JP3268731B2 - 光電変換素子 - Google Patents
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Description
関するものである。
プリンタの設計、トリケップスWS6、昭和60年、
p.121〜126)に開示されているような発光ダイ
オード(LED)がある。図6を参照して、従来のLE
Dの構造及び製造方法につき簡単に説明する。
1上にn型GaAsP層52、開口部を有する拡散マス
ク54を順次設けてある。また、このLED50は、開
口部に露出しているn型GaAsP層52の表面にp型
拡散領域56を設けている。また、拡散マスク54の表
面及びp型拡散領域56の面にはp型電極58を延存さ
せて配設してある。一方、基板51の裏面にはn型電極
60を設けている。
場合、一般的には気相拡散法によりn型GaAsP層5
2中に拡散領域56を形成する。
基板51を用いているため、この基板51上に比較的膜
厚の厚いn型GaAsP層52を形成している。このた
め、気相拡散により拡散領域56をn型GaAsP層5
2に深く形成することができる。
LEDは、基板に注目して見ると以下に述べる問題があ
る。
るため、 ダイシングの際に基板が割れ易い。
シングに時間がかかる。
ンチ(約7.62cm)が限界であり、3インチ以上の
大口径ウエーハ(例えば8インチ(約20.32c
m))が実現できない。
い。
に、Si基板上に化合物半導体層を形成する方法も試み
られてきたが、その場合、以下のような新たな問題が生
じる。
体層を厚く形成すると、基板と化合物半導体層との材質
の熱膨張係数が異なるため、化合物半導体層中にクラッ
クが発生してしまい素子として使用できなくなる。通常
は、化合物半導体層の厚さを3.5μm以上にすると、
化合物半導体層中にクラックを発生することが本願に係
る発明者等により実験的に確認されている。このため、
Si基板上に形成する化合物半導体層の膜厚を厚くする
ことができないという制約があった。
薄くすると、気相拡散法により化合物半導体層中に拡散
領域を形成した場合、拡散領域の深さが化合物半導体層
の厚さ以上に深く形成されてしまうため、pn接合を形
成することができなくなる。このような理由から、従来
は大口径のSi基板を下地に用いてLED(又はLED
アレイ)を作製することは非常に難かしかった。
層を形成しとき、ダイシング時の欠損がなく、かつ優れ
た発光強度特性を有する光電変換素子及びその製造方法
の出現が望まれていた。
変換素子によれば、下地上にn型AlxGa1-xAs層
と、このn型AlxGa1-xAs層中に発光層として設け
られた、p型の不純物拡散領域とを具える光電変換素子
において、下地若しくは下地の表面層にシリコン(S
i)層を用い、n型AlxGa1-xAs層の層厚が最大で
も3.5μmより薄く、且つ、不純物拡散領域の深さ
は、n型AlxGa1-xAs層の厚さの20〜60%の深
さである。
層の層厚を最大でも3.5μmとすることにより、上述
したような化合物半導体中におけるクラックの発生を防
止するとともに、拡散領域の深さを、n型AlxGa1-x
As層の表面から、この層の厚さに対し20〜60%の
範囲の深さにすることにより、例えばLED素子の場
合、発光強度をプリンタの印字可能な強度に維持するこ
とができる。すなわち、この程度の表面からの深さに抑
えても、シート抵抗の増大を抑え、発光光量の減少を抑
えることができると共に、この深さがn型AlxGa1-x
As層の厚さに近づかないようにしてpn接合面でのキ
ャリアの移動もしくはキャリアの発光再結合が不可能と
なるのを防止し、よって光電変換素子の発光の停止が生
じないようにすることができる。
純物拡散領域は、不純物としてZn(亜鉛)を用い、こ
の不純物拡散領域の単位面積当たりのZn拡散濃度の範
囲を5×1015〜1×1016原子/cm2 とするのが良
い。
×1016原子/cm2とすることによって、拡散領域の
深さが浅くても、例えばLED素子の場合、プリンタ光
源として使用可能な高い発光強度を得ることができる。
面層をn型の他の化合物半導体層とするのが良い。
導体層を用いることにより、例えば表面層の下部層をシ
リコン基板とした場合に、n型の化合物半導体層の厚さ
