JPH1197738A

JPH1197738A - 発光素子

Info

Publication number: JPH1197738A
Application number: JP25884397A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiko Ogiwara; 光彦荻原; Yukio Nakamura; 幸夫中村; Hiroshi Hamano; 広浜野; Masumi Yanaka; 真澄谷中
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1997-09-24
Filing date: 1997-09-24
Publication date: 1999-04-09

Abstract

(57)【要約】【課題】発光効率の向上と発光部のコンパクト化を図
る。【解決手段】発光素子１はｐｎ接合に降伏電圧以上の
逆バイアス電圧を印加することにより発光する発光素子
である。ｎ型半導体基板１０１はＳｉをドープしたＧａ
Ａｓ基板であり、その不純物濃度は１×１０¹⁸［ｃ
ｍ^-3］以上である。ｐ型半導体領域１０２はＺｎを層間
絶縁膜１０３の開口部１０６からｎ型半導体基板１０１
に拡散させることにより形成される拡散領域である。こ
の拡散領域の不純物濃度は５×１０¹⁹［ｃｍ^-3］以上で
ある。ｐｎ接合面１０７の接合深さｘ_jは２［μｍ］よ
り小さい。接合深さｘ_jを２［μｍ］未満としたことに
より、ｐｎ接合面１０７の全領域の近傍で発生した光を
外に取り出すことができる発光に寄与させることができ
る。ｐ型半導体領域１０２のサイズを小さくするだけ
で、容易に発光部１０８のサイズを小さくすることが可
能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】半導体基板に形成したｐｎ接
合に降伏電圧以上の逆バイアス電圧を印加することによ
りｐｎ接合面の近傍で発光する発光素子に関する。ま
た、上記のｐｎ接合を上記の半導体基板にアレイ状に
（すなわち一列に）複数形成するのに好適な発光素子に
関する。

【０００２】

【従来の技術】図１４は砒化ガリウム（ＧａＡｓ）のバ
ンド構造図であり、砒化ガリウム基板を用いた逆バイア
ス印加により発光する発光素子の動作原理を示す図であ
る。図１４において横軸は波数ｋであり、縦軸は電子の
エネルギＥである。また伝導帯Ａと価電子帯Ｂの間が禁
制帯である。室温では、伝導帯Ａにおけるほぼ全ての電
子はＬ１で示すエネルギ極小値に存在する。電子がＬ１
から禁制帯ＢのＭ１に直接遷移し、電子と正孔とが再結
合すると、Ｌ１−Ｍ１間の禁制帯幅に応じた波長の光が
放出される。外部からの電界等によりＬ１に存在する電
子にあるレベル以上のエネルギが与えられると、電子は
高いエネルギ準位に遷移する。ＧａＡｓでは、Ｌ１と波
数ｋが異なる位置にＬ１よりも０．２９［ｅＶ］エネル
ギの高いエネルギ極小値Ｌ２が存在する。なだれ降伏の
際には、ほぼ全電子がＬ２に遷移する。逆バイアス印加
により発光する発光素子は、ｐｎ接合になだれ降伏を発
生させてＬ２に電子を遷移させ、Ｌ２に遷移した電子が
Ｍ２に直接遷移して正孔と再結合することにより、通常
の発光波長（その半導体の禁制帯幅により決まる波長）
よりも短い波長の光を放出することができる発光素子で
ある。

【０００３】従来の逆バイアス印加により発光する発光
素子としては、例えば特開昭４９−９９８７号公報に開
示されたものがある。この発光素子は、図１５に示すよ
うに、ｎ型ＧａＡｓ基板１００１に、ｐ型拡散領域１０
０２を形成することによりｐｎ接合面１００７を形成
し、さらに層間絶縁膜１００３と、ｐ型拡散領域１００
２に接続するｐ側電極１００４と、ｎ型ＧａＡｓ基板１
００１の裏面に接続するｎ側電極１００５とを形成した
ものであり、ｐ型拡散領域１００２の拡散深さｄを５〜
２０［μｍ］とし、横方向拡散長ｅを１０〜２００［μ
ｍ］したものである。図１５に示す発光素子は、ｐｎ接
合面１００７の拡散エッジ部１００７ａの近傍で発生し
た光をｐ型拡散領域１００２および層間絶縁膜１００３
を介して外部に放射するものである。ｐｎ接合面１００
７の底部１００７ｂの近傍で発生した光は、ｐ型拡散領
域１００２を通過中に吸収され、外部に放射されない
（すなわち発光に寄与しない）。

【０００４】また、図１５に示すような発光素子の発光
分布の均一化を図った従来の発光素子としては、特開平
３−６４０７８号公報に開示されたものがある。この発
光素子は、ｐ型拡散領域に高濃度ｎ型領域を形成し、こ
の高濃度ｎ型領域に電流を集中させるようにしたもので
ある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１５
に示す発光素子では、ｐｎ接合面１００７において、近
傍で発生した光が外部に放射される部分すなわち発光に
寄与する部分は、僅かに拡散エッジ部１００７ａだけで
あり、大部分を占める底部１００ｂは発光に寄与しな
い。従って、ｐｎ接合面１００７を流れる電流のうち、
発光に寄与する電流は僅かであり、発光効率が悪いとい
う問題点があった。また、横方向の異常拡散によって発
光部を形成しているので、拡散制御が不安定であり、安
定した再現性のある製造が不可能であるという問題点が
あった。従って、発光領域のサイズが必ずしも設計通り
にならないという間題点もあった。さらに、異常拡散に
よる接合は、異常拡散がない正常な拡散による接合と比
較して寿命が極端に短いという問題点もあった。また、
発光領域が絶縁膜下の領域であり、使用する絶縁膜の膜
厚や屈折率に発光特性が依存するという問題点もあっ
た。さらに発光素子アレイへの適用を考えた場合に、拡
散エッジ部１００７ａを発光部としているため、発光部
のサイズが大きくなり、拡散条件のばらつき等により隣
接するｐ型拡散層１００２がつながらないように発光部
の間隔を充分大きくしなければならないので、高集積化
を図るのが困難でるという問題点があった。

【０００６】また、特開平３−６４０７８号公報に開示
された発光素子では、電流を微小領域に集中させるの
で、発熱や信頼性 (素子の寿命）の問題が発生する要因
を内在していると考えられる。さらに、この素子では、
ｐ⁺領域の深さを０．１［μｍ］以下としているが、シ
ート抵抗が高くなるため電圧降下が大きく、ｐ側−ｎ側
間に印加する電圧が大きくなる問題点がある。また、ｐ
⁺層での電圧降下が大きい場合には高い電界はｐ⁺層の
電極付近に集中するので、むしろ面内の発光の不均一性
をもたらす要因を内在していることも考えられる。ｐ⁺
層のシート抵抗が高く電圧降下が大きくなることは結果
的に発熱が大きくなるという間題も引き起こす要因を含
んでいる。また、サイズ的な観点からは、電流集中領域
を５［μｍ］以下のサイズにしなければならないので、
発光領域サイズが限定され大きくできないという問題が
ある。また、電流集中領域をｐ⁺層形成領域の内側に作
るので、ｐ⁺層形成領域をある程度の大きさにする必要
があり、逆に全体の素子サイズを小さくする方向にも限
界があるという問題点があった。このようなサイズの限
界は、例えば発光素子アレイへの適用を考えた場合に、
やはり高集積化を図るのが困難であるという問題点があ
った。

【０００７】本発明はこのような従来の問題を解決する
ためになされたものであり、発光の均一性の向上あるい
は発光効率の向上、消費電力の低減、あるいは高信頼性
（長寿命）を図ることができる多波長の発光素子を提供
することを目的とするものである。さらに、発光素子の
サイズ制限のない多波長発光素子を提供することを目的
とする。また、簡単な構造にすることによりコストの安
い多波長発光素子を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明の発光素子は、第１導電型の半導体層を含む
半導体基板の表面基板側に第２導電型の半導体領域を形
成し、前記半導体層と前記半導体領域とのｐｎ接合に逆
バイアス電圧を印加することによりｐｎ接合面の近傍で
発光する発光素子において、前記ｐｎ接合面が、全て基
板表面から２［μｍ］未満の深さに形成されているこ
と、第１導電型の半導体層の不純物濃度と第２導電型の
半導体領域の不純物濃度とを高濃度とし、導電型がｎ型
の場合、その不純物濃度が１×１０¹⁸［ｃｍ^-3］以上、
また導電型がｐ型の場合、その不純物濃度が５×１０¹⁹
［ｃｍ^-3］以上となるようにすることを特徴とするもの
である。

