JP3891833B2 - 半導体装置及びｌｅｄアレイ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の構成に関し、特にヘテロ接合によるＬＥＤアレイの高密度化に適した半導体装置の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光素子等の作製に用いられる半導体エピタキシャルウエハ（Semiconductor Epitaxial Junction Wafer：以後、単にエピウエハ、と称す）は、例えば、有機金属化学気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：以下、ＭＯＣＶＤと称す）や分子線エピタキシー法などによって作製される。発光素子を作製するためのエピウエハ、及びそれを使った発光素子は、著書名「発光ダイオード」（奥野保男署／産業図書）にいくつか開示されている。
【０００３】
その内のヘテロ接合と呼ばれている発光素子の構成を図１１に示す。同図に示すように、この発光素子１００は、ｐ型の半導体層１０１，１０２とｎ型の半導体層１０３をエピタキシャル成長によって積層した素子で、ｐ側及びｎ側にそれぞれ電圧印加のための電極１０１ａ，１０３ａを形成した発光素子である。ｐ側電極１０１ａとｎ側電極１０３ａにそれぞれプラス（＋）とマイナス（−）の電圧を印加することによって、ｐｎ接合を介してホール及び電子がそれぞれｎ側及びｐ側の半導体層へ注入され、活性層内での多数チャリアとの再結合によって発光する。
【０００４】
このタイプの発光素子では、ヘテロエピ成長界面のエネルギー障壁によるキャリア閉じ込めの効果による量子効率の増加と、活性層とクラッド層のエネルギーバンドギャップの差異により、活性層で発光した光がクラッド層で吸収されない効果による光取り出し効率の増加とによって、ヘテロ接合を使った発光素子の発光効率は、ホモ接合を使った発光素子よりも高くなる。
【０００５】
一方、発光ダイオード（Light-emitting diode:ＬＥＤ）を配列したＬＥＤアレイは、従来、電子写真プリンタの画像形成のための光源として使用されている。ＬＥＤアレイを使った電子写真プリンタで高品質の画像を得るためには、ＬＥＤを高密度に集積する必要がある。近年では、例えば１２００ｄｐｉ（dots-per-inch）のＬＥＤアレイが必要とされている。１２００ｄｐｉＬＥＤアレイのＬＥＤの配列ピッチは、２１．２μｍとなり非常に小さい。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のヘテロ接合ＬＥＤを作製するためのエピウエハは、ｐ型とｎ型の半導体層をウエハ全面にエピタキシャル成長させて作製するため、ウエハの中に多数の独立したＬＥＤを作製するためには、各ＬＥＤを素子分離する必要がある。このように、１チップ内に多数のＬＥＤを集積するＬＥＤアレイチップは、１チップ内で各ＬＥＤが素子分離されなければならなかった。
【０００７】
従って、上記したような従来のエピウエハを使用したヘテロ接合のＬＥＤによるＬＥＤアレイを作製する場合には、素子分離のためのエッチング溝が必要不可欠であった。このエッチング溝を形成するために、例えば１２００ｄｐｉＬＥＤアレイのための２１．２μｍのような狭いピッチでＬＥＤを配列することが困難であり、集積度に限界があった。
【０００８】
また、深く微細なエッチング溝による凹凸があるために、高精度なフォトリソグラフィーによるパターン形成が難しく、素子の設計が困難であった。このように、従来のエピウエハを使った高発光効率の高密度ＬＥＤアレイの製造では、高い歩留りが達成できないという問題があった。
【０００９】
本発明の目的は、上記した問題点を解決し、高密度ＬＥＤアレイの製造において、高い製造歩留りを達成できる、プレーナ構造の高発光率ＬＥＤアレイを製造するための半導体エピタキシャルウエハを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体装置は、半導体基板上に多層の半導体層を設けてなる半導体エピタキシャルウエハを有する半導体装置であって、
第１導電型の半導体基板と、該半導体基板の表面に接して設けられた第２導電型半導体層と、該第２導電型半導体層上に設けられた第１導電型の第１のクラッド層と、該第１のクラッド層上に設けられ、第１導電型の活性層を構成する第１の半導体層と、該第１の半導体層に接して設けられた第１導電型の第２のクラッド層と、該第２のクラッド層上に設けられた第１導電型の半導体コンタクト層と、前記半導体コンタクト層から前記第１の半導体層に至り選択的に形成された複数の第２導電型不純物領域と、前記半導体コンタクト層から前記第２導電型半導体層に達するブロック分離領域とを有し、
前記ブロック分離領域は、各々前記第２導電型不純物領域を所定数含み電気的に分離した複数の単位ブロックを形成することを特徴とする。
【００１１】
本発明によるＬＥＤアレイは、半導体基板上に多層の半導体層を設けてなる半導体エピタキシャルウエハを有し、複数のＬＥＤが形成されたＬＥＤアレイであって、
第１導電型の半導体基板と、該半導体基板の表面に接して設けられた第２導電型半導体層と、該第２導電型半導体層上に設けられた第１導電型の第１のクラッド層と、該第１のクラッド層上に設けられ、第１導電型の活性層を構成する第１の半導体層と、該第１の半導体層に接して設けられた第１導電型の第２のクラッド層と、該第２のクラッド層上に設けられた第１導電型の半導体コンタクト層と、前記半導体コンタクト層から前記第１の半導体層に至り選択的に形成された複数の第２導電型不純物領域と、前記半導体コンタクト層から前記第２導電型半導体層に達するブロック分離領域とを有し、
前記ブロック分離領域は、各々前記第２導電型不純物領域を所定数含み電気的に分離した複数の単位ブロックを形成することを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本発明による半導体装置の実施の形態１のエピウエハの構成を模式的に示す構成図である。
【００１９】
同図に示すように、このエピウエハ１０は、下から順に半絶縁性の半導体基板１１、半絶縁性の半導体バッファー層１２、第１導電型の第１のクラッド層１３、第１導電型の活性層１４、第１導電型の第２のクラッド層１５、及び第１導電型コンタクト層１６が積層した構成となっている。
【００２０】
次に、各半導体層の具体的な材料例について述べる。半絶縁性の半導体基板１１は半絶縁性ＧａＡｓ基板、半絶縁性の半導体バッファー層１２は半絶縁性ＧａＡｓエピタキシャル半導体層（以後、半絶縁性ＧａＡｓバッファー層と称す）、第１導電型の第１のクラッド層１３はｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓエピタキシャル半導体層（以後、ｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓクラッド層と称す）、第１導電型の活性層１４はｎ型ＡｌyＧａ1-yＡｓエピタキシャル半導体層（以後、ｎ型ＡｌyＧａ1-yＡｓ活性層と称す）、第１導電型の第２のクラッド層１５はｎ型ＡｌｚＧａ1- ｚＡｓエピタキシャル半導体層（以後、ｎ型ＡｌzＧａ1-zＡｓクラッド層と称す）、そして第１導電型コンタクト層１６はＧａＡｓエピタキシャル半導体層（以後、ＧａＡｓコンタクト層と称す）である。
【００２１】
ｎ型不純物としてはＳｉを使用でき、エピタキシャル半導体層は、ＭＯＣＶＤ法により形成することができる。
【００２２】
エピウエハ１０では、第１導電型の第１のクラッド層１３であるｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓクラッド層のエネルギーバンドギャップをＥｇ（１３）、第１導電型の活性層１４のｎ型ＡｌyＧａ1-yＡｓ活性層のエネルギーバンドギャップをＥｇ（１４）、そして第１導電型の第２のクラッド層１５であるｎ型ＡｌzＧａ1-zＡｓクラッド層のエネルギーバンドギャップをＥｇ（１５）としたとき、これらは少なくとも
Ｅｇ（１３）＞Ｅｇ（１４）
Ｅｇ（１５）＞Ｅｇ（１４）
の関係が成立するように構成されている。
【００２３】
半導体エピタキシャル層にＡｌtＧａ1-tＡｓ（ｔ≧０）を使用する場合、各半導体層のエネルギーバンドギャップは、Ａｌの組成比により決定することができる。従って、上記の条件、Ｅｇ（１３）＞Ｅｇ（１４）、及びＥｇ（１５）＞Ｅｇ（１４）を満たすＡｌの組成比として、例えばｘ＝０．４、ｙ＝０．１５、ｚ＝０．４とすることができる。即ち、第１導電型の第１のクラッド層１３をｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓとし、第１導電型の活性層１４をｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓとし、そして第１導電型の第２のクラッド層１５をｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓとすることができる。
【００２４】
次に、上記のエピウエハを使用したＬＥＤアレイの構成と動作について説明する。
【００２５】
図３は、上記した構成のエピウエハ１０を使って後述するチップマトリックス配線を施したＬＥＤアレイ２０を模式的に示す要部平面図であり、図２は、図３中の指示線１１０を含む断面を矢印Ａ−Ａ方向からみた部分断面図である。
【００２６】
図２に示すように、ＬＥＤアレイ２０は、エピウエハ１０にウエハ上面から選択的に第２導電型不純物の拡散領域２１を形成している。この拡散領域２１は、エピウエハ１０のエピタキシャル層と略平行な拡散フロント２１ｄが第１導電型の活性層１４内まで達し、コンタクト層拡散領域２１ａ、グラッド層拡散領域２１ｂ、及び活性層拡散領域２１ｃに区分けできる。
【００２７】
尚、この第２導電型の不純物として、例えばｐ型のＺｎを用い、これを拡散して拡散領域２１を形成することができる。
【００２８】
後述するように、この拡散領域２１を伴なって形成されるＬＥＤ３７は、図３に示すように、ｎ型半導体エピタキシャル層を分割して形成される各単位ブロック２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ……毎にそれぞれ複数（図３の実施例では８個）直線状に配置されている。
【００２９】
各単位ブロック２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、……への分割は、エピウエハ１０の上面から少なくとも半絶縁性の半導体バッファー層１２まで達する単位ブロック分離領域２２によって電気的に分離されている。この単位ブロック分離領域２２の溝は、異方性エッチングの溝が好ましく、ＳｉＯ２絶縁層の気相成長又はヒューズドシリカの塗布、或いはプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）によるＳｉＮ膜又はポリイミド膜などの絶縁膜により埋め込むことができる。
【００３０】
