JP2002111057A - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子 - Google Patents
Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子Info
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- JP2002111057A JP2002111057A JP2000298169A JP2000298169A JP2002111057A JP 2002111057 A JP2002111057 A JP 2002111057A JP 2000298169 A JP2000298169 A JP 2000298169A JP 2000298169 A JP2000298169 A JP 2000298169A JP 2002111057 A JP2002111057 A JP 2002111057A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 積層数が大幅に小さく反射率が十分高い多重
膜反射層の実現。 【解決手段】 ｎ型シリコン基板１０１の上にはＡｌ
0.20Ｇａ0.80Ｎから成る膜厚約２０ｎｍのｎ型バッファ
層１０２が設けられ、その上には膜厚約４７ｎｍのシリ
コン(Si)ドープのＡｌ0.10Ｇａ0.90Ｎより成るｎ型の半
導体層Ｂと、膜厚約４３ｎｍのシリコン(Si)ドープのＩ
ｎ0.17Ｇａ0.83Ｎより成るｎ型の半導体層Ａとを交互に
合計３０層積層して、多重膜反射層１７０が形成されて
いる。GaN から成るｎ型クラッド層１０５の上には、膜
厚約３ｎｍのＩｎ0.18Ｇａ0.82Ｎから成る井戸層１６１
と、膜厚約７ｎｍのＧａＮから成るバリア層１６２とが
交互に積層されたＭＱＷ活性層１６０が形成されてい
る。本構成により、井戸層１６１よりも半導体層Ａの方
がバンドギャップが若干大きくなり、光の吸収が十分に
抑止される。更に本構成により、層Ａ，Ｂ間の屈折率の
差を極力大きくできる。
膜反射層の実現。 【解決手段】 ｎ型シリコン基板１０１の上にはＡｌ
0.20Ｇａ0.80Ｎから成る膜厚約２０ｎｍのｎ型バッファ
層１０２が設けられ、その上には膜厚約４７ｎｍのシリ
コン(Si)ドープのＡｌ0.10Ｇａ0.90Ｎより成るｎ型の半
導体層Ｂと、膜厚約４３ｎｍのシリコン(Si)ドープのＩ
ｎ0.17Ｇａ0.83Ｎより成るｎ型の半導体層Ａとを交互に
合計３０層積層して、多重膜反射層１７０が形成されて
いる。GaN から成るｎ型クラッド層１０５の上には、膜
厚約３ｎｍのＩｎ0.18Ｇａ0.82Ｎから成る井戸層１６１
と、膜厚約７ｎｍのＧａＮから成るバリア層１６２とが
交互に積層されたＭＱＷ活性層１６０が形成されてい
る。本構成により、井戸層１６１よりも半導体層Ａの方
がバンドギャップが若干大きくなり、光の吸収が十分に
抑止される。更に本構成により、層Ａ，Ｂ間の屈折率の
差を極力大きくできる。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、多重膜反射層を有
する III族窒化物系化合物半導体発光素子に関する。
する III族窒化物系化合物半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】多重膜反射層を有する III族窒化物系化
合物半導体発光素子としては、例えば、公開特許公報
「特開平８−３２１１６：発光素子」（以下、「文献
１」と言う）に記載されているものや、公開特許公報
「特開平８−２２８０２５：窒化物半導体発光素子」
（以下、「文献２」と言う）に記載されているもの等が
一般に知られている。これらの文献１、２から判る様
に、屈折率ｎの差が極力大きい２種類の半導体層を、そ
れぞれ膜厚Ｄ＝λ／４ｎで交互に多数積層することによ
り、この様な多重膜反射層を形成することができる。
合物半導体発光素子としては、例えば、公開特許公報
「特開平８−３２１１６：発光素子」（以下、「文献
１」と言う）に記載されているものや、公開特許公報
「特開平８−２２８０２５：窒化物半導体発光素子」
（以下、「文献２」と言う）に記載されているもの等が
一般に知られている。これらの文献１、２から判る様
に、屈折率ｎの差が極力大きい２種類の半導体層を、そ
れぞれ膜厚Ｄ＝λ／４ｎで交互に多数積層することによ
り、この様な多重膜反射層を形成することができる。
【０００３】上記の文献２には、反射率についての具体
的な数値が一切開示されていないため、反射率に関する
具体的或いは定量的なことはこの文献からは不明である
が、例えば、上記の文献１には、屈折率の相異なる窒化
物半導体（Ａｌ0.1 Ｇａ0.9ＮとＧａＮ）を交互に合計
５０層積層して、多重膜反射層（「反射層３０」）を形
成することにより、理論的には約８６％の反射率が得ら
れることが例示されている。
的な数値が一切開示されていないため、反射率に関する
具体的或いは定量的なことはこの文献からは不明である
が、例えば、上記の文献１には、屈折率の相異なる窒化
物半導体（Ａｌ0.1 Ｇａ0.9ＮとＧａＮ）を交互に合計
５０層積層して、多重膜反射層（「反射層３０」）を形
成することにより、理論的には約８６％の反射率が得ら
れることが例示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来技術により反射率の高い多重膜反射層を形成する場
合には、上記の通り多重膜反射層の積層数をかなり大き
くしなければならず、このため、製造時間、材料コスト
等の生産コストが増大して、高い生産性を上げることが
難しいと言う問題が有った。
従来技術により反射率の高い多重膜反射層を形成する場
合には、上記の通り多重膜反射層の積層数をかなり大き
くしなければならず、このため、製造時間、材料コスト
等の生産コストが増大して、高い生産性を上げることが
難しいと言う問題が有った。
