JP4967538B2 - Surface light emitting device, image reading device and image writing device using surface light emitting device, and method for manufacturing surface light emitting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、面発光素子、面発光素子を用いた画像読取装置及び画像書込装置、並びに面発光素子の製造方法に関し、特に、発光効率を改善させる面発光素子の構造及び製造方法に関する。 The present invention relates to a surface light-emitting element, an image reading apparatus and an image writing apparatus using the surface light-emitting element, and a method for manufacturing the surface light-emitting element, and more particularly to a structure and a method for manufacturing a surface light-emitting element that improves luminous efficiency.
従来、発光素子の代表的なものとして発光ダイオード及びレーザダイオードが知られている。特に、発光ダイオードは、化合物半導体(GaAs、GaP、GaAlAs等)のpn接合又はpin接合を形成し、これに順方向電圧を加えることにより接合内部にキャリアを注入し、その再結合の過程で生じる発光現象を利用するものである。 Conventionally, a light emitting diode and a laser diode are known as typical light emitting elements. In particular, a light emitting diode is formed in the process of recombination by forming a pn junction or pin junction of a compound semiconductor (GaAs, GaP, GaAlAs, etc.) and applying a forward voltage to the semiconductor to inject carriers into the junction. It utilizes the luminescence phenomenon.
発光ダイオードと同じ発光メカニズムを有する発光素子として発光機能を有する負性抵抗素子(発光サイリスタ,レーザサイリスタ等)も知られている。発光サイリスタは、先に述べたような化合物半導体でpnpn構造を形成して製造され、一般的なサイリスタと同様なS字形の負性抵抗を示す電流―電圧特性(以下、サイリスタ特性と称する)を有して機能することは知られている。 Negative resistance elements (light emitting thyristors, laser thyristors, etc.) having a light emitting function are also known as light emitting elements having the same light emission mechanism as light emitting diodes. A light-emitting thyristor is manufactured by forming a pnpn structure with a compound semiconductor as described above, and has a current-voltage characteristic (hereinafter referred to as a thyristor characteristic) exhibiting an S-shaped negative resistance similar to a general thyristor. It is known to have and function.
また、面発光型の発光サイリスタ(以下、面発光サイリスタと称する)を用いた自己走査型発光素子アレイ(以下、SLEDとも称する)について、既に多くの出願において開示されている(例えば、特許文献1参照)。SLEDは、発光素子毎に点灯制御し、発光素子アレイの長尺方向に点灯走査させる機能を有する。図15は、面発光サイリスタを用いた発光素子アレイチップの配列状態を示す平面図である。同図において、複数の面発光サイリスタ84が複数の発光素子アレイチップ80に直線状に配列されている。複数の発光素子アレイチップ80を、略一直線状に連なるように連結させることにより、発光素子アレイを構成させる。そして、そのSLEDの長尺方向を、例えば画像書込装置の主走査方向に対応するように配置し、画像書込装置の発光手段として機能させることができる。
Further, self-scanning light-emitting element arrays (hereinafter also referred to as SLEDs) using surface-emitting light-emitting thyristors (hereinafter referred to as surface-emitting thyristors) have already been disclosed in many applications (for example, Patent Document 1). reference). The SLED has a function of performing lighting control for each light emitting element and lighting scanning in the longitudinal direction of the light emitting element array. FIG. 15 is a plan view showing an arrangement state of light emitting element array chips using surface emitting thyristors. In the drawing, a plurality of
図16は、図15に示した発光素子アレイチップの拡大図である。並列に配線された複数の面発光サイリスタ84は、ボンディングパッド82から各々給電される。尚、このような並列配線された面発光サイリスタ84の列を複数設けることができ、ボンディングパッド82からの給電タイミングを制御することにより、多様な発光制御を行うことができる。
FIG. 16 is an enlarged view of the light-emitting element array chip shown in FIG. The plurality of
図17は、図16に示した1つの面発光サイリスタの拡大図である。同図において、面発光サイリスタが有するゲート電極の部分の図示を省略している。面発光サイリスタ84の中央部には電極87が設けられ、コンタクトホールChを介して配線82aと電気的に接続されている。電極87は、面発光サイリスタ84の発光部Laの中央を覆うように設けられていることが分かる。
FIG. 17 is an enlarged view of one surface emitting thyristor shown in FIG. In the figure, the illustration of the gate electrode portion of the surface emitting thyristor is omitted. An
図18は、メサ型のpnpn構造の従来の面発光サイリスタの断面図である。図18において、図17に示したA-A’方向の面発光サイリスタの断面図と考えてよい。この面発光サイリスタは、n形半導体基板92上に形成されたn形半導体層91,p形半導体層90,n形半導体層89,p形半導体層88と、p形半導体層88にオーミック接触するように形成された電極87とを備えている。面発光サイリスタ84の構造上、全体に絶縁被膜86(光透過性の絶縁材料である)が設けられ、その上にアルミニウム(Al)配線82aが設けられている。絶縁被膜86には、電極87とAl配線82aとを電気的に接続するためのコンタクトホールChが開けられている。また、n形半導体基板92の裏面には、カソード電極93が設けられており、電極87はアノード電極として構成させている。
FIG. 18 is a cross-sectional view of a conventional surface-emitting thyristor having a mesa-type pnpn structure. 18 may be considered as a cross-sectional view of the surface emitting thyristor in the A-A ′ direction shown in FIG. The surface-emitting thyristor is in ohmic contact with the n-
図19は、図18に示すpnpn構造の面発光サイリスタにおいて電流の流れる様子を表す、従来の面発光サイリスタの断面図である。このようなpnpn構造の面発光サイリスタ84では、アノード電極87から流れる電流(以下、注入電流と称する)は、同図において矢印で示すように、半導体中を広がりながらカソード電極93に向かって流れる。ここで、ゲート層を構成するn形半導体層89及びp形半導体層90での発光領域Lbの発光中心(即ち、注入電流の電流密度が高い領域)は、主に電極87の真下にある。即ち、従来の面発光サイリスタは、発光領域Lbで発光した光が電極87又はAl配線82aによって遮られるような、発光効率を低下させる構造を有している。
FIG. 19 is a cross-sectional view of a conventional surface-emitting thyristor showing how current flows in the surface-emitting thyristor having the pnpn structure shown in FIG. In such a
そこで、そのような面発光サイリスタの構造を改良して発光効率を向上させるために、電極87とp形半導体層88との間で接する部分に絶縁層(図示せず)を設けることにより、その電極87の真下に向かって注入電流が流れないようにさせる構造が開示されている(例えば、特許文献2参照)。又は、電極87の周辺長を増大させることにより、注入電流を均一分布化させる構造が開示されている(例えば、特許文献2参照)。
Therefore, in order to improve the light emission efficiency by improving the structure of such a surface emitting thyristor, an insulating layer (not shown) is provided at a portion in contact between the
それとは別に、遮光要因となる電極構造を回避するために、アノード電極を面発光素子の発光領域外且つその発光領域の1辺近傍に配置する方法がある。例えば、面発光素子の最上層の半導体層内において、その表面側上部とアノード電極とを接続するように形成させた第1の不純物拡散層と、アノード電極の無い第1の不純物拡散層の下部、即ち面発光素子の発光領域下側に、第1の不純物拡散層と接続される第2の不純物拡散層とを有する発光素子が開示されている(例えば、特許文献3参照)。 In addition to this, there is a method in which the anode electrode is disposed outside the light emitting region of the surface light emitting element and in the vicinity of one side of the light emitting region in order to avoid an electrode structure that causes light shielding. For example, in the uppermost semiconductor layer of the surface light emitting element, a first impurity diffusion layer formed so as to connect the upper part on the surface side and the anode electrode, and a lower part of the first impurity diffusion layer without the anode electrode That is, a light-emitting element having a second impurity diffusion layer connected to the first impurity diffusion layer under the light-emitting region of the surface light-emitting element is disclosed (for example, see Patent Document 3).
前述したように、面発光ダイオード,面発光サイリスタのような面発光素子において、電流を注入する電極の真下に発光中心が位置し、電極自身が遮光層となり発光効率が低下するという問題がある。また、特許文献2に示すような先行技術の他に、更に発光効率を向上させる技術が望まれている。 As described above, in a surface light emitting device such as a surface light emitting diode or a surface light emitting thyristor, there is a problem in that a light emission center is located directly below an electrode for injecting current, and the electrode itself becomes a light shielding layer, resulting in a decrease in light emission efficiency. In addition to the prior art as shown in Patent Document 2, a technique for further improving the light emission efficiency is desired.
