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JPH11298090A - Nitride semiconductor element - Google Patents

Nitride semiconductor element

Info

Publication number
JPH11298090A
JPH11298090A JP9713498A JP9713498A JPH11298090A JP H11298090 A JPH11298090 A JP H11298090A JP 9713498 A JP9713498 A JP 9713498A JP 9713498 A JP9713498 A JP 9713498A JP H11298090 A JPH11298090 A JP H11298090A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
nitride semiconductor
well
doped
barrier
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP9713498A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shinichi Nagahama
慎一 長濱
Shuji Nakamura
修二 中村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nichia Chemical Industries Ltd
Original Assignee
Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nichia Chemical Industries Ltd filed Critical Nichia Chemical Industries Ltd
Priority to JP9713498A priority Critical patent/JPH11298090A/en
Publication of JPH11298090A publication Critical patent/JPH11298090A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Led Devices (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To lower the oscillation threshold by comprising an active layer having a multiple quantum well structure composed of laminated In-containing nitride semiconductor well layers and barrier layers between and p-side nitride semiconductor layers, where the well layers the active layer are not doped but barrier layers are doped with an n-type impurity. SOLUTION: An active layer 25 has undoped In0.2 Ga0.8 N well layers grown to 40 Å thickness and Si-doped by 5×10<18> /cm<3> In0.01 Ga0.95 N barrier layers grown up to 100 Å thick at the same temperature. They are laminated in the order of the well, barrier, well, and barrier layers as a multiple quantum well structure of the active layer grown. The number of the well layers is closely related to the threshold current density which lowers most, when the number of well layers is 2, and hence the oscillation threshold can be made to lower.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は発光ダイオード素子、レ
ーザダイオード素子等の発光素子、太陽電池、光センサ
等の受光素子、あるいはトランジスタ、パワーデバイス
等の電子デバイスに用いられる窒化物半導体(InX
YGa1-X-YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)よりなる素
子に関する。
The present invention relates to a light emitting diode element, a light-emitting element such as a laser diode element, a solar cell, a light receiving element such as an optical sensor or transistor, a power device such as a nitride semiconductor (an In X used for electronic devices, A
1 Y Ga 1 -XYN , 0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1).

【0002】[0002]

【従来の技術】窒化物半導体は高輝度純緑色発光LE
D、青色LEDとして、既にフルカラーLEDディスプ
レイ、交通信号灯、イメージスキャナー光源等の各種光
源で実用化されている。これらのLED素子は基本的
に、サファイア基板上にGaNよりなるバッファ層と、
SiドープGaNよりなるn側コンタクト層と、単一量
子井戸構造のInGaN、あるいはInGaNを有する
多重量子井戸構造の活性層と、MgドープAlGaNよ
りなるp側クラッド層と、MgドープGaNよりなるp
側コンタクト層とが順に積層された構造を有しており、
20mAにおいて、発光波長450nmの青色LEDで
5mW、外部量子効率9.1%、520nmの緑色LE
Dで3mW、外部量子効率6.3%と非常に優れた特性
を示す。
2. Description of the Related Art A nitride semiconductor is a high-brightness pure green light emitting LE.
D and blue LEDs have already been put to practical use in various light sources such as full-color LED displays, traffic signal lights, and image scanner light sources. These LED elements basically have a buffer layer made of GaN on a sapphire substrate,
N-side contact layer made of Si-doped GaN, InGaN having a single quantum well structure or an active layer having a multiple quantum well structure having InGaN, p-side cladding layer made of Mg-doped AlGaN, and p-layer made of Mg-doped GaN
Side contact layer is sequentially laminated,
At 20 mA, 5 mW with a 450 nm emission wavelength blue LED, 9.1% external quantum efficiency, 520 nm green LE
D shows an excellent characteristic of 3 mW and an external quantum efficiency of 6.3%.

【0003】また、我々は窒化物半導体基板の上に、活
性層を含む窒化物半導体レーザ素子を作製して、世界で
初めて室温での連続発振1万時間以上を達成したことを
発表した(ICNS'97 予稿集,October 27-31,1997,P444-4
46、及びJpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997)pp.L1568-157
1,Part2,No.12A,1 December 1997)。基本的な構造とし
ては、サファイア基板上に、部分的に形成されたSiO
2膜を介して選択成長されたGaNよりなる窒化物半導
体基板の上に、レーザ素子構造となる窒化物半導体層が
複数積層されてなる。(詳細はJpn.J.Appl.Phys.Vol.36
参照)
[0003] In addition, we have produced a nitride semiconductor laser device including an active layer on a nitride semiconductor substrate, and announced that the world's first continuous oscillation at room temperature of 10,000 hours or more has been achieved (ICNS). '97 Proceedings, October 27-31, 1997, P444-4
46, and Jpn.J.Appl.Phys.Vol.36 (1997) pp.L1568-157
1, Part 2, No. 12A, 1 December 1997). The basic structure is such that a partially formed SiO 2 is formed on a sapphire substrate.
A plurality of nitride semiconductor layers forming a laser element structure are stacked on a nitride semiconductor substrate made of GaN selectively grown via two films. (For details, see Jpn.J.Appl.Phys.Vol.36
reference)

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、1万時
間以上の連続発振が推定されたのは、出力で2mWであ
る。2mWでは読み取り用光源としては若干もの足り
ず、書き込み用光源ではこの10倍以上の出力が必要で
あり、さらなるレーザ素子の出力向上と長寿命化が望ま
れている。
However, the continuous oscillation of 10,000 hours or more was estimated at 2 mW in output. At 2 mW, the light source for reading is slightly insufficient, and the light source for writing needs an output ten times or more than this. Therefore, further improvement in the output of the laser element and a longer life are desired.

【0005】レーザ素子の発振閾値が低下すれば、レー
ザ素子の発熱量が小さくなるので、電流値を多くして出
力を上げることができる。さらに、閾値が低下すると言
うことは、レーザ素子だけでなくLED、SLD等、他
の窒化物半導体素子にも適用でき、高効率で信頼性の高
い素子を提供できる。従って本発明の目的とするところ
は、主としてレーザ素子の出力の向上と、発振閾値を低
下させて素子の長寿命化を実現することにある。
When the oscillation threshold value of the laser element decreases, the amount of heat generated by the laser element decreases, so that the current value can be increased and the output can be increased. Further, the fact that the threshold value is reduced means that the present invention can be applied not only to a laser element but also to other nitride semiconductor elements such as an LED and an SLD, and a highly efficient and highly reliable element can be provided. Accordingly, it is an object of the present invention to improve the output of a laser device and to extend the life of the device by lowering the oscillation threshold value.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明の窒化物半導体素
子は主として2種類の態様より成り、第1の態様は、n
側の窒化物半導体層と、p側の窒化物半導体層との間
に、Inを含む窒化物半導体よりなる井戸層と、井戸層
と組成の異なる窒化物半導体よりなる障壁層とが積層さ
れてなる多重量子井戸構造の活性層を有し、前記活性層
の井戸層はアンドープであり、前記障壁層にn型不純物
がドープされていることを特徴とする。
Means for Solving the Problems The nitride semiconductor device of the present invention mainly comprises two types of embodiments.
A well layer made of a nitride semiconductor containing In and a barrier layer made of a nitride semiconductor having a different composition from the well layer are stacked between the nitride semiconductor layer on the p-side and the nitride semiconductor layer on the p-side. Wherein the well layer of the active layer is undoped, and the barrier layer is doped with an n-type impurity.

【0007】本発明の第2の態様は、n側の窒化物半導
体層と、p側の窒化物半導体層との間に、Inを含む窒
化物半導体よりなる井戸層と、井戸層と組成の異なる窒
化物半導体よりなる障壁層とが積層されてなる多重量子
井戸構造の活性層を有し、前記多重量子井戸構造は、p
側の窒化物半導体に接近した側が障壁層で終わってお
り、少なくとも最後の井戸層がアンドープで、最後の障
壁層にn型不純物がドープされていることを特徴とす
る。本発明においてn側の窒化物半導体とは活性層を挟
んで、一方の窒化物半導体層に少なくともn型窒化物半
導体層を含む半導体層側を指し、p側の窒化物半導体と
は、活性層を挟んでn側の窒化物半導体と反対側にある
窒化物半導体を指すものとする。なお、本発明の第1及
び第2の態様において、多重量子井戸構造は井戸層から
始まる方が閾値が低下しやすい傾向にある。
According to a second aspect of the present invention, a well layer made of a nitride semiconductor containing In, a composition of a well layer and a well layer formed between an n-side nitride semiconductor layer and a p-side nitride semiconductor layer. An active layer having a multiple quantum well structure in which barrier layers made of different nitride semiconductors are stacked;
The side close to the nitride semiconductor ends with a barrier layer, at least the last well layer is undoped, and the last barrier layer is doped with an n-type impurity. In the present invention, the n-side nitride semiconductor refers to a semiconductor layer side including at least an n-type nitride semiconductor layer in one nitride semiconductor layer with an active layer interposed therebetween, and the p-side nitride semiconductor refers to an active layer. Indicates the nitride semiconductor on the opposite side to the nitride semiconductor on the n side. In the first and second aspects of the present invention, the threshold of the multiple quantum well structure tends to be lower when starting from the well layer.

