JP3546992B2 - 半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
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【発明の属する技術分野】
本発明は半導体発光素子に関し、特に電流狭窄型の半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
特開昭60−145677号公報には、従来の電流狭窄型の半導体発光素子が開示されている。以下上記公報に示される半導体発光素子を説明する。
【0003】
図9は、従来の半導体発光素子の構成を示す。半導体発光素子90は、基板15と、基板15上に形成され基板15を露出する穴96Hを有するN型ブロック層96と、N型ブロック層96および基板15の露出面上に形成されたP型クラッド層5と、P型クラッド層5上に形成され光を発光する活性領域10を有しているP型活性層4と、P型活性層4上に形成されたN型クラッド層3と、N型クラッド層3上に形成されたN型ウィンドウ層2と、活性領域10に対して基板15と反対側に形成され活性領域10から発光した光を取り出す光取り出し穴1Hを有するN側電極1と、基板15に対して活性領域10と反対側に形成されたP側電極7とを備えている。
【0004】
従来の半導体発光素子90の動作を説明する。P側電極7から注入された電流は、基板15から穴96Hの中央部を通ってP型クラッド層5、P型活性層4、N型クラッド層3、N型ウィンドウ層2を経てN側電極1へ流れる。N型ブロック層96とP型クラッド層5との間は逆バイアスになっているため、基板15からN型ブロック層96へは電流は流れない。N型ブロック層96は電流狭窄層として機能する。半導体発光素子90では、専ら穴96Hが形成されている中央部のみが電流経路となる。
【0005】
半導体発光素子90では、穴96H付近に存在する活性領域10で再結合発光が生じる。活性領域10で発光した光12、13および14は、基板15が不透明であるため、活性領域10に対して基板15と反対側に形成された穴1Hから放射する。
【0006】
図10は、従来の半導体発光素子90の製造方法を示す。図10(A)を参照して、基板15が準備される。図10(B)を参照して、基板15上の全面にN型ブロック層96をエピタキシャル成長させる。図10(C)を参照して、N型ブロック層96に対してエッチングを行って基板15に達する円形の穴96Hを形成する。
【0007】
図10(D)を参照して、N型ブロック層96が形成された基板15上にP型クラッド層5、P型活性層4、N型クラッド層3、N型ウィンドウ層2を順次にエピタキシャル成長させる。図10(E)を参照して、N側電極1とP側電極7とを蒸着する。N型ブロック層96に形成された穴96Hの真上に位置するN側電極1の部分を丸くエッチングして除去し、光取り出し窓である穴1Hを形成すると、半導体発光素子90の製造が完了する。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
再び図9を参照して、従来の半導体発光素子90では、活性領域10から発光した光12および14は広がって穴1Hから放射する。活性領域10から発光した光の指向性を確保するため、穴1Hから広がって放射する光12および14をレンズ等の光学系を用いて集光させようとすると、レンズ等の光学系の負担が増大するという課題が生じる。
【0009】
また従来の半導体発光素子90では、N型ブロック層96は電流狭窄層として機能するため、電流は、穴96Hが形成されている中央部のみに集中して流れる。中央部のみに集中して電流が流れると、活性領域10での発光による発熱が大きくなる。また中央部で発光しているため、発光による熱が逃げ難い。この結果、発光により熱抵抗が増大し、活性領域10での発光効率が低下するという課題が生じる。
【0010】
本発明の目的は、レンズ等の光学系の負担を軽減しつつ、発光した光の良好な指向性を確保することができる半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法を提供することにある。
【0011】
本発明の他の目的は、中央部のみに集中して電流が流れる場合であっても、発光による熱抵抗を低減でき、発光効率の良好な半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法を提供することにある。
【0012】
