JP3717284B2 - 発光素子、発光素子アレイ及び発光素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード素子等の発光素子、発光素子アレイ及び発光素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
発光ダイオード(light emitting diode:LEDという)素子は、発光が鮮やかであること、駆動電圧が低く周辺回路が容易になるなどの理由により従来より表示デバイスとして幅広く使用されている。
【0003】
従来、光プリンタに使用するLEDアレイは、例えば「光プリンタ設計;武木田義祐監修、トリケップス」に開示されているように、GaAsPをGaAs基板上にエピタキシャル成長させた基板(以下、GaAsP基板とよぶ)へZnを選択的に拡散して製造する。
【0004】
図8は従来のLEDの構造を模式的に示す図である。
【0005】
図8において、LEDは、n型GaAs基板11、n型GaAs基板11上にTeをドープしエピタキシャル成長させたn型GaAsPエピタキシャル層12、Znを拡散して形成されたp型GaAsPエピタキシャル層13、Zn拡散のマスク材となるSiN絶縁膜14、Al電極15及びAu−Ge電極16から構成され、n型GaAsP基板にp型不純物であるZnを拡散してpn接合を形成した構造である。
【0006】
この構造のLEDアレイでは、図8に示すようにZnを選択拡散によるpn接合を形成した領域、すなわち、発光領域の一部へ電極コンタクト部が形成されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
このような構造のLEDでは、電極コンタクト直下の発光は外部へは取り出すことができない。したがって、電極の被覆率によって光取り出し効率が制限されていた。
【0008】
また、拡散領域のシート抵抗が小さい場合には電極直下の領域の発光が主となり、極端に光取り出し効率が小さい。発光領域の面積が小さくなる1200dpiLEDアレイのような超高密度LEDアレイの場合には、特に電極の発光部被覆率による光取り出し効率の減少が大きいという問題があった。
【0009】
また、被覆率を下げて光取り出し効率を上昇するためにコンタクト面積を極端に小さくすると、コンタクト抵抗の上昇を招きLEDの駆動ができないという問題点があった。
【0010】
さらに、コンタクト面積が小さい場合には、製造上コンタクト面積のばらつきが大きくなり、多数のLEDを配列したLEDアレイチップ内の特性ばらつきが大きくなるという問題点もあった。
【0011】
本発明は、LEDアレイにおける発光領域の電極被覆率による光取り出し効率の制限をなくし、発光効率の高い発光素子、発光素子アレイ及び発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る発光素子は、少なくとも第1導電型半導体層と、該第1導電型半導体層上に形成された半絶縁性半導体層とを有する基板に第2導電型の不純物によるpn接合が選択的に形成されている発光素子において、該半絶縁性半導体層の上面側から該半絶縁性半導体層を経由して前記第1導電型半導体層内に至り、該第1導電型半導体層にpn接合を有する第1の第2導電型領域と、該半絶縁性半導体層の上面側から該半絶縁性半導体層の内に前記第1導電型半導体層に届かない厚さに形成されると共に、該半絶縁性半導体層内で前記第1の第2の導電型領域に接続された第2の第2導電型領域からなる電流導通層と、該半絶縁性半導体内に形成された前記第2の第2導電型領域上にのみ形成された第2導電型側の電極とを有することを特徴とする。
【0013】
本発明に係る発光素子は、pn接合が形成されている第1導電型の半導体層のバンドギャップエネルギがその上層の半絶縁性の半導体層のバンドギャップエネルギよりも小さいことを特徴とする。
【0014】
本発明に係る発光素子は、pn接合が形成されている第1の第1導電型半導体層に接した第2の第1導電型半導体層のバンドギャップエネルギが第1の第1導電型半導体層のバンドギャップエネルギよりも大きいことを特徴とする。
