invention comprises a buffer layer grown and formed on a single crystal substrate, and a II-VI group compound semiconductor layer formed on the buffer layer and forming a heterojunction with the layer. In the semiconductor light emitting device, the II-VI group compound semiconductor layer in contact with the buffer layer has a carrier concentration higher than that of the portion where the current confinement is performed, except for a portion where the current confinement is performed. It is characterized in that the hetero barrier between the group VI compound semiconductor layers is lowered.

【0012】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) バッファ層は、構成元素として少なくともIn又は
Gaを含むものであり、基板とII−VI族化合物半導体層
との中間のバンドギャップを有すること。基板として例
えばGaAsを用いた場合、バッファ層はInGaPや
InGaAlP,InAlPであること。 (2) 基板は、(100)面と(100)面から[01
1]又は[01-1]方向に10〜40度の範囲内に傾斜
した面とを有し、この傾斜した面で電流狭窄を行うもの
であり、(100)面から傾斜させた面上の化合物半導
体層のキャリア濃度を(100)面上の化合物半導体層
のそれよりも大きくしたこと。 (3) II−VI族化合物半導体層として、ZnSe,ZnC
dSe,ZnSSeを用いたこと。 (4) バッファ層はp型であり、バッファ層側のII−VI族
化合物半導体層は、不純物としてN(窒素)をドープし
たp型であること。
Here, the following are preferred embodiments of the present invention. (1) The buffer layer contains at least In or Ga as a constituent element and has a band gap intermediate between the substrate and the II-VI group compound semiconductor layer. When GaAs is used as the substrate, the buffer layer should be InGaP, InGaAlP, or InAlP. (2) The substrate is [01] and [01]
1] or [01-1] direction and a surface inclined within a range of 10 to 40 degrees, and the current confinement is performed by this inclined surface, which is on the surface inclined from the (100) surface. The carrier concentration of the compound semiconductor layer is made higher than that of the compound semiconductor layer on the (100) plane. (3) ZnSe, ZnC as the II-VI group compound semiconductor layer
Using dSe and ZnSSe. (4) The buffer layer is p-type, and the II-VI group compound semiconductor layer on the buffer layer side is p-type doped with N (nitrogen) as an impurity.

【0013】[0013]

【作用】ZnやBeをドーパントとして用いたInGa
AlP層の成長では、(100)の面方位を持つGaA
s基板上に成長したときと、(100)面から[01
1]又は[01-1]方向に傾斜した面方位を持つGaA
s基板上に成長したときではキャリア濃度が異なる。例
えば、Znをドーパントとして用い、(100)面から
[011]方向に15°傾斜した面方位を持つ基板上に
成長したInGaAlPでは、(100)GaAs基板
上に成長したときと比べ、約4倍のキャリア濃度が得ら
れることが知られている(J.Crystal Growth 113(199
1)pp.127〜 130)。
[Operation] InGa using Zn or Be as a dopant
In the growth of the AlP layer, GaA having a (100) plane orientation
s when grown on a substrate and from the (100) plane to [01
GaA having a plane orientation inclined in the [1] or [01-1] direction
The carrier concentration is different when grown on the s substrate. For example, InGaAlP grown on a substrate using Zn as a dopant and having a plane orientation inclined by 15 ° in the [011] direction from the (100) plane is about four times as large as when grown on a (100) GaAs substrate. It is known that a carrier concentration of (J. Crystal Growth 113 (199
1) pp.127-130).

【0014】本発明者らは、このような現象をII−VI族
化合物半導体でも生じさせることができるかを検討した
結果、Nドープのp型ZnSeのキャリア濃度が単結晶
基板の面方位により大きく異なること、さらにInやG
aを含むバッファ層とII−VI族化合物半導体の間のヘテ
ロバリアが特にII−VI族化合物半導体層のキャリア濃度
に依存して大きく変化することを見出した。つまり、N
ドープのp型ZnSeのキャリア濃度は、(100)面
上に形成した場合よりも(100)から[011]方向
或いは「01-1]方向に傾斜させた面上に形成した場合
の方が高くなり、p型ZnSeのキャリア濃度が高い方
がバッファ層との間のヘテロバリアが小さくなることが
判明した。
The present inventors have examined whether such a phenomenon can be caused in a II-VI group compound semiconductor as well, and as a result, the carrier concentration of N-doped p-type ZnSe is larger due to the plane orientation of the single crystal substrate. Different things, and In and G
It has been found that the hetero barrier between the buffer layer containing a and the II-VI group compound semiconductor changes greatly depending on the carrier concentration of the II-VI group compound semiconductor layer. That is, N
The carrier concentration of doped p-type ZnSe is higher when it is formed on a plane inclined from (100) to the [011] direction or the "01-1" direction than when it is formed on the (100) plane. It was found that the higher the p-type ZnSe carrier concentration, the smaller the heterobarrier between the p-type ZnSe and the buffer layer.

