JP2011233689A - Semiconductor light emitting device and liquid crystal display device using the same - Google Patents
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Abstract
【課題】TE/TM偏光比を高くして光の利用効率を向上できる半導体発光素子を実現し、該半導体発光素子をバックライト光源に用いた、偏光板が不要となる液晶表示装置を実現できるようにする。
【解決手段】半導体発光素子は、基板101の上に形成された活性層104及び該活性層104の上に形成されたリッジ導波路107aを含み、前端面及び後端面の少なくとも一方から光を放射する半導体積層体を有している。リッジ導波路107aは、前端面及び後端面との間に少なくとも1つの非接続部となる溝部113を有し、該溝部113によって隔たれた複数の導波路部107a1、107a2及び107a3から形成されている。
【選択図】図1A semiconductor light emitting device capable of improving the light utilization efficiency by increasing the TE / TM polarization ratio is realized, and a liquid crystal display device using the semiconductor light emitting device as a backlight light source and requiring no polarizing plate can be realized. Like that.
A semiconductor light emitting device includes an active layer formed on a substrate and a ridge waveguide 107a formed on the active layer, and emits light from at least one of a front end surface and a rear end surface. A semiconductor laminate. The ridge waveguide 107a has a groove 113 serving as at least one unconnected portion between the front end surface and the rear end surface, and is formed from a plurality of waveguide portions 107a1, 107a2, and 107a3 separated by the groove 113. .
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、半導体発光素子及びそれを用いた液晶表示装置に関し、特に発光の偏光性を制御する半導体発光素子及びそれを用いた液晶表示装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting element and a liquid crystal display device using the same, and more particularly to a semiconductor light emitting element that controls the polarization of emitted light and a liquid crystal display device using the same.
小型及び高出力等の優れた特徴を持つことから、発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)素子並びに半導体レーザ素子の半導体発光素子が、通信及び光ディスク等のIT(Information Technology)技術に加え、医療及び照明等の幅広い技術分野で用いられている。近年では、特に薄型テレビ等の液晶パネルを用いた表示装置の光源としてLED素子を利用することが急速に増えてきている。液晶表示装置は、透過型の光変調素子として液晶パネルを用い、その裏面に光源装置を配して光を液晶パネルに照射する。液晶パネルは、光源装置から照射された光の透過率を制御することによって画像を形成する。光源装置の光源として、従来は冷陰極管(CCFL:Cold Cathode Fluorescent Lamp)が用いられてきたが、近年、省エネルギー化の流れの中で、LEDチップを用いたLEDバックライト光源の開発が進んでいる。 Since it has excellent features such as small size and high output, a light emitting diode (LED: Light Emitting Diode) element and a semiconductor light emitting element of a semiconductor laser element are used in addition to IT (Information Technology) technologies such as communication and optical disks, Used in a wide range of technical fields such as lighting. In recent years, the use of LED elements as a light source of a display device using a liquid crystal panel such as a thin television has been increasing rapidly. The liquid crystal display device uses a liquid crystal panel as a transmissive light modulation element, and a light source device is disposed on the back surface of the liquid crystal panel to irradiate the liquid crystal panel with light. The liquid crystal panel forms an image by controlling the transmittance of light emitted from the light source device. Conventionally, a cold cathode fluorescent lamp (CCFL) has been used as a light source of a light source device, but in recent years, development of LED backlight light sources using LED chips has progressed in the trend of energy saving. Yes.
現在のLEDバックライト光源は、青色LED素子に黄色蛍光体を組み合わせた白色LED素子を用いる方式が一般的であり、LED素子の配置の方法により直下型とエッジ型とに大別される。直下型は、液晶パネルの裏側にLED光源が格子状に配置されており、ローカルディミングと呼ばれる領域ごとに光源の明るさを制御する。直下型は映像のコントラスト比を向上できる反面、薄型化しにくい等の欠点がある。これに対し、エッジ型は、液晶パネルの周辺部にLED光源を配置し、導光板によってパネル全体を照射するため、パネルの薄型化が容易でデザイン性が高い等の利点がある。エッジ型は、コスト面でもLEDの実装数を減らせるという利点がある。 Current LED backlight light sources generally use a white LED element in which a yellow phosphor is combined with a blue LED element, and are broadly classified into a direct type and an edge type according to the arrangement method of the LED elements. In the direct type, LED light sources are arranged in a grid pattern on the back side of the liquid crystal panel, and the brightness of the light source is controlled for each area called local dimming. The direct type can improve the contrast ratio of the image, but has a drawback that it is difficult to reduce the thickness. On the other hand, the edge type has advantages that the LED light source is disposed in the peripheral part of the liquid crystal panel and the entire panel is irradiated by the light guide plate, so that the panel can be easily thinned and has high designability. The edge type has an advantage that the number of LEDs can be reduced in terms of cost.
液晶パネルは、偏光板で偏光させた光をバックライト光源に利用しており、光源が無偏光の場合は、50%の光を損失していることになる。従って、エッジ型のバックライト光源としては、高指向性及び高偏光性等の光学的特性が本来求められるが、現在利用されているLED光源はこれらの特性を有しておらず、光源として最適化された状態にはない。高指向性及び高偏光性を持つ小型光源には、半導体レーザ素子があるが、半導体レーザ素子は光の可干渉性が高く、スペックルノイズが生じやすいという欠点がある。 The liquid crystal panel uses light polarized by a polarizing plate as a backlight light source. When the light source is non-polarized light, 50% of light is lost. Therefore, optical characteristics such as high directivity and high polarization are originally required for edge-type backlight light sources, but currently used LED light sources do not have these characteristics and are optimal as light sources. It is not in a state that has A small light source having high directivity and high polarization has a semiconductor laser element. However, the semiconductor laser element has a drawback that speckle noise is likely to occur due to high coherence of light.
そこで、高指向性、高偏光性及び低可干渉性を併せ持つ光源として、本願発明者は、スーパールミネッセントダイオード(SLD)素子に着目した。SLD素子は半導体レーザ(LD)素子と同様に光導波路を用いた半導体発光素子である。SLD素子においては、注入キャリアの再結合により生じた自然放出光が、光出射端面方向に進む間に誘導放出による高い利得を受けて増幅され、光出射端面から放出される。SLD素子がLD素子と異なる点は、端面反射による光共振器の形成を抑え、ファブリ・ペローモードによるレーザ発振が生じないようにしていることである。そのため、SLD素子は、通常のLED素子と同様にインコヒーレントで広帯域なスペクトル形状を示すと共に、数十mW程度までの出力を得ることが可能である。特に、窒化物半導体を用いたSLD素子は、紫外から緑色までの可視域の高出力インコヒーレント光源として期待されている(例えば、非特許文献1を参照。)。 Therefore, the present inventor has focused on a super luminescent diode (SLD) element as a light source having both high directivity, high polarization, and low coherence. The SLD element is a semiconductor light emitting element using an optical waveguide as in the semiconductor laser (LD) element. In the SLD element, spontaneous emission light generated by recombination of injected carriers is amplified by receiving a high gain due to stimulated emission while traveling in the direction of the light emission end face, and is emitted from the light emission end face. The difference between the SLD element and the LD element is that the formation of an optical resonator due to end face reflection is suppressed, and laser oscillation in the Fabry-Perot mode is prevented. Therefore, the SLD element can show an incoherent and broadband spectrum shape like a normal LED element, and can obtain an output up to about several tens of mW. In particular, an SLD element using a nitride semiconductor is expected as a high-power incoherent light source in the visible range from ultraviolet to green (for example, see Non-Patent Document 1).
このように、高指向性、高偏光性及び低可干渉性を併せ持つ光源であるSLD素子をエッジ型バックライト光源に用いることにより、導光板との光結合効率の向上と、偏光板の削減とが可能となり、より高性能で低コストのバックライト光源として期待されている。 In this way, by using an SLD element, which is a light source having both high directivity, high polarization, and low coherence, as an edge-type backlight light source, the optical coupling efficiency with the light guide plate is improved, and the number of polarizing plates is reduced. Therefore, it is expected as a backlight light source with higher performance and lower cost.
