JPH01293579A - 発光素子およびその製造方法 - 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、発光素子、特に発光ダイオードおよびその製
造方法に適用して有効な技術に関する。

〔従来の技術。

表示装置用あるいは光通信用の発光源の一つとして、発
光ダイオード（発光ダイオードチップ）が多用されてい
る。光通信用の発光源としての発光ダイオードは、特に
光伝送に使用される光ファイバとの光結合効率を高める
ことが要請されている。発光ダイオードの素子（チップ
）構造については、たとえば、オーム社発行「光ファイ
バ通信入門ｊ１９８６年６月３０日発行、Ｐ１０３〜Ｐ
１０４に記載されている。この文献には、光ファイバへ
の光の結合効率を上昇させるため、発光ダイオードの出
射面に球レンズを付加したり、あるいは発光ダイオード
の半導体表面（主面）をレンズ状に形成して光の結合効
率を高めた例が記載されている。

（発明が解決しようとする課題〕 発光ダイオード装置にあっては、前記文献にも記載され
ているように、発光ダイオードチップの表面（主面）を
半球状レンズに形成して光出力を高めている。すなわち
、平坦な面から光を発光させるチップ構造にあっては、
たとえば、ＧａＡＪＩＡｓからなる発光ダイオードの場
合、ＧａＡＩＡＳと空気との界面に対して１７度以上の
角度で入射して来る光は、外に取り出せず、チップ内に
反射してしまう。これに対して、ＣａＡ１Ａｓの主面を
半球状レンズとすると、チップ内部で発生された光の殆
どをチップの外に取り出すことができる。

一方、顧客要求の一つとして、所定の光取込み角を有し
、かつ光出力の高いものが要求され始めている。

本発明者は、前述のように発光ダイオードチップの主面
を単に半球状レンズに形成した構造では、半球状レンズ
の裾野部分に当たる周面から発光された光が前方向出力
とはならず、無駄に消費されてしまうことに気が付いた
。

そこで、本発明者は、半球状レンズの周面から発光され
る光を前方に案内させれば、前方向光出力を向上させる
ことができることに気が付き本発明をなした。

本発明の目的は前方同光出力の高い発光素子およびその
製造を提供することにある。

本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、
本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであ
ろう。

〔課題を解決するための手段〕

本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を簡単に説明すれば、下記のとおりである。

すなわち、本発明の発光ダイオードチップは、光を発光
する半導体基板主面に半導体を加工して形成された半球
状レンズを有するとともに、この半球状レンズの周囲に
は半導体を加工して形成された凹面鏡が設けられている
。この凹面鏡は半球状レンズの周面から発光された光を
反射して、その反射光をチップ前方に進ませる役割を果
たすようになっている。

〔作用〕

上記した手段によれば、本発明の発光ダイオードチップ
は、チップ内の発光領域から発光されかつチップ主面側
に進む光の殆どを半球状レンズによってチップ外に放出
することから光出力を高くすることができるとともに、
半球状レンズの周囲に設けられた凹面鏡によって半球状
レンズの周面から側方に発光された光を反射させ、その
反射光をチップ前方に進ませることから、半導体基板主
面前方への光出力が高くなる。

〔実施例〕

以下図面を参照して本発明の一実施例について説明する
。

第１図は本発明の一実施例による発光ダイオードチップ
を示す断面図、第２図〜第７図は同しく発光ダイオード
チップ製造における各工程でのワークの断面図であって
、第２図は発光ダイオード千ノブ製造に使用されるウェ
ハの断面図、第３図は主面に半球部形成のための円形凸
部が設けられかつ表面にホトレジスト膜が設けられた状
態のウェハの断面図、第４図は半球状レンズ形成用の半
球部が設けられたウェハの断面図、第５図は半球部を除
く主面領域にエツチングマスクが設けられた状態のウェ
ハを示す断面図、第６図はエツチングによって半球状レ
ンズおよび凹面鏡が設けられた状態を示す断面図、第７
図は電極が設けられたウェハを示す断面図である。

この実施例の発光ダイオード素子（発光ダイオードチッ
プ）１は、第１図に示されるような構造となっている。

発光ダイオードチップ１（以下、単にチップとも称する
。）は、ｐ十形のＧａＡｓからなる基板（半導体基板）
２の上に、ｎ形ＧａＡｓ層３．　ｐ形ＧａＡｉＡｓｊｉ
４．Ｐ形ＧａＡ１Ａｓ層５．　ｎ形ＧａＡ１Ａｓ層６．
　ｎ＋形ＣａＡＪＩＡｓ層７が順次積層形成されている
。前記ρ形ＧａＡ１Ａｓ層４およびｐ形ＧａＡ１Ａｓ層
５は、以下説明の便宜上、ｐＨ−ＧａＡｕＡＳ層４ある
いはｐ　ｚ　　Ｇ　ａ　Ａ　ｆＬ　Ａ　８層５とも称す
る。また、前記ｎ形Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　Ｎ３の中央部分は
円形に除去され、ｔｉババス域８が設けられている。ま
た、この電流パス領域８に対応する発光ダイオード千ツ
ブ１の主面部分には、半球状レンズ９が設けられている
。

