JP4077137B2

JP4077137B2 - Semiconductor light emitting device and manufacturing method thereof

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Publication number: JP4077137B2
Application number: JP2000179591A
Authority: JP
Inventors: 田康一新; 崎治彦岡; 辺幸雄渡; 川千里古
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-06-15
Filing date: 2000-06-15
Publication date: 2008-04-16
Anticipated expiration: 2020-06-15
Also published as: JP2001358364A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体発光素子は、ｐｎ接合領域に注入された電子とホールの発光再結合を利用したデバイスである。そして、発光層の半導体材料を変えることで、赤外から紫外までの発光を実現することができる。
【０００３】
ところが、半導体発光素子には、半導体結晶と大気の屈折率差による臨界角や結晶成長可能な基板での光吸収が存在する。このため、外部に取り出せる光は内部で発光した光のわずか数％にしか過ぎない。
【０００４】
従来の半導体発光素子の構成を、図１６に示す。
【０００５】
ｐ型半導体基板１０００上に、多層反射膜１００１、ｐ型コンタクト層１００２、ｐ型クラッド層１００３、発光層として作用する活性層１００４、ｎ型クラッド層１００５、ｎ型コンタクト層１００６を形成し、さらにコンタクト層１００２上にｎ型電極１００７、コンタクト層１００６上にｐ型電極１００８を形成している。
【０００６】
活性層１００４で発光した光のうち、ｎ型クラッド層１００５側に出射された光は、クラッド層１００５を通して外部に取り出される。
【０００７】
一方、ｐ型クラッド層１００３側に出射された光は、多層反射膜１００１で反射されてｎ型クラッド層１００５を通して外部に取り出される。
【０００８】
この構造によれば、基板１０００側に出射された光を反射膜１００１で反射することにより、外部へ取り出すことができる。
【０００９】
しかし、反射膜１００１に対して垂直に入射しない光の反射率が低いこと、光取り出し面に光を遮蔽する電極１００７、１００８が存在すること、反射膜１００１上に活性層１００４を形成することにより結晶性が悪く寿命が短い等の問題があった。
【００１０】
また、従来の他の半導体発光素子を図１７に示す。ｎ型ＧａＰ基板１１０１上に、ｎ型ＩｎＧａＰバッファ層１１０２、ｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層１１０３、発光層として作用するＩｎＧａＡｌＰ活性層１１０４、ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１１０５、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１０６、さらにコンタクト層１１０６上にｐ型電極１１０７、基板１１０１上にｎ型電極１１００を形成している。
【００１１】
活性層１１０４で発光した光は、ｎ電極１１００及ぴｐ電極１１０７に反射され、ｐ電極１１０７で遮蔽されていないコンタクト層１１０６から外部に取り出される。
【００１２】
しかしながら、この構造では電極１１０７直下に集中した光を電極１１０７が遮っているため、外部に出すことができないという問題があった。
【００１３】
また、図１７に示された従来の素子では、活性層１１０４で発光した光は、結晶と空気との屈折率差が原因となって、発光した光のうち数％しか外部に取り出すことができなかった。
【００１４】
ところで、半導体発光素子には、赤色から緑色を発光するために、ＧａＡｓ系半導体材料を用いた化合物半導体発光素子、紫外光領域から青色、緑色領域に至る発光を行うために、ＡｌｘＧａｙｌｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ、ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）を用いた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が実用化されている。
【００１５】
ところが、このような発光素子は、一般に屈折率（ＧａＮ＝２．６７、ＧａＡｓ＝３．６２）が高いため、臨界角（ＧａＮ＝２１．９度、ＧａＡｓ＝１６．０度）が小さく、光取り出し効率が低いという問題点があった。
【００１６】
また、ＧａＡｓ系においては、基板における光吸収が大きく、発光した光が基板に吸収されてしまい光取り出し効率が低かった。
【００１７】
従来のガリウム砒素系化合物半導体発光素子の一例を図１９に示す。
【００１８】
ｎ−ＧａＡｓ基板１３００に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１３０１、ｎ−１ｎＧａＡｌＰクラッド層１３０２、ｌｎＧａＡｌＰ活性層１３０３、ｐ−ｌｎＧａＡ１Ｐクラッド層１３０４、ｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層１３０５を順次結晶成長する。さらに、ｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層１３０５上にはｐ側電極パッド１３０７、ｎ−ＧａＮ基板１３００上にｎ側電極１３０６を形成する。
【００１９】
このような構造では、ｐ側電極１３０７から流れた電流は、ｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層１３０５で広げられ、ｐ−ｌｎＧａＡｌＰクラッド層１３０４からｌｎＧａＡｌＰ活性層１３０３に電流が注入されて発光し、その光はｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層１３０５を通して素子外部に取り出される。
【００２０】
このような構造のＧａＡｓ系化合物半導体発光素子においては、活性層１３０３で発光した光のうち、基板１３００側に出射した光は基板１３００により吸収されてしまい、素子外部へ光を取り出すことができないという問題があった。具体的には、発光した光のうち５０％は取り出すことができず、高輝度化のためには致命的であった。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来は光取り出し効率が低いという問題があった。
【００２２】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、光取り出し効率を向上させ、高輝度化を実現することが可能な半導体発光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光素子は、透明性を有する基板と、前記基板の一方の面の上に設けられ、貫通転位を有するフォトニクス結晶と、前記基板の他方の面の上に設けられた第１導電型の第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層の上に設けられた活性層と、前記活性層の上に設けられた第２導電型の第２のクラッド層と、前記第２のクラッド層の上に設けられた第１の電極と、を備え、前記活性層から発光した光が、前記基板及び前記フォトニクス結晶を通過して外部に取り出されることを特徴とする。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００４４】
（１）第１の実施の形態
図１に、本発明の第１の実施の形態による半導体発送素子の構成を示す。
【００４５】
ＺｎＳｅから成る透光性を有する半導体基板１００上に、Ｉｎ（ｘ１）Ｇａ（ｙ１）Ａ１（１−ｘ１−ｙ１）Ｐからなるバッファ層１０１、Ｉｎ（ｘ２）Ｇａ（ｙ２）Ａｌ（１−ｘ２−ｙ２）Ｐからなるｎ型コンタクト層１０２、Ｉｎ（ｘ３）Ｇａ（ｙ３）Ａｌ（１−ｘ３−ｙ３）Ｐからなるｎ型クラッド層１０３、Ｉｎ（ｘ４）Ｇａ（ｙ４）Ａｌ（１−ｘ４−ｙ４）Ｐからなる活性層１０４、Ｉｎ（ｘ５）Ｇａ（ｙ５）Ａｌ（１−ｘ５−ｙ５）Ｐからなるｐ型クラッド層１０５、Ｉｎ（ｘ６）Ｇａ（ｙ６）Ａｌ（１−ｘ６−ｙ６）Ｐからなるｐ型コンタクト層１０６を順次形成していく。
【００４６】
また、一部エッチング除去したｎ型コンタクト層１０２上に、ＡｕＧｅからなるｎ型電極１０７、Ｐ型コンタクト層１０６上にＡｕＺｎから成るｐ型電極１０８を形成する。ここで０＝＜ｘ１、…、ｘ６、ｙ１、…、ｙ６、ｘ１＋ｙ１、…ｘ６＋ｙ６＜＝１とする。
【００４７】
ここで、電極材には、コンタクト層とオーミックコンタクトをとることが可能なものであること、また光反射率が高いことが望ましい。
【００４８】
活性層１０４で発光した光は、半導体基板１００を通過して外部に取出され、さらにｐ型電極１０８側に出射した光は電極１０８で反射され、同じく基板１００を透過して外部に取出される。光取り出し面に傷害物がないため、有効に素子内部の光を取り出すことができるので、光取り出し効率が向上する。
【００４９】
また、基板１００に用いたＺｎＳｅは、格子定数が５．６６７オングストロームである。しかし、基板１００上に形成したＩｎ（ｘ）Ｇａ（ｙ）Ａｌ（１−ｘ−ｙ）Ｐ層の組成ｘ、ｙを変えることで、５．４５１オングストロームから５．８６８オングストロームまで格子定数を制御することができる。このため、ＺｎＳｅ基板１００に格子整合した発光層１０４、あるいは格子整合はしないが臨界膜厚以内となる発光層１０４を結晶性良く形成することができる。
【００５０】
クラッド層１０３とコンタクト層１０６の組成は、活性層１０４のバンドギャップより大きくなるように調整することで、内部吸収がない構造も実現することができる。
【００５１】
また、活性層１０４の組成を変えることで、赤色から緑色まで実現可能である。さらに、厚さ数１０オングストロームからなる量子井戸層を用いた単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることで、発光効率の向上と長寿命を実現することができる。
【００５２】
ｎ型電極１０７は、ｐ型コンタクト層１０６にｎ型不純物をイオン注入し、あるいは拡散することによって形成する。これにより、ｐ型電極１０８とｎ型電極１０７とが同一面上に形成される。これにより、ｐ型電極１０８を放熱板に直接接着することが可能である。従って、放熱性が向上するので、数Ａの高電流まで、光出力が飽和することなく動作することが可能である。
【００５３】
（２）第２の実施の形態
図２に、本発明の第２の実施の形態による半導体発光素子の構成を示す。
【００５４】
ＧａＡｓからなる半導体基板２００上に、Ｉｎ（ｘ１）Ｇａ（ｙ１）Ａｌ（１−ｘ１−ｙ１）Ｐからなるバッファ層２０１、Ｉｎ（ｘ２）Ｇａ（ｙ２）Ａｌ（１−ｘ２−ｙ２）Ｐからなるｎ型コンタクト層２０２、Ｉｎ（ｘ３）Ｇａ（ｙ３）Ａｌ（１−ｘ３−ｙ３）Ｐからなるｎ型クラッド層２０３、Ｉｎ（ｘ４）Ｇａ（ｙ４）Ａｌ（１−ｘ４−ｙ４）Ｐからなる活性層２０４、Ｉｎ（ｘ５）Ｇａ（ｙ５）Ａｌ（１−ｘ５−ｙ５）Ｐからなるｐ型クラッド層２０５、Ｉｎ（ｘ６）Ｇａ（ｙ６）Ａｌ（１−ｘ６−ｙ６）Ｐからなるｐ型コンタクト層２０６を順次形成する。
【００５５】
さらに、一部エッチング除去したｎ型コンタクト層２０２上にＡｕＧｅからなるｎ型電極２０７、Ｐ型コンタクト層２０６上にＡｕＺｎからなるｐ型電極２０８を形成する。
【００５６】
そして、活性層２０４を挟んでｐ型電極２０８と対向した位置に光を取り出すことができるように、基板２００に対して光取り出し窓２０９を形成している。ここで、０＝＜ｘ１、…、ｘ６、ｙ１、…、ｙ６、ｘ１＋ｙ１、…、ｘ６＋ｙ６＜＝１とする。
【００５７】
活性層２０４で発光した光は、光取り出し窓２０９を通して外部に取り出される。さらに、ｐ型電極２０８側に出射した光は、電極２０８で反射されて同じく窓２０９を透過して外部に取り出される。
【００５８】
また、電極２０８の大きさであるが、電極２０８が光取り出し窓２０９より大きいと、光の一部が基板２００に吸収されて十分に取り出すことができなくなる。そこで、電極２０８は光取り出し窓２０９より小さいことが望ましい。このようにすることで、活性層２０４から発光した光を有効に取り出すことができるので、素子の光出力が増加する。
【００５９】
本実施の形態によれば、光取り出し面に障害物が存在しないので、有効に内部の光を取り出すことができる。また、クラッド層２０３、２０５とコンタクト層２０２、２０６の組成は、活性層２０４のバンドギャップより大きくなるように調整することで、内部吸収がない構造を実現することができる。
【００６０】
また、活性層２０４の組成を変えることで、赤色から緑色までの発光が実現可能となる。
【００６１】
