JP4821390B2 - Self-oscillation type semiconductor laser - Google Patents
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Description
本発明は、自励発振型半導体レーザ等の窒化物系発光素子に関する。 The present invention relates to a nitride-based light emitting device such as a self-excited oscillation type semiconductor laser.
近年の代表的な光ディスクであるDVD(Digital Versatile Disk)は、映画、音楽、ゲーム、カーナビゲーション等の再生系から、TVレコーダ、パソコン搭載ドライブ等の記録系まで、非常に幅広い分野に普及している。その記録容量はCDのおよそ7倍であり、例えば現行のTV映像を標準的な画質で録画するには充分な量である。しかし、将来普及が見込まれるデジタルハイビジョン映像をそのままの高画質で録画する場合、従来に比べて情報量が圧倒的に多くなるため、現状のDVDでは20〜30分程度しか記録できない。そこで、従来のDVDに比べて約5倍もの大容量記録が可能な次世代光ディスクシステムに対する期待が高まりつつある。 DVD (Digital Versatile Disk), a typical optical disc in recent years, has spread in a very wide range of fields, from playback systems such as movies, music, games, and car navigation systems to recording systems such as TV recorders and personal computer drives. Yes. The recording capacity is about seven times that of a CD, which is sufficient for recording a current TV picture with a standard image quality. However, when recording a high-definition digital high-definition video that is expected to spread in the future, the amount of information is overwhelmingly larger than in the past, so the current DVD can only record about 20-30 minutes. Thus, there is an increasing expectation for a next-generation optical disk system capable of recording a large capacity about five times as much as a conventional DVD.
次世代光ディスクシステム用の光源としては、波長405nm帯の窒化物系青紫色半導体レーザが用いられる。これは、従来のDVDで使われている波長650nm帯のAlGaInP系赤色半導体レーザよりも光を小さく絞り込むことが可能であり、信号の高密度記録に適しているためである。 A nitride blue-violet semiconductor laser having a wavelength of 405 nm band is used as a light source for the next generation optical disk system. This is because the light can be narrowed down smaller than the AlGaInP red semiconductor laser having a wavelength of 650 nm band used in the conventional DVD, and is suitable for high-density signal recording.
従来の光ディスクシステムでは、光ディスクの信号を読み取る際に、光ディスクからの反射光により半導体レーザに過剰な雑音が誘起されるのを防ぐため、半導体レーザの光出力を百MHz程度から数GHz程度のパルス状にして用いる工夫がなされる。その手段として、半導体レーザの駆動回路に高周波重畳モジュールを付加して変調を重畳する方法と、直流駆動でもパルス状の光出力が得られる、いわゆる自励発振型の半導体レーザを用いる方法がある。特に後者の場合、高周波重畳モジュールおよびその不要輻射対策が不要となるため、光ディスクシステムの低コスト化、小型化に極めて有効である。そのため、次世代の光ディスクシステム用光源として用いられる窒化物系青紫色半導体レーザにおいても、自励発振型の実現が強く望まれている。 In the conventional optical disk system, when reading the signal of the optical disk, in order to prevent excessive noise from being induced in the semiconductor laser due to the reflected light from the optical disk, the optical output of the semiconductor laser is a pulse of about 100 MHz to several GHz. The device is used in the form of a shape. As means for this, there are a method of superimposing modulation by adding a high-frequency superposition module to a drive circuit of the semiconductor laser, and a method of using a so-called self-excited oscillation type semiconductor laser that can obtain a pulsed light output even by direct current drive. Particularly in the latter case, the high-frequency superposition module and its unnecessary radiation countermeasure are not required, which is extremely effective for reducing the cost and size of the optical disc system. Therefore, the realization of a self-excited oscillation type is strongly desired also for nitride blue-violet semiconductor lasers used as light sources for next-generation optical disk systems.
自励発振動作は、光強度を上げると光吸収が飽和して弱くなる、いわゆる可飽和吸収特性を有する領域を、活性層近傍に設けることで実現される。その具体的な手段として、例えば活性層とは独立して可飽和吸収層を設ける構造が良く知られている。 The self-excited oscillation operation is realized by providing a region having a so-called saturable absorption characteristic in the vicinity of the active layer, in which light absorption is saturated and weakened when the light intensity is increased. As a specific means, for example, a structure in which a saturable absorption layer is provided independently of the active layer is well known.
図7は、従来の自励発振型の半導体レーザを示す断面図である。n型基板701、n型バッファ層702、n型クラッド層703、n型光閉じ込め層704、活性層705、p型キャップ層706、p型光閉じ込め層707、可飽和吸収層708、p型クラッド層709、p型コンタクト層710、絶縁層711、p電極712、n電極713からなる。この構造の場合、安定した自励発振動作を持続させるために、可飽和吸収層で吸収により励起されたキャリアを速やかに消滅させること、つまり、可飽和吸収層のキャリア寿命を短くすることが重要となる。従来の自励発振型半導体レーザでは、その手段として、可飽和吸収層へ高濃度の不純物ドーピングを行う方法が一般的に用いられる。
FIG. 7 is a sectional view showing a conventional self-oscillation type semiconductor laser. n-
なお、本発明に関連する先行技術文献としては、特許文献1〜5が挙げられる。
しかしながら、従来の自励発振型半導体レーザは、素子寿命が短いという問題点があった。その理由は、可飽和吸収層への高濃度の不純物ドーピングが活性層への不純物拡散、もしくは不純物に起因した欠陥の拡散を引き起こし、活性層の結晶品質を低下させてしまうためである。特に、電流注入経路に高濃度の不純物ドーピングが行われているため、半導体レーザの動作中にも不純物や欠陥の拡散が促進され、活性層品質の経時劣化が顕著である。 However, the conventional self-oscillation type semiconductor laser has a problem that the element lifetime is short. The reason is that high-concentration impurity doping into the saturable absorber layer causes impurity diffusion into the active layer or diffusion of defects due to the impurity, thereby reducing the crystal quality of the active layer. In particular, since high-concentration impurity doping is performed in the current injection path, diffusion of impurities and defects is promoted even during operation of the semiconductor laser, and the deterioration of the active layer quality with time is remarkable.
