JP2004031657A - Semiconductor light emitting element, method of manufacturing the same, and semiconductor light emitting apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子およびその製造方法ならびに該半導体発光素子を有する半導体発光装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
GaN,InN,AlNおよびそれらの混晶半導体からなる窒化物半導体材料をはじめとする、六方晶系構造を有する半導体を用いて、LEDや半導体レーザ等の発光素子が実現されており、垂直共振器型面発光レーザ(VCSEL)についても構造が提案されてきた。
【0003】
たとえば特開平10−135576号公報に開示された垂直共振器型面発光レーザは、活性層等のエピタキシャル層の積層面内に窒化物半導体の<0001>方向を配置し、積層面に垂直な方向を<1−100>方位とすることを特徴としている。
【0004】
本従来例の半導体レーザでは、活性層の主面が(1−100)面となり、従前の活性層の主面が(0001)面となる半導体レーザと異なり、結晶学的に等方でないので、垂直方向に放射されるレーザ光が特定の方向に偏光する。これにより、従前の垂直共振器型面発光レーザの、レーザ光の偏光方向が定まり難いという問題点が解消されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例においては、基板として、たとえばGaN(1−100)面基板を用いてレーザを作製することにより、上記半導体レーザを実現できるとしているが、このような基板は広く市販はされていなかった。窒化物半導体は、<0001>方向に結晶成長し易いという性質を有するため、窒化物半導体からなる(1−100)面基板を安定して製造することは困難である。そのため、GaN(1−100)面基板を安定して供給することができなかった。
【0006】
他の基板を用いた場合には、窒化物半導体は、その主面が(0001)面となるように結晶成長しやすく、上記結晶方位を有する半導体レーザを得ることは困難であった。したがって、上記従来技術の垂直共振器型半導体レーザを、実用レベルで実現することは不可能であった。
【0007】
本発明は、このような問題点を解決するものであり、窒化物系半導体を用い、偏光方向が制御された垂直共振器型半導体レーザ、効率の高い垂直共振器型半導体レーザ、レゾナントキャビティー型発光素子等の半導体発光素子および該半導体発光素子を有する半導体発光装置を実用レベルで実現することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光素子は、1つの局面では、窒化物半導体を含む活性層と、該活性層を挟むクラッド層とを有し、活性層とクラッド層の積層方向に共振器を有する。そして、上記活性層の主面の面方位を(1−101)とする。
【0009】
上記のように活性層の主面の面方位を(1−101)とすることにより、活性層とクラッド層の積層方向に共振器を有する半導体発光素子において、偏光方向の制御性を向上することができる。また、該(1−101)面は、特定の基板を用いることで結晶成長時に安定して得ることができる。
【0010】
本発明の半導体発光素子は、他の局面では、基板と、該基板上に形成された窒化物半導体で構成される化合物半導体層とを備える。基板は、該基板の主面より62度傾斜した面、もしくはこの面から任意の方向に3度以内の範囲で傾いた面を斜面として有する溝を有し、化合物半導体層は該斜面上に形成される。化合物半導体層上に、窒化物半導体を含む活性層と、該活性層を挟むクラッド層とを有し、活性層とクラッド層の積層方向に共振器を有する。活性層は、基板の主面に略一致した面方位を有する。
【0011】
上記のような基板を用いて化合物半導体層を形成することにより、化合物半導体層の主面の面方位を(1−101)とすることができる。したがって、該化合物半導体層上に形成される活性層の主面の面方位を、基板の主面に略一致した(1−101)とすることができ、活性層とクラッド層の積層方向に共振器を有する半導体発光素子において偏光方向の制御性を向上することができる。また、上記の基板を用いることにより、(1−101)面を結晶成長時に安定して得ることができる。
【0012】
本発明の半導体発光素子は、さらに他の局面では、シリコン基板と、該シリコン基板上に形成された窒化物半導体で構成される化合物半導体層とを有する。該化合物半導体層は、(100)面を[01−1]軸のまわりで7.3度回転した面、もしくは、この面から任意の方向に3度以内傾けた範囲にある面で構成される主面を有するシリコン基板を用いて形成され、シリコン基板は、(111)面を斜面として有する溝を備える。化合物半導体層は上記斜面上に形成される。そして、窒化物半導体を含んで構成される活性層と該活性層を挟むクラッド層とを有し、活性層とクラッド層の積層方向の共振器を有する。
【0013】
上記のようなシリコン基板を用いて化合物半導体層を形成した場合においても、主面の面方位が(1−101)である化合物半導体層を得ることができる。したがって、該化合物半導体層上に形成される活性層の主面の面方位も(1−101)とすることができ、活性層とクラッド層の積層方向に共振器を有する半導体発光素子において偏光方向の制御性を向上することができる。また、上記の基板を用いることにより、(1−101)面を結晶成長時に安定して得ることができる。
【0014】
上記クラッド層または活性層の主面の面方位は、好ましくは、(1−101)である。また、化合物半導体層の<0001>方向は、好ましくは、上記斜面に略垂直である。上記溝は、好ましくは、活性層を構成する窒化物半導体の[11−20]方向に沿って延伸する。上記半導体発光素子は、好ましくは、半導体レーザ素子であり、該半導体レーザ素子から放射されるレーザ光は、上記溝に平行もしくは垂直な方向に偏光する。また、上記基板の表面の、斜面以外の少なくとも一部に、窒化物半導体の成長が抑制される膜が形成されることが好ましい。
【0015】
本発明の半導体発光装置は、上述の半導体発光素子と、該半導体発光素子からの出射光を吸収し、出射光とは異なる波長の光を発光する波長変換物質とを備える。
【0016】
本発明の半導体発光素子の製造方法は、1つの局面では、次の各工程を備える。基板の主面に、該主面より62度の傾斜した面か、もしくはこの面から任意の方向に3度以内の範囲で傾いた面を斜面として有する溝を形成する。該斜面上に窒化物半導体を結晶成長し、基板の主面に略平行な面を有する化合物半導体層を形成する。該化合物半導体層上に、各々窒化物半導体で構成される下部クラッド層、活性層、上部クラッド層をこの順に積層する。
【0017】
上記の基板に設けた溝の斜面上に窒化物半導体を結晶成長させることにより、基板の主面に略平行な面を有する化合物半導体層を形成することができる。つまり、(1−101)面を主面とする化合物半導体層を安定して形成することができる。この化合物半導体層上に、窒化物半導体で構成される下部クラッド層、活性層、上部クラッド層を積層することにより、(1−101)面を主面とする下部クラッド層、活性層、上部クラッド層を安定して形成することができ、偏光方向の制御性に優れた半導体発光素子を得ることができる。
【0018】
本発明の半導体発光素子の製造方法は、他の局面では、次の各工程を備える。窒化物系半導体の(1−101)面を主面として有する化合物半導体層の主面上に、各々窒化物半導体で構成される下部クラッド層、活性層および上部クラッド層をこの順に積層する。
【0019】
本局面の場合も、(1−101)面を主面とする下部クラッド層、活性層、上部クラッド層を安定して形成することができ、偏光方向の制御性に優れた半導体発光素子を得ることができる。
【0020】
なお、本明細書において、窒化物半導体とは、主にIII族元素とN元素より構成された化合物半導体であって、AlxInyGa1−x−yN(0≦x,y≦1)の他、そのIII族元素の一部(20%程度以下)をB,Tl等の他の元素で置換した結晶や、そのN元素の一部(10%程度以下)をAs,P,Sb等の他の元素で置換した結晶を含む。
【0021】
また、本明細書において、特定の面・方向を示す際、数学的に厳密に規定されたその面・方向のみが、本発明の適用範囲と解すべきではない。それらの面・方向から、若干ずれていたとしても、本発明の効果が失われるものではなく、具体的には、3度程度以内ずれていても、本発明の適用範囲内と解すべきである。
【0022】
【発明の実施の形態】
本発明について、以下に実施の形態を示しつつ説明する。
【0023】
<実施の形態1>
図1は、本実施の形態における窒化物半導体膜(化合物半導体層)の(1−101)ファセット面70を形成するための概念図であり、図2は、本実施の形態の窒化物半導体発光素子の構造を示す概略断面図である。
【0024】
本実施の形態の窒化物半導体発光素子は、[0−1−1]方向へ7.3°オフした(001)シリコン基板1上に形成される。該シリコン基板1は、その主面から62度の角度の斜面を(111)ファセット面61として有するストライプ状の溝を有しており、そのファセット面61から下記の説明のように順次平坦化されて積層されていくn−AlGaInN層10、n−GaN層102を有している。なお、ファセット面61から任意の方向に3度以内傾いた面を斜面としてもよい。
【0025】
n−GaN層102の上面は、ほぼ基板主面と平行であり、(1−101)面となっている。その上に、図2に示すように、順次、n−InAlN/GaN多層反射膜103、n−AlGaNスペーサ層104、InwGa1−wN(0<w<1)井戸層とInvGa1−vN(0≦v<w)障壁層との交互多層構造からなる多重量子井戸活性層105(発振波長400nm)、AlGaNキャップ層106、p−AlGaNスペーサ層107、p−GaNコンタクト層108の各窒化物半導体層が形成されている。活性層(多重量子井戸活性層105)と、クラッド層の役割を果たすスペーサ層とを含む各窒化物半導体層の主面の面方位は(1−101)であり、シリコン基板1の主面の面方位と略一致している。
