JPH0636439B2

JPH0636439B2 - 半導体発光素子

Info

Publication number: JPH0636439B2
Application number: JP3967386A
Authority: JP
Inventors: 良光山添
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1986-02-25
Filing date: 1986-02-25
Publication date: 1994-05-11
Anticipated expiration: 2009-05-11
Also published as: JPS62198174A

Description

【発明の詳細な説明】 (ア)技術分野この発明は、半導体発光素子の改良に関する。さらに詳
しくいえば、出力光を集光するための球状レンズを発光
面に備え、この球状レンズを発光部に対して、極めて容
易に位置合わせできる半導体発光素子を提供しようとす
るものである。

(イ)従来技術とその問題点第６図〜第９図によつて、従来技術と、その問題点を説
明する。

第６図は特開昭53-4489に於て、提案されたレンズを有
する半導体発光素子の斜視図である。第７図はそのＡ−
Ａ断面図である。

本発明は、球レンズを有効な方法で位置ぎめするところ
に特徴があり、発光素子の層構造そのものは既知のもの
を用いる。発光素子チツプ１６についてまず説明する。

最下層から、電極１、Si₃N₄膜２、InGaAsPコンタクト層
３、ｐ型InPクラツド層４、InGaAsP活性層５、ｎ型InP
クラッド層６、InP基板７、電極８よりなる発光素子チ
ツプ１６である。

下層の電極１は、中央の狭い電極部分１７から電流を半
導体チツプに注入するようになつているから、活性層５
の中央の狭い部分のみが発光部１２となる。

発光部１２から、光が上方に向かつて出射される。この
発光素子は、面発光タイプの素子である。発光ダイオー
ドに於ては、最も普通の発光方向である。本発明に於
て、発光素子というのは、発光ダイオードとレーザダイ
オードを含むものとする。

発光の方向は光軸１３に関して、かなり拡がつている
が、球レンズ１１を出射光の側に設けているから、出射
光が集光されて、光側１３にそう光となる。このような
集光された光は、シングルモードフアイバなど、コア径
の小さなフアイバへも効果的に入射する事ができる。

このように、半導体発光素子の光を、光フアイバへ高効
率に入射させるためには、球レンズを使う。球レンズの
サイズは、光フアイバのサイズによつて異なるが、極め
て小さいものである。

平坦なチツプ面に球レンズを置いて樹脂で接着する、と
いうのでは、位置ぎめが困難である。そこで、予め、チ
ツプの上面の中央で、発光部１２の直上に当る領域に円
形の位置あわせ穴１４を設けておく。

この穴１４の近傍に紫外線硬化樹脂１０を塗布してお
く。球レンズ１１を位置あわせ穴１４に置いて、穴の頂
上１５に球面が正しく接触するようにする。

この状態にしてから、紫外線を照射し、紫外線硬化樹脂
１０を硬化させる。こうして、レンズは、半導体チツプ
１６と一体化する。

第７図に於て、球レンズ１１は穴１４の底面中心の一点
と、穴の頂上１５の円形辺とによつて支持される。位置
は正しく決定され、安定である。

このような位置合わせ穴は、円板状の浅い穴である。穴
は底面と、円周面からなるが、円周面の母線は光軸１３
に対して平行である。

位置あわせ穴の深さｄは数ミクロンないし、数十ミクロ
ンである。

このような直円柱の位置合わせ穴を穿つて位置決めする
方法には、次のような欠点のあることが明らかになつて
きた。

球レンズの大きさは、使用する光学系に対して、様々の
大きさのものが使用される。

例えば、長距離伝送路では、発光ダイオードの光出力を
最大限に活用する必要がある。このため、光フアイバと
の結合効率の良い直径200μｍ（屈折率1.9）程度のレン
ズが使用される。

一方、コンピユータ機器間の通信の場合は、光コネクタ
によつて相互に結合され、光コネクタは頻繁にかつ容易
に脱着されうるものでなければならない。この場合、レ
ンズの焦点距離が長く、しかも光フアイバとの位置あわ
せ誤差の許容度の大きい直径400μｍ程度（屈折率1.9）
のレンズを用いるのが望ましい。

この他にも、使用するフアイバのコア径や開口数、光フ
アイバの端面が球状に加工されているかどうか、或は、
結合効率を高めるため光フアイバとの間にもうひとつレ
ンズを追加する場合などによつて、用いられるべき球レ
ンズの直径は細かく変える必要がある。

