JP3843245B2 - 半導体発光素子および半導体発光装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子およびその製造方法ならびに該半導体発光素子を有する半導体発光装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
GaN,InN,AlNおよびそれらの混晶半導体からなる窒化物半導体材料をはじめとする、六方晶系構造を有する半導体を用いて、LEDや半導体レーザ等の発光素子が実現されており、垂直共振器型面発光レーザ(VCSEL)についても構造が提案されてきた。
【0003】
たとえば特開平10−135576号公報に開示された垂直共振器型面発光レーザは、活性層等のエピタキシャル層の積層面内に窒化物半導体の<0001>方向を配置し、積層面に垂直な方向を<1−100>方位とすることを特徴としている。
【0004】
本従来例の半導体レーザでは、活性層の主面が(1−100)面となり、従前の活性層の主面が(0001)面となる半導体レーザと異なり、結晶学的に等方でないので、垂直方向に放射されるレーザ光が特定の方向に偏光する。これにより、従前の垂直共振器型面発光レーザの、レーザ光の偏光方向が定まり難いという問題点が解消されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例においては、基板として、たとえばGaN(1−100)面基板を用いてレーザを作製することにより、上記半導体レーザを実現できるとしているが、このような基板は広く市販はされていなかった。窒化物半導体は、<0001>方向に結晶成長し易いという性質を有するため、窒化物半導体からなる(1−100)面基板を安定して製造することは困難である。そのため、GaN(1−100)面基板を安定して供給することができなかった。
【0006】
他の基板を用いた場合には、窒化物半導体は、その主面が(0001)面となるように結晶成長しやすく、上記結晶方位を有する半導体レーザを得ることは困難であった。したがって、上記従来技術の垂直共振器型半導体レーザを、実用レベルで実現することは不可能であった。
【0007】
本発明は、このような問題点を解決するものであり、窒化物系半導体を用い、偏光方向が制御された垂直共振器型半導体レーザ、効率の高い垂直共振器型半導体レーザ、レゾナントキャビティー型発光素子等の半導体発光素子および該半導体発光素子を有する半導体発光装置を実用レベルで実現することを目的とする。
【0011】
上記のような基板を用いて化合物半導体層を形成することにより、化合物半導体層の主面の面方位を(1−101)とすることができる。したがって、該化合物半導体層上に形成される活性層の主面の面方位を、基板の主面に略一致した(1−101)とすることができ、活性層とクラッド層の積層方向に共振器を有する半導体発光素子において偏光方向の制御性を向上することができる。また、上記の基板を用いることにより、(1−101)面を結晶成長時に安定して得ることができる。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光素子は、1つの局面では、シリコンからなる基板と、この基板上に形成された窒化物半導体で構成される化合物半導体層とを備え、上記基板は、基板の主面より62度傾斜した面、もしくはこの面から任意の方向に3度以内の範囲で傾いた面を斜面として有する溝を有し、化合物半導体層は斜面上に形成され、化合物半導体層上に、窒化物半導体を含む活性層と、該活性層を挟むクラッド層とを有し、活性層とクラッド層の積層方向に共振器を有するとともに、活性層は、基板の主面に略一致した面方位をもち、基板の一部を除去して出力光を取出し可能とする。
本発明の半導体発光素子は、他の局面では、シリコン基板と、シリコン基板上に形成された窒化物半導体で構成される化合物半導体層とを有し、化合物半導体層が、(100)面を[01−1]軸のまわりで7.3度回転した面、もしくは、この面から任意の方向に3度以内傾けた範囲にある面で構成される主面を有するシリコン基板を用いて形成され、シリコン基板は、(111)面を斜面として有する溝を備え、化合物半導体層は斜面上に形成されるとともに、窒化物半導体を含んで構成される活性層と該活性層を挟むクラッド層と、活性層とクラッド層の積層方向の共振器とを有し、シリコン基板の一部を除去して出力光を取出し可能とする。
【0014】
上記クラッド層または活性層の主面の面方位は、好ましくは、(1−101)である。また、化合物半導体層の<0001>方向は、好ましくは、上記斜面に略垂直である。上記溝は、好ましくは、活性層を構成する窒化物半導体の[11−20]方向に沿って延伸する。上記半導体発光素子は、好ましくは、半導体レーザ素子であり、該半導体レーザ素子から放射されるレーザ光は、上記溝に平行もしくは垂直な方向に偏光する。また、上記基板の表面の、斜面以外の少なくとも一部に、窒化物半導体の成長が抑制される膜が形成されることが好ましい。