【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、基板と、該基板上に形成され、該基板を露出する穴を有するN型ブロック層と、該N型ブロック層および該基板の露出面上に形成されたP型クラッド層と、該P型クラッド層上に形成され、光を発光する活性領域を該N型ブロック層の穴内に有しているP型活性層と、該P型活性層上に形成されたN型クラッド層と、該活性領域に対して該基板と反対側に形成され、該活性領域から発光した光を取り出す光取り出し穴を有するN側電極と、該基板に対して該活性領域と反対側に形成されたP側電極とを備えている半導体発光素子であって、該活性領域と該N側電極との間における該N型クラッド層上において、該活性領域の上方に設けられたウィンドウ層を取り囲んで形成され、該活性領域から発光して該ウィンドウ層内に進入した光を反射して、該ウィンドウ層を通って該N側電極の光取り出し穴に集光させる反射層とを備え、該N型ブロック層は、該活性領域で発生した熱を放熱する放熱部を有しており、該放熱部は、該活性領域で発生した熱により好ましくない熱抵抗が発生しない程度に十分広い面積の露出面を有し、該露出面が形成されるように前記P型クラッド層が該N型ブロック層上に積層されて、該P型クラッド層上に該P型活性層が、該P型活性層上に該N型クラッド層が、該N型クラッド層上に該ウィンドウ層および反射層が、該ウィンドウ層および反射層上に該N側電極がそれぞれ積層されており、これにより上記目的が達成される。
本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、基板を露出する穴を有するN型ブロック層を該基板上に形成する第1工程と、その後、P型クラッド層を該N型ブロック層および該基板の露出面上に形成する第2工程と、その後、光を発光する活性領域を有しているP型活性層を、該N型ブロック層の穴内に該活性領域が位置するように、該P型クラッド層上に形成するとともに、該P型活性層上にN型クラッド層を形成する第3工程と、その後、該活性領域に対して該基板と反対側であるN型クラッド層上に、該活性領域の上方にウィンドウ層を形成するとともに、該活性領域から発光した光を反射して集光させる反射層を該ウィンドウ層を取り囲んで形成する第4工程と、その後、該活性領域から発光した光を取り出す光取り出し穴を有するN側電極を該活性領域に対して該基板と反対側である該反射層および該ウィンドウ層上に形成する第5工程と、前記第4工程の後に、P側電極を該基板に対して該活性領域と反対側に形成する第6工程とを包含しており、該N型ブロック層は、該活性領域で発生した熱を放熱する放熱部を有しており、該第2工程および該第3工程は、該放熱部が該活性領域で発生した熱により好ましくない熱抵抗が発生しない程度に十分広い面積の露出面を有しているように、P型クラッド層を該N型ブロック層上および該基板の露出面上に形成し、該P型活性層を該P型クラッド層上に、該N型クラッド層を該P型活性層上に、該ウィンドウ層および反射層を該N型クラッド層上に、該N側電極を該ウィンドウ層および反射層上に、それぞれ形成し、これにより上記目的が達成される。
【0018】
【発明の実施の形態】
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1に係る半導体発光素子の構成を示す。半導体発光素子110は、基板15Aと、基板15A上に形成され基板15Aを露出する穴6AHを有するN型ブロック層6Aと、N型ブロック層6Aおよび基板15Aの露出面上に形成されたP型クラッド層5Aと、P型クラッド層5A上に形成され光を発光する活性領域10Aを有しているP型活性層4Aと、P型活性層4A上に形成されたN型クラッド層3Aと、N型クラッド層3A上に形成されたN型ウィンドウ層2Aと、活性領域10Aに対して基板15Aと反対側に形成され活性領域10Aから発光した光を取り出す光取り出し穴1AHを有するN側電極1Aと、活性化領域10AとN側電極1Aとの間に形成され活性領域10Aから発光した光を反射して集光させる反射層9と、基板15Aに対して活性領域10Aと反対側に形成されたP側電極7Aとを備えている。反射層9は、高アルミ混晶比の材質で形成されている。
【0019】
半導体発光素子110の動作を説明する。図9を参照して前述した従来の半導体発光素子90の場合と同様に、P側電極7Aから注入された電流は、基板15Aから穴6AHの中央部を通ってP型クラッド層5A、P型活性層4A、N型クラッド層3A、N型ウィンドウ層2Aを経てN側電極1Aへ流れる。N型ブロック層6AとP型クラッド層5Aとの間は逆バイアスになっているため、基板15AからN型ブロック層6Aへは電流は流れない。N型ブロック層6Aは電流狭窄層として機能する。半導体発光素子110では、専ら穴6AHが形成されている中央部のみが電流経路となる。
【0020】
活性領域10Aで発光した広がろうとする光12Aおよび14Aは、反射層9により反射して、光の進行方向の中央へ集光するように穴1AHから放射する。活性領域10Aで発光した光13は、穴1AHから放射する。
【0021】
図2および図3は、実施の形態1に係る半導体発光素子110の製造方法を示す。図4は、半導体発光素子110の製造方法のフローチャートを示す。
