JPH0252472A - 発光ダイオード及びその製造方法 - 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、短距離光通信や情報処理等に用いられる発光
ダイオード（ＬＥＤ）及びその製造方法に関するもので
ある。

（従来の技術） 従来、このような分野の技術としては、昭和６２年電子
情報通信学会創立７０周年記念総合全国大会講演論文集
、分冊４、ＰＡＲＴ４　（昭６２３−１５＞、側弁・佐
野・高野著「ジャンクションアップ型　ＡΩＧａＡｓ　
　ＤＨ−ＬＥＤの高速化Ｊ　Ｐ、４−４３に記載される
ものがあった。

以下、その構成を図を用いて説明する。

第２図は従来の発光ダイオードの一構成例を示す構造図
である。

この発光ダイオードは、Ａ、１ｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系
短波長の面発光型のもので、Ｐ形ＧａＡｓの基板１を有
し、その基板１上には、Ｎ−Ｐ逆バイアス構造のＮ形Ｇ
ａＡｓの電流狭窄層２、Ｐ形ＡｆＩＧａＡｓのクラッド
層３、Ｐ形Ａ、２ＧａＡｓの活性Ｍ４、Ｎ形Ａ、ｌ！　
ＧａＡｓのクラッド層５、及びオーミック接触用のＮ形
ＡρＧａＡｓのキャップ層６が順に債層形成されている
。さらに、キャップ層６上にＮ側電極７が形成されると
共に、基板１の底面にＰ側電極８が形成され、そのＮ側
電極７には直径７０μｍ程度の円形の光取出し部７ａが
形成されている。ここで、発光部９は、ホトリソエツチ
ングにより直径３５μｍ程度の大きさに形成されており
、キャリアを狭い領域に閉じ込めて再結合の効率を高め
るために、光を発生する活性層４をそれより屈折率が小
さく、エネルギーギャップの大きなりラッド層３．５で
挾み込んだダブルへテロ構造となっている。

次に、この発光ダイオードの製造方法例を説明する。

先ず、液相結晶成長法を用いて基板１上に電流狭窄層２
を形成した後、ホトリソエツチングでその電流狭窄Ｎ２
及び基板１に凹部を形成する。全面に、液相結晶成長法
を用いてクラッド層３、活性層４、クラッド層５及びキ
ャッフ：層６順に結晶成長させる。次に、微細パターン
の形成に適したリフトオフ法を用いてＮ側電極７及び光
取出し部７ａを形成すると共に、真空蒸着法でＰ側電極
８を形成する。リフトオフ法を用いたＮ側電極７及び光
取出し部７ａの形成工程では、まずキャップ層６上にお
ける発光部位置に、ホトリソグラフィによりホトレジス
トを選択的に形成し、次に電極金属を真空蒸着法で蒸着
した後、有機溶剤等によりホトリソレジストを除去すれ
ば、Ｎ側電極７及び光取出し部７ａが形成できる。

このようにして製造された発光ダイオードでは、Ｎ側電
極７とＰ側電極８間に正方向電圧を印加すると、発光部
９のＰＮ接合箇所で少数キャリアの注入が起こり、キャ
リアの再結合によって光が発生し、その光が光取出し部
７ａから出射される。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記構成の発光ダイオード及びその製造
方法においては、次のような課題があった。

（１）　上記の発光ダイオードにおいて、発光部９で発
生した光は、発光ダイオードの上部に形成された光取出
し部７ａから外部に取り出される。

ところが、この光は光取出し部７ａを出ると全周に亙っ
て広がってしまうので、集光用のセルフォックレンズ等
を用いて集光しなければ、光ファイバとの光学的結合効
率が悪くなる。そのため、光ファイバとの結合構造が複
雑であった。

（２）　上記の発光ダイオードの製造方法では、電流狭
窄機能を持たせるために、電流狭窄層２及び基板１に凹
部を形成しているが、その凹部の面積及び深さを精度良
く制御しようとすると、製造工程に手数を要し、製造効
率が低下する。

その上、後の工程においてＮ側電極７に直径７０μｍ程
度の光取出し部７ａを形成しなければならないため、微
細パターンの形成に適したリフトオフ法を用いても、寸
法精度の高い光取出し部７ａを形成することが困難であ
る。そのため、光取出し部７ａの寸法精度を上げようと
すると、電極形成工程が複雑になるばかりか、寸法精度
のばらつきのために歩留りが低下する。

本発明は前記従来技術が持っていた課題として、光ファ
イバへの光学的結合効率が低い点と、四部形成工程及び
電極形成工程の複雑化の点について解決した発光ダイオ
ード及びその製造方法を提供するものである。

