JP2010092898A - Semiconductor light emitting element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体レーザや半導体光増幅器などの半導体発光素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device such as a semiconductor laser or a semiconductor optical amplifier.
一般に、光ディスク用半導体レーザダイオード(LD:Laser Diode)は、情報再生時に光ディスクからの戻り光で誘起される相対強度雑音(RIN:Relative Intensity Noise)を低減させるために、パルス電流を用いて駆動される。すなわち、レーザダイオードからの出射光と光ディスクで反射した戻り光とが干渉することでRINが生じるので、レーザ光の可干渉性を弱めるために、レーザダイオード駆動用のDCバイアス電流に約50MHzから数GHz程度の範囲の高周波電流を重畳する駆動法が採用されている。このような駆動法は、高周波重畳法(high frequency superposition method)と呼ばれている。 2. Description of the Related Art Generally, a semiconductor laser diode (LD) for an optical disk is driven by using a pulse current in order to reduce relative intensity noise (RIN) induced by return light from the optical disk during information reproduction. The That is, RIN is generated by interference between the light emitted from the laser diode and the return light reflected by the optical disk. Therefore, in order to weaken the coherence of the laser light, the DC bias current for driving the laser diode is increased from about 50 MHz to several. A driving method in which a high frequency current in a range of about GHz is superimposed is adopted. Such a driving method is called a high frequency superposition method.
高周波重畳法は、CD(Compact Disc)用光源であるAlGaAs(Aluminum Gallium Arsenide)系半導体レーザや、DVD(Digital Versatile Disc)用光源であるAlGaInP(Aluminum Gallium Indium Phosphide)系半導体レーザといった既存の光ディスク用半導体レーザに限らず、次世代光ディスク用光源であるGaN(Gallium Nitride)系半導体レーザにおいても有効な手段として使用され得る。高周波重畳法に関する先行技術は、たとえば、特許文献1(特開2008−53600号公報)に開示されている。 The high-frequency superimposition method is used for existing optical disks such as AlGaAs (Aluminum Gallium Arsenide) semiconductor lasers that are light sources for CDs (Compact Discs) and AlGaInP (Aluminum Gallium Indium Phosphide) semiconductor lasers that are light sources for DVDs (Digital Versatile Discs). It can be used not only as a semiconductor laser but also as an effective means in a GaN (Gallium Nitride) -based semiconductor laser that is a light source for next-generation optical disks. Prior art relating to the high-frequency superposition method is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-53600.
特許文献1に開示されているように、パルス状の駆動電流をレーザダイオードに供給すると、レーザダイオード内の注入キャリア(電子や正孔)の密度が周期的に変動し、この変動に合わせて、レーザ光の強度が周期的に振動しながら減衰し、一定の強度に収束するという現象(緩和振動:relaxation oscillation)が起きる。この緩和振動によりパルスの立ち上がり時に発光出力のピークレベルが過大になり、光ディスクの記録内容を誤って消去するというおそれがある。非特許文献1(K. Furuya et al., Appl. Opt. 17, 1949-1952 (1978))は、半導体レーザダイオードのストライプ幅とキャリア拡散長とを同程度にすれば、緩和振動を抑制できると報告している。
RINの低減のためにDCバイアス電流に高周波電流を重畳して使用した場合、動作条件が変化するとRINが不規則に変動するという問題がある。たとえば、半導体レーザダイオードの光出力や使用環境温度、高周波電流の周波数や振幅といった動作条件の変化に対して、RINの強度は単調な変化をせずに不安定に増減するので、これが、光ディスクからの光信号を安定して読み取ることを難しくするという問題がある。この傾向は特に、GaN系半導体レーザにおいて顕著に見られる。 When a high frequency current is superimposed on a DC bias current to reduce RIN, there is a problem that RIN varies irregularly when operating conditions change. For example, with respect to changes in operating conditions such as the optical output of the semiconductor laser diode, the operating environment temperature, the frequency and amplitude of the high frequency current, the intensity of RIN increases and decreases unstablely without monotonous changes. There is a problem that it is difficult to read the optical signal stably. This tendency is particularly noticeable in GaN semiconductor lasers.
