JPH05291556A

JPH05291556A - 半導体発光装置

Info

Publication number: JPH05291556A
Application number: JP8865092A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Kusumi; 之博楠見
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1992-04-09
Filing date: 1992-04-09
Publication date: 1993-11-05

Abstract

(57)【要約】【目的】発光素子アレイ上に空間光変調素子又は他の
発光素子アレイをモノリシックに集積化することがで
き、空間光変調素子との間で２次元方向の集積度を向上
させることができる半導体発光装置を提供する。【構成】低濃度にドーピングされた第１半導体層１２
の表面に選択的に高濃度にドーピングすることにより、
第１及び第２の半導体領域１３，１４を形成する。そし
て、これらの第１及び第２の半導体領域１３，１４を挟
む２位置に選択的に不純物を注入して高抵抗領域１５を
形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ニューロチップ等の
光を情報とする大規模な光情報処理装置に使用され、ベ
クトルと行列のマトリクス乗算を大規模に行うのに必要
とされる２次元方向に広がりを持つ入力光を出力する半
導体発光装置に関し、特に半導体発光素子を高密度に集
積化することが可能な半導体発光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の光ニューロチップとしては、発光
素子アレイ、空間光変調素子及び受光素子アレイを個別
に形成し、これらを樹脂により接続して構成されたもの
が報告されている（特開平2-226127）。図４はこの従来
の光ニューロチップの構造概念図を示す。図４におい
て、発光部４１は細線状の発光ダイオードアレイ４１ａ
を有する。そして、空間光変調部４２は発光部４１から
の２次元並列光を変調する。受光部４３は空間光変調部
４２で変調された光を受光する細線状のフォトダイオー
ドアレイ４３ａを有する。電気絶縁層４４は発光部４１
と空間光変調部４２との間及び空間光変調部４２と受光
部４３との間を絶縁する絶縁層であり、光学的には透明
な電気絶縁層である。

【０００３】上述の如く、従来の半導体発光装置には、
図４の発光素子アレイ４１ａに示すように、２次元方
向、即ち発光素子アレイ４１ａの素子配列方向及びこの
方向に直交する方向に広がりを持つ光を発光する発光部
４１として、細線状の発光ダイオードを２次元配列した
発光素子アレイが使用されている。この発光素子アレイ
４１ａにおいては、図３の構造断面図に示すように、例
えば、ｐ型半導体層のオーミック電極３１として金属薄
膜ＡｕＺｎと、例えば、ｎ型半導体層のオーミック電極
３５として金属薄膜ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕとが素子の上
部と下部に分かれて設けられている。

【０００４】この図３に示す従来技術に係る発光ダイオ
ードは、構成材料としてＡｌＧａＡｓを使用した場合の
ものである。即ち、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層３４の表面に、
絶縁層３２を設け、その所定の領域を開口した後、この
絶縁層３２をマスクとしてｐ型不純物を注入することに
より、ｐ型ＡｌＧａＡｓ領域３３がｎ型ＡｌＧａＡｓ層
３４の表面に形成されている。また、このｎ型ＡｌＧａ
Ａｓ層３４の表面上には、ＡｕＺｎからなるオーミック
電極３１がパターン形成されており、ｎ型ＡｌＧａＡｓ
層３４の下面にはＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるオーミ
ック電極３５が形成されている。

【０００５】このように構成された発光素子において
は、電流はＡｕＺｎからなるオーミック電極３１からｐ
型ＡｌＧａＡｓ領域３３及びｎ型ＡｌＧａＡｓ層３４内
に注入され、オーミック電極３５から引き出される。

【０００６】このような断面構造の発光素子でｐ型Ａｌ
ＧａＡｓ領域３３の部分を紙面に垂直の方向に延びる細
線状に形成したものが細線状発光ダイオードであり、こ
の細線状発光ダイオード素子を２次元配列したものが発
光素子アレイである。従来の光ニューロチップでは、こ
のような構造の発光素子アレイ１層が半導体発光装置と
して利用されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
半導体発光装置では、発光素子として第１半導体層のオ
ーミック電極３１と第２半導体層のオーミック電極３５
とが、素子の上部と下部に分れた構造の発光ダイオード
を使用しているため、電極の形成に金属薄膜（ＡｕＺｎ
層）と絶縁層３２とを使用する必要があった。このた
め、絶縁膜及び金属薄膜の上に半導体薄膜をモノリシッ
クに集積することができず、半導体薄膜製の空間光変調
素子をモノリシックに集積化することが困難であるとい
う問題点がある。

