JP2847118B2 - 電磁放射を発生する半導体装置 - Google Patents

電磁放射を発生する半導体装置

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Description

【発明の詳細な説明】 (技術分野) 本発明は、第1導電形の第1領域、及び第1領域と供
に、順方向の高い電流強度で電磁放射を放出するPn接合
を形成する第1導電形と反対の第2導電形の第2領域を
具える単結晶半導体本体と、前記第2領域上に形成さ
れ、本装置の活性な領域の部分に不連続部を有する第1
導電形のブロッキング層と、前記半導体本体の面と接
し、前記不連続部の位置において前記半導体本体の面か
ら第2領域の内部まで延在する第2導電形のコンタクト
領域と、前記ブロッキング層上に形成され、前記半導体
本体の面と接すると共に前記コンタクト領域と連続する
第2導電形の高ドープコンタクト層と、前記第1領域上
に形成した第1電極、及び前記コンタクト領域及びコン
タクト層上に形成した第2電極とを有する電磁放射を発
生する半導体装置に関するものである。
このような型式の半導体装置は特開昭57−143888号公
報から既知である。
光通信の分野においては、エレクトロルミネッセンス
ダイオードがよく用いられている。このダイオードは種
々の半導体材料で構成され、関連する用途や光学特性及
び電気特性に基いて選択した放射光の波長に応じて周期
律表の第3族及び第5族に属する材料の二成分、三成分
又は四成分の半導体材料で構成される。
発生する電磁放射はコヒーレント(レーザ光)又はイ
ンコヒーレントである。放射光は主面(面発光型)又は
半導体本体の端部(端部発光型)から放出する。
光通信の分野で用いるためには、小寸法で高輝度の発
光スポットが望まれており、この目的のため高い電流密
度の電流を微小な活性領域に集中させる必要がある。
この目的を達成するため種々の方法が用いられてい
る。よく用いられている方法は、周囲の半導体材料の導
電形とは反対の導電形のブロッキング層を形成し、この
ブロッキング層に局部的な不連続部を形成し、この不連
続部を介して電流を供給し、ブロッキング層と隣接する
材料との間のPn接合によって電流の流れを阻止するよう
に構成されている。
従って、既知の型式のエレクトロルミネッセンスダイ
オードにおいては、第1導電形のブロッキング層を半導
体本体の第2領域上に形成し、その後ブロッキング層中
の不連続部の位置において第1導電形のコンタクト領域
が不連続部を介して第2領域と接している。従って、全
電流はコンタクト領域を経て流れ、実際には活性なエレ
クトロルミネッセンス部分は不連続部の寸法に制限され
てしまう。
(発明が解決しようとする課題) 上述したダイオードは小さな寸法で高放射強度の放射
放出面を有し、光通信の分野で用いるのに極めて好適で
ある。しかしながら、コンタクト領域の電気抵抗は低い
が高電流密度の電流が流れるため、実際にはダイオード
の電圧降下が依然として高く、この結果消費電力が大き
く、電力損失が大きくなるばかりでなく結晶体が劣化し
易い欠点があった。
接点抵抗を小さくするため、特開昭57−143888号公報
のダイオードでは、ブロッキング層上に高ドープコンタ
クト層を形成し、このコンタクト層をコンタクト領域に
接触させている。
このような構成のダイオードでは結晶体の寸法が長く
ならない限り、例えば約300×300μm2以上にならない限
り満足し得るように作動する。
しかしながら、結晶体の寸法が長くなると、コンタク
ト層によって発生する容量により高い変調周波数(例え
ば100MHz以上)において問題が生じてしまう。光通信に
おいてはしばしば高周波数で使用されるため、既知のLE
Dは十分に対応しきれなくなってしまう。
従って、本発明の目的は上述した欠点を除去し、コン
タクト層を設けることによる利点を維持しつつコンタク
ト層による容量を相当量減少させることができる半導体
装置を提供するものである。
(発明の概要) 本発明による半導体装置は、冒頭部で述べた型式の半
導体装置において、前記コンタクト領域から距離を以て