本発明者らは、この問題に着目して前述の緩和振動とRINとの関係について鋭意研究を進めた結果、緩和振動の振幅が大きいほど、半導体レーザの動作条件の変化に対するRINの変動が大きくなることを見出した。そして、本発明者らは、緩和振動の抑制がRINの変動低減に有効であるとの知見を得た。 As a result of diligent research on the relationship between the relaxation oscillation and RIN, focusing on this problem, the present inventors have found that the larger the relaxation oscillation amplitude, the greater the variation in RIN with respect to changes in the operating conditions of the semiconductor laser. I found out that The present inventors have found that suppression of relaxation oscillation is effective in reducing fluctuations in RIN.
上記に鑑みて本発明は、緩和振動を抑制し得る構造を有する半導体発光素子を提供するものである。 In view of the above, the present invention provides a semiconductor light emitting device having a structure capable of suppressing relaxation oscillation.
本発明によれば、n型半導体層と、p型半導体層と、前記n型半導体層と前記p型半導体層との間に介在する活性層と、を含む積層構造を有する半導体発光素子が提供される。この半導体発光素子においては、前記活性層は、積層方向に垂直な方向のキャリア拡散長が前記積層方向のキャリア拡散長よりも大きい機能層を含むものである。 According to the present invention, there is provided a semiconductor light emitting device having a stacked structure including an n-type semiconductor layer, a p-type semiconductor layer, and an active layer interposed between the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer. Is done. In this semiconductor light emitting device, the active layer includes a functional layer in which the carrier diffusion length in the direction perpendicular to the stacking direction is larger than the carrier diffusion length in the stacking direction.
上述の通り、緩和振動の抑制がRINの変動低減に有効である。本発明による半導体発光素子の活性層は、積層方向に垂直な方向のキャリア拡散長が積層方向のキャリア拡散長よりも大きい機能層を含むので、高周波電流が重畳されたとき、発光領域におけるキャリア密度の変動が抑えられる。これにより緩和振動が抑制されるので、RINの不規則な変動を低減することが可能となる。 As described above, suppression of relaxation oscillation is effective for reducing fluctuations in RIN. Since the active layer of the semiconductor light emitting device according to the present invention includes a functional layer in which the carrier diffusion length in the direction perpendicular to the stacking direction is larger than the carrier diffusion length in the stacking direction, when a high frequency current is superimposed, the carrier density in the light emitting region Fluctuations can be suppressed. As a result, relaxation oscillation is suppressed, so that irregular fluctuations in RIN can be reduced.
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同一符号を付し、その詳細な説明は重複しないように適宜省略される。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In all the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is appropriately omitted so as not to overlap.
