JPH0645648A

JPH0645648A - 上面出射型半導体発光素子、ならびに当該発光素子を用いた光学検知装置、光学的情報処理装置及び発光装置。

Info

Publication number: JPH0645648A
Application number: JP21823992A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Imamoto; 浩史今本
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1992-07-24
Filing date: 1992-07-24
Publication date: 1994-02-18

Abstract

(57)【要約】【目的】不純物拡散やイオン注入を行なうことなく、
ＭＢＥ１回成長のみで内部電流狭窄構造の上面出射型半
導体発光素子を製作可能にする。【構成】（１００）面方位のｐ型ＧａＡｓ基板７上に
四角錐状の窪み９を形成し、窪み９内に（１１１）Ａ面
方位の斜面１０を露出させる。この上にＭＢＥ法によ
り、ＳｉドープＡｌＧａＡｓ電流狭窄層６、Ｂｅドープ
ＡｌＧａＡｓクラッド層５、ＧａＡｓ活性層４、Ｓｉド
ープＡｌＧａＡｓクラッド層３およびＳｎドープＧａＡ
ｓコンタクト層２を連続的に成長させる。Ｓｉは（１０
０）面上ではｎ型、（１１１）Ａ面上ではｐ型として働
くため、電流狭窄層６の両側の平坦部１３で逆バイアス
電流阻止層となり、電流は斜面１２に狭窄される。クラ
ッド層３では、電流は斜面１５の中央の平坦部１４に狭
窄される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体レーザや発光ダイ
オード等の上面出射型半導体発光素子、ならびに当該発
光素子を用いた光学検知装置、光学的情報処理装置及び
発光装置に関する。具体的にいうと、本発明は、光通信
や光情報処理等の分野で重要である高出力、微小発光面
積の上面出射型半導体素子と、当該半導体発光素子を用
いた発光装置等に関する。

【０００２】

【従来の技術】電流狭窄構造を有する従来の半導体発光
素子の断面図を図１５に示す。この半導体発光素子１４
１は、特開平３−２３７７８４号公報に開示されたもの
であって、分子線エピタキシャル法等により、ｎーＧａ
Ａｓ基板１４２の上にｎ−ＡｌＧａＡｓ下クラッド層１
４３、ＧａＡｓ活性層１４４、ｐ−ＡｌＧａＡｓ上クラ
ッド層１４５、ｎ−ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層１４
６、ｐ−ＡｌＧａＡｓキャップ層１４７を順次成長させ
ている。さらに、キャップ層１４７の上面の所定位置に
塗布された拡散剤（ＯＣＤ）により、あるいは、石英管
内でのＺｎ拡散工程により、所望の発光径でキャップ層
１４７の上面から上クラッド層１４５に達する深さまで
Ｚｎを拡散させる。これによりｎ型の電流ブロック層１
４６の一部がｐ型に反転させられ、電流ブロック層１４
６を貫通するようにｐ型の電流通路領域１４８が形成さ
れる。また、キャップ層１４７の上面には、電流通路領
域１４８と対向して光出射窓１４９を開口されたｐ側電
極１５０が形成されており、基板１４２の下面にはｎ側
電極１５１が形成されている。

【０００３】しかして、ｐ側電極１５０が正電位となる
ように両電極１５０，１５１間に駆動電圧が印加された
場合、電流ブロック層１４６と上クラッド層１４５の間
のｐｎ接合面は逆バイアスとなるため電流が流れること
ができず、電流は電流通路領域１４８のみを通って活性
層１４４に注入され、活性層１４４は電流通路領域１４
８と対向する箇所でのみ発光し、活性層１４４から出射
された光は電流通路領域１４８を通って光出射窓１４９
から外部へ出射される。従って、この半導体発光素子１
４１は電流狭窄構造を有しており、微小発光径の上面出
射型半導体発光素子となっている。

【０００４】しかしながら、この半導体発光素子のよう
に不純物の拡散により電流狭窄構造を形成すると、拡散
工程における拡散深さの制御性が悪いため、素子特性の
再現性が悪く、また、歩留り等に悪影響を及ぼすという
問題があった。さらに、結晶成長後に拡散工程を行なう
ため、素子作製の工程が増加し、複雑化するという欠点
があった。

【０００５】このため、拡散によらず電流通路領域を形
成する方法としては、１回目の結晶成長工程により基板
の上に下クラッド層から電流ブロック層までを形成した
後、電流通路領域となる領域において電流ブロック層を
エッチング等によって部分的に除去して電流通路領域を
開口し、ついで、２回目の結晶成長工程によりキャップ
層を形成する方法がある。

【０００６】しかし、この方法では、２回の結晶成長工
程を必要とし、素子作製の工程が増加する欠点に加え、
２回目の成長時に基板が高温に曝されるため、電流ブロ
ック層とキャップ層との界面に欠陥を導入し易いという
問題があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は叙上の従来例
の欠点に鑑みてなされたものであり、その目的とすると
ころは、微小発光径の上面出射型半導体発光素子を、拡
散やイオン注入を行なうことなく、しかも、２回以上の
結晶成長工程を用いることなく、一回の結晶成長工程に
より製作することができるようにすることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の上面出射
型半導体発光素子は、第１の導電型の基板上に凹状また
は凸状の錐状部分を形成し、前記錐状部分の斜面におい
ては少なくとも一部が第１の導電型となり、錐状部分の
斜面以外では第２の導電型となるように、上記錐状部分
が形成された基板より上に面方位によって導電型が異な
る第１の電流狭窄層を形成し、前記第１の電流狭窄層よ
り上に活性層を形成し、前記活性層より上に電極を形成
し、前記電極の、前記錐状部分にほぼ対向する領域に、
光出射窓が形成されていることを特徴としている。

