JP2003017742A - 半導体発光素子 - Google Patents
半導体発光素子Info
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- JP2003017742A JP2003017742A JP2001199717A JP2001199717A JP2003017742A JP 2003017742 A JP2003017742 A JP 2003017742A JP 2001199717 A JP2001199717 A JP 2001199717A JP 2001199717 A JP2001199717 A JP 2001199717A JP 2003017742 A JP2003017742 A JP 2003017742A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 消費電力及び動作電圧の低い半導体発光素子
の低コスト化が困難であった。 【解決手段】 シリコンから成る低抵抗性基体１１の上
に低屈折率領域１２ａと高屈折率領域１２ｂとを交互に
複数層形成したＤＢＲ層１２を設ける。ＤＢＲ１２を反
射性、導電性及びバッファ機能を有する層とする。ＤＢ
Ｒ層１２の上に窒化ガリウムから成るｎ形半導体領域１
４、窒化ガリウムインジウムから成る発光層１５、窒化
ガリウムから成るｐ形半導体領域１６を順次に形成す
る。ｐ形半導体領域１６の上に透明電極１８を設け、低
抵抗性基体１１にカソード電極２０を設ける。
の低コスト化が困難であった。 【解決手段】 シリコンから成る低抵抗性基体１１の上
に低屈折率領域１２ａと高屈折率領域１２ｂとを交互に
複数層形成したＤＢＲ層１２を設ける。ＤＢＲ１２を反
射性、導電性及びバッファ機能を有する層とする。ＤＢ
Ｒ層１２の上に窒化ガリウムから成るｎ形半導体領域１
４、窒化ガリウムインジウムから成る発光層１５、窒化
ガリウムから成るｐ形半導体領域１６を順次に形成す
る。ｐ形半導体領域１６の上に透明電極１８を設け、低
抵抗性基体１１にカソード電極２０を設ける。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は窒化ガリウム系化合
物半導体を用いた半導体発光素子に関する。
物半導体を用いた半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、Ｉｎ
ＧａＡｌＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発
光層を備えた青色系発光素子（青色発光ダイオード）は
公知である。この種の発光素子は、サファイアから成る
絶縁性基板即ちサブストレートの上に窒化ガリウム系化
合物半導体層を形成し、一対の電極を素子の上面に配置
した構造、又はシリコンカーバイドから成る低抵抗性基
板の上に窒化ガリウム系化合物半導体層を形成し、一対
の電極を素子の上面と下面に配置した構造となってい
る。
ＧａＡｌＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発
光層を備えた青色系発光素子（青色発光ダイオード）は
公知である。この種の発光素子は、サファイアから成る
絶縁性基板即ちサブストレートの上に窒化ガリウム系化
合物半導体層を形成し、一対の電極を素子の上面に配置
した構造、又はシリコンカーバイドから成る低抵抗性基
板の上に窒化ガリウム系化合物半導体層を形成し、一対
の電極を素子の上面と下面に配置した構造となってい
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述の発光
素子は周知のように多数の素子の作り込まれたウエハを
ダイシング、スクライビング、へき開等によって切り出
して製作される。この時、サファイア等から成る基板は
硬度が高いため、このダイシングを良好に且つ生産性よ
く行うことが困難であった。また、サファイア等はそれ
自身高価であり、材料コストの面でも不利である。
素子は周知のように多数の素子の作り込まれたウエハを
ダイシング、スクライビング、へき開等によって切り出
して製作される。この時、サファイア等から成る基板は
硬度が高いため、このダイシングを良好に且つ生産性よ
く行うことが困難であった。また、サファイア等はそれ
自身高価であり、材料コストの面でも不利である。
【０００４】そこで、本願出願人は、サファイアやシリ
コンカーバイドから成る基板の代わりに、シリコンから
成る低抵抗基板を使用した半導体発光素子を試作した。
硬度がサファイアのように高くないシリコン等によって
基板を構成すれば、ダイシング工程などを良好に且つ生
産性よく行うことが可能であり、また一対の電極を半導
体基体の上面と下面に対向して配置すれば、電流通路を
半導体基体の厚み方向に形成することができ、電流通路
の抵抗値を下げて消費電力及び動作電圧の低減化も期待
された。
コンカーバイドから成る基板の代わりに、シリコンから
成る低抵抗基板を使用した半導体発光素子を試作した。
硬度がサファイアのように高くないシリコン等によって
基板を構成すれば、ダイシング工程などを良好に且つ生
産性よく行うことが可能であり、また一対の電極を半導
体基体の上面と下面に対向して配置すれば、電流通路を
半導体基体の厚み方向に形成することができ、電流通路
の抵抗値を下げて消費電力及び動作電圧の低減化も期待
された。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、シリコ
ン等から成る基板は、窒化ガリウム系化合物半導体から
成る発光層から放出された波長３６５〜６２０ｎｍの光
に対して吸収層として機能する。このため、サファイア
又はシリコンカーバイドから成る基板を用いた発光素子
に比べて発光層からの光を効率よく外部に放出し難いこ
とが分かった。即ち、サファイア又はシリコンカーバイ
ドから成る基板を用いた発光素子によれば、基板が発光
層から放出される光を吸収しないため、基板内を透過し
た光を基板下面で反射させることによって光を比較的良
好に素子外部に取り出すことができる。一方、シリコン
等から成る基板は発光層から放出された光を吸収してし
まうため、発光層から下側に導出された光についての損
失が大きく、発光効率（外部量子効率）を高めることが
困難であった。
ン等から成る基板は、窒化ガリウム系化合物半導体から
成る発光層から放出された波長３６５〜６２０ｎｍの光
に対して吸収層として機能する。このため、サファイア
又はシリコンカーバイドから成る基板を用いた発光素子
に比べて発光層からの光を効率よく外部に放出し難いこ
とが分かった。即ち、サファイア又はシリコンカーバイ
ドから成る基板を用いた発光素子によれば、基板が発光
層から放出される光を吸収しないため、基板内を透過し
た光を基板下面で反射させることによって光を比較的良
好に素子外部に取り出すことができる。一方、シリコン
等から成る基板は発光層から放出された光を吸収してし
まうため、発光層から下側に導出された光についての損
失が大きく、発光効率（外部量子効率）を高めることが
困難であった。
【０００６】そこで、本発明の目的は、シリコン等から
成る低抵抗性半導体基体を用いた半導体発光素子におい
て、外部量子効率即ち発光効率を高めた発光素子を提供
することにある。
成る低抵抗性半導体基体を用いた半導体発光素子におい
て、外部量子効率即ち発光効率を高めた発光素子を提供
することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決し、上記
目的を達成するための本発明は、低抵抗率を有している
半導体基体と、前記基体の一方の主面上に形成された導
電性を有する反射領域と、発光機能を有するものであっ
て前記反射領域の上に形成され、且つ主成分としてガリ
ウムと窒素とを含む化合物半導体層を複数有している半
導体領域と、前記半導体領域の表面上に形成された第１
の電極と、前記基板の他方の主面形成された第２の電極
とを備え、前記反射領域は、相対的に低い屈折率を有す
る低屈折率領域と前記低屈折率領域の屈折率よりも大き
い屈折率を有する高屈折率領域とから成り、前記高屈折
率領域はインジウムを含む窒化物系化合物半導体から成
ることを特徴とする半導体発光素子に係わるものであ
る。なお、本願発明において、主成分としてガリウムと
窒素とを含む化合物半導体とは、窒化ガリウム系化合物
半導体層を意味する。
目的を達成するための本発明は、低抵抗率を有している
半導体基体と、前記基体の一方の主面上に形成された導
電性を有する反射領域と、発光機能を有するものであっ
て前記反射領域の上に形成され、且つ主成分としてガリ
ウムと窒素とを含む化合物半導体層を複数有している半
導体領域と、前記半導体領域の表面上に形成された第１
の電極と、前記基板の他方の主面形成された第２の電極
とを備え、前記反射領域は、相対的に低い屈折率を有す
る低屈折率領域と前記低屈折率領域の屈折率よりも大き
い屈折率を有する高屈折率領域とから成り、前記高屈折
率領域はインジウムを含む窒化物系化合物半導体から成
ることを特徴とする半導体発光素子に係わるものであ
る。なお、本願発明において、主成分としてガリウムと
窒素とを含む化合物半導体とは、窒化ガリウム系化合物
半導体層を意味する。
【０００８】なお、請求項２に示すように、前記高屈折
率領域は、導電形決定不純物を含むＧａXＩｎ1-xＮ（こ
こで、Ｘは１よりも小さい数値）から成ることが望まし
い。また、請求項３に示すように、前記低屈折率領域
は、導電形決定不純物を含む半導体から成る第１の層
と、量子力学的なトンネル効果が生じる厚みに形成され
た第２の層とを有し、前記第１の層はアルミニウムを含
まないか又は前記第２の層よりもアルミニウムの混合率
が小さい窒化物系化合物半導体であることが望ましい。
また、請求項４に示すように、前記低屈折率領域は、導
電形決定不純物を含むＡｌZＧａ1-ZＮ（但し、Ｚは０≦
Ｚ≦０.５を満足する数値）から成る第１の層と、ＡｌW
Ｇａ1-WＮ（但し、ＷはＷ＞Ｚを満足する数値）から成
り且つ量子学的なトンネル効果が生じる厚みに形成され
た第２の層とを有するものであることが望ましい。ま
た、請求項５に示すように、前記反射領域は前記低屈折
率領域及び前記高屈折率領域をそれぞれ複数有し、前記
低屈折率領域と前記高屈折率領域とが交互に積層されて
いることが望ましい。また、請求項６に示すように、前
記低屈折率領域は、前記第１の層及び前記第２の層をそ
れぞれ複数有し、前記第２の層は前記第１の層の相互間
に配置されていることが望ましい。また、請求項７に示
すように、前記半導体領域は、前記反射領域の上に形成
された第１の導電形の第１の半導体領域と、前記第１の
半導体領域の上に形成された発光層と、前記発光層の上
に形成され且つ前記第１の導電形と反対の第２の導電形
を有している第２の半導体領域とを備えていることが望
ましい。また、請求項８に示すように、前記第２の半導
体領域は、Ｐ形不純物を含むＧａＮから成り、更に、前
記第２の半導体領域の主面の一部の上に形成されたｎ形
不純物を含むＧａＮから成る第３の半導体領域を有する
ことが望ましい。
率領域は、導電形決定不純物を含むＧａXＩｎ1-xＮ（こ
こで、Ｘは１よりも小さい数値）から成ることが望まし
い。また、請求項３に示すように、前記低屈折率領域
は、導電形決定不純物を含む半導体から成る第１の層
と、量子力学的なトンネル効果が生じる厚みに形成され
た第２の層とを有し、前記第１の層はアルミニウムを含
まないか又は前記第２の層よりもアルミニウムの混合率
が小さい窒化物系化合物半導体であることが望ましい。
また、請求項４に示すように、前記低屈折率領域は、導
電形決定不純物を含むＡｌZＧａ1-ZＮ（但し、Ｚは０≦
Ｚ≦０.５を満足する数値）から成る第１の層と、ＡｌW
Ｇａ1-WＮ（但し、ＷはＷ＞Ｚを満足する数値）から成
り且つ量子学的なトンネル効果が生じる厚みに形成され
た第２の層とを有するものであることが望ましい。ま
た、請求項５に示すように、前記反射領域は前記低屈折
率領域及び前記高屈折率領域をそれぞれ複数有し、前記
低屈折率領域と前記高屈折率領域とが交互に積層されて
いることが望ましい。また、請求項６に示すように、前
記低屈折率領域は、前記第１の層及び前記第２の層をそ
れぞれ複数有し、前記第２の層は前記第１の層の相互間
に配置されていることが望ましい。また、請求項７に示
すように、前記半導体領域は、前記反射領域の上に形成
された第１の導電形の第１の半導体領域と、前記第１の
半導体領域の上に形成された発光層と、前記発光層の上
に形成され且つ前記第１の導電形と反対の第２の導電形
を有している第２の半導体領域とを備えていることが望
ましい。また、請求項８に示すように、前記第２の半導
体領域は、Ｐ形不純物を含むＧａＮから成り、更に、前
記第２の半導体領域の主面の一部の上に形成されたｎ形
不純物を含むＧａＮから成る第３の半導体領域を有する
ことが望ましい。
【０００９】
【発明の効果】本願各請求項の発明は次の効果を有す
る。 （１） 基体即ちサブストレートに半導体を使用してコ
ストの低減を図っているにも拘らず、反射領域を形成し
たので、発光機能を有する半導体領域から基体側に放出
された光を基体の上側に反射されることができる。この
結果、発光素子の発光効率を増大することができる。 （２） 消費電力及び動作抵抗を低減することができ
る。即ち、基体が低抵抗性半導体基体であるので、電流
通路を半導体基体の厚み方向に形成することができ、サ
ファイア等から成る絶縁性基体を使用した従来の発光ダ
イオードに比べて電流通路の抵抗値を下げて消費電力及
び動作電圧の低減化を図ることができる。 （３） 基体が比較的安価な半導体であるので、発光素
子のコストの低減を図ることができる。 （４） 高屈折率領域をインジウムＩｎを含む窒化物系
化合物半導体としたので、反射領域がバッファ層として
良好に機能し、発光特性が良好に得られる。即ち、発光
特性が良好に得られる第１の理由は、低抵抗性の基体の
一方の主面に形成されたＩｎを含む反射領域が低抵抗性
の基体の結晶方位を良好に引き継ぐことができ、この反
射領域の主面に発光機能を有する半導体領域を良好に形
成することができることにある。発光特性が良好に得ら
れる第２の理由は、低抵抗性の基体と発光機能を有する
半導体領域との間にＩｎを含む窒化物系化合物半導体を
介在させることによって、反射領域の応力に基づく歪み
が発生することを良好に防止できること、及び反射領域
の上面に形成される半導体領域にクラックが生じること
を防止できることにある。また、請求項２の発明によれ
ば、より好ましい高屈折率領域を得ることができる。ま
た、請求項３及び４の発明によれば、導電性を有する低
屈折率領域を良好に得ることができる。また、請求項５
及び６の発明によれば、導電性を良好に保って良好な反
射特性を得ることができる。また、請求項８の発明によ
