(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、順に、第１導電型半導体の下部クラッド層、半導体の活性層、第２導電型半導体の上部クラッド層、第１導電型半導体の上部第１層、および第２導電型半導体の上部第２層とを、少なくとも含む半導体層構成と、
該半導体層構成の上部表面に接して設けられた絶縁層とを有し、
該絶縁層は、前記半導体層構成の上部表面の一部領域が露出する発光窓およびコンタクト窓が隣接して形成され、
前記上部第２層および前記上部第１層を貫通して、前記発光窓の最表面の半導体層から前記上部クラッド層中に至る第２導電型の拡散領域が形成され、
前記コンタクト窓を介して、最表面の第２導電型半導体層に上部電極が接続されている、
ことを特徴とした発光ダイオード。
【請求項２】
請求項１に記載の発光ダイオードがアレイ状に配列され、
且つ、最表面の半導体層から少なくとも活性層に至るエッチング溝によって素子分離されている、
ことを特徴とした発光ダイオードアレイ。
【請求項３】
請求項１に記載の発光ダイオードがアレイ状に配列され、
且つ、各上部電極と同一材料で一体的に各配線が設けられ、
当該各配線下には各配線と同形状に発光ダイオードの層構造が残されて、各発光ダイオードが、最表面の半導体層から少なくとも活性層に至るエッチング溝によって素子分離されている、
ことを特徴とした発光ダイオードアレイ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光型の発光ダイオードおよび面発光型の発光ダイオードアレイに関する。
【０００２】
【従来の技術】
代表的な単体の発光ダイオード（ＬＥＤ）は、例えば文献「生駒俊明、河東田隆、長谷川文夫著、“電子材料シリーズガリウムヒ素”、丸善株式会社（１９８８）、１６８〜１６９頁」に解説されているように、半導体基板側（裏面側）から光出力を取出す構成となっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構成では、半導体基板を深くエッチングする必要があり、あるいは、注入電流の通路が広がるために光の外部取出し効率が低下する、等の問題点があり、さらには、素子分離が難しくアレイ化に不向きであるという問題点があった。
他方、上記文献に示された構造と類似の構成で、表面側（活性層側）から光出力を取出す構成にした場合は、活性層と上部電極とが近接する構成となるため、電極直下に電流が集中し、上部電極による遮光その他に基づき、光の外部取り出し効率が低下するという問題点があった。また、ＬＥＤアレイでは、電極直下周辺で発光が強く、且つこの領域を電極が被覆してしまうので、電極の加工精度により光出力のばらつきが大きいという問題があった。
したがって、本発明の目的は、基板表面側から光出力を取出すタイプにおいて、発光窓直下の活性層領域に注入電流が集中し且つ上部電極による遮光がない発光ダイオードを提供することに有り、また、電極位置精度による光出力のばらつきが軽減された発光ダイオードアレイを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明のＬＥＤは、半導体基板上に、順に、第１導電型半導体の下部クラッド層、半導体の活性層、第２導電型半導体の上部クラッド層、第１導電型半導体の上部第１層、および第２導電型半導体の上部第２層とを、少なくとも含む、半導体層構成を有する。ここで、クラッド層は活性層よりバンドギャップが大きい半導体層を意味する。活性層は、真性半導体、第１導電型、あるいは第２導電型のいずれも採用することができる。
また、本発明のＬＥＤは、発光窓に隣接した絶縁膜（表面絶縁膜）のコンタクト窓を介して、最表面の第２導電型の半導体層に、上部電極が接続されていることを特徴とする。すなわち、半導体基板の表面側から光出力を取出すタイプである。上部電極は、第２導電型半導体の上部第２層と接続することができ、あるいは、コンタクト特性を良くするために、上部第２層上に第２導電型の低抵抗の半導体層を積層し、これと接続することもできる。他方、下部電極は、半導体基板の裏側全面に設けることができ、あるいは、活性層の下部の適当な第１導電型半導体層から横方向に引出し、半導体基板の表面側に設けることもできる。
また、本発明のＬＥＤは、上部第２層および上部第１層を貫通して、発光窓の最表面の半導体層から上部クラッド層中に至る、第２導電型の拡散領域が、形成されていることを特徴とする。この第２導電型の拡散領域は、上部電極から空間的に離れた箇所にある発光窓から、不純物を拡散することによって形成でき、かつ、不純物拡散深さの制御は、上部クラッド層中内であれば任意の深さで良く、拡散深さのばらつきによる特性ばらつきは回避できる。
