JP2009117641A - Semiconductor light-emitting element - Google Patents

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Hironori Tsujimura
裕紀 辻村
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor light-emitting element capable of emitting polarization with a high polarization ratio. <P>SOLUTION: The semiconductor light-emitting element includes a light-emitting part 3 having an active layer 12 composed of a group III-nitride semiconductor where a nonpolar surface or a semipolar surface is defined as a growth main surface, and generating the polarization from the active layer 12; and slits 40 arranged in a light extraction surface 3a for extracting the polarization and being lines-and-spaces narrower than the wavelength of the polarization. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、III族窒化物半導体からなる活性層を含む半導体発光素子に関する。   The present invention relates to a semiconductor light emitting device including an active layer made of a group III nitride semiconductor.

従来、発光ダイオード（ＬＥＤ）に、III族窒化物半導体からなる半導体発光素子が使用されている。III族窒化物半導体の例としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）等がある。代表的なIII族窒化物半導体は、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される。ＧａＮは、窒素を含む六方晶化合物半導体の中でもよく知られたIII族窒化物半導体である。 Conventionally, a semiconductor light emitting element made of a group III nitride semiconductor is used for a light emitting diode (LED). Examples of group III nitride semiconductors include aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), and indium nitride (InN). A typical group III nitride semiconductor is represented by Al x In y Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). GaN is a well-known group III nitride semiconductor among hexagonal compound semiconductors containing nitrogen.

ＧａＮを用いた半導体発光素子は、一般にＧａＮ基板上に、ｎ型ＧａＮ層、活性層（発光層）及びｐ型ＧａＮ層を積層した構造を有し、活性層で発生した光を外部に出射する。近年、出力する光が偏光である発光素子の利用が進められている（例えば、非特許文献１参照）。偏光を出射する半導体発光素子を液晶バックライトやプロジェクタ光源として使用すれば、偏光板でカットされる光の成分が少なくなり、液晶バックライトやプロジェクタ光源の効率が向上すると期待されている。
タケウチ（T. Takeuchi）、他 著、「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス、第３９巻 (Japanese Journal of Applied Physics vol.39) 」、２０００年、ｐ．４１３−４１６ A semiconductor light emitting device using GaN generally has a structure in which an n-type GaN layer, an active layer (light emitting layer) and a p-type GaN layer are stacked on a GaN substrate, and emits light generated in the active layer to the outside. . In recent years, use of a light emitting element whose output light is polarized light has been promoted (for example, see Non-Patent Document 1). If a semiconductor light emitting element that emits polarized light is used as a liquid crystal backlight or projector light source, it is expected that the light component cut by the polarizing plate will be reduced, and the efficiency of the liquid crystal backlight or projector light source will be improved.
T. Takeuchi, et al., “Japanese Journal of Applied Physics vol.39”, 2000, p. 413-416

非極性面又は半極性面を成長主面とするIII族窒化物半導体の半導体発光素子は、偏光を出射する性質を有する。しかしながら、この半導体発光素子は、所望の偏光成分の偏光だけではなく、異なる偏光成分の偏光も発生させるため、半導体発光素子の偏光比を下げてしまうという問題があった。   A group III nitride semiconductor light emitting device having a nonpolar plane or a semipolar plane as a main growth surface has a property of emitting polarized light. However, since this semiconductor light emitting device generates not only polarized light of a desired polarization component but also polarized light of different polarization components, there has been a problem that the polarization ratio of the semiconductor light emitting device is lowered.

そこで、上記問題点を鑑み、本発明は、高い偏光比の偏光を出射する半導体発光素子を提供することを目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device that emits polarized light having a high polarization ratio.

本発明の一態様によれば、非極性面又は半極性面を成長主面とするIII族窒化物半導体からなる活性層を有し、活性層から偏光を発生する発光部と、偏光を取り出す光取り出し面に設けられ、偏光の波長より狭いラインアンドスペースであるスリットとを備える半導体発光素子であることを要旨とする。   According to one aspect of the present invention, a light emitting unit that has an active layer made of a group III nitride semiconductor having a nonpolar plane or a semipolar plane as a growth main surface, and that generates polarized light from the active layer; The gist of the present invention is a semiconductor light emitting device including a slit that is provided on the extraction surface and has a line and space narrower than the wavelength of polarized light.

本発明によれば、高い偏光比の偏光を出射する半導体発光素子を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor light emitting device that emits polarized light having a high polarization ratio.

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.

（実施の形態）
本発明の実施の形態に係る半導体発光素子は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、非極性面又は半極性面を成長主面とするIII族窒化物半導体からなる活性層１２を有し、活性層１２から偏光を発生する発光部３と、偏光を取り出す光取り出し面３ａに設けられ、偏光の波長より狭いラインアンドスペースであるスリット４０とを備える。更に、実施の形態に係る半導体発光素子は、表面２ａに発光部３を設け、裏面２ｂに反射層７を設ける基板２と、第１電極部（アノード電極）４と、第２電極（カソード電極）６とを備えている。 (Embodiment)
As shown in FIGS. 1A and 1B, the semiconductor light emitting device according to the embodiment of the present invention includes an active layer 12 made of a group III nitride semiconductor having a nonpolar plane or a semipolar plane as a main growth surface. The light emitting unit 3 that generates polarized light from the active layer 12 and the slit 40 that is provided on the light extraction surface 3a that extracts the polarized light and has a line and space narrower than the wavelength of the polarized light. Furthermore, the semiconductor light emitting device according to the embodiment includes the substrate 2 provided with the light emitting portion 3 on the front surface 2a and the reflective layer 7 on the back surface 2b, the first electrode portion (anode electrode) 4, and the second electrode (cathode electrode). 6).

