JPS63164480A - 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、面発光型半導体発光素子に関し、特にテープ
などの検査用、ＯＡ機器などの表示用または光フアイバ
通信用に最適な半導体発光素子に関するものである。

〔従来の技術・発明が解決しようとする問題点〕半導体
板材（基板と基板上に設けた結晶層を含む）の下面に対
して垂直方向に光を放出する半導体発光素子は、光ファ
イバとの結合が容易であり、また、面発光体として一次
元或いは二次元のアレイ構造を形成することによりテー
プなどの検査用、ＯＡ情報機器などの表示用または光フ
アイバ通信用として種々の用途が期待されることから、
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
が進められてきている。

しかして本発明者等は上記半導体板材に対して垂直方向
に発光する発光素子として、第６図及び第７図に示した
ような構造の発光素子を提案している。まず第６図に示
した発光素子は、基板Ｂと、基板Ｂの片面上に設けた円
柱状突起Ｐと、円柱状突起Ｐの側周面及び基板Ｂの上面
に設けたｐ側電極［！１と、基板Ｂの下面に設けたｎ側
電極Ｅ２とからなるものである。円柱状突起Ｐ内には基
板Ｂに対して垂直方向に延在するｐｎ接合ＰＮを含む活
性領域が、また電極Ｅｌの下にはＳｉｎｇやＳｉＮ、か
らなる抵抗層ＩＯが存在している（第８図参照）、この
発光素子において活性領域はホモ接合により構成してあ
り、すなわちｐｎ接合ＰＮはｐ型不純物としてたとえば
亜鉛（Ｚｎ）の拡散によって形成したものである。また
第７図に示した発光素子は突起Ｐに特徴がある。すなわ
ち、基板Ｂの片面上に設けた突起Ｐが該面上を横切って
延在する一条の細長い四角柱状を呈し、しかもこの突起
Ｐの長さは少な（とも１００〜７５，０００＃−である
、そのため突起Ｐ内に延在するｐｎ接合ＰＮを含む活性
領域も、突起Ｐの側面に沿って突起Ｐを縦断する方向に
存在する。

これらの発光素子はいずれも電極［！１、Ｅ２間に電流
を流すことにより、突起Ｐから基板Ｂに対して垂直方向
に、第６図では点状の光、第７図では線状の光をそれぞ
れ放出することができる。

ところで上記構造の発光素子は、ｐｎ接合ＰＮを含む活
性領域を不純物（上述の発光素子ではｐ型不純物として
Ｚｎ）の拡散によって形成したものである。すなわち、
上記発光素子は同一の半導体の接合で通常のｐｎ接合な
どのホモ接合構造を有する。このホモ接合に対当するも
のにヘテロ接合がある０周知の如くヘテロ接合は異なる
２種類の半導体の接合のことであり、発光ダイオード、
レーザ・ダイオード、フォト・ダイオード、トランジス
タ、２次元電子ガス・トランジスタなどのデバイスにヘ
テロ接合が利用されている。ヘテロｔｉ合はホモ接合に
比べてキャリアの閉じ込め効果に優れている゛ので、キ
ャリア注入効率の向上による高輝度化、キャリア寿命の
短縮による高速応答化が可能となり、発光輝度を高める
ことができる。しかして発光デバイスはテープなどの検
査用、ＯＡ機器などの表示用または光フアイバ通信用な
ど多種多様の用途に採用されるものであり、発光効率が
良くて輝度の高いものが最適である。それ故、上記発光
素子においてもその発光輝度を高めることが望まれてい
るわけである。

従って本発明の目的は、テープなどの検査用、ＯＡ機器
などの表示用または光フアイバ通信用に最適であって、
ｐｎ接合を含む活性領域に対する電流注入効率を一層高
め、高輝度に発光しかつ光の集束性に優れた半導体発光
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〕

前記目的は、半導体板材（基板と基板上に設けた結晶層
を含む、以下同様）と、該半導体板材の上面から内部に
向かって半導体板材の下面に対して垂直方向に延在する
ｐｎ接合を含む活性領域と、半導体板材の下面に設けた
下部電極と、半導体板材の下部電極を設けた部分以外の
任意の部分に設けた下部電極とは極性の異なる上部電極
とからなる発光素子であって、前記活性領域のｐｎ接合
をヘテロ接合により構成してなる半導体発光素子により
達成される。

