JPS61108179A - 発光半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、発光半導体装置に関し、特にフォトカプラ、
エンコーダ等に好適な指向性の高い発光半導体装置に関
する。

（従来の技術） 発光半導体装置の発光領域で発生する光は、全ての方向
に向けて発生し、このうち、下方に向けて発生して基板
に吸収されるものを除くと、光は基板の主表面より上方
のすべての方向に向けて放出される。この様な発光半導
体装置は当然のことながら指向性が悪い為、っシ鐘形状
の透明樹脂に凸レンズの役割を持たせてここに封入した
シ、実公昭５１−５２３１０号公報記載の様に皿状反射
鏡を持つリードにマウントしたりしている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながらつり鐘状の透明樹脂に封入した場合は発光
半導体装置のみの場合はこの透明樹脂に凸レンズの役割
をする部分があるので効果があるが、発光半導体装置と
受光半導体装置を同一の樹脂て封入するフォトカプラで
は凸レンズの役割をする部分がないので効果がない。又
、リードを皿状の反射鏡に形成して用いる場合はリード
製造の為の特殊なプレス型を必要とし、この為リードが
極めて高価となるとともにとのり一ト９への装着も困難
となってくる。その為、これら透明樹脂、リードを用い
ない状態すなわち発光半導体装置単体で指向性の良すも
のが望まれていた。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、発光半導体装置単体で指向性の良いものを得
ることを目的とし、基板の主表面側に断面が台形状の凹
部、又はこの中央に凸部を備えて断面がＷ形状となっだ
凹部を有し、断面が台形状の凹部の場合は底部、断面力
ｊｗ形状の凹部の場合は底部及び凸部に発光領域を有し
、これら凹部の外側の主表面上に絶縁層を介して形成さ
れた金属電極層と、この金属電極層と前記発光領域を接
続するとともに前記発光領域から放出される光を反射す
る凹面鏡となる様な金属電極層をこれら凹部の斜面に有
する様構成されたものである。

本発明の第２は、この発光半導体装置を製造する方法で
あって、基板の主表面をエツチングすることによって、
断面が台形状の凹部又は頂部の高さが主表面の高さの凸
部を備えて断面がＷ形状となる凹部を形成し、この断面
が台形状の凹部の底部又は断面がＷ形状の凹部の底部及
び凸部に発光領域を絶縁層のマスクによシ形成し、この
基板の主表面側全面に金属電極層を前記発光領域と接続
する様に形成し、この金属電極層の前記発光領域と接続
する部分を残す様にこの発光領域から光を放出する面を
露出させるものである。

本発明の第３は、発光半導体装置を製造する他の方法で
あって、この発光半導体装置の発光領域を凹面鏡の焦点
近傍に形成するために、前記発明の第２であらかじめ発
光領域の高さを決める為に皿状の凹部を形成するエツチ
ングを行ない、との凹部底部の中央が前記凹部の頂部と
なる様に後の工程を行なうものである。

（作用） 本発明は以上の様に基板に凹部を有し、この斜面に形成
された金属配線層を凹面鏡として利用し、この凹部内に
形成された発光領域から放出される光を反射させるので
、光の広がりを押さえることができるのである。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例を説明する為の断面図である
。第１図において、１１はＩ−Ｖ族例えばＧａＡｓＰ、
ＧａＡｓ　＋ＩｎＰ　　あるいはＵ−■族化合物から構
成されるＮ型化合物半導体基板である。この基板１１の
上面を主表面とすれば、この基板１１の主表面には該主
表面を基準とする高さよりも低い領域すなわち断面が台
形状の凹部１２を有し、その底部にはＰ型半導体領域１
３よしなる発光領域を有する。基板１１の凹部１２以外
の面（ここを高さの基準の面とし、以下基準面という）
上の全域及び凹部の斜面の全域にＵ　ＰＳＧ層１４．Ａ
ｔ２０３層１５＊　５Ｉ０２層１６を有し、その上の全
面にＡｔ等の金属層からなる金属電極層１２を有する。

すなわち斜面上を被覆した金属電極層１７は、光を放出
する為の穴をＰ型半導体領域１３上に有する凹面鏡形状
をなす。尚、金属電極層１７は凹部１２の底部でＰ型半
導体領域１３０周辺部に接続されている。

光はＰ型半導体領域のＮ型半導体基板との境界近傍で発
生し、前述の穴から放出されるが、主表面に垂直の方向
から角度をもった光路、すなわち、横に広がったものは
金属電極層１７からなる凹部１２の斜面で反射されてよ
シ垂直方向の光路をとる様になる。光は図中矢印で示す
光路１８ｈに囲１れた領域よシ広がらないので指向性が
良くなるのである。この領域よシ広がろうとする光は光
路１１１ｂで示す様に金属電極層１７で反射され光路１
８ａで囲まれた領域内に補正される。金属電極層１７は
蒸着あるいはスパッタ法によシ表面が鏡面をなす様に形
成することができ、金属電極層１２が例えばＡＡである
場合には光に対して高い反射率があるのでほとんどの光
を反射させることができる。尚、基準面にワイヤを接続
するに十分な電極接続領域１９を設けておくのが好まし
い。

