(57)【要約】【課題】偏光比の高い光を取り出し可能な半導体発光素子を提供する。【解決手段】半導体発光素子１は、基板２と、基板２上に積層された窒化物半導体積層構造３と、アノード電極４と、カソード電極６と、吸収層７とを備えている。基板２は、ＧａＮ単結晶からなり、基板２の主面は、無極性面であるｍ面で構成されている。窒化物半導体積層構造３は、光を発光可能な活性層１２を含み、ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層及びＡｌＧａＮ層からなる。吸収層７は、活性層１２で発光された光のうち光取出方向Ａとは反対方向または水平方向に進行する光を吸収するためのものであって、ＳｉＮからなる。吸収層７は、基板２の底面２ａ及び側面２ｂと、窒化物半導体積層構造３の側面３ａの一部と、アノード電極４の側面４ｂの一部とを覆うように形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を発光可能な活性層を含む窒化物半導体積層構造を備えた半導体発光素子において、
前記窒化物半導体積層構造の主面が、略無極性面又は略半極性面であり、
前記活性層により発光された光が取り出される光取出面とは反対側の面には、光を吸収するための吸収層を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
基板を備え、
前記基板の側面及び前記窒化物半導体積層構造の側面に前記吸収層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記吸収層は、絶縁膜からなることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記吸収層は、有機物からなることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
基板を備え、
前記吸収層は、前記基板又は前記窒化物半導体積層構造とオーミック接続された金属膜からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体積層構造を備えた半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、青色などの光を発光可能な活性層を有する様々な窒化物半導体積層構造を備えた半導体発光素子が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、サファイア基板上にｎ型及びｐ型のＧａＮ層やＡｌＧａＮ層などの複数の窒化物半導体層が積層された窒化物半導体積層構造を備えた半導体発光素子が開示されている。また、この半導体発光素子の側面には、側面に設けられた電極と窒化物半導体積層構造とが所望の領域以外と短絡することを防ぐために絶縁膜が設けられている。
【０００４】
特許文献１の半導体発光素子では、側面に絶縁膜及び電極を設けることにより、窒化物半導体積層構造の上面を遮るものがないので、上面（光取出面）全体から光を取り出すことができる。これにより、光取出面から取り出される光量を向上させることができた。
【特許文献１】特許第３３０３１５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した特許文献１の半導体発光素子では、側面に絶縁膜及び電極を設けることにより光取出面から取り出せる光量を向上させることができたが、活性層において発光される光が偏光していないため、取り出される光の偏光比が低いといった問題がある。
【０００６】
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、偏光比の高い光を取り出し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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、光を発光可能な活性層を含む窒化物半導体積層構造を備えた半導体発光素子において、前記窒化物半導体積層構造の主面が、略無極性面又は略半極性面であり、前記活性層により発光された光が取り出される光取出面とは反対側の面には、光を吸収するための吸収層を備えたことを特徴とする半導体発光素子である。
【０００８】