【０００５】この様な多重膜反射層の課題は、シリコン
（Ｓｉ）等の光を比較的吸収し易い基板を使用する際等
に特に重要となる。これは、例えば、シリコンで結晶成
長基板を構成した場合、電極を直接基板に設けることが
できる様になる等の優れた利点が得られるものの、シリ
コンはバンドギャップエネルギーが約１．１ｅＶ程度と
かなり小さいために、基板が可視光を吸収してしまう等
の事情によるものである。
（Ｓｉ）等の光を比較的吸収し易い基板を使用する際等
に特に重要となる。これは、例えば、シリコンで結晶成
長基板を構成した場合、電極を直接基板に設けることが
できる様になる等の優れた利点が得られるものの、シリ
コンはバンドギャップエネルギーが約１．１ｅＶ程度と
かなり小さいために、基板が可視光を吸収してしまう等
の事情によるものである。
【０００６】本発明は、上記の課題を解決するために成
されたものであり、その目的は、積層数が従来よりも大
幅に小さく反射率が十分高い多重膜反射層を実現するこ
とである。また、本発明の更なる目的は、反射率が十分
高い多重膜反射層を利用して、電極が直接導電性基板に
接続された III族窒化物系化合物半導体発光素子の発光
強度又は発光効率を高くし、かつ、その発光素子の生産
性を向上させることである。
されたものであり、その目的は、積層数が従来よりも大
幅に小さく反射率が十分高い多重膜反射層を実現するこ
とである。また、本発明の更なる目的は、反射率が十分
高い多重膜反射層を利用して、電極が直接導電性基板に
接続された III族窒化物系化合物半導体発光素子の発光
強度又は発光効率を高くし、かつ、その発光素子の生産
性を向上させることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めには、以下の手段が有効である。即ち、第１の手段
は、 III族窒化物系化合物より成る半導体層を積層して
形成される III族窒化物系化合物半導体発光素子におい
て、発光層の発光波長λに基づく所定周期で屈折率がｎ
A の半導体層Ａと屈折率がｎB （＜ｎA ）の半導体層Ｂ
とを交互に多数積層することにより形成された多重膜反
射層を設け、半導体層Ａのバンドギャップエネルギーを
発光層のバンドギャップエネルギーよりも、発光層のス
ペクトラル半値幅Δλ（＞０）に概ね相当するエネルギ
ー幅ΔＥ（〜ｃｈΔλ／λ2 ；ｃは光速、ｈはプランク
定数）分程度だけ大きくすることである。
めには、以下の手段が有効である。即ち、第１の手段
は、 III族窒化物系化合物より成る半導体層を積層して
形成される III族窒化物系化合物半導体発光素子におい
て、発光層の発光波長λに基づく所定周期で屈折率がｎ
A の半導体層Ａと屈折率がｎB （＜ｎA ）の半導体層Ｂ
とを交互に多数積層することにより形成された多重膜反
射層を設け、半導体層Ａのバンドギャップエネルギーを
発光層のバンドギャップエネルギーよりも、発光層のス
ペクトラル半値幅Δλ（＞０）に概ね相当するエネルギ
ー幅ΔＥ（〜ｃｈΔλ／λ2 ；ｃは光速、ｈはプランク
定数）分程度だけ大きくすることである。
【０００８】また、第２の手段は、上記の第１の手段に
おいて、上記のエネルギー幅ΔＥを、スペクトラル半値
幅Δλに対して「ｃｈΔλ／４λ2 ≦ΔＥ≦２ｃｈΔλ
／λ 2 」を満たす様に設定することである。
おいて、上記のエネルギー幅ΔＥを、スペクトラル半値
幅Δλに対して「ｃｈΔλ／４λ2 ≦ΔＥ≦２ｃｈΔλ
／λ 2 」を満たす様に設定することである。
【０００９】また、第３の手段は、上記の第１又は第２
の手段において、上記のエネルギー幅ΔＥを１００〔ｍ
ｅＶ〕未満の正値にすることである。
の手段において、上記のエネルギー幅ΔＥを１００〔ｍ
ｅＶ〕未満の正値にすることである。
【００１０】また、第４の手段は、上記の第１乃至第３
の何れか１つの手段において、半導体層Ａ及び半導体層
Ｂを２元、３元又は４元のＩｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ｎ
（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０≦ｘ＋ｙ≦１）より形成
することである。
の何れか１つの手段において、半導体層Ａ及び半導体層
Ｂを２元、３元又は４元のＩｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ｎ
（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０≦ｘ＋ｙ≦１）より形成
することである。
【００１１】また、第５の手段は、上記の第１乃至第４
の何れか１つの手段において、結晶成長基板をガリウム
砒素（ＧａＡｓ）、ガリウムリン（ＧａＰ）、シリコン
（Ｓｉ）、又はゲルマニウム（Ｇｅ）より成る電気伝導
性基板にすることである。
の何れか１つの手段において、結晶成長基板をガリウム
砒素（ＧａＡｓ）、ガリウムリン（ＧａＰ）、シリコン
（Ｓｉ）、又はゲルマニウム（Ｇｅ）より成る電気伝導
性基板にすることである。
【００１２】また、第６の手段は、上記の第１乃至第５
の何れか１つの手段において、半導体層Ａのバンドギャ
ップエネルギーを、屈折率ｎA が波長対屈折率曲線又は
光子エネルギー対屈折率曲線において発光波長λ付近又
は光子エネルギーＥ付近で略ピーク値を示す様に設定す
ることである。
の何れか１つの手段において、半導体層Ａのバンドギャ
ップエネルギーを、屈折率ｎA が波長対屈折率曲線又は
光子エネルギー対屈折率曲線において発光波長λ付近又
は光子エネルギーＥ付近で略ピーク値を示す様に設定す
ることである。
【００１３】また、第７の手段は、上記の第１乃至第６
の何れか１つの手段において、半導体層Ａを３元又は４
元のＩｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ｎ（０≦ｘ＜１，0.10≦ｙ
≦0.50，０＜ｘ＋ｙ≦１）より形成することである。
