JPH1174559A - 半導体発光素子および露光装置 - Google Patents
半導体発光素子および露光装置Info
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- JPH1174559A JPH1174559A JP23218097A JP23218097A JPH1174559A JP H1174559 A JPH1174559 A JP H1174559A JP 23218097 A JP23218097 A JP 23218097A JP 23218097 A JP23218097 A JP 23218097A JP H1174559 A JPH1174559 A JP H1174559A
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/0004—Devices characterised by their operation
- H01L33/0045—Devices characterised by their operation the devices being superluminescent diodes
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 半導体発光素子において、青色もしくは緑色
の光ビームを小さいスポット径でかつ小さい放射角で発
光可能とする。 【解決手段】 基板１上に、活性層７をクラッド層６、
８で挟むダブルヘテロ構造を含むInGaN 系の半導体層を
順次形成し、リッジ形状を有する屈折率導波型のストラ
イプ構造の半導体発光素子とする。素子の劈開面は反射
面とし、半導体層構成および屈折率導波型の光導波機構
と劈開面である両光出射端面の反射機構とからなる光反
射構造を形成する。
の光ビームを小さいスポット径でかつ小さい放射角で発
光可能とする。 【解決手段】 基板１上に、活性層７をクラッド層６、
８で挟むダブルヘテロ構造を含むInGaN 系の半導体層を
順次形成し、リッジ形状を有する屈折率導波型のストラ
イプ構造の半導体発光素子とする。素子の劈開面は反射
面とし、半導体層構成および屈折率導波型の光導波機構
と劈開面である両光出射端面の反射機構とからなる光反
射構造を形成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体発光素子の
構造に関し、特に詳しくは、緑色もしくは青色の光ビー
ムを出力する半導体発光素子に関するものである。
構造に関し、特に詳しくは、緑色もしくは青色の光ビー
ムを出力する半導体発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の銀塩写真のデジタルプリント装置
においては、光源としてレーザ光を用いており、レーザ
光を光源としているために、ポリゴンミラー等を用いた
高速の光ビーム走査露光が可能となり、高速にプリント
を出力でき、また、走査にドラム等の高速の紙送りを用
いる必要がなく連続紙による供給などの簡便な紙送りが
可能である。
においては、光源としてレーザ光を用いており、レーザ
光を光源としているために、ポリゴンミラー等を用いた
高速の光ビーム走査露光が可能となり、高速にプリント
を出力でき、また、走査にドラム等の高速の紙送りを用
いる必要がなく連続紙による供給などの簡便な紙送りが
可能である。
【０００３】デジタルプリント装置の光源としては、Ｒ
ＧＢの三原色にて発光するレーザ光源を用いることが理
想であり、従来レーザ光源としては、ガスレーザが主に
用いられてきたが、サイズが大きい、特殊な電源を必要
とする、信頼性が高くないなど汎用の装置の光源として
採用するには難があった。最近、本出願人は、赤色光源
として半導体レーザを、青、緑色光源としては第二高調
波を発生させる半導体レーザ励起固体レーザを備えたデ
ジタルプリント装置「Frontier」を製品化した。該プリ
ント装置においては、青および緑色の光源として半導体
レーザ励起固体レーザを用いることにより、小型・高品
位のレーザ光を比較的安価に提供することができるよう
になり、また、初段の電気−光変換は半導体レーザであ
るため信頼性も向上した。さらに、特性が最も安定であ
り、最も安価である三原色に感度を会わせた通常のカラ
ーペーパーを用いることができる。
ＧＢの三原色にて発光するレーザ光源を用いることが理
想であり、従来レーザ光源としては、ガスレーザが主に
用いられてきたが、サイズが大きい、特殊な電源を必要
とする、信頼性が高くないなど汎用の装置の光源として
採用するには難があった。最近、本出願人は、赤色光源
として半導体レーザを、青、緑色光源としては第二高調
波を発生させる半導体レーザ励起固体レーザを備えたデ
ジタルプリント装置「Frontier」を製品化した。該プリ
ント装置においては、青および緑色の光源として半導体
レーザ励起固体レーザを用いることにより、小型・高品
位のレーザ光を比較的安価に提供することができるよう
になり、また、初段の電気−光変換は半導体レーザであ
るため信頼性も向上した。さらに、特性が最も安定であ
り、最も安価である三原色に感度を会わせた通常のカラ
ーペーパーを用いることができる。
【０００４】しかしながら、これらの装置のさらなるコ
ストダウンにはキーデバイスであるレーザ光源のコスト
ダウンが必須である。赤色半導体レーザは高密度光磁気
ディスクやＤＶＤ（Digital Video Disk）用光源として
低価格化が進んでおり問題ないが、青および緑色につい
ては実用可能の半導体レーザが得られる見通しがないた