【0026】
さらに、p−GaNコンタクト層108の上面には、金属電極110がメッシュ状に形成されており、金属電極110を含めて上面を覆うように、誘電体多層反射膜111が形成されている。また、上面から、n−GaN層102が露出するように各層がエッチングされており、n−GaN層102上には、金属電極109を設けている。こうして、活性層とその両側に、活性層にキャリアを閉じ込めるためのクラッド層の役割を果たすスペーサ層が設けられ、さらにその外側に反射鏡が設けられている、垂直共振器構造が構成されている。
【0027】
本実施の形態では、垂直共振器の光出力部の形状を、直径がd=50μmの円形とし、これは光出力のための開口部で規定される。垂直共振器の側面には、絶縁保護膜112を設ける。また、図示されないが、金属電極110に電気的に接続したパッドを、外部との電気的な接続のためのワイヤーを形成するためのものとして適宜設けた。反射鏡間の距離、すなわち、多層反射膜103と誘電体多層反射膜111との間の距離は、3λであり、その中心に活性層が位置する。
【0028】
n型半導体を形成するためのドーパントとしては、Si,Ge,O,S,Seが好ましく、p型半導体を形成するためのドーパントとしては、Be,Cd,Mgが好ましい。Be,Cd,Mgと同時に、Si,Ge,O,S,Seのいずれかを添加することも、低抵抗、ドーパント拡散の少ないp型層を得るために好ましい。
【0029】
次に、本実施の形態の半導体発光素子(半導体レーザ素子)の作製方法について図4ないし図7を参照しつつ説明する。
【0030】
まず、[0−1−1]方向へ7.3°オフした(001)シリコン基板(ウエハ)1を洗浄し、その上に、スパッタリングもしくはCVD(Chemical Vapor Deposition)の技術を用い、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の絶縁膜からなるマスク52を100nm堆積させる。その後、図4の通り、フォトリソグラフィ技術を用いて、マスク52をストライプ状に除去する。このときストライプの方向は、Si[01−1]方向に沿っている。
【0031】
さらにそのシリコン基板1を、KOH等のアルカリのエッチャントもしくはバッファードフッ酸などの酸エッチャントによってエッチングし、図5に示すとおりSi(111)ファセット面61をもつ溝を形成する。この溝は、Si[01−1]方向(窒化物系半導体の<11−20>方向)に延伸したストライプ状の溝である。図1に示す通り、(111)ファセット面61は、シリコン基板1の主面60を上記所定の面方位としたのでこれに対して62度の関係を有しているものであった。この面は、上記エッチングにより得られる平坦なファセット面であり、適宜エッチャント温度、エッチング速度を調整することで容易に得ることができる。
【0032】
このとき、溝の形状自体は、V字もしくは底の領域が平坦になっている変形のV字等の形状であり、もう一方の斜面は、(1−1−1)ファセット面となる。シリコン基板1がオフ基板であるために、V字の形状は左右対称でなく、(111)斜面は主面60に対して約62°傾斜した面であるが、(1−1−1)斜面は同約47°傾斜した面である。このシリコン基板1をスパッタリング装置内で傾けた状態で設置することで(111)ファセット面61には膜がつかないようにしながら製膜を行い、(1−1−1)ファセット面を覆うようにシリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜からなるマスク52を施し、図6の状態とする。これを、窒化物半導体膜あるいは窒化物半導体基板作成用の基板とする。
【0033】
そして、MOCVD(有機金属化学気相成長)法を用いて、以下の成長条件で窒化物半導体膜を成長する。上記プロセスを行ったシリコン基板1のファセット面61上に、図1に示すn−AlGaInN中間層10、n−GaN層102(化合物半導体層)を結晶成長することで、図7(a)〜(b)のような成長過程を経て、上面に平坦なGaN(1−101)ファセット面70をもったGaN結晶膜を作製することが可能となる。
【0034】
ここで、n−AlGaInN中間層10はバッファ層としての役割を果たす、膜厚数100nm程度以下の薄い膜である。図7(a)に示すように、結晶成長は露出する(111)ファセット面61上から開始する。成長する窒化物半導体は、斜面に対して<0001>方向が垂直となるように配向する。成長した結晶の上面には、基板主面にほぼ平行にGaN(1−101)ファセット面70が現れ、そのため図7(b)に示すように、成長途中の段階では窒化物半導体は、ストライプ方向に伸びた三角柱のような形状の結晶となる。なお、図1は、図7(b)の状態における断面図を用いて結晶方位等を示した図である。
【0035】
結晶成長が進むにしたがって図7(c)に示すように窒化物半導体からなる三角柱状結晶の径は大きくなり、ついには隣接する三角柱状結晶同士が接触するようになる。さらに成長を続けると、分離していた各三角柱状結晶は合体し、図7(d)に示すように、表面に平坦なGaN(1−101)ファセット面72をもったGaN結晶からなる連続膜が得られることになる。
【0036】
成長初期に用いる中間層としては、AlInN中間層、AlGaN中間層、AlN中間層を用いても同様の結果が得られた。なお、中間層として、Alを含む組成の窒化物系半導体結晶で構成すれば、Si基板の表面荒れを防止することができ、また、Inを含む組成の窒化物系半導体結晶で構成すれば、上記n型不純物を添加することで、低抵抗の膜を形成することができる。
【0037】
このように本発明では、シリコン基板1を用いた場合、窒化物半導体膜は該基板に対してc軸配向の結晶成長が行われやすく、ファセット面と基板のオフ角の関係が62°からなるシリコン基板1を用いることで、平坦な窒化物半導体の(1−101)ファセット面70,72を有する結晶膜を生産性良く製造することができる。
【0038】
続いて、n−InAlN/GaN多層反射膜103からp−GaNコンタクト層108までの各窒化物半導体層をMOCVD(有機金属化学気相成長法)により、順次積層形成する。その後、円柱状に、n−GaN層が露出するまでエッチングを行い、p−GaNコンタクト層108の上面にメッシュ状の金属電極110を設ける。金属電極110としては、Pd/Ag/Au,Ag/Pd/Au,Pd/Pt/Au,Pd/Mo/Au等を用いてもよく、発光領域中に均一に電流が注入でき、かつ、光取出しが可能なように、線幅2μm程度、個々の開口部2μm角程度のサイズのメッシュ状とした。
【0039】
その後、n−GaN層の円柱状の発光領域の周囲には、金属電極109を設ける。また、発光領域の上面には、誘電体多層膜111を設ける。これには、TiO2とSiO2の交互多層膜や、Ta2O5とSiO2の交互多層膜等が好ましく用いられ、レーザ発振動作のためには、反射率を80%程度以上とする。なお、LED動作(レゾナントキャビティ型LED)のためには、反射率は50%以上程度でよい。
【0040】
ここで用いたシリコン基板1は(001)面から7.3°[0−1−1]方向に傾けた、すなわち(001)面から[01−1]軸のまわりで7.3度回転した主面60を持つものであり、これより活性層は(1−101)を面方位としてもち、また、これがシリコン基板1の主面60とほぼ同じ面方位を持つ。シリコン基板1が、上記主面60から任意の方向に3度以内の範囲で傾いている面を主面として有する場合も、(1−101)面に近い面方位を有する極めて平坦な窒化物半導体界面が得られる。
【0041】
そして、作製した半導体レーザ素子の特性を測定したところ、動作電流300mAで、光出力0.5Wが得られた。また、その偏光方向は、多くの場合、活性層等を構成する窒化物系半導体<11−20>方向であった。クラッド層の成長温度等を変化させ、活性層に与える歪の状態によっては、<11−20>に垂直な方向であった。いずれの場合においても、活性層が面内で結晶学的に異方性を持つため、その偏光方向が安定していた。
【0042】
これらの結果は、上記所定の面方位を持つ活性層を有することで、極めて平坦性の高く、その層厚のゆらぎが少ない量子井戸構造が得られたこと、また、GaN膜のc軸が活性層面から傾くことで、活性層内の井戸および障壁層界面にピエゾ効果によって生じる電界が減少するため、電子正孔対のキャリア再結合確率が上がって発光効率が改善すること、さらには、活性層の主面が結晶学的に等方的でないために、レーザ発振光が一方向に偏光しており、そのため、発光効率が高いこと、さらには、結晶成長方向が結晶初期から途中で(1−101)方向に変化することから、基板界面付近から延びる貫通転位が活性層に達しなくなり、非発光再結合が減少したこと等の複合的効果によるものと考えられる。
【0043】
また、このように活性層の主面が等方的でない面である(1−101)面とするために、基板上に所定の溝状の構造をあらかじめ形成しておくだけの、簡便な方法で実現することができた。さらに、本発明においては、有効にクラックの発生を抑制することができた。これは、AlGaNクラッド層の結晶成長が[1−101]方向に進むこと、また、基板主面から相当に傾斜した斜面上から窒化物半導体の成長を開始し、成長方向が途中より(1−101)方向に変化する効果によるものと考えられる。
【0044】
通常シリコン基板1上に本実施の形態と同様のレーザ層構造を作成すると、数百本/mmものクラックが発生するが、本発明によりクラックの発生はほぼ皆無となった。サファイア基板上に本実施の形態と同様のレーザ構造を作成した場合と比べてもクラックが発生しにくく、クラックの抑制効果は顕著である。
【0045】
以上より、半導体レーザ素子において閾値が低減し、また、クラック・欠陥が抑制され、素子寿命も向上した。なお、ここに記載された効果は、他の実施の形態に記載した発光素子においても同様に見られるものである。
【0046】
