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JP4449296B2 - GaN-based semiconductor light emitting device - Google Patents
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JP4449296B2 - GaN-based semiconductor light emitting device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体発光素子および半導体装置に関し、特に、窒化物系III−V族化合物半導体を用いた半導体レーザや発光ダイオードや電子走行素子に適用して好適なものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、光ディスクの高密度化に必要である青色領域から紫外線領域におよぶ発光が可能な半導体レーザとして、AlGaInNなどの窒化物系III−V族化合物半導体を用いた半導体レーザの研究開発が盛んに行われ、すでに実用化されている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
【特許文献1】
特開平9−219556号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この窒化物系III−V族化合物半導体を用いた半導体レーザにおいては、p側電極のコンタクト抵抗が高いという問題があり、これが動作電圧の低減を図る上で障害になっている。p側電極のコンタクト抵抗が高いのは、p側電極がコンタクトするp型層では、p型不純物として用いられるMgの活性化率が低く、正孔濃度が低いため、比抵抗が高いことが主な原因である。
したがって、この発明が解決しようとする課題は、動作電圧の低減を図ることができる半導体発光素子および半導体装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、この発明の第1の発明は、
窒化物系III−V族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、
第1導電型側の電極のコンタクト部が、この電極側から順に第1導電型の第1の層と第2導電型の第2の層と第1導電型の第3の層とからなる積層構造を有する
ことを特徴とするものである。
【0006】
この発明の第2の発明は、
窒化物系III−V族化合物半導体を用いた半導体装置において、
第1導電型側の電極のコンタクト部が、第1導電型の第1の層と第2導電型の第2の層と第1導電型の第3の層とからなる積層構造を有する
ことを特徴とするものである。
【0007】
この発明の第1および第2の発明において、第2の層の厚さは、この第2の層をトンネル効果により正孔または電子が容易に通り抜けることができるように十分に薄くする必要があり、そのために好適には10nm以下に選ばれる。典型的には、第1の層、第2の層および第3の層は互いに組成が異なる。これらの第1の層、第2の層および第3の層は、基本的には、窒化物系III−V族化合物半導体をはじめとする各種の材料により構成することが可能であるが、典型的には、AlX Ga1-x-z Inz N(ただし、0≦x≦1、0≦z≦1)により構成される。また、p側電極のコンタクト抵抗が最も問題になっているため、この発明の適用が特に有効な場合は、第1の層がp型層、第2の層がn型層および第3の層がp型層である場合である。この場合、好適には、第1の層および第2の層、特にp側電極に接する第1の層のバンドギャップは、第3の層のバンドギャップよりも小さくなるように選ばれる。これは、一般にバンドギャップが小さいほどアクセプタ準位も小さくなり、その結果キャリア濃度(正孔濃度)が大きくなるためである。また、この場合、典型的には、第1の層を構成するp型層および第3の層を構成するp型層にはp型不純物としてMgがドープされ、第2の層を構成するn型層にはn型不純物としてSiがドープされ、好適には、MgおよびSiとも1×1018cm-3以上の濃度にドープされる。第1の層をGap In1-p q As1-q (ただし、0≦p≦1、0≦q≦1)により構成し、第2の層および第3の層をAlX Ga1-x-z Inz N(ただし、0≦x≦1、0≦z≦1)により構成してもよい。更に、第1の層をIn1-s Gas As(ただし、0≦s≦1)により構成し、第2の層をGaSb1-r Asr (ただし、0≦r≦1)により構成し、第3の層をAlX Ga1-x-z Inz N(ただし、0≦x≦1、0≦z≦1)により構成してもよい。
【0008】
窒化物系III−V族化合物半導体は、最も一般的にはAlX y Ga1-x-y-z Inz Asu 1-u-v v (ただし、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦u≦1、0≦v≦1、0≦x+y+z<1、0≦u+v<1)からなり、より具体的にはAlX y Ga1-x-y-z Inz N(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦x+y+z<1)からなり、典型的にはAlX Ga1-x-z Inz N(ただし、0≦x≦1、0≦z≦1)からなる。窒化物系III−V族化合物半導体の具体例を挙げると、GaN、InN、AlN、AlGaN、InGaN、AlGaInNなどである。
【0009】
半導体発光素子は、半導体レーザや発光ダイオードである。また、半導体装置は、半導体発光素子のほか、電界効果トランジスタ(FET)やヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)などの電子走行素子などであってよい。
【0010】
この発明の第3の発明は、
第1導電型側の電極のコンタクト部が、第1導電型の第1の層と第2導電型の第2の層と第1導電型の第3の層とからなる積層構造を有する
ことを特徴とする半導体発光素子である。
【0011】
この発明の第4の発明は、
第1導電型側の電極のコンタクト部が、第1導電型の第1の層と第2導電型の第2の層と第1導電型の第3の層とからなる積層構造を有する
ことを特徴とする半導体装置である。
【0012】
この発明の第3および第4の発明においては、その性質に反しない限り、第1および第2の発明に関連して説明したことが成立する。
【0013】
この発明の第3および第4の発明において、半導体層は、基本的にはどのようなものであってもよいが、具体的には、例えば、窒化物系III−V族化合物半導体のほか、AlGaAs系半導体、AlGaInP系半導体、InGaAsP系半導体、GaInNAs系半導体などの各種のIII−V族化合物半導体、あるいは、ZnSe系半導体やZnO系半導体などのII−VI族化合物半導体などの層である。
【0014】
上述のように構成されたこの発明によれば、第1導電型側の電極のコンタクト部が、この電極側から順に第1導電型の第1の層と第2導電型の第2の層と第1導電型の第3の層とからなる積層構造、すなわちpnp構造またはnpn構造を有することにより、動作時に電極に電圧を印加した場合、電極から第1の層に注入される正孔または電子は、第2の層をトンネル効果により通り抜けて第3の層に入る。この場合、この第3の層に入った正孔または電子のエネルギーは、従来のように電極のコンタクト部を第1導電型の層だけで構成した場合に比べて、高くなる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
図1はこの発明の第1の実施形態によるGaN系半導体レーザを示す。このGaN系半導体レーザは、リッジ構造およびSCH(Separate Confinement Heterostructure)構造を有するものである。図2はこのGaN系半導体レーザのリッジ部の近傍の拡大図である。
【0016】
図1に示すように、この第1の実施形態によるGaN系半導体レーザにおいては、c面サファイア基板1の一主面に、横方向結晶成長技術(例えば、AppliedPhysics Letters vol.75(1999)pp.196-198) によりGaN系半導体層が積層されている。具体的には、c面サファイア基板1の一主面に、低温成長によるアンドープGaNバッファ層2とその上のアンドープGaN層3とからなり、〈1−100〉方向に延在するストライプが形成され、このストライプのアンドープGaN層3を種結晶として、n型GaNコンタクト層4が連続層として成長されている。ここで、このストライプの両側の部分のc面サファイア基板1の表層部も除去されており、この部分では、n型GaNコンタクト層4はこのc面サファイア基板1から浮いた構造になっている。そして、このn型GaNコンタクト層4上に、n型AlGaNクラッド層5、n側光導波層としてのアンドープInGaN光導波層6、例えばアンドープのInx Ga1-x N/Iny Ga1-y N多重量子井戸構造の活性層7、p側光導波層としてのアンドープInGaN光導波層8、p側クラッド層としてのアンドープAlGaNクラッド層9、アンドープInGaN層10、p型AlGaN電子ブロック層11、p側クラッド層としてのp型AlGaN/GaN超格子クラッド層12、n型AlGaInN層13およびp型AlGaInN層14が順次積層されている。この場合、p型AlGaInN層14、n型AlGaInN層13およびp型AlGaN/GaN超格子クラッド層12により、p側電極のコンタクト部のpnp構造が形成されている。アンドープInGaN光導波層6、アンドープInGaN光導波層8、アンドープAlGaNクラッド層9およびアンドープInGaN層10はいずれもn- 型である。p側クラッド層としてp型AlGaN/GaN超格子クラッド層12を用いているのは、トンネル効果により正孔が通りやすくするためである。
【0017】
ここで、アンドープGaNバッファ層2は厚さが例えば30nmである。アンドープGaN層3は厚さが例えば2μmである。n型GaNコンタクト層4は厚さが例えば4μmであり、n型不純物として例えばシリコン(Si)がドープされている。n型AlGaNクラッド層5は厚さが例えば1.5μmであり、n型不純物として例えばSiがドープされ、Al組成は例えば5.5%(0.055)である。アンドープInGaN光導波層6は厚さが例えば30nmであり、In組成は例えば2%(0.02)である。また、アンドープInx Ga1-x N/Iny Ga1-y N多重量子井戸構造の活性層7は、障壁層としてのInx Ga1-x N層と井戸層としてのIny Ga1-y N層とが交互に積層されたもので、例えば、障壁層としてのInx Ga1-x N層の厚さが7nmでx=0.02、井戸層としてのIny Ga1-y N層の厚さが3.5nmでy=0.08、井戸数が3である。