位置しイオンボンバートメンドによって形成した乱され
た結晶構造体を有する高オーミック区域が、前記半導体
本体の面から少なくとも前記コンタクト層及びブロッキ
ング層を経て延在し、前記半導体本体の面の前記高オー
ミック区域によって占められていない部分を、コンタク
ト領域の面の2倍以上であって60,000μm2以下とし、前
記コンタクト領域と高オーミック領域との間の距離を本
装置全体に亘ってほぼ等しくしたことを特徴とするコン
タクト層の一部に極めて高い抵抗を持たせる解決方法
は、一見してコンタクト層を設けた理由に反するように
思われる。
しかしながら、高オーミック区域をコンタクト領域か
ら距離を以て形成すれば、コンタクト層を設けた利点全
体をそのまま維持することができる。すなわち、コンタ
クト層の厚さ方向の抵抗は、ダイオードの直列抵抗に影
響を及ぼすが、コンタクト層のコンタクト領域から遠く
離れている部分は直列抵抗にほとんど影響を及ぼさない
と考えられるからである。
コンタクト領域と高オーミック区域との間の距離は、
高オーミック区域による容量減少効果を十分に発揮させ
るため、あまり大きすぎてはならない。一方、この距離
は小さすぎてもならない。けだし、コンタクト層の抵抗
減少作用が喪失してしまうからである。
種々の実験及び解析を行なった結果、半導体本体の面
の高オーミック区域によって占められていない部分がコ
ンタクト領域の面より2倍以上の大きさで60,000μm2
下であり、コンタクト領域と高オーミック区域との間の
距離が構造全体についてほぼ等しくした場合最良の結果
が得られた。
高オーミック区域は、例えばヘリウム又はイオン注入
によって得ることができる。しかしながら、高オーミッ
ク区域はプロトンボンバードメントによって形成するの
が好ましい。けだし、イオンボンバードメント技術は周
知であり、高い信頼性を以て制御でき、しかもレーザや
LEDの製造過程においても使用されているからである。
上述したように、本発明が解決しようとする課題は、
あまり小さくない半導体結晶体において特に発生する。
従って、本発明は、半導体本体の面に平行な最小寸法が
少なくとも300μmの半導体装置の製造に有益である。
本発明は、光通信において重要な長波長域(1.30〜1.
55μm)で使用されるエレクトロルミネッセンスダイオ
ード(レーザ又はLED)において特に重要である。
本発明による半導体装置の好適実施例は、前記半導体
本体を、第1導電形の第1半導体材料の基板と、この基
板上に形成され、第1導電形の第1半導体材料から成る
バッファ層、第2半導体材料から成る活性層、第2導電
形の第1半導体材料から成るクラッド層、第1導電形の
第2半導体材料から成るブロッキング層、及び第2導電
形の第2半導体材料から成るコンタクト層を順次具える
層構造体とで構成し、前記高オーミック区域が前記半導
体本体の面からコンタクト領域の深さ以上に亘って延在
することを特徴とする。
第1半導体材料はインジウムで構成し、第2の半導体
材料はインジウムガリウム砒素リン(InGaAsP)で構成
するのが有益である。
コンタクト領域はほとんどP形の導電形をしており、
技術的に別の寸法で形成することができる。このコンタ
クト領域は亜鉛(Zn)拡散領域とするのが好ましい。け
だし、亜鉛はn形のIII−V族材料又はこれらの混晶材
料において電気的に及び技術的観点より好適なアクセプ
タとなるからである。
本発明は、端部発光型及び面発光型のレーザ又はLED
の両方において有用である。特に、本発明は、放射光が
基板の主面を介して基板側から放出される半導体装置に
おいて重要である。
以下、図面に基き本発明を詳細に説明する。
(実施例) 図面は線図的なものであり正しい寸法に従って図示し
たものではない。また、図面を明瞭なものとするため、
厚さ方向の寸法は拡大している。尚、図面を通して対応
する部材には同一符号を付して説明する。
第1図は本発明による電磁放射を発生する半導体装置
の線図的断面を示す。この半導体装置は単結晶半導体本
体Hを具え、本例では、半導体本体を長さaの四角形で
