JP3843245B2

JP3843245B2 - Semiconductor light emitting element and semiconductor light emitting device

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Publication number: JP3843245B2
Application number: JP2002186070A
Authority: JP
Inventors: 宣彦澤木; 茂稔伊藤; 典克小出
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-06-26
Filing date: 2002-06-26
Publication date: 2006-11-08
Anticipated expiration: 2022-06-26
Also published as: JP2004031657A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子およびその製造方法ならびに該半導体発光素子を有する半導体発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ，ＩｎＮ，ＡｌＮおよびそれらの混晶半導体からなる窒化物半導体材料をはじめとする、六方晶系構造を有する半導体を用いて、ＬＥＤや半導体レーザ等の発光素子が実現されており、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）についても構造が提案されてきた。
【０００３】
たとえば特開平１０−１３５５７６号公報に開示された垂直共振器型面発光レーザは、活性層等のエピタキシャル層の積層面内に窒化物半導体の＜０００１＞方向を配置し、積層面に垂直な方向を＜１−１００＞方位とすることを特徴としている。
【０００４】
本従来例の半導体レーザでは、活性層の主面が（１−１００）面となり、従前の活性層の主面が（０００１）面となる半導体レーザと異なり、結晶学的に等方でないので、垂直方向に放射されるレーザ光が特定の方向に偏光する。これにより、従前の垂直共振器型面発光レーザの、レーザ光の偏光方向が定まり難いという問題点が解消されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例においては、基板として、たとえばＧａＮ（１−１００）面基板を用いてレーザを作製することにより、上記半導体レーザを実現できるとしているが、このような基板は広く市販はされていなかった。窒化物半導体は、＜０００１＞方向に結晶成長し易いという性質を有するため、窒化物半導体からなる（１−１００）面基板を安定して製造することは困難である。そのため、ＧａＮ（１−１００）面基板を安定して供給することができなかった。
【０００６】
他の基板を用いた場合には、窒化物半導体は、その主面が（０００１）面となるように結晶成長しやすく、上記結晶方位を有する半導体レーザを得ることは困難であった。したがって、上記従来技術の垂直共振器型半導体レーザを、実用レベルで実現することは不可能であった。
【０００７】
本発明は、このような問題点を解決するものであり、窒化物系半導体を用い、偏光方向が制御された垂直共振器型半導体レーザ、効率の高い垂直共振器型半導体レーザ、レゾナントキャビティー型発光素子等の半導体発光素子および該半導体発光素子を有する半導体発光装置を実用レベルで実現することを目的とする。
【００１１】
上記のような基板を用いて化合物半導体層を形成することにより、化合物半導体層の主面の面方位を（１−１０１）とすることができる。したがって、該化合物半導体層上に形成される活性層の主面の面方位を、基板の主面に略一致した（１−１０１）とすることができ、活性層とクラッド層の積層方向に共振器を有する半導体発光素子において偏光方向の制御性を向上することができる。また、上記の基板を用いることにより、（１−１０１）面を結晶成長時に安定して得ることができる。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光素子は、１つの局面では、シリコンからなる基板と、この基板上に形成された窒化物半導体で構成される化合物半導体層とを備え、上記基板は、基板の主面より６２度傾斜した面、もしくはこの面から任意の方向に３度以内の範囲で傾いた面を斜面として有する溝を有し、化合物半導体層は斜面上に形成され、化合物半導体層上に、窒化物半導体を含む活性層と、該活性層を挟むクラッド層とを有し、活性層とクラッド層の積層方向に共振器を有するとともに、活性層は、基板の主面に略一致した面方位をもち、基板の一部を除去して出力光を取出し可能とする。
本発明の半導体発光素子は、他の局面では、シリコン基板と、シリコン基板上に形成された窒化物半導体で構成される化合物半導体層とを有し、化合物半導体層が、（１００）面を［０１−１］軸のまわりで７．３度回転した面、もしくは、この面から任意の方向に３度以内傾けた範囲にある面で構成される主面を有するシリコン基板を用いて形成され、シリコン基板は、（１１１）面を斜面として有する溝を備え、化合物半導体層は斜面上に形成されるとともに、窒化物半導体を含んで構成される活性層と該活性層を挟むクラッド層と、活性層とクラッド層の積層方向の共振器とを有し、シリコン基板の一部を除去して出力光を取出し可能とする。
【００１４】
上記クラッド層または活性層の主面の面方位は、好ましくは、（１−１０１）である。また、化合物半導体層の＜０００１＞方向は、好ましくは、上記斜面に略垂直である。上記溝は、好ましくは、活性層を構成する窒化物半導体の［１１−２０］方向に沿って延伸する。上記半導体発光素子は、好ましくは、半導体レーザ素子であり、該半導体レーザ素子から放射されるレーザ光は、上記溝に平行もしくは垂直な方向に偏光する。また、上記基板の表面の、斜面以外の少なくとも一部に、窒化物半導体の成長が抑制される膜が形成されることが好ましい。
【００１５】
本発明の半導体発光装置は、上述の半導体発光素子と、該半導体発光素子からの出射光を吸収し、出射光とは異なる波長の光を発光する波長変換物質とを備える。
【００２０】
なお、本明細書において、窒化物半導体とは、主にＩＩＩ族元素とＮ元素より構成された化合物半導体であって、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ，ｙ≦１）の他、そのＩＩＩ族元素の一部（２０％程度以下）をＢ，Ｔｌ等の他の元素で置換した結晶や、そのＮ元素の一部（１０％程度以下）をＡｓ，Ｐ，Ｓｂ等の他の元素で置換した結晶を含む。
【００２１】
また、本明細書において、特定の面・方向を示す際、数学的に厳密に規定されたその面・方向のみが、本発明の適用範囲と解すべきではない。それらの面・方向から、若干ずれていたとしても、本発明の効果が失われるものではなく、具体的には、３度程度以内ずれていても、本発明の適用範囲内と解すべきである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明について、以下に実施の形態を示しつつ説明する。
【００２３】
＜実施の形態１＞
図１は、本実施の形態における窒化物半導体膜（化合物半導体層）の(１−１０１)ファセット面７０を形成するための概念図であり、図２は、本実施の形態の窒化物半導体発光素子の構造を示す概略断面図である。
【００２４】
本実施の形態の窒化物半導体発光素子は、［０−１−１］方向へ７．３°オフした（００１）シリコン基板１上に形成される。該シリコン基板１は、その主面から６２度の角度の斜面を(１１１)ファセット面６１として有するストライプ状の溝を有しており、そのファセット面６１から下記の説明のように順次平坦化されて積層されていくｎ−ＡｌＧａＩｎＮ層１０、ｎ−ＧａＮ層１０２を有している。なお、ファセット面６１から任意の方向に３度以内傾いた面を斜面としてもよい。
【００２５】
ｎ−ＧａＮ層１０２の上面は、ほぼ基板主面と平行であり、（１−１０１）面となっている。その上に、図２に示すように、順次、ｎ−ＩｎＡｌＮ／ＧａＮ多層反射膜１０３、ｎ−ＡｌＧａＮスペーサ層１０４、Ｉｎ_wＧａ_1-wＮ（０＜ｗ＜１）井戸層とＩｎ_vＧａ_1-vＮ（０≦ｖ＜ｗ）障壁層との交互多層構造からなる多重量子井戸活性層１０５（発振波長４００ｎｍ）、ＡｌＧａＮキャップ層１０６、ｐ−ＡｌＧａＮスペーサ層１０７、ｐ−ＧａＮコンタクト層１０８の各窒化物半導体層が形成されている。活性層（多重量子井戸活性層１０５）と、クラッド層の役割を果たすスペーサ層とを含む各窒化物半導体層の主面の面方位は（１−１０１）であり、シリコン基板１の主面の面方位と略一致している。
【００２６】
さらに、ｐ−ＧａＮコンタクト層１０８の上面には、金属電極１１０がメッシュ状に形成されており、金属電極１１０を含めて上面を覆うように、誘電体多層反射膜１１１が形成されている。また、上面から、ｎ−ＧａＮ層１０２が露出するように各層がエッチングされており、ｎ−ＧａＮ層１０２上には、金属電極１０９を設けている。こうして、活性層とその両側に、活性層にキャリアを閉じ込めるためのクラッド層の役割を果たすスペーサ層が設けられ、さらにその外側に反射鏡が設けられている、垂直共振器構造が構成されている。
【００２７】
