JP4066681B2 - 発光素子及び発光素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発光点が微小領域に限定された点発光型発光素子及び発光した光を集光して微小領域から出力する集光点発光型発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、発光出力の高い青色及び緑色の窒化物半導体発光ダイオードを例えば大型ディスプレイ用の光源として実用化している。この窒化物半導体系発光素子は、例えば、サファイア基板の上に窒化物半導体であるＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ又はそれらの混晶で構成された半導体多層膜にｐ型及びｎ型のオーミック電極を形成して、へき開、ＲＩＥエッチング又はダイシング等によりチップ化されて製造される。このように構成された発光素子において、光は発光層のみならず他の半導体層及び基板内部を透過、屈折、反射を繰り返し、基板の断面及び主表面から放出される。
【０００３】
また、近年では、例えば、光ファイバ通信用の光源、電子写真用の光源あるいはバーチャルリアリティー用の光源等のように微小領域に発光点が限定された発光素子に対する要求が増加していることから、窒化物半導体発光素子においても発光点が微小領域に制限された特有の素子構造が種々提案されている。
【０００４】
現在、微小光源発光素子として、端面発光型の発光素子が提案されている。この端面発光型発光素子は、基本構造として半導体レーザと同様、発光層をワイドバンドギャップのｐ型及びｎ型半導体層で挟んだダブルへテロ構造が用いられ、例えば、窒化物半導体を端面発光型発光ダイオードでは、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮ分離閉じ込め型へテロ構造（ＳＣＨ）が用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、提案されている発光点が微小領域に制限された素子構造では、発光点を微小領域に制限するために高いパターンニング精度が要求され、高度のフォトリソグラフィー技術を用いる必要がある。そのために、発光点が十分微小領域に制限された素子を安価に提供することができないという問題点があった。また、端面発光型発光ダイオードは、スポットサイズの小さい素子は得られるものの、発光層の端面だけではなく、発光層より基板側に積層されたｎ型半導体層の端面からも光が放出されるため、多モードの発光となり、ニアフィールドパターンの良好な単一スポットが必要とされる用途には適していないという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は発光点を十分小さい微小領域に制限することができ、かつ安価に製造することができる点発光型発光素子とその製造方法を提供することを第１の目的とする。
また、本発明はニアフィールドパターンが良好な単一スポット光が得られ、発光効率の高い集光点発光型発光素子を提供することを第２の目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る発光素子の製造方法は、基板上の一部に半導体の成長を妨げるマスク層を設ける第１の工程と、それぞれ半導体からなるｎ型層、活性層及びｐ型層を順次成長させる第２の工程とを備え、前記第２の工程において、前記マスク層を介して前記各半導体層を順次成長させ、半導体積層構造内部に前記マスク層に対応して錐形状の空洞が設けられ、該空洞が前記活性層で発光した光を上方に反射させる傾斜面を有することを特徴とする。
また、本発明に係る発光素子の製造方法は、前記マスク層をＳｉＯ２、ＳｉＮ及びＷからなる群から選択された材料を用いて形成することを特徴とする。
また、本発明に係る発光素子の製造方法は、前記半導体は窒化物半導体からなることを特徴とする。
さらに、本発明に係る発光素子は、基板上の一部に半導体の成長を妨げるマスク層を設け、該マスク層を介して前記基板上にそれぞれ半導体からなるｎ型層、活性層及びｐ型層を順次成長させることにより、半導体積層構造内部に前記マスク層に対応して形成された錐形状の空洞を有し、該空洞が前記活性層で発光した光を上方に反射させる傾斜面を有することを特徴とする。
また、本発明に係る発光素子は、前記空洞は前記マスク層を底面として前記ｎ型層から前記ｐ型層まで貫通し且つ前記ｐ型層表面にて開口していることを特徴とする。
また、本発明に係る発光素子は、前記空洞が円錐体形状又は多角錐体形状であることを特徴とする。
また、本発明に係る発光素子は、前記半導体は窒化物半導体からなることを特徴とする。
また、本発明に係る点発光型発光素子は、上記第１の目的を達成するために、基板(10)上に、それぞれ半導体からなるｎ型層(12)、活性層(13)及びｐ型層(14)が積層されてなるストライプリッジ(20)を有し、そのストライプリッジの一端面から光を出力する発光素子であって、上記ストライプリッジ(20)は上記一端面にネック部(21)と該ネック部との連結部(22)と先端面(23)とから成る凸部(21a)を有しており、前記ネック部と前記ネック部との連結部は遮光膜(31)により覆われていることを特徴とする。
【０００８】
以上のように構成された本発明に係る点発光型発光素子は、発光素子の表面が上記凸部の先端面を除いて遮光膜により覆われているので、上記凸部の先端面のみに発光点を制限することができる。
したがって、本発明によれば、上記凸部の先端面のみから光を放射することができ、その凸部の幅を、形成すべき発光領域に対応させて設定することにより、極めて微小な発光点を有する発光素子を提供することができる。
また、発光素子の表面が上記凸部の先端面を除いて遮光膜により覆われているので、上記凸部の先端面以外の部分からの光の漏れを抑えることができ、発光効率を高くすることができる。
【０００９】
また、本発明に係る点発光型発光素子では、上記ｎ型層(12)、活性層(13)及びｐ型層(14)をそれぞれ、窒化物半導体により構成することができ、これにより、比較的波長の短い光を発光して出力することができる。
また、本発明に係る点発光型発光素子では、上記ストライプリッジ (20) の幅は、１μｍ以上１００μｍ以下であって、上記ネック部 (21) の幅は、１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。
【００１０】
また、本発明に係る点発光型発光素子の製造方法は、第１の目的を達成するために、基板(10)上に複数の素子を形成して各素子ごとに分割することにより点発光型発光素子を製造する方法であって、
基板(10)上にｎ型層(12)、活性層(13)及びｐ型層(14)を積層することと、
上記各素子に対応してそれぞれ、一端面に他の部分より幅の狭いネック部(21)を有するストライプリッジ(20)を形成することと、
少なくとも上記ストライプリッジ(20)の一端面と上記ネック部(21)の上面及び両側面に遮光膜(31)を形成することと、
上記ネック部(21)において上記ストライプリッジ(20)の長手方向に直交する方向に素子を分割することとを含むことを特徴とする。
このように構成された本発明に係る点発光型発光素子の製造方法によれば、発光点がリッジストライプの先端部分の狭い範囲に制限された発光素子を容易に作製することができ、極めて微小な発光点を有する発光素子を安価に製造することができる。
【００１１】
また、上記第２の目的を達成するために、本発明に係る集光点発光型発光素子は、活性層(13)がその活性層よりバンドギャップの大きいｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に設けられてなるダブルへテロ構造の半導体積層構造を有し、上記ｐ型半導体層表面の一部分の発光点(150)から光を出射する面発光型発光素子において、上記発光点(150)の直下に位置する半導体積層構造の内部に、光を上方に反射又は屈折させる錐体面(153b)を有しかつ、上記半導体積層構造は上記錐体面(153b)を中心として複数の発光領域に分離され、その各発光領域において該発光領域で発光した光を上記錐体面(153b)に向かって導波させるように該発光領域より幅の狭いリッジ(130)が上記ｐ型半導体層に形成されたことを特徴とする。
【００１２】
以上のように構成された本発明に係る集光点発光型発光素子は、上記各発光領域に導波路が形成されているので、各発光領域で発光された光は導波路により発光点の方向に導波され、錐体面により反射又は屈折されて狭い領域から出力することができ、点光源として利用できる。
また、本発明に係る集光点発光型発光素子では、上記各発光領域で発生された光が集光されて出力されるので、輝度の高い発光が可能になる。
さらに、本発明に係る集光点発光型発光素子では、光を狭い領域に集光して出力できるので、ニアフィールドパターンが良好な単一モードのスポット光を実現できる。
【００１３】
また、本発明に係る集光点発光型発光素子において、上記複数の発光領域は、上記発光点(150)とその近傍を除く上記半導体積層構造において、隣接する発光領域の間が上記ｎ型半導体層の途中までエッチングされることにより互いに分離され、そのエッチングにより露出されたｎ型半導体層上にそれぞれｎ電極(112)が形成するようにして構成することができる。
【００１４】
また、本発明に係る集光点発光型発光素子において、上記錐体面(153b)は、上記積層構造に形成された光の出射方向に頂点を有する錐体空洞により構成することができる。
【００１５】
さらに、本発明に係る集光点発光型発光素子において、上記錐体面(153b)はまた、上記積層構造において少なくともｎ型半導体層に達するように形成された光の出射方向に向かって広がった錐形状の凹部に上記活性層(13)より屈折率の高い透光性部材(152a)を充填することにより構成することができる。
【００１６】
また、本発明に係る集光点発光型発光素子において、上記錐体面(153b)は円錐面であることが好ましく、これにより、真円に近いスポット光が得られる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施の形態の点発光型発光素子について説明する。
実施の形態１．
本発明に係る実施の形態１の点発光型発光素子は、窒化物半導体発光素子であって、図１に示すように、例えば、サファイアからなる基板１０上に、バッファ層１１を介して、それぞれ窒化物半導体からなるｎ型層１２、活性層１３及びｐ型層１４が積層されてなりその一端面に凸部２１ａを有するストライプリッジ２０が形成され、その凸部２１ａの先端面を除いて実質的に全て遮光膜３１により覆われていることを特徴とし、以下のように製造される。
【００１８】
まず、図２に示すように、基板１０の上に、例えば、低温で成長されたＧａＮ層からなるバッファ層１１、例えば、ＳｉがドープされたＧａＮからなるｎ型層１２、例えば、ＩｎＧａＮからなる活性層１３、例えば、ＭｇがドープされたＧａＮからなるｐ型層１４を順次積層する。
次に、各素子に対応する領域にそれぞれストライプリッジ２０を形成しかつ各素子領域を定義するために以下のように２段階でエッチングをする。
【００１９】
すなわち、第１エッチングでは、ストライプリッジ２０を形成する領域に第１マスクを形成して、第１マスクが形成されていない部分を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いてｎ型層１２の途中までエッチングする。この第１エッチングのために形成する第１マスクは、ストライプリッジ２０の一端面側のへき開面の前後に対応する部分の幅が他の部分に比較して狭くなるように形成され、これにより、エッチング後にストライプリッジ２０の一端面に連続して形成された幅の狭いネック部２１が形成される。
尚、ストライプリッジ２０の長軸とネック部２１の長軸とは一致していることが好ましい。
【００２０】