また、従来技術のような、活性層の主面を(1−100)面とした場合と比較しても、(1−101)面を主面とする積層方向の共振器を有する、本発明の半導体発光素子は、(1−101)面が結晶成長時に安定面として形成される面であることから、活性層の平坦性が得られやすい。また、閾値電流密度が小さく、欠陥が少ないために、寿命特性にも優れている利点がある。特に、垂直共振器型の発光素子においては、反射鏡として多層反射膜を形成する必要があり、本発明のように、各半導体層において平坦な表面が得られる(1−101)面を主面として成長する技術は、このような多層反射膜の平坦性にも直結し、所望の反射率を得ることが容易になる。
【0047】
本実施の形態をはじめとして、以下の実施の形態において、成長初期に用いる中間層としては、AlGaInN中間層の他に、AlInN中間層、AlGaN中間層を用いてもよく、AlNを用いてもよい。中間層の組成を選定するにあたっては、成長初期時のシリコン基板1の荒れを抑制するためにはGa組成を小さくすることがよく、また、シリコン基板1を通じて電流を流す場合に、界面の抵抗を減少させる目的には、Al組成を小さくし、また、Si等のn型不純物を1017cm−3以上の高ドープすることが望ましい。
【0048】
また、n側の金属電極を、シリコン基板1に設け、窒化物半導体からシリコン基板1を通じて電流を流す構成とすることもでき、この場合、窒化物半導体とシリコン基板1との界面で、電圧降下が生じやすい問題があるが、n型窒化物半導体とシリコン基板1とを短絡する電極を設けて電圧降下を低減することも有効であり、これは、成長抑制膜と兼用することもできる。
【0049】
またさらに、本実施の形態の半導体素子において、シリコン基板に設けられた溝の間隔は、半導体素子のサイズと同一のオーダーであり、本実施の形態を説明する図2において、素子当たり2本の溝が形成されているが、本発明の適用はこのような場合に限られるわけではなく、さらに疎に溝を設けてもよく、逆に、素子内に数十本から数百本程度になるように密に溝を設けることも有効である。溝の間隔は、1μm〜1000μmであってもよく、溝の斜面である62度の傾斜面の深さは、0.1μm〜100μmであってもよい。
【0050】
<実施の形態2>
実施の形態1においては、(001)面より7.3度傾けたシリコン基板1上に直接発光素子構造の作製を行なったが、このシリコン基板1をGaN基板作製のための下地基板として用い、連続膜からなるGaN基板を作製したのちに半導体レーザ素子を形成することも可能である。
【0051】
実施の形態1の製造工程において説明した、図7(d)の状態のウェハをHVPE(ハイドライドVPE)装置内に導入する。N2キャリアガスとNH3を、それぞれ5(l/min.)流しながら、基板の温度を約1050℃まで昇温する。その後、基板上にGaClを100(cm3/min.)導入してGaNの厚膜の成長を開始する。GaClは約850℃に保持されたGa金属にHClガスを流すことにより生成される。また、基板近傍まで単独で配管してある不純物ドーピングラインを用いて不純物ガスを流すことにより、任意に成長中に不純物のドーピングを行なうことができる。本実施の形態ではSiをドーピングする目的で、成長を開始すると同時に、モノシラン(SiH4)を200(nmol/min.)供給(Si不純物濃度約3.8x1018cm−3)してSiドープGaN膜を成長する。
【0052】
上記方法で、8時間の成長を行ない、膜厚の合計が約350μmの厚さのGaNを上記シリコン基板1上に成長する。成長後、研磨ないしはエッチングによりシリコン基板1を除去し、(1−101)ファセット面70を有する極めて平坦なGaN基板を得る。こうして、本実施の形態によれば、ファセット(1−101)面70を表面に有する窒化物半導体(GaN)基板を得ることができる。
【0053】
このn−GaN基板(膜厚100μm)上に、順次、実施の形態1の垂直共振器型面発光レーザ構造を実施の形態1と同様の手法で形成することで、本実施の形態の半導体レーザ素子(ウエハー)を得る。ただし、n−GaN基板の裏面に、n側の金属電極を形成する。得られた半導体レーザ素子は、ステム,リードフレーム等の基台の上に金属電極を下にして設置し、外部からの電力供給を行い動作させる。
【0054】
上記のごとく、シリコン基板1を出発基板として、(1−101)ファセット面70を有する極めて平坦なGaN基板を作製し、その後、半導体レーザ素子を作製したので、発振閾値の低い半導体発光素子が得られた。
【0055】
作製した半導体レーザ素子の特性を測定したところ、駆動電流0.6Aで、光出力1Wのレーザ出力が得られた。実施の形態1と比較して、熱伝導に優れるGaNを基板としたので、より高電流域まで光出力が飽和しにくくなった。
【0056】
<実施の形態3>
実施の形態1では、Si(111)面が、エッチャントを用いたエッチング方法(湿式エッチング)により容易に形成される性質を利用し、シリコン主面から約62度傾斜した溝斜面を得ていた。こうして得られた斜面は、いわゆる結晶ファセットであり、加工精度が安定しているだけでなく、平坦性にも優れており、窒化物半導体を成長させる下地として非常に優れている。
【0057】
しかしながら、本発明の適用範囲はこれだけに限られるものではない。本願発明者の数々の実験より、(001)面より7.3度傾けた面をシリコン基板1の主面として用いるだけでなく、他の面を主面として用いた場合においても、シリコン基板1の主面上に実施の形態1と同様に部分的にマスク52を施し、エッチングの温度、速度を変えることで、主面に対して62度からなる傾斜面を有する溝を形成することが可能となった。
【0058】
そこで、その面を用い検討を行なった場合、同様の結果が得られた。つまり、実施の形態1と同じように、GaN(1−101)ファセット面70が、シリコン基板1の主面とほぼ平行になるような結晶成長が可能であり、このような成長を続ける結果、平坦なGaN(1−101)ファセット面70を表面にもつ連続した結晶膜が得られた。
【0059】
GaNは配向性の強い結晶であり通常の方法では、主面に垂直にc軸配向し、よって得られる結晶はC面を主面とするものしか得られずC面とは異なる面を有する結晶を得ることは困難であったが、本発明により、GaN(1−101)ファセット面70を表面にもつ結晶が容易に得られるようになった。
【0060】
たとえば(2−1−1)面から[100]方向に8.6°オフしたシリコン基板1上に、[01−1]方向に延伸したストライプ状溝を作成することで(211)ファセット面を主面から62°傾斜した斜面として形成することができ、これによっても上記同様な表面が平坦なGaN結晶膜が得られた。これは窒化物半導体結晶が、この(211)ファセット面に対しても垂直軸をc軸として、成長が行われ、この場合にも(211)面から62°の角度の関係を有するシリコンオフ基板1を用いることで、平坦なGaN基板が得られるものと考えられる。
【0061】
このように本発明では、シリコン基板1を用いた場合、窒化物半導体膜は基板に対してc軸配向の結晶成長が行われやすく、ファセット面と基板主面のオフ角の関係が62°である基板を用いることで、平坦な窒化物半導体の(1−101)ファセット面70を有する結晶膜を得ることができる。
【0062】
この結晶膜を成長させて得られた連続膜からなる窒化物半導体膜上に、実施の形態1や2と同様にして半導体発光素子を形成することでシリコン基板1上への高輝度、高効率の半導体発光素子の作製が可能となる。
【0063】
こうして得られた半導体発光素子は、その発光層(活性層)が(1−101)ファセット面を主面として有している。これは、従来、サファイア基板、SiC基板、Si(111)基板を用いて形成されていた素子が(0001)面を主面としていたのと異なっている。
【0064】
ウルツ鉱構造結晶である窒化物半導体の(0001)面を主面としていた薄膜は、その主面に平行な方向では、バンド構造的に等価であるが、本発明のように(1−101)ファセット面を主面とした薄膜は、その主面に平行な方向もバンド構造的に等価ではない。よって、本実施の形態に限らず、本発明を応用した発光素子は、発光層(活性層)に平行な方向のバンドの縮退が解けており、よって、発光効率が高く、また、半導体レーザ素子に応用した場合に格段の低閾値、高効率を実現することができる。
【0065】
さらには、基板はシリコンだけに限られるものではない。たとえば、GaAs等の他の立方晶基板を用い、面方位の関係を実施の形態1等の場合と同様としても同様に半導体レーザ素子を構成できる。ただし、シリコン基板1は、窒化物半導体を成長する際の成長雰囲気に対して比較的安定であり、結晶成長時に成長面を平坦なままに保ちやすく、本発明の効果が安定して得られやすい利点がある。また、立方晶に限らず、任意の材料を基板として用い、溝の形状を本明細書で規定するとおりに加工してもよい。ただし、実施の形態1等で説明したシリコン基板1に溝を形成する手法では、いわゆるファセット面を斜面として用いているので、平坦性、窒化物半導体を成長する際の成長雰囲気に対する安定性が優れており、本発明の効果が安定して得られ易い利点がある。
【0066】
<実施の形態4>
本実施の形態は、実施の形態1の変形例であり、実施の形態1の半導体レーザの共振器領域の直径dを3μmにし、多層反射膜103の反射率を99%、誘電体多層反射膜111の反射率を95%程度にしたものである。その結果、発振閾値0.5mAと、超低閾値の短波長半導体レーザを実現でき、また、光出力5mWで、1000時間の動作試験を実施したところ、偏光方向の変動が無く、発振が極めて安定していることが判明した。このように、超低閾値かつ偏光方向が安定した半導体レーザが実現でき、光ディスクシステムの光源として最適である。
【0067】
なお、本実施の形態の思想を、実施の形態2または実施の形態3の思想と組み合わせることも可能であり、それぞれに適用しても同様の結果が得られた。
【0068】
<実施の形態5>
本実施の形態は、実施の形態1の変形例であり、実施の形態1の半導体レーザのメッシュ状の金属電極110を平坦なITO膜に変更し、その上に、反射鏡となる誘電体多層膜111を設ける。それ以外の構成は、実施の形態1と同様である。
【0069】