基板２は、六方晶の結晶構造を有し、ｎ型のドーパントとしてシリコンがドープされた導電性のｎ型ＧａＮからなる。基板２は、製造工程において劈開可能な厚みであることが好ましい。具体的には、基板２は、約１００μｍ以下の厚みであることが好ましい。基板２の表面２ａは、発光部３をエピタキシャル成長させるための面である。ここでは、基板２の表面２ａは、非極性面であるｍ面であるとする。   The substrate 2 has a hexagonal crystal structure and is made of conductive n-type GaN doped with silicon as an n-type dopant. It is preferable that the board | substrate 2 is the thickness which can be cleaved in a manufacturing process. Specifically, the substrate 2 preferably has a thickness of about 100 μm or less. The surface 2 a of the substrate 2 is a surface for epitaxially growing the light emitting portion 3. Here, it is assumed that the surface 2a of the substrate 2 is an m-plane that is a nonpolar plane.

ここで、ＧａＮ等のIII族窒化物半導体が有する六方晶の結晶構造について図２を参照して説明する。   Here, a hexagonal crystal structure of a group III nitride semiconductor such as GaN will be described with reference to FIG.

図２（ａ）に示すように、六方晶の結晶構造を有するIII族窒化物半導体では、１つのIII族原子に対して、４つの窒素原子が結合している。４つの窒素原子は、III族原子を中央に配置した正四面体の４つの頂点に配置されている。これらの４つの窒素原子は、１つの窒素原子がIII族原子に対して＋ｃ軸方向に配置され、他の３つの窒素原子がIII族原子に対して−ｃ軸側に配置されている。これにより、六方晶のIII族窒化物半導体は、分極がｃ軸方向に沿って形成される。   As shown in FIG. 2A, in a group III nitride semiconductor having a hexagonal crystal structure, four nitrogen atoms are bonded to one group III atom. Four nitrogen atoms are arranged at four vertices of a regular tetrahedron having a group III atom arranged at the center. Of these four nitrogen atoms, one nitrogen atom is arranged in the + c axis direction with respect to the group III atom, and the other three nitrogen atoms are arranged on the −c axis side with respect to the group III atom. Thereby, in the hexagonal group III nitride semiconductor, polarization is formed along the c-axis direction.

図２（ｂ）に示すように、ｃ軸は、六角柱の中心軸方向に沿い、このｃ軸を法線とする面（六角柱の頂面）がｃ面（０００１）である。ｃ面に平行な２つの面でIII族窒化物半導体の結晶を劈開すると、＋ｃ面はIII族原子が配列された結晶面となり、−ｃ面は窒素が配列された結晶面となる。そのため、＋ｃ面と−ｃ面は異なる性質を示す極性面となる。   As shown in FIG. 2B, the c-axis is along the direction of the central axis of the hexagonal column, and the surface (the top surface of the hexagonal column) having the c-axis as a normal line is the c-plane (0001). When a group III nitride semiconductor crystal is cleaved on two planes parallel to the c plane, the + c plane becomes a crystal plane on which group III atoms are arranged, and the -c plane becomes a crystal plane on which nitrogen is arranged. Therefore, the + c plane and the −c plane are polar planes having different properties.

六角柱の側面がｍ面（１−１００）であり、隣り合わない一対の稜線を通る面がａ面（１１−２０）である。これらは、ｃ面に対して隣接する結晶面であり、分極方向に対して直交しているため、極性のない平面、すなわち、非極性面である。更に、図２（ｃ）に示すように、ｃ面に対して傾斜している（平行も直交もしていない）結晶面は、分極方向に対して斜めに交差しているため、若干の極性のある平面、すなわち、半極性面である。半極性面の具体例は、（０１−１１）面、（０１−１３）面、（１１−２２）面などの面である。   A side surface of the hexagonal column is an m-plane (1-100), and a plane passing through a pair of ridge lines that are not adjacent to each other is an a-plane (11-20). Since these are crystal planes adjacent to the c-plane and are orthogonal to the polarization direction, they are nonpolar planes, that is, nonpolar planes. Furthermore, as shown in FIG. 2 (c), the crystal plane that is inclined with respect to the c-plane (not parallel or orthogonal) crosses the polarization direction obliquely, and therefore has a slight polarity. It is a certain plane, that is, a semipolar plane. Specific examples of the semipolar plane include planes such as the (01-11) plane, the (01-13) plane, and the (11-22) plane.

発光部３は、基板２の表面２ａ上に六方晶の結晶構造を有するIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させることにより形成されている。発光部３は、基板２側から順に、第１半導体層（ｎ型コンタクト層）１１と、活性層１２と、ファイナルバリア層１３と、電子阻止層１４と、第２半導体層（ｐ型コンタクト層）１５とが積層されている。ここで、上述したように基板２の表面２ａをｍ面で構成しているので、基板２の表面２ａ上に積層された発光部３の表面３ａ及び活性層１２の成長主面１２ａも、活性層１２において偏光を出射する非極性面であるｍ面に構成されている。   The light emitting portion 3 is formed by epitaxially growing a group III nitride semiconductor having a hexagonal crystal structure on the surface 2 a of the substrate 2. The light emitting unit 3 includes, in order from the substrate 2 side, a first semiconductor layer (n-type contact layer) 11, an active layer 12, a final barrier layer 13, an electron blocking layer 14, and a second semiconductor layer (p-type contact layer). 15) are stacked. Here, as described above, since the surface 2a of the substrate 2 is composed of m-planes, the surface 3a of the light emitting section 3 and the growth main surface 12a of the active layer 12 stacked on the surface 2a of the substrate 2 are also active. The layer 12 is configured as an m-plane that is a nonpolar plane that emits polarized light.

