JPH08125224A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】光の取り出し効率に優れた半導体装置を提供す
ることにある。 【構成】Ｓｉ基板１にはｐ−Ｓｉ拡散層２が形成され、
ｐ−Ｓｉ拡散層２の内部にｎ−Ｓｉ拡散層３が形成され
ている。Ｓｉ基板１のｎ−Ｓｉ拡散層３上に発光用活性
領域となるｎ−ＧａＡｓ層４が成長され、ｎ−ＧａＡｓ
層４の上に発光用活性領域となるｐ−ＧａＡｓ層５が成
長されている。ｐ−ＧａＡｓ層５上の全面にわたり極薄
膜よりなる電流拡散用極薄膜電極６が配置され、、電流
拡散用極薄膜電極６上の一部領域にコンタクト用電極７
が配置されている。電流は、コンタクト用電極７から電
流拡散用極薄膜電極６を通してｎ−ＧａＡｓ層４とｐ−
ＧａＡｓ層５との間のｐｎ接合部に注入され、この部分
にて発光する。発光した光は電流拡散用極薄膜電極６を
通過して外部に発せられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は半導体装置に係り、詳
しくは、発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、Ｓｉ基板上にＧａＡｓの発光ダイ
オードを作製する場合、つまり、Ｓｉ基板上にｎ−Ｇａ
Ａｓ層とｐ−ＧａＡｓ層とを連続的に結晶成長させて発
光ダイオードを作製する場合、ＳｉとＧａＡｓの熱膨張
係数が異なるため、５μｍ以上ＧａＡｓを結晶成長させ
るとクラックが発生することが知られている（１９８７
年秋，応用物理学会予稿集２３６頁，２０ｐ−Ｘ−１
３；ＭＢＥ法により成長したＳｉ基板上のＧａＡｓ層評
価；石野ら）。従って、Ｓｉ基板上にＧａＡｓ発光ダイ
オードを作製する場合、ＧａＡｓ層の厚さは５μｍ以下
に抑える必要がある。

【０００３】しかし、通常この膜厚で作製した発光ダイ
オードに電流を注入すると、ダイオード内部で電界が横
方向に十分広がらず、電極のほぼ直下にしか電流は流れ
ない。つまり、Ｓｉ基板上にＧａＡｓ発光ダイオードを
作製する場合においては、ＧａＡｓ層の上に上部電極を
配置し、この上部電極から下方のＳｉ基板に向けて電流
を流してＧａＡｓ積層体の内部のｐｎ接合部で発光させ
ることとなるが、ＧａＡｓ積層体内で電界が横方向に十
分広がらず、上部電極のほぼ直下にしか電流は流れな
い。

【０００４】そのために、電極直下のｐｎ接合部で発光
した光のうち電極を透過した光だけしか素子外部に達す
ることができず、光の取り出し効率が大変低いものとな
ってしまう。

【０００５】この対策として、上部電極の下の半導体層
の上面に電流拡散層（半導体層）を配置し、この電流拡
散層により上部電極からの電流を横方向に広げるように
することが提案されている（特開平５−２２６６９５号
公報）。より具体的には、電流拡散層としてキャリア濃
度５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上の半導体層を用い、かつ、上部
電極とｐｎ接合面との距離は２０μｍ以下である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ＧａＡｓの場合、例え
ば、カーボンを高濃度にドープしたｐ−ＧａＡｓの場合
でもキャリア濃度は１×１０²⁰ｃｍ^-3程度（抵抗率ρ＝
４×１０^-4Ωｃｍ）程度しか上げることができない。こ
のことについては、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏ
ｌ．Ｂ１０（２），Ｍａｒ／Ａｐｒ１９９２；８４６頁
〜８４９頁、「Ｍｉｎｏｒｉｔｙ ｃａｒｒｉｅｒ ｌ
ｉｆｅｔｉｍｅ ａｎｄｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅ
ｎｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｈｅａｖｉｌｙｃａｒ
ｂｏｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＡｓ ｇｒｏｗｎ ｗｉｔｈ
ｇａｓｓｏｕｒｃｅ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ−ｂｅａｍ
ｅｐｉｔａｘｙ ｕｓｉｎｇｈａｌｏｍｅｔｈａｎｅ
ｄｏｐｉｎｇ ｓｏｕｒｃｅｓ」に述べられている。
キャリア濃度が１０²⁰ｃｍ^-3あるいはそれ以下では、膜
厚が５μｍ以下の場合、電流拡散層により電流を横方向
に広げる効果は期待できないことが分かった。このこと
を図８のシミュレーション結果を用いてより詳細に説明
する。このシミュレーションの前提条件としては、ｎ−
ＧａＡｓ層４１の上にｐ−ＧａＡｓ層４２を成長させた
ものであり、ｎ−ＧａＡｓ層４１の厚さを１μｍとし，
濃度を１×１０¹⁷ｃｍ^-3とし、ｐ−ＧａＡｓ層４２の厚
さを２μｍとし，濃度を１×１０²⁰ｃｍ^-3としている。
このｐ−ＧａＡｓ層４２は活性領域として機能するとと
もに前述の電流拡散層となっている。そして、ｐ−Ｇａ
Ａｓ層４２の上面に３つの上部電極（Ｖ_cc＝５ボルト）
４３を配置するとともにｎ−ＧａＡｓ層４１の下面の全
面に下部電極（グランド電位）４４を配置した構造とし
ている。このような前提の下で電流経路をシミュレーシ
ョンし、その結果である電流経路を図中、矢印で示し
た。この図から、３μｍの厚みのＧａＡｓ発光ダイオー
ドにおいては、電流は上部電極４３の直下にしか流れな
いことが分かる。これは、ｐ−ＧａＡｓ層の厚さを４μ
ｍとした場合もほぼ同様である。従って、発光した光の
うち上部電極４３を透過した光だけしか素子外部に達す
ることができず、上部電極４３を透過する際の減衰のた
め光の取り出し効率は大幅に低下する。

