JPH05190901A

JPH05190901A - 半導体発光素子とその製造方法

Info

Publication number: JPH05190901A
Application number: JP680692A
Authority: JP
Inventors: Osamu Yamamoto; 修山本; Kazuaki Sasaki; 和明佐々木; Hiroshi Nakatsu; 弘志中津; Saburo Yamamoto; 三郎山本
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1992-01-17
Filing date: 1992-01-17
Publication date: 1993-07-30

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】表面に所望のレンズ形状を均一に再現性及び
制御性よく製作し、活性領域で発光した光が有効に取り
出され、外部効率を大幅に改善して高輝度の発光素子を
再現性よく実現する。【構成】多数個のレンズ状部３ａを上面に有するレン
ズ集積層３を上部に形成する。ｎ型ＧａＰ基板１の上に
ＧａＰ成長層２やＧａＡｓバッファ層を成長し、エキシ
マレーザ光の光強度分布により原料ガスを分解して基板
１の温度を変化し、光の強い部分の成長速度を大きくし
てレンズ状部３ａを成長する。【効果】光量の分布で成長層厚を自由に制御でき、再
現性よく所望の形状のレンズ状部が得られる。外部効率
を大幅に改善し、高輝度の半導体発光素子が再現性よく
実現される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体発光素子の構成に
関し、より詳しくは外部効率を大幅に改善して発光ダイ
オードの輝度を向上させた半導体発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、発光ダイオード（以下ＬＥＤと記
す）は屋内外の表示デバイスとして脚光を浴びている。
ＬＥＤは高信頼性を有するため、タングステンランプに
代わる光源として各種表示装置に用いられてきた。特
に、ドットマトリックス表示を用いた駅構内の案内板
や、各種広告塔等にも広く用いられ、さらには、道路情
報板等の屋外表示装置や信号灯にも適用されるようにな
った。ＬＥＤは消費電力が低くて済み、ＩＣ駆動により
多彩な図形や文字を赤色から緑色の範囲で表示できる。
使用中、ＬＥＤは維持管理もほとんど必要ないことか
ら、益々その用途が広がっている。

【０００３】しかし、特に屋外で使用されるＬＥＤには
明るさが必要とされる。これに対して、ドットマトリッ
クスの各ドットに用いられるＬＥＤのランプは、複数個
のＬＥＤのチップを搭載している。例えば、道路情報板
の各ドットは十数個から数十個のＬＥＤのチップを用い
て明るさを確保している。このＬＥＤは、チップ自体の
輝度を向上させることで搭載するチップ数を減少させる
ことができ、表示装置全体の消費電力を少なくすること
が可能となる。

【０００４】よく知られているように、ＬＥＤは屈折率
の高い半導体結晶を用いるために、活性領域で発光した
光が結晶と空気やモールド樹脂との界面で全反射を受け
る。このため、光を有効に取り出されないことになる。
いわゆる外部効率の低いことが問題であった。

【０００５】図５はＬＥＤのチップを樹脂で埋め込んだ
場合に、結晶及び樹脂の界面での透過率と、入射角との
依存性を計算したグラフである。ＬＥＤはＰ偏向５１、
Ｓ偏向５２で透過率が異なる。入射角が約２６度の臨界
角５３より大きい角度で界面に入射する光線は全て全反
射され、結晶の外部へは取り出されない。このため、Ｌ
ＥＤの表面をレンズ状に形成して、光の取り出し効率を
向上させる方法が提案されている。

