JP2003218395A - 半導体発光素子、半導体レーザ素子及びこれを用いた発光装置 - Google Patents
半導体発光素子、半導体レーザ素子及びこれを用いた発光装置Info
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- H01L33/26—Materials of the light emitting region
- H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of group III and group V of the periodic system
- H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of group III and group V of the periodic system containing nitrogen
Abstract
(57)【要約】
【課題】 光励起可能な半導体発光素子、発光効率に優
れた半導体発光素子を実現する。 【解決手段】 傾斜結晶上に活性層が形成され、光励起
により誘導放出光を発する半導体発光素子である。活性
層は、例えばＩｎＧａＮ層を量子井戸とする多重量子井
戸とする。ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成は、Ｉｎ／（Ｉｎ＋
Ｇａ）≧０．９とする。この半導体発光素子は、スーパ
ールミネッセントダイオードに相当し、共振構造を有す
る場合には、レーザダイオードとなる。特に、ピラミッ
ド型のレーザダイオードも実現可能である。
れた半導体発光素子を実現する。 【解決手段】 傾斜結晶上に活性層が形成され、光励起
により誘導放出光を発する半導体発光素子である。活性
層は、例えばＩｎＧａＮ層を量子井戸とする多重量子井
戸とする。ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成は、Ｉｎ／（Ｉｎ＋
Ｇａ）≧０．９とする。この半導体発光素子は、スーパ
ールミネッセントダイオードに相当し、共振構造を有す
る場合には、レーザダイオードとなる。特に、ピラミッ
ド型のレーザダイオードも実現可能である。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光励起等により発
光する新規な半導体発光素子に関するものであり、さら
には、これを用いた発光装置に関するものである。ま
た、本発明は、いわゆるピラミッド型を有する新規な半
導体レーザ素子及びそれを用いた発光装置に関するもの
である。
光する新規な半導体発光素子に関するものであり、さら
には、これを用いた発光装置に関するものである。ま
た、本発明は、いわゆるピラミッド型を有する新規な半
導体レーザ素子及びそれを用いた発光装置に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】ＧａＮ系化合物半導体は、半導体発光素
子用の半導体材料として注目を集めており、様々な観点
からデバイス設計、試作が進められている。ＧａＮ系半
導体発光素子の発光波長は、青、緑などの短波長領域で
あり、例えば赤色に発光するＧａＡｓ系半導体発光素子
と組み合わせることにより、カラー画像表示が可能な画
像表示装置の形成が可能となる。
子用の半導体材料として注目を集めており、様々な観点
からデバイス設計、試作が進められている。ＧａＮ系半
導体発光素子の発光波長は、青、緑などの短波長領域で
あり、例えば赤色に発光するＧａＡｓ系半導体発光素子
と組み合わせることにより、カラー画像表示が可能な画
像表示装置の形成が可能となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記ＧａＮ系半導体発
光素子は、例えば、開口部を有するマスクをサファイア
基板上に配し、前記開口部に選択的に窒化物を成長させ
て、その傾斜成長面上にクラッド層やガイド層、活性層
を順次選択成長させることにより作製することができ、
これにより緑色や青色に発光する発光素子を得ることが
できる。
光素子は、例えば、開口部を有するマスクをサファイア
基板上に配し、前記開口部に選択的に窒化物を成長させ
て、その傾斜成長面上にクラッド層やガイド層、活性層
を順次選択成長させることにより作製することができ、
これにより緑色や青色に発光する発光素子を得ることが
できる。
【０００４】本発明は、上記半導体発光素子のさらなる
改良を目的に案出されたものである。すなわち、本発明
は、発光波長ピークの半値幅が狭く、発光効率に優れた
新規な半導体発光素子を提供することを目的とする。ま
た、本発明は、指向性に優れた発光を実現することが可
能な半導体発光素子を提供することを目的とする。さら
に、本発明は、面状に発光させることが可能な新規な発
光装置を提供することを目的とする。さらにまた、本発
明は、いわゆるピラミッド形状を有する新規な半導体レ
ーザ素子及びこれを用いた発光装置を提供することを目
的とする。
改良を目的に案出されたものである。すなわち、本発明
は、発光波長ピークの半値幅が狭く、発光効率に優れた
新規な半導体発光素子を提供することを目的とする。ま
た、本発明は、指向性に優れた発光を実現することが可
能な半導体発光素子を提供することを目的とする。さら
に、本発明は、面状に発光させることが可能な新規な発
光装置を提供することを目的とする。さらにまた、本発
明は、いわゆるピラミッド形状を有する新規な半導体レ
ーザ素子及びこれを用いた発光装置を提供することを目
的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の半導体発光素子は、化合物半導体からな
り周囲の少なくとも１面が傾斜面とされた傾斜結晶に活
性層が形成され、該活性層に吸収された励起光により誘
導放出光を発することを特徴とするものである。本発明
の半導体発光素子は、光励起によって発光する新規な発
光素子であり、特に、活性層をＩｎＧａＮ層を量子井戸
とする多重量子井戸とし、ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成をＩ
ｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ）≧０．９とすることにより、効率的
に誘導放出光が発せられる。
めに、本発明の半導体発光素子は、化合物半導体からな
り周囲の少なくとも１面が傾斜面とされた傾斜結晶に活
性層が形成され、該活性層に吸収された励起光により誘
導放出光を発することを特徴とするものである。本発明
の半導体発光素子は、光励起によって発光する新規な発
光素子であり、特に、活性層をＩｎＧａＮ層を量子井戸
とする多重量子井戸とし、ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成をＩ
ｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ）≧０．９とすることにより、効率的
に誘導放出光が発せられる。
【０００６】ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成をＩｎ／（Ｉｎ＋
Ｇａ）≧０．９とすることは、光励起に限らず、半導体
発光素子の発光効率を高める上で有効である。この点を
規定したのが本願の２番目の発明の半導体発光素子であ
り、傾斜結晶上にＩｎＧａＮ層を含む活性層が形成さ
れ、上記ＩｎＧａＮ層においてＩｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ）≧
０．９であることを特徴とするものである。
Ｇａ）≧０．９とすることは、光励起に限らず、半導体
発光素子の発光効率を高める上で有効である。この点を
規定したのが本願の２番目の発明の半導体発光素子であ
り、傾斜結晶上にＩｎＧａＮ層を含む活性層が形成さ
れ、上記ＩｎＧａＮ層においてＩｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ）≧
０．９であることを特徴とするものである。
【０００７】また、本発明の半導体レーザ素子は、多角
錐形状を有することを特徴とするものである。いわゆる
ピラミッド型を有する半導体レーザ素子は、これまで実
現されたことはなく、本発明によってはじめて実現され
たものである。
錐形状を有することを特徴とするものである。いわゆる
ピラミッド型を有する半導体レーザ素子は、これまで実
現されたことはなく、本発明によってはじめて実現され
たものである。
【０００８】さらに、本発明の発光装置は、上記半導体
発光素子あるいは半導体レーザ素子を複数配列してなる
ものであり、いわゆる面発光が可能で、特にレーザ素子
とした場合には、面状に大きく発光する面発光レーザが
実現される。
発光素子あるいは半導体レーザ素子を複数配列してなる
ものであり、いわゆる面発光が可能で、特にレーザ素子
とした場合には、面状に大きく発光する面発光レーザが
実現される。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、本発明を適用した半導体発
光素子、半導体レーザ素子及び発光装置について、図面
を参照しながら詳細に説明する。
光素子、半導体レーザ素子及び発光装置について、図面
を参照しながら詳細に説明する。
【００１０】本発明を適用した半導体発光素子の構成例
としては、例えば図１に示すような構造の半導体発光素
子を挙げることができる。図１は半導体発光素子の代表
的な構造例を示すものであり、図１の（ａ）が素子断面
図であり、図１の（ｂ）が平面図である。この発光素子
はＧａＮ系の発光ダイオードであり、たとえばサファイ
ア基板上に結晶成長される素子である。このようなＧａ
Ｎ系の発光ダイオードでは、基板を透過するレーザ照射
によってレーザアブレーションが生じ、ＧａＮの窒素が
気化する現象にともなってサファイア基板とＧａＮ系の
成長層の間の界面で膜剥がれが生じ、素子分離を容易な
ものにできる特徴を有している。
としては、例えば図１に示すような構造の半導体発光素
子を挙げることができる。図１は半導体発光素子の代表
的な構造例を示すものであり、図１の（ａ）が素子断面
図であり、図１の（ｂ）が平面図である。この発光素子
はＧａＮ系の発光ダイオードであり、たとえばサファイ
ア基板上に結晶成長される素子である。このようなＧａ
Ｎ系の発光ダイオードでは、基板を透過するレーザ照射
によってレーザアブレーションが生じ、ＧａＮの窒素が
気化する現象にともなってサファイア基板とＧａＮ系の
成長層の間の界面で膜剥がれが生じ、素子分離を容易な
ものにできる特徴を有している。
【００１１】先ず、その構造については、ＧａＮ系半導
体層からなる下地成長層１上に選択成長された六角錐形
状のＧａＮ層２が形成されている。なお、下地成長層１
上には図示しない絶縁膜が存在し、六角錐形状のＧａＮ
層２は当該絶縁膜をマスクとしてその開口した部分に例
えばＭＯＣＶＤ法等によって形成される。このＧａＮ層
２は、成長時に使用されるサファイア基板の主面をＣ面
とした場合にＳ面（１−１０１面）で覆われたピラミッ
ド型の成長層であり、シリコンをドープさせた領域であ
る。このＧａＮ層２の傾斜したＳ面の部分はｎ型とさ
れ、ダブルへテロ構造のクラッドとして機能する。Ｇａ
Ｎ層２の傾斜したＳ面を覆うようにＩｎＧａＮからなる
活性層３が形成されている。この活性層３は、単層であ
ってもよいし、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造とすること