【0015】
本発明に係る発光素子は、pn接合を形成する第1導電型半導体層として少なくともAlyGa1-yAs層(1>y≧0)を有するものであってもよい。
【0016】
本発明に係る発光素子は、電流導通層が形成されている半絶縁性半導体層が少なくともGaAs層、AlxGa1-xAs層(1≧x≧0)または
GaAs/AlxGa1-xAs積層(1≧x>0)であってもよい。
【0017】
本発明に係る発光素子は、第2導電型不純物が、Ζnであってもよい。
【0018】
本発明に係る発光素子アレイは、複数の発光素子を所定列に配置した発光素子アレイにおいて、発光素子が、請求項1、2、3又は4の何れかに記載の発光素子であることを特徴とする。
【0019】
本発明に係る発光素子の製造方法は、少なくとも第1導電型半導体層と、該第1導電型半導体層上に形成された半絶縁性半導体層とを有する基板に第2導電型の不純物によるpn接合が選択的に形成されている発光素子の製造方法であって、該半絶縁性半導体層の上面側から該半絶縁性半導体層を経由して前記第1導電型半導体層内に至り、該第1導電型半導体層にpn接合を有する第1の第2導電型領域と、該半絶縁性半導体層の上面側から該半絶縁性半導体層の内に前記第1導電型半導体層に届かない厚さに形成されると共に、該半絶縁性半導体層内で前記第1の第2導電型領域に接続された第2の第2導電型領域からなる電流導通層とを形成し、半絶縁性半導体内に形成された前記第2の第2導電型領域上にのみ第2導電型側の電極を形成することを特徴とする。
【0020】
本発明に係る発光素子の製造方法は、第2導電型不純物拡散を選択的に行う半導体基板表面において拡散源膜に接する領域と拡散制御膜に接する領域を設け、1回の拡散で請求項8記載のpn接合及び電流導通層を形成することを特徴とする。
【0021】
本発明に係る発光素子の製造方法は、第2導電型不純物は、Znであり、Zn拡散を固相拡散によって行うことを特徴とする。
【0022】
【発明の実施の形態】
本発明に係る発光素子及び発光素子アレイは、LEDアレイに適用することができる。
【0023】
図1は本発明の実施形態に係るLEDアレイの構造を示す図、図2は図1のA−A′矢視断面図であり、多数のLEDを一列に配置したLEDアレイについて1素子に着目してその断面構造を模式的に示した図である。
【0024】
図1及び図2において、LED100は、n型GaAs基板101、n型GaAs基板101上に形成したn型のGaAsバッファ層102、GaAsバッファ層102上にエピタキシャル成長させたn型のAlzGa1-zAs層(0<z≦1)103、n型のAlyGa1-yAs層(0≦y<1)104、半絶縁性のAlxGa1-xAs層(0<x≦1)105、半絶縁性のGaAs層106、亜鉛(Zn)を拡散して形成されたp型GaAsPエピタキシャル層からなるZn拡散領域107−1(Zn拡散領域1)、Zn拡散領域107−1に電気的に連結されZnを拡散して形成されたZn拡散領域107−2(Zn拡散領域2)、Zn拡散のマスク材となる例えばSiN絶縁膜からなる層間絶縁膜108、p側電極109及びn側電極110により構成される。
【0025】
LED100は、n型GaAs基板101の上にn型のGaAsバッファ層102を形成し、その上にn型のAlzGa1-zAs層103、n型のAlyGa1-yAs層104、半絶縁性のAlxGa1-xAs層105及び半絶縁性のGaAs層106を積層した構造である。この積層構造のAl混晶比x,y,zは、x>y,z>yなる関係を満たしており、AlzGa1-zAs層103とAlxGa1-xAs層105のバンドギャップエネルギはAlyGa1-yAs層104のバンドギャップエネルギよりも大きい。
【0026】
バンドギャップエネルギ差は、注入したキャリアに対してその閉じこめの効果が得られる程度の大きさが望ましく約0.3eV以上とする。例えば、x,z=0.4,y=0.15とすれば、バンドギャップエネルギ差は約0.3evである。