ここで、ストライプリッジの幅としては、特に限定されないが、好ましくは、１μｍ以上１００μｍ以下の範囲とし、より好ましくは、５μｍ以上５０μｍ以下の範囲とする。これは、１μｍ以下であると、エッチングによりストライプリッジ２０、及びそれよりも幅の狭いネック部２１の形成を精度良く実施することが困難となり、１００μｍ以上のストライプ幅では、活性層内で発生した光が幅の広いリッジ２０内を導波する際、窒化物半導体による光の損失が、大きくなるからである。また、５μｍ以上であると、エッチングにより精度良くリッジストライプ２０及びそれよりも幅の狭いネック部２１が形成でき、５０μｍ以下であることにより、上記光の損失をより低く抑えて、一端面から光を出射させることができる。ここでは、２０μｍの幅で形成する。
【００２１】
本発明において、ネック部２１の幅としては、特に限定されず、上述したように、所望の微小光源となるように、適宜ストライプ幅、特に最後に得られる一端面の幅を決定すればよい。好ましくは、ネック部２１のストライプ幅を、１μｍ以上１０μｍ以下の範囲とする。このように範囲を設定した理由は、１μｍ未満では、エッチングで精度良くネック部２１を形成することが難しくなり、１０μｍより大きいと、微小光源として適さない傾向にあるからである。ここでは、ネック部２１の幅を２〜３μｍの範囲とする。加えて、ネック部２１の長手方向における長さについても、本発明では特に限定されず、一端面を得るために劈開する際に、劈開可能な長さとすれば良く、具体的には、好ましくは１μｍ以上５０μｍ以下の範囲、より好ましくは５μｍ以上３０μｍ以下の範囲に設定する。これは、１μｍ以下である場合は上記エッチング精度による問題があり、５μｍ以上とすることで不良の少ないネック部２１でのへき開が可能になる。
【００２２】
すなわち、サファイア基板のように、窒化物半導体と異なる材料を用いた劈開において、劈開位置がずれる場合があり、ネック部２１内で劈開されない劈開不良が５μｍ未満では多く発生するおそれがあるが、５μｍ以上とすることでこれを回避できる。また、５０μｍより大きくしても劈開不良数を増加させることなく劈開できるが、ウエハ１枚当たりのチップ数を減らすことになり、３０μｍ以下とすることで、良好な劈開、良好な歩留まりを実現でき、しかも一定以上の取り個数を確保できる。ここでは、例えば、１０μｍの長さで形成する。
【００２３】
第２エッチングでは、第１エッチングに用いたマスクはそのままにして、素子を分離するための分離領域を除いて第２マスクを形成して、分離領域の窒化物半導体層をバッフア層１１の途中又は基板１０の表面までＲＩＥにより除去する。このように、２段階のエッチングにより最終的に分離される各素子にそれぞれ対応し、それぞれストライプリッジ２０とネック部２１とを有する素子領域が形成される(図３)。
【００２４】
次に、図４に示すように、ストライプリッジ２０のｐ型層１４の上にｐ型オーミック電極４１を形成し、ストライプリッジ２０の一方の側面の外側に露出したｎ型層の表面にｎ型オーミック電極４３を形成する。
そして、各素子領域のｐ型オーミック電極４１の上面とｎ型オーミック電極４３の上面とを除いて、実質的にウエハ全体を覆うようにＳｉＯ２膜を形成する（図示せず）。次に、そのＳｉＯ２膜により開口されたｐ型オーミック電極４１と接するようにｐパッド電極４２を形成し、ＳｉＯ２膜により開口されたｎ型オーミック電極４３と接するようにｎパッド電極４４を形成する（図５）。
ここで、図５に示すように、ｎパッド電極４４はｎ型オーミック電極４３に重なるように形成し、ｐパッド電極４２は、ストライプリッジ２０の上面においてｐオーミック電極と接触しかつその部分からストライプリッジ２０の他方の側面及びその側面の外側に位置するＳｉＯ２膜の上に延在するように形成される。
【００２５】
次に、ｎパッド電極４４とその周辺及びｐパッド電極４２とその周辺とを覆うようにマスクを形成して、ウエハ全体にＣｒ／Ａｕ（Ｃｒを薄く形成した後Ａｕを形成したもの）からなる金属膜（遮光膜）を蒸着又はスパッタリング装置を用いて形成する。このようにして、ストライプリッジ２０の一方の側面、ネック部２１の両側面を含むウエハ上のほぼ全面に遮光膜３１を形成する。
この状態で、ウエハの上面は、ｎパッド電極４４とその周辺及びｐパッド電極４２の周辺のわずかな部分を除いて、ｎパッド電極４４、ｐパッド電極４２及び遮光膜３１のいずれかで覆われていることになる。
ここで、遮光膜３１とｎパッド電極４４及びｐパッド電極４２とは、ｎパッド電極４４の周り及びｐパッド電極４２の周りで電気的に分離されている。
【００２６】
次に、以下のようにして各素子ごとに分割して、分割された後の基板１０の側面に遮光膜３１を形成する。
まず、ウエハの上面に遮光膜３１を形成したウエハを、感熱シートに電極面（表面）を対向させて貼り付けて、ウエハの裏面をスクライブする。
ここで、リッジストライプ２０の長手方向に垂直なスクライブラインの形成位置は、ネック部２１の中央部でネック部２１と直交するように形成する。
【００２７】
次に、スクライブしたウエハ裏面をダイボンドシートに貼り付けた後、感熱シートをウエハの表面から剥がす。
そして、ダイボンドシートを等方向にかつ均一に引き伸ばすことにより、個々の素子チップに分割しかつ隣接するチップ間に間隔を作る。
ここで、この分割後の各チップの凸部２１ａの先端の端面は、ウエハ上面に遮光膜３１を形成した後に分割されたへき開面であるので、遮光膜は形成されていない。
【００２８】
次に、チップ間の間隔が変化しないようにして、１０μｍの厚さの粘着層を有する粘着シートの粘着層に各チップの電極面を押しつけて粘着させ、ダイボンドシートをはがす。この段階で、各チップはサファイア基板１１の裏面を上にして、互いに一定の間隔を隔てて粘着シート上に並んだ状態になる。また、各チップはその電極面が粘着シートの粘着層に比較的大きな力で押しつけられ、粘着シートにしっかり固定されるとともに、後述の基板裏面及び側面に遮光膜を形成する工程において各チップの上面、特に、各チップの凸部２１ａの先端の端面に遮光膜が形成されないようにマスクする機能も有している。
【００２９】
次に、粘着シート上に、基板裏面を上にして所定の間隔で並んだチップを蒸着又はスパッタリング装置にセットして、Ｃｒ膜（例えば６００Å）及びＡｕ膜（例えば２４００Å）を順次形成する。このようにして、遮光膜３１が基板の裏面及び側面に形成される。
【００３０】
以上のような工程により、分割された後のチップ状態において、ストライプリッジ２０の一端面に突出して形成された凸部２１ａの先端端面を除いて実質的に全て、遮光性のあるｎパッド電極４４、ｐパッド電極４２及び遮光膜３１のいずれかで覆われた窒化物半導体発光素子を作製することができる。
これにより、ストライプリッジ２０の一方の端面において、さらに凸部２１ａの先端端面の限られた領域から発光させることが可能な点発光型発光素子を提供できる。
【００３１】
また、本実施の形態１の凸部２１ａの先端端面から発光させる点発光型発光素子は、凸部２１ａの幅を狭く形成することにより、発光点を極めて狭い微小領域に容易に制限することができる。
すなわち、ストライプリッジの端面に遮光膜を所定のパターンに形成して発光領域を制限することは困難であるが、本実施の形態１の構成及び製造方法では、ストライプリッジの端面に連続してストライプリッジより幅の狭いネック部２１を形成して、遮光膜を形成した後にネック部２１においてへき開するという独特の手法を用いることにより、ストライプリッジの発光端面においてさらに発光点を狭い領域に制限しているので、容易に発光点を微小領域に制限できる。
【００３２】
以上、本発明の実施の形態１について説明したが、本発明は上述の実施の形態１に限定されるものではなく、以下のように種々の変形が可能であり、かつ種々の材料を適用することができる。
【００３３】
実施の形態１の変形例．
本発明に用いる基板としては、窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板としては、例えば、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡ１２Ｏ４）のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等、窒化物半導体を成長させることが可能で従来から知られており、窒化物半導体と異なる基板材料を用いることができる。好ましい異種基板としては、サファイア、スピネルが挙げられる。また、ＧａＮ、ＡｌＮ等の窒化物半導体基板を用いても良い。
【００３４】
基板上に形成する窒化物半導体としては、ＩＩＩ−Ｖ族窒化ガリウム系化合物半導体として知られている材料を用いることができ、例えば、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）、さらにはＩＩＩ族元素にＢを加えたり、Ｖ属元素のＮの一部をＡｓ、Ｐで置換したＩｎＡｌＧａＢＮ、ＩｎＡｌＧａＮＰ、ＩｎＡｌＧａＮＡｓにも適用できる。活性層としてはＩｎｕＡｌｖＧａ１−ｕ−ｖＮ（０＜ｕ＜１，０≦ｖ＜１，０≦ｕ＋ｖ＜１）を用いることで良好な発光層が得られる。本発明の窒化物半導体に用いるｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ、Ｔｉ、Ｚｒ等のＩＶ族、若しくはＶＩ族元素を用いることができ、好ましくはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎを、さらに最も好ましくはＳｉを用いることで、良好なキャリアを生成することができる。また、ｐ型不純物としては、特に限定されないが、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｃａなどが挙げられ、好ましくはＭｇが用いられる。これにより、ｎ型層、ｐ型層を構成するｎ型窒化物半導体、ｐ型窒化物半導体を形成する。
【００３５】
また、本発明におけるストライプリッジ２０とネック部２１との関係については、上述したように、リッジストライプ２０より幅を狭くして、所望の形状、大きさの微小光源を得るようにネック部を設けるものであるが、図３等に示した形状に限定されるものではない。
すなわち、リッジストライプ２０、ネック部２１は、図３で示すように、幅がほぼ一定のストライプとして形成しても良いが、ストライプの長手方向の位置に応じて、幅が異なるようにしたテーパ状としても良い。具体例としては、リッジストライプ２０を、長手方向において、ネック部２１及び一端面側に向かうに従って、幅が狭くなるテーパ状のストライプとすることで、ストライプリッジ２０からの光をネック部２１に集光するようにして、光の取り出し効率を向上させても良い。これらテーパ処理は、リッジストライプ２０の長手方向の全ての領域にわたって、形成されても良く、部分的に、例えば上記例では、ネック部２１との連結部から長手方向にストライプ２０の一部に設けるようにしても良い。ネック部２１についても、同様の形状を用いることができる。
【００３６】
更に、本発明のリッジストライプ２０について、例えば図３に示すように、リッジストライプ２０は、ｎ型層１２の途中までの深さで設けられているが、本発明はこれに限らず、活性層よりも上で、すなわち、活性層１３に達しない深さでエッチングして、リッジストライプ２０を設ける構造でも良い。活性層１３よりも上にリッジストライプ２０を形成すると、活性層１３を露出させて大気暴露させることによる活性層材料の劣化を抑えた構造とでき、特にストライプ幅が１０μｍ以下の狭ストライプとする場合に活性層１３の劣化を防止する効果が顕著に表れる。一方で、ネック部２１は、一端面を設けて、それを出射面として所望の微小光源とするため、好ましくは活性層１３よりも深くｎ型層に達する深さで形成することが好ましい。このように、ネック部２１におけるエッチングの深さとリッジストライプ２０の両側をそれぞれの機能に応じて変えてもよい。
【００３７】
本発明のリッジストライプ２０とネック部２１との連結部において、例えば図３に示すように、リッジストライプ２０の長手方向にほぼ垂直な面でもって連結しているが、本発明はこれに限らず、この連結部が長手方向に対して９０°よりも小さい角度で交差するように、例えば、前記テーパ処理を連結部に施すなどのような形態を採ることも可能である。こうすることで、リッジストライプ２０からネック部２１への光の導波を効率よくすることができ、連結部での反射による光の損失を抑えて、光取り出し効率を向上させることができる。
【００３８】
