JPH02113524A - 発光素子の製造方法 - 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素子の製造方
法に関する。

〔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（発光ダイオード素子）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。

発光ダイオード素子（発光ダイオードチップ）構造につ
いては、たとえば、オーム社発行「光フアイバ通信入門
、１９８６年６月３０日発行、Ｐ１０３〜Ｐ１０４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。また、日立評論社発行「日立評論
Ｊ　１９Ｂ３年第１０号、昭和５８年１０月２５日発行
Ｐ４９〜Ｐ５２には、光ファイバとの光結合効率を向上
させるために、発光ダイオードチップ（以下単にチップ
とも称する。）自体を半球（ドーム）状に形成したいわ
ゆるドームチップの例が紹介されている。このドームチ
ップでは、発光径が３０μｍ１　ドーム半径が２００ｔ
１ｍとなっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

発光ダイオード装置において光出力を高めるための構造
の一つとして、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（発光面側）に半球状レンズ
を形成するものがある。光の反射という観点からするな
らば、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、ＧａＡ１Ａｓからなる発光ダイオード素
子の場合、ＧａＡ１Ａｓ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、ＧａＡＡＡｓの
発光面側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、外部光学系との結合性向
上から発光径の小さいものや輝度の高いもの、光出力の
高いものが要求され始めている。

本発明の目的は、半導体基板の発光面側に所望の半球状
レンズを再現性良く形成する技術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、本発明では、半導体基板の主面に多層成長層
を形成した後、前記多層成長層の一部に電流狭窄用の拡
散領域を形成しかつ多層成長層の表面にアノード電極を
形成する。その後、前記半導体基板を裏返し半導体基板
の裏面、すなわち、発光面側に中央が円形に抜けたカソ
ード電極を形成する。つぎに、前記円形に抜けた電極を
ネガレジストで保護した後、前記半導体基板の裏面側に
ポジレジストを塗布しかつプロキシミティ露光法におけ
る光回り込み現象の利用および現像処理によって前記円
形に抜けた領域に中央が盛り上がった半球状レジスト部
を形成する。さらに、前記半導体基板の裏面をドライエ
ツチングによってエツチングして前記円形に抜けた電極
のその円形部分に１００μｍ半径の半球状レンズを形成
する。

〔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
の製造方法によれば、半導体基板の発光面側にホトレジ
ストの回り込み露光によりレジスト半球部を形成し、こ
のレジスト半球部を投影するようなエツチングによって
半導体基板の発光面側に１００μｍ半径と小さな半球状
レンズを再現性良く製造することができる。したがって
、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の発光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、半球状レンズの径
が小さいことから輝度も向上する。

〔第１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図は本発明の第１実施例による発光ダイオード素子
の製造方法を示すフローチャート、第２図は同じく発光
ダイオード素子を示す断面図、第３図〜第１０図は同じ
く発光ダイオード素子の製造における各工程でのワーク
であるウェハを示す断面図であって、第３図は半導体基
板の主面に多層成長層が形成された状態を示す断面図、
第４図は前記多層成長層の表層部に拡散領域が形成され
た状態を示すウェハの断面図、第５図は前記半導体基板
の主面にアノード電極を形成しかつ半導体基板の裏面に
中央が円形に抜けたカソード電極が形成された状態を示
すウェハの断面図、第６図は前記カソード電極が設けら
れた半導体基板の発光面側にネガレジストが設けられか
つ露光された状態を示すウェハの断面図、第７図は前記
ネガレジストが現像された状態を示すウェハの断面図、
第８図は前記半導体基板の発光面側にポジレジストが設
けられかつプロキシミティ露光法で露光された状態を示
すウェハの断面図、第９図は前記ポジレジストが現像さ
れて半球状レジスト部が形成された状態を示すウェハの
断面図、第１０図は前記半導体基板の発光面側がドライ
エツチングされて半球状レンズが形成された状態を示す
ウェハの断面図である。また、第１１図は本発明および
従来の発光ダイオード素子の光出力特性を示すグラフ、
第１２図は不純物濃度に対する光の透過率および電圧の
相関を示すグラフである。

この実施例では発光ダイオード素子（発光ダイオードチ
ップ）は、第１図のフローチャートに示されるように、
多層成長層形成、拡散領域形成。

アノード電極形成、カソード電掻形成、カソード電掻上
へのネガレジスト形成、ポジレジストによるレジスト半
球部形成、半球状レンズ形成と連続する工程を経て製造
される。製造された発光ダイオードチップ１（以下、単
にチップｌとも称する。

