(57)【要約】【課題】高い生産性で、発光効率および信頼性に優れた半導体発光素子を提供する。【解決手段】基板上に半導体成長層が形成された半導体発光素子において、該基板の側面は粗面状であり、該半導体成長層の側面は平坦な鏡面状であることを特徴とする半導体発光素子を提供する。半導体発光素子の側面が、平坦な鏡面および粗面の２領域を適所に有することにより、内部光の取り出しと戻り光の散乱反射を共に制御し、発光効率と信頼性に優れた半導体発光素子を実現する。【選択図】  図１
2004247411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に半導体成長層が形成された半導体発光素子において、該基板の側面は粗面状であり、該半導体成長層の側面は平坦な鏡面状であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
基板上に、少なくとも、第１導電型のＺｎＯ系半導体クラッド層、ＺｎＯ系半導体発光層、第２導電型のＺｎＯ系半導体クラッド層および第２導電型のＺｎＯ系半導体コンタクト層を含む半導体成長層が形成された半導体発光素子であって、素子側面において半導体成長層部が鏡面状の面を有し、素子側面において基板部が粗面状の面を有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
基板上に、少なくとも、第１導電型のＺｎＯ系半導体クラッド層、ＺｎＯ系半導体活性層、第２導電型のＺｎＯ系半導体クラッド層、第２導電型のＺｎＯ系半導体コンタクト層、第１導電型のＺｎＯ系半導体電流ブロック層および光共振器を含む半導体成長層が形成された半導体発光素子であって、該光共振器を構成する１対の素子端面において半導体成長層部が互いに平行な鏡面状の面を有し、該光共振器を構成する１対の素子端面において基板部が粗面状の面を有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項４】
該基板が放射光に対して透光性を有する請求項１〜３いずれか１記載の半導体発光素子。
【請求項５】
該基板がＺｎＯ単結晶である請求項４記載の半導体発光素子。
【請求項６】
基板上にＺｎＯ系半導体成長層を結晶成長させる工程と、イオンミリング、ＦＩＢエッチングまたは反応性イオンエッチングのいずれかの方法を用いて、当該溝部を画定する半導体成長層の側面が鏡面状となるように、該半導体成長層表面から該基板内部に達する溝部を形成する工程と、該基板の側面が粗面状となるように、該溝部に沿ってダイシングを行うことによって素子を分離する工程とを含む半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
基板上にＺｎＯ系半導体成長層を結晶成長させる工程と、該基板を該半導体成長層が形成されていない裏面からダイシングを行うことによって、当該溝部を画定する該基板の側面が粗面状となるように、該基板の厚さを超えない深さの溝部を形成する工程と、該半導体成長層の側面が鏡面状となるように、該溝部に沿って劈開することによって、素子を分離する工程とを含む半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発光ダイオード素子や半導体レーザ素子などの半導体発光素子に関し、さらに詳しくは、発光効率と信頼性に優れた半導体発光素子および製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、紫外から緑色以長の広域をカバーできる発光材料として、ワイドギャップ半導体であるＩＩＩ族窒化物系半導体の結晶成長およびデバイス技術が急速に発展している。なかでも、発振波長が４００ｎｍ近傍にある青色半導体レーザ素子は、次世代の高密度なディジタル光記録用光源への適用をはじめとして実用化が切望されており、ＩｎａＡｌｂＧａ１−ａ−ｂＮを用いた多重量子井戸活性層など、種々のデバイス構造が提案されている。
【０００３】
一方、従来の化合物半導体材料では実現困難なデバイス特性を相補すべく、新規な発光材料として酸化物半導体が注目され、近年さかんに研究がなされている。
なかでも、酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、約３．４ｅＶのバンドギャップエネルギーを有する直接遷移型半導体で、励起子結合エネルギーが６０ｍｅＶと極めて高く、また原材料が安価、環境や人体に無害で成膜手法が簡便であるなどの特徴を有し、高効率・低消費電力で環境性に優れた発光デバイスを実現できる可能性がある。
【０００４】
以下、本明細書において、「ＺｎＯ系」半導体なる語を用いるときは、ＺｎＯおよびこれを母体としたＭｇＺｎＯまたはＣｄＺｎＯ等で表される混晶を含むものとする。また、本明細書において、組成を特定せずに混晶を示す場合には、例えば、「ＭｇＺｎＯ」と単に元素記号のみで記載し、組成を特定する場合には、例えば、「Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ」と記載する。
【０００５】
半導体レーザ素子をディジタル光記録用光源として用いる場合、光ディスク面に記録された微小なピット列を正確にレーザスポットがトレースするために、スポット位置の検出には精度に優れた「３ビーム法」と呼ばれる方法が広く採用されている。