さらに、活性層２０４の構造を、厚さ数１０オングストロームからなる量子井戸層を用いた単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることで、発光効率の向上と長寿命とが実現される。
【００６２】
ｎ型電極２０７は、ｐ型コンタクト層２０６からｎ型不純物をイオン注入し拡散した領域を形成することで、ｐ型電極２０８とｎ型電極２０７とが同一面上に形成される。これにより、ｐ型電極２０８を放熱板に直接接着することができるため、数オングストロームの高電流まで、光出力が飽和することなく動作が可能である。
【００６３】
（３）第３の実施の形態
本発明の第３の実施の形態による素子の構成を図３に示す。
【００６４】
ｎ型ＧａＰからなる基板３００上に、Ｉｎ（ｘ１）Ｇａ（ｙ１）Ａｌ（１−ｘｌ−ｙ１）Ｐから成るｎ型バッファ層３０１、Ｉｎ（ｘ２）Ｇａ（ｙ２）Ａｌ（１−ｘ２−ｙ２）Ｐからなるｎ型クラッド層３０２、Ｉｎ（ｘ３）Ｇａ（ｙ３）Ａｌ（１−ｘ３−ｙ３）Ｐからなる活性層３０３、Ｉｎ（ｘ４）Ｇａ（ｙ４）Ａ１（１−ｘ４−ｙ４）Ｐからなるｐ型クラッド層３０４、Ｉｎ（ｘ５）Ｇａ（ｘ５）Ａｌ（１−ｘ５−ｙ５）Ｐからなるｐ型コンタクト層３０５を順次形成する。ｎ型ＧａＰ基板３００上に、ＡｕＧｅＮｉからなるｎ型電極３０６を形成する。ｎ型電極３０６には、光取り出し窓３０８が形成されている。さらに、表面を凹状にエッチング除去したｐ型コンタクト層３０５上に、ＡｕＺｎからなるｐ型電極３０７を形成する。
【００６５】
ここで、ｘａ＋ｙａ＜＝１で、０＜＝ｘａ、ｙａ＜＝１、ａは１〜５である。
【００６６】
活性層３０３で発光した光は、矢印Ａのように直進してｐ型電極３０６側の光取り出し窓３０８から素子の外部へ取り出される。また、矢印Ｂで示された光は、コンタクト層３０５の凹面上に形成されたｐ型電極３０７下で反射され、側面から外部に取り出される。
【００６７】
図１７に示された従来の素子では、ｐ型電極１１０７で反射された光は、ｎ型電極１１００でさらに反射され、結晶内部の不純物等に吸収されて熱に変換され、外部に取り出すことができなかった。このような光を、本実施の形態によれば有効に外部に取り出すことができるので、光取り出し効率が向上する。
【００６８】
ここで、クラッド層３０２及び３０４と、コンタクト層３０５の組成は、活性層３０３のバンドギャップより大きくなるように調整することで、内部吸収がない構造を実現することができる。
【００６９】
また、活性層３０３の組成を変えることで、赤色から緑色まで発光が可能となる。
【００７０】
さらに、活性層３０３の構造を、厚さ数１０オングストロームからなる量子井戸層を用いた単一量子井戸構造や、多重量子井戸構造とすることで、発光効率の向上と長寿命とを実現することができる。
【００７１】
（４）第４の実施の形態
次に、本発明の第４の実施の形態について、図４を用いて説明する。本実施の形態は、半導体基板としてＺｎＳｅを用いた場合に相当する。
【００７２】
ｎ型ＺｎＳｅから成る基板４００上に、基板４００に格子整合したＩｎ（ｘ１）Ｇａ（ｙ１）Ａｌ（１−ｘ１−ｙ１）Ｐから成るｎ型バッファ層４０１、Ｉｎ（ｘ２）Ｇａ（ｙ２）Ａｌ（１−ｘ２−ｙ２）Ｐから成るｎ型クラッド層４０２、Ｉｎ（ｘ３）Ｇａ（ｙ３）Ａｌ（１−ｘ３−ｙ３）Ｐから成る活性層４０３、Ｉｎ（ｘ４）Ｇａ（ｙ４）Ａｌ（１−ｘ４−ｙ４）Ｐから成るｐ型クラッド層４０４、Ｉｎ（ｘ５）Ｇａ（ｙ５）Ａｌ（１−ｘ５−ｙ５）Ｐから成るｐ型コンタクト層４０５を順次形成する。
【００７３】
さらに、ｎ型ＺｎＳｅ基板４００上に、ＡｕＧｅＮｉから成るｎ電極４０６を形成し、一部エッチング除去したｐ型コンタクト層４０５上にＡｕＺｎから成るｐ型電極４０７を形成する。
【００７４】
ここで、各層４０１〜４０５における組成比ｘ１〜ｘ５、ｙ１〜ｙ５は、ｎ型ＺｎＳｅ基板４００に対して格子整合が可能な範囲で調整する必要がある。また、ｐ型クラッド層４０４及びｎ型クラッド層４０２のバンドギャップは、活性層４０３のバンドギャップよりも大きく設定することで、ダブルヘテロ効果をより有効に得ることができる。
【００７５】
上記構成によれば、上記第３の実施の形態と同様に、ｐ型コンタクト層４０５の表面を凹状にエッチング除去している。このため、活性層４０３で発光した光が、ｐ型電極４０７下で反射されて端面から取り出すことができるので、取り出し効率が向上する。
【００７６】
また、素子の寸法に関し、従来の素子では一般に縦３００μｍ×横３００μｍであった。本実施の形態では、縦１００μｍ×横１００μｍとすることで、素子内部における光の吸収を減少させて、光取り出し効率を向上させることができる。具体的には、素子全体として光出力が約２倍に向上する。
【００７７】
活性層４０３の組成比ｘ３、ｙ３を変えることにより、赤色から緑色までの発光を実現することができる。また、素子の厚さが約数１０オングストロームの量子井戸構造とすることで、ＺｎＳｅ基板による応力の影響を少なくして長寿命化を達成することができる。
【００７８】
（５）第５の実施の形態
図５に、本発明の第５の実施の形態の構成を示す。
【００７９】
ｎ型ＧａＰからなる半導体基板５００上に、Ｉｎ（ｘｌ）Ｇａ（ｙｌ）Ａｌ（１−ｘ１−ｙ１）Ｐからなるｎ型バッファ層５０１、Ｉｎ（ｘ２）Ｇａ（ｙ２）Ａｌ（１−ｘ２−ｙ２）Ｐからなるｎ型クラッド層５０２、Ｉｎ（ｘ３）Ｇａ（ｙ３〉Ａｌ（１−ｘ３−ｙ３）Ｐからなる活性層５０３、Ｉｎ（ｘ４）Ｇａ（ｙ４）Ａｌ（１−ｘ４−ｙ４）ＰからなるＰ型クラッド層５０４，Ｉｎ（ｘ５）Ｇａ（ｙ５）Ａｌ（１−ｘ５−ｙ５）ＰからなるＰ型コンタクト層５０５を順次形成する。
【００８０】
ｎ型ＧａＰ基板５００上に、ＡｕＧｅＮｉからなるｎ型電極５０６、Ｐ型コンタクト層５０５上にＡｕＺｎからなるＰ型電極５０７を形成する。
【００８１】
ここで、ｘａ＋ｙａ＜１で、０＜＝ｘａ、ｙａ＜＝１、ａは１〜５である。
【００８２】
そして、素子形状として、図５に示されたように表面が八角形である八角柱に加工されている。これにより、従来の素子のような表面が四角である四角柱の場合において四隅に放射された光も、この四隅の部分が切断された形状となっていることから、全反射されることなく外部へ取り出すことができる。
【００８３】
ここで、素子形状は八角形に限らず、５角形以上であればよい。角数が多いほど光の取り出し効率は向上する。さらに、素子形状が、表面が円形である円柱になると、さらに光の取り出し効率が向上する。
【００８４】
クラッド層５０２及び５０４と、コンタクト層５０５の組成は、活性層５０３のバンドギャップより大きくなるように調整することで、内部吸収がない構造が実現される。また、活性層５０３の組成を変えることで赤色から緑色まで発光が実現可能である。
【００８５】
さらに、厚さ数１０オングストロームからなる量子井戸層を用いた単一量子井戸構造、多重量子井戸構造とすることで、発光効率の向上と長寿命とを実現することができる。
【００８６】
（６）第６の実施の形態
図６に、本発明の第６の実施の形態を示す。
【００８７】
ｎ型ＧａＮからなる基板６００上に、Ｉｎ（ｘｌ）Ｇａ（ｙ１）Ａｌ（１−ｘトｙｌ）Ｎからなるｎ型バッファ層６０１、Ｉｎ（ｘ２）Ｇａ（ｙ２）Ａ１（１−ｘ２−ｙ２）Ｎからなるｎ型クラッド層６０２、Ｉｎ（ｘ３）Ｇａ（ｙ３）Ａ１（１−ｘ３−ｙ３）Ｎからなる活性層６０３、Ｉｎ（ｘ４）Ｇａ（ｙ４）Ａ１（１−ｘ４−ｙ４）ＮからなるＰ型クラッド層６０４、Ｉｎ（ｘ５）Ｇａ（ｙ５）Ａ１（１−ｘ５−ｙ５）ＮからなるＰ型コンタクト層６０５を順次形成する。
【００８８】
ｎ型ＧａＮ基板６００上に、ＴｉＡｕからなるｎ型電極６０６、Ｐ型コンタクト層６０５上にＮｉＡｕからなるＰ型電極６０７を形成する。
【００８９】
ここで、ｘａ＋ｙａ＜＝１で、０＜＝ｘａ、ｙａ＜＝１、ａは１〜５である。
【００９０】
そして、図６に示されたように、素子形状を、表面が八角形である八角柱に加工したことにより、光取り出し効率が向上する。素子形状は八角形に限らず、５角形以上の多角形であればよく、さらに円柱にすることで光取り出し効率が向上する。
【００９１】
クラッド層６０２及ぴ６０４とコンタクト層６０５の組成は、活性層６０３のバンドギャップより大きくなるように調整することで、内部吸収がない構造が実現できる。
【００９２】
また、活性層６０３の組成を変えることで紫外から赤色まで発光が実現可能となる。
【００９３】
さらに、厚さ数１０Ａからなる量子井戸層を用いた単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることで、発光効率の向上と長寿命が実現できる。
【００９４】
（７）第７の実施の形態
ところで、近年いわゆるフォトニクス結晶が実用化されつつある。フォトニクス結晶とは、媒質に周期的な屈折率分布を設けたものであって、２次元・３次元となるにつれてその効果が増大し、特徴的な光学特性を示す。
【００９５】
フォトニクス結晶の特徴は、バンドギャップの存在に起因する。バンドギャップ中では光の状態が存在しないため、バンドギャップに相当する光子エネルギを持つ光は、この結晶中に存在することができない。そこで、外から結晶に入射した光は反射されることになる。また、結晶中に欠陥を線状に導入すると、そこには光子の存在が許される。このため、光閉じ込め効果や導波路が実現される。
【００９６】
フォトニクス結晶の一例としては、ウェーハ接着技術を用いたものとしてが野田等の以下の文献に開示されている。
【００９７】
電子情報通信学会誌、１９９９年３月、第２３２〜２４１頁
図１８に、その製造方法を工程別に示す。図１８（ａ）に示されたように、ＧａＡｓ基板１２００上に、ＡｌＧａＡｓ層１２０１、ＧａＡｓ層１２０２を形成する。
【００９８】
図１８（ｂ）に示されたように、ＧａＡｓ層１２０２をパターニングし、格子状に加工する。
【００９９】
このような加工を施した基板と、同じ構成を有するＧａＡｓ基板１２１０、ＡｌＧａＡｓ層１２１１、ＧａＡｓ層１２１２から成る基板とを用意し、図１８（ｃ）に示されたように格子状のＧａＡｓ層１２０２とＧａＡｓ層１２１２とが直交するように位置あわせしながら融着する。
【０１００】
そして、図１８（ｄ）に示されたように、一方の基板１２１０及びＡｌＧａＡｓ層１２１１を選択エッチャントで除去する。
【０１０１】
以上の図１８（ａ）〜図１８（ｄ）の工程をさらに繰り返すことで、図１８（ｅ）に示されたように、ＧａＡｓ系半導体材料と空気とから成る回析格子を有するフォトニクス結晶を作製する。ここで、互いに平行する一つおきの回折格子は、発光する光の半周期分位相がずれている必要がある。
【０１０２】
このようなフォトニクス結晶を用いた本発明の第７の実施の形態を、図７を用いて説明する。
【０１０３】
図７（ａ）に示されたように、ｐ−ＧａＡｓ基板７００上に、ＭＯＣＶＤ法によりｎ−ＧａＡｓバッファ層７０１、ｐ−ＧａＮコンタクト層７１２、ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層７０２、ＩｎＧａＡｌＰ活性層７０３、ｎ−ｌｎＧａＡｌＰクラッド層７０４を順次結晶成長させる。
【０１０４】
これとは別に、上述した工程を経てフォトニクス結晶７０５を作製し、ｎ−ｌｎＧａＡｌＰクラッド層７０４上に融着させる。フォトニクス結晶７０５上に、ｎ−ＧａＡｓ層７０６を形成する。
【０１０５】
ｐ−ＧａＡｓ基板７００及びｎ−ＧａＡｓバッファ層７０１を除去する。さらに、図７（ｂ）のように、ｎ−ＧａＡｓ層７０６上にｎ電極７０８を形成し、ｐ−ｌｎＧａＡｌＰ層７０３上にｐ型透明電極７０９を形成する。さらに、ｐ型透明電極７０９の一部を除去して、ブロック層７１１を形成し、ｐ型透明電極７０９からブロック層７１１にかけてｐ−電極パッド７１０を形成する。
【０１０６】
この構成により、ｐ−電極パッド７１０から注入された電流がｐ型透明電極７０９で拡げられ、活性層７０３に注入されて発光した光がフォトニクス結晶７０５で反射され、ｐ型透明電極７０９を通して光が取り出される。
【０１０７】
フォトニクス結晶７０９では９０％以上の光が反射される。これにより、電流値が２０ｍＡのときに光出力として８ｍＷ、発光波長として６３０ｎｍが得られる。この値は、図１７に示された従来の素子の約２倍の値であり、光取り出し効率が大幅に向上している。
【０１０８】
（８）第８の実施の形態
本発明の第８の実施の形態による素子の構成を、図８を用いて説明する。
【０１０９】
本実施の形態は、貫通転位を有するフォトニクス結晶を、光取り出し面に形成したＧａＮ系化合物半導体発光素子に相当する。
【０１１０】
サファイア基板８０１上に、ＧａＮバッファ層（図示せず）、ｎ型ＧａＮ層８０２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層８０３、ｌｎＧａＮ活性層８０４、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８０５、ｐ−ＧａＮコンタクト層８０９を順次結晶成長させている。
【０１１１】
さらに、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８０５、ｌｎＧａＮ活性層８０４及びｎ型ＡｌＧａＮ層８０３の一部をエッチングにより除去し、ｎ型ＧａＮ層８０２の表面を露出させる。ｐ−ＧａＮコンタクト層８０９上にはｐ側電極及びボンディング電極（透明である必要はない）８０６を形成し、さらにｎ型ＧａＮ層８０２上にｎ側電極８０７を形成する。