【０００８】また、光学的に透明な電気絶縁層３２が介
在しているため、１要素の発光素子と空間光変調素子の
距離を短くすることができず、発光素子からの光を信号
処理に利用するには強い発光強度が必要になるため、発
光素子が大きくなって、発光装置全体の集積度が上がら
ないという問題点がある。

【０００９】一方、空間光変調素子については、高集積
化が可能な半導体薄膜製の空間光変調素子が提案されて
いる。このため、空間光変調素子とモノリシックに集積
可能で２次元方向の高集積化が可能な発光装置が要望さ
れている。

【００１０】また、従来の発光装置は素子下面（裏面）
に全面に亘って金属のオーミック電極３５が形成されて
いるため、この金属電極３５が反射膜として作用する。
このため、発光素子アレイを３次元方向に集積化するこ
とが困難であるという問題点もある。

【００１１】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、発光素子アレイ上に空間光変調素子又は他
層に設けた発光素子アレイをモノリシック集積化するこ
とを可能にし、空間光変調素子との間で２次元方向の集
積度の向上を可能にすることができる半導体発光装置を
提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体発光
装置は、低濃度（例えば、１０¹⁶ｃｍ^-3〜５×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3）にドーピングされた第１半導体層の表面に選択的
に高濃度（例えば、１０¹⁸ｃｍ^-3以上）にドーピングさ
れて形成された第１及び第２の半導体領域と、これらの
第１及び第２の半導体領域を挟む２位置に選択的に不純
物を注入して形成された高抵抗領域とから構成された半
導体発光素子を有することを特徴とする。

【００１３】そして、前記半導体発光素子は隣接するも
の同士が前記高抵抗領域を共通にして１の方向に複数個
並列されて発光素子アレイが構成されていることが好ま
しい。また、前記発光素子アレイは、バッファ層を介し
て複数層積層されていることが好ましい。

【００１４】

【作用】本発明に係る半導体発光装置においては、高濃
度にドーピングされた第１及び第２の半導体領域を電極
として利用し、この高濃度にドーピングされた第１及び
第２の半導体領域間の領域を発光素子とする。そして、
この発光素子を２次元方向に集積化して発光素子アレイ
を構成している。また、本発明の半導体発光装置におい
ては、隣接する発光素子間の領域に選択的に不純物を注
入することにより形成した高抵抗領域により前記発光素
子間を電気的に分離している。更に、前記発光素子アレ
イが形成されている複数の層をバッファ層を介して積層
することもできる。この場合に、各層の発光素子アレイ
の発光波長を、同一にしても良いし、相互に異ならせて
も良い。

【００１５】本発明に係る半導体発光装置においては、
例えば高濃度にドーピングされた細線状の第１半導体領
域をｎ型電極、このｎ型電極に向かい合わせに配置され
高濃度にドーピングされた細線状の第２半導体領域をｐ
型電極として、両電極間にｐ型電極が正となる順バイア
ス電圧を印加する。このｐ型電極から注入された電流は
ｐｎ接合部を通り、ｎ型電極部に引き出され、両電極間
に所定のしきい値電圧以上の電圧を印加すると、前記ｎ
型電極と向かい合う前記ｐ型電極の周辺の細線状のｐｎ
接合部で発光し、１対のｐ型及びｎ型電極間で発光素子
を形成することができる。

【００１６】選択的に不純物を注入することにより形成
された高抵抗領域は、１対の細線状ｐ型電極及び細線状
ｎ型電極を挟む位置に形成されており、この１対の電極
が形成された領域を他の電極対が形成された領域から電
気的に分離することにより、発光素子アレイを構成して
いる。このように構成される半導体発光装置は同一の半
導体層で形成されているため、この半導体層の上に半導
体層をエピタキシャル成長によって形成することが可能
である。従って、半導体層で構成された空間光変調素子
とモノリシックに形成することが可能になる。また、各
層の発光素子アレイを同様の構造ではあるが、その構成
元素を別のものにすることにより、異なった発光波長の
発光装置をモノリシックに集積形成することもできる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例について添付の図面を
参照して具体的に説明する。

【００１８】図１（ａ），（ｂ）は本発明の第１の実施
例に係る半導体発光装置を示し、（ａ）はその模式的平
面図、（ｂ）は同じくその破断斜視図である。

【００１９】図１において、ＧａＡｓ基板１０上に、バ
ッファ層１１を構成するノンドープＧａＡｓバッファ層
１１ａと、その上にノンドープＧａ_0.65Ａｌ_0.35Ａｓバ
ッファ層１１ｂとが積層形成されている。そして、この
バッファ層１１ｂの上に、２×１０¹⁶〜５×１０¹⁷ｃｍ
^-3のキャリア密度を有するｎ型Ｇａ_0.65Ａｌ_0.35Ａｓ半
導体層１２が、ＭＢＥ（分子線エピタキシ成長法）又は
ＭＯＣＶＤ（有機金属化学的気相成長法）によりエピタ
キシャル成長している。この半導体層１２の表面には、
選択拡散法又はイオン注入法によって、Ｚｎを最大１０
¹⁹ｃｍ^-3のドーズ量で選択的にドーピングすることによ
り、高濃度にドーピングされた複数個の細線状の半導体
領域１３が形成されている。