示す。半導体本体Hは第1導電形の第1領域1と反対導
電形で第1領域と共にPn接合3を形成する第2領域2と
を有し、順方向の十分に高い電流密度の電流を供給する
ことによりPn接合3から電磁放射Sを放射することがで
きる。本例では、第1領域をインンジウムリン(InP)
からなるn形基板12とその上に形成したn形インジウム
リンクから成るバッファ層13とで構成し、第2領域はイ
ンジウムガリウム砒素リン(InGaAsP)から成るP形活
性層14とこの上に形成されP形インジウムリンからなる
クラッド層15とで構成する。
第2領域2上に第1導電形のすなわちn形のインジウ
ムリンから成るブロッキング層4を形成する。このブロ
ッキング層は活性な放射光放出領域に対応する位置に不
連続部(ブロッキング層が形成されていない部分を有し
ている。本例では、この不連続部を円形とし、その縁部
を参照符号5で示す。さらに、第2導電形すなわちP形
のコンタクト領域7を形成する。このコンタクト領域は
半導体本体の面6と接すると共に不連続部5において面
6から第2領域2まで延在する。
さらに、ブロッキング層4上に第2導電形すなわちP+
形のインジウムリンから成る高ドープコンタクト層8を
形成する。このコンタクト層8は面6に隣接すると共に
第2のP形コンタクト領域7とも接している。第1領域
1に金属層の形態をした第1電極9を形成し、コンタク
ト領域7及びコンタクト層8上に金属層の第2電極10を
形成する。
これから説明するエレクトロルミネッセンス装置にお
いて、放射光Sは基板12の主面16を経て放出する。種々
の半導体層の厚さ方向の寸法及びドーピングを正確に規
定することにより、小さな放射光放出面から高強度の放
射光を得ることができる。しかしながら、高い変調周波
数の場合(>100MHz)、コンタクト層8が比較的大きな
面積の場合に生ずる容量によって不具合が生じてしま
う。
この欠点を解消するため本発明では(第1図参照)、
乱された結晶構造を有する高オーミック区域11を形成す
る。この高オーミック区域はコンタクト領域7から距離
dだけ離れて位置し、イオンボンバードメントによって
形成され、面6から少なくともコンタクト層8及びブロ
ッキング層4を得て延在する。
このように構成することにより、本発明によるLED
は、高オーミック区域11が形成されていない発光ダイオ
ードよりも相当高い変調周波数で使用することができ
る。
この特性結果を第2及び第3図に示す。第2図は高オ
ーミック区域11が形成されていない点を除き第1図の発
光ダイオードと同一構造の発光ダイオードの特性を示す
ボード線図であり、第3図は高オーミック区域11が形成
されている発光ダイオードの特性を示すボード線図であ
る。これらのボード線図において、縦軸は光パワーの減
衰をdBで表わし、横軸は変調周波数を表わし、3個の異
なるポンピング電流値についてプロットした。第2図及
び第3図から明らかなように、同一ポンピング電流で使
用する場合本発明による発光ダイオードは従来の発光ダ
イオードよりも約2倍高い周波数で使用することができ
る。
本例の発光ダイオードにおいて、半導体結晶体は横方
向の寸法が500μmの四角形とする。コンタクト領域7
の直径bは25μmであり、その面積は である。コンタクト領域7と高オーミック区域11との間
の距離dは、本構造体全周に亘って7.5μmであり、従
って高オーミック区域11が存在しない部分の面積は である。放出される放射光の波長は1300nmであり、各半
導体層の寸法を次の表に示す。
第2図及び第3図から明らかなように、高オーミック
区域11がない場合、発光ダイオードのバンドギャップ
(光出力変調が1.5dBだけ減少する点で規定する)は約1
10MHzである(100mAの場合)。これに対して、本発明に
よる発光ダイオードにおいては、高オーミック区域11が
存在するため容量が小さくなり、バンドギャップは実際
に2倍になっている。
本発明の発光ダイオードは通常の方法を用いて製造す
ることができる。
インジウムリンから成る基板12を用いて処理を開始
し、この基板12上に既知のエピタキシャル成長法を用い
