JPH0832111A - 半導体発光素子並びに当該半導体発光素子を利用した発光装置、光学検知装置、光学情報処理装置及び光結合装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 薄い高抵抗層を設けることにより信頼性の高
い発光効率のよい半導体発光素子を提供する。 【構成】 ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ｎ−ＡｌＧａＩｎ
Ｐ下クラッド層２、ｐ^-−ＧａＩｎＰ活性層３、ｐ−Ａ
ｌＧａＩｎＰ上クラッド層４、下側のｐ−ＡｌＧａＡｓ
電流拡散層５、高抵抗層６、上側のｐ−ＡｌＧａＡｓ電
流拡散層５を順次結晶成長させる。このとき、高抵抗層
６は、ドーパントをＺｎからＭｇに一時的に変えること
により形成できる。 【効果】 ｐ側電極からの注入電流は、高抵抗層によっ
て断面横方向に十分に拡散され、活性層のほぼ全域に注
入される。高抵抗層は薄い層から作成されるので、発光
素子の電気抵抗が大きくならず注入電流を大きくするこ
とができる。また、薄い層であるので結晶性に優れた半
導体層を形成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体発光素子並びに当
該半導体発光素子を利用した発光装置、光学検知装置、
光学情報処理装置及び光結合装置に関する。具体的に
は、光通信又は光情報処理等の分野で重要である高効
率、高出力の表面出射型半導体発光素子と、それらの半
導体発光素子を用いた発光装置、光学検知装置、光学的
情報処理装置及び光結合装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】発光効率の向上ならびに光出力の高出力
化を目指した半導体発光素子の一つとして、特開平３−
１７１６７９号公報に開示されたものがある。この発光
素子Ｎの断面構造を図１６に示す。発光素子Ｎは、ｎ−
ＧａＡｓ基板６１の上にｎ−ＩｎＧａＡｌＰ下クラッド
層６２、ＩｎＧａＡｌＰ活性層６３、ｐ−ＩｎＧａＡｌ
Ｐ上クラッド層６４、ｐ−ＧａＡｌＡｓ電流拡散層６５
及びｐ−ＧａＡｓキャップ層６６が順次積層され、この
キャップ層６６の上にＡｕ−Ｚｎからなるｐ側電極６７
及びｎ−ＧａＡｓ基板６１の下面にＡｕ−Ｇｅからなる
ｎ側電極６８が形成されている。

【０００３】この発光素子Ｎにおいて、ｐ側電極６７か
ら注入された電流は図１６の破線で示すように電流拡散
層６５において断面横方向に拡散され、ｐ側電極６７直
下に流れる電流割合が減少し、ｐ側電極６７の周辺領域
に対応する活性層６３に注入される電流が増加する。こ
の結果、活性層６３で発光された光のうちｐ側電極領域
により遮られる発光量が減少するとともにｐ側電極６７
の周辺領域からの発光量が増加し、発光素子Ｎの発光効
率が向上する。

【０００４】ここにおいて、電流拡散層６５において注
入された電流を横方向に十分に拡散させるためには、電
流拡散層６５の厚さを十分に大きくする必要がある。し
かし、電流拡散層６５の厚さを大きくすれば、電流拡散
層６５の抵抗が大きくなり注入電流が減少する。このた
め、発光素子Ｎにあっては抵抗率の低い材料を用いて電
流拡散層６５を構成している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、抵抗率
の低い材料を用いたとしても比較的厚い電流拡散層６５
を形成する必要があるため、結晶性に優れた電流拡散層
６５を成長させにくいという問題点があった。また、電
流拡散層６５と上クラッド層６４などとの熱膨張係数の
違いによるストレスが大きく発光素子Ｎの信頼性にも問
題があった。さらには、電流拡散層６５の成長時間の増
加に伴い、製造コストが高くなるという問題点があっ
た。

【０００６】本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、厚い膜厚の
電流拡散層を用いることなく注入電流を横方向に拡散さ
せることにより上記問題点を解決することを目的として
いる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の半導体発
光素子は、基板の上方に活性層が形成され、活性層上に
複数の半導体層が積層され、当該半導体層上に部分的に
表面電極が形成され、基板の下方に裏面電極が形成され
た表面出射型の半導体発光素子において、活性層と表面
電極との間の前記半導体層内に高抵抗層を設けたことを
特徴としている。

【０００８】このとき、前記高抵抗層を表面電極と活性
層との間の電流経路の一部領域を横断するように形成す
ることとしてもよい。また、前記表面電極の電流注入領
域の直下の少なくとも全体もしくは一部に設けることと
してもよい。

【０００９】本発明の第２の半導体発光素子は、基板の
上方に活性層が形成され、活性層上に複数の半導体層が
積層され、当該半導体層上に部分的に表面電極が形成さ
れ、基板の下方に裏面電極が形成された表面出射型の半
導体発光素子において、前記半導体層内に当該半導体層
と逆導電型の逆導電層を形成し、逆導電層に独立して電
圧印加可能としたことを特徴としている。

【００１０】上記半導体発光素子にあっては、前記活性
層に注入する注入電流の流れる領域を制限する電流狭窄
構造を設けてもよい。また、前記基板と前記活性層との
間に多層反射膜を設けるのが好ましい。

【００１１】本発明の第１の発光装置は本発明の半導体
発光素子と当該半導体発光素子の出射光を略平行光に変
換するレンズとから構成され、本発明の発光装置は本発
明の半導体発光素子と当該半導体発光素子の出射光を集
束させるレンズとから構成される。