３ビーム法では、半導体レーザ素子から射出されるレーザ光をビームスプリッタで３つのビームに分け、２本のサブビームの反射光強度差を検出して光学系装置の微調整駆動信号をサーボ機構によりフィードバックする。ところが、この方法では光ディスクで反射したサイドビームの一部がビームスプリッタのハーフミラーを通り抜けて光源である半導体レーザ素子側に戻る。この戻り光が、半導体レーザ素子の端面で焦点を結び、再び光ディスク側に反射されて正規のビームと干渉するとうねりが生じ、トラッキングサーボが不安定となる。
【０００６】
この問題を解決するために、これまで光ディスク用光源として用いられてきたＩＩＩ−Ｖ族半導体レーザ素子やこれを封止した光ピックアップには、様々な工夫が施されてきた。
【０００７】
例えば、特開昭６３−２６１７７５号公報（特許文献１）には、成長層を含む共振器端面の全面に誘電体膜を形成し、その上に部分的にレジスト膜を形成した後、レジスト膜が形成されていない部分の誘電体膜の膜厚を減少させて、戻り光の反射率を低減させる技術が開示されている。
【０００８】
また、特開平６−３０２００４号公報（特許文献２）には、半導体レーザ素子の出射側端面において戻り光を受ける部分に、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２等の荒い誘電体薄膜を形成することにより、反射率調整層に戻り光を回避する機能を兼ね備えさせる技術が開示されている。
【０００９】
発光ダイオード素子のような自然放出光を利用した発光素子は、導波機構を有する必要が無いので、発光層からの光は全方位に放射される。
【００１０】
このうち、発光層の横方向あるいは上側に放射された光は容易に素子外へ取り出されるため、発光ダイオード素子側面は乱反射を生じないよう平坦性に優れていることが好ましい。一方、発光層より下側に放射された光は直接外部へは取り出されない。そこで、発光層より下側に放射された光を効率的に反射させて素子外に取り出すため、発光ダイオード素子を実装するリードフレームの搭載面は、光反射率の高い金属をコーティングしたカップ状になっている。発光層から斜め下に出射した光は、底面で反射して側面より素子外部へ出射され、さらにカップ側面で反射して上方へ光が出射するしくみになっている。上記のような実装例として、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光装置が特許第３０６５２５８号公報（特許文献３）に開示されている。
【００１１】
【特許文献１】
特開昭６３−２６１７７５号公報
【００１２】
【特許文献２】
特開平６−３０２００４号公報
【００１３】
【特許文献３】
特許第３０６５２５８号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の半導体レーザ素子における戻り光回避技術は、量産性に乏しく、誘電体膜の膜厚や表面粗さの制御精度が低いので、誘電体膜の本来の機能である端面の反射率の制御が難くなるという問題を有する。
【００１５】
また、上記発光ダイオード素子における光取り出しの例では、発光層から斜め下に放射された光は、基板底面あるいは下側面が平坦性に優れた鏡面であれば全反射を起し易く、外部へ取り出されるまでに素子内を多重反射する。この過程で発光が半導体に再吸収され、発光効率が低下してしまうという問題を有する。
【００１６】
このように、従来の技術はいずれも半導体発光素子における端面機能の制御性に乏しく、さらに高度な機能と加工精度が求められる酸化物半導体などを用いた青色半導体発光素子へ適用しても、前記課題を解決することは難しかった。
かくして、本発明の目的は、以上の課題に鑑み、発光効率と信頼性に優れた半導体発光素子を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、半導体発光素子の端面が平坦な鏡面と粗面の２領域を適所に有することにより、内部光の取り出しと戻り光の散乱反射を共に制御し、発光効率と信頼性に優れた半導体発光素子を実現できることを見い出し本発明に至った。
【００１８】
すなわち、本発明は、基板上に半導体成長層が形成された半導体発光素子において、該基板の側面は粗面状であり、該半導体成長層の側面は平坦な鏡面状であることを特徴とする半導体発光素子を提供する。
側面が鏡面の領域では、発光素子内部からの光が乱反射せず効率的に素子外へ取り出され、一方で反射率を調整することにより誘導放出光を共振増幅させる反射鏡として機能させることができる。また、側面が粗面の領域では、素子内から全反射角以上で入射する光を乱反射させて素子外へ効率的に取り出すことができ、一方で素子外から入射する光に対して入射光量を低減させることができる。
これらのことにより、発光素子の光取り出しと散乱反射を共に制御し、発光効率と信頼性に優れた発光素子を実現できる。
【００１９】
第１の局面において、本発明は、基板上に、少なくとも、第１導電型のＺｎＯ系半導体クラッド層、ＺｎＯ系半導体発光層、第２導電型のＺｎＯ系半導体クラッド層および第２導電型のＺｎＯ系半導体コンタクト層を含む半導体成長層が形成された半導体発光素子であって、素子側面において半導体成長層部が鏡面状の面を有し、素子側面において基板部が粗面状の面を有することを特徴とする半導体発光素子を提供する。特に、この半導体発光素子は発光ダイオード素子に適用することができる。
【００２０】
