JP2958182B2

JP2958182B2 - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP2958182B2
Application number: JP4351992A
Authority: JP
Inventors: 達也岸本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1992-02-28
Filing date: 1992-02-28
Publication date: 1999-10-06
Anticipated expiration: 2014-10-06
Also published as: JPH05243610A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体発光素子に関し、
例えばページプリンター用感光ドラムの光源や光通信用
デバイスの発光素子などに用いられる半導体発光素子に
関する。

【０００２】

【従来の技術およびその課題】なお、結晶の面方向を説
明するに当たって、バー１は−１で示す。

【０００３】近年、半導体発光素子は、ＭＯＣＶＤ法
（有機金属気相成長法）やＭＢＥ法（分子線エピタキシ
ャル法）などの化合物半導体結晶技術の進歩にともなっ
て盛んに研究されている。

【０００４】従来の半導体発光素子を図５に基づいて説
明する。図５は、従来の半導体発光素子の断面図であ
り、２１は一導電型半導体用不純物を含有するシリコン
（Ｓｉ）などから成る単結晶基板、２２はガリウム・砒
素（ＧａＡｓ）などから成るバッファ層、２３はシリコ
ン基板２１と同じ導電型を呈するアルミニウム・ガリウ
ム・砒素（ＡｌＧａＡｓ）などから成る第一の半導体
層、２４は第一の半導体層２３とは逆の導電型を呈する
アルミニウム・ガリウム・砒素などから成る第二の半導
体層、２５は上部電極２７とオーミックコンタクトをと
るために逆導電型半導体用不純物を多量に含むガリウム
・砒素などから成るオーミックコンタクト層、２６は例
えば窒化シリコン（ＳｉＮ_x）などから成る保護層であ
る。このオーミックコンタクト層２５上の保護層２６に
は、コンタクトホール２６ａが形成され、このコンタク
トホール２６ａを介して上部電極２７がオーミックコン
タクト層２５に接続されている。また、シリコン基板２
１の裏面側には、シリコン基板２１とオーミックコンタ
クトをとるための下部電極２８が設けられている。この
半導体発光素子では、第一の半導体層２３と第二の半導
体層２４とで半導体接合が形成されて発光層となる。ま
た、バッファ層２２、第一の半導体層２３、第二の半導
体層２４、およびオーミックコンタクト層２５は島状に
形成され、島状部Ｉを構成する。

【０００５】このように構成された半導体発光素子で第
一の半導体層２３が例えばｎ型で第二の半導体層２４が
例えばｐ型であるとした場合、上部電極２６を正、下部
電極２７を負として順バイアス方向に電圧を印加する
と、ｎ型の第一の半導体層２３からｐ型の第二の半導体
層２４へ少数キャリアが注入され、第二の半導体層２４
と第一の半導体層２３の界面である半導体接合部の第二
の半導体層２４側界面にて、キャリアが再結合して発光
する。発光した光は、第二の半導体層２４と保護層２６
を通って外部へ取り出される。

【０００６】ところが、上述した従来の半導体発光素子
では、半導体接合部で発光した光が半導体基板２１の上
部電極２７が設けられた方向に取り出されるため、この
ような半導体発光素子を外部回路と接続する場合、上部
側の電極８は必ずワイヤーボンディング方式で外部回路
と接続しなければならず、外部回路との接続が煩瑣で接
続の信頼性も低いという問題があった。

【０００７】すなわち、ハンダバンプボンディングやマ
イクロバンプボンディングなどのフェースダウンボンデ
ィング方式では、上述のような半導体装置を外部回路の
接続と同時に外部回路基板上に堅牢に固定できることか
ら、外部回路との接続の信頼性も高く、接続作業も簡易
であるが、従来の半導体発光素子は、上部電極８が設け
られた部分に光を取り出すことから、上部電極８をフェ
ースダウンボンディング方式で支持基板上の外部回路と
接続すると、光が外部回路基板で遮られてしまう。

【０００８】また、従来の半導体発光素子では、光が上
部電極２７側から取り出されるため、光の取り出しを遮
らないように上部電極２７はできるだけ小面積に形成し
なければならず、その結果半導体接合部での電流の流れ
が局所的になり、発光強度も弱いという問題があった。

