JP2009044067A - Semiconductor light emitting element - Google Patents
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Abstract
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。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。 Conventionally, a semiconductor light emitting device made of a group III nitride semiconductor has been 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 AlxInyGa1-x-yN (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). Gallium nitride (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。
非極性面又は半極性面を主面とするIII族窒化物半導体の半導体発光素子では、偏向光を放出する。従来の半導体発光素子では、光取り出し面は荒れた粗面の方が光の取り出しが大きいという利点から、チップ化した際にできる横端面は鏡面になっておらず、粗面は乱反射により取り出される光をランダム光として偏光方向を乱してしまう問題があった。 In a group III nitride semiconductor light emitting device having a nonpolar plane or a semipolar plane as a main surface, polarized light is emitted. In a conventional semiconductor light emitting device, the roughened rough surface has a larger light extraction effect, so that the lateral end surface formed in the chip is not a mirror surface, and the rough surface is extracted by irregular reflection. There was a problem of disturbing the polarization direction by using light as random light.
そこで、上記問題点を鑑み、本発明は、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。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device that maintains a high polarization ratio.
本発明の一態様によれば、基板と、基板の表面に設けられ、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、活性層から偏向光を発生する発光部とを備え、活性層の横端面が鏡面であることを要旨とする。 According to one aspect of the present invention, a substrate and an active layer formed on a surface of the substrate and made of a group III nitride semiconductor having a nonpolar plane or a semipolar plane as a main growth surface, and deflected light from the active layer And a light emitting part for generating the active layer, wherein the lateral end surface of the active layer is a mirror surface.
本発明によれば、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。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor light emitting device that maintains 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。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。 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.
(第1の実施の形態)
本発明の第1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2と、基板2の表面2aに設けられ、非極性面又は半極性面を成長主面12a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から偏向光を発生する発光部3とを備え、横端面1aが鏡面である。横端面1aとは、基板2の表面2a及び発光部3の表面3aと隣接する面によって構成される。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。更に、第1の実施の形態に係る半導体発光素子は、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。
(First embodiment)
As shown in FIG. 1, the semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention is provided on the substrate 2 and the surface 2a of the substrate 2, and the nonpolar or semipolar surface is the growth main surface 12a. It has an active layer 12 made of a group III nitride semiconductor, and includes a light emitting unit 3 that generates polarized light from the active layer 12, and the lateral end face 1a is a mirror surface. The lateral end surface 1 a is configured by a surface adjacent to the surface 2 a of the substrate 2 and the surface 3 a of the light emitting unit 3. 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. Furthermore, the semiconductor light emitting device according to the first embodiment includes a first electrode portion (anode electrode) 4 and a 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。また、基板2の面のうち表面2aと隣接する横端面1aを構成する面は、鏡面である。一例として、基板2の面のうち表面2aと隣接する横端面1aを構成する面は、凹凸の差が約100nm以下になるように鏡面化処理されている。 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. Moreover, the surface which comprises the horizontal end surface 1a adjacent to the surface 2a among the surfaces of the board | substrate 2 is a mirror surface. As an example, the surface constituting the lateral end surface 1a adjacent to the surface 2a among the surfaces of the substrate 2 is mirror-finished so that the unevenness difference is about 100 nm or less.
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。基板2の表面2aは、非極性面であるm面からなる。 The surface 2 a of the substrate 2 is a surface for epitaxially growing the light emitting portion 3. 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、(10−11)面、(10−13)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 (10-11) plane, (10-13) plane, and (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、p型電子阻止層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において偏光された光を発光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, a p-type electron blocking layer 14, and a second semiconductor layer (p-type). Contact layer) 15 is laminated. 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 having a concentration of about 1 × 10 18 cm −3 as an n-type dopant.
活性層12は、シリコン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Gaに対する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 an In Z Ga 1 -Z N layer having a thickness of about 3 nm doped with silicon and a GaN layer having a thickness of about 9 nm are alternately stacked for 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 to Ga 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.