ここで、略無極性面とは、無極性面及び無極性面の面方位からのオフ角が±１°以内である面を含む概念である。また、略半極性面とは、半極性面及び半極性面の面方位からのオフ角が±１°以内である面を含む概念である。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、基板を備え、前記基板の側面及び前記窒化物半導体積層構造の側面に前記吸収層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素である。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明は、前記吸収層は、絶縁膜からなることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の半導体発光素子である。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明は、前記吸収層は、有機物からなることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の半導体発光素子である。
【００１２】
また、請求項５に記載の発明は、基板を備え、前記吸収層は、前記基板又は前記窒化物半導体積層構造とオーミック接続された金属膜からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、略無極性面又は略半極性面を主面とする窒化物半導体積層構造を備えることにより、活性層において偏光した光を発光させることができるので、取り出される光の偏光比を高めることができる。また、発光した光のうち、光取出面と反対側に進行した光は、一般に外部の筐体などにより散乱されて偏光比が低下するが、本発明では、活性層で発光された光を吸収するための吸収層を設けることにより、光取出面と反対方向に進行した光を吸収することができるので、光取出面とは反対側の面から光が放出されて散乱されることを抑制できる。これにより、外部で散乱されて偏光比が低下した光が、光取出面から取り出された偏光比の高い光と混じることを抑制できるので、偏光比の高い光を取り出すことができる。
【００１４】
また、吸収層を基板の側面及び窒化物半導体積層構造の側面にも形成することにより、光取出面以外の領域から放出される光をより多く吸収することができるので、取り出される光の偏光比をより高めることができる。
【００１５】
また、吸収層を絶縁膜により構成することによって、吸収層を容易に形成することができる。
【００１６】
また、吸収層を、有色の塗料などの有機物により構成することにより、より容易に且つ安価に形成することができる。
【００１７】
また、吸収層を基板又は窒化物半導体積層構造とオーミック接続された金属膜により構成することによって、吸収層と電極とを兼用することができるので、構造を簡単化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明を発光ダイオード（ＬＥＤ）に適用した第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態による半導体発光素子（発光ダイオード）の断面図である。
【００１９】
図１に示すように、半導体発光素子１は、基板２と、基板２上に積層された窒化物半導体積層構造３と、アノード電極４と、カソード電極６と、吸収層７とを備えている。
【００２０】
基板２は、ＧａＮ（窒化ガリウム）の単結晶からなる。尚、ＧａＮの単結晶の製造方法は特に限定されるものではない。基板２の主面には、窒化物半導体積層構造３が積層される。この基板２の主面は、無極性面であるｍ面で構成されている。尚、ｍ面は、ＧａＮの結晶構造を六角柱の六方晶と近似した場合、六角柱の側面に相当する面（例えば、（１０−１０）面）のことである。
【００２１】
窒化物半導体積層構造３は、基板２側から順に、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、ｐ型電子阻止層１４と、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の主面をｍ面で構成しているので、基板２の主面上に積層された窒化物半導体積層構造３の主面も、活性層１２において偏光された光を発光することが可能な無極性面であるｍ面に構成されている。
【００２２】
ｎ型コンタクト層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。
【００２３】
活性層１２は、シリコンがドープされた厚さ約３ｎｍのＩｎＧａＮ層と厚さ約９ｎｍの厚さのＧａＮ層とが交互に５周期積層された量子井戸構造を有する。この活性層１２は、約４３０ｎｍの光を発光する。
【００２４】
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。
【００２５】
ｐ型電子阻止層１４は、ｐ型のドーパントとして濃度が約３×１０１９ｃｍ−３のマグネシウムがドープされた約２８ｎｍの厚みを有するＡｌＧａＮ層からなる。
【００２６】