【0008】本発明の第1、及び第2の態様において、
アンドープ(undope)とは意図的に不純物をドープしな
い窒化物半導体層を指し、例えば、原料に含まれる不純
物の混入、反応装置内のコンタミネーションによる不純
物の混入、および意図的に不純物をドープした他の層か
らの意図しない不純物拡散により、不純物が混入した層
も本発明ではアンドープと定義する(実質的なアンドー
プ)。
In the first and second aspects of the present invention,
Undoped refers to a nitride semiconductor layer that is not intentionally doped with impurities. For example, it is possible to mix impurities contained in a raw material, contamination of impurities due to contamination in a reaction apparatus, and intentionally doping impurities. In the present invention, a layer in which an impurity is mixed due to unintended impurity diffusion from the layer of is also defined as undoped (substantially undoped).

【0009】本発明の第1、及び第2の態様において、
前記n型の窒化物半導体層には、活性層に接近した側に
Inを含む窒化物半導体、若しくはGaNよりなる第1
の窒化物半導体層を有し、さらに第1の窒化物半導体層
よりも活性層から離れた側にAlを含む窒化物半導体層
を含む超格子からなる第2の窒化物半導体層を有するこ
とを特徴とする。第1の窒化物半導体層は活性層に接し
ていても、いなくても良いが、接して形成されているこ
とが望ましい。
In the first and second aspects of the present invention,
The n-type nitride semiconductor layer has a first semiconductor made of GaN or a nitride semiconductor containing In on a side close to the active layer.
And a second nitride semiconductor layer comprising a superlattice including a nitride semiconductor layer containing Al on a side farther from the active layer than the first nitride semiconductor layer. Features. The first nitride semiconductor layer may or may not be in contact with the active layer, but is preferably formed in contact with the active layer.

【0010】さらに、前記p側の窒化物半導体層には、
活性層に接近した側にAlを含む窒化物半導体、若しく
はGaNよりなる第3の窒化物半導体層を有し、さらに
第3の窒化物半導体層よりも活性層から離れた側にAl
を含む窒化物半導体層を含む超格子からなる第4の窒化
物半導体層を有することを特徴とする。同様に第3の窒
化物半導体層も活性層に接していても、いなくても良い
が、接して形成されることが望ましい。
Further, the p-side nitride semiconductor layer includes:
A nitride semiconductor containing Al or a third nitride semiconductor layer made of GaN is provided on a side closer to the active layer, and Al is provided on a side farther from the active layer than the third nitride semiconductor layer is.
And a fourth nitride semiconductor layer including a superlattice including a nitride semiconductor layer including: Similarly, the third nitride semiconductor layer may or may not be in contact with the active layer, but is preferably formed in contact with the active layer.

【0011】また本発明の第1、及び第2の態様では、
n側、又はp側の窒化物半導体層の内の少なくとも一方
には、Alを含む窒化物半導体を含む超格子からなる第
5の窒化物半導体層を有し、その第5の窒化物半導体層
のAl含有量が、活性層に接近するにつれて少なくなる
ようにされていることを特徴とする。これは超格子をG
RIN構造(gradient index waveguide)とすることを
意味する。
Further, in the first and second aspects of the present invention,
At least one of the n-side and the p-side nitride semiconductor layers has a fifth nitride semiconductor layer made of a superlattice containing a nitride semiconductor containing Al, and the fifth nitride semiconductor layer Is characterized in that the Al content is reduced as it approaches the active layer. This sets the superlattice to G
RIN structure (gradient index waveguide) is meant.

【0012】前記第5の窒化物半導体層には、その層の
導電型を決定する不純物がドープされており、その不純
物が活性層に接近するにつれて少なくなるように調整さ
れていることを特徴とする。
The fifth nitride semiconductor layer is doped with an impurity which determines the conductivity type of the layer, and the impurity is adjusted so as to decrease as the impurity approaches the active layer. I do.

【0013】前記障壁層にはp型不純物が不純物拡散に
より含まれていることを特徴とする。不純物拡散とは例
えば隣接、近接(必ずしも接していなくても良い)した
p型不純物を含む層の成長中、あるいは成長後、その層
から障壁層にp型不純物が拡散して混入した状態を指
す。一例として不純物拡散によりp型不純物が含まれる
場合、その層にはp型不純物の濃度勾配がついているこ
とが多い。拡散により混入する不純物としてはMg、B
e、Caのような窒化物半導体にドープされてp型とな
ることが確認されている不純物であることが多い。また
n型不純物よりも少量であることが多い。
[0013] The barrier layer contains a p-type impurity by impurity diffusion. Impurity diffusion refers to, for example, a state in which a p-type impurity is diffused into a barrier layer during or after growth of a layer containing a p-type impurity which is adjacent to, close to (not necessarily in contact with), or after growth. . For example, when a p-type impurity is contained by impurity diffusion, the layer often has a concentration gradient of the p-type impurity. As impurities mixed by diffusion, Mg, B
It is often an impurity that has been confirmed to be p-type when doped into a nitride semiconductor such as e or Ca. It is often smaller than the n-type impurity.

【0014】また本発明では、多重量子井戸構造の全井
戸層数が2であることを特徴とする。井戸数を2とする
と最も閾値が低下しやすい。即ちn側から、障壁+井戸
+障壁+井戸+障壁、井戸+障壁+井戸+障壁、井戸+
障壁+井戸(但し、井戸で終わる構成は第1の態様のみ
に適用)を積層した多重量子井戸構造とすることが最も
好ましい。
Further, the present invention is characterized in that the total number of well layers in the multiple quantum well structure is two. When the number of wells is 2, the threshold value is most likely to decrease. That is, from the n side, a barrier + well + barrier + well + barrier, well + barrier + well + barrier, well +
It is most preferable to have a multiple quantum well structure in which a barrier and a well (the structure ending with the well is applied only to the first embodiment) are stacked.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】図1は本発明に係る一レーザ素子
の構造を示す模式的な断面図であり、基本構成として
は、GaN基板20の上に、n側コンタクト層21、ク
ラック防止層(省略可能)22、n側クラッド層23、
n側光ガイド層24、多重量子井戸構造の活性層25、
p側キャップ層26、p側ガイド層27、p側クラッド
層28、p側コンタクト層29とが順に積層された構造
を有し、p側コンタクト層29からn側コンタクト層2
1までがエッチングされ、ストライプ状の導波路領域を
有する屈折率導波型のレーザ素子を示している。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing the structure of one laser device according to the present invention. The basic structure is such that an n-side contact layer 21 and a crack prevention layer are formed on a GaN substrate 20. (Can be omitted) 22, n-side cladding layer 23,
an n-side optical guide layer 24, an active layer 25 having a multiple quantum well structure,
It has a structure in which a p-side cap layer 26, a p-side guide layer 27, a p-side cladding layer 28, and a p-side contact layer 29 are sequentially laminated.
1 shows an index-guided laser device having a striped waveguide region etched up to 1.

【0016】多重量子井戸構造よりなる活性層25にお
いて、井戸層は少なくともInを含む窒化物半導体、好
ましくはInXGa1-XN(0<X<1)とする。一方、
障壁層は通常、井戸層よりもバンドギャップエネルギー
が大きい窒化物半導体を選択し、好ましくはInYGa
1-YN(0≦Y<1、X>Y)若しくはAlZGa1-ZN(0
<Z<0.5)とする。但し井戸層、障壁層をInAl
Nとすることも可能である。井戸層の膜厚は100オン
グストローム以下、さらに好ましくは70オングストロ
ーム以下、最も好ましくは50オングストローム以下に
調整する。100オングストロームよりも厚いと、出力
が低下する傾向にある。障壁層の膜厚は特に限定しない
が、通常は井戸層と同じか、若しくは井戸層よりも厚く
形成し、200オングストローム以下、好ましくは15
0オングストローム以下、最も好ましくは100オング
ストローム以下にする。また障壁層の膜厚を井戸層より
も薄くしてもよい。
In the active layer 25 having a multiple quantum well structure, the well layer is made of a nitride semiconductor containing at least In, preferably In x Ga 1 -xN (0 <x <1). on the other hand,
As the barrier layer, a nitride semiconductor having a band gap energy larger than that of the well layer is usually selected, and preferably, In Y Ga
1-Y N (0 ≦ Y <1, X> Y) or Al Z Ga 1-Z N ( 0
<Z <0.5). However, the well layer and the barrier layer are made of InAl.
N can also be set. The thickness of the well layer is adjusted to 100 Å or less, more preferably 70 Å or less, and most preferably 50 Å or less. If the thickness is more than 100 Å, the output tends to decrease. Although the thickness of the barrier layer is not particularly limited, it is usually formed to be the same as or thicker than the well layer, and 200 Å or less, preferably 15 Å or less.
0 Å or less, and most preferably 100 Å or less. Further, the thickness of the barrier layer may be smaller than that of the well layer.

