JPH0340472A - 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、金属−絶縁物一半導体とからなるＭＩｓ型半
導体発光素子に関するものである。

（従来の技術） 近年、化合物半導体を用い、可視領域から赤外領域にか
けて発光する各種の半導体発光素子が実用化され、これ
らの高輝度化が図られている。その中でも青色領域の発
光素子は未だ満足できる性能には程遠く、またコストも
高く、その製造方法の改良が特に必要とされている。

青色発光素子材料の中でＺｎ５ｅは禁止帯幅が２．７　
ｅＶの直接遷移型の半導体である。現在のところｐ−ｎ
接合を形成するのが困難であるので、エレクトロルミネ
ッセンスを効率よく得る発光素子とするには、ＭＩＳ型
構造にすることが不可欠である。

第８図は、ＧａＡｓを基板とした従来のＭＩＳ型半導体
発光素子の概略構造を示した断面図である。第８図にお
いて、３５はｎ型ＧａＡｓ結晶基板、３６はｎ型低抵抗
Ｚｎ５ｅ膜、３７は絶縁膜または高抵抗膜、３８はショ
ットキ電極、３９はオーミック電極を示している。この
ような構造は容易なプロセスで形成できる。

しかしながら、この種の半導体発光素子に当っては次の
ような問題があった。すなわち、素子に配置された金属
膜３８に発光領域からの光が吸収され、Ｍ！Ｓ構造によ
るエレクトロルミネッセンスを有効に外部に取り出すこ
とができない、また、基板側から光を取り出すことを考
えた場合、基板であるＧａＡｓのバンドギャップ・エネ
ルギーが発光波長のエネルギーより遥かに小さいので、
光が基板を通過するとき、はとんど吸収されてしまう。

このため、基板側の電極形成法を如何に工夫しても効率
よく光を取り出すことができなかった。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、エレクトロルミネッセンスを有効に外部に取
り出すことができる発光効率の高いＭＩＳ型半導体発光
素子を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明の半導体発光素子は、ＭＩＳ型半導体発光素子に
おいて、絶縁層（Ｉ）を挟む金属（Ｍ）からなる電極と
、半導体（Ｓ）用電極のうち、少なくとも一方の電極を
透明とするか、または一方の電極の面積を他方の電極の
面積より小さくする。

またＭＩＳ型半導体発光素子において、基板の片面に基
板と同一または異なった半導体を形成し、基板の前記片
面とは反対側の面の一部に電極を形威し、かつ基板の前
記反対側の面で電極が形成されていない領域および該領
域の半導体を凹状にする。

本発明の半導体発光素子は、基板の表裏二面の内、発光
部の形成されている面の裏側の基板に穴を形成し、発光
部の基板側の面を露出または基板の厚みを薄くして、こ
の領域を光取り出し口として用いる。これにより基板で
の光の吸収が全くなくなるか、または格段に減少させる
ことができる。

従って、従来問題になっていた光の取り出し時に光の吸
収が必ず生じるという構造上の欠陥を完全にクリアする
ことができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面により詳細に説明する。

実Ｉ直４Ｌ 第１図は本発明の実施例１を示し、電流の流れる方向に
平行な面で切断した断面図である。素子寸法は、５００
μｍ　Ｘ５００μ鯛、厚さ約８５μ−である。第１図を
用いて、素子構造とその製作法を以下に述べる。第１図
において、１はｎ型ＧａＡｓ結晶基板、２は膜厚３μ−
のｎ型Ｚｎ５ｅ低抵抗膜、３は膜厚さ０．５μ晴のノン
ドープＺｎ５ｅ高抵抗膜、４は膜厚１μｍの酸化インジ
ウム透明ショットキ電極、５は膜厚０．２　ａ　ｍのＡ
ｕ−Ｇｅ−Ｎｉと膜厚１μｍの金からなるオーもツク電
極を示している。透明ショットキ電極４に正の電圧を、
オーミック電極５に負の電圧をかけることにより、上述
したＭＩＳ型構造による発光が生じ、透明ショットキ電
極４から光を取り出す、従って、従来の不透明な電極を
用いた場合よりも、遥かに効率良く光を取り出すことが
できる。。このため、素子外部から見た電気から光への
変換効率は、従来のＭＩＳ型発光発光素子遥かに高くな
る。