【００１２】また、本発明の光学情報処理装置は、本発
明の発光装置と当該発光装置の出射光を走査する走査手
段と受光手段とを備えている。

【００１３】さらに、本発明の光結合装置は、本発明の
発光装置と当該発光装置の出射光を反射する反射手段と
受光手段とを備えている。

【００１４】

【作用】本発明による第１の半導体発光素子は、活性層
と表面電極との間の半導体層内に高抵抗層を設けている
ので、表面電極から注入された電流は高抵抗層の存在に
よって半導体層の断面横方向に拡散される。この結果、
高抵抗層を通過した注入電流は活性層のほぼ全面にわた
って注入され、活性層で発光された光は表面電極周辺の
上面発光窓から効率よく出射させることができる。この
高抵抗層は高い抵抗値を有しているため、比較的薄い膜
厚で十分に横方向に拡散させることができる。したがっ
て、発光素子の信頼性が損なわれることなく半導体層を
形成することができる。また、高抵抗層の膜厚は薄いの
で表面電極と裏面電極との間の電気抵抗も小さくて済
み、大きな電流が注入されて発光素子の出力を高くする
ことができる。

【００１５】このとき、表面電極と活性層との間の電流
経路の一部領域を横断するように高抵抗層を設けると、
注入された電流は高抵抗層の存在しない領域を流れるの
で、表面電極と裏面電極の間の電気抵抗をより小さくす
ることができる。このため、より大きな電流が注入さ
れ、さらに発光効率を高めることができる。

【００１６】さらに、高抵抗層を表面電極の電流注入領
域直下の少なくとも全体若しくは一部に設けることにす
れば、表面電極から注入された電流がまっすぐに活性層
に流れるのを阻止し、発光窓と対応する活性層領域へ電
流を注入させることができる。したがって、より一層発
光素子の発光効率を高めることができる。特に、電流狭
窄構造をした発光素子にあっては、発光層と対応する活
性層領域の中心部にまで電流を注入させることができる
ので、いわゆるリング発光を解消し、均一な発光領域を
得ることができる。

【００１７】本発明の第２の半導体発光素子にあって
は、活性層と表面電極との間の半導体層内に形成された
逆導電型の逆導電層は、電圧が印加されていない状態に
あっては高抵抗層として働き、表面電極から注入された
電荷は断面横方向に拡散され、逆導電層上面に蓄積され
る。このとき、逆導電層に電圧を印加すれば逆導電層は
低抵抗層へと変わり、横方向に拡散された状態で蓄積さ
れた電荷は一気に活性層に注入される。したがって第２
の発光素子にあっても、薄い逆導電層によって横方向に
十分電流拡散させることができ、信頼性のある高発光効
率及び高出力の発光素子とすることができる。

【００１８】また、電流狭窄構造の発光素子とすること
によって、発光窓に対応する活性層の領域に電流を注入
することができるので、さらに発光効率を高めることが
できる。

【００１９】さらに基板と活性層との間に多層反射膜を
設けると、活性層から基板側へ出射された光を多層反射
膜で反射させることにより表面電極側から外部へ出射さ
せることができるので、より一層発光効率を向上させる
ことができる。

【００２０】またこれらの半導体発光素子を発光装置や
光学検知装置、光学情報処理装置あるいは光結合装置に
用いることにより、高分解能化させることができる。

【００２１】

【実施例】図１に示すものは、本発明の一実施例である
発光素子Ａを示す断面構造図である。２はｎ−ＡｌＧａ
ＩｎＰ下クラッド層、３はｐ^-−ＧａＩｎＰ（もしくは
ｐ^-−ＡｌＧａＩｎＰ）活性層、４はｐ−ＡｌＧａＩｎ
Ｐ上クラッド層、５はｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層、６
は高抵抗層であって、発光素子ＡはＧａＡｓ基板１の上
に下クラッド層２、活性層３、上クラッド層４及び下側
の電流拡散層５を結晶成長させ、続いて高抵抗層６及び
上側の電流拡散層５をそれぞれ結晶成長させた後、さら
にその上にｐ⁺−ＧａＡｓキャップ層７が形成されてい
る。これらのｐ型半導体層（活性層３からキャップ層
７）には例えばドーパントとしてＺｎが用いられてお
り、高抵抗層６はその抵抗率が高くなるようにドーパン
トを例えばＭｇに一時的に変えることによって結晶成長
させ、薄い膜厚の高抵抗層６を形成しいる。なお、この
高抵抗層６は電流拡散層５よりも高抵抗であるが、通常
の駆動電圧では電流が流れない程の絶縁層ではない。次
いで、キャップ層７の上にはｐ側電極８が形成され、Ｇ
ａＡｓ基板１の下面にはｎ側電極９が形成されている。