図15に非特許文献1に示されている従来のSLD素子を示す。図15に示すように、従来のSLD素子は、窒化ガリウム(GaN)からなる基板1の上に、厚さが1μmのAlGaN/GaNからなる超格子層であるクラッド層2と、Si添加GaNからなるn型ガイド層3と、InGaNからなる多重量子井戸層4と、AlGaNからなるバリア層5と、Mg添加GaNからなるp型ガイド層6と、Mg添加AlGaNからなるp型クラッド層7と、p型コンタクト層8とが順次積層されて構成されている。 FIG. 15 shows a conventional SLD element disclosed in Non-Patent Document 1. As shown in FIG. 15, the conventional SLD element is formed on a substrate 1 made of gallium nitride (GaN), a cladding layer 2 that is a superlattice layer made of AlGaN / GaN having a thickness of 1 μm, and Si-doped GaN. An n-type guide layer 3, a multiple quantum well layer 4 made of InGaN, a barrier layer 5 made of AlGaN, a p-type guide layer 6 made of Mg-doped GaN, a p-type cladding layer 7 made of Mg-doped AlGaN, A p-type contact layer 8 is sequentially stacked.
p型クラッド層7は、光導波路を形成するための、上部に断面凸型のリッジ部が形成され、該リッジ部の両側方には、酸化シリコン(SiO2)からなる絶縁膜9が形成されている。また、基板1の裏面には、n型コンタクト10が形成されている。 The p-type cladding layer 7 is formed with a ridge portion having a convex cross section at the top for forming an optical waveguide, and an insulating film 9 made of silicon oxide (SiO 2 ) is formed on both sides of the ridge portion. ing. An n-type contact 10 is formed on the back surface of the substrate 1.
さらに、絶縁膜9を含めクラッド層2からp型コンタクト層8における光の出射側の端面が導波路の延伸方向の垂直な面に対して傾斜して形成されている。これにより、光のモード反射率を低減してレーザ発振を抑制することにより、SLD動作を可能としている。このように、SLD素子は、レーザ素子と類似した光導波路構造を有しているため、高い指向性を持ちながら可干渉性が低い光を出力することが可能である。 Further, the end surface on the light emission side in the p-type contact layer 8 including the insulating film 9 is inclined with respect to the plane perpendicular to the extending direction of the waveguide. Thereby, the SLD operation is enabled by reducing the mode reflectance of light and suppressing laser oscillation. As described above, since the SLD element has an optical waveguide structure similar to that of the laser element, it is possible to output light having low directivity while having high directivity.
しかしながら、一般的な構造のSLD素子の偏光比は15程度であり、LD素子の100以上に比べると低いため、偏光板を削減できる程、高い変更比とはいえないという問題がある。これは、LD素子の高い偏光性が、光利得のTE(Transverse-Electric)偏光/TM(Transverse-Magnetic)偏光依存性と、共振器の両端の反射率のTE偏光/TM偏光依存性とによるためである。一般的なSLD素子の場合は、共振器の端面による反射がほとんどないことから、結果として、偏光比がLD素子と比べて低くなる。 However, the SLD element having a general structure has a polarization ratio of about 15, which is lower than 100 or more of the LD element. Therefore, there is a problem that it cannot be said that the change ratio is so high that the number of polarizing plates can be reduced. This is because the high polarization property of the LD element depends on the dependence of the optical gain on the TE (Transverse-Electric) polarization / TM (Transverse-Magnetic) polarization and the dependence of the reflectance on both ends of the resonator on the TE-polarization / TM polarization. Because. In the case of a general SLD element, there is almost no reflection by the end face of the resonator, and as a result, the polarization ratio is lower than that of the LD element.
本発明は、前記の問題に鑑み、その目的は、偏光比(TE/TM偏光比)を高くして光の利用効率を向上できる半導体発光素子を実現し、該半導体発光素子をバックライト光源に用いた、偏光板が不要となる液晶表示装置を実現することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to realize a semiconductor light emitting device capable of improving the light use efficiency by increasing the polarization ratio (TE / TM polarization ratio), and using the semiconductor light emitting device as a backlight light source. The object is to realize a liquid crystal display device that does not require a polarizing plate.
前記の目的を達成するため、本発明は、半導体発光素子を、光導波路の途中に該光導波路を分断する非接続部を設ける構成とする。 In order to achieve the above object, according to the present invention, a semiconductor light emitting device is configured such that a non-connection portion for dividing the optical waveguide is provided in the middle of the optical waveguide.
具体的に、本発明に係る半導体発光素子は、基板の上に形成された発光層及び該発光層を含む光導波路を有し、前端面及び後端面の少なくとも一方から光を放射する半導体積層体を備え、光導波路は前端面及び後端面との間に少なくとも1つの非接続部を有し、該非接続部によって隔たれた複数の導波路部から形成されている。 Specifically, a semiconductor light emitting device according to the present invention has a light emitting layer formed on a substrate and an optical waveguide including the light emitting layer, and emits light from at least one of a front end face and a rear end face. The optical waveguide has at least one unconnected portion between the front end surface and the rear end surface, and is formed of a plurality of waveguide portions separated by the unconnected portion.
本発明の半導体発光素子によると、光導波路は前端面及び後端面との間に少なくとも1つの非接続部を有し、該非接続部によって隔たれた複数の導波路部から形成されている。このため、光導波路の非接続部において偏光選択性を持たせることができ、発光光のTE/TM偏光比を増大することができるので、光の利用効率を向上することができる。 According to the semiconductor light emitting device of the present invention, the optical waveguide has at least one non-connected portion between the front end surface and the rear end surface, and is formed of a plurality of waveguide portions separated by the non-connected portion. For this reason, polarization selectivity can be provided in the non-connected portion of the optical waveguide, and the TE / TM polarization ratio of the emitted light can be increased, so that the light utilization efficiency can be improved.
本発明の半導体発光素子において、非接続部は光導波路を分断する凹部であってもよい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the non-connection portion may be a recess that divides the optical waveguide.
このようにすると、光の光導波路内における屈折率と非接続部における屈折率との差を大きくできるので、偏光選択性を高めて発光のTE/TM偏光比を増大することができる。 In this way, the difference between the refractive index of the light in the optical waveguide and the refractive index in the non-connection portion can be increased, so that the polarization selectivity can be increased and the TE / TM polarization ratio of light emission can be increased.
本発明の半導体発光素子において、光導波路と凹部との界面の法線方向は、光導波路の延伸方向から傾斜しており、光は界面での屈折により非接続部を導波することが好ましい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, it is preferable that the normal direction of the interface between the optical waveguide and the recess is inclined from the extending direction of the optical waveguide, and light is guided through the non-connection portion by refraction at the interface.
このようにすると、光導波路と凹部との界面における屈折(透過)と反射との比率がTE波とTM波で異なることを利用して、導波路の偏光選択性を高めることができるため、発光光のTE/TM偏光比を増大することができる。 This makes it possible to increase the polarization selectivity of the waveguide by utilizing the fact that the ratio of refraction (transmission) and reflection at the interface between the optical waveguide and the recess is different between the TE wave and the TM wave. The TE / TM polarization ratio of light can be increased.
この場合に、光導波路と凹部との界面における該界面の法線方向と光導波路の延伸方向とがなす角度θは、臨界角をθcとしたときに、θc/2≦θ<θcの関係が成り立つことが好ましい。 In this case, the angle theta formed by the extending direction of the normal direction and the optical waveguide of the interface at the interface between the optical waveguide and the recess, the critical angle is taken as θ c, θ c / 2 ≦ θ <θ c It is preferable that this relationship is established.
このようにすると、光導波路と凹部との界面におけるTE波とTM波との屈折(透過)と反射との比率の差を大きくすることができるため、発光光のTE/TM偏光比を増大することができる。 In this way, the difference in the ratio between the refraction (transmission) and reflection of the TE wave and TM wave at the interface between the optical waveguide and the recess can be increased, so that the TE / TM polarization ratio of the emitted light is increased. be able to.