【0015】
本発明の半導体発光装置は、上述の半導体発光素子と、該半導体発光素子からの出射光を吸収し、出射光とは異なる波長の光を発光する波長変換物質とを備える。
【0020】
なお、本明細書において、窒化物半導体とは、主にIII族元素とN元素より構成された化合物半導体であって、AlxInyGa1-x-yN(0≦x,y≦1)の他、そのIII族元素の一部(20%程度以下)をB,Tl等の他の元素で置換した結晶や、そのN元素の一部(10%程度以下)をAs,P,Sb等の他の元素で置換した結晶を含む。
【0021】
また、本明細書において、特定の面・方向を示す際、数学的に厳密に規定されたその面・方向のみが、本発明の適用範囲と解すべきではない。それらの面・方向から、若干ずれていたとしても、本発明の効果が失われるものではなく、具体的には、3度程度以内ずれていても、本発明の適用範囲内と解すべきである。
【0022】
【発明の実施の形態】
本発明について、以下に実施の形態を示しつつ説明する。
【0023】
<実施の形態1>
図1は、本実施の形態における窒化物半導体膜(化合物半導体層)の(1−101)ファセット面70を形成するための概念図であり、図2は、本実施の形態の窒化物半導体発光素子の構造を示す概略断面図である。
【0024】
本実施の形態の窒化物半導体発光素子は、[0−1−1]方向へ7.3°オフした(001)シリコン基板1上に形成される。該シリコン基板1は、その主面から62度の角度の斜面を(111)ファセット面61として有するストライプ状の溝を有しており、そのファセット面61から下記の説明のように順次平坦化されて積層されていくn−AlGaInN層10、n−GaN層102を有している。なお、ファセット面61から任意の方向に3度以内傾いた面を斜面としてもよい。
【0025】
n−GaN層102の上面は、ほぼ基板主面と平行であり、(1−101)面となっている。その上に、図2に示すように、順次、n−InAlN/GaN多層反射膜103、n−AlGaNスペーサ層104、InwGa1-wN(0<w<1)井戸層とInvGa1-vN(0≦v<w)障壁層との交互多層構造からなる多重量子井戸活性層105(発振波長400nm)、AlGaNキャップ層106、p−AlGaNスペーサ層107、p−GaNコンタクト層108の各窒化物半導体層が形成されている。活性層(多重量子井戸活性層105)と、クラッド層の役割を果たすスペーサ層とを含む各窒化物半導体層の主面の面方位は(1−101)であり、シリコン基板1の主面の面方位と略一致している。
【0026】
さらに、p−GaNコンタクト層108の上面には、金属電極110がメッシュ状に形成されており、金属電極110を含めて上面を覆うように、誘電体多層反射膜111が形成されている。また、上面から、n−GaN層102が露出するように各層がエッチングされており、n−GaN層102上には、金属電極109を設けている。こうして、活性層とその両側に、活性層にキャリアを閉じ込めるためのクラッド層の役割を果たすスペーサ層が設けられ、さらにその外側に反射鏡が設けられている、垂直共振器構造が構成されている。
【0027】
本実施の形態では、垂直共振器の光出力部の形状を、直径がd=50μmの円形とし、これは光出力のための開口部で規定される。垂直共振器の側面には、絶縁保護膜112を設ける。また、図示されないが、金属電極110に電気的に接続したパッドを、外部との電気的な接続のためのワイヤーを形成するためのものとして適宜設けた。反射鏡間の距離、すなわち、多層反射膜103と誘電体多層反射膜111との間の距離は、3λであり、その中心に活性層が位置する。
【0028】
n型半導体を形成するためのドーパントとしては、Si,Ge,O,S,Seが好ましく、p型半導体を形成するためのドーパントとしては、Be,Cd,Mgが好ましい。Be,Cd,Mgと同時に、Si,Ge,O,S,Seのいずれかを添加することも、低抵抗、ドーパント拡散の少ないp型層を得るために好ましい。
【0029】
次に、本実施の形態の半導体発光素子(半導体レーザ素子)の作製方法について図4ないし図7を参照しつつ説明する。
【0030】
まず、[0−1−1]方向へ7.3°オフした(001)シリコン基板(ウエハ)1を洗浄し、その上に、スパッタリングもしくはCVD(Chemical Vapor Deposition)の技術を用い、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の絶縁膜からなるマスク52を100nm堆積させる。その後、図4の通り、フォトリソグラフィ技術を用いて、マスク52をストライプ状に除去する。このときストライプの方向は、Si[01−1]方向に沿っている。