れば、電流通路を限定することができ、且つｐ形半導体
領域への水素溶解を防止することができる。
る。 （１） 基体即ちサブストレートに半導体を使用してコ
ストの低減を図っているにも拘らず、反射領域を形成し
たので、発光機能を有する半導体領域から基体側に放出
された光を基体の上側に反射されることができる。この
結果、発光素子の発光効率を増大することができる。 （２） 消費電力及び動作抵抗を低減することができ
る。即ち、基体が低抵抗性半導体基体であるので、電流
通路を半導体基体の厚み方向に形成することができ、サ
ファイア等から成る絶縁性基体を使用した従来の発光ダ
イオードに比べて電流通路の抵抗値を下げて消費電力及
び動作電圧の低減化を図ることができる。 （３） 基体が比較的安価な半導体であるので、発光素
子のコストの低減を図ることができる。 （４） 高屈折率領域をインジウムＩｎを含む窒化物系
化合物半導体としたので、反射領域がバッファ層として
良好に機能し、発光特性が良好に得られる。即ち、発光
特性が良好に得られる第１の理由は、低抵抗性の基体の
一方の主面に形成されたＩｎを含む反射領域が低抵抗性
の基体の結晶方位を良好に引き継ぐことができ、この反
射領域の主面に発光機能を有する半導体領域を良好に形
成することができることにある。発光特性が良好に得ら
れる第２の理由は、低抵抗性の基体と発光機能を有する
半導体領域との間にＩｎを含む窒化物系化合物半導体を
介在させることによって、反射領域の応力に基づく歪み
が発生することを良好に防止できること、及び反射領域
の上面に形成される半導体領域にクラックが生じること
を防止できることにある。また、請求項２の発明によれ
ば、より好ましい高屈折率領域を得ることができる。ま
た、請求項３及び４の発明によれば、導電性を有する低
屈折率領域を良好に得ることができる。また、請求項５
及び６の発明によれば、導電性を良好に保って良好な反
射特性を得ることができる。また、請求項８の発明によ
れば、電流通路を限定することができ、且つｐ形半導体
領域への水素溶解を防止することができる。
【００１０】
【実施形態】次に、図１〜図６を参照して本発明の実施
形態に係わる半導体発光素子としての窒化ガリウム系化
合物青色発光ダイオードを説明する。
形態に係わる半導体発光素子としての窒化ガリウム系化
合物青色発光ダイオードを説明する。
【００１１】
【第１の実施形態】図１及び図２に示す本発明の第１の
実施例に従う青色発光ダイオードは、不純物を含むシリ
コンから成る低抵抗性半導体の基体即ちサブストレート
（以下、低抵抗性基体という）１１、反射領域としての
分布ブラッグ反射膜即ちＤＢＲ（Distributed Bragg Re
flectors）層１２、発光機能を得るための半導体領域１
３とを有している。発光機能を有する半導体領域１３
は、主成分としてガリウムと窒素とを含む化合物半導体
層即ち窒化ガリウム系化合物半導体層を複数有する。即
ち、この発光用半導体領域１３は、ｎ形ＧａＮ（窒化ガ
リウム）から成る第１の半導体領域としてのｎ形半導体
領域１４、ｐ形のＩｎＧａＮ（窒化ガリウムインジウ
ム）から成る発光層１５、及び第２の半導体領域として
のｐ形ＧａＮ（窒化ガリウム）から成るｐ形半導体領域
１６、ｎ形ＧａＮから成る電流制限領域１７を順次に積
層したものである。なお、ｎ形半導体領域１４はｎ形ク
ラッド層、ｐ形半導体領域１６はｐ形クラッド層、発光
層１５は活性層の機能を有する。ｐ形半導体領域１６及
び電流制限領域１７の上に第１の電極として透明電極１
８が形成され、この透明電極１８の上にパッド電極１９
が形成されている。なお、ｐ形半導体領域１６の上面は
平面形状四角形であって、電流制限領域１７はｐ形半導
体領域１６の中央に配置されている。パッド電極１９は
透明電極１８を介して電流制限領域１７に対向するよう
に配置されている。低抵抗性基体１１の下面には、第２
の電極としてカソード電極２０が接続されている。な
お、ＤＢＲ層１２、ｎ形半導体領域１４、発光層１５、
及びｐ形半導体領域１６は低抵抗性基体１１の上に順次
にそれぞれの結晶方位を揃えて成長させたものである。
また、ｐ形半導体領域１６の上面及び基体１１の下面は
平坦面であり、互いに平行に配置されている。
実施例に従う青色発光ダイオードは、不純物を含むシリ
コンから成る低抵抗性半導体の基体即ちサブストレート
（以下、低抵抗性基体という）１１、反射領域としての
分布ブラッグ反射膜即ちＤＢＲ（Distributed Bragg Re
flectors）層１２、発光機能を得るための半導体領域１
３とを有している。発光機能を有する半導体領域１３
は、主成分としてガリウムと窒素とを含む化合物半導体
層即ち窒化ガリウム系化合物半導体層を複数有する。即
ち、この発光用半導体領域１３は、ｎ形ＧａＮ（窒化ガ
リウム）から成る第１の半導体領域としてのｎ形半導体
領域１４、ｐ形のＩｎＧａＮ（窒化ガリウムインジウ
ム）から成る発光層１５、及び第２の半導体領域として
のｐ形ＧａＮ（窒化ガリウム）から成るｐ形半導体領域
１６、ｎ形ＧａＮから成る電流制限領域１７を順次に積
層したものである。なお、ｎ形半導体領域１４はｎ形ク
ラッド層、ｐ形半導体領域１６はｐ形クラッド層、発光
層１５は活性層の機能を有する。ｐ形半導体領域１６及
び電流制限領域１７の上に第１の電極として透明電極１
８が形成され、この透明電極１８の上にパッド電極１９
が形成されている。なお、ｐ形半導体領域１６の上面は
平面形状四角形であって、電流制限領域１７はｐ形半導
体領域１６の中央に配置されている。パッド電極１９は
透明電極１８を介して電流制限領域１７に対向するよう
に配置されている。低抵抗性基体１１の下面には、第２
の電極としてカソード電極２０が接続されている。な
お、ＤＢＲ層１２、ｎ形半導体領域１４、発光層１５、
及びｐ形半導体領域１６は低抵抗性基体１１の上に順次
にそれぞれの結晶方位を揃えて成長させたものである。
また、ｐ形半導体領域１６の上面及び基体１１の下面は
平坦面であり、互いに平行に配置されている。
【００１２】低抵抗性基体１１は、ｎ形導電形不純物と
して例えばＡｓ（砒素）が５×１０ １８ｃｍ−３〜５×
１０１ 9ｃｍ−３程度の高濃度で導入され且つ（１１
１）結晶面を有するｎ＋形のシリコン単結晶基板から成
り、その抵抗率は０．０００１Ω・ｃｍ〜０．０１Ω・
ｃｍ程度であって、実質的に導電体と呼ぶことができる
ものである。従って、この低抵抗性基体１１はカソード
電極２０と共に発光ダイオードのカソード電極として機
能する。なお、本実施形態では、反射領域１２及び主半
導体領域１３の機械的支持体として機能するように低抵
抗性基体１１の厚みが約３５０μｍに設定されている。
して例えばＡｓ（砒素）が５×１０ １８ｃｍ−３〜５×
１０１ 9ｃｍ−３程度の高濃度で導入され且つ（１１
１）結晶面を有するｎ＋形のシリコン単結晶基板から成
り、その抵抗率は０．０００１Ω・ｃｍ〜０．０１Ω・
ｃｍ程度であって、実質的に導電体と呼ぶことができる
ものである。従って、この低抵抗性基体１１はカソード
電極２０と共に発光ダイオードのカソード電極として機
能する。なお、本実施形態では、反射領域１２及び主半
導体領域１３の機械的支持体として機能するように低抵
抗性基体１１の厚みが約３５０μｍに設定されている。
【００１３】低抵抗性基体１１の平面形状四角形の一方
の主面全体を被覆するように形成された導電性を有する
反射領域としてのＤＢＲ層１２は、図２に示すように層