このように、取付けるべき球レンズの大きさがひとつ決
まつているのではなく、多様であるというところに新た
な問題が生じる。

第７図のような安定な位置決めがなされるためには、位
置あわせ穴１４の直径をａ、深さをｄ、球レンズの直径
をｂとすると、或は、同じことであるが、の関係がなければならない。

あるサイズの球レンズに対し、(1)〜(2)の関係が満たさ
れたとしても、他の球レンズに対して、こういう関係は
なりたたない。

球レンズのサイズｂに合わせて、穴の深さｄ、直径ａを
変えるのがよい。しかし、このような穴は、マスクを使
いホトエツチング法によつて形成されるのであるから、
同一ウエハから作られるチツプに関しては、ｄ、ａを変
えるという事は難しい。

位置あわせ穴の形状、寸法が共通である、という事が望
ましい。

(ウ)発明が解決しようとする問題点位置あわせ穴１４の深さｄ、直径ａを共通にしたとす
る。

たとえば球レンズ１１の直径ｂが小さいものであるとす
る。そうすると、第８図に示すように、球レンズ１１
が、位置あわせ穴１４の中で動きうるようになる。この
ためレンズ１１が偏よつて固定される惧れがある。レン
ズ中心と発光部１２を結ぶ光軸１８が、チツプ面に対し
て直角にならず、傾いてしまう。このような光軸のずれ
が生ずると、半導体素子の光が光フアイバコアの中へ殆
ど入らない、という事になつてしまう。

このような問題を解決するには、予定される球レンズの
直径のうち、最小の直径の球レンズに合わせた位置合わ
せ穴１４を、半導体チツプに穿つておく、という方策が
考えられる。

しかし、この場合、反対に大きい直径の球レンズを位置
決めする事が困難になる。第９図にこれを説明する。最
小直径の球レンズに合わせて、浅く、小さく形成された
位置合わせ穴１４は、大きな直径の球レンズに対して
は、嵌合部が浅くなりすぎ、位置決めが正確に行なえな
い。

最小直径をｂ_０、大きい直径の球レンズの直径をＢと
し、このレンズの位置あわせ穴１４での嵌入量、つま
り、沈みこみの量をΔとすると、近似的にによつて表わされる。位置決めの安定性を、沈みこみΔ
を直径Ｂで割つた値で評価できるので、最小直径をもつ
球レンズに比べて、直径Ｂのレンズの位置決めの安定性
Ｓは、最小直径時の安定性をＳ_０として、となる。つまり、位置決めの安定性は（ｂ_０／Ｂ）の２
乗に比例して低減してゆくことになる。

そうすると、球レンズの直径に合わせた深さｄ、直径ａ
の位置あわせ穴を穿つ他はないという事になる。これは
既に述べたように、半導体チツプ上の多様な穴を造形す
ることが難しい、という事がある。さらに、各種の穴の
穿たれた多種類のチツプを常時、在庫しておくか、又は
直ちに製造できるようにしておく必要があり、きわめて
繁雑である。

(エ)目的集光系として必要などのような直径の球レンズであつて
も容易にしかも正確に位置決めできる構造の半導体発光
素子を提供する事が本発明の目的である。

(オ)構成この発明は、球レンズを用いて出力光を集光するように
した半導体発光素子に於て、半導体発光素子の発光部と
球レンズとを光軸が一致するように位置あわせする穴
を、円錐形の穴として、球レンズが円錐形穴の斜面の途
中で接触固定される事により、いかなる直径の球レンズ
であつても正しく位置決めできるようにしたものであ
る。

円錐形のかわりに多角錐形としてもよい。円錐母線の面
に対する傾き角Θは55°以下であることが望ましい。つ
まり、軸線に対する傾き角θは35°以上とする。

ここで円錐といつても、正確な直線の母線を持つ円錐で
ある必要はなく、ほぼ円錐形であればよいのである。

第１図は本発明の実施例にかかる半導体発光素子の縦断
面図である。

発光素子チツプ１６の層構造は既に述べたものと同じで
ある。最下層から並べると、１電極２ Si₃N膜３ InGaAsPコンタクト層４ｐ型InPクラツド層５ InGaAsP活性層６ｎ型InPクラツド層７ InP基板８電極のようになつている。下面の電極部分１７が狭く制限さ
れているので、発光部１２が狭く限定される。

