JPH10321910A

JPH10321910A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JPH10321910A
Application number: JP14348097A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Iwata; 浩和岩田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1997-05-16
Filing date: 1997-05-16
Publication date: 1998-12-04

Abstract

(57)【要約】【課題】結晶欠陥や歪みなどが少なく、作製工程が容
易で歩留りの良好な高性能のＧａＮ系化合物半導体発光
素子を提供する。【解決手段】基板１１の主面上に、(１０−１０)ｍ面
を側面とする柱状構造１２が、基板１１の主面と垂直に
形成されており、その柱状構造１２の側面の全部あるい
は一部には、少なくとも１つのｐ−ｎ接合を含むＧａＮ
系窒化物半導体積層構造(ＩｎＡｌＧａＮ系窒化物半導
体積層構造)１３，１４，１５，１６が積層され、この
積層構造１３，１４，１５，１６に電流を注入するため
のｐ型，ｎ型に対応した電極１８，１７が形成されてい
る。この電極１８，１７に電流を注入することにより、
ＩｎＡｌＧａＮ系窒化物半導体積層構造１３，１４，１
５，１６の発光領域が発光し、発光した光は、基板１１
の主面と垂直の方向Ｒ₁，Ｒ₂に放出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＤＶＤ用，ＣＤ
用，プリンタ用の光源などに利用可能な半導体発光素子
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、青色のＬＥＤは赤色や緑色のＬＥ
Ｄに比べて輝度が小さく実用化に難点があったが、近
年、ＩｎＡｌＧａＮ系化合物半導体を用い、ドーパント
としてＭｇをドープした低抵抗のｐ型半導体層が得られ
たことにより、高輝度青色ＬＥＤが実用化され、さらに
は、実用化には至らないが室温で連続発振するレーザダ
イオードも開発された。

【０００３】図１４は文献「Japanese Journal of Appl
ied Physics vol.34(1995) p.L1332〜L1335」に示され
ているＩｎＡｌＧａＮ系化合物半導体を用いた発光ダイ
オード(ＬＥＤ)の断面図である。

【０００４】図１４のＬＥＤは、サファイア(Ａｌ₂Ｏ₃
単結晶)からなる１００〜３００μｍの基板１０１上に
ｎ型のＧａＮなどからなる低温バッファ層１０２と、ｎ
型のＧａＮ層１０３と、ノンドープのＩｎ_yＧａ_(1-y)Ｎ
(０＜ｙ＜１)などからなる活性層１０４と、ｐ型Ａｌ_x
Ｇａ_(1-x)Ｎ (０＜ｘ＜１)などからなるバリア層１０５
と、ｐ型ＧａＮなどからなるキャップ層１０６とが、有
機金属化学気相成長法(以下、ＭＯＣＶＤ法という)によ
り順次積層されている。

【０００５】そして、この積層された半導体層の一部が
エッチングにより除去されて露出したｎ型ＧａＮ層１０
３上に、ｎ側電極１０８が形成され、また、キャップ層
１０６上に、ｐ側電極１０７が形成され、これによって
ＬＥＤが形成されている。

【０００６】また、図１５は、文献「Japanese Journal
of Applied Physics vol.35(1996) p.L74〜L76」に示
されているような端面発光型レーザダイオード(ＬＤ)の
斜視図である。

【０００７】図１５のＬＤは、図１４のＬＥＤと同様
に、サファイア(Ａｌ₂Ｏ₃単結晶)からなる１００〜３０
０μｍの基板１２２上に、ｎ型のＧａＮなどからなる低
温バッファ層１２１と、ｎ型のＧａＮからなる高温バッ
ファ層１２０と、ｎ型Ｉｎ_yＧａ_(1-y)Ｎ層１１９と、ｎ
型のＡｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ (０＜ｘ＜１)層１１８と、ｎ型
ＧａＮ層１１７と、ノンドープのＩｎＧａＮＭＱＷな
どからなる活性層１１６と、ｐ型Ａｌ_zＧａ_(1-z)Ｎ (０
＜ｚ＜１)層１１５と、ｐ型ＧａＮ層１１４と、ｐ型Ａ
ｌ_uＧａ_(1-u)Ｎ (０＜ｕ＜１)層１１３と、ｐ型ＧａＮ
層などからなるキャップ層１１２とが、ＭＯＣＶＤ法に
より順次積層されている。

【０００８】そして、この積層された半導体層をリッジ
状にドライエッチングすることによって、光導波路と共
振器端面１２４が形成され、さらに、エッチングにより
露出した高温バッファ層１２０上にｎ側電極１２３が形
成され、また、キャップ層１１２上にｐ側電極１１１が
形成され、これによって、ＬＤが形成されている。

【０００９】また、図１６は、特開平０７−２０２３２
５号に示されている面発光レーザダイオードの断面図で
ある。

【００１０】図１６の面発光レーザダイオードは、サフ
ァイア基板１３１上に、直接またはバッファ層１３２を
介在させて、ダブルヘテロ構造に形成された窒化ガリウ
ム系化合物半導体((Ａｌ_xＧａ_(1-x))_yＩｎ_1-yＮ(０≦ｘ
≦１，０≦ｙ≦１))からなる積層された多重層１３３，
１３４，１３５，１３６と、多重層の最上層１３６に反
射膜で形成された第１電極層１３８と、サファイア基板
に形成された穴１３１Ａにおいて多重層の露出した最下
層１３３に反射膜で形成された第２電極層１３９とを有
し、第１電極層１３８と第２電極層１３９とそれらの間
の多重層１３３，１３４，１３５，１３６とで共振器を
構成し、電極層１３８，１３９と垂直な方向にレーザ光
を出力するようになっている。

【００１１】より具体的に、図１６の面発光レーザダイ
オードでは、サファイア基板１３１の(１１−２０)面
(ａ面)上に、ＡｌＮバッファ層１３２，ｎ型ＧａＮ層１
３３，ｎ型ＡｌＧａＮ層１３４，ＧａＮ活性層１３５，
ｐ型ＡｌＧａＮ層１３６，ＳｉＯ₂層１３７が積層され
ており、ＳｉＯ₂層１３７上に１ｍｍφの窓が開けら
れ、露出したｐ型ＡｌＧａＮ層１３６表面にＡｌ電極１
３８が形成され、また、サファイア基板１３１の裏面か
ら、１ｍｍφの窓がドライエッチングによって開けら
れ、ｎ型ＧａＮ層１３３が露出され、ｎ型ＧａＮ層１３
３表面にＡｌ電極１３９が形成されている。

【００１２】また、図１７は、特開平０８−３０７００
１号に示されている面発光レーザダイオードの断面図で
ある。

【００１３】図１７の面発光レーザダイオードは、絶縁
性の基板１４１の主面側に、露出面を有するように基板
１４１に埋設された第１導電型半導体からなる第１のコ
ンタクト層１４２と、第１導電型半導体からなる第１の
クラッド層１４３と、活性層１４４と、第２導電型半導
体からなる第２のクラッド層１４５と、第２導電型半導
体からなる第２のコンタクト層１４６とが順次に積層さ
れ、これらの積層層の周りには絶縁層１４８が設けられ
て構成され、第１のクラッド層１４３が基板１４１の主
面側に露出されるように、第１のコンタクト層１４６に
孔１５２が設けられ、この孔１５２内において、第１の
クラッド層１４３の表面上に第１の反射鏡１４９が形成
され、また、この第１の反射鏡１４９と対向して、第２
のコンタクト層１４６上に第２の反射鏡１４７が形成さ
れ、また、第１のコンタクト層１４２の露出面と接続す
るように基板１４１の主面上にｎ型オーミック電極１５
０が形成され、また、絶縁層１４８，第２の反射鏡１４
７上にはｐ型オーミック電極１５１が形成されたものと
なっている。

【００１４】より具体的に、図１７の面発光レーザダイ
オードでは、サファイア基板１４１内の一部にほぼ同一
の厚さとなるように形成されたｎ型ＧａＮコンタクト層
１４２上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４３，ＧａＩ
ｎ活性層１４４，ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１４５，ｐ
型ＧａＮコンタクト層１４６，ＡｌＮとＡｌＧａＮとの
積層構造からなるｐ型半導体反射鏡１４７が順次に積層
され(エピタキシャル層として積層され)、円筒状に形成
されている。