又は膜から成る低屈折率領域１２ａと層又は膜から成る
高屈折率領域１２ｂとが交互に積層されたものである。
図２では図示の都合上低屈折率領域１２ａと高屈折率領
域１２ｂとの一部のみ示されているが、実際のＤＢＲ層
１２は２１箇の低屈折率領域１２ａと２０箇の高屈折率
領域１２ｂとを有し、これ等が交互に積層され、合計で
４１層に形成されている。なお、低屈折率層１２ａを高
屈折率層１２ｂよりも１層多い２１層とし、ＤＢＲ層１
２の最下層と最上層との両方に低屈折率領域１２ａが配
置されている。低屈折率領域１２ａと高屈折率領域１２
ｂの厚みは、発光層１５から放出される光の波長等によ
って決定される。本実施形態では波長４５０ｎｍ付近に
発光波長ピークを有するＧａＮ系化合物半導体発光素子
が形成されているため、ＤＢＲ層１２は４５０ｎｍの波
長の光に対して最大反射率（反射ピーク）を有するよう
に形成されている。ここで、低屈折率領域１２ａと高屈
折率領域１２ｂの厚みは、（λ／４）×（１／ｎ）（た
だし、λは発光波長、ｎは屈折率）により求めることが
できる。本実施形態の低屈折率領域１２ａと高屈折率領
域１２ｂの実効屈折率がそれぞれ２.２５であり、発光
波長が４５０ｎｍである。従って、低屈折率層１２ａの
厚みは５０ｎｍ、高屈折率層１２ｂの厚みは５０ｎｍと
される。
の主面全体を被覆するように形成された導電性を有する
反射領域としてのＤＢＲ層１２は、図２に示すように層
又は膜から成る低屈折率領域１２ａと層又は膜から成る
高屈折率領域１２ｂとが交互に積層されたものである。
図２では図示の都合上低屈折率領域１２ａと高屈折率領
域１２ｂとの一部のみ示されているが、実際のＤＢＲ層
１２は２１箇の低屈折率領域１２ａと２０箇の高屈折率
領域１２ｂとを有し、これ等が交互に積層され、合計で
４１層に形成されている。なお、低屈折率層１２ａを高
屈折率層１２ｂよりも１層多い２１層とし、ＤＢＲ層１
２の最下層と最上層との両方に低屈折率領域１２ａが配
置されている。低屈折率領域１２ａと高屈折率領域１２
ｂの厚みは、発光層１５から放出される光の波長等によ
って決定される。本実施形態では波長４５０ｎｍ付近に
発光波長ピークを有するＧａＮ系化合物半導体発光素子
が形成されているため、ＤＢＲ層１２は４５０ｎｍの波
長の光に対して最大反射率（反射ピーク）を有するよう
に形成されている。ここで、低屈折率領域１２ａと高屈
折率領域１２ｂの厚みは、（λ／４）×（１／ｎ）（た
だし、λは発光波長、ｎは屈折率）により求めることが
できる。本実施形態の低屈折率領域１２ａと高屈折率領
域１２ｂの実効屈折率がそれぞれ２.２５であり、発光
波長が４５０ｎｍである。従って、低屈折率層１２ａの
厚みは５０ｎｍ、高屈折率層１２ｂの厚みは５０ｎｍと
される。
【００１４】図２の低屈折率領域１２ａのそれぞれは、
図３に示すように複数（３個）の第１の層２１と複数
（２個）の第２の層２２とを交互に積層したものから成
る。第１の層２１はＡｌzＧａ1-zＮ（０≦ｚ≦０．５）
においてｚ＝０にしたもものに相当するＧａＮから成る
ｎ形半導体領域の極薄の膜である。第２の層２２は、Ａ
ｌwＧａ1-wＮ（但し、ｗはｚ＜ｗ≦１を満足する数値、
ｚは０≦ｚ≦０．５を満足する数値）においてｗ＝１に
したものに相当するＡｌＮから成る絶縁性の極薄の膜で
ある。なお、図３では低屈折率領域１２ａの最下層と最
上層とが第１の層２１とされ、第１の層２１の数が第２
の層２２の数よりも１層多くなっている。第２の層２２
の厚みは、量子力学的なトンネル効果を得ることができ
るように１００オングストローム以下とすることが望ま
しく、本実施例では４ｎｍとされている。第２の層２２
は、低屈折率領域１２ａの屈折率を低くするために相対
的にＡｌの混合比を高くしているため、絶縁性の膜とな
っている。しかし、第２の膜２２は量子力学的なトンネ
ル効果が生じ、且つ第１の層２１が低抵抗性膜であるの
で、低屈折率領域１２ａ全体の実効的な抵抗値は十分に
小さくなっている。本実施例では、第１の層２１の厚み
は、量子力学的なトンネル効果の生じない１４ｎｍとさ
れている。第１の層２１は、基体１１と同一の導電形に
することが望ましく、ｎ形不純物としてＳｉがドーピン
グされている。もし、基体１１がｐ形の場合には第１の
層２１にｐ形不純物としてたとえばＭｇをドーピングす
る。
図３に示すように複数（３個）の第１の層２１と複数
（２個）の第２の層２２とを交互に積層したものから成
る。第１の層２１はＡｌzＧａ1-zＮ（０≦ｚ≦０．５）
においてｚ＝０にしたもものに相当するＧａＮから成る
ｎ形半導体領域の極薄の膜である。第２の層２２は、Ａ
ｌwＧａ1-wＮ（但し、ｗはｚ＜ｗ≦１を満足する数値、
ｚは０≦ｚ≦０．５を満足する数値）においてｗ＝１に
したものに相当するＡｌＮから成る絶縁性の極薄の膜で
ある。なお、図３では低屈折率領域１２ａの最下層と最
上層とが第１の層２１とされ、第１の層２１の数が第２
の層２２の数よりも１層多くなっている。第２の層２２
の厚みは、量子力学的なトンネル効果を得ることができ
るように１００オングストローム以下とすることが望ま
しく、本実施例では４ｎｍとされている。第２の層２２
は、低屈折率領域１２ａの屈折率を低くするために相対
的にＡｌの混合比を高くしているため、絶縁性の膜とな
っている。しかし、第２の膜２２は量子力学的なトンネ
ル効果が生じ、且つ第１の層２１が低抵抗性膜であるの
で、低屈折率領域１２ａ全体の実効的な抵抗値は十分に
小さくなっている。本実施例では、第１の層２１の厚み
は、量子力学的なトンネル効果の生じない１４ｎｍとさ
れている。第１の層２１は、基体１１と同一の導電形に
することが望ましく、ｎ形不純物としてＳｉがドーピン
グされている。もし、基体１１がｐ形の場合には第１の
層２１にｐ形不純物としてたとえばＭｇをドーピングす
る。
【００１５】高屈折率領域１２ｂは、図２に示すように
ＡｌXＧａYＩｎ1-X-YＮ（０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦
１、０≦Ｘ≦０，５）において、Ｘ＝０、Ｙ＝０.９に
相当するＧａ0.9Ｉｎ0.1Ｎから成るｎ形半導体領域であ
る。１つの高屈折率領域層１２ｂの厚みは５０ｎｍであ
る。
ＡｌXＧａYＩｎ1-X-YＮ（０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦
１、０≦Ｘ≦０，５）において、Ｘ＝０、Ｙ＝０.９に
相当するＧａ0.9Ｉｎ0.1Ｎから成るｎ形半導体領域であ
る。１つの高屈折率領域層１２ｂの厚みは５０ｎｍであ
る。
【００１６】低屈折率領域１２ａと高屈折率領域１２ｂ
は周知のＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長方法）によ
ってそれぞれｎ形ＧａＮ層及びＡｌＮ層と、Ｇａ0.9Ｉ
ｎ0.1Ｎ層を順次連続して積層形成したものである。
は周知のＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長方法）によ
ってそれぞれｎ形ＧａＮ層及びＡｌＮ層と、Ｇａ0.9Ｉ
ｎ0.1Ｎ層を順次連続して積層形成したものである。
【００１７】次に、発光ダイオ−ドの製造方法を詳しく
説明する。まず、シリコン単結晶の低抵抗性基体１１を
ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に配置し、１１７５℃で７.