【0017】本発明の第1の態様では、活性層25の井
戸層をアンドープ(意図的に不純物をドープしない状
態)として、障壁層にn型不純物のみがドープされる。
障壁層にn型不純物がドープされると井戸層のキャリア
濃度が大きくなるため、閾値が低下する。逆に障壁層に
意図してp型不純物をドープすると低下しにくい傾向に
ある。そのため、障壁層にはn型不純物のみをドープす
ることが望ましい。さらにまた、障壁層にn型不純物を
ドープすると井戸層のキャリア濃度が大きくなるため、
歪みによるピエゾ効果の量子シュタルク効果による電子
と正孔の空間的分離がスクリーニングされて、閾値が低
下すると推察される。逆に井戸層に不純物をドープする
と結晶性が悪くなって、キャリアの散乱が大きくなり、
閾値が高くなる傾向にある。なお本発明の第1の態様で
は、多重量子井戸構造は、p側の窒化物半導体層に接近
した側が障壁層で終わっても井戸層で終わっても良い
が、第2の態様のように障壁層で終わることが望まし
い。
In the first embodiment of the present invention, the well layer of the active layer 25 is undoped (in a state where no impurity is intentionally doped), and only the n-type impurity is doped into the barrier layer.
When the barrier layer is doped with an n-type impurity, the carrier concentration of the well layer increases, so that the threshold value decreases. Conversely, if the barrier layer is intentionally doped with a p-type impurity, it tends to be less likely to decrease. Therefore, it is desirable to dope only the n-type impurity into the barrier layer. Furthermore, when the barrier layer is doped with an n-type impurity, the carrier concentration of the well layer increases,
It is presumed that the spatial separation of electrons and holes due to the quantum Stark effect of the piezo effect due to distortion is screened, and the threshold value is lowered. Conversely, if the well layer is doped with impurities, the crystallinity deteriorates and carrier scattering increases,
The threshold value tends to be higher. In the first aspect of the present invention, in the multiple quantum well structure, the side close to the p-side nitride semiconductor layer may end with the barrier layer or the well layer, but as in the second aspect, Desirably ends in layers.

【0018】一方、第2の態様では、活性層25がp側
窒化物半導体に接近した側が障壁層で終わっており、少
なくとも最後の井戸層がアンドープで、最後の障壁層に
n型不純物がドープされている。即ち、井戸+障壁+井
戸+障壁、若しくは障壁+井戸+障壁+井戸+障壁とな
るようにn側の窒化物半導体から積層して行き、最後の
井戸層をアンドープとし、そして最後の障壁層にn型不
純物をドープする。それ以外の井戸層、障壁層には不純
物をドープしても、しなくても良く、不純物ドープにつ
いては特に問わない。好ましくは第1の態様のように、
障壁層にn型不純物をドープして、井戸層はアンドープ
とすることが望ましい。第2の態様においては多重量子
井戸構造は井戸層で終わるよりも、障壁層で終わった方
が閾値が低下しやすい傾向にあり、さらに最後の井戸層
をアンドープ、障壁層にn型不純物をドープすると、さ
らに閾値が低下する。この理由は定かではないが、窒化
物半導体の場合、ホールの有効質量が大きく、活性層に
注入されたホールはp層側に局在しており、p層側の井
戸層のみで発光すると考えられる。従ってn層側に接近
した井戸層は発光にあまり寄与しておらず、p層側に接
近した井戸層の方が発光に寄与する率が高い。このため
p層側に最も接近した井戸層をアンドープとして、障壁
層にn型不純物をドープすると最も効率が向上すると推
察される。
On the other hand, in the second embodiment, the active layer 25 ends on the side closer to the p-side nitride semiconductor with a barrier layer, and at least the last well layer is undoped, and the last barrier layer is doped with an n-type impurity. Have been. That is, the layers are stacked from the n-side nitride semiconductor so as to be a well + barrier + well + barrier or a barrier + well + barrier + well + barrier, the last well layer is undoped, and the last barrier layer is formed. Doping with an n-type impurity. The other well layers and barrier layers may or may not be doped with an impurity, and the impurity doping is not particularly limited. Preferably, as in the first aspect,
It is desirable that the barrier layer is doped with an n-type impurity and the well layer is undoped. In the second embodiment, the threshold of the multiple quantum well structure tends to be lower when the barrier layer is terminated than when the barrier layer is terminated, and the last well layer is undoped, and the barrier layer is doped with an n-type impurity. Then, the threshold value further decreases. Although the reason is not clear, in the case of a nitride semiconductor, the effective mass of holes is large, the holes injected into the active layer are localized on the p-layer side, and it is considered that light is emitted only from the well layer on the p-layer side. Can be Therefore, the well layer approaching the n-layer side does not contribute much to light emission, and the well layer approaching the p-layer side contributes more to light emission. For this reason, it is presumed that the efficiency is most improved when the well layer closest to the p-layer side is undoped and the barrier layer is doped with an n-type impurity.

【0019】障壁層にドープするn型不純物にはSi、
Ge、Sn、S、O、Ti、Zr等のIV族、若しくはVI
族元素を用いることができ、好ましくはSi、Ge、S
nを用いる。n型不純物のドープ量は5×1016/cm3
〜5×1021/cm3、好ましくは1×1017/cm3〜1×
1020/cm3、さらに好ましくは1×1018/cm3〜1×
1019/cm3の範囲に調整する。5×1016/cm3よりも
少ないと閾値があまり低下せず、一方、5×1021/cm
3よりも多いと障壁層の結晶性が悪くなって、寿命が短
くなる。
The n-type impurity doped into the barrier layer is Si,
Group IV such as Ge, Sn, S, O, Ti, Zr, or VI
Group elements can be used, preferably Si, Ge, S
n is used. The doping amount of the n-type impurity is 5 × 10 16 / cm 3
55 × 10 21 / cm 3 , preferably 1 × 10 17 / cm 3 -1 ×
10 20 / cm 3 , more preferably 1 × 10 18 / cm 3 to 1 ×
Adjust to the range of 10 19 / cm 3 . If it is less than 5 × 10 16 / cm 3 , the threshold value does not decrease so much, while 5 × 10 21 / cm 3
If the number is more than 3 , the crystallinity of the barrier layer is deteriorated, and the life is shortened.

【0020】また本発明の第1、及び第2の態様では、
活性層25に接近した側にInを含む窒化物半導体、若
しくはGaNよりなる第1の窒化物半導体層を有し、さ
らに第1の窒化物半導体層よりも活性層から離れた側に
Alを含む窒化物半導体層を含む超格子からなる第2の
窒化物半導体層を有している。図1の場合、n側光ガイ
ド層24が第1の窒化物半導体層に相当する。この層を
設けることにより、例えばレーザ素子では導波路領域を
形成する層として作用し、また他の素子においては、活
性層を成長させる前のバッファ層として作用し、結晶性
の良い活性層を成長させやすくする。
In the first and second aspects of the present invention,
A nitride semiconductor containing In or a first nitride semiconductor layer made of GaN is provided on a side closer to the active layer 25, and Al is contained on a side farther from the active layer than the first nitride semiconductor layer is. It has a second nitride semiconductor layer made of a superlattice including the nitride semiconductor layer. In the case of FIG. 1, the n-side light guide layer 24 corresponds to a first nitride semiconductor layer. By providing this layer, for example, in a laser element, it acts as a layer forming a waveguide region, and in other elements, it acts as a buffer layer before growing an active layer, and grows an active layer with good crystallinity. Make it easier.

【0021】さらに図1の場合、超格子より成るn側ク
ラッド層23が第2の窒化物半導体層に相当する。この
層はキャリア閉じ込め、光閉じ込めのためのクラッド層
として作用する。超格子とは、互いに組成の異なる窒化
物半導体の薄膜を積層した多層膜層のことである。超格
子を形成する場合、一方の窒化物半導体はAlを含む窒
化物半導体、好ましくは三元混晶のAlXGa1-XN(0
<X<1)とすると結晶性の良いものが得られやすい。
もう一方は前記Alを含む窒化物半導体と組成が異なれ
ばどのようなものでもよいが、好ましくはその窒化物半
導体よりもバンドギャップエネルギーが小さい窒化物半
導体として、InYGa1-YN(0≦Y≦1)を選択す
る。その中でもGaNとすると最も結晶性が良くなる。
即ち、超格子層はAlGaNとGaNとで構成すると、
結晶性の良いGaNがバッファ層のような作用をして、
AlGaNを結晶性良く成長できる。超格子層の単一膜
厚は100オングストローム以下、さらに好ましくは7
0オングストローム以下、最も好ましくは50オングス
トローム以下にする。このように薄膜を成長させること
により窒化物半導体が弾性臨界膜厚以下となるために、
AlGaNのような結晶中にクラックの入りやすい結晶
でも、クラックが入ることなく膜質良く成長できる。ま
た超格子層にはInAlN、InGaAlN等を形成す
ることもできる。
Further, in the case of FIG. 1, the n-side cladding layer 23 made of a superlattice corresponds to the second nitride semiconductor layer. This layer acts as a cladding layer for confining carriers and confining light. The superlattice is a multilayer film in which nitride semiconductor thin films having different compositions are stacked. When forming a superlattice, one of the nitride semiconductors is a nitride semiconductor containing Al, preferably a ternary mixed crystal of Al x Ga 1 -xN (0
When <X <1), a material having good crystallinity is easily obtained.
The other may be of any composition as long as it has a different composition from the nitride semiconductor containing Al, but is preferably a nitride semiconductor having a band gap energy smaller than that of the nitride semiconductor, such as In Y Ga 1 -YN (0 ≤Y≤1). Among them, GaN is most excellent in crystallinity.
That is, when the superlattice layer is composed of AlGaN and GaN,
GaN with good crystallinity acts like a buffer layer,
AlGaN can be grown with good crystallinity. The single thickness of the superlattice layer is 100 Å or less, more preferably 7 Å.
0 angstrom or less, most preferably 50 angstrom or less. By growing the thin film in this way, the nitride semiconductor has an elastic critical thickness or less.
Even a crystal such as AlGaN that easily cracks can be grown with good film quality without cracking. In addition, InAlN, InGaAlN, or the like can be formed in the superlattice layer.