【0031】
さらにそのシリコン基板1を、KOH等のアルカリのエッチャントもしくはバッファードフッ酸などの酸エッチャントによってエッチングし、図5に示すとおりSi(111)ファセット面61をもつ溝を形成する。この溝は、Si[01−1]方向(窒化物系半導体の<11−20>方向)に延伸したストライプ状の溝である。図1に示す通り、(111)ファセット面61は、シリコン基板1の主面60を上記所定の面方位としたのでこれに対して62度の関係を有しているものであった。この面は、上記エッチングにより得られる平坦なファセット面であり、適宜エッチャント温度、エッチング速度を調整することで容易に得ることができる。
【0032】
このとき、溝の形状自体は、V字もしくは底の領域が平坦になっている変形のV字等の形状であり、もう一方の斜面は、(1−1−1)ファセット面となる。シリコン基板1がオフ基板であるために、V字の形状は左右対称でなく、(111)斜面は主面60に対して約62°傾斜した面であるが、(1−1−1)斜面は同約47°傾斜した面である。このシリコン基板1をスパッタリング装置内で傾けた状態で設置することで(111)ファセット面61には膜がつかないようにしながら製膜を行い、(1−1−1)ファセット面を覆うようにシリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜からなるマスク52を施し、図6の状態とする。これを、窒化物半導体膜あるいは窒化物半導体基板作成用の基板とする。
【0033】
そして、MOCVD(有機金属化学気相成長)法を用いて、以下の成長条件で窒化物半導体膜を成長する。上記プロセスを行ったシリコン基板1のファセット面61上に、図1に示すn−AlGaInN中間層10、n−GaN層102(化合物半導体層)を結晶成長することで、図7(a)〜(b)のような成長過程を経て、上面に平坦なGaN(1−101)ファセット面70をもったGaN結晶膜を作製することが可能となる。
【0034】
ここで、n−AlGaInN中間層10はバッファ層としての役割を果たす、膜厚数100nm程度以下の薄い膜である。図7(a)に示すように、結晶成長は露出する(111)ファセット面61上から開始する。成長する窒化物半導体は、斜面に対して<0001>方向が垂直となるように配向する。成長した結晶の上面には、基板主面にほぼ平行にGaN(1−101)ファセット面70が現れ、そのため図7(b)に示すように、成長途中の段階では窒化物半導体は、ストライプ方向に伸びた三角柱のような形状の結晶となる。なお、図1は、図7(b)の状態における断面図を用いて結晶方位等を示した図である。
【0035】
結晶成長が進むにしたがって図7(c)に示すように窒化物半導体からなる三角柱状結晶の径は大きくなり、ついには隣接する三角柱状結晶同士が接触するようになる。さらに成長を続けると、分離していた各三角柱状結晶は合体し、図7(d)に示すように、表面に平坦なGaN(1−101)ファセット面72をもったGaN結晶からなる連続膜が得られることになる。
【0036】
成長初期に用いる中間層としては、AlInN中間層、AlGaN中間層、AlN中間層を用いても同様の結果が得られた。なお、中間層として、Alを含む組成の窒化物系半導体結晶で構成すれば、Si基板の表面荒れを防止することができ、また、Inを含む組成の窒化物系半導体結晶で構成すれば、上記n型不純物を添加することで、低抵抗の膜を形成することができる。
【0037】
このように本発明では、シリコン基板1を用いた場合、窒化物半導体膜は該基板に対してc軸配向の結晶成長が行われやすく、ファセット面と基板のオフ角の関係が62°からなるシリコン基板1を用いることで、平坦な窒化物半導体の(1−101)ファセット面70,72を有する結晶膜を生産性良く製造することができる。
【0038】
続いて、n−InAlN/GaN多層反射膜103からp−GaNコンタクト層108までの各窒化物半導体層をMOCVD(有機金属化学気相成長法)により、順次積層形成する。その後、円柱状に、n−GaN層が露出するまでエッチングを行い、p−GaNコンタクト層108の上面にメッシュ状の金属電極110を設ける。金属電極110としては、Pd/Ag/Au,Ag/Pd/Au,Pd/Pt/Au,Pd/Mo/Au等を用いてもよく、発光領域中に均一に電流が注入でき、かつ、光取出しが可能なように、線幅2μm程度、個々の開口部2μm角程度のサイズのメッシュ状とした。
【0039】
