(57)【要約】【課題】  側方に射出される光が少ない点光源発光ダイオードを提供する。【解決手段】  半導体基板１８上に発光層を含む複数の半導体薄膜層２０が積層された発光部１４を有し、その発光部１４の発光層にて発生した光を素子上面１２の一部に限定された光取り出し部２６から出力する点光源ＬＥＤ１０において、発光部１４の側面に対向し、発光部１４と同一の高さを有し、且つ、発光部１４と同一の積層構造を有する遮光壁１６を、素子上面１２に形成する。このようにすれば、発光部１４の側面から光が出力されても遮光壁１６によりその光の一部又は全部が反射または吸収されるので側方に射出される光が少なくなる。また、この遮光壁１６を発光部１４を形成するためのエッチング工程において同時に形成すれば、遮光壁１６を設けない場合と同じ工程数で済む。【選択図】                    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に発光層を含む複数の半導体薄膜層が積層された発光部を有し、該発光部の発光層にて発生した光を素子上面の一部に限定された光取り出し部から出力する点光源発光ダイオードであって、
前記発光部の側面に対向し、少なくとも該発光部の発光層よりも高く、同一高さにおける組成が前記発光部と同一である遮光壁が、前記素子上面に形成されていることを特徴とする点光源発光ダイオード。
【請求項２】
請求項１の点光源発光ダイオードを製造する方法であって、
ウェハ基板上に前記半導体薄膜層が積層された状態の半導体ウェハの、その半導体薄膜層をエッチングすることにより前記遮光壁を形成することを特徴とする製造方法。
【請求項３】
検査のために、前記半導体ウェハ上に形成された多数の前記点光源発光ダイオードの互いに隣接する前記発光部の発光層間をエッチングにより分離する分離工程を含む請求項２に記載の点光源発光ダイオードの製造方法であって、
前記分離工程において前記遮光壁が形成されることを特徴とする製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、点光源発光ダイオードおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板上に発光層を含む複数の半導体薄膜層が積層され、その発光層にて発生した光を、素子上面の一部に限定された光取り出し部から出力する点光源発光ダイオード（以下、点光源ＬＥＤという）が知られている。この点光源ＬＥＤにおいては、上記光取り出し部からの光取り出し効率を高めるために通電領域をその光取り出し部の直下に限定する電流狭窄構造が備えられることが一般的である（たとえば特許文献１）。
【０００３】
上記点光源ＬＥＤは、高い指向性を有する光が出力されるので、光電センサなどに多用されている。光電センサは、たとえば物体の検出などに用いられるものであり、発光ダイオードとフォトダイオードとを備え、発光ダイオードから出力された光が物体にて反射されてフォトダイオードに検出されることに基づいて物体を検出している。
【０００４】
そして、この光電センサにおいては、小型化の要請から、チップ状態の発光ダイオードとフォトダイオードとが、同一のステムに互いに近接して設けられて一部品とされた光源部品が知られている（たとえば特許文献２）。
【特許文献１】特開２００３−３１８４２号公報
【特許文献２】特開２００３−２４３７１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、前記点光源ＬＥＤは、素子上面の光取り出し部から光が出力されるように設計されているが、発光層における発光は全方向に進行し、また、発光層の上下にはクラッド層またはフラット層などが積層されており、それらの層の屈折率は発光層よりも小さいので、発光層で発光させられた光の一部は、発光層とその上下の層との界面で全反射を繰り返しつつ発光層の側面から外部へ出力されてしまう。
【０００６】
このようにして発光層の側面から出力される光は、素子上面の一部に限定された光取り出し部から光を出力させることを特徴とする点光源ＬＥＤにおいては不要な光出力である。従って、たとえば、前記特許文献２のように一体的な光源部品として発光ダイオードとフォトダイオードとが構成されている場合において、発光ダイオードとしてこの点光源ＬＥＤを使用した場合、点光源ＬＥＤの発光層の側面から出力される光がノイズとしてフォトダイオードに検出されてしまう恐れがある。特に、光源部品を小型化しようとして発光ダイオードとフォトダイオードとの距離を短くするほど、上記ノイズは大きくなり、また、発光ダイオードとフォトダイオードとの高さ位置が略一致しており、発光ダイオードの発光層と同一平面上にフォトダイオードの受光部が配置されている場合には、上記ノイズの問題が大きい。
【０００７】