【０１１２】
これとは別に、サファイア基板上に、例えばＧａＮ等からなるフォトニクス結晶を作製しておく。ここで、サファイア基板上のＧａＮには、多くの貫通転位が存在する。このようなフォトニクス結晶８０８とサファイア基板８０１とを融着させる。この場合、サファイア基板８０１が透明であるので発光した光は基板８０１に吸収されない。
【０１１３】
このような構造によれば、ｐ側電極８０６から流された電流は、ｐ型ＧａＮコンタクト層８０９からｌｎＧａＮ発光層８０４に電流が注入されて発光し、その光はフォトニクス結晶８０８を通して素子の外部に取り出される。
【０１１４】
フォトニクス結晶８０８は、上述したように多くの貫通転位を有する。このため、上記第７の実施の形態におけるフォトニクス結晶７０６のように光を反射するのではなく、貫通転位に沿って光が進み、チップ外に光が効率良く取り出される。このフォトニクス結晶８０８はフィルタとしても機能し、より波長半値幅の狭い単色性の高い発光が得られる。
【０１１５】
（９）第９の実施の形態
第９の実施の形態について、図９を用いて説明する。これはフォトニクス結晶を導入しない場合の一例に相当する。
【０１１６】
本実施の形態は、ＧａＮ系化合物半導体発光素子であって、ｎ−ＧａＮ基板９０１上にＧａＮバッファ層（図示せず）、ｎ型ＧａＮコンタクト層９０２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層９０３、ＩｎＧａＮ活性層９０４、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９０５、ｐ−ＧａＮコンタクト層９１１を順次結晶成長し、ｐ−ＧａＮコンタクト層９１１、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９０５、ｌｎＧａＮ活性層９０４及びｎ型ＡｌＧａＮクラッド層９０３、ｎ型ＧａＮコンタクト層９０２の一部をエッチング除去してｎ型ＧａＮ層９０２の表面を露出している。
【０１１７】
ｐ型ＡｌＧａＮ層９０５上に、ｐ側透明電極９０６を形成し、このｐ側透明電極９０６に隣接して電流阻止用の絶縁膜から成る電流ブロック層９０７を形成し、電流ブロック層９０７上に、ｐ側透明電極９０６と接続されたｐ側ボンディング電極９０８を形成する。さらに、ｎ型ＧａＮコンタクト層９０２上にＮ側電極９１０を形成する。
【０１１８】
ここで、ｎ−ＧａＮ層９０２の界面に凹凸を形成した後、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層９０３を成長させて、屈折率に分布を持たせている。ｎ−ＧａＮ層１４の界面に凹凸を形成する方法として、例えば図１０（ａ）〜図１０（ｄ）、あるいは図１１（ａ）〜図１１（ｃ）に示された方法等を用いてもよい。
【０１１９】
図１０に示された方法は、先ず図１０（ａ）に示されたように、サファイア基板２０００上に、ＧａＮバッファ層２００１、ｎ型ＧａＮコンタクト層２００２を順次形成する。
【０１２０】
図１０（ｂ）のように、レジストを塗布して写真蝕刻法を用いてパターニングを行い、レジスト膜２００３を形成する。
【０１２１】
図１０（ｃ）のように、レジスト膜２００３をマスクとしてｎ型ＧａＮコンタクト層２００２の表面に凹凸を形成する。
【０１２２】
この後、図１０（ｄ）のように、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２００３を形成して表面を平坦化する。
【０１２３】
あるいは、図１１に示された方法は、先ず図１１（ａ）に示されたように、サファイア基板２１００上に、ＧａＮバッファ層２１０１、ｎ型ＧａＮコンタクト層２１０２を順次形成する。
【０１２４】
図１１（ｂ）のように、例えば反応性イオンエッチングの際のエッチングガスの流量比をＢＣｌ3：Ｃｌ2＝１：１にすることにより、Ｃｌ2ガスの比を高くすると、ｎ型ＧａＮコンタクト層２１０２の表面に荒れが発生する。
【０１２５】
この後、図１１（ｃ）のように、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２１０３を形成して表面を平坦化する。
【０１２６】
本実施の形態によれば、ｎ−ＧａＮ層９０２の界面の凹凸が形成され、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層９０３との屈折率に分布が存在することにより、その界面において光が反射、散乱されるので、素子外部へ取り出される光が増加する。
【０１２７】
（１０）第１０の実施の形態
第１０の実施の形態に係わる素子を、図１２を用いて説明する。図１２（ａ）に示されるように、基板２２００上に図示されていないバッファ層、クラッド層２２０１、活性層２２０２、クラッド層２２０３を順次形成し、基板２２００の素子形成面と反対側の面上にレジスト膜２２０４を形成する。
【０１２８】
図１２（ｂ）に示されるように、レジスト膜２２０４を加熱すると、エッジ部分にだれが生じる。
【０１２９】
図１２（ｃ）に示されるように、レジスト膜２２０４をマスクとしてイオンミリング法によりエッチングすると、レジスト膜２２０４のだれに応じた形状に半導体基板２２００のエッジ部分が加工される。
【０１３０】
図１２（ｄ）のように、基板２２００に反射率の高いフォトニクス結晶層２２０４を溶着する。
【０１３１】
本実施の形態によれば、図１２（ｄ）において矢印により図示されたように、活性層２２０２から発光した光が、基板２２００のエッチングされた部分において様々な角度に反射されるので、光の取り出し効率が向上し、発光強度が高くなる。
【０１３２】
（１１）第１１の実施の形態
フォトニクス結晶上に、サファイア基板上に形成した発光素子と同様であって発光波長の異なる発光素子を３つ形成することで、３波長で発光する発光素子が実現される。
【０１３３】
図１３に示されたように、フォトニクス結晶層２３００の一方の面上に青色発光素子２３０２、緑色発光素子２３０３を形成し、他方の面上に赤色発光素子２３０１を形成する。
【０１３４】
青色発光素子２３０２及び緑色発光素子２３０３からの短波長の光が、フォトニクス結晶層２３００を通過して赤色発光素子２３０１の活性層を光励起して発光させてしまわないように、短波長領域の光に対して反射率の高いフォトニクス結晶層２３００を設け、その裏面側に長波長の光を発光する赤色発光素子２３０１を融着させている。これにより、青色、緑色及び赤色の光が混色し、白色が得られる。
【０１３５】
ここで、複数の発光素子の色の組合せは必要に応じて様々に変えることが可能であり、これに応じて混色された色も変化する。
【０１３６】
（１２）第１２の実施の形態
本発明の第１２の実施の形態について、図１４を用いて説明する。本実施の形態は、ＧａＮ系のＲＣ−ＬＥＤ（Resonance Cavity LED）である。ＧａＮ系の透明な半導体基板２４００上に、ｎ−ＧａＮバッファ層２４０１、ＡｌＧａＮ／ＧａＮから成る中程度の反射率を有するＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層２４０２を形成し、さらにＩｎＧａＮ−多重量子井戸構造（ＭＱＷ）活性層２４０３、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２４０４、ｐ−ＩｎＧａＮ接着層２４０５を形成する。
【０１３７】
さらに、別途準備した、高い反射率を有するフォトニクス結晶層２４０６を接着層２４０５を介してクラッド層２４０４に接着する。そして、フォトニクス結晶層２４０６の上面にｐ電極２４０７、半導体基板２４００の上面にｎ電極２４０８を形成する。
【０１３８】
ＧａＮ系半導体材料を用いたのでは、高反射率を有するＤＢＲ層を得ることが困難である。そこで、フォトニクス結晶層２４０６を導入することで、高い光取り出し効率を実現することができる。
【０１３９】
ここで、各層の材料は上記材料に限定されず、ＧａＮ系の他の半導体材料であってもよく、あるいはＧａＡｓ系の半導体材料等を用いてもよい。但し、ＧａＡｓ系材料を用いた場合は、ＧａＡｓが発光した光を吸収してしまうため、基板を除去して発光層をＧａＰ基板等に融着させる必要がある。
【０１４０】
本実施の形態による素子は、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）に適用することもできる。
【０１４１】
次に、ＧａＮ系フォトニクス結晶の形成方法を図１５を用いて説明する。
【０１４２】
図１５（ａ）に示されたように、ＧａＮ基板２５００上に、バッファ層２５０１、ＩｎｘＡｌｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ、ｙ≦１）層２５０２を形成する。
【０１４３】
図１５（ｂ）に示されたように、ＩｎｘＡｌｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ層２５０２をパターニングし、格子状に加工する。
【０１４４】
このような加工を施した基板と、同じ構成を有するＧａＮ基板２６００、バッファ層２６０１、ＩｎｘＡｌｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ層２６０２から成る基板とを用意し、図１５（ｃ）に示されたように格子状の層２５０２と層２６０２とが直交するように位置あわせしながら融着する。
【０１４５】
そして、図１５（ｄ）に示されたように、一方の基板２６００をレーザ光照射によって剥離する。
【０１４６】
さらに、図１５（ｅ）のように、反応性イオンエッチングによりバッファ層２６０１を除去する。
【０１４７】
以上の図１５（ａ）〜図１５（ｅ）の工程をさらに繰り返すことで、回析格子を有するフォトニクス結晶を作製する。ここで、互いに平行する一つおきの回折格子は、発光する光の半周期分位相がずれている必要がある。
【０１４８】
上述した第７〜第１２の実施の形態によれば、化合物半導体発光素子の発光層の少なくとも一方の面に、フォトニクス結晶領域、あるいは所定の屈折率分布を有する領域を備えている。
【０１４９】
特に、フォトニクス結晶は、バンドギャップに対応した光が存在できないため、高反射膜として作用する。また垂直入射以外の成分に対しても、大きい反射率を有するため、反射層として導入することで光取り出し効率を向上させることができる。
【０１５０】
あるいは、ＧａＮ系化合物半導体発光素子では、ＧａＮ層に多くの貫通転位が存在する。このような結晶を用いてフォトニクス結晶を作製すると、基板に融着したフォトニクス結晶には多くの貫通転位が存在する。このため、この転位に沿って光が進み、素子外部に光が効率良く取り出される。この場合のフォトニクス結晶は、フィルタとしても作用するので、波長半値幅の狭い単色性の高い発光が得られる。
【０１５１】
また、フォトニクス結晶上にサファイア基板上に形成した発光素子と発光波長の異なる発光素子を形成しておくことにより、２波長で発光する発光素子を得ることができる。
【０１５２】
あるいは、半導体層の界面に凹凸を形成しておくことで、半導体層内部に屈折率分布が存在し、この界面において光が反射し散乱することにより、より効果的に素子外部に光を取り出すことができる。
【０１５３】
このような半導体層内部において屈折率に分布を持たせるには、屈折率の異なる半導体層を組み合わせることで実現してもよい。
【０１５４】
このように、屈折率分布を持たせた領域において、活性層から発光した光をチップ内でより多く反射させて光取り出し面側で光を取り出すことにより、光取り出し効率を大幅に向上させることが可能となり、高輝度化が実現される。
【０１５５】
また、高輝度化により、注入電流をより小さくすることができるため、素子の信頼性の向上にも寄与する。
【０１５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、透光性を有する基板から光を取り出すことにより、光取り出し効率の向上及び高輝度化が実現され、また基板に格子整合したバッファ層を有するため、結晶性が良く長寿命を達成することができる。
【０１５７】
さらに、第１、第２電極が同一面側に形成されることから、このうちの一つの電極を放熱板上に直接形成することで、大電流まで光出力が飽和することなく高輝度化が実現される。
【０１５８】
透光性を有する基板上に形成されたコンタクト層に凹状の領域を設けることで、発光層からの光を側面等に反射して素子外部へ有効に取り出せることができるので、光取り出し効率が向上する。
【０１５９】
素子形状が多角柱、あるいは円柱であることから、四角柱である場合と比較して端面での全反射が減少し、素子内部の光を端面から外部へ有効に取り出すことが可能であり、光取り出し効率が向上する。
【０１６０】