【0015】本発明においてはこの現象を利用し、II−
VI族化合物半導体層のキャリア濃度を変化させるために
単結晶基板の面方位を部分的に変化させて、それ以外の
部分よりキャリア濃度が高くヘテロバリアを低減した領
域を設けることにより、効果的に電流を狭窄することが
可能になり、しきい値電流の低減や信頼性,発光効率の
向上をはかることができる。
In the present invention, this phenomenon is utilized and II-
In order to change the carrier concentration of the group VI compound semiconductor layer, the plane orientation of the single crystal substrate is partially changed, and by providing a region where the carrier concentration is higher and the heterobarrier is reduced than the other parts, the effective current Therefore, the threshold current can be reduced, and the reliability and the luminous efficiency can be improved.

【0016】[0016]

【実施例】まず、実施例を説明する前に、本発明の基本
原理について説明する。前述したように本発明は、本発
明者らの鋭意研究及び実験により新規に見い出したNド
ープのp型ZnSeのキャリア濃度が単結晶基板の面方
位により大きく異なることと、In及びGaを含むバッ
ファ層とII−VI族化合物半導体の間のヘテロバリアが特
にII−VI族化合物半導体層のキャリア濃度に依存して大
きく変化することに着目してなされたものである。
First, the basic principle of the present invention will be described before describing the embodiments. As described above, according to the present invention, the carrier concentration of N-doped p-type ZnSe newly discovered by the inventors of the present invention is greatly different depending on the plane orientation of the single crystal substrate, and the buffer containing In and Ga is present. It was made paying attention to the fact that the heterobarrier between the layer and the II-VI group compound semiconductor changes greatly depending on the carrier concentration of the II-VI group compound semiconductor layer.

【0017】図4に、Nドープのp型ZnSeのキャリ
ア濃度の面方位による違いを示す。NドープZnSe
は、分子線エピタキシャル法(MBE法)を用いて成長
した。Nのドーピング源としてはN2 を用いたが、高周
波(RF)による放電を利用して励起状態にしている。
2 流量は0.1sccmとした。RF電源の出力の増加に
伴い、励起状態になった窒素が増加する。RF電源の出
力の増加に伴いキャリア濃度は高くなるが、同じRF出
力では、(100)GaAs基板上に成長したときに比
べ、(100)から[011]方向に15°傾斜したG
aAs基板上にZnSeを成長したときの方が高いキャ
リア濃度が得られる。これは、(100)面より15°
傾斜した面において、Nの取り込まれ率が高くなるため
である。
FIG. 4 shows the difference in carrier concentration of N-doped p-type ZnSe depending on the plane orientation. N-doped ZnSe
Were grown using a molecular beam epitaxial method (MBE method). Although N 2 was used as the N doping source, it is excited by utilizing discharge by a high frequency (RF).
The N 2 flow rate was 0.1 sccm. Excited nitrogen increases as the output of the RF power source increases. The carrier concentration increases as the output of the RF power source increases, but at the same RF output, G tilted by 15 ° from (100) to the [011] direction compared to when grown on a (100) GaAs substrate.
Higher carrier concentration is obtained when ZnSe is grown on the aAs substrate. This is 15 ° from the (100) plane
This is because the rate of incorporation of N is high in the inclined surface.

【0018】図4から分かるように、例えばRF出力が
150Wのとき、(100)GaAs基板上のZnSe
のキャリア濃度は1×1017cm-3であるが、[01
1]方向に15°傾斜した基板上では、1×1018cm
-3以上のキャリア濃度が得られる。面方位によるキャリ
ア濃度の違いは、ZnSeだけでなくZnSSeでも同
様であった。また、Nの取り込まれ率の増加は、図5に
示すように、[011]方向に10°から40°傾斜し
た面方位を持つ基板で顕著に見られた。さらに、[01
-1]方向でも、Nの取り込まれ率の増加が同様に見られ
た。
As can be seen from FIG. 4, when the RF output is 150 W, for example, ZnSe on a (100) GaAs substrate is used.
Has a carrier concentration of 1 × 10 17 cm −3 ,
1 × 10 18 cm on a substrate tilted by 15 ° in the 1] direction
A carrier concentration of -3 or more is obtained. The difference in carrier concentration depending on the plane orientation was the same not only in ZnSe but also in ZnSSe. Further, as shown in FIG. 5, the increase in the incorporation rate of N was remarkably observed in the substrate having the plane orientation inclined from 10 ° to 40 ° in the [011] direction. In addition, [01
Similarly, an increase in the N uptake rate was also observed in the [-1] direction.