発光部１２を中心として面に対して垂直に立てた中心法
線ｌに対して回転対称の逆円錐形の位置あわせ穴１４が
穿たれている。

逆円錐穴であるから、底面で狭く、上面で広い穴であ
る。こういう形状である事を前提として、以下簡単のた
め「逆」の字を省くこともある。

球レンズ１１は、逆円錐面の途中で位置あわせ穴の傾斜
面と接触している。

この状態で紫外線硬化樹脂１０を硬化させてある。

円錐ではなく角錐にすると、球レンズを穴に押しつけた
際、液体である樹脂１０が容易に上方へ昇つてくるとい
う長所がある。しかし、円錐形の穴の方が作製しやすい
し、位置決め精度を高くしやすい。

(カ)作用第２図によつて説明する。円錐面の母線が直線であると
仮定し、母線の水平面に対する傾きがΘ母線の中心法線
ｌに対する傾きがθであるとする。

本発明の半導体発光素子は、円錐形の位置あわせ穴をも
つているから、どのような大きさの球レンズも、そのレ
ンズ直径に応じた傾斜面上の点Ｑ、Ｒで支えることがで
きる。

位置あわせ穴の断面は等脚台形になる。上面の２点を
Ｅ、Ｈ、底面の２点をＦ、Ｇとする。ＥＨ＝ｐ、ＦＧ＝
ｑとする。

穴の深さを、ｈとする。

例えば、ここに、直径の異なる球レンズ１１、１１、１
１、が置かれたとしても、いずれも、中心Ｏが中心法線
ｌ上にくるようになる。

どの球レンズについて説明しても同じであるが、例え
ば、最大の球レンズＯが、傾斜面ＥＦ、ＧＨと、Ｑ、Ｒ
に於て接するとする。接点の軌跡はＱＲを直径とする円
である。

線分ＱＲの中点をＭとする。球レンズの最下点をＮとす
る。Ｍ、Ｎ、Ｏともに中心法線ｌの上にある。

ＯＱとＥＦは直角をなし、ＥＦは水平面に対し角Θをな
すから、∠ＱＯＭ＝∠ＲＯＭ＝Θである。球レンズの直
径をｂとして、ＭＮ＝ｅとする。球レンズの上端点をＬとする。

ｅ＝ＯＮ−ＯＭ (6) つまり、位置決めの安定性Ｓは、接触円ＱＲから最下点Ｎまでの
距離ｅを、球レンズ直径ｂで割つた値によつて評価でき
る。

このような安定性の評価を用いると、安定性Ｓはとなる。これは球レンズの直径ｂを含まない。厳密にｂ
を含まない。

(9)式は、円錐の位置あわせ穴に球レンズを嵌込む場合
どのような直径であつても、位置決めの安定性は、傾角
Θによるだけで一定だという事を述べている。

従つて、本発明の構造をもつ半導体発光素子は、１種類
の半導体チツプを用いて、必要な球レンズの直径を選定
する事により、任意の光学系に対して最適の集光レンズ
を持つた半導体発光素子を作る事ができる。

もちろん球レンズの直径が無制限であるわけではない。
上限ｂ_１と、下限ｂ_２が存在する。上限については、第
２図でＱＲがＥＨに一致するという条件から、によつて与えられる。

下限については、第２図で球レンズが、底面であるＦＧ
面にも接触するという条件から、によつて与えられる。

(キ)実施例第１図に示すような半導体発光素子を作製した。作製の
手順を具体的に説明する。これはInGaAsP発光ダイオー
ドである。

まず、液相エピタキシヤル成長法によつて、InP基板７
の上に、ｎ型InPクラツド層６、InGaAsP活性層５、ｐ型
InPクラツド層４、InGaAsPコンタクト層３を形成する。

次いで、プラズマCVD法でSi₃N₄膜２を形成する。

フオトリングラフイにより、Si₃N₄膜２の中央に開口部
を設け、拡散法により電極部分１７を形成した。

さらに、フオトリングラフイと電子ビーム蒸着法により
電極１を形成した。

次に、電極１の面を保護コートしたあと保護ガラス２３
に貼りつけた。

この後、化学エツチングにより、厚さ150μｍまで減厚
した。

この時InP基板７が上面に露出している。

次いで、第３図に示すように、直径280μｍの開口を持
つ金属マスク２１を形成する。続いて、金属マスク２１
の上に、直径40μｍの開口をもつフオトレジストマスク
２０を形成する。