【0022】
図2、図3および図4を参照して、基板15Aが準備される(図2(A))。基板15A上の全面にDBR反射層8およびN型ブロック層6Aをエピタキシャル成長させる(図2(B))。N型ブロック層6Aに対してエッチングを行ってDBR反射層8に達する円形の穴6AHを形成する(図2(C)、図4:S41)。
【0023】
DBR反射層8およびN型ブロック層6Aが形成された基板15A上にP型クラッド層5A、P型活性層4A、N型クラッド層3AおよびN型ウィンドウ層2APを順次にエピタキシャル成長させる(図2(D)、図4:S42、S43、S44)。N型ウィンドウ層2APに対してエッチングを行ってN型ウィンドウ層2Aを形成する(図2(E)、図4:S45)。
【0024】
N型クラッド層3AおよびN型ウィンドウ層2A上に反射層9Pをエピタキシャル成長させる(図3(A))。反射層9Pに対してエッチングを行って反射層9を形成し(図3(B)、図4:S46)、N側電極1AとP側電極7Aとを蒸着する(図4:S47、S48)。N型ブロック層6Aに形成された穴6AHの真上に位置するN側電極1Aの部分を丸くエッチングして除去し、光取り出し窓である穴1AHを形成する。
【0025】
以上のように実施の形態1に係る半導体発光素子110によれば、活性化領域10AとN側電極1Aとの間に、活性領域10Aから発光した光を反射して集光させる反射層9を設けているので、活性領域10Aで発光した広がろうとする光12Aおよび14Aは、反射層9により反射して、光の進行方向の中央へ集光する。この結果、半導体発光素子110自体の集光性が向上し、レンズ系等の光学系の負担を軽減することができる。
【0026】
なお、活性領域10Aを有するP型活性層4A、N型クラッド層3Aおよび反射層9の順に積層された構成の半導体発光素子を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されない。反射層9は、活性領域10AとN側電極1Aとの間に形成されていればよい。
【0027】
(実施の形態2)
図5は、実施の形態2に係る半導体発光素子120の構成を示す。図1で前述した実施の形態1に係る半導体発光素子110の構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付している。これらについての詳細な説明は省略する。
【0028】
半導体発光素子120は、基板15Bと、基板15B上に形成され基板15Bを露出する穴6BHを有するN型ブロック層6Bと、N型ブロック層6Bおよび基板15Bの露出面上に形成されたP型クラッド層5Aと、P型クラッド層5A上に形成され光を発光する活性領域10Aを有しているP型活性層4Aと、P型活性層4A上に形成されたN型クラッド層3Aと、N型クラッド層3A上に形成されたN型ウィンドウ層2Aと、活性領域10Aに対して基板15Bと反対側に形成され活性領域10Aから発光した光を取り出す光取り出し穴1AHを有するN側電極1Aと、活性化領域10AとN側電極1Aとの間に形成され活性領域10Aから発光した光を反射して集光させる反射層9と、基板15Bに対して活性領域10Aと反対側に形成されたP側電極7Bとを備えている。
【0029】
N型ブロック層6Bは、活性領域10Aで発生した熱を放熱する放熱部6BRを有している。放熱部6BRは、活性領域10Aで発生した熱により好ましくない熱抵抗が発生しない程度に十分広い面積の露出面S1および露出面S2を有している。露出面S1および露出面S2は、ハーフダイシング等により形成される。
【0030】
放熱部6BRは、露出面S1では水平方向にT3=10μm以上露出しており、露出面S2では厚み方向にT1=1.0μm以上露出している。
【0031】
半導体発光素子120の動作を説明する。図1を参照して前述した実施の形態1に係る半導体発光素子110の場合と同様に、P側電極7Bから注入された電流は、基板15Bから穴6BHの中央部を通ってP型クラッド層5A、P型活性層4A、N型クラッド層3AおよびN型ウィンドウ層2Aを経てN側電極1Aへ流れる。N型ブロック層6BとP型クラッド層5Aとの間は逆バイアスになっているため、基板15BからN型ブロック層6Bへは電流は流れない。N型ブロック層6Bは電流狭窄層として機能する。半導体発光素子120では、専ら穴6BHが形成されている中央部のみが電流経路となる。
【0032】
活性領域10Aで発生した熱は、矢印11で示すように放熱部6BRに形成された露出面S1、S2を介して放熱する。露出面S1、S2は、活性領域10Aで発生した熱により好ましくない熱抵抗が発生しない程度に十分広い面積を有している。N型ブロック層6Bは、その厚みT1が図9に示す従来の半導体発光素子90に形成されたN型ブロック層6の厚みT2よりも厚くなるように形成されているので、放熱効果はより一層高まる。