このような構造になっているため、上部電極直下では、第２導電型ー第１導電型ー第２導電型なる層構成、すなわちｐｎｐまたはｎｐｎの層構成となるため、活性層にキャリアは流れない。一方、不純物拡散を行った拡散領域では、すなわち発光窓近傍下では、上部電極から基板の水平方向に流れた注入電流が、拡散領域を通って、上部クラッド層および活性層に流れ込む。
このように、不純物拡散を行なった拡散領域に限って電流が流れ込み、発光窓直下の活性領域にキャリアが集中するため、本発明のＬＥＤよれば、発光強度を強く保つことができる。また、キャリアを注入する電極の位置と独立に発光部を作製することができ、上部電極による遮光がない高出力のＬＥＤを作製することができる。
【０００５】
本発明のＬＥＤアレイは、本発明に係るＬＥＤがアレイ状に配列され、且つ、各ＬＥＤ間が、最表面の半導体層から少なくとも活性層に至るエッチング溝によって素子分離されていることを特徴とする。
本発明のＬＥＤアレイによれば、前述の如く、電極の位置と独立に発光部が形成された構成であるため、電極の加工ばらつきによる光出力への影響が皆無のＬＥＤアレイを得ることができる。
また、本発明のＬＥＤアレイの１つの形態では、各上部電極と同一材料で一体的に各配線が設けられ、且つ、各配線下には各配線と同形状にＬＥＤの層構造が残されて、各ＬＥＤが、少なくとも活性層に至るエッチング溝によって素子分離されていることを特徴とする。
この構成によれば、上部電極部と配線はほぼ平坦になり、電極と配線間の断線を無くすことができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の第１の実施の形態を説明する。この実施形態は、図１に示すように３個のＬＥＤ１０ａ〜１０ｂからなるＬＥＤアレイの例を示すものであり、図２〜図４を用いて、製造工程に沿って詳細に説明する。
まず、複合半導体基板１１を準備する。複合半導体基板１１は、図２に示すように、例えば、Ｎ型ＧａＡｓ（１００）基板１２上に、Ｎ型ＧａＡｓバッファ層１３、 Ｎ型ＡｌxGａ1-xAｓ下部クラッド層１４、ノンドープＡｌyGａ1-yAｓ活性層１５、Ｐ型ＡｌzGａ1-zAｓ上部クラッド層１６、Ｎ型ＡｌvGａ1-vAｓキャリアブロック層１７、Ｐ型ＡｌwGａ1-wAｓキャリア移送層１８ 、Ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１９を順次エピタキシャル成長させて形成する。
ここで活性層１５のＡｌ組成比ｙを、例えば０．１５とすると、室温で約７６０ｎｍの発光波長のＬＥＤになる。また、クラッド層１４，１６のＡｌ組成比ｘ，ｚは、ＡｌＧａＡｓ半導体はＡｌの組成比が大きくなるとバンドギャップが大きくなるため、例えばｘ＝ｚ＝０．４とする。ただし、ｘとｚは必ずしも同じでなくて良く、ｙより大きい値であれば良い。
さらにキャリアブロック層１７とキャリア移送層１８は、Ａｌ組成比が大きいと不純物を高濃度にドープすることが難しく、また、Ａｌ組成比が活性層１５より小さくなると、活性層１５で発光した光を吸収してしまうため、ｖ，ｗは例えば０．４とする。
また、バッファ層１３はエピタキシャル膜結晶性を良くするため、また、コンタクト層１９は、電極との電気抵抗を低減するために設けるが、必ずしも必要ではない。
各半導体層の膜厚は例えば、バッファ層１３は０．３μｍ、下部クラッド層１４は０．５μｍ、活性層１５は０．５μｍ、上部クラッド層１６は０．５μｍ、キャリアブロック層１７は０．５μｍ、キャリア移送層１８は１．０μｍ、コンタクト層１９は０．１μｍとすることができる。これらの膜厚はとくに限定されないが、特別に厚い膜厚は必要ない。
【０００７】
次に、図２（a）に示すように、 Ｐ型ＡｌzGａ1-zAｓ上部クラッド層１６の途中まで選択拡散する領域に発光窓２１を開け、電極を接続するコンタクト領域にコンタクト窓２２を開けた、拡散防止膜２３を形成する。拡散防止膜２３は例えば窒化シリコン等が使用できる。窒化シリコン膜は例えば２０００Å程度の膜厚にする。なお、この拡散防止膜２３は、最後までエッチング除去されることなく、表面絶縁膜の一部として残される。
続いて、図２（ｂ）に示すように、コンタクト領域への不純物拡散を生じさせないため、コンタクト窓２２を覆うように、拡散防止膜２４を形成する。拡散防止膜２４は例えばアルミナ膜等が使用できる。アルミナ膜は例えば２０００Å程度の膜厚にする。
