JPS6119181A - 半導体発光素子の製造方法 - 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 本発明は半導体発光素子のｉｌ！造方決方法する。

更に詳しくいえば、半導体発光素子において、円形メサ
構造を薄膜成長法を利用して該発光素子に光取出し用の
作り付けレンズを形成する方法に関するものである。

従来の技術 発光素子、例えば発光ダイオード（以下ＬＥＤと略称す
る）は、半導体のＰＮ接合に順方向の電流を流して電気
エネルギーを直接光に変換する素子であり、既に表示用
としては広く利用されてぃる。

しかしながら、光伝送用ＬＥＤの場合には、表示用とは
別のいくつかの要件を満たす必要がある。

その要件とは、例えば光伝送用媒体としてのファイバと
の結合性および発光スペクトル幅が狭いことなどである
。

一般に、ＬＥＤの光はレーザと異り指向性に乏しく、光
は発光領域から四方大力に放出されるのでその輝度はレ
ーザと比較して著しく低い。この点については、例えば
ステップインデックスファイバに円筒状の発光領域を有
するＬＥＤを結合する場合には、その発光面積を大きく
し、そこから発せられる光を開口数（レンズ半径／焦点
距離）の大きなレンズで絞ることにより多少ファイバに
はいる光量を増大させることは可能である。

しかしながら、光をレンズで絞っても、ファイバ内に入
射し得る光（即ち、 口、、、８１ｎ−，Ｊ　ｎ　、２−一一一よりも小さな
角度でファイバのコア部分に入射する光；但しｎｌ　及
びｎ２は夫々コアおよびクラッドの屈折率である。）以
外のものはコアからクラッドへもれてしまうので、この
ような方法は余り効果がない。

ＬＥＤの光をファイバに効率よく結合する、即ちＬＥＤ
の結合効率を高めるもう一つの方法として、発光領域の
径をコア径よりも十分に小さくし、同じ駆動電流でも電
流密度が高く、輝度が高くなるようにすることであり、
これを実現する一つの手段は（マイクロ）レンズをＬＥ
Ｄの発光領域前面に取付けることである。これによって
、発光領域の虚像がコア径程度に拡大されるので、光は
コアに対し小さな入射角で入射することになり、結果と
して結合効率が改善されることになる。

従来、このＬＥＩ）に（マイクロ）レンズを取付ける態
様としては、ＬＥＤの出射面に溝を設け、該溝にガラス
、サファイヤなどでできた球形レンズを例えばエポキシ
系の接着剤などで集積化する方法、ならびにＬＥＤの半
導体表面をレンズ状に形成して、作り付けレンズを与え
る方法が知られている。最近の動向は、薄膜層の形成方
法、写真蝕刻法並びにエツチング法の著しい進歩から、
後者の作り付けレンズを与える方法が主流となってきて
いる。

従来の、ＬＥＤの作り付けレンズの製造は、普通以下の
第３図に示すように写真蝕刻法とドライエツチング法ま
たはウェットエツチング法との組合せにより実施されて
いる。即ち、まず半導体発光素子の光取出し側に、必要
によりレンズ形成用の薄膜８を形成しく第３図（ａ）参
照）、次いで第３図（ｂ）に示されるように該素子の光
取出し側表面自体８にもしくは該レンズ形成薄膜層部分
にレジストを塗布して円形パターン６を形成する。この
レンズ形成用薄膜８をドライエツチングもしくはウェッ
トエツチング法によりエツチングすると第３図（Ｃ）に
みられるように円錐台形のメサ構造が得られる。これを
引き続きエツチングすると、第３図（ｄ）に示したよう
に、レジストとの接触部分のエツチングが更に進行し、
ついには、第３図（ｅ）に示すようにレジストが剥離し
てほぼ球面状の突起部が形成される。

従来は、以上第３図に従って説明したような方法で作り
付けレンズの形成が行われていたが、このような方法に
は以下に述べるようないくつかの問題点があった。

（ｉ）１枚の基板上に多数のレンズを形成する場合、通
常、エツチングは基板の端部のほうが中央部に比べて速
く進行するので、端部のレンズは薄く、中央のレンズは
厚く形成され、光取出し効率の不均一を生ずる。