【０００９】図１はｐｎ接合深さと発光強度の関係を示
す図であり、本願発明者らの実験によるものである。図
１において、横軸のｐｎ接合深さは、半導体基板表面か
らｐｎ接合までの距離であり、発光強度とは、その深さ
のｐｎ接合の近傍で発生し、第２導電型の半導体領域を
通過して外部に放射された光の強度であり、正規化して
示してある。また半導体基板としてはＧａＡｓ基板を用
いた。図１から判るように、深さ２［μｍ］以上のｐｎ
接合の近傍で発生した光は、第１導電型の半導体領域中
で全て吸収されてしまい、外部に放射されない。従っ
て、ｐｎ接合面を全て基板表面から２［μｍ］未満の深
さに形成することにより、基板に完全に吸収されてしま
うことがなく光を取り出すことが可能である。

【００１０】図２は本願発明者らによる本発明の多波長
の発光素子の面内発光分布の測定結果である。この発光
素子は、ｎ型不純物（Ｓｉ）濃度が約１×１０¹⁸［ｃｍ
^-3］のｎ型基板に濃度５〜８×１０¹⁹［ｃｍ^-3］のｐ型
不純物を拡散させ、接合深さ約１［μｍ］のｐｎ接合を
形成したものである。図２から明らかなように不純物濃
度を高くすることで、接合領域全体でほぼ均一な電場分
布となり、面内分布でほぼ均一な発光分布が得られるこ
とがわかる。また、この発光素子では、異常な横方向拡
散領域がなく、微小領域に電流を集中させることもない
ので、急激な劣化や発熱の問題もない。さらに、不純物
濃度をｎ型で１×１０¹⁸［ｃｍ^-3］以上と高くしたの
で、ｐｎ接合での不純物濃度プロファイルが急峻な場合
であっても、横方向拡散領域で円筒形状の接合面あるい
は球面状の接合面であっても、それらの領域の接合での
耐圧は平面形状の領域の接合面での耐圧とほぼ同等とな
り、特に横方向拡散領域（円筒形状あるいは球面形状の
接合領域）に電界が集中してこの領域のみに電流が流
れ、この領域のみが発光することはない。このことは、
図２に示したように接合領域でほぼ均一の発光強度分布
が得られていることからも明白である。

【００１１】また、第２導電型の半導体領域を小さくす
ることは容易なので、発光部をコンパクト化することが
できる。逆に発光部を大きくしても高不純物濃度領域を
形成しているので電流が面内に均一に広がり、均一な発
光分布を得ることができる。すなわち、サイズの制限を
受けない。

【００１２】上記本発明の発光素子の具体例としては、
前記半導体基板が、第１導電型の半導体基板からなり、
前記第２導電型の半導体領域と前記第１導電型の半導体
基板との界面が前記ｐｎ接合面となることを特徴とする
発光素子がある。

【００１３】また、前記半導体基板が、少なくとも半絶
縁性の半導体層上に厚さ２［μｍ］未満の第１導電型の
半導体層を形成した複合基板であり、前記第２導電型半
導体領域が、前記第１導電型の半導体層の表面から前記
半絶縁性の半導体層との界面に達するように、あるいは
前記第１導電型の半導体層の表面から前記半絶縁性の半
導体層中に達するように形成されており、前記第２導電
型半導体領域と前記第１導電型の半導体層との界面のみ
が前記ｐｎ接合面となることを特徴とする発光素子があ
る。

【００１４】また、前記半導体基板が、少なくとも第１
導電型の第１半導体層上に、前記第１半導体とは異種の
半導体からなる厚さ２［μｍ］未満の第１導電型の第２
半導体層を形成した複合基板であり、前記第２導電型半
導体領域が、前記第１導電型の第２半導体層表面から前
記第１導電型の第１半導体層と前記第１導電型の第２半
導体層との界面に達するように形成されており、前記第
２導電型の半導体領域と前記第１導電型の第１半導体層
との界面および前記第２導電型の半導体領域と前記第１
導電型の第２半導体層との界面が前記ｐｎ接合面となる
ことを特徴とする発光素子がある。

【００１５】またさらに、前記半導体基板が、少なくと
も第１導電型の半導体層上に、厚さ２［μｍ］未満の第
２導電型の半導体層を形成した複合基板であり、前記第
２導電型の半導体層が、複数の領域に分離されており、
前記第２導電型半導体領域が、前記分離された第２導電
型の半導体層からなり、前記分離された第２導電型の半
導体層と前記第１導電型の半導体層との界面が前記ｐｎ
接合面となることを特徴とする発光素子がある。

【００１６】

【発明の実施の形態】

第１の実施形態図３は本発明の第１実施形態の発光素子１の構造を示す
図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ
−Ａ’間の断面図である。発光素子１は、逆バイアス印
加により発光する発光素子であり、ｎ型半導体基板１０
１と、ｎ型半導体基板１０１の表面側に形成されたｐ型
半導体領域１０２と、ｎ型半導体基板１０１の表面に形
成された、ｐ型半導体領域１０２を露出する開口部１０
６を有する層間絶縁膜１０３と、開口部１０６において
ｐ型半導体領域１０２に接続するｐ側電極１０４と、ｎ
型半導体基板１０１の裏面に形成された、ｎ型半導体基
板１０１に接続するｎ側電極１０５とにより構成され
る。

【００１７】ｎ型半導体基板１０１としては、例えばｎ
型不純物であるケイ素（Ｓｉ）をドープしたＧａＡｓ基
板を用いる。このＧａＡｓの不純物濃度は、例えば約２
×１０¹⁸［ｃｍ^-3］である。なお、他のｎ型不純物（例
えばスズ（Ｓｎ）等）をドープしたＧａＡｓ基板を用い
ても良い。ｐ型半導体領域１０２は、例えばｐ型不純物
である亜鉛（Ｚｎ）を開口部１０６からｎ型半導体基板
１０１に拡散させることにより形成される拡散領域であ
る。この拡散領域の不純物濃度は、例えば約１×１０²⁰
［ｃｍ^-3］である。ｐ型半導領域１０２とｎ型半導体基
板１０１との界面がｐｎ接合面１０７となる。ｐ型半導
体領域１０２の表面からｐｎ接合面１０７までの最大寸
法（以下、接合深さと称する）ｘ_jは、例えば約１［μ
ｍ］である。

【００１８】発光素子１は、ｐ側電極１０４とｎ側電極
１０５により、ｐ型半導領域１０２とｎ型半導体基板１
０１からなるｐｎ接合に降伏電圧以上の逆バイアス電圧
を印加し、ｐｎ接合になだれ降伏を生じさせることによ
り、ｐｎ接合面１０７の近傍で光を発生させる。発生し
た光は、ｐ型半導体領域１０２中で吸収されながら、ｐ
型半導体領域１０２表面に到達し、ｐ型半導体領域１０
２の表面すなわち発光部１０８からｐ型半導体領域１０
２外に放射される。ただしこの光は、層間絶縁膜１０３
は透過するが、ｐ側電極１０４には遮光される。従っ
て、実質的な発光部は、発光部１０８のｐ側電極１０４
に被覆されていない領域であり、これを有効発光部１０
８ａと称する。例えば、両電極間に約４．３［Ｖ］の逆
バイアス電圧を印加すると、ｐｎ接合に約１［ｍＡ］の
降伏電流が流れ、発光が確認できる。図４は発光素子１
の両電極間に約６．４［Ｖ］の逆バイアス電圧を印加
し、ｐｎ接合面１０７に約３０［ｍＡ］の電流を流した
ときの発光スペクトルを示す図である。図４に示すよう
に、逆バイアス印加により発光する発光素子１は、順方
向電圧を印加した場合に得られる発光が赤外波長領域の
波長であるＧａＡｓ基板を使用しているが、可視光領域
にも発光波長を持ち、発光素子１の放射光スペクトルは
多数のピークの重ね合わせである。この放射光は外観
（肉眼）では、ほぼ白色光に見える。

【００１９】第１の実施形態の発光素子１は、ｐｎ接合
面１０７が全てｐ型半導体領域１０２の表面から２［μ
ｍ］未満の領域に形成されていること、すなわち接合深
さｘ_jが２［μｍ］未満であることを特徴とするもので
ある。これによりｐｎ接合面１０７の近傍で発生した光
のｐ型半導体領域１０２において完全に光が吸収されて
しまうことなくｐｎ接合面１０７の全領域の近傍で発生
した光を取り出すことが可能であるので（ただし発光部
１０８のｐ型電極１０４に被覆された領域を除く）、発
光効率を向上させることができる。また図１５のように
ｐｎ接合のエッジ部が横方向に異常に広がることもな
く、特開平３−６４０７８号公報に開示された発光素子
のようにｐ型半導体領域１０２に不純物濃度の違う領域
を形成することもないので、発光部１０８のサイズを必
要に応じて容易に小さくすることができる。