本明細書において、「第１導電型」および「第２導電型」は、それぞれ異なって、ｎ型またはｐ型を意味する。例えば、第１導電型がｎ型である場合、第２導電型はｐ型である。
【００２１】
発光ダイオード素子においては、発光層から発せられた光は、半導体成長層部の側面では全反射しにくく外へ取り出されやすいので、当該側面を鏡面とすることにより乱反射によって素子内に光が戻るのを防ぐことが有効である。一方、基板部の側面に入射した光は光取り出し効率が低いので、当該側面を粗面とすることにより乱反射によって素子外に光を取り出し易くすることが有効である。
【００２２】
また、第２の局面において、本発明は、基板上に、少なくとも、第１導電型のＺｎＯ系半導体クラッド層、ＺｎＯ系半導体活性層、第２導電型のＺｎＯ系半導体クラッド層、第２導電型のＺｎＯ系半導体コンタクト層、第１導電型のＺｎＯ系半導体電流ブロック層および光共振器を含む半導体成長層が形成された半導体発光素子であって、該光共振器を構成する１対の素子端面において半導体成長層部が互いに平行な鏡面状の面を有し、該光共振器を構成する１対の素子端面において基板部が粗面状の面を有することを特徴とする半導体発光素子を提供する。特に、この半導体発光素子は半導体レーザ素子に適用することができる。
半導体レーザ素子においては、半導体成長層部の端面を鏡面とすることにより、活性層を含む導波路端面が光共振器として機能し、一方、基板部の端面を粗面とすることにより、戻り光を乱反射してゆらぎによる雑音増大を回避することができる。
【００２３】
なお、本明細書において、半導体発光素子中発光を司る層を「発光層」というが、半導体レーザ素子の場合には同様の意味で「活性層」なる語を用いることがある。しかしながら、両者の機能は実質的に同じであるため特に区別はしない。
【００２４】
本発明の半導体発光素子において、該基板は放射光に対して透光性を有する。基板が透光性を有することにより、基板へ入射した素子内部の放射光を吸収すること無く素子外へ取り出すことができる。また、半導体レーザ素子においても基板が戻り光を吸収してキャリアを生成すること無いので、雑音が低減する。
【００２５】
また、本発明の半導体発光素子において、該基板はＺｎＯ単結晶である。
基板がＺｎＯ単結晶であれば、その上に成長されるＺｎＯ系半導体層との親和性に優れ、結晶性が向上する。また、鏡面形成および粗面形成、ならびに劈開などの加工性にも優れ、サファイア等の劈開や加工が困難な基板に比べて明らかな優位性を持つ。
【００２６】
さらに、本発明は、上記の半導体発光素子を作製するのに適した半導体発光素子の製造方法も提供する。
第１の局面において、本発明は、基板上にＺｎＯ系半導体成長層を結晶成長させる工程と、イオンミリング、ＦＩＢエッチングまたは反応性イオンエッチングのいずれかの方法を用いて、当該溝部を画定する半導体成長層の側面が鏡面状となるように、該半導体成長層表面から該基板内部に達する溝部を形成する工程と、該基板の側面が粗面状となるように、該溝部に沿ってダイシングを行うことによって素子を分離する工程とを含む半導体発光素子の製造方法を提供する。
【００２７】
酸化物半導体は、薬液を用いた湿式エッチングでは平坦性および垂直性に優れた鏡面を形成することが難しい。しかしながら、上記したイオンミリング等の乾式エッチングを適用することにより、平坦性と垂直性に優れた異方性エッチングを実現することができ、エッチング深さの制御も容易である。また、エッチングされた端面のダメージも少ないので、素子が劣化することが無い。
一方、ダイシングによって機械的に素子分離を行うと、端面は粗面化しやすい。
よって、成長層側面は鏡面で基板側面は粗面を有する発光素子を簡便に製造できる。
【００２８】
第２の局面において、本発明は、基板上にＺｎＯ系半導体成長層を結晶成長させる工程と、該基板を該半導体成長層が形成されていない裏面からダイシングを行うことによって、当該溝部を画定する該基板の側面が粗面状となるように、該基板の厚さを超えない深さの溝部を形成する工程と、該半導体成長層の側面が鏡面状となるように、該溝部に沿って劈開することによって、素子を分離する工程とを含む半導体発光素子の製造方法を提供する。
劈開による素子分離は深さ制御が不可能であるものの、側面平坦性に最も優れ、ダメージも極めて少ない。そこで、まず、基板部にダイシングを行うことにより粗側面を有する溝部を形成し、次いで、この溝部から劈開を行って素子分離することにより、成長層側面は鏡面であって、基板側面は粗面である発光素子を簡便に製造できる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の半導体発光素子を発光ダイオード素子および半導体レーザ素子に適用した実施形態を図面に基づいて、具体的に説明する。
第１の実施形態
本発明による第１の実施形態の半導体発光素子は、基板上に、少なくとも、第１導電型のＺｎＯ系半導体クラッド層、ＺｎＯ系半導体発光層、第２導電型のＺｎＯ系半導体クラッド層および第２導電型のＺｎＯ系半導体コンタクト層を含む半導体成長層が形成された半導体発光素子であって、素子側面において半導体成長層部が鏡面状の面を有し、素子側面において基板部が粗面状の面を有することを特徴とする発光ダイオード素子である。
【００３０】
本発明の発光ダイオード素子においては、発光層から発せられた光は成長層側面では全反射しにくく外へ取り出されやすいので、当該側面を鏡面とすることにより乱反射によって素子内に光が戻るのを防ぎ、基板に入射した光は光取り出し効率が低いので、当該側面を粗面とすることにより乱反射によって素子外に光を取り出し易くする。