あるいはまた、発光層の一方の面にフォトニクス結晶層、あるいは半導体層内部において屈折率分布を有する領域が設けられていることにより、発光層において発光した光が効率よく素子の外部へ取り出されるので、取り出し効率が向上し高輝度化が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による半導体発光素子の断面構造を示した縦断面図。
【図２】本発明の第２の実施の形態による半導体発光素子の断面構造を示した縦断面図。
【図３】本発明の第３の実施の形態による半導体発光素子の断面構造を示した縦断面図。
【図４】本発明の第４の実施の形態による半導体発光素子の断面構造を示した縦断面図。
【図５】本発明の第５の実施の形態による半導体発光素子の断面構造を示した縦断面図。
【図６】本発明の第６の実施の形態による半導体発光素子の断面構造を示した縦断面図。
【図７】本発明の第７の実施の形態による半導体発光素子の断面構造を示した縦断面図。
【図８】本発明の第８の実施の形態による半導体発光素子の断面構造を示した縦断面図。
【図９】本発明の第９の実施の形態による半導体発光素子の断面構造を示した縦断面図。
【図１０】同第９の実施の形態による半導体発光素子におけるＧａＮ層の表面に凹凸を形成する方法を示した縦断面図。
【図１１】同第９の実施の形態による半導体発光素子におけるＧａＮ層の表面に凹凸を形成する他の方法を示した縦断面図。
【図１２】本発明の第１０の実施の形態による半導体発光素子の断面構造を示した縦断面図。
【図１３】本発明の第１１の実施の形態による半導体発光素子の断面構造を示した縦断面図。
【図１４】本発明の第１２の実施の形態による半導体発光素子の断面構造を示した縦断面図。
【図１５】ＧａＮを用いたフォトニクス結晶の作製方法の手順を示す縦断面図。
【図１６】従来の半導体発光素子の断面構造を示した縦断面図。
【図１７】従来の他の半導体発光素子の断面構造を示した縦断面図。
【図１８】ＧａＮを用いたフォトニクス結晶の作製方法の手順を示す縦断面図。
【図１９】従来のさらに他の半導体発光素子の断面構造を示した縦断面図。
【符号の説明】
１００ＺｎＳｅ基板
１０１Ｉｎ（ｘ１）Ｇａ（ｙ１）Ａｌ（１−ｘ１−ｙ１）Ｐからなるバッファ層
１０２Ｉｎ（ｘ２）Ｇａ（ｙ２）Ａｌ（１−ｘ２−ｙ２）Ｐからなるｎ型コンタクト層
１０３Ｉｎ（ｘ３）Ｇａ（ｙ３）Ａｌ（１−ｘ３−ｙ３）Ｐからなるｎ型クラッド層
１０４Ｉｎ（ｘ４）Ｇａ（ｙ４）Ａｌ（１−ｘ４−ｙ４）Ｐからなる活性層
１０５Ｉｎ（ｘ５）Ｇａ（ｙ５）Ａｌ（１−ｘ５−ｙ５）ＰからなるＰ型クラッド層
１０６Ｉｎ（ｘ６）Ｇａ（ｙ６）Ａｌ（１−ｘ６−ｙ６）ＰからなるＰ型コンタクト層
１０７ｎ型電極
１０８ｐ型電極
２００ＧａＡｓ半導体基板
２０１Ｉｎ（ｘ１）Ｇａ（ｙ１）Ａｌ（１−ｘ１−ｙ１）Ｐからなるバッファ層
２０２Ｉｎ（ｘ２）Ｇａ（ｙ２）Ａｌ（１−ｘ２−ｙ２）Ｐからなるｎ型コンタクト層
２０３Ｉｎ（ｘ３）Ｇａ（ｙ３）Ａｌ（１−ｘ３−ｙ３）Ｐからなるｎ型クラッド層
２０４Ｉｎ（ｘ４）Ｇａ（ｙ４）Ａｌ（１−ｘ４−ｙ４）Ｐからなる活性層
２０５Ｉｎ（ｘ５）Ｇａ（ｙ５）Ａｌ（１−ｘ５−ｙ５）Ｐからなるｐ型クラッド層
２０６Ｉｎ（ｘ６）Ｇａ（ｙ６）ＡＩ（１−ｘ６−ｙ６）Ｐからなるｐ型コンタクト層
２０７ｎ型電極
２０８ｐ型電極
３００ｎ型ＧａＰ基板
３０１Ｉｎ（ｘ１）Ｇａ（ｙ１）Ａｌ（１−ｘ１−ｙ１）Ｐからなるバッファ層
３０２Ｉｎ（ｘ３）Ｇａ（ｙ３）Ａｌ（１−ｘ２−ｙ２）Ｐからなるｎ型クラッド層
３０３Ｉｎ（ｘ４）Ｇａ（ｙ４）Ａｌ（１−ｘ３−ｙ３）Ｐからなる活性層
３０４Ｉｎ（ｘ５）Ｇａ（ｙ５）Ａｌ（１−ｘ５−ｙ５）Ｐからなるｐ型クラッド層
３０５Ｉｎ（ｘ６）Ｇａ（ｙ６）ＡＩ（１−ｘ６−ｙ６）Ｐからなるｐ型コンタクト層
３０６ｎ型電極
３０７ｐ型電極
３０８光取り出し窓
４００ＺｎＳｅ基板
４０１ｎ−ＩｎＧａＡｌＰバッファ層
４０２ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層
４０３ＩｎＧａＡｌＰ活性層
４０４ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層
４０５Ｐ−ＩｎＧａＡｌＰコンタクト層
４０６ｎ型電極
４０７ｐ型電極
５００ｎ型ＧａＰからなる基板
５０１Ｉｎ（ｘ１）Ｇａ（ｙ１）Ａｌ（１−ｘ１−ｙ１）Ｐからなるｎ型バッファ層
５０２Ｉｎ（ｘ２）Ｇａ（ｙ２）Ａｌ（１−ｘ２−ｙ２）Ｐからなるｎ型クラッド層
５０３Ｉｎ（ｘ３）Ｇａ（ｙ３）Ａｌ（１−ｘ３−ｙ３）Ｐからなる活性層
５０４Ｉｎ（ｘ４）Ｇａ（ｙ４）Ａｌ（１−ｘ４−ｙ４）Ｐからなるｐ型クラッド層
５０５Ｉｎ（ｘ５）Ｇａ（ｙ５）Ａｌ（１−ｘ５−ｙ５）Ｐからなるｐ型コンタクト層
５０６ＡｕＧｅＮｉからなるｎ型電極
５０７ＡｕＺｎからなるｐ型電極
６００ｎ型ＧａＮからなる基板
６０１Ｉｎ（ｘｌ）Ｇａ（ｙｌ）Ａｌ（１−ｘｌ−ｙ１）Ｎからなるｎ型バッファ層
６０２Ｉｎ（ｘ２）Ｇａ（ｙ２）Ａ１（１−ｘ２−ｙ２）Ｎからなるｎ型クラッド層
６０３Ｉｎ（ｘ３）Ｇａ（ｙ３）Ａ１（１−ｘ３−ｙ３）Ｎからなる活性層
６０４Ｉｎ（ｘ４）Ｇａ（ｙ４）Ａ１（１−ｘ４−ｙ４）Ｎからなるｐ型クラッド層
６０５Ｉｎ（ｘ５）Ｇａ（ｙ５）Ａ１（１−ｘ５−ｙ５〉Ｎからなるｐ型コンタクト層
６０６ＴｉＡｕからなるｎ型電極
６０７ＮｉＡｕからなるｐ型電極
７００ｐ−ＧａＡｓ基板
７０１ｐ−ＧａＮバッファ層
７０２ｐ−ｌｎＧａＡｌＰクラッド層
７０３ＩｎＡｌＧａＰ活性層
７０４ｎ−ＩｎＧａＡ１Ｐクラッド層
７０５フォトニクス結晶層
７０６ｎ−ＧａＡｓ層
７０８Ｎ電極
７０９ｐ透明電極
７１０ｐ電極パッド
７１１ブロック層
７１２ｐ−ＧａＮコンタクト層
８０１サファイア基板
８０２ｎ−ＧａＮコンタクト層
８０３ｎ−ＡｌＧａＮ層
８０４ＩｎＧａＮ活性層
８０５ｐ−Ａ１ＧａＮクラッド層
８０６ｐ電極パッド
８０７Ｎ電極
８０８フォトニクス結晶層
８０９ｐ−ＧａＮコンタクト層
９０１ｎ−ＧａＮ基板
９０２ｎ−ＧａＮコンタクト層
９０３ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
９０４ＩｎＧａＮ活性層
９０５ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
９０６ｐ透明電極
９０８ｐボンディング電極パッド
９０９凹凸が形成された屈折率分布層
９１０ｎ電極
９１１ｐ−ＧａＮコンタクト層
２０００サファイア基板
２００１ＧａＮバッファ層２００１
２００２ｎ型ＧａＮコンタクト層
２００３レジスト膜
２１００サファイア基板
２１０１ＧａＮバッファ層
２１０２ｎ型ＧａＮコンタクト層
２１０３ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
２２００基板
２２０１クラッド層
２２０２活性層
２２０３クラッド層
２２０４レジスト膜
２３００フォトニクス結晶層
２３０１赤色発光素子
２３０２青色発光素子
２３０３緑色発光素子
２４００半導体基板
２４０１ｎ−ＧａＮバッファ層
２４０２ＤＢＲ層
２４０３ＩｎＧａＮ−多重量子井戸構造（ＭＱＷ）活性層
２４０４ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２４０４
２４０５ｐ−ＩｎＧａＮ接着層
２４０６フォトニクス結晶層
２４０７ｐ電極
２４０８ｎ電極
２５００ＧａＮ基板
２５０１バッファ層
２５０２ＩｎｘＡｌｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）層
２６００ＧａＮ基板
２６０１バッファ層
２６０２ＩｎｘＡｌｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
A semiconductor light-emitting element is a device that utilizes light-emitting recombination of electrons and holes injected into a pn junction region. By changing the semiconductor material of the light emitting layer, light emission from infrared to ultraviolet can be realized.
[0003]
However, a semiconductor light emitting device has a critical angle due to a difference in refractive index between a semiconductor crystal and the atmosphere, and light absorption by a substrate capable of crystal growth. For this reason, only a few percent of the light emitted inside can be extracted outside.
[0004]
A configuration of a conventional semiconductor light emitting device is shown in FIG.
[0005]
On the p-type semiconductor substrate 1000, a multilayer reflective film 1001, a p-type contact layer 1002, a p-type cladding layer 1003, an active layer 1004 acting as a light emitting layer, an n-type cladding layer 1005, and an n-type contact layer 1006 are formed. An n-type electrode 1007 is formed on the contact layer 1002, and a p-type electrode 1008 is formed on the contact layer 1006.
[0006]
Of the light emitted from the active layer 1004, the light emitted to the n-type cladding layer 1005 side is extracted outside through the cladding layer 1005.
[0007]
On the other hand, the light emitted to the p-type cladding layer 1003 side is reflected by the multilayer reflective film 1001 and extracted outside through the n-type cladding layer 1005.
[0008]
According to this structure, the light emitted to the substrate 1000 side can be extracted outside by being reflected by the reflective film 1001.
[0009]
However, the reflectance of light that is not perpendicularly incident on the reflective film 1001 is low, the electrodes 1007 and 1008 that shield light are present on the light extraction surface, and the active layer 1004 is formed on the reflective film 1001. There were problems such as poor crystallinity and short life.
[0010]
Another conventional semiconductor light emitting device is shown in FIG. On an n-type GaP substrate 1101, an n-type InGaP buffer layer 1102, an n-type InAlP cladding layer 1103, an InGaAlP active layer 1104 acting as a light emitting layer, a p-type InAlP cladding layer 1105, a p-type GaAs contact layer 1106, and a contact layer 1106 A p-type electrode 1107 is formed thereon, and an n-type electrode 1100 is formed on the substrate 1101.
[0011]