本発明は以上の事情を背景として為されたものであって、その目的とするところは、側方に射出される光が少ない点光源発光ダイオードおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するための第１発明は、半導体基板上に発光層を含む複数の半導体薄膜層が積層された発光部を有し、その発光部の発光層にて発生した光を素子上面の一部に限定された光取り出し部から出力する点光源発光ダイオードであって、前記発光部の側面に対向し、少なくともその発光部の発光層よりも高く、同一高さにおける組成が前記発光部と同一である遮光壁が、前記素子上面に形成されていることを特徴とする。
【０００９】
また、第２発明は、第１発明の点光源発光ダイオードを製造する方法であって、ウェハ基板上に前記半導体薄膜層が積層された状態の半導体ウェハの、その半導体薄膜層をエッチングすることにより前記遮光壁を形成することを特徴とする。
【００１０】
また、第３発明は、検査のために、前記半導体ウェハ上に形成された多数の前記点光源発光ダイオードの互いに隣接する前記発光部の発光層間をエッチングにより分離する分離工程を含む第２発明の点光源発光ダイオードの製造方法であって、前記分離工程において前記遮光壁が形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
第１発明によれば、発光部の発光層の側面に対向し、その発光部の発光層よりも高い遮光壁が設けられていることから、発光部の発光層の側面から光が射出されても、その光の一部または全部が遮光壁において反射または吸収されるので、点光源発光ダイオードの側方に射出される光は少なくなる。
【００１２】
この第１発明の点光源発光ダイオードは、第２発明のようにして製造され、また、第３発明のように、分離工程において、互いに隣接する点光源発光ダイオードの半導体薄膜層間が分離されることに加えて、遮光壁も形成すれば、少ない工程数で製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において図は適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも正確に描かれていない。
【００１４】
図１は、本発明が適用された点光源ＬＥＤ１０の概略構成を示す側面図であり、図２は、その点光源ＬＥＤ１０の平面図である。図１に示すように、点光源ＬＥＤ１０は、素子上面１２に、上側に突き出す発光部１４および遮光壁１６が形成されている。
【００１５】
上記発光部１４および遮光壁１６は、いずれも、半導体基板１８の部分的に突き出している部分の上に、半導体薄膜層２０が積層された構造を有しており、発光部１４はその半導体薄膜層２０の上にさらに上部電極２２が積層されている。
【００１６】
図２に示すように、上記発光部１４の上面となる上部電極２２の平面形状は、長方形であり、また、上部電極２２には、幅方向の中心であって長手方向の一方の端寄りに円形の貫通穴２４が形成されている。そして、この貫通穴２４が形成されることにより半導体薄膜層２０の上面が露出している部分が光取り出し面（すなわち光取り出し部）２６である。一方、上記遮光壁１６は、発光部１４の長手方向に平行な細長い形状である。また、図１に示すように、上記半導体基板１８の下面には下部電極２８が固着されている。
【００１７】
図３は、上記発光部１４の積層構造を示す図である。図３に示すように半導体薄膜層２０は複数の層からなっており、半導体基板１８側から順に、バッファ層３０、多層膜反射層３２、第１クラッド層３４、第１フラット層３６、発光層３８、第２フラット層４０、第２クラッド層４２、傾斜層４４、第２バッファ層４６、導電層４８、およびキャップ層５０が、例えばＭＯＣＶＤ(Metalorganic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相成長)法等によって形成されている。
【００１８】
上記半導体基板１８は、例えば厚さ350(μm)程度のｎ−GaAs単結晶から成る化合物半導体である。また、上記バッファ層３０は、ｎ−GaAs単結晶からなる化合物半導体である。また、上記多層膜反射層３２は、ｎ−GaInP単結晶から成る混晶半導体と、ｎ−AlGaInP単結晶から成る混晶半導体とが、前者が半導体基板１８側となるように交互に例えば３０対積層されて構成される所謂ＤＢＲ(Distributed Bragg Reflector：分布反射型半導体多層膜反射層)である。かかる両半導体層の厚さは、上記発光層３８で発生して上記半導体基板１８側に向かう光が、光取り出し面２６に向かって効率的に反射させられるように、その光の波長に応じて設定されている。
【００１９】