実ＪｉＬｔ生４ 第２図は本発明の実施例２を示し、を流の流れる方向に
平行な面で切断した断面図である。この素子は、絶縁層
または高抵抗層を全面覆った電極と、基板の一部だけに
形成された電極とを有する構造となっている。つまり電
極面積は、一方が他方より大きくなっている。素子寸法
は、５００μｍ×５００μ請、厚さ約１０ＩＩＩｌであ
る。第２図を用いて、素子構造とその製作法を以下に述
べる。第２図において、６は厚さ２μｍのｎ型Ｇ５Ａｓ
結晶基板、７は膜厚３μｍのｎ型Ｚｎ５ｅ低抵抗膜、８
は膜厚０．４μｍのノンドープＺｎ５ｅ高抵抗膜、９は
膜厚１μｓのＳｉｎ、膜、１０は膜厚　Ｑ、０５μｍの
Ｃｒ層、１１は膜厚１μｍの白金ショットキ電極、１２
はＳｉ　ヒートシンク、１３は膜厚０．２　　μｍのＡ
ｕ−Ｇｅ−Ｎｉと膜厚１μｍの金からなるオーミック電
極である。製作法は、板厚３５０　　μｍのＧａＡｓ基
板に通常のＭＯＶＰやＭＢＥ等の方法でｎ型Ｚｎ５ｅ低
抵抗膜７、高抵抗膜８をエピタキシャル成長する。ショ
ットキ電極１１の形成される領域（＾）に膜厚１．５μ
濁のフォトレジスト・パタンをフォトリソグラフィ技術
を用いて形成する。

次に、Ｓｉｎ、膜９、ＣｒＭｌＯをスパッタリング法や
蒸着法により形成する。アセトン等でフォトレジストを
溶解・除去する。これにより領域ＡにあったＳｉＯ□膜
とＣｒ膜を除去することができる。続いて、ショットキ
電極１１をスパッタリング法や蒸着法等により形成する
。その後、金をメタライズしたＳｔヒートシンク１２に
３８０°Ｃで素子を蒸着する。次にＧａＡｓ基板をエツ
チングして薄くし、厚さ２μｍとする。次にオーミック
電極１３を形成する。このとき第２図に示すように、光
を取り出す領域には電極を形成しない。電極１３をこの
ように形成することにより、効率よく光を取り出すこと
ができる。また、ショットキ電極間を光取り出し領域だ
けに限定しているので、高抵抗膜８の全面にショットキ
電極を形成する場合に比べて次のような二つの利点があ
る。すなわち、第一に全体の注入電ｍｌが減るので、素
子全体から発生する熱が減少し、熱擾乱が減少し発光効
率が高くなる。

第二にオーＱ　７り電極１３の下で発光しても、素子外
に光を取り出せないので、生じた光は吸収される。その
結果、やはり熱が生じ、素子の発光効率を低下させる原
因となる０以上のことから、素子外部から見た電気から
光への変換効率は、従来のＭＸＳ型発光素子より遥かに
高くなる。

災益班主 第３図は本発明の実施例３を示し、電流の流れる方向に
平行な面で切断した断面図である。素子寸法は、５００
　ｕ棚×５００μ観、厚さ約８５μｍである。第３図を
用いて、素子構造とその製作法を以下に述べる。

（Ｉ）厚さ３５０　Ｂ　ｍのｎ型ＧａＡｓ結晶基板１４
の上に、ヨウ素をＩ　ＸＩＯ”７ｃｍ”添加した膜厚３
ｕｍのｎ型低抵抗Ｚｎ５ｅ膜１５、および膜厚０．１　
μｍの高抵抗ノンドープＺｎ５ｅ層１６をＭＯＶＰＥ法
やＭＢＥ法で連続成長する。

（２）基板側をメタノール・ブロムを用いて、羽布研磨
し、厚さを約８０　μｍとする。

（３）ｎ型ＧａＡｓ結晶基板側に膜厚０．２　ｐ　ｍの
Ａｕ−Ｇｅ−Ｎｉミオ−ミックコンタク層１７と膜厚０
．２μｍのＡｕ層１８を連続蒸着により形成する。基板
と蒸着膜との密着性をよくするため、蒸着時の基板温度
を２５０℃とした。