【０００９】さらに、従来の半導体発光素子は、図６に
示すように、島状部Ｉの側面Ｉａ、Ｉｂが<1-10>方向と
<110> 方向を向くように形成するか、あるいは図７に示
すように、島状部Ｉの側面Ｉａ、Ｉｂが<010> 方向と<1
00> 方向を向くように矩形状に形成されていたが、島状
部の側面Ｉａ、Ｉｂが<1-10>方向と<110> 方向を向くよ
うに形成すると（図６参照）、<110> 方向では順メサ形
状となるものの、<1-10>方向では逆メサ形状になると共
に、また島状部Ｉの側面Ｉａ、Ｉｂが<010> 方向と<100
> 方向を向くように形成すると（図７参照）、すべての
方向でメサ角度が９０度になり、いずれにしても島状部
の側面を電極部材で被覆するのは困難であるという問題
があった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体発光
素子は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされた
ものであり、その特徴とするところは、単結晶半導体基
板上に導電型の異なる少なくとも二層の単結晶半導体層
から成る島状部を設け、この島状部側面から前記半導体
基板上にかけて透光性絶縁膜を被着し、この島状部上面
と側面を、島状部の一側面を残して電極で被覆した半導
体発光素子において、前記電極で被覆されない島状部の
一側面が<1-10>方向となり、且つ他の側面が<010> 方向
から<-100>方向の間に入らないように前記島状部を設け
た点にある。

【００１１】

【作用】上記のように構成することにより、島状部側面
のうち光の取り出し面となる側面以外の側面は、すべて
順メサ形状とすることができ、もって島状部側面のうち
光の取り出し面となる側面以外の側面を電極材料で確実
に被覆することができ、端面発光型の発光素子とするこ
とができる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に基づき詳
細に説明する。

【００１３】なお、結晶の面方向を説明するに当たっ
て、バー１は−１で示す。

【００１４】図１は、本発明に係る半導体発光素子の一
実施例を示す断面図であり、１は単結晶半導体基板、２
はバッファ層、３は単結晶半導体基板１と同じ導電型を
呈する第一の半導体層、４は第一の半導体層３と半導体
接合部を形成する逆導電型の不純物を含有する第二の半
導体層、５はオーミックコンタクト層、６は保護層、
７、８は電極である。

【００１５】前記単結晶半導体基板１は、例えば(100)
面から(011) 面に２°オフして切り出した単結晶シリコ
ン基板などで構成され、アンチモン（Ｓｂ）などから成
るドナーを１０¹⁹個／ｃｍ³程度含有させてある。

【００１６】前記単結晶半導体基板１上には、一導電型
不純物を含有するバッファ層２が形成されている。この
バッファ層２は、ガリウム・砒素（ＧａＡｓ）などから
成る。このバッファ層２は、シリコン（Ｓｉ）などから
成るドナーを１０¹⁷個／ｃｍ³程度含有し、二段階成長
法や熱サイクル法を適宜採用したＭＯＣＶＤ法で厚み１
〜１．５μｍ程度に形成される。すなわち、ＭＯＣＶＤ
装置内を９００〜１０００℃で一旦加熱した後に、４０
０〜４５０℃に下げて、ＴＭＧａガス、ＡｓＨ ₃ガス、
および半導体用不純物元素源となるＳｉＨ₄ガスなどを
用いたＭＯＣＶＤ法により単結晶ガリウム・砒素層を成
長させるとともに、６００〜６５０℃に上げて単結晶ガ
リウム・砒素層を成長（二段階成長法）させ、次に３０
０〜９００℃で温度を上下させ（熱サイクル法）、熱膨
張係数の相違に起因する内部応力を発生させ、シリコン
基板１と後述する第一の半導体層３の格子定数の相違に
起因するミスフィット転移を低減させるように形成す
る。

【００１７】前記バッファ層２上には、一導電型不純物
を含有する第一の半導体層３が形成されている。この第
一の半導体層３は、アルミニウム・ガリウム・砒素（Ａ
ｌ_xＧａ_1-xＡｓ）などで形成する。この第一の半導体
層３には、シリコンなどから成るドナーを１０¹⁷個／ｃ
ｍ³程度含有している。この第一の半導体層３は、ＴＭ
Ａｌガス、ＴＭＧａガス、ＡｓＨ₃ガス、および半導体
用不純物元素となるＳｉＨ₄ガスを用いたＭＯＣＶＤ法
により形成される。

【００１８】第一の半導体層３上には、第二の半導体層
４が形成されている。この第二の半導体層４も、アルミ
ニウム・ガリウム・砒素（Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓ）などで
形成する。この第二の半導体層４には、逆導電型半導体
用不純物となる亜鉛（Ｚｎ）などのアクセプタを１０¹⁷
個／ｃｍ³程度含有させる。この第二の半導体層４は、
ＴＭＡｌガス、ＴＭＧａガス、ＡｓＨ₃ガス、および半
導体用不純物元素源となるＤＭＺｎガスを用いたＭＯＣ
ＶＤ法により形成される。前述の第一の半導体層３とこ
の第二の半導体層４とで半導体接合部が形成される。