その後、n−GaN層の円柱状の発光領域の周囲には、金属電極109を設ける。また、発光領域の上面には、誘電体多層膜111を設ける。これには、TiO2とSiO2の交互多層膜や、Ta2O5とSiO2の交互多層膜等が好ましく用いられ、レーザ発振動作のためには、反射率を80%程度以上とする。なお、LED動作(レゾナントキャビティ型LED)のためには、反射率は50%以上程度でよい。
【0040】
ここで用いたシリコン基板1は(001)面から7.3°[0−1−1]方向に傾けた、すなわち(001)面から[01−1]軸のまわりで7.3度回転した主面60を持つものであり、これより活性層は(1−101)を面方位としてもち、また、これがシリコン基板1の主面60とほぼ同じ面方位を持つ。シリコン基板1が、上記主面60から任意の方向に3度以内の範囲で傾いている面を主面として有する場合も、(1−101)面に近い面方位を有する極めて平坦な窒化物半導体界面が得られる。
【0041】
そして、作製した半導体レーザ素子の特性を測定したところ、動作電流300mAで、光出力0.5Wが得られた。また、その偏光方向は、多くの場合、活性層等を構成する窒化物系半導体<11−20>方向であった。クラッド層の成長温度等を変化させ、活性層に与える歪の状態によっては、<11−20>に垂直な方向であった。いずれの場合においても、活性層が面内で結晶学的に異方性を持つため、その偏光方向が安定していた。
【0042】
これらの結果は、上記所定の面方位を持つ活性層を有することで、極めて平坦性の高く、その層厚のゆらぎが少ない量子井戸構造が得られたこと、また、GaN膜のc軸が活性層面から傾くことで、活性層内の井戸および障壁層界面にピエゾ効果によって生じる電界が減少するため、電子正孔対のキャリア再結合確率が上がって発光効率が改善すること、さらには、活性層の主面が結晶学的に等方的でないために、レーザ発振光が一方向に偏光しており、そのため、発光効率が高いこと、さらには、結晶成長方向が結晶初期から途中で(1−101)方向に変化することから、基板界面付近から延びる貫通転位が活性層に達しなくなり、非発光再結合が減少したこと等の複合的効果によるものと考えられる。
【0043】
また、このように活性層の主面が等方的でない面である(1−101)面とするために、基板上に所定の溝状の構造をあらかじめ形成しておくだけの、簡便な方法で実現することができた。さらに、本発明においては、有効にクラックの発生を抑制することができた。これは、AlGaNクラッド層の結晶成長が[1−101]方向に進むこと、また、基板主面から相当に傾斜した斜面上から窒化物半導体の成長を開始し、成長方向が途中より(1−101)方向に変化する効果によるものと考えられる。
【0044】
通常シリコン基板1上に本実施の形態と同様のレーザ層構造を作成すると、数百本/mmものクラックが発生するが、本発明によりクラックの発生はほぼ皆無となった。サファイア基板上に本実施の形態と同様のレーザ構造を作成した場合と比べてもクラックが発生しにくく、クラックの抑制効果は顕著である。
【0045】
以上より、半導体レーザ素子において閾値が低減し、また、クラック・欠陥が抑制され、素子寿命も向上した。なお、ここに記載された効果は、他の実施の形態に記載した発光素子においても同様に見られるものである。
【0046】
また、従来技術のような、活性層の主面を(1−100)面とした場合と比較しても、(1−101)面を主面とする積層方向の共振器を有する、本発明の半導体発光素子は、(1−101)面が結晶成長時に安定面として形成される面であることから、活性層の平坦性が得られやすい。また、閾値電流密度が小さく、欠陥が少ないために、寿命特性にも優れている利点がある。特に、垂直共振器型の発光素子においては、反射鏡として多層反射膜を形成する必要があり、本発明のように、各半導体層において平坦な表面が得られる(1−101)面を主面として成長する技術は、このような多層反射膜の平坦性にも直結し、所望の反射率を得ることが容易になる。
【0047】
本実施の形態をはじめとして、以下の実施の形態において、成長初期に用いる中間層としては、AlGaInN中間層の他に、AlInN中間層、AlGaN中間層を用いてもよく、AlNを用いてもよい。中間層の組成を選定するにあたっては、成長初期時のシリコン基板1の荒れを抑制するためにはGa組成を小さくすることがよく、また、シリコン基板1を通じて電流を流す場合に、界面の抵抗を減少させる目的には、Al組成を小さくし、また、Si等のn型不純物を1017cm-3以上の高ドープすることが望ましい。
【0048】
また、n側の金属電極を、シリコン基板1に設け、窒化物半導体からシリコン基板1を通じて電流を流す構成とすることもでき、この場合、窒化物半導体とシリコン基板1との界面で、電圧降下が生じやすい問題があるが、n型窒化物半導体とシリコン基板1とを短絡する電極を設けて電圧降下を低減することも有効であり、これは、成長抑制膜と兼用することもできる。