（４）　　水素中で、温度４２０℃で、１分間アニール
する。

（５）　　高抵抗ノンドープＺ’ｎ５ｅｌｉ１６の上に
膜厚０．５μ層の５３０１電流狭搾Ｊｉ１９をＴ？Ｆマ
グネトロン・スパッタ法で形成する。

（６）　　Ａｕショットキ電極２１と５ｉｆｔ電流狭搾
層１９との密着性を良くするため、Ｃｒを蒸着して膜厚
０．１μ閑のＣｒ層２０を形成する。

（７）　　フォトリソグラフィ技術を用いて、電流注入
ｍｌ　域２２　ヲ形ｔｃ　ｔ　ル。５ｉ０２電流狭搾ｊ
ｉ１９、Ｃｒ層２０のエツチングには、それぞれ緩衝弗
酸液、硝酸第二セリウムアンモニウム液を用いた。

（８）Ａｕを基板温度２５０°Ｃで蒸着して、膜厚０．
５μｍのＡｕシｇシトキ電極２１を形成する。

（９）　　光取り出し窓２３を形成するため、フォトリ
ソグラフィ技術を用いて、Ａｕ１ｉ１Ｂ、Ａｕ−Ｇｅ−
ＮｉオーミックコンタクトＪｉｆ１７をエツチングする
。次に、フォトレジストをマスクにして、リアクティブ
・イオンエツチング法によりｎ型ＧａＡｓ結晶基板１４
をエツチングして、ｎ型低抵抗Ｚｎ５ｅ膜１５を露出さ
せる。エツチングガスとして、ＣＣｌＩＦｇを用いた。

（Ｉ０）　　無反射コーティング膜２４として、Ｓｉ３
Ｎ、をＥＣＲプラズマ法で形成する。膜厚は、光の膜内
での４分の１波長の奇数倍である１４０　ｎｍとした。

（Ｉ１）　　ここでは、ｎ型電極へのワイヤボンディン
グを容易にするため、Ａｕ１１８の上にフォトリングラ
フィ技術を用いてＡｕを選択メツキして厚さ１ｐ＋ｍの
Ａｕメツキ層２５を形成する。

（Ｉ２）　　この半導体発光素子のヒートシンク上への
マウントを容易にするために、Ａｕショットキ電極２１
の上にＡｕをメツキして厚さ５μｍのＡＵメツキ層２６
を形成する。

（Ｉ３）　　メタライズしたダイヤモンド・ヒートシン
ク２８の上にＡｕ−３ｎ半田２７を用いて、Ａｕメツキ
層２６側を融着する。

（Ｉ４）　　最後にボールボンダを用いて、Ａｕメツキ
層２５に３０μ糟φの金線をワイヤボンディングする。

この素子を動作させるため、Ａｕメツキ層２６にプラス
の電圧を掛け、ＡｕＦＪ２５にマイナスの電圧を掛けた
。その結果、青色のエレクトロルミネッセンスを得るこ
とができた。その発光スペクトルを第４図に示す。中心
波長は、４７０　ｎｍ近傍にある。

また、光−電流特性を第５図に示す、注入電流８．２ｍ
Ａ、電圧６．ＩＶのとき、最大光出力５８μ−が得られ
た。電気から光への電力の変換効率は、０．１２％であ
った。外部微分量子効率は、０．２７％であった。

第３図において、高抵抗層にノンドープＺｎ５ｅ膜を用
いたが、Ｚｎ５ｅの自然酸化膜（主成分はＺｎ０）や、
Ｓｉｎ、、　　５ｉｓＮａ等の薄膜でもよい。また、第
３図でのｎ型ＧａＡｓ結晶基板の光取り出し窓２３を基
板面に垂直にしたが、テーバがついていても効果に差の
ないことは明らかである。また、製作工程で光取り出し
窓２３の形成にドライエツチング法を用いたが、湿式エ
ツチング法でもよい。

第３図において、光取り出し窓２３を形成する工程にお
ける基板のエンチング時のバッファ層として、さらには
光取り出し窓２３の領域におけるｎ型低抵抗Ｚｎ５ｅ膜
１５、高抵抗ノンドープＺｎ５ｅ層１６の支持膜として
、ｎ型低抵抗Ｚｎ５ｅ膜１５とｎ型ＧａＡｓ結晶基板１
４との間に、ｎ型低抵抗Ｚｎ５ｅ膜１５よりバンドギャ
ップの広い半導体を形成してもよい、すなわち、ｎ型低
抵抗Ｚｎ５ｅ膜の組成としては、硫黄の割合の大きいＺ
ｎ５）ＩＳｅｌ−ｘ　　（０≦Ｘ≦１）が適する。