【０００９】本発明の第２の上面出射型半導体発光素子
は、第１の導電型の基板上に凹状または凸状の錐状部分
を形成し、前記錐状部分が形成された基板より上に活性
層を形成し、前記錐状部分の斜面においては少なくとも
一部が第１の導電型となり、錐状部分の斜面以外では第
２の導電型となるように、上記活性層より上に面方位に
よって導電型が異なる第２の電流狭窄層を形成し、前記
第２の電流狭窄層より上に電極を形成し、前記電極の、
前記錐状部分にほぼ対向する領域に、光出射窓が形成さ
れていることを特徴としている。

【００１０】本発明の第３の上面出射型半導体発光素子
は、第１の導電型の基板上に凹状または凸状の錐状部分
を形成し、前記錐状部分の斜面においては少なくとも一
部が第１の導電型となり、錐状部分の斜面以外では第２
の導電型となるように、上記錐状部分が形成された基板
より上に面方位によって導電型が異なる第１の電流狭窄
層を形成し、前記第１の電流狭窄層より上に活性層を形
成し、前記錐状部分の斜面においては少なくとも一部が
第１の導電型となり、錐状部分の斜面以外では第２の導
電型となるように、上記活性層より上に面方位によって
導電型が異なる第２の電流狭窄層を形成し、前記第２の
電流狭窄層より上に電極を形成し、前記電極の、前記錐
状部分にほぼ対向する領域に、光出射窓が形成されてい
ることを特徴としている。

【００１１】また、上記上面出射型半導体発光素子にお
いては、上記基板と第１の電流狭窄層との間に、多層反
射膜層を形成してもよい。

【００１２】さらに、上記電極と活性層もしくは第２の
電流狭窄層の間のうちいずれか一方との間に、上記活性
層の屈折率よりも低い屈折率を有する材料によって凸状
部分を形成し、該凸状部分の斜面に光反射面を形成し、
該凸状部分の頂部に光出射窓を形成してもよい。この場
合、光反射面は、電極や多層反射膜によって形成するこ
とができる。

【００１３】また、この上面出射型半導体発光素子は、
光学検知装置や光学的情報処理装置、発光装置等に適用
することができる。

【００１４】

【作用】本発明の上面出射型半導体発光素子にあって
は、第１の導電型の基板上に形成された凹状または凸状
の錐状部分の斜面においては少なくとも一部が第１の導
電型となり、錐状部分の斜面以外では第２の導電型とな
るように、上記錐状部分が形成された基板より上に面方
位によって導電型が異なる第１又は第２の電流狭窄層を
形成しているので、この電流狭窄層とその上層もしくは
下層の面方位に依存しない導電性を示す層との導電性の
関係で、電流狭窄層の斜面の少なくとも一部領域、ある
いは、斜面以外の領域が逆バイアスとなり、逆バイアス
でない領域に電流が狭窄される。

【００１５】例えば、不純物としてドーピングされたＳ
ｉは、（１００）面方位ではｎ型の導電性を示し、（ｍ
１１）Ａ面方位（１≦ｍ≦５）ではｐ型の導電性を示す
ので、基板の方位を予め（１００）面方位と（ｍ１１）
Ａ面方位とから構成しておき、この上にＳｉをドーピン
グされた半導体層を成長させることにより、同じ層内で
ｐ型領域とｎ型領域を作製することができ、一部領域を
電流の通過しない逆バイアス電流阻止領域とし、残りの
領域を電流の通過する電流狭窄領域とすることができ
る。

【００１６】従って、本発明によれば、不純物拡散やイ
オン注入などを行なうことなく、１回の結晶成長工程に
より電流狭窄構造の上面出射型半導体発光素子を製作す
ることができる。

【００１７】

【実施例】図１は本発明の一実施例による上面出射型半
導体発光素子Ａを示す断面図である。ここで、１はｎ側
電極、２はＳｎ（スズ）をドーピングされたｎ−ＧａＡ
ｓコンタクト層、３はＳｉ（シリコン）をドーピングさ
れたｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝０.４５）クラッド層
で、これは電子の注入方向からの電流狭窄層〔第２の電
流狭窄層〕として働く。４はＧａＡｓ活性層、５はＢｅ
（ベリリウム）をドーピングされたｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡ
ｓ（ｘ＝０.４５）クラッド層、６はＳｉをドーピング
されたＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝０.４５）電流狭窄層
で、これは正孔の注入方向からの電流狭窄層〔第１の電
流狭窄層〕として働く。７は（１００）面方位のｐ型Ｇ
ａＡｓ基板、８はｐ側電極である。

【００１８】この半導体発光素子Ａは次のようにして作
製される。まず、（１００）面方位のｐ型ＧａＡｓ基板
７をＨＦ：Ｈ₂Ｏ₂でエッチングすることにより当該Ｇａ
Ａｓ基板７上に１辺２０μｍの四角錐状もしくは三角錐
状の窪み９を形成し、窪み９内に（ｍ１１）Ａ面方位
（１≦ｍ≦５）〔特に、（１１１）Ａ面方位〕の斜面１
０を露出させる。ついで、窪み９を形成されたＧａＡｓ
基板７の上に、分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法
により、厚さ１μｍのＳｉドープＡｌＧａＡｓ電流狭窄
層６、ＢｅドープＡｌＧａＡｓクラッド層５、ＧａＡｓ
活性層４、ＳｉドープＡｌＧａＡｓクラッド層３および
ＳｎドープＧａＡｓコンタクト層２を連続的に成長させ
る。最後にコンタクト層２の上にｎ側電極１を設け、ｎ
側電極１の窪み９中央部と対向する箇所に光出射窓１１
を開口し、基板７の下面にｐ側電極８を設ける。

