JP2023009782A - Semiconductor light emitting element and method for manufacturing semiconductor emitting light element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法に関し、特に複数の柱状半導体層を埋込層で埋め込んだ構造を有する半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor light-emitting device and a method for manufacturing a semiconductor light-emitting device, and more particularly to a semiconductor light-emitting device having a structure in which a plurality of columnar semiconductor layers are embedded with a buried layer, and a method for manufacturing the semiconductor light-emitting device.
近年、窒化物系半導体の結晶成長方法が急速に進展し、この材料を用いた高輝度の青色、緑色発光素子が実用化された。従来から存在した赤色発光素子とこれらの青色発光素子、緑色発光素子を組み合わせることで光の3原色全てが揃い、フルカラーのディスプレイ装置も実現可能となった。即ち、光の3原色全てを混合させると白色の光を得ることもできるようになり、照明用デバイスへの応用も可能である。 In recent years, crystal growth methods for nitride-based semiconductors have progressed rapidly, and blue and green light-emitting devices with high brightness using this material have been put to practical use. By combining conventional red light-emitting elements with these blue light-emitting elements and green light-emitting elements, all the three primary colors of light are obtained, and a full-color display device can be realized. That is, by mixing all the three primary colors of light, it becomes possible to obtain white light, which can be applied to illumination devices.
照明用途の光源に用いる半導体発光素子では、高電流密度領域において高いエネルギー変換効率と高い光出力を実現できることが望ましく、放出される光の配光特性が安定していることが望ましい。これらの課題を解決するために特許文献1では、成長基板上にn型ナノワイヤコアと活性層とp型層を成長し、p型層の側面にトンネル接合層を形成し、n型の埋込層で埋め込んだ半導体発光素子が提案されている。
A semiconductor light-emitting device used as a light source for lighting is desirably capable of achieving high energy conversion efficiency and high light output in a high current density region, and is desirably stable in light distribution characteristics of emitted light. In order to solve these problems, in
図8は従来から提案されている柱状半導体層を備えた半導体発光素子を示す模式図であり、図8(a)は模式断面図であり、図8(b)は光の取り出し方向を示す模式斜視図である。図8(a)に示したように半導体発光素子は、成長基板1と、下地層2と、マスク3と、ナノワイヤ層4と、活性層5と、p型層6と、埋込層7と、カソード電極8n、アノード電極8pを備えている。ここで、ナノワイヤ層4、活性層5およびp型層6は、成長基板1の主面に対して所定角度で立設して形成されており、ダブルヘテロ構造の柱状半導体層を構成している。
8A and 8B are schematic diagrams showing a conventionally proposed semiconductor light emitting device having a columnar semiconductor layer. FIG. 8A is a schematic cross-sectional view, and FIG. 8B is a schematic diagram showing the light extraction direction. It is a perspective view. As shown in FIG. 8A, the semiconductor light emitting device includes a
このような半導体発光素子では、アノード電極8pとカソード電極8nとの間に電圧が印加されると、埋込層7からp型層6にホールが注入され、下地層2からナノワイヤ層4に電子が注入され、活性層5で発光再結合により所定波長の光が発光する。このような半導体発光素子では、成長基板1の全面に活性層を形成したものよりも各半導体層に生じる結晶欠陥や貫通転位が少なく、高品質な結晶を得られる。また、活性層が柱状半導体層の側面に沿った非極性面であるm面をファセットとして有するため、高電流密度における外部量子効率の向上を図ることができる。
In such a semiconductor light emitting device, when a voltage is applied between the
しかしこのような従来技術では、活性層5が柱状半導体層の側面に沿って形成されており、さらにダブルヘテロ構造も側面に沿っていることから、活性層5で発光された光は図8(b)に示したように、主面方向よりも面内方向に取り出される傾向が強くなる。このような面内方向への光取り出しは、面発光型の半導体発光素子では好ましくない。また、各柱状半導体層から発光した光は、面内を進行するうちに他の柱状半導体層で吸収される場合があり、外部量子効率の向上が困難であるという問題があった。
However, in such conventional technology, the
そこで本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、柱状半導体層を有する半導体発光素子であっても、主面方向または裏面方向への光取り出し量を増加させることが可能な半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been devised in view of the above-described conventional problems, and is a semiconductor light-emitting device capable of increasing the amount of light extraction in the direction of the main surface or the direction of the back surface even in a semiconductor light-emitting device having a columnar semiconductor layer. It is an object of the present invention to provide a light-emitting device and a method for manufacturing a semiconductor light-emitting device.
上記課題を解決するために、本発明の半導体発光素子は、成長基板と、前記成長基板上に形成された複数の柱状半導体層と、前記柱状半導体層を覆って形成された埋込層とを備え、前記柱状半導体層の側面には、前記柱状半導体層からの光の少なくとも一部を反射する側面反射部が形成されていることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a semiconductor light emitting device of the present invention includes a growth substrate, a plurality of columnar semiconductor layers formed on the growth substrate, and a buried layer formed covering the columnar semiconductor layers. A side reflecting portion is formed on a side surface of the columnar semiconductor layer to reflect at least part of the light from the columnar semiconductor layer.
