JP2003124504A - 半導体発光装置、および半導体発光装置の製造方法 - Google Patents
半導体発光装置、および半導体発光装置の製造方法Info
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- JP2003124504A JP2003124504A JP2001321148A JP2001321148A JP2003124504A JP 2003124504 A JP2003124504 A JP 2003124504A JP 2001321148 A JP2001321148 A JP 2001321148A JP 2001321148 A JP2001321148 A JP 2001321148A JP 2003124504 A JP2003124504 A JP 2003124504A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 半導体多層膜の最上層とその上層(透明樹脂
等)との境界での全反射による光取り出し効率の低下を
防止し、光取り出し効率の向上を図れる半導体装置およ
びその製造方法を提供する。 【解決手段】 発光層を含む半導体多層膜上に屈折率が
2.0以上のBPSG膜を形成する。BPSG膜の屈折
率が2.0以上と高いことから、半導体多層膜の最上層
とBPSG膜との境界における全反射の臨界角が増大す
る。その結果、より多くの光がこの境界で全反射される
ことなく通過できるようになる。
等)との境界での全反射による光取り出し効率の低下を
防止し、光取り出し効率の向上を図れる半導体装置およ
びその製造方法を提供する。 【解決手段】 発光層を含む半導体多層膜上に屈折率が
2.0以上のBPSG膜を形成する。BPSG膜の屈折
率が2.0以上と高いことから、半導体多層膜の最上層
とBPSG膜との境界における全反射の臨界角が増大す
る。その結果、より多くの光がこの境界で全反射される
ことなく通過できるようになる。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、発光ダイオード
(LED: Light Emitting Diode)、半導体レーザ
(LD: Laser Diode)等の半導体発光装置、および
半導体発光装置の製造方法に関し、特に光取り出しの高
効率化を図った半導体発光装置、および半導体発光装置
の製造方法に関する。
(LED: Light Emitting Diode)、半導体レーザ
(LD: Laser Diode)等の半導体発光装置、および
半導体発光装置の製造方法に関し、特に光取り出しの高
効率化を図った半導体発光装置、および半導体発光装置
の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】図17に示すように従来の発光ダイオー
ド500は、GaAs基板501上に半導体多層膜(下
部クラッド層502,活性層(発光層)503,上部ク
ラッド層504、電流拡散層505)、電流ブロック層
507を形成し、さらに上部電極508,下部電極50
9を形成して構成される。発光ダイオード500を透明
樹脂510により封止するときには、電流拡散層505
の上部は、素子保護のための透明樹脂で覆われた構造と
なる。この構造では、電流拡散層505(通例GaAs
からなり、屈折率:3.5前後)と透明樹脂(屈折率:
1.5程度)との屈折率の差に起因して、この間での全
反射の臨界角は25.37°となる。この臨界角より入
射角の大きな光は全反射し、発光ダイオード500の外
部に放出される確率は著しく低下する。この結果、発光
ダイオード500からの発光光のうちその外部に取り出
される光取り出し効率は20%前後となる。
ド500は、GaAs基板501上に半導体多層膜(下
部クラッド層502,活性層(発光層)503,上部ク
ラッド層504、電流拡散層505)、電流ブロック層
507を形成し、さらに上部電極508,下部電極50
9を形成して構成される。発光ダイオード500を透明
樹脂510により封止するときには、電流拡散層505
の上部は、素子保護のための透明樹脂で覆われた構造と
なる。この構造では、電流拡散層505(通例GaAs
からなり、屈折率:3.5前後)と透明樹脂(屈折率:
1.5程度)との屈折率の差に起因して、この間での全
反射の臨界角は25.37°となる。この臨界角より入
射角の大きな光は全反射し、発光ダイオード500の外
部に放出される確率は著しく低下する。この結果、発光
ダイオード500からの発光光のうちその外部に取り出
される光取り出し効率は20%前後となる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】このように、従来の発
光ダイオードでは、発光層を含む半導体多層膜の最上層
と透明樹脂との境界面に斜め方向から入射する光が全反
射し、光取り出し効率が低下する問題があった。この問
題は、発光ダイオードに限らず半導体レーザ等半導体発
光装置一般に共通するものであり、半導体発光装置の高
輝度化への障害となっていた。本発明はこのような課題
を解決するためになされたもので、半導体多層膜の最上
層とその上層(透明樹脂等)との境界での全反射による
光取り出し効率の低下を防止し、光取り出し効率の向上
を図れる半導体装置およびその製造方法を提供すること
を目的としている。
光ダイオードでは、発光層を含む半導体多層膜の最上層
と透明樹脂との境界面に斜め方向から入射する光が全反
射し、光取り出し効率が低下する問題があった。この問
題は、発光ダイオードに限らず半導体レーザ等半導体発
光装置一般に共通するものであり、半導体発光装置の高
輝度化への障害となっていた。本発明はこのような課題
を解決するためになされたもので、半導体多層膜の最上
層とその上層(透明樹脂等)との境界での全反射による
光取り出し効率の低下を防止し、光取り出し効率の向上
を図れる半導体装置およびその製造方法を提供すること
を目的としている。
【0004】
【課題を解決するための手段】(1)上記目的を達成す
るために本発明に係る半導体発光装置は、基板と、前記
基板上に形成され、発光層を含み、かつ該発光層からの
発光光を出射させる出射面を有する半導体多層膜と、前
記半導体多層膜上に形成された屈折率が2.0以上のC
VD酸化膜とを具備することを特徴とする。半導体多層
膜上に形成されたCVD酸化膜の屈折率が2.0以上と
高いことから、半導体多層膜の最上層とCVD酸化膜と
の境界における全反射の臨界角が増大する。その結果、
より多くの光がこの境界で全反射されることなく通過で
きるようになる。
るために本発明に係る半導体発光装置は、基板と、前記
基板上に形成され、発光層を含み、かつ該発光層からの
発光光を出射させる出射面を有する半導体多層膜と、前
記半導体多層膜上に形成された屈折率が2.0以上のC
VD酸化膜とを具備することを特徴とする。半導体多層
膜上に形成されたCVD酸化膜の屈折率が2.0以上と
高いことから、半導体多層膜の最上層とCVD酸化膜と
の境界における全反射の臨界角が増大する。その結果、
より多くの光がこの境界で全反射されることなく通過で
きるようになる。
【0005】前記CVD酸化膜が、TiまたはZrを
含有することができる。CVD酸化膜に適量のTiまた
はZrを含有させることで、CVD酸化膜を高屈折率に
することができる。 前記CVD酸化膜が、2×1021[atm/c
m3]以上のBを含有することができる。CVD酸化膜
が適量のBを含有することで、例えば熱処理の際に適度
な流動性を有し、CVD酸化膜の平滑化(透明度の向
上)を図ることができる。
含有することができる。CVD酸化膜に適量のTiまた
はZrを含有させることで、CVD酸化膜を高屈折率に
することができる。 前記CVD酸化膜が、2×1021[atm/c
m3]以上のBを含有することができる。CVD酸化膜
が適量のBを含有することで、例えば熱処理の際に適度
な流動性を有し、CVD酸化膜の平滑化(透明度の向
上)を図ることができる。
【0006】(2)本発明に係る半導体発光装置は、基
板と、前記基板上に形成され、発光層を含み、かつ該発
光層からの発光光を出射させる出射面を有する半導体多
層膜と、前記半導体多層膜上に形成され、かつ屈折率が
2.0以上のBPSGからなるレンズ部とを具備するこ
とを特徴とする。BPSGからなるレンズ部は、BPS
Gが2.0以上と高屈折率であることから、半導体多層
膜の最上層との境界での全反射による光の取り出し効率
低下を防止する。これに加えて、レンズ効果により光の
集光性を高め、光の利用効率の向上が図られる。ここ
で、前記レンズ部が、前記半導体多層膜の最上層と同一
の材質からなるレンズ核部の上面に生成することができ
る。レンズ核部を基礎として、レンズ部の形成を行え
る。このレンズ核部が半導体多層膜の最上層と同一の材
質であることから、この最上層をエッチングすること
で、容易にレンズ核部を形成できる。
板と、前記基板上に形成され、発光層を含み、かつ該発
光層からの発光光を出射させる出射面を有する半導体多
層膜と、前記半導体多層膜上に形成され、かつ屈折率が
2.0以上のBPSGからなるレンズ部とを具備するこ
とを特徴とする。BPSGからなるレンズ部は、BPS
Gが2.0以上と高屈折率であることから、半導体多層
膜の最上層との境界での全反射による光の取り出し効率
低下を防止する。これに加えて、レンズ効果により光の
集光性を高め、光の利用効率の向上が図られる。ここ
で、前記レンズ部が、前記半導体多層膜の最上層と同一
の材質からなるレンズ核部の上面に生成することができ
る。レンズ核部を基礎として、レンズ部の形成を行え
る。このレンズ核部が半導体多層膜の最上層と同一の材
質であることから、この最上層をエッチングすること
で、容易にレンズ核部を形成できる。
【0007】(3)本発明に係る半導体発光装置の製造
方法は、半導体基板上に発光層を含む半導体多層膜を形
成する多層膜形成工程と、前記多層膜形成工程で形成さ
れた前記半導体多層膜上に、BPSG前駆体層を形成す
る前駆体形成工程と、前記前駆体形成工程で形成された
前記BPSG前駆体層を熱処理して、屈折率が2.0以
上のBPSG層を形成する熱処理工程と、を具備するこ
とを特徴とする。半導体多層膜上に2.0以上と高屈折
率のBPSG層を形成することで、半導体多層膜の上面
での全反射による光の取り出し効率の低下を防止でき
る。なお、BPSG前駆体層の形成は、SiH4、B2
H6、PH3、およびO2の混合ガスを用いたCVD法
によって行える。
方法は、半導体基板上に発光層を含む半導体多層膜を形
成する多層膜形成工程と、前記多層膜形成工程で形成さ
れた前記半導体多層膜上に、BPSG前駆体層を形成す
る前駆体形成工程と、前記前駆体形成工程で形成された
前記BPSG前駆体層を熱処理して、屈折率が2.0以
上のBPSG層を形成する熱処理工程と、を具備するこ
とを特徴とする。半導体多層膜上に2.0以上と高屈折
率のBPSG層を形成することで、半導体多層膜の上面
での全反射による光の取り出し効率の低下を防止でき
る。なお、BPSG前駆体層の形成は、SiH4、B2
H6、PH3、およびO2の混合ガスを用いたCVD法
によって行える。
【0008】前記BPSG前駆体層が、2×1021
[atm/cm3]以上のBを含有することができる。
熱処理の際にBPSG前駆体が適量のBを含有すること
で、BPSG前駆体に適度な流動性を付与し、BPSG
膜の平滑化(透明度の向上)を図ることができる。 前記熱処理工程は、AsH3を含有する雰囲気中で行
うことができる。半導体基板等にAsが含まれている場
合、熱処理雰囲気がAsH3を含有することで半導体基
板等からのAsの抜け出しを防止できる。 前記熱処理工程は、900℃以上で行うことができ
る。900℃以上で熱処理を行うことで、BPSG前駆
体をBPSGに変化することができ、かつBPSG前駆
体に適度な流動性を付与することによるBPSG層の平
滑化(透明度の向上)を図ることができる。
[atm/cm3]以上のBを含有することができる。
熱処理の際にBPSG前駆体が適量のBを含有すること
で、BPSG前駆体に適度な流動性を付与し、BPSG
膜の平滑化(透明度の向上)を図ることができる。 前記熱処理工程は、AsH3を含有する雰囲気中で行
うことができる。半導体基板等にAsが含まれている場
合、熱処理雰囲気がAsH3を含有することで半導体基
板等からのAsの抜け出しを防止できる。 前記熱処理工程は、900℃以上で行うことができ