図３に示すように、ＬＥＤアレイ２０は、マトリックス配線構造を有する。このマトリックス配線構造は、各ＬＥＤ３７にそれぞれ個別に対応して配設されるｐ側電極３１、各単位ブロック毎に配置されて同単位ブロック内での各ＬＥＤ３７の共通のｎ側の電極となるｎ側電極３２、及び、各単位ブロックの同位置（例えば、各ブロック左端からの順位が同じ位置）のｐ側電極３１同士を、後述するコンタクトホール３６によってそれぞれ結合する共通配線３３から構成され、更に、各単位ブロックには、同ブロック内のｎ側電極３２にｎ側電極配線３４ａによって接続されたｎ側電極パッド３４と、ｐ側電極配線３５ａによって共通配線３３に択一的に接続されるｐ側電極パッド３５とが配設されている。
【００３１】
ｎ側電極パッド３４及びｐ側電極パッド３５は、ＬＥＤアレイ２０を駆動するための駆動ＩＣとワイヤボンディングによって接続するための電極パッドである。
【００３２】
各ｐ側電極３１、各ｎ側電極配線３４ａ及び各ｐ側電極配線３５ａと各共通配線３３間には、コンタクトホール３６を有する図示しない層間絶縁膜が形成されている。この層間絶縁膜によって、各電極と各電極配線の所定の電気的接続を可能とするコンタクトホール３６以外では、各電極３１と各共通配線３３との絶縁、更には各ｎ側電極配線３４ａ及び各ｐ側電極配線３５ａと共通配線３３との絶縁が保たれる。
【００３３】
尚、ｐ側電極３１、ｎ側電極３２、ｐ側電極配線３５ａ、ｎ側電極配線３４ａ及び共通配線３３としては、例えば、標準のフォトリソグラフィーの技術を使ってパターン形成したＡｕ系の金属材料を使用することができる。
【００３４】
一方、図２に示すように、ＬＥＤアレイ２０の形成過程において、コンタクト層拡散領域２１ａの横方向拡散フロント部を含む拡散周辺領域４０は、エッチングによって除去されてエッチング領域４１がリング状に形成される。このエッチング領域４１によって、第１導電型コンタクト層１６の拡散領域と非拡散領域の境界部が除かれ、両領域は完全に分離された構造となっている。
【００３５】
従って、コンタクト層拡散領域２１ａに相当する拡散領域２１の上面部は、島状のＧａＡｓコンタクト領域となっており、以後この部分をＧａＡｓコンタクト島２３と称す。
【００３６】
前記したＰ側電極３１は、ＧａＡｓコンタクト島２３の少なくとも一部の領域とオーミックコンタクトを形成している。このエッチング領域４１の少なくとも電極が通過する領域は、層間絶縁膜４３によって被服されている。また、ｎ側電極３２は、ＬＥＤアレイ２０の第１導電型コンタクト層１６とコンタクトを形成している。
【００３７】
尚、第１導電型コンタクト層１６は、非常に薄くすることができ、例えば５００Åとすることができる。また、層間絶縁膜４３は、例えばプラズマＣＶＤで形成したＳｉＮ膜を使うことができ、５００Å程度の段差を容易に被覆可能な膜厚とすることができる。
【００３８】
次に、ＬＥＤアレイ２０の動作について、先ずその発光動作から説明する。
【００３９】
ｐ側電極３１とｎ側電極３２との間に順方向電圧を印加すると、ｐｎ接合を介してｐ側領域であるＺｎ拡散領域２１とｎ側領域に、少数キャリアとしてそれぞれ電子と正孔が注入される。第１導電型コンタクト層１６にはエッチング領域４１が設けてあるため、この層内にはｐｎ接合が存在しない。
【００４０】
もし、第１導電型コンタクト層１６内にｐｎ接合が形成されている場合には、第１導電型コンタクト層１６を形成するＧａＡｓのエネルギーバンドギャップが活性層等を形成するＡｌyＧａ1-yＡｓのエネルギーバンドギャップよりも小さいので、ＧａＡｓ層内のｐｎ接合を介してキャリアの注入が起こる。この場合の発光は、ＧａＡｓ層内での発光が主となってしまい、ＡｌyＧａ1-yＡｓのエネルギーバンドギャップに相当した発光波長の光が得られなくなってしまう。
【００４１】
一方、前記したように、第１導電型の第２のクラッド層１５であるｎ型ＡｌzＧａ1-zＡｓクラッド層のエネルギーバンドギャップＥｇ（１５）が、第１導電型の活性層１４であるｎ型ＡｌyＧａ1-yＡｓ活性層のエネルギーバンドギャップＥｇ（１４）よりも大きくしてあるため、少数キャリアは、第１導電型の活性層１４内のｐｎ接合を介してのみ注入される。
【００４２】
また、活性層１４内のｐｎ接合を介して注入された正孔及び電子は、第１導電型の第１のクラッド層１３と活性層１４の界面に存在するエネルギー障壁、及び第２のクラッド層１５と活性層１４の界面に存在するエネルギー障壁によって各クラッド層１３，１５へは拡散できない。このため注入キャリアは、活性層１４内に閉じ込められる。従って、活性層１４での発光効率が高くなり、その発光波長は活性層１４のＡｌ組成で決まるエネルギーバンドギャップに相当する波長となる。
【００４３】
最上層の第１導電型コンタクト層１６のＧａＡｓのエネルギーバンドギャップが光のエネルギーよりも小さいので、活性層１４で発生した光は、コンタクト層１６で吸収される。しかしながら、このコンタクト層１６の層厚を、例えば５００Åと薄くすることができるので、ここで光吸収される割合を小さくし、効率良く上方へ出光させることができる。
【００４４】
尚、横方向拡散フロントの表面ＧａＡｓ層付近では、微視的に見ると半導体積層界面、或いはウエハ最表面で拡散フロント形状プロファイルの急激な変化があると考えられる。この急激な形状の変化がある領域では、接合へ電圧を印加した際に電場が高くなると考えられる。従って、このような急激な形状プロファイルの変化がない領域と比較した場合、この領域ではキャリアの注入密度が増加すると考えられる。
【００４５】
即ち、この半導体積層表面領域付近の横方向拡散フロント領域が存在した場合には、この領域へのキャリア注入の割合が大きいと考えられる。この効果は、ＡｌzＧａ1-zＡｓ層での光の発生効率を下げる方向のマイナス効果となってしまう。本発明のエピウエハを使ったＬＥＤアレイでは、すでに説明したように、ＧａＡｓ層内、即ちコンタクト層拡散領域２１ａに形成されている横方向拡散フロント領域を含む周辺領域４０（図２）を除去した構造であるので、このマイナス効果を防止する構造となっている。
【００４６】
次に、チップマトリックス配線によるＬＥＤアレイ２０の動作について、図３の要部平面図を参照して説明する。
【００４７】
前記したように、各単位ブロック２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ…（総称を２０ｘｘとする）には、それぞれ８個のＬＥＤ３７があり、各ＬＥＤ３７にはｐ側電極３１がコンタクトし、各ブロックでの同一順位のＬＥＤ（例えば右端からの順番が同じＬＥＤ）同士を共通配線３３で電気的に結合している。更に、各共通配線３３は、共通配線３５ａによって択一的にｐ側電極パッド３５に電気的に接続されている。また、各単位ブロックのｎ側電極３２は、ｎ側電極配線３４ａによって、ｎ側電極パッド３４に電気的に接続されている。尚、各単位ブロックは、単位ブロック分離領域２２によって、電気的に分離されている。
【００４８】
ここで、各単位ブロック２０ｘｘの所定のＬＥＤ３７を指定するための番地記号として、例えば単位ブロック２０ａの左端から５番目のＬＥＤ３７の番地を（ａ−５）と記述する。
【００４９】
以上のマトリックス配線において、番地（ａ−３）のＬＥＤ３７を点灯させる場合、このＬＥＤのｐ側電極３１と電気的につながる単位ブロック２０ｃのｐ側電極パッド３５と、このＬＥＤのｎ側電極３２と電気的につながる単位ブロック２０ａのｎ側電極パッド３４とを選択して電圧を印加し、電流を流すことによって番地（ａ−３）のＬＥＤ３７を点灯する。同様にして、全てのＬＥＤ３７をマトリックス的に選択して点灯することが可能となる。
【００５０】
以上のように、本実施の形態１のＬＥＤアレイによれば、半導体基板１１及びバッファ層を半絶縁性の半導体としたので、ｎ型の半導体エピタキシャル層にバッファ層に達するブロック分離領域を設けることにより、各々複数のＬＥＤを含む電気的に分離した単位ブロックに分離することができるため、チップマトリックス駆動（時分割駆動）が可能なＬＥＤアレイを製造することができる。
【００５１】
また、ｎ型半導体エピタキシャル層を異なるエネルギーバンドギャップを有するｎ型半導体エピタキシャル層の積層構造としたので、従来のようにエッチング溝で各ＬＥＤを素子分離することなく、第２導電型不純物の選択拡散によって一列にＬＥＤを高密度に集積配置することが可能となり、高密度ＬＥＤアレイをプレーナ構造で製造することができる。これにより、従来の構造のＬＥＤアレイと比較して、歩留りにおいても大幅に向上させることができる。
【００５２】
更に活性層内に、注入キャリアを閉じ込める効果と、クラッド層で光の吸収を防止できる透明窓の効果を実現できるので、高発光効率のＬＥＤアレイを作製することができる。
【００５３】
尚、本実施の形態１では、半導体基板１１を半絶縁性基板としたが、これに限定されるものではなく、半導体エピタキシャル層と半導体基板との間で電気的に絶縁した構造とするように、例えば半導体基板１１を第２導電型の半導体で構成してもよい。また、半導体バッファ層１２も必ずしも半絶縁性でなくてもよく、第１或いは第２導電型の半導体としてもよい。
【００５４】
更に、半導体基板１１を第１導電型の半導体でも構成できるが、この場合半導体エピタキシャル層と半導体基板との間で電気的に絶縁した構造とするために、半導体バッファ層１２を半絶縁性或いは第２導電型の半導体で構成する必要がある。
【００５５】
実施の形態２．
図４は、本発明による半導体装置の実施の形態２のエピウエハの構成を模式的に示す構成図である。
【００５６】
同図に示すように、このエピウエハ５０は、下から順に半絶縁性の半導体基板１１、半絶縁性の半導体バッファー層１２、第２導電型の第１のクラッド層５１、第１導電型の活性層１４、第１導電型の第２のクラッド層１５、及び第１導電型コンタクト層１６が積層した構成となっている。
【００５７】
以上の構成において、このエピウエハ５０が、図１に示す実施の形態１のエピウエハ１０と異なる点は、第１のクラッド層５１を第２導電型で構成した点である。従って、図１に示す実施の形態１のエピウエハ１０と同一、或いはそれに相当する部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる点を重点的に説明する。
【００５８】
エピウエハ５０の第２導電型の第１のクラッド層５１は、ｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓエピタキシャル半導体層で形成されており、以後、ｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓクラッド層と称す。このｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓクラッド層のｐ型不純物としては、例えはカーボン（ｃ）を使用することができる。
【００５９】
このエピウエハ５０では、第２導電型の第１のクラッド層５１であるｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓクラッド層のエネルギーバンドギャップをＥｇ（５１）、第１導電型の活性層１４のｎ型ＡｌyＧａ1-yＡｓ活性層のエネルギーバンドギャップをＥｇ（１４）、そして第１導電型の第２のクラッド層１５であるｎ型ＡｌzＧａ1-zＡｓクラッド層のエネルギーバンドギャップをＥｇ（１５）としたとき、これらは少なくとも
Ｅｇ（５１）＞Ｅｇ（１４）
Ｅｇ（１５）＞Ｅｇ（１４）
の関係が成立するように構成されている。
【００６０】