【0022】また本発明の第1、及び第2の態様では、
活性層25に接近した側にAlを含む窒化物半導体、若
しくはGaNよりなる第3の窒化物半導体層を有し、さ
らに第3の窒化物半導体層よりも活性層から離れた側に
Alを含む窒化物半導体層を含む超格子からなる第4の
窒化物半導体層を有している。図1の場合、p側キャッ
プ層26、若しくはp側光ガイド層27が第3の窒化物
半導体層に相当し、超格子よりなるp側クラッド層28
が第4の窒化物半導体に相当する。p側キャップ層26
は活性層の障壁層よりも大きなバンドギャップエネルギ
ーを有する窒化物半導体として、その膜厚を0.1μm
よりも薄くすることにより、出力が向上する傾向にあ
る。またp側光ガイド層27は、p側キャップ層よりも
バンドギャップエネルギーを小さくすることにより、例
えばレーザ素子では導波路領域を形成する層として作用
し、また他の素子においては、p側クラッド層28を成
長させる前のバッファ層として作用し、結晶性の良いク
ラッド層を成長させやすくする。
In the first and second aspects of the present invention,
A nitride semiconductor containing Al or a third nitride semiconductor layer made of GaN is provided on the side closer to the active layer 25, and further contains Al on a side farther from the active layer than the third nitride semiconductor layer. It has a fourth nitride semiconductor layer composed of a superlattice including the nitride semiconductor layer. In the case of FIG. 1, the p-side cap layer 26 or the p-side light guide layer 27 corresponds to the third nitride semiconductor layer, and the p-side cladding layer 28 made of a superlattice
Corresponds to the fourth nitride semiconductor. p-side cap layer 26
Is a nitride semiconductor having a band gap energy larger than that of the barrier layer of the active layer, and has a thickness of 0.1 μm.
By making it thinner, the output tends to improve. The p-side light guide layer 27 has a band gap energy smaller than that of the p-side cap layer, and thus acts as a layer forming a waveguide region in a laser device, for example. It acts as a buffer layer before growing the layer 28, and facilitates the growth of a cladding layer having good crystallinity.

【0023】さらに図1の場合、超格子より成るp側ク
ラッド層28が第4の窒化物半導体層に相当する。この
層の作用、好ましい構成はn側クラッド層と全く同じで
あるので説明は省略する。
Further, in the case of FIG. 1, the p-side cladding layer 28 made of a superlattice corresponds to the fourth nitride semiconductor layer. The function and the preferred configuration of this layer are exactly the same as those of the n-side cladding layer, and therefore the description is omitted.

【0024】さらに、本発明ではn側クラッド層23、
p側クラッド層29を超格子のGRIN構造とすること
もできる。GRIN構造とすると、活性層の発光はAl
組成の少ない領域で導波されて、縦モードが単一モード
になりやすくなって閾値が低下する。一般にダブルへテ
ロ構造のクラッド層は、活性層よりもバンドギャップエ
ネルギーを大きくする必要があるので、窒化物半導体素
子のクラッド層には、例えばAlGaNのような、Al
を含有する窒化物半導体が用いられる。さらにGRIN
構造とすると、Al混晶比の大きい層は最外層、つまり
活性層から最も離れた層だけで良く、活性層に接近する
に従って、Al混晶比が小さくなっているため、最外層
にAl混晶比の大きい層を形成しやすくなる。そのた
め、クラッド層と活性層との屈折率差を大きくできるの
で、光閉じ込め効果が大きくなって、閾値が低下する。
また屈折率が中心(活性層)から外側に向かって徐々に
小さくなっているGRIN構造では、光が中心に集まり
やすくなるため閾値が低下する。なおn側クラッド層を
GRIN構造とする場合には、クラッド層の活性層側が
導波路領域を形成するので、n側光ガイド層24、p側
光ガイド層28は省略しても良い。
Further, in the present invention, the n-side cladding layer 23,
The p-side cladding layer 29 may have a super lattice GRIN structure. Assuming a GRIN structure, the light emission of the active layer is Al
Since the light is guided in a region having a small composition, the longitudinal mode tends to become a single mode, and the threshold value is reduced. In general, a clad layer having a double hetero structure needs to have a band gap energy larger than that of an active layer.
Is used. Further GRIN
In the structure, only the outermost layer, that is, the layer farthest from the active layer, needs to have a large Al mixed crystal ratio, and the Al mixed crystal ratio decreases as approaching the active layer. A layer having a large crystal ratio is easily formed. Therefore, the refractive index difference between the cladding layer and the active layer can be increased, so that the light confinement effect increases and the threshold value decreases.
In a GRIN structure in which the refractive index gradually decreases from the center (active layer) toward the outside, light tends to converge at the center, so that the threshold value decreases. When the n-side cladding layer has a GRIN structure, the n-side light guide layer 24 and the p-side light guide layer 28 may be omitted since the active layer side of the clad layer forms the waveguide region.

【0025】さらにまたn側クラッド層23、p側クラ
ッド層28を超格子のGRIN構造とする場合、そのク
ラッド層に含まれるn型不純物濃度、p型不純物濃度の
少なくとも一方を活性層に接近するに従って、少なくな
るように調整することが望ましい。不純物はAlを含む
第1の窒化物半導体層、もう一方の窒化物半導体層に両
方ドープしても良いが、好ましくはいずれか一方にドー
プすることが望ましい。これは変調ドープと呼ばれるも
ので、超格子層のいずれか一方の層に不純物をドープす
ることにより、超格子層全体の結晶性が良くなり、これ
も信頼性の高い素子を実現するのに効果的である。つま
り、不純物をドープしない結晶性の良い層の上に不純物
をドープした層を成長させると、不純物をドープした層
の結晶性が向上するため、超格子層全体としての結晶性
が良くなることによる。n型不純物としては、Si、G
e、Snを好ましく用いる。p型不純物としてはMg、
Be、Caを好ましく用いる。このようにクラッド層を
超格子として、その超格子に含まれるドナー、アクセプ
ター濃度を次第に小さくすると、クラッド層による活性
層近傍の光吸収が少なくなるので、光損失が低下して閾
値が低下する。さらに不純物濃度の少ない窒化物半導
体、不純物濃度の大きい窒化物半導体に比較して結晶性
がよい。そのため不純物濃度の少ない結晶性の良いn、
p両クラッド層で活性層を挟んだ構造とすると、結晶欠
陥の少ない活性層が成長できるために、素子の寿命も長
くなり、信頼性が向上すると共に、素子の耐圧も高くな
る。
Further, when the n-side cladding layer 23 and the p-side cladding layer 28 have a superlattice GRIN structure, at least one of the n-type impurity concentration and the p-type impurity concentration contained in the cladding layer approaches the active layer. Therefore, it is desirable to make adjustments so as to reduce the number. The impurity may be doped into both the first nitride semiconductor layer containing Al and the other nitride semiconductor layer, but it is preferable to dope either one. This is called modulation doping, and by doping one of the superlattice layers with an impurity, the crystallinity of the entire superlattice layer is improved, which is also an effect for realizing a highly reliable device. It is a target. In other words, when a layer doped with impurities is grown on a layer with good crystallinity without impurities, the crystallinity of the layer doped with impurities is improved, and the crystallinity of the entire superlattice layer is improved. . As the n-type impurities, Si, G
e and Sn are preferably used. Mg as a p-type impurity
Be and Ca are preferably used. As described above, when the clad layer is used as a superlattice and the donor and acceptor concentrations contained in the superlattice are gradually reduced, light absorption in the vicinity of the active layer by the clad layer is reduced, so that light loss is reduced and the threshold is lowered. Further, the crystallinity is better than a nitride semiconductor having a low impurity concentration and a nitride semiconductor having a high impurity concentration. Therefore, n having a low impurity concentration and good crystallinity,
When the active layer is sandwiched between the p-type cladding layers, an active layer having few crystal defects can be grown, so that the life of the element is prolonged, the reliability is improved, and the breakdown voltage of the element is increased.