【００２２】この発光素子Ａにおける計算によって求め
た注入電流の流れ方を図２（ａ）に示す。高抵抗層６に
あっては抵抗率が高く電流が流れにくくなっており、図
２（ａ）に示すように、ｐ側電極８から注入された電流
（図中の破線。以下同じ）は、高抵抗層６の存在により
上側の電流拡散層５において断面横方向へ十分に拡散さ
れる。拡散された注入電流は活性層３のほぼ全域に注入
され、活性層３のほぼ全領域から光が発光される。した
がって、発光された光をｐ側電極８が形成されていない
表面領域つまり発光窓１０から効率よく取り出すことが
できる。一方、電流拡散層６５が形成されただけの高抵
抗層のない従来の発光素子Ｎにあっては、図２（ｂ）に
示すように本発明の発光素子Ａと同じの電流拡散層６５
の厚さにした場合には横方向に十分に注入電流が拡散さ
れていないことが分かる。このように、電流拡散層５内
に高抵抗層６を設けることにより注入電流を断面横方向
に十分に拡散させ、発光効率を高めることができる。ま
た、高抵抗層６の膜厚を厚くすることなく注入された電
流を拡散させることができるので、ｐ側電極８とｎ側電
極９との間の電気抵抗が大きくならず、注入電流を大き
くすることができるので発光素子Ａの光出力をより大き
くすることもできる。さらに、結晶構造が比較的良好な
状態で高抵抗層６等を形成させることができるので、発
光素子Ａの信頼性も損なわれることがない。

【００２３】上記発光素子Ａにあってはドーパントを変
えることにより高抵抗層６を形成したが、ドーパントを
変えることなく異種のドーパントを加える、例えばＺｎ
ドーパントにＭｇを加えることにより高抵抗層６を形成
することにしてもよく、ドーピング濃度を減らすことに
より高抵抗層６を形成することもできる。このように結
晶成長時にドーパントの種類を変えたり濃度を調整する
ことによって簡単に高抵抗層６を形成することができ、
製造コストを上げることなく発光素子Ａを作製すること
ができる。特にドーパントを変えることにすれば薄い高
抵抗層６で注入電流を拡散させることができるので、発
光素子Ａを薄くできる点で好都合である。また、これ以
外にも結晶成長された電流拡散層５に不純物イオンをイ
オン注入することによって高抵抗層６を形成してもよ
く、さらには他の異なる半導体材料を用いて高抵抗層６
を形成することとしてもよい。前者の方法によればイオ
ンの注入条件を変えることにより所望する領域に高抵抗
層６を簡単に形成できる点で好ましく、後者の方法によ
ればさらに薄い高抵抗層６を形成できる点で好ましい。
また、以下に述べるような多重量子障壁構造を用いるこ
とによりさらに薄い高抵抗層６を形成することもでき
る。

【００２４】図３は本発明の別な実施例である発光素子
Ｂの断面構造図であって、高抵抗層６に多重量子障壁構
造を利用したものである。多重量子障壁構造とは、ポテ
ンシャルバリアの不連続点で量子力学的に反射する電子
波の特性を利用して、ポテンシャルバリアを仮想的に高
めたものをいい、ポテンシャルの異なるウエル層とバリ
ア層とが交互に積層されて構成される。この時、ウエル
層とバリア層との境目などのポテンシャル不連続点で電
子波の反射が起きるが、各反射点で反射された電子波の
位相が、それぞれ反射点が一つ移動する度にπのｎ倍
（ｎ＝１、２、３、…、の整数）ずつずれているときに
は、入射された電子波は共振し、強く反射される。すな
わち、ウエル層の厚さをｄ₁、バリア層の厚さをｄ₂と
し、入射する電子波のエネルギーをＥとすれば、 （２ｍ₁ ^*×（Ｅ−ΔＥc））^1/2×（ｄ₁／ｈ） ＝ （２ｍ₂ ^*×（Ｅ−ΔＥc））^1/2×（ｄ₂／ｈ） ＝ １／４ の関係を満たすようにウエル層及びバリア層の材料及び
厚さを設計すれば、多重量子障壁構造を形成することが
できる。なおここで、ｍ₁ ^*、ｍ₂ ^*はそれぞれウエル層及
びバリア層における電子の有効質量、ΔＥcは障壁ポテ
ンシャル、ｈはプランク定数である。また、伝導帯の電
子だけでなく価電子帯のホールについても同様なことが
言える。

【００２５】具体的に説明すると発光素子Ｂにあって
は、ドーピングされていないＡｌ_xＧａ_1-xＩｎＰ（x＝
0.7）層６ａとドーピングされていないＡｌ_xＧａ_1-xＩ
ｎＰ（x＝0.2）層６ｂが交互に１０層ずつ積層されて多
重量子障壁構造をなし、高抵抗層６が形成されている。
この２種類の半導体層６ａ、６ｂは５原子層（mono lay
er)ずつ重なって一つの単位半導体層を構成しており、
この単位半導体層が繰り返し１０ペア積層されて高抵抗
層６が構成されている。この多重量子障壁構造からなる
高抵抗層６によってｐ側電極８から注入された電流は断
面横方向に十分拡散される結果、発光素子Ｂの発光効率
を高めることができる。

【００２６】多重量子障壁構造を利用した高抵抗層６に
あっては、上述したように適当な半導体材料及びウエル
層とバリア層の厚さや周期を選択することによって、所
望する条件の高抵抗層６を簡単に形成することができ、
特に本実施例のように数原子層の半導体層６ａ、６ｂを
１０ペア程度繰り返して積層すればよいので、非常に薄
い高抵抗層６を形成できる点で有利である。

