JP6729374B2 - 発光素子 - Google Patents
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Description
基板の表面上に形成された第1光反射層、
第1光反射層上に形成された第1化合物半導体層、活性層及び第2化合物半導体層から成る積層構造体、並びに、
第2化合物半導体層上に形成された第2電極及び第2光反射層、
を少なくとも備えた発光素子である。
積層構造体は、複数の積層構造体ユニットから構成されており、
各積層構造体ユニットによって、発光素子ユニットが構成されており、
発光素子ユニットにおける共振器長は、発光素子ユニット毎に異なっている(即ち、積層構造体ユニットの厚さは、発光素子ユニット毎に異なっている)。
1.本開示の第1の態様〜第2の態様に係る発光素子、全般に関する説明
2.実施例1(本開示の第1の態様に係る発光素子であり、本開示の第1の構成及び第3の構成の組合せに係る発光素子)
3.実施例2(実施例1の変形であり、本開示の第1の構成及び第4の構成の組合せに係る発光素子)
4.実施例3(実施例1の変形であり、本開示の第2の構成及び第3の構成の組合せに係る発光素子)
5.実施例4(実施例1の変形であり、本開示の第2の構成及び第4の構成の組合せに係る発光素子)
6.実施例5(本開示の第2の態様に係る発光素子)
7.実施例6(実施例1〜実施例5の発光素子の変形)
8.実施例7(実施例1〜実施例6の発光素子の変形であり、本開示の第5の構成/第6の構成に係る発光素子)
9.実施例8(実施例1〜実施例7の発光素子の変形)
10.実施例9(実施例8の発光素子の変形)
11.実施例10(実施例8の発光素子の別の変形)
12.実施例11(実施例8の発光素子の更に別の変形)
13.その他
本開示の第1の態様〜第2の態様に係る発光素子において、活性層と対向する第1化合物半導体層の面を第1化合物半導体層の第2面と呼び、第1化合物半導体層の第2面と対向する第1化合物半導体層の面を第1化合物半導体層の第1面と呼ぶ場合がある。活性層と対向する第2化合物半導体層の面を第2化合物半導体層の第1面と呼び、第2化合物半導体層の第1面と対向する第2化合物半導体層の面を第2化合物半導体層の第2面と呼ぶ場合がある。
1×10-6/K≦CTE≦1×10-5/K
好ましくは、
1×10-6/K<CTE≦1×10-5/K
を満足する形態とすることができる(このような形態の本開示の発光素子等を、便宜上、『本開示の第6の構成に係る発光素子』と呼ぶ)。本開示の第5の構成あるいは第6の構成に係る発光素子にあっては、基板の線熱膨張係数と第1光反射層(選択成長用マスク層)の線熱膨張係数の差に起因して基板から第1光反射層(選択成長用マスク層)が剥がれるといった問題の発生を回避することができ、高い信頼性を有する発光素子を提供することができる。第1光反射層(選択成長用マスク層)の最下層は、光反射層としての機能は有していない。
t1=λ0/(4n1)
好ましくは、
t1=λ0/(2n1)
を満足することが望ましい。但し、熱膨張緩和膜の厚さt1の値は本質的に任意とすることができ、例えば、1×10-7m以下とすることができる。
t1=λ0/(4n1)
好ましくは、
t1=λ0/(2n1)
を満足することが望ましい。但し、第1光反射層(選択成長用マスク層)の最下層の厚さt1の値は本質的に任意とすることができ、例えば、1×10-7m以下とすることができる。
t2=λ0/(4n2)
を満足することが好ましく、更には、
t2=λ0/(2n2)
を満足することで、第1光反射層の最上層は、波長λ0の光に対して不在層となる。第1光反射層の最上層(第1化合物半導体層と接する層)を窒化シリコン膜から構成する形態とすることができる。
S1>S2
を満足することが望ましいし、第2光反射層出射タイプの発光素子の場合、
S1<S2
を満足することが望ましいが、これに限定するものではない。
基板の表面12の上に形成された第1光反射層41、
第1光反射層41の上に形成された第1化合物半導体層21、活性層23及び第2化合物半導体層22から成る積層構造体20、並びに、
第2化合物半導体層22上に形成された第2電極32及び第2光反射層42、
を少なくとも備えた発光素子である。
GaN系化合物半導体から成り、第1面21a、及び、第1面21aと対向する第2面21bを有する第1化合物半導体層21、
GaN系化合物半導体から成り、第1化合物半導体層21の第2面21bと接する活性層(発光層)23、及び、
GaN系化合物半導体から成り、第1面22a、及び、第1面22aと対向する第2面22bを有し、第1面22aが活性層23と接する第2化合物半導体層22、
が積層されて成る。そして、第2化合物半導体層22の第2面22b上には、第2電極32及び多層膜から成る第2光反射層42が形成されており、積層構造体20が形成されたGaN基板11の表面12と対向するGaN基板11の他方の面(裏面13)に第1電極31が形成されている。多層膜から成る第1光反射層41は、GaN基板11の表面12に形成されているし、第1化合物半導体層21の第1面21aと接して形成されている。
積層構造体20は、複数の積層構造体ユニット20Aから構成されており、
各積層構造体ユニット20Aによって、発光素子ユニット10Aが構成されており、
発光素子ユニット10Aにおける共振器長は、発光素子ユニット10A毎に異なっている。即ち、積層構造体ユニット20Aの厚さは、発光素子ユニット10A毎に異なっている。