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。 The p-type electron blocking layer 14 is made of an AlGaN layer having a thickness of about 28 nm doped with magnesium 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のマグネシウムがドープされた約70nmの厚みを有するp型GaN層からなる。第2半導体層15の光取出面15a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。この光取出面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であることが好ましい。尚、光取出面15aと発光部3の表面3aは同じ面である。 The second semiconductor layer 15 is made of a p-type GaN layer having a thickness of about 70 nm doped with magnesium having a concentration of about 1 × 10 20 cm −3 as a p-type dopant. The light extraction surface 15 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 15a is preferably a mirror surface so that the unevenness is about 100 nm or less in order to suppress light scattering and suppress a decrease in the polarization ratio. The light extraction surface 15a and the surface 3a of the light emitting unit 3 are the same surface.
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(積層方向と直行する方向)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、第2半導体層15の光取出面15a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。このように、鏡面状態の光取出面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。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。 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 arranged on the second semiconductor layer 15 in order to allow a current to flow uniformly in the entire region in the horizontal direction (direction perpendicular to the stacking direction) of the light emitting unit 3. 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 unit 4 is a surface from which light emitted by the active layer 12 is extracted, and the surface unevenness is about 100 nm or less, like the light extraction surface 15a 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, light emitted from the active layer 12 is suppressed by the light extraction surface 15a and the light extraction surface 4a in the mirror surface state, and thus the light is extracted while maintaining a high polarization ratio. 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.
第2電極6は、Ti層及びアルミニウム(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。 The second electrode 6 is formed by laminating a Ti layer and an aluminum (Al) layer. The second electrode 6 is formed in an ohmic connection with the exposed region of the upper surface of the first semiconductor layer 11.
次に、上述した第1の実施の形態に係る半導体発光素子の動作説明をする。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している。 Next, the operation of the semiconductor light emitting element according to the first embodiment described above 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 portion 3 is an m-plane which is a nonpolar plane, the light emitted from the active layer 12 is polarized.
活性層12で発光した光のうち第1電極部4側へ進行する光は、第1電極部4を透過して外部へ照射される。また、活性層12で発光した光のうち基板2側へ進行する光は、第1半導体層11及び基板2を透過して、基板2の裏面2bに達する。ここで、基板2の裏面2bにより一部の光が第1電極部4の方向へと反射され、一部は裏面2bを透過して外部へ照射される。また、活性層12で発光した光のうち横端面1aに進行する光は、横端面1aから外部へ照射される。横端面1aから外部へ照射される光は、横端面1aが鏡面化処理された鏡面であるので、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。 Of the light emitted from the active layer 12, the light traveling toward the first electrode unit 4 is transmitted through the first electrode unit 4 and irradiated to the outside. In addition, light that travels toward the substrate 2 among the light emitted from the active layer 12 passes through the first semiconductor layer 11 and the substrate 2 and reaches the back surface 2 b of the substrate 2. Here, a part of the light is reflected in the direction of the first electrode portion 4 by the back surface 2b of the substrate 2, and a part of the light is transmitted through the back surface 2b and irradiated to the outside. Of the light emitted from the active layer 12, the light traveling to the lateral end surface 1a is irradiated from the lateral end surface 1a to the outside. The light radiated to the outside from the lateral end surface 1a is a mirror surface with the lateral end surface 1a being mirror-finished, so that it is possible to maintain the polarization state by suppressing irregular reflection by the rough surface. Can be taken out.
以下に、第1の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法について図3を参照しながら説明する。 Hereinafter, a method for manufacturing the semiconductor light emitting device according to the first embodiment will be described with reference to FIG.
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p型電子阻止層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 p-type 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p型電子阻止層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、p型電子阻止層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 p-type electron blocking layer 14. As a result, the main growth surface 12a of the active layer 12 and the main surfaces of the first semiconductor layer 11, the final barrier layer 13, and the p-type electron blocking layer 14 are formed on the non-polar m-plane.
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15aの全面に形成する。 Next, the 1st electrode part 4 which consists of ZnO is formed in the whole surface 15a of the 2nd semiconductor layer 15 by sputtering method or a vacuum evaporation method.
