JPS5813037B2 - ハツコウソシ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電流一電圧特性に負性抵抗性をもつｐｎｐｎ構
造の発光素子の改良に関するものである０ 従来のｐｎｐｎ構造を有する発光ダイオードの構造を第
１図をこ示す。

第１図こおいで、１はｎ型（ａＡｓ基板、２は液相エピ
タキシャル成長法こよって基板１の上こ設けたｐ型Ｇａ
Ａｓ層、３はｐ型層２の上こ設けたｎ型ＧａＡｓ層で、
４は層３の上に設けたｐ型ＧａＡｓ層である。

更こ５はｎ型ＧａＡｓ基板１の背面こ設けたオーミツク
電極、６はｐ型ＧａＡｓ層４の上に選択的に設けたオー
ミツク電極である。

第２図は第１図の発光ダイオードの電流一電圧特性を示
すもので、図に示すように負性抵抗特性を持つでいる。

ｎ型ＧａＡｓ基板１の上にｐ層２，ｎ層３，ｐ層４を順
次液相エピタキシャル成長法で成長させろ時、Ｓｉを不
純物としで使用するが液相成長時の冷却温度を適当こ制
御することにより、冷却速度の遅いときはＳｉがｐ型不
純物としで入り、速いときはｎ型不純物としで入る。

今、第１図のようにバイアスをかけると、基型１と層２
、層３と層４との間のｐ−ｎ接合Ｊ１，Ｊ３こ対しでは
順バイアスがかかるが層２と層３の間のｐ−ｎ接合Ｊ２
こは電圧がかかり、バイアス電圧が０からＶｓまではほ
とんど電流が流れずｏｆｆ状態こあり、Ｖｓこ達すると
Ｊ２に電流がわずかこ流れトランジスタ作用により電流
増巾率が１以上こｌってｏｎ状態にうつり、ほぼＪ３近
傍で発光する。

以上こ示した発光ダイオードのＶｓはｐ，ｎそれぞれの
層特こ層２と層３の不純物濃度および各層の厚さによっ
てきめられる。

以上に示した従来の負性抵抗性を有する発光ダイオード
の欠点は液相成長時の冷却温度制御こよって製作しでい
るため、不純物濃度および厚みの制御が不十分であり、
■ｓの制御および再現性こ問題がある。

ＧａＡｓでは不純物の８１が発光にも有効に働くもので
あるが、ＧａＡｓＰ，ＧａＰでは有効ではないので他の
材料では以上の方法を利用することはできない。

本発明は以上のような問題点のない■−ｖ族化合物半導
体を用いた発光素子を提供するものである。

以下本発明の詳細な説明をＧａＰ発光素子をつかって説
明する。

本発明の発光素子を説明する前に本発明こ用いるＧａＰ
結晶の性質を第３図を用いで説明する。

ＧａＰ結晶の（１００）面上こエッチングマスクを設け
てガスエッチングを行った場合結晶方向こよってエッチ
ングされた溝の形状が変化する。

例えば第３図ａはＧａＰ結晶の（１００）面上に（０１
１）方向こエッチングマスクを設けガスエッチングを行
なうとａ′こ示すようこＵ字形こエッチングされる。

なおａ′は（０１１１方向こ垂直な面すなわち（０１１
）面で結晶を切った場合の断面である。

一方同図ｂに示すようにＧａＰ結晶の（ｉｏｏ）面上こ
〔０１ｌ〕方向こエッチングマスクを設けてガスエッチ
ングを行うにｂ′に示すようこ溝の底の部分が広くエッ
チングされる。

なお、ｂ′は〔０１１〕方向こ垂直な而すなわち（０１
１）面で結晶を切った場合の断面である。

本発明はこのｂ′の形状のものを使用する。

以上に示したＧａＰ結晶の性質を有効こ利用して本発明
はｐｎｐｎ構造のＧａＰ発光素子を再現性よく製造する
ものである。

第４図を用いて本発明の発光素子の製造方法を説明する
。

Ｉこ示すようこＧａＰ単結晶基板１を用意し、ｌこ示す
ようこＧａＰ単結晶基板１の（１００）ｉ上Ｉ電子濃度
Ｊｎ＜１０”６ｃｍ−”のｎ型ＧａＰエビタキシャル層
あるいはＣｒをドープした半絶縁性のエビタキシャル層
８を約２０μｍ成長させる０ 次こ■こ示すようにエビタキシャル層８の上こ発光に寄
与する不純物（例えば窒素）とｎ形不純物（例えば硫黄
）とをドープした電子濃度ｎ＝Ｉ×１０１８ｃｒ−３〜
ｌＸ１０１６ｃｍ−３のｎ形ＧａＰＧビタキシャル層９
を約１０〜２０μｍ成長させる。