先ず、基板(具体的には、GaN基板11)の表面12が階段状となったGaN基板11を準備する(図2A参照)。GaN基板11の表面12を階段状とするためには、GaN基板11の表面12をドライエッチングし、あるいは、ウェットエッチングすればよい。あるいは又、場合によっては、GaN基板11の製造時、GaN基板11の表面12を加工する際に、GaN基板11の表面12が階段状とされる。
次に、GaN基板11上に、多層膜から成る第1光反射層41(選択成長用マスク層43としても機能する)を、周知の方法に基づき形成する(図2B参照)。図28に模式的な平面図を示すように、選択成長用マスク層43の形状は正六角形である。但し、選択成長用マスク層43の形状はこれに限定するものではなく、例えば、円形、格子状又はストライプ状とすることもできる。図28において、選択成長用マスク層43を明確に表示するために、選択成長用マスク層43に斜線を付した。選択成長用マスク層43と選択成長用マスク層43との間には、GaN基板11が露出しており、このGaN基板11が露出した領域(結晶成長開始領域14)から種結晶層60が成長する。
その後、MOCVD装置を用いて、TMGガス及びSiH4ガスを用いたMOCVD法に基づき、結晶成長開始領域14上に種結晶層60を形成する。MOCVD法における成膜条件にも依るが、隣接する2つの選択成長用マスク層43の中心点を通過する2本の法線を含む仮想垂直面(以下、単に、『仮想垂直面』と呼ぶ)内における種結晶層60の断面形状は、二等辺三角形(底角:58度)となる。こうして、図3Aに示す状態を得ることができる。
引き続き、MOCVD法における成膜条件を変更して、種結晶層60から横方向エピタキシャル成長に基づき第1化合物半導体層21を形成する。第1光反射層41の頂面は、全体として、GaN基板11の表面12に倣った形状を有するので、横方向エピタキシャル成長の初期段階において、第1化合物半導体層21は、選択成長用マスク層43(第1光反射層41)の表面に倣った状態で、選択成長用マスク層43(第1光反射層41)の表面に堆積していく。それ故、第1化合物半導体層21の頂面には段差が生じる。然るに、第1化合物半導体層21が或る程度の厚さになると、段差が緩和され、第1化合物半導体層21の表面は概ね平坦な状態となる。そして、最終的に、第1化合物半導体層21の第2面21bは平坦な状態となり、第1化合物半導体層21の平坦な第2面21bは、GaN基板11の表面12(C面)と平行な状態となる。
引き続き、MOCVD法における成膜条件を変更して、第1化合物半導体層21上に活性層23、第2化合物半導体層22を形成し、更に、第2電極32、第2光反射層42を順次形成する。具体的には、エピタキシャル成長法に基づき、第1化合物半導体層21の上に、TMGガス及びTMIガスを用いて活性層23を形成した後、TMGガス、TMAガス、Cp2Mgガスを用いて電子障壁層を形成し、TMGガス、Cp2Mgガスを用いてp型GaN層を形成することで、第2化合物半導体層22を得る。以上の工程によって積層構造体20を得ることができる。即ち、選択成長用マスク層43を含むGaN基板11上に、
GaN系化合物半導体から成り、第1面21a、及び、第1面21aと対向する第2面21bを有する第1化合物半導体層21、
GaN系化合物半導体から成り、第1化合物半導体層21の第2面21bと接する活性層23、及び、
GaN系化合物半導体から成り、第1面22a、及び、第1面22aと対向する第2面22bを有し、第1面22aが活性層23と接する第2化合物半導体層22、
が積層されて成る積層構造体20をエピタキシャル成長させる。こうして、図3Bに示す構造を得ることができる。次いで、第2化合物半導体層22の第2面22b上に、周知の方法に基づき、厚さ0.2μmの絶縁材料から成り、開口24Aを有する電流狭窄層24を形成する。こうして、図4に示す構造を得ることができる。第2化合物半導体層22の平坦な第2面22bも、GaN基板11の表面12(C面)と平行な状態となる。
その後、所謂素子分離を行うことで発光素子を分離し、積層構造体の側面や露出面を、例えば、SiOXから成る絶縁膜で被覆する。そして、第1電極31やパッド電極33を外部の回路等に接続するために端子等を周知の方法に基づき形成し、パッケージや封止することで、実施例1の発光素子を完成させる。
L=3.75μm
n=2.4
λ=450nm
m=40
であり、縦モード間隔(FSR)として8.2nmを用いた。フィネスFの値を求めるために、以下においても同じ値を用いた。
=FSR/FWHM
先ず、実施例1の[工程−100]〜[工程−140]と同様の工程を実行することで、図1に示した構造を得る。但し、第1電極31は形成しない。
その後、第2光反射層42を、接合層25を介して支持基板26に固定する。
次いで、GaN基板11を除去して、第1化合物半導体層21の第1面21a及び第1光反射層41を露出させる。具体的には、先ず、機械研磨法に基づき、GaN基板11の厚さを薄くし、次いで、CMP法に基づき、GaN基板11の残部を除去する。こうして、第1化合物半導体層21の第1面21a並びに第1光反射層41及び選択成長用マスク層43を露出させる。尚、図12及び図13において、第1化合物半導体層21の第1面21aが露出した状態は図示していない。
その後、第1化合物半導体層21の第1面側に、周知の方法に基づき第1電極31を形成する。こうして、図12に示す構造を有する実施例6の発光素子を得ることができる。
その後、所謂素子分離を行うことで発光素子を分離し、積層構造体の側面や露出面を、例えば、SiOXから成る絶縁膜で被覆する。そして、第1電極31やパッド電極33を外部の回路等に接続するために端子等を周知の方法に基づき形成し、パッケージや封止することで、実施例6の発光素子を完成させる。