第１半導体層１１は、ｎ型のドーパントとして濃度が約１×１０18ｃｍ-3のシリコン（Ｓｉ）がドープされた約３μｍ以上の厚みを有するｎ型ＧａＮ層からなる。 The first semiconductor layer 11 is made of an n-type GaN layer having a thickness of about 3 μm or more doped with silicon (Si) having a concentration of about 1 × 10 18 cm −3 as an n-type dopant.

活性層１２は、Ｓｉがドープされた厚さ約３ｎｍのＩｎZＧａ1-ZＮ層と厚さ約９ｎｍの厚さのＧａＮ層とが交互に５周期程度積層された量子井戸構造を有する。この活性層１２は、青色（例えば、約４３０ｎｍの波長）の光を発光する。ここで、ＩｎZＧａ1-ZＮ層内におけるＩｎの比率であるＺは、「０．０５≦Ｚ≦０．２」に構成される。尚、緑色の光を発光させる場合には、「Ｚ≧０．２」に設定される。 The active layer 12 has a quantum well structure in which Si-doped In Z Ga 1 -Z N layers having a thickness of about 3 nm and GaN layers having a thickness of about 9 nm are alternately stacked for about five periods. The active layer 12 emits blue light (for example, a wavelength of about 430 nm). Here, Z, which is the ratio of In in the In Z Ga 1 -Z N layer, is configured as “0.05 ≦ Z ≦ 0.2”. When green light is emitted, “Z ≧ 0.2” is set.

ファイナルバリア層１３は、約４０ｎｍの厚みを有するＧａＮ層からなる。尚、ドーピングについては、ｐ型、ｎ型、及びノンドープのいずれでもよいが、ノンドープが好ましい。   The final barrier layer 13 is composed of a GaN layer having a thickness of about 40 nm. The doping may be any of p-type, n-type, and non-doped, but non-doped is preferred.

電子阻止層１４は、ｐ型のドーパントとして濃度が約３×１０19ｃｍ-3のマグネシウム（Ｍｇ）がドープされた約２８ｎｍの厚みを有するＡｌＧａＮ層からなる。 The electron blocking layer 14 is made of an AlGaN layer having a thickness of about 28 nm doped with magnesium (Mg) having a concentration of about 3 × 10 19 cm −3 as a p-type dopant.

第２半導体層１５は、ｐ型のドーパントとして濃度が約１×１０20ｃｍ-3のＭｇがドープされた約７０ｎｍの厚みを有するｐ型ＧａＮ層からなる。第２半導体層１５の光取り出し面３ａは、活性層１２から発光された光を発光部３から取り出すためのものである。この光取り出し面３ａの表面は、光の散乱を抑制して偏光比の低下を抑制するために、鏡面であることが好ましい。ここで、「鏡面」とは、表面の凹凸の差が活性層１２より発光される光の波長以下である面のことである。一例として、光取り出し面３ａは、凹凸の差が約１００ｎｍ以下となるように鏡面化処理された鏡面である。 The second semiconductor layer 15 is a p-type GaN layer having a thickness of about 70 nm doped with Mg having a concentration of about 1 × 10 20 cm −3 as a p-type dopant. The light extraction surface 3 a of the second semiconductor layer 15 is for extracting light emitted from the active layer 12 from the light emitting unit 3. The surface of the light extraction surface 3a is preferably a mirror surface in order to suppress light scattering and suppress a decrease in polarization ratio. Here, the “mirror surface” is a surface in which the difference in surface irregularities is equal to or less than the wavelength of light emitted from the active layer 12. As an example, the light extraction surface 3a is a mirror surface that is mirror-finished so that the unevenness difference is about 100 nm or less.

第１電極部４は、光を透過可能なＺｎＯからなる。第１電極部４は、第２半導体層１５とオーミック接続されるとともに、発光部３の水平方向（積層方向と直交する方向）の全領域に均一に電流を流すために第２半導体層１５上の略全面を覆うように形成されている。この第１電極部４は、活性層１２により発光された光を透過可能な約２００ｎｍ〜約３００ｎｍの厚みを有する。第１電極部４の光取り出し面４ａは、活性層１２により発光された光が取り出される面であって、第２半導体層１５の光取り出し面３ａと同様に、表面の凹凸が約１００ｎｍ以下になるように鏡面化処理されていることが好ましい。例えば、電子ビーム蒸着法を用いれば、上述したような鏡面を得ることができる。この様に、鏡面状態の光取り出し面３ａ及び光取り出し面４ａによって、活性層１２から発光された光は散乱が抑制されるので偏光比が高く維持されたまま取り出される。第１電極部４上の一部の領域には、チタン（Ｔｉ）層及びＡｕ層が積層された接続部５が設けられている。接続部５は、外部の基板等と接続するためのボンディングに用いられる。   The first electrode portion 4 is made of ZnO that can transmit light. The first electrode unit 4 is ohmically connected to the second semiconductor layer 15 and is provided on the second semiconductor layer 15 in order to allow a current to flow uniformly in the entire region of the light emitting unit 3 in the horizontal direction (direction orthogonal to the stacking direction). Is formed so as to cover substantially the entire surface. The first electrode portion 4 has a thickness of about 200 nm to about 300 nm that can transmit the light emitted by the active layer 12. The light extraction surface 4a of the first electrode portion 4 is a surface from which the light emitted by the active layer 12 is extracted, and the surface unevenness is about 100 nm or less, similar to the light extraction surface 3a of the second semiconductor layer 15. It is preferable that the mirror surface treatment is performed. For example, if the electron beam evaporation method is used, the mirror surface as described above can be obtained. In this way, the light emitted from the active layer 12 is suppressed by the light extraction surface 3a and the light extraction surface 4a in the mirror state, and thus the light is extracted while the polarization ratio is maintained high because scattering is suppressed. A connection portion 5 in which a titanium (Ti) layer and an Au layer are stacked is provided in a partial region on the first electrode portion 4. The connecting portion 5 is used for bonding for connecting to an external substrate or the like.