【０００７】そこで、この発明の目的は、光の取り出し
効率に優れた半導体装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、第１の伝導型領域を有する半導体単結晶基板と、前
記半導体単結晶基板の第１の伝導型領域上に成長され、
前記半導体単結晶基板とは異なる材料よりなり、かつ発
光用活性領域となる第１の伝導型半導体と、前記第１の
伝導型半導体の上に成長され、前記第１の伝導型半導体
と同一材料よりなり、かつ発光用活性領域となる第２の
伝導型半導体と、前記第２の伝導型半導体上の広範囲に
わたり配置され、極薄膜よりなる電流拡散用極薄膜電極
と、前記電流拡散用極薄膜電極上の一部領域に配置され
たコンタクト用電極とを備えた半導体装置をその要旨と
する。

【０００９】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の発明における前記電流拡散用極薄膜電極の厚さは２０
ｎｍ以下である半導体装置をその要旨とする。請求項３
に記載の発明は、請求項１に記載の発明における前記電
流拡散用極薄膜電極の厚さは１０ｎｍ以上で２０ｎｍ以
下である半導体装置をその要旨とする。

【００１０】請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の
いずれか１項に記載の発明における前記電流拡散用極薄
膜電極はＡｕ−Ｚｎ系またはＡｕ−Ｇｅ系材料よりなる
半導体装置をその要旨とする。

【００１１】請求項５に記載の発明は、請求項１に記載
の発明における前記半導体単結晶基板において第２の伝
導型領域の内部に前記第１の伝導型領域が形成されてい
る半導体装置をその要旨とする。

【００１２】

【作用】請求項１に記載の発明によれば、第２の伝導型
半導体上の広範囲にわたり極薄膜よりなる電流拡散用極
薄膜電極が配置され、電流がコンタクト用電極を介して
電流拡散用極薄膜電極から第２の伝導型半導体および第
１の伝導型半導体に向けて注入される（あるいは、電流
が基板側から電流拡散用極薄膜電極に向けて注入され
る）。この際、電流拡散用極薄膜電極を設けたことによ
り、より広い領域から電流注入が行われる（あるいは、
より広い領域に向かって電流注入が行われる）。

【００１３】そして、第２の伝導型半導体と第１の伝導
型半導体とのｐｎ接合部において発光する。その光は第
２の伝導型半導体および電流拡散用極薄膜電極を通して
外部に放出される。この際、電流拡散用極薄膜電極は極
薄膜よりなるので、光は容易に通過していく。又、電流
拡散用極薄膜電極の上の一部領域にのみコンタクト用電
極が配置されているだけであるので、コンタクト用電極
による光の減衰は極力抑えられる。

【００１４】その結果、コンタクト用電極を透過する際
の減衰のために光の取り出し効率が低下するのが極力抑
えられ、光の取り出し効率に優れたものとなる。請求項
２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の作用
に加え、電流拡散用極薄膜電極の厚さが２０ｎｍ以下で
あるので、光が通過しやすい。

【００１５】請求項３に記載の発明によれば、請求項１
に記載の発明の作用に加え、電流拡散用極薄膜電極の厚
さが１０ｎｍ以上で２０ｎｍ以下であるので、光が通過
しやすく、かつ、電流拡散用極薄膜電極の下地面の凹凸
に起因する段切れも生じにくい。

【００１６】請求項４に記載の発明によれば、請求項１
〜３のいずれか１項に記載の発明の作用に加え、電流拡
散用極薄膜電極がＡｕ−Ｚｎ系またはＡｕ−Ｇｅ系材料
よりなるので、電極材料として好ましいものとなる。と
くに、上層側の半導体としてｐ−ＧａＡｓを用いた場合
にはＡｕ−Ｚｎ系材料が好ましく、上層側の半導体とし
てｎ−ＧａＡｓを用いた場合にはＡｕ−Ｇｅ系材料が好
ましい。