【００２０】さらに、第１の実施形態の発光素子１は、
ｐ型半導体領域１０２の不純物濃度が５×１０¹⁹［ｃｍ
^-3］以上であり、ｎ型半導体基板１０１の不純物濃度が
１×１０¹⁸［ｃｍ^-3］以上であることを特徴とするもの
である。ｐ型半導体領域１０２の不純物濃度を５×１０
¹⁹［ｃｍ^-3］以上とすることにより、接合深さｘ_jが２
［μｍ］未満であっても、ｐｎ接合面１０７の全域にほ
ぼ均一な電界を加えることができ、ｐｎ接合面１０７の
全域でなだれ降伏を生じさせることができるので、発光
部１０８全域で均一な発光強度分布を得ることができる
（図２参照）。この効果によって、発光領域のサイズを
大きくすることができ発光領域のサイズの制限をうける
ことなく作製することができる。またｐ型半導体領域１
０２を上記の不純物濃度にすることに加え、ｎ型半導体
基板１０１の不純物濃度を１×１０¹⁸［ｃｍ^-3］以上と
することにより、ｐｎ接合の降伏電圧を小さくすること
ができ、両電極間に印加する逆バイアス電圧を小さくす
ることができるので、消費電力を低減することができ
る。以上説明した接合を作る基板はＧａＡｓに限定され
ないことは明白で、例えばＧａＡｓ基板上にＧａＡｓ層
を含む半導体層をエピタキシャル成長した基板や、Ａｌ
_xＧａ_1-xＡｓ等の別の半導体層を含む複合半導体基板
に形成することも可能である。

【００２１】図５は第１の実施形態の発光素子１の製造
工程の流れを示す断面図である。まず図５（ａ）および
（ｂ）に示すように、例えば固相拡散法によりｎ型半導
体基板１０１の表面基板側にｐ型半導体領域１０２を形
成する。すなわち、ｎ型半導体基板１０１の表面に、拡
散マスク２０１（層間絶縁膜１０３）となる絶縁膜を成
膜し、この絶縁膜をパターニングして開口部１０６を有
する拡散マスク２０１を形成する。さらにこの上に、拡
散源膜２０２とアニールキャップ膜２０３とを成膜する
（図５（ａ））。ここでは、ｎ型半導体基板１０１とし
てＳｉがドープされたＧａＡｓ基板を用いる。このＧａ
Ａｓ基板のｎ型不純物濃度は例えば約２×１０¹⁸［ｃｍ
^-3］とする。また、拡散マスク２０１となる絶縁膜およ
びアニールキャップ膜２０３となる絶縁膜としては、と
もにアルミニウム窒化膜（ＡｌＮ膜）を用いる。このＡ
ｌＮ膜はスパッタ法により成膜され、拡散マスク２０１
の膜厚およびアニールキャップ膜２０３の膜厚は例えば
それぞれ約１０００［Å］である。拡散源膜２０２とし
ては、ここでは酸化亜鉛（ＺｎＯ）を含む酸化シリコン
（ＳｉＯ₂）からなるＺｎ_xＳｉ_yＯ_z膜を用いる。こ
のＺｎ_xＳｉ_yＯ_z膜は、スパッタ法により成膜され、
その膜厚は例えば約５００［Å］である。この工程で
は、拡散マスクとして窒化シリコン（ＳｉＮ_x膜）を使
用することもできる。

【００２２】続いて、アニールキャップ膜２０３の形成
（図示しないが、拡散アニール時の基板裏面を保護する
目的で、基板裏面にアニールキャップ膜を設けることも
できる）が済んだｎ型半導体基板１０１に拡散アニール
を施し、開口部１０６において拡散源膜２０２からｎ型
半導体基板１０１にＺｎを拡散させ、ｎ型半導体基板１
０１にｐ型半導体領域１０２を形成する。このあと、ア
ニールキャップ膜２０２および拡散源膜２０３を全面的
に除去する（図５（ｂ））。拡散マスク膜２０１は残さ
れ、層間絶縁膜１０３となる。上記の拡散アニールにお
いては、拡散源膜２０３のＺｎは、開口部１０６のみか
らｎ型半導体基板１０１中に拡散する。従ってｎ型半導
体基板１０１の開口部１０６に対応する領域に選択的に
ｐ型半導体領域１０２となるｐ型拡散領域が形成され、
ｐ型半導体領域１０２とｎ型半導体基板１０１の界面が
ｐｎ接合面１０７となる。ここでは、ｐ型半導体領域１
０２となる拡散領域の拡散深さ（すなわち図３に示す接
合深さｘ_j）を約１［μｍ］とする。拡散深さを約１
［μｍ］とするための拡散アニールの条件は、例えばア
ニール温度７００［℃］、アニール時間３０分間であ
る。このアニール条件により形成されたｐ型拡散領域
（ｐ型半導体領域１０２）のｐ型不純物濃度は、例えば
約１×１０²⁰［ｃｍ³］であり、表面からｐｎ接合面１
０７までほぼ均一な濃度である。なお、拡散源膜２０２
を除去してから、開口部１０６によって露出しているｐ
型領域表面の少なくとも一部の領域が露出する開口部を
有する新たな絶縁膜を拡散マスク膜２０１上に積層形成
し、この新たな絶縁膜と拡散マスク膜２０１とにより層
間絶縁膜１０３を構成しても良い。

【００２３】次に図５（ｃ）に示すように、拡散源膜２
０２の除去が済んだｎ型半導体基板１０１の表面上に、
ｐ型電極１０４を形成する。ｐ型電極はリフトオフ法に
より形成することができる。すなわち、電極パターンに
開口部を有するレジストマスクパターンを形成した後、
ｐ側電極材料である導電膜をを形成した後、電極パター
ン以外のレジストマスク上の導電膜をレジストとともに
除去する。ｐ側電極形成は拡散源膜２０２の除去が済ん
だｎ型半導体基板１０１の表面に導電膜を形成し、標準
的なフォトリソグラフィおよびウエットエッチングの手
法により形成することもできる。ｐ側電極１０４は、そ
の一部が開口部１０６のｐ型拡散領域１０２表面とオー
ミックコンタクトを形成するように形成される。このあ
と、ｐ側電極１０４とｐ型拡散領域１０２とが良好にオ
ーミック接続するようにシンタ処理を施す。ｐ側電極１
０４となる導電膜としては、例えばＡｌ膜を用いる。

【００２４】次に図５（ｄ）に示すように、ｎ型半導体
基板１０１の裏面にｎ側電極１０５となる導電膜を成膜
する。裏面に電極膜（導電膜）を形成する前に基板表面
のダメージ層を除去するためにエッチング処理を施す。
このあと、ｎ側電極１０５とｎ型半導体基板１０１とが
良好にオーミック接続するようにシンタ処理を施す。ｎ
側電極１０５となる導電膜としては、例えば電子ビーム
蒸着により成膜される金合金膜（Ａｕ合金膜）を用い
る。以上により第１の実施形態の発光素子１が製造され
る。なお、発光素子１の製造工程は、図５に示す工程に
限定されるものではない。

【００２５】図６は第１の実施形態の発光素子１を用い
た発光素子アレイの上面図である。図６に示す発光素子
アレイは、同一のｎ型半導体基板１０１に図１に示す発
光素子１の発光部１０８を複数一列に形成したものであ
り、ｎ型半導体基板１０１とｐ型半導体領域１０２と層
間絶縁膜１０３とｐ側電極１０４とｎ側電極１０５とを
有する。ｐ型半導体領域１０２と層間絶縁膜１０３の開
口部とｐ側電極１０４とは、発光部１０８ごとに個別に
形成されており、ｎ型半導体基板１０１と層間絶縁膜１
０３とｎ側電極１０５とは全ての発光部１０８に共通に
形成されている。図６におけるＡ−Ａ’間の断面図は、
図３（ｂ）と同じものとなる。図６に示す発光素子アレ
イは、発光させたい発光部１０８に接続するｐ側電極１
０４とｎ型電極１０５とに逆バイアス電圧を印加するこ
とにより、一列に配置された発光部１０８を個別に発光
させるものである。発光部１０８のサイズは、上述した
ように必要に応じて容易に小さくすることができるの
で、図６に示す発光素子アレイにおいては、発光部を高
集積化することができる。