図1は、本発明に係る一実施形態の半導体レーザダイオード(半導体発光素子)の断面構造を概略的に示す図である。この半導体レーザダイオードは、n型化合物半導体基板101上に、n型バッファ層102、n型クラッド層103、n側光閉じ込め層104、活性層105、キャップ層106、p側光閉じ込め層107および電流狭窄層108がこの順に積層された構造を有する。電流狭窄層108は、電流流通路を構成するストライプ状の開口部109を有しており、この開口部109内および電流狭窄層108の上に、p型超格子クラッド層110が形成され、さらにp型超格子クラッド層110上にp型コンタクト層111が形成されている。p型コンタクト層111の上には、p側電極112が設けられており、n型化合物半導体基板101の裏面にはn側電極113が設けられている。
FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a semiconductor laser diode (semiconductor light emitting device) according to an embodiment of the present invention. This semiconductor laser diode includes an n-
この半導体レーザダイオードは、III族窒化物系化合物半導体で構成することができる。たとえば、n型化合物半導体基板101は、n型GaN基板でもよいし、あるいは、サファイアやSiCなどの他の材料の下地基板上にGaN層などのIII族窒化物半導体層を結晶成長させてなるテンプレート基板でもよい。n型バッファ層102として厚さ1μm程度のGaN層を、n型クラッド層103として厚さ2μm程度のAlGaN層を、n側光閉じ込め層104として厚さ0.1μm程度のGaN層を、キャップ層106として厚さ10nm程度のAlGaN層を、p側光閉じ込め層107として厚さ0.1μm程度のGaN層を、電流狭窄層108として厚さ0.1μm程度のAlN層を、それぞれ使用することができる。この電流狭窄層108は、水平方向(積層方向に垂直な方向)に屈折率差を生じさせるので、電流狭窄機能の他に光分布制御機能も兼ね備えている。
This semiconductor laser diode can be composed of a group III nitride compound semiconductor. For example, the n-type
p型超格子クラッド層110は、たとえば、厚さ2.5nm程度のGaN層と厚さ2.5nm程度のAlGaN層とが交互に130周期分積層された超格子構造を有していればよい。p型コンタクト層111としては、たとえば厚さ0.1μm程度のGaN層を使用すればよい。このような積層構造において、n型半導体層に導入されるn型不純物は、たとえばシリコン(Si)であり、p型半導体層に導入されるp型不純物は、たとえばマグネシウム(Mg)である。
The p-type
活性層105は、積層方向に垂直な方向のキャリア拡散長が当該積層方向のキャリア拡散長よりも大きい機能層を含む。活性層105は、量子井戸層と障壁層とが交互に積層された量子井戸構造を有しており、障壁層は量子井戸層よりも広いバンドギャップを有している。この場合、量子井戸層と障壁層のうちの一方または双方に機能層を形成することができる。機能層は、第1の半導体層(超格子井戸層)と、この第1の半導体よりも広いバンドギャップを有する第2の半導体層(超格子障壁層)とが交互に積層された超格子構造により実現することが可能である。これら第1の半導体層と第2の半導体層は、互いに組成の異なる材料(たとえば、AlxInyGa1−x−yN;0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)を用いて形成することができる。機能層が障壁層にのみ形成される場合、量子井戸層を、たとえばInzGa1−zN(0≦z≦1)からなる単一層で構成し、障壁層を、第1の半導体層と第2の半導体層からなる超格子構造で構成することができる。一方、機能層が量子井戸層にのみ形成される場合は、障壁層を、たとえば単一のGaN層で構成し、量子井戸層を、第1の半導体層と第2の半導体層からなる超格子構造で構成することができる。
The
上述の通り、図1の半導体レーザダイオードにおいては、n型半導体層102,103とp型半導体層110,111との間に活性層105が介在する。この活性層105は、積層方向に垂直な方向のキャリア拡散長(以下「第1のキャリア拡散長」と呼ぶ。)が前記積層方向のキャリア拡散長(以下「第2のキャリア拡散長」と呼ぶ。)よりも大きい機能層を含むものである。一般に、キャリア拡散長Lは、拡散係数(diffusion coefficient)Dの平方根に比例し、キャリア移動度μは拡散係数Dに比例する。よって、この機能層では、積層方向に垂直な方向のキャリア移動度(以下「第1のキャリア移動度」と呼ぶ。)が、積層方向のキャリア移動度(以下「第2のキャリア移動度」と呼ぶ。)よりも大きくなる。
As described above, in the semiconductor laser diode of FIG. 1, the
なお、第1のキャリア拡散長をL1、第2のキャリア拡散長をL2、第1のキャリア移動度をμ1、第2のキャリア移動度をμ2とする。このとき、次式(1a)〜(1c),(2a)〜(2c)が成立する。 Note that the first carrier diffusion length is L1, the second carrier diffusion length is L2, the first carrier mobility is μ1, and the second carrier mobility is μ2. At this time, the following expressions (1a) to (1c) and (2a) to (2c) are established.