【0026】GRIN構造の場合、不純物濃度としては
n型不純物の場合、n側クラッド層の最外層で1×10
17〜5×1020/cm3、好ましくは5×1017〜1×1
20/cm3の範囲に調整する。また活性層近傍、例えば
超格子層の低不純部濃度領域0.3μm以下では、1×
1019/cm3以下、さらに好ましくは5×1018/cm3
下に調整する。一方、p型不純物の場合、p側クラッド
層の最外層で1×10 17〜5×1021/cm3、好ましく
は5×1017〜1×1021/cm3の範囲に調整する。ま
た活性層近傍、例えば超格子層の低不純部濃度領域0.
3μm以下では、1×1019/cm3以下、さらに好まし
くは5×1018/cm3以下に調整する。最外層の不純物
濃度よりもむしろ、低不純物濃度層の方が重要であり、
活性層に接近した側の不純物濃度が1×1019/cm3
りも多いと、光吸収が多くなり、閾値が低下しにくくな
る傾向にある。また、不純物濃度を多くしたことによる
結晶性の低下により、寿命が短くなる傾向にある。最も
好ましくは不純物を意図的にドープしない状態、即ちア
ンドープとする。
In the case of the GRIN structure, the impurity concentration
In the case of an n-type impurity, the outermost layer of the n-side cladding layer is 1 × 10
17~ 5 × 1020/cmThree, Preferably 5 × 1017~ 1 × 1
020/cmThreeAdjust to the range. Also near the active layer, for example
In the low impurity portion concentration region of the superlattice layer of 0.3 μm or less, 1 ×
1019/cmThreeHereinafter, more preferably, 5 × 1018/cmThreeLess than
Adjust down. On the other hand, in the case of a p-type impurity,
1 × 10 at the outermost layer 17~ 5 × 10twenty one/cmThree, Preferably
Is 5 × 1017~ 1 × 10twenty one/cmThreeAdjust to the range. Ma
In the vicinity of the active layer, for example, in the low impurity concentration region of the superlattice layer.
For 3 μm or less, 1 × 1019/cmThreeBelow, even more preferred
Ku 5 × 1018/cmThreeAdjust to the following. Outermost layer impurities
Rather than the concentration, the low impurity concentration layer is more important,
The impurity concentration on the side close to the active layer is 1 × 1019/cmThreeYo
If the amount is too high, the light absorption will increase and the threshold will not easily decrease.
Tend to be. Also, due to the increased impurity concentration
The life tends to be shortened due to a decrease in crystallinity. most
Preferably, no impurities are intentionally doped, that is,
And dope.

【0027】[0027]

【実施例】[実施例1](第1の態様、第2の態様) 以下、図1を元に本発明を詳説するが、実施例1は第
1、第2両方の態様を示している。
[Embodiment 1] (First and Second Embodiments) Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to FIG. 1. However, Embodiment 1 shows both the first and second embodiments. .

【0028】(GaN基板20)2インチφのサファイ
アよりなる異種基板の上に成長させたGaNの上に、ス
トライプ状のSiO2からなる保護膜を形成し、このス
トライプ状の保護膜の上にMOVPE法を用いてアンド
ープGaN層を10μmの膜厚で成長させ、その後HV
PE法により同じくアンドープGaN層を300μmの
膜厚で成長させる。成長後、サファイア基板と、保護
膜、MOVPEで成長させたGaN層を研磨して除去
し、TEMによる断面観察で表面近傍の結晶欠陥が1×
105/cm2以下のGaN基板20を得る。研磨の他、サ
ファイアとGaN基板とを分離する手段として、研磨し
たサファイア基板裏面側から高出力のエキシマレーザ
を、スポット100μmφ程度の大きさで照射して走査
することにより、GaNの界面のGaNを変質させて分
離する方法があるが、この方法を用いても良い。
(GaN substrate 20) A protective film made of striped SiO 2 is formed on GaN grown on a heterogeneous substrate made of 2 inch φ sapphire. An undoped GaN layer is grown to a thickness of 10 μm by MOVPE, and then HV
Similarly, an undoped GaN layer is grown to a thickness of 300 μm by the PE method. After the growth, the sapphire substrate, the protective film, and the GaN layer grown by MOVPE are polished and removed.
A GaN substrate 20 of 10 5 / cm 2 or less is obtained. In addition to polishing, as a means for separating sapphire and the GaN substrate, a high-power excimer laser is irradiated from the back side of the polished sapphire substrate at a spot size of about 100 μm and scanned to remove GaN at the GaN interface. Although there is a method of separation by alteration, this method may be used.

【0029】(n側コンタクト層21)次にGaN基板
(研磨側と反対側の面)の上に、Siを1×1019/cm
3ドープしたGaNよりなるn側コンタクト層5を4μ
mの膜厚で成長させる。なおn側コンタクト層21〜p
側コンタクト層29までは全てMOVPE法で積層成長
している。
(N-side contact layer 21) Next, on the GaN substrate (surface opposite to the polished side), Si is applied at 1 × 10 19 / cm 2.
3 doped 4μ the n-side contact layer 5 made of GaN
It is grown to a thickness of m. The n-side contact layers 21 to p
All layers up to the side contact layer 29 are grown by MOVPE.

【0030】(クラック防止層22)次に、Siを5×
1018/cm3ドープしたIn0.06Ga0.94Nよりなるク
ラック防止層22を0.15μmの膜厚で成長させる。
なお、このクラック防止層は省略可能である。
(Crack prevention layer 22) Next, 5 ×
A crack preventing layer 22 made of In 0.06 Ga 0.94 N doped with 10 18 / cm 3 is grown to a thickness of 0.15 μm.
The crack prevention layer can be omitted.

【0031】(n側クラッド層23=超格子層)続い
て、アンドープAl0.16Ga0.84Nよりなる層を25オ
ングストロームの膜厚で成長させ、続いてTMAを止め
て、シランガスを流し、Siを1×1018/cm3ドープ
したn型GaNよりなる層を25オングストロームの膜
厚で成長させる。それらの層を交互に積層して超格子層
を構成し、総膜厚1.2μmの超格子よりなるn側クラ
ッド層23を成長させる。このように超格子は、一方を
Alを含む窒化物半導体で構成し、もう一方はそれより
もバンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体で構
成し、いずれか一方の層に不純物をドープするいわゆる
変調ドープを行うことが望ましい。
(N-side cladding layer 23 = superlattice layer) Subsequently, a layer made of undoped Al 0.16 Ga 0.84 N is grown to a thickness of 25 Å, then TMA is stopped, silane gas is flown, and Si A layer made of × 10 18 / cm 3 doped n-type GaN is grown to a thickness of 25 Å. These layers are alternately stacked to form a superlattice layer, and an n-side cladding layer 23 made of a superlattice having a total film thickness of 1.2 μm is grown. As described above, the superlattice is composed of a nitride semiconductor containing Al, and the other is composed of a nitride semiconductor having a smaller bandgap energy, and one of the layers is doped with impurities. It is desirable to carry out.

【0032】(n側光ガイド層24)続いて、アンドー
プGaNよりなるn側光ガイド層24を0.1μmの膜
厚で成長させる。このn側光ガイド層24にSi、G
e、Sn等のn型不純物をドープしても良い。
(N-side light guide layer 24) Subsequently, an n-side light guide layer 24 made of undoped GaN is grown to a thickness of 0.1 μm. The n-side light guide layer 24 has Si, G
An n-type impurity such as e or Sn may be doped.

【0033】(活性層25)次に、アンドープIn0.2
Ga0.8Nよりなる井戸層を40オングストロームの膜
厚で成長させ、続いて同一温度で、Siを5×1018
cm3ドープしたIn0.0 1Ga0.95Nよりなる障壁層を1
00オングストロームの膜厚で成長させる。このように
井戸+障壁+井戸+障壁の順に積層し、総膜厚280オ
ングストロームの多重量子井戸構造(MQW)の活性層
を成長させる。なおこの活性層の最後の障壁層には、隣
接するp側キャップ層から拡散したのか、Mgが1×1
18/cm 3含まれていた。
(Active Layer 25) Next, undoped In0.2
Ga0.8The N well layer is a 40 Å film
Thick, followed by 5 × 10 5 Si at the same temperature.18/
cmThreeDoped In0.0 1Ga0.951 N barrier layer
It is grown to a thickness of 00 Å. in this way
Wells + barriers + wells + barriers are stacked in this order, with a total thickness of 280 mm.
Layer with multiple quantum well structure (MQW)
Grow. The last barrier layer of this active layer is
Mg diffused from the contacting p-side cap layer
018/cm ThreeWas included.

【0034】(p側キャップ層26)次に、Mgを1×
1020/cm3ドープしたp型Al0.3Ga0.7Nよりなる
p側キャップ層26を150オングストロームの膜厚で
成長させる。このp型キャップ層は0.1μm以下の膜
厚で形成することにより素子の出力が向上する傾向にあ
る。膜厚の下限は特に限定しないが、10オングストロ
ーム以上の膜厚で形成することが望ましい。このキャッ
プ層も省略可能である。
(P-side cap layer 26) Next, Mg was added to 1 ×
A p-side cap layer 26 of 10 20 / cm 3 doped p-type Al 0.3 Ga 0.7 N is grown to a thickness of 150 Å. When the p-type cap layer is formed with a thickness of 0.1 μm or less, the output of the device tends to be improved. Although the lower limit of the film thickness is not particularly limited, it is desirable to form the film with a film thickness of 10 Å or more. This cap layer can also be omitted.

【0035】(p側光ガイド層27)次にMgを5×1
16/cm3ドープしたGaNよりなるp側光ガイド層2
7を0.1μmの膜厚で成長させる。
(P-side light guide layer 27) Next, Mg was added to 5 × 1
P-side optical guide layer 2 made of 0 16 / cm 3 doped GaN
7 is grown to a thickness of 0.1 μm.