また、この場合に、複数の導波路部は、互いに隣接する導波路部同士の延伸方向における中心軸が互いにずれて形成されていてもよい。 In this case, the plurality of waveguide portions may be formed such that the central axes in the extending direction of the adjacent waveguide portions are shifted from each other.
本発明の半導体発光素子において、半導体積層体は、前端面又は後端面から誘導放出光を出射するスーパールミネッセンスダイオード(SLD)素子を構成することが好ましい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the semiconductor laminate preferably constitutes a super luminescence diode (SLD) device that emits stimulated emission light from the front end surface or the rear end surface.
本発明の半導体発光素子において、半導体積層体は、AlxGayIn1−x−yN(但し、0≦x,y≦1、0≦x+y≦1である。)で表されるIII族窒化物半導体からなっていてもよい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the semiconductor stacked body is a group III represented by Al x Ga y In 1-xy N (where 0 ≦ x, y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). It may be made of a nitride semiconductor.
このようにすると、本半導体発光素子を、高指向性、高偏光性及び低可干渉性を有する青色又は緑色の光源として利用することができる。特に、青色SLD光源は、黄色、又は緑色蛍光体及び赤色蛍光体を組み合わせることにより、白色光源として利用できる。 Thus, the semiconductor light emitting device can be used as a blue or green light source having high directivity, high polarization, and low coherence. In particular, the blue SLD light source can be used as a white light source by combining yellow or a green phosphor and a red phosphor.
また、本発明の半導体発光素子において、半導体積層体は、AlxGayIn1−x−yAszP1−z(但し、0≦x,y,z≦1、0≦x+y≦1である。)で表されるIII-V族化合物半導体からなっていてもよい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the semiconductor stacked body may be Al x Ga y In 1-xy As z P 1-z (where 0 ≦ x, y, z ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1. A group III-V compound semiconductor represented by
このようにすると、高指向性、高偏光性及び低可干渉性を有する赤色光源として利用できる。また、青色、緑色及び赤色のSLD光源により、より色再現性が高いバックライト光源又はディスプレイ光源としても利用できる。 If it does in this way, it can utilize as a red light source which has high directivity, high polarization property, and low coherence. Further, the blue, green and red SLD light sources can be used as backlight light sources or display light sources with higher color reproducibility.
本発明に係る液晶表示装置は、本発明の半導体発光素子と、該半導体発光素子から光の照射を受ける導光板と、導光板を透過した光を受ける液晶パネルとを備え、半導体発光素子から液晶パネルまでの間の光の導波経路中には偏光板が設けられていない。 A liquid crystal display device according to the present invention includes the semiconductor light emitting element of the present invention, a light guide plate that receives light from the semiconductor light emitting element, and a liquid crystal panel that receives light transmitted through the light guide plate. A polarizing plate is not provided in the light waveguide path to the panel.
本発明の液晶表示装置によると、半導体発光素子から液晶パネルまでの間の光の導波経路中に偏光板が設けられていないため、低消費電力で且つ低コストの光源を実現することができる。 According to the liquid crystal display device of the present invention, since no polarizing plate is provided in the light guide path from the semiconductor light emitting element to the liquid crystal panel, a light source with low power consumption and low cost can be realized. .
本発明に係る半導体発光素子及びそれを用いた液晶表示装置によると、半導体発光素子の偏光比を増大することができ、その結果、薄型、低消費電力及び低コストの液晶表示装置を実現できる。 According to the semiconductor light emitting device and the liquid crystal display device using the semiconductor light emitting device according to the present invention, the polarization ratio of the semiconductor light emitting device can be increased, and as a result, a thin liquid crystal display device with low power consumption and low cost can be realized.
本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下に示す各実施形態は一例であって、本発明はこれらの実施形態には限定されない。 Embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, each embodiment shown below is an example, Comprising: This invention is not limited to these embodiment.
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態においては、窒化物半導体を用いた、波長が450nmの青色光を出力する青色SLD素子について説明する。
(First embodiment)
In the first embodiment of the present invention, a blue SLD element using a nitride semiconductor and outputting blue light having a wavelength of 450 nm will be described.
第1の実施形態に係る青色SLD素子は、リッジ導波路を、その途中に設けた少なくとも1つの溝部によって非接続部を形成し、非接続部により分断された導波路部を導波する光が非接続部で透過屈折し、且つ、非接続部で隔たれた互いに隣接する導波路部に円滑に導波するように設計されたSLD素子である。このように、非接続部を介した透過屈折により偏光比を増大することができる。 In the blue SLD element according to the first embodiment, the ridge waveguide has a non-connection portion formed by at least one groove portion provided in the middle thereof, and light guided through the waveguide portion divided by the non-connection portion is transmitted. It is an SLD element designed to be transmitted and refracted at a non-connecting portion and smoothly guided to adjacent waveguide portions separated by the non-connecting portion. Thus, the polarization ratio can be increased by transmission refraction through the non-connection portion.
具体的には、図1(a)〜図1(c)に示すように、本実施形態に係る青色SLD素子は、n型GaNからなる基板101の上に、n型GaNからなるバッファ層(図示せず)、n型クラッド層102、n型ガイド層103、活性層104、p側ガイド層105、p型AlGaNからなるキャリアオーバフロー抑制(OFS)層106、p型クラッド層107及びp型GaNコンタクト層(図示せず)が順次形成された半導体積層体を有している。 Specifically, as shown in FIGS. 1A to 1C, the blue SLD element according to the present embodiment has a buffer layer (made of n-type GaN) on a substrate 101 made of n-type GaN. (Not shown), n-type cladding layer 102, n-type guide layer 103, active layer 104, p-side guide layer 105, carrier overflow suppression (OFS) layer 106 made of p-type AlGaN, p-type cladding layer 107, and p-type GaN A semiconductor stacked body in which contact layers (not shown) are sequentially formed is provided.
p型クラッド層107の上部は、リッジストライプ状に加工されてリッジ導波路107aを形成している。p型クラッド層107の上には、リッジストライプ部の頂面を露出する開口部を有するSiO2からなる誘電体ブロック層110が形成されている。リッジストライプ部の頂面にはp側電極108が形成されている。 The upper portion of the p-type cladding layer 107 is processed into a ridge stripe to form a ridge waveguide 107a. On the p-type cladding layer 107, a dielectric block layer 110 made of SiO 2 having an opening exposing the top surface of the ridge stripe portion is formed. A p-side electrode 108 is formed on the top surface of the ridge stripe portion.
p側電極108を含む誘電体ブロック層110の上には、p側電極108と接続される配線電極109が形成されている。また、基板101のn型クラッド層102と反対側の面(裏面)上には、n側電極111が形成されている。 A wiring electrode 109 connected to the p-side electrode 108 is formed on the dielectric block layer 110 including the p-side electrode 108. An n-side electrode 111 is formed on the surface (back surface) opposite to the n-type cladding layer 102 of the substrate 101.
リッジ導波路107aには、光の導波経路中において非接続部となる少なくとも1つの溝部、ここでは2つの溝部113が設けられている。すなわち、図2に示すように、リッジ導波路107aは、反射端面側から、第1の導波路部107a1、第2の導波路部107a2及び第3の導波路部107a3に分断されている。さらに、2つの溝部113に挟まれた第2の導波路部107a2は、屈折角を考慮して、光の損失を最小にできるように平面視でジグザグ状に配置されている。このように、第1の実施形態に係るリッジ導波路107aは、各導波路部107a1〜107a3及び2つの溝部113によって構成される。 The ridge waveguide 107a is provided with at least one groove portion which is a non-connection portion in the light waveguide path, here two groove portions 113 are provided. That is, as shown in FIG. 2, the ridge waveguide 107a is divided into a first waveguide section 107a1, a second waveguide section 107a2, and a third waveguide section 107a3 from the reflection end face side. Furthermore, the second waveguide portion 107a2 sandwiched between the two groove portions 113 is arranged in a zigzag shape in plan view so that the loss of light can be minimized in consideration of the refraction angle. As described above, the ridge waveguide 107a according to the first embodiment includes the waveguide portions 107a1 to 107a3 and the two groove portions 113.
