JP4068535B2 - Semiconductor laser device, optical semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、半導体レーザ素子、光半導体素子およびその製造方法に関し、特に、光通信用の半導体レーザ素子、光半導体素子およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor laser element, an optical semiconductor element, and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a semiconductor laser element for optical communication, an optical semiconductor element, and a manufacturing method thereof.
発光波長1.2μm〜1.6μm帯の長波長の半導体レーザ素子は、光通信用の光半導体素子として注目されている。この長波長の半導体レーザ素子としては、InPからなる基板上に、GaInAsP系材料からなる発光層を形成した構造が主流となっている。この構造では、発光層と基板との格子定数が近く、実用可能な発光効率が得られている。 A long-wavelength semiconductor laser element having an emission wavelength of 1.2 μm to 1.6 μm has been attracting attention as an optical semiconductor element for optical communication. As this long-wavelength semiconductor laser element, a structure in which a light emitting layer made of a GaInAsP-based material is formed on a substrate made of InP is mainly used. In this structure, the light emitting layer and the substrate are close to each other in lattice constant, and practical light emission efficiency is obtained.
しかし、InP基板を使用した半導体レーザ素子は、高価でコストが高いという問題がある。そこで、近年、長波長光通信用の半導体レーザ素子として、安価で加工が容易なGaAs基板を用い、このGaAs基板上にGaInAsN発光層(井戸層)を形成する素子が注目されている。 However, a semiconductor laser device using an InP substrate has a problem that it is expensive and expensive. Therefore, in recent years, attention has been paid to an element that uses a GaAs substrate that is inexpensive and easy to process as a semiconductor laser element for long-wavelength optical communication, and forms a GaInAsN light emitting layer (well layer) on the GaAs substrate.
上記のGaAs基板を用いた長波長の半導体レーザ素子では、1.2μm〜1.6μm帯での発光を実現するために、発光層のIn組成を30〜40%と高くする。もっとも、発光層のIn組成を高くすると、活性層の格子定数が基板に比べて大きくなる。そこで、この素子では、発光層に原子半径の小さいNを混ぜることで、発光層と、基板と、の格子定数差が大きくなりすぎないようにしている。また、この活性層を3〜8nm程度の薄膜として、GaInAsN発光層への歪み量が増えすぎないようにしている。また、このGaInAsNは、一般的に、窒素原料としてジメチルヒドラジン(DMH)を用い、MOCVD法により製造される。そして、GaInAsN活性層にNとInが十分に取り込まれるようにするために、420℃〜550℃の低い成長温度で成長される。このような製造方法および構造を用いることで、上記のGaAs基板を用いたレーザ素子では、長波長で安価な素子を得ようとしている。 In the long wavelength semiconductor laser device using the GaAs substrate, the In composition of the light emitting layer is increased to 30 to 40% in order to realize light emission in the 1.2 μm to 1.6 μm band. However, when the In composition of the light emitting layer is increased, the lattice constant of the active layer becomes larger than that of the substrate. Therefore, in this element, by mixing N with a small atomic radius in the light emitting layer, the difference in lattice constant between the light emitting layer and the substrate is prevented from becoming too large. In addition, the active layer is made a thin film of about 3 to 8 nm so that the strain amount to the GaInAsN light emitting layer is not increased too much. This GaInAsN is generally produced by MOCVD using dimethylhydrazine (DMH) as a nitrogen source. And in order to fully take in N and In in a GaInAsN active layer, it grows at the low growth temperature of 420 to 550 degreeC. By using such a manufacturing method and structure, a laser device using the GaAs substrate described above is intended to obtain an inexpensive device with a long wavelength.
また、GaAs基板を用いたうえで、GaInAsN活性層にアンチモン(Sb)を添加する方法も試みられている。この方法は、例えば、特許第3209266号明細書に記載されている。
しかしながら、GaAs基板上にGaInAsN発光層を形成した半導体レーザ素子には、発光効率が低く、閾値が高いという問題があった。これは、GaInAsN発光層およびGaAs下地層は420℃〜550℃の低温で成長されるが、このような低温の成長では、結晶成長の観点から、高温での成長に比べ、良質の結晶を得ることが難しいからである。また、GaInAsN系材料は、歪が極めて多い特殊な材料系であり、どのようにすれば発光効率や閾値の特性を高くすることができるのか、実験的にも理論的にも十分に解明されていなかったからである。以下、簡単に説明する。 However, the semiconductor laser device in which the GaInAsN light emitting layer is formed on the GaAs substrate has a problem that the light emission efficiency is low and the threshold value is high. This is because the GaInAsN light-emitting layer and the GaAs underlayer are grown at a low temperature of 420 ° C. to 550 ° C. In such a low temperature growth, a high-quality crystal is obtained from the viewpoint of crystal growth compared to the growth at a high temperature. Because it is difficult. In addition, GaInAsN-based materials are special material systems with extremely large strains, and it has been sufficiently elucidated experimentally and theoretically how to improve the luminous efficiency and threshold characteristics. Because there was not. A brief description is given below.
一般的に、III−V族化合物半導体発光素子では、発光層の歪が大きくなると、発光層の転位が増加し光学特性が劣化しやすくなる。例えば、多くのIII−V族化合物半導体では、歪ヘテロ接合系において、膜厚を所定の値よりも厚くすることが困難であることが分かっている。これは、歪へテロ接合系では、膜厚を厚くするほど歪が増えるからである。そして、その歪量の臨界値は、Mathews Blakesleeの理論により、弾性変形よりも塑性変形で歪緩和が進む方がエネルギー的に有利になる量であると説明される。しかしGaInAsN系材料では、上記の理論による臨界歪み量を超えて結晶成長を行っても、発光効率等の素子特性が大幅には劣化しない場合が知られている。このように、GaInAsN系材料は、III−V族化合物半導体の1つであるが、歪と、素子特性と、の関係に関すメカニズムが十分に分かっていない。また、GaAs下地層とGaInAsN発光層との界面部分の数原子層の構造も明らかになっておらず、歪をどのように緩和することがこの材料系の光半導体素子にとって有利であるのか分かっていない。 In general, in the III-V compound semiconductor light emitting device, when the strain of the light emitting layer increases, the dislocation of the light emitting layer increases and the optical characteristics are likely to deteriorate. For example, it has been found that in many III-V compound semiconductors, it is difficult to make the film thickness larger than a predetermined value in a strained heterojunction system. This is because in a strained heterojunction system, the strain increases as the film thickness increases. The critical value of the amount of strain is explained by Mathews Blakeslee's theory that it is an amount of energy that is more advantageous when strain relaxation proceeds by plastic deformation than by elastic deformation. However, with GaInAsN-based materials, it is known that device characteristics such as light emission efficiency are not significantly deteriorated even if crystal growth is performed beyond the critical strain amount according to the above theory. As described above, the GaInAsN-based material is one of III-V group compound semiconductors, but the mechanism relating to the relationship between strain and device characteristics is not fully understood. Further, the structure of several atomic layers at the interface portion between the GaAs underlayer and the GaInAsN light-emitting layer has not been clarified, and it has been found that it is advantageous for the optical semiconductor element of this material system to relax the strain. Absent.
また、上記の発光層の歪に着目し、GaInAsN発光層の歪を低減して光学特性の劣化の問題を解決しようとする方法が行われているが、十分な効果が得られていない。 Further, paying attention to the distortion of the light emitting layer, a method for reducing the distortion of the GaInAsN light emitting layer to solve the problem of deterioration of optical characteristics has been performed, but a sufficient effect has not been obtained.
すなわち、GaInAsN系材料では、上述のように下地層および発光層を低温成長するので、下地層にステップバンチング(原子サイズの凹凸)が生じやすくなる。そして、熱力学的には、下地層となるGaAs層の表面は、平坦であるよりも凹凸があるほうが、活性層の歪を低減しやすい。また、下地層に凹凸があると、GaInAsN結晶が、InAsリッチ領域とGaNリッチ領域に相分離しやすくなり、エネルギー的にも有利になる。これらを利用して、発光層の歪を低減する方法が行われている。具体的には、下地層の凹部内に、GaInAs層の平均よりもIn組成が高いGaInAsN層を形成する。これにより、凹部内の高In組成のGaInAsが弾性変形しやすくなる。これは、凹部内のGaInAsNのIn組成が高まることによりその延性が高くなり、しかもその体積が小さいためである。そして、この凹部内のGaInAsの弾性変形により、GaInAsN活性層全体の歪が緩和される。また、この極限として、凹部内に量子ドットを形成する方法も行われている。しかし、このように活性層の歪を減らす方法を用いても、発光効率や閾値の特性を十分に改善することはできなかった。 That is, in the GaInAsN-based material, since the base layer and the light emitting layer are grown at a low temperature as described above, step bunching (atomic size irregularities) is likely to occur in the base layer. And thermodynamically, it is easier to reduce the strain of the active layer if the surface of the GaAs layer serving as the underlying layer is uneven rather than flat. In addition, if the underlying layer is uneven, the GaInAsN crystal is easily phase-separated into an InAs rich region and a GaN rich region, which is advantageous in terms of energy. A method for reducing the distortion of the light emitting layer has been performed using these. Specifically, a GaInAsN layer having an In composition higher than the average of the GaInAs layer is formed in the recess of the base layer. As a result, GaInAs having a high In composition in the recess is easily elastically deformed. This is because the ductility is increased by increasing the In composition of GaInAsN in the recess, and the volume is small. And the distortion of the whole GaInAsN active layer is relieved by the elastic deformation of GaInAs in this recessed part. In addition, as a limit, a method of forming quantum dots in the recess is also performed. However, even if such a method for reducing the strain of the active layer is used, the luminous efficiency and threshold characteristics cannot be sufficiently improved.