Light emitted from the active layer 1104 is reflected by the n-electrode 1100 and the p-electrode 1107 and is extracted to the outside from the contact layer 1106 that is not shielded by the p-electrode 1107.
[0012]
However, in this structure, there is a problem that the light concentrated right below the electrode 1107 is blocked by the electrode 1107 and cannot be emitted to the outside.
[0013]
In the conventional device shown in FIG. 17, the light emitted from the active layer 1104 can be extracted outside only a few percent of the emitted light due to the refractive index difference between the crystal and air. There wasn't.
[0014]
By the way, the semiconductor light emitting element is a compound semiconductor light emitting element using a GaAs-based semiconductor material for emitting red to green light, and AlxGayln1-xyN for emitting light from the ultraviolet light region to the blue and green regions. Gallium nitride compound semiconductor light emitting devices using (0 ≦ x, y ≦ 1, x + y ≦ 1) have been put into practical use.
[0015]
However, since such a light emitting element generally has a high refractive index (GaN = 2.67, GaAs = 3.62), the critical angle (GaN = 21.9 degrees, GaAs = 16.0 degrees) is small, and light There was a problem that extraction efficiency was low.
[0016]
Further, in the GaAs system, light absorption at the substrate is large, and emitted light is absorbed by the substrate, so that light extraction efficiency is low.
[0017]
An example of a conventional gallium arsenide compound semiconductor light emitting device is shown in FIG.
[0018]
An n-GaAs buffer layer 1301, an n-1nGaAlP cladding layer 1302, an lnGaAlP active layer 1303, a p-lnGaA1P cladding layer 1304, and a p-AlGaAs current diffusion layer 1305 are sequentially grown on an n-GaAs substrate 1300. Further, a p-side electrode pad 1307 is formed on the p-AlGaAs current diffusion layer 1305, and an n-side electrode 1306 is formed on the n-GaN substrate 1300.
[0019]
In such a structure, the current flowing from the p-side electrode 1307 is spread by the p-AlGaAs current diffusion layer 1305, and a current is injected from the p-lnGaAlP cladding layer 1304 to the lnGaAlP active layer 1303 to emit light. It is taken out of the device through the p-AlGaAs current diffusion layer 1305.
[0020]
In the GaAs compound semiconductor light emitting device having such a structure, out of the light emitted from the active layer 1303, the light emitted to the substrate 1300 side is absorbed by the substrate 1300, and the light cannot be extracted outside the device. There was a problem. Specifically, 50% of the emitted light could not be extracted, which was fatal for achieving high brightness.
[0021]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, there has been a problem that the light extraction efficiency is low conventionally.
[0022]
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting element capable of improving light extraction efficiency and realizing high luminance and a method for manufacturing the same.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
The semiconductor light-emitting device of the present invention is provided on a transparent substrate and one surface of the substrate. Have threading dislocations A photonic crystal, a first cladding layer of a first conductivity type provided on the other surface of the substrate, an active layer provided on the first cladding layer, and on the active layer A second clad layer of a second conductivity type provided, and a first electrode provided on the second clad layer, wherein light emitted from the active layer is the substrate and the photonics It is characterized by being taken out through the crystal.
[0043]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0044]
(1) First embodiment
FIG. 1 shows a configuration of a semiconductor shipping element according to the first embodiment of the present invention.
[0045]
A buffer layer 101 made of In (x1) Ga (y1) A1 (1-x1-y1) P, In (x2) Ga (y2) Al (1-x2) over a light-transmitting semiconductor substrate 100 made of ZnSe. -Y2) n-type contact layer 102 made of P, n-type cladding layer 103 made of In (x3) Ga (y3) Al (1-x3-y3) P, In (x4) Ga (y4) Al (1-x4) -Active layer 104 made of y4) P, p-type cladding layer 105 made of In (x5) Ga (y5) Al (1-x5-y5) P, In (x6) Ga (y6) Al (1-x6-y6) ) A p-type contact layer 106 made of P is sequentially formed.
[0046]
Further, an n-type electrode 107 made of AuGe is formed on the n-type contact layer 102 partially removed by etching, and a p-type electrode 108 made of AuZn is formed on the P-type contact layer 106. Here, 0 = <x1, ..., x6, y1, ..., y6, x1 + y1, ... x6 + y6 <= 1.
[0047]
Here, it is desirable that the electrode material can be in ohmic contact with the contact layer and has a high light reflectance.
[0048]
The light emitted from the active layer 104 passes through the semiconductor substrate 100 and is extracted outside, and the light emitted toward the p-type electrode 108 is reflected by the electrode 108 and is also transmitted through the substrate 100 and extracted outside. . Since there are no obstacles on the light extraction surface, the light inside the element can be extracted effectively, so that the light extraction efficiency is improved.
[0049]
Further, ZnSe used for the substrate 100 has a lattice constant of 5.667 angstroms. However, the lattice constant can be controlled from 5.451 angstroms to 5.868 angstroms by changing the composition x and y of the In (x) Ga (y) Al (1-xy) P layer formed on the substrate 100. can do. Therefore, the light-emitting layer 104 lattice-matched to the ZnSe substrate 100 or the light-emitting layer 104 that is not lattice-matched but is within the critical thickness can be formed with good crystallinity.
