JPH05299633A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体発光素子アレイ上に空間光変調素子を
モノリシック集積化することを可能にし、空間光変調素
子との間の間隔を短くすることにより発光素子の１要素
の大きさを小さくすることができ、２次元方向に高密度
に集積化す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されて第１及び第
２の半導体領域１３，１４が形成されている。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が形成されてい
る。このように構成された半導体発光素子が２次元的に
１組以上配列して発光部１６が構成され、この発光部１
６の上に設けたノンドープのバッファ層１１ａを介して
半導体多層膜反射部の超格子層１７が形成されている。

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、これらを合成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４１
ａ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４
１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、細線状の発
光ダイオードを線幅方向に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５の構造断面図に示すように、ｐ型第１半導体層のオ
ーミック電極５１と、ｎ型第２半導体層のオーミック電
極５５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５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５４の表面に、
絶縁層５２を設け、その所定の領域を開口した後、この
絶縁層５２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５３がｎ型ＡｌＧａＡｓ層
５４の表面に形成されている。また、このｎ型ＡｌＧａ
Ａｓ層５４の表面上には、ＡｕＺｎからなるｐ型層のオ
ーミック電極５１がパターン形成されており、ｎ型Ａｌ
ＧａＡｓ層５４の下面にはＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからな
るｎ型層のオーミック電極５５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ｐ型層のオーミック電極５
１からｐ型ＡｌＧａＡｓ領域５３及びｎ型ＡｌＧａＡｓ
層５４内に注入され、ｎ型層のオーミック電極５５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５３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５１と第２半導体層のオーミック電極５５
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、電極の形成の必要上、ｎ型ＡｌＧ
ａＡｓ層５４の表面及び裏面に金属薄膜及び絶縁膜を設
ける必要がある。この絶縁膜及び金属薄膜の上には、半
導体薄膜をモノリシックに集積することができないた
め、半導体薄膜製の空間光変調素子を発光装置上にモノ
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、半導体発光装置と空間光変調装置と
の間に光学的に透明な電気絶縁層が介在しているため、
１要素の半導体発光素子と空間光変調素子との間の距離
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。このため、
半導体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】更に、従来の半導体発光装置では、発光部
から出てくる光のうち、上方以外の方向へ広がって出て
いく光を反射する領域がないために、発光領域が近接す
ると、隣の発光領域から出てくる光との間でクロストー
クが生じる。これが発光素子の間隔を短くすることを制
限する要因になっているため、発光領域を２次元方向に
高密度に集積することが困難であるという問題点があっ
た。

【００１０】一方、空間光変調素子については、従来、
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。

【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、半導体発光素子アレイ上に空間光変調素子
をモノリシック集積化することを可能にし、空間光変調
素子との間の間隔を短くすることにより発光素子の１要
素の大きさを小さくすることができ、２次元方向に高密
度に集積化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１組の半導体
発光素子が構成され、この半導体発光素子が２次元的に
１組以上配列して構成された発光部と、この発光部の上
に設けられたノンドープのバッファ層と、このバッファ
層の上に選択的に設けられた超格子構造の半導体多層膜
反射部と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。

【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】また、本発明においては、前記発光部の上
に、ノンドープの半導体バッファ層が積層されており、
このバッファ層上には、その発光領域の直上域を除いた
領域等に選択的に超格子構造の半導体多層膜反射部が設
けられているので、この半導体多層膜反射部により隣の
発光領域からの光が遮断され、光信号のクロストークを
防止することができる。このため、発光素子間の間隔を
更に一層小さくして、その高集積化を図ることができ
る。

【００１６】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型電極の下方の細線状の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。

【００１７】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、前記半導体層のエピタキ
シャル成長による形成が可能である。従って、この半導
体発光装置は、半導体層で構成された半導体多層膜反射
部及び空間光変調素子とモノリシックに形成し、集積す
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。

【００１８】そこで、発光部の上にノンドープ半導体層
からなるバッファ層を積層し、発光部と電気的に絶縁す
る。この上に高屈折率層を交互に積層した超格子構造で
ある半導体多層膜反射部を全面に成膜する。各層の材料
及び厚さ並びに層数は、発光波長に対して例えば９５％
以上の反射率を有するように設計することができる。こ
の超格子構造のうち、発光領域上部の部分は、超格子構
成元素又は不純物元素を拡散させて混晶領域とする。こ
の混晶領域は、多層膜構造が壊れているため、光を取り
出すための窓領域として働く。１つの発光領域からでた
光は、その直上方向に向かうものは、前記窓領域を通過
して外部に出るが、横方向へ広がった光は前記半導体多
層膜反射部により反射して外部には出ない。このため、
隣の発光領域から出てくる光とのクロストークを防止す
ることができる。この半導体多層膜反射部及び窓領域は
同一の半導体層で形成されているため、この上に半導体
層のエピタキシャル成長が可能であり、この上に３次元
方向に、即ち素子の厚さ方向にモノリシックに半導体空
間光変調装置を形成することができる。

