JP2009246005A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体レーザダイオード10はInGaNと格子整合するZnO単結晶基板12と、ZnO単結晶基板12上に形成されたInGaNからなりZnO単結晶基板12と格子整合する格子整合系下部クラッド層14と、下部クラッド層14上に形成されたInGaNからなる活性層15と、活性層15上に形成されたInGaNからなり、活性層15と格子整合する格子整合系上部クラッド層16と、上部クラッド層16上に形成されたp型コンタクト層17と、を備える。InGaNからなる活性層15を、4nm以上臨界膜厚以下の膜厚に厚膜化した。活性層15は、複数対の井戸層と障壁層を有する多重量子井戸構造からなり、各井戸層の膜厚は4nm以上20nm以下である。
【選択図】図1
Description
Daniel F. Feezell, et al., "AlGaN-Cladding-Free Nonpolar InGaN/GaN Laser Diode", Japanese Journal of Phisics, Vol 46, No.13, 2007, pp. L284-L286 Tsuyoshi Tojyo, et al., "High-Power AlGaN Laser Diodes with High Kink Level and Low Relative Intensity Noise", Japanese Journal of Phisics, Vol 41, 2002, pp. L1829-1833
・InNとGaNとの格子整合差が11%と大きく、高In組成のInGaN層では相分離が生じるため、485nm以上の発光波長を有する半導体レーザダイオード(LD)の製造が困難。
・C面基板とInGaN活性層の格子定数差により生じる歪みで発生したピエゾ電界発生のために、井戸層の膜厚を3nm以上にできなかった。
・基板との大きな格子定数差のために貫通転位密度が<105cm-2以下を実現できなかった。
特に、上記非特許文献1の従来技術では、次のような問題があった。
・大面積なm面GaN基板は実現されていない。
・結晶成長が困難である。
・InGaN活性層とInGaNクラッド層との屈折率差が小さく、縦方向の光の閉じ込めが弱いために、レーザ発振が困難であった。
・InGaNクラッド層とInGaN活性層との禁制帯幅が小さいため、キャリアが活性層から漏れてレーザ発振が困難であった。また、レーザ発振しても発光効率が悪く、温度特性も悪かった。
(一実施形態)
本発明の一実施形態に係る半導体発光素子としての半導体レーザダイオード10を、図1乃至図5に基づいて説明する。図1は、一実施形態に係る半導体レーザダイオード10の概略構成を示す断面図である。
このような構成を有する半導体レーザダイオード10のバンド構造を図2に示す。
リッジ構造は、半導体レーザダイオードの構造の一種で、光導波路での光の損失を小さくできる実屈折率導波路構造を実現できる。比較的単純な構造ではあるが、レーザ光の発振状態を安定に保つためには加工技術の精密制御が必要となる。具体的には、フォトリソグラフィーおよびドライエッチング技術によりリッジ構造を形成する。
○InGaNと格子整合するZnO単結晶基板12に、この基板と格子整合するInGaN層を下部クラッド層14として用いることで、高In組成のInGaN活性層15の歪みが低減され、相分離及びピエゾ電界抑制、貫通転位の低減化を実現できる。
・上記一実施形態では、InGaNと格子整合するInGaN格子整合系基板として、ZnO単結晶基板12を用いたが、InGaN格子整合系基板として、InGaN単結晶基板、或いはサファイア基板を下地としてInGaN層を形成した基板、或いはβ-Ga2O3(酸化ガリウム)単結晶基板を用いても良い。
11:下部電極層
12:ZnO単結晶基板
13:擬似格子整合層
14:InGaN下部クラッド層
15:InGaN活性層
16:InGaN上部クラッド層
17:コンタクト層
18:パッシベーション膜
19:上部電極層
20,21:光閉じ込め層
22,23:キャリア閉じ込め層
Claims (14)
- InGaNと格子整合するInGaN格子整合系基板と、
前記基板上に形成された窒化ガリウムインジウム[In x Ga 1-x N(0<x<1)]からなり、前記基板と格子整合する格子整合系下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上に形成された窒化ガリウムインジウム[In x Ga 1-x N(0<x<1)]からなる活性層と、
前記活性層上に形成された前記基板と格子整合する格子整合系上部クラッド層と、
前記上部クラッド層上に形成されたコンタクト層と、を備え、
前記活性層は、4nm以上臨界膜厚以下の膜厚を有することを特徴とする半導体発光素子。 - 前記InGaN格子整合系基板がZnO単結晶基板、InGaN単結晶基板およびサファイア基板のいずれかを下地としてInGaN層を形成した基板、またはβ-Ga2O3(酸化ガリウム)単結晶基板であることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記活性層のインジウム(In)の組成比は、発光波長が480nm以上、650nm以下となるように設定されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体発光素子。
- 前記下部クラッド層のインジウム(In)の組成は、前記ZnO単結晶基板に格子整合する10%から20%程度であることを特徴とする請求項2に記載の半導体発光素子。
- 前記活性層がバルク構造からなり、その膜厚は4nm以上50nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記活性層が単一量子井戸構造からなり、該単一量子井戸構造の井戸層の膜厚は4nm以上50nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記活性層が多重量子井戸構造からなり、該多重量子井戸構造の井戸層の膜厚は4nm以上20nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記下部クラッド層と前記活性層との間、および該活性層と前記上部クラッド層との間に、光閉じ込め層がそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれか一つに記載の半導体発光素子。
- 前記光閉じ込め層は傾斜屈折率型分離閉じ込めヘテロ構造からなることを特徴とする請求項8に記載の半導体発光素子。
- 前記下部クラッド層と前記上部クラッド層のうち、少なくともp型導電性を有するクラッド層と前記活性層との間にキャリア閉じ込め層が設けられていることを特徴とする請求項9に記載の半導体発光素子。
- 前記ZnO単結晶基板の面方位はc面であることを特徴とする請求項2に記載の半導体発光素子。
- 前記ZnO単結晶基板の面方位はm面(1_100)及びa面(11_20)であることを特徴とする請求項2に記載の半導体発光素子。
- 前記ZnO単結晶基板の面方位は半極性面(10_1_1)、(11_22)であることを特徴とする請求項2に記載の半導体発光素子。
- 前記ZnO単結晶基板と前記下部クラッド層との間に、膜厚が1ML以上、ZnO単結晶基板に対して臨界膜厚以下の窒化物半導体層からなる擬似格子整合層が形成されていることを特徴とする請求項2に記載の半導体発光素子。
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