【００１７】請求項５に記載の発明によれば、請求項１
に記載の発明の作用に加え、半導体単結晶基板において
第２の伝導型領域の内部に第１の伝導型領域が形成され
ているので、第２の伝導型領域により他の部分と電気的
に絶縁することができる。

【００１８】

【実施例】

（第１実施例）以下、この発明をＧａＡｓ発光ダイオー
ドに具体化した第１実施例を図面に従って説明する。

【００１９】図１に示すように、半導体単結晶基板とし
てのＳｉ基板１の表面部にｐ−Ｓｉ拡散層２が形成され
るとともに、そのｐ−Ｓｉ拡散層２の内部にｎ−Ｓｉ拡
散層３が形成されている。ｎ−Ｓｉ拡散層３の上面にお
ける一部領域には発光ダイオードの動作層（発光用活性
領域）となるｎ−ＧａＡｓ層４およびｐ−ＧａＡｓ層５
が順次結晶成長されている。ｐ−ＧａＡｓ層５の上面の
全面には極薄膜よりなる電流拡散用極薄膜電極６が形成
されている。この電流拡散用極薄膜電極６は膜厚が１０
ｎｍのＡｕ−１０％Ｚｎ膜よりなり、抵抗加熱法により
形成したものである。尚、ＧａＡｓ層４，５の厚さの和
はクラックの発生を防止するために５μｍ以下となって
いる。

【００２０】電流拡散用極薄膜電極６の上面での一部領
域にはコンタクト用電極（上部電極）７が配置されてい
る。このコンタクト用電極７はＡｕＺｎ膜よりなり、膜
厚が３００ｎｍとなっている。このようにコンタクト用
電極７の膜厚が３００ｎｍと厚く、ワイヤボンディング
や膜による配線が可能となっている。

【００２１】又、ｎ−Ｓｉ拡散層３の上面におけるｎ−
ＧａＡｓ層４の配置領域以外の一部領域には、電流を取
り出すためのＡｌ電極８が形成されている。さらに、コ
ンタクト用電極７とＡｌ電極８との間には直流電源９が
接続され、コンタクト用電極７側にプラス電位が、Ａｌ
電極８側にマイナス電位が加わるようになっている。

【００２２】ここで、Ａｕ−１０％Ｚｎ膜よりなる電流
拡散用極薄膜電極６は金属電極であり、その抵抗率が半
導体の抵抗率に比べ約４桁小さい。より具体的には、Ａ
ｕ−１０％Ｚｎ膜の抵抗率が、１×１０²⁰ｃｍ^-3のｐ−
ＧａＡｓの抵抗率に比べ６×１０^-5倍以下となる。換言
すれば、膜厚が１０ｎｍの電流拡散用極薄膜電極６を用
いたときの抵抗値を、１×１０²⁰ｃｍ^-3のｐ−ＧａＡｓ
層（電流拡散用半導体層）にて得ようとすると膜厚が約
１７０μｍ（＝１０ｎｍ／６×１０^-5）必要となり、大
変膜厚が厚いものとなる。このように厚いＧａＡｓ膜は
前述したようにクラックが発生するので作製できない。

【００２３】このように、ｐ−ＧａＡｓ層（電流拡散用
半導体層）の代わりに、厚さが１０ｎｍの電流拡散用極
薄膜電極６を用いても横方向の抵抗は十分低く抑えられ
る。図２には、電極材料であるＡｕ膜の膜厚ｄと光の透
過率εとの関係を示す。つまり、図３に示すように、膜
厚ｄのＡｕ膜１０に対して光を照射した場合において、
入射光量１００に対しＡｕ膜１０を通過した光量ｘを透
過率εとして測定したものである。図２において横軸に
Ａｕ膜の膜厚ｄをとり縦軸に透過率εをとっている。
又、この光透過率εの測定にあたり用いた光はＧａＡｓ
の発光波長である９５０ｎｍの光を用いている。

【００２４】この図２からＡｕ膜１０の膜厚を１０ｎｍ
とした時の透過率εは５５％となっている。Ａｕ膜の代
わりにＡｕ−１０％Ｚｎ膜を用いた場合にも図２に示す
特性とほぼ同じ特性が得られ、Ａｕ−１０％Ｚｎ膜の膜
厚を１０ｎｍとした時の透過率εもほぼ５５％となる。
即ち、電流拡散用極薄膜電極６の透過率εはほぼ５５％
となる。

【００２５】又、電流拡散用極薄膜電極６の膜厚を１０
ｎｍとしたのは、製造可能な最小の膜厚であるととも
に、下地のｐ−ＧａＡｓ層５の表面の凹凸による段切れ
が発生しない最小の膜厚でもある。

