JP2006128681A - Semiconductor light emitting device and exposure device - Google Patents

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Toshiro Hayakawa
利郎 早川
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Fuji Photo Film Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To emit a blue or green light beam of small spot diameter and small incident angle. <P>SOLUTION: In the semiconductor light emitting device of surface light emission, a Bragg reflection mechanism comprising DBR multi-layer reflectors 64 and 69 on upper and lower layers sandwiching an active layer 66 is provided to restrict light emitting patterns by light quantum containment effect by the Bragg reflection mechanism. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、半導体発光素子の構造に関し、特に詳しくは、緑色もしくは青色の光ビームを出力する半導体発光素子に関するものである。   The present invention relates to a structure of a semiconductor light emitting device, and more particularly to a semiconductor light emitting device that outputs a green or blue light beam.

従来の銀塩写真のデジタルプリント装置においては、光源としてレーザ光を用いており、レーザ光を光源としているために、ポリゴンミラー等を用いた高速の光ビーム走査露光が可能となり、高速にプリントを出力でき、また、走査にドラム等の高速の紙送りを用いる必要がなく連続紙による供給などの簡便な紙送りが可能である。   In conventional silver halide photography digital printing devices, laser light is used as the light source, and since laser light is used as the light source, high-speed light beam scanning exposure using a polygon mirror or the like is possible, and high-speed printing is possible. In addition, it is not necessary to use high-speed paper feeding such as a drum for scanning, and simple paper feeding such as feeding with continuous paper is possible.

デジタルプリント装置の光源としては、RGBの三原色にて発光するレーザ光源を用いることが理想であり、従来レーザ光源としては、ガスレーザが主に用いられてきたが、サイズが大きい、特殊な電源を必要とする、信頼性が高くないなど汎用の装置の光源として採用するには難があった。最近、本出願人は、赤色光源として半導体レーザを、青、緑色光源としては第二高調波を発生させる半導体レーザ励起固体レーザを備えたデジタルプリント装置「Frontier」を製品化した。該プリント装置においては、青および緑色の光源として半導体レーザ励起固体レーザを用いることにより、小型・高品位のレーザ光を比較的安価に提供することができるようになり、また、初段の電気−光変換は半導体レーザであるため信頼性も向上した。さらに、特性が最も安定であり、最も安価である三原色に感度を会わせた通常のカラーペーパーを用いることができる。   Ideally, a laser light source that emits light in the three primary colors of RGB is used as the light source for the digital printing device. A gas laser has been mainly used as a conventional laser light source, but it requires a large size and special power source. However, it is difficult to adopt as a light source for a general-purpose device such as not having high reliability. Recently, the applicant has commercialized a digital printing apparatus “Frontier” equipped with a semiconductor laser as a red light source and a semiconductor laser pumped solid-state laser that generates a second harmonic as a blue and green light source. In the printing apparatus, by using a semiconductor laser-pumped solid-state laser as a blue and green light source, it becomes possible to provide a small-sized and high-quality laser light at a relatively low cost. Since the conversion is a semiconductor laser, the reliability is also improved. In addition, ordinary color paper that has the most stable characteristics and the least expensive three primary colors can be used.

しかしながら、これらの装置のさらなるコストダウンにはキーデバイスであるレーザ光源のコストダウンが必須である。赤色半導体レーザは高密度光磁気ディスクやDVD(Digital Video Disk)用光源として低価格化が進んでおり問題ないが、青および緑色については実用可能の半導体レーザが得られる見通しがないため、現状の固体レーザでは部品および組立コストが壁となって半導体レーザのような低価格化は装置の構成上困難である。   However, in order to further reduce the cost of these apparatuses, it is essential to reduce the cost of the laser light source that is a key device. There is no problem with red semiconductor lasers as light sources for high-density magneto-optical disks and DVDs (Digital Video Disks), but there are no prospects for practical semiconductor lasers for blue and green. In the case of a solid-state laser, parts and assembly costs are a barrier, and it is difficult to reduce the price as in the case of a semiconductor laser because of the configuration of the apparatus.

一方、より長波長帯域の半導体レーザとCMY(Cyan, Magenta, Yellow )発色をする感材とを用いて比較的安価なプリント装置が実現されている(例えば、富士フイルム製ピクトグラフィー)。このような装置においては、市販の半導体レーザ(例えば、810nm , 750nm , 680nm )を用いることができるため、上記固体レーザを用いた場合より装置を安価に構成することができる。   On the other hand, a relatively inexpensive printing apparatus has been realized using a longer wavelength band semiconductor laser and a CMY (Cyan, Magenta, Yellow) color sensitive material (for example, Fujifilm Pictography). In such an apparatus, since a commercially available semiconductor laser (for example, 810 nm, 750 nm, 680 nm) can be used, the apparatus can be configured at a lower cost than when the solid laser is used.

しかしながら、市販の半導体レーザを用いるために、感光材料として半導体レーザの波長に合わせた特別のもの、すなわち、通常より長波長側へ感度をシフトさせたものを用意する必要があるため材料費が高くなり運転費やプリントコストが高くなるという問題がある。   However, in order to use a commercially available semiconductor laser, it is necessary to prepare a special photosensitive material that matches the wavelength of the semiconductor laser, that is, a material whose sensitivity is shifted to a longer wavelength side than usual. There is a problem that the operating cost and the printing cost become high.