この後、等方性エツチング液（たとえば塩酸と過酸化水
素と酢酸の混合液）を用い、中央穴３３を形成するため
約15μｍエツチングを行なつた。

これが、第３図に示した状態である。

再度、フオトリングラフイにより、直径150μｍないし2
00μｍの開口を持つレジストマスクを形成した。これを
高温ベークし、レジストマスクの端部をなだらかな斜面
とした。第４図に現われるレジストマスク２０のような
形状になる。

この後、反応性イオンエツチングを行なつた。反応性イ
オンエツチングが少し進行した状態を第４図に示してい
る。

反応性イオンエツチングの条件は、20％程度の塩素ガス
を含むアルゴンガス中で、高周波入力0.75Ｗ／cm²、ガ
ス圧力３×１０^−２Torrであつた。この条件で、平均し
て毎分0.8μｍ〜１μｍ程度のエツチングレートで、エ
ツチングが進行した。

開口部周辺は、フオトレジストマスク２０により保護さ
れているので、レジストマスク自身のエツチングの進行
速度に制限されて、エツチング速度が遅くなる。レジス
トマスク２０は第４図に示すように、中心近くで薄く、
周辺へ向つて厚くなつているから、中心の方が深くエツ
チングされ、周辺の方が薄くエツチングされる。

このため、InP基板７のエツチング面に傾斜が生じた。

予め化学的にエツチングした（第３図）中央穴の部分
は、他の部分より深くまでエツチングが進行するから、
最も深くなつた。

この状態を第４図に示した。

中央穴３３周辺の段差部は、エツチングが進行するにつ
れて、なだらかになつてきた。やがて、外周部の傾斜と
滑らかにつながつた。

35分〜40分間の反応性イオンエツチングにより、第１図
に示したような逆円錐形の穴が得られた。

最外部の直径は280μｍ、中央部の直径は40μｍ、深さ
は55μｍであつた。第２図の記号で示すと、ｐ＝280μ
ｍ、ｑ＝40μｍ、ｈ＝55μｍである。

傾斜角Θは24.6°であつた。従つて、レンズ径が約190
μｍ〜670μｍのものが使用できる。

位置合わせ穴１４を形成した後、電子ビーム蒸着法によ
り電極８を取り付ける。

さらに、パツケージにチツプをマウントする。

この後、球レンズを取り付けた。

従来の方法では、大きな球レンズに対して、球レンズ取
付時間は10〜15分必要であつた。本発明ではどのような
球レンズに対しても、取付時間は１分以内であつた。

位置決め効果は第２図に示すように、どのようなサイズ
の球レンズに対しても有効であつた。

位置合わせ精度も良好であつた。

さらに、従来の円板状（円柱状）の穴よりも、円錐斜面
にそつて余分な接着剤が無理なく押し出されるので、作
業性がよくなる、という利点がある事も分つた。

(ク)その他の実施例（傾斜角Θが変化する）中央穴３３（第３図に現われる）をより深くした場合、
或はエツチング速度を速めた場合など、エツチング条件
によつては、第５図に示すように、傾斜角Θがゆるやか
に変動するラツパ状の断面を有する穴が形成される。

本発明は、このような形状の穴であつても同様に適用す
る事ができる。

(ケ)その他の実施例（角錐形状の穴）位置あわせ穴の平面形状を多角形にする、つまり、角錐
形状の穴にすると、余分な接着剤を底部からおし出す効
果はいつそう良好であつた。角錐の陵線と球レンズの間
に隙間が残るからである。

多角形の穴を形成するには、第３図、第４図のマスク２
０、２１、開口部３３の形状を多角形にすればよい。

(コ)その他の実施例（Θ＝55°）前述の実施例では、位置あわせ穴の傾斜角Θは24.6°で
あつた。

一般に、使用する球レンズ直径の範囲（200μｍ〜500μ
ｍ程度）と、位置決め効果を奏するために必要な深さか
ら、傾斜角Θは20°〜40°程度が使いやすい。

Θ＝55°とする特別な場合がある。これは、ジンクブレ
ンド（Zinc Blende）構造の結晶の特性を利用するもの
である。

III−Ｖ族化合物半導体単結晶は、｛１１０｝に劈開面
を有する。この面は＜１１１＞方向に対して、約55°の
角をなす。

このような面の関係を用いてΘ＝55°の穴を作ることが
できる。この方法を述べる。

（１１１）面方位をもつ結晶を用いて発光素子を作製す
る。この面に対して、正三角形状に劈開面がある。そこ
で、この劈開方向にそつた正三角形状の穴を穿つ。方法
は、第３図、第４図に示すものと同様であるが、この場
合、円錐ではなく正三角錐の穴が生じる。劈開面は（１
１０）、（０１１）、（１０１）であり、これらの面は
（１１１）面に対し約55°をなす。この場合、化学エツ
チングだけでもこれら傾斜面を得ることができる。