【0036】(p側クラッド層28)続いて、アンドー
プAl0.16Ga0.84Nよりなる層を25オングストロー
ムの膜厚で成長させ、続いてMgを1×1019/cm3
ープしたGaNよりなる層を25オングストロームの膜
厚で成長させ、それらを交互に積層し、総膜厚0.7μ
mの超格子層よりなるp側クラッド層28を成長させ
る。
(P-side cladding layer 28) Subsequently, a layer made of undoped Al 0.16 Ga 0.84 N is grown to a thickness of 25 Å, and a layer made of GaN doped with Mg at 1 × 10 19 / cm 3 is formed. Grown to a thickness of 25 angstroms, stacked alternately, and a total thickness of 0.7 μm
A p-side cladding layer 28 of m superlattice layers is grown.

【0037】(p側コンタクト層29)最後に、Mgを
1×1020/cm3ドープしたp型GaNよりなるp側コ
ンタクト層29を150オングストロームの膜厚で成長
させる。
(P-side contact layer 29) Finally, a p-side contact layer 29 made of p-type GaN doped with 1 × 10 20 / cm 3 of Mg is grown to a thickness of 150 Å.

【0038】このようにして成長させたウェーハをMO
VPE反応容器から取り出し、最上層のp側コンタクト
層の表面に、CVD装置を用いてSiO2よりなるスト
ライプ幅1.5μmのマスクを形成し、RIE(反応性
イオンエッチング)装置を用いて図1に示すように、n
側コンタクト層21の表面が露出するまでエッチングを
行う。そして露出したn側コンタクト層21の表面にT
i/Alよりなるn電極32を形成する。
The wafer grown in this manner is
The mask was taken out of the VPE reaction vessel, and a mask having a stripe width of 1.5 μm made of SiO 2 was formed on the surface of the uppermost p-side contact layer using a CVD apparatus. As shown in
The etching is performed until the surface of the side contact layer 21 is exposed. Then, T is applied to the exposed surface of the n-side contact layer 21.
An n-electrode 32 made of i / Al is formed.

【0039】n電極形成後、p側コンタクト層29の表
面にSiO2マスクをつけたまま、n電極の表面に同じ
くSiO2マスクを形成し、図1に示すようにエッチン
グされて露出したストライプ状の窒化物半導体層の側面
にZrO2よりなる絶縁膜30を形成する。
After the formation of the n-electrode, a SiO 2 mask is formed on the surface of the n-electrode while the SiO 2 mask is kept on the surface of the p-side contact layer 29, and a striped strip is etched and exposed as shown in FIG. An insulating film 30 made of ZrO2 is formed on a side surface of the nitride semiconductor layer.

【0040】絶縁膜30形成後、リフトオフ法によりS
iO2マスクを除去した後、その絶縁膜30を介してp
側コンタクト層29の表面にNi/Auよりなるp電極
31を形成する。
After the formation of the insulating film 30, S is formed by a lift-off method.
After removing the iO 2 mask, p
On the surface of the side contact layer 29, a p-electrode 31 made of Ni / Au is formed.

【0041】電極形成後、GaN基板をM面(11−0
0)で劈開して対向する劈開面を共振面としてレーザ素
子を作製したところ、閾値電流密度1.2kA/cm2
連続発振を示し、20mW出力において2000時間以
上の連続発振を示した。
After forming the electrodes, the GaN substrate was placed on the M-plane (11-0).
When a laser device was manufactured using the cleavage plane opposing the cleavage at 0) as a resonance plane, continuous oscillation was exhibited at a threshold current density of 1.2 kA / cm 2 , and continuous oscillation was observed at 20 mW output for 2000 hours or more.

【0042】さらに、このレーザ素子の活性層25にお
いて、井戸層の数を変えた際のレーザ素子の閾値電流密
度の関係を図2に示す。図2において、井戸層の数1は
単一量子井戸を示しており、後は井戸層を障壁層で挟ん
だ多重量子井戸構造を示している。この図に示すように
井戸層の数と、閾値電流密度とは密接な関係にあり、井
戸層の数2が最も閾値電流密度が低下することが分か
る。
FIG. 2 shows the relationship between the threshold current density of the laser element and the number of well layers in the active layer 25 of the laser element. In FIG. 2, the number 1 of the well layers indicates a single quantum well, and the subsequent shows a multiple quantum well structure in which the well layers are sandwiched between barrier layers. As shown in this figure, the number of well layers is closely related to the threshold current density, and it can be seen that the threshold current density decreases most when the number of well layers is two.

【0043】[実施例2](第2の態様) 実施例1において活性層25を成長させる際にSiを5
×1018/cm3ドープしたIn0.01Ga0.95Nよりなる
障壁層を100オングストロームの膜厚で成長させ、続
いて同一温度で、Siを1×1018ドープしたIn0.2
Ga0.8N井戸層を40オングストロームの膜厚で成長
させる。そしてSiドープ障壁+Siドープ井戸+Si
ドープ障壁を積層した後、最後の井戸層をアンドープと
し、続いて最後のSiドープ障壁層を成長させ、総膜厚
380オングストロームの多重量子井戸構造(MQW)
とする。その他は実施例1と同様にしてレーザ素子を作
製したところ、実施例1に比較して若干、閾値電流密度
は上昇したが、同じく20mW出力において、2000
時間以上の寿命を示した。
Embodiment 2 (Second Aspect) In the first embodiment, when growing the active layer 25,
A barrier layer made of × 10 18 / cm 3 doped In 0.01 Ga 0.95 N is grown to a thickness of 100 Å, followed by 1 × 10 18 Si doped In 0.2 at the same temperature.
A Ga 0.8 N well layer is grown to a thickness of 40 Å. And Si-doped barrier + Si-doped well + Si
After stacking the doped barriers, the last well layer is undoped, followed by the growth of the last Si doped barrier layer, resulting in a multiple quantum well structure (MQW) with a total thickness of 380 Å.
And Other than that, when a laser device was manufactured in the same manner as in Example 1, the threshold current density was slightly increased as compared with Example 1, but at the same 20 mW output, the laser current was increased to 2000.
It showed a lifetime of more than hours.

【0044】[実施例3]図3は本発明の実施例3に係
るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、以下
この図を元に、実施例3について説明する。
Embodiment 3 FIG. 3 is a schematic sectional view showing the structure of a laser device according to Embodiment 3 of the present invention. Embodiment 3 will be described below with reference to FIG.

【0045】(GaN基板20’)2インチφのサファ
イアよりなる異種基板の上に成長させたGaNの上に、
ストライプ状のSiO2からなる保護膜を形成し、この
ストライプ状の保護膜の上にMOVPE法を用いてアン
ドープGaN層を10μmの膜厚で成長させ、その後H
VPE法によりSiを1×1018/cm3ドープしたGa
N層を300μmの膜厚で成長させる。成長後、サファ
イア基板と、保護膜、アンドープGaN層を研磨して除
去し、SiをドープしたGaN基板を得る。
(GaN substrate 20 ′) On GaN grown on a heterogeneous substrate made of 2 inch φ sapphire,
A protective film made of striped SiO 2 is formed, and an undoped GaN layer is grown on the striped protective film by MOVPE to a thickness of 10 μm.
Ga doped with 1.times.10@18 / cm @ 3 Si by VPE
An N layer is grown to a thickness of 300 μm. After the growth, the sapphire substrate, the protective film, and the undoped GaN layer are polished and removed to obtain a GaN substrate doped with Si.

【0046】(クラック防止層22)次に、実施例1と
同様にして、Siを5×1018/cm3ドープしたIn
0.06Ga0.94Nよりなるクラック防止層22を0.2μ
mの膜厚で成長させる。
(Crack Prevention Layer 22) Next, in the same manner as in Example 1, 5 × 10 18 / cm 3 of In doped with Si was used.
The crack preventing layer 22 made of 0.06 Ga 0.94 N is 0.2 μm thick.
It is grown to a thickness of m.