【０００６】図６はマイクロレンズ化したＧａＡｌＡｓ
のＬＥＤの概略図である。（ａ）はその上面図を示し、
（ｂ）は断面図を示す。このＬＥＤは、JAPANESE JOUR
NALOF APPLIED PHYSICS VOL．30，No5B，MAY，１９
９１，PP.L910−L913に記載されたものである。このＬ
ＥＤ１００は、液晶成長の特徴であるメルトバックと再
成長を利用して約１００μｍのレンズ状部を形成し、表
面を凸状にして全反射される光線を減じている。これに
より、光の取り出し効率を高め４倍の高輝度化を達成し
ている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このＬＥＤ１００の製
作方法を順をおって説明する。まず、Ｐ型ＧａＡｓ基板
１０１上にＳｉＯ2膜１０７をスパッタ法で形成し、ホ
トリソグラフィ法で直径１５０μｍの窓を開ける。これ
をＬＰＥ成長炉中でＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓ液により
選択的にメルトバックさせ、半球状のくぼみ１１０を形
成する。次に、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０２、Ｇ
ａＡｓ活性層１０３、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０
４、ＧａＡｓキヤップ層１０５を再成長する。最後に、
基板１０１をレンズ状のＧａＡｌＡｓクラッド層１０２
が露出するまでエッチングし、ｎ型電極１０８、ｐ型電
極１０９を形成して完成する。

【０００８】しかしこの製作方法は、レンズ状部１１１
の形状がメルトバックの性質で一義的に決まるため、自
由に変化させることが難しい。また、製作に際して、メ
ルトバックの条件を厳密に制御するとともに再成長層厚
も制御する必要があり、制御性、再現性に乏しかった。
また、１００μｍに近い再成長層を形成する必要があ
り、成長時間を要した。

【０００９】本発明は上記のような従来の欠点を改良す
るために成されたものであり、その目的は所望のレンズ
状部を均一に制御性よく製作し、活性領域で発光した光
が有効に取り出され、外部効率を大幅に改善して高輝度
の発光素子を再現性よく実現することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光素子
は、基板の上に成長層を積層し表面から発光を取り出す
表面出射型の半導体発光素子であって、表面に多数個の
レンズ状部が形成されたレンズ集積層を上部に積層した
ものであり、そのことにより上記目的が達成される。

【００１１】好ましくは、前記レンズ集積層は、前記レ
ンズ状部の裏面側に部分的に複数個の活性層が形成され
ている。

【００１２】好ましくは、前記活性層は曲率を有する曲
面で形成されている。

【００１３】好ましくは、前記レンズ集積層は前記レン
ズ状部の裏面側に曲率を有する半導体からなる多層反射
層が形成されている。

【００１４】好ましくは、基板の上に成長層を成長する
工程と、エキシマレーザ光の光強度分布により原料ガス
の分解及び基板の温度を変化し、光の強い部分の成長速
度を大きくしてレンズ状部を成長する工程と、を包含す
るものであり、そのことにより上記目的が達成される。

【００１５】

【作用】本発明の半導体発光素子は、表面に小さなレン
ズ状部が多数個形成されたレンズ集積層を上部に積層し
ている。これにより、成長層厚を小さくすることが可能
となり、均一性、制御性、再現性よく製作できる。ま
た、レンズの曲率を大きくすることが出来るため、活性
領域で発光した光は有効に外部に取り出される。

【００１６】この半導体発光素子はｎ型ＧａＰ基板の上
にｎ型ＧａＰ成長層を成長し、エキシマレーザ光の光強
度分布により原料ガスの分解及び基板の温度を変化し、
光の強い部分の成長速度を大きくしてレンズ状部が形成
される。それゆえ、光量の分布により成長層厚を自由に
制御でき、再現性よく所望の形状のレンズ状部が得られ
る。ひいては外部効率を大幅に改善し、高輝度の半導体
発光素子が実現される。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。図
１は、本発明半導体発光素子の一実施例を示す。（ａ）
はその上面図を示し、（ｂ）は断面図を示す。この半導
体発光素子（発光ダイオードＬＥＤ）０は、ｎ型ＧａＰ
基板１の上にｎ型ＧａＰ成長層２、及びｐ型ＧａＰ成長
層３が形成されている。ｐ型ＧａＰ成長層３は、上面に
多数個のレンズ状部３ａを形成したレンズ集積層として
形成される。

【００１８】レンズ状部３ａは図１（ａ）に示すよう
に、例えば角部が円弧状をなす略四角形が多数個密集し
て形成される。レンズ状部３ａの上半部は図１（ｂ）に
示すように、凸レンズに似た略半球殻状に形成される。
また、ｐ型ＧａＰ成長層３の上面のほぼ中央にはｐ型電
極４が形成され、ｎ型ＧａＰ基板１の下面にはｎ型電極
５が形成される。