５分間、真空中で加熱処理して表面の酸化膜を除去し、
１０５０℃まで降温し、反応室内に２０ｃｃ（６３μmo
l ／min）のＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガスと２０
０ｃｃ（２１ｎmol ／min）のシラン（ＳｉＨ4 ）を流
して約９８秒間かけて厚さ約１４ｎｍのＧａＮ層即ち第
１の層２１を成長させる。ここで、シランガスは形成膜
中にｎ形不純物としてのＳｉを導入するためのものであ
る。次に、反応室内に６６ｃｃ（６３μmol ／min）の
ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガスと３リットル
（０．１４mol ／min）のＮＨ3 （アンモニア）ガスを
流して約２６秒間かけて厚さ約４ｎｍのＡｌＮ層即ち第
２の層２２を形成する。次に、ＴＭＡガスの供給をスト
ップして、再びｎ形ＧａＮ層即ち第１の層２１を形成す
る。第１の層２１と第２の層２２との形成を繰返すこと
によって図３に示すように低屈折率領域１２ａを得る。
説明する。まず、シリコン単結晶の低抵抗性基体１１を
ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に配置し、１１７５℃で７.
５分間、真空中で加熱処理して表面の酸化膜を除去し、
１０５０℃まで降温し、反応室内に２０ｃｃ（６３μmo
l ／min）のＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガスと２０
０ｃｃ（２１ｎmol ／min）のシラン（ＳｉＨ4 ）を流
して約９８秒間かけて厚さ約１４ｎｍのＧａＮ層即ち第
１の層２１を成長させる。ここで、シランガスは形成膜
中にｎ形不純物としてのＳｉを導入するためのものであ
る。次に、反応室内に６６ｃｃ（６３μmol ／min）の
ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガスと３リットル
（０．１４mol ／min）のＮＨ3 （アンモニア）ガスを
流して約２６秒間かけて厚さ約４ｎｍのＡｌＮ層即ち第
２の層２２を形成する。次に、ＴＭＡガスの供給をスト
ップして、再びｎ形ＧａＮ層即ち第１の層２１を形成す
る。第１の層２１と第２の層２２との形成を繰返すこと
によって図３に示すように低屈折率領域１２ａを得る。
【００１８】続いて、低屈折率領域１２ａを有する基体
１１の温度を８２０℃まで下げた後、反応室内に１５０
ｃｃ（５９μmol ／min）のＴＭＩｎ（トリメチルイン
ジウム）ガスと５リットル（０．２３mol ／min）のＮ
Ｈ3（アンモニア）ガスと２００ｃｃ（２１ｎmol ／mi
n）のシラン（ＳｉＨ4 ）を流し、約３０５秒間かけて
厚さ約５０ｎｍのｎ形Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ層から成る高屈
折率領域１２ｂを成長させる。次に、ＴＭＩｎガスの供
給をストップして、反応室の温度を１０５０℃として低
屈折率領域１２ａを形成する。
１１の温度を８２０℃まで下げた後、反応室内に１５０
ｃｃ（５９μmol ／min）のＴＭＩｎ（トリメチルイン
ジウム）ガスと５リットル（０．２３mol ／min）のＮ
Ｈ3（アンモニア）ガスと２００ｃｃ（２１ｎmol ／mi
n）のシラン（ＳｉＨ4 ）を流し、約３０５秒間かけて
厚さ約５０ｎｍのｎ形Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ層から成る高屈
折率領域１２ｂを成長させる。次に、ＴＭＩｎガスの供
給をストップして、反応室の温度を１０５０℃として低
屈折率領域１２ａを形成する。
【００１９】低屈折率領域１２ａと高屈折率領域１２ｂ
とを交互に２０回繰り返して形成し、最後に低屈折率領
域１２ａを形成して合計４１層のＤＢＲ層１２を得る。
とを交互に２０回繰り返して形成し、最後に低屈折率領
域１２ａを形成して合計４１層のＤＢＲ層１２を得る。
【００２０】ＤＢＲ層１２の上にｎ形半導体領域１４、
発光層１５、ｐ形半導体領域１６を周知のＭＯＣＶＤ法
によって順次連続して形成する。即ち、ＤＢＲ層１２の
形成後にまずＭＯＣＶＤ装置の反応室に配置された低抵
抗性基体１１の温度を１０５０℃とした後、ＴＭＧガス
の流量即ちＧａの供給量を約４．３μmol ／min、ＮＨ3
ガスの流量即ちＮＨ3 の供給量を３リットル（約０．
１４ｍmol ／min）、シランガスの流量即ちＳｉの供給
量を約１．５ｎmol ／minとして、ｎ形ＧａＮを０．５
μｍ厚に成長させてｎ形半導体領域１４を得る。
発光層１５、ｐ形半導体領域１６を周知のＭＯＣＶＤ法
によって順次連続して形成する。即ち、ＤＢＲ層１２の
形成後にまずＭＯＣＶＤ装置の反応室に配置された低抵
抗性基体１１の温度を１０５０℃とした後、ＴＭＧガス
の流量即ちＧａの供給量を約４．３μmol ／min、ＮＨ3
ガスの流量即ちＮＨ3 の供給量を３リットル（約０．
１４ｍmol ／min）、シランガスの流量即ちＳｉの供給
量を約１．５ｎmol ／minとして、ｎ形ＧａＮを０．５
μｍ厚に成長させてｎ形半導体領域１４を得る。
【００２１】続いて、低抵抗性基体１１の加熱温度を８
００℃とし、反応室内にＴＭＧガス、アンモニアガスに
加えてトリメチルインジウムガス（ＴＭＩｎガス）とビ
スシクロペンタジェニルマグネシウムガス（以下、Ｃｐ
2 Ｍｇガスという）を供給してｎ形半導体領域１４の上
面にｐ形ＩｎＧａＮから成る発光層１５を形成する。こ
こで、Ｃｐ2 Ｍｇガスは形成膜中にｐ形導電形の不純物
としてのＭｇを導入するためのものである。本実施形態
では、ＴＭＧガスの流量を約１．１μmol ／min、ＮＨ3
ガスの流量を約６７ｍmol ／min、ＴＭＩｎガスの流量
即ちＩｎの供給量を約４５μmol ／min、Ｇｐ2 Ｍｇガ
スの流量即ちＭｇの供給量を約１２ｎmol／minとした。
また、発光層１５の厚みは約３．５ｎｍである。
００℃とし、反応室内にＴＭＧガス、アンモニアガスに
加えてトリメチルインジウムガス（ＴＭＩｎガス）とビ
スシクロペンタジェニルマグネシウムガス（以下、Ｃｐ
2 Ｍｇガスという）を供給してｎ形半導体領域１４の上
面にｐ形ＩｎＧａＮから成る発光層１５を形成する。こ
こで、Ｃｐ2 Ｍｇガスは形成膜中にｐ形導電形の不純物
としてのＭｇを導入するためのものである。本実施形態
では、ＴＭＧガスの流量を約１．１μmol ／min、ＮＨ3
ガスの流量を約６７ｍmol ／min、ＴＭＩｎガスの流量
即ちＩｎの供給量を約４５μmol ／min、Ｇｐ2 Ｍｇガ
スの流量即ちＭｇの供給量を約１２ｎmol／minとした。
また、発光層１５の厚みは約３．５ｎｍである。