また、発光層の平坦化や発光層の結晶性の向上に着目して、上述の特許第3209266号明細書のように、発光層にアンチモンを添加する方法も提案されている。この方法は、発光層を平坦化し、発光層の結晶性を向上させることで、特性を向上させようとするものである。しかし、この方法でも、発光効率や閾値の特性を十分に改善することはできていなかった。 Further, a method of adding antimony to the light emitting layer as described in the above-mentioned Japanese Patent No. 3209266 has been proposed with a focus on planarization of the light emitting layer and improvement of crystallinity of the light emitting layer. This method is intended to improve the characteristics by flattening the light emitting layer and improving the crystallinity of the light emitting layer. However, even with this method, the luminous efficiency and threshold characteristics cannot be sufficiently improved.
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたもので、その目的は、光通信用の1.2μm〜1.6μm帯の波長の光半導体素子において、GaAs基板を用いて、発光効率が高く、発振閾値が低い半導体レーザ素子および光半導体素子を提供することである。 The present invention has been made on the basis of recognition of such a problem, and an object of the present invention is to achieve high luminous efficiency by using a GaAs substrate in an optical semiconductor element having a wavelength of 1.2 μm to 1.6 μm for optical communication. Another object of the present invention is to provide a semiconductor laser device and an optical semiconductor device having a low oscillation threshold.
本発明の一態様によれば、GaAs基板と、
前記GaAs基板上に形成されたn型半導体層と、
前記n型半導体層上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成され、Alと、Gaと、Asと、を含み、p型不純物が添加されたp型半導体層と、
を備え、
前記活性層が、
前記n型半導体層上に形成され、Gaと、Asと、を含み、前記n型半導体層よりもバンドギャップエネルギーが小さいn側ガイド層と、
前記n側ガイド層上に形成され、2×1018cm−3以上2×1019cm−3以下の濃度のSeが添加されたGaAs層と、
前記Seが添加されたGaAs層上に前記Seが添加されたGaAs層と接してまたは所定間隔で形成され、Ga1−xInxAs1−yNy(0≦x≦1、0<y<1)からなり、前記n側ガイド層および前記Seが添加されたGaAs層よりもバンドギャプエネルギーが小さい井戸層と、
前記井戸層上に形成され、Gaと、Asと、を含み、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいp側ガイド層と、
を有することを特徴とする半導体レーザ素子が提供される。
According to one aspect of the invention, a GaAs substrate;
An n-type semiconductor layer formed on the GaAs substrate;
An active layer formed on the n-type semiconductor layer;
A p-type semiconductor layer formed on the active layer and containing Al, Ga, and As and doped with a p-type impurity;
With
The active layer is
An n-side guide layer formed on the n-type semiconductor layer, including Ga and As, and having a smaller band gap energy than the n-type semiconductor layer;
A GaAs layer formed on the n-side guide layer and doped with Se at a concentration of 2 × 10 18
Ga 1-x In x As 1-y N y (0 ≦ x ≦ 1, 0 <y) is formed on the GaAs layer to which Se is added in contact with the Se-added GaAs layer or at a predetermined interval. A well layer having a smaller band gap energy than the n-side guide layer and the Se-added GaAs layer,
A p-side guide layer formed on the well layer, including Ga and As, and having a larger band gap energy than the well layer;
A semiconductor laser device is provided.
また、本発明の一態様によれば、GaAs基板と、
前記GaAs基板上に形成され、Alと、Gaと、Asと、を含み、Siが添加されたn型半導体層と、
前記n型半導体層上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成され、Alと、Gaと、Asと、を含み、p型不純物が添加されたp型半導体層と、
を備え、
前記活性層が、
前記n型半導体層上に形成され、Gaと、Asと、を含み、前記n型半導体層よりもバンドギャップエネルギーが小さいn側ガイド層と、
前記n側ガイド層上に形成され、2×1018cm−3以上2×1019cm−3以下の濃度のSeが添加されたGaAsからなり、厚さが0.8nm以上20nm以下の、Seが添加されたGaAs層と、
前記Seが添加されたGaAs層上に前記Seが添加されたGaAs層と接してまたは前記Seが添加されたGaAs層と3nm以下の間隔で形成され、Ga1−xInxAs1−yNy(0≦x≦1、0<y<1)からなり、バンドギャップエネルギーが1.01eV以下であり、前記n側ガイド層および前記Seが添加されたGaAs層よりもバンドギャプエネルギーが小さく、厚さが3nm以上8nm以下の井戸層と、
前記井戸層上に形成され、Gaと、Asと、を含み、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいp側ガイド層と、
を有することを特徴とする半導体レーザ素子が提供される。
According to one aspect of the present invention, a GaAs substrate;
An n-type semiconductor layer formed on the GaAs substrate, including Al, Ga, and As and doped with Si;
An active layer formed on the n-type semiconductor layer;
A p-type semiconductor layer formed on the active layer and containing Al, Ga, and As and doped with a p-type impurity;
With
The active layer is
An n-side guide layer formed on the n-type semiconductor layer, including Ga and As, and having a smaller band gap energy than the n-type semiconductor layer;
An Se layer formed on the n-side guide layer and made of GaAs to which Se having a concentration of 2 × 10 18 cm −3 or more and 2 × 10 19 cm −3 or less is added and has a thickness of 0.8 nm or more and 20 nm or less. A GaAs layer doped with
Ga 1-x In x As 1-y N is formed on the GaAs layer to which Se is added in contact with the GaAs layer to which Se is added or at a distance of 3 nm or less from the GaAs layer to which Se is added. y (0 ≦ x ≦ 1, 0 <y <1), the band gap energy is 1.01 eV or less, and the band gap energy is smaller than the n-side guide layer and the GaAs layer to which Se is added, A well layer having a thickness of 3 nm to 8 nm;
A p-side guide layer formed on the well layer, including Ga and As, and having a larger band gap energy than the well layer;
A semiconductor laser device is provided.
また、本発明の一態様によれば、MOCVD法により、
GaAs基板上に、Alと、Gaと、Asと、を含み、Siが添加されたn型半導体層を形成し、
前記n型半導体層上に、Gaと、Asと、を含み、前記n型半導体層よりもバンドギャップエネルギーが小さいn側ガイド層を形成し、
前記n側ガイド層上に、2×1018cm−3以上2×1019cm−3以下の濃度のSeが添加されたGaAsからなり、厚さが0.8nm以上20nm以下の、Seが添加されたGaAs層を形成し、
前記Seが添加されたGaAs層上に前記Seが添加されたGaAs層と接してまたは前記Seが添加されたGaAs層と3nm以下の間隔で形成され、Ga1−xInxAs1−yNy(0≦x≦1、0<y<1)からなり、バンドギャップエネルギーが1.01eV以下であり、前記n側ガイド層および前記Seが添加されたGaAs層よりもバンドギャプエネルギーが小さく、厚さが3nm以上8nm以下の井戸層を形成し、
前記井戸層上に、Gaと、Asと、を含み、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいp側ガイド層を形成し、
前記p側ガイド層上に、Alと、Gaと、Asと、を含み、p型不純物が添加されたp型半導体層を形成することを特徴とする光半導体素子の製造方法が提供される。
Further, according to one embodiment of the present invention, by MOCVD,
Forming an n-type semiconductor layer containing Al, Ga, and As and containing Si on a GaAs substrate;
On the n-type semiconductor layer, an n-side guide layer containing Ga and As and having a smaller band gap energy than the n-type semiconductor layer is formed.
The n-side guide layer is made of GaAs to which Se having a concentration of 2 × 10 18 cm −3 or more and 2 × 10 19 cm −3 or less is added, and Se is added with a thickness of 0.8 nm or more and 20 nm or less. Forming a GaAs layer,
Ga 1-x In x As 1-y N is formed on the GaAs layer to which Se is added in contact with the GaAs layer to which Se is added or at a distance of 3 nm or less from the GaAs layer to which Se is added. y (0 ≦ x ≦ 1, 0 <y <1), the band gap energy is 1.01 eV or less, and the band gap energy is smaller than the n-side guide layer and the GaAs layer to which Se is added, Forming a well layer having a thickness of 3 nm to 8 nm;
On the well layer, a p-side guide layer including Ga and As and having a larger band gap energy than the well layer is formed.