【００１９】電流狭窄層６及びｎ型クラッド層３の成長
時にＳｉをドーピング材として用いると、良く知られて
いるようにＳｉは（１００）面上ではｎ型、（ｍ１１）
面上ではｐ型として働く。このため、電流狭窄層６につ
いていえば、窪み９の内部ではほとんどの部分が（ｍ１
１）Ａ面方位（１≦ｍ≦５）の斜面１２となるので、窪
み９内の斜面１２ではｐ型の導電性を示し、窪み９外の
平坦部１３では（１００）面方位となっているのでｎ型
の導電性を示す。ｐ型部分をハッチングで示す。一方、
Ｂｅは面方位に依存しないｐ型不純物であるから、クラ
ッド層５は全体がｐ型層となっている。したがって、ク
ラッド層５と電流狭窄層６との界面においては、両側の
平坦部１３が正孔に対する逆バイアス電流阻止層とな
る。図１ではｐｎ逆バイアス接合面を太く示してある。

【００２０】また、Ｓｉをドーピングされたｎ型クラッ
ド層３は、電流狭窄層６上に形成されたクラッド層５及
び活性層４の上に作られるので、このクラッド層３にお
ける窪み９中央に対応する平坦部１４では平坦性が増
し、ここが（１００）面方位のｎ型となり、その両側の
斜面１５が（ｍ１１）Ａ面方位（１≦ｍ≦５）のｐ型と
なり（ハッチングで示す）、さらにその両側の平坦部１
６では（１００）面方位のｎ型となる。これに対し、コ
ンタクト層２では、このような導電型の反転効果を避け
るため、面方位に依存しないｎ型不純物であるＳｎを用
いている。したがって、コンタクト層２とクラッド層３
との界面においては、中央の平坦部１４の両側の斜面１
５が電子に対する逆バイアス電流阻止層となる。

【００２１】以上のように構成された半導体発光素子Ａ
においては、ｐ側電極８からｎ側電極１に向かって電流
（正孔）を流すと、ｐ側電極８から出た正孔は、実線の
矢印で示すように、電流狭窄層６の斜面１２に狭窄さ
れ、当該斜面１２を通って活性層４の中央部に向かう。
一方、ｎ側電極１から注入された電子は、破線の矢印で
示すように、クラッド層３の中央の平坦部１４に狭窄さ
れ、当該平坦部１４のみを通って活性層４の中央部に向
かい、ここで正孔と再結合して発光する。そして、活性
層４から発した光は、光出射窓１１から外部へ取り出さ
れる。

【００２２】このようにして、当該半導体発光素子Ａに
おいては、活性層４における四角錐状もしくは三角錐状
をした窪み９の中央部と対向する箇所へ電流が効率よく
集中し、微小発光径を有する内部電流狭窄型の半導体発
光素子Ａとして動作する。しかも、拡散やイオン注入等
を行なうことなく、ＭＢＥ１回成長のみによって製作す
ることができる。

【００２３】なお、上記クラッド層５では、面方位によ
らないｐ型の導電性を得るための不純物としてＢｅを用
いているが、Ｚｎ等の不純物を用いてもよい。

【００２４】図２は本発明の別な実施例による上面出射
型半導体発光素子Ｂを示す断面図である。この半導体発
光素子Ｂは、上記図１の実施例とは凹凸を反転させた構
造となっている。すなわち、（１００）面方位のｐ型Ｇ
ａＡｓ基板７の上面に四角錐状ないし三角錐状をした突
起部１７を形成し、突起部１７の表面に（ｍ１１）Ａ面
方位（１≦ｍ≦５）〔特に、（１１１）Ａ面方位〕の斜
面１８を形成し、その上にＭＢＥ法によって、Ｓｉドー
プＡｌＧａＡｓ電流狭窄層６、Ｂｅドープｐ−ＡｌＧａ
Ａｓクラッド層５、ＧａＡｓ活性層４、Ｓｉドープｎ−
ＡｌＧａＡｓクラッド層３およびＳｎドープｎ−ＧａＡ
ｓコンタクト層２を連続的に成長させている。しかし
て、この実施例においても、電流狭窄層６の斜面１２が
ｐ型の導電性を示し、ｐ側電極８から注入された正孔は
斜面１２に狭窄され、クラッド層３のｐ型斜面１５の中
央にｎ型平坦部１４が形成され、ｎ側電極１から注入さ
れた電子は当該平坦部１４に狭窄される。

【００２５】図３は本発明のさらに別な実施例による上
面出射型半導体発光素子Ｃを示す断面図である。この実
施例にあっては、ＳｉドープＡｌＧａＡｓ電流狭窄層６
の下に多層反射膜層１９を形成している。多層反射膜層
１９は、ＢｅドープＡｌＡｓ薄膜とＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ
（ｘ＝０.２）薄膜を発光波長の１／（４ｎ_i）の膜厚
（ｎ_iは各薄膜の屈折率）となるように制御し、交互に
３０ペア積層したものである。このような構造によれ
ば、活性層４から下方へ出射された光は多層反射膜層１
９により光出射窓１１側へ反射されるので、光取り出し
効率を向上させることができる。さらに、多層反射膜層
１９が凹状をしているので、反射した光を光出射窓１１
に向けて集光させることができ、一層光取り出し効率が
高くなり、半導体発光素子Ｃの高出力化を図れる。