の何れか１つの手段において、半導体層Ａを３元又は４
元のＩｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ｎ（０≦ｘ＜１，0.10≦ｙ
≦0.50，０＜ｘ＋ｙ≦１）より形成することである。
【００１４】更に、第８の手段は、上記の第１乃至第７
の何れか１つの手段において、半導体層Ｂを３元又は４
元のＩｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ｎ（0.10≦ｘ≦0.30，０≦
ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ≦１）より形成することである。以
上の手段により、前記の課題を解決することができる。
の何れか１つの手段において、半導体層Ｂを３元又は４
元のＩｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ｎ（0.10≦ｘ≦0.30，０≦
ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ≦１）より形成することである。以
上の手段により、前記の課題を解決することができる。
【００１５】
【作用及び発明の効果】前記の様に、多重膜反射層は屈
折率ｎの差が大きい２種類の半導体層をそれぞれ膜厚Ｄ
＝λ／４ｎで、交互に多数積層することにより形成され
る。ただし、ここでλは、発光層の発光スペクトルにお
けるピーク波長である。この多重膜反射層を構成する２
種類の半導体層Ａ，Ｂの内のバンドギャップエネルギー
の小さい方（半導体層Ａ）のバンドギャップエネルギー
が、更に、発光層のバンドギャップエネルギーよりも小
さい場合、発光層から発光された光が半導体層Ａにより
吸収されてしまう。
折率ｎの差が大きい２種類の半導体層をそれぞれ膜厚Ｄ
＝λ／４ｎで、交互に多数積層することにより形成され
る。ただし、ここでλは、発光層の発光スペクトルにお
けるピーク波長である。この多重膜反射層を構成する２
種類の半導体層Ａ，Ｂの内のバンドギャップエネルギー
の小さい方（半導体層Ａ）のバンドギャップエネルギー
が、更に、発光層のバンドギャップエネルギーよりも小
さい場合、発光層から発光された光が半導体層Ａにより
吸収されてしまう。
【００１６】この様な光の吸収を抑制するためには、２
種類の半導体層Ａ，Ｂのバンドギャップエネルギーをそ
れぞれ発光層のバンドギャップエネルギーよりも大きく
すれば良い。しかしながら、半導体層Ａのバンドギャッ
プエネルギーの値を発光層のバンドギャップエネルギー
の値よりも大きくし過ぎると、２種類の半導体層Ａ，Ｂ
の屈折率ｎA ，ｎB の差を十分に大きく取ることが難し
くなる。これは、好適な結晶を得る上で２種類の半導体
層Ａ，Ｂの組成に元来ある程度の一定の制約があるため
である。例えば、上記の文献２には、半導体層Ｂ（ｎB
＜ｎA ）のアルミニウム組成比は、「０．４以下にする
ことが望ましい」等の記載（制約）が見られる。
種類の半導体層Ａ，Ｂのバンドギャップエネルギーをそ
れぞれ発光層のバンドギャップエネルギーよりも大きく
すれば良い。しかしながら、半導体層Ａのバンドギャッ
プエネルギーの値を発光層のバンドギャップエネルギー
の値よりも大きくし過ぎると、２種類の半導体層Ａ，Ｂ
の屈折率ｎA ，ｎB の差を十分に大きく取ることが難し
くなる。これは、好適な結晶を得る上で２種類の半導体
層Ａ，Ｂの組成に元来ある程度の一定の制約があるため
である。例えば、上記の文献２には、半導体層Ｂ（ｎB
＜ｎA ）のアルミニウム組成比は、「０．４以下にする
ことが望ましい」等の記載（制約）が見られる。
【００１７】また、発光層の発光波長λ（ピーク値）が
半導体層Ａの光吸収端波長よりも長い場合にも、発光層
の発光波長λ（発光スペクトル）にはある程度の幅（ス
ぺクトラル半値幅Δλ）が有るため、半導体層Ａのバン
ドギャップエネルギーの値を発光層のバンドギャップエ
ネルギーの値に近付け過ぎると、やはり、半導体層Ａに
より発光層から発光された光が吸収されてしまう。
半導体層Ａの光吸収端波長よりも長い場合にも、発光層
の発光波長λ（発光スペクトル）にはある程度の幅（ス
ぺクトラル半値幅Δλ）が有るため、半導体層Ａのバン
ドギャップエネルギーの値を発光層のバンドギャップエ
ネルギーの値に近付け過ぎると、やはり、半導体層Ａに
より発光層から発光された光が吸収されてしまう。
【００１８】図１に、発光層と半導体層Ａの発光／光吸
収スペクトルを例示する。本図に示す様に、これらのス
ペクトル曲線が互いに概ね発光層の発光スペクトルにお
けるスぺクトラル半値幅Δλ程度離れていれば、両曲線
の重なりがある程度まで小さくなるため、上記の様な光
の吸収がある程度まで抑制できることが判る。
収スペクトルを例示する。本図に示す様に、これらのス
ペクトル曲線が互いに概ね発光層の発光スペクトルにお
けるスぺクトラル半値幅Δλ程度離れていれば、両曲線
の重なりがある程度まで小さくなるため、上記の様な光
の吸収がある程度まで抑制できることが判る。
【００１９】光子の持つエネルギーＥと波長λとの関係
は、次式（１）或いは（２）で与えられる。
は、次式（１）或いは（２）で与えられる。
【数１】 Ｅ＝ｃｈ／λ …（１）
【数２】 ｄＥ／ｄλ＝−ｃｈ／λ2 …（２） ただし、ここで、ｃは光速、ｈはプランク定数である。
【００２０】従って、製造する発光素子の発光層の発光
スペクトルにおけるピーク波長λとスぺクトラル半値幅
Δλが既知の場合には、これらの値に基づいて、半導体
層Ａのバンドギャップエネルギーを次式（３）で与えら
れるエネルギー幅ΔＥ分程度だけ、発光層のバンドギャ
ップエネルギーよりも大きく成る様に、半導体層Ａの組
成比を決定すれば良い。
スペクトルにおけるピーク波長λとスぺクトラル半値幅
Δλが既知の場合には、これらの値に基づいて、半導体
層Ａのバンドギャップエネルギーを次式（３）で与えら
れるエネルギー幅ΔＥ分程度だけ、発光層のバンドギャ
ップエネルギーよりも大きく成る様に、半導体層Ａの組