このような本発明の半導体発光素子では、柱状半導体層の側面に側面反射部を形成しているため、柱状半導体層で発光した光の一部が成長基板に対して垂直な方向に反射されて、主面方向への光取り出し量を増加させることが可能となる。 In such a semiconductor light emitting device of the present invention, since the side reflecting portions are formed on the side surfaces of the columnar semiconductor layers, part of the light emitted by the columnar semiconductor layers is reflected in the direction perpendicular to the growth substrate. , it is possible to increase the amount of light extracted in the direction of the main surface.
また本発明の一態様では、前記側面反射部は、前記柱状半導体層の側面に接触して形成された光反射膜である。 Further, in one aspect of the present invention, the side reflection portion is a light reflection film formed in contact with the side surface of the columnar semiconductor layer.
また本発明の一態様では、前記光反射膜は、Al,Au,Ag,Crの何れか一つを主成分とする金属材料で構成されている。 In one aspect of the present invention, the light reflecting film is made of a metal material containing any one of Al, Au, Ag, and Cr as a main component.
また本発明の一態様では、前記光反射膜は、前記光の波長よりもバンドギャップが大きい半導体材料で構成されており、前記光の波長よりも光学的厚さが大きい。 In one aspect of the present invention, the light reflecting film is made of a semiconductor material having a bandgap larger than the wavelength of the light, and has an optical thickness larger than the wavelength of the light.
また本発明の一態様では、前記光反射膜は、HfO2,TiO2,Ta2O5,Al2O3,SiO2,MgF2の何れか一つを含む誘電体多層膜である。 In one aspect of the present invention, the light reflecting film is a dielectric multilayer film containing any one of HfO2 , TiO2 , Ta2O5 , Al2O3 , SiO2 and MgF2 .
また本発明の一態様では、前記埋込層は、前記柱状半導体層とは屈折率が異なる材料で構成され、前記柱状半導体層の側面は、前記成長基板の主面に対して傾斜した傾斜側面を有しており、前記側面反射部は、前記傾斜側面と前記埋込層の界面で構成されている。 In one aspect of the present invention, the embedded layer is made of a material having a refractive index different from that of the columnar semiconductor layer, and the side surface of the columnar semiconductor layer is an inclined side surface that is inclined with respect to the main surface of the growth substrate. and the side reflection portion is formed by an interface between the inclined side surface and the buried layer.
また本発明の一態様では、前記側面反射部の前記光の反射率は、30~90%の範囲である。 Further, in one aspect of the present invention, the light reflectance of the side reflection portion is in the range of 30 to 90%.
また本発明の一態様では、前記埋込層の前記成長基板とは反対側の面に、前記光を前記成長基板方向に反射する上面反射部が形成されている。 In one aspect of the present invention, a top reflecting portion that reflects the light toward the growth substrate is formed on the surface of the buried layer opposite to the growth substrate.
また上記課題を解決するために、本発明の半導体発光素子の製造方法は、成長基板上に複数の柱状半導体層を形成する柱状半導体成長工程と、前記柱状半導体層の側面に側面反射部を形成する側面反射部形成工程と、前記柱状半導体層を覆って埋込層を形成する埋込層形成工程とを有することを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to the present invention includes a columnar semiconductor growth step of forming a plurality of columnar semiconductor layers on a growth substrate, and forming a side reflector on a side surface of the columnar semiconductor layer. and a buried layer forming step of forming a buried layer covering the columnar semiconductor layer.
本発明では、柱状半導体層を有する半導体発光素子であっても、主面方向または裏面方向への光取り出し量を増加させることが可能な半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法を提供することができる。 In the present invention, it is possible to provide a semiconductor light-emitting device and a method for manufacturing a semiconductor light-emitting device that can increase the amount of light extracted in the direction of the main surface or the direction of the back surface even in a semiconductor light-emitting device having a columnar semiconductor layer. can.