また、図18に示す従来の発光サイリスタ84の構造では、電極87とp形半導体層88との間の接触抵抗にばらつきが生じやすいという問題がある。
Further, the structure of the conventional
一般的に、発光サイリスタのサイリスタ機能を実現するために、p形とn形の半導体層を交互に積層させる4層構造の発光サイリスタ84は、MOCVD法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition, 有機金属化学気相蒸着法)で形成させる。MOCVD法による形成は、成膜速度が安定しており、層構造の再現性が優れている。また、成膜反応炉を大きくすることにより、一度に多くの枚数の半導体基板上に成膜させることができるため、大量生産にも向いている。
In general, in order to realize the thyristor function of a light-emitting thyristor, a four-layer light-emitting
一方、発光素子として性能評価する方法の1つに発光効率がある。発光効率は、広義には、発光素子に供給した電気エネルギーが最終的に光としてどの程度利用されるかの割合を表す。従って、発光素子を商用ベースでの各種機能デバイスに利用する際には、発光効率の高い低消費エネルギーの素子が求められる。この要求に応えるための1つの手段として、外部駆動回路から半導体素子への電気エネルギーを供給するための経路に位置する電極と半導体素子との接触抵抗を小さくする技法が考えられる。接触抵抗を小さくするためには、電極と接触する半導体層において、その半導体層のp形若しくはn形を決めるためのキャリア濃度を高めればよい。 On the other hand, one of methods for evaluating performance as a light emitting element is light emission efficiency. In a broad sense, the luminous efficiency represents a ratio of how much electric energy supplied to the light emitting element is finally used as light. Therefore, when a light emitting element is used for various functional devices on a commercial basis, an element with high luminous efficiency and low energy consumption is required. As one means for meeting this requirement, a technique for reducing the contact resistance between the electrode located on the path for supplying electric energy from the external drive circuit to the semiconductor element and the semiconductor element can be considered. In order to reduce the contact resistance, the carrier concentration for determining the p-type or n-type of the semiconductor layer may be increased in the semiconductor layer in contact with the electrode.
しかしながら、MOCVD法では、エピタキシャル成長の各種条件に依存するが、実現できるキャリア濃度には限界があり、一般的に現在のところ、p形で2×1018cm−3付近に上限があり、また、n型では、8×1018cm−3付近に上限がある。このキャリア濃度の限界により、電極と半導体層との間の接触抵抗の低減化にも限界が生じる。即ち、MOCVD法でのみキャリア濃度を制御して、接触抵抗を低減化することには限界がある。 However, in the MOCVD method, depending on various conditions of epitaxial growth, there is a limit to the carrier concentration that can be realized. Generally, there is currently an upper limit in the vicinity of 2 × 10 18 cm −3 for p-type, The n-type has an upper limit in the vicinity of 8 × 10 18 cm −3 . Due to the limit of the carrier concentration, there is a limit in reducing the contact resistance between the electrode and the semiconductor layer. That is, there is a limit in reducing the contact resistance by controlling the carrier concentration only by the MOCVD method.
実際に製作した従来の面発光サイリスタを例として説明する。図18において、p型半導体層88を2×1018cm−3付近のキャリア濃度を有するGaAs層とし、アノード電極にAuZn/Au構造を有する極めて一般的なオーミック電極を形成した場合、接触抵抗は約3×10−5Ωcm2であった。この接触抵抗は、発光効率を改善する観点からは比較的無視できない抵抗値であり、無駄な消費電力を発生させる。この接触抵抗は意図して形成されるものではなく、MOCVD法では、その抵抗値を制御することは困難である。
A conventional surface-emitting thyristor actually manufactured will be described as an example. In FIG. 18, when the p-
更に、MOCVD法でのみ形成させた面発光サイリスタを多数配置させて、発光素子アレイ(例えば、SLED)を構成させた場合、各々の面発光サイリスタにおける電極と半導体層との間の接触抵抗が様々な値を有することも避けられない。即ち、発光素子アレイの長尺方向(即ち、主走査方向)の光量分布の不均一性を増大させるという問題もある。 Furthermore, when a plurality of surface-emitting thyristors formed only by the MOCVD method are arranged to form a light-emitting element array (for example, SLED), the contact resistance between the electrode and the semiconductor layer in each surface-emitting thyristor varies. It is unavoidable to have a large value. That is, there is a problem that non-uniformity of the light amount distribution in the longitudinal direction (that is, the main scanning direction) of the light emitting element array is increased.
また、特許文献3に記載の面発光素子においては、アノード電極を面発光素子の発光領域外且つその発光領域の1辺近傍に配置しているために、第1の不純物拡散層を、第2の不純物拡散に比してかなり高濃度にしなければ、発光中心において均一な電流密度分布を得ることができない。また、そのような構造とすることは、原理的に電極間を流れる電流の経路が長くなるために高抵抗化することが考えられ、発光効率を向上させる観点からは好ましくない。 Further, in the surface light emitting device described in Patent Document 3, since the anode electrode is disposed outside the light emitting region of the surface light emitting device and in the vicinity of one side of the light emitting region, the first impurity diffusion layer is provided in the second light emitting region. A uniform current density distribution cannot be obtained at the emission center unless the concentration is considerably higher than the impurity diffusion. In addition, such a structure is not preferable from the viewpoint of improving the light emission efficiency because, in principle, the path of current flowing between the electrodes becomes long, so that the resistance can be increased.
本発明は、上述の問題を改善するために、面発光素子、面発光素子を用いた画像読取装置及び画像書込装置、並びに、面発光素子の製造方法を提供することを目的とする。 In order to improve the above-described problems, an object of the present invention is to provide a surface light emitting element, an image reading apparatus and an image writing apparatus using the surface light emitting element, and a method for manufacturing the surface light emitting element.
上記課題を解決するために、本発明による面発光素子の製造方法は、半導体の基板全面への成膜化を対象とするMOCVD法やMBE法(Molecular Beam Epitaxy, 分子線エピタキシー法)などのエピタキシャル成膜技法に加えて、不純物拡散法やイオン注入法を組み合わせ、高濃度のキャリア濃度領域(以下、高濃度キャリア領域とも称する)を半導体基板の一部分に形成する。これにより、半導体の基板全面を対象とする成膜技法のみでは実現できなかった高発光効率を有する面発光素子の形成を可能とする。 In order to solve the above-mentioned problems, a method for manufacturing a surface light emitting device according to the present invention is based on an epitaxial growth method such as MOCVD method or MBE method (Molecular Beam Epitaxy) for forming a film on the entire surface of a semiconductor substrate. In addition to the film technique, an impurity diffusion method or an ion implantation method is combined to form a high concentration carrier concentration region (hereinafter also referred to as a high concentration carrier region) in a part of the semiconductor substrate. As a result, it is possible to form a surface light emitting element having a high light emission efficiency that cannot be realized only by a film formation technique for the entire surface of a semiconductor substrate.
より具体的には、本発明による別の面発光素子は、第1の導電形の半導体層と、前記第1の導電形と異なる第2の導電形の半導体層とを交互に積層した複数の半導体層を有する半導体積層構造と、前記複数の半導体層の最上層に形成される第1の電極と、前記複数の半導体層の最下層に形成される第2の電極とを備える。前記半導体積層構造は、MOCVD法やMBE法などのエピタキシャル成膜技法により形成される。更に、本発明による面発光素子は、光出射面の領域が、前記第1の電極の周囲に位置しており、前記光出射面の領域の前記最上層内に少なくとも形成される高キャリア濃度領域を有する。前記高キャリア濃度領域は、不純物拡散法やイオン注入法により形成される。これにより、前記第1の電極の真下に位置する半導体層の領域の抵抗値より、前記第1の電極の周辺部に位置する半導体層の高キャリア濃度領域の抵抗値を小さくすることができ、遮光層となる前記第1の電極の真下の領域から、遮光層とならない領域にて電流密度を移動させる(即ち、注入電流の方向を移動させる)こともできる。従って、前記第1の電極から前記第2の電極に注入される電流によって、前記複数の半導体層の最上層の光出射側から発光する機能を有する面発光素子は、発光効率が改善される。 More specifically, another surface light emitting device according to the present invention includes a plurality of first conductive type semiconductor layers and a plurality of stacked second conductive type semiconductor layers different from the first conductive type. A semiconductor stacked structure having a semiconductor layer, a first electrode formed on the uppermost layer of the plurality of semiconductor layers, and a second electrode formed on the lowermost layer of the plurality of semiconductor layers. The semiconductor multilayer structure is formed by an epitaxial film forming technique such as MOCVD method or MBE method. Further, in the surface light emitting device according to the present invention, the region of the light emitting surface is located around the first electrode, and the high carrier concentration region is formed at least in the uppermost layer of the region of the light emitting surface. Have The high carrier concentration region is formed by an impurity diffusion method or an ion implantation method. Thereby, the resistance value of the high carrier concentration region of the semiconductor layer located in the peripheral portion of the first electrode can be made smaller than the resistance value of the region of the semiconductor layer located directly below the first electrode, It is also possible to move the current density (that is, to move the direction of the injected current) from the region directly below the first electrode that becomes the light shielding layer to the region that does not become the light shielding layer. Accordingly, the light emitting efficiency of the surface light emitting element having a function of emitting light from the light emitting side of the uppermost layer of the plurality of semiconductor layers by the current injected from the first electrode to the second electrode is improved.
