JP3638413B2

JP3638413B2 - 半導体発光装置とその製造方法

Info

Publication number: JP3638413B2
Application number: JP26521297A
Authority: JP
Inventors: 勝信北田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1997-09-30
Publication date: 2005-04-13
Anticipated expiration: 2017-09-30
Also published as: JPH11112022A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体発光装置に関し、特にページプリンタ用感光ドラムの露光用光源などに用いられる半導体発光装置とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体発光装置を図３および図４に示す。図４は、図３のＡ−Ａ線断面図である。図３および図４において、２１は半導体基板、２２は島状半導体層、２３は個別電極、２４は共通電極である。
【０００３】
半導体基板２１は、例えばシリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの単結晶半導体基板などから成る。島状半導体層２２は、ガリウム砒素やアルミニウムガリウム砒素などの化合物半導体層などから成り、一導電型不純物を含有する層２２ａと逆導電型不純物を含有する層２２ｂから成る。一導電型不純物を含有する層２２ａと逆導電型不純物を含有する層２２ｂの界面部分で半導体接合部が形成される。この島状半導体層２２は、例えばＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法やＭＢＥ（電子ビームエピタキシ）法でガリウム砒素やアルミニウムガリウム砒素などから成る単結晶半導体層を形成した後に、メサエッチングなどによって島状に形成される。
【０００４】
島状半導体層２２の表面部分には、例えば窒化シリコン膜（Ｓｉ_xＮ_y）などから成る保護膜２５が形成されており、この保護膜２５の表面部分には、例えば金（Ａｕ）などから成る個別電極２３が形成されている。この個別電極２３は、保護膜２５に形成されたスルーホールを介して逆導電型不純物を含有する半導体層２２ｂに接続されている。この個別電極２３は、島状半導体層２２のうちの逆導電型不純物を含有する層２２ｂの上面部分から壁面部分を経由して、半導体基板２１の端面近傍まで、隣接する島状半導体層２２ごとに交互に他の端面側に延在するように形成されている。また、半導体基板２１の裏面側のほぼ全面には共通電極２４が形成されている。
【０００５】
島状半導体層２２、個別電極２３および共通電極２４で個々の発光ダイオードが構成され、この発光ダイオードは半導体基板２１上に一列状に並ぶように形成される。この場合、例えば個別電極２３が発光ダイオードのアノード電極となり、共通電極２４がカソード電極となる。なお、個別電極２３はその幅広部分において外部回路とボンディングワイヤなどで接続される。
【０００６】
このような半導体発光装置では、例えば個別電極２３から共通電極２４に向けて順方向に電流を流すと、逆導電型不純物を含有する層２２ｂには電子が注入され、一導電型不純物を含有する層２２ａには正孔が注入される。これらの少数キャリアの一部が多数キャリアと発光再結合することによって光を生じる。また、列状に形成された発光素子のいずれかの個別電極２３を選択して電流を流して発光させることにより、例えばぺ一ジプリンタ用感光ドラムの露光用光源として用いられる。
【０００７】
ところが、この従来の半導体発光装置では、半導体基板２１の表面側に形成した島状半導体層２２上に、個別電極２３を設けると共に、半導体基板２１の裏面側に共通電極２４を設けていることから、個別電極２３と共通電極２４の形成工程が２回になり、製造工程が煩雑になるという問題があった。また、個別電極２３と共通電極２４が半導体基板２１の表裏両面にあると、ワイヤボンディング法などによって外部回路と接続する際に、その接続作業が困難であるという問題もあった。
【０００８】
そこで、本願発明者等は特願平７−１９２８５７号において、図５および図６に示すように、半導体基板２１上に、一導電型不純物を含有する下層半導体層２２ａを設けると共に、この下層半導体層２２ａ上に逆導電型不純物を含有する上層半導体層２２ｂを下層半導体層２２ａよりも小面積となるように設け、下層半導体層２２ａの露出部分に共通電極２４ａ、２４ｂを接続して設け、上層半導体層２２ｂに個別電極２３を接続して設けることを提案した。
