JP2002299690A - 光半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造コストの低減、製造時間の短縮、及び発
光効率の低下防止が可能な光半導体装置を提供する。 【解決手段】 発光層１２、１３を有する発光素子の基
板１３側において、光が通過する部分にエッチングによ
り凹部１４が形成されている。半導体基板１３の表面上
にコンタクト層、上部電極１５が形成され、この表面上
にレンズ２１が形成されたレンズ部２０が接着剤等によ
って接合される。従来のように基板にエッチングにより
レンズを形成する替わりに、予め形成したレンズ部２０
を接合することで、製造コスト及び製造時間が縮小され
る。また半導体基板１３の光の通過部分に凹部１４が形
成されているため、外囲器に実装した場合に発光層１
１、１２に応力が印加されず、発光効率の低下が防止さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光半導体装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年では、光ファイバを用いた通信装置
において、光半導体装置、特にＬＥＤ（Light Emitting
Diode）が幅広く用いられている。ＬＥＤを光通信に用
いる場合には、ＬＥＤにおける発光層から出射された光
が発散せずに可能な限り直進するよう集光する必要があ
る。そこで、ＬＥＤの発光面側に何等かのレンズ機能を
持たせていた。

【０００３】例えば、従来の光半導体装置には、図８に
示される構成を備えたものがあった。ＧａＡｓ等から成
る半導体基板１０３の表面上に、ＧａＡｌＡｓ等から成
る発光層１０１、１０２が形成されており、その上部に
電流拡散層等を含む半導体層１００がエピタキシャル成
長等により形成されている。そして、基板１０３側を発
光面として、基板１０３の表面上にレンズ１０４を形成
する。

【０００４】このレンズ１０４の形成は、点線で示され
た半導体基板１０３の表面に矢印Ｆで示された方向にマ
スク技術を用いてエッチングを行っていくことで、所望
の形状を得ていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、エッチングに
より基板表面にレンズを形成する場合、製造コスト並び
に製造時間の増大を招いていた。また、このような光半
導体装置を図示されていない外囲器に実装すると、レン
ズ１０４の存在が原因となり発光層１０１、１０２に向
かって矢印Ｅで示された方向に応力が発生し、ＬＥＤの
発光効率が低下することがあった。

【０００６】本発明は上記事情に鑑み、製造コストの低
減、製造時間の短縮、及び発光効率の低下防止が可能な
光半導体装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の光半導体装置
は、半導体基板の一方に形成された発光層と、前記発光
層の表面上に形成された電流拡散層を含む半導体層とを
有し、前記半導体基板の他方の表面部分に凹部が形成さ
れた光半導体素子と、前記半導体基板の他方の表面上に
接合され、前記発光層から出射された光を集光するレン
ズを含むレンズ部とを備えることを特徴としている。

【０００８】また本発明は、半導体基板の一方に形成さ
れた発光層と、前記発光層に形成された電流拡散層を含
む半導体層とを有する光半導体素子と、コの字型断面形
状を有し、一平面にレンズが設けられ、前記半導体基板
における他方の表面上、又は前記半導体層の一方の表面
上に跨るように載置され、前記発光層から出射された出
力された光を前記レンズにおいて集光するレンズ部とを
備えることを特徴とする。

【０００９】あるいは本発明は、半導体基板の一方に形
成された発光層と、前記発光層の表面上に形成され、電
流拡散層及びコンタクト層を含む半導体層とを有し、前
記コンタクト層の表面における少なくとも一部分におい
て、一方向に沿って鋸歯状に複数の歯が形成された光集
光部が設けられており、前記発光層から出力された光が
前記光集光部を通過して拡散が抑制されることを特徴と
する。

【００１０】さらに本発明は、半導体基板の一方の表面
上に形成された発光層と、前記発光層の表面上に形成さ
れ、電流拡散層及び多重井戸構造層とを含む半導体層と
を有し、前記多重井戸構造層において、同心円状に第１
の領域と、この第１の領域より光屈折率が低い第２の領
域とが形成されており、前記発光層から出射された光が
この多重井戸構造層を通過して拡散が抑制されることを
特徴とする。

【００１１】ここで、複数の前記第１の領域と複数の前
記第２の領域とが、交互に同心円状に配置されているこ
とが望ましい。

【００１２】また、前記第２の領域にはアルミニウムイ
オンが注入されており、第１の領域よりキャリア濃度が
高いように構成されてもよい。

【００１３】前記半導体層には、前記発光層に電流を注
入する開口部を有する電流ブロック層が含まれており、
前記開口部は、第１の領域と前記第２の領域とで形成さ
れる同心円の中心に対応して配置されていてもよい。