め、現状の固体レーザでは部品および組立コストが壁と
なって半導体レーザのような低価格化は装置の構成上困
難である。
ストダウンにはキーデバイスであるレーザ光源のコスト
ダウンが必須である。赤色半導体レーザは高密度光磁気
ディスクやＤＶＤ（Digital Video Disk）用光源として
低価格化が進んでおり問題ないが、青および緑色につい
ては実用可能の半導体レーザが得られる見通しがないた
め、現状の固体レーザでは部品および組立コストが壁と
なって半導体レーザのような低価格化は装置の構成上困
難である。
【０００５】一方、より長波長帯域の半導体レーザとＣ
ＭＹ（Cyan, Magenta, Yellow ）発色をする感材とを用
いて比較的安価なプリント装置が実現されている（例え
ば、富士フイルム製ピクトグラフィー）。このような装
置においては、市販の半導体レーザ（例えば、810nm ,
750nm , 680nm ）を用いることができるため、上記固体
レーザを用いた場合より装置を安価に構成することがで
きる。
ＭＹ（Cyan, Magenta, Yellow ）発色をする感材とを用
いて比較的安価なプリント装置が実現されている（例え
ば、富士フイルム製ピクトグラフィー）。このような装
置においては、市販の半導体レーザ（例えば、810nm ,
750nm , 680nm ）を用いることができるため、上記固体
レーザを用いた場合より装置を安価に構成することがで
きる。
【０００６】しかしながら、市販の半導体レーザを用い
るために、感光材料として半導体レーザの波長に合わせ
た特別のもの、すなわち、通常より長波長側へ感度をシ
フトさせたものを用意する必要があるため材料費が高く
なり運転費やプリントコストが高くなるという問題があ
る。
るために、感光材料として半導体レーザの波長に合わせ
た特別のもの、すなわち、通常より長波長側へ感度をシ
フトさせたものを用意する必要があるため材料費が高く
なり運転費やプリントコストが高くなるという問題があ
る。
【０００７】一方、従来の発光ダイオード（ＬＥＤ）に
おいて、青および緑の高輝度のＬＥＤ光源がInGaN 系の
材料を用いて実現されている（「The Blue Diode」,S.N
akamura and G.Fasol,Springer,Berlin,1997）。これら
は、他の赤色などのＬＥＤと同様に数百μｍ角程度の発
光面を有し、光は発散光である。従って、高精細なプリ
ンタを構成するために、これらの光源を用いて数十μｍ
径のスポットを形成しようとする場合、放射光を有限な
大きさのレンズ等により集光するため、集光された光の
光量は極めて小さいものとなる、また、1/2 〜1/10程度
の縮小光学系により結像するためレンズと光源との距離
が相対的に離れてしまい更に結合効率が低下する、とい
う問題がある。
おいて、青および緑の高輝度のＬＥＤ光源がInGaN 系の
材料を用いて実現されている（「The Blue Diode」,S.N
akamura and G.Fasol,Springer,Berlin,1997）。これら
は、他の赤色などのＬＥＤと同様に数百μｍ角程度の発
光面を有し、光は発散光である。従って、高精細なプリ
ンタを構成するために、これらの光源を用いて数十μｍ
径のスポットを形成しようとする場合、放射光を有限な
大きさのレンズ等により集光するため、集光された光の
光量は極めて小さいものとなる、また、1/2 〜1/10程度
の縮小光学系により結像するためレンズと光源との距離
が相対的に離れてしまい更に結合効率が低下する、とい
う問題がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の事情に
鑑み、通常の可視光露光用の感材を用いる露光装置に使
用可能の青色、緑色の光ビームを小さいスポット径でか
つ小さい放射角で発光し、かつ安価に作製することがで
きる半導体発光素子およびこの半導体発光素子を採用し
た露光装置を提供することを目的とするものである。
鑑み、通常の可視光露光用の感材を用いる露光装置に使
用可能の青色、緑色の光ビームを小さいスポット径でか
つ小さい放射角で発光し、かつ安価に作製することがで
きる半導体発光素子およびこの半導体発光素子を採用し
た露光装置を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の第一の半導体発
光素子は、光導波機構を有し、発光端面に反射鏡が形成
されている、ストライプ構造の半導体発光素子であっ
て、前記光導波機構により制限された発光領域から、緑
色もしくは４５０ｎｍ以上の波長を有する青色の光ビー
ムをスーパーラディアンスにより発光することを特徴と
するものである。
光素子は、光導波機構を有し、発光端面に反射鏡が形成
されている、ストライプ構造の半導体発光素子であっ
て、前記光導波機構により制限された発光領域から、緑
色もしくは４５０ｎｍ以上の波長を有する青色の光ビー
ムをスーパーラディアンスにより発光することを特徴と
するものである。
【００１０】また、本発明の第二の半導体発光素子は、
面発光型の半導体発光素子であって、活性層を挟む上下
層にブラッグ反射機構を備え、前記ブラッグ反射機構に
よる光の量子閉じ込め効果により制限された発光パター
ンで緑色もしくは青色の光ビームをスーパーラディアン
スにより発光することを特徴とするものである。
面発光型の半導体発光素子であって、活性層を挟む上下
層にブラッグ反射機構を備え、前記ブラッグ反射機構に
よる光の量子閉じ込め効果により制限された発光パター
ンで緑色もしくは青色の光ビームをスーパーラディアン
スにより発光することを特徴とするものである。