次に、同じく図２（ｂ）に示すように、不純物を選択的に拡散して不純物拡散領域２５を形成し、これにより、Ｎ型ＡｌvＧａ1-vＡｓキャリアブロック層１７を部分的にＰ型にする。不純物拡散は例えば気相拡散法、固相拡散法などの方法で行う。例えば固相拡散法の場合、上記拡散防止膜２３、２４を形成した複合半導体基板１１上に、 ＺｎＯ−ＳｉＯ2をスパッタ法等により成膜し、続いて、窒化シリコン等のキャップ膜を形成した後、６５０℃以上の炉中で加熱することにより不純物Ｚｎを導入する。これにより、拡散防止膜２３と拡散防止膜２４のどちらにも覆われていない領域（発光窓２１の領域）に不純物が拡散される。
拡散の深さは拡散制御膜の厚さ、加熱温度、加熱時間により制御し、Ｐ型ＡｌzGａ1-zAｓ上部クラッド層１６の途中まで拡散が入るようにする。ここで、拡散深さは、上部クラッド層１６内であれば多少の変動があっても、元々Ｐ型である領域にＰ型を拡散しているため、電気特性はほとんど変化しない。従って、プロセス毎に変動があっても、均一な特性の素子の作製が可能である。
選択拡散終了後、同じく図２（ｃ）に示すように、複合半導体基板１１上に形成したすべての膜を、拡散防止膜２１を除きエッチング等により取り除く。具体的には、拡散キャップ膜窒化シリコン、拡散源ＺｎＯ−ＳｉＯ2、拡散防止膜２４をエッチングする。エッチャントは例えばバッファードふっ酸などを使用する。
【０００８】
次に、各ＬＥＤに、エッチングにより分離する。素子分離は複合半導体基板１１をエッチングすることにより行なう。図３（ａ）、（ｂ）に示すように、複合半導体基板１１上にホトレジスト等でエッチングマスク２６を形成した後、例えば、りん酸と過酸化水素水を所望の割合で混合した水溶液中でエッチングする。その後、エッチングマスク２６は取り除く。エッチングの深さは上部クラッド層１６より深ければ、すなわち、少なくとも活性層１５に至る溝であれば、特に限定されない。これにより、隣り合うＬＥＤ１０ａ〜１０ｃ間で、電気的に分離された素子となり、それぞれを独立に駆動することができる。
【０００９】
次に、図４（ａ）に示すように、後で形成される配線と複合半導体基板１１とを電気的に絶縁するための絶縁膜２７を形成する。絶縁膜２７は例えばアルミナ膜等が使用できる。アルミナ膜は、例えば２０００Åの膜厚にすることができる。ここで、コンタクト領域と電気的に接合するためのコンタクト窓２８をエッチング等により形成する。
このコンタクト窓２８は、先に形成した拡散防止膜２３で形成しておいたコンタクト窓２２より大きくする。この工程により、拡散領域２５およびコンタクト窓２２，２８は、この実施形態のプロセスで使用するホトリソマスク１枚目において決定されることになるので、その後のプロセスでマスク合わせのズレが生じても、拡散領域２５と電極のコンタクト領域との間の距離が一定に保たれることになる。なお、この距離がばらつくと、キャリア移送層１８の電気抵抗がばらつき、各ＬＥＤ間のばらつきが大きくなる。
【００１０】
次に、図４（ｂ）に示すように、上部電極２９ａとその配線２９ｂからなる上部電極配線２９をリフトオフ法等の周知の方法で形成する。上部電極配線２９は、Ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１９とオーミック接続される材料ならば特に限定されない。例えば、Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕは、電極材料として使用できる。
次に、図４（ｃ）に示すように、裏面電極３０を形成する。裏面電極３０はＮ型ＧａＡｓとオーミック接続される材料なら特に限定されない。例えば、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕはこの電極材料として使用できる。
最後に所定のダイシングを行う。すなわち、ＬＥＤアレイが複数形成し終えた複合半導体基板１１をダイシングすることにより、図１に示したＬＥＤアレイを得る。
【００１１】
このように、この実施形態のＬＥＤアレイによれば、まず、上部電極の位置から離れた部位に発光部を作ることができ、上部電極で遮光されることなく光を外部に取り出すことが可能となり、高出力のＬＥＤを安価に得ることが可能である。
また、一般に、不純物拡散を用いた素子は、素子間およびプロセス毎の不純物拡散深さが変化するため、各素子の特性を均一にすることは困難となることが多いが、この実施形態では上部クラッド層内であれば、任意の拡散深さで均一な特性を持つ素子を提供することが可能である。
加えて、この実施形態によれば、拡散深さばらつきによる特性ばらつきが無く、また発光部は電極に全く遮光されることがないので、発光出力がばらつかないＬＥＤを得ることが可能となる。