本発明による更に別の面発光素子は、第1の導電形の半導体層と、前記第1の導電形と異なる第2の導電形の半導体層とを交互に積層した複数の半導体層の上部に、低導電率の半導体層を有する半導体積層構造と、前記低導電率の半導体層に形成される第1の電極と、前記複数の半導体層の最下層に形成される第2の電極とを備える。前記半導体積層構造は、MOCVD法やMBE法などのエピタキシャル成膜技法により形成される。更に、本発明による面発光素子は、前記光出射面の領域が、前記第1の電極の周囲に位置しており、前記光出射面の領域の前記最上層内(前記低導電率の半導体層内)に少なくとも形成される高キャリア濃度領域を有する。前記高キャリア濃度領域は、不純物拡散法やイオン注入法により形成される。前記低導電率の半導体層を形成することにより、更に、遮光層となる前記第1の電極の真下の領域から、遮光層とならない領域にて電流密度を移動させる(即ち、注入電流の方向を移動させる)ことができる。従って、前記第1の電極から前記第2の電極に注入される電流によって、前記複数の半導体層の最上層の光出射側から発光する機能を有する面発光素子は、発光効率が改善される。 According to another aspect of the present invention, a surface light emitting device includes: a semiconductor layer having a first conductivity type; and a plurality of semiconductor layers in which semiconductor layers having a second conductivity type different from the first conductivity type are alternately stacked. A semiconductor stacked structure having a low-conductivity semiconductor layer, a first electrode formed in the low-conductivity semiconductor layer, and a second electrode formed in the lowest layer of the plurality of semiconductor layers . The semiconductor multilayer structure is formed by an epitaxial film forming technique such as MOCVD method or MBE method. Further, in the surface light emitting device according to the present invention, the region of the light emitting surface is located around the first electrode, and the light emitting surface region is in the uppermost layer (the semiconductor layer of low conductivity). A high carrier concentration region formed at least. The high carrier concentration region is formed by an impurity diffusion method or an ion implantation method. By forming the low-conductivity semiconductor layer, the current density is further moved from the region immediately below the first electrode that becomes the light shielding layer to the region that does not become the light shielding layer (that is, the direction of the injection current is changed). Can be moved). Accordingly, the light emitting efficiency of the surface light emitting element having a function of emitting light from the light emitting side of the uppermost layer of the plurality of semiconductor layers by the current injected from the first electrode to the second electrode is improved.
更に別の態様として、本発明の画像読取装置は、原稿台に載置された原稿に光を照射する光源と、前記光源から照射された前記原稿からの反射光を受光して前記原稿の画像情報を読み取る複数の受光素子と、前記原稿からの反射光を前記複数の受光素子に結像する正立等倍レンズアレイとを備え、前記光源が、本発明による面発光素子を有している。 As yet another aspect, the image reading apparatus of the present invention includes a light source for irradiating light on a document placed on a document table, and reflected light from the document irradiated from the light source to receive an image of the document. A plurality of light receiving elements for reading information; and an erecting equal-magnification lens array for imaging reflected light from the document on the plurality of light receiving elements, wherein the light source includes the surface light emitting element according to the present invention. .
更に別の態様として、本発明の画像書込装置は、複数の発光素子を有する発光素子アレイと、前記発光素子アレイの発光に基づいて画像情報が書き込まれる感光ドラムと、前記発光素子アレイの発光を前記感光ドラムに結像する正立等倍レンズアレイとを備え、前記複数の発光素子が、本発明による面発光素子を有している。 As yet another aspect, the image writing apparatus of the present invention includes a light emitting element array having a plurality of light emitting elements, a photosensitive drum on which image information is written based on light emission of the light emitting element array, and light emission of the light emitting element array. And an erecting equal-magnification lens array that forms an image on the photosensitive drum, and the plurality of light emitting elements include the surface light emitting elements according to the present invention.
上述した態様とは別に、本発明による面発光素子を製造する方法としても、本発明を特徴づけられる。 Apart from the above-described embodiment, the present invention can also be characterized as a method for manufacturing a surface light emitting device according to the present invention.
本発明によれば、より発光効率の高い面発光素子を形成させることができる。 According to the present invention, a surface light emitting device with higher luminous efficiency can be formed.
まず、本発明による面発光素子の構造及び機能の理解を助けるために、その構造及び機能について以下に説明する。 First, in order to help understanding of the structure and function of the surface light emitting device according to the present invention, the structure and function will be described below.
図1は、本発明による面発光サイリスタの一例を示す平面図である。面発光サイリスタ100の中央部には電極87が設けられ、コンタクトホールChを介して配線82aと電気的に接続されている。電極87は、面発光サイリスタ100の発光部Laの中央を覆うように設けられている。図2は、メサ型のpnpn構造の従来の面発光サイリスタの断面図である。図2において、図1に示したB-B’方向の面発光サイリスタの断面図と考えてよい。同図において、図18に示した面発光サイリスタと同様な構成要素には、同一の参照番号を付しており、同様な構成要素についての説明を省略する。図2に示す面発光サイリスタ100は、pnpn構造を有し、MOCVD法やMBE法などのエピタキシャル成膜技法により形成できる。
FIG. 1 is a plan view showing an example of a surface-emitting thyristor according to the present invention. An
図1及び図2において、アノード電極87とp形半導体層88との間には、前述したように接触抵抗が存在する(図示せず)。そこで、その接触抵抗の抵抗値が低減するように、p形半導体層88の領域内で高濃度のキャリア濃度領域101を形成させる。キャリア濃度領域101は、同図においてp形である。p形半導体層88に高濃度のキャリア濃度領域101を形成するために、不純物拡散法やイオン注入法を用いることができる。これにより、アノード電極87のオーミック接触の抵抗値を小さくし、接触抵抗によって生じるエネルギー損失を低減させることができる。尚、オーミック接触の抵抗値を小さくする観点からは、アノード電極87の下部を含み、高濃度のキャリア濃度領域101を形成させることが好ましいが、より好適には、後述する理由により、アノード電極87の下部以外の、発光が遮蔽されないアノード電極87の3辺近傍(図1参照)の真下に高濃度のキャリア濃度領域101を少なくとも形成させる。
1 and 2, a contact resistance exists between the
また、図1及び図2において、p形半導体層88の領域内で高濃度のキャリア濃度領域102を形成させることができる。キャリア濃度領域102は、同図においてp形である。給電されたアノード電極87からの注入電流は、キャリア濃度領域102によって電流経路が誘導され、図2に示す矢印に示すような電流経路を主に経由して、カソード電極93に到達する。従って、ゲート層を構成するn形半導体層89及びp形半導体層90での発光領域Lcの発光中心(即ち、注入電流の電流密度が高い領域)は、電極87の真下から移動した位置にある。これにより、発光領域Lcで発生した光が、アノード電極87によって遮光されることなく外部に照射されることになり、発光効率を向上させることができる。
1 and 2, a high concentration
好適には、高キャリア濃度領域101(後述する実施例1〜4においては、高キャリア濃度領域111に対応する)と高キャリア濃度領域102(後述する実施例1〜4においては、高キャリア濃度領域112に対応する)は、分離しないように形成される。更に、高キャリア濃度領域102のキャリア濃度は、高キャリア濃度領域101のキャリア濃度より高くする。更に、好適には、電極87の真下の位置以外の、電極87の3辺に近接した位置の真下に、高キャリア濃度領域101を少なくとも形成させる。即ち、高キャリア濃度領域101(及び/又は高キャリア濃度領域102)を、アノード電極87の中心位置の真下から離れた位置であって、アノード電極87の側辺近傍の真下の位置に少なくとも形成させる。これにより、電極87の真下の位置で電流密度が低くなり、且つ、電極87の側辺近傍の位置の真下で電流密度を高めることができる。また電極87の周囲に発光領域を有する構造であるため、電極87のオーミック接触による抵抗値の低減、及び、電極87による発光の遮蔽の影響を避けながら電極間に流れる電流経路の最短化を好適に実現させることができる。
Preferably, the high carrier concentration region 101 (corresponding to the high
ここで、アノード電極87の中心位置とは、例えば、図1に示す平面図から、矩形状のアノード電極であれば、アノード電極の矩形状において対向する2角をつなぐ線分の交点をいう。或いは又、円形状、楕円形状又は任意の形状のアノード電極であれば、その形状において重心として規定される中心をいう。高キャリア濃度領域102の中心位置についても、同様に解してよい。上述において、図1及び図2を参照して本発明の構造及び機能の理解のために説明したが、これに限定するものではない。
Here, the center position of the
次に、本発明による実施例1の面発光サイリスタの製造方法及びその構造を説明する。 Next, a manufacturing method and structure of the surface-emitting thyristor according to the first embodiment of the present invention will be described.