【0019】次に、バッファ層とZnSeの間のヘテロ
バリアが各々の層のキャリア濃度により変化し、電流−
電圧(I−V)特性に与える影響について述べる。図6
に、p型InAlPをバッファ層としたZnSeのpn
接合におけるI−V特性を示す。p型InAlPのキャ
リア濃度を1×1018cm-3と一定にし、p型ZnSe
のキャリア濃度を1×1017,2×1017,5×1
17,1×1018cm-3に変化させた。p型ZnSeの
キャリア濃度の低下と共に、ヘテロバリアによる電圧降
下が大きくなるために、I−V特性は劣化する。
Next, the hetero barrier between the buffer layer and ZnSe changes depending on the carrier concentration of each layer, and the current-
The influence on the voltage (IV) characteristic will be described. Figure 6
Pn of ZnSe with p-type InAlP as a buffer layer
The IV characteristic in junction is shown. The carrier concentration of p-type InAlP was kept constant at 1 × 10 18 cm −3, and p-type ZnSe
Carrier concentration of 1 × 10 17 , 2 × 10 17 , 5 × 1
It was changed to 0 17 , 1 × 10 18 cm −3 . As the carrier concentration of p-type ZnSe decreases, the voltage drop due to the hetero barrier increases, so that the IV characteristics deteriorate.

【0020】例えば3Vの電圧をかけたとき、p型Zn
Seの濃度が1×1018cm-3の場合は、2〜3×10
3 A/cm3 の電流密度が得られる。これは、レーザの
発振を得るのに十分な電流密度である。一方、p型Zn
Seのキャリア濃度が1×1017cm-3の場合、電流密
度は5×10A/cm2 であり、1×1018cm-3の場
合の1/40〜1/60以下である。
For example, when a voltage of 3 V is applied, p-type Zn
When the concentration of Se is 1 × 10 18 cm −3 , it is 2 to 3 × 10.
A current density of 3 A / cm 3 is obtained. This is a sufficient current density to obtain the oscillation of the laser. On the other hand, p-type Zn
When the carrier concentration of Se is 1 × 10 17 cm −3 , the current density is 5 × 10 A / cm 2, which is 1/40 to 1/60 or less of 1 × 10 18 cm −3 .

【0021】図7に、p型ZnSeの濃度を1×1018
cm-3と一定にし、p型InAlPのキャリア濃度を1
×1017,2×1017,5×1017,1×1018cm-3
に変化させたときの、ZnSeのpn接合におけるI−
V特性を示す。電圧が3Vの場合、p型InAlPのキ
ャリア濃度が1×1018cm-3のときは電流密度は2〜
3×103 A/cm2 である。1×1017cm-3のとき
は7×102 A/cm2 であり、1×1018cm-3のと
きに比べ1/4程度である。
In FIG. 7, the concentration of p-type ZnSe is 1 × 10 18.
The carrier concentration of p-type InAlP is set to 1 with a constant cm -3.
× 10 17 , 2 × 10 17 , 5 × 10 17 , 1 × 10 18 cm -3
At the pn junction of ZnSe when changed to
The V characteristic is shown. When the voltage is 3 V and the carrier concentration of p-type InAlP is 1 × 10 18 cm −3 , the current density is 2 to
It is 3 × 10 3 A / cm 2 . When it is 1 × 10 17 cm −3 , it is 7 × 10 2 A / cm 2, which is about 1/4 of that when it is 1 × 10 18 cm −3 .

【0022】図6と図7を比較して、p型InAlPと
p型ZnSeのヘテロ接合におけるヘテロバリアの大き
さは、p型ZnSeのキャリア濃度により大きく依存す
ることが明らかになった。そして、p型ZnSeのキャ
リア濃度が高い場合はレーザ発振に必要な電流密度が得
られるが、キャリア濃度が低いときはヘテロバリアによ
る電圧降下が大きく得られる電流密度は非常に低い。
Comparing FIG. 6 and FIG. 7, it was revealed that the size of the heterobarrier in the heterojunction of p-type InAlP and p-type ZnSe largely depends on the carrier concentration of p-type ZnSe. When the carrier concentration of p-type ZnSe is high, the current density required for laser oscillation can be obtained, but when the carrier concentration is low, the voltage drop due to the hetero barrier is large and the current density is very low.