【００１１】ここで、前記「スーパーラディアンスによ
り発光する」とは、素子の反射型構造により誘導放出を
行うが、レーザ発振ではない発光を行うことをいう。
り発光する」とは、素子の反射型構造により誘導放出を
行うが、レーザ発振ではない発光を行うことをいう。
【００１２】また、本発明の第三の半導体発光素子は、
面発光型の半導体発光素子であって、発光端面の一部に
レンズが形成され、前記発光端面の前記レンズ以外の部
分が遮光部材に覆われており、前記レンズから緑色もし
くは青色の光ビームを発光することを特徴とするもので
ある。
面発光型の半導体発光素子であって、発光端面の一部に
レンズが形成され、前記発光端面の前記レンズ以外の部
分が遮光部材に覆われており、前記レンズから緑色もし
くは青色の光ビームを発光することを特徴とするもので
ある。
【００１３】なお、前記各半導体発光素子は、InGaN 系
の半導体により好適に形成される。
の半導体により好適に形成される。
【００１４】本発明の露光装置は、赤色の半導体発光素
子と、上述の本発明青色の光ビームを発光する半導体発
光素子および緑色の光ビームを発光する半導体発光素子
とからなる光源と、走査光学系とを備えたことを特徴と
するものである。
子と、上述の本発明青色の光ビームを発光する半導体発
光素子および緑色の光ビームを発光する半導体発光素子
とからなる光源と、走査光学系とを備えたことを特徴と
するものである。
【００１５】
【発明の効果】本発明の第一の半導体発光素子は、発光
領域が光導波機構およびストライプ構造によって制限さ
れているため、微小発光径でかつ放射角度の狭い緑色も
しくは青色の光ビームを出力することができる。
領域が光導波機構およびストライプ構造によって制限さ
れているため、微小発光径でかつ放射角度の狭い緑色も
しくは青色の光ビームを出力することができる。
【００１６】本発明の第二の半導体発光素子は、ブラッ
グ反射（ＤＢＲ）機構を備えたことにより、光の量子閉
じ込め効果によって発光パターンを制限することがで
き、微小発光径でかつ光の放射角度の狭い緑色もしくは
青色の光ビームを出力することができる。
グ反射（ＤＢＲ）機構を備えたことにより、光の量子閉
じ込め効果によって発光パターンを制限することがで
き、微小発光径でかつ光の放射角度の狭い緑色もしくは
青色の光ビームを出力することができる。
【００１７】本発明の第三の半導体発光素子は、一般的
な面発光ダイオード（ＬＥＤ）において発光端面の一部
にレンズが形成され、それ以外の部分を遮光部材で覆わ
れたものであり、遮光部材により発光領域が制限され、
レンズにより微小発光径でかつ放射角度の狭い緑色もし
くは青色の光ビームを出力することができる。
な面発光ダイオード（ＬＥＤ）において発光端面の一部
にレンズが形成され、それ以外の部分を遮光部材で覆わ
れたものであり、遮光部材により発光領域が制限され、
レンズにより微小発光径でかつ放射角度の狭い緑色もし
くは青色の光ビームを出力することができる。
【００１８】本発明の露光装置は、赤色半導体発光素子
と、上述の本発明による緑色半導体発光素子および青色
半導体発光素子とからなる光源を備えることにより、安
価に構成することができ、また、本発明の半導体発光素
子から発光される緑色および青色の光ビームは、微小発
光径でかつ放射角度の狭いものであるため、従来のレー
ザ光および第二高調波を用いていた露光装置と同様に高
速かつ高品位なものとすることができる。
と、上述の本発明による緑色半導体発光素子および青色
半導体発光素子とからなる光源を備えることにより、安
価に構成することができ、また、本発明の半導体発光素
子から発光される緑色および青色の光ビームは、微小発
光径でかつ放射角度の狭いものであるため、従来のレー
ザ光および第二高調波を用いていた露光装置と同様に高
速かつ高品位なものとすることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態を説明する。
の形態を説明する。
【００２０】図１は、本発明に係る第一の実施形態のIn
GaN 系青色半導体発光素子の断面模式図を示す。図１に
示すように、本実施形態に係る半導体発光素子は、一般
のストライプ型半導体レーザの構造と同様の、活性層７
をクラッド層６、８で挟むダブルヘテロ構造であり、光
の閉じ込めのためストライプ状の電流注入窓12が設けら
れたものである。また、素子の劈開面は反射面とされ
て、光反射構造が形成されている。本素子はレーザ発振
しないが、層構成およびリッジ型屈折率導波構造からな
る光導波構造と両光出射端面の反射によって形成される
光反射構造により、いわゆるスーパーラディアンス（Su
per Radiance）にて発光する。なお、本実施形態の半導
体発光素子は、470nm 帯域の青色光ビームを発光するも
のである。
GaN 系青色半導体発光素子の断面模式図を示す。図１に
示すように、本実施形態に係る半導体発光素子は、一般
のストライプ型半導体レーザの構造と同様の、活性層７
をクラッド層６、８で挟むダブルヘテロ構造であり、光
の閉じ込めのためストライプ状の電流注入窓12が設けら
れたものである。また、素子の劈開面は反射面とされ
て、光反射構造が形成されている。本素子はレーザ発振
しないが、層構成およびリッジ型屈折率導波構造からな
る光導波構造と両光出射端面の反射によって形成される
光反射構造により、いわゆるスーパーラディアンス（Su
per Radiance）にて発光する。なお、本実施形態の半導
体発光素子は、470nm 帯域の青色光ビームを発光するも
のである。
【００２１】以下、本半導体発光素子の層構成を作製方