）は、第２図に示される構造となっている８発光ダイオ
ードチップ１は、同図に示されるように、ｎ形のＧａＡ
１Ａｓ　（Ｇａ＋−＋＋　Ａ’Ｄ−ｘ　Ａｓ　；混晶比
ｘ−０，０５）からなる半導体基板（基板）２を主体と
して形成されている。すなわち、基板２の主面、同図で
は主面は下面となっているが、この主面上には、ｎ形Ｇ
ａＡｕＡｓ層３．ｐ形ＧａＡｓ＠４．ｐ形ＧａＡ１Ａｓ
層５．　ｎ形ＧａＡｓＮ６が順次積層形成されて多層成
長１１７が設けられている。また、この発光ダイオード
チップ１はその厚さが１１００ＩＩとなるとともに、−
辺が４００μｍとなる矩形体となっている。また、前記
基板２はその不純物濃度がＩ　Ｘ　ｌ　Ｏ”ｃ＋ｆｆｉ
”〜５ＸＩＯ”ｃｍ−’程度となっている。

これは１、発光ダイオードチップ１が、第１２図のグラ
フに示されるように、順方向電圧を１．５ｖ程度にでき
るとともに、放出する光の透過率も７５％程度と高くと
れることによる。このグラフは、基板２の不純物濃度（
ＮＡ　−Ｎｏ　　；　ｃ　ｍ−’）に対する光の透過率
（％）および電圧（ｖ＋’　）との相関を実験的に求め
たグラフであるが、基板２の不純物濃度をＩＸＩＯｌｆ
ｆｃｍ−３〜５Ｘ１０”ｃｍ４としておけば、光の透過
率を高くかつ電圧を低くできることがわかる。

前記ｎ形ＧａＡｕＡｓ層３は、Ｇａ、−、Ａｌｌ。

Ａｓとなり、混晶比）Ｉ−０，３となる２μｍ〜３μｍ
程度の厚さの層となっている。また、前記ｐ形ＧａＡｓ
層４は゛活性Ｎ４ともなって数１００人の厚さとなり、
一部は光を発光する領域となる。

また、前記ｐ形ＧａＡＪＩＡｓ層５は、Ｇａ１．、ＩＩ
Ａ立ｍＡｓとなり、混晶比ｚ＝０．３となる２μｍ〜３
μｍ程度の厚さの層となっている。また、前記ｎＹ３Ｇ
ａＡｓ層６は１μｍ程度の厚さとなっている。

一方、前記基板２の主面表層部、すなわち、ｎ形ＧａＡ
ｓ層６からｐ形ＧａＡｌＡｓ１５の表層部に至る領域に
は、点々が施されて示される直径ａが略６０ｕｍのｎ形
の拡散層８が設けられている。この拡散層８は′ｒ！１
２ｉｔ狭窄の働きをするようになっている。そして、基
板２の主面、すなわち同図では下面となる面には、下層
がＣｒからなり上層がＡｕとなる１μｍ〜２μｍ程度の
厚さのアノード電８ｉ９が設けられている。

他方、前記基板２の主面とは逆となる裏面、すなわち、
同図では上面となる発光面側１０の中央には、直径すが
たとえば１５０ｔＩｍとなる領域に、周辺部分が前記発
光面倒１０の表面よりも沈んだ構造となる半球状レンズ
１１が設けられている。

この半球状レンズ１１はその半径が１００μｍとなる半
球状レンズとなっている。この半球状レンズ１１の光軸
は前記拡散層８の略中心部分と一敗している。さらに、
この半球状レンズ１１の周囲の基板２の表面には、最下
層がＡｕＧｅＮ＋となり、最上層がＡｕからなるＡｕＧ
ｅＮ　１−Ｐｄ　−ＡｕからなるｌＩＪｍ〜２μｍ程度
の厚さのカソード電極１２が設けられている。

このような発光ダイオードチップ１にあっては、アノー
ド電極９およびカソード電極１２に所定の電圧を印加さ
せると、活性層４ともなるｐｍＧａＡｓ層４の拡散層８
に対応する領域から光１３を発光する。この光１３は、
発光ダイオードチップ１の半球状レンズ１１からチップ
外に放出される。

したがって、発光領域から発光された光１３を半球状レ
ンズ１１によって無駄なくチップ外に取り出し、チップ
１の前方に進行させることができるため、光出力が増大
する。第１１図は本発明による発光ダイオードチップお
よび従来のドームチップならびに光学レンズを有しない
矩形状チップにおける光出力特性を示すグラフである。

本発明の発光ダイオ−トチ？プは略ドームチップと同様
に高い光出力特性を示す、なお、ドームチップは研磨に
よってドームを形成するため、ドームの曲率半径は小さ
くとも加工上２００μｍ程度が限度である。