本実施の形態では、垂直共振器の光出力部の形状を、直径がｄ＝５０μｍの円形とし、これは光出力のための開口部で規定される。垂直共振器の側面には、絶縁保護膜１１２を設ける。また、図示されないが、金属電極１１０に電気的に接続したパッドを、外部との電気的な接続のためのワイヤーを形成するためのものとして適宜設けた。反射鏡間の距離、すなわち、多層反射膜１０３と誘電体多層反射膜１１１との間の距離は、３λであり、その中心に活性層が位置する。
【００２８】
ｎ型半導体を形成するためのドーパントとしては、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｏ，Ｓ，Ｓｅが好ましく、ｐ型半導体を形成するためのドーパントとしては、Ｂｅ，Ｃｄ，Ｍｇが好ましい。Ｂｅ，Ｃｄ，Ｍｇと同時に、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｏ，Ｓ，Ｓｅのいずれかを添加することも、低抵抗、ドーパント拡散の少ないｐ型層を得るために好ましい。
【００２９】
次に、本実施の形態の半導体発光素子（半導体レーザ素子）の作製方法について図４ないし図７を参照しつつ説明する。
【００３０】
まず、［０−１−１］方向へ７．３°オフした（００１）シリコン基板（ウエハ）１を洗浄し、その上に、スパッタリングもしくはＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)の技術を用い、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の絶縁膜からなるマスク５２を１００ｎｍ堆積させる。その後、図４の通り、フォトリソグラフィ技術を用いて、マスク５２をストライプ状に除去する。このときストライプの方向は、Ｓｉ［０１−１］方向に沿っている。
【００３１】
さらにそのシリコン基板１を、ＫＯＨ等のアルカリのエッチャントもしくはバッファードフッ酸などの酸エッチャントによってエッチングし、図５に示すとおりＳｉ（１１１）ファセット面６１をもつ溝を形成する。この溝は、Ｓｉ［０１−１］方向（窒化物系半導体の＜１１−２０＞方向）に延伸したストライプ状の溝である。図１に示す通り、（１１１）ファセット面６１は、シリコン基板１の主面６０を上記所定の面方位としたのでこれに対して６２度の関係を有しているものであった。この面は、上記エッチングにより得られる平坦なファセット面であり、適宜エッチャント温度、エッチング速度を調整することで容易に得ることができる。
【００３２】
このとき、溝の形状自体は、Ｖ字もしくは底の領域が平坦になっている変形のＶ字等の形状であり、もう一方の斜面は、（１−１−１）ファセット面となる。シリコン基板１がオフ基板であるために、Ｖ字の形状は左右対称でなく、（１１１）斜面は主面６０に対して約６２°傾斜した面であるが、（１−１−１）斜面は同約４７°傾斜した面である。このシリコン基板１をスパッタリング装置内で傾けた状態で設置することで（１１１）ファセット面６１には膜がつかないようにしながら製膜を行い、（１−１−１）ファセット面を覆うようにシリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜からなるマスク５２を施し、図６の状態とする。これを、窒化物半導体膜あるいは窒化物半導体基板作成用の基板とする。
【００３３】
そして、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法を用いて、以下の成長条件で窒化物半導体膜を成長する。上記プロセスを行ったシリコン基板１のファセット面６１上に、図１に示すｎ−ＡｌＧａＩｎＮ中間層１０、ｎ−ＧａＮ層１０２（化合物半導体層）を結晶成長することで、図７（ａ）〜（ｂ）のような成長過程を経て、上面に平坦なＧａＮ（１−１０１）ファセット面７０をもったＧａＮ結晶膜を作製することが可能となる。
【００３４】
ここで、ｎ−ＡｌＧａＩｎＮ中間層１０はバッファ層としての役割を果たす、膜厚数１００ｎｍ程度以下の薄い膜である。図７（ａ）に示すように、結晶成長は露出する（１１１）ファセット面６１上から開始する。成長する窒化物半導体は、斜面に対して＜０００１＞方向が垂直となるように配向する。成長した結晶の上面には、基板主面にほぼ平行にＧａＮ（１−１０１）ファセット面７０が現れ、そのため図７（ｂ）に示すように、成長途中の段階では窒化物半導体は、ストライプ方向に伸びた三角柱のような形状の結晶となる。なお、図１は、図７（ｂ）の状態における断面図を用いて結晶方位等を示した図である。
【００３５】
結晶成長が進むにしたがって図７（ｃ）に示すように窒化物半導体からなる三角柱状結晶の径は大きくなり、ついには隣接する三角柱状結晶同士が接触するようになる。さらに成長を続けると、分離していた各三角柱状結晶は合体し、図７（ｄ）に示すように、表面に平坦なＧａＮ（１−１０１）ファセット面７２をもったＧａＮ結晶からなる連続膜が得られることになる。
【００３６】
成長初期に用いる中間層としては、ＡｌＩｎＮ中間層、ＡｌＧａＮ中間層、ＡｌＮ中間層を用いても同様の結果が得られた。なお、中間層として、Ａｌを含む組成の窒化物系半導体結晶で構成すれば、Ｓｉ基板の表面荒れを防止することができ、また、Ｉｎを含む組成の窒化物系半導体結晶で構成すれば、上記ｎ型不純物を添加することで、低抵抗の膜を形成することができる。
【００３７】
このように本発明では、シリコン基板１を用いた場合、窒化物半導体膜は該基板に対してｃ軸配向の結晶成長が行われやすく、ファセット面と基板のオフ角の関係が６２°からなるシリコン基板１を用いることで、平坦な窒化物半導体の（１−１０１）ファセット面７０，７２を有する結晶膜を生産性良く製造することができる。
【００３８】
続いて、ｎ−ＩｎＡｌＮ／ＧａＮ多層反射膜１０３からｐ−ＧａＮコンタクト層１０８までの各窒化物半導体層をＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）により、順次積層形成する。その後、円柱状に、ｎ−ＧａＮ層が露出するまでエッチングを行い、ｐ−ＧａＮコンタクト層１０８の上面にメッシュ状の金属電極１１０を設ける。金属電極１１０としては、Ｐｄ／Ａｇ／Ａｕ，Ａｇ／Ｐｄ／Ａｕ，Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ，Ｐｄ／Ｍｏ／Ａｕ等を用いてもよく、発光領域中に均一に電流が注入でき、かつ、光取出しが可能なように、線幅２μｍ程度、個々の開口部２μｍ角程度のサイズのメッシュ状とした。
【００３９】
その後、ｎ−ＧａＮ層の円柱状の発光領域の周囲には、金属電極１０９を設ける。また、発光領域の上面には、誘電体多層膜１１１を設ける。これには、ＴｉＯ₂とＳｉＯ₂の交互多層膜や、Ｔa₂Ｏ₅とＳｉＯ₂の交互多層膜等が好ましく用いられ、レーザ発振動作のためには、反射率を８０％程度以上とする。なお、ＬＥＤ動作（レゾナントキャビティ型ＬＥＤ）のためには、反射率は５０％以上程度でよい。
【００４０】
ここで用いたシリコン基板１は（００１）面から７．３°［０−１−１］方向に傾けた、すなわち（００１）面から［０１−１］軸のまわりで７．３度回転した主面６０を持つものであり、これより活性層は（１−１０１）を面方位としてもち、また、これがシリコン基板１の主面６０とほぼ同じ面方位を持つ。シリコン基板１が、上記主面６０から任意の方向に３度以内の範囲で傾いている面を主面として有する場合も、（１−１０１）面に近い面方位を有する極めて平坦な窒化物半導体界面が得られる。
【００４１】
そして、作製した半導体レーザ素子の特性を測定したところ、動作電流３００ｍＡで、光出力０．５Ｗが得られた。また、その偏光方向は、多くの場合、活性層等を構成する窒化物系半導体＜１１−２０＞方向であった。クラッド層の成長温度等を変化させ、活性層に与える歪の状態によっては、＜１１−２０＞に垂直な方向であった。いずれの場合においても、活性層が面内で結晶学的に異方性を持つため、その偏光方向が安定していた。
【００４２】
これらの結果は、上記所定の面方位を持つ活性層を有することで、極めて平坦性の高く、その層厚のゆらぎが少ない量子井戸構造が得られたこと、また、ＧａＮ膜のｃ軸が活性層面から傾くことで、活性層内の井戸および障壁層界面にピエゾ効果によって生じる電界が減少するため、電子正孔対のキャリア再結合確率が上がって発光効率が改善すること、さらには、活性層の主面が結晶学的に等方的でないために、レーザ発振光が一方向に偏光しており、そのため、発光効率が高いこと、さらには、結晶成長方向が結晶初期から途中で（１−１０１）方向に変化することから、基板界面付近から延びる貫通転位が活性層に達しなくなり、非発光再結合が減少したこと等の複合的効果によるものと考えられる。
【００４３】
また、このように活性層の主面が等方的でない面である（１−１０１）面とするために、基板上に所定の溝状の構造をあらかじめ形成しておくだけの、簡便な方法で実現することができた。さらに、本発明においては、有効にクラックの発生を抑制することができた。これは、ＡｌＧａＮクラッド層の結晶成長が［１−１０１］方向に進むこと、また、基板主面から相当に傾斜した斜面上から窒化物半導体の成長を開始し、成長方向が途中より（１−１０１）方向に変化する効果によるものと考えられる。
【００４４】