【0018】
アンドープInGaN光導波層8は厚さが例えば30nmであり、In組成は例えば2%(0.02)である。アンドープAlGaNクラッド層9は厚さが例えば100nmであり、Al組成は例えば2.5%(0.025)である。アンドープInGaN層10は厚さが例えば5nmであり、In組成は例えば2%(0.02)である。
【0019】
p型AlGaN電子ブロック層11は厚さが例えば10nm、Al組成は例えば18%(0.18)、p型不純物としてドープされたMgの濃度は例えば1×1019/cm3 〜1×1021/cm3 である。
【0020】
p型AlGaN/GaN超格子クラッド層12は、例えば厚さが2.5nmのアンドープAlGaN層を障壁層とし、例えば厚さが2.5nm、Mgが5×1019/cm3 ドープされたGaN層を井戸層とし、これらを交互に積層した構造を有し、平均のAl組成は例えば4.5%(0.045)、全体の厚さは例えば400nmである。n型AlGaInN層13は厚さが好適には10nm以下、例えば5.0nm、Al組成は例えば7%(0.07)、In組成は例えば3%(0.03)であり、n型不純物として例えばSiが1×1019/cm3 ドープされている。p型AlGaInN層14は厚さが例えば50nmであり、Al組成は例えば5%(0.05)、In組成は例えば15%(0.15)であり、p型不純物として例えばMgが2×1020/cm3 ドープされている。
【0021】
n型GaNコンタクト層4の上層部から上の層は全体として所定幅のメサ形状を有し、更に、このメサ部におけるp型AlGaN/GaN超格子クラッド層12、n型AlGaInN層13およびp型AlGaInN層14には例えば〈1−100〉方向に延在するリッジが形成されている。このリッジの幅は例えば1.5μmである。ここで、このリッジ、すなわちレーザストライプ部は、横方向結晶成長の種結晶から上層に伝播した転位15と互いに隣接する種結晶からの横方向成長の会合部16との間の低欠陥領域に位置している。
【0022】
上記のメサ部の全体を覆うように、例えば厚さが40nmのSiO2 膜のような絶縁膜17および例えば厚さが45nmのSi膜18が順次設けられている。ここで、絶縁膜17は電気絶縁および表面保護のためのものである。Si膜18は、リッジの側壁部においてキンク現象の原因となるレーザ光の1次モードの吸収係数を高め、キンク現象を防止するためのものである。これらの絶縁膜17およびSi膜18のうちのリッジの上の部分には開口19が設けられており、この開口19を通じてp型AlGaInN層14にp側電極20が接触している。このp側電極20は、Pd膜、Pt膜およびAu膜を順次積層した構造を有し、Pd膜、Pt膜およびAu膜の厚さは例えばそれぞれ10nm、100nmおよび300nmである。一方、絶縁膜17およびSi膜18のうちのメサ部に隣接する所定部分には開口21が設けられており、この開口21を通じてn型GaNコンタクト層4にn側電極22が接触している。このn側電極22は、Ti膜、Pt膜およびAu膜を順次積層した構造を有し、Ti膜、Pt膜およびAu膜の厚さは例えばそれぞれ10nm、50nmおよび100nmである。
【0023】
次に、この第1の実施形態によるGaN系半導体レーザの製造方法について説明する。
まず、あらかじめサーマルクリーニングなどにより表面を清浄化したc面サファイア基板1上に有機金属化学気相成長(MOCVD)法により例えば500℃程度の温度でアンドープGaNバッファ層2を成長させた後、同じくMOCVD法により例えば1000℃の成長温度でアンドープGaN層3を成長させる。
【0024】
次に、アンドープGaN層3の全面に例えばCVD法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより例えば厚さが100nmのSiO2 膜(図示せず)を形成した後、このSiO2 膜上にリソグラフィーにより所定形状のレジストパターン(図示せず)を形成し、このレジストパターンをマスクとして、例えばフッ酸系のエッチング液を用いたウエットエッチング、または、CF4 やCHF3 などのフッ素を含むエッチングガスを用いたRIE法によりSiO2 膜をエッチングし、パターニングする。次に、この所定形状のSiO2 膜をマスクとして例えばRIE法によりc面サファイア基板1の表層部が除去されるまでエッチングを行う。このRIEのエッチングガスとしては、例えば塩素系ガスを用いる。このエッチングによって、種結晶となるストライプ形状のアンドープGaN層3が形成される。このストライプ形状のアンドープGaN層3の延在方向は〈1−100〉方向である。
【0025】
次に、エッチングマスクとして用いたSiO2 膜をエッチング除去した後、ストライプ形状のアンドープGaN層3を種結晶として上述の横方向結晶成長技術によりn型GaNコンタクト層4を成長させる。このときの成長温度は例えば1070℃とする。
【0026】
引き続いて、n型GaNコンタクト層4上に、MOCVD法により、n型AlGaNクラッド層5、アンドープInGaN光導波層6、アンドープのGa1-x Inx N/Ga1-y Iny N多重量子井戸構造の活性層7、アンドープInGaN光導波層8、アンドープAlGaNクラッド層9、アンドープInGaN層10、p型AlGaN電子ブロック層11およびp型AlGaN/GaN超格子クラッド層12、n型AlGaInN層13およびp型AlGaInN層14を順次成長させる。ここで、これらの層の成長温度は、例えば、n型AlGaNクラッド層5は900〜1000℃、アンドープInGaN光導波層6からp型AlGaN電子ブロック層11までは780℃、p型AlGaN/GaN超格子クラッド層12からp型AlGaInN層14は900〜1000℃とする。
【0027】
これらのGaN系半導体層の成長原料は、例えば、Gaの原料としてはトリメチルガリウム((CH3 3 Ga、TMG)、Alの原料としてはトリメチルアルミニウム((CH3 3 Al、TMA)、Inの原料としてはトリメチルインジウム((CH3 3 In、TMI)を、Nの原料としてはNH3 を用いる。ドーパントについては、n型ドーパントとしては例えばシラン(SiH4 )を、p型ドーパントとしては例えばビス=メチルシクロペンタジエニルマグネシウム((CH3 5 4 2 Mg)あるいはビス=シクロペンタジエニルマグネシウム((C5 5 2 Mg)を用いる。
【0028】
また、これらのGaN系半導体層の成長時のキャリアガス雰囲気としては、n型GaNコンタクト層4およびn型AlGaNクラッド層5はN2 とH2 との混合ガス、アンドープInGaN光導波層6からp型AlGaN電子ブロック層11まではN2 ガス雰囲気、p型AlGaN/GaN超格子クラッド層12はN2 とH2 との混合ガス、n型AlGaInN層13およびp型AlGaInN層14はN2 ガス雰囲気を用いる。この場合、アンドープInGaN光導波層6からp型AlGaN電子ブロック層11までの成長ではキャリアガス雰囲気をN2 雰囲気としており、キャリアガス雰囲気にH2 が含まれないので、アンドープInGaN光導波層6、活性層7、アンドープInGaN光導波層8およびアンドープInGaN層10からInが脱離するのを抑えることができ、これらの層の劣化を防止することができる。同様に、n型AlGaInN層13およびp型AlGaInN層14の成長でもキャリアガス雰囲気をN2 雰囲気としており、キャリアガス雰囲気にH2 が含まれないので、これらのn型AlGaInN層13およびp型AlGaInN層14からInが脱離するのを抑えることができ、これらの層の劣化を防止することができる。また、p型AlGaN/GaN超格子クラッド層12の成長時にはキャリアガス雰囲気をN2 とH2 との混合ガス雰囲気としているので、このp型AlGaN/GaN超格子クラッド層12を良好な結晶性で成長させることができる。
【0029】
次に、上述のようにしてGaN系半導体層を成長させたc面サファイア基板1をMOCVD装置から取り出す。そして、p型AlGaInN層14の全面に例えばCVD法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより例えば厚さが0.1μmのSiO2 膜(図示せず)を形成した後、このSiO2 膜上にリソグラフィーによりメサ部の形状に対応した所定形状のレジストパターン(図示せず)を形成し、このレジストパターンをマスクとして、例えばフッ酸系のエッチング液を用いたウエットエッチング、または、CF4 やCHF3 などのフッ素を含むエッチングガスを用いたRIE法によりSiO2 膜をエッチングし、パターニングする。次に、この所定形状のSiO2 膜をマスクとして例えばRIE法によりn型GaNコンタクト層4に達するまでエッチングを行う。このRIEのエッチングガスとしては例えば塩素系ガスを用いる。このエッチングにより、n型GaNコンタクト層4の上層部、n型AlGaNクラッド層5、アンドープInGaN光導波層6、活性層7、アンドープInGaN光導波層8、アンドープAlGaNクラッド層9、アンドープInGaN層10、p型AlGaN電子ブロック層11、p型AlGaN/GaN超格子クラッド層12、n型AlGaInN層13およびp型AlGaInN層14がメサ形状にパターニングされる。
【0030】
次に、エッチングマスクとして用いたSiO2 膜をエッチング除去した後、再び基板全面に例えばCVD法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより例えば厚さが0.2μmのSiO2 膜(図示せず)を形成した後、このSiO2 膜上にリソグラフィーによりリッジ部に対応する所定形状のレジストパターン(図示せず)を形成し、このレジストパターンをマスクとして、例えばフッ酸系のエッチング液を用いたウエットエッチング、または、CF4 やCHF3 などのフッ素を含むエッチングガスを用いたRIE法によりSiO2 膜をエッチングし、リッジ部に対応する形状とする。
【0031】
次に、このSiO2 膜をマスクとしてRIE法によりp型AlGaN電子ブロック層11の直前の深さまでエッチングを行うことによりリッジを形成する。このRIEのエッチングガスとしては例えば塩素系ガスを用いる。
【0032】
次に、エッチングマスクとして用いたSiO2 膜をエッチング除去した後、基板全面に例えばCVD法、真空蒸着法、スパッタリング法などによりSiO2 膜のような絶縁膜17およびSi膜18を順次成膜する。
【0033】
次に、リソグラフィーにより、n側電極形成領域を除いた領域のSi膜18の表面を覆うレジストパターン(図示せず)を形成する。