本実施の形態の半導体レーザ素子を作製し、該半導体レーザ素子の特性を測定したところ、動作電流300mAで、光出力0.6Wが得られた。また、その偏光方向は、多くの場合、活性層等を構成する窒化物系半導体<11−20>方向であり、活性層に与える歪の状態によっては、<11−20>に垂直な方向であった。いずれの場合においても、活性層が面内で結晶学的に異方性を持つため、その偏光方向が安定であった他、実施の形態1と同様の効果が得られた。
【0070】
なお、本実施の形態の場合も、他の実施の形態に記載の技術と組み合わせることが可能であり、それぞれに適用しても、同様の結果が得られた。
【0071】
<実施の形態6>
本実施の形態は、実施の形態1の変形例であり、実施の形態1の半導体レーザの誘電体多層膜111および金属電極110をPd薄膜(膜厚2〜10nm)に変更し、電極および反射鏡としての役割を同時に持たせる。それ以外の構成は実施の形態1と同様である。
【0072】
本実施の形態の場合、反射率が50%以下しか得られないために、光の共振器への閉じ込め効果は弱く、電流を注入したときに、レゾナントキャビティ型LEDとして動作した。そして、作製したLED素子の特性を測定したところ、動作電流300mAで、光出力0.3Wが得られた。また、その偏光方向は、多くの場合、活性層等を構成する窒化物系半導体<11−20>方向であり、活性層に与える歪の状態によっては、<11−20>に垂直な方向であった。いずれの場合においても、活性層が面内で結晶学的に異方性を持つため、その偏光方向が安定であった他、実施の形態1と同様の効果が得られた。
【0073】
なお、本実施の形態も、他の実施の形態に記載の技術と組み合わせることが可能であり、それぞれに適用しても、同様の結果が得られた。
【0074】
<実施の形態7>
図3は、本実施の形態の窒化物半導体発光素子の構造を示す概略断面図である。本実施の形態の半導体レーザ素子が実施の形態1と異なるのは、シリコン基板1の一部を除去して、出力光を基板側から取出すようにし、実施の形態1の金属電極110および誘電体多層反射膜111に代えてAgからなる金属電極310を用いた点である。それ以外の構成は実施の形態1と同様である。
【0075】
本実施の形態の構成とすることにより、反射率を約90%とすることができる。また、共振器領域の下部のシリコン基板1は除去され、マスク52あるいはn−GaN層102に達する穴320が形成されている。このような穴320の形成は、シリコンのみを選択的にエッチングすることにより可能であり、フッ酸・硝酸・酢酸の混合液などの選択エッチング液を用いれば、エッチング底面に表面が鏡面のn−GaN層102が表出するので好ましい。
【0076】
多層反射膜103は、反射率80%程度以上に設定した。本実施の形態の半導体発光素子は、金属電極310側をヒートシンクに固着して実装できるため、極めて放熱性が高くなる。したがって、高電流注入時の発熱が抑制されるため、極めて高い動作電流が実現できる。作製した半導体レーザ素子の特性を測定したところ、動作電流1Aで、光出力1.5Wが得られた。
【0077】
<実施の形態8>
本実施の形態は、実施の形態7の変形例であり、Agからなる金属電極310を透明な電極となるITO薄膜と、その上に形成された誘電体多層膜に代えたものである。それ以外の構成は実施の形態7と同様である。
【0078】
上記構成により、上面の反射鏡を反射率98%以上にすることが可能になり、実施の形態7の半導体レーザ素子と比較して、さらに発振閾値を低減することができる。
【0079】
<実施の形態9>
図8は、本実施の形態の半導体発光装置を示す図である。図8に示すように、半導体発光装置は、金属パッケージ801と、半導体発光素子802と、キャップガラス803と、波長変換材料804とを備える。
【0080】
半導体発光素子(半導体レーザ、LED)802は実施の形態1ないし8に記載のものであり、これが金属パッケージ801にマウントされている。パッケージにはキャップガラス803が設けられており、ここから半導体発光素子802からの出力が外部に取出される。キャップガラス803の外側には、蛍光体等の波長変換材料(波長変換物質)804が形成されている。
【0081】
本実施の形態において、半導体発光素子802は、金属性のパッケージにマウントされているため放熱性がよく、100mA以上の大電流で発光素子が駆動された場合でも、光出力の飽和を抑制することができる。
【0082】
波長変換材料804は、半導体発光素子802からの出射光を吸収し、出射光とは異なる波長の光を発光する。該波長変換材料804は、発光素子と間隔をあけて形成されているので、半導体発光素子802の発熱による劣化や、発光素子の光取出し部分のような、高光密度領域での材料の劣化が抑制されるようになっている。
【0083】
本実施の形態においては、上記実施の形態の発光素子を用いたために、きわめて発光効率の高い、波長変換材料を用いる発光装置を実現できるので、例えば、白色光を発する照明や、屋外用ランプ光源として最適である。
【0084】
以上のように、この発明の実施の形態について説明を行ったが、今回開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【0085】
【発明の効果】
本発明によれば、活性層とクラッド層の積層方向に共振器を有する、いわゆる垂直共振器型半導体発光素子において活性層の主面の面方位を(1−101)としたので、偏光方向制御に優れた発光素子を提供することが可能となる。また、(1−101)面は所定の基板を用いることにより安定して得られるので、半導体発光素子を実用レベルで実現することができる。そればかりでなく、本発明の半導体発光素子は、発光効率、発振閾値低減等の特性にも優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の発光素子における結晶方位を説明するための図である。
【図2】本発明の実施の形態1の窒化物半導体発光素子(半導体レーザ素子)を示す断面図である。
【図3】本発明の実施の形態7の窒化物半導体発光素子(半導体レーザ素子)を示す断面図である。
【図4】本発明の窒化物半導体発光素子の製造工程の第1工程を示す図である。
【図5】本発明の窒化物半導体発光素子の製造工程の第2工程を示す図である。
【図6】本発明の窒化物半導体発光素子の製造工程の第3工程を示す図である。
【図7】(a)〜(d)は、本発明の窒化物半導体膜の成長過程を示す図である。
【図8】本発明の半導体発光装置を示す図である。
【符号の説明】
1 シリコン基板、10 n―AlGaInN中間層、52 マスク、60 主面(シリコンの(001)面)、61 (111)ファセット面、70,72(1−101)ファセット面、102 n−GaN層、103,111 多層反射膜、104,107 スペーサ層、105 量子井戸活性層、106 AlGaNキャップ層、108 コンタクト層、109,110,310 金属電極、320 穴、801 金属パッケージ、802 半導体発光素子、803 キャップガラス、804 波長変換材料。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light emitting device, a method for manufacturing the same, and a semiconductor light emitting device having the semiconductor light emitting device.
[0002]
[Prior art]
Light emitting devices such as LEDs and semiconductor lasers have been realized using semiconductors having a hexagonal structure, such as nitride semiconductor materials including GaN, InN, AlN, and their mixed crystal semiconductors. Structures have also been proposed for type surface emitting lasers (VCSELs).
[0003]
For example, in a vertical cavity surface emitting laser disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-135576, a <0001> direction of a nitride semiconductor is arranged in a stacked surface of an epitaxial layer such as an active layer, and a direction perpendicular to the stacked surface. In the <1-100> direction.
[0004]
In the semiconductor laser of this conventional example, the active layer has a (1-100) plane, unlike the conventional semiconductor laser in which the main layer of the active layer has a (0001) plane. Vertically emitted laser light is polarized in a particular direction. This solves the problem that the polarization direction of the laser light of the conventional vertical cavity surface emitting laser is difficult to determine.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-mentioned conventional example, it is stated that the semiconductor laser can be realized by manufacturing a laser using, for example, a GaN (1-100) plane substrate, but such a substrate has not been widely marketed. . Since a nitride semiconductor has a property of easily growing a crystal in the <0001> direction, it is difficult to stably manufacture a (1-100) plane substrate made of a nitride semiconductor. Therefore, a GaN (1-100) plane substrate could not be supplied stably.
