JPH1022523A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光出力が大きい半導体発光素子を提供する。 【構成】 ｎ−ＧａＡｓ半導体基板11の上面にｎ−Ｇａ
Ａｓ成長層12をエピタキシャル成長させる。このｎ−Ｇ
ａＡｓ成長層12の上面にエッチングで凸条と凹溝を交互
に形成する。凹凸が形成されたｎ−ＧａＡｓ成長層12の
上面にｐ−ＧａＡｓ層13およびｐ−ＡｌＧａＡｓ層14を
順次エピタキシャル成長させる。ｐ−ＡｌＧａＡｓ層14
内にｎ型イオンを注入してｎ型反転層15を形成する。ｐ
−ＡｌＧａＡｓ層14のｎ型反転層15が形成されていない
部分が電流通路領域17となる。ｐ−ＡｌＧａＡｓ層14の
上面にｐ側電極16を，ｎ−ＧａＡｓ半導体基板11の下面
にｎ側電極10をそれぞれ形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】この発明は半導体発光素子に関する。

【０００２】

【背景技術】図１６（Ａ）は内部に電流狭窄構造が形成
された従来の面発光型半導体発光素子の一例を示す平面
図である。図１６（Ｂ）は図１６（Ａ）のXVI −XVI 線
に沿う断面の端面図である。図１６（Ｂ）は作図の便宜
上および分かり易くするため，肉厚がかなり厚く強調し
て描かれている。

【０００３】面発光型半導体発光素子はｎ側電極100 ，
ｎ−ＧａＡｓ半導体基板101 ，ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ下部
クラッド層102 ，ｐ−ＩｎＧａＰ活性層103 ，ｐ−Ａｌ
ＧａＩｎＰ上部クラッド層104 ，ｐ−ＡｌＧａＡｓ電極
コンタクト層105 およびｐ側電極107 から構成されてい
る。ｎ型反転層106 はｐ−ＡｌＧａＡｓ電極コンタクト
層105 内にｎ型イオンを注入して形成される。ｐ−Ａｌ
ＧａＡｓ電極コンタクト層105 のｎ型反転層106 が形成
されていない部分が電流通路領域108 となる。

【０００４】ｐ側電極107 とｎ側電極100 との間に順方
向電圧を印加すると，ｎ型反転層106 の下面とｐ−Ａｌ
ＧａＡｓ電極コンタクト層105 との間のｐｎ接合が逆バ
イアスになるため，ｐ側電極107 からの電流はｎ型反転
層106 に囲まれた電流通路領域108 にのみ流れる。ｐ−
ＩｎＧａＰ活性層103 の電流通路領域108 に対応する部
分（中央部）にのみ電流が流れ，ｐ−ＩｎＧａＰ活性層
103 のこの部分が励起されて光を発生する。ｐ−ＩｎＧ
ａＰ活性層103 で発生した光は光取出し口109から外部
へ出射する。

【０００５】ｐ−ＩｎＧａＰ活性層103 と光取出し口10
9 との間に電流狭窄構造を設けることによって，光取出
し口109 の真下に電流を集中して流すことが可能とな
る。これにより半導体発光素子の発光領域を小さくで
き，ｐ−ＩｎＧａＰ活性層103 の発光効率を高めること
ができる。

【０００６】一般に半導体発光素子のｐｎ接合面近傍で
再結合発光できるキャリアの数には限度がある。限度を
超えてキャリアを注入した場合は，余ったキャリアは発
光することなく再結合してしまう。すなわち，単位ｐｎ
接合面積当りに流れる電流（電流密度）がある一定値を
超えると，それ以上電流を増やしても光出力は増加しな
くなる。

【０００７】電流狭窄構造によって電流の通路を非常に
狭くした場合，ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ下部クラッド層102
とｐ−ＩｎＧａＰ活性層103 とのｐｎ接合面のうち電流
が通る部分の面積も当然小さくなる。電流をさらに増や
すと，上述した電流密度の限界値をすぐに超えてしま
い，余ったキャリアはｐ−ＡｌＧａＩｎＰ上部クラッド
層104 の方に溢れてしまう。溢れたキャリアは発光する
ことなく再結合するため，さらに多くの電流を流しても
光出力は増加しなくなる。

【０００８】

【発明の開示】この発明は光出力が大きい半導体発光素
子を提供することを目的とする。

【０００９】この発明による半導体発光素子は，ｐｎ接
合を有する半導体発光素子において，上記ｐｎ接合の接
合面のうち少なくとも電流通路にあたる部分に凹凸が形
成されていることを特徴とする。

【００１０】ｐｎ接合面に凹凸を形成することによって
接合面積を広くすることができる。接合面が平坦である
場合に比べて凹凸を形成したときの方が，発光素子に同
じ量の電流を流したときの電流密度が小さくなる。同じ
電流密度とするためにはさらに多くの電流を流すことが
でき，これによって光出力を増大させることができる。