本発明による自励発振型半導体レーザは、III族窒化物半導体からなる活性層と、上記活性層よりも上層に設けられ、電流狭窄もしくは光分布制御の機能を有する機能層と、上記機能層よりも上層に設けられ、上記活性層で発生する光を吸収する可飽和吸収層と、を備え、上記機能層および上記可飽和吸収層は、ストライプ状の開口部を有し、上記活性層の上記機能層に対向する領域の転位密度をNa、上記活性層の上記開口部に対向する領域の転位密度をNb、上記可飽和吸収層の上記機能層に対向する領域の転位密度をNcとしたとき、Na<Nc、かつ、Nb<Ncであることを特徴とする。 A self-pulsation type semiconductor laser according to the present invention includes an active layer made of a group III nitride semiconductor, a functional layer provided above the active layer and having a function of current confinement or light distribution control, and the functional layer. And a saturable absorption layer that absorbs light generated in the active layer, and the functional layer and the saturable absorption layer have a stripe-shaped opening, and the active layer When the dislocation density of the region facing the functional layer is Na, the dislocation density of the region facing the opening of the active layer is Nb, and the dislocation density of the region facing the functional layer of the saturable absorber layer is Nc , Na <Nc, and Nb <Nc.
また、本発明による自励発振型半導体レーザは、III族窒化物半導体からなる活性層と、電流狭窄もしくは光分布制御の機能を有する機能層と、上記活性層で発生する光を吸収する可飽和吸収層と、を備え、上記機能層は、ストライプ状の開口部を有し、上記活性層の上記機能層に対向する領域の転位密度をNa'、上記活性層の上記開口部に対向する領域の転位密度をNb'、上記可飽和吸収層の上記機能層に対向する領域の転位密度をNc'、上記可飽和吸収層の上記開口部に対向する領域の転位密度をNd'としたとき、Na'<Nc'、かつ、Nb'<Nc'、かつ、Nc'>Nd'であることを特徴としてもよい。 The self-pulsation type semiconductor laser according to the present invention includes an active layer made of a group III nitride semiconductor, a functional layer having a function of current confinement or light distribution control, and a saturable state that absorbs light generated in the active layer. An absorption layer, wherein the functional layer has a stripe-shaped opening, the dislocation density of the region facing the functional layer of the active layer is Na ′, and the region facing the opening of the active layer Nb ′, the dislocation density of the region of the saturable absorption layer facing the functional layer is Nc ′, and the dislocation density of the region of the saturable absorption layer facing the opening is Nd ′. It may be characterized in that Na ′ <Nc ′, Nb ′ <Nc ′, and Nc ′> Nd ′.
これらの窒化物系発光素子は、ストライプ状の開口部を備えて電流狭窄もしくは光分布制御として機能する層を有し、上記層の近傍もしくは上記層の中に可飽和吸収層を有し、それらの層は転位を多く含む。例えば、GaN基板上に素子を作製する場合、電流狭窄もしくは光分布制御として機能する層としてAlNを用いると、格子不整合度が大きいためにAlN層に多数の転位が発生して格子緩和が起こる。ここで、窒化物系材料の性質により、AlN層で発生した転位の影響はAlN層に対して垂直方向に反映されるため、AlN層の近傍もしくはAlN層の中に設けた可飽和吸収層の結晶性が悪化し、非発光再結合時間が短くなる。その結果、可飽和吸収層のキャリア寿命を短くすることができる。 These nitride-based light emitting devices have stripe-shaped openings and have a layer that functions as current confinement or light distribution control, and has a saturable absorption layer in the vicinity of or in the layer. This layer contains many dislocations. For example, when an element is fabricated on a GaN substrate, if AlN is used as a layer that functions as current confinement or light distribution control, a large number of dislocations occur in the AlN layer due to a large degree of lattice mismatch, resulting in lattice relaxation. . Here, due to the nature of the nitride-based material, the influence of dislocations generated in the AlN layer is reflected in a direction perpendicular to the AlN layer, so that the saturable absorption layer provided in the vicinity of the AlN layer or in the AlN layer. Crystallinity deteriorates and non-radiative recombination time is shortened. As a result, the carrier life of the saturable absorbing layer can be shortened.
この時、ストライプ状の開口部には転位を多く含む層が存在しないため、主な電流注入領域もしくは主な発光領域は良好な結晶性が維持される。さらに、活性層の良好な結晶性は水平方向で均一に保たれているため、注入電流が活性層で水平方向に広がる場合に、結晶性の悪い活性層領域でキャリアが無駄に消費されることがない。つまり、活性層での発光効率が高く保たれ、発熱も小さく抑えることができる。このように、高濃度ドーピングなどの特別な工夫を施すことなく、かつ、必要な領域のみ結晶性を悪化させて自己整合的に可飽和吸収層を設けることで、良好な素子寿命を有する自励発振型半導体レーザが実現される。 At this time, since a layer containing many dislocations does not exist in the stripe-shaped opening, good crystallinity is maintained in the main current injection region or the main light emitting region. Furthermore, since the good crystallinity of the active layer is kept uniform in the horizontal direction, carriers are wasted in the active layer region with poor crystallinity when the injection current spreads horizontally in the active layer. There is no. That is, the luminous efficiency in the active layer is kept high, and heat generation can be suppressed to a small level. As described above, self-excitation having a good device lifetime can be achieved by providing a saturable absorption layer in a self-aligned manner without devising high concentration doping or the like, and by deteriorating crystallinity only in a necessary region. An oscillation type semiconductor laser is realized.
本発明によれば、良好な素子寿命を有する窒化物系発光素子が実現される。 According to the present invention, a nitride-based light emitting device having a good device lifetime is realized.
以下、図面を参照しつつ、本発明による窒化物系発光素子の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of a nitride-based light emitting device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same reference numerals are assigned to the same elements, and duplicate descriptions are omitted.