[0006]
In the case where another substrate is used, the nitride semiconductor easily grows in crystal such that the main surface becomes the (0001) plane, and it has been difficult to obtain a semiconductor laser having the above crystal orientation. Therefore, it was impossible to realize the above-described conventional vertical cavity semiconductor laser at a practical level.
[0007]
The present invention solves such problems, and uses a nitride-based semiconductor, a vertical cavity semiconductor laser in which the polarization direction is controlled, a highly efficient vertical cavity semiconductor laser, and a resonant cavity semiconductor laser. It is an object to realize a semiconductor light emitting element such as a light emitting element and a semiconductor light emitting device having the semiconductor light emitting element at a practical level.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In one aspect, the semiconductor light emitting device of the present invention has an active layer containing a nitride semiconductor and a clad layer sandwiching the active layer, and has a resonator in the direction in which the active layer and the clad layer are stacked. Then, the plane orientation of the main surface of the active layer is set to (1-101).
[0009]
By controlling the plane orientation of the main surface of the active layer to (1-101) as described above, it is possible to improve the controllability of the polarization direction in a semiconductor light emitting device having a resonator in the stacking direction of the active layer and the cladding layer. Can be. The (1-101) plane can be stably obtained during crystal growth by using a specific substrate.
[0010]
In another aspect, a semiconductor light emitting device of the present invention includes a substrate, and a compound semiconductor layer formed of a nitride semiconductor formed on the substrate. The substrate has a groove having a surface inclined at 62 degrees from the main surface of the substrate or a surface inclined within 3 degrees in an arbitrary direction from this surface as a slope, and the compound semiconductor layer is formed on the slope. Is done. An active layer containing a nitride semiconductor and a clad layer sandwiching the active layer are provided on the compound semiconductor layer, and a resonator is provided in a direction in which the active layer and the clad layer are stacked. The active layer has a plane orientation substantially coincident with the main surface of the substrate.
[0011]
By forming a compound semiconductor layer using the above substrate, the plane orientation of the main surface of the compound semiconductor layer can be set to (1-101). Therefore, the plane orientation of the main surface of the active layer formed on the compound semiconductor layer can be set to (1-101) substantially coincident with the main surface of the substrate, and resonance occurs in the stacking direction of the active layer and the cladding layer. The controllability of the polarization direction can be improved in a semiconductor light emitting device having a cavity. Further, by using the above substrate, the (1-101) plane can be obtained stably during crystal growth.
[0012]
In still another aspect, a semiconductor light emitting device of the present invention includes a silicon substrate and a compound semiconductor layer formed on the silicon substrate and formed of a nitride semiconductor. The compound semiconductor layer is constituted by a plane obtained by rotating the (100) plane by 7.3 degrees around the [01-1] axis, or a plane that is inclined within 3 degrees in an arbitrary direction from this plane. It is formed using a silicon substrate having a main surface, and the silicon substrate includes a groove having a (111) plane as a slope. The compound semiconductor layer is formed on the slope. The semiconductor device has an active layer containing a nitride semiconductor and a clad layer sandwiching the active layer, and has a resonator in the stacking direction of the active layer and the clad layer.