一方、従来の発光ダイオード(LED)において、青および緑の高輝度のLED光源がInGaN 系の材料を用いて実現されている(「The Blue Diode」,S.Nakamura and G.Fasol,Springer,Berlin,1997)。これらは、他の赤色などのLEDと同様に数百μm角程度の発光面を有し、光は発散光である。従って、高精細なプリンタを構成するために、これらの光源を用いて数十μm径のスポットを形成しようとする場合、放射光を有限な大きさのレンズ等により集光するため、集光された光の光量は極めて小さいものとなる、また、1/2 〜1/10程度の縮小光学系により結像するためレンズと光源との距離が相対的に離れてしまい更に結合効率が低下する、という問題がある。   On the other hand, in conventional light emitting diodes (LEDs), blue and green high-intensity LED light sources are realized using InGaN-based materials (“The Blue Diode”, S. Nakamura and G. Fasol, Springer, Berlin) 1997). These have a light emitting surface of about several hundred μm square like other red LEDs, and the light is divergent light. Therefore, when a spot with a diameter of several tens of μm is to be formed using these light sources in order to constitute a high-definition printer, the emitted light is condensed because it is collected by a lens of a finite size. The amount of light is extremely small, and since the image is formed by a reduction optical system of about 1/2 to 1/10, the distance between the lens and the light source is relatively increased, further reducing the coupling efficiency. There is a problem.

本発明は上記の事情に鑑み、通常の可視光露光用の感材を用いる露光装置に使用可能の青色、緑色の光ビームを小さいスポット径でかつ小さい放射角で発光し、かつ安価に作製することができる半導体発光素子およびこの半導体発光素子を採用した露光装置を提供することを目的とするものである。   In view of the above circumstances, the present invention emits blue and green light beams with a small spot diameter and a small radiation angle, and can be manufactured at low cost, which can be used in an exposure apparatus using a normal photosensitive material for visible light exposure. It is an object of the present invention to provide a semiconductor light emitting device that can be used and an exposure apparatus employing the semiconductor light emitting device.

本発明の第一の半導体発光素子は、光導波機構を有し、発光端面に反射鏡が形成されている、ストライプ構造の半導体発光素子であって、
前記光導波機構により制限された発光領域から、緑色もしくは450nm以上の波長を有する青色の光ビームをスーパーラディアンスにより発光することを特徴とするものである。
The first semiconductor light emitting device of the present invention is a semiconductor light emitting device having a stripe structure having an optical waveguide mechanism and having a reflecting mirror formed on the light emitting end face,
A green light beam or a blue light beam having a wavelength of 450 nm or more is emitted by superradiance from the light emitting region limited by the optical waveguide mechanism.

また、本発明の第二の半導体発光素子は、面発光型の半導体発光素子であって、
活性層を挟む上下層にブラッグ反射機構を備え、
前記ブラッグ反射機構による光の量子閉じ込め効果により制限された発光パターンで緑色もしくは青色の光ビームをスーパーラディアンスにより発光することを特徴とするものである。
The second semiconductor light emitting device of the present invention is a surface light emitting semiconductor light emitting device,
The upper and lower layers sandwiching the active layer are equipped with a Bragg reflection mechanism,
A green or blue light beam is emitted by superradiance with a light emission pattern limited by the quantum confinement effect of light by the Bragg reflection mechanism.

ここで、前記「スーパーラディアンスにより発光する」とは、素子の反射型構造により誘導放出を行うが、レーザ発振ではない発光を行うことをいう。   Here, the phrase “light emission by superradiance” means light emission that is stimulated emission by the reflective structure of the element but is not laser oscillation.

また、本発明の第三の半導体発光素子は、面発光型の半導体発光素子であって、
発光端面の一部にレンズが形成され、
前記発光端面の前記レンズ以外の部分が遮光部材に覆われており、
前記レンズから緑色もしくは青色の光ビームを発光することを特徴とするものである。
The third semiconductor light emitting device of the present invention is a surface emitting semiconductor light emitting device,
A lens is formed on a part of the light emitting end face,
A portion other than the lens of the light emitting end face is covered with a light shielding member,
A green or blue light beam is emitted from the lens.

なお、前記各半導体発光素子は、InGaN 系の半導体により好適に形成される。   Each of the semiconductor light emitting elements is preferably formed of an InGaN based semiconductor.

本発明の露光装置は、赤色の半導体発光素子と、上述の本発明青色の光ビームを発光する半導体発光素子および緑色の光ビームを発光する半導体発光素子とからなる光源と、
走査光学系とを備えたことを特徴とするものである。
An exposure apparatus of the present invention comprises a light source comprising a red semiconductor light emitting element, a semiconductor light emitting element that emits the blue light beam of the present invention, and a semiconductor light emitting element that emits a green light beam,
And a scanning optical system.

本発明の第一の半導体発光素子は、発光領域が光導波機構およびストライプ構造によって制限されているため、微小発光径でかつ放射角度の狭い緑色もしくは青色の光ビームを出力することができる。   In the first semiconductor light emitting device of the present invention, since the light emitting region is limited by the optical waveguide mechanism and the stripe structure, a green or blue light beam having a small light emission diameter and a narrow emission angle can be output.

本発明の第二の半導体発光素子は、ブラッグ反射(DBR)機構を備えたことにより、光の量子閉じ込め効果によって発光パターンを制限することができ、微小発光径でかつ光の放射角度の狭い緑色もしくは青色の光ビームを出力することができる。   Since the second semiconductor light emitting device of the present invention has a Bragg reflection (DBR) mechanism, the light emission pattern can be limited by the quantum confinement effect of light, and the green light emission angle is narrow and the light emission angle is narrow. Alternatively, a blue light beam can be output.