本発明の半導体発光素子は、基本的には本発明者等が先
に提案じている第６図及び第７図に示したもの、すなわ
ち基板Ｂに対して垂直方向に延在するｐｎ接合を含む活
性領域を有し、この活性領域に効率良く電流が注入され
るようにＳｉｎｇや５ｉＮｎなどからなる抵抗層を設け
たものを改良したものである。それ故、本発明の発光素
子においてその特徴としては、半導体板材の下面に対し
て垂直方向に延在するｐｎ接合を含む活性領域の該ｐｎ
接合をホモ接合ではなく、ヘテロ接合で構成したことで
あり、キャリアの閉じ込め効果による高輝度化、高速応
答化が可能となる。さらに上部電極と下部電極との間に
垂直方向の活性領域を通る電流の流れを妨げないように
上部及び下部抵抗層を設ければ、活性領域を流れる電流
の回路が狭くなり、いわゆる電流狭窄構造となることに
より、活性領域への電流注入効率を一層高めることがで
きる。

〔実施例〕

以下、本発明の半導体発光素子を実施例に基づいて説明
する。

本発明の半導体発光素子の一実施例を第１図（ａｌ、山
）に示す、この発光素子はシングルへテロ接合構造を有
し、ｎ型ＧａＡｓからなる基板Ｂ（この実施例では下部
抵抗層２になっている）と、その基板Ｂ上にエピタキシ
ャル成長させたｐ°型ＡｌＧａＡｓ１ｉＬ１、ｐ型Ａｌ
ＧａＡｓ活性１）Ｌ２及びｎ型＾ＩＧａＡｓｊ！ｉＬ３
から形成したシングルへテロ接合により成る基板Ｂに対
して垂直方向に延在するｐｎ接合ＰＮを含む活性領域と
、素子の上面に設けた環状のｎ側電極Ｅ２と、素子の下
面に設けた高反射率の材料からなるｐ側電極［１と、素
子の上部に形成した上部抵抗層１と、素子の下部におい
て基板Ｂに形成した下部抵抗層２とで構成されている。

また素子の下面において垂直方向の活性領域に対向する
位置に円形状の凹溝５が形成され、この凹溝５の部分に
は下部抵抗層２が存在していない。

本実施例の発光素子は、電極Ｅ１．８２間に電流を注入
した場合、活性層Ｌ２と層Ｌ３により形成したｐｎ接合
ＰＮを含む活性領域においてキャリアが接合面で再結合
し、素子の上面から実質的に基板Ｂに対して垂直方向に
発光する。ところで上記構造の発光素子は、本来基板Ｂ
に対して垂直方向の光を得ることを目的とするものであ
るが、本実施例では基板Ｂに対して垂直方向に延在する
ｐｎ接合ＰＮだけでなく、基板Ｂに対して水平方向に延
在するｐｎ接合ＰＮをも有するが、この水平方向のｐｎ
接合ＰＮには、電流は上部及び下部抵抗層１．２によっ
て流れず、垂直方向のｐｎ接合ＰＮだけが発光に寄与す
ると共に、その活性領域への電流の注入効率が一段と向
上し、その結果として応答速度が高まり、発光輝度が増
大することになる。また凹溝５内の電極Ｅ１が高反射率
の材料からなるため反射面を呈し、活性領域での発光の
うち基板Ｂの下面の方向に進行する光を上方向に反射す
るので、光取出効率が大きくなり、光出力が増加する。

さらにはｐｎ接合ＰＮを形成している層Ｌ３は、活性６
ＪＩＭでの発光による発熱の放散も兼ねているので、効
率の良い放熱を行うことができ、発光素子の高温状態に
起因する発光輝度の低下を招くようなこともない。

このような発光素子は、基板Ｂに対して垂直方向に延在
する活性領域を有する構造であることにより、活性領域
からの光は集束性に優れ、かつ高輝度で発光するので、
検査、表示または通信用として最適であり、たとえば光
ファイバと結合して通信用として使用するには、光ファ
イバを素子の上面に簡単に結合でき、高輝度の光を光フ
ァイバに伝送することができる。

