JPH01179469A - 接合型半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、発光ダイオードや半導体レーザとして使用し
得る半導体発光素子に関し、特にテープなどの検査用、
ＯＡ機器などの表示用または光フアイバ通信用に最適な
接合型半導体発光素子に関するものである。

〔従来の技術〕

半導体板材（基板と基板上に設けた結晶層を含む）に対
して垂直方向に光を放出する半導体発光素子は、光フプ
イバとの結合が容易であり、また、面発光体として一次
元或いは二次元のアレイ構造を形成することによりテー
プなどの検査用、ＯＡ情報機器などの表示用または光フ
アイバ通信用として種々の用途が期待されることから、
半導体レーザや発光ダイオードの研究分・野において開
発が進められてきている。

そのような基板に対して垂直方向に光を放出する発光素
子としてはたとえば第３図に示す如き発光素子、すなわ
ち基板Ｂと、基板Ｂの片面に設けた活性層を含む多層構
造の円柱状突起Ｐと、円柱状突起Ｐの側周面及び上面並
びに基板Ｂ上の結晶層の上面に設けたｐ側電極Ｅ１と、
基板Ｂの下面に設けたｎ側電極Ｅ２とからなり、円柱状
突起Ｐ内にはその径方向に延在するダブルヘテロ接合に
より構成された活性領域ＡＲが形成され、基板Ｂ上の結
晶層の上面の上部電極Ｅｌの下にはＳｉｎｇや５ｉＪａ
からなる絶縁層１０を介在させである発光素子は周知で
ある。かかる構造の発光素子は電極Ｅ１、Ｅ２間に電流
を流すことにより、円柱状突起Ｐ内に存在する活性領域
ＡＲでキャリアが再結合して、円柱状突起Ｐから基板Ｂ
に対して垂直方向に光を放出することができる。或いは
、たとえば円柱状突起Ｐの頭部に光反射層を設けて発光
を基板Ｂ方向に反射させ、光を基板Ｂから放出すること
も可能である。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで発光素子をたとえば光フアイバ通信の光源とし
て使用する場合、光フアイバ通信は、広帯域性、多重双
方向性、耐雑音性、非誘導性などの特徴を有しており、
光ファイバの伝送帯域を考慮して半導体材料としては、
石英系光ファイバまたはプラスチック系光ファイバの低
損失域に発光波長（半導体材料のほぼバンドギャップ・
エネルギーに相当）を有する高品質なエピタキシャル結
晶が使用されることが好ましい。

しかして上記の構造の発光素子は、発光波長がある程度
の帯域幅を有しているが、はぼ一定波長の光を発するだ
けのものである。そのため光フアイバ通信においては、
光ファイバの伝送帯域での光損失を考慮して、できるだ
け高輝度で発光する発光素子を使用するのが好ましい。

このことは光フアイバ通信に限らず、検査用や表示用で
あってもより高輝度の発光素子を使用するのが望ましい
わけである。

従って本発明の目的は、テープなどの検査用、ＯＡ機器
などの表示用または光フアイバ通信用に最適であって、
より高輝度で発光しかつ光の集束性に優れていると共に
、活性領域に対する電流注入効率を一層高めた接合型半
導体発光素子を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

前記目的は、半導体板材と、半導体板材の片面に設けた
多層構造の柱状突起と、半導体板材の柱状突起形成側の
面及び柱状突起のうち少なくとも柱状突起に設けた上部
電極と、半導体板材の下面に設けた上部電極とは極性の
異なる下部電極とからなり、柱状突起が異なる伝導型の
層により構成した柱状突起を横断するダブルヘテロ接合
を含む活性層、及び柱状突起の周囲に形成した居性層と
は異なる伝導型の拡散領域を有し、この活性層と拡散領
域によって柱状突起の内部に柱状突起の横断方向に延在
する円板状の活性領域を形成したことを特徴とする接合
型半導体発光素子により達成される。