成比を決定すれば良い。
【数３】 ΔＥ〜ｃｈΔλ／λ2 …（３）
【００２１】即ち、一旦このエネルギー幅ΔＥの値が求
まれば、この様なバンドギャップエネルギーの条件を満
たす半導体層Ａの組成比は、例えば、２乃至４元の III
族窒化物系化合物半導体の組成比とその半導体のバンド
ギャップエネルギー等の関係や、ベガードの法則等を用
いた一般に公知の手法、或いは、その他の適当な任意の
手法により求めることができる。
まれば、この様なバンドギャップエネルギーの条件を満
たす半導体層Ａの組成比は、例えば、２乃至４元の III
族窒化物系化合物半導体の組成比とその半導体のバンド
ギャップエネルギー等の関係や、ベガードの法則等を用
いた一般に公知の手法、或いは、その他の適当な任意の
手法により求めることができる。
【００２２】以上の様な半導体層Ａの組成比の決定によ
り、半導体層Ａによる発光層から発光された光の吸収を
十分に抑制した上で、尚且つ、半導体層Ａ，Ｂの屈折率
の差を十分或いは最大に大きく取ることができる。従っ
て、従来よりも大幅に小さな積層数で、反射率が十分高
い多重膜反射層を形成することが可能となる。
り、半導体層Ａによる発光層から発光された光の吸収を
十分に抑制した上で、尚且つ、半導体層Ａ，Ｂの屈折率
の差を十分或いは最大に大きく取ることができる。従っ
て、従来よりも大幅に小さな積層数で、反射率が十分高
い多重膜反射層を形成することが可能となる。
【００２３】尚、上記のエネルギー幅ΔＥの適正範囲
は、半導体層Ａのスぺクトラル半値幅にもある程度依存
するが、概ね次式（４）に示す程度が良い。
は、半導体層Ａのスぺクトラル半値幅にもある程度依存
するが、概ね次式（４）に示す程度が良い。
【数４】 ｃｈΔλ／４λ2 ≦ΔＥ≦２ｃｈΔλ／λ2 …（４） ただし、ここで、λ、Δλは発光層の発光スペクトルに
おけるピーク波長、及びスぺクトラル半値幅である。バ
ンドギャップエネルギーの絶対値についての半導体層Ａ
と発光層との差（ΔＥ）がこの範囲よりも小さい値にな
ると、発光層（井戸層）の発光スペクトルと半導体層Ａ
の光吸収スペクトルとの重なりが大きくなり、半導体層
Ａによる光の吸収が顕著となる。また、ΔＥがこの範囲
よりも大きい値になると、半導体層Ａ，Ｂの屈折率の差
を大きくすることが前記の制約から次第に困難となり、
よって、積層数の削減が難しくなる。
おけるピーク波長、及びスぺクトラル半値幅である。バ
ンドギャップエネルギーの絶対値についての半導体層Ａ
と発光層との差（ΔＥ）がこの範囲よりも小さい値にな
ると、発光層（井戸層）の発光スペクトルと半導体層Ａ
の光吸収スペクトルとの重なりが大きくなり、半導体層
Ａによる光の吸収が顕著となる。また、ΔＥがこの範囲
よりも大きい値になると、半導体層Ａ，Ｂの屈折率の差
を大きくすることが前記の制約から次第に困難となり、
よって、積層数の削減が難しくなる。
【００２４】また、半導体層Ａ，Ｂの屈折率差を大きく
取る方法としては、次の方法が有効である。即ち、半導
体層Ａの屈折率ｎA は、半導体層Ａのバンドギャップエ
ネルギーを発光層のバンドギャップエネルギーに近付け
ることにより、発光波長λに対する屈折率を通常より大
きくすることができる。これは、これらの半導体の屈折
率の波長依存性（光子エネルギー依存性）がその半導体
自身の発光波長付近で極大を示すためである。従って、
この極大値付近の大きな屈折率を利用できる様に半導体
層Ａの組成比を調整すれば、半導体層Ａ，Ｂの屈折率差
を大きく取ることが可能となる。ただし、半導体層Ａの
バンドギャップエネルギーを発光層のバンドギャップエ
ネルギーに近付け過ぎると、出力された光の吸収が大き
くなるため、上記のエネルギー幅ΔＥの適正範囲が定ま
る。
取る方法としては、次の方法が有効である。即ち、半導
体層Ａの屈折率ｎA は、半導体層Ａのバンドギャップエ
ネルギーを発光層のバンドギャップエネルギーに近付け
ることにより、発光波長λに対する屈折率を通常より大
きくすることができる。これは、これらの半導体の屈折
率の波長依存性（光子エネルギー依存性）がその半導体
自身の発光波長付近で極大を示すためである。従って、
この極大値付近の大きな屈折率を利用できる様に半導体
層Ａの組成比を調整すれば、半導体層Ａ，Ｂの屈折率差
を大きく取ることが可能となる。ただし、半導体層Ａの
バンドギャップエネルギーを発光層のバンドギャップエ
ネルギーに近付け過ぎると、出力された光の吸収が大き
くなるため、上記のエネルギー幅ΔＥの適正範囲が定ま
る。
【００２５】また、より具体的な目安としては、前記の
エネルギー幅ΔＥは、概ね１００ｍｅＶ未満が良い。こ
れらの条件を良好に満たす半導体層Ａや、上記の半導体
層Ｂは、一般に２元、３元又は４元のＩｎx Ａｌy Ｇａ
1-x-y Ｎ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０≦ｘ＋ｙ≦１）
より構成することが可能である。
エネルギー幅ΔＥは、概ね１００ｍｅＶ未満が良い。こ
れらの条件を良好に満たす半導体層Ａや、上記の半導体
層Ｂは、一般に２元、３元又は４元のＩｎx Ａｌy Ｇａ
1-x-y Ｎ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０≦ｘ＋ｙ≦１）
より構成することが可能である。
【００２６】また、これらの多重膜反射層を利用すれ
ば、基板が可視光を吸収してしまう等の不都合が十分に
回避できるので、例えば、バンドギャップエネルギーが
約１.1ｅＶ程度とかなり小さいシリコンで結晶成長基板
を構成した場合でも、十分な発光効率が得られると共
に、電極を直接基板に設けることができる様になる。
ば、基板が可視光を吸収してしまう等の不都合が十分に
回避できるので、例えば、バンドギャップエネルギーが
約１.1ｅＶ程度とかなり小さいシリコンで結晶成長基板
を構成した場合でも、十分な発光効率が得られると共
に、電極を直接基板に設けることができる様になる。