【００１１】好ましくは，電流通路を限定する電流狭窄
構造が上記半導体発光素子内に形成される。

【００１２】光取出し口の真下に電流を集中して流すこ
とができるので，半導体発光素子の発光効率を高めるこ
とができる。この電流狭窄構造は，イオン注入による反
転層や，抵抗層，絶縁層等を半導体発光素子内に形成す
ることによってによって実現される。

【００１３】この発明はｐｎホモ接合のみならず，ｐ型
またはｎ型の活性層をｐ型およびｎ型のクラッド層で挟
んだダブルヘテロ接合構造の半導体発光素子にも適用す
ることができる。

【００１４】ダブルへテロ接合構造によって電子の閉込
め効果が高まり，発光効率がさらに向上する。

【００１５】ｐｎ接合面に形成される凹凸には，次のよ
うなものがある。

【００１６】その１は，凹凸が平行に延びる複数の凸条
または凹溝によって形成される。

【００１７】その２は，凹凸が複数個の六角柱状の凸部
から形成される。この凸部は好ましくは六角形の頂点お
よび中心に相当する位置に配置させる。

【００１８】その３は，行，列方向に規則正しく，また
は六角形の頂点および中心の位置に配置された複数個の
円柱または四角柱状の凸部によって形成される。これら
の凸部はその形成が簡単で，その後の半導体層の成長プ
ロセスが行いやすいという利点がある。複数の凸部をラ
ンダムな配置としてもよい。

【００１９】大きな光出力を得るためには，多数の凹凸
を密接して形成することが好ましい。また電流狭窄構造
の場合は，必ずしもｐｎ接合面全体に凹凸を形成する必
要はなく，電流が流れる部分にのみ形成すればよい。

【００２０】この発明の一実施態様においては，半導体
基板上に凹凸を形成し，この半導体基板上にｐ層および
ｎ層を積層することによって，上記ｐｎ接合面の凹凸が
形成される。

【００２１】半導体基板の上面に凹凸が形成されている
ので，この半導体基板の上にｐ層およびｎ層を形成する
だけで，ｐｎ接合面に凹凸を形成することができる。

【００２２】（１００）ＧａＡｓ半導体基板上にＩｎＧ
ａＰ層を成長する場合に，半導体基板上に凹凸を形成す
ることによって自然超格子の形成が抑制されるので，発
光効率の低下や発光波長の長波長化を未然に防止するこ
とができる。

【００２３】この発明による半導体発光素子は発光領域
を小さくすることができる上に光出力が大きいので，距
離測定装置，バーコード・リーダ，フォト・カプラ（光
結合装置），投光器等の光学装置に適用することがで
き，これによって，分解能等の光学的性能が良好とな
る。

【００２４】

【実施例】

第１実施例 図１は第１実施例による半導体発光素子を模式的に示す
断面端面図である。第１実施例はｐｎホモ接合構造の半
導体発光素子の例である。

【００２５】図１において，作図の便宜上および分り易
くするために，肉厚がかなり厚く強調して描かれてい
る。このことは後に説明する他の実施例の断面図におい
ても同じである。

【００２６】半導体発光素子は，ｎ−ＧａＡｓ半導体基
板11，ｎ−ＧａＡｓ成長層12，ｐ−ＧａＡｓ層13および
ｐ−ＡｌＧａＡｓ層14から構成され，ｎ−ＧａＡｓ半導
体基板11の下面にｎ側電極10が，ｐ−ＡｌＧａＡｓ層14
の上面に中央部（光取出し口18）を除いてｐ側電極16が
形成されている。さらにｐ−ＡｌＧａＡｓ層14にはｎ型
反転層（電流狭窄層）15が中央部分を除いて設けられて
いる。

【００２７】この半導体発光素子の製造工程について説
明する。まず分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法や有機
金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などを用いて，ｎ−Ｇａ
Ａｓ半導体基板11の上面にｎ−ＧａＡｓ成長層12をエピ
タキシャル成長させる。次にｎ−ＧａＡｓ成長層12の上
面にエッチングで凹凸（凹溝と凸条）を形成する。図２
（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）および（Ｄ）はｎ−ＧａＡｓ成
長層12の上面に凹凸を形成するプロセスを示す斜視図で
ある。

【００２８】まずフォトリソグラフ工程によって，ｎ−
ＧａＡｓ成長層12の上面に，複数本の細長い線状レジス
ト・パターンを一定間隔をおいて平行に並べて形成する
（図２（Ａ））。硫酸と過酸化水素水を混合したエッチ
ャントにｎ−ＧａＡｓ成長層12の上面側を浸漬して，異
方性エッチングを行う。線状レジスト・パターンの幅は
かなり狭いので，ｎ−ＧａＡｓ成長層12の上面には，凹
溝と凸条が交互に繰返す断面が鋸歯状の凹凸が形成され
る（図２（Ｂ））。ｎ−ＧａＡｓ成長層12の上面からこ
の線状レジスト・パターンを除去する（図２（Ｃ））。
最後にｎ−ＧａＡｓ成長層12の上面全体を再度軽くエッ
チングすることによって，ｎ−ＧａＡｓ成長層12の上面
に形成された凹溝と凸条はなめらかな波型の断面になる
（図２（Ｄ））。