(実施例1)
図3は、本発明による実施例1の面発光サイリスタの製造方法を示す図である。同図において、図2に示した面発光サイリスタ100と同様な構成要素には、同一の参照番号を付している。
(Example 1)
FIG. 3 is a diagram showing a method for manufacturing the surface-emitting thyristor of Example 1 according to the present invention. In the figure, the same reference numerals are assigned to the same components as those of the
まず、ステップ(a)において、MOCVD法により、n形半導体基板92(不純物濃度1×1018cm−3)上に、n形半導体層91(膜厚0.5μm、不純物濃度4×1017cm−3)、p形半導体層90(膜厚0.5μm、不純物濃度1×1017cm−3)、n形半導体層89(膜厚1.0μm、不純物濃度4×1017cm−3)を成膜させる。これにより、半導体積層構造110aが形成される。
First, in step (a), an n-type semiconductor layer 91 (film thickness 0.5 μm, impurity concentration 4 × 10 17 cm − is formed on an n-type semiconductor substrate 92 (
次に、ステップ(b)において、まず、n形半導体層89の上表面からZnを不純物拡散法によって拡散させることにより、高キャリア濃度領域111を形成させる。高キャリア濃度領域111をp形半導体層として機能させることにより、面発光サイリスタとして機能するpnpn構造を形成させる。
Next, in step (b), first, the high
より具体的には、まず、所望の領域に高キャリア濃度領域111を形成するために、半導体積層構造110a上にSiNの膜を用いて所望の形状での拡散窓(図示せず)を形成する。次に、石英アンプル(以下、単にアンプルと称し、図示せず)内に半導体積層構造110aと拡散源となる0.5g のZn3As2粒を入れて、アンプル内部を1×10−6Torr(=0.133322mPa)に真空引きした状態でアンプル管を溶接封止する。次に、570℃の拡散炉で1時間熱処理する。熱処理後に1時間の冷却後、アンプル内から半導体積層構造110aを取り出す。その後、拡散窓を形成するために使用したSiNをCF4ガスによるドライエッチングで除去する。最終的にステップ(b)では、ステップ(a)で形成された半導体積層構造110aにアノード電極87を形成させる。尚、この条件で拡散処理した半導体積層構造110aをへき開して、その拡散部分をSEM(Scanning Electron Microscope,走査型電子顕微鏡)で観察した結果、表面から深さ0.3μmまでの部分に高キャリア濃度領域111ができていることを確認している。
More specifically, first, in order to form the high
高キャリア濃度領域111の表層部分は高濃度であり、アノード電極87との接触抵抗を好適に低減させる。一方、高キャリア濃度領域111の拡散深さが増大するにつれて濃度が低減するため、n形半導体層89と高キャリア濃度領域111との接合付近において、サイリスタ機能を発揮させるために好適な濃度が得られる。即ち、この高キャリア濃度領域111は、p形半導体層として機能する。Znの拡散後、高キャリア濃度領域111上にAuZn/Anのアノード電極87を、n形半導体層89上にAuGe/Ni/Auのゲート電極94を形成する。尚、オーミック接触の抵抗値を小さくする観点からは、アノード電極87の下部を含み、高濃度のキャリア濃度領域111を形成させることが好ましいが、より好適には、後述する実施例3で説明するように、アノード電極87の下部以外の、発光が遮蔽されないアノード電極87の3辺近傍(図1参照)の真下に、高濃度のキャリア濃度領域111を少なくとも形成させる。
The surface layer portion of the high
次に、ステップ(c)において、半導体積層構造110a裏面にカソード電極93、Si02絶縁膜86、アノード電極用の配線82a及びゲート電極用の配線82bを形成させる。これにより、本実施例の面発光サイリスタを製造することができる。
Next, in step (c), the
図3に従って製造された面発光サイリスタは、MOCVD法のみでアノード層を形成した従来の面発光サイリスタと比較して、サイリスタ特性は同等であった。一方、アノード電極87と高キャリア濃度領域111との間の接触抵抗が低減することは、発光効率の改善として確認されており、従来の面発光サイリスタと比較して、本実施例では1.25倍になることを確認できている。
The surface-emitting thyristor manufactured according to FIG. 3 had the same thyristor characteristics as compared with the conventional surface-emitting thyristor in which the anode layer was formed only by the MOCVD method. On the other hand, a reduction in the contact resistance between the
本実施例の製造プロセスでは、従来の製造プロセス(例えば、MOCVD法)に拡散プロセス(例えば、不純物拡散法)を加えることになる。しかしながら、本実施例の製造プロセスにおいては、ゲートを構成するn形半導体層89の上にゲート電極94を形成することができる。つまり、図19を参照して、pnpn構造では必要とされる、ゲート電極94とのオーミック接触のためのp形半導体層88のエッチング(以下、ゲート出しエッチングと称する)が必要ない。従って、製造プロセスの負荷を低減させることができる。
In the manufacturing process of the present embodiment, a diffusion process (for example, impurity diffusion method) is added to a conventional manufacturing process (for example, MOCVD method). However, in the manufacturing process of the present embodiment, the
また、図3に示す構造の場合には、ゲート出しエッチングを必要としないために、半導体積層構造110a上の段差(以下、メサエッチング段差と称する)が生じていない。これにより、従来のpnpn構造よりも平坦な面での絶縁膜86の形成や配線82a及び82bの形成が可能となり、欠損などの欠点がないマスクの転写性として良好な配線パターンを形成できる。更に、絶縁膜や配線材の成膜時に生じる段差部でのカバレッジの悪化も生じなくなり、面発光サイリスタとしてのデバイス機能の長期信頼性が期待できる。
Further, in the case of the structure shown in FIG. 3, no step-out etching is required, so that a step on the semiconductor stacked
ここで、図4に、本発明による拡散プロセスと、ゲート出しエッチングのエッチングプロセスと含む製造プロセスにより形成させた面発光サイリスタの断面図を示す。同図において、面発光サイリスタが有するゲート電極94の周辺部分の図示を省略している。図4において、図3に示した面発光サイリスタ100と同様な構成要素には、同一の参照番号を付しており、同様な構成要素の説明は省略する。図4に示すように、メサエッチング段差を有する面発光サイリスタでも、図3に示す製造プロセスにより形成された面発光サイリスタと同様に、発光効率の改善が得られることはいうまでもない。
Here, FIG. 4 shows a cross-sectional view of a surface emitting thyristor formed by a manufacturing process including a diffusion process according to the present invention and an etching process of gate-out etching. In the drawing, the peripheral portion of the
次に、本発明による実施例2の面発光サイリスタの製造方法及びその構造を説明する。 Next, a manufacturing method and structure of the surface emitting thyristor according to the second embodiment of the present invention will be described.
(実施例2)
図5は、本発明による実施例2の面発光サイリスタの製造方法を示す図である。同図において、図3に示した面発光サイリスタの半導体積層構造110aと同様な構成要素には、同一の参照番号を付している。本実施例において、実施例2の面発光サイリスタを製造するために、図5に示すステップ(a)、(b)及び(c)のプロセスを必要とするが、図5に示すステップ(a)及び(c)は、図3に示すステップ(a)及び(c)と同様であり、相違点について説明する。
(Example 2)
FIG. 5 is a diagram showing a method for manufacturing the surface-emitting thyristor of Example 2 according to the present invention. In the figure, the same reference numerals are assigned to the same components as those of the semiconductor laminated
本実施例においても、まず、n形半導体層89の上表面からZnを不純物拡散法によって拡散させることにより、高キャリア濃度領域111を形成させる。高キャリア濃度領域111をp形半導体層として機能させることにより、面発光サイリスタとして機能するpnpn構造を形成させる。更に、高キャリア濃度領域111の一部分と重なるように、再度高キャリア濃度領域112を形成する。高キャリア濃度領域112も、p形半導体層として機能させることにより、高キャリア濃度領域111と共に、面発光サイリスタとして機能するpnpn構造を形成させる。
Also in this embodiment, first, the high
より具体的には、ステップ(b)において、まず、図3に示すステップ(a)と同様なプロセスにより、半導体積層構造110bを得る。次に、図3に示すステップ(b)と同様に、半導体積層構造110bのn形半導体89に高キャリア濃度領域111を形成させる。次に、本実施例で特有なプロセスとして、高キャリア濃度領域111の一部分と重なるように、再度高キャリア濃度領域112を形成する。高キャリア濃度領域112の形成方法は、Zn拡散時間を除き、高キャリア濃度領域111のZnの拡散方法と同じである。高キャリア濃度領域112の形成に用いられるZn拡散時間は、2.5時間とした。尚、この条件で拡散処理した半導体積層構造をへき開して、拡散部分をSEM観察した結果、高キャリア濃度領域111の拡散処理で、表面から深さ0.3μmまでの部分に高キャリア濃度領域ができており、高キャリア濃度領域112の拡散処理で表面から約0.6μmまでの部分に高キャリア濃度領域ができていることを確認している。
More specifically, in step (b), first, a
高キャリア濃度領域111の表層部分は高濃度であり、アノード電極87との接触抵抗を好適に低減させる。一方、高キャリア濃度領域111の拡散深さが増大するにつれて濃度が低減するため、n形半導体層89と高キャリア濃度領域111との接合付近において、サイリスタ機能を発揮させるために好適な濃度が得られる。即ち、この高キャリア濃度領域111は、p形半導体層として機能する。高キャリア濃度領域111の一部分と重なるように形成された高キャリア濃度領域112も同様に、p形半導体層として機能する。
The surface layer portion of the high
図5に従って製造された面発光サイリスタは、MOCVD法のみでアノード層を形成した従来の面発光サイリスタと比較して、サイリスタ特性は同等であった。一方、アノード電極87と高キャリア濃度領域111との間の接触抵抗が低減することは、発光効率の改善として確認されている。更に、高キャリア濃度領域111よりも高キャリア濃度領域112は、カソード電極93の方向に伸長しており、アノード電極87からの注入電流は、キャリア濃度が高く低抵抗値である高キャリア濃度領域112へ誘導されてカソード電極93へと達する。従って、発光中心も、アノード電極87の真下から、電流密度の高い高キャリア濃度領域112の方向へと移動する。
The surface-emitting thyristor manufactured according to FIG. 5 had the same thyristor characteristics as compared with the conventional surface-emitting thyristor in which the anode layer was formed only by the MOCVD method. On the other hand, a reduction in contact resistance between the
これにより、本実施例によれば、キャリア濃度の高い部分にアノード電極を形成することによる接触抵抗の抵抗値の低減と、アノード電極87による遮光が生じることの無い領域へと発光中心が移動することから、相乗的に発光効率が改善する。従来の面発光サイリスタと比較して、本実施例では1.5倍になることを確認できている。また、好適には、高キャリア濃度領域111よりも高キャリア濃度領域112は、分離しないように形成される。更に、好適には、アノード電極87の中心位置を、高キャリア濃度領域112の中心位置から離れた位置に形成する。即ち、アノード電極87の中心位置と厚さが小さい高キャリア濃度領域111の中心位置との間の距離が、アノード電極87の中心位置と厚さが大きい高キャリア濃度領域112の中心位置との間の距離より短くなる位置に、アノード電極87を形成させることが好ましく、これにより、図2を参照して説明したような高発光効率を有する面発光サイリスタを構成させることができる。
As a result, according to the present embodiment, the resistance value of the contact resistance is reduced by forming the anode electrode in the portion where the carrier concentration is high, and the light emission center moves to a region where light shielding by the