を従来よりも多少厚くしても、他の化合物半導体層は、
シリコン基板とシリコン基板上の化合物半導体層との熱
膨張係数の違いによって生じる応力を緩和する働きをす
るため、化合物半導体層中に生じるクラックの発生や欠
陥密度を低減する。
光電変換素子及びその製造方法、特に発光ダイオード
(LED)アレイの実施の形態につき説明する。なお、
図1、図2、図3及び図5は、この発明が理解できる程
度に各構成成分の形状、大きさ及び配置関係を概略的に
示してあるにすぎない。
(B)を参照して、この発明の光電変換素子の一例とし
て発光ダイオード(以下、LEDと称する)の第1の実
施の形態につき説明する。なお、図1の(A)及び
(B)では、LEDを複数個具えたLEDアレイを示
し、図1の(A)はLEDアレイの平面図、図1の
(B)は(A)のX−X線に沿って切断した位置での切
口断面を示す。また、(A)に付した斜線は断面を表わ
すのではなく、図面を分かりやすくするために付した線
である。
の下地12として、n型シリコン(Si)基板を用い
る。このシリコン基板12上にn型AlxGa1-xAs層
(但し、xは組成比を表わし0<x<1の値を有してい
る。以下、同様)16及び開口部20を有する拡散マス
ク18を積層させて設ける。
a1-xAs層16中には、発光層としてp型の不純物拡
散領域26が設けてある。ここでは、例えば、p型の不
純物として亜鉛(Zn)を用いる。また、n型AlxG
a1-xAs層16の厚さを約2.5μmとし、p型の拡
散領域の深さ(pn接合深さとも称する。)を約1μm
とする。また、n型Si基板12上にn型AlxGa1-x
As層16を設ける場合は、n型AlxGa1-xAs層1
6の厚さを約3.5μm以下にすることによりクラック
の発生を防止できることが実験で確かめられている。そ
こで、この実施の形態例では、n型AlxGa1-xAs層
16の厚さを2.5μmとしてある。
としており、拡散濃度を最小限度5×1019原子/cm
3 としてある。拡散領域の不純物例えばZnの拡散濃度
を最小限度5×1019原子/cm3 に拡散させることに
より、p型拡散領域16のシート抵抗を実質的に十分に
低減できるため、光取り出し効率(発光効率)が極端に
低下することはなくなる。
をn型AlX Ga1-X As層16の表面からこのn型A
lX Ga1-X As層16の20〜60%の深さまで形成
するのが好適である。このような範囲を設定した理由
は、表面からのpn接合深さが0.5〜1.5μmの範
囲であれば実質的にLEDの発光強度を低下させずにプ
リンタの印字に好適なLEDアレイの発光強度を得るこ
とができるためである。
Ga1-X As層16の厚さ2.5μmに対しpn接合深
さを1μmに設定してある。
の表面側にp型拡散領域26と接合され、かつ拡散マス
ク18の表面に延在するp型電極(個別電極ともい
う。)28を設け、一方、基板12の裏面側にn型電極
(共通電極ともいう。)30を設けている。
て、LEDの第2の実施の形態例につき説明する。な
お、図2は、LEDアレイが配列されているp型電極部
分を配列方向と平行に切断した位置での切口断面を示す
断面図である。
基板11と表面層(シリコン層)13とにより構成する
以外は第1の実施の形態と同様な構成としてある。
板とする。なお、ここでは、下地をSOI(silic
on on Insulatorの略称)とも称する。
下地にSOI基板を用いる場合は、n型電極30をp型
電極28と同一面に設ける必要がある(図示せず)。そ
して、このn型電極は、n型Alx Ga1-x As層16
に接続されている(図示せず)。
地を用いることにより、ダイシングの際に基板が割れに
くく、プロセス等においてハンドリングが容易になり、
基板が平坦かつ割れがないため、プロセス工程が自動化
できる。また、ダイシング時のスピードを速くできるの
で、スループットが大幅に改善される。ダイシング工程
において、欠けが発生しにくくなるので、精度の良いカ
ッティングが可能となる。また、基板にSOIを用いて
いるので、従来実現できなっかた基板寸法の大口径化が
可能となり、したがって、チップ長を長くできる。ま
た、SOIを使用することにより、基板コストを従来よ
りも低減できる等の利点がある。
て、LEDの第3の実施の形態例につき説明する。な