L1=(τ・D1)(1/2) ・・・(1a)
D1=k・T/(e・μ1) ・・・(1b)
μ1=1/(n・e・ρ1) ・・・(1c)
L2=(τ・D2)(1/2) ・・・(2a)
D2=k・T/(e・μ2) ・・・(2b)
μ2=1/(n・e・ρ2) ・・・(2c)
L1 = (τ · D1) (1/2) (1a)
D1 = k · T / (e · μ1) (1b)
μ1 = 1 / (n · e · ρ1) (1c)
L2 = (τ · D2) (1/2) (2a)
D2 = k · T / (e · μ2) (2b)
μ2 = 1 / (n · e · ρ2) (2c)
ここで、D1,D2:拡散係数、k:ボルツマン定数、T:温度、e:電気素量、n:キャリア濃度、ρ1:積層方向に垂直な方向の電気抵抗率、ρ2:積層方向の電気抵抗率、である。したがって、上式(1a)〜(1c),(2a)〜(2c)と、電気抵抗率ρ1,ρ2の測定値とを使用すれば、キャリア移動度μ1,μ2やキャリア拡散長L1,L2を算出することができる。 Here, D1, D2: diffusion coefficient, k: Boltzmann constant, T: temperature, e: elementary electric charge, n: carrier concentration, ρ1: electrical resistivity in the direction perpendicular to the stacking direction, ρ2: electrical resistance in the stacking direction Rate. Therefore, if the above equations (1a) to (1c), (2a) to (2c) and the measured values of electrical resistivity ρ1 and ρ2 are used, carrier mobility μ1 and μ2 and carrier diffusion lengths L1 and L2 are obtained. Can be calculated.
上述の通り、機能層は、活性層105を構成する量子井戸層および障壁層のうちの少なくとも一方に形成することができる。図2は、障壁層に機能層が形成された場合の活性層105の伝導帯(Conduction Band)を概略的に示す図である。この場合、量子井戸層201は、たとえば厚さ6nmのInGaNからなる。障壁層202は、たとえば厚さ14nmの機能層からなり、この機能層は、たとえば厚さ2nmのGaN層と厚さ2nmのAlGaN層とが交互に積層された超格子構造で構成される。これに対し、図3は、機能層を含まない通常の活性層の伝導帯を概略的に示す図である。図3の活性層では、量子井戸層301と障壁層302とが交互に積層されているに過ぎない。上述の通り、障壁層202は、比較的バンドギャップの狭い超格子井戸層と、この超格子井戸層よりも広いバンドギャップを持つ超格子障壁層とが交互にかつ周期的に積層された超格子構造を有する。障壁層202には、超格子構造によるミニバンドと称するエネルギーバンドが形成され得る。超格子障壁層の厚みと超格子井戸層の厚みが十分に薄ければ、異なる超格子井戸層の波動関数同士に空間的な重なりが生じ、縮退していた量子準位が分裂して小さなエネルギーバンドすなわちミニバンドが形成される。
As described above, the functional layer can be formed in at least one of the quantum well layer and the barrier layer constituting the
図4は、図2のバンド構造を有する半導体レーザダイオード(実施例)の光出力の測定結果と、図3のバンド構造を有する半導体レーザダイオード(参考例)の光出力の測定結果とを示すグラフである。グラフの縦軸は、任意単位(a.u.)の光出力を示している。実施例と参考例の光出力波形は、それぞれの光出力を時間積分した値がほぼ同じ値となるように調整されている。また、参考例は、機能層を除いて実施例と同じ構造を有する。図4に示されるように、参考例に比べて実施例の構造は、緩和振動を抑制することが示されている。したがって、実施例の構造は、RINの変動を低減している。 FIG. 4 is a graph showing the measurement result of the optical output of the semiconductor laser diode (Example) having the band structure of FIG. 2 and the measurement result of the optical output of the semiconductor laser diode (Reference Example) having the band structure of FIG. It is. The vertical axis of the graph indicates the optical output in arbitrary units (a.u.). The light output waveforms of the example and the reference example are adjusted so that the values obtained by integrating the respective light outputs over time are substantially the same. Further, the reference example has the same structure as the example except for the functional layer. As shown in FIG. 4, it is shown that the structure of the example suppresses relaxation oscillation compared to the reference example. Therefore, the structure of the example reduces the variation of RIN.