(第1実施形態)
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。図1は、本実施形態に係る半導体発光素子10を示す図であり、図1(a)は模式断面図であり、図1(b)は柱状半導体層を拡大して示す部分拡大断面図である。
(First embodiment)
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The same or equivalent constituent elements, members, and processes shown in each drawing are denoted by the same reference numerals, and duplication of description will be omitted as appropriate. 1A and 1B are diagrams showing a semiconductor
図1に示すように、半導体発光素子10は、成長基板11と、下地層12と、マスク13と、ナノワイヤ層14と、活性層15と、p型層16と、側面反射部17と、埋込層18と、カソード電極19nと、アノード電極19pを備えている。ここで、ナノワイヤ層14、活性層15およびp型層16は、成長基板11に対して垂直方向に選択成長されて柱形状とされており、本発明における柱状半導体層を構成している。図1(b)に示すように、柱状半導体層は成長基板11の主面に垂直な側面を有しており、側面に沿った活性層15は、ナノワイヤ層14とp型層16で挟まれたダブルヘテロ構造を構成している。
As shown in FIG. 1, a semiconductor
図1に示すように、半導体発光素子10の一部は表面から下地層12まで埋込層18が除去されてメサ溝(メサ構造)が形成されており、下地層12の表面が露出されてカソード電極19nが形成されている。また、埋込層18上にはアノード電極19pが形成されている。ここでメサ構造とは、所定領域を取り囲むように複数の半導体層を貫いた溝が形成されていることで、各半導体層の積層構造断面が側面から露出する構造をいう。
As shown in FIG. 1, part of the semiconductor
成長基板11は、半導体材料を結晶成長可能な材料で構成された略平板状の部材である。半導体発光素子10を窒化物系半導体で構成する場合には、成長基板11としてGaN基板を用いることが好ましく、レーザ発振させるためには、共振器面が劈開により形成しやすいc面GaN基板を用いてもよい。また、成長基板11として成長する半導体材料とは異なる材料で構成されたc面サファイア基板やSi基板等の異種基板を用るとしてもよい。
The
下地層12は、成長基板11上に形成された単結晶の半導体層である。成長基板11と下地層12を異なる材料で構成する場合には、成長基板11の表面にバッファ層を成長し、バッファ層上に下地層12を形成することが好ましい。下地層12としては、例えばノンドープのGaNを数μmの厚さで形成し、その上にn型コンタクト層等のn型半導体層を備えた複数層で構成することが挙げられる。n型コンタクト層は、n型不純物がドープされた半導体層であり、例えばSiドープしたn型Al0.05Ga0.95Nが挙げられる。また、下地層12の主面側にはマスク13が形成されている。また、下地層12の一部は露出されてカソード電極19nが形成されている。
The
バッファ層は、成長基板11と下地層12の間に形成されて両者の格子不整合を緩和するための層である。成長基板11としてc面サファイア基板を用いる場合にはバッファ層にGaNを用いることが好ましいが、AlNやAlGaNなどを用いるとしてもよい。成長基板11と下地層12が同じ材料の場合にはバッファ層を設けない構成とすることもできる。また成長基板11としてGaN基板等の単結晶基板を用いる場合には、バッファ層と下地層12を設けずに成長基板の表面にカソード電極19nを形成するとしてもよい。
The buffer layer is a layer formed between the
マスク13は、下地層12の表面に形成された誘電体材料からなる層である。マスク13を構成する材料としては、マスク13からは半導体の結晶成長が困難なものを選択し、例えばSiO2やSiNxやAl2O3などが好適である。マスク13には後述する開口部13aが複数形成されており、開口部13aから部分的に露出した下地層12の表面から半導体層が成長可能とされている。
柱状半導体層は、マスク13に設けられた開口部13aに結晶成長された半導体層であり、成長基板11の主面に対して鉛直に略柱状の半導体層が立設して形成されている。このような柱状半導体層は、構成する半導体材料に応じて適切な成長条件を設定し、特定の結晶面方位が成長する選択成長を実施することで得られる。図1に示した例では、マスク13に複数の開口部13aを二次元的に周期的に形成しているため、柱状半導体層も成長基板11上に二次元的に周期的に形成されている。
The columnar semiconductor layer is a semiconductor layer crystal-grown in the
ナノワイヤ層14は、マスク13の開口部13aから露出した下地層12に選択成長された柱状の半導体層であり、例えばn型不純物がドープされたGaNから構成されている。ナノワイヤ層14としてGaNを用いると、成長基板11上に選択成長されたナノワイヤ層14は、6つのm面がファセットとして形成された略六角柱の形状となる。図1では開口部13aが形成された領域にのみナノワイヤ層14が成長しているように見えるが、実際には横方向成長によりマスク13上にも結晶成長が進むため、開口部13aの周囲に拡大した六角柱が形成される。例えば、開口部13aを直径150nm程度の円として形成した場合には、直径240nm程度の円に内接する六角形を底面とする高さ1~2μm程度の六角柱状のナノワイヤ層14を形成することができる。下地層12およびナノワイヤ層14をGaNで構成する場合には、例えば電子濃度が1018atoms/cm-3程度のn型半導体層とすることが好ましい。
The
本実施形態ではナノワイヤ層14としてGaNを用いた例を示しているが、発光波長を長波長化するために活性層15のIn組成を高める場合には、格子不整合によるミスフィット転位を低減するためにナノワイヤ層14としてGaInNを用いるとしてもよい。同様に、半導体発光素子10の波長を短波長化する場合には、ナノワイヤ層14としてAlGaNを用いることや、活性層15の井戸層およびバリア層を各々組成の異なるAlGaNに変更することも可能である。
In this embodiment, an example using GaN as the