また、図1(a)に示すように、光の出射端面112は、リッジ導波路107aの延伸方向(長手方向)に対して垂直な方向の面から5°〜25°程度傾斜した面を有する極低反射端面として形成されている。 Further, as shown in FIG. 1A, the light emission end face 112 has a surface inclined by about 5 ° to 25 ° from a plane perpendicular to the extending direction (longitudinal direction) of the ridge waveguide 107a. It is formed as an extremely low reflection end face.
なお、図1(a)においては、六方晶GaN系結晶の面方位をc、a、mで示している。cは面方位が(0001)面の法線ベクトル、すなわちc軸を表し、aは面方位が(11−20)面とその等価面の法線ベクトル、すなわちa軸を表し、mは面方位が(1−100)面とその等価面の法線ベクトル、すなわちm軸を表している。ここで、本明細書においては、面方位におけるミラー指数に付した負符号”−”は、該負符号に続く一の指数の反転を便宜的に表している。 In FIG. 1A, the plane orientation of the hexagonal GaN-based crystal is indicated by c, a, m. c represents the normal vector of the (0001) plane, that is, the c axis, a represents the normal vector of the (11-20) plane and its equivalent plane, that is, the a axis, and m represents the plane direction. Represents the normal vector of the (1-100) plane and its equivalent plane, that is, the m-axis. Here, in this specification, the minus sign “−” attached to the Miller index in the plane orientation represents the inversion of one index following the minus sign for convenience.
以下、前記のように構成された青色SLD素子の製造方法について説明する。 Hereinafter, a method for manufacturing the blue SLD element configured as described above will be described.
(結晶成長工程)
まず、例えば、有機金属気相成長(Metalorganic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)法により、主面の面方位が(0001)面であり、キャリア濃度が1×1018cm−3程度のn型六方晶GaNからなる基板101の主面上に、厚さが2μmのn型Al0.03Ga0.97Nからなるn型クラッド層102を成長する。続いて、n型クラッド層102の上に、厚さが0.10μmのn型GaNからなるn型ガイド層103と、In0.02Ga0.98Nからなるバリア層及びIn0.16Ga0.84Nからなる量子井戸層を3周期分含む量子井戸(MQW)活性層104とを順次成長する。
(Crystal growth process)
First, for example, by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, the n-type hexagonal GaN whose principal plane is the (0001) plane and the carrier concentration is about 1 × 10 18 cm −3. An n-type cladding layer 102 made of n-type Al 0.03 Ga 0.97 N having a thickness of 2 μm is grown on the main surface of the substrate 101 made of the above. Subsequently, an n-type guide layer 103 made of n-type GaN having a thickness of 0.10 μm, a barrier layer made of In 0.02 Ga 0.98 N, and In 0.16 Ga on the n-type cladding layer 102. A quantum well (MQW) active layer 104 including three periods of 0.84 N quantum well layers is sequentially grown.
続いて、MQW活性層104の上に、厚さが0.05μmのアンドープ又はp型GaNからなるp側ガイド層105を成長する。続いて、p側ガイド層105の上に、厚さが20nmのAl0.20Ga0.80Nからなるキャリアオーバフロー抑制層(OFS層)106を成長する。続いて、OFS層106の上に、厚さがそれぞれ2nmのp型Al0.06Ga0.94N層とGaN層とを160周期分繰り返してなり、厚さが0.50μmの歪超格子層であるp型クラッド層107と、厚さが0.1μmのp型GaNからなるp型コンタクト層(図示せず)とを順次成長する。 Subsequently, a p-side guide layer 105 made of undoped or p-type GaN having a thickness of 0.05 μm is grown on the MQW active layer 104. Subsequently, a carrier overflow suppression layer (OFS layer) 106 made of Al 0.20 Ga 0.80 N having a thickness of 20 nm is grown on the p-side guide layer 105. Subsequently, a strained superlattice having a thickness of 0.50 μm is formed by repeating 160 p-type Al 0.06 Ga 0.94 N layers and GaN layers each having a thickness of 2 nm on the OFS layer 106. A p-type cladding layer 107 as a layer and a p-type contact layer (not shown) made of p-type GaN having a thickness of 0.1 μm are sequentially grown.
各n型半導体層には、シリコン(Si)がドナー不純物として5×1017cm−3程度の濃度にドーピングされている。また、各p型半導体層には、マグネシウム(Mg)がアクセプタ不純物として1×1019cm−3程度の濃度にドーピングされている。なお、最上層のp型コンタクト層には、Mgが1×1020cm−3程度の高濃度にドーピングされている。また、OFS層106は、Alの組成を20%と高く設定することによりバンドギャップを大きくしている。従って、バンドギャップが大きいOFS層106により、伝導帯を流れる電子が価電子帯を流れる正孔よりも移動度が高いために、MQW活性層104を通過してしまい、該活性層104以外の半導体層で非発光再結合してしまうことを抑制することができる。 Each n-type semiconductor layer is doped with silicon (Si) as a donor impurity at a concentration of about 5 × 10 17 cm −3 . Each p-type semiconductor layer is doped with magnesium (Mg) as an acceptor impurity at a concentration of about 1 × 10 19 cm −3 . The uppermost p-type contact layer is doped with Mg at a high concentration of about 1 × 10 20 cm −3 . The OFS layer 106 has a large band gap by setting the Al composition as high as 20%. Therefore, due to the OFS layer 106 having a large band gap, the electrons flowing through the conduction band have higher mobility than the holes flowing through the valence band, and thus pass through the MQW active layer 104, and semiconductors other than the active layer 104 It is possible to suppress non-radiative recombination in the layer.
なお、本実施形態に係る半導体積層構造は、一例であり、半導体積層構造及び成長方法はこれに限られない。例えば、半導体積層体を形成する際の結晶成長法には、MOCVD法の他に、分子ビーム成長(Molecular Beam Epitaxy:MBE)法又は化学ビーム成長(Chemical Beam Epitaxy:CBE)法等の、GaN系半導体積層構造が成長可能な方法を用いてもよい。 Note that the semiconductor multilayer structure according to this embodiment is an example, and the semiconductor multilayer structure and the growth method are not limited thereto. For example, a crystal growth method for forming a semiconductor stacked body includes a GaN-based method such as a molecular beam epitaxy (MBE) method or a chemical beam epitaxy (CBE) method in addition to the MOCVD method. A method capable of growing a semiconductor stacked structure may be used.
MOCVD法を用いた場合の原料としては、例えばGa原料としてトリメチルガリウム(TMG)、In原料としてトリメチルインジウム(TMI)及びAl原料としてトリメチルアルミニウム(TMA)を用い、N原料としてアンモニア(NH3)を用いればよい。さらに、n型不純物であるSi原料にはシラン(SiH4)ガスを用い、p型不純物であるMg原料にはビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を用いればよい。 As raw materials when using the MOCVD method, for example, trimethyl gallium (TMG) is used as a Ga raw material, trimethyl indium (TMI) is used as an In raw material, and trimethyl aluminum (TMA) is used as an Al raw material, and ammonia (NH 3 ) is used as an N raw material. Use it. Further, silane (SiH 4 ) gas may be used for the Si raw material that is an n-type impurity, and biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) may be used for the Mg raw material that is a p-type impurity.