【００１９】

【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。

【００２０】図１は本発明の実施例に係る半導体発光装
置の構造を示す断面図、図２（ａ），（ｂ）は同じくそ
の発光部の構造を示し、（ａ）はその模式的平面図、
（ｂ）は同じくその破断斜視図、図３は同じくその半導
体多層膜反射部及び窓領域の構造を示す断面図である。

【００２１】図１において、ＧａＡｓ基板１０上には、
ノンドープＧａＡｓからなるバッファ層１１が形成され
ており、このバッファ層１１の上には、２×１０¹⁶〜５
×１０¹⁷ｃｍ^-3のキャリア密度を有するｎ型ＧａＡｓ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
キシャル成長されている。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
１０¹⁹ｃｍ^-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ｐ
⁺型半導体領域１３が形成されている。

【００２２】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。

【００２３】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規定される。

【００２４】これらのバッファ層１１、半導体層１２、
半導体領域１３，１４及び高抵抗領域１５により発光素
子が構成され、これらの発光素子を１の方向に多数配列
して発光波長が900nmの細線状ＬＥＤ発光素子アレイが
構成される。

【００２５】この発光部１６の上には、ＭＢＥ法又はＭ
ＯＣＶＤ法により、例えばノンドープＧａＡｓからなる
バッファ層１１ａが例えば0.1μｍ以下の厚さで形成さ
れている。そして、このバッファ層１１ａの上に、ノン
ドープの超格子層１７が積層されている。この超格子層
１７は、例えばＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓからなる63nmの厚さ
の高屈折率層３１と、ＡｌＡｓからなる74nmの厚さの低
屈折率層３２との組を２５組積層した構造を有し、発光
波長900nmの光に対する反射膜として機能する半導体多
層膜反射層３０である。そして、この超格子層１７（半
導体多層膜反射層３０）における発光部１６の発光領域
の直上の領域にのみ選択的にＺｎを拡散することによっ
て、この部分における超格子層構造が混晶化されてい
る。この混晶化により、多層膜反射層３０の超格子構造
が破壊され、この部分が反射部として機能せず、光を取
り出すための窓領域１８となっている。超格子層１７の
上には、多層膜反射層３０の表面を保護するために、10
nmの厚さのＧａＡｓキャップ層１９が形成されている。

【００２６】このキャップ層１９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
（いずれも図示せず）を設けることにより光ニューロチ
ップが完成する。

【００２７】このように構成された半導体発光装置にお
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１
４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１
４とが対向する領域から発光波長が900nm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。

【００２８】この発光領域から出射された光は広がって
進行するが、発光部１６の上にバッファ層１１ａを介し
て設けられた超格子層１７により発光領域の直上域以外
の部分で反射し、横方向に広がった光は超格子層１７の
上には出ない。一方、発光領域の直上域に向かう光は、
窓領域１８を通過して超格子層１７の上方に出る。これ
により、発光部の各発光領域から上方に向かう光のみが
空間光変調装置に入射する。このため、隣の発光領域か
ら出た光との間のクロストークを防止することができ
る。

【００２９】なお、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。

【００３０】

【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、本願発明に係る半
導体発光装置は、発光部を半導体多層膜反射層及び空間
光変調素子と３次元方向にモノリシックに集積化できる
と共に、発光素子の１要素の大きさを小さくすることが
できる。従って、本願発明による半導体発光装置は多数
の発光領域を２次元方向に高密度に集積することが可能
になる。

【００３１】また、本願発明に係る半導体発光装置は、
発光領域を含む層の上に半導体のバッファ層を積層し、
更にその上に発光領域の直上域以外の領域に超格子構造
の半導体多層膜反射部を設けることによって、光源から
横方向に広がった光の成分が出力されることを防止する
ことができる。このため、隣の発光領域から出てくる光
との間でクロストークを防止することができる。従っ
て、本願発明に係る半導体発光装置は、発光素子間の間
隔を狭くして、２次元方向に高密度に集積化することが
できる。

【００３２】更に、本発明によれば、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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る半導体発光装置の構造を
示す断面図である。

【図２】同じくその発光部を示す図であり、（ａ）は平
面図、（ｂ）は破断斜視図である。

【図３】同じくその半導体多層膜反射部を示す断面図で
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。

【図５】従来の代表的な発光ダイオードの構造を示す断
面図である。

【符号の説明】

１０；基板 １１，１１ａ；バッファ層 １２；低濃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；本願発明の半導体発光装置の発光部 １７；超格子層（半導体多層膜反射部） １８；窓領域（混晶領域） １９；キャップ層 ３０；半導体多層膜反射層 ３１；高屈折率層 ３２；低屈折率層 ４１；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 ５１；ｐ型層のオーミック電極 ５２；絶縁層 ５３；ｐ型ＡｌＧａＡｓ領域 ５４；ｎ型ＡｌＧａＡｓ層 ５５；ｎ型層のオーミック電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【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１組の半導体発光素子が構成
   され、この半導体発光素子が２次元的に１組以上配列し
   て構成された発光部と、この発光部の上に設けられたノ
   ンドープのバッファ層と、このバッファ層の上に選択的
   に設けられた超格子構造の半導体多層膜反射部とを有す
   ることを特徴とする半導体発光装置。
2. 【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。