【００２０】また、これらの半導体領域１３が形成され
た半導体層１２の表面には、選択拡散法又はイオン注入
法によって、くし形状をなす高濃度半導体領域１４が形
成されている。この半導体領域１４は、半導体層１２の
表面に、Ｓｉ又はＳを最大１０¹⁸ｃｍ^-3のドーズ量で選
択的にドーピングすることによりパターン形成されてい
る。これらの高濃度半導体領域１３，１４は、ドーピン
グ後、熱処理によってドーパントの活性化を行ってい
る。

【００２１】これらの各対の半導体領域１３，１４が向
かい合う領域により、半導体発光素子の発光領域が形成
される。そして、この各発光素子における発光領域を除
く部分の半導体領域１３と半導体領域１４との間の領域
に、くし形状をなす高抵抗領域１５が形成されている。
この高抵抗領域１５は、半導体層１２の表面にＨ⁺イオ
ン又はＯ⁺イオンを注入することにより形成することが
できる。このようにして、この高抵抗領域１５により電
気的に絶縁分離された発光素子が構成される。

【００２２】これらの発光素子を１の方向に多数配列し
て細線状ＬＥＤアレイが形成され、更にこの発光素子ア
レイをその配列方向に直交する方向に複数個配置するこ
とにより、２次元的に広がる領域に発光素子が配置され
た発光装置が構成される。この発光装置の上方に空間光
変調装置を設け、更にこの空間光変調装置の上方に受光
装置を設けることにより光ニューロチップが完成する。

【００２３】このように構成された発光装置において
は、高濃度にドーピングされた半導体領域１３をｐ⁺型
電極とし、高濃度にドーピングされた半導体領域１４を
ｎ⁺型電極として両電極間に順方向バイアス電圧を印加
する。これにより、半導体領域１３と半導体領域１４と
が対向する領域から発光波長が660nmの光が出射され、
発光ダイオード（ＬＥＤ）が得られる。ｎ⁺型電極（半
導体領域１４）は各素子共通に同一電位で利用し、ｐ⁺
型電極（半導体領域１３）に個別的に印加する電圧Ｖ⁺
の大きさに応じて各発光素子の発光強度を独立して変え
ることが可能である。

【００２４】また、この発光装置の上方に設けられる空
間光変調装置の集積度が高いために、発光素子の各要素
の大きさを小さくする必要がある場合には、本実施例の
発光装置の製造工程において、ｐ⁺型電極用半導体領域
１３、ｎ⁺型電極用半導体領域１４及び高抵抗領域１５
の形成時に、各工程に必要な不純物を集束するイオンビ
ーム描画装置を利用すればよい。

【００２５】次に、図２を参照して本発明の第２の実施
例について説明する。この実施例は、２層以上の半導体
発光装置を、同じく半導体で作成した空間光変調装置に
モノリシックに集積したものである。但し、図２は半導
体発光装置を２層に積層した実施例である。

【００２６】このように、半導体発光装置を２層に積層
した場合は２系統の入力光を独立に利用することが可能
になり、光情報処理装置を高機能化することができる。
この場合に、２層の半導体発光装置の発光波長は同一で
もよい。

【００２７】その場合は、図２に示すように、ＧａＡｓ
基板１０の上に、図１に示すものと同様の半導体発光装
置１６ａを形成し、この半導体発光装置１６ａの上にノ
ンドープのＧａ_0.65Ａｌ_0.35Ａｓ層をバッファ層２１と
してエピタキシャル成長させる。その後、このバッファ
層２１の上に半導体発光装置１６ａと同一構造の半導体
発光装置１６ｂを作製する。

【００２８】一方、２層の半導体発光装置１６ａ，１６
ｂの発光波長が異なる場合には、例えば、第１層目の半
導体発光装置１６ａを以下のようにして形成する。以
下、この第１層目の半導体発光装置１６ａの製造工程に
ついて、図１（ｂ）を参照して説明する。先ず、ＧａＡ
ｓ基板１０上にバッファ層１１として単層のノンドープ
ＧａＡｓ層を形成し、このバッファ層１１の上に、２×
１０¹⁶〜５×１０¹⁷ｃｍ^-3のキャリア密度を有するｎ型
ＧａＡｓからなる半導体層１２をＭＢＥ又はＭＯＣＶＤ
によりエピタキシャル成長する。