【００２７】従って、この様な電極構造によれば、発光
素子の構造を簡単にできたり、各半導体層に対して垂直
な方向に電流を流せる様にできたり、電流密度の空間的
な偏りを軽減できたり、発光層（各井戸層）の面積を基
板の面積と略同じにまで拡張できる等の優れた利点を得
ることができる。このため、発光素子の製造工程を簡単
にしたり、発光効率を大幅に向上したりすることが可能
となる。
素子の構造を簡単にできたり、各半導体層に対して垂直
な方向に電流を流せる様にできたり、電流密度の空間的
な偏りを軽減できたり、発光層（各井戸層）の面積を基
板の面積と略同じにまで拡張できる等の優れた利点を得
ることができる。このため、発光素子の製造工程を簡単
にしたり、発光効率を大幅に向上したりすることが可能
となる。
【００２８】また、これらの多重膜反射層の導入によ
り、結晶成長時に発生する基板からの格子欠陥の発光層
（井戸層）への到達数を大幅に低減できる等の効果をも
同時に得ることができる。
り、結晶成長時に発生する基板からの格子欠陥の発光層
（井戸層）への到達数を大幅に低減できる等の効果をも
同時に得ることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施例に
基づいて説明する。ただし、本発明は以下に示す実施例
に限定されるものではない。 （実施例１）図２に、本実施例１のＬＥＤ（発光素子１
００）の模式的な断面図を示す。本発光素子１００は、
有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）による気相成長に
より製造されたものである。
基づいて説明する。ただし、本発明は以下に示す実施例
に限定されるものではない。 （実施例１）図２に、本実施例１のＬＥＤ（発光素子１
００）の模式的な断面図を示す。本発光素子１００は、
有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）による気相成長に
より製造されたものである。
【００３０】ｎ型シリコン基板１０１の上にはシリコン
(Si)ドープのＡｌ0.20Ｇａ0.80Ｎから成る膜厚約２００
Åのｎ型バッファ層１０２が設けられ、その上には膜厚
約４７ｎｍのシリコン(Si)ドープのＡｌ0.10Ｇａ0.90Ｎ
より成るｎ型の半導体層Ｂと、膜厚約４３ｎｍのシリコ
ン(Si)ドープのＩｎ0.17Ｇａ0.83Ｎより成るｎ型の半導
体層Ａとが交互に合計３０層（１５周期）積層されてい
る。本発光素子１００の多重膜反射層１７０は、この合
計３０層の半導体層より構成されている。
(Si)ドープのＡｌ0.20Ｇａ0.80Ｎから成る膜厚約２００
Åのｎ型バッファ層１０２が設けられ、その上には膜厚
約４７ｎｍのシリコン(Si)ドープのＡｌ0.10Ｇａ0.90Ｎ
より成るｎ型の半導体層Ｂと、膜厚約４３ｎｍのシリコ
ン(Si)ドープのＩｎ0.17Ｇａ0.83Ｎより成るｎ型の半導
体層Ａとが交互に合計３０層（１５周期）積層されてい
る。本発光素子１００の多重膜反射層１７０は、この合
計３０層の半導体層より構成されている。
【００３１】更に、多重膜反射層１７０の上には、シリ
コン(Si)ドープのGaN から成る膜厚約２μｍの高キャリ
ア濃度ｎ+ 層１０３が形成されており、この高キャリア
濃度ｎ+ 層１０３の上には、ノンドープのIn0.03Ga0.97
N から成る膜厚約２０００Åの中間層１０４が形成され
ている。
コン(Si)ドープのGaN から成る膜厚約２μｍの高キャリ
ア濃度ｎ+ 層１０３が形成されており、この高キャリア
濃度ｎ+ 層１０３の上には、ノンドープのIn0.03Ga0.97
N から成る膜厚約２０００Åの中間層１０４が形成され
ている。
【００３２】そして、中間層１０４の上には、膜厚約１
５０ÅのGaN から成るｎ型クラッド層１０５が積層さ
れ、更に、膜厚約30ÅのＩｎ0.18Ｇａ0.82Ｎから成る井
戸層１６１と、膜厚約70ÅのＧａＮから成るバリア層１
６２とが交互に積層された多重量子井戸(MQW) 構造のＭ
ＱＷ活性層１６０が形成されている。即ち、３層の井戸
層１６１と２層のバリア層１６２とが交互に積層される
ことにより、合計５層で３周期、膜厚約２３ｎｍのＭＱ
Ｗ構造が構成されている。
５０ÅのGaN から成るｎ型クラッド層１０５が積層さ
れ、更に、膜厚約30ÅのＩｎ0.18Ｇａ0.82Ｎから成る井
戸層１６１と、膜厚約70ÅのＧａＮから成るバリア層１
６２とが交互に積層された多重量子井戸(MQW) 構造のＭ
ＱＷ活性層１６０が形成されている。即ち、３層の井戸
層１６１と２層のバリア層１６２とが交互に積層される
ことにより、合計５層で３周期、膜厚約２３ｎｍのＭＱ
Ｗ構造が構成されている。
【００３３】このＭＱＷ活性層１６０の上には、膜厚約
１４０ÅのGaN から成るキャップ層１０７、及びマグネ
シウム(Mg)ドープのｐ型Al0.12Ga0.88N から成る膜厚約
２００Åのｐ型クラッド層１０８が形成されている。さ
らに、ｐ型クラッド層１０８の上には膜厚約６００Åの
マグネシウム(Mg)ドープのｐ型Al0.05Ga0.95N から成る
ｐ型コンタクト層１０９が形成されている。
１４０ÅのGaN から成るキャップ層１０７、及びマグネ
シウム(Mg)ドープのｐ型Al0.12Ga0.88N から成る膜厚約
２００Åのｐ型クラッド層１０８が形成されている。さ
らに、ｐ型クラッド層１０８の上には膜厚約６００Åの
マグネシウム(Mg)ドープのｐ型Al0.05Ga0.95N から成る
ｐ型コンタクト層１０９が形成されている。
【００３４】又、ｐ型コンタクト層１０９の上には金属
蒸着による透光性薄膜正電極１１０が形成されている。
透光性薄膜正電極１１０は、ｐ型コンタクト層１０９に
接合する膜厚約15Åのコバルト(Co)より成る薄膜正電極
第１層１１１と、Coに接合する膜厚約60Åの金(Au)より
成る薄膜正電極第２層１１２とで構成されている。
蒸着による透光性薄膜正電極１１０が形成されている。
透光性薄膜正電極１１０は、ｐ型コンタクト層１０９に