本発明の第三の半導体発光素子は、一般的な面発光ダイオード(LED)において発光端面の一部にレンズが形成され、それ以外の部分を遮光部材で覆われたものであり、遮光部材により発光領域が制限され、レンズにより微小発光径でかつ放射角度の狭い緑色もしくは青色の光ビームを出力することができる。   The third semiconductor light emitting device of the present invention is a general surface light emitting diode (LED) in which a lens is formed on a part of a light emitting end face and the other part is covered with a light shielding member. The light emitting area is limited, and the lens can output a green or blue light beam having a small emission diameter and a narrow emission angle.

本発明の露光装置は、赤色半導体発光素子と、上述の本発明による緑色半導体発光素子および青色半導体発光素子とからなる光源を備えることにより、安価に構成することができ、また、本発明の半導体発光素子から発光される緑色および青色の光ビームは、微小発光径でかつ放射角度の狭いものであるため、従来のレーザ光および第二高調波を用いていた露光装置と同様に高速かつ高品位なものとすることができる。   The exposure apparatus of the present invention can be constructed at low cost by including a light source comprising the red semiconductor light emitting element and the above-described green semiconductor light emitting element and blue semiconductor light emitting element according to the present invention, and the semiconductor of the present invention. Since the green and blue light beams emitted from the light emitting elements have small emission diameters and narrow emission angles, they are as fast and high quality as conventional exposure equipment using laser light and second harmonics. Can be.

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明に係る第一の実施形態のInGaN 系青色半導体発光素子の断面模式図を示す。図1に示すように、本実施形態に係る半導体発光素子は、一般のストライプ型半導体レーザの構造と同様の、活性層7をクラッド層6、8で挟むダブルヘテロ構造であり、光の閉じ込めのためストライプ状の電流注入窓12が設けられたものである。また、素子の劈開面は反射面とされて、光反射構造が形成されている。本素子はレーザ発振しないが、層構成およびリッジ型屈折率導波構造からなる光導波構造と両光出射端面の反射によって形成される光反射構造により、いわゆるスーパーラディアンス(Super Radiance)にて発光する。なお、本実施形態の半導体発光素子は、470nm 帯域の青色光ビームを発光するものである。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an InGaN blue semiconductor light-emitting device according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the semiconductor light emitting device according to the present embodiment has a double hetero structure in which an active layer 7 is sandwiched between clad layers 6 and 8, similar to the structure of a general stripe type semiconductor laser. Therefore, a stripe-shaped current injection window 12 is provided. Further, the cleavage surface of the element is a reflection surface, and a light reflection structure is formed. This device does not oscillate, but emits light with so-called super radiance due to the layer structure and the optical waveguide structure consisting of the ridge type refractive index waveguide structure and the light reflecting structure formed by reflection of both light emitting end faces. . Note that the semiconductor light emitting device of this embodiment emits a blue light beam in a 470 nm band.

以下、本半導体発光素子の層構成を作製方法と併せて簡単に説明する。サファイアc面基板1上にMOCVD法を用いて、n-GaN 低温バッファ層2、n-GaN バッファ層3(Siドープ、5μm)、n-In0.05Ga0.95N バッファ層4(Siドープ、0.1 μm)、n-Al0.1Ga0.9N クラッド層5(Siドープ、0.5 μm)、n-GaN 光ガイド層6(Siドープ、0.1 μm)、アンドープ活性層7、p-GaN 光ガイド層8(Mgドープ、0.1 μm)、p-Al0.1Ga0.9N クラッド層9(Mgドープ、0.5 μm)およびp-GaN キャップ層10(Mgドープ、0.3 μm)を順次成長する。その後、窒素ガス雰囲気中で熱処理によりp型不純物を活性化する。なお、活性層7は、アンドープln0.05Ga0.95N (10nm)、アンドープIn0.28Ga0.72N 量子井戸層(3nm)、アンドープIn0.05Ga0.95N(5nm)、アンドープIn0.28Ga0.72N 量子井戸層(3nm)、アンドープln0.05Ga0.95N (10nm)アンドープAl0.1Ga0.9N(10nm)からなる二重量子井戸構造とする。   Hereinafter, the layer configuration of the semiconductor light emitting device will be briefly described together with the manufacturing method. Using MOCVD on the sapphire c-plane substrate 1, n-GaN low-temperature buffer layer 2, n-GaN buffer layer 3 (Si-doped, 5 μm), n-In0.05Ga0.95N buffer layer 4 (Si-doped, 0.1 μm) ), N-Al0.1Ga0.9N cladding layer 5 (Si-doped, 0.5 μm), n-GaN light guide layer 6 (Si-doped, 0.1 μm), undoped active layer 7, p-GaN light guide layer 8 (Mg-doped) 0.1 μm), p-Al0.1Ga0.9N cladding layer 9 (Mg-doped, 0.5 μm) and p-GaN cap layer 10 (Mg-doped, 0.3 μm) are successively grown. Thereafter, the p-type impurity is activated by heat treatment in a nitrogen gas atmosphere. The active layer 7 includes an undoped ln0.05Ga0.95N (10 nm), an undoped In0.28Ga0.72N quantum well layer (3 nm), an undoped In0.05Ga0.95N (5 nm), and an undoped In0.28Ga0.72N quantum well layer ( 3 nm), undoped ln0.05Ga0.95N (10 nm) undoped Al0.1Ga0.9N (10 nm).