(第1実施形態)
図1は、本発明による窒化物系発光素子の第1実施形態を示す断面図である。n型基板101上に、n型バッファ層102、n型クラッド層103、n型光閉じ込め層104、活性層105、p型キャップ層106、p型光閉じ込め層107、下部電流狭窄層108、吸収層109、および上部電流狭窄層110が、この順に積層されている。下部電流狭窄層108と、吸収層109と、上部電流狭窄層110とには、ストライプ状の開口部111が設けられている。上部電流狭窄層110上には、さらに、p型クラッド層112およびp型コンタクト層113が、この順に積層されている。また、p型コンタクト層113の上面にp電極114が設けられ、n型基板101の下面にn電極115が設けられている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a sectional view showing a first embodiment of a nitride-based light emitting device according to the present invention. On an n-
n型基板101は、例えばGaN基板からなる。n型バッファ層102は、例えば厚さ1μmのGaNからなる。n型クラッド層103は、例えば厚さ2μmのAlGaNからなる。n型光閉じ込め層104は、例えば厚さ0.1μmのGaNからなる。活性層105は、例えば厚さ3nmのInGaN井戸層と厚さ4nmのInGaN障壁層とからなる多重量子井戸構造を有する。p型キャップ層106は、例えば厚さ10nmのAlGaNからなる。p型光閉じ込め層107は、例えば厚さ0.1μmのGaNからなる。
The n-
下部電流狭窄層108および上部電流狭窄層110は、例えばそれぞれ厚さ0.05μmのAlNからなり、水平方向の屈折率差により光分布制御層としての機能も兼ね備える。吸収層109は、活性層105で発生する発振光を吸収するように組成、層厚が設定され、例えば厚さ3nmのInGaNからなる。p型クラッド層112は、例えば厚さ2.5nmのGaNと厚さ2.5nmのAlGaNからなる130周期の超格子構造で構成される。p型コンタクト層113は、例えば厚さ0.1μmのGaNからなる。n型不純物は、例えばSiであり、p型不純物は、例えばMgである。
The lower
本実施形態においては、少なくとも下部電流狭窄層108が転位を多く含んで格子緩和しており、下部電流狭窄層108と上部電流狭窄層110との間に、活性層105で発生する光を吸収する吸収層109が設けられている。吸収層109は、少なくとも下部電流狭窄層108の転位の影響を反映して結晶性が悪化し、非発光再結合時間が短くなる。その結果、吸収層109のキャリア寿命が短くなり、吸収層109は可飽和吸収層として機能する。この時、ストライプ状の開口部111には転位を多く含む領域が存在しないため、主な電流注入領域もしくは主な発光領域は、良好な結晶性が維持される。
In this embodiment, at least the lower
さらに、活性層105の良好な結晶性は水平方向で均一に保たれているため、注入電流が活性層105で水平方向に広がる場合に、結晶性の悪い活性層領域でキャリアが無駄に消費されることがない。つまり、活性層での発光効率が高く保たれ、発熱も小さく抑えることができる。このように、高濃度ドーピングなどの特別な工夫を施すことなく、かつ、必要な領域のみ結晶性を悪化させて自己整合的に可飽和吸収層を設けることで、良好な素子寿命を有する自励発振型半導体レーザが実現される。
Furthermore, since the good crystallinity of the
ここで、活性層105の転位密度は、水平方向で実質的に均一であれば良く、ウエハの面内分布やウエハ間のバラツキ程度の差があっても良い。つまり、活性層105の下部電流狭窄層108に対向する領域の転位密度をNa、活性層105の開口部111に対向する領域の転位密度をNb、吸収層109の転位密度をNcとすると、Na≒Nb<Ncである。あるいは、Na<Nc、かつ、Nb<Ncである。好ましくは、例えば、0.1×Na<Nb<10×Na、さらに好ましくは、0.5×Na≦Nb≦2×Na、かつ、(Nc/Na)>10、かつ(Nc/Nb)>10、さらに好ましくは、(Nc/Nb)>100であれば、本実施形態の効果が顕著となる。
Here, the dislocation density of the
なお、下部電流狭窄層108と上部電流狭窄層110とは同じ材料である必要はなく、例えば各々がAl組成の異なるAlGaNでも良い。また、下部電流狭窄層108と上部電流狭窄層110とは同じ層厚でなくても良く、少なくとも下部電流狭窄層108が転位を多く含んで格子緩和しておれば、その層厚は如何様でも良い。
Note that the lower
次に、第1実施形態の製造方法の一例を説明する。素子構造の作製には、300hPaの減圧MOVPE装置を用いる。キャリアガスには水素と窒素の混合ガスを用い、Ga、Al、Inソースとして、それぞれトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムトリメチルインジウムを用いる。n型不純物としてシラン、p型不純物としてビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用いる。 Next, an example of the manufacturing method of 1st Embodiment is demonstrated. A 300 hPa reduced pressure MOVPE apparatus is used to fabricate the element structure. A mixed gas of hydrogen and nitrogen is used as a carrier gas, and trimethylgallium and trimethylaluminum trimethylindium are used as Ga, Al, and In sources, respectively. Silane is used as the n-type impurity, and biscyclopentadienyl magnesium is used as the p-type impurity.