次こ■に示すようこエピタキンヤル層９の上こ拡散マス
ク、エッチングマスクを兼ねたＡｌ２０３等の透明絶縁
膜１０を設ける。

透明絶縁膜１０は例えばスパッタリングこより約２００
０人の厚さこ成長させた後、ホトリソ技術によって〔０
１１〕方向にス｝Ｊツプ状こ形成する。

次に■に示すようこストリップ状の絶縁膜１０をマスク
としてエビタキシャル層９をガスエッチングする。

エッチングの方法は例えば６０℃の熱王水から発生する
ガスによって３００℃程度で深さ５〜１０μｍエッチン
グする。

このエッチングこよって深さ方向こ巾が広がる台形状の
溝ができ、逆こ絶縁膜１０の下のエビタキシャル層９１
は深さ方向に巾が狭くなった状態で残る。

エッチング後■に示すようこ通常の封管法によってｐ形
不純物例えばＺｎを拡散する。

拡散深さはｐ形拡散層１１がエビタキシャル層８までと
どきかつエビタキシャル層８がｉ層ならばｐ層間の距離
ｄ１が数μｍ以上あるようこ拡散深さを決定する。

一方ＡＶ’こ示すようこ、エビタキシャル層８がｎ形層
の場合、拡散深さはｐ形拡散層１１がエビタキシャル層
８までとどき、かつ第１の凸部９１ａにおいではｐ層間
の距離ｄｌが数μｍ以上で第２の凸部９１ｂこおいでは
ｐ層間がつながるように拡散深さと絶縁層１０の巾を決
定する。

次に、■こ示すようこ通常の蒸着とホｇ潟ソ技術によっ
てｐ形オーミツク電極１２とｎ形オーミツク電極１３を
設ける。

ｎ形オーミツク電極１３は絶縁膜１０の一部を除去して
ｎ形エピタキシャル層９１を露出させで設ける。

最後こ、第５図８のような形こ切断分離する。

これは通常のダイアモンドスクライバ又はダイシング力
ツタで切断する。

切断分離されたチップを第４図■こ示すようこ適当なス
テム１４こマウントし、透明樹脂コート又はガラスレン
ズ付キャップ１５をつけろ。

こうしでできた発光装置用チップは第５図ａのように十
端子から一端子までの構成はｐｎｐｎ構造こなつでいる
。

これこ十端子に正電位、一端子こ０電位とじてバイアス
をかけると、ｐ−ｎ接合Ｊ１，Ｊ３は順方向電圧がかか
りＪ２は逆バイアスこなる。

そのため第５図ｂのようこ両端子の印加電圧がＶｓにな
るまで電流はほとんど流れずｏｆｆ状態こなる。

このときｐ−ｉ−１を通るＡの電流の流れはｉ層８こよ
る抵抗のためやはりほとんど電流は流れない。

一方、エビタキシャル層８をｎ層で形成した場合こは第
４図■′に示したようこー側のｐ層は連続しでいるので
ｐ−ｎ−ｐ−ｎとなり、ｎ層８の電子濃度ｎ１がｎ層９
１ｂの電子濃度ｎ２より小さいのでこのルートを流れる
電流の電圧はＶｓ以上こなるため電圧がＶｓに達すると
Ｊ２で電流が少し増加しトランジスタ作用により電流増
幅率が１以上こなって、ｏｎ状態になる。

そうするとｐｎｐｎダイオードに電流が流れ、Ｊ１，Ｊ
３付近で少数キャリャの注入が多くなり、注入発光する
。

ここではｎ形エピタキシャル層９１には窒素がドープさ
れているため、５６００λ付近の波長の光を発する。

本発明では、従来法より次の点で改善されることこなる
。

第１こＶｓ電圧をきめる第５図ａの接合Ｊ２のｐ層１１
およびｎ層９１のキャリア濃度を、ｐ層１１を拡散で作
成しでいるため不純物濃度制御がしやすく再現性がよい
。

さらに、ｎ形エピクキシャル層９（第５図では９１ａ，
９１ｂこ相当する）を一定条件、例えば従来法での液相
エビタキシャル成長法で冷却速度を三回変化させている
ものをニ定の冷却速度で行ない、さらに従来の３層のエ
ビ層厚みより１層のエビ層厚みの方が薄くできるため不
純物濃度の再現性がよい。