本実施形態の超格子構造は、当該超格子構造を構成する各層の厚みがミニバンドが形成され得る程度に薄い構造を有している。よって、一般的な量子井戸構造やヘテロ構造などの層構造は、本実施形態の超格子構造とは異なるものである。超格子構造を構成する各層の厚みは、構成材料や組成に依存するが、たとえば、5nm程度以下、特に3nm程度以下であることが好ましい。 The superlattice structure of the present embodiment has a structure in which the thickness of each layer constituting the superlattice structure is thin enough to form a miniband. Therefore, a layer structure such as a general quantum well structure or a hetero structure is different from the superlattice structure of the present embodiment. The thickness of each layer constituting the superlattice structure depends on the constituent material and composition, but is preferably about 5 nm or less, particularly about 3 nm or less.
また、本明細書でいう「超格子構造」は、超格子構造を構成する各層の厚みが、結晶中のポテンシャルを井戸型周期ポテンシャルで近似するクローニヒ・ペニーモデル(Kronig-Penny model)を適用できる程度に厚いものを指す。原子層(atomic layer)レベルの厚さの層が積層された構造は、これらの層の組成が平均化された擬似混晶とみなされるので、本明細書でいう超格子構造とは異なる。超格子構造を構成する各層厚は、材料や組成に依存するが、たとえば、1nm程度以上であることが好ましい。 The “superlattice structure” in this specification can be applied to the Kronig-Penny model in which the thickness of each layer constituting the superlattice structure approximates the potential in the crystal with a well-type periodic potential. Thick to the extent. A structure in which layers having a thickness of an atomic layer level are stacked is regarded as a pseudo mixed crystal in which the composition of these layers is averaged, and thus is different from the superlattice structure in this specification. The thickness of each layer constituting the superlattice structure depends on the material and composition, but is preferably about 1 nm or more, for example.
なお、機能層において超格子の周期性が厳密に成立する必要はなく、ある程度のキャリア拡散長L2とある程度のキャリア移動度μ2とを確保できるのであれば、超格子の周期性が崩れてもよい。たとえば、超格子井戸層と超格子障壁層の一方または双方の厚みが、キャップ層106の方向またはn側光閉じ込め層104の方向に行くにつれて次第に変化する場合であっても、ある程度のキャリア拡散長L2とある程度のキャリア移動度μ2とが確保できていれば、本実施形態の超格子構造の場合と同様の効果を得ることができる。
Note that the periodicity of the superlattice does not have to be strictly established in the functional layer, and the periodicity of the superlattice may be destroyed as long as a certain amount of carrier diffusion length L2 and a certain amount of carrier mobility μ2 can be secured. . For example, even when the thickness of one or both of the superlattice well layer and the superlattice barrier layer gradually changes in the direction of the
次に、図5(A),(B)は、それぞれ、量子井戸層に機能層が形成された場合の活性層105の伝導帯を概略的に示す図である。図5(A)の構造は、量子井戸層401と障壁層402とが交互に積層され、量子井戸層401が機能層である構造であり、図5(B)の構造は、量子井戸層501と障壁層502とが交互に積層され、量子井戸層501が機能層である構造である。図5(A),(B)の機能層としては、たとえば、InGaN/GaN、InGaN/InGaNまたはInGaN/AlGaNを含む超格子構造が挙げられる。
Next, FIGS. 5A and 5B are diagrams schematically showing the conduction band of the
次に、本実施の形態の半導体レーザダイオードの製造方法の一例を説明する。 Next, an example of a method for manufacturing the semiconductor laser diode of the present embodiment will be described.