次に、このレジストパターンをマスクとしてSi膜18および絶縁膜17をエッチングすることにより、開口21を形成する。
【0034】
次に、レジストパターンを残したままの状態で基板全面に例えば真空蒸着法によりTi膜、Pt膜およびAu膜を順次形成した後、レジストパターンをその上に形成されたTi膜、Pt膜およびAu膜とともに除去する(リフトオフ)。これによって、絶縁膜17およびSi膜18の開口21を通じてn型GaNコンタクト層4にコンタクトしたn側電極22が形成される。次に、n側電極22をオーミック接触させるためのアロイ処理を行う。
【0035】
次に、同様なプロセスで、リッジの上の部分のSi膜18および絶縁膜17をエッチング除去して開口19を形成した後、n側電極22と同様にして、この開口19を通じてp型AlGaInN層14にコンタクトしたPd/Pt/Au構造のp側電極20を形成する。
【0036】
この後、上述のようにしてレーザ構造が形成された基板を劈開などによりバー状に加工して両共振器端面を形成し、更にこれらの共振器端面に端面コーティングを施した後、このバーを劈開などによりチップ化する。ここで、共振器長は例えばL=600μm、リア側の端面反射率は例えばRr =0.95、フロント側の端面反射率は例えばRf =0.1である。
以上により、目的とするリッジ構造およびSCH構造を有するGaN系半導体レーザが製造される。
【0037】
次に、このGaN系半導体レーザの動作について説明する。図3はこのGaN系半導体レーザの動作時のエネルギーバンド図を簡略化して示したものである。図3において、Ec は伝導帯の下端のエネルギー、Ev は価電子帯の上端のエネルギー、EF はフェルミエネルギーを示す。
【0038】
図3を参照してGaN系半導体レーザの動作を考える。p側電極20のコンタクト部にn型AlGaInN層13を挿入しないときの正孔のエネルギーはqV1 であるのに対し、この第1の実施形態のようにp側電極20のコンタクト部にn型AlGaInN層13を挿入したときの正孔のエネルギーはqV2 である。ただし、qは正孔の電荷を示す。p側電極20とn側電極22との間に順方向電圧を印加して、p型AlGaInN層14とn型AlGaInN層13との間にV1 の電圧を印加したとき、この第1の実施形態のようにp側電極20のコンタクト部にn型AlGaInN層13を挿入した場合、p側電極20から注入され、p型AlGaInN層14に入った正孔は、n型AlGaInN層13に達した時点でqV2 −qV1 =q(V2 −V1 )=qΔVだけエネルギーが高くなる。n型AlGaInN層13に達した正孔は、そのエネルギーを保持したまま、このn型AlGaInN層13をトンネル効果により高速で通り抜け、p型AlGaN/GaN超格子クラッド層12に注入される。すなわち、n型AlGaInN層13を挿入しない場合に比べて、p型AlGaN/GaN超格子クラッド層12に注入される正孔のエネルギーはqΔVだけ増加し、このためp型AlGaN/GaN超格子クラッド層12をトンネル効果で通る正孔のトンネル確率が大幅に増加する。これは、言い方を変えれば、p型AlGaInN層14とn型AlGaInN層13との間にV1 の電圧を印加したとき、実際にはV1 +ΔV=V2 の電圧を印加したのと同等の効果を得ることができ、ひいては動作電圧をΔVだけ低減することができることを意味する。
【0039】
この第1の実施形態によれば、以下のような種々の利点を得ることができる。すなわち、p側電極20のコンタクト部に、p型AlGaInN層14、n型AlGaInN層13およびp型AlGaN/GaN超格子クラッド層12からなるpnp構造が形成されていることにより、上述のように動作電圧の低減を図ることができる。
【0040】
また、この第1の実施形態によれば、p側クラッド層が活性層7側から順に厚さが例えば105nmのアンドープAlGaNクラッド層9と厚さが例えば400nmのp型AlGaN/GaN超格子クラッド層12とからなることにより、p側クラッド層の全体をそれらの合計の厚さのp型AlGaN/GaN超格子クラッド層12で構成した場合に比べて、GaN系半導体レーザの動作電圧を例えば約0.16Vも低減することができる。また、p側クラッド層の全体の厚さは約500nmあり十分大きいため、p側の光の閉じ込めを十分行うことができ、良好な遠視野像(Far Field Pattern,FFP) を得ることができる。すなわち、良好な光学特性を得るのに必要なp側クラッド層の厚さを確保しつつ、動作電圧の上昇の原因となっている高比抵抗のp型AlGaN/GaN超格子クラッド層12の厚さを約100nmも減少させて動作電圧の低減を図ることができる。
【0041】
また、活性層7とMgがドープされたp型層、すなわちp型AlGaN電子ブロック層11、p型AlGaN/GaN超格子クラッド層12およびp型AlGaInN層14との間の距離は、アンドープInGaN光導波層8、アンドープAlGaNクラッド層9およびアンドープInGaN層10の合計の厚さ、例えば30nm+100nm+5nm=135nmもあるため、結晶成長中やエージング中などにおいてp型層中のMgが活性層7に拡散するのを効果的に抑制することができ、それによってMgの拡散による活性層7の劣化を防止することができ、GaN系半導体レーザのエージング劣化率を低減することができ、信頼性および歩留まりの向上を図ることができる。
【0042】
また、活性層7とMgがドープされたp型層との間に格子歪層であるアンドープAlGaNクラッド層9があるため、これによってもp型層中のMgが活性層7に拡散するのを抑制することができ、活性層7の劣化をより効果的に防止することができる。
【0043】
また、Mgがドープされたp型層は一般にn型層に比べて結晶性が悪く、光の吸収が起こりやすいため、p型層が活性層7の付近にあると光吸収係数αが増大するが、上述のように活性層7とp型層とは135nmも離れているため、活性層7の付近のαを十分に低く抑えることができる。これによって、GaN系半導体レーザのしきい値電流密度Jth、したがってしきい値電流Ithを低減することができるとともに、スロープ効率の向上を図ることができる。更に、結晶性の悪いMgがドープされたp型層が光密度の高い活性層7の付近から上述のように十分に離れているため、光による活性層7の付近の結晶の劣化が生じにくく、GaN系半導体レーザの寿命および信頼性の向上を図ることができる。
【0044】
また、Al組成比が0.18と大きいp型AlGaN電子ブロック層11とInGaN層からなる活性層7との間には大きな格子定数差があるが、それらは上述のように135nmも離れているため、この格子定数差により活性層7に生じる歪を緩和することができ、発光効率の向上を図ることができる。このため、量子効率の向上により、しきい値電流密度Jth、したがってしきい値電流Ithを低減することができるとともに、スロープ効率の向上を図ることができる。
【0045】
また、アンドープAlGaNクラッド層9とp型AlGaN電子ブロック層11との間に活性層7と格子定数がほぼ等しいアンドープInGaN層10が設けられているため、活性層7とp型AlGaN電子ブロック層11およびp型AlGaN/GaN超格子クラッド層12との間に大きな格子定数差があっても、これらのp型AlGaN電子ブロック層11およびp型AlGaN/GaN超格子クラッド層12により活性層7に生じる歪を緩和することができる。このため、GaN系半導体レーザのしきい値電流密度Jth、したがってしきい値電流Ithを低減することができるとともに、スロープ効率の向上を図ることができる。
【0046】
また、上述のしきい値電流Ithの低減により、GaN系半導体レーザの雑音特性の向上を図ることができる。
【0047】
また、活性層7に注入された電子が活性層7を通り過ぎてアンドープAlGaNクラッド層9に到達すると、アンドープInGaN光導波層8とこのアンドープAlGaNクラッド層9との間の伝導帯のエネルギー差ΔEC より大きなエネルギーを持つ電子は、このアンドープAlGaNクラッド層9を飛び越える際にΔEC 分だけエネルギーが低下する。一方、ΔEC より小さいエネルギーしか持っていない電子は、アンドープAlGaNクラッド層9を飛び越えることができないため、アンドープInGaN光導波層8に留まることになる。このように、アンドープAlGaNクラッド層9を飛び越えようとする電子のエネルギーや数が減少することにより、GaN系半導体レーザのスロープ効率の向上を図ることができる。また、GaN系半導体レーザの高温、高出力駆動時の電子のオーバーフローを防止することができ、GaN系半導体レーザの動作電流の低減を図ることができる。
【0048】
更に、アンドープInGaN光導波層6からp型AlGaN電子ブロック層11までの成長ではキャリアガス雰囲気をN2 雰囲気としており、キャリアガス雰囲気にH2 が含まれないので、特に活性層7からInが脱離するのを抑えることができ、その劣化を防止することができ、GaN系半導体レーザの信頼性および寿命の向上を図ることができる。
【0049】
以上により、動作電圧およびしきい値電流が低く、温度特性が良好で長寿命かつ高信頼性のGaN系半導体レーザを実現することができる。
この第1の実施形態によるGaN系半導体レーザは、高温、高出力駆動時の動作電流および動作電圧の低減を図ることができ、長寿命でもあることから、特に光ディスクに対する書き込み用高出力半導体レーザとして用いて好適なものである。
【0050】
次に、この発明の第2の実施形態によるGaN系半導体レーザについて説明する。図4はこのGaN系半導体レーザのリッジ部の近傍の拡大図である。
図4に示すように、この第2の実施形態によるGaN系半導体レーザにおいては、第1の実施形態によるGaN系半導体レーザにおけるp型AlGaInN層14の代わりに、p型GaInNAs層23が設けられている。このp型GaInNAs層23の厚さは例えば5nmである。そして、このp型GaInNAs層23、n型AlGaInN層13およびp型AlGaN/GaN超格子クラッド層12により、p側電極のコンタクト部のpnp構造が形成されている。ここで、p型GaInNAs層23は、AlGaInNとの間に大きな格子定数差が存在するが、その厚さが5nmと薄いため均一な成膜が可能であり、たとえ成膜が不均一に行われて表面に凹凸が発生しても殆ど問題ない。
【0051】
その他の構成は、第1の実施形態によるGaN系半導体レーザと同様であるので、説明を省略する。
このGaN系半導体レーザの製造方法は、第1の実施形態によるGaN系半導体レーザの製造方法と同様であるので、説明を省略する。
この第2の実施形態によれば、第1の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【0052】
