JP2000277865A - 半導体発光装置 - Google Patents
半導体発光装置Info
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Abstract
レーザと比較して、最高発振温度を上げ、高温あるいは
高出力においても高い信頼性を示す優れたレーザ特性を
有する半導体発光装置を提供すること。 【解決手段】 基板上に、第1導電型のAlGaInP
又はAlInPからなるクラッド層、該クラッド層の上
に形成された1層以上の量子井戸層を有するGaInP
又はAlGaInPからなる活性層、該活性層の上に形
成された第2導電型のAlGaInP又はAlInPか
らなる第1クラッド層、該第1クラッド層の上に形成さ
れ且つ電流狭窄部の少なくとも一部を構成する第2導電
型のAlGaAsP又はAlGaAsからなる第2クラ
ッド層、該第2クラッド層の両側面を挟み且つ該第2ク
ラッド層よりも屈折率が低い低屈折率電流阻止層、から
少なくとも構成される半導体発光装置。
Description
し、特にAlGaInP系及びAlGaAsP系半導体
材料を用いた半導体レーザ等の半導体発光装置に関する
ものである。
来の半導体レーザダイオード(LD)の一例として、図
3に模型的に示す構造を有するものがある。すなわち図
3において、301はn型GaAs基板、302は基板
301上に形成されたn型AlGaInPからなるクラ
ッド層である。303はAlGaInPからなる活性層
であり、304はp型AlGaInPからなるクラッド
層である。すなわち、AlGaInP活性層303のエ
ネルギーギャップが、AlGaInPクラッド層302
及び304のエネルギーギャップより小さくなるよう混
晶比が設定されており、ダブルヘテロ構造をなしてい
る。306はコンタクト層である。
(ブロック)層である。電流阻止層305は、レーザー
発振に必要な電流密度を得るために、いわゆる、電流狭
窄を行う目的で設けられる。305は、層304を選択
エッチングしてリッジを形成した後、SiNxなどのア
モルファス膜を用いて選択成長させることによって形成
する。
せて「AlGaInP系化合物」という。)はAlGa
AsP又はAlGaAs(以下あわせて「AlGaAs
P系化合物」という。)と比較して、抵抗率が高く、熱
抵抗が大きい等の欠点を有している。このことが素子の
動作電圧を高くし、発熱を大きくするなどの問題を発生
させており、素子の特性や信頼性の向上に対する大きな
障害となっている。特に、半導体レーザのように、電流
狭窄が行なわれたり、発光密度が高くなる場合には、上
記の問題はますます深刻になる。
ッド層のドーパントとして、一般的に亜鉛(Zn)が用
いられているが、Znの活性化率が低いために抵抗率を
下げるためには高濃度でドーピングを行う必要がある。
しかしながら、Znを高濃度でドーピングすると活性化
しなかったZnが成長中にAlGaInP系化合物結晶
中を速い速度で拡散していき、pn接合位置が発光層よ
りもn側に大きくずれたりすることがある。この場合、
電流電圧特性に異常をもたらしたり、レーザーのしきい
値電流を増加させたりする。このようなp型AlGaI
nP系化合物層からのZn拡散は、p型AlGaInP
系化合物層の層厚の増加に伴って、顕著になる。また、
レーザーのように発光層の厚みが比較的薄い場合、とり
わけ非常に薄い発光層(10nm以下)を有する量子井
戸レーザにおいては、Zn拡散による電流電圧特性の異
常が生じやすくなる。n型AlGaInP系化合物層に
は、拡散係数の小さいSiが有効である。
層へのキャリア及び光の閉じ込めを充分に行うために、
クラッド層の膜厚として1〜2μm程度は必要となる。
有機金属気相成長法でAlGaInP系化合物を成長す
るとき、III族原料となる有機金属とV族原料となる
PH3との供給モル比(V/III)を非常に大きくす
る必要がある。このために、成長速度を余り大きくでき
ない、成長原料コストがAlGaAs系化合物などに比
べてかなり高くなるといった問題が生じている。特に多
数枚を同時成長可能な量産用の大型装置においてはこれ
以外に除害等の点でますます深刻となる。
8−125285号公報にAlGaInP又はGaIn
Pからなる活性層を有する半導体発光装置において、発
光素子の素子特性を劣化させない程度にZnドープp型
AlGaInP系化合物クラッド層を薄くし、活性層及
びn側クラッドへのZn拡散を少なくさせることが記載
されている。ただし、活性層上下のAlGaInP系化
合物クラッド層の膜厚を薄くすると、キャリア及び光の
閉じ込めが不十分となり、素子特性を劣化させてしまう
ので、不足分をほぼ同じバンドギャップと屈折率を持つ
AlGaAsP系化合物で代用できることが記載されて
いる。
録密度向上のために、情報処理用光源として従来のAl
GaAs(波長780nm近傍)に代わって、AlGa
InP系を用いた可視(通常630〜690nm)レー
ザが実用化され始めている。そして、短波長化かつ低し
きい値・高温動作に向けて以下のような検討がなされて
きた。まず、AlGaInP/GaInP系からなる可
視レーザの作製において、活性層に量子井戸構造を採用
し、さらに量子井戸層に圧縮もしくは引っ張り歪みを加
えることにより、短波長化かつ低しきい値化が図られて
いる。
(もしくは[0−1−1]方向)にオフした基板を用い
ることにより、自然超格子の形成(オーダーリング)に
よるバンドギャップの縮小を抑制し、短波長化しやすく
したり、p型ドーパント(たとえばZn、Be、Mg)
の高濃度ドーピングをしやすくし、ヘテロ障壁の増大に
よる素子の発振しきい値電流や温度特性を向上させるこ
とが可能となる。ただし、オフ角度が小さいときには、
ステップバンチングが顕著に現れ、ヘテロ界面に大きな
凹凸が形成されてしまい、量子井戸構造(約10nm以
下のGaInP井戸層)を作製したときに、バルク活性
層に対する量子効果によるPL波長(あるいは発振波
長)の短波長化シフト量が設計値より小さくなってしま
う。オフ角度を大きくすることにより、ステップバンチ
ングを抑制し、ヘテロ界面が平坦となり、設計通りに量
子効果による短波長化が可能となる。このように、短波
長化の阻害要因となっている自然超格子の形成やステッ
プバンチングの発生を抑制し、かつp型高濃度ドーピン