【0033】
実施の形態1に係る半導体発光素子110の場合と同様に、活性領域10Aで発光した広がろうとする光12Aおよび14Aは、反射層9により反射して、光の進行方向の中央へ集光する。
【0034】
図6および図7は、実施の形態2に係る半導体発光素子の製造方法を示す。図8は、実施の形態2に係る半導体発光素子の製造方法のフローチャートを示す。
【0035】
図6、図7および図8を参照して、基板15Bが準備される(図6(A))。基板15B上の全面にDBR反射層8BおよびN型ブロック層6Bをエピタキシャル成長させる(図6(B))。N型ブロック層6Bに対してエッチングを行ってDBR反射層8Bに達する円形の穴6BHを形成する(図6(C)、図8:S81)。
【0036】
DBR反射層8BおよびN型ブロック層6Bが形成された基板15B上にP型クラッド層5A、P型活性層4A、N型クラッド層3AおよびN型ウィンドウ層2APを順次にエピタキシャル成長させる(図6(D)、図8:S82、S83、S84)。
【0037】
P型クラッド層5A、P型活性層4A、N型クラッド層3AおよびN型ウィンドウ層2Aは、露出面S1が露出するようにPN型ブロック層6Bの一部の上に形成される。
【0038】
N型ウィンドウ層2APに対してエッチングを行ってN型ウィンドウ層2Aを形成する(図6(E)、図8:S85)。
【0039】
N型クラッド層3AおよびN型ウィンドウ層2A上に反射層9Pをエピタキシャル成長させる(図7(A))。反射層9Pに対してエッチングを行って反射層9を形成し(図7(B)、図8:S86)、N側電極1AとP側電極7Bとを蒸着する(図8:S87、S88)。N型ブロック層6Bに形成された穴6BHの真上に位置するN側電極1Aの部分を丸くエッチングして除去し、光取り出し窓である穴1AHを形成する。
【0040】
以上のように実施の形態2に係る半導体発光素子120によれば、N型ブロック層6Bは活性領域10Aで発生した熱を放熱する放熱部6BRを有しており、放熱部6BRは活性領域10Aで発生した熱により好ましくない熱抵抗が発生しない程度に十分広い面積の露出面S1、S2を有している。活性領域10Aで発生した熱は放熱部6BRに形成された露出面S1、S2を介して放熱する。
【0041】
このように従来は電流を遮断するためにのみ用いられていたN型ブロック層6Bに、発生した熱を放熱させるヒートシンクの役割を果たさせることができる。
【0042】
この結果、中央部のみに集中して電流が流れる場合であっても、発光による熱抵抗を低減でき、発光効率の良好な半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法を提供することができる。
【0043】
なおN型ブロック層6Bの一部の上にP型クラッド層5A、P型活性層4AおよびN型クラッド層3Aが形成されている構成の半導体発光素子を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されない。N型ブロック層6Bは、活性領域10Aで発生した熱を放熱する放熱部を有しており、放熱部は、活性領域10Aで発生した熱により好ましくない熱抵抗が発生しない程度に十分広い面積の露出面を有していればよい。例えば、N型ブロック層6Bの全面にP型クラッド層、P型活性層およびN型クラッド層が形成されており露出面S1が形成されていなくても、露出面S2が好ましくない熱抵抗が発生しない程度に十分広い面積を有していればよい。
【0044】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、レンズ等の光学系の負担を軽減しつつ、発光した光の良好な指向性を確保することができる半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法を提供することができる。
【0045】
また本発明によれば、中央部のみに集中して電流が流れる場合であっても、発光による熱抵抗を低減でき、発光効率の良好な半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態1に係る半導体発光素子の構成を示す断面図である。
【図2】実施の形態1に係る半導体発光素子の製造方法を示す断面図である。
(A)基板15Aを準備する工程を示す図である。
(B)DBR反射層8AおよびN型ブロック層6Aを形成する工程を示す図である。
(C)N型ブロック層6Aに円形の穴6AHを形成する工程を示す図である。
(D)P型クラッド層5A、P型活性層4A、N型クラッド層3AおよびN型ウィンドウ層2APを形成する工程を示す図である。
(E)N型ウィンドウ層2Aを形成する工程を示す図である。
【図3】実施の形態1に係る半導体発光素子の製造方法を示す断面図である。
(A)反射層9Pを形成する工程を示す図である。