【0049】
またさらに、本実施の形態の半導体素子において、シリコン基板に設けられた溝の間隔は、半導体素子のサイズと同一のオーダーであり、本実施の形態を説明する図2において、素子当たり2本の溝が形成されているが、本発明の適用はこのような場合に限られるわけではなく、さらに疎に溝を設けてもよく、逆に、素子内に数十本から数百本程度になるように密に溝を設けることも有効である。溝の間隔は、1μm〜1000μmであってもよく、溝の斜面である62度の傾斜面の深さは、0.1μm〜100μmであってもよい。
【0050】
<実施の形態2>
実施の形態1においては、(001)面より7.3度傾けたシリコン基板1上に直接発光素子構造の作製を行なったが、このシリコン基板1をGaN基板作製のための下地基板として用い、連続膜からなるGaN基板を作製したのちに半導体レーザ素子を形成することも可能である。
【0051】
実施の形態1の製造工程において説明した、図7(d)の状態のウェハをHVPE(ハイドライドVPE)装置内に導入する。N2キャリアガスとNH3を、それぞれ5(l/min.)流しながら、基板の温度を約1050℃まで昇温する。その後、基板上にGaClを100(cm3/min.)導入してGaNの厚膜の成長を開始する。GaClは約850℃に保持されたGa金属にHClガスを流すことにより生成される。また、基板近傍まで単独で配管してある不純物ドーピングラインを用いて不純物ガスを流すことにより、任意に成長中に不純物のドーピングを行なうことができる。本実施の形態ではSiをドーピングする目的で、成長を開始すると同時に、モノシラン(SiH4)を200(nmol/min.)供給(Si不純物濃度約3.8x1018cm-3)してSiドープGaN膜を成長する。
【0052】
上記方法で、8時間の成長を行ない、膜厚の合計が約350μmの厚さのGaNを上記シリコン基板1上に成長する。成長後、研磨ないしはエッチングによりシリコン基板1を除去し、(1−101)ファセット面70を有する極めて平坦なGaN基板を得る。こうして、本実施の形態によれば、ファセット(1−101)面70を表面に有する窒化物半導体(GaN)基板を得ることができる。
【0053】
このn−GaN基板(膜厚100μm)上に、順次、実施の形態1の垂直共振器型面発光レーザ構造を実施の形態1と同様の手法で形成することで、本実施の形態の半導体レーザ素子(ウエハー)を得る。ただし、n−GaN基板の裏面に、n側の金属電極を形成する。得られた半導体レーザ素子は、ステム,リードフレーム等の基台の上に金属電極を下にして設置し、外部からの電力供給を行い動作させる。
【0054】
上記のごとく、シリコン基板1を出発基板として、(1−101)ファセット面70を有する極めて平坦なGaN基板を作製し、その後、半導体レーザ素子を作製したので、発振閾値の低い半導体発光素子が得られた。
【0055】
作製した半導体レーザ素子の特性を測定したところ、駆動電流0.6Aで、光出力1Wのレーザ出力が得られた。実施の形態1と比較して、熱伝導に優れるGaNを基板としたので、より高電流域まで光出力が飽和しにくくなった。
【0056】
<実施の形態3>
実施の形態1では、Si(111)面が、エッチャントを用いたエッチング方法(湿式エッチング)により容易に形成される性質を利用し、シリコン主面から約62度傾斜した溝斜面を得ていた。こうして得られた斜面は、いわゆる結晶ファセットであり、加工精度が安定しているだけでなく、平坦性にも優れており、窒化物半導体を成長させる下地として非常に優れている。
【0057】
しかしながら、本発明の適用範囲はこれだけに限られるものではない。本願発明者の数々の実験より、(001)面より7.3度傾けた面をシリコン基板1の主面として用いるだけでなく、他の面を主面として用いた場合においても、シリコン基板1の主面上に実施の形態1と同様に部分的にマスク52を施し、エッチングの温度、速度を変えることで、主面に対して62度からなる傾斜面を有する溝を形成することが可能となった。
【0058】
そこで、その面を用い検討を行なった場合、同様の結果が得られた。つまり、実施の形態1と同じように、GaN(1−101)ファセット面70が、シリコン基板1の主面とほぼ平行になるような結晶成長が可能であり、このような成長を続ける結果、平坦なGaN(1−101)ファセット面70を表面にもつ連続した結晶膜が得られた。
【0059】
GaNは配向性の強い結晶であり通常の方法では、主面に垂直にc軸配向し、よって得られる結晶はC面を主面とするものしか得られずC面とは異なる面を有する結晶を得ることは困難であったが、本発明により、GaN(1−101)ファセット面70を表面にもつ結晶が容易に得られるようになった。