すなわち、発光層から発せられた光は、発光層の近傍にある成長層の側面には小さな入射角で入射するので、外部への光取り出し効率を向上させるには、当該側面を鏡面とする方が有効であり、一方、発光層から離れた基板部には大きな入射角で入射し、入射光は全反射を起し易いため、光取り出し効率を向上させるには、基板部の側面を粗面として乱反射させることが有効である。
【００３１】
図１は、発光ダイオード素子１の斜視図（Ａ）および断面図（Ｂ）を示す。発光ダイオード素子１は、亜鉛面を主面としたｎ型ＺｎＯ単結晶基板１０１上に、ｎ型ＺｎＯバッファ層１０２、ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層１０３、ノンドープ量子井戸発光層１０４、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層１０５およびｐ型ＺｎＯコンタクト層１０６を積層することによって構成されている。
【００３２】
量子井戸発光層１０４は、１または複数の障壁層と、１または複数のＣｄＺｎＯ井戸層とが交互に積層された多重井戸構造である。
ＺｎＯ基板１０１の下にはｎ型オーミック電極１０７が形成されている。
また、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０６の主表面全面には、発光層から発光された光に対して透光性であるｐ型オーミック電極１０８が積層されている。さらに、この透光性ｐ型オーミック電極１０８上には、透光性オーミック電極１０８より小さい面積でボンディング用Ａｕパッド電極１０９が形成されている。
【００３３】
さらに、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１０１の四方の側面は、ダイシングによって粗面加工されている。一方、ｎ型ＺｎＯバッファ層１０２からｐ型ＺｎＯコンタクト層１０６に至る半導体成長層の四方の側面は平坦性に優れたエッチング面となっている。
【００３４】
以下、本発明の効果を最大限に得るための他の構成について記すが、その他の実施形態においては、任意に組み合わせて用いることができる。
【００３５】
本発明の半導体発光素子において、基板１０１の材料としては、ＺｎＯ単結晶以外にも、サファイア、スピネル、ＬｉＧａＯ２等の絶縁性基板、またはＳｉＣ、ＧａＮ等の導電性基板を用いることができる。
絶縁性基板を用いる場合は、エッチングにより溝部を形成する際にｎ型ＺｎＯバッファ層１０２が適当な面積で露出するようにし、その上にｎ型オーミック電極１０７を形成すればよい。
【００３６】
しかしながら、本発明の効果である高い発光効率を最大限に得るためには、（１）ＺｎＯとの面内格子定数差が３％以内の格子整合基板であって、成長層の結晶性に優れ、非発光中心となる欠陥を低減でき、（２）発光波長に対応する吸収係数が低く、また、（３）導電性であって、裏面に電極を形成できる基板を用いることが好ましい。ＺｎＯ単結晶よりなる基板は、前記の条件を全て満足させるので最も好ましい。ＺｎＯ基板はその上にエピタキシャル成長されるＺｎＯ系半導体発光素子と完全に格子整合し、異種基板を用いるより親和性に優れる。これによって結晶性が良好で非発光中心の極めて少ない発光素子を作製することができる。
【００３７】
また、主面として亜鉛面を用いることにより、ｐ型層のキャリア活性化率が向上し、抵抗の低いｐ型層が得られやすくなるので好ましい。
また、基板を研磨やエッチング等の公知の手法で基板裏面に凹凸を形成して入射した発光光を乱反射させれば、光取り出し効率が向上するので好ましい。
【００３８】
ｎ型ＺｎＯバッファ層１０２およびｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層１０３にドーピングするドナー不純物としては、ＺｎＯ系半導体中での活性化率が高いので、ＩＩＩ族元素のＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ等を用いることが好ましく、ＧａおよびＡｌが特に好ましい。
【００３９】
発光層１０４は、単一構造とすることができるが、光学利得が向上し、キャリア閉込め効率および発光効率が増大し、発光強度を高めることができるので、多重量子井戸構造とすることが好ましい。
本発明の半導体発光素子において、発光層には、単一構造または多重量子井戸構造にかかわらず、不純物がドーピングされていてもよい。発光層に不純物をドーピングすることによって、発光効率を向上させたり、不純物準位を介した遷移を利用して発光波長を調整することができる。
【００４０】
第１の実施形態のＺｎＯ系半導体発光層にドーピングできるドナー不純物として、例えば、Ｂ、Ａｌ、ＧａおよびＩｎよりなる群から選択される１または複数のＩＩＩ族元素をドーピングすることができる。また、アクセプタ不純物として、例えば、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎ、ＰおよびＡｓよりなる群から選択される１または複数のＩまたはＶ族元素をドーピングすることができる。さらに、発光再結合を促進させる再結合中心として、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ、Ｓｎよりなる群から選択される１または複数のＩＶ族元素をドーピングすることができる。発光層が多重量子井戸構造である場合は、上記ドナー不純物は量子井戸構造全体にドーピングすることができる。また、井戸層のみまたは障壁層のみにドーピングすることもできる。井戸層のみにドーピングすることによって、ドーピング総量を減らして結晶性が向上する。また、障壁層のみにドーピングすることによって、キャリア損失が減少し閾値が低減する。