また、前記半球状レンズ１１はレンズの曲率半径が１０
０μｍと小さいことから、光１３は細く絞られるため、
光１３の放出角度を、たとえば１００度と小さくできる
。この結果、この発光ダイオードチップ１と外部光学系
との結合もドームチップよりも容易になる。

さらに、この発光ダイオードチップ１は、発光領域から
発光された光の絞り込みおよびチンブｌ外への光取り出
し効率が増大するため、輝度が増大する。

つぎに、本発明による発光ダイオードチップ１の製造方
法について、第３図〜第１Ｏ図を参照しながら説明する
。

最初に第３図に示されるように、ウェハ（半導体薄板）
１５を用意する。このウェハ１５は、厚さが４００μｍ
程度のｎ形のＧａＡｓ層１６と、このＧａＡｓ層１６の
主面に形成された１５０μｍ程度の厚さのｎ形のＧａＡ
ｊＬＡｓ層１７とからなっている。このようなウェハ１
５を基にして製造される発光ダイオードチップｌの半導
体基板２は、前記ＧａＡｕＡｓ層１７部分で構成される
。

すなわち、発光ダイオードチップｌの製造の段階で、前
記ＧａＡｓ層Ｉ６は除去され、かつＧａＡｌＡｓ層１７
は研磨されて薄くなり半導体基板２となる。したがって
、前記ＧａＡ１Ａｓ層１７の不純物濃度は、第１２図の
グラフに示されているように、順方向電圧を１．５Ｖ程
度にするとともに、放出する光の透過率も７５％程度と
高くとれることから、Ｉ　Ｘ　１０”ｃｍ−”〜５Ｘ　
１０Ｉ？ｃｍコとなっている。また、前記ＧａＡ１Ａｓ
層１７は、混晶比Ｘが０．０５となるｎ形ｃ　ａ　ｌ−
１１Ａ　ｆＬ、Ａｓによって形成されている。

このようなウェハ１５は、第３図に示されるように、そ
の主面に液相エピタキシャル成長によって順次所望の層
が設けられて多層成長層７が形成される。すなわち、前
記ウェハ１５のＧａＡｆｌＡＳ層１７上には層温７上ｙ
が０．　３となるＧａ。

、ＡＪＬ、Ａｓからなる厚さ２μｍ〜３μｍ程度のｎＹ
３ＧａＡｕＡｓ層３が設けられるとともに、このｎ形Ｇ
ａＡｌＡｓ層３上には厚さが数１００人となる活性層４
ともなるｐ形ＧａＡｓ層４が設けられる。また、このｐ
形ＣａＡｓ層４上には、混晶比２が０．　３となるｎ形
のＧａ　＋−ｓ　Ａ　ｌ　ｍ　Ａ　Ｓからなるｐ形Ｇａ
Ａ吏Ａｓ層５が２μｍ〜３μｍ程度の厚さに形成される
。さらに、このｐ形ＧａＡｌＡｓ層５の上には、１μｍ
程度の厚さのｎ形ＧａＡｓ層６が形成される。これらｎ
形ＧａＡ１Ａｓ層３．　Ｐ形ＧａＡｓ１１４．ｐ形Ｇａ
ＡｌＡｓ層５．ｎ形ＧａＡｓ層６によって多層成長層７
が構成される。なお、ウェハ１５とは、前記ＧａＡｓ層
１６およびＧａＡ吏Ａｓ層１７そのものを、また、この
ＧａＡ１Ａｓ層１７上に設けられる多層成長層７や絶縁
膜等を含むものを、さらにはＧａＡｓ層１６等が除去さ
れた状態のものをも呼称することにする。

つぎに、第４図に示されるように、前記ウェハ１５の主
面に常用のホトリソグラフィによって部分的に絶縁Ｗ４
１８が設けられる。この結果、ウェハ１５の主面におい
て前記絶縁膜１８が設けられない領域、すなわち、円形
の拡散孔１９が形成される。その後、このウェハ１５は
拡散ソースとなる亜鉛とＡｓ粉末とともにアンプルに真
空封入され、たとえば、６００　’Ｃ〜７００°Ｃの温
度で所定時間拡散処理が施される。この実施例では拡散
はｎ形ＧａＡｓ層６を越えてｐ形Ｇ　ａ　Ａ　ｎ　Ａ　
ｓ　Ｊｉ５の表層部に達するように行われる。この結果
、直径ａのｐ形の拡散層８が形成されることになる。