また、好適には、高キャリア濃度領域111の不純物濃度よりも、高キャリア濃度領域112の不純物濃度を高くすることにより、より発光効率を改善することができる。
In addition, preferably, the luminous efficiency can be further improved by making the impurity concentration of the high
また、本実施例においては、実施例1で説明した利点は全て包含する。例えば、実施例2の構造では、ゲート出しエッチングを必要としないために、メサエッチング段差が生じていない。これにより、従来のpnpn構造よりも平坦な面での絶縁膜86の形成や配線82a及び82bの形成が可能となり、欠損などの欠点がないマスク転写性の良好な配線パターンを形成できる。更に、絶縁膜や配線材の成膜時に生じる段差部でのカバレッジの悪化も生じなくなり、面発光サイリスタとしてのデバイス機能の長期信頼性が期待できる。
In addition, the present embodiment includes all the advantages described in the first embodiment. For example, in the structure of the second embodiment, no mesa-etching step is generated since no gate etching is required. As a result, the insulating
図6A及びBは、図5に示す構造とは別の態様としての、メサ型のpnpn構造を有する面発光サイリスタの断面図である。図6Aにおいて、図5に示した面発光サイリスタと同様な構成要素には、同一の参照番号を付しており、同様な構成要素の説明は省略する。図5では、高キャリア濃度領域112を高キャリア濃度領域111の内側に形成するように示したが、図6Aのように、発光領域Lcの発光中心(図2を参照)がアノード電極87に遮光されなければ、高キャリア濃度領域112を高キャリア濃度領域111の外側にまで形成させてもよい。或いは又、図6Bのように、アノード電極87で完全に発光領域Lcの発光中心(図2を参照)がアノード電極87に遮光されなければ、高キャリア濃度領域112をアノード電極87の下部に一部形成したとしても、同様に発光効率の改善が得られることは言うまでもない。
6A and 6B are cross-sectional views of a surface emitting thyristor having a mesa-type pnpn structure as an embodiment different from the structure shown in FIG. In FIG. 6A, the same components as those of the surface-emitting thyristor shown in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals, and the description of the similar components is omitted. Although FIG. 5 shows that the high
更に別の態様として、図7に、本発明による拡散プロセスと、ゲート出しエッチングのエッチングプロセスと含む製造プロセスにより形成させた面発光サイリスタの断面図を示す。図7において、図5に示した面発光サイリスタと同様な構成要素には、同一の参照番号を付しており、同様な構成要素の説明は省略する。図7に示すように、従来のゲート出しエッチングプロセスを経た構造でも同様に発光効率の改善の効果が得られることは言うまでもない。 As yet another embodiment, FIG. 7 shows a cross-sectional view of a surface emitting thyristor formed by a manufacturing process including a diffusion process according to the present invention and an etching process for gate-out etching. In FIG. 7, the same components as those of the surface emitting thyristor shown in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals, and the description of the same components is omitted. As shown in FIG. 7, it goes without saying that the effect of improving the light emission efficiency can be obtained even in the structure having undergone the conventional gate-etching etching process.
更に別の態様として、図8に、本発明による拡散プロセスと、ゲート出しエッチングのエッチングプロセスと含む製造プロセスにより形成させた面発光サイリスタの断面図を示す。図8において、図7に示した面発光サイリスタと同様な構成要素には、同一の参照番号を付しており、同様な構成要素の説明は省略する。図8では、p形半導体層として機能する高キャリア濃度領域111を形成する最上層を、図7に示したp形半導体層88の代わりにアンドープの半導体層114(以下、アンドープ半導体層と称する)を形成する。更に、高キャリア濃度領域112をn形半導体層89に到達するように形成する。
As yet another embodiment, FIG. 8 shows a cross-sectional view of a surface emitting thyristor formed by a manufacturing process including a diffusion process according to the present invention and an etching process of gate-out etching. In FIG. 8, the same components as those of the surface emitting thyristor shown in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals, and the description of the same components is omitted. In FIG. 8, the uppermost layer for forming the high
これにより、面発光サイリスタとして機能するpnpn構造を形成することができる。図8に示す構造では、アンドープ半導体層114の導電性が低いために、注入電流を確実に高キャリア濃度領域111及び112を介して流すことができる。従って、図7に示す構造と比較して、更に発光効率を高めることができる。
Thereby, a pnpn structure that functions as a surface emitting thyristor can be formed. In the structure shown in FIG. 8, since the conductivity of the
更に別の態様として、図9に、本発明による拡散プロセスと、ゲート出しエッチングのエッチングプロセスと含む製造プロセスにより形成させた面発光サイリスタの断面図を示す。図9において、図8に示した面発光サイリスタと同様な構成要素には、同一の参照番号を付しており、同様な構成要素の説明は省略する。図8に示す構造では、所望のサイリスタ特性を得るために、高キャリア濃度領域112を形成する拡散条件を調整しなければならない。しかしながら、図9に示す構造では、まず、前述したMOCVD法などで所望のサイリスタ特性を得られるpnpn構造を予め形成し、次に、そのpnpn構造の上層にアンドープ半導体層116を形成する。
As yet another embodiment, FIG. 9 shows a cross-sectional view of a surface emitting thyristor formed by a manufacturing process including a diffusion process according to the present invention and an etching process of gate-out etching. In FIG. 9, the same components as those of the surface-emitting thyristor shown in FIG. 8 are denoted by the same reference numerals, and the description of the same components is omitted. In the structure shown in FIG. 8, in order to obtain desired thyristor characteristics, the diffusion conditions for forming the high
これにより、所望のサイリスタ特性を得られるpnpn構造を有しながら、図7に示す構造と比較して、更に発光効率を高めることができる。ここで、アンドープ半導体層116は、サイリスタ特性とは無関係に電流の通電を阻害する層として機能すればよく、アンドープ半導体層の代わりに、高キャリア濃度領域111及び112とは逆形の半導体層(同図において、高キャリア濃度領域111はp形半導体層として機能するため、n形半導体層)とすることができる。
Thereby, while having a pnpn structure capable of obtaining desired thyristor characteristics, the light emission efficiency can be further increased as compared with the structure shown in FIG. Here, the
更に別の態様として、図10に、本発明による拡散プロセスと、ゲート出しエッチングのエッチングプロセスと含む製造プロセスにより形成させた面発光サイリスタの断面図を示す。図10において、図9に示した面発光サイリスタと同様な構成要素には、同一の参照番号を付しており、同様な構成要素の説明は省略する。図9に示す構造では、サイリスタ特性とは直接関係しない最上層の領域(即ち、高キャリア濃度領域116周辺のアンドープ半導体層116の領域)を通して光を外部に放出しなければならない。そのため、この領域で光吸収が生じ、発光効率の損失が生じる。しかしながら、図10に示す構造では、まず、前述したMOCVD法などで所望のサイリスタ特性を得られるpnpn構造を予め形成し、次に、そのpnpn構造の上層にアンドープ半導体層117を形成させる。次に、光を取り出す部分でサイリスタ機能とは関係のない部分をエッチングで除去した後に、不純物拡散法などで高キャリア濃度領域111(同図において、高濃度のp形半導体層)を形成する。
As yet another embodiment, FIG. 10 shows a cross-sectional view of a surface emitting thyristor formed by a manufacturing process including a diffusion process according to the present invention and an etching process of gate-out etching. In FIG. 10, the same components as those of the surface emitting thyristor shown in FIG. 9 are denoted by the same reference numerals, and the description of the same components is omitted. In the structure shown in FIG. 9, light must be emitted to the outside through the uppermost layer region (that is, the region of the
これにより、所望のサイリスタ特性を得られるpnpn構造を有しながら、図7に示す構造と比較して、更に発光効率を高めることができる。ここで、アンドープ半導体層117は、サイリスタ特性とは無関係に電流の通電を阻害する層として機能すればよく、アンドープ半導体層の代わりに、高キャリア濃度領域111とは逆形の半導体層とすることができ、或いは又、低濃度のp形半導体層とすることができる。又、図10では、高キャリア濃度領域111を得るために、拡散プロセスを1回で良いという利点も有するが、所望であれば、高キャリア濃度領域112を前述のように形成することもできる。
Thereby, while having a pnpn structure capable of obtaining desired thyristor characteristics, the light emission efficiency can be further increased as compared with the structure shown in FIG. Here, the undoped semiconductor layer 117 only needs to function as a layer that inhibits current flow regardless of the thyristor characteristics, and instead of the undoped semiconductor layer, a semiconductor layer having a shape opposite to that of the high
本実施例2において、好適には、高キャリア濃度領域111と高キャリア濃度領域112は、分離しないように形成される。更に、高キャリア濃度領域112のキャリア濃度は、高キャリア濃度領域111のキャリア濃度より高くする。好適には、高キャリア濃度領域111は、電極87の3辺に近接する位置の真下で少なくとも形成される。これにより、電極87の真下の位置で電流密度が低くなり、且つ、電極87の側辺近傍の位置の真下で電流密度を高めることができる。また電極87の周囲に発光領域を有する構造であるため、電極87のオーミック接触による抵抗値の低減、及び、電極87による発光の遮蔽の影響を避けながら電極間に流れる電流経路の最短化を好適に実現させることができる。
In the second embodiment, the high
次に、本発明による実施例3の面発光サイリスタの製造方法及びその構造を説明する。 Next, a manufacturing method and structure of the surface-emitting thyristor according to the third embodiment of the present invention will be described.