通常シリコン基板１上に本実施の形態と同様のレーザ層構造を作成すると、数百本／ｍｍものクラックが発生するが、本発明によりクラックの発生はほぼ皆無となった。サファイア基板上に本実施の形態と同様のレーザ構造を作成した場合と比べてもクラックが発生しにくく、クラックの抑制効果は顕著である。
【００４５】
以上より、半導体レーザ素子において閾値が低減し、また、クラック・欠陥が抑制され、素子寿命も向上した。なお、ここに記載された効果は、他の実施の形態に記載した発光素子においても同様に見られるものである。
【００４６】
また、従来技術のような、活性層の主面を（１−１００）面とした場合と比較しても、（１−１０１）面を主面とする積層方向の共振器を有する、本発明の半導体発光素子は、（１−１０１）面が結晶成長時に安定面として形成される面であることから、活性層の平坦性が得られやすい。また、閾値電流密度が小さく、欠陥が少ないために、寿命特性にも優れている利点がある。特に、垂直共振器型の発光素子においては、反射鏡として多層反射膜を形成する必要があり、本発明のように、各半導体層において平坦な表面が得られる（１−１０１）面を主面として成長する技術は、このような多層反射膜の平坦性にも直結し、所望の反射率を得ることが容易になる。
【００４７】
本実施の形態をはじめとして、以下の実施の形態において、成長初期に用いる中間層としては、ＡｌＧａＩｎＮ中間層の他に、ＡｌＩｎＮ中間層、ＡｌＧａＮ中間層を用いてもよく、ＡｌＮを用いてもよい。中間層の組成を選定するにあたっては、成長初期時のシリコン基板１の荒れを抑制するためにはＧａ組成を小さくすることがよく、また、シリコン基板１を通じて電流を流す場合に、界面の抵抗を減少させる目的には、Ａｌ組成を小さくし、また、Ｓｉ等のｎ型不純物を１０¹⁷ｃｍ^-3以上の高ドープすることが望ましい。
【００４８】
また、ｎ側の金属電極を、シリコン基板１に設け、窒化物半導体からシリコン基板１を通じて電流を流す構成とすることもでき、この場合、窒化物半導体とシリコン基板１との界面で、電圧降下が生じやすい問題があるが、ｎ型窒化物半導体とシリコン基板１とを短絡する電極を設けて電圧降下を低減することも有効であり、これは、成長抑制膜と兼用することもできる。
【００４９】
またさらに、本実施の形態の半導体素子において、シリコン基板に設けられた溝の間隔は、半導体素子のサイズと同一のオーダーであり、本実施の形態を説明する図２において、素子当たり２本の溝が形成されているが、本発明の適用はこのような場合に限られるわけではなく、さらに疎に溝を設けてもよく、逆に、素子内に数十本から数百本程度になるように密に溝を設けることも有効である。溝の間隔は、１μｍ〜１０００μｍであってもよく、溝の斜面である６２度の傾斜面の深さは、０．１μｍ〜１００μｍであってもよい。
【００５０】
＜実施の形態２＞
実施の形態１においては、（００１）面より７．３度傾けたシリコン基板１上に直接発光素子構造の作製を行なったが、このシリコン基板１をＧａＮ基板作製のための下地基板として用い、連続膜からなるＧａＮ基板を作製したのちに半導体レーザ素子を形成することも可能である。
【００５１】
実施の形態１の製造工程において説明した、図７（ｄ）の状態のウェハをＨＶＰＥ（ハイドライドＶＰＥ）装置内に導入する。Ｎ₂キャリアガスとＮＨ₃を、それぞれ５（l/min.）流しながら、基板の温度を約１０５０℃まで昇温する。その後、基板上にＧａＣｌを１００(cm³/min.)導入してＧａＮの厚膜の成長を開始する。ＧａＣｌは約８５０℃に保持されたＧａ金属にＨＣｌガスを流すことにより生成される。また、基板近傍まで単独で配管してある不純物ドーピングラインを用いて不純物ガスを流すことにより、任意に成長中に不純物のドーピングを行なうことができる。本実施の形態ではＳｉをドーピングする目的で、成長を開始すると同時に、モノシラン（ＳｉＨ₄）を２００(nmol/min.)供給（Ｓｉ不純物濃度約3.8x10¹⁸cm^-3）してＳｉドープＧａＮ膜を成長する。
【００５２】
上記方法で、８時間の成長を行ない、膜厚の合計が約３５０μmの厚さのＧａＮを上記シリコン基板１上に成長する。成長後、研磨ないしはエッチングによりシリコン基板１を除去し、（１−１０１）ファセット面７０を有する極めて平坦なＧａＮ基板を得る。こうして、本実施の形態によれば、ファセット（１−１０１）面７０を表面に有する窒化物半導体（ＧａＮ）基板を得ることができる。
【００５３】
このｎ−ＧａＮ基板（膜厚１００μｍ）上に、順次、実施の形態1の垂直共振器型面発光レーザ構造を実施の形態1と同様の手法で形成することで、本実施の形態の半導体レーザ素子（ウエハー）を得る。ただし、ｎ−ＧａＮ基板の裏面に、ｎ側の金属電極を形成する。得られた半導体レーザ素子は、ステム，リードフレーム等の基台の上に金属電極を下にして設置し、外部からの電力供給を行い動作させる。
【００５４】
上記のごとく、シリコン基板１を出発基板として、（１−１０１）ファセット面７０を有する極めて平坦なＧａＮ基板を作製し、その後、半導体レーザ素子を作製したので、発振閾値の低い半導体発光素子が得られた。
【００５５】
作製した半導体レーザ素子の特性を測定したところ、駆動電流０．６Ａで、光出力１Ｗのレーザ出力が得られた。実施の形態１と比較して、熱伝導に優れるＧａＮを基板としたので、より高電流域まで光出力が飽和しにくくなった。
【００５６】
＜実施の形態３＞
実施の形態１では、Ｓｉ（１１１）面が、エッチャントを用いたエッチング方法（湿式エッチング）により容易に形成される性質を利用し、シリコン主面から約６２度傾斜した溝斜面を得ていた。こうして得られた斜面は、いわゆる結晶ファセットであり、加工精度が安定しているだけでなく、平坦性にも優れており、窒化物半導体を成長させる下地として非常に優れている。
【００５７】
しかしながら、本発明の適用範囲はこれだけに限られるものではない。本願発明者の数々の実験より、（００１）面より７．３度傾けた面をシリコン基板１の主面として用いるだけでなく、他の面を主面として用いた場合においても、シリコン基板１の主面上に実施の形態１と同様に部分的にマスク５２を施し、エッチングの温度、速度を変えることで、主面に対して６２度からなる傾斜面を有する溝を形成することが可能となった。
【００５８】
そこで、その面を用い検討を行なった場合、同様の結果が得られた。つまり、実施の形態１と同じように、ＧａＮ（１−１０１）ファセット面７０が、シリコン基板１の主面とほぼ平行になるような結晶成長が可能であり、このような成長を続ける結果、平坦なＧａＮ（１−１０１）ファセット面７０を表面にもつ連続した結晶膜が得られた。
【００５９】
ＧａＮは配向性の強い結晶であり通常の方法では、主面に垂直にｃ軸配向し、よって得られる結晶はＣ面を主面とするものしか得られずＣ面とは異なる面を有する結晶を得ることは困難であったが、本発明により、ＧａＮ（１−１０１）ファセット面７０を表面にもつ結晶が容易に得られるようになった。
【００６０】
たとえば(２−１−１)面から［１００］方向に８．６°オフしたシリコン基板１上に、［０１−１］方向に延伸したストライプ状溝を作成することで（２１１）ファセット面を主面から６２°傾斜した斜面として形成することができ、これによっても上記同様な表面が平坦なＧａＮ結晶膜が得られた。これは窒化物半導体結晶が、この（２１１）ファセット面に対しても垂直軸をｃ軸として、成長が行われ、この場合にも（２１１）面から６２°の角度の関係を有するシリコンオフ基板１を用いることで、平坦なＧａＮ基板が得られるものと考えられる。
【００６１】
このように本発明では、シリコン基板１を用いた場合、窒化物半導体膜は基板に対してｃ軸配向の結晶成長が行われやすく、ファセット面と基板主面のオフ角の関係が６２°である基板を用いることで、平坦な窒化物半導体の（１−１０１）ファセット面７０を有する結晶膜を得ることができる。
【００６２】
この結晶膜を成長させて得られた連続膜からなる窒化物半導体膜上に、実施の形態１や２と同様にして半導体発光素子を形成することでシリコン基板１上への高輝度、高効率の半導体発光素子の作製が可能となる。
【００６３】
こうして得られた半導体発光素子は、その発光層（活性層）が（１−１０１）ファセット面を主面として有している。これは、従来、サファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ（１１１）基板を用いて形成されていた素子が（０００１）面を主面としていたのと異なっている。
【００６４】
ウルツ鉱構造結晶である窒化物半導体の（０００１）面を主面としていた薄膜は、その主面に平行な方向では、バンド構造的に等価であるが、本発明のように（１−１０１）ファセット面を主面とした薄膜は、その主面に平行な方向もバンド構造的に等価ではない。よって、本実施の形態に限らず、本発明を応用した発光素子は、発光層（活性層）に平行な方向のバンドの縮退が解けており、よって、発光効率が高く、また、半導体レーザ素子に応用した場合に格段の低閾値、高効率を実現することができる。
【００６５】