【００２６】このように第１の実施形態によれば、接合
深さｘ_jを２［μｍ］未満としたことにより、ｐｎ接合
面１０７の全領域の近傍で発生した光を発光に寄与させ
ることができるので発光効率を向上させることができ、
また発光部１０８のサイズを必要に応じて容易に小さく
することができるので、発光素子アレイに適用した場合
に、発光部を容易に高集積化することができる。さら
に、ｐ型半導体領域１０２の不純物濃度を５×１０
¹⁹［ｃｍ^-3］以上としたことにより、接合深さｘ_jが２
［μｍ］未満であっても、発光部１０８全域で均一な発
光強度分布を得ることができる。また、ｎ型半導体基板
１０１の不純物濃度を１×１０¹⁸［ｃｍ^-3］以上と高不
純物濃度にしたのでｐｎ接合の逆耐圧を下げることがで
き、消費電力を低減することができる。

【００２７】なお、ｎ型半導体基板１０１は、ｎ型の半
導体基板上にエピタキシャル層等のｎ型半導体層を形成
したものでも良く、また半絶縁性（ノンドープ）半導体
基板上にエピタキシャ層等のｎ型半導体層を形成したも
のでも良い。また、図７に示すようにｎ側電極１０５を
ｎ型半導体基板１０１の裏面側ではなく、表面側に形成
することも可能である。図７に示す発光素子は、層間絶
縁膜１０３に開口部１０６の他にｎ型電極１０５をｎ型
半導体基板１０１に接続するための開口部１０６ａを形
成し、ｎ型半導体基板１０１の表面上の開口部１０６ａ
を含む領域にｎ型電極１０５を形成したものである。図
７の素子については、層間絶縁膜１０３にｎ型半導体基
板表面が露出する開口部を形成した後、リフトオフ法に
よって基板表面に設けるｎ側電極１０５を形成すること
ができる。

【００２８】第２の実施形態図８は本発明の第２の実施形態の発光素子２の構造を示
す断面図である。なお、図８において、図１と同じもの
には同じ符号を付してある。発光素子２は、逆バイアス
印加により発光する発光素子であり、ｐ型半導体基板３
０１と、ｐ型半導体基板３０１の表面基板側に形成され
たｎ型半導体領域３０２と、開口部１０６を有する層間
絶縁膜３０３と、ｎ型半導体領域３０２に接続するｎ側
電極３０４と、ｐ型半導体基板３０１の裏面においてｐ
型半導体基板３０１に接続するｐ側電極３０５とにより
構成される。この発光素子２は、上記第１の実施形態の
発光素子１において、半導体基板とｐｎ接合を形成する
半導体領域の導電型を反転したものである。なお、発光
素子２の動作は、上記第１の実施形態の発光素子１と同
様である。また、発光素子２を図６に示したような発光
素子アレイに適用することも、もちろん可能である。ま
た、発光素子２を図７に示した構造のように、基板３０
１の同一面にｎ側電極３０４とｐ側電極３０５を設ける
構造にすることも可能である。

【００２９】ｐ型半導体基板３０１としては、例えばＺ
ｎをドープしたＧａＡｓ基板を用いる。このＧａＡｓの
不純物濃度は、例えば約５×１０¹⁹［ｃｍ^-3］（５×１
０¹⁹［ｃｍ^-3］以上）である。ｎ型半導体領域３０２
は、例えばＳｎを開口部１０６からｐ型半導体基板３０
１に拡散させることにより形成される拡散領域である。
この拡散領域の不純物濃度は、例えば約５×１０¹⁸［ｃ
ｍ^-3］（１×１０¹⁸［ｃｍ^-3］以上）である。この場
合、ＧａＡｓ基板中の不純物濃度はキャリアの活性化率
がほぼ１００％になる範囲で高濃度にドープすることが
できる。ｎ型半導領域３０２とｐ型半導体基板３０１と
の界面がｐｎ接合面３０７となる。接合深さｘ_jは、例
えば約１［μｍ］である。第１の実施形態と同様に、ｐ
型半導体基板とｎ型半導体領域の不純物濃度を高濃度と
したので、発光をさせるための電圧しきい値が低くなる
効果と発光部面内で発光強度が均一となる効果が得られ
る。

【００３０】第２の実施形態の発光素子２は、上記第１
の実施形態において、発光部１０８側（光放射側）とな
る半導体領域３０２をｎ型としたことを特徴とするもの
である。高エネルギの電子（図１４のＬ２に遷移した電
子）はｎ型領域に注入されるので、発光部１０８側の半
導体領域３０２をｎ型とすれば、発生した光が通過する
半導体内の距離が短くなり、半導体領域３０２における
光の吸収をさらに低減することができ、発光効率をさら
に向上させることができる。

【００３１】図９は第２の実施形態の発光素子２の製造
工程の流れを示す断面図である。まず図９（ａ）および
（ｂ）に示すように、例えば固相拡散法によりｐ型半導
体基板３０１の表面基板側にｎ型半導体領域３０２を形
成する。すなわち、ｐ型半導体基板３０１の表面に、開
口部１０６を有する拡散マスク４０１（層間絶縁膜３０
３）を形成し（図９（ａ））、この上に拡散源膜４０２
およびアニールキャップ膜４０３を成膜する。ここで
は、ｐ型半導体基板３０１として、Ｚｎがドープされた
ＧａＡｓ基板を用いる。このＧａＡｓ基板のｐ型不純物
濃度は例えば約２×１０¹⁹［ｃｍ^-3］とする。また拡散
マスク４０１として酸化アルミニウム膜（Ａｌ₂Ο
₃膜）、窒化シリコン膜（ＳｉＮ_x）、窒化アルミニウ
ム膜（ＡｌＮ）などの絶縁膜を用いる。拡散マスク４０
１の膜厚は例えば約１０００［Å］である（図９
（ａ））。またここでは、拡散源膜４０２としてＳｎを
含むＳｉＯ₂膜（Ｓｎ_xＳｉ_yＯ_z膜）を用い、アニー
ルキャップ膜４０３としてＳｉＯ₂膜などの絶縁膜を用
いる。Ｓｎ_xＳｉ_yＯ_z膜の膜厚は例えば約５００
［Å］、ＳｉＯ₂膜の膜厚は例えば約１０００［Å］で
あり、これらの膜はスパッタ法により成膜される。Ｓｎ
_xＳｉ_yＯ_z膜はスピン・オン・グラス（ＳＯＧ）膜で
あっても良い。拡散アニール時に基板の裏面を保護する
目的で、裏面にもアニールキャップ膜（図示はしない）
を設ける。裏面のアニールキャップ膜は、裏面電極形成
前に裏面を研磨処理する場合には必ずしも必要ではな
い。

【００３２】続いて、アニールキャップ膜４０３の形成
が済んだｐ型半導体基板３０１に拡散アニールを施し、
拡散源膜４０２から開口部１０６下のｐ型半導体基板３
０１にＳｎを拡散させ、ｎ型半導体領域３０２を形成す
る（図９（ｂ））。ここでは、ｎ型半導体領域３０２と
なる拡散領域の拡散深さ（すなわち図８に示す接合深さ
ｘ_j）を約１［μｍ］とする。拡散深さを約１［μｍ］
とするための拡散アニールの条件は、例えばアニール温
度８００［℃］、アニール時間６時間である。このアニ
ール条件により形成されたｎ型拡散領域（ｎ型半導体領
域３０２）のｐ型不純物濃度は、例えば約５×１０
¹⁸［ｃｍ³］であり、表面からｐｎ接合面３０７までほ
ぼ均一な濃度である。

【００３３】次に図９（ｃ）に示すように、ｐ型半導体
基板３０１上のアニールキャップ膜４０３および拡散源
膜４０２を除去する。拡散マスク膜４０１は残され、層
間絶縁膜３０３となる。さらに拡散源膜４０２の除去が
済んだｎ型半導体基板３０１の表面上に、ｎ側電極３０
４となる導電膜を成膜し、この導電膜をリフトオフ法に
よりパターニングしてｎ側電極３０４を形成し、シンタ
処理を施す。ｎ側電極３０４は、開口部１０６において
ｎ型半導体領域３０２表面にオーミック接続する。ここ
では、ｎ側電極３０４となる導電膜として、Ａｕおよび
ゲルマニウム（Ｇｅ）からなる合金膜とニッケル（Ｎ
ｉ）膜とＡｕ膜との積層合金膜を用いる。