この半球状レンズ９は、曲率半径が１００μｍ〜２００
μｍ程度となっていて、上から２層目のｎ形ＧａＡｕＡ
ｓ層６の部分に形成されている。

また、この半球状レンズ９の周囲に沿って曲率’ｔ＝径
が数十μｍ＝ＩｏＯμｍ前後となる凹面鏡１０が設けら
れている。前記半球状レンズ９は、前記Ｔ）ｚ　　Ｇａ
ＡｌｌＡｓ層５の発光領域から発光されかつ千ノブ主面
側に進む光の殆どを発光ダイオードチップｌの外に放出
させる役割を果たす。また、前記凹面鏡１０は、前記半
球状レンズ９の周面から放出された光１１を反射させて
、反射光１２を発光ダイオードチップ１の前方向、すな
わち、半導体基板主面の前方向に進行させる役割を果た
す。

一方、前記ｎ十形ＧａＡｌＡｓ層７の表面には、カソー
ド電極１３が設けられているとともに、前記基板２の裏
面にはアノードｔｉ１４が設けられている。

したがって、このような発光ダイオードチップ１にあっ
ては、前記カソード電極１３およびアノード電ｆｆ１ｉ
１４に所定の電圧を印加させると、活性層ともなるｐｆ
ｆ３ＧａＡ見Ａｓ層５の電流パス領域８に対応する発光
領域１５から光１１を発光する。

この光１１は、発光ダイオードチップｌの半球状レンズ
９からチップ外に放出されるため、発光領域から発光さ
れかつ千ノブ主面側に進む光の殆どがチップ外に放出さ
れる。また、チップの前方向に進まず、チップの側面か
ら発光される光１１は、凹面鏡１０で反射されて反射光
１２となってチップの前方向に進む。この結果、チップ
の前方向における光出力が向上することから、チップの
主面側に配設された光学系に対する光取込み効率が向上
する。

・つぎに、本発明による発光ダイオード千ツブ１の製造
方法について、第２図〜第７図を参照しながら説明する
。

最初に、第２関に示されるように、ウェハ（半導体薄板
）２０が用意される。このウェハ２０は、厚さが３００
μｍ〜４００μｍ程度のｐ十形ＧａＡｓからなる半導体
基板（基板）２と、この基板２の主面にその後順次エピ
タキシャル成長によって形成される多層成長層等からな
る。第２図に示されるウェハ２０は、既に基板２の主面
にエピタキシャル層からなるｎ形Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　Ｐ５
３が設けられζいる。このｎ形ＧａＡｓ１ｉｉ３は、そ
の厚さが数μｍ程度となっている。また、このｎ形Ｇａ
Ａｓ層３はその上に設けられた絶縁膜２１をマスクとし
てエッチングされて部分的に除去されている。

このエツチングは、前記基板２にまで達している。

このエツチング除去部分は直径が数十μｍとなる円形窪
みとなっている。この工、チングによって孔となった領
域は、その後のエピタキシャル成長処理によって埋めら
れ、電流が通過する電流パス領域８となる。また、この
電流パス領域８に対応するウェハ２０の主面部分に、前
記半球状レンズ９が形成される。したがって、以下の工
程で示すように、この電流パスｊｌ域８に対応するウェ
ハ２０の主面部分に、半球状レンズ９を形成するための
種々な加工が行われる。