第３図において、光取り出し窓２３を形成するとき、選
択エツチングにより、製作工程を容易にするため、ｎ型
ＧａＡｓ結晶基板１４とｎ型低抵抗Ｚｎ５ｅ膜１５との
間に、ＧａＨ−ＫＡＩ！ｘＡｓ　　（０≦Ｘ≦１）層ま
たはＩｎ＋−ｙ（Ｇａ＋−ｘＡｆｘ）ｙ　Ｐ（０≦Ｘ≦
１．０≦ｙ≦１）層およびＧａＡｓ層を介した構造も考
えられる。この実施例の製作工程としては、まず、Ｇａ
Ａｓ基板１４の上にエツチング・ストッパ層として膜厚
０．１μｍのＩｎ＋−ｙ（Ｇａ＋−ｘＡｆ　ｘ）ｙ　Ｐ
をエピタキシャル成長する。その後の製作工程は前述し
た実施例２と同じである。光取り出し窓２３を形成する
とき、ｎ型ＧａＡｓ結晶基Ｆｉ、１４を硫黄系のエツチ
ング液、例えばＨｚＳＯｎ＋ｌｚＯｇ　　等を用いてエ
ツチングする。Ｉｎ１−ｙ　（Ｇａ＋−Ｊｆｆｉｘ）ｙ
　Ｐ　Ｉｔ！は硫酸系の液ではエツチングされないので
、ＧａＡｓ１板だけを選択エツチングできる。次に塩酸
系エツチング液、例えばＨＣｆでＩｎ＋−ｙ（Ｇａ＋−
Ｊ乏ｘ）ｙ　Ｐをエツチングする。これにより選択的に
Ｉｎ＋−ｙ（Ｇａ＋−−Ａｆｘ）ｙ　Ｐをエツチングで
きた。このエツチング・ストッパ層を導入することによ
り製作歩留まりが高まった。

実胤錐土 第６図は本発明の第４の実施例に係わるＭＩＳ型半導体
発光素子の概略構造を示す断面図である。

第６図において、３０は球レンズ、２９は接着剤、３１
は実施例３の素子である。

また第７図に示すように、第６圓の球レンズ３０の代わ
りに先球ファイバ３３または先球テーパファイバ（図示
を省略）を用いた構造を考えることができる。これによ
り、光を集光して取り出したり、任意の位置に光を導い
たりできる。従って、応用上、素子の扱いがきわめて容
易となる。なお３２は接着剤である。

（発明の効果） 本発明の半導体発光素子は、発光部からの光を電極金属
膜や基板に吸収されることなく取り出すことができる。

また、電流狭搾を行い、取り出すことのできる光だけを
生じる電極構造を用いることにより、熱の発生が抑制さ
れる。このため、熱擾乱により内部量子効率の低下を防
ぐことができる。以上の二点から発光効率が高くなり、
結果として発光輝度を高めることができる。

光取り出し窓の部分に、無反射コーティング膜、球レン
ズや先球ファイバおよび先球テーパファイバを取り付け
ることにより、効率良く光を取り出すことができるので
、大幅な輝度向上を図ることもできる。