この実施例の場合では拡散層８は６０μｍの直径に形成
される。なお、拡散層８は図中点々が施されて示されて
いる。

つぎに、第５図に示されるように、前記絶縁膜１８は除
去される。その後、ウェハ１５の主面全域に下層がＣｒ
で上層がＡｕからなる厚さ１μｍ〜２μｍのアノード電
極９が形成される。

つぎに、前記ウェハ１５の裏面が研磨され、ＧａＡｓ層
１６が除去されるとともに、ＧａＡｉＡＳ層１７も薄く
研磨される。この結果、ウェハ１５はポリッシング等の
鏡面研階工程を経て１００μｍ程度の厚さに形成される
。

これ以後、前記ウェハ１５の裏面、すなわち、最終的に
光を発光する面となる発光面倒１０に加工処理が施され
る。したがって、第５図以降では、ウェハ１５はウェハ
１５の主面の裏面である発光面倒１０を上とした状態で
示す、また、薄く形成されたＧａＡｕＡｓ層１７を、以
後半導体基板（基板）２と称する。

つぎに、前記ウェハ１５の発光面側ＩＯに蒸着によって
順次ＡｕＧｅＮｉ、Ｃｒ、Ａｕが形成される。また、こ
のＡｕＧｅＮｉ−Ｃｒ−Ａｕからなる層は、第５図に示
されるように、常用のホトリソグラフィによってエツチ
ング処理されて、直径がｂとなる半球状レンズ形成用孔
２０を有するカソード電８ｉ１２が形成される。前記半
球状レンズ形成用孔２０は前記拡散層８にそれぞれ対応
して設けられる。したがって、拡散層８の中心部分と半
球状レンズ形成用孔２０の中心は、同図の二点鎖線で示
されるように略一致している。この実施例では、前記半
球状レンズ形成用孔２０の直径すは１５０μｍとなって
いる。

つぎに、前記ウェハ１５のＧ　ａ　Ａ　、ｌ　Ａ　ｓ層
１７の裏面である図では上面となる発光面側１０上には
、その全域にネガティブレジスト（ネガレジスト）が５
μｍ程度の厚さに塗布される。そして、このネガレジス
ト膜２１上には、第６図に示されるように、ホトマスク
２２が密着状態で重ねられ、矢印で示される光２３によ
って露光処理される。

なお、クロスハツチングで示される領域が光２３を遮断
する非透光領域２４である。この非透光領域２４は前記
半球状レンズ形成用孔２０に対応している。

つぎに、ネガレジスト１１！２１は現像処理される。

この結果、第７図に示されるように、半導体基板２の発
光面側１０の表面に設けられたカソード電極１２はネガ
レジスト膜２１によって被われるとともに、半球状レン
ズ形成用孔２０部分の発光面側１０はネガレジスト膜２
１に被われることなく露出する。この部分的なネガレジ
スト膜２１は、後工程のプロキシミティ露光時、前記半
球状レンズ形成用孔２０に対面する領域がホトマスクと
の間に広い間隔を生じさせるために設けられる。

つぎに、第８図に示されるように、前記半導体基板２の
発光面倒１０の全域にはポジティブレジスト（ポジレジ
スト）が６〜８μｍの厚さに塗布される、そして、この
ポジレジスト膜２５は、５００〜１０００μｍと所定の
クリアランスＣを有して配設されたホトマスク２６によ
るプロキシミティ露光法によって露光（感光）される、
前記ホトマスク２６にあって、前記半球状レンズ形成用
孔２０に対応する領域が、クロスハツチングで示される
ように光を透過しない非透光領域２７となっている。こ
の結果、前記半球状レンズ形成用孔２０から外れるポジ
レジスト膜２５の領域部分は、ホトマスク２６を透過し
た光２日によって感光される。また、前記半球状レンズ
形成用孔２０上のポジレジスト膜２５の表面とホトマス
ク２６の下面との間に発生するクリアランスｄは、前記
Ｃなるクリアランスにカソード電極１２の厚さとネガレ
ジストＷＡ２１の厚さを加算した数値となる。そして、
このクリアランスｄが発生する半球状レンズ形成用孔２
０には、二点鎖線で示されるように光が回り込む、この
回り込み光２９は、半球状レンズ形成用孔２００周辺部
で最も多く中央に向かうにつれて弱（なる、したがって
、感光されたポジレジスト＠２５を現像することによっ
て、第９図に示されるように、前記半球状レンズ形成用
孔２０の半導体基板２上には、上面が半球状となるレジ
スト半球部３０が形成される。