活性層15は、ナノワイヤ層14よりも外周に成長された半導体層であり、例えば厚さ3~10nmのGaInN量子井戸層と厚さ5~20nmのGaN障壁層を5周期重ねた多重量子井戸活性層が挙げられる。ここでは多重量子井戸活性層を挙げたが、単一量子井戸構造であってもよく、バルク活性層であってもよい。活性層15がナノワイヤ層14の側面および上面に形成されているため、活性層15の面積を確保することができる。活性層に取り込まれるInの比率が高くなるほど、半導体発光素子10の発光波長は長波長化し、In組成比を0.10以上とすることで発光波長を480nm以上とすることができる。また、In組成比を0.12以上とすることで発光波長を500nm以上とすることができる。また、ナノワイヤ層14の側面はm面で構成されているため、側面に形成された活性層15もm面を有する非極性面であり、ドループ特性を改善することができる。
The
p型層16は、活性層15よりも外周に成長された半導体層であり、例えばp型不純物がドープされたGaNから構成されている。図1に示したように、p型層16は活性層15の側面および上面を覆うように形成されている。これにより、ナノワイヤ層14と活性層15とp型層16でダブルヘテロ構造が構成され、良好にキャリアを活性層15に閉じ込めて発光再結合の確率を向上させることができる。図1ではp型層16を単層で構成した例を示しているが、活性層15の側面を覆う複数層の層構造であってもよい。
The p-
図1に示したように、ナノワイヤ層14、活性層15およびp型層16は、成長基板11の主面に対して立設されており、本発明における柱状半導体層を構成している。また、活性層15およびp型層16は、柱状半導体層の側面に沿って形成されている。
As shown in FIG. 1, the
側面反射部17は、p型層16の側面外周に接触して形成され、活性層15で発光した光の少なくとも一部を反射する膜状の部材である。側面反射部17を構成する材料は限定されず、例えば金属材料や半導体材料、誘電体材料を用いることができる。詳細を後述するように側面反射部17は、活性層15で発光した光に対して30~90%の範囲の反射率とすることが好ましく、40~75%の範囲の反射率とすることがより好ましい。
The
側面反射部17として金属材料を用いる場合には、活性層15で発光する光の波長を良好に反射する材料を用いることが好ましく、例えばAl,Au,Ag,Crの何れか一つを主成分とする金属材料を用いることができる。また、これら材料の合金や積層構造を用いるとしてもよい。側面反射部17として金属材料を用いる場合には、膜厚は10~80nmの範囲とすることが好ましい。金属膜の厚さを上記範囲で調整することで、活性層15で発光した光に対する上記反射率を得ることができる。
When a metal material is used for the
側面反射部17として半導体材料を用いる場合には、活性層15で発光する光の吸収を抑制するために、活性層15が発光する光の波長よりもバンドギャップが大きな半導体材料を用いることが好ましい。一例としては、GaN,AlN,InN,AlGaN,InGaN、AlInGaN等の化合物半導体材料が挙げられる。側面反射部17として半導体材料を用いる場合には、側面反射部17の膜厚は活性層15で発光する光の波長よりも大きな光学的膜厚を有する必要がある。これは、光学的膜厚を光の波長よりも大きくすることで、p型層16と側面反射部17の界面、および側面反射部17と埋込層18の界面において、屈折率差による光の反射と屈折を利用するためである。
When a semiconductor material is used for the
側面反射部17として誘電体材料を用いる場合には、屈折率が異なる複数種類の材料を交互に積層した誘電体多層膜で分布ブラッグ反射鏡(DBR:Distributed Bragg Reflector)を構成することが好ましい。一例としては、HfO2,TiO2,Ta2O5,Al2O3,SiO2,MgF2等の誘電体材料の何れかを組み合わせたものが挙げられる。側面反射部17を誘電体または半導体の多層膜で構成し、DBRを構成する場合には、各層を1/4波長で構成して積層数を調整することで反射率を制御することができる。
When a dielectric material is used for the
図2は、DBRの層数と反射率の関係を示すグラフである。図2に示したグラフは、波長を440nmとし、GaN/Al0.27Ga0.73Nの多層膜でDBRの層数と反射率の関係を示しており、層数(低屈折率層と高屈折率層のペア数)を調整することで反射率を60~80%の範囲で制御できることがわかる。図2で示したよりも層数をさらに増やすことで反射率を高めることもできるが、層数が多すぎると側面反射部17を形成するための工数が増加するため、層数は2~12ペアの範囲とすることが好ましい。 FIG. 2 is a graph showing the relationship between the number of DBR layers and reflectance. The graph shown in FIG. 2 shows the relationship between the number of DBR layers and the reflectance in a GaN/Al 0.27 Ga 0.73 N multilayer film at a wavelength of 440 nm. It can be seen that the reflectance can be controlled in the range of 60 to 80% by adjusting the number of pairs of high refractive index layers. The reflectance can be increased by increasing the number of layers more than shown in FIG. is preferably in the range of
埋込層18は、上述した複数の側面反射部17同士の間および柱状半導体層の上面を埋める層である。埋込層18を構成する材料としては、GaN等の半導体材料やITO(Indium Tin Oxide)等の透明電極が挙げられる。埋込層18には、表面の一部にアノード電極19pが形成されている。図1では埋込層18を単層で構成した例を示しているが、下地層12の表面から柱状半導体層の上面まで埋込むものであれば複数層の積層構造であってもよい。また、埋込層18を半導体材料で構成する場合には、p型半導体層やn型半導体層を用いて、トンネル接合層やコンタクト層、電流拡散層等の機能を含めるとしてもよい。
The embedding
メサ溝は、埋込層18から下地層12までの各半導体層を貫通して形成された溝であり、半導体発光素子10の発光領域を区分してメサ構造を構成する。メサ溝には、さらに素子分離溝が形成されて半導体発光素子10が個別に分離されている。
The mesa groove is a groove formed through each semiconductor layer from the buried
カソード電極19nは、メサ溝内において下地層12が露出された領域に形成された電極であり、露出された半導体層とオーミック接触する金属材料とパッド電極の積層構造で構成されている。アノード電極19pは、埋込層18上の一部に形成された電極であり、埋込層18の最表面とオーミック接触する金属材料とパッド電極の積層構造で構成されている。また、図1では図示を省略したが、必要に応じて半導体発光素子10の表面をパッシベーション膜で覆うなど公知の構造を適用してもよい。また、埋込層18全体にアノード電極19pを延伸した透明電極を形成するとしてもよい。