法と併せて簡単に説明する。サファイアｃ面基板１上に
ＭＯＣＶＤ法を用いて、n-GaN 低温バッファ層２、n-Ga
N バッファ層３（Siドープ、５μｍ）、n-In0.05Ga0.95
N バッファ層４（Siドープ、0.1 μｍ）、n-Al0.1Ga0.9
N クラッド層５（Siドープ、0.5 μｍ）、n-GaN 光ガイ
ド層６（Siドープ、0.1 μｍ）、アンドープ活性層７、
p-GaN 光ガイド層８（Mgドープ、0.1 μｍ）、p-Al0.1G
a0.9N クラッド層９（Mgドープ、0.5 μｍ）およびp-Ga
N キャップ層10（Mgドープ、0.3 μｍ）を順次成長す
る。その後、窒素ガス雰囲気中で熱処理によりｐ型不純
物を活性化する。なお、活性層７は、アンドープln0.05
Ga0.95N （10ｎｍ）、アンドープIn0.28Ga0.72N 量子井
戸層（３ｎｍ）、アンドープIn0.05Ga0.95N（5ｎｍ）、
アンドープIn0.28Ga0.72N 量子井戸層（３ｎｍ）、アン
ドープln0.05Ga0.95N （10ｎｍ）アンドープAl0.1Ga0.9
N（10ｎｍ）からなる二重量子井戸構造とする。
法と併せて簡単に説明する。サファイアｃ面基板１上に
ＭＯＣＶＤ法を用いて、n-GaN 低温バッファ層２、n-Ga
N バッファ層３（Siドープ、５μｍ）、n-In0.05Ga0.95
N バッファ層４（Siドープ、0.1 μｍ）、n-Al0.1Ga0.9
N クラッド層５（Siドープ、0.5 μｍ）、n-GaN 光ガイ
ド層６（Siドープ、0.1 μｍ）、アンドープ活性層７、
p-GaN 光ガイド層８（Mgドープ、0.1 μｍ）、p-Al0.1G
a0.9N クラッド層９（Mgドープ、0.5 μｍ）およびp-Ga
N キャップ層10（Mgドープ、0.3 μｍ）を順次成長す
る。その後、窒素ガス雰囲気中で熱処理によりｐ型不純
物を活性化する。なお、活性層７は、アンドープln0.05
Ga0.95N （10ｎｍ）、アンドープIn0.28Ga0.72N 量子井
戸層（３ｎｍ）、アンドープIn0.05Ga0.95N（5ｎｍ）、
アンドープIn0.28Ga0.72N 量子井戸層（３ｎｍ）、アン
ドープln0.05Ga0.95N （10ｎｍ）アンドープAl0.1Ga0.9
N（10ｎｍ）からなる二重量子井戸構造とする。
【００２２】次に、フォトリソグラフィとエッチングに
より６μｍ幅のリッジストライプを形成するため、リッ
ジストライプ部以外のエピタキシャル層をキャップ層10
からクラッド層９の途中まで塩素イオンを用いたＲＩＢ
Ｅ（reactive ion beam etching ）により除去する。次
に、リッジストライプ部上部を含む露出面上にSiN 膜14
をプラズマＣＶＤで製膜した後、更にフォトリソグラフ
ィと塩素を用いたＲＩＢＥにより、ｎ側電極を形成する
ためにリッジストライプ部を含む発光領域部以外のエピ
タキシャル層をn-GaN バッファ層３が露出するまでエッ
チング除去する。なお、この際に共振器端面を形成す
る。その後、リッジ部上面のSiN 膜14に電流注入のため
のストライプ状窓12（幅10μｍ）を作製し、該ストライ
プ窓12を覆うようにｐ側電極13としてTi/Al/Ti/Au を、
またn-GaN バッファ層３の露出部にｎ側電極11としてNi
/Au を真空蒸着した後、窒素中でアニールしてオーミッ
ク電極を形成する。
より６μｍ幅のリッジストライプを形成するため、リッ
ジストライプ部以外のエピタキシャル層をキャップ層10
からクラッド層９の途中まで塩素イオンを用いたＲＩＢ
Ｅ（reactive ion beam etching ）により除去する。次
に、リッジストライプ部上部を含む露出面上にSiN 膜14
をプラズマＣＶＤで製膜した後、更にフォトリソグラフ
ィと塩素を用いたＲＩＢＥにより、ｎ側電極を形成する
ためにリッジストライプ部を含む発光領域部以外のエピ
タキシャル層をn-GaN バッファ層３が露出するまでエッ
チング除去する。なお、この際に共振器端面を形成す
る。その後、リッジ部上面のSiN 膜14に電流注入のため
のストライプ状窓12（幅10μｍ）を作製し、該ストライ
プ窓12を覆うようにｐ側電極13としてTi/Al/Ti/Au を、
またn-GaN バッファ層３の露出部にｎ側電極11としてNi
/Au を真空蒸着した後、窒素中でアニールしてオーミッ
ク電極を形成する。
【００２３】上記のようにして作製された半導体発光素
子は発光スポット径としては６μｍ×１μｍ程度、放射
ビーム角度としては４０度程度の狭いものが得られる。
このスポット径および放射ビーム角度は通常の発光ダイ
オード（ＬＥＤ）と比べると極めて小さく、プリンタの
露光光学系への光の結合効率は従来のＬＥＤを光源とし
て用いた場合と比べて１〜２桁以上改善する。従来のＬ
ＥＤでは通常発光スポット径が３００μｍ程度以上であ
るため、プリンタにおいて必要とされる高精細な特性を
実現するためには５０μｍ以下程度となるように縮小す
るための光学系が必要であったが、微小スポット径の本
半導体発光素子ではこのような光学系は必要がないため
口径の大きな明るいレンズをより近づけて使用すること
が可能となり、光学系への結合効率を更に改善すること
ができる。なお、上記実施の形態においては光出射端面
には光学的コーティングを施していないが、Super Radi
anceは反射率依存性が大きいのでこれを制御する目的や
前後の端面の光出射強度を制御する目的などで端面反射
率を制御する各種光学コーティングを施すことができ
る。各層の組成や厚みは光導波条件を満たす範囲におい
て適宜選択できる。