次に、この発明の第3の実施形態によるGaN系半導体レーザについて説明する。図5はこのGaN系半導体レーザのリッジ部の近傍の拡大図である。
図5に示すように、この第3の実施形態によるGaN系半導体レーザにおいては、第1の実施形態によるGaN系半導体レーザにおけるp型AlGaInN層14およびn型AlGaInN層13の代わりにそれぞれp型InGaAs層24およびn型GaSbAs層25が設けられている。p型InGaAs層24の厚さは例えば5nm、n型GaSbAs層25の厚さも例えば5nmである。そして、このp型InGaAs層24、n型GaSbAs層25およびp型AlGaN/GaN超格子クラッド層12により、p側電極のコンタクト部のpnp構造が形成されている。ここで、p型InGaAs層24およびn型GaSbAs層25は、AlGaInNとの間に大きな格子定数差が存在するが、その厚さが5nmと薄いため均一な成膜が可能であり、たとえ成膜が不均一に行われて表面に凹凸が発生しても殆ど問題ない。
【0053】
その他の構成は、第1の実施形態によるGaN系半導体レーザと同様であるので、説明を省略する。
このGaN系半導体レーザの製造方法は、第1の実施形態によるGaN系半導体レーザの製造方法と同様であるので、説明を省略する。
この第3の実施形態によれば、第1の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【0054】
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【0055】
例えば、上述の第1〜第3の実施形態において挙げた数値、構造、形状、基板、原料、プロセスなどはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、構造、形状、基板、原料、プロセスなどを用いてもよい。
【0056】
具体的には、例えば、上述の第1〜第3の実施形態においては、レーザ構造を形成するn型層を基板上に最初に積層し、その上にp型層を積層しているが、これと積層順序を逆にし、基板上に最初にp型層を積層し、その上にn型層を積層した構造としてもよい。
【0057】
また、上述の第1〜第3の実施形態においては、n側光導波層としてのアンドープInGaN光導波層6およびp側光導波層としてのアンドープInGaN光導波層8は互いに同一組成であるが、これらのアンドープInGaN光導波層6およびアンドープInGaN光導波層8の組成は、良好な光学特性が得られる限り、互いに異なっていてもよく、例えばアンドープInGaN光導波層8のIn組成をアンドープInGaN光導波層6より低くしてもよい。更には、必要に応じて、n側光導波層およびp側光導波層の材料としてInGaNと異なる組成のもの、例えばGaNを用いてもよい。
【0058】
また、上述の第1〜第3の実施形態においては、c面サファイア基板1を用いているが、必要に応じて、SiC基板、Si基板、スピネル基板、厚いn型GaN層からなる基板などを用いてもよい。また、GaNバッファ層2の代わりに、AlNバッファ層やAlGaNバッファ層を用いてもよい。
【0059】
また、上述の第1〜第3の実施形態においては、この発明をSCH構造のGaN系半導体レーザに適用した場合について説明したが、この発明は、例えば、DH(Double Heterostructure)構造のGaN系半導体レーザに適用してもよいことはもちろん、GaN系発光ダイオードに適用してもよい。
【0060】
更に、上述の第1〜第3の実施形態においては、p型AlGaN/GaN超格子クラッド層12において、AlGaN層にはMgをドープしていないが、必要に応じて、このAlGaN層にもMgをドープしてもよく、あるいは、GaN層にはMgをドープせず、AlGaN層にのみMgをドープしてもよい。
【0061】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、第1導電型側の電極のコンタクト部が、この電極側から順に第1導電型の第1の層と第2導電型の第2の層と第1導電型の第3の層とからなる積層構造を有することにより、動作電圧の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1の実施形態によるGaN系半導体レーザを示す断面図である。
【図2】この発明の第1の実施形態によるGaN系半導体レーザの要部の拡大断面図である。
【図3】この発明の第1の実施形態によるGaN系半導体レーザの動作を説明するためのエネルギーバンド構造を示す略線図である。
【図4】この発明の第2の実施形態によるGaN系半導体レーザの要部の拡大断面図である。
【図5】この発明の第3の実施形態によるGaN系半導体レーザの要部の拡大断面図である。
【符号の説明】
1・・・c面サファイア基板、4・・・n型GaNコンタクト層、5・・・n型AlGaNクラッド層、6・・・アンドープInGaN光導波層、7・・・活性層、8・・・アンドープInGaN光導波層、9・・・アンドープAlGaNクラッド層、10・・・アンドープInGaN層、11・・・p型AlGaN電子ブロック層、12・・・p型AlGaN/GaN超格子クラッド層、13・・・n型AlGaInN層、14・・・p型AlGaInN層、17・・・絶縁膜、18・・・Si膜、20・・・p側電極、22・・・n側電極、23・・・p型GaInNAs層、24・・・p型InGaAs層、25・・・n型GaSbAs層
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light emitting element and a semiconductor device, and is particularly suitable for application to a semiconductor laser, a light emitting diode, or an electron transit element using a nitride III-V group compound semiconductor.
[0002]
[Prior art]
In recent years, research and development of semiconductor lasers using nitride-based III-V compound semiconductors such as AlGaInN as active semiconductor lasers capable of emitting light from the blue region to the ultraviolet region, which are necessary for increasing the density of optical disks, have been actively conducted. Has already been put to practical use (for example, see Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-219556
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the semiconductor laser using the nitride III-V compound semiconductor has a problem that the contact resistance of the p-side electrode is high, which is an obstacle to reducing the operating voltage. The contact resistance of the p-side electrode is high because, in the p-type layer with which the p-side electrode contacts, the activation rate of Mg used as the p-type impurity is low and the hole concentration is low, so that the specific resistance is high. It is a cause.
Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a semiconductor light emitting element and a semiconductor device capable of reducing the operating voltage.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the first invention of the present invention is:
In a semiconductor light emitting device using a nitride III-V compound semiconductor,
The contact portion of the electrode on the first conductivity type side is composed of a first conductivity type first layer, a second conductivity type second layer, and a first conductivity type third layer in this order from the electrode side. Have structure
It is characterized by this.
[0006]
The second invention of this invention is:
In a semiconductor device using a nitride III-V compound semiconductor,
The contact portion of the electrode on the first conductivity type side has a laminated structure composed of a first layer of the first conductivity type, a second layer of the second conductivity type, and a third layer of the first conductivity type.
It is characterized by this.