（課題を解決するための手段） 前記課題を解決するために、請求項１の発明では、ＰＮ
接合で構成された発光部が半導体基板上に形成され、上
下面に第１と第２の電極がそれぞれ形成された発光ダイ
オードにおいて、前記発光部で発生した光を、側面に位
置する端面より出射する構造にし、その端面を前記半導
体基板に対して水平方向及び垂直方向に球面状に突出し
た形状、即ち凸レンズ状にしたものである。

請求項２の発明では、前記発光ダイオードの製造方法に
おいて、半導体基板の表面に第１のクラッド層、活性層
、第２のクラッド層及びオーミック接触用のキャップ層
を順に積層形成する工程と、前記キャップ層上に第１の
電極を選択的に形成する工程と、前記第１の電極及びキ
ャップ層上に、円弧状の曲線部を有する所定面積の保護
膜を選択的に形成する工程と、前記保護膜をマスクにし
て前記キャップ層、第２のクラッド層、活性層、第１の
クラッド層及び半導体基板の一部で構成される側面部に
第１のウェットエツチングを施して前記側面部のほぼ上
半部を台形状に形成した後、前記保護膜をマスクにして
前記側面部に第２のウェットエツチングを施して前記倶
１面部のほぼ下半部を逆台形状に形成して球面状に突出
した形状、即ち凸レンズ状の端面を有する発光部を形成
する工程と、前記半導体基板の底面に第２の電極を形成
する工程とを、順に施すようにしたものである。

（作用） 請求項１の発明では、以上のように発光ダイオードを構
成したので出射光の取り出し部である凸レンズ状の端面
は、その全面においてそこから出射される光の広がりを
著しく減少させて光ファイバへの光学的結合効率を向上
させるように働く。

また、請求項２の発明の製造方法において、保護膜をマ
スクにして凸レンズ状の端面を有する発光部を形成する
工程は、従来の電流狭窄層及び四部の形成工程を不要に
させると共に、電極形成工程を簡略化させ、製造を容易
にする働きを有する。

また、凸レンズ状の端面を半導体基板に対して水平方向
が曲面状になるように形成するように働く。

さらに、この工程は第１及び第２のウエツチエッチング
を施すので、端面を半導体基板に対して垂直方向が曲面
状となるように形成させる働きがある。

従って前記課題を解決できるのである。

（実施例） 第１図（ａ＞、（ｂ）及び（Ｃ）は本発明の一実施例を
示す発光ダイオードの構造図であり、同図（ａ）は平面
図、同図（ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図、及び同図（Ｃ）
はそのＢ−Ｂ線断面図である。

この発光ダイオードは、Ａ　！Ｊ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　／
　Ｇ　ａＡｓ系の端面発光型のもので、Ｐ形ＧａＡｓの
基板１０を有し、その基板１０上には、厚さ１μｍ、キ
ャリア濃度ｌＸ１０１８ｃｍ−３程度のＰ形Ａ、Ｑ　Ｇ
ａＡｓの第１のクラッド層１１、厚さ１μｍ、キャリア
濃度ｌＸ１０１８ｃｍ−３程度のＰ形Ａ、Ｉ！ＧａＡｓ
の活性層１２、厚さ１μｍ、キャリア濃度７Ｘ１０１７
ｃｍ−３程度の第２のクラッド層１３、及び厚さ２μｍ
、キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３程度のＮ形ＧａＡ
ｓのオーミック接触用キャップ層１４が液相結晶成長法
により順に積層形成されている。さらに、キャップ層１
４上には、金合金等からなる大きさ１５０μｍＸ１２０
μｍ程度のＮ側電極（第１の電極）１５が選択的に形成
されている。

ここで、活性層１２は光を発生する層であり、キャリア
を狭い領域に閉じ込めて再結合の効率を高めるために、
その活性層１２より屈折率が小さく、エネルギーギャッ
プの大きなりラッド層１１゜１３で挾み込んだダブルへ
テロ構造になっている。

このダブルへテロ構造における電気／光変換効率を高め
るための電流狭窄作用と同様の機能を持たせるために、
基板１０の一部、第１のクラッド層１１、活性層１２、
第２のクラッド層１３及びキャップ層１４が、Ｎ　Ｉｌ
’ｌ、１電極１５よりも大きな面積で基板１０に対して
垂直方向に湾曲した面を有する直方体にほぼ近い形状に
エツチングされて発光部１６が形成されている。さらに
この発光部１６の一側面の光出射用端面１６ａが発光部
１６の他の側面と異なり、半導体基板１０に対して水平
方向が曲面状を成す凸レンズ状に形成されている。

また、基板１０の底面には、金合金等からなるＰ側電極
（第２の電極）１７が全面に被着されている。この発光
ダイオードの全体の厚さは、例えば２００〜２５０μｍ
程度である。