さらに、遮光膜３１としては、発光素子からの光を遮光できる膜であれば特に限定されるものではなく、光吸収膜であるＴｉＯ、ＳｉＯあるい、金属膜であるＣｒ、Ｔｉ／Ｐｔ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕを挙げることができ、これらからなる群から選択される少なくとも一種の材料を用いる。また、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＺｎＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ポリイミドからなる群の少なくとも一種用いることであり、λ／４ｎ（λは波長、ｎは材料の屈折率）の膜厚で積層した誘電体多層膜としても良い。
さらに、本発明は窒化物半導体に限定されるものではない。
以上のように、本発明は、種々の変形及び材料の適用が可能であり、このように変形しても実施の形態１で説明した効果が得られる。
【００３９】
実施の形態２．
次に、図面を参照しながら、本発明に係る実施の形態２の集光点発光型発光素子について説明する。
本実施の形態２の集光点発光型発光素子は、図８に示すように、それぞれ発光点１５０を中心として放射状に形成された複数の発光領域２００を備え、各発光領域２００で発光した光はそれぞれ各発光領域２００に形成された導波路を介して上記放射状の中心近傍まで導波されて発光点１５０から出射される。
【００４０】
本実施の形態２の集光点発光型発光素子において、各発光領域２００は、基板１０１上にバッファ層１０２、ｎ型コンタクト層１０３、ｎ型クラッド層１０４、活性層１０５、ｐ型クラッド層１０６、ｐ型コンタクト層１０７が順次積層されてなる半導体積層構造を、発光点１５０を中心として放射状にｎ型コンタクト層１０３が露出するまでエッチングをすることにより形成される（図８〜図１０）。
これにより、それぞれ基板１０１上に形成されたバッファ層１０２、ｎ型コンタクト層１０３、ｎ型クラッド層１０４、活性層１０５、ｐ型クラッド層１０６、ｐ型コンタクト層１０７が順次積層されてなる半導体積層構造と発光点１５０に向かう長手方向を有する複数の発光領域２００が放射状に形成され、隣接する発光領域２００の間にはｎ型コンタクト層１０３が露出される（図８，図１０）。
【００４１】
ここで、本実施の形態２において、活性層１０５は例えばＩｎＧａＮからなり、ｎ型クラッド層１０４及びｐ型クラッド層１０６は活性層１０５よりバンドギャップの大きい例えばＡｌＧａＮからなり、各発光領域２００はダブルへテロ構造を有する。本実施の形態２において、活性層１０５としては多重量子井戸構造や単一量子井戸構造など種々の構造を用いることができ、ｎ型クラッド層１０４及びｐ型クラッド層１０６のＡｌの混晶比は縦方向の光閉じ込め等を考慮してを適切な値に設定することができる。すなわち、縦方向の光閉じ込めを向上させるためにはＡｌの混晶比を高くすればよい。さらに本実施の形態２では、結晶性の向上させるために、横方向成長等を利用して下地層を形成し、その上にｎ型クラッド層１０４、活性層１０５及びｐ型クラッド層１０６を成長させるようにすることもできる。
【００４２】
また、本実施の形態２の集光点発光型発光素子の各発光領域２００では、ｐ型半導体層（ｐ型クラッド層１０６とｐ型コンタクト層１０７）において、所定の幅に中央部が残るようにその両側をｐ型クラッド層１０６の途中までエッチングして除去することによりリッジ１３０が形成され、絶縁膜１０８の開口部を介してそのリッジ１３０の上面（リッジ１３０におけるｐ型コンタクト層１０７の表面）のみにオーミック接触するｐ電極１１１が形成される（図８，図１０）。
これにより、リッジ１３０の直下に位置する活性層の実効屈折率がその両側の活性層より高くなってリッジ１３０の直下に発光した光が閉じ込められて、リッジ１３０に沿って光が導波される。
このリッジの幅は光を効果的に導波させるために好ましくは、１μｍ〜５μｍより好ましくは１．５μｍ〜３μｍの範囲に設定する。
尚、厚み方向の光の閉じ込めは、活性層１０５が屈折率の小さいｎ型クラッド層１０４及びｐ型クラッド層１０６に挟まれることにより実現される。
【００４３】
また、本実施の形態２において、各発光領域２００の発光点１５０と反対側に位置する他方の端面（例えば、モニター用に利用されるので、以下、モニター側端面という。）には、導波光を反射させるためのミラー膜が形成されることが好ましい。このようにモニター側端面にミラー膜を形成すると、その端面で反射された光を発光点１５０から出力できるので、不用な放射による損失を低減でき、出射効率を向上させることができる。また、この場合、条件によってはモニター側端面で反射した光を増幅して発光点から出力することができ、より効果的に出射できる。このミラー膜は、例えば、ＳｉＯ２膜とＴｉＯ２膜とからなる誘電体多層膜で構成することができ、この場合、膜厚はｎλ／４（ｎ＝１，２，３・・・、λは誘電体中における光の波長）に設定することが好ましく、良好な反射特性を得るために２ペア以上積層することが好ましい。さらに、本実施の形態２においては、ミラー膜を後述の絶縁膜１１３と共通の材料で同一工程で一度に形成することが好ましく、これにより製造工程を簡略化でき製造コストを低減できる。
【００４４】
本実施の形態２において、ｎ電極１１２は隣接する発光領域２００の間に露出されたｎ型コンタクト層１０３上にそれぞれ形成される（図８，図１０）。
また、本実施の形態２において、発光点１５０の直下の半導体積層構造内部には、図９に示すように、出射方向に頂点を有する円錐形状の空洞１５２が形成され、各発光領域２００で発光して導波された光はその空洞１５２の錐体面１５３により上方に反射されてｐ電極１１１の開口部（発光点１５０）を介して出力される。
【００４５】
次に、本実施の形態２の集光点発光型発光素子の製造方法について、具体的な材料を例示しながら説明する。
（マスク１５１形成工程）
本製造方法ではまず、図１１に示すように、基板１０１上に空洞１５２を形成するためのマスク１５１を形成する。
【００４６】
ここで、本実施の形態２では、基板１０１として、Ｃ面、Ｒ面又はＡ面を主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）等の絶縁基板、ＳｉＣ（６Ｈ，４Ｈ，３Ｃを含む）、Ｓｉ、Ｚｎ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の半導体基板を用いることができるが、窒化物半導体を用いる場合には、窒化物半導体を結晶性良く成長させることができるサファイア基板又はＧａＮ基板を用いることが好ましい。
また、基板１０１としては、上に積層される半導体層に比較して０．２以上屈折率が小さいことが好ましい。
【００４７】
また、マスク１５１は、後の半導体層を成長させる時に１０００℃又はそれ以上の高温に曝されることから、そのような高温において分解されることがなく、かつマスク１５１上には半導体層が成長しない材料を用いて形成する必要が有り、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ｗ等を用いることができる。
また、マスク１５１は円形（円柱形状）に形成されることが好ましく、これにより、半導体積層構造中に円錐形状の空洞１５２を形成することができ、真円に近いスポット光を形成できる。
また、マスク１５１の径は、必要な（要求される）スポット径に対応して決定されるが、良好な単一モードの光を得るためには、マスク径は好ましくは０．５μｍ〜２０μｍの範囲、より好ましくは１μｍ〜１０μｍの範囲に設定する。
【００４８】
（半導体層成長工程）
次に、マスクが形成された基板１０１上に、
例えば、ＧａＮからなる厚さ２００Åのバッファ層１０２、
例えば、Ｓｉが４．５×１０１８／ｃｍ３ドープされたｎ型ＧａＮからなる厚さ４μｍのｎ型コンタクト層１０３ａ、
例えば、Ｓｉが１×１０１８／ｃｍ３ドープされたＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる厚さ１μｍのｎ型クラッド層１０４ａ、
例えば、Ｉｎ０．３７Ｇａ０．６３Ｎからなる厚さ０．０９μｍの活性層１０５ａ、
例えば、Ｍｇが２×１０１８／ｃｍ３ドープされたＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる厚さ０．５μｍのｐ型クラッド層１０６ａ、
例えば、Ｍｇが１×１０１８／ｃｍ３ドープされたｐ型ＧａＮからなる厚さ１５０Åのｐ型コンタクト層１０７ａを順次成長させる（図１１）。
以上の工程により、図１１に示すように、マスク１５１上に円錐形状の空洞１５２を有する半導体積層構造が形成される。
【００４９】
（発光領域形成エッチング）
次に、半導体積層構造上に、プラズマＣＶＤ法により、膜厚が０．５μｍのＳｉＯ２膜を形成する。続いて、フォトリソグラフィー技術を用いてマスク５１の中心軸上に頂点を有する複数の扇形のパターンを放射状に形成して、上記ＳｉＯ２膜を例えばＲＩＥ法でエッチングする。さらに、上記ＳｉＯ２マスクが形成されていない部分をｎ型コンタクト層３が露出するまで例えばＲＩＥ法でエッチングすることにより、複数（本実施の形態では４８個）の扇形の発光領域２００を形成する（図５）。ここで、発光領域２００の扇形の半径と頂点の角度は互いに同一に設定され、頂点近傍では分離されずに一体化されている。マスクの材質は上記ＳｉＯ２の他にＳｉＮ等の誘電体膜、レジストマスクを用いても良い。また、プラズマＣＶＤ法の他にマグネトロンスパッタ法、ＥＣＲ法等で成膜することもできる。
【００５０】
（リッジ形成）
次に、各発光領域２００の上面にそれぞれリッジを形成するためのエッチングマスク（例えば、ＳｉＯ２）を一定の幅（例えば、２μｍ幅、０．５μｍの膜厚）に形成して、各発光領域においてそのエッチングマスクの両側をｐ型クラッド層１０６の途中までエッチングにより除去することにより、各発光領域２００においてリッジ１３０を形成する（図１３）。
【００５１】
（ｐ電極形成）
次に、各発光領域２００においてリッジの上面のみを露出させて他の部分を覆う絶縁層（例えば、膜厚が０．２μｍ以下のＺｒＯ２）８を形成して、図１４に示すように、その上から露出されたリッジの上面のみとオーミック接触するようにｐ電極１１１を形成する。
ここで、ｐ電極１１１は、ｐ型ＧａＮ層と良好なオーミック接触が可能な例えば、Ｎｉ（１００Å）／Ａｕ（１５００Å）を用いて形成される。
【００５２】
（ｎ電極形成）
次に、隣接する発光領域の間に露出されたｎ型コンタクト層１０３の上にｎ電極１１２を形成する（図１４）。
ここで、ｎ電極１１２は、ｎ型ＧａＮ層と良好なオーミック接触が可能な例えば、Ｔｉ（１００Å）／Ａｌ（５０００Å）を用いて形成される。
尚、ｎ電極１１２は、各発光領域の外周端（外側の円弧）から所定の間隔を隔てた外側（発光点を中心とし扇型の発光領域の半径より若干大きい半径の円の外側）のｎ型コンタクト層の上においては全面に形成され（全面電極部）、発光領域間に形成された複数のｎ電極１１２は互いにその全面電極部で電気的に導通される。好ましくはｎ電極を形成した後、７００℃以下の温度でアニールを行う。
また、全面電極部分は、外部回路との接続に用いられる。
【００５３】
（絶縁膜１１３形成）
次に、ｐ電極１１１の上面を除いた発光領域及び発光領域の間と外側に露出されたｎ型コンタクト層１０３を全て覆う絶縁膜１１３を、各発光領域の間を埋めるように形成する（図１０、図１５）。
尚、絶縁膜１１３は、ｎ電極１１２の全面電極部分の内周及び外周の一部を覆うように形成する。すなわち、絶縁膜１１３はｎ電極１１２の全面電極部分の主要な部分を露出させるように形成され、全面電極部分の露出した領域は外部回路との接続用に用いられる。
【００５４】
