JPS62137879A

JPS62137879A - 接合型半導体発光素子

Info

Publication number: JPS62137879A
Application number: JP60278514A
Authority: JP
Inventors: Fumio Inaba; 稲場　文男; Hiromasa Ito; 弘昌伊藤; Shiro Sato; 史朗佐藤; Hirotaka Ito; 伊藤　弘孝
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-12-11
Filing date: 1985-12-11
Publication date: 1987-06-20

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、発光ダイオードや半導体レーザとして使用し
得る半導体発光素子に関し、特に基板（平板部）に対し
て水平方向に延在するｐｎ接合を実質的に形成せず、基
板に対して垂直方向に形成したｐｎ接合が効率的に発光
するようにした接合型半導体発光素子に関するものであ
る。

（従来の技術〕基板に対して垂直方向に光を放出する発光素子は、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Ｏ
Ａ情報機器等の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
められてきており、近年、多種類のものが実用されてい
る。

たとえば、伊藤等によるエレクトロニクス・レターズ、
１９８４年、ｖｏｌ、２０、Ｎｏ、１４　、第５７７〜
５７９頁に、基仮に対して垂直方向に形成した柱状突起
内に延在する基板に対して垂直方向のｐｎ接合を発光部
とし、この発光部により光を柱状突起の先端から基板に
対して垂直に放出する化合物半導体発光素子を用いた発
光装置が開示されている。

従来の垂直発光型半導体素子の１つの基本的な構造例は
、第３図に示す如く、平板部（Ｂ）と、その片面上に設
けた柱状突起（Ｐ）と、柱状突起（Ｐ）の側周面及び平
板部（Ｂ）の上面に設けたｎ側電極（Ｅｌ）と、平板部
（Ｂ）の下面に設けたｎ側電極（Ｂ２）とからなるもの
である、柱状突起（Ｐ）内には平板部（Ｂ）に対して垂
直方向に延在するｐｎ接合ＰＮＩが、また平板部ＣＢ）
内には該平板部（Ｂ）に対して平行方向に延在するｐｎ
接合ＰＮ２が存在している。

平板部（Ｂ）はｎ型ＧａＡｓ基板（Ｂ３）と、バリア層
であるｎ型Ａ　Ｉ　ＧａＡｓ層（Ｂ２）と、ｎ型ＧａＡ
ｓ［（Ｂ１）とからなり、柱状突起（Ｐ）はｎ型ＧａＡ
ｓ１ｉ（Ｂ１）と同一の材料で構成されている。平板部
（Ｂ）内及び柱状突起（Ｐ）内には、不純物（例えば亜
鉛）の熱拡散によってｐ９型ＧａＡｓまたはＡ　１２　
ＧａＡｓ領域（Ｒ１）とｐ型ＧａＡｓまたはＡ　Ｉ　Ｇ
ａＡｓ領域（Ｒ２）が存在し、これにより柱状突起（Ｐ
）内には不純物の拡散していない領域と領域（Ｒ２）と
の界「１に円筒状のｐｎ接合ＰＮＩが、また平板部（Ｂ
）のバリア層（Ｂ２）内には不純物の拡散していない領
域と領域（Ｒ２）との界面にｐｎ接合ＰＮ２がそれぞれ
形成されている。

そして電極（Ｅｌ）、（Ｂ２）間に電流を流して、光を
柱状突起（Ｐ）の先端から上方向に放出する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このような構造の半導体発光素子では電極（ｌｉｔ）、
（Ｂ２）間に電流を流すと、電流はｐｎ接合ＰＮＩを貫
通する回路Ｃ１に流れるだけでなく、ｐｎ接合ＰＮ２を
貫通する回路Ｃ２にも流れる。

ところで、このような半導体発光素子では平板部に対し
て垂直方向に発光させることが目的であり、上記２種類
のｐｎ接合のうちｐｎｎ接合ＰＮ１垂直発光をもたらし
、ｐｎ接合ＰＮ２は水平発光をもたらすため、ｐｎ接合
ＰＮＩのみが有用であり、ｐｎ接合ＰＮ２は本来忌むべ
きものである。