1×10-6/K≦CTE≦1×10-5/K
好ましくは、
1×10-6/K<CTE≦1×10-5/K
を満足する(本開示の第6の構成に係る発光素子)。
t1=λ0/(2n1)
を満足する窒化ケイ素(SiNX)から成る。尚、このような膜厚を有する熱膨張緩和膜44(第1光反射層41あるいは選択成長用マスク層43の最下層)は、波長λ0の光に対して透明であり、光反射層としての機能は有していない。窒化ケイ素(SiNX)及びGaN基板11のCTEの値は以下の表1のとおりである。CTEの値は25゜Cにおける値である。
GaN基板 :5.59×10-6/K
窒化ケイ素(SiNX):2.6〜3.5×10-6/K
選択成長用マスク層43と選択成長用マスク層43との間に位置する選択成長用マスク層開口領域51の底部には、GaN基板11の露出表面の一部から構成された種結晶層成長領域52が設けられており、
種結晶層成長領域52の上には、種結晶層61が形成されており、
第1化合物半導体層21は、種結晶層61から横方向エピタキシャル成長に基づき形成されており、
種結晶層61の厚さは、選択成長用マスク層43の厚さよりも薄い。尚、種結晶層61の厚さとは、選択成長用マスク層43とGaN基板11との界面を基準として、この界面から種結晶層61の頂面(あるいは頂点)までの距離を指す。また、選択成長用マスク層43の厚さとは、この界面から選択成長用マスク層43の頂面までの距離を指す。以下の説明においても同様である。
GaN基板11の上にそれぞれが離間して設けられ、その内の1つが第1光反射層41として機能する複数の選択成長用マスク層43を形成し、併せて、選択成長用マスク層43と選択成長用マスク層43との間に位置する選択成長用マスク層開口領域51の底部に露出したGaN基板11の部分の一部の表面に種結晶層成長領域52を形成した後、
種結晶層成長領域52の上に、選択成長用マスク層43の厚さよりも薄い種結晶層61を形成し、次いで、
種結晶層61から横方向エピタキシャル成長に基づき第1化合物半導体層21を形成し、更に、
第1化合物半導体層21の上に活性層23、第2化合物半導体層22、第2電極31、第2光反射層42を順次形成する、
各工程を少なくとも有する。
0.1≦Tseed/T1<1
を満足している。具体的には、
Tseed/T1=0.67
としたが、この値に限定するものではない。
0.2≦Lcv/(Lcv+Lcc)≦0.9
を満足する。具体的には、
Lcv/(Lcv+Lcc)=0.7
とした。選択成長用マスク層開口領域51の底部に位置するGaN基板の露出表面部分に形成された凸部53Aの数は、2以上であってもよい。仮想垂直面で凹部53Bを切断したときの凹部53Bの断面形状として、矩形、三角形、台形(上辺が凹部の底面となる)、これらの形状においてコーナー部が丸みを帯びた形状、細かい凹凸形状を挙げることができる。凹部53Bの深さとして、0.1μm以上、好ましくは0.5μm以上を例示することができる。
仮想垂直面で発光素子を切断したときの選択成長用マスク層開口領域51の長さをL0、
該仮想垂直面内において、選択成長用マスク層開口領域51の上方に位置する第1化合物半導体層21の領域における転位密度をD0、
該仮想垂直面内において、選択成長用マスク層43の縁から距離L0までの第1化合物半導体層21の領域における転位密度をD1、
としたとき、
D1/D0≦0.2
を満足する。
先ず、実施例1の[工程−100]、[工程−110]と同様の工程を実行することで、GaN基板11上にそれぞれが離間して設けられ、その内の1つが第1光反射層41として機能する複数の選択成長用マスク層43を形成し、併せて、選択成長用マスク層43と選択成長用マスク層43との間に位置する選択成長用マスク層開口領域51の底部に露出したGaN基板11の部分の一部の表面に種結晶層成長領域52を形成する(図17A参照)。
その後、周知の方法に基づき、選択成長用マスク層開口領域51にエッチング用マスクを形成し、選択成長用マスク層開口領域51における凸部53Aを形成すべき部分をエッチング用マスクで覆う。凹部53Bを形成すべきGaN基板11の部分は露出した状態にある。そして、周知の方法に基づき、凹部53Bを形成すべきGaN基板11の部分をエッチングした後、エッチング用マスクを除去する。こうして、図17Bに示す状態を得ることができる。即ち、選択成長用マスク層開口領域51の底部に位置するGaN基板11の露出表面には凹凸部53が形成され、凸部53Aによって種結晶層成長領域52が構成される。凹凸部53を形成した後、選択成長用マスク層43を形成してもよい。
次に、種結晶層成長領域52上に、選択成長用マスク層43の厚さよりも薄い種結晶層61を形成する。具体的には、MOCVD装置を用いて、TMGガス及びSiH4ガスを用いたMOCVD法に基づき、種結晶層成長領域52上に種結晶層61を形成する。MOCVD法における成膜条件にも依るが、仮想垂直面内における種結晶層61の断面形状は、等脚台形[脚部(傾斜面)の傾斜角:58度]となる。こうして、図17Cに示す状態を得ることができる。尚、凹部53Bの底面にも、断面形状が等脚台形の種結晶62が生成する。また、[工程−810]において、GaN基板11の部分をエッチングして凹部53Bを形成した後、凹部53Bの底面を更に荒らすことによって凹部53Bの底面に細かい凹凸部を形成すれば、このような凹部53Bの底面には種結晶は生成し難くなる。
