(57)【要約】【課題】活性層で発生した偏向光が高い偏光比を維持する半導体発光素子を提供する。【解決手段】基板１０と、非極性面又は半極性面を主面とするIII族窒化物半導体からなり、第１導電型の第１半導体層２２、活性層２４、及び第２導電型の第２半導体層２６が基板１０上に順に積層され、活性層２４から偏向光を発生する発光部２０とを備え、発光部２０は主面と直交する２組の対向する面のうちｃ面に平行な面を長手面としている半導体発光素子。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
非極性面又は半極性面を主面とするIII族窒化物半導体からなり、第１導電型の第１半導体層、活性層、及び第２導電型の第２半導体層が前記基板上に順に積層され、前記活性層から偏向光を発生する発光部
とを備え、前記発光部は前記主面と直交する２組の対向する面のうちｃ面に平行な面を長手面としていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記基板は、ＧａＮ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。
【請求項３】
前記主面は、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。
【請求項４】
前記ｃ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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。窒化ガリウム（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。
【０００３】
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力する。近年、出力する光が偏向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）。偏向光を出力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。
【非特許文献１】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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体発光素子の光は、主面だけでなく横端面からも放出する。横端面から放出される光は、主面から取り出される偏光特性と異なるものもあり、出力も異なる。半導体発光素子から放出される全体の偏向光は、偏光特性が異なる偏向光が合わさることによって、偏向光の偏光比を高く維持することができないという問題があった。
【０００５】
上記問題点を鑑み、本発明は、活性層で発生した偏向光が高い偏光比を維持する半導体発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、基板と、非極性面又は半極性面を主面とするIII族窒化物半導体からなり、第１導電型の第１半導体層、活性層、及び第２導電型の第２半導体層が基板上に順に積層され、活性層から偏向光を発生する発光部とを備え、発光部は主面と直交する２組の対向する面のうちｃ面に平行な面を長手面としている半導体発光素子であることを要旨とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の半導体発光素子によれば、活性層で発生した偏向光が高い偏光比を維持する半導体発光素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
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。又、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。
【０００９】
本発明の実施の形態に係る半導体発光素子は、図１に示すように、基板１０と、非極性面又は半極性面を主面とするIII族窒化物半導体からなり、第１導電型の第１半導体層２２、活性層２４、及び第２導電型の第２半導体層２６が基板１０の表面１０ａ上に順に積層され、活性層２４から偏向光を発生する発光部２０とを備える。発光部２０は、図２に示すように、活性層２４の主面２４ａと直交する２組の対向する面のうちｃ面に平行な面を長手面としている。
【００１０】
実施の形態に係る半導体発光素子は、更に、第１半導体層２２に電圧を印加する第１電極（カソード電極）３０と、第２半導体層２６に電圧を印加する第２電極（アノード電極）３２を備える。図１に示すように、第１電極３０は基板１０の裏面１０ｂ側に、第２電極３２は第２半導体層２６の表面に配置される。第１電極３０は、例えばアルミニウム（Ａｌ）金属からなり、第２電極３２は、例えばパラジウム（Ｐｄ）−金（Ａｕ）合金からなる。第２電極３２は、第２半導体層２６側から光を取り出すことを考慮すると小さい方が好ましく、更に光を透過可能なＺｎＯ等を用いてもよい。そして、第１電極３０は基板１０に、第２電極３２は第２半導体層２６に、それぞれオーミック接続される。なお、基板１０と第１電極３０の間に、第１導電型のコンタクト層を配置してもよい。また、第２半導体層２６と第２電極３２の間に、第２導電型のコンタクト層を配置してもよい。
【００１１】