グにより短波長化による発振しきい値電流の増加及び温
度特性の劣化を抑制するために、通常(100)面から
[011]方向(もしくは[0−1−1]方向)に8〜
16度程度オフした基板が用いられる。ただし、650
nm、635nmなどの目的とする波長により、GaI
nP井戸層の厚みや歪み量を考慮して、適切なオフ角度
を選択する必要がある。
技術の問題を解決することを課題とした。すなわち本発
明は、従来のAlGaInP系バルク活性層の可視レー
ザと比較して、最高発振温度が高く、高温あるいは高出
力においても高い信頼性を示すレーザ特性に優れた半導
体発光装置を提供することを解決すべき課題とした。
解決するために鋭意検討を進めた結果、基板上に、第1
導電型のAlGaInP又はAlInPからなるクラッ
ド層、該クラッド層の上に形成された1層以上の量子井
戸層を有するGaInP又はAlGaInPからなる活
性層、該活性層の上に形成された第2導電型のAlGa
InP又はAlInPからなる第1クラッド層、該第1
クラッド層の上に形成され且つ電流狭窄部の少なくとも
一部を構成する第2導電型のAlGaAsP又はAlG
aAsからなる第2クラッド層、該第2クラッド層の両
側面を挟み且つ該第2クラッド層よりも屈折率が低い低
屈折率電流阻止層、から少なくとも構成される本発明の
半導体発光装置が所期の効果を有効に奏することを見出
した。
量子井戸層、及び前記量子井戸層を挟むバリア層及び/
又は閉じ込め層で構成されていることが好ましく、ま
た、量子井戸層に圧縮あるいは引っ張りの歪みが加えら
れていることが好ましい。電流狭窄部はストライプ状の
リッジ構造を有しており、該リッジ構造の両側面の少な
くとも一部を挟むように低屈折率電流阻止層が形成され
ている態様が好ましい。さらに、電流狭窄部がストライ
プ状の溝構造を有しており、該溝構造の両側面の少なく
とも一部を挟むように低屈折率電流阻止層が形成されて
いる態様も好ましい。
上の化合物半導体層を有しており、低屈折率電流阻止層
の少なくとも一部が第1導電型又は高抵抗の化合物半導
体からなる態様;低屈折率電流阻止層が、AlGaAs
P又はAlGaAsからなる態様;低屈折率電流阻止層
が、AlGaAsからなるリッジ側壁及びAlGaIn
P又はAlInPからなる底面に接している態様;基板
の表面が低次の面方位に対してオフアングルを有する態
様;室温付近での発振波長が630nm以上670nm
以下である態様が、好ましい態様として包含される。
の幅が、装置端面近傍で装置中央部より広くなっている
態様;前記リッジ構造の底部の幅が、装置端面近傍で装
置中央部より狭くなっている態様;遠視野像が単一ピー
クである態様;前記クラッド層のうち、n型の層のキャ
リア濃度が1×1018cm-3以下である態様;電極に最
も近いp型クラッド層がドーパントとしてCを含むAl
GaAsP又はAlGaAsからなる態様;活性層に最
も近いp型クラッド層がドーパントとしてBe及び/又
はMgを含むAlGaInP又はAlInPからなる態
様;n型ドーパントとしてSiを用いた態様;前記低屈
折率電流阻止層をハロゲン元素を有するガスを少量添加
しながら有機金属気相成長法により選択成長した態様
も、好ましい態様として包含される。
て、以下に各層の詳細と製造工程例を示しながら具体的
に説明する。本発明の半導体発光装置は、基板上に、第
1導電型のAlGaInP又はAlInPからなるクラ
ッド層、該クラッド層の上に形成された1層以上の量子
井戸層を有するGaInP又はAlGaInPからなる
活性層、該活性層の上に形成された第2導電型のAlG
aInP又はAlInPからなる第1クラッド層、該第
1クラッド層の上に形成され且つ電流狭窄部の少なくと
も一部を構成する第2導電型のAlGaAsP又はAl
GaAsからなる第2クラッド層、該第2クラッド層の
両側面を挟み且つ該第2クラッド層よりも屈折率が低い
低屈折率電流阻止層、から少なくとも構成されることを
特徴とする。
からなる量子井戸層を有する半導体発光装置において、
活性層上下のAlGaInP系化合物クラッド層の膜厚
を薄くし、ほぼ同じバンドギャップと屈折率を持つAl
GaAsP系化合物で代用ができ、量子井戸を有する活
性層内における閉じ込め層の厚みを比較的厚くすること
により、量子井戸層へのZn等の不純物拡散を防止でき
ることを見出したことに基づいて完成されたものであ
る。
B層」という表現は、A層の上面にB層の底面が接する
ようにB層が形成されている場合と、A層の上面に1以
上の層が形成されさらにその層の上にB層が形成されて
いる場合の両方を含むものである。また、A層の上面と
B層の底面が部分的に接していて、その他の部分ではA
層とB層の間に1以上の層が存在している場合も、上記
表現に含まれる。具体的な態様については、以下の各層
の説明と実施例の具体例から明らかである。
にダブルへテロ構造の結晶を成長することが可能なもの
であれば、導電性や材料については特に限定されない。
好ましいのは導電性がある材料であり、望ましくはその
上への結晶薄膜成長に適したGaAs、InP、Ga
P、ZnSe、ZnO、Si、Al2O3等の結晶基板、
特に閃亜鉛鉱型構造を有する結晶基板である。通常Al
GaInP系可視レーザにはGaAs基板が用いられ
る。その場合基板結晶成長面は低次な面またはそれと結
晶学的に等価な面が好ましく、(100)面が最も好ま
しい。なお、本明細書において(100)面という場
合、必ずしも厳密に(100)シャストの面である必要
はなく、最大30°程度のオフアングルを有する場合ま
で包含することとする。AlGaInP/GaInP系
からなる可視レーザの作製において、(100)面から
[011]方向(もしくは[0−1−1]方向)にオフ
した基板を用いることにより、自然超格子の形成(オー
ダーリング)によるバンドギャップの縮小を抑制し、短
波長化しやすくしたり、p型ドーパント(たとえばZ
n、Be、Mg)の高濃度ドーピングをしやすくし、ヘ
テロ障壁の増大による素子の発振しきい値電流や温度特
性を向上させることが可能となる。ただし、オフ角度が
小さいときには、ステップバンチングが顕著に現れ、ヘ
テロ海面に大きな凹凸が形成されてしまい、量子井戸構
造(約10nm以下のGaInP井戸層)を作製したと
きに、バルク活性層に対する量子効果によるPL波長
(あるいは発振波長)の短波長化シフト量が設計値より