る。900℃以上で熱処理を行うことで、BPSG前駆
体をBPSGに変化することができ、かつBPSG前駆
体に適度な流動性を付与することによるBPSG層の平
滑化(透明度の向上)を図ることができる。
【0009】(4)本発明に係る半導体発光装置の製造
方法は、半導体基板上に発光層を含む半導体多層膜を形
成する多層膜形成工程と、前記多層膜形成工程で形成さ
れた前記半導体多層膜上に、前記レンズを形成する核と
なるレンズ核部を形成する核形成工程と、前記核形成工
程で前記レンズ核部が形成された前記半導体多層膜上に
BPSG前駆体層を形成する層形成工程と、前記層形成
工程で形成されたBPSG前駆体層を熱処理して、BP
SGからなり、かつ前記レンズ核部に対応したBPSG
レンズ部を形成する熱処理工程と、とを具備することを
特徴とする。BPSGレンズ部がBPSGから構成され
ることで、半導体多層膜の上面での全反射による光の取
り出し効率低下を防止する。これに加えて、レンズ効果
により光の集光性を高め、光の利用効率の向上が図られ
る。なお、レンズ核部は、BPSG前駆体層の厚さの分
布を形成する起因となる構造物一般をいう。レンズ核部
の存在によって形成されたBPSG前駆体層の厚い箇所
が熱処理によってBPSGレンズ部となる。
方法は、半導体基板上に発光層を含む半導体多層膜を形
成する多層膜形成工程と、前記多層膜形成工程で形成さ
れた前記半導体多層膜上に、前記レンズを形成する核と
なるレンズ核部を形成する核形成工程と、前記核形成工
程で前記レンズ核部が形成された前記半導体多層膜上に
BPSG前駆体層を形成する層形成工程と、前記層形成
工程で形成されたBPSG前駆体層を熱処理して、BP
SGからなり、かつ前記レンズ核部に対応したBPSG
レンズ部を形成する熱処理工程と、とを具備することを
特徴とする。BPSGレンズ部がBPSGから構成され
ることで、半導体多層膜の上面での全反射による光の取
り出し効率低下を防止する。これに加えて、レンズ効果
により光の集光性を高め、光の利用効率の向上が図られ
る。なお、レンズ核部は、BPSG前駆体層の厚さの分
布を形成する起因となる構造物一般をいう。レンズ核部
の存在によって形成されたBPSG前駆体層の厚い箇所
が熱処理によってBPSGレンズ部となる。
【0010】前記核形成工程で形成される前記レンズ
核部を、前記半導体多層膜の最上層と同一の材質から構
成できる。半導体多層膜の最上層をエッチングすること
で、レンズ核部を形成できる。 前記核形成工程において、前記レンズ核部を前記半導
体多層膜上に複数形成することができる。レンズ核部を
複数形成することで、これに対応してBPSGレンズ部
を複数形成することによる集光性の向上が可能となる。
ここで、前記層形成工程において、異なる前記レンズ核
部上に形成されたBPSG前駆体層が、互いに接触しな
いようにすることが好ましい。BPSGレンズ部は、B
PSG前駆体層に厚さの分布を作り出すことで作成され
る。異なるレンズ核部上に形成されたBPSG前駆体層
が互いに接触しないようにすることで、BPSG前駆体
層の厚さの分布を大きくして、効率よいBPSGレンズ
部の形成が可能となる。 BPSG前駆体層の厚さの分布を大きくする手段とし
ては、BPSG前駆体層を形成する際のガス圧を大きく
して、ガス交換(ガス中の拡散)を起こり難くすること
が挙げられる。また、BPSG前駆体層の厚さの分布を
大きくする他の手段として、核形成工程で形成されるレ
ンズ核部が、前記半導体多層膜の上面に略平行な上面
と、該上面から内側に傾斜する側面を有するようにする
ことが挙げられる。レンズ核部をいわゆる逆テーパ形状
とすることで、レンズ核部の上面と側面におけるBPS
G前駆体層の厚さの違いを大きくできる。
核部を、前記半導体多層膜の最上層と同一の材質から構
成できる。半導体多層膜の最上層をエッチングすること
で、レンズ核部を形成できる。 前記核形成工程において、前記レンズ核部を前記半導
体多層膜上に複数形成することができる。レンズ核部を
複数形成することで、これに対応してBPSGレンズ部
を複数形成することによる集光性の向上が可能となる。
ここで、前記層形成工程において、異なる前記レンズ核
部上に形成されたBPSG前駆体層が、互いに接触しな
いようにすることが好ましい。BPSGレンズ部は、B
PSG前駆体層に厚さの分布を作り出すことで作成され
る。異なるレンズ核部上に形成されたBPSG前駆体層
が互いに接触しないようにすることで、BPSG前駆体
層の厚さの分布を大きくして、効率よいBPSGレンズ
部の形成が可能となる。 BPSG前駆体層の厚さの分布を大きくする手段とし
ては、BPSG前駆体層を形成する際のガス圧を大きく
して、ガス交換(ガス中の拡散)を起こり難くすること
が挙げられる。また、BPSG前駆体層の厚さの分布を
大きくする他の手段として、核形成工程で形成されるレ
ンズ核部が、前記半導体多層膜の上面に略平行な上面
と、該上面から内側に傾斜する側面を有するようにする
ことが挙げられる。レンズ核部をいわゆる逆テーパ形状
とすることで、レンズ核部の上面と側面におけるBPS
G前駆体層の厚さの違いを大きくできる。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して詳細に説明する。 (第1実施形態)図1(A),(B)はそれぞれ、本発
明の第1の実施形態に係る発光ダイオード(LED)1
00の断面、上面を表す断面図および上面図である。図
1に示すように、発光ダイオード100は、GaAs基
板101、下部クラッド層102,活性層103,上部
クラッド層104,電流拡散層105、BPSG層10
6、電流ブロック層107,上部電極108、下部電極
109から構成され、透明樹脂110で封止されてい
る。上部電極108は、さらに略円板状の中央電極18
1,略矩形状の内周および外周を有する周辺電極18
2,中央電極181と周辺電極182とを接続する接続
電極183から構成され、開口部184を有する。
を参照して詳細に説明する。 (第1実施形態)図1(A),(B)はそれぞれ、本発
明の第1の実施形態に係る発光ダイオード(LED)1
00の断面、上面を表す断面図および上面図である。図
1に示すように、発光ダイオード100は、GaAs基
板101、下部クラッド層102,活性層103,上部
クラッド層104,電流拡散層105、BPSG層10
6、電流ブロック層107,上部電極108、下部電極
109から構成され、透明樹脂110で封止されてい
る。上部電極108は、さらに略円板状の中央電極18
1,略矩形状の内周および外周を有する周辺電極18
2,中央電極181と周辺電極182とを接続する接続
電極183から構成され、開口部184を有する。
【0012】GaAs基板101上に下部クラッド層1
02,活性層103,上部クラッド層104,電流拡散
層105が順に積層され(半導体多層膜の形成)、電流
拡散層105上に略円板状の電流ブロック層107およ
び周辺電極182が形成され、電流ブロック層107上
に中央電極181が形成されている。
02,活性層103,上部クラッド層104,電流拡散
層105が順に積層され(半導体多層膜の形成)、電流
拡散層105上に略円板状の電流ブロック層107およ
び周辺電極182が形成され、電流ブロック層107上
に中央電極181が形成されている。
【0013】GaAs基板101は、例えばGaAsか
らなる半導体基板である。下部クラッド層102、上部
クラッド層104はそれぞれ,例えばn型In0 .5A
l0.5Pおよびp型In0.5Al0.5Pからな
り、活性層103内に光を閉じ込め、活性層103から
の発光を促進する。この一方、上部クラッド層104
は、一定の割合で活性層103からの光を透過させ、発
光ダイオード100の上面から発光光を放射させる。
らなる半導体基板である。下部クラッド層102、上部
クラッド層104はそれぞれ,例えばn型In0 .5A
l0.5Pおよびp型In0.5Al0.5Pからな
り、活性層103内に光を閉じ込め、活性層103から
の発光を促進する。この一方、上部クラッド層104
は、一定の割合で活性層103からの光を透過させ、発
光ダイオード100の上面から発光光を放射させる。
【0014】活性層103は,例えばノンドープのIn
GaAlPからなり、光を発光する発光層として機能す
る。電流拡散層105は、例えばp型GaAsからな
り、上部電極108から注入された電流を発光ダイオー
ド100の面内方向に拡散させ、広い発光面積を得られ
るようにする。
GaAlPからなり、光を発光する発光層として機能す
る。電流拡散層105は、例えばp型GaAsからな
り、上部電極108から注入された電流を発光ダイオー
ド100の面内方向に拡散させ、広い発光面積を得られ
るようにする。
【0015】CVD酸化膜たるBPSG層106は、透
明かつ高屈折率(屈折率:2.0以上)のBPSG(Bo
ro−Pospho Silicate Glass)からなり、発光ダイオ
ード100からの出射光の損失を低減する。なお、この
詳細は後述する。
明かつ高屈折率(屈折率:2.0以上)のBPSG(Bo
ro−Pospho Silicate Glass)からなり、発光ダイオ
ード100からの出射光の損失を低減する。なお、この
詳細は後述する。
【0016】電流ブロック層107は,例えばp型In
0.5Al0.5Pからなり、中央電極181直下に流
れる電流を制限する。活性層103からの発光光のうち
中央電極181で遮られる成分を低減して、発光の利用
効率の向上を図るためである。上部電極108、下部電
極109は、例えばZnを含むAuからなり、活性層1
03へ電流を注入し、発光ダイオード100を動作させ
る。
0.5Al0.5Pからなり、中央電極181直下に流
れる電流を制限する。活性層103からの発光光のうち
中央電極181で遮られる成分を低減して、発光の利用
効率の向上を図るためである。上部電極108、下部電
極109は、例えばZnを含むAuからなり、活性層1
03へ電流を注入し、発光ダイオード100を動作させ
る。
【0017】(光の取り出し効率の向上の説明)本発明
に係る発光ダイオード100は、電流拡散層105上に
透明かつ高屈折率のBPSG層106が形成されている
ことから、出射光の損失が低減される。活性層103で
発光した発光光は、上部クラッド層104,電流拡散層
105、BPSG層106を通過して、上部電極108
上の開口部184から出射する。ここで、電流拡散層1
05が一般に高屈折率であることから(p型GaAsで
は屈折率が3.5程度)、電流拡散層105とその上層
との境界で全反射が生じやすくなっているが、透明かつ
高屈折率のBPSG層106が電流拡散層105上に形
成されていることからから電流拡散層105とBPSG
層106(電流拡散層105の上層)との境界における
全反射が低減される。
に係る発光ダイオード100は、電流拡散層105上に
透明かつ高屈折率のBPSG層106が形成されている
ことから、出射光の損失が低減される。活性層103で
発光した発光光は、上部クラッド層104,電流拡散層
105、BPSG層106を通過して、上部電極108
上の開口部184から出射する。ここで、電流拡散層1
05が一般に高屈折率であることから(p型GaAsで
は屈折率が3.5程度)、電流拡散層105とその上層
との境界で全反射が生じやすくなっているが、透明かつ
高屈折率のBPSG層106が電流拡散層105上に形
成されていることからから電流拡散層105とBPSG
層106(電流拡散層105の上層)との境界における
全反射が低減される。
【0018】BPSG層106上には透明樹脂110が
形成されているが、BPSG層106の屈折率(2.0
以上程度)が透明樹脂の屈折率(1.5程度)に近似し
ていることから、BPSG層106と透明樹脂との境界
における全反射はほぼ無視できる。このように、BPS
G層106の屈折率を電流拡散層105および透明樹脂
の屈折率の中間的な値とすることによって、電流拡散層
105とBPSG層106との境界およびBPSG層1
06と透明樹脂との境界の双方における全反射による光
の損失を低減できる。
形成されているが、BPSG層106の屈折率(2.0
以上程度)が透明樹脂の屈折率(1.5程度)に近似し
ていることから、BPSG層106と透明樹脂との境界
における全反射はほぼ無視できる。このように、BPS
G層106の屈折率を電流拡散層105および透明樹脂
の屈折率の中間的な値とすることによって、電流拡散層
105とBPSG層106との境界およびBPSG層1
