JPS62137891A - 接合型半導体発光素子 - 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、発光ダイオードや半導体レーザとして使用し
得る半導体発光素子に関し、特に平板部に設けた柱状突
起内の該平板部に対して垂直方向に形成されたｐｎ接合
からの発光を平板部の柱状突起形成側の面とは反対側の
面のうち柱状突起の直下に当たる個所に設けた溝から放
出するようにし、その溝に光ファイバを接続できるよう
にした接合型半導体発光素子に関するものである。

〔従来の技術〕

基板に対して垂直方向に光を放出する構造、すなわち平
板部と、該平板部の片面上に設けた柱状突起と、平板部
及び柱状突起の任意の箇所に設けた電極とからなり、少
なくとも柱状突起内に平板部に対して垂直方向に延在す
るｐｎ接合を有する発光素子は、光ファイバとの結合が
容易であり、また面発光体としての種々の用途が回持さ
れることから、半導体レーザや発光ダイオードの研究分
野において開発が進められてきており、近年、多種類の
ものが広く実用されている。

そのような接合型半導体発光素子の基本的な構造例は、
第３図に示すように、平板部（■３）と、その片面に設
けた柱状突起（Ｐ）と、柱状突起（Ｐ）の側周面及び平
板部（Ｂ）の−Ｌ面に設けたｎ側電極（Ｅｌ）と、平板
部（Ｂ）の下面に設けたｎ側電極（Ｅ２）とからなるも
のである。柱状突起ＣＰ’）内には平板部（Ｂ）に対し
て垂直方向に延在するｐｎ接合ＰＮＩが１、また平板部
（Ｂ）内には該平板部（Ｂ）に対して平行方向に延在す
るｐｎ接合ＰＮ２が存在する。そして電極（Ｅｌ）、（
Ｆ２）間に電流を注入してｐｎ接合ＰＮＩにより平板部
（Ｂ）に対して垂直方向の光を得られるようにしである
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、発光源である上記の発光素子と光ファイバと
を安定かつ容易に結合することは非常に重要である。し
かしながら、光ファイバと発光素子の柱状突起とを結合
すると、結合部分が保持されていないという構造上その
結合部分は外部振動゛に対して非常に不安定であり、結
合部分の強度も余り高くない。また、柱状突起の先端と
光ファイバとを効率良く光を集束しうるように結合する
ためには両者の精密な位置決めが大変重要であるが、柱
状突起及び光ファイバの大きさや形状からしてそれは非
常に面倒な事である。

従って本発明の目的は、光ファイバとの結合を容易に行
え、かつ結合部分の強度及び安定性を高めるごとのでき
る接合型上ｙＩ体発光素子を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

ｉ；■記Ｌ１的は、平板部と、該平板部の片面上に設け
た柱状突起と、平板部及び柱状突起の任意の箇所に設＋
１だ電極とからなり、少なくとも柱状突起内に平板部に
対して垂直方向に延在するｐｎ接合を有する接合型半導
体発光素子において、平板部の柱状突起形成側の面とは
反対側の面のうち柱状突起の直下に当たる個所に光ファ
イバ接続用の溝を形成してなることを特徴とする接合型
半導体発光素子により達成される。

本発明の接合型半導体発光素子は、平板部の片面上に設
けた柱状突起内に形成したｐｎ接合により、平板部に対
して垂直方向に光を放出するものであり、平板部の下面
に形成した溝に光ファイバを接続して使用するものであ
る。

ところで、上記のような接合型半導体発光素子は、平板
部に対して垂直方向に延在するｐｎ接合（ｐｎ接合ＰＮ
　１　）による光を得ることをその本来の目的とするも
のでありミ平板部に対して平行方向に延在するｐｎ接合
（ｐｎ接合ＰＮ２）は存在しないか、または存在しても
できるだけ発光しないように様々な工夫をすることが好
ましい。たとえば１つの工夫として、柱状突起内及び平
板部内にｐｎ接合を形成する際に平板部の上部表面をマ
スキングして不純物の拡散を行えば、平板部内に水平方
向に延在するｐｎ接合ＰＮ２が実質的に形成されない接
合型半導体発光素子を得ることができる。

本発明においてはかかる構造の接合型半導体発光素子を
使用することが好ましい。

光ファイバは周知のように屈折率の大きいコア部をその
コア部より小さい屈折率のクラッド部で包み、コア部と
クラッド部の境界面で光を全反射させてコア部に閉じ込
めて伝送するものである。