【００４１】
ｐ型ＭｇＺｎＯ層１０５およびｐ型ＺｎＯコンタクト層１０６にドーピングするアクセプタ不純物としては、ＩまたはＶ族元素であるＬｉ、Ｎａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ等を用いることができる。ＮおよびＡｇは活性化しやすいので好ましい。Ｎは、Ｎ２をプラズマ化し結晶成長中に照射する手法によって結晶性を良好に保ちつつ、高濃度ドーピングが行えるので特に好ましい。
【００４２】
ｐ型オーミック電極１０８には、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ等の金属材料を用いることができる。前記の金属材料は、ｐ型ＺｎＯ系半導体層に対して低抵抗なオーミック接触を形成すると共にＺｎＯ系半導体との密着性に優れる。よって、信頼性に優れ動作電圧の低い発光素子を実現できる。なかでも低抵抗で密着性の良いＮｉが好ましい。前記金属材料の複数を合金化して、電極を形成してもよい。ｐ型オーミック電極１０８はｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層１０５上に直接形成することができるが、ＭｇＺｎＯ混晶はＺｎＯに比べて不純物の活性化率が低いことから、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０６を形成して、その上に形成することが好ましい。
また、本発明の高い発光効率と低い動作電圧を最大限の効果で得るためには、ｐ型オーミック電極１０８が発光層から発光された光に対して透光性を有するように形成して光取り出し効率を向上させることが好ましい。
透明導電膜が主表面全面に形成されていることにより、電流広がりが均一化し外部光取り出し効率が向上する。よって、発光効率に優れた紫外発光素子を実現できる。
良好なオーミック特性と高い透光性を両立する厚みとしては５０〜２００ｎｍの範囲が好ましく、３００〜１００ｎｍの範囲がさらに好ましい。
ｐ型オーミック電極１０８の形成後にアニール処理を行うと、密着性が向上すると共に接触抵抗が低減するので好ましい。ＺｎＯ結晶に欠陥を生じさせずにアニール効果を得るには、温度は３００〜４００℃が好ましい。また、アニール処理における雰囲気はＯ２または大気雰囲気中が好ましく、Ｎ２では逆に抵抗が増大する。
【００４３】
パッド電極１０９は、透光性ｐ型オーミック電極１０８上の一部に、ｐ型オーミック電極１０８より小さな面積で形成すれば、透光性電極の効果を損なわずにリードフレームへの実装プロセスが容易になるので好ましい。パッド電極１０９の材料としてはボンディングが容易でＺｎＯ系半導体中へ拡散してもドナー不純物とならない金属材料が好ましく、特に、Ａｕが好ましい。
ｐ型オーミック電極１０８とパッド電極１０９との間に密着性や光反射性を向上させる目的で他の金属層を形成してもよい。
【００４４】
ｎ型オーミック電極１０７には、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ等の金属材料を用いることができる。なかでも低抵抗でコストの低いＡｌまたは密着性の良いＴｉが好ましい。前記金属材料の複数を合金化して、電極を形成してもよい。
Ａｌは青〜紫外光の反射率が高いため、Ａｌを用いてｎ型オーミック電極１０７を裏面全面に形成しても光取り出し効率は高いので好ましい。
また、ｎ型オーミック電極１０７を任意の形状にパターニングし、露出した基板裏面をＡｇペースト等の導電性樹脂でリードフレームに接着することができる。ＡｌよりもＡｇの方が青〜紫外光の反射率が高いため、ｎ型オーミック電極１０７をパターニングすることも好ましい。
また、ｎ型オーミック電極１０７をパターニングする場合は、素子抵抗の増大を防ぐため、ｎ型オーミック電極１０７とは異なる金属材料を用いて補助電極を形成してもよく、ＡｇやＰｔ等青〜紫外光の反射率が高い金属を補助電極に用いればさらに好ましい。
補助電極がリードフレームとの接触面積を増大させるため、ｎ型電極をパターニングしても動作電圧が上昇しない。よって、動作電圧の低い紫外発光素子を実現できる。
【００４５】
本発明の半導体発光素子は、固体あるいは気体原料を用いた分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、レーザ分子線エピタキシー（レーザＭＢＥ）法、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等の結晶成長手法で作製することができる。
レーザＭＢＥ法は、原料ターゲットと薄膜の組成ずれが小さく、また、例えば、ＺｎＯにＧａをドーピングさせる場合に、ＺｎＧａ２Ｏ４等の意図しない副生成物の生成を抑えることができるので好ましい。
【００４６】
第２の実施形態