06と透明樹脂との境界の双方における全反射による光
の損失を低減できる。
【0019】(光の取り出し効率の向上の定量的説明)
上記は、光の取り出し効率の向上についての定性的説明
であるが、以下に定量的な説明を行う。電流拡散層10
5の屈折率n1、その上層(図1ではBPSG層10
6)の屈折率n2と、その境界における全反射の臨界角
θcとは次式(1)に示される関係で結ばれる。 θc=sin-1(n2/n1) ……式(1) 電流拡散層105を透過して放射される光の放射束Φ
は、放射光の放射強度Iと放射光の成す立体角ωによっ
て次式で表される。 Φ=∫Idω ……式(2) ここで、放射光の成す立体角ωは、頂角2θの円錐の立
体角と考えられることから、全ての方向に対して放射強
度Iが一定とすると、放射束Φは次の式(3)で表され
る。 Φ=2πI(1−cosθ) ……式(3)
上記は、光の取り出し効率の向上についての定性的説明
であるが、以下に定量的な説明を行う。電流拡散層10
5の屈折率n1、その上層(図1ではBPSG層10
6)の屈折率n2と、その境界における全反射の臨界角
θcとは次式(1)に示される関係で結ばれる。 θc=sin-1(n2/n1) ……式(1) 電流拡散層105を透過して放射される光の放射束Φ
は、放射光の放射強度Iと放射光の成す立体角ωによっ
て次式で表される。 Φ=∫Idω ……式(2) ここで、放射光の成す立体角ωは、頂角2θの円錐の立
体角と考えられることから、全ての方向に対して放射強
度Iが一定とすると、放射束Φは次の式(3)で表され
る。 Φ=2πI(1−cosθ) ……式(3)
【0020】電流拡散層105からの放射束Φ1はθ=
πを式(3)に代入して、 式(3)で表される。 Φ1=4πI ……式(4) 電流拡散層105とその上層との境界面で全反射されず
に放射される放射束をΦ2とすると、Φ2は頂角2θcの
円錐内の放射束となるから、θ=θcを式(3)に代入
して式(5)で表される。 Φ2=2πI(1−cosθc) ……式(5) 従って、電流拡散層105を透過した放射束Φ1が全反
射されずにその上層に透過した放射束Φ2となる割合、
即ち光取り出し効率ηは、 次の式(6)で表される。 η=Φ2/Φ1 =(1−cosθc)/2 ……式(6)
πを式(3)に代入して、 式(3)で表される。 Φ1=4πI ……式(4) 電流拡散層105とその上層との境界面で全反射されず
に放射される放射束をΦ2とすると、Φ2は頂角2θcの
円錐内の放射束となるから、θ=θcを式(3)に代入
して式(5)で表される。 Φ2=2πI(1−cosθc) ……式(5) 従って、電流拡散層105を透過した放射束Φ1が全反
射されずにその上層に透過した放射束Φ2となる割合、
即ち光取り出し効率ηは、 次の式(6)で表される。 η=Φ2/Φ1 =(1−cosθc)/2 ……式(6)
【0021】電流拡散層105(屈折率n1=3.5)
の上層を透明樹脂(屈折率n21=1.5)としたとき
の臨界角をθ1c、光取り出し効率をη1とする。ま
た、電流拡散層105の上層をBPSG層106(屈折
率n22=2.0)としたときの臨界角をθ2c、光取
り出し効率をη2とする。このとき光取り出し効率η1
とη2の比Aは以下の式(7)で表される。 A=η2/η1=(1−cosθ2c)/(1−cosθc) =(1−cos34.85°)/(1−cos25.37°) =1.86 ……式(7)
の上層を透明樹脂(屈折率n21=1.5)としたとき
の臨界角をθ1c、光取り出し効率をη1とする。ま
た、電流拡散層105の上層をBPSG層106(屈折
率n22=2.0)としたときの臨界角をθ2c、光取
り出し効率をη2とする。このとき光取り出し効率η1
とη2の比Aは以下の式(7)で表される。 A=η2/η1=(1−cosθ2c)/(1−cosθc) =(1−cos34.85°)/(1−cos25.37°) =1.86 ……式(7)
【0022】即ち、電流拡散層105とその上層間での
全反射に起因する光の取り出し効率は、上層をBPSG
層106とすることで86%向上する。この値は、BP
SG層106と透明樹脂110との境界での全反射を考
慮しても大きな影響を受けることはない。何故なら、B
PSG層106と透明樹脂110との全反射の臨界角θ
3cは、臨界角θ2cより大きいためである。即ち、臨
界角θ2cで全反射されなかった光(入射角がθ2cよ
り小さい光)は、臨界角θ3cよりも小さい角度で透明
樹脂110に入射するので、透明樹脂110との境界で
全反射されることはない。
全反射に起因する光の取り出し効率は、上層をBPSG
層106とすることで86%向上する。この値は、BP
SG層106と透明樹脂110との境界での全反射を考
慮しても大きな影響を受けることはない。何故なら、B
PSG層106と透明樹脂110との全反射の臨界角θ
3cは、臨界角θ2cより大きいためである。即ち、臨
界角θ2cで全反射されなかった光(入射角がθ2cよ
り小さい光)は、臨界角θ3cよりも小さい角度で透明
樹脂110に入射するので、透明樹脂110との境界で
全反射されることはない。
【0023】(発光ダイオード100の製造工程)次に
本発明に係る発光ダイオード100の製造工程の1例を
説明する。図2は発光ダイオード100の製造工程の1
例を表すフロー図であり、図3〜6は製造工程中での発
光ダイオード100を表す断面図である。 (1)厚さ250μmのn型GaAs基板101上に、
ドーピング用V属元素の原料ガスとしてPH3(フォス
フィン)を用いたMOCVD法により、厚さ0.6μm
のn型In0.5Al0.5Pからなる下部クラッド層
102、厚さ1.0μmのノンドープInGaAlPか
らなる活性層103を形成する(ステップS11および
図3)。
本発明に係る発光ダイオード100の製造工程の1例を
説明する。図2は発光ダイオード100の製造工程の1
例を表すフロー図であり、図3〜6は製造工程中での発
光ダイオード100を表す断面図である。 (1)厚さ250μmのn型GaAs基板101上に、
ドーピング用V属元素の原料ガスとしてPH3(フォス
フィン)を用いたMOCVD法により、厚さ0.6μm
のn型In0.5Al0.5Pからなる下部クラッド層
102、厚さ1.0μmのノンドープInGaAlPか
らなる活性層103を形成する(ステップS11および
図3)。
【0024】(2)続いてPH3を用いたMOCVD法
により、厚さ1.0μmのp型In0 .5Al0.5P
からなる上部クラッド層104を形成する。その後、ド
ーピング用V属元素の原料ガスとしてAsH3を用いた
MOCVD法により、上部クラッド層上に厚さ1.5μ
mのp型GaAsからなる電流拡散層105を形成する
(ステップS12および図4)。
により、厚さ1.0μmのp型In0 .5Al0.5P
からなる上部クラッド層104を形成する。その後、ド
ーピング用V属元素の原料ガスとしてAsH3を用いた
MOCVD法により、上部クラッド層上に厚さ1.5μ
mのp型GaAsからなる電流拡散層105を形成する
(ステップS12および図4)。
【0025】(3)SiH4(シラン)を主成分としB
2H6(ジボラン)、PH3(フォスフィン)、O
2(酸素)、TiCl4を含むガスを用いた常圧CVD
法により、電流拡散層105上にBPSG前駆体層16
1を例えば、80〜100nm程度形成する。なお、キ
ャリアガスとして、例えばN2(窒素)ガスを用いるこ
とができる。このBPSG前駆体層161は、SiH4
を主成分としB2H6、PH3)、O2を含むガスを用
いた常圧CVD法により形成されたCVD膜(次のステ
ップS13での熱処理前のCVD膜)であり、BPSG
熱処理前層といっても差し支えない。ここで、原料ガス
がTiCl4を含み(BPSG前駆体層161がTiを
含む)、かつ形成されるBPSG前駆体層161に含有
されるB(ボロン)の濃度が2×1021[atm/c
m3]以上とすることが重要である。これは、次工程で
の熱処理で形成されるBPSG層106の膜質を良好な
ものとするためであるが、詳細は後述する。
2H6(ジボラン)、PH3(フォスフィン)、O
2(酸素)、TiCl4を含むガスを用いた常圧CVD
法により、電流拡散層105上にBPSG前駆体層16
1を例えば、80〜100nm程度形成する。なお、キ
ャリアガスとして、例えばN2(窒素)ガスを用いるこ
とができる。このBPSG前駆体層161は、SiH4
を主成分としB2H6、PH3)、O2を含むガスを用
いた常圧CVD法により形成されたCVD膜(次のステ
ップS13での熱処理前のCVD膜)であり、BPSG
熱処理前層といっても差し支えない。ここで、原料ガス
がTiCl4を含み(BPSG前駆体層161がTiを
含む)、かつ形成されるBPSG前駆体層161に含有
されるB(ボロン)の濃度が2×1021[atm/c
m3]以上とすることが重要である。これは、次工程で
の熱処理で形成されるBPSG層106の膜質を良好な
ものとするためであるが、詳細は後述する。
【0026】BPSG前駆体層161をAsH3(アル
シン)を含むガス中において900℃以上の温度で30
分以上熱処理して、BPSG前駆体層161をBPSG
層106に変化させる。BPSG前駆体層161中の
B、P、Si、Oが反応することでBPSG層106が
形成される(ステップS13および図5)。このように
して、可視光領域で透明かつ屈折率2.0前後のBPS
G層106を得ることができる。
シン)を含むガス中において900℃以上の温度で30
分以上熱処理して、BPSG前駆体層161をBPSG
層106に変化させる。BPSG前駆体層161中の
B、P、Si、Oが反応することでBPSG層106が
形成される(ステップS13および図5)。このように
して、可視光領域で透明かつ屈折率2.0前後のBPS
G層106を得ることができる。
【0027】このとき形成されるBPSG層106の膜
厚dは、BPSG層106の上下面で反射された光の干
渉を考慮すると、光の波長λと以下の式(8)に表され
た関係にあることが望ましい。 d=λ/(4・n) …… 式(8) ここで、n:BPSG層106の屈折率 である。反射防止膜の基本理論から、膜厚がλ/(4・
n)のとき光が一往復すると光の波が1/2波長ずれ、
波の山と谷が反転する。この結果、透明樹脂層とBPS
G層106の界面、BPSG層106と電流拡散層10
5の界面それぞれで生じる反射光が打ち消し合う。この
ように式(8)は、界面での反射を低減するための膜厚
条件を意味する。先に示したBPSG前駆体層161の
膜厚80〜100nmは、光の波長λおよび形成される
BPSG層106の屈折率、さらにはBPSG前駆体層
161がBPSG層106に変化したときの膜厚の変化
をも考慮して決定される。
厚dは、BPSG層106の上下面で反射された光の干
渉を考慮すると、光の波長λと以下の式(8)に表され
た関係にあることが望ましい。 d=λ/(4・n) …… 式(8) ここで、n:BPSG層106の屈折率 である。反射防止膜の基本理論から、膜厚がλ/(4・
n)のとき光が一往復すると光の波が1/2波長ずれ、
波の山と谷が反転する。この結果、透明樹脂層とBPS
G層106の界面、BPSG層106と電流拡散層10
5の界面それぞれで生じる反射光が打ち消し合う。この
ように式(8)は、界面での反射を低減するための膜厚
条件を意味する。先に示したBPSG前駆体層161の
膜厚80〜100nmは、光の波長λおよび形成される
BPSG層106の屈折率、さらにはBPSG前駆体層
161がBPSG層106に変化したときの膜厚の変化
をも考慮して決定される。
【0028】(4)上部電極を形成する領域のBPSG
層106をエッチングで除去する(BPSG層106の
パターニング)。このパターニングは、例えばレジスト
のパターンを形成した後、これをマスクとしてNH4F
によるウェットエッチング、CF4系ガスによるドライ
エッチング等することで行える。その後、電流ブロック
層107の形成、パターニングを行った後、AuZn電
極層185の形成、パターニングを行い上部電極108
を形成する。さらに、GaAs基板101の裏面を研磨
して100μm程度の厚さにした後、下部電極109と
してGeを含むAu膜を形成する(ステップS14およ
び図6)。その後、個々の半導体発光装置として切り出
し(チップ化)、透明樹脂110による封止を行う。こ
の封止の結果、BPSG層106の表面は透明樹脂11
0によって覆われることになる。