[0007]
In the first and second aspects of the present invention, the thickness of the second layer must be sufficiently thin so that holes or electrons can easily pass through the second layer by the tunnel effect. Therefore, it is preferably selected to be 10 nm or less. Typically, the first layer, the second layer, and the third layer have different compositions from each other. These first layer, second layer, and third layer can be basically composed of various materials including nitride-based III-V group compound semiconductors. In particular, Al X Ga 1-xz In z N (however, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1). Also, since the contact resistance of the p-side electrode is the most problematic, when the application of the present invention is particularly effective, the first layer is a p-type layer, the second layer is an n-type layer, and a third layer Is a p-type layer. In this case, preferably, the band gap of the first layer and the second layer, particularly the first layer in contact with the p-side electrode is selected to be smaller than the band gap of the third layer. This is because the acceptor level generally decreases as the band gap decreases, and as a result, the carrier concentration (hole concentration) increases. In this case, typically, the p-type layer constituting the first layer and the p-type layer constituting the third layer are doped with Mg as a p-type impurity, and n constituting the second layer. The mold layer is doped with Si as an n-type impurity, preferably both Mg and Si are 1 × 10 18 cm -3 Dope to the above concentration. The first layer is Ga p In 1-p N q As 1-q (However, 0 ≦ p ≦ 1, 0 ≦ q ≦ 1), and the second layer and the third layer are made of Al. X Ga 1-xz In z You may comprise by N (however, 0 <= x <= 1, 0 <= z <= 1). Furthermore, the first layer is In 1-s Ga s As (where 0 ≦ s ≦ 1) and the second layer is GaSb 1-r As r (Where 0 ≦ r ≦ 1), and the third layer is made of Al X Ga 1-xz In z You may comprise by N (however, 0 <= x <= 1, 0 <= z <= 1).
[0008]
Nitride III-V compound semiconductors are most commonly Al X B y Ga 1-xyz In z As u N 1-uv P v (However, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, 0 ≦ x + y + z <1, 0 ≦ u + v <1), more specifically Al X B y Ga 1-xyz In z N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, 0 ≦ x + y + z <1), typically Al X Ga 1-xz In z N (however, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1). Specific examples of the nitride III-V compound semiconductor include GaN, InN, AlN, AlGaN, InGaN, and AlGaInN.
[0009]
The semiconductor light emitting element is a semiconductor laser or a light emitting diode. In addition to the semiconductor light emitting element, the semiconductor device may be an electron traveling element such as a field effect transistor (FET) or a heterojunction bipolar transistor (HBT).
[0010]
The third invention of the present invention is:
The contact portion of the electrode on the first conductivity type side has a laminated structure including a first conductivity type first layer, a second conductivity type second layer, and a first conductivity type third layer.
This is a semiconductor light emitting element.
[0011]
The fourth invention of the present invention is:
The contact portion of the electrode on the first conductivity type side has a laminated structure including a first conductivity type first layer, a second conductivity type second layer, and a first conductivity type third layer.
This is a semiconductor device.
[0012]
In the third and fourth aspects of the present invention, what has been described in relation to the first and second aspects of the invention is valid as long as it is not contrary to the nature thereof.
[0013]
In the third and fourth inventions of the present invention, the semiconductor layer may be basically any type. Specifically, for example, in addition to a nitride-based III-V compound semiconductor, It is a layer of various III-V group compound semiconductors such as AlGaAs-based semiconductors, AlGaInP-based semiconductors, InGaAsP-based semiconductors, GaInNAs-based semiconductors, or II-VI group compound semiconductors such as ZnSe-based semiconductors and ZnO-based semiconductors.
[0014]
According to the present invention configured as described above, the contact portion of the electrode on the first conductivity type side includes, in order from the electrode side, the first layer of the first conductivity type and the second layer of the second conductivity type. When a voltage is applied to the electrode during operation by having a laminated structure composed of the third layer of the first conductivity type, that is, a pnp structure or an npn structure, holes or electrons injected from the electrode to the first layer Passes through the second layer by the tunnel effect and enters the third layer. In this case, the energy of holes or electrons entering the third layer is higher than in the case where the contact portion of the electrode is composed of only the first conductivity type layer as in the prior art.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings of the embodiments, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals.
FIG. 1 shows a GaN semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention. This GaN-based semiconductor laser has a ridge structure and an SCH (Separate Confinement Heterostructure) structure. FIG. 2 is an enlarged view of the vicinity of the ridge portion of the GaN-based semiconductor laser.
[0016]
As shown in FIG. 1, in the GaN semiconductor laser according to the first embodiment, a lateral crystal growth technique (for example, Applied Physics Letters vol. 75 (1999) pp. 196-198), a GaN-based semiconductor layer is stacked. Specifically, on one main surface of the c-plane sapphire substrate 1, a stripe composed of an undoped GaN buffer layer 2 and an undoped GaN layer 3 formed thereon is formed and extends in the <1-100> direction. The n-type GaN contact layer 4 is grown as a continuous layer using the striped undoped GaN layer 3 as a seed crystal. Here, the surface layer portion of the c-plane sapphire substrate 1 on both sides of the stripe is also removed, and in this portion, the n-type GaN contact layer 4 has a structure floating from the c-plane sapphire substrate 1. Then, on this n-type GaN contact layer 4, an n-type AlGaN cladding layer 5, an undoped InGaN optical waveguide layer 6 as an n-side optical waveguide layer, for example, undoped In x Ga 1-x N / In y Ga 1-y An active layer 7 having an N multiple quantum well structure, an undoped InGaN optical waveguide layer 8 as a p-side optical waveguide layer, an undoped AlGaN cladding layer 9 as a p-side cladding layer, an undoped InGaN layer 10, a p-type AlGaN electron blocking layer 11, p A p-type AlGaN / GaN superlattice cladding layer 12, an n-type AlGaInN layer 13, and a p-type AlGaInN layer 14 are sequentially stacked as side cladding layers. In this case, the p-type AlGaInN layer 14, the n-type AlGaInN layer 13, and the p-type AlGaN / GaN superlattice cladding layer 12 form a pnp structure of the contact portion of the p-side electrode. The undoped InGaN optical waveguide layer 6, the undoped InGaN optical waveguide layer 8, the undoped AlGaN cladding layer 9, and the undoped InGaN layer 10 are all n - It is a type. The reason why the p-type AlGaN / GaN superlattice cladding layer 12 is used as the p-side cladding layer is to facilitate the passage of holes by the tunnel effect.
[0017]
Here, the undoped GaN buffer layer 2 has a thickness of, for example, 30 nm. The undoped GaN layer 3 has a thickness of 2 μm, for example. The n-type GaN contact layer 4 has a thickness of, for example, 4 μm, and is doped with, for example, silicon (Si) as an n-type impurity. The n-type AlGaN cladding layer 5 has a thickness of, for example, 1.5 μm, is doped with, for example, Si as an n-type impurity, and has an Al composition of, for example, 5.5% (0.055). The undoped InGaN optical waveguide layer 6 has a thickness of, for example, 30 nm and an In composition of, for example, 2% (0.02). Undoped In x Ga 1-x N / In y Ga 1-y The active layer 7 having an N multiple quantum well structure is composed of In as a barrier layer. x Ga 1-x In as N layer and well layer y Ga 1-y N layers are alternately stacked. For example, In as a barrier layer x Ga 1-x N layer thickness is 7 nm, x = 0.02, In as well layer y Ga 1-y The thickness of the N layer is 3.5 nm, y = 0.08, and the number of wells is 3.
[0018]
The undoped InGaN optical waveguide layer 8 has a thickness of, for example, 30 nm and an In composition of, for example, 2% (0.02). The undoped AlGaN cladding layer 9 has a thickness of, for example, 100 nm and an Al composition of, for example, 2.5% (0.025). The undoped InGaN layer 10 has a thickness of, for example, 5 nm and an In composition of, for example, 2% (0.02).
[0019]
The p-type AlGaN electron blocking layer 11 has a thickness of, for example, 10 nm, an Al composition of, for example, 18% (0.18), and the concentration of Mg doped as a p-type impurity is, for example, 1 × 10 19 / Cm Three ~ 1x10 twenty one / Cm Three It is.
[0020]
The p-type AlGaN / GaN superlattice cladding layer 12 uses, for example, an undoped AlGaN layer with a thickness of 2.5 nm as a barrier layer, and has a thickness of 2.5 nm and Mg of 5 × 10 5, for example. 19 / Cm Three The doped GaN layer is a well layer, and these are alternately stacked. The average Al composition is, for example, 4.5% (0.045), and the total thickness is, for example, 400 nm. The n-type AlGaInN layer 13 preferably has a thickness of 10 nm or less, for example, 5.0 nm, an Al composition of, for example, 7% (0.07), and an In composition of, for example, 3% (0.03). For example, Si is 1 × 10 19 / Cm Three Doped. The p-type AlGaInN layer 14 has a thickness of, for example, 50 nm, an Al composition of, for example, 5% (0.05), an In composition of, for example, 15% (0.15), and Mg as a p-type impurity, for example, 2 × 10. 20 / Cm Three Doped.
[0021]
The layers from the upper part to the upper part of the n-type GaN contact layer 4 have a mesa shape with a predetermined width as a whole, and further, the p-type AlGaN / GaN superlattice cladding layer 12, the n-type AlGaInN layer 13 and the p-type in this mesa part. For example, a ridge extending in the <1-100> direction is formed in the AlGaInN layer 14. The width of this ridge is, for example, 1.5 μm. Here, the ridge, that is, the laser stripe portion, is located in a low defect region between the dislocation 15 propagated from the seed crystal of the lateral crystal growth to the upper layer and the meeting portion 16 of the lateral growth from the adjacent seed crystals. is doing.