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、抵抗加熱法また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, a Ti layer and an Al layer are sequentially laminated on the exposed electrode surface by a vacuum evaporation method such as a resistance heating method or an electron beam method to form the second electrode 6.
次に、基板2が約100μm以下の厚みになるように、基板2の裏面2b側を機械的研磨により研削する。 Next, the back surface 2b side of the substrate 2 is ground by mechanical polishing so that the substrate 2 has a thickness of about 100 μm or less.
次に、図3(a)に示すように、ダイヤモンド等のスクライバー30を用いて基板2の裏面2bを研削して素子分割用の罫書き線20を入れる。罫書き線20を基板2の裏面2bに形成した後、図3(b)に示すように、罫書き線20を形成した箇所にセラミック等のブレーカー31を用いて応力を加える。罫書き線20を形成した箇所に応力を加えることで、図3(c)に示すように、素子単位毎に分割することができる。 Next, as shown in FIG. 3A, the back surface 2b of the substrate 2 is ground by using a scriber 30 such as diamond, and a ruled line 20 for element division is entered. After the ruled line 20 is formed on the back surface 2b of the substrate 2, as shown in FIG. 3B, stress is applied to the portion where the ruled line 20 is formed using a breaker 31 such as ceramic. By applying stress to the location where the ruled lines 20 are formed, it can be divided into element units as shown in FIG.
分割により形成された横端面1aにおいて、c面は劈開面であり鏡面となるが、a面は劈開面ではないので、荒れた面となる。また、基板2の横端面1aで罫書き線を20を入れた箇所も、図4の電子顕微鏡写真で示すように、荒れた面となっている。そこで、基板2の横端面1aで罫書き線20にて荒れた箇所を研磨して鏡面化処理する。基板2の厚さは約100μmと薄いので、図3(d)に示すように、ダミー基板37に分割した素子を貼り付け、素子を貼り付けたダミー基板37を冶具36に設置し、基板2の横端面1aを研磨シート34による研磨装置35により研磨して横端面1aに鏡面化処理を施す。研磨シートは、表面の凹凸が約100nmの粗さのものを使用した場合、基板2の横端面1aの凹凸が約100nmの鏡面にすることができる。研磨された基板2の横端面1aは、図5の電子顕微鏡写真で示すように、荒れた面が研磨されて鏡面となっている。以上の工程により、第1の実施の形態に係る半導体発光素子が完成する。 In the lateral end surface 1a formed by the division, the c-plane is a cleaved surface and becomes a mirror surface, but the a-plane is not a cleaved surface, and thus becomes a rough surface. Moreover, the part which put the ruled line 20 in the horizontal end surface 1a of the board | substrate 2 is also a rough surface, as shown with the electron micrograph of FIG. Therefore, a portion roughened by the ruled lines 20 on the lateral end surface 1a of the substrate 2 is polished and mirrored. Since the thickness of the substrate 2 is as thin as about 100 μm, as shown in FIG. 3D, the divided elements are attached to the dummy substrate 37, and the dummy substrate 37 to which the elements are attached is placed on the jig 36, and the substrate 2 The horizontal end face 1a is polished by a polishing apparatus 35 using a polishing sheet 34, and the horizontal end face 1a is mirror-finished. When the surface of the polishing sheet having a roughness of about 100 nm is used, the side surface 1a of the substrate 2 can have a mirror surface with a roughness of about 100 nm. As shown in the electron micrograph of FIG. 5, the rough end surface 1a of the polished substrate 2 is polished to be a mirror surface. The semiconductor light emitting element according to the first embodiment is completed through the above steps.
上記の横端面1aを研磨する工程では、研磨シート34を用いる方法を示したが、CMP法を用いて研磨しても構わないし、両方を組み合わせても構わない。 In the step of polishing the lateral end face 1a, the method using the polishing sheet 34 has been described. However, the polishing may be performed using the CMP method, or a combination of both may be used.
本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、横端面1aの全面を鏡面にしているので、LEDのように横端面1aの全面から外部へ照射される光は、粗面による乱反射を抑制できるので偏光状態を保つことができ、高い偏光比を維持した光を外部に取すことが可能である。 According to the semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention, the entire surface of the lateral end surface 1a is a mirror surface, so that the light irradiated from the entire surface of the lateral end surface 1a to the outside like the LED is a rough surface. Therefore, it is possible to keep the polarization state and to take out the light maintaining a high polarization ratio to the outside.