半導体エピタキシャル層にＡｌtＧａ1-tＡｓ（ｔ≧０）を使用する場合、各半導体層のエネルギーバンドギャップは、Ａｌの組成比により決定することができる。上記の条件、Ｅｇ（５１）＞Ｅｇ（１４）、及びＥｇ（１５）＞Ｅｇ（１４）を満たすＡｌの組成比として、例えばｘ＝０．４、ｙ＝０．１５、ｚ＝０．４とすることができる。即ち、第２導電型の第１のクラッド層５１をｐ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓとし、第1導電型の活性層１４をｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓとし、そして第１導電型の第２のクラッド層１５をｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓとすることができる。
【００６１】
次に、上記のエピウエハ５０を使用したＬＥＤアレイの構成と動作について説明する。
【００６２】
この、エピウエハ５０を使用したＬＥＤアレイ５２（図５）の構成が、図２及び図３に示す実施の形態１のＬＥＤアレイ２０と異なる点は、ＬＥＤアレイ２０のエピウエハ１０に対応するエピウエハ５０の第１のクラッド層５１が、ｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓエピタキシャル半導体層で形成されている点と、これに伴なって変更される単位ブロック分離領域５３（図５）の深さが異なる点である。
【００６３】
従って、実施の形態１のＬＥＤアレイ２０と同一、或いはそれに相当する部分については説明を省略し、異なる点を重点的に、実施の形態１のＬＥＤアレイ２０を示す図２及び図３を参照しながら説明する。
【００６４】
実施の形態１の場合と同様に、エピウエハ５０のウエハ上面から選択的に第２導電型不純物Ｚｎを拡散して拡散領域２１（図２）を構成してＬＥＤアレイ５２を構成することができ、エピタキシャル層と略平行な拡散フロント２１ｄが第１導電型の活性層１４内に達している。
【００６５】
エピウエハ５０では、拡散フロントを含む第１導電型の活性層１４の下に第２導電型の第１のクラッド層５１としてのｐ型のＡｌxＧａ1-xＡｓ層を設けた構成となっている。従って、第１導電型活性層１４と第２導電型クラッド層５１の間に、少なくとも拡散電位相当のエネルギーバリアが形成され、この２層の間が電気的に導通状態でなくなる、即ち絶縁状態となるため、前記したように電気的に分離する単位ブロックを形成するための単位ブロック分離領域５３（図５）として、少なくともｐ型の半導体層である第２導電型の第１のクラッド層５１に達する分離領域を形成すればよい。尚、図５は、図３中の指示線１１１を含む断面を矢印Ｂ−Ｂ方向からみた部分断面図である。
【００６６】
また、このＬＥＤアレイ５２のマトリックス配線の構造及び動作は、実施の形態１で説明したＬＥＤアレイ２０と全く同じなのでその説明を省略する。
【００６７】
以上のように、実施の形態２のＬＥＤアレイによれば、前記した実施の形態１のＬＥＤアレイと同様の効果が得られるほか、第２導電型（ｐ型）の半導体層を第１導電型（ｎ型）の活性層の下に設けた構造なので、電気的に分離する単位ブロックを形成してチップマトリックス駆動が可能なＬＥＤアレイを作製するための単位ブロック分離領域５３を、少なくとも第１のグラット層であるｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓクラッド層に達するように形成すればよく、実施の形態１のＬＥＤアレイ２０の場合に比べてブロック分離領域の溝を浅くでき、その形成がより容易となる。
【００６８】
尚、本実施の形態２では、第１のクラッド層５１を第２導電型としたので、ＧａＡｓの半導体基板１１を半絶縁性とする代わりに、ｎ型、又はノンドープ或いはＰ型の半導体とすることもできる。バッファー層１２についても同様の変形が可能である。また、ＡｌtＧａ1-tＡｓを使った場合、ｐ型の第１のクラッド層５１をノンドープ層とすることもできる。更に上記のエピウエハの各層を、同様の作用が得られる別の半導体で構成することもできる。
【００６９】
実施の形態３．
図６は、本発明による半導体装置の実施の形態３のエピウエハの構成を模式的に示す構成図である。
【００７０】
同図に示すように、このエピウエハ６０は、下から順に半絶縁性の半導体基板１１、半絶縁性の半導体バッファー層１２、第１導電型の活性層１４、第１導電型のクラッド層１５、及び第１導電型コンタクト層１６が積層した構成となっている。
【００７１】
以上の構成において、このエピウエハ６０が、図１に示す実施の形態１のエピウエハ１０と異なる点は、第１のクラッド層１３が除かれた点である。従って、図１に示す実施の形態１のエピウエハ１０と同一、或いはそれに相当する部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる点を重点的に説明する。
【００７２】
このエピウエハ６０では、ｎ型ＡｌyＧａ1-yＡｓによる第１導電型活性層１４のエネルギーバンドギャップをＥｇ（１４）、そしてｎ型ＡｌzＧａ1-zＡｓによる第１導電型のクラッド層１５のエネルギーバンドギャップをＥｇ（１５）としたとき、これらは少なくとも
Ｅｇ（１５）＞Ｅｇ（１４）
の関係が成立するように構成されている。
【００７３】
半導体エピタキシャル層にＡｌtＧａ1-tＡｓ（ｔ≧０）を使用する場合、各半導体層のエネルギーバンドギャップは、Ａｌの組成比により決定することができる。上記の条件、Ｅｇ（１５）＞Ｅｇ（１４）を満たすＡｌの組成比として、例えば、ｙ＝０．１５、ｚ＝０．４とすることができる。即ち、第１導電型の活性層１４をｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓとし、そしてｎ型ＡｌzＧａ1-zＡｓのクラッド層１５をｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓとすることができる。
【００７４】
次に、上記のエピウエハ６０を使用したＬＥＤアレイの構成と動作について説明する。
【００７５】
このエピウエハ６０を使用したＬＥＤアレイ６２（図８）の構成が、前記した図２及び図３に示す実施の形態１のＬＥＤアレイ２０と異なる点は、エピウエハ６０において、エピウエハ１０の第１のクラッド層に相当する層が削除された点と、これに伴なって変更される単位ブロック分離領域６３（図８）の深さが異なる点である。
【００７６】
従って、図７に、前記した実施の形態１のＬＥＤアレイ２０の部分断面図である図２と同位置における、本実施の形態３のＬＥＤアレイ６２の部分断面図を示すが、実施の形態１のＬＥＤアレイ２０と同一、或いはそれに相当する部分については同符号を付して説明を省略し、異なる点を重点的に説明する。
【００７７】
図７において、エピウエハ６０に形成されるＺｎの拡散領域２１、エッチング領域４１、層間絶縁層４３、及び各電極３１，３２については実施の形態１のＬＥＤアレイ２０と全く同じであり、他の共通部分として図３に示す各配線３３，３４ａ，３５ａ、及び各電極パッド３４，３５の構成も、実施の形態１のＬＥＤアレイ２０と全く同じである。
【００７８】
エピウエハ６０は、実施の形態１のエピウエハ１０における第１のクラッド層１３を除いた構成なので、前記したように電気的に分離する単位ブロックを形成するための単位ブロック分離領域６３（図８）として、少なくともＧａＡｓの半絶縁性の半導体バッファー層１２に達する分離領域を形成すればよい。尚、図８は、図３中の指示線１１１を含む断面を矢印Ｂ−Ｂ方向からみた部分断面図である。
【００７９】
次に、ＬＥＤアレイ６２の発光動作について説明する。
【００８０】
ｐ側電極３１とｎ側電極３２との間に順方向電圧を印加すると、ｐｎ接合を介してｐ側領域であるＺｎ拡散領域２１及びｎ側領域に、少数キャリアとしてそれぞれ電子と正孔が注入される。コンタクト層拡散領域２１ａにはエッチング領域４１が設けてあるため、この層内にはｐｎ接合が存在しない。このため前記したように、マイナス効果となるコンタクト層（ＧａＡｓ層）１６でのキャリアの注入は生じない。
【００８１】
一方、前記したように、第１導電型のクラッド層１５であるｎ型ＡｌzＧａ1-zＡｓクラッド層のエネルギーバンドギャップＥｇ（１５）が、第１導電型の活性層１４であるｎ型ＡｌyＧａ1-yＡｓ活性層のエネルギーバンドギャップＥｇ（１４）よりも大きくしてあるため、少数キャリアは、第１導電型の活性層１４内のｐｎ接合を介してのみ注入される。
【００８２】
また、活性層１４内のｐｎ接合を介して注入された電子は、第１導電型のクラッド層１５と活性層１４の界面に存在するエネルギー障壁によってクラッド層１５へは拡散できない。このため注入キャリアは、活性層１４内に閉じ込められる。従って、ホモ接合の場合と比較して発光効率が高くなり、その発光波長は活性層１４のＡｌ組成で決まるエネルギーバンドギャップに相当する波長となる。
【００８３】
最上層の第１導電型コンタクト層１６のＧａＡｓのエネルギーバンドギャップが光のエネルギーよりも小さいので、活性層１４で発生した光は、コンタクト層１６で吸収される。しかしながら、このコンタクト層の層厚を、例えば５００Åと薄くすることができるので、ここで光吸収される割合を小さくし、効率良く上方へ出光させることができる。尚、横方向拡散フロントの表面ＧａＡｓ層付近でのエッチング効果については、実施の形態１の場合と同様なので、その記述を省略する。
【００８４】
また、このＬＥＤアレイ６２のマトリックス配線の構造及び動作は、実施の形態１で説明したＬＥＤアレイ２０と全く同じなのでその説明を省略する。
【００８５】
以上のように、実施の形態３のＬＥＤアレイによれば、前記した実施の形態１のＬＥＤアレイと同様の効果が得られるほか、活性層の下の半導体層を半絶縁性のバッファー層とした構造なので、電気的に分離する単位ブロックを形成してチップマトリックス駆動可能なＬＥＤアレイを作製するための単位ブロック分離領域６３を、少なくとも半絶縁性の半導体バッファー層に達するように形成すればよく、実施の形態２のＬＥＤアレイ２０の場合に比べて更に分離領域の溝を浅くでき、その形成がより容易となる。
【００８６】
更に、エピウエハ層の厚さをより薄くすることができるため、エピコストを低減することができ、より安価な半導体ウエハを製造できる。
【００８７】
尚、実施の形態３では、ＧａＡｓの半導体基板１１を半絶縁性としたが、これに限定されるものではなく、ｐ型或いはｎ型の半導体とすることができる。バッファ層１２についても同様の変形が可能である。
【００８８】
実施の形態４．
図９は、本発明による半導体装置の実施の形態４のエピウエハの構成を模式的に示す構成図である。
【００８９】
同図に示すように、このエピウエハ７０は、下から順に半絶縁性の半導体基板１１、半絶縁性の半導体バッファー層１２、第１導電型のクラッド層１３、第１導電型の活性層１４、及び第１導電型コンタクト層１６が積層した構成となっている。
【００９０】
以上の構成において、このエピウエハ７０が、図１に示す実施の形態１のエピウエハ１０と異なる点は、第２のクラッド層１５が除かれた点である。従って、図１に示す実施の形態１のエピウエハ１０と同一、或いはそれに相当する部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる点を重点的に説明する。
【００９１】