n型GaN基板101を成長装置に投入後、アンモニアを供給しながら基板を昇温し、成長温度まで達した時点で成長を開始する。1回目の成長では、n型GaNバッファ層102、n型AlGaNクラッド層103、n型GaN光閉じ込め層104、InGaN井戸層とInGaN障壁層からなる多重量子井戸構造を有する活性層105、p型AlGaNキャップ層106、p型GaN光閉じ込め層107、AlN下部電流狭窄層108、InGaN吸収層109、AlN上部電流狭窄層110を形成する。成長温度は、例えばAlN下部電流狭窄層108、InGaN吸収層109、AlN上部電流狭窄層110は200〜800℃、活性層105は800℃、それ以外は1100℃とする。AlN下部電流狭窄層108およびAlN上部電流狭窄層110は低温で成長するため、1回目の成長終了時はアモルファス状である。その上にSiO2膜を堆積し、通常のフォトリソグラフィー技術を用いて、ストライプ状の開口部を有するSiO2マスクを形成する。
After the n-
次に、燐酸と硫酸の混合液を50〜200℃に保持してエッチング液とし、AlN下部電流狭窄層108、InGaN吸収層109、AlN上部電流狭窄層110にストライプ状の開口部111を形成する。この時、アモルファス状のAlNとInGaNは容易にエッチングされ、単結晶のGaNはエッチングが困難であるため、選択性が高く制御性の良好なエッチングがなされる。
Next, a mixed solution of phosphoric acid and sulfuric acid is maintained at 50 to 200 ° C. to form an etching solution, and stripe-shaped
次に、再び成長装置に投入後、アンモニアを供給しながら基板を昇温し、成長温度まで達した時点で2回目の成長を開始する。この時、AlN下部電流狭窄層108およびAlN上部電流狭窄層110は、基板の昇温過程で単結晶化が進むが、GaNとの格子定数差が大きいために、多数の転位を発生して格子緩和が起こる。その転位の影響は、AlN下部電流狭窄層108およびAlN上部電流狭窄層110に対して垂直方向に反映されるため、InGaN吸収層109の結晶性が悪化する。次いで、p型AlGaN/GaN超格子クラッド層112、p型GaNコンタクト層113を形成する。その後、上面にp電極114、下面にn電極115を形成する。
Next, after supplying again to the growth apparatus, the temperature of the substrate is raised while supplying ammonia, and the second growth is started when the temperature reaches the growth temperature. At this time, the AlN lower
このようにして作製した半導体レーザは、ストライプ状の開口部111の結晶性は良好に維持されると共に、InGaN吸収層109はキャリア寿命が短いため可飽和吸収層として機能する。従って、良好な信頼性を有する自励発振型半導体レーザが実現される。
The semiconductor laser fabricated in this way maintains the crystallinity of the stripe-shaped
(第2実施形態)
図2は、本発明による窒化物系発光素子の第2実施形態を示す断面図である。第1実施形態との相違点は、上部電流狭窄層110を省略した点である。このように、吸収層109は、必ずしも電流狭窄層の間に位置しなくても良く、電流狭窄層の上部に位置しても良い。
(Second Embodiment)
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a second embodiment of the nitride-based light emitting device according to the present invention. The difference from the first embodiment is that the upper
この場合においても、下部電流狭窄層108の転位の影響により、吸収層109のキャリア寿命を短くすることができる。この時、図2に示すように、吸収層109を保護するためのキャップ層201を設けても良い。キャップ層201は、例えばAlGaNからなる。なお、キャップ層201は、吸収層109より上方に位置すれば、吸収層109と隣接しなくても良い。また、製造方法等によってはキャップ層201は必ずしも必要ではなく、例えば吸収層109を充分保護できる製造方法等を用いる場合は、キャップ層201は省略しても良い。
Even in this case, the carrier life of the
第2実施形態の製造方法の一例は、第1実施形態の製造方法において、AlN上部電流狭窄層110を形成する代わりに、AlGaNキャップ層201を、例えば200〜800℃で形成する点以外は、第1実施形態と同様である。
An example of the manufacturing method of the second embodiment is that, in the manufacturing method of the first embodiment, instead of forming the AlN upper
(第3実施形態)
図3は、本発明による窒化物系発光素子の第3実施形態を示す断面図である。第1実施形態との相違点は、下部電流狭窄層108と吸収層109の間に、例えば第1の光分布制御層301を設け、吸収層109と上部電流狭窄層110の間に、例えば第2の光分布制御層302を設けた点である。このように、吸収層109は、必ずしも電流狭窄層と隣接しなくても良く、電流狭窄層の近傍に位置しても良い。
(Third embodiment)
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a third embodiment of the nitride-based light emitting device according to the present invention. The difference from the first embodiment is that, for example, a first light
第1の光分布制御層301は、例えばAlGaNからなり、第2の光分布制御層302は、例えばAlGaNからなる。この時、本発明の第2実施形態と同様に、上部電流狭窄層110を省略しても良い。例えば上部電流狭窄層110を省略する場合、吸収層109の上、もしくは吸収層109より上方に、吸収層109を保護するためのキャップ層を設けても良い。なお、第1の光分布制御層301および第2の光分布制御層302の組成と層厚は、同一でなくてもよく、各々を独立して適切に設定することができる。また、第1の光分布制御層301、もしくは第2の光分布制御層302のいずれかを省略しても良い。
The first light
第3実施形態の製造方法の一例は、第1実施形態の製造方法において、AlN下部電流狭窄層108の形成後に続いて、AlGaN第1光分布制御層301、InGaN吸収層109、AlGaN第2光分布制御層302、AlN上部電流狭窄層110を、例えば200〜800℃で形成する点以外は、第1実施形態と同様である。
An example of the manufacturing method of the third embodiment is that in the manufacturing method of the first embodiment, after the formation of the AlN lower
(第4実施形態)
図4(a)は、本発明による窒化物系発光素子の第4実施形態を示す鳥瞰図である。また、図4(b)および図4(c)は、それぞれ図4(a)におけるA−A'面およびB−B'面での断面図である。このように、ストライプ状の開口部111は、共振器方向で途切れていても良い。具体的には、端面付近はストライプ状の開口部111を必ずしも設けなくても良く、端面近傍に吸収層109を残しても良い。
(Fourth embodiment)
FIG. 4A is a bird's eye view showing a fourth embodiment of the nitride-based light emitting device according to the present invention. FIG. 4B and FIG. 4C are cross-sectional views along the AA ′ plane and the BB ′ plane in FIG. 4A, respectively. Thus, the stripe-shaped
この時、ストライプ状の開口部111の埋め込み領域111aの等価屈折率をna、ストライプ状の開口部111が途切れた領域111bの等価屈折率をnbとすると、一般的にna≠nbが成り立つため、素子寿命の大幅な向上効果が付加される。その理由は、例えばna>nbの場合は、端面近傍における光分布は下方へシフトし、逆にna<nbの場合は、端面近傍における光分布は上方へシフトするため、いずれの場合においても、端面近傍における活性層105の光閉じ込めを低減することができる。このように、活性層105の光閉じ込めを端面近傍においてのみ低減することができるので、端面の光密度が低減し、端面劣化が抑制され、素子寿命を大幅に向上することができる。
At this time, when the equivalent refractive index n a of the buried region 111a of the stripe-shaped
第4実施形態の製造方法の一例は、第1実施形態の製造方法において、ストライプ状の開口部が共振器方向で途切れたパターンを有するSiO2マスクを用いる以外は、第1実施形態と同様である。 An example of the manufacturing method of the fourth embodiment is the same as that of the first embodiment except that the manufacturing method of the first embodiment uses a SiO2 mask having a pattern in which stripe-shaped openings are interrupted in the resonator direction. .