【００２２】続いて、低抵抗性基体１１の加熱温度を１
０５０℃とし、反応室内にＴＭＧガス、アンモニアガス
及びＣＰ2 Ｍｇガスを供給して発光層１５の上面にｐ形
ＧａＮから成るｐ形半導体領域１６を形成する。本実施
形態では、この時のＴＭＧガスの流量を約４．３μmol
／min、アンモニアガスの流量を約５３．６μmol ／mi
n、Ｃｐ2 Ｍｇガスの流量を約０．１２μmol ／minとし
た。なお、ｐ形半導体領域１６の厚みは約３００ｎｍで
ある。
０５０℃とし、反応室内にＴＭＧガス、アンモニアガス
及びＣＰ2 Ｍｇガスを供給して発光層１５の上面にｐ形
ＧａＮから成るｐ形半導体領域１６を形成する。本実施
形態では、この時のＴＭＧガスの流量を約４．３μmol
／min、アンモニアガスの流量を約５３．６μmol ／mi
n、Ｃｐ2 Ｍｇガスの流量を約０．１２μmol ／minとし
た。なお、ｐ形半導体領域１６の厚みは約３００ｎｍで
ある。
【００２３】続いて、原子状水素がｐ形ＧａＮ中に存在
できない溶解安定化温度以上である１０５０℃の状態
で、ＴＭＧを２０ｃｃ（６３μｍｏｌ／min）とシラン
（ＳｉＨ4）を２００ｃｃ（２１ｎｍｏｌ／min）を流し
てｐ形ＧａＮから成るｐ形半導体領域１６上にｎ形Ｇａ
Ｎを２５ｎｍ成長させる。このｎ形ＧａＮは図１に示す
ｎ形ＧａＮ層１７を得るためのものであって、p形Ｇａ
Ｎから成るｐ形半導体領域１６への水素の溶解を防止す
る。
できない溶解安定化温度以上である１０５０℃の状態
で、ＴＭＧを２０ｃｃ（６３μｍｏｌ／min）とシラン
（ＳｉＨ4）を２００ｃｃ（２１ｎｍｏｌ／min）を流し
てｐ形ＧａＮから成るｐ形半導体領域１６上にｎ形Ｇａ
Ｎを２５ｎｍ成長させる。このｎ形ＧａＮは図１に示す
ｎ形ＧａＮ層１７を得るためのものであって、p形Ｇａ
Ｎから成るｐ形半導体領域１６への水素の溶解を防止す
る。
【００２４】次に、このウエハを反応炉から取り出した
後、フォトリソグラィ−と酸化を利用したガスエッチン
グを使用して、最上層のｎ形ＧａＮ層の一部を除去し
て、後に形成するパッド電極１９と概ね同じ平面形状を
有するｎ形ＧａＮ層１７を図１に示すようにｐ形半導体
領域１６の中央部に残存させる。ウエハを反応炉から取
り出した時にウエハは原子状水素の溶解安定化温度以下
に曝されるが、最上層のｎ形ＧａＮ層１７の存在によっ
て原子状水素がｐ形半導体領域１６のｐ形ＧａＮに溶け
込むことが防止できる。この結果、原子状水素がｐ形Ｇ
ａＮ系化合物中に安定して存在することが防止され、ｐ
形不純物元素(アクセプタ元素)の活性化率が向上し、抵
抗（比抵抗）の低いｐ形ＧａＮ系化合物半導体から成る
ｐ形半導体領域１６が得られる。
後、フォトリソグラィ−と酸化を利用したガスエッチン
グを使用して、最上層のｎ形ＧａＮ層の一部を除去し
て、後に形成するパッド電極１９と概ね同じ平面形状を
有するｎ形ＧａＮ層１７を図１に示すようにｐ形半導体
領域１６の中央部に残存させる。ウエハを反応炉から取
り出した時にウエハは原子状水素の溶解安定化温度以下
に曝されるが、最上層のｎ形ＧａＮ層１７の存在によっ
て原子状水素がｐ形半導体領域１６のｐ形ＧａＮに溶け
込むことが防止できる。この結果、原子状水素がｐ形Ｇ
ａＮ系化合物中に安定して存在することが防止され、ｐ
形不純物元素(アクセプタ元素)の活性化率が向上し、抵
抗（比抵抗）の低いｐ形ＧａＮ系化合物半導体から成る
ｐ形半導体領域１６が得られる。
【００２５】次に、残存するｎ形ＧａＮ層１７とその周
囲に露出するｐ形半導体領域１６の上面に透明電極１８
を形成し、更にｎ形ＧａＮ層１７の上面に透明電極１８
を介してパッド電極１９を形成する。パッド電極１９の
下側に配置されたｎ形ＧａＮ層１７はパッド電極の下部
に電流が流れることを防止する電流ブロック層即ち電流
制限層として機能する。なお、透明電極１８は、例えば
ニッケルと金とで形成し、パッド電極１９は金で形成す
る。第２の電極としてのカソード電極２０は、例えばチ
タンとニッケルを周知の真空蒸着法等によって低抵抗性
基板１１の下面に形成し、低抵抗性基体１１の下面全体
に低抵抗接触させたものである。
囲に露出するｐ形半導体領域１６の上面に透明電極１８
を形成し、更にｎ形ＧａＮ層１７の上面に透明電極１８
を介してパッド電極１９を形成する。パッド電極１９の
下側に配置されたｎ形ＧａＮ層１７はパッド電極の下部
に電流が流れることを防止する電流ブロック層即ち電流
制限層として機能する。なお、透明電極１８は、例えば
ニッケルと金とで形成し、パッド電極１９は金で形成す
る。第２の電極としてのカソード電極２０は、例えばチ
タンとニッケルを周知の真空蒸着法等によって低抵抗性
基板１１の下面に形成し、低抵抗性基体１１の下面全体
に低抵抗接触させたものである。
【００２６】図１の青色発光ダイオードを外部装置に取
付ける時には、例えばカソード電極２０を回路基板等の
外部電極に対して半田又は導電性接着剤で固着し、パッ
ド電極１９を周知のワイヤボンディング方法等によって
外部電極に対してワイヤで電気的に接続する。
付ける時には、例えばカソード電極２０を回路基板等の
外部電極に対して半田又は導電性接着剤で固着し、パッ
ド電極１９を周知のワイヤボンディング方法等によって
外部電極に対してワイヤで電気的に接続する。
【００２７】本実施例の青色発光ダイオードによれば、
次の効果が得られる。 （１） サファイアやシリコンカーバイドに比べて著し
く低コストであり加工性も良いシリコンから成る半導体
基体１１を使用することができるので、材料コスト及び
生産コストの削減が可能である。このため、従来では他
の発光素子に比べて高価であったＧａＮ系発光ダイオー
ドのコスト削減が可能となる。 （２） シリコン半導体から成る基体１１が使用されて
いるので、この基体１１内にトランジスタ、ダイオ−ド
等の他の電子素子を形成することができ、ＧａＮ系半導
体発光素子がその他の半導体素子と同一の半導体基体内
に集積された半導体集積回路を容易に実現できる。 （３） 光吸収性を有するシリコンから成る低抵抗性基
体１１の上に、異なる実効屈折率を有する低屈折率領域
１２ａと高屈折率領域１２ｂとを一組とする分布ブラッ
グ反射膜（超格子ＤＢＲ膜）の複数から成るＤＢＲ層１
２が形成されている。従って、発光層１５から基体１６
の側に放出された光は、ＤＢＲ層１２によって基体１１
の上面方向に反射される。この結果、発光素子の外部量
子効率即ち発光効率を増大することができる。 （４） ＤＢＲ層１２が発光部のバッファ層として良好
に機能するため、発光特性が良好に得られる。即ち、発
光特性が良好に得られる第１の理由は、低抵抗性基板１
１の一方の主面に形成されたＧａＮから成る第１の層２
１及びＡｌＮ層から成る第２の層２２から成る低屈折率