[0013]
Even when a compound semiconductor layer is formed using a silicon substrate as described above, a compound semiconductor layer in which the plane orientation of the main surface is (1-101) can be obtained. Therefore, the plane orientation of the main surface of the active layer formed on the compound semiconductor layer can also be (1-101), and the polarization direction of the semiconductor light emitting device having a resonator in the lamination direction of the active layer and the cladding layer Controllability can be improved. Further, by using the above substrate, the (1-101) plane can be obtained stably during crystal growth.
[0014]
The plane orientation of the main surface of the cladding layer or the active layer is preferably (1-101). The <0001> direction of the compound semiconductor layer is preferably substantially perpendicular to the slope. The groove preferably extends along the [11-20] direction of the nitride semiconductor forming the active layer. The semiconductor light emitting device is preferably a semiconductor laser device, and laser light emitted from the semiconductor laser device is polarized in a direction parallel or perpendicular to the groove. Further, it is preferable that a film on which the growth of the nitride semiconductor is suppressed is formed on at least a part of the surface of the substrate other than the slope.
[0015]
A semiconductor light-emitting device according to the present invention includes the above-described semiconductor light-emitting element and a wavelength conversion material that absorbs light emitted from the semiconductor light-emitting element and emits light having a different wavelength from the emitted light.
[0016]
In one aspect, a method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to the present invention includes the following steps. On the main surface of the substrate, a groove having a surface inclined at 62 degrees from the main surface or a surface inclined within 3 degrees in an arbitrary direction from this surface as a slope is formed. A nitride semiconductor is crystal-grown on the slope to form a compound semiconductor layer having a plane substantially parallel to the main surface of the substrate. On the compound semiconductor layer, a lower cladding layer, an active layer, and an upper cladding layer, each composed of a nitride semiconductor, are laminated in this order.
[0017]
By crystal-growing a nitride semiconductor on the slope of the groove provided in the substrate, a compound semiconductor layer having a plane substantially parallel to the main surface of the substrate can be formed. That is, a compound semiconductor layer having the (1-101) plane as a main surface can be formed stably. By stacking a lower clad layer, an active layer, and an upper clad layer made of a nitride semiconductor on the compound semiconductor layer, a lower clad layer, an active layer, and an upper clad having a (1-101) plane as a main surface are laminated. A layer can be formed stably, and a semiconductor light-emitting element having excellent control of the polarization direction can be obtained.
[0018]
In another aspect, a method for manufacturing a semiconductor light emitting device of the present invention includes the following steps. A lower clad layer, an active layer, and an upper clad layer each composed of a nitride semiconductor are stacked in this order on a main surface of a compound semiconductor layer having a (1-101) plane of a nitride-based semiconductor as a main surface.
[0019]
Also in the case of this aspect, the lower clad layer, the active layer, and the upper clad layer having the (1-101) plane as the main surface can be formed stably, and a semiconductor light emitting device excellent in control of the polarization direction can be obtained. be able to.
[0020]
In this specification, a nitride semiconductor is a compound semiconductor mainly composed of a group III element and an N element. x In y Ga 1-xy In addition to N (0 ≦ x, y ≦ 1), a crystal in which a part of the group III element (about 20% or less) is replaced by another element such as B or Tl, or a part of the N element (10% Or less) is substituted with another element such as As, P, Sb.
[0021]
In addition, in the present specification, when a specific surface or direction is indicated, only the surface or direction that is mathematically strictly defined should not be interpreted as the scope of the present invention. The effects of the present invention are not lost even if they slightly deviate from those planes / directions. Specifically, even if deviated by about 3 degrees, it should be understood that the present invention is within the applicable range. .
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The present invention will be described below with reference to embodiments.
[0023]
<
FIG. 1 is a conceptual diagram for forming a (1-101)
[0024]
The nitride semiconductor light emitting device of the present embodiment is formed on a (001)
[0025]
The upper surface of the n-
[0026]
Further, on the upper surface of the p-
[0027]
In the present embodiment, the shape of the light output portion of the vertical resonator is a circle having a diameter d = 50 μm, which is defined by an opening for light output. An insulating
[0028]
As a dopant for forming an n-type semiconductor, Si, Ge, O, S, and Se are preferable, and as a dopant for forming a p-type semiconductor, Be, Cd, and Mg are preferable. It is also preferable to add any of Si, Ge, O, S, and Se at the same time as Be, Cd, and Mg in order to obtain a p-type layer having low resistance and low dopant diffusion.
[0029]
Next, a method for manufacturing the semiconductor light emitting device (semiconductor laser device) of the present embodiment will be described with reference to FIGS.
[0030]
First, the (001) silicon substrate (wafer) 1 which has been turned off by 7.3 ° in the [0-1-1] direction is washed, and a silicon oxide film is formed thereon by sputtering or CVD (Chemical Vapor Deposition). A
[0031]
Further, the
[0032]
At this time, the shape of the groove itself is a V-shape or a deformed V-shape in which the bottom region is flat, and the other slope is a (1-1-1) facet surface. Since the
[0033]
Then, a nitride semiconductor film is grown by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) under the following growth conditions. 7A to 7C are obtained by crystal-growing the n-AlGaInN
[0034]
Here, the n-AlGaInN
[0035]
As shown in FIG. 7C, as the crystal growth proceeds, the diameter of the triangular columnar crystal made of the nitride semiconductor increases, and finally, the adjacent triangular columnar crystals come into contact with each other. When the growth is further continued, the separated triangular columnar crystals are united to form a continuous film made of a GaN crystal having a flat GaN (1-101) facet surface 72 on the surface as shown in FIG. Is obtained.
[0036]
Similar results were obtained by using an AlInN intermediate layer, an AlGaN intermediate layer, and an AlN intermediate layer as the intermediate layers used in the initial stage of growth. If the intermediate layer is made of a nitride-based semiconductor crystal having a composition containing Al, the surface roughness of the Si substrate can be prevented.If the intermediate layer is made of a nitride-based semiconductor crystal having a composition containing In, By adding the n-type impurity, a low-resistance film can be formed.
[0037]
As described above, according to the present invention, when the
[0038]
Subsequently, the respective nitride semiconductor layers from the n-InAlN / GaN multilayer
[0039]
Thereafter, a
[0040]
The
[0041]
When the characteristics of the manufactured semiconductor laser device were measured, an optical output of 0.5 W was obtained at an operating current of 300 mA. The polarization direction was, in many cases, the direction of the nitride semiconductor <11-20> constituting the active layer and the like. The direction was perpendicular to <11-20> depending on the state of the strain applied to the active layer by changing the growth temperature and the like of the clad layer. In each case, the polarization direction was stable because the active layer had in-plane crystallographic anisotropy.
[0042]
These results indicate that the presence of the active layer having the predetermined plane orientation provided a quantum well structure with extremely high flatness and a small fluctuation in the layer thickness. By tilting from the layer surface, the electric field generated by the piezo effect at the interface between the well and the barrier layer in the active layer is reduced, so that the carrier recombination probability of electron-hole pairs is increased and the luminous efficiency is improved. Since the main surface is not crystallographically isotropic, the laser oscillation light is polarized in one direction, so that the luminous efficiency is high, and the crystal growth direction is (1-1-) The change in the direction 101) is considered to be due to combined effects such as the fact that threading dislocations extending from the vicinity of the substrate interface did not reach the active layer and non-radiative recombination was reduced.
[0043]
In addition, in order to make the main surface of the active layer a non-isotropic (1-101) plane, a simple method of forming a predetermined groove-shaped structure on the substrate in advance is used. Could be realized. Furthermore, in the present invention, generation of cracks could be effectively suppressed. This is because the crystal growth of the AlGaN cladding layer proceeds in the [1-101] direction, and the growth of the nitride semiconductor is started on a slope that is considerably inclined from the main surface of the substrate, and the growth direction is changed from the middle ((1-101)). It is thought to be due to the effect of changing in the 101) direction.