The
図3は、半導体発光素子10の製造方法を示す模式図であり、図3(a)はマスク形成工程、図3(b)はナノワイヤ成長工程、図3(c)は活性層15およびp型層16の成長工程、図3(d)は側面反射部形成工程を示している。図4は、半導体発光素子10の製造方法を示す模式図であり、図4(e)は埋込層形成工程、図4(f)はメサ形成工程、図4(g)は電極形成工程を示している。
3A and 3B are schematic diagrams showing a method for manufacturing the semiconductor
まず図3(a)に示すようにn型GaNからなる下地層12が形成された成長基板11を用意する。マスク形成工程では、下地層12上にスパッタ法でSiO2からなるマスク13を厚さ30nm程度堆積させ、直径150nm程度の開口部13aを形成する。開口部13aの形成には、ナノインプリンティングリソグラフィーのような微細パターン形成方法を用いることができる。成長基板11としてサファイア等の異種基板を用いる場合には、サファイア基板上にバッファ層、下地層12およびn型半導体層を形成して、n型半導体層の表面を成長基板11の表面に用いるとしてもよい。バッファ層の成長条件としては、例えば原料ガスとしてTMA(TriMethylAlminium)、TMG(TriMethylGallium)およびアンモニアを用い、成長温度が1100℃、V/III比が1000、水素をキャリアガスとして圧力10hPaである。下地層およびn型半導体層の成長条件としては、例えば成長温度が1050℃、V/III比が1000、水素をキャリアガスとして圧力500hPaである。
First, as shown in FIG. 3A, a
次に図3(b)に示すナノワイヤ成長工程では、MOCVD法による選択成長により、開口部13aから露出した下地層12上にGaNからなるナノワイヤ層14を成長させる。ナノワイヤ層14の成長条件としては、例えば原料ガスとしてTMGおよびアンモニアを用い、成長温度が1050℃、V/III比が10、水素をキャリアガスとして圧力100hPaである。
Next, in the nanowire growth step shown in FIG. 3B, a
次に図3(c)に示す活性層15およびp型層16の成長工程では、MOCVD法を用いてナノワイヤ層14の側面および上面に、活性層15およびp型層16を成長させる。活性層15としては、例えば厚さ5nmのGaInN量子井戸層と厚さ10nmのGaN障壁層を5周期重ねた多重量子井戸構造が挙げられる。図3(b)ナノワイヤ成長工程と、図3(c)の活性層15およびp型層16の成長工程は、本発明における柱状半導体層成長工程に相当している。
Next, in the step of growing the
活性層15の成長条件としては、例えば成長温度が800℃、V/III比が3000、窒素をキャリアガスとして圧力1000hPaで、原料ガスとしてTMG、TMI(TriMethylIndium)およびアンモニアを用いる。p型層16としては、例えばp型不純物をドープしたGaNからなるp型GaNが挙げられる。p型層16の成長条件としては、例えば成長温度が950℃、V/III比が4000、水素をキャリアガスとして圧力300hPaであり、原料ガスとしてTMG、Cp2Mg(bisCycropentadienylMagnesium)およびアンモニアを用いる。
The growth conditions for the
次に図3(d)に示す側面反射部形成工程では、p型層16の側面に沿って側面反射部17を形成する。ここで、側面反射部17を半導体材料で構成する場合には、p型層16の成長に続けて同じ反応室においてp型層16の側面に側面反射部17を成長させることができる。側面反射部17として金属材料や誘電体材料を用いる場合には、p型層16を成長した後に、スパッタ法や蒸着法を用いてp型層16の側面に側面反射部17を成膜することができる。このとき、膜材料の供給方向に対して成長基板11を傾斜させて配置することで、p型層16の側面に適切な膜厚で金属材料や誘電体材料を成膜することができる。また、成長基板11の傾斜を複数方向として成膜することで、p型層16の側面全体に金属材料や誘電体材料を製膜することができる。また、柱状半導体層の頂部に付着した金属材料や誘電体材料は、ドライエッチング等を用い除去することが好ましい。
Next, in the side reflector forming step shown in FIG. Here, when the
次に図4(e)に示す埋込層形成工程では、複数の柱状半導体層に形成された側面反射部17同士の間と、p型層16の上面を覆うように埋込層18を形成する。埋込層18をp型の半導体層で構成する場合には、埋込層18の成長条件として、例えば成長温度が950℃、V/III比が1000、水素をキャリアガスとして圧力300hPaであり、原料ガスとしてTMG、Cp2Mgおよびアンモニアを用いることができる。埋込層18をITO等の透明電極で形成する場合には、スパッタ法等の公知の方法を用いることができる。
Next, in a buried layer forming step shown in FIG. 4E, a buried
上述したように埋込層18は、柱状半導体層の間に設けられたマスク13上に成長させる必要があり、埋込層18を成長する際に柱状半導体層の下部において空隙が生じる可能性がある。したがって、埋込層18の成長では、原料ガスとしてTMG、シランおよびアンモニアを用い、初期段階では横方向成長であるm面の成長を促進する低温かつ低V/III比で成長することが好ましい。低温かつ低V/III比の一例としては、800℃以下で100以下のV/III比、水素をキャリアガスとして圧力200hPaが挙げられる。埋込層18の横方向成長によって柱状半導体層の下部でマスク13上が隙間なく埋められた後には、縦方向成長であるc面の成長を促進する高温かつ高V/III比で成長することが好ましい。高温かつ高V/III比の一例としては、1000℃以上で2000以上のV/III比、水素をキャリアガスとして圧力500hPaが挙げられる。
As described above, the buried
次に図4(f)に示すメサ形成工程では、選択的にドライエッチングにより埋込層18から下地層12までを部分的に除去し、下地層12の上面を露出させてメサ溝を形成する。メサ溝を形成することでメサ溝に囲まれた領域が半導体発光素子10の発光領域として区画される。
Next, in the mesa formation step shown in FIG. 4(f), portions from the embedded
次に図4(g)に示す電極形成工程では、メサ溝内に露出された下地層12の表面にカソード電極19nを形成し、埋込層18上にアノード電極19pを形成する。また、必要に応じて電極形成後のアニールやパッシベーション膜の形成、素子分割を実施して半導体発光素子10を得る。