つぎに、前記ウェハ１５の上面をドライエツチングする
。ドライエツチングは塩素系による反応性ドライエツチ
ングによって行なわれ、前記レジスト半球部３０がなく
なるまで行なわれる。このとき、半球状レンズ形成用孔
２０は１５０μｍ直径となっていることから、曲率半径
１００μｍの半球面を得るには、たとえばウェハ温度２
５°Ｃの場合、エッチレートはレジスト／ＧａＡｓ＝１
１５であるから、およそレジスト層の厚さを６．６μｍ
としておけばよい、この結果、第１０図に示されるよう
に半球状レンズ形成用孔２０の部分はエツチングされて
曲率半径１００μｍの半球状レンズ１１が形成される。

その後、前記ウェハ１５は樅横に分断され、第１図に示
されるような４００μｍ口の発光ダイオードチップ１が
多数製造される。

このような製造方法によれば、制御３１１性の良いホト
リソグラフィ技術、プロキシミティ露光技術。

ドライエンチング技術によって精度良（かつ再現性良く
発光ダイオードチップｌを製造できるため、品質が安定
した発光ダイオードチップ１を低コストで製造すること
ができる。

つぎに、このような発光ダイオードチップ１を製造する
他の方法について説明する。

（第２実施例〕 第１３図は本発明の第２実施例による発光ダイオード素
子の製造方法を示すフローチャート、第１４図は同じく
発光ダイオード素子を示す断面図、第１５図〜第２０図
は同じく発光ダイオード素子の製造における各工程での
ワークであるウェハを示す断面図であって、第１５図は
基板の発光面側の中央に円形状の台座が形成された状態
を示すウェハの断面図、第１６図は前記カソード電極保
護用のネガレジストが設けられかつ露光された状態を示
すウェハの断面図、第１７図は前記カソード電極上にネ
ガレジストが形成された状態を示すウェハの断面図、第
１８図は前記半導体基板の発光面側にポジレジストが塗
布された状態を示すウェハの断面図、第１９図は前記ポ
ジレジストが回転処理されてポジレジストによって半球
状レジスト部が形成された状態を示すウェハの断面図、
第２０図は前記半導体基板の発光面側に半球状レンズが
形成された状態を示すウェハの断面図である。

この実施例では発光ダイオードチップ３５は、第１３図
のフローチャートに示されるように、多層成長層形成、
拡散領域形成、アノード電極形成台座形成、カソード電
極形成、カソード電極上へのネガレジスト形成、ポジレ
ジストによるレジスト半球部形成、半球状レンズ形成と
連続する工程を経て製造される。製造された発光ダイオ
ードチップ３５は、第１４図に示される構造となってい
る。すなわち、この構造は、前記実施例の場合は半球状
レンズ１１がカソード電極１２に対して引っ込んだ構造
となっているのに対して、この第２実施例の構造では、
半球状レンズがカソード電極よりも突出した構造となっ
ている。この点以外では、第２実施例の発光ダイオード
チップ３５も前記第１実施例のものと各部の構成寸法な
らびに不純物濃度等は全く同じである。したがって、各
部の共通部分は前記実施例と同様の名称および符号を使
用することにする。

ここで、闇単に発光ダイオードチップ３５の構造につい
て説明する。

発光ダイオードチップ３５は、第１４図に示されるよう
に、ｎ形のＧａＡ１Ａｓ　（Ｇａ＋−ｙ　ＡｌＩ３　Ａ
ｓ　；混晶比ｘ＝０．０５）からなる半導体基板２の土
面、同図では下となる面に順次多層成長１１７を有する
とともに、裏面となる同図では上面となっている発光面
倒１０の中央には、直径すがたとえば１５０μｍとなる
領域に曲率半径が１００μｍとなる半球状レンズ１１を
有している。そして、この突出した半球状レンズ１１の
周辺部分は平坦となり、この平坦部分に下層がＣｒで上
層がＡｕからなるカッ−と電極１２を存している。

また、前記多層成長Ｎ７は基板２の主面に順次重なるｎ
形ＧａＡｕＡｓＪｉ３．Ｐ形Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　１１４　
。

ｐ形ＧａＡｌＡｓ層５．ｎ形ＧａＡｓ層６によって構成
されている。そして、前記第１実施例と同様に前記多層
成長層７の表層の中心部分に、前記ｐ形ＧａＡｕＡｓ層
５の途中迄延在する直径６０μｍのＰ形の拡散層８が設
けられている。また、この多層成長層７の表面にはＡｕ
ＧｅＮ１−−Ｐｄ−Ａｕからなるアノード電橋９が形成
されている。

このような発光ダイオードチップ３５にあっては、アノ
ード電極９およびカソード電極１２に所定の電圧を印加
させると、活性層４ともなるｐ形Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　ｉｉ
　４の拡散Ｎ８に対応する領域から光１３を発光する。