層106をエッチングで除去する(BPSG層106の
パターニング)。このパターニングは、例えばレジスト
のパターンを形成した後、これをマスクとしてNH4F
によるウェットエッチング、CF4系ガスによるドライ
エッチング等することで行える。その後、電流ブロック
層107の形成、パターニングを行った後、AuZn電
極層185の形成、パターニングを行い上部電極108
を形成する。さらに、GaAs基板101の裏面を研磨
して100μm程度の厚さにした後、下部電極109と
してGeを含むAu膜を形成する(ステップS14およ
び図6)。その後、個々の半導体発光装置として切り出
し(チップ化)、透明樹脂110による封止を行う。こ
の封止の結果、BPSG層106の表面は透明樹脂11
0によって覆われることになる。
【0029】(BPSG層106の形成工程の詳細)以
下、ステップS13におけるBPSG前駆体層161お
よびBPSG層106を形成の詳細を述べる。 (1)BPSG前駆体層161がTiを含む。BPSG
前駆体層161がTiを含む必要があるのは、形成され
るBPSG層106を高屈折率とするためである。形成
されたBPSG層106中のTi濃度はBPSG層10
6の屈折率と密接な関係をもち、Ti濃度を制御するこ
とでBPSG層106の屈折率を1.4程度から(Ti
濃度が0のとき)、2.0以上まで(Ti濃度が、例え
ば酸素原子に対して原子数比で0.25〜0.5程度の
とき)変化させることができる。BPSG前駆体層16
1にTiを含有させるために、CVDの原料ガスにTi
Cl4を混合する。
下、ステップS13におけるBPSG前駆体層161お
よびBPSG層106を形成の詳細を述べる。 (1)BPSG前駆体層161がTiを含む。BPSG
前駆体層161がTiを含む必要があるのは、形成され
るBPSG層106を高屈折率とするためである。形成
されたBPSG層106中のTi濃度はBPSG層10
6の屈折率と密接な関係をもち、Ti濃度を制御するこ
とでBPSG層106の屈折率を1.4程度から(Ti
濃度が0のとき)、2.0以上まで(Ti濃度が、例え
ば酸素原子に対して原子数比で0.25〜0.5程度の
とき)変化させることができる。BPSG前駆体層16
1にTiを含有させるために、CVDの原料ガスにTi
Cl4を混合する。
【0030】(2)BPSG前駆体層161が2×10
21[atm/cm3]以上のBを含む。BPSG前駆
体層161に含有されるB濃度は、熱処理中のBPSG
前駆体層161の流動性、ひいては形成されるBPSG
層106の表面形状等に影響を及ぼす。熱処理前のBP
SG前駆体層161は、グレイン等の微細部構造があ
り、表面形状から見ても荒れた状態にあるのが通例であ
る。熱処理は、BPSG層106の形成を促進する他
に、BPSG前駆体層161に流動性を付与して、BP
SG層106を均一化する役割も有する。BPSG層1
06がグレイン等微細構造を有すると、グレイン等の境
界が光を散乱し、BPSG層106を透過する光の減少
(透明度の低下)、即ち光の取り出し効率の低下を招く
ことになる。BPSG層106の均一化によって、発光
ダイオード100からの光の取り出し効率が向上する。
21[atm/cm3]以上のBを含む。BPSG前駆
体層161に含有されるB濃度は、熱処理中のBPSG
前駆体層161の流動性、ひいては形成されるBPSG
層106の表面形状等に影響を及ぼす。熱処理前のBP
SG前駆体層161は、グレイン等の微細部構造があ
り、表面形状から見ても荒れた状態にあるのが通例であ
る。熱処理は、BPSG層106の形成を促進する他
に、BPSG前駆体層161に流動性を付与して、BP
SG層106を均一化する役割も有する。BPSG層1
06がグレイン等微細構造を有すると、グレイン等の境
界が光を散乱し、BPSG層106を透過する光の減少
(透明度の低下)、即ち光の取り出し効率の低下を招く
ことになる。BPSG層106の均一化によって、発光
ダイオード100からの光の取り出し効率が向上する。
【0031】BPSG前駆体層161中のB濃度が低い
と、熱処理時におけるBPSG前駆体層161の流動性
が低く、均一なBPSG層106が形成されにくくな
る。B濃度を2×1021[atm/cm3]以上とす
ることで、熱処理中のBPSG前駆体層161に流動性
を付与して均質なBPSG層106が形成される。な
お、BPSG前駆体層161中のB濃度は、5×10
21[atm/cm3]以上であるのがより好ましい。
B濃度を大きくすることで熱処理温度を低下することが
可能となる。即ち、B濃度を大きくすると低い熱処理温
度でも、BPSG前駆体層161に適度な流動性を付与
することができる。
と、熱処理時におけるBPSG前駆体層161の流動性
が低く、均一なBPSG層106が形成されにくくな
る。B濃度を2×1021[atm/cm3]以上とす
ることで、熱処理中のBPSG前駆体層161に流動性
を付与して均質なBPSG層106が形成される。な
お、BPSG前駆体層161中のB濃度は、5×10
21[atm/cm3]以上であるのがより好ましい。
B濃度を大きくすることで熱処理温度を低下することが
可能となる。即ち、B濃度を大きくすると低い熱処理温
度でも、BPSG前駆体層161に適度な流動性を付与
することができる。
【0032】(3)BPSG前駆体層161の熱処理
は、AsH3を含む雰囲気中において900℃以上の温
度で30分以上行われる。 熱処理がAsH3を含む雰囲気中で行われるのは、G
aAs基板101等Asを含む基板および層からのAs
の抜け出しを防止するためである。Asは蒸気圧が高い
ので熱処理中に抜け出し、GaAs等のストイキオメト
リー(化学量論)が変化する可能性がある。熱処理をA
s元素を含むガス雰囲気中で行うことで、GaAs基板
101等からのAsの抜け出しを防止できる。なお、A
sH3はキャリアガスとしてのN2ガスに混合した混合
ガスとして供給できる。
は、AsH3を含む雰囲気中において900℃以上の温
度で30分以上行われる。 熱処理がAsH3を含む雰囲気中で行われるのは、G
aAs基板101等Asを含む基板および層からのAs
の抜け出しを防止するためである。Asは蒸気圧が高い
ので熱処理中に抜け出し、GaAs等のストイキオメト
リー(化学量論)が変化する可能性がある。熱処理をA
s元素を含むガス雰囲気中で行うことで、GaAs基板
101等からのAsの抜け出しを防止できる。なお、A
sH3はキャリアガスとしてのN2ガスに混合した混合
ガスとして供給できる。
【0033】熱処理温度を900℃以上としたのは、
BPSG前駆体層161からBPSG層106を形成
し、かつBPSG層16の均一化を図るのに適した温度
であることに基づく。なお、既述のようにBPSG前駆
体層161の流動性はB濃度と関連性があることから、
B濃度を増大すると熱処理温度をある程度まで低下する
ことが可能であり、B濃度の低下は熱処理温度の上昇に
結びつくことになる。一方、熱処理温度が1100℃以
上になると(熱処理温度が高すぎると)、AsH3を含
む雰囲気中であってもGaAs基板101等からのAs
の抜け出しが抑え難くなる。
BPSG前駆体層161からBPSG層106を形成
し、かつBPSG層16の均一化を図るのに適した温度
であることに基づく。なお、既述のようにBPSG前駆
体層161の流動性はB濃度と関連性があることから、
B濃度を増大すると熱処理温度をある程度まで低下する
ことが可能であり、B濃度の低下は熱処理温度の上昇に
結びつくことになる。一方、熱処理温度が1100℃以
上になると(熱処理温度が高すぎると)、AsH3を含
む雰囲気中であってもGaAs基板101等からのAs
の抜け出しが抑え難くなる。
【0034】熱処理温度は熱処理時間とも密接な関連
性を有する。一般的に、熱処理温度の上昇は反応速度の
上昇を意味する。従って、熱処理温度を上昇することで
熱処理時間の短縮が可能となり、一方熱処理時間を長く
すれば熱処理温度の低減が可能となる。
性を有する。一般的に、熱処理温度の上昇は反応速度の
上昇を意味する。従って、熱処理温度を上昇することで
熱処理時間の短縮が可能となり、一方熱処理時間を長く
すれば熱処理温度の低減が可能となる。
【0035】以上のように、BPSG前駆体層161
中のB濃度、熱処理温度、熱処理時間は互いに密接な関
連性を有するのであり、本実施形態におけるB濃度2×
10 21[atm/cm3]以上、熱処理温度900℃
以上、熱処理時間30分以上は、必ずしも全ての条件が
満たされなければならないというものではない。
中のB濃度、熱処理温度、熱処理時間は互いに密接な関
連性を有するのであり、本実施形態におけるB濃度2×
10 21[atm/cm3]以上、熱処理温度900℃
以上、熱処理時間30分以上は、必ずしも全ての条件が
満たされなければならないというものではない。
【0036】(第2実施形態)次に本発明の第2の実施
形態について説明する。図7(A),(B)はそれぞ
れ、本発明の第2の実施形態に係る発光ダイオード(L
ED)200の断面、上面を表す断面図および上面図で
ある。図2に示すように、発光ダイオード200は、G
aAs基板201、下部クラッド層202,活性層20
3,上部クラッド層204,電流拡散層205、レンズ
核部211,BPSG層212、電流ブロック層20
7,上部電極208、下部電極209から構成され、透
明樹脂210で封止されている。BPSG層212は、
さらにレンズ核部211に対応して形成されたBPSG
レンズ部213および電流拡散層205上のBPSG平
板部214に区分できる。また、上部電極208は、さ
らに略円板状の中央電極281,略矩形状の内周および
外周を有する周辺電極282,中央電極281と周辺電
極282とを接続する接続電極283から構成され、開
口部284を有する。
形態について説明する。図7(A),(B)はそれぞ
れ、本発明の第2の実施形態に係る発光ダイオード(L
ED)200の断面、上面を表す断面図および上面図で
ある。図2に示すように、発光ダイオード200は、G
aAs基板201、下部クラッド層202,活性層20
3,上部クラッド層204,電流拡散層205、レンズ
核部211,BPSG層212、電流ブロック層20
7,上部電極208、下部電極209から構成され、透
明樹脂210で封止されている。BPSG層212は、
さらにレンズ核部211に対応して形成されたBPSG
レンズ部213および電流拡散層205上のBPSG平
板部214に区分できる。また、上部電極208は、さ
らに略円板状の中央電極281,略矩形状の内周および
外周を有する周辺電極282,中央電極281と周辺電
極282とを接続する接続電極283から構成され、開
口部284を有する。
【0037】本実施形態は、レンズ核部211およびB
PSGレンズ部213を有する点が前述の第1実施形態
との最大の相違点である。レンズ核部211は、上部電
極208上の開口部284に形成された例えば高さが数
μmで互いの間隔が20μmの略四角柱形状をなし、B
PSGレンズ部213を形成する際の核(基礎)とな
る。後述するようにレンズ核部211は、GaAs等を
パターニングすることで、電流拡散層205と共に形成
できる。
PSGレンズ部213を有する点が前述の第1実施形態
との最大の相違点である。レンズ核部211は、上部電
極208上の開口部284に形成された例えば高さが数
μmで互いの間隔が20μmの略四角柱形状をなし、B
PSGレンズ部213を形成する際の核(基礎)とな
る。後述するようにレンズ核部211は、GaAs等を
パターニングすることで、電流拡散層205と共に形成
できる。
【0038】BPSG層212(ひいては、BPSGレ
ンズ部213とBPSG平板部214)は、透明かつ高
屈折率(屈折率:2.0以上)のBPSGからなる。B
PSGレンズ部213は、レンズ核部211に沿って形
成され断面が略半円形状をなす。BPSG平板部214
は、略平板形状であるが、レンズ核部211の側面に向
かって傾斜する窪みを有する。BPSG層212は、発
光ダイオード200からの出射光の損失を低減する。B
PSGレンズ部213はこれに加えて、出射光を集光す
ることにより、発光ダイオード100からの出射した光
の利用効率の向上を図る。
ンズ部213とBPSG平板部214)は、透明かつ高
屈折率(屈折率:2.0以上)のBPSGからなる。B
PSGレンズ部213は、レンズ核部211に沿って形
成され断面が略半円形状をなす。BPSG平板部214
は、略平板形状であるが、レンズ核部211の側面に向