も可能であるが、後者である場合に効率的な発光が可能
である。
体層からなる下地成長層１上に選択成長された六角錐形
状のＧａＮ層２が形成されている。なお、下地成長層１
上には図示しない絶縁膜が存在し、六角錐形状のＧａＮ
層２は当該絶縁膜をマスクとしてその開口した部分に例
えばＭＯＣＶＤ法等によって形成される。このＧａＮ層
２は、成長時に使用されるサファイア基板の主面をＣ面
とした場合にＳ面（１−１０１面）で覆われたピラミッ
ド型の成長層であり、シリコンをドープさせた領域であ
る。このＧａＮ層２の傾斜したＳ面の部分はｎ型とさ
れ、ダブルへテロ構造のクラッドとして機能する。Ｇａ
Ｎ層２の傾斜したＳ面を覆うようにＩｎＧａＮからなる
活性層３が形成されている。この活性層３は、単層であ
ってもよいし、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造とすること
も可能であるが、後者である場合に効率的な発光が可能
である。
【００１２】多重量子井戸構造とする場合には、活性層
３は、例えばＩｎＧａＮ層を量子井戸とし、Ｉｎを含ま
ない（あるいはＩｎ組成の異なる）ＧａＮ層をバリアと
し、これらを繰り返し積層することにより構成すること
ができる。このときの各量子井戸、バリアの厚さは任意
（通常は数ｎｍ程度）であり、繰り返し数も任意であ
る。
３は、例えばＩｎＧａＮ層を量子井戸とし、Ｉｎを含ま
ない（あるいはＩｎ組成の異なる）ＧａＮ層をバリアと
し、これらを繰り返し積層することにより構成すること
ができる。このときの各量子井戸、バリアの厚さは任意
（通常は数ｎｍ程度）であり、繰り返し数も任意であ
る。
【００１３】上記ＩｎＧａＮ層においては、Ｉｎ組成が
重要であり、これまでのものに比べてＩｎ組成を大きく
することで光励起による発光、効率的な発光が実現され
る。具体的には、Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ）≧０．９であ
る。
重要であり、これまでのものに比べてＩｎ組成を大きく
することで光励起による発光、効率的な発光が実現され
る。具体的には、Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ）≧０．９であ
る。
【００１４】さらに、その外側に例えばｐ型のＧａＮ層
４が形成される。このｐ型のＧａＮ層４もクラッドとし
て機能する。
４が形成される。このｐ型のＧａＮ層４もクラッドとし
て機能する。
【００１５】このような発光ダイオードには、ｐ電極５
とｎ電極６が形成されている。ｐ電極５はｐ型のＧａＮ
層４上にＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／
Ａｕ等の金属材料を蒸着して形成される。ｎ電極６は前
述の図示しない絶縁膜を開口した部分でＴｉ／Ａｌ／Ｐ
ｔ／Ａｕ等の金属材料を蒸着して形成される。なお、下
地成長層１の裏面側からｎ電極取り出しを行う場合は、
ｎ電極６の形成は下地成長層１の表面側には不要とな
る。
とｎ電極６が形成されている。ｐ電極５はｐ型のＧａＮ
層４上にＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／
Ａｕ等の金属材料を蒸着して形成される。ｎ電極６は前
述の図示しない絶縁膜を開口した部分でＴｉ／Ａｌ／Ｐ
ｔ／Ａｕ等の金属材料を蒸着して形成される。なお、下
地成長層１の裏面側からｎ電極取り出しを行う場合は、
ｎ電極６の形成は下地成長層１の表面側には不要とな
る。
【００１６】以上が本発明の半導体発光素子の基本的な
構造であるが、本発明の半導体発光素子１０において
は、光を照射することにより、誘導放出光を発すること
が大きな特徴である。通常の半導体発光素子は、電荷の
注入のみにより発光するが、本発明の半導体発光素子１
０は、図２に示すように、励起光を照射すると、光励起
により誘導放出光を発する。実際、本発明者らは、３５
５ｎｍの光を照射することで、４００ｎｍ付近の誘導放
出光が発せられることを実験的に確認している。
構造であるが、本発明の半導体発光素子１０において
は、光を照射することにより、誘導放出光を発すること
が大きな特徴である。通常の半導体発光素子は、電荷の
注入のみにより発光するが、本発明の半導体発光素子１
０は、図２に示すように、励起光を照射すると、光励起
により誘導放出光を発する。実際、本発明者らは、３５
５ｎｍの光を照射することで、４００ｎｍ付近の誘導放
出光が発せられることを実験的に確認している。
【００１７】上記光励起による発光は、いわゆるスーパ
ールミネッセントに相当するものと考えられ、したがっ
て、本発明の半導体発光素子は、スーパールミネッセン
トダイオードと言うことができる。また、特に、共振構
造を有しレーザ発振する場合には、本発明の半導体発光
素子は、レーザダイオードとして機能する。
ールミネッセントに相当するものと考えられ、したがっ
て、本発明の半導体発光素子は、スーパールミネッセン
トダイオードと言うことができる。また、特に、共振構
造を有しレーザ発振する場合には、本発明の半導体発光
素子は、レーザダイオードとして機能する。
【００１８】本発明の半導体発光素子は、上記光励起の
みでなく、電荷注入によって、あるいは光励起と電荷注
入を組み合わせることによっても発光する。このとき、
上記構成の採用により、発光効率が格段に改善される。
みでなく、電荷注入によって、あるいは光励起と電荷注
入を組み合わせることによっても発光する。このとき、
上記構成の採用により、発光効率が格段に改善される。
【００１９】次に、上記半導体発光素子のより詳細な構
成について説明する。上記の通り、本発明が適用された
半導体発光素子の代表例としては、基板上に該基板の主
面に対して傾斜した傾斜結晶面（例えばＳ面）を有する
結晶層を形成し、前記傾斜結晶面に平行な面内に延在す
る第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を前記結晶
層に形成してなる半導体発光素子を挙げることができ
る。
成について説明する。上記の通り、本発明が適用された
半導体発光素子の代表例としては、基板上に該基板の主
面に対して傾斜した傾斜結晶面（例えばＳ面）を有する
結晶層を形成し、前記傾斜結晶面に平行な面内に延在す
る第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を前記結晶
層に形成してなる半導体発光素子を挙げることができ
る。
【００２０】ここで、用いられる基板は、基板の主面に
対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を形成し得る
ものであれば特に限定されず、種々のものを使用でき
る。例示すると、基板として用いることができるのは、
サファイア（Ａｌ２Ｏ３、Ａ面、Ｒ面、Ｃ面を含む。）
ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む。）ＧａＮ、Ｓｉ、Ｚ
ｎＳ、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＬｉＭｇＯ、ＧａＡｓ、ＭｇＡ
ｌ２Ｏ４、ＩｎＡｌＧａＮなどからなる基板であり、好
ましくはこれらの材料からなる六方晶系基板または立方
晶系基板であり、より好ましくは六方晶系基板である。
例えば、サファイヤ基板を用いる場合では、窒化ガリウ
ム（ＧａＮ）系化合物半導体の材料を成長させる場合に
多く利用されているＣ面を主面としたサファイヤ基板を
用いることができる。この場合の基板主面としてのＣ面
は、５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものであ
る。基板自体は製品としての発光素子には含まれない構
造も可能であり、製造の途中で素子部分を保持させるた
めに使用され、完成前に取り外しされる構造であっても
良い。
対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を形成し得る
ものであれば特に限定されず、種々のものを使用でき
る。例示すると、基板として用いることができるのは、
サファイア（Ａｌ２Ｏ３、Ａ面、Ｒ面、Ｃ面を含む。）
ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む。）ＧａＮ、Ｓｉ、Ｚ
ｎＳ、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＬｉＭｇＯ、ＧａＡｓ、ＭｇＡ
ｌ２Ｏ４、ＩｎＡｌＧａＮなどからなる基板であり、好
ましくはこれらの材料からなる六方晶系基板または立方
晶系基板であり、より好ましくは六方晶系基板である。
例えば、サファイヤ基板を用いる場合では、窒化ガリウ
ム（ＧａＮ）系化合物半導体の材料を成長させる場合に
多く利用されているＣ面を主面としたサファイヤ基板を
用いることができる。この場合の基板主面としてのＣ面
は、５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものであ
る。基板自体は製品としての発光素子には含まれない構
造も可能であり、製造の途中で素子部分を保持させるた
めに使用され、完成前に取り外しされる構造であっても
良い。
【００２１】この基板上に形成される結晶層は基板の主
面に対して傾斜した傾斜結晶面を有している。この結晶
層は後述の基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面に平
行な面に第１導電型層、活性層、及び第２導電型層から
なる発光領域を形成可能な材料層であれば良く、特に限
定されるものではないが、その中でもウルツ鉱型の結晶
構造を有することが好ましい。このような結晶層として
は、例えばＩＩＩ族系化合物半導体やＢｅＭｇＺｎＣｄ
Ｓ系化合物半導体、ＢｅＭｇＺｎＣｄＯ系化合物半導体
を用いることができ、更には窒化ガリウム（ＧａＮ）系
化合物半導体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）系化合物半
導体、窒化インジウム（ＩｎＮ）系化合物半導体、窒化
インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）系化合物半導体、窒
化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系化合物半導体
を好ましくは形成することができ、特に窒化ガリウム系
化合物半導体などの窒化物半導体が好ましい。なお、本
発明において、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮなど
は、必ずしも、３元混晶のみ、２元混晶のみの窒化物半
導体を指すのではなく、例えばＩｎＧａＮでは、ＩｎＧ
ａＮの作用を変化させない範囲での微量のＡｌ、その他
の不純物を含んでいても本発明の範囲であることはいう
までもない。また、Ｓ面や（１１−２２）面に実質的に
等価な面とは、Ｓ面や（１１−２２）面に対してそれぞ
れ５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。
面に対して傾斜した傾斜結晶面を有している。この結晶
層は後述の基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面に平
行な面に第１導電型層、活性層、及び第２導電型層から
なる発光領域を形成可能な材料層であれば良く、特に限
定されるものではないが、その中でもウルツ鉱型の結晶