【００１９】第二の半導体層４上には、逆導電型不純物
を多量に含有するオーミックコンタクト層５が形成され
ている。このオーミックコンタクト層５は、例えばガリ
ウム・砒素（ＧａＡｓ）などで形成され、電極７とオー
ミックコンタクトをとるために亜鉛（Ｚｎ）などから成
る逆導電型不純物を高濃度に含有させてある。なお、第
二の半導体層４とオーミックコンタクト層５との間に
は、バンドギャップを大きくしてキャリアを閉じ込める
ためのクラッド層などを設けてもよい。

【００２０】上述の半導体層２〜５で島状部Ｉが構成さ
れる。この半導体層２〜５は、単結晶半導体基板１上の
全面もしくは所定部分に形成されるが、単結晶半導体基
板１と半導体層２〜５との熱膨張率の相違に起因して単
結晶半導体基板１に反りが発生したり、半導体層２〜５
にクラックが発生するのを防止するために、複数の小さ
い領域に区切って半導体層２〜５を形成することが望ま
しい。一方、半導体層２〜５を成長させるために選択さ
れた領域の周縁部の半導体層は形状依存性によって、結
晶性が悪くなることから、半導体結晶を成長させる選択
領域は発光素子を形成する領域よりも充分広い領域とな
ることが望ましい。すなわち、半導体層２〜５は、列状
に配置される発光素子が形成される領域よりも広い帯状
に形成し、その後発光素子が形成される領域が島状に残
るように、硫酸（Ｈ₂ＳＯ₄）、過酸化水素（Ｈ
₂Ｏ₂）、および水（Ｈ₂Ｏ）などの混合液から成るエ
ッチング液などを用いてエッチングなどによって形成さ
れる。

【００２１】図２（ｂ）は、島状部Ｉを平面視した図で
あり、島状部Ｉの側面の方位（同図（ｂ）参照）を説明
するための図である。この島状部Ｉは、光の取り出し面
となる側面ａ、この側面ａに連続する側面ｂ、ｃ、側面
ｂに連続する側面ｄ、側面ｃに連続する側面ｅで構成さ
れ、平面視した形状は全体として五角形に形成されてい
る。この島状部Ｉにおいては、光の取り出し面となる側
面ａが<1-10>方向となり、側面ｂ、ｃがそれぞれ<-1-10
> <110> 方向となり、側面ｄが<-100>から<-1-10> 方向
に傾斜した方向となり、側面ｅが<010> から<110> 方向
に傾斜した方向に設けられている。すなわち、光の取り
出し面ａを除く側面ｂ、ｃ、ｄ、ｅが、<010> から<-10
0>の範囲に入らないように形成されている。この場合、
側面ｄと側面ｅで形成される角θは９０°以下に設定す
ればよい。このように側面ｂ、ｃ、ｄ、ｅを<010> から
<-100>の範囲に入らないように形成すると、側面ｂ、
ｃ、ｄ、ｅはすべて順メサ形状に形成することができ
る。

【００２２】図３（ｂ）は他の形状を有する島状部Ｉを
平面視した図であり、島状部Ｉの側面の方位を説明する
ための図である。この島状部Ｉは、光の取り出し面とな
る側面ａ’、この側面ａ’に連続する側面ｂ’、ｃ’、
側面ｂ’に連続する側面ｄ’で構成され、平面視した形
状は全体として楔型に形成されている。この島状部Ｉに
おいては、光の取り出し面となる側面ａ’が<1-10>方向
となり、側面ｂ’、ｃ’がそれぞれ<-1-10> <110> 方向
となり、側面ｄが<-100>から<-1-10> 方向に傾斜した方
向に設けられている。すなわち、光の取り出し面ａ’を
除く側面ｂ’、ｃ’、ｄ’が、<010> から<-100>の範囲
に入らないように形成されている。この場合、側面ｃと
側面ｄで形成される角θは４５°以下に設定すればよ
い。このように側面ｂ’、ｃ’、ｄ’を設けても、側面
ｂ’、ｃ’、ｄ’はすべて順メサ形状に形成することが
できる。

【００２３】上述の島状部Ｉは、単結晶半導体基板１上
にアレイ状に複数設けられるが、島状部Ｉを複数設ける
場合は、<110> 方向に設ければよい。

【００２４】図１に示すように、前記島状部Ｉの側面に
は、透光性保護層６が形成されている。この保護層６
は、例えば窒化シリコン膜（ＳｉＮ_X）や酸化シリコン
膜（ＳｉＯ₂）などで形成され、例えばシランガスとア
ンモニアガス（ＮＨ₃）や笑気ガス（Ｎ₂Ｏ）などを用
いたプラズマＣＶＤ法などで形成される。。