本発明の半導体発光素子は、基本的には先の第３図に示
した周知の構造の発光素子、すなわち基板の片面に設け
た活性層を含む多層構造の円柱状突起の内部において、
該突起の径方向に延在するダブルヘテロ接合により構成
した活性領域を有する発光素子を改良したものである。

それゆえ、本発明の発光素子においてその特徴としては
、柱状突起の異なる伝導型の層により構成したダブルヘ
テロ接合を含む活性層と柱状突起の周囲に形成した活性
層とは異なる伝導型の拡散領域とにより柱状突起の内部
に柱状突起の横断方向に延在する円板状の活性領域を形
成したことであり、これにより第３図の発光素子よりも
活性領域が実質上小さくなり、結果として活性領域への
電流注入効率が増大（注入電流密度が増加）し、活性領
域にキャリアが効率良く閉じ込められ、高輝度の発光を
得ることができると共に、変調速度が向上して高出力化
が可能となる。

本発明の発光素子に使用する半導体材料には特に制限は
なく、具体例としては、■−■族化合物半導体であるＧ
ａＡｓ、　ＧａＰ、＾ｌＧａＡｓ５　ＩｎＰ、　ＩｎＧ
ａＡｓＰ、ＩｎＧａＰ　、　ＩｎＡＩＰ　％　ＧａＡｓ
Ｐ　、、　ＧａＮ　％　ＩｎＡｓＰ　５ＩｎＡｓＳｂな
ど、ｎ−ｖｒ族化合物半導体であるＺｎ５ｅ　、、　Ｚ
ｎＳ、ＺｎＯ、Ｃｄ５ｅＳＣｄＴｅなど、ＩＩ／−Ｖｌ
族化合物半導体であるＰｂＴｅ　、　Ｐｂ５ｎＴｅ、　
Ｐｂ５ｎＳｅなど、さらにＩＶ−ＩＶ族化合物半導体で
あるＳｉＣなどがあり、それぞれの材料の長所を活かし
て適用することが可能である。

〔実施例〕

以下、本発明の接合型半導体発光素子を実施例に基づい
て説明する。

本発明の半導体発光素子の一実施例を第１図に示す。こ
の発光素子（図面では逆様の状態になっている）は、図
からも明らかなように、基本的には第３図に示したもの
を改良したものであり、ｎ型ＧａＡｓ基板Ｂと、その基
板Ｂ上にエビクキシャル成長させたｎ型ＡｌＧａＡｓク
ラッドＪｉｌ（ＡＩＭｉ成比０１べ）、ｎ型ＡｌＧａＡ
ｓ活性Ｎ２（ａｔ組成比０．０１）及びｐ型ＡｌＧａＡ
ｓ７１３（＾１組成比０．４）から形成した多層構造の
円柱状突起Ｐと、円柱状突起Ｐの側周面及び上面並びに
クラッド層１０円柱状突起Ｐを形成した側の面（クラッ
ド層１の上面）に設けたｐ側電極Ｅ１と、基板Ｂの下面
に設けたｎ側電極Ｅ２とで構成されている。また、基板
Ｂの下面において活性層２に対向する部分に該部分の基
板を除去する切頭円錐台形状の凹溝５が形成され、クラ
ッド層１の上面の電極Ｅ１の下にはＳｉｎｇや５１ｇ４
などからなる絶縁層１０を介在させである。円柱状突起
Ｐは、異なる伝導型の層、すなわち前記ｎ型ＡｌＧａＡ
ｓクラッド層１、ｎ型ＡｌＧａＡｓ活性層２及びｐ型へ
ｌＧａＡｓ層３により突起Ｐの径方向に延在するダブル
ヘテロ接合を有し、突起Ｐの側周面に沿って活性層２の
伝導型とは異なるｐ型不純物（たとえばＺｎ）が拡散さ
れ、これにより突起Ｐの周囲に拡散領域ＤＲが形成され
る。このダブルヘテロ接合を含む活性層２と拡散領域Ｄ
Ｒにより、円柱状突起Ｐの内部に突起Ｐの径方向に延在
する円板状の活性領域ＡＲが形成されることになる。こ
の活性領域ＡＲは第３図に示した従来の発光素子の活性
領域よりも小さい。かかる構造の発光素子は、図からも
明らかな如（、円柱状突起Ｐ側を下向きにした状態で円
柱状突起Ｐ全体が嵌合する大きさの円柱状溝を有するヒ
ートシンク２０に取付けである。ヒートシンク２０は周
知のように、５１％　Ｃｕｓ　ＢｅＯ、Ｓ＋Ｃｓダイヤ
モンドなどからなり、取付けには低融点金属（Ｉｎ、Ｓ
ｎなど）またはボンディング・ハンダ（Ｐｂ　−５ｎ、
＾ｕ−５ｎｓ　Ａｕ−３ｔなど）が用いられる。