構造を有することが好ましい。このような結晶層として
は、例えばＩＩＩ族系化合物半導体やＢｅＭｇＺｎＣｄ
Ｓ系化合物半導体、ＢｅＭｇＺｎＣｄＯ系化合物半導体
を用いることができ、更には窒化ガリウム（ＧａＮ）系
化合物半導体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）系化合物半
導体、窒化インジウム（ＩｎＮ）系化合物半導体、窒化
インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）系化合物半導体、窒
化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系化合物半導体
を好ましくは形成することができ、特に窒化ガリウム系
化合物半導体などの窒化物半導体が好ましい。なお、本
発明において、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮなど
は、必ずしも、３元混晶のみ、２元混晶のみの窒化物半
導体を指すのではなく、例えばＩｎＧａＮでは、ＩｎＧ
ａＮの作用を変化させない範囲での微量のＡｌ、その他
の不純物を含んでいても本発明の範囲であることはいう
までもない。また、Ｓ面や（１１−２２）面に実質的に
等価な面とは、Ｓ面や（１１−２２）面に対してそれぞ
れ５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。
【００２２】この結晶層の成長方法としては、種々の気
相成長法を挙げることができ、例えば有機金属化合物気
相成長法（ＭＯＣＶＤ（ＭＯＶＰＥ）法）や分子線エピ
タキシー法（ＭＢＥ法）などの気相成長法や、ハイドラ
イド気相成長法（ＨＶＰＥ法）などを用いることができ
る。その中でもＭＯＣＶＤ法によると、迅速に結晶性の
良いものが得られる。ＭＯＣＶＤ法では、Ｇａソースと
してＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（トリエチ
ルガリウム）、ＡｌソースとしてはＴＭＡ（トリメチル
アルミニウム）、ＴＥＡ（トリエチルアルミニウム）、
Ｉｎソースとしては、ＴＭＩ（トリメチルインジウ
ム）、ＴＥＩ（トリエチルインジウム）などのアルキル
金属化合物が多く使用され、窒素源としてはアンモニ
ア、ヒドラジンなどのガスが使用される。また、不純物
ソースとしてはＳｉであればシランガス、Ｇｅであれば
ゲルマンガス、ＭｇであればＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタ
ジエニルマグネシウム）、ＺｎであればＤＥＺ（ジエチ
ルジンク）などのガスが使用される。一般的なＭＯＶＰ
Ｅ法では、これらのガスを例えば６００°Ｃ以上に加熱
された基板の表面に供給して、ガスを分解することによ
り、ＩｎＡｌＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成
長させることができる。
相成長法を挙げることができ、例えば有機金属化合物気
相成長法（ＭＯＣＶＤ（ＭＯＶＰＥ）法）や分子線エピ
タキシー法（ＭＢＥ法）などの気相成長法や、ハイドラ
イド気相成長法（ＨＶＰＥ法）などを用いることができ
る。その中でもＭＯＣＶＤ法によると、迅速に結晶性の
良いものが得られる。ＭＯＣＶＤ法では、Ｇａソースと
してＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（トリエチ
ルガリウム）、ＡｌソースとしてはＴＭＡ（トリメチル
アルミニウム）、ＴＥＡ（トリエチルアルミニウム）、
Ｉｎソースとしては、ＴＭＩ（トリメチルインジウ
ム）、ＴＥＩ（トリエチルインジウム）などのアルキル
金属化合物が多く使用され、窒素源としてはアンモニ
ア、ヒドラジンなどのガスが使用される。また、不純物
ソースとしてはＳｉであればシランガス、Ｇｅであれば
ゲルマンガス、ＭｇであればＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタ
ジエニルマグネシウム）、ＺｎであればＤＥＺ（ジエチ
ルジンク）などのガスが使用される。一般的なＭＯＶＰ
Ｅ法では、これらのガスを例えば６００°Ｃ以上に加熱
された基板の表面に供給して、ガスを分解することによ
り、ＩｎＡｌＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成
長させることができる。
【００２３】結晶層を形成する前に、下地成長層を基板
上に形成することが好ましい。この下地成長層は例えば
窒化ガリウム層や窒化アルミニウム層からなり、下地成
長層は低温バッファ層と高温バッファ層との組合せ或い
はバッファ層と結晶種として機能する結晶種層との組合
せからなる構造であっても良い。この下地成長層も結晶
層と同様に、種々の気相成長法で形成することができ、
例えば有機金属化合物気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）や分
子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、ハイドライド気相成
長法（ＨＶＰＥ法）などの気相成長法を用いることがで
きる。結晶層の成長を低温バッファ層から始めるとマス
ク上にポリ結晶が析出しやすくなって、それが問題とな
る。そこで、結晶種層を含んでからその上に基板と異な
る面を成長することで、さらに結晶性のよい結晶が成長
できる。また、選択成長を用いて結晶成長を行うには結
晶種層がないとバッファ層から形成する必要があるが、
もしバッファ層から選択成長を行うと成長の阻害された
成長しなくても良い部分に成長が起こりやすくなる。従
って、結晶種層を用いることで、成長が必要な領域に選
択性良く結晶を成長させることができることになる。バ
ッファ層は基板と窒化物半導体の格子不整合を緩和する
という目的もある。したがって、窒化物半導体と格子定
数の近い基板、格子定数が一致した基板を用いる場合に
はバッファ層が形成されない場合もある。たとえば、Ｓ
ｉＣ上にはＡｌＮを低温にしないでバッファ層をつける
こともあり、Ｓｉ基板上にはＡｌＮ、ＧａＮをやはり低
温にしないでバッファ層として成長することもあり、そ
れでも良質のＧａＮを形成できる。また、バッファ層を
特に設けない構造であっても良く、ＧａＮ基板を使用し
ても良い。
上に形成することが好ましい。この下地成長層は例えば
窒化ガリウム層や窒化アルミニウム層からなり、下地成
長層は低温バッファ層と高温バッファ層との組合せ或い
はバッファ層と結晶種として機能する結晶種層との組合
せからなる構造であっても良い。この下地成長層も結晶
層と同様に、種々の気相成長法で形成することができ、
例えば有機金属化合物気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）や分
子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、ハイドライド気相成
長法（ＨＶＰＥ法）などの気相成長法を用いることがで
きる。結晶層の成長を低温バッファ層から始めるとマス
ク上にポリ結晶が析出しやすくなって、それが問題とな
る。そこで、結晶種層を含んでからその上に基板と異な
る面を成長することで、さらに結晶性のよい結晶が成長
できる。また、選択成長を用いて結晶成長を行うには結
晶種層がないとバッファ層から形成する必要があるが、
もしバッファ層から選択成長を行うと成長の阻害された
成長しなくても良い部分に成長が起こりやすくなる。従
って、結晶種層を用いることで、成長が必要な領域に選
択性良く結晶を成長させることができることになる。バ
ッファ層は基板と窒化物半導体の格子不整合を緩和する
という目的もある。したがって、窒化物半導体と格子定
数の近い基板、格子定数が一致した基板を用いる場合に
はバッファ層が形成されない場合もある。たとえば、Ｓ
ｉＣ上にはＡｌＮを低温にしないでバッファ層をつける
こともあり、Ｓｉ基板上にはＡｌＮ、ＧａＮをやはり低
温にしないでバッファ層として成長することもあり、そ
れでも良質のＧａＮを形成できる。また、バッファ層を
特に設けない構造であっても良く、ＧａＮ基板を使用し
ても良い。
【００２４】そして、本例の半導体発光素子において
は、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を形成する
ために、選択成長法を用いることができる。基板の主面
に対して傾斜した傾斜結晶面は、その基板主面の選択に
も依存するが、ウルツ鉱型の（０００１）面[Ｃ面]を基
板主面とした場合では、（１−１００）面[Ｍ面]、（１
−１０１）面[Ｓ面]、（１１−２０）面[Ａ面]、（１−
１０２）面[Ｒ面]、（１−１２３）面[Ｎ面]、（１１−
２２）面およびこれらに等価な結晶面のうちから選ばれ
た傾斜結晶面を挙げることができ、特にＳ面や（１１−
２２）面およびでこれらに等価な結晶面で用いることが
好ましい。これらに等価な結晶面とは前述のように、５
乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。特に
Ｓ面はＣ＋面の上に選択成長した際に見られる安定面で
あり、比較的得やすい面であって六方晶系の面指数では
（１−１０１）である。Ｃ面にＣ＋面とＣ−面が存在す
るのと同様に、Ｓ面についてはＳ＋面とＳ−面が存在す
るが、本明細書においては、特に断らない場合は、Ｃ＋
面ＧａＮ上にＳ＋面を成長しており、これをＳ面として
説明している。なお、Ｓ面についてはＳ＋面が安定面で
ある。またＣ＋面の面指数は（０００１）である。この
Ｓ面については、前述のように窒化ガリウム系化合物半
導体で結晶層を構成した場合には、Ｓ面上、ＧａからＮ
へのボンド数が２または３とＣ面の次に多くなる。ここ
でＣ−面はＣ＋面の上には事実上得ることができないの
で、Ｓ面でのボンド数は最も多いものとなる。例えば、
Ｃ面を主面に有するサファイア基板に窒化物を成長した
場合、一般にウルツ鉱型の窒化物の表面はＣ＋面になる
が、選択成長を利用することでＳ面を形成することがで
き、Ｃ面に平行な面では脱離しやすい傾向をもつＮのボ
ンドがＧａから一本のボンドで結合しているのに対し、
傾いたＳ面では少なくとも一本以上のポンドで結合する
ことになる。従って、実効的にＶ／III 比が上昇するこ
とになり、積層構造の結晶性の向上に有利である。ま
た、基板と異なる方位に成長すると基板から上に伸びた
転位が曲がることもあり、欠陥の低減にも有利となる。
は、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を形成する
ために、選択成長法を用いることができる。基板の主面
に対して傾斜した傾斜結晶面は、その基板主面の選択に
も依存するが、ウルツ鉱型の（０００１）面[Ｃ面]を基
板主面とした場合では、（１−１００）面[Ｍ面]、（１
−１０１）面[Ｓ面]、（１１−２０）面[Ａ面]、（１−
１０２）面[Ｒ面]、（１−１２３）面[Ｎ面]、（１１−
２２）面およびこれらに等価な結晶面のうちから選ばれ
た傾斜結晶面を挙げることができ、特にＳ面や（１１−
２２）面およびでこれらに等価な結晶面で用いることが
好ましい。これらに等価な結晶面とは前述のように、５
乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。特に
Ｓ面はＣ＋面の上に選択成長した際に見られる安定面で
あり、比較的得やすい面であって六方晶系の面指数では
（１−１０１）である。Ｃ面にＣ＋面とＣ−面が存在す