以上の構成において、Ｎ側電極１５とＰ側電極１７間に
正方向の電圧を印加すると、発光部１６を構成する第１
のクラッド層１１、活性層１２及び第２のクラッド層１
３におけるＰＮ接合箇所で少数キャリアの注入が起こり
、キャリアの再結合によって活性層１２で光が発生し、
その光が端面１６ａから出射される。ここで、発光部１
６の端面１６ａは基板１０に対して水平方向だけでなく
垂直方向にも曲面状となった凸レンズ状に形成されてい
るため、出射光の広がりが一段と減少し、光ファイバと
の結合効率が向上する。そのため、光ファイバとの結合
構造の簡略化が可能となる。

また、発光部１６の形成面積を適宜選定することにより
、従来の第２図の電流狭窄層２とほぼ同様の電流狭窄機
能を持たせることができ、それによって電気／光変換効
率を向上させることが可能となる。

第３図（ａ）〜（ｄ）は第１図の発光ダイオードの一製
造方法例を示す図であり、同図（ａ）。

（ｂ−１）、（Ｃ）及び（ｄ）は断面図、同図（ｂ−２
）は平面図である。以下、両図を参照しつつ第１図の発
光ダイオードの製造工程を説明する。

（ｉ）第３図（ａ）の工程 先ず、液相まなは気相結晶成長法等を用い°ζ基板１０
上に、第１のクラッド層１１、活性層１２、第２のクラ
ット層１３、及びキャップ層１４を順次形成していく。

（ｉｉ）第３図（ｂ）の工程 キャップ層１４上に図示されないレジスト膜を形成し、
そのレジスト膜の電極形成予定領域のみをホトリソグラ
フィで選択的に除去してレジストパターンを形成する。

次にこのレジストパターンの全面に真空蒸着法等で電極
金属膜を被着した後、リフ１へオフ法を用いてレジスト
パターンとその上の電極金属膜を同時に除去すると、第
３図（ｂ−１，）に示すように大きさ１５０μｍ×１２
０μｍ程度の長方形のＮ側電極１５がキャップ層１４上
に形成される。

Ｎ側電極１５の形成後、端面発光型構造にするために、
Ｓ　ｉ　０２等の耐酸性誘電体膜等の保護膜１８をＮ側
電極１５上に被着する。その後、第３図（ｂ−２＞に示
すように、ホトリソグラフィ及びウェットエツチング等
により、Ｎ側電極１５よりも大きなほぼ長方形で、かつ
その長方形の一辺が円弧状の曲線部１８ａを有するよう
に、保護膜１８をエツチングする。

（ｉｉｉ）第３図（ｃ）の工程 この保護膜１８をマスクにしてキャップ層１４、第２の
クラッド層１３、活性層１２、第１のクラッド層１１、
及び基板１０の一部で構成される側面部１９に第１のエ
ツチング液を用いてウェットエツチングを行う。この時
、第１のエツチング液として、例えば硫酸系のエツチン
グ液を用いてエツチング時間等を制御した条件下でウェ
ットエツチングすれば、保護膜１８の底面にサイドエツ
チングが進行し、側面部１９上半部が台形状に形成され
る。

（ｉｖ）第３図（ｄ）の工程 保護膜１８をマスクにして側面部１９にエツチング時間
等を制御した条件下で、第２のエツチング液として、例
えばブロム系のエツチング液を用いてウェットエツチン
グを行えば、側面部１９の下半部がサイドエツチングさ
れて逆台形状に形成される。この時、側面部１９の上半
部もサイドエツチングされるので側面部１つの上半部に
既に形成されている台形状を出来るだけ保持しつつ側面
部１９の下半部を形成するようにエツチング条件を適正
に制御することが必要である。このようにすれば、基板
１０に対する垂直方向が曲面状の長方体にほぼ近い形状
を有し、さらにその端面１６ａは基板１０に対する水平
方向が曲面状を成す凸レンズ状の発光部１６が得られる
。

第３図（ｄ）の工程が完了した後、保護１８を除去し、
最後に、素子全体の厚さが例えば２００〜２５０μｍ程
度になるように基板１０の底面をエツチング或いは研摩
し、真空蒸着法等でＰ側電極１７を被着する。そしてパ
ッケージ等に封入すれば、製造工程が終了する。