また、本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、導電性を有するGaNにより、基板2を構成しているので、積層欠陥が少なく、結晶性の高い発光部3を形成することができる。これにより、発光効率を向上させることができる。 In addition, according to the semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention, the substrate 2 is made of conductive GaN, so that the light emitting portion 3 with few stacking faults and high crystallinity is formed. can do. Thereby, luminous efficiency can be improved.
また、本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、基板2の表面2aを非極性面であるm面によって構成することにより、成長時における発光部3の成長面の分極を抑制することができる。これにより、発光部3を安定な成長面で成長させることができるので、発光部3の結晶性を向上させることができる。この結果、活性層12で発光効率を高めるとともに、光の偏光比を向上させることができる。 Further, according to the semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention, the surface 2a of the substrate 2 is constituted by the m-plane which is a nonpolar surface, so that the polarization of the growth surface of the light emitting unit 3 during growth is achieved. Can be suppressed. Thereby, since the light emission part 3 can be made to grow on a stable growth surface, the crystallinity of the light emission part 3 can be improved. As a result, the active layer 12 can increase the light emission efficiency and improve the polarization ratio of light.
また、本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、素子単位に分割する前に、約100μm以下の厚みになるように基板2を研削しているので、劈開することができる。これにより、半導体発光素子を容易に素子単位に分割することができる。 In addition, according to the semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention, the substrate 2 is ground so as to have a thickness of about 100 μm or less before being divided into device units. it can. Thereby, the semiconductor light emitting element can be easily divided into element units.
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法について図6を参照しながら説明する。第2の実施の形態に係る半導体発光素子は、第1の実施の形態で説明した半導体発光素子と実質的に同様の構成であるので、重複した記載は省略する。
(Second Embodiment)
A method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The semiconductor light emitting device according to the second embodiment has substantially the same configuration as the semiconductor light emitting device described in the first embodiment, and thus redundant description is omitted.
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。次に、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。 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. Next, the light emitting portion 3 is epitaxially grown on the surface 2a of the substrate 2 described above by MOCVD.
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15aの全面に形成する。 Next, the 1st electrode part 4 which consists of ZnO is formed in the whole surface 15a of the 2nd semiconductor layer 15 by sputtering method or a vacuum evaporation method.
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、抵抗加熱法また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, a Ti layer and an Al layer are sequentially laminated on the exposed electrode surface by a vacuum evaporation method such as a resistance heating method or an electron beam method to form the second electrode 6.
次に、図6(a)に示すように、ダイシングブレード38等のウェハを切断する器具を用いて、素子単位毎にダイシングする。ダイシングによって、図6(b)に示すように、素子単位毎に分割することができる。 Next, as shown in FIG. 6A, dicing is performed for each element unit using a tool for cutting a wafer such as a dicing blade 38. By dicing, as shown in FIG. 6B, the element unit can be divided.
分割された素子の横端面1aは、ダイシングによって切断されたので、荒れた面となっている。そこで、基板2の横端面1aの全面を研磨して鏡面化処理する。基板2の厚さは約100μmと薄いので、図6(c)に示すように、ダミー基板37に分割した素子を貼り付け、素子を貼り付けたダミー基板37を冶具36に載置し、基板2の横端面1aを研磨シート34による研磨装置35により研磨して横端面1aに鏡面化処理を施す。以上の工程により、第2の実施の形態に係る半導体発光素子が完成する。 Since the lateral end surface 1a of the divided element is cut by dicing, it is a rough surface. Therefore, the entire surface of the lateral end surface 1a of the substrate 2 is polished and mirrored. Since the thickness of the substrate 2 is as thin as about 100 μm, as shown in FIG. 6C, the divided elements are attached to the dummy substrate 37, and the dummy substrate 37 to which the elements are attached is placed on the jig 36, The horizontal end surface 1a of 2 is polished by a polishing apparatus 35 using a polishing sheet 34, and the horizontal end surface 1a is mirror-finished. The semiconductor light emitting element according to the second embodiment is completed through the above steps.