【００３４】最後に図９（ｄ）に示すように、ｐ型半導
体基板３０１の裏面にｐ側電極３０５となる導電膜を成
膜し、シンタ処理を施す。ここでは、ｐ側電極３０５と
なる導電膜としてＡｌ膜を用いる。以上により第２の実
施形態の発光素子２が製造される。なお、発光素子２の
製造工程は、図９に示す工程に限定されるものではな
い。

【００３５】このように第２の実施形態によれば、上記
第１の実施形態と同様に、発光効率を向上させることが
でき、発光部１０８のサイズを必要に応じて容易に小さ
くすることができる（発光素子アレイに適用した場合に
は、発光部を容易に高集積化することができる）。ま
た、発光部１０８全域で均一な発光強度分布を得ること
ができ、消費電力を低減することができる。さらに、発
光部１０８側の半導体領域３０２をｎ型としたことによ
り、上記第１の実施形態よりもさらに半導体領域３０２
における光の吸収を低減することができ、発光効率をさ
らに向上させることができる。

【００３６】なお、ｐ型半導体基板３０１は、ｐ型の半
導体基板上にエピタキシャル層等のｐ型半導体層を形成
した複合基板でも良いし、半絶縁性（ノンドープ）の半
導体基板上にエピタキシャル層等のｐ型半導体層を形成
した複合基板でも良い。また、半導体材料もＧａＡｓに
限定されない。

【００３７】第３の実施形態図１０は本発明の第３の実施形態の発光素子３の構造を
示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）におけ
るＡ−Ａ’間の断面図である。なお、図１０において、
図１または図８と同じものには同じ符号を付してある。
発光素子３は、逆バイアス印加により発光する発光素子
であり、半絶縁性（ノンドープ）半導体層５０１ａおよ
びｎ型半導体層５０１ｂからなる半導体基板５０１と、
ｎ型半導体基板５０１の表面基板側に形成されたｐ型半
導体領域５０２と、開口部１０６を有する層間絶縁膜１
０３と、ｐ型半導体領域５０２に接続するｐ側電極１０
４と、ｎ型半導体層５０１ｂに接続するｎ側電極１０５
とにより構成される。なお、発光素子３の動作は、上記
第１の実施形態の発光素子１と同様である。また、発光
素子３を図６に示したような発光素子アレイに適用する
ことも、もちろん可能である。

【００３８】半導体基板５０１は、半絶縁性半導体層５
０１ａの表面全面に図示しないｎ型または半絶縁性また
は不純物をドープしないバッファ層を形成し、その上に
ｎ型半導体層５０１ｂを形成した複合基板である。半絶
縁性半導体層５０１ａは、例えばＧａＡｓ基板で、バッ
ファ層はＧａＡｓエピタキシャル層である。また、ｎ型
半導体層５０１ｂは、例えばＳｉをドープしたＧａＡｓ
エピタキシャル層である。ｎ型半導体層５０１ｂの厚さ
は、例えば約１［μｍ］である。ｐ型半導体領域５０２
は、ｎ型半導体層５０１ｂの表面から半絶縁性半導体層
５０１ａとの界面または半絶縁性半導体層５０１ａ中に
至るように形成されたものである。ｐ型半導体領域５０
２は、例えばＺｎを半導体基板５０１に拡散させること
により形成された拡散領域である。発光素子３において
は、ｐ型半導体領域５０２と半導体基板５０１との界面
が全てｐｎ接合面とならず、ｐ型半導体領域５０２とｎ
型半導体層５０１ｂとの界面のみがｐｎ接合面５０７と
なる。このｐｎ接合面５０７は、図１０（ａ）の太線で
示すように発光素子３を上面から見た場合に枠形状とな
る。従って、枠形状のｐｎ接合面５０７に対応し、かつ
ｐ型電極１０４に被覆されていない発光部５０８の領域
が有効発光部５０８ａとなる。また、ｎ型半導体層５０
１ａの厚さが接合深さとなり、図１０（ａ）に示す接合
深さｘ_jは例えば約１［μｍ］である。

【００３９】第３の実施形態の発光素子３は、ｎ型半導
体層５０１ｂの厚さを２［μｍ］未満とし、ｎ型半導体
層５０１ｂの表面から半絶縁性半導体層５０１ａ中に達
するように、あるいはｎ型半導体層５０１ｂの表面から
少なくとも半絶縁性半導体層５０１ａとの界面に達する
ようにｐ型半導体領域５０２を形成したことを特徴とす
るものである。これにより、ｐｎ接合面５０７の接合深
さｘ_jはｐ型半導体領域５０２の深さではなく、ｎ型半
導体層５０１ｂの厚さにより決まるので、ｐ型半導体領
域５０２を２［μｍ］以上の深さに形成しても、接合深
さｘ_jは２［μｍ］未満となり、ｐｎ接合面５０７の全
領域の近傍で発生した光を発光に寄与させることができ
るので、発光効率を向上させることができる。発光部の
面積は拡散深さｘ_jによって決まる横方向拡散距離によ
って決定されるが、この発光素子では、ｘ_jを深くして
も常に発光部は光吸収の少ない２［μｍ］以下に形成さ
れ、２［μｍ］より深い領域には発光部（ｐｎ接合）は
存在しないので、取り出すことのできない発光に費やさ
れる電流がなく、高発光効率が得られる。発光素子３の
構造は、発光に寄与する接合領域は浅く、かつ電流が流
れる拡散領域は深くできるので、より均一に接合に電流
を流すことができる。また、上記第１の実施形態と同じ
ように発光部５０８のサイズを必要に応じて容易に小さ
くすることができ、発光素子アレイに適用した場合に
は、発光部の高集積化を図ることができる。さらに発光
素子３のの構造では、拡散領域のシート抵抗を接合深さ
ｘ_jに依存せずに小さくすることができるために、電極
から離れた拡散領域にも電流を均一に広げることがで
き、拡散領域を大きくして発光領域の面積を大きくして
も、発光領域で均一な発光強度分布が得られる。

【００４０】このように第３の実施形態によれば、半絶
縁性半導体層５０１ａ上に厚さ２［μｍ］未満のｎ型半
導体層５０１ｂを有する半導体基板５０１を用い、ｎ型
半導体層５０１ｂの表面から半絶縁性半導体層５０１ａ
中に達するように、あるいはｎ型半導体層５０１ｂの表
面から半絶縁性半導体層５０１ａとの界面に達するよう
にｐ型半導体領域５０２を形成することにより、ｐ型半
導体領域５０２を２［μｍ］以上の深さに形成しても、
ｐｎ接合面５０７の全領域の近傍で発生した光を発光に
寄与させることができるので、発光効率を向上させるこ
とができ、また発光部５０８のサイズを必要に応じて容
易に小さくすることができるので、発光素子アレイに適
用した場合に、発光部を容易に高集積化することができ
る。さらに拡散領域のシー卜抵抗を接合深さｘ_jに依存
せずに小さくすることができるために、電極から離れた
拡散領域にも電流を均一に広げることができ、拡散領域
を大きくして発光領域の面積を大きくしても、発光領域
で均一な発光強度分布が得られる。

【００４１】なお、ｎ型半導体層５０１ｂをｐ型半導体
層とし、ｐ型半導体領域５０２をｎ型半導体領域とする
ことも可能である。また、半導体基板５０１は、半絶縁
性半導体層５０１ａとｎ型半導体層５０１ｂとが異種の
半導体からなる複合基板、すなわちヘテロ構造を有する
複合半導体基板であっても良い。また、ｐ型半導体領域
５０２の不純物濃度を５×１０¹⁹［ｃｍ^-3］以上とし、
ｎ型半導体層５０１ｂの不純物濃度を１×１０¹⁸［ｃｍ
^-3］以上とすることにより、発光強度分布の均一化と低
消費電力化を図ることも可能である。

【００４２】第４の実施形態図１１は本発明の第４の実施形態の発光素子４の構造を
示す断面図である。なお、図１１において、図１、図
８、または図１０と同じものには同じ符号を付してあ
る。発光素子４は、逆バイアス印加により発光する発光
素子であり、ｎ型の第１半導体層６０１ａおよびｎ型の
第２半導体層６０１ｂからなる半導体基板６０１と、第
２半導体層６０１ｂの表面基板側に形成されたｐ型半導
体領域６０２と、開口部１０６を有する層間絶縁膜１０
３と、ｐ型半導体領域６０２に接続するｐ側電極１０４
と、第１半導体層６０１ａに接続するｎ側電極１０５と
により構成される。なお、発光素子４の動作は、上記第
１の実施形態の発光素子１と同様である。また、発光素
子４を図６に示したような発光素子アレイに適用するこ
とも、もちろん可能である。