本発明による第２の半導体発光素子は、基板上に、少なくとも、第１導電型のＺｎＯ系半導体クラッド層、ＺｎＯ系半導体活性層、第２導電型のＺｎＯ系半導体クラッド層、第２導電型のＺｎＯ系半導体コンタクト層、第１導電型のＺｎＯ系半導体電流ブロック層および光共振器を含む半導体成長層が形成された半導体発光素子であって、該光共振器を構成する１対の素子端面において半導体成長層部が互いに平行な鏡面状の面を有し、該光共振器を構成する１対の素子端面において基板部が粗面状の面を有することを特徴とする半導体レーザ素子である。
本発明の半導体レーザ素子においては、半導体成長層部の端面を鏡面とすることにより、活性層を含む導波路端面が光共振器として機能し、一方、基板部の端面を粗面とすることにより、戻り光を乱反射してゆらぎによる雑音増大を回避することができる。
【００４７】
図３は、半導体レーザ素子２の斜視図（Ａ）および、光出射端面に平行な方向から見た側面図（Ｂ）を示す。半導体レーザ素子２は、亜鉛面を主面としたｎ型ＺｎＯ単結晶基板２０１上に、ｎ型ＺｎＯバッファ層２０２、ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層２０３、ｎ型ＺｎＯ光ガイド層２０４、ノンドープ量子井戸活性層２０５、ｐ型ＺｎＯ光ガイド層２０６、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層２０７およびｐ型ＺｎＯコンタクト層２０８を積層することによって構成されている。
【００４８】
量子井戸活性層２０５は、１または複数のＺｎＯ障壁層と、１または複数のＣｄＺｎＯ井戸層とが交互に積層された多重井戸構造である。
ｐ型ＺｎＯコンタクト層２０８およびｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層２０７の一部はリッジストライプ状にエッチング加工され、ｎ型ＭｇＺｎＯ電流ブロック層２０９によって、リッジストライプ側面は埋め込まれている。
また、ＺｎＯ基板２０１の下にはｎ型オーミック電極２１０が形成され、ｐ型ＺｎＯコンタクト層２０８の上にはｐ型オーミック電極２１１が形成されている。
光出射端面のｎ型ＺｎＯ単結晶基板２０１の側面部２０１ａは、ダイシングによって粗面加工されている。
【００４９】
一方、光共振器を形成する光反射端面（光出射端面に同じ）は、基板裏面からダイシングによって溝部形成を行った後、溝部から成長層を劈開することによって形成され、さらに当該鏡面端面には前後面共に、ＭｇＯ層とＳｉＯ２層が交互積層された誘電体反射膜２１２が積層されている。
積層数を調整することによって、特定の波長の光に対する反射率を制御することができる。
なお、誘電体反射膜２１２は粗面となっているＺｎＯ基板２０１の端面部２０１ａにわたって形成されていてもよい。
【００５０】
すなわち、本発明による半導体レーザ素子は、導波路が形成されている活性層近傍の成長層端面は劈開によってダメージの少ない鏡面となっているため、レーザの共振増幅動作には何ら影響を及ぼさない。また、素子分離後にレジスト膜を形成したり、誘電体膜を加工したりする必要が無く、素子分離の段階で鏡面と粗面を形成できるので、生産効率にも影響を及ぼさない。
なお、半導体レーザ素子の場合には光共振器を形成しないもう１対の側面は鏡面と粗面を形成し分ける必要は無いが、ダイシングによる粗面化が成長層に及ぶとダメージによって素子寿命が短かくなるので、劈開あるいは乾式エッチングにより素子分離されることが好ましい。
【００５１】
【実施例】
実施例１
この実施例は本発明を発光ダイオード素子に適用した第１の半導体発光素子を説明する。
図１は、発光ダイオード素子１の斜視図（Ａ）および断面図（Ｂ）を示す。この実施例において、亜鉛面を主面としたｎ型ＺｎＯ単結晶基板１０１上に、Ｇａを１×１０１８ｃｍ−３濃度でドーピングした厚さ０．１μｍのｎ型ＺｎＯバッファ層１０２、Ｇａを１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドーピングした厚さ０．５μｍのｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０３、ノンドープ量子井戸発光層１０４、Ｎを５×１０１９ｃｍ−３の濃度でドーピングした厚さ０．５μｍのｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０５、およびＮを１×１０２０ｃｍ−３の濃度でドーピングした厚さ０．３μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層１０６を積層して、発光ダイオード素子１ａを作製した。
【００５２】
量子井戸発光層１０４は、厚さ５ｎｍのＺｎＯ障壁層８層と、厚さ４ｎｍのＣｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏ井戸層７層とを交互に積層することによって形成されている。
ＺｎＯ基板１０１の下には厚さ１００ｎｍのＡｌを積層したｎ型オーミック電極１０７が形成されている。ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０６の主表面全面には、厚さ１５ｎｍのＮｉを積層した透光性ｐ型オーミック電極１０８が積層され、ｐ型オーミック電極１０８上には厚さ１００ｎｍのボンディング用Ａｕパッド電極１０９が、オーミック電極１０８より小さい面積で形成されている。