小さくなってしまう。オフ角度を大きくすることによ
り、ステップバンチングを抑制し、ヘテロ界面が平坦と
なり、設計通りに量子効果による短波長化が可能とな
る。このように、短波長化の阻害要因となっている自然
超格子の形成やステップバンチングの発生を抑制し、か
つp型高濃度ドーピングにより短波長化による発振しき
い値電流の増加及び温度特性の劣化を抑制するために、
通常(100)面から[011]方向(もしくは[0−
1−1]方向)に8〜16度程度オフした基板が用いら
れる。ただし、650nm、635nmなどの目的とす
る波長により、GaInP井戸層の厚みや歪み量を考慮
して、適切なオフ角度を洗濯する必要がある。
ャル成長層に持ち込まないために厚み0.2〜2μm程
度のバッファ層を用いることが好ましい。基板上に形成
されるダブルヘテロ構造は、第1導電型のAlGaIn
P又はAlInPからなるクラッド層、その上に形成さ
れたGaInP又はAlGaInPからなる活性層、そ
の上に形成された第2導電型のAlGaInP又はAl
InPからなるクラッド層から少なくとも構成され、こ
のとき、クラッド層は、活性層より屈折率が小さくなる
ように組成が選択される。また、ダブルヘテロ構造に
は、閉じ込め層として機能する層を含んでいてもよく、
このとき、閉じ込め層は、活性層より屈折率が小さくな
るように組成が選択される。また、活性層は、単一の層
からなる場合に限定されず、複数の量子井戸層及びそれ
らに挟まれたバリア層ならびに最上の量子井戸層の上及
び最下の量子井戸層の下に積層された閉じ込め層からな
る多量子井戸構造(MQW)を有していてもよい。
Pからなるクラッド層は、第1導電型クラッド層が単層
からなるものであるときは、好ましくは1〜2μm程度
の厚みを有することが必要とされる。第1導電型クラッ
ド層は複数層からなるものであってもよく、具体的には
AlGaInP又はAlInPからなる上記クラッド層
(第1導電型第2クラッド層)のほかに、例えばより基
板側に第1導電型のAlGaAs又はAlGaAsPか
らなるクラッド層(第1導電型第1クラッド層)が形成
されている態様を例示することができる。第1導電型ク
ラッド層が2層以上からなる場合は、第1導電型第1ク
ラッド層の厚さを薄くすることができ、下限としては
0.01μm以上が好ましく、0.05μm以上がより
好ましい。上限としては、0.5μm以下が好ましく、
0.3μm以下がより好ましい。第1導電型第1クラッ
ド層のキャリア濃度は、2×1017cm-3〜3×1018
cm-3の範囲が好ましく、その範囲内では5×1017c
m-3以上が好ましく、2×1018cm-3以下が好まし
い。
sPからなるクラッド層については、厚さは0.3〜3
μmの範囲が好ましく、その範囲内では0.5μm以上
が好ましく、1.5μm以下が好ましい。キャリア濃度
は、1×1017cm-3〜3×1018cm-3の範囲が好ま
しく、その範囲内では2×1017cm-3以上が好まし
く、2×1018cm-3以下が好ましい。
nP又はAlGaInPからなる活性層が積層される。
活性層は1層以上の量子井戸層を有する。また、活性層
は量子井戸層の他に、量子井戸層を挟むバリア層及び/
又は閉じ込め層により構成されるのが好ましい。活性層
を量子井戸構造とすることにより、単層のバルク活性層
と比較して、短波長化(630nm〜660nm)かつ
低しきい値化を達成することができる。この場合、高温
動作を向上させるために、多重量子井戸(MQW)構造
にしたり、量子井戸層に圧縮(GaxIn1-xP、x<
0.52)あるいは引っ張り(GaxIn1-xP、x>
0.52)の歪みが加えられることが有効である。ま
た、引っ張り歪みを加えるとTMモードで発振しやすく
なるが、バンドギャップを大きくしたまま特性が向上で
きるので、630〜650nmのより短波長領域のレー
ザの高性能化には有効である。
630〜670nmの場合、3〜7nmが好ましく、4
〜6nmがより好ましい。一方、室温付近の発振波長が
670〜700nmの場合、6〜10nmが好ましく、
7〜9nmがより好ましい。井戸層の厚みは、2〜8n
mが好ましく、4〜6nmがより好ましい。閉じ込め層
は、Zn等の不純物の量子井戸層への混入(拡散)の防
止、量子井戸層への閉じ込めの増加を図る観点から有効
であり、閉じ込め層の厚みを適切に選ぶことにより、レ
ーザ発振しきい値電流の低減、寿命向上等を実現でき
る。具体的に、閉じ込め層の厚みは、室温付近の発振波
長が630〜670nmの場合に、下限として30nm
以上が好ましく、40nm以上がより好ましい。上限と
して、200nm以下が好ましく、100nm以下がよ
り好ましい。一方、室温付近の発振波長が630〜67
0nmの場合は、下限として5nm以上が好ましく、1
0nm以上がより好ましい。上限として、100nm以
下が好ましく、50nm以下がより好ましい。
いが、量子井戸層及びバリア層については特に不純物ド
ープをすることなく、アンドープの状態(この場合でも
わずかに(通常、1×1017cm-3以下)第1又は第2
導電型になっている)であることが、素子の性能の向上
及び安定化の点からより好ましく、閉じ込め層も少なく
とも量子井戸層に近い部分はアンドープの状態であるこ
とが好ましい。
の発振波長が630〜670nmの場合、温度特性の観
点から、上限は6以下が好ましく、5以下がより好まし
い。下限は、2以上が好ましく、3以上がより好まし
い。一方、室温付近の発振波長が670〜700nmの
場合は、上限は5以下が好ましく、4以下がより好まし
い。下限は、1以上が好ましく、2以上がより好まし
い。
P化合物からなる第1クラッド層については、その上に
ほぼ屈折率の等しい第2導電型のAlGaAs又はAl
GaAsPからなる第2導電型第2クラッド層が形成さ
れていることから、キャリアの閉じ込めができる程度に
膜厚を薄くすることができる。膜圧の下限としては、
0.01μm以上が好ましく、0.05μm以上がより
好ましい。膜圧の上限としては、0.5μm以下が好ま
しく、0.3μm以下がより好ましい。キャリア濃度
は、1×1017cm-3〜3×1018cm-3の範囲が好ま
しく、その範囲内では2×1017cm-3以上が好まし
く、2×1018cm-3以下が好ましい。
sPからなる第2クラッド層については、その上に形成