【００４３】半導体基板６０１の第１半導体層６０１ａ
と第２半導体層６０１ｂとは異種の半導体からなる。従
ってｎ型半導体基板６０１は、第１半導体層６０１ａと
第２半導体層６０１ｂとの界面がヘテロエピタキシャル
界面６０９となっている複合半導体基板である。第１半
導体層６０１ａは、ｎ型半導体層６０１ａａと、その上
に形成した図示しないｎ型バッファ層と、その上に形成
したｎ型半導体層６０１ａｂからなる。第２半導体層６
０１ｂは、ｎ型半導体層６０１ｂａと、その上に形成し
た半絶縁性または不純物ノンドープコンタクト層６０１
ｂｂからなる。第１半導体層６０１ａにおいて、ｎ型半
導体層６０１ａａは例えばＳｉをドープしたＧａＡｓ基
板であり、またｎ型バッファ層およびｎ型半導体層６０
１ａｂは例えばＳｉをドープしたＧａＡｓエピタキシャ
ル層である。第２半導体層６０１ｂにおいて、ｎ型半導
体層６０１ｂａは、例えばＳｉをドープしたＡｌ_xＧａ
_1- _xＡｓエピタキシャル層である。ｎ型半導体層６０１
ｂａの厚さは、例えば約１［μｍ］である。また半絶縁
性コンタクト層６０１ｂｂは、例えば不純物ノンドープ
ＧａＡｓエピタキシャル層である。半絶縁性コンタクト
層６０１ｂｂの厚さは、例えば約５００［Å］である。
半絶縁性コンタクト層６０１ｂｂは、ｎ型半導体層６０
１ｂａの材料、本実施形態ではＡｌ組成、にかかわら
ず、ｐ型領域６０２とｐ側電極１０４の間で良好なオー
ミックコンタクトが得られるようにするために設けられ
ている。

【００４４】ｐ型半導体領域６０２は、第２半導体層６
０１ｂの表面から第１半導体層６０１ａとの界面に達す
るように形成されたものである。ｐ型半導体領域６０２
は、例えばＺｎを第２半導体層６０１ｂに拡散させるこ
とにより形成された拡散領域である。ｐ型半導体領域６
０２と半導体基板６０１との界面、すなわちｐ型半導体
領域６０２と第２半導体層６０１ｂとの界面およびｐ型
半導体領域６０２と第１半導体層６０１ａとの界面が、
ｐｎ接合面６０７となる。ｐｎ接合面６０７の底部６０
７ａは、ヘテロエピタキシャル界面６０９の位置に形成
される。接合深さｘ_jは第２半導体層６０１ｂの厚さに
等しく、約１．０５［μｍ］である。

【００４５】ここで、拡散法によるｐ型半導体領域６０
２の形成工程について説明する。第２半導体層６０１ｂ
となる半導体としては、ｐ型半導体領域６０２を形成す
るためのｐ型不純物（例えばＺｎ）の拡散速度が、第１
半導体層６０１ａとなる半導体よりも速いものを用い
る。この拡散速度の異なる異種の半導体層６０１ａおよ
び６０１ｂからなる半導体基板６０１に拡散法（例えば
固相拡散法）により不純物を拡散させると、不純物の拡
散はヘテロ接合面６０９で疑似的にブロックされる。こ
れにより、接合深さｘ_jは、拡散アニール処理のばらつ
きに左右されることなく、第２半導体層６０１ｂの厚さ
にほぼ等しくなる。例えば、Ａｌ_xＧａ_1- _xＡｓ層はＧ
ａＡｓ層よりもＺｎの拡散速度が速く、Ａｌ_xＧａ_1-x
Ａｓ層におけるＺｎの拡散速度はＡｌ混晶比が増加する
ほど速くなる。従ってＡｌ_xＧａ_1- _xＡｓ層により第２
半導体層６０１ｂを形成し、ＧａＡｓ層により第１半導
体層６０１ａを形成すれば、Ｚｎの拡散をヘテロエピタ
キシャル界面６０９で疑似的にブロックすることができ
る。

【００４６】第４の実施形態の発光素子４は、第２半導
体層６０１ｂの厚さを２［μｍ］未満とし、第２半導体
層６０１ｂとして、第１半導体層６０１ａ上によりもｐ
不純物の拡散速度が速い異種の半導体を用い、拡散法に
より第２半導体層６０１ｂの表面からヘテロエピタキシ
ャル界面６０９に達するｐ型半導体領域６０２を形成し
たことを特徴とするものである。これにより、ｐｎ接合
面６０７の接合深さｘ_jは、第１半導体層６０１ｂの厚
さと等しく２［μｍ］未満となり、上記第３の実施形態
と同様に、ｐｎ接合面６０７の全領域の近傍で発生した
光を発光に寄与させることができるので、発光効率を向
上させることができる。また、上記第１の実施形態と同
じように発光部６０８のサイズを必要に応じて容易に小
さくすることができ、発光素子アレイに適用した場合に
は、発光部の高集積化を図ることができる。さらに、ヘ
テロエピタキシャル界面６０９のｐ型半導体領域（ｐ型
半導体領域６０２の底部６０７ａ）もｐｎ接合面６０７
となるので、上記第３の実施形態よりも発光部６０８の
有効発光部６０８ａの面積を大きくすることができ、発
光光量を大きくすることができる。また、発光部を大き
くしても高不純物濃度領域を形成しているので電流が面
内に均一に広がり、均一な発光分布を得ることができ
る。すなわち、サイズの制限を受けない。

【００４７】このように第４の実施形態によれば、ｎ型
の第１半導体層６０１ａに、厚さが２［μｍ］未満であ
り、第１半導体層６０１ａよりも不純物の拡散速度が速
いｎ型の第２半導体層６０１ｂを積層してなる半導体基
板６０１を用い、拡散法により第２半導体層６０１ｂの
表面からヘテロエピタキシャル界面６０９に達するｐ型
半導体領域６０２を形成することにより、ｐｎ接合面６
０７の全領域の近傍で発生した光を発光に寄与させるこ
とができるので、発光効率を向上させることができ、ま
た発光部６０８のサイズを必要に応じて容易に小さくす
ることができるので、発光素子アレイに適用した場合
に、発光部を容易に高集積化することができる。さらに
ヘテロエピタキシャル界面６０９のｐ型半導体領域６０
２との界面もｐｎ接合面６０７となるので、上記第３の
実施形態よりも発光面積を大きくすることができ、発光
光量を大きくすることができる。また、発光部を大きく
しても高不純物濃度領域を形成しているので電流が面内
に均一に広がり、均一な発光分布を得ることができる。
すなわち、サイズの制限を受けない。

【００４８】なお、第１半導体層６０１ａおよび第２半
導体層６０１ｂをｐ型とし、ｐ型半導体領域６０２をｎ
型とすることも可能である。また、ｐ型半導体領域６０
２の不純物濃度を５×１０¹⁹［ｃｍ^-3］以上とし、第１
半導体層６０１ａおよび第２半導体層６０１ｂの不純物
濃度を１×１０¹⁸［ｃｍ^-3］以上とすることにより、発
光強度分布の均一化と低消費電力化を図ることも可能で
ある。

【００４９】第５の実施形態図１２は本発明の第５の実施形態の発光素子５の構造を
示す断面図である。なお、図１２において、図１と同じ
ものには同じ符号を付してある。発光素子５は、逆バイ
アス印加により発光する発光素子であり、ｎ型半導体層
７０１ａおよびｐ型半導体層７０１ｂからなる半導体基
板７０１と、ｐ型半導体層７０１ｂの表面からｎ型半導
体層７０１ａ中に達するように形成された分離溝７１０
と、分離溝７１０により分離された複数のｐ型半導体層
７０１ｂの１つであるｐ型半導体領域７０２と、ｐ型半
導体領域７０２に接続するｐ側電極１０４と、ｎ型半導
体層７０１ａに接続するｎ側電極１０５とにより構成さ
れる。なお、発光素子５の動作は、上記第１の実施形態
の発光素子１と同様である。また、発光素子５を図６に
示したような発光素子アレイに適用することも、もちろ
ん可能である。