【００２６】尚、図２において膜厚を２０ｎｍとした場
合においても透過率εは３０％となり、十分実用的なも
のである。次に、このように構成した半導体装置の作用
を説明する。

【００２７】コンタクト用電極７に流れ込んだ電流は電
流拡散用極薄膜電極６でｐ−ＧａＡｓ層５の表面全面に
広がり、さらに、下方のｎ−ＧａＡｓ層４に向けて注入
される。

【００２８】そして、電流がｐ−ＧａＡｓ層５の表面全
面からｐ−ＧａＡｓ層５とｎ−ＧａＡｓ層４との間のｐ
ｎ接合部の全領域に注入され、ｐｎ接合部の全領域にお
いてＧａＡｓの発光波長である９５０ｎｍの光を発す
る。つまり、電流注入によってＧａＡｓのｐｎ接合部の
全面が発光面となる。その光は上方に向かいｐ−ＧａＡ
ｓ層５および電流拡散用極薄膜電極６を通過して素子
（ダイオード）の外部に放出される。この外部へ到達す
る際には、電流拡散用極薄膜電極６は１０ｎｍの極薄膜
よりなるので、電流拡散用極薄膜電極６に入射する光の
うちの５５％が電流拡散用極薄膜電極６を通過してい
く。又、電流拡散用極薄膜電極６の上の一部領域にのみ
コンタクト用電極７が配置されているだけであるので、
コンタクト用電極７による光の減衰は極力抑えられる。

【００２９】一方、ｐ−ＧａＡｓ層５とｎ−ＧａＡｓ層
４との間のｐｎ接合部を通過した電流はｎ−ＧａＡｓ層
４を通り、ｎ−Ｓｉ拡散層３に至り、さらにＡｌ電極８
を通過していく。

【００３０】このように本実施例では、ｎ−Ｓｉ拡散層
３（第１の伝導型領域）を有するＳｉ基板（半導体単結
晶基板）１と、Ｓｉ基板１のｎ−Ｓｉ拡散層３上に成長
され、Ｓｉ基板１とは異なる材料よりなり、かつ発光用
活性領域となるｎ−ＧａＡｓ層４（第１の伝導型半導
体）と、ｎ−ＧａＡｓ層４の上に成長され、ｎ−ＧａＡ
ｓ層４と同一材料よりなり、かつ発光用活性領域となる
ｐ−ＧａＡｓ層５（第２の伝導型半導体）と、ｐ−Ｇａ
Ａｓ層５上の広範囲にわたり配置され、極薄膜よりなる
電流拡散用極薄膜電極６と、電流拡散用極薄膜電極６上
の一部領域に配置されたコンタクト用電極７とを備え
た。

【００３１】よって、電流がコンタクト用電極７を介し
て電流拡散用極薄膜電極６からｐ−ＧａＡｓ層５および
ｎ−ＧａＡｓ層４に向けて注入されるが、電流拡散用極
薄膜電極６を設けたことにより、より広い領域から電流
注入が行われ、ＧａＡｓのｐｎ接合部の広い範囲におい
て発光して、その光はｐ−ＧａＡｓ層５および電流拡散
用極薄膜電極６を通して外部に放出される。この際、電
流拡散用極薄膜電極６は極薄膜よりなるので、光は容易
に通過していく。又、電流拡散用極薄膜電極６の上の一
部領域にのみコンタクト用電極７が配置されているだけ
であるので、コンタクト用電極７による光の減衰は極力
抑えられる。

【００３２】その結果、コンタクト用電極７を透過する
際の減衰のために光の取り出し効率が低下するのが極力
抑えられ、光の取り出し効率に優れたものとなる。又、
電流拡散用極薄膜電極６の厚さが２０ｎｍ以下であるの
で、光が通過しやすい。

【００３３】さらに、電流拡散用極薄膜電極６の厚さが
１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下であるので、光が通過しやす
く、かつ、電流拡散用極薄膜電極６の下地面（ｐ−Ｇａ
Ａｓ層５の上面）の凹凸に起因する段切れも生じにく
い。

【００３４】さらには、電流拡散用極薄膜電極６がＡｕ
−Ｚｎ系材料（Ａｕ−１０％Ｚｎ）よりなるので、電極
材料として好ましいものとなる。又、Ｓｉ基板１におい
てｐ−Ｓｉ拡散層２（第２の伝導型領域）の内部にｎ−
Ｓｉ拡散層３が形成されているので、ｐ−Ｓｉ拡散層２
により他の部分と電気的に絶縁することができる。