(リッジ導波路形成工程)
次に、CVD法により、p型コンタクト層の上の全面に、厚さが200nmの第1のSiO2膜(図示せず)を堆積する。その後、基板101を温度が850℃の窒素(N2)雰囲気で且つ30分間の熱処理を施して、各p型半導体層のMgを活性化する。続いて、リソグラフィ及びRIE(Reactive Ion Etching)法等によるドライエッチングにより、第1のSiO2膜に対してエッチングを行って、p型コンタクト層の上のリッジ導波路の形成領域にSiO2からなる第1のマスク膜を形成する。その後、第1のマスク膜を用いて、塩素(Cl2)ガス又は四塩化ケイ素(SiCl4)ガスによるICP(Inductively Coupled Plasma)ドライエッチングにより、p型コンタクト層及びその下のp型クラッド層107の上部に対して約0.5μm程度エッチングして、平面ジグザグ状のリッジストライプ部を形成する。この際、紫外光源を用いた干渉波形のモニタリングにより、エッチングの掘り量を精度良く制御するのが一般的である。ここでは、リッジ導波路107aの底辺の幅は約1.5μmとしている。
(Ridge waveguide formation process)
Next, a first SiO 2 film (not shown) having a thickness of 200 nm is deposited on the entire surface of the p-type contact layer by CVD. Thereafter, the substrate 101 is heat-treated in a nitrogen (N 2 ) atmosphere at a temperature of 850 ° C. for 30 minutes to activate Mg of each p-type semiconductor layer. Subsequently, the first SiO 2 film is etched by dry etching such as lithography and RIE (Reactive Ion Etching) method, and the ridge waveguide formation region on the p-type contact layer is made of SiO 2. A first mask film is formed. Thereafter, by using the first mask film, ICP (Inductively Coupled Plasma) dry etching with chlorine (Cl 2 ) gas or silicon tetrachloride (SiCl 4 ) gas is used to form the p-type contact layer and the p-type cladding layer 107 therebelow. Etching is performed on the upper portion of the substrate by about 0.5 μm to form a planar zigzag ridge stripe portion. At this time, it is common to accurately control the etching digging amount by monitoring the interference waveform using an ultraviolet light source. Here, the width of the bottom side of the ridge waveguide 107a is about 1.5 μm.
なお、図3に示すように、第1変形例として、本リッジ導波路形成工程において、リッジ導波路107aの両側に溝部を形成することにより、リッジ導波路107aの頂面と高さが等しい台座部107bを形成してもよい。このような構造とすることにより、リッジ導波路107aだけが凸部となって、実装時等にSLD素子が機械的なダメージを受けることを防止することができる。なお、リッジ導波路107aと台座部107bとの間隔は5μm〜15μm程度が好ましく、本変形例においては、該間隔を7μmとしている。 As shown in FIG. 3, as a first modification, in the present ridge waveguide forming step, a groove is formed on both sides of the ridge waveguide 107a, thereby making the base equal in height to the top surface of the ridge waveguide 107a. The portion 107b may be formed. With such a structure, only the ridge waveguide 107a becomes a convex portion, and it is possible to prevent the SLD element from being mechanically damaged during mounting or the like. The distance between the ridge waveguide 107a and the pedestal 107b is preferably about 5 to 15 μm. In this modification, the distance is 7 μm.
(溝部形成工程)
次に、第1のマスク膜を緩衝フッ酸溶液(BHF)によって除去する。その後、再度CVD法により、p型コンタクト層を含み、リッジ導波路107aが形成されたp型クラッド層107の上に、厚さが800nmの第2のSiO2膜(図示せず)を堆積する。続いて、リソグラフィ法及びRIEによるドライエッチング法により、第2のSiO2膜を選択的にエッチングして、リッジ導波路107aを分断する複数の凹部を形成する領域が露出された開口部を有する第2のマスク膜を形成する。続いて、第2のマスク膜を用いて、Cl2ガス又はSiCl4ガスによるICPドライエッチングにより、半導体積層体に対してp型コンタクト層の上面から約3μm程度の深さにエッチングして、複数の凹部を形成する。このとき、複数の凹部は、リッジ導波路107aの非接続部となる溝部113と、光の出射端面である極低反射端面112とを同時に形成することができる。これら凹部の深さを別々に設定する場合は、2工程に分けて形成すればよい。
(Groove formation process)
Next, the first mask film is removed with a buffered hydrofluoric acid solution (BHF). Thereafter, a second SiO 2 film (not shown) having a thickness of 800 nm is deposited on the p-type cladding layer 107 including the p-type contact layer and having the ridge waveguide 107a formed thereon by the CVD method again. . Subsequently, the second SiO 2 film is selectively etched by a lithography method and a dry etching method by RIE, and an opening having an exposed portion in which a plurality of recesses for dividing the ridge waveguide 107a are exposed is formed. 2 mask film is formed. Subsequently, by using the second mask film, the semiconductor stacked body is etched to a depth of about 3 μm from the upper surface of the p-type contact layer by ICP dry etching using Cl 2 gas or SiCl 4 gas. A recess is formed. At this time, the plurality of concave portions can simultaneously form the groove 113 serving as a non-connecting portion of the ridge waveguide 107a and the ultra-low reflection end surface 112 which is a light emitting end surface. When the depths of these recesses are set separately, they may be formed in two steps.
ここで、第1の実施形態においては、各溝部113がリッジ導波路107aの延伸方向に対して垂直な方向の面となす角θBを19.5°に設定している。また、各溝部113の幅を1μmに設定し、極低反射端面112がリッジ導波路107aの延伸方向に対して垂直な方向の面となす角θFを10°に設定している。 Here, in the first embodiment, the angle θ B formed by each groove 113 with the surface in the direction perpendicular to the extending direction of the ridge waveguide 107a is set to 19.5 °. Further, the width of each groove 113 is set to 1 μm, and the angle θ F formed by the extremely low reflection end face 112 and the plane perpendicular to the extending direction of the ridge waveguide 107a is set to 10 °.
なお、図4に示すように、第2変形例として、本溝部形成工程において、1枚のウェハから複数の半導体発光素子を分割して得るための劈開補助溝115を各素子の周囲に同時に形成してもよい。ウェハに劈開補助溝115を形成することにより、素子分割時の歩留まりを向上することができる。 As shown in FIG. 4, as a second modification, in the present groove portion forming step, a cleavage assisting groove 115 for dividing and obtaining a plurality of semiconductor light emitting elements from one wafer is simultaneously formed around each element. May be. By forming the cleavage assisting groove 115 in the wafer, the yield at the time of element division can be improved.
(誘電体ブロック層及びp側電極形成工程)
続いて、第2のマスク膜を緩衝フッ酸溶液(BHF)で除去する。その後、再度CVD法により、厚さが300nmの第3のSiO2膜(図示せず)をウェハ上の全面に堆積する。続いて、リソグラフィ法及び緩衝フッ酸溶液によるウェットエッチング法により、第3のSiO2膜に、リッジ導波路107aの頂面、すなわちp型コンタクト層をそれぞれ露出する複数の開口部を形成して、誘電体ブロック層110を形成する。なお、誘電体ブロック層110に複数の開口部を形成するには、リソグラフィ法に代えて、成膜後のレジスト膜にエッチバックを行って、それぞれ開口部を形成しても構わない。
(Dielectric block layer and p-side electrode forming step)
Subsequently, the second mask film is removed with a buffered hydrofluoric acid solution (BHF). Thereafter, a third SiO 2 film (not shown) having a thickness of 300 nm is again deposited on the entire surface of the wafer by CVD. Subsequently, a plurality of openings exposing the top surface of the ridge waveguide 107a, that is, the p-type contact layer, are formed in the third SiO 2 film by a lithography method and a wet etching method using a buffered hydrofluoric acid solution, A dielectric block layer 110 is formed. In order to form a plurality of openings in the dielectric block layer 110, the openings may be formed by etching back the formed resist film instead of using the lithography method.
続いて、電子線蒸着法により、誘電体ブロック層110の各開口部に、パラジウム(Pd)/白金(Pt)からなるp側電極108を形成する。なお、電子線蒸着は、基板101を70℃に加熱して行い、Pd膜及びPt膜の膜厚はそれぞれ40nmと35nmとしている。その後、温度が400℃の熱処理を加えて、2×10−4Ωcm2以下の良好なコンタクト抵抗を得ることができる。蒸着時の温度については、検討の結果、70℃〜100℃程度に加熱した場合に最もコンタクト抵抗が良化し、密着性も向上することが明らかとなっている。さらに、パターニングに用いるレジストの熱耐性をも考慮すると、70℃程度の温度で蒸着を行うことが、プロセスの歩留まりも低下せず、コンタクト抵抗も良化する適当な条件である。 Subsequently, a p-side electrode 108 made of palladium (Pd) / platinum (Pt) is formed in each opening of the dielectric block layer 110 by electron beam evaporation. The electron beam evaporation is performed by heating the substrate 101 to 70 ° C., and the film thicknesses of the Pd film and the Pt film are 40 nm and 35 nm, respectively. Thereafter, a heat treatment at a temperature of 400 ° C. is applied to obtain a good contact resistance of 2 × 10 −4 Ωcm 2 or less. As a result of the examination, it has become clear that the contact resistance is most improved and the adhesion is improved when heated to about 70 ° C. to 100 ° C. Furthermore, in consideration of the heat resistance of the resist used for patterning, it is an appropriate condition that the deposition is performed at a temperature of about 70 ° C. without decreasing the process yield and improving the contact resistance.