そこで、回路Ｃ２に流れる電流を少なくするために、ｎ
型ＧａＡｓ基板（Ｂ３）上に、ｐｎ接合ＰＮＩを有する
柱状突起（Ｐ）のＧａＡｓ層よりも禁制帯幅の広いＡ　
Ｉ　ＧａＡｓ層（Ｂ２）を１０〜２０ｉ、−と厚くエピ
タキシャル成長させて該Ａ　Ｉ　ＧａＡｓ層（Ｂ２）を
電流ブロック層とし、このＡ　Ｉ　ＧａＡｓ電流ブロッ
ク層内にｐｎ接合ＰＮ２を設けているが、それでも回路
Ｃ２に流れる電流は無視できる程小さな値ではなく、結
果としてｐｎ接合ＰＮ２が発光に寄与し、回路Ｃ１への
電流の注入効率が低下することになる。また、ｎ型Ａ　
Ｉ　ＧａＡｓ層を均一組成で結晶性良くかつ厚く積むこ
とは技術的困難さを伴い、コストの上昇を招く。

従って本発明の目的は、柱状突起を構成する半導体層よ
りも禁制帯幅の広い電流ブロック層として作用する厚い
半導体層を有しなくても実質的に基板に対して垂直方向
の光のみを放出し、かつ技術的困難さのないコストの安
い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、平板部と、該平板部の片面上に設けた柱状
突起と、平板部及び柱状突起の任意の個所に設けたｉｉ
ｉとからなり、柱状突起内に平板部に対して垂直方向に
延在するｐｎ接合を有し、平板部内に該平板部に対して
平行方向に延在するｐｎ接合を実質的に有しない接合型
半導体発光素子により達成される。本発明の接合型半導
体発光素子は具体的には、たとえば柱状突起の頂上面及
び平板部の表面をマスク状態にし、かつ柱状突起の側周
面を非マスク状態にして不純物の拡散を行って、柱状突
起内に実質的に平板部に対して垂直方向に延在するｐｎ
接合のみを形成せしめてなるものである。

〔作用〕

本発明の接合型半導体発光素子は、実質的に平板部に対
して垂直方向に延在するｐｎ接合ＰＮＩのみを有してい
るので、垂直方向のみに発光する。

〔実施例〕

以下、本発明の接合型半導体発光素子の実施例を図面に
基づいて説明する。

本発明の発光素子は、基本的には第１図に示すように、
平板部（Ｂ）と、その平板部（Ｂ）の片面上に設けた円
柱状突起（Ｐ）と、円柱状突起（Ｐ）の側周面及びモ仮
部（Ｂ）のト面に設けたｐ側電極（Ｅｌ）と、平板部（
Ｂ）の下面に設けたｎ側電極（Ｂ２）と、平板部（Ｂ）
の上面と電極（Ｆ、ｌ）との間に介在させた絶縁膜（２
）とで構成されている。円柱状突起ＣＰ）内には、ｐ゛
型領領域Ｒ１）及びｐ型領域（Ｒ２）と、平板部（Ｂ）
に対して垂直方向に延在する円筒状のｐｎ接合ＰＮＩが
形成されているが、平板部（Ｂ）内には、該平板部（Ｂ
）に対して平行方向に延在するｐｎ接合ＰＮ２は形成さ
れていない。

本実施例の発光素子は、ｐｎ接合ＰＮＩのみを有しｐｎ
接合ＰＮ２を有しない構造なので、電極（Ｅｌ）、（Ｂ
２）間に電流を注入した場合、ｐｎ接合ＰＮＩにより実
質的に平板部（Ｂ）に対して垂直方向のみに発光する。

さらに、電流は円柱状突起（Ｐ）の側周面からｐｎ接合
ＰＮＩを貫通する回路Ｃ１に流れるが、回路ＣＩ以外の
部分には絶縁膜（２）によって流れないので、発光部へ
の電流の注入効率が向上し、その結果として光出力が増
大することになる。