また、前記第１クラッド層３４は、ｎ−AlInP単結晶から成る混晶半導体、前記第１フラット層３６は、ｕｎ−(AlGa)InP単結晶から成る混晶半導体である。また、前記発光層３８は、ｕｎ−GaInP単結晶から成る混晶半導体で構成された井戸層と、ｕｎ−(AlGa)InP単結晶から成る混晶半導体で構成されたバリア層とが、最上層および最下層が何れも井戸層となるように交互に積層された多重量子井戸である。また、前記第２フラット層４０は、ｕｎ−(AlGa)InP単結晶から成る混晶半導体、前記第２クラッド層４２は、ｐ−AlInP単結晶から成る混晶半導体、前記傾斜層４４は、ｐ−(AlxGa1-x)InP単結晶から成る混晶半導体であって、そのAl混晶比ｘが第２クラッド層４２から第２バッファ層４６に向かうに従って１から０までなだらかに傾斜させられたものである。また、前記第２バッファ層４６は、ｐ−GaAs単結晶から成る化合物半導体、前記導電層４８は、ｐ−AlGaAs単結晶から成る混晶半導体、前記キャップ層５０は、ｐ−GaAs単結晶から成る化合物半導体である。
【００２０】
また、図において斜線で示される上部電極２２の直下の領域には、前記キャップ層５０の表面から前記第２フラット層４０の厚み方向半ばまでの範囲で、Ｈ+等のイオンが注入されたイオン注入領域５２が形成されている。このイオン注入領域５２は、抵抗値が著しく増大させられることによって不伝導層となっている。これにより、点光源ＬＥＤ１０は、前記上部電極２２と第２フラット層４０との間における通電可能領域が、イオン注入領域５２以外の例えば直径150(μm)程度の中央部のみとされた電流狭窄構造が形成されている。
【００２１】
また、前記下部電極２８は、例えば前記半導体基板１８の下面全面にその半導体基板１８側から順にAu−Ge合金、Ni、及びAuが積層形成されたものであり、前記上部電極２２は、前記光取り出し面２６を除く全面に、前記キャップ層５０側から順にAu−Zn合金及びAuが積層形成されたものである。それら下部電極２８及び上部電極２２は、何れもオーミック電極である。
【００２２】
このように構成された点光源ＬＥＤ１０では、前記下部電極２８と上部電極２２との間に所定の動作電圧が印加されることにより、前記発光層３８を通る経路で通電する。このとき、点光源ＬＥＤ１０には、上述のような電流狭窄構造が形成されているため、専ら発光層３８における光取り出し面２６の直下に位置する部分のみで光が発生させられ、結果として直径150(μm)程度のその光取り出し面２６から取り出される光の光強度が可及的に向上させられている。なお、点光源ＬＥＤ１０は、専ら波長650(nm)程度の赤色光を放出するものである。
【００２３】
ただし、発光層３８で発生した光は等方的に進行するので、側方にも進行する。側方に進行した光の一部は発光層３８を突き抜けて発光層３８の上下の層にて吸収されるが、別の一部の光は、発光層３８とその発光層３８の上下に積層されたフラット層３６、４０との境界面にて全反射を繰り返しつつ、図４に矢印Ｌで示すように、発光層３８の側面から外部へ射出される。
【００２４】
発光層３８の側面から外部へ射出された光Ｌは、射出前後の媒質の屈折率の違いにより進行方向が曲げられるが、一部は、さらに側方へ進行する。しかし、発光層３８の側面から射出されて側方へ進行する光は遮光壁１６によりその進行が妨げられ、遮光壁１６の発光部１４側の面にてその光の一部又は全部が反射または吸収されるので、点光源ＬＥＤ１０の側方に出力される光は少ない。
【００２５】
図５は、上記点光源ＬＥＤ１０の製造工程の要部を説明する工程図であり、図６および図７は、その製造工程の要部段階における実施状態を説明するための模式図である。なお、半導体ウェハ６２は、多数の点光源ＬＥＤ１０に対応する大きさを有するものであるが、図６においては素子１個分を、図７においては素子２個分を示している。
【００２６】
まず、エピタキシャル成長工程Ｐ１においては、半導体ウェハ基板６０の上に半導体薄膜層２０すなわち前記バッファ層３０乃至キャップ層５０が、ＭＯＣＶＤ法等のエピタキシャル成長技術によって結晶成長せさられることによって半導体ウェハ６２が製造される。図６（ａ）は、この段階を示している。次に、イオン注入マスク形成工程Ｐ２においては、上記の半導体ウェハ６２の表面６４の中央部に前記光取り出し面２６に対応する大きさのイオン注入マスク６６を形成する。このマスク６６は、例えばAuから成るものであり、例えば、マスク６６を反転したパターンでフォト・レジスト膜を表面６４に設けた後、Auを全面に蒸着し、レジスト膜と共にその上に蒸着したAuを除去することによって形成される。図６(ｂ)は、この段階を示している。
【００２７】
次いで、イオン注入工程Ｐ３においては、この半導体ウェハ６２に表面６４からＨ+イオンを注入する。図６(ｃ)は、この段階を示しており、半導体ウェハ６２には、マスク６６の直下を除く範囲に、イオンが注入されたイオン注入領域５２が形成されている。次いで、エッチング工程(マスク除去工程)Ｐ４では、イオン注入を終えた半導体ウェハ６２が、図示しないエッチング槽内でエッチング処理されることにより、上記のマスク６６が除去される。図６（ｄ）はこの段階を示している。
【００２８】
次いで、レジスト・パターン形成工程Ｐ５では、発光部１４の上面よりも縦方向および横方向に所定長さ広い範囲および遮光壁１６の上面よりも縦方向および横方向に所定長さ広い範囲に所定の厚さ寸法を有するレジスト膜(すなわちフォト・レジスト)６８が形成される。図７(ａ)は、この段階を示している。なお、図７において一点鎖線よりも隣接する点光源ＬＥＤ１０側の範囲はダイシング領域を示している。
