JPS62154674A - 接合型半導体発光素子 - Google Patents

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
得る接合型半導体発光素子に関し、特に、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
起の任意の箇所に設けた電極とからなり、少なくとも柱
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、該ｐｎ接合からの発光を発散または集束させる
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。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前記接合型半導体発光素子の法本的な構造例は、第３図
に示す如（、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）の側周面および平板部（
Ｂ）の」−面に設けたｐ　（！１．！ｌ電極（Ｅｌ）と
、平板部（Ｂ）の下面に設けたｎ　（ＩＩ！ｌ電極（Ｅ
２）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（Ｂ）内には該平板部（Ｂ）に対して平
行方向に延在するｐｎ接合四２が存在している。そして
、電極（Ｅｌ）、（Ｅ２）間に電流を注入してｐｎ接合
ＰＮＩにより平板部（Ｂ）に対して垂直方向の光を得ら
れるようにしである。

ところで、このような発光素子は、本来、平板部に平行
に発光する構造の発光素子よりも光の集束性に優れてお
り、光ファイバと効率良く結合することができるもので
ある。しかしながらそれでも、頂上面と空気との屈折率
の相違により柱状突起（Ｐ）からの発光の放出角θはあ
る程度大きい。

そのため、光ファイバとの結合効率をさらに良くするた
めには光の集束性を一層高めることが好ましい。逆に、
たとえば発光素子をディスプレイ装置等に使用する時に
は放出角θをさらに大きくして発光を発散して、多くの
方向からディスプレイを見ることができるようにする必
要がある。し、かしながら、前述の構造を有する発光素
子からの発光を発散または集束させる具体的な手段は未
だに提案されていないのが実情である。

従って、発光源である上記のような構造の接合型半導体
発光素子では、柱状突起（Ｐ）内のｐｎ接合ＰＮＩから
の光を発光素子の使用目的に応じて発散または集束させ
ることは非常に重要である。

そのため本発明の目的は、発光素子の用途に応じて柱状
突起内のｐｎ接合からの発光を発散または集束させるこ
とができる接合型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箇所に設けた電極
とからなり、少なくとも柱状突起内に平板部に対して垂
直方向に延在するｐｎ接合を有する接合型半導体発光素
子において、柱状突起の頂上面または平板部の柱状突起
形成側の面とは反対の面のうち柱状突起の直下に当たる
個所に、３５　ｐ　ｎ接合からの発光を発散または集束
させるためのレンズを設けてなる接合型半導体発光素子
により達成される。

１ｆ■述のレンズは、発光素子の一部分より形成するか
、或いは発光素子の構成材料とは別の有機または無機材
料で形成してもよい。前者は、柱状突起の頂上面または
平板部の下面のうち柱状突起の直下に当たる個所をレン
ズ状に形成するものである。後者は、発光素子の構成材
料とは別の材料で形成したレンズを前記所定の個所に取
り付けるものであり、その材料としては、柱状突起内の
ｐｎ接合からの発光に対して透過性を有し、かつ本発明
の］］的を達成しうる限り特に制限はなく、たとえば、
エポキシ樹脂等の有機材料や、ＳｉＯ□、ＳｉＮｘ等の
無機材料があり、特にエポキシ樹脂（このなかでも特に
、約０．５〜１．２ｐ−帯の光を良く通すエポキシ樹脂
であるクリアエポキシ）が好適である。

ところで、上記のような接合型半導体発光素子は、平板
部に対して垂直方向に延在するｐｎ接合（ｐｎ接合ＰＮ
　１　’）による光を得ることをその本来の目的とする
ものであり、平板部に対して平行方向に延在するｐｎ接
合（ｐｎ接合ＰＮ　２　）は存在しないか、または存在
してもできるだけ発光しないように様々な工夫をするこ
とが好ましい。たとえば１つの工夫として、柱状突起内
及び平板部内にｐｎ接合を形成する際に平板部の上部表
面をマスキングして不純物の拡散を行えば、平板部内に
水平方向に延在するｐｎ接合ＰＮ２が実質的に形成され
ない接合型半導体発光素子を得ることができる。