なお、図4(a)から図4(c)では、本発明の第1実施形態において、ストライプ状の開口部111が共振器方向で途切れている例を示したが、本発明の第2実施形態、および本発明の第3実施形態においても同様に、ストライプ状の開口部111が共振器方向で途切れていても良い。
4A to 4C show an example in which the stripe-shaped
なお、上記第1〜第4実施形態は例示であり、様々な変形例が可能であること、また、そうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されうるところである。例えば、吸収層109は、バルク層からなっても良く、量子井戸層からなっても良く、多重量子井戸構造からなっても良い。また、吸収層109は、例えば導電型の制御のために、結晶性を悪化させない範囲で不純物をドーピングしても良い。また、吸収層109を構成する材料は、活性層105で発生する光の波長によって様々に選択することができ、例えばAlxInyGa1−x−yN(0≦z≦1、0≦w≦1、0≦z+w≦1)を含んでなる単層、または複数の層から構成されても良い。また、下部電流狭窄層108、あるいは上部電流狭窄層110は、転位を含んで格子緩和すればAlN以外の材料でも良く、例えばAlxInyGa1−x−yN(0.4≦x≦1、0≦y≦0.6、0≦x+y≦1)で構成されても良い。
It should be noted that the above first to fourth embodiments are merely examples, and various modifications can be made, and those skilled in the art can understand that such modifications are also within the scope of the present invention. For example, the
また、上記各実施形態の製造方法も例示であり、様々な変形例が可能であることは当業者に理解されうるところである。 Moreover, the manufacturing method of each said embodiment is an illustration, and it can be understood by those skilled in the art that various modifications are possible.
(第5実施形態)
図5は、本発明による窒化物系発光素子の第5実施形態を示す断面図である。n型基板501上に、n型バッファ層502、n型クラッド層503、n型光閉じ込め層504、活性層505、p型キャップ層506、p型光閉じ込め層507、および電流狭窄層508が、この順に積層されている。電流狭窄層508には、ストライプ状の開口部509が設けられている。電流狭窄層508上には、さらに、吸収層510、p型クラッド層511、およびp型コンタクト層512が、この順に積層されている。また、p型コンタクト層512の上面にp電極513が設けられ、n型基板501の下面にn電極514が設けられている。
(Fifth embodiment)
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a fifth embodiment of the nitride-based light emitting device according to the present invention. On the n-
n型基板501は、例えばGaN基板からなる。n型バッファ層502は、例えば厚さ1μmのGaNからなる。n型クラッド層503は、例えば厚さ2μmのAlGaNからなる。n型光閉じ込め層504は、例えば厚さ0.1μmのGaNからなる。活性層505は、例えば厚さ3nmのInGaN井戸層と厚さ4nmのInGaN障壁層からなる多重量子井戸構造を有する。p型キャップ層506は、例えば厚さ10nmのAlGaNからなる。p型光閉じ込め層507は、例えば厚さ0.1μmのGaNからなる。
The n-
電流狭窄層508は、例えば厚さ0.1μmのAlNからなり、水平方向の屈折率差により光分布制御層としての機能も兼ね備える。吸収層510は、活性層505で発生する光を吸収するように組成、層厚が設定され、例えば厚さ3nmのInGaNからなる。p型クラッド層511は、例えば厚さ2.5nmのGaNと厚さ2.5nmのAlGaNからなる130周期の超格子構造で構成される。p型コンタクト層512は、例えば厚さ0.1μmのGaNからなる。n型不純物は、例えばSiであり、p型不純物は、例えばMgである。
The
本実施形態においては、少なくとも電流狭窄層508が転位を多く含んで格子緩和しており、その近傍に、活性層505で発生する発振光を吸収する吸収層510が設けられている。ここで、吸収層510のうち、ストライプ外に位置する領域510aは、電流狭窄層508の転位の影響を反映して結晶性が悪化し、非発光再結合時間が短くなる。その結果、吸収層のうちストライプ外に位置する領域510aはキャリア寿命が短くなり、可飽和吸収層として機能する。一方、吸収層510のうち、ストライプ内に位置する領域510bは、電流狭窄層508の転位の影響を受けないため、良好な結晶性が保たれる。その結果、ストライプ状の開口部509には転位を多く含む領域が存在せず、主な電流注入領域もしくは主な発光領域は良好な結晶性が維持される。
In this embodiment, at least the
さらに、活性層505の良好な結晶性は水平方向で均一に保たれているため、注入電流が活性層505で水平方向に広がる場合に、結晶性の悪い活性層領域でキャリアが無駄に消費されることがない。つまり、活性層での発光効率が高く保たれ、発熱も小さく抑えることができる。このように、高濃度ドーピングなどの特別な工夫を施すことなく、かつ、必要な領域のみ結晶性を悪化させて自己整合的に可飽和吸収層を設けることで、良好な素子寿命を有する自励発振型半導体レーザが実現される。
Furthermore, since the good crystallinity of the
ここで、活性層505の転位密度は、水平方向で実質的に均一であれば良く、ウエハの面内分布やウエハ間のバラツキ程度の差があっても良い。つまり、活性層505の電流狭窄層508に対向する領域の転位密度をNa'、活性層505の開口部509に対向する領域の転位密度をNb'、吸収層510の電流狭窄層508に対向する領域510aの転位密度をNc'、吸収層510の開口部509に対向する領域510bの転位密度をNd'とすると、Na'≒Nb'<Nc'、かつ、Nc'>Nd'である。あるいは、Na'<Nc'、かつ、Nb'<Nc'、かつ、Nc'>Nd'である。好ましくは、例えば、0.1×Na'<Nb'<10×Na'、さらに好ましくは、0.5×Na'≦Nb'≦2×Na'、かつ、(Nc'/Na')>10、かつ、(Nc'/Nb')>10、かつ、(Nc'/Nd')>10、さらに好ましくは、(Nc'/Nb')>100、かつ、(Nc'/Nd')>100であれば、本実施形態の効果が顕著となる。
Here, the dislocation density of the
次に、第5実施形態の製造方法の一例を説明する。素子構造の作製には、300hPaの減圧MOVPE装置を用いる。キャリアガスには水素と窒素の混合ガスを用い、Ga、Al、Inソースとして、それぞれトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムトリメチルインジウムを用いる。n型不純物としてシラン、p型不純物としてビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用いる。 Next, an example of the manufacturing method of 5th Embodiment is demonstrated. A 300 hPa reduced pressure MOVPE apparatus is used to fabricate the element structure. A mixed gas of hydrogen and nitrogen is used as a carrier gas, and trimethylgallium and trimethylaluminum trimethylindium are used as Ga, Al, and In sources, respectively. Silane is used as the n-type impurity, and biscyclopentadienyl magnesium is used as the p-type impurity.