【００２９】
続くメサエッチング工程Ｐ６は分離工程に相当し、上記レジスト膜６８が形成された半導体ウェハ６２が図示しないエッチング槽内に入れられることにより、予め定められた時間だけウェットエッチングが施される。これにより、レジスト膜６８が形成されていない部分における半導体薄膜層２０およびその下層である半導体基板１８の上端部分がエッチングされる。その結果、発光部１４および遮光壁１６が形成されるとともに、互いに隣接する素子の発光部１４の発光層３８間が電気的に分離される。なお、ここでのエッチングはウェットエッチングであるため、等方的に進行するので、レジスト膜６８の外縁下部もエッチングされる。従って、発光部１４および遮光部１６の側面はメサ状となる。図７（ｂ）は、このメサエッチング終了後の状態を示す。
【００３０】
続いてレジスト除去工程Ｐ７にて、上記レジスト膜６８が除去される。図７（Ｃ）はこの状態を示す。続く電極形成工程Ｐ８では、表面６４に電極形成用のフォト・レジストを塗布して、パターン形成し、前記上部電極２２および下部電極２８がそれぞれ形成された後に、そのフォト・レジストが除去される。そして、続く検査工程Ｐ９において、半導体ウェハ６２が図示しないプローバの測定用ステージにセットされ、プローブを用いて個々の素子の良否が検査され、続くダイシング工程Ｐ１０において、半導体ウェハ６２が個々の素子毎に切断されることにより、点光源ＬＥＤ１０が得られる。このようにして点光源ＬＥＤ１０が製造されるので、発光部１４と遮光壁１６の高さは同じであり、且つ、積層構造も同一である。
【００３１】
以上説明したように、本実施例の点光源ＬＥＤ１０は、発光部１４の発光層３８の側面に対向し、発光部１４と同一の高さを有する遮光壁１６が設けられていることから、発光部１４の発光層３８の側面から光が射出されても、その光の一部または全部が遮光壁１６において反射または吸収されるので、点光源ＬＥＤ１０の側方に射出される光は少なくなる。
【００３２】
また、本実施例の点光源ＬＥＤ１０は、メサエッチング工程Ｐ６において、互いに隣接する点光源ＬＥＤ１０の半導体薄膜層２０間が分離されることに加えて、遮光壁１６も形成されるので、少ない工程数で製造することができる。
【００３３】
以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。
【００３４】
たとえば、前述の実施例では、遮光壁１６は、長方形状とされた発光部１４の長手方向の一方の側にのみ設けられていたが、遮光壁１６の位置および形状は、受光素子との位置関係により適宜変更されるものであり、たとえば、発光部１４の長手方向の両側に設けられてもよいし、発光部１４の外側において全周に亘って設けられてもよい。
【００３５】
また、前述の実施例では、遮光壁１６は、互いに隣接する点光源ＬＥＤ１０の半導体薄膜層２０を分離するためのメサエッチング工程Ｐ６において形成されていたが、メサエッチング工程Ｐ６とは別に、遮光壁１６を形成するための独立した工程が設けられてもよい。
【００３６】
また、前述の実施例の点光源ＬＥＤ１０は、イオン注入法により電流狭窄構造が形成されていたが、熱拡散法により電流狭窄構造が形成されてもよい。
【００３７】
また、前述の実施例の点光源ＬＥＤ１０は、ウェットエッチングにより発光部１４および遮光壁１６が形成されていたので、発光部１４および遮光壁１６の側面はメサ状となっていたが、発光部１４または遮光壁１６またはその両方がドライエッチングにより形成されてもよい。
【００３８】
また、前述の実施例のAlGaInP系に代えて、その他の材料系、つまり、AlGaAs系、InP系、GaN系、ZnSe系等を用いても良い。
【００３９】
なお、上述したのはあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明が適用された点光源ＬＥＤの概略構成を示す側面図である。
【図２】図１の点光源ＬＥＤの平面図である。
【図３】図１の点光源ＬＥＤにおける発光部の積層構造を示す図である。
【図４】図１の点光源ＬＥＤの発光部および遮光壁付近の拡大図である。
【図５】図１の点光源ＬＥＤの製造工程の要部を説明する工程図である。
【図６】図５に示す製造工程の要部段階における実施状態を説明するための模式図である。
【図７】図５に示す製造工程の要部段階における実施状態を説明するための模式図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０：点光源発光ダイオード
１２：素子上面
１４：発光部
１６：遮光壁
１８：半導体基板
２０：半導体薄膜層
２６：光取り出し面（光取り出し部）
３８：発光層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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