つぎに、前記絶縁膜２１が除去される。その後、第３図
に示されるように、前記ウェハ２０の主面には、エピタ
キシャル成長によって、厚さ２〜３ｐｍ程度のｐ形Ｇａ
ＡｌＡｓ層４．厚さ２〜３μｍ程度のｐ形ＧａＡｌＡｓ
層５．厚さ１１００ｕ〜２　Ｑ　Ｏｕｍ程度のｎ形Ｇａ
ＡＩＡｓＪｉ６．ＩＷさ数μｍ程度のｎ十形Ｇ　ａ　Ａ
　Ｉ　Ａ　ｓ　Ｎ　７が順次形成される。前記ｐ形Ｃａ
ＡｌＡｓ層５の電流パス領域８に対応する点々で示され
る領域は発光領域１５となる。その後、前記ｎ十形Ｇａ
ＡｌＡｓ層７は部分的に途中の深さまでエツチングされ
る。そして、前記電流パス領域８に対応した領域に、ｎ
÷形ＧａＡＩＡｓＪ？Ｊ７で形成された円形の円形凸部
２２が形成される。この円形凸部２２の直径は１００μ
ｒｎ〜２００μｍ程度に設けられるとともに、その厚さ
は０．１μｍ〜０．５μｍの厚さとなる。また、ウェハ
２０主面に薄く残存するｎ“形Ｇ　ａ　Ａ　Ｉ　Ａ　ｓ
　Ｎ　７の１７さは、１μｍ〜２μｍ程度の厚さとなる
。前記円形凸部２２は、後述する半球部２５を形成する
ために設けられる。その後、前記ウェハ２０の主面には
、ホトレジスト膜２３が数μｍ程度の厚さに設けられる
。この結果、前記ホトレジストＷＪ２３は表面張力によ
って円形凸部２２部分で、第３図に示されるように半球
状マスク部２４を形成するようになる。この半球状マス
ク部２４の曲率半径は、１００μｍ〜２００μｍ程度と
なる。

つぎに、ウェハ２０はエツチング処理され、その主面が
所望の厚さエッチングされる。エッチングは、ホトレジ
スト膜２３およびｎ◆十形ａＡＩＡ　ｓ　Ｊ！７をエツ
チングする常用のドライエツチングが選ばれる。この結
果、第４図に示されるように、ホトレジスト膜２３が除
去されるとともに、ホトレジスト膜２３の下のｎ÷十形
；ａＡＩＡｓＪｉ７が一定の厚さ除去される。このエツ
チングにおいて、円形凸部２２は半球状マスク部２４に
対応してエツチングされるため、半球状マスク部２４の
曲率半径を維持したｎ十形ＧａＡｌＡｓ層７からなる半
球部２５が形成される。この半球部２５は、前記半球状
レンズ９を形成するために設けられる。

つぎに、第５図に示されるように、前記ウェハ２０の主
面には、前記半球部２５を除く領域に、再度ホトレジス
ト膜２６が設けられる。次いで、ＧａＡ１Ａｓ層がエッ
チングされる。このエッチングによって、第６図に示さ
れるように、ｎ十形Ｇ　ａ　Ａ　Ｉ　Ａ　ｓ　Ｎ　７の
下の層であるｎ形ＧａＡＩＡＳ層６部分に、前記半球部
２５と同一の曲率半径を有する半球状レンズ９が形成さ
れるとともに、サイドエッチングによってこの半球状レ
ンズ９の周囲には、曲率半径が数十μｍ−１００μｍ前
後となる凹面鏡１０が形成される。前記半球状レンズ９
は、前記ｐ　ｚ　　Ｇ　ａ　Ａ　Ｑ　Ａ　ｓ　Ｎ５の発
光領域１５から発光されかつチップ主面側に進む光１１
の殆どを半導体基板２の主面側に発光させる役割を果た
す。また、前記凹面鏡１０は、前記半球状レンズ９の周
面から放出される光１１を反射させて、反射光１２を半
導体基板２の前方向に進行させる役割を果たす（第１図
参照）。

つぎに、前記ホトレジスト膜２６は除去される。

その後、第７図に示されるように、ウェハ２０の主面に
はカソード電橋１３が形成されるとともに、ウェハ２０
の裏面にはアノード電極１４が形成される。また、この
ウェハ２０は縦横に分断されて、第１図に示されるよう
な発光ダイオードチップ１が多数製造される。

このような実施例によれば、つぎのような効果が得られ
る。

（１）本発明の発光ダイオード千ノブは、発光領域から
発光されかつ千ノブ主面側に進む光の殆どを無駄なく半
球状レンズによってチップ外に放出するため光出力が高
くなるという効果が得られる。

（２）本発明の発光ダイオードチップは、半球状レンズ
の側面から放出された光を凹面鏡で反射して千ノブの前
方向に進ませることから、前方向光出力の向上が達成で
きるという効果が得られる。

（３）上記（１）および（２）により、本発明の発光ダ
イオードチップは、光の出射領域に半球状レンズが設け
られているとともに、この半球状レンズの周囲には凹面
鏡が設けられていることから、発光領域から発光されか
つ千ノブ主面側に進む光の殆どを前記半球状レンズでチ
ップ外に導き、かつ半球状レンズの側面から放出される
光をも凹面鏡によってチップの前方向に進ませる構造と
なっているため、前方向光出力が大幅に向上するという
効果が得られる。