[0022]
For example, SiO having a thickness of 40 nm so as to cover the entire mesa portion. 2 An insulating film 17 such as a film and a Si film 18 having a thickness of 45 nm, for example, are sequentially provided. Here, the insulating film 17 is for electrical insulation and surface protection. The Si film 18 is for increasing the absorption coefficient of the first-order mode of the laser beam that causes the kink phenomenon at the side wall portion of the ridge and preventing the kink phenomenon. An opening 19 is provided in a portion of the insulating film 17 and the Si film 18 on the ridge, and the p-side electrode 20 is in contact with the p-type AlGaInN layer 14 through the opening 19. The p-side electrode 20 has a structure in which a Pd film, a Pt film, and an Au film are sequentially laminated. The thicknesses of the Pd film, the Pt film, and the Au film are, for example, 10 nm, 100 nm, and 300 nm, respectively. On the other hand, an opening 21 is provided in a predetermined portion adjacent to the mesa portion of the insulating film 17 and the Si film 18, and the n-side electrode 22 is in contact with the n-type GaN contact layer 4 through the opening 21. The n-side electrode 22 has a structure in which a Ti film, a Pt film, and an Au film are sequentially laminated. The thicknesses of the Ti film, the Pt film, and the Au film are, for example, 10 nm, 50 nm, and 100 nm, respectively.
[0023]
Next, a method of manufacturing the GaN semiconductor laser according to the first embodiment will be described.
First, an undoped GaN buffer layer 2 is grown on a c-plane sapphire substrate 1 whose surface is previously cleaned by thermal cleaning or the like at a temperature of about 500 ° C. by a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. For example, the undoped GaN layer 3 is grown at a growth temperature of 1000 ° C. by the method.
[0024]
Next, on the entire surface of the undoped GaN layer 3, for example, a SiO film having a thickness of 100 nm is formed by, for example, a CVD method, a vacuum evaporation method, a sputtering method, or the like. 2 After forming a film (not shown), this SiO 2 A resist pattern (not shown) having a predetermined shape is formed on the film by lithography, and using this resist pattern as a mask, for example, wet etching using a hydrofluoric acid-based etchant or CF Four And CHF Three SiO by RIE method using etching gas containing fluorine such as 2 The film is etched and patterned. Next, this predetermined shape of SiO 2 Etching is performed until the surface layer portion of the c-plane sapphire substrate 1 is removed by, for example, the RIE method using the film as a mask. As this RIE etching gas, for example, a chlorine-based gas is used. By this etching, a stripe-shaped undoped GaN layer 3 serving as a seed crystal is formed. The extending direction of the stripe-shaped undoped GaN layer 3 is the <1-100> direction.
[0025]
Next, SiO used as an etching mask 2 After the film is removed by etching, the n-type GaN contact layer 4 is grown by the above-described lateral crystal growth technique using the stripe-shaped undoped GaN layer 3 as a seed crystal. The growth temperature at this time is set to 1070 ° C., for example.
[0026]
Subsequently, an n-type AlGaN cladding layer 5, an undoped InGaN optical waveguide layer 6, an undoped Ga layer are formed on the n-type GaN contact layer 4 by MOCVD. 1-x In x N / Ga 1-y In y N multiple quantum well structure active layer 7, undoped InGaN optical waveguide layer 8, undoped AlGaN cladding layer 9, undoped InGaN layer 10, p-type AlGaN electron blocking layer 11, p-type AlGaN / GaN superlattice cladding layer 12, n-type AlGaInN Layer 13 and p-type AlGaInN layer 14 are grown sequentially. Here, the growth temperature of these layers is, for example, 900 to 1000 ° C. for the n-type AlGaN cladding layer 5, 780 ° C. from the undoped InGaN optical waveguide layer 6 to the p-type AlGaN electron blocking layer 11, and over p-type AlGaN / GaN. The lattice cladding layer 12 to the p-type AlGaInN layer 14 are set to 900 to 1000 ° C.
[0027]
The growth source of these GaN-based semiconductor layers is, for example, trimethylgallium ((CH Three ) Three As a raw material for Ga, TMG), and Al, trimethylaluminum ((CH Three ) Three As raw materials for Al, TMA), and In, trimethylindium ((CH Three ) Three In, TMI), NH as a raw material of N Three Is used. As for the dopant, examples of the n-type dopant include silane (SiH Four ) As a p-type dopant, for example, bis = methylcyclopentadienylmagnesium ((CH Three C Five H Four ) 2 Mg) or bis = cyclopentadienylmagnesium ((C Five H Five ) 2 Mg) is used.
[0028]
As the carrier gas atmosphere during the growth of these GaN-based semiconductor layers, the n-type GaN contact layer 4 and the n-type AlGaN cladding layer 5 are N 2 And H 2 The gas from the undoped InGaN optical waveguide layer 6 to the p-type AlGaN electron blocking layer 11 is N 2 Gas atmosphere, p-type AlGaN / GaN superlattice cladding layer 12 is N 2 And H 2 The n-type AlGaInN layer 13 and the p-type AlGaInN layer 14 are N 2 A gas atmosphere is used. In this case, the carrier gas atmosphere is N in the growth from the undoped InGaN optical waveguide layer 6 to the p-type AlGaN electron block layer 11. 2 The atmosphere is H and the carrier gas atmosphere is H 2 Is not included, it is possible to suppress the separation of In from the undoped InGaN optical waveguide layer 6, the active layer 7, the undoped InGaN optical waveguide layer 8 and the undoped InGaN layer 10, and to prevent the deterioration of these layers. Can do. Similarly, in the growth of the n-type AlGaInN layer 13 and the p-type AlGaInN layer 14, the carrier gas atmosphere is changed to N. 2 The atmosphere is H and the carrier gas atmosphere is H 2 Is not contained, it is possible to suppress the separation of In from the n-type AlGaInN layer 13 and the p-type AlGaInN layer 14 and to prevent the deterioration of these layers. Further, the carrier gas atmosphere is changed to N when the p-type AlGaN / GaN superlattice cladding layer 12 is grown. 2 And H 2 Therefore, the p-type AlGaN / GaN superlattice cladding layer 12 can be grown with good crystallinity.
[0029]
Next, the c-plane sapphire substrate 1 on which the GaN-based semiconductor layer is grown as described above is taken out from the MOCVD apparatus. Then, the entire surface of the p-type AlGaInN layer 14 is formed by, for example, CVD, vacuum deposition, sputtering or the like with a thickness of 0.1 μm, for example. 2 After forming a film (not shown), this SiO 2 A resist pattern (not shown) having a predetermined shape corresponding to the shape of the mesa portion is formed on the film by lithography, and using this resist pattern as a mask, for example, wet etching using a hydrofluoric acid-based etching solution, or CF Four And CHF Three SiO by RIE method using etching gas containing fluorine such as 2 The film is etched and patterned. Next, this predetermined shape of SiO 2 Etching is performed using the film as a mask until the n-type GaN contact layer 4 is reached by, for example, RIE. As this RIE etching gas, for example, a chlorine-based gas is used. By this etching, the upper layer portion of the n-type GaN contact layer 4, the n-type AlGaN cladding layer 5, the undoped InGaN optical waveguide layer 6, the active layer 7, the undoped InGaN optical waveguide layer 8, the undoped AlGaN cladding layer 9, the undoped InGaN layer 10, The p-type AlGaN electron block layer 11, the p-type AlGaN / GaN superlattice cladding layer 12, the n-type AlGaInN layer 13 and the p-type AlGaInN layer 14 are patterned into a mesa shape.
[0030]
Next, SiO used as an etching mask 2 After the film is removed by etching, the entire surface of the substrate is again formed on the entire surface of the substrate by, for example, a CVD method, a vacuum deposition method, a sputtering method, etc. 2 After forming a film (not shown), this SiO 2 A resist pattern (not shown) having a predetermined shape corresponding to the ridge portion is formed on the film by lithography, and using this resist pattern as a mask, for example, wet etching using a hydrofluoric acid-based etching solution or CF Four And CHF Three SiO by RIE method using etching gas containing fluorine such as 2 The film is etched to have a shape corresponding to the ridge portion.
[0031]
Next, this SiO 2 A ridge is formed by etching to a depth just before the p-type AlGaN electron block layer 11 by the RIE method using the film as a mask. As this RIE etching gas, for example, a chlorine-based gas is used.
[0032]
Next, SiO used as an etching mask 2 After removing the film by etching, the entire surface of the substrate is made of SiO, for example, by CVD, vacuum deposition, sputtering, or the like. 2 An insulating film 17 such as a film and a Si film 18 are sequentially formed.
[0033]
Next, a resist pattern (not shown) that covers the surface of the Si film 18 in a region excluding the n-side electrode formation region is formed by lithography.
Next, the opening 21 is formed by etching the Si film 18 and the insulating film 17 using this resist pattern as a mask.
[0034]
Next, a Ti film, a Pt film, and an Au film are sequentially formed on the entire surface of the substrate with the resist pattern remaining, for example, by vacuum deposition, and then the resist pattern is formed on the Ti film, the Pt film, and the Au formed thereon. Remove with film (lift-off). As a result, the n-side electrode 22 that is in contact with the n-type GaN contact layer 4 through the opening 21 of the insulating film 17 and the Si film 18 is formed. Next, the alloy process for making the n side electrode 22 ohmic-contact is performed.