【0060】
たとえば(2−1−1)面から[100]方向に8.6°オフしたシリコン基板1上に、[01−1]方向に延伸したストライプ状溝を作成することで(211)ファセット面を主面から62°傾斜した斜面として形成することができ、これによっても上記同様な表面が平坦なGaN結晶膜が得られた。これは窒化物半導体結晶が、この(211)ファセット面に対しても垂直軸をc軸として、成長が行われ、この場合にも(211)面から62°の角度の関係を有するシリコンオフ基板1を用いることで、平坦なGaN基板が得られるものと考えられる。
【0061】
このように本発明では、シリコン基板1を用いた場合、窒化物半導体膜は基板に対してc軸配向の結晶成長が行われやすく、ファセット面と基板主面のオフ角の関係が62°である基板を用いることで、平坦な窒化物半導体の(1−101)ファセット面70を有する結晶膜を得ることができる。
【0062】
この結晶膜を成長させて得られた連続膜からなる窒化物半導体膜上に、実施の形態1や2と同様にして半導体発光素子を形成することでシリコン基板1上への高輝度、高効率の半導体発光素子の作製が可能となる。
【0063】
こうして得られた半導体発光素子は、その発光層(活性層)が(1−101)ファセット面を主面として有している。これは、従来、サファイア基板、SiC基板、Si(111)基板を用いて形成されていた素子が(0001)面を主面としていたのと異なっている。
【0064】
ウルツ鉱構造結晶である窒化物半導体の(0001)面を主面としていた薄膜は、その主面に平行な方向では、バンド構造的に等価であるが、本発明のように(1−101)ファセット面を主面とした薄膜は、その主面に平行な方向もバンド構造的に等価ではない。よって、本実施の形態に限らず、本発明を応用した発光素子は、発光層(活性層)に平行な方向のバンドの縮退が解けており、よって、発光効率が高く、また、半導体レーザ素子に応用した場合に格段の低閾値、高効率を実現することができる。
【0065】
さらには、基板はシリコンだけに限られるものではない。たとえば、GaAs等の他の立方晶基板を用い、面方位の関係を実施の形態1等の場合と同様としても同様に半導体レーザ素子を構成できる。ただし、シリコン基板1は、窒化物半導体を成長する際の成長雰囲気に対して比較的安定であり、結晶成長時に成長面を平坦なままに保ちやすく、本発明の効果が安定して得られやすい利点がある。また、立方晶に限らず、任意の材料を基板として用い、溝の形状を本明細書で規定するとおりに加工してもよい。ただし、実施の形態1等で説明したシリコン基板1に溝を形成する手法では、いわゆるファセット面を斜面として用いているので、平坦性、窒化物半導体を成長する際の成長雰囲気に対する安定性が優れており、本発明の効果が安定して得られ易い利点がある。
【0066】
<実施の形態4>
本実施の形態は、実施の形態1の変形例であり、実施の形態1の半導体レーザの共振器領域の直径dを3μmにし、多層反射膜103の反射率を99%、誘電体多層反射膜111の反射率を95%程度にしたものである。その結果、発振閾値0.5mAと、超低閾値の短波長半導体レーザを実現でき、また、光出力5mWで、1000時間の動作試験を実施したところ、偏光方向の変動が無く、発振が極めて安定していることが判明した。このように、超低閾値かつ偏光方向が安定した半導体レーザが実現でき、光ディスクシステムの光源として最適である。
【0067】
なお、本実施の形態の思想を、実施の形態2または実施の形態3の思想と組み合わせることも可能であり、それぞれに適用しても同様の結果が得られた。
【0068】
<実施の形態5>
本実施の形態は、実施の形態1の変形例であり、実施の形態1の半導体レーザのメッシュ状の金属電極110を平坦なITO膜に変更し、その上に、反射鏡となる誘電体多層膜111を設ける。それ以外の構成は、実施の形態1と同様である。
【0069】
本実施の形態の半導体レーザ素子を作製し、該半導体レーザ素子の特性を測定したところ、動作電流300mAで、光出力0.6Wが得られた。また、その偏光方向は、多くの場合、活性層等を構成する窒化物系半導体<11−20>方向であり、活性層に与える歪の状態によっては、<11−20>に垂直な方向であった。いずれの場合においても、活性層が面内で結晶学的に異方性を持つため、その偏光方向が安定であった他、実施の形態1と同様の効果が得られた。
【0070】
なお、本実施の形態の場合も、他の実施の形態に記載の技術と組み合わせることが可能であり、それぞれに適用しても、同様の結果が得られた。
【0071】
<実施の形態6>