また、基板（Ｂ３）上に電流ブロック層を成長させる必
要がなく、必要な発光波長に応じた材料を選択してその
材料からなる円柱状突起（■））を形成するための層の
みを基板（Ｂ３）上にエピタキシセル成長させればよく
、或いはエピタキシャル成長層の無い基板自身から円柱
状突起（Ｐ）を形成することも可能であるので、製造コ
ストの低下が図れる。

上記の実施例において、基板（Ｂ３）の下面のうち円柱
状突起（Ｐ）の直下に当たる個所を円柱状突起（Ｐ）の
方向に削り取った構造も可能であり、この場合は回路Ｃ
１が短くなるので電流の注入効率を一段と向上させるこ
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
、ＧａＡｓを基板としその基板上にＡ　７！ＧａＡｓを
エピタキシャル成長させて＾ｌ　ＧａＡｓによる波長の
発光を得る場合について説明する。

まず、ｎ型ＧａＡｓ基板（Ｂ３）上に、円柱状突起（Ｐ
）と、上部層（Ｂ１）とを形成するためのｎ型ＡｌｘＧ
ａ＋−ＸＡｓ層（Ａ　）をエピタキシャル成長させたヘ
テロウェハを製作する（第２図Ｃ参照）。上層のエピタ
キシャル成長層（Ａ）の厚さは、たとえば２〜２００戸
である。このヘテロウェハにつき、たとえば反応性イオ
ンエツチング法により上記ｎ型ＡβＧａＡｓＪｌ　（Ａ
）をイオンエツチングし、円柱状突起（Ｐ）を形成する
（第２図す参照）。当該円柱状突起（Ｐ）を切り出した
上Ｊｉ　（Ａ）の残余部分が上部層（Ｂ１）となる。こ
の上部層（Ｂ１）は必ずしも必須ではな（、基板（Ｂ３
）に至るまで円柱状突起（Ｐ）を切り出しても構わない
、当該円柱状突起（Ｐ）の頂上面には、上記のエツチン
グ工程の際に施与したマスク層（１）が存在しているが
、該マスク層（１）を残存させた状態（残存させておく
ことが好ましい、第２図Ｃ参照）で当該円柱状突起（Ｐ
）の頂上面及び上部層（Ｂ１）の表面を自体既知のマス
キング剤（たとえば窒化ケイ素、酸化ケイ素等が例示さ
れ、これらは電子ビーム茎着、スパッタ、ＣＶＤ法等に
よって適用される）でマスク層（２）を設ける。この際
、円柱状突起（Ｐ）の側周面が非マスク状態にならない
場合には通常の方法によりソフトエツチングを行い非マ
スク状態にした後に、ｐ型の不純物（好適には亜鉛）の
拡散を行って、円柱状突起（Ｐ）内に第１図（ｂ）に示
すｐ゛型領領域Ｒ１）及びｐ型領域（Ｒ２）を形成し、
これにより不純物の拡散していない領域と領域（Ｒ２）
との界面に円筒状のｐｎ接合ＰＮＩのみを形成する（第
２図Ｃ参照）。

拡散工程の後に、円柱状突起（Ｐ）の側周面及び頂上面
と上部ＩＳ　（Ｂｌ）の上面にｐ側の電極材としてたと
えばＣｒ−Ａｕからなる電極（Ｅｌ）を、また基板（Ｂ
３）の下面にｎ側の電極材としてたとえばＡｕ−Ｇｅか
らなる電極（Ｂ２）を真空蒸着等の手段によって設ける
（第２図Ｃ参照）。ここで電極（Ｅｌ）を上部層（Ｂ１
）の上面にも設けることは、以後の工程でこの−に部層
（８１）の上面の電極（Ｅｌ）をｆＩＩ用して容易にワ
イヤボンディングができるので都合がよい。その後、不
必要な電極材料及びマスク層をリフトオフ法により除去
する（第２図Ｃ参照）ことにより、第１図に示した如く
円柱状突起（Ｐ）内に基板（Ｂ３）に対して垂直方向に
延在するｐｎ接合ＰＮＩのみを有し、かつ平板部（Ｂ）
内にｐｎ接合ｐＨ２を有しない発光ダイオードとして使
用することのできる接合型半導体発光素子が製造される
。

