JP5142371B2 - Ultraviolet nitride semiconductor light emitting device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、紫外線窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関し、特に、深紫外線波長のレーザ光を発生する低しきい値電流密度の紫外線窒化物半導体発光素子および製造方法に関する。 The present invention relates to an ultraviolet nitride semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same, and more particularly to an ultraviolet nitride semiconductor light emitting device having a low threshold current density for generating laser light having a deep ultraviolet wavelength and a method for manufacturing the same.
波長300nm以下の短波長光は、照明、殺菌・浄水、医療分野、生化学産業など幅広い分野で必須の光源として用いられている。特に、深紫外線レーザは波長の短いコヒーレント光源であることから、半導体製造工程において、リソグラフィー用の光源として用いられている。通常はエキシマランプ乃至はレーザがリソグラフィー光源として用いられるが、リソグラフィー装置には多数の光学部品が用いられるため、装置全体としては大型化してしまう。 Short wavelength light having a wavelength of 300 nm or less is used as an essential light source in a wide range of fields such as illumination, sterilization / water purification, medical field, biochemical industry and the like. In particular, a deep ultraviolet laser is a coherent light source having a short wavelength, and thus is used as a light source for lithography in a semiconductor manufacturing process. Usually, an excimer lamp or a laser is used as a lithography light source. However, since a large number of optical components are used in the lithography apparatus, the entire apparatus becomes large.
また、ネオジム(Nd)ドープYAGレーザから発振させた波長1064nmの赤外線光を、非線形光学結晶を通して第4高調波(266nm)を発生させ、深紫外線レーザ光を得る手法も用いられるが、変換効率が0.1%以下と低く、低消費電力化は不可能である。これを深紫外線半導体レーザダイオード(LD:Laser Diode)に置き換えることができれば、装置の小型化が図れる。 また、市販の青色発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)において実現された50%程度の発光効率を得ることが出来れば、低消費電力化が可能となる。 In addition, a method is also used in which infrared light having a wavelength of 1064 nm oscillated from a neodymium (Nd) -doped YAG laser is used to generate a fourth harmonic (266 nm) through a nonlinear optical crystal to obtain deep ultraviolet laser light. It is as low as 0.1% or less, and it is impossible to reduce power consumption. If this can be replaced with a deep ultraviolet semiconductor laser diode (LD), the device can be miniaturized. Moreover, if the light emission efficiency of about 50% realized in a commercially available blue light emitting diode (LED) can be obtained, power consumption can be reduced.
現在までのところ、波長300nm以下の短波長光が得られる材料としては、c面サファイア基板上にエピタキシャル成長させた、窒化アルミニウム(AlN)モル分率xが0.3以上の窒化アルミニウムガリウム(AlXGa1-XN)混晶や、その量子井戸(QW:Quantum Well)が専ら用いられている。例えば、波長250nmに迫るAlGaN/AlGaN多重量子井戸(MQW:Multi-Quantum Well)発光ダイオード(LED)が開示されている(例えば、非特許文献1参照。)。 Up to now, as a material for obtaining short wavelength light having a wavelength of 300 nm or less, aluminum gallium nitride (Al X ) having an aluminum nitride (AlN) molar fraction x of 0.3 or more epitaxially grown on a c-plane sapphire substrate. Ga 1-X N) mixed crystals and their quantum wells (QW) are exclusively used. For example, an AlGaN / AlGaN multi-quantum well (MQW) light emitting diode (LED) approaching a wavelength of 250 nm is disclosed (see, for example, Non-Patent Document 1).
しかし、サファイア基板上のAlGaNエピタキシャル成長層には、市販の青色LEDに含まれる貫通転位(密度:108cm-2程度)に比べ、2〜3桁程度高い密度の貫通転位が含まれる。その上、窒化物半導体結晶がc軸に沿った反転対称性を持たないこと、III族原子と窒素原子のサイズが異なることにより生じる「自発分極」と、更に井戸層と障壁層の格子定数の差により生じる「圧電分極」によって、c面内にシート状に発生するヘテロ界面電荷のため、井戸内には1MV/cmを越える強い内部電場が発生してしまう。このため、発光効率は0.1%に満たない。 However, the AlGaN epitaxial growth layer on the sapphire substrate contains threading dislocations having a density that is about two to three orders of magnitude higher than threading dislocations (density: about 10 8 cm −2 ) included in commercially available blue LEDs. In addition, the fact that the nitride semiconductor crystal does not have inversion symmetry along the c-axis, “spontaneous polarization” caused by the different sizes of group III atoms and nitrogen atoms, and the lattice constants of the well layer and the barrier layer Due to the “piezoelectric polarization” caused by the difference, a strong internal electric field exceeding 1 MV / cm is generated in the well due to the heterointerface charge generated in a sheet shape in the c-plane. For this reason, the luminous efficiency is less than 0.1%.
また、同波長領域のLDの開発に関しては、光励起による誘導放出に関する報告はあるものの、転位・欠陥密度の低減、p型層の最適化、光の導波方向の選定など多くの課題が残り実用化の目処は立っていない(例えば、非特許文献2参照。)。 Although there are reports on stimulated emission by photoexcitation for the development of LDs in the same wavelength region, many problems remain, such as reduction of dislocations / defect density, optimization of p-type layers, and selection of light guiding direction. There is no prospect of conversion (for example, see Non-Patent Document 2).
特に、窒化ガリウム(GaN)とAlNは価電子帯におけるバンドオーダリング(ある対称性を持つバンドのエネルギーの並び順)が異なるため、AlNモル分率xの増加に従いAlXGa1-XN混晶の偏光方向は、光の電界成分Eがc軸に対して垂直な方向から平行な方向へと変化する。このため、AlXGa1-XN系のLDでは、光を効率良く導波させるために、市販の窒化インジウムガリウム(InGaN)系のLDとは異なる構造が必要となる。 In particular, gallium nitride (GaN) and AlN have different band ordering in the valence band (arrangement order of energies of bands having a certain symmetry), so that the Al x Ga 1-x N mixed crystal increases as the AlN molar fraction x increases. Is changed from a direction perpendicular to the c-axis to a direction parallel to the c-axis. For this reason, an Al x Ga 1-x N-based LD requires a different structure from a commercially available indium gallium nitride (InGaN) -based LD in order to guide light efficiently.
これまでに、内部電界を低減させる技術として非極性面(a面、m面)または半極性面成長を行ったInGaN/GaN MQWがLEDやLDの活性層へ利用され、市販の青紫色LEDの外部量子効率(約50%)に迫る効率(38.9%)を示すm面LEDが報告されている(例えば、非特許文献3参照。)。また、室温で連続発振する波長400nmの青紫色m面LDも報告されている(例えば、非特許文献4参照。)。 Up to now, InGaN / GaN MQW that has been grown on nonpolar planes (a-plane, m-plane) or semipolar plane as a technology for reducing the internal electric field has been used for the active layer of LEDs and LDs, An m-plane LED having an efficiency (38.9%) approaching the external quantum efficiency (about 50%) has been reported (for example, see Non-Patent Document 3). A blue-violet m-plane LD having a wavelength of 400 nm that continuously oscillates at room temperature has also been reported (see, for example, Non-Patent Document 4).
従来の紫外線(波長約300nm以下)発光LDは、GaN結晶(六方晶系)のc軸(極性面)面上またはc軸からやや傾斜させた結晶成長面で構成されている(例えば、特許文献1参照。)。このため、歪みにより発生する圧電分極に起因する内部電界効果を十分に低減できなかった。また、紫外線の偏光特性も電界ベクトルEとc軸が垂直のもので、発光効率が低いという問題があった。 Conventional ultraviolet light (wavelength of about 300 nm or less) light-emitting LD is composed of a crystal growth surface on the c-axis (polar plane) surface of a GaN crystal (hexagonal system) or slightly inclined from the c-axis (for example, Patent Literature 1). For this reason, the internal electric field effect resulting from the piezoelectric polarization generated by strain cannot be sufficiently reduced. In addition, the polarization characteristic of ultraviolet rays has a problem that the electric field vector E and the c-axis are perpendicular to each other, and the luminous efficiency is low.
また、c軸配向した基板上に、少なくともn型窒化物半導体層、発光層およびp型窒化物半導体層を積層して成るLEDにおいて、MQW構造のAlGaN混晶で、Alモル分率を30%以下乃至60%以上のものも既に開示されている(例えば、特許文献2参照。)。 Further, in an LED formed by laminating at least an n-type nitride semiconductor layer, a light emitting layer, and a p-type nitride semiconductor layer on a c-axis oriented substrate, the Al mole fraction is 30% with an AlGaN mixed crystal having an MQW structure. The following to 60% or more have already been disclosed (for example, see Patent Document 2).
しかしながら、MQW構造のAlGaN混晶で、Alモル分率を30%〜60%の範囲のものはいまだ開示されていない。 However, an AlGaN mixed crystal having an MQW structure having an Al mole fraction in the range of 30% to 60% has not yet been disclosed.
また、特許文献1に開示されているように、c軸またはc軸近傍で傾斜させた例は存在するが、c軸から、例えば、40°〜90°と大幅に活性層の軸方位を傾斜させた紫外領域の技術は、未だ開示されていない。
歪みm面InGaN/GaN MQWからの発光は、その電界成分Eが主にa軸に平行な偏光方向を示すため、共振器ミラー面をc面に沿って形成せねばならない。c面はa面にくらべてへき開性が良好ではなく、歩留まり低下の要因となっている。 For light emission from the strained m-plane InGaN / GaN MQW, the electric field component E mainly exhibits a polarization direction parallel to the a-axis, so the resonator mirror surface must be formed along the c-plane. The c-plane is not cleaved better than the a-plane, which causes a decrease in yield.
本発明の目的は、深紫外線レーザの大型化、低効率といった課題を解決すべく、しきい値電流密度の低い紫外線窒化物半導体発光素子を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an ultraviolet nitride semiconductor light emitting device having a low threshold current density in order to solve the problems such as an increase in size and low efficiency of a deep ultraviolet laser.
本発明の目的は、六方晶系の非極性面(a面、m面)または半極性面で結晶成長させたAlGaN混晶と、活性層に用いたAlGaN結晶のAlとGaのモル分率を最適化させた量子井戸構造により、発光効率を向上させ、低しきい値電流密度化を実現し、深紫外線波長のレーザ光を発生する紫外線窒化物半導体発光素子およびその製造方法を提供することにある。 The object of the present invention is to determine the AlGaN mixed fractions of AlGaN crystals grown on a hexagonal nonpolar plane (a-plane, m-plane) or semipolar plane and the Al and Ga molar fractions used in the active layer. To provide an ultraviolet nitride semiconductor light emitting device capable of improving the light emission efficiency, realizing a low threshold current density, and generating a laser beam having a deep ultraviolet wavelength by an optimized quantum well structure, and a method for manufacturing the same. is there.
上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、非極性面基板と半極性面基板とのうち、いずれか1つの基板と、前記基板上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaN層と、前記AlGaN層上に配置され,AlXGa1-XN(0≦x≦1)障壁層とAlXGa1-XN(0≦x≦1)井戸層からなる量子井戸構造を有するAlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層と、前記AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaN層とを備え、c軸が結晶成長の主面の法線方向から40°〜90°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面とし、光の電界成分Eが主にc軸と平行(E//c)なる偏光特性を示し、前記結晶成長面で結晶成長した前記活性層内に形成されるレーザ共振器の端面がa面で形成され、前記活性層の前記井戸数を3以下とする紫外線窒化物半導体発光素子が提供される。 According to one aspect of the present invention for achieving the above object , any one of a nonpolar plane substrate and a semipolar plane substrate and the substrate is disposed on the substrate and doped with an n-type impurity. A quantum well structure comprising an AlGaN layer, an Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) barrier layer and an Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) well layer disposed on the AlGaN layer Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer having the above and Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer, doped with p-type impurities A plane in which the c-axis is inclined within the range of 40 ° to 90 ° from the normal direction of the main surface of crystal growth, and the electric field component E of light is mainly the c-axis. shows the polarization characteristics made parallel (E // c) and the end face of the laser resonator formed on the crystal growth surface in the crystal grown above the active layer is in a plane Made is, ultraviolet nitride semiconductor light emitting element according to 3 below the number of wells of the active layer.
前記結晶成長の主面には、非極性面または半極性面が含まれる。 The main surface of the crystal growth includes a nonpolar surface or a semipolar surface.
前記非極性面には、m面またはa面が含まれる。 The nonpolar plane includes an m-plane or an a-plane.
前記半極性面には、{10−11}面、{10−12}面、或いは{11−22}面の内、いずれか1つが含まれる。 The semipolar plane includes any one of {10-11} plane, {10-12} plane, or {11-22} plane.
結晶成長の主面としてm面、{10−11}面、或いは{10−12}面の内、いずれか1つの面を選択した場合、a面をレーザ共振器の反射鏡として用いる。 When any one of the m-plane, {10-11} plane, or {10-12} plane is selected as the principal plane for crystal growth, the a-plane is used as the reflecting mirror of the laser resonator.
前記a面は、へき開面である。 The a-plane is a cleavage plane.
前記活性層は、単一井戸ないしは多重量子井戸構造を備え、前記AlXGa1-XN井戸層のAlNモル分率は30%以上60%以下であり、かつ、前記AlXGa1-XN障壁層のAlNモル分率と前記AlXGa1-XN井戸層のAlNモル分率の比は0.7以上である。 The active layer has a single well or multiple quantum well structure, and the Al X Ga 1-X N well layer has an AlN molar fraction of 30% to 60%, and the Al X Ga 1-X The ratio of the AlN mole fraction of the N barrier layer to the AlN mole fraction of the Al x Ga 1-x N well layer is 0.7 or more.
本発明の他の態様によれば、m面基板と、前記m面基板上に配置され,n型不純物をドープされたAlInN層と、前記AlInN層上に配置されたAl1-XInXN障壁層とAl1-XInXN井戸層からなる量子井戸構造を有するAl1-XInXN/Al1-XInXN活性層と、前記Al1-XInXN/Al1-XInXN活性層上に配置され,p型不純物をドープされたAlInN層とを備え、c軸が結晶成長の主面の法線方向から40°〜90°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面とし、光の電界成分Eが主にc軸と平行(E//c)なる偏光特性を示し、前記結晶成長面で結晶成長した前記活性層内に形成されるレーザ共振器の端面がa面で形成され、前記活性層の前記井戸数を3以下とする紫外線窒化物半導体発光素子が提供される。 According to another aspect of the present invention, an m-plane substrate, an AlInN layer disposed on the m-plane substrate and doped with an n-type impurity, and an Al 1-x In x N disposed on the AlInN layer. An Al 1 -X In X N / Al 1 -X In X N active layer having a quantum well structure including a barrier layer and an Al 1 -X In X N well layer, and the Al 1 -X In X N / Al 1- An AlInN layer disposed on an X In X N active layer and doped with a p-type impurity, and having a c-axis inclined within a range of 40 ° to 90 ° from a normal direction of a main surface of crystal growth the principal surface of the crystal growth, the electric field component of light E is shows a polarizing characteristic mainly made parallel to the c axis (E // c), the laser resonator formed in the active layer was grown by the crystal growth surface An ultraviolet nitride semiconductor light-emitting device is provided in which the end face of the vessel is formed as a-plane and the number of wells in the active layer is 3 or less .
前記活性層は、単一井戸ないしは多重量子井戸構造を備え、InNモル分率が5%以下である。 The active layer has a single well or multiple quantum well structure and has an InN molar fraction of 5% or less.
本発明の他の態様によれば、m面基板を準備する工程と、c軸が結晶成長の主面の法線方向から40°〜90°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面とし、前記m面基板上にn型不純物をドープされたAlGaN層を形成する工程と、前記AlGaN層上にAlXGa1-XN障壁層とAlXGa1-XN井戸層からなる量子井戸構造を有し前記活性層の前記井戸数を3以下とするようにAlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層を形成する工程と、前記AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層上にp型不純物をドープされたAlGaN層を形成する工程と、a面に沿ってレーザ共振器の反射面を形成する工程とを有する紫外線窒化物半導体発光素子の製造方法が提供される。 According to another aspect of the present invention, a step of preparing an m-plane substrate, and a surface on which the c-axis is inclined within a range of 40 ° to 90 ° from the normal direction of the main surface of crystal growth And a step of forming an AlGaN layer doped with an n-type impurity on the m-plane substrate, and a quantum comprising an Al x Ga 1-x N barrier layer and an Al x Ga 1-x N well layer on the AlGaN layer. forming a Al X Ga 1-X N / Al X Ga 1-X N active layer so as to have a well structure to the number of wells of the active layer 3 below, the Al X Ga 1-X N Nitride semiconductor light emitting process comprising: forming an AlGaN layer doped with a p-type impurity on an Al / Ga x Ga 1-x N active layer; and forming a reflecting surface of the laser resonator along the a-plane An element manufacturing method is provided.
前記a面に沿ってレーザ共振器の反射面を形成する工程は、へき開を有する。 The step of forming the reflection surface of the laser resonator along the a-plane has a cleavage.
前記n型不純物はSiであり、前記p型不純物はMgである。 The n-type impurity is Si, and the p-type impurity is Mg.
本発明によれば、六方晶系の非極性面(a面、m面)または半極性面で結晶成長させたAlGaN混晶と、活性層に用いたAlGaN結晶のAlとGaのモル分率を最適化させた量子井戸構造により、発光効率を向上させ、低しきい値電流密度で深紫外線波長のレーザ光を発生する、紫外線窒化物半導体発光素子およびその製造方法を提供することができる。 According to the present invention, the AlGaN mixed crystal grown on a hexagonal nonpolar plane (a-plane, m-plane) or semipolar plane, and the Al and Ga mole fractions of the AlGaN crystal used in the active layer are obtained. With the optimized quantum well structure, it is possible to provide an ultraviolet nitride semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same, which can improve the light emission efficiency and generate laser light having a deep ultraviolet wavelength with a low threshold current density.
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic and different from the actual ones. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。 Further, the embodiment described below exemplifies an apparatus and a method for embodying the technical idea of the present invention. The technical idea of the present invention is the arrangement of each component as described below. It is not something specific. The technical idea of the present invention can be variously modified within the scope of the claims.