凹部１２は以上の様な役割をするが、その為の形状を説
明する。凹部１２の大きさは、発光領域あるいは、基板
１１の厚さを考慮して決定する。

今、発光領域すなわちＰ型拡散領域１３の大きさを直径
１００μの円形に形成するとすれば、凹部１２の間口は
直径３００μ、深さは１００μが好ましい。斜面は、後
述する製造工程によって決定されるが、異方性エツチン
グによれば、チー・り一状となる。

本発明は、第２図の様に凹部の底部内に凸部を有し断面
がＷ形状になる様に凹部構成してもよい。

図において、発光半導体装置は、凹部２１に形成された
凸部２２に、Ｐ型半導体領域２３を有する。

尚、第２図は絶縁層としてＰＳＧ−ＡＡ２０３−８ｉｎ
２層の代わシにＳｉ３Ｎ４層を用いた例を示している。

表面にＰ型半導体領域２３が形成された凸部２２の頂部
２２ａの高さは凹部２１の底部から破線で示す様な基準
面の高さの範囲をとる様にするのが好ましい。凸部２２
から光を放出する方が金属電極層１７による凹面鏡で、
よシ好適に補正されて、底部から放出する場合よりも逆
に指向性が良くなるからである。しかしながら、頂部２
２ａの高さが基準面を越えると金属電極層１７により反
射きれずに横方向に放出される光が増加し、逆に指向性
が低下するので基準面を越えない方が良いであろう。

一般に、点光源から放出される光を指向性良く放射しよ
うとする場合、放物面鏡の焦点に光源を置くのが望まし
い。本発明の発光半導体装置の発光領域は点光源ではな
く、又凹部も放物面鏡の様な焦点を有する様な形状に構
成するのは困難である。しかしながら発光領域を近似的
に点光源とし、凹部を近似的に放物面鏡とみなせば、そ
の焦点近傍に発光領域を置くことは意義のあることであ
る。

本発明における凸部２２の高さは、他の条件を第１図と
同様とすれば、頂部２２ａの高さが基準面から２０μ程
度低くなる様に構成するとよい。

次に、本発明の第１の製造方法を説明する。これは、前
記第１図に示す発光半導体装置を製造するときに好まし
い。

第３図（ａ）は、Ｎ型半導体基板１１にＣＶＤ法により
　ＰＳ（１，層を形成し、レジスト層を形成してホトリ
ソ−エツチング工程を経てこのレジスト層をｉ９ターニ
ングし、このレジスト層をマスクとしてＩ（Ｆ系のエツ
チング液でエツチングし、開孔部を有する２８０層３１
を形成し、レジストを除去した状態を示す。・母ターニ
ングされた２８０層３１は、直径３００μの開孔部が形
成される。

（ｂ）は、ＰＳＧ層３１をマスクとして硫酸系のエツチ
ング液で基板１１に異方性エツチングを行なって断面が
台形状の凹部１２を形成した状態を示す。

深さを、基準面から１００μ程度にすれば直径１００μ
程度の底部３２が形成される。尚、ＰＳＧ層２１をマス
クとする理由は、有機系のレジストは硫酸系のエツチン
グ液に対する耐性が良くないからである。

（ｃ）は、ＰＳＧ層３１を除去した後新たなＰＳＧ層１
４とを形成し、スパッタ法等によシその上にＡｔ２０３
層１５を形成し、ホトリソ−エツチング工程を経て凹部
１２の底部３２に開孔部を形成した状態を示す。ＰＳＧ
層１４のエツチングにはＨＦ系、Ａｔ２０３層１５のエ
ツチングにはリン酸系のエツチング液を用いるとよい。

この様に、ＰＳＧ層−Ａｔ２０３層の２重層を形成する
のは、次の工程で不純物を通過させない為である。すな
わち、ＰＳＧ層１４−Ａｔ２０３層１５の２重層で拡散
防止層としての役割をするのである。これに代わるもの
はＳｉ３Ｎ４層があシこの場合は１層でよい。

（ａ）は、Ｚｎを拡散し、底部３２にＰ型半導体領域１
３を形成した状態を示す。ＺｎばＧａＡｓＰ基板で赤色
光を放出する場合に用いる。他の基板又は他の発光色で
は別の不純物を拡散することになる。