【００１４】

【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。

【００１５】（１）第１の実施の形態 本発明の第１の実施の形態による光半導体装置は、図１
に示される構成を備えている。

【００１６】図１（ａ）に示されるように、ＧａＡｓ等
から成る半導体基板１３の表面上に発光層１２、１３が
形成され、その表面上に電流拡散層等を含む半導体層１
０がエピタキシャル成長等によって形成されている。半
導体基板１３を発光面とし、発光層１２、１３から出射
された光が通過する部分にエッチングにより凹部１４が
形成されている。

【００１７】半導体基板１３の表面上には、図示されて
いないコンタクト層を介して、上部電極１５が形成され
ており、この上部電極１５において光が通過する部分に
は開口部１６が形成されている。

【００１８】図１（ｂ）に示されるように、上部電極１
５の表面上に、レンズ２１が形成されたレンズ部２０が
接着剤等によって接合される。レンズ部２０は、例えば
エポキシ樹脂等で一体成形されている。

【００１９】発光層１１、１２から出射された光が、半
導体基板１３の凹部１４、上部電極１５の開口部１６を
通過して、レンズ部２０におけるレンズ２１を通過する
ことにより、光が拡散せずに集光される。

【００２０】本実施の形態によれば、半導体基板１３に
エッチングによりレンズを形成する替わりに、樹脂等に
より予め形成したレンズ部２０を接合するため、製造コ
スト及び製造時間を縮小することができる。

【００２１】また、発光面側の半導体基板１３における
光が通過する部分にエッチングにより凹部１４が形成さ
れているため、図示されていない外囲器に実装した場合
にも発光層１１、１２に応力が印加されず、発光効率の
低下が防止される。

【００２２】ここで、上部電極１５は半導体基板１３の
表面とレンズ部２０との間に設けられているが、半導体
基板１３の表面上におけるレンズ部２０を接合する領域
以外に形成してもよい。

【００２３】（２）第２の実施の形態 本発明の第２の実施の形態による光半導体装置は、図２
に示される構成を備えている。

【００２４】図２（ａ）に示されるように、ＧａＡｓ等
から成る半導体基板３０の表面上に発光層３２、３１が
形成され、その表面上に電流拡散層等を含む半導体層３
３がエピタキシャル成長等によって形成されている。半
導体基板３３を発光面とし、半導体基板３０の表面上に
図示されていないコンタクト層が形成されており、この
表面上に、発光層３２から出射された光が通過する部分
に開口部４２が形成された上部電極３４が形成されてい
る。

【００２５】図２（ａ）及び図２（ｂ）に示されるよう
に、上部電極１５の表面上に、一平面にレンズ４１が形
成されたコの字型断面形状を有するレンズ部４０が、上
部電極３４の表面上を跨ぐように嵌合される。レンズ部
４０は、エポキシ樹脂等により一体に形成されている。

【００２６】発光層３１、３２から出射された光が、上
部電極３４の開口部４２を通過し、レンズ部４０におけ
るレンズ４１を通過することにより、集光される。

【００２７】本実施の形態によれば、上記第１の実施の
形態と同様に、半導体基板３０にエッチングによりレン
ズを形成する替わりに、樹脂等により予め形成したレン
ズ部４０を用いることにより、製造コスト及び製造時間
の縮小が可能である。

【００２８】また、レンズ部４０がコの字型断面形状を
有し、光半導体素子に嵌合することができるため、上記
第１の実施の形態におけるレンズ部２０を素子に接合す
る作業及び接着材等が不要であり、より製造コストの低
減が可能である。

【００２９】ここで、上部電極３４が半導体基板３３の
表面とレンズ部４０との間に設けられているが、半導体
基板３３の表面上におけるレンズ部４０を嵌合する領域
以外にのみ形成することも可能である。

【００３０】また、本実施の形態では、半導体基板３３
を発光面側とし、この表面上にレンズ部３４が跨ぐよう
に嵌合されている。しかし、半導体発光素子の発光面を
入れ替えて、電流拡散層等を含む半導体層３０を発光面
側とし、この表面上にレンズ部２３を嵌合してもよい。

【００３１】（３）第３の実施の形態 本発明の第３の実施の形態による光半導体装置の断面構
成を図３に、平面構成を図４にそれぞれ示す。

【００３２】ＧａＡｓ等から成る半導体基板５０の一方
に発光層５１、５２が形成され、その表面上に電流拡散
層等を含む半導体層５３がエピタキシャル成長等によっ
て形成されている。本実施の形態では半導体層５３を発
光面側とし、半導体層５３の表面上に透光性を有するコ
ンタクト層５８が形成され、コンタクト層５８の表面上
に図示されていない上部電極が形成される。