るのと同様に、Ｓ面についてはＳ＋面とＳ−面が存在す
るが、本明細書においては、特に断らない場合は、Ｃ＋
面ＧａＮ上にＳ＋面を成長しており、これをＳ面として
説明している。なお、Ｓ面についてはＳ＋面が安定面で
ある。またＣ＋面の面指数は（０００１）である。この
Ｓ面については、前述のように窒化ガリウム系化合物半
導体で結晶層を構成した場合には、Ｓ面上、ＧａからＮ
へのボンド数が２または３とＣ面の次に多くなる。ここ
でＣ−面はＣ＋面の上には事実上得ることができないの
で、Ｓ面でのボンド数は最も多いものとなる。例えば、
Ｃ面を主面に有するサファイア基板に窒化物を成長した
場合、一般にウルツ鉱型の窒化物の表面はＣ＋面になる
が、選択成長を利用することでＳ面を形成することがで
き、Ｃ面に平行な面では脱離しやすい傾向をもつＮのボ
ンドがＧａから一本のボンドで結合しているのに対し、
傾いたＳ面では少なくとも一本以上のポンドで結合する
ことになる。従って、実効的にＶ／III 比が上昇するこ
とになり、積層構造の結晶性の向上に有利である。ま
た、基板と異なる方位に成長すると基板から上に伸びた
転位が曲がることもあり、欠陥の低減にも有利となる。
【００２５】上記半導体発光素子においては、結晶層は
基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する構造を
有しているが、特に、結晶層はＳ面または該Ｓ面に実質
的に等価な面が略六角錐形状の斜面をそれぞれ構成する
構造であっても良く、或いは、Ｓ面または該Ｓ面に実質
的に等価な面が略六角錐台形状の斜面をそれぞれ構成す
る共にＣ面または該Ｃ面に実質的に等価な面が前記略六
角錐台形状の上平面部を構成する構造、所謂略六角錐台
形状であっても良い。これら略六角錐形状や略六角錐台
形状は、正確に六角錐であることを必要とせず、その中
の幾つかの面が消失したようなものも含む。好適な一例
においては傾斜結晶面は六面でほぼ対称となるように配
設される。ほぼ対称とは、完全に対称形状になっている
場合の他、多少対称形状よりずれている場合も含む。ま
た、結晶層の結晶面間の稜線は必ずしも直線でなくとも
良い。また、略六角錐形状や略六角錐台形状は直線状に
延在された形状であっても良い。
基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する構造を
有しているが、特に、結晶層はＳ面または該Ｓ面に実質
的に等価な面が略六角錐形状の斜面をそれぞれ構成する
構造であっても良く、或いは、Ｓ面または該Ｓ面に実質
的に等価な面が略六角錐台形状の斜面をそれぞれ構成す
る共にＣ面または該Ｃ面に実質的に等価な面が前記略六
角錐台形状の上平面部を構成する構造、所謂略六角錐台
形状であっても良い。これら略六角錐形状や略六角錐台
形状は、正確に六角錐であることを必要とせず、その中
の幾つかの面が消失したようなものも含む。好適な一例
においては傾斜結晶面は六面でほぼ対称となるように配
設される。ほぼ対称とは、完全に対称形状になっている
場合の他、多少対称形状よりずれている場合も含む。ま
た、結晶層の結晶面間の稜線は必ずしも直線でなくとも
良い。また、略六角錐形状や略六角錐台形状は直線状に
延在された形状であっても良い。
【００２６】具体的な選択成長法としては、そのような
選択成長は下地成長層の一部を選択的に除去することを
利用して行われたり、あるいは、選択的に前記下地成長
層上にまたは前記下地成長層形成前に形成されたマスク
層の開口された部分を利用して行われる。例えば、前記
下地成長層がバッファ層と結晶種層とからなる場合、バ
ッファ層上の結晶種層を点在する１０μｍ径程度の小領
域に細分化し、それぞれの部分からの結晶成長によって
Ｓ面等を有する結晶層を形成することが可能である。例
えば、細分化された結晶種層は、発光素子として分離す
るためのマージンを見込んで離間するように配列するこ
とができ、個々の小領域としては、帯状、格子状、円形
状、正方形状、六角形状、三角形状、矩形状、菱形およ
びこれらの変形形状などの形状にすることができる。下
地成長層の上にマスク層を形成し、そのマスク層を選択
的に開口して窓領域を形成することでも、選択成長が可
能である。マスク層は例えば酸化シリコン層或いは窒化
シリコン層によって構成することができる。前述のよう
な略六角錐台形状や略六角錐形状が直線状に延在された
形状である場合、一方向を長手方向とするような角錐台
や角錐形状はマスク層の窓領域を帯状にしたり、結晶種
層を帯状にすることで可能である。
選択成長は下地成長層の一部を選択的に除去することを
利用して行われたり、あるいは、選択的に前記下地成長
層上にまたは前記下地成長層形成前に形成されたマスク
層の開口された部分を利用して行われる。例えば、前記
下地成長層がバッファ層と結晶種層とからなる場合、バ
ッファ層上の結晶種層を点在する１０μｍ径程度の小領
域に細分化し、それぞれの部分からの結晶成長によって
Ｓ面等を有する結晶層を形成することが可能である。例
えば、細分化された結晶種層は、発光素子として分離す
るためのマージンを見込んで離間するように配列するこ
とができ、個々の小領域としては、帯状、格子状、円形
状、正方形状、六角形状、三角形状、矩形状、菱形およ
びこれらの変形形状などの形状にすることができる。下
地成長層の上にマスク層を形成し、そのマスク層を選択
的に開口して窓領域を形成することでも、選択成長が可
能である。マスク層は例えば酸化シリコン層或いは窒化
シリコン層によって構成することができる。前述のよう
な略六角錐台形状や略六角錐形状が直線状に延在された
形状である場合、一方向を長手方向とするような角錐台
や角錐形状はマスク層の窓領域を帯状にしたり、結晶種
層を帯状にすることで可能である。
【００２７】選択成長を用いマスク層の窓領域を１０μ
ｍ程度の円形（或いは辺が１−１００方向の六角形、ま
たは辺が１１−２０方向の六角形など）にすることでそ
の約２倍程度の選択成長領域まで簡単に作製できる。ま
たＳ面が基板と異なる方向であれば転位を曲げる効果、
および転位を遮蔽する効果があるために、転位密度の低
減にも役立つ。
ｍ程度の円形（或いは辺が１−１００方向の六角形、ま
たは辺が１１−２０方向の六角形など）にすることでそ
の約２倍程度の選択成長領域まで簡単に作製できる。ま
たＳ面が基板と異なる方向であれば転位を曲げる効果、
および転位を遮蔽する効果があるために、転位密度の低
減にも役立つ。
【００２８】本発明者らの行った実験において、カソー
ドルミネッセンスを用いて成長した六角錐台形状を観測
してみると、Ｓ面の結晶は良質でありＣ＋面に比較して
発光効率が高くなっていることが示されている。特にＩ
ｎＧａＮ活性層の成長温度は７００〜８００°Ｃである
ため、アンモニアの分解効率が低く、よりＮ種が必要と
される。またＡＦＭで表面を見たところステップが揃っ
てＩｎＧａＮ取り込みに適した面が観測された。さらに
その上、Ｍｇドープ層の成長表面は一般にＡＦＭレベル
での表面状態が悪いが、Ｓ面の成長によりこのＭｇドー
プ層も良い表面状態で成長し、しかもドーピング条件が
かなり異なることがわかっている。また、顕微フォトル
ミネッセンスマッピングを行うと、０. ５〜１μｍ程度
の分解能で測定することができるが、Ｃ＋面の上に成長
した通常の方法では、１μｍピッチ程度のむらが存在
し、選択成長でＳ面を得た試料については均一な結果が
得られた。また、ＳＥＭで見た斜面の平坦性もＣ＋面よ
り滑らかに成っている。
ドルミネッセンスを用いて成長した六角錐台形状を観測
してみると、Ｓ面の結晶は良質でありＣ＋面に比較して
発光効率が高くなっていることが示されている。特にＩ
ｎＧａＮ活性層の成長温度は７００〜８００°Ｃである
ため、アンモニアの分解効率が低く、よりＮ種が必要と
される。またＡＦＭで表面を見たところステップが揃っ
てＩｎＧａＮ取り込みに適した面が観測された。さらに
その上、Ｍｇドープ層の成長表面は一般にＡＦＭレベル
での表面状態が悪いが、Ｓ面の成長によりこのＭｇドー
プ層も良い表面状態で成長し、しかもドーピング条件が
かなり異なることがわかっている。また、顕微フォトル
ミネッセンスマッピングを行うと、０. ５〜１μｍ程度
の分解能で測定することができるが、Ｃ＋面の上に成長
した通常の方法では、１μｍピッチ程度のむらが存在
し、選択成長でＳ面を得た試料については均一な結果が
得られた。また、ＳＥＭで見た斜面の平坦性もＣ＋面よ
り滑らかに成っている。
【００２９】また、選択成長マスクを用いて選択成長す
る場合であって、選択マスク開口部の上だけに成長する
際には横方向成長が存在しないため、マイクロチャネル
エピタキシーを用いて横方向成長させ窓領域より拡大し
た形状にすることが可能である。このようなマイクロチ
ャネルエピタキシーを用いて横方向成長をした方が貫通
転位を避けやすくなり、転位が減ることがわかってい
る。またこのような横方向成長により発光領域も増大
し、さらに電流の均一化、電流集中の回避、および電流
密度の低減を図ることができる。
る場合であって、選択マスク開口部の上だけに成長する
際には横方向成長が存在しないため、マイクロチャネル
エピタキシーを用いて横方向成長させ窓領域より拡大し
た形状にすることが可能である。このようなマイクロチ
ャネルエピタキシーを用いて横方向成長をした方が貫通
転位を避けやすくなり、転位が減ることがわかってい
る。またこのような横方向成長により発光領域も増大
し、さらに電流の均一化、電流集中の回避、および電流
密度の低減を図ることができる。
【００３０】本例の半導体発光素子においては、基板の
主面に対して傾斜した傾斜結晶面に平行な面内に延在す
る第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を結晶層に
形成する。第１導電型はｐ型又はｎ型のクラッド層であ
り、第２導電型はその反対の導電型である。例えばＳ面
を構成する結晶層をシリコンドープの窒化ガリウム系化
合物半導体層によって構成した場合では、ｎ型クラッド
層をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層に
よって構成し、その上にＩｎＧａＮ層を活性層として形
成し、さらにその上にｐ型クラッド層としてマグネシウ
ムドープの窒化ガリウム系化合物半導体層を形成してダ
ブルヘテロ構造をとることができる。活性層であるＩｎ
ＧａＮ層をＡｌＧａＮ層で挟む構造とすることも可能で
ある。また、活性層は単一のバルク活性層で構成するこ
とも可能であるが、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造、二重
量子井戸（ＤＱＷ）構造、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造
などの量子井戸構造を形成したものであっても良い。量
子井戸構造には必要に応じて量子井戸の分離のために障
壁層が併用される。活性層をＩｎＧａＮ層とした場合に
は、特に製造工程上も製造し易い構造となり、素子の発
光特性を良くすることができる。さらにこのＩｎＧａＮ
層は、窒素原子の脱離しにくい構造であるＳ面の上での
成長では特に結晶化しやすくしかも結晶性も良くなり、
発光効率を上げることが出来る。また、先にも述べた通
り、ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成を、Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ）
≧０．９とすることが重要である。
主面に対して傾斜した傾斜結晶面に平行な面内に延在す