ｐ型コンタクト層１５は、ｐ型のドーパントとして濃度が約１×１０２０ｃｍ−３のマグネシウムがドープされた約７０ｎｍの厚みを有するＧａＮ層からなる。ｐ型コンタクト層１５の光取出方向Ａ側の光取出側面１５ａは、活性層１２から発光された光を窒化物半導体積層構造３から取り出すためのものである。この光取出側面１５ａ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、凹凸が約１００ｎｍ以下になるように鏡面加工されている。例えば、結晶成長により、上述したような平坦な鏡面を得ることができる。
【００２７】
アノード電極４は、Ｎｉ層及びＡｕ層をｐ型コンタクト層１５側から順に積層した金属層からなる。アノード電極４は、ｐ型コンタクト層１５とオーミック接続されるとともに、窒化物半導体積層構造３の水平方向（積層方向と直行する方向）の全領域に均一に電流を流すためにｐ型コンタクト層１５上の略全面を覆うように形成されている。このアノード電極４は、活性層１２により発光された光を透過可能な約２００Å以下の厚みを有する。アノード電極４の光取出面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、ｐ型コンタクト層１５の光取出側面１５ａと同様に、表面の凹凸が約１００ｎｍ以下になるように鏡面加工されている。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。このように、鏡面加工された光取出側面１５ａ及び光取出面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。アノード電極４上の一部の領域には、Ｔｉ層及びＡｕ層が積層された接続部５が設けられている。
【００２８】
カソード電極６は、Ｔｉ層及びＡｌ層が積層されている。カソード電極６は、ｎ型コンタクト層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。
【００２９】
吸収層７は、活性層１２で発光された光のうち光取出方向Ａとは反対方向または水平方向に進行する光を吸収するためのものであって、絶縁膜であるＳｉＮ膜からなる。吸収層７は、光取出面４ａとは反対側の面である基板２の底面２ａと、基板２の側面２ｂと、窒化物半導体積層構造３の側面３ａの一部と、アノード電極４の側面４ｂの一部とを覆うように形成されている。尚、ＳｉＮ膜は、ＳｉＸＮＹ膜（Ｘ、Ｙは正の整数）を含む。
【００３０】
次に、上述した半導体発光素子１の動作説明をする。この半導体発光素子１では、アノード電極４から電子が供給されるとともに、カソード電極６からホールが供給されると、ｎ型コンタクト層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。ここで窒化物半導体積層構造３の主面は無極性面であるｍ面なので、活性層１２により発光された光は偏光している。
【００３１】
この偏光した光のうち、光取出方向Ａに進行する光は、半導体層１３〜１５及びアノード電極４を透過して光取出面４ａから外部に取り出される。一方、光取出方向Ａと反対方向に進行する光は、吸収層７により吸収されて外部への放出が抑制される。従って、光取出面４ａから取り出された光に、外部へ放出された後、散乱されて偏光比が低下した光が混じることを抑制できるので、偏光比の低下を抑制できる。
【００３２】
次に、上述した半導体発光素子の製造方法について説明する。
【００３３】
まず、主面が無極性面のｍ面でありＧａＮの単結晶からなる基板２を用意する。ここで、無極性面であるｍ面を主面とする基板２は、まず、Ｃ面を主面とするＧａＮ単結晶基板を切り出した後、（０００１）方向及び（１１−２０）方向の両方に関する方位誤差が±１°以内（好ましくは±０．３°以内）になるようにＣＭＰ法（化学的機械的研磨法）によって表面を研磨し、鏡面加工することによって作製される。これにより、ｍ面を主面とし、転位や積層欠陥といった結晶欠陥が少なく、表面の段差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。
【００３４】
次に、上述した基板２上にＭＯＣＶＤ法により窒化物半導体積層構造３を成長させる。具体的には、まず、基板２をＭＯＣＶＤ装置（図示略）の処理室内に導入し、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〜常圧に設定され、常に処理室内の雰囲気が排気されている。
【００３５】
次に、表面の荒れを抑制しつつＧａＮ層を成長させるために、基板２が保持された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℃に昇温させる。
【００３６】
次に、基板２の温度が約１０００℃〜約１１００℃まで上昇した後、キャリアガスによってアンモニア、トリメチルガリウム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ｎ型コンタクト層１１を成長させる。