Next, in the electrode forming step shown in FIG. 4G, a
本実施形態の半導体発光素子10では、カソード電極19nとアノード電極19pの間に電圧を印加すると、埋込層18、p型層16、活性層15、ナノワイヤ層14、下地層12の順に電流が流れ、活性層15で発光再結合により光が生じる。活性層15からの発光は、側面反射部17に到達してその一部が反射されるが、入射角度に応じて上下方向に反射光が進行するため、反射を複数回繰り返すことで半導体発光素子10の主面方向に取り出される。
In the semiconductor
上述したように側面反射部17は、活性層15で発光した光に対して30~90%の範囲の反射率とすることが好ましく、40~75%の範囲の反射率とすることがより好ましい。反射率が高すぎると、活性層15で発光した光が柱状半導体層の内部で反射を繰り返して吸収される率が高くなり、外部に取り出される光量を向上させることが困難になる。また、反射率が低すぎると、半導体発光素子10の側面方向から取り出される光量が増加し、主面方向への光取り出し効率を向上させることが困難になる。
As described above, the
一つの柱状半導体層において活性層15で発光された光は、当該柱状半導体層の側面に形成された側面反射部17で一部が反射されて上方に向かうとともに、残りの一部の光は側面反射部17を透過する。側面反射部17を透過した光は、埋込層18内を伝搬して他の柱状半導体層に設けられた別の側面反射部17に到達し、一部が反射されて上方に向かう。したがって、側面反射部17の反射率を上記範囲とすることで、一つの活性層15で発光された光は、複数の側面反射部17で上方に反射されて、半導体発光素子10全体における主面方向への光取り出し量を向上させることができる。
Part of the light emitted from the
また、ナノワイヤ層14の側面は選択成長により形成されたm面となっているため、その外周に形成された活性層15とp型層16も互いにm面で接触している。m面は無極性面であり分極が生じないため活性層15での発光効率も高く、しかも六角柱の側面全てがm面であることから半導体発光素子10の発光効率を向上させることができる。さらに、活性層の膜厚を厚くすることができるため、活性層15の体積を従来の半導体発光素子よりも3~10倍程度まで増加させることができ、注入キャリア密度を低減して効率ドループを大幅に低減できる。
In addition, since the side surfaces of the
上述したように本実施形態の半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法では、ナノワイヤ層14、活性層15、p型層16からなる柱状半導体層の側面に、側面反射部17を接触させて形成しているため、活性層15で発光した光の一部が反射されて、主面方向への光取り出し量を増加させることが可能となる。
As described above, in the semiconductor light emitting device and the method for manufacturing the semiconductor light emitting device of the present embodiment, the
また、活性層15で発光した光に対して側面反射部17の反射率が30~90%の範囲とされていることで、一つの活性層15で発光された光は、複数の側面反射部17で反射されて、半導体発光素子10全体における主面方向への光取り出し量を向上させることができる。
In addition, since the reflectance of the
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について図5を用いて説明する。第1実施形態と重複する内容は説明を省略する。図5は、本実施形態に係る半導体発光素子10を示す模式断面図である。本実施形態は、半導体発光素子10をフリップチップマウントする点が第1実施形態とは異なっている。図5に示すように半導体発光素子10は、成長基板11と、下地層12と、マスク13と、ナノワイヤ層14と、活性層15と、p型層16と、側面反射部17と、埋込層18と、カソード電極19nと、アノード電極19pと、搭載部20と、上面反射部21と、半田22を備えている。
(Second embodiment)
Next, a second embodiment of the invention will be described with reference to FIG. The description of the content that overlaps with the first embodiment is omitted. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the semiconductor
搭載部20は、半導体発光素子10をフリップチップ接続でマウントするための部材であり、上面には半導体発光素子10に対して電流を供給するための配線パターンやランドが形成されている。搭載部20の具体的構成は限定されず、公知のサブマウントやプリント配線基板等を用いることができる。搭載部20を構成する材料も限定されず、セラミックや絶縁体、ガラスエポキシ樹脂、金属と絶縁膜の複合基板等を用いることができる。
The mounting
上面反射部21は、埋込層18の成長基板11とは反対側の面に設けられ、光を成長基板11方向に反射する膜状の部材である。活性層15から発光した光を成長基板11方向に反射する膜状の部材である。上面反射部21は、埋込層18と搭載部20の間に形成されていれば、半導体発光素子10の埋込層18上に形成されるとしてもよく、搭載部20の表面に形成されるとしてもよい。上面反射部21を構成する材料は限定されないが、例えばAl,Au,Ag,Cr等の金属材料を用いることができる。
The
半田22は、カソード電極19nを搭載部20上の配線パターンに電気的に接続するための部材である。図5では図示を省略しているが、アノード電極19pと搭載部20の間にも半田22が設けられており、両者は電気的に接続されている。
The
本実施形態では、活性層15から発光した光は一部が、側面反射部17で反射されて成長基板11の裏面から取り出される。また、当該光の一部は側面反射部17で反射されて搭載部20方向に進み、上面反射部21に到達する。上面反射部21に到達した光は、上面反射部21で全反射されて成長基板11の裏面から外部に取り出される。また、側面反射部17を透過した光は、埋込層18内を伝搬して他の柱状半導体層に設けられた別の側面反射部17に到達して反射されることで、同様に成長基板11の裏面から取り出される。
In this embodiment, part of the light emitted from the