素子構造の作製には、300hPaの成長圧力を可能にする減圧MOVPE装置を用いる。キャリアガスには水素と窒素の混合ガスを用い、Ga源、Al源およびIn源として、それぞれ、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびトリメチルインジウムを用いる。n型不純物としてシラン、p型不純物としてビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用いる。 For manufacturing the element structure, a reduced pressure MOVPE apparatus that enables a growth pressure of 300 hPa is used. A mixed gas of hydrogen and nitrogen is used as the carrier gas, and trimethylgallium, trimethylaluminum, and trimethylindium are used as the Ga source, Al source, and In source, respectively. Silane is used as the n-type impurity, and biscyclopentadienyl magnesium is used as the p-type impurity.
n型GaN基板101を減圧MOVPE装置に投入した後、減圧MOVPE装置内にアンモニアを供給しながら基板101を昇温させ、温度が成長温度まで達した時点で成長を開始させる。1回目の成長では、n型GaNバッファ層102、n型AlGaNクラッド層103、n側GaN光閉じ込め層104、活性層105、AlGaNキャップ層106、p側GaN光閉じ込め層107およびAlN電流狭窄層108を順次成長させる。活性層105は、InGaN量子井戸層201とAlGaN/GaN超格子障壁層202とが交互に積層された多重量子井戸構造を有するものである。成長温度は、たとえば、AlN電流狭窄層108の成長時には200〜800℃、活性層105の成長時には800℃、これら以外の層の成長時には1100℃とすればよい。AlN電流狭窄層108は、比較的低温で成長するため、1回目の成長終了時にはアモルファス状態にある。
After the n-
その後、素子全体の上にSiO2膜を堆積し、フォトリソグラフィー技術を用いてSiO2膜に開口部を形成することでSiO2マスクを形成する。次に、50〜200℃の温度に保持された燐酸と硫酸の混合液をエッチング液とし、AlN電流狭窄層108に所望の開口部109を形成する。このとき、アモルファス状のAlNは容易にエッチングされ、単結晶のGaNはエッチングが困難であるため、選択性が高く制御性の良好なエッチングがなされる。
Thereafter, a SiO 2 film is deposited on the entire device, and an opening is formed in the SiO 2 film using a photolithography technique to form a SiO 2 mask. Next, a desired
次に、再び減圧MOVPE装置に素子を投入後、装置内にアンモニアを供給しながら基板を昇温させ、温度が成長温度まで達した時点で2回目の成長を開始させる。このとき、AlN電流狭窄層108は、基板の昇温過程で単結晶化が進行する。次いで、p型AlGaN/GaN超格子クラッド層110、p型GaNコンタクト層111を順次成長させる。その後、素子の上面にp側電極112、素子の裏面にn側電極113を形成することで、図1の半導体レーザダイオードが作製される。
Next, after the element is put into the reduced pressure MOVPE apparatus again, the substrate is heated while ammonia is supplied into the apparatus, and the second growth is started when the temperature reaches the growth temperature. At this time, the AlN
本実施形態の半導体レーザダイオードが奏する効果は以下の通りである。 The effects of the semiconductor laser diode of this embodiment are as follows.