次に、フォトリソグラフィとエッチングにより6μm幅のリッジストライプを形成するため、リッジストライプ部以外のエピタキシャル層をキャップ層10からクラッド層9の途中まで塩素イオンを用いたRIBE(reactive ion beam etching )により除去する。次に、リッジストライプ部上部を含む露出面上にSiN 膜14をプラズマCVDで製膜した後、更にフォトリソグラフィと塩素を用いたRIBEにより、n側電極を形成するためにリッジストライプ部を含む発光領域部以外のエピタキシャル層をn-GaN バッファ層3が露出するまでエッチング除去する。なお、この際に共振器端面を形成する。その後、リッジ部上面のSiN 膜14に電流注入のためのストライプ状窓12(幅10μm)を作製し、該ストライプ窓12を覆うようにp側電極13としてTi/Al/Ti/Au を、またn-GaN バッファ層3の露出部にn側電極11としてNi/Au を真空蒸着した後、窒素中でアニールしてオーミック電極を形成する。   Next, in order to form a ridge stripe having a width of 6 μm by photolithography and etching, the epitaxial layer other than the ridge stripe portion is removed from the cap layer 10 to the middle of the clad layer 9 by RIBE (reactive ion beam etching) using chlorine ions. To do. Next, after the SiN film 14 is formed on the exposed surface including the upper portion of the ridge stripe portion by plasma CVD, light emission including the ridge stripe portion is performed to form an n-side electrode by RIBE using photolithography and chlorine. The epitaxial layer other than the region is removed by etching until the n-GaN buffer layer 3 is exposed. At this time, a resonator end face is formed. Thereafter, a stripe window 12 (width 10 μm) for current injection is formed in the SiN film 14 on the upper surface of the ridge, and Ti / Al / Ti / Au is used as the p-side electrode 13 so as to cover the stripe window 12. Ni / Au is vacuum-deposited as an n-side electrode 11 on the exposed portion of the n-GaN buffer layer 3 and then annealed in nitrogen to form an ohmic electrode.

上記のようにして作製された半導体発光素子は発光スポット径としては6μm×1μm程度、放射ビーム角度としては40度程度の狭いものが得られる。このスポット径および放射ビーム角度は通常の発光ダイオード(LED)と比べると極めて小さく、プリンタの露光光学系への光の結合効率は従来のLEDを光源として用いた場合と比べて1〜2桁以上改善する。従来のLEDでは通常発光スポット径が300μm程度以上であるため、プリンタにおいて必要とされる高精細な特性を実現するためには50μm以下程度となるように縮小するための光学系が必要であったが、微小スポット径の本半導体発光素子ではこのような光学系は必要がないため口径の大きな明るいレンズをより近づけて使用することが可能となり、光学系への結合効率を更に改善することができる。なお、上記実施の形態においては光出射端面には光学的コーティングを施していないが、Super Radianceは反射率依存性が大きいのでこれを制御する目的や前後の端面の光出射強度を制御する目的などで端面反射率を制御する各種光学コーティングを施すことができる。各層の組成や厚みは光導波条件を満たす範囲において適宜選択できる。   The semiconductor light-emitting device manufactured as described above can be obtained with a narrow emission spot diameter of about 6 μm × 1 μm and a radiation beam angle of about 40 degrees. The spot diameter and radiation beam angle are extremely small compared to ordinary light emitting diodes (LEDs), and the light coupling efficiency to the exposure optical system of the printer is 1 to 2 digits or more compared to the case where conventional LEDs are used as the light source. Improve. Conventional LEDs usually have a light emitting spot diameter of about 300 μm or more, so an optical system for reducing the size to about 50 μm or less is necessary to realize the high-definition characteristics required in a printer. However, the present semiconductor light emitting device having a small spot diameter does not require such an optical system, so that a bright lens having a large aperture can be used closer, and the coupling efficiency to the optical system can be further improved. . In the above embodiment, the light emitting end face is not coated with an optical coating, but Super Radiance is highly dependent on reflectance, so the purpose is to control this, and the purpose is to control the light emitting intensity of the front and rear end faces. Various optical coatings for controlling the end face reflectance can be applied. The composition and thickness of each layer can be appropriately selected as long as the optical waveguide condition is satisfied.

なお、上述の実施形態においては、470nm の青色光ビームを発光する素子としたが、InGaN 量子井戸層のIn組成を変化させることによって発光波長を制御することができ、470nm 以外の青色波長や、緑色波長の素子も実現できる。   In the above-described embodiment, the device emits a 470-nm blue light beam, but the emission wavelength can be controlled by changing the In composition of the InGaN quantum well layer. Green wavelength elements can also be realized.

本発明に係る第二の実施形態の半導体発光素子の断面模式図を図2に示す。   FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of the semiconductor light emitting device of the second embodiment according to the present invention.