【００３５】尚、Ｓｉ基板の上に成長させる半導体膜
は、ＧａＡｓの他にも、ＧａＰやＧａＡｌＡｓ等の各種
の半導体膜であってもよい。又、上述した例では伝導型
として基板側のｎ−Ｓｉ拡散層３、ｎ−ＧａＡｓ層４、
ｐ−ＧａＡｓ層５としたが、これらの伝導型を逆にして
もよい。即ち、基板側のｐ−Ｓｉ拡散層に対しｐ−Ｇａ
Ａｓ層（４）とｎ−ＧａＡｓ層（５）とを連続的に成長
させた構造としてもよい。この構造を採用した場合に
は、電流が基板１側から電流拡散用極薄膜電極６に向け
て注入され、電流拡散用極薄膜電極６を設けたことによ
り、より広い領域に向かって電流注入が行われる。又、
この構造を採用した場合において、上層側のＧａＡｓ層
としてｐ−ＧａＡｓ層５を用いた場合にはその上に配置
する電流拡散用極薄膜電極６としてＡｕ−Ｚｎ系材料を
使用したが、上層側のＧａＡｓ層としてｎ−ＧａＡｓ層
を用いる場合には電流拡散用極薄膜電極６としてＡｕ−
Ｇｅ系材料を用いるのが好ましい。

【００３６】さらに、ｐ−ＧａＡｓ層５の上に配置する
電流拡散用極薄膜電極６は、上述した例ではｐ−ＧａＡ
ｓ層５の全面に配置したが、必ずしもｐ−ＧａＡｓ層５
の全面に配置する必要はなく、コンタクト用電極７の設
置面積よりも広い領域にわたり配置してあれば、ｐｎ接
合部での発光面積（電流注入面積）の増大を図ることが
できる。

【００３７】又、ＧａＡｓの結晶性向上のため、動作層
近傍Ｓｉ基板側に歪み超格子を挿入してもよい。 （第２実施例）次に、第２実施例を第１実施例との相違
点を中心に説明する。

【００３８】本実施例の半導体装置を、図４，５，６，
７に示す。第１実施例ではＳｉ基板上に形成したＧａＡ
ｓ発光ダイオード単体を示したが、本第２実施例では集
積化の一例としてモノリシック構造のフォトカプラとし
ている。

【００３９】図４は平面図であり、図５は図４のＡ−Ａ
断面図であり、図６は発光素子部（発光ダイオード部）
の拡大図であり、図７は受光素子部（フォトトランジス
タ部）の拡大図である。

【００４０】図５に示すように、支持基板１１の上にＳ
ｉＯ₂ 層１２を介して単結晶Ｓｉ層１３が形成されてい
る。この支持基板１１、ＳｉＯ₂ 層１２、単結晶Ｓｉ層
１３によりＳＯＩ基板１４が構成されている。又、単結
晶Ｓｉ層１３の内部での底面部には高濃度拡散層１５が
形成されている。

【００４１】図４，５に示すように、ＳＯＩ基板１４に
おける単結晶Ｓｉ層１３上にはＧａＡｓ発光ダイオード
部１６ａ，１６ｂが形成されるとともに、ＳＯＩ基板１
４における単結晶Ｓｉ層１３内にはＳｉを用いたフォト
トランジスタ部１７ａ，１７ｂが形成されている。つま
り、ＳＯＩ基板１４には発光ダイオード部１６ａとフォ
トトランジスタ部１７ａとからなるフォトカプラと、発
光ダイオード部１６ｂとフォトトランジスタ部１７ｂと
からなるフォトカプラとが形成され、２チャンネルのフ
ォトカプラが同一基板内に配置されている。

【００４２】単結晶Ｓｉ層１３における発光ダイオード
部１６ａの周囲にはＳｉＯ₂ 層１２に至るＳｉＯ₂ 層形
成溝が形成され、その溝の内部にＳｉＯ₂ 層１８ａが充
填されている。同様に、単結晶Ｓｉ層１３における発光
ダイオード部１６ｂの周囲にはＳｉＯ₂ 層１２に至るＳ
ｉＯ₂ 層形成溝が形成され、その溝の内部にＳｉＯ₂層
１８ｂが充填されている。又、単結晶Ｓｉ層１３におけ
るフォトトランジスタ部１７ａの周囲にはＳｉＯ₂ 層１
２に至るＳｉＯ₂ 層形成溝が形成され、その溝の内部に
ＳｉＯ₂ 層２０ａが充填されている。同様に、単結晶Ｓ
ｉ層１３におけるフォトトランジスタ部１７ｂの周囲に
はＳｉＯ₂ 層１２に至るＳｉＯ₂ 層形成溝が形成され、
その溝の内部にＳｉＯ₂ 層２０ｂが充填されている。

【００４３】ＳｉＯ₂ 層１８ａ，１８ｂ，２０ａ，２０
ｂは光学的な屈折率が単結晶Ｓｉ層１３（半導体単結晶
領域）よりも小さく光を反射する。さらに、ＳｉＯ₂ 層
１８ａ，１８ｂ，２０ａ，２０ｂは複数のチャネルの相
互間に形成され、複数のチャネルの相互間の最短距離Ｌ
_min （図４参照）が、 減衰長＝（発光ダイオードの発光波長）／（４π×光吸
収部材の減衰係数） で表される減衰長以上となっている。