[0050]
By adjusting the composition of the cladding layer 103 and the contact layer 106 so as to be larger than the band gap of the active layer 104, a structure without internal absorption can also be realized.
[0051]
Further, by changing the composition of the active layer 104, it is possible to realize from red to green. Furthermore, by using a single quantum well structure or a multiple quantum well structure using a quantum well layer having a thickness of several tens of angstroms, it is possible to improve the light emission efficiency and achieve a long lifetime.
[0052]
The n-type electrode 107 is formed by ion-implanting or diffusing n-type impurities into the p-type contact layer 106. Thereby, the p-type electrode 108 and the n-type electrode 107 are formed on the same plane. Thereby, the p-type electrode 108 can be directly bonded to the heat sink. Therefore, since the heat dissipation is improved, it is possible to operate up to a high current of several A without saturating the light output.
[0053]
(2) Second embodiment
FIG. 2 shows a configuration of a semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention.
[0054]
On the semiconductor substrate 200 made of GaAs, the buffer layer 201 made of In (x1) Ga (y1) Al (1-x1-y1) P and the In (x2) Ga (y2) Al (1-x2-y2) P N-type contact layer 202, In (x3) Ga (y3) Al (1-x3-y3) P, n-type cladding layer 203, In (x4) Ga (y4) Al (1-x4-y4) P Active layer 204, p-type cladding layer 205 made of In (x5) Ga (y5) Al (1-x5-y5) P, p made of In (x6) Ga (y6) Al (1-x6-y6) P The mold contact layer 206 is formed sequentially.
[0055]
Further, an n-type electrode 207 made of AuGe is formed on the n-type contact layer 202 partially removed by etching, and a p-type electrode 208 made of AuZn is formed on the P-type contact layer 206.
[0056]
A light extraction window 209 is formed on the substrate 200 so that light can be extracted at a position facing the p-type electrode 208 with the active layer 204 interposed therebetween. Here, 0 = <x1, ..., x6, y1, ..., y6, x1 + y1, ..., x6 + y6 <= 1.
[0057]
Light emitted from the active layer 204 is extracted outside through the light extraction window 209. Further, the light emitted to the p-type electrode 208 side is reflected by the electrode 208 and is transmitted through the window 209 and extracted outside.
[0058]
Further, although the size of the electrode 208, if the electrode 208 is larger than the light extraction window 209, a part of the light is absorbed by the substrate 200 and cannot be sufficiently extracted. Therefore, the electrode 208 is preferably smaller than the light extraction window 209. By doing so, light emitted from the active layer 204 can be effectively extracted, so that the light output of the element increases.
[0059]
According to the present embodiment, since there is no obstacle on the light extraction surface, the internal light can be extracted effectively. Further, by adjusting the compositions of the cladding layers 203 and 205 and the contact layers 202 and 206 so as to be larger than the band gap of the active layer 204, a structure without internal absorption can be realized.
[0060]
Further, by changing the composition of the active layer 204, light emission from red to green can be realized.
[0061]
Further, by making the structure of the active layer 204 a single quantum well structure or a multiple quantum well structure using a quantum well layer having a thickness of several tens of angstroms, an improvement in light emission efficiency and a long lifetime are realized.
[0062]
The n-type electrode 207 forms a region in which n-type impurities are ion-implanted and diffused from the p-type contact layer 206, so that the p-type electrode 208 and the n-type electrode 207 are formed on the same plane. As a result, the p-type electrode 208 can be directly bonded to the heat radiating plate, so that the operation can be performed without saturating the light output up to a high current of several angstroms.
[0063]
(3) Third embodiment
FIG. 3 shows a configuration of an element according to the third embodiment of the present invention.
[0064]
On a substrate 300 made of n-type GaP, an n-type buffer layer 301 made of In (x1) Ga (y1) Al (1-xl-y1) P, In (x2) Ga (y2) Al (1-x2-y2) N-type cladding layer 302 made of P), active layer 303 made of In (x3) Ga (y3) Al (1-x3-y3) P, In (x4) Ga (y4) A1 (1-x4-y4) P A p-type clad layer 304 made of In and a p-type contact layer 305 made of In (x5) Ga (x5) Al (1-x5-y5) P are sequentially formed. An n-type electrode 306 made of AuGeNi is formed on the n-type GaP substrate 300. A light extraction window 308 is formed in the n-type electrode 306. Further, a p-type electrode 307 made of AuZn is formed on the p-type contact layer 305 whose surface has been etched away in a concave shape.
[0065]
Here, xa + ya <= 1, 0 <= xa, ya <= 1, and a is 1-5.
[0066]
The light emitted from the active layer 303 goes straight as indicated by an arrow A and is extracted from the light extraction window 308 on the p-type electrode 306 side to the outside of the element. Further, the light indicated by the arrow B is reflected under the p-type electrode 307 formed on the concave surface of the contact layer 305 and is extracted to the outside from the side surface.
[0067]
In the conventional device shown in FIG. 17, the light reflected by the p-type electrode 1107 is further reflected by the n-type electrode 1100, absorbed by impurities or the like inside the crystal, converted into heat, and taken out to the outside. could not. Since such light can be effectively extracted to the outside according to the present embodiment, the light extraction efficiency is improved.
[0068]
Here, by adjusting the composition of the clad layers 302 and 304 and the contact layer 305 to be larger than the band gap of the active layer 303, a structure without internal absorption can be realized.
[0069]
Further, by changing the composition of the active layer 303, light emission from red to green can be performed.
[0070]
Further, the active layer 303 has a single quantum well structure using a quantum well layer having a thickness of several tens of angstroms or a multiple quantum well structure, thereby realizing improvement in luminous efficiency and long life. Can do.
[0071]
(4) Fourth embodiment
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This embodiment corresponds to the case where ZnSe is used as the semiconductor substrate.
[0072]
On the substrate 400 made of n-type ZnSe, an n-type buffer layer 401 made of In (x1) Ga (y1) Al (1-x1-y1) P lattice-matched to the substrate 400, In (x2) Ga (y2) Al N-type cladding layer 402 made of (1-x2-y2) P, active layer 403 made of In (x3) Ga (y3) Al (1-x3-y3) P, In (x4) Ga (y4) Al (1 A p-type cladding layer 404 made of -x4-y4) P and a p-type contact layer 405 made of In (x5) Ga (y5) Al (1-x5-y5) P are sequentially formed.
[0073]
Further, an n-electrode 406 made of AuGeNi is formed on the n-type ZnSe substrate 400, and a p-type electrode 407 made of AuZn is formed on the p-type contact layer 405 partially removed by etching.
[0074]
Here, it is necessary to adjust the composition ratios x1 to x5 and y1 to y5 in the respective layers 401 to 405 within a range in which lattice matching with the n-type ZnSe substrate 400 is possible. Further, by setting the band gaps of the p-type cladding layer 404 and the n-type cladding layer 402 to be larger than the band gap of the active layer 403, the double hetero effect can be obtained more effectively.
[0075]
According to the above configuration, the surface of the p-type contact layer 405 is etched away in a concave shape, as in the third embodiment. For this reason, the light emitted from the active layer 403 is reflected under the p-type electrode 407 and can be extracted from the end face, so that the extraction efficiency is improved.
[0076]
Regarding the dimensions of the element, the conventional element is generally 300 μm long × 300 μm wide. In the present embodiment, by setting the length to 100 μm × 100 μm, light absorption inside the element can be reduced and light extraction efficiency can be improved. Specifically, the light output of the entire device is improved about twice.
[0077]
By changing the composition ratios x3 and y3 of the active layer 403, light emission from red to green can be realized. Further, by using a quantum well structure having an element thickness of about several tens of angstroms, it is possible to reduce the influence of stress caused by the ZnSe substrate and achieve a long life.
[0078]
(5) Fifth embodiment
FIG. 5 shows the configuration of the fifth embodiment of the present invention.
[0079]
On a semiconductor substrate 500 made of n-type GaP, an n-type buffer layer 501 made of In (xl) Ga (yl) Al (1-x1-y1) P, In (x2) Ga (y2) Al (1-x2- y2) n-type cladding layer 502 made of P, active layer 503 made of In (x3) Ga (y3> Al (1-x3-y3) P, In (x4) Ga (y4) Al (1-x4-y4) A P-type cladding layer 504 made of P, and a P-type contact layer 505 made of In (x5) Ga (y5) Al (1-x5-y5) P are sequentially formed.
[0080]
An n-type electrode 506 made of AuGeNi is formed on the n-type GaP substrate 500, and a P-type electrode 507 made of AuZn is formed on the P-type contact layer 505.
[0081]
Here, xa + ya <1, 0 <= xa, ya <= 1, and a is 1-5.
[0082]
And as an element shape, as shown in FIG. 5, the surface is processed into an octagonal prism having an octagonal shape. As a result, the light emitted to the four corners in the case of a quadrangular prism having a square surface as in the conventional element is also formed in a shape in which the four corners are cut off, so that the external light is not totally reflected. Can be taken out.
[0083]
Here, the element shape is not limited to an octagon but may be a pentagon or more. As the number of corners increases, the light extraction efficiency improves. Furthermore, when the element shape is a cylinder having a circular surface, the light extraction efficiency is further improved.
[0084]
By adjusting the composition of the cladding layers 502 and 504 and the contact layer 505 to be larger than the band gap of the active layer 503, a structure without internal absorption is realized. Further, light emission from red to green can be realized by changing the composition of the active layer 503.
[0085]
Further, by using a single quantum well structure or a multiple quantum well structure using a quantum well layer having a thickness of several tens of angstroms, it is possible to realize an improvement in light emission efficiency and a long lifetime.
[0086]
(6) Sixth embodiment
FIG. 6 shows a sixth embodiment of the present invention.
[0087]
An n-type buffer layer 601 made of In (xl) Ga (y1) Al (1-xtoyl) N, In (x2) Ga (y2) A1 (1-x2-y2) on a substrate 600 made of n-type GaN. N-type cladding layer 602 made of N, active layer 603 made of In (x3) Ga (y3) A1 (1-x3-y3) N, In (x4) Ga (y4) A1 (1-x4-y4) N A P-type cladding layer 604 made of InP and a P-type contact layer 605 made of In (x5) Ga (y5) A1 (1-x5-y5) N are sequentially formed.
[0088]
An n-type electrode 606 made of TiAu is formed on the n-type GaN substrate 600, and a P-type electrode 607 made of NiAu is formed on the P-type contact layer 605.
[0089]
Here, xa + ya <= 1, 0 <= xa, ya <= 1, and a is 1-5.
[0090]
Then, as shown in FIG. 6, the light extraction efficiency is improved by processing the element shape into an octagonal prism whose surface is an octagon. The element shape is not limited to an octagon, and may be a polygon that is a pentagon or more. Further, the light extraction efficiency is improved by using a cylindrical shape.
[0091]
By adjusting the composition of the cladding layers 602 and 604 and the contact layer 605 to be larger than the band gap of the active layer 603, a structure without internal absorption can be realized.
[0092]
Further, by changing the composition of the active layer 603, light emission from ultraviolet to red can be realized.
[0093]
Furthermore, by using a single quantum well structure or a multiple quantum well structure using a quantum well layer having a thickness of several tens of amperes, it is possible to improve the light emission efficiency and achieve a long lifetime.