(実施例3)
本実施例では、実施例1及び2と異なり、アノード電極87の真下に高濃度の半導体層を形成せずに、発光効率を改善する面発光サイリスタの製造方法及びその構造を説明する。
(Example 3)
In this embodiment, unlike in
図11は、本発明による実施例3の面発光サイリスタの製造方法を示す図である。同図において、図4に示した面発光サイリスタと同様な構成要素には、同一の参照番号を付している。 FIG. 11 is a diagram showing a method for manufacturing the surface-emitting thyristor of Example 3 according to the present invention. In the figure, the same reference numerals are assigned to the same components as those of the surface emitting thyristor shown in FIG.
まず、ステップ(a)において、MOCVD法により、n形半導体基板92(不純物濃度1×1018cm−3)上に、n形半導体層91(膜厚0.5μm、不純物濃度4×1017cm−3)、p形半導体層90(膜厚0.5μm、不純物濃度1×1017cm−3)、n形半導体層89(膜厚1.0μm、不純物濃度4×1017cm−3)、及びp形半導体層88(膜厚1.0μm、不純物濃度1×1018cm−3)を成膜させる。これにより、半導体積層構造110bが形成される。更に、アノード電極87を半導体積層構造110bに、蒸着及びリフトオフ法により形成する。
First, in step (a), an n-type semiconductor layer 91 (film thickness 0.5 μm, impurity concentration 4 × 10 17 cm − is formed on an n-type semiconductor substrate 92 (
次に、ステップ(b)において、まず、アノード電極87を拡散マスクとして、半導体積層構造110bの表面全面にZnを拡散させ、高濃度のp形半導体層として機能する高キャリア濃度領域118を形成する。より具体的には、石英アンプル内に半導体積層構造110bと拡散源となる0.5g のZn3As2粒を入れて、アンプル内部を1×10−6Torr(=0.133322mPa)に真空引きした状態でアンプル管を溶接封止する。次に、570℃の拡散炉で1時間熱処理する。熱処理後に1時間の冷却後、アンプル内から半導体積層構造110bを取り出す。これにより、高キャリア濃度領域118が形成される。この拡散プロセス後においても、サイリスタ特性は、拡散プロセスを実施していない時の特性値と変化がなかったことから、pnpn基本構造の破壊は生じていない。
Next, in step (b), first, using the
次に、ステップ(c)において、従来の製造プロセスと同様に、ゲート出しエッチングの後にゲート電極94を形成する。尚、ステップ(c)を示す右図には、左図に示す図示C-C’の断面と対応する、面発光サイリスタの発光部Laの平面図を示している。同図から、アノード電極87以外の面発光サイリスタの発光部全面に高キャリア濃度領域118が形成されていることが分かる。
Next, in step (c), the
次に、ステップ(d)において、従来の製造プロセスと同様に、絶縁膜86を成膜し、コンタクトホールChとAl配線82a及び82bを形成する。これにより、本実施例の面発光サイリスタを製造することができる。尚、ステップ(d)を示す右図には、左図に示す図示D-D’の断面と対応する、面発光サイリスタの発光部Laの平面図を示している。同図から、アノード電極87及び配線82aにより、面発光サイリスタの発光部Laからの光が遮光される領域が分かる。
Next, in step (d), an insulating
本実施例の条件で拡散処理した半導体積層構造110bをへき開して、その拡散部分をSEM観察した結果、表面から深さ0.3μmまでの部分に高キャリア濃度領域118ができていることを確認している。
As a result of cleaving the semiconductor laminated
ここで、高キャリア濃度領域118は、アノード電極87の下部の方向へも0.2〜0.5μmの距離だけ高キャリア濃度領域の領域が進入する。従って、アノード電極87と高キャリア濃度領域118との電気的接合は極めて良好である。高キャリア濃度領域118の形成により、拡散プロセス前と比較して、アノード電極87とp形半導体層88との間の接触抵抗を低下させることができる。また、アノード電極87からの注入電流は、アノード電極87の真下の領域から高キャリア濃度領域118の領域に誘導され、カソード電極93へ到達する。即ち、高キャリア濃度領域118を経由してカソード電極93へ到達する経路が、注入電流の主たる通電経路となる。
Here, in the high
本実施例の面発光サイリスタによれば、アノード電極87の真下の領域からアノード電極87によって遮光されない領域へ、発光中心を移動させることができる。また、従来の面発光サイリスタと比較して、本実施例では1.25倍になることを確認できている。
According to the surface emitting thyristor of the present embodiment, the emission center can be moved from the region directly below the
次に、本発明による実施例4の面発光サイリスタの製造方法及びその構造を説明する。 Next, a manufacturing method and structure of the surface-emitting thyristor according to the fourth embodiment of the present invention will be described.
(実施例4)
本実施例では、実施例1及び2と異なり、アノード電極87の真下に高濃度の半導体層を形成せずに、実施例3とは別の発光効率を改善する面発光サイリスタの製造方法及びその構造を説明する。
(Example 4)
In this example, unlike Examples 1 and 2, a method for manufacturing a surface-emitting thyristor that improves luminous efficiency different from Example 3 without forming a high-concentration semiconductor layer directly under the
実施例3では、従来の製造プロセスに拡散プロセス(図11に示すステップ(b))の1つの工程を追加させただけの極めて簡単な製造方法、即ち、アノード電極87の周囲に高いキャリア濃度を有する面発光サイリスタの製造方法を示した。実施例3の製造方法で形成された面発光サイリスタは、一方では製造プロセスの面では極めて簡便であるという長所を有するが、他方では電流の注入されるアノード電極87の真下以外の表層に全面的に高濃度高キャリア濃度領域が形成されるため、配線82aの真下においても注入電流が誘導されてしまい、発光効率の増大という観点からは更に改善の余地がある。
In Example 3, an extremely simple manufacturing method in which one step of the diffusion process (step (b) shown in FIG. 11) is added to the conventional manufacturing process, that is, a high carrier concentration around the
そこで、実施例4では、より発光効率を改善させる面発光サイリスタの製造方法及びその構造を説明する。図12は、本発明による実施例4の面発光サイリスタの製造方法を示す図である。同図において、図11に示した面発光サイリスタと同様な構成要素には、同一の参照番号を付しており、同様な構成要素についての説明は省略する。 Therefore, in Example 4, a method of manufacturing a surface-emitting thyristor that further improves the light emission efficiency and its structure will be described. FIG. 12 is a diagram showing a method for manufacturing the surface-emitting thyristor of Example 4 according to the present invention. In the figure, the same reference numerals are assigned to the same components as those of the surface emitting thyristor shown in FIG. 11, and the description of the same components is omitted.
まず、ステップ(a)において、実施例3のステップ(a)と同様であり、アノード電極87を有する半導体積層構造110bが形成される。
First, in step (a), as in step (a) of the third embodiment, a
次に、ステップ(b)において、まず、アノード電極87の周囲で部分的に高濃度のp形半導体層として機能する高キャリア濃度領域119を形成するために、SiNで拡散マスク120をパターニングする。ここで、後述する高キャリア濃度領域119を形成するための拡散窓Dcは、後に配線82aで被覆される部分を除きながら、矩形状のアノード電極87の3辺に接するように形成される(図12のステップ(b)に示す右図参照)。次に実施例3と同様な手法で、高キャリア濃度領域119を形成する。この拡散プロセス後においても、サイリスタ特性は、拡散プロセスを実施していない時の特性値と変化がなかったことから、pnpn基本構造の破壊は生じていない。
Next, in step (b), first, in order to form a high
次に、ステップ(c)において、拡散窓Dcを形成するために使用したSiNをCF4ガスによるドライエッチングで除去する。 Next, in step (c), SiN used to form the diffusion window Dc is removed by dry etching with CF4 gas.