続いて、リソグラフィ及び緩衝フッ酸溶液(BHF)を用いたウェットエッチングにより、溝部113の側壁上に堆積したSiO2膜を除去する。この工程により、溝部113は空気層のみとすることができる。但し、後述するように側壁部のSiO2膜は除去せずにそのまま保護膜として用いても構わない。 Subsequently, the SiO 2 film deposited on the sidewall of the groove 113 is removed by lithography and wet etching using a buffered hydrofluoric acid solution (BHF). By this step, the groove 113 can be an air layer only. However, as will be described later, the SiO 2 film on the side wall may be used as it is as a protective film without being removed.
(配線電極形成工程)
次に、リソグラフィ法及び電子線蒸着法により、複数のp側電極108を含め誘電体ブロック層110の上に、各p側電極108が互いに電気的に接続されるように、チタン(Ti)/白金(Pt)/金(Au)からなる配線電極109を形成する。ここで、Ti、Pt及びAuの各膜厚はそれぞれ50nm、35nm及び500nmである。
(Wiring electrode formation process)
Next, by lithography and electron beam evaporation, titanium (Ti) / Ti so that the p-side electrodes 108 are electrically connected to each other on the dielectric block layer 110 including the plurality of p-side electrodes 108. A wiring electrode 109 made of platinum (Pt) / gold (Au) is formed. Here, the film thicknesses of Ti, Pt, and Au are 50 nm, 35 nm, and 500 nm, respectively.
なお、上述したように、一般に基板101はウェハ状態であって、複数のレーザ素子は基板101の主面上に行列状に形成される。従って、ウェハ状態にある基板101から個々のレーザ素子を劈開により分割する際に、配線電極109が素子間にわたって連続して形成されると、配線電極109と密着したp側電極108がp型コンタクト層から剥がれるおそれがある。そこで、配線電極109は互いに隣接するチップ同士で分かれて形成されていることが望ましい。さらに、電解めっき法により、配線電極109の上層のAu層の厚さを3μm程度にまで増やして、パッド電極(図示せず)を形成すると、MQW活性層104からの発熱を効果的に放熱させることができる。すなわち、厚さが3μm程度のAuからなるパッド電極によって、第1の実施形態に係るSLD素子の信頼性を向上することができる。 As described above, the substrate 101 is generally in a wafer state, and a plurality of laser elements are formed in a matrix on the main surface of the substrate 101. Therefore, when the individual laser elements are divided from the substrate 101 in the wafer state by cleavage, if the wiring electrode 109 is continuously formed between the elements, the p-side electrode 108 in close contact with the wiring electrode 109 becomes a p-type contact. There is a risk of peeling from the layer. Therefore, it is desirable that the wiring electrode 109 is formed separately for adjacent chips. Furthermore, when the thickness of the upper Au layer of the wiring electrode 109 is increased to about 3 μm by electrolytic plating and a pad electrode (not shown) is formed, the heat generated from the MQW active layer 104 is effectively dissipated. be able to. That is, the reliability of the SLD element according to the first embodiment can be improved by the pad electrode made of Au having a thickness of about 3 μm.
(裏面電極形成工程)
次に、基板101の裏面を研削及び研磨して、基板101の厚さを約100μmにまで薄膜化する。その後、薄膜化された基板101の裏面に、Ti/Pt/Auからなるn側電極111を形成する。ここで、Ti、Pt及びAuの各膜厚は、それぞれ15nm、35nm及び300nmである。この構成により、1×10−4Ωcm2以下の良好なコンタクト抵抗を実現できる。ここで、次工程である劈開及び組立工程における認識パターンとして、リソグラフィ法及びウェットエッチング法により、上層のAu膜にのみエッチングを行って、電極パターンを形成することが望ましい。
(Back electrode forming process)
Next, the back surface of the substrate 101 is ground and polished to reduce the thickness of the substrate 101 to about 100 μm. Thereafter, an n-side electrode 111 made of Ti / Pt / Au is formed on the back surface of the thinned substrate 101. Here, the film thicknesses of Ti, Pt, and Au are 15 nm, 35 nm, and 300 nm, respectively. With this configuration, a good contact resistance of 1 × 10 −4 Ωcm 2 or less can be realized. Here, it is desirable to form an electrode pattern by performing etching only on the upper Au film by lithography and wet etching as a recognition pattern in the subsequent cleavage and assembly processes.
なお、基板101の研磨方法には、ダイヤモンドスラリ又はコロイダルシリカによる機械研磨法、又は例えば水酸化カリウム(KOH)溶液等のアルカリ溶液を同時に用いる化学機械研磨法を用いてもよい。 The substrate 101 may be polished by a mechanical polishing method using diamond slurry or colloidal silica or a chemical mechanical polishing method using an alkaline solution such as a potassium hydroxide (KOH) solution at the same time.
(劈開及び組立工程)
次に、ウェハにおける劈開位置に劈開補助溝を形成する。その後、形成された劈開補助溝に沿ってブレーキングを行い、一次劈開を行うことにより共振器端面を形成する。続いて、光出射端面と反対側の端面(後端面)に、CVD法等により反射率が約95%の多層誘電体反射膜を形成する。その後、共振器の長手方向に平行な方向に二次劈開を行って、所望のCANパッケージに実装及び配線することによって、GaN系青色SLD素子を作製できる。
(Cleaving and assembly process)
Next, a cleavage assisting groove is formed at a cleavage position in the wafer. After that, braking is performed along the formed cleavage assisting groove, and primary cleavage is performed to form the resonator end face. Subsequently, a multilayer dielectric reflective film having a reflectivity of about 95% is formed on the end surface (rear end surface) opposite to the light emitting end surface by a CVD method or the like. Thereafter, secondary cleavage is performed in a direction parallel to the longitudinal direction of the resonator, and mounting and wiring in a desired CAN package can produce a GaN-based blue SLD element.
図5(a)はフレネルの式による反射・(透過)屈折現象を模式的に示し、図5(b)は反射率の入射角度依存性を示し、図5(c)は透過率の入射角度依存性を示す。図5(b)及び図5(c)に示すように、TE偏光(p波)とTM偏光(s波)とにおいて、反射率及び透過率が異なっており、ブリュースタ角と呼ばれる角度において、TE偏光は100%透過となるが、TM偏光は一部しか透過されない。これは、光を幅を持たない直線として扱った0次近似であるが、定性的には有限の幅を持った導波路においても同様の現象が起こる。本願発明者は、この現象を利用することにより、導波路中に偏光選択性を付加することができ、従って、発光の偏光比の値を増大できることを見出した。 FIG. 5A schematically shows the reflection / transmission refraction phenomenon by the Fresnel equation, FIG. 5B shows the incident angle dependence of the reflectance, and FIG. 5C shows the incident angle of the transmittance. Indicates dependency. As shown in FIGS. 5 (b) and 5 (c), the TE polarized light (p wave) and the TM polarized light (s wave) have different reflectivities and transmittances, and at an angle called Brewster angle, TE polarized light is 100% transmitted, but TM polarized light is only partially transmitted. This is a zero-order approximation in which light is treated as a straight line having no width, but qualitatively, a similar phenomenon occurs even in a waveguide having a finite width. The inventor of the present application has found that by utilizing this phenomenon, polarization selectivity can be added to the waveguide, and therefore, the value of the polarization ratio of light emission can be increased.