【0023】本発明は、このような新しい知見に着目し
てなされたものであり、II−VI族化合物半導体のキャリ
ア濃度を変化させるために基板結晶の面方位を部分的に
変化させ、ヘテロバリアを制御し、電流狭窄を行うこと
を要旨とする。以下、本発明の実施例を図面を参照して
説明する。
The present invention has been made by paying attention to such a new finding, and in order to change the carrier concentration of the II-VI group compound semiconductor, the plane orientation of the substrate crystal is partially changed to form the hetero barrier. The gist is to control and perform current constriction. Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0024】図1は、本発明の第1の実施例に係わる半
導体レーザの素子構造を示す断面図である。図中11は
p−GaAs基板であり、この基板11上にはBeドー
プp−GaAs層12(例えば厚さ0.5μm,キャリ
ア濃度2×1018cm-3),Beドープp−In 0.5
0.5Pバッファ層13(厚さ0.2μm),Beドー
プp−In 0.5(Ga 0.5Al 0.50.5Pバッファ層
14(厚さ0.2μm),Beドープp−In 0.5Al
0.5Pバッファ層15(厚さ0.2μm),Nドープp
−ZnSSeクラッド層16(厚さ2μm),Nドープ
p−ZnSeガイド層17(厚さ0.5μm),アンド
ープCdZnSe多重量子井戸活性層18(井戸幅7.
5nm,ウェル数3),Clドープn−ZnSeガイド
層19(厚さ0.5μm,キャリア濃度1×1018cm
-3),Clドープn−ZnSSeクラッド層20(厚さ
2μm,キャリア濃度1×1018cm-3)及びClドー
プn+ −ZnSeコンタクト層21(厚さ0.2μm,
キャリア濃度1×1019cm-3)が順次形成されてい
る。そして、p−GaAs基板11の裏面にはAu/A
uZn電極10が、n+ −ZnSeコンタクト層21上
にはAu/Ti電極22が各々被着されている。
FIG. 1 is a sectional view showing the device structure of a semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention. In the figure, 11 is a p-GaAs substrate, and on this substrate 11 a Be-doped p-GaAs layer 12 (for example, thickness 0.5 μm, carrier concentration 2 × 10 18 cm −3 ), Be-doped p-In 0.5 G.
a 0.5 P buffer layer 13 (thickness 0.2 μm), Be-doped p-In 0.5 (Ga 0.5 Al 0.5 ) 0.5 P buffer layer 14 (thickness 0.2 μm), Be-doped p-In 0.5 Al
0.5 P buffer layer 15 (thickness 0.2 μm), N-doped p
-ZnSSe cladding layer 16 (thickness 2 μm), N-doped p-ZnSe guide layer 17 (thickness 0.5 μm), undoped CdZnSe multiple quantum well active layer 18 (well width 7.
5 nm, number of wells 3), Cl-doped n-ZnSe guide layer 19 (thickness 0.5 μm, carrier concentration 1 × 10 18 cm
-3 ), Cl-doped n-ZnSSe cladding layer 20 (thickness 2 μm, carrier concentration 1 × 10 18 cm −3 ), and Cl-doped n + -ZnSe contact layer 21 (thickness 0.2 μm,
A carrier concentration of 1 × 10 19 cm −3 ) is sequentially formed. Then, Au / A is formed on the back surface of the p-GaAs substrate 11.
The uZn electrode 10 and the Au / Ti electrode 22 are respectively deposited on the n + -ZnSe contact layer 21.

【0025】p−GaAs基板11には、幅7μmのス
トライプ状に基板面方位を変化させた部分Aが形成され
ており、この部分Aの面方位は(100)面から[01
1]方向に15°傾斜している。その他の部分Bにおけ
る面方位は(100)面である。図1に示したような積
層構造は、MBE法を用いて形成され、12〜15の各
層を III−V族化合物半導体成長用チャンバで成長した
後、超高真空搬送室を介してII−VI族化合物半導体成長
用チャンバに移して16〜21の各層を成長した。
The p-GaAs substrate 11 is formed with a portion A in which the substrate surface orientation is changed in a stripe shape having a width of 7 μm. The surface orientation of this portion A is from the (100) plane to [01].
1] direction is inclined by 15 °. The plane orientation in the other portion B is the (100) plane. The laminated structure as shown in FIG. 1 is formed by using the MBE method, and after growing each of the layers 12 to 15 in the III-V group compound semiconductor growth chamber, II-VI via the ultra-high vacuum transfer chamber. It moved to the group compound semiconductor growth chamber and each layer of 16-21 was grown.

【0026】通常、InAlPのようなAlを含む半導
体層では、Alが酸化されやすいため大気中に取り出し
た後では酸化膜が形成され、従ってZnSeの再成長は
困難である。しかし、真空一貫プロセスを用いることに
より、Alを含む半導体層上へも前処理や熱処理なしに
II−VI族化合物半導体層の成長が可能になり、再現性良
く成長ができるようになった。
Usually, in a semiconductor layer containing Al such as InAlP, since Al is easily oxidized, an oxide film is formed after taking it out into the air, and therefore it is difficult to regrow ZnSe. However, by using the vacuum integrated process, even on the Al-containing semiconductor layer without pretreatment or heat treatment.
The II-VI group compound semiconductor layer can be grown and can be grown with good reproducibility.