上述したように、本実施形態の半導体発光素子10では、ナノワイヤ層14、活性層15、p型層16からなる柱状半導体層の側面に、側面反射部17を接触させて形成し、埋込層18に上面反射部21が形成されているため、成長基板11の裏面からの光取り出し量を増加させることが可能となる。
As described above, in the semiconductor
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態について図6、図7を用いて説明する。第1実施形態と重複する内容は説明を省略する。図6は、本実施形態に係る半導体発光素子30を示す図であり、図6(a)は模式断面図であり、図6(b)は柱状半導体層を拡大して示す部分拡大断面図である。
(Third Embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 and 7. FIG. The description of the content that overlaps with the first embodiment is omitted. 6A and 6B are diagrams showing a semiconductor
図6に示すように本実施形態の半導体発光素子30は、成長基板31と、下地層32と、マスク33と、ナノワイヤ層34と、活性層35と、p型層36と、埋込層37と、カソード電極38nと、アノード電極38pと、搭載部20と、上面反射部21と、半田22を備えている。図6(b)に示したように、p型層36の側面は成長基板31の主面に対して傾斜した傾斜側面を有している。
As shown in FIG. 6, a semiconductor
まず図7(a)に示すように下地層32が形成された成長基板31を用意し、マスク形成工程で開口部33aを有するマスク33を形成する。次に図7(b)に示すようにナノワイヤ成長工程でナノワイヤ層34を形成する。次に図7(c)に示すように活性層35およびp型層36を形成する。ここで、マスク形成工程、ナノワイヤ成長工程、活性層35およびp型層36の形成工程の具体例は、第1実施形態と同様である。
First, as shown in FIG. 7A, a
次に、図7(d)に示すように、p型層36の側面が成長基板31の主面に対して傾斜した傾斜側面となるような成長条件でp型層36の成長を継続して、側面反射部形成工程を実施する。このとき、p型層36の側面が傾斜側面となる条件としては、m面がファセットとして成長する成長条件よりも、成長温度を下げるか、V/III比を下げる条件が挙げられる。一例としては、図7(c)の垂直なm面のp型層36の成長条件が成長温度950℃であり、V/III比が4000である場合には、成長温度950℃でV/III比が2000、成長温度900℃でV/III比が4000、成長温度900℃でV/III比が3000等が挙げられる。
Next, as shown in FIG. 7D, the growth of the p-
ここでは図7(c)と図7(d)に示したように、p型層36の成長条件を2段階で変化させる例を示したが、最終的にp型層36にはm面の側面が形成されない。したがって、活性層35の形成後から上述した傾斜側面が形成される成長条件を用い、1段階の成長条件でp型層36の側面を傾斜側面として成長させてもよい。
Here, as shown in FIGS. 7(c) and 7(d), an example is shown in which the growth conditions of the p-
図7(d)に示した側面反射部形成工程の後には、図4(e)~図4(g)と同様に、埋込層形成工程で埋込層37を形成し、埋込層37上に上面反射部21を形成し、メサ形成工程、および電極形成工程を実施し、素子分割を実施して半導体発光素子30を得る。
After the step of forming the side surface reflecting portion shown in FIG. A
本実施形態では、p型層36の傾斜側面と埋込層37の界面で側面反射部が構成されており、成長基板31から離れる方向に径が細くなる尖塔形状とされている。また、埋込層37は、柱状半導体層のp型層36とは屈折率が異なる材料で構成されている。したがって、活性層35で発光した光の一部は、p型層36と埋込層37の界面(側面反射部)において、屈折率差によって反射されて成長基板31の裏面から外部に取り出される。また、当該光の一部は搭載部20方向に進み、上面反射部21に到達する。上面反射部21に到達した光は、上面反射部21で全反射されて成長基板31の裏面から外部に取り出される。
In the present embodiment, the interface between the inclined side surface of the p-
また、p型層36から埋込層37に透過した光は、埋込層37内を伝搬して他の柱状半導体層に設けられた別のp型層36と埋込層37の界面に到達して反射または屈折されることで、同様に成長基板31の裏面から取り出される。
Further, the light transmitted from the p-
図7は、本実施形態に係る半導体発光素子30の製造方法を示す模式図であり、図7(a)はマスク形成工程、図7(b)はナノワイヤ成長工程、図7(c)は活性層35およびp型層36の成長工程、図7(d)は側面反射部形成工程を示している。本実施形態では、図3(d)に示した側面反射部形成工程に替えて、p型層36の側面を傾斜させて形成する点が第1実施形態とは異なっている。
7A and 7B are schematic diagrams showing a method for manufacturing the semiconductor
上述したように本実施形態の半導体発光素子30では、p型層36と埋込層37は屈折率が異なる材料で構成され、p型層36の側面は成長基板31の主面に対して傾斜した傾斜側面を有している。これにより、p型層36と埋込層37の界面で側面反射部が構成され、活性層35で発光した光は屈折率差による反射と屈折で成長基板31の裏面から取り出される。したがって、成長基板31の裏面からの光取り出し量を増加させることが可能となる。
As described above, in the semiconductor
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の
変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて
得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, but can be modified in various ways within the scope of the claims, and can be obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. is also included in the technical scope of the present invention.