本実施形態の半導体発光素子の層構成および作製方法は上記第一の実施形態の半導体発光素子とほぼ同様であり、同等の層には同符号を付し詳細な説明を省略する。本半導体発光素子は、基板として導電性の6H-SiC基板21が用いられ、n側電極11が基板21の裏面に形成された構成である。このようなストライプ型構造の発光素子においても、微小発光スポットで狭放射角で光ビームを発光することができる。   The layer configuration and manufacturing method of the semiconductor light emitting device of this embodiment are substantially the same as those of the semiconductor light emitting device of the first embodiment, and the same reference numerals are assigned to the same layers, and detailed description thereof is omitted. This semiconductor light emitting device has a configuration in which a conductive 6H—SiC substrate 21 is used as a substrate and an n-side electrode 11 is formed on the back surface of the substrate 21. Even in the light emitting element having such a stripe structure, it is possible to emit a light beam with a narrow emission angle at a minute light emission spot.

本発明に係る第三の実施形態のInGaN 系青色半導体発光素子の断面模式図を図3に示す。   FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of the InGaN blue semiconductor light emitting device of the third embodiment according to the present invention.

本実施形態に係る半導体発光素子は、活性層を挟んで上下に設けられたDBR多層反射鏡を有する、DBRレーザ(distributed Bragg-reflectionレーザ)と同様の構造を備え、このDBR多層反射鏡による光閉じ込めの効果により光の量子化を行い発光パターンを制御するものである。本素子においても上記第一の実施形態と同様に、レーザ発振はしないがDBR多層反射鏡によって形成される光反射構造によりいわゆるスーパーラディアンスにて発光する。なお、本実施形態の半導体発光素子は、450nm 帯域の青色光ビームを発光するものである。   The semiconductor light emitting device according to the present embodiment has a structure similar to a DBR laser (distributed Bragg-reflection laser) having DBR multilayer reflectors provided above and below an active layer, and the light emitted from the DBR multilayer reflector. The light emission pattern is controlled by quantizing light by the confinement effect. Similarly to the first embodiment, this element does not oscillate, but emits light with so-called superradiance by the light reflecting structure formed by the DBR multilayer reflecting mirror. Note that the semiconductor light emitting device of this embodiment emits a blue light beam in a 450 nm band.

本半導体発光素子の作製方法を簡単に説明する。n型の導電性を有する6H-SiC基板61上にMOCVD法を用いて、n-GaN 低温バッファ層62、n-GaN バッファ層63(Siドープ、5μm)、n型DBR多層反射鏡64(Siドープ)、n-GaN 層65(Siドープ、0.09μm)、アンドープIn0.25Ga0.75N 量子井戸活性層66(2nm)、p-Al0.2Ga0.8N 障壁層67(Mgドープ、20nm)、p-GaN 層68(Mgドープ、0.09μm)、p型DBR多層反射鏡69(Mgドープ)、p-GaN キャップ層70(Mgドープ、0.2 μm)を成長する。その後窒素ガス雰囲気中で熱処理によりp型不純物を活性化する。この後、キャップ層70上にp側電極71を形成するが、少なくとも光を取り出す100 μm径の円形状の部分を除いて形成する。n側電極72を形成して熱処理後、発光部に反射防止膜73をコーティングする。n型DBR多層反射鏡64はn-Al0.1Ga0.9N 64a(Siドープ、λ/4相当厚み、45nm)、n-GaN 64b(Siドープ、λ/4相当厚み、46nm)を40.5周期積層する。p型DBR多層反射鏡69は同様にp-Al0.1Ga0.9N 69a (Mgドープ、λ/4相当厚み、45nm)、n-GaN 69b (Mgドープ、λ/4相当厚み、46nm)を20.5周期積層する。本実施形態において作製された半導体発光素子は450nm の発光波長を有し、微小共振器の効果により光の放射パターンの急峻化が図られている。   A method for manufacturing the semiconductor light emitting device will be briefly described. An n-GaN low-temperature buffer layer 62, an n-GaN buffer layer 63 (Si-doped, 5 μm), an n-type DBR multilayer reflector 64 (Si) are formed on the 6H-SiC substrate 61 having n-type conductivity by MOCVD. Doped), n-GaN layer 65 (Si doped, 0.09 μm), undoped In0.25Ga0.75N quantum well active layer 66 (2 nm), p-Al0.2Ga0.8N barrier layer 67 (Mg doped, 20 nm), p- A GaN layer 68 (Mg-doped, 0.09 μm), a p-type DBR multilayer reflector 69 (Mg-doped), and a p-GaN cap layer 70 (Mg-doped, 0.2 μm) are grown. Thereafter, the p-type impurities are activated by heat treatment in a nitrogen gas atmosphere. Thereafter, the p-side electrode 71 is formed on the cap layer 70, except for at least a circular portion having a diameter of 100 μm from which light is extracted. After the n-side electrode 72 is formed and heat-treated, an antireflection film 73 is coated on the light emitting portion. The n-type DBR multilayer reflector 64 is formed by laminating 40.5 periods of n-Al0.1Ga0.9N 64a (Si-doped, λ / 4 equivalent thickness, 45 nm) and n-GaN 64b (Si-doped, λ / 4 equivalent thickness, 46 nm). . Similarly, the p-type DBR multilayer reflector 69 includes p-Al0.1Ga0.9N69a (Mg-doped, λ / 4 equivalent thickness, 45 nm), n-GaN 69b (Mg-doped, λ / 4 equivalent thickness, 46 nm) in 20.5 periods. Laminate. The semiconductor light emitting device fabricated in this embodiment has an emission wavelength of 450 nm, and the light emission pattern is sharpened by the effect of the microresonator.