（４）上記（３）により、本発明の発光ダイオードチッ
プは、前方向光出力が高いことから、このチップの工面
側に配設される外部の光学系との光結合効率を高めるこ
とができるという効果が得られる。

（５）本発明の発光ダイオード千ノブの製造方法にあっ
ては、半球部を形成しかつこの半ＬＥ部を除く領域にホ
トレジスト膜を設けた後行う一回のエツチングによって
、同時に半球状レンズと凹面鏡を設けることができるた
め、半球状レンズと凹面鏡との位置関係が再現性良く形
成できるという効果が得られる。

（６）上記（１）〜（５）により、本発明によれば、前
方向光出力の高い発光ダイオードチップを再現性良く製
造できるという相乗効果が得られる。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能
であることはいうまでもない、たとえば、半球部を形成
する方法としては、主面にホトレジスト膜を塗布した平
坦なウェハの主面に、露光用マスクを僅かに離して対峙
させ、マスク下への光の廻り込みを利用して不均一な感
光を行うことによって、ウェハ上にホトレジストで半球
体を形成し、その後ウェハ主面全域をエツチングするこ
とによってＧａＡｆＬＡｓによる半球部を形成する方法
を採用しても良い。

以上の説明では主として本発明者によってなされた発明
をその背景となった利用分野である発光ダイオードチッ
プの製造技術に適用した場合について説明したが、それ
に限定されるものではなく、半導体レーザ素子にも適用
できる。また、本発明は原理的には受光素子にも適用で
きる。

本発明は少なくとも発光、受光を伴う光素子には適用で
きる。

〔発明の効果〕

本願において開示される発明のうち代表的なものによっ
て得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりであ
る。

本発明の発光ダイオードチップは、チップ内の発光領域
から発光されかつチンプ主面側に進む光の殆どを半球状
レンズによってチップ外に放出することから光出力を高
くすることができるとともに、半球状レンズの周囲に設
けられた凹面鏡によって半球状レンズの周縁から側方に
発光された光を反射させ、その反射光をチップ前方に進
ませることから、半導体基板主面前方への光出力が高く
なる。この結果、チップの前方に配設される光学系への
光取込み効率が高くなり、光出力の増大が達成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による発光ダイオードチップ
を示す断面図、 第２図は同じく発光ダイオードチップ製造に使用される
ウェハの断面図、 第３図は同じく主面に半球部形成のための円形凸部が設
けられかつ表面にホトレジスト膜が設けられた状態のウ
ェハの断面図、 第４図は半球状レンズ形成用の半球部が設けられたウェ
ハの断面図、 第５図は半球部を除く主面領域にエツチングマスクが設
けられた状態のウェハを示す断面図、第６図はエツチン
グによって半球状レンズおよび凹面鏡が設けられた状態
を示す断面図、第７図は電極が設けられたウェハを示す
断面図である。 １・・・発光ダイオードチップ、２・・・基板、３・・
・ｎ形ＧａＡｓ１Ｊ、４・・・Ｐ形ＧａＡｌＡｓ層、５
・・・Ｐ形Ｇ　ａ　Ａ　Ｉ　Ａ　ｓ層、６・・・ｎ形Ｇ
ａＡＩＡｓＪＷ、７・・・ｎ十形ＧａＡＩＡＳ層、８・
・・電流パス領域、９・・・半球状レンズ、１０・・・
凹面鏡、１１・・・光、１２・・・反射光、１３・・・
カソード電極、１４・・・アノード電極、１５・・・発
光領域、１６・・・発光領域、２０・・・ウェハ、２１
・・・絶縁膜、２２・・・円形凸部、２３・・・ホトレ
ジスト膜、２４・・・半球状マスク部、２５・・・半球
部、２６・・・ホトレジスト膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基板主面の一部が半球状レンズとなる発光素
   子であって、前記半球状レンズの周囲には、半導体基板
   表面の加工による凹面鏡が設けられていることを特徴と
   する発光素子。 ２、前記凹面鏡は半球状レンズの側面から発光された光
   を半導体基板主面前方へ反射させることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の発光素子。 ３、半導体基板主面の一部が半球状レンズとなる発光素
   子の製造方法であって、前記半導体基板の主面に突出し
   た半球部を設ける工程と、前記半球部を除く基板主面を
   絶縁膜で被う工程と、前記絶縁膜をマスクとしてエッチ
   ングを行って半球状レンズおよびこの半球状レンズの周
   囲に沿って設けられる凹面鏡を設ける工程とを有するこ
   とを特徴とする発光素子の製造方法。