【００５３】
さらに、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１０１の四方の側面は、ダイシングによって粗面加工されている。一方、ｎ型ＺｎＯバッファ層１０２からｐ型ＺｎＯコンタクト層１０６に至る半導体成長層の四方の側面は平坦性に優れたエッチング面となっている。
【００５４】
以下に製造方法を図２に基づいて順に説明する。なお、図２は製造工程を断面から示したものである。
【００５５】
まず、レーザＭＢＥ法により、ＺｎＯ基板１０１上に、ｎ型ＺｎＯバッファ層１０２、ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０３、ノンドープ量子井戸発光層１０４、ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０５、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０６を積層した後、ＺｎＯ基板１０１裏面にｎ型Ａｌオーミック電極１０７を、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０６上にｐ型Ｎｉオーミック電極１０８およびＡｕパッド電極１０９を順次積層した（図２Ａ）。
次に、Ａｕパッド電極１０９を８０μｍ径の円状に加工し、Ａｕパッド電極１０９を中心に３００μｍ角で８０μｍ間隔のレジストマスク１１０を形成した（図２Ｂ）。
【００５６】
次に、ＣＦ４とＣＨ４の混合ガスを用いて、格子状にレジストマスク開口部から成長層をＲＩＥエッチングした（図２Ｃ）。エッチング条件は加速電圧１ｋＶ、プラズマ出力を５０Ｗとした。エッチングされた成長層側面は垂直で、平坦な鏡面であった。
【００５７】
次に、レジストマスクを洗浄除去し、ＲＩＥによって形成された溝部底面を厚さ４０μｍのダイヤモンドブレードを用いて裏面までダイシングし、素子の四方を分離した（図２Ｄ）。このとき、ブレードの回転速度を調整して基板側面が粗面となるようにした。
【００５８】
発光ダイオード素子１ａの裏面を導電性ペーストでリードフレームに取り付け、パッド電極１０９に配線を行った後、樹脂モールドし発光させたところ、図４に示すように、発光ピーク波長４１０ｎｍの青色発光が得られた。
【００５９】
比較のため、ＲＩＥ法による溝部形成を基板裏面に達するまで行い、発光ダイオード素子側面を全て鏡面とする以外は、発光ダイオード素子１ａと同様にして、発光ダイオード素子１ｂを作製し、発光させたところ、樹脂モールド後の発光強度は発光ダイオード素子１ａと比較して６０％程度であった。
【００６０】
さらに、ＲＩＥ法による溝部形成を行わず、ダイシングのみによって素子分離を行い発光ダイオード素子側面を全て粗面とする以外は、発光ダイオード素子１ａと同様にして、発光ダイオード素子１ｃを作製し、発光させたところ、樹脂モールド後の発光強度は発光ダイオード素子１ａと比較して７０％程度であった。また、２０ｍＡの動作電流で連続通電させたところ、時間の経過と共に発光強度が低下し、２０時間後には通電直後の７０％に低下した。
【００６１】
このような結果が得られたのは、発光層の近傍にある成長層部の側面を鏡面状としたことにより、小さな入射角で入射した発光が乱反射することなく鏡面状の側面を通過したため、外部への光取り出し効率が向上し、また、基板部の側面を粗面状としたことにより、大きな入射角で入射した発光が乱反射したため、光取り出し効率が向上したと考えられる。
【００６２】
この実施例においては、成長側面の鏡面形成をＲＩＥ法により行ったが、イオンミリング法やＦＩＢエッチングなど他の乾式エッチング手法により異方性エッチングを行ってもダメージの少ない鏡面が得られ、この実施例と同様の効果を奏する。
【００６３】
実施例２
この実施例は、本発明を半導体レーザ素子に適用した第２の半導体発光素子を説明する。
図３は、半導体レーザ素子２の斜視図（Ａ）および、光出射端面に平行な方向から見た側面図（Ｂ）を示す。この実施例において、亜鉛面を主面としたｎ型ＺｎＯ単結晶基板２０１上に、Ｇａを１×１０１８ｃｍ−３の濃度ドーピングした厚さ０．１μｍのｎ型ＺｎＯバッファ層２０２、Ｇａを３×１０１８ｃｍ−３の濃度でドーピングした厚さ１μｍのｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層２０３、Ｇａを５×１０１７ｃｍ−３の濃度でドーピングした厚さ３０ｎｍのｎ型ＺｎＯ光ガイド層２０４、ノンドープ量子井戸活性層２０５、Ｎを１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドーピングした厚さ３０ｎｍのｐ型ＺｎＯ光ガイド層２０６、Ｎを５×１０１９ｃｍ−３の濃度でドーピングした厚さ１．２μｍのｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層２０７、およびＮを１×１０２０ｃｍ−３の濃度でドーピングした厚さ０．５μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層２０８を積層して、半導体レーザ素子２ａを作製した。
【００６４】
量子井戸活性層２０５は、厚さ５ｎｍのＺｎＯ障壁層２層と、厚さ６ｎｍのＣｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏ井戸層３層とを交互に積層することによって形成されている。