(B)反射層9Pにエッチングを行って反射層9を形成する工程を示す図である。
【図4】実施の形態1に係る半導体発光素子の製造方法のフローチャートである。
【図5】実施の形態2に係る半導体発光素子の構成を示す断面図である。
【図6】実施の形態2に係る半導体発光素子の製造方法を示す断面図である。
(A)基板15Bを準備する工程を示す図である。
(B)DBR反射層8BおよびN型ブロック層6Bを形成する工程を示す図である。
(C)N型ブロック層6Bに円形の穴6BHを形成する工程を示す図である。
(D)N型ブロック層6Bの一部の上にP型クラッド層5A、P型活性層4A、N型クラッド層3AおよびN型ウィンドウ層2APを形成する工程を示す図である。
(E)N型ウィンドウ層2Aを形成する工程を示す図である。
【図7】実施の形態2に係る半導体発光素子の製造方法を示す断面図である。
(A)反射層9Pを形成する工程を示す図である。
(B)反射層9Pにエッチングを行って反射層9を形成する工程を示す図である。
【図8】実施の形態2に係る半導体発光素子の製造方法のフローチャートである。
【図9】従来の半導体発光素子の構成を示す断面図である。
【図10】従来の半導体発光素子の製造方法を示す断面図である。
(A)基板15を準備する工程を示す図である。
(B)N型ブロック層96を形成する工程を示す図である。
(C)N型ブロック層96に円形の穴96Hを形成する工程を示す図である。
(D)P型クラッド層5、P型活性層4、N型クラッド層3およびN型ウィンドウ層2を形成する工程を示す図である。
(E)N側電極1とP側電極7とを蒸着する工程を示す図である。
【符号の説明】
1A N側電極
1AH 光取り出し穴
5A P型クラッド層
6A N型ブロック層
6AH 穴
9 反射層
10A 活性化領域
15A 基板
Claims (2)
- 基板と、
該基板上に形成され、該基板を露出する穴を有するN型ブロック層と、
該N型ブロック層および該基板の露出面上に形成されたP型クラッド層と、
該P型クラッド層上に形成され、光を発光する活性領域を該N型ブロック層の穴内に有しているP型活性層と、
該P型活性層上に形成されたN型クラッド層と、
該活性領域に対して該基板と反対側に形成され、該活性領域から発光した光を取り出す光取り出し穴を有するN側電極と、
該基板に対して該活性領域と反対側に形成されたP側電極と
を備えている半導体発光素子であって、
該活性領域と該N側電極との間における該N型クラッド層上において、該活性領域の上方に設けられたウィンドウ層を取り囲んで形成され、該活性領域から発光して該ウィンドウ層内に進入した光を反射して、該ウィンドウ層を通って該N側電極の光取り出し穴に集光させる反射層とを備え、
該N型ブロック層は、該活性領域で発生した熱を放熱する放熱部を有しており、
該放熱部は、該活性領域で発生した熱により好ましくない熱抵抗が発生しない程度に十分広い面積の露出面を有し、該露出面が形成されるように前記P型クラッド層が該N型ブロック層上に積層されて、該P型クラッド層上に該P型活性層が、該P型活性層上に該N型クラッド層が、該N型クラッド層上に該ウィンドウ層および反射層が、該ウィンドウ層および反射層上に該N側電極がそれぞれ積層されている、半導体発光素子。 - 基板を露出する穴を有するN型ブロック層を該基板上に形成する第1工程と、
その後、P型クラッド層を該N型ブロック層および該基板の露出面上に形成する第2工程と、
その後、光を発光する活性領域を有しているP型活性層を、該N型ブロック層の穴内に該活性領域が位置するように、該P型クラッド層上に形成するとともに、該P型活性層上にN型クラッド層を形成する第3工程と、
その後、該活性領域に対して該基板と反対側であるN型クラッド層上に、該活性領域の上方にウィンドウ層を形成するとともに、該活性領域から発光した光を反射して集光させる反射層を該ウィンドウ層を取り囲んで形成する第4工程と、
その後、該活性領域から発光した光を取り出す光取り出し穴を有するN側電極を該活性領域に対して該基板と反対側である該反射層および該ウィンドウ層上に形成する第5工程と、
前記第4工程の後に、P側電極を該基板に対して該活性領域と反対側に形成する第6工程と
を包含しており、
該N型ブロック層は、該活性領域で発生した熱を放熱する放熱部を有しており、
該第2工程および該第3工程は、該放熱部が該活性領域で発生した熱により好ましくない熱抵抗が発生しない程度に十分広い面積の露出面を有しているように、P型クラッド層を該N型ブロック層上および該基板の露出面上に形成し、該P型活性層を該P型クラッド層上に、該N型クラッド層を該P型活性層上に、該ウィンドウ層および反射層を該N型クラッド層上に、該N側電極を該ウィンドウ層および反射層上に、それぞれ形成する、半導体発光素子の製造方法。
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