[第1の実施の形態]
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子に適用するGaN層およびAlN層のバンドダイヤグラムの比較であって、図1(a)は、GaNのΓ点におけるバンドダイヤグラム、図1(b)は、AlNのΓ点におけるバンドダイヤグラムを示す。
[First embodiment]
FIG. 1 is a comparison of band diagrams of a GaN layer and an AlN layer applied to the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention. FIG. A band diagram, FIG. 1 (b), shows a band diagram at the Γ point of AlN.
III族窒化物半導体は、安定相として六方晶系のウルツ鉱型構造をとる。このため、価電子帯は、スピン−軌道分裂(Δso)に加え、結晶場分裂(Δcr)を生じる。その結果、無歪GaNの価電子帯は、図1(a)に示すように、高エネルギー側から順にΓ9V、Γu 7V、Γl 7Vの対称性を持つこととなる。 Group III nitride semiconductors have a hexagonal wurtzite structure as a stable phase. For this reason, the valence band causes crystal field splitting (Δcr) in addition to spin-orbit splitting (Δso). As a result, the valence band of unstrained GaN has symmetry of Γ 9V , Γ u 7V , Γ l 7V in order from the higher energy side, as shown in FIG.
各々のバンドから伝導帯(Γ7C)への遷移は、順にA遷移、B遷移、C遷移と呼ばれ、A、B遷移は光の電界ベクトルEと結晶の光学軸であるc軸が垂直(E⊥c)の時に、C遷移はEとc軸が平行(E//c)の時に、主に許容される。 Transitions from the respective bands to the conduction band (Γ 7C ) are called A transition, B transition, and C transition in this order, and the A and B transitions are perpendicular to the electric field vector E of light and the c axis that is the optical axis of the crystal ( When E⊥c), the C transition is mainly allowed when E and c-axis are parallel (E // c).
これに対し、無歪AlNでは、結晶場分裂Δcrが負のため、図1(b)に示すように、バンドオーダリングは高エネルギー側から順にΓu 7V、Γ9V、Γl 7Vとなる。この場合、A遷移は電界ベクトルEとc軸が平行(E//c)、B、C遷移は電界ベクトルEとc軸が垂直(E⊥c)の時に主に許容となる。 On the other hand, in the unstrained AlN, since the crystal field splitting Δcr is negative, the band ordering is Γ u 7V , Γ 9V , Γ l 7V in order from the higher energy side as shown in FIG. In this case, the A transition is mainly permitted when the electric field vector E and the c-axis are parallel (E // c), and the B and C transitions are mainly permitted when the electric field vector E and the c-axis are vertical (E⊥c).
これまでに、GaNのバンド端近傍の光学的特性に関する報告は数多くされており、例えば、励起子遷移エネルギーの歪依存性や、ΔsoやΔcrなどのバンドパラメータの実験値も報告されている(S. Chichibu, A. Shikanai, T. Azuhata, T. Sota, A. Kuramata, K. Horino, and S. Nakamura, Appl. Phys. Lett. 68, 3766 (1996)、および A. Shikanai, T. Azuhata, T. Sota, S. Chichibu, A. Kuramata, K. Horino, and S. Nakamura, J. Appl. Phys. 81, 417 (1996))。その一方で、AlNに対しては同様な報告はこれまでになされていない。 So far, there have been many reports on optical properties near the band edge of GaN. For example, strain dependence of exciton transition energy and experimental values of band parameters such as Δso and Δcr have been reported (S Chichibu, A. Shikanai, T. Azuhata, T. Sota, A. Kuramata, K. Horino, and S. Nakamura, Appl. Phys. Lett. 68, 3766 (1996), and A. Shikanai, T. Azuhata, T. Sota, S. Chichibu, A. Kuramata, K. Horino, and S. Nakamura, J. Appl. Phys. 81, 417 (1996)). On the other hand, no similar report has been made for AlN.
本発明者らは、c面サファイア基板上に成長したAlNにおける励起子遷移エネルギーの歪依存性を実験データとして集め、それらの理論フィッティングからAlNのバンドパラメータを初めて定量化した。それを基にして、GaNとAlNのデータの線形補間をすることによってAlXGa1-XN混晶のバンドパラメータを導き出し、価電子帯のバンドオーダリングのAlNモル分率xの依存性を得た。 The present inventors collected strain dependence of exciton transition energy in AlN grown on a c-plane sapphire substrate as experimental data, and quantified the band parameters of AlN for the first time from their theoretical fitting. Based on this, the band parameters of the Al x Ga 1-x N mixed crystal are derived by linear interpolation of the data of GaN and AlN, and the dependence of the band ordering of the valence band on the AlN mole fraction x is obtained. It was.
図2は、本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子に適用するAlXGa1-XN混晶の特性であって、図2(a)は、無歪みAlXGa1-XN混晶の価電子帯頂上のバンドオーダリングのAlNモル分率x依存性、図2(b)は、無歪みGaN基板上で面内に伸張歪みを受けたAlXGa1-XN混晶のc軸方向の歪みεzz(%)のAlNモル分率x依存性を示す。 Figure 2 is a characteristic of the Al X Ga 1-X N mixed crystal is applied to a UV nitride semiconductor light emitting device according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 (a), unstrained Al X FIG. 2 (b) shows the dependence of the band ordering on the top of the valence band of Ga 1-X N mixed crystal depending on the AlN molar fraction x. FIG. 2 (b) shows the Al X Ga 1− The dependence of the strain ε zz (%) in the c-axis direction of the XN mixed crystal on the AlN mole fraction x is shown.
図2において、E1、E2、E3は価電子帯頂上から伝導帯への遷移エネルギーを表している。GaNの場合、E1、E2、E3はA、B、C遷移エネルギーに相当する。また、δaは、AlGaN混晶の面内格子定数aの非線形項の係数を表す。 In FIG. 2, E 1 , E 2 and E 3 represent transition energies from the top of the valence band to the conduction band. In the case of GaN, E 1 , E 2 , and E 3 correspond to A, B, and C transition energies. Further, δ a represents the coefficient of the nonlinear term of the in-plane lattice constant a of the AlGaN mixed crystal.
図2に示すように、無歪みのAlXGa1-XN混晶では、AlNモル分率x=0.095、GaN上に成長した面内に伸張歪みを受けたAlXGa1-XN混晶では、x=0.032〜0.048を越えると、バンドオーダリングはΓ9V、Γu 7V、Γl 7VからΓu 7V、Γ9V、Γl 7Vへと入れ替わる。 As shown in FIG. 2, the Al X Ga 1-X N mixed crystal unstrained, AlN molar fraction x = 0.095, underwent tensile strain to the grown plane on GaN Al X Ga 1-X In N mixed crystal, when x = 0.032 to 0.048 is exceeded, the band ordering is switched from Γ 9V , Γ u 7V , Γ l 7V to Γ u 7V , Γ 9V , Γ l 7V .
図2(a)より明らかなように、基準線であるE1(Γ9)線とE2(Γ7)−E1(Γ9)線の交点(x=0.095)において、Γ9VとΓu 7Vが入れ替わる。 As is clear from FIG. 2A, at the intersection (x = 0.095) of the reference line E 1 (Γ 9 ) line and E 2 (Γ 7 ) −E 1 (Γ 9 ) line, Γ 9V And Γ u 7V are interchanged.
また、図2(b)において、δa=0(Å)の線は、混晶の面内格子定数aへ非線形効果を考慮しない場合の結果を表す。また、δa=−0.04(Å)の線は非線形効果を考慮した場合の結果を表す(B. T. Liou, S. H. Yen, and Y. K. Kuo, Appl. Phys. A 81, 1459 (2005))。 In FIG. 2B, the line δ a = 0 (Å) represents the result when the nonlinear effect is not considered in the in-plane lattice constant a of the mixed crystal. Moreover, the line of δ a = −0.04 (Å) represents the result when the nonlinear effect is considered (BT Liou, SH Yen, and YK Kuo, Appl. Phys. A 81, 1459 (2005)).
これらに対し、E2(Γ7)=E1(Γ9)線は、価電子帯頂上のバンドオーダリングが入れ替わる境界を表す。E2(Γ7)=E1(Γ9)線の上部はΓ9V、Γu 7V、Γl 7V、下部はΓu 7V、Γ9V、Γl 7Vとなる。それぞれ、x=0.032、x=0.048で、Γ9VとΓu 7Vが入れ替わる。 On the other hand, the E 2 (Γ 7 ) = E 1 (Γ 9 ) line represents the boundary where the band ordering at the top of the valence band is switched. The upper part of the E 2 (Γ 7 ) = E 1 (Γ 9 ) line is Γ 9V , Γ u 7V , Γ l 7V , and the lower part is Γ u 7V , Γ 9V , Γ l 7V . When x = 0.032 and x = 0.048, Γ 9V and Γ u 7V are interchanged.
そのため、AlNモル分率xが0.1以上のAlXGa1-XN混晶及びその量子井戸をLDの活性層に用いた場合、その発光は、電界ベクトルEとc軸が平行(E//c)の偏光特性を示す。 Therefore, if the AlN molar fraction x was used 0.1 or more Al X Ga 1-X N mixed crystal and a quantum well active layer of the LD, the light emission, the electric field vector E and the c-axis is parallel to (E // C) shows the polarization characteristics.
(基本素子構造)
図3は、本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子に適用する非極性面および半極性面について説明するための模式図である。
(Basic element structure)
FIG. 3 is a schematic diagram for explaining a nonpolar plane and a semipolar plane applied to the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention.
図3(a)は、III族窒化物半導体の結晶構造を示す模式図、図3(b)は、非極性面であるm面{1−100}およびa面{11−20}を説明するための模式図、図3(c)は、半極性面{10−11}を説明するための模式図、図3(d)は、半極性面{10−12}を説明するための模式図、図3(e)は、半極性面{11−22}を説明するための模式図をそれぞれ示す。 FIG. 3A is a schematic diagram showing the crystal structure of a group III nitride semiconductor, and FIG. 3B illustrates the m-plane {1-100} and the a-plane {11-20} which are nonpolar planes. FIG. 3C is a schematic diagram for explaining the semipolar surface {10-11}, and FIG. 3D is a schematic diagram for explaining the semipolar surface {10-12}. FIG. 3E is a schematic diagram for explaining the semipolar plane {11-22}.
図3(b)から明らかなように、m面に垂直なm軸方向<10−10>は、c軸方向<0001>に対して角度θ=90°をなす。また、a面{11−20}とc軸は平行であり、a面{11−20}に垂直なa軸方向<11−20>は、c軸方向<0001>に対して90°をなす。 As apparent from FIG. 3B, the m-axis direction <10-10> perpendicular to the m-plane forms an angle θ = 90 ° with respect to the c-axis direction <0001>. The a-plane {11-20} and c-axis are parallel, and the a-axis direction <11-20> perpendicular to the a-plane {11-20} forms 90 ° with respect to the c-axis direction <0001>. .
図3(c)から明らかなように、半極性面{10−11}に垂直な<10−11>方向は、c軸方向<0001>に対して角度θ=62°をなす。 As apparent from FIG. 3C, the <10-11> direction perpendicular to the semipolar plane {10-11} forms an angle θ = 62 ° with respect to the c-axis direction <0001>.
図3(d)から明らかなように、半極性面{10−12}に垂直な<10−12>方向は、c軸方向<0001>に対して角度θ=43°をなす。 As is clear from FIG. 3D, the <10-12> direction perpendicular to the semipolar plane {10-12} forms an angle θ = 43 ° with respect to the c-axis direction <0001>.
図3(e)から明らかなように、半極性面{10−22}に垂直な<10−22>方向は、c軸方向<0001>に対して角度θ=58°をなす。 As is clear from FIG. 3E, the <10-22> direction perpendicular to the semipolar plane {10-22} forms an angle θ = 58 ° with respect to the c-axis direction <0001>.
図4は、本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子の模式的鳥瞰図であって、同時にm面GaN基板10上へMQW構成のAlGaN/AlGaN活性層16を形成したLDの概念図を示す。 FIG. 4 is a schematic bird's-eye view of the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention. At the same time, an LDW in which an AlGaN / AlGaN active layer 16 having an MQW structure is formed on an m-plane GaN substrate 10. The conceptual diagram of is shown.
本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子は、図4に示すように、m面基板10と、m面基板10上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaN層(12,14)と、AlGaN層(12,14)上に配置され,AlXGa1-XN障壁層とAlXGa1-XN井戸層からなる量子井戸構造を有するAlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16と、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaN層(18,20)とを備え、図3(b)乃至図3(e)に示すように、c軸が結晶成長の主面の法線方向から40°〜90°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面とし、光の電界成分Eが主にc軸と平行(E//c)なる偏光特性を示すことを特徴とする。 As shown in FIG. 4, the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention includes an m-plane substrate 10 and an AlGaN layer disposed on the m-plane substrate 10 and doped with an n-type impurity. (12, 14) and an Al x Ga 1- having a quantum well structure which is disposed on the AlGaN layer (12, 14) and includes an Al x Ga 1-x N barrier layer and an Al x Ga 1-x N well layer. X and N / Al X Ga 1-X N active layer 16, Al X Ga 1-X N / Al X Ga is placed on 1-X N active layer 16, AlGaN layer doped with p-type impurities (18, 20), and as shown in FIGS. 3 (b) to 3 (e), a crystal whose c-axis is inclined within a range of 40 ° to 90 ° from the normal direction of the main surface of crystal growth And an electric field component E of light mainly exhibits a polarization characteristic parallel to the c axis (E // c).
ここで、図3(d)の例では、半極性面{10−12}に垂直な<10−12>方向は、c軸方向<0001>に対して角度θ=43°をなすが、実際に結晶成長面を構成する場合には、プラス/マイナス約3°程度のオフ角面を適用して所望の結晶成長速度と表面モフォロジーを確保している。 Here, in the example of FIG. 3D, the <10-12> direction perpendicular to the semipolar plane {10-12} forms an angle θ = 43 ° with respect to the c-axis direction <0001>. When a crystal growth plane is formed, an off-angle plane of about 3 ° plus / minus is applied to ensure a desired crystal growth rate and surface morphology.
従って、本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、c軸が結晶成長の主面の法線方向から40°〜90°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面としている。 Therefore, in the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention, the crystal growth is performed on a plane in which the c-axis is inclined within a range of 40 ° to 90 ° from the normal direction of the main surface of crystal growth. The main surface.
また、本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、図3(b)乃至図3(e)に示すように、結晶成長の主面には、非極性面または半極性面が含まれることを特徴とする。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 3B to 3E, the main surface of crystal growth is a nonpolar plane or A semipolar plane is included.
また、本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、図3(b)に示すように、非極性面には、m面またはa面が含まれることを特徴とする。 Further, in the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention, as shown in FIG. 3B, the nonpolar surface includes an m-plane or a-plane. To do.
また、本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、図3(c)乃至図3(e)に示すように、半極性面には、{10−11}面、{10−12}面、或いは{11−22}面の内、いずれか1つが含まれることを特徴とする。 Further, in the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 3C to 3E, the semipolar plane has a {10-11} plane. , {10-12} plane, or {11-22} plane, any one of them is included.
また、本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、結晶成長の主面としてm面、{10−11}面、或いは{10−12}面の内、いずれか1つの面を選択した場合、a面を共振器の反射鏡として用いることを特徴とする。 Further, in the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention, any one of the m-plane, {10-11} plane, and {10-12} plane as the main surface for crystal growth. When one plane is selected, the a plane is used as a reflector of the resonator.
すなわち、図3(b)乃至図3(e)に示すように、結晶成長の主面としてm面、{10−11}面、或いは{10−12}面のいずれの面を選択した場合においても、図4に示すストライプ構造からなるレーザ共振器の端面は、a面となる。 That is, as shown in FIGS. 3B to 3E, when any of the m-plane, {10-11} plane, and {10-12} plane is selected as the main plane of crystal growth. However, the end face of the laser resonator having the stripe structure shown in FIG.
本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、m面基板10を使用し、c軸が結晶成長の主面の法線方向から40°〜90°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面として用いた場合、いずれの面を結晶成長の主面として選択した場合においても、図4に示すストライプ構造からなるレーザ共振器の端面は、a面となる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention, the m-plane substrate 10 is used, and the c-axis is within the range of 40 ° to 90 ° from the normal direction of the main surface of crystal growth. When an inclined surface is used as the main surface for crystal growth, the end surface of the laser resonator having the stripe structure shown in FIG. 4 is the a-plane regardless of which surface is selected as the main surface for crystal growth.
また、本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、a面は、へき開面であることを特徴とする。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention, the a-plane is a cleavage plane.
また、本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、活性層は、単一井戸ないしは多重量子井戸構造を備え、AlXGa1-XN井戸層のAlNモル分率は30%以上60%以下であり、かつ、AlXGa1-XN障壁層のAlNモル分率とAlXGa1-XN井戸層のAlNモル分率の比は0.7以上であることを特徴とする。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention, the active layer has a single well or multiple quantum well structure, and the AlN mole content of the Al x Ga 1 -xN well layer. The ratio is 30% or more and 60% or less, and the ratio of the AlN mole fraction of the Al X Ga 1-X N barrier layer to the AlN mole fraction of the Al X Ga 1-X N well layer is 0.7 or more. It is characterized by being.
(詳細素子構造)
本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子は、図4に示すように、m面GaN基板10と、m面GaN基板10上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaNクラッド層12と、AlGaNクラッド層12上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaN導波層14と、AlGaN導波層14上に配置され,AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16と、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaN導波層18と、AlGaN導波層18上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaNクラッド層20と、AlGaNクラッド層20に配置され,p型不純物をドープされたAlGaNコンタクト層22と、AlGaNコンタクト層22上に配置されAlGaNコンタクト層22とオーミック接触するp側電極26と、p側電極26と対向してm面GaN基板10上に配置され,m面GaN基板10とオーミック接触するn側電極24とを備え、c軸が結晶成長の主面の法線方向から40°〜90°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面とし、光の電界成分Eが主にc軸と平行(E//c)なる偏光特性を示すことを特徴とする。
(Detailed element structure)
As shown in FIG. 4, the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention is disposed on an m-plane GaN substrate 10 and the m-plane GaN substrate 10 and is doped with an n-type impurity. AlGaN cladding layer 12, AlGaN waveguide layer 14 disposed on AlGaN cladding layer 12 and doped with n-type impurities, AlGaN waveguide layer 14, Al X Ga 1-X N / Al X Ga A 1-X N active layer 16; an AlGaN waveguide layer 18 disposed on the Al X Ga 1-X N / Al X Ga 1-X N active layer 16 and doped with a p-type impurity; and an AlGaN waveguide layer 18 is disposed on the AlGaN cladding layer 20 doped with p-type impurities, the AlGaN contact layer 22 disposed on the AlGaN cladding layer 20 and doped with p-type impurities, and disposed on the AlGaN contact layer 22. A p-side electrode 26 that is in ohmic contact with the AlGaN contact layer 22; an n-side electrode 24 that is disposed on the m-plane GaN substrate 10 so as to face the p-side electrode 26 and is in ohmic contact with the m-plane GaN substrate 10; A surface whose axis is inclined within a range of 40 ° to 90 ° from the normal direction of the main surface of crystal growth is a main surface of crystal growth, and an electric field component E of light is mainly parallel to the c-axis (E // c) It is characterized by exhibiting the following polarization characteristics.