【0027】p−ZnSSe層16,p−ZnSe層1
7を成長するときの成長条件は、RF出力150W,N
2 流量0.1sccmとした。このとき、(100)面から
[011]方向に15°傾斜した面A上におけるp−Z
nSSe層16,p−ZnSe層17のキャリア濃度は
共に1×1018cm-3であった。一方、(100)面を
持つB上でのp−ZnSSe層16,p−ZnSe層1
7のキャリア濃度は1×1017cm-3であった。
P-ZnSSe layer 16 and p-ZnSe layer 1
Growth conditions for growing No. 7 are RF output 150 W, N
2 Flow rate was 0.1 sccm. At this time, p-Z on the plane A inclined by 15 ° in the [011] direction from the (100) plane
The carrier concentrations of the nSSe layer 16 and the p-ZnSe layer 17 were both 1 × 10 18 cm −3 . On the other hand, p-ZnSSe layer 16 and p-ZnSe layer 1 on B having a (100) plane
The carrier concentration of No. 7 was 1 × 10 17 cm −3 .

【0028】また、A面上におけるバッファ層であるp
−InGaP層13,p−InGaAlP層14,p−
InAlP層15のキャリア濃度は、各々2×1018
2×1018,1×1018cm-3であった。B面上では、
各々5×1017,5×1017,2.5×1018cm-3
あった。なお、Clドープn−ZnSe層19,n−Z
nSSe層20のキャリア濃度は面方位に依存せず、A
面上もB面上も同じであった。
In addition, p which is a buffer layer on the A surface
-InGaP layer 13, p-InGaAlP layer 14, p-
The carrier concentration of the InAlP layer 15 is 2 × 10 18 , respectively.
The values were 2 × 10 18 and 1 × 10 18 cm −3 . On the B side,
It was 5 * 10 <17> , 5 * 10 < 17 >, 2.5 * 10 < 18 > cm <-3> , respectively. The Cl-doped n-ZnSe layer 19, n-Z
The carrier concentration of the nSSe layer 20 does not depend on the plane orientation.
It was the same on the surface and the surface B.

【0029】このような構成のレーザ素子に電圧をかけ
て電流を注入した。A面上の部分においては、p−Zn
SSe層16及びp−ZnSe層17のキャリア濃度が
高くヘテロバリアが低減されているために高い電流密度
が得られるが、B面上ではヘテロバリアによる電圧降下
が大きくA面上にくらべ1/50以下の電流しか流れな
い。つまり、GaAs基板11にストライプ状に面方位
を変化させた部分Aを設けることにより、ストライプ部
分Aに効果的に電流が狭窄され、室温での連続発振が達
成された。室温でのしきい値電流は40mAであり、さ
らに80℃までの連続発振が確認され、実用性を著しく
向上させることができた。
A voltage was applied to the laser device having such a structure to inject a current. In the portion on the A surface, p-Zn
A high current density can be obtained because the carrier concentration of the SSe layer 16 and the p-ZnSe layer 17 is high and the heterobarrier is reduced, but the voltage drop due to the heterobarrier is large on the B surface and is 1/50 or less than that on the A surface. Only current flows. That is, by providing the portion A in which the plane orientation is changed in a stripe shape on the GaAs substrate 11, the current was effectively confined in the stripe portion A, and continuous oscillation at room temperature was achieved. The threshold current at room temperature was 40 mA, and continuous oscillation up to 80 ° C. was confirmed, and the practicability could be significantly improved.

【0030】また、このレーザにおいて図2に示すよう
に、端面の部分ではGaAs基板11上に段差を持つ
(100)面を形成し、端面以外の部分では[011]
方向に15°傾斜した面をストライプ状に形成した。な
お、図2において、(a)は各層12〜21を形成する
前の基板表面を示す平面図、(b)は(a)の矢視X−
X′断面図、(c)は(a)の矢視Y−Y′断面図であ
る。
Further, in this laser, as shown in FIG. 2, a (100) plane having a step is formed on the GaAs substrate 11 in the end face portion, and [011] in the portion other than the end face.
A surface inclined by 15 ° in the direction was formed in a stripe shape. Note that, in FIG. 2, (a) is a plan view showing the substrate surface before forming each of the layers 12 to 21, and (b) is an arrow X- of FIG.
X'sectional view, (c) is a sectional view taken along line YY 'of (a).

【0031】このようなレーザでは、(100)面を持
つ端面には、殆ど電流が注入されない。従って、図2の
ような端面非注入の構造を用いることにより、端面部分
に電流が流れることによって端面が劣化し、寿命特性が
著しく劣化するという問題がなくなり、信頼性向上をは
かることができる。実際の動作試験において、50℃で
1000H以上の発振動作が確認され、高信頼性を達成
できた。
In such a laser, almost no current is injected into the end face having the (100) plane. Therefore, by using the structure in which the end face is not injected as shown in FIG. 2, there is no problem that the end face is deteriorated due to the current flowing through the end face portion and the life characteristic is significantly deteriorated, and the reliability can be improved. In an actual operation test, an oscillation operation of 1000 H or more was confirmed at 50 ° C., and high reliability was achieved.