このエピウエハ７０では、ｎ型ＡｌyＧａ1-yＡｓによる第１導電型活性層１４のエネルギーバンドギャップをＥｇ（１４）、そしてｎ型ＡｌzＧａ1-zＡｓによる第１導電型のクラッド層１３のエネルギーバンドギャップをＥｇ（１３）としたとき、これらは少なくとも
Ｅｇ（１３）＞Ｅｇ（１４）
の関係が成立するように構成されている。
【００９２】
半導体エピタキシャル層にＡｌtＧａ1-tＡｓ（ｔ≧０）を使用する場合、各半導体層のエネルギーバンドギャップは、Ａｌの組成比により決定することができる。上記の条件、Ｅｇ（１３）＞Ｅｇ（１４）を満たすＡｌの組成比として、例えば、ｘ＝０．４、ｙ＝０．１５とすることができる。即ち、ｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓのクラッド層１３をｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓとし、そして第１導電型の活性層１４をｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓとすることができる。
【００９３】
次に、上記のエピウエハ７０を使用したＬＥＤアレイの構成と動作について説明する。
【００９４】
本実施の形態４のＬＥＤアレイが前記した図２及び図３に示す実施の形態１のＬＥＤアレイ２０と異なる点は、エピウエハ７０において、エピウエハ１０の第２のクラッド層に相当する層が削除された点と、これに伴なって変更されるブロック分離領域７３（図１０）の深さが異なる点である。
【００９５】
従って、図１０に、前記した実施の形態１のＬＥＤアレイ２０の部分断面図である図２と同位置における、本実施の形態４のＬＥＤアレイ７２の部分断面図を示すが、実施の形態１のＬＥＤアレイ２０と同一、或いはそれに相当する部分については同符号を付して説明を省略し、異なる点を重点的に説明する。
【００９６】
図１０において、エピウエハ７０に形成されるＺｎの拡散領域２１、エッチング領域４１、層間絶縁層４３、各電極３１，３２については実施の形態１のＬＥＤアレイ２０と全く同じであり、他の共通部分として図３に示す各配線３３，３４ａ，３５ａ、及び各電極パッド３４，３５の構成も、実施の形態１のＬＥＤアレイ２０と全く同じである。
【００９７】
エピウエハ７０は、実施の形態１のエピウエハ１０における第２のクラッド層１３を除いた構成なので、前記したように電気的に分離する単位ブロックを形成するためのブロック分離領域７３（図１０）を、少なくともＧａＡｓの半絶縁性の半導体バッファー層１２に達するように形成すればよい。
【００９８】
次に、ＬＥＤアレイ７２の発光動作について説明する。
【００９９】
ｐ側電極３１とｎ側電極３２との間に順方向電圧を印加すると、ｐｎ接合を介してｐ側領域であるＺｎ拡散領域２１及びｎ側領域に、少数キャリアとしてそれぞれ電子と正孔が注入される。コンタクト層拡散領域２１ａにはエッチング領域４１が設けてあるため、この層内にはｐｎ接合が存在しない。このため前記したように、マイナス効果となるコンタクト層（ＧａＡｓ層）１６でのキャリアの注入は生じない。
【０１００】
一方、図１０に示すように、ｐｎ接合は、第１導電型の活性層１４内のみにあり、少数キャリアは、この活性層１４内のｐｎ接合を介してのみ注入される。
【０１０１】
また、前記したように、クラッド層１３であるｎ型ＡｌzＧａ1-zＡｓクラッド層のエネルギーバンドギャップＥｇ（１３）が、第１導電型の活性層１４であるｎ型ＡｌyＧａ1-yＡｓ活性層のエネルギーバンドギャップＥｇ（１４）よりも大きくしてあるため、活性層１４内のｐｎ接合を介してｎ型領域に注入された正孔は、第１導電型のクラッド層１３と活性層１４の界面に存在するエネルギー障壁によってクラッド層１３へは拡散できない。このため注入された電子は、活性層１４内に閉じ込められる。従って、ホモ接合の場合と比較して発光効率が高くなり、その発光波長は活性層１４のＡｌ組成で決まるエネルギーバンドギャップに相当する波長となる。
【０１０２】
最上層の第１導電型コンタクト層１６のＧａＡｓのエネルギーバンドギャップが光のエネルギーよりも小さいので、活性層１４で発生した光は、コンタクト層１６で吸収される。しかしながら、このコンタクト層の層厚を、例えば５００Åと薄くすることができるので、ここで光吸収される割合を小さくし、効率良く上方へ出光させることができる。尚、横方向拡散フロントの表面ＧａＡｓ層付近でのエッチング効果については、実施の形態１の場合と同様なので、その記述を省略する。
【０１０３】
また、このＬＥＤアレイ６２のマトリックス配線の構造及び動作は、実施の形態１で説明したＬＥＤアレイ２０と全く同じなのでその説明を省略する。
【０１０４】
以上のように、実施の形態４のＬＥＤアレイによれば、前記した実施の形態１のＬＥＤアレイと同様の効果が得られるほか、活性層の下にクラッド層を設けた構成としたので、電気的に分離する単位ブロックを形成してチップマトリックス駆動可能なＬＥＤアレイを作製するためのブロック分離領域７３を、少なくともこれらの２層の半導体層を貫き、半絶縁性のバッファー層に達するように形成すればよく、実施の形態２のＬＥＤアレイ２０の場合に比べて更に分離領域の溝を浅くでき、その形成がより容易となる。
【０１０５】
また、エピウエハ層の厚さを薄くすることができるため、エピコストを低減することができ、より安価な半導体ウエハを製造できる。
【０１０６】
更に、第２導電型の拡散領域（発光領域に相当）を形成する際に、すでに述べた実施の形態１〜３の場合と異なって、薄いコンタクト層１６を含む、略単一材料に近い半導体層（クラッド層が除かれているため）に第２導電領域を形成することができる。例えば、Ｚｎ拡散により発光領域を形成する場合には、不純物拡散の拡散速度が半導体層の材料によって異なるため、単一材料への拡散の方がより高精度に拡散領域を形成できる。従って、本実施の形態のエピウエハを使用することによって、より拡散深さのばらつきの少ない発光領域が形成でき、発光強度が均一な高発光効率のＬＥＤアレイを製造できる。
【０１０７】
尚、本実施の形態４では、ＧａＡｓの半導体基板１１を半絶縁性としたが、これに限定されるものではなくｐ型の半導体としても、ｎ型単位ブロックの電気的な分離は可能である。
【０１０８】
また、前記した各実施の形態では、具体的な材料として、ＡｌtＧａ1-tＡｓをあげて説明したが、他の発光素子に適用できる材料、例えばＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＰ、そしてＧａＩｎＰなどの半導体材料にも適用できる。
【０１０９】
更に、前記した各実施の形態では、分離領域の溝をバッファ層、或いは第２導電型の第１のクラッド層まで形成したが、これに限定されるものではなく、活性層直下或いはクラッド層間に、１×１０７Ω／ｃｍ程度の半絶縁性のＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓ等の半導体層の層間層を形成し、この層間層まで溝を形成するように構成してもよいなど、種々の態様を取り得るものである。
【０１１０】
また、前記した実施の形態の説明において、「上」、「下」といった言葉を使用したが、これらは便宜上であって、半導体装置を配置する状態における絶対的な位置関係を限定するものではない。
【０１１１】
【発明の効果】
請求項１、２又は３の半導体装置によれば、各々複数のＬＥＤを含む電気的に分離した単位ブロックに分離することができるため、チップマトリックス駆動（時分割駆動）が可能なＬＥＤアレイを製造することができる。また、第１導電型半導体エピタキシャル層を異なるエネルギーバンドギャップを有する半導体の積層構造としたので、従来のようにエッチング溝で各ＬＥＤを素子分離することなく、第２導電型不純物の選択拡散によってＬＥＤを高密度に集積配置することが可能となり、高密度ＬＥＤアレイをプレーナ構造で製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による半導体装置の実施の形態１のエピウエハの構成を模式的に示す構成図である。
【図２】 図３中の指示線１１０を含む断面を矢印Ａ−Ａ方向からみた部分断面図である。
【図３】 チップマトリックス配線を施したＬＥＤアレイ２０を模式的に示す要部平面図である。
【図４】 本発明による半導体装置の実施の形態２のエピウエハの構成を模式的に示す構成図である。
【図５】 図３中の指示線１１１を含む断面を矢印Ｂ−Ｂ方向からみた実施の形態２のＬＥＤアレイの部分断面図である。
【図６】 本発明による半導体装置の実施の形態３のエピウエハの構成を模式的に示す構成図である。
【図７】 実施の形態３のＬＥＤアレイ６２の部分断面図である。
【図８】 図３中の指示線１１１を含む断面を矢印Ｂ−Ｂ方向からみた実施の形態３のＬＥＤアレイの部分断面図である。
【図９】 本発明による半導体装置の実施の形態４のエピウエハの構成を模式的に示す構成図である。
【図１０】 実施の形態４のＬＥＤアレイ７２の部分断面図である。
【図１１】 従来のヘテロ接合と呼ばれている発光素子の構成を示す構成図である。
【符号の説明】
１０ エピウエハ、 １１ 半導体基板、 １２ 半導体バッファー層、 １３ 第１導電型の第１のクラッド層、 １４ 第１導電型の活性層、 １５ 第１導電型の第２のクラッド層、 １６ 第１導電型コンタクト層、 ２０ ＬＥＤアレイ、 ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ 単位ブロック、 ２１ 拡散領域、 ２１ａ コンタクト層拡散領域、 ２１ｂ グラッド層拡散領域、 ２１ｃ 活性層拡散領域、 ２１ｄ 拡散フロント、 ２２ 単位ブロック分離領域、 ２３ ＧａＡｓコンタクト島、 ３１ ｐ側電極、 ３２ ｎ側電極、 ３３ 共通配線、 ３４ ｎ側電極パッド、 ３４ａ ｎ側電極配線、 ３５ ｐ側電極パッド、 ３５ａ ｐ側電極配線、 ３６ コンタクトホール、 ３７ ＬＥＤ、 ４０ 周辺領域、 ４１ エッチング領域、 ４３ 層間絶縁膜、 ５０ エピウエハ、 ５１ 第２導電型の第１のクラッド層、 ５２ ＬＥＤアレイ、 ５３ 単位ブロック分離領域、 ６０ エピウエハ、 ６２ ＬＥＤアレイ、 ６３ 単位ブロック分離領域、 ７０ エピウエハ、 ７２ ＬＥＤアレイ、 ７３ 分離領域。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の構成に関し、特にヘテロ接合によるＬＥＤアレイの高密度化に適した半導体装置の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光素子等の作製に用いられる半導体エピタキシャルウエハ（Semiconductor Epitaxial Junction Wafer：以後、単にエピウエハ、と称す）は、例えば、有機金属化学気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：以下、ＭＯＣＶＤと称す）や分子線エピタキシー法などによって作製される。発光素子を作製するためのエピウエハ、及びそれを使った発光素子は、著書名「発光ダイオード」（奥野保男署／産業図書）にいくつか開示されている。
【０００３】