引き続き、MOCVD法における成膜条件を変更して、種結晶層61から横方向エピタキシャル成長に基づき第1化合物半導体層21を形成する。第1化合物半導体層21の成膜途中の状態を図18Aに示し、第1化合物半導体層21の成膜完了後の状態を図18Bに示す。図18Aにおいて、第1化合物半導体層21に斜線を付すことは省略した。参照番号63は、種結晶層61から略水平方向に延びる転位を示す。種結晶層61の厚さが選択成長用マスク層43の厚さよりも薄いが故に、転位63は、概ね、選択成長用マスク層43の側壁まで延び、そこで止まり、選択成長用マスク層43の上に形成される第1化合物半導体層21の部分にまでは延びない。
その後、実施例1の[工程−140]〜[工程−150]と同様の工程を実行することで、実施例8の発光素子を得ることができる。
0.2≦Lcc/(Lcv+Lcc)≦0.9
を満足する。具体的には、
Lcc/(Lcv+Lcc)=0.7
とした。選択成長用マスク層開口領域51の底部に位置するGaN基板の露出表面部分に形成された凹部54Bの数は、2以上であってもよい。仮想垂直面で凸部54Aを切断したときの凸部54Aの頂面の形状として、平坦、上に向かって湾曲した形状、下に向かって湾曲した形状、細かい凹凸形状を挙げることができる。凹部54Bの深さとして、0.1μm以上、好ましくは0.5μm以上を例示することができる。
0.2≦Lflat/(Lflat+Lno)≦0.9
を満足する。具体的には、
Lflat/(Lflat+Lno)=0.7
とした。また、非結晶成長層55Bを窒化シリコン(SiNX)から構成した。選択成長用マスク層開口領域51の底部に位置するGaN基板の露出表面部分における平坦部55Aの数は、2以上であってもよい。非結晶成長層55Bを、選択成長用マスク層43の最上層(第1化合物半導体層21と接する層)にも形成する場合、非結晶成長層55B(選択成長用マスク層43の最上層)の厚さをt2、非結晶成長層55Bの屈折率をn2としたとき、
t2=λ0/(4n2)
を満足することが好ましく、更には、
t2=λ0/(2n2)
を満足することが望ましい。
0.2≦Lflat/(Lflat+Lcc-cv)≦0.9
を満足する。具体的には、
Lflat/(Lflat+Lcc-cv)=0.7
とした。選択成長用マスク層開口領域51の底部に位置するGaN基板の露出表面部分における平坦部56Aの数は、2以上であってもよい。
t2=λ0/(4n2)
を満足することが好ましく、更には、
t2=λ0/(2n2)
を満足すれば、第1光反射層41の最上層45は、波長λ0の光に対して不在層となる。
[A01]《発光素子:第1の態様》
基板の表面上に形成された第1光反射層、
第1光反射層上に形成された第1化合物半導体層、活性層及び第2化合物半導体層から成る積層構造体、並びに、
第2化合物半導体層上に形成された第2電極及び第2光反射層、
を少なくとも備えた発光素子であって、
積層構造体は、複数の積層構造体ユニットから構成されており、
各積層構造体ユニットによって、発光素子ユニットが構成されており、
発光素子ユニットにおける共振器長は、発光素子ユニット毎に異なっている発光素子。
[A02]《第1の構成に係る発光素子》
基板の表面は階段状であり、
1つの積層構造体ユニットは、1つの踏み面に相当する基板の部分の上方に形成されている[A01]又は[A02]に記載の発光素子。
[A03]蹴上げに相当する基板の部分の合計値は、40nm以下である[A02]に記載の発光素子。
[A04]《第2の構成に係る発光素子》
第1化合物半導体層の頂面は階段状であり、
1つの積層構造体ユニットは、1つの踏み面に相当する第1化合物半導体層の頂面を含む積層構造体の部分から構成されている[A01]又は[A02]に記載の発光素子。
[A05]蹴上げに相当する第1化合物半導体層の部分の合計値は、40nm以下である[A04]に記載の発光素子。
[A06]《第3の構成に係る発光素子》
第2電極及び第2光反射層は、発光素子ユニットにおいて共通である[A01]乃至[A05]のいずれか1項に記載の発光素子。
[A07]《第4の構成に係る発光素子》
第2電極及び第2光反射層は、各発光素子ユニットにおいて独立して設けられている[A01]乃至[A05]のいずれか1項に記載の発光素子。
[A08]複数種の所望の波長を出射する発光素子ユニット、又は、所望の特性を有する発光素子ユニットが発光させられる[A07]に記載の発光素子。
[B01]《発光素子:第2の態様》
基板の表面上に形成された第1光反射層、
第1光反射層上に形成された第1化合物半導体層、活性層及び第2化合物半導体層から成る積層構造体、並びに、
第2化合物半導体層上に形成された第2電極及び第2光反射層、
を少なくとも備えた発光素子であって、
発光素子内で共振器長は滑らかに変化している発光素子。
[B02]共振器長の最大値と最小値との差は、40nm以下である[B01]又は[B02]に記載の発光素子。
[C01]活性層及び第2化合物半導体層の厚さは一定である[A01]乃至[B02]のいずれか1項に記載の発光素子。
[C02]第1光反射層は、選択成長用マスク層として機能する[A01]乃至[C01]のいずれか1項に記載の発光素子。
[C03]第1光反射層の頂面は、全体として、基板の表面に倣った形状を有する[A01]乃至[C02]のいずれか1項に記載の発光素子。
[C04]積層構造体は、GaN系化合物半導体から成る[A01]乃至[C03]のいずれか1項に記載の発光素子。
[C05]発光光の波長は、360nm以上、600nm以下である[A01]乃至[C04]のいずれか1項に記載の発光素子。
[C06]変調動作させられることで、出射光のスペクトル幅が一層広げられる[A01]乃至[C05]のいずれか1項に記載の発光素子。