接合する膜厚約15Åのコバルト(Co)より成る薄膜正電極
第１層１１１と、Coに接合する膜厚約60Åの金(Au)より
成る薄膜正電極第２層１１２とで構成されている。
【００３５】厚膜正電極１２０は、膜厚約１７５Åのバ
ナジウム（Ｖ）より成る厚膜正電極第１層１２１と、膜
厚約１５０００Åの金（Ａｕ）より成る厚膜正電極第２
層１２２と、膜厚約１００Åのアルミニウム（Ａｌ）よ
り成る厚膜正電極第３層１２３とを透光性薄膜正電極１
１０の上から順次積層させることにより構成されてい
る。
ナジウム（Ｖ）より成る厚膜正電極第１層１２１と、膜
厚約１５０００Åの金（Ａｕ）より成る厚膜正電極第２
層１２２と、膜厚約１００Åのアルミニウム（Ａｌ）よ
り成る厚膜正電極第３層１２３とを透光性薄膜正電極１
１０の上から順次積層させることにより構成されてい
る。
【００３６】また、最上部には、ＳｉＯ2 膜より成る保
護膜１３０が形成されており、更に、ｎ型シリコン基板
１０１の底面に当たる反対側の最下部には、基板との密
着性、電気抵抗、接触抵抗、オーミック性、耐蝕性、及
び反射率等の面で総合的に優れているロジウム(Rh)より
成る負電極１５０が、金属蒸着により約5000Åの膜厚で
成膜されている。
護膜１３０が形成されており、更に、ｎ型シリコン基板
１０１の底面に当たる反対側の最下部には、基板との密
着性、電気抵抗、接触抵抗、オーミック性、耐蝕性、及
び反射率等の面で総合的に優れているロジウム(Rh)より
成る負電極１５０が、金属蒸着により約5000Åの膜厚で
成膜されている。
【００３７】以上の構成により、本発光素子１００は約
４６０ｎｍの波長（青色）で発光し、前記の文献１に例
示された従来技術の多重膜反射層（合計５０層から成る
「反射層３０」）に対して４０％も削減された積層数
で、従来と同等以上の高い反射率（８７％）を示した。
４６０ｎｍの波長（青色）で発光し、前記の文献１に例
示された従来技術の多重膜反射層（合計５０層から成る
「反射層３０」）に対して４０％も削減された積層数
で、従来と同等以上の高い反射率（８７％）を示した。
【００３８】この様に、本発光素子１００の多重膜反射
層において高い反射率が得られた理由は、半導体層Ａの
バンドギャップエネルギーがＭＱＷ活性層１６０の井戸
層１６１のバンドギャップエネルギーよりも若干大きく
成る様な半導体層Ａの組成比の設定により、井戸層１６
１の発光スペクトルと半導体層Ａの光吸収スペクトルと
の重なりが大幅に削減されたためであり、更に、この様
な設定により、半導体層Ａの屈折率ｎA と半導体層Ｂの
屈折率ｎB との間の差を十分に大きくできたことにも依
るものと考えられる。
層において高い反射率が得られた理由は、半導体層Ａの
バンドギャップエネルギーがＭＱＷ活性層１６０の井戸
層１６１のバンドギャップエネルギーよりも若干大きく
成る様な半導体層Ａの組成比の設定により、井戸層１６
１の発光スペクトルと半導体層Ａの光吸収スペクトルと
の重なりが大幅に削減されたためであり、更に、この様
な設定により、半導体層Ａの屈折率ｎA と半導体層Ｂの
屈折率ｎB との間の差を十分に大きくできたことにも依
るものと考えられる。
【００３９】図３の表に、本発明のその他の実施例（実
施例２、実施例３）と、これらに対する各比較例（比較
例１〜３）のＬＥＤ（試作品）の構造諸元と各多重膜反
射層の反射率を示す。これらの発光素子の構造は、上記
の実施例１の発光素子１００の構造と酷似しており、本
表に記載した点以外には構造的な差異はない。ただし、
半導体層Ａ及び半導体層Ｂの各膜厚は、それぞれ略１／
４光学波長（Ｄ＝λ／４ｎ）である。また、各ＬＥＤの
発光長波λは、何れも約４６０ｎｍ（青色）である。
施例２、実施例３）と、これらに対する各比較例（比較
例１〜３）のＬＥＤ（試作品）の構造諸元と各多重膜反
射層の反射率を示す。これらの発光素子の構造は、上記
の実施例１の発光素子１００の構造と酷似しており、本
表に記載した点以外には構造的な差異はない。ただし、
半導体層Ａ及び半導体層Ｂの各膜厚は、それぞれ略１／
４光学波長（Ｄ＝λ／４ｎ）である。また、各ＬＥＤの
発光長波λは、何れも約４６０ｎｍ（青色）である。
【００４０】これらの試作品（発光素子）に対する反射
率の測定結果より、本発明によれば、以下の作用・効果
が得られることが判る。即ち、例えば上記の実施例１〜
３に例示・代表される様な、本発明の手段によれば、半
導体層Ａのバンドギャップエネルギーが発光層（ＭＱＷ
活性層の井戸層）のバンドギャップエネルギーよりも若
干大きく成る様に半導体層Ａの組成比が設定されるた
め、発光層（ＭＱＷ活性層の井戸層）の発光スペクトル
と半導体層Ａの光吸収スペクトルとの重なりが大幅に削
減され、更に、発光層から出力される光の発光波長が、
半導体層Ａ自身の発光波長（バンドギャップエネルギ
ー）付近にあるため、半導体層Ａの屈折率ｎ A が極大と
なる。したがって、屈折率ｎA と半導体層Ｂの屈折率ｎ
B との間の差を十分に大きくできるため、多重膜反射層
において小さな積層数で高い反射率が得られる。
率の測定結果より、本発明によれば、以下の作用・効果
が得られることが判る。即ち、例えば上記の実施例１〜
３に例示・代表される様な、本発明の手段によれば、半
導体層Ａのバンドギャップエネルギーが発光層（ＭＱＷ
活性層の井戸層）のバンドギャップエネルギーよりも若
干大きく成る様に半導体層Ａの組成比が設定されるた
め、発光層（ＭＱＷ活性層の井戸層）の発光スペクトル
と半導体層Ａの光吸収スペクトルとの重なりが大幅に削
減され、更に、発光層から出力される光の発光波長が、
半導体層Ａ自身の発光波長（バンドギャップエネルギ
ー）付近にあるため、半導体層Ａの屈折率ｎ A が極大と
なる。したがって、屈折率ｎA と半導体層Ｂの屈折率ｎ
B との間の差を十分に大きくできるため、多重膜反射層
において小さな積層数で高い反射率が得られる。
【００４１】尚、上記の各試作品（ＬＥＤ）において
は、半導体層Ａはガリウム（Ｇａ）を含んだ III族窒化