その内のヘテロ接合と呼ばれている発光素子の構成を図１１に示す。同図に示すように、この発光素子１００は、ｐ型の半導体層１０１，１０２とｎ型の半導体層１０３をエピタキシャル成長によって積層した素子で、ｐ側及びｎ側にそれぞれ電圧印加のための電極１０１ａ，１０３ａを形成した発光素子である。ｐ側電極１０１ａとｎ側電極１０３ａにそれぞれプラス（＋）とマイナス（−）の電圧を印加することによって、ｐｎ接合を介してホール及び電子がそれぞれｎ側及びｐ側の半導体層へ注入され、活性層内での多数チャリアとの再結合によって発光する。
【０００４】
このタイプの発光素子では、ヘテロエピ成長界面のエネルギー障壁によるキャリア閉じ込めの効果による量子効率の増加と、活性層とクラッド層のエネルギーバンドギャップの差異により、活性層で発光した光がクラッド層で吸収されない効果による光取り出し効率の増加とによって、ヘテロ接合を使った発光素子の発光効率は、ホモ接合を使った発光素子よりも高くなる。
【０００５】
一方、発光ダイオード（Light-emitting diode:ＬＥＤ）を配列したＬＥＤアレイは、従来、電子写真プリンタの画像形成のための光源として使用されている。ＬＥＤアレイを使った電子写真プリンタで高品質の画像を得るためには、ＬＥＤを高密度に集積する必要がある。近年では、例えば１２００ｄｐｉ（dots-per-inch）のＬＥＤアレイが必要とされている。１２００ｄｐｉＬＥＤアレイのＬＥＤの配列ピッチは、２１．２μｍとなり非常に小さい。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のヘテロ接合ＬＥＤを作製するためのエピウエハは、ｐ型とｎ型の半導体層をウエハ全面にエピタキシャル成長させて作製するため、ウエハの中に多数の独立したＬＥＤを作製するためには、各ＬＥＤを素子分離する必要がある。このように、１チップ内に多数のＬＥＤを集積するＬＥＤアレイチップは、１チップ内で各ＬＥＤが素子分離されなければならなかった。
【０００７】
従って、上記したような従来のエピウエハを使用したヘテロ接合のＬＥＤによるＬＥＤアレイを作製する場合には、素子分離のためのエッチング溝が必要不可欠であった。このエッチング溝を形成するために、例えば１２００ｄｐｉＬＥＤアレイのための２１．２μｍのような狭いピッチでＬＥＤを配列することが困難であり、集積度に限界があった。
【０００８】
また、深く微細なエッチング溝による凹凸があるために、高精度なフォトリソグラフィーによるパターン形成が難しく、素子の設計が困難であった。このように、従来のエピウエハを使った高発光効率の高密度ＬＥＤアレイの製造では、高い歩留りが達成できないという問題があった。
【０００９】
本発明の目的は、上記した問題点を解決し、高密度ＬＥＤアレイの製造において、高い製造歩留りを達成できる、プレーナ構造の高発光率ＬＥＤアレイを製造するための半導体エピタキシャルウエハを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体装置は、半導体基板上に多層の半導体層を設けてなる半導体エピタキシャルウエハを有する半導体装置であって、
第１導電型の半導体基板と、該半導体基板の表面に接して設けられた第２導電型半導体層と、該第２導電型半導体層上に設けられた第１導電型の第１のクラッド層と、該第１のクラッド層上に設けられ、第１導電型の活性層を構成する第１の半導体層と、該第１の半導体層に接して設けられた第１導電型の第２のクラッド層と、該第２のクラッド層上に設けられた第１導電型の半導体コンタクト層と、前記半導体コンタクト層から前記第１の半導体層に至り選択的に形成された複数の第２導電型不純物領域と、前記半導体コンタクト層から前記第２導電型半導体層に達するブロック分離領域とを有し、
前記ブロック分離領域は、各々前記第２導電型不純物領域を所定数含み電気的に分離した複数の単位ブロックを形成することを特徴とする。
【００１１】
本発明によるＬＥＤアレイは、半導体基板上に多層の半導体層を設けてなる半導体エピタキシャルウエハを有し、複数のＬＥＤが形成されたＬＥＤアレイであって、
第１導電型の半導体基板と、該半導体基板の表面に接して設けられた第２導電型半導体層と、該第２導電型半導体層上に設けられた第１導電型の第１のクラッド層と、該第１のクラッド層上に設けられ、第１導電型の活性層を構成する第１の半導体層と、該第１の半導体層に接して設けられた第１導電型の第２のクラッド層と、該第２のクラッド層上に設けられた第１導電型の半導体コンタクト層と、前記半導体コンタクト層から前記第１の半導体層に至り選択的に形成された複数の第２導電型不純物領域と、前記半導体コンタクト層から前記第２導電型半導体層に達するブロック分離領域とを有し、
前記ブロック分離領域は、各々前記第２導電型不純物領域を所定数含み電気的に分離した複数の単位ブロックを形成することを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本発明による半導体装置の実施の形態１のエピウエハの構成を模式的に示す構成図である。
【００１９】
同図に示すように、このエピウエハ１０は、下から順に半絶縁性の半導体基板１１、半絶縁性の半導体バッファー層１２、第１導電型の第１のクラッド層１３、第１導電型の活性層１４、第１導電型の第２のクラッド層１５、及び第１導電型コンタクト層１６が積層した構成となっている。
【００２０】
次に、各半導体層の具体的な材料例について述べる。半絶縁性の半導体基板１１は半絶縁性ＧａＡｓ基板、半絶縁性の半導体バッファー層１２は半絶縁性ＧａＡｓエピタキシャル半導体層（以後、半絶縁性ＧａＡｓバッファー層と称す）、第１導電型の第１のクラッド層１３はｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓエピタキシャル半導体層（以後、ｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓクラッド層と称す）、第１導電型の活性層１４はｎ型ＡｌyＧａ1-yＡｓエピタキシャル半導体層（以後、ｎ型ＡｌyＧａ1-yＡｓ活性層と称す）、第１導電型の第２のクラッド層１５はｎ型ＡｌｚＧａ1- ｚＡｓエピタキシャル半導体層（以後、ｎ型ＡｌzＧａ1-zＡｓクラッド層と称す）、そして第１導電型コンタクト層１６はＧａＡｓエピタキシャル半導体層（以後、ＧａＡｓコンタクト層と称す）である。
【００２１】
ｎ型不純物としてはＳｉを使用でき、エピタキシャル半導体層は、ＭＯＣＶＤ法により形成することができる。
【００２２】
エピウエハ１０では、第１導電型の第１のクラッド層１３であるｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓクラッド層のエネルギーバンドギャップをＥｇ（１３）、第１導電型の活性層１４のｎ型ＡｌyＧａ1-yＡｓ活性層のエネルギーバンドギャップをＥｇ（１４）、そして第１導電型の第２のクラッド層１５であるｎ型ＡｌzＧａ1-zＡｓクラッド層のエネルギーバンドギャップをＥｇ（１５）としたとき、これらは少なくとも
Ｅｇ（１３）＞Ｅｇ（１４）
Ｅｇ（１５）＞Ｅｇ（１４）
の関係が成立するように構成されている。
【００２３】
半導体エピタキシャル層にＡｌtＧａ1-tＡｓ（ｔ≧０）を使用する場合、各半導体層のエネルギーバンドギャップは、Ａｌの組成比により決定することができる。従って、上記の条件、Ｅｇ（１３）＞Ｅｇ（１４）、及びＥｇ（１５）＞Ｅｇ（１４）を満たすＡｌの組成比として、例えばｘ＝０．４、ｙ＝０．１５、ｚ＝０．４とすることができる。即ち、第１導電型の第１のクラッド層１３をｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓとし、第１導電型の活性層１４をｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓとし、そして第１導電型の第２のクラッド層１５をｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓとすることができる。
【００２４】
次に、上記のエピウエハを使用したＬＥＤアレイの構成と動作について説明する。
【００２５】
図３は、上記した構成のエピウエハ１０を使って後述するチップマトリックス配線を施したＬＥＤアレイ２０を模式的に示す要部平面図であり、図２は、図３中の指示線１１０を含む断面を矢印Ａ−Ａ方向からみた部分断面図である。
【００２６】
図２に示すように、ＬＥＤアレイ２０は、エピウエハ１０にウエハ上面から選択的に第２導電型不純物の拡散領域２１を形成している。この拡散領域２１は、エピウエハ１０のエピタキシャル層と略平行な拡散フロント２１ｄが第１導電型の活性層１４内まで達し、コンタクト層拡散領域２１ａ、グラッド層拡散領域２１ｂ、及び活性層拡散領域２１ｃに区分けできる。
【００２７】
尚、この第２導電型の不純物として、例えばｐ型のＺｎを用い、これを拡散して拡散領域２１を形成することができる。
【００２８】
後述するように、この拡散領域２１を伴なって形成されるＬＥＤ３７は、図３に示すように、ｎ型半導体エピタキシャル層を分割して形成される各単位ブロック２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ……毎にそれぞれ複数（図３の実施例では８個）直線状に配置されている。
【００２９】
各単位ブロック２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、……への分割は、エピウエハ１０の上面から少なくとも半絶縁性の半導体バッファー層１２まで達する単位ブロック分離領域２２によって電気的に分離されている。この単位ブロック分離領域２２の溝は、異方性エッチングの溝が好ましく、ＳｉＯ２絶縁層の気相成長又はヒューズドシリカの塗布、或いはプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）によるＳｉＮ膜又はポリイミド膜などの絶縁膜により埋め込むことができる。
【００３０】
図３に示すように、ＬＥＤアレイ２０は、マトリックス配線構造を有する。このマトリックス配線構造は、各ＬＥＤ３７にそれぞれ個別に対応して配設されるｐ側電極３１、各単位ブロック毎に配置されて同単位ブロック内での各ＬＥＤ３７の共通のｎ側の電極となるｎ側電極３２、及び、各単位ブロックの同位置（例えば、各ブロック左端からの順位が同じ位置）のｐ側電極３１同士を、後述するコンタクトホール３６によってそれぞれ結合する共通配線３３から構成され、更に、各単位ブロックには、同ブロック内のｎ側電極３２にｎ側電極配線３４ａによって接続されたｎ側電極パッド３４と、ｐ側電極配線３５ａによって共通配線３３に択一的に接続されるｐ側電極パッド３５とが配設されている。
【００３１】
ｎ側電極パッド３４及びｐ側電極パッド３５は、ＬＥＤアレイ２０を駆動するための駆動ＩＣとワイヤボンディングによって接続するための電極パッドである。
【００３２】
各ｐ側電極３１、各ｎ側電極配線３４ａ及び各ｐ側電極配線３５ａと各共通配線３３間には、コンタクトホール３６を有する図示しない層間絶縁膜が形成されている。この層間絶縁膜によって、各電極と各電極配線の所定の電気的接続を可能とするコンタクトホール３６以外では、各電極３１と各共通配線３３との絶縁、更には各ｎ側電極配線３４ａ及び各ｐ側電極配線３５ａと共通配線３３との絶縁が保たれる。
【００３３】
尚、ｐ側電極３１、ｎ側電極３２、ｐ側電極配線３５ａ、ｎ側電極配線３４ａ及び共通配線３３としては、例えば、標準のフォトリソグラフィーの技術を使ってパターン形成したＡｕ系の金属材料を使用することができる。
