JP2004247411A - Semiconductor light emitting device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は発光ダイオード素子や半導体レーザ素子などの半導体発光素子に関し、さらに詳しくは、発光効率と信頼性に優れた半導体発光素子および製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、紫外から緑色以長の広域をカバーできる発光材料として、ワイドギャップ半導体であるIII族窒化物系半導体の結晶成長およびデバイス技術が急速に発展している。なかでも、発振波長が400nm近傍にある青色半導体レーザ素子は、次世代の高密度なディジタル光記録用光源への適用をはじめとして実用化が切望されており、InaAlbGa1−a−bNを用いた多重量子井戸活性層など、種々のデバイス構造が提案されている。
【0003】
一方、従来の化合物半導体材料では実現困難なデバイス特性を相補すべく、新規な発光材料として酸化物半導体が注目され、近年さかんに研究がなされている。
なかでも、酸化亜鉛(ZnO)は、約3.4eVのバンドギャップエネルギーを有する直接遷移型半導体で、励起子結合エネルギーが60meVと極めて高く、また原材料が安価、環境や人体に無害で成膜手法が簡便であるなどの特徴を有し、高効率・低消費電力で環境性に優れた発光デバイスを実現できる可能性がある。
【0004】
以下、本明細書において、「ZnO系」半導体なる語を用いるときは、ZnOおよびこれを母体としたMgZnOまたはCdZnO等で表される混晶を含むものとする。また、本明細書において、組成を特定せずに混晶を示す場合には、例えば、「MgZnO」と単に元素記号のみで記載し、組成を特定する場合には、例えば、「Mg0.1Zn0.9O」と記載する。
【0005】
半導体レーザ素子をディジタル光記録用光源として用いる場合、光ディスク面に記録された微小なピット列を正確にレーザスポットがトレースするために、スポット位置の検出には精度に優れた「3ビーム法」と呼ばれる方法が広く採用されている。
3ビーム法では、半導体レーザ素子から射出されるレーザ光をビームスプリッタで3つのビームに分け、2本のサブビームの反射光強度差を検出して光学系装置の微調整駆動信号をサーボ機構によりフィードバックする。ところが、この方法では光ディスクで反射したサイドビームの一部がビームスプリッタのハーフミラーを通り抜けて光源である半導体レーザ素子側に戻る。この戻り光が、半導体レーザ素子の端面で焦点を結び、再び光ディスク側に反射されて正規のビームと干渉するとうねりが生じ、トラッキングサーボが不安定となる。
【0006】
この問題を解決するために、これまで光ディスク用光源として用いられてきたIII−V族半導体レーザ素子やこれを封止した光ピックアップには、様々な工夫が施されてきた。
【0007】
例えば、特開昭63−261775号公報(特許文献1)には、成長層を含む共振器端面の全面に誘電体膜を形成し、その上に部分的にレジスト膜を形成した後、レジスト膜が形成されていない部分の誘電体膜の膜厚を減少させて、戻り光の反射率を低減させる技術が開示されている。
【0008】
また、特開平6−302004号公報(特許文献2)には、半導体レーザ素子の出射側端面において戻り光を受ける部分に、Al2O3、SiO2、TiO2等の荒い誘電体薄膜を形成することにより、反射率調整層に戻り光を回避する機能を兼ね備えさせる技術が開示されている。
【0009】
発光ダイオード素子のような自然放出光を利用した発光素子は、導波機構を有する必要が無いので、発光層からの光は全方位に放射される。
【0010】
このうち、発光層の横方向あるいは上側に放射された光は容易に素子外へ取り出されるため、発光ダイオード素子側面は乱反射を生じないよう平坦性に優れていることが好ましい。一方、発光層より下側に放射された光は直接外部へは取り出されない。そこで、発光層より下側に放射された光を効率的に反射させて素子外に取り出すため、発光ダイオード素子を実装するリードフレームの搭載面は、光反射率の高い金属をコーティングしたカップ状になっている。発光層から斜め下に出射した光は、底面で反射して側面より素子外部へ出射され、さらにカップ側面で反射して上方へ光が出射するしくみになっている。上記のような実装例として、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光装置が特許第3065258号公報(特許文献3)に開示されている。
【0011】
【特許文献1】
特開昭63−261775号公報
【0012】
【特許文献2】
特開平6−302004号公報
【0013】
【特許文献3】
特許第3065258号公報
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
上記の半導体レーザ素子における戻り光回避技術は、量産性に乏しく、誘電体膜の膜厚や表面粗さの制御精度が低いので、誘電体膜の本来の機能である端面の反射率の制御が難くなるという問題を有する。
【0015】
また、上記発光ダイオード素子における光取り出しの例では、発光層から斜め下に放射された光は、基板底面あるいは下側面が平坦性に優れた鏡面であれば全反射を起し易く、外部へ取り出されるまでに素子内を多重反射する。この過程で発光が半導体に再吸収され、発光効率が低下してしまうという問題を有する。
【0016】
このように、従来の技術はいずれも半導体発光素子における端面機能の制御性に乏しく、さらに高度な機能と加工精度が求められる酸化物半導体などを用いた青色半導体発光素子へ適用しても、前記課題を解決することは難しかった。
かくして、本発明の目的は、以上の課題に鑑み、発光効率と信頼性に優れた半導体発光素子を提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、半導体発光素子の端面が平坦な鏡面と粗面の2領域を適所に有することにより、内部光の取り出しと戻り光の散乱反射を共に制御し、発光効率と信頼性に優れた半導体発光素子を実現できることを見い出し本発明に至った。
【0018】
すなわち、本発明は、基板上に半導体成長層が形成された半導体発光素子において、該基板の側面は粗面状であり、該半導体成長層の側面は平坦な鏡面状であることを特徴とする半導体発光素子を提供する。
側面が鏡面の領域では、発光素子内部からの光が乱反射せず効率的に素子外へ取り出され、一方で反射率を調整することにより誘導放出光を共振増幅させる反射鏡として機能させることができる。また、側面が粗面の領域では、素子内から全反射角以上で入射する光を乱反射させて素子外へ効率的に取り出すことができ、一方で素子外から入射する光に対して入射光量を低減させることができる。
これらのことにより、発光素子の光取り出しと散乱反射を共に制御し、発光効率と信頼性に優れた発光素子を実現できる。
【0019】
第1の局面において、本発明は、基板上に、少なくとも、第1導電型のZnO系半導体クラッド層、ZnO系半導体発光層、第2導電型のZnO系半導体クラッド層および第2導電型のZnO系半導体コンタクト層を含む半導体成長層が形成された半導体発光素子であって、素子側面において半導体成長層部が鏡面状の面を有し、素子側面において基板部が粗面状の面を有することを特徴とする半導体発光素子を提供する。特に、この半導体発光素子は発光ダイオード素子に適用することができる。
【0020】
本明細書において、「第1導電型」および「第2導電型」は、それぞれ異なって、n型またはp型を意味する。例えば、第1導電型がn型である場合、第2導電型はp型である。
【0021】
発光ダイオード素子においては、発光層から発せられた光は、半導体成長層部の側面では全反射しにくく外へ取り出されやすいので、当該側面を鏡面とすることにより乱反射によって素子内に光が戻るのを防ぐことが有効である。一方、基板部の側面に入射した光は光取り出し効率が低いので、当該側面を粗面とすることにより乱反射によって素子外に光を取り出し易くすることが有効である。
【0022】
また、第2の局面において、本発明は、基板上に、少なくとも、第1導電型のZnO系半導体クラッド層、ZnO系半導体活性層、第2導電型のZnO系半導体クラッド層、第2導電型のZnO系半導体コンタクト層、第1導電型のZnO系半導体電流ブロック層および光共振器を含む半導体成長層が形成された半導体発光素子であって、該光共振器を構成する1対の素子端面において半導体成長層部が互いに平行な鏡面状の面を有し、該光共振器を構成する1対の素子端面において基板部が粗面状の面を有することを特徴とする半導体発光素子を提供する。特に、この半導体発光素子は半導体レーザ素子に適用することができる。
半導体レーザ素子においては、半導体成長層部の端面を鏡面とすることにより、活性層を含む導波路端面が光共振器として機能し、一方、基板部の端面を粗面とすることにより、戻り光を乱反射してゆらぎによる雑音増大を回避することができる。
【0023】
なお、本明細書において、半導体発光素子中発光を司る層を「発光層」というが、半導体レーザ素子の場合には同様の意味で「活性層」なる語を用いることがある。しかしながら、両者の機能は実質的に同じであるため特に区別はしない。