【００１５】ここで、ＧａＩｎＮ活性層１４４は、ｎ型
ＡｌＧａＮクラッド層１４３，ｐ型ＡｌＧａＮクラッド
層１４５によって挾まれており、これによって、ＡｌＧ
ａＮ／ＧａＩｎＮのダブルヘテロ構造が形成されてい
る。

【００１６】また、絶縁層１４８は、サファイア基板１
４１上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４３からｐ型半
導体反射鏡１４７までのエピタキシャル層の側面全体が
被覆されるように形成されており、レーザダイオードに
おける電流を狭窄する機能を有している。

【００１７】また、絶縁層１４８の上面全体には、ｐ型
半導体反射鏡１４７を介してｐ型ＧａＮコンタクト層１
４６とオーミックコンタクトするようにｐ型オーミック
電極１５１が形成されている。また、ｎ型ＡｌＧａＮク
ラッド層１４３まで孔(開口部)１５２が開口されてい
る。また、開口部１５２内のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１４３の面全体には、ＺｒＯとＳｉＯ₂との積層構造に
よる誘電体膜からなる反射鏡１４９が形成されている。
また、ｎ型ＧａＮコンタクト層１４２とオーミックコン
タクトするようにサファイア基板１４１の面全体には、
ｎ型オーミック電極１５０が形成されている。

【００１８】この面発光レーザダイオードでは、ｐ型オ
ーミック電極１５１，ｎ型オーミック電極１５０間に電
圧を印加し、ｎ型ＧａＮコンタクト層１４２とｐ型Ｇａ
Ｎコンタクト層１４６との間に生じる電流が発振のしき
い値を超えると、反射鏡１４７，１４９により共振され
た光がレーザ光として開口部１５２より矢印Ｒの方向に
放出される。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来、
ＧａＮ系の半導体発光素子は、端面発光型，面発光型と
もに、主にサファイア基板主面に平行に積層された積層
構造を発光領域として作製されてきた。

【００２０】しかしながら、ＧａＮ系化合物半導体とサ
ファイアとでは、格子定数が十数％異なるため、サファ
イア基板上に積層されたＧａＮ系化合物半導体積層構造
には、格子不整合が原因とされる欠陥や歪みが内在され
ている。また、ＧａＮ系化合物半導体は通常１０００℃
程度で結晶成長が行なわれるが、サファイアとでは熱膨
張係数も大きく異なるため、結晶成長後の冷却過程にお
いて、熱歪みが残留し、クラックが入ることもある。

【００２１】このような結晶欠陥や歪みなどは、半導体
発光素子を作製する場合においてはその性能を大きく損
なう結果となり、歩留まりを著しく減少させる結果とな
る。このように、端面発光型，面発光型を問わず、基板
主面に平行に積層した積層構造を発光領域に使用する従
来のＧａＮ系の半導体発光素子では、結晶欠陥や歪みが
発生しやすいという問題がある。

【００２２】また、端面発光型半導体発光素子，例えば
図１５のような端面発光型のＬＤでは、サファイア基板
とＧａＮ系化合物半導体積層構造とで、そのへき開の方
向が異なるため、ＧａＡｓ系化合物半導体のようにへき
開によってレーザーミラー端面を形成することが困難で
あり、平行平滑な共振器面を作製するにはドライエッチ
ングのような技術が必要とされている。

【００２３】しかしながら、ＧａＮ系化合物半導体で
は、ＧａＡｓ系化合物半導体のドライエッチングに比
べ、エッチング速度が遅く、マスク材料との選択比が大
きくとれないなどの問題もあり、劈開で形成されるよう
な互いに平行で、平滑な共振器を得るドライエッチング
技術は確立されていないのが現状である。

【００２４】さらに、図１５のような端面発光型半導体
発光素子では、共振器面に反射膜をコーティングする際
の工程にコストがかかるという問題がある。すなわち、
しきい電流値を下げる目的で共振器面に反射膜をコーテ
ィングする場合、ウエハから個々のチップを分離し、そ
の後に反射膜を蒸着などによりコーティングしており、
個々のチップは１チップずつホルダにマウントする必要
があるため、手間がかかり、その分コストがかかってい
た。

【００２５】また、図１４のような面発光型半導体発光
素子(面発光型ＬＥＤ)では、放射角が広く、レンズとの
結合を要するような用途では、光利用効率が低く、ＬＥ
Ｄから放出された光の大部分が無駄になっている。

【００２６】また、図１６，図１７のような構造の面発
光型レーザは、基板がサファイアであるので、基板側か
ら直接電流を注入することができず、従って、堅いサフ
ァイア基板を研磨し、かつ穴をあけなければならなかっ
た。しかしながら、サファイアの加工が非常に困難であ
り、例えば活性層やクラッド層などの箇所まで開口して
しまう場合が生じ、歩留まりが悪くなるという問題があ
った。

【００２７】本発明は、上述のような従来のＧａＮ系化
合物半導体発光素子の種々の問題を解決し、結晶欠陥や
歪みなどが少なく、作製工程が容易で歩留りの良好な高
性能のＧａＮ系化合物半導体発光素子を提供することを
目的としている。

【００２８】より具体的に、本発明は、従来の面発光型
ＬＥＤよりも放射角を狭くすることの可能な半導体発光
素子を提供することを目的としている。

【００２９】また、本発明は、サファイア基板などの格
子定数の大きく異なる基板との格子不整合や、熱膨張係
数の違いによる歪みの影響の少ない、界面の平坦な結晶
層を発光領域に使用し、素子特性を向上させることの可
能な半導体発光素子を提供することを目的としている。

【００３０】また、本発明は、従来の面発光レーザのよ
うに基板を加工する必要をなくし、デバイス作製プロセ
ス途中の歩留まりの低下を抑えることの可能な半導体発
光素子を提供することを目的としている。また、本発明
は、平行平滑な共振器ミラーを有するしきい電流が低い
などの優れた特性をもつレーザを低コストで容易に作製
提供することを目的としている。

【００３１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、ＧａＮ系窒化物半導体の積
層構造を有する半導体発光素子において、基板主面上
に、(１０−１０)ｍ面を側面とする六角柱状構造の全部
あるいは一部からなる柱状構造が、基板主面と垂直に形
成され、該柱状構造の側面の全部あるいは一部には、少
なくとも一つのｐ−ｎ接合を含むＧａＮ系窒化物半導体
積層構造が積層され、ＧａＮ系窒化物半導体積層構造に
電流を注入することにより、基板主面と垂直の方向に光
が取り出されることを特徴としている。

【００３２】また、請求項２記載の発明は、請求項１記
載の半導体発光素子において、前記基板は、(０００１)
Ｃ面を主面とするサファイアであることを特徴としてい
る。

【００３３】また、請求項３記載の発明は、請求項１記
載の半導体発光素子において、前記基板は、(０００１)
Ｃ面を主面とするＧａＮ系窒化物半導体であることを特
徴としている。

【００３４】また、請求項４記載の発明は、請求項１乃
至請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光素子にお
いて、基板上には、第１の導電型を有するＧａＮ系窒化
物半導体層が積層され、さらに、第１の導電型を有する
ＧａＮ系窒化物半導体層上に誘電体膜が形成され、該誘
電体膜の一部には、第１の導電型のＧａＮ系窒化物半導
体層の表面に到達する孔が形成され、この孔を通して第
１の導電型のＧａＮ系窒化物半導体層の表面に前記柱状
構造が形成されており、この場合、柱状構造の導電型は
第１の導電型であり、柱状構造の基板側の底面の一部
が、前記誘電体膜表面にはみ出して接していることを特
徴としている。

【００３５】また、請求項５記載の発明は、請求項４記
載の半導体発光素子において、前記柱状構造は、底部と
上部とがＣ面で構成されていることを特徴としている。

【００３６】また、請求項６記載の発明は、請求項４記
載の半導体発光素子において、前記誘電体膜は、高反射
ミラーとして構成されていることを特徴としている。

【００３７】また、請求項７記載の発明は、請求項４記
載の半導体発光素子において、前記柱状構造の上部に
は、さらに、反射膜が形成されていることを特徴として
いる。

【００３８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は本発明に係る半導体発光素子
の一例を示す斜視図、図２は図１のＡ−Ａ’線における
断面図ある。図１，図２を参照すると、この半導体発光
素子は、基板１１の主面上に、(１０−１０)ｍ面を側面
とする柱状構造１２が、基板１１の主面と垂直に形成さ
れており、その柱状構造１２の側面の全部あるいは一部
には、少なくとも１つのｐ−ｎ接合を含むＧａＮ系窒化
物半導体積層構造(ＩｎＡｌＧａＮ系窒化物半導体積層
構造)１３，１４，１５，１６が積層され、この積層構
造１３，１４，１５，１６に電流を注入するためのｐ
型，ｎ型に対応した電極１８，１７が形成されている。
そして、この電極１８，１７に電流を注入することによ
り、ＩｎＡｌＧａＮ系窒化物半導体積層構造１３，１
４，１５，１６の発光領域が発光し、発光した光は、基
板１１の主面と垂直の方向Ｒ₁，Ｒ₂に放出される(取り
出される)ようになっている。