光取り出し窓形成のための製作工程上、最も難しいと思
われる基板のエンチングについても、エツチング・スト
ッパ層を有する構造とすれば、基板だけの選択エツチン
グが可能となり、製作歩留まりも高くなる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図は、本発明の実施例の断面図、 第４図は本発明の半導体発光素子の発光スペクトルを示
す図、 第５図は本発明の半導体発光素子の光−電流特性を示す
図、 第６図および第７図は本発明の他の実施例の概略構造を
示す断面図、 第８図は従来のＭｌＳ型半導体発光素子の概略構造を示
す断面図である。 １．６．１４・ｎ型ＧａＡｓ結晶基板 ２．７゜１５・−ｎ型低抵抗Ｚｎ５ｅ膜３．８．１６・
・・絶縁膜または高抵抗膜４・・・透明ショットキ電極 ５．１３・・・オミック電極 ９．１９・・・Ｓｉ０ｇ膜 １０、２Ｏ−Ｃｒ層 １１、２１．３８・・・ショットキ電極１２、２８・・
・ヒートシンク １７・・・Ａｕ−Ｇｅ−Ｎｉオーミ １８、２５＝Ａｕ層 ２２・・・電流注入領域 ２３・・・光取り出し窓 ２４・・・無反射コーティング膜 ２５、２６・・・Ａｕメツキ層 ２７・”Ａｕ　　Ｓｎ半田 ２９、３２・・・接着剤 ３０・・・球レンズ ３１、３４・・・実施例３の素子 ３３・・・先球ファイバ。 ツクコイタクト層 第１ 図 第２図 １３−−−オーミッグ′ｒｊＥ、ｆセ 第４図 １　り）：２ヲ度Ａ（ｎｍン 第５図 電流（ｍＡ） 第６図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ＭＩＳ型半導体発光素子において、絶縁層（Ｉ）を
   挟む金属（Ｍ）からなる電極と、半導体（Ｓ）用電極の
   うち、少なくとも一方の電極が透明であることを特徴と
   する半導体発光素子。 ２、ＭＩＳ型半導体発光素子において、絶縁層（Ｉ）を
   挟む金属（Ｍ）からなる電極と、半導体（Ｓ）用電極の
   うち、一方の電極の面積が他方の電極の面積より小さい
   ことを特徴とする半導体発光素子。 ３、ＭＩＳ型半導体発光素子において、基板の片面に基
   板と同一または異なった半導体が形成されており、基板
   の前記片面とは反対側の面の一部に電極が形成されてお
   り、かつ基板の前記反対側の面で電極形成されていない
   領域および該領域の半導体が凹状になっていることを特
   徴とする半導体発光素子。 ４、特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか１項
   に記載の半導体発光素子において、光取出し用窓に無反
   射コーティング膜を有することを特徴とする半導体発光
   素子。 ５、特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれか１項
   に記載の半導体発光素子において、ｎ型もしくはｐ型Ｇ
   ａＡｓ結晶またはＺｎＳ＿ＸＳｅ＿１＿−＿Ｘ（０≦Ｘ
   ≦１）膜に格子整合する単結晶基板の片面に基板と同じ
   導電型を有する低抵抗ＺｎＳ＿ＸＳｅ＿１＿−＿Ｘ膜、
   絶縁膜もしくは高抵抗膜、金属膜が順に積層されており
   、基板の前記片面と反対の面が凹型の光取り出し窓を有
   し、この凹部以外の基板面にオーミック電極を有するこ
   とを特徴とする半導体発光素子。 ６、特許請求の範囲第５項記載の半導体発光素子におい
   て、ＧａＡｓ基板と、低抵抗ＺｎＳ＿ＸＳｅ＿１＿−＿
   Ｘ膜との間にＧａ＿１＿−＿ＸＡｌ＿ＸＡｓまたはＩｎ
   ＿１＿−＿ｙ（Ｇａ＿１＿−＿ＸＡｌ＿Ｘ）＿ｙＰを介
   していることを特徴とする半導体発光素子。 ７、特許請求の範囲第６項記載の半導体発光素子におい
   て、前記Ｇａ＿１＿−＿ＸＡｌ＿ＸＡ＿３膜と前記低抵
   抗ＺｎＳ＿ＸＳｅ＿１＿−＿Ｘ膜との間、または前記Ｉ
   ｎ＿１＿−＿ｙ（Ｇａ＿１＿−＿ＸＡｌ＿Ｘ）＿ｙＰ膜
   と前記低抵抗ＺｎＳ＿ＸＳｅ＿１＿−＿Ｘ膜との間に、
   さらにＧａＡｓ膜を介していることを特徴とする半導体
   発光素子。 ８、特許請求の範囲第５項ないし第７項のいずれか１項
   に記載の半導体発光素子において、基板と低抵抗膜との
   間に、低抵抗膜よりバンドギャップ・エネルギーの大き
   いＺｎＳ＿ＸＳｅ＿１＿−＿Ｘ膜を形成したことを特徴
   とする半導体発光素子。 ９、光取り出し用窓に、球レンズまたは先球ファイバま
   たは先球テーパファイバを取り付け、前記球レンズまた
   は先球ファイバまたは先球テーパファイバを通して光を
   取り出すことを特徴とする特許請求の範囲第３項ないし
   第８項のいずれか１項に記載の半導体発光素子。