図4は、本発明に係る第四の実施形態のInGaN 系青色半導体発光素子の断面模式図を示す。上記第三の実施形態と同様にDBR多層反射鏡を有する構成であるが、本実施の形態においては、上部DBR層を発光領域にのみ設けることにより、発光パターンの制御を行っている。   FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of an InGaN blue semiconductor light emitting device according to the fourth embodiment of the present invention. Although it is the structure which has a DBR multilayer reflective mirror similarly to the said 3rd embodiment, in this Embodiment, the light emission pattern is controlled by providing an upper DBR layer only in a light emission area | region.

本半導体発光素子の層構成を作製方法と併せて簡単に説明する。n型の導電性を有する6H-SiC基板81上にMOCVD法を用いて、n-GaN 低温バッファ層82、n-GaN バッファ層83(Siドープ、5μm)、n型DBR多層反射鏡84(Siドープ)、n-GaN 層85(Siドープ、0.09μm)、アンドープIn0.25Ga0.75N 量子井戸活性層86(2nm)、p-Al0.2Ga0.8N 障壁層87(Mgドープ、20nm)、p-GaN 層88(Mgドープ、0.09μm)を成長する。n型DBR多層反射鏡84はn-Al0.1Ga0.9N 84a (Siドープ、λ/4相当厚み、45nm)、n-GaN 84b (Siドープ、λ/4相当厚み、46nm)を40.5周期積層したものである。   The layer structure of the semiconductor light emitting device will be briefly described together with the manufacturing method. An n-GaN low-temperature buffer layer 82, an n-GaN buffer layer 83 (Si-doped, 5 μm), an n-type DBR multilayer reflector 84 (Si) are formed on the 6H-SiC substrate 81 having n-type conductivity by MOCVD. Doped), n-GaN layer 85 (Si doped, 0.09 μm), undoped In0.25Ga0.75N quantum well active layer 86 (2 nm), p-Al0.2Ga0.8N barrier layer 87 (Mg doped, 20 nm), p- A GaN layer 88 (Mg doped, 0.09 μm) is grown. The n-type DBR multilayer reflector 84 is formed by laminating 40.5 periods of n-Al0.1Ga0.9N 84a (Si-doped, λ / 4 equivalent thickness, 45 nm) and n-GaN 84b (Si-doped, λ / 4 equivalent thickness, 46 nm). Is.

その後、窒素ガス雰囲気中で熱処理することによりp型不純物を活性化する。その後、リフトオフ法を用いて、光を取り出すための100 μm径の円形状の部分を除いてp側電極90を形成する。この後、DBR層89をZnS 89a とSiO289b の多層コーティング(各λ/4相当厚み30.5周期)により形成し、発光領域以外のDBR層をエッチング除去する。その後、n側電極91を形成して熱処理する。なお、上述のように本実施形態においては、上部DBR層はZnS およびSiO2の誘電体膜により形成されており、半導体層の結晶成長とは異なるプロセスにより形成している。   Thereafter, the p-type impurity is activated by heat treatment in a nitrogen gas atmosphere. Thereafter, the p-side electrode 90 is formed by using a lift-off method except for a circular portion having a diameter of 100 μm for extracting light. Thereafter, the DBR layer 89 is formed by multilayer coating of ZnS 89a and SiO 289b (each λ / 4 equivalent thickness 30.5 cycles), and the DBR layer other than the light emitting region is removed by etching. Thereafter, an n-side electrode 91 is formed and heat-treated. As described above, in this embodiment, the upper DBR layer is formed of a dielectric film of ZnS and SiO2, and is formed by a process different from the crystal growth of the semiconductor layer.

図5は、本発明に係る第五の実施形態のInGaN 系緑色半導体発光素子の断面模式図を示すものである。図5に示すように、本実施形態に係る半導体発光素子は、一般の面発光ダイオードの構造において、その発光面上にレンズ状部48を備え、その発光面のレンズ状部48以外の部分が遮光性材料49で覆われたものである(図6参照)。すなわち、本素子は通常の発光ダイオードから出射される自然光をレンズ状部48により集束させて出力するものである。なお、本実施形態の半導体発光素子は、530 nm帯域の緑色光ビームを発光するものである。   FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of an InGaN-based green semiconductor light-emitting device according to the fifth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, the semiconductor light emitting device according to the present embodiment includes a lens-shaped portion 48 on the light-emitting surface in the structure of a general surface-emitting diode, and a portion other than the lens-shaped portion 48 on the light-emitting surface. It is covered with a light shielding material 49 (see FIG. 6). In other words, this element focuses and outputs natural light emitted from a normal light emitting diode by the lens-like portion 48. Note that the semiconductor light emitting device of this embodiment emits a green light beam in the 530 nm band.