本実施例の発光素子は、電極Ｅｌ　８２間に電流を注入
した場合、各層のエネルギー・ギャップ差によりキャリ
アが活性領域ＡＲ内に効率良く注入されて閉じ込められ
る。すなわち電流はｐ側電極Ｅ１から層３を経て活性層
２に注入され、活性領域ＡＲでのキャリアの再結合によ
る発光に寄与した後、クラッド層１及び基板Ｂを経てｎ
側電極Ｅ２に流れる。これは、活性Ｎ２とクラッド層１
とのエネルギー・ギャップ差を拡散領域ＤＲとクラッド
ｔｉｌｌとのエネルギー・ギャップ差よりも小さくする
ことにより、注入された電流が選択的に活性Ｎ２に効率
良く注入されかつ閉じ込められることになるからであり
、具体的にそのエネルギー・ギャップ差を生じさせるに
は、たとえばクラッド層１及び活性層２の＾１組成比が
それぞれ０．４．０．０１であればよい。また狭い活性
領域ＡＲに効率良（電流が注入されるので、変調速度が
上昇し、高出力化を達成できる。

活性領域ＡＲでの発光は、基板Ｂに形成した凹溝５から
実質的に基板Ｂに対して垂直方向に高輝度で放出される
。しかも電流はクラッド層１の上面の電極Ｅ１から基板
Ｂの下面の電ＦｆＡＥ２には絶縁層１０によって流れな
いので、活性領域ＡＲへの電流の注入効率が一段と向上
する。また光吸収性を呈するＧａＡｓ基板Ｂのうち光進
行方向に当たる部分を除去する凹溝５を形成しであるの
で、発光が吸収されることはなく、光取出効率が向上し
て光出力が増加する。加えて活性層２を含む円柱状突起
Ｐをヒートシンク２０に取付けであるため、活性領域Ａ
Ｒでの発光に伴って発生した熱が直ちに円柱状突起Ｐか
らヒートシンク２０に伝わり、非常に熱放散性に優れて
いる。

このような発光素子は、円柱状突起Ｐまたは基＋ｉＢか
ら基板已に対して垂直方向に光を放出するものであり、
活性領域ＡＲからの光は集束性に優れ、かつ高輝度で発
光するので、検査、表示または通信用として最適であり
、たとえば光ファイバと結合して通信用として使用する
には、第１図に示す実施例では光ファイバを凹溝５に結
合すればよく、高輝度の光を光ファイバに伝送すること
ができる。

次に、第１図に示した構造の半導体発光素子の製造方法
の一例を、ｎ型ＧａＡｓ基板を用いた場合について第２
図ｆａｔ〜ｉｌ＋を参照しながら説明する。

まず、ｎ型ＧａＡｓ基板Ｂ（第２図ｆｆｌ参照）上に液
相エピタキシャル成長法（Ｌ　Ｐ　Ｅ）、分子線エピタ
キシャル成長法（ＭＢＥ）または有機金属熱分解気相成
長法（ＭＯＣＶＤ）などを用いてｎ型＾ｌＧａＡｓクラ
ッドＦｉｌ（Ａ１組成比０．４　）　、ｎ型ＡｌＧａＡ
ｓ活性層２　（ＡＩＭｉ成比０１Ｏ１）及びｐ型ＡｌＧ
ａＡｓ層３　（Ａ１組成比０．４）を順次エビクキシャ
ル成長させてダブルヘテロ接合を有する多層構造を形成
する（第２図（ｂｌ参照）。ここにおいて活性Ｎ２の厚
さは少なくとも０．０１戸以上であることが好ましい。