【００２７】図４（ａ）に示すものは本発明の別な実施
例である発光素子Ｃを示す断面構造図であって、高抵抗
層６はｐ側電極８から注入された電流経路の一部領域を
横断するようにして電流拡散層５内に設けられている。
この高抵抗層６は、半導体チップ１１（ＧａＡｓ基板１
からキャップ層７）を形成した後に水素イオンを所定の
領域に層状にイオン注入することによって形成してあ
る。この発光素子Ｃにおいては図４（ｂ）に示すように
ｐ側電極８から注入された電流は高抵抗層６によって断
面横方向に拡散されるとともに、一部電流は高抵抗層６
の設けられていない電流拡散層５を通って活性層３に注
入される。このような構造にすれば注入された電流は高
抵抗層６の設けられていない領域を通るので、ｐ側電極
８とｎ側電極９との間の電気抵抗が少なくなり活性層３
への注入電流が増加する結果、発光効率をさらに高める
ことができる。また、このように高抵抗層６を一部領域
に設けることで高抵抗層６両側に多くの注入電流が流
れ、発光窓１０からの発光量を大きくすることができ
る。さらに、絶縁層を設ける場合に比べ、ｐ側電極８と
ｎ側電極９との間の電気抵抗が小さくなる点でも都合が
よい。

【００２８】このようなイオン注入法を用いれば、マス
ク形状を変えることにより簡単に所望する領域に高抵抗
層６を形成できる。このため、ｐ側電極８から離れた領
域に高抵抗層６を設けないことも容易に可能であって、
図示したようにｐ側電極８の電流注入領域直下の全部領
域（一部の領域であってもよい）に設けることにすれ
ば、ｐ側電極８から注入された電流がまっすぐ活性層３
に流れるのを防止し、発光窓１０に対応する活性層３領
域に電流を注入することができるので、特に好都合であ
る。

【００２９】さらに、注入イオンの種類や注入エネルギ
ー強度、ドーズ量や注入後のアニール条件を適当に変え
ることにより、任意の高抵抗層６を容易に形成すること
ができる。

【００３０】図５に示すものは本発明のさらに別な実施
例である発光素子Ｄを示す断面構造図である。発光素子
Ｄにあってはｎ−ＧａＡｓ基板１と下クラッド層２との
間に多層反射膜層１２が設けられている。多層反射膜層
１２は屈折率の異なる２つの半導体層、例えばｎ−Ａｌ
Ａｓ層１２ａとｎ−ＡｌＧａＡｓ層１２ｂを交互に積層
した構造となっている。ここで、ＡｌＡｓ層１２ａの屈
折率をｎ₁、ＡｌＧａＡｓ層１２ｂの屈折率をｎ₂、活性
層３で発光された光の中心波長（真空中）をλとした
時、２つの半導体層１２ａ、１２ｂの膜厚ｄ₁、ｄ₂は ｄ₁ ＝ λ／４ｎ₁ …… ｄ₂ ＝ λ／４ｎ₂ …… となるように形成されている。

【００３１】この多層反射膜層１２によって活性層３か
らＧａＡｓ基板１方向へ出射された光は発光窓１０へと
反射され、さらに発光効率を向上させることができる。
また、少しずつ異なる波長λ₁，λ₂，…，λ_iに対して ｄ₁₁＝λ₁／４ｎ₁、ｄ₁₂＝λ₁／４ｎ₂（第１番目の多層反射膜層） ｄ₂₁＝λ₂／４ｎ₁、ｄ₂₂＝λ₂／４ｎ₂（第２番目の多層反射膜層） ・ ・ ・ ・ ｄ_i1＝λ_i／４ｎ₁、ｄ_i2＝λ_i／４ｎ₂（第ｉ番目の多層反射膜層） となるように数ペアずつのｉ層の多層反射膜層１２を積
層することによりλ₁からλ_iまでの波長を有するブロー
ドな光を反射させることができ、活性層３で発光された
幅広い波長の光を隈無く発光窓１０から取り出すことが
できる。また、斜め入射光も効率よく反射することがで
きる。

【００３２】図６（ａ）は本発明のさらに別な実施例で
ある発光素子Ｅを示す断面構造図である。発光素子Ｅは
電流狭窄構造をしており、電流拡散層５の上に形成した
キャップ層７及び絶縁層１３をエッチングして発光窓１
０を開口し、絶縁層１３の上面全面に設けたｐ側電極８
を開口領域の内周域でキャップ層７に接触させてある。
この発光素子Ｅにあっては、ｐ側電極８から注入された
電流は図６（ｂ）に示すように、高抵抗層６で断面横方
向に拡散される結果、発光窓１０に対応する活性層３の
領域に電流が注入される。従来、電流狭窄構造をした発
光素子においては、発光窓１０に対応する活性層３の領
域、特に中心領域には電流が注入されにくく、いわゆる
リング発光を生じていたが、このように高抵抗層６を設
けることにより発光窓１０に対応する活性層３の中心領
域まで注入電流を拡散することができ、均一な発光領域
を得ることができる点で特に効果が大きい。また図７に
示す発光素子Ｆのように、ｐ側電極８からの電流経路を
妨げるようにしてｐ型電極の電流注入領域直下の領域
に、高抵抗層６を設けることとしてもよい。このような
構造の発光素子Ｆにあっては、活性層３の発光窓１０に
対応する領域により多くの電流を注入することができ
る。