【0032】このように本実施例によれば、p−GaA
s基板11の面方位を部分的に変化させておくことによ
り、バッファ層12〜15上に形成するII−VI族化合物
半導体、特にp−ZnSSeクラッド層16,p−Zn
Seガイド層17のキャリア濃度を部分的に変化させる
ことができ、これにより効果的な電流狭窄を行うことが
できる。従って、発振しきい値電流の低減や長寿命化を
はかることができる。また、本実施例による方法では、
予めGaAs基板11に面方位を変化させた部分を作っ
ておけば、真空一貫プロセスを用いて III−V族とII−
VI族化合物半導体を連続成長して電流狭窄ができる。こ
れは、リッジを形成するプロセスや酸化膜が形成された
面上への再成長が困難であるII−VI族化合物半導体を用
いた半導体発光装置においては大きな利点となる。
As described above, according to this embodiment, p-GaA
By partially changing the plane orientation of the s substrate 11, II-VI group compound semiconductors formed on the buffer layers 12 to 15, particularly the p-ZnSSe cladding layer 16 and the p-Zn layer, are formed.
The carrier concentration of the Se guide layer 17 can be partially changed, and thus effective current confinement can be performed. Therefore, it is possible to reduce the oscillation threshold current and extend the life. Further, in the method according to the present embodiment,
If a portion whose plane orientation is changed is formed on the GaAs substrate 11 in advance, III-V group and II-
Current confinement can be achieved by continuously growing a group VI compound semiconductor. This is a great advantage in a semiconductor light emitting device using a II-VI group compound semiconductor, which is difficult to perform a process of forming a ridge and regrowth on a surface on which an oxide film is formed.

【0033】図3は、本発明の第2の実施例に係わる面
発光型発光ダイオード(LED)の素子構造を示す断面
図である。図中31はp−GaAs基板であり、この基
板31上には、Beドープp−GaAs層32(厚さ
0.5μm,キャリア濃度2×1018cm-3),Beド
ープp−In 0.5Ga 0.5Pバッファ層33(厚さ0.
2μm),Beドープp−In 0.5(Ga 0.5Al
0.50.5Pバッファ層34(厚さ0.2μm),Be
ドープp−In 0.5Al 0.5Pバッファ層35(厚さ
0.2μm),Nドープp−ZnSeクラッド層36
(厚さ0.2μm),アンドープCdZnSe量子井戸
活性層38(厚さ10nm),Clドープn−ZnSe
クラッド層40(厚さ2μm,キャリア濃度1×1018
cm-3),Clドープn+ −ZnSeコンタクト層41
(厚さ0.2μm,キャリア濃度1×1019cm-3)が
MBE法を用いて順次形成されている。
FIG. 3 is a sectional view showing the device structure of a surface emitting light emitting diode (LED) according to the second embodiment of the present invention. In the figure, 31 is a p-GaAs substrate, and on this substrate 31, a Be-doped p-GaAs layer 32 (thickness 0.5 μm, carrier concentration 2 × 10 18 cm −3 ), Be-doped p-In 0.5 Ga. 0.5 P buffer layer 33 (thickness: 0.
2 μm), Be-doped p-In 0.5 (Ga 0.5 Al)
0.5 ) 0.5 P buffer layer 34 (thickness 0.2 μm), Be
Doped p-In 0.5 Al 0.5 P buffer layer 35 (thickness 0.2 μm), N-doped p-ZnSe cladding layer 36
(Thickness 0.2 μm), undoped CdZnSe quantum well active layer 38 (thickness 10 nm), Cl-doped n-ZnSe
Cladding layer 40 (thickness 2 μm, carrier concentration 1 × 10 18
cm -3 ), Cl-doped n + -ZnSe contact layer 41
(Thickness: 0.2 μm, carrier concentration: 1 × 10 19 cm −3 ) are sequentially formed by the MBE method.

【0034】p−GaAs基板31には、φ50μmの
部分Cに(100)面が形成され、その他の部分Dは
[011]方向に15°傾斜した面方位になっている。
p−GaAs基板31の裏面にはAu/AuZn電極3
0が被着されている。n+ −ZnSeコンタクト層41
はCの部分の直上でφ50μmに加工されており、その
上にTi/Au電極42が被着されている。p−ZnS
eクラッド層36を成長するときの成長条件は、RF出
力150W,N2 流量0.1sccmとした。このとき、D
面上でのp−ZnSeの濃度は1×1018cm-3であっ
たが、C面上では1×1017cm-3であった。D面上で
のバッファ層33〜35としてのp−InGaP,p−
InGaAlP,p−InAlPのキャリア濃度は、各
々2×1018,2×1018,1×1018cm-3であっ
た。C面上では各々5×1017,5×1017,2.5×
1017cm-3であった。
On the p-GaAs substrate 31, a (100) plane is formed in a portion C of φ50 μm, and the other portion D has a plane orientation inclined by 15 ° in the [011] direction.
An Au / AuZn electrode 3 is formed on the back surface of the p-GaAs substrate 31.
0 is worn. n + -ZnSe contact layer 41
Is processed to have a diameter of 50 μm directly above the C portion, and a Ti / Au electrode 42 is deposited thereon. p-ZnS
The growth conditions for growing the e-clad layer 36 were RF output of 150 W and N 2 flow rate of 0.1 sccm. At this time, D
The p-ZnSe concentration on the plane was 1 × 10 18 cm −3 , but on the C plane it was 1 × 10 17 cm −3 . P-InGaP, p- as the buffer layers 33 to 35 on the D surface
The carrier concentrations of InGaAlP and p-InAlP were 2 × 10 18 , 2 × 10 18 and 1 × 10 18 cm −3 , respectively. 5 × 10 17 , 5 × 10 17 , 2.5 × on the C plane
It was 10 17 cm -3 .