次に、ステップ(d)において、従来の製造プロセスと同様に、ゲート出しエッチングの後にゲート電極94を形成する。尚、ステップ(d)を示す右図には、左図に示す図示E-E’の断面と対応する、面発光サイリスタの発光部Laの平面図を示している。同図から、矩形状のアノード電極87の3辺に接するように高キャリア濃度領域119を形成したことが分かる。
Next, in step (d), the
次に、ステップ(e)において、従来の製造プロセスと同様に、絶縁膜86を成膜し、コンタクトホールChとAl配線82a及び82bを形成する。これにより、本実施例の面発光サイリスタを製造することができる。尚、ステップ(e)を示す右図には、左図に示す図示F-F’の断面と対応する、面発光サイリスタの発光部Laの平面図を示している。同図から、少なくともアノード電極87及び配線82aにより面発光サイリスタの発光部Laからの光が遮光される領域には、高キャリア濃度領域119が形成されないことが分かる。
Next, in step (e), as in the conventional manufacturing process, an insulating
本実施例の条件で拡散処理した半導体積層構造110bをへき開して、その拡散部分をSEM観察した結果、表面から深さ0.3μmまでの部分に高キャリア濃度領域118ができていることを確認している。
As a result of cleaving the semiconductor laminated
本実施例の面発光サイリスタによれば、発光中心を光の出射を妨げる電極直下から、遮光されない高キャリア濃度領域の方向へ移動させることができる。また、実施例3と異なり、配線82aの真下に高キャリア濃度領域119が形成されないので、実施例3の面発光サイリスタよりも更に発光効率を改善することができる。従来の面発光サイリスタと比較して、本実施例では1.5倍になることを確認できている。
According to the surface emitting thyristor of the present embodiment, the emission center can be moved from directly below the electrode that prevents light emission to the direction of a high carrier concentration region that is not shielded from light. Further, unlike the third embodiment, since the high
実施例4では、矩形状のアノード電極87の3辺に接するように高キャリア濃度領域119を形成するように説明したが、矩形状のアノード電極87の1辺又は2辺に接するように高キャリア濃度領域119を形成することもできることは言うまでもない。即ち、所望の幅及び位置で高キャリア濃度領域119を形成させることにより、要求に応じて発光中心を好適に移動させることができる。
In Example 4, it has been described that the high
上述した実施例1〜4では、高キャリア濃度領域を形成するための不純物としてZnを使用したが、Be、Mg、Mnなどでも同様の効果を得ることができる。また、少なくとも1つの種類の不純物を順次拡散するような複数回の拡散プロセスとすることもできる。 In Examples 1 to 4 described above, Zn was used as an impurity for forming a high carrier concentration region, but the same effect can be obtained with Be, Mg, Mn, or the like. Further, a plurality of diffusion processes in which at least one kind of impurity is sequentially diffused may be employed.
上述した実施例1〜4では、高キャリア濃度領域の形成方法として、熱拡散法を用いたが、イオン注入法を用いてもよい。 In Examples 1 to 4 described above, the thermal diffusion method is used as the method for forming the high carrier concentration region, but an ion implantation method may be used.
上述した実施例1〜4では、pnpn構造の面発光サイリスタを説明したが、npnp構造の面発光サイリスタとすることもできる。npnp構造の面発光サイリスタでは、最上層のn形の半導体層に高キャリア濃度領域を形成し、高キャリア濃度領域のための不純物としてSi、Ge、Sn、S、Se、Teなどを用いる。また、少なくとも1つの種類の不純物を順次拡散するような複数回の拡散プロセスとすることもできる。この場合、高キャリア濃度領域の形成方法として熱拡散法を利用する代わりに、イオン注入法を用いることもできる。 In Examples 1 to 4 described above, the surface-emitting thyristor having the pnpn structure has been described. However, the surface-emitting thyristor having the npnp structure may be used. In a surface emitting thyristor having an npnp structure, a high carrier concentration region is formed in the uppermost n-type semiconductor layer, and Si, Ge, Sn, S, Se, Te, or the like is used as an impurity for the high carrier concentration region. Further, a plurality of diffusion processes in which at least one kind of impurity is sequentially diffused may be employed. In this case, instead of using the thermal diffusion method as a method for forming the high carrier concentration region, an ion implantation method can be used.
上述した実施例1〜4においては、各技術要素を好適に組み合わせることができる。例えば、実施例2で説明したような複数の高キャリア濃度領域111及び112を、他の実施例において説明した面発光サイリスタにも適用できる。
In the above-described Examples 1 to 4, the technical elements can be suitably combined. For example, the plurality of high
更に、本発明は、面発光サイリスタのみならず、面発光ダイオードにも適用でき、面発光素子に一般的に適用できる。 Furthermore, the present invention can be applied not only to a surface light emitting thyristor but also to a surface light emitting diode, and can be generally applied to a surface light emitting element.
本発明は、発光効率の改善のための電極の接触抵抗を低減する目的のみならず、その他、サイリスタ特性を保持するために必要とされる電極の接触抵抗を低減する目的をも包含するものとして理解されるべきである。従って、面発光サイリスタの安定動作の向上のための用途にも適用できる。 The present invention includes not only the purpose of reducing the contact resistance of the electrode for improving the luminous efficiency but also the purpose of reducing the contact resistance of the electrode required for maintaining the thyristor characteristics. Should be understood. Therefore, it can also be applied to applications for improving the stable operation of the surface emitting thyristor.
次に、本発明による面発光素子を用いた画像読取装置の実施例について説明する。 Next, an embodiment of an image reading apparatus using the surface light emitting element according to the present invention will be described.
(画像読取装置)
図13は、本発明による面発光素子を用いた、画像読取装置の概略図である。画像読取装置の1つであるイメージスキャナ200は、原稿台50に載置された原稿Gに光を照射する本発明による面発光素子100を複数有する光源51と、原稿Gの反射光によって原稿の画像情報を読み取るイメージセンサ30と、原稿を走査させる駆動源230と、イメージスキャナを制御する制御回路部208とを備える。
(Image reader)
FIG. 13 is a schematic view of an image reading apparatus using the surface light emitting device according to the present invention. An
イメージセンサ30は、原稿からの反射光を受光素子アレイ20に結像する正立等倍レンズアレイを有する。光源51は、本発明による面発光素子を有する発光素子アレイにより構成されている。
The
制御回路部208は、駆動源230の駆動を制御する走査制御部201と、イメージセンサ30内の光源51の発光を制御する点灯制御部202と、イメージセンサ30内のイメージセンサ基板20に備えられる受光素子アレイ20によって原稿Gからの反射光を受光し、光電変換する処理部を制御するセンサ駆動制御部203と、センサ駆動制御部203によって得られる光電変換された画像情報を処理する画像処理部204と、画像処理された画像情報を外部機器などへ出力するインターフェース部205と、画像処理、インターフェース、及び各種制御に必要なプログラムを格納するメモリ部207と、走査制御部201、点灯制御部202、センサ駆動制御部203、画像処理部204、インターフェース部205、及びメモリ207を制御する中央演算処理装置(CPU)206とを有する。
The
図13に示す画像読取装置では、イメージセンサ30を固定し、原稿G自体を走査させることにより、原稿の画像情報の読み取りを可能としているが、原稿Gを固定し、イメージセンサ30を副走査方向(図示Y方向)に走査させることにより、原稿の画像情報を読み取ることもできる。
In the image reading apparatus shown in FIG. 13, the
次に、本発明による面発光素子を用いた画像書込装置の実施例について説明する。 Next, an embodiment of an image writing apparatus using the surface light emitting device according to the present invention will be described.
(画像書込装置)
図14は、本発明による面発光素子を用いた、画像書込装置の1つである複写機の概略図である。図13と同一の構成要素には、同一の参照番号を付して示してあり、同様な説明は省略する。
(Image writing device)
FIG. 14 is a schematic view of a copying machine which is one of image writing apparatuses using a surface light emitting device according to the present invention. The same components as those in FIG. 13 are denoted by the same reference numerals, and the same descriptions are omitted.
図14に示す複写機において、光書込みヘッド40は、本発明による面発光素子100を複数有する発光素子アレイ41を備える。イメージセンサ30からの画像情報に基づいて、光書込みヘッド40内の発光素子アレイ41が点灯し、感光ドラム302に照射される。円筒形の感光ドラム302の表面には、アモルファスSiなどの光導電性を持つ材料(感光体)が形成されている。この感光ドラムはプリントの速度で回転している。回転している感光ドラムの感光体表面を、帯電器304で一様に帯電させる。そして、光書き込みヘッド40で、印字するドットイメージの光を感光体上に照射し、光の当たったところの帯電を中和する。続いて、現像器306で感光体上の帯電状態にしたがって、トナーを感光体上につける。そして、搬送される用紙312上に、転写器308でトナーを転写する。用紙312は、定着器314にて熱等を加えられ定着され、最終的に原稿Gの画像情報が、用紙312上に複写される。一方、転写の終了した感光ドラム302は、消去ランプ318で帯電が全面にわたって中和され、清掃器320で残ったトナーが除去される。
In the copying machine shown in FIG. 14, the
図14は、複写機として説明したが、その装置の構成は、ファクシミリ又はマルチファンクションプリンタなどの複合機についてもほぼ同様である。 Although FIG. 14 has been described as a copying machine, the configuration of the apparatus is almost the same for a multifunction machine such as a facsimile or a multifunction printer.
上述した実施例において、代表的な例として本発明を説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換することができることは当業者に明らかである。従って、本発明は、上述の実施例によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲によってのみ制限される。 Although the present invention has been described as a representative example in the embodiments described above, it will be apparent to those skilled in the art that many changes and substitutions can be made within the spirit and scope of the present invention. Accordingly, the invention should not be construed as limited by the embodiments described above, but only by the claims.
本発明によれば、面発光素子の発光効率を更に改善させることができ、面発光素子を有するイメージセンサを用いた、イメージスキャナ、ファクシミリ、複写機、又は、マルチファンクションプリンタなどの複合機を含む画像読取装置、又は面発光素子を有する光書き込みヘッドを備える画像書込装置において有用である。 According to the present invention, the luminous efficiency of the surface light emitting device can be further improved, and includes an image scanner, a facsimile machine, a copying machine, or a multifunction printer such as a multifunction printer using an image sensor having the surface light emitting device. It is useful in an image reading apparatus or an image writing apparatus including an optical writing head having a surface light emitting element.