n型GaN基板501を成長装置に投入後、アンモニアを供給しながら基板を昇温し、成長温度まで達した時点で成長を開始する。1回目の成長では、n型GaNバッファ層502、n型AlGaNクラッド層503、n型GaN光閉じ込め層504、InGaN井戸層とInGaN障壁層からなる多重量子井戸構造を有する活性層505、p型AlGaNキャップ層506、p型GaN光閉じ込め層507、AlN電流狭窄層508を形成する。成長温度は、例えばAlN電流狭窄層508は200〜800℃、活性層505は800℃、それ以外は1100℃とする。AlN電流狭窄層508は低温で成長するため、1回目の成長終了時はアモルファス状である。その上にSiO2膜を堆積し、通常のフォトリソグラフィー技術を用いて、ストライプ状の開口部を有するSiO2マスクを形成する。
After the n-
次に、燐酸と硫酸の混合液を50〜200℃に保持してエッチング液とし、AlN電流狭窄層508にストライプ状の開口部509を形成する。この時、アモルファス状のAlNは容易にエッチングされ、単結晶のGaNはエッチングが困難であるため、選択性が高く制御性の良好なエッチングがなされる。次に、再び成長装置に投入後、アンモニアを供給しながら基板を昇温し、成長温度まで達した時点で2回目の成長を開始する。この時、AlN電流狭窄層508は、基板の昇温過程で単結晶化が進むが、GaNとの格子定数差が大きいために、転位を発生して格子緩和が起こる。
Next, a mixed solution of phosphoric acid and sulfuric acid is maintained at 50 to 200 ° C. to obtain an etching solution, and a stripe-shaped
次いで、InGaN吸収層510、p型AlGaN/GaN超格子クラッド層511、p型GaNコンタクト層512を形成した後、上面にp電極513、下面にn電極514を形成する。ここで、AlN電流狭窄層508で発生した転位の影響は、AlN電流狭窄層508に対して垂直方向に反映される。このため、InGaN吸収層510のうち、ストライプ外に位置する領域510aは、結晶性が悪化してキャリア寿命が短くなり、可飽和吸収層として機能する。一方、InGaN吸収層510のうち、ストライプ内に位置する領域510bは、AlN電流狭窄層508の転位の影響を受けないため、良好な結晶性が保たれる。
Next, after forming an InGaN absorption layer 510, a p-type AlGaN / GaN
このようにして作製した半導体レーザは、ストライプ内の結晶性は良好に維持されると共に、ストライプ外に位置するInGaN吸収層が可飽和吸収層として機能する。従って、良好な信頼性を有する自励発振型半導体レーザが実現される。 In the semiconductor laser fabricated in this manner, the crystallinity within the stripe is maintained well, and the InGaN absorption layer located outside the stripe functions as a saturable absorption layer. Therefore, a self-excited oscillation type semiconductor laser having good reliability is realized.
(第6実施形態)
図6は、本発明による窒化物系発光素子の第6実施形態を示す断面図である。第5実施形態との相違点は、電流狭窄層508と吸収層510との間に光分布制御層601を設けた点である。このように、吸収層510は、必ずしも電流狭窄層と隣接しなくても良く、電流狭窄層の近傍に位置しても良い。光分布制御層601は、例えばAlGaNからなる。また、吸収層510より上方に、吸収層510を保護するためのキャップ層を設けても良い。
(Sixth embodiment)
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a sixth embodiment of the nitride-based light emitting device according to the present invention. The difference from the fifth embodiment is that a light
第6実施形態の製造方法の一例は、第5実施形態の製造方法の2回目の成長において、InGaN吸収層510の下に、AlGaN光分布制御層601を形成する点以外は、第5実施形態と同様である。
An example of the manufacturing method of the sixth embodiment is the same as that of the fifth embodiment except that the AlGaN light
なお、本発明の第4実施形態では、本発明の第1実施形態におけるストライプ状の開口部111が共振器方向で途切れている例を示したが、本発明の第5実施形態、および本発明の第6実施形態においても同様に、ストライプ状の開口部509が共振器方向で途切れていても良い。
In the fourth embodiment of the present invention, the stripe-shaped
なお、上記第5および第6実施形態は例示であり、様々な変形例が可能であること、また、そうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されうるところである。例えば、吸収層510は、バルク層からなっても良く、量子井戸層からなっても良く、多重量子井戸構造からなっても良い。また、吸収層510は、例えば導電型の制御のために、結晶性を悪化させない範囲で不純物をドーピングしても良い。また、吸収層510を構成する材料は、活性層505で発生する光の波長によって様々に選択することができ、例えばAlzInwGa1−z−wN(0≦z≦1、0≦w≦1、0≦z+w≦1)を含んでなる単層、または複数の層から構成されても良い。また、電流狭窄層508は、転位を含んで格子緩和すればAlN以外の材料でも良く、例えばAlxInyGa1−x−yN(0.4≦x≦1、0≦y≦0.6、0≦x+y≦1)で構成されても良い。
It should be noted that the fifth and sixth embodiments are examples, and various modifications can be made, and those skilled in the art can understand that such modifications are also within the scope of the present invention. For example, the absorption layer 510 may consist of a bulk layer, a quantum well layer, or a multiple quantum well structure. Further, the absorption layer 510 may be doped with impurities within a range that does not deteriorate crystallinity, for example, for the purpose of controlling the conductivity type. The material constituting the absorption layer 510 can be variously selected depending on the wavelength of light generated in the
また、上記各実施形態の製造方法も例示であり、様々な変形例が可能であることは当業者に理解されうるところである。 Moreover, the manufacturing method of each said embodiment is an illustration, and it can be understood by those skilled in the art that various modifications are possible.