本発明においてはかかる構造の接合型半導体発光素子を
使用することが好ましい。

〔作用〕

本発明の接合型半導体発光素子は、柱状突起の頂上面ま
たは平板部の柱状突起形成側の面とは反対の面のうち柱
状突起の直下に当たる個所に設けたレンズにより、ｐｎ
接合ＰＮＩからの発光を発散または集束させる。

〔実施例〕

以下、本発明の接合型半導体発光素子を図面に基づいて
説明する。

第１図（ａ）、（ｂ）は本発明の接合型半導体発光素子
の一実施例を示す。本発明の接合型半導体発光素子は、
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）の側周面及び平板
部（Ｂ）の上面に設けたｐ側電極（Ｉｌｌ）と、平板部
（Ｂ）の下面に設けたｎ側電極（Ｅ２）と、平板部（Ｂ
）の上面と電極（Ｅｌ）との間に介在させた絶縁膜（１
０）とで構成されている。円柱状突起（Ｐ）内には、平
板部（Ｂ）に対して垂直方向に延在する円筒状のｐｎｎ
接合ＰＮ１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ＰＮ
２は形成されていない。この構造の発光素子において、
第１図（ａ）ではｐｎ接合ＰＮＩからの発光を集束させ
るために円柱状突起（Ｐ）の頂上面を凸レンズ状（ｆｌ
）に一体形成しである。図から明らかなようにレンズ（
ｆｌ）内にはｐｎ接合１’Ｎ１は延在していない。

この構造により、ｐｎ接合ＰＮＩからの発光が凸レンズ
（ｆｌ）によって集束され、光ファイバとの結合効率が
一層向上することになる。第１図（ｂ）に示した発光素
子は円柱状突起（Ｐ）の頂上面を凹レンズ状（ｆ２）に
一体形成したもので、ｐｎ接合ＰＮＩはｆａｔに示した
ものと同様に凹レンズ（ｆ２）の表面までは延在してお
らず、発光は凹レンズ（ｆ２）により発散され、この発
光素子をたとえばディスプレイ装置等に使用する時に有
効である。

円柱状突起（Ｐ）の頂上面を前記の凸レンズ状に形成す
るには、円柱状突起（Ｐ）を形成する際に基板上（基板
上にエピタキシャル層を設ける場合はそのエピタキシャ
ル層上）に円柱状突起ＣＰ）の頂上面に当たる個所を凸
状（凹レンズの場合は凹状）に形成したレジストを設け
、たとえば反応性イオンエツチング法により基板をエツ
チングすると、レジストは基板（またはエピタキシャル
層）と比較して少しずつエツチングされるので、円柱状
突起（Ｐ）の頂上面が凸状に形成されることになる。そ
の後に、例えば亜鉛等の不純物を拡散してｐｎ接合ＰＮ
Ｉを形成し、所定の位置に電極（［ｆｌ）、（Ｅ２）を
設ければ、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得られる。

第２図（ａ）、（ｂ）に示した発光素子は、平板部（Ｂ
）の下面のうち円柱状突起ＣＰ”）の直下に当たる個所
をレンズ状に一体形成したもので、（ａ）は発光を集束
させるための凸レンズ（ｆ３）に、（ｂ）は発散するた
めの凹レンズ（ｒ４）に形成したものである。この実施
例では、光を平板部（Ｂ）の下面から放出するものであ
るため、たとえば発光波長に対して光透過性材料でない
ＧａＡｓを基板として用いその基板上にエピタキシャル
層を設けた場合は、基板をエピタキシャル層まで削り取
る必要がある。また、円柱状突起（Ｐ）の頂上面に反射
鏡または反射膜（Ｆ）を設けることにより、ｐｎ接合Ｐ
ＮＩからの発光のうち平板部（Ｂ）の下面の方向に進行
する光だけでなく、円柱状突起（Ｐ）の先端の方向に進
行する光を反射して平板部（Ｂ）の下面より放出するこ
とができ、光を有効に利用することが可能となる。