10,30…半導体発光素子
11,31…成長基板
12,32…下地層
13,33…マスク
13a,33a…開口部
14,34…ナノワイヤ層
15,35…活性層
16,36…p型層
17…側面反射部
18,37…埋込層
19n,38n…カソード電極
19p,38p…アノード電極
20…搭載部
21…上面反射部
22…半田
Claims (9)
前記成長基板上に形成された複数の柱状半導体層と、
前記柱状半導体層を覆って形成された埋込層とを備え、
前記柱状半導体層の側面には、前記柱状半導体層からの光の少なくとも一部を反射する側面反射部が形成されていることを特徴とする半導体発光素子。 a growth substrate;
a plurality of columnar semiconductor layers formed on the growth substrate;
a buried layer formed to cover the columnar semiconductor layer;
A semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein side surfaces of said columnar semiconductor layers are formed with side reflecting portions for reflecting at least part of light from said columnar semiconductor layers.
前記側面反射部は、前記柱状半導体層の側面に接触して形成された光反射膜であることを特徴とする半導体発光素子。 The semiconductor light emitting device according to claim 1,
The semiconductor light emitting device, wherein the side reflection portion is a light reflection film formed in contact with the side surface of the columnar semiconductor layer.
前記光反射膜は、Al,Au,Ag,Crの何れか一つを主成分とする金属材料で構成されていることを特徴とする半導体発光素子。 The semiconductor light emitting device according to claim 2,
A semiconductor light emitting device, wherein the light reflecting film is made of a metal material containing any one of Al, Au, Ag and Cr as a main component.
前記光反射膜は、前記光の波長よりもバンドギャップが大きい半導体材料で構成されており、前記光の波長よりも光学的厚さが大きいことを特徴とする半導体発光素子。 The semiconductor light emitting device according to claim 2,
The semiconductor light emitting device, wherein the light reflecting film is made of a semiconductor material having a bandgap larger than the wavelength of the light, and has an optical thickness larger than the wavelength of the light.
前記光反射膜は、HfO2,TiO2,Ta2O5,Al2O3,SiO2,MgF2の何れか一つを含む誘電体多層膜であることを特徴とする半導体発光素子。 The semiconductor light emitting device according to claim 2,
A semiconductor light emitting device, wherein the light reflecting film is a dielectric multilayer film containing any one of HfO2 , TiO2 , Ta2O5 , Al2O3 , SiO2 and MgF2 .
前記埋込層は、前記柱状半導体層とは屈折率が異なる材料で構成され、
前記柱状半導体層の側面は、前記成長基板の主面に対して傾斜した傾斜側面を有しており、
前記側面反射部は、前記傾斜側面と前記埋込層の界面で構成されていることを特徴とする半導体発光素子。 The semiconductor light emitting device according to claim 1,
The embedded layer is made of a material having a different refractive index from that of the columnar semiconductor layer,
a side surface of the columnar semiconductor layer has an inclined side surface that is inclined with respect to the main surface of the growth substrate;
The semiconductor light emitting device, wherein the side reflecting portion is formed by an interface between the inclined side surface and the buried layer.
前記側面反射部の前記光の反射率は、30~90%の範囲であることを特徴とする半導体発光素子。 The semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 6,
The semiconductor light emitting device, wherein the light reflectance of the side reflecting portion is in the range of 30 to 90%.
前記埋込層の前記成長基板とは反対側の面に、前記光を前記成長基板方向に反射する上面反射部が形成されていることを特徴とする半導体発光素子。 The semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 7,
A semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein an upper reflecting portion for reflecting the light toward the growth substrate is formed on a surface of the buried layer opposite to the growth substrate.
前記柱状半導体層の側面に側面反射部を形成する側面反射部形成工程と、
前記柱状半導体層を覆って埋込層を形成する埋込層形成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 columnar semiconductor growth step of forming a plurality of columnar semiconductor layers on a growth substrate;
a side reflector forming step of forming a side reflector on a side surface of the columnar semiconductor layer;
and a buried layer forming step of forming a buried layer covering the columnar semiconductor layer.
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