【００２９】図１に戻って，凹凸が形成されたｎ−Ｇａ
Ａｓ成長層12の上面にｐ−ＧａＡｓ層13およびｐ−Ａｌ
ＧａＡｓ層14を順次エピタキシャル成長させる。

【００３０】ｐ−ＡｌＧａＡｓ層14の上面の光取出し口
18を形成すべき領域を含み，それよりも若干広い領域
（中央部）に，レジスト・パターンを形成する。このレ
ジスト・パターンをマスクとして，ｐ−ＡｌＧａＡｓ層
14の厚さ方向の中央部にＳｉイオンを注入する。ｐ型半
導体層にＳｉイオンを注入すると，注入した部分はｎ型
になるので，ｐ−ＡｌＧａＡｓ層14内にｎ型の反転層
（電流狭窄層）15が形成される。ｎ型反転層15とその下
部にあるｐ−ＡｌＧａＡｓ層14とによってｐｎ構造がで
きる。ｎ型反転層15が形成されていない部分が電流の通
路領域17となる。

【００３１】ｐ−ＡｌＧａＡｓ層14の上面からレジスト
・パターンを除去する。ｐ−ＡｌＧａＡｓ層14の上面の
電流通路領域17の真上にあたる箇所（光取出し口18とな
るべき部分）にレジスト・パターンを形成する。ｐ−Ａ
ｌＧａＡｓ層14の上面にＡｕＺｎ等のＡｕ系合金材料を
蒸着して，ｐ側電極16を形成する。この後，レジスト・
パターンを除去する。最後にｎ−ＧａＡｓ半導体基板11
の下面にＡｕＧｅ等のＡｕ系合金材料を蒸着して，ｎ側
電極10を形成する。

【００３２】ｐ側電極16とｎ側電極10との間に順方向電
圧を加えると，ｎ型反転層15の下面とｐ−ＡｌＧａＡｓ
層14との間のｐｎ接合が逆バイアスになるため，ｐ側電
極16から注入された電流はｎ型反転層15に囲まれた電流
通路領域17にのみ流れる。ｎ−ＧａＡｓ成長層12とｐ−
ＧａＡｓ層13とのｐｎ接合部の電流通路領域17に対応す
る部分（中央部）にのみ電流が流れ，この部分において
光が発生する。発生した光は，光取出し口18から外部へ
出射する。

【００３３】図３（Ａ）および（Ｂ）は，ｎ−ＧａＡｓ
成長層とｐ−ＧａＡｓ層とのｐｎ接合部における電子の
流れを表わすバンドギャップ図である。図３（Ａ）は接
合面が平坦な場合（従来例）を，図３（Ｂ）は接合面に
凹凸が形成されている場合（図１に示す第１実施例）を
それぞれ示している。

【００３４】半導体発光素子のｐｎ接合部近傍で再結合
発光できるキャリアの数には限度がある。ｐｎ接合部に
おける電流密度がある一定値を超えると，キャリアは発
光しないで再結合してしまうため，光出力はそれ以上増
加しなくなる。ｎ−ＧａＡｓ成長層12の上面に凹凸を形
成すると，平坦な場合に比べてｐｎ接合部の面積が大き
くなるので，電流密度を同じ値に保ってもより多くの電
流を流すことができるようになる。この結果より高い光
出力を得ることができる。

【００３５】第２実施例 図４は第２実施例による面発光型半導体発光素子の構造
を模式的に示す断面端面図である。第２実施例はダブル
ヘテロ接合構造の半導体発光素子の例である。

【００３６】第２実施例による半導体発光素子は，ｎ−
ＧａＡｓ半導体基板21，ＡｌＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多層反
射膜層22，ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ下部クラッド層23，ｐ−
ＩｎＧａＰ活性層24，ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ上部クラッド
層25およびｐ−ＡｌＧａＡｓ電極コンタクト層26から構
成され，ｎ−ＧａＡｓ半導体基板21の下面にｎ側電極20
が，ｐ−ＡｌＧａＡｓ電極コンタクト層26の上面に中央
部（光取出し口30）を除いてｐ側電極28が形成されてい
る。さらにｐ−ＡｌＧａＡｓ電極コンタクト層26には高
抵抗層（電流狭窄層）27が中央部分を除いて設けられて
いる。

【００３７】この半導体発光素子の製造工程について説
明する。まずＭＢＥ法やＭＯＣＶＤ法などを用いること
によって，ｎ−ＧａＡｓ半導体基板21の上面に薄いＡｌ
Ａｓ層と薄いＡｌ_x Ｇａ_1-x Ａｓ層とを交互に多数積層
して多層反射膜（ＤＢＲ）層22を形成する。好ましく
は，ｘ＝０．４５で３０ペア程度積層する。ＡｌＡｓ層
はＡｌ_y Ｇａ_1-y Ａｓ層（ただし，１＞ｙ＞ｘ）として
もよい。また積層数が多いほど反射率が高くなるので，
３０ペア以上積層してもよいのはいうまでもない。