されるコンタクト層に光があまり滲み出さない程度の膜
厚が必要である。膜厚は0.3〜3μmの範囲が好まし
く、その範囲内では0.5μm以上が好ましく、1.5
μm以下が好ましい。キャリア濃度は、1×1017cm
-3〜3×1018cm-3の範囲が好ましく、その範囲内で
は2×1017cm-3以上が好ましく、2×1018cm-3
以下が好ましい。
の少なくとも一部を構成する。電流狭窄部は、電極から
の電流を活性層の限られた領域にのみ注入する機能を有
する。したがって、第2導電型第2クラッド層は、低屈
折率電流阻止層などの他の層とともに電流狭窄機能を奏
する構造であれば、特にその形状は制限されない。第2
導電型第2クラッド層はリッジ構造または溝構造を有し
ているのが好ましく、特にリッジ構造を有していること
が好ましい。
導電型第2クラッド層により形成され、かつリッジ構造
の両脇の底面が第2導電型のAlGaInP又はAlI
nPからなる第1クラッド層により形成されるようにす
れば、リッジ構造をエッチングで形成するときに、材料
系の違いにより、第2導電型のAlGaInP又はAl
InPからなる第1クラッド層をエッチング停止層とし
ても機能させることができことから、図2に示すストラ
イプ状のリッジ構造(図2(a))あるいは溝構造(図
2(b))の両脇でのクラッド層厚、すなわち第2導電
型のAlGaInP又はAlInPからなる第1クラッ
ド層の均一性を向上させることが可能となり、レーザ特
性の均一性、歩留まりを向上させることが可能となる。
ラッド層の両側面の少なくとも一部を挟むように形成す
る。低屈折率電流阻止層の材料は特に限定されず、誘電
体であっても半導体であってもよい。誘電体と半導体に
はそれぞれ以下に記載するような利点と欠点があるた
め、低屈折率電流阻止層の材料はこれらの利点と欠点を
考慮して適宜決定するのが好ましい。低屈折率電流阻止
層の材料として誘電体を用いる場合は、例えばSiN
x、SiO2、Al2O3などを用いることができる。誘
電体を用いると、低屈折率でかつ絶縁特性の優れた層を
形成することができるなどの利点がある反面、熱伝導率
が低いために放熱性が悪い、劈開性が悪い、平坦化しに
くいためにジャンクション・ダウンで組み立てにくいな
どの欠点も有している。
導体を用いた場合は、誘電体膜と比較して熱伝導率が高
いために放熱性が良い、劈開性が良い、平坦化しやすい
ためにジャンクション・アップで組み立てやすい、コン
タクト層を全面に形成しやすいのでコンタクト抵抗を下
げやすいなどの利点がある反面、低屈折率にするために
AlGaAs、AlInPなどの高Al組成化合物が必
要になる時は表面酸化などの対策が必要であるなどの欠
点がある。第2導電型第2クラッド層よりも低屈折率に
することや、GaAs基板との格子整合を考慮すると、
半導体としてAlGaAs又はAlGaAsP、もしく
はAlGaInP又はAlInPを用いることが好まし
い。AlGaInP又はAlInPは、AlGaAs又
はAlGaAsPと比べて、熱伝導が悪い、自然超格子
の形成による屈折率の変化、選択成長(リッジ側壁と底
面)におけるIn組成の不安定性などがあるので、選択
成長時の保護膜へのポリの堆積防止(HCl添加選択成
長)ができるのであれば、AlGaAs又はAlGaA
sPを選択する方が好ましい。ただし、AlGaAs又
はAlGaAsPの場合は、Al組成がAlAsに近く
なりすぎると潮解性を示すので、Al組成の上限は0.
95以下が好ましく、0.92以下がより好ましく、
0.90以下が最も好ましい。第2導電型第2クラッド
層よりも低屈折率にする必要があることから、Al組成
の下限は0.75以上が好ましく、0.8以上がより好
ましく、0.85以上が最も好ましい。
電流阻止層に挟まれた第2導電型のAlGaAs又はA
lGaAsPからなる第2クラッド層の屈折率よりも低
くする(実屈折率ガイド構造)。このような屈折率の制
御を行うことによって、従来のロスガイド構造に比べて
動作電流を低減することが可能になる。活性層の上にリ
ッジ構造を有している場合は、低屈折率電流阻止層と低
屈折率電流阻止層に挟まれたクラッド層との屈折率差が
大きすぎると活性層内での横方向の有効屈折率段差が大
きくなり易い。このため、リッジ下の第2導電型第1ク
ラッド層を厚くしなければならなくなり、横方向に漏れ
電流が大きくなるという問題が生じる。一方、低屈折率
電流阻止層とクラッド層との屈折率差が小さすぎる場合
は、低屈折率電流阻止層の外側へ光が漏れやすくなるた
めに低屈折率電流阻止層をある程度厚くする必要があ
る。これらのことを考え併せて、低屈折率電流阻止層と
クラッド層との屈折率差は、低屈折率電流阻止層が化合
物半導体の場合、下限は0.001以上が好ましく、
0.003以上がより好ましく、0.007以上が最も
好ましい。上限は、1.0以下が好ましく、0.5以下
がより好ましく、0.1以下が最も好ましい。低屈折率
電流阻止層が誘電体の場合、下限は0.1以上が好まし
く、0.3以上がより好ましく、0.7以上が最も好ま
しい。上限は、3.0以下が好ましく、2.5以下がよ
り好ましく、1.8以下が最も好ましい。
ラッド層の両側面の少なくとも一部を挟むように形成す
る。低屈折率電流阻止層は、光分布(特に横方向の光分
布)を制御したり電流阻止の機能を向上させるために、
屈折率、キャリア濃度又は導電型が異なる2つ以上の層
から形成してもよい。特にリッジ構造を採用している場
合は、低屈折率電流阻止層の上に表面保護電流阻止層を
形成して、電流阻止機能の向上、表面酸化の抑制あるい
はプロセス上の表面保護を図ることができる。また、溝
構造においては、低屈折率電流阻止層の表面に保護層を
形成して、酸化防止、プロセス上の保護を図ることがで
きる。表面保護電流阻止層の導電型は特に規定されな
い。
型又は高抵抗(アンドープもしくは深い順位を形成する
不純物(O、Cr、Feなど)をドープ)、あるいはこ
れら2つの組み合わせのいずれであってもよく、導電型
あるいは組成の異なる複数の層から形成されていてもよ
い。また、あまり薄いと電流阻止に支障を生じる可能性
があるため、厚さは0.1μm以上であるのが好まし
く、0.5μm以上であるのがより好ましい。素子とし
てのサイズ等を勘案すれば、0.1〜3μm程度の範囲
から選択するのが好ましい。
第2クラッド層の表面に酸化防止、プロセス上の保護な