【0035】このような構成の面発光型LEDに電流を
流すと、図3に矢印で示すように、電流は光の取り出す
ことのできないTi/Au電極42の下方を回避して流
れるため効率良く光が取り出される。これは、C面上に
おけるp−InAlPとp−ZnSeのヘテロバリアが
大きく、電流が流れにくくなっているためである。この
LEDでは、実験によると20mAの電流で波長560
nmにおいて、5cdの明るさが得られた。なお、面方
位を変化させた部分を設けていないときのLEDの明る
さは1cd以下である。従って本実施例では、発光効率
の著しい改善を達成することができた。
When a current is passed through the surface-emitting type LED having such a structure, the current flows efficiently while avoiding below the Ti / Au electrode 42 where light cannot be extracted, as shown by the arrow in FIG. Light is extracted. This is because the hetero-barrier of p-InAlP and p-ZnSe on the C-plane is large, making it difficult for current to flow. According to the experiment, this LED has a wavelength of 560 at a current of 20 mA.
A brightness of 5 cd was obtained in nm. In addition, the brightness of the LED is 1 cd or less when the portion in which the plane orientation is changed is not provided. Therefore, in this example, it was possible to achieve a significant improvement in luminous efficiency.

【0036】なお、本発明は上述した各実施例に限定さ
れるものではない。実施例では各層の成長にMBE法を
用いたが、これに限らず有機金属気相成長法(MOCV
D法)を用いてもよい。また、II−VI族化合物半導体層
として、ZnMgSSe,ZnTe,CdZnSe,Z
nMgCdSeなど他の材料を用いることができる。さ
らに、実施例ではドーパントとしてNを用いたが、O,
P,As,Liなど他のドーパントを用いても同様の効
果が得られる。
The present invention is not limited to the above embodiments. Although the MBE method was used for the growth of each layer in the examples, the present invention is not limited to this, and the metal organic chemical vapor deposition method (MOCV
Method D) may be used. Further, as the II-VI group compound semiconductor layer, ZnMgSSe, ZnTe, CdZnSe, Z
Other materials such as nMgCdSe can be used. Furthermore, although N is used as a dopant in the embodiment, O,
Similar effects can be obtained by using other dopants such as P, As and Li.

【0037】また、キャリア濃度を部分的に変える手段
として、基板の面方位を部分的に変える代わりに、II−
VI族化合物半導体層を部分的に加熱するようにしてもよ
い。例えば半導体レーザの場合は、II−VI族化合物半導
体層上にストライプ状にマスクを設けておき、マスク上
面からレーザ光を照射してマスクで覆われていない部分
を選択的に加熱することにより、この部分のキャリア濃
度を低くすることができる。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。
As a means for partially changing the carrier concentration, instead of partially changing the plane orientation of the substrate, II-
The group VI compound semiconductor layer may be partially heated. For example, in the case of a semiconductor laser, a stripe-shaped mask is provided on the II-VI group compound semiconductor layer, and laser light is irradiated from the upper surface of the mask to selectively heat a portion not covered with the mask, The carrier concentration in this portion can be lowered. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

【0038】[0038]

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、バ
ッファ層に接するII−VI族化合物半導体層のキャリア濃
度を部分的に変化させることにより、注入した電流を効
果的に狭窄し得る電流狭窄構造を実現することができ、
動作電圧が低く、高信頼性,高発光効率を有するワイド
ギャップII−VI族化合物半導体による半導体発光装置を
実現することが可能となる。
As described in detail above, according to the present invention, the injected current can be effectively narrowed by partially changing the carrier concentration of the II-VI group compound semiconductor layer in contact with the buffer layer. A current constriction structure can be realized,
It is possible to realize a semiconductor light emitting device using a wide gap II-VI group compound semiconductor, which has a low operating voltage, high reliability, and high light emission efficiency.

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

【図1】第1の実施例に係わる半導体レーザの素子構造
を示す断面図。
FIG. 1 is a sectional view showing a device structure of a semiconductor laser according to a first embodiment.