【００３３】そして、コンタクト層５８において、発光
層５１、５２から出射された光が通過する部分に、エッ
チング等により鋸歯状の歯５５が形成された光集光部５
４が形成されている。

【００３４】この光集光部５４は、図４に示されたよう
な楕円形であってもよく、あるいは矩形であってもよ
い。そして光集光部５４には、短手方向に沿って鋸歯状
の歯５５が形成されている。これは、短手方向の光は拡
散が少なく、長手方向の光の拡散を抑えて集光する必要
があることに基づいており、そこで短手方向に沿って歯
５５が形成されている。

【００３５】このような光集光部５４が形成されている
ことにより、図３に示されたような作用が生じる。ここ
で、集光部５４がない場合の出射光を５７、集光部５４
が形成されている場合の出射光を５６とする。発光層５
１、５２から出射された光が、集光部５４が存在しない
場合には矢印Ａで示された方向に出射光５７が拡散する
が、光集光部５４における鋸歯状の各々の歯５５の存在
により矢印Ｂで示されたように出射光５６の拡散が抑制
される。

【００３６】本実施の形態によれば、半導体基板にエッ
チングによりレンズを形成する替わりに、鋸歯状の歯５
５を形成して光集光部５４を形成することにより、製造
コスト及び製造時間が縮小される。

【００３７】また、発光面側に別部品としてレンズ等が
接合されないので、図示されていない外囲器に実装した
場合にも発光層５１、５２に応力が印加されず、発光効
率の低下が防止される。

【００３８】（４）第４の実施の形態 本発明の第４の実施の形態による光半導体装置において
アルミニウムイオンを注入する工程を示した装置の断面
を図５に、注入して得られた装置の断面構成を図６に、
平面構成を図７にそれぞれ示す。

【００３９】ＧａＡｓ等から成る半導体基板６０の表面
上に発光層６１、６２が形成され、その表面上に電流ブ
ロック層６３と、電流拡散層等を含む半導体層６４と、
さらにその表面上にＭＱＷ（Multi Quantum Well、多重
量子井戸構造）層６５が形成されている。

【００４０】本実施の形態ではＭＱＷ層６５を発光面側
とし、ＭＱＷ層６５の表面上に図示されていない上部電
極が形成される。

【００４１】そして図５に示されたように、ＭＱＷ層に
おいて同心円状にマスク６８で覆い、覆われていない領
域にアルミニウムイオンＡｌ⁺が注入される。これによ
り、図７に示されたように、アルミニウムイオンが注入
されてキャリア濃度が高く屈折率が低くなった領域６６
と、注入されずキャリア濃度が低く屈折率が相対的に領
域６６より高い領域６７とが同心円状に交互に配置され
る。

【００４２】ＭＱＷ層６５において、屈折率が異なる領
域６６、６７が同心円状に交互に配置されたことによ
り、次のような作用が生じる。図６において、発光層６
１、６２から出射された光が、交互に配置された領域６
６、６７が存在しない場合には矢印Ｃで示された方向に
出射光が拡散する。しかし、領域６６、６７が存在する
ことにより、矢印Ｄで示されたように、屈折率の高い領
域６７から屈折率の低い領域６６へ移行する境界面にお
いて、光の少なくとも一部が全反射し、集光する。これ
により、出射光の拡散が抑制される。また、電流ブロッ
ク層６３を形成して発光層６１、６２からの出射光を集
中させた状態でＭＱＷ層６５へ到達させることにより、
より光の拡散を防止する効果が得られる。

【００４３】本実施の形態によれば、半導体基板等にエ
ッチングによりレンズを形成する替わりに、ＭＱＷ層６
５に同心円状に屈折率の異なる領域６６、６７を交互に
形成して光を集光することにより、製造コスト及び製造
時間の縮小が可能である。

【００４４】また、発光面側に別部品としてレンズ等が
接合されないので、図示されていない外囲器に実装した
場合にも発光層６１、６２に応力が印加されず、発光効
率の低下が防止される。