この先１３は、発光ダイオードチップ３５の半球状レン
ズ１１からチップ外に放出される。したがって、発光領
域から発光された光１３を半球状レンズ１１によって無
駄なくチップ外に取り出し、チップ１の前方に進行させ
ることができるため、光出力が増大する。また、前記半
球状レンズ１１はレンズの曲率半径が１００μｍと小さ
いことから、光１３は細く絞られるため、光１３の放出
角度が前記第１実施例同様に小さくできる。この結果、
この発光ダイオードチップ３５と外部光学系との結合も
容易になる。さらに、この発光ダイオードチップ３５は
、発光領域から発光された光の絞り込みおよびチップ外
への光取り出し効率が増大するため、輝度が増大する。

つぎに、本発明による発光ダイオードチップ３０の製造
方法について、第１５図〜第２０図を参照しながら説明
する。

この実施例では、第１３図のフローチャートで示される
ように、前半の製造工程は第１実施例と同様であること
から、前半の工程の説明は省略し、ウェハ１５の一面に
アノード電極９が形成されかつウェハ１５が研磨されて
薄くなった状態から説明する。すなわち、第１５図は１
００μｍの厚さとなったウェハ１５の半導体基板２の発
光面倒１０に、常用のホトリソグラフィによって１５０
μｍ直径で高さが１０μｍとなる円形状の台座３６が形
成された状態を示す。この台座３６が半球状レンズ形成
領域３７となる。また、前記台座３６以外の半導体基板
２の発光面倒１０には、厚さ１μｍ〜２μｍのＡｕＧｅ
Ｎ　１−Ｃｒ−Ａｕからなるカソード電極１２が形成さ
れている。なお、前記台座３６の中心と拡散Ｎ８の中心
は、同図の二点鎖線で示されるように略一致している。

つぎに、ウェハ１５の半導体基板２の発光面側ｌＯ上に
は、第１６図に示されるように、その全域にネガティブ
レジスト（ネガレジスト）が５μｍ〜６μｍ程度の厚さ
に塗布される。そして、このネガレジスト膜３日上には
、第１６図に示されるように、ホトマスク３９が密着状
態で重ねられ、矢印で示される光４０によって露光処理
される。

なお、クロスハンチングで示される領域が光４０を遮断
する非透光領域４１である。この非透光領域４１は前記
台座３６に対応している。

つぎに、ネガレジスト膜３８は現像処理される。

この結果、第１７図に示されるように、台座３６上のネ
ガレジスト膜３８は除去される。すなわち、台座３６上
のネガレジスト膜３８は除去され、カソード電極１２上
にはネガレジスト膜３８が残留する。前記カソード電極
１２上のネガレジスト膜３８の上面は台座３６の上面よ
りも数μｍ低く形成される。

つぎに、第１８図に示されるように、前記ウェハ１５の
発光面倒１０の全体には、ポジティブレジスト（ポジレ
ジスト）が塗布されｅなる厚さ、たとえば６μｍ〜８μ
ｍの厚さのポジレジスト膜４２が形成される。前記ポジ
レジスト膜４２は粘度が１００ｃｐとなっている。

つぎに、前記ウェハ１５は前記レジスｌ布時または直後
にスピンナ等によって高速で回転させられる。ウェハ１
５は２０００〜４０００ｒｐｍで回転させられると、ポ
ジレジスト膜４２の粘度が１００ｃｐとなっていること
から、また、台座３６が突出していることから表面張力
によって、第１９図に示されるように、台座３６上に丘
状に盛り上がったレジスト半球部３０が形成される。

このレジスト半球部３０の上面は周囲のネガレジスト膜
３８の上面よりも高くなりかつ数μｍの段差が付いてい
ることから、台座３６上にはｆなる高さのレジスト半球
部３０が形成されることになる。レジスト半球部３０の
高さ［は、たとえば６〜８μｍの高さとなる。

つぎに、前記ウェハ１５の上面をドライエツチングする
。ドライエツチングは、前記第１実施例と同様に塩素系
による反応性ドライエツチングによって行なわれ、前記
レジスト半球部３０がなくなるまで行なわれる。このと
き、台座３６は１５０μｍ直径となっていることから、
曲率半径１００μｍの半球面を得るには、たとえばウェ
ハ温度２５°Ｃの場合、エッチレートはレジスト／Ｇａ
Ａｓ　＝　１　／　５であるから、およそレジスト層の
厚さを６．６μｍとしておけばよい。この結果、第２０
図に示されるように、台座３６、すなわち、半球状レン
ズ形成領域３７の部分はエツチングされて曲率半径１０
０μｍの半球状レンズ１１が形成される。その後、前記
ウェハ１５は縦横に分断され、第１４図に示されるよう
な４００μｍ口の発光ダイオードチップ３５が多数製造
される。