次にフォトリソグラフィを行うべく、ｐ型ＡｌＧａＡｓ
層３の上面にＳｉｎ、膜、ＳｉＮ４膜、ＴｉＯ２膜また
はこれらの複合膜などを形成し、その後にレジストを塗
布して所望のパターン（ここでは円形パターン）をｐ型
ＡｌＧａＡｓ層３の上面に露光・現像してエツチングを
行い、反応性イオンエツチング法（ＲＩ　Ｅ）または反
応性イオンビームエツチング法（ＲＩＢＢ）のエツチン
グマスクＭを形成する（第２図ｆｆｌ参照）。

この円形マスクＭの直径は少なくとも５戸以上であるこ
とが好ましい。

その後、たとえばＲＩＥまたはＲＩＢＢにより上記ｎ型
ＡｌＧａＡｓクラッド層１、ｎ型ＡｌＧａＡｓ活性層２
及びｐ型ＡｌＧａＡｓＮ３を所定の深さまでエツチング
し、基板Ｂ上に所定の高さを有する円柱状突起Ｐを形成
しく第２図（ｄｌ参照）、クランド層１の上面にマスキ
ング剤（たとえばＳｉＯ□、ＳｉＮ４などが例示され、
これらは電子ビーム蒸着、スパッタ、ＣＶＤ法などによ
って適用される）で絶縁層１ｏを選択的に設ける（第２
図ｆｆｌ参照）。そして、突起Ｐの上面に残存するマス
クＭを拡散マスクとして突起Ｐの側周面から突起Ｐの中
心に向かって活性層２とは異なる伝導型のｐ型不純物（
好適にはＺｎ）の拡散を行って、突起Ｐの周囲に拡散領
域ＤＲを形成して、この領域の伝導型をｐ型とし、これ
により活性層２において不純物の拡散していない領域及
び拡散フロントとの界面付近の領域を発光領域とする円
板状の活性領域ＡＲを形成する（第２図ｆｆｌ参照）。

拡散工程後に、突起Ｐの上面に残存するマスクＭをリフ
トオフ法により除去しく第２図（ａ参照）、突起Ｐの上
面及び側周面並びに絶縁ＩＪＩＯの上面にｐ側の電極材
としてたとえばＣｒ−＾１１％　ＡｕＺｎからなる電極
Ｅ１を、また基板Ｂの下面にｎ側の電極材としてたとえ
ばＮｉ−Ａｕ５　ＡｕＧｅからなる電極Ｅ２を真空蒸着
などの手段によって設ける（第２図ｆｆｌ参照）。その
後、基板Ｂの下面のうち突起Ｐ（特に活性層２と拡散領
域ＤＲにより構成された活性領域ＡＲ）に対向する部分
をＲｒＥまたはＲＩＢＥによりイオンエツチングするか
、或いはウェットエツチングなどによりエツチングし、
該部分の不要なＧａＡｓ基板を除去して、切頭円錐台形
状の凹溝５を形成する（第２図（１１参照）ことにより
、第１図に示した如く基板Ｂ上の円柱状突起Ｐの内部に
突起Ｐの径方向に延在する円板状の活性領域ＡＲを有す
る半導体発光素子が製造される。

実用には得られた発光素子は、その円柱状突起Ｐ側をヒ
ートシンク２０にポンディング・ハンダなどで取付け、
ワイヤーボンディングを行えばよい。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明
の目的を逸脱しない限り他の態様であっても構わない。