上記の通り、活性層105は、積層方向に垂直な方向のキャリア拡散長が積層方向のキャリア拡散長よりも大きい機能層を含む。積層方向に垂直な方向へのキャリア拡散効果が高められる。これにより、高周波電流が重畳された駆動電流を用いて半導体レーザダイオードを駆動したとき、発光領域におけるキャリア密度の変動が抑えられる。よって、緩和振動が抑制されるので、RINの不規則な変動を低減することが可能となる。以下にその理由を詳細に説明する。
As described above, the
図6は、非特許文献1から引用された図である。図6の上図は、ストライプ状の活性層(active layer)を有する半導体レーザダイオードの典型的な構造を示し、図6の下図は、水平方向の光強度分布とキャリア密度分布との関係を示すグラフである。図6のグラフに示されるように、水平方向(X軸方向)においてキャリア密度分布は均一でなく、ストライプ中央付近が凹んでいる。この現象は、光強度が強い中央付近で多くのキャリアが消費される空間的ホールバーニングと呼ばれる現象である。よって、特にストライプ中央付近でキャリア密度が大きく変動する。非特許文献1によれば、ストライプ幅Wとキャリア拡散長Lが同程度である場合、ストライプの周辺領域から中央領域へキャリアが素早く供給されるので、キャリア密度分布の凹みは軽減される。一方、従来のGaN系半導体レーザのようにW>Lである場合、ストライプの周辺領域から中央領域へキャリアが十分に供給されないので、キャリア密度分布の凹みは軽減されない。
FIG. 6 is a diagram cited from
本実施形態の活性層105の構造は、水平方向のキャリア拡散効果を高めるので、ストライプの周辺領域から中央部(開口部109およびその近辺)へのキャリア供給量を増やすことで、キャリア密度分布の凹みを軽減することができる。したがって、キャリア密度の変動を抑制することが可能となる。
The structure of the
なお、前述の通り、緩和振動を抑制するには、ストライプ幅Wとキャリア拡散長Lとを同程度にすることが効果的であるが、ストライプ幅Wは、単一横モード(single transverse mode)や放射角(radiation angle)といった諸特性が所望の特性となるように設定される。一方、キャリア拡散長Lは、半導体材料に固有の値であるため、ストライプ幅Wとキャリア拡散長Lとは必ずしも同程度になるとは限らない。特に、GaN系半導体レーザにおいては、ストライプ幅Wは1μm〜2μmの範囲内に設定される一方、キャリア拡散長Lは、1μm以下の値、たとえば数百nm程度の値が報告されている(非特許文献2:A. Kaneta et al., Appl. Phys. Lett., 83, 3462-3464 (2003))。すなわち、GaN半導体レーザにおいては、次世代光ディスク用光源として求められる諸特性と、窒化物半導体に固有の物性との関係から、Wに対してLが有意に小さいという、GaN系半導体レーザに特有の状況がある。 As described above, in order to suppress the relaxation oscillation, it is effective to make the stripe width W and the carrier diffusion length L approximately the same. However, the stripe width W is a single transverse mode. And various characteristics such as a radiation angle are set to be desired characteristics. On the other hand, since the carrier diffusion length L is a value unique to the semiconductor material, the stripe width W and the carrier diffusion length L are not necessarily the same level. In particular, in the GaN-based semiconductor laser, the stripe width W is set in the range of 1 μm to 2 μm, while the carrier diffusion length L is reported to be a value of 1 μm or less, for example, a value of about several hundred nm (non- Patent Document 2: A. Kaneta et al., Appl. Phys. Lett., 83, 3462-3464 (2003)). In other words, GaN semiconductor lasers are unique to GaN-based semiconductor lasers, where L is significantly smaller than W due to the relationship between various characteristics required as a light source for next-generation optical disks and physical properties inherent in nitride semiconductors. There is a situation.