さらには、基板はシリコンだけに限られるものではない。たとえば、ＧａＡｓ等の他の立方晶基板を用い、面方位の関係を実施の形態１等の場合と同様としても同様に半導体レーザ素子を構成できる。ただし、シリコン基板１は、窒化物半導体を成長する際の成長雰囲気に対して比較的安定であり、結晶成長時に成長面を平坦なままに保ちやすく、本発明の効果が安定して得られやすい利点がある。また、立方晶に限らず、任意の材料を基板として用い、溝の形状を本明細書で規定するとおりに加工してもよい。ただし、実施の形態１等で説明したシリコン基板１に溝を形成する手法では、いわゆるファセット面を斜面として用いているので、平坦性、窒化物半導体を成長する際の成長雰囲気に対する安定性が優れており、本発明の効果が安定して得られ易い利点がある。
【００６６】
＜実施の形態４＞
本実施の形態は、実施の形態１の変形例であり、実施の形態１の半導体レーザの共振器領域の直径ｄを３μｍにし、多層反射膜１０３の反射率を９９％、誘電体多層反射膜１１１の反射率を９５％程度にしたものである。その結果、発振閾値０．５ｍＡと、超低閾値の短波長半導体レーザを実現でき、また、光出力５ｍＷで、１０００時間の動作試験を実施したところ、偏光方向の変動が無く、発振が極めて安定していることが判明した。このように、超低閾値かつ偏光方向が安定した半導体レーザが実現でき、光ディスクシステムの光源として最適である。
【００６７】
なお、本実施の形態の思想を、実施の形態２または実施の形態３の思想と組み合わせることも可能であり、それぞれに適用しても同様の結果が得られた。
【００６８】
＜実施の形態５＞
本実施の形態は、実施の形態１の変形例であり、実施の形態１の半導体レーザのメッシュ状の金属電極１１０を平坦なＩＴＯ膜に変更し、その上に、反射鏡となる誘電体多層膜１１１を設ける。それ以外の構成は、実施の形態１と同様である。
【００６９】
本実施の形態の半導体レーザ素子を作製し、該半導体レーザ素子の特性を測定したところ、動作電流３００ｍＡで、光出力０．６Ｗが得られた。また、その偏光方向は、多くの場合、活性層等を構成する窒化物系半導体＜１１−２０＞方向であり、活性層に与える歪の状態によっては、＜１１−２０＞に垂直な方向であった。いずれの場合においても、活性層が面内で結晶学的に異方性を持つため、その偏光方向が安定であった他、実施の形態１と同様の効果が得られた。
【００７０】
なお、本実施の形態の場合も、他の実施の形態に記載の技術と組み合わせることが可能であり、それぞれに適用しても、同様の結果が得られた。
【００７１】
＜実施の形態６＞
本実施の形態は、実施の形態１の変形例であり、実施の形態１の半導体レーザの誘電体多層膜１１１および金属電極１１０をＰｄ薄膜（膜厚２〜１０ｎｍ）に変更し、電極および反射鏡としての役割を同時に持たせる。それ以外の構成は実施の形態１と同様である。
【００７２】
本実施の形態の場合、反射率が５０％以下しか得られないために、光の共振器への閉じ込め効果は弱く、電流を注入したときに、レゾナントキャビティ型ＬＥＤとして動作した。そして、作製したＬＥＤ素子の特性を測定したところ、動作電流３００ｍＡで、光出力０．３Ｗが得られた。また、その偏光方向は、多くの場合、活性層等を構成する窒化物系半導体＜１１−２０＞方向であり、活性層に与える歪の状態によっては、＜１１−２０＞に垂直な方向であった。いずれの場合においても、活性層が面内で結晶学的に異方性を持つため、その偏光方向が安定であった他、実施の形態１と同様の効果が得られた。
【００７３】
なお、本実施の形態も、他の実施の形態に記載の技術と組み合わせることが可能であり、それぞれに適用しても、同様の結果が得られた。
【００７４】
＜実施の形態７＞
図３は、本実施の形態の窒化物半導体発光素子の構造を示す概略断面図である。本実施の形態の半導体レーザ素子が実施の形態１と異なるのは、シリコン基板１の一部を除去して、出力光を基板側から取出すようにし、実施の形態１の金属電極１１０および誘電体多層反射膜１１１に代えてＡｇからなる金属電極３１０を用いた点である。それ以外の構成は実施の形態１と同様である。
【００７５】
本実施の形態の構成とすることにより、反射率を約９０％とすることができる。また、共振器領域の下部のシリコン基板１は除去され、マスク５２あるいはｎ−ＧａＮ層１０２に達する穴３２０が形成されている。このような穴３２０の形成は、シリコンのみを選択的にエッチングすることにより可能であり、フッ酸・硝酸・酢酸の混合液などの選択エッチング液を用いれば、エッチング底面に表面が鏡面のｎ−ＧａＮ層１０２が表出するので好ましい。
【００７６】
多層反射膜１０３は、反射率８０％程度以上に設定した。本実施の形態の半導体発光素子は、金属電極３１０側をヒートシンクに固着して実装できるため、極めて放熱性が高くなる。したがって、高電流注入時の発熱が抑制されるため、極めて高い動作電流が実現できる。作製した半導体レーザ素子の特性を測定したところ、動作電流１Ａで、光出力１．５Ｗが得られた。
【００７７】
＜実施の形態８＞
本実施の形態は、実施の形態７の変形例であり、Ａｇからなる金属電極３１０を透明な電極となるＩＴＯ薄膜と、その上に形成された誘電体多層膜に代えたものである。それ以外の構成は実施の形態７と同様である。
【００７８】
上記構成により、上面の反射鏡を反射率９８％以上にすることが可能になり、実施の形態７の半導体レーザ素子と比較して、さらに発振閾値を低減することができる。
【００７９】
＜実施の形態９＞
図８は、本実施の形態の半導体発光装置を示す図である。図８に示すように、半導体発光装置は、金属パッケージ８０１と、半導体発光素子８０２と、キャップガラス８０３と、波長変換材料８０４とを備える。
【００８０】
半導体発光素子（半導体レーザ、ＬＥＤ）８０２は実施の形態１ないし８に記載のものであり、これが金属パッケージ８０１にマウントされている。パッケージにはキャップガラス８０３が設けられており、ここから半導体発光素子８０２からの出力が外部に取出される。キャップガラス８０３の外側には、蛍光体等の波長変換材料（波長変換物質）８０４が形成されている。
【００８１】
本実施の形態において、半導体発光素子８０２は、金属性のパッケージにマウントされているため放熱性がよく、１００ｍＡ以上の大電流で発光素子が駆動された場合でも、光出力の飽和を抑制することができる。
【００８２】
波長変換材料８０４は、半導体発光素子８０２からの出射光を吸収し、出射光とは異なる波長の光を発光する。該波長変換材料８０４は、発光素子と間隔をあけて形成されているので、半導体発光素子８０２の発熱による劣化や、発光素子の光取出し部分のような、高光密度領域での材料の劣化が抑制されるようになっている。
【００８３】
本実施の形態においては、上記実施の形態の発光素子を用いたために、きわめて発光効率の高い、波長変換材料を用いる発光装置を実現できるので、例えば、白色光を発する照明や、屋外用ランプ光源として最適である。
【００８４】
以上のように、この発明の実施の形態について説明を行ったが、今回開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【００８５】
【発明の効果】
本発明によれば、活性層とクラッド層の積層方向に共振器を有する、いわゆる垂直共振器型半導体発光素子において活性層の主面の面方位を（１−１０１）としたので、偏光方向制御に優れた発光素子を提供することが可能となる。また、（１−１０１）面は所定の基板を用いることにより安定して得られるので、半導体発光素子を実用レベルで実現することができる。そればかりでなく、本発明の半導体発光素子は、発光効率、発振閾値低減等の特性にも優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光素子における結晶方位を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態１の窒化物半導体発光素子（半導体レーザ素子）を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態７の窒化物半導体発光素子（半導体レーザ素子）を示す断面図である。
【図４】本発明の窒化物半導体発光素子の製造工程の第１工程を示す図である。
【図５】本発明の窒化物半導体発光素子の製造工程の第２工程を示す図である。
【図６】本発明の窒化物半導体発光素子の製造工程の第３工程を示す図である。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の窒化物半導体膜の成長過程を示す図である。
【図８】本発明の半導体発光装置を示す図である。
【符号の説明】
１シリコン基板、１０ｎ―ＡｌＧａＩｎＮ中間層、５２マスク、６０主面（シリコンの（００１）面）、６１（１１１）ファセット面、７０，７２（１−１０１）ファセット面、１０２ｎ−ＧａＮ層、１０３，１１１多層反射膜、１０４，１０７スペーサ層、１０５量子井戸活性層、１０６ＡｌＧａＮキャップ層、１０８コンタクト層、１０９，１１０，３１０金属電極、３２０穴、８０１金属パッケージ、８０２半導体発光素子、８０３キャップガラス、８０４波長変換材料。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light emitting device, a method for manufacturing the same, and a semiconductor light emitting device having the semiconductor light emitting device.