[0094]
(7) Seventh embodiment
By the way, so-called photonic crystals have been put into practical use in recent years. The photonic crystal is a medium in which a periodic refractive index distribution is provided, and its effect increases as it becomes two-dimensional or three-dimensional, and exhibits characteristic optical characteristics.
[0095]
The characteristics of photonic crystals are due to the existence of a band gap. Since there is no light state in the band gap, light having photon energy corresponding to the band gap cannot exist in the crystal. Therefore, light incident on the crystal from the outside is reflected. In addition, when defects are introduced into the crystal in a linear form, photons are allowed to exist there. For this reason, an optical confinement effect and a waveguide are realized.
[0096]
An example of a photonic crystal is disclosed in the following literature by Noda et al. Using a wafer bonding technique.
[0097]
The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, March 1999, pp. 232 to 241
FIG. 18 shows the manufacturing method for each process. As shown in FIG. 18A, an AlGaAs layer 1201 and a GaAs layer 1202 are formed on a GaAs substrate 1200.
[0098]
As shown in FIG. 18B, the GaAs layer 1202 is patterned and processed into a lattice shape.
[0099]
A substrate subjected to such processing and a substrate composed of a GaAs substrate 1210, an AlGaAs layer 1211, and a GaAs layer 1212 having the same configuration are prepared, and a lattice-shaped GaAs layer 1202 as shown in FIG. And GaAs layer 1212 are fused while being aligned so as to be orthogonal to each other.
[0100]
Then, as shown in FIG. 18D, the one substrate 1210 and the AlGaAs layer 1211 are removed with a selective etchant.
[0101]
18 (a) to 18 (d) are further repeated to form a photonic crystal having a diffraction grating composed of a GaAs-based semiconductor material and air, as shown in FIG. 18 (e). Make it. Here, every other diffraction grating parallel to each other needs to be out of phase by a half period of the emitted light.
[0102]
A seventh embodiment of the present invention using such a photonic crystal will be described with reference to FIG.
[0103]
As shown in FIG. 7A, an n-GaAs buffer layer 701, a p-GaN contact layer 712, a p-InGaAlP cladding layer 702, an InGaAlP active layer 703, n, and the like are formed on a p-GaAs substrate 700 by MOCVD. The −lnGaAlP clad layer 704 is sequentially crystal-grown.
[0104]
Apart from this, the photonic crystal 705 is manufactured through the above-described steps, and is fused on the n-lnGaAlP cladding layer 704. An n-GaAs layer 706 is formed on the photonic crystal 705.
[0105]
The p-GaAs substrate 700 and the n-GaAs buffer layer 701 are removed. Further, as shown in FIG. 7B, an n-electrode 708 is formed on the n-GaAs layer 706 and a p-type transparent electrode 709 is formed on the p-lnGaAlP layer 703. Further, a part of the p-type transparent electrode 709 is removed to form a block layer 711, and a p-electrode pad 710 is formed from the p-type transparent electrode 709 to the block layer 711.
[0106]
With this configuration, the current injected from the p-electrode pad 710 is spread by the p-type transparent electrode 709, the light emitted by being injected into the active layer 703 is reflected by the photonic crystal 705, and the light is transmitted through the p-type transparent electrode 709. It is taken out.
[0107]
The photonic crystal 709 reflects 90% or more of light. As a result, when the current value is 20 mA, an optical output of 8 mW and an emission wavelength of 630 nm are obtained. This value is about twice that of the conventional device shown in FIG. 17, and the light extraction efficiency is greatly improved.
[0108]
(8) Eighth embodiment
The configuration of the element according to the eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0109]
This embodiment corresponds to a GaN-based compound semiconductor light emitting device in which a photonic crystal having threading dislocations is formed on a light extraction surface.
[0110]
A GaN buffer layer (not shown), an n-type GaN layer 802, an n-type AlGaN cladding layer 803, an lnGaN active layer 804, a p-AlGaN cladding layer 805, and a p-GaN contact layer 809 are sequentially grown on the sapphire substrate 801. I am letting.
[0111]
Further, the p-AlGaN cladding layer 805, the lnGaN active layer 804, and the n-type AlGaN layer 803 are partially removed by etching to expose the surface of the n-type GaN layer 802. A p-side electrode and a bonding electrode (not necessarily transparent) 806 are formed on the p-GaN contact layer 809, and an n-side electrode 807 is further formed on the n-type GaN layer 802.
[0112]
Separately from this, a photonic crystal made of, for example, GaN is prepared on a sapphire substrate. Here, many threading dislocations exist in GaN on the sapphire substrate. Such a photonic crystal 808 and the sapphire substrate 801 are fused. In this case, since the sapphire substrate 801 is transparent, the emitted light is not absorbed by the substrate 801.
[0113]
According to such a structure, the current flown from the p-side electrode 806 is emitted by injecting current from the p-type GaN contact layer 809 to the lnGaN light-emitting layer 804, and the light is emitted outside the device through the photonic crystal 808. It is taken out.
[0114]
The photonic crystal 808 has many threading dislocations as described above. Therefore, instead of reflecting light as in the photonic crystal 706 in the seventh embodiment, the light travels along threading dislocations, and the light is efficiently extracted out of the chip. This photonic crystal 808 also functions as a filter, and light emission with a narrow monochromatic width and a high monochromaticity can be obtained.
[0115]
(9) Ninth embodiment
A ninth embodiment will be described with reference to FIG. This corresponds to an example in which no photonic crystal is introduced.
[0116]
The present embodiment is a GaN-based compound semiconductor light emitting device, and includes a GaN buffer layer (not shown), an n-type GaN contact layer 902, an n-type AlGaN cladding layer 903, and an InGaN active layer 904 on an n-GaN substrate 901. , P-AlGaN cladding layer 905 and p-GaN contact layer 911 are sequentially grown, and p-GaN contact layer 911, p-AlGaN cladding layer 905, lnGaN active layer 904, n-type AlGaN cladding layer 903, and n-type GaN contact. A part of the layer 902 is removed by etching to expose the surface of the n-type GaN layer 902.
[0117]
A p-side transparent electrode 906 is formed on the p-type AlGaN layer 905, a current blocking layer 907 made of a current blocking insulating film is formed adjacent to the p-side transparent electrode 906, and on the current blocking layer 907, A p-side bonding electrode 908 connected to the p-side transparent electrode 906 is formed. Further, an N-side electrode 910 is formed on the n-type GaN contact layer 902.
[0118]
Here, after forming irregularities at the interface of the n-GaN layer 902, the n-AlGaN cladding layer 903 is grown to give a distribution in the refractive index. As a method of forming irregularities on the interface of the n-GaN layer 14, for example, the method shown in FIGS. 10A to 10D or FIGS. 11A to 11C may be used. Good.
[0119]
In the method shown in FIG. 10, first, a GaN buffer layer 2001 and an n-type GaN contact layer 2002 are sequentially formed on a sapphire substrate 2000 as shown in FIG.
[0120]
As shown in FIG. 10B, a resist is applied and patterning is performed using a photolithography method to form a resist film 2003.
[0121]
As shown in FIG. 10C, unevenness is formed on the surface of the n-type GaN contact layer 2002 using the resist film 2003 as a mask.
[0122]
Thereafter, as shown in FIG. 10D, a p-AlGaN cladding layer 2003 is formed to flatten the surface.
[0123]
Alternatively, in the method shown in FIG. 11, first, a GaN buffer layer 2101 and an n-type GaN contact layer 2102 are sequentially formed on a sapphire substrate 2100 as shown in FIG.
[0124]
As shown in FIG. 11B, for example, when the flow rate ratio of the etching gas in the reactive ion etching is set to BCl3: Cl2 = 1: 1, and the Cl2 gas ratio is increased, the n-type GaN contact layer 2102 Roughness occurs on the surface.
[0125]
Thereafter, as shown in FIG. 11C, a p-AlGaN cladding layer 2103 is formed to flatten the surface.
[0126]
According to the present embodiment, unevenness at the interface of the n-GaN layer 902 is formed, and the distribution of the refractive index with the n-AlGaN cladding layer 903 causes light to be reflected and scattered at the interface. The light extracted outside the device increases.
[0127]
(10) Tenth embodiment
An element according to the tenth embodiment will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 12A, a buffer layer, a clad layer 2201, an active layer 2202, and a clad layer 2203 (not shown) are sequentially formed on the substrate 2200, and on the surface opposite to the element formation surface of the substrate 2200. Then, a resist film 2204 is formed.
[0128]
As shown in FIG. 12B, when the resist film 2204 is heated, dripping occurs at the edge portion.
[0129]
As shown in FIG. 12C, when the resist film 2204 is used as a mask and etching is performed by an ion milling method, the edge portion of the semiconductor substrate 2200 is processed into a shape corresponding to the resist film 2204.
[0130]
As shown in FIG. 12D, a photonic crystal layer 2204 with high reflectivity is welded to the substrate 2200.
[0131]
According to this embodiment, as illustrated by arrows in FIG. 12D, light emitted from the active layer 2202 is reflected at various angles on the etched portion of the substrate 2200. The extraction efficiency is improved and the emission intensity is increased.
[0132]
(11) Eleventh embodiment
By forming three light emitting elements that are similar to the light emitting elements formed on the sapphire substrate and have different emission wavelengths on the photonic crystal, a light emitting element that emits light at three wavelengths is realized.
[0133]
As shown in FIG. 13, a blue light emitting element 2302 and a green light emitting element 2303 are formed on one surface of the photonic crystal layer 2300, and a red light emitting element 2301 is formed on the other surface.
[0134]
Short-wavelength light from the blue light-emitting element 2302 and the green light-emitting element 2303 passes through the photonic crystal layer 2300 so that the active layer of the red light-emitting element 2301 is not light-excited to emit light. On the other hand, a photonic crystal layer 2300 having a high reflectance is provided, and a red light emitting element 2301 that emits light having a long wavelength is fused to the back surface thereof. Thereby, blue, green, and red light are mixed and white is obtained.
[0135]
Here, the combination of the colors of the plurality of light emitting elements can be variously changed as necessary, and the mixed color changes accordingly.
[0136]
(12) Twelfth embodiment
A twelfth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The present embodiment is a GaN-based RC-LED (Resonance Cavity LED). On a GaN-based transparent semiconductor substrate 2400, an n-GaN buffer layer 2401, a DBR (Distributed Bragg Reflector) layer 2402 made of AlGaN / GaN and having a medium reflectivity are formed, and an InGaN-multiple quantum well structure ( MQW) active layer 2403, p-AlGaN cladding layer 2404, and p-InGaN adhesion layer 2405 are formed.
[0137]
Further, a separately prepared photonic crystal layer 2406 having a high reflectance is bonded to the clad layer 2404 through an adhesive layer 2405. Then, a p-electrode 2407 is formed on the upper surface of the photonic crystal layer 2406, and an n-electrode 2408 is formed on the upper surface of the semiconductor substrate 2400.
[0138]
If a GaN-based semiconductor material is used, it is difficult to obtain a DBR layer having a high reflectivity. Thus, by introducing the photonic crystal layer 2406, high light extraction efficiency can be realized.
[0139]
Here, the material of each layer is not limited to the above materials, and may be other GaN-based semiconductor materials, or GaAs-based semiconductor materials. However, when a GaAs-based material is used, the light emitted by GaAs is absorbed, so it is necessary to remove the substrate and fuse the light-emitting layer to a GaP substrate or the like.