スリット４０は、第１電極部４の光取り出し面４ａに設けられる。図３は、第１電極部４に設けられたスリット４０の拡大図である。スリット４０は、ワイヤーグリッド偏光子として機能し、アルミニウム（Ａｌ）等の導体金属ワイヤーを周期的に配列したものである。スリット４０がワイヤーグリッド偏光子として機能するためには、ラインアンドスペースｄが入射電磁波の波長よりも十分小さいことが必要である。ラインアンドスペースｄは、活性層１２により発光された偏光の波長の１／５以下であることが好ましく、偏光の波長の１／１０以下であれば更に好ましい。スリット４０の高さは、１００ｎｍ〜１５０ｎｍであれば偏光子として機能することができる。スリット４０は、電子線描画（ＥＢ描画）技術及びナノインプリント技術を用いて形成することができる。   The slit 40 is provided on the light extraction surface 4 a of the first electrode unit 4. FIG. 3 is an enlarged view of the slit 40 provided in the first electrode portion 4. The slit 40 functions as a wire grid polarizer and is formed by periodically arranging conductive metal wires such as aluminum (Al). In order for the slit 40 to function as a wire grid polarizer, the line and space d needs to be sufficiently smaller than the wavelength of the incident electromagnetic wave. The line and space d is preferably 1/5 or less of the wavelength of polarized light emitted by the active layer 12, and more preferably 1/10 or less of the wavelength of polarized light. If the height of the slit 40 is 100 nm to 150 nm, it can function as a polarizer. The slit 40 can be formed using an electron beam drawing (EB drawing) technique and a nanoimprint technique.

第２電極６は、Ｔｉ層及びＡｌ層が積層されている。第２電極６は、第１半導体層１１の上面のうち露出されている領域にオーミック接続された状態で形成されている。   As for the 2nd electrode 6, Ti layer and Al layer are laminated | stacked. The second electrode 6 is formed in an ohmic connection with the exposed region of the upper surface of the first semiconductor layer 11.

反射層７は、光取出方向Ａとは反対方向へ進行する光を光取出方向Ａへと反射するためのものであり、光取り出し面３ａと対向する面である基板２の裏面２ｂに設けられる。反射層７は、鏡面であれば入射した偏光の偏光方向を維持したまま反射し、粗面であれば入射した偏光の偏光方向を維持しないで反射する。鏡面の反射層７は、鏡面である基板２の裏面２ｂに設けることによって形成され、粗面の反射層７は、粗面である基板２の裏面２ｂに設けることによって形成される。反射層７は、絶縁膜であるＳｉＯ2層とＳｉXＮY層（Ｘ、Ｙは正の整数）とが周期的に複数層積層されたミラー構造からなる。尚、反射層７を構成する材料は、ＳｉＯ2及びＳｉXＮYに限定されるものではなく、ＳｉＯＮ、ＺｒＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｎｂ2Ｏ3及びＴｉＯ2などの絶縁膜、及びＡｌ、Ａｇ等の金属から適宜選択することができる。 The reflection layer 7 is for reflecting the light traveling in the direction opposite to the light extraction direction A in the light extraction direction A, and is provided on the back surface 2b of the substrate 2 which is a surface facing the light extraction surface 3a. . If the reflective layer 7 is a mirror surface, it reflects while maintaining the polarization direction of the incident polarized light, and if it is a rough surface, it reflects without maintaining the polarization direction of the incident polarized light. The mirror-like reflection layer 7 is formed by being provided on the back surface 2b of the substrate 2 that is a mirror surface, and the rough-surface reflection layer 7 is formed by being provided on the back surface 2b of the substrate 2 that is a rough surface. The reflective layer 7 has a mirror structure in which a plurality of layers of an SiO 2 layer, which is an insulating film, and a Si X N Y layer (X and Y are positive integers) are periodically stacked. The material constituting the reflective layer 7 is not limited to SiO 2 and Si X N Y , but an insulating film such as SiON, ZrO 2 , Al 2 O 3 , Nb 2 O 3 and TiO 2 , and Al , And a metal such as Ag can be appropriately selected.

以下に、上述した実施の形態に係る半導体発光素子の発光及び出射について説明する。この半導体発光素子では、順方向に電圧が印加されると、第１電極部４からホールが供給されるとともに、第２電極６から電子が供給される。そして、第１半導体層１１を介して活性層１２に電子が注入され、半導体層１３〜１５を介して活性層１２にホールが注入される。活性層１２に注入された電子及びホールは結合して約４３０ｎｍの光を発光する。ここで発光部３の表面３ａは非極性面であるｍ面なので、活性層１２により発光された光は偏光である。   Hereinafter, light emission and emission of the semiconductor light emitting element according to the above-described embodiment will be described. In this semiconductor light emitting device, when a voltage is applied in the forward direction, holes are supplied from the first electrode portion 4 and electrons are supplied from the second electrode 6. Then, electrons are injected into the active layer 12 through the first semiconductor layer 11, and holes are injected into the active layer 12 through the semiconductor layers 13 to 15. The electrons and holes injected into the active layer 12 are combined to emit light of about 430 nm. Here, since the surface 3a of the light emitting unit 3 is the m-plane which is a nonpolar plane, the light emitted from the active layer 12 is polarized light.