【００１９】このＬＥＤ０は成長層に窒素をドープして
形成されており、黄緑色の発光が得られる。本構造のＬ
ＥＤ０は光励起ＭＯＣＶＤ装置を用いて製作される。こ
のＬＥＤ０はトリメチルガリウム、ホスフィンにより、
ｎ型ＧａＰ層２を２μｍ成長したのち、エキシマレーザ
光を照射しながらｐ型ＧａＰ成長層３を成長して形成さ
れる。マスク４４の開口は基板２１上で直径２０μｍ、
２５μｍを周期とし、厚い部分での成長層厚を５μｍと
した。レンズ状部３ａは、エキシマレーザ光強度分布に
より原料ガスの分解及び基板２１の温度が変化されるか
ら、光の強い中央部分の成長速度が大きくなりレンズ形
状として形成される。

【００２０】図４は本発明によるＬＥＤ０の製作に用い
る光励起ＭＯＣＶＤ装置４０の主要部分を示す。この光
励起ＭＯＣＶＤ装置４０は、筒状のリアクタ３１の中に
フローチャンネル３２が収容され、フローチャンネル３
２の中に横方向からサセプタ３３が突設されている。リ
アクタ３１の外周壁には高周波コイル３４が卷装され、
周壁上部にはレーザ導入口３７が形成され、周壁側部に
はガス導入口３５、３６が設けられている。また、リア
クタ３１の上方には、エキシマレーザ４１、光量可変フ
ィルタ４２、ミラー４３、マスク４４、光学系４５等が
配置されている。

【００２１】ウエハ３９は、リアクタ３１、フローチャ
ンネル３２の中のサセプタ３３の上に置かれる。サセプ
タ３３及びウエハ３９は高周波コイル３４により所定の
温度に加熱される。リアクタ３１の中にはガス導入口３
５より、成長用ガス、ドーパントガスが供給される。エ
キシマレーザ４１から出射されるレーザ光は、光量可変
フィルタ４２を通過し、ミラー４３により直角に屈曲さ
れて、マスク４４を透過し光学系４５により収束され
て、レーザ導入口３７よりウエハ３９に照射される。

【００２２】マスク４４は光学系４５によりウエハ３９
に所望のマスクパターンを投影し、選択的に光励起によ
る成長を行うことによって形成される。マスク４４とあ
わせて、レーザ光の発振強度や光量可変フィルタ４２を
変化させることによりウエハ３９に入射するレーザ光の
量が変化され、成長層厚が制御される。尚、ガス導入口
３６からＨ2ガスを流しリアクタ３１のレーザ導入口３
７に反応物が付着して、レーザ光が減衰するのを防いで
いる。実験によると、このようにして製作されたＬＥＤ
０は、従来の平坦な表面をもつＬＥＤ０の４倍の輝度を
示した。

【００２３】図２は、本発明半導体発光素子の第２の実
施例を示す。この実施例ではＬＥＤ１０は、ｎ型ＧａＡ
ｓ基板１１の上にｎ型ＧａＡｓバッファ層１２、ｎ型Ｇ
ａ0.5Ａｌ0.5Ａｓ／ＡｌＡｓ層からなる半導体多層反射
層１３、ｎ型Ｇａ0.3Ａｌ0.7Ａｓクラッド層１４、Ｇａ
0.65Ａｌ0.35Ａｓ活性層１５、ｐ型Ｇａ0.3Ａｌ0.7Ａｓ
クラッド層１６、を順次成長して形成されている。

【００２４】ｐ型Ｇａ0.3Ａｌ0.7Ａｓクラッド層１６
は、レーザ光を照射して選択的に光励起による成長を行
うことによって、表面に多数個のレンズ状部１６ａを有
するレンズ集積層１６が形成される。レンズ状部１６ａ
は図（ｂ）に示すように上半部が凸レンズ状に形成さ
れ、図（ａ）に示すように多数個密集して形成される。