る第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を結晶層に
形成する。第１導電型はｐ型又はｎ型のクラッド層であ
り、第２導電型はその反対の導電型である。例えばＳ面
を構成する結晶層をシリコンドープの窒化ガリウム系化
合物半導体層によって構成した場合では、ｎ型クラッド
層をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層に
よって構成し、その上にＩｎＧａＮ層を活性層として形
成し、さらにその上にｐ型クラッド層としてマグネシウ
ムドープの窒化ガリウム系化合物半導体層を形成してダ
ブルヘテロ構造をとることができる。活性層であるＩｎ
ＧａＮ層をＡｌＧａＮ層で挟む構造とすることも可能で
ある。また、活性層は単一のバルク活性層で構成するこ
とも可能であるが、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造、二重
量子井戸（ＤＱＷ）構造、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造
などの量子井戸構造を形成したものであっても良い。量
子井戸構造には必要に応じて量子井戸の分離のために障
壁層が併用される。活性層をＩｎＧａＮ層とした場合に
は、特に製造工程上も製造し易い構造となり、素子の発
光特性を良くすることができる。さらにこのＩｎＧａＮ
層は、窒素原子の脱離しにくい構造であるＳ面の上での
成長では特に結晶化しやすくしかも結晶性も良くなり、
発光効率を上げることが出来る。また、先にも述べた通
り、ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成を、Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ）
≧０．９とすることが重要である。
【００３１】なお、窒化物半導体はノンドープでも結晶
中にできる窒素空孔のためにｎ型となる性質があるが、
通常Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅなどのドナー不純物を結晶成長中
にドープすることで、キャリア濃度の好ましいｎ型とす
ることができる。また、窒化物半導体をｐ型とするに
は、結晶中にＭｇ、Ｚｎ、Ｃ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａなどの
アクセプター不純物をドープすることによって得られる
が、高キャリア濃度のｐ層を得るためには、アクセプタ
ー不純物のドープ後、窒素、アルゴンなどの不活性ガス
雰囲気で４００℃以上でアニーリングを行うことが好ま
しく、電子線照射などにより活性化する方法もあり、マ
イクロ波照射、光照射などで活性化する方法もある。
中にできる窒素空孔のためにｎ型となる性質があるが、
通常Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅなどのドナー不純物を結晶成長中
にドープすることで、キャリア濃度の好ましいｎ型とす
ることができる。また、窒化物半導体をｐ型とするに
は、結晶中にＭｇ、Ｚｎ、Ｃ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａなどの
アクセプター不純物をドープすることによって得られる
が、高キャリア濃度のｐ層を得るためには、アクセプタ
ー不純物のドープ後、窒素、アルゴンなどの不活性ガス
雰囲気で４００℃以上でアニーリングを行うことが好ま
しく、電子線照射などにより活性化する方法もあり、マ
イクロ波照射、光照射などで活性化する方法もある。
【００３２】これら第１導電型層、活性層、及び第２導
電型層は基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面に平行
な面内に延在されるが、このような面内への延在は傾斜
結晶面が形成されているところで続けて結晶成長させれ
ば容易に行うことができる。結晶層が略六角錐形状や略
六角錐台形状となり、各傾斜結晶面がＳ面等とされる場
合では、第１導電型層、活性層、及び第２導電型層から
なる発光領域を全部又は一部のＳ面上に形成することが
できる。略六角錐台形状の場合には、基板主面に平行な
上面上にも第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を
形成できる。傾斜したＳ面を利用して発光させること
で、平行平板では多重反射により光が減衰していくが、
傾いた面があると光は多重反射の影響を免れて半導体の
外にでることができるという利点がある。第１導電型層
すなわちクラッド層はＳ面を構成する結晶層と同じ材料
で同じ導電型とすることができ、Ｓ面を構成する結晶層
を形成した後、連続的に濃度を調整しながら形成するこ
ともでき、また他の例として、Ｓ面の構成する結晶層の
一部が第１導電型層として機能する構造であっても良
い。また、基板に対して面が垂直でない方が光取出しが
改善されることになる。
電型層は基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面に平行
な面内に延在されるが、このような面内への延在は傾斜
結晶面が形成されているところで続けて結晶成長させれ
ば容易に行うことができる。結晶層が略六角錐形状や略
六角錐台形状となり、各傾斜結晶面がＳ面等とされる場
合では、第１導電型層、活性層、及び第２導電型層から
なる発光領域を全部又は一部のＳ面上に形成することが
できる。略六角錐台形状の場合には、基板主面に平行な
上面上にも第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を
形成できる。傾斜したＳ面を利用して発光させること
で、平行平板では多重反射により光が減衰していくが、
傾いた面があると光は多重反射の影響を免れて半導体の
外にでることができるという利点がある。第１導電型層
すなわちクラッド層はＳ面を構成する結晶層と同じ材料
で同じ導電型とすることができ、Ｓ面を構成する結晶層
を形成した後、連続的に濃度を調整しながら形成するこ
ともでき、また他の例として、Ｓ面の構成する結晶層の
一部が第１導電型層として機能する構造であっても良
い。また、基板に対して面が垂直でない方が光取出しが
改善されることになる。
【００３３】本例の半導体発光素子では、傾斜した傾斜
結晶面の結晶性の良さを利用して、発光効率を高めるこ
とができる。特に、結晶性が良いＳ面にのみ電流を注入
すると、Ｓ面はＩｎの取り込みもよく結晶性も良いので
発光効率を高くすることができる。また、活性層の実質
的なＳ面に平行な面内に延在する面積は該活性層を基板
又は前記下地成長層の主面に投影した場合の面積より大
きいものとすることができる。このように活性層の面積
を大きなものとすることで、素子の発光する面積が大き
くなり、それだけで電流密度を低減することが出来る。
また、活性層の面積を大きくとることで、輝度飽和の低
減に役立ち、これにより発光効率を上げることが出来
る。
結晶面の結晶性の良さを利用して、発光効率を高めるこ
とができる。特に、結晶性が良いＳ面にのみ電流を注入
すると、Ｓ面はＩｎの取り込みもよく結晶性も良いので
発光効率を高くすることができる。また、活性層の実質
的なＳ面に平行な面内に延在する面積は該活性層を基板
又は前記下地成長層の主面に投影した場合の面積より大
きいものとすることができる。このように活性層の面積
を大きなものとすることで、素子の発光する面積が大き
くなり、それだけで電流密度を低減することが出来る。
また、活性層の面積を大きくとることで、輝度飽和の低
減に役立ち、これにより発光効率を上げることが出来
る。
【００３４】六角錐形状の結晶層を考えた場合、Ｓ面の
特に頂点近く部分がステップの状態が悪くなり、頂点部
は発光効率が低くなっている。これは六角錐形状の素子
では、それぞれの面のほぼ中心部分を中心に頂点側、側
辺左側、側辺右側、底面側に4 箇所に区分され、特に頂
点側部分は最もステップの状態が波打っていて、頂上付
近になると異常成長が起こりやすくなっているためであ
る。これに対して、側辺側の二箇所はどちらもステップ
がほぼ直線状でしかもステップが密集しており極めて良
好な成長状態になっており、また、底面に近い部分はや
や波打つステップであるが、頂点側ほどの異常成長は起
こっていない。そこで本発明の半導体発光素子では、活
性層への電流注入は頂点近傍側で周囲側よりも低密度と
なるように制御することが可能である。このような頂点
近傍側で低密度の電流を流すためには、電極を斜面の側
部には形成するが、頂点部分では電極を形成しないよう
な構造としたり、或いは頂点部分に電極形成前に電流ブ
ロック領域を形成する構造とすることができる。
特に頂点近く部分がステップの状態が悪くなり、頂点部
は発光効率が低くなっている。これは六角錐形状の素子
では、それぞれの面のほぼ中心部分を中心に頂点側、側
辺左側、側辺右側、底面側に4 箇所に区分され、特に頂
点側部分は最もステップの状態が波打っていて、頂上付
近になると異常成長が起こりやすくなっているためであ
る。これに対して、側辺側の二箇所はどちらもステップ
がほぼ直線状でしかもステップが密集しており極めて良
好な成長状態になっており、また、底面に近い部分はや
や波打つステップであるが、頂点側ほどの異常成長は起
こっていない。そこで本発明の半導体発光素子では、活
性層への電流注入は頂点近傍側で周囲側よりも低密度と
なるように制御することが可能である。このような頂点
近傍側で低密度の電流を流すためには、電極を斜面の側
部には形成するが、頂点部分では電極を形成しないよう
な構造としたり、或いは頂点部分に電極形成前に電流ブ
ロック領域を形成する構造とすることができる。
【００３５】結晶層と第２導電型層には、それぞれ電極
が形成される。接触抵抗を下げるために、コンタクト層
を形成し、その後で電極をコンタクト層上に形成しても
良い。これらの電極を蒸着法により形成する場合、ｐ電
極、ｎ電極が結晶層とマスクの下に形成された結晶種層
との双方に付着してしまうと短絡してしまうことがあ
り、それぞれ精度よく蒸着することが必要となる。
が形成される。接触抵抗を下げるために、コンタクト層
を形成し、その後で電極をコンタクト層上に形成しても
良い。これらの電極を蒸着法により形成する場合、ｐ電
極、ｎ電極が結晶層とマスクの下に形成された結晶種層
との双方に付着してしまうと短絡してしまうことがあ
り、それぞれ精度よく蒸着することが必要となる。
【００３６】上記半導体発光素子は、複数個を並べて画
像表示装置や照明装置を構成することが可能である。例
えば、各素子を３原色分揃え、走査可能に配列すること
で、Ｓ面を利用して電極面積を抑えることができるた
め、少ない面積でディスプレイとして利用できる。
像表示装置や照明装置を構成することが可能である。例
えば、各素子を３原色分揃え、走査可能に配列すること
で、Ｓ面を利用して電極面積を抑えることができるた
め、少ない面積でディスプレイとして利用できる。
【００３７】以上の半導体発光素子の代表的な形状例に
ついて説明する。先ず、第１番目の例は、ストライプ状
の結晶成長層２４を成長基板２０上に形成する例であ
り、図３に示すように、成長基板２０上形成された下地
成長層２１上のマスク層２２の窓領域からストライプ状
の結晶成長層２４が形成されている。ストライプ状の結
晶成長層２４はその側面２６がＳ面とされ、傾斜した側
面２６にも活性層２５が延在されていることから、活性
層２５の面積は結晶成長層２４の写像面積よりも大きな