【００３３】また、図８（ａ）に示すものは本発明のさ
らに別な実施例である発光素子Ｇの断面構造図であっ
て、電流拡散層５の上に形成されたキャップ層７及びｐ
側電極８をエッチングして発光窓１０を開口してある。
また、高抵抗層６よりも下方の電流拡散層５には発光窓
１０と対応する領域の外周領域に絶縁層１３が形成して
あって、絶縁層１３の内周領域が電流経路領域となった
電流狭窄構造となっている。この発光素子Ｇにあって
は、電流狭窄構造を構成する絶縁層１３よりも上方に高
抵抗層６が形成されており、ｐ側電極８から注入された
電流は図８（ｂ）に示すように、高抵抗層６によって断
面横方向に拡散され（この場合は電流経路に向う。）、
拡散された電流は絶縁層１３に囲まれた電流経路領域に
流れ、活性層３の発光窓１０と対向する領域近傍に注入
される。この結果、高抵抗層６によって発光窓１０に対
応する領域よりも外側の注入電流は絶縁層１３によって
電流経路領域に集められ、活性層３に流れる電流量が多
くなる。したがって、さらに発光素子Ｇの発光量を増や
すことができ、発光効率をより一層高めることができ
る。

【００３４】電流狭窄構造は、発光素子Ｅのようにｐ側
電極８直下に絶縁層１３を設けたり、発光素子Ｇのよう
に電流拡散層５に絶縁層１３を設けることにより形成す
ることができる。絶縁層１３は例えば水素イオンを電流
拡散層５などにイオン注入したり、ドーパントを注入し
ながら結晶成長させることによって設けることができる
が、発光素子Ｇのように高抵抗層６より下方で活性層３
により近いところに電流狭窄構造を形成した方がより狭
窄効果は大きく働くという利点がある。

【００３５】また図９に示すように、第１の実施例であ
る発光素子Ａと同様にして結晶成長により半導体チップ
１４（ＧａＡｓ基板１からキャップ層７）を得た後、発
光窓１０を除く領域において半導体チップ１４のキャッ
プ層７から下クラッド層２に至る領域をエッチングして
発光窓１０の下にメサ部１５を形成し、メサ部１５の外
周面からＧａＡｓ基板１の上面にわたる領域にＳｉＯ₂
などの絶縁層１３を形成し、絶縁層１３の上からメサ部
１５の外周面にｐ側電極８を形成するとともにｐ側電極
８をキャップ層７の上面外周に接触させることとしても
よい。この発光素子Ｈによると、ｐ側電極８から注入さ
れた電流が流れない半導体チップ１４領域をエッチング
除去されているので電流狭窄効果を最も高くすることが
でき、発光素子Ｈの発光効率をさらに向上させることが
できる。

【００３６】図１０に示すものは本発明のさらに別な実
施例である発光素子Ｉを示す断面構造図である。発光素
子Ｉは、ｎ−ＧａＡｓ基板１の上にｎ−ＡｌＧａＩｎＰ
下クラッド層２、ｐ^-−ＡｌＧａＩｎＰもしくはｐ^-−Ｇ
ａＩｎＰ活性層３、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ上クラッド層
４、下側のｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層５を結晶成長
し、続いて、ｎ型の逆導電層１６、上側のｐ−ＡｌＧａ
Ａｓ電流拡散層５及びｐ⁺−ＧａＡｓキャップ層７を順
次結晶成長して半導体チップ１７を得た後、半導体チッ
プ１７のｐ側電極８を形成する領域を除くキャップ層７
を除去するとともに、逆導電層１６までの上側の電流拡
散層５を一部除去してある。ｐ型半導体層（活性層３か
らキャップ層７）は例えばＺｎをドープしながら結晶成
長させることにより形成され、ドーパントをＺｎからＳ
ｉに一時的に変えて結晶成長させることにより逆導電型
の逆導電層１６が形成されている。上側の電流拡散層５
が除去されて露出された逆導電層１６上面にはゲート電
極１８が形成されていて、外部からゲート電圧を印加す
ることができるようになっている。また、キャップ層７
上面にはｐ側電極８が、ＧａＡｓ基板１の下にはｎ側電
極９がそれぞれ形成されている。

【００３７】この発光素子Ｉにあっては、ゲート電極１
８にゲート電圧が印加されていない状態にあっては、逆
導電層１６とその下の電流拡散層５の間が逆バイアスと
なって逆導電層１６は絶縁層に近い高抵抗層として働
き、電流がほどんど流れない状態となっている。このた
め、ｐ側電極８から注入された電荷は、図１１（ａ）に
示すようにあたかもダムのごとく逆導電層１６によって
せき止められ、電流拡散層５の断面横方向に拡散され逆
導電層１６上面に蓄積される。この後、正のゲート電圧
をゲート電極１８に印加すると、逆導電層１６は低抵抗
層となって導電性となり、サイリスタにゲートオン信号
が印加されたのと同様な働きを示し、図１１（ｂ）に示
すように逆導電層１６上面に蓄積された電荷は横方向に
拡散された状態で一気に活性層３に注入される。この結
果、活性層３のほとんどの領域において電荷が一気に流
れ込み、発光素子Ｉの発光効率や最大光出力を高めるこ
とができる。

【００３８】なおこの発光素子Ｉにあっては、ゲート電
圧を印加した状態にしておくと逆導電層１６は低抵抗層
として働くので、ｐ側電極８から注入された電荷は逆導
電層１６上面に蓄積されない。このため、横方向に拡散
されることなく注入電流がｐ側電極８から活性層３へと
流れ、図１１（ｃ）に示すようにｐ側電極８直下の活性
層３領域近傍にのみ電流が注入されるようになる。した
がって、ゲート電極１８にパルス状電圧を印加してパル
ス光源として利用するのが望ましい。