本実施の形態２においては、絶縁膜１１３は各発光領域２００の端面のミラー膜を兼ねるために、低屈折率材質層と高屈折率材質層とを組み合わせた多層膜とし、例えば、（ＳｉＯ２／ＴｉＯ２）を２ペア以上で構成した誘電体多層膜とする。この構成では、ペア数を増やすことで反射率を増加させることができる。絶縁膜１１３を構成する多層膜において、上述の例では低屈折率材質としてＳｉＯ２を用い、高屈折率材質としてＴｉＯ２、を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、以下のような材料を用いてミラー膜を兼ねた多層膜を構成できる。すなわち、低折率材質膜としてはＳｉＯ２以外に、ＭｇＦ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯＮ、ＭｇＯ等があり、高屈折率材質としてはＴｉＯ２以外に、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＮｘ、ＡｌＮ、ＧａＮ等があり、これらの組み合わせにより、発光波長において光の吸収の無い誘電体多層膜を構成できる。
【００５５】
（ｐパッド電極形成）
次に、図１６に示すように、露出したｐ電極１１１を接続するための円形（発光点を中心とし扇形の発光領域半径にほぼ等しい円）の部分１２１ａとその円形の部分２１ａにネック部２１ｃを介して接続されたパッド部１２１ｂとからなるｐパッド電極１２１を形成する。ｐパッド電極には例えば、Ｎｉ（１０００Å）／Ｔｉ（１０００Å）／Ａｌ（８０００Å）を用いる。
【００５６】
（ｎパッド電極形成）
次に、ｎ電極１１２に電気的に接続するボンディング用のｎパッド電極１２２を露出したｎ電極１１２上に形成する。ｎパッド電極には例えば、Ｎｉ（１０００Å）／Ｔｉ（１０００Å）／Ａｌ（８０００Å）を用いる。
以上のようにして、図１７に示す電極配置を有する本実施の形態２の集光点発光型発光素子が製造される。
【００５７】
以上のように構成された実施の形態２の集光点発光型発光素子は、各発光領域に導波路が形成されているので、各発光領域２００で発光された光は導波路により発光点の方向に導波され、空洞１５２の円錐面により反射されてｐ電極に形成された開口部である発光点１５０から出力される。
これにより、各発光領域２００で発生された光が発光点１５０に集められて出力されるので、輝度の高い発光が可能になる。
また、本実施の形態２の集光点発光型発光素子では、円錐形状の空洞１５２により円錐形状の反射面が構成されているので、真円に近いスポット光が得られる。
また、本実施の形態２の集光点発光型発光素子では、円形マスク１５１の径により極めて小さい円錐形状の空洞１５２を容易に形成することができ、良好な単一モードのスポット光を実現できる。
【００５８】
本実施の形態２の集光点発光型発光素子は、窒化ガリウム系化合物半導体素子を用いて半導体積層構造を構成しているので、黄色、青色、紫色及び紫外光等の比較的波長の短い領域のスポット光を発光することができる。
【００５９】
実施の形態２の変形例
以上の実施の形態２では、円錐形状の空洞１５２により円錐形状の反射面を形成したが、本発明はこれに限られるものではなく、以下のようにして円錐形状の屈折面を形成して、集光した光を発光点から出力するようにしてもよい。
すなわち、本発明では、図１８に示すように、発光点直下の半導体積層構造において、少なくともｎ型半導体層に達するように光の出射方向に向かって広がった錐形状の凹部を形成し、その凹部に活性層より屈折率の高い透光性部材１５２ａを充填する。
【００６０】
このようにすると、各発光領域において発光して発光点に向かって導波された光が、凹部の円錐面において半導体層（主に活性層）と屈折率の高い透光性部材１５２ａとの間の屈折率差によって屈折して、透光性部材１５２ａの中を上方に進行する。
これにより発光点１５０を介して上方に出力される。
以上のように構成しても実施の形態２と同様の作用効果が得られる。
【００６１】
また、以上の実施の形態２では、各発光領域を発光点を中心として放射状に導波路が直線になるように形成したが、本発明はこれに限られるものではなく、図１９に示すように、曲率を持った発光領域２０１を形成するようにして構成してもよい。
以上のように構成しても実施の形態２と同様な作用効果が得られ、かつ発光領域の長さを長くできる。
【００６２】
以上実施の形態２の集光点発光型発光素子において、各発光領域はそれぞれ窒化ガリウム系化合物半導体層からなるｎ型コンタクト層１０３、ｎ型クラッド層１０４、活性層１０５、ｐ型クラッド層１０６、ｐ型コンタクト層１０７が順次成長されたダブルへテロ構造としたが、本発明はこれに限られるものではなく、少なくとも活性層が該活性層より屈折率の高い（バンドギャップの小さい層）により挟まれた光を厚さ方向に閉じ込めることができる構造であればよい。
【００６３】
また、ｎ型クラッド層１０４と活性層１０５の間及び活性層とｐ型クラッド層１０６の間にそれぞれ、ｎ型、ｐ型光ガイド層が形成されていてもよい。
また、本実施の形態２では、発光領域を扇形に形成したが本発明はこれに限られるものではない。
さらに、以上の実施の形態２では、窒化ガリウム系化合物を用いて構成したが、本発明はこれに限られるものではなく、ＧａＡｓやＩｎＧａＰ等の他の半導体を用いて構成することもできる。
またさらに、以上の実施の形態２では、錐体面を円錐形状に形成したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、各発光領域の導波路を導波された光が上方（面の垂直方向）に屈折又は反射されるように面の垂直方向に対して傾斜した面をからなる多角錐体面であってもよい。
【００６４】
またさらに、実施の形態２では、一例として特定の半導体積層構造について説明したが、本願はこれに限られるものではない。
例えば、上述の前記半導体積層構造の他に、マスクが形成された基板１０１上に、ＡｌＧａＮからなる厚さ２００Å程度のバッファ層１０２、ノンドープｎ型ＧａＮ層、Ｓｉが２．５×１０１８／ｃｍ３ドープされたｎ型ＧａＮ層をトータル厚さ４μｍのｎ型コンタクト層１０３、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０．１≦ｘ≦０．１５）からなり厚さ１０００〜１５００Åのクラック防止層、ＧａＮからなるクラッド層、Ｓｉドープで（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ）の超格子構造から成る膜厚２０００Å以下のｎ型ガイド層、さらに発光層を（バリア層ＧａＮ／活性層ＩｎＧａＮ／キャップ層ＧａＮ）を６ペアで形成後、ラストバリア層をＧａＮで形成する。次に、ＭｇドープＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．３５）からなる厚さ１００〜３５０Åのｐ型キャップ層、Ｍｇドープで（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ）の超格子構造から成る膜厚２０００Å以下のｐ型ガイド層、ＭｇがドープされたＧａＮからなる厚さ６０００Å以下のｐ型クラッド層、Ｍｇがドープされたｐ型ＧａＮからなる厚さ１５０〜２００Åのｐ型コンタクト層を順次成長させた半導体積層構造としてもよい。
【００６５】
また、実施の形態２では、発光点１５０の下に頂点が閉じた（塞がれた）空洞１５２を形成するようにしたが、本発明はこれに限られるものではなく、図２０に示すように、上部において開口した錐形状の空洞１５２ｂ（錐体面１５３ｂを有する）を用いて構成してもよい。
このように、上部で開口した空洞を用いて構成すると、図２１（ｂ）に示すように空洞内に入射された光が空洞内に閉じ込められることなく出射されるので、閉じた空洞１５２（図２１（ａ））に比べて効率よく外部に出射できる。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、発光点が十分小さい微小領域に制限することができ、かつ安価に製造することができる点発光型発光素子とその製造方法を提供することができる。
また、本発明によれば、ニアフィールドパターンが良好な単一スポット光が得られ、発光効率の高い集光点発光型発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にかかる実施の形態１の窒化物半導体発光素子の構成を示す斜視図である。
【図２】 実施の形態１の窒化物半導体発光素子の製造工程ににおいて、サファイア基板上に素子を構成する窒化物半導体層を形成した後の斜視図である。
【図３】 実施の形態１の窒化物半導体発光素子の製造工程ににおいて、リッジストライプ及び各素子領域をエッチングにより形成した後の斜視図である。
【図４】 実施の形態１の窒化物半導体発光素子の製造工程ににおいて、ｐ電極及びｎ電極を形成した後の斜視図である。
【図５】 実施の形態１の窒化物半導体発光素子の製造工程ににおいて、ｐパット電極及びｎパット電極を形成した後の斜視図である。
【図６】 実施の形態１の窒化物半導体発光素子の製造工程ににおいて、素子上面を覆うように遮光膜を形成した後の斜視図である。
【図７】 実施の形態１の窒化物半導体発光素子における、リッジストライプの先端部分を拡大して示す斜視図である。
【図８】 実施の形態２の集光点発光型発光素子の部分平面図である。
【図９】 図８のＡ−Ａ’線についての断面図である。
【図１０】 図８のＢ−Ｂ’線についての断面図である。
【図１１】 本発明に係る実施の形態２の集光点発光型発光素子の製造方法において、半導体積層構造を成長させた後の断面図である。
【図１２】 実施の形態２の集光点発光型発光素子の製造方法において、半導体積層構造に発光領域を形成した後の平面図である。
【図１３】 実施の形態２の集光点発光型発光素子の製造方法において、各発光領域にリッジを形成した後の平面図である。
【図１４】 実施の形態２の集光点発光型発光素子の製造方法において、各発光領域にｐ電極を形成し、発光領域の間にｎ電極を形成した後の平面図である。
【図１５】 実施の形態２の集光点発光型発光素子の製造方法において、発光領域を埋めるように絶縁膜１１３を形成した後の平面図である。
【図１６】 実施の形態２の集光点発光型発光素子の製造方法において、全ての発光領域のｐ電極を接続するｐパッド電極を形成した後の平面図である。
【図１７】 実施の形態２の集光点発光型発光素子の電極配置を示す平面図である。
【図１８】 実施の形態２の変形例の屈折錐体面の構成を示す断面図である。
【図１９】 実施の形態２の変形例の発光領域を示す平面図である。
【図２０】 実施の形態２の変形例の空洞１５２ｂ（上部が開口したもの）の構成を示す断面図である。
【図２１】 上部が閉じた空洞を用いた場合（ａ）と上部が開口した空洞を用いた場合（ｂ）の光が出射される様子を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
１０，１０１…基板、
１１，１０２…バッフア層、
１２…ｎ型層、
１３…活性層、
１４…ｐ型層、
２０…リッジストライプ、
２１…ネック部、
２１ａ…凸部、
３１…遮光膜、
４１…ｐ型オーミック電極、
４２…ｐパッド電極、
４３…ｎ型オーミック電極、
４４…ｎパッド電極、
５０…発光点、
１０３…ｎ型コンタクト層、
１０４…ｎ型クラッド層、
１０５…活性層、
１０６…ｐ型クラッド層、
１０７…ｐ型コンタクト層、
１１１…ｐ電極、
１１２…ｎ電極、
１１３…絶縁膜、
１２１…ｐパッド電極、
１２２…ｎパッド電極
１３０…リッジ、
１５０…発光点、
１５１…マスク、
１５２，１５２ｂ…空洞、
１５２ａ…透光性部材、
１５３ｂ…錐体面、
２００，２０１…発光領域、
【発明の属する技術分野】
本発明は発光点が微小領域に限定された点発光型発光素子及び発光した光を集光して微小領域から出力する集光点発光型発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、発光出力の高い青色及び緑色の窒化物半導体発光ダイオードを例えば大型ディスプレイ用の光源として実用化している。この窒化物半導体系発光素子は、例えば、サファイア基板の上に窒化物半導体であるＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ又はそれらの混晶で構成された半導体多層膜にｐ型及びｎ型のオーミック電極を形成して、へき開、ＲＩＥエッチング又はダイシング等によりチップ化されて製造される。このように構成された発光素子において、光は発光層のみならず他の半導体層及び基板内部を透過、屈折、反射を繰り返し、基板の断面及び主表面から放出される。
【０００３】