[0044]
Normally, when a laser layer structure similar to that of the present embodiment is formed on the
[0045]
As described above, in the semiconductor laser device, the threshold value was reduced, cracks and defects were suppressed, and the device life was improved. Note that the effects described here can also be seen in the light-emitting elements described in other embodiments.
[0046]
In addition, the present invention has a resonator in the stacking direction having a (1-101) plane as a main surface, as compared with the case where the main surface of the active layer is a (1-100) plane as in the conventional technique. In the semiconductor light emitting device of (1), since the (1-101) plane is a surface formed as a stable surface during crystal growth, flatness of the active layer is easily obtained. In addition, since the threshold current density is small and the number of defects is small, there is an advantage that the life characteristics are excellent. In particular, in a vertical cavity type light emitting element, it is necessary to form a multilayer reflecting film as a reflecting mirror, and as in the present invention, the (1-101) plane in which a flat surface can be obtained in each semiconductor layer is used as a main surface. The technique of growing directly as described above directly relates to the flatness of such a multilayer reflective film, and makes it easy to obtain a desired reflectance.
[0047]
In the following embodiments, including this embodiment, as the intermediate layer used in the initial stage of growth, in addition to the AlGaInN intermediate layer, an AlInN intermediate layer, an AlGaN intermediate layer, or AlN may be used. . In selecting the composition of the intermediate layer, it is preferable to reduce the Ga composition in order to suppress the roughness of the
[0048]
Alternatively, an n-side metal electrode may be provided on the
[0049]
Furthermore, in the semiconductor element of the present embodiment, the interval between the grooves provided in the silicon substrate is of the same order as the size of the semiconductor element, and in FIG. Although a groove is formed, application of the present invention is not limited to such a case, and a groove may be provided more sparsely, and conversely, several tens to several hundreds are formed in the element. It is also effective to provide grooves densely as described above. The interval between the grooves may be 1 μm to 1000 μm, and the depth of the 62-degree slope, which is the slope of the groove, may be 0.1 μm to 100 μm.
[0050]
<
In the first embodiment, the light emitting element structure is directly manufactured on the
[0051]
The wafer in the state shown in FIG. 7D described in the manufacturing process of the first embodiment is introduced into an HVPE (hydride VPE) apparatus. N 2 Carrier gas and NH 3 Are respectively flown at 5 (l / min.), And the temperature of the substrate is raised to about 1050 ° C. After that, GaCl is applied on the substrate at 100 (cm). 3 / Min. ) To start the growth of a thick GaN film. GaCl is generated by flowing HCl gas through Ga metal maintained at about 850 ° C. In addition, by doping an impurity gas using an impurity doping line which is independently piped to the vicinity of the substrate, the impurity can be arbitrarily doped during the growth. In the present embodiment, for the purpose of doping with Si, at the same time as the growth is started, monosilane (SiH 4 ) Is supplied at 200 (nmol / min.) (Si impurity concentration is about 3.8 × 10 18 cm -3 ) To grow a Si-doped GaN film.
[0052]
By the above method, growth is performed for 8 hours, and GaN having a total thickness of about 350 μm is grown on the
[0053]
By sequentially forming the vertical cavity surface emitting laser structure of the first embodiment on this n-GaN substrate (100 μm thick) by the same method as that of the first embodiment, the semiconductor laser of this embodiment is formed. An element (wafer) is obtained. However, an n-side metal electrode is formed on the back surface of the n-GaN substrate. The obtained semiconductor laser device is placed on a base such as a stem or a lead frame with a metal electrode facing down, and is operated by supplying power from the outside.
[0054]
As described above, using the
[0055]
When the characteristics of the manufactured semiconductor laser device were measured, a laser output with an optical output of 1 W was obtained at a drive current of 0.6 A. Compared with the first embodiment, the substrate was made of GaN having excellent heat conduction, so that the light output was less likely to be saturated up to a higher current region.
[0056]
<Embodiment 3>
In the first embodiment, the groove slope inclined at about 62 degrees from the silicon main surface is obtained by utilizing the property that the Si (111) plane is easily formed by an etching method using an etchant (wet etching). The slope obtained in this way is a so-called crystal facet, and has not only stable processing accuracy but also excellent flatness, and is extremely excellent as a base for growing a nitride semiconductor.
[0057]
However, the scope of the present invention is not limited to this. According to various experiments performed by the inventors of the present application, the
[0058]
Then, when the examination was performed using the surface, the same result was obtained. That is, similar to the first embodiment, crystal growth can be performed such that the GaN (1-101)
[0059]
GaN is a crystal having a strong orientation, and in a normal method, c-axis is oriented perpendicular to the main surface, and thus, the obtained crystal has only a C-plane as a main surface and has a different plane from the C-plane. Although it was difficult to obtain a crystal, the present invention has made it easy to obtain a crystal having a GaN (1-101)
[0060]
For example, by forming a stripe-shaped groove extending in the [01-1] direction on the
[0061]
As described above, according to the present invention, when the
[0062]
By forming a semiconductor light emitting element on a nitride semiconductor film formed of a continuous film obtained by growing this crystal film in the same manner as in the first and second embodiments, high brightness and high efficiency on the
[0063]
In the semiconductor light emitting device thus obtained, the light emitting layer (active layer) has a (1-101) facet surface as a main surface. This is different from an element formed conventionally using a sapphire substrate, a SiC substrate, or a Si (111) substrate, in which the (0001) plane is used as the main surface.
[0064]
A thin film whose main surface is a (0001) plane of a nitride semiconductor which is a wurtzite structure crystal is equivalent in a band structure in a direction parallel to the main surface, but as in the present invention, (1-101) A thin film having a facet surface as a main surface is not equivalent in band structure even in a direction parallel to the main surface. Therefore, the present invention is not limited to this embodiment, and the light-emitting element to which the present invention is applied has a degenerate band in the direction parallel to the light-emitting layer (active layer), and thus has high luminous efficiency. When applied to, a significantly lower threshold value and higher efficiency can be realized.
[0065]
Further, the substrate is not limited to silicon. For example, a semiconductor laser device can be formed in the same manner by using another cubic crystal substrate such as GaAs and setting the plane orientation relationship to the same as in the first embodiment. However, the
[0066]
<Embodiment 4>
This embodiment is a modification of the first embodiment. The diameter d of the resonator region of the semiconductor laser of the first embodiment is 3 μm, the reflectivity of the multilayer
[0067]
It is to be noted that the idea of the present embodiment can be combined with the idea of
[0068]
<
This embodiment is a modification of the first embodiment, in which the mesh-
[0069]
When the semiconductor laser device of the present embodiment was manufactured and the characteristics of the semiconductor laser device were measured, an optical output of 0.6 W was obtained at an operating current of 300 mA. The polarization direction is often the direction of the nitride semiconductor <11-20> constituting the active layer or the like, and depending on the state of strain applied to the active layer, the direction of polarization is perpendicular to the <11-20>. there were. In each case, since the active layer had crystallographic anisotropy in the plane, the polarization direction was stable, and the same effect as in the first embodiment was obtained.
[0070]
Note that this embodiment can also be combined with the technology described in the other embodiments, and similar results are obtained when applied to each of the embodiments.
[0071]
<
This embodiment is a modification of the first embodiment, in which the
[0072]
In the case of the present embodiment, the effect of confining light in the resonator was weak because the reflectance was only 50% or less, and the device operated as a resonant cavity LED when current was injected. When the characteristics of the manufactured LED element were measured, an operating current of 300 mA and an optical output of 0.3 W were obtained. The polarization direction is often the direction of the nitride semiconductor <11-20> constituting the active layer or the like, and depending on the state of strain applied to the active layer, the direction of polarization is perpendicular to the <11-20>. there were. In each case, since the active layer had crystallographic anisotropy in the plane, the polarization direction was stable, and the same effect as in the first embodiment was obtained.
[0073]
Note that this embodiment can also be combined with the technology described in any of the other embodiments, and similar results have been obtained by applying each of them.