【0027】
積層構造には、選択的にΖnを拡散して形成したZn拡散領域107−1(Zn拡散領域1)とそれに電気的に連結しているZn拡散領域107−2(Zn拡散領域2)がある。
【0028】
Ζn拡散領域1の拡散フロントすなわちpn接合面は、n型AlyGa1-yAs層104層内にある。接合は横方向にも形成されるがpn接合はAlyGa1-yAs層104内にしか形成されていない。また、Ζn拡散領域2の拡散フロントは半絶縁性のAlxGa1-xAs層105内にある。Zn拡散領域2はpn接合を形成しない。Zn拡散領域2は、Ζn拡散領域1への電流パスとしての役割のみを果たす。
【0029】
上記Zn拡散領域1、Zn拡散領域2の拡散深さXj1、Χj2は、Χj1>Χj2でなければならないが、それぞれの値は作製するLEDアレイによって適当に定めることができる。
【0030】
GaAs層106の上には、選択拡散のための拡散マスク108がある。この拡散マスク108は層間絶縁膜としても機能している。拡散マスク108は例えば、SiΝ膜を使用することができる。拡散が良好に制御できれば、その他の膜、例えば、Al2O3、AlN等の絶縁膜であってもよい。このLEDアレイは絶縁膜の下の半導体は半絶縁性GaAs層であるので、絶縁膜にピンホールや傷などの欠陥が多少あっても絶縁膜上に延在しているp側電極109とn側半導体層との絶縁は十分確保できる。
【0031】
絶縁膜108上には、Zn拡散領域2表面とオーミックコンタクトを有するp側電極109がある。p側電極109は例えばAl系の材料で形成できる。拡散領域1表面には電極コンタクトは存在しない。
【0032】
p側電極109から供給される電流は、Ζn拡散領域2を通り、Zn拡散領域1へ供給される。すなわち、Zn拡散領域1の接合に電流が流れ、発光する。発光した光は、電極に遮蔽されることなく外部へ取り出される。
【0033】
一例として、Xj1=1.5μm、Χj2=1.0μmの場合を考える。Ζn拡散領域1とΖn拡散領域2のキャリア濃度を1×1020/cm3とした場合、Zn拡散領域の比抵抗は約2mΩcmで、拡散領域2の幅W2と長さL2をW2=10μm、L2=10μmとすると、Zn拡散領域2の抵抗は20Ωである。
【0034】
例えば、この端から3mAの電流を流したとすれば、電圧降下は60mVでLEDの接合抵抗の約3%であり、この程度の電圧降下はLEDの駆動上問題はない。電極がΖn拡散領域2の略全領域とコンタクトを有することを考えると、LEDを駆動する際の電圧降下はこれよりもさらに小さくなる。
【0035】
GaAs基板101の裏面にはn側電極110が共通電極として形成してある。n側電極は例えばAu合金を使用することができる。
【0036】
以下、上記LEDアレイの製造方法について説明する。
【0037】
図3〜図7は上記LEDアレイの製造方法を説明するための工程断面図である。
【0038】
Zn拡散領域1及びZn拡散領域2の形成方法を中心に説明する。
【0039】
まず、図3に示すように上述した半導体積層構造の半導体基板201上に拡散マスク膜202を形成し、Zn拡散領域1、Zn拡散領域2の形成予定領域に開口部203−1(拡散予定領域1)、開口部203−2(拡散予定領域2)を形成する。拡散マスクは例えば、ΑlΝ膜を使用することができる。
【0040】
次いで、図4に示すように少なくとも拡散予定領域2の開口部203−2を被覆し、開口部203−1は被覆しないような開口部204−1を有する拡散制御膜205を形成する。
【0041】
次いで、図5に示すように拡散源膜206とアニールキャップ膜207を膜付けする。その後、例えば、650℃で2時間、アニールを行う。アニール時間、温度は所望の拡散深さに応じて適宜調節することができる。この工程では基板の裏面にもアニールキャップを設けアニール時に裏面を保護するようにしてもよい(図示略)。
【0042】
次いで、図6に示すようにアニールキャップ膜207、拡散源膜206及び拡散制御膜をエッチング除去したのち、拡散領域2の表面にp側電極コンタクト208を形成する。