また、近年では、例えば、光ファイバ通信用の光源、電子写真用の光源あるいはバーチャルリアリティー用の光源等のように微小領域に発光点が限定された発光素子に対する要求が増加していることから、窒化物半導体発光素子においても発光点が微小領域に制限された特有の素子構造が種々提案されている。
【０００４】
現在、微小光源発光素子として、端面発光型の発光素子が提案されている。この端面発光型発光素子は、基本構造として半導体レーザと同様、発光層をワイドバンドギャップのｐ型及びｎ型半導体層で挟んだダブルへテロ構造が用いられ、例えば、窒化物半導体を端面発光型発光ダイオードでは、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮ分離閉じ込め型へテロ構造（ＳＣＨ）が用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、提案されている発光点が微小領域に制限された素子構造では、発光点を微小領域に制限するために高いパターンニング精度が要求され、高度のフォトリソグラフィー技術を用いる必要がある。そのために、発光点が十分微小領域に制限された素子を安価に提供することができないという問題点があった。また、端面発光型発光ダイオードは、スポットサイズの小さい素子は得られるものの、発光層の端面だけではなく、発光層より基板側に積層されたｎ型半導体層の端面からも光が放出されるため、多モードの発光となり、ニアフィールドパターンの良好な単一スポットが必要とされる用途には適していないという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は発光点を十分小さい微小領域に制限することができ、かつ安価に製造することができる点発光型発光素子とその製造方法を提供することを第１の目的とする。
また、本発明はニアフィールドパターンが良好な単一スポット光が得られ、発光効率の高い集光点発光型発光素子を提供することを第２の目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る発光素子の製造方法は、基板上の一部に半導体の成長を妨げるマスク層を設ける第１の工程と、それぞれ半導体からなるｎ型層、活性層及びｐ型層を順次成長させる第２の工程とを備え、前記第２の工程において、前記マスク層を介して前記各半導体層を順次成長させ、半導体積層構造内部に前記マスク層に対応して錐形状の空洞が設けられ、該空洞が前記活性層で発光した光を上方に反射させる傾斜面を有することを特徴とする。
また、本発明に係る発光素子の製造方法は、前記マスク層をＳｉＯ２、ＳｉＮ及びＷからなる群から選択された材料を用いて形成することを特徴とする。
また、本発明に係る発光素子の製造方法は、前記半導体は窒化物半導体からなることを特徴とする。
さらに、本発明に係る発光素子は、基板上の一部に半導体の成長を妨げるマスク層を設け、該マスク層を介して前記基板上にそれぞれ半導体からなるｎ型層、活性層及びｐ型層を順次成長させることにより、半導体積層構造内部に前記マスク層に対応して形成された錐形状の空洞を有し、該空洞が前記活性層で発光した光を上方に反射させる傾斜面を有することを特徴とする。
また、本発明に係る発光素子は、前記空洞は前記マスク層を底面として前記ｎ型層から前記ｐ型層まで貫通し且つ前記ｐ型層表面にて開口していることを特徴とする。
また、本発明に係る発光素子は、前記空洞が円錐体形状又は多角錐体形状であることを特徴とする。
また、本発明に係る発光素子は、前記半導体は窒化物半導体からなることを特徴とする。
また、本発明に係る点発光型発光素子は、上記第１の目的を達成するために、基板(10)上に、それぞれ半導体からなるｎ型層(12)、活性層(13)及びｐ型層(14)が積層されてなるストライプリッジ(20)を有し、そのストライプリッジの一端面から光を出力する発光素子であって、上記ストライプリッジ(20)は上記一端面にネック部(21)と該ネック部との連結部(22)と先端面(23)とから成る凸部(21a)を有しており、前記ネック部と前記ネック部との連結部は遮光膜(31)により覆われていることを特徴とする。
【０００８】
以上のように構成された本発明に係る点発光型発光素子は、発光素子の表面が上記凸部の先端面を除いて遮光膜により覆われているので、上記凸部の先端面のみに発光点を制限することができる。
したがって、本発明によれば、上記凸部の先端面のみから光を放射することができ、その凸部の幅を、形成すべき発光領域に対応させて設定することにより、極めて微小な発光点を有する発光素子を提供することができる。
また、発光素子の表面が上記凸部の先端面を除いて遮光膜により覆われているので、上記凸部の先端面以外の部分からの光の漏れを抑えることができ、発光効率を高くすることができる。
【０００９】
また、本発明に係る点発光型発光素子では、上記ｎ型層(12)、活性層(13)及びｐ型層(14)をそれぞれ、窒化物半導体により構成することができ、これにより、比較的波長の短い光を発光して出力することができる。
また、本発明に係る点発光型発光素子では、上記ストライプリッジ (20) の幅は、１μｍ以上１００μｍ以下であって、上記ネック部 (21) の幅は、１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。
【００１０】
また、本発明に係る点発光型発光素子の製造方法は、第１の目的を達成するために、基板(10)上に複数の素子を形成して各素子ごとに分割することにより点発光型発光素子を製造する方法であって、
基板(10)上にｎ型層(12)、活性層(13)及びｐ型層(14)を積層することと、
上記各素子に対応してそれぞれ、一端面に他の部分より幅の狭いネック部(21)を有するストライプリッジ(20)を形成することと、
少なくとも上記ストライプリッジ(20)の一端面と上記ネック部(21)の上面及び両側面に遮光膜(31)を形成することと、
上記ネック部(21)において上記ストライプリッジ(20)の長手方向に直交する方向に素子を分割することとを含むことを特徴とする。
このように構成された本発明に係る点発光型発光素子の製造方法によれば、発光点がリッジストライプの先端部分の狭い範囲に制限された発光素子を容易に作製することができ、極めて微小な発光点を有する発光素子を安価に製造することができる。
【００１１】
また、上記第２の目的を達成するために、本発明に係る集光点発光型発光素子は、活性層(13)がその活性層よりバンドギャップの大きいｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に設けられてなるダブルへテロ構造の半導体積層構造を有し、上記ｐ型半導体層表面の一部分の発光点(150)から光を出射する面発光型発光素子において、上記発光点(150)の直下に位置する半導体積層構造の内部に、光を上方に反射又は屈折させる錐体面(153b)を有しかつ、上記半導体積層構造は上記錐体面(153b)を中心として複数の発光領域に分離され、その各発光領域において該発光領域で発光した光を上記錐体面(153b)に向かって導波させるように該発光領域より幅の狭いリッジ(130)が上記ｐ型半導体層に形成されたことを特徴とする。
【００１２】
以上のように構成された本発明に係る集光点発光型発光素子は、上記各発光領域に導波路が形成されているので、各発光領域で発光された光は導波路により発光点の方向に導波され、錐体面により反射又は屈折されて狭い領域から出力することができ、点光源として利用できる。
また、本発明に係る集光点発光型発光素子では、上記各発光領域で発生された光が集光されて出力されるので、輝度の高い発光が可能になる。
さらに、本発明に係る集光点発光型発光素子では、光を狭い領域に集光して出力できるので、ニアフィールドパターンが良好な単一モードのスポット光を実現できる。
【００１３】
また、本発明に係る集光点発光型発光素子において、上記複数の発光領域は、上記発光点(150)とその近傍を除く上記半導体積層構造において、隣接する発光領域の間が上記ｎ型半導体層の途中までエッチングされることにより互いに分離され、そのエッチングにより露出されたｎ型半導体層上にそれぞれｎ電極(112)が形成するようにして構成することができる。
【００１４】
また、本発明に係る集光点発光型発光素子において、上記錐体面(153b)は、上記積層構造に形成された光の出射方向に頂点を有する錐体空洞により構成することができる。
【００１５】
さらに、本発明に係る集光点発光型発光素子において、上記錐体面(153b)はまた、上記積層構造において少なくともｎ型半導体層に達するように形成された光の出射方向に向かって広がった錐形状の凹部に上記活性層(13)より屈折率の高い透光性部材(152a)を充填することにより構成することができる。
【００１６】
また、本発明に係る集光点発光型発光素子において、上記錐体面(153b)は円錐面であることが好ましく、これにより、真円に近いスポット光が得られる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施の形態の点発光型発光素子について説明する。
実施の形態１．
本発明に係る実施の形態１の点発光型発光素子は、窒化物半導体発光素子であって、図１に示すように、例えば、サファイアからなる基板１０上に、バッファ層１１を介して、それぞれ窒化物半導体からなるｎ型層１２、活性層１３及びｐ型層１４が積層されてなりその一端面に凸部２１ａを有するストライプリッジ２０が形成され、その凸部２１ａの先端面を除いて実質的に全て遮光膜３１により覆われていることを特徴とし、以下のように製造される。
【００１８】
まず、図２に示すように、基板１０の上に、例えば、低温で成長されたＧａＮ層からなるバッファ層１１、例えば、ＳｉがドープされたＧａＮからなるｎ型層１２、例えば、ＩｎＧａＮからなる活性層１３、例えば、ＭｇがドープされたＧａＮからなるｐ型層１４を順次積層する。
次に、各素子に対応する領域にそれぞれストライプリッジ２０を形成しかつ各素子領域を定義するために以下のように２段階でエッチングをする。
【００１９】
すなわち、第１エッチングでは、ストライプリッジ２０を形成する領域に第１マスクを形成して、第１マスクが形成されていない部分を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いてｎ型層１２の途中までエッチングする。この第１エッチングのために形成する第１マスクは、ストライプリッジ２０の一端面側のへき開面の前後に対応する部分の幅が他の部分に比較して狭くなるように形成され、これにより、エッチング後にストライプリッジ２０の一端面に連続して形成された幅の狭いネック部２１が形成される。
尚、ストライプリッジ２０の長軸とネック部２１の長軸とは一致していることが好ましい。
【００２０】
ここで、ストライプリッジの幅としては、特に限定されないが、好ましくは、１μｍ以上１００μｍ以下の範囲とし、より好ましくは、５μｍ以上５０μｍ以下の範囲とする。これは、１μｍ以下であると、エッチングによりストライプリッジ２０、及びそれよりも幅の狭いネック部２１の形成を精度良く実施することが困難となり、１００μｍ以上のストライプ幅では、活性層内で発生した光が幅の広いリッジ２０内を導波する際、窒化物半導体による光の損失が、大きくなるからである。また、５μｍ以上であると、エッチングにより精度良くリッジストライプ２０及びそれよりも幅の狭いネック部２１が形成でき、５０μｍ以下であることにより、上記光の損失をより低く抑えて、一端面から光を出射させることができる。ここでは、２０μｍの幅で形成する。
【００２１】
本発明において、ネック部２１の幅としては、特に限定されず、上述したように、所望の微小光源となるように、適宜ストライプ幅、特に最後に得られる一端面の幅を決定すればよい。好ましくは、ネック部２１のストライプ幅を、１μｍ以上１０μｍ以下の範囲とする。このように範囲を設定した理由は、１μｍ未満では、エッチングで精度良くネック部２１を形成することが難しくなり、１０μｍより大きいと、微小光源として適さない傾向にあるからである。ここでは、ネック部２１の幅を２〜３μｍの範囲とする。加えて、ネック部２１の長手方向における長さについても、本発明では特に限定されず、一端面を得るために劈開する際に、劈開可能な長さとすれば良く、具体的には、好ましくは１μｍ以上５０μｍ以下の範囲、より好ましくは５μｍ以上３０μｍ以下の範囲に設定する。これは、１μｍ以下である場合は上記エッチング精度による問題があり、５μｍ以上とすることで不良の少ないネック部２１でのへき開が可能になる。