【００２５】Ｇａ0.65Ａｌ0.35Ａｓ活性層１５も同様に
レーザ光を照射してレンズ状部１６ａの直下のみ選択的
に光励起による成長を行うことによって、ｐ型Ｇａ0.3
Ａｌ0.7Ａｓクラッド層１６の裏面側に複数個の部分活
性層１５が形成される。このＬＥＤ１０は、中心波長６
６０ｎｍの赤色の発光を示す。レンズ状部１６ａの直下
のみ部分的にＧａ0.65Ａｌ0.35Ａｓ活性層１５を成長さ
せているのは、電極で覆われているため発光しても表面
には取り出せず、さらにレンズ状部１６ａの周辺からレ
ーザ光線はレンズ状部１６ａで反射され、有効に取り出
されないためである。

【００２６】ｎ型電極１７はｎ型ＧａＡｓ基板１１の下
面に形成され、ｐ型電極１８はｐ型Ｇａ0.3Ａｌ0.7Ａｓ
クラッド層１６の上面に形成される。ｐ型電極１８は電
極金属を全面に蒸着したのちレジストを塗布し、レンズ
状部１６ａの塗布厚みが薄いのを利用してレンズ状部１
６ａのみ取り去った。レンズ状部１６ａ以外が電極で覆
われており、均一に電流が注入される利点がある。ま
た、ｐ型クラッド層１６の厚みは高濃度でドーピングし
たり、厚く成長する必要がない。このＬＥＤ１０を５ｍ
ｍφランプにモールド実装したところ、２０ｍＡの順方
向電流で１０カンデラと従来にない高い輝度を示した。

【００２７】図３は、本発明半導体発光素子の第３の実
施例を示す。この実施例ではＬＥＤ１０は、ｎ型ＧａＡ
ｓ基板２１上にｐ型ＧａＡｓバッファ層２２、ｎ型Ｇａ
0.5Ａｌ0.5Ａｓ／ＡｌＡｓ層からなるＩｎＧａＡｌＰ半
導体多層反射層２３、ｐ型Ｉｎ0.5（Ｇａ0.3Ａｌ0.7）
0.5Ｐクラッド層２４、Ｉｎ0.5（Ｇａ0.5Ａｌ0.5）Ｐ活
性層２５、ｎ型Ｉｎ0.5（Ｇａ0.3Ａｌ0.7）0.5Ｐクラッ
ド層２６、ｎ型ＧａＡｌＡｓキャツプ層２７がこの順に
積層されている。ｎ型ＧａＡｌＡｓキャツプ層２７の上
にはｎ型電極２８が形成され、ｎ型ＧａＡｓ基板２１の
下面にはｐ型電極２９が形成される。

【００２８】この実施例では、ＬＥＤ２０は次のように
製作される。ｐ型ＧａＡｓバッファ層２２は、ｐ型Ｇａ
Ａｓ基板２１の上にレーザ光を照射して、部分的に薄く
なるようにｎ型ＧａＡｓ基板２１の温度を比較的高温に
して成長される。これはレーザ光を照射した部分の温度
が上昇し、再蒸発が活発になることにより生じる。

【００２９】次に、ＩｎＧａＡｌＰ半導体多層反射層２
３を積層し、さらにｐ型Ｉｎ0.5（Ｇａ0.3Ａｌ0.7）0.5
Ｐクラッド層２４をレーザ光を照射しながら、ｎ型Ｇａ
Ａｓ基板２１の温度を比較的低温で成長し、成長表面が
凸状になるよう形成される。