かって傾斜する窪みを有する。BPSG層212は、発
光ダイオード200からの出射光の損失を低減する。B
PSGレンズ部213はこれに加えて、出射光を集光す
ることにより、発光ダイオード100からの出射した光
の利用効率の向上を図る。
【0039】活性層203で発光した発光光は、上部ク
ラッド層204,電流拡散層205を通過して、上部電
極208上の開口部284から出射する。第1の実施形
態でも述べたように、電流拡散層205が高屈折率であ
ることに基づき、電流拡散層205とその上層との境界
で全反射が生じやすくなっている。透明かつ高屈折率の
BPSG平板部214が電流拡散層205上に形成され
ていることからから電流拡散層205とBPSG層21
2との境界における全反射が低減される。さらに、BP
SGレンズ部213の上面が球面形状(断面で見れば半
円状)をなすことにより、BPSGレンズ部213から
出射される光が発光ダイオード200の上面法線方向に
向かって集光される。
ラッド層204,電流拡散層205を通過して、上部電
極208上の開口部284から出射する。第1の実施形
態でも述べたように、電流拡散層205が高屈折率であ
ることに基づき、電流拡散層205とその上層との境界
で全反射が生じやすくなっている。透明かつ高屈折率の
BPSG平板部214が電流拡散層205上に形成され
ていることからから電流拡散層205とBPSG層21
2との境界における全反射が低減される。さらに、BP
SGレンズ部213の上面が球面形状(断面で見れば半
円状)をなすことにより、BPSGレンズ部213から
出射される光が発光ダイオード200の上面法線方向に
向かって集光される。
【0040】このように、BPSG層212の屈折率を
電流拡散層205および透明樹脂の屈折率の中間的な値
とすることによって、電流拡散層205(さらにはレン
ズ核部211)とBPSG層212との境界での全反射
による光の損失を低減できる。これに加えて、BPSG
レンズ部213からの出射光の集光がなされる。
電流拡散層205および透明樹脂の屈折率の中間的な値
とすることによって、電流拡散層205(さらにはレン
ズ核部211)とBPSG層212との境界での全反射
による光の損失を低減できる。これに加えて、BPSG
レンズ部213からの出射光の集光がなされる。
【0041】(発光ダイオード200の製造工程)次に
発光ダイオード200の製造工程の1例を説明する。図
8は発光ダイオード200の製造工程の1例を表すフロ
ー図であり、図9〜13は製造工程中での発光ダイオー
ド200を表す断面図である。 (1)n型GaAs基板201上に、n型In0.5A
l0.5Pからなる下部クラッド層202、ノンドープ
InGaAlPからなる活性層203、p型In 0.5
Al0.5Pからなる上部クラッド層204、およびp
型GaAs層215を順に形成する(ステップS21お
よび図9)。ここで、p型GaAs層215は第1の実
施形態における電流拡散層105に対応し、電流拡散層
205およびレンズ核部211の双方を形成する基礎と
なるものである。従って、p型GaAs層215は第1
の実施形態における電流拡散層105よりも厚く形成さ
れる。その他の点では、第1の実施形態と特に変わると
ころがないことから、下部クラッド層202〜電流拡散
層205の作成工程についての詳細な説明を省略する。
発光ダイオード200の製造工程の1例を説明する。図
8は発光ダイオード200の製造工程の1例を表すフロ
ー図であり、図9〜13は製造工程中での発光ダイオー
ド200を表す断面図である。 (1)n型GaAs基板201上に、n型In0.5A
l0.5Pからなる下部クラッド層202、ノンドープ
InGaAlPからなる活性層203、p型In 0.5
Al0.5Pからなる上部クラッド層204、およびp
型GaAs層215を順に形成する(ステップS21お
よび図9)。ここで、p型GaAs層215は第1の実
施形態における電流拡散層105に対応し、電流拡散層
205およびレンズ核部211の双方を形成する基礎と
なるものである。従って、p型GaAs層215は第1
の実施形態における電流拡散層105よりも厚く形成さ
れる。その他の点では、第1の実施形態と特に変わると
ころがないことから、下部クラッド層202〜電流拡散
層205の作成工程についての詳細な説明を省略する。
【0042】(2)p型GaAs層215をパターニン
グすることにより、電流拡散層205およびレンズ核部
211が形成される(ステップS22および図10)。
このパターニングは、例えばレジストをパターニングし
て、これをマスクとして塩酸もしくは硫酸によるウェッ
トエッチングまたは塩素(Cl2)系ガスを用いたドラ
イエッチング等によって行うことができる。このレンズ
核部211は、後述するように、BPSG前駆体層26
1に膜厚分布を作り出し、BPSGレンズ部213を形
成する基礎となる構造物である。
グすることにより、電流拡散層205およびレンズ核部
211が形成される(ステップS22および図10)。
このパターニングは、例えばレジストをパターニングし
て、これをマスクとして塩酸もしくは硫酸によるウェッ
トエッチングまたは塩素(Cl2)系ガスを用いたドラ
イエッチング等によって行うことができる。このレンズ
核部211は、後述するように、BPSG前駆体層26
1に膜厚分布を作り出し、BPSGレンズ部213を形
成する基礎となる構造物である。
【0043】(3)SiH4を主成分としB2H6、P
H3、O2、TiCl4を含む混合ガスを用いた常圧C
VD法により、電流拡散層205およびレンズ核部21
1上にBPSG前駆体層261を5〜10μm程度形成
する(ステップS23および図11)。なお、キャリア
ガスとして、例えばN2(窒素)ガスを用いることがで
きる。このBPSG前駆体層261は、BPSGレンズ
部213を形成する関係で、第1の実施形態におけるB
PSG前駆体層161よりも厚く形成される。BPSG
前駆体層261は、レンズ核部211の上面では厚く、
その側面およびレンズ核部211間の電流拡散層205
上では薄く形成される。これは、混合ガス(キャリアガ
スを含めた)のガス圧(全圧)が常圧であることに起因
する。この詳細は後述する。
H3、O2、TiCl4を含む混合ガスを用いた常圧C
VD法により、電流拡散層205およびレンズ核部21
1上にBPSG前駆体層261を5〜10μm程度形成
する(ステップS23および図11)。なお、キャリア
ガスとして、例えばN2(窒素)ガスを用いることがで
きる。このBPSG前駆体層261は、BPSGレンズ
部213を形成する関係で、第1の実施形態におけるB
PSG前駆体層161よりも厚く形成される。BPSG
前駆体層261は、レンズ核部211の上面では厚く、
その側面およびレンズ核部211間の電流拡散層205
上では薄く形成される。これは、混合ガス(キャリアガ
スを含めた)のガス圧(全圧)が常圧であることに起因
する。この詳細は後述する。
【0044】ここで、原料ガスがTiCl4を含み(B
PSG前駆体層261がTiを含む)、かつ形成される
BPSG前駆体層261に含有されるBの濃度が2×1
02 1[atm/cm3]以上であることが重要である
のは、第1の実施形態と同様である。但し、BPSGレ
ンズ部213の形状の関係でB濃度をより大きくした方
がより好ましい。なお、この詳細は後述する。
PSG前駆体層261がTiを含む)、かつ形成される
BPSG前駆体層261に含有されるBの濃度が2×1
02 1[atm/cm3]以上であることが重要である
のは、第1の実施形態と同様である。但し、BPSGレ
ンズ部213の形状の関係でB濃度をより大きくした方
がより好ましい。なお、この詳細は後述する。
【0045】(4)BPSG前駆体層161をAsH3
(アルシン)を含むガス中において900℃以上の温度
で30分以上熱処理して、BPSG前駆体層161をB
PSG層212に変化させる。この結果、BPSGレン
ズ部213等が形成される(ステップS24および図1
2)。BPSG前駆体層261中のB、P、Si、Oが
反応することでBPSG層212が形成される。このよ
うにして、可視光領域で透明かつ屈折率2.0以上のB
PSG層212を得ることができる。このとき、BPS
Gレンズ部213の断面形状が略半円状に形成される。
これは、熱処理中におけるBPSG前駆体層161の流
動性に起因し、前述の様にBPSG前駆体層261中の
B濃度の影響を受ける。
(アルシン)を含むガス中において900℃以上の温度
で30分以上熱処理して、BPSG前駆体層161をB
PSG層212に変化させる。この結果、BPSGレン
ズ部213等が形成される(ステップS24および図1
2)。BPSG前駆体層261中のB、P、Si、Oが
反応することでBPSG層212が形成される。このよ
うにして、可視光領域で透明かつ屈折率2.0以上のB
PSG層212を得ることができる。このとき、BPS
Gレンズ部213の断面形状が略半円状に形成される。
これは、熱処理中におけるBPSG前駆体層161の流
動性に起因し、前述の様にBPSG前駆体層261中の
B濃度の影響を受ける。
【0046】(5)上部電極208を形成する領域のB
PSG層212をエッチングで除去する(BPSG層2
12のパターニング)。このパターニングは、例えばレ
ジストをパターニングし、これをマスクとしてNH4F
によるウェットエッチングまたはCF4系ガスを用いた
ドライエッチング等することで行うことができる。そし
て、電流ブロック層207の形成、パターニングを行っ
た後、AuZn電極層285の形成、パターニングを行
い上部電極208を形成する。さらに、GaAs基板2
01の裏面を研磨して100μm程度の厚さにした後、
下部電極209としてGeを含むAu膜を形成する(ス
テップS25および図13)。その後、個々の半導体発
光装置として切り出し(チップ化)、透明樹脂210に
よる封止を行う。この封止の結果、BPSG層212の
表面は透明樹脂210によって覆われることになる。
PSG層212をエッチングで除去する(BPSG層2
12のパターニング)。このパターニングは、例えばレ
ジストをパターニングし、これをマスクとしてNH4F
によるウェットエッチングまたはCF4系ガスを用いた
ドライエッチング等することで行うことができる。そし
て、電流ブロック層207の形成、パターニングを行っ
た後、AuZn電極層285の形成、パターニングを行
い上部電極208を形成する。さらに、GaAs基板2
01の裏面を研磨して100μm程度の厚さにした後、
下部電極209としてGeを含むAu膜を形成する(ス
テップS25および図13)。その後、個々の半導体発
光装置として切り出し(チップ化)、透明樹脂210に
よる封止を行う。この封止の結果、BPSG層212の
表面は透明樹脂210によって覆われることになる。
【0047】(BPSG層212の形成工程の詳細)以
下、ステップS23およびS24におけるBPSG前駆
体層261およびBPSG層212の形成の詳細を述べ
る。 (1)レンズ核部211の側面上に形成されたBPSG
前駆体層261が互いに接触しない。これはBPSGレ
ンズ部213を形成する関係で重要なことである。これ
に反する例を図14に示す。図14(A)ではレンズ核
部211の側面上に形成されたBPSG前駆体層271
が互いに接触している。図14(A)に示したBPSG
前駆体層271を熱処理すると図14(B)のようなB
PSG層272が形成される。熱処理によってBPSG
前駆体層271に流動性が付与される結果、BPSG層
272は平滑化され、図12に示したBPSGレンズ部
213に対応する曲面形状が形成され難くなる。この結
果、BPSG層272にはその形状からして集光効果は
発揮され難くなる。このように、レンズ核部211の側
面上に形成されたBPSG前駆体層271が互いに接触
していては、レンズ核部211はBPSGレンズ部21
3を形成する核(基礎)として機能しなくなる。
下、ステップS23およびS24におけるBPSG前駆
体層261およびBPSG層212の形成の詳細を述べ
る。 (1)レンズ核部211の側面上に形成されたBPSG
前駆体層261が互いに接触しない。これはBPSGレ
ンズ部213を形成する関係で重要なことである。これ
に反する例を図14に示す。図14(A)ではレンズ核
部211の側面上に形成されたBPSG前駆体層271
が互いに接触している。図14(A)に示したBPSG
前駆体層271を熱処理すると図14(B)のようなB
PSG層272が形成される。熱処理によってBPSG