【００３９】より具体的に、基板１１には、サファイア
基板が用いられ、サファイア基板１１上には、ｎ型Ｇａ
Ｎの六角柱状構造１２が形成されている。この柱状構造
１２の側面の一部は(１０−１０)ｍ面であり、この(１
０−１０)ｍ面上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１３，
ＩｎＧａＮ活性層１４，ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１
５，ｐ型ＧａＮキャップ層１６が順次積層されている。

【００４０】そして、ｐ型ＧａＮキャップ層１６の表面
の一部に、Ｎｉ／Ａｕからなるｐ側電極１８が形成され
ている。また、ｎ型ＧａＮの柱状構造１２は、その一部
が露出しており、この露出している部分に、Ｔｉ／Ａｌ
からなるｎ側電極１７が形成されている。そして、この
電極１７，１８に電流を注入することによって、ＩｎＧ
ａＮ活性層１４が発光し、発光した光は活性層１４内を
導波し、基板１１の主面に対し垂直な方向Ｒ₁，Ｒ₂に放
射される。すなわち、この半導体発光素子は、基板１１
の主面と垂直方向に導波路構造を有し、基板１１の主面
と垂直方向に光を放射することのできる発光素子であ
る。

【００４１】なお、図１，図２の半導体発光素子におい
て、六角柱状構造１２は、ＨＶＰＥで成膜した後に、
(１０−１０)ｍ面がでるようにドライエッチングで形成
した。

【００４２】このように、六角柱状構造１２は、ＨＶＰ
Ｅで成膜した後に(１０−１０)ｍ面がでるようにドライ
エッチングで形成することができる。あるいは、六角柱
状構造１２は、ＶＰＥ，ＭＢＥ，ＭＯＣＶＤ法等で結晶
成長した後に、ドライエッチング等により形成すること
も可能である。また、選択成長によって、六角柱状構造
１２を成長することも可能である。その形成方法は特に
限定されるものではない。

【００４３】また、六角柱状構造１２の側面に積層され
るｐ−ｎ接合を含むＩｎＡｌＧａＮ系窒化物半導体積層
構造１３，１４，１５，１６は、ＭＯＣＶＤで成膜する
ことができる。あるいは、積層構造１３，１４，１５，
１６は、ＶＰＥ，ＨＶＰＥ，ＭＢＥ法等で結晶成長する
ことも可能であり、その方法は特に限定されるものでは
ない。

【００４４】また、上述の例では、基板１１として、サ
ファイアを使用したが、サファイア以外の基板，例え
ば、ＩｎＡｌＧａＮ系窒化物半導体，シリコン，ＭｇＡ
ｌ₂Ｏ₄，ＧａＡｓ等の基板を使用することも可能であ
り、結晶成長が可能であるものであれば特に限定される
ものではない。

【００４５】図１，図２の半導体発光素子では、(１０
−１０)ｍ面を側面とする柱状構造１２が基板１１の主
面と垂直に形成され、該柱状構造１２の側面の全部ある
いは一部には、少なくとも一つのｐ−ｎ接合を含むＧａ
Ｎ系窒化物半導体積層構造１３，１４，１５，１６が積
層され、ＧａＮ系窒化物半導体積層構造１３，１４，１
５，１６に電流を注入することにより、ＧａＮ系窒化物
半導体積層構造１３，１４，１５，１６の発光領域で発
光し、発光した光は、柱状構造(柱状積層構造)の導波路
(例えば、柱状構造をなしている活性層１４)を導波し、
基板１１の主面と垂直の方向Ｒ₁，Ｒ₂に光は放出され
る。これにより、基板に平行に積層した積層構造に対し
て垂直に光を取り出す従来の面発光素子に比べて、その
放射角(光の放射角)を狭くすることができる。

【００４６】また、図１，図２の半導体発光素子では、
柱状構造１２の側面である(１０−１０)ｍ面にＧａＮ系
窒化物半導体積層構造１３，１４，１５，１６を結晶成
長するので、サファイア基板などの格子定数の大きく異
なる基板との格子不整合や、熱膨張係数の違いによる歪
みの影響の少ない、界面の平坦な結晶層を発光領域とし
て使用することができて、従来のように発光素子の性能
を大きく損なうことがなく、特性の良い素子を作製する
ことができる。また、欠陥や歪みによる発光素子の性能
低下による歩留まりの低下を抑えることができる。さら
に、従来の面発光レーザのように基板を研磨する必要も
ないので、デバイス作製途中での歩留まりの低下を抑え
られる。

【００４７】図３は本発明に係る半導体発光素子の他の
例を示す斜視図、図４は図３のＡ−Ａ’線における断面
図である。図３，図４を参照すると、この半導体発光素
子は、図１，図２の半導体発光素子において、基板(１
１)が(０００１)Ｃ面を主面とするサファイアとなって
いる。

【００４８】より具体的に、図３，図４の例では、サフ
ァイア(０００１)基板２１上に、ｎ型ＧａＮの六角柱状
構造２２が形成されている。この柱状構造２２の側面の
一部は(１０−１０)ｍ面であり、この(１０−１０)ｍ面
上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２３，ＩｎＧａＮ活性
層２４，ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２５，ｐ型ＧａＮキ
ャップ層２６が順次積層されている。

【００４９】さらに、基板２１上に、また、積層構造２
３，２４，２５，２６の周囲に、また、ｎ型ＧａＮの柱
状構造２２の上部には、ＳｉＯ₂層２９が堆積されてい
る。そして、このＳｉＯ₂層２９は、ｐ型ＧａＮキャッ
プ層２６の表面の一部とｎ型ＧａＮの柱状構造２２の上
部の一部で孔が開けられ、この孔によって、ｐ型ＧａＮ
キャップ層２６の表面とｎ型ＧａＮ２２の表面とが露出
している。

【００５０】そして、この露出したｐ型ＧａＮキャップ
層２６の表面には、Ｎｉ／Ａｕからなるｐ側電極２７が
形成され、また、ｎ型ＧａＮの柱状構造２２の上部に
は、Ｔｉ／Ａｌからなるｎ側電極２８が形成されてい
る。

【００５１】この電極２７，２８に電流を注入すること
によって、ＩｎＧａＮ活性層２４が発光し、発光した光
は活性層２４内を導波し、基板２１に対し垂直な方向Ｒ
₃に放射される。

【００５２】なお、図３，図４の半導体発光素子におい
て、柱状構造２２は、ＨＶＰＥで成膜した後に、(１０
−１０)ｍ面がでるようにドライエッチングで形成され
る。

【００５３】このように、六角柱状構造２２は、ＨＶＰ
Ｅで成膜した後に(１０−１０)ｍ面がでるようにドライ
エッチングで形成することができる。あるいは、六角柱
状構造２２は、ＶＰＥ，ＭＢＥ，ＭＯＣＶＤ法等で結晶
成長した後に、ドライエッチング等により形成すること
も可能である。また、選択成長によって、六角柱状構造
を成長することも可能である。その形成方法は特に限定
されるものではない。

【００５４】また、六角柱状構造２２の側面に積層され
るｐ−ｎ接合を含むＩｎＡｌＧａＮ系窒化物半導体積層
構造２３，２４，２５，２６はＭＯＣＶＤで成膜するこ
とができる。あるいは、積層構造２３，２４，２５，２
６はＶＰＥ，ＨＶＰＥ，ＭＢＥ法等で結晶成長すること
が可能であり、その方法は特に限定されるものではな
い。