【００３８】次にＡｌＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多層反射膜層
22の上面に，ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ下部クラッド層23をエ
ピタキシャル成長させる。このｎ−ＡｌＧａＩｎＰ下部
クラッド層23の上面に，エッチングによって複数の凸部
を形成する。図５はこの凸部の形状を示す斜視図であ
る。

【００３９】ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ下部クラッド層23の上
面の光取出し口30の真下にあたる箇所（中央部）に，複
数個の六角形のマスクを正六角形の頂点および中心にあ
たる位置に配列で形成する（隣接する六角形マスクの対
応する辺の間の間隔は等しい）。ドライエッチングまた
はウエットエッチングによって，ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ下
部クラッド層23の上面からマスクが形成されていない部
分を垂直に削り取る。ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ下部クラッド
層23の上面には，複数個の六角柱状の凸部が形成され
る。

【００４０】六角柱状の凸部が形成されたｎ−ＡｌＧａ
ＩｎＰ下部クラッド層23の上面に，ｐ−ＩｎＧａＰ活性
層24，ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ上部クラッド層25およびｐ−
ＡｌＧａＡｓ電極コンタクト層26を順次エピタキシャル
成長させる。

【００４１】ｐ−ＡｌＧａＡｓ電極コンタクト層26の上
面の光取出し口30を形成すべき領域を含み，それよりも
若干広い領域に，レジスト・パターンを形成する。この
レジスト・パターンをマスクとして，ｐ−ＡｌＧａＡｓ
電極コンタクト層26の厚さ方向の中央部にＨイオンを注
入する。ｐ−ＡｌＧａＡｓ電極コンタクト層26内には高
抵抗層（電流狭窄層）27が形成される。ｐ−ＡｌＧａＡ
ｓ電極コンタクト層26の高抵抗層27が形成されていない
部分が電流通路領域29となる。

【００４２】ｐ−ＡｌＧａＡｓ電極コンタクト層26の上
面からレジスト・パターンを除去する。ｐ−ＡｌＧａＡ
ｓ電極コンタクト層26の上面の電流通路領域29の真上に
あたる箇所（光取出し口30となるべき部分）にレジスト
・パターンを形成する。ｐ−ＡｌＧａＡｓ電極コンタク
ト層26の上面にＡｕＺｎ等のＡｕ系合金材料を蒸着し
て，ｐ側電極28を形成する。この後，レジスト・パター
ンを除去する。最後にｎ−ＧａＡｓ半導体基板21の下面
にＡｕＧｅ等のＡｕ系合金材料を蒸着して，ｎ側電極20
を形成する。

【００４３】ｐ側電極28とｎ側電極20との間に順方向電
圧を印加すると，ｐ側電極28からの電流は高抵抗層27に
囲まれた電流通路領域29にのみ流れる。ｐ−ＩｎＧａＰ
活性層24の電流通路領域29に対応する領域（中央部）に
のみ電流が流れ，この部分において光が発生する。発生
した光は光取出し口30から外部へ出射する。

【００４４】ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ下部クラッド層23の上
面に凸部を形成することにより，平坦な場合に比べてｐ
ｎ接合部の面積が大きくなるので，電流密度を同じ値に
保ってもより多くの電流を流すことができるようにな
る。この結果より高い光出力を得ることができる。

【００４５】ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ下部クラッド層23の上
面に形成される凸部は，他の形状のものでもよい。たと
えば図６に示すような四角柱状の凸部や，図７に示すよ
うな円柱状の凸部を複数個形成してもよい。これらの形
状は凹凸の形成が簡単で，その後の再成長プロセスが行
いやすいという利点がある。

【００４６】大きな光出力を得るためには，多数の凸部
を密接して配置することが好ましい。凸部が六角形の頂
点およびその中心に位置する図５に示す配列が最も効果
的である。図６および図７に示すように行，列方向に規
則正しく配列したり，ランダムに配列することもでき
る。

【００４７】第３実施例 図８は第３実施例による半導体発光素子の構造を模式的
に示す断面端面図である。第３実施例は半導体基板上に
あらかじめ凹凸を形成した例である。

【００４８】第３実施例による半導体発光素子は，ｎ−
ＧａＡｓ半導体基板41，ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ下部クラッ
ド層42，ｐ−ＩｎＧａＰ活性層43，ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ
上部クラッド層44およびｐ−ＡｌＧａＡｓ電極コンタク
ト層45から構成されている。ｎ−ＧａＡｓ半導体基板41
の下面には，ｎ側電極40が形成されている。ｐ−ＡｌＧ
ａＡｓ電極コンタクト層45の上面には，中央部を除いて
絶縁層（電流狭窄層）46が設けられている。コンタクト
層45の中央部の光取出し口49の部分を除いて，絶縁層46
の上面全体および光取出し口49の周縁の部分にｐ側電極
47が形成されている。