【００３９】また、逆導電層１６の形成にあっては不純
物をドープしながら結晶成長させるのみならず、半導体
チップ１７を結晶成長させた後にイオン注入を行なうこ
とによってもよい。イオン注入することにすれば、単一
なドーパントでもって結晶成長を簡単に行なうことがで
きるという利点がある。さらには、異なる半導体材料を
用いて逆導電層１６を形成することもでき、この場合に
は、適当なエッチャントを用いることによって逆導電層
１６をエッチストップ層として利用することができるの
で、簡単に上側の電流拡散層５を除去することができ
る。

【００４０】また、図示はしないが、発光素子Ｅや発光
素子Ｇなどのように電流狭窄構造をした発光素子に逆導
電層を形成させることとしてもよい。この場合も、発光
窓に対応する活性層３の領域、特に中心領域に十分に電
流を注入させることができるので、より発光効率を高め
リング発光を解消させる点で効果も大きいのはいうまで
もない。

【００４１】以上の各実施例においては、ｐ型の半導体
層（活性層３からキャップ層７）を用いて説明したが、
もちろんｎ型の半導体層を用いて発光素子を形成するこ
ともできる。また、高抵抗層６や逆導電層１６は電流拡
散層５内に設けてあるが、必ずしも電流拡散層５内に設
ける必要もなく電流拡散層５の上側若しくは下側など活
性層３とキャップ層７との間に設けておけば、ｐ側電極
８から注入された電流を断面横方向に拡散することがで
きる。また、電流拡散層５を設けることにより高抵抗層
６や逆導電層１６の効果をより高めることができるが、
電流拡散層５を設ける必要は必ずしもない。また、絶縁
層１３を下クラッド層２などに設けるなど電流狭窄構造
を活性層３よりも下方に設けることとしてもよい。

【００４２】このように本発明にあっては、高い発光効
率でしかも出力の大きい小型の発光素子を提供すること
ができる。特に電流狭窄構造をしたものにあっては、高
出力の微小発光径の発光素子とすることができる。した
がって、このような発光素子を利用することにより、高
い分解能を有する高性能な光学装置を提供することがで
きる。以下にその具体例について説明する。

【００４３】図１２は本発明の半導体発光素子２１を利
用した光学式距離センサＪの概略を示す説明図である。
この光学式距離センサＪは、本発明の発光素子２１及び
コリメートレンズ２２からなる投光部と、受光レンズ２
３及び位置検出素子２４からなる受光部とから構成され
ている。

【００４４】また、図１２は当該距離センサＪによって
対象物２５が有する凹凸の段差ｑを計測する場合を表わ
している。半導体発光素子２１から出射された光はコリ
メートレンズ２２で平行光化された後、対象物２５上に
照射されてビームスポットＳＰ₁、ＳＰ₂を生成し、それ
ぞれビームスポットＳＰ₁、ＳＰ₂の反射像を位置検出素
子２４上に結像させる。これらの結像位置は、位置検出
素子２４の信号線２６、２７で得た信号比をもって検出
でき、その位置ずれ量より三角測量の原理を用いて段差
ｑが算出される。

【００４５】本発明の半導体発光素子２１は、高出力で
かつ微小発光径のものである。通常の発光ダイオードす
なわちその光の出射面積が３５０μｍ角程度あるので、
長距離の検出や高精度の検出は難しいが、このような距
離センサＪに本発明による半導体発光素子２１を用いれ
ば、長距離検出が可能で、しかもビームスポット径が小
さく、分解能を向上させることができる。レーザーダイ
オードを用いれば、長距離で高精度の検出が可能になる
が、レーザー光線を用いるためにその安全面で問題があ
る。これに対し、本発明の半導体発光素子２１のような
構造の高出力、微小発光径の発光ダイオードを作製すれ
ば、 長距離でも検出可能で、しかもビームスポット径
が小さく、分解能も高い安全な素子を得ることができ
る。

【００４６】図１３は本発明による半導体発光素子３１
を用いたバーコードリーダＫを示す斜視図である。この
バーコードリーダＫは、半導体発光素子３１、投光側集
光レンズ３２、回転多面鏡３３、回転多面鏡３３を一定
方向に一定速度で回転させるスキャナモータ３４、等速
走査レンズ３５、受光側集光レンズ３６、受光素子３７
から構成されている。

【００４７】しかして、半導体発光素子３１から出射さ
れた光は投光側集光レンズ３２を通り、回転多面鏡３３
で反射されるとともに水平方向にスキャンされ、等速走
査レンズ３５で等速化された後、バーコード３８上で集
光され、バーコード３８上を走査される。さらに、バー
コード３８からの反射光は、受光側集光レンズ３６によ
り受光素子３７上に集光されて検知され、バーコード信
号が得られる。

【００４８】このようなバーコードリーダＫにおいて、
例えば面発光型の従来のＬＥＤ（発光径４００μｍ）を
用い、焦点距離ｆ＝１５ｍｍの集光レンズで２５０ｍｍ
先のバーコード上に集光したとすると、その集光性の悪
さのため、バーコード上でのビーム径は約６．７ｍｍ以
上に大きくなり、バーコード（一般的に、最小線幅は
０．２ｍｍ）は到底読取ることができない。