本半導体発光素子の層構成を作製方法と併せて簡単に説明する。n型の導電性を有する6H-SiC基板41上にMOCVD法を用いて、n-GaN 低温バッファ層42、n-GaN バッファ層43(Siドープ、5μm)アンドープIn0.45Ga0.55N 量子井戸活性層44(2nm)、p-Al0.1Ga0.9N クラッド層45(Mgドープ、0.1μm)、p-GaNキャップ層46(Mgドープ、1.2 μm)を成長する。その後、窒素ガス雰囲気中で熱処理することによりp型不純物を活性化させる。この後、80μm径の円形のレジストパターンを形成し、塩素イオンを用いたRIBEにより、基板を回転して斜めから塩素イオンビームを入射して約80μm径のレンズ状48にp-GaN キャップ層46をエッチングする。その後、キャップ層46上にレンズ形状部48および後に形成される電極とキャップ層46との接触部を除く領域にSiN 絶縁膜47を形成する。この絶縁膜47は、電極がキャップ層46とオーミック接触する部分をレンズ形状部48の周囲に限定するためのものである。次に、この絶縁膜47およびレンズ形状部48の周囲に露出するキャップ層46上部にp側電極を形成する。図6は、図5に示す素子の上面図であり、図示するように、p側電極はレンズ形状部を除く部分に形成され、該レンズ形状部以外からの発光を遮光する役割を担う。なお、p側電極の形状としては図7のようにレンズ形状部を囲むリング形状にする等種々の形状が可能である。この際には、素子上面のレンズ形状部および電極部以外の部分は、ポリイミドなどの吸光材料55で遮光すればよい。このようにして、電極構造とレンズ加工を組み合わせて、微小発光スポットと狭放射ビーム化を実現することができる。   The layer structure of the semiconductor light emitting device will be briefly described together with the manufacturing method. An n-GaN low-temperature buffer layer 42, an n-GaN buffer layer 43 (Si-doped, 5 μm), undoped In0.45Ga0.55N quantum well active layer on the 6H-SiC substrate 41 having n-type conductivity by MOCVD 44 (2 nm), p-Al0.1Ga0.9N cladding layer 45 (Mg-doped, 0.1 μm), and p-GaN cap layer 46 (Mg-doped, 1.2 μm) are grown. Thereafter, the p-type impurity is activated by heat treatment in a nitrogen gas atmosphere. Thereafter, a circular resist pattern with a diameter of 80 μm is formed, and by RIBE using chlorine ions, the substrate is rotated and a chlorine ion beam is incident obliquely so as to form a p-GaN cap layer 46 into a lens shape 48 with a diameter of about 80 μm. Etch. Thereafter, a SiN insulating film 47 is formed on the cap layer 46 in a region excluding the lens-shaped portion 48 and the contact portion between the electrode to be formed later and the cap layer 46. The insulating film 47 is for limiting the portion where the electrode is in ohmic contact with the cap layer 46 around the lens-shaped portion 48. Next, a p-side electrode is formed on the cap layer 46 exposed around the insulating film 47 and the lens-shaped portion 48. FIG. 6 is a top view of the element shown in FIG. 5. As shown in the figure, the p-side electrode is formed in a portion excluding the lens shape portion, and plays a role of shielding light emitted from other than the lens shape portion. The shape of the p-side electrode can be various shapes such as a ring shape surrounding the lens shape portion as shown in FIG. At this time, the portions other than the lens-shaped portion and the electrode portion on the upper surface of the element may be shielded from light by a light absorbing material 55 such as polyimide. In this way, it is possible to realize a minute light emission spot and a narrow radiation beam by combining the electrode structure and lens processing.

以上、本発明の実施形態に係る半導体発光素子について説明してきたが、上記のような微小発光径、狭放射角度の半導体発光素子を用いて高速かつ簡便な露光システムを構成することが可能である。   As described above, the semiconductor light emitting device according to the embodiment of the present invention has been described. However, it is possible to configure a high-speed and simple exposure system using the semiconductor light emitting device having the above-described minute emission diameter and narrow emission angle. .

光源としては、例えば、上記第一の実施形態に示されている470 nmの青色光ビームを出力する半導体発光素子と、同様にして作製された530 nmの緑色光ビームを出力する半導体発光素子と、従来の赤色半導体レーザを用いる。   As the light source, for example, a semiconductor light emitting device that outputs a blue light beam of 470 nm shown in the first embodiment, a semiconductor light emitting device that outputs a green light beam of 530 nm manufactured in the same manner, and the like A conventional red semiconductor laser is used.

図8は本発明の露光装置の一実施形態の構成模式図である。簡単のため、図面には1の半導体発光素子のみ示す。本露光装置においては、半導体発光素子100 から出射した光ビームを、該光ビームの広がり角を小さくするための第一レンズ101 を介してガルバノメ―タミラ―等の可動鏡102 に入射せしめ、該可動鏡102 により該光ビームを偏光し、該光ビームを集光レンズ103 により銀塩感光材料等のメディア上に集光する。既述のように従来の放散光を放射する発光ダイオードを光源とする場合には、光スポットを縮小するために複雑な光学系が必要であったが、上述の本発明の半導体発光素子を利用することにより、半導体レーザを光源として用いた場合と同様の簡便な光学系を用いて露光システムを構成することが可能となる。   FIG. 8 is a schematic view showing the arrangement of an embodiment of the exposure apparatus of the present invention. For simplicity, only one semiconductor light emitting device is shown in the drawing. In the present exposure apparatus, the light beam emitted from the semiconductor light emitting device 100 is incident on a movable mirror 102 such as a galvanometer mirror via a first lens 101 for reducing the spread angle of the light beam. The light beam is polarized by a mirror 102, and the light beam is condensed on a medium such as a silver salt photosensitive material by a condenser lens 103. As described above, when a light emitting diode that emits conventional diffused light is used as a light source, a complicated optical system is required to reduce the light spot. However, the semiconductor light emitting element of the present invention described above is used. By doing so, an exposure system can be configured using a simple optical system similar to that used when a semiconductor laser is used as a light source.