【００４９】この半導体発光素子の製造工程について説
明する。まず面方位が（１００）のｎ−ＧａＡｓ半導体
基板41の上面に，エッチングによって凹溝と凸条とが交
互に繰返す断面鋸歯状の凹凸を形成する。図９（Ａ），
（Ｂ）および（Ｃ）はｎ−ＧａＡｓ半導体基板41の上面
に凹凸を形成するプロセスを示す斜視図である。

【００５０】まず（１００）半導体基板41の上面に，一
定間隔において平行に並ぶ細長い線状レジスト・パター
ンを形成する（図９（Ａ））。硫酸と過酸化水素水を混
合したエッチャントに（１００）半導体基板41の上面側
を浸漬して，異方性エッチングを行う。（１００）半導
体基板41の上面には，断面鋸歯状の平行に並ぶ複数の鋸
歯凹溝が形成される（図９（Ｂ））。最後に（１００）
半導体基板41の上面からレジスト・パターンを除去する
（図９（Ｃ））。

【００５１】図８に戻って，凹凸が形成されたｎ−Ｇａ
Ａｓ半導体基板41の上面に，ＭＢＥ法やＭＯＣＶＤ法な
どを用いることによって，ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ下部クラ
ッド層42，ｐ−ＩｎＧａＰ活性層43，ｐ−ＡｌＧａＩｎ
Ｐ上部クラッド層44およびｐ−ＡｌＧａＡｓ電極コンタ
クト層45を順次エピタキシャル成長させる。ｎ−ＧａＡ
ｓ半導体基板41の上面に形成された凸条の頂点と凹溝の
底との間の高低差が比較的大きいため，この上に積層さ
れたｎ−ＡｌＧａＩｎＰ下部クラッド層42の上面にも凹
凸が形成される。

【００５２】ｐ−ＡｌＧａＡｓ電極コンタクト層45の上
面全体にＳｉＯ₂ 絶縁層46を形成する。光取出し口49を
形成すべき領域を含み，それよりも若干広い領域を残し
て，ＳｉＯ₂ 絶縁層46の上面にマスクを形成する。エッ
チングによってＳｉＯ₂ 絶縁層46のマスクが形成されて
いない部分を削り取り，光取出し口49を形成する。Ｓｉ
Ｏ₂ 絶縁層46の上面からマスクを除去する。

【００５３】ｐ−ＡｌＧａＡｓ電極コンタクト層45の上
面の光取出し口49を形成すべき領域にレジスト・パター
ンを形成する。このレジスト・パターンおよびＳｉＯ₂
絶縁層46を含むｐ−ＡｌＧａＡｓ電極コンタクト層45の
上面にＡｕＺｎ等のＡｕ系合金材料を蒸着して，ｐ側電
極47を形成する。この後，レジスト・パターンを除去す
る。ｐ側電極47の光取出し口49の周囲にあたる部分はｐ
−ＡｌＧａＡｓ電極コンタクト層45の上面に電気的に接
続される。最後にｎ−ＧａＡｓ半導体基板41の下面にＡ
ｕＧｅ等のＡｕ系合金材料を蒸着して，ｎ側電極40を形
成する。

【００５４】ｎ−ＧａＡｓ半導体基板41の上面に凹溝と
凸条が交互に繰返しを形成しているので，この半導体基
板41の上にｎ−ＡｌＧａＩｎＰ下部クラッド層42および
ｐ−ＩｎＧａＰ活性層43を順次エピタキシャル成長させ
るだけで，ｐｎ接合面の面積を広くすることができる。

【００５５】ｎ−ＧａＡｓ半導体基板41の上面に形成さ
れる凹溝または凸条は，図９に示したものに限らず，た
とえば断面が台形状のものであってもよい。平行に並ぶ
台形状の凸条を形成するためには，巾の広い線状レジス
ト・パターン形成し，これをマスクとしてエッチングす
ればよい。

【００５６】ｎ−ＧａＡｓ半導体基板41の上面には，図
１０に示すように四角錐状の凸部を規則正しく（または
ランダムに）配置してもよい。四角錐状の凸部を形成す
るためには，小さなマスクを規則正しくｎ−ＧａＡｓ半
導体基板41の上に形成し（図10(A) ），塩酸と過酸化水
素水とを混合したエッチャントを用いてエッチングを行
い（図10(B) ），最後にマスクを除去すればよい（図10
(C) ）。

【００５７】第４実施例 図１１は第４実施例による半導体発光素子の構造を模式
的に示す断面端面図である。第４実施例は半導体基板の
上面に多数のランダムな大小の突起を形成した例であ
る。

【００５８】第４実施例による半導体発光素子は，ｎ−
ＧａＡｓ半導体基板51，ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ下部クラッ
ド層52，ｐ−ＩｎＧａＰ活性層53，ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ
上部クラッド層54，ｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層55およ
びｐ−ＧａＡｓ電極コンタクト層57から構成され，ｎ−
ＧａＡｓ半導体基板51の下面にｎ側電極50が，ｐ−Ｇａ
Ａｓ電極コンタクト層57の上面に中央部（光取出し口6
0）を除いてｐ側電極58が形成されている。さらにｐ−
ＡｌＧａＡｓ電流拡散層55にはｎ−ＡｌＧａＡｓ電流阻
止層（電流狭窄層）56が中央部分を除いて設けられてい
る。