て上記表に示す層構造体を成長させ、例えば液相から液
相エピタキー(LPE)として既知の液相成長法により成
長させる。勿論、他のエピタキシャル技術やこれらを組
み合わせた技術も利用できる。
次に(第4図参照)、コンタクト層8上に酸化シリコ
ンの層20を形成する。この層20は気相から例えば0.15μ
mの厚さに形成され、この層20に直径25μmの円形窓を
エッチングにより形成する。例えば気相から亜鉛拡散す
ることにより、コンタクト区域7(深さ約2μm)を拡
散形成する。この場合、酸化膜20は亜鉛拡散に対してマ
スキングとして作用する。尚、説明を簡略化するため、
横方向の拡散は図面上無視するものとする。そして、n
形ブロッキング層4に亜鉛拡散することにより、この拡
散領域はP形に変化して不連続部が形成されることにな
る。
次に、酸化膜20をおエッチングにより除去しコンタク
ト層8の表面に直径40μmの金の円形マスキング21を形
成する。このマスクの中心はコンタクト領域7の中心と
一致させる。
面6にプロトンボンバードメントを施して乱された結
晶構造を有する高オーミック区域を形成する(第6図参
照)。本例において、320,200及び100keVのエネルギー
で1015,6×1014及び2×1014プロトン/cm2のプロトンボ
ンバードメントを順次行なった。このとき、乱された結
晶構造体の高オーミック区域11が厚さ2.5μmに亘って
形成された。
次に、第1図に示す電極層10(本例ではプラチナで構
成する)及び電極層9(本例ではAuGeNiとする)を既知
の方法で形成する。尚、場合によっては電気堆積法によ
って金属を形成して補強することもできる。次に、金属
層9の活性領域と対応する部分、すなわち、ブロッキン
グ層4の不連続部と対応する部分に開口部を形成する。
従って、本例においては、層9は環状コンタクトを形成
する。次に、所望の態様でダイオードが完成する。
このようにして完成したダイオードは高い信頼性と安
定性を有している。電極層の表面積が大きいので、コン
タクト抵抗は比較的低くなり、100mA程度の高い電流強
度で使用しても高性能が得られる。発光スポットは結晶
体の内部で規定され(ブロッキング層4により)、外側
に形成した酸化膜や他のアイソレーション層によって規
定されるのではないため、機械的歪みが回避され、この
結果寿命が一層長くなる。
上述した実施例では、結晶体の主面を介してインコヒ
ーレントな放射光を放出するエレクトロルミネッセンス
ダイオードを以て説明したが、本発明はこのようなダイ
オードだけに限定されるものではない。
本発明は、端面から放射光Sが出射するダイオードを
製造するのにも有効に適用することができる。従って、
活性領域はストライプ状のものとすることも好ましい
(第7図を参照されたい)。尚、第7図には図面を明瞭
なものとするため電極層は省略した)。
放射光が出射する側の端面並びにこの端面と反対側の
端面が少なくとも部分的に反射性のものとされる場合或
いは層14の活性領域が例えばDFB型又はDBR型のレーザの
ように共振器によって包囲されている場合、勿論コヒー
レントな放射光を発生させることができる。
本発明は上述した実施例で用いた半導体材料に限定さ
れるものではなく、放射光の波長や用いた半導体材料に
かかわらず、図示の型式の全てのダイオードに有効に適
用できる。特に、活性層14はP形の代わりにn形のもの
とすにことができ、n形とする場合Pn接合は層14と13と
の間の代わりに層14と15との間に形成される。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による半導体装置の一例の構成を示す線
図的断面図、 第2図及び第3図は既知のダイオード及び本発明による
ダイオードの測定結果をそれぞれ示すグラフ、 第4図〜第6図は第1図に示す半導体装置の製造工程を
示す線図的断面図、 第7図は本発明による半導体装置の変形例の構成を示す