活性層１２で発生した偏光のうち第１電極部４側へ進行する偏光Ｗは、図４に示すように、ａ軸方向の偏光方向の偏光成分Ｗａと、ｃ軸方向の偏光方向の偏光成分Ｗｃを有する。ここで、ｃ軸と平行になるように設けられているワイヤーグリッド偏光子であるスリット４０は、スリット４０に対して平行な偏光成分Ｗｃを透過させずに、スリット４０に対して垂直な偏光成分Ｗａを透過させる。つまり、第１電極部４側へ進行する偏光Ｗのうち、ａ軸方向の偏光方向の偏光成分Ｗａのみがスリット４０を透過して外部へ出射される。スリット４０を透過できなかった偏光成分Ｗｃの一部は、スリット４０に吸収される。   Of the polarized light generated in the active layer 12, the polarized light W traveling toward the first electrode unit 4 is, as shown in FIG. 4, a polarized component Wa having a polarization direction in the a-axis direction and a polarized light component having a polarization direction in the c-axis direction. Wc. Here, the slit 40, which is a wire grid polarizer provided so as to be parallel to the c-axis, does not transmit the polarization component Wc parallel to the slit 40, and is perpendicular to the slit 40. Transmit Wa. That is, only the polarized light component Wa in the polarization direction of the a-axis direction out of the polarized light W traveling to the first electrode portion 4 side is transmitted through the slit 40 and emitted to the outside. A part of the polarization component Wc that could not pass through the slit 40 is absorbed by the slit 40.

スリット４０を透過できずに反射された偏光成分Ｗｃからなる偏光Ｗ１は、図５に示すように、基板２側へ進行する。そして、基板２に設けられた反射層７に達した偏光Ｗ１は、粗面である反射層７で乱反射することで偏光成分Ｗａと偏光成分Ｗｃを有する偏光Ｗ２となり、第１電極部４側へ進行する。スリット４０は、スリット４０に対して垂直な偏光成分Ｗａのみを透過させるので、ａ軸方向の偏光方向の偏光成分Ｗａのみを有する偏光Ｗ３がスリット４０を透過して外部へ出射される。一方、スリット４０を透過できずに反射された偏光は、スリット４０と反射層７との間で反射を繰り返して偏光成分Ｗａのみが外部へと出射される。   The polarized light W1 composed of the polarized component Wc that has been reflected without being transmitted through the slit 40 travels toward the substrate 2 as shown in FIG. Then, the polarized light W1 that has reached the reflective layer 7 provided on the substrate 2 is irregularly reflected by the reflective layer 7 that is a rough surface, thereby becoming polarized light W2 having a polarized component Wa and a polarized component Wc, toward the first electrode unit 4 side. proceed. Since the slit 40 transmits only the polarization component Wa perpendicular to the slit 40, the polarization W3 having only the polarization component Wa in the polarization direction of the a-axis direction is transmitted through the slit 40 and emitted to the outside. On the other hand, the polarized light reflected without being transmitted through the slit 40 is repeatedly reflected between the slit 40 and the reflective layer 7 and only the polarization component Wa is emitted to the outside.

また、活性層１２で発生した偏光のうち基板２側へ進行する偏光は、基板２に設けられた反射層７に達する。この偏光も反射層７で反射して、偏光成分Ｗａはスリット４０を透過して外部へ出射され、スリット４０を透過できずに反射された偏光は、スリット４０と反射層７との間で反射を繰り返して偏光成分Ｗａのみが外部へと出射される。   Further, the polarized light traveling toward the substrate 2 among the polarized light generated in the active layer 12 reaches the reflective layer 7 provided on the substrate 2. This polarized light is also reflected by the reflective layer 7, and the polarization component Wa is transmitted through the slit 40 and emitted to the outside, and the polarized light reflected without being transmitted through the slit 40 is reflected between the slit 40 and the reflective layer 7. And only the polarization component Wa is emitted to the outside.

活性層１２で発光した偏光のうち光取り出し面３ａと垂直な面である横端面に進行する偏光は、横端面から外部へ出射される。横端面が鏡面化処理された鏡面である場合、横端面から外部へ出射される光は、粗面による乱反射を抑制して偏光状態を保つことができるので、高い偏光比を維持した光を外部に取り出せる。成長主面がｍ面である実施の形態に係る半導体発光素子の場合、偏光成分Ｗａが偏光成分Ｗｃの数倍〜約１０倍程度の光量があるので、外部へ出射される偏光は偏光成分Ｗａを主として高い偏光比を維持する。   Of the polarized light emitted from the active layer 12, the polarized light traveling to the lateral end surface that is perpendicular to the light extraction surface 3a is emitted from the lateral end surface to the outside. When the horizontal end surface is a mirror-finished mirror surface, the light emitted from the horizontal end surface to the outside can maintain the polarization state by suppressing irregular reflection due to the rough surface. Can be taken out. In the case of the semiconductor light emitting device according to the embodiment in which the main growth surface is the m-plane, since the polarization component Wa has a light amount that is several times to about 10 times the polarization component Wc, the polarized light emitted to the outside is the polarization component Wa. Mainly maintains a high polarization ratio.

以下に、実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法について説明する。   Below, the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device which concerns on embodiment is demonstrated.