このような製造方法によれば、制御性の良いホトリソグ
ラフィ技術、スピンナー塗布技術９　ドライエツチング
技術によって精度良くかつ再現性良く発光ダイオードチ
ップ３５を製造できるため、品質が安定した発光ダイオ
ードチップ３５を低コストで製造することができる。

これら実施例によれば、つぎのような効果が得られる。

（１）本発明の第１実施例による発光素子の製造方法に
よれば、半導体基板の発光面側に半球状レンズ形成用孔
を設けた後、この半球状レンズ形成用孔部分を周囲のカ
ソード電極上にネガレジスト膜を設けることによって、
その後全域に塗布されたポジレジスト膜を前記半球状レ
ンズ形成用孔に対応する領域だけ低くし、プロキシミテ
ィ露光法時この半球状レンズ形成用孔上のポジレジスト
膜への露光光の回り込みを利用してレジスト半球部を形
成するとともに、このレジスト半球部を投影するように
してドライエツチングによって曲率半径の小さい半球状
レンズを形成する方法となっていることから、それぞれ
制御性の良い確立された技術の使用により、再現性良く
品質の安定した発光ダイオードチップを高歩留りに製造
できるという効果が得られる。

（２）本発明の第２実施例による発光素子の製造方法に
よれば、半導体基板の発光面側に台座を設けた後、この
台座の周囲の高さをネガレジスト膜で形成する際前記台
座よりもわずかに低くし、その後半導体基板の発光面側
全体に所望の粘度を有するポジレジスト膜を塗布しかつ
所望の回転数で回転させることによって前記台座上に中
央が盛り上がったレジスト半球部を形成するとともに、
このレジスト半球部を投影するようにしてドライエツチ
ングによって曲率半径の小さい半球状レンズを形成する
方法となっていることから、それぞれ制御性の良い確立
された技術の使用により、再現性良く品質の安定した発
光ダイオードチップを高歩留りに製造できるという効果
が得られる。

（３）本発明によって製造された発光ダイオードチップ
は、基板の発光面側に半球状レンズが設けられているこ
とから、発光領域から発光された光はこの半球状レンズ
部分で屈折されてチップの前方へ進むようになっている
ため、発光領域から発光された光を半球状レンズにより
無駄なくチップ外に取り出し、チップの前方に進行させ
ることができるため、光出力が増大するという効果が得
られる。

（４）本発明の発光ダイオードチップにあっては、前記
半球状レンズはレンズの曲率半径が１００μｍと小さい
ことから、光は細（絞られるため、光の放出角度を小さ
くできるという効果が得られる。

（５）上記（４）により、本発明の発光ダイオードチッ
プは光の放出角度を小さくできるため、この発光ダイオ
ードチップと外部光学系との結合も容易になるという効
果が得られる。

（６）本発明の発光ダイオードチップは、発光領域から
発光された光の絞り込みおよびチップ外への光取り出し
効率が増大するため、輝度が増大するという効果が得ら
れる。

（７）上記（１）〜（６）により、本発明によれば、輝
度が高く前方向光出力の高い発光ダイオードチップを再
現性良く安価に提供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。