「C07]第1光反射層の平面形状は、正六角形、円形、格子状又はストライプ状である[A01]乃至[C06]のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
[D01]《第5の構成に係る発光素子》
第1化合物半導体層の最下層として熱膨張緩和膜が基板上に形成されている[A01]乃至「C07]のいずれか1項に記載の発光素子。
[D02]熱膨張緩和膜は、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム及び窒化アルミニウムから成る群から選択された少なくとも1種類の材料から成る[D01]に記載の発光素子。
[D03]熱膨張緩和膜の厚さをt1、発光素子のピーク発光波長をλ0、熱膨張緩和膜の屈折率をn1としたとき、
t1=λ0/(2n1)
を満足する[D01]又は[D02]に記載の発光素子。
[D04]基板と接する第1化合物半導体層の最下層の線熱膨張係数CTEは、
1×10-6/K≦CTE≦1×10-5/K
好ましくは、
1×10-6/K<CTE≦1×10-5/K
を満足する[A01]乃至「C07]のいずれか1項に記載の発光素子。
[D05]第1光反射層の最下層は、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム及び窒化アルミニウムから成る群から選択された少なくとも1種類の材料から成る[D04]に記載の発光素子。
[D06]第1光反射層の最下層の厚さをt1、発光素子のピーク発光波長をλ0、第1光反射層の最下層の屈折率をn1としたとき、
t1=λ0/(2n1)
を満足する[D04]又は[D05]に記載の発光素子。
[E01]《第6の構成に係る発光素子》
複数の選択成長用マスク層を備えており、
第1光反射層は、複数の選択成長用マスク層の内の1つから成り、
選択成長用マスク層と選択成長用マスク層との間に位置する選択成長用マスク層開口領域の底部には、基板の露出表面の一部から構成された種結晶層成長領域が設けられており、
種結晶層成長領域上には、種結晶層が形成されており、
第1化合物半導体層は、種結晶層から横方向エピタキシャル成長に基づき形成されており、
種結晶層の厚さは、選択成長用マスク層の厚さよりも薄い[A01]乃至[D06]のいずれか1項に記載の発光素子。
[E02]種結晶層の厚さをTseed、選択成長用マスク層の厚さをT1としたとき、
0.1≦Tseed/T1<1
を満足する[E01]に記載の発光素子。
[E03]選択成長用マスク層と選択成長用マスク層との間に位置する選択成長用マスク層開口領域の底部に位置する基板の露出表面には凹凸部が形成されており、
凸部によって種結晶層成長領域が構成されている[E01]又は[E02]に記載の発光素子。
[E04]隣接する2つの選択成長用マスク層の中心点を通過する2本の法線を含む仮想垂直面で発光素子を切断したときの選択成長用マスク層開口領域の底部に位置する基板の露出表面の断面形状は、凹部、凸部及び凹部がこの順に並んだ形状であり、
凸部頂面によって種結晶層成長領域が構成されている[E03]に記載の発光素子。
[E05]仮想垂直面内における、凸部の長さをLcv、凹部の合計長さをLccとしたとき、
0.2≦Lcv/(Lcv+Lcc)≦0.9
を満足する[E04]に記載の発光素子。
[E06]選択成長用マスク層と選択成長用マスク層との間に位置する選択成長用マスク層開口領域の底部に位置する基板の露出表面には凹凸部が形成されており、
凹部によって種結晶層成長領域が構成されている[E01]又は[E02]に記載の発光素子。
[E07]隣接する2つの選択成長用マスク層の中心点を通過する2本の法線を含む仮想垂直面で発光素子を切断したときの選択成長用マスク層開口領域の底部に位置する基板の露出表面の断面形状は、凸部、凹部及び凸部がこの順に並んだ形状であり、
凹部底面によって種結晶層成長領域が構成されている[E06]に記載の発光素子。
[E08]仮想垂直面内における、凹部の長さをLcc、凸部の合計長さをLcvとしたとき、
0.2≦Lcc/(Lcv+Lcc)≦0.9
を満足する[E07]に記載の発光素子。
[E09]隣接する2つの選択成長用マスク層の中心点を通過する2本の法線を含む仮想垂直面で発光素子を切断したときの選択成長用マスク層開口領域の底部に位置する基板の露出表面の断面形状は、非結晶成長層、平坦部及び非結晶成長層がこの順に並んだ形状であり、
平坦部によって種結晶層成長領域が構成されている[E01]又は[E02]に記載の発光素子。
[E10]仮想垂直面内における、平坦部の長さをLflat、非結晶成長層の合計長さをLnovとしたとき、
0.2≦Lflat/(Lflat+Lno)≦0.9
を満足する[E09]に記載の発光素子。
[E11]隣接する2つの選択成長用マスク層の中心点を通過する2本の法線を含む仮想垂直面で発光素子を切断したときの選択成長用マスク層開口領域の底部に位置する基板の露出表面の断面形状は、凹凸部、平坦部及び凹凸部がこの順に並んだ形状であり、
平坦部によって種結晶層成長領域が構成されている[E01]又は[E02]に記載の発光素子。
[E12]仮想垂直面内における、平坦部の長さをLflat、凹凸部の合計長さをLcc-cvとしたとき、
0.2≦Lflat/(Lflat+Lcc-cv)≦0.9
を満足する[E11]に記載の発光素子。
[E13]種結晶層の断面形状は、二等辺三角形、等脚台形又は矩形である[E01]乃至[E12]のいずれか1項に記載の発光素子。
[E14]隣接する2つの選択成長用マスク層の中心点を通過する2本の法線を含む仮想垂直面で発光素子を切断したときの選択成長用マスク層開口領域の長さをL0、