まず、ＧａＮの単結晶からなり、表面２ａが非極性面のｍ面であり、約３００μｍの厚みの基板２を用意する。ここで、ｍ面を表面２ａとする基板２は、まず、ｃ面を主面とするＧａＮ単結晶から切り出した後、（０００１）方向及び（１１−２０）方向の両方に対する方位誤差が±１°以内（好ましくは±０．３°以内）になるように化学的機械的研磨法（ＣＭＰ法）により研磨されて作製される。これにより、ｍ面を表面２ａとし、転位や積層欠陥といった結晶欠陥が少なく、表面２ａの凹凸が原子レベルまで抑制された基板２を得ることができる。   First, a substrate 2 made of a single crystal of GaN and having a surface 2a of non-polar m-plane and a thickness of about 300 μm is prepared. Here, after the substrate 2 having the m-plane as the surface 2a is first cut out from a GaN single crystal having the c-plane as the main surface, the orientation error with respect to both the (0001) direction and the (11-20) direction is ± 1. It is manufactured by polishing by a chemical mechanical polishing method (CMP method) so that it is within ± (preferably within ± 0.3 °). As a result, the substrate 2 can be obtained in which the m-plane is the surface 2a, crystal defects such as dislocations and stacking faults are small, and the unevenness of the surface 2a is suppressed to the atomic level.

次に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、上述した基板２の表面２ａ上に、発光部３をエピタキシャル成長させる。具体的には、基板２をＭＯＣＶＤ装置（図示略）の処理室に導入し、加熱及び回転可能なサセプタ上に配置する。尚、処理室内は、１／１０気圧〜常圧になるように、処理室内の雰囲気が排気されている。   Next, the light emitting portion 3 is epitaxially grown on the surface 2a of the substrate 2 described above by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). Specifically, the substrate 2 is introduced into a processing chamber of an MOCVD apparatus (not shown) and placed on a susceptor that can be heated and rotated. Note that the atmosphere in the processing chamber is exhausted so that the processing chamber is 1/10 atm to normal pressure.

次に、基板２の表面２ａの荒れを抑制するために、処理室内にキャリアガス（Ｈ2ガス）によってアンモニアガスを供給しつつ、基板２の温度を約１０００℃〜約１１００℃に昇温する。ここで、基板２は、約３００μｍの厚みを有するので、上述の温度による基板２の変形が抑制される。 Next, in order to suppress the roughness of the surface 2 a of the substrate 2, the temperature of the substrate 2 is raised to about 1000 ° C. to about 1100 ° C. while supplying ammonia gas with a carrier gas (H 2 gas) into the processing chamber. . Here, since the substrate 2 has a thickness of about 300 μm, the deformation of the substrate 2 due to the above-described temperature is suppressed.

次に、キャリアガスによりアンモニアガス、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガス及びシランを処理室に供給して、シリコンがドープされたｎ型ＧａＮ層からなる第１半導体層１１を基板２の表面２ａにエピタキシャル成長させる。   Next, ammonia gas, trimethylgallium (TMG) gas, and silane are supplied to the processing chamber by a carrier gas, and the first semiconductor layer 11 made of an n-type GaN layer doped with silicon is epitaxially grown on the surface 2 a of the substrate 2. .

次に、基板２の温度を約７００℃〜約８００℃に設定した後、第１半導体層１１上に活性層１２を形成する。具体的には、キャリアガスによりアンモニアガス及びＴＭＧガスを処理室内に供給して、ノンドープのＧａＮ層からなるバリア層（図示略）をエピタキシャル成長させる。また、基板２を同じ温度に保った状態で、キャリアガスによってアンモニアガス、ＴＭＧガス、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）ガス及びシランガスを供給して、シリコンがドープされたｎ型ＩｎＧａＮ層からなる井戸層（図示略）をエピタキシャル成長させる。そして、上述した方法によりバリア層及び井戸層を所望の回数交互に形成することによって、活性層１２を形成する。その後、キャリアガスによってアンモニア及びトリメチルガリウムを処理室に供給して、ＧａＮ層からなるファイナルバリア層１３を成長させる。   Next, after the temperature of the substrate 2 is set to about 700 ° C. to about 800 ° C., the active layer 12 is formed on the first semiconductor layer 11. Specifically, ammonia gas and TMG gas are supplied into the processing chamber by a carrier gas, and a barrier layer (not shown) made of a non-doped GaN layer is epitaxially grown. In addition, a well layer (illustrated) consisting of an n-type InGaN layer doped with silicon by supplying ammonia gas, TMG gas, trimethylindium (TMI) gas, and silane gas with a carrier gas while keeping the substrate 2 at the same temperature. Abbreviation) is epitaxially grown. Then, the active layer 12 is formed by alternately forming the barrier layer and the well layer a desired number of times by the method described above. Thereafter, ammonia and trimethylgallium are supplied to the processing chamber by the carrier gas, and the final barrier layer 13 made of the GaN layer is grown.

次に、基板２の温度を約１０００℃〜約１１００℃まで昇温した後、キャリアガスによりアンモニアガス、ＴＭＧガス、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガス及びビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）ガスを処理室に供給して、マグネシウムがドープされたｐ型ＡｌＧａＮ層からなる電子阻止層１４をファイナルバリア層１３上にエピタキシャル成長させる。   Next, after the temperature of the substrate 2 is raised to about 1000 ° C. to about 1100 ° C., ammonia gas, TMG gas, trimethylaluminum (TMA) gas, and biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) gas are treated with a carrier gas. The electron blocking layer 14 made of a p-type AlGaN layer doped with magnesium is epitaxially grown on the final barrier layer 13.

次に、基板２の温度を約１０００℃〜約１１００℃に保った状態で、キャリアガスによりアンモニアガス、ＴＭＧガス及びＣｐ２Ｍｇガスを処理室に供給して、マグネシウムがドープされたｐ型ＧａＮ層からなる第２半導体層１５を電子阻止層１４上にエピタキシャル成長させる。これにより、活性層１２の成長主面１２ａ及び第１半導体層１１、ファイナルバリア層１３、電子阻止層１４の主面が非極性面のｍ面に形成される。   Next, in a state where the temperature of the substrate 2 is maintained at about 1000 ° C. to about 1100 ° C., ammonia gas, TMG gas, and Cp 2 Mg gas are supplied to the processing chamber by a carrier gas, and then from the p-type GaN layer doped with magnesium The second semiconductor layer 15 to be formed is epitaxially grown on the electron blocking layer 14. As a result, the growth principal surface 12a of the active layer 12 and the principal surfaces of the first semiconductor layer 11, the final barrier layer 13, and the electron blocking layer 14 are formed on the m-polar surface.