結晶成長の主面には、非極性面または半極性面が含まれる。 The main surface of crystal growth includes a nonpolar surface or a semipolar surface.
非極性面には、m面またはa面が含まれる。 The nonpolar plane includes an m-plane or a-plane.
半極性面には、{10−11}面、{10−12}面、或いは{11−22}面の内、いずれか1つが含まれる。 The semipolar plane includes any one of {10-11} plane, {10-12} plane, and {11-22} plane.
結晶成長の主面としてm面、{10−11}面、或いは{10−12}面の内、いずれか1つの面を選択した場合、a面を共振器の反射鏡として用いる。 When any one of the m-plane, {10-11} plane, or {10-12} plane is selected as the principal plane for crystal growth, the a-plane is used as the reflector of the resonator.
a面は、へき開面であることを特徴とする。 The a-plane is a cleavage plane.
活性層16は、単一井戸ないしは多重量子井戸構造を備え、AlXGa1-XN井戸層のAlNモル分率は30%以上60%以下であり、かつ、AlXGa1-XN障壁層のAlNモル分率とAlXGa1-XN井戸層のAlNモル分率の比は0.7以上である。 Active layer 16 has a single well or multiple quantum well structure, Al X Ga 1-X AlN molar fraction of N well layer is 60% or less than 30% and, Al X Ga 1-X N barrier the ratio of the AlN molar fraction of AlN molar fraction of the layer and Al X Ga 1-X N well layer is 0.7 or more.
図4においては、AlGaNコンタクト層22およびAlGaNクラッド層20の一部分をストライプ形状に反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)などのエッチング技術を用いて除去し、リッジストライプ構造を形成している。すなわち、p型AlGaNクラッド層20の一部およびp型AlGaNコンタクト層22には、横モード制御のため、ドライエッチングにより、a軸に沿ってリッジ構造が形成される。このようなリッジストライプ構造を有するAlGaNコンタクト層22上には、p側電極26が配置されて、分離閉じ込め型の構造となっている。 In FIG. 4, a part of the AlGaN contact layer 22 and the AlGaN cladding layer 20 is removed in a stripe shape by using an etching technique such as reactive ion etching (RIE) to form a ridge stripe structure. That is, a part of the p-type AlGaN cladding layer 20 and the p-type AlGaN contact layer 22 have a ridge structure along the a-axis by dry etching for lateral mode control. On the AlGaN contact layer 22 having such a ridge stripe structure, a p-side electrode 26 is disposed to form a separate confinement type structure.
p側電極26は、a軸に沿うストライプ状の領域に形成され、ストライプ方向に沿って共振器が形成されており、端面はa面になっている。 The p-side electrode 26 is formed in a stripe-shaped region along the a-axis, a resonator is formed along the stripe direction, and an end surface is an a-plane.
GaNのa面は良好なへき開性を示すため、本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体レーザダイオードにおいては、端面における反射ロスを低減し、しきい値電流密度を低減させることができる。 Since the a-plane of GaN exhibits good cleavage properties, in the ultraviolet nitride semiconductor laser diode according to the first embodiment of the present invention, the reflection loss at the end face is reduced and the threshold current density is reduced. Can do.
図4に示すLDは、n型導電性を示す自立m面GaNを基板として用い、裏面にn側電極を形成している。m面SiCやr面サファイアなどの絶縁性基板を用いた場合は、m面基板10とn型AlGaNクラッド層12の間にn型AlGaNコンタクト層を挿入し、メサ構造を作製した後に、n型AlGaNコンタクト層上にn側電極24を形成しても良い。 The LD shown in FIG. 4 uses free-standing m-plane GaN exhibiting n-type conductivity as a substrate, and an n-side electrode is formed on the back surface. When an insulating substrate such as m-plane SiC or r-plane sapphire is used, an n-type AlGaN contact layer is inserted between the m-plane substrate 10 and the n-type AlGaN cladding layer 12 to produce a mesa structure, and then an n-type The n-side electrode 24 may be formed on the AlGaN contact layer.
また、GaNm面基板10での紫外線光の吸収を回避するため、自立AlNやAlGaN基板を用いてもよい。自立m面GaN基板のオフ角は、例えば、約プラス/マイナス1°以内とする。 In order to avoid absorption of ultraviolet light by the GaN m-plane substrate 10, a self-supporting AlN or AlGaN substrate may be used. The off-angle of the free-standing m-plane GaN substrate is, for example, within about plus / minus 1 °.
p型AlGaNコンタクト層22は、p側電極26とのオーミックコンタクトをとるための低抵抗層である。p型ドーパントとしてのMgを高濃度にドープ(ドーピング濃度は、例えば、約3×1019 cm-3程度)することによってp型AlGaNコンタクト層22を形成することができる。 The p-type AlGaN contact layer 22 is a low resistance layer for making ohmic contact with the p-side electrode 26. The p-type AlGaN contact layer 22 can be formed by doping Mg as a p-type dopant at a high concentration (doping concentration is about 3 × 10 19 cm −3 , for example).
n型AlGaNクラッド層12およびp型AlGaNクラッド層20は、AlGaN/AlGaN活性層16からの光を閉じ込めるための層である。 The n-type AlGaN cladding layer 12 and the p-type AlGaN cladding layer 20 are layers for confining light from the AlGaN / AlGaN active layer 16.
厚さは、例えば、約1μm程度とし、n型ドーパントとしてはSi(ドーピング濃度は、例えば、約1×1018 cm-3)、p型ドーパントとしてはMg(ドーピング濃度は、例えば、約1×1019 cm-3)をドープすることによって、n型AlGaNクラッド層12およびp型AlGaNクラッド層20を形成することができる。 The thickness is, for example, about 1 μm, the n-type dopant is Si (doping concentration is, for example, about 1 × 10 18 cm −3 ), and the p-type dopant is Mg (the doping concentration is, for example, about 1 × By doping 10 19 cm −3 ), the n-type AlGaN cladding layer 12 and the p-type AlGaN cladding layer 20 can be formed.
n型AlGaNクラッド層12およびp型AlGaNクラッド層20は、AlGaN導波層14よりもバンドギャップエネルギーを大きくすることにより、良好な光閉じ込めを行うことができる。 The n-type AlGaN cladding layer 12 and the p-type AlGaN cladding layer 20 can perform good optical confinement by making the band gap energy larger than that of the AlGaN waveguide layer 14.
n型AlGaN導波層14およびp型AlGaN導波層18は、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16にキャリア(電子および正孔)を閉じ込めるための層である。n型AlGaN導波層14およびp型AlGaN導波層18の厚さは、例えば、約0.1μm程度とし、n型ドーパントとしてはSi(ドーピング濃度は、例えば、約1×1018 cm-3程度)、p型ドーパントとしてはMg(ドーピング濃度は、例えば、約5×1018 cm-3程度)をドープすることによって、n型AlGaNクラッド層12およびp型AlGaNクラッド層20を形成することができる。 The n-type AlGaN waveguide layer 14 and the p-type AlGaN waveguide layer 18 are layers for confining carriers (electrons and holes) in the Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer 16. . The thicknesses of the n-type AlGaN waveguide layer 14 and the p-type AlGaN waveguide layer 18 are, for example, about 0.1 μm, and the n-type dopant is Si (doping concentration is, for example, about 1 × 10 18 cm −3. The n-type AlGaN cladding layer 12 and the p-type AlGaN cladding layer 20 can be formed by doping Mg as a p-type dopant (doping concentration is about 5 × 10 18 cm −3 , for example). it can.
AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16は、AlXGa1-XN井戸層(例えば3nm厚)とAlXGa1-XN障壁層(例えば、9nm厚) を複数周期積層して構成される。活性層体積を減らし、しきい値電流密度低減を図るため井戸数は3以下とする。 The Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer 16 includes an Al x Ga 1-x N well layer (eg, 3 nm thick) and an Al x Ga 1-x N barrier layer (eg, 9 nm thick). Is formed by laminating a plurality of periods. In order to reduce the volume of the active layer and reduce the threshold current density, the number of wells is set to 3 or less.
p側電極26と、p側電極26と対向してm面GaN基板10上に配置されるn側電極24との間に順方向バイアス電圧を印加し、順方向電流を導通することで、AlGaN/AlGaN活性層16に電流が注入されて、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16内にレーザ共振器が形成される。レーザ共振器の端面は、へき開で形成されたa面で構成され、レーザ共振器の長手方向はリッジストライプ形状に沿って形成される。このように、p側電極26と、p側電極26と対向してm面GaN基板10上に配置されるn側電極24との間のAlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16内に形成されるレーザ共振器がゲイン構造を構成している。 A forward bias voltage is applied between the p-side electrode 26 and the n-side electrode 24 disposed on the m-plane GaN substrate 10 so as to face the p-side electrode 26, thereby conducting a forward current. A current is injected into the / AlGaN active layer 16 to form a laser resonator in the Al X Ga 1 -X N / Al X Ga 1 -X N active layer 16. The end face of the laser resonator is composed of a-plane formed by cleavage, and the longitudinal direction of the laser resonator is formed along a ridge stripe shape. Thus, the Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x between the p-side electrode 26 and the n-side electrode 24 disposed on the m-plane GaN substrate 10 so as to face the p-side electrode 26. A laser resonator formed in the N active layer 16 constitutes a gain structure.
AlGaNクラッド層12およびAlGaNクラッド層20は、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16へのキャリアの閉じ込め効果を備える。 The AlGaN clad layer 12 and the AlGaN clad layer 20 have a carrier confinement effect on the Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer 16.
また、AlGaN導波層14およびAlGaN導波層18は、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16への光の閉じ込め効果を備える。 The AlGaN waveguide layer 14 and the AlGaN waveguide layer 18 have a light confinement effect on the Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer 16.
本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子から出射されるレーザ光は、図4中の実線で示すように、電界ベクトル成分Eがc軸[0001]に平行なE//cの偏光特性を有するTEモードの偏波特性を示す。通常、へき開共振器LDでは、TEモードを導波させるため、本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、効率的な導波性能を示し、しきい値電流密度を低下させることができる。この結果、発光効率を向上させ、低しきい値電流密度で深紫外線波長のレーザ光を発生することができる。 As shown by the solid line in FIG. 4, the laser beam emitted from the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention has an electric field vector component E that is parallel to the c-axis [0001]. The polarization characteristic of the TE mode having the polarization characteristic of / c is shown. Since the cleavage resonator LD normally guides the TE mode, the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention exhibits an efficient waveguide performance and has a threshold current density. Can be reduced. As a result, it is possible to improve the light emission efficiency and generate laser light having a deep ultraviolet wavelength at a low threshold current density.
(比較例)
図5は、本発明の比較例に係る紫外線窒化物半導体発光素子の模式的鳥瞰図であって、c面GaN基板100上へMQW構成のAlGaN/AlGaN活性層160を形成したLDの概念図を示す。図5は、波長405nmの青紫色LDの構造に対応している。
(Comparative example)
FIG. 5 is a schematic bird's-eye view of an ultraviolet nitride semiconductor light-emitting device according to a comparative example of the present invention, and shows a conceptual diagram of an LD in which an AlGaN / AlGaN active layer 160 having an MQW structure is formed on a c-plane GaN substrate 100. . FIG. 5 corresponds to a blue-violet LD structure having a wavelength of 405 nm.
本発明の比較例に係る紫外線窒化物半導体発光素子は、図5に示すように、c面GaN基板100と、c面GaN基板100上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaNクラッド層120と、AlGaNクラッド層120上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaN導波層140と、AlGaN導波層140上に配置され,MQW構成のAlGaN/AlGaN活性層160と、AlGaN/AlGaN活性層160上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaN導波層180と、AlGaN導波層180上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaNクラッド層200と、AlGaNクラッド層200に配置され,p型不純物をドープされたAlGaNコンタクト層220と、AlGaNコンタクト層220上に配置され,AlGaNコンタクト層220とオーミック接触するp側電極260と、p側電極260と対向してc面GaN基板100上配置され,c面GaN基板100とオーミック接触するn側電極240とを備える。 As shown in FIG. 5, the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the comparative example of the present invention is arranged on a c-plane GaN substrate 100 and an AlGaN cladding layer 120 arranged on the c-plane GaN substrate 100 and doped with n-type impurities. An AlGaN waveguide layer 140 disposed on the AlGaN cladding layer 120 and doped with an n-type impurity; an AlGaN / AlGaN active layer 160 having an MQW configuration disposed on the AlGaN waveguide layer 140; and an AlGaN / AlGaN active layer AlGaN waveguide layer 180 disposed on layer 160 and doped with p-type impurities, AlGaN cladding layer 200 disposed on AlGaN waveguide layer 180 and doped with p-type impurities, and disposed on AlGaN cladding layer 200 And p-type impurity doped AlGaN contact layer 220 and AlGaN contact layer 220 A p-side electrode 260 disposed in ohmic contact with the AlGaN contact layer 220, and an n-side electrode 240 disposed on the c-plane GaN substrate 100 facing the p-side electrode 260 and in ohmic contact with the c-plane GaN substrate 100. .
図5においても、リッジストライプ構造を形成している。 Also in FIG. 5, a ridge stripe structure is formed.
p側電極260と、p側電極260と対向してc面GaN基板100上に配置されるn側電極240との間に順方向バイアス電圧を印加し、順方向電流を導通することで、AlGaN/AlGaN活性層160に電流が注入されて、AlGaN/AlGaN活性層160内にレーザ共振器が形成される。レーザ共振器の端面は、m面で構成され、レーザ共振器の長手方向はリッジストライプ形状に沿ってm軸方向に形成される。このように、p側電極260と、p側電極260と対向してm面GaN基板100上に配置されるn側電極240との間のAlGaN/AlGaN活性層160内に形成されるレーザ共振器がゲイン構造を構成している。 A forward bias voltage is applied between the p-side electrode 260 and the n-side electrode 240 disposed on the c-plane GaN substrate 100 so as to face the p-side electrode 260, thereby conducting forward current. A current is injected into the / AlGaN active layer 160 to form a laser resonator in the AlGaN / AlGaN active layer 160. The end face of the laser resonator is an m-plane, and the longitudinal direction of the laser resonator is formed in the m-axis direction along the ridge stripe shape. As described above, the laser resonator formed in the AlGaN / AlGaN active layer 160 between the p-side electrode 260 and the n-side electrode 240 disposed on the m-plane GaN substrate 100 so as to face the p-side electrode 260. Constitutes a gain structure.
本発明の比較例に係る紫外線窒化物半導体発光素子から出射されるレーザ光は、図5中の点線で示すように、電界ベクトル成分Eがc軸に平行なE//cの偏光特性を有する発光は、TMモードの偏波特性を備える。通常、へき開共振器LDでは、TEモードを導波させるため、それが許容されるバンドまでキャリアを満たさないと発振に至らないので、本発明の比較例に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、しきい値電流密度の増加は避けられない。 The laser light emitted from the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the comparative example of the present invention has an E // c polarization characteristic in which the electric field vector component E is parallel to the c-axis, as indicated by the dotted line in FIG. The light emission has TM mode polarization characteristics. Usually, in the cleavage resonator LD, since the TE mode is guided, the carrier does not oscillate unless the carrier is filled up to the allowable band. Therefore, in the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the comparative example of the present invention, An increase in threshold current density is inevitable.
(共振器ミラー面と導波モード)
図6(a)は、c面を共振器ミラー面28a,28bとして用いた場合の導波モードを表す図であり、図6(b)は、a面を共振器ミラー面30a,30bとして用いた場合の導波モードを表す図である。図6(a)の例では、図6(a)中の実線で示されるように、電界ベクトル成分Eがc軸に垂直なE⊥cの偏光特性を有する光がTEモードの導波特性を示す。これに対して、図6(b)の例では、図6(b)中の実線で示されるように、電界ベクトル成分Eがc軸に平行なE//cの偏光特性を有する光がTEモードの導波特性を示す。
(Resonator mirror surface and guided mode)
FIG. 6A is a diagram showing a waveguide mode when the c-plane is used as the resonator mirror surfaces 28a and 28b, and FIG. 6B is used for the a-plane as the resonator mirror surfaces 30a and 30b. It is a figure showing the waveguide mode in the case of being. In the example of FIG. 6A, as indicated by the solid line in FIG. 6A, the light having the polarization characteristic of E⊥c in which the electric field vector component E is perpendicular to the c-axis is TE mode waveguide characteristics. Indicates. On the other hand, in the example of FIG. 6B, as indicated by the solid line in FIG. 6B, the light having the polarization characteristic of E // c in which the electric field vector component E is parallel to the c axis is TE. The wave guide characteristics of the mode are shown.
図6(b)に示すように、共振器ミラー面28a,28bをa面で形成すると、E//cの偏光特性をもつ光は導波路に対してTEモードの偏波特性を示すため、効率的な光導波が可能となる。同様に、共振器ミラー面28a,28bをm面で形成すると、E//cの偏光特性をもつ光は導波路に対してTEモードの偏波特性を示すため、効率的な光導波が可能となる。 As shown in FIG. 6B, when the resonator mirror surfaces 28a and 28b are formed of the a-plane, the light having the polarization characteristic of E // c shows the polarization characteristic of the TE mode with respect to the waveguide. Efficient optical waveguide is possible. Similarly, when the resonator mirror surfaces 28a and 28b are formed with an m-plane, light having the polarization characteristic of E // c exhibits TE-mode polarization characteristics with respect to the waveguide. It becomes possible.