物系化合物半導体より構成されているが、半導体層Ａは
３元のＩｎx Ａｌ1-x Ｎ（０＜ｘ＜１）より成る半導体
より形成しても良い。
は、半導体層Ａはガリウム（Ｇａ）を含んだ III族窒化
物系化合物半導体より構成されているが、半導体層Ａは
３元のＩｎx Ａｌ1-x Ｎ（０＜ｘ＜１）より成る半導体
より形成しても良い。
【００４２】また、本発明の発光層は、ＭＱＷ構造やＳ
ＱＷ構造の量子井戸における井戸層であっても、量子井
戸構造を有しない発光層であっても良く、本発明はこれ
らの発光層（井戸層）の積層構造に依存することなく適
用することが可能である。
ＱＷ構造の量子井戸における井戸層であっても、量子井
戸構造を有しない発光層であっても良く、本発明はこれ
らの発光層（井戸層）の積層構造に依存することなく適
用することが可能である。
【００４３】また、本発明の多重膜反射層は、面発光Ｌ
Ｄ（半導体レーザ）や或いは任意の構造を有するＬＥＤ
等の、各種の III族窒化物系化合物半導体発光素子に幅
広く適用することが可能である。また、本発明の多重膜
反射層は、各種の III族窒化物系化合物半導体受光素子
（受光デバイス）に適用することも可能である。
Ｄ（半導体レーザ）や或いは任意の構造を有するＬＥＤ
等の、各種の III族窒化物系化合物半導体発光素子に幅
広く適用することが可能である。また、本発明の多重膜
反射層は、各種の III族窒化物系化合物半導体受光素子
（受光デバイス）に適用することも可能である。
【図１】発光層と半導体層Ａの発光／光吸収スペクトル
を例示する模式的なグラフ。
を例示する模式的なグラフ。
【図２】本発明の実施例１のＬＥＤ（発光素子１００）
の模式的な断面図。
の模式的な断面図。
【図３】本発明のその他の実施例（実施例２、実施例
３）と各比較例（比較例１〜３）のＬＥＤ構造諸元と、
各多重膜反射層の反射率を示す表。
３）と各比較例（比較例１〜３）のＬＥＤ構造諸元と、
各多重膜反射層の反射率を示す表。
１０１ … ｎ型シリコン基板 １０２ … ｎ型バッファ層 １７０ … 多重膜反射層 Ａ … 屈折率ｎA を有する半導体層 Ｂ … 屈折率ｎB を有する半導体層（ｎB ＜ｎA ） １０３ … 高キャリア濃度ｎ+ 層 １０４ … 中間層 １０５ … ｎ型クラッド層 １６０ … ＭＱＷ活性層 １６１… 井戸層 １６２… バリア層 １０７ … キャップ層 １０８ … ｐ型クラッド層 １０９ … ｐ型コンタクト層 １１０ … 透光性薄膜正電極 １１１… 薄膜正電極第１層 １１２… 薄膜正電極第２層 １２０ … 厚膜正電極 １２１… 厚膜正電極第１層 １２２… 厚膜正電極第２層 １２３… 厚膜正電極第３層 １３０ … 保護膜 １５０ … 負電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小池 正好 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑１ 番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 冨田 一義 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 加地 徹 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 Ｆターム(参考） 5F041 AA03 CA04 CA05 CA33 CA34 CA35 CA37 CA40 CA65 CB15
Claims (8)
- 【請求項１】 III族窒化物系化合物より成る半導体層
を積層して形成されるIII族窒化物系化合物半導体発光
素子において、 発光層の発光波長λに基づく所定周期で、屈折率がｎA
の半導体層Ａと、屈折率がｎB （＜ｎA ）の半導体層Ｂ
とを交互に多数積層することにより形成された多重膜反
射層を有し、 前記半導体層Ａのバンドギャップエネルギーは、前記発
光層のバンドギャップエネルギーよりも、前記発光層の
スペクトラル半値幅Δλ（＞０）に概ね相当するエネル
ギー幅ΔＥ（〜ｃｈΔλ／λ2 ；ｃは光速、ｈはプラン
ク定数）分程度だけ大きいことを特徴とする III族窒化
物系化合物半導体発光素子。 - 【請求項２】 前記エネルギー幅ΔＥは、前記スペクト
ラル半値幅Δλに対して、「ｃｈΔλ／４λ2 ≦ΔＥ≦
２ｃｈΔλ／λ2 」を満たすことを特徴とする請求項１
に記載の III族窒化物系化合物半導体発光素子。 - 【請求項３】 前記エネルギー幅ΔＥは、 １００〔ｍｅＶ〕未満であることを特徴とする請求項１
又は請求項２に記載の III族窒化物系化合物半導体発光
素子。 - 【請求項４】 前記半導体層Ａ及び前記半導体層Ｂは、 ２元、３元又は４元のＩｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ｎ（０≦
ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０≦ｘ＋ｙ≦１）より成ることを
特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載
の III族窒化物系化合物半導体発光素子。 - 【請求項５】 ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、ガリウムリ
ン（ＧａＰ）、シリコン（Ｓｉ）、又はゲルマニウム
（Ｇｅ）より成る電気伝導性基板を有することを特徴と
する請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の III
族窒化物系化合物半導体発光素子。 - 【請求項６】 前記半導体層Ａのバンドギャップエネル
ギーは、 前記屈折率ｎA が、波長対屈折率曲線又は光子エネルギ
ー対屈折率曲線において前記発光波長λ付近又は光子エ
ネルギーＥ付近で略ピーク値を示す様に設定されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項