（ｉｉ）上に述べたエツチング速度の不均一により、端
部で既にエツチングが完了し、剥離したレジスト膜が他
の部分に付着して、その部分の工・ンチングの進行を妨
げる恐れがある。

（ｉｉｉ　）エツチングがレジストに覆れた部分にも及
ぶために、１つのレンズが形成されるのに要する時間は
局所的な表面状態およびそれに伴うレジストと基板表面
との密着度に大きく左右され、再現性に乏しい。

発明が解決しようとする問題点 以上詳細に述べたように、写真蝕刻法およびエツチング
法を組合せた、発光素子の作り付けレンズの形成方法で
は、エツチング速度の遅速等に基き前記のような種々の
欠点を有していることがわかった。

従って、このような諸欠点を解消でき、均一なレンズを
再現性良く形成し得る方法を開発することは高品位の発
光素子を効率良く生産する上で極めて重要な課題となっ
ている。

そこで、本発明の目的は、１枚の基板上に多数のレンズ
を形成する場合においても、エツチング速度の遅速に基
く、形成されるレンズの寸法不均一性を示さず、再現性
の良い均一なレンズを形成することのできる、半導体発
光素子の作り付けレンズの形成方法を提供することにあ
る。

問題点を解決するための手段 本発明者は前記の作り付けレンズを有する発光素子の製
造における従来法の諸欠点に鑑みて、新たな方法を開発
すべく種々検討、研究した結果、−担エッチングにより
円形メサ構造を形成した後、薄膜成長方法により、該円
形メサ構造を整形することが本発明の上記目的を達成す
るのに極めて有効であることを見出し、本発明を完成し
た。

即ち、本発明の半導体発光素子の製造方法は、半導体基
板上にＰＮ接合部を含む半導体層を形成する工程、光取
出し面にレジストを塗布して円形パターンを形成し、次
いで該光取出し面をエツチングすることによりレンズを
形成する工程およびオーミック接触電極を形成する工程
を含む、作り付けレンズを光取出し面側に有する発光素
子の製造方法であって、前記エツチングによるレンズの
形成工程が、エツチングにより円形メサ構造を形成する
第１段階と、薄膜成長法により該円形メサ構造を整形す
る第２段階とを含むことを特徴とする。

本発明の特徴は、前述のように作り付けレンズの形成工
程を２段階で行うことにあり、これによって、従来の作
り付けレンズの形成方法にみられた各種欠点が効果的に
改善されることになる。

ＬＥＤは大雑把に面発光型とレーザダイオードと同様の
端面発光型とに分類されるが、本発明の方法は特に面発
光型のＬＥＤに対して有利に適用できる。

作用 以下、本発明の方法を、添付図面を参照しつつ更に詳細
に説明する。

第１図は本発明の方法で意図する、作り付けレンズを有
するＬＥＤの構成の一部（ＰＮ接合部を含む半導体層）
を概略的に断面図で示したものである。第１図から明ら
かな如く、ＬＥＤの半導体層１はＰ、Ｎ接合部からなる
活性層２とその一部を構成する発光領域３を含んでいる
。また、作り付けレンズ４が光取出し面５側に形成され
ている。

ＬＥＤのＰＮ接合部を含む半導体層１は一般に以下のよ
うな各種方法に従って作製される。即ち、該層１は単結
晶基板上に所定のＩＩ［−Ｖ族化合物半導体の単結晶薄
膜層を気相または液相エピタキシャル成長法、分子線エ
ピタキシャル成長法、スパッタ法、イオンブレーティン
グ法、クラスタイオンビーム法等の各種薄膜形成技術に
よって形成することにより作製される。