【0047】(n側クラッド層23’=超格子GRIN
構造)次に1回目にSiを5×1018/cm3ドープした
GaN層を25オングストローム成長させ、続いてアン
ドープAl0.30Ga0.70N層を25オングストロームの
膜厚で成長させる。そして2回目に、Si含有ガスの量
を若干少なくしてGaN層を25オングストローム成長
させ、続いてAl含有ガスの量を若干少なくして、アン
ドープで、およそAl0.29Ga0.71N層を25オングス
トロームの膜厚で成長させる。Al0.29Ga0.71Nの混
晶比は正確な値ではない。3回目以降は、GaN層の先
に成長させたGaNよりもSiガス量をさらに少なくし
て、SiドープGaN層を成長させて、続いて先に成長
させたAlGaNよりもAl含有量がさらに少ないアン
ドープAlGaN層を成長させる。このようにして、S
iの含有量が活性層に接近するに従って、徐々に少なく
なって行くSiドープGaN層と、アンドープAlX
1-XN層とを合わせて1.2μm(240ペア)成長
させた後、Si含有ガスを止め、アンドープGaN層を
25オングストローム、先に成長させたAlGaNより
もさらにAl含有量が少ないアンドープAlGaNを2
5オングストローム成長させる。そしてAlGaNの組
成のみを変化させながら、0.1μm(20ペア)の膜
厚で最後がアンドープGaNと、アンドープGaNとに
なるように成長させることにより、Al含有量が次第に
少なくなって行くAlGaNと、Si含有量が次第に少
なくなって行くGaNとからなる超格子構造のn側クラ
ッド層23’を1.3μmの膜厚で成長させる。なお、
n型不純物量はGaNの方で調整したが、AlGaN層
の方で調整することもできる。またAlGaNのAl組
成比は細分化して次第に少なくなるように調整したが、
例えば、3段階ぐらいで大まかにステップ状に小さくす
ることもでき、本発明の範囲内である。
(N-side cladding layer 23 ′ = superlattice GRIN
Structure) Next, a first GaN layer doped with 5 × 10 18 / cm 3 of Si is grown at 25 Å, and an undoped Al 0.30 Ga 0.70 N layer is grown at a thickness of 25 Å. Then, a second time, the GaN layer is grown at 25 Å with a slightly reduced amount of Si-containing gas, followed by a slightly reduced amount of Al-containing gas to reduce the undoped Al 0.29 Ga 0.71 N layer to approximately 25 Å. It grows with the film thickness. The mixed crystal ratio of Al 0.29 Ga 0.71 N is not an accurate value. From the third time on, the amount of Si gas is further reduced than that of GaN grown before the GaN layer, and the Si-doped GaN layer is grown, and the Al content is further lower than that of AlGaN grown subsequently. Grow an undoped AlGaN layer. Thus, S
As the i content approaches the active layer, the Si-doped GaN layer gradually decreases and the undoped Al x G
After growing 1.2 μm (240 pairs) together with the a 1-x N layer, the Si-containing gas is stopped, and the undoped GaN layer is 25 Å, and the undoped GaN layer has a lower Al content than the previously grown AlGaN. AlGaN 2
Grow 5 angstroms. Then, while changing only the composition of AlGaN, AlGaN is grown to a thickness of 0.1 μm (20 pairs) so as to become undoped GaN and undoped GaN, so that the Al content gradually decreases. Then, an n-side cladding layer 23 'having a superlattice structure composed of GaN having a gradually decreasing Si content is grown to a thickness of 1.3 [mu] m. In addition,
Although the amount of the n-type impurity was adjusted for GaN, it can also be adjusted for the AlGaN layer. Although the Al composition ratio of AlGaN was finely divided and adjusted so as to gradually decrease,
For example, it can be roughly reduced in steps in about three steps, which is within the scope of the present invention.

【0048】(活性層25)実施例1と同様にして、4
0オングストロームのIn0.2Ga0.8Nよりなる井戸層
と、100オングストロームのSiを5×1018/cm3
ドープしたIn0.01Ga0.95Nよりなる障壁層とを、井
戸+障壁+井戸+障壁の順に積層した総膜厚280オン
グストロームの多重量子井戸構造(MQW)の活性層を
成長させる。また活性層25とn側クラッド層23’と
の間に実施例1と同様にしてn側光ガイド層を形成して
も良い。
(Active Layer 25)
A well layer of In 0.2 Ga 0.8 N of 0 Å and Si of 100 Å at 5 × 10 18 / cm 3
An active layer having a multiple quantum well structure (MQW) having a total thickness of 280 Å is grown by stacking a barrier layer made of doped In 0.01 Ga 0.95 N in the order of well + barrier + well + barrier. Further, an n-side light guide layer may be formed between the active layer 25 and the n-side cladding layer 23 'in the same manner as in the first embodiment.

【0049】(p側クラッド層28’)次に1回目にア
ンドープGaN層を25オングストローム成長させ、続
いてAl含有ガスをわずかに流してAlを極微量含有し
たAlGaN層を25オングストロームの膜厚で成長さ
せる。そして2回目に、同じくアンドープGaNを25
オングストローム成長させ、続いてAl含有ガスの量を
若干多くしてAlGaNを25オングストローム成長さ
せる。3回目以降は、先に成長させたAlGaNよりも
Al含有量が若干多いアンドープAlGaN層を成長さ
せる。このようにして、アンドープGaN層25オング
ストロームと、Al含有量が若干ではあるが次第に多く
なって行くアンドープAlGaN層25オングストロー
ムとを交互に積層し、500オングストローム(10ペ
ア)成長させる。10ペア成長後、続いて、Mg含有ガ
スをわずかに流して、Mgを極微量ドープしたMgドー
プGaN層を25オングストローム成長させ、続いて先
に成長させたアンドープAlGaN層よりもAl含有量
が多いAlGaN層を25オングストロームの膜厚で成
長させる。次に、活性層から離れるに従って、Mgの量
が徐々に多くなって行くMgドープGaN層25オング
ストロームと、同じく活性層から離れるに従ってAlの
量が次第に多くなって行くアンドープAlXGa1-XN層
25オングストロームとを交互に積層して、最後にMg
を8×1019/cm3ドープしたGaN層を成長させ、そ
の次にアンドープAl0.2Ga0.8N層を成長させ、合計
で0.75μm(150ペア)成長させる。このように
して、活性層から離れるに従って、Mg含有量が次第に
多くなって行くGaN層と、Al含有量が次第に多くな
って行くAlGaN層とからなる超格子構造のp側クラ
ッド層10を0.8μmの膜厚で成長させる。同様に、
p型不純物量はGaNの方で調整したが、AlGaN層
の方で調整することもできる。またAlGaNのAl組
成比は細分化して次第に大きくなるように調整したが、
例えば、3段階ぐらいで大まかにステップ状に大きくす
ることもでき、本発明の範囲内である。また、活性層2
5とp側クラッド層28’との間に、実施例1と同様に
して、p側キャップ層26、p側光ガイド層27を形成
しても良い。
(P-side cladding layer 28 ′) Next, an undoped GaN layer is grown for the first time at 25 Å, and then an Al-containing gas is flowed slightly to form an AlGaN layer containing a trace amount of Al with a thickness of 25 Å. Let it grow. Then, the second time, 25 g of undoped GaN
Angstrom growth followed by a slight increase in the amount of Al-containing gas to grow 25 Å of AlGaN. After the third time, an undoped AlGaN layer having a slightly higher Al content than the previously grown AlGaN is grown. In this way, the undoped GaN layer 25 Å and the undoped AlGaN layer 25 Å having a small but gradually increasing Al content are alternately laminated and grown to 500 Å (10 pairs). After 10 pairs of growth, the Mg-containing gas is slightly flown to grow the Mg-doped GaN layer doped with a very small amount of Mg to 25 Å, and the Al content is higher than that of the previously grown undoped AlGaN layer. An AlGaN layer is grown to a thickness of 25 Å. Next, the Mg-doped GaN layer 25 Å in which the amount of Mg gradually increases as the distance from the active layer increases, and the undoped Al X Ga 1 -X N also increases in the amount of Al as the distance increases from the active layer. Alternately with 25 Å layers and finally Mg
Is grown to a GaN layer doped with 8 × 10 19 / cm 3 , and then an undoped Al 0.2 Ga 0.8 N layer is grown, for a total of 0.75 μm (150 pairs). In this manner, the p-side cladding layer 10 having a superlattice structure composed of a GaN layer having a gradually increasing Mg content and an AlGaN layer having a gradually increasing Al content as the distance from the active layer increases is reduced to 0.1. It is grown to a thickness of 8 μm. Similarly,
Although the p-type impurity amount is adjusted for GaN, it can also be adjusted for the AlGaN layer. In addition, the Al composition ratio of AlGaN was adjusted so as to be finely divided and gradually increased.
For example, it can be roughly increased in steps in about three steps, which is within the scope of the present invention. Also, the active layer 2
The p-side cap layer 26 and the p-side light guide layer 27 may be formed between the layer 5 and the p-side cladding layer 28 'in the same manner as in the first embodiment.

【0050】(p側コンタクト層29)次に、実施例1
と同様にして、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型
GaNよりなるp側コンタクト層29を150オングス
トロームの膜厚で成長させる。
(P-side contact layer 29)
Similarly, a p-side contact layer 29 made of p-type GaN doped with 1 × 10 20 / cm 3 of Mg is grown to a thickness of 150 Å.

【0051】このようにして成長させたウェーハをMO
VPE反応容器から取り出し、CVD装置を用いてSi
2よりなるストライプ幅1.5μmのマスクを形成
し、RIEにより、図3に示すように、GaN基板2
0’の表面が露出するまでエッチングを行う。そして、
p側コンタクト層29の表面にSiO2マスクをつけた
まま、n電極の表面に同じくSiO2マスクを形成し、
図1に示すようにエッチングされて露出したストライプ
状の窒化物半導体層の側面にZrO2よりなる絶縁膜3
0を形成する。
The wafer grown in this manner is
Take out from the VPE reaction vessel, and
A mask made of O 2 and having a stripe width of 1.5 μm is formed, and the GaN substrate 2 is formed by RIE as shown in FIG.
Etching is performed until the surface of 0 'is exposed. And
While keeping the SiO 2 mask on the surface of the p-side contact layer 29, the same SiO 2 mask is formed on the surface of the n-electrode,
As shown in FIG. 1, the insulating film 3 made of ZrO 2 is formed on the side surface of the striped nitride semiconductor layer exposed by etching.
0 is formed.