どの目的で第2導電型のキャップ層を形成してもよい。
GaAs基板を用いている場合は、第2導電型キャップ
層はAlxGa1-xAsが好ましく、xは0.4以下が好
ましく、0.2以下がより好ましく、0.1以下が最も
好ましい。キャリア濃度については、下限は1x1017
cm-3以上が好ましく、3x1017cm-3以上がより好
ましく、5x1017cm-3以上が最も好ましい。上限は
2x1020cm-3以下が好ましく、5x1019cm-3以
下がより好ましく、3x1019cm-3以上が最も好まし
い。キャップ層のキャリア濃度を高く(5x1018cm
-3以上)設定することにより、コンタクト層として機能
させることができる。
電極材料との接触抵抗を低減するために、低抵抗(高キ
ャリア濃度)のコンタクト層を介して電極材料を形成す
ることが好ましい。特に電極を形成しようとする最上層
表面の全体にコンタクト層を形成したうえで電極を形成
することが好ましい。このとき、クラッド層は活性層よ
り屈折率が小さい材料を選択し、コンタクト層はクラッ
ド層よりバンドギャップが通常小さい材料を選択し、金
属電極とのオーミック性を取るため低抵抗で適当なキャ
リア密度(cm-3)を有するのが好ましい。キャリア密
度の下限は、1×1018以上が好ましく、3×1018以
上がより好ましく、5×1018以上が最も好ましい。上
限は、2×1020以下が好ましく、5×1019以下がよ
り好ましく、3×1018以下が最も好ましい。
間、もしくはキャップ層あるいはコンタクト層とクラッ
ド層との間に、バンドギャップ不連続による通過抵抗の
増大を抑制することなどのために、組成を徐々に変化さ
せた組成クレード層を挿入してもよい。
に用いるドーパントの種類は、各層に求められる機能を
発揮しうる範囲内で適宜選択することができる。p型の
層がAlGaAsP系化合物層である場合には、ドーパ
ントとしてZn、C、Be、Mg及びこれらの組み合わ
せが好ましく、p型の層がAlGaInP系化合物であ
る場合にはドーパントとしてZn、Be、Mg及びこれ
らの組み合わせが好ましい。又n型ドーパントとしては
Si、Se、Te及びこれらの組み合わせが好ましい。
(100)面又はそれと結晶学的に等価な面の場合、低
屈折率電流阻止層の開口部で定義されるストライプ領域
が[01−1]方向又はそれと結晶学的に等価な方向に
伸びていることが好ましい。この理由は、ストライプ領
域を[01−1]方向に選んだ方が、[011]方向よ
りも誘導放出確率を大きくでき、低しきい値化が達成で
きるからである。
を広くすることが端面での光密度低減の観点から有効で
あるが、動作電流を低減するためにはストライプ幅を狭
くすることが、導波路ロス低減の観点から好ましい。そ
こで、図4(a)に示すように、ゲイン領域となる中央
付近のストライプ幅W2を比較的狭くし、端部付近のス
トライプ幅W1を比較的広くなるようにすることによ
り、低動作電流と高出力動作を同時に実現することがで
き、高い信頼性も確保することができる。
ストライプ幅を狭くすることが有効であるが、ストライ
プ幅を狭くすると注入電流密度が密度がバルク劣化抑制
の観点から好まくない。そこで、図4(b)に示すよう
に、ゲイン領域となる中央付近のストライプ幅W2を比
較的広くし、端部付近のストライプ幅W1を比較的狭く
なるようにすることにより、ビームスポット低減と低動
作電流を同時に実現することができ、高い信頼性も確保
することができる。
ようにストライプ幅が漸増あるいは漸減する部分を設け
ることが好ましい。ストライプ幅が一定である端部の長
さは、所望の特性に応じて設計すればよい。劈開精度の
観点から5〜30μmが好ましく、10〜20μmがよ
り好ましい。ストライプ幅が漸増あるいは漸減する部分
の長さは、導波路損失低減の観点から5〜100μmが
好ましく、10〜50μmがより好ましい。
ライプの窓を作製してもよい。 (1)幅一定の端部、漸増あるいは漸減部分のストライ
プ幅あるいは長さがチップ両側で非対称となるもの。 (2)幅一定の端部を形成せずに、端部まで幅が漸増あ
るいは漸減するようにしたもの。 (3)片側(通常は高出力光取り出し側である前端面)
の端部だけストライプ幅が漸増あるいは漸減するように
したもの。 (4)端部のストライプ幅が前端面と後端面とで異なる
もの。 (5)上記の(1)〜(4)のいくつかを組み合わせた
もの。
れば、以下の効果がある。 (1)端部での再結合電流を低減することは、高い信頼
性での高出力動作が実現可能となる(特に中央部より幅
を広くしている場合)。 (2)端部近傍のストライプ領域への電流注入によるバ
ルク劣化の抑制や端面での再結合電流を低減すること
は、高い信頼性での小スポット径のレーザ作製の作製が
容易になる(特に中央部より幅を広くしている場合)。
特に制限されない。結晶の成長方法としては、MOCV
D法やMBE法等の公知の成長法を用いることができ
る。各層の具体的成長条件等は、層の組成、成長方法、
装置の形状等に応じて異なるが、MOCVD法を用いて
III−V族化合物半導体層を成長する場合、ダブルへ
テロ構造は、成長温度650〜750℃程度、V/II
I比20〜60程度(AlGaAsの場合)あるいは3
50〜550程度(AlGaInPの場合)にするのが
好ましい。
ッジ上部にSiNx膜、SiO2膜、SiON膜、Al2
O3膜、ZnO膜、SiC膜及びアモルファスSiから
なる群から保護膜を形成し、低屈折率電流阻止層を選択
成長により形成する方法が一般的に用いられる。この場
合、成長温度600〜700℃、V/III比40〜6
0程度(AlGaAsの場合)とするのが好ましい。特
に保護膜を用いて選択成長する部分がAlGaAs又は
AlGaAsPのようにAlを含む場合、成長中に微量
のHClガスを導入すれば、マスク上へのポリの堆積が
防止されるため非常に好ましいが、Alの組成が高いほ
ど、あるいはマスク部/開口部の比が大きいほど、他の
成長条件を一定とした場合、ポリの堆積を防止し、かつ
開口部のみに選択成長を行う(セレクティブモード)の
に必要なHCl導入量は増加する。一方、HClガスの
導入量が多すぎるとAlGaAs層の成長が起こらず、
逆に半導体層がエッチングされてしまうが(エッチング
モード)が、Al組成が高くなるほど他の成長条件を一
定とした場合、エッチングモードになるのに必要なHC