【００５５】図３，図４の半導体発光素子では、図１，
図２の半導体発光素子において、基板２１(１１)が、
(０００１)Ｃ面を主面とするサファイアとなっており、
(０００１)Ｃ面と(１０−１０)ｍ面とは垂直であるの
で、図１，図２の半導体発光素子の効果に加え、サファ
イアａ面やＧａＡｓ等の基板を使用する場合に比べて、
基板主面に垂直な(１０−１０)ｍ面からなる側面を持つ
六角柱状構造をより容易に作製することができ、基板の
主面と垂直方向に導波路構造を有し、基板の主面と垂直
方向Ｒ₃に光を放射することのできる発光素子を容易に
作製することができる。また、結晶成長の方向がＣ軸方
向であるため、この場合は選択成長によって、基板の主
面と垂直な(１０−１０)ｍ面からなる側面を持つ六角柱
状構造を容易に形成することも可能になる。この作製方
法(選択成長)の利点としては、ドライエッチング等の方
法で六角柱状構造を形成するのに比べ、素子作製工程が
簡略化され、低コストで素子を作製することも可能とな
り、ドライエッチング工程での歩留まりの低下を抑える
ことができることにある。

【００５６】図５は本発明に係るアレイ素子の一例を示
す斜視図、図６は図５のアレイ素子を構成する個々の半
導体発光素子の斜視図、図７は図６のＡ−Ａ’線におけ
る断面図である。

【００５７】図５，図６，図７を参照すると、この半導
体発光素子は、図１，図２の半導体発光素子において、
基板(１１)が(０００１)Ｃ面を主面とするＧａＮ系窒化
物半導体(ＩｎＡｌＧａＮ系窒化物半導体)となってい
る。

【００５８】より具体的に、図５乃至図７の例では、導
電性のｎ型ＧａＮ(０００１)基板３１上に、ＳｉＯ₂層
３９が堆積されている。このＳｉＯ₂層３９には孔が開
けられて、ｎ型ＧａＮ基板３１表面が露出しており、こ
の露出したｎ型ＧａＮ基板３１表面に、ｎ型ＧａＮの六
角柱状構造３２が形成されている。

【００５９】この柱状構造３２の側面の一部は(１０−
１０)ｍ面であり、この(１０−１０)ｍ面上に、ｎ型Ａ
ｌＧａＮクラッド層３３，ＩｎＧａＮ活性層３４，ｐ型
ＡｌＧａＮクラッド層３５，ｐ型ＧａＮキャップ層３６
が順次に積層されている。

【００６０】そして、ｐ型ＧａＮキャップ層３６の表面
には、Ｎｉ／Ａｕからなるｐ側電極３７が形成されてい
る。さらに、図５では、ｎ型ＧａＮ基板３１上に、図
６，図７の構造を有する半導体発光素子が複数個、モノ
リシック集積化されて、アレイ素子として形成されてお
り、この場合、ｎ型ＧａＮ基板３１の裏面には、Ｔｉ／
Ａｌからなるｎ側電極３８が形成されている。ここで、
ｎ側電極３８は、各々の半導体発光素子で共通の電極と
なっている。

【００６１】また、ｐ型ＧａＮキャップ層３６の表面に
形成されたｐ側電極３７は、各々の半導体発光素子で独
立しており、このｐ型電極３７に個別に電流を注入する
ことによって、任意の半導体発光素子のＩｎＧａＮ活性
層３４が発光し、発光した光は活性層３４内を導波し、
基板３１の主面に対し垂直方向Ｒ₄に放射されるように
なっている。

【００６２】図５乃至図７の半導体発光素子において、
上述の例では、基板３１として、導電性のｎ型ＧａＮ基
板を使用したが、図５乃至図７の半導体発光素子では、
基板３１は、絶縁性であっても導電性であってもその使
用目的に適していればどちらを使用しても差し支えな
い。

【００６３】但し、上述の例のように基板３１として導
電性基板を使用することで、基板３１の裏面に電極を形
成することが可能となり、図５のようなアレイ状素子を
構成する場合、アレイ状素子の共通電極を基板裏面に形
成し(モノリシック集積化したアレイ素子の共通電極を
基板裏面に形成でき)、電極パターンの形成された実装
基板にダイボンディングで実装することが可能となる。
従って、基板３１として導電性のものを使用する場合に
は、絶縁性のものを使用する場合に比べ(基板３１の表
面に共通電極を形成し実装する場合に比べ)、作製工程
を少なくすることができ、低コストで半導体発光素子を
作製することができる。

【００６４】また、六角柱状構造３２は、ＨＶＰＥで成
膜した後に(１０−１０)ｍ面がでるようにドライエッチ
ングで形成することができる。あるいは、六角柱状構造
３２は、ＶＰＥ，ＭＢＥ，ＭＯＣＶＤ法等で結晶成長し
た後に、ドライエッチング等により形成することも可能
である。また、選択成長によって、六角柱状構造３２を
成長することも可能である。その形成方法は特に限定さ
れるものではない。

【００６５】また、六角柱状構造３２の側面に積層され
るｐ−ｎ接合を含むＩｎＡｌＧａＮ系窒化物半導体積層
構造３３，３４，３５，３６はＭＯＣＶＤで成膜するこ
とができる。あるいは、積層構造３３，３４，３５，３
６はＶＰＥ，ＨＶＰＥ，ＭＢＥ法等で結晶成長すること
が可能であり、その方法は特に限定されるものではな
い。

【００６６】図５乃至図７の半導体発光素子では、基板
３１が、(０００１)Ｃ面を主面とするＧａＮ系窒化物半
導体となっており、基板３１にＧａＮ系化合物半導体を
使用することで、発光領域となる積層構造３３，３４，
３５，３６と基板３１との格子定数，熱膨張係数等の諸
物性を近いものにすることができ、図３，図４のように
基板にサファイアなどの材料を使用する場合に比べ、基
板３１と柱状構造３２の格子定数差や熱膨張係数差によ
って結晶成長時に発生する欠陥の導入が抑制される。従
って、その側面に積層される積層構造３３，３４，３
５，３６の結晶性もさらに向上し、さらに素子の特性を
良好なものにすることができる。

【００６７】すなわち、図３，図４の半導体発光素子で
も、発光領域となる積層構造は柱状構造の側面である
(１０−１０)ｍ面に結晶成長するので、基板との格子不
整合や熱膨張係数の違いによる歪みの影響の少ない、界
面の平坦な結晶層を発光領域として使用することがで
き、特性の良い発光素子を作製できるが、図５乃至図７
の半導体発光素子では、さらに、基板３１と柱状構造３
２の格子定数差や熱膨張係数差によって結晶成長時に発
生する欠陥の導入が抑制されて、その側面に積層される
積層構造３３，３４，３５，３６の結晶性もさらに向上
し、素子の特性をより良好なものにすることができる。

【００６８】さらに、図５乃至図７の半導体発光素子で
は、基板３１の主面が、(０００１)Ｃ面となっており、
(０００１)Ｃ面と(１０−１０)ｍ面とは垂直であるの
で、サファイアａ面やＧａＡｓ等の基板を使用する場合
に比べ、(１０−１０)ｍ面からなる側面をもつ六角柱状
構造を容易に作製することができ、基板の主面と垂直方
向に導波路構造をもち基板に垂直方向に光を放射するこ
とのできる発光素子を容易に作製することができる。ま
た、結晶成長方向がＣ軸であるため、この場合は選択成
長によって、基板主面に垂直な(１０−１０)ｍ面からな
る側面をもつ六角柱構造を容易に形成することも可能に
なる。この作製方法(選択成長)の利点としては、ドライ
エッチング等の方法で六角柱状構造を形成するのに比
べ、素子作製工程が簡略化され、低コストで素子を作製
することも可能となり、ドライエッチング工程での歩留
まりの低下を抑えることができることにある。

【００６９】図８は本発明に係る半導体発光素子の他の
例を示す斜視図、図９は図８のＡ−Ａ’線における断面
図である。

【００７０】図８，図９を参照すると、この半導体発光
素子は、基板４１の主面に第１の導電型のＩｎＡｌＧａ
Ｎ系窒化物半導体層５０が積層され、その上に誘電体膜
４９が積層されており、この誘電体膜４９の一部には、
第１の導電型のＩｎＡｌＧａＮ系窒化物半導体層５０の
表面に到達する孔が形成され、その孔を通して第１の導
電型のＩｎＡｌＧａＮ系窒化物半導体層表面上に第１の
導電型のＩｎＡｌＧａＮ系窒化物半導体の柱状構造４２
が形成されたものとなっている。