該仮想垂直面内において、選択成長用マスク層開口領域の上方に位置する第1化合物半導体層の領域における転位密度をD0、
該仮想垂直面内において、選択成長用マスク層の縁から距離L0までの第1化合物半導体層の領域における転位密度をD1、
としたとき、
D1/D0≦0.2
を満足する[E01]乃至[E13]のいずれか1項に記載の発光素子。
[F01]《半導体装置の製造方法:第1の態様》
基板上に、多層膜から成り、選択成長用マスク層として機能する第1光反射層を形成した後、
第1光反射層で覆われていない基板表面から、第1化合物半導体層を選択成長させて、基板及び第1光反射層を第1化合物半導体層で被覆し、次いで、
第1化合物半導体層上に活性層、第2化合物半導体層、第2電極、第2光反射層を順次形成する、
各工程を少なくとも有する発光素子の製造方法であって、
第1化合物半導体層、活性層及び第2化合物半導体層から成る積層構造体は、複数の積層構造体ユニットから構成されており、
各積層構造体ユニットによって、発光素子ユニットが構成されており、
発光素子ユニットにおける共振器長は、発光素子ユニット毎に異なっており、
基板の表面は階段状であり、
1つの積層構造体ユニットは、1つの踏み面に相当する基板の部分の上方に形成されている発光素子の製造方法。
[F02]蹴上げに相当する基板の部分の合計値は、40nm以下である[F01]に又は[F02]記載の発光素子の製造方法。
[G01]《半導体装置の製造方法:第2の態様》
基板上に、多層膜から成り、選択成長用マスク層として機能する第1光反射層を形成した後、
第1光反射層で覆われていない基板表面から、第1化合物半導体層を選択成長させて、基板及び第1光反射層を第1化合物半導体層で被覆し、次いで、
第1化合物半導体層上に活性層、第2化合物半導体層、第2電極、第2光反射層を順次形成する、
各工程を少なくとも有する発光素子の製造方法であって、
第1化合物半導体層、活性層及び第2化合物半導体層から成る積層構造体は、複数の積層構造体ユニットから構成されており、
各積層構造体ユニットによって、発光素子ユニットが構成されており、
発光素子ユニットにおける共振器長は、発光素子ユニット毎に異なっており、
第1化合物半導体層の頂面は階段状であり、
1つの積層構造体ユニットは、1つの踏み面に相当する第1化合物半導体層の頂面を含む積層構造体の部分から構成されている発光素子の製造方法。
[G02]蹴上げに相当する第1化合物半導体層の部分の合計値は、40nm以下である[G01]に記載の発光素子の製造方法。
[H01]第2電極及び第2光反射層は、発光素子ユニットにおいて共通である[F01]乃至[G02]のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
[H02]第2電極及び第2光反射層は、各発光素子ユニットにおいて独立して設けられている[F01]乃至[G02]のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
[H03]複数種の所望の波長を出射する発光素子ユニット、又は、所望の特性を有する発光素子ユニットが発光させられる[H02]に記載の発光素子の製造方法。
[J01]《発光素子の製造方法:第3の態様》
基板上に、多層膜から成り、選択成長用マスク層として機能する第1光反射層を形成した後、
第1光反射層で覆われていない基板表面から、第1化合物半導体層を選択成長させて、基板及び第1光反射層を第1化合物半導体層で被覆し、次いで、
第1化合物半導体層上に活性層、第2化合物半導体層、第2電極、第2光反射層を順次形成する、
各工程を少なくとも有する発光素子の製造方法であって、
基板の表面をエッチングすることで、又は、第1化合物半導体層の頂面をエッチングすることで、第1化合物半導体層、活性層及び第2化合物半導体層から成る積層構造体の厚さを滑らかに変化させる発光素子の製造方法。
[J02]積層構造体の厚さの最大値と最小値との差は、40nm以下である[J01]又は[J02]に記載の発光素子の製造方法。
[K01]活性層及び第2化合物半導体層の厚さは一定である[F01]乃至[J02]のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
[K02]第1光反射層の頂面は、全体として、基板の表面に倣った形状を有する[F01]乃至[K01]のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
[K03]積層構造体は、GaN系化合物半導体から成る[F01]乃至[K02]のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
[K04]発光光の波長は、360nm以上、600nm以下である[F01]乃至[K03]のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
[K05]変調動作させられることで、出射光のスペクトル幅が一層広げられる[F01]乃至[K04]のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
「K06]第1光反射層の平面形状は、正六角形、円形、格子状又はストライプ状である[F01]乃至[K05]のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
[L01]第1光反射層の最下層として、基板上に熱膨張緩和膜を形成する[F01]乃至[K06]のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