子は発光スポット径としては６μｍ×１μｍ程度、放射
ビーム角度としては４０度程度の狭いものが得られる。
このスポット径および放射ビーム角度は通常の発光ダイ
オード（ＬＥＤ）と比べると極めて小さく、プリンタの
露光光学系への光の結合効率は従来のＬＥＤを光源とし
て用いた場合と比べて１〜２桁以上改善する。従来のＬ
ＥＤでは通常発光スポット径が３００μｍ程度以上であ
るため、プリンタにおいて必要とされる高精細な特性を
実現するためには５０μｍ以下程度となるように縮小す
るための光学系が必要であったが、微小スポット径の本
半導体発光素子ではこのような光学系は必要がないため
口径の大きな明るいレンズをより近づけて使用すること
が可能となり、光学系への結合効率を更に改善すること
ができる。なお、上記実施の形態においては光出射端面
には光学的コーティングを施していないが、Super Radi
anceは反射率依存性が大きいのでこれを制御する目的や
前後の端面の光出射強度を制御する目的などで端面反射
率を制御する各種光学コーティングを施すことができ
る。各層の組成や厚みは光導波条件を満たす範囲におい
て適宜選択できる。
【００２４】なお、上述の実施形態においては、470nm
の青色光ビームを発光する素子としたが、InGaN 量子井
戸層のIn組成を変化させることによって発光波長を制御
することができ、470nm 以外の青色波長や、緑色波長の
素子も実現できる。
の青色光ビームを発光する素子としたが、InGaN 量子井
戸層のIn組成を変化させることによって発光波長を制御
することができ、470nm 以外の青色波長や、緑色波長の
素子も実現できる。
【００２５】本発明に係る第二の実施形態の半導体発光
素子の断面模式図を図２に示す。
素子の断面模式図を図２に示す。
【００２６】本実施形態の半導体発光素子の層構成およ
び作製方法は上記第一の実施形態の半導体発光素子とほ
ぼ同様であり、同等の層には同符号を付し詳細な説明を
省略する。本半導体発光素子は、基板として導電性の6H
-SiC基板21が用いられ、ｎ側電極11が基板21の裏面に形
成された構成である。このようなストライプ型構造の発
光素子においても、微小発光スポットで狭放射角で光ビ
ームを発光することができる。
び作製方法は上記第一の実施形態の半導体発光素子とほ
ぼ同様であり、同等の層には同符号を付し詳細な説明を
省略する。本半導体発光素子は、基板として導電性の6H
-SiC基板21が用いられ、ｎ側電極11が基板21の裏面に形
成された構成である。このようなストライプ型構造の発
光素子においても、微小発光スポットで狭放射角で光ビ
ームを発光することができる。
【００２７】本発明に係る第三の実施形態のInGaN 系青
色半導体発光素子の断面模式図を図３に示す。
色半導体発光素子の断面模式図を図３に示す。
【００２８】本実施形態に係る半導体発光素子は、活性
層を挟んで上下に設けられたＤＢＲ多層反射鏡を有す
る、ＤＢＲレーザ（distributed Bragg-reflectionレー
ザ）と同様の構造を備え、このＤＢＲ多層反射鏡による
光閉じ込めの効果により光の量子化を行い発光パターン
を制御するものである。本素子においても上記第一の実
施形態と同様に、レーザ発振はしないがＤＢＲ多層反射
鏡によって形成される光反射構造によりいわゆるスーパ
ーラディアンスにて発光する。なお、本実施形態の半導
体発光素子は、450nm 帯域の青色光ビームを発光するも
のである。
層を挟んで上下に設けられたＤＢＲ多層反射鏡を有す
る、ＤＢＲレーザ（distributed Bragg-reflectionレー
ザ）と同様の構造を備え、このＤＢＲ多層反射鏡による
光閉じ込めの効果により光の量子化を行い発光パターン
を制御するものである。本素子においても上記第一の実
施形態と同様に、レーザ発振はしないがＤＢＲ多層反射
鏡によって形成される光反射構造によりいわゆるスーパ
ーラディアンスにて発光する。なお、本実施形態の半導
体発光素子は、450nm 帯域の青色光ビームを発光するも
のである。
【００２９】本半導体発光素子の作製方法を簡単に説明
する。ｎ型の導電性を有する6H-SiC基板61上にＭＯＣＶ
Ｄ法を用いて、n-GaN 低温バッファ層62、n-GaN バッフ
ァ層63（Siドープ、５μｍ）、ｎ型ＤＢＲ多層反射鏡64
（Siドープ）、n-GaN 層65（Siドープ、0.09μｍ）、ア
ンドープIn0.25Ga0.75N 量子井戸活性層66（２ｎｍ）、
p-Al0.2Ga0.8N 障壁層67（Mgドープ、20ｎｍ）、p-GaN
層68（Mgドープ、0.09μｍ）、ｐ型ＤＢＲ多層反射鏡69
（Mgドープ）、p-GaN キャップ層70（Mgドープ、0.2 μ
ｍ）を成長する。その後窒素ガス雰囲気中で熱処理によ
りｐ型不純物を活性化する。この後、キャップ層70上に
ｐ側電極71を形成するが、少なくとも光を取り出す100
μｍ径の円形状の部分を除いて形成する。ｎ側電極72を
形成して熱処理後、発光部に反射防止膜73をコーティン
グする。ｎ型ＤＢＲ多層反射鏡64はn-Al0.1Ga0.9N 64a
（Siドープ、λ／４相当厚み、45ｎｍ）、n-GaN 64b（S
iドープ、λ／４相当厚み、46ｎｍ）を40.5周期積層す
る。ｐ型ＤＢＲ多層反射鏡69は同様にp-Al0.1Ga0.9N 69
a （Mgドープ、λ／４相当厚み、45ｎｍ）、n-GaN 69b
（Mgドープ、λ／４相当厚み、46ｎｍ）を20.5周期積層
する。本実施形態において作製された半導体発光素子は
450nm の発光波長を有し、微小共振器の効果により光の
放射パターンの急峻化が図られている。