Provided is a method for manufacturing an optical semiconductor element, wherein a p-type semiconductor layer containing Al, Ga, and As and doped with a p-type impurity is formed on the p-side guide layer.
本発明によれば、GaAs基板と、GaInAsN井戸層と、を用いた長波長の光半導体素子において、GaInAsN井戸層の下地層としてSeが添加されたGaAs層を用いたので、発光効率が高く、発振閾値が低い素子を得ることができる。 According to the present invention, in a long-wavelength optical semiconductor device using a GaAs substrate and a GaInAsN well layer, since the GaAs layer to which Se is added is used as the underlying layer of the GaInAsN well layer, the light emission efficiency is high. An element having a low oscillation threshold can be obtained.
以下、図面を参照にしつつ、本発明の実施の形態について説明する。本発明の実施の形態の特徴の1つは、例えば図1に示すように、GaInAsN井戸層6の下地層5として、Seが添加されたGaAs層を用いた点である。これにより、下地層5の表面を平坦化して、発光層6の結晶性を向上させ、発光効率や発振閾値の特性を高くすることができる。以下では、まず、実施の形態で主要部分の構造および製造方法につてい説明し、次に、第1〜第3の実施例で具体的な素子構造および製造方法について説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. One of the features of the embodiment of the present invention is that, as shown in FIG. 1, for example, a GaAs layer to which Se is added is used as the
(実施の形態)
図1は本発明の実施の形態の半導体レーザ素子の断面図である。この半導体レーザ素子は、光通信用の長波長(1.2μm〜1.6μm)の素子である。厚さ数百μmのn型GaAs基板1上には、n型GaAsからなるバッファー層2、AlGaAsからなる厚さ1.5μmのn型クラッド層3、n型GaAsからなる厚さ90nmのn側光ガイド層4、Seが添加されたn型GaAsからなる厚さ10nmの下地層(Seが添加されたGaAs層)5、Ga1−xInxAs1−yNy(0≦x≦1、0<y<1)からなる厚さ3〜8nmの発光層(井戸層)6、p型GaAsからなる厚さ100nmのp側光ガイド層7、AlGaAsからなる厚さ1.5μmのp型クラッド層8、GaAsからなる厚さ0.1μmのp型コンタクト層9、が順次形成されている。このうち、n側光ガイド層4〜p側GaAs光ガイド層7までは、活性層10として作用する。なお、実際には、基板1の厚さは数百μm、積層体2〜9の厚さは数μm、となるが、図1では理解を容易にするため縮尺を変えて示している。
(Embodiment)
FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention. This semiconductor laser element is an element having a long wavelength (1.2 μm to 1.6 μm) for optical communication. On an n-
図1の素子では、n型GaAs基板1の図中下側にn側電極(図示しない)が形成される。また、p型コンタクト層9の図中上側にp側電極(図示しない)が形成される。そして、このp側電極とn側電極とからの電流注入により、発光層6から光が放射される。この光は、活性層10で増幅される。増幅された光は、レーザ光として、紙面と垂直方向に放射される。
In the element of FIG. 1, an n-side electrode (not shown) is formed on the lower side of the n-
上記の半導体層2〜9は、MOCVD法により成長する。このMOCVD法は、MBE法等に比べ、結晶成長時間が短く、結晶成長装置の値段が安く、原料のコストも安いため、量産化に適している。この結晶成長において、まず、n型クラッド層3は、結晶性を高くして動作電圧を下げるため、600℃以上の高温で成長する。次に、活性層10の各層4〜7は、概略同一の温度で連続的に成長する。これは、各層4〜7の成長毎に間隔をあけると、各層4〜7の表面が長時間熱にさらされて、結晶が劣化しやすくなるからである。ここで、活性層10のGaInAsN発光層6は、Nが取り込まれるようにするために、550℃以下の低温で成長させる必要がある。このため、連続的に成長する活性層10の成長温度は、550℃以下にする。次に、p型クラッド層8は、結晶性を高くして動作電圧を下げるため、600℃以上の高温で成長する。
The semiconductor layers 2 to 9 are grown by MOCVD. This MOCVD method is suitable for mass production because the crystal growth time is short, the price of the crystal growth apparatus is low, and the cost of the raw material is low compared with the MBE method or the like. In this crystal growth, first, the n-
図1の半導体レーザ素子の特徴の1つは、GaInAsN発光層6の下地層5として、SeがドーピングされたGaAs層を形成した点である。これにより、下地層5の表面が平坦になる。
すなわち、上記のように、活性層10は、550℃以下の低温で形成される。ところが、このような低温の成長では、ステップバンチング(原子サイズの凹凸)による表面荒れが生じやすい。特に、n側光ガイド層4のように、GaAs系材料に、n型不純物として一般的であるSiが添加されていると、表面荒れが生じやすい。そこで、本実施形態では、下地層5に、適切な量のSeをドーピングして、下地層5の表面を原子サイズで平坦化している。以下、図2を用いて説明する。
One of the features of the semiconductor laser device of FIG. 1 is that a Se-doped GaAs layer is formed as the
That is, as described above, the
図2は、Seが添加されたGaAs層(下地層)5の表面が原子サイズで平坦化されるために必要な、成長温度と、Seの含有量と、の条件を示している。縦軸はSe濃度[cm−3]を、横軸は成長温度[℃]を、それぞれ示している。図から容易に分かるように、縦軸は対数スケール、横軸はリニアスケールである。この図2の条件は、本発明者がシミュレーションおよび実験により得たものである。このシミュレーションおよび実験では、図1の構造において、n側ガイド層4上に、温度とSeのドーピング濃度とを変化させて下地層5を形成している。下地層5の表面の平坦性は、原子間力顕微鏡(AFM)により観察している。
FIG. 2 shows the conditions of the growth temperature and the Se content necessary for the surface of the GaAs layer (underlayer) 5 to which Se is added to be flattened with an atomic size. The vertical axis represents Se concentration [cm −3 ], and the horizontal axis represents growth temperature [° C.]. As can be easily seen from the figure, the vertical axis is a logarithmic scale, and the horizontal axis is a linear scale. The conditions in FIG. 2 are obtained by the inventor through simulations and experiments. In this simulation and experiment, the
図2に示すように、平坦化の効果が得られるSeの濃度は、2×1018cm−3以上2×1019cm−3以下である。ただし、成長温度が400℃以下になると、Seをドーピングしても平坦化が困難となる。また、成長温度が高いほど、Seの濃度のマージンが広がる。このように、下地層5の成長温度とSe濃度を図2中斜線の範囲に設定することで、この下地層5の平坦性を高めることができる。この斜線の範囲で平坦性が高くなる理由は、主に、次のように解析される。
As shown in FIG. 2, the Se concentration that provides a planarization effect is 2 × 10 18 cm −3 or more and 2 × 10 19 cm −3 or less. However, when the growth temperature is 400 ° C. or lower, planarization becomes difficult even if Se is doped. Also, the higher the growth temperature, the wider the Se concentration margin. Thus, by setting the growth temperature and Se concentration of the
(1)下地層5を構成するGaAsの結晶成長時において、Seを添加すると、ステップ前進速度(横方向の成長速度)が速くなる。これにより、成長速度(縦方向の成長速度)に対するステップ前進速度の割合が大きくなって、結晶表面の平坦化が進行する。この平坦化の効果は、1原子層の成長が起こる間に、各ステップ上の各Gaサイトに平均1個以上のSeが取り込まれると、顕著にあらわれる。このため、Se濃度を一定程度以上添加することにより、平坦性が高くなる。
(2)ステップフローモード(層成長モード)による結晶成長が起こるためには、成長速度よりも表面吸着原子の移動速度が速い必要がある。ここで、下地層5の成長速度は、発光層6におけるInの相分離を防止するために、0.15μm/hよりも速くしなければならない。他方、上記の表面吸着原子の移動速度は、温度を高くすれば速くなる。このため、成長温度を400℃以上にすれば、平坦化の効果が得られるようになる。
(3)温度が高くなると、上記のように表面吸着原子の移動速度が速くなり、平坦化が容易になる。このため、温度が高いほど、低いSe濃度で平坦化できる。
(4)一方、Seの濃度が高すぎると、不純物濃度が高くなりすぎて、良質な結晶成長が困難となる。具体的には、Se濃度が約2×1019cm−3を超えると、結晶表面にSeのメタルが析出してしまい、GaAs結晶の結晶性が低下する。
(1) When Se is added at the time of crystal growth of GaAs constituting the
(2) In order for crystal growth in the step flow mode (layer growth mode) to occur, the moving speed of surface adsorbed atoms needs to be faster than the growth speed. Here, the growth rate of the
(3) When the temperature is increased, the moving speed of the surface adsorbed atoms is increased as described above, and flattening is facilitated. For this reason, the higher the temperature, the lower the Se concentration.