たとえば上記実施例では柱状突起内の活性領域からの発
光を柱状突起からではなく基板方向に放出するものであ
るが、光取出効率をさらに向上させるべく柱状突起の上
部、すなわち多層構造の柱状突起の最上層として誘電体
多層膜（たとえば発光波長に対して選択的に反射率が高
（なるように形成したＴｉ０ｚ／５ｉＯｚ多層膜）、Ａ
ｕ／５ｉＯｚなどからなる光反射層を設けて、発光を吸
収損失なく基板方向に全反射してもよい。または逆に光
の放出方向を基板方向ではなく柱状突起の上面から放出
するよう柱状突起の上面に電極を設けず、基板の下部（
下部電極の上）または光吸収性のＧａＡｓ基板に形成し
た凹溝内に光反射層を設けて、この光反射層により基板
方向に進行する光を柱状突起の方向に反射する態様も考
えられる。この場合に光フアイバ通信用として使用する
には、柱状突起の形状を円柱状にし、かつその直径を光
ファイバと同一径にすれば柱状突起と光ファイバを容易
に結合できて都合がよい。或いは柱状突起の上部及び凹
溝に光反射層を設けて共振器構造とし、レーザ動作を行
わせることも可能である。また、電極Ｅ１、Ｅ２は実施
例に示す大きさ及び形状に特定されるものではなく、活
性層及び拡散領域により構成される活性領域に効率良く
電流が注入されうる限り、任意の大きさ及び形状で設け
ることができる。

〔発明の効果〕

以上より明らかなように、本発明の接合型半導体発光素
子は、半導体板材（基板と基板上に設けた結晶層を含む
）に多層構造の柱状突起を設け、柱状突起の異なる伝導
型の層により構成したダブルヘテロ接合を含む活性層と
柱状突起の周囲に形成した活性層とは異なる伝導型の拡
散領域とにより柱状突起の内部に柱状突起の横断方向に
延在する円板状の活性領域を形成したことにより、活性
領域に対する電流注入効率が向上し、活性領域に効率良
くキャリアが閉じ込められ、変調速度が上昇し、高出力
かつ高輝度の光が得られるなど、テープなどの１命杏１
１１１−ＯＡ関苑などの賽子■すかは光フアイバ通信用
として最適なものであると共に、光ファイバとの結合が
容易であり、その製造工程も簡単で大量生産することが
できるなど、実用上非常に有用なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の接合型半導体発光素子の一実施例の断
面図、第２図（ａ）〜（１）は第１図に示した発光素子
の製作工程の一例を示す流れ図、第３図は従来公知の発
光素子の断面図である。 Ｂ　　　　　　；基板 １〜３　　　　：エピタキシャル成長層Ｐ　　　　　　
：円柱状突起 Ｅｌ　　　　　　：ｐ側電極 Ｅ２　　　　　　：ｎ側電極 ＤＲ＝拡散領域 ＡＲ：活性領域 ５　　　　　　：切頭円錐台形状の凹溝ｌＯ：絶縁層 Ｍ　　　　　　：マスク層 Ｐ５ＡＲＰ− 第１図 第３図 （ａ）　　　　　　　　　　　　（ｂ）　　　　　　　
　　　　（ｃ）（ｃＬ）’　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　（４ン（ｅ） 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　半導体板材と、半導体板材の片面に設けた多層構造の
   柱状突起と、半導体板材の柱状突起形成側の面及び柱状
   突起のうち少なくとも柱状突起に設けた上部電極と、半
   導体板材の下面に設けた上部電極とは極性の異なる下部
   電極とからなり、柱状突起が異なる伝導型の層により構
   成した柱状突起を横断するダブルヘテロ接合を含む活性
   層、及び柱状突起の周囲に形成した活性層とは異なる伝
   導型の拡散領域を有し、この活性層と拡散領域によって
   柱状突起の内部に柱状突起の横断方向に延在する円板状
   の活性領域を形成したことを特徴とする接合型半導体発
   光素子。