この後、ＣＶＤ法によシ絶縁層として更にＳ　］　Ｏ０
２層１６を形成し、ホトリソ−エツチング工程を経て凹
部１２の底部３２に開孔部３３を形成し、金属電極層１
７を蒸着又はスパッタ法によシ主表面側全面に形成し、
その後、ホトリソ−エツチング工程により８１０２層１
６に形成された開孔部３３より少し小さい開孔部３４を
凹部１２の底部に形成しくｅ）の様な発光半導体装置を
得る。金属電極層１７がＡｔである場合にはエツチング
液はリン酸系のものを用いるとよい。

ここで、Ｓ　ｒ　０２層１６を形成するのは第３図（Ｃ
）で説明したＰＳＧ層１４は拡散工程での不純物を吸収
しやすく、Ａｔ２０３層１５は粒子が粗い為、その間に
拡散工程での不純物が侵入しやすく、これらの層が２重
となっても電流のリークが生ずることがある為である。

拡散防止層としてＳｉ３Ｎ４層を用いる場合は、その様
な性質はなく、絶縁性も高いので不要となる。すなわち
Ｓｉ３Ｎ４層１層で、拡散防止をするとともに絶縁をす
ることができる。

尚、第３図（ａ）でＰＳＧ層３１の開孔部の中央にＰＳ
Ｇ層を残して、同様に後の工程を行なうことにより第２
図の点線で記載された、頂部２２ａが基準面の高さの凸
部２２を有する発光半導体装置を製造することができる
様になる。

次に、本発明の他の装造方法を説明する。これは、第２
図の実線で記載された、焦点近傍に発光頭載を置いた発
光半導体装置を製造するときに好ましい。

第４図において、（ａ）　！−１：、Ｎ型化合物半導体
基板４１にフォトリソ−エツチング工程を経て開孔部を
有するＰＳＧ層４２が形成された状態を示す。

（ｂ）は、硫酸系エツチング液により異方性エツチング
を行なって皿状の凹部４３を設けた状態を示す。凹部４
３の深さは発光源の高さを決めるものである。

（Ｃ）は、発光源の頂部予定領域として凹部４３の底部
の中央にＰＳＧ層４層上４けた状態を示す。

ＰＳＧ層４層上４基板４１の基準面のＰＳＧ層４２を除
去することなく全面に新たなＰＳＧ層を設け・ぐターニ
ングしても、ＰＳＧ層４２を除去した後新たなＰＳＧ層
を設け・母ターニングしてもよい。拡散防止層としてＰ
ＳＧ層−Ａｔ２０３層の２重層を用いる場合はＰＳＧ層
が厚くなり過ぎるので除去する方が好ましい。

（ｄ）は、このＰＳＧ層４２及び４４をマスクとして更
に硫酸系のエツチング液によシ異方性エンチングを行な
った状態を示す。図に示す様に、凹部４３中のＰＳＧ層
４層上４囲の底部が更に深くエツチングされ、凹部４５
が形成され、これら凹部４３及び４５によシ、断面がＷ
形状の凹部４６が形成される。

（ｅ）は、ＰＳＧ層４２及び４４を完全に除去し、基準
面及び凹部４６の底部から基準面につながる斜面に拡散
防止層としてＳｉ３Ｎ４層４７を形成した状態を示す。

この為には、基板４１の主表面側全面にＳｉ３Ｎ４層４
７を形成し、リン酸系のエツチング液を用いてＷ形状の
中央部すなわち凸部４８及び凹部４６の底部の８１３層
４層４７を除去するとよい。

（ｆ）は、５１３層４層４７をマスクとしてＺｎを拡散
しＰ型半導体領域４９を形成した状態を示す。これてよ
りｐ型拡散領域４９は凹部４５の底部及び凸部４８に形
成される。

この後Ｓ　ｌ　３層４層４７上及び凹部４５の底部に金
属電極層５０を形成する。これ１は、蒸着又はス・母ツ
タ法により主表面側に形成した金属電極層５０をリン酸
系のエツチング液でエツチングすることにより行なわれ
る。以上の工程によＦ）　（ｇ）に示す発光半導体装置
を製造することができる。

尚、本実施例の様に拡散防止層として５１３層４層を使
用すると絶縁層として更にＳ　ｉＯ２層を用いることを
要しない。Ｓｉ３Ｎ４層は拡散防止層として用いた後で
も絶縁効果を高く保つことができるからである。

（発明の効果） 以上説明した様に本発明によれば発光半導体装置の基板
そのものに凹面鏡の役割シをする金属層を形成したので
凸レンズの役割をする部分を備えだ樹脂に封入すること
ができない場合であっても、指向性の良い光を得ること
ができる。又、特殊なプレス型により形成されたリード
を必要とすることもなくなる。ここで、反射鏡の金属層
として電極層を用いるので、反射鏡の為に特別な金属層
を形成する必要がなく、従来の製造工程に凹部を形成す
る工程を追加するだけで製造することができる。