【００２２】
すなわち、サファイア基板のように、窒化物半導体と異なる材料を用いた劈開において、劈開位置がずれる場合があり、ネック部２１内で劈開されない劈開不良が５μｍ未満では多く発生するおそれがあるが、５μｍ以上とすることでこれを回避できる。また、５０μｍより大きくしても劈開不良数を増加させることなく劈開できるが、ウエハ１枚当たりのチップ数を減らすことになり、３０μｍ以下とすることで、良好な劈開、良好な歩留まりを実現でき、しかも一定以上の取り個数を確保できる。ここでは、例えば、１０μｍの長さで形成する。
【００２３】
第２エッチングでは、第１エッチングに用いたマスクはそのままにして、素子を分離するための分離領域を除いて第２マスクを形成して、分離領域の窒化物半導体層をバッフア層１１の途中又は基板１０の表面までＲＩＥにより除去する。このように、２段階のエッチングにより最終的に分離される各素子にそれぞれ対応し、それぞれストライプリッジ２０とネック部２１とを有する素子領域が形成される(図３)。
【００２４】
次に、図４に示すように、ストライプリッジ２０のｐ型層１４の上にｐ型オーミック電極４１を形成し、ストライプリッジ２０の一方の側面の外側に露出したｎ型層の表面にｎ型オーミック電極４３を形成する。
そして、各素子領域のｐ型オーミック電極４１の上面とｎ型オーミック電極４３の上面とを除いて、実質的にウエハ全体を覆うようにＳｉＯ２膜を形成する（図示せず）。次に、そのＳｉＯ２膜により開口されたｐ型オーミック電極４１と接するようにｐパッド電極４２を形成し、ＳｉＯ２膜により開口されたｎ型オーミック電極４３と接するようにｎパッド電極４４を形成する（図５）。
ここで、図５に示すように、ｎパッド電極４４はｎ型オーミック電極４３に重なるように形成し、ｐパッド電極４２は、ストライプリッジ２０の上面においてｐオーミック電極と接触しかつその部分からストライプリッジ２０の他方の側面及びその側面の外側に位置するＳｉＯ２膜の上に延在するように形成される。
【００２５】
次に、ｎパッド電極４４とその周辺及びｐパッド電極４２とその周辺とを覆うようにマスクを形成して、ウエハ全体にＣｒ／Ａｕ（Ｃｒを薄く形成した後Ａｕを形成したもの）からなる金属膜（遮光膜）を蒸着又はスパッタリング装置を用いて形成する。このようにして、ストライプリッジ２０の一方の側面、ネック部２１の両側面を含むウエハ上のほぼ全面に遮光膜３１を形成する。
この状態で、ウエハの上面は、ｎパッド電極４４とその周辺及びｐパッド電極４２の周辺のわずかな部分を除いて、ｎパッド電極４４、ｐパッド電極４２及び遮光膜３１のいずれかで覆われていることになる。
ここで、遮光膜３１とｎパッド電極４４及びｐパッド電極４２とは、ｎパッド電極４４の周り及びｐパッド電極４２の周りで電気的に分離されている。
【００２６】
次に、以下のようにして各素子ごとに分割して、分割された後の基板１０の側面に遮光膜３１を形成する。
まず、ウエハの上面に遮光膜３１を形成したウエハを、感熱シートに電極面（表面）を対向させて貼り付けて、ウエハの裏面をスクライブする。
ここで、リッジストライプ２０の長手方向に垂直なスクライブラインの形成位置は、ネック部２１の中央部でネック部２１と直交するように形成する。
【００２７】
次に、スクライブしたウエハ裏面をダイボンドシートに貼り付けた後、感熱シートをウエハの表面から剥がす。
そして、ダイボンドシートを等方向にかつ均一に引き伸ばすことにより、個々の素子チップに分割しかつ隣接するチップ間に間隔を作る。
ここで、この分割後の各チップの凸部２１ａの先端の端面は、ウエハ上面に遮光膜３１を形成した後に分割されたへき開面であるので、遮光膜は形成されていない。
【００２８】
次に、チップ間の間隔が変化しないようにして、１０μｍの厚さの粘着層を有する粘着シートの粘着層に各チップの電極面を押しつけて粘着させ、ダイボンドシートをはがす。この段階で、各チップはサファイア基板１１の裏面を上にして、互いに一定の間隔を隔てて粘着シート上に並んだ状態になる。また、各チップはその電極面が粘着シートの粘着層に比較的大きな力で押しつけられ、粘着シートにしっかり固定されるとともに、後述の基板裏面及び側面に遮光膜を形成する工程において各チップの上面、特に、各チップの凸部２１ａの先端の端面に遮光膜が形成されないようにマスクする機能も有している。
【００２９】
次に、粘着シート上に、基板裏面を上にして所定の間隔で並んだチップを蒸着又はスパッタリング装置にセットして、Ｃｒ膜（例えば６００Å）及びＡｕ膜（例えば２４００Å）を順次形成する。このようにして、遮光膜３１が基板の裏面及び側面に形成される。
【００３０】
以上のような工程により、分割された後のチップ状態において、ストライプリッジ２０の一端面に突出して形成された凸部２１ａの先端端面を除いて実質的に全て、遮光性のあるｎパッド電極４４、ｐパッド電極４２及び遮光膜３１のいずれかで覆われた窒化物半導体発光素子を作製することができる。
これにより、ストライプリッジ２０の一方の端面において、さらに凸部２１ａの先端端面の限られた領域から発光させることが可能な点発光型発光素子を提供できる。
【００３１】
また、本実施の形態１の凸部２１ａの先端端面から発光させる点発光型発光素子は、凸部２１ａの幅を狭く形成することにより、発光点を極めて狭い微小領域に容易に制限することができる。
すなわち、ストライプリッジの端面に遮光膜を所定のパターンに形成して発光領域を制限することは困難であるが、本実施の形態１の構成及び製造方法では、ストライプリッジの端面に連続してストライプリッジより幅の狭いネック部２１を形成して、遮光膜を形成した後にネック部２１においてへき開するという独特の手法を用いることにより、ストライプリッジの発光端面においてさらに発光点を狭い領域に制限しているので、容易に発光点を微小領域に制限できる。
【００３２】
以上、本発明の実施の形態１について説明したが、本発明は上述の実施の形態１に限定されるものではなく、以下のように種々の変形が可能であり、かつ種々の材料を適用することができる。
【００３３】
実施の形態１の変形例．
本発明に用いる基板としては、窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板としては、例えば、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡ１２Ｏ４）のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等、窒化物半導体を成長させることが可能で従来から知られており、窒化物半導体と異なる基板材料を用いることができる。好ましい異種基板としては、サファイア、スピネルが挙げられる。また、ＧａＮ、ＡｌＮ等の窒化物半導体基板を用いても良い。
【００３４】
基板上に形成する窒化物半導体としては、ＩＩＩ−Ｖ族窒化ガリウム系化合物半導体として知られている材料を用いることができ、例えば、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）、さらにはＩＩＩ族元素にＢを加えたり、Ｖ属元素のＮの一部をＡｓ、Ｐで置換したＩｎＡｌＧａＢＮ、ＩｎＡｌＧａＮＰ、ＩｎＡｌＧａＮＡｓにも適用できる。活性層としてはＩｎｕＡｌｖＧａ１−ｕ−ｖＮ（０＜ｕ＜１，０≦ｖ＜１，０≦ｕ＋ｖ＜１）を用いることで良好な発光層が得られる。本発明の窒化物半導体に用いるｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ、Ｔｉ、Ｚｒ等のＩＶ族、若しくはＶＩ族元素を用いることができ、好ましくはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎを、さらに最も好ましくはＳｉを用いることで、良好なキャリアを生成することができる。また、ｐ型不純物としては、特に限定されないが、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｃａなどが挙げられ、好ましくはＭｇが用いられる。これにより、ｎ型層、ｐ型層を構成するｎ型窒化物半導体、ｐ型窒化物半導体を形成する。
【００３５】
また、本発明におけるストライプリッジ２０とネック部２１との関係については、上述したように、リッジストライプ２０より幅を狭くして、所望の形状、大きさの微小光源を得るようにネック部を設けるものであるが、図３等に示した形状に限定されるものではない。
すなわち、リッジストライプ２０、ネック部２１は、図３で示すように、幅がほぼ一定のストライプとして形成しても良いが、ストライプの長手方向の位置に応じて、幅が異なるようにしたテーパ状としても良い。具体例としては、リッジストライプ２０を、長手方向において、ネック部２１及び一端面側に向かうに従って、幅が狭くなるテーパ状のストライプとすることで、ストライプリッジ２０からの光をネック部２１に集光するようにして、光の取り出し効率を向上させても良い。これらテーパ処理は、リッジストライプ２０の長手方向の全ての領域にわたって、形成されても良く、部分的に、例えば上記例では、ネック部２１との連結部から長手方向にストライプ２０の一部に設けるようにしても良い。ネック部２１についても、同様の形状を用いることができる。
【００３６】
更に、本発明のリッジストライプ２０について、例えば図３に示すように、リッジストライプ２０は、ｎ型層１２の途中までの深さで設けられているが、本発明はこれに限らず、活性層よりも上で、すなわち、活性層１３に達しない深さでエッチングして、リッジストライプ２０を設ける構造でも良い。活性層１３よりも上にリッジストライプ２０を形成すると、活性層１３を露出させて大気暴露させることによる活性層材料の劣化を抑えた構造とでき、特にストライプ幅が１０μｍ以下の狭ストライプとする場合に活性層１３の劣化を防止する効果が顕著に表れる。一方で、ネック部２１は、一端面を設けて、それを出射面として所望の微小光源とするため、好ましくは活性層１３よりも深くｎ型層に達する深さで形成することが好ましい。このように、ネック部２１におけるエッチングの深さとリッジストライプ２０の両側をそれぞれの機能に応じて変えてもよい。
【００３７】
本発明のリッジストライプ２０とネック部２１との連結部において、例えば図３に示すように、リッジストライプ２０の長手方向にほぼ垂直な面でもって連結しているが、本発明はこれに限らず、この連結部が長手方向に対して９０°よりも小さい角度で交差するように、例えば、前記テーパ処理を連結部に施すなどのような形態を採ることも可能である。こうすることで、リッジストライプ２０からネック部２１への光の導波を効率よくすることができ、連結部での反射による光の損失を抑えて、光取り出し効率を向上させることができる。
【００３８】
さらに、遮光膜３１としては、発光素子からの光を遮光できる膜であれば特に限定されるものではなく、光吸収膜であるＴｉＯ、ＳｉＯあるい、金属膜であるＣｒ、Ｔｉ／Ｐｔ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕを挙げることができ、これらからなる群から選択される少なくとも一種の材料を用いる。また、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＺｎＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ポリイミドからなる群の少なくとも一種用いることであり、λ／４ｎ（λは波長、ｎは材料の屈折率）の膜厚で積層した誘電体多層膜としても良い。
さらに、本発明は窒化物半導体に限定されるものではない。
以上のように、本発明は、種々の変形及び材料の適用が可能であり、このように変形しても実施の形態１で説明した効果が得られる。
【００３９】
実施の形態２．
次に、図面を参照しながら、本発明に係る実施の形態２の集光点発光型発光素子について説明する。