しかし、位置あわせ穴の傾斜角Θはあまり大きくなる
と、直径の大きなレンズに対して従来方法（Θ＝90°に
あたる）のごとく、球レンズと位置あわせ穴の嵌入が浅
くなる。

従つて、前記の結晶面を利用するような特殊な場合を除
いては、10°〜40°程度が望ましい。

既に述べたように、前記の実施例では、ｐ＝280μｍ、
ｑ＝40μｍ、ｈ＝55μｍ、Θ＝24.6°であつた。これは
レンズ径が190μｍ〜670μｍのものまで使用できる。

第３図に於て中央穴３３をより深くしておけば、第５図
に示すようなより深い穴の形状になり、より小さい直径
の球レンズに対しても使用可能になる。こうして、使用
可能な球レンズ径の直径を50μｍ程度にまで拡張する事
ができる。

(サ)効果 (1)定まつた形状、寸法の位置あわせ穴を穿つた一種類
の発光素子チツプに対して、どのような直径の球レンズ
であつても安定に取付ける事ができる。

(2)多品種の発光素子チツプを作る必要がなく、能率的
な生産を行なう事ができる。

(3)レンズ取り付け精度が、レンズ径によらず、均一で
ある。このため、製品の光学的品質が安定する。

(4)品質の安定した発光素子が安価に生産できる事にな
り、光通信などの光エレクトロニクス分野の発展に有効
である。

(シ)適用範囲ここでは、InGaAsP発光ダイオードを例として説明し
た。しかし、本発明はこれに限られるものではない。Ga
AlAs系、GaAsP系、AlGaAsP系などどのような半導体発光
素子に対しても適用される。

結晶成長法は、液相エピタキシヤル成長法だけでなく、
気相エピタキシヤル成長法（VPE）或は分子線エピタキ
シヤル成長法（MBE）など任意の方法で作られた半導体
発光素子に対して適用できる。

結局、適用されるべき発光素子チツプ１６は、ｐｎ接合
を有し、電流を流すことにより、内部の発光部から光を
生じ、面に直角方向に光を出射するもの、という事にな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る半導体発光素子の縦断面
図。第２図は円錐形の位置あわせ穴を穿つた半導体チツプに
対し直径の異なる球レンズを位置決めできる事を示す説
明図。第３図は半導体チツプをガラスに固定し、中央穴を形成
した状態を示す断面図。第４図は反応性イオンエツチングにより、傾斜面を有す
るマスクに応じて傾斜面を有する穴が形成された状態を
示す半導体チツプの断面図。第５図は斜面の傾斜角が中央部に近づくに従つて大きく
なるように変化する位置あわせ穴の形状を示すための半
導体発光素子の略断面図。第６図は従来例に係る半導体発光素子の斜視図。第７図は第６図のＡ−Ａ断面図。第８図は従来例に於て、球レンズが小さ過ぎる場合、光
軸が傾く事を説明する半導体発光素子の断面図。第９図は従来例に於て球レンズが大き過ぎる場合、穴に
よる位置決めが困難である事を説明する半導体発光素子
の断面図。１……電極２……Si₃N₄膜３……InGaAsPコンタクト層４……ｐ型InPクラツド層５……InGaAsP活性層６……ｎ型InPクラツド層７……InP基板８……電極９……リードワイヤ１０……紫外線硬化樹脂１１……球レンズ１２……発光部１３……光軸１４……位置あわせ穴１５……穴の頂上１６……発光素子チツプ１７……電極部分１８……ずれた光軸２０……フオトレジストなど軟質のエツチングマスク２１……金属等の硬質のエツチングマスク２２……保護剤２３……保護ガラス３３……中央穴

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ｐｎ接合を有し電流を流すことによつて内
部の発光部から光を発生し、表面に直角な方向に光を出
射する発光素子チツプと、出射された光を集光する球レ
ンズとよりなり、発光素子チツプの出射面には略円錐又
は略角錐形状の位置あわせ穴が前記発光部を通り表面に
直角な中央法線に関し回転対称となるように形成されて
おり、前記球レンズは該位置あわせ穴に嵌入し球レンズ
の一部が位置あわせ穴の斜面に接触した状態で固定され
ている事を特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】位置あわせ穴の表面に対する傾斜角Θが55
°以下である事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。