【００４９】これに対し、本発明による半導体発光素子
３１を用いたバーコードリーダＫにあっては、その発光
径を１０μｍ程度に微小発光径化できるので、同一条件
で集光させた場合でもバーコード上のビーム径をバーコ
ードの最小線幅以下（０．２ｍｍ弱）まで絞ることがで
き、バーコードを読み取ることができる。

【００５０】図１４に示すものは光結合装置であって、
具体的には、本発明による半導体発光素子４１を光源と
して用いた平面配置型フォトカプラＬである。このフォ
トカプラＬは半導体発光素子４１と半導体受光素子４２
がそれぞれリードフレーム４４、４５にダイボンディン
グされており、さらに別なリードフレーム４３、４６に
ワイヤボンディングされており、その状態で透明エポキ
シ樹脂４７内に封止されている、また、透明エポキシ樹
脂４７の表面には不透明な樹脂膜４８が形成されてい
る。一般にフォトカプラは発光素子と受光素子とが対面
した形状のものが多いが、この平面配置型フォトカプラ
Ｌは発光素子４１と受光素子４２が同一平面上に配置さ
れていることが特徴となっている。

【００５１】このような平面配置型フォトカプラＬの場
合、成形が簡単にできるので、作製が容易になるが、発
光強度を大きくしないと高い結合効率が得られない点が
問題である。このような形状のフォトカプラＬにおいて
は、従来の半導体発光素子を用いるよりも本発明に係る
発光素子４１を用いた方が高出力の発光が得られるの
で、高い結合効率を得ることができる。また、透明エポ
キシ樹脂４７を楕円球状に成形し、発光素子４１、受光
素子４２を楕円球の各焦点に来るように配置すると、効
率よくカップリングできるが、この際本発明による発光
素子４１を用いれば、発光径が小さいので、より高い結
合効率を得ることができる。

【００５２】図１５に発光装置の一例として投光器Ｍに
ついて説明する。この投光器Ｍは、本発明の半導体発光
素子５１を一方のリードフレーム５２の上にダイボンデ
ィングすると共に他方のリードフレーム５３にワイヤボ
ンディングした状態で透明エポキシ樹脂等の封止樹脂５
４で所定形状に低圧注型して封止し、全体として角ブロ
ック状の外形に構成されている。封止樹脂５４の表面に
は多数の環状レンズ単位を同心状に配列したフレネル型
平板状レンズ５５が一体形成されると共に、表面の両側
にはフレネル型平板状レンズ５５と同じ高さ、あるいは
フレネル型平板状レンズ５５よりもやや高いアゴ部５６
を突設してあり、アゴ部５６によってフレネル型平板状
レンズ５５を保護している。

【００５３】この投光器Ｍの場合、半導体発光素子５１
は、高い発光効率で、しかも微小な発光領域を有するも
のであるから、フレネル型平板状レンズ５５により光の
指向特性が狭小化し、出力が強く、かつ細いビームが長
距離においても得られる。例えば、フレネル型平板状レ
ンズ５５を焦点距離ｆ＝４．５ｍｍ、レンズ直径３．５
ｍｍとし、半導体発光素子５１の発光窓を直径２０μｍ
にしたとき、１ｍの距離におけるビーム径は直径４ｍｍ
程度である。しかるに、従来より用いられている通常の
発光ダイオード（すなわち、その光の出射面積が３５０
μｍ角程度のもの）では、直径７０ｍｍ程度まで広がっ
てしまうので、本発明による半導体発光素子５１を用い
て投光器Ｍを作製することにより大きなメリットが得ら
れる。

【発明の効果】本発明による第１の半導体発光素子にあ
っては、活性層と表面電極との間の半導体層内の高抵抗
層を設けることにより、膜厚を厚くすることなく断面横
方向に十分に注入電流を拡散させ、活性層の全領域に大
きい電流を注入することができる。したがって、結晶構
造のよい半導体層を形成させることができ、信頼性を損
なうことなく、高い発光効率及び高出力の発光素子を提
供することができる。

【００５４】このとき、表面電極と活性層との間の電流
経路の一部領域を横断するように高抵抗層を設けると、
注入された電流は高抵抗層の存在しない領域を流れるの
で、表面電極と裏面電極の間の電気抵抗をより小さくす
ることができる。このため、より大きな電流が注入さ
れ、さらに発光効率を高めることができる。

【００５５】さらに、高抵抗層を表面電極の電流注入領
域直下の少なくとも全体若しくは一部に設けることにす
れば、表面電極から注入された電流がまっすぐに活性層
に流れるのを阻止し、発光窓と対応する活性層領域へ電
流を注入させることができる。したがって、より一層発
光素子の発光効率を高めることができる。特に、電流狭
窄構造をした発光素子にあっては、発光層と対応する活
性層領域の中心部にまで電流を注入させることができる
ので、いわゆるリング発光を解消し、均一な発光領域を
得ることができる。

【００５６】本発明の第２の発光素子にあっては、活性
層と表面電極との間の半導体層内に形成された逆導電型
の逆導電層によって表面電極から注入された電荷は断面
横方向に拡散され、逆導電層上面に蓄積される。このと
き、逆導電層に独立して電圧を印加すれば逆導電層は低
抵抗層へと変わり、横方向に拡散された状態で蓄積され
た電荷は一気に活性層に注入される。したがって、薄い
逆導電層によって注入電流を断面横方法に十分拡散させ
ることができ、信頼性を損なうことなく高い発光効率及
び高出力の発光素子を提供することができる。