【００４４】そして、発光ダイオード部１６ａはＳｉＯ
₂ 層１８ａにて光が閉じ込められ、発光ダイオード部１
６ｂはＳｉＯ₂ 層１８ｂにて光が閉じ込められる。又、
フォトトランジスタ部１７ａはＳｉＯ₂ 層２０ａにて光
が閉じ込められ、フォトトランジスタ部１７ｂはＳｉＯ
₂ 層２０ｂにて光が閉じ込められる。このように、単結
晶Ｓｉ層１３（半導体単結晶領域）に形成したＳｉＯ₂
層１８ａ，１８ｂ，２０ａ，２０ｂにて、チャンネルの
相互間のクロストーク（相互干渉）を防止することがで
きる。

【００４５】尚、光閉じ込め層（光反射層）としてのＳ
ｉＯ₂ 層１８ａ，１８ｂ，２０ａ，２０ｂは、シリカガ
ラスを用いたり、溝内に何も配置しない空隙であっても
よい。

【００４６】さらに、単結晶Ｓｉ層１３における発光ダ
イオード部１６ａおよび１６ｂの周囲（ＳｉＯ₂ 層１８
ａおよび１８ｂの周囲）にはＳｉＯ₂ 層１２に至るＳｉ
Ｏ₂層形成溝が形成され、その溝の内部にＳｉＯ₂ 層１
９ａが充填されている。同様に、単結晶Ｓｉ層１３にお
けるフォトトランジスタ部１７ａおよび１７ｂの周囲
（ＳｉＯ₂ 層２０ａおよび２０ｂの周囲）にはＳｉＯ₂
層１２に至るＳｉＯ₂ 層形成溝が形成され、その溝の内
部にＳｉＯ₂ 層１９ｂが充填されている。そして、単結
晶Ｓｉ層１３（半導体単結晶領域）に形成したＳｉＯ₂
層１９ａ，１９ｂおよびＳｉＯ₂ 層１２により、発光ダ
イオード部１６ａ，１６ｂとフォトトランジスタ部１７
ａ，１７ｂとが絶縁分離されている（電気的に分離され
ている）。

【００４７】尚、電気的分離膜としてのＳｉＯ₂ 層１９
ａ，１９ｂは、他にもシリカガラスを用いてもよい。
又、ＳｉＯ₂ 層１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂ，２０
ａ，２０ｂの熱膨張率は単結晶Ｓｉ層１３（半導体単結
晶領域）の熱膨張率に近いものであり、これらＳｉＯ₂
層により単結晶Ｓｉ層１３に加わる熱応力が緩和され
る。

【００４８】図６の発光ダイオード部において、単結晶
Ｓｉ層１３にはｐ−Ｓｉ拡散層２が形成されるととも
に、そのｐ−Ｓｉ拡散層２の内部にｎ−Ｓｉ拡散層３が
形成されている。ｎ−Ｓｉ拡散層３の上面にはｎ−Ｇａ
Ａｓ層４およびｐ−ＧａＡｓ層５が順次結晶成長されて
いる。ｐ−ＧａＡｓ層５の上部において広い領域にわた
り電流拡散用極薄膜電極６が形成されている。この電流
拡散用極薄膜電極６はＡｕ−１０％Ｚｎよりなり、膜厚
が１０ｎｍとなっている。

【００４９】電流拡散用極薄膜電極６の上面での一部領
域にはコンタクト用電極（上部電極）７が配置されてい
る。このコンタクト用電極７はＡｌＺｎ膜よりなる。
又、ｎ−Ｓｉ拡散層３の上面におけるｎ−ＧａＡｓ層４
の配置領域以外の領域には、電流を取り出すためのＡｌ
電極８（図４に示す）が形成されている。

【００５０】一方、図７のフォトトランジスタ部におい
て、単結晶Ｓｉ層１３がｎ型となっており、その表面部
における所定領域にはｐ型ベース領域２１が形成される
とともに、その内部における表面部にはｎ型エミッタ領
域２２が形成されている。又、単結晶Ｓｉ層１３の表面
部における所定領域にはｎ型拡散領域２３が形成されて
いる。そして、ｎ型エミッタ領域２２、ｐ型ベース領域
２１、ｎ型単結晶Ｓｉ層１３にて、ｎ／ｐ／ｎ構造のフ
ォトトランジスタが形成されている。

【００５１】ＳＯＩ基板１４の表面にはフィールド酸化
膜（ＳｉＯ₂ 膜）２４が形成され、この膜２４は後述す
る光導波路のクラッド層（光反射層）として必要な膜厚
となっている。又、ｐ型ベース領域２１の上面には薄い
ＳｉＯ₂ 膜２５が形成されている。