リフトオフの工程の際に、平板部（Ｂ）の上面のｐ側電
極（Ｅｌ）及びマスク層（２）を除去しても良い（第２
図ｇ参照）。この場合は、電極（Ｅｌ）が円柱状突起（
Ｐ）の側周面にのみ存在するので、仮に上部層（Ｂｌ）
の上面にマスク層（２）を絶縁膜として残存させなくて
も、回路Ｃ１以外の部分には′＠流は流れない。

さらに、得られた半導体発光素子において、基板（Ｂ３
）の下面のうち円柱状突起（Ｐ）の直下に当たる個所に
反射鏡または反射膜を設け、かつ円柱状突起（Ｐ）の頂
上面に半透明の反射鏡または反射膜を被着形成して光共
振機構を具備せしめると半導体レーザとしても使用する
ことが出来る。

この半導体レーザにおいては、ｐｎ接合ＰＮＩからの前
記した増幅された自然放出に光帰還が生じて誘導放出に
よりレーザ発振し、而して強力で指向性の良好な発光光
が上記した半透明反射鏡または反射膜を通して基板（Ｂ
３）に対して垂直方向に放出される。

上述の実施例の発光素子は、基板上に基板と同し材料の
エピタキシャル成長層を設けたものであるが、この場合
は基板の格子定数とエピタキシャル成長層の格子定数が
必然的に同一になるので、基板−Ｆにあえてエピタキシ
ャル成長層を設＆−する必要はなく、基板のみでも発光
素子として使用できる。しかしながら、基板はインゴッ
トをｉｌ＜切断したものであり、インゴットの製造上３
１ｉを構成する材料の結晶は乱雑状態になるが、エピタ
キシャル成長層の結晶は整然とした状態になるので、エ
ピタキシャル成長層を設けた発光素子の方が一層強力な
発光を得ることができる。基板の格子定数と異なる格子
定数を有する材料をエピタキシャル成長させる場合には
、通常は基板上に直接その材料のエピタキシャル成長ｊ
ｉを設けないで、基板とエピタキシャル成長層との間に
傾斜層を設ける必要がある。傾斜層は、別の材料を用い
て基板の格子定数と同一の格子定数の層をまず基板上に
成長させ、その層上に徐々に格子定数を変化させた層を
順次成長させて、最後に発光層であるエピタキシャル成
長層の格子定数と同一の格子定数の層を成長させたもの
である。この例として、たとえばＧａＡｓ５板上に発光
材料のｆｎＧａＰをエピタキシャル成長させる場合は、
ＧａＡｓｙＰ＋□からなる傾斜層を設ける。すなわち、
このｙの値を徐々に小さくした層（Ｐの含有量を徐々に
大きくした層）を基板上に順次に成長させたものを傾斜
層とすることにより、ＧａＡｓの格子定数と１ｎＧａＰ
の格子定数との相違を緩和することができる。ここで傾
斜層の最上層（ｌｎＧａＰの格子定数とＧａＡｓｙＰ＋
□の格子定数が同一の層）を少し厚く成長させてバッフ
ァ層とすればより好ましい。

本発明において、電極（Ｅｌ）　、（Ｅ２）は、実施例
に示す位置および大きさに特定されるものではなく、本
発明の目的を達成しうる限り、任意の位置に任意の大き
さで設けることができる。また、ｐｎ接合の形成方法に
ついては、特に制限を要せず、例えば不純物の拡散法、
ｐ　（またはｎ）型半導体層とｎ（またはｐ）型半導体
層のエピタキシャル気相成長法（この場合は、異種接合
することも可能である）、或いはその他の方法であって
もよい。

本発明においては、垂直発光に寄与するｐｎ接合ＰＮＩ
の長さは、柱状突起（Ｐ）の高さを大きくすることによ
り長くすることができるので、柱状突起（Ｐ）の高さは
少なくとも２Ｎ−１特に少なくとも１０ｕ、とすること
が好ましい。半導体ウェハの表面上に柱状突起（Ｐ）を
形成することは、たとえば反応性イオンエッチジグ法に
より可能であり、しかして高さ数十〜数百戸の柱状突起
（Ｐ）を有する本発明の発光素子が容易に製造できる。