次に第１図に示した構造の発光素子の製造方法の一例を
、ｐ型ＧａＡｓ基ＦＬＢ上にｐ０型ＡＩＧａＡｓＪｉＬ
１゜ｐ型ＡｌＧａＡｓ活性層Ｌ２及びｎ型ＡＩＧａＡｓ
ｊｉＬ３を順次エピタキシャル成長させた場合について
第２図（ａｌ〜ｆｉｌを参照しながら説明する。

まず、ｐ型ＧａＡｓ基板Ｂ上に、たとえば液相エピタキ
シャル成長法（ＬＰＥ）などによってｐ゛型ＡＩＧａＡ
ｓｊ！ｉＬ１およびｐ型ＡｌＧａＡｓ活性層Ｌ２を順次
エピタキシャル成長させる（第２図（ａ）参照）６次に
ｐ型＾ｌＧａＡｓ活性層Ｌ２の上面に５ＩＯｘなどの誘
電体膜ＳをＰ−ＣＶＤ、電子ビーム蒸着などの方法によ
り形成し、その後フォトリソグラフィを行うべく、Ｓｉ
ｎｇ膜Ｓの上面にレジストＲを塗布して、所望のパター
ン（第１図の実施例では円形のパターン）をＳｉｎｇ膜
Ｓの上面のほぼ中央に露光・現像し、さらにウェットエ
ツチングの方法などにより余分なＳｉｎｇ膜Ｓを取り除
いて、所望のエツチングマスクを形成する（第２図中）
参照）。

その後、たとえば反応性イオンエツチング法（ＲＩＥ）
または反応性イオンビームエツチング法（ＲＩＢＥ）に
より上記ｐ型＾ｌＧａＡｓ活性層Ｌ２を所定の深さまで
イオンエツチングし、基板Ｂ上に所定の高さを有するｐ
型＾ｌＧａＡｓからなる円柱状突起を形成する（第２図
（Ｃ１参照）、さらに円柱状突起の側周面ニＬ　Ｐ　Ｅ
法、ＭＯ−ＣＶＤ法またはＭＢＥ法などによりｎ型＾ｌ
ＧａＡｓエピタキシャル成長層１．３を設け、円柱状突
起を構成するｐｌＡＩＧａＡｓ活性層Ｌ２とｎ型ＡｌＧ
ａＡｓ層Ｌ３により、基板Ｂに対して垂直方向に延在す
るシングルへテロ接合により構成されたｐｎ接合ＰＮを
含む活性領域を形成する（第２図ｆｄ）参照）。

次いで、素子の上面にｐ型不純物（たとえばＺｎ）を拡
散させて、素子の上部の一部をｐ°型ＡｌＧａＡｓにし
てこれを上部抵抗層１とし、並びに基板Ｂには、Ｐ−Ｃ
ＶＤ、電子ビーム蒸着などの方法により誘電体膜などを
形成してこれを下部抵抗Ｊ！５２としく第２図＋ａ＋参
照）、基板Ｂの下面（下部抵抗層２）のうち垂直方向に
延在するｐｎ接合ＰＮを含む活性領域に対向する部分を
ＲＩＥ、ＲＩＢＥまたはウェフトエツチングによりエツ
チングし、該部分の不要な下部抵抗層を除去して円形状
の凹溝５を形成する（第２図（ｆ）参＠）、そして、基
板Ｂの下面及び凹溝５内にｐ側の高反射率の電極材とし
てたとえば静からなる電極［！１を真空蒸着などの手段
によって設け（第２図（荀参照）、素子の上面にｎ側の
電極材としてたとえばＧｅ　−Ａｕからなる電極Ｅ２を
電極Ｅ１と同様に真空蒸着などの手段によって設ける（
第２図（ｈｌ参照）、最後に、素子上の不要な電極Ｅ２
をＳｉｎｇ膜Ｓと共にリフトオフ法により除去する（第
２図電１）参照）ことにより、第１図に示したような発
光素子が製造される。