第２こ各層の寸法および幾何学的形状はホトリン技術と
選択エッチングおよび拡散でコントロールできるため結
晶成長のときの寸法制御精度より精密こコントロールで
きる。

さらこ、本方法は、ＧａＡｓｊＧａＡＩＡｓｐＧａＡｓ
Ｐ，ＧａＰなどこも適用可能であり、従来法での材料お
よび不純物の限定も少なくなる。

さらこ、発光ダイオードでは、一般に電流密度を上げれ
ば、発光効率が上昇する。

本発明ではラテラル方向に電流を流すため電極のコンタ
クト抵抗を低く維持したままかなり接合面積を小さくす
ることができる。

さらこ電極がメサの凸部のある表面にあるため、光を裏
面からとりだすこともでき光取出し効率を向上できる。

以上の二点から発光効率を向上することができる。

さらに従来法ではその構造上困難であったサイリスク構
造こするためのゲート電極を第５図ａの第１の凸部のｎ
形エビタキシャル層９１ａに容易こもうけることが可能
である。

さら（ｐ層より少し深くｉ層までメサエツナングをほど
こすことこよってｐｎｐｎ構造素子のアレイまたはマト
リックスがモノリシックのまま可能となる。

以下本発明の具体的実施例を示す。

実施例 １ まず引き上げ法で作られた硫黄をドーブした電子濃度ｎ
＝６Ｘ１０１７／Ｃｉｌのｎ型ＧａＰ基板１を用意する
。

この基板の（１００）面こ通常の機械的および化学的研
磨を施こし、上記基板の（１００）面上こ通常のＱａ−
ＰＣｌ３−Ｈ２系を用いた気相成長法こよつでＣｒをド
ープした半絶縁性のエビクキシャル層８を約２０μ程度
成長させる。

次こ前記エビタキシャル層８上こ前記気相成長法又は通
常の液相成長法こよってＳとＮをドープした電子濃度ｎ
＝１〜２０Ｘ１０１６Ｃｕ−３のｎ形ＧａＰエビタキシ
ャル層９を約２０μ程度成長させる〇次ここのｎ形エピ
タキシャル層９上に電子線加熱こよつでＡｌ２０３膜１
０を約２０００λ程度蒸着する。

前記Ａｌ２０３膜を第４図■のようこ〔０１〒〕方向こ
長い巾約５０μ、ピッチ約１００μのストライプ状こ通
常のホトリソ技術をこよって加工する。

ただし、Ａｌ２０３のエッチングこは通常の熱リン酸又
はＮＨ４Ｆ−ＨＦ系を使用する。

このＡｌ２０３膜をエッチングマスクこ使用しで、王水
を５５℃程度こ力熱しこれから発生するガスを使用して
３００℃でガスエッチングを行い、第４図■のような形
状こする。

このときエッチング深さＷを約２０μ程度にする。

次こ前記ＧａＰウエハをＺｒ３Ｐ２と共に十分洗浄され
た石英アンプル中こ真空（１０−”Ｔｏｒｒ程度）封じ
を行い、９５０℃約ＩＯ時間拡散熱処理を行い、約１０
μ程度の深さのｐ層１１を形成する。

これによって、第４図■のｄ１は約５〜６μ程度こなる
。

次にｎ形オーミツク電極１３を形成するため第４図■の
ようこ第２の凸部９１ｂ上Ａｌ２０３の一部をホトリソ
技術を使用しでとりのぞき、Ａｕ−Ｓｉ（２％）の合金
を１０−５Ｔｏｒｒ 程度で真空蒸着し（例えば５００
０λ）、第４図■のようｔこ所望のＡｕ−Ｓｉをのこし
他のものをホｇ潟ソ技術を使用しでとりのぞく。

ただしこのときのＡｕ−Ｓｉのエツナンダ液は例えばＮ
Ｈ４Ｉ−Ｌ２系のものである。

次にウエハ表面こ１０−５Ｔｏｒｒ程度でＡｎを真空蒸
着し（例えは５０００人）ホｇ潟ソ技術を使用して電極
１２を形成するための所定のＡｌをのこし、他のものは
通常のＡｌのエッチング液を使用し除去する。