領域１２ａとＧａ0.9Ｉｎ0.1Ｎから成る高屈折率層１２
ｂとの組み合せで構成されたＤＢＲ層１２が、シリコン
半導体から成る低抵抗性基体１１の結晶方位を良好に引
き継ぐことができ、このＤＢＲ層１２を核としてその一
方の主面にｎ形半導体領域１４、発光層１５及びｐ形半
導体領域１６を順次、結晶性を良好にして積層形成する
ことができることにある。発光特性が良好に得られる第
２の理由は、低抵抗性基体１１とＧａＮ系半導体領域１
３との間にＧａ0.9Ｉ0.1Ｎ成る高屈折率領域１２ｂを介
在させることによって、ＤＢＲ層１２の応力に基づく歪
みが発生することを良好に防止できること、及びＤＢＲ
層１２の上面に形成されるＧａＮ系半導体領域１３にク
ラックが生じることを防止できることにある。即ち、低
抵抗性基体１１とＧａＮ系半導体領域１３との間に、も
し、ＡｌxＧａ1-xＮ（但し、ｘは０＜ｘ≦１を満足する
数値）層及びＧａＮ層が複数積層されて成るバッファ層
を介在させた場合には、このバッファ層の歪みを緩和す
るためにその上に形成されるＧａＮ系半導体領域にクラ
ックが生じ易い。これに対し、本発明に従って低抵抗性
基体１１とＧａＮ系半導体領域１３との間にＧａ0.9Ｉ
ｎ0.1Ｎから成る高屈折率１２ｂを介在させた場合に
は、ＧａＮ系半導体領域１３にクラックをほとんど生じ
させることがなく、ＤＢＲ層１２の応力緩和、歪み緩和
が可能である。この理由は必ずしも明らかではないが、
Ｇｎ0.9Ｉｎ0.1Ｎのある結晶面がスリップ等することに
よりＤＢＲ層１２内に発生した歪みを開放、緩和できる
ためと考えられる。 （５） 消費電力及び動作抵抗が小さい青色発光ダイオ
ードを実現することができる。即ち、基体１１がシリコ
ン等から成る低抵抗性半導体であるので、電流通路を基
体１１の厚み方向に形成することができ、サファイア等
から成る絶縁性基板を使用した従来の発光ダイオードに
比べて電流通路の抵抗値を下げることができる。また、
本実施形態では、低屈折率領域１２ａの屈折率を低くす
るために相対的にＡｌの混合比を高くした絶縁性の第２
の層２２を設けているが、この第２の層２２は量子力学
的なトンネル効果が生じる厚みになっている。従って、
ＤＢＲ層１２の実効低効率も十分に低くなっている。以
上より、発光素子の消費電力及び同さ電圧の低減化を図
ることができる。
次の効果が得られる。 （１） サファイアやシリコンカーバイドに比べて著し
く低コストであり加工性も良いシリコンから成る半導体
基体１１を使用することができるので、材料コスト及び
生産コストの削減が可能である。このため、従来では他
の発光素子に比べて高価であったＧａＮ系発光ダイオー
ドのコスト削減が可能となる。 （２） シリコン半導体から成る基体１１が使用されて
いるので、この基体１１内にトランジスタ、ダイオ−ド
等の他の電子素子を形成することができ、ＧａＮ系半導
体発光素子がその他の半導体素子と同一の半導体基体内
に集積された半導体集積回路を容易に実現できる。 （３） 光吸収性を有するシリコンから成る低抵抗性基
体１１の上に、異なる実効屈折率を有する低屈折率領域
１２ａと高屈折率領域１２ｂとを一組とする分布ブラッ
グ反射膜（超格子ＤＢＲ膜）の複数から成るＤＢＲ層１
２が形成されている。従って、発光層１５から基体１６
の側に放出された光は、ＤＢＲ層１２によって基体１１
の上面方向に反射される。この結果、発光素子の外部量
子効率即ち発光効率を増大することができる。 （４） ＤＢＲ層１２が発光部のバッファ層として良好
に機能するため、発光特性が良好に得られる。即ち、発
光特性が良好に得られる第１の理由は、低抵抗性基板１
１の一方の主面に形成されたＧａＮから成る第１の層２
１及びＡｌＮ層から成る第２の層２２から成る低屈折率
領域１２ａとＧａ0.9Ｉｎ0.1Ｎから成る高屈折率層１２
ｂとの組み合せで構成されたＤＢＲ層１２が、シリコン
半導体から成る低抵抗性基体１１の結晶方位を良好に引
き継ぐことができ、このＤＢＲ層１２を核としてその一
方の主面にｎ形半導体領域１４、発光層１５及びｐ形半
導体領域１６を順次、結晶性を良好にして積層形成する
ことができることにある。発光特性が良好に得られる第
２の理由は、低抵抗性基体１１とＧａＮ系半導体領域１
３との間にＧａ0.9Ｉ0.1Ｎ成る高屈折率領域１２ｂを介
在させることによって、ＤＢＲ層１２の応力に基づく歪
みが発生することを良好に防止できること、及びＤＢＲ
層１２の上面に形成されるＧａＮ系半導体領域１３にク
ラックが生じることを防止できることにある。即ち、低
抵抗性基体１１とＧａＮ系半導体領域１３との間に、も
し、ＡｌxＧａ1-xＮ（但し、ｘは０＜ｘ≦１を満足する
数値）層及びＧａＮ層が複数積層されて成るバッファ層
を介在させた場合には、このバッファ層の歪みを緩和す
るためにその上に形成されるＧａＮ系半導体領域にクラ
ックが生じ易い。これに対し、本発明に従って低抵抗性
基体１１とＧａＮ系半導体領域１３との間にＧａ0.9Ｉ
ｎ0.1Ｎから成る高屈折率１２ｂを介在させた場合に
は、ＧａＮ系半導体領域１３にクラックをほとんど生じ
させることがなく、ＤＢＲ層１２の応力緩和、歪み緩和
が可能である。この理由は必ずしも明らかではないが、
Ｇｎ0.9Ｉｎ0.1Ｎのある結晶面がスリップ等することに
よりＤＢＲ層１２内に発生した歪みを開放、緩和できる
ためと考えられる。 （５） 消費電力及び動作抵抗が小さい青色発光ダイオ
ードを実現することができる。即ち、基体１１がシリコ
ン等から成る低抵抗性半導体であるので、電流通路を基
体１１の厚み方向に形成することができ、サファイア等
から成る絶縁性基板を使用した従来の発光ダイオードに
比べて電流通路の抵抗値を下げることができる。また、
本実施形態では、低屈折率領域１２ａの屈折率を低くす
るために相対的にＡｌの混合比を高くした絶縁性の第２
の層２２を設けているが、この第２の層２２は量子力学
的なトンネル効果が生じる厚みになっている。従って、
ＤＢＲ層１２の実効低効率も十分に低くなっている。以
上より、発光素子の消費電力及び同さ電圧の低減化を図
ることができる。
【００２８】
【変形例】本発明は上述の実施形態に限定されるもので
なく、例えば次の変形が可能なものである。 （１） 低屈折率領域１２ａの厚みは概ねλ／（４×
ｎ）とし、実施形態では１つの低屈率領域１２ａに第２
の層（ＡＩＮ）２２を複数層形成している。しかし、図
４に示すようにＡｌＮから成る第２の層２２を1層のみ
設けた低屈折率領域１２ａ´を設けることができる。但
し、第2の層２２の1層当たりの厚みは、ＤＢＲ１２の抵
抗率を低くするために量子力学的なトンネル効果の生じ
る厚みに設定する必要がある。したがって、実施形態の
ように、λ／（４×ｎ）の厚みを有する低屈折率領域１