【0024】
本発明の半導体発光素子において、該基板は放射光に対して透光性を有する。基板が透光性を有することにより、基板へ入射した素子内部の放射光を吸収すること無く素子外へ取り出すことができる。また、半導体レーザ素子においても基板が戻り光を吸収してキャリアを生成すること無いので、雑音が低減する。
【0025】
また、本発明の半導体発光素子において、該基板はZnO単結晶である。
基板がZnO単結晶であれば、その上に成長されるZnO系半導体層との親和性に優れ、結晶性が向上する。また、鏡面形成および粗面形成、ならびに劈開などの加工性にも優れ、サファイア等の劈開や加工が困難な基板に比べて明らかな優位性を持つ。
【0026】
さらに、本発明は、上記の半導体発光素子を作製するのに適した半導体発光素子の製造方法も提供する。
第1の局面において、本発明は、基板上にZnO系半導体成長層を結晶成長させる工程と、イオンミリング、FIBエッチングまたは反応性イオンエッチングのいずれかの方法を用いて、当該溝部を画定する半導体成長層の側面が鏡面状となるように、該半導体成長層表面から該基板内部に達する溝部を形成する工程と、該基板の側面が粗面状となるように、該溝部に沿ってダイシングを行うことによって素子を分離する工程とを含む半導体発光素子の製造方法を提供する。
【0027】
酸化物半導体は、薬液を用いた湿式エッチングでは平坦性および垂直性に優れた鏡面を形成することが難しい。しかしながら、上記したイオンミリング等の乾式エッチングを適用することにより、平坦性と垂直性に優れた異方性エッチングを実現することができ、エッチング深さの制御も容易である。また、エッチングされた端面のダメージも少ないので、素子が劣化することが無い。
一方、ダイシングによって機械的に素子分離を行うと、端面は粗面化しやすい。
よって、成長層側面は鏡面で基板側面は粗面を有する発光素子を簡便に製造できる。
【0028】
第2の局面において、本発明は、基板上にZnO系半導体成長層を結晶成長させる工程と、該基板を該半導体成長層が形成されていない裏面からダイシングを行うことによって、当該溝部を画定する該基板の側面が粗面状となるように、該基板の厚さを超えない深さの溝部を形成する工程と、該半導体成長層の側面が鏡面状となるように、該溝部に沿って劈開することによって、素子を分離する工程とを含む半導体発光素子の製造方法を提供する。
劈開による素子分離は深さ制御が不可能であるものの、側面平坦性に最も優れ、ダメージも極めて少ない。そこで、まず、基板部にダイシングを行うことにより粗側面を有する溝部を形成し、次いで、この溝部から劈開を行って素子分離することにより、成長層側面は鏡面であって、基板側面は粗面である発光素子を簡便に製造できる。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の半導体発光素子を発光ダイオード素子および半導体レーザ素子に適用した実施形態を図面に基づいて、具体的に説明する。
第1の実施形態
本発明による第1の実施形態の半導体発光素子は、基板上に、少なくとも、第1導電型のZnO系半導体クラッド層、ZnO系半導体発光層、第2導電型のZnO系半導体クラッド層および第2導電型のZnO系半導体コンタクト層を含む半導体成長層が形成された半導体発光素子であって、素子側面において半導体成長層部が鏡面状の面を有し、素子側面において基板部が粗面状の面を有することを特徴とする発光ダイオード素子である。
【0030】
本発明の発光ダイオード素子においては、発光層から発せられた光は成長層側面では全反射しにくく外へ取り出されやすいので、当該側面を鏡面とすることにより乱反射によって素子内に光が戻るのを防ぎ、基板に入射した光は光取り出し効率が低いので、当該側面を粗面とすることにより乱反射によって素子外に光を取り出し易くする。
すなわち、発光層から発せられた光は、発光層の近傍にある成長層の側面には小さな入射角で入射するので、外部への光取り出し効率を向上させるには、当該側面を鏡面とする方が有効であり、一方、発光層から離れた基板部には大きな入射角で入射し、入射光は全反射を起し易いため、光取り出し効率を向上させるには、基板部の側面を粗面として乱反射させることが有効である。
【0031】
図1は、発光ダイオード素子1の斜視図(A)および断面図(B)を示す。発光ダイオード素子1は、亜鉛面を主面としたn型ZnO単結晶基板101上に、n型ZnOバッファ層102、n型MgZnOクラッド層103、ノンドープ量子井戸発光層104、p型MgZnOクラッド層105およびp型ZnOコンタクト層106を積層することによって構成されている。
【0032】
量子井戸発光層104は、1または複数の障壁層と、1または複数のCdZnO井戸層とが交互に積層された多重井戸構造である。
ZnO基板101の下にはn型オーミック電極107が形成されている。
また、p型ZnOコンタクト層106の主表面全面には、発光層から発光された光に対して透光性であるp型オーミック電極108が積層されている。さらに、この透光性p型オーミック電極108上には、透光性オーミック電極108より小さい面積でボンディング用Auパッド電極109が形成されている。
【0033】
さらに、n型ZnO単結晶基板101の四方の側面は、ダイシングによって粗面加工されている。一方、n型ZnOバッファ層102からp型ZnOコンタクト層106に至る半導体成長層の四方の側面は平坦性に優れたエッチング面となっている。
【0034】
以下、本発明の効果を最大限に得るための他の構成について記すが、その他の実施形態においては、任意に組み合わせて用いることができる。
【0035】
本発明の半導体発光素子において、基板101の材料としては、ZnO単結晶以外にも、サファイア、スピネル、LiGaO2等の絶縁性基板、またはSiC、GaN等の導電性基板を用いることができる。
絶縁性基板を用いる場合は、エッチングにより溝部を形成する際にn型ZnOバッファ層102が適当な面積で露出するようにし、その上にn型オーミック電極107を形成すればよい。
【0036】
しかしながら、本発明の効果である高い発光効率を最大限に得るためには、(1)ZnOとの面内格子定数差が3%以内の格子整合基板であって、成長層の結晶性に優れ、非発光中心となる欠陥を低減でき、(2)発光波長に対応する吸収係数が低く、また、(3)導電性であって、裏面に電極を形成できる基板を用いることが好ましい。ZnO単結晶よりなる基板は、前記の条件を全て満足させるので最も好ましい。ZnO基板はその上にエピタキシャル成長されるZnO系半導体発光素子と完全に格子整合し、異種基板を用いるより親和性に優れる。これによって結晶性が良好で非発光中心の極めて少ない発光素子を作製することができる。
【0037】
また、主面として亜鉛面を用いることにより、p型層のキャリア活性化率が向上し、抵抗の低いp型層が得られやすくなるので好ましい。
また、基板を研磨やエッチング等の公知の手法で基板裏面に凹凸を形成して入射した発光光を乱反射させれば、光取り出し効率が向上するので好ましい。
【0038】
n型ZnOバッファ層102およびn型MgZnOクラッド層103にドーピングするドナー不純物としては、ZnO系半導体中での活性化率が高いので、III族元素のB、Al、Ga、In等を用いることが好ましく、GaおよびAlが特に好ましい。
【0039】
発光層104は、単一構造とすることができるが、光学利得が向上し、キャリア閉込め効率および発光効率が増大し、発光強度を高めることができるので、多重量子井戸構造とすることが好ましい。
本発明の半導体発光素子において、発光層には、単一構造または多重量子井戸構造にかかわらず、不純物がドーピングされていてもよい。発光層に不純物をドーピングすることによって、発光効率を向上させたり、不純物準位を介した遷移を利用して発光波長を調整することができる。
【0040】
第1の実施形態のZnO系半導体発光層にドーピングできるドナー不純物として、例えば、B、Al、GaおよびInよりなる群から選択される1または複数のIII族元素をドーピングすることができる。また、アクセプタ不純物として、例えば、Li、Na、Cu、Ag、N、PおよびAsよりなる群から選択される1または複数のIまたはV族元素をドーピングすることができる。さらに、発光再結合を促進させる再結合中心として、例えば、Si、Ge、C、Snよりなる群から選択される1または複数のIV族元素をドーピングすることができる。発光層が多重量子井戸構造である場合は、上記ドナー不純物は量子井戸構造全体にドーピングすることができる。また、井戸層のみまたは障壁層のみにドーピングすることもできる。井戸層のみにドーピングすることによって、ドーピング総量を減らして結晶性が向上する。また、障壁層のみにドーピングすることによって、キャリア損失が減少し閾値が低減する。
【0041】
p型MgZnO層105およびp型ZnOコンタクト層106にドーピングするアクセプタ不純物としては、IまたはV族元素であるLi、Na、Cu、Ag、N、P、As等を用いることができる。NおよびAgは活性化しやすいので好ましい。Nは、N2をプラズマ化し結晶成長中に照射する手法によって結晶性を良好に保ちつつ、高濃度ドーピングが行えるので特に好ましい。