上述の実施例の発光素子は、ｐ型ＧａＡｓ基板Ｂ上にｐ
°型、ｐ型及びｎ型ＡｌＧａＡｓ層をエピタキシャル成
長させて製造したものであるが、発光材料を変えること
により、すなわち化合物半導体の禁制帯幅の異なる材料
を使用することにより、発光波長を種々に変えることも
可能である０発光材料としては、ｍ−ｖ族化合物半導体
であるＧａＡｓ５　ＧａＰ、八ｌＧａＡｓ、　　ＩｎＰ
、、　　夏ｎＧａＡｓＰ、　　ＩｎＧａＰ、　　ＩｎＡ
ＩＰ、　　ＧａＡｓＰ。

ＧａＮ５　Ｉｎ＾ｓＰ、　ＩｎＡｓＳｂなど、ｎ−ｖｉ
族化合物半導体であるＺｎ５ｅＳＺｎＳｓ　Ｚｎ０ｓ　
Ｃｄ５ｅＳＣｄＴｅなど、■−■族化合物半導体である
ＰｂＴｅ、　Ｐｂ５ｎＴｅ、　Ｐｂ５ｎＳｅなど、更に
ｆＶ−ＩＶ族化合物半導体であるＳｉＣなどがあり、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。

また上記の実施例では、基板Ｂに対して垂直方向に延在
する活性領域のｐｎ接合をシングルへテロ接合により構
成したものであるが、これをダブルへテロ接合により構
成し、かつ異なる発光材料を用いた別の実施例を第３図
に示す、この実施例ではｐｎ接合ＰＮを含む活性領域が
ダブルへテロ接合で構成されている以外は、第１図に示
した実施例と同一の構造であり、同一構造については同
様の作用・効果が得られる。しかしてこの実施例では、
ｐ型ＧａＡｓ基板Ｂ上にｐ９型ＡｌＧａＡｓ層Ｌｌ、　
ｐ型ＡｌＧａＡｓ層Ｌ２、このｐ型＾ｌＧａＡｓ層Ｌ２
とはＡＩの含有量が異なるｐ型ＡｌＧａＡｓ活性層Ｌ３
及びｎ型＾ＩＧａ＾３層Ｌ４を順次エピタキシャル成長
させたもので、シングルへテロ構造のものよりも活性領
域でのキャリアに対する閉じ込め効果がさらに大きくな
り、その結果、第１図の実施例よりもキャリアの注入効
率の向上による高輝度化、キャリア寿命の短縮による高
速応答化に優れている。

以下に第３図に示した活性領域をダブルへテロ接合によ
り構成した発光素子の製造方法の一例を、ｐ型ＧａＡｓ
基板Ｂ上にｐ１型ＡｌＧａＡｓ層、ｐ型＾ｌＧａＡｓ層
、ｐ型ＡｌＧａＡｓ活性層及びｎ型ＡｌＧａＡｓ層をエ
ピタキシャル成長させた場合について第４図（ａｌ〜（
ト））を参照しながら説明する。

まず、ｐ型ＧａＡｓ基板日の上面全体に、たとえばＬＰ
ＥなどによってｐＩ型ＡＩＧａＡＳＪｉｌＬ１およびｐ
型＾１ＧａＡｓＷＬ２をエピタキシャル成長させる（第
４図（ａ）参照）８次にｐ型ＡＩ［；ａＡｓＮＬ２の上
面にＳｉｎｇなどの誘電体Ｍ！ＳをＰ−ＣＶＤ、電子ビ
ーム蒸着などの方法により形成し、その後フォトリソグ
ラフィをけうへ（、Ｓｉｎｇ膜Ｓの上面にレジス）Ｒを
塗布して、所望のパターン（ここでは円形のパターン）
をＳｉＯ□膜Ｓの上面のほぼ中央に露光・現像し、さら
にウェットエツチングの方法などにより余分なＳｉｎｇ
膜Ｓを取り除いて、所望のエツチングマスクを形成する
（第４図（ｂｌ参照）。