[L02]熱膨張緩和膜は、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム及び窒化アルミニウムから成る群から選択された少なくとも1種類の材料から成る[L01]に記載の発光素子の製造方法。
[L03]熱膨張緩和膜の厚さをt1、発光素子のピーク発光波長をλ0、熱膨張緩和膜の屈折率をn1としたとき、
t1=λ0/(2n1)
を満足する[L01]又は[L02]に記載の発光素子の製造方法。
[L04]基板と接する第1光反射層の最下層の線熱膨張係数CTEは、
1×10-6/K≦CTE≦1×10-5/K
好ましくは、
1×10-6/K<CTE≦1×10-5/K
を満足する[F01]乃至[K06]のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
[L05]第1光反射層の最下層は、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム及び窒化アルミニウムから成る群から選択された少なくとも1種類の材料から成る[L04]に記載の発光素子の製造方法。
[L06]第1光反射層の最下層の厚さをt1、発光素子のピーク発光波長をλ0、選択成長用マスク層の最下層の屈折率をn1としたとき、
t1=λ0/(2n1)
を満足する[L04]又は[L05]に記載の発光素子の製造方法。
[L07]第1化合物半導体層上に活性層、第2化合物半導体層、第2電極、第2光反射層を順次形成した後、第1光反射層をストッパ層として、基板を除去する[F01]乃至[L06]のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
[M01]基板上にそれぞれが離間して設けられ、その内の1つが第1光反射層として機能する複数の選択成長用マスク層を形成し、併せて、選択成長用マスク層と選択成長用マスク層との間に位置する選択成長用マスク層開口領域の底部に露出した基板の部分の一部の表面に種結晶層成長領域を形成した後、
種結晶層成長領域上に、選択成長用マスク層の厚さよりも薄い種結晶層を形成し、次いで、
種結晶層から横方向エピタキシャル成長に基づき第1化合物半導体層を選択成長させて、基板及び第1光反射層を第1化合物半導体層で被覆する[F01]乃至[L07]のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
[M02]種結晶層の厚さをTseed、選択成長用マスク層の厚さをT1としたとき、
0.1≦Tseed/T1<1
を満足する[M01]に記載の発光素子の製造方法。
[M03]選択成長用マスク層と選択成長用マスク層との間に位置する選択成長用マスク層開口領域の底部に位置する基板の露出表面に凹凸部を形成し、
凸部によって種結晶層成長領域が構成されている[M01]又は[M02]に記載の発光素子の製造方法。
[M04]隣接する2つの選択成長用マスク層の中心点を通過する2本の法線を含む仮想垂直面で発光素子を切断したときの選択成長用マスク層開口領域の底部に位置する基板の露出表面の断面形状は、凹部、凸部及び凹部がこの順に並んだ形状であり、
凸部頂面によって種結晶層成長領域が構成されている[M03]に記載の発光素子の製造方法。
[M05]仮想垂直面内における、凸部の長さをLcv、凹部の合計長さをLccとしたとき、
0.2≦Lcv/(Lcv+Lcc)≦0.9
を満足する[M04]に記載の発光素子の製造方法。
[M06]選択成長用マスク層と選択成長用マスク層との間に位置する選択成長用マスク層開口領域の底部に位置する基板の露出表面に凹凸部を形成し、
凹部によって種結晶層成長領域が構成されている[M01]又は[M02]に記載の発光素子の製造方法。
[M07]隣接する2つの選択成長用マスク層の中心点を通過する2本の法線を含む仮想垂直面で発光素子を切断したときの選択成長用マスク層開口領域の底部に位置する基板の露出表面の断面形状は、凸部、凹部及び凸部がこの順に並んだ形状であり、
凹部底面によって種結晶層成長領域が構成されている[M06]に記載の発光素子の製造方法。
[M08]仮想垂直面内における、凹部の長さをLcc、凸部の合計長さをLcvとしたとき、
0.2≦Lcc/(Lcv+Lcc)≦0.9
を満足する[M07]に記載の発光素子の製造方法。
[M09]隣接する2つの選択成長用マスク層の中心点を通過する2本の法線を含む仮想垂直面で発光素子を切断したときの選択成長用マスク層開口領域の底部に位置する基板の露出表面の断面形状は、非結晶成長層、平坦部及び非結晶成長層がこの順に並んだ形状であり、
平坦部によって種結晶層成長領域が構成されている[M01]又は[M02]に記載の発光素子の製造方法。
[M10]仮想垂直面内における、平坦部の長さをLflat、非結晶成長層の合計長さをLnovとしたとき、
0.2≦Lflat/(Lflat+Lno)≦0.9
を満足する[M09]に記載の発光素子の製造方法。
[M11]隣接する2つの選択成長用マスク層の中心点を通過する2本の法線を含む仮想垂直面で発光素子を切断したときの選択成長用マスク層開口領域の底部に位置する基板の露出表面の断面形状は、凹凸部、平坦部及び凹凸部がこの順に並んだ形状であり、
平坦部によって種結晶層成長領域が構成されている[M01]又は[M02]に記載の発光素子の製造方法。
[M12]仮想垂直面内における、平坦部の長さをLflat、凹凸部の合計長さをLcc-cvとしたとき、
0.2≦Lflat/(Lflat+Lcc-cv)≦0.9
を満足する[M11]に記載の発光素子の製造方法。