【００５０】半導体基板７０１は、ｎ型半導体層７０１
ａの表面全面にｐ型半導体層７０１ｂを形成した複合基
板である。ｎ型半導体層７０１ａは、ｎ型半導体層７０
１ａａと、その上に形成した図示しないｎ型バッファ層
と、その上に形成したｎ型半導体層７０１ａｂからな
る。ｐ型半導体層７０１ｂは、ｐ型半導体層７０１ｂａ
と、その上に形成したｐ型コンタクト層７０１ｂｂから
なる。ｎ型半導体層７０１ａにおいて、ｎ型半導体層７
０１ａａは例えばＳｉをドープしたＧａＡｓ基板であ
り、またｎ型バッファ層およびｎ型半導体層７０１ａａ
は例えばＳｉをドープしたＧａＡｓエピタキシャル層で
ある。ｐ型半導体層７０１ｂにおいて、ｐ型半導体層７
０１ｂｂは例えばＺｎをドープしたＧａＡｓエピタキシ
ャル層である。ｐ型半導体層７０１ｂａの厚さは、例え
ば約１［μｍ］である。またｐ型コンタクト層７０１ｂ
ｂは、例えばＺｎをドープしたＧａＡｓエピタキシャル
層である。ｐ型コンタクト層７０１ｂｂの厚さは、例え
ば約５００［Å］である。ｐ型コンタクト層７０１ｂｂ
は、ｐ型半導体層７０１ｂａの材料にかかわらず、ｐ型
領域７０２とｐ側電極１０４の間で良好なオーミックコ
ンタクトが得られるようにするために設けられている。
従って、ｐ型半導体層７０１ｂａとしてＧａＡｓ層を使
用する場合には、必ずしもｐ型コンタクト層７０１ｂｂ
を設けなくても良い。

【００５１】発光素子５においては、ｐ型半導体領域７
０２とｎ型半導体層７０１ａとの界面がｐｎ接合面７０
７となる。分離溝７１０は、ｎ型半導体層とｐ型半導体
層の界面に形成されているｐｎ接合面７０７を所望の領
域サイズにするためのもの、またはｐｎ接合領域を複数
の領域に分離するものであり、例えばエッチング法によ
り形成されたものである。分離溝７１０により分離され
た複数のｐ型半導体層７０１ｂの１つが、上述したよう
にｐ型半導体領域７０２となる。発光部７０８の面積は
ｐｎ接合面７０７の面積に等しく、発光部７０８のｐ側
電極１０４に被覆されていない領域が有効発光部７０８
ａとなる。また、ｐ型半導体層７０１ｂの厚さが接合深
さとなり、接合深さｘ_jは例えば約１．０５［μｍ］で
ある。

【００５２】第５の実施形態の発光素子５は、ｐ型半導
体層７０１ｂの厚さを２［μｍ］未満とし、分離溝７１
０によりｎ型半導体層／ｐ型半導体層の界面に形成され
ているｐｎ接合を複数の領域に分離したことを特徴とす
るものである。ｐｎ接合面７０７の接合深さｘ_jはｐ型
半導体層７０１ｂの厚さにより決まるので、接合深さｘ
_jは２［μｍ］未満となり、ｐｎ接合面７０７の全領域
の近傍で発生した光を発光に寄与させることができるの
で、発光効率を向上させることができる。また、ｐ型半
導体層７０１ｂの適当な位置に分離溝７１０を形成する
だけで発光部７０８を所望のサイズおよび所望形状とす
ることができるので、発光部７０８のサイズを必要に応
じて容易に小さくすることができ、発光素子アレイに適
用した場合には、発光部の高集積化を図ることができ
る。また、発光部を大きくしても半導体層の不純物濃度
を高くしているので電流が面内に均一に広がり、均一な
発光分布を得ることができる。すなわち、サイズの制限
を受けない。

【００５３】このように第５の実施形態によれば、ｐ型
半導体層７０１ｂの厚さを２［μｍ］未満とし、分離溝
７１０により複数の領域に分離されたｐ型半導体層７０
１ｂをｐ型半導体領域７０２とすることにより、発光効
率を向上させることができ、また発光部７０８のサイズ
を必要に応じて容易に小さくすることができるので、発
光素子アレイに適用した場合に、発光部を容易に高集積
化することができる。また、発光部を大きくしても半導
体層の不純物濃度を高くしているので電流が面内に均一
に広がり、均一な発光分布を得ることができる。すなわ
ち、サイズの制限を受けない。

【００５４】なお、ｎ型半導体層７０１ａをｐ型とし、
ｐ型半導体層７０１ｂおよびｐ型半導体領域７０２をｎ
型とすることも可能である。このようにすれば、上記第
２の実施形態で説明したように、電子がより表面に近い
領域まで到達できるので、光取り出し効率が向上する。
また、半導体基板７０１は、ｎ型半導体層７０１ａとｐ
型半導体層７０１ｂとが異種の半導体からなるヘテロ接
合型の複合半導体基板であっても良い。また、ｐ型半導
体領域７０２の不純物濃度を５×１０¹⁹［ｃｍ^-3］以上
とし、ｎ型半導体層７０１ａの不純物濃度を１×１０¹⁸
［ｃｍ^-3］以上とすることにより、発光強度分布の均一
化と低消費電力化を図ることも可能である。

【００５５】第６の実施形態図１３は本発明の第６の実施形態の発光素子６の構造を
示す断面図である。なお、図１３において、図１と同じ
ものには同じ符号を付してある。発光素子６は、逆バイ
アス印加により発光する発光素子であり、ｎ型半導体基
板８０１と、ｎ型半導体基板８０１の表面基板側に形成
されたｐ型半導体領域８０２と、開口部１０６を有する
層間絶縁膜１０３と、ｐ型半導体領域８０２に接続する
透明電極８０４と、ｎ型半導体基板８０１に接続するｎ
側電極１０５とにより構成される。なお、発光素子６の
動作は、上記第１の実施形態の発光素子１と同様であ
る。また、発光素子６を発光素子アレイに適用すること
も、もちろん可能である。

【００５６】ｎ型半導体基板８０１としては、例えばＳ
ｉをドープしたＧａＡｓ基板を用いる。ｐ型半導体領域
８０２は、例えばＺｎを開口部１０６からｎ型半導体基
板８０１に拡散させることにより形成される拡散領域で
ある。ｐ型半導領域８０２とｎ型半導体基板８０１との
界面がｐｎ接合面８０７となる。接合深さｘ_jは、例え
ば約１［μｍ］である。透明電極８０４は、層間絶縁膜
１０３の開口部１０６全面に形成されている。透明電極
８０４としては、例えばＡｌをドープしたＺｎＯ膜、あ
るいはＩＴＯ膜（Ｓｎをドープしたインジウム酸化膜
（Ｉｎ₂Ｏ₃膜））を用いる。

【００５７】第６の実施形態の発光素子６は、ｐ側電極
を透明電極８０４としたことを特徴とするものである。
これにより、発光部８０８の全領域が有効発光部８０８
ａとなるので、発光効率を向上させることができる。ま
た、発光部８０８のサイズを必要に応じて容易に小さく
することができるので、発光素子アレイに適用した場合
に、発光部を容易に高集積化することができる。さら
に、透明電極８０４であるｐ側電極を開口部１０６の全
領域に形成することができるので、接合深さｘ_jが２
［μｍ］未満であるｐｎ接合面８０７の全面に均一な電
界を加えることができるｐ型半導体領域８０２の不純物
濃度の下限を下げることができる。この第６の実施形態
は、接合深さｘ_jを非常に小さくした場合に、特に有効
である。このような場合には、ｐ側電極が金属であると
ｐｎ接合面全体に均一に電流を流す（電界を加える）こ
とが困難となるからである。

【００５８】このように第６の実施形態によれば、ｐ側
電極を透明電極８０４としたことにより、発光部８０８
の全領域を有効発光部８０８ａとすることができるの
で、発光効率を向上させることができる。また、発光部
８０８のサイズを必要に応じて容易に小さくすることが
できるので、発光素子アレイに適用した場合に、発光部
を容易に高集積化することができる。また、発光領域を
大きくした場合でも発光領域の電場分布、電流密度はほ
ぼ均一にできるので、発光素子のサイズの制限を受けな
い。

【００５９】なお、第６の実施形態の透明電極を上記第
１ないし第５の実施形態に適用できることは言うまでも
ない。また、ｎ型半導体基板８０１をｐ型とし、ｐ型半
導体領域８０２をｎ型とすることも可能である。また、
ｎ型半導体基板８０１は、半絶縁性（ノンドープ）半導
体基板上にｎ型の半導体層（例えば半導体エピタキシャ
ル層）を形成したものでも良い。また、ｎ側電極１０５
をｎ型半導体基板８０１の裏面側ではなく、表面側に形
成することも可能である。