お、図3は、LEDアレイが配列されているp型電極部
分を配列方向に沿って平行に切断した位置での切口断面
を示す断面図である。
板12との表面層14とにより構成した例である。
n型GaAs層としてある。その他の構成は、上述した
第1の実施の形態と同様な構成となっている。このよう
に、第3の実施の形態では、下地15の表面層14、す
なわちn型GaAs層14を設けることにより、この層
14はバッファ層としての役割をするので、Si基板と
n型AlX Ga1-X As層16との熱膨張係数の違いに
よりn型AlX Ga1-X As層16に生じる応力を低減
できる。したがって、n型AlX Ga1-X As層16の
クラックの発生や欠陥密度を低減できる。
純物拡散領域の拡散濃度と発光強度との関係につき説明
する。なお、図中、横軸に対数目盛で[Zn(亜鉛)拡
散濃度]×[拡散深さ](原子/cm2 )を取り、縦軸
に発光強度(μW)を取って表わす。なお、ここではZ
n拡散濃度を原子/cm3の単位とし、拡散深さをcm
の単位として表わす。また、測定に用いた試料は、上記
の第3の実施の形態のLEDアレイを用いる。拡散領域
のZnの拡散濃度は、二次イオン質量分析法を用いて測
定する。また、発光強度は、試料のp型電極28及びn
型電極30間に電圧を印加し、LED素子に5mA程度
の電流を流したとき、試料から30mm離れた位置から
光センサで発光強度を測定する。
りの亜鉛拡散濃度が2×1015原子/cm2 のときは発
光強度はゼロであるが、約5×1015原子/cm2 にな
ると発光強度は約15μWとなる。また、Zn拡散濃度
が約1×1016原子/cm2になると発光強度は17〜
23μWとなる。このLEDで15μW以上の発光強度
が得られればプリンタ光源として使用可能である。
さをn型Alx Ga1-x As層16の表面から約1μm
までにしてあるので、図4の発光強度15μWでの拡散
領域の面積当たりの拡散濃度を体積当たりのZnの拡散
濃度に換算すると、約5×1019原子/cm3 となる。
このように、プリンタの印字に好適な発光強度を得るに
は、LEDアレイの拡散領域の濃度を約5×1019原子
/cm3 以上にする必要がある。
アレイは、基板として、GaAsP/GaAs基板を使
用した従来のアレイに比べても遜色がなく、ほぼ同等の
発光強度が得られる。
(A)〜(C)を参照して、上記の第3の実施の形態例
のLEDアレイを製造する方法につき説明する。なお、
図5の(A)〜(C)は、LEDアレイを製造する工程
を説明するための工程図である。
る場合は、下地として、n型Si基板12を用いる。こ
の基板12上に例えば有機金属気相成長法(MOCVD
法)を用いてn型GaAs層14を形成する。このよう
に、基板12とn型GaAs層14とにより下地15を
構成する。
aAs層14上にn型AlX Ga1-X As層16を形成
する。
上にフォトリソグラフィ技術を用いて開口部20を有す
る拡散マスク18を形成する(図5の(A))。ここで
は、拡散マスク18を窒化アルミニウム(AlN)膜と
する。
(図示せず)に搬入し、この構造体の開口部20に露出
しているn型AlX Ga1-X As層16に対し高温アニ
ールを行ってn型AlX Ga1-X As層16の結晶欠陥
の除去又は減少を図る。このときのアニール条件は以下
の通りとする。
た際にn型AlX Ga1-X As層16中のAsが抜ける
のを防止するためである。
(亜鉛)不純物を含む拡散源膜22及びキャップ膜24
を順次形成する。ここでは、拡散源膜22を例えばZn
OSiO2 膜とし、キャップ膜24をAlN膜とする。
なお、拡散源膜22を形成するには例えば以下の装置を
用い、及び以下の成膜条件とする。
た構造体を拡散炉(図示せず)に搬入し、固相拡散法に
よりn型AlX Ga1-X As層16中にp型の拡散領域
26を形成する。このときの固相拡散の拡散条件は、以
下の通りとする。
したが、好適な温度としては600〜800℃の温度範
囲にするのが良い。このような固相拡散によりZnの拡
散領域26のZnの濃度を1020原子/cm3 程度の濃
度にすることができる。
源膜22に含まれているZnをn型AlX Ga1-X As
層16に拡散させる。ここでは、拡散領域26の深さを