【００３７】
次に、基板２の温度を約７００℃〜約８００℃に設定した後、キャリアガスによってアンモニア、トリメチルガリウムを処理室に供給してノンドープのＧａＮ層を成長させた後、上述のガスとともにシラン及びトリメチルインジウムを供給することによりシリコンがドープされたＩｎＧａＮ層を成長させる。
【００３８】
そして、これらノンドープのＧａＮ層とシリコンがドープされたＩｎＧａＮ層を成長させる工程を交互に所望の回数繰り返すことによって量子井戸構造を有する活性層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。
【００３９】
次に、基板２の温度を約１０００℃〜約１１００℃まで昇温させた後、キャリアガスによってアンモニアガス、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム及びエチルシクロペンタジエニルマグネシウム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ｐ型電子阻止層１４を成長させる。
【００４０】
次に、基板２の温度を約１０００℃〜約１１００℃に保ったまま、キャリアガスによってアンモニアガス、トリメチルガリウム及びエチルシクロペンタジエニルマグネシウムを処理室に供給して、マグネシウムがドープされたＧａＮ層からなるｐ型コンタクト層１５を成長させる。これによって窒化物半導体積層構造３が完成する。
【００４１】
次に、抵抗加熱法または電子線ビームによる金属蒸着装置によって、アノード電極４を形成する。その後、窒化物半導体積層構造３が形成された基板２をエッチング室に移動させて、ｎ型コンタクト層１１の一部が露出するように窒化物半導体積層構造３の一部をプラズマエッチングする。
【００４２】
次に、抵抗加熱法または電子線ビーム蒸着法による金属蒸着装置によって、接続部５、カソード電極６を形成した後、劈開により各素子ごとに分割する。
【００４３】
次に、マグネトロンスパッタ装置を用いてＳｉＮターゲットをスパッタすることにより、基板２の底面２ａ及び側面２ｂと、窒化物半導体積層構造３の側面３ａの一部と、アノード電極４の側面４ｂの一部とに、活性層１２から発光された光を吸収可能なＳｉＮからなる吸収層７を形成する。ここで、光を吸収可能なＳｉＮは、例えば、チャンバー内に流すＡｒに対するＮ２の流量比を抑え、所望の膜厚に形成することにより得ることができる。具体的には、流量が５０ｓｃｃｍのＡｒに対して、Ｎ２の流量を１０ｓｃｃｍから５ｓｃｃｍに下げることにより、波長が４００ｎｍ〜５００ｎｍの光の吸収係数を４倍以上に上げることができる。
【００４４】
この結果、図１に示す半導体発光素子１が完成する。
【００４５】
上述したように、第１実施形態による半導体発光素子１では、無極性面であるｍ面を主面とする窒化物半導体積層構造３を備えているので、活性層１２において偏光した光が発光する。ここで発光した光のうち、光取出方向Ａと逆方向に進行した光は、一般に基板の底面から放出された後、外部の筐体などにより散乱されて偏光比が低下するが、第１実施形態による半導体発光素子１では、基板２の底面２ａ及び側面２ｂと、窒化物半導体積層構造３の側面３ａと、アノード電極４の側面４ｂとに吸収層７を設けることにより、光取出方向Ａとは反対方向または水平方向に進行した光を吸収することができるので、光が光取出面４ａ以外から外部へ放出されることを抑制できる。これにより、外部の筐体などにより散乱されて偏光比の低下した光が、光取出面４ａから取り出された偏光比の高い光と混じることを抑制できるので、高い偏光比を維持した状態で光を取り出すことができる。
【００４６】
このように半導体発光素子１は、偏光比が高い光を取り出せるので、液晶ディスプレイの光源として半導体発光素子１を適用した場合、光を偏光させるための偏光フィルターを一つ省略することができる。または、偏光フィルターを透過する光の割合を大きくすることができる。
【００４７】
また、吸収層７を絶縁膜であるＳｉＮによって構成することによりスパッタ法により容易に形成することができる。
【００４８】
次に、第１実施形態の一部を変更した第２実施形態について説明する。図２は、第２実施形態による半導体発光素子の断面図である。尚、第１実施形態と同様の構成には同じ符号を付けて説明を省略する。
【００４９】
図２に示すように、半導体発光素子１Ａでは、基板２の底面２ａにのみ吸収層７Ａが形成されている。吸収層７Ａは、基板２の底面２ａとオーミック接続されたＡｌなどの金属膜からなる。このような吸収層７Ａは、抵抗加熱法または電子線ビームなどにより基板２の底面２ａに金属薄膜を形成した後に、アニールすることにより形成できる。
【００５０】