そこで、本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子では、非極性面(a面、m面)または半極性面成長を行ったAlGaN/AlGaN MQWを活性層として採用する。これにより、図6(b)に示すように、共振器ミラー面30a,30bをa面あるいはm面で形成すると、E//cの偏光特性をもつ光は導波路に対してTEモードの偏波特性を示すため、効率的な光導波が可能となる。 Therefore, in the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention, AlGaN / AlGaN MQW subjected to nonpolar plane (a plane, m plane) or semipolar plane growth is employed as the active layer. As a result, as shown in FIG. 6B, when the resonator mirror surfaces 30a and 30b are formed by the a-plane or the m-plane, the light having the polarization characteristic of E // c is not polarized in the TE mode with respect to the waveguide. Since the wave characteristic is shown, efficient optical waveguide is possible.
これに加えて、図4および図6(b)に示すように、分極の生じる方向であるc軸が量子井戸面内にあるため、量子井戸の上下の界面に固定電荷が発生せず、内部電界効果を低減することができる。 In addition to this, as shown in FIG. 4 and FIG. 6B, since the c-axis, which is the direction in which polarization occurs, is in the quantum well plane, no fixed charges are generated at the upper and lower interfaces of the quantum well. The field effect can be reduced.
さらに、GaNはa面でへき開され易いため、m面成長を行ってa面を反射鏡として共振器を設ける方が歩留まり向上の観点から有利である。 Furthermore, since GaN is easily cleaved at the a-plane, it is advantageous from the viewpoint of improving yield to perform m-plane growth and provide a resonator with the a-plane as a reflecting mirror.
以上の三つの理由によって、本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、しきい値電流密度の低減化を図ることができる。 For the above three reasons, the threshold current density can be reduced in the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention.
図4では、m面成長させるために自立m面GaNを基板として用いているが、m面SiCや、(100)面LiAlO2などを異種基板として用いてもよい。また、a面成長させるためにr面サファイアなどを基板として用いてもよい。 In FIG. 4, free-standing m-plane GaN is used as a substrate for m-plane growth, but m-plane SiC, (100) plane LiAlO 2, or the like may be used as a heterogeneous substrate. Further, r-plane sapphire or the like may be used as a substrate for a-plane growth.
半極性面とは、図3(c)乃至図3(e)に示すように、c面と非極性面(a面、m面)の間の傾斜した面を意味する。この面を利用する場合は、E//cの偏光特性をもつ光が優先的にTEモードの偏波特性をもつように、c軸が、量子井戸面の法線方向に対してm軸(またはa軸)方向に例えば、約40°〜90°の範囲内で傾いた面を選択する。例えば、{10−11}面、{10−12}面、{11−22}面などである。 The semipolar plane means an inclined plane between the c plane and the nonpolar plane (a plane, m plane) as shown in FIGS. 3 (c) to 3 (e). When this surface is used, the c-axis is the m-axis with respect to the normal direction of the quantum well surface so that light having the polarization characteristic of E // c preferentially has the polarization characteristic of the TE mode. For example, a plane inclined in the range of about 40 ° to 90 ° in the (or a-axis) direction is selected. For example, {10-11} plane, {10-12} plane, {11-22} plane, etc.
(AlXGa1-XN井戸層のAlNモル分率)
図18(a)は、本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子におけるレーザ光の発振波長とAlNモル分率xとの関係を示す。また、図18(b)は、本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子におけるバンドギャップエネルギーとAlXGa1-XN井戸層のAlNモル分率xとの関係を示す。ここで、バンドギャップエネルギーEg(x)は、次式で表すことができる(T. Onuma, S. F. Chichibu et al., JAP 95, 2495(2004))。
(AlN mole fraction of Al x Ga 1-x N well layer)
FIG. 18A shows the relationship between the oscillation wavelength of the laser beam and the AlN molar fraction x in the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 18B shows the relationship between the band gap energy and the AlN molar fraction x of the Al x Ga 1-x N well layer in the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention. Show. Here, the band gap energy Eg (x) can be expressed by the following equation (T. Onuma, SF Chichibu et al., JAP 95, 2495 (2004)).
Eg(x)=6.04x+3.412(1−x)−0.82x(1−x) (1)
波長300nmで発光させる場合は、AlXGa1-XN井戸層のAlNモル分率xを0.3、波長285nmで発光させる場合はAlXGa1-XN井戸層のAlNモル分率xを0.4、波長270nmで発光させる場合はAlXGa1-XN井戸層のAlNモル分率xを0.5とする。
Eg (x) = 6.04x + 3.412 (1-x) −0.82x (1-x) (1)
When emitting light at a wavelength of 300 nm, the AlN molar fraction x of the Al x Ga 1-X N well layer is 0.3, and when emitting light at a wavelength of 285 nm, the AlN molar fraction x of the Al x Ga 1-X N well layer When the light is emitted at a wavelength of 270 nm, the AlN molar fraction x of the Al x Ga 1-x N well layer is set to 0.5.
(AlXGa1-XN障壁層のAlNモル分率)
これらに対し、AlXGa1-XN障壁層のAlNモル分率xは、AlXGa1-XN井戸層への過大な圧縮歪みを回避するべく、以下の手順で設計する。
(AlN mole fraction of Al x Ga 1-x N barrier layer)
These contrast, AlN molar fraction x of Al X Ga 1-X N barrier layer, in order to avoid excessive compressive strain to Al X Ga 1-X N well layer is designed by the following procedure.
図7は、無歪みAlXGa1-XN障壁層の上に積層したAlXGa1-XN井戸層に発生するc軸方向の歪みεzz(%)の、AlXGa1-XN障壁層のAlNモル分率x依存性を示す。 Figure 7 is unstrained Al X Ga 1-X N strain in the c-axis direction generated in the Al X Ga 1-X N well layer laminated on the barrier layer epsilon zz of (%), Al X Ga 1 -X The AlN mole fraction x dependence of N barrier layer is shown.
結果は、図2で得られた結果を基に導き出したものである。図7中において交差する直線は、価電子帯頂上のバンドオーダリングが入れ替わる境界を表す。 The results are derived based on the results obtained in FIG. In FIG. 7, the intersecting straight lines represent boundaries where band ordering on the top of the valence band is switched.
図7中において交差する直線の上部は、Γ9V、Γu 7V、Γl 7V、下部は、Γu 7V、Γ9V、Γl 7Vとなる。例えば、AlXGa1-XN井戸層がx=0.4の時、AlXGa1-XN障壁層がx>0.56で面内への圧縮歪みにより、Γu 7V、Γ9V、Γl 7VであったバンドオーダリングがΓu 7V、Γ9V、Γl 7VからΓ9V、Γu 7V、Γl 7Vへ入れ替わる。 In FIG. 7, the upper part of the intersecting straight lines is Γ 9V , Γ u 7V , Γ l 7V , and the lower part is Γ u 7V , Γ 9V , Γ l 7V . For example, when the Al x Ga 1-x N well layer is x = 0.4, the Al x Ga 1-x N barrier layer is x> 0.56 and compressive strain into the plane causes Γ u 7V , Γ 9V , Γ l 7V , band ordering is switched from Γ u 7V , Γ 9V , Γ l 7V to Γ 9V , Γ u 7V , Γ l 7V .
このため、発光の電界成分Eはa軸に平行な偏光方向となり、本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子において得られるE//cの偏光特性をもつ発光が得られなくなってしまう。 For this reason, the electric field component E of light emission becomes a polarization direction parallel to the a axis, and light emission having the polarization characteristic of E // c obtained in the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention is obtained. It will not be possible.
以上の理由から、AlXGa1-XN井戸層のAlNモル分率xを0.3、0.4、0.5とする場合は、AlXGa1-XN障壁層のAlNモル分率を0.41、0.56、0.71以下とする。 For the above reasons, when the AlN mole fraction x of the Al x Ga 1-x N well layer is 0.3, 0.4, 0.5, the AlN mole fraction of the Al x Ga 1-x N barrier layer The rate is 0.41, 0.56, 0.71 or less.
n側電極24は、例えば、Ti/Al合金からなり、p側電極26は、例えば、Al金属、Pd/Au合金からなり、それぞれn型GaN基板10、p型AlGaNコンタクト層22にオーミック接触される。 The n-side electrode 24 is made of, for example, a Ti / Al alloy, and the p-side electrode 26 is made of, for example, an Al metal or a Pd / Au alloy, and is in ohmic contact with the n-type GaN substrate 10 and the p-type AlGaN contact layer 22, respectively. The
(MQWの井戸数)
図19は、GaN/InGaN青紫LDの一構造を例とする正孔密度と距離の関係を示す図であって、MQW活性層への不均一な正孔分布を説明する図である(K. Domen et al., MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 3, 2(1988))。また、図20は、GaN/InGaN青紫LDの別の構造を例とする正孔密度と距離の関係を示す図であって、MQW活性層への不均一な正孔分布を説明する図である(J. Y. Chang et al., JAP 93, 4992(2003))。また、図21は、GaN/InGaN青紫LDにおける閾値電流密度J(kA/cm2 )とInGaN井戸数の関係を示す図である(S. Nakamura et al., JJAP 37, L1020 (1998))。
(Number of wells in MQW)
FIG. 19 is a diagram showing the relationship between the hole density and the distance, taking an example of one structure of a GaN / InGaN blue-violet LD, and explaining the non-uniform hole distribution in the MQW active layer (K. Domen et al., MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 3, 2 (1988)). FIG. 20 is a diagram illustrating the relationship between the hole density and the distance, taking another structure of GaN / InGaN blue-violet LD as an example, and is a diagram illustrating the non-uniform hole distribution in the MQW active layer. (JY Chang et al., JAP 93, 4992 (2003)). FIG. 21 is a graph showing the relationship between the threshold current density J (kA / cm 2 ) and the number of InGaN wells in a GaN / InGaN blue-violet LD (S. Nakamura et al., JJAP 37, L1020 (1998)).
図19乃至図20に示すように、MQW活性層の各井戸へ注入される正孔密度は不均一であることがわかる。MQWの周期数を増加すると最上層の量子井戸の結晶性は向上するが、下部の井戸は正孔が十分に注入されないため、自己吸収層として働いてしまう。また、図21に示すように、MQWの周期数が2の時に、閾値電流密度が最も小さくなる。 As shown in FIGS. 19 to 20, it can be seen that the density of holes injected into each well of the MQW active layer is not uniform. Increasing the number of MQW cycles improves the crystallinity of the uppermost quantum well, but the lower well does not sufficiently inject holes, and thus acts as a self-absorbing layer. Further, as shown in FIG. 21, when the number of MQW cycles is 2, the threshold current density is the smallest.
本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においてもMQWの周期数には最適な数が存在する。本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においてもAlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16のMQWの周期数の最適な数は、3以下である。AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16のMQWの周期数を増加しても最上層の量子井戸の結晶性は向上するが、下部の井戸は正孔が十分に注入されないため、自己吸収層として働いてしまうことから、極最上層の2ペア〜3ペアが有効なMQWの周期数となるからである。 Also in the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention, there is an optimum number of MQW cycles. Also in the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention, the optimum number of MQW periods of the Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer 16 is 3 or less. It is. Although the crystallinity of the uppermost quantum well is improved even if the number of MQW cycles of the Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer 16 is increased, the lower well has sufficient holes. This is because, since it is not implanted, it works as a self-absorbing layer, so that 2 to 3 pairs of the extreme uppermost layer have an effective MQW cycle number.
(製造装置)
―MOVPE装置―
図16は、本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子の製造方法に適用されるMOVPE装置の模式的構成を示す。
(manufacturing device)
-MOVPE equipment-
FIG. 16 shows a schematic configuration of a MOVPE apparatus applied to the method for manufacturing the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention.
本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子の製造方法に適用されるMOVPE装置は、図16に示すように、反応槽60内にサセプタ56と、サセプタ56上に配置された基板52を備え、反応槽60の外部には、加熱機構を備える。反応槽60の外部の入力側には、水素(または窒素またはこれらの両方)キャリアガス供給槽40と、水素(または窒素またはこれらの両方)キャリアガス供給槽40に連結されるアルミニウム(Al)供給槽42,ガリウム(Ga)供給槽44,インジウム(In)供給槽45, マグネシウム(Mg)供給槽47,およびジメチルヒドラジン(DMHy)供給槽46と、水素(または窒素またはこれらの両方)キャリアガス供給槽40とは独立して反応槽60に連結されるアンモニア(NH3)ガスボンベ48とシリコン(Si)供給用ガスボンベ49とを備える。また、反応槽60の外部の出力側には、排気口が連結される。なお、図16の構成例においては、反応槽60への原料供給ガスラインを、アンモニア,ジメチルヒドラジンとIII族元素を分離しているが、このような構成に限定されるものではない。 As shown in FIG. 16, the MOVPE apparatus applied to the method for manufacturing the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention is arranged in a reaction tank 60 and on the susceptor 56. The substrate 52 is provided, and a heating mechanism is provided outside the reaction vessel 60. The hydrogen (or nitrogen or both) carrier gas supply tank 40 and the aluminum (Al) supply connected to the hydrogen (or nitrogen or both) carrier gas supply tank 40 are supplied to the input side outside the reaction tank 60. Tank 42, gallium (Ga) supply tank 44, indium (In) supply tank 45, magnesium (Mg) supply tank 47, dimethylhydrazine (DMHy) supply tank 46, and hydrogen (or nitrogen or both) carrier gas supply An ammonia (NH 3 ) gas cylinder 48 and a silicon (Si) supply gas cylinder 49 connected to the reaction tank 60 independently of the tank 40 are provided. An exhaust port is connected to the output side outside the reaction tank 60. In the configuration example of FIG. 16, ammonia, dimethylhydrazine and group III elements are separated in the raw material supply gas line to the reaction tank 60, but is not limited to such a configuration.
加熱機構は、ヒータ、赤外線(IR)ランプ、高周波誘導などで構成する。加熱機構により過熱されるサセプタの温度は、例えば約1050℃以上である。 The heating mechanism includes a heater, an infrared (IR) lamp, high frequency induction, and the like. The temperature of the susceptor heated by the heating mechanism is, for example, about 1050 ° C. or higher.
アルミニウム(Al)供給槽42には、例えば、トリメチルアルミニウム(TMAl)、トリエチルアルミニウム(TEAl)、或いはトリイソブチルアルミニウム(TIBAl)などを適用する。 For example, trimethylaluminum (TMAl), triethylaluminum (TEAl), or triisobutylaluminum (TIBAl) is applied to the aluminum (Al) supply tank 42.
ガリウム(Ga)供給槽44には、例えば、トリメチルガリウム(TMG)、トリエチルガリウム(TEG)、或いはトリプロピルガリウム(TPG)などを適用する。 For example, trimethyl gallium (TMG), triethyl gallium (TEG), or tripropyl gallium (TPG) is applied to the gallium (Ga) supply tank 44.
インジウム(In)供給槽45には、例えば、トリメチルインジウム(TMIn)或いはトリエチルインジウム(TEIn)などを適用する。 For example, trimethylindium (TMIn) or triethylindium (TEIn) is applied to the indium (In) supply tank 45.
マグネシウム(Mg)供給槽47には、例えば、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)或いはビスエチルシスロペンタジエニルマグネシウム(EtCp2Mg)などを適用する。 For example, biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) or bisethylcislopentadienyl magnesium (EtCp 2 Mg) is applied to the magnesium (Mg) supply tank 47.
シリコン原料には、例えば、シラン(SiH4)或いはモノメチルシラン(CH3SiH3)を適用する。原料は、水素なしいは窒素で1〜100,000ppmに希釈されている。 For example, silane (SiH 4 ) or monomethylsilane (CH 3 SiH 3 ) is applied to the silicon raw material. The raw material is diluted to 1 to 100,000 ppm with hydrogen or nitrogen.
AlXGa1-XN層の結晶成長温度は、例えば、約1050℃以上であり、1050℃〜1300℃、望ましくは、例えば約1260℃〜1270℃である。場合によっては、1400℃以上であっても良い。 The crystal growth temperature of the Al x Ga 1-x N layer is, for example, about 1050 ° C. or higher, 1050 ° C. to 1300 ° C., and preferably, for example, about 1260 ° C. to 1270 ° C. In some cases, it may be 1400 ° C. or higher.
AlXGa1-XN層の結晶成長における反応槽60の圧力は、例えば、約0.02気圧(atm)〜0.3気圧程度であり、望ましくは約0.1気圧程度である。 The pressure of the reaction vessel 60 in the crystal growth of the Al x Ga 1-x N layer is, for example, about 0.02 atm (atm) to about 0.3 atm, and preferably about 0.1 atm.
―MBE装置―
図17は、本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子の製造方法に適用されるMBE装置の模式的構成を示す。
-MBE equipment-
FIG. 17 shows a schematic configuration of an MBE apparatus applied to the method for manufacturing the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention.
本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子の製造方法に適用されるMBE装置は、図17に示すように、反応槽内に基板ヒータ74,基板ホルダ72および基板52を備える。 As shown in FIG. 17, the MBE apparatus applied to the method for manufacturing the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention includes a substrate heater 74, a substrate holder 72, and a substrate 52 in a reaction vessel. Prepare.
反応槽の内壁部は、液体窒素シュラウド76で形成され、反応槽の外部には、電子ビーム源70,Gaセル62,Alセル64,Inセル67, Siセル65, Mgセル63, アンモニア(NH3)または窒素(N2)ガスボンベ48に連結されたアンモニア(NH3)セルまたはRFプラズマソース66,RHEEDスクリーン68が配置される。 The inner wall of the reaction tank is formed of a liquid nitrogen shroud 76, and the electron beam source 70, Ga cell 62, Al cell 64, In cell 67, Si cell 65, Mg cell 63, ammonia (NH) are formed outside the reaction tank. 3 ) or an ammonia (NH 3 ) cell or RF plasma source 66 and a RHEED screen 68 connected to a nitrogen (N 2 ) gas cylinder 48.
さらに、基板52に対して、電子ビーム源70から電子ビーム70aが照射され、回折された電子ビーム70bは、RHEEDスクリーン68に導かれる。 Further, the substrate 52 is irradiated with the electron beam 70 a from the electron beam source 70, and the diffracted electron beam 70 b is guided to the RHEED screen 68.