l導入量は増加する。そこで、最適なHCl導入量はト
リメチルアルミニウム等のAlを含んだIII族原料供
給モル数に大きく依存する。具体的には、HClの供給
モル数とAlを含んだIII族原料供給モル数の比(H
Cl/III族)は、下限は0.01以上が好ましく、
0.05以上がより好ましく、0.1以上が最も好まし
い。上限は、50以下が好ましく、10以下がより好ま
しく、5以下が最も好ましい。ただし、リッジにInを
含む化合物半導体層を選択成長(特に、HCl導入)さ
せる場合に、リッジの組成制御が困難になりやすい。上
記以外に、以下に列挙する様な実施態様と組み合わせる
ことが可能である等、本発明は様々なリッジ導波型の半
導体発光装置に応用可能である。
さらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、試
薬、割合、操作等は、本発明の精神から逸脱しない限り
適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲
は以下に示す具体例に制限されるものではない。
して、膜厚、組成の制御性及び量産性に優れるMOVP
E法を用いて、図1に示す断面構造を有する本発明の半
導体発光装置を製造した。まず、最初に(100)面か
ら[0−1−1]A方向に10°あるいは15°程度オ
フさせた厚さ350μmのGaAs基板101の上に、
MOCVD法により厚さ0.5μmのSiドープn型G
aAsバッファ層(n=1x1018cm-3 )(図示せ
ず)、厚さ0.1μmのSiドープAlGaAs組成グ
レード層(n=1x1018cm-3)102、厚さ1.5
μmのSiドープn型Al0.75Ga0. 25Asクラッド層
(n=1x1018cm-3)103、厚さ0.1μmのS
iドープn型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド
層(n=1x1018cm-3)104、厚さ70nmのノ
ンドープ(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P閉じ込め層1
05あるいは厚さ5nmのノンドープ(Al0.5G
a0.5)0.5In0.5Pバリア層106に挟まれた厚さ5
〜6nmのノンドープGa0.44In0.56P圧縮歪み量子
井戸層107(4層)からなる四重量子井戸(QQW)
活性層108、厚さ0.1μmのZnドープp型(Al
0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層(p=7x1017
cm-3)109、厚さ1.2μmのZnドープp型Al
0.75Ga0.25Asクラッド層(p=1.5x1018cm
-3;屈折率3.29、波長655nm)110、厚さ
0.1μmのZnドープp型AlGaAs組成グレード
層(p=1x1018cm-3)111、厚さ0.2μmの
Znドープp型GaAsキャップ層(p=1x1018c
m-3)112を順次積層することにより、ダブルへテロ
構造を形成した(図1(a))。
x保護膜113を200nm堆積させ、フォトリソグラ
フィ法によりこのSiNx膜113にオフアングルの方
向と直交する[01−1]B方向に幅5μmのストライ
プ状のSiNx保護膜113を250μm間隔で多数形
成した。続いて、Znドープp型GaAsキャップ層1
12、Znドープp型AlGaAs組成グレード層11
1及びZnドープp型Al0.75Ga0.25Asクラッド層
110をエッチングして、リッジ両脇の部分のクラッド
層の層厚がZnドープp型(Al0.7Ga0.3)0.5In
0.5Pクラッド層109と同じ0.1μmとなるように
した。その結果、底部の幅が約4μmのリッジが形成さ
れた(図1(b))。
2、Znドープp型AlGaAs組成グレード層111
及びp型Al0.75Ga0.25Asクラッド層110のエッ
チングには、リン酸−過酸化水素系、酒石酸−過酸化水
素系などを用いることができるが、本実施例ではリン
酸:過酸化水素:水の混合組成比が1:1:15となる
エッチング液を使用した。これらのエッチングでは、A
lGaInPのエッチングレートがAlGaAsに比べ
て非常に遅くなるため、制御性良くリッジ外側の部分の
層厚を決めることができた。
置に設置して、厚み1.0μmのSiドープn型Al
0.9Ga0.1As低屈折率電流阻止層(n=1.0x10
18cm-3;屈折率3.18、波長655nm)114、
厚み0.5μmのSiドープn型GaAs表面保護電流
阻止層(n=2.0x1018cm-3)115をエッチン
グにより形成されたリッジ構造の両脇にMOCVD法に
より成長させた(図1(c))。このとき、Al0.9G
a0.1As低屈折率電流阻止層114の成長中にSiN
x膜113上への多結晶の堆積を抑制する迄に必要な流
量のHClガスを成長用基板に対してガス流の上流側か
ら導入した。SiNx膜113を除去した後、p型Ga
Asコンタクト層(p=2.0x1019cm-3)116
を3μm成長させて本発明のエピタキシャルウェハの製
造を終了した。
7を蒸着し、基板を100μmまで薄くした後に、n側
にAu−Ge−Ni/Au電極118を蒸着し、アロイ
した(図1(d))。こうして作製したウエハーより、
ファブリー・ペロー面を形成するために劈開によりチッ
プバーに切り出して、レーザ共振器構造を形成した。こ
のときの共振器長は350μmとした。前端面32%−
後端面80%の非対称コーティングを施した後、2次劈
開によりチップに分離した。チップジャンクションダウ
ンで組立した後、連続通電(CW)にて電流−光出力、
電流−電圧特性を測定した。
m、しきい値電流は平均20mAと低く、スロープ効率
は平均0.5mW/mAと高く、5mW出力における動
作電圧は平均2.1Vと低いことが確認された。従来の
ロスガイドレーザに比べて、ストライプ幅を比較的狭く
している割には低い動作電圧が得られたのは、リッジ部
が低抵抗になるようにAlGaAsとしているが原因と
考えられる。光出力5mWにおける垂直広がり角は平均
30°であり、設計通りの単一ピークの遠視野像(ビー
ム広がり角)が得られ、光分布の制御が非常に良好であ
ることが確認された。また、80℃においても、平均4
5mAの低いしきい値電流で発振し、最高100℃の高
温までレーザ発振を達成できた。本実施例のように、リ