する。ｎ型の導電性を有する6H-SiC基板61上にＭＯＣＶ
Ｄ法を用いて、n-GaN 低温バッファ層62、n-GaN バッフ
ァ層63（Siドープ、５μｍ）、ｎ型ＤＢＲ多層反射鏡64
（Siドープ）、n-GaN 層65（Siドープ、0.09μｍ）、ア
ンドープIn0.25Ga0.75N 量子井戸活性層66（２ｎｍ）、
p-Al0.2Ga0.8N 障壁層67（Mgドープ、20ｎｍ）、p-GaN
層68（Mgドープ、0.09μｍ）、ｐ型ＤＢＲ多層反射鏡69
（Mgドープ）、p-GaN キャップ層70（Mgドープ、0.2 μ
ｍ）を成長する。その後窒素ガス雰囲気中で熱処理によ
りｐ型不純物を活性化する。この後、キャップ層70上に
ｐ側電極71を形成するが、少なくとも光を取り出す100
μｍ径の円形状の部分を除いて形成する。ｎ側電極72を
形成して熱処理後、発光部に反射防止膜73をコーティン
グする。ｎ型ＤＢＲ多層反射鏡64はn-Al0.1Ga0.9N 64a
（Siドープ、λ／４相当厚み、45ｎｍ）、n-GaN 64b（S
iドープ、λ／４相当厚み、46ｎｍ）を40.5周期積層す
る。ｐ型ＤＢＲ多層反射鏡69は同様にp-Al0.1Ga0.9N 69
a （Mgドープ、λ／４相当厚み、45ｎｍ）、n-GaN 69b
（Mgドープ、λ／４相当厚み、46ｎｍ）を20.5周期積層
する。本実施形態において作製された半導体発光素子は
450nm の発光波長を有し、微小共振器の効果により光の
放射パターンの急峻化が図られている。
【００３０】図４は、本発明に係る第四の実施形態のIn
GaN 系青色半導体発光素子の断面模式図を示す。上記第
三の実施形態と同様にＤＢＲ多層反射鏡を有する構成で
あるが、本実施の形態においては、上部ＤＢＲ層を発光
領域にのみ設けることにより、発光パターンの制御を行
っている。
GaN 系青色半導体発光素子の断面模式図を示す。上記第
三の実施形態と同様にＤＢＲ多層反射鏡を有する構成で
あるが、本実施の形態においては、上部ＤＢＲ層を発光
領域にのみ設けることにより、発光パターンの制御を行
っている。
【００３１】本半導体発光素子の層構成を作製方法と併
せて簡単に説明する。ｎ型の導電性を有する6H-SiC基板
81上にＭＯＣＶＤ法を用いて、n-GaN 低温バッファ層8
2、n-GaN バッファ層83（Siドープ、５μｍ）、ｎ型Ｄ
ＢＲ多層反射鏡84（Siドープ）、n-GaN 層85（Siドー
プ、0.09μｍ）、アンドープIn0.25Ga0.75N 量子井戸活
性層86（２nm）、p-Al0.2Ga0.8N 障壁層87（Mgドープ、
20nm）、p-GaN 層88（Mgドープ、0.09μｍ）を成長す
る。ｎ型ＤＢＲ多層反射鏡84はn-Al0.1Ga0.9N 84a （Si
ドープ、λ／４相当厚み、45nm）、n-GaN 84b （Siドー
プ、λ／４相当厚み、46nm）を40.5周期積層したもので
ある。
せて簡単に説明する。ｎ型の導電性を有する6H-SiC基板
81上にＭＯＣＶＤ法を用いて、n-GaN 低温バッファ層8
2、n-GaN バッファ層83（Siドープ、５μｍ）、ｎ型Ｄ
ＢＲ多層反射鏡84（Siドープ）、n-GaN 層85（Siドー
プ、0.09μｍ）、アンドープIn0.25Ga0.75N 量子井戸活
性層86（２nm）、p-Al0.2Ga0.8N 障壁層87（Mgドープ、
20nm）、p-GaN 層88（Mgドープ、0.09μｍ）を成長す
る。ｎ型ＤＢＲ多層反射鏡84はn-Al0.1Ga0.9N 84a （Si
ドープ、λ／４相当厚み、45nm）、n-GaN 84b （Siドー
プ、λ／４相当厚み、46nm）を40.5周期積層したもので
ある。
【００３２】その後、窒素ガス雰囲気中で熱処理するこ
とによりｐ型不純物を活性化する。その後、リフトオフ
法を用いて、光を取り出すための100 μｍ径の円形状の
部分を除いてｐ側電極90を形成する。この後、ＤＢＲ層
89をZnS 89a とSiO289b の多層コーティング（各λ／４
相当厚み30.5周期）により形成し、発光領域以外のＤＢ
Ｒ層をエッチング除去する。その後、ｎ側電極91を形成
して熱処理する。なお、上述のように本実施形態におい
ては、上部ＤＢＲ層はZnS およびSiO2の誘電体膜により
形成されており、半導体層の結晶成長とは異なるプロセ
スにより形成している。
とによりｐ型不純物を活性化する。その後、リフトオフ
法を用いて、光を取り出すための100 μｍ径の円形状の
部分を除いてｐ側電極90を形成する。この後、ＤＢＲ層
89をZnS 89a とSiO289b の多層コーティング（各λ／４
相当厚み30.5周期）により形成し、発光領域以外のＤＢ
Ｒ層をエッチング除去する。その後、ｎ側電極91を形成
して熱処理する。なお、上述のように本実施形態におい
ては、上部ＤＢＲ層はZnS およびSiO2の誘電体膜により
形成されており、半導体層の結晶成長とは異なるプロセ
スにより形成している。
【００３３】図５は、本発明に係る第五の実施形態のIn
GaN 系緑色半導体発光素子の断面模式図を示すものであ
る。図５に示すように、本実施形態に係る半導体発光素
子は、一般の面発光ダイオードの構造において、その発
光面上にレンズ状部48を備え、その発光面のレンズ状部
48以外の部分が遮光性材料49で覆われたものである（図
６参照）。すなわち、本素子は通常の発光ダイオードか
ら出射される自然光をレンズ状部48により集束させて出
力するものである。なお、本実施形態の半導体発光素子
は、530 nm帯域の緑色光ビームを発光するものである。
GaN 系緑色半導体発光素子の断面模式図を示すものであ
る。図５に示すように、本実施形態に係る半導体発光素