(4) On the other hand, if the concentration of Se is too high, the impurity concentration becomes too high and it is difficult to grow a good quality crystal. Specifically, when the Se concentration exceeds about 2 × 10 19 cm −3 , Se metal is deposited on the crystal surface, and the crystallinity of the GaAs crystal is lowered.
このようにして、下地層5として、図2に示す濃度のSeを添加したGaAs層を設けることで、この下地層5の表面が原子サイズで平坦化される。
In this way, by providing a GaAs layer to which Se of the concentration shown in FIG. 2 is added as the
図1の素子では、上記のように、下地層5が平坦化される。本発明者は、図1の素子では、この平坦化により、発光層6の発光効率が高くなり、発振しきい電流値が小さくなることを知得した。この理由を解明すべく、本発明者は、詳細な実験を行った。その結果、この理由は、成長プロセスと関連していることが分かった。以下、説明する。
In the element of FIG. 1, the
本発明者は、鋭意研究の結果、GaInAsN発光層6の成長原料のDMH(ジメチルヒドラジン)に特殊なエッチング効果があることを見出した。具体的には、GaAs系結晶中にDMHを流すと結晶成長速度が低下した。また、成長温度520℃でGaInAsの結晶成長中にDMZを流すと、GaInAsの成長速度が3割程度低下した。DMHからは、エッチング効果があるNH2が供給される。このため、このNH2により、エッチング効果が生じていると考えられる。このエッチングク効果のため、GaAsからなる下地層5上にGaInAsN発光層6を形成する際には、下地層5がエッチングされる。そして、下地層5に表面荒れ(ステップバンチング)が存在すると、ステップ部分において特にエッチング効果が強まるため、表面荒れが大きくなる。つまり、下地層5の結晶表面に凹凸があると、GaInAsN発光層6を形成する際に、NH2のエッチングにより、この凹凸が大きくなってしまう。このように下地層5に大きな凹凸が生じると、その上の発光層6の結晶性が悪化してしまう。逆に、下地層5が平坦であれば、上記のエッチング効果の影響は小さくなる。このため、下地層5を平坦化させることにより、GaInAsN発光層6の結晶性が高くなる。
As a result of diligent research, the present inventor has found that DMH (dimethylhydrazine) as a growth raw material for the GaInAsN light-emitting
また、下地層5の表面荒れが大きくなりすぎないことの効果は、このGaInAsN系材料においては、特に大きい。これは、GaInAsN系材料においては発光層6の厚さが3〜8nmと薄いため、下地層5の表面荒れが大きくなると、バンドギャップに大きな揺らぎが生じるためである。これを、図3により説明する。
In addition, the effect of preventing the surface roughness of the
図3は、Ga0.63In0.37As0.995N0.005井戸層における、厚さと、バンドギャップエネルギーと、の関係(理論値)を示す図である。横軸は井戸層の厚さ[nm]を、縦軸はこの井戸層のバンドギャップエネルギー[eV]を、それぞれ示している。ここで、バンドギャップエネルギーE[eV]と波長λ[μm]との間にはλ=1.24/Eの関係があり、E=0.9[eV]ではλ=1.38[μm]である。また、図3中、点線Aは組成から決定されるバンドギャップエネルギー(量子効果を無視した計算)、実線は量子効果を加えたバンドギャップエネルギー、をそれぞれ示している。また、点線Bはバンドギャップエネルギーの変化の割合の近似的な直線を示している。図3の実線から分かるように、Ga0.63In0.37As0.995N0.005井戸層では、厚さが15nm以上の場合、量子効果はほとんどなく、バンドギャップエネルギーが約0.9eVとなる。しかし、厚さが薄くなると、量子効果により、バンドギャップエネルギーが上昇する。例えば、厚さが約4〜6nmでは、点線Bから分かるように、膜厚が1nm薄くなることによりバンドギャップエネルギーが約12.5eV(バンドギャップ波長が約100nm)小さくなる。 FIG. 3 is a diagram showing the relationship (theoretical value) between the thickness and the band gap energy in the Ga 0.63 In 0.37 As 0.995 N 0.005 well layer. The horizontal axis indicates the thickness [nm] of the well layer, and the vertical axis indicates the band gap energy [eV] of the well layer. Here, there is a relationship of λ = 1.24 / E between the band gap energy E [eV] and the wavelength λ [μm], and when E = 0.9 [eV], λ = 1.38 [μm]. It is. In FIG. 3, the dotted line A indicates the band gap energy determined from the composition (calculation ignoring the quantum effect), and the solid line indicates the band gap energy to which the quantum effect is added. A dotted line B indicates an approximate straight line of the rate of change of the band gap energy. As can be seen from the solid line in FIG. 3, in the Ga 0.63 In 0.37 As 0.995 N 0.005 well layer, when the thickness is 15 nm or more, there is almost no quantum effect, and the band gap energy is about 0. 9 eV. However, as the thickness decreases, the band gap energy increases due to the quantum effect. For example, when the thickness is about 4 to 6 nm, as can be seen from the dotted line B, the band gap energy is reduced by about 12.5 eV (the band gap wavelength is about 100 nm) as the film thickness is reduced by 1 nm.
上記の図3から分かるように、図1の発光層6は、膜厚が3〜8nmと薄いので、厚さの変化によるバンドギャップエネルギーの変化が大きい。このため、下地層5の表面の凹凸が大きくなると、発光層6の凹凸も大きくなり、バンドギャップの揺らぎが大きくなる。例えば、下地層5の表面に0.5nm以上の荒れが存在すると、図3から分かるように、バンドギャプにして10meV以上の揺らぎとなる場合がある。このことから、下地層5の表面荒れが大きくなりすぎないことの効果は、このGaInAsN系材料においては、特に大きいことが分かる。
As can be seen from FIG. 3 described above, the
このようにして、図1の素子では、下地層5を平坦化させることにより、発光層6の結晶性が高まり、発光効率が高くなると解析される。また。発光層6のバンドギャップ揺らぎが減ることにより、発振しきい電流値が小さくなると解析される。
Thus, in the element of FIG. 1, it is analyzed that the crystallinity of the
これに対し、従来は、下地層5にステップバンチングがあることは、必ずしも悪いことではないと考えられていた。これは、下地層5にステップバンチングがあっても、発光層6の結晶性の悪化は少ないと考えられていたからである。また、発光層6の歪を緩和するためには、下地層5にステップバンチングがある方が好ましいからである。しかしながら本発明者は、実験の結果、上述のように、発光層6の成長原料のDMHにエッチング作用があり、下地層5のステップバンチングにより、下地層5および発光層6の結晶性が大きく悪化していることを独自に知得した。さらに、本発明者の実験によれば、下地層5を適量のSeがドーピングされたGaAsにすることで、この下地層を平坦化できることが分かった。これらにより、本発明者は、Seが添加されたGaAsからなる下地層5を設けることで、発光層6の結晶性を大きく改善できることを知得した。
On the other hand, it has been conventionally considered that the presence of step bunching in the
もっとも、本実施形態では、下地層5の平坦化により、発光層6の歪が大きくなる。このように発光層6の歪が大きくなると、他の材料系では、通常、高い特性を得にくくなる。しかし、図1の素子では、発光層6の歪が大きいにもかかわらず、高い特性が得られる。この理由について、本発明は、GaInAsN系材料では、他の材料系に比べ、歪が多くなることによる特性の悪化が少ないからであると考えている。
However, in the present embodiment, the distortion of the
以上説明したように、図1の素子では、Seが添加されたGaAsからなる下地層5を設けたので、InGaAsN発光層6の結晶性を改善して、発光効率を高くすることができる。また、InGaAsN発光層6の量子効果の揺らぎを低減して、発振しきい電流値を小さくすることもできる。
As described above, since the
また、図1の素子では、下地層5のドーパントがSeである。このSeはn型不純物である。このため、下地層5にSeをドーピングしても、電気特性が悪化することはない。
In the element shown in FIG. 1, the dopant of the
次に、Seが添加されたGaAsからなる下地層5の厚さについて検討する。すなわち、図1の素子では、下地層5の厚さを10nmとしたが、これを他の厚さとして製造することもできるので、その厚さの範囲について検討する。
Next, the thickness of the
本発明者の実験によれば、下地層5の厚さを0.8μm以上20nm以下とすると、上述のように発光効率や発振閾値の特性を向上させる効果が得られた。この理由について、本発明者は、次のように考えている。
According to the experiments by the present inventors, when the thickness of the
Seが添加されたGaAsからなる下地層5は、ステップバンチングによる表面荒れを防止して、表面を平坦化することを目的として設けられる。例えば、図1の構造では、n側光ガイド層4の表面に、ステップバンチングによる表面荒れが存在する。このため、下地層5は、n側光ガイド層4の表面荒れを覆い尽くせる以上の厚さが必要である。このステップバンチングは、通常、2原子層程度である。このため、下地層5の厚さを3原子層以上、厚さにして0.8nm以上にすると、ステップバンチングのほとんどを覆い尽くし、表面を平坦にすることがきる。これにより、下地層5の厚さを0.8nm以上にすると、発光効率や発振閾値の特性を向上させる効果が得られる。
The
他方、図2の濃度のSeが添加されたGaAs層5は、アンドープのGaAs層と比べ、光吸収係数が大きい。このため、Seが添加されたGaAs層5が厚すぎると、内部損失係数が大きくなる。これを図4により説明する。
On the other hand, the
図4は、Seを添加しないGaAs層と、Seを添加したGaAs層と、の内部吸収損失の違いを示すグラフである。図中、実線は、図2に示す濃度でSeを含有するGaAs層の、厚さと、内部損失係数と、の関係を示している。また、図中の点線Aは、Seを添加していないGaAs層の、厚さと、内部吸収損失と、の関係を示している。また、点線Bは、内部吸収損失の変化の割合の近似的な直線を示している。この図4によると、Seを含有するGaAs層の厚さを20nm以上にすると、内部損失損失が急激に増加してしまうことが分かる。この内部吸収損失の観点から、発光効率や発振閾値の特性を向上させる効果を得るためには、Seが添加されたGaAs層5の厚さを20nm以下にすることが好ましいと考えられる。