n型AlX Ga1-X As層16の厚さよりも浅く形成す
る(図5の(B))。なお、この実施の形態では、拡散
領域の深さが約1μmとなるように拡散時間を調節す
る。
2及びキャップ膜24を除去した後、例えばアルミニウ
ム(Al)を開口部20の領域に蒸着させる。その後、
フォトリソグラフィ法によりp型電極28を形成する。
してこの電極28の下部に接触抵抗の低いオーミックコ
ンタクトを形成する(図示せず)。
合金を蒸着させてn型電極30を形成する(図5の
(C))。上述した工程を経てLEDアレイが完成す
る。
の発明のLEDアレイは、拡散領域の深さ、すなわちp
n接合の深さを浅くしても、プリンタの印字に使用する
ことが可能な発光効率(図4で説明したLEDでは発光
強度20μW)を得ることができる。
て、n型AlX Ga1-X As層を用いたがn型AlX G
a1-X As層の代わりに、赤外光領域の発光を得る場合
はGaAs層を、可視光領域を得る場合はGaInAs
層等の3元系混晶又はGaInAsP層等の4元系混晶
を用いても良い。
素子として、LED素子を例に取って説明したが、LE
D素子の代わりに太陽電池又は受光ダイオード等の素子
にも適用して好適である。
発明によれば、n型AlxGa1-xAs層の層厚を最大で
も3.5μmとすることにより、化合物半導体層中にお
けるクラックの発生を防止するとともに、拡散領域の深
さを、n型AlxGa1-xAs層の表面から、この層の厚
さに対し20〜60%の範囲の深さにすることにより、
例えばLED素子の場合、発光強度をプリンタの印字可
能な強度に維持することができる。すなわち、この程度
の表面からの深さに抑えても、シート抵抗の増大を抑
え、発光光量の減少を抑えることができると共に、この
深さが化合物半導体層の厚さに近づかないようにしてp
n接合面でのキャリアの移動もしくはキャリアの発光再
結合が不可能となるのを防止し、よって光電変換素子の
発光の停止が生じないようにすることができる。また、
この発明では、不純物拡散領域の単位面積当たりのZn
拡散濃度を5×1015〜1×1016原子/cm2とする
ことによって、拡散領域の深さが浅くても、例えばLE
D素子の場合、プリンタ光源として使用可能な高い発光
強度を得ることができる。
レイ(第1の実施の形態)の構造を説明するために供す
る平面図及び断面図である。
形態)の構造を説明するために供する断面図である。
形態)の構造を説明するために供する断面図である。
を説明するために供する図である。
製造する工程を説明するために供する製造工程図であ
る。
図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 下地上にn型AlxGa1-xAs層と、該
n型AlxGa1-xAs層中に発光層として設けられたp
型の不純物拡散領域とを具える光電変換素子において、 前記下地若しくは前記下地の表面層をn型のシリコン層
とし、 前記n型AlxGa1-xAs層の層厚が最大でも3.5μ
mより薄く、 且つ、前記不純物拡散領域の深さが、前記n型AlxG
a1-xAs層の厚さの20〜60%の深さであることを
特徴とする光電変換素子。 - 【請求項2】 請求項1に記載の光電変換素子におい
て、 前記n型AlxGa1-xAs層は、2.5〜3.5μmの
範囲の層厚であることを特徴とする光電変換素子。 - 【請求項3】 請求項1または2に記載の光電変換素子
において、 前記不純物拡散領域は、 不純物としてZn(亜鉛)を用い、 前記不純物拡散領域の単位面積当たりのZn拡散濃度の
範囲を5×1015〜1×1016原子/cm2 としてある
ことを特徴とする光電変換素子。 - 【請求項4】 請求項3に記載の光電変換素子におい
て、 前記n型AlxGa1-xAs層の層厚を2.5μmとし、
前記不純物拡散領域の深さの範囲を0.5〜1.5μm
とするとき、 発光強度が15〜23μWの範囲であることを特徴とす
る光電変換素子。 - 【請求項5】 請求項1〜4のいずれか一項に記載の光
電変換素子において、前記下地をシリコン層とした場
合、該下地の表面層をn型の他の化合物半導体層とする
ことを特徴とする光電変換素子。
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