ｐ型ＺｎＯコンタクト層２０８およびｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層２０７の一部はリッジストライプ状にエッチング加工され、Ｇａを３×１０１８ｃｍ−３の濃度でドーピングしたｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層２０９によって、リッジストライプ側面は埋め込まれている。
また、ＺｎＯ基板２０１の下にはｎ型オーミック電極２１０が形成され、ｐ型ＺｎＯコンタクト層２０８の上にはｐ型オーミック電極２１１が形成されている。
光出射端面のｎ型ＺｎＯ単結晶基板２０１の側面部２０１ａは、ダイシングによって粗面加工されている。
【００６５】
一方、光共振器を形成する光反射端面（光出射端面に同じ）は、基板裏面からダイシングによって溝部形成を行った後、溝部から成長層を劈開することによって形成され、さらに当該鏡面端面には前後面共に、厚さ６０ｎｍのＭｇＯ層と厚さ７０ｎｍのＳｉＯ２層が交互積層された誘電体反射膜２１２が積層され、波長４１０ｎｍの光に対する反射率が２０％となるように積層数が調整されている。なお、誘電体反射膜２１２は粗面となっているＺｎＯ基板２０１の端面部２０１ａにわたって形成されていてもよい。
【００６６】
半導体レーザ素子２ａに電流を流したところ、図５に示すように、端面から波長４０５ｎｍの青色発振光が得られた。
また、半導体レーザ素子２ａをピックアップに実装し、光ディスクの誤り訂正前の読み取りエラーの個数を測定した結果、３０個／秒であった。
【００６７】
一方、比較のため、ダイシングの代りにスクライビングによってＺｎＯ基板裏面に浅いけがき溝を形成し、けがき溝部から劈開を行って基板端面を鏡面とする以外は、半導体レーザ素子２ａと同様にして半導体レーザ素子２ｂを作製した。この半導体レーザ素子２ｂをピックアップに実装し、半導体レーザ素子２ａと同様に光ディスクの誤り訂正前の読み取りエラーの個数を測定した結果、２００個／秒であった。
【００６８】
以上の結果が得られたのは、半導体レーザ素子２ａにおいては、戻り光が焦点を結ぶ基板部端面を粗面としたため、戻り光が再反射してトラッキング信号にうねりを生じるのを抑制できたためと考えられる。
【００６９】
【発明の効果】
本発明の半導体発光素子によると、基板上に成長された半導体層を含んで構成される半導体発光素子が成長層側面に平坦な鏡面を有し、該基板の側面に粗面部を有するようにしたので、発光素子の光取り出しと散乱反射を共に制御し、発光効率と信頼性に優れた発光素子を実現できる。
また、本発明の半導体発光素子の製造方法によると、基板上にＺｎＯ系半導体層を結晶成長する工程と、前記半導体成長層側面が鏡面を有するよう乾式エッチングあるいは劈開を行う工程と、該基板の側面が粗面を有するようダイシングによって素子を分離する工程を含むので、平坦性と垂直性に優れた異方性エッチングによってダメージの少ない鏡端面が得られ、同時に粗面化した基板端面を簡便に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１の実施形態の半導体発光素子（発光ダイオード素子）を示す斜視図（Ａ）および断面図（Ｂ）。
【図２】本発明による第１の実施形態の半導体発光素子の製造工程を説明する概略図。
【図３】本発明による第２の実施形態の半導体発光素子（半導体レーザ素子）を示す斜視図（Ａ）および側面図（Ｂ）。
【図４】本発明による第１の実施形態の半導体発光素子（発光ダイオード素子）の発光スペクトル。
【図５】本発明による第２の実施形態の半導体発光素子（半導体レーザ素子）の発振スペクトル。
【符号の説明】
１・・・発光ダイオード素子、
１０１・・・ＺｎＯ基板、
１０２・・・ｎ型ＺｎＯバッファ層、
１０３・・・ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層
１０４・・・量子井戸活性層、
１０５・・・ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層、
１０６・・・ｐ型ＺｎＯコンタクト層、
１０７・・・ｎ型オーミック電極、
１０８・・・ｐ型オーミック電極、
１０９・・・パッド電極、
１１０・・・レジストマスク、
２・・・半導体レーザ素子、
２０１・・・ＺｎＯ基板、
２０１ａ・・・基板側面粗面部、
２０２・・・ｎ型ＺｎＯバッファ層、
２０３・・・ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層、
２０４・・・ｎ型ＺｎＯ光ガイド層、
２０５・・・量子井戸活性層、
２０６・・・ｐ型ＺｎＯ光ガイド層、
２０７・・・ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層、
２０８・・・ｐ型ＺｎＯコンタクト層、
２０９・・・ｎ型ＭｇＺｎＯ電流ブロック層、
２１０・・・ｎ型オーミック電極、
２１１・・・ｐ型オーミック電極、
２１２・・・誘電体反射膜。
【図１】
2004247411.tif 000003
【図２】
2004247411.tif 000004
【図３】
2004247411.tif 000005
【図４】
2004247411.tif 000006
【図５】
2004247411.tif 000007