さらに、反応槽の外部の出力側には、排気バルブ78を介して排気口54が連結される。 Further, an exhaust port 54 is connected to an output side outside the reaction tank via an exhaust valve 78.
(製造方法)
本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子の製造方法は、図4に示すように、m面GaN基板10を準備する工程と、c軸が結晶成長の主面の法線方向から40°〜90°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面とし、m面GaN基板10上にn型不純物をドープされたAlGaNクラッド層12を形成する工程と、AlGaNクラッド層12上にn型不純物をドープされたAlGaN導波層14を形成する工程と、AlGaN導波層14上にAlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16を形成する工程と、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16上にp型不純物をドープされたAlGaN導波層18を形成する工程と、AlGaN導波層18上にp型不純物をドープされたAlGaNクラッド層20を形成する工程と、AlGaNクラッド層20上にp型不純物をドープされたAlGaNコンタクト層22を形成する工程と、AlGaNコンタクト層22上にオーミック接触するp側電極26を形成する工程と、p側電極26と対向してm面GaN基板10上にオーミック接触するn側電極24を形成する工程と、a面に沿って共振器の反射面を形成する工程とを有する。
(Production method)
As shown in FIG. 4, the method for manufacturing an ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention includes a step of preparing an m-plane GaN substrate 10 and a method in which the c-axis is a main surface for crystal growth. Forming an AlGaN cladding layer 12 doped with an n-type impurity on the m-plane GaN substrate 10 with a plane inclined within a range of 40 ° to 90 ° from the line direction as a main surface for crystal growth; and an AlGaN cladding layer A step of forming an AlGaN waveguide layer 14 doped with an n-type impurity on the substrate 12, and a step of forming an Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer 16 on the AlGaN waveguide layer 14. A step of forming an AlGaN waveguide layer 18 doped with a p-type impurity on the Al X Ga 1-X N / Al X Ga 1-X N active layer 16, and a p-type impurity on the AlGaN waveguide layer 18. Forming the AlGaN cladding layer 20 doped with sapphire A step of forming an AlGaN contact layer 22 doped with a p-type impurity on the AlGaN cladding layer 20, a step of forming a p-side electrode 26 in ohmic contact with the AlGaN contact layer 22, and the p-side electrode 26. A step of forming an n-side electrode 24 in ohmic contact with the m-plane GaN substrate 10 and a step of forming a reflecting surface of the resonator along the a-plane.
本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子の製造方法を以下に詳述する。 A method for manufacturing the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention will be described in detail below.
―MOVPEによる製造方法―
(a)基板52ウェハをサセプタに保持させる。この状態で、反応管へキャリアガスおよび窒素原料ガス(アンモニアガスまたはジメチルヒドラジン)を供給する。キャリアガスには水素もしくは窒素またはこれらの両方を用いる。さらに加熱機構50によりウェハを昇温させる。ただし、サファイア, SiC,LiAlO2, MgAl12 O4基板を用いる場合は、基板52表面の窒化を避けるため、窒素原料ガスを供給せずに昇温する。
-Manufacturing method using MOVPE-
(A) A substrate 52 wafer is held on a susceptor. In this state, a carrier gas and a nitrogen source gas (ammonia gas or dimethylhydrazine) are supplied to the reaction tube. Hydrogen, nitrogen, or both are used for the carrier gas. Further, the temperature of the wafer is raised by the heating mechanism 50. However, when a sapphire, SiC, LiAlO 2 , or MgAl 12 O 4 substrate is used, the temperature is raised without supplying a nitrogen source gas in order to avoid nitriding of the surface of the substrate 52.
(b)基板52ウェハ温度が、例えば約1050℃以上に達するまで待機した後、アルミニウム原料、ガリウム原料、窒素原料ガス、及びシリコン原料を反応管へ供給し、ウェハ表面に、シリコンが添加されたn型AlGaNクラッド層12およびn型AlGaN導波層14を成長させる。 (B) After waiting until the substrate 52 wafer temperature reaches, for example, about 1050 ° C. or higher, aluminum source, gallium source, nitrogen source gas, and silicon source are supplied to the reaction tube, and silicon is added to the wafer surface. An n-type AlGaN cladding layer 12 and an n-type AlGaN waveguide layer 14 are grown.
(c)AlGaN/AlGaN活性層16の成長を行う。井戸層成長時と障壁層成長時で、アルミニウム原料とガリウム原料の供給流量比を変化させる。これを例えば3回に渡って繰り返す。この成長中は、シリコン原料の供給を停止してもよい。 (C) The AlGaN / AlGaN active layer 16 is grown. The supply flow ratio of the aluminum source and the gallium source is changed during the well layer growth and the barrier layer growth. This is repeated, for example, three times. During this growth, the supply of silicon raw material may be stopped.
(d)次いで、マグネシウム原料を反応管へ供給し、マグネシウムが添加されたp型AlGaN導波層18、p型AlGaNクラッド層20、及びp型AlGaNコンタクト層22を成長させる。 (D) Next, a magnesium raw material is supplied to the reaction tube, and the p-type AlGaN waveguide layer 18, the p-type AlGaN cladding layer 20, and the p-type AlGaN contact layer 22 to which magnesium is added are grown.
(e)成長後、AlGaNコンタクト層22およびAlGaNクラッド層20の一部分を、RIE、或いは収束イオンビーム(FIB : Focused Ion Beam)などのエッチング技術を用いてストライプ形状に加工し、例えばc軸に沿ったリッジストライプ構造を形成する。 (E) After the growth, a part of the AlGaN contact layer 22 and the AlGaN cladding layer 20 is processed into a stripe shape by using an etching technique such as RIE or focused ion beam (FIB), for example, along the c-axis. A ridge stripe structure is formed.
(f)リッジストライプ構造を有するAlGaNコンタクト層22上へ、抵抗加熱または電子線ビームによる金属蒸着装置によって例えば、Au/Ni金属、或いはPt/Au/Pd金属などを積層させたp側電極26を配置させ、分離閉じ込め型の構造を形成する。また、同様に、基板10ウェハの裏面へ例えばTi/Al金属などを積層させたn側電極24を形成する。 (F) A p-side electrode 26 in which, for example, Au / Ni metal or Pt / Au / Pd metal is laminated on the AlGaN contact layer 22 having a ridge stripe structure by a metal vapor deposition apparatus using resistance heating or electron beam. To form a separate confinement type structure. Similarly, the n-side electrode 24 in which, for example, Ti / Al metal is laminated on the back surface of the substrate 10 wafer is formed.
(g)上記のストライプ方向に沿って共振器を形成する。この時、端面はa面とする。 (G) A resonator is formed along the stripe direction. At this time, the end face is a-plane.
以上の工程により紫外線窒化物半導体レーザダイオードを作製する。 The ultraviolet nitride semiconductor laser diode is manufactured through the above steps.
―MBEによる製造方法―
アルミニウム原料、ガリウム原料、インジウム原料、シリコン原料、マグネシウム原料は、クヌーセンセルのるつぼ内に配置し、ヒータ加熱によって蒸発させ原子ビームとして供給する。シリコン原料に関しては、電子線や通電加熱により蒸発させ供給してもよい。また、これらの原料の代替えとしてMOVPE法に記載の有機金属原料を用いてもよい。
-Manufacturing method by MBE-
Aluminum raw material, gallium raw material, indium raw material, silicon raw material, and magnesium raw material are placed in a crucible of a Knudsen cell, evaporated by heater heating, and supplied as an atomic beam. The silicon raw material may be evaporated and supplied by electron beam or current heating. Moreover, you may use the organometallic raw material as described in the MOVPE method as an alternative of these raw materials.
(a)基板52ウェハを基板ホルダ72に保持させる。超高真空中での熱伝導性をよくするため、基板52裏面に熱伝導のよい金属等を蒸着してもよい。この状態で、基板52へ窒素原料ガス(例えばアンモニアガスや窒素プラズマソース)を供給する。加熱機構(基板ヒータ74)によりウェハを昇温させる。ただし、サファイア, SiC, LiAlO2, MgAl12 O4基板を用いる場合は、基板表面の窒化を避けるため、窒素原料ガスを供給せずに昇温する。 (A) The substrate 52 wafer is held by the substrate holder 72. In order to improve the thermal conductivity in the ultra-high vacuum, a metal having good thermal conductivity may be deposited on the back surface of the substrate 52. In this state, nitrogen source gas (for example, ammonia gas or nitrogen plasma source) is supplied to the substrate 52. The wafer is heated by the heating mechanism (substrate heater 74). However, when a sapphire, SiC, LiAlO 2 , or MgAl 12 O 4 substrate is used, the temperature is raised without supplying a nitrogen source gas in order to avoid nitriding of the substrate surface.
(b)ウェハ温度が例えば800〜1000℃以上に達するまで待機した後、アルミニウム原料、ガリウム原料、窒素原料ガス、及びシリコン原料を基板52へ供給し、ウェハ表面に、シリコンが添加されたn型AlGaNクラッド層12およびn型AlGaN導波層14を成長させる。成長時の表面形態は、RHEED像により観察する。 (B) After waiting until the wafer temperature reaches, for example, 800 to 1000 ° C. or higher, an aluminum source, a gallium source, a nitrogen source gas, and a silicon source are supplied to the substrate 52, and silicon is added to the wafer surface. An AlGaN cladding layer 12 and an n-type AlGaN waveguide layer 14 are grown. The surface morphology during growth is observed with an RHEED image.
(c)AlGaN/AlGaN活性層16の成長を行う。井戸層成長時と障壁層成長時で、アルミニウム原料とガリウム原料の供給流量比を変化させる。これを例えば3回に渡って繰り返す。この成長中は、シリコン原料の供給を停止してもよい。 (C) The AlGaN / AlGaN active layer 16 is grown. The supply flow ratio of the aluminum source and the gallium source is changed during the well layer growth and the barrier layer growth. This is repeated, for example, three times. During this growth, the supply of silicon raw material may be stopped.
(d)次いで、マグネシウム原料を基板へ供給し、マグネシウムが添加されたp型AlGaN導波層18、p型AlGaNクラッド層20、及びp型AlGaNコンタクト層22を成長させる。 (D) Next, a magnesium raw material is supplied to the substrate, and the p-type AlGaN waveguide layer 18, the p-type AlGaN cladding layer 20, and the p-type AlGaN contact layer 22 to which magnesium is added are grown.
(e)成長後、AlGaNコンタクト層22およびAlGaNクラッド層20の一部分を、RIE、或いは収束イオンビーム(FIB : Focused Ion Beam)などのエッチング技術を用いてストライプ形状に加工し、例えばc軸に沿ったリッジストライプ構造を形成する。 (E) After the growth, a part of the AlGaN contact layer 22 and the AlGaN cladding layer 20 is processed into a stripe shape by using an etching technique such as RIE or focused ion beam (FIB), for example, along the c-axis. A ridge stripe structure is formed.
(f)リッジストライプ構造を有するAlGaNコンタクト層22上へ、抵抗加熱または電子線ビームによる金属蒸着装置によって例えば、Au/Ni金属、或いはPt/Au/Pd金属などを積層させたp側電極26を配置させ、分離閉じ込め型の構造を形成する。また、同様に、基板10ウェハの裏面へ例えばTi/Al金属などを積層させたn側電極24を形成する。 (F) A p-side electrode 26 in which, for example, Au / Ni metal or Pt / Au / Pd metal is laminated on the AlGaN contact layer 22 having a ridge stripe structure by a metal vapor deposition apparatus using resistance heating or electron beam. To form a separate confinement type structure. Similarly, the n-side electrode 24 in which, for example, Ti / Al metal is laminated on the back surface of the substrate 10 wafer is formed.
(g)上記のストライプ方向に沿って共振器を形成する。この時、端面はa面とする。 (G) A resonator is formed along the stripe direction. At this time, the end face is a-plane.
以上の工程により紫外線窒化物半導体レーザーダイオードを作製する。 An ultraviolet nitride semiconductor laser diode is produced by the above process.
AlGaN系LDの効率改善のためには、転位を縦方向に伝播させない横方向成長技術(LOG:Lateral Overgrowth)あるいはAlGaN成長の初期に界面で転位の発生しにくいAlN基板等の導入によって転位・欠陥を低減させることが必須である。 In order to improve the efficiency of AlGaN-based LDs, dislocations / defects can be introduced by introducing lateral growth technology (LOG: Lateral Overgrowth) that does not propagate dislocations in the vertical direction or by introducing an AlN substrate that does not easily generate dislocations at the beginning of AlGaN growth. It is essential to reduce.
本発明の紫外線窒化物半導体発光素子によれば、転位・欠陥低減化と並行して進めるべき、効率的な光導波を実現でき、分極による内部電場効果を低減でき、非極性面(a面、m面)または半極性面成長を行ったAlXGa1-XN混晶や、その量子井戸を活性層に用いたLDの構造により、低しきい値電流密度化を図ることができる。 According to the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device of the present invention, it is possible to realize an efficient optical waveguide that should be performed in parallel with dislocation / defect reduction, reduce an internal electric field effect due to polarization, and a nonpolar plane (a plane, The threshold current density can be reduced by the Al x Ga 1-x N mixed crystal grown by m-plane) or semipolar plane growth or the LD structure using the quantum well as the active layer.
本発明の第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子および製造方法によれば、波長300nm以下の紫外光を発光させるために、結晶成長面をc軸(極性面)から約40°〜90°程度に傾斜させて分極による内部電界効果を低減するとともに、発光層にAlXGa1-XN/AlXGa1-XN多重量子井戸(MQW)構造を用い、井戸層のAlモル分率を、30%以上60%以下とし、さらに井戸層のAlモル分率と障壁層のAlモル分率とのモル分率比を0.7以上とすることにより、井戸層の面内圧縮歪みを低減し、光の電界ベクトルEとc軸を平行ならしめることができる。 According to the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device and the manufacturing method according to the first embodiment of the present invention, in order to emit ultraviolet light having a wavelength of 300 nm or less, the crystal growth plane is about 40 ° from the c-axis (polar plane). The internal field effect due to polarization is reduced by tilting to about 90 °, and an Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N multiple quantum well (MQW) structure is used for the light emitting layer, and the Al of the well layer By setting the mole fraction to 30% to 60% and further setting the mole fraction ratio of the Al mole fraction of the well layer to the Al mole fraction of the barrier layer to 0.7 or more, the in-plane of the well layer The compressive strain can be reduced, and the electric field vector E and the c-axis can be made parallel.
これによって、紫外線窒化物半導体発光素子(LD)の閾値電流密度が低減し、発光効率を向上させることができる。 Thereby, the threshold current density of the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device (LD) can be reduced, and the light emission efficiency can be improved.
[第2の実施の形態]
本発明の第2の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子は、図8に示すように、m面基板10と、m面基板10上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaN層13と、AlGaN層13上に配置され,AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16と、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaN層17と、AlGaN層17上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaNコンタクト層22と、AlGaNコンタクト層22上に配置され,AlGaNコンタクト層22とオーミック接触するp側電極26と、p側電極26と対向してm面基板10上配置され,m面基板10とオーミック接触するn側電極24とを備え、c軸が結晶成長の主面の法線方向から40°〜90°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面とし、光の電界成分Eが主にc軸と平行(E//c)なる偏光特性を示すことを特徴とする。
[Second Embodiment]
As shown in FIG. 8, the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention includes an m-plane substrate 10 and an AlGaN layer disposed on the m-plane substrate 10 and doped with an n-type impurity. 13 on the AlGaN layer 13 and on the Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer 16 and the Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer 16. And an AlGaN layer 17 doped with p-type impurities, an AlGaN contact layer 22 doped on the AlGaN layer 17 and doped with p-type impurities, an AlGaN contact layer 22, and an AlGaN contact layer 22 The p-side electrode 26 is in ohmic contact with the p-side electrode 26 and is disposed on the m-plane substrate 10 so as to oppose the p-side electrode 26. The c-axis is the main surface of crystal growth. 40 degrees from the normal direction of 0 plane inclined in the range of ° to the principal plane of crystal growth, the electric field component of light E is characterized by indicating the polarization characteristics mainly made parallel to the c axis (E // c).
本発明の第2の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、結晶成長の主面には、非極性面または半極性面が含まれる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention, the main surface of crystal growth includes a nonpolar surface or a semipolar surface.
本発明の第2の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、非極性面には、m面またはa面が含まれる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention, the nonpolar plane includes an m plane or an a plane.
本発明の第2の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、半極性面には、{10−11}面、{10−12}面、或いは{11−22}面の内、いずれか1つが含まれる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention, the semipolar plane includes the {10-11} plane, the {10-12} plane, or the {11-22} plane, Any one is included.
本発明の第2の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、結晶成長の主面としてm面、{10−11}面、或いは{10−12}面の内、いずれか1つの面を選択した場合、a面を共振器の反射鏡として用いる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention, any one of the m-plane, {10-11} plane, and {10-12} plane is used as the main plane of crystal growth. When the surface is selected, the a-plane is used as the reflector of the resonator.
本発明の第2の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、a面は、へき開面であることを特徴とする。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention, the a-plane is a cleavage plane.
本発明の第2の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、活性層は、単一井戸ないしは多重量子井戸構造を備え、AlXGa1-XN井戸層のAlNモル分率は30%以上60%以下であり、かつ、AlXGa1-XN障壁層のAlNモル分率とAlXGa1-XN井戸層のAlNモル分率の比は0.7以上である。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention, the active layer has a single well or multiple quantum well structure, and the AlN molar fraction of the Al x Ga 1-x N well layer is The ratio of the AlN molar fraction of the Al x Ga 1-X N barrier layer to the AlN molar fraction of the Al x Ga 1-X N well layer is 0.7 or higher.
m面基板10は、導電性を備えており、例えば、GaN基板、AlN基板、或いはAlGaN基板で構成することができる。 The m-plane substrate 10 has conductivity, and can be formed of, for example, a GaN substrate, an AlN substrate, or an AlGaN substrate.