上記の横端面1aを研磨する工程では、研磨シート34を用いる方法を示したが、CMP法を用いて研磨しても構わないし、両方を組み合わせても構わない。 In the step of polishing the lateral end face 1a, the method using the polishing sheet 34 has been described. However, the polishing may be performed using the CMP method, or a combination of both may be used.
本発明の第2の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、ダイシングにより素子単位に分割するので基板2の厚みが厚くても構わないので、基板2の裏面2b側を機械的研磨により研削する工程を省くこともできる。 According to the semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention, since the substrate 2 may be thick because it is divided into device units by dicing, the back surface 2b side of the substrate 2 is ground by mechanical polishing. The process to perform can also be omitted.
(第3の実施の形態)
本発明の第3の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法について図7〜10を参照しながら説明する。第3の実施の形態に係る半導体発光素子は、第1の実施の形態で説明した半導体発光素子と実質的に同様の構成であるので、重複した記載は省略する。
(Third embodiment)
A method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The semiconductor light emitting device according to the third embodiment has substantially the same configuration as the semiconductor light emitting device described in the first embodiment, and thus redundant description is omitted.
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。次に、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。 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. Next, the light emitting portion 3 is epitaxially grown on the surface 2a of the substrate 2 described above by MOCVD.
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15aの全面に形成する。 Next, the 1st electrode part 4 which consists of ZnO is formed in the whole surface 15a of the 2nd semiconductor layer 15 by sputtering method or a vacuum evaporation method.
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、抵抗加熱法また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, a Ti layer and an Al layer are sequentially laminated on the exposed electrode surface by a vacuum evaporation method such as a resistance heating method or an electron beam method to form the second electrode 6.
次に、基板2が約100μm以下の厚みになるように、基板2の裏面2b側を機械的研磨により研削する。ここまでの段階で形成された素子の上方からの平面図を図7(a)に示す。そして、図7(a)に示したA−A方向の断面図を図7(b)に示す。 Next, the back surface 2b side of the substrate 2 is ground by mechanical polishing so that the substrate 2 has a thickness of about 100 μm or less. FIG. 7A shows a plan view of the element formed so far from above. FIG. 7B shows a cross-sectional view in the AA direction shown in FIG.
次に、図8(a)及び図8(b)に示すように、素子単位毎に分割する溝を形成するために、素子上にレジスト40をパターニングする。レジスト40を設けた素子を真空容器(図示略)内に配置して、四塩化ケイ素(SiCl4)、塩素(Cl2)等の反応ガスを導入し、ガスを高周波、マイクロ波などにより励起し、プラズマを発生させラジカル、イオン、電子等を生成する。図9に示すように、プラズマにより生成されたラジカル、イオン、電子等と被エッチング物である発光部3及び基板2とを反応させて素子単位に分割する。このとき、分割することにより形成される横端面1aは、ドライエッチングにより鏡面化処理が施される。そして、図10に示すように、レジスト40を除去することで、第3の実施の形態に係る半導体発光素子が完成する。 Next, as shown in FIGS. 8A and 8B, a resist 40 is patterned on the element in order to form a groove to be divided for each element unit. The element provided with the resist 40 is placed in a vacuum vessel (not shown), a reaction gas such as silicon tetrachloride (SiCl 4 ) or chlorine (Cl 2 ) is introduced, and the gas is excited by high frequency, microwave, or the like. Then, plasma is generated to generate radicals, ions, electrons, and the like. As shown in FIG. 9, radicals, ions, electrons, and the like generated by plasma react with the light-emitting portion 3 and the substrate 2 that are to be etched to divide them into element units. At this time, the horizontal end face 1a formed by dividing is subjected to a mirror finishing process by dry etching. Then, as shown in FIG. 10, by removing the resist 40, the semiconductor light emitting device according to the third embodiment is completed.