本実施の形態は、実施の形態1の変形例であり、実施の形態1の半導体レーザの誘電体多層膜111および金属電極110をPd薄膜(膜厚2〜10nm)に変更し、電極および反射鏡としての役割を同時に持たせる。それ以外の構成は実施の形態1と同様である。
【0072】
本実施の形態の場合、反射率が50%以下しか得られないために、光の共振器への閉じ込め効果は弱く、電流を注入したときに、レゾナントキャビティ型LEDとして動作した。そして、作製したLED素子の特性を測定したところ、動作電流300mAで、光出力0.3Wが得られた。また、その偏光方向は、多くの場合、活性層等を構成する窒化物系半導体<11−20>方向であり、活性層に与える歪の状態によっては、<11−20>に垂直な方向であった。いずれの場合においても、活性層が面内で結晶学的に異方性を持つため、その偏光方向が安定であった他、実施の形態1と同様の効果が得られた。
【0073】
なお、本実施の形態も、他の実施の形態に記載の技術と組み合わせることが可能であり、それぞれに適用しても、同様の結果が得られた。
【0074】
<実施の形態7>
図3は、本実施の形態の窒化物半導体発光素子の構造を示す概略断面図である。本実施の形態の半導体レーザ素子が実施の形態1と異なるのは、シリコン基板1の一部を除去して、出力光を基板側から取出すようにし、実施の形態1の金属電極110および誘電体多層反射膜111に代えてAgからなる金属電極310を用いた点である。それ以外の構成は実施の形態1と同様である。
【0075】
本実施の形態の構成とすることにより、反射率を約90%とすることができる。また、共振器領域の下部のシリコン基板1は除去され、マスク52あるいはn−GaN層102に達する穴320が形成されている。このような穴320の形成は、シリコンのみを選択的にエッチングすることにより可能であり、フッ酸・硝酸・酢酸の混合液などの選択エッチング液を用いれば、エッチング底面に表面が鏡面のn−GaN層102が表出するので好ましい。
【0076】
多層反射膜103は、反射率80%程度以上に設定した。本実施の形態の半導体発光素子は、金属電極310側をヒートシンクに固着して実装できるため、極めて放熱性が高くなる。したがって、高電流注入時の発熱が抑制されるため、極めて高い動作電流が実現できる。作製した半導体レーザ素子の特性を測定したところ、動作電流1Aで、光出力1.5Wが得られた。
【0077】
<実施の形態8>
本実施の形態は、実施の形態7の変形例であり、Agからなる金属電極310を透明な電極となるITO薄膜と、その上に形成された誘電体多層膜に代えたものである。それ以外の構成は実施の形態7と同様である。
【0078】
上記構成により、上面の反射鏡を反射率98%以上にすることが可能になり、実施の形態7の半導体レーザ素子と比較して、さらに発振閾値を低減することができる。
【0079】
<実施の形態9>
図8は、本実施の形態の半導体発光装置を示す図である。図8に示すように、半導体発光装置は、金属パッケージ801と、半導体発光素子802と、キャップガラス803と、波長変換材料804とを備える。
【0080】
半導体発光素子(半導体レーザ、LED)802は実施の形態1ないし8に記載のものであり、これが金属パッケージ801にマウントされている。パッケージにはキャップガラス803が設けられており、ここから半導体発光素子802からの出力が外部に取出される。キャップガラス803の外側には、蛍光体等の波長変換材料(波長変換物質)804が形成されている。
【0081】
本実施の形態において、半導体発光素子802は、金属性のパッケージにマウントされているため放熱性がよく、100mA以上の大電流で発光素子が駆動された場合でも、光出力の飽和を抑制することができる。
【0082】
波長変換材料804は、半導体発光素子802からの出射光を吸収し、出射光とは異なる波長の光を発光する。該波長変換材料804は、発光素子と間隔をあけて形成されているので、半導体発光素子802の発熱による劣化や、発光素子の光取出し部分のような、高光密度領域での材料の劣化が抑制されるようになっている。
【0083】
本実施の形態においては、上記実施の形態の発光素子を用いたために、きわめて発光効率の高い、波長変換材料を用いる発光装置を実現できるので、例えば、白色光を発する照明や、屋外用ランプ光源として最適である。
【0084】
以上のように、この発明の実施の形態について説明を行ったが、今回開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【0085】
【発明の効果】