いくつかの例を挙げると、Ｇａ　（Ａｓ、　Ｐ）赤色Ｌ
ＥＩ）のＰＮ接合部を含む半導体層は、ｎ−形ＧａＡｓ
基板上に、例えば気相エピタキシャル成長法により、組
成勾配を有するＧａ　（Ａｓ、　Ｐ）層およびＧａ　（
Ａｓｏ、　ｓＰｏ、　ｓ　）層を成長させて得られる基
板上に、例えばＣＶＤ法によりレジスト用８１３Ｎ４薄
膜を形成し、ホトエツチングにより発光領域に対応する
部分の該５ｉａＬ薄膜を除去する。つぎに、このＳｉ３
Ｎ＋薄膜をマスクとして、たとえば、Ｚｎを選択拡散さ
せて、前記Ｇａ（Ａｓｏ、　ｓＰｏ、　４）層中にＰＮ
接合を形成する。

また、ＧａＰ緑色ＬＥＤにおけるＰＮ接合を含む半導体
層は以下のようにして形成される。例えばＧａＰ引き上
げ結晶基板上に液相エピタキシャル成長法等により成長
させた結晶を用いる。発光中心として作用するＮの添加
（成長接合法）、即ちＰＮ接合の形成は結晶成長分団気
中にＮＨ３ガスを添加することにより実施される。また
、ＰＮ接合の形成は拡散接合法により、Ｚｎを選択拡散
させることによっても可能である。

ここで、例えばＡｌＧａＡｓ発光ダイオード作成時にみ
られるように、基板が活性層の発光に対して不透明であ
る場合、該基板を研磨、エツチングなどで一部もしくは
全部を除去することが必要である。

この場合、必要ならば作り付けレンズ形成用薄膜層を更
に光取出し面上に設ける。

次に、第２図を参照しつつ本発明の特徴である作り付け
レンズの形成工程を説明すると、上記のようにして得ら
れるＰＮ接合を含む半導体層（結晶成長用基板を含んで
もよい）の光取出し面５上に、従来法と同様にレジスト
を塗布して所定の作り付けレンズの円形パターンを形成
しく第２図（ａ）参照）、次いでエツチングすることに
より、第２図（ｂ）にみられるような円形メサ構造を形
成する。

ここで、レジスト材としては従来公知のいずれのものを
使用することも可能であり、例えば〇−ナフトキノンア
ジド系センシタイザとアルカリ可溶のフェノールボラッ
ク樹脂との組合せからなるもの、０−ベンゾキノン−（
Ｌ　２）−ジアジド系ポジレジスト、更には光硬化型の
ネガレジスト、例えばポリケイ皮酸ビニル系のもの等各
種のものを例示できる。また、これらレジスト材を用い
た所定のパターンの形成も従来公知の方法に従って容易
に実施することができる。

更に、本発明の方法において使用するエツチング法は、
化学薬品を用いるウェットエツチング（エツチング液は
例えばＧａＰでは１％Ｂｒ２：　Ｃｌｌ３０Ｈ１ＧａＡ
ｓに対しては）ＩＮＯ，：　２１１Ｃ］　：　２Ｈ２０
，１〜２０％Ｂｒ、　　：ＣＨ３０Ｈ、ＩｎＰについて
は１％Ｂｒ２：　ＣＨ３０１（などが知られている）お
よびガスプラズマエツチング、スパッタエツチング、イ
オンビームエツチングなどのドライエツチング法を利用
することができる。

尚、レジスト材により発光領域と正確に対応するパター
ンを光取出し面上に形成するためには、即ち調心のため
には、公知の両面マスク合せ法および赤外を下方から照
射して発光領域を特定した後に中心を求めるなどの各種
公知の方法を利用することかできる。

かくして形成した円形メサ構造には、レジスト材が残さ
れているので、これを除去する（第２図（Ｃ）参照）。

このレジスト剥離作業は、熱Ｈ２ＳＯ，、熱Ｈ２Ｓ０４
Ｊ２０２もしくはアルカリ溶液などを使用するか、もし
くは他の公知手段により容易に行なうことができる。

レジスト材の除去後、該円形メサ構造の整形を行なう（
第２図（ｄ）参照）が、特に好ましい方法として液相エ
ピタキシャル成長法を挙げることができる。この液相エ
ピタキシャル成長法は、公知であって、本発明において
も何隻特殊な工程を必要とするものではない。その他、
エツジ部分を球形状に整形するのに有効ないかなる他の
方法を利用することも可能である。