子は、一般の面発光ダイオードの構造において、その発
光面上にレンズ状部48を備え、その発光面のレンズ状部
48以外の部分が遮光性材料49で覆われたものである（図
６参照）。すなわち、本素子は通常の発光ダイオードか
ら出射される自然光をレンズ状部48により集束させて出
力するものである。なお、本実施形態の半導体発光素子
は、530 nm帯域の緑色光ビームを発光するものである。
【００３４】本半導体発光素子の層構成を作製方法と併
せて簡単に説明する。ｎ型の導電性を有する6H-SiC基板
41上にＭＯＣＶＤ法を用いて、n-GaN 低温バッファ層4
2、n-GaN バッファ層43（Siドープ、５μｍ）アンドー
プIn0.45Ga0.55N 量子井戸活性層44（２ｎｍ）、p-Al
0.1Ga0.9N クラッド層45（Mgドープ、0.1μｍ）、p-GaN
キャップ層46（Mgドープ、1.2 μｍ）を成長する。その
後、窒素ガス雰囲気中で熱処理することによりｐ型不純
物を活性化させる。この後、８０μｍ径の円形のレジス
トパターンを形成し、塩素イオンを用いたＲＩＢＥによ
り、基板を回転して斜めから塩素イオンビームを入射し
て約８０μｍ径のレンズ状48にp-GaN キャップ層46をエ
ッチングする。その後、キャップ層46上にレンズ形状部
48および後に形成される電極とキャップ層46との接触部
を除く領域にSiN 絶縁膜47を形成する。この絶縁膜47
は、電極がキャップ層46とオーミック接触する部分をレ
ンズ形状部48の周囲に限定するためのものである。次
に、この絶縁膜47およびレンズ形状部48の周囲に露出す
るキャップ層46上部にｐ側電極を形成する。図６は、図
５に示す素子の上面図であり、図示するように、ｐ側電
極はレンズ形状部を除く部分に形成され、該レンズ形状
部以外からの発光を遮光する役割を担う。なお、ｐ側電
極の形状としては図７のようにレンズ形状部を囲むリン
グ形状にする等種々の形状が可能である。この際には、
素子上面のレンズ形状部および電極部以外の部分は、ポ
リイミドなどの吸光材料55で遮光すればよい。このよう
にして、電極構造とレンズ加工を組み合わせて、微小発
光スポットと狭放射ビーム化を実現することができる。
せて簡単に説明する。ｎ型の導電性を有する6H-SiC基板
41上にＭＯＣＶＤ法を用いて、n-GaN 低温バッファ層4
2、n-GaN バッファ層43（Siドープ、５μｍ）アンドー
プIn0.45Ga0.55N 量子井戸活性層44（２ｎｍ）、p-Al
0.1Ga0.9N クラッド層45（Mgドープ、0.1μｍ）、p-GaN
キャップ層46（Mgドープ、1.2 μｍ）を成長する。その
後、窒素ガス雰囲気中で熱処理することによりｐ型不純
物を活性化させる。この後、８０μｍ径の円形のレジス
トパターンを形成し、塩素イオンを用いたＲＩＢＥによ
り、基板を回転して斜めから塩素イオンビームを入射し
て約８０μｍ径のレンズ状48にp-GaN キャップ層46をエ
ッチングする。その後、キャップ層46上にレンズ形状部
48および後に形成される電極とキャップ層46との接触部
を除く領域にSiN 絶縁膜47を形成する。この絶縁膜47
は、電極がキャップ層46とオーミック接触する部分をレ
ンズ形状部48の周囲に限定するためのものである。次
に、この絶縁膜47およびレンズ形状部48の周囲に露出す
るキャップ層46上部にｐ側電極を形成する。図６は、図
５に示す素子の上面図であり、図示するように、ｐ側電
極はレンズ形状部を除く部分に形成され、該レンズ形状
部以外からの発光を遮光する役割を担う。なお、ｐ側電
極の形状としては図７のようにレンズ形状部を囲むリン
グ形状にする等種々の形状が可能である。この際には、
素子上面のレンズ形状部および電極部以外の部分は、ポ
リイミドなどの吸光材料55で遮光すればよい。このよう
にして、電極構造とレンズ加工を組み合わせて、微小発
光スポットと狭放射ビーム化を実現することができる。
【００３５】以上、本発明の実施形態に係る半導体発光
素子について説明してきたが、上記のような微小発光
径、狭放射角度の半導体発光素子を用いて高速かつ簡便
な露光システムを構成することが可能である。
素子について説明してきたが、上記のような微小発光
径、狭放射角度の半導体発光素子を用いて高速かつ簡便
な露光システムを構成することが可能である。
【００３６】光源としては、例えば、上記第一の実施形
態に示されている470 nmの青色光ビームを出力する半導
体発光素子と、同様にして作製された530 nmの緑色光ビ
ームを出力する半導体発光素子と、従来の赤色半導体レ
ーザを用いる。
態に示されている470 nmの青色光ビームを出力する半導
体発光素子と、同様にして作製された530 nmの緑色光ビ
ームを出力する半導体発光素子と、従来の赤色半導体レ
ーザを用いる。
【００３７】図８は本発明の露光装置の一実施形態の構
成模式図である。簡単のため、図面には１の半導体発光
素子のみ示す。本露光装置においては、半導体発光素子
100から出射した光ビームを、該光ビームの広がり角を
小さくするための第一レンズ101 を介してガルバノメ―
タミラ―等の可動鏡102 に入射せしめ、該可動鏡102に
より該光ビームを偏光し、該光ビームを集光レンズ103
により銀塩感光材料等のメディア上に集光する。既述の
ように従来の放散光を放射する発光ダイオードを光源と
する場合には、光スポットを縮小するために複雑な光学
系が必要であったが、上述の本発明の半導体発光素子を
利用することにより、半導体レーザを光源として用いた
場合と同様の簡便な光学系を用いて露光システムを構成
することが可能となる。