次に、発光部３が形成された基板２をプラズマＣＶＤが可能な処理室に移動させて、ＳｉＯ2層とＳｉXＮY層とを交互に成長させ、所望のペア数となるようにそれぞれ積層することによって反射層７を形成する。このとき、基板２の裏面２ｂに対して所望の粗面とする処理を行うことも可能である。 Next, the substrate 2 on which the light-emitting portion 3 is formed is moved to a processing chamber capable of plasma CVD, and SiO 2 layers and Si X N Y layers are alternately grown so that a desired number of pairs is obtained. The reflective layer 7 is formed by laminating. At this time, it is also possible to perform a desired rough surface treatment on the back surface 2b of the substrate 2.

次に、スパッタリング法や真空蒸着法により、ＺｎＯからなる第１電極部４を第２半導体層１５の表面３ａの全面に形成する。そして、第１電極部４に、ＥＢ描画技術及びナノインプリント技術を用いてスリット４０を形成する。   Next, the 1st electrode part 4 which consists of ZnO is formed in the whole surface 3a of the 2nd semiconductor layer 15 by sputtering method or a vacuum evaporation method. And the slit 40 is formed in the 1st electrode part 4 using EB drawing technique and nanoimprint technique.

次に、レジストを所望のパターンに形成して、第１電極部４及び発光部３をエッチングすることにより、第１半導体層１１の一部領域がメサエッチングされて電極面が露出する。そして、露出された電極面において、抵抗加熱法又は電子ビーム法等の真空蒸着法によりＴｉ層及びＡｌ層を順に積層して第２電極６を形成する。   Next, a resist is formed in a desired pattern, and the first electrode portion 4 and the light emitting portion 3 are etched, whereby a partial region of the first semiconductor layer 11 is mesa-etched to expose the electrode surface. Then, on the exposed electrode surface, the second electrode 6 is formed by sequentially stacking a Ti layer and an Al layer by a vacuum evaporation method such as a resistance heating method or an electron beam method.

次に、ダイヤモンド等のスクライバーを用いて研削して罫書き線を形成した後、ブレーキングすることにより基板２及び発光部３を劈開することができる。劈開によりできた端面は、劈開面であるので鏡面となっている。   Next, the substrate 2 and the light emitting unit 3 can be cleaved by grinding using a scriber such as diamond to form ruled lines and then braking. Since the end surface formed by cleavage is a cleavage surface, it is a mirror surface.

次に、ダイシングブレード等のウェハを切断する器具を用いたダイシングによって、半導体発光素子は素子単位毎に分割される。   Next, the semiconductor light emitting element is divided into element units by dicing using a tool for cutting a wafer such as a dicing blade.

以上の工程により、図１に示した実施の形態に係る半導体発光素子が完成する。   Through the above steps, the semiconductor light emitting device according to the embodiment shown in FIG. 1 is completed.

本発明の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、スリット４０が所望の偏光成分のみを透過させることにより、外部に出射される偏光は、特定方向の偏光成分を有する高い偏光比の偏光とすることができる。   According to the semiconductor light emitting device according to the embodiment of the present invention, the slit 40 transmits only a desired polarization component, so that polarized light emitted to the outside is polarized light having a high polarization ratio having a polarization component in a specific direction. can do.

また、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、スリット４０によって反射された偏光成分は、粗面である反射層７に到達すると乱反射によりランダム偏光となり、再びスリット４０によって偏光成分が識別される。そして、ランダム偏光のうち特定方向の偏光成分を有する偏光のみがスリット４０を透過するので高い偏光比を維持することができる。   In addition, according to the semiconductor light emitting device according to the embodiment of the present invention, the polarization component reflected by the slit 40 becomes random polarization by irregular reflection when reaching the reflection layer 7 which is a rough surface, and the polarization component is again converted by the slit 40. Identified. Since only polarized light having a polarization component in a specific direction among random polarized light passes through the slit 40, a high polarization ratio can be maintained.

（変形例）
本発明の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子は、図６に示すように、光取出方向Ａが基板２側になり、スリット４０が光取り出し面である基板２の裏面２ｂに設けられている点が図１に示した半導体発光素子と異なる。他は図１に示した半導体発光素子と実質的に同様であるので、重複した記載を省略する。 (Modification)
As shown in FIG. 6, the semiconductor light emitting device according to the modification of the embodiment of the present invention is provided on the back surface 2b of the substrate 2 where the light extraction direction A is on the substrate 2 side and the slit 40 is the light extraction surface. This is different from the semiconductor light emitting device shown in FIG. Others are substantially the same as those of the semiconductor light emitting device shown in FIG.

本発明の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子で示すように、光取出方向Ａは、基板２側にすることもでき、設計の自由度を向上させることができる。   As shown in the semiconductor light emitting device according to the modification of the embodiment of the present invention, the light extraction direction A can be on the substrate 2 side, and the degree of freedom in design can be improved.

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。 (Other embodiments)
As described above, the present invention has been described according to the embodiment. However, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques should be apparent to those skilled in the art.