上記実施形態では、上記効果を向上させるために、光強度が強く、キャリア密度の変動が大きい層の近傍に機能層を設けることが好ましい。よって、たとえば、活性層105内の障壁層に機能層を設ける場合、少なくとも量子井戸層に挟まれた障壁層に機能層を設けることが好ましい。
In the above embodiment, in order to improve the above effect, it is preferable to provide a functional layer in the vicinity of a layer having a high light intensity and a large carrier density fluctuation. Therefore, for example, when a functional layer is provided in the barrier layer in the
また、活性層105内の機能層に不純物添加をする場合であって、機能層がバンドギャップの小さい層とバンドギャップの大きい層とを交互に積層することで構成される場合、バンドギャップの大きい層にのみ不純物添加をするのが好ましい。その理由は、キャリアの水平方向の拡散は、主にバンドギャップの小さい層で生ずるので、バンドギャップの小さい層にも不純物を添加すると、不純物によるキャリア散乱が生じ、水平方向のキャリア拡散効果を弱めてしまうからである。
In addition, when the impurity is added to the functional layer in the
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。たとえば、上記した製造方法は例示であり、様々な変形例が可能であることは当業者に理解されうるところである。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, these are the illustrations of this invention, Various structures other than the above are also employable. For example, the above-described manufacturing method is an exemplification, and it can be understood by those skilled in the art that various modifications are possible.
図1の半導体レーザダイオードは、ファブリ・ペロー型の光共振器構造を有するものであるが、これに限定されるものではない。活性層105の構造を、光共振器構造を持たない半導体フォトダイオードや半導体光増幅器に適用してもよい。
The semiconductor laser diode of FIG. 1 has a Fabry-Perot optical resonator structure, but is not limited to this. The structure of the
また、図1の半導体レーザダイオードは、電流狭窄層108が積層構造内に埋め込まれたインナーストライプ導波路型の構造を有するが、これに限定されるものではない。活性層105の構造を、リッジストライプ状に加工形成されたp型クラッド層とp型コンタクト層とを有するリッジ導波路型の半導体発光素子に適用してもよい。
The semiconductor laser diode of FIG. 1 has an inner stripe waveguide type structure in which the
また、活性層105の障壁層の全てが機能層でなくてもよく、障壁層の一部が機能層であってもよい。同様に、活性層105の井戸層の全てまたは一部に機能層を設けてもよい。
Further, not all of the barrier layers of the
101 n型化合物半導体基板
102 n型バッファ層
103 n型クラッド層
104 n側光閉じ込め層
105 活性層
106 キャップ層
107 p側光閉じ込め層
108 電流狭窄層
109 開口部
110 p型超格子クラッド層
111 p型コンタクト層
112 p側電極
113 n側電極
201,301,401,501 量子井戸層
202,302,402,502 障壁層
101 n-type compound semiconductor substrate 102 n-type buffer layer 103 n-type cladding layer 104 n-side
Claims (7)
p型半導体層と、
前記n型半導体層と前記p型半導体層との間に介在する活性層と、
を含む積層構造を有し、
前記活性層は、積層方向に垂直な方向のキャリア拡散長が前記積層方向のキャリア拡散長よりも大きい機能層を含む、半導体発光素子。 an n-type semiconductor layer;
a p-type semiconductor layer;
An active layer interposed between the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer;
Having a laminated structure including
The active layer includes a functional layer in which a carrier diffusion length in a direction perpendicular to the stacking direction is larger than a carrier diffusion length in the stacking direction.
前記活性層は、量子井戸層と、前記量子井戸層よりも広いバンドギャップを有する障壁層とが交互に積層された量子井戸構造を有し、
前記量子井戸層の数は2層以上であり、
前記障壁層は前記機能層を含む、半導体発光素子。 A semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 4,
The active layer has a quantum well structure in which quantum well layers and barrier layers having a wider band gap than the quantum well layers are alternately stacked,
The number of quantum well layers is two or more,
The semiconductor light emitting device, wherein the barrier layer includes the functional layer.
前記活性層は、量子井戸層と、前記量子井戸層よりも広いバンドギャップを有する障壁層とが交互に積層された量子井戸構造を有し、
前記量子井戸層は前記機能層を含む、半導体発光素子。 A semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 4,
The active layer has a quantum well structure in which quantum well layers and barrier layers having a wider band gap than the quantum well layers are alternately stacked,
The semiconductor light emitting device, wherein the quantum well layer includes the functional layer.
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