前述の接合型半導体発光素子に接続する光ファイバとし
ては、既知のものを使用すればよい。

〔実施例〕

以下、図面に基づき、本発明を具体的に説明する。

本発明の発光素子は、基本的には第１図に示すように、
基板（Ｂ３）　、バリア［（８２）及び上部層（Ｂ１）
からなる平板部（Ｂ）と、その平板部（Ｂ）の片面上に
設けた円柱状突起（Ｐ）と、円柱状突起（Ｐ）の側周面
に設けたｐ側電極（Ｅｌ）と、平板部（Ｂ）の下面に設
けたｎ側電極（Ｂ２）とで構成されている。円柱状突起
（Ｐ）の頂上面には反射膜（または反射鏡）（Ｆ）が設
けられ、円柱状突起（Ｐ）内には平板部（Ｂ）に対して
垂直方向に延在する円筒状のｐｎ接合ＰＮＩが形成され
ている。平板部（Ｂ）の下面のうち円柱状突起（Ｐ）の
直下に当たる個所には、バリア層（Ｂ２）と基板（Ｂ３
）の界面まで達する光ファイバ接続用の円筒状溝（■］
）が形成されている。この溝（１４）の大きさは光ファ
イバの先端部が嵌合可能な大きさに設定されている。

この平板部（Ｂ）の下面に光ファイバ接続用の溝（Ｈ）
を形成したことにより、ｐｎ接合ＰＮＩによる平板部（
Ｂ）に対して垂直方向の光のうち上方向の光は円柱状突
起（Ｐ）の頂上面に設けた反射膜（Ｆ）により反射され
て間接に、かつ下方向の光は直接に溝（ｔｌ　）に達し
、その溝（１（）に接続された光ファイバ（１）に伝達
される。

発光素子と光ファイバ（１）との位置決めは溝（Ｈ）に
光ファイバ（１）の先端部を挿入するだけでよく、実に
簡単に光ファイバと発光素子を効率良く光を集束しうる
ように結合することができる。さらに、光ファイバ（１
）の先端部が１（Ｉｔ）の内周壁によって保持されるの
で、結合部分が外部振動に対して非常に安定し、結合部
分の強度も向上することになる。

第１図の実施例では、平板部（Ｂ）内に該平板部（Ｂ）
に対して平行方向に延在するｐｎ接合ＰＮ。

２が実質的に存在しないが、かかるｐｎ接合ＰＮ２の存
在を許容することによって、当該接合型半導体発光素子
の製造に際して当該ｐｎ接合ＰＮ２を存在せしめないよ
うにするための工夫等が一切不要となるので接合型半導
体発光素子を安価に製造することが可能である。従って
、第２図に示した如きｐｎ接合ＰＮ２の存在するものを
使用してもよいが、この場合、前述のようにｐｎ接合！
’Ｎ２が発光しないよう工夫することが好ましい。たと
えば、第２図に示した接合型半導体発光素子は、ｐ側電
掻（［？ｌ）と上部層（Ｂ１）の間に絶縁ｊ１り（１０
）を設けたものである。絶縁膜（１０）により、電極（
Ｅｌ）を円柱状突起（Ｐ）の側周面だけでなく平板部（
Ｂ）の上面に延長させて形成したとしても、電流はｐｎ
接合ＰＮ２を貫通する方向には流れず、そのためｐｎ接
合ＰＮ２は発光に寄与しない。

第１図に示した実施例では、基板（Ｂ３）の材料として
ＧａＡｓを用いた場合であり、ＧａＡｓは光を透さない
性質を有するので、基板（Ｂ３）を貫通する深さまで溝
（Ｈ）を形成する必要があるが、基板の材料にＧａＡｓ
以外の材料、すなわち光透過性の材料を使用した場合は
、溝（Ｈ）の深さに制限はなく、光ファイバとの結合の
安定性及び強度を考慮して適当な深さまで溝（Ｈ）を形
成すればよい０反射Ｉｔ！（Ｆ）は円柱状突起（Ｐ）の
頂上面に必ずしも設ける必要はないが、もし反射膜を設
けないと、ｐｎ接合ＰＮＩからの発光のうち円柱状突起
（Ｐ）の先端の方向への光が無駄になるので、実施例に
示した如く設けることが好ましい。

また、／＃（Ｈ）は発光素子の製造後に切削することに
より形成してもよく、または平板部（Ｂ）を形成する際
に同時に形成することも可能であり、その他、溝（Ｈ）
の形成方法には別に制限はない。

さらに、得られた半導体発光素子において、平板部（Ｂ
）の溝（ｌ（）の底壁に半透明の反射鏡または反射膜を
設け、かつ円柱状突起（Ｐ）の頂上面に反射鏡または反
射膜を被着形成して光共振機構を具備せしめると半導体
レーザとしても使用することが出来るし、少なくともス
ーパー・ルミネセンス・ダイオードが得られる。この半
導体レーザにおいては、ｐｎ接合ＰＮＩからの前記した
増幅された自然放出に光帰還が生じて誘導放出によりレ
ーザ発振し、而して強力で指向性の良好な発光が上記し
た半透明反射鏡または反射膜を通して平板部（Ｂ）の溝
（■（）から平板部（Ｂ）に対して垂直方向に放出され
る。