上述の実施例では円柱状突起（Ｐ）または平板部（Ｂ）
の一部分からレンズを形成したが、別の有機または無機
材料でレンズを形成して、そのレンズを第１図及び第２
図に示した所定の位置に設置してもよい。平板部（Ｂ）
の下面にレンズを設置する場合は、設置個所に直接設け
てもよいし、予め平板部（Ｂ）にレンズを収容可能な溝
を形成してその溝にレンズを取り付けてもよい。

なお本発明において、光を集束させる場合に凸レンズの
代わりにフレネルレンズを用いても構わない。

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２−１特に少なくとも１０ｐ−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ツチング法によ
り可能であり、しかして高さ数十〜数百と−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（Ｐ）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ｐＨＮ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
イバ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、あるいは逆に上記とは逆の円錐台状とし、使用
目的に応じて一層発＋ｔＪ！、するもよい。

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、１ｌｌ−Ｖ族化合物半導体であるＧａＡｓ、Ａ１２
ＧａＡｓ、４ｎＰ　、、　！ｎＧａＡｓＰ　、、１ｎＧ
ａＰ　％　　Ｉｎ＾ｅＰ１ＧａＡｓｌ’、　ＧａＮ　、
、ＩｎＡｓＰ　、　ＩｎＡｓ５ｈ等、ｎ−ｖｉ族化合物
半導体であるＺｎ５ｅ　、　ＺｎＳ　、　ＺｎＯ、Ｃｄ
Ｓｅ、　ＣｄＴｅ等、ＩＶ−ＶＩ族化合物半導体である
ＰｂＴｅ　、　Ｐｂ５ｎＴｅ。

Ｐｂ５ｎＳｅ等、更にｒＶ−ＩＶ族化合物半導体である
ＳｉＣ等があり、それぞれの材料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〕

以上の説明により明らかなように、本発明の接合型半導
体発光素子は、柱状突起の頂上面または平板部の柱状突
起形成側の面とは反対の面のうち柱状突起の直下に当た
る個所にレンズを設けたことにより、柱状突起内のｐｎ
接合からの発光を発光素子の用途に応じて発散または集
束させることができ、平板部に対して垂直方向の光を有
効に利用できるものであり、発光素子の使用範囲を拡大
したものである。

【図面の簡単な説明】

第１図＜ａ＞、（ｂ）は本発明の接合型半導体発光素子
の一実施例の断面図で、（ａ）は柱状突起の頂上面を凸
レンズ状に形成したもの、（ｂ）は凹レンズ状に形成し
たものを示し、第２図（ａ）、（ｂ）は本発明の接合型
半導体発光素子の別の実施例の断面図で、（ａ）は平板
部の下面を凸レンズ状に形成したもの、（ｂ）は凹レン
ズ状に形成したものを示し、第３図は従来の接合型半導
体発光素子の断面図である。 （Ｐ）　　　　　　　二円柱状突起 （Ｂ）　　　　　　　二手板部 （ＰＮ　ｌ　）、（ＰＮ２）：ｐｎ接合（Ｅｌ）、（Ｅ
２）　　　　：電極 （ｆｌ）〜（ｆ４）　　　　：レンズ （１０）　　　　　　　　：絶縁膜 （Ｆ）　　　　　　　：反射膜

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （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箇所に設けた電極とから
   なり、少なくとも柱状突起内に平板部に対して垂直方向
   に延在するｐｎ接合を有する接合型半導体発光素子にお
   いて、柱状突起の頂上面または平板部の柱状突起形成側
   の面とは反対の面のうち柱状突起の直下に当たる個所に
   レンズを設けてなることを特徴とする接合型半導体発光
   素子。
2. （２）前記レンズが柱状突起内のｐｎ接合からの発光を
   発散する凹形状であることを特徴とする特許請求の範囲
   第（１）項記載の接合型半導体発光素子。
3. （３）前記レンズが柱状突起内のｐｎ接合からの発光を
   集束させる凸形状であることを特徴とする特許請求の範
   囲第（１）項記載の接合型半導体発光素子。
4. （４）前記レンズが柱状突起または平板部の一部分より
   形成したものであることを特徴とする特許請求の範囲第
   （１）項記載の接合型半導体発光素子。
5. （５）前記レンズが有機材料または無機材料で形成した
   ものであることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項
   記載の接合型半導体発光素子。