[0035]
Next, in the same process, the Si film 18 and the insulating film 17 on the ridge are removed by etching to form an opening 19, and then the p-type AlGaInN layer is formed through the opening 19 in the same manner as the n-side electrode 22. A p-side electrode 20 having a Pd / Pt / Au structure in contact with 14 is formed.
[0036]
After that, the substrate on which the laser structure is formed as described above is processed into a bar shape by cleaving or the like to form both resonator end faces, and after applying end face coating to these resonator end faces, A chip is formed by cleavage. Here, the resonator length is, for example, L = 600 μm, and the rear end face reflectance is, for example, R. r = 0.95, the front end surface reflectance is, for example, R f = 0.1.
As described above, the GaN-based semiconductor laser having the target ridge structure and SCH structure is manufactured.
[0037]
Next, the operation of this GaN semiconductor laser will be described. FIG. 3 shows a simplified energy band diagram during operation of the GaN-based semiconductor laser. In FIG. 3, E c Is the energy at the bottom of the conduction band, E v Is the energy at the top of the valence band, E F Indicates Fermi energy.
[0038]
Consider the operation of the GaN-based semiconductor laser with reference to FIG. The energy of the holes when the n-type AlGaInN layer 13 is not inserted into the contact portion of the p-side electrode 20 is qV 1 On the other hand, the energy of holes when the n-type AlGaInN layer 13 is inserted into the contact portion of the p-side electrode 20 as in the first embodiment is qV. 2 It is. However, q shows the electric charge of a hole. A forward voltage is applied between the p-side electrode 20 and the n-side electrode 22, and V is applied between the p-type AlGaInN layer 14 and the n-type AlGaInN layer 13. 1 When the n-type AlGaInN layer 13 is inserted into the contact portion of the p-side electrode 20 as in the first embodiment, the p-type AlGaInN layer 14 is injected from the p-side electrode 20. When the holes reach the n-type AlGaInN layer 13, qV 2 -QV 1 = Q (V 2 -V 1 ) = Energy increases by qΔV. The holes that have reached the n-type AlGaInN layer 13 pass through the n-type AlGaInN layer 13 at a high speed by the tunnel effect while being retained, and are injected into the p-type AlGaN / GaN superlattice cladding layer 12. That is, compared with the case where the n-type AlGaInN layer 13 is not inserted, the energy of holes injected into the p-type AlGaN / GaN superlattice cladding layer 12 is increased by qΔV, and thus the p-type AlGaN / GaN superlattice cladding layer is increased. The tunneling probability of holes passing through 12 by the tunnel effect is greatly increased. In other words, V V is between the p-type AlGaInN layer 14 and the n-type AlGaInN layer 13. 1 When the voltage of 1 + ΔV = V 2 This means that an effect equivalent to that of the above-described voltage can be obtained, and the operating voltage can be reduced by ΔV.
[0039]
According to the first embodiment, the following various advantages can be obtained. That is, since the pnp structure including the p-type AlGaInN layer 14, the n-type AlGaInN layer 13, and the p-type AlGaN / GaN superlattice cladding layer 12 is formed in the contact portion of the p-side electrode 20, the operation is performed as described above. The voltage can be reduced.
[0040]
In addition, according to the first embodiment, the p-side cladding layer has an undoped AlGaN cladding layer 9 having a thickness of, for example, 105 nm and a p-type AlGaN / GaN superlattice cladding layer having a thickness of, for example, 400 nm in order from the active layer 7 side. 12, the operating voltage of the GaN-based semiconductor laser is, for example, about 0 compared to the case where the entire p-side cladding layer is composed of the p-type AlGaN / GaN superlattice cladding layer 12 having the total thickness. .16V can also be reduced. Further, since the total thickness of the p-side cladding layer is about 500 nm and is sufficiently large, the p-side light can be sufficiently confined, and a good far-field image (Far Field Pattern, FFP) can be obtained. That is, the thickness of the p-type AlGaN / GaN superlattice cladding layer 12 having a high specific resistance that causes an increase in operating voltage while ensuring the thickness of the p-side cladding layer necessary for obtaining good optical characteristics. The operating voltage can be reduced by reducing the thickness by about 100 nm.
[0041]
Further, the distance between the active layer 7 and the p-type layer doped with Mg, that is, the p-type AlGaN electron blocking layer 11, the p-type AlGaN / GaN superlattice cladding layer 12, and the p-type AlGaInN layer 14 is the undoped InGaN optical Since the total thickness of the wave layer 8, the undoped AlGaN cladding layer 9 and the undoped InGaN layer 10 is, for example, 30 nm + 100 nm + 5 nm = 135 nm, Mg in the p-type layer diffuses into the active layer 7 during crystal growth or aging. Can be effectively suppressed, whereby deterioration of the active layer 7 due to Mg diffusion can be prevented, aging degradation rate of the GaN-based semiconductor laser can be reduced, and reliability and yield can be improved. Can be planned.
[0042]
Further, since there is an undoped AlGaN cladding layer 9 which is a lattice strained layer between the active layer 7 and the p-type layer doped with Mg, this also prevents the Mg in the p-type layer from diffusing into the active layer 7. It is possible to suppress the deterioration of the active layer 7 more effectively.
[0043]
In addition, the p-type layer doped with Mg generally has lower crystallinity than the n-type layer and is likely to absorb light. Therefore, when the p-type layer is in the vicinity of the active layer 7, the light absorption coefficient α increases. However, since the active layer 7 and the p-type layer are separated by 135 nm as described above, α in the vicinity of the active layer 7 can be suppressed sufficiently low. As a result, the threshold current density J of the GaN-based semiconductor laser th Therefore, the threshold current I th Can be reduced, and the slope efficiency can be improved. Furthermore, since the p-type layer doped with Mg having poor crystallinity is sufficiently separated from the vicinity of the active layer 7 having a high light density as described above, the crystal near the active layer 7 is hardly deteriorated by light. The lifetime and reliability of the GaN-based semiconductor laser can be improved.
[0044]
Further, there is a large lattice constant difference between the p-type AlGaN electron blocking layer 11 having a large Al composition ratio of 0.18 and the active layer 7 made of InGaN, but they are separated by 135 nm as described above. Therefore, the strain generated in the active layer 7 due to this lattice constant difference can be relaxed, and the luminous efficiency can be improved. Therefore, the threshold current density J th Therefore, the threshold current I th Can be reduced, and the slope efficiency can be improved.
[0045]
In addition, since the undoped InGaN layer 10 having substantially the same lattice constant as that of the active layer 7 is provided between the undoped AlGaN cladding layer 9 and the p-type AlGaN electron blocking layer 11, the active layer 7 and the p-type AlGaN electron blocking layer 11 are provided. And the p-type AlGaN / GaN superlattice cladding layer 12, the p-type AlGaN electron blocking layer 11 and the p-type AlGaN / GaN superlattice cladding layer 12 cause the active layer 7 to have a large lattice constant difference. Distortion can be relaxed. Therefore, the threshold current density J of the GaN-based semiconductor laser th Therefore, the threshold current I th Can be reduced, and the slope efficiency can be improved.
[0046]
Further, the above threshold current I th By reducing this, it is possible to improve the noise characteristics of the GaN-based semiconductor laser.
[0047]
When electrons injected into the active layer 7 pass through the active layer 7 and reach the undoped AlGaN cladding layer 9, the energy difference ΔE of the conduction band between the undoped InGaN optical waveguide layer 8 and the undoped AlGaN cladding layer 9. C When electrons having a larger energy jump over the undoped AlGaN cladding layer 9, ΔE C Energy is reduced by that amount. On the other hand, ΔE C Electrons having less energy cannot jump over the undoped AlGaN cladding layer 9 and remain in the undoped InGaN optical waveguide layer 8. Thus, the energy efficiency and the number of electrons that attempt to jump over the undoped AlGaN cladding layer 9 can be reduced, thereby improving the slope efficiency of the GaN-based semiconductor laser. In addition, it is possible to prevent the GaN-based semiconductor laser from overflowing electrons when driven at a high temperature and high output, and to reduce the operating current of the GaN-based semiconductor laser.
[0048]
Further, in the growth from the undoped InGaN optical waveguide layer 6 to the p-type AlGaN electron block layer 11, the carrier gas atmosphere is changed to N. 2 The atmosphere is H and the carrier gas atmosphere is H 2 In particular, since the desorption of In from the active layer 7 can be suppressed, deterioration thereof can be prevented, and the reliability and lifetime of the GaN-based semiconductor laser can be improved.
[0049]
As described above, it is possible to realize a GaN-based semiconductor laser having a low operating voltage and a threshold current, good temperature characteristics, a long lifetime, and high reliability.
The GaN-based semiconductor laser according to the first embodiment can reduce the operating current and operating voltage when driving at high temperature and high output, and has a long life. It is suitable for use.
[0050]
Next explained is a GaN compound semiconductor laser according to the second embodiment of the invention. FIG. 4 is an enlarged view of the vicinity of the ridge portion of the GaN-based semiconductor laser.