[0074]
<
FIG. 3 is a schematic sectional view showing the structure of the nitride semiconductor light emitting device of the present embodiment. The semiconductor laser device of the present embodiment is different from that of the first embodiment in that a part of the
[0075]
With the structure of the present embodiment, the reflectance can be approximately 90%. Further, the
[0076]
The reflectivity of the multilayer
[0077]
<Embodiment 8>
This embodiment is a modification of the seventh embodiment, in which the
[0078]
According to the above configuration, it is possible to make the reflectance of the reflecting mirror on the upper surface to be 98% or more, and it is possible to further reduce the oscillation threshold value as compared with the semiconductor laser device of the seventh embodiment.
[0079]
<Embodiment 9>
FIG. 8 is a diagram illustrating the semiconductor light emitting device of the present embodiment. As shown in FIG. 8, the semiconductor light emitting device includes a
[0080]
The semiconductor light emitting element (semiconductor laser, LED) 802 is as described in
[0081]
In this embodiment mode, the semiconductor light-emitting element 802 is mounted on a metal package and has good heat dissipation, and suppresses light output saturation even when the light-emitting element is driven by a large current of 100 mA or more. Can be.
[0082]
The
[0083]
In this embodiment mode, since the light-emitting element of the above embodiment mode is used, a light-emitting device using a wavelength conversion material with extremely high luminous efficiency can be realized. As the best.
[0084]
As described above, the embodiments of the present invention have been described. However, the embodiments disclosed this time are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
[0085]
【The invention's effect】
According to the present invention, in a so-called vertical cavity semiconductor light emitting device having a resonator in the stacking direction of the active layer and the cladding layer, the plane orientation of the main surface of the active layer is set to (1-101), so that the polarization direction control is performed. It is possible to provide a light emitting element excellent in the above. Further, since the (1-101) plane can be stably obtained by using a predetermined substrate, a semiconductor light emitting device can be realized at a practical level. In addition, the semiconductor light emitting device of the present invention has excellent characteristics such as luminous efficiency and oscillation threshold reduction.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a crystal orientation in a light emitting device of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing a nitride semiconductor light emitting device (semiconductor laser device) according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view showing a nitride semiconductor light emitting device (semiconductor laser device) according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a view showing a first step of a manufacturing process of the nitride semiconductor light emitting device of the present invention.
FIG. 5 is a view showing a second step in the manufacturing process of the nitride semiconductor light emitting device of the present invention.
FIG. 6 is a view showing a third step of the manufacturing process of the nitride semiconductor light emitting device of the present invention.
FIGS. 7A to 7D are diagrams showing a growth process of a nitride semiconductor film of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a semiconductor light emitting device of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 silicon substrate, 10 n-AlGaInN intermediate layer, 52 mask, 60 main surface ((001) surface of silicon), 61 (111) facet surface, 70, 72 (1-101) facet surface, 102 n-GaN layer, 103,111 multilayer reflective film, 104,107 spacer layer, 105 quantum well active layer, 106 AlGaN cap layer, 108 contact layer, 109,110,310 metal electrode, 320 hole, 801 metal package, 802 semiconductor light emitting element, 803 cap Glass, 804 wavelength conversion material.
Claims (11)
前記基板は、前記基板の主面より62度傾斜した面、もしくはこの面から任意の方向に3度以内の範囲で傾いた面を斜面として有する溝を有し、前記化合物半導体層は前記斜面上に形成され、前記化合物半導体層上に、窒化物半導体を含む活性層と、該活性層を挟むクラッド層とを有し、前記活性層と前記クラッド層の積層方向に共振器を有するとともに、前記活性層は、前記基板の主面に略一致した面方位をもつことを特徴とする半導体発光素子。A semiconductor light-emitting device comprising a substrate and a compound semiconductor layer formed of a nitride semiconductor formed on the substrate,
The substrate has a groove having a surface inclined at 62 degrees from the main surface of the substrate or a surface inclined within 3 degrees in an arbitrary direction from this surface as a slope, and the compound semiconductor layer is formed on the slope. Having an active layer containing a nitride semiconductor and a clad layer sandwiching the active layer on the compound semiconductor layer, and having a resonator in a stacking direction of the active layer and the clad layer, A semiconductor light emitting device, wherein the active layer has a plane orientation substantially coincident with a main surface of the substrate.
前記化合物半導体層が、(100)面を[01−1]軸のまわりで7.3度回転した面、もしくは、この面から任意の方向に3度以内傾けた範囲にある面で構成される主面を有するシリコン基板を用いて形成され、前記シリコン基板は、(111)面を斜面として有する溝を備え、前記化合物半導体層は前記斜面上に形成されるとともに、窒化物半導体を含んで構成される活性層と該活性層を挟むクラッド層とを有し、前記活性層と前記クラッド層の積層方向の共振器を有することを特徴とする半導体発光素子。A semiconductor light emitting device having a silicon substrate and a compound semiconductor layer formed of a nitride semiconductor formed on the silicon substrate,
The compound semiconductor layer is composed of a plane obtained by rotating the (100) plane by 7.3 degrees around the [01-1] axis, or a plane that is inclined within 3 degrees in an arbitrary direction from this plane. It is formed using a silicon substrate having a main surface, the silicon substrate includes a groove having a (111) plane as a slope, and the compound semiconductor layer is formed on the slope and includes a nitride semiconductor. A semiconductor light emitting device comprising: an active layer to be formed; and a clad layer sandwiching the active layer, and a resonator in a direction in which the active layer and the clad layer are stacked.
前記半導体レーザ素子から放射されるレーザ光は、前記溝に平行もしくは垂直な方向に偏光していることを特徴とする請求項2ないし6のいずれかに記載の半導体発光素子。The semiconductor light emitting device is a semiconductor laser device,
7. The semiconductor light emitting device according to claim 2, wherein the laser light emitted from the semiconductor laser device is polarized in a direction parallel or perpendicular to the groove.
該半導体発光素子からの出射光を吸収し、前記出射光とは異なる波長の光を発光する波長変換物質とを備えることを特徴とする半導体発光装置。A semiconductor light-emitting device according to claim 1,
A semiconductor light-emitting device, comprising: a wavelength conversion substance that absorbs light emitted from the semiconductor light-emitting element and emits light having a wavelength different from that of the emitted light.
基板の主面に、該主面より62度の傾斜した面か、もしくはこの面から任意の方向に3度以内の範囲で傾いた面を斜面として有する溝を形成する工程と、
前記斜面上に窒化物半導体を結晶成長し、前記基板の主面に略平行な面を有する化合物半導体層を形成する工程と、
該化合物半導体層上に、各々窒化物半導体で構成される下部クラッド層、活性層、上部クラッド層をこの順に積層する工程とを有することを特徴とする、半導体発光素子の製造方法。A method for manufacturing a semiconductor light emitting device having a lower cladding layer, an active layer, and an upper cladding layer, and having a resonator in a stacking direction thereof,
Forming a groove in the main surface of the substrate, the surface having a surface inclined at 62 degrees from the main surface or a surface inclined within a range of 3 degrees in an arbitrary direction from the surface,
Crystal growing a nitride semiconductor on the slope, forming a compound semiconductor layer having a plane substantially parallel to the main surface of the substrate,
Laminating a lower cladding layer, an active layer, and an upper cladding layer each composed of a nitride semiconductor in this order on the compound semiconductor layer.
窒化物系半導体の(1−101)面を主面として有する化合物半導体層の前記主面上に、各々窒化物半導体で構成される前記下部クラッド層、活性層および上部クラッド層をこの順に積層する工程を有することを特徴とする、半導体発光素子の製造方法。A method for manufacturing a semiconductor light emitting device having a lower cladding layer, an active layer, and an upper cladding layer, and having a resonator in a stacking direction thereof,
The lower clad layer, the active layer, and the upper clad layer each composed of a nitride semiconductor are laminated in this order on the main surface of the compound semiconductor layer having the (1-101) plane of the nitride-based semiconductor as the main surface. A method for manufacturing a semiconductor light emitting device, comprising the steps of:
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