【０００９】
このように構成すると、半導体基板２１の同じ側に個別電極２３と共通電極２４ａ、２４ｂを設けることができ、個別電極２３と共通電極２４ａ、２４ｂを一回の工程で同時に形成できることから半導体発光装置の製造工程が簡略化されると共に、個別電極２３と共通電極２４ａ、２４ｂが同じ側に位置することからワイヤボンディング法などによる外部回路との接続作業も容易になる。なお、図６中、２５は窒化シリコン膜などから成る絶縁膜である。
【００１０】
また、図６に示すように、共通電極２４ａ、２４ｂは隣接する島状半導体層２２ごとに異なる群に属するように二群に分けて設けられ、個別電極２３は隣接する島状半導体層２２が同じ個別電極２３で接続されるように設けられている。
【００１１】
このように共通電極２４ａ、２４ｂを二群に分けて設け、隣接する島状半導体層２２が同じ個別電極２３に接続されるように個別電極２３を設けると、電極パターンが簡素化され、電極の短絡などを防止できると共に、発光ダイオードを高精細化させても、これら電極２３と外部回路との接続面積を大きくとることができるという利点がある。
【００１２】
このような半導体発光装置では、個別電極２３と共通電極２４ａ、２４ｂの組み合わせを選択して電流を流すことによって、各発光ダイオードを選択的に発光させる。
【００１３】
ところが、この従来の半導体発光装置では、隣接する発光ダイオードの電気的な分離が十分でなく、特に二群に分けて設けられた共通電極２４ａ、２４ｂ間でリーク電流が発生するという問題があった。二群に分けて設けられた共通電極２４ａ、２４ｂ間でリーク電流が発生すると、個別電極（アノード）２３に電圧を印加して発光素子を発光させた場合、同じ個別電極２３に接続された隣接する発光素子も薄く発光するという問題があった。
【００１４】
そこで、従来は、同じ個別電極２３に接続された隣接する発光素子の共通電極２３に接続された隣接する発光素子の共通電極２４ａ又は２４ｂに１Ｖ以下の逆バイアス電圧を印加して薄く発光することを防止していたが、駆動回路の制御が複雑になると共に、発光素子の信頼性や発光ばらつきの面からも問題であった。
【００１５】
本発明は、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、製造工程が煩雑化して外部回路との接続作業が困難になることを解消すると共に、隣接する発光ダイオード間でリーク電流が発生することを解消した半導体発光装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る半導体発光装置によれば、基板上に、バッファ層、一導電型半導体層、及び逆導電型半導体層を設け、この一導電型半導体層と逆導電型半導体層に電極をそれぞれ接続して設けた半導体発光装置において、前記バッファ層の中間部分に逆導電型を呈する半導体層を設けた。
【００１７】
また、請求項２に係る半導体発光装置の製造方法によれば、基板上に、有機金属化学気相成長法でバッファ層、一導電型半導体層、及び逆導電型半導体層を形成して、島状にパターニングした後、前記一導電型半導体層と逆導電型半導体層に電極を接続して設ける半導体発光装置の製造方法において、前記バッファ層を形成する途中で、III族元素とＶ族元素を含有する原料ガス中の前記Ｖ族元素とIII族元素のモル比が１０以下となるように前記原料ガスの流量を設定して逆導電型を呈する半導体層を形成する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、請求項１および請求項２に係る発明の一実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。
図１は、請求項１に係る半導体発光装置の一実施形態を示す図であり、１は基板、２はバッファ層、３は一導電型半導体層、４は逆導電型半導体層、５は共通電極、６は個別電極、７は保護膜である。
【００１９】
基板１は、例えばシリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの単結晶半導体基板や、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）などの単結晶絶縁基板から成る。本発明に係る半導体発光装置では、半導体基板を用いる場合、一導電型半導体基板、逆導電型半導体基板、或いは高抵抗半導体基板のいずれも用いることができるが、隣接する発光素子の素子分離を完全に行うには、１〜２×１０³Ω・ｃｍ程度の高抵抗半導体基板を用いることが望ましい。