本発明の第2の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子は、非極性面を結晶成長面とし、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16のストライプ方向のへき開面をa面とすることによって、水平横モードは利得・偏光導波性能を備え、一方垂直横モードは、相対的に厚いAlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16(例えば、MQWの井戸数を3以下として、全体の厚さ約30nm程度)を利用することによって、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16への光閉じ込め効果による導波の利用が可能となる。その結果、第1の実施の形態に較べ、クラッド層、リッジストライプ構造、および導波層を不要とし、もっとも簡単な構成を実現することができる。 The ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention has a nonpolar plane as a crystal growth plane, and the stripe direction of the Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer 16 By making the cleavage plane a-plane, the horizontal transverse mode has gain and polarization guiding performance, while the vertical transverse mode is a relatively thick Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer. 16 (for example, the number of wells of MQW is 3 or less and the total thickness is about 30 nm), and the optical confinement effect on the Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer 16 It becomes possible to use guided wave. As a result, compared with the first embodiment, the clad layer, the ridge stripe structure, and the waveguide layer are unnecessary, and the simplest configuration can be realized.
[第3の実施の形態]
本発明の第3の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子は、図9に示すように、m面基板10と、m面基板10上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaNコンタクト層11と、AlGaNコンタクト層11上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaN層13と、AlGaN層13上に配置され,AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16と、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaN層17と、AlGaN層17上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaNコンタクト層22と、AlGaNコンタクト層22上に配置され,AlGaNコンタクト層22とオーミック接触するp側電極26と、m面基板10面に対して、p側電極26と同一表面側に配置され,AlGaNコンタクト層22の表面からエッチングにより露出されたAlGaNコンタクト層11上に配置され,AlGaNコンタクト層11とオーミック接触するn側電極24とを備え、c軸が結晶成長の主面の法線方向から40°〜90°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面とし、光の電界成分Eが主にc軸と平行(E//c)なる偏光特性を示すことを特徴とする。
[Third embodiment]
As shown in FIG. 9, the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the third embodiment of the present invention includes an m-plane substrate 10 and an AlGaN contact disposed on the m-plane substrate 10 and doped with an n-type impurity. An AlGaN layer 13 disposed on the AlGaN contact layer 11 and doped with an n-type impurity; an Al X Ga 1-X N / Al X Ga 1-X N active layer disposed on the AlGaN layer 13; 16 and Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer 16, AlGaN layer 17 doped with p-type impurities, AlGaN layer 17 and p-type impurities The doped AlGaN contact layer 22, the p-side electrode 26 disposed on the AlGaN contact layer 22 and in ohmic contact with the AlGaN contact layer 22, and the same surface side as the p-side electrode 26 with respect to the m-plane substrate 10 surface The n-side electrode 24 is disposed on the AlGaN contact layer 11 exposed by etching from the surface of the AlGaN contact layer 22 and is in ohmic contact with the AlGaN contact layer 11, and the c-axis is the main surface of crystal growth. A plane inclined within a range of 40 ° to 90 ° from the normal direction is used as a main plane of crystal growth, and the electric field component E of light exhibits a polarization characteristic that is mainly parallel to the c-axis (E // c). And
本発明の第3の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、結晶成長の主面には、非極性面または半極性面が含まれる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the third embodiment of the present invention, the main surface of crystal growth includes a nonpolar plane or a semipolar plane.
本発明の第3の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、非極性面には、m面またはa面が含まれる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the third embodiment of the present invention, the nonpolar plane includes an m plane or an a plane.
本発明の第3の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、半極性面には、{10−11}面、{10−12}面、或いは{11−22}面の内、いずれか1つが含まれる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the third embodiment of the present invention, the semipolar plane includes the {10-11} plane, the {10-12} plane, or the {11-22} plane, Any one is included.
本発明の第3の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、結晶成長の主面としてm面、{10−11}面、或いは{10−12}面の内、いずれか1つの面を選択した場合、a面を共振器の反射鏡として用いる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the third embodiment of the present invention, any one of the m-plane, {10-11} plane, and {10-12} plane is used as the main plane of crystal growth. When the surface is selected, the a-plane is used as the reflector of the resonator.
本発明の第3の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、a面は、へき開面であることを特徴とする。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the third embodiment of the present invention, the a-plane is a cleavage plane.
本発明の第3の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、活性層は、単一井戸ないしは多重量子井戸構造を備え、AlXGa1-XN井戸層のAlNモル分率は30%以上60%以下であり、かつ、AlXGa1-XN障壁層のAlNモル分率とAlXGa1-XN井戸層のAlNモル分率の比は0.7以上である。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the third embodiment of the present invention, the active layer has a single well or multiple quantum well structure, and the AlN molar fraction of the Al x Ga 1 -xN well layer is The ratio of the AlN molar fraction of the Al x Ga 1-X N barrier layer to the AlN molar fraction of the Al x Ga 1-X N well layer is 0.7 or higher.
m面基板10は、例えば、絶縁性m面SiC基板、絶縁性m面AlN基板、絶縁性m面AlGaN基板、r面若しくはm面サファイア基板、(001)MgAl2 O4 基板で構成することができる。 The m-plane substrate 10 may be composed of, for example, an insulating m-plane SiC substrate, an insulating m-plane AlN substrate, an insulating m-plane AlGaN substrate, an r-plane or m-plane sapphire substrate, and a (001) MgAl 2 O 4 substrate. it can.
本発明の第3の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子は、非極性面を結晶成長面とし、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16のストライプ方向のへき開面をa面とすることによって、水平横モードは利得・偏光導波性能を備え、一方垂直横モードは、相対的に厚いAlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16(例えば、MQWの井戸数を3以下として、全体の厚さ約30nm程度)を利用することによって、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16への光閉じ込め効果による導波の利用が可能となる。 The ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the third embodiment of the present invention has a nonpolar plane as a crystal growth plane, and the Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer 16 has a stripe direction. By making the cleavage plane a-plane, the horizontal transverse mode has gain and polarization guiding performance, while the vertical transverse mode is a relatively thick Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer. 16 (for example, the number of wells of MQW is 3 or less and the total thickness is about 30 nm), and the optical confinement effect on the Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer 16 It becomes possible to use guided wave.
その結果、第1の実施の形態に較べ、クラッド層、リッジストライプ構造、および導波層を不要とし、簡単な構成を実現することができる。 As a result, as compared with the first embodiment, a clad layer, a ridge stripe structure, and a waveguide layer are not required, and a simple configuration can be realized.
しかもp側電極26およびn側電極24を同一表面側から取り出すことができ、実装も容易となる。 In addition, the p-side electrode 26 and the n-side electrode 24 can be taken out from the same surface side, and mounting is facilitated.
[第4の実施の形態]
本発明の第4の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子は、図10に示すように、m面基板10と、m面基板10上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaN導波層14と、AlGaN導波層14上に配置され,AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16と、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaN導波層18と、AlGaN導波層18上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaNコンタクト層22と、AlGaNコンタクト層22上に配置され,AlGaNコンタクト層22とオーミック接触するp側電極26と、p側電極26と対向してm面基板10上配置され,m面基板10とオーミック接触するn側電極24とを備え、c軸が結晶成長の主面の法線方向から40°〜90°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面とし、光の電界成分Eが主にc軸と平行(E//c)なる偏光特性を示すことを特徴とする。
[Fourth embodiment]
As shown in FIG. 10, the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the fourth embodiment of the present invention is arranged on an m-plane substrate 10 and an AlGaN conductive layer arranged on the m-plane substrate 10 and doped with an n-type impurity. Wave layer 14, AlGaN waveguide layer 14, Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer 16, Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N An AlGaN waveguide layer 18 disposed on the active layer 16 and doped with p-type impurities, an AlGaN contact layer 22 disposed on the AlGaN waveguide layer 18 and doped with p-type impurities, and an AlGaN contact layer 22 A p-side electrode 26 in ohmic contact with the AlGaN contact layer 22, an n-side electrode 24 disposed on the m-plane substrate 10 facing the p-side electrode 26 and in ohmic contact with the m-plane substrate 10, c-axis is the principal plane of crystal growth A plane inclined within a range of 40 ° to 90 ° from the linear direction is a main surface of crystal growth, and the electric field component E of light exhibits a polarization characteristic mainly parallel to the c-axis (E // c). To do.
本発明の第4の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、結晶成長の主面には、非極性面または半極性面が含まれる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the fourth embodiment of the present invention, the main surface of crystal growth includes a nonpolar plane or a semipolar plane.
本発明の第4の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、非極性面には、m面またはa面が含まれる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the fourth embodiment of the present invention, the nonpolar plane includes an m plane or an a plane.
本発明の第4の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、半極性面には、{10−11}面、{10−12}面、或いは{11−22}面の内、いずれか1つが含まれる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the fourth embodiment of the present invention, the semipolar plane includes a {10-11} plane, a {10-12} plane, or a {11-22} plane, Any one is included.
本発明の第4の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、結晶成長の主面としてm面、{10−11}面、或いは{10−12}面の内、いずれか1つの面を選択した場合、a面を共振器の反射鏡として用いる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the fourth embodiment of the present invention, any one of the m-plane, {10-11} plane, and {10-12} plane is used as the main plane of crystal growth. When the surface is selected, the a-plane is used as the reflector of the resonator.
本発明の第4の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、a面は、へき開面であることを特徴とする。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the fourth embodiment of the present invention, the a-plane is a cleavage plane.
本発明の第4の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、活性層は、単一井戸ないしは多重量子井戸構造を備え、AlXGa1-XN井戸層のAlNモル分率は30%以上60%以下であり、かつ、AlXGa1-XN障壁層のAlNモル分率とAlXGa1-XN井戸層のAlNモル分率の比は0.7以上である。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the fourth embodiment of the present invention, the active layer has a single well or multiple quantum well structure, and the AlN molar fraction of the Al x Ga 1-x N well layer is The ratio of the AlN molar fraction of the Al x Ga 1-X N barrier layer to the AlN molar fraction of the Al x Ga 1-X N well layer is 0.7 or higher.
m面基板10は、導電性を備えており、例えば、GaN基板、AlN基板、或いはAlGaN基板で構成することができる。 The m-plane substrate 10 has conductivity, and can be formed of, for example, a GaN substrate, an AlN substrate, or an AlGaN substrate.
本発明の第4の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子は、非極性面を結晶成長面とし、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16のストライプ方向のへき開面をa面とすることによって、水平横モードは利得・偏光導波性能を備え、一方垂直横モードは、n型AlGaN導波層14およびp型AlGaN導波層18に挟まれ,相対的に厚いAlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16(例えば、MQWの井戸数を3以下として、全体の厚さ約30nm程度)を利用することによって、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16への光閉じ込め効果による導波の利用が可能となる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the fourth embodiment of the present invention, the nonpolar plane is a crystal growth plane, and the Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer 16 has a stripe direction. By making the cleavage plane a-plane, the horizontal transverse mode has gain / polarized wave guiding performance, while the vertical transverse mode is sandwiched between the n-type AlGaN waveguide layer 14 and the p-type AlGaN waveguide layer 18 and is relatively thick Al X Ga 1-X N / Al X Ga 1-X N active layer 16 (e.g., the number of wells of the MQW as 3 or less, about about 30nm in total thickness) by utilizing, Al X Ga 1 -X N / Al X Ga 1 -X N Waveguide can be used due to the optical confinement effect in the active layer 16.
その結果、第1の実施の形態に較べ、クラッド層、およびリッジストライプ構造を不要とし、相対的に簡単な構成を実現することができる。 As a result, compared with the first embodiment, a clad layer and a ridge stripe structure are not required, and a relatively simple configuration can be realized.
[第5の実施の形態]
本発明の第5の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子は、図11に示すように、基板10と、基板10上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaNコンタクト層11と、AlGaNコンタクト層11上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaN導波層14と、AlGaN導波層14上に配置され,AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16と、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaN導波層18と、AlGaN導波層18上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaNコンタクト層22と、AlGaNコンタクト層22上に配置され,AlGaNコンタクト層22とオーミック接触するp側電極26と、基板10面に対して、p側電極26と同一表面側に配置され,AlGaNコンタクト層22の表面からエッチングにより露出されたAlGaNコンタクト層11上に配置され,AlGaNコンタクト層11とオーミック接触するn側電極24とを備え、c軸が結晶成長の主面の法線方向から40°〜90°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面とし、光の電界成分Eが主にc軸と平行(E//c)なる偏光特性を示すことを特徴とする。
[Fifth embodiment]
As shown in FIG. 11, the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the fifth embodiment of the present invention includes a substrate 10, an AlGaN contact layer 11 disposed on the substrate 10 and doped with an n-type impurity, An AlGaN waveguide layer 14 disposed on the AlGaN contact layer 11 and doped with an n-type impurity, and an Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer disposed on the AlGaN waveguide layer 14 16, an Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer 16, an AlGaN waveguide layer 18 doped with a p-type impurity, and an AlGaN waveguide layer 18. AlGaN contact layer 22 doped with p-type impurities, p-side electrode 26 disposed on AlGaN contact layer 22 and in ohmic contact with AlGaN contact layer 22, and the same as p-side electrode 26 with respect to the surface of substrate 10 An n-side electrode 24 disposed on the surface side and disposed on the AlGaN contact layer 11 exposed by etching from the surface of the AlGaN contact layer 22 and in ohmic contact with the AlGaN contact layer 11; A surface inclined within a range of 40 ° to 90 ° from the normal direction of the surface is a main surface of crystal growth, and the electric field component E of light exhibits polarization characteristics mainly parallel to the c-axis (E // c). It is characterized by.
本発明の第5の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、結晶成長の主面には、非極性面または半極性面が含まれる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the fifth embodiment of the present invention, the main surface of crystal growth includes a nonpolar surface or a semipolar surface.
本発明の第5の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、非極性面には、m面またはa面が含まれる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the fifth embodiment of the present invention, the nonpolar plane includes an m plane or an a plane.
本発明の第5の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、半極性面には、{10−11}面、{10−12}面、或いは{11−22}面の内、いずれか1つが含まれる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the fifth embodiment of the present invention, the semipolar plane includes a {10-11} plane, a {10-12} plane, or a {11-22} plane, Any one is included.
本発明の第5の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、結晶成長の主面としてm面、{10−11}面、或いは{10−12}面の内、いずれか1つの面を選択した場合、a面を共振器の反射鏡として用いる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light-emitting device according to the fifth embodiment of the present invention, any one of the m-plane, the {10-11} plane, and the {10-12} plane is used as the main plane for crystal growth. When the surface is selected, the a-plane is used as the reflector of the resonator.
本発明の第5の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、a面は、へき開面であることを特徴とする。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the fifth embodiment of the present invention, the a-plane is a cleavage plane.
本発明の第5の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、活性層は、単一井戸ないしは多重量子井戸構造を備え、AlXGa1-XN井戸層のAlNモル分率は30%以上60%以下であり、かつ、AlXGa1-XN障壁層のAlNモル分率とAlXGa1-XN井戸層のAlNモル分率の比は0.7以上である。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the fifth embodiment of the present invention, the active layer has a single well or multiple quantum well structure, and the AlN molar fraction of the Al x Ga 1-x N well layer is The ratio of the AlN molar fraction of the Al x Ga 1-X N barrier layer to the AlN molar fraction of the Al x Ga 1-X N well layer is 0.7 or higher.
基板10は、例えば、絶縁性m面SiC基板、絶縁性m面AlN基板、絶縁性m面AlGaN基板、r面若しくはm面サファイア基板、(001)面MgAl2 O4 基板で構成することができる。 The substrate 10 can be composed of, for example, an insulating m-plane SiC substrate, an insulating m-plane AlN substrate, an insulating m-plane AlGaN substrate, an r-plane or m-plane sapphire substrate, and a (001) plane MgAl 2 O 4 substrate. .
本発明の第5の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子は、非極性面を結晶成長面とし、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16のストライプ方向のへき開面をa面として利用することによって、水平横モードは利得・偏光導波性能を備え、一方垂直横モードは、n型AlGaN導波層14およびp型AlGaN導波層18に挟まれ,相対的に厚いAlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16(例えば、MQWの井戸数を3以下として、全体の厚さ約30nm程度)を利用することによって、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16への光閉じ込め効果による導波の利用が可能となる。 The ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the fifth embodiment of the present invention has a nonpolar plane as a crystal growth plane, and the Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer 16 has a stripe direction. By using the cleavage plane as the a-plane, the horizontal transverse mode has gain / polarization waveguide performance, while the vertical transverse mode is sandwiched between the n-type AlGaN waveguide layer 14 and the p-type AlGaN waveguide layer 18 and is relatively By using a thick Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer 16 (for example, the number of MQW wells is 3 or less and the total thickness is about 30 nm), Al x Ga It is possible to use the guided wave due to the optical confinement effect in the 1-X N / Al X Ga 1-X N active layer 16.
その結果、第1の実施の形態に較べ、クラッド層、およびリッジストライプ構造を不要とし、相対的に簡単な構成を実現することができる。 As a result, compared with the first embodiment, a clad layer and a ridge stripe structure are not required, and a relatively simple configuration can be realized.
しかもp側電極26およびn側電極24を同一表面側から取り出すことができ、実装も容易となる。 In addition, the p-side electrode 26 and the n-side electrode 24 can be taken out from the same surface side, and mounting is facilitated.
[第6の実施の形態]
本発明の第6の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子は、図12に示すように、m面基板10と、m面基板10上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaNクラッド層12と、AlGaNクラッド層12上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaN導波層14と、AlGaN導波層14上に配置され,のAlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16と、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaN導波層18と、AlGaN導波層18上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaNクラッド層20と、AlGaNクラッド層20に配置され,p型不純物をドープされたAlGaNコンタクト層22と、AlGaNコンタクト層22上に配置されAlGaNコンタクト層22とオーミック接触するp側電極26と、p側電極26と対向してm面基板10上に配置され,m面基板10とオーミック接触するn側電極24とを備え、c軸が結晶成長の主面の法線方向から40°〜90°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面とし、光の電界成分Eが主にc軸と平行(E//c)なる偏光特性を示すことを特徴とする。
[Sixth embodiment]
As shown in FIG. 12, the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the sixth embodiment of the present invention includes an m-plane substrate 10 and an AlGaN cladding disposed on the m-plane substrate 10 and doped with n-type impurities. Al x Ga 1 -x N / Al x Ga 1 disposed on the layer 12, the AlGaN waveguide layer 14 disposed on the AlGaN cladding layer 12 and doped with n-type impurities, and the AlGaN waveguide layer 14. and -X N active layer 16 is disposed on the Al X Ga 1-X N / Al X Ga 1-X N active layer 16, an AlGaN waveguide layer 18 doped with p-type impurity, AlGaN waveguide layer 18 An AlGaN cladding layer 20 disposed on top and doped with p-type impurities, an AlGaN contact layer 22 disposed on the AlGaN cladding layer 20 and doped with p-type impurities, and an AlGa layer disposed on the AlGaN contact layer 22 A p-side electrode 26 that is in ohmic contact with the N contact layer 22; an n-side electrode 24 that is disposed on the m-plane substrate 10 so as to face the p-side electrode 26; Polarized light whose main surface for crystal growth is a plane inclined within a range of 40 ° to 90 ° from the normal direction of the main surface of crystal growth, and whose electric field component E is mainly parallel to the c-axis (E // c). It is characterized by exhibiting characteristics.