基板１０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１０は、厚さが薄い場合に劈開が可能になるので、１００μｍ以下の厚みであることが好ましい。基板１０の表面１０ａは、発光部２０をエピタキシャル成長させるための面である。基板１０の表面１０ａは、非極性面であるｍ面からなる。
【００１２】
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３を参照して説明する。
【００１３】
図３（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。
【００１４】
図３（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。
【００１５】
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面に対して直交する結晶面であり、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３（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、（１０−１１）面、（１０−１３）面、（１１−２２）面などの面である。
【００１６】
発光部２０は、ＧａＮ結晶の非極性（ノンポーラ）面又は半極性（セミポーラ）面を結晶成長主面として、第１導電型の第１半導体層２２、活性層２４、及び第２導電型の第２半導体層２６をこの順に、結晶成長主面の法線方向に積層して基板１０上に形成される。例えば、結晶成長主面を非極性面であるｍ面とすると、半導体発光素子は、ｍ面を主面とするIII族窒化物半導体となる。
【００１７】
活性層２４に、第１半導体層２２から第１導電型のキャリア、第２半導体層２６から第２導電型のキャリアがそれぞれ供給される。第１導電型がｎ型、第２導電型がｐ型である場合は、第１半導体層２２から供給される電子と第２半導体層２６から供給される正孔が活性層２４において再結合し、活性層２４から偏向光が発生する。活性層２４は、例えば、井戸層（ウェル層）を井戸層よりもバンドギャップの大きなバリア層（層障壁層）でサンドイッチ状に挟んだ量子井戸(quantum well)構造を採用可能である。なお、この量子井戸構造は、井戸層が１つではなく多重化してもよく、活性層２４を多重量子井戸構造（ＭＱＷ）にすることもできる。
【００１８】
通常、ＧａＮ結晶の極性面であるｃ面を結晶成長主面とするIII族窒化物半導体からなる活性層から取り出される光は、ランダム偏光（無偏光）状態である。一方、ｃ面以外のａ面、ｍ面等の非極性面又は半極性面を結晶成長主面とするIII族窒化物半導体を用いて形成した活性層２４は、強い偏光状態の発光が可能である。例えば、ｍ面を主面として活性層２４を形成した場合、活性層２４はｍ面に平行な偏光特性、より具体的にはａ軸方向の偏光特性を多く含む偏向光を発生する。この偏向光は、図２に示すように、ｍ面から光Ｌ１、ｃ面から光Ｌ２、ａ面から光Ｌ３を発光する。偏向光は、偏光方向とは垂直な方向に進行するので、偏向光の大部分はａ軸方向の偏光特性を有するｍ軸方向（積層方向）へ進行する光Ｌ１及びｃ軸方向へと進行する光Ｌ２となる。具体的には、ｍ軸方向及びｃ軸方向へ進行する偏光した光Ｌ１，Ｌ２は、ａ軸方向に進行する光Ｌ３の数倍〜約１０倍程度の光量となる。
【００１９】
ｍ軸方向に進行する光Ｌ１は、殆どがａ軸方向の偏光特性を有する偏向光であるが、僅かにｃ軸方向の偏光特性を有する偏向光も混合している。ｃ軸方向へと進行する光Ｌ２は、殆どａ軸方向の偏光特性を有する偏向光のみである。ａ軸方向に進行する光Ｌ３は、殆どｃ軸方向の偏光特性を有する偏向光のみである。ここで、ａ軸方向の偏光特性を有する光の光パワーの合計をＰ１とし、ｃ軸方向の偏光特性を有する光の光パワーの合計をＰ２とすると、半導体発光素子の偏光比Ｐは式（１）で表される。
【００２０】
Ｐ＝｜Ｐ１−Ｐ２｜／（Ｐ１＋Ｐ２）・・・・・（１）
例えば、Ｐ１が０．９Ｗ、Ｐ２が０．１Ｗである場合、式（１）より偏光比は０．８となる。
【００２１】
式（１）より偏向光の偏光比を高く維持するためには、ａ軸方向の偏光特性を有する光の光パワーの合計であるＰ１を増加させて、ｃ軸方向の偏光特性を有する光の光パワーの合計であるＰ２を減少させればよい。つまり、ｃ軸方向へと進行する光Ｌ２は、殆どａ軸方向の偏光特性を有する偏向光のみである。ｃ軸方向へと進行する光Ｌ２を増加させて、ａ軸方向に進行する光Ｌ３を減少させればよい。そこで、図４に示すように、ｃ面に平行な面を長手面とすることで、ａ軸方向の偏光特性を有し、ｃ軸方向へと進行する光Ｌ２を多く取り出すことができる。また、ｃ面に平行な面を長手面とすることで、光Ｌ３は結晶内を移動する距離が増えるので結晶で吸収されて減衰していくので、結晶の外部に放出される光パワーは減少する。例えば、ｃ面の端面２０ｃのａ軸方向の長さｄ１を６００ｎｍとした場合、ａ面の端面２０ａのｃ軸方向の長さｄ２は２００ｎｍとして、ｃ面に平行な面を長手面とする。
【００２２】
次に、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。
【００２３】