【図2】第1の実施例のレーザの端面部構成を説明する
ための平面図と断面図。
2A and 2B are a plan view and a cross-sectional view for explaining the configuration of the end face portion of the laser according to the first embodiment.

【図3】第2の実施例に係わる面発光型LEDの素子構
造を示す断面図。
FIG. 3 is a sectional view showing an element structure of a surface emitting LED according to a second embodiment.

【図4】Nドープp型ZnSeのキャリア濃度の面方位
による違いを示す特性図。
FIG. 4 is a characteristic diagram showing a difference in carrier concentration of N-doped p-type ZnSe depending on plane orientation.

【図5】基板表面の傾きに対するNの取り込まれ率の変
化を示す特性図。
FIG. 5 is a characteristic diagram showing changes in the rate of incorporation of N with respect to the inclination of the substrate surface.

【図6】p型InAlP上のZnSeのpn接合におけ
るI−V特性のp−ZnSeのキャリア濃度依存性を示
す特性図。
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the carrier concentration dependence of IV characteristics of ZnSe pn junction on p-type InAlP.

【図7】p型InAlP上のZnSeのpn接合におけ
るI−V特性のp−InAlPのキャリア濃度依存性を
示す特性図。
FIG. 7 is a characteristic diagram showing the carrier concentration dependence of IV characteristics of a ZnSe pn junction on p-type InAlP in p-InAlP.

【図8】化合物半導体材料を用いた従来の青色レーザの
素子構造を示す断面図。
FIG. 8 is a sectional view showing an element structure of a conventional blue laser using a compound semiconductor material.

【図9】p−ZnSeと金属及び半導体の接合部におけ
るバンド構造を示す模式図。
FIG. 9 is a schematic diagram showing a band structure at a junction between p-ZnSe and a metal or semiconductor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10,30…Au/AuZn電極 11,31…p−GaAs基板 12,32…p−GaAs層12 13,33…p−InGaPバッファ層 14,34…p−InGaAlPバッファ層 15,35…p−InAlPバッファ層 16…p−ZnSSeクラッド層 17…p−ZnSeガイド層 18…CdZnSe多重量子井戸活性層 19…n−ZnSeガイド層 20…n−ZnSSeクラッド層 21,41…n+ −ZnSeコンタクト層 22,40…Au/Ti電極 36…p−ZnSeクラッド層 38…CdZnSe量子井戸活性層 40…n−ZnSeクラッド層10, 30 ... Au / AuZn electrode 11, 31 ... p-GaAs substrate 12, 32 ... p-GaAs layer 12 13, 33 ... p-InGaP buffer layer 14, 34 ... p-InGaAlP buffer layer 15, 35 ... p-InAlP Buffer layer 16 ... p-ZnSSe clad layer 17 ... p-ZnSe guide layer 18 ... CdZnSe multiple quantum well active layer 19 ... n-ZnSe guide layer 20 ... n-ZnSSe clad layer 21, 41 ... n + -ZnSe contact layer 22, 40 ... Au / Ti electrode 36 ... p-ZnSe clad layer 38 ... CdZnSe quantum well active layer 40 ... n-ZnSe clad layer

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】単結晶基板上に成長形成されたバッファ層
と、このバッファ層上に積層形成された該層とヘテロ接
合をなすII−VI族化合物半導体層とを具備してなる半導
体発光装置であって、 前記バッファ層に接するII−VI族化合物半導体層のう
ち、電流狭窄を行う部分を除く部分のキャリア濃度を電
流狭窄を行う部分よりも大きくすることにより、前記バ
ッファ層とII−VI族化合物半導体層間のヘテロバリアを
低くしてなることを特徴とする半導体発光装置。
1. A semiconductor light emitting device comprising a buffer layer grown and formed on a single crystal substrate, and a II-VI group compound semiconductor layer which is heterojunction with the buffer layer laminated on the buffer layer. Of the II-VI group compound semiconductor layer in contact with the buffer layer, by making the carrier concentration of a portion other than the portion where the current constriction is performed larger than the portion where the current confinement is performed, the buffer layer and the II-VI A semiconductor light emitting device having a low hetero barrier between group compound semiconductor layers.
【請求項2】前記基板は、(100)面と(100)面
から[011]又は[01-1]方向に10〜40度の範
囲内に傾斜した面とを有し、この傾斜した面で電流狭窄
を行うものであり、(100)面から傾斜した面上の化
合物半導体層のキャリア濃度を(100)面上の化合物
半導体層のそれよりも大きくしたことを特徴とする請求
項1記載の半導体発光装置。
2. The substrate has a (100) plane and a plane inclined within a range of 10 to 40 degrees in the [011] or [01-1] direction from the (100) plane. 2. The current confinement is performed by the method of claim 1, wherein the carrier concentration of the compound semiconductor layer on the plane inclined from the (100) plane is made higher than that of the compound semiconductor layer on the (100) plane. Semiconductor light emitting device.
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