FIG. 4 is a graph showing a difference in internal absorption loss between a GaAs layer to which Se is not added and a GaAs layer to which Se is added. In the figure, the solid line shows the relationship between the thickness and the internal loss factor of the GaAs layer containing Se at the concentration shown in FIG. A dotted line A in the figure indicates the relationship between the thickness of the GaAs layer to which Se is not added and the internal absorption loss. A dotted line B indicates an approximate straight line of the rate of change in internal absorption loss. According to FIG. 4, it can be seen that when the thickness of the GaAs layer containing Se is set to 20 nm or more, the internal loss increases rapidly. From the viewpoint of the internal absorption loss, it is considered that the thickness of the
このように、Seが添加されたGaAs層5の厚さは、発光効率や発振閾値の特性を向上させるために、0.8μm以上20nm以下とすることが好ましい。
Thus, the thickness of the
以上説明した図1の素子では、本発明者の実験によれば、Seが添加されたGaAsからなる下地層5の結晶成長時に、Se原料としてセレン化水素(H2Se)を用いると、平坦化の効果をさらに高めることができる。このメカニズムについては詳しく判明していない。しかし、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法においては、成長中の表面付近に水素ラジカルが存在すると、結晶表面の平坦化効果があることが知られている。また、前述したように、GaInAsN系の結晶成長は、低温成長を特徴とする。これらから、本発明者は、低温での熱分解効率が高いH2Seが、水素ラジカルを生じることによって、同様の平坦化効果を生んでいると考えている。
In the device of FIG. 1 described above, according to the experiment of the present inventor, when hydrogen selenide (H 2 Se) is used as a Se raw material during crystal growth of the
また、図1の素子では、下地層5の直上にGaInAsN発光層6を設けたが、必要に応じて、この下地層5と発光層6との間に薄膜の層を介在させることもできる。ただし、本発明者の実験によれば、上記の平坦化の効果を十分に得るためには、介在させる薄膜の層の厚さを3nm以下にすることが好ましい。
In the element shown in FIG. 1, the GaInAsN light-emitting
また、図1の素子では、Seが添加されたGaAs層5を半導体レーザ素子に用いる場合について説明したが、これをLEDや受光素子等の他の光半導体素子に用いることもできる。ここで、半導体レーザ素子やLEDなどの発光素子では、井戸層が発光層となる。また、受光素子では、井戸層が受光層となる。
In the element of FIG. 1, the case where the
(実施例)
次に、上記の実施の形態で説明した基本構造を用いた光半導体素子の具体的な構造について説明する。以下では、光半導体素子として、半導体レーザ素子を用いた場合について説明する。
(Example)
Next, a specific structure of the optical semiconductor element using the basic structure described in the above embodiment will be described. Hereinafter, a case where a semiconductor laser element is used as the optical semiconductor element will be described.
(実施例1)
図5は本発明の実施例1の半導体レーザ素子を示す断面図である。この半導体レーザ素子は、リッジストライプ型の光通信用半導体レーザ素子である、なお、図5では、リッジ形状や電極を省略し、層構造について示している。この図5の半導体レーザ素子は、GaAs基板11の上に半導体層12〜23を積層させた構造を有する。GaAs基板11の側から順に各層の材料、層厚および不純物含有量を列挙すると、以下の如くである。
n型GaAs基板11
n型GaAsバッファー層12 (厚さ0.5μm)
n型Al0.55Ga0.45Asクラッド層13
(厚さ1.5μm、Si添加濃度1×1018cm−3)
n型GaAs光ガイド層14
(厚さ0.09μm、Si添加濃度5×1017cm−3)
下地層(Seが添加されたGaAs層)15
(厚さ0.01μm、Se添加濃度6×1018cm−3)
Ga0.63In0.37As0.995N0.005井戸層16 (厚さ6nm)
障壁層(Seが添加されたGaAs層)17
(厚さ0.01μm、Se添加濃度6×1018cm−3)
Ga0.63In0.37As0.995N0.005井戸層18 (厚さ6nm)
障壁層(Seが添加されたGaAs層)19
(厚さ0.01μm、Se添加濃度6×1018cm−3)
Ga0.63In0.37As0.995N0.005井戸層20 (厚さ6nm)
p型GaAs光ガイド層21
(厚さ0.1μm、Zn添加濃度1×1017cm−3)
p型Al0.55Ga0.45Asクラッド層22
(厚さ1.5μm、Zn添加濃度1×1018cm−3)
p型GaAsコンタクト層23
(厚さ0.1μm、Zn添加濃度7×1018cm−3)
Example 1
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the semiconductor laser device of Example 1 of the present invention. This semiconductor laser element is a ridge stripe type semiconductor laser element for optical communication. In FIG. 5, the ridge shape and electrodes are omitted, and the layer structure is shown. The semiconductor laser device of FIG. 5 has a structure in which semiconductor layers 12 to 23 are stacked on a
n-
n-type GaAs buffer layer 12 (thickness 0.5 μm)
n-type Al 0.55 Ga 0.45 As
(Thickness 1.5 μm,
n-type GaAs
(Thickness 0.09 μm,
Underlayer (GaAs layer to which Se is added) 15
(Thickness 0.01 μm,
Ga 0.63 In 0.37 As 0.995 N 0.005 well layer 16 (
Barrier layer (GaAs layer added with Se) 17
(Thickness 0.01 μm,
Ga 0.63 In 0.37 As 0.995 N 0.005 well layer 18 (
Barrier layer (GaAs layer to which Se is added) 19
(Thickness 0.01 μm,
Ga 0.63 In 0.37 As 0.995 N 0.005 well layer 20 (
p-type GaAs
(Thickness 0.1 μm,
p-type Al 0.55 Ga 0.45 As
(Thickness 1.5 μm,
p-type
(Thickness 0.1 μm,
この図5の半導体レーザ素子では、n型GaAs光ガイド層14からp型GaAs光ガイド層21までが、活性層24として作用する。この活性層24は、井戸層(ウェル層)16、18、20と、障壁層(バリア層)17、19と、を交互に複数回積層した多重量子井戸構造(MQW構造)を有している。
In the semiconductor laser device of FIG. 5, the n-type GaAs
図5の半導体レーザ素子では第1の井戸層16の下地層15として、Seが添加されたGaAs層を形成している。この下地層15は、図1、図2で説明した下地層5と同様の層である。このようにSeが添加されたGaAsからなる下地層15を形成することにより、第1の井戸層16の結晶性を高くして、素子の特性を高くすることができる。
In the semiconductor laser device of FIG. 5, a GaAs layer to which Se is added is formed as the
さらに、図5の半導体レーザ素子では、多重量子井戸構造16〜20の第1および第2の障壁層17、19として、Seが添加されたGaAs層を形成している。この障壁層17、19も、図1、図2で説明した下地層5と同様の層である。このような多重量子井戸構造を用いることにより、第2および第3の井戸層18、20の結晶性も高くして、特性をさらに高くすることができる。
Further, in the semiconductor laser device of FIG. 5, a GaAs layer to which Se is added is formed as the first and second barrier layers 17 and 19 of the multiple quantum well
すなわち、従来、他の材料系では、多重量子井戸構造により、特性の高いレーザを得る方法が知れらていた。しかし、GaInAsN系材料の結晶成長においては、前述したように、480〜550℃の低温で、In組成の高い歪み量の大きい条件で成長するのが一般的である。このため、GaInAsN結晶成長は、組成の制御や結晶品質を高くすることが非常に難しい。これにより、多重量子井戸を形成しても、結晶の質が悪いため、量子井戸層を多く積むほど組成や膜厚の制御が困難になり、特性の優れた半導体レーザ素子が得られないという問題点があった。そこで、本実施例のように障壁層17、19に図2に示す濃度のSeが添加されたGaAs層を適用すると、前述した平坦化の効果によって、GaInAsN井戸層18、20が平坦に成長でき、結晶の質が向上する。このため、特性の優れた半導体レーザ素子を得ることができる。 That is, conventionally, in other material systems, a method of obtaining a laser with high characteristics by a multiple quantum well structure has been known. However, in the crystal growth of a GaInAsN-based material, as described above, it is common to grow at a low temperature of 480 to 550 ° C. under conditions of a high In composition and a large amount of strain. For this reason, in GaInAsN crystal growth, it is very difficult to control the composition and increase the crystal quality. As a result, even if multiple quantum wells are formed, the quality of the crystal is poor, so the more quantum well layers are stacked, the more difficult it is to control the composition and film thickness, and a semiconductor laser device with excellent characteristics cannot be obtained. There was a point. Therefore, when the GaAs layer added with Se of the concentration shown in FIG. 2 is applied to the barrier layers 17 and 19 as in this embodiment, the GaInAsN well layers 18 and 20 can be grown flat due to the above-described planarization effect. The crystal quality is improved. For this reason, a semiconductor laser device having excellent characteristics can be obtained.