41 発光素子アレイ
51 光源
80 発光素子アレイチップ
82 配線
82a 配線
82b 配線
86 絶縁膜
87 アノード電極
88 p形半導体層
89 n形半導体層
90 p形半導体層
91 n形半導体層
92 n形半導体基板
93 カソード電極
94 ゲート電極
100 面発光サイリスタ
111 高キャリア濃度領域
112 高キャリア濃度領域
114 高キャリア濃度領域
116 高キャリア濃度領域
117 高キャリア濃度領域
118 高キャリア濃度領域
119 高キャリア濃度領域
41 Light Emitting Element Array
51 Light source
80 Light Emitting Element Array Chip
82 Wiring
82a wiring
82b wiring
86 Insulating film
87 Anode electrode
88 p-type semiconductor layer
89 n-type semiconductor layer
90 p-type semiconductor layer
91 n-type semiconductor layer
92 n-type semiconductor substrate
93 Cathode electrode
94 Gate electrode
100 surface emitting thyristor
111 High carrier concentration region
112 High carrier concentration region
114 High carrier concentration region
116 High carrier concentration region
117 High carrier concentration region
118 High carrier concentration region
119 High carrier concentration region
Claims (14)
前記第5の半導体層上に形成される第1の電極と、
前記第1の半導体層側に形成される第2の電極とを備え、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に流れる電流によって、前記半導体積層構造の光出射面から光を発光する面発光サイリスタであって、
前記光出射面の領域が、前記第4の半導体層の前記第5の半導体層が設けられていない領域であり、
前記第1の電極の真下の位置では、前記第4の半導体層に到達しない範囲に設けられるとともに、前記第5の半導体層の側面に延伸して前記光出射面の領域に接するように、当該第5の半導体層内に当該第4の半導体層よりキャリア濃度が高い第1の高キャリア濃度領域が設けられ、
前記光出射面の領域において、前記第3の半導体層に到達しない範囲に、前記第1の高キャリア濃度領域と接続されるように、当該第4の半導体層よりキャリア濃度が高い第2の高キャリア濃度領域が設けられている面発光サイリスタ。 A first semiconductor layer of a first conductivity type, a second semiconductor layer of a second conductivity type different from said first conductivity type, a third semiconductor layer of the first conductivity type, said first A part of the third semiconductor layer, and a part of the fourth semiconductor layer includes the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the third semiconductor layer. A semiconductor multilayer structure in which at least a semiconductor layer and a fifth semiconductor layer having a lower conductivity than any of the fourth semiconductor layers are stacked ;
A first electrode formed on the fifth semiconductor layer;
A second electrode formed on the first semiconductor layer side ,
A surface emitting thyristor that emits light from a light emitting surface of the semiconductor multilayer structure by a current flowing between the first electrode and the second electrode;
The region of the light emitting surface is a region where the fifth semiconductor layer of the fourth semiconductor layer is not provided,
At a position directly below the first electrode, the first electrode is provided in a range that does not reach the fourth semiconductor layer, and extends to a side surface of the fifth semiconductor layer so as to be in contact with a region of the light emitting surface. A first high carrier concentration region having a carrier concentration higher than that of the fourth semiconductor layer is provided in the fifth semiconductor layer;
In the region of the light emitting surface, a second high carrier concentration higher than that of the fourth semiconductor layer is connected to the first high carrier concentration region in a range not reaching the third semiconductor layer. A surface-emitting thyristor provided with a carrier concentration region .
前記異なる厚さの高キャリア濃度領域のうち、厚さが大きい高キャリア濃度領域の不純物濃度が、厚さが小さい高キャリア濃度領域の不純物濃度より高く、
前記第1の電極の中心位置と前記厚さが小さい高キャリア濃度領域の中心位置との間の距離が、前記第1の電極の中心位置と前記厚さが大きい高キャリア濃度領域の中心位置との間の距離より短くなる位置に、前記第1の電極が形成されている請求項6に記載の面発光サイリスタ。 Each of the plurality of high carrier concentration regions is formed as a high carrier concentration region having a different thickness,
Among the high carrier concentration regions having different thicknesses, the impurity concentration of the high carrier concentration region having a large thickness is higher than the impurity concentration of the high carrier concentration region having a small thickness,
The distance between the center position of the first electrode and the center position of the high carrier concentration region with a small thickness is the center position of the first electrode and the center position of the high carrier concentration region with a large thickness. The surface emitting thyristor according to claim 6 , wherein the first electrode is formed at a position shorter than a distance between the first electrode and the second electrode.
前記光源によって照射された前記原稿からの反射光を受光して前記原稿の画像情報を読み取る複数の受光素子と、
前記原稿からの反射光を前記複数の受光素子に結像する正立等倍レンズアレイとを備え、
前記光源が、請求項1〜7のいずれかに記載の面発光サイリスタを有する画像読取装置。 A light source for irradiating light on a document placed on a document table;
A plurality of light receiving elements that receive reflected light from the document irradiated by the light source and read image information of the document;
An erecting equal-magnification lens array that forms an image of reflected light from the original on the plurality of light receiving elements,
Said light source, an image reading apparatus having a surface light-emitting thyristor according to any one of claims 1-7.
前記発光素子アレイの発光に基づいて画像情報が書き込まれる感光ドラムと、
前記発光素子アレイの発光を前記感光ドラムに結像する正立等倍レンズアレイとを備え、
前記複数の発光素子が、請求項1〜7のいずれかに記載の面発光サイリスタを有する画像書込装置。 A light emitting element array having a plurality of light emitting elements;
A photosensitive drum on which image information is written based on light emission of the light emitting element array;
An erecting equal-magnification lens array that images light emitted from the light-emitting element array on the photosensitive drum,
Wherein the plurality of light emitting elements, an image writing apparatus having a surface light-emitting thyristor according to any one of claims 1-7.
(a) 第1の製造プロセスとして、第1の導電形の第1の半導体層と、前記第1の導電形と異なる第2の導電形の第2の半導体層と、当該第1の導電形の第3の半導体層と、当該第2の導電形の第4の半導体層と、当該第1の半導体層、当該第2の半導体層、当該第3の半導体層および当該第4の半導体層のいずれよりも低導電率である第5の半導体層とを少なくとも積層して半導体積層構造を形成するステップと、
(b) ステップ(a)により形成された前記半導体積層構造における前記面発光サイリスタが形成される領域を分離するように、前記第3の半導体層が露出するまで前記第5の半導体層側からエッチングするステップと、
(c) ステップ(b)により形成された前記面発光サイリスタが形成される領域において前記光出射面の領域を形成するように、前記第4の半導体層が露出するまで前記第5の半導体層側からエッチングするステップと、
(d) ステップ(a)により形成された前記半導体積層構造における前記第5の半導体層に前記第1の電極を形成するステップと、
(e) ステップ(a)により形成された前記半導体積層構造における前記第1の半導体層側に前記第2の電極を形成するステップと、
(f) 前記第1の製造プロセスとは異なる第2の製造プロセスとして、ステップ(a)により形成された前記第5の半導体層に第1の高キャリア濃度領域を、ステップ(c)により形成された前記光出射面の領域に第2の高キャリア濃度領域を形成するステップとを含み、
前記ステップ(f)により形成された前記第1の高キャリア濃度領域が、前記第1の電極の真下の位置では、前記第4の半導体層に到達しない範囲に設けられるとともに、前記第5の半導体層の側面に延伸して前記光出射面の領域に接するように形成され、
前記第2の高キャリア濃度領域が、前記第3の半導体層に到達しない範囲に設けられるとともに、前記第1の高キャリア濃度領域と接続されるように形成される面発光サイリスタの製造方法。 A method of manufacturing a surface-emitting thyristor that emits light from a light emitting surface of a semiconductor stacked layer in which a plurality of semiconductor layers are stacked by current injected from a first electrode to a second electrode,
(A) a first manufacturing process, a first semiconductor layer of a first conductivity type, a second semiconductor layer of a second conductivity type different from said first conductivity type, the first conductivity type The third semiconductor layer, the fourth semiconductor layer of the second conductivity type, the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, the third semiconductor layer, and the fourth semiconductor layer. Forming a semiconductor multilayer structure by laminating at least a fifth semiconductor layer having a lower conductivity than any of the above ;
(B) Etching from the fifth semiconductor layer side until the third semiconductor layer is exposed so as to separate the region where the surface-emitting thyristor is formed in the semiconductor multilayer structure formed in step (a). And steps to
(C) The fifth semiconductor layer side until the fourth semiconductor layer is exposed so that the region of the light emitting surface is formed in the region where the surface emitting thyristor formed in step (b) is formed. Etching from,
( D ) forming the first electrode on the fifth semiconductor layer in the semiconductor multilayer structure formed by step (a);
( E ) forming the second electrode on the first semiconductor layer side in the semiconductor multilayer structure formed by step (a);
( F ) As a second manufacturing process different from the first manufacturing process, a first high carrier concentration region is formed in step (c) in the fifth semiconductor layer formed in step (a). Forming a second high carrier concentration region in the region of the light exit surface ,
The first high carrier concentration region formed in the step ( f ) is provided in a range not reaching the fourth semiconductor layer at a position directly below the first electrode, and the fifth semiconductor Formed on the side surface of the layer so as to be in contact with the region of the light emitting surface,
A method of manufacturing a surface-emitting thyristor , wherein the second high carrier concentration region is provided in a range not reaching the third semiconductor layer and is connected to the first high carrier concentration region .
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