【００７１】ここで、柱状構造４２の径は、誘電体膜４
９に開けられた孔の径以上の大きさとなっており、柱状
構造の基板側の底面の一部は、誘電体膜４９の表面に接
している。そして、この柱状構造４２は、基板４１の主
面に垂直で(１０−１０)ｍ面を側面とする六角柱状構造
の全部あるいは一部からなる構造であり、柱状構造４２
の側面の少なくとも(１０−１０)ｍ面の全部あるいは一
部には、ＩｎＡｌＧａＮ系窒化物半導体の積層構造４
３，４４，４５，４６が積層されている。

【００７２】また、電流を注入するためのｐ型，ｎ型に
対応した電極４７，４８が形成されており、この電極４
７，４８から積層構造４３，４４，４５，４６に電流を
注入することにより、積層構造４３，４４，４５，４６
の発光領域が発光し、基板４１の主面と垂直な方向Ｒ₅
に光が放出されるようになっている。

【００７３】換言すれば、図８，図９の半導体発光素子
は、基板４１上に、第１の導電型を有するＧａＮ系窒化
物半導体層５０が積層され、さらに、第１の導電型を有
するＧａＮ系窒化物半導体層５０上に誘電体膜４９が形
成され、該誘電体膜４９の一部には、第１の導電型のＧ
ａＮ系窒化物半導体層５０の表面に到達する孔が形成さ
れ、この孔を通して第１の導電型のＧａＮ系窒化物半導
体層５０の表面に柱状構造４２が形成されており、この
場合、柱状構造４２の導電型は第１の導電型であり、柱
状構造４２の基板側の底面の一部が、誘電体膜４９の表
面にはみ出して接していることを特徴としている。

【００７４】より具体的に、図８，図９の例では、(０
００１)Ｃ面を主面とするサファイア基板４１上に、ｎ
型のＧａＮ層５０が積層され、その上にＳｉＯ₂層４９
が堆積されており、このＳｉＯ₂層４９の一部に、ｎ型
ＧａＮ層５０表面に到達する孔が形成され、その孔を通
してｎ型ＧａＮ層５０表面上にｎ型ＧａＮ柱状構造４２
が形成されている。

【００７５】ここで、柱状構造４２の径は、ＳｉＯ₂層
４９に開けられた孔の径以上であり、柱状構造４２の基
板側の底面の一部は、ＳｉＯ₂層４９表面上まではみ出
して延び、ＳｉＯ₂層４９の表面に接している。

【００７６】この柱状構造４２は、基板４１表面に垂直
で(１０−１０)ｍ面を側面とする六角柱状構造であり、
柱状構造４２の側面および上面には、ｎ型ＡｌＧａＮク
ラッド層４３，ＩｎＧａＮ活性層４４，ｐ型ＡｌＧａＮ
クラッド層４５，ｐ型ＧａＮキャップ層４６が例えばＭ
ＯＣＶＤによって順次に積層されている。

【００７７】そして、ｐ型ＧａＮキャップ層４６の表面
には、Ｎｉ／Ａｕからなるｐ側電極４７が形成されてい
る。また、基板４１上に積層されたｎ型ＧａＮ層５０上
のＳｉＯ₂層４９の一部には孔が開けられてｎ型ＧａＮ
層５０が露出しており、この部分にＴｉ／Ａｌからなる
ｎ側電極４８が形成されている。この電極４７，４８に
電流を注入することにより、ＩｎＧａＮ活性層４４の発
光領域が発光し、発光した光は基板裏面から垂直方向Ｒ
₅に放出される。すなわち、図８，図９の半導体発光素
子は、スーパールミネッセントダイオードとして構成さ
れている。

【００７８】図８，図９の構成例において、柱状構造４
２は、ＧａＮ層５０上にＳｉＯ₂層４９を成膜した後
に、フォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントによ
る化学エッチングにより、ＳｉＯ₂層４９に六角形の孔
を開け、この孔により露出したＧａＮ層５０上に、昇華
法で選択的にｎ型ＧａＮを結晶成長して形成することが
できる。この時の成長後の形状は、(１０−１０)ｍ面で
囲まれた六角柱となる。この六角柱状構造４２は、Ｃ軸
配向しており、基板面(基板４１の表面)と垂直に成長す
るが、基板面と平行にも成長するため、柱状構造４２の
下側は、ＳｉＯ₂層４９のところでくびれた構造にな
る。すなわち、六角柱状構造４２は、ＳｉＯ₂層４９に
接して横方向にも成長する。

【００７９】この横方向に成長した六角柱状構造４２の
ＳｉＯ₂層４９上にはみ出した部分は、基板４１との格
子定数差や熱膨張係数差によって導入される歪みや欠陥
の影響を受けにくく、結晶性が向上している。そのた
め、六角柱状構造４２の側面である(１０−１０)ｍ面上
に積層される発光領域となる積層構造４３，４４，４
５，４６も基板４１との格子定数差や熱膨張係数差によ
って導入される歪みや欠陥の影響の少ない高品質な結晶
性となることから、発光効率や寿命などの特性の優れた
半導体発光素子が形成できる。

【００８０】また、図８，図９の構成例では、発光領域
となる積層構造４３，４４，４５，４６のＳｉＯ₂層４
９に接した部分は、サファイア基板４１の主面，すなわ
ち(０００１)Ｃ面と平行になるので、図８，図９の半導
体発光素子(スーパールミネッセントダイオード)の光出
射端面は平滑なＣ面を利用できる。

【００８１】なお、上述の例では、積層構造４３，４
４，４５，４６をＭＯＣＶＤで成膜し、また、基板４１
としては、サファイアを使用しているが、基板４１とし
ては、サファイアのかわりに、ＩｎＡｌＧａＮ系窒化物
半導体，(１１１)シリコン，(１１１)ＭｇＡｌ₂Ｏ₄，
(１１１)ＧａＡｓ等の基板を使用することも可能であ
る。すなわち、Ｃ軸配向してＧａＮ系化合物半導体結晶
の結晶成長が可能であるものであれば、任意の基板を用
いることもできる。

【００８２】また、上述の例では、六角柱状構造４２を
昇華法で形成するとしたが、昇華法のかわりに、ＨＶＰ
Ｅ，ＭＢＥ，ＭＯＣＶＤ法等で六角柱状構造４２を結晶
成長することも可能である。この時、条件を選択するこ
とで、六角柱状構造４２の上部をＣ面にすることも可能
である。

【００８３】このように、図８，図９の半導体発光素子
では、柱状構造４２の基板側の底面の一部が、誘電体膜
４９表面にはみ出して形成されており、この柱状構造４
２の誘電体膜４９上のはみ出した部分は、基板との格子
定数差や熱膨張係数差によって導入される歪みや欠陥の
影響を受けにくいので、柱状構造４２の結晶性を向上さ
せることができる。これによって、柱状構造４２の側面
である(１０−１０)ｍ面上に積層される発光領域となる
積層構造４３，４４，４５，４６も、基板４１との格子
定数差や熱膨張係数差によって導入される歪みや欠陥の
影響の少ない高品質な結晶性のものとなることから、発
光効率や寿命などの特性の優れた発光素子が形成でき
る。

【００８４】また、柱状構造４２の誘電体膜４９上には
み出した部分の誘電体膜４９表面に接している部分は、
誘電体膜４９表面の形状を反映して形成されており、誘
電体膜４９表面が基板４１の主面に平行で平坦であれ
ば、柱状構造４２の底面も基板４１の主面に平行で平坦
となる。このことは、柱状構造４２の側面である(１０
−１０)ｍ面上に積層される発光領域となる積層構造４
３，４４，４５，４６の誘電体膜４９表面に接している
部分にも当てはまる。すなわち、発光領域となる積層構
造４３，４４，４５，４６についても、基板４１の主面
に平行で平坦となる底面が形成されることになり、この
面をレーザ共振器の一端の面として使用することが可能
となる。従って、レーザ等の端面発光型発光素子の光出
射端面の一端を、劈開やドライエッチングなどの手段を
使用せずに結晶成長の段階で形成することができるの
で、光出射端面の一端を形成するための別途の工程が不
要となり、その分、コストが抑えられ、かつ工程途中で
の歩留まりの低下を抑えることができる。