【0043】
p側電極形成は例えばAlをEB蒸着によって膜付けした後、標準的なフォトリソグラフィ、エッチングの手法により形成することができる。電極パターン形成後シンタして良好なオーミックコンタクトを形成する。Zn拡散領域1の横方向拡散領域も含めて光取り出し可能な領域を被覆しないようにp側電極コンタクトを形成する。
【0044】
次いで、基板裏面を研磨した後、鏡面仕上げを施した後に電極形成を行う。この工程では基板裏面をエッチングした後電極形成をしてもよい。図7に示すようにn型GaAs基板201裏面にn側電極209を形成する。例えば、AuGe/Ni/AuをEB蒸着し、シンタして良好なオーミックコンタクトを形成することができる。
【0045】
以上でLEDアレイが完成する。
【0046】
このように、Ζn拡散領域1は拡散源膜から直接拡散し、Zn拡散領域2は拡散制御膜を介して拡散するようにしたので、1回の拡散によって、n型半導体層に拡散フロントを有する拡散領域1とそれに連結した半絶縁性半導体層に拡散フロントを有するZn拡散領域2を形成できる。
【0047】
また、固相拡散によって拡散を行うので、拡散領域のZn濃度を容易に高くすることができ、拡散領域のシート抵抗を低くすることができる。
【0048】
以上説明したように、本実施形態に係るLEDアレイは、n型GaAs基板101の上にn型のGaAsバッファ層102を形成し、その上にn型のAlzGa1-zAs層103、n型のAlyGa1-yAs層104、半絶縁性のAlxGa1-xAs層105及び半絶縁性のGaAs層106を積層し、積層構造にはZnを拡散して形成したZn拡散領域107−1(Zn拡散領域1)、Zn拡散領域107−1に電気的に連結されて形成されたZn拡散領域107−2(Zn拡散領域2)を備えた構造とし、基板表面に半絶縁性半導体層を設け、pn接合を形成する拡散領域と連結した拡散領域を半絶縁性半導体領域内に形成するようにし、半絶縁性半導体領域に形成した拡散領域表面にp側電極コンタクトを形成し、pn接合領域に電極コンタクトで被覆する領域をなくしたので、電極コンタクトの被覆による光取り出し効率の制限がなくなり高発光効率のLEDが作製できる。
【0049】
また、1200dpi以上のような超高密度LEDアレイのように発光領域のサイズが小さくなっても発光領域が電極で被覆されることがないので発光効率の減少を防止できる。さらに、電極コンタクト面積も大きく取れるので、コンタクト抵抗の上昇やLEDアレイの特性ばらつきを防止できる。
【0050】
したがって、高発光効率の超高密度LEDアレイが可能である。
【0051】
なお、上記実施形態においてGaAs基板101は半絶縁性基板でもよい。また、GaAs層102、AlzGa1-zAs層103は半絶縁性であっでもよい。その場合には、n型AlyGa1-yAs層104とコンタクトを有するようなn側電極構造を形成すればよい。また、GaAs基板ではなく、Si基板でもよい。
【0052】
また、上記実施形態に係る発光素子アレイが、上述した構造をとるものであれば、どのような構成でもよく、その製造プロセス、基板の種類、アレイ等の個数、配置状態等は上記実施形態に限定されない。
【0053】
【発明の効果】
本発明に係る発光素子、発光素子アレイ及び発光素子の製造方法は、pn接合を有する第2導電型領域と連結した第2導電型領域が電流導通層として半絶縁性半導体層内に形成されており、半絶縁性半導体内に形成された第2導電型領域上にのみ第2導電型側の電極が形成されているので、LEDアレイにおける発光領域の電極被覆率による光取り出し効率の制限をなくすことができ、発光効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用した実施形態に係る半導体素子アレイの基本構造を示す図である。
【図2】図1のA−A′矢視断面図である。
【図3】上記発光素子アレイの製造方法を説明するための工程断面図である。
【図4】上記発光素子アレイの製造方法を説明するための工程断面図である。