【００６０】

【発明の効果】以上説明したように本発明の逆バイアス
を印加して発光させる発光素子によれば、第１導電型の
半導体層を含む半導体基板に、第２導電型の半導体領域
を形成し、第１導電型の半導体層と第２導電型の半導体
領域によるｐｎ接合面を、全て基板表面から２［μｍ］
未満の深さに形成することにより、ｐｎ接合面を流れる
電流を全て外に取り出すことのできる発光に寄与させる
ことができるので、発光効率を高めることができるとい
う効果がある。また、第２導電型の半導体領域を小さく
することは容易なので、発光部（第２導電型の半導体領
域の表面領域）のサイズを容易に小さくすることがで
き、発光素子アレイに適用した場合に、発光部の高集積
化を図ることができるという効果がある。また、ｐ側、
ｎ側の不純物濃度を高くしてあるので接合全体にほぼ均
一の電流が流れ、発光領域全体にわたりほぼ均一の発光
強度分布が得られるという効果がある。また、ｐ側、ｎ
側の不純物濃度を高くしてあることで、発光が開始され
る電圧を下げることができ、消費電力を下げるという効
果がある。また、発光領域全体の発光強度分布をほぼ均
一にできるので、発光領域の面積を大きくすることも可
能で、発光領域サイズを制限されないという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】逆バイアスにより発光する発光素子におけるｐ
ｎ接合深さと発光強度の関係を示す図である。

【図２】本発明の発光素子の発光強度分布の一例を示す
図である。

【図３】本発明の第１の実施形態の発光素子の構造を示
す図である。

【図４】本発明の第１の実施形態の発光素子に約６．４
［Ｖ］の逆方向電圧を印加し、約３０［ｍＡ］の電流を
流したときの発光波長スペクトルを示す図である。

【図５】本発明の第１の実施形態の発光素子の製造工程
の流れを示す断面図である。

【図６】本発明の第１の実施形態の発光素子を適用した
発光素子アレイの構造を示す上面図である。

【図７】本発明の第１の実施形態の他の発光素子の構造
を示す断面図である。

【図８】本発明の第２の実施形態の発光素子の構造を示
す図である。

【図９】本発明の第３の実施形態の発光素子の構造を示
す断面図である。

【図１０】本発明の第４の実施形態の発光素子の構造を
示す図である。

【図１１】本発明の第５の実施形態の発光素子の構造を
示す断面図である。

【図１２】本発明の第５の実施形態の発光素子の製造工
程の流れを示す断面図である。

【図１３】本発明の第６の実施形態の発光素子の構造を
示す断面図である。

【図１４】ＧａＡｓの電子エネルギのバンド構造図であ
る。

【図１５】逆バイアスにより発光する従来の発光素子の
構造の一例を示す断面図である。

【符号の説明】

１，２，３，４，５，６発光素子、１０１，８０１
ｎ型半導体基板、１０２，５０２，６０２，７０２，
８０２ｐ型半導体領域、１０７，３０７，５０７，
６０７，７０７，８０７ｐｎ接合面、３０１ｐ型
半導体基板、３０２ｎ型半導体領域、５０１，６０
１，７０１半導体基板、５０１ａ絶縁性半導体基
板、５０１ｂ，７０１ａｎ型半導体層、６０１ａ
第１半導体層、６０１ｂ第２半導体層、７０１
ｂｐ型半導体層、７１０分離溝。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者谷中真澄東京都港区虎ノ門１丁目７番12号沖電気工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１導電型の半導体層を含む半導体基板
の表面基板側に第２導電型の半導体領域を形成し、前記
半導体層と前記半導体領域とのｐｎ接合に逆バイアス電
圧を印加することによりｐｎ接合面の近傍で発光する発
光素子において、前記ｐｎ接合面が、全て基板表面から２［μｍ］未満の
深さに形成されていることを特徴とする発光素子。
【請求項２】前記半導体基板が、ＧａＡｓ層またはＡ
ｌ_xＧａ_1-xＡｓ層（０＜ｘ＜１）を含むことを特徴と
する請求項１記載の発光素子。
【請求項３】前記第１導電型が、ｎ型であり、前記第２導電型が、ｐ型であることを特徴とする請求項
１または２に記載の発光素子。
【請求項４】前記第１導電型が、ｐ型であり、前記第２導電型が、ｎ型であることを特徴とする請求項
１または２に記載の発光素子。
【請求項５】前記第２導電型がｐ型であるとき、前記
半導体領域のｐ型不純物濃度が５×１０¹⁹［ｃｍ^-3］以
上であり、また前記第２導電型がｎ型であるとき、前記半導体領域
のｎ型不純物濃度が１×１０¹⁸［ｃｍ^-3］以上であるこ
とを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子。
【請求項６】前記第１導電型がｐ型であるとき、前記
半導体層のｐ型不純物濃度が５×１０¹⁹［ｃｍ^-3］以上
であり、また前記第１導電型がｎ型であるとき、前記半導体層の
ｎ型不純物濃度が１×１０¹⁸［ｃｍ^-3］以上であること
を特徴とする請求項１または２に記載の発光素子。
【請求項７】前記半導体基板は、第１導電型の半導体
基板からなり、前記半導体領域と前記第１導電型の半導
体基板との界面が前記ｐｎ接合面となることを特徴とす
る請求項１または２に記載の発光素子。
【請求項８】前記半導体基板は、半絶縁性の半導体層
上に、バッファ層と厚さ２［μｍ］未満の第１導電型の
半導体層とを形成した複合基板であり、前記半導体領域は、前記第１導電型の半導体層の表面か
ら前記半絶縁性の半導体層との界面に達するように、あ
るいは前記第１導電型の半導体層の表面から前記半絶縁
性の半導体層中に達するように形成されており、前記半導体領域と前記第１導電型半導体層との界面のみ
が前記ｐｎ接合面となることを特徴とする請求項１また
は２に記載の発光素子。
【請求項９】前記半導体領域は、前記半導体基板に第
２導電型の不純物を拡散することにより形成された拡散
領域であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれ
かに記載の発光素子。
【請求項１０】前記半導体基板は、第１導電型の第１
半導体層上に、前記第１半導体とは異種の半導体からな
る厚さ２［μｍ］未満の第１導電型の第２半導体層を形
成した複合基板であり、前記半導体領域は、前記半導体層表面から前記第１半導
体層と前記第２半導体層との界面に達するように形成さ
れており、前記半導体領域と前記第１半導体層との界面および前記
半導体領域と前記第２半導体層との界面が前記ｐｎ接合
面となることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項１１】前記第２半導体層がエピタキシャル半
導体層であることを特徴とする請求項１０記載の発光素
子。
【請求項１２】前記半導体領域は、前記半導体基板に
第２導電型の不純物を拡散することにより形成されたも
のであり、前記第２半導体層は、前記不純物の拡散速度が前記第１
半導体層よりも速いものであることを特徴とする請求項
１０記載の発光素子。
【請求項１３】前記不純物がＺｎであり、前記第２半
導体層がＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０＜ｘ＜１）からなり、前記第１半導体層がＧａＡｓからなることを特徴とする
請求項１２記載の発光素子。
【請求項１４】前記半導体基板は、第１導電型の半導
体層上に、厚さ２［μｍ］未満の第２導電型の半導体層
を形成した複合基板であり、前記第２導電型の半導体層は、少なくとも分離領域によ
り分離されており、前記半導体領域は、前記分離された第２導電型の半導体
層からなり、前記分離された第２導電型の半導体層と前記第１導電型
の半導体層との界面が前記ｐｎ接合面となることを特徴
とする請求項１または２に記載の発光素子。
【請求項１５】前記第２導電型の半導体層は、前記第
１導電型の半導体層に達する分離溝により複数の領域に
分離されたものであることを特徴とする請求項１４記載
の発光素子。
【請求項１６】前記第２導電型の半導体層がエピタキ
シャル半導体層であることを特徴とする請求項１５記載
の発光素子。
【請求項１７】前記半導体領域の表面に、前記半導体
領域に接続する透明電極が形成されていることを特徴と
する請求項１ないし１６のいずれかに記載の発光素子。
【請求項１８】前記透明電極が、ＩＴＯ膜あるいはＺ
ｎＯ膜からなることを特徴とする請求項１７記載の発光
素子。
【請求項１９】前記半導体領域を前記半導体基板に複
数形成することにより、前記ｐｎ接合が前記半導体基板
に複数形成されていることを特徴とする請求項１記載の
発光素子。
【請求項２０】前記複数のｐｎ接合が、前記半導体基
板にアレイ状に形成されていることを特徴とする請求項
１９記載の発光素子。