まず、表面１０ａが非極性面のｍ面でありＧａＮの単結晶からなる基板１０を用意する。ここで、非極性面であるｍ面を表面１０ａとする基板１０は、まず、ｃ面を結晶成長主面とするＧａＮ単結晶基板から切り出した後、（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、鏡面化処理することによって作製される。これにより、ｍ面である表面１０ａを成長成長主面とし、転位や積層欠陥といった結晶欠陥が少なく、表面１０ａの段差が原子レベルまで抑制された基板１０を得ることができる。
【００２４】
次に、上述した基板１０上にＭＯＣＶＤ法により窒化物半導体積層構造である発光部２０を成長させる。具体的には、まず、基板１０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。
【００２５】
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１０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１０の温度を約１０００℃〜約１１００℃に昇温させる。
【００２６】
次に、基板１０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層からなる第１半導体層２２を成長させる。
【００２７】
次に、基板１０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。
【００２８】
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２４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、活性層２４上にＧａＮ層からなるファイナルバリア層（図示略）を成長させる。
【００２９】
次に、基板１０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、ファイナルバリア層上に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（図示略）を成長させる。
【００３０】
次に、基板１０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型の第２半導体層２６を成長させる。これによって発光部２０が完成する。
【００３１】
次に、基板１０が約１００μｍ以下の厚みになるように、基板１０の裏面１０ｂ側を数百μｍの厚みで機械的研磨により研削する。
【００３２】
次に、抵抗加熱法または電子ビームによる金属蒸着装置によって、第１電極３０及び第２電極３２を形成する。この後、劈開により各素子ごとに分割されて、図１に示した半導体発光素子が完成する。ここで、半導体発光素子は、劈開により素子単位に分割されるので、劈開された側面であるｃ面が鏡面になっている。鏡面とは、表面の凹凸の差が光の波長以下であることである。
【００３３】
本発明の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、主面から取り出される偏光の向きと揃った光を取り出せるｃ面に平行な面を長手面として面積を広くしているので、同じ偏光特性を有する偏向光を多く取り出すことができ、偏光比を高く維持することができる。また、ｃ面に平行な面を長手面とすることで、主面から取り出される偏光の向きと偏光特性の異なる横端面から放出される光は、結晶で吸収されて減衰させることができるので、半導体発光素子から放出される光の偏光比を高く維持することができる。
【００３４】
本発明の実施の形態に係る半導体発光素子は、六方晶化合物半導体であるＧａＮを用いることでｃ面で劈開しやすい結晶であるが、ｃ面に平行な面を長手面として面積を広くしていることによって、更に容易にｃ面で劈開することができるようになる。ｃ面で劈開することでｃ面を鏡面化処理できるので偏光した光の散乱をより抑制することができる。これにより、ｃ面から外部へ照射される光の偏光比の低下をより抑制できるので、偏光比を高く維持することができる。
【００３５】
（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。
【００３６】
例えば、実施の形態に係る半導体発光素子は、図１に示したように、半導体発光素子の両面に第１電極３０と第２電極３２をそれぞれ配置しているが、図５に示すように、第１半導体層２２の一部領域がメサエッチングされて第１半導体層２２の露出した面に第１電極３０を配置しても構わない。
【００３７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】実施の形態による半導体発光素子の模式的断面図である。
【図２】実施の形態に係る半導体発光素子の発光部の斜視図である。
【図３】六方晶の結晶構造のユニットセルを説明する図である。
【図４】実施の形態に係る半導体発光素子の発光部の上面図である。
【図５】その他の実施の形態による半導体発光素子の模式的断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
Ｌ１〜Ｌ３…光
１０…基板
１０ａ…表面
１０ｂ…裏面
２０…発光部
２２…第１半導体層
２４…活性層
２６…第２半導体層
３０…第１電極
３２…第２電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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