本発明の第6の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、結晶成長の主面には、非極性面または半極性面が含まれる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the sixth embodiment of the present invention, the main surface of crystal growth includes a nonpolar plane or a semipolar plane.
本発明の第6の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、非極性面には、m面またはa面が含まれる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the sixth embodiment of the present invention, the nonpolar plane includes an m plane or an a plane.
本発明の第6の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、半極性面には、{10−11}面、{10−12}面、或いは{11−22}面の内、いずれか1つが含まれる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the sixth embodiment of the present invention, the semipolar plane includes a {10-11} plane, a {10-12} plane, or a {11-22} plane, Any one is included.
本発明の第6の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、結晶成長の主面としてm面、{10−11}面、或いは{10−12}面の内、いずれか1つの面を選択した場合、a面を共振器の反射鏡として用いる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light-emitting device according to the sixth embodiment of the present invention, any one of the m-plane, the {10-11} plane, and the {10-12} plane is used as the main plane for crystal growth. When the surface is selected, the a-plane is used as the reflector of the resonator.
本発明の第6の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、a面は、へき開面であることを特徴とする。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the sixth embodiment of the present invention, the a-plane is a cleavage plane.
本発明の第6の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、活性層は、単一井戸ないしは多重量子井戸構造を備え、AlXGa1-XN井戸層のAlNモル分率は30%以上60%以下であり、かつ、AlXGa1-XN障壁層のAlNモル分率とAlXGa1-XN井戸層のAlNモル分率の比は0.7以上である。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the sixth embodiment of the present invention, the active layer has a single well or multiple quantum well structure, and the AlN molar fraction of the Al x Ga 1-x N well layer is The ratio of the AlN molar fraction of the Al x Ga 1-X N barrier layer to the AlN molar fraction of the Al x Ga 1-X N well layer is 0.7 or higher.
m面基板10は、導電性を備えており、例えば、GaN基板、AlN基板、或いはAlGaN基板で構成することができる。 The m-plane substrate 10 has conductivity, and can be formed of, for example, a GaN substrate, an AlN substrate, or an AlGaN substrate.
本発明の第6の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子は、非極性面を結晶成長面とし、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16のストライプ方向のへき開面をa面として利用することによって、水平横モードは利得・偏光導波性能を備え、一方垂直横モードは、相対的に厚いAlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16(例えば、MQWの井戸数を3以下として、全体の厚さ約30nm程度)を利用することによって、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16への光閉じ込め効果による導波の利用が可能となる。 The ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the sixth embodiment of the present invention has a nonpolar plane as a crystal growth plane, and the Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer 16 has a stripe direction. By using the cleavage plane as the a-plane, the horizontal transverse mode has gain and polarization guiding performance, while the vertical transverse mode is relatively thick Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N activity. By using the layer 16 (for example, the number of MQW wells is 3 or less and the total thickness is about 30 nm), the optical confinement in the Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer 16 is achieved. It is possible to use guided wave by effect.
その結果、第1の実施の形態に較べ、リッジストライプ構造を不要とし、簡単な構成を実現することができる。 As a result, as compared with the first embodiment, a ridge stripe structure is unnecessary and a simple configuration can be realized.
[第7の実施の形態]
本発明の第7の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子は、図13に示すように、基板10と、基板10上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaNコンタクト層11と、AlGaNコンタクト層11上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaNクラッド層12と、AlGaNクラッド層12上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaN導波層14と、AlGaN導波層14上に配置され,AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16と、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaN導波層18と、AlGaN導波層18上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaNクラッド層20と、AlGaNクラッド層20上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaNコンタクト層22と、AlGaNコンタクト層22上に配置され,AlGaNコンタクト層22とオーミック接触するp側電極26と、基板10面に対して、p側電極26と同一表面側に配置され,AlGaNコンタクト層22の表面からエッチングにより露出されたAlGaNコンタクト層11上に配置され,AlGaNコンタクト層11とオーミック接触するn側電極24とを備え、c軸が結晶成長の主面の法線方向から40°〜90°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面とし、光の電界成分Eが主にc軸と平行(E//c)なる偏光特性を示すことを特徴とする。
[Seventh embodiment]
As shown in FIG. 13, the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the seventh embodiment of the present invention includes a substrate 10, an AlGaN contact layer 11 disposed on the substrate 10 and doped with an n-type impurity, An AlGaN cladding layer 12 disposed on the AlGaN contact layer 11 and doped with n-type impurities, an AlGaN waveguide layer 14 disposed on the AlGaN cladding layer 12 and doped with n-type impurities, and an AlGaN waveguide layer 14 Arranged on the Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer 16 and the Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer 16, p-type An AlGaN waveguide layer 18 doped with impurities, an AlGaN cladding layer 20 doped with p-type impurities, and an AlGaN cladding layer 20 disposed on the AlGaN cladding layers 20, and doped with p-type impurities. The AlGaN contact layer 22 is disposed on the AlGaN contact layer 22, and the p-side electrode 26 is in ohmic contact with the AlGaN contact layer 22. The substrate 10 is disposed on the same surface side as the p-side electrode 26. The n-side electrode 24 is disposed on the AlGaN contact layer 11 exposed from the surface of the AlGaN contact layer 22 by etching, and is in ohmic contact with the AlGaN contact layer 11. The c-axis is a normal line of the main surface of crystal growth A plane inclined within a range of 40 ° to 90 ° from the direction is a main plane of crystal growth, and the electric field component E of light mainly exhibits polarization characteristics parallel to the c-axis (E // c). .
本発明の第7の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、結晶成長の主面には、非極性面または半極性面が含まれる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the seventh embodiment of the present invention, the main surface of crystal growth includes a nonpolar plane or a semipolar plane.
本発明の第7の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、非極性面には、m面またはa面が含まれる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the seventh embodiment of the present invention, the nonpolar plane includes an m plane or an a plane.
本発明の第7の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、半極性面には、{10−11}面、{10−12}面、或いは{11−22}面の内、いずれか1つが含まれる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the seventh embodiment of the present invention, the semipolar plane includes a {10-11} plane, a {10-12} plane, or a {11-22} plane, Any one is included.
本発明の第7の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、結晶成長の主面としてm面、{10−11}面、或いは{10−12}面の内、いずれか1つの面を選択した場合、a面を共振器の反射鏡として用いる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light-emitting device according to the seventh embodiment of the present invention, any one of the m-plane, the {10-11} plane, and the {10-12} plane is used as the main plane for crystal growth. When the surface is selected, the a-plane is used as the reflector of the resonator.
本発明の第7の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、a面は、へき開面であることを特徴とする。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the seventh embodiment of the present invention, the a-plane is a cleavage plane.
本発明の第7の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、活性層は、単一井戸ないしは多重量子井戸構造を備え、AlXGa1-XN井戸層のAlNモル分率は30%以上60%以下であり、かつ、AlXGa1-XN障壁層のAlNモル分率とAlXGa1-XN井戸層のAlNモル分率の比は0.7以上である。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the seventh embodiment of the present invention, the active layer has a single well or multiple quantum well structure, and the AlN molar fraction of the Al x Ga 1-x N well layer is The ratio of the AlN molar fraction of the Al x Ga 1-X N barrier layer to the AlN molar fraction of the Al x Ga 1-X N well layer is 0.7 or higher.
基板10は、例えば、絶縁性m面SiC基板、絶縁性m面AlN基板、絶縁性m面AlGaN基板、r面若しくはm面サファイア基板、(001)面MgAl2 O4 基板で構成することができる。 The substrate 10 can be composed of, for example, an insulating m-plane SiC substrate, an insulating m-plane AlN substrate, an insulating m-plane AlGaN substrate, an r-plane or m-plane sapphire substrate, and a (001) plane MgAl 2 O 4 substrate. .
本発明の第7の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子は、非極性面を結晶成長面とし、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16のストライプ方向のへき開面をa面として利用することによって、水平横モードは利得・偏光導波性能を備え、一方垂直横モードは、相対的に厚いAlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16(例えば、MQWの井戸数を3以下として、全体の厚さ約30nm程度)を利用することによって、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16への光閉じ込め効果による導波の利用が可能となる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the seventh embodiment of the present invention, the nonpolar plane is the crystal growth plane, and the Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer 16 has a stripe direction. By using the cleavage plane as the a-plane, the horizontal transverse mode has gain and polarization guiding performance, while the vertical transverse mode is relatively thick Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N activity. By using the layer 16 (for example, the number of MQW wells is 3 or less and the total thickness is about 30 nm), the optical confinement in the Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer 16 is achieved. It is possible to use guided wave by effect.
その結果、第1の実施の形態に較べ、リッジストライプ構造を不要とし、相対的に簡単な構成を実現することができる。 As a result, as compared with the first embodiment, a ridge stripe structure is unnecessary and a relatively simple configuration can be realized.
しかもp側電極26およびn側電極24を同一表面側から取り出すことができ、実装も容易となる。 In addition, the p-side electrode 26 and the n-side electrode 24 can be taken out from the same surface side, and mounting is facilitated.
[第8の実施の形態]
本発明の第8の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子は、図14に示すように、m面GaN基板10と、m面GaN基板10上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaNクラッド層12と、AlGaNクラッド層12上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaN導波層14と、AlGaN導波層14上に配置され,AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16と、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaN導波層18と、AlGaN導波層18上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaNクラッド層20と、AlGaNクラッド層20に配置され,リッジストライプ構造を備え,p型不純物をドープされたAlGaNコンタクト層22と、AlGaNコンタクト層22上に配置されAlGaNコンタクト層22とオーミック接触するp側電極26と、p側電極26と対向してm面GaN基板10上に配置され,m面GaN基板10とオーミック接触するn側電極24とを備え、c軸が結晶成長の主面の法線方向から40°〜90°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面とし、光の電界成分Eが主にc軸と平行(E//c)なる偏光特性を示すことを特徴とする。
[Eighth embodiment]
As shown in FIG. 14, the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the eighth embodiment of the present invention is disposed on the m-plane GaN substrate 10 and the m-plane GaN substrate 10 and is doped with n-type impurities. AlGaN cladding layer 12, AlGaN waveguide layer 14 disposed on AlGaN cladding layer 12 and doped with n-type impurities, AlGaN waveguide layer 14, Al X Ga 1-X N / Al X Ga A 1-X N active layer 16; an AlGaN waveguide layer 18 disposed on the Al X Ga 1-X N / Al X Ga 1-X N active layer 16 and doped with a p-type impurity; and an AlGaN waveguide layer 18, an AlGaN cladding layer 20 doped with p-type impurities, an AlGaN contact layer 22 disposed on the AlGaN cladding layer 20 and having a ridge stripe structure and doped with p-type impurities, and AlGa A p-side electrode 26 disposed on the N-contact layer 22 and in ohmic contact with the AlGaN contact layer 22, and disposed on the m-plane GaN substrate 10 so as to face the p-side electrode 26 and in ohmic contact with the m-plane GaN substrate 10 And a side electrode 24, and a surface in which the c-axis is inclined within a range of 40 ° to 90 ° from the normal direction of the main surface of crystal growth is a main surface of crystal growth, and an electric field component E of light is mainly c-axis. And a polarization characteristic parallel to (E // c).
本発明の第8の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、結晶成長の主面には、非極性面または半極性面が含まれる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the eighth embodiment of the present invention, the main surface of crystal growth includes a nonpolar plane or a semipolar plane.
本発明の第8の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、非極性面には、m面またはa面が含まれる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the eighth embodiment of the present invention, the nonpolar plane includes an m plane or an a plane.
本発明の第8の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、半極性面には、{10−11}面、{10−12}面、或いは{11−22}面の内、いずれか1つが含まれる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the eighth embodiment of the present invention, the semipolar plane includes the {10-11} plane, the {10-12} plane, or the {11-22} plane, Any one is included.
本発明の第8の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、結晶成長の主面としてm面、{10−11}面、或いは{10−12}面の内、いずれか1つの面を選択した場合、a面を共振器の反射鏡として用いる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the eighth embodiment of the present invention, any one of the m-plane, the {10-11} plane, and the {10-12} plane is used as the main surface for crystal growth. When the surface is selected, the a-plane is used as the reflector of the resonator.
本発明の第8の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、a面は、へき開面であることを特徴とする。 In the ultraviolet nitride semiconductor light-emitting device according to the eighth embodiment of the present invention, the a-plane is a cleaved surface.
本発明の第8の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、活性層は、単一井戸ないしは多重量子井戸構造を備え、AlXGa1-XN井戸層のAlNモル分率は30%以上60%以下であり、かつ、AlXGa1-XN障壁層のAlNモル分率とAlXGa1-XN井戸層のAlNモル分率の比は0.7以上である。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the eighth embodiment of the present invention, the active layer has a single well or multiple quantum well structure, and the AlN molar fraction of the Al x Ga 1 -xN well layer is The ratio of the AlN molar fraction of the Al x Ga 1-X N barrier layer to the AlN molar fraction of the Al x Ga 1-X N well layer is 0.7 or higher.
m面基板10は、導電性を備えており、例えば、GaN基板、AlN基板、或いはAlGaN基板で構成することができる。 The m-plane substrate 10 has conductivity, and can be formed of, for example, a GaN substrate, an AlN substrate, or an AlGaN substrate.
本発明の第8の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子は、非極性面を結晶成長面とし、ストライプ方向のへき開面をa面として利用することによって、水平横モードは利得・偏光導波性能を備え、一方垂直横モードは、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16(例えば、MQWの井戸数を3以下として、全体の厚さ約30nm程度)を利用することによって、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16への光閉じ込め効果による導波の利用が可能となる。 The ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the eighth embodiment of the present invention uses the nonpolar plane as the crystal growth plane and the cleavage plane in the stripe direction as the a plane, so that the horizontal transverse mode is gain / polarization guided. The vertical transverse mode has an Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer 16 (for example, the number of MQW wells is 3 or less and the total thickness is about 30 nm). By using this, it becomes possible to use the guided wave due to the light confinement effect on the Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer 16.
[第9の実施の形態]
本発明の第9の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子は、図15に示すように、基板10と、基板10上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaNコンタクト層11と、AlGaNコンタクト層11上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaNクラッド層12と、AlGaNクラッド層12上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaN導波層14と、AlGaN導波層14上に配置され,AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16と、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaN導波層18と、AlGaN導波層18上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaNクラッド層20と、AlGaNクラッド層20上に配置され,リッジストライプ構造を備え,p型不純物をドープされたAlGaNコンタクト層22と、AlGaNコンタクト層22上に配置され,AlGaNコンタクト層22とオーミック接触するp側電極26と、基板10面に対して、p側電極26と同一表面側に配置され,AlGaNコンタクト層22の表面からエッチングにより露出されたAlGaNコンタクト層11上に配置され,AlGaNコンタクト層11とオーミック接触するn側電極24とを備え、c軸が結晶成長の主面の法線方向から40°〜90°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面とし、光の電界成分Eが主にc軸と平行(E//c)なる偏光特性を示すことを特徴とする。
[Ninth embodiment]
As shown in FIG. 15, the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the ninth embodiment of the present invention includes a substrate 10, an AlGaN contact layer 11 disposed on the substrate 10 and doped with an n-type impurity, An AlGaN cladding layer 12 disposed on the AlGaN contact layer 11 and doped with n-type impurities, an AlGaN waveguide layer 14 disposed on the AlGaN cladding layer 12 and doped with n-type impurities, and an AlGaN waveguide layer 14 Arranged on the Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer 16 and the Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer 16, p-type An AlGaN waveguide layer 18 doped with impurities, an AlGaN cladding layer 20 doped with p-type impurities, and an AlGaN cladding layer 20 disposed on the AlGaN waveguide layer 18, and a ridge stripe An AlGaN contact layer 22 doped with a p-type impurity, a p-side electrode 26 disposed on the AlGaN contact layer 22 and in ohmic contact with the AlGaN contact layer 22, and a p-side relative to the surface of the substrate 10 An n-side electrode 24 disposed on the same surface side as the electrode 26 and disposed on the AlGaN contact layer 11 exposed by etching from the surface of the AlGaN contact layer 22 and having an ohmic contact with the AlGaN contact layer 11 is provided. Polarized light whose main surface for crystal growth is a plane inclined within a range of 40 ° to 90 ° from the normal direction of the main surface of crystal growth, and whose electric field component E is mainly parallel to the c-axis (E // c). It is characterized by exhibiting characteristics.
本発明の第9の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、結晶成長の主面には、非極性面または半極性面が含まれる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the ninth embodiment of the present invention, the main surface of crystal growth includes a nonpolar surface or a semipolar surface.
本発明の第9の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、非極性面には、m面またはa面が含まれる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the ninth embodiment of the present invention, the nonpolar plane includes an m plane or an a plane.
本発明の第9の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、半極性面には、{10−11}面、{10−12}面、或いは{11−22}面の内、いずれか1つが含まれる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the ninth embodiment of the present invention, the semipolar plane includes a {10-11} plane, a {10-12} plane, or a {11-22} plane, Any one is included.
本発明の第9の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、結晶成長の主面としてm面、{10−11}面、或いは{10−12}面の内、いずれか1つの面を選択した場合、a面を共振器の反射鏡として用いる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the ninth embodiment of the present invention, any one of the m-plane, {10-11} plane, and {10-12} plane as the main plane of crystal growth is used. When the surface is selected, the a-plane is used as the reflector of the resonator.
本発明の第9の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、a面は、へき開面であることを特徴とする。 The ultraviolet nitride semiconductor light-emitting device according to the ninth embodiment of the present invention is characterized in that the a-plane is a cleavage plane.