【００２０】
請求項１に係る半導体発光装置における各半導体層の層構成を図２に示す。バッファ層２は、基板１と一導電型半導体層３との格子定数の相違に基づくミスフィット転位を防止するために設ける。
【００２１】
バッファ層２は、例えば０．１μｍ程度の厚みを有する第１のＧａＡｓ層２ａ、０．０１〜０．２μｍ程度の厚みを有するｐ型ＧａＡｓ層２ｂ、２．４μｍ程度の厚みを有する第２のＧａＡｓ層２ｃ、０．１５μｍ程度の厚みを有するＩｎＧａＡｓ層２ｄ、０．２μｍ程度の厚みを有する第３のＧａＡｓ層２ｅから成る。なお、ＩｎＧａＡｓ層２ｄは、ＧａＡｓとは格子定数を若干変化させてバッファ層２中の転位を不連続とするために設けるものである。
【００２２】
このバッファ層２の少なくとも一部には、逆導電型を呈する半導体層２ｂが形成されるように設ける。この逆導電型を呈する半導体層２ｂは、例えば亜鉛（Ｚｎ）などのｐ型不純物を含有させたり、ＧａＡｓ層２ｂを形成する際の原料ガスの流量比を所定範囲に設定して形成する。
【００２３】
一導電型半導体層３は、０．８μｍ程度の厚みを有するｎ⁺型ＧａＡｓ層３ａと０．４μｍ程度の厚みを有するｎ−ＡｌＧａＡｓ層３ｂから成る。この一導電型半導体層３は、シリコン（Ｓｉ）などのｎ型半導体不純物を１×１０¹⁶〜１０²¹ａｔｏｍｓ・ｃｍ^-3程度含有する。
【００２４】
逆導電型半導体層４は、０．４μｍ程度の厚みを有する第１のｐ−ＡｌＧａＡｓ層４ａ、０．４μｍ程度の厚みを有する第２のｐ−ＡｌＧａＡｓ層４ｂ、０．４μｍ程度の厚みを有する第３のｐ−ＡｌＧａＡｓ層４ｃ、０．０１６μｍ程度の厚みを有するｐ⁺−ＧａＡｓ層４ｄから成る。この逆導電型半導体層４は、亜鉛（Ｚｎ）などのｐ型半導体不純物を１×１０¹⁶〜１０²¹ａｔｏｍｓ・ｃｍ^-3程度含有する。なお、第１のｐ−ＡｌＧａＡｓ層４ａから第３のｐ−ＡｌＧａＡｓ層４ｃは電子の閉じ込め効果と光の取り出し効果を勘案して、ＡｌＡｓとＧａＡｓの混晶比が異なるように形成される。
【００２５】
逆導電型半導体層４は、一導電型半導体層３の一部が露出するように一導電型半導体層３よりも小面積に形成される。バッファ層２、一導電型半導体層３、および逆導電型半導体層４は、それぞれ島状に形成され、全体が例えば窒化シリコン（ＳｉＮ_x）などから成る保護膜７で被覆される。また、一導電型半導体層３の露出部には共通電極６が接続して設けられ、この露出部と対峙する逆導電型半導体層４の端部には、個別電極５が接続して設けられる。
【００２６】
次に、請求項３に係る半導体発光装置の製造方法を説明する。
各半導体層２〜４は、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法などで形成される。すなわち、基板１として例えばシリコン基板を用いる場合、表面の自然酸化膜を８００〜１０００℃の高温で除去し、次に４５０℃以下の低温で核となるアモルファスガリウム砒素膜を１００〜５００Åの厚みに成長させた後に５００〜７００℃まで昇温して、ガリウム砒素単結晶膜を形成する（二段階成長法）。このガリウム砒素膜中で成長を中断し、７５０〜１０００℃の高温アニールと６００℃以下への冷却を繰り返す（熱サイクル法）ことにより、転位などの結晶欠陥を低減させる。次いで、残りの各バッファ層２を所定厚みになるまで連続して形成する。
【００２７】
ＭＯＣＶＤ法で形成する場合、ガリウム（Ｇａ）の原料ガスとしてはトリメチルガリウム（（ＣＨ₃）₃Ｇａ）などが用いられ、砒素（Ａｓ）の原料ガスとしてはアルシン（ＡｓＨ₃）などが用いられ、インジウム（Ｉｎ）の原料ガスとしてはトリメチルインジウジウム（（ＣＨ₃）₃Ｉｎ）などが用いられる。
【００２８】
この場合、逆導電型を呈するＧａＡｓ層２ｂは、トリメチルガリウム（（ＣＨ₃）₃Ｇａ）とアルシン（ＡｓＨ₃）中のＡｓとＧａのモル比が１０以下となるように原料ガスを流しながら形成する。すなわち、トリメチルガリウム（（ＣＨ₃）₃Ｇａ）の恒温槽の圧力を７４．７４ｍｍＨｇに設定して８０ｓｃｃｍ流すとすると、アルシンの濃度が２０％であれば、そのアルシンを４３７ｓｃｃｍ以下となるように設定して逆導電型を呈するＧａＡｓ層２ｂを形成する。なお、第１のＧａＡｓ層２ａはＶ族元素とIII 族元素のモル比が例えば２１．５となるように原料ガスの流量比を設定して形成され、また、第２のＧａＡｓ層２ｃはＶ族元素とIII 族元素のモル比が例えば４３となるように原料ガスの流量比を設定して形成される。このように形成すると、トリメチルガリウム（（ＣＨ₃）₃Ｇａ）とアルシン（ＡｓＨ₃）の流量比を変えるだけでバッファ層中に逆導電型を呈するＧａＡｓ層２ｂを形成することができる。