【図5】上記発光素子アレイの製造方法を説明するための工程断面図である。
【図6】上記発光素子アレイの製造方法を説明するための工程断面図である。
【図7】上記発光素子アレイの製造方法を説明するための工程断面図である。
【図8】従来のLEDの構造を模式的に示す図である。
【符号の説明】
100 LED、101 n型GaAs基板、102 n型GaAsバッファ層、103 n型AlzGa1-zAs層、104 n型AlyGa1-yAs層、105 半絶縁性AlxGa1-xAs層、106 半絶縁性GaAs層、107−1 Zn拡散領域(Zn拡散領域1)、107−2 Zn拡散領域(Zn拡散領域2)、108 層間絶縁膜、109 p側電極、110 n側電極
Claims (10)
- 少なくとも第1導電型半導体層と、該第1導電型半導体層上に形成された半絶縁性半導体層とを有する基板に第2導電型の不純物によるpn接合が選択的に形成されている発光素子において、
該半絶縁性半導体層の上面側から該半絶縁性半導体層を経由して前記第1導電型半導体層内に至り、該第1導電型半導体層にpn接合を有する第1の第2導電型領域と、
該半絶縁性半導体層の上面側から該半絶縁性半導体層の内に前記第1導電型半導体層に届かない厚さに形成されると共に、該半絶縁性半導体層内で前記第1の第2の導電型領域に接続された第2の第2導電型領域からなる電流導通層と、
該半絶縁性半導体内に形成された前記第2の第2導電型領域上にのみ形成された第2導電型側の電極と
を有することを特徴とする発光素子。 - pn接合が形成されている第1導電型の半導体層のバンドギャップエネルギがその上層の半絶縁性の半導体層のバンドギャップエネルギよりも小さい
ことを特徴とする請求項1記載の発光素子。 - pn接合が形成されている第1の第1導電型半導体層に接した第2の第1導電型半導体層のバンドギャップエネルギが第1の第1導電型半導体層のバンドギャップエネルギよりも大きい
ことを特徴とする請求項1記載の発光素子。 - pn接合を形成する第1導電型半導体層として少なくともAlyGa1−yAs層(1>y≧0)を有する
ことを特徴とする請求項1記載の発光素子。 - 電流導通層が形成されている半絶縁性半導体層が少なくともGaAs層、AlxGa1−xAs層(1≧x≧0)またはGaAs/AlxGa1−xAs積層(1≧x>0)であることを特徴とする請求項1記載の発光素子。
- 前記第2導電型不純物は、Ζnであることを特徴とする請求項1の発光素子。
- 複数の発光素子を所定列に配置した発光素子アレイにおいて、
前記発光素子は、請求項1、2、3、4、5又は6の何れかに記載の発光素子である
ことを特徴とする発光素子アレイ。 - 少なくとも第1導電型半導体層と、該第1導電型半導体層上に形成された半絶縁性半導体層とを有する基板に第2導電型の不純物によるpn接合が選択的に形成されている発光素子の製造方法であって、
該半絶縁性半導体層の上面側から該半絶縁性半導体層を経由して前記第1導電型半導体層内に至り、該第1導電型半導体層にpn接合を有する第1の第2導電型領域と、該半絶縁性半導体層の上面側から該半絶縁性半導体層の内に前記第1導電型半導体層に届かない厚さに形成されると共に、該半絶縁性半導体層内で前記第1の第2導電型領域に接続された第2の第2導電型領域からなる電流導通層とを形成し、
半絶縁性半導体内に形成された前記第2の第2導電型領域上にのみ第2導電型側の電極を形成する
ことを特徴とする発光素子の製造方法。 - 第2導電型不純物拡散を選択的に行う半導体基板表面において拡散源膜に接する領域と拡散制御膜に接する領域を設け、1回の拡散で請求項8記載のpn接合及び電流導通層を形成する
ことを特徴とする発光素子の製造方法。 - 前記第2導電型不純物は、Znであり、Zn拡散を固相拡散によって行う
ことを特徴とする請求項8又は9の何れかに記載の発光素子の製造方法。
Priority Applications (2)
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