【００５９】この半導体発光素子の製造工程について説
明する。まずリン酸と過酸化水素水の混合液や，水酸化
ナトリウムと過酸化水素水の混合液などの非鏡面エッチ
ャントを用いて，ｎ−ＧａＡｓ半導体基板51の上面をエ
ッチングする。鏡面だったｎ−ＧａＡｓ半導体基板51の
上面には，ランダムな大小の突起（およびその周囲に凹
部）が形成される。多数の突起は種々な面方位を持って
いる。

【００６０】突起が形成されたｎ−ＧａＡｓ半導体基板
51の上面に，ＭＢＥ法やＭＯＣＶＤ法などを用いること
によって，ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ下部クラッド層52，ｐ−
ＩｎＧａＰ活性層53，ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ上部クラッド
層54，ｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層55，ｎ−ＡｌＧａＡ
ｓ電流阻止層56およびｐ−ＧａＡｓ電極コンタクト層57
を順次エピタキシャル成長させる。ｎ−ＧａＡｓ半導体
基板51の上面に形成される突起とその周囲の凹部との高
低差は比較的大きいため，この上に成長されるｎ−Ａｌ
ＧａＩｎＰ下部クラッド層52，ｐ−ＩｎＧａＰ活性層5
3，ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ上部クラッド層54，ｐ−ＡｌＧ
ａＡｓ電流拡散層55，ｎ−ＡｌＧａＡｓ電流阻止層56お
よびｐ−ＧａＡｓ電極コンタクト層57の全ての表面に凹
凸が形成される。

【００６１】ｐ−ＧａＡｓ電極コンタクト層57の上面の
光取出し口60を形成すべき領域を含み，それよりも若干
広い領域から，ｎ−ＡｌＧａＡｓ電流阻止層56に達する
ように厚さ方向にＺｎを拡散する。ｎ型領域にＺｎを拡
散すると，拡散した部分のみがｐ型になるので，ｐ−Ａ
ｌＧａＡｓ電流拡散層55のｎ−ＡｌＧａＡｓ電流阻止層
56が形成されていない部分（Ｚｎを拡散した部分）が電
流通路領域59となる。

【００６２】ｐ−ＧａＡｓ電極コンタクト層57の上面の
電流通路領域59の真上にあたる箇所（光取出し口60を形
成すべき部分）にレジスト・パターンを形成する。ｐ−
ＧａＡｓ電極コンタクト層57の上面にＡｕＺｎ等のＡｕ
系合金材料を蒸着してｐ側電極58を形成する。この後，
レジスト・パターンを除去する。最後にｎ−ＧａＡｓ半
導体基板51の下面にＡｕＧｅ等のＡｕ系合金材料を蒸着
して，ｎ側電極50を形成する。

【００６３】ｐ側電極58とｎ側電極50との間に順方向電
圧を加えると，ｎ−ＡｌＧａＡｓ電流阻止層56の下面と
ｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層55との間のｐｎ接合が逆バ
イアスになるため，ｐ側電極58から注入された電流はｎ
−ＡｌＧａＡｓ電流阻止層56に囲まれた電流通路領域
（Ｚｎを拡散した領域）59にのみ流れる。ｐ−ＩｎＧａ
Ｐ活性層53の電流通路領域59に対応する領域にのみ電流
が流れ，この部分において光が発生する。発生した光は
光取出し口60から外部へ出射する。

【００６４】非鏡面エッチャントを用いてエッチングす
ることにより，ｎ−ＧａＡｓ半導体基板51の上面に多数
のランダムな大小の突起および凹部を容易に形成するこ
とができる。またｐ−ＧａＡｓ電極コンタクト層57の上
面の光出射面（光取出し口60に対応する部分）にまで凹
凸が形成されているため，光出射面での戻り反射光が低
減され，光出力が向上する。

【００６５】（１００）ＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＰ層
を成長した場合，ＩｎＧａＰ層は自然にＧａＰとＩｎＰ
の超格子に分かれてしまい，発光効率の低下や発光波長
の長波長化が生じることが知られている。上述した第３
実施例および第４実施例のように（１００）ＧａＡｓ基
板41，51上に凹凸を形成することによって，この現象の
発生を未然に防止することができる。

【００６６】半導体材料はＡｌＧａＡｓ系にとらわれな
いのはいうまでもない。またｐ，ｎ導電型は上記実施例
のものと逆でもよい。

【００６７】応用例 面発光型半導体発光素子は，上述のようにほぼ均一な光
強度を有しかつ高出力の光を出射することができ，さら
に小さな光取出し口を形成することにより発光径を小さ
くすることができる。このため，この発明による面発光
型半導体発光素子を種々の光学機器，光検出装置，光情
報処理装置等に応用することができる。