このような発光ダイオードの製造方法では、従来の第２
図の電流狭窄層２及び基板１の凹部形成工程が省略でき
るなめ、製造工程が簡単になる。

その上、発光部１６を端面発光型構造にしたので、Ｎ側
電極１５の形成工程が簡単になる。即ち、微細パターン
の形成に適したリフトオフ法を用いてＮ側電極１５を形
成する場合、そのＮ側電極１５の面積が１５０μｍＸ１
２０μｍ程度と大きく、その上、リフトオフで除去する
不要な電極金属膜の面積が従来の第２図の光取出し部面
積（直径７０μｍ程度）に比べて大きいので、寸法精度
の高いリフトオフが容易に行える。そのため、製造工程
の簡単化が図れるばかりか、寸法精度のばらつきが少く
なるので、歩留が向上する。

さらに、側面部１９に対して台形状にエツチングする特
性を有する第１のエツチング液と逆台形状にエツチング
する特性を有する第２のエツチング液とを使用するので
、比較的簡単な工程で発光部１６の光取り出し部にあた
る端面１６ａが基板１０に対して水平方向だけでなく垂
直方向にも曲面状に形成される。

なお、本発明は図示の実施例に限定されず、種々の変形
が可能である。その変形例としては、例えば次のような
ものがある。

（ａ）　　第１図の発光ダイオードにおいて、発光部１
６の下方の基板１０も、第３図（ｄ）工程において、エ
ツチング時の側面部１９の下半部の形状に沿って下方向
に除去した形状にしてもよい。

また、Ｎ側電極１５は、その下のキャップ層１４と同一
の形状にしてもよい。

（ｂ）　　第１及び第２のエツチング液は、上記実施例
によるものに限らず、第１のエツチング液は側面部１９
を台形状に、第２のエツチング液は側面部１９を逆台形
状にエツチングするものであればよい。また、Ｎ側電極
１５は、その面積が比較的大きいために、リフトオフ法
を使用せずに、化学エツチング法等の他の方法を用いて
も、十分な寸法精度が得られる。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、請求項１の発明によれば、
端面発光型構造にしてその端面を基板に対して水平方向
及び垂直方向に球面状に突出した形状にしたので、端面
の全面において出射光の広がりが減少し、光ファイバ等
との結合効率が向上する。

請求項２の発明では、保護膜をマスクにして凸レンズ状
の出射光用端面を有する発光部を形成するようにしたの
で、その発光部の形成面積を適宜選定することにより９
、従来の電流狭窄層及び四部の形成工程が不要になる。

また、第１の電極方向から光を出射させる構造でなく、
端面から光を出射させる構造に形成するので、第１の電
極の形成工程が簡単になる。従って、製造工程の容易化
と歩留の向上が図れる。さらに、凸レンズ状の出射光用
の端面の形成は、エツチング特性が逆の関係にある２種
類のエツチングによって行うようにしたので、比較的簡
単な工程で、集光度の高い光の取り出しに優れた球面状
に突出した形状にすることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ＞、（ｂ）、（ｃ）は本発明の実施例を示す
発光ダイオードの構造図、第２図は従来の発光ダイオー
ドの構造図、第３図（ａ）、（ｂ−１）、（ｂ−２）、
（ｃ）、（ｄ）は第１図の製造方法を示す図である。 １０・・・・・・基板、１１．１３・・・・・・第１．
第２のクラッド層、１２・・・・・・活性層、１４・・
・・・・キャップ層、１５・・・・・・第１の電極（Ｎ
側電極）、１６・・・・・・発光部、１６ａ・・・・・
・端面、１７・・・・・・第２の電極（Ｐ側電極）、１
８・・・・・・保護膜、１９・・・・・・側面部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ＰＮ接合で構成された発光部が半導体基板上に形成
   され、上下面に第１と第２の電極がそれぞれ形成された
   発光ダイオードにおいて、 前記発光部で発生した光を、側面に位置する端面より出
   射する構造にし、その端面を前記半導体基板に対して水
   平方向及び垂直方向に球面状に突出した形状にしたこと
   を特徴とする発光ダイオード。 ２、半導体基板の表面に第１のクラッド層、活性層、第
   ２のクラッド層及びオーミック接触用のキャップ層を順
   に積層形成する工程と、 前記キャップ層上に第１の電極を選択的に形成する工程
   と、 前記第１の電極及びキャップ層上に、円弧状の曲線部を
   有する所定面積の保護膜を選択的に形成する工程と、 前記保護膜をマスクにして前記キャップ層、第２のクラ
   ッド層、活性層、第１のクラッド層及び半導体基板の一
   部で構成される側面部に、第１のウェットエッチングを
   施して前記側面部のほぼ上半部を台形状に形成した後、
   前記保護膜をマスクにして前記側面部に第２のウェット
   エッチングを施し、前記側面部のほぼ下半部を逆台形状
   に形成して球面状の端面を有する発光部を形成する工程
   と、 前記半導体基板の底面に第２の電極を形成する工程とを
   、 順に施したことを特徴とする発光ダイオードの製造方法
   。