[0002]
[Prior art]
Light emitting elements such as LEDs and semiconductor lasers have been realized using semiconductors having a hexagonal crystal structure, including nitride semiconductor materials composed of GaN, InN, AlN and mixed crystal semiconductors thereof. Structures have also been proposed for mold surface emitting lasers (VCSELs).
[0003]
For example, in a vertical cavity surface emitting laser disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-135576, a nitride semiconductor <0001> direction is arranged in a laminated surface of an epitaxial layer such as an active layer, and the direction perpendicular to the laminated surface In the <1-100> orientation.
[0004]
In the semiconductor laser of this conventional example, the main surface of the active layer is the (1-100) plane, and unlike the semiconductor laser in which the main surface of the active layer is the (0001) plane, it is not crystallographically isotropic. Laser light emitted in the vertical direction is polarized in a specific direction. This eliminates the problem that the polarization direction of the laser beam of the conventional vertical cavity surface emitting laser is difficult to determine.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the above conventional example, the semiconductor laser can be realized by fabricating a laser using, for example, a GaN (1-100) plane substrate as a substrate, but such a substrate has not been widely marketed. . Nitride semiconductors have the property of easily growing crystals in the <0001> direction, and it is difficult to stably manufacture a (1-100) plane substrate made of a nitride semiconductor. Therefore, a GaN (1-100) plane substrate could not be supplied stably.
[0006]
When another substrate is used, the nitride semiconductor easily grows so that its main surface is the (0001) plane, and it is difficult to obtain a semiconductor laser having the above crystal orientation. Therefore, it has been impossible to realize the above-described conventional vertical cavity semiconductor laser at a practical level.
[0007]
The present invention solves such problems, and uses a nitride-based semiconductor, the polarization direction of which is controlled, a vertical cavity semiconductor laser, a highly efficient vertical cavity semiconductor laser, and a resonant cavity type. It is an object to realize a semiconductor light emitting device such as a light emitting device and a semiconductor light emitting device having the semiconductor light emitting device at a practical level.
[0011]
By forming the compound semiconductor layer using the substrate as described above, the plane orientation of the main surface of the compound semiconductor layer can be (1-101). Therefore, the plane orientation of the main surface of the active layer formed on the compound semiconductor layer can be (1-101) substantially coincident with the main surface of the substrate, and resonance occurs in the stacking direction of the active layer and the cladding layer. The controllability of the polarization direction can be improved in a semiconductor light emitting device having a container. Further, by using the above substrate, the (1-101) plane can be stably obtained during crystal growth.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
Book The semiconductor light emitting device of the invention is One In this aspect, the substrate includes a substrate made of silicon and a compound semiconductor layer formed of a nitride semiconductor formed on the substrate, and the substrate is inclined from the main surface of the substrate by 62 degrees or from this surface. The compound semiconductor layer has a groove having a slope inclined in an arbitrary direction within a range of 3 degrees as a slope, the compound semiconductor layer is formed on the slope, an active layer containing a nitride semiconductor on the compound semiconductor layer, and the active layer The active layer has a plane orientation substantially coincident with the main surface of the substrate, and outputs by removing a part of the substrate. The light can be taken out.
The semiconductor light emitting device of the present invention ,other In this aspect, the semiconductor device includes a silicon substrate and a compound semiconductor layer made of a nitride semiconductor formed on the silicon substrate, and the compound semiconductor layer has a (100) plane around the [01-1] axis. A silicon substrate having a principal surface composed of a surface rotated by 3 degrees or a surface inclined within 3 degrees in an arbitrary direction from this surface is formed. The compound semiconductor layer is formed on the inclined surface, and the compound semiconductor layer is formed on the inclined surface, the clad layer sandwiching the active layer, and the resonance in the stacking direction of the active layer and the clad layer. And a part of the silicon substrate is removed so that the output light can be taken out.
[0014]
The plane orientation of the main surface of the cladding layer or active layer is preferably (1-101). The <0001> direction of the compound semiconductor layer is preferably substantially perpendicular to the slope. The groove preferably extends along the [11-20] direction of the nitride semiconductor constituting the active layer. The semiconductor light emitting element is preferably a semiconductor laser element, and laser light emitted from the semiconductor laser element is polarized in a direction parallel or perpendicular to the groove. Moreover, it is preferable that a film that suppresses the growth of the nitride semiconductor is formed on at least a part of the surface of the substrate other than the slope.
[0015]
A semiconductor light-emitting device of the present invention includes the above-described semiconductor light-emitting element and a wavelength conversion material that absorbs light emitted from the semiconductor light-emitting element and emits light having a wavelength different from that of the emitted light.
[0020]
In this specification, the nitride semiconductor is a compound semiconductor mainly composed of a group III element and an N element, _x In _y Ga _1-xy In addition to N (0 ≦ x, y ≦ 1), a part of the group III element (about 20% or less) is replaced with another element such as B or Tl, or a part of the N element (10% Or less) is substituted with other elements such as As, P, and Sb.
[0021]
Further, in the present specification, when a specific surface / direction is indicated, only the surface / direction defined strictly mathematically should not be construed as the scope of application of the present invention. Even if it is slightly deviated from these planes and directions, the effect of the present invention is not lost. Specifically, even if it is deviated within about 3 degrees, it should be understood that it is within the scope of the present invention. .
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention will be described below with reference to embodiments.
[0023]
<Embodiment 1>
FIG. 1 is a conceptual diagram for forming a (1-101) facet surface 70 of a nitride semiconductor film (compound semiconductor layer) in the present embodiment, and FIG. 2 is a nitride semiconductor light emitting device in the present embodiment. It is a schematic sectional drawing which shows the structure of an element.
[0024]
The nitride semiconductor light emitting device of this embodiment is formed on a (001) silicon substrate 1 that is 7.3 ° off in the [0-1-1] direction. The silicon substrate 1 has a stripe-shaped groove having a slope of an angle of 62 degrees from the main surface as a (111) facet surface 61, and is sequentially planarized from the facet surface 61 as described below. The n-AlGaInN layer 10 and the n-GaN layer 102 are stacked. In addition, it is good also considering the surface inclined within 3 degrees from the facet surface 61 in arbitrary directions as a slope.
[0025]
The upper surface of the n-GaN layer 102 is substantially parallel to the main surface of the substrate and is a (1-101) plane. In addition, as shown in FIG. 2, the n-InAlN / GaN multilayer reflective film 103, the n-AlGaN spacer layer 104, and the In layer are sequentially formed. _w Ga _1-w N (0 <w <1) well layer and In _v Ga _1-v Nitride of multiple quantum well active layer 105 (oscillation wavelength 400 nm), AlGaN cap layer 106, p-AlGaN spacer layer 107, and p-GaN contact layer 108 having an alternate multilayer structure with N (0 ≦ v <w) barrier layers A physical semiconductor layer is formed. The plane orientation of the main surface of each nitride semiconductor layer including the active layer (multiple quantum well active layer 105) and the spacer layer serving as the cladding layer is (1-101). It almost coincides with the plane orientation.
[0026]
Furthermore, a metal electrode 110 is formed in a mesh shape on the upper surface of the p-GaN contact layer 108, and a dielectric multilayer reflective film 111 is formed so as to cover the upper surface including the metal electrode 110. Each layer is etched from the upper surface so that the n-GaN layer 102 is exposed, and a metal electrode 109 is provided on the n-GaN layer 102. In this way, a vertical resonator structure is formed, in which a spacer layer serving as a clad layer for confining carriers in the active layer is provided on both sides of the active layer, and a reflecting mirror is provided on the outer side thereof. .
[0027]
In the present embodiment, the shape of the light output portion of the vertical resonator is a circle having a diameter of d = 50 μm, and this is defined by the opening for light output. An insulating protective film 112 is provided on the side surface of the vertical resonator. Although not shown, a pad electrically connected to the metal electrode 110 was appropriately provided as a wire for forming a wire for electrical connection with the outside. The distance between the reflecting mirrors, that is, the distance between the multilayer reflective film 103 and the dielectric multilayer reflective film 111 is 3λ, and the active layer is located at the center thereof.
[0028]
Si, Ge, O, S, and Se are preferable as the dopant for forming the n-type semiconductor, and Be, Cd, and Mg are preferable as the dopant for forming the p-type semiconductor. It is also preferable to add any of Si, Ge, O, S, and Se simultaneously with Be, Cd, and Mg in order to obtain a p-type layer with low resistance and low dopant diffusion.
[0029]
Next, a method for manufacturing the semiconductor light emitting device (semiconductor laser device) of this embodiment will be described with reference to FIGS.
[0030]
First, a (001) silicon substrate (wafer) 1 turned 7.3 ° in the [0-1-1] direction is cleaned, and a silicon oxide film is formed thereon using sputtering or CVD (Chemical Vapor Deposition) techniques. And a mask 52 made of an insulating film such as a silicon nitride film is deposited to a thickness of 100 nm. Thereafter, as shown in FIG. 4, the mask 52 is removed in a stripe shape by using a photolithography technique. At this time, the direction of the stripe is along the Si [01-1] direction.