次に、本実施例の具体的な製造方法について説明する。 Next, a specific manufacturing method of this embodiment will be described.
(1)まず、n型GaAs基板11の上にn型GaAsバッファー層12、n型AlGaAsクラッド層13を670℃で成長する。
(2)次に、成長温度を520℃まで下げて、n側GaAs光ガイド層14を成長する。その後、同温でSeが添加されたGaAsからなる下地層15を成長し、その上に同温で、GaInAsNからなる井戸層16、18、20、Seが添加されたGaAsからなる障壁層17、19、p型GaAs光ガイド層21、を順次成長する。
(3)次に、640℃に昇温し、p側AlGaAsクラッド層22を成長する。
(4)次に、550℃に降温し、GaAsコンタクト層23を成長する。
(1) First, an n-type
(2) Next, the growth temperature is lowered to 520 ° C., and the n-side GaAs
(3) Next, the temperature is raised to 640 ° C., and the p-side
(4) Next, the temperature is lowered to 550 ° C., and a
以上説明した製造方法では、GaInAsN井戸層16、18、20前後で成長温度の上げ下げが無いため、GaInAsN井戸層16、18、20の成長直後にその上の層17、19、21を成長することができる。これにより、井戸層16、18、20の劣化を防止し、結晶性を高めることができる。これに対し、GaInAsN井戸層16、18、20を成長してからその上の層17、19、21を成長するまでの時間が1分を超えると、GaInAsN井戸層16、18、20が直接高温にさらされ、GaInAsN結晶の表面が非常に荒れる。
In the manufacturing method described above, there is no increase or decrease in the growth temperature around the GaInAsN well layers 16, 18, 20, so that the
また、活性層24の成長速度は0.3〜1.5μm/hが望ましい。成長速度がこの範囲よりも遅いと、GaInAsN結晶の相分離により発光効率が低下する。また、成長速度が速いと、ヘテロ接合界面での急峻性が損なわれ、量子化順位のブロードニングが生じる。本実施例では、この成長速度は、0.6μm/hとしている。
The growth rate of the
MOCVDの原料としては、Ga原料としてTMG(トリメチル・ガリウム)、Al原料としてTMA(トリメチル・アルミニウム)、In原料としてTMI(トリメチル・インジウム)、Si原料としてSiH4(シラン)、As原料としてAsH3(アルシン)、N原料としてDMH(ジメチルヒドラジン)、を用いることができる。 As raw materials for MOCVD, TMG (trimethyl gallium) as Ga raw material, TMA (trimethyl aluminum) as Al raw material, TMI (trimethyl indium) as In raw material, SiH 4 (silane) as Si raw material, AsH 3 as As raw material (Arsine) and DMH (dimethylhydrazine) can be used as the N raw material.
ここで、III族(Ga、Al、In)有機金属としては、エチル系、クロライド系等をもちいてもよい。Asの原料としてはTBA(ターシャルブチルアルシン)を用いても良い。Nの原料としては、DMHを用いることが好ましい。ただし、アンモニア、ヒドラジンあるいはモノメチルヒドラジンを併用することも可能である。Seの原料としては、H2Se(セレン化水素)を用いることが好ましい。ただし、有機金属系原料を用いてもよい。 Here, as the group III (Ga, Al, In) organic metal, an ethyl group, a chloride group, or the like may be used. TBA (tertiary butyl arsine) may be used as the As raw material. As a raw material of N, it is preferable to use DMH. However, ammonia, hydrazine or monomethylhydrazine can be used in combination. It is preferable to use H 2 Se (hydrogen selenide) as a Se raw material. However, an organometallic raw material may be used.
図5に示す結晶成長終了後は、メサ構造等を形成し、n型GaAs基板11の図中下側にn側電極を形成し、p型コンタクト層23の図中上側にp側電極を形成し、さらにSiO2からなる絶縁膜を形成する。
After the crystal growth shown in FIG. 5 is completed, a mesa structure or the like is formed, an n-side electrode is formed on the lower side of the n-
以上の製造方法で得られる本実施例の半導体レーザ素子では、ストライプ幅3μmのリッジストライプ型で、室温において、発振波長約1.3μm、しきい電流値約5mA、発光効率約0.3W/Aの優れた特性が得られる。これに対して、Seが添加されたGaAs層15、17、19を設けない比較例においては、しきい電流値は約8mA以上である。 The semiconductor laser device of this example obtained by the above manufacturing method is a ridge stripe type having a stripe width of 3 μm, an oscillation wavelength of about 1.3 μm, a threshold current value of about 5 mA, and a light emission efficiency of about 0.3 W / A at room temperature. Excellent characteristics can be obtained. On the other hand, in the comparative example in which the GaAs layers 15, 17 and 19 to which Se is added are not provided, the threshold current value is about 8 mA or more.
(実施例2)
実施例2の半導体レーザの特徴の1つは、図6に示すように、Seが添加されたGaAs層29と、GaInAsN発光層31と、の間に、アンドープのGaAs層30を0.5nm成長した点である。これにより、n型光ガイド層28やSeが添加されたGaAs層29から発光層31への不純物(Si、Se)の拡散を防止し、発振しきい値をさらに低くすることができる。
(Example 2)
One of the features of the semiconductor laser of Example 2 is that, as shown in FIG. 6, an
図6は、本発明の実施例2のリッジストライプ型光通信用半導体レーザ素子の断面図である。この半導体レーザ素子は、GaAs基板25上に、半導体層26〜34を積層させた構造を有する。GaAs基板25の側から順に各層の材料および層厚および不純物含有量を列挙すると、以下の如くである。
n型GaAs基板25
n型GaAsバッファー層26 (厚さ0.5μm)
n型Al0.55Ga0.45Asクラッド層27
(厚さ1.5μm、Si添加濃度1×1018cm−3)
n型GaAs光ガイド層28
(厚さ0.09μm、Si添加濃度5×1017cm−3)
Seが添加されたGaAs層29
(厚さ0.01μm、Se添加濃度6×1018cm−3)
アンドープGaAs層30 (厚さ0.5nm、アンドープ)
Ga0.63In0.37As0.995N0.005発光層31 (厚さ6nm)
p型GaAs光ガイド層32
(厚さ0.1μm、Zn添加濃度1×1017cm−3)
p型Al0.55Ga0.45Asクラッド層33
(厚さ1.5μm、Zn添加濃度1×1018cm−3)
p型GaAsコンタクト層34
(厚さ0.1μm、Zn添加濃度7×1018cm−3)
FIG. 6 is a cross-sectional view of a ridge stripe type semiconductor laser device for optical communication according to a second embodiment of the present invention. This semiconductor laser device has a structure in which semiconductor layers 26 to 34 are stacked on a
n-
n-type GaAs buffer layer 26 (thickness 0.5 μm)
n-type Al 0.55 Ga 0.45 As
(Thickness 1.5 μm,
n-type GaAs
(Thickness 0.09 μm,
(Thickness 0.01 μm,
Undoped GaAs layer 30 (thickness 0.5 nm, undoped)
Ga 0.63 In 0.37 As 0.995 N 0.005 light emitting layer 31 (
p-type GaAs
(Thickness 0.1 μm,
p-type Al 0.55 Ga 0.45 As
(Thickness 1.5 μm,
p-type
(Thickness 0.1 μm,
この図6の半導体レーザ素子では、Seが添加されたGaAs層29とGaInAsN発光層31との間に、アンドープGaAs層30を0.5nm成長している。これにより、発光層31への不純物の拡散を抑制することができる。