ッジ部及び低屈折率電流阻止層をAlGaAsとし、か
つ活性層を歪み量子井戸とした実屈折率ガイド構造によ
り、導波路損失及びリッジ部通過抵抗が低減できること
から、しきい値電流、動作電流及び動作電圧が低くで
き、かなりの高温までレーザ発振させることができたと
考えられる。さらに、制御性良くリッジ外側の部分の層
厚を決めることができたため、諸特性のバッチ内及びバ
ッチ間のばらつきも小さいことが判明した。以上の結果
から、本実施例の半導体発光素子は、DVD、CD、M
D等の光ディスクの読み取り用光源などに利用され得る
ことが明らかである。また、高い信頼性(80℃の高温
における5mW出力での1000時間以上安定動作)が
得られることが判明した。
Ga0.44In0.56P圧縮歪み量子井戸層107を3層と
した、すなわち三重量子井戸(TQW)活性層108と
したこと、共振器長は350μmとしたこと、ストライ
プ幅を4μmとしたこと、前端面10%−後端面90%
の非対称コーティングを施したこと以外は、実施例1と
同様な条件でチップを作製した。
m、しきい値電流は平均22mAと低く、スロープ効率
は平均0.5mW/mAと高く、35mW出力おける動
作電圧は平均2.3Vと低いことが確認された。従来の
ロスガイドレーザに比べて、ストライプ幅を比較的狭く
している割には、低い動作電圧が得られたのは、リッジ
部が低抵抗になるようにAlGaAsとしているが原因
と考えられる。光出力35mWにおける垂直広がり角は
平均30°であり、設計通りの単一ピークの遠視野像
(ビーム広がり角)が得られ、光分布の制御が非常に良
好であることが確認された。また、60℃においても、
平均37mAの低いしきい値電流で発振し、最高90℃
の高温までレーザ発振を達成できた。本実施例のよう
に、リッジ部及び低屈折率電流阻止層をAlGaAsと
し、かつ活性層を歪み量子井戸とした実屈折率ガイド構
造により、導波路損失及びリッジ部通過抵抗が低減でき
ることから、しきい値電流、動作電流及び動作電圧が低
くでき、かなりの高温までレーザ発振させることができ
たと考えられる。さらに、制御性良くリッジ外側の部分
の層厚を決めることができたため、諸特性のバッチ内及
びバッチ間のばらつきも小さいことが判明した。以上の
結果から、本実施例の半導体発光装置は、DVD、C
D、MD等の光ディスクの書き込み/読み取り用光源な
どに利用され得ることがわかる。また、高い信頼性(6
0℃の高温における35mW出力での1000時間以上
安定動作)が得られることが判明した。
作結果から、良好なレーザ特性(動作電流、最高光出
力、最高発振温度等)を得るために好適な条件が以下の
とおりであることが判明した。ストライプ状のリッジ構
造を有するレーザの場合は、ストライプ幅については、
下限は2μm以上が好ましく、2.5μm以上がより好
ましい。上限については、5μm以下が好ましく、4.
5μm以下がより好ましい。リッジ両脇のクラッド層の
厚みdpについては、下限は0.1μm以上が好まし
く、0.12μm以上がより好ましい。上限について
は、0.3μm以下が好ましく、0.2μm以下がより
好ましい。
ザの場合は、下限は1μm以上が好ましく、1.5μm
以上がより好ましい。上限については、4μm以下が好
ましく、3.5μm以下がより好ましい。リッジ両脇の
クラッド層の厚みdpについては、下限は0.1μm以
上が好ましく、0.12μm以上がより好ましい。上限
については、0.3μm以下が好ましく、0.2μm以
下がより好ましい。また、共振器長の長さについては、
下限は200μm以上が好ましく、250μm以上がよ
り好ましい。上限については、700μm以下が好まし
く、600μm以下がより好ましい。
D法において、使用した原料ガスとしてIII族原料に
はトリメチルガリウム(TMG)、トリメチルアルミニ
ウム(TMA)及びトリメチルインジウム(TMI)
を、V族原料にはアルシン(AsH3)及びホスフィン
(PH3)を、キャリアガスには精製により高純度化さ
れた水素(H2)を用いた。また、p型ドーパントには
ジメチル亜鉛(DMZn)、n型ドーパントにはジシラ
ン(Si2H6)を用いた。
件は、成長温度650〜750℃、圧力102hPa、
V/III比25〜50(AlGaAs)及び500〜
750(AlGaInP,GaInP)、成長速度2〜
5μm/hr(AlGaAs)及び1〜2μm/hr
(AlGaInP,GaInP)であった。また、n型
Al0.9Ga0.1As層の成長時にはHClガスをHCl
/III族のモル比が0.2、特にHCl/TMAのモ
ル比が0.3となる様に導入した。上記実施例では基板
側をn型の基板を用いたが、p型基板を用いて上記の構
造の各層の導電型を反転させてエピタキシャルウェハを
作製してもよい。また、結晶成長法はMOVPE法に限
定されるものではなく、MBE法、CBE法等の気相成
長法においても有効に製造することができる。
較的薄いために(通常0.1μm以下)、ZnおよびS
eのような拡散係数の大きい不純物をドーパントに用い
ると、クラッド層のドーパントが、活性層を通りこして
反対側の層へ拡散してしまい、レーザ特性を大きく劣化
させてしまったり、再現性を大きく損なうという問題を
生じ易かった。Zn拡散を抑制するための方法として、
n側クラッドのキャリア濃度を上げることを試みたが、
表面モホロジー不良や非発光センターの増大等の結晶品
質の劣化により、素子特性を悪化させてしまった。そこ
で、上記のようにAlGaInPクラッド層の厚みを極
力薄くすることにより、トータルの不純物拡散量を低減
させることができ、拡散を防止するための余分なドービ
ングが不要になった。そのためにn型クラッド層のキャ
リア濃度を1×1018cm-3以下に抑えることができ、
結晶品質及び素子特性を向上できた。
すると、上述の不純物の拡散の抑制はますます必要とな
る。そこで本発明では、p型AlGaAsP系化合物ク
ラッド層のドーピング不純物としてCを、p型AlGa
InP系化合物クラッド層のドーピング不純物としてB
eあるいはMgを、n型AlGaAsP系化合物クラッ
ド層及びn型AlGaInP系化合物クラッド層のドー
ピング不純物としてSiをそれぞれ用いることにより不
純物拡散をさらに低減させ、素子作製の歩留りや再現性
を大きく向上させることができる。