【0042】
p型オーミック電極108には、Ni、Pt、Pd、Au等の金属材料を用いることができる。前記の金属材料は、p型ZnO系半導体層に対して低抵抗なオーミック接触を形成すると共にZnO系半導体との密着性に優れる。よって、信頼性に優れ動作電圧の低い発光素子を実現できる。なかでも低抵抗で密着性の良いNiが好ましい。前記金属材料の複数を合金化して、電極を形成してもよい。p型オーミック電極108はp型MgZnOクラッド層105上に直接形成することができるが、MgZnO混晶はZnOに比べて不純物の活性化率が低いことから、p型ZnOコンタクト層106を形成して、その上に形成することが好ましい。
また、本発明の高い発光効率と低い動作電圧を最大限の効果で得るためには、p型オーミック電極108が発光層から発光された光に対して透光性を有するように形成して光取り出し効率を向上させることが好ましい。
透明導電膜が主表面全面に形成されていることにより、電流広がりが均一化し外部光取り出し効率が向上する。よって、発光効率に優れた紫外発光素子を実現できる。
良好なオーミック特性と高い透光性を両立する厚みとしては50〜200nmの範囲が好ましく、300〜100nmの範囲がさらに好ましい。
p型オーミック電極108の形成後にアニール処理を行うと、密着性が向上すると共に接触抵抗が低減するので好ましい。ZnO結晶に欠陥を生じさせずにアニール効果を得るには、温度は300〜400℃が好ましい。また、アニール処理における雰囲気はO2または大気雰囲気中が好ましく、N2では逆に抵抗が増大する。
【0043】
パッド電極109は、透光性p型オーミック電極108上の一部に、p型オーミック電極108より小さな面積で形成すれば、透光性電極の効果を損なわずにリードフレームへの実装プロセスが容易になるので好ましい。パッド電極109の材料としてはボンディングが容易でZnO系半導体中へ拡散してもドナー不純物とならない金属材料が好ましく、特に、Auが好ましい。
p型オーミック電極108とパッド電極109との間に密着性や光反射性を向上させる目的で他の金属層を形成してもよい。
【0044】
n型オーミック電極107には、Ti、Cr、Al等の金属材料を用いることができる。なかでも低抵抗でコストの低いAlまたは密着性の良いTiが好ましい。前記金属材料の複数を合金化して、電極を形成してもよい。
Alは青〜紫外光の反射率が高いため、Alを用いてn型オーミック電極107を裏面全面に形成しても光取り出し効率は高いので好ましい。
また、n型オーミック電極107を任意の形状にパターニングし、露出した基板裏面をAgペースト等の導電性樹脂でリードフレームに接着することができる。AlよりもAgの方が青〜紫外光の反射率が高いため、n型オーミック電極107をパターニングすることも好ましい。
また、n型オーミック電極107をパターニングする場合は、素子抵抗の増大を防ぐため、n型オーミック電極107とは異なる金属材料を用いて補助電極を形成してもよく、AgやPt等青〜紫外光の反射率が高い金属を補助電極に用いればさらに好ましい。
補助電極がリードフレームとの接触面積を増大させるため、n型電極をパターニングしても動作電圧が上昇しない。よって、動作電圧の低い紫外発光素子を実現できる。
【0045】
本発明の半導体発光素子は、固体あるいは気体原料を用いた分子線エピタキシー(MBE)法、レーザ分子線エピタキシー(レーザMBE)法、有機金属気相成長(MOCVD)法等の結晶成長手法で作製することができる。
レーザMBE法は、原料ターゲットと薄膜の組成ずれが小さく、また、例えば、ZnOにGaをドーピングさせる場合に、ZnGa2O4等の意図しない副生成物の生成を抑えることができるので好ましい。
【0046】
第2の実施形態
本発明による第2の半導体発光素子は、基板上に、少なくとも、第1導電型のZnO系半導体クラッド層、ZnO系半導体活性層、第2導電型のZnO系半導体クラッド層、第2導電型のZnO系半導体コンタクト層、第1導電型のZnO系半導体電流ブロック層および光共振器を含む半導体成長層が形成された半導体発光素子であって、該光共振器を構成する1対の素子端面において半導体成長層部が互いに平行な鏡面状の面を有し、該光共振器を構成する1対の素子端面において基板部が粗面状の面を有することを特徴とする半導体レーザ素子である。
本発明の半導体レーザ素子においては、半導体成長層部の端面を鏡面とすることにより、活性層を含む導波路端面が光共振器として機能し、一方、基板部の端面を粗面とすることにより、戻り光を乱反射してゆらぎによる雑音増大を回避することができる。
【0047】
図3は、半導体レーザ素子2の斜視図(A)および、光出射端面に平行な方向から見た側面図(B)を示す。半導体レーザ素子2は、亜鉛面を主面としたn型ZnO単結晶基板201上に、n型ZnOバッファ層202、n型MgZnOクラッド層203、n型ZnO光ガイド層204、ノンドープ量子井戸活性層205、p型ZnO光ガイド層206、p型MgZnOクラッド層207およびp型ZnOコンタクト層208を積層することによって構成されている。
【0048】
量子井戸活性層205は、1または複数のZnO障壁層と、1または複数のCdZnO井戸層とが交互に積層された多重井戸構造である。
p型ZnOコンタクト層208およびp型MgZnOクラッド層207の一部はリッジストライプ状にエッチング加工され、n型MgZnO電流ブロック層209によって、リッジストライプ側面は埋め込まれている。
また、ZnO基板201の下にはn型オーミック電極210が形成され、p型ZnOコンタクト層208の上にはp型オーミック電極211が形成されている。
光出射端面のn型ZnO単結晶基板201の側面部201aは、ダイシングによって粗面加工されている。
【0049】
一方、光共振器を形成する光反射端面(光出射端面に同じ)は、基板裏面からダイシングによって溝部形成を行った後、溝部から成長層を劈開することによって形成され、さらに当該鏡面端面には前後面共に、MgO層とSiO2層が交互積層された誘電体反射膜212が積層されている。
積層数を調整することによって、特定の波長の光に対する反射率を制御することができる。
なお、誘電体反射膜212は粗面となっているZnO基板201の端面部201aにわたって形成されていてもよい。
【0050】
すなわち、本発明による半導体レーザ素子は、導波路が形成されている活性層近傍の成長層端面は劈開によってダメージの少ない鏡面となっているため、レーザの共振増幅動作には何ら影響を及ぼさない。また、素子分離後にレジスト膜を形成したり、誘電体膜を加工したりする必要が無く、素子分離の段階で鏡面と粗面を形成できるので、生産効率にも影響を及ぼさない。
なお、半導体レーザ素子の場合には光共振器を形成しないもう1対の側面は鏡面と粗面を形成し分ける必要は無いが、ダイシングによる粗面化が成長層に及ぶとダメージによって素子寿命が短かくなるので、劈開あるいは乾式エッチングにより素子分離されることが好ましい。
【0051】
【実施例】
実施例1
この実施例は本発明を発光ダイオード素子に適用した第1の半導体発光素子を説明する。
図1は、発光ダイオード素子1の斜視図(A)および断面図(B)を示す。この実施例において、亜鉛面を主面としたn型ZnO単結晶基板101上に、Gaを1×1018cm−3濃度でドーピングした厚さ0.1μmのn型ZnOバッファ層102、Gaを1×1018cm−3の濃度でドーピングした厚さ0.5μmのn型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層103、ノンドープ量子井戸発光層104、Nを5×1019cm−3の濃度でドーピングした厚さ0.5μmのp型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層105、およびNを1×1020cm−3の濃度でドーピングした厚さ0.3μmのp型ZnOコンタクト層106を積層して、発光ダイオード素子1aを作製した。
【0052】
量子井戸発光層104は、厚さ5nmのZnO障壁層8層と、厚さ4nmのCd0.1Zn0.9O井戸層7層とを交互に積層することによって形成されている。
ZnO基板101の下には厚さ100nmのAlを積層したn型オーミック電極107が形成されている。p型ZnOコンタクト層106の主表面全面には、厚さ15nmのNiを積層した透光性p型オーミック電極108が積層され、p型オーミック電極108上には厚さ100nmのボンディング用Auパッド電極109が、オーミック電極108より小さい面積で形成されている。
【0053】
さらに、n型ZnO単結晶基板101の四方の側面は、ダイシングによって粗面加工されている。一方、n型ZnOバッファ層102からp型ZnOコンタクト層106に至る半導体成長層の四方の側面は平坦性に優れたエッチング面となっている。
【0054】
以下に製造方法を図2に基づいて順に説明する。なお、図2は製造工程を断面から示したものである。
【0055】