上記各実施形態の効果を説明する。第1の効果は、窒化物系発光素子、特に半導体レーザにおいて、良好な自励発振動作を実現できる。その理由は、電流狭窄もしくは光分布制御の機能を有する機能層を有し、機能層の近傍もしくは機能層の中に吸収層を有し、吸収層の機能層に対向する領域の転位密度が活性層の転位密度より高いので、吸収層が良好な可飽和吸収層として機能するためである。 The effects of the above embodiments will be described. The first effect is that a good self-oscillation operation can be realized in a nitride-based light emitting device, particularly a semiconductor laser. The reason is that it has a functional layer having a function of current confinement or light distribution control, an absorption layer in the vicinity of the functional layer or in the functional layer, and the dislocation density in the region facing the functional layer of the absorption layer is active. This is because the absorption layer functions as a saturable absorption layer because it is higher than the dislocation density of the layer.
第2の効果は、窒化物系自励発振型半導体レーザにおいて、良好な信頼性が得られる。その理由は、前記吸収層のうち、ストライプ外に位置する吸収層は可飽和吸収層として機能する一方、ストライプ内は良好な結晶性が維持されており、かつ、活性層は水平方向に均一で良好な結晶性が維持されているためである。 The second effect is that good reliability can be obtained in the nitride-based self-pulsation semiconductor laser. The reason is that, among the absorption layers, the absorption layer located outside the stripe functions as a saturable absorption layer, while the inside of the stripe maintains good crystallinity, and the active layer is uniform in the horizontal direction. This is because good crystallinity is maintained.
第3の効果は、窒化物系自励発振型半導体レーザにおいて、素子寿命の一層の改善効果を付加することができる。その理由は、端面近傍に前記吸収層を残すことで、端面近傍の活性層の光密度が低減し、端面劣化が抑制されるためである。 The third effect is that a further improvement effect of the element lifetime can be added in the nitride-based self-oscillation semiconductor laser. The reason is that leaving the absorbing layer in the vicinity of the end face reduces the light density of the active layer in the vicinity of the end face and suppresses end face deterioration.
また、本発明の各実施形態の製造方法においては、少なくとも電流狭窄もしくは光分布制御として機能する層を低温で形成し、前記層の近傍もしくは前記層の中に可飽和吸収層を設ける。例えば、電流狭窄もしくは光分布制御として機能する層としてAlNを用い、それを200〜800℃程度の低温で形成するとアモルファス状となる。次いで、AlN層にストライプ状の開口部を形成した後、再成長のために昇温過程を経ると、アモルファス状のAlN層は転位を多く導入して格子緩和を起こしながら単結晶化が進む。そのため、AlN層の近傍もしくはAlN層の中に設けた可飽和吸収層の結晶性が悪化し、可飽和吸収層のキャリア寿命を短くすることができる。この時、ストライプ状の開口部には転位を多く含む層が存在しないため、主な電流注入領域もしくは主な発光領域は良好な結晶性が維持される。 Further, in the manufacturing method of each embodiment of the present invention, at least a layer functioning as current confinement or light distribution control is formed at a low temperature, and a saturable absorbing layer is provided in the vicinity of or in the layer. For example, when AlN is used as a layer that functions as current confinement or light distribution control and is formed at a low temperature of about 200 to 800 ° C., it becomes amorphous. Next, after forming a stripe-shaped opening in the AlN layer and passing through a temperature raising process for regrowth, the amorphous AlN layer introduces a lot of dislocations and undergoes single crystal crystallization while causing lattice relaxation. Therefore, the crystallinity of the saturable absorbing layer provided in the vicinity of the AlN layer or in the AlN layer is deteriorated, and the carrier life of the saturable absorbing layer can be shortened. At this time, since a layer containing many dislocations does not exist in the stripe-shaped opening, good crystallinity is maintained in the main current injection region or the main light emitting region.
さらに、活性層の良好な結晶性は水平方向で均一に保たれているため、注入電流が活性層で水平方向に広がる場合に、結晶性の悪い活性層領域でキャリアが無駄に消費されることがない。つまり、活性層での発光効率が高く保たれ、発熱も小さく抑えることができる。このように、高濃度ドーピングなどの特別な工夫を施すことなく、かつ、必要な領域のみ結晶性を悪化させて自己整合的に可飽和吸収層を設けることで、良好な素子寿命を有する自励発振型半導体レーザが実現される。 Furthermore, since the good crystallinity of the active layer is kept uniform in the horizontal direction, carriers are wasted in the active layer region with poor crystallinity when the injection current spreads horizontally in the active layer. There is no. That is, the luminous efficiency in the active layer is kept high, and heat generation can be suppressed to a small level. As described above, self-excitation having a good device lifetime can be achieved by providing a saturable absorption layer in a self-aligned manner without devising high concentration doping or the like, and by deteriorating crystallinity only in a necessary region. An oscillation type semiconductor laser is realized.
本発明の活用例として、自励発振型半導体レーザが挙げられる。 As an application example of the present invention, there is a self-excited oscillation type semiconductor laser.