前駆体層271に流動性が付与される結果、BPSG層
272は平滑化され、図12に示したBPSGレンズ部
213に対応する曲面形状が形成され難くなる。この結
果、BPSG層272にはその形状からして集光効果は
発揮され難くなる。このように、レンズ核部211の側
面上に形成されたBPSG前駆体層271が互いに接触
していては、レンズ核部211はBPSGレンズ部21
3を形成する核(基礎)として機能しなくなる。
【0048】以上のように、レンズ核部211の側面上
に形成されたBPSG前駆体層261が互いに接触しな
いことによって、レンズ核部211を基礎としてBPS
Gレンズ部213が形成される。
に形成されたBPSG前駆体層261が互いに接触しな
いことによって、レンズ核部211を基礎としてBPS
Gレンズ部213が形成される。
【0049】(2)BPSG前駆体層261の形成が常
圧下で行われる。 (1)で既述のように、レンズ核部211の側面上に
形成されたBPSG前駆体層261が互いに接触しない
ようにする必要がある。従って、BPSGレンズ部21
3をできるだけ高密度に形成するためには、BPSG前
駆体層261はレンズ核部211の上面では厚く、その
側面上では薄く形成されることが好ましい。何故なら、
レンズ核部211の間隔を狭くしても(これはBPSG
レンズ部213を高密度に形成することを意味する)、
レンズ核部211の側面上に形成されたBPSG前駆体
層261が互いに接触しないようにし易いからである。
圧下で行われる。 (1)で既述のように、レンズ核部211の側面上に
形成されたBPSG前駆体層261が互いに接触しない
ようにする必要がある。従って、BPSGレンズ部21
3をできるだけ高密度に形成するためには、BPSG前
駆体層261はレンズ核部211の上面では厚く、その
側面上では薄く形成されることが好ましい。何故なら、
レンズ核部211の間隔を狭くしても(これはBPSG
レンズ部213を高密度に形成することを意味する)、
レンズ核部211の側面上に形成されたBPSG前駆体
層261が互いに接触しないようにし易いからである。
【0050】BPSG前駆体層261の形成を常圧下
で行うことによって、BPSG前駆体層261はレンズ
核部211の上面では厚く、その側面上では薄くして、
ひいてはBPSGレンズ部213の高密度形成が可能と
なる。レンズ核部211の上面と側面におけるBPSG
前駆体層261の膜厚比k(k=d1/d0、d0:レ
ンズ核部211の上面におけるBPSG前駆体層261
の膜厚、d1:レンズ核部211の側面におけるBPS
G前駆体層261の膜厚)はCVD成膜時におけるガス
圧と密接な関係があることが知られている。
で行うことによって、BPSG前駆体層261はレンズ
核部211の上面では厚く、その側面上では薄くして、
ひいてはBPSGレンズ部213の高密度形成が可能と
なる。レンズ核部211の上面と側面におけるBPSG
前駆体層261の膜厚比k(k=d1/d0、d0:レ
ンズ核部211の上面におけるBPSG前駆体層261
の膜厚、d1:レンズ核部211の側面におけるBPS
G前駆体層261の膜厚)はCVD成膜時におけるガス
圧と密接な関係があることが知られている。
【0051】ガス圧が小さくなるとこの膜厚比kは1に
近づき、ガス圧が大きくなると膜厚比kは0に近づく。
これは、ガス圧の増大によってガス交換(ガス中での拡
散)の頻度が低下することに起因する。BPSG前駆体
層261の形成はCVDによるガスの消費によって行わ
れることから、BPSG前駆体層261の形成にはその
形成箇所への新鮮なガスの供給が必要となる。従って、
ガス交換の頻度低下はガスの供給方向から離れた箇所に
おけるガスの供給、ひいては成膜速度の低下をもたらす
原因となる。この成膜速度の低下はガスの供給方向、即
ちGaAs基板201の上方から遠ざかるほど大きい。
このため、ガス圧の増大が膜厚比kの減少に結びつく。
なお、レンズ核部211の側面上でも成膜速度が一定で
はなく、レンズ核部211の上面から離れるほど(Ga
As基板201の上方から遠ざかるほど)成膜速度、ひ
いては膜厚が減少する。
近づき、ガス圧が大きくなると膜厚比kは0に近づく。
これは、ガス圧の増大によってガス交換(ガス中での拡
散)の頻度が低下することに起因する。BPSG前駆体
層261の形成はCVDによるガスの消費によって行わ
れることから、BPSG前駆体層261の形成にはその
形成箇所への新鮮なガスの供給が必要となる。従って、
ガス交換の頻度低下はガスの供給方向から離れた箇所に
おけるガスの供給、ひいては成膜速度の低下をもたらす
原因となる。この成膜速度の低下はガスの供給方向、即
ちGaAs基板201の上方から遠ざかるほど大きい。
このため、ガス圧の増大が膜厚比kの減少に結びつく。
なお、レンズ核部211の側面上でも成膜速度が一定で
はなく、レンズ核部211の上面から離れるほど(Ga
As基板201の上方から遠ざかるほど)成膜速度、ひ
いては膜厚が減少する。
【0052】ガス圧の増大と共に膜厚比kが小さくなる
理由は次のように説明することもできる。ガス圧が高く
なるとガス分子の平均自由行程が短くなる。反応性のガ
ス分子がレンズ核部211に近づいてきたとき、ガス圧
が高いと平均自由行程が短いことからレンズ核部211
の表面(上面)付近で反応して膜形成を行いやすくな
る。このため、レンズ核部211の下方(側面)まで到
達する未反応のガス分子が少なくなる。このようにし
て、レンズ核部211の表面(上面)には、側面に比べ
て厚い膜が形成される。ここで、「平均自由行程」と
は、ガス分子が他のガス分子に妨げられずに自由に移動
できる距離(行程)を画する概念であり、具体的にはあ
るガス分子が他のガス分子に衝突してから次に別のガス
分子に衝突するまでに移動する距離の平均をいう。ガス
圧が高くなると、ガス分子の密度が大きくなるので、平
均自由行程は小さく(短く)なる。
理由は次のように説明することもできる。ガス圧が高く
なるとガス分子の平均自由行程が短くなる。反応性のガ
ス分子がレンズ核部211に近づいてきたとき、ガス圧
が高いと平均自由行程が短いことからレンズ核部211
の表面(上面)付近で反応して膜形成を行いやすくな
る。このため、レンズ核部211の下方(側面)まで到
達する未反応のガス分子が少なくなる。このようにし
て、レンズ核部211の表面(上面)には、側面に比べ
て厚い膜が形成される。ここで、「平均自由行程」と
は、ガス分子が他のガス分子に妨げられずに自由に移動
できる距離(行程)を画する概念であり、具体的にはあ
るガス分子が他のガス分子に衝突してから次に別のガス
分子に衝突するまでに移動する距離の平均をいう。ガス
圧が高くなると、ガス分子の密度が大きくなるので、平
均自由行程は小さく(短く)なる。
【0053】以上のように、ガス圧を大きくすること
で、BPSG前駆体層261の膜厚比kを小さくして
(レンズ核部211の側面におけるBPSG前駆体層2
61の膜厚の相対値を小さくして)、BPSGレンズ部
213の高密度形成を可能としている。以上から判るよ
うに、BPSG前駆体層261の形成は必ずしも常圧
(大気圧)下で行わなければならない訳ではなく、ある
程度以上高い圧力、例えば大気圧の数分の1程度の圧力
下であれば足りる。
で、BPSG前駆体層261の膜厚比kを小さくして
(レンズ核部211の側面におけるBPSG前駆体層2
61の膜厚の相対値を小さくして)、BPSGレンズ部
213の高密度形成を可能としている。以上から判るよ
うに、BPSG前駆体層261の形成は必ずしも常圧
(大気圧)下で行わなければならない訳ではなく、ある
程度以上高い圧力、例えば大気圧の数分の1程度の圧力
下であれば足りる。
【0054】(3)BPSG前駆体層261がTiを含
む。第1の実施形態と同様に、形成されるBPSG層2
12の屈折率を高くするために、BPSG前駆体層26
1がTiを含む必要がある。CVDの原料ガスにTiC
l4を混合して、BPSG前駆体層261にTiを含有
させることで、形成されるBPSG層212の屈折率を
2.0以上とすることができる。
む。第1の実施形態と同様に、形成されるBPSG層2
12の屈折率を高くするために、BPSG前駆体層26
1がTiを含む必要がある。CVDの原料ガスにTiC
l4を混合して、BPSG前駆体層261にTiを含有
させることで、形成されるBPSG層212の屈折率を
2.0以上とすることができる。
【0055】(4)BPSG前駆体層261が2×10
21[atm/cm3]以上のBを含む。第1の実施形
態と同様に、BPSG前駆体層261に含有されるB濃
度は、熱処理中のBPSG前駆体層261の流動性に大
きな影響を与え、形成されるBPSG層212の表面形
状等に影響を及ぼす。第1の実施形態では主としてBP
SG前駆体層161の均一化、表面の荒れを除去するた
めに熱処理中の前駆体層161に流動性が要求されてい
た(BPSG層106中での散乱等による透過光の減少
防止による発光ダイオード10からの光の取り出し効率
の向上)。これに加えて、本実施形態ではBPSGレン
ズ部213による集光性を向上するため(即ち、レンズ
としての機能を発揮させるため)、BPSGレンズ部2
13の上面の曲率半径をある程度小さくする(平面から
より曲面に近くする)ことが要求される。このため本実
施形態では、BPSG前駆体層261中のB濃度をより
高めて、熱処理中のBPSG前駆体層261により大き
な流動性を付与することが好ましい。この観点からする
と、BPSG前駆体層261中のB濃度を5×1021
[atm/cm3]以上程度とすることがより好まし
い。
21[atm/cm3]以上のBを含む。第1の実施形
態と同様に、BPSG前駆体層261に含有されるB濃
度は、熱処理中のBPSG前駆体層261の流動性に大
きな影響を与え、形成されるBPSG層212の表面形
状等に影響を及ぼす。第1の実施形態では主としてBP
SG前駆体層161の均一化、表面の荒れを除去するた
めに熱処理中の前駆体層161に流動性が要求されてい
た(BPSG層106中での散乱等による透過光の減少
防止による発光ダイオード10からの光の取り出し効率
の向上)。これに加えて、本実施形態ではBPSGレン
ズ部213による集光性を向上するため(即ち、レンズ
としての機能を発揮させるため)、BPSGレンズ部2
13の上面の曲率半径をある程度小さくする(平面から
より曲面に近くする)ことが要求される。このため本実
施形態では、BPSG前駆体層261中のB濃度をより
高めて、熱処理中のBPSG前駆体層261により大き
な流動性を付与することが好ましい。この観点からする
と、BPSG前駆体層261中のB濃度を5×1021
[atm/cm3]以上程度とすることがより好まし
い。
【0056】(5)BPSG前駆体層261は、AsH
3を含む雰囲気中において900℃以上の温度で30分
以上行われる。熱処理がAsH3を含む雰囲気中で行わ
れるのは、第1の実施形態と同様にGaAs基板201
等Asを含む基板および層からのAsの抜け出しを防止
するためである。熱処理温度を900℃以上としたの
は、BPSG前駆体層261からBPSG層212を形
成し、かつBPSG層212の均一化およびBPSGレ
ンズ部213の曲面形状の形成を図るのに適した温度で
あることに基づく。
3を含む雰囲気中において900℃以上の温度で30分
以上行われる。熱処理がAsH3を含む雰囲気中で行わ
れるのは、第1の実施形態と同様にGaAs基板201
等Asを含む基板および層からのAsの抜け出しを防止
するためである。熱処理温度を900℃以上としたの
は、BPSG前駆体層261からBPSG層212を形
成し、かつBPSG層212の均一化およびBPSGレ
ンズ部213の曲面形状の形成を図るのに適した温度で
あることに基づく。
【0057】なお、B濃度を増大すると熱処理温度をあ
る程度まで低下することが可能であり、また熱処理温度
が1100℃以上になるとGaAs基板201等からの
Asの抜け出しが抑え難くなるのは、第1の実施形態と
同様である。さらに本実施形態におけるB濃度2×10
21[atm/cm3]以上、熱処理温度900℃以
上、熱処理時間30分以上は、必ずしも全ての条件を満
たさなければならないものでないことは、第1の実施形
態と同様である。
る程度まで低下することが可能であり、また熱処理温度
が1100℃以上になるとGaAs基板201等からの
Asの抜け出しが抑え難くなるのは、第1の実施形態と
同様である。さらに本実施形態におけるB濃度2×10