その後、例えばＲＩＥ又はＲＩＢＢにより上記ｐ型ＡＩ
ＧａＡｓＮＬ２を所定の深さまでイオンエンチングし、
基板Ｂ上に所定の高さを有するｐ型ＡｌＧａＡｓからな
る円柱状突起を形成しく第４図（Ｃ１参照）、円柱状突
起の側周面にＬＰＥ法、ＭＯ−ＣＶＤ法またはＭＢＥ法
などにより円柱状突起を構成するｐ型＾１ＧａＡｓとは
＾１の含有量が異なるｐ型＾ｌＧａＡｓエピタキシャル
成長ＩＬ３を設け（第４図ｆｄ）参照）、ＲＩＥまたは
ＲＩＢＥを用いてｐ型へ１ＧａＡｓ層Ｌ３をイオンエツ
チングし、円柱状突起の側周面を包囲する中空円筒状Ｊ
ｉＬ３に形成しく第４図ｔｅｌ参照）、この中空円筒状
層Ｌ３を活性層とする。さらに活性層Ｌ３の側周面にＬ
ＰＥ法、ＭＯ−ＣＶＤ法またはＭＢＥ法などによりｎ型
Ａ　ｌＧａＡｓエピタキシャル成長Ｊｌ１５Ｌ４を設け
、円柱状突起を構成するｐ型ＡＩＧａＡｓＮＬ２、ｐ型
＾ｌＧａＡｓからなる活性層Ｌ３およびｎ型ＡｌＧａＡ
ｓ層し４により、基板Ｂに対して垂直方向に延在するダ
ブルへテロ接合により構成されたｐｎ接合ＰＮを含む活
性領域を形成する（第４図（ｆ）参照）。

次いで、素子の上面にｐ型不純物（たとえばＺｎ）を拡
散させて、素子の上部の一部をｐ１型ＡｌＧａ＾３にし
てこれを上部抵抗層１とし、並びに基板Ｂには、Ｐ−Ｃ
ＶＤ、電子ビーム蒸着などの方法により誘電体膜などを
形成してこれを下部抵抗Ｎ２としく第４図（ｇｌ参照）
、基板Ｂの下面（下部抵抗層２）のうち垂直方向に延在
するｐｎ接合ＰＮを含む活性領域に対向する部分をＲｒ
Ｅ、ＲＩＢＥまたはウェットエツチングによりエツチン
グし、該部分の不要な下部抵抗層を除去して円形状の凹
溝５を形成する（第４図ｆｈｌ参照）、そして、基板Ｂ
の下面及び凹溝５内にｐ側の高反射率の電極材としてた
とえばＡｕからなる電極Ｅ１を真空蒸着などの手段によ
って設け（第４図（１）参照）、素子の上面に露出する
活性ＷＪＬ３の部分を誘電体膜（例えば５ｉｆｔ）Ｓｏ
などで覆った後、素子の上面にｎ側の電極材として例え
ばＧｅ　−Ａｕからなる電極［！２を電極Ｅ１と同様に
真空蒸着などの手段によって設ける（第４図ＩＪ）参照
）。最後に、素子上の不要な電極Ｅ２をＳｉＯ□膜ｓ、
ｓ’　　と共にリフトオフ法により除去する（第４図ｆ
ｋｌ参照）ことにより、第３図に示したような発光素子
が製造される。

以上に記述した実施例では、いずれも基板Ｂに対して垂
直方向に延在するｐｎ接合ＰＮを含む活性領域を環状に
形成したもので、これらは前述した如く本発明者等が先
に提案している第６図に示した発光素子の改良であるが
、次に同じく本発明者等が提案している第７図の発光素
子を改良したさらに別の実施例を第５図に示す、この発
光素子は基板Ｂが長く、一対のｐｎ接合ＰＮを含む活性
領域も互いに分離しかつ平行で長いことに特徴がある。

その他の点については、第１図の実施例に対して素子の
横断面は第１図（ａ）と同じ構造であり、素子自体も同
じ材料からなる。

第５図の実施例の発光素子は、第１図及び第３図の実施
例のものが点状に発光するのに対して線状に発光するの
で、特にテープの検査用として最適で、テープの幅に対
応する大きさのものをテープの検査用として用いた場合
に、テープの全幅にわたって均一で高輝度な光を照射で
き、検査の感度を向上させることが可能になる。さらに
上記構造の発光素子をアレイ状にしたもの、たとえば基
板Ｂ上に三対の互いに平行な基板Ｂに対して垂直方向に
延在するｐｎ接合ＰＮを含む活性領域を形成したもので
あれば、光ファイバと結合するに際しては、一対の活性
領域と整合するように三列に整列させてアレイ状にした
光ファイバを使用すればよい、用途に応じてアレイ状に
した発光素子は、光ファイバとの結合が容易であり、実
用上極めて便利なものである。