【００８５】また、図１０は本発明に係る半導体発光素
子の他の例を示す斜視図、図１１は図１０のＡ−Ａ’線
における断面図である。

【００８６】図１０，図１１を参照すると、この半導体
発光素子は、図８，図９の半導体発光素子において、柱
状構造(４２)の底部と上部が(０００１)Ｃ面で構成され
ていることを特徴としている。

【００８７】より具体的に、図１０，図１１の半導体発
光素子では、(０００１)Ｃ面を主面とするサファイア基
板５１上に、ｎ型のＧａＮ６０が積層され、その上にＳ
ｉＯ₂層５９が堆積されている。

【００８８】このＳｉＯ₂層５９の一部には、ｎ型Ｇａ
Ｎ層６０表面に到達する孔が形成され、その孔を通して
ｎ型ＧａＮ層６０表面上にｎ型ＧａＮ柱状構造５２が形
成されている。

【００８９】柱状構造５２の径は、ＳｉＯ₂層５９に開
けられた孔の径以上であり、柱状構造５２の基板側の底
面の一部は、ＳｉＯ₂層５９表面上まではみ出して延
び、ＳｉＯ₂層５９表面に接している。

【００９０】この柱状構造５２は、基板５１主面に垂直
で、側面が(１０−１０)ｍ面、上面(上部)がＣ面、底面
(ＳｉＯ₂層５９表面上にはみ出して接している柱状構造
５２の面)がＣ面となっている六角柱状構造である。

【００９１】そして、柱状構造５２の側面には、ｎ型Ａ
ｌＧａＮクラッド層５３，ＩｎＧａＮ活性層５４，ｐ型
ＡｌＧａＮクラッド層５５，ｐ型ＧａＮキャップ層５６
が例えばＭＯＣＶＤによって順次に積層されている。

【００９２】そして、柱状構造５２の側面の一面のｐ型
ＧａＮキャップ層５６の表面には、Ｎｉ／Ａｕからなる
ｐ側電極５７が形成されている。なお、この電極５７は
ストライプ形状をなしている。また、基板５１上に積層
されたｎ型ＧａＮ層６０上のＳｉＯ₂層５９の一部には
孔が開けられてｎ型ＧａＮ層６０が露出しており、この
部分にＴｉ／Ａｌからなるｎ側電極５８が形成されてい
る。

【００９３】この電極５７，５８に電流を注入すること
により、ＩｎＧａＮ活性層５４の発光領域が発光し、こ
の場合、Ｃ面で形成された六角柱状構造５２の上面と底
面とが共振器となって、レーザ発振し、光は基板５１の
表面と垂直の方向Ｒ₆，Ｒ₇に放出される。

【００９４】図１０，図１１の構成例において、柱状構
造５２は、図８，図９の例と同様に、ＧａＮ層６０上に
ＳｉＯ₂層５９を成膜した後、フォトリソグラフィーと
フッ酸系エッチャントによる化学エッチングにより、Ｓ
ｉＯ₂層５９に六角形の孔を開け、この孔により露出し
たＧａＮ層６０上に、昇華法で、選択的にｎ型ＧａＮを
結晶成長して形成することができる。この時の成長後の
形状は、(１０−１０)ｍ面で囲まれた六角柱となる。こ
の六角柱状構造５２は、Ｃ軸配向しており、基板面(基
板５１の表面)と垂直に成長するが、基板面と平行にも
成長するため、柱状構造５２の下側は、ＳｉＯ₂層５９
のところでくびれた構造になる。すなわち、六角柱状構
造５２は、ＳｉＯ₂層５９に接して横方向にも成長す
る。このＳｉＯ₂層５９に接する六角柱状構造５２の部
分は、サファイア基板５１の主面すなわち(０００１)Ｃ
面と平行になるので、六角柱状構造５２の(１０−１０)
ｍ面上に積層される積層構造５３，５４，５５，５６の
ＳｉＯ₂層５９に接する部分も(０００１)Ｃ面となる。

【００９５】また、六角柱状構造５２の上面について
は、六角柱状構造５２の結晶成長の段階で条件を選び、
Ｃ面として形成できる。従って、発光領域となる積層構
造５３，５４，５５，５６を六角柱状構造５２上に積層
すると、積層構造５３，５４，５５，５６の上面側の端
面もＣ面と平行になるので、上面方向からドライエッチ
ングを行ない、上面に積層した積層構造の除去を行なう
と、上面および底面がＣ面の共振器(積層構造５３，５
４，５５，５６)を形成できる。すなわち、共振器面を
Ｃ面にすることができる。

【００９６】このように、図１０，図１１の半導体発光
素子では、図８，図９の半導体発光素子において、柱状
構造の底部と上部とがＣ面で構成されているので、光出
射端面をレーザの共振器ミラーとして作用させることが
でき、基板５１の主面と垂直な方向Ｒ₆，Ｒ₇に光を出射
するレーザを提供できる。

【００９７】図１２は本発明に係る半導体発光素子の他
の例を示す図である。

【００９８】図１２を参照すると、この半導体発光素子
は、図１０，図１１の半導体発光素子において、誘電体
膜(５９)が、高反射ミラーとして構成されていることを
特徴としている。

【００９９】より具体的に、図１２の半導体発光素子で
は、(０００１)Ｃ面を主面とするサファイア基板６１
に、ｎ型ＧａＮ７０が積層されており、その上にＴｉＯ
₂／ＳｉＯ₂多層膜からなる高反射層６９が積層されてい
る。

【０１００】そして、この高反射層６９の一部には、ｎ
型ＧａＮ層７０表面に到達する孔が形成され、その孔を
通してｎ型ＧａＮ層７０表面上にｎ型ＧａＮ柱状構造６
２が形成されている。

【０１０１】柱状構造６２の径は、高反射層６９に開け
られた孔の径以上であり、柱状構造６２の基板６１側の
底面の一部は、高反射層６９表面上まではみ出して延
び、高反射層６９表面に接している。

【０１０２】この柱状構造６２は、基板６１の主面に垂
直で、側面が(１０−１０)ｍ面、上面(上部)がＣ面、底
面(高反射層６９表面上にはみ出して接している面)がＣ
面となっている六角柱状構造である。

【０１０３】そして、柱状構造６２の側面には、ｎ型Ａ
ｌＧａＮクラッド層６３，ＩｎＧａＮ活性層６４，ｐ型
ＡｌＧａＮクラッド層６５，ｐ型ＧａＮキャップ層６６
が例えばＭＯＣＶＤによって順次に積層されている。

【０１０４】そして、六角柱状構造６２の側面の一面の
ｐ型ＧａＮキャップ層６６の表面には、Ｎｉ／Ａｕから
なるｐ側電極６７が形成されている。なお、この電極６
７はストライプ形状をなしている。また、基板６１上に
積層されたｎ型ＧａＮ層７０上のＳｉＯ₂層６９の一部
には孔が開けられｎ型ＧａＮ層７０が露出しており、こ
の部分にＴｉ／Ａｌからなるｎ側電極６８が形成されて
いる。

【０１０５】この電極６７，６８に電流を注入すること
により、ＩｎＧａＮ活性層６４の発光領域が発光し、こ
の場合、Ｃ面で形成された六角柱状構造６２の上面と底
面とが共振器となって、レーザ発振し、光は基板６１の
表面と垂直の方向Ｒ₈に放出される。

【０１０６】図１２の構成例において、柱状構造６２
は、図１０，図１１と同様に、ＧａＮ層７０上に高反射
層６９を成膜した後、フォトリソグラフィーとフッ酸系
エッチャントによる化学エッチングにより、高反射層６
９に六角形の孔を開け、この孔により露出したＧａＮ層
７０上に、昇華法で、選択的にｎ型ＧａＮを結晶成長し
て形成することができる。この時の成長後の形状は、
(１０−１０)ｍ面で囲まれた六角柱となる。この六角柱
状構造６２は、Ｃ軸配向しており、基板面(基板６１の
表面)と垂直に成長するが、基板面と平行にも成長する
ため、柱状構造６２の下側は、高反射層６９のところで
くびれた構造になる。すなわち、六角柱状構造６２は、
高反射層６９に接して横方向にも成長する。この高反射
層６９に接する六角柱状構造６２の部分は、サファイア
基板６１の主面，すなわち(０００１)Ｃ面と平行になる
ので、六角柱状構造６２の(１０−１０)ｍ面上に積層さ
れる積層構造６３，６４，６５，６６の高反射層６９に
接する部分も(０００１)Ｃ面となる。