以下、従来の反射鏡を有さない発光半導体装置と本発明
の発光半導体装置の指向特性を第５図（ａ）。

（ｂ）を用いて比較する。図において（ａ）は従来の発
光半導体装置の指向特性、（ｂ）は本発明の他の実施例
の発光半導体装置の凸部の高さが焦点近傍であるときの
指向特性を示すグラフである。グラフによれば３０°以
上と一３０°以下から相対強度の著しい差が観測される
。従来の発光半導体装置も本発明の発光半導体装置も全
方向に放出される光量は合計で同じであるから、本発明
の発光半導体装置は指向性が高い分だけ特定の方向の光
度は太きくなる。尚、本発明により構成された発光半導
体装置を、前述の凸レンズの役割をする部分を有する樹
脂に封入したシして更に指向性を向上させることも可能
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の発光半導体装置の第１の実施例の断面
図、第２図は変形例の断面図、第３図（ａ）〜（ｅ）は
本発明の第１の製造方法の各工程における断面図、第４
図（ａ）〜（ｇ）は他の製造方法の各工程における断面
図、第５図（ａ）　、　（ｂ）は従来の発光半導体装置
と本発明の発光半導体装置との地動を示す為の相対光度
−角度特性図。 １１．４１・・・Ｎ型半導体基板、ｌ：２，２１゜４３
．４５．４６・・・凹部、１３，２３．４９・・・Ｐ型
半導体領域、１４・・・ＰＳＧ層、１５・・・Ａｔ２０
３層、１６−・８１０２層、１７．４９−・・金属電極
層、１８ａ。 １８ｂ・・・光路、２２．４８・・・凸部、２４．４７
・・・Ｓｉ３Ｎ４層。 第１図 区　　石　　　　　　　　　Ｄ 寸 昧 第４図 第５図 昭和　　年　　月　　日

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１導電型の化合物半導体基板と、該基板の主表
   面の、端部から離れた領域に形成された第２導電型の発
   光領域と、該発光領域の光を放出する面を残して前記主
   表面上のほぼ全域を被覆する絶縁層と、該絶縁層上のほ
   ぼ全域を被覆するとともに前記発光領域の周辺部に接続
   された金属電極層とを有する発光半導体装置において、 前記基板は、前記発光領域に向かって低くなるとともに
   該発光領域を囲む斜面を備える凹部を有し、該斜面は前
   記金属電極層に被覆され、前記発光領域から放出される
   光を反射する凹面鏡を形成する発光半導体装置。
2. （２）特許請求の範囲第１項において、前記凹部は断面
   が台形状をなし、前記発光領域は該凹部の底部に形成さ
   れている発光半導体装置。
3. （３）特許請求の範囲第１項において、前記凹部は断面
   が台形状の凹部に底部から前記主表面を越えない高さの
   凸部を備えて断面がＷ形状をなし、前記発光領域は該凹
   部の底部及び前記凸部に形成された発光半導体装置。
4. （４）第１導電型の化合物半導体基板の端部から離れた
   主表面をエッチングし、該主表面に凹部を形成する工程
   と、該主表面上の前記凹部の外側の該主表面上全面及び
   該凹部の外側の該主表面から該凹部の底部につながる斜
   面の全面に絶縁層を形成し、これをマスクとして不純物
   の拡散を行ない前記基板に第２導電型の発光領域を選択
   的に形成する工程と、前記絶縁層を含む前記基板の主表
   面側全面に金属電極層を形成する工程と、前記発光領域
   の周辺部の該金属電極層と前記発光領域との接続部分を
   残し該発光領域上の該金属電極層を除去して光を放出す
   る面を露出させる工程とを有する発光半導体装置の製造
   方法。
5. （５）第１導電型の化合物半導体基板の端部から離れた
   主表面をエッチングし、該主表面に皿状の第１の凹部を
   形成する工程と、該第１の凹部の中央部を残し該第１の
   凹部を更にエッチングして第２の凹部を形成し、該第１
   及び第２の凹部からなる第３の凹部を形成する工程と、
   該第３の凹部の外側の主表面上全面及び該第３の凹部の
   外側の主表面から該第３の凹部の底部につながる斜面の
   全面に絶縁層を形成し、これをマスクとして不純物の拡
   散を行ない前記基板に第２導電型の発光領域を選択的に
   形成する工程と、前記絶縁層を含む前記基板の主表面側
   全面に金属電極層を形成する工程と、該発光領域の周辺
   部の該金属電極層と前記発光領域との接続部分を残し該
   発光領域上の該金属電極層を除去し光を放出する面を露
   出させる工程とを有する発光半導体装置の製造方法。