In the semiconductor laser device of FIG. 6, an
すなわち、前述したように、GaInAsNは、低温で成長することが一般的である。このため、GaInAsN発光層31の成長温度よりも高温でp側AlGaAsクラッド層33を成長する際に、n型光ガイド層28に含まれる不純物(Si)がGaInAsN発光層31に拡散してしまうことがある。また、図6の素子では、Seが添加されたGaAs層29のSe濃度が2×1018cm−3以上5×1019cm−3以下と高い。このため、Seが添加されたGaAs層29に含まれる不純物(Se)がGaInAsN発光層31に拡散してしまうおそれもある。特に、Se濃度を高めに設定したり、p側AlGaAsクラッド層33の成長温度を高めに設定したりする場合は、SeがGaInAsN井戸層31に拡散しやすくなる。このように発光層31に不純物(Se、Si)が拡散すると、GaInAsN発光層31のキャリア濃度が高くなり、半導体レーザ素子の光出力特性が劣化するおそれがある。そこで、本実施例では、Seが添加されたGaAs層29とGaInAsN発光層31との間に、アンドープGaAs層30を0.5nm成長している。これにより、高温で成長する過程において、GaInAsN発光層31に不純物が拡散することが抑制される。
That is, as described above, GaInAsN is generally grown at a low temperature. For this reason, when the p-side
このように、図6の素子では、発光層31への不純物の拡散を抑制することができる。これにより、活性層35全体のキャリア濃度の制御性を向上させ、光出力特性の劣化を抑制することができる。具体的には、アンドープGaAs層30を成長していない比較例の素子の発振しきい値が6mAであるのに対し、本実施例の素子では発振しきい値を3mAとすることができる。
Thus, in the element of FIG. 6, diffusion of impurities to the
以上説明した図6の素子では、アンドープGaAs層30の膜厚を0.5nmとしたが、この厚さを変えることもできる。ただし、このアンドープGaAs層30の膜厚が厚すぎると、Seが添加されたGaAs層29による平坦化の効果を失わせてしまう。Seが添加されたGaAs層29による平坦化の効果を高めるためには、このアンドープGaAs層30の厚さを3nm以下、好ましくは1nm以下にすると良い。
In the element of FIG. 6 described above, the thickness of the
(実施例3)
実施例3の半導体レーザ素子は、面発光レーザである。図7は本発明の実施例3の面発光型光通信用半導体レーザ素子の断面図である。また、図8は、この素子の共振器50の拡大図である。この半導体レーザ素子は、GaAs基板36の上に、半導体層37〜49を積層させた構造を有する。GaAs基板36の側から順に各層を列挙すると、以下の如くである。
n型GaAs基板36
n型GaAsバッファー層37 (厚さ0.5μm)
n側DBR層38 (GaAs/Al0.7Ga0.3As 35pair)
選択酸化電流狭窄層39
(Al0.98Ga0.02As/AlxOy 厚さ6nm)
n型GaAsクラッド層40
下地層(Seが添加されたGaAs層)41
(厚さ0.01μm、Se添加濃度6×1018cm−3)
Ga0.63In0.37As0.995N0.005井戸層42 (厚さ6nm)
第1障壁層(アンドープGaAs層)43
第2障壁層(Seが添加されたGaAs層)44
(厚さ0.01μm、Se添加濃度6×1018cm−3)
Ga0.63In0.37As0.995N0.005井戸層45 (厚さ6nm)
p型GaAsクラッド層46
選択酸化電流狭窄層47
(Al0.98Ga0.02As/AlxOy 厚さ6nm)
p側DBR層48 (Al0.7Ga0.3As/GaAs 24pair)
GaAsコンタクト層49
(厚さ0.1μm、Zn添加濃度7×1018cm−3)
(Example 3)
The semiconductor laser device of Example 3 is a surface emitting laser. FIG. 7 is a sectional view of a surface emitting optical communication semiconductor laser element according to Example 3 of the present invention. FIG. 8 is an enlarged view of the
n-
n-type GaAs buffer layer 37 (thickness 0.5 μm)
n-side DBR layer 38 (GaAs / Al 0.7 Ga 0.3 As 35pair)
Selective oxidation
(Al 0.98 Ga 0.02 As / Al x O y thickness 6 nm)
n-type
Underlayer (GaAs layer to which Se is added) 41
(Thickness 0.01 μm,
Ga 0.63 In 0.37 As 0.995 N 0.005 well layer 42 (
First barrier layer (undoped GaAs layer) 43
Second barrier layer (GaAs layer to which Se is added) 44
(Thickness 0.01 μm,
Ga 0.63 In 0.37 As 0.995 N 0.005 well layer 45 (
p-type
Selective oxidation
(Al 0.98 Ga 0.02 As / Al x O y thickness 6 nm)
p-side DBR layer 48 (Al 0.7 Ga 0.3 As /
(Thickness 0.1 μm,
図7の素子では、設計発振波長λ=1.3μmである。n側DBR38におけるAl0.7Ga0.3As層の厚さd1は、屈折率をn1として、d1n1=λ/4=0.325μmとなるように定めている。同様に、n側DBR38におけるGaAs層の厚さd2は、屈折率をn2として、d2n2=λ/4=0.325μmとなるように定めている。また、p側DBR48も同様である。このように膜厚を定めることで、両側のDBR38、48によって、波長λの光が効果的に反射される。
In the element of FIG. 7, the design oscillation wavelength λ = 1.3 μm. The thickness d 1 of the Al 0.7 Ga 0.3 As layer in the n-
また、上記のDBR38、48の間には、共振器50が挟まれている。共振器50全体の厚さは、各層の屈折率と厚さの積の合計で設計発振波長1.3μmになるよう設計している。この共振器50は、第1および第2の井戸層42、45と、それらの間の障壁層43、44と、を含む多重量子井戸構造を有する。また、本実施例では、この障壁層43、44の構造として、アンドープのGaAsからなる第1障壁層43と、Seが添加されたGaAsからなる第2障壁層44と、の2層構造を用いている。障壁層の厚さを1nm以上にする場合は、このように、障壁層を2層構造とすることができる。ただし、前述したSeが添加されたGaAs層の平坦化効果を得るために、第2障壁層44の厚さは0.8nm以上とする。
A
また、選択酸化電流狭窄層39、48は、Al0.98Ga0.02As層を積層後、水蒸気雰囲気中でこのAl0.98Ga0.02As層を選択酸化して得る。この選択酸化電流狭窄層39、48により、共振器50に対して電流を絞り込んで注入する。
Further, the selective oxidation
以上説明した図7、図8の素子では、下地層41および障壁層44としてSeが添加されたGaAs層を用いたので、これらの層41、44を平坦化して、井戸層42、45の結晶性を高くすることができる。これにより、素子の特性を高くすることができる。このように、面発光型の半導体レーザ素子においても、Seが添加されたGaAs層41、44を形成することにより、特性を高くすることができる。
7 and 8, the GaAs layer to which Se is added is used as the
具体的には、図7の素子では、電流狭窄系を5μmφとする電流狭窄構造において、発振波長1.3μm、発振しきい電流値1.5mAの特性を得ることができる。これに対し、Seが添加されたGaAs層41、44を形成していない比較例では、しきい電流値は約3.0mAである。 Specifically, in the element shown in FIG. 7, characteristics with an oscillation wavelength of 1.3 μm and an oscillation threshold current value of 1.5 mA can be obtained in a current confinement structure in which the current confinement system is 5 μmφ. On the other hand, in the comparative example in which the GaAs layers 41 and 44 to which Se is added are not formed, the threshold current value is about 3.0 mA.
以上説明した実施例1〜実施例3では、Seが添加されたGaAs層を半導体レーザ素子に用いる場合について説明した。しかし、このSeが添加されたGaAs層は、LEDや受光素子等の他の光半導体素子に用いることもできる。 In the first to third embodiments described above, the case where the GaAs layer to which Se is added is used for the semiconductor laser element has been described. However, the GaAs layer to which Se is added can also be used for other optical semiconductor elements such as LEDs and light receiving elements.