【００１２】
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。この実施形態は、図５に示すように、電極配線２９がほぼ平坦になる構造のＬＥＤアレイであり、図６および図７を用いて、製造工程に沿って詳細に説明する。なお、この実施形態の製造工程は、第１実施形態とほぼ同じであるが、電極配線の形成後に素子分離する点において大きく異なる。
この実施形態においても、図６（ａ）に示すように、第１実施形態と同様に、複合半導体基板１１中に不純物拡散領域２５を形成する。
次に、図６（ｂ）に示すように、配線と複合半導体基板１１とを電気的に絶縁するための絶縁膜２７を形成し、その後、図６（ｃ）に示すように、上部電極配線２９をリフトオフ法等の周知の方法で形成する。
【００１３】
次に、各ＬＥＤをエッチングで分離するために、図７（ａ）に示すように、絶縁膜２７の不要部分をエッチングで取り除く。絶縁膜２７をエッチングするこの工程では、上部電極配線２９をエッチングマスクとすることにより、ホトリソ工程なしに直接エッチングを行なうことができる。
次に、各ＬＥＤを分離する。素子分離は複合半導体基板１１をエッチングすることにより行なう。すなわち、図７（ｂ）に示すように、複合半導体基板１１上にホトレジスト等でエッチングマスク２６を形成した後、例えば、りん酸と過酸化水素水を所望の割合で混合した水溶液中でエッチングし、隣り合うＬＥＤ１０ａ〜１０ｃ間で電気的に分離する。ここで、この実施形態では、図７（ｃ）に示すように、電極配線パターンと同形状に複合半導体基板１１を残して、素子分離を行う。
その後、同じく図７（ｃ）に示すように、裏面電極３０を形成し、最後に所定のダイシングを行い、図５に示すＬＥＤアレイを得る。
このように、この実施形態では、電極配線パターンと同形状に複合半導体基板を残して、各ＬＥＤの素子分離を行っているため、この実施形態のＬＥＤアレイによれば、第１実施形態の利点に加え、上部電極配線はほぼ平坦になり、電極配線の断線を回避できる効果がある。
【００１４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、上部電極下にｐｎｐまたはｎｐｎの層構成を設け、且つ発光窓下の活性層領域に注入電流が集中する構成としているため、高出力で且つ上部電極による遮光がないＬＥＤが得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示すＬＥＤアレイの斜視図
【図２】図１のＬＥＤアレイを製造工程に沿って示す平面図及び断面図
【図３】図１のＬＥＤアレイを製造工程に沿って示す平面図及び断面図
【図４】図１のＬＥＤアレイを製造工程に沿って示す平面図及び断面図
【図５】本発明の第２の実施の形態を示すＬＥＤアレイの斜視図
【図６】図５のＬＥＤアレイを製造工程に沿って示す平面図及び断面図
【図７】図５のＬＥＤアレイを製造工程に沿って示す平面図及び断面図
【符号の説明】
１０ａ〜１０ｃ  複合半導体基板
１１            複合半導体基板
１２            Ｎ型ＧａＡｓ（１００）基板
１３            Ｎ型ＧａＡｓバッファ層
１４            Ｎ型ＡｌxGａ1-xAｓ下部クラッド層
１５            ノンドープＡｌyGａ1-yAｓ活性層
１６             Ｐ型ＡｌzGａ1-zAｓ上部クラッド層
１７            Ｎ型ＡｌvGａ1-vAｓキャリアブロック層
１８            Ｐ型ＡｌwGａ1-wAｓキャリア移送層
１９            Ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
２１            発光窓
２２            コンタクト窓
２３            拡散防止膜
２４            拡散防止膜
２５            不純物拡散領域
２６            エッチングマスク
２７            絶縁膜
２８            コンタクト窓
２９            上部電極配線
２９ａ          上部電極
２９ｂ          配線
３０            裏面電極
【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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