【００６８】図１２は，面発光型半導体発光素子を用い
た投光器を示している。

【００６９】半導体発光素子61はリードフレーム62の取
付片に固定されている。発光素子60の下面電極がリード
フレーム62に電気的に接続されている。発光素子60の上
面電極は別のリードフレーム63にワイヤによって電気的
に接続されている。半導体発光素子61，リードフレーム
62の取付片，リードフレーム63の上部およびワイヤはモ
ールド樹脂64内に封止されている。モールド樹脂64の前
面にはフレネル・レンズ65が形成され，このフレネル・
レンズ65によって半導体発光素子61の出射光が集光され
る，またはコリメートされる。

【００７０】モールド樹脂64のフレネル・レンズ65が形
成されている前面の両側部分には，突部64ａが設けられ
ている。突部64ａは，フレネル・レンズ61を保護するた
めのものであり，フレネル・レンズ65の円環状突部と同
じ高さまたはそれよりも少し突出するように形成されて
いる。

【００７１】半導体発光素子60は，ほぼ均一な光強度を
有しかつ高い出力の光を出射することができる。このた
め半導体発光素子61を用いた投光器も同様に，ほぼ均一
な強度をもつ，高出力の光を出射する。

【００７２】図１３は面発光型半導体発光素子を備えた
バーコード・リーダを示している。

【００７３】このバーコード・リーダは，半導体発光素
子70，投光側集光レンズ71，回転多面鏡72，モータ73，
走査レンズ74，受光側レンズ75および受光素子76を備え
ている。

【００７４】半導体発光素子70の出射光は，投光側集光
レンズ71によって集光され，回転多面鏡72に入射する。
回転多面鏡72からの反射光は，走査レンズ74を通って投
射される。回転多面鏡72はモータ73によって一方向に一
定速度で回転駆動される。鏡面が多面体であって一方向
に一定速度で回転しているので，走査レンズ74からの投
射光はバーコードａ上を走査する。

【００７５】バーコードａからの反射光は，受光側集光
レンズ75によって集光され，受光素子76に入射する。受
光素子76の受光信号が信号処理装置（図示略）に与えら
れる。信号処理装置はバーコードａの認識，その他の信
号処理を行う。

【００７６】面発光型半導体素子70は発光径の小さい高
出力の光を出射することができる（約１０μｍ）。発光
径がバーコードの線幅の最小値（０．２ｍｍ）よりも小
さいので，どのような幅のバーコードも高精度に読み取
ることができる。

【００７７】図１４は面発光型半導体発光素子を備えた
光学式距離センサの概略図を示している。

【００７８】この光学式距離センサは，面発光型半導体
発光素子80およびコリメートレンズ81からなる投光部
と，受光側レンズ82および位置検出素子83からなる受光
部とから構成されている。投光部と受光部はケース85内
に収められている。投光部からの投射光はケース85にあ
けられた出射窓86から被測定物ｂに向けて投射される。
被測定物ｂからの反射光はケース85にあけられた受光窓
87から受光部の位置検出素子83に入射する。

【００７９】ケース85から被測定物までの距離または被
測定物ｂの変位量は三角測量の原理を用いて測定され
る。すなわち，被測定物ｂからの反射光が位置検出素子
83に入射する位置が被測定物ｂの位置に応じて変化する
ので，位置検出素子83の出力信号に基づいて距離または
変位量が算出される。

【００８０】半導体発光素子80は，発光径の小さい，高
出力の光を出射する。被測定物ｂに投射されるビームス
ポットの径が小さくなることにより分解能が向上し，精
度のよい距離検出を行うことができる。また高い出力の
光が出射されるので，長い距離にわたる検出を行うこと
が可能となる。

【００８１】図１５は，面発光型半導体発光素子を備え
たフォトカプラを示している。（Ａ）はケースの一部を
欠除して示す斜視図，（Ｂ）はケースの水平断面図であ
る。

【００８２】半導体発光素子90はリードフレーム92の取
付片に取付けられ，その下面電極がリードフレーム92に
電気的に接続されている。発光素子90の上面電極は別の
リードフレーム91とワイヤによって電気的に接続されて
いる。フォト・ダイオード98はリードフレーム93の取付
片に取付けられ，その下面電極がリードフレーム93に電
気的に接続されている。フォト・ダイオード98の上面電
極は別のリードフレーム94とワイヤによって電気的に接
続されている。半導体発光素子90，フォト・ダイオード
98，リードフレーム92および93の取付片，リードフレー
ム91および94の上部ならびにワイヤはケース95内に封止
されている。リードフレーム91，92，93および94の下端
部がケース95の外部に出ている。

【００８３】ケース95は楕円球状に形成され，その内面
には反射膜96が形成されている。好ましくは，ケース95
の材料には透明エポキシ樹脂が用いられる。半導体発光
素子90とフォト・ダイオード98とは，ケース95によって
形成された楕円の焦点位置にそれぞれ配置されている。