まず、レーザMBE法により、ZnO基板101上に、n型ZnOバッファ層102、n型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層103、ノンドープ量子井戸発光層104、p型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層105、p型ZnOコンタクト層106を積層した後、ZnO基板101裏面にn型Alオーミック電極107を、p型ZnOコンタクト層106上にp型Niオーミック電極108およびAuパッド電極109を順次積層した(図2A)。
次に、Auパッド電極109を80μm径の円状に加工し、Auパッド電極109を中心に300μm角で80μm間隔のレジストマスク110を形成した(図2B)。
【0056】
次に、CF4とCH4の混合ガスを用いて、格子状にレジストマスク開口部から成長層をRIEエッチングした(図2C)。エッチング条件は加速電圧1kV、プラズマ出力を50Wとした。エッチングされた成長層側面は垂直で、平坦な鏡面であった。
【0057】
次に、レジストマスクを洗浄除去し、RIEによって形成された溝部底面を厚さ40μmのダイヤモンドブレードを用いて裏面までダイシングし、素子の四方を分離した(図2D)。このとき、ブレードの回転速度を調整して基板側面が粗面となるようにした。
【0058】
発光ダイオード素子1aの裏面を導電性ペーストでリードフレームに取り付け、パッド電極109に配線を行った後、樹脂モールドし発光させたところ、図4に示すように、発光ピーク波長410nmの青色発光が得られた。
【0059】
比較のため、RIE法による溝部形成を基板裏面に達するまで行い、発光ダイオード素子側面を全て鏡面とする以外は、発光ダイオード素子1aと同様にして、発光ダイオード素子1bを作製し、発光させたところ、樹脂モールド後の発光強度は発光ダイオード素子1aと比較して60%程度であった。
【0060】
さらに、RIE法による溝部形成を行わず、ダイシングのみによって素子分離を行い発光ダイオード素子側面を全て粗面とする以外は、発光ダイオード素子1aと同様にして、発光ダイオード素子1cを作製し、発光させたところ、樹脂モールド後の発光強度は発光ダイオード素子1aと比較して70%程度であった。また、20mAの動作電流で連続通電させたところ、時間の経過と共に発光強度が低下し、20時間後には通電直後の70%に低下した。
【0061】
このような結果が得られたのは、発光層の近傍にある成長層部の側面を鏡面状としたことにより、小さな入射角で入射した発光が乱反射することなく鏡面状の側面を通過したため、外部への光取り出し効率が向上し、また、基板部の側面を粗面状としたことにより、大きな入射角で入射した発光が乱反射したため、光取り出し効率が向上したと考えられる。
【0062】
この実施例においては、成長側面の鏡面形成をRIE法により行ったが、イオンミリング法やFIBエッチングなど他の乾式エッチング手法により異方性エッチングを行ってもダメージの少ない鏡面が得られ、この実施例と同様の効果を奏する。
【0063】
実施例2
この実施例は、本発明を半導体レーザ素子に適用した第2の半導体発光素子を説明する。
図3は、半導体レーザ素子2の斜視図(A)および、光出射端面に平行な方向から見た側面図(B)を示す。この実施例において、亜鉛面を主面としたn型ZnO単結晶基板201上に、Gaを1×1018cm−3の濃度ドーピングした厚さ0.1μmのn型ZnOバッファ層202、Gaを3×1018cm−3の濃度でドーピングした厚さ1μmのn型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層203、Gaを5×1017cm−3の濃度でドーピングした厚さ30nmのn型ZnO光ガイド層204、ノンドープ量子井戸活性層205、Nを1×1018cm−3の濃度でドーピングした厚さ30nmのp型ZnO光ガイド層206、Nを5×1019cm−3の濃度でドーピングした厚さ1.2μmのp型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層207、およびNを1×1020cm−3の濃度でドーピングした厚さ0.5μmのp型ZnOコンタクト層208を積層して、半導体レーザ素子2aを作製した。
【0064】
量子井戸活性層205は、厚さ5nmのZnO障壁層2層と、厚さ6nmのCd0.1Zn0.9O井戸層3層とを交互に積層することによって形成されている。
p型ZnOコンタクト層208およびp型Mg0.1Zn0.9Oクラッド層207の一部はリッジストライプ状にエッチング加工され、Gaを3×1018cm−3の濃度でドーピングしたn型Mg0.2Zn0.8O電流ブロック層209によって、リッジストライプ側面は埋め込まれている。
また、ZnO基板201の下にはn型オーミック電極210が形成され、p型ZnOコンタクト層208の上にはp型オーミック電極211が形成されている。
光出射端面のn型ZnO単結晶基板201の側面部201aは、ダイシングによって粗面加工されている。
【0065】
一方、光共振器を形成する光反射端面(光出射端面に同じ)は、基板裏面からダイシングによって溝部形成を行った後、溝部から成長層を劈開することによって形成され、さらに当該鏡面端面には前後面共に、厚さ60nmのMgO層と厚さ70nmのSiO2層が交互積層された誘電体反射膜212が積層され、波長410nmの光に対する反射率が20%となるように積層数が調整されている。なお、誘電体反射膜212は粗面となっているZnO基板201の端面部201aにわたって形成されていてもよい。
【0066】
半導体レーザ素子2aに電流を流したところ、図5に示すように、端面から波長405nmの青色発振光が得られた。
また、半導体レーザ素子2aをピックアップに実装し、光ディスクの誤り訂正前の読み取りエラーの個数を測定した結果、30個/秒であった。
【0067】
一方、比較のため、ダイシングの代りにスクライビングによってZnO基板裏面に浅いけがき溝を形成し、けがき溝部から劈開を行って基板端面を鏡面とする以外は、半導体レーザ素子2aと同様にして半導体レーザ素子2bを作製した。この半導体レーザ素子2bをピックアップに実装し、半導体レーザ素子2aと同様に光ディスクの誤り訂正前の読み取りエラーの個数を測定した結果、200個/秒であった。
【0068】
以上の結果が得られたのは、半導体レーザ素子2aにおいては、戻り光が焦点を結ぶ基板部端面を粗面としたため、戻り光が再反射してトラッキング信号にうねりを生じるのを抑制できたためと考えられる。
【0069】
【発明の効果】
本発明の半導体発光素子によると、基板上に成長された半導体層を含んで構成される半導体発光素子が成長層側面に平坦な鏡面を有し、該基板の側面に粗面部を有するようにしたので、発光素子の光取り出しと散乱反射を共に制御し、発光効率と信頼性に優れた発光素子を実現できる。
また、本発明の半導体発光素子の製造方法によると、基板上にZnO系半導体層を結晶成長する工程と、前記半導体成長層側面が鏡面を有するよう乾式エッチングあるいは劈開を行う工程と、該基板の側面が粗面を有するようダイシングによって素子を分離する工程を含むので、平坦性と垂直性に優れた異方性エッチングによってダメージの少ない鏡端面が得られ、同時に粗面化した基板端面を簡便に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による第1の実施形態の半導体発光素子(発光ダイオード素子)を示す斜視図(A)および断面図(B)。
【図2】本発明による第1の実施形態の半導体発光素子の製造工程を説明する概略図。
【図3】本発明による第2の実施形態の半導体発光素子(半導体レーザ素子)を示す斜視図(A)および側面図(B)。
【図4】本発明による第1の実施形態の半導体発光素子(発光ダイオード素子)の発光スペクトル。
【図5】本発明による第2の実施形態の半導体発光素子(半導体レーザ素子)の発振スペクトル。
【符号の説明】
1・・・発光ダイオード素子、
101・・・ZnO基板、
102・・・n型ZnOバッファ層、
103・・・n型MgZnOクラッド層
104・・・量子井戸活性層、
105・・・p型MgZnOクラッド層、
106・・・p型ZnOコンタクト層、
107・・・n型オーミック電極、
108・・・p型オーミック電極、
109・・・パッド電極、
110・・・レジストマスク、
2・・・半導体レーザ素子、
201・・・ZnO基板、
201a・・・基板側面粗面部、
202・・・n型ZnOバッファ層、
203・・・n型MgZnOクラッド層、
204・・・n型ZnO光ガイド層、
205・・・量子井戸活性層、
206・・・p型ZnO光ガイド層、
207・・・p型MgZnOクラッド層、
208・・・p型ZnOコンタクト層、
209・・・n型MgZnO電流ブロック層、
210・・・n型オーミック電極、
211・・・p型オーミック電極、