【００２６】ＭＢＥ法によって斜面上に成長される層の
膜厚は平坦な部分に比べて薄くなることが知られてい
る。したがって、多層反射膜層１９を形成する際には、
多層反射膜層１９を構成する各薄膜の膜厚を、反射スペ
クトルの中心波長が発光波長よりも長い方にくるように
設計すると、より高効率な半導体発光素子Ｃを実現でき
る。

【００２７】あるいは、発光波長よりも短い波長に対し
て設計された膜厚の薄膜から発光波長よりも長い波長に
対して設計された膜厚の薄膜までの複数種類の膜厚の各
薄膜によって多層反射膜層１９を構成すると、半導体発
光素子Ｃの高効率化により一層効果的である。

【００２８】なお、上記多層反射膜層をＳｉドープ層と
すれば、多層反射膜層とＳｉドープ電流狭窄層とを兼ね
させることもできる。

【００２９】図４に示すものは本発明のさらに別な実施
例による上面出射型半導体発光素子Ｄを示す断面図であ
る。

【００３０】この半導体発光素子Ｄは次のようにして作
製される。まず、（ｍ１１）Ａ面方位（１≦ｍ≦５）
〔特に、（１１１）Ａ面方位〕のｎ型ＧａＡｓ基板２０
をエッチングすることにより当該ＧａＡｓ基板２０上に
１辺２０μｍの三角錐状もしくは四角錐状の窪み９を形
成し、窪み９内に（１００）面方位の斜面２１を露出さ
せる。ついで、窪み９を形成されたＧａＡｓ基板２０の
上に、分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法により、
厚さ１μｍのＳｉドープＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝０.４
５）電流狭窄層６、Ｓｎドープｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ
（ｘ＝０.４５）クラッド層２２、ＧａＡｓ活性層４、
ＳｉドープＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝０.４５）クラッド
層３およびＢｅドープｐ−ＧａＡｓコンタクト層２３を
連続的に成長させる。最後にコンタクト層２３の上にｐ
側電極８を設け、ｐ側電極８の窪み９中央部と対向する
箇所に光出射窓１１を開口し、基板の下面にｎ側電極１
を設ける。

【００３１】この実施例においては、電流狭窄層６につ
いていえば、窪み９の内部ではほとんどの部分が（１０
０）面方位の斜面２８となるので、窪み９内の斜面２８
ではｎ型の導電性を示し、窪み９外の平坦部２４では
（ｍ１１）Ａ面方位となっているのでｐ型の導電性を示
す。ｐ型部分をハッチングで示す。一方、Ｓｎは面方位
に依存しないｎ型不純物であるから、クラッド層２２は
全体がｎ型層となっている。したがって、クラッド層２
２と電流狭窄層６との界面においては、両側の平坦部２
４が電子に対する逆バイアス電流阻止層となる。

【００３２】また、Ｓｉをドーピングされたクラッド層
３は、窪み９中央に対応する平坦部２５では（ｍ１１）
Ａ面方位（１≦ｍ≦５）のｐ型となり、その両側の斜面
２６が（１００）面方位のｎ型となり、さらにその両側
の平坦部２７では（ｍ１１）Ａ面方位（１≦ｍ≦５）の
ｐ型となる。コンタクト層２３では、面方位に依存しな
いｐ型不純物であるＢｅを用いている。したがって、コ
ンタクト層２３とクラッド層３との界面においては、中
央の平坦部２６の両側の斜面２７が電子に対する逆バイ
アス電流阻止層となる。

【００３３】この内部電流狭窄型の半導体発光素子Ｄに
おいても、ｐ側電極８からｎ側電極１に向かって電流
（正孔）を流すと、ｐ側電極８から注入された正孔は、
実線の矢印で示すように、クラッド層３の中央の平坦部
２５に狭窄され、当該平坦部２５のみを通って活性層４
の中央部に向かう。一方、ｎ側電極１から出た電子は、
破線の矢印で示すように、電流狭窄層６の斜面に狭窄さ
れ、当該斜面２８を通って活性層４の中央部に向かい、
ここで正孔と再結合して発光する。そして、活性層４か
ら発した光は、光出射窓１１から外部へ取り出される。

【００３４】このような構造の半導体発光素子Ｄにおい
ても、図１の実施例と図２の実施例との関係のように、
突起部を有する基板の上に形成して凹凸を反転させた構
造としてもよい。

【００３５】図５に示すものは本発明のさらに別な実施
例による上面出射型半導体発光素子Ｅの断面図であっ
て、図４のような構造においてＳｉドープ電流狭窄層６
をＳｉをドーピングされた多層反射膜層１９によって形
成したものである。あるいは、基板２０の上の層を単な
る多層反射膜層１９とし、電流狭窄の働きはクラッド層
３（第２の電流狭窄層）のみで行なわせるようにしても
よい。

【００３６】図６は本発明のさらに別な実施例による上
面出射型半導体発光素子Ｆを示す断面図である。この実
施例にあっては、活性層の下方もしくは上方にＳｉドー
プ電流狭窄層もしくはＳｉドープクラッド層の少なくと
も一方の層を有し、窪みを形成された基板の上に多層反
射膜層が形成され、光取り出し面に形成された角錐台形
をした凸状部分の傾斜面に電極によって光反射面が形成
されたものである。例えば、（１００）面方位もしくは
（ｍ１１）Ａ面方位（１≦ｍ≦５）のＧａＡｓ基板３１
の上面に窪み９を形成し、この基板３１の上に多層反射
膜層１９を形成し、その上にクラッド層３２、活性層
４、電流狭窄の働きをするＳｉドープクラッド層３を設
け、さらに、その上に活性層４の屈折率よりも低い屈折
率を有するＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝０.４５）低屈折率
層３３の埋め込み成長を行なう。その後、図６に示すよ
うに、低屈折率層３３をエッチングによって突状に加工
して凸状部分３４を形成し、凸状部分３４の傾斜面に電
極３５を形成すると共に凸状部分３４の上面に光出射窓
１１を形成する。この結果、凸状部分３４の傾斜面には
電極３５によって光反射面３６が形成される。なお、３
７は電極である。