【００３４】
一方、図２に示すように、ＬＥＤアレイ２０の形成過程において、コンタクト層拡散領域２１ａの横方向拡散フロント部を含む拡散周辺領域４０は、エッチングによって除去されてエッチング領域４１がリング状に形成される。このエッチング領域４１によって、第１導電型コンタクト層１６の拡散領域と非拡散領域の境界部が除かれ、両領域は完全に分離された構造となっている。
【００３５】
従って、コンタクト層拡散領域２１ａに相当する拡散領域２１の上面部は、島状のＧａＡｓコンタクト領域となっており、以後この部分をＧａＡｓコンタクト島２３と称す。
【００３６】
前記したＰ側電極３１は、ＧａＡｓコンタクト島２３の少なくとも一部の領域とオーミックコンタクトを形成している。このエッチング領域４１の少なくとも電極が通過する領域は、層間絶縁膜４３によって被服されている。また、ｎ側電極３２は、ＬＥＤアレイ２０の第１導電型コンタクト層１６とコンタクトを形成している。
【００３７】
尚、第１導電型コンタクト層１６は、非常に薄くすることができ、例えば５００Åとすることができる。また、層間絶縁膜４３は、例えばプラズマＣＶＤで形成したＳｉＮ膜を使うことができ、５００Å程度の段差を容易に被覆可能な膜厚とすることができる。
【００３８】
次に、ＬＥＤアレイ２０の動作について、先ずその発光動作から説明する。
【００３９】
ｐ側電極３１とｎ側電極３２との間に順方向電圧を印加すると、ｐｎ接合を介してｐ側領域であるＺｎ拡散領域２１とｎ側領域に、少数キャリアとしてそれぞれ電子と正孔が注入される。第１導電型コンタクト層１６にはエッチング領域４１が設けてあるため、この層内にはｐｎ接合が存在しない。
【００４０】
もし、第１導電型コンタクト層１６内にｐｎ接合が形成されている場合には、第１導電型コンタクト層１６を形成するＧａＡｓのエネルギーバンドギャップが活性層等を形成するＡｌyＧａ1-yＡｓのエネルギーバンドギャップよりも小さいので、ＧａＡｓ層内のｐｎ接合を介してキャリアの注入が起こる。この場合の発光は、ＧａＡｓ層内での発光が主となってしまい、ＡｌyＧａ1-yＡｓのエネルギーバンドギャップに相当した発光波長の光が得られなくなってしまう。
【００４１】
一方、前記したように、第１導電型の第２のクラッド層１５であるｎ型ＡｌzＧａ1-zＡｓクラッド層のエネルギーバンドギャップＥｇ（１５）が、第１導電型の活性層１４であるｎ型ＡｌyＧａ1-yＡｓ活性層のエネルギーバンドギャップＥｇ（１４）よりも大きくしてあるため、少数キャリアは、第１導電型の活性層１４内のｐｎ接合を介してのみ注入される。
【００４２】
また、活性層１４内のｐｎ接合を介して注入された正孔及び電子は、第１導電型の第１のクラッド層１３と活性層１４の界面に存在するエネルギー障壁、及び第２のクラッド層１５と活性層１４の界面に存在するエネルギー障壁によって各クラッド層１３，１５へは拡散できない。このため注入キャリアは、活性層１４内に閉じ込められる。従って、活性層１４での発光効率が高くなり、その発光波長は活性層１４のＡｌ組成で決まるエネルギーバンドギャップに相当する波長となる。
【００４３】
最上層の第１導電型コンタクト層１６のＧａＡｓのエネルギーバンドギャップが光のエネルギーよりも小さいので、活性層１４で発生した光は、コンタクト層１６で吸収される。しかしながら、このコンタクト層１６の層厚を、例えば５００Åと薄くすることができるので、ここで光吸収される割合を小さくし、効率良く上方へ出光させることができる。
【００４４】
尚、横方向拡散フロントの表面ＧａＡｓ層付近では、微視的に見ると半導体積層界面、或いはウエハ最表面で拡散フロント形状プロファイルの急激な変化があると考えられる。この急激な形状の変化がある領域では、接合へ電圧を印加した際に電場が高くなると考えられる。従って、このような急激な形状プロファイルの変化がない領域と比較した場合、この領域ではキャリアの注入密度が増加すると考えられる。
【００４５】
即ち、この半導体積層表面領域付近の横方向拡散フロント領域が存在した場合には、この領域へのキャリア注入の割合が大きいと考えられる。この効果は、ＡｌzＧａ1-zＡｓ層での光の発生効率を下げる方向のマイナス効果となってしまう。本発明のエピウエハを使ったＬＥＤアレイでは、すでに説明したように、ＧａＡｓ層内、即ちコンタクト層拡散領域２１ａに形成されている横方向拡散フロント領域を含む周辺領域４０（図２）を除去した構造であるので、このマイナス効果を防止する構造となっている。
【００４６】
次に、チップマトリックス配線によるＬＥＤアレイ２０の動作について、図３の要部平面図を参照して説明する。
【００４７】
前記したように、各単位ブロック２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ…（総称を２０ｘｘとする）には、それぞれ８個のＬＥＤ３７があり、各ＬＥＤ３７にはｐ側電極３１がコンタクトし、各ブロックでの同一順位のＬＥＤ（例えば右端からの順番が同じＬＥＤ）同士を共通配線３３で電気的に結合している。更に、各共通配線３３は、共通配線３５ａによって択一的にｐ側電極パッド３５に電気的に接続されている。また、各単位ブロックのｎ側電極３２は、ｎ側電極配線３４ａによって、ｎ側電極パッド３４に電気的に接続されている。尚、各単位ブロックは、単位ブロック分離領域２２によって、電気的に分離されている。
【００４８】
ここで、各単位ブロック２０ｘｘの所定のＬＥＤ３７を指定するための番地記号として、例えば単位ブロック２０ａの左端から５番目のＬＥＤ３７の番地を（ａ−５）と記述する。
【００４９】
以上のマトリックス配線において、番地（ａ−３）のＬＥＤ３７を点灯させる場合、このＬＥＤのｐ側電極３１と電気的につながる単位ブロック２０ｃのｐ側電極パッド３５と、このＬＥＤのｎ側電極３２と電気的につながる単位ブロック２０ａのｎ側電極パッド３４とを選択して電圧を印加し、電流を流すことによって番地（ａ−３）のＬＥＤ３７を点灯する。同様にして、全てのＬＥＤ３７をマトリックス的に選択して点灯することが可能となる。
【００５０】
以上のように、本実施の形態１のＬＥＤアレイによれば、半導体基板１１及びバッファ層を半絶縁性の半導体としたので、ｎ型の半導体エピタキシャル層にバッファ層に達するブロック分離領域を設けることにより、各々複数のＬＥＤを含む電気的に分離した単位ブロックに分離することができるため、チップマトリックス駆動（時分割駆動）が可能なＬＥＤアレイを製造することができる。
【００５１】
また、ｎ型半導体エピタキシャル層を異なるエネルギーバンドギャップを有するｎ型半導体エピタキシャル層の積層構造としたので、従来のようにエッチング溝で各ＬＥＤを素子分離することなく、第２導電型不純物の選択拡散によって一列にＬＥＤを高密度に集積配置することが可能となり、高密度ＬＥＤアレイをプレーナ構造で製造することができる。これにより、従来の構造のＬＥＤアレイと比較して、歩留りにおいても大幅に向上させることができる。
【００５２】
更に活性層内に、注入キャリアを閉じ込める効果と、クラッド層で光の吸収を防止できる透明窓の効果を実現できるので、高発光効率のＬＥＤアレイを作製することができる。
【００５３】
尚、本実施の形態１では、半導体基板１１を半絶縁性基板としたが、これに限定されるものではなく、半導体エピタキシャル層と半導体基板との間で電気的に絶縁した構造とするように、例えば半導体基板１１を第２導電型の半導体で構成してもよい。また、半導体バッファ層１２も必ずしも半絶縁性でなくてもよく、第１或いは第２導電型の半導体としてもよい。
【００５４】
更に、半導体基板１１を第１導電型の半導体でも構成できるが、この場合半導体エピタキシャル層と半導体基板との間で電気的に絶縁した構造とするために、半導体バッファ層１２を半絶縁性或いは第２導電型の半導体で構成する必要がある。
【００５５】
実施の形態２．
図４は、本発明による半導体装置の実施の形態２のエピウエハの構成を模式的に示す構成図である。
【００５６】
同図に示すように、このエピウエハ５０は、下から順に半絶縁性の半導体基板１１、半絶縁性の半導体バッファー層１２、第２導電型の第１のクラッド層５１、第１導電型の活性層１４、第１導電型の第２のクラッド層１５、及び第１導電型コンタクト層１６が積層した構成となっている。
【００５７】
以上の構成において、このエピウエハ５０が、図１に示す実施の形態１のエピウエハ１０と異なる点は、第１のクラッド層５１を第２導電型で構成した点である。従って、図１に示す実施の形態１のエピウエハ１０と同一、或いはそれに相当する部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる点を重点的に説明する。
【００５８】
エピウエハ５０の第２導電型の第１のクラッド層５１は、ｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓエピタキシャル半導体層で形成されており、以後、ｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓクラッド層と称す。このｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓクラッド層のｐ型不純物としては、例えはカーボン（ｃ）を使用することができる。
【００５９】
このエピウエハ５０では、第２導電型の第１のクラッド層５１であるｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓクラッド層のエネルギーバンドギャップをＥｇ（５１）、第１導電型の活性層１４のｎ型ＡｌyＧａ1-yＡｓ活性層のエネルギーバンドギャップをＥｇ（１４）、そして第１導電型の第２のクラッド層１５であるｎ型ＡｌzＧａ1-zＡｓクラッド層のエネルギーバンドギャップをＥｇ（１５）としたとき、これらは少なくとも
Ｅｇ（５１）＞Ｅｇ（１４）
Ｅｇ（１５）＞Ｅｇ（１４）
の関係が成立するように構成されている。
【００６０】
半導体エピタキシャル層にＡｌtＧａ1-tＡｓ（ｔ≧０）を使用する場合、各半導体層のエネルギーバンドギャップは、Ａｌの組成比により決定することができる。上記の条件、Ｅｇ（５１）＞Ｅｇ（１４）、及びＥｇ（１５）＞Ｅｇ（１４）を満たすＡｌの組成比として、例えばｘ＝０．４、ｙ＝０．１５、ｚ＝０．４とすることができる。即ち、第２導電型の第１のクラッド層５１をｐ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓとし、第1導電型の活性層１４をｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓとし、そして第１導電型の第２のクラッド層１５をｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓとすることができる。
【００６１】
次に、上記のエピウエハ５０を使用したＬＥＤアレイの構成と動作について説明する。
【００６２】
この、エピウエハ５０を使用したＬＥＤアレイ５２（図５）の構成が、図２及び図３に示す実施の形態１のＬＥＤアレイ２０と異なる点は、ＬＥＤアレイ２０のエピウエハ１０に対応するエピウエハ５０の第１のクラッド層５１が、ｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓエピタキシャル半導体層で形成されている点と、これに伴なって変更される単位ブロック分離領域５３（図５）の深さが異なる点である。