図9は本発明の他の実施形態にかかる露光装置の構成模式図である。本実施形態においてはレンズとして本露光装置では必要最小限の集光レンズ113 のみを用い、光走査用の偏光装置としてポリゴンミラー112 を用いている。本露光装置においては、半導体発光素子110 から出射した光ビームをポリゴンミラー112 に入射せしめ、該ポリゴンミラー112 により走査偏光し、集光レンズ113 を介してメディア上に集光する。   FIG. 9 is a schematic view showing the arrangement of an exposure apparatus according to another embodiment of the present invention. In this embodiment, the exposure apparatus uses only the minimum necessary condenser lens 113 as a lens, and a polygon mirror 112 as a polarizing device for optical scanning. In this exposure apparatus, the light beam emitted from the semiconductor light emitting device 110 is incident on the polygon mirror 112, is scanned and polarized by the polygon mirror 112, and is condensed on the medium via the condenser lens 113.

以上のように、半導体レーザが実現困難な青および緑色波長域において微小発光径でかつ放射角度の小さい光ビームを出力可能の本発明の半導体発光素子を利用することにより、高速かつ高品位な露光装置を構築することができる。また、発光ダイオードを光源として用いていた場合と比較して簡便な光学系とすることができる。   As described above, high-speed and high-quality exposure is achieved by using the semiconductor light-emitting device of the present invention capable of outputting a light beam with a small emission diameter and a small emission angle in the blue and green wavelength regions where it is difficult to realize a semiconductor laser. A device can be constructed. Further, a simple optical system can be obtained as compared with the case where a light emitting diode is used as a light source.

本発明の第一の実施形態に係る半導体発光素子の断面模式図1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor light emitting device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第二の実施形態に係る半導体発光素子の断面模式図Sectional schematic diagram of the semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention. 本発明の第三の実施形態に係る半導体発光素子の断面模式図Sectional schematic diagram of the semiconductor light emitting device according to the third embodiment of the present invention. 本発明の第四の実施形態に係る半導体発光素子の断面模式図Sectional schematic diagram of the semiconductor light emitting device according to the fourth embodiment of the present invention. 本発明の第五の実施形態に係る半導体発光素子の断面模式図Sectional schematic diagram of a semiconductor light emitting device according to a fifth embodiment of the present invention. 第五の実施形態に係る半導体発光素子の上面模式図Schematic top view of the semiconductor light emitting device according to the fifth embodiment 第五の実施形態に係る半導体発光素子のその他の上面模式図Other upper surface schematic diagrams of the semiconductor light emitting device according to the fifth embodiment 本発明の露光装置の構成模式図Configuration schematic diagram of exposure apparatus of the present invention 本発明の他の露光装置の構成模式図Configuration schematic diagram of another exposure apparatus of the present invention

符号の説明Explanation of symbols

61 6H-SiC基板
62 n-GaN 低温バッファ層
63 n-GaN バッファ層
64 n型DBR多層反射鏡64
65 n-GaN 層
66 In0.25Ga0.75N 量子井戸活性層
67 p-Al0.2Ga0.8N 障壁層
68 p-GaN 層
69 p型DBR多層反射鏡69
70 p-GaN キャップ層
71 p側電極
72 n側電極
73 反射防止膜
61 6H-SiC substrate
62 n-GaN low temperature buffer layer
63 n-GaN buffer layer
64 n-type DBR multilayer reflector 64
65 n-GaN layer
66 In 0.25 Ga 0.75 N quantum well active layer
67 p-Al 0.2 Ga 0.8 N barrier layer
68 p-GaN layer
69 p-type DBR multilayer reflector 69
70 p-GaN cap layer
71 p-side electrode
72 n-side electrode
73 Anti-reflective coating

Claims (4)

面発光型の半導体発光素子であって、
活性層を挟む上下層にブラッグ反射機構を備え、
前記ブラッグ反射機構による光の量子閉じ込め効果により制限された発光パターンで緑色もしくは青色の光ビームをスーパーラディアンスにより発光することを特徴とする半導体発光素子。
A surface emitting semiconductor light emitting device,
The upper and lower layers sandwiching the active layer are equipped with a Bragg reflection mechanism,
A semiconductor light emitting device that emits a green or blue light beam by superradiance with a light emission pattern limited by a quantum confinement effect of light by the Bragg reflection mechanism.
面発光型の半導体発光素子であって、
発光端面の一部にレンズが形成され、
前記発光端面の前記レンズ以外の部分が遮光部材に覆われており、
前記レンズから緑色もしくは青色の光ビームを発することを特徴とする半導体発光素子。
A surface emitting semiconductor light emitting device,
A lens is formed on a part of the light emitting end face,
A portion other than the lens of the light emitting end face is covered with a light shielding member,
A semiconductor light emitting element emitting a green or blue light beam from the lens.
前記半導体発光素子が、InGaN 系の半導体により形成されるものであることを特徴とする請求項1または2記載の半導体発光素子。 3. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the semiconductor light emitting device is formed of an InGaN based semiconductor. 請求項1から3いずれか記載の青色の光ビームを発光する半導体発光素子および緑色の光ビームを発光する半導体発光素子と、赤色の光ビームを発光する半導体発光素子とからなる光源と、
走査光学系とを備えたことを特徴とする露光装置。
A light source comprising a semiconductor light emitting device that emits a blue light beam and a semiconductor light emitting device that emits a green light beam, and a semiconductor light emitting device that emits a red light beam according to any one of claims 1 to 3,
An exposure apparatus comprising a scanning optical system.
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