【００３７】このような構造によれば、従来、光出射窓
１１の周囲の電極３５の陰になって無効であった光、す
なわち、凸状部分３４の傾斜面へ向かって進む光は、光
反射面３６によって反射された後、あるいは、光反射面
３６及び多層反射膜層１９で多重反射された後、光出射
窓１１から効率よく外部へ取り出され、外部量子効率が
向上する。

【００３８】図７は本発明のさらに別な実施例による上
面出射型半導体発光素子Ｇを示す断面図である。この実
施例にあっては、光反射面３６を多層反射膜３８によっ
て構成している。多層反射膜３８は、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ
（ｘ＝０.８）薄膜とＧａＡｓ薄膜を発光波長の１／
（４ｎ_j）の膜厚（ｎ_jは各薄膜の屈折率）となるように
して複数層交互に積層したものである。

【００３９】この場合にも、ＭＢＥ法によって斜面上に
成長させた薄膜は薄くなるので、各薄膜の膜厚を、反射
スペクトルの中心波長が発光波長よりも長い方にくるよ
うに設計してもよい。あるいは、発光波長よりも短い波
長に対して設計された膜厚の薄膜から発光波長よりも長
い波長に対して設計された膜厚の薄膜までの複数種類の
膜厚の各薄膜によって多層反射膜３８を構成してもよ
い。

【００４０】上記実施例では活性層について特記しなか
ったが、活性層は単なるＡｌ_xＧａ₁ _-xＡｓ単一層でも、
多重量子井戸構造でも、いわゆるＧＲＩＮ−ＳＣＨＳＱ
Ｖ構造でもよい。また、電流狭窄のための層は活性層よ
り下の層、つまり電流狭窄層のみとし、Ｓｉドープクラ
ッド層を省略しても差し支えない。

【００４１】つぎに、上記半導体発光素子を用いた応用
例について説明する。まず、図８（ａ）（ｂ）（ｃ）に
示す投光器（発光装置）Ｈについて説明する。この投光
器Ｈは、本発明の半導体発光素子７１を一方のリードフ
レーム７２の上にダイボンディングすると共に他方のリ
ードフレーム７３にワイヤボンディングした状態で透明
エポキシ樹脂等の封止樹脂７４で所定形状に低圧注型し
て封止し、全体として角ブロック状の外形に構成されて
いる。封止樹脂７４の表面には多数の環状レンズ単位を
同心状に配列したフレネル型平板状レンズ７５が一体形
成されると共に、表面の両側にはフレネル型平板状レン
ズ７５と同じ高さ、あるいはフレネル型平板状レンズ７
５よりもやや高いアゴ部７６を突設してあり、アゴ部７
６によってフレネル型平板状レンズ７５を保護してい
る。

【００４２】この投光器Ｈの場合、半導体発光素子７１
は、高い発光効率で、しかも微小な発光領域を有するも
のであるから、フレネル型平板状レンズ７５により光の
指向特性が狭小化し、出力が強く、かつ細いビームが長
距離においても得られる。例えば、フレネル型平板状レ
ンズ７５を焦点距離ｆ＝４.５ｍｍ、レンズ直径３.５ｍ
ｍとし、半導体発光素子７１の光出射窓を直径２０μｍ
にしたとき、１ｍの距離におけるビーム径は直径４ｍｍ
程度である。しかるに、従来より用いられている通常の
発光ダイオード（すなわち、その光の出射面積が３５０
μｍ角程度のもの）では、直径７０ｍｍ程度まで広がっ
てしまうので、本発明による半導体発光素子７１を用い
て投光器Ｈを作製することにより大きなメリットが得ら
れる。

【００４３】また、従来より用いられている投光器とし
ては、図１６に示すような構造のものがあるが、ステム
１６２から突出したヒートシンク１６３に半導体レーザ
素子１６４及びフレネル型平板状レンズ１６５を取り付
け、これらを金属キャップ１６６で覆ったキャンシール
型のものなどがあるが、このような従来の投光器１６１
と比較して本発明の投光器Ｈは構造が大幅に簡略化され
ており、コスト及び嵩体積の低減を図ることができる。

【００４４】なお、ここでは投光ビームとして指向性の
狭い平行光線を出射するものについて説明したが、フレ
ネル型平板状レンズ７５のパラメータを変えることによ
り、集光ビームや偏向ビームなどの投光器にも適用でき
ることは自明である。

【００４５】図９に示すものは、スクリーンなどの上の
映像等の位置を指示するためのハンディタイプのポイン
タ（投光器）Ｊである。このポインタＪは、本発明によ
る発光ダイオード（ＬＥＤ）８１、コリメート用の投光
レンズ８２、動作回路８３及びバッテリー８４からなっ
ており、半導体発光素子８１から出射された光は投光レ
ンズ８２でコリメートされた後、スクリーン上に投射さ
れ、光スポットにより指示箇所を示す。