【００８４】リードフレーム91および92に与えられる電
気信号によって半導体発光素子90が駆動され，半導体発
光素子90が発光する。半導体発光素子90から出射された
光は，ケース95の内面の反射膜96によって反射される。
その反射光はフォト・ダイオード98の受光面に入射す
る。フォト・ダイオード98は，光信号を再び電気信号に
変換し，リードフレーム93および94を通して外部に出力
する。

【００８５】このように半導体発光素子90に入力された
電気信号は，光信号に変換されたのち，再び電気信号に
変換され外部に出力されるので，入力信号と出力信号は
電気的に絶縁される。このようなフォトカプラは高圧回
路の制御等に用いられる。

【００８６】フォトカプラにおいて，発光素子とフォト
・ダイオードとの光結合効率は発光素子の発光径と光強
度に強く依存する。半導体発光素子90は，上述したよう
に，発光径を小さくすることができ，高出力の光を出射
することができるので，高い結合効率を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例による半導体発光素子を模式的に示
す断面端面図である。

【図２】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）および（Ｄ）はｎ−Ｇ
ａＡｓ成長層の上面に凸条と凹溝を形成するプロセスを
示す斜視図である。

【図３】ｐｎ接合面における電子の流れを表わすバンド
ギャップ図で，（Ａ）は接合面が平坦に形成されている
場合を，（Ｂ）は接合面に凹凸が形成されている場合を
それぞれ示す。

【図４】第２実施例による半導体発光素子を模式的に示
す断面端面図である。

【図５】ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ下部クラッド層の上面に形
成される凸部の例を示す斜視図である。

【図６】ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ下部クラッド層の上面に形
成される凸部の他の例を示す斜視図である。

【図７】ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ下部クラッド層の上面に形
成される凸部のさらに他の例を示す斜視図である。

【図８】第３実施例による半導体発光素子を模式的に示
す断面端面図である。

【図９】（Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）はｎ−ＧａＡｓ半
導体基板の上面に凸条と凹溝を形成するプロセスを示す
斜視図である。

【図１０】（Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）はｎ−ＧａＡｓ
半導体基板の上面に凸部を形成する他のプロセスを示す
斜視図である。

【図１１】第４実施例による半導体発光素子を模式的に
示す断面端面図である。

【図１２】面発光型半導体発光素子を用いた投光器を示
す。

【図１３】面発光型半導体発光素子を備えたバーコード
・リーダを示す。

【図１４】面発光型半導体発光素子を備えた光学式距離
センサの概略図である。

【図１５】面発光型半導体発光素子を備えたフォトカプ
ラを示し，（Ａ）はケースの一部を欠除して示す斜視
図，（Ｂ）はケースの水平断面図である。

【図１６】（Ａ）は従来の半導体発光素子の一例を示す
平面図，（Ｂ）は（Ａ）のXVI −XVI 線に沿う断面の端
面図である。

【符号の説明】

10，20，40，50 ｎ側電極 11，21，41，51 ｎ−ＧａＡｓ半導体基板 12 ｎ−ＧａＡｓ成長層 13 ｐ−ＧａＡｓ層 14，26，45，55 ｐ−ＡｌＧａＡｓ層 15，27，46，56 電流狭窄層 16，28，47，58 ｐ側電極 17，29，48，59 電流通路領域 18，30，49，60 光取出し口 22 ＡｌＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多層反射膜層 23，42，52 ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ下部クラッド層 24，43，53 ｐ−ＩｎＧａＰ活性層 25，44，54 ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ上部クラッド層 57 ｐ−ＧａＡｓ層

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｐｎ接合を有する半導体発光素子におい
   て，上記ｐｎ接合の接合面のうち少なくとも電流通路に
   あたる部分に凹凸が形成されていることを特徴とする半
   導体発光素子。
2. 【請求項２】 電流通路を限定するための電流狭窄構造
   が設けられていることを特徴とする，請求項１に記載の
   半導体発光素子。
3. 【請求項３】 上記ｐｎ接合の接合面が，ｐ型またはｎ
   型の活性層をｐ型およびｎ型のクラッド層で挟んだダブ
   ルヘテロ接合の一方の接合面であることを特徴とする，
   請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 【請求項４】 上記凹凸が，平行に延びる複数本の凸条
   または凹溝によって形成されている，請求項１から３の
   いずれか一項に記載の半導体発光素子。
5. 【請求項５】 上記凹凸が，六角形の頂点およびその中
   心に配置された複数個の六角柱状の凸部によって形成さ
   れている，請求項１から３のいずれか一項に記載の半導
   体発光素子。
6. 【請求項６】 上記凹凸が，行，列方向に規則正しく，
   または六角形の頂点およびその中心に配置された複数個
   の円柱または四角柱状の凸部によって形成されている，
   請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体発光素
   子。
7. 【請求項７】 半導体基板上に凹凸を形成し，この半導
   体基板上にｐ層およびｎ層を積層することによって，上
   記ｐｎ接合面に上記凹凸が形成されていることを特徴と
   する，請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体発
   光素子。
8. 【請求項８】 請求項１から７のいずれか一項に記載の
   半導体発光素子光源口を備えた光学装置。