本発明に関して、柱状突起（Ｐ）における「垂直方向」
の意味は平板部（Ｂ）に対して角度９０゜の直角方向の
みと限定的に解釈する必要はなく、平板部（Ｂ）に対し
て９０°より多少大きい、または小さい傾斜角度を有す
る場合も°含まれる。たとえば、柱状突起（Ｐ）の全体
、もしくはその内部に形成された同軸円筒状ｐｎ接合Ｐ
ＮＩのみを、下部の直径を小さくした逆円錐台状に形成
してもよく、その場合は、ｐｎ接合ＰＮＩからの光の集
束性がさらに良くなり、光ファイバとの結合効率が一層
高まる。さらに、柱状突起（Ｐ）の断面形状またはｐｎ
接合ＰＮＩの断面形状は円形の他、楕円形、矩形、方形
、三角形、或いはその他任意の形状であってもよい。

本発明においては、垂直発光に寄与するｐｎ接合ＰＮＩ
の長さは、柱状突起（Ｐ）の高さを大きくすることによ
り長くすることができるので、柱状突起（Ｐ）の高さは
少なくとも２戸、特に少なくとも１０戸とすることが好
ましい、半導体ウェハの表面上に柱状突起（Ｐ）を形成
することは、たとえば反応性イオンエツチング法により
可能であり、しかして高さ数十〜数百と−の柱状突起（
Ｐ）を有する本発明の発光素子が容易に製造できる。ま
た、ｐｎ接合の形成方法については、特に制限を要せず
、例えば不純物の拡散法、ｐ　（またはｎ）型半導体層
とｎ（またはｐ）型半導体層のエピタキシャル気相成長
法（この場合は、異種接合することも可能である）、或
いはその他の方法であってもよい。

本発明の接合型半導体発光素子に用いる発光材料として
は、［［［−Ｖ族化合物半導体であるＧａＡｑ、Ａｊ！
ＧａＡｓ５　［ｎＰ　　、　　ＩｎＧａＡｓＰ　　％　
　ＩｎＧａＰ　　、　　［ｎＡｊ！Ｐ。

ＧａＡｓＰ　、　ＧａＮ　、　ＩｎＡｓＰ　、　ＩｎＡ
ｓＳｂ等、■−■族化合物半導体であるＺｎ５ｅ　、　
ＺｎＳ　、　ＺｎＯ、ＣｄＳｅ、　ＣｄＴｅ等、或いは
ｒＶ−’／ｌ族化合物半導体であるＰｂＴｅ、Ｐｂ５ｎ
Ｔｅ、　Ｐｂ５ｎＳｅ等があり、それぞれの材料の長所
を活かして適用することが可能である。

〔発明の効果〕

上記より明らかなように、本発明の接合型半導体発光素
子は、平板部の柱状突起形成側の面とは反対側の面のう
ち柱状突起の直下に当たる個所に光ファイバ接続用の溝
を設けたことにより、面倒な位置決めをすることなく光
ファイバと非常に簡単に結合することができるだけでな
く、外部振動に対する強度及び安定性も向上させること
ができる。本発明の発光素子は、誘導放出による増幅作
用を利用してより強力な垂直方向出力光が得られ、発光
ダイオード、半導体レーザ、スーパー・ルミネセンス・
ダイオード、高出力発光ダイオード等を実現することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の接合型半導体発光素子の一実施例の断
面図、第２図は本発明の接合型半導体発光素子の別の実
施例の断面図、第３図は従来の接合型半導体発光素子の
断面図である。 （Ｂ）　　・・・・・・・・・・平板部（Ｐ）　　・・
・・・・・・・・円柱状突起（Ｅｌ）　　（Ｂ２）　　
・・・・・・・電極（ＰＮ　１　”）、（ＰＮ２）・・
・・ｐｎ接合（８１）　　・・・・・・・・・・上部層
（Ｂ２）・・・・・・・・・・バリア層（Ｂ３）　　・
　・　・　・　・　・　・　・　・　・　基を反（Ｆ）
　　・・・・・・・・・・反射膜（Ｈ）・・・・・・・
・・・溝

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　平板部と、該平板部の片面上に設けた柱状突起と、平
   板部及び柱状突起の任意の箇所に設けた電極とからなり
   、少なくとも柱状突起内に平板部に対して垂直方向に延
   在するｐｎ接合を有する接合型半導体発光素子において
   、平板部の柱状突起形成側の面とは反対側の面のうち柱
   状突起の直下に当たる個所に光ファイバ接続用の溝を形
   成してなることを特徴とする接合型半導体発光素子。