JP2004055741A

JP2004055741A - 光半導体素子

Info

Publication number: JP2004055741A
Application number: JP2002209677A
Authority: JP
Inventors: Makoto Yamane; 山根　　真; Hiromi Takasu; 高須　　広海
Original assignee: Tokyo Sanyo Electric Co Ltd; Tottori Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Tokyo Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-07-18
Filing date: 2002-07-18
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】簡単な構成で光出力を向上させ、特性改善に合せて結晶性の改善を行うものである。
【解決手段】単結晶の基板１の上に部分的に機能層８を設け、この機能層８を覆うように絶縁層９を形成し、機能層の構成要素の選択と絶縁層の形状により光出力の向上、特性改善を行うものである。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード、レーザ素子等の光半導体素子に関し、出力の向上と特性の改善を図ったものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、従来の青色ＬＥＤの例を示す。サファイア基板（１）上に設けたバッファー層（２）の上にＳｉＯ２のマスク層（３）を設け、結晶性の改善を行っているが、サファイア基板への光を遮光する形に挿入されており、結晶性改善のため光特性を損う形になっていた。（特開平１１−２１４７４４号公報）
図７は、従来のモノリシックＬＥＤの例を示す。ｎ−ＧａＡｓ基板（４）上にＴｅドープのｎ−ＧａＡｓＰ（５）を成長させ、Ｚｎドープでｐ−ＧａＡｓＰ（６）を形成する。これはＬＰＨ用ＬＥＤとして用いられてきたが高出力化が難しく、光出力のビークコントロール等出来なかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、単結晶基板上に部分的に機能層を設け、この機能層を覆うように絶縁層を形成し、機能層の構成要素の選択と絶縁層の形状により光出力の向上、特性改善を行うものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第１に、半導体単結晶からなる基板と、前記基板の上部にランド状又はストライプ状にして１つ或いは複数個設けた機能層と、前記機能層の上部を覆うように配置した絶縁層と、前記絶縁層を覆うように設けたコンタクト層と、前記コンタクト層の上部に設けたＰＮ接合よりなる発光層とから構成したものである。
【０００５】
第２に、前記機能層を吸収層としたものである。
【０００６】
第３に、前記機能層を反射層としたものである。
【０００７】
第４に、前記機能層を反射層として上方向へ反射させると共に、傾斜を持たせて横方向に光出力するものである。
【０００８】
第５に、裏面に電極をもつ半導体単結晶からなる基板と、前記基板の上部にランド状又はストライプ状に設けた機能層と、前記機能層の上部を覆うように配置した絶縁層と、前記絶縁層を覆うように設けたコンタクト層と、前記コンタクト層の上部又は上方に設けられた発光層と、クラッド層、コンタクト層、上部電極とからなるものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施例を示すレーザの断面図、図２は同じくレーザの他の実施形態を示す断面図、図３は同じく発光素子の実施形態を示す断面図、図４は同じく発光素子の他の実施形態を示す断面図、図５は同じくモノリシックタイプの発光素子の実施形態を示す断面図である。
【００１０】
図１〜図４に記載した本発明のレーザや発光素子は基本的には以下のような構成となっている。具体的には図１において、
Ｎ−ＧａＮの基板（７）の上面中央部に機能層（８）を設け、ＧａＡｓ単結晶を成長させて、この機能層を吸収層として形成する。この場合の単結晶の成長は、格子定数が合わないため結晶性が良くない１０８〜１０１０ｃｍ−２の転位のあるものとなる。
【００１１】
Ｎ−ＧａＮの基板（７）上にスパッタ技術を用いてＳｉＯ２膜を形成し、中央部分のＮ−ＧａＮが出るようにエッチングを行いＧａＡｓ（ノンドープ）を成長させるＳｉＯ２を除き、ＧａＡｓ層を包み込むようにＳｉＯ２の絶縁層（９）を形成し、不要部分を除去して機能層（８）（吸収層ＧａＡｓ）と絶縁層（９）を形成する。
【００１２】
この絶縁層の上面に、Ｎ−ＧａＮのコンタクト層（１０）と、Ｎ−ＧａＡＩＮのクラッド層（１１）と、ＩｎＧａＮの発光層（１２）と、Ｐ−ＧａＡＩＮのコンタクト層（１３）と、Ｐ−ＧａＮのコンタクト層（１４）をＣＶＤ法等の周知の単結晶成長法を利用して順次成長させ、基板の下面にＮ電極（１５）、Ｐ−ＧａＮ層（１４）の上面にＰ電極（１６）を設ける。
【００１３】
Ｎ−ＧａＡｌＮのクラッド層（１１）の外側に該クラッド層よりも屈折率が高く発光波長に対して透明なＮ−ＧａＮのコンタクト層（１０）があるため、該コンタクト層への導波モードしみ出しが大きく垂直横モードに影響を与える。コンタクト層を厚くすればよいが、結晶成長の制限があること及び厚くするとクラックが入る不具合がある。
【００１４】
図１によると、ＧａＡｓの機能層（８）は吸収層として作用し、この光を吸収するため特性に影響ない。成長したＧａＡｓは結晶性が悪くなるが、吸収層としては十分であり、また、絶縁層（９）に覆われているため結晶成長に影響はない。