212・・・誘電体反射膜。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light emitting device such as a light emitting diode device and a semiconductor laser device, and more particularly, to a semiconductor light emitting device having excellent luminous efficiency and reliability and a manufacturing method.
[0002]
[Prior art]
In recent years, as a light emitting material capable of covering a wide range from ultraviolet to green and beyond, crystal growth and device technology of a group III nitride-based semiconductor, which is a wide gap semiconductor, are rapidly developing. Among them, a blue semiconductor laser device having an oscillation wavelength of around 400 nm is expected to be put to practical use, including application to a next-generation high-density light source for digital optical recording.aAlbGa1-abVarious device structures have been proposed, such as a multiple quantum well active layer using N.
[0003]
On the other hand, an oxide semiconductor has been attracting attention as a novel light emitting material in order to complement device characteristics that are difficult to achieve with conventional compound semiconductor materials, and has been actively studied in recent years.
Above all, zinc oxide (ZnO) is a direct transition semiconductor having a band gap energy of about 3.4 eV, an exciton binding energy as extremely high as 60 meV, a low-cost raw material, and a harmless environment and human body. However, there is a possibility that a light emitting device having high efficiency, low power consumption, and excellent environmental performance can be realized.
[0004]
Hereinafter, when the term "ZnO-based" semiconductor is used in this specification, it includes ZnO and mixed crystals represented by MgZnO, CdZnO, or the like using the same as a host. Further, in the present specification, when a mixed crystal is indicated without specifying the composition, for example, “MgZnO” is simply described only by an element symbol, and when the composition is specified, for example, “MgZnO” is used.0.1Zn0.9O ".
[0005]
When a semiconductor laser element is used as a light source for digital optical recording, the "three-beam method" is used to detect the spot position in order to accurately trace the minute pit row recorded on the optical disk surface. The so-called method has been widely adopted.
In the three-beam method, a laser beam emitted from a semiconductor laser element is divided into three beams by a beam splitter, a reflected light intensity difference between two sub-beams is detected, and a fine adjustment drive signal of an optical system device is fed back by a servo mechanism. I do. However, in this method, part of the side beam reflected by the optical disk passes through the half mirror of the beam splitter and returns to the side of the semiconductor laser element as the light source. This return light is focused on the end face of the semiconductor laser element, reflected again on the optical disk side and interferes with a regular beam, causing undulation, and the tracking servo becomes unstable.
[0006]
In order to solve this problem, various devices have been devised for the III-V group semiconductor laser device which has been used as the light source for the optical disk and the optical pickup in which the device is sealed.
[0007]
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-261775 (Patent Document 1) discloses that a dielectric film is formed on the entire end face of a resonator including a growth layer, a resist film is partially formed thereon, and then a resist film is formed. A technique has been disclosed in which the thickness of the dielectric film in the portion where no is formed is reduced to reduce the reflectance of return light.
[0008]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-302004 (Patent Document 2) discloses that a portion of a light-emitting end face of a semiconductor laser element which receives return light has2O3, SiO2, TiO2A technique has been disclosed in which a rough dielectric thin film is formed so that the reflectance adjusting layer also has a function of avoiding return light.