成模式図である。簡単のため、図面には１の半導体発光
素子のみ示す。本露光装置においては、半導体発光素子
100から出射した光ビームを、該光ビームの広がり角を
小さくするための第一レンズ101 を介してガルバノメ―
タミラ―等の可動鏡102 に入射せしめ、該可動鏡102に
より該光ビームを偏光し、該光ビームを集光レンズ103
により銀塩感光材料等のメディア上に集光する。既述の
ように従来の放散光を放射する発光ダイオードを光源と
する場合には、光スポットを縮小するために複雑な光学
系が必要であったが、上述の本発明の半導体発光素子を
利用することにより、半導体レーザを光源として用いた
場合と同様の簡便な光学系を用いて露光システムを構成
することが可能となる。
【００３８】図９は本発明の他の実施形態にかかる露光
装置の構成模式図である。本実施形態においてはレンズ
として本露光装置では必要最小限の集光レンズ113 のみ
を用い、光走査用の偏光装置としてポリゴンミラー112
を用いている。本露光装置ににおいては、半導体発光素
子110 から出射した光ビームをポリゴンミラー112 に入
射せしめ、該ポリゴンミラー112 により走査偏光し、集
光レンズ113 を介してメディア上に集光する。
装置の構成模式図である。本実施形態においてはレンズ
として本露光装置では必要最小限の集光レンズ113 のみ
を用い、光走査用の偏光装置としてポリゴンミラー112
を用いている。本露光装置ににおいては、半導体発光素
子110 から出射した光ビームをポリゴンミラー112 に入
射せしめ、該ポリゴンミラー112 により走査偏光し、集
光レンズ113 を介してメディア上に集光する。
【００３９】以上のように、半導体レーザが実現困難な
青および緑色波長域において微小発光径でかつ放射角度
の小さい光ビームを出力可能の本発明の半導体発光素子
を利用することにより、高速かつ高品位な露光装置を構
築することができる。また、発光ダイオードを光源とし
て用いていた場合と比較して簡便な光学系とすることが
できる。
青および緑色波長域において微小発光径でかつ放射角度
の小さい光ビームを出力可能の本発明の半導体発光素子
を利用することにより、高速かつ高品位な露光装置を構
築することができる。また、発光ダイオードを光源とし
て用いていた場合と比較して簡便な光学系とすることが
できる。
【図１】本発明の第一の実施形態に係る半導体発光素子
の断面模式図
の断面模式図
【図２】本発明の第二の実施形態に係る半導体発光素子
の断面模式図
の断面模式図
【図３】本発明の第三の実施形態に係る半導体発光素子
の断面模式図
の断面模式図
【図４】本発明の第四の実施形態に係る半導体発光素子
の断面模式図
の断面模式図
【図５】本発明の第五の実施形態に係る半導体発光素子
の断面模式図
の断面模式図
【図６】第五の実施形態に係る半導体発光素子の上面模
式図
式図
【図７】第五の実施形態に係る半導体発光素子のその他
の上面模式図
の上面模式図
【図８】本発明の露光装置の構成模式図
【図９】本発明の他の露光装置の構成模式図
【符号の説明】 １ サファイア基板 ２ p-GaN低温バッファ層 ３ p-GaNバッファ層 ４ p-In0.1Ga0.9Nバッファ層 ５ p-Al0.15Ga0.85Nクラッド層 ６ p-GaN光ガイド層 ７ アンドープ活性層 ８ n-GaN光ガイド層 ９ n-Al0.15Ga0.85Nクラッド層 10 n-GaNキャップ層 11 12 ｐ側電極 13 ｎ側電極 14 SiN膜
Claims (5)
- 【請求項１】 光導波機構を有し、発光端面に反射鏡が
形成されている、ストライプ構造の半導体発光素子であ
って、 前記光導波機構により制限された発光領域から、緑色も
しくは４５０ｎｍ以上の波長を有する青色の光ビームを
スーパーラディアンスにより発光することを特徴とする
半導体発光素子。 - 【請求項２】 面発光型の半導体発光素子であって、 活性層を挟む上下層にブラッグ反射機構を備え、 前記ブラッグ反射機構による光の量子閉じ込め効果によ
り制限された発光パターンで緑色もしくは青色の光ビー
ムをスーパーラディアンスにより発光することを特徴と
する半導体発光素子。 - 【請求項３】 面発光型の半導体発光素子であって、 発光端面の一部にレンズが形成され、 前記発光端面の前記レンズ以外の部分が遮光部材に覆わ
れており、 前記レンズから緑色もしくは青色の光ビームを発するこ
とを特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項４】 前記半導体発光素子が、InGaN 系の半導
体により形成されるものであることを特徴とする請求項
１から３いずれか記載の半導体発光素子。 - 【請求項５】 請求項１から４いずれか記載の青色の光
ビームを発光する半導体発光素子および緑色の光ビーム
を発光する半導体発光素子と、赤色の光ビームを発光す
る半導体発光素子とからなる光源と、 走査光学系とを備えたことを特徴とする露光装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23218097A JPH1174559A (ja) | 1997-08-28 | 1997-08-28 | 半導体発光素子および露光装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23218097A JPH1174559A (ja) | 1997-08-28 | 1997-08-28 | 半導体発光素子および露光装置 |
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