【００２９】
このバッファ層２上に形成される各化合物半導体層３〜４もＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法で形成される。導電型を制御するｎ型半導体不純物としてはシラン（ＳｉＨ₄）などがあり、ｐ型半導体不純物としてはジメチルジンク（（ＣＨ₃）₂Ｚｎ）などがある。
【００３０】
このように、基板１の全面もしくは一部にバッファ層２、一導電型半導体層３、及び逆導電型半導体層４を順次積層して形成した後に、エッチングなどによって島状に形成し、次に、島状部上にレジストマスク１２を塗布して、一導電型半導体層３の一部が露出するように、それより上部の半導体層の一部をエッチングすることによって形成される。
【００３１】
一導電型半導体層３には接触しない箇所に逆導電型を呈する半導体層２ｂ、２ｄを設けることが肝要である。一導電型半導体層３に接触する部分で逆導電型を呈する半導体層２ｂ、２ｄを形成すると、隣接する発光素子を発光させる際に、薄く発光してしまう。また、ＧａＡｓ層で発光した光ができるだけ外へ漏れないようにするために、逆導電型を呈する半導体層２ｂ、２ｄはバッファ層２の中間のできるだけ基板１側に設けることが望ましい。つまり、バッファ層２中に、逆導電型を呈する半導体層２ｂを入れたときに、上下の層２ａ、２ｃはｎ型となっているために、一導電型半導体層３ｂと逆導電型半導体層４ａの半導体接合部以外に、例えば第２のＧａＡｓ層２ｃと逆導電型を呈する半導体層２ｂでも半導体接合部が形成される。したがって、この逆導電型を呈する半導体層２ｂを表面から下げて、上層の各層で第２のＧａＡｓ層２ｃと逆導電型を呈する半導体層２ｂで発光した光を吸収させる。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように、請求項１に係る半導体発光装置によれば、一導電型半導体層と逆導電型半導体層の下部に位置するバッファ層の中間部分に逆導電型を呈する半導体層を設けたことから、隣接する発光素子間で電流がリークすることを極力低減でき、隣接する発光素子が薄く発光することを防止できる。もって、隣接する発光素子に従来装置のような逆バイアス電圧を印加する必要がなくなり、駆動の制御が容易になる。特に、隣接する発光素子に同一のアノード電極を設けた半導体発光装置に有効である。
【００３３】
また、請求項２に係る半導体発光装置の製造方法によれば、一導電型半導体層と逆導電型半導体層の下部に位置するバッファ層を形成する途中で、III族元素とＶ族元素を含有する原料ガス中のＶ族元素とIII族元素のモル比が１０以下となるように原料ガスの流量を設定して逆導電型を呈する半導体層を形成することから、隣接する発光素子間のリーク電流を極力低減できる半導体発光装置を極めて容易に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体発光装置の一実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明に係る半導体発光装置の層構成を示す図である。
【図３】従来の半導体発光装置を示す平面図である。
【図４】図３中のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】従来の他の半導体発光装置を示す平面図である。
【図６】図５中のＡ−Ａ線断面図である。
【符号の説明】
１‥‥‥基板、２‥‥‥バッファ層、３‥‥‥一導電型半導体層、４‥‥‥逆導電型半導体層、５‥‥‥共通電極、６‥‥‥個別電極

Claims

基板上に、バッファ層、一導電型半導体層、及び逆導電型半導体層を設け、この一導電型半導体層と逆導電型半導体層に電極をそれぞれ接続して設けた半導体発光装置において、前記バッファ層の中間部分に逆導電型を呈する半導体層を設けたことを特徴とする半導体発光装置。
基板上に、有機金属化学気相成長法でバッファ層、一導電型半導体層、及び逆導電型半導体層を形成して、島状にパターニングした後、前記一導電型半導体層と逆導電型半導体層に電極を接続して設ける半導体発光装置の製造方法において、前記バッファ層を形成する途中で、III族元素とＶ族元素を含有する原料ガス中の前記Ｖ族元素とIII族元素のモル比が１０以下となるように前記原料ガスの流量を設定して逆導電型を呈する半導体層を形成することを特徴とする。