【００２９】このエピタキシャル半導体層１２に選択拡
散又はイオン注入によって細線状の領域にＺｎを最大１
０¹⁹ｃｍ^-3のドーズ量でドーピングし、高濃度にドーピ
ングされたｐ⁺型電極半導体領域１３を形成する。続い
て、選択拡散法又はイオン注入によって、くし形状の領
域にＳｉ又はＳを最大１０¹⁸ｃｍ^-3のドーズ量でドーピ
ングし、高濃度にドーピングされたｎ⁺型電極半導体領
域１４を形成する。そして、熱処理によってドーパント
の活性化を行った後、所定の領域にＨ⁺イオン又はＯ⁺イ
オンを注入することにより、高抵抗領域１５を形成す
る。これにより、発光波長900nmの細線状ＬＥＤアレイ
からなる発光装置１６ａが形成される。

【００３０】次いで、図２に示すように、この発光装置
１６ａの層の上にノンドープのＧａ_0.65Ａｌ_0.35Ａｓか
らなるバッファ層２１を形成する。そして、このバッフ
ァ層２１の上に、図１の実施例で説明した種類の層構成
を有する半導体発光装置１６ｂを積層し、２層の半導体
発光装置を得る。

【００３１】続いて、半導体発光装置１６ｂの上に、ノ
ンドープのＧａ_0.65Ａｌ_0.35Ａｓからなるバッファ層２
１ａをＭＢＥ又はＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成
長し、このバッファ層２１ａの上に、半導体で構成した
空間光変調素子２２の層をモノリシックに積層する。そ
して、バッファ層２１ｂを空間光変調素子２２の上に形
成し、更にバッファ層２１ｂの上に受光装置２３を形成
する。これにより、光ニューロチップが完成する。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本願発明に係る半導
体発光装置においては、素子構造を、低濃度にドーピン
グされた第１半導体層の同一面内に選択的に高濃度にド
ーピングすることにより形成された第１及び第２の半導
体領域と、選択的に不純物を注入することにより形成さ
れた高抵抗領域とから構成するので、空間光変調素子と
モノリシックに集積可能であり、２次元方向に高集積化
することができる。このため、本発明は、光を情報とす
る大規模な２次元情報処理に必須の大容量の入力装置を
提供することができる。また、本発明によれば、発光素
子アレイを３次元方向に集積化することができるので、
複数系統の入力光を独立に利用することが可能になり、
光情報処理装置を高機能化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る半導体発光装置を
示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は破断斜視図で
ある。

【図２】本発明の第２の実施例に係る半導体発光装置を
示し、２層以上の半導体発光装置を半導体で形成した空
間光変調装置にモノリシックに集積化する際の概念図で
ある。

【図３】従来の代表的な発光ダイオードを示す断面図で
ある。

【図４】従来の光ニューロチップの構造を示す破断斜視
図である。

【符号の説明】

１０；基板１１，１１ａ，１１ｂ；バッファ層１２；低能度にドーピングされた第１半導体層１３；高濃度にドーピングされた第２半導体領域１４；高濃度にドーピングされた第１半導体領域１５；不純物を注入された高抵抗領域１６，１６ａ，１６ｂ；半導体発光装置２１，２１ａ，２１ｂ；バッファ層２２；空間光変調装置２３；受光装置３１；ｐ型層のオーミック電極３２；絶縁層３３；ｐ型ＡｌＧｓＡｓ３４；ｎ型ＡｌＧａＡｓ３５；ｎ型層オーミック電極ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ４１；発光部４１ａ；細線状の発光ダイオードアレイ４２；空間光変調部４３；受光部４３ａ；細線状フォトダイオードアレイ４４；光学的には透明な電気絶縁層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】低濃度にドーピングされた第１半導体層
の表面に選択的に高濃度にドーピングされて形成された
第１及び第２の半導体領域と、これらの第１及び第２の
半導体領域を挟む２位置に選択的に不純物を注入して形
成された高抵抗領域とから構成された半導体発光素子を
有することを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】前記半導体発光素子は隣接するもの同士
が前記高抵抗領域を共通にして１の方向に複数個並列さ
れて発光素子アレイが構成されていることを特徴とする
請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項３】前記発光素子アレイは、バッファ層を介
して複数層積層されていることを特徴とする請求項２に
記載の半導体発光装置。