[M13]種結晶層の断面形状は、二等辺三角形、等脚台形又は矩形である[M01]乃至[M12]のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
[M14]隣接する2つの選択成長用マスク層の中心点を通過する2本の法線を含む仮想垂直面で発光素子を切断したときの選択成長用マスク層開口領域の長さをL0、
該仮想垂直面内において、選択成長用マスク層開口領域の上方に位置する第1化合物半導体層の領域における転位密度をD0、
該仮想垂直面内において、選択成長用マスク層の縁から距離L0までの第1化合物半導体層の領域における転位密度をD1、
としたとき、
D1/D0≦0.2
を満足する[M01]乃至[M13]のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
Claims (15)
- 基板の表面上に形成された第1光反射層、
第1光反射層上に形成された第1化合物半導体層、活性層及び第2化合物半導体層から成る積層構造体、並びに、
第2化合物半導体層上に形成された第2電極及び第2光反射層、
を少なくとも備えた発光素子であって、
積層構造体は、複数の積層構造体ユニットから構成されており、
各積層構造体ユニットによって、発光素子ユニットが構成されており、
第1光反射層が形成された基板の領域の表面には、少なくとも階段の踏み面に相当する2つの部分、及び、階段の踏み面に相当する部分を結ぶ階段の蹴上げに相当する部分が形成されており、
1つの積層構造体ユニットは、1つの踏み面に相当する基板の部分の上方に形成されており、
発光素子ユニットにおける共振器長は、発光素子ユニット毎に異なっており、
第1光反射層が形成されている基板の領域に隣接した基板の領域の上には種結晶層が形成されており、
少なくとも積層構造体を構成する第1化合物半導体層は、種結晶層と接している発光素子。 - 基板の表面上に形成された第1光反射層、
第1光反射層上に形成された第1化合物半導体層、活性層及び第2化合物半導体層から成る積層構造体、並びに、
第2化合物半導体層上に形成された第2電極及び第2光反射層、
を少なくとも備えた発光素子であって、
積層構造体は、複数の積層構造体ユニットから構成されており、
各積層構造体ユニットによって、発光素子ユニットが構成されており、
第1化合物半導体層の頂面には、少なくとも階段の踏み面に相当する2つの部分、及び、階段の踏み面に相当する部分を結ぶ階段の蹴上げに相当する部分が形成されており、
1つの積層構造体ユニットは、1つの踏み面に相当する第1化合物半導体層の頂面を含む積層構造体の部分から構成されており、
発光素子ユニットにおける共振器長は、発光素子ユニット毎に異なっており、
第1光反射層が形成されている基板の領域に隣接した基板の領域の上には種結晶層が形成されており、
少なくとも積層構造体を構成する第1化合物半導体層は、種結晶層と接している発光素子。 - 蹴上げに相当する部分の合計値は、40nm以下である請求項1又は請求項2に記載の発光素子。
- 1つの階段の蹴上げに相当する部分は、0.2nm以上、1nm以下である請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の発光素子。
- 第2電極及び第2光反射層は、発光素子ユニットにおいて共通である請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の発光素子。
- 第2電極及び第2光反射層は、各発光素子ユニットにおいて独立して設けられている請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の発光素子。
- 複数種の所望の波長を出射する発光素子ユニットが発光させられる請求項6に記載の発光素子。
- 基板の結晶面に対してオフ角を有する基板の表面上に形成された第1光反射層、
第1光反射層上に形成された第1化合物半導体層、活性層及び第2化合物半導体層から成る積層構造体、並びに、
第2化合物半導体層上に形成された第2電極及び第2光反射層、
を少なくとも備えた発光素子であって、
第1光反射層が形成された基板の領域の表面に、少なくとも階段の踏み面に相当する2つの部分、及び、階段の踏み面に相当する部分を結ぶ階段の蹴上げに相当する部分が形成されている場合、階段の蹴上げに相当する部分は0.2nm未満であり、
発光素子内で第1化合物半導体層の厚さは変化しており、
第1光反射層が形成されている基板の領域に隣接した基板の領域の上には種結晶層が形成されており、
少なくとも積層構造体を構成する第1化合物半導体層は、種結晶層と接している発光素子。 - 積層構造体の厚さの最大値と最小値との差は、40nm以下である請求項8に記載の発光素子。
- 積層構造体の厚さの最大値と最小値との差は、0.2nm以上、10nm以下である請求項9に記載の発光素子。
- 活性層及び第2化合物半導体層の厚さは一定である請求項1乃至請求項10のいずれか1項に記載の発光素子。
- 第1光反射層の頂面は、全体として、基板の表面に倣った形状を有する請求項1乃至請求項11のいずれか1項に記載の発光素子。
- 積層構造体は、GaN系化合物半導体から成る請求項1乃至請求項12のいずれか1項に記載の発光素子。
- 発光光の波長は、360nm以上、600nm以下である請求項1乃至請求項13のいずれか1項に記載の発光素子。
- 変調動作させられることで、出射光のスペクトル幅が一層広げられる請求項1乃至請求項14のいずれか1項に記載の発光素子。
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