101 n型基板
102 n型バッファ層
103 n型クラッド層
104 n型光閉じ込め層
105 活性層
106 p型キャップ層
107 p型光閉じ込め層
108 下部電流狭窄層
109 吸収層
110 上部電流狭窄層
111 開口部
111a 開口部111の埋め込み領域
111b 開口部111が途切れた領域
112 p型クラッド層
113 p型コンタクト層
114 p電極
115 n電極
201 キャップ層
301 第1の光分布制御層
302 第2の光分布制御層
501 n型基板
502 n型バッファ層
503 n型クラッド層
504 n型光閉じ込め層
505 活性層
506 p型キャップ層
507 p型光閉じ込め層
508 電流狭窄層
509 開口部
510 吸収層
510a ストライプ外に位置する吸収層
510b ストライプ内に位置する吸収層
511 p型クラッド層
512 p型コンタクト層
513 p電極
514 n電極
601 光分布制御層
701 n型基板
702 n型バッファ層
703 n型クラッド層
704 n型光閉じ込め層
705 活性層
706 p型キャップ層
707 p型光閉じ込め層
708 可飽和吸収層
709 p型クラッド層
710 p型コンタクト層
711 絶縁層
712 p電極
713 n電極
101 n-type substrate 102 n-type buffer layer 103 n-type cladding layer 104 n-type optical confinement layer 105 active layer 106 p-type cap layer 107 p-type optical confinement layer 108 lower current confinement layer 109 absorption layer 110 upper current confinement layer 111 opening 111a Embedded region 111b in the opening 111 Region in which the opening 111 is interrupted 112 p-type cladding layer 113 p-type contact layer 114 p-electrode 115 n-electrode 201 cap layer 301 first light distribution control layer 302 second light distribution control layer 501 n-type substrate 502 n-type buffer layer 503 n-type cladding layer 504 n-type optical confinement layer 505 active layer 506 p-type cap layer 507 p-type optical confinement layer 508 current confinement layer 509 opening 510 absorption layer 510a located outside the stripe Absorbing layer 510b Absorbing layer 511 located within stripe p-type Lad layer 512 p-type contact layer 513 p-electrode 514 n-electrode 601 light distribution control layer 701 n-type substrate 702 n-type buffer layer 703 n-type cladding layer 704 n-type optical confinement layer 705 active layer 706 p-type cap layer 707 p-type light Confinement layer 708 Saturable absorption layer 709 p-type cladding layer 710 p-type contact layer 711 insulating layer 712 p-electrode 713 n-electrode
Claims (11)
前記活性層よりも上層に設けられ、電流狭窄もしくは光分布制御の機能を有する機能層と、
前記機能層よりも上層に設けられ、前記活性層で発生する光を吸収する可飽和吸収層と、を備え、
前記機能層および前記可飽和吸収層は、ストライプ状の開口部を有し、
前記活性層の前記機能層に対向する領域の転位密度をNa、前記活性層の前記開口部に対向する領域の転位密度をNb、前記可飽和吸収層の前記機能層に対向する領域の転位密度をNcとしたとき、Na<Nc、かつ、Nb<Ncであることを特徴とする自励発振型半導体レーザ。 An active layer made of a group III nitride semiconductor;
A functional layer provided above the active layer and having a function of current confinement or light distribution control;
A saturable absorption layer provided above the functional layer and absorbing light generated in the active layer; and
The functional layer and the saturable absorption layer have a stripe-shaped opening,
The dislocation density of the region of the active layer facing the functional layer is Na, the dislocation density of the region of the active layer facing the opening is Nb, and the dislocation density of the region of the saturable absorbing layer facing the functional layer Is a self-pulsation type semiconductor laser , wherein Na <Nc and Nb <Nc.
前記Naおよび前記Nbは、互いに略等しい自励発振型半導体レーザ。 The self-pulsation type semiconductor laser according to claim 1,
The self-pulsation type semiconductor laser in which Na and Nb are substantially equal to each other.
前記活性層の転位密度は、略均一である自励発振型半導体レーザ。 The self-pulsation type semiconductor laser according to claim 1 or 2,
A self-pulsation type semiconductor laser in which the dislocation density of the active layer is substantially uniform.
電流狭窄もしくは光分布制御の機能を有する機能層と、
前記活性層で発生する光を吸収する可飽和吸収層と、を備え、
前記機能層は、ストライプ状の開口部を有し、
前記活性層の前記機能層に対向する領域の転位密度をNa'、前記活性層の前記開口部に対向する領域の転位密度をNb'、前記可飽和吸収層の前記機能層に対向する領域の転位密度をNc'、前記可飽和吸収層の前記開口部に対向する領域の転位密度をNd'としたとき、Na'<Nc'、かつ、Nb'<Nc'、かつ、Nc'>Nd'であることを特徴とする自励発振型半導体レーザ。 An active layer made of a group III nitride semiconductor;
A functional layer having a function of current confinement or light distribution control;
A saturable absorption layer that absorbs light generated in the active layer, and
The functional layer has a stripe-shaped opening,
The dislocation density of the region of the active layer facing the functional layer is Na ′, the dislocation density of the region of the active layer facing the opening is Nb ′, and the dislocation density of the region of the saturable absorber layer facing the functional layer is Assuming that the dislocation density is Nc ′ and the dislocation density of the region facing the opening of the saturable absorber layer is Nd ′, Na ′ <Nc ′, Nb ′ <Nc ′, and Nc ′> Nd ′. A self-excited oscillation type semiconductor laser .
前記Na'および前記Nb'は、互いに略等しい自励発振型半導体レーザ。 In the self-pulsation type semiconductor laser according to claim 4,
The Na ′ and the Nb ′ are self-pulsation type semiconductor lasers that are substantially equal to each other.
前記活性層の転位密度は、略均一である自励発振型半導体レーザ。 The self-pulsation type semiconductor laser according to claim 4 or 5,
A self-pulsation type semiconductor laser in which the dislocation density of the active layer is substantially uniform.
前記可飽和吸収層は、前記機能層の中に設けられている自励発振型半導体レーザ。 The self-pulsation type semiconductor laser according to any one of claims 1 to 6,
The saturable absorption layer is a self-pulsation type semiconductor laser provided in the functional layer.
前記可飽和吸収層は、前記機能層に隣接して設けられている自励発振型半導体レーザ。 The self-pulsation type semiconductor laser according to any one of claims 1 to 6,
The saturable absorption layer is a self-pulsation type semiconductor laser provided adjacent to the functional layer.
前記可飽和吸収層は、前記機能層の近傍に設けられている自励発振型半導体レーザ。 The self-pulsation type semiconductor laser according to any one of claims 1 to 6,
The saturable absorption layer is a self-pulsation type semiconductor laser provided in the vicinity of the functional layer.
前記機能層は、共振器内部においてストライプ状の開口部を有し、共振器端部において開口部を有さない自励発振型半導体レーザ。 The self-pulsation type semiconductor laser according to any one of claims 1 to 9,
The functional layer has a stripe-shaped opening inside the resonator, self-pulsation type semiconductor laser having no opening in the resonator end.
前記可飽和吸収層は、AlzInwGa1−z−wN(0≦z≦1、0≦w≦1、0≦z+w≦1)からなり、
前記機能層は、AlxInyGa1−x−yN(0.4≦x≦1、0≦y≦0.6、0≦x+y≦1)からなる自励発振型半導体レーザ。 The self-pulsation type semiconductor laser according to any one of claims 1 to 10,
The saturable absorbing layer is made of Al z In w Ga 1-zw N (0 ≦ z ≦ 1, 0 ≦ w ≦ 1, 0 ≦ z + w ≦ 1),
The functional layer is a self-pulsation type semiconductor laser made of Al x In y Ga 1-xy N (0.4 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.6, 0 ≦ x + y ≦ 1).
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