【００５２】フィールド酸化膜（ＳｉＯ₂ 膜）２４の
上、ＳｉＯ₂ 膜２５の上、およびｎ−ＧａＡｓ層４・ｐ
−ＧａＡｓ層５の積層体の周囲には窒化シリコン膜２６
が形成されている。発光ダイオード部１６ａとフォトト
ランジスタ部１７ａとの間における窒化シリコン膜２６
の上には、光導波路形成部材としての酸化チタン層２７
ａが形成され、この酸化チタン層２７ａによりフォトト
ランジスタ部１７ａが発光ダイオード部１６ａと光学的
に結合されている。同様に、発光ダイオード部１６ｂと
フォトトランジスタ部１７ｂとの間における窒化シリコ
ン膜２６の上には、光導波路形成部材としての酸化チタ
ン層２７ｂが形成され、この酸化チタン層２７ｂにより
フォトトランジスタ部１７ｂが発光ダイオード部１６ｂ
と光学的に結合されている。

【００５３】ここで、光導波路形成部材としての酸化チ
タン層２７ａ，２７ｂはＧａＡｓ発光ダイオードの発光
波長における光学的な屈折率が「１」よりも大きな透明
材料である。

【００５４】尚、光導波路形成部材としての酸化チタン
層（ＴｉＯ₂ ）２７ａ，２７ｂは、他にも窒化シリコン
（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）や砒素ガラス（Ａｓ₂ Ｓｅ₃ ，Ａｓ₂ Ｓ
₃ ）でもよい。

【００５５】図４，５に示すように、発光ダイオード部
１６ａにおいて、窒化シリコン膜２６の上にはＡｌ配線
２８ａが形成され、Ａｌ配線２８ａは発光ダイオード部
１６ａのコンタクト用電極７と接続されるとともにＳｉ
Ｏ₂ 層１９ａの内側領域においてＳｉＯ₂ 層１８ａの外
側領域に延設されている。又、図４に示すように、発光
ダイオード部１６ｂにおいて、窒化シリコン膜２６の上
にはＡｌ配線２８ｂが形成され、Ａｌ配線２８ｂは発光
ダイオード部１６ｂのコンタクト用電極７と接続される
とともにＳｉＯ₂ 層１９ｂの内側領域においてＳｉＯ₂
層１８ｂの外側領域に延設されている。さらに、図４に
示すように、発光ダイオード部１６ａおよび１６ｂにお
いて、窒化シリコン膜２６の上にはＡｌ配線２９が形成
され、Ａｌ配線２９は両発光ダイオード部１６ａ，１６
ｂのＡｌ電極８と一体的に形成されるとともにＳｉＯ₂
層１９ａの内側領域においてＳｉＯ₂ 層１８ａおよび１
８ｂの外側領域に延設されている。

【００５６】図４，５に示すように、フォトトランジス
タ部１７ａ，１７ｂにおいて、窒化シリコン膜２６の上
にはＡｌ配線３０が形成され、Ａｌ配線３０は両フォト
トランジスタ部１７ａ，１７ｂでのｎ型エミッタ領域２
２とそれぞれ接触するとともにＳｉＯ₂ 層１９ｂの内側
領域においてＳｉＯ₂ 層２０ａおよび２０ｂの外側領域
に延設されている。又、図４，５に示すように、フォト
トランジスタ部１７ａにおいて、窒化シリコン膜２６の
上にはＡｌ配線３１ａが形成され、Ａｌ配線３１ａはフ
ォトトランジスタ部１７ａのｎ型拡散領域２３と接触す
るとともにＳｉＯ₂ 層１９ｂの内側領域においてＳｉＯ
₂ 層２０ａの外側領域に延設されている。さらに、図４
に示すように、フォトトランジスタ部１７ｂにおいて、
窒化シリコン膜２６の上にはＡｌ配線３１ｂが形成さ
れ、Ａｌ配線３１ｂはフォトトランジスタ部１７ｂのｎ
型拡散領域２３と接触するとともにＳｉＯ₂ 層１９ｂの
内側領域においてＳｉＯ₂ 層２０ｂの外側領域に延設さ
れている。

【００５７】発光ダイオード部１６ａ，１６ｂとフォト
トランジスタ部１７ａ，１７ｂの表面はＳｉＯ₂ 膜３２
で覆われ、Ａｌ配線２８ａ，２８ｂ，２９，３０，３１
ａ，３１ｂの上におけるＳｉＯ₂ 膜３２の一部が開口し
ており、この部分がボンディングパッド部となってい
る。