[0140]
The element according to the present embodiment can also be applied to a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser).
[0141]
Next, a method for forming a GaN-based photonic crystal will be described with reference to FIG.
[0142]
As shown in FIG. 15A, the buffer layer 2501 and the InxAlyGa (1-xy) N (0 ≦ x, y ≦ 1) layer 2502 are formed on the GaN substrate 2500.
[0143]
As shown in FIG. 15B, the InxAlyGa (1-xy) N layer 2502 is patterned and processed into a lattice shape.
[0144]
A substrate subjected to such processing, and a substrate composed of a GaN substrate 2600, a buffer layer 2601, and an InxAlyGa (1-xy) N layer 2602 having the same configuration, were prepared, as shown in FIG. Thus, the lattice-like layer 2502 and the layer 2602 are fused while being aligned so as to be orthogonal to each other.
[0145]
Then, as shown in FIG. 15D, one substrate 2600 is peeled off by laser light irradiation.
[0146]
Further, as shown in FIG. 15E, the buffer layer 2601 is removed by reactive ion etching.
[0147]
The photonic crystal having a diffraction lattice is produced by further repeating the steps shown in FIGS. 15A to 15E. Here, every other diffraction grating parallel to each other needs to be out of phase by a half period of the emitted light.
[0148]
According to the seventh to twelfth embodiments described above, the photonic crystal region or the region having a predetermined refractive index distribution is provided on at least one surface of the light emitting layer of the compound semiconductor light emitting device.
[0149]
In particular, the photonic crystal acts as a highly reflective film because there is no light corresponding to the band gap. Moreover, since it has a high reflectance with respect to components other than normal incidence, the light extraction efficiency can be improved by introducing it as a reflective layer.
[0150]
Alternatively, in the GaN-based compound semiconductor light emitting device, many threading dislocations exist in the GaN layer. When a photonic crystal is manufactured using such a crystal, many threading dislocations exist in the photonic crystal fused to the substrate. For this reason, light advances along this dislocation, and light is efficiently extracted outside the device. Since the photonic crystal in this case also functions as a filter, light emission with high monochromaticity with a narrow wavelength half width can be obtained.
[0151]
In addition, by forming a light emitting element having a light emission wavelength different from that of the light emitting element formed on the sapphire substrate on the photonic crystal, a light emitting element that emits light at two wavelengths can be obtained.
[0152]
Alternatively, by forming irregularities at the interface of the semiconductor layer, there is a refractive index distribution inside the semiconductor layer, and light is reflected and scattered at this interface, so that light can be extracted more effectively outside the device. Can do.
[0153]
Distribution of the refractive index inside such a semiconductor layer may be realized by combining semiconductor layers having different refractive indexes.
[0154]
As described above, in the region having the refractive index distribution, the light extracted from the active layer is reflected more in the chip and the light is extracted on the light extraction surface side, thereby greatly improving the light extraction efficiency. It becomes possible to achieve high brightness.
[0155]
In addition, the increased luminance can reduce the injected current, which contributes to the improvement of the reliability of the element.
[0156]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the light extraction efficiency is improved and the brightness is increased by extracting light from the light-transmitting substrate, and the buffer layer is lattice-matched to the substrate. Good crystallinity and long life can be achieved.
[0157]
Furthermore, since the first and second electrodes are formed on the same surface side, by directly forming one of these electrodes on the heat sink, the luminance can be increased without saturating the light output up to a large current. Realized.
[0158]
By providing a concave region in the contact layer formed on a light-transmitting substrate, light from the light-emitting layer can be reflected off the side surface and effectively extracted outside the device, improving light extraction efficiency To do.
[0159]
Since the element shape is a polygonal column or cylinder, total reflection at the end face is reduced compared to the case of a quadrangular prism, and light inside the element can be effectively extracted from the end face to the outside. Extraction efficiency is improved.
[0160]
Alternatively, by providing a photonic crystal layer or a region having a refractive index distribution inside the semiconductor layer on one surface of the light emitting layer, light emitted from the light emitting layer is efficiently extracted outside the device. Extraction efficiency is improved and high brightness is realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a sectional structure of a semiconductor light emitting device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a sectional structure of a semiconductor light emitting device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing a sectional structure of a semiconductor light emitting device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing a sectional structure of a semiconductor light emitting device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing a sectional structure of a semiconductor light emitting device according to a fifth embodiment of the invention.
FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing a sectional structure of a semiconductor light emitting device according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing a sectional structure of a semiconductor light emitting device according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a longitudinal sectional view showing a sectional structure of a semiconductor light emitting device according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a longitudinal sectional view showing a sectional structure of a semiconductor light emitting device according to a ninth embodiment of the invention.
FIG. 10 is a longitudinal sectional view showing a method for forming irregularities on the surface of a GaN layer in the semiconductor light emitting device according to the ninth embodiment.
11 is a longitudinal sectional view showing another method for forming irregularities on the surface of a GaN layer in the semiconductor light emitting device according to the ninth embodiment. FIG.
FIG. 12 is a longitudinal sectional view showing a sectional structure of a semiconductor light emitting device according to a tenth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a longitudinal sectional view showing a sectional structure of a semiconductor light emitting device according to an eleventh embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a longitudinal sectional view showing a sectional structure of a semiconductor light emitting device according to a twelfth embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a longitudinal sectional view showing a procedure of a method for producing a photonic crystal using GaN.
FIG. 16 is a longitudinal sectional view showing a sectional structure of a conventional semiconductor light emitting device.
FIG. 17 is a longitudinal sectional view showing a sectional structure of another conventional semiconductor light emitting device.
FIG. 18 is a longitudinal sectional view showing a procedure of a method for producing a photonic crystal using GaN.
FIG. 19 is a longitudinal sectional view showing a sectional structure of still another conventional semiconductor light emitting device.
[Explanation of symbols]
100 ZnSe substrate
101 Buffer layer made of In (x1) Ga (y1) Al (1-x1-y1) P
102 n-type contact layer made of In (x2) Ga (y2) Al (1-x2-y2) P
103 n-type cladding layer made of In (x3) Ga (y3) Al (1-x3-y3) P
104 Active layer made of In (x4) Ga (y4) Al (1-x4-y4) P
105 P-type cladding layer made of In (x5) Ga (y5) Al (1-x5-y5) P
106 P-type contact layer made of In (x6) Ga (y6) Al (1-x6-y6) P
107 n-type electrode
108 p-type electrode
200 GaAs semiconductor substrate
201 Buffer layer made of In (x1) Ga (y1) Al (1-x1-y1) P
202 n-type contact layer made of In (x2) Ga (y2) Al (1-x2-y2) P
203 n-type cladding layer made of In (x3) Ga (y3) Al (1-x3-y3) P
204 Active layer made of In (x4) Ga (y4) Al (1-x4-y4) P
205 p-type cladding layer made of In (x5) Ga (y5) Al (1-x5-y5) P
206 p-type contact layer made of In (x6) Ga (y6) AI (1-x6-y6) P
207 n-type electrode
208 p-type electrode
300 n-type GaP substrate
301 Buffer layer made of In (x1) Ga (y1) Al (1-x1-y1) P
302 n-type cladding layer made of In (x3) Ga (y3) Al (1-x2-y2) P
303 Active layer made of In (x4) Ga (y4) Al (1-x3-y3) P
304 p-type cladding layer made of In (x5) Ga (y5) Al (1-x5-y5) P
305 p-type contact layer made of In (x6) Ga (y6) AI (1-x6-y6) P
306 n-type electrode
307 p-type electrode
308 Light extraction window
400 ZnSe substrate
401 n-InGaAlP buffer layer
402 n-InGaAlP cladding layer
403 InGaAlP active layer
404 p-InGaAlP cladding layer
405 P-InGaAlP contact layer
406 n-type electrode
407 p-type electrode
500 Substrate made of n-type GaP
501 n-type buffer layer made of In (x1) Ga (y1) Al (1-x1-y1) P
502 n-type cladding layer made of In (x2) Ga (y2) Al (1-x2-y2) P
503 Active layer made of In (x3) Ga (y3) Al (1-x3-y3) P
504 p-type cladding layer made of In (x4) Ga (y4) Al (1-x4-y4) P
505 p-type contact layer made of In (x5) Ga (y5) Al (1-x5-y5) P
506 n-type electrode made of AuGeNi
507 p-type electrode made of AuZn
600 n-type GaN substrate
601 n-type buffer layer made of In (xl) Ga (yl) Al (1-xl-y1) N
602 n-type cladding layer made of In (x2) Ga (y2) A1 (1-x2-y2) N
Active layer made of 603 In (x3) Ga (y3) A1 (1-x3-y3) N
604 p-type cladding layer made of In (x4) Ga (y4) A1 (1-x4-y4) N
605 p-type contact layer made of In (x5) Ga (y5) A1 (1-x5-y5> N
N-type electrode made of 606 TiAu
607 p-type electrode made of NiAu
700 p-GaAs substrate
701 p-GaN buffer layer
702 p-lnGaAlP cladding layer
703 InAlGaP active layer
704 n-InGaA1P cladding layer
705 Photonic crystal layer
706 n-GaAs layer
708 N electrode
709 p transparent electrode
710 p electrode pad
711 Block layer
712 p-GaN contact layer
801 Sapphire substrate
802 n-GaN contact layer
803 n-AlGaN layer
804 InGaN active layer
805 p-A1 GaN cladding layer
806 p-electrode pad
807 N electrode
808 Photonics crystal layer
809 p-GaN contact layer
901 n-GaN substrate
902 n-GaN contact layer
903 n-AlGaN cladding layer
904 InGaN active layer
905 p-AlGaN cladding layer
906 p transparent electrode
908 p bonding electrode pad
909 Refractive index distribution layer with unevenness
910 n electrode
911 p-GaN contact layer
2000 Sapphire substrate
2001 GaN buffer layer 2001
2002 n-type GaN contact layer
2003 Resist film
2100 Sapphire substrate
2101 GaN buffer layer
2102 n-type GaN contact layer
2103 p-AlGaN cladding layer
2200 substrate
2201 Clad layer
2202 Active layer
2203 Cladding layer
2204 Resist film
2300 Photonic crystal layer
2301 Red light emitting element
2302 Blue light emitting element
2303 Green light emitting element
2400 Semiconductor substrate
2401 n-GaN buffer layer
2402 DBR layer
2403 InGaN-Multiple Quantum Well Structure (MQW) Active Layer
2404 p-AlGaN cladding layer 2404
2405 p-InGaN adhesive layer
2406 Photonic crystal layer
2407 p-electrode
2408 n-electrode
2500 GaN substrate
2501 Buffer layer
2502 InxAlyGa (1-xy) N (0 ≦ x, y, z ≦ 1) layer
2600 GaN substrate
2601 Buffer layer
2602 InxAlyGa (1-xy) N layer

Claims

A substrate having transparency;
A photonic crystal provided on one surface of the substrate and having threading dislocations ;
A first cladding layer of a first conductivity type provided on the other surface of the substrate;
An active layer provided on the first cladding layer;
A second conductivity type second cladding layer provided on the active layer;
A first electrode provided on the second cladding layer;
With
2. A semiconductor light emitting device, wherein light emitted from the active layer is extracted outside through the substrate and the photonic crystal.