1 n型GaAs基板
3 n型クラッド層
5 下地層(Seが添加されたGaAs層)
6 GaInAsN発光層(井戸層)
8 p型クラッド層
11 n型GaAs基板
13 n型クラッド層
15 下地層(Seが添加されたGaAs層)
16 Ga0.63In0.37As0.995N0.005井戸層(第1の井戸層)
17 第1の障壁層(Seが添加されたGaAs層)
18 Ga0.63In0.37As0.995N0.005井戸層(第2の井戸層)
19 第2の障壁層(Seが添加されたGaAs層)
20 Ga0.63In0.37As0.995N0.005井戸層(第3の井戸層)
22 p型クラッド層
25 n型GaAs基板
27 n型クラッド層
29 Seが添加されたGaAs層
30 アンドープn型GaAs層
31 Ga0.63In0.37As0.995N0.005発光層(井戸層)
33 p型クラッド層
36 n型GaAs基板
40 n型クラッド層
41 下地層(Seが添加されたGaAs層)
42 Ga0.63In0.37As0.995N0.005井戸層(第1の井戸層)
43 第1障壁層(アンドープGaAs層)
44 第2障壁層(Seが添加されたGaAs層)
45 Ga0.63In0.37As0.995N0.005井戸層(第2の井戸層)
46 p型クラッド層
1 n-type GaAs substrate 3 n-
6 GaInAsN light emitting layer (well layer)
8 p-type cladding layer 11 n-type GaAs substrate 13 n-
16 Ga 0.63 In 0.37 As 0.995 N 0.005 well layer (first well layer)
17 First barrier layer (GaAs layer added with Se)
18 Ga 0.63 In 0.37 As 0.995 N 0.005 well layer (second well layer)
19 Second barrier layer (GaAs layer added with Se)
20 Ga 0.63 In 0.37 As 0.995 N 0.005 well layer (third well layer)
22 p-type cladding layer 25 n-type GaAs substrate 27 n-
33 p-type cladding layer 36 n-type GaAs substrate 40 n-
42 Ga 0.63 In 0.37 As 0.995 N 0.005 well layer (first well layer)
43 First barrier layer (undoped GaAs layer)
44 Second barrier layer (GaAs layer doped with Se)
45 Ga 0.63 In 0.37 As 0.995 N 0.005 well layer (second well layer)
46 p-type cladding layer
Claims (6)
前記GaAs基板上に形成されたn型半導体層と、
前記n型半導体層上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成され、Alと、Gaと、Asと、を含み、p型不純物が添加されたp型半導体層と、
を備え、
前記活性層が、
前記n型半導体層上に形成され、Gaと、Asと、を含み、前記n型半導体層よりもバンドギャップエネルギーが小さいn側ガイド層と、
前記n側ガイド層上に形成され、2×10 18 cm −3 以上2×10 19 cm −3 以下の濃度のSeが添加されたGaAs層と、
前記Seが添加されたGaAs層上に前記Seが添加されたGaAs層と接してまたは所定間隔で形成され、Ga 1−x In x As 1−y N y (0≦x≦1、0<y<1)からなり、前記n側ガイド層および前記Seが添加されたGaAs層よりもバンドギャプエネルギーが小さい井戸層と、
前記井戸層上に形成され、Gaと、Asと、を含み、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいp側ガイド層と、
を有することを特徴とする半導体レーザ素子。 A GaAs substrate;
An n-type semiconductor layer formed on the GaAs substrate;
An active layer formed on the n-type semiconductor layer;
A p-type semiconductor layer formed on the active layer and containing Al, Ga, and As and doped with a p-type impurity;
Equipped with a,
The active layer is
An n-side guide layer formed on the n-type semiconductor layer, including Ga and As, and having a smaller band gap energy than the n-type semiconductor layer;
A GaAs layer formed on the n-side guide layer and doped with Se at a concentration of 2 × 10 18 cm −3 to 2 × 10 19 cm −3 ;
Ga 1-x In x As 1-y N y (0 ≦ x ≦ 1, 0 <y) is formed on the GaAs layer to which Se is added in contact with the Se-added GaAs layer or at a predetermined interval. A well layer having a smaller band gap energy than the n-side guide layer and the Se-added GaAs layer,
A p-side guide layer formed on the well layer, including Ga and As, and having a larger band gap energy than the well layer;
The semiconductor laser element characterized by having a.
前記井戸層の厚さが3nm以上8nm以下であり、前記井戸層のバンドギャップエネルギーが1.01eV以下であることを特徴とする請求項1記載の光半導体素子。 The thickness of the GaAs layer to which Se is added is 0.8 nm or more and 20 nm or less,
2. The optical semiconductor device according to claim 1, wherein the thickness of the well layer is 3 nm or more and 8 nm or less, and the band gap energy of the well layer is 1.01 eV or less.
前記GaAs基板上に形成され、Alと、Gaと、Asと、を含み、Siが添加されたn型半導体層と、
前記n型半導体層上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成され、Alと、Gaと、Asと、を含み、p型不純物が添加されたp型半導体層と、
を備え、
前記活性層が、
前記n型半導体層上に形成され、Gaと、Asと、を含み、前記n型半導体層よりもバンドギャップエネルギーが小さいn側ガイド層と、
前記n側ガイド層上に形成され、2×1018cm−3以上2×1019cm−3以下の濃度のSeが添加されたGaAsからなり、厚さが0.8nm以上20nm以下の、Seが添加されたGaAs層と、
前記Seが添加されたGaAs層上に前記Seが添加されたGaAs層と接してまたは前記Seが添加されたGaAs層と3nm以下の間隔で形成され、Ga1−xInxAs1−yNy(0≦x≦1、0<y<1)からなり、バンドギャップエネルギーが1.01eV以下であり、前記n側ガイド層および前記Seが添加されたGaAs層よりもバンドギャプエネルギーが小さく、厚さが3nm以上8nm以下の井戸層と、
前記井戸層上に形成され、Gaと、Asと、を含み、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいp側ガイド層と、
を有することを特徴とする半導体レーザ素子。 A GaAs substrate;
An n-type semiconductor layer formed on the GaAs substrate and including Al, Ga, and As and doped with Si;
An active layer formed on the n-type semiconductor layer;
A p-type semiconductor layer formed on the active layer and containing Al, Ga, and As and doped with a p-type impurity;
With
The active layer is
An n-side guide layer formed on the n-type semiconductor layer, including Ga and As, and having a smaller band gap energy than the n-type semiconductor layer;
An Se layer formed on the n-side guide layer and made of GaAs to which Se having a concentration of 2 × 10 18 cm −3 or more and 2 × 10 19 cm −3 or less is added and has a thickness of 0.8 nm or more and 20 nm or less. A GaAs layer doped with
Ga 1-x In x As 1-y N is formed on the GaAs layer to which Se is added in contact with the GaAs layer to which Se is added or at a distance of 3 nm or less from the GaAs layer to which Se is added. y (0 ≦ x ≦ 1, 0 <y <1), the band gap energy is 1.01 eV or less, and the band gap energy is smaller than the n-side guide layer and the GaAs layer to which Se is added, A well layer having a thickness of 3 nm to 8 nm,
A p-side guide layer formed on the well layer , including Ga and As, and having a larger band gap energy than the well layer;
A semiconductor laser device comprising:
GaAs基板上に、Alと、Gaと、Asと、を含み、Siが添加されたn型半導体層を形成し、
前記n型半導体層上に、Gaと、Asと、を含み、前記n型半導体層よりもバンドギャップエネルギーが小さいn側ガイド層を形成し、
前記n側ガイド層上に、2×10 18 cm −3 以上2×10 19 cm −3 以下の濃度のSeが添加されたGaAsからなり、厚さが0.8nm以上20nm以下の、Seが添加されたGaAs層を形成し、
前記Seが添加されたGaAs層上に前記Seが添加されたGaAs層と接してまたは前記Seが添加されたGaAs層と3nm以下の間隔で形成され、Ga 1−x In x As 1−y N y (0≦x≦1、0<y<1)からなり、バンドギャップエネルギーが1.01eV以下であり、前記n側ガイド層および前記Seが添加されたGaAs層よりもバンドギャプエネルギーが小さく、厚さが3nm以上8nm以下の井戸層を形成し、
前記井戸層上に、Gaと、Asと、を含み、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいp側ガイド層を形成し、
前記p側ガイド層上に、Alと、Gaと、Asと、を含み、p型不純物が添加されたp型半導体層を形成することを特徴とする光半導体素子の製造方法。 By MOCVD method
Forming an n-type semiconductor layer containing Al, Ga, and As and containing Si on a GaAs substrate;
On the n-type semiconductor layer, an n-side guide layer containing Ga and As and having a smaller band gap energy than the n-type semiconductor layer is formed.
The n-side guide layer is made of GaAs to which Se having a concentration of 2 × 10 18 cm −3 or more and 2 × 10 19 cm −3 or less is added, and Se is added with a thickness of 0.8 nm or more and 20 nm or less. Forming a GaAs layer,
Ga 1-x In x As 1-y N is formed on the GaAs layer to which Se is added in contact with the GaAs layer to which Se is added or at a distance of 3 nm or less from the GaAs layer to which Se is added. y (0 ≦ x ≦ 1, 0 <y <1), the band gap energy is 1.01 eV or less, and the band gap energy is smaller than the n-side guide layer and the GaAs layer to which Se is added, Forming a well layer having a thickness of 3 nm to 8 nm;
On the well layer, a p-side guide layer including Ga and As and having a larger band gap energy than the well layer is formed.
A method of manufacturing an optical semiconductor element, comprising: forming a p-type semiconductor layer containing Al, Ga, and As and doped with a p-type impurity on the p-side guide layer .
前記井戸層の成長温度が420℃以上550℃以下であることを特徴とする請求項5記載の光半導体素子の製造方法。 The growth temperature of the GaAs layer to which Se is added is 420 ° C. or higher and 550 ° C. or lower,
Method for manufacturing an optical semiconductor device according to claim 5, wherein the growth temperature of the well layer is 550 ° C. or less 420 ° C. or higher.
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