サイズとなる。従って、有効に輝度飽和を緩和すること
ができ、素子の信頼性を改善できる。
ついて説明する。先ず、第１番目の例は、ストライプ状
の結晶成長層２４を成長基板２０上に形成する例であ
り、図３に示すように、成長基板２０上形成された下地
成長層２１上のマスク層２２の窓領域からストライプ状
の結晶成長層２４が形成されている。ストライプ状の結
晶成長層２４はその側面２６がＳ面とされ、傾斜した側
面２６にも活性層２５が延在されていることから、活性
層２５の面積は結晶成長層２４の写像面積よりも大きな
サイズとなる。従って、有効に輝度飽和を緩和すること
ができ、素子の信頼性を改善できる。
【００３８】２番目の例は、長方台形状の結晶成長層３
４を成長基板３０上に形成する例であり、図４に示すよ
うに、成長基板３０上形成された下地成長層３１上のマ
スク層３２の窓領域からストライプ状で且つ長方台形状
の結晶成長層３４が形成されている。長方台形状の結晶
成長層３４はその側面３３ＳがＳ面とされ、長手方向の
端部の面は（１１−２２）面とされる。結晶成長層３４
の上面３３Ｃは基板主面と同じＣ面とされる。活性層は
図示を省略しているが、傾斜した側面３３Ｓ、面３４、
上面３３Ｃにも延在され、活性層の面積は結晶成長層３
４の写像面積よりも大きなサイズとなる。従って、有効
に輝度飽和を緩和することができ、素子の信頼性を改善
できる。
４を成長基板３０上に形成する例であり、図４に示すよ
うに、成長基板３０上形成された下地成長層３１上のマ
スク層３２の窓領域からストライプ状で且つ長方台形状
の結晶成長層３４が形成されている。長方台形状の結晶
成長層３４はその側面３３ＳがＳ面とされ、長手方向の
端部の面は（１１−２２）面とされる。結晶成長層３４
の上面３３Ｃは基板主面と同じＣ面とされる。活性層は
図示を省略しているが、傾斜した側面３３Ｓ、面３４、
上面３３Ｃにも延在され、活性層の面積は結晶成長層３
４の写像面積よりも大きなサイズとなる。従って、有効
に輝度飽和を緩和することができ、素子の信頼性を改善
できる。
【００３９】３番目の例は、図５に示すように、四角台
形状の結晶成長層４４を成長基板４０上に形成する例で
あり、成長基板４０上形成された下地成長層４１上のマ
スク層４２の窓領域からマトリクス状に配列されたパタ
ーンで四角錐台形状の結晶成長層４３が形成されてい
る。四角錐台形状の結晶成長層４３はその傾斜した一側
面４３ＳがＳ面とされ、他の傾斜した一側面４４は（１
１−２２）面とされる。結晶成長層４３の上面４３Ｃは
基板主面と同じＣ面とされる。活性層は図示を省略して
いるが、傾斜した側面４３Ｓ、面４４、上面４３Ｃにも
延在され、活性層の面積は結晶成長層４３の写像面積よ
りも大きなサイズとなる。従って、有効に輝度飽和を緩
和することができ、素子の信頼性を改善できる。
形状の結晶成長層４４を成長基板４０上に形成する例で
あり、成長基板４０上形成された下地成長層４１上のマ
スク層４２の窓領域からマトリクス状に配列されたパタ
ーンで四角錐台形状の結晶成長層４３が形成されてい
る。四角錐台形状の結晶成長層４３はその傾斜した一側
面４３ＳがＳ面とされ、他の傾斜した一側面４４は（１
１−２２）面とされる。結晶成長層４３の上面４３Ｃは
基板主面と同じＣ面とされる。活性層は図示を省略して
いるが、傾斜した側面４３Ｓ、面４４、上面４３Ｃにも
延在され、活性層の面積は結晶成長層４３の写像面積よ
りも大きなサイズとなる。従って、有効に輝度飽和を緩
和することができ、素子の信頼性を改善できる。
【００４０】４番目の例は、図６に示すように、六角錐
形状の結晶成長層５３を成長基板５０上に形成する例で
あり、成長基板５０上形成された下地成長層５１上のマ
スク層５２の窓領域からマトリクス状に配列されたパタ
ーンで六角錐形状の結晶成長層５３が形成されている。
六角錐形状の結晶成長層５３はその傾斜した各側面がＳ
面とされ、活性層は図示を省略しているが、傾斜した各
Ｓ面に沿って延在され、活性層の面積は結晶成長層５３
の写像面積よりも大きなサイズとなる。従って、有効に
輝度飽和を緩和することができ、素子の信頼性を改善で
きる。
形状の結晶成長層５３を成長基板５０上に形成する例で
あり、成長基板５０上形成された下地成長層５１上のマ
スク層５２の窓領域からマトリクス状に配列されたパタ
ーンで六角錐形状の結晶成長層５３が形成されている。
六角錐形状の結晶成長層５３はその傾斜した各側面がＳ
面とされ、活性層は図示を省略しているが、傾斜した各
Ｓ面に沿って延在され、活性層の面積は結晶成長層５３
の写像面積よりも大きなサイズとなる。従って、有効に
輝度飽和を緩和することができ、素子の信頼性を改善で
きる。
【００４１】５番目の例は、図７に示すように、六角錐
台形状の結晶成長層６３を成長基板６０上に形成する例
であり、成長基板６０上形成された下地成長層６１上の
マスク層６２の窓領域からマトリクス状に配列されたパ
ターンで六角錐台形状の結晶成長層６３が形成されてい
る。六角錐形状の結晶成長層６３はその傾斜した各側面
６３ＳがＳ面とされ、上面６３Ｃが基板主面と同じＣ面
とされている。また、六角錐形状の結晶成長層６３の底
面側にはＭ面（１−１００）面も低い高さで形成され
る。活性層は図示を省略しているが、傾斜した各Ｓ面お
よびＣ面に沿って延在され、活性層の面積は結晶成長層
６３の写像面積よりも大きなサイズとなる。従って、有
効に輝度飽和を緩和することができ、素子の信頼性を改
善できる。
台形状の結晶成長層６３を成長基板６０上に形成する例
であり、成長基板６０上形成された下地成長層６１上の
マスク層６２の窓領域からマトリクス状に配列されたパ
ターンで六角錐台形状の結晶成長層６３が形成されてい
る。六角錐形状の結晶成長層６３はその傾斜した各側面
６３ＳがＳ面とされ、上面６３Ｃが基板主面と同じＣ面
とされている。また、六角錐形状の結晶成長層６３の底
面側にはＭ面（１−１００）面も低い高さで形成され
る。活性層は図示を省略しているが、傾斜した各Ｓ面お
よびＣ面に沿って延在され、活性層の面積は結晶成長層
６３の写像面積よりも大きなサイズとなる。従って、有
効に輝度飽和を緩和することができ、素子の信頼性を改
善できる。
【００４２】本発明の半導体発光素子は、先にも述べた
通りレーザダイオードとすることも可能である。そこで
次に、本発明を適用したレーザダイオードについて説明
する。なお、ここで説明する例は、（１−１０１）面
（いわゆるＳ面）上に各層を成長したＳ面半導体レーザ
素子であり、選択成長した窒化物半導体の傾斜面（Ｓ
面）上にクラッド層、ガイド層、活性層を積層形成した
ものである。
通りレーザダイオードとすることも可能である。そこで
次に、本発明を適用したレーザダイオードについて説明
する。なお、ここで説明する例は、（１−１０１）面
（いわゆるＳ面）上に各層を成長したＳ面半導体レーザ
素子であり、選択成長した窒化物半導体の傾斜面（Ｓ
面）上にクラッド層、ガイド層、活性層を積層形成した
ものである。
【００４３】Ｓ面半導体レーザ素子は、図８に示すよう
に、基板７１上に下地層７２を形成し、この下地層７２
上にマスク層７３を介して窒化物半導体、例えばＧａ
Ｎ：Ｓｉを選択成長させて傾斜面（Ｓ面）を有する３角
柱状の選択成長層７４を形成し、この上にｎ型クラッド
層７５、ｎ型ガイド層７６、活性層７７、ｐ型ガイド層
７８、ｐ型クラッド層７９、コンタクト層８０及びｐ電
極８１を積層形成することにより構成される。また、下
地層７２のうち、上記選択成長層７４が形成されていな
い領域には、ｎ電極８２が形成されている。このｎ電極
８２形成領域においては、上記マスク層７３は除去され
て下地層７２が露呈しており、ｎ電極８２は下地層７２
と直接接続されている。
に、基板７１上に下地層７２を形成し、この下地層７２
上にマスク層７３を介して窒化物半導体、例えばＧａ
Ｎ：Ｓｉを選択成長させて傾斜面（Ｓ面）を有する３角
柱状の選択成長層７４を形成し、この上にｎ型クラッド
層７５、ｎ型ガイド層７６、活性層７７、ｐ型ガイド層
７８、ｐ型クラッド層７９、コンタクト層８０及びｐ電
極８１を積層形成することにより構成される。また、下
地層７２のうち、上記選択成長層７４が形成されていな
い領域には、ｎ電極８２が形成されている。このｎ電極
８２形成領域においては、上記マスク層７３は除去され
て下地層７２が露呈しており、ｎ電極８２は下地層７２
と直接接続されている。
【００４４】なお、ここで用いられる基板７１や選択成
長層７４、選択成長層７４の成長方法、下地層７２等に
ついては、先に説明した半導体発光素子と同様であ
る。、
長層７４、選択成長層７４の成長方法、下地層７２等に
ついては、先に説明した半導体発光素子と同様であ
る。、
【００４５】選択成長は、選択的に前記下地層７２上
に、または前記下地層７２形成前に形成されたマスク層
７３の開口された部分を利用して行われるが、マスク層
７３は例えば酸化シリコン層或いは窒化シリコン層によ
って構成することができる。本例では、マスク層７３に
形成された開口部はスリット状であり、このスリットに
沿って３角柱状の選択成長層７４が成長され、両側傾斜
面がＳ面とされている。
に、または前記下地層７２形成前に形成されたマスク層
７３の開口された部分を利用して行われるが、マスク層
７３は例えば酸化シリコン層或いは窒化シリコン層によ
って構成することができる。本例では、マスク層７３に
形成された開口部はスリット状であり、このスリットに
沿って３角柱状の選択成長層７４が成長され、両側傾斜
面がＳ面とされている。
【００４６】上記選択成長層７４は、上部が屋根のよう
な構造に成長されており、断面三角形の三角柱状を呈し
ている。この選択成長層７４のＳ面上に、成長条件を変
えてｎ型クラッド層７５を成長する。上記ｎ型クラッド
層７５上には、さらにｎ型ガイド層７６が形成される。
な構造に成長されており、断面三角形の三角柱状を呈し
ている。この選択成長層７４のＳ面上に、成長条件を変
えてｎ型クラッド層７５を成長する。上記ｎ型クラッド
層７５上には、さらにｎ型ガイド層７６が形成される。
【００４７】さらに、上記ｎ型ガイド層７６上には活性
層７７が形成される。この活性層７７は、上記ｎ型ガイ
ド層７６や後述のｐ型ガイド層７８よりもＩｎ組成が高
く、２０原子％を越えていることが好ましい。
層７７が形成される。この活性層７７は、上記ｎ型ガイ
ド層７６や後述のｐ型ガイド層７８よりもＩｎ組成が高
く、２０原子％を越えていることが好ましい。
【００４８】上記活性層７７上には、ｐ型ガイド層７
８、ｐ型クラッド層７９が順次積層形成されている。窒
化物半導体をｐ型とするには、結晶中にＭｇ、Ｚｎ、
Ｃ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａなどのアクセプター不純物をドー
プすることによって得られるが、高キャリア濃度のｐ層
を得るためには、アクセプター不純物をドープした後、
窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気で４００℃以上
でアニーリングを行うことが好ましい。また、電子線照
射などにより活性化する方法もあり、マイクロ波照射、
光照射などで活性化する方法もある。
８、ｐ型クラッド層７９が順次積層形成されている。窒
化物半導体をｐ型とするには、結晶中にＭｇ、Ｚｎ、
Ｃ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａなどのアクセプター不純物をドー
プすることによって得られるが、高キャリア濃度のｐ層
を得るためには、アクセプター不純物をドープした後、
窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気で４００℃以上
でアニーリングを行うことが好ましい。また、電子線照
射などにより活性化する方法もあり、マイクロ波照射、
光照射などで活性化する方法もある。
【００４９】さらに、コンタクト層８０として、例えば
ＩｎＧａＮ：Ｍｇをｐ型クラッド層７９上に成長する。
このコンタクト層８０のＩｎ組成は例えば１０原子％で
ある。このコンタクト層８０上に、さらにｐ電極８１を
蒸着形成する。ｐ電極８１は、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔ
ｉ、Ｐｔ、Ｐｄなどの金属薄膜、またはこれらの金属薄
膜を組み合わせた積層構造とすることができる。本例で
は、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕの組み合わせとした。
ＩｎＧａＮ：Ｍｇをｐ型クラッド層７９上に成長する。
このコンタクト層８０のＩｎ組成は例えば１０原子％で
ある。このコンタクト層８０上に、さらにｐ電極８１を
蒸着形成する。ｐ電極８１は、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔ
ｉ、Ｐｔ、Ｐｄなどの金属薄膜、またはこれらの金属薄
膜を組み合わせた積層構造とすることができる。本例で
は、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕの組み合わせとした。
【００５０】また、ｎ電極を接続するために、上記マス
ク層７３をフッ酸系エッチャントによりエッチングし、
下地層７２を一部露呈させ、その上にｎ電極８２を形成
する。ｎ電極８２は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの組み合わせと
し、これを蒸着形成した。最後に、これを劈開し、共振
器形成のための端面を形成し、半導体レーザ素子を完成
する。
ク層７３をフッ酸系エッチャントによりエッチングし、
下地層７２を一部露呈させ、その上にｎ電極８２を形成
する。ｎ電極８２は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの組み合わせと
し、これを蒸着形成した。最後に、これを劈開し、共振
器形成のための端面を形成し、半導体レーザ素子を完成
する。
【００５１】上記の半導体レーザ素子は、少なくともク
ラッド層、ガイド層及び活性層を有し、クラッド層がＧ
ａＮにより構成されるとともに、ガイド層及び活性層が
ＩｎＧａＮにより構成され、活性層のＩｎ組成がガイド
層のＩｎ組成よりも高く、且つ活性層のＩｎ組成が２０
原子％以上であることを特徴とするものであり、クラッ
ド層にＡｌＧａＮを用いておらず、Ａｌフリーである。
したがって、Ａｌの導入に起因するカタストロフィック
オプティカルダメージ（ＣＯＤ）が回避され、異常成長
などの問題が解消される。
ラッド層、ガイド層及び活性層を有し、クラッド層がＧ
ａＮにより構成されるとともに、ガイド層及び活性層が
ＩｎＧａＮにより構成され、活性層のＩｎ組成がガイド
層のＩｎ組成よりも高く、且つ活性層のＩｎ組成が２０
原子％以上であることを特徴とするものであり、クラッ
ド層にＡｌＧａＮを用いておらず、Ａｌフリーである。
したがって、Ａｌの導入に起因するカタストロフィック
オプティカルダメージ（ＣＯＤ）が回避され、異常成長
などの問題が解消される。
【００５２】また、上記半導体レーザ素子の構造を採用
した場合、Ｉｎ組成のみでバンドギャップを変えること
ができ、活性層のＩｎ組成と厚さを調節することにより
発光波長が調節される。例えば、クラッド層のバンドギ
ャップと活性層のバンドギャップのエネルギー差を０．
５ｅＶ以上とし、活性層のＩｎ組成を２０〜３０原子
％、活性層厚を１〜１０ｎｍとすることにより、発光波
長が４６０ｎｍ〜４９０ｎｍの青色半導体レーザ素子と
なる。また、クラッド層のバンドギャップと活性層のバ
ンドギャップのエネルギー差を０．５ｅＶ以上とし、活
性層のＩｎ組成を３０〜５０原子％、活性層厚を１〜１
０ｎｍとすることにより、発光波長が５００ｎｍ〜５５
０ｎｍの緑色半導体レーザ素子となる。
した場合、Ｉｎ組成のみでバンドギャップを変えること
ができ、活性層のＩｎ組成と厚さを調節することにより
発光波長が調節される。例えば、クラッド層のバンドギ
ャップと活性層のバンドギャップのエネルギー差を０．
５ｅＶ以上とし、活性層のＩｎ組成を２０〜３０原子
％、活性層厚を１〜１０ｎｍとすることにより、発光波
長が４６０ｎｍ〜４９０ｎｍの青色半導体レーザ素子と
なる。また、クラッド層のバンドギャップと活性層のバ
ンドギャップのエネルギー差を０．５ｅＶ以上とし、活
性層のＩｎ組成を３０〜５０原子％、活性層厚を１〜１
０ｎｍとすることにより、発光波長が５００ｎｍ〜５５
０ｎｍの緑色半導体レーザ素子となる。
【００５３】上記半導体レーザ素子において、例えば活
性層をＩｎＧａＮ層を含む多重量子井戸とし、そのＩｎ
組成をＩｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ）≧０．９とすることによ
り、光励起発振によるレーザ発振が可能になり、効率的
なレーザ発振が可能となる。
性層をＩｎＧａＮ層を含む多重量子井戸とし、そのＩｎ
組成をＩｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ）≧０．９とすることによ
り、光励起発振によるレーザ発振が可能になり、効率的
なレーザ発振が可能となる。
【００５４】なお、上記の例においては、その形状を断
面三角形状の、いわゆるルーフトップ形状としたが、条
件を整えることで多角錐形（いわゆるピラミッド形状）
の半導体レーザ素子とすることも可能である。この場合
にも、光励起発振、電荷の注入による発振、あるいは、
これらの組み合わせとすることが可能である。いわゆる
ピラミッド型のレーザダイオードは、これまで全く提案
されたことがなく、本発明によってはじめて実現された
ものである。
面三角形状の、いわゆるルーフトップ形状としたが、条
件を整えることで多角錐形（いわゆるピラミッド形状）
の半導体レーザ素子とすることも可能である。この場合
にも、光励起発振、電荷の注入による発振、あるいは、
これらの組み合わせとすることが可能である。いわゆる
ピラミッド型のレーザダイオードは、これまで全く提案
されたことがなく、本発明によってはじめて実現された
ものである。
【００５５】上述の半導体発光素子、半導体レーザ素子
は、これを同一平面に複数配列することで、面発光型の
発光装置とすることができる。図９は、ピラミッド型の
半導体発光素子９０を透明基板上に複数配列した例を示
すものである。この面発光型の発光装置は、面状に大き
く発光するものであり、特に、半導体発光素子がレーザ
ダイオードである場合には、面発光型のレーザ発光装置
を実現することができる。
は、これを同一平面に複数配列することで、面発光型の
発光装置とすることができる。図９は、ピラミッド型の
半導体発光素子９０を透明基板上に複数配列した例を示
すものである。この面発光型の発光装置は、面状に大き
く発光するものであり、特に、半導体発光素子がレーザ
ダイオードである場合には、面発光型のレーザ発光装置
を実現することができる。
【００５６】
【実施例】以下、本発明を適用した具体的な実施例につ
いて実験結果を基に説明する。
いて実験結果を基に説明する。
【００５７】実施例１
本例は、いわゆるルーフトップ型のストライプ状半導体
発光素子の例である。本例では、図１０に示すように、
ＧａＮ１０１をマスク１０２を介してルーフトップ型
（断面三角形状）に選択成長させ、その上に活性層１０
３及びＧａＮ層１０４を選択成長させた。
発光素子の例である。本例では、図１０に示すように、
ＧａＮ１０１をマスク１０２を介してルーフトップ型
（断面三角形状）に選択成長させ、その上に活性層１０
３及びＧａＮ層１０４を選択成長させた。
【００５８】上記活性層１０３は、多重量子井戸（ＭＱ
Ｗ）構造からなり、ここでは１０層の量子井戸を有する
１０ＭＱＷとした。また、各量子井戸は厚さ３ｎｍのＩ
ｎＧａＮ、バリアは厚さ７ｎｍのＧａＮである。量子井
戸の成長条件は、温度７８０℃、成長速度０．０２５ｎ
ｍ／秒とした。一方、ＧａＮ層１０４の膜厚は５０ｎｍ
とした。
Ｗ）構造からなり、ここでは１０層の量子井戸を有する
１０ＭＱＷとした。また、各量子井戸は厚さ３ｎｍのＩ
ｎＧａＮ、バリアは厚さ７ｎｍのＧａＮである。量子井
戸の成長条件は、温度７８０℃、成長速度０．０２５ｎ
ｍ／秒とした。一方、ＧａＮ層１０４の膜厚は５０ｎｍ
とした。
【００５９】上記半導体発光素子の寸法であるが、マス
ク１０２の開口幅を５μｍ、ストライプの幅を８μｍ、
ストライプの長手方向における素子長さを１mmとした。
ク１０２の開口幅を５μｍ、ストライプの幅を８μｍ、
ストライプの長手方向における素子長さを１mmとした。
【００６０】作製した発光素子は、光励起により発光し
た。図１１に、その発光スペクトルを示す。発光は、ス
トライプ状の発光素子の底面側から観測した。閾値は、
約０．８〜１ＭＷ／ｃｍ２であった。
た。図１１に、その発光スペクトルを示す。発光は、ス
トライプ状の発光素子の底面側から観測した。閾値は、
約０．８〜１ＭＷ／ｃｍ２であった。
【００６１】その結果、波長４０５ｎｍ付近に、活性層
（１０ＭＱＷ）からの誘導放出光のピークが観測され
た。また、波長３７０ｎｍ付近にマスク下ＧａＮからの
誘導放出光のピークが観測された。なお、このピークが
マスク下ＧａＮからの誘導放出であることは、部分的励
起によって確認した。
（１０ＭＱＷ）からの誘導放出光のピークが観測され
た。また、波長３７０ｎｍ付近にマスク下ＧａＮからの
誘導放出光のピークが観測された。なお、このピークが
マスク下ＧａＮからの誘導放出であることは、部分的励
起によって確認した。
【００６２】実施例２
本例は、いわゆるピラミッド型の半導体発光素子の例で
ある。本例では、図１２に示すように、ＧａＮ１１１を
マスク１１２を介してピラミッド型（六角錐形状）に選
択成長させ、その上に活性層１１３及びＧａＮ層１１４
を選択成長させた。
ある。本例では、図１２に示すように、ＧａＮ１１１を
マスク１１２を介してピラミッド型（六角錐形状）に選
択成長させ、その上に活性層１１３及びＧａＮ層１１４
を選択成長させた。
【００６３】上記活性層１１３は、多重量子井戸（ＭＱ
Ｗ）構造からなり、ここでは１０層の量子井戸を有する
１０ＭＱＷとした。また、各量子井戸は厚さ３ｎｍのＩ
ｎＧａＮ、バリアは厚さ７ｎｍのＧａＮである。量子井
戸の成長条件は、温度７８０℃、成長速度０．０２５ｎ
ｍ／秒とした。一方、ＧａＮ層１０４の膜厚は５０ｎｍ
とした。また、上記半導体発光素子の寸法であるが、マ
スク１１２の開口径を１０μｍとした。
Ｗ）構造からなり、ここでは１０層の量子井戸を有する
１０ＭＱＷとした。また、各量子井戸は厚さ３ｎｍのＩ
ｎＧａＮ、バリアは厚さ７ｎｍのＧａＮである。量子井
戸の成長条件は、温度７８０℃、成長速度０．０２５ｎ
ｍ／秒とした。一方、ＧａＮ層１０４の膜厚は５０ｎｍ
とした。また、上記半導体発光素子の寸法であるが、マ
スク１１２の開口径を１０μｍとした。
【００６４】作製した発光素子は、光励起により発光し
た。図１３に、その発光スペクトルを示す。発光は、ス
トライプ状の発光素子の底面側から観測した。閾値は、
約２ＭＷ／ｃｍ２であった。
た。図１３に、その発光スペクトルを示す。発光は、ス
トライプ状の発光素子の底面側から観測した。閾値は、
約２ＭＷ／ｃｍ２であった。