【０１０７】図１２の半導体発光素子では、図１０，図
１１の半導体発光素子において、誘電体膜(５９)が高反
射ミラーとして構成されているので、しきい電流値を下
げることができるなど、より特性の良いレーザを提供で
きる。また、従来、共振器面に反射鏡をコーティングす
る場合、素子作製のウェハプロセス終了後にウェハから
個々のチップを分離し、その後に反射膜を蒸着などによ
りコーティングしていたので、個々のチップを１チップ
ずつホルダーにマウントする手間がかかり、その分コス
トアップになっていたが、図１２の半導体発光素子で
は、反射膜をチップ分離する前のウェハプロセスで形成
することができるので、工程が簡略化され、低コストで
高反射ミラーを有するレーザを作製することができる。

【０１０８】また、図１３は本発明に係る半導体発光素
子の他の例を示す図である。図１３を参照すると、この
半導体発光素子は、図１２の半導体発光素子において、
柱状構造の上部にも高反射膜８１が形成されたものとな
っている。

【０１０９】より具体的に、図１３の半導体発光素子で
は、(０００１)Ｃ面を主面とするサファイア基板７１上
に、ｎ型のＧａＮ８０が積層され、その上にＴｉＯ₂／
ＳｉＯ₂多層膜からなる高反射層７９が積層されてい
る。

【０１１０】この高反射層７９の一部には、ｎ型ＧａＮ
層８０表面に到達する孔が形成され、その孔を通してｎ
型ＧａＮ層８０表面上にｎ型ＧａＮ柱状構造７２が形成
されている。

【０１１１】柱状構造７２の径は、高反射層７９に開け
られた孔の径以上であり、柱状構造７２の基板７１側の
底面の一部は、高反射層７９表面上まではみ出して延
び、高反射層７９表面に接している。

【０１１２】この柱状構造７２は、基板７１の主面に垂
直で、側面が(１０−１０)ｍ面、上面(上部)がＣ面、底
面(高反射層７９表面上にはみ出して接している面)がＣ
面となっている六角柱状構造である。

【０１１３】そして、柱状構造７２の側面には、ｎ型Ａ
ｌＧａＮクラッド層７３，ＩｎＧａＮ活性層７４，ｐ型
ＡｌＧａＮクラッド層７５，ｐ型ＧａＮキャップ層７６
が例えばＭＯＣＶＤによって順次に積層されている。

【０１１４】そして、六角柱状構造７２の側面の一面の
ｐ型ＧａＮキャップ層７６の表面には、Ｎｉ／Ａｕから
なるｐ側電極７７が形成されている。この電極７７はス
トライプ形状をなしている。また、基板７１上に積層さ
れたｎ型ＧａＮ層８０上の高反射層７９の一部には孔が
開けられてｎ型ＧａＮ層８０が露出しており、この部分
にＴｉ／Ａｌからなるｎ側電極７８が形成されている。
また、柱状構造７２の上面と積層構造７３，７４，７
５，７６の端面には、高反射膜８１が形成されている。

【０１１５】図１３の半導体発光素子では、電極７７，
７８に電流を注入することにより、ＩｎＧａＮ活性層７
４の発光領域が発光し、Ｃ面で形成された六角柱状構造
７２の上面と底面とが共振器となってレーザ発振し、光
は基板７１の表面と垂直の方向Ｒ₉に放出される。

【０１１６】図１３の構成例において、柱状構造７２
は、図１２の構成例と同様に、ＧａＮ層８０上に高反射
層７９を成膜した後、フォトリソグラフィーとフッ酸系
エッチャントによる化学エッチングにより、高反射層７
９に六角形の孔を開け、この孔により露出したＧａＮ層
８０上に、昇華法で、選択的にｎ型ＧａＮを結晶成長し
て形成することができる。

【０１１７】この時の成長後の形状は、(１０−１０)ｍ
面で囲まれた六角柱となる。この六角柱構造７２は、Ｃ
軸配向しており、基板面(基板７１の表面)と垂直に成長
するが、基板面と平行にも成長するため、柱状構造７２
の下側は、高反射層７９のところでくびれた構造にな
る。すなわち、六角柱構造７２は、高反射層７９に接し
て横方向にも成長する。この高反射層７９に接する六角
柱構造７２の部分は、サファイア基板７１の主面，すな
わち(０００１)Ｃ面と平行になるので、六角柱構造７２
の(１０−１０)ｍ面上に積層される積層構造７３，７
４，７５，７６の高反射層７９上に接する部分も(００
０１)Ｃ面となる。

【０１１８】図１３の半導体発光素子では、図１１，図
１２の半導体発光素子において、さらに、柱状構造の上
部にも、反射膜が形成されているので、さらにしきい電
流値を下げることができるなど、より特性の良いレーザ
を提供できる。

【０１１９】

【発明の効果】以上に説明したように、請求項１記載の
発明によれば、ＧａＮ系窒化物半導体の積層構造を有す
る半導体発光素子において、基板主面に垂直に(１０−
１０)ｍ面を側面とする六角柱状構造の全部あるいは一
部からなる柱状構造が形成され、該柱状構造の側面の全
部あるいは一部には、少なくとも一つのｐ−ｎ接合を含
むＧａＮ系窒化物半導体積層構造が積層され、ＧａＮ系
窒化物半導体積層構造に電流を注入することにより、基
板主面と垂直の方向に光を取り出すようになっており、
発光領域で発光した光は、柱状構造の導波路を導波して
外部に放出されるので、基板に平行に積層した積層構造
の面に対して垂直に光を取り出す従来の面発光素子に比
べて、その放射角を狭くすることができる。

【０１２０】また、請求項１記載の発明では、柱状構造
の側面である(１０−１０)ｍ面にＧａＮ系窒化物半導体
積層構造を結晶成長するので、サファイア基板などの格
子定数の大きく異なる基板との格子不整合や、熱膨張係
数の違いによる歪みの影響の少ない、界面の平坦な結晶
層を、発光領域として使用することができる。これによ
って、従来のように発光素子の性能を大きく損なうこと
がなく、特性の良い素子を作製することができる。ま
た、柱状構造の側面である(１０−１０)ｍ面にＧａＮ系
窒化物半導体積層構造を結晶成長することで、欠陥や歪
みによる発光素子の性能低下による歩留まりの低下を抑
えることができる。さらに、従来の面発光レーザのよう
に基板を研磨する必要もないので、デバイス作製途中で
の歩留まりの低下を抑えられる。

【０１２１】また、請求項２記載の発明によれば、請求
項１記載の半導体発光素子において、基板は、(０００
１)Ｃ面を主面とするサファイアであるとなっており、
(０００１)Ｃ面と(１０−１０)ｍ面とは垂直であるの
で、請求項１の効果に加え、サファイアａ面やＧａＡｓ
等の基板を使用するのに比べて、基板主面に垂直な(１
０−１０)ｍ面からなる側面を持つ柱状構造を容易に作
製することができ、基板主面に垂直方向に導波路構造を
有し、基板主面に垂直方向に光を放射することのできる
発光素子を容易に作製することができる。また、結晶成
長の方向がＣ軸方向であるため、この場合は選択成長に
よって、基板主面に垂直な(１０−１０)ｍ面からなる側
面を持つ柱状構造を容易に形成することも可能になる。
すなわち、ドライエッチング等の方法で六角状構造を形
成するのに比べ、素子作製工程が簡略化され、低コスト
で素子を作製することも可能となる。

【０１２２】また、請求項３記載の発明によれば、請求
項１記載の半導体発光素子において、基板は、(０００
１)Ｃ面を主面とするＧａＮ系窒化物半導体であるとな
っており、基板にＧａＮ系化合物半導体を使用すること
で、発光領域となる積層構造と基板との格子定数，熱膨
張係数等の諸物性を近いものにすることができ、基板に
サファイアなどの材料を使用する場合に比べ、基板と柱
状構造の格子定数差や熱膨張係数差によって結晶成長時
に発生する欠陥の導入が抑制される。従って、その側面
に積層される積層構造の結晶性もさらに向上し、さらに
素子の特性が良くなる。