該液相エピタキシャル成長法によって成長させる際、下
地と同じ薄膜原料を用いる。この時、結晶学的性質によ
り、突起部ではそれ以外の部分に比較して結晶が薄く成
長するので、第２図（ｄ）のようななだらかな突起部が
形成される。

このようにして、形成されたレンズの形状、厚さ、均一
性などは、下地の円形メサ構造部分の形状と、成長温度
とその均一性および成長時間等によって決定されるが、
これらはレジスト膜との密着性などと比べれば制御し易
いパラメータであり、本発明の方法は従来型と比べて、
再現性および均一度の点で優れていると考えられる。

本発明の半導体装置の製造方法においては、次いで必要
ならば電極を形成する。これを、既に述べたＧａ　（Ａ
ｓ、　Ｐ）赤色発光ダイオードを例に挙げて説明すると
、Ｐ−影領域のオーミック接触電極用の金属薄膜を、例
えば蒸着法により形成し、この膜のホトエツチングによ
りＰ側電極を形成し、更に裏面から基板を適当な深さま
で研磨した後、同様にしてＮ−影領域のオーミック接触
用電極を形成する。

この電極形成方法の開示は単なる例示であり、その他の
公知の各種方法を利用でき、またレンズ形成工程と電極
形成工程とは任意の順序であり得、上記の如くレンズ形
成後電極形成を行っても、また電極形成後にレンズを形
成してもよいし、更にまた、例えば前記の例でいえば、
Ｎ側電極をまず形成し、次いで光取出し面上に作り付け
レンズを形成し、その後光取出し面側のＰ側電極を形成
することも可能である。

発明の効果 以上詳細に説明したように、本発明の方法によれば、レ
ンズ形成工程を２段階、即ちまずエツチングにより円形
メサ構造を形成する段階および薄膜結晶成長法等により
該メサ構造を整形する段階、で行なうことにより、従来
法においてみられた各種欠点を効果的に解決することが
できる。

即ち、本発明の方法により得られる半導体発光素子の作
り付けレンズ部分は、多数のレンズを形成する場合でも
均一であり、エツチングの不均一により、端部のレジス
ト膜が他の部分に付着する結果生ずるエツチングの妨害
の問題、更には再現性の問題等の影響を全く受けず、再
現性の良いしかも均一度の高いレンズである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明で意図する作り付けレンズを有する半導
体発光素子の一部を断面図で示すものであり、 第２図は本発明の半導体発光素子の製法における作り付
けレンズの形成工程を説明するための図であり、 第３図は従来の作り付けレンズの形成工程を説明するた
めの図である。 （主な参照番号） １　半導体層、　２　活性層、 ３　発光領域、　４　作り付けレンズ、５　光取出し面
、６　レジスト、 ７　液相エピタキシャル成長層 ８　レンズ形成用薄膜層

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板上にＰＮ接合部を含む半導体層を形成する工
   程、光取出し面にレジストを塗布して円形のパターンを
   形成し、次いで該光取出し面をエッチングすることによ
   りレンズを形成する工程およびオーミック接触電極を形
   成する工程を含む、作り付けレンズを光取出し面側に有
   する半導体発光素子の製造方法において、前記エッチン
   グによるレンズの形成工程が、エッチングにより円形メ
   サ構造を形成する第１段階と、薄膜成長法により該円形
   メサ構造を整形する第２段階とを含むことを特徴とする
   上記半導体素子の製造方法。
2. （２）前記薄膜成長法が液相エピタキシャル成長法であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の方法。
3. （３）前記光取出し面側にレンズ形成用薄膜を形成する
   工程を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項また
   は第２項記載の方法。