JP3559463B2 - 半導体発光装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体発光装置に関し、特にページプリンタ用感光ドラムの露光用光源などに用いられる半導体発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来の半導体発光装置を図４ないし図６に示す。図４および図５は断面図、図６は平面図である。図４ないし図６において、２１は半導体基板、２２は一導電型半導体層、２３は逆導電型半導体層、２４は個別電極、２５は共通電極である。
【０００３】
半導体基板２１上に、一導電型半導体層２２と逆導電型半導体層２３を設けると共に、この一導電型半導体層２２の露出部Ｒに共通電極２５（２５ａ、２５ｂ）を接続して設け、逆導電型半導体層２３に個別電極２４を接続して設けている。なお、図４および図５において、２６は窒化シリコン膜などから成る保護膜である。また、図４に示すように、共通電極２５（２５ａ、２５ｂ）は隣接する島状半導体層２２、２３ごとに異なる群に属するように二群に分けて接続され、隣接する島状半導体層２２、２３が同じ個別電極２４に接続されている。
【０００４】
このような発光ダイオードアレイでは、個別電極２４と共通電極２５（２５ａ、２５ｂ）の組み合わせを選択して電流を流すことによって、各発光ダイオードを選択的に発光させることができる。
【０００５】
ところが、この従来の半導体発光装置では、半導体層を複数の発光素子に分離する際にメサエッチングを行い島状に形成していた。この場合、電極取り出し部は断線を防止するために順メサ状に形成していたが、横方向の側壁部は逆メサ状になっていた。
【０００６】
この場合、横方向に発光した光が逆メサ状の側壁部分で反射されて島状半導体層の上部側に放射され、図７に示すように、島状半導体層の端面に近い部分で角状の突出した発光強度分布が発生し、これが印画品質を劣化させる原因になっていた。
【０００７】
また、図８に示すように、側壁部からの発光は、外部回路と接続するためのワイヤーボンディングボールに反射し、これについても印画品質を劣化させる原因となっていた。
【０００８】
端面部でのこのように突出した発光強度分布を防ぐために、端面部に電極材料で被覆する方法もあるが、電極材料が被着されている部分を側壁部の一部のみに限定できず、より多く電極材料で覆う必要があり、発光強度を低下させるという問題があった。また、側壁部を完全に覆うことも困難であることから、結果的に側壁部からの光漏れが発生し、印画品質の完全な改善にはならないと言う問題があった。
【０００９】
本発明はこのような従来装置の問題点に鑑みてなされたものであり、隣接する島状半導体層の側壁部が逆メサ構造であることに起因して発生する発光強度分布の改善、および側壁部からの発光と迷光に起因する印画品質の劣化を解消した半導体発光装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る半導体発光装置では、基板上に一導電型半導体層と逆導電型半導体層を積層した島状半導体層を複数設けて、それぞれの半導体層に電極を接続した半導体発光装置において、前記島状半導体層の逆メサ構造の側壁部に酸化領域を設けた。
【００１１】
上記半導体発光装置では、前記酸化領域を設ける半導体層をＡｌＧａＡｓで構成することが望ましい。
【００１２】
また、上記半導体発光装置では、前記酸化領域を形成した島状半導体層を絶縁膜で被覆したことが望ましい。
【００１３】
さらに、請求項４に係る半導体発光装置の製造方法では、基板上にＡｌＧａＡｓとＧａＡｓを積層した島状半導体層を設け、このＡｌＧａＡｓの逆メサ構造の側壁部を水蒸気中で酸化し、しかる後前記ＧａＡｓに電極を接続する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
図１は本発明に係る半導体発光装置の一実施形態を示す断面図、図２は平面図である。
【００１５】
図１および図２において、１は基板、２は一導電型半導体層、３は逆導電型半導体層、４は個別電極、５は共通電極、６は絶縁膜、７は酸化領域である。
【００１６】
基板１はシリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの単結晶半導体基板やサファイア（Ａｌ２ Ｏ３ ）などの単結晶絶縁基板から成る。単結晶半導体基板の場合、（１００）面を＜０１１＞方向に２〜７°オフさせた基板などが好適に用いられる。サファイアの場合、Ｃ面基板が好適に用いられる。
【００１７】