【００３０】さらに、Ｉｎ0.5（Ｇａ0.5Ａｌ0.5）Ｐ活
性層２５、ｎ型Ｉｎ0.5（Ｇａ0.3Ａｌ0.7）0.5Ｐクラッ
ド層２６、ｎ型ＧａＡｌＡｓキャツプ層２７を順次成長
した。ｎ型ＧａＡｌＡｓキャップ層２７は、レンズ状部
２４ａをエッチングで除去し、ｎ型電極２８、ｐ型電極
２９が形成される。ｐ型ＧａＡｓクラッド層２４が曲率
を有するため、その上の層もこの曲率に従って表面はレ
ンズ状に形成される。Ｉｎ0.5（Ｇａ0.5Ａｌ0.5）Ｐ活
性層２５から表面に向かう光線は、レンズ状部２４ａの
表面におおよそ垂直に入射するため有効に取り出され
る。このＬＥＤ２０を５ｍｍφのランプにモールド実装
したところ、３カンデラの中心波長５６５ｎｍの緑色発
光が得られた。

【００３１】本発明は半導体発光素子を構成する材料
や、半導体発光素子の波長を限ることなく適用できる。
例えば、ＧａＡｓ系やＺｎＳＳｅ系、ＺｎＣｄＳＳｅ
系、ＩｎＧａＡｓＰ系の各材料のＬＥＤに適用出来る。
また、エキシマレーザの代わりにアルゴンイオンレー
ザ、ＨｅーＮｅレーザ、各種レーザのＳＨＧ光、ＴＨＧ
光並びにハロゲンランプ等を単独で、また組み合わせて
使うことが出来る。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、表面に小さなレンズ状
部が多数個形成されたレンズ集積層を上部に積層したこ
とにより、活性領域で発光した光は結晶と空気やモール
ド樹脂との界面で全反射を受け、有効に取り出される。
従って、外部効率を大幅に改善し、高輝度の半導体発光
素子が再現性よく実現される。また、成長層厚を小さく
することが可能となり、均一性、制御性、再現性よく製
作できる。

【００３３】なお、請求項２に記載のものでは、その活
性層から表面に向かう光線は、レンズ部の表面に垂直に
入射され、有効に取り出される。

【００３４】請求項３に記載のものでは、部分的な活性
層が曲率を有する曲面で形成され、その上の層もこの曲
率に従って表面はレンズ状に形成される。

【００３５】請求項４に記載のものでは、多層反射層は
凹面鏡の働きをして、光を表面から有効に取り出され
る。

【００３６】請求項５に記載のような製造方法によれ
ば、光の強い部分の成長速度を大きくしてレンズ形状が
成長され、光量の分布により成長層厚を自由に制御で
き、再現性よく所望の形状のレンズ状部が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明半導体発光素子の第一の実施例を示す概
略図。

【図２】本発明半導体発光素子の第二の実施例を示す概
略図。

【図３】本発明半導体発光素子の第三の実施例を示す概
略図。

【図４】本発明半導体発光素子の製造装置を示す断面
図。

【図５】透過率の入射角度依存性を説明する図。

【図６】従来の半導体発光素子を示す概略図。

【符号の説明】

０１０２０発光ダイオード（ＬＥＤ）１ＧａＰ基板２ｎーＧａＰ成長層、３ｐーＧａＰ成長層、４１８２９ｐ型電極５１７２８ｎ型電極１１２１ＧａＡｓ基板、１２２２バッファ層１３２３半導体多層反射層１４２６ｎークラッド層１５２５活性層１６２４ｐークラッド層２７キャップ層３０ウエハー３１リアクター３２フローチャネル３３サセプタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山本三郎大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板の上に成長層を積層し表面から発光
を取り出す表面出射型の半導体発光素子であって、表面
に多数個のレンズ状部が形成されたレンズ集積層を上部
に積層した半導体発光素子。
【請求項２】前記レンズ集積層は、前記レンズ状部の
裏面側に部分的に複数個の活性層が形成された請求項１
に記載の半導体発光素子。
【請求項３】前記活性層は、曲率を有する曲面で形成
された請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】前記レンズ集積層は、前記レンズ状部の
裏面側に曲率を有する半導体からなる多層反射層を形成
した請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項５】基板の上に成長層を成長する工程と、照射する光の光強度分布により原料ガスの分解及び基板
の温度を変化し光の強い部分の成長速度を大きくしてレ
ンズ状部を成長する工程と、を包含する半導体発光素子の製造方法。