次こウエハ全体の厚さを２００μ程度こなるよう基板Ｇ
ａＰ を研磨洗浄する。

そして裏面全面にＡｕ−Ｓｎ（１０％）を例えば１μ程
度蒸着する。

次こ、Ｎ２又はＮ２９０％−Ｈ２ｆＯ％雰囲気で５５０
℃で１０分程度ウエハーを熱処理しでオーミツ久電極（
Ａｌ，Ａｕ−Ｓｉ）の熱処理を行う。

次にこのウエハを通常のスクライバこよって裏面からス
クライブのきすをつけ、第５図ａのような形をこ分割す
る。

通常のＴＯ１８ステムこ裏面をダイボンドし、ワイヤポ
ンドしこれこ透明のエポキシ樹脂のコーティングをする
。

実施例 ２ 前記実施例１と同様の工程で、第４図■までの拡散工程
を終了したものに同図■の工程で第６図ａのように第１
の凸部９１ａのＡｌ２０３にも通常のフオトリソ技術で
穴あけをしで、第２の凸部９ｌｂと同様のＡｌ−Ｓｉ（
１％）の電極１４を形成し、他は実施例１と同様こ組立
でる。

この場合は＋，−およびゲートＧ端子１４をそれぞれ電
気的こ絶縁された端子こワイヤボンドする。

こうしＣできた素子の特性は第６図ｂこ示すようこＧ端
子１４と十端子１２＋Ｊ１接合に順電流Ｉｇが流れるよ
うに電圧を印加すると、ｖｓの値が変化しでくる。

実施例 ３ 基板としてＩＸＩＯ１６Ｃｎ−３ＴｅドープＧａＡｓ（
（１００）面）を使用し、その上にＧｒドープ半絶縁性
ＧｅＡｓを通常のＧａ−ＡｓＣＡ３−Ｈ２系の気相成長
により約２０μ程度成長させ、その上こＳｉドープ電子
濃度約５Ｘ１０１７ｃｒｒ”ｒ１形ＱａＡｓを液相成長
法により約２０μ成長させる。

次こＡｌ２０３マスクは実施例１同様こしで形成茄エす
る。

次こＢｒ−ＣＨ３０Ｈ系エツチャントでＡｌ２０３マス
クを選択エッチングマスクとしで使用しエッチング深さ
約２０μまで行う。

こうしてエッチングされた試料をＺｎＡＳ２を拡散源と
して実施例１と同様こ石英アンプルこ封入して８５０℃
で約４０分拡散を行うと実施例１と同様の寸法の装置が
得られる。

こうしで得られたウエハを実施例１と同様の工程でオー
ミツク電極およびボンデイング用Ａｕ−Ｓｎに電極をつ
けで組立でるとＧａＡｓの赤外発光形ｐｎｐｎ装置かえ
られる。

以上要するこ、本発明は■一Ｖ族化合物半導体を基板結
晶として用い、この結晶基板の（１００）面上にｎ型あ
るいは半絶縁性の第１のエビタキシャル層と発光に寄与
する不純物を含む第２のｎ型エピタキシャル層とを成長
させ、上記第２のエビタキシャル層の表面に〔０１１〒
方方向にストリップ状の絶縁膜を設けた後、第２のエビ
クキシャル層をエッチングして深さ方向こ巾が広がる台
形状の溝を堀り、更にｐ型不純物を拡散してｐｎｐｎ構
造の発光素子を形成するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の発光素子の断面図、第２図は第１図の素
子の電圧電流特性曲線、第３図ａ，ａ′およびｂ，ｂ’
は本発明こ用いる■一ｖ族化合物の結晶の性質を示した
斜視図および断面図、第４図は本発明の発光素子の製造
工程を順こ示す断面図、第５図ａ，ｂは本発明の一実施
例こおける発光素子の斜視図および電圧電流特性曲線、
第６図ａ，ｂは本発明の他の実施例の断面図および電圧
電流特性曲線である。 １・・・・・・基板、８，９・・・・・・エビタキシャ
ル層、１０・・・・・・透明絶縁膜、１１・・・・・・
拡散層、１２，１３・・．・・・オーミツク電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ｉ−Ｖ族化合物半導体から成る基板、上記基板の（
   １００）面上こ成長させたｎ型あるいは半絶縁性の第１
   のエビタキシャル層、上記第１のエビタキシャル層より
   電子濃度が高くかつ発光に寄与する不純物を含み、更こ
   厚さ方向に巾が広がる台形状の凸部が〔０１１〕方向に
   ストリップこ２本形成された第２のエビタキシャル層を
   上記第１のエビタキシャル層上こ有し、上記第２のエビ
   タキシャル層表面から拡散したｐ型層が上記第２のエビ
   タキシャル層の溝の底の部分で上記第１のエビタキシャ
   ル層まで到達しており、上記第２のエビタキシャル層の
   溝の底の部分こｐ型オーミツク電極を有し、上記第２の
   エビタキシャル層の２本の凸部の少なくとも一方にｎ型
   オーミツク電極を有することを特徴とする発光素子。