一導電型半導体層２は、バッファ層２ａ、オーミックコンタクト層２ｂ、電子注入層２ｃで構成される。バッファ層２ａは２〜４μｍ程度の厚みに形成され、オーミックコンタクト層２ｂは０．１〜１．０μｍ程度の厚みに形成され、電子注入層２ｃは０．２〜０．４μｍ程度の厚みに形成される。バッファ層２ａとオーミックコンタクト層２ｂはガリウム砒素などで形成され、電子注入層２ｃはアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）などで形成される。オーミックコンタクト層２ｂはシリコンなどの一導電型半導体不純物を１×１０^１６〜１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ 程度含有し、電子注入層２ｃはシリコンなどの一導電型半導体不純物を１×１０^１６〜１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ 程度含有する。また、このとき電子注入層２ｃのＡｌの組成はｘ＝０．２４〜０．５程度に形成する。バッファ層２ａは基板１と半導体層との格子定数の不整合に基づくミスフィット転位を防止するために設けるものであり、半導体不純物を含有させる必要はない。
【００１８】
逆導電型半導体層３は、発光層３ａ、クラッド層３ｂ、および第２のオーミックコンタクト層３ｃで構成される。発光層３ａとクラッド層３ｂは０．２〜０．４μｍ程度の厚みに形成され、オーミックコンタクト層３ｃは０．０１〜０．１μｍ程度の厚みに形成される。発光層３ａとクラッド層３ｂはＡｌＧａＡｓなどから成る。第２のオーミックコンタクト層３ｃはガリウム砒素などから成る。
【００１９】
発光層３ａとクラッド層３ｂは、電子の閉じ込め効果と光の取り出し効果を考慮してアルミニウム砒素（ＡｌＡｓ）とガリウム砒素（ＧａＡｓ）との混晶比を異ならしめる。発光層３ａとクラッド層３ｂは亜鉛（Ｚｎ）などの逆導電型半導体不純物を１×１０^１６〜１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ 程度含有し、第２のオーミックコンタクト層３ｃは亜鉛などの逆導電型半導体不純物を１×１０^１９〜１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ 程度含有する。
【００２０】
絶縁膜６ａ、６ｂは窒化シリコンなどから成り、厚み３０００〜５０００Å程度に形成される。また、個別電極４と共通電極５はＡｕ／ＡｕＧｅ／Ｃｒなどから成り、厚み１μｍ程度に形成される。
【００２１】
本発明の半導体発光装置では、図２に示すように、一導電型半導体層２と逆導電型半導体層３から成る島状半導体層２、３を基板１上に一列状に並べて、隣接する島状半導体層２、３毎に同じ個別電極４に接続し、同じ個別電極４に接続された下の一導電型半導体層２が異なる共通電極５に接続されるように二群に分けて接続される。個別電極４を選択して電流を流すことによってページプリンタ用感光ドラムの露光用光源として用いられる。
【００２２】
島状半導体層２、３は、結晶の面方位とエッチングとの関係から一方の対向する壁面が順メサ構造で、他方の対向する壁面が逆メサ構造を有する。
【００２３】
本発明では、ＡｌＧａＡｓから成る一導電型半導体層２ｃ、ＡｌＧａＡｓから成る逆導電型半導体層３ａ、３ｂを側面から酸化し、酸化領域７を形成した。また、図２で示すように発光面の上面の周辺部に逆導電型半導体層３ｂをエッチングで露出して同じく酸化領域７を形成した。この酸化領域７は、１０〜１２００Å程度の厚みを有するＡｌ_２ Ｏ_ｘ で形成される。
【００２４】
このようにＡｌＧａＡｓから成る一導電型半導体層２ｃ、ＡｌＧａＡｓから成る逆導電型半導体層３ａ、３ｂを側面から酸化して酸化領域７を形成することで、酸化領域７は電気的に抵抗が２×１０^１３Ω・ｃｍ程度まで高くなる。したがって、島状半導体層周辺部での発光再結合が起こりにくく、島状半導体層周辺部での発光が低減して角状の発光強度分布が低減する。さらに酸化領域７の屈折率はｎ＝１．６６となることで光の反射吸収を行うことができる。この発光層３ａからの光は屈折率ｎ＝１．８７のときに光透過率が最大になる。絶縁膜６もそれに近接させて形成されるが、この絶縁膜６とは光屈折率が異なる酸化領域７を設けることによって、側壁部からの光透過を防止できる。例えば波長が７４０ｎｍの場合光の吸収は膜厚が薄いほど効果的であり、１１１４Åで光の吸収が小さい。このことにより、図３に示すように、発光分布も島状半導体層の端部での発光強度分布を改善できる。さらに側面からの光の漏れを完全に抑えることができる。
【００２５】
次に、上述のような半導体発光装置の製造方法を説明する。まず、単結晶基板１上に、一導電型半導体層２、逆導電型半導体層３をＭＯＣＶＤ法などで順次積層して形成する。
【００２６】
これらの半導体層２、３を形成する場合、基板温度をまず４００〜５００℃に設定して２００〜２０００Åの厚みにアモルファス状のガリウム砒素膜を形成した後、基板温度を７００〜９００℃に上げて所望厚みの半導体層２、３を形成する。
【００２７】
この場合、原料ガスとしてはＴＭＧ（（ＣＨ_３ ）_３ Ｇａ）、ＴＥＧ（（Ｃ_３ Ｈ_５ ）_３ Ｇａ）、アルシン（ＡｓＨ_３ ）、ＴＭＡ（（ＣＨ_３ ）_３ Ａｌ）、ＴＥＡ（（Ｃ_２ Ｈ_５ ）_３ Ａｌ）などが用いられ、導電型を制御するためのガスとしては、シラン（ＳｉＨ_４ ）、セレン化水素（Ｈ_２ Ｓｅ）、ＴＭＺ（（ＣＨ_３ ）_３ Ｚｎ）などが用いられ、キャリアガスとしては、Ｈ_２ などが用いられる。