斜視図である。 H……半導体本体、1……第1領域 2……第2領域、3……Pn接合 4……ブロッキング層、5……不連続部 6……面、7……コンタクト区域 8……コンタクト層、9,10……電極 12……基板、13……バッファ層 14……活性層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭52−149485(JP,A) 特開 昭61−256683(JP,A) 特開 昭57−143888(JP,A) 特開 昭64−18279(JP,A) 特開 昭51−132984(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01S 3/18 H01L 33/00

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1導電形の第1領域、及び第1領域と供
    に、順方向の高い電流強度で電磁放射を放出するPn接合
    を形成する第1導電形と反対の第2導電形の第2領域を
    具える単結晶半導体本体と、前記第2領域上に形成さ
    れ、活性領域の部分に不連続部を有する第1導電形のブ
    ロッキング層と、前記半導体本体の面と接し、前記不連
    続部の位置において前記半導体本体の面から前記第2領
    域の内部まで延在する第2導電形のコンタクト領域と、
    前記ブロッキング層上に形成され、前記半導体本体の面
    と接すると共に前記コンタクト領域まで連続する第2導
    電形の高ドープコンタクト層を有し、前記第1領域上に
    第1電極が形成され、前記コンタクト領域及びコンタク
    ト層上に第2電極が形成されている電磁放射を発生する
    半導体装置において、前記コンタクト領域から距離を以
    て位置しイオンボンバートメンドによって形成した乱さ
    れた結晶構造体を有する高オーミック区域が、前記半導
    体本体の面から少なくとも前記コンタクト層及びブロッ
    キング層を経て延在し、前記半導体本体の面の前記高オ
    ーミック区域によって占められていない部分を、コンタ
    クト領域の面の2倍以上であって60,000μm2以下とし、
    前記コンタクト領域と高オーミック領域との間の距離を
    本装置全体に亘ってほぼ等しくしたことを特徴とする電
    磁放射を発生する半導体装置。
  2. 【請求項2】前記高オーミック区域を、プロトンボンバ
    ードメントによって形成したことを特徴とする請求項1
    に記載の電磁放射を発生する半導体装置。
  3. 【請求項3】前記半導体本体の、前記面に平行な最小寸
    法を少なくとも300μmとしたことを特徴とする請求項
    1又は2に記載の電磁放射を発生する半導体装置。
  4. 【請求項4】前記半導体本体を、第1導電形の第1半導
    体材料の基板と、この基板上に形成され、第1導電形の
    第1半導体材料から成るバッファ層、第2半導体材料か
    ら成る活性層、第2導電形の第1半導体材料から成るク
    ラッド層、第1導電形の第2半導体材料から成るブロッ
    キング層、及び第2導電形の第2半導体材料から成るコ
    ンタクト層を順次具える層構造体とで構成し、前記高オ
    ーミック区域が前記半導体本体の面からコンタクト領域
    の深さ以上に亘って延在することを特徴とする請求項1
    から3までのいずれか1項に記載の電磁放射を発生する
    半導体装置。
  5. 【請求項5】前記第1半導体材料をインジウムリン(In
    P)とし、第2半導体材料をインジウムガリウム砒素リ
    ン(InGaAsP)としたことを特徴とする請求項4に記載
    の電磁放射を発生する半導体装置。
  6. 【請求項6】前記コンタクト領域を、亜鉛拡散領域とし
    たことを特徴とする請求項4又は5に記載の電磁放射を
    発生する半導体装置。
  7. 【請求項7】前記電磁放射が、基板の主面を経て基板側
    から放出されることを特徴とする請求項1から6までの
    いずれか1項に記載の電磁放射を発生する半導体装置。
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