21[atm/cm3]以上、熱処理温度900℃以
上、熱処理時間30分以上は、必ずしも全ての条件を満
たさなければならないものでないことは、第1の実施形
態と同様である。
【0058】(その他の実施形態)本発明の実施形態は
上記実施形態には限られず拡張、変更できる。拡張、変
更された実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。 (1)例えば、上記実施形態では半導体発光装置として
発光ダイオードを例にとって説明したが、半導体レーザ
に適用してもよい。
上記実施形態には限られず拡張、変更できる。拡張、変
更された実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。 (1)例えば、上記実施形態では半導体発光装置として
発光ダイオードを例にとって説明したが、半導体レーザ
に適用してもよい。
【0059】(2)上記実施形態では半導体基板の上面
側にBPSG膜を形成したが、半導体基板の側面(端
面)に形成しても差し支えない。半導体発光装置には半
導体基板の上面から光を取り出す平面発光型の他に、半
導体基板の側面方向から光を取り出す端面発光型があ
り、端面発光型であっても本発明を適用する意義があ
る。また、平面発光型でも側面からの発光強度は比較的
大きいため、側面にBPSG膜を形成するのは有効であ
る。
側にBPSG膜を形成したが、半導体基板の側面(端
面)に形成しても差し支えない。半導体発光装置には半
導体基板の上面から光を取り出す平面発光型の他に、半
導体基板の側面方向から光を取り出す端面発光型があ
り、端面発光型であっても本発明を適用する意義があ
る。また、平面発光型でも側面からの発光強度は比較的
大きいため、側面にBPSG膜を形成するのは有効であ
る。
【0060】(3)本発明は、GaAsからなる電流拡
散層を有する半導体発光装置には限られない。要する
に、半導体発光装置で光が出射される面が高屈折率の材
料から形成されていれば適用可能である。高屈折率の材
料はGaAsには限られない、例えばSiC、GaP、
GaAsP、GaAlAs、InAlGaP、GaN等
各種の化合物半導体の多くが発光波長において例えば
3.2〜3.7程度と高屈折率である。このため、この
ような高屈折率の材料と低屈折率の材料(封止用の透明
樹脂に限らず、大気、真空も含む)との境界における全
反射が問題となる。本発明に係るBPSG層をこのよう
な高屈折材料と低屈折材料の間に形成することで、高屈
折材料、BPSG層、低屈折材料へと屈折率の段階的低
下を可能として、全反射による光の取り出し効率の低下
を防止できる。
散層を有する半導体発光装置には限られない。要する
に、半導体発光装置で光が出射される面が高屈折率の材
料から形成されていれば適用可能である。高屈折率の材
料はGaAsには限られない、例えばSiC、GaP、
GaAsP、GaAlAs、InAlGaP、GaN等
各種の化合物半導体の多くが発光波長において例えば
3.2〜3.7程度と高屈折率である。このため、この
ような高屈折率の材料と低屈折率の材料(封止用の透明
樹脂に限らず、大気、真空も含む)との境界における全
反射が問題となる。本発明に係るBPSG層をこのよう
な高屈折材料と低屈折材料の間に形成することで、高屈
折材料、BPSG層、低屈折材料へと屈折率の段階的低
下を可能として、全反射による光の取り出し効率の低下
を防止できる。
【0061】(4)さらには、高屈折の材料とBPSG
層が必ずしも直接接触しなくてもよい。場合により中間
層の介在が認められる。例えば、中間層が光の波長に比
べて薄ければ高屈折率の材料とこの中間層間で全反射は
生じない。全反射が生じている境界面(高屈折率の材料
とこの中間層間の境界)の外側,すなわちこの中間層に
はエバネッセント波として光がしみ出している。この境
界面の外側に光の波長程度の間隔を置いてBPSG層を
形成すればエバネッセント波を介して光は透過し,境界
面での反射は全反射ではなくなる。以上のように、中間
層が光の波長に比べて薄ければ、中間層の存在は高屈折
の材料上にBPSG層を形成する意義を失わせることに
はならない。中間層の一例として、ITO(Indium Tin
Oxide)が考えられる。電流拡散層上に透明電極たるI
TOを形成することで、上部電極の開口部上の活性層に
対して、効率良く電流を注入することが可能となる。
層が必ずしも直接接触しなくてもよい。場合により中間
層の介在が認められる。例えば、中間層が光の波長に比
べて薄ければ高屈折率の材料とこの中間層間で全反射は
生じない。全反射が生じている境界面(高屈折率の材料
とこの中間層間の境界)の外側,すなわちこの中間層に
はエバネッセント波として光がしみ出している。この境
界面の外側に光の波長程度の間隔を置いてBPSG層を
形成すればエバネッセント波を介して光は透過し,境界
面での反射は全反射ではなくなる。以上のように、中間
層が光の波長に比べて薄ければ、中間層の存在は高屈折
の材料上にBPSG層を形成する意義を失わせることに
はならない。中間層の一例として、ITO(Indium Tin
Oxide)が考えられる。電流拡散層上に透明電極たるI
TOを形成することで、上部電極の開口部上の活性層に
対して、効率良く電流を注入することが可能となる。
【0062】(5)レンズ核部の形状は主軸が半導体基
板の面と並行の4角柱形状には限られない。 例えば、半導体基板の面に垂直な主軸を持つ角柱、や
円柱でも差し支えない。図15に円柱形状のレンズ核部
311を点在させBPSGレンズ部313を形成した例
を示す。このようにするとBPSGレンズ部313が半
球状になるので、集光性が向上する(例えば、図7に示
したBPSGレンズ部213は略半円筒形状なので、円
筒の主軸方向については集光性が弱い)。
板の面と並行の4角柱形状には限られない。 例えば、半導体基板の面に垂直な主軸を持つ角柱、や
円柱でも差し支えない。図15に円柱形状のレンズ核部
311を点在させBPSGレンズ部313を形成した例
を示す。このようにするとBPSGレンズ部313が半
球状になるので、集光性が向上する(例えば、図7に示
したBPSGレンズ部213は略半円筒形状なので、円
筒の主軸方向については集光性が弱い)。
【0063】レンズ核部の側面がその上面法線方向と
平行でなくても差し支えない。図16は、上面から下方
に向かうに従って断面が小さくなるように側面が傾斜し
た逆テーパ形状のレンズ核部411およびレンズ核部4
11に形成されたBPSGレンズ部413の一例を表
す。レンズ核部411が逆テーパであることから、レン
ズ核部411の上面と側面の形成されるBPSG前駆体
層の膜厚の相違が大きくなる。この結果、BPSGレン
ズ部413の高密度化が容易になる。また、逆テーパ形
状のレンズ核部281を利用することで、電流拡散層2
05およびBPSG平板部214を透過した光を上BP
SGレンズ部413内を通過させ、BPSGレンズ部4
13の集光性能を向上することも可能となる。
平行でなくても差し支えない。図16は、上面から下方
に向かうに従って断面が小さくなるように側面が傾斜し
た逆テーパ形状のレンズ核部411およびレンズ核部4
11に形成されたBPSGレンズ部413の一例を表
す。レンズ核部411が逆テーパであることから、レン
ズ核部411の上面と側面の形成されるBPSG前駆体
層の膜厚の相違が大きくなる。この結果、BPSGレン
ズ部413の高密度化が容易になる。また、逆テーパ形
状のレンズ核部281を利用することで、電流拡散層2
05およびBPSG平板部214を透過した光を上BP
SGレンズ部413内を通過させ、BPSGレンズ部4
13の集光性能を向上することも可能となる。
【0064】a.レンズ核部411を逆テーパにするに
は、レンズ核部411を形成するエッチング工程(図8
のステップS22に対応)において、エッチング側壁
(エッチング孔の側壁)への堆積物の生成を抑制する異
方性エッチングを行えばよい。エッチング中に側壁へ堆
積物(例えば、酸化物)が形成されると、側壁方向への
エッチング速度が低減する。側壁への堆積物の形成の抑
制は、側壁方向へのエッチング速度の向上をもたらし、
逆テーパのパターン形成を可能とする。具体的には、C
l2やBCl3等のガスを使用してドライエッチングす
ることで、逆テーパ形状のレンズ核部411を形成でき
る。堆積物が生じにくいガス種を用いることで、側壁方
向のエッチングが促進される。
は、レンズ核部411を形成するエッチング工程(図8
のステップS22に対応)において、エッチング側壁
(エッチング孔の側壁)への堆積物の生成を抑制する異
方性エッチングを行えばよい。エッチング中に側壁へ堆
積物(例えば、酸化物)が形成されると、側壁方向への
エッチング速度が低減する。側壁への堆積物の形成の抑
制は、側壁方向へのエッチング速度の向上をもたらし、
逆テーパのパターン形成を可能とする。具体的には、C
l2やBCl3等のガスを使用してドライエッチングす
ることで、逆テーパ形状のレンズ核部411を形成でき
る。堆積物が生じにくいガス種を用いることで、側壁方
向のエッチングが促進される。
【0065】b.このとき、ガス圧をドライエッチング
(例えば、RIE(Reactive Ion Etching))に用いら
れる通常の条件よりも高圧(例えば、数十mtorr:
数Pa程度)とするのが好ましい。ドライエッチングに
おいて反応性ガス分子は基板面に垂直な方向に電界や磁
界等で加速されるのが通例である。このとき、ガス圧を
高くすると、反応性ガス分子の平均自由行程が小さくな
り基板面に平行な方向の速度成分が生じ易くなる。この
結果、基板面に平行な方向、即ち側壁方向へのエッチン
グが促進される。反応性ガス分子の平均自由行程が大き
ければ(ガス圧:小)、反応性ガス分子は加速方向(基
板面に垂直な方向)のみに速度成分を有する。これに対
して、反応性ガス分子の平均自由行程が小さくなると
(ガス圧:大)、基板に到達する以前に反応性ガス分子
が互いに衝突することで基板面に平行な速度成分を有す
るようになる(一種の散乱効果)。
(例えば、RIE(Reactive Ion Etching))に用いら
れる通常の条件よりも高圧(例えば、数十mtorr:
数Pa程度)とするのが好ましい。ドライエッチングに
おいて反応性ガス分子は基板面に垂直な方向に電界や磁
界等で加速されるのが通例である。このとき、ガス圧を
高くすると、反応性ガス分子の平均自由行程が小さくな
り基板面に平行な方向の速度成分が生じ易くなる。この
結果、基板面に平行な方向、即ち側壁方向へのエッチン
グが促進される。反応性ガス分子の平均自由行程が大き
ければ(ガス圧:小)、反応性ガス分子は加速方向(基
板面に垂直な方向)のみに速度成分を有する。これに対
して、反応性ガス分子の平均自由行程が小さくなると
(ガス圧:大)、基板に到達する以前に反応性ガス分子
が互いに衝突することで基板面に平行な速度成分を有す
るようになる(一種の散乱効果)。
【0066】レンズ核部を形成することなくBPSG
レンズ部を形成することも可能である。例えば、BPS
G前駆体層を形成した後に、例えば図2のレンズ核部2
11の上面に対応した形状にBPSG前駆体層をパター
ニングして熱処理を行うことで、BPSGレンズ部を形
成することができる。即ち、BPSG前駆体からなる突
起を形成することで、BPSGレンズ部の形成が可能と
なる。このレンズ部の形成は、例えば熱処理の前にBP
SG前駆体層を部分的にマスクしてエッチング(パター
ニング)することで行える。また、半導体多層膜上に何
らかの構造物(例えば、レンズ核部)が存在する状態で
BPSG前駆体層を作成することで、BPSG前駆体層
内に厚さの分布を形成することによって行っても差し支
えない。BPSG前駆体層のうちマスクで保護されエッ
チングされなかった部分や厚さの厚い部分が、熱処理に
よりレンズ部となる。
レンズ部を形成することも可能である。例えば、BPS
G前駆体層を形成した後に、例えば図2のレンズ核部2
11の上面に対応した形状にBPSG前駆体層をパター
ニングして熱処理を行うことで、BPSGレンズ部を形
成することができる。即ち、BPSG前駆体からなる突
起を形成することで、BPSGレンズ部の形成が可能と
なる。このレンズ部の形成は、例えば熱処理の前にBP
SG前駆体層を部分的にマスクしてエッチング(パター
ニング)することで行える。また、半導体多層膜上に何
らかの構造物(例えば、レンズ核部)が存在する状態で
BPSG前駆体層を作成することで、BPSG前駆体層