本発明の第3の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、素子単位の分割と横端面1aの鏡面化処理を同時に行うことができる。 According to the semiconductor light emitting element according to the third embodiment of the present invention, the element unit division and the mirror finish processing of the lateral end face 1a can be performed simultaneously.
また、本発明の第3の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、ドライエッチングにより素子単位に分割するので、一括で分割することができる。 In addition, according to the semiconductor light emitting device according to the third embodiment of the present invention, since it is divided into device units by dry etching, it is possible to divide them at once.
(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 mentioned above, although this invention was described by embodiment, it should not be understood that the description and drawings which form a part of this disclosure limit this invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques should be apparent to those skilled in the art.
例えば、第1〜第3の実施の形態においては、半導体発光素子の横端面1aは、基板2の表面2a及び発光部3の表面3aと直交しているように記載したが、図11に示すように、基板2の表面2a及び発光部3の表面3aに対してテーパ角があっても構わない。テーパ角があることによって、横端面1a外部へ照射される光の一部は、横端面1aで反射して第1電極部4の方向へと向かうので、第1電極部4の方向への集光率を上げることができる。テーパ角があり、鏡面である横端面1aを形成する方法としては、図3(d)及び図6(c)で示した研磨装置35に所望の角度を有するように冶具36を設置して研磨する方法がある。また、テーパ角があり、鏡面である横端面1aを形成する方法としては、ウェットエッチングの等方性を利用することによっても形成することができる。 For example, in the first to third embodiments, the lateral end surface 1a of the semiconductor light emitting element is described as being orthogonal to the surface 2a of the substrate 2 and the surface 3a of the light emitting unit 3, but as shown in FIG. As described above, there may be a taper angle with respect to the surface 2 a of the substrate 2 and the surface 3 a of the light emitting unit 3. Due to the taper angle, a part of the light irradiated to the outside of the lateral end surface 1a is reflected by the lateral end surface 1a and travels in the direction of the first electrode unit 4, so that the light is collected in the direction of the first electrode unit 4. The light rate can be increased. As a method of forming the horizontal end surface 1a having a taper angle and a mirror surface, a jig 36 is installed in the polishing apparatus 35 shown in FIGS. 3D and 6C to have a desired angle and polished. There is a way to do it. Further, as a method of forming the lateral end surface 1a having a taper angle and being a mirror surface, it can be formed by utilizing the isotropic property of wet etching.
更に、第3の実施の形態においては、半導体発光素子を素子単位に分割する方法としてドライエッチングによる方法を記載したが、ウェットエッチングを採用しても構わない。 Furthermore, in the third embodiment, the dry etching method is described as a method for dividing the semiconductor light emitting device into device units, but wet etching may be employed.
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.
1a…横端面
2…基板
2a…表面
2b…裏面
3…発光部
3a…表面
4…第1電極部
5…接続部
6…第2電極
11…第1半導体層
12…活性層
12a…成長主面
13…ファイナルバリア層
14…p型電子阻止層
15…第2半導体層
30…スクライバー
31…ブレーカー
34…研磨シート
35…研磨装置
36…冶具
37…ダミー基板
38…ダイシングブレード
40…レジスト
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a ... Lateral end surface 2 ... Board | substrate 2a ... Front surface 2b ... Back surface 3 ... Light emission part 3a ... Surface 4 ... 1st electrode part 5 ... Connection part 6 ... 2nd electrode 11 ... 1st semiconductor layer 12 ... Active layer 12a ... Growth main surface DESCRIPTION OF SYMBOLS 13 ... Final barrier layer 14 ... p-type electron blocking layer 15 ... 2nd semiconductor layer 30 ... Scriber 31 ... Breaker 34 ... Polishing sheet 35 ... Polishing apparatus 36 ... Jig 37 ... Dummy board 38 ... Dicing blade 40 ... Resist
Claims (5)
前記基板の表面に設けられ、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、前記活性層から偏向光を発生する発光部
とを備え、前記活性層の横端面が鏡面であることを特徴とする半導体発光素子。 A substrate,
A light-emitting portion provided on the surface of the substrate, 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, and A semiconductor light-emitting element, wherein a lateral end surface of the active layer is a mirror surface.
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2007
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