上述したように、半導体発光素子１Ａは、基板２の底面２ａとオーミック接続された吸収層７Ａを設けることによって、吸収層７Ａにより光を吸収することができるので、基板２の底面２ａから外部へ放出される光を抑制することができる。この結果、外部で光が散乱されて偏光比の低下した光が、光取出面４ａから取り出された偏光比の高い光に混じることを抑制できるので、高い偏光比を維持した状態で光を取り出すことができる。
【００５１】
尚、第２実施形態のように、吸収層７Ａを基板２の底面２ａに形成された金属膜によって構成する場合は、カソード電極６を省略して、吸収層７Ａをカソード電極として兼用してもよい。このように吸収層７Ａをカソード電極として兼用する場合は、吸収層７ＡをＴｉとＡｌとを積層することにより形成してもよい。このように構成することにより、半導体発光素子の構成及び製造工程をより簡単化することができる。
【００５２】
以上、実施形態を用いて本発明を詳細に説明したが、本発明は本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載及び特許請求の範囲の記載と均等の範囲により決定されるものである。以下、上記実施形態を一部変更した変更形態について説明する。
【００５３】
例えば、各層を構成する材料や厚み、ドーパントの濃度などは適宜変更可能である。
【００５４】
また、上述の実施形態では、本発明を発光ダイオードに適用した例を示したが、レーザなど他の装置に本発明を適用してもよい。
【００５５】
また、吸収層７、７Ａを有機物により構成してもよい。有機物としては、例えば、活性層１２により発光された光を吸収可能な黒色などの有色の塗料などが考えられる。このように吸収層７、７Ａを有機物により構成することによって、より容易に且つ安価に吸収層７、７Ａを形成することができる。
【００５６】
また、基板の底面から光を取り出すように構成してもよく、このように構成する場合には、基板の底面に吸収層を形成するのではなく、ｐ型コンタクト層の上面にオーミック接続されたアノード電極を吸収層として適用してもよい。このように構成する場合は、アノード電極は光を透過しない程度の厚みに構成する。また、光を透過可能なアノード電極上に絶縁膜又は有機物による吸収層を形成してもよい。
【００５７】
また、上述の実施形態では、基板２の主面をｍ面としたが、基板の主面はｍ面に限定されるものではなく、活性層で発光された光を偏光させることが可能な略無極性面又は略半極性面によって構成してもよい。尚、略無極性面又は略非極性面とは、無極性面及び半極性面のみならず、無極性面から±１°以内のオフ角を有する面及び半極性面から±１°以内のオフ角を有する面を含む概念である。ここで、基板を構成するＧａＮの結晶構造及び結晶面について簡単に説明する。ＧａＮの結晶構造は、六角柱型の六方晶系で近似することができる。そして、六角柱の軸方向に沿うＣ軸を法線とする面がＣ面（０００１）となる。既知の通り、ＧａＮの結晶構造では、分極方向がＣ軸方向に沿っているため、Ｃ面が＋Ｃ軸側の面と−Ｃ軸側の面とで異なる性質を示すので、Ｃ面は極性面（Ｐｏｌａｒ  Ｐｌａｎｅ）となる。一方、六角柱の側面がそれぞれｍ面（１０−１０）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面に対して垂直な結晶面であり、分極方向に対して直交しているので、極性のない無極性面（Ｎｏｎｐｏｌａｒ  Ｐｌａｎｅ）である。また、Ｃ面に対して平行でもなく直角でもなく傾斜している結晶面は、分極方向に対して斜めに交差しているので、若干の極性を有する半極性面（Ｓｅｍｉｐｏｌａｒ  Ｐｌａｎｅ）である。半極性面の具体例としては、（１０−１−１）面、（１０−１−３）面、（１１−２２）面、（１１−２４）面、（１０−１２）面などがある。
【００５８】
また、基板を構成する材料はＧａＮ単結晶に限定されるものではなく、主面がｍ面又はａ面のサファイア基板、主面が（１００）面又は（１１０）面のスピネル基板、主面がｍ面のＳｉＣ基板、ＬｉＡｌＯ２基板、などを適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】第１実施形態による半導体発光素子の断面図である。
【図２】第２実施形態による半導体発光素子の断面図である。
【符号の説明】
【００６０】
１、１Ａ     半導体発光素子
２    基板
２ａ  底面
２ｂ  側面
３    窒化物半導体積層構造
３ａ  側面
４    アノード電極
４ａ  光取出面
４ｂ  側面
５    接続部
６    カソード電極
７、７Ａ     吸収層
１１  ｎ型コンタクト層
１２  活性層
１３  ファイナルバリア層
１４  ｐ型電子阻止層
１５  ｐ型コンタクト層
１５ａ       光取出側面
【図１】
2008108973.tif 000003
【図２】
2008108973.tif 000004