[0009]
Since a light emitting element using spontaneous emission light such as a light emitting diode element does not need to have a waveguide mechanism, light from the light emitting layer is emitted in all directions.
[0010]
Of these, light emitted in the lateral direction or above the light emitting layer is easily taken out of the device, and therefore, the side surface of the light emitting diode device is preferably excellent in flatness so as not to cause irregular reflection. On the other hand, light emitted below the light emitting layer is not directly extracted to the outside. Therefore, in order to efficiently reflect the light emitted below the light-emitting layer and take it out of the element, the mounting surface of the lead frame on which the light-emitting diode element is mounted has a cup shape coated with a metal with high light reflectance. Has become. Light emitted obliquely downward from the light emitting layer is reflected at the bottom surface and emitted to the outside of the device from the side surface, and further reflected at the cup side surface and emitted upward. As a mounting example as described above, a light emitting device using a gallium nitride-based compound semiconductor is disclosed in Japanese Patent No. 3065258 (Patent Document 3).
[0011]
[Patent Document 1]
JP-A-63-261775
[0012]
[Patent Document 2]
JP-A-6-302004
[0013]
[Patent Document 3]
Japanese Patent No. 3065258
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
The above-described technology for avoiding return light in a semiconductor laser device has poor mass productivity and low accuracy in controlling the thickness and surface roughness of the dielectric film. There is a problem that it becomes difficult.
[0015]
Further, in the example of light extraction in the light-emitting diode element, light emitted obliquely downward from the light-emitting layer is likely to cause total reflection if the bottom surface or lower surface of the substrate is a mirror surface with excellent flatness, and is extracted to the outside. Multiple reflections occur in the element before the light is reflected. In this process, there is a problem that light emission is re-absorbed by the semiconductor and luminous efficiency is reduced.
[0016]
As described above, any of the conventional techniques is poor in controllability of the end face function in the semiconductor light emitting device, and even when applied to a blue semiconductor light emitting device using an oxide semiconductor or the like, which requires more advanced functions and processing accuracy, It was difficult to solve the problem.
Thus, an object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device having excellent luminous efficiency and reliability in view of the above problems.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
The present inventor controlled both the extraction of internal light and the scattered reflection of return light by providing two regions, a flat mirror surface and a rough surface, at appropriate positions on the end face of the semiconductor light emitting element, and was excellent in luminous efficiency and reliability. The present inventors have found that a semiconductor light emitting device can be realized, and have reached the present invention.
[0018]
That is, the present invention is characterized in that, in a semiconductor light emitting device in which a semiconductor growth layer is formed on a substrate, the side surface of the substrate is rough, and the side surface of the semiconductor growth layer is a flat mirror surface. Provided is a semiconductor light emitting device.
In the region where the side surface is a mirror surface, light from the inside of the light emitting element is efficiently extracted out of the element without irregular reflection, and on the other hand, by adjusting the reflectance, it can function as a reflecting mirror for amplifying the stimulated emission light by resonance. . Further, in the region where the side surface is rough, light incident from the inside of the device at a total reflection angle or more can be diffused and efficiently extracted to the outside of the device. Can be reduced.
Thus, both light extraction and scattered reflection of the light emitting element are controlled, and a light emitting element excellent in luminous efficiency and reliability can be realized.
[0019]
In a first aspect, the present invention provides at least a first conductive type ZnO-based semiconductor cladding layer, a ZnO-based semiconductor light emitting layer, a second conductive type ZnO-based semiconductor clad layer, and a second conductive type ZnO-based A semiconductor light emitting device on which a semiconductor growth layer including a base semiconductor contact layer is formed, wherein the semiconductor growth layer portion has a mirror-like surface on the device side surface, and the substrate portion has a rough surface on the device side surface. The present invention provides a semiconductor light emitting device characterized by the following. In particular, this semiconductor light emitting device can be applied to a light emitting diode device.
[0020]
In the present specification, the “first conductivity type” and the “second conductivity type” are different from each other and mean n-type or p-type. For example, if the first conductivity type is n-type, the second conductivity type is p-type.
[0021]
In a light-emitting diode element, light emitted from the light-emitting layer is hardly totally reflected on the side surface of the semiconductor growth layer portion and is easily taken out. Therefore, light is returned into the element by irregular reflection by making the side surface a mirror surface. It is effective to prevent. On the other hand, light incident on the side surface of the substrate portion has low light extraction efficiency. Therefore, it is effective to make the side surface rough so that light can be easily extracted out of the element by irregular reflection.
[0022]
In a second aspect, the present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: forming at least a first conductivity type ZnO-based semiconductor clad layer, a ZnO-based semiconductor active layer, a second conductivity type ZnO-based semiconductor clad layer, a second conductivity type on a substrate; A ZnO-based semiconductor contact layer, a first conductivity type ZnO-based semiconductor current blocking layer, and a semiconductor growth layer including an optical resonator, wherein a pair of device end faces constituting the optical resonator are provided. Wherein the semiconductor growth layer portion has a mirror-like surface parallel to each other, and the substrate portion has a rough surface at a pair of device end faces constituting the optical resonator. I do. In particular, this semiconductor light emitting device can be applied to a semiconductor laser device.
In a semiconductor laser device, the end face of the semiconductor growth layer portion is made to be a mirror surface, so that the end face of the waveguide including the active layer functions as an optical resonator. Can be reflected irregularly, and an increase in noise due to fluctuation can be avoided.
[0023]
In this specification, a layer that controls light emission in a semiconductor light emitting device is referred to as a “light emitting layer”, but in the case of a semiconductor laser device, the term “active layer” may be used in the same sense. However, since the functions of the two are substantially the same, no distinction is made.
[0024]
In the semiconductor light emitting device of the present invention, the substrate has a property of transmitting emitted light. When the substrate has a light-transmitting property, light emitted inside the element and incident on the substrate can be extracted outside the element without being absorbed. Also, in a semiconductor laser device, noise is reduced because the substrate does not absorb return light and generate carriers.
[0025]
In the semiconductor light emitting device of the present invention, the substrate is a ZnO single crystal.
If the substrate is a ZnO single crystal, the substrate has excellent affinity with the ZnO-based semiconductor layer grown thereon, and the crystallinity is improved. In addition, it is excellent in processability such as mirror surface formation and rough surface formation and cleavage, and has a clear advantage over a substrate such as sapphire which is difficult to cleave or process.
[0026]
Further, the present invention also provides a method for manufacturing a semiconductor light emitting device suitable for manufacturing the above semiconductor light emitting device.
In a first aspect, the present invention provides a method of forming a ZnO-based semiconductor growth layer on a substrate by crystal growth, and using a method of ion milling, FIB etching, or reactive ion etching to define the trench. Forming a groove extending from the surface of the semiconductor growth layer to the inside of the substrate so that the side surface of the growth layer becomes mirror-like; and dicing along the groove so that the side surface of the substrate becomes rough. And a step of isolating the element by performing the method.
[0027]
It is difficult for an oxide semiconductor to form a mirror surface with excellent flatness and verticality by wet etching using a chemical solution. However, by applying dry etching such as the ion milling described above, anisotropic etching excellent in flatness and perpendicularity can be realized, and the control of the etching depth is easy. In addition, since the etched end face is less damaged, the element does not deteriorate.
On the other hand, when the element is mechanically separated by dicing, the end face is easily roughened.
Therefore, a light emitting device having a mirror surface on the growth layer side and a rough surface on the substrate side can be easily manufactured.