【０１２３】さらに、請求項３記載の発明では、基板の
主面が、(０００１)Ｃ面となっており、(０００１)Ｃ面
と(１０−１０)ｍ面とは垂直であるので、サファイアａ
面やＧａＡｓ等の基板を使用するのに比べ、基板主面に
垂直な(１０−１０)ｍ面からなる側面をもつ柱状構造を
容易に作製することができ、基板主面に垂直方向に導波
路構造を有し、基板主面に垂直方向に光を放射すること
のできる発光素子を容易に作製することができる。ま
た、結晶成長方向がＣ軸であるため、この場合は選択成
長によって、基板主面に垂直な(１０−１０)ｍ面からな
る側面をもつ柱構造を容易に形成することも可能にな
る。また、基板に導電性のＧａＮ基板を使用することも
でき、基板に導電性のＧａＮ基板を使用する場合には、
基板裏面に電極を形成することが可能となることから、
モノリシック集積化したアレイ素子の共通電極を基板裏
面に形成できる。

【０１２４】また、請求項４記載の発明によれば、請求
項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光素
子において、基板上には、第１の導電型を有するＧａＮ
系窒化物半導体層が積層され、さらに、第１の導電型を
有するＧａＮ系窒化物半導体層上に誘電体膜が形成さ
れ、該誘電体膜の一部には、第１の導電型のＧａＮ系窒
化物半導体表面に到達する孔が形成され、この孔を通し
て第１の導電型のＧａＮ系窒化物半導体層表面上に柱状
構造が形成されており、この場合、柱状構造の導電型は
第１の導電型であり、柱状構造の基板側の底面の一部
が、誘電体膜表面にはみ出して形成されており、この六
角柱状構造の誘電体膜上のはみ出した部分は、基板との
格子定数差や熱膨張係数差によって導入される歪みや欠
陥の影響を受けにくいので、柱状構造の結晶性を向上さ
せることができる。これにより、柱状構造の側面である
(１０−１０)ｍ面上に積層される発光領域となる積層構
造も基板との格子定数差や熱膨張係数差によって導入さ
れる歪みや欠陥の影響の少ない高品質な結晶性となるこ
とから、発光効率や寿命などの特性の優れた発光素子が
形成できる。

【０１２５】また、柱状構造の誘電体膜上にはみ出した
部分の誘電体膜表面に接している部分は、誘電体膜表面
の形状を反映して形成されており、誘電体膜表面が基板
主面に平行で平坦であれば、柱状構造の底面も基板主面
に平行で平坦となり、また、柱状構造の側面である(１
０−１０)ｍ面上に積層される発光領域となる積層構造
の誘電体膜表面に接している部分についても、基板主面
に平行で平坦となる底面が形成されることになり、この
面をレーザの共振器面の一端の面として使用することが
可能となる。従って、レーザ等の端面発光型発光素子の
光出射端面の一端を、劈開やドライエッチングなどの手
段を使用せずに結晶成長の段階で形成することができ
て、光出射端面の一端を形成する工程が不要となり、そ
の分、コストが抑えられ、かつ工程途中での歩留まりの
低下を抑えることができる。

【０１２６】また、請求項５記載の発明によれば、請求
項４記載の半導体発光素子において、柱状構造は、底部
と上部とがＣ面で構成されているので、上面および底面
がＣ面の共振器を形成できる。

【０１２７】また、請求項６記載の発明によれば、請求
項４記載の半導体発光素子において、誘電体膜が高反射
ミラーとして構成されているので、しきい電流値を下げ
ることができるなど、より特性の良いレーザを提供でき
る。また、従来、共振器面に反射鏡をコーティングする
場合、素子作製のウェハプロセス終了後にウェハから個
々のチップを分離し、その後に反射膜を蒸着などにより
コーティングしていたので、個々のチップを１チップず
つホルダーにマウントする手間がかかり、その分コスト
アップになっていたが、請求項６の発明では、反射膜を
チップ分離する前のウェハプロセスで形成することがで
きるので、工程が簡略化され、低コストで高反射ミラー
を有するレーザを作製することができる。

【０１２８】また、請求項７記載の発明によれば、請求
項４記載の半導体発光素子において、柱状構造の上部に
は、さらに、反射膜が形成されているので、さらにしき
い電流値を下げることができるなど、より特性の良いレ
ーザを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体発光素子の一例を示す斜視
図である。

【図２】図１のＡ−Ａ’線における断面図である。

【図３】本発明に係る半導体発光素子の他の例を示す斜
視図である。

【図４】図３のＡ−Ａ’における断面図である。

【図５】本発明に係る半導体発光素子を用いるアレイ素
子の斜視図である。

【図６】図５のアレイ素子を構成する個々の半導体発光
素子の斜視図である。

【図７】図６のＡ−Ａ’線における断面図である。

【図８】本発明に係る半導体発光素子の他の例を示す斜
視図である。

【図９】図８のＡ−Ａ’線における断面図である。

【図１０】本発明に係る半導体発光素子の他の例を示す
斜視図である。

【図１１】図１０のＡ−Ａ’線における断面図である。

【図１２】本発明に係る半導体発光素子の他の例を示す
断面図である。

【図１３】本発明に係る半導体発光素子の他の例を示す
断面図である。

【図１４】従来のＩｎＡｌＧａＮ系化合物半導体を用い
たＬＥＤの断面図である。

【図１５】従来の端面発光型レーザーダイオードの斜視
図である。

【図１６】従来の面発光レーザーダイオードの斜視図で
ある。

【図１７】従来の面発光レーザーダイオードの斜視図で
ある。

【符号の説明】

１１サファイア基板１２，２２，３２，４２，５２，６２，７２ｎ型Ｇ
ａＮの柱状構造１３，２３，３３，４３，５３，６３，７３ｎ型Ａ
ｌＧａＮクラッド層１４，２４，３４，４４，５４，６４，７４ＩｎＧ
ａＮ活性層１５，２５，３５，４５，５５，６５，７５ｐ型Ａ
ｌＧａＮクラッド層１６，２６，３６，４６，５６，６６，７６ｐ型Ｇ
ａＮキャップ層１７，２７，３７，４７，５７，６７，７７Ｎｉ／
Ａｕからなるｐ側電極１８，２８，３８，４８，５８，６８，７８Ｔｉ／
Ａｌからなるｎ側電極２１，４１，５１，６１，７１サファイア(０００
１)基板２９，３９，４９，５９ＳｉＯ₂層３１ｎ型ＧａＮ(０００
１)基板５０，６０，７０，８０ｎ型のＧａＮ層６９，７９ＴｉＯ₂／ＳｉＯ₂多
層膜からなる高反射層８１反射膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＧａＮ系窒化物半導体の積層構造を有す
る半導体発光素子において、基板主面上に、(１０−１
０)ｍ面を側面とする六角柱状構造の全部あるいは一部
からなる柱状構造が、基板主面と垂直に形成され、該柱
状構造の側面の全部あるいは一部には、少なくとも一つ
のｐ−ｎ接合を含むＧａＮ系窒化物半導体積層構造が積
層され、ＧａＮ系窒化物半導体積層構造に電流を注入す
ることにより、基板主面と垂直の方向に光が取り出され
ることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】請求項１記載の半導体発光素子におい
て、前記基板は、(０００１)Ｃ面を主面とするサファイ
アであることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】請求項１記載の半導体発光素子におい
て、前記基板は、(０００１)Ｃ面を主面とするＧａＮ系
窒化物半導体であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項４】請求項１乃至請求項３のいずれか一項に
記載の半導体発光素子において、基板上には、第１の導
電型を有するＧａＮ系窒化物半導体層が積層され、さら
に、第１の導電型を有するＧａＮ系窒化物半導体層上に
誘電体膜が形成され、該誘電体膜の一部には、第１の導
電型のＧａＮ系窒化物半導体層の表面に到達する孔が形
成され、この孔を通して第１の導電型のＧａＮ系窒化物
半導体層の表面に前記柱状構造が形成されており、この
場合、柱状構造の導電型は第１の導電型であり、柱状構
造の基板側の底面の一部が、前記誘電体膜表面にはみ出
して接していることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項５】請求項４記載の半導体発光素子におい
て、前記柱状構造は、底部と上部とがＣ面で構成されて
いることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項６】請求項４記載の半導体発光素子におい
て、前記誘電体膜は、高反射ミラーとして構成されてい
ることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項７】請求項４記載の半導体発光素子におい
て、前記柱状構造の上部には、さらに、反射膜が形成さ
れていることを特徴とする半導体発光素子。