例えば、実施の形態に係る半導体発光素子において、光取り出し面と対向する面は、粗面であると記載したが、鏡面であっても構わない。光取り出し面と対向する面が鏡面であれば、反射層７で乱反射を起こさないので、活性層１２で発生した偏光のうち基板２側へ進行する偏光の偏光方向を維持したまま光取出方向Ａへと反射させることができる。つまり、活性層１２で発生した偏光が高い偏光比であれば、高い偏光比のまま外部へ出射することができる半導体発光素子となる。これは、活性層１２が大きな吸収を持っていれば外部に出射されないで反射する偏光は吸収されるので、活性層１２が大きな吸収を持っているか、持っていないかによって使い分けることができる。   For example, in the semiconductor light emitting device according to the embodiment, the surface facing the light extraction surface is described as a rough surface, but may be a mirror surface. If the surface facing the light extraction surface is a mirror surface, irregular reflection is not caused by the reflection layer 7, so that the light extraction direction A is maintained while maintaining the polarization direction of the polarized light traveling toward the substrate 2 among the polarized light generated in the active layer 12. Can be reflected. That is, if the polarized light generated in the active layer 12 has a high polarization ratio, the semiconductor light emitting device can emit light with the high polarization ratio. If the active layer 12 has a large absorption, polarized light that is reflected without being emitted to the outside is absorbed. Therefore, the active layer 12 can be selectively used depending on whether the active layer 12 has a large absorption or not.

また、実施の形態に係る半導体発光素子においては、図１及び図６に示したように、第１電極部４を第２半導体層１５上に配置し、第１半導体層１１の一部領域をメサエッチングして第１半導体層１１の露出した面に第２電極６を配置しているように記載しているが、半導体発光素子の両面に第１電極部４及び第２電極６をそれぞれ配置する構成でも構わない。半導体発光素子の両面に電極を配置する場合は、基板２は導電性ＧａＮでなければならず、電極には光透過性の材料を用いる必要がある。   In the semiconductor light emitting device according to the embodiment, as shown in FIGS. 1 and 6, the first electrode portion 4 is disposed on the second semiconductor layer 15, and a partial region of the first semiconductor layer 11 is formed. Although it is described that the second electrode 6 is disposed on the exposed surface of the first semiconductor layer 11 by mesa etching, the first electrode portion 4 and the second electrode 6 are disposed on both surfaces of the semiconductor light emitting element, respectively. It does not matter if the configuration is When electrodes are arranged on both sides of the semiconductor light emitting device, the substrate 2 must be conductive GaN, and it is necessary to use a light transmissive material for the electrodes.

また、基板２に成長主面がｍ面以外のＧａＮを用いることもできるし、ＧａＮ以外の基板を用いることもできる。非偏光性の素子に本発明のワイヤグリッド構造を設けることによって、偏光性の発光素子にすることもできる。   Further, GaN having a growth principal surface other than the m-plane can be used for the substrate 2, or a substrate other than GaN can be used. By providing the wire grid structure of the present invention in a non-polarizing element, a polarizing light-emitting element can be obtained.

この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によってのみ限定されるものである。   Thus, it should be understood that the present invention includes various embodiments and the like not described herein. Therefore, the present invention is limited only by the invention specifying matters in the scope of claims reasonable from this disclosure.

図１（ａ）は本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の構成例の断面図であり、図１（ｂ）は本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の構成例の平面図である。FIG. 1A is a cross-sectional view of a configuration example of a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a plan view of a configuration example of a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention. is there. 六方晶の結晶構造のユニットセルを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the unit cell of the hexagonal crystal structure. 本発明の実施の形態に係る半導体発光素子のスリットの拡大図である。It is an enlarged view of the slit of the semiconductor light-emitting device which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る半導体発光素子で発生した偏光を外部に出射する方法を示す概念図（その１）である。It is a conceptual diagram (the 1) which shows the method of radiate | emitting outside the polarized light which generate | occur | produced with the semiconductor light-emitting device which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る半導体発光素子で発生した偏光を外部に出射する方法を示す概念図（その２）である。It is a conceptual diagram (the 2) which shows the method of radiate | emitting the polarized light which generate | occur | produced with the semiconductor light-emitting device which concerns on embodiment of this invention outside. 本発明の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子の構成例の平面図である。It is a top view of the example of composition of the semiconductor light emitting element concerning the modification of an embodiment of the invention.

符号の説明Explanation of symbols

２…基板
３…発光部
４…第１電極部
５…接続部
６…第２電極
７…反射層
１１…第１半導体層
１２…活性層
１３…ファイナルバリア層
１４…電子阻止層
１５…第２半導体層
４０…スリット DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 ... Board | substrate 3 ... Light-emitting part 4 ... 1st electrode part 5 ... Connection part 6 ... 2nd electrode 7 ... Reflective layer 11 ... 1st semiconductor layer 12 ... Active layer 13 ... Final barrier layer 14 ... Electron blocking layer 15 ... 2nd Semiconductor layer 40 ... Slit

Claims (4)

非極性面又は半極性面を成長主面とするIII族窒化物半導体からなる活性層を有し、前記活性層から偏光を発生する発光部と、
前記偏光を取り出す光取り出し面に設けられ、前記偏光の波長より狭いラインアンドスペースであるスリット
とを備えることを特徴とする半導体発光素子。 A light emitting portion having an active layer made of a group III nitride semiconductor having a nonpolar plane or a semipolar plane as a main growth surface, and generating polarized light from the active layer;
A semiconductor light emitting device comprising: a slit provided on a light extraction surface for extracting the polarized light and having a line and space narrower than a wavelength of the polarized light. 前記光取り出し面と対向する面は、粗面であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。   The semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein the surface facing the light extraction surface is a rough surface. 前記成長主面は、ｍ面であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。   The semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein the growth main surface is an m-plane. 前記光取り出し面と垂直な面は、鏡面であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。   The semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein the surface perpendicular to the light extraction surface is a mirror surface.
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