[0028]
In a second aspect, the present invention defines the trench by crystal-growing a ZnO-based semiconductor growth layer on a substrate and dicing the substrate from the back surface where the semiconductor growth layer is not formed. Forming a groove having a depth not exceeding the thickness of the substrate so that the side surface of the substrate becomes rough; and forming a groove along the groove so that the side surface of the semiconductor growth layer becomes mirror-like. Cleaving the device to separate the device.
Although element separation by cleavage cannot control the depth, it has the best side surface flatness and extremely little damage. Therefore, first, a groove having a rough side surface is formed by dicing the substrate portion, and then cleavage is performed from the groove portion to separate elements, so that the growth layer side surface is a mirror surface and the substrate side surface is a rough surface. Can be easily manufactured.
[0029]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment in which the semiconductor light emitting device of the present invention is applied to a light emitting diode device and a semiconductor laser device will be specifically described below with reference to the drawings.
First embodiment
The semiconductor light-emitting device according to the first embodiment of the present invention includes at least a first conductive type ZnO-based semiconductor clad layer, a ZnO-based semiconductor light-emitting layer, a second conductive type ZnO-based semiconductor clad layer, and a second conductive type. A semiconductor light emitting device in which a semiconductor growth layer including a conductive type ZnO-based semiconductor contact layer is formed, wherein the semiconductor growth layer portion has a mirror-like surface on the device side surface and the substrate portion has a rough surface on the device side surface. A light emitting diode element having a surface.
[0030]
In the light-emitting diode device of the present invention, light emitted from the light-emitting layer is hardly totally reflected on the side surface of the growth layer and is easily extracted to the outside. Since the light incident on the substrate has a low light extraction efficiency, roughening the side surface makes it easier to extract light out of the element by irregular reflection.
That is, the light emitted from the light emitting layer is incident on the side surface of the growth layer near the light emitting layer at a small incident angle. Therefore, in order to improve the light extraction efficiency to the outside, the side surface should be a mirror surface. On the other hand, the light is incident on the substrate part far from the light-emitting layer at a large incident angle, and the incident light easily causes total reflection. Therefore, to improve the light extraction efficiency, the side surface of the substrate part must be roughened. It is effective to cause irregular reflection.
[0031]
FIG. 1 shows a perspective view (A) and a sectional view (B) of the light emitting
[0032]
The quantum well light emitting
Under the
On the entire main surface of the p-type
[0033]
Furthermore, the four side surfaces of the n-type ZnO
[0034]
Hereinafter, other configurations for maximizing the effects of the present invention will be described, but in other embodiments, any combination can be used.
[0035]
In the semiconductor light emitting device of the present invention, the material of the
When an insulating substrate is used, the n-type
[0036]
However, in order to maximize the high luminous efficiency, which is the effect of the present invention, (1) a lattice-matched substrate having an in-plane lattice constant difference with ZnO of 3% or less and having excellent crystallinity of the grown layer. It is preferable to use a substrate that can reduce defects serving as non-emission centers, (2) has a low absorption coefficient corresponding to the emission wavelength, and (3) is conductive and can form an electrode on the back surface. A substrate made of ZnO single crystal is most preferable because it satisfies all the above conditions. The ZnO substrate is perfectly lattice-matched with the ZnO-based semiconductor light emitting device epitaxially grown thereon, and has a higher affinity than using a heterogeneous substrate. Thus, a light-emitting element having good crystallinity and extremely few non-light-emission centers can be manufactured.
[0037]
The use of a zinc surface as the main surface is preferable because the carrier activation rate of the p-type layer is improved and a p-type layer having low resistance is easily obtained.
In addition, it is preferable to form irregularities on the back surface of the substrate by a known method such as polishing or etching and irregularly reflect the emitted light, which improves the light extraction efficiency.
[0038]
As a donor impurity to be doped into the n-type
[0039]
The light-emitting
In the semiconductor light emitting device of the present invention, the light emitting layer may be doped with impurities irrespective of a single structure or a multiple quantum well structure. By doping the light emitting layer with an impurity, the luminous efficiency can be improved, and the emission wavelength can be adjusted by utilizing transition via the impurity level.
[0040]
As the donor impurity that can be doped into the ZnO-based semiconductor light emitting layer of the first embodiment, for example, one or more group III elements selected from the group consisting of B, Al, Ga, and In can be doped. Further, as the acceptor impurity, for example, one or more group I or V elements selected from the group consisting of Li, Na, Cu, Ag, N, P and As can be doped. Further, as a recombination center for promoting radiative recombination, for example, one or a plurality of group IV elements selected from the group consisting of Si, Ge, C, and Sn can be doped. When the light emitting layer has a multiple quantum well structure, the donor impurity can be doped into the entire quantum well structure. Also, only the well layer or only the barrier layer can be doped. By doping only the well layer, the total amount of doping is reduced and the crystallinity is improved. Also, by doping only the barrier layer, carrier loss is reduced and the threshold is reduced.
[0041]
As an acceptor impurity to be doped into the p-
[0042]
For the p-
In order to obtain the high luminous efficiency and low operating voltage of the present invention with the maximum effect, the p-
Since the transparent conductive film is formed on the entire main surface, the current spread becomes uniform and the external light extraction efficiency is improved. Therefore, an ultraviolet light emitting device having excellent luminous efficiency can be realized.
The thickness that achieves both good ohmic characteristics and high translucency is preferably in the range of 50 to 200 nm, more preferably in the range of 300 to 100 nm.
It is preferable to perform an annealing treatment after the formation of the p-
[0043]
If the
Another metal layer may be formed between the p-
[0044]
For the n-
Since Al has a high reflectance of blue to ultraviolet light, even if the n-
Further, the n-
When the n-
Since the auxiliary electrode increases the contact area with the lead frame, the operating voltage does not increase even if the n-type electrode is patterned. Therefore, an ultraviolet light emitting element with a low operating voltage can be realized.
[0045]
The semiconductor light emitting device of the present invention is manufactured by a crystal growth method such as a molecular beam epitaxy (MBE) method using a solid or gaseous raw material, a laser molecular beam epitaxy (laser MBE) method, and a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. be able to.
In the laser MBE method, the composition deviation between the raw material target and the thin film is small, and for example, when ZnO is doped with Ga,2O4This is preferable because generation of unintended by-products such as the above can be suppressed.
[0046]
Second embodiment
The second semiconductor light-emitting device according to the present invention comprises, on a substrate, at least a first conductivity type ZnO-based semiconductor clad layer, a ZnO-based semiconductor active layer, a second conductivity-type ZnO-based semiconductor clad layer, and a second conductivity-type ZnO-based semiconductor clad layer. A semiconductor light emitting device in which a ZnO-based semiconductor contact layer, a first conductivity type ZnO-based semiconductor current blocking layer, and a semiconductor growth layer including an optical resonator are formed, wherein a pair of device end faces constituting the optical resonator are provided. A semiconductor laser device wherein a semiconductor growth layer portion has mirror surfaces parallel to each other, and a substrate portion has a rough surface at a pair of device end faces constituting the optical resonator.
In the semiconductor laser device of the present invention, by making the end face of the semiconductor growth layer part a mirror surface, the end face of the waveguide including the active layer functions as an optical resonator, while the end face of the substrate part is made rough. In addition, it is possible to avoid the increase of noise due to the fluctuation by irregularly reflecting the return light.