【0052】絶縁膜30形成後、図3に示すようにGa
N基板20’の裏面にTi/Alより成るn電極32を
形成し、GaN基板をM面(11−00=六角柱の側面
に相当する面)で劈開して対向する劈開面を共振面とし
てレーザ素子を作製したところ、実施例1とほぼ同等の
特性を有するレーザ素子が得られた。なお図1のレーザ
素子も図3と同じくn電極をGaN基板裏面側に設ける
構造とできることは言うまでもない。
After the formation of the insulating film 30, as shown in FIG.
An n-electrode 32 made of Ti / Al is formed on the back surface of the N substrate 20 ', and the GaN substrate is cleaved on the M surface (11-00 = a surface corresponding to the side surface of a hexagonal prism), and the opposing cleavage surface is used as a resonance surface. When a laser device was manufactured, a laser device having substantially the same characteristics as in Example 1 was obtained. Needless to say, the laser device of FIG. 1 can have a structure in which an n-electrode is provided on the back surface side of the GaN substrate as in FIG.

【0053】[実施例4]実施例3において、n側クラ
ッド層23’成長時に超格子構造のGaN層全てにSi
を1×1018/cm3ドープする。また、p側クラッド層
28’成長時に超格子構造のGaN層全てにMgを1×
1019/cm3ドープする他は同様にしてレーザ素子を得
たところ、実施例3に比較して閾値電流密度は若干上昇
したが、同じく20mW出力において、2000時間以
上の寿命を示した。
[Embodiment 4] In the third embodiment, when growing the n-side cladding layer 23 ', Si
Is doped at 1 × 10 18 / cm 3 . Also, when growing the p-side cladding layer 28 ', Mg was added to all the GaN layers having a superlattice structure by 1 ×.
A laser device was obtained in the same manner except that doping was performed at 10 19 / cm 3 , and although the threshold current density was slightly increased as compared with the third embodiment, the device also exhibited a life of 2,000 hours or more at a power of 20 mW.

【0054】[0054]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の第1の態
様、第2の態様では活性層の井戸層をアンドープとし
て、障壁層にのみn型不純物をドープするか、少なくと
もp層側の最後の井戸層をアンドープ、障壁層にn型不
純物をドープすることにより、閾値電流密度が低く、長
寿命なレーザ素子を作製することができる。このような
多重量子井戸構造を有する活性層はレーザ素子だけでな
く、LED、スーパールミネッセントダイオードのよう
な発光素子、太陽電池、光センサー等の受光素子にも適
用でき、その産業上の利用価値は非常に大きい。
As described above, in the first and second embodiments of the present invention, the well layer of the active layer is undoped, and only the barrier layer is doped with an n-type impurity, or at least the p-side. By undoping the last well layer and doping the barrier layer with an n-type impurity, a laser device having a low threshold current density and a long life can be manufactured. The active layer having such a multiple quantum well structure can be applied not only to a laser element but also to a light emitting element such as an LED and a super luminescent diode, a light receiving element such as a solar cell and an optical sensor. The value is very large.

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

【図1】 本発明の一実施例に係るレーザ素子構造を示
す模式断面図。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing a laser device structure according to one embodiment of the present invention.

【図2】 活性層の井戸層の数と、レーザ素子の閾値電
流密度との関係を示す図。
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the number of well layers in an active layer and the threshold current density of a laser device.

【図3】 本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造
をし示す模式断面図。
FIG. 3 is a schematic sectional view showing a structure of a laser device according to another embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

20、20’・・・GaN基板 21・・・n側コンタクト層 22・・・クラック防止層 23、23’・・・n側クラッド層 24・・・n側光ガイド層 25・・・活性層 26・・・p側キャップ層 27・・・p側光ガイド層 28、28’・・・p側クラッド層 29・・・p側コンタクト層 30・・・絶縁膜 31・・・p電極 32・・・n電極 20, 20 ′ GaN substrate 21 n-side contact layer 22 crack preventing layer 23, 23 ′ n-side cladding layer 24 n-side light guide layer 25 active layer 26 p-side cap layer 27 p-side light guide layer 28, 28 'p-side clad layer 29 p-side contact layer 30 insulating film 31 p-electrode 32 ..N-electrode

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 n側の窒化物半導体層と、p側の窒化物
半導体層との間に、Inを含む窒化物半導体よりなる井
戸層と、井戸層と組成の異なる窒化物半導体よりなる障
壁層とが積層されてなる多重量子井戸構造の活性層を有
し、前記活性層の井戸層はアンドープであり、前記障壁
層にn型不純物がドープされていることを特徴とする窒
化物半導体素子。
1. A well layer made of a nitride semiconductor containing In and a barrier made of a nitride semiconductor having a different composition from the well layer between an n-side nitride semiconductor layer and a p-side nitride semiconductor layer. A multi-quantum well structure active layer formed by stacking layers, wherein the well layer of the active layer is undoped, and the barrier layer is doped with an n-type impurity. .
【請求項2】 n側の窒化物半導体層と、p側の窒化物
半導体層との間に、Inを含む窒化物半導体よりなる井
戸層と、井戸層と組成の異なる窒化物半導体よりなる障
壁層とが積層されてなる多重量子井戸構造の活性層を有
し、前記多重量子井戸構造は、p側の窒化物半導体に接
近した側が障壁層で終わっており、少なくとも最後の井
戸層がアンドープで、最後の障壁層にn型不純物がドー
プされていることを特徴とする窒化物半導体素子。
2. A well layer made of a nitride semiconductor containing In and a barrier made of a nitride semiconductor having a different composition from the well layer between an n-side nitride semiconductor layer and a p-side nitride semiconductor layer. And an active layer having a multi-quantum well structure in which layers are stacked. In the multi-quantum well structure, the side close to the p-side nitride semiconductor ends with a barrier layer, and at least the last well layer is undoped. A nitride semiconductor device, wherein the last barrier layer is doped with an n-type impurity.
【請求項3】 前記n側の窒化物半導体層には、活性層
に接近した側にInを含む窒化物半導体、若しくはGa
Nよりなる第1の窒化物半導体層を有し、さらに第1の
窒化物半導体層よりも活性層から離れた側にAlを含む
窒化物半導体層を含む超格子からなる第2の窒化物半導
体層を有することを特徴とする請求項1または2に記載
の窒化物半導体素子。
3. The n-side nitride semiconductor layer includes a nitride semiconductor containing In or Ga on a side close to the active layer.
A second nitride semiconductor comprising a superlattice including a first nitride semiconductor layer made of N and further including a nitride semiconductor layer containing Al on a side farther from the active layer than the first nitride semiconductor layer The nitride semiconductor device according to claim 1, further comprising a layer.
【請求項4】 前記p側の窒化物半導体層には、活性層
に接近した側にAlを含む窒化物半導体、若しくはGa
Nよりなる第3の窒化物半導体層を有し、さらに第3の
窒化物半導体層よりも活性層から離れた側にAlを含む
窒化物半導体層を含む超格子からなる第4の窒化物半導
体層を有することを特徴とする請求項1乃至3の内のい
ずれか1項に記載の窒化物半導体素子。
4. The p-side nitride semiconductor layer includes a nitride semiconductor containing Al or Ga on a side close to an active layer.
A fourth nitride semiconductor having a third nitride semiconductor layer made of N and further comprising a superlattice including a nitride semiconductor layer containing Al on a side farther from the active layer than the third nitride semiconductor layer; The nitride semiconductor device according to claim 1, further comprising a layer.
【請求項5】 前記n側、又はp側の窒化物半導体層の
内の少なくとも一方には、Alを含む窒化物半導体を含
む超格子からなる第5の窒化物半導体層を有し、その第
5の窒化物半導体層のAl含有量が、活性層に接近する
につれて少なくなるようにされていることを特徴とする
請求項1または2に記載の窒化物半導体素子。
5. A semiconductor device according to claim 1, wherein at least one of the n-side and p-side nitride semiconductor layers has a fifth nitride semiconductor layer made of a superlattice containing a nitride semiconductor containing Al. The nitride semiconductor device according to claim 1 or 2, wherein the Al content of the nitride semiconductor layer of (5) decreases as approaching the active layer.
【請求項6】 前記第5の窒化物半導体層には、その層
の導電型を決定する不純物がドープされており、その不
純物が活性層に接近するにつれて少なくなるよう調整さ
れていることを特徴とする請求項5に記載の窒化物半導
体素子。
6. The fifth nitride semiconductor layer is doped with an impurity that determines the conductivity type of the layer, and the fifth nitride semiconductor layer is adjusted so that the impurity decreases as approaching the active layer. The nitride semiconductor device according to claim 5, wherein
【請求項7】 前記障壁層にはp型不純物が不純物拡散
により含まれていることを特徴とする請求項1乃至6の
内のいずれか1項に記載の窒化物半導体素子。
7. The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the barrier layer contains a p-type impurity by impurity diffusion.
【請求項8】 前記多重量子井戸構造の全井戸層数が2
であることを特徴とする請求項1乃至7の内のいずれか
1項に記載の窒化物半導体素子。
8. The multi-quantum well structure in which the total number of well layers is 2
The nitride semiconductor device according to any one of claims 1 to 7, wherein
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