[0031]
Further, the silicon substrate 1 is etched with an alkali etchant such as KOH or an acid etchant such as buffered hydrofluoric acid to form a groove having a Si (111) facet surface 61 as shown in FIG. This groove is a stripe-like groove extending in the Si [01-1] direction (the <11-20> direction of the nitride semiconductor). As shown in FIG. 1, the (111) facet surface 61 has a relationship of 62 degrees with the main surface 60 of the silicon substrate 1 having the predetermined plane orientation. This surface is a flat facet surface obtained by the etching, and can be easily obtained by appropriately adjusting the etchant temperature and the etching rate.
[0032]
At this time, the shape of the groove itself is a V shape or a deformed V shape having a flat bottom region, and the other inclined surface is a (1-1-1) facet surface. Since the silicon substrate 1 is an off-substrate, the V shape is not bilaterally symmetric, and the (111) slope is a face inclined about 62 ° with respect to the main surface 60, but (1-1-1) the slope. Is a surface inclined about 47 °. By placing the silicon substrate 1 in an inclined state in the sputtering apparatus, the (111) facet surface 61 is formed so that no film is formed, and (1-1-1) the facet surface is covered. A mask 52 made of a silicon oxide film or a silicon nitride film is applied to obtain the state shown in FIG. This is a substrate for forming a nitride semiconductor film or a nitride semiconductor substrate.
[0033]
Then, a nitride semiconductor film is grown under the following growth conditions using MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). The crystal growth of the n-AlGaInN intermediate layer 10 and the n-GaN layer 102 (compound semiconductor layer) shown in FIG. 1 is performed on the facet surface 61 of the silicon substrate 1 subjected to the above-described process, so that FIGS. Through the growth process as in b), a GaN crystal film having a flat GaN (1-101) facet surface 70 on the upper surface can be produced.
[0034]
Here, the n-AlGaInN intermediate layer 10 is a thin film having a film thickness of about several hundred nm or less that serves as a buffer layer. As shown in FIG. 7A, crystal growth starts from the exposed (111) facet surface 61. The growing nitride semiconductor is oriented so that the <0001> direction is perpendicular to the slope. On the upper surface of the grown crystal, a GaN (1-101) facet surface 70 appears almost parallel to the main surface of the substrate. Therefore, as shown in FIG. It becomes a crystal shaped like a triangular prism. FIG. 1 is a diagram showing the crystal orientation and the like using a cross-sectional view in the state of FIG.
[0035]
As the crystal growth progresses, the diameter of the triangular columnar crystal made of a nitride semiconductor increases as shown in FIG. 7C, and finally adjacent triangular columnar crystals come into contact with each other. When the growth is further continued, the separated triangular columnar crystals are united, and as shown in FIG. 7D, a continuous film made of a GaN crystal having a flat GaN (1-101) facet surface 72 on the surface. Will be obtained.
[0036]
Similar results were obtained even when an AlInN intermediate layer, an AlGaN intermediate layer, or an AlN intermediate layer was used as the intermediate layer used in the initial stage of growth. If the intermediate layer is composed of a nitride-based semiconductor crystal having a composition containing Al, surface roughness of the Si substrate can be prevented, and if composed of a nitride-based semiconductor crystal having a composition containing In, By adding the n-type impurity, a low-resistance film can be formed.
[0037]
As described above, in the present invention, when the silicon substrate 1 is used, the nitride semiconductor film is likely to undergo c-axis oriented crystal growth with respect to the substrate, and the relationship between the facet surface and the off-angle of the substrate is 62 °. By using the silicon substrate 1, a crystal film having flat (1-101) facet surfaces 70 and 72 of a nitride semiconductor can be manufactured with high productivity.
[0038]
Subsequently, each nitride semiconductor layer from the n-InAlN / GaN multilayer reflective film 103 to the p-GaN contact layer 108 is sequentially stacked by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). Thereafter, etching is performed in a cylindrical shape until the n-GaN layer is exposed, and a mesh-like metal electrode 110 is provided on the upper surface of the p-GaN contact layer 108. As the metal electrode 110, Pd / Ag / Au, Ag / Pd / Au, Pd / Pt / Au, Pd / Mo / Au, or the like may be used, and a current can be uniformly injected into the light emitting region. In order to be able to be taken out, a mesh shape having a line width of about 2 μm and individual openings of about 2 μm square was used.
[0039]
Thereafter, a metal electrode 109 is provided around the cylindrical light emitting region of the n-GaN layer. A dielectric multilayer film 111 is provided on the upper surface of the light emitting region. This includes TiO ₂ And SiO ₂ Alternating multilayer film and Ta ₂ O _Five And SiO ₂ The alternate multilayer film or the like is preferably used, and the reflectance is about 80% or more for laser oscillation operation. For LED operation (resonant cavity type LED), the reflectance may be about 50% or more.
[0040]
The silicon substrate 1 used here was tilted 7.3 [0-1-1] from the (001) plane, that is, rotated 7.3 degrees around the [01-1] axis from the (001) plane. The active layer has a main surface 60, from which the active layer has (1-101) as the plane orientation, and this has almost the same plane orientation as the main surface 60 of the silicon substrate 1. Even when the silicon substrate 1 has a main surface whose surface is inclined within 3 degrees from the main surface 60 in an arbitrary direction, a very flat nitride semiconductor having a plane orientation close to the (1-101) plane. An interface is obtained.
[0041]
When the characteristics of the manufactured semiconductor laser device were measured, an optical output of 0.5 W was obtained at an operating current of 300 mA. Further, in many cases, the polarization direction was the nitride-based semiconductor <11-20> direction constituting the active layer or the like. Depending on the state of strain applied to the active layer by changing the growth temperature or the like of the cladding layer, the direction was perpendicular to <11-20>. In any case, since the active layer has crystallographic anisotropy in the plane, the polarization direction is stable.
[0042]
These results show that by having the active layer having the above-mentioned predetermined plane orientation, a quantum well structure with extremely high flatness and less fluctuation of the layer thickness was obtained, and the c-axis of the GaN film was active. By tilting from the layer surface, the electric field generated by the piezoelectric effect at the well and barrier layer interface in the active layer is reduced, so that the carrier recombination probability of the electron-hole pair is increased and the light emission efficiency is improved. Is not isotropic crystallographically, the laser oscillation light is polarized in one direction. Therefore, the light emission efficiency is high, and further, the crystal growth direction is changed from the initial stage of the crystal (1- 101) direction, the threading dislocations extending from the vicinity of the substrate interface do not reach the active layer, and are considered to be due to complex effects such as reduction of non-radiative recombination.
[0043]
In addition, a simple method in which a predetermined groove-like structure is formed in advance on the substrate so that the main surface of the active layer is a non-isotropic surface (1-101) in this way. It was possible to realize. Furthermore, in the present invention, generation of cracks can be effectively suppressed. This is because the crystal growth of the AlGaN cladding layer proceeds in the [1-101] direction, and the growth of the nitride semiconductor is started from an inclined surface considerably inclined from the main surface of the substrate. 101) This is considered to be due to the effect of changing in the direction.
[0044]
Normally, when a laser layer structure similar to that of the present embodiment is formed on a silicon substrate 1, cracks of several hundreds / mm are generated, but almost no cracks are generated by the present invention. Compared to the case where a laser structure similar to that of the present embodiment is formed on a sapphire substrate, cracks are less likely to occur, and the crack suppression effect is remarkable.
[0045]
As described above, the threshold value of the semiconductor laser device is reduced, cracks and defects are suppressed, and the device life is improved. Note that the effects described here can be similarly observed in the light-emitting elements described in the other embodiments.
[0046]
In addition, the present invention includes a resonator in the stacking direction having the (1-101) plane as the principal plane, as compared with the case where the principal plane of the active layer is the (1-100) plane as in the prior art. In this semiconductor light emitting device, since the (1-101) plane is a plane formed as a stable plane during crystal growth, the flatness of the active layer is easily obtained. Further, since the threshold current density is small and the number of defects is small, there is an advantage that the life characteristics are excellent. In particular, in a vertical cavity type light emitting element, it is necessary to form a multilayer reflective film as a reflecting mirror, and as in the present invention, a flat surface can be obtained in each semiconductor layer with a (1-101) plane as the main surface. The technology that grows as a direct connection to the flatness of such a multilayer reflective film makes it easy to obtain a desired reflectance.
[0047]
Starting with this embodiment, in the following embodiments, as an intermediate layer used in the initial stage of growth, in addition to the AlGaInN intermediate layer, an AlInN intermediate layer, an AlGaN intermediate layer, or AlN may be used. . In selecting the composition of the intermediate layer, it is preferable to reduce the Ga composition in order to suppress the roughness of the silicon substrate 1 at the initial stage of growth, and when the current flows through the silicon substrate 1, the resistance of the interface is reduced. For the purpose of reducing, the Al composition is reduced, and n-type impurities such as Si are reduced to 10%. ¹⁷ cm ^-3 The above high doping is desirable.