【００５７】また、電流狭窄構造の発光素子とすること
によって、発光窓に対応する活性層の領域に電流を注入
することができるので、さらに発光効率を高めることが
できる。

【００５８】さらに基板と活性層との間に多層反射膜を
設けると、活性層から基板側へ出射された光を多層反射
膜で反射させることにより表面電極側から外部へ出射さ
せることができるので、さらに発光効率を向上させるこ
とができる。

【００５９】また、これらの半導体発光素子を発光装置
や光学検知装置、光学情報処理装置あるいは光結合装置
に用いることにより、高分解能化させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である半導体発光素子を示す
断面構造図である。

【図２】（ａ）は同上の半導体発光素子における注入電
流の電流経路を示す説明図、（ｂ）は従来例の半導体発
光素子における注入電流の電流経路を示す説明図であ
る。

【図３】本発明の別な実施例である半導体発光素子を示
す断面構造図である。

【図４】（ａ）は本発明のさらに別な実施例である半導
体発光素子を示す断面構造図、（ｂ）は当該発光素子に
おける注入電流の電流経路を示す説明図である。

【図５】本発明のさらに別な実施例である半導体発光素
子を示す断面構造図である。

【図６】（ａ）は本発明のさらに別な実施例である半導
体発光素子を示す断面構造図、（ｂ）は当該発光素子に
おける注入電流の電流経路を示す説明図である。

【図７】本発明のさらに別な実施例である半導体発光素
子を示す断面構造図である。

【図８】（ａ）は本発明のさらに別な実施例である半導
体発光素子を示す断面構造図、（ｂ）は当該発光素子に
おける注入電流の電流経路を示す説明図である。

【図９】本発明のさらに別な実施例である半導体発光素
子を示す断面構造図である。

【図１０】本発明のさらに別な実施例である半導体発光
素子を示す断面構造図である。

【図１１】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、同上の発光素子にお
ける動作説明図である。

【図１２】本発明による半導体発光素子を用いた距離セ
ンサの構成を示す概略図である。

【図１３】本発明による半導体発光素子を用いたバーコ
ードリーダを示す斜視図である。

【図１４】本発明による半導体発光素子を用いた平面配
置型フォトカプラを示す断面図である。

【図１５】本発明による半導体発光素子を用いた投光器
を示す斜視図である。

【図１６】従来例である半導体発光素子の断面構造図で
ある。

【符号の説明】

１ ＧａＡｓ基板 ３ 活性層 ４ 上クラッド層 ５ 電流拡散層 ６ 高抵抗層 ８ ｐ側電極 １０ 発光窓 １２ 多層反射膜層 １６ 逆導電型の逆導電層 １８ ゲート電極 ２１、３１、４１、５１ 半導体発光素子 ２２ コリメートレンズ ３３ 回転多面鏡 ４２ 半導体受光素子 ５５ フレネル型平板状レンズ

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板の上方に活性層が形成され、活性層
   上に複数の半導体層が積層され、当該半導体層上に部分
   的に表面電極が形成され、基板の下方に裏面電極が形成
   された表面出射型の半導体発光素子において、 活性層と表面電極との間の前記半導体層内に高抵抗層を
   設けたことを特徴とする半導体発光素子。
2. 【請求項２】 前記高抵抗層は、前記表面電極と前記活
   性層との間の電流経路の一部領域を横断するように形成
   されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発
   光素子。
3. 【請求項３】 前記高抵抗層は、前記表面電極の電流注
   入領域の直下の少なくとも全体もしくは一部に設けられ
   ていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体
   発光素子。
4. 【請求項４】 基板の上方に活性層が形成され、活性層
   上に複数の半導体層が積層され、当該半導体層上に部分
   的に表面電極が形成され、基板の下方に裏面電極が形成
   された表面出射型の半導体発光素子において、 前記半導体層内に当該半導体層と逆導電型の逆導電層を
   形成し、逆導電層に独立して電圧印加可能としたことを
   特徴とする半導体発光素子。
5. 【請求項５】 前記活性層に注入する注入電流の流れる
   領域を制限する電流狭窄構造を有する請求項１、２、３
   又は４に記載の半導体発光素子。
6. 【請求項６】 前記基板と前記活性層との間に多層反射
   膜を設けたことを特徴とする請求項１、２、３、４又は
   ５に記載の半導体発光素子。
7. 【請求項７】 請求項１、２、３、４、５又は６に記載
   の半導体発光素子と、当該半導体発光素子の出射光を略
   平行光に変換するレンズとからなる発光装置。
8. 【請求項８】 請求項１、２、３、４、５又は６に記載
   の半導体発光素子と、当該半導体発光素子の出射光を集
   束させるレンズとからなる発光装置。
9. 【請求項９】 請求項７又は８に記載の発光装置と、受
   光手段とを備えた光学検知装置。
10. 【請求項１０】 請求項７又は８に記載の発光装置と、
    当該発光装置の出射光を走査する走査手段と、受光手段
    とを備えた光学情報処理装置。
11. 【請求項１１】 請求項７又は８に記載の発光装置と、
    当該発光装置の出射光を反射する反射手段と、受光手段
    とを備えた光結合装置。