本発明によれば、活性層とクラッド層の積層方向に共振器を有する、いわゆる垂直共振器型半導体発光素子において活性層の主面の面方位を(1−101)としたので、偏光方向制御に優れた発光素子を提供することが可能となる。また、(1−101)面は所定の基板を用いることにより安定して得られるので、半導体発光素子を実用レベルで実現することができる。そればかりでなく、本発明の半導体発光素子は、発光効率、発振閾値低減等の特性にも優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の発光素子における結晶方位を説明するための図である。
【図2】 本発明の実施の形態1の窒化物半導体発光素子(半導体レーザ素子)を示す断面図である。
【図3】 本発明の実施の形態7の窒化物半導体発光素子(半導体レーザ素子)を示す断面図である。
【図4】 本発明の窒化物半導体発光素子の製造工程の第1工程を示す図である。
【図5】 本発明の窒化物半導体発光素子の製造工程の第2工程を示す図である。
【図6】 本発明の窒化物半導体発光素子の製造工程の第3工程を示す図である。
【図7】 (a)〜(d)は、本発明の窒化物半導体膜の成長過程を示す図である。
【図8】 本発明の半導体発光装置を示す図である。
【符号の説明】
1 シリコン基板、10 n―AlGaInN中間層、52 マスク、60 主面(シリコンの(001)面)、61 (111)ファセット面、70,72(1−101)ファセット面、102 n−GaN層、103,111 多層反射膜、104,107 スペーサ層、105 量子井戸活性層、106 AlGaNキャップ層、108 コンタクト層、109,110,310 金属電極、320 穴、801 金属パッケージ、802 半導体発光素子、803 キャップガラス、804 波長変換材料。
Claims (8)
- シリコンからなる基板と、前記基板上に形成された窒化物半導体で構成される化合物半導体層とを備えた半導体発光素子であって、
前記基板は、前記基板の主面より62度傾斜した面、もしくはこの面から任意の方向に3度以内の範囲で傾いた面を斜面として有する溝を有し、前記化合物半導体層は前記斜面上に形成され、前記化合物半導体層上に、窒化物半導体を含む活性層と、該活性層を挟むクラッド層とを有し、前記活性層と前記クラッド層の積層方向に共振器を有するとともに、前記活性層は、前記基板の主面に略一致した面方位をもち、前記基板の一部を除去して出力光を取出し可能としたことを特徴とする半導体発光素子。 - シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成された窒化物半導体で構成される化合物半導体層とを有する半導体発光素子であって、
前記化合物半導体層が、(100)面を[01−1]軸のまわりで7.3度回転した面、もしくは、この面から任意の方向に3度以内傾けた範囲にある面で構成される主面を有するシリコン基板を用いて形成され、前記シリコン基板は、(111)面を斜面として有する溝を備え、前記化合物半導体層は前記斜面上に形成されるとともに、窒化物半導体を含んで構成される活性層と該活性層を挟むクラッド層と、前記活性層と前記クラッド層の積層方向の共振器とを有し、前記シリコン基板の一部を除去して出力光を取出し可能としたことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記クラッド層または前記活性層の主面の面方位が、(1−101)であることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体発光素子。
- 前記化合物半導体層の<0001>方向は、前記斜面に略垂直であることを特徴とする、請求項1ないし3のいずれかに記載の半導体発光素子。
- 前記溝は、前記活性層を構成する窒化物半導体の[11−20]方向に沿って延伸することを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の半導体発光素子。
- 前記半導体発光素子は、半導体レーザ素子であり、
前記半導体レーザ素子から放射されるレーザ光は、前記溝に平行もしくは垂直な方向に偏光していることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の半導体発光素子。 - 前記基板の表面の、前記斜面以外の少なくとも一部に、窒化物半導体の成長が抑制される膜が形成されていることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の半導体発光素子。
- 請求項1ないし7のいずれかに記載の半導体発光素子と、
該半導体発光素子からの出射光を吸収し、前記出射光とは異なる波長の光を発光する波長変換物質とを備えることを特徴とする半導体発光装置。
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