[0048]
In addition, an n-side metal electrode may be provided on the silicon substrate 1 so that a current flows from the nitride semiconductor through the silicon substrate 1. In this case, a voltage drop occurs at the interface between the nitride semiconductor and the silicon substrate 1. However, it is also effective to reduce the voltage drop by providing an electrode for short-circuiting the n-type nitride semiconductor and the silicon substrate 1, which can also be used as a growth suppression film.
[0049]
Furthermore, in the semiconductor element of this embodiment, the interval between the grooves provided in the silicon substrate is in the same order as the size of the semiconductor element. In FIG. Although the groove is formed, the application of the present invention is not limited to such a case, and the groove may be provided more sparsely. On the contrary, the number of the grooves is about several tens to several hundreds. It is also effective to provide the grooves densely. The interval between the grooves may be 1 μm to 1000 μm, and the depth of the inclined surface of 62 ° that is the inclined surface of the groove may be 0.1 μm to 100 μm.
[0050]
<Embodiment 2>
In the first embodiment, the light emitting element structure is directly fabricated on the silicon substrate 1 tilted 7.3 degrees from the (001) plane. The silicon substrate 1 is used as a base substrate for fabricating a GaN substrate. It is also possible to form a semiconductor laser element after producing a GaN substrate made of a continuous film.
[0051]
The wafer in the state shown in FIG. 7D described in the manufacturing process of the first embodiment is introduced into an HVPE (hydride VPE) apparatus. N ₂ Carrier gas and NH _Three The substrate temperature is raised to about 1050 ° C. while flowing 5 (l / min.) Each. Thereafter, GaCl is added to the substrate (100 cm). ^Three / min.) Introduce the growth of GaN thick film. GaCl is generated by flowing HCl gas through Ga metal maintained at about 850 ° C. In addition, impurities can be arbitrarily doped during growth by flowing an impurity gas by using an impurity doping line that is individually connected to the vicinity of the substrate. In this embodiment, for the purpose of doping Si, at the same time as starting growth, monosilane (SiH _Four ) 200 (nmol / min.) Supply (Si impurity concentration about 3.8x10) ¹⁸ cm ^-3 ) To grow a Si-doped GaN film.
[0052]
By the above method, growth is performed for 8 hours, and GaN having a total thickness of about 350 μm is grown on the silicon substrate 1. After the growth, the silicon substrate 1 is removed by polishing or etching to obtain a very flat GaN substrate having a (1-101) facet surface 70. Thus, according to the present embodiment, a nitride semiconductor (GaN) substrate having facet (1-101) surface 70 on the surface can be obtained.
[0053]
By sequentially forming the vertical cavity surface emitting laser structure of the first embodiment on this n-GaN substrate (film thickness 100 μm) by the same method as that of the first embodiment, the semiconductor laser of the present embodiment is formed. An element (wafer) is obtained. However, an n-side metal electrode is formed on the back surface of the n-GaN substrate. The obtained semiconductor laser device is installed on a base such as a stem or a lead frame with a metal electrode facing down, and is operated by supplying power from the outside.
[0054]
As described above, an extremely flat GaN substrate having the (1-101) facet surface 70 is fabricated using the silicon substrate 1 as a starting substrate, and then a semiconductor laser device is fabricated. Thus, a semiconductor light emitting device having a low oscillation threshold value is obtained. It was.
[0055]
When the characteristics of the fabricated semiconductor laser device were measured, a laser output with an optical output of 1 W was obtained at a drive current of 0.6 A. Compared with the first embodiment, since GaN having excellent heat conduction is used as the substrate, the light output is less likely to be saturated to a higher current range.
[0056]
<Embodiment 3>
In the first embodiment, the groove slope inclined by about 62 degrees from the silicon main face is obtained by utilizing the property that the Si (111) face is easily formed by an etching method using an etchant (wet etching). The slope obtained in this manner is a so-called crystal facet, which not only has stable processing accuracy but also excellent flatness, and is extremely excellent as a base for growing a nitride semiconductor.
[0057]
However, the scope of application of the present invention is not limited to this. According to various experiments by the inventors of the present application, not only the surface tilted 7.3 degrees from the (001) plane is used as the main surface of the silicon substrate 1, but also when the other surface is used as the main surface, the silicon substrate 1 A groove having an inclined surface of 62 degrees with respect to the main surface can be formed by partially applying a mask 52 on the main surface as in the first embodiment and changing the etching temperature and speed. It became.
[0058]
Therefore, the same result was obtained when the study was conducted using this aspect. That is, as in the first embodiment, crystal growth is possible such that the GaN (1-101) facet surface 70 is substantially parallel to the main surface of the silicon substrate 1, and as a result of continuing such growth, A continuous crystal film having a flat GaN (1-101) facet surface 70 was obtained.
[0059]
GaN is a crystal with strong orientation, and in a normal method, it is c-axis oriented perpendicular to the main surface, and as a result, a crystal having only a C plane as the main plane can be obtained and has a plane different from the C plane. However, according to the present invention, a crystal having the GaN (1-101) facet surface 70 on the surface can be easily obtained.
[0060]
For example, a (211) facet surface is formed by creating a stripe-shaped groove extending in the [01-1] direction on the silicon substrate 1 off 8.6 ° in the [100] direction from the (2-1-1) plane. A GaN crystal film having a flat surface similar to the above could be obtained by forming a slope inclined by 62 ° from the main surface. This is because a nitride semiconductor crystal is grown with the vertical axis as the c-axis also with respect to the (211) facet plane, and in this case also a silicon off substrate having a relation of an angle of 62 ° with respect to the (211) plane It is considered that a flat GaN substrate can be obtained by using 1.
[0061]
As described above, in the present invention, when the silicon substrate 1 is used, the nitride semiconductor film is likely to undergo c-axis-oriented crystal growth with respect to the substrate, and the relationship between the off-angle between the facet plane and the substrate main surface is 62 °. By using a certain substrate, a crystal film having a (1-101) facet plane 70 of a flat nitride semiconductor can be obtained.
[0062]
By forming a semiconductor light emitting element on the nitride semiconductor film made of a continuous film obtained by growing this crystal film in the same manner as in the first and second embodiments, high luminance and high efficiency on the silicon substrate 1 are achieved. The semiconductor light emitting device can be manufactured.
[0063]
In the semiconductor light emitting device thus obtained, the light emitting layer (active layer) has a (1-101) facet surface as a main surface. This is different from the conventional case where an element formed using a sapphire substrate, SiC substrate, or Si (111) substrate has a (0001) plane as a main surface.
[0064]
A thin film having a (0001) plane of a nitride semiconductor, which is a wurtzite structure crystal, is equivalent in band structure in a direction parallel to the main plane, but as in the present invention (1-101) A thin film having a facet surface as a main surface is not equivalent in band structure in the direction parallel to the main surface. Therefore, the light emitting element to which the present invention is applied is not limited to this embodiment mode, and the degeneration of the band in the direction parallel to the light emitting layer (active layer) is solved. Therefore, the light emitting efficiency is high, and the semiconductor laser element When applied to the above, it is possible to achieve a particularly low threshold and high efficiency.
[0065]
Furthermore, the substrate is not limited to silicon. For example, a semiconductor laser element can be similarly formed even if another cubic substrate such as GaAs is used and the plane orientation relationship is the same as in the first embodiment. However, the silicon substrate 1 is relatively stable with respect to the growth atmosphere when growing the nitride semiconductor, and it is easy to keep the growth surface flat during crystal growth, so that the effects of the present invention can be obtained stably. There are advantages. Further, not limited to cubic crystals, any material may be used as the substrate, and the shape of the groove may be processed as defined in this specification. However, in the method of forming a groove in the silicon substrate 1 described in the first embodiment or the like, since a so-called facet surface is used as an inclined surface, flatness and stability to a growth atmosphere when growing a nitride semiconductor are excellent. Therefore, there is an advantage that the effects of the present invention can be obtained stably.
[0066]
<Embodiment 4>
The present embodiment is a modification of the first embodiment, in which the diameter d of the resonator region of the semiconductor laser of the first embodiment is 3 μm, the reflectance of the multilayer reflective film 103 is 99%, and the dielectric multilayer reflective film The reflectance of 111 is about 95%. As a result, a short-wavelength semiconductor laser with an oscillation threshold of 0.5 mA and an ultra-low threshold can be realized, and when an operation test for 1000 hours was performed with an optical output of 5 mW, there was no fluctuation in the polarization direction and oscillation was extremely stable. Turned out to be. As described above, a semiconductor laser having an ultra-low threshold value and a stable polarization direction can be realized, and is optimal as a light source for an optical disc system.
[0067]
It should be noted that the idea of the present embodiment can be combined with the idea of the second embodiment or the third embodiment, and similar results were obtained even when applied to each.
[0068]
<Embodiment 5>
The present embodiment is a modification of the first embodiment, in which the mesh-like metal electrode 110 of the semiconductor laser of the first embodiment is changed to a flat ITO film, and a dielectric multilayer serving as a reflecting mirror is further formed thereon. A film 111 is provided. Other configurations are the same as those in the first embodiment.