【００６３】
従って、実施の形態１のＬＥＤアレイ２０と同一、或いはそれに相当する部分については説明を省略し、異なる点を重点的に、実施の形態１のＬＥＤアレイ２０を示す図２及び図３を参照しながら説明する。
【００６４】
実施の形態１の場合と同様に、エピウエハ５０のウエハ上面から選択的に第２導電型不純物Ｚｎを拡散して拡散領域２１（図２）を構成してＬＥＤアレイ５２を構成することができ、エピタキシャル層と略平行な拡散フロント２１ｄが第１導電型の活性層１４内に達している。
【００６５】
エピウエハ５０では、拡散フロントを含む第１導電型の活性層１４の下に第２導電型の第１のクラッド層５１としてのｐ型のＡｌxＧａ1-xＡｓ層を設けた構成となっている。従って、第１導電型活性層１４と第２導電型クラッド層５１の間に、少なくとも拡散電位相当のエネルギーバリアが形成され、この２層の間が電気的に導通状態でなくなる、即ち絶縁状態となるため、前記したように電気的に分離する単位ブロックを形成するための単位ブロック分離領域５３（図５）として、少なくともｐ型の半導体層である第２導電型の第１のクラッド層５１に達する分離領域を形成すればよい。尚、図５は、図３中の指示線１１１を含む断面を矢印Ｂ−Ｂ方向からみた部分断面図である。
【００６６】
また、このＬＥＤアレイ５２のマトリックス配線の構造及び動作は、実施の形態１で説明したＬＥＤアレイ２０と全く同じなのでその説明を省略する。
【００６７】
以上のように、実施の形態２のＬＥＤアレイによれば、前記した実施の形態１のＬＥＤアレイと同様の効果が得られるほか、第２導電型（ｐ型）の半導体層を第１導電型（ｎ型）の活性層の下に設けた構造なので、電気的に分離する単位ブロックを形成してチップマトリックス駆動が可能なＬＥＤアレイを作製するための単位ブロック分離領域５３を、少なくとも第１のグラット層であるｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓクラッド層に達するように形成すればよく、実施の形態１のＬＥＤアレイ２０の場合に比べてブロック分離領域の溝を浅くでき、その形成がより容易となる。
【００６８】
尚、本実施の形態２では、第１のクラッド層５１を第２導電型としたので、ＧａＡｓの半導体基板１１を半絶縁性とする代わりに、ｎ型、又はノンドープ或いはＰ型の半導体とすることもできる。バッファー層１２についても同様の変形が可能である。また、ＡｌtＧａ1-tＡｓを使った場合、ｐ型の第１のクラッド層５１をノンドープ層とすることもできる。更に上記のエピウエハの各層を、同様の作用が得られる別の半導体で構成することもできる。
【００６９】
実施の形態３．
図６は、本発明による半導体装置の実施の形態３のエピウエハの構成を模式的に示す構成図である。
【００７０】
同図に示すように、このエピウエハ６０は、下から順に半絶縁性の半導体基板１１、半絶縁性の半導体バッファー層１２、第１導電型の活性層１４、第１導電型のクラッド層１５、及び第１導電型コンタクト層１６が積層した構成となっている。
【００７１】
以上の構成において、このエピウエハ６０が、図１に示す実施の形態１のエピウエハ１０と異なる点は、第１のクラッド層１３が除かれた点である。従って、図１に示す実施の形態１のエピウエハ１０と同一、或いはそれに相当する部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる点を重点的に説明する。
【００７２】
このエピウエハ６０では、ｎ型ＡｌyＧａ1-yＡｓによる第１導電型活性層１４のエネルギーバンドギャップをＥｇ（１４）、そしてｎ型ＡｌzＧａ1-zＡｓによる第１導電型のクラッド層１５のエネルギーバンドギャップをＥｇ（１５）としたとき、これらは少なくとも
Ｅｇ（１５）＞Ｅｇ（１４）
の関係が成立するように構成されている。
【００７３】
半導体エピタキシャル層にＡｌtＧａ1-tＡｓ（ｔ≧０）を使用する場合、各半導体層のエネルギーバンドギャップは、Ａｌの組成比により決定することができる。上記の条件、Ｅｇ（１５）＞Ｅｇ（１４）を満たすＡｌの組成比として、例えば、ｙ＝０．１５、ｚ＝０．４とすることができる。即ち、第１導電型の活性層１４をｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓとし、そしてｎ型ＡｌzＧａ1-zＡｓのクラッド層１５をｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓとすることができる。
【００７４】
次に、上記のエピウエハ６０を使用したＬＥＤアレイの構成と動作について説明する。
【００７５】
このエピウエハ６０を使用したＬＥＤアレイ６２（図８）の構成が、前記した図２及び図３に示す実施の形態１のＬＥＤアレイ２０と異なる点は、エピウエハ６０において、エピウエハ１０の第１のクラッド層に相当する層が削除された点と、これに伴なって変更される単位ブロック分離領域６３（図８）の深さが異なる点である。
【００７６】
従って、図７に、前記した実施の形態１のＬＥＤアレイ２０の部分断面図である図２と同位置における、本実施の形態３のＬＥＤアレイ６２の部分断面図を示すが、実施の形態１のＬＥＤアレイ２０と同一、或いはそれに相当する部分については同符号を付して説明を省略し、異なる点を重点的に説明する。
【００７７】
図７において、エピウエハ６０に形成されるＺｎの拡散領域２１、エッチング領域４１、層間絶縁層４３、及び各電極３１，３２については実施の形態１のＬＥＤアレイ２０と全く同じであり、他の共通部分として図３に示す各配線３３，３４ａ，３５ａ、及び各電極パッド３４，３５の構成も、実施の形態１のＬＥＤアレイ２０と全く同じである。
【００７８】
エピウエハ６０は、実施の形態１のエピウエハ１０における第１のクラッド層１３を除いた構成なので、前記したように電気的に分離する単位ブロックを形成するための単位ブロック分離領域６３（図８）として、少なくともＧａＡｓの半絶縁性の半導体バッファー層１２に達する分離領域を形成すればよい。尚、図８は、図３中の指示線１１１を含む断面を矢印Ｂ−Ｂ方向からみた部分断面図である。
【００７９】
次に、ＬＥＤアレイ６２の発光動作について説明する。
【００８０】
ｐ側電極３１とｎ側電極３２との間に順方向電圧を印加すると、ｐｎ接合を介してｐ側領域であるＺｎ拡散領域２１及びｎ側領域に、少数キャリアとしてそれぞれ電子と正孔が注入される。コンタクト層拡散領域２１ａにはエッチング領域４１が設けてあるため、この層内にはｐｎ接合が存在しない。このため前記したように、マイナス効果となるコンタクト層（ＧａＡｓ層）１６でのキャリアの注入は生じない。
【００８１】
一方、前記したように、第１導電型のクラッド層１５であるｎ型ＡｌzＧａ1-zＡｓクラッド層のエネルギーバンドギャップＥｇ（１５）が、第１導電型の活性層１４であるｎ型ＡｌyＧａ1-yＡｓ活性層のエネルギーバンドギャップＥｇ（１４）よりも大きくしてあるため、少数キャリアは、第１導電型の活性層１４内のｐｎ接合を介してのみ注入される。
【００８２】
また、活性層１４内のｐｎ接合を介して注入された電子は、第１導電型のクラッド層１５と活性層１４の界面に存在するエネルギー障壁によってクラッド層１５へは拡散できない。このため注入キャリアは、活性層１４内に閉じ込められる。従って、ホモ接合の場合と比較して発光効率が高くなり、その発光波長は活性層１４のＡｌ組成で決まるエネルギーバンドギャップに相当する波長となる。
【００８３】
最上層の第１導電型コンタクト層１６のＧａＡｓのエネルギーバンドギャップが光のエネルギーよりも小さいので、活性層１４で発生した光は、コンタクト層１６で吸収される。しかしながら、このコンタクト層の層厚を、例えば５００Åと薄くすることができるので、ここで光吸収される割合を小さくし、効率良く上方へ出光させることができる。尚、横方向拡散フロントの表面ＧａＡｓ層付近でのエッチング効果については、実施の形態１の場合と同様なので、その記述を省略する。
【００８４】
また、このＬＥＤアレイ６２のマトリックス配線の構造及び動作は、実施の形態１で説明したＬＥＤアレイ２０と全く同じなのでその説明を省略する。
【００８５】
以上のように、実施の形態３のＬＥＤアレイによれば、前記した実施の形態１のＬＥＤアレイと同様の効果が得られるほか、活性層の下の半導体層を半絶縁性のバッファー層とした構造なので、電気的に分離する単位ブロックを形成してチップマトリックス駆動可能なＬＥＤアレイを作製するための単位ブロック分離領域６３を、少なくとも半絶縁性の半導体バッファー層に達するように形成すればよく、実施の形態２のＬＥＤアレイ２０の場合に比べて更に分離領域の溝を浅くでき、その形成がより容易となる。
【００８６】
更に、エピウエハ層の厚さをより薄くすることができるため、エピコストを低減することができ、より安価な半導体ウエハを製造できる。
【００８７】
尚、実施の形態３では、ＧａＡｓの半導体基板１１を半絶縁性としたが、これに限定されるものではなく、ｐ型或いはｎ型の半導体とすることができる。バッファ層１２についても同様の変形が可能である。
【００８８】
実施の形態４．
図９は、本発明による半導体装置の実施の形態４のエピウエハの構成を模式的に示す構成図である。
【００８９】
同図に示すように、このエピウエハ７０は、下から順に半絶縁性の半導体基板１１、半絶縁性の半導体バッファー層１２、第１導電型のクラッド層１３、第１導電型の活性層１４、及び第１導電型コンタクト層１６が積層した構成となっている。
【００９０】
以上の構成において、このエピウエハ７０が、図１に示す実施の形態１のエピウエハ１０と異なる点は、第２のクラッド層１５が除かれた点である。従って、図１に示す実施の形態１のエピウエハ１０と同一、或いはそれに相当する部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる点を重点的に説明する。
【００９１】
このエピウエハ７０では、ｎ型ＡｌyＧａ1-yＡｓによる第１導電型活性層１４のエネルギーバンドギャップをＥｇ（１４）、そしてｎ型ＡｌzＧａ1-zＡｓによる第１導電型のクラッド層１３のエネルギーバンドギャップをＥｇ（１３）としたとき、これらは少なくとも
Ｅｇ（１３）＞Ｅｇ（１４）
の関係が成立するように構成されている。
【００９２】
半導体エピタキシャル層にＡｌtＧａ1-tＡｓ（ｔ≧０）を使用する場合、各半導体層のエネルギーバンドギャップは、Ａｌの組成比により決定することができる。上記の条件、Ｅｇ（１３）＞Ｅｇ（１４）を満たすＡｌの組成比として、例えば、ｘ＝０．４、ｙ＝０．１５とすることができる。即ち、ｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓのクラッド層１３をｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓとし、そして第１導電型の活性層１４をｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓとすることができる。
【００９３】
次に、上記のエピウエハ７０を使用したＬＥＤアレイの構成と動作について説明する。
【００９４】