本実施の形態２の集光点発光型発光素子は、図８に示すように、それぞれ発光点１５０を中心として放射状に形成された複数の発光領域２００を備え、各発光領域２００で発光した光はそれぞれ各発光領域２００に形成された導波路を介して上記放射状の中心近傍まで導波されて発光点１５０から出射される。
【００４０】
本実施の形態２の集光点発光型発光素子において、各発光領域２００は、基板１０１上にバッファ層１０２、ｎ型コンタクト層１０３、ｎ型クラッド層１０４、活性層１０５、ｐ型クラッド層１０６、ｐ型コンタクト層１０７が順次積層されてなる半導体積層構造を、発光点１５０を中心として放射状にｎ型コンタクト層１０３が露出するまでエッチングをすることにより形成される（図８〜図１０）。
これにより、それぞれ基板１０１上に形成されたバッファ層１０２、ｎ型コンタクト層１０３、ｎ型クラッド層１０４、活性層１０５、ｐ型クラッド層１０６、ｐ型コンタクト層１０７が順次積層されてなる半導体積層構造と発光点１５０に向かう長手方向を有する複数の発光領域２００が放射状に形成され、隣接する発光領域２００の間にはｎ型コンタクト層１０３が露出される（図８，図１０）。
【００４１】
ここで、本実施の形態２において、活性層１０５は例えばＩｎＧａＮからなり、ｎ型クラッド層１０４及びｐ型クラッド層１０６は活性層１０５よりバンドギャップの大きい例えばＡｌＧａＮからなり、各発光領域２００はダブルへテロ構造を有する。本実施の形態２において、活性層１０５としては多重量子井戸構造や単一量子井戸構造など種々の構造を用いることができ、ｎ型クラッド層１０４及びｐ型クラッド層１０６のＡｌの混晶比は縦方向の光閉じ込め等を考慮してを適切な値に設定することができる。すなわち、縦方向の光閉じ込めを向上させるためにはＡｌの混晶比を高くすればよい。さらに本実施の形態２では、結晶性の向上させるために、横方向成長等を利用して下地層を形成し、その上にｎ型クラッド層１０４、活性層１０５及びｐ型クラッド層１０６を成長させるようにすることもできる。
【００４２】
また、本実施の形態２の集光点発光型発光素子の各発光領域２００では、ｐ型半導体層（ｐ型クラッド層１０６とｐ型コンタクト層１０７）において、所定の幅に中央部が残るようにその両側をｐ型クラッド層１０６の途中までエッチングして除去することによりリッジ１３０が形成され、絶縁膜１０８の開口部を介してそのリッジ１３０の上面（リッジ１３０におけるｐ型コンタクト層１０７の表面）のみにオーミック接触するｐ電極１１１が形成される（図８，図１０）。
これにより、リッジ１３０の直下に位置する活性層の実効屈折率がその両側の活性層より高くなってリッジ１３０の直下に発光した光が閉じ込められて、リッジ１３０に沿って光が導波される。
このリッジの幅は光を効果的に導波させるために好ましくは、１μｍ〜５μｍより好ましくは１．５μｍ〜３μｍの範囲に設定する。
尚、厚み方向の光の閉じ込めは、活性層１０５が屈折率の小さいｎ型クラッド層１０４及びｐ型クラッド層１０６に挟まれることにより実現される。
【００４３】
また、本実施の形態２において、各発光領域２００の発光点１５０と反対側に位置する他方の端面（例えば、モニター用に利用されるので、以下、モニター側端面という。）には、導波光を反射させるためのミラー膜が形成されることが好ましい。このようにモニター側端面にミラー膜を形成すると、その端面で反射された光を発光点１５０から出力できるので、不用な放射による損失を低減でき、出射効率を向上させることができる。また、この場合、条件によってはモニター側端面で反射した光を増幅して発光点から出力することができ、より効果的に出射できる。このミラー膜は、例えば、ＳｉＯ２膜とＴｉＯ２膜とからなる誘電体多層膜で構成することができ、この場合、膜厚はｎλ／４（ｎ＝１，２，３・・・、λは誘電体中における光の波長）に設定することが好ましく、良好な反射特性を得るために２ペア以上積層することが好ましい。さらに、本実施の形態２においては、ミラー膜を後述の絶縁膜１１３と共通の材料で同一工程で一度に形成することが好ましく、これにより製造工程を簡略化でき製造コストを低減できる。
【００４４】
本実施の形態２において、ｎ電極１１２は隣接する発光領域２００の間に露出されたｎ型コンタクト層１０３上にそれぞれ形成される（図８，図１０）。
また、本実施の形態２において、発光点１５０の直下の半導体積層構造内部には、図９に示すように、出射方向に頂点を有する円錐形状の空洞１５２が形成され、各発光領域２００で発光して導波された光はその空洞１５２の錐体面１５３により上方に反射されてｐ電極１１１の開口部（発光点１５０）を介して出力される。
【００４５】
次に、本実施の形態２の集光点発光型発光素子の製造方法について、具体的な材料を例示しながら説明する。
（マスク１５１形成工程）
本製造方法ではまず、図１１に示すように、基板１０１上に空洞１５２を形成するためのマスク１５１を形成する。
【００４６】
ここで、本実施の形態２では、基板１０１として、Ｃ面、Ｒ面又はＡ面を主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）等の絶縁基板、ＳｉＣ（６Ｈ，４Ｈ，３Ｃを含む）、Ｓｉ、Ｚｎ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の半導体基板を用いることができるが、窒化物半導体を用いる場合には、窒化物半導体を結晶性良く成長させることができるサファイア基板又はＧａＮ基板を用いることが好ましい。
また、基板１０１としては、上に積層される半導体層に比較して０．２以上屈折率が小さいことが好ましい。
【００４７】
また、マスク１５１は、後の半導体層を成長させる時に１０００℃又はそれ以上の高温に曝されることから、そのような高温において分解されることがなく、かつマスク１５１上には半導体層が成長しない材料を用いて形成する必要が有り、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ｗ等を用いることができる。
また、マスク１５１は円形（円柱形状）に形成されることが好ましく、これにより、半導体積層構造中に円錐形状の空洞１５２を形成することができ、真円に近いスポット光を形成できる。
また、マスク１５１の径は、必要な（要求される）スポット径に対応して決定されるが、良好な単一モードの光を得るためには、マスク径は好ましくは０．５μｍ〜２０μｍの範囲、より好ましくは１μｍ〜１０μｍの範囲に設定する。
【００４８】
（半導体層成長工程）
次に、マスクが形成された基板１０１上に、
例えば、ＧａＮからなる厚さ２００Åのバッファ層１０２、
例えば、Ｓｉが４．５×１０１８／ｃｍ３ドープされたｎ型ＧａＮからなる厚さ４μｍのｎ型コンタクト層１０３ａ、
例えば、Ｓｉが１×１０１８／ｃｍ３ドープされたＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる厚さ１μｍのｎ型クラッド層１０４ａ、
例えば、Ｉｎ０．３７Ｇａ０．６３Ｎからなる厚さ０．０９μｍの活性層１０５ａ、
例えば、Ｍｇが２×１０１８／ｃｍ３ドープされたＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる厚さ０．５μｍのｐ型クラッド層１０６ａ、
例えば、Ｍｇが１×１０１８／ｃｍ３ドープされたｐ型ＧａＮからなる厚さ１５０Åのｐ型コンタクト層１０７ａを順次成長させる（図１１）。
以上の工程により、図１１に示すように、マスク１５１上に円錐形状の空洞１５２を有する半導体積層構造が形成される。
【００４９】
（発光領域形成エッチング）
次に、半導体積層構造上に、プラズマＣＶＤ法により、膜厚が０．５μｍのＳｉＯ２膜を形成する。続いて、フォトリソグラフィー技術を用いてマスク５１の中心軸上に頂点を有する複数の扇形のパターンを放射状に形成して、上記ＳｉＯ２膜を例えばＲＩＥ法でエッチングする。さらに、上記ＳｉＯ２マスクが形成されていない部分をｎ型コンタクト層３が露出するまで例えばＲＩＥ法でエッチングすることにより、複数（本実施の形態では４８個）の扇形の発光領域２００を形成する（図５）。ここで、発光領域２００の扇形の半径と頂点の角度は互いに同一に設定され、頂点近傍では分離されずに一体化されている。マスクの材質は上記ＳｉＯ２の他にＳｉＮ等の誘電体膜、レジストマスクを用いても良い。また、プラズマＣＶＤ法の他にマグネトロンスパッタ法、ＥＣＲ法等で成膜することもできる。
【００５０】
（リッジ形成）
次に、各発光領域２００の上面にそれぞれリッジを形成するためのエッチングマスク（例えば、ＳｉＯ２）を一定の幅（例えば、２μｍ幅、０．５μｍの膜厚）に形成して、各発光領域においてそのエッチングマスクの両側をｐ型クラッド層１０６の途中までエッチングにより除去することにより、各発光領域２００においてリッジ１３０を形成する（図１３）。
【００５１】
（ｐ電極形成）
次に、各発光領域２００においてリッジの上面のみを露出させて他の部分を覆う絶縁層（例えば、膜厚が０．２μｍ以下のＺｒＯ２）８を形成して、図１４に示すように、その上から露出されたリッジの上面のみとオーミック接触するようにｐ電極１１１を形成する。
ここで、ｐ電極１１１は、ｐ型ＧａＮ層と良好なオーミック接触が可能な例えば、Ｎｉ（１００Å）／Ａｕ（１５００Å）を用いて形成される。
【００５２】
（ｎ電極形成）
次に、隣接する発光領域の間に露出されたｎ型コンタクト層１０３の上にｎ電極１１２を形成する（図１４）。
ここで、ｎ電極１１２は、ｎ型ＧａＮ層と良好なオーミック接触が可能な例えば、Ｔｉ（１００Å）／Ａｌ（５０００Å）を用いて形成される。
尚、ｎ電極１１２は、各発光領域の外周端（外側の円弧）から所定の間隔を隔てた外側（発光点を中心とし扇型の発光領域の半径より若干大きい半径の円の外側）のｎ型コンタクト層の上においては全面に形成され（全面電極部）、発光領域間に形成された複数のｎ電極１１２は互いにその全面電極部で電気的に導通される。好ましくはｎ電極を形成した後、７００℃以下の温度でアニールを行う。
また、全面電極部分は、外部回路との接続に用いられる。
【００５３】
（絶縁膜１１３形成）
次に、ｐ電極１１１の上面を除いた発光領域及び発光領域の間と外側に露出されたｎ型コンタクト層１０３を全て覆う絶縁膜１１３を、各発光領域の間を埋めるように形成する（図１０、図１５）。
尚、絶縁膜１１３は、ｎ電極１１２の全面電極部分の内周及び外周の一部を覆うように形成する。すなわち、絶縁膜１１３はｎ電極１１２の全面電極部分の主要な部分を露出させるように形成され、全面電極部分の露出した領域は外部回路との接続用に用いられる。
【００５４】
本実施の形態２においては、絶縁膜１１３は各発光領域２００の端面のミラー膜を兼ねるために、低屈折率材質層と高屈折率材質層とを組み合わせた多層膜とし、例えば、（ＳｉＯ２／ＴｉＯ２）を２ペア以上で構成した誘電体多層膜とする。この構成では、ペア数を増やすことで反射率を増加させることができる。絶縁膜１１３を構成する多層膜において、上述の例では低屈折率材質としてＳｉＯ２を用い、高屈折率材質としてＴｉＯ２、を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、以下のような材料を用いてミラー膜を兼ねた多層膜を構成できる。すなわち、低折率材質膜としてはＳｉＯ２以外に、ＭｇＦ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯＮ、ＭｇＯ等があり、高屈折率材質としてはＴｉＯ２以外に、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＮｘ、ＡｌＮ、ＧａＮ等があり、これらの組み合わせにより、発光波長において光の吸収の無い誘電体多層膜を構成できる。
【００５５】
（ｐパッド電極形成）
次に、図１６に示すように、露出したｐ電極１１１を接続するための円形（発光点を中心とし扇形の発光領域半径にほぼ等しい円）の部分１２１ａとその円形の部分２１ａにネック部２１ｃを介して接続されたパッド部１２１ｂとからなるｐパッド電極１２１を形成する。ｐパッド電極には例えば、Ｎｉ（１０００Å）／Ｔｉ（１０００Å）／Ａｌ（８０００Å）を用いる。
【００５６】
（ｎパッド電極形成）
次に、ｎ電極１１２に電気的に接続するボンディング用のｎパッド電極１２２を露出したｎ電極１１２上に形成する。ｎパッド電極には例えば、Ｎｉ（１０００Å）／Ｔｉ（１０００Å）／Ａｌ（８０００Å）を用いる。