【００４６】現在使用されているポインタは、半導体レ
ーザ素子を用いたものがほとんどであるが、レーザ光を
用いているため、出射レーザ光が周囲の人の目に入ると
有害である。この危険性のため、レーザ規制等の問題が
起こっている。したがって、このような問題を解決する
ため、発光ダイオードを用いたＬＥＤポインタなどが考
えられている。しかし、従来の全面発光型ＬＥＤ（発光
径４００μｍ）を用い、焦点距離ｆ＝１０ｍｍ、レンズ
径４ｍｍの投光レンズでコリメートしたＬＥＤポインタ
の場合、５ｍ先のスクリーン上でのビーム径は２００ｍ
ｍと大きく広がってしまい、ほとんど見えなくなってし
まう。

【００４７】これに対し、本発明によるＬＥＤ８１を用
いたポインタＪの場合には、発光径１０μｍのＬＥＤ８
１と、焦点距離ｆ＝１０ｍｍ、レンズ径４ｍｍの同様な
投光レンズ８２を用いた場合、５ｍ先のスクリーン上で
もビーム径は５ｍｍと小さく、見易いものとなる。した
がって、本発明のＬＥＤ８１で光出力や指向性を向上さ
せることにより、安全で見易いポインタＪを製作するこ
とができる。

【００４８】図１０（ａ）に示すものは本発明による半
導体発光素子９５を用いた透過型光学式ロータリーエン
コーダＫを示す斜視図である。このロータリーエンコー
ダＫは、回転軸９１に取り付けられた回転板９２、回転
板９２の外周部に対向した固定板９３、回転板９２及び
固定板９３を挟んで対向させられた投光レンズ９４と本
発明による半導体発光素子９５及び受光素子９６から構
成されている。回転板９２の外周部には全周にわたって
１ｍｍの間隔のスリット９７が穿孔されており、固定板
９３にも１ｍｍの間隔でトラックＡスリット９８及びト
ラックＢスリット９９が穿孔されている。

【００４９】しかして、半導体発光素子９５から出射さ
れた光は、投光レンズ９４でコリメートされた後、固定
板９３のスリット９８，９９で分割され、回転板９２の
スリット９７を通り、受光素子９６で検知される。固定
板９３のトラックＡスリット９８とトラックＢスリット
９９は電気位相角を９０゜ずらしてあり、Ａ相信号・Ｂ
相信号が共にオン（受光状態）になるときをスケールの
１単位（１スリット）と数えることによりスケールを読
むものである。また、図１０（ｂ）に示すようにＡ相か
らオンになるか、あるいはＢ相からオンになるかで回転
方向を判別できるようになっている。

【００５０】このロータリーエンコーダにおいて、例え
ば、従来の全面発光型半導体発光素子（発光径４００μ
ｍ）を用い、焦点距離ｆ＝１０ｍｍ、レンズ径４ｍｍの
投光レンズでコリメートしたとすると、そのコリメート
性の悪さによって回転板上のビーム径は、固定板のスリ
ット幅＋約４０μｍに広がってしまう。したがって、６
００ＤＰＩ（４０μｍピッチ）以上のスケールではスリ
ット幅以上にビームが広がることとなり、スケールを読
み取ることができず、高分解能化が不可能である。

【００５１】これに対し、本発明による半導体発光素子
９５を用いたロータリーエンコーダＫでは、半導体発光
素子９５の発光径を１０μｍ程度に微小発光径化できる
ので、焦点距離ｆ＝１０ｍｍ、レンズ径４ｍｍの同様な
投光レンズ９４を用いてコリメートしたとしても、回転
板９２上のビーム径は、固定板９３のスリット幅＋約
０.５μｍにビームの広がりを抑えることができる。し
たがって、高分解能化が可能であり、６００ＤＰＩ（４
０μｍピッチ）以上のスケールを読み取ることも可能に
なる。よって、本発明による半導体発光素子９５をロー
タリーエンコーダＫに用いることにょり、特別な光学系
を用いることなく、ロータリーエンコーダＫの分解能を
向上させることができる。

【００５２】なお、上記実施例では、ロータリーエンコ
ーダを説明したが、リニアエンコーダヘッドにおいて本
発明による半導体発光素子を用いることによっても同様
な効果を得ることができる。

【００５３】図１１は本発明による半導体発光素子１０
１を用いた光学式距離センサＬの構成を示す説明図であ
る。この距離センサＬは、本発明による半導体発光素子
１０１及びコリメートレンズ１０２からなる投光部と、
受光レンズ１０３及び位置検出素子１０４からなる受光
部とから構成されている。

【００５４】また、図１１は当該距離センサＬによって
対象物１０５が有する凹凸の段差ｄを計測する場合を表
わしている。半導体発光素子１０１から出射された光は
コリメートレンズ１０２で平行光化された後、対象物１
０５上に照射されてビームスポットＳＰ₁，ＳＰ₂を生成
し、それぞれビームスポットＳＰ₁，ＳＰ₂の反射像を位
置検出素子１０４上に結像させる。これらの結像位置
は、位置検出素子１０４の信号線１０６，１０７で得た
信号比をもって検出でき、その位置ずれ量より三角測量
の原理を用いて段差ｑが算出される。

【００５５】本発明による半導体発光素子１０１は、高
出力で、かつ発光領域が制限されていて微小発光窓を有
するものであるので、このような距離センサＬに本発明
による半導体発光素子１０１を用いれば、長距離検出が
可能で、しかもビームスポット径が小さく、分解能を向
上させることができる。