図6、図7及び図8に、リッジ導波路107aの非接続部における光の伝搬の様子を有限差分時間領域(Finite−difference time−domain method:FDTD method)法を用いて計算した一例を示す。図6に示す二次元モデルにおいて、図7に示すように、TE偏光とTM偏光とは透過率が異なり、TE偏光が優先的に導波されることが分かる。 6, 7, and 8 show an example in which the state of light propagation in the unconnected portion of the ridge waveguide 107 a is calculated using the finite-difference time-domain method (FDTD method). . In the two-dimensional model shown in FIG. 6, it can be seen that TE polarized light and TM polarized light have different transmittances and TE polarized light is preferentially guided as shown in FIG.
図8はTE偏光及びTM偏光の透過率の角度依存性と偏光比の角度依存性とを示している。0次近似のブリュースタ角近傍においてTE波の透過率が最大となり、偏光比も大きくなっていることが分かる。概ね臨界角θC=sin−1(n2/n1)を基準として、θC/2≦θ<θCの範囲であれば、偏光比の値の増大が期待できることが分かる。但し、もっともTE波の損失が少ない角度を利用する方が、発光効率の観点からは好ましいため、本実施形態においては、θ=19.5°とする。 FIG. 8 shows the angle dependency of the transmittance of TE polarized light and TM polarized light and the angle dependency of the polarization ratio. It can be seen that the transmittance of the TE wave is maximized and the polarization ratio is increased in the vicinity of the Brewster angle of the 0th order approximation. It can be seen that an increase in the value of the polarization ratio can be expected in the range of θ C / 2 ≦ θ <θ C with respect to the critical angle θ C = sin −1 (n2 / n1). However, since it is preferable from the viewpoint of light emission efficiency to use an angle with the least TE wave loss, in this embodiment, θ = 19.5 °.
反射される半分程度のTM波成分は、導波路の外部に放射されて損失となるため、できるだけ誘導放出による増幅作用を受ける前に導波路の外部に放射される方が全体の損失を小さくできる。従って、リッジ導波路107aに非接続部(溝部113)を2箇所に設ける場合は、図9に示す第3変形例として、一方の端面からのみ光を出射し、他方の端面を反射面114とすると、リッジ導波路107aの各領域107a1、107a2及び107a3の長さの比を1:2:2とすることが望ましい。このような比率にすることにより、各領域での最大増幅長を2L/5(Lは共振器長)と最も短くできるため、TM波の誘導放出によるキャリアの損失を最小限にすることができる。 Since about half of the TM wave component reflected is radiated to the outside of the waveguide and becomes a loss, it is possible to reduce the overall loss by radiating to the outside of the waveguide before receiving the amplification effect by stimulated emission as much as possible. . Therefore, when two non-connection portions (groove portions 113) are provided in the ridge waveguide 107a, as a third modification shown in FIG. 9, light is emitted only from one end surface and the other end surface is connected to the reflection surface 114. Then, it is desirable that the ratio of the lengths of the regions 107a1, 107a2, and 107a3 of the ridge waveguide 107a is 1: 2: 2. By setting such a ratio, the maximum amplification length in each region can be as short as 2L / 5 (L is the resonator length), so that carrier loss due to stimulated emission of TM waves can be minimized. .
また、図10に示すように、第4変形例として、劈開端面の両端面から光を出射する場合は、リッジ導波路107aの各導波路部107a1、107a2及び107a3の長さの比を1:1:1とすることが望ましい。このような比率にすることにより、各導波路部での最大増幅長をL/3(Lは共振器長)と最も短くすることができる。 As shown in FIG. 10, as a fourth modification, when light is emitted from both end faces of the cleavage end face, the ratio of the lengths of the waveguide portions 107a1, 107a2, and 107a3 of the ridge waveguide 107a is set to 1: 1: 1 is desirable. By setting such a ratio, the maximum amplification length in each waveguide portion can be minimized to L / 3 (L is a resonator length).
ところで、非接続部(溝部113)は、3箇所以上に設けることが可能であり、数が多い程、偏光比は増大する。しかし、非接続部におけるTE波の損失も0ではないため、非接続部の数を多くし過ぎると、SLD素子のデバイスとしての特性の悪化をもたらす。 By the way, the non-connection part (groove part 113) can be provided in three or more places, and the polarization ratio increases as the number increases. However, since the loss of TE waves at the non-connection portion is not zero, if the number of non-connection portions is too large, the characteristics of the SLD element as a device are deteriorated.
本実施形態におけるSLD構造では、2〜4つ程度の非接続部を設けることにより、偏光比が100〜500程度の特性を得ることができることが明らかとなっている。 In the SLD structure in the present embodiment, it is clear that a characteristic with a polarization ratio of about 100 to 500 can be obtained by providing about 2 to 4 non-connection portions.
また、本実施形態においては、リッジ導波路107aの非接続部である溝部113は、空気層であり、その屈折率を1としたが、誘電体膜や樹脂膜等の発光光に対して透明な材料で埋め込んでもよい。 In the present embodiment, the groove 113 which is a non-connecting portion of the ridge waveguide 107a is an air layer and has a refractive index of 1, but is transparent to emitted light such as a dielectric film or a resin film. It may be embedded with any material.
また、図11(c)に示すように、第5変形例として、溝部113の壁面(端面)を誘電体保護膜116で覆ってもよい。用いる材料の屈折率等によって、最適な傾斜角度が異なるため、それに合わせた設計が必要である。なお、リッジ導波路107aと溝部113との屈折率差が大きい程、偏光選択性は大きくなるものの、第5変形例のように、信頼性の観点からは何らかの保護膜が形成されているほうが好ましい。また、溝部113を発光波長の吸収がない低屈折率材料で埋め込んでもよい。 Further, as shown in FIG. 11C, as a fifth modification, the wall surface (end surface) of the groove 113 may be covered with a dielectric protective film 116. Since the optimum inclination angle varies depending on the refractive index of the material used, etc., it is necessary to design it accordingly. In addition, although the polarization selectivity increases as the refractive index difference between the ridge waveguide 107a and the groove 113 increases, it is preferable that some protective film is formed from the viewpoint of reliability as in the fifth modification. . Further, the groove 113 may be embedded with a low refractive index material that does not absorb the emission wavelength.
なお、本実施形態においては、光の出射端面(前端面)をドライエッチングによる傾斜面とし、他方の端面(反射端面)を劈開による端面としたが、これとは逆に、出射端面を劈開により形成し、反射端面をドライエッチングにより形成する等、両端面の形成方法の組み合わせを変えても問題はない。 In this embodiment, the light emission end face (front end face) is an inclined face by dry etching, and the other end face (reflection end face) is an end face by cleavage. On the contrary, the emission end face is cleaved. There is no problem even if the combination of the forming methods of both end faces is changed, such as forming the reflecting end faces by dry etching.
また、図12(a)及び図12(b)に示すように、第6変形例として、反射面に誘電体多層膜117を設けることにより、反射端面を高反射面とすることも可能である。 Also, as shown in FIGS. 12A and 12B, as a sixth modification, it is possible to make the reflective end face a highly reflective surface by providing a dielectric multilayer film 117 on the reflective surface. .
(比較例)
図13(a)〜図13(c)に本発明の比較例に係る青色SLD素子を示す。
(Comparative example)
FIG. 13A to FIG. 13C show a blue SLD element according to a comparative example of the present invention.
図13(a)に示すように、本比較例に係る青色SLD素子は、リッジ導波路107cの延伸方向、すなわち光の共振方向が劈開面である出射端面に対して垂直ではなく、所定の角度(例えば、7°程度)だけ傾けて形成されている。 As shown in FIG. 13A, the blue SLD element according to this comparative example is not perpendicular to the emitting end face in which the extending direction of the ridge waveguide 107c, that is, the light resonance direction is the cleavage plane, but at a predetermined angle. It is formed by being inclined by (for example, about 7 °).
これにより、光のモード反射率を低減してレーザ発振が抑制されることにより、SLD動作が可能となる。このように、比較例に係るSLD素子においても、可干渉性が低い光を出力することが可能である。 Thereby, SLD operation | movement is attained by reducing the mode reflectance of light and suppressing laser oscillation. Thus, even the SLD element according to the comparative example can output light with low coherence.