なお上記実施例でも活性領域をダブルへテロ接合により
構成することはもちろん可能であり、この発光素子を製
造するには、発光素子の用途に応じた活性領域の長さを
縦方向または横方向に有す・る基板を使用すればよく、
たとえば活性領域の全長が１〜”ｌｃｓである発光素子
を製造する場合は、それに応じた長さを有する基板を用
いればよい。

本発明において、電極Ｉ！１、Ｅ２は、実施例に示す大
きさ及び形状に特定されるものではなく、基板Ｂに対し
て垂直方向に延在する活性領域に効率良く電流が注入さ
れうる限り、任意の大きさ及び形状で設けることができ
る。

〔発明の効果〕

上記より明らかなように、本発明の半導体発光素子は、
半導体板材（基板と基板上に設けた結晶層を含む）の上
面から内部に向かって半導体板材の下面に対して垂直方
向に延在するｐｎ接合を含む活性領域を形成し、この活
性領域のｐｎ接合をヘテロ接合により構成したことによ
り、活性領域に効率良くキャリアが閉じ込められ、活性
領域に対する電流注入効率が一層向上し、優れた集束性
かつ高輝度な発光が得られ、加えて活性領域で発生した
熱の放散も向上し、テープなどの検査用、０Ａ４ｉ器な
どの表示用または光フアイバ１ｉＩｌ信用として最適な
ものであると共に、光ファイバとの結合が容易であり、
その製造工程も簡単で大量生産することができ、しかも
製造工程において任意の発光パターンを得ることができ
るなど、実用上非常に有用なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図＋ａｌ、山）は本発明の半導体発光素子の一実施
例を示し、（ａ）はその横断面図、（ｂｌは斜視図、第
２図＋ａｌ〜（１）は第１図に示した発光素子の製作工
程の一例を示す流れ図、第３図は本発明の発光素子の別
の実施例の横断面図、第４図（ａｌ〜（ｋｌは第３図に
示した発光素子の製作工程の一例を示す流れ図、第５図
は本発明の発光素子のさらに別の実施例の斜視図、第６
図及び第７図は本発明者等が先に提案している発光素子
の斜視図、第８図は第６図の発光素子の突起の径方向か
つ第７図の発光素子の突起の横断方向における断面図で
ある。 Ｂ　　　　　　：基板 Ｌｌ〜Ｌ４：エピタキシャル成長層 ［！１　　　　　　　：ｐ側電極 Ｅ２　　　　　　　ｉ　ｎ側電極 ＰＮ　　　　　　　ｉ　ｐｎ接合 １　　　　　　：上部抵抗層 ２　　　　　　；下部抵抗層 ５　　　　　　　　　　：凹ン１；Ｉ Ｒニレジスト Ｓ、Ｓ’　　　　　：ＳｉＯ□膜 第３図 ＮＩ図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体板材と、該半導体板材の上面から内部に向
   かって半導体板材の下面に対して垂直方向に延在するｐ
   ｎ接合を含む活性領域と、半導体板材の下面に設けた下
   部電極と、半導体板材の下部電極を設けた部分以外の任
   意の部分に設けた下部電極とは極性の異なる上部電極と
   からなる発光素子であって、前記活性領域のｐｎ接合を
   ヘテロ接合により構成してなることを特徴とする半導体
   発光素子。
2. （２）前記上部電極と下部電極との間に垂直方向の活性
   領域を通る電流の流れを妨げないように上部及び下部抵
   抗層を設けてなることを特徴とする特許請求の範囲第（
   １）項記載の半導体発光素子。
3. （３）前記下部電極が光反射面を呈することを特徴とす
   る特許請求の範囲第（１）項または第（２）項記載の半
   導体発光素子。
4. （４）前記活性領域の周囲の部分が放熱を兼ねることを
   特徴とする特許請求の範囲第（１）項〜第（３）項のい
   ずれか一項記載の半導体発光素子。