【００５６】図１２は上記距離センサＬによる段差ｑの
測定結果を示している。これは距離センサＪから１０ｃ
ｍだけ離れた位置に高さが２ｍｍと５ｍｍの凸部及び２
ｍｍと５ｍｍの凹部を有する対象物を位置させた場合の
測定結果であり、段差ｑに応じた特性曲線１０８が得ら
れている。なお、特性曲線１０８において、イは２ｍｍ
の凸部、ロは５ｍｍの凸部、ハは２ｍｍの凹部、ニは５
ｍｍの凹部に対応する箇所である。

【００５７】図１３は本発明による半導体レーザ素子１
１１を用いたレーザビームプリンタＭを示す斜視図であ
る。これは、半導体レーザ素子１１１、投光側コリメー
トレンズ１１２、回転多面鏡（ポリゴンミラー）１１
３、回転多面鏡１１３を一定方向に一定速度で回転させ
るスキャナモータ１１４、スキャナコントローラ１１
５、集光レンズ１１６、感光体ドラム１１７、水平同期
用受光センサ１１８などから構成されている。

【００５８】しかして、半導体レーザ素子１１１から出
射された光は投光側コリメートレンズ１１２を通ってコ
リメート光となり、回転多面鏡１１３で反射されると共
に水平方向にスキャンされ、集光レンズ１１６で感光体
ドラム１１７上に集光され、感光体ドラム１１７上に潜
像を生じさせる。

【００５９】このようなレーザビームプリンタにおい
て、例えば全面発光型の従来のＬＥＤ（発光径４００μ
ｍ）を用い、焦点距離ｆ＝１５ｍｍの集光レンズで１５
０ｍｍ先の感光体ドラム上に集光したとすると、その集
光性の悪さのため、感光体ドラム上でのビーム径は４.
８ｍｍと大きくなり、４００ＤＰ１の印字密度仕様を満
足できなかった。

【００６０】これに対し、本発明による半導体レーザ素
子１１１を用いたレーザビームプリンタＭにあっては、
その発光径を５μｍ程度に微小化できるので、同一条件
で集光させた場合でもビーム径を６０μｍ以下に絞るこ
とができ、４００ＤＰＩの仕様を十分に満足することが
できる。

【００６１】図１４（ａ）は本発明による半導体発光素
子１２１を用いたバーコードリーダＮを示す斜視図であ
る。このバーコードリーダＮは、半導体発光素子１２
１、投光側集光レンズ１２２、回転多面鏡１２３、回転
多面鏡１２３を一定方向に一定速度で回転させるスキャ
ナモータ１２４、等速走査レンズ１２５、受光側集光レ
ンズ１２６、受光素子１２７から構成されている。

【００６２】しかして、半導体発光素子１２１から出射
された光は投光側集光レンズ１２２を通り、回転多面鏡
１２３で反射されると共に水平方向にスキャンされ、等
速走査レンズ１２５で等速化された後、バーコード１２
８上で集光され、バーコード１２８上を走査される。さ
らに、バーコード１２８からの反射光は、受光側集光レ
ンズ１２６により受光素子１２７上に集光されて検知さ
れ、バーコード信号ＢＳが得られる。このバーコードリ
ーダＮにおいては、等速走査レンズ１２５により光ビー
ムの走査速度が等速化されているので、横軸に時間をと
り、縦軸に検知信号（バーコード信号ＢＳ）をとると、
図１４（ｂ）に示すようにバーコードに応じた信号ＢＳ
が得られる。

【００６３】このようなバーコードリーダにおいて、例
えば全面発光型の従来のＬＥＤ（発光径４００μｍ）を
用い、焦点距離ｆ＝１５ｍｍの集光レンズで２５０ｍｍ
先のバーコード上に集光したとすると、その集光性の悪
さのため、バーコード上でのビーム径は約６.７ｍｍと
大きくなり、ハーコード（一般的に、最小線幅は０.２
ｍｍ）は到底読み取ることができない。

【００６４】これに対し、本発明による半導体発光素子
１２１を用いたバーコードリーダＮにあっては、その発
光径を１０μｍ程度に微小発光径化できるので、同一条
件で集光させた場合でもバーコード１２８上のビーム径
をバーコード１２８の最小線幅以下（０.２ｍｍ弱）ま
で絞ることができ、バーコード１２８を読み取ることが
できる。

【００６５】また、本発明の半導体発光素子は、図示し
ないが、半導体発光素子と光ファイバーとからなる光フ
ァイバーモジュールにも適用することができる。

【００６６】

【発明の効果】本発明によれば、面方位によって導電型
を異にする不純物の性質を利用して、例えば、電流狭窄
層の錐状部分の斜面の導電型をｐ型とし、平坦部の導電
型をｎ型とし、その隣接する層の導電型を例えば面方位
によらずｐ型としたとすると、斜面ではｐｐ接合である
から電流が流れ、平坦部では逆バイアスｐｎ接合となる
ようにできる。つまり、本発明によれば、不純物拡散や
イオン注入を行なうことなく、電流狭窄層（電流ブロッ
ク層）の一部領域の導電型を反転させることができる。

【００６７】従って、本発明によれば、不純物拡散やイ
オン注入などを行なうことなく、１回の結晶成長工程に
より微小発光面積の上面出射型半導体発光素子を製作す
ることができ、素子製作の工程が簡略化される。さら
に、拡散工程や２回の結晶成長工程等がなくなることに
よって、素子特性の再現性が良好となり、結晶の欠陥も
減らすことができ、歩留りが向上する。

【００６８】また、基板と第１の電流狭窄層との間に多
層反射膜層を形成しておけば、活性層から基板側へ出た
光を光出射窓側へ反射させることができ、光出射効率を
高めて素子を高出力化することができる。