【００５８】このように構成した半導体装置の作用とし
ては、発光ダイオード部１６ａ，１６ｂにおいてコンタ
クト用電極７とＡｌ電極８との間に電圧を印加すると、
電流拡散用極薄膜電極６を通してｐｎ接合部において発
光し、その光は上方に向かい電流拡散用極薄膜電極６を
通過し酸化チタン層２７ａ，２７ｂに入る。さらに、そ
の光は酸化チタン層２７ａ，２７ｂ内を伝播しフォトト
ランジスタ部１７ａ，１７ｂにおけるｐ型ベース領域２
１に至る。すると、フォトトランジスタ部１７ａ，１７
ｂにおけるｐ型ベース領域２１とｎ型コレクタ領域（ｎ
型単結晶Ｓｉ層）でのｐｎ接合で発生した光電流は増幅
されてコレクタ，エミッタ電流として取り出される。

【００５９】この一連の信号伝播動作は、チャンネル毎
に行われる。つまり、発光ダイオード部１６ａと酸化チ
タン層２７ａとフォトトランジスタ部１７ａとからなる
第１チャンネルと、発光ダイオード部１６ｂと酸化チタ
ン層２７ｂとフォトトランジスタ部１７ｂとからなる第
２チャンネルの２つのチャンネルが独立して信号伝播動
作を行う。この際、ＳｉＯ₂ 層１８ａ，１８ｂ，２０
ａ，２０ｂにて、チャンネルの相互間のクロストーク
（相互干渉）が防止される。

【００６０】このように本実施例においても、発光ダイ
オード部１６ａ，１６ｂのコンタクト用電極７の下に電
流拡散用極薄膜電極６を形成することにより、ダイオー
ド内のｐｎ接合部における広い領域から発光させ、その
光が、コンタクト用電極７による減衰の影響をほとんど
受けずに効率的に光導波路（２７ａ，２７ｂ）に伝えら
れる。

【００６１】尚、受光素子としてはＳｉを用いたフォト
トランジスタの他にもフォトダイオードやフォトサイリ
スタやフォトトライアックや光起電力素子でもよい。
又、図１において、ｐ−Ｓｉ拡散層２は必ずしも必要と
しない。つまり、素子分離が必要ない場合には設ける必
要はない。

【００６２】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、光の取
り出し効率に優れたものすることができる。

【００６３】請求項２に記載の発明によれば、請求項１
に記載の発明の効果に加え、光を通過しやすくできる。
請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明
の効果に加え、光が通過しやすく、かつ、電流拡散用極
薄膜電極の下地面の凹凸に起因する段切れも生じにくく
できる。

【００６４】請求項４に記載の発明によれば、請求項１
〜３のいずれか１項に記載の発明の効果に加え、電極材
料として好ましいものとすることができる。請求項５に
記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加
え、第２の伝導型領域により他の部分と電気的に絶縁す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の半導体装置の断面図。

【図２】膜厚と透過率との関係を示す測定図。

【図３】透過率を説明するための断面図。

【図４】第２実施例の半導体装置の平面図。

【図５】図４のＡ−Ａ断面図。

【図６】発光ダイオード部の拡大断面図。

【図７】フォトトランジスタ部の拡大断面図。

【図８】シミュレーション結果を示す図。

【符号の説明】

１…半導体単結晶基板としてのＳｉ基板、２…第２の伝
導型領域としてのｐ−Ｓｉ拡散層、３…第１の伝導型領
域としてのｎ−Ｓｉ拡散層、４…第１の伝導型半導体と
してのｎ−ＧａＡｓ層、５…第２の伝導型半導体として
のｐ−ＧａＡｓ層、６…電流拡散用極薄膜電極、７…コ
ンタクト用電極

フロントページの続き (72)発明者 久冨 茂樹 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装 株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の伝導型領域を有する半導体単結晶
   基板と、 前記半導体単結晶基板の第１の伝導型領域上に成長さ
   れ、前記半導体単結晶基板とは異なる材料よりなり、か
   つ発光用活性領域となる第１の伝導型半導体と、 前記第１の伝導型半導体の上に成長され、前記第１の伝
   導型半導体と同一材料よりなり、かつ発光用活性領域と
   なる第２の伝導型半導体と、 前記第２の伝導型半導体上の広範囲にわたり配置され、
   極薄膜よりなる電流拡散用極薄膜電極と、 前記電流拡散用極薄膜電極上の一部領域に配置されたコ
   ンタクト用電極とを備えたことを特徴とする半導体装
   置。
2. 【請求項２】 前記電流拡散用極薄膜電極の厚さは２０
   ｎｍ以下である請求項１に記載の半導体装置。
3. 【請求項３】 前記電流拡散用極薄膜電極の厚さは１０
   ｎｍ以上で２０ｎｍ以下である請求項１に記載の半導体
   装置。
4. 【請求項４】 前記電流拡散用極薄膜電極はＡｕ−Ｚｎ
   系またはＡｕ−Ｇｅ系材料よりなる請求項１〜３のいず
   れか１項に記載の半導体装置。
5. 【請求項５】 前記半導体単結晶基板において第２の伝
   導型領域の内部に前記第１の伝導型領域が形成されてい
   る請求項１に記載の半導体装置。