【００４５】上述した実施の形態は一例であり、本発明
を限定するものではない。例えば、上記実施の形態で示
された材料名は一例であって、他の材料を任意に用いる
ことができる。また、発光層や電流ブロック層、電流拡
散層等の構成についても、自由に設定することができ
る。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光半導体
装置は、半導体基板にエッチングによりレンズを形成す
る替わりに、予め形成したレンズ部を接合することによ
り、製造コスト及び製造時間を縮小することができ、ま
たレンズが存在すると発光層に応力が印加されるおそれ
があるが、半導体基板の一表面部分に凹部が形成されて
いることから応力の印加が回避され、発光効率の低下が
防止される。

【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光半導体装置
の構成を示した縦断面図。

【図２】本発明の第２の実施の形態による光半導体装置
の構成を示した縦断面図。

【図３】本発明の第３の実施の形態による光半導体装置
の構成を示した縦断面図。

【図４】同第３の実施の形態による光半導体装置の上面
を示した平面図。

【図５】本発明の第４の実施の形態による光半導体装置
において、ＭＱＷ層にアルミニウムイオンを注入する工
程を示した縦断面図。

【図６】同第４の実施の形態による光半導体装置の構成
を示した縦断面図。

【図７】同第４の実施の形態による光半導体装置の上面
を示した平面図。

【図８】従来の光半導体装置の構成を示した平面図。

【符号の説明】

１０、３０、５３、６４ 半導体層 １１、１２、３１、３２、５１、５２、６１、６２ 発
光層 １３、３３、５０、６０ 半導体基板 １４ 凹部 １５、３４ 上部電極 １６、４２ 開口部 ２０、４０ レンズ部 ２１、４１ レンズ ５４ 光集光部 ５５ 歯 ５６、５７ 出射光 ５８ コンタクト層 ６３ 電流ブロック層 ６５ ＭＱＷ層 ６６、６７ 領域 ６８ マスク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐 倉 成 之 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝マイクロエレクトロニクスセン ター内 (72)発明者 島 田 和 宏 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝マイクロエレクトロニクスセン ター内 (72)発明者 玄 永 康 一 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝マイクロエレクトロニクスセン ター内 (72)発明者 杉 崎 雅 之 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 東 芝電子エンジニアリング株式会社内 Ｆターム(参考） 5F041 AA03 AA06 CA12 CA35 CB04 CB15 EE17

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板の一方に形成された発光層と、 前記発光層に形成された電流拡散層を含む半導体層とを
   有し、前記半導体基板の他方の表面部分に凹部が形成さ
   れた光半導体素子と、 前記半導体基板の他方の表面上に接合され、前記発光層
   から出射された光を集光するレンズを含むレンズ部と、 を備えることを特徴とする光半導体装置。
2. 【請求項２】半導体基板の一方の表面上に形成された発
   光層と、 前記発光層の表面上に形成された電流拡散層を含む半導
   体層とを有する光半導体素子と、 コの字型断面形状を有し、一平面にレンズが設けられ、
   前記半導体基板における他方の表面上、又は前記半導体
   層の一方の表面上に跨るように載置され、前記発光層か
   ら出力された光を前記レンズにおいて集光するレンズ部
   と、 を備えることを特徴とする光半導体装置。
3. 【請求項３】半導体基板の一方に形成された発光層と、 前記発光層に形成され、電流拡散層及びコンタクト層を
   含む半導体層とを有し、 前記コンタクト層の表面における少なくとも一部分にお
   いて、一方向に沿って鋸歯状に複数の歯が形成された光
   集光部が設けられており、前記発光層から出射された光
   が前記光集光部を通過して拡散が抑制されることを特徴
   とする光半導体装置。
4. 【請求項４】半導体基板の一方に形成された発光層と、 前記発光層に形成され、電流拡散層及び多重井戸構造層
   とを含む半導体層とを有し、 前記多重井戸構造層において、同心円状に第１の領域
   と、この第１の領域より光屈折率が低い第２の領域とが
   形成されており、前記発光層から出射された光がこの多
   重井戸構造層を通過して拡散が抑制されることを特徴と
   する光半導体装置。
5. 【請求項５】複数の前記第１の領域と複数の前記第２の
   領域とが、交互に同心円状に配置されていることを特徴
   とする請求項４記載の光半導体装置。
6. 【請求項６】前記第２の領域にはアルミニウムイオンが
   注入されており、第１の領域よりキャリア濃度が高いこ
   とを特徴とする請求項４又は５記載の光半導体装置。
7. 【請求項７】前記半導体層には、前記発光層に電流を注
   入する開口部を有する電流ブロック層が含まれており、 前記開口部は、第１の領域と前記第２の領域とで形成さ
   れる同心円の中心に対応して配置されていることを特徴
   とする請求項４乃至６のいずれかに記載の光半導体装
   置。