As shown in FIG. 4, in the GaN-based semiconductor laser according to the second embodiment, a p-type GaInNAs layer 23 is provided instead of the p-type AlGaInN layer 14 in the GaN-based semiconductor laser according to the first embodiment. Yes. The thickness of the p-type GaInNAs layer 23 is, for example, 5 nm. The p-type GaInNAs layer 23, the n-type AlGaInN layer 13, and the p-type AlGaN / GaN superlattice cladding layer 12 form a pnp structure of the contact portion of the p-side electrode. Here, the p-type GaInNAs layer 23 has a large lattice constant difference with AlGaInN. However, since the thickness is as thin as 5 nm, uniform film formation is possible, even if film formation is uneven. Even if irregularities occur on the surface, there is almost no problem.
[0051]
Since other configurations are the same as those of the GaN-based semiconductor laser according to the first embodiment, description thereof is omitted.
The method for manufacturing the GaN-based semiconductor laser is the same as the method for manufacturing the GaN-based semiconductor laser according to the first embodiment, and thus description thereof is omitted.
According to the second embodiment, the same advantages as those of the first embodiment can be obtained.
[0052]
Next explained is a GaN compound semiconductor laser according to the third embodiment of the invention. FIG. 5 is an enlarged view of the vicinity of the ridge portion of the GaN-based semiconductor laser.
As shown in FIG. 5, in the GaN-based semiconductor laser according to the third embodiment, p-type InGaAs is used instead of the p-type AlGaInN layer 14 and the n-type AlGaInN layer 13 in the GaN-based semiconductor laser according to the first embodiment. A layer 24 and an n-type GaSbAs layer 25 are provided. The thickness of the p-type InGaAs layer 24 is 5 nm, for example, and the thickness of the n-type GaSbAs layer 25 is also 5 nm, for example. The p-type InGaAs layer 24, the n-type GaSbAs layer 25, and the p-type AlGaN / GaN superlattice cladding layer 12 form a pnp structure of the contact portion of the p-side electrode. Here, the p-type InGaAs layer 24 and the n-type GaSbAs layer 25 have a large lattice constant difference between them and AlGaInN. However, since the thickness is as thin as 5 nm, uniform film formation is possible. Even if unevenness occurs and irregularities are generated on the surface, there is almost no problem.
[0053]
Since other configurations are the same as those of the GaN-based semiconductor laser according to the first embodiment, description thereof is omitted.
The method for manufacturing the GaN-based semiconductor laser is the same as the method for manufacturing the GaN-based semiconductor laser according to the first embodiment, and thus description thereof is omitted.
According to the third embodiment, the same advantages as those of the first embodiment can be obtained.
[0054]
As mentioned above, although embodiment of this invention was described concretely, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, The various deformation | transformation based on the technical idea of this invention is possible.
[0055]
For example, the numerical values, structures, shapes, substrates, raw materials, processes and the like given in the first to third embodiments are merely examples, and if necessary, numerical values, structures, shapes, substrates, Raw materials, processes, etc. may be used.
[0056]
Specifically, for example, in the above-described first to third embodiments, an n-type layer for forming a laser structure is first laminated on a substrate, and a p-type layer is laminated thereon, This may be reversed to the stacking order, and a p-type layer is first stacked on the substrate, and an n-type layer is stacked thereon.
[0057]
In the first to third embodiments described above, the undoped InGaN optical waveguide layer 6 as the n-side optical waveguide layer and the undoped InGaN optical waveguide layer 8 as the p-side optical waveguide layer have the same composition. The composition of the undoped InGaN optical waveguide layer 6 and the undoped InGaN optical waveguide layer 8 may be different from each other as long as good optical characteristics can be obtained. It may be lower than the layer 6. Furthermore, if necessary, a material having a composition different from that of InGaN, such as GaN, may be used as the material for the n-side optical waveguide layer and the p-side optical waveguide layer.
[0058]
In the first to third embodiments described above, the c-plane sapphire substrate 1 is used. If necessary, a SiC substrate, a Si substrate, a spinel substrate, a substrate made of a thick n-type GaN layer, or the like is used. It may be used. Further, instead of the GaN buffer layer 2, an AlN buffer layer or an AlGaN buffer layer may be used.
[0059]
In the first to third embodiments described above, the present invention has been described for the case where the present invention is applied to a GaN-based semiconductor laser having an SCH structure. However, the present invention is, for example, a GaN-based semiconductor having a DH (Double Heterostructure) structure. Of course, it may be applied to a GaN-based light emitting diode.
[0060]
Further, in the above-described first to third embodiments, in the p-type AlGaN / GaN superlattice cladding layer 12, the AlGaN layer is not doped with Mg. Alternatively, Mg may not be doped into the GaN layer, and Mg may be doped only into the AlGaN layer.
[0061]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the contact portion of the electrode on the first conductivity type side includes the first layer of the first conductivity type, the second layer of the second conductivity type, and the second layer in this order from the electrode side. With the stacked structure including the first conductivity type third layer, the operating voltage can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a GaN-based semiconductor laser according to a first embodiment of the invention.
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a main part of a GaN-based semiconductor laser according to the first embodiment of the invention.
FIG. 3 is a schematic diagram showing an energy band structure for explaining the operation of the GaN-based semiconductor laser according to the first embodiment of the invention.
FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of a main part of a GaN-based semiconductor laser according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of a main part of a GaN-based semiconductor laser according to a third embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... c-plane sapphire substrate, 4 ... n-type GaN contact layer, 5 ... n-type AlGaN clad layer, 6 ... Undoped InGaN optical waveguide layer, 7 ... Active layer, 8 ... Undoped InGaN optical waveguide layer, 9 ... undoped AlGaN cladding layer, 10 ... undoped InGaN layer, 11 ... p-type AlGaN electron blocking layer, 12 ... p-type AlGaN / GaN superlattice cladding layer, 13. .... n-type AlGaInN layer, 14 ... p-type AlGaInN layer, 17 ... insulating film, 18 ... Si film, 20 ... p-side electrode, 22 ... n-side electrode, 23 ... p-type GaInNAs layer, 24... p-type InGaAs layer, 25... n-type GaSbAs layer

Claims (3)

p型AlGaN/GaN超格子クラッド層と、a p-type AlGaN / GaN superlattice cladding layer;
上記p型AlGaN/GaN超格子クラッド層上の、n型不純物としてSiが1×10Si as an n-type impurity on the p-type AlGaN / GaN superlattice cladding layer is 1 × 10 1818 cmcm -3-3 以上の濃度にドープされた厚さが10nm以下のn型AlN-type Al doped to the above concentration and having a thickness of 10 nm or less x x GaGa 1-x-z 1-x-z InIn z z N層(ただし、0≦x≦1、0≦z≦1)と、N layer (however, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1),
上記n型AlN-type Al x x GaGa 1-x-z 1-x-z InIn z z N層上のp型AlP-type Al on N layer x x GaGa 1-x-z 1-x-z InIn z z N層(ただし、0≦x≦1、0≦z≦1)またはp型GaN layer (however, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1) or p-type Ga p p InIn 1-p 1-p N q q AsAs 1-q 1-q 層(ただし、0≦p≦1、0≦q≦1)と、A layer (where 0 ≦ p ≦ 1, 0 ≦ q ≦ 1),
上記p型AlP-type Al x x GaGa 1-x-z 1-x-z InIn z z N層または上記p型GaN layer or p-type Ga p p InIn 1-p 1-p N q q AsAs 1-q 1-q 層に接触したp側電極とを有し、A p-side electrode in contact with the layer,
上記p型AlP-type Al x x GaGa 1-x-z 1-x-z InIn z z N層または上記p型GaN layer or p-type Ga p p InIn 1-p 1-p N q q AsAs 1-q 1-q 層および上記n型AlLayer and the above n-type Al x x GaGa 1-x-z 1-x-z InIn z z N層のバンドギャップは、上記p型AlGaN/GaN超格子クラッド層のバンドギャップよりも小さいGaN系半導体発光素子。A GaN-based semiconductor light-emitting device in which the band gap of the N layer is smaller than the band gap of the p-type AlGaN / GaN superlattice cladding layer.
上記p型AlGaN/GaN超格子クラッド層および上記p型AlThe p-type AlGaN / GaN superlattice cladding layer and the p-type Al x x GaGa 1-x-z 1-x-z InIn z z N層または上記p型GaN layer or p-type Ga p p InIn 1-p 1-p N q q AsAs 1-q 1-q 層にp型不純物としてMgが1×101 × 10 Mg as p-type impurity in the layer 1818 cmcm -3-3 以上の濃度にドープされている請求項1記載のGaN系半導体発光素子。The GaN-based semiconductor light-emitting device according to claim 1 doped at the above concentration. 上記GaN系半導体発光素子はGaN系半導体レーザまたはGaN系発光ダイオードである請求項2記載のGaN系半導体発光素子。The GaN-based semiconductor light-emitting device according to claim 2, wherein the GaN-based semiconductor light-emitting device is a GaN-based semiconductor laser or a GaN-based light-emitting diode.
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