[0047]
FIG. 3 shows a perspective view (A) of the
[0048]
The quantum well
A part of the p-type
An n-
The side surface part 201a of the n-type ZnO
[0049]
On the other hand, the light reflecting end face (same as the light emitting end face) forming the optical resonator is formed by forming a groove portion by dicing from the back surface of the substrate and then cleaving the growth layer from the groove portion, and further forming a mirror end surface. MgO layer and SiO2A
By adjusting the number of layers, the reflectance for light of a specific wavelength can be controlled.
Note that the
[0050]
That is, in the semiconductor laser device according to the present invention, the end face of the growth layer near the active layer where the waveguide is formed has a mirror surface with little damage due to cleavage, and thus has no effect on the resonance amplification operation of the laser. In addition, there is no need to form a resist film or process a dielectric film after element isolation, and since a mirror surface and a rough surface can be formed at the element isolation stage, production efficiency is not affected.
In the case of a semiconductor laser device, it is not necessary to separately form a mirror surface and a rough surface on the other pair of side surfaces on which the optical resonator is not formed. Since the length is shortened, it is preferable that the elements are separated by cleavage or dry etching.
[0051]
【Example】
Example 1
This embodiment describes a first semiconductor light emitting device in which the present invention is applied to a light emitting diode device.
FIG. 1 shows a perspective view (A) and a sectional view (B) of the light emitting
[0052]
The quantum well light emitting
Under the
[0053]
Furthermore, the four side surfaces of the n-type ZnO
[0054]
The manufacturing method will be described below in order with reference to FIG. FIG. 2 shows the manufacturing process from a cross section.
[0055]
First, an n-type
Next, the
[0056]
Next, CF4And CH4The growth layer was RIE-etched from the opening of the resist mask in a lattice pattern using the mixed gas of FIG. The etching conditions were an acceleration voltage of 1 kV and a plasma output of 50 W. The side surfaces of the etched growth layer were vertical and flat mirror surfaces.
[0057]
Next, the resist mask was removed by washing, and the bottom surface of the groove formed by RIE was diced to the back surface using a diamond blade having a thickness of 40 μm to separate four sides of the element (FIG. 2D). At this time, the rotation speed of the blade was adjusted so that the side surface of the substrate became rough.
[0058]
After the back surface of the light emitting diode element 1a was attached to the lead frame with a conductive paste, wiring was performed on the
[0059]
For comparison, a light emitting diode element 1b was produced and emitted light in the same manner as the light emitting diode element 1a, except that the groove portion was formed by RIE until the bottom surface of the substrate was reached, and all the side surfaces of the light emitting diode element were mirror-finished. The light emission intensity after resin molding was about 60% as compared with the light emitting diode element 1a.
[0060]
Further, a light emitting diode element 1c is produced and light is emitted in the same manner as the light emitting diode element 1a, except that the element is separated only by dicing and the side surfaces of the light emitting diode element are roughened without forming a groove by the RIE method. As a result, the light emission intensity after resin molding was about 70% as compared with the light emitting diode element 1a. In addition, when the device was continuously energized with an operating current of 20 mA, the light emission intensity decreased with the passage of time, and after 20 hours, decreased to 70% immediately after the energization.
[0061]
Such a result was obtained because, by making the side surface of the growth layer portion near the light emitting layer a mirror surface, light emitted at a small incident angle passed through the mirror surface without irregular reflection. It is considered that light extraction efficiency to the outside was improved, and light emission incident at a large incident angle was irregularly reflected by making the side surface of the substrate part rough, so that light extraction efficiency was improved.
[0062]
In this embodiment, the mirror surface on the growth side surface is formed by RIE. However, even if anisotropic etching is performed by another dry etching method such as ion milling or FIB etching, a mirror surface with less damage can be obtained. The same effect as the example is achieved.
[0063]
Example 2
This embodiment describes a second semiconductor light emitting device in which the present invention is applied to a semiconductor laser device.
FIG. 3 shows a perspective view (A) of the
[0064]
The quantum well
p-type
An n-
The side surface part 201a of the n-type ZnO
[0065]
On the other hand, the light reflection end face (same as the light emission end face) forming the optical resonator is formed by forming a groove by dicing from the back surface of the substrate and then cleaving the growth layer from the groove, and furthermore, the mirror end face is formed. On both front and rear surfaces, a 60 nm thick MgO layer and a 70 nm thick SiO2The dielectric
[0066]
When a current was applied to the semiconductor laser element 2a, blue oscillation light having a wavelength of 405 nm was obtained from the end face as shown in FIG.
Further, the semiconductor laser element 2a was mounted on the pickup, and the number of read errors before error correction of the optical disk was measured. As a result, the number was 30 / sec.
[0067]
On the other hand, for comparison, the semiconductor laser device 2a was fabricated in the same manner as the semiconductor laser device 2a except that a shallow scribing groove was formed on the back surface of the ZnO substrate by scribing instead of dicing, and the substrate end surface was mirror-finished by cleaving from the scribing groove portion. Laser element 2b was produced. This semiconductor laser element 2b was mounted on a pickup, and the number of read errors before error correction of the optical disk was measured as in the case of the semiconductor laser element 2a. The result was 200 / sec.
[0068]
The above results were obtained because in the semiconductor laser element 2a, the end surface of the substrate portion where the return light was focused was roughened, so that it was possible to suppress the return light from re-reflecting and causing undulation in the tracking signal. it is conceivable that.
[0069]
【The invention's effect】
According to the semiconductor light emitting device of the present invention, the semiconductor light emitting device including the semiconductor layer grown on the substrate has a flat mirror surface on the side surface of the growth layer and has a rough surface portion on the side surface of the substrate. Therefore, both light extraction and scattering reflection of the light emitting element are controlled, and a light emitting element with excellent luminous efficiency and reliability can be realized.
According to the method for manufacturing a semiconductor light emitting device of the present invention, a step of crystal-growing a ZnO-based semiconductor layer on a substrate, a step of performing dry etching or cleavage so that a side surface of the semiconductor growth layer has a mirror surface, Includes the step of separating elements by dicing so that the side surface has a rough surface, so that anisotropic etching with excellent flatness and verticality can provide a mirror end surface with less damage, and at the same time, easily roughen the substrate end surface Obtainable.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view (A) and a cross-sectional view (B) showing a semiconductor light emitting device (light emitting diode device) according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view illustrating a manufacturing process of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a perspective view (A) and a side view (B) showing a semiconductor light emitting device (semiconductor laser device) according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an emission spectrum of the semiconductor light emitting device (light emitting diode device) according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an oscillation spectrum of a semiconductor light emitting device (semiconductor laser device) according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... light emitting diode element
101 ... ZnO substrate,
102 ... n-type ZnO buffer layer,
103 ... n-type MgZnO cladding layer
104 ・ ・ ・ Quantum well active layer,
105 ... p-type MgZnO cladding layer,
106 ... p-type ZnO contact layer,
107 ... n-type ohmic electrode,
108 ··· p-type ohmic electrode,
109 ... pad electrode,
110 ... resist mask,
2 ... Semiconductor laser device,
201: ZnO substrate,
201a: Substrate side rough surface,
202 ... n-type ZnO buffer layer,
203 ... n-type MgZnO cladding layer,
204 ... n-type ZnO light guide layer,
205 ・ ・ ・ Quantum well active layer,
206 ... p-type ZnO light guide layer,
207 ... p-type MgZnO cladding layer,
208 ... p-type ZnO contact layer,
209... N-type MgZnO current blocking layer,
210 ... n-type ohmic electrode,
211 ... p-type ohmic electrode,
212: dielectric reflection film.
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