本発明に関して、柱状突起（Ｐ）における「垂直方向」
の意味は平板部（Ｂ）に対して角度９０゜の直角方向の
みと限定的に解釈する必要はなく、基板に対して９０゛
より多少大きい、または小さい傾斜角度を有する場合も
含まれる。たとえば、柱状突起ＣＰ）の全体、もしくは
その内部に形成された同軸円筒状ｐｎ接合ＰＮＩのみを
、下部の直径を大きくした円錐台状等に形成し、光ファ
イノ＼に対して一層結合し易いように出力光を集束させ
るもよく、あるいは逆に」二記とは逆の円錐台状とし、
使用目的に応じ°ζ適度に発散させるもよい。

本発明の接合型半導体発光素子に用いる発光材料として
は、ｍ−ｖ族化合物半導体であるＧａＡｓ、Ｇａｒ’　
　、八／ＧａＡｓ、　　ＩｎＰ　　％　　１ｎＧａＡｓ
Ｐ　　、　　１ｎＧａＰ　　、　　１ｎＡＩＰ。

ＧａＡｓＰ　、　ＧａＮ　、、　１ｎＡｓＰ　、　Ｉｎ
ＡｓＳｂ等、ＩＩ−Ｖｌ族化合吻半導体であるＺｎ５ｅ
　、、ＺｎＳ　、　ＺｎＯ、ＣｄＳｅ、、ＣｄＴｅ等、
ｒＶ−Ｖｌ族化合物半導体であるＰｂＴｅ　、Ｐｂ５ｎ
Ｔｅ、Ｐｂ５ｎＳｅ等、更にＮ−ＩＶ族化合物半導体で
あるＳｉＣ等があり、それぞれの材木−１の長所を活か
して適用することが可能である。

〔発明の効果〕

上記より明らかなように、本発明の接合型半導体発光素
子は、実質的に平板部に対して垂直方向に延在するｐｎ
接合ＰＮＩのみを有することにより、垂直方向の光を有
効に取得しうるちのであり、所望とする垂直方向の光を
有効に利用できるものである。本発明の発光素子は、誘
導放出による増幅作用をＩＩＩ用してよりツ４ｊ力な垂
直方向出力光が得られ、発光ダ・イオード、半導体レー
ザ、スーパー・ルミネセンス・ダイオード、高出力発光
ダイオード等を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）及び（ｂ）は本発明の接合型半導体発光素
子の第一の実施例の断面図、第２図（，３）〜（ｆ）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２図（ｇ　）はその工程により製作される発光素子
の変形例を示す図、第３図は従来既知の接合型半導体発
光素子の断面図である。（Ｂ）　　　　　　　二手板部（Ｐ）　　　　　　　二円柱状突起（Ｅｌ）、（Ｂ２）　　　　：電極（Ｃ１）、（Ｃ２）　　　　：回路（ＰＮ　１　）、（Ｐｌ＋　１．）　　：　Ｉ）　ｎ接
合（８１）：上部層

Claims

【特許請求の範囲】

（１）平板部と、該平板部の片面上に設けた柱状突起と
、平板部及び柱状突起の任意の個所に設けた電極とから
なり、柱状突起内に平板部に対して垂直方向に延在する
ｐｎ接合を有し、平板部内に該平板部に対して平行方向
に延在するｐｎ接合を実質的に有しない接合型半導体発
光素子。
（２）柱状突起の頂上面及び平板部の表面をマスク状態
にし、かつ柱状突起の側周面を非マスク状態にして不純
物の拡散を行って、柱状突起内に実質的に平板部に対し
て垂直方向に延在するｐｎ接合のみを形成せしめてなる
特許請求の範囲第（１）項記載の接合型半導体発光素子
。
（３）柱状突起が平板部の片面上に設けたエピタキシャ
ル成長層から形成したものである特許請求の範囲第（１
）項記載の接合型半導体発光素子。