【００２５】前記島状部Ｉの光の取り出し面を除く面に
は、電極７が形成されている。このように島状部Ｉの光
の取り出し面を除く面に、電極７を形成すると光の取り
出し面だけが光学的に露出することになり、電極７で被
覆されない側面から発光することになる。なお、この電
極７、８は、銀（Ａｇ）、銀／亜鉛（Ａｇ／Ｚｎ）、或
いはクロム／金（Ｃｒ／Ａｕ）などから成り、蒸着法や
スパッタリング法などで厚み５０００Å程度に形成され
る。また、島状部Ｉの近傍に他方側の電極８を形成する
と、電極７、８が単結晶半導体基板１の一主面側に揃う
ことから、このような半導体発光素子を外部回路基板
に、フェースダウンボンディングできるようになる。

【００２６】図４にフェースダウンボンディングした状
態を示す。図４において、１１は外部回路基板であり、
この外部回路基板１１には、外部回路の導体パターン１
２、１３が形成されている。この基板１１の導体パター
ン１２、１３部分に、半導体発光素子１０の電極７、８
を対峙させて位置合わせし、例えばマイクロバンプボン
ディング方式で固定する。すなわち、半導体発光素子１
０の電極７、８の近傍もしくは基板１１の導体パターン
１２、１３の近傍に、液状もしくはシート状であって光
もしくは熱によって硬化する樹脂１４を塗布し、半導体
発光素子１０の電極７、８とを基板１１の導体パターン
１２、１３に正確に位置合わせし、半導体発光素子１０
を加圧しながら光もしくは熱によって上記樹脂１４を硬
化させることにより、基板１１上に半導体発光素子１０
を固定して半導体発光装置を形成するものである。この
場合、半導体発光素子１０の固定と電気的な接続を同時
に行うことができる。なお、図４中、１５は金バンプで
あり、予め電極７、８または導体パターン１２、１３に
被着しておけばよい。

【００２７】また、上記実施例では、電極７で被覆され
ない島状部Ｉの一側面ａが<1-10>方向となり、且つ他の
側面ｂ、ｃ、ｄ、ｅが<010> 方向から<-100>方向の間に
入らないように島状部Ｉを設けることについて述べた
が、逆方向すなわち電極７で被覆されない島状部Ｉの一
側面ａが<-110>方向となり、且つ他の側面ｂ、ｃ、ｄ、
ｅが<0-10>方向から<100> 方向の間に入らないように島
状部Ｉを設けてもよいことは当業者には自明であり、こ
のような方向に島状部Ｉを設けることも本発明の範囲内
である。

【００２８】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る半導体発光
素子によれば、単結晶半導体基板上に導電型の異なる少
なくとも二層の単結晶半導体層から成る島状部を設け、
この島状部側面から前記半導体基板上にかけて透光性絶
縁膜を被着し、この島状部上面と側面とを、島状部の一
側面を残して電極で被覆した半導体発光素子において、
前記電極で被覆されない島状部の一側面が<1-10>方向と
なり、且つ他の側面が<010> 方向から<-100>方向の間に
入らないように前記島状部を設けたことから、島状部側
面のうち光の取り出し面となる側面以外の側面は、すべ
て順メサ形状とすることができ、もって島状部側面のう
ち光の取り出し面となる側面以外の側面を電極材料で確
実に被覆した端面発光型の発光素子とすることができる
と共に、フェースダウンボンディング方式で外部回路と
接続することができるようになる。

【００２９】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体発光素子の一実施例を示す
断面図である。

【図２】（ａ）は面方位を示す図であり、（ｂ）は本発
明に係る半導体発光素子の島状部の配設方向を示す図で
ある。

【図３】（ａ）は面方位を示す図であり、（ｂ）は本発
明に係る半導体発光素子の島状部の他の配設方向を示す
図である。

【図４】本発明に係る半導体発光素子をフェースダウン
ボンディング方式で、外部回路基板に搭載した状態を示
す図である。

【図５】従来の半導体発光素子を示す断面図である。

【図６】従来の半導体発光素子における島状部の配設方
向を示す図である。

【図７】従来の半導体発光素子における島状部の他の配
設方向を示す図である。

【符号の説明】

１・・・単結晶半導体基板、２・・・バッファ層、３・
・・第一の半導体層、４・・・第二の半導体層、５・・
・オーミックコンタクト層、７、８・・・電極、Ｉ・・
・島状部。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】単結晶半導体基板上に導電型の異なる少
なくとも二層の単結晶半導体層から成る島状部を設け、
この島状部側面から前記半導体基板上にかけて透光性絶
縁膜を被着し、この島状部上面と側面を、島状部の一側
面を残して電極で被覆した半導体発光素子において、前
記電極で被覆されない島状部の一側面が<1-10>方向とな
り、且つ他の側面が<010> 方向から<-100>方向の間に入
らないように前記島状部を設けたことを特徴とする半導
体発光素子。
【請求項２】前記単結晶半導体基板上に前記島状部を
複数設け、この複数の島状部を<110> 方向に配設したこ
とを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。