【００２８】
次に、隣接する素子同志が電気的に分離されるように、半導体層２、３が島状にパターニングされる。このエッチングは、硫酸過酸化水素系のエッチング液を用いたウエットエッチングやＣＣｌ_２ Ｆ_２ ガスを用いたドライエッチングなどで行われる。
【００２９】
次に、一導電型半導体層２の一端部側の一部を露出させるためにエッチングする。さらに、表面の半導体層３ｃの表面の一部をエッチングする。それぞれのエッチングも硫酸過酸化水素系のエッチング液を用いたウェットエッチングやＣＣｌ_２ Ｆ_２ ガスを用いたドライエッチングなどで行なわれる。
【００３０】
次に、側面および上面に露出したＡｌＧａＡｓ層２ｃ、３ａ、３ｂを表面の半導体層３ｃをマスクに酸化する。この酸化は、水蒸気酸化で３５０度〜５００度程度の温度で行う。Ａｌの組成はｘ＝０．１５以上で表面が酸化されることはＪ．ＡＰＰＬ．Ｐｈｙｓ．７１（４） 、１５Ｆｅｂｒｕａｒｙ１９９２ Ａ．Ｍｅｓａｒｗｉらによって報告されている。この場合、ＧａＡｓやＳｉは酸化層としては殆ど成長しないことから、ＡｌＧａＡｓ層２ｃ、３ａ、３ｂを選択的に酸化することができる。
【００３１】
次に、プラズマＣＶＤ法で、シランガス（ＳｉＨ_４ ）とアンモニアガス（ＮＨ_３ ）を用いて窒化シリコンから成る絶縁膜を形成してパターニングする。次に、クロムと金を蒸着法やスパッタリング法で形成してパターニングし、さらに、もう一度プラズマＣＶＤ法で、シランガス（ＳｉＨ_４ ）とアンモニアガス（ＮＨ_３ ）を用いて窒化シリコンから成る絶縁膜を形成してパターニングすることにより完成する。
【００３２】
このように、キャップ層となるＧａＡｓ層の一部をエッチングして露出部分を選択的に酸化し、酸化領域形成後にＳｉＮ_ｘ などの絶縁膜を形成する構造とすることで、隣接する島状半導体層の側壁部が逆メサ構造であることに起因して発生する発光強度分布の改善、および側面からの発光による迷光を防ぎ印画品質の劣化を解消した半導体発光装置となる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、請求項１に係る半導体発光装置では、島状半導体層の逆メサ構造の側壁部および上面周辺部を強制的に酸化した領域を有することから、隣接する島状半導体層の側壁部が逆メサ構造であることに起因して発生する発光強度分布の改善、および側面からの発光による迷光を防ぎ印画品質が向上した半導体発光装置を提供できる。
【００３４】
また、請求項４に係る半導体発光装置の製造方法では、基板上にＡｌＧａＡｓとＧａＡｓを積層して設け、このＡｌＧａＡｓの逆メサ構造の側壁部を水蒸気雰囲気中で酸化し、しかる後前記ＧａＡｓの表面部に電極を接続することから、ＡｌＧａＡｓの側壁部に簡単且つ確実に酸化領域を形成でき、もって隣接する島状半導体層の側壁部が逆メサ構造であることに起因して発生する発光強度分布の改善、および側面からの発光による迷光を防ぎ、印画品質が向上した半導体発光装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体発光装置の一実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明に係る半導体発光装置の一実施形態を示す平面図である。
【図３】本発明に係る半導体発光装置の発光強度分布を示す図である。
【図４】従来の半導体発光装置を示す断面図である。
【図５】従来の半導体発光装置を示す他の部分の断面図である。
【図６】従来の半導体発光装置を示す平面図である。
【図７】従来の半導体発光装置の発光強度分布を示す図である。
【図８】従来の半導体発光装置の側面からの発光の状態を示す図である。
【符号の説明】
１………基板、２………一導電型半導体層、３………逆導電型半導体層、４………個別電極、５………共通電極、６………絶縁膜、７………酸化領域

Claims (4)

1. 基板上に一導電型半導体層と逆導電型半導体層を積層した島状半導体層を複数設けて、それぞれの半導体層に電極を接続した半導体発光装置において、前記島状半導体層の逆メサ構造の側壁部に酸化領域を設けたことを特徴とする半導体発光装置。
2. 前記酸化領域を設ける半導体層をＡｌＧａＡｓで構成したことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 前記酸化領域を形成した島状半導体層を絶縁膜で被覆したことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
4. 基板上にＡｌＧａＡｓとＧａＡｓを積層した島状半導体層を設け、このＡｌＧａＡｓの逆メサ構造の側壁部を水蒸気雰囲気中で酸化し、しかる後前記ＧａＡｓに電極を接続する半導体発光装置の製造方法。

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