【００１５】
また、絶縁層（９）の上面は、Ｎ−ＧａＮのコンタクト層（１０）の単結晶が横方向に成長するため、１／２０〜１／３３に転位が改善され、Ｎ−ＧａＮのコンタクト層（１０）の厚みが薄くても良くなり、クラックを生じることがなくなり発光層（１２）の結晶性も向上する。
【００１６】
この結果、図６の従来例にくらべて光出力特性が大きく改善される。
【００１７】
図２は本発明の別の実施例で、光出力を基板（１）の上部へ出力する面発光レーザの例を示す。機能層としてＡｌ単結晶をＮ−ＧａＮの基板（１）上にスパッタ技術によりＳｉＯ２膜を形成し、中央部をＮ−ＧａＮの基板が出るようにエッチング行い、この上にＳｉＯ２膜をマスクとして成長させる。ＳｉＯ２膜の除去後にはＳｉＯ２の絶縁層（９）がＡｌ単結晶を覆うように成形し、不要部分を除去して機能層（８）（Ａｌ単結晶による反射層）と絶縁層（９）を形成する。
【００１８】
青色発光領域を略４００ｎｍにおいて、多層膜よりなるブラッグ反射層は反射率５０％まで低下するのに対しＡｌ単結晶は９０％以上で１．５倍以上の高出力化ができる。図２に示すＮ−ＧａＮのコンタクト層（１０）の成長においても絶縁層（９）上は横方向の成長を行い、図１と同様な結晶性の改善がある。
【００１９】
この場合、Ａｌ単結晶の分解温度は高くないが、絶縁層（９）が保護層として働き、耐湿性等も改善される。
【００２０】
図３は本発明の別の実施例である発光素子の実施形態を示しており、機能層（８）はＡｌ単結晶であり図２と同様に働く。
【００２１】
図４は本発明の別の実施例である発光素子を示す。形成方法は図３と同一で、機能層（８）は、Ａｌ単結晶にて反射層として働くが絶縁層（９）の形状を変えることによりチップ光分布を変えることができる。絶縁層（９）にレンズ効果をもたせ集光、拡散をさせることもできる。
【００２２】
チップ光の指向性は、図４に示すチップ内部の機能層、絶縁層の位置、大きさ、形状により任意に決定することができる。
【００２３】
この結果、外囲器のレンズ形状を一定にしてチップにより指向性をコントロールするため、精度が上がり、輝度を一定に（指向性により変わっていた）することができる。また、屋外用表示器等に要求される視向角をコントロールできる、などの効果がある。
【００２４】
図５は本発明の別の実施例を示し、Ｎ−ＧａＡｓの基板（１７）上にＳｉＯ２をスパッタリング技術により形成し、エッチング技術を用いて発光部の下部をエッチングする。その後、Ａｌ単結晶をＮ−ＧａＡｓの基板上に成長させ、ＳｉＯ２を除去した後、ＳｉＯ２の絶縁層（１８）を機能層（１９）（Ａｌ単結晶反射層）を覆うように成形し、不要部分を除去して機能層と絶縁層を形成する。機能層の巾Ｗ、発光層までの距離Ｌに基づき出力光のビーム形状をコントロールする。絶縁層は反射層（屈折率１．４）として働く。
【００２５】
絶縁層（１８）の上部は、Ｎ−ＧａＡｓＰのコンタクト層（２０）が横方向に成長するため、従来１０６ｃｍ−２の転位が３×１０４ｃｍ−２に改善される。
【００２６】
結晶性の改善と反射層の形成により低ＶＦ化に加えて光出力を図７に比べて約２．５倍となる。反射層の巾、発光層からの距離により出力光のビームコントロールできるようになる。また、絶縁層により、機能層−反射層は保護される。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によると、機能層の機能して、レーザの場合は上方の発光層からの光モレを吸収し、モノリシックの発光素子の場合は発光素子の場合は上方の発光層からの光を反射させると共に上方の発光層からの光分布をコントロールする。
【００２８】
また、レーザの場合は上方の発光層からの光の半透過（レーザ共振器の端面形成、面発光レーザ）などがあり、絶縁層は、結晶成長時に横方向に成長、機能層の保護、電流拡散層と反射層のレンズとして集光、拡散、発光分布コントロールできる。
【００２９】
また、基板からの転位防止や機能層による結晶成長の影響防止のために、発光層を単一量子構造、多重量子井戸構造としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示すレーザの断面図である。
【図２】同じくレーザの他の実施形態を示す断面図である。
【図３】は同じく発光素子の実施形態を示す断面図である。
【図４】同じく発光素子の他の実施形態を示す断面図である。
【図５】同じくモノリシックタイプの発光素子の実施形態を示す断面図である。
【図６】従来の青色ＬＥＤの例を示す断面図である。
【図７】従来のモノリシックＬＥＤの例を示す断面図である。
【符号の説明】
７　　基板
８　　機能層
９　　絶縁層
１０　　コンタクト層
１１　　クラッド層
１２　　発光層
１３　　コンタクト層
１４　　コンタクト層

Claims

半導体単結晶からなる基板と、前記基板の上部にランド状又はストライプ状にして１つ或いは複数個設けた機能層と、前記機能層の上部を覆うように配置した絶縁層と、前記絶縁層を覆うように設けたコンタクト層と、前記コンタクト層の上部に設けたＰＮ接合よりなる発光層とから構成したことを特徴とする光半導体素子。
前記機能層を吸収層としたことを特徴とする１項記載の光半導体素子。
前記機能層を反射層としたことを特徴とする１項記載の光半導体素子。
前記機能層を反射層として上方向へ反射させると共に、傾斜を持たせて横方向に光出力することを特徴とする１項記載の光半導体素子。
裏面に電極をもつ半導体単結晶からなる基板と、前記基板の上部にランド状又はストライプ状に設けた機能層と、前記機能層の上部を覆うように配置した絶縁層と、前記絶縁層を覆うように設けたコンタクト層と、前記コンタクト層の上部又は上方に設けられた発光層と、クラッド層、コンタクト層、上部電極を具備したことを特徴とする光半導体素子。