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の製造方法によれば、半
導体基板の発光面側にホトレジストの回り込み露光によ
りレジスト半球部を形成し、このレジスト半球部を投影
するようなエツチングによって半導体基板の発光面側に
１００μｍ半径と小さな半球状レンズを再現性良く製造
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例による発光ダイオード素子
の製造方法を示すフローチャート、第２図は同じく発光
ダイオード素子を示す断面図、 第３図は同じく発光ダイオード素子の製造に使用される
半導体薄板（ウェハ）の主面に多層成長層が形成された
状態を示す断面図、 第４図は同じく前記多層成長層の表層部に拡散領域が形
成された状態を示すウェハの断面図、第５図は同じく前
記半導体基板の主面にアノード’ｉｓを形成しかつ半導
体基板の裏面に中央が円形に抜けたカソード電極が形成
された状態を示すウェハの断面図、 第６図は同じく前記カソード電極が設けられた半導体基
板の発光面側にネガレジストが設けられかつ露光された
状態を示すウェハの断面図、第７図は同じく前記ネガレ
ジストが現像された状態を示すウェハの断面図、 第８図は同じく前記半導体基板の発光面側にポジレジス
トが設けられかつプロキシミティ露光法で露光された状
態を示すウェハの断面図、第９図は同じく前記ポジレジ
ストが現像されて半球状レジスト部が形成された状態を
示すウェハの断面図、 第１０図は同じく前記半導体基板の発光面側がドライエ
ツチングされて半球状レンズが形成された状態を示すウ
ェハの断面図、 第１１図は本発明および従来の発光ダイオード素子の光
出力特性を示すグラフ、 第１２図は不純物濃度に対する光の透過率および電圧の
相関を示すグラフ、 第１３図は本発明の第２実施例による発光ダイオード素
子の製造方法を示すフローチャート、第１４図は同じく
発光ダイオード素子を示す断面図、 第１５図は同じく基板の発光面側の中央に円形状の台座
が形成された状態を示すウェハの断面図、第１６図は同
じく前記カソード電極保護用のネガレジストが設けられ
かつ露光された状態を示すウェハの断面図、 第１７図は同じく前記カソード電極上にネガレジストが
形成された状態を示すウェハの断面図、第１８図は同じ
く前記半導体基板の発光面側にポジレジストが塗布され
た状態を示すウェハの断面図、 第１９図は同じ（前記ポジレジストが回転処理されてポ
ジレジストによって半球状レジスト部が形成された状態
を示すウェハの断面図、第２０図は同じ（前記半導体基
板の発光面側に半球状レンズが形成された状態を示すウ
ェハの断面図である。 １・・・発光ダイオードチップ（チップ）、２・・・基
板（半導体基板）、３・・・ｎ形ＧａＡｌＡｓｔｌ、４
・−−Ｐ形ＧａＡｓ層、ｓ”’ｐ形ＧａＡ１Ａｓ層、６
−ｎ形ＧａＡｓ層、７・・・多層成長層、８・・・拡散
層、９・・・カソード電極、１０・・・発光面側、１１
・・・半球状レンズ、１２・・・アノード電極、１３・
・・光、１５・・・ウェハ（半導体Ｅｌり、１６・・−
Ｃ；ａＡｓ層、１７・・・ＧａＡ吏Ａｓ層、１８・・・
絶縁膜、１９・・・拡散孔、２０・・・半球状レンズ形
成用孔、２１・・・ネガレジスト膜、２２・・・ホトマ
スク、２３・・・光、２４・・・非透光領域、２５・・
・ポジレジスト膜、２６・・・ホトマスク、２７・・・
非透光領域、２日・・・光、２９・・・回り込み光、３
０・・・レジスト半球部、３５・・・発光ダイオードチ
ップ、３６・・・台座、３７・・・半球状レンズ形成領
域、３８・・・ネガレジスト膜、３９・・・ホトマスク
、４０・・・光、４１・・・非透光領域、４２・・・ポ
ジレジスト膜。 第　　１ 図 ゝ６ 第　　７ 図 ２１−８力゛レジ−ストＬ更 ２２−Ｊ・トマス７ 第 図 ２６　３＋トマス２ ３Ｑ−レン゛スト宇デ禾郵 第 図 第 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基板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多層成長層
   を形成する工程と、前記多層成長層の表層部に部分的に
   拡散領域を設ける工程と、前記半導体基板の主面に電極
   を形成する工程と、前記半導体基板の裏面の発光面側に
   中央が円形に抜ける電極を形成する工程と、前記円形に
   抜けた電極を被うようにレジストで被う工程と、前記半
   導体基板の発光面側の裏面に前記レジストとは感光型が
   異なるレジストを設ける工程と、プロキシミティ露光法
   で前記感光型が異なるレジストを露光させた後このレジ
   ストを現像してレジスト半球部を形成する工程と、前記
   レジスト半球部をマスクとして半導体基板の発光面側に
   半球状レンズを形成す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。 ２、半導体基板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多層成長層
   を形成する工程と、前記多層成長層の表層部に部分的に
   拡散領域を設ける工程と、前記半導体基板の主面に電極
   を形成する工程と、前記半導体基板の裏面の発光面側を
   エッチングして中央に円形の台座を形成する工程と、前
   記台座周囲の半導体基板の発光面側に電極を設ける工程
   と、前記電極をレジストで被う工程と、前記半導体基板
   の発光面側全域に前記レジストとは感光型が異なるレジ
   ストを塗布する工程と、前記半導体基板を回転させて前
   記感光型が異なるレジストによって中央が盛り上がった
   レジスト半球部を前記台座上に形成する工程と、前記半
   導体基板の発光面側をドライエッチングして前記台座部
   分を半球状レンズに形成す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。 ３、前記台座の周囲に設けられるレジストの上面は前記
   台座の上面よりも低く形成されることを特徴とする特許
   請求の範囲第２項記載の発光素子の製造方法。