に記載の III族窒化物系化合物半導体発光素子。 - 【請求項７】 前記半導体層Ａは、 ３元又は４元のＩｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ｎ（０≦ｘ＜
１，0.10≦ｙ≦0.50，０＜ｘ＋ｙ≦１）より成ることを
特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載
の III族窒化物系化合物半導体発光素子。 - 【請求項８】 前記半導体層Ｂは、 ３元又は４元のＩｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ｎ（0.10≦ｘ≦
0.30，０≦ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ≦１）より成ることを特
徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の
III族窒化物系化合物半導体発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000298169A JP2002111057A (ja) | 2000-09-29 | 2000-09-29 | Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000298169A JP2002111057A (ja) | 2000-09-29 | 2000-09-29 | Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002111057A true JP2002111057A (ja) | 2002-04-12 |
Family
ID=18780167
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000298169A Pending JP2002111057A (ja) | 2000-09-29 | 2000-09-29 | Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002111057A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007086366A1 (ja) * | 2006-01-24 | 2007-08-02 | Rohm Co., Ltd. | 窒化物半導体発光素子 |
| JP2007531302A (ja) * | 2004-03-30 | 2007-11-01 | ゴールデンアイ、インコーポレイテッド | 発光ダイオードおよび光再循環を利用して出力放射輝度を高める照明システム |
| WO2009069929A2 (en) | 2007-11-26 | 2009-06-04 | Lg Innotek Co., Ltd | Semiconductor light emitting device |
-
2000
- 2000-09-29 JP JP2000298169A patent/JP2002111057A/ja active Pending
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2007531302A (ja) * | 2004-03-30 | 2007-11-01 | ゴールデンアイ、インコーポレイテッド | 発光ダイオードおよび光再循環を利用して出力放射輝度を高める照明システム |
| WO2007086366A1 (ja) * | 2006-01-24 | 2007-08-02 | Rohm Co., Ltd. | 窒化物半導体発光素子 |
| JP2007200995A (ja) * | 2006-01-24 | 2007-08-09 | Rohm Co Ltd | 窒化物半導体発光素子 |
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| WO2009069929A2 (en) | 2007-11-26 | 2009-06-04 | Lg Innotek Co., Ltd | Semiconductor light emitting device |
| EP2201618A2 (en) * | 2007-11-26 | 2010-06-30 | LG Innotek Co., Ltd. | Semiconductor light emitting device |
| EP2201618A4 (en) * | 2007-11-26 | 2011-03-30 | Lg Innotek Co Ltd | SEMICONDUCTOR ELECTROLUMINESCENT DEVICE |
| US8253156B2 (en) | 2007-11-26 | 2012-08-28 | Lg Innotek Co., Ltd. | Semiconductor light emitting device |
| US8618571B2 (en) | 2007-11-26 | 2013-12-31 | Lg Innotek Co., Ltd. | Semiconductor light emitting device having a reflective layer |
| US8969902B2 (en) | 2007-11-26 | 2015-03-03 | Lg Innotek Co., Ltd. | Semiconductor light emitting device |
| US9472739B2 (en) | 2007-11-26 | 2016-10-18 | Lg Innotek Co., Ltd. | Semiconductor light emitting device |
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