以上のようにして、図１７に示す電極配置を有する本実施の形態２の集光点発光型発光素子が製造される。
【００５７】
以上のように構成された実施の形態２の集光点発光型発光素子は、各発光領域に導波路が形成されているので、各発光領域２００で発光された光は導波路により発光点の方向に導波され、空洞１５２の円錐面により反射されてｐ電極に形成された開口部である発光点１５０から出力される。
これにより、各発光領域２００で発生された光が発光点１５０に集められて出力されるので、輝度の高い発光が可能になる。
また、本実施の形態２の集光点発光型発光素子では、円錐形状の空洞１５２により円錐形状の反射面が構成されているので、真円に近いスポット光が得られる。
また、本実施の形態２の集光点発光型発光素子では、円形マスク１５１の径により極めて小さい円錐形状の空洞１５２を容易に形成することができ、良好な単一モードのスポット光を実現できる。
【００５８】
本実施の形態２の集光点発光型発光素子は、窒化ガリウム系化合物半導体素子を用いて半導体積層構造を構成しているので、黄色、青色、紫色及び紫外光等の比較的波長の短い領域のスポット光を発光することができる。
【００５９】
実施の形態２の変形例
以上の実施の形態２では、円錐形状の空洞１５２により円錐形状の反射面を形成したが、本発明はこれに限られるものではなく、以下のようにして円錐形状の屈折面を形成して、集光した光を発光点から出力するようにしてもよい。
すなわち、本発明では、図１８に示すように、発光点直下の半導体積層構造において、少なくともｎ型半導体層に達するように光の出射方向に向かって広がった錐形状の凹部を形成し、その凹部に活性層より屈折率の高い透光性部材１５２ａを充填する。
【００６０】
このようにすると、各発光領域において発光して発光点に向かって導波された光が、凹部の円錐面において半導体層（主に活性層）と屈折率の高い透光性部材１５２ａとの間の屈折率差によって屈折して、透光性部材１５２ａの中を上方に進行する。
これにより発光点１５０を介して上方に出力される。
以上のように構成しても実施の形態２と同様の作用効果が得られる。
【００６１】
また、以上の実施の形態２では、各発光領域を発光点を中心として放射状に導波路が直線になるように形成したが、本発明はこれに限られるものではなく、図１９に示すように、曲率を持った発光領域２０１を形成するようにして構成してもよい。
以上のように構成しても実施の形態２と同様な作用効果が得られ、かつ発光領域の長さを長くできる。
【００６２】
以上実施の形態２の集光点発光型発光素子において、各発光領域はそれぞれ窒化ガリウム系化合物半導体層からなるｎ型コンタクト層１０３、ｎ型クラッド層１０４、活性層１０５、ｐ型クラッド層１０６、ｐ型コンタクト層１０７が順次成長されたダブルへテロ構造としたが、本発明はこれに限られるものではなく、少なくとも活性層が該活性層より屈折率の高い（バンドギャップの小さい層）により挟まれた光を厚さ方向に閉じ込めることができる構造であればよい。
【００６３】
また、ｎ型クラッド層１０４と活性層１０５の間及び活性層とｐ型クラッド層１０６の間にそれぞれ、ｎ型、ｐ型光ガイド層が形成されていてもよい。
また、本実施の形態２では、発光領域を扇形に形成したが本発明はこれに限られるものではない。
さらに、以上の実施の形態２では、窒化ガリウム系化合物を用いて構成したが、本発明はこれに限られるものではなく、ＧａＡｓやＩｎＧａＰ等の他の半導体を用いて構成することもできる。
またさらに、以上の実施の形態２では、錐体面を円錐形状に形成したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、各発光領域の導波路を導波された光が上方（面の垂直方向）に屈折又は反射されるように面の垂直方向に対して傾斜した面をからなる多角錐体面であってもよい。
【００６４】
またさらに、実施の形態２では、一例として特定の半導体積層構造について説明したが、本願はこれに限られるものではない。
例えば、上述の前記半導体積層構造の他に、マスクが形成された基板１０１上に、ＡｌＧａＮからなる厚さ２００Å程度のバッファ層１０２、ノンドープｎ型ＧａＮ層、Ｓｉが２．５×１０１８／ｃｍ３ドープされたｎ型ＧａＮ層をトータル厚さ４μｍのｎ型コンタクト層１０３、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０．１≦ｘ≦０．１５）からなり厚さ１０００〜１５００Åのクラック防止層、ＧａＮからなるクラッド層、Ｓｉドープで（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ）の超格子構造から成る膜厚２０００Å以下のｎ型ガイド層、さらに発光層を（バリア層ＧａＮ／活性層ＩｎＧａＮ／キャップ層ＧａＮ）を６ペアで形成後、ラストバリア層をＧａＮで形成する。次に、ＭｇドープＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．３５）からなる厚さ１００〜３５０Åのｐ型キャップ層、Ｍｇドープで（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ）の超格子構造から成る膜厚２０００Å以下のｐ型ガイド層、ＭｇがドープされたＧａＮからなる厚さ６０００Å以下のｐ型クラッド層、Ｍｇがドープされたｐ型ＧａＮからなる厚さ１５０〜２００Åのｐ型コンタクト層を順次成長させた半導体積層構造としてもよい。
【００６５】
また、実施の形態２では、発光点１５０の下に頂点が閉じた（塞がれた）空洞１５２を形成するようにしたが、本発明はこれに限られるものではなく、図２０に示すように、上部において開口した錐形状の空洞１５２ｂ（錐体面１５３ｂを有する）を用いて構成してもよい。
このように、上部で開口した空洞を用いて構成すると、図２１（ｂ）に示すように空洞内に入射された光が空洞内に閉じ込められることなく出射されるので、閉じた空洞１５２（図２１（ａ））に比べて効率よく外部に出射できる。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、発光点が十分小さい微小領域に制限することができ、かつ安価に製造することができる点発光型発光素子とその製造方法を提供することができる。
また、本発明によれば、ニアフィールドパターンが良好な単一スポット光が得られ、発光効率の高い集光点発光型発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にかかる実施の形態１の窒化物半導体発光素子の構成を示す斜視図である。
【図２】 実施の形態１の窒化物半導体発光素子の製造工程ににおいて、サファイア基板上に素子を構成する窒化物半導体層を形成した後の斜視図である。
【図３】 実施の形態１の窒化物半導体発光素子の製造工程ににおいて、リッジストライプ及び各素子領域をエッチングにより形成した後の斜視図である。
【図４】 実施の形態１の窒化物半導体発光素子の製造工程ににおいて、ｐ電極及びｎ電極を形成した後の斜視図である。
【図５】 実施の形態１の窒化物半導体発光素子の製造工程ににおいて、ｐパット電極及びｎパット電極を形成した後の斜視図である。
【図６】 実施の形態１の窒化物半導体発光素子の製造工程ににおいて、素子上面を覆うように遮光膜を形成した後の斜視図である。
【図７】 実施の形態１の窒化物半導体発光素子における、リッジストライプの先端部分を拡大して示す斜視図である。
【図８】 実施の形態２の集光点発光型発光素子の部分平面図である。
【図９】 図８のＡ−Ａ’線についての断面図である。
【図１０】 図８のＢ−Ｂ’線についての断面図である。
【図１１】 本発明に係る実施の形態２の集光点発光型発光素子の製造方法において、半導体積層構造を成長させた後の断面図である。
【図１２】 実施の形態２の集光点発光型発光素子の製造方法において、半導体積層構造に発光領域を形成した後の平面図である。
【図１３】 実施の形態２の集光点発光型発光素子の製造方法において、各発光領域にリッジを形成した後の平面図である。
【図１４】 実施の形態２の集光点発光型発光素子の製造方法において、各発光領域にｐ電極を形成し、発光領域の間にｎ電極を形成した後の平面図である。
【図１５】 実施の形態２の集光点発光型発光素子の製造方法において、発光領域を埋めるように絶縁膜１１３を形成した後の平面図である。
【図１６】 実施の形態２の集光点発光型発光素子の製造方法において、全ての発光領域のｐ電極を接続するｐパッド電極を形成した後の平面図である。
【図１７】 実施の形態２の集光点発光型発光素子の電極配置を示す平面図である。
【図１８】 実施の形態２の変形例の屈折錐体面の構成を示す断面図である。
【図１９】 実施の形態２の変形例の発光領域を示す平面図である。
【図２０】 実施の形態２の変形例の空洞１５２ｂ（上部が開口したもの）の構成を示す断面図である。
【図２１】 上部が閉じた空洞を用いた場合（ａ）と上部が開口した空洞を用いた場合（ｂ）の光が出射される様子を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
１０，１０１…基板、
１１，１０２…バッフア層、
１２…ｎ型層、
１３…活性層、
１４…ｐ型層、
２０…リッジストライプ、
２１…ネック部、
２１ａ…凸部、
３１…遮光膜、
４１…ｐ型オーミック電極、
４２…ｐパッド電極、
４３…ｎ型オーミック電極、
４４…ｎパッド電極、
５０…発光点、
１０３…ｎ型コンタクト層、
１０４…ｎ型クラッド層、
１０５…活性層、
１０６…ｐ型クラッド層、
１０７…ｐ型コンタクト層、
１１１…ｐ電極、
１１２…ｎ電極、
１１３…絶縁膜、
１２１…ｐパッド電極、
１２２…ｎパッド電極
１３０…リッジ、
１５０…発光点、
１５１…マスク、
１５２，１５２ｂ…空洞、
１５２ａ…透光性部材、
１５３ｂ…錐体面、
２００，２０１…発光領域、
Claims (10)
- 基板上の一部に半導体の成長を妨げるマスク層を設ける第１の工程と、それぞれ半導体からなるｎ型層、活性層及びｐ型層を順次成長させる第２の工程とを備え、
前記第２の工程において、前記マスク層を介して前記各半導体層を順次成長させ、半導体積層構造内部に前記マスク層に対応して錐形状の空洞が設けられ、該空洞が前記活性層で発光した光を上方に反射させる傾斜面を有することを特徴とする発光素子の製造方法。 - 前記空洞は前記マスク層を底面として前記ｎ型層から前記ｐ型層まで貫通し且つ前記ｐ型層表面にて開口している請求項１記載の発光素子の製造方法。
- 前記マスク層を円柱形状又は多角柱形状に形成し、前記空洞が円錐体形状又は多角錐体形状である請求項１又は請求項２に記載の発光素子の製造方法。
- 前記マスク層の径が０．５μｍ〜２０μｍである請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の発光素子の製造方法。
- 前記マスク層をＳｉＯ２、ＳｉＮ及びＷからなる群から選択された材料を用いて形成する請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の発光素子の製造方法。
- 前記半導体は窒化物半導体からなる請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載の発光素子の製造方法。
- 基板上の一部に半導体の成長を妨げるマスク層を設け、該マスク層を介して前記基板上にそれぞれ半導体からなるｎ型層、活性層及びｐ型層を順次成長させることにより、半導体積層構造内部に前記マスク層に対応して形成された錐形状の空洞を有し、該空洞が前記活性層で発光した光を上方に反射させる傾斜面を有することを特徴とする発光素子。
- 前記空洞は前記マスク層を底面として前記ｎ型層から前記ｐ型層まで貫通し且つ前記ｐ型層表面にて開口している請求項７記載の発光素子。
- 前記空洞が円錐体形状又は多角錐体形状である請求項７又は請求項８に記載の発光素子。
- 前記半導体は窒化物半導体からなる請求項７〜９のうちのいずれか１つに記載の発光素子。
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