本実施の形態４のＬＥＤアレイが前記した図２及び図３に示す実施の形態１のＬＥＤアレイ２０と異なる点は、エピウエハ７０において、エピウエハ１０の第２のクラッド層に相当する層が削除された点と、これに伴なって変更されるブロック分離領域７３（図１０）の深さが異なる点である。
【００９５】
従って、図１０に、前記した実施の形態１のＬＥＤアレイ２０の部分断面図である図２と同位置における、本実施の形態４のＬＥＤアレイ７２の部分断面図を示すが、実施の形態１のＬＥＤアレイ２０と同一、或いはそれに相当する部分については同符号を付して説明を省略し、異なる点を重点的に説明する。
【００９６】
図１０において、エピウエハ７０に形成されるＺｎの拡散領域２１、エッチング領域４１、層間絶縁層４３、各電極３１，３２については実施の形態１のＬＥＤアレイ２０と全く同じであり、他の共通部分として図３に示す各配線３３，３４ａ，３５ａ、及び各電極パッド３４，３５の構成も、実施の形態１のＬＥＤアレイ２０と全く同じである。
【００９７】
エピウエハ７０は、実施の形態１のエピウエハ１０における第２のクラッド層１３を除いた構成なので、前記したように電気的に分離する単位ブロックを形成するためのブロック分離領域７３（図１０）を、少なくともＧａＡｓの半絶縁性の半導体バッファー層１２に達するように形成すればよい。
【００９８】
次に、ＬＥＤアレイ７２の発光動作について説明する。
【００９９】
ｐ側電極３１とｎ側電極３２との間に順方向電圧を印加すると、ｐｎ接合を介してｐ側領域であるＺｎ拡散領域２１及びｎ側領域に、少数キャリアとしてそれぞれ電子と正孔が注入される。コンタクト層拡散領域２１ａにはエッチング領域４１が設けてあるため、この層内にはｐｎ接合が存在しない。このため前記したように、マイナス効果となるコンタクト層（ＧａＡｓ層）１６でのキャリアの注入は生じない。
【０１００】
一方、図１０に示すように、ｐｎ接合は、第１導電型の活性層１４内のみにあり、少数キャリアは、この活性層１４内のｐｎ接合を介してのみ注入される。
【０１０１】
また、前記したように、クラッド層１３であるｎ型ＡｌzＧａ1-zＡｓクラッド層のエネルギーバンドギャップＥｇ（１３）が、第１導電型の活性層１４であるｎ型ＡｌyＧａ1-yＡｓ活性層のエネルギーバンドギャップＥｇ（１４）よりも大きくしてあるため、活性層１４内のｐｎ接合を介してｎ型領域に注入された正孔は、第１導電型のクラッド層１３と活性層１４の界面に存在するエネルギー障壁によってクラッド層１３へは拡散できない。このため注入された電子は、活性層１４内に閉じ込められる。従って、ホモ接合の場合と比較して発光効率が高くなり、その発光波長は活性層１４のＡｌ組成で決まるエネルギーバンドギャップに相当する波長となる。
【０１０２】
最上層の第１導電型コンタクト層１６のＧａＡｓのエネルギーバンドギャップが光のエネルギーよりも小さいので、活性層１４で発生した光は、コンタクト層１６で吸収される。しかしながら、このコンタクト層の層厚を、例えば５００Åと薄くすることができるので、ここで光吸収される割合を小さくし、効率良く上方へ出光させることができる。尚、横方向拡散フロントの表面ＧａＡｓ層付近でのエッチング効果については、実施の形態１の場合と同様なので、その記述を省略する。
【０１０３】
また、このＬＥＤアレイ６２のマトリックス配線の構造及び動作は、実施の形態１で説明したＬＥＤアレイ２０と全く同じなのでその説明を省略する。
【０１０４】
以上のように、実施の形態４のＬＥＤアレイによれば、前記した実施の形態１のＬＥＤアレイと同様の効果が得られるほか、活性層の下にクラッド層を設けた構成としたので、電気的に分離する単位ブロックを形成してチップマトリックス駆動可能なＬＥＤアレイを作製するためのブロック分離領域７３を、少なくともこれらの２層の半導体層を貫き、半絶縁性のバッファー層に達するように形成すればよく、実施の形態２のＬＥＤアレイ２０の場合に比べて更に分離領域の溝を浅くでき、その形成がより容易となる。
【０１０５】
また、エピウエハ層の厚さを薄くすることができるため、エピコストを低減することができ、より安価な半導体ウエハを製造できる。
【０１０６】
更に、第２導電型の拡散領域（発光領域に相当）を形成する際に、すでに述べた実施の形態１〜３の場合と異なって、薄いコンタクト層１６を含む、略単一材料に近い半導体層（クラッド層が除かれているため）に第２導電領域を形成することができる。例えば、Ｚｎ拡散により発光領域を形成する場合には、不純物拡散の拡散速度が半導体層の材料によって異なるため、単一材料への拡散の方がより高精度に拡散領域を形成できる。従って、本実施の形態のエピウエハを使用することによって、より拡散深さのばらつきの少ない発光領域が形成でき、発光強度が均一な高発光効率のＬＥＤアレイを製造できる。
【０１０７】
尚、本実施の形態４では、ＧａＡｓの半導体基板１１を半絶縁性としたが、これに限定されるものではなくｐ型の半導体としても、ｎ型単位ブロックの電気的な分離は可能である。
【０１０８】
また、前記した各実施の形態では、具体的な材料として、ＡｌtＧａ1-tＡｓをあげて説明したが、他の発光素子に適用できる材料、例えばＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＰ、そしてＧａＩｎＰなどの半導体材料にも適用できる。
【０１０９】
更に、前記した各実施の形態では、分離領域の溝をバッファ層、或いは第２導電型の第１のクラッド層まで形成したが、これに限定されるものではなく、活性層直下或いはクラッド層間に、１×１０７Ω／ｃｍ程度の半絶縁性のＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓ等の半導体層の層間層を形成し、この層間層まで溝を形成するように構成してもよいなど、種々の態様を取り得るものである。
【０１１０】
また、前記した実施の形態の説明において、「上」、「下」といった言葉を使用したが、これらは便宜上であって、半導体装置を配置する状態における絶対的な位置関係を限定するものではない。
【０１１１】
【発明の効果】
請求項１、２又は３の半導体装置によれば、各々複数のＬＥＤを含む電気的に分離した単位ブロックに分離することができるため、チップマトリックス駆動（時分割駆動）が可能なＬＥＤアレイを製造することができる。また、第１導電型半導体エピタキシャル層を異なるエネルギーバンドギャップを有する半導体の積層構造としたので、従来のようにエッチング溝で各ＬＥＤを素子分離することなく、第２導電型不純物の選択拡散によってＬＥＤを高密度に集積配置することが可能となり、高密度ＬＥＤアレイをプレーナ構造で製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による半導体装置の実施の形態１のエピウエハの構成を模式的に示す構成図である。
【図２】 図３中の指示線１１０を含む断面を矢印Ａ−Ａ方向からみた部分断面図である。
【図３】 チップマトリックス配線を施したＬＥＤアレイ２０を模式的に示す要部平面図である。
【図４】 本発明による半導体装置の実施の形態２のエピウエハの構成を模式的に示す構成図である。
【図５】 図３中の指示線１１１を含む断面を矢印Ｂ−Ｂ方向からみた実施の形態２のＬＥＤアレイの部分断面図である。
【図６】 本発明による半導体装置の実施の形態３のエピウエハの構成を模式的に示す構成図である。
【図７】 実施の形態３のＬＥＤアレイ６２の部分断面図である。
【図８】 図３中の指示線１１１を含む断面を矢印Ｂ−Ｂ方向からみた実施の形態３のＬＥＤアレイの部分断面図である。
【図９】 本発明による半導体装置の実施の形態４のエピウエハの構成を模式的に示す構成図である。
【図１０】 実施の形態４のＬＥＤアレイ７２の部分断面図である。
【図１１】 従来のヘテロ接合と呼ばれている発光素子の構成を示す構成図である。
【符号の説明】
１０ エピウエハ、 １１ 半導体基板、 １２ 半導体バッファー層、 １３ 第１導電型の第１のクラッド層、 １４ 第１導電型の活性層、 １５ 第１導電型の第２のクラッド層、 １６ 第１導電型コンタクト層、 ２０ ＬＥＤアレイ、 ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ 単位ブロック、 ２１ 拡散領域、 ２１ａ コンタクト層拡散領域、 ２１ｂ グラッド層拡散領域、 ２１ｃ 活性層拡散領域、 ２１ｄ 拡散フロント、 ２２ 単位ブロック分離領域、 ２３ ＧａＡｓコンタクト島、 ３１ ｐ側電極、 ３２ ｎ側電極、 ３３ 共通配線、 ３４ ｎ側電極パッド、 ３４ａ ｎ側電極配線、 ３５ ｐ側電極パッド、 ３５ａ ｐ側電極配線、 ３６ コンタクトホール、 ３７ ＬＥＤ、 ４０ 周辺領域、 ４１ エッチング領域、 ４３ 層間絶縁膜、 ５０ エピウエハ、 ５１ 第２導電型の第１のクラッド層、 ５２ ＬＥＤアレイ、 ５３ 単位ブロック分離領域、 ６０ エピウエハ、 ６２ ＬＥＤアレイ、 ６３ 単位ブロック分離領域、 ７０ エピウエハ、 ７２ ＬＥＤアレイ、 ７３ 分離領域。
Claims (4)
- 半導体基板上に多層の半導体層を設けてなる半導体エピタキシャルウエハを有する半導体装置であって、
第１導電型の半導体基板と、
該半導体基板の表面に接して設けられた第２導電型半導体層と、
該第２導電型半導体層上に設けられた第１導電型の第１のクラッド層と、
該第１のクラッド層上に設けられ、第１導電型の活性層を構成する第１の半導体層と、
該第１の半導体層に接して設けられた第１導電型の第２のクラッド層と、
該第２のクラッド層上に設けられた第１導電型の半導体コンタクト層と、
前記半導体コンタクト層から前記第１の半導体層に至り選択的に形成された複数の第２導電型不純物領域と、
前記半導体コンタクト層から前記第２導電型半導体層に達するブロック分離領域と
を有し、
前記ブロック分離領域は、各々前記第２導電型不純物領域を所定数含み電気的に分離した複数の単位ブロックを形成することを特徴とする半導体装置。 - 前記半導体コンタクト層は、Ａｕ系の電極材料とオーミックコンタクトが形成可能な材料であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
- 前記第１の半導体層、前記第１のクラッド層、及び前記第２のクラッド層は、Ａｌ ｔ Ｇａ １−ｔ Ａｓ（ｔ≧０）で形成されたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
- 半導体基板上に多層の半導体層を設けてなる半導体エピタキシャルウエハを有し、複数のＬＥＤが形成されたＬＥＤアレイであって、
第１導電型の半導体基板と、
該半導体基板の表面に接して設けられた第２導電型半導体層と、
該第２導電型半導体層上に設けられた第１導電型の第１のクラッド層と、
該第１のクラッド層上に設けられ、第１導電型の活性層を構成する第１の半導体層と、
該第１の半導体層に接して設けられた第１導電型の第２のクラッド層と、
該第２のクラッド層上に設けられた第１導電型の半導体コンタクト層と、
前記半導体コンタクト層から前記第１の半導体層に至り選択的に形成された複数の第２導電型不純物領域と、
前記半導体コンタクト層から前記第２導電型半導体層に達するブロック分離領域と
を有し、
前記ブロック分離領域は、各々前記第２導電型不純物領域を所定数含み電気的に分離した複数の単位ブロックを形成することを特徴とするＬＥＤアレイ。
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