内に厚さの分布を形成することによって行っても差し支
えない。BPSG前駆体層のうちマスクで保護されエッ
チングされなかった部分や厚さの厚い部分が、熱処理に
よりレンズ部となる。
【0067】(6)上記実施形態では、BPSG層、B
PSGレンズ部を高屈折率とするのにTiを含有させて
いたが、これを他の材料に換えることも可能である。例
えば、Zrを利用してBPSG層等に高屈折率を付与で
きる。このときには、BPSG前駆体を形成するCVD
ガスにTiCl4に換えてZrCl4を混合すればよ
い。なお、TiとZrの双方を同時に用いることも可能
である。
PSGレンズ部を高屈折率とするのにTiを含有させて
いたが、これを他の材料に換えることも可能である。例
えば、Zrを利用してBPSG層等に高屈折率を付与で
きる。このときには、BPSG前駆体を形成するCVD
ガスにTiCl4に換えてZrCl4を混合すればよ
い。なお、TiとZrの双方を同時に用いることも可能
である。
【0068】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば半
導体発光装置において、半導体多層膜の最上層上面での
全反射による光取り出し効率の低下を防止し、光取り出
し効率の向上を図ることができる。
導体発光装置において、半導体多層膜の最上層上面での
全反射による光取り出し効率の低下を防止し、光取り出
し効率の向上を図ることができる。
【図1】 本発明の第1実施形態に係る発光ダイオード
の構成を表す断面図および上面図である。
の構成を表す断面図および上面図である。
【図2】 本発明の第1実施形態に係る発光ダイオード
の製造工程の1例を表すフロー図である。
の製造工程の1例を表すフロー図である。
【図3】 製造工程中における第1実施形態に係る発光
ダイオードを表す断面図である。
ダイオードを表す断面図である。
【図4】 製造工程中における第1実施形態に係る発光
ダイオードを表す断面図である。
ダイオードを表す断面図である。
【図5】 製造工程中における第1実施形態に係る発光
ダイオードを表す断面図である。
ダイオードを表す断面図である。
【図6】 製造工程中における第1実施形態に係る発光
ダイオードを表す断面図である。
ダイオードを表す断面図である。
【図7】 本発明の第2実施形態に係る発光ダイオード
の構成を表す断面図および上面図である。
の構成を表す断面図および上面図である。
【図8】 本発明の第2実施形態に係る発光ダイオード
の製造工程の1例を表すフロー図である。
の製造工程の1例を表すフロー図である。
【図9】 製造工程中における第2実施形態に係る発光
ダイオードを表す断面図である。
ダイオードを表す断面図である。
【図10】 製造工程中における第2実施形態に係る発
光ダイオードを表す断面図である。
光ダイオードを表す断面図である。
【図11】 製造工程中における第2実施形態に係る発
光ダイオードを表す断面図である。
光ダイオードを表す断面図である。
【図12】 製造工程中における第2実施形態に係る発
光ダイオードを表す断面図である。
光ダイオードを表す断面図である。
【図13】 製造工程中における第2実施形態に係る発
光ダイオードを表す断面図である。
光ダイオードを表す断面図である。
【図14】 レンズ核部の側面上に形成されたBPSG
前駆体層が互いに接触する場合の熱処理前後の状態を表
す断面図である。
前駆体層が互いに接触する場合の熱処理前後の状態を表
す断面図である。
【図15】 本発明の第2実施形態の1変形例に係る発
光ダイオードを表す断面図である。
光ダイオードを表す断面図である。
【図16】 本発明の第2実施形態の他の変形例に係る
発光ダイオードを表す断面図である。
発光ダイオードを表す断面図である。
【図17】 従来の発光ダイオードを表す断面図であ
る。
る。
100、200…発光ダイオード、 101、201…
GaAs基板、 102、202…下部クラッド層、
103、203…活性層、 104、204…上部クラ
ッド層、 105、205…電流拡散層、 106…B
PSG層、 107、207…電流ブロック層、 10
8、208…上部電極、 109、209…下部電極、
110、210…透明樹脂、 161…BPSG前駆
体層、 181、281…中央電極、 182、282
…周辺電極、 183、283…接続電極、 184、
284…開口部、 185、285…AuZn電極層、
211…レンズ核部、 212…BPSG層、 21
3…BPSGレンズ部、 214…BPSG平板部、
215…GaAs層
GaAs基板、 102、202…下部クラッド層、
103、203…活性層、 104、204…上部クラ
ッド層、 105、205…電流拡散層、 106…B
PSG層、 107、207…電流ブロック層、 10
8、208…上部電極、 109、209…下部電極、
110、210…透明樹脂、 161…BPSG前駆
体層、 181、281…中央電極、 182、282
…周辺電極、 183、283…接続電極、 184、
284…開口部、 185、285…AuZn電極層、
211…レンズ核部、 212…BPSG層、 21
3…BPSGレンズ部、 214…BPSG平板部、
215…GaAs層
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 山下 敦子
神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株
式会社東芝マイクロエレクトロニクスセン
ター内
(72)発明者 小林 仁
神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株
式会社東芝マイクロエレクトロニクスセン
ター内
(72)発明者 野崎 秀樹
神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株
式会社東芝マイクロエレクトロニクスセン
ター内
Fターム(参考) 5F041 AA04 CA37 CA46 CA65 CA74
CA93 CB14
5F058 BA20 BB02 BC04 BC05 BF03
BF23 BF24 BF29 BH02 BJ03
Claims (14)
- 【請求項1】 基板と、 前記基板上に形成され、発光層を含み、かつ該発光層か
らの発光光を出射させる出射面を有する半導体多層膜
と、 前記半導体多層膜上に形成された屈折率が2.0以上の
CVD酸化膜とを具備することを特徴とする半導体発光
装置。 - 【請求項2】 前記CVD酸化膜が、TiまたはZrを
含有することを特徴とする請求項1記載の半導体発光装
置。 - 【請求項3】 前記CVD酸化膜が、2×1021[a
tm/cm3]以上のBを含有することを特徴とする請
求項1記載の半導体発光装置。 - 【請求項4】 基板と、 前記基板上に形成され、発光層を含み、かつ該発光層か
らの発光光を出射させる出射面を有する半導体多層膜
と、 前記半導体多層膜上に形成され、かつ屈折率が2.0以
上のCVD酸化膜からなるレンズ部とを具備することを
特徴とする半導体発光装置。 - 【請求項5】 前記レンズ部が、前記半導体多層膜の最
上層と同一の材質からなるレンズ核部の上面に生成され
ていることを特徴とする請求項4記載の半導体発光装
置。 - 【請求項6】 半導体基板上に発光層を含む半導体多層
膜を形成する多層膜形成工程と、 前記多層膜形成工程で形成された前記半導体多層膜上
に、BPSG前駆体層を形成する前駆体形成工程と、 前記前駆体形成工程で形成された前記BPSG前駆体層
を熱処理して、屈折率が2.0以上のBPSG層を形成
する熱処理工程と、を具備することを特徴とする半導体
発光装置の製造方法。 - 【請求項7】 前記BPSG前駆体層が、2×1021
[atm/cm3]以上のBを含有することを特徴とす
る請求項6記載の半導体発光装置の製造方法。 - 【請求項8】 前記熱処理工程が、AsH3を含有する
雰囲気中で行われることを特徴とする請求項6記載の半
導体発光装置の製造方法。 - 【請求項9】 前記熱処理工程が、900℃以上で行わ
れることを特徴とする請求項6記載の半導体発光装置の
製造方法。 - 【請求項10】 半導体基板上に発光層を含む半導体多
層膜を形成する多層膜形成工程と、 前記多層膜形成工程で形成された前記半導体多層膜上
に、前記レンズを形成する核となるレンズ核部を形成す
る核形成工程と、 前記核形成工程で前記レンズ核部が形成された前記半導
体多層膜上にBPSG前駆体層を形成する層形成工程
と、 前記層形成工程で形成されたBPSG前駆体層を熱処理
して、BPSGからなり、かつ前記レンズ核部に対応し
たBPSGレンズ部を形成する熱処理工程と、を具備す
ることを特徴とする半導体発光装置の製造方法。 - 【請求項11】 前記核形成工程で形成される前記レン
ズ核部が、前記半導体多層膜の最上層と同一の材質から
なることを特徴とする請求項10記載の半導体発光装置
の製造方法。 - 【請求項12】 前記核形成工程において、前記レンズ
核部が前記半導体多層膜上に複数形成されることを特徴
とする請求項10記載の半導体発光装置の製造方法。 - 【請求項13】 前記層形成工程において、異なる前記
レンズ核部上に形成されたBPSG前駆体層が、互いに
接触しないことを特徴とする請求項12記載の半導体発
光装置の製造方法。 - 【請求項14】 前記核形成工程で形成される前記レン
ズ核部が、前記半導体多層膜の上面に略平行な上面と、
該上面から内側に傾斜する側面を有することを特徴とす
る請求項12記載の半導体発光装置の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001321148A JP2003124504A (ja) | 2001-10-18 | 2001-10-18 | 半導体発光装置、および半導体発光装置の製造方法 |
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---|---|---|---|
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2003124504A true JP2003124504A (ja) | 2003-04-25 |
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ID=19138422
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---|---|---|---|
JP2001321148A Withdrawn JP2003124504A (ja) | 2001-10-18 | 2001-10-18 | 半導体発光装置、および半導体発光装置の製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2003124504A (ja) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011507272A (ja) * | 2007-12-10 | 2011-03-03 | スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー | 簡易な光抽出方式の下方変換発光ダイオード |
JP2011054862A (ja) * | 2009-09-04 | 2011-03-17 | Hitachi Cable Ltd | エピタキシャルウエハ、発光素子、エピタキシャルウエハの製造方法、及び発光素子の製造方法 |
JP2011082233A (ja) * | 2009-10-05 | 2011-04-21 | Hitachi Cable Ltd | 発光素子 |
JP2013011803A (ja) * | 2011-06-30 | 2013-01-17 | Oki Data Corp | ディスプレイモジュール及びその製造方法と表示装置 |
JP2015173289A (ja) * | 2010-01-07 | 2015-10-01 | ソウル バイオシス カンパニー リミテッドSeoul Viosys Co.,Ltd. | 複数の電極パッドを有する発光ダイオード |
-
2001
- 2001-10-18 JP JP2001321148A patent/JP2003124504A/ja not_active Withdrawn
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