【００６５】上記半導体発光素子を３個励起させたとこ
ろ、先ず図中のピークＡが観測され、その後、励起強度
の増加とともに、図中のピークＢに移行した。
ろ、先ず図中のピークＡが観測され、その後、励起強度
の増加とともに、図中のピークＢに移行した。
【００６６】
【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明によれば、光励起により効率的に発光する半導体発光
素子を実現することが可能である。この半導体発光素子
は、スーパールミネッセントダイオード、あるいはレー
ザダイオードとして、様々な分野に適用可能である。ま
た、本発明によれば、光励起に限らず、効率的に発光す
ることが可能な半導体発光素子を実現することができ、
さらには、これまで実現されたことのないピラミッド型
の半導体レーザ素子を提供することも可能である。さら
に、本発明によれば、面状に大きく発光する発光装置、
例えば面発光レーザを実現することが可能である。
明によれば、光励起により効率的に発光する半導体発光
素子を実現することが可能である。この半導体発光素子
は、スーパールミネッセントダイオード、あるいはレー
ザダイオードとして、様々な分野に適用可能である。ま
た、本発明によれば、光励起に限らず、効率的に発光す
ることが可能な半導体発光素子を実現することができ、
さらには、これまで実現されたことのないピラミッド型
の半導体レーザ素子を提供することも可能である。さら
に、本発明によれば、面状に大きく発光する発光装置、
例えば面発光レーザを実現することが可能である。
【図１】半導体発光素子の一例を示す図面であり、
（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略平面図である。
（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略平面図である。
【図２】本発明の半導体発光素子のおける発光の様子を
示す模式図である。
示す模式図である。
【図３】半導体発光素子の一形状例を示す概略斜視図で
ある。
ある。
【図４】半導体発光素子の他の形状例を示す概略斜視図
である。
である。
【図５】半導体発光素子のさらに他の形状例を示す概略
斜視図である。
斜視図である。
【図６】半導体発光素子のさらに他の形状例を示す概略
斜視図である。
斜視図である。
【図７】半導体発光素子のさらに他の形状例を示す概略
斜視図である。
斜視図である。
【図８】Ｓ面半導体レーザ素子の一例を示す概略斜視図
である。
である。
【図９】面発光する発光装置の一例を示す概略斜視図で
ある。
ある。
【図１０】作製したストライプ状半導体発光素子の概略
構成を示す斜視図である。
構成を示す斜視図である。
【図１１】作製したストライプ状半導体発光素子の発光
スペクトルを示す特性図である。
スペクトルを示す特性図である。
【図１２】作製したピラミッド型半導体発光素子の概略
構成を示す斜視図である。
構成を示す斜視図である。
【図１３】作製したピラミッド型半導体発光素子の発光
スペクトルを示す特性図である。
スペクトルを示す特性図である。
１ 下地成長層、２ ＧａＮ層、３ 活性層、４ Ｇａ
Ｎ層、１０１，１１１ＧａＮ、１０２，１１２ マス
ク、１０３，１１３ 活性層、１０４，１１４ＧａＮ層
Ｎ層、１０１，１１１ＧａＮ、１０２，１１２ マス
ク、１０３，１１３ 活性層、１０４，１１４ＧａＮ層
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Ｆターム(参考） 5F041 AA03 AA14 AA40 CA05 CA10
CA13 CA23 CA34 CA40 CA64
CB25 CB36 FF01
5F073 AA02 AA11 AA45 AA55 AB05
AB16 BA09 CA07 DA04 DA16
EA29
Claims (32)
- 【請求項１】 化合物半導体からなり周囲の少なくとも
１面が傾斜面とされた傾斜結晶に活性層が形成され、該
活性層に吸収された励起光により誘導放出光を発するこ
とを特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項２】 前記化合物半導体は窒化物半導体からな
ることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。 - 【請求項３】 前記活性層は、ＩｎＧａＮ層を有するこ
とを特徴とする請求項２記載の半導体発光素子。 - 【請求項４】 前記ＩｎＧａＮ層において、Ｉｎの組成
がＩｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ）≧０．９を満たすものであるこ
とを特徴とする請求項３記載の半導体発光素子。 - 【請求項５】 前記活性層は、前記ＩｎＧａＮ層を量子
井戸とする多重量子井戸とされていることを特徴とする
請求項３記載の半導体発光素子。 - 【請求項６】 前記傾斜結晶は多角錐形状とされている
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。 - 【請求項７】 前記傾斜結晶は断面三角形のライン状と
されていることを特徴とする請求項１記載の半導体発光
素子。 - 【請求項８】 当該素子はスーパールミネッセントダイ
オードとして機能することを特徴とする請求項１記載の
半導体発光素子。 - 【請求項９】 当該素子はレーザダイオードとして機能
することを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。 - 【請求項１０】 基板上に該基板の主面に対して傾斜し
た傾斜結晶面を有する結晶層を形成し、前記傾斜結晶面
に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第
２導電型層を前記結晶層に形成してなることを特徴とす
る請求項１記載の半導体発光素子。 - 【請求項１１】 前記結晶層はウルツ鉱型の結晶構造を
有することを特徴とする請求項１０記載の半導体発光素
子。 - 【請求項１２】 前記結晶層は下地成長層を介して前記
基板上に選択成長により設けられることを特徴とする請
求項１０記載の半導体発光素子。 - 【請求項１３】 前記選択成長は前記下地成長層を選択
的に除去することを利用して行われることを特徴とする
請求項１２記載の半導体発光素子。 - 【請求項１４】 前記選択成長は選択的に形成されたマ
スク層の開口部を利用して行われることを特徴とする請
求項１２記載の半導体発光素子。 - 【請求項１５】 前記結晶層は前記マスク層の開口部よ
りも横方向に広がって選択成長したものであることを特
徴とする請求項１４記載の半導体発光素子。 - 【請求項１６】 前記基板の主面はＣ面であることを特
徴とする請求項１０記載の半導体発光素子。 - 【請求項１７】 前記傾斜結晶面はＳ面及び（１１−２
２）面の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項
１記載の半導体発光素子。 - 【請求項１８】 前記傾斜結晶面に主に電流注入される
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。 - 【請求項１９】 傾斜面上に活性層が形成され光励起発
振により誘導放出光を発する半導体発光素子が複数配列
され、光励起により面状に発光することを特徴とする発
光装置。 - 【請求項２０】 当該発光装置は面発光レーザとして機
能することを特徴とする請求項１９記載の発光装置。 - 【請求項２１】 傾斜結晶上にＩｎＧａＮ層を含む活性
層が形成され、前記ＩｎＧａＮ層におけるＩｎの組成が
Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ）≧０．９を満たすものであること
を特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項２２】 前記活性層は、前記ＩｎＧａＮ層を量
子井戸とする多重量子井戸とされていることを特徴とす
る請求項２１記載の半導体発光素子。 - 【請求項２３】 当該素子はスーパールミネッセントダ
イオードとして機能することを特徴とする請求項２１記
載の半導体発光素子。 - 【請求項２４】 当該素子はレーザダイオードとして機
能することを特徴とする請求項２１記載の半導体発光素
子。 - 【請求項２５】 傾斜結晶上にＩｎＧａＮ層を含む活性
層が形成され、前記ＩｎＧａＮ層におけるＩｎの組成が
Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ）≧０．９を満たすものである半導
体発光素子が複数配列され、面状に発光することを特徴
とする発光装置。 - 【請求項２６】 当該発光装置は面発光レーザとして機
能することを特徴とする請求項２５記載の発光装置。 - 【請求項２７】 多角錐形状を有することを特徴とする
半導体レーザ素子。 - 【請求項２８】 活性層としてＩｎＧａＮ層を有するこ
とを特徴とする請求項２７記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項２９】 前記ＩｎＧａＮ層におけるＩｎの組成
がＩｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ）≧０．９を満たすものであるこ
とを特徴とする請求項２８記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項３０】 前記活性層は、前記ＩｎＧａＮ層を量
子井戸とする多重量子井戸とされていることを特徴とす
る請求項２８記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項３１】 多角錐形状を有する半導体レーザ素子
が複数配列され、光励起により面状に発光することを特
徴とする発光装置。 - 【請求項３２】 当該装置は面発光レーザとして機能す
ることを特徴とする請求項３１記載の発光装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002010217A JP2003218395A (ja) | 2002-01-18 | 2002-01-18 | 半導体発光素子、半導体レーザ素子及びこれを用いた発光装置 |
| US10/341,659 US20030168666A1 (en) | 2002-01-18 | 2003-01-14 | Semiconductor light emitting device, semiconductor laser device, and light emitting apparatus using the same |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002010217A JP2003218395A (ja) | 2002-01-18 | 2002-01-18 | 半導体発光素子、半導体レーザ素子及びこれを用いた発光装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003218395A true JP2003218395A (ja) | 2003-07-31 |
Family
ID=27648018
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
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