[0069]
When the semiconductor laser device of this embodiment was fabricated and the characteristics of the semiconductor laser device were measured, an optical output of 0.6 W was obtained at an operating current of 300 mA. The polarization direction is often the nitride-based semiconductor <11-20> direction constituting the active layer and the like, and depending on the state of strain applied to the active layer, the direction perpendicular to <11-20> there were. In any case, since the active layer has crystallographic anisotropy in the plane, the polarization direction is stable, and the same effects as those of the first embodiment are obtained.
[0070]
Note that the present embodiment can also be combined with the techniques described in the other embodiments, and similar results were obtained even when applied to the respective embodiments.
[0071]
<Embodiment 6>
The present embodiment is a modification of the first embodiment. The dielectric multilayer film 111 and the metal electrode 110 of the semiconductor laser of the first embodiment are changed to a Pd thin film (film thickness: 2 to 10 nm), and the electrodes and reflections are changed. Have a role as a mirror at the same time. Other configurations are the same as those in the first embodiment.
[0072]
In the case of this embodiment, since the reflectance is only 50% or less, the confinement effect of the light in the resonator is weak, and it operates as a resonant cavity type LED when current is injected. And when the characteristic of the produced LED element was measured, 0.3 W of optical outputs were obtained with the operating current of 300 mA. The polarization direction is often the nitride-based semiconductor <11-20> direction constituting the active layer and the like, and depending on the state of strain applied to the active layer, the direction perpendicular to <11-20> there were. In any case, since the active layer has crystallographic anisotropy in the plane, the polarization direction is stable, and the same effects as those of the first embodiment are obtained.
[0073]
Note that this embodiment can also be combined with the techniques described in the other embodiments, and the same result was obtained even when applied to each of the embodiments.
[0074]
<Embodiment 7>
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the nitride semiconductor light emitting device of the present embodiment. The semiconductor laser device of the present embodiment is different from that of the first embodiment in that a part of the silicon substrate 1 is removed and output light is extracted from the substrate side, and the metal electrode 110 and the dielectric of the first embodiment are used. The metal electrode 310 made of Ag is used in place of the multilayer reflective film 111. Other configurations are the same as those in the first embodiment.
[0075]
With the configuration of the present embodiment, the reflectance can be about 90%. Further, the silicon substrate 1 below the resonator region is removed, and a hole 320 reaching the mask 52 or the n-GaN layer 102 is formed. Such a hole 320 can be formed by selectively etching only silicon. If a selective etching solution such as a mixed solution of hydrofluoric acid, nitric acid, and acetic acid is used, the surface of the etching is n- mirror surface. Since the GaN layer 102 is exposed, it is preferable.
[0076]
The multilayer reflective film 103 was set to have a reflectance of about 80% or more. Since the semiconductor light emitting element of this embodiment can be mounted with the metal electrode 310 side fixed to a heat sink, heat dissipation is extremely high. Therefore, since heat generation during high current injection is suppressed, a very high operating current can be realized. When the characteristics of the fabricated semiconductor laser device were measured, an optical output of 1.5 W was obtained at an operating current of 1 A.
[0077]
<Eighth embodiment>
The present embodiment is a modification of the seventh embodiment, in which the metal electrode 310 made of Ag is replaced with an ITO thin film serving as a transparent electrode and a dielectric multilayer film formed thereon. Other configurations are the same as those in the seventh embodiment.
[0078]
With the above configuration, it is possible to make the reflection mirror on the upper surface have a reflectance of 98% or more, and the oscillation threshold can be further reduced as compared with the semiconductor laser device of the seventh embodiment.
[0079]
<Embodiment 9>
FIG. 8 is a diagram showing the semiconductor light emitting device of this embodiment. As shown in FIG. 8, the semiconductor light emitting device includes a metal package 801, a semiconductor light emitting element 802, a cap glass 803, and a wavelength conversion material 804.
[0080]
A semiconductor light emitting element (semiconductor laser, LED) 802 is the same as that described in Embodiments 1 to 8, and this is mounted on a metal package 801. A cap glass 803 is provided in the package, and an output from the semiconductor light emitting element 802 is taken out from the cap glass 803. A wavelength conversion material (wavelength conversion substance) 804 such as a phosphor is formed outside the cap glass 803.
[0081]
In this embodiment mode, the semiconductor light emitting element 802 has good heat dissipation because it is mounted on a metal package, and suppresses saturation of light output even when the light emitting element is driven with a large current of 100 mA or more. Can do.
[0082]
The wavelength conversion material 804 absorbs the outgoing light from the semiconductor light emitting element 802 and emits light having a wavelength different from that of the outgoing light. Since the wavelength conversion material 804 is formed at a distance from the light emitting element, the deterioration due to heat generation of the semiconductor light emitting element 802 and the deterioration of the material in the high light density region such as the light extraction portion of the light emitting element are suppressed. It has come to be.
[0083]
In this embodiment, since the light emitting element of the above embodiment is used, a light emitting device using a wavelength conversion material with extremely high light emission efficiency can be realized. For example, illumination that emits white light or an outdoor lamp light source As best.
[0084]
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, it should be thought that embodiment disclosed this time is an illustration and restrictive at no points. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
[0085]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the plane orientation of the main surface of the active layer is (1-101) in a so-called vertical resonator type semiconductor light emitting device having a resonator in the stacking direction of the active layer and the clad layer, the polarization direction control is performed. It is possible to provide a light-emitting element excellent in the above. Further, since the (1-101) plane can be stably obtained by using a predetermined substrate, a semiconductor light emitting device can be realized at a practical level. In addition, the semiconductor light emitting device of the present invention is excellent in characteristics such as light emission efficiency and oscillation threshold reduction.
[Brief description of the drawings]
BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS FIG. 1 is a diagram for explaining crystal orientation in a light emitting device of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the nitride semiconductor light emitting device (semiconductor laser device) according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view showing a nitride semiconductor light emitting device (semiconductor laser device) according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a first step of a manufacturing process of the nitride semiconductor light emitting device of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a second step of the manufacturing process of the nitride semiconductor light emitting device of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a third step in the manufacturing process of the nitride semiconductor light emitting device of the present invention.
FIGS. 7A to 7D are diagrams showing a growth process of a nitride semiconductor film of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a semiconductor light emitting device of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 silicon substrate, 10 n-AlGaInN intermediate layer, 52 mask, 60 main surface ((001) surface of silicon), 61 (111) facet surface, 70, 72 (1-101) facet surface, 102 n-GaN layer, 103,111 multilayer reflective film, 104,107 spacer layer, 105 quantum well active layer, 106 AlGaN cap layer, 108 contact layer, 109,110,310 metal electrode, 320 holes, 801 metal package, 802 semiconductor light emitting device, 803 cap Glass, 804 wavelength conversion material.

Claims

A semiconductor light emitting device comprising a substrate made of silicon and a compound semiconductor layer formed of a nitride semiconductor formed on the substrate,
The substrate includes a groove having a surface inclined by 62 degrees from the main surface of the substrate or a surface inclined in an arbitrary direction within 3 degrees from the surface as an inclined surface, and the compound semiconductor layer is formed on the inclined surface. An active layer containing a nitride semiconductor and a clad layer sandwiching the active layer on the compound semiconductor layer, and having a resonator in the stacking direction of the active layer and the clad layer, The active layer has a plane orientation substantially coinciding with the main surface of the substrate, and a part of the substrate can be removed to extract output light.

A semiconductor light emitting device having a silicon substrate and a compound semiconductor layer made of a nitride semiconductor formed on the silicon substrate,
The compound semiconductor layer is composed of a plane obtained by rotating the (100) plane by 7.3 degrees around the [01-1] axis, or a plane within a range inclined within 3 degrees from this plane in an arbitrary direction. The silicon substrate is formed using a silicon substrate having a main surface, and the silicon substrate includes a groove having a (111) plane as a slope, and the compound semiconductor layer is formed on the slope and includes a nitride semiconductor. An active layer to be formed, a clad layer sandwiching the active layer, and a resonator in the stacking direction of the active layer and the clad layer, and a part of the silicon substrate can be removed to extract output light A semiconductor light emitting device characterized by the above.

The surface orientation of the major surface of the clad layer or the active layer, the semiconductor light-emitting device according to claim 1 or 2, characterized in that the (1-101).

The <0001> direction of the compound semiconductor layer is characterized by substantially perpendicular to the inclined surface, the semiconductor light-emitting device according to any one of claims 1 to 3.

The groove, the semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that extending along the [11-20] direction of the nitride semiconductor constituting the active layer.

The semiconductor light emitting element is a semiconductor laser element,
The semiconductor laser device the laser light emitted from the semiconductor light-emitting device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it is polarized parallel or perpendicular to the grooves.

Of the surface of the substrate, at least a portion other than the inclined surface, the semiconductor light-emitting device according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the membrane nitride semiconductor growth is suppressed is formed.

A semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 7 ,
A semiconductor light emitting device comprising: a wavelength converting material that absorbs light emitted from the semiconductor light emitting element and emits light having a wavelength different from that of the emitted light.