しかしながら、従来例と同様に、前端面である極低反射出射面112及び後端面である反射面114における偏光比(TE/TM偏光比)はLED素子と比べて高くはなるものの、従来の液晶表示装置に必須の構成部材である偏光板を不要にできる程には高くならない。 However, as in the conventional example, the polarization ratio (TE / TM polarization ratio) at the ultra-low reflection exit surface 112 that is the front end surface and the reflection surface 114 that is the rear end surface is higher than that of the LED element, but the conventional liquid crystal It is not so high that the polarizing plate, which is an essential component of the display device, can be eliminated.
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
第2の実施形態においては、第1の実施形態及びその変形例に係る青色SLD素子を用いた液晶表示装置について説明する。 In the second embodiment, a liquid crystal display device using a blue SLD element according to the first embodiment and its modification will be described.
図14に示すように、第2の実施形態に係る液晶表示装置は、それぞれが第1の実施形態に係る青色SLD素子からなる複数のSLD光源201と、各SLD光源201からの光の照射をその下端部から受ける導光板203と、該導光板203を透過した光を前方に反射する反射板202と、導光板203を透過した光を前方に拡散する拡散板204と、該拡散板204からの光を裏面から受ける液晶パネル205とから構成されている。 As shown in FIG. 14, the liquid crystal display device according to the second embodiment irradiates a plurality of SLD light sources 201 each composed of a blue SLD element according to the first embodiment and light from each SLD light source 201. From the light guide plate 203 received from the lower end thereof, the reflection plate 202 that reflects light transmitted through the light guide plate 203 forward, the diffusion plate 204 that diffuses light transmitted through the light guide plate 203 forward, and the diffusion plate 204 The liquid crystal panel 205 receives the light from the back surface.
この構成により、第2の実施形態に係る液晶表示装置は、SLD光源として、第1の実施形態に係る青色SLD素子からなり、高偏光比を有するSLD光源201を用いることにより、従来の液晶表示装置に必須の構成部材である、導光板203と拡散板204との間に設けられる偏光板を不要とすることができる。 With this configuration, the liquid crystal display device according to the second embodiment includes the blue SLD element according to the first embodiment as the SLD light source, and uses the SLD light source 201 having a high polarization ratio, thereby providing a conventional liquid crystal display. A polarizing plate provided between the light guide plate 203 and the diffusion plate 204, which is an essential component of the apparatus, can be eliminated.
その上、SLD光源201からの光の利用効率が向上するため、より少ない光出力及び消費電力で同等の明るさを得ることができる。また、SLD素子はLEDと比べて、光の指向性が高いため、導光板203との結合効率が高く、また導光板203自体をより薄くすることができるので、液晶表示装置のさらなる薄型化が可能となる。 In addition, since the utilization efficiency of light from the SLD light source 201 is improved, the same brightness can be obtained with less light output and power consumption. In addition, since the SLD element has higher light directivity than the LED, the coupling efficiency with the light guide plate 203 is high, and the light guide plate 203 itself can be made thinner, so that the liquid crystal display device can be further thinned. It becomes possible.
なお、第1の実施形態及び第2の実施形態においては、青色光(B)を出力するSLD素子について説明したが、化合物半導体材料における組成比、さらには材料系を変更することにより、赤色光(R)又は緑色光(G)のSLD光源201を実現することができる。例えば、半導体積層体に、一般式AlxGayIn1−x−yAszP1−z(但し、0≦x,y,z≦1、0≦x+y≦1である。)で表されるIII-V族化合物半導体を用いれば、高指向性、高偏光性及び低可干渉性を有する赤色光源を得ることができる。 In the first embodiment and the second embodiment, the SLD element that outputs blue light (B) has been described. However, by changing the composition ratio in the compound semiconductor material and the material system, red light can be obtained. The (R) or green light (G) SLD light source 201 can be realized. For example, the semiconductor laminate is represented by the general formula Al x Ga y In 1-xy As z P 1-z (where 0 ≦ x, y, z ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). If a III-V group compound semiconductor is used, a red light source having high directivity, high polarization, and low coherence can be obtained.
また、RGBの3色を出力可能なSLD光源を用いれば、色再現性が高いSLDディスプレイ装置、RGBバックライトによるカラーフィルタレスの液晶表示装置、及びモバイルプロジェクタの光源等としても利用が可能である。 If an SLD light source capable of outputting three colors of RGB is used, it can also be used as a light source for an SLD display device with high color reproducibility, a color filterless liquid crystal display device using RGB backlight, and a mobile projector. .
本発明に係る半導体発光素子及びそれを用いた液晶表示装置は、半導体発光素子の偏光比を増大することができ、その結果、薄型、低消費電力及び低コストの液晶表示装置を実現できる。このため、超薄型の液晶表示装置用のバックライト光源等として有用である。 The semiconductor light emitting device and the liquid crystal display device using the semiconductor light emitting device according to the present invention can increase the polarization ratio of the semiconductor light emitting device, and as a result, a thin, low power consumption and low cost liquid crystal display device can be realized. Therefore, it is useful as a backlight light source for an ultra-thin liquid crystal display device.
101 基板
102 n型クラッド層
103 n型ガイド層
104 活性層(発光層)
105 p側ガイド層
106 キャリアオーバフロー抑制層
107 p型クラッド層
107a リッジ導波路(光導波路)
107a1 第1の導波路部
107a2 第2の導波路部
107a3 第3の導波路部
107b 台座部
107c リッジ導波路
108 p側電極
109 配線電極
110 誘電体ブロック層
111 n側電極
112 出射端面(極低反射出射面)
113 溝部(凹部)
114 反射面
115 劈開補助溝
116 誘電体保護膜
117 誘電体多層膜
201 SLD光源
202 反射板
203 導光板
204 拡散板
205 液晶パネル
101 Substrate 102 n-type cladding layer 103 n-type guide layer 104 active layer (light emitting layer)
105 p-side guide layer 106 carrier overflow suppression layer 107 p-type cladding layer 107a ridge waveguide (optical waveguide)
107a1 First waveguide portion 107a2 Second waveguide portion 107a3 Third waveguide portion 107b Pedestal portion 107c Ridge waveguide 108 p-side electrode 109 Wiring electrode 110 Dielectric block layer 111 n-side electrode 112 Output end face (very low Reflective light exit surface)
113 Groove (recess)
114 Reflecting surface 115 Cleaving assist groove 116 Dielectric protective film 117 Dielectric multilayer film 201 SLD light source 202 Reflecting plate 203 Light guide plate 204 Diffusing plate 205 Liquid crystal panel
Claims (9)
前記光導波路は、前記前端面及び後端面との間に少なくとも1つの非接続部を有し、該非接続部によって隔たれた複数の導波路部から形成されていることを特徴とする半導体発光素子。 A light emitting layer formed on a substrate and an optical waveguide including the light emitting layer, and a semiconductor laminate that emits light from at least one of a front end face and a rear end face,
The optical waveguide has at least one non-connected portion between the front end surface and the rear end surface, and is formed from a plurality of waveguide portions separated by the non-connected portion.
前記光は、前記界面での屈折により前記非接続部を導波することを特徴とする請求項2に記載の半導体発光素子。 The normal direction of the interface between the optical waveguide and the recess is inclined from the extending direction of the optical waveguide,
The semiconductor light emitting element according to claim 2, wherein the light is guided through the non-connection portion by refraction at the interface.
θc/2≦θ<θc
の関係が成り立つことを特徴とする請求項3に記載の半導体発光素子。 At the interface between the optical waveguide and the concave portion, the angle theta that the extending direction forms of the optical waveguide and the normal direction of the interface, the critical angle when the theta c,
θ c / 2 ≦ θ <θ c
The semiconductor light-emitting element according to claim 3, wherein
前記半導体発光素子から光の照射を受ける導光板と、
前記導光板を透過した光を受ける液晶パネルとを備え、
前記半導体発光素子から前記液晶パネルまでの間の光の導波経路中には、偏光板が設けられていないことを特徴とする液晶表示装置。 The semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 8,
A light guide plate that receives light from the semiconductor light emitting element;
A liquid crystal panel for receiving light transmitted through the light guide plate,
A liquid crystal display device, wherein a polarizing plate is not provided in a light waveguide path from the semiconductor light emitting element to the liquid crystal panel.
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