nP系化合物と比較して、抵抗率が低い、熱抵抗が低い
等の利点も有しており、電流狭窄のために形成されるリ
ッジ部をAlGaAsP系化合物にすることにより、従
来の素子構造に比べて素子の動作電圧及び発熱を低減す
ることができた。このことにより、素子の特性や信頼性
の向上もはかることができた。
原子配列の秩序化によるバンドギャップの減少すなわち
発光波長の短波長化の抑制、あるいは表面モホロジーの
良化及び安定化に関しては面方位を(100)から〔0
11〕方向に5〜25度傾斜させた第1導電型のGaA
s基板を用いることが有効であることが確認された。ま
た、発光層のAl組成の低減化は、素子の信頼性、寿命
の向上の点で重要であるが、これは、GaAsP基板を
用いることにより容易に達成することができる。このと
きは、格子整合を取るためにAlGaAsPクラッドを
用いればよい。
ストの低減かつ除害等の装置への負担の軽減を大いには
かることができ、多数枚同時成長可能な大型の量産装置
による安定生産が可能であることが確認された。
ルク活性層としたこと以外、実施例1と同一の条件でレ
ーザチップを作製した。チップジャンクションダウンで
組立した後、連続通電(CW)にてレーザ特性を測定し
た。25℃におけるしきい値電流は平均25mAであっ
て実施例1とあまり大きく変わらないが、60℃ではし
きい値電流が平均70mAまで上昇し、最高発振温度は
70℃までであった。また、発振波長も670nmと長
くなってしまた。このように、単一層のバルク活性層と
したことから、発振しきい値が上昇し、温度特性が悪化
してしまうと考えられる。さらに、実施例2にように光
出力を向上させる(例えば、35mW)と、上記の問題
はより深刻になる。
を用いた可視光(通常630〜690nm)レーザ構造
の光導波を実屈折率ガイドとし、かつ量子井戸層を有す
る活性層とすることにより、従来のAlGaInP系バ
ルク活性層の可視レーザと比較して、最高発振温度を上
げ、高温あるいは高出力においても高い信頼性を示す優
れたレーザ特性を有する半導体発光装置が得られる。
を説明する断面説明図である。
説明する断面説明図である。
半導体レーザダイオード(LD)の断面説明図である。
のストライプ幅の変化を説明する平面図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 基板上に、第1導電型のAlGaInP
又はAlInPからなるクラッド層、該クラッド層の上
に形成された1層以上の量子井戸層を有するGaInP
又はAlGaInPからなる活性層、該活性層の上に形
成された第2導電型のAlGaInP又はAlInPか
らなる第1クラッド層、該第1クラッド層の上に形成さ
れ且つ電流狭窄部の少なくとも一部を構成する第2導電
型のAlGaAsP又はAlGaAsからなる第2クラ
ッド層、該第2クラッド層の両側面を挟み且つ該第2ク
ラッド層よりも屈折率が低い低屈折率電流阻止層、から
少なくとも構成される半導体発光装置。 - 【請求項2】 前記活性層が、前記量子井戸層、及び前
記量子井戸層を挟むバリア層及び/又は閉じ込め層で構
成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体
発光装置。 - 【請求項3】 前記量子井戸層に圧縮あるいは引っ張り
の歪みが加えられていることを特徴とする請求項1また
は2に記載の半導体発光装置。 - 【請求項4】 前記電流狭窄部がストライプ状のリッジ
構造を有しており、該リッジ構造の両側面の少なくとも
一部を挟むように前記低屈折率電流阻止層が形成されて
いることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の
半導体発光装置。 - 【請求項5】 前記電流狭窄部がストライプ状の溝構造
を有しており、該溝構造の両側面の少なくとも一部を挟
むように前記低屈折率電流阻止層が形成されていること
を特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の半導体発
光装置。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11077376A JP2000277865A (ja) | 1999-03-23 | 1999-03-23 | 半導体発光装置 |
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ID=13632190
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JP11077376A Pending JP2000277865A (ja) | 1999-03-23 | 1999-03-23 | 半導体発光装置 |
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JP (1) | JP2000277865A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6977953B2 (en) | 2001-07-27 | 2005-12-20 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Nitride-based semiconductor light-emitting device and method of fabricating the same |
JP2009094548A (ja) * | 2009-02-05 | 2009-04-30 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体レーザ装置 |
JP2019079911A (ja) * | 2017-10-24 | 2019-05-23 | シャープ株式会社 | 半導体レーザ素子 |
JP2021141258A (ja) * | 2020-03-06 | 2021-09-16 | ローム株式会社 | 半導体発光素子 |
-
1999
- 1999-03-23 JP JP11077376A patent/JP2000277865A/ja active Pending
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