【００６９】また、光取り出し側の電極と活性層もしく
は第２の電流狭窄層の間のうちいずれか一方との間に、
活性層の屈折率よりも低い屈折率を有する材料によって
凸状部分を形成し、該凸状部分の斜面に光反射面を形成
し、該凸状部分の頂部に光出射部を形成しておけば、光
反射面での反射により、あるいは上記多層反射膜層があ
る場合には多層反射膜層と光反射面との多重反射によ
り、光出射窓からの光取り出し量を増加させることがで
き、素子を高出力化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による上面出射型半導体発光
素子を示す断面図である。

【図２】本発明の別な実施例による上面出射型半導体発
光素子を示す断面図である。

【図３】本発明のさらに別な実施例による上面出射型半
導体発光素子を示す断面図である。

【図４】本発明のさらに別な実施例による上面出射型半
導体発光素子を示す断面図である。

【図５】本発明のさらに別な実施例による上面出射型半
導体発光素子を示す断面図である。

【図６】本発明のさらに別な実施例による上面出射型半
導体発光素子を示す断面図である。

【図７】本発明のさらに別な実施例による上面出射型半
導体発光素子を示す断面図である。

【図８】（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明による半導体発光
素子を用いた投光器を示す斜視図、水平断面図及び側断
面図である。

【図９】本発明による半導体発光素子を用いたポインタ
を示す断面図である。

【図１０】（ａ）は本発明による半導体発光素子を用い
たロータリーエンコーダを示す斜視図、（ｂ）は当該エ
ンコーダのＡ相信号とＢ相信号を示す波形図である。

【図１１】本発明による半導体発光素子を用いた距離セ
ンサの構成を示す概略図である。

【図１２】同上の距離センサによる測定結果の一例を示
す図である。

【図１３】本発明による半導体発光素子を用いたレーザ
ビームプリンタを示す斜視図である。

【図１４】（ａ）は本発明による半導体発光素子を用い
たバーコードリーダを示す斜視図、（ｂ）はバーコード
リーダによる検知信号を示す図である。

【図１５】従来の半導体発光素子の構造を示す断面図で
ある。

【図１６】従来の投光器を示す一部破断した斜視図であ
る。

【符号の説明】

１ｎ側電極３クラッド層（第２の電流狭窄層）４ＧａＡｓ活性層６電流狭窄層（第１の電流狭窄層）７ＧａＡｓ基板８ｐ側電極９窪み１０斜面１１光出射窓１７突起部１８斜面１９多層反射膜層３３低屈折率層３６光反射面３８多層反射膜層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の導電型の基板上に凹状または凸状
の錐状部分を形成し、前記錐状部分の斜面においては少なくとも一部が第１の
導電型となり、錐状部分の斜面以外では第２の導電型と
なるように、上記錐状部分が形成された基板より上に面
方位によって導電型が異なる第１の電流狭窄層を形成
し、前記第１の電流狭窄層より上に活性層を形成し、前記活性層より上に電極を形成し、前記電極の、前記錐状部分にほぼ対向する領域に、光出
射窓が形成されていることを特徴とする上面出射型半導
体発光素子。
【請求項２】第１の導電型の基板上に凹状または凸状
の錐状部分を形成し、前記錐状部分が形成された基板より上に活性層を形成
し、前記錐状部分の斜面においては少なくとも一部が第１の
導電型となり、錐状部分の斜面以外では第２の導電型と
なるように、上記活性層より上に面方位によって導電型
が異なる第２の電流狭窄層を形成し、前記第２の電流狭窄層より上に電極を形成し、前記電極の、前記錐状部分にほぼ対向する領域に、光出
射窓が形成されていることを特徴とする上面出射型半導
体発光素子。
【請求項３】第１の導電型の基板上に凹状または凸状
の錐状部分を形成し、前記錐状部分の斜面においては少なくとも一部が第１の
導電型となり、錐状部分の斜面以外では第２の導電型と
なるように、上記錐状部分が形成された基板より上に面
方位によって導電型が異なる第１の電流狭窄層を形成
し、前記第１の電流狭窄層より上に活性層を形成し、前記錐状部分の斜面においては少なくとも一部が第１の
導電型となり、錐状部分の斜面以外では第２の導電型と
なるように、上記活性層より上に面方位によって導電型
が異なる第２の電流狭窄層を形成し、前記第２の電流狭窄層より上に電極を形成し、前記電極の、前記錐状部分にほぼ対向する領域に、光出
射窓が形成されていることを特徴とする上面出射型半導
体発光素子。
【請求項４】前記基板と第１の電流狭窄層との間に、
多層反射膜層を形成したことを特徴とする請求項１又は
３に記載の上面出射型半導体発光素子。
【請求項５】前記電極と活性層もしくは第２の電流狭
窄層の間のうちいずれか一方との間に、前記活性層の屈
折率よりも低い屈折率を有する材料によって凸状部分を
形成し、該凸状部分の斜面に光反射面を形成し、該凸状部分の頂
部に光出射窓を形成したことを特徴とする請求項１，
２，３又は４に記載の上面出射型半導体発光素子。
【請求項６】前記光反射面が電極であることを特徴と
する請求項５に記載の上面出射型半導体発光素子。
【請求項７】前記光反射面が多層反射膜であることを
特徴とする請求項５に記載の上面出射型半導体発光素
子。
【請求項８】請求項１，２，３，４，５，６又は７に
記載の上面出射型半導体発光素子を備えた光学検知装
置。
【請求項９】請求項１，２，３，４，５，６又は７に
記載の上面出射型半導体発光素子を備えた光学的情報処
理装置。
【請求項１０】請求項１，２，３，４，５，６又は７
に記載の上面出射型半導体発光素子を備えた発光装置。