本発明の第9の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、活性層は、単一井戸ないしは多重量子井戸構造を備え、AlXGa1-XN井戸層のAlNモル分率は30%以上60%以下であり、かつ、AlXGa1-XN障壁層のAlNモル分率とAlXGa1-XN井戸層のAlNモル分率の比は0.7以上である。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the ninth embodiment of the present invention, the active layer has a single well or multiple quantum well structure, and the AlN molar fraction of the Al x Ga 1-x N well layer is The ratio of the AlN molar fraction of the Al x Ga 1-X N barrier layer to the AlN molar fraction of the Al x Ga 1-X N well layer is 0.7 or higher.
基板10は、例えば、絶縁性m面SiC基板、絶縁性m面AlN基板、絶縁性m面AlGaN基板、r面若しくはm面サファイア基板、(001)面MgAl2 O4 基板で構成することができる。 The substrate 10 can be composed of, for example, an insulating m-plane SiC substrate, an insulating m-plane AlN substrate, an insulating m-plane AlGaN substrate, an r-plane or m-plane sapphire substrate, and a (001) plane MgAl 2 O 4 substrate. .
本発明の第9の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子は、非極性面を結晶成長面とし、ストライプ方向のへき開面をa面として利用することによって、水平横モードは利得・偏光導波性能を備え、一方垂直横モードは、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16(例えば、MQWの井戸数を3以下として、全体の厚さ約30nm程度)を利用することによって、AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層16への光閉じ込め効果による導波の利用が可能となる。 The ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the ninth embodiment of the present invention uses the nonpolar plane as the crystal growth plane and the cleavage plane in the stripe direction as the a plane, so that the horizontal transverse mode is gain / polarization guided. The vertical transverse mode has an Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer 16 (for example, the number of MQW wells is 3 or less and the total thickness is about 30 nm). By using this, it becomes possible to use the guided wave due to the light confinement effect on the Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer 16.
しかもp側電極26およびn側電極24を同一表面側から取り出すことができ、実装も容易となる。 In addition, the p-side electrode 26 and the n-side electrode 24 can be taken out from the same surface side, and mounting is facilitated.
[第10の実施の形態]
図22(a)は、本発明の第10の実施の形態に係るAl1-X InXN/Al1-X InXN活性層を備える紫外線窒化物半導体発光素子におけるレーザ光の発振波長とInNモル分率xとの関係を示す。また、図22(b)は、本発明の第10の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子におけるバンドギャップエネルギーとInNモル分率xとの関係を示す。
[Tenth embodiment]
FIG. 22A shows the oscillation wavelength of the laser light in the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device including the Al 1-X In X N / Al 1-X In X N active layer according to the tenth embodiment of the present invention. The relationship with InN molar fraction x is shown. FIG. 22B shows the relationship between the band gap energy and the InN molar fraction x in the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the tenth embodiment of the present invention.
図23は、本発明の第10の実施の形態に係るAl1-X InXN/Al1-X InXN活性層を備える紫外線窒化物半導体発光素子におけるバンドギャップエネルギーとa軸の格子定数の関係、および発光波長とa軸の格子定数の関係を示す。 FIG. 23 shows band gap energy and a-axis lattice constant in an ultraviolet nitride semiconductor light emitting device having an Al 1 -X In X N / Al 1 -X In X N active layer according to a tenth embodiment of the present invention. And the relationship between the emission wavelength and the lattice constant of the a axis.
本発明の第10の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、第1の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子の構成において、AlGaNの代わりにAlInNを適用した点に特徴を有する。 The ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the tenth embodiment of the present invention is characterized in that AlInN is applied instead of AlGaN in the configuration of the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment. Have.
本発明の第10の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子は、m面基板と、m面基板上に配置され,n型不純物をドープされたAlInN層と、AlInN層上に配置されたAl1-X InXN障壁層とAl1-X InXN井戸層からなる量子井戸構造を有するAl1-X InXN/Al1-X InXN活性層と、Al1-X InXN/Al1-X InXN活性層上に配置され,p型不純物をドープされたAlInN層とを備え、c軸が結晶成長の主面の法線方向から40°〜90°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面とし、光の電界成分Eが主にc軸と平行(E//c)なる偏光特性を示すことを特徴とする。 The ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the tenth embodiment of the present invention is arranged on an m-plane substrate, an AlInN layer that is arranged on the m-plane substrate and doped with an n-type impurity, and an AlInN layer. An Al 1 -X In X N / Al 1 -X In X N active layer having a quantum well structure comprising an Al 1 -X In X N barrier layer and an Al 1 -X In X N well layer, and an Al 1 -X In disposed X N / Al 1-X in X N active layer, and a AlInN doped with p-type impurity layer, the range c-axis from the normal direction of the principal surface of the crystal growth of 40 ° to 90 ° The tilted surface is the main surface of crystal growth, and the electric field component E of light mainly exhibits polarization characteristics parallel to the c-axis (E // c).
本発明の第10の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、結晶成長の主面には、非極性面または半極性面が含まれる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the tenth embodiment of the present invention, the main surface of crystal growth includes a nonpolar plane or a semipolar plane.
本発明の第10の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、非極性面には、m面またはa面が含まれる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the tenth embodiment of the present invention, the nonpolar plane includes an m plane or an a plane.
本発明の第10の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、半極性面には、{10−11}面、{10−12}面、或いは{11−22}面の内、いずれか1つが含まれる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the tenth embodiment of the present invention, the semipolar plane includes a {10-11} plane, a {10-12} plane, or a {11-22} plane, Any one is included.
本発明の第10の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、結晶成長の主面としてm面、{10−11}面、或いは{10−12}面の内、いずれか1つの面を選択した場合、a面を共振器の反射鏡として用いる。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the tenth embodiment of the present invention, any one of the m-plane, {10-11} plane, and {10-12} plane as the main plane of crystal growth is used. When the surface is selected, the a-plane is used as the reflector of the resonator.
本発明の第10の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、a面は、へき開面であることを特徴とする。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the tenth embodiment of the present invention, the a-plane is a cleavage plane.
本発明の第10の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、活性層は、単一井戸ないしは多重量子井戸構造を備え、InNモル分率が5%以下であることを特徴とする。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the tenth embodiment of the present invention, the active layer has a single well or multiple quantum well structure and has an InN molar fraction of 5% or less. .
基板10は、例えば、絶縁性m面SiC基板、絶縁性m面AlN基板、絶縁性m面AlGaN基板、r面若しくはm面サファイア基板、(001)面MgAl2 O4 基板で構成することができる。 The substrate 10 can be composed of, for example, an insulating m-plane SiC substrate, an insulating m-plane AlN substrate, an insulating m-plane AlGaN substrate, an r-plane or m-plane sapphire substrate, and a (001) plane MgAl 2 O 4 substrate. .
本発明の第10の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子は、非極性面を結晶成長面とし、ストライプ方向のへき開面をa面とすることによって、水平横モードは利得・偏光導波性能を備え、一方垂直横モードは、Al1-X InXN/Al1-X InXN活性層(例えば、MQWの井戸数を3以下として、全体の厚さ約30nm程度)を利用することによって、Al1-X InXN/Al1-X InXN活性層への光閉じ込め効果による導波の利用が可能となる。 The ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the tenth embodiment of the present invention uses a nonpolar plane as a crystal growth plane and a cleavage plane in the stripe direction as an a plane, so that the horizontal transverse mode is a gain / polarization waveguide. The vertical transverse mode uses an Al 1 -X In X N / Al 1 -X In X N active layer (for example, the number of MQW wells is 3 or less and the total thickness is about 30 nm). This makes it possible to use guided wave due to the optical confinement effect in the Al 1 -X In X N / Al 1 -X In X N active layer.
本発明の第10の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子においては、第1の実施の形態のみならず第2乃至第9の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子の構成において、AlGaNの代わりにAlInNを適用した構成とすることも可能である。 In the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the tenth embodiment of the present invention, in the configuration of the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device according to the second to ninth embodiments as well as the first embodiment, It is also possible to adopt a configuration in which AlInN is applied instead of AlGaN.
本発明の紫外線窒化物半導体発光素子によれば、効率的な光導波を実現でき、分極による内部電場効果を低減でき、非極性面(a面、m面)または半極性面成長を行ったAl1-X InXN混晶や、その量子井戸を活性層に用いたLDの構造により、低しきい値電流密度化を図ることができる。 According to the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device of the present invention, an efficient optical waveguide can be realized, the internal electric field effect due to polarization can be reduced, and nonpolar plane (a plane, m plane) or semipolar plane grown Al Low threshold current density can be achieved by a 1-X In X N mixed crystal or an LD structure using the quantum well as an active layer.
本発明の第10の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子によれば、波長300nm以下の紫外光を発光させるために、結晶成長面をc軸(極性面)から約40°〜90°程度に傾斜させて分極による内部電界効果を低減するとともに、発光層にAl1-X InXN/Al1-X InXN MQW構造を用い、InNモル分率が5%以下とすることによって、井戸層の面内圧縮歪みを低減し、光の電界ベクトルEとc軸を平行ならしめることができる。 According to the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device of the tenth embodiment of the present invention, in order to emit ultraviolet light having a wavelength of 300 nm or less, the crystal growth plane is about 40 ° to 90 ° from the c-axis (polar plane). By reducing the internal electric field effect due to polarization by tilting to a certain extent, and using an Al 1-X In X N / Al 1-X In X N MQW structure in the light emitting layer, the InN molar fraction is made 5% or less. The in-plane compressive strain of the well layer can be reduced, and the electric field vector E and the c-axis can be made parallel.
これによって、紫外線窒化物半導体発光素子(LD)の閾値電流密度が低減し、発光効率を向上させることができる。 Thereby, the threshold current density of the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device (LD) can be reduced, and the light emission efficiency can be improved.
[その他の実施の形態]
以上、本発明を第1乃至第10の実施形態について説明したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
[Other embodiments]
The first to tenth embodiments of the present invention have been described above. However, the description and the drawings that constitute a part of this disclosure do not limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
本発明の実施の形態においては、主として半導体レーザダイオードについて説明したが、発光ダイオードにも適用できることは明らかである。 In the embodiments of the present invention, the semiconductor laser diode has been mainly described, but it is obvious that the present invention can also be applied to a light emitting diode.
上記のように、本発明は第1乃至第10の実施の形態によって記載したが、このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。 As described above, the present invention has been described according to the first to tenth embodiments, but it is needless to say that the present invention includes various embodiments that are not described herein. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.
本発明の実施の形態に係る紫外線窒化物半導体発光素子およびその製造方法によれば、III族窒化物半導体からなる深紫外線波長のレーザ光を発生する窒化物半導体レーザダイオードの低しきい値電流密度化を実現することができることから、殺菌・浄水、医療機器、生化学産業、半導体リソグラフィーなどの幅広い分野で必須の光源を提供する。 According to the ultraviolet nitride semiconductor light emitting device and the manufacturing method thereof according to the embodiment of the present invention, a low threshold current density of a nitride semiconductor laser diode that generates laser light having a deep ultraviolet wavelength made of a group III nitride semiconductor Therefore, we provide essential light sources in a wide range of fields such as sterilization / water purification, medical equipment, biochemical industry, and semiconductor lithography.
10…基板
11…AlGaNコンタクト層
12,20…AlGaNクラッド層
13,17…AlGaN層
14,18…AlGaN導波層
16…AlGaN/AlGaN活性層
22…AlGaNコンタクト層
24…n側電極
26…p側電極
28a,28b,30a,30b…共振ミラー面
40…水素キャリアガス槽
42…アルミニウム(Al)供給槽
44…ガリウム(Ga)供給槽
45…インジウム(In)供給槽
46…ジメチルヒドラジン(DMHy)供給槽
47…マグネシウム(Mg)供給槽
48…アンモニア(NH3)または窒素(N2 )ガスボンベ
49…シリコン(Si)供給用ガスボンベ
50…加熱機構
52…基板
54…排気口
56…サセプタ
60…反応槽
62…Gaセル
63…Mgセル
64…Alセル
65…Siセル
66…NH3セルまたはRFプラズマソース
67…Inセル
68…RHEEDスクリーン
70…電子ビーム源
70a,70b…電子ビーム
72…基板ホルダ
74…基板ヒータ
76…液体窒素シュラウド
78…排気バルブ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Board | substrate 11 ... AlGaN contact layer 12, 20 ... AlGaN clad layer 13, 17 ... AlGaN layer 14, 18 ... AlGaN waveguide layer 16 ... AlGaN / AlGaN active layer 22 ... AlGaN contact layer 24 ... n side electrode 26 ... p side Electrodes 28a, 28b, 30a, 30b ... resonant mirror surface 40 ... hydrogen carrier gas tank 42 ... aluminum (Al) supply tank 44 ... gallium (Ga) supply tank 45 ... indium (In) supply tank 46 ... dimethylhydrazine (DMHy) supply Tank 47 ... Magnesium (Mg) supply tank 48 ... Ammonia (NH 3 ) or nitrogen (N 2 ) gas cylinder 49 ... Gas cylinder 50 for supplying silicon (Si) ... Heating mechanism 52 ... Substrate 54 ... Exhaust port 56 ... Susceptor 60 ... Reaction tank 62 ... Ga cell 63 ... Mg cells 64 ... Al cell 65 ... Si cell 66 ... NH 3 cells Other RF plasma source 67 ... an In cell 68 ... RHEED screen 70 ... electron beam source 70a, 70b ... electron beam 72 ... substrate holder 74 ... substrate heater 76 ... liquid nitrogen shroud 78 ... exhaust valve
Claims (16)
前記基板上に配置され,n型不純物をドープされたAlGaN層と、
前記AlGaN層上に配置され,AlXGa1-XN(0≦x≦1)障壁層とAlXGa1-XN(0≦x≦1)井戸層からなる量子井戸構造を有するAlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層と、
前記AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層上に配置され,p型不純物をドープされたAlGaN層とを備え、
c軸が結晶成長の主面の法線方向から40°〜90°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面とし、光の電界成分Eが主にc軸と平行(E//c)なる偏光特性を示し、前記結晶成長面で結晶成長した前記活性層内に形成されるレーザ共振器の端面がa面で形成され、前記c軸が前記活性層の量子井戸面内にあり、前記活性層の前記井戸数を3以下とすることを特徴とする紫外線窒化物半導体発光素子。 Any one of a nonpolar plane substrate and a semipolar plane substrate ;
An AlGaN layer disposed on the substrate and doped with an n-type impurity;
Wherein disposed on the AlGaN layer, Al X Ga 1-X N (0 ≦ x ≦ 1) barrier layer and the Al X Ga 1-X N ( 0 ≦ x ≦ 1) Al X having a quantum well structure composed of the well layer A Ga 1-X N / Al X Ga 1-X N active layer;
The Al X Ga 1-X N / Al X Ga 1-X N is disposed on the active layer, and a AlGaN layer doped with p-type impurity,
The plane in which the c-axis is inclined within the range of 40 ° to 90 ° from the normal direction of the main plane of crystal growth is the main plane of crystal growth, and the electric field component E of light is mainly parallel to the c-axis (E // c ) polarization characteristics shows comprising, an end face of the crystal growth surface in the laser resonator formed on the crystal grown above the active layer is formed in a plane, the c-axis is in the quantum well plane of the active layer An ultraviolet nitride semiconductor light emitting device characterized in that the number of wells in the active layer is 3 or less .
前記m面基板上に配置され,n型不純物をドープされたAlInN層と、
前記AlInN層上に配置されたAl1-XInXN障壁層とAl1-XInXN井戸層からなる量子井戸構造を有するAl1-XInXN/Al1-XInXN活性層と、
前記Al1-XInXN/Al1-XInXN活性層上に配置され,p型不純物をドープされたAlInN層とを備え、
c軸が結晶成長の主面の法線方向から40°〜90°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面とし、光の電界成分Eが主にc軸と平行(E//c)なる偏光特性を示し、前記結晶成長面で結晶成長した前記活性層内に形成されるレーザ共振器の端面がa面で形成され、前記c軸が前記活性層の量子井戸面内にあり、前記活性層の前記井戸数を3以下とすることを特徴とする紫外線窒化物半導体発光素子。 an m-plane substrate;
An AlInN layer disposed on the m-plane substrate and doped with an n-type impurity;
Al 1 -X In X N / Al 1 -X In X N activity having a quantum well structure comprising an Al 1 -X In X N barrier layer and an Al 1 -X In X N well layer disposed on the AlInN layer Layers,
The Al 1-X In X N / Al 1-X In X N are arranged on the active layer, and a AlInN layer doped with p-type impurity,
The plane in which the c-axis is inclined within the range of 40 ° to 90 ° from the normal direction of the main plane of crystal growth is the main plane of crystal growth, and the electric field component E of light is mainly parallel to the c-axis (E // c ) polarization characteristics shows comprising, an end face of the crystal growth surface in the laser resonator formed on the crystal grown above the active layer is formed in a plane, the c-axis is in the quantum well plane of the active layer An ultraviolet nitride semiconductor light emitting device characterized in that the number of wells in the active layer is 3 or less .
c軸が結晶成長の主面の法線方向から40°〜90°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面とし、前記m面基板上にn型不純物をドープされたAlGaN層を形成する工程と、
前記AlGaN層上にAlXGa1-XN障壁層とAlXGa1-XN井戸層からなる量子井戸構造を有し前記活性層の前記井戸数を3以下とするようにAlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層を形成する工程と、
前記AlXGa1-XN/AlXGa1-XN活性層上にp型不純物をドープされたAlGaN層を形成する工程と、
a面に沿ってレーザ共振器の反射面を形成する工程と
を有することを特徴とする紫外線窒化物半導体発光素子の製造方法。 preparing an m-plane substrate;
Forming an AlGaN layer doped with an n-type impurity on the m-plane substrate, with the c-axis inclined in the range of 40 ° to 90 ° from the normal direction of the main surface of crystal growth as the main surface of crystal growth And a process of
The AlGaN Al on the layer X Ga 1-X N barrier layers and Al X Ga 1-X N of the well number of the quantum well structure consisting of well layers possess the active layer 3 to less Al X Ga 1 forming a -X N / Al X Ga 1- X N active layer,
Forming an AlGaN layer doped with a p-type impurity on the Al x Ga 1-x N / Al x Ga 1-x N active layer;
and a step of forming a reflection surface of the laser resonator along the a-plane.
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