２ａに、複数層の第２の層（ＡｌＮ）２２を形成した方
がＤＢＲ層1２の実効抵抗率を小さく維持しながら低屈
折率領域１２ａの実行屈折率を低くすることができるの
で望ましい。 （２） 図２の高屈折率領域１２ｂの代りに、図５に示
すように相対的にＩｎの混合比の大きいＧａxＩｎ(1-x)
Ｎで示す第1の層３１と相対的に混合比の小さいＧａyＩ
ｎ(1-y)Ｎで示す第２の層３２とからなる高屈折率領域
１２ｂ´を形成することができる。なお、図５において
ｘとｙはｘ＞ｙの関係を有する数値である。Ｉｎの混合
比が大きい層を介在させるとＤＢＲ層１２の応力緩和効
果が良好に発揮される。 （３） 上述の実施形態では低屈折率領域１２ａが２１
層と高屈折率領域１２ｂが２０層。合計４１層のＤＢＲ
層１２を示したが、低屈折率層１２ａと高屈折率層１２
ｂとをそれ以上のペアー、又はそれ以下のペアーで交互
に積層しても良い。但し、良好な反射機能と平坦性の良
い窒化ガリウム系化合物半導体を形成するためのバッフ
ァ機能を良好に得るために３ペアー以上、望ましくは５
ペアー以上設けることが良い。また多数に積層してもＤ
ＢＲ層の反射効率が飽和するので、生産性などの観点か
ら１５０ペアー以下とすることが望ましい。また、低屈
折率領域１２ａと高屈折率領域１２ｂの層数を同一とす
ることができる。 （４） 上述の実施形態では、低屈折率領域１２ａの第
２の層２２はＡｌwＧａ1-wＮ（ｚ＜ｗ≦１）においてｗ
＝１にしたものに相当するＡｌＮ層であるが、ｗはｚ＜
ｗ≦１を満足する任意の値に設定できる。また、上述の
実施形態では、低屈折率層１２ａの第1の層２１をＡｌz
Ｇａ1-zＮ（０≦ｚ≦０．５）のｚ＝０としたものに相
当するＧａＮ層としたが、ｚは０≦Ｚ≦０．５を満足す
る任意の値に設定できる。なお、０≦ｚ≦０．５を満足
するように設定する理由は、Ａｌの混合率をあまり高め
ると導電性が低下して素子の動作電圧が増加するからで
ある。 （５） 実施形態では、高屈折率領域１２ｂをＧａxＩ
ｎ1-xＮ（但しｘ＝0.9）としたが、反射領域12の必要な
反射特性及び導電性が得られる範囲で変えることができ
る。また、高屈折率領域１２ｂをＧａＩｎＮに限ること
なくＡｌＩｎＮ等のインジウムを含む窒化物系化合物半
導体とすることができる。 （６） ＤＢＲ層１２の上に形成する第１の半導体領域
１４は、ＤＢＲ層１２の歪みを良好に緩和できるように
５００オングストローム以上にするのが望ましい。 （７） 基体１１を単結晶シリコン以外の導電性を有す
る多結晶シリコン、シリコン化合物やＧａＡｓ、ＧａＰ
等の半導体で構成しても良い。 （８） 基体11、反射領域１２及び半導体領域１３の各
半導体の導電形を上述の実施形態と反対の導電形にする
こともできる。 （９） 低屈折率領域１２ａの第１の層２１及び第２の
層２２のいずれか一方又は両方ともＩｎを含有していて
も良い。ただし、低屈折率領域１２ａの屈折率が高屈折
率領層１２ｂの屈折率よりも低くなりＤＢＲ膜として良
好に機能するように、低屈折率領域１２ａ全体における
Ｉｎの含有率(混晶比)を高屈折率層１２ｂにおけるＩｎ
の含有率(混晶比)よりも小さくする。 （１０） 透明電極１８とｐ型半導体領域１６との間に
ｐ+形半導体領域等を介在させることができる。 （１１） 図６に示すように電流制限用ＧａＮ層１７を
省いて電極１９ａをｐ形半導体領域１６の一部に接続す
ることができる。
なく、例えば次の変形が可能なものである。 （１） 低屈折率領域１２ａの厚みは概ねλ／（４×
ｎ）とし、実施形態では１つの低屈率領域１２ａに第２
の層（ＡＩＮ）２２を複数層形成している。しかし、図
４に示すようにＡｌＮから成る第２の層２２を1層のみ
設けた低屈折率領域１２ａ´を設けることができる。但
し、第2の層２２の1層当たりの厚みは、ＤＢＲ１２の抵
抗率を低くするために量子力学的なトンネル効果の生じ
る厚みに設定する必要がある。したがって、実施形態の
ように、λ／（４×ｎ）の厚みを有する低屈折率領域１
２ａに、複数層の第２の層（ＡｌＮ）２２を形成した方
がＤＢＲ層1２の実効抵抗率を小さく維持しながら低屈
折率領域１２ａの実行屈折率を低くすることができるの
で望ましい。 （２） 図２の高屈折率領域１２ｂの代りに、図５に示
すように相対的にＩｎの混合比の大きいＧａxＩｎ(1-x)
Ｎで示す第1の層３１と相対的に混合比の小さいＧａyＩ
ｎ(1-y)Ｎで示す第２の層３２とからなる高屈折率領域
１２ｂ´を形成することができる。なお、図５において
ｘとｙはｘ＞ｙの関係を有する数値である。Ｉｎの混合
比が大きい層を介在させるとＤＢＲ層１２の応力緩和効
果が良好に発揮される。 （３） 上述の実施形態では低屈折率領域１２ａが２１
層と高屈折率領域１２ｂが２０層。合計４１層のＤＢＲ
層１２を示したが、低屈折率層１２ａと高屈折率層１２
ｂとをそれ以上のペアー、又はそれ以下のペアーで交互
に積層しても良い。但し、良好な反射機能と平坦性の良
い窒化ガリウム系化合物半導体を形成するためのバッフ
ァ機能を良好に得るために３ペアー以上、望ましくは５
ペアー以上設けることが良い。また多数に積層してもＤ
ＢＲ層の反射効率が飽和するので、生産性などの観点か
ら１５０ペアー以下とすることが望ましい。また、低屈
折率領域１２ａと高屈折率領域１２ｂの層数を同一とす
ることができる。 （４） 上述の実施形態では、低屈折率領域１２ａの第
２の層２２はＡｌwＧａ1-wＮ（ｚ＜ｗ≦１）においてｗ
＝１にしたものに相当するＡｌＮ層であるが、ｗはｚ＜
ｗ≦１を満足する任意の値に設定できる。また、上述の
実施形態では、低屈折率層１２ａの第1の層２１をＡｌz
Ｇａ1-zＮ（０≦ｚ≦０．５）のｚ＝０としたものに相
当するＧａＮ層としたが、ｚは０≦Ｚ≦０．５を満足す
る任意の値に設定できる。なお、０≦ｚ≦０．５を満足
するように設定する理由は、Ａｌの混合率をあまり高め
ると導電性が低下して素子の動作電圧が増加するからで
ある。 （５） 実施形態では、高屈折率領域１２ｂをＧａxＩ
ｎ1-xＮ（但しｘ＝0.9）としたが、反射領域12の必要な
反射特性及び導電性が得られる範囲で変えることができ
る。また、高屈折率領域１２ｂをＧａＩｎＮに限ること
なくＡｌＩｎＮ等のインジウムを含む窒化物系化合物半
導体とすることができる。 （６） ＤＢＲ層１２の上に形成する第１の半導体領域
１４は、ＤＢＲ層１２の歪みを良好に緩和できるように
５００オングストローム以上にするのが望ましい。 （７） 基体１１を単結晶シリコン以外の導電性を有す
る多結晶シリコン、シリコン化合物やＧａＡｓ、ＧａＰ
等の半導体で構成しても良い。 （８） 基体11、反射領域１２及び半導体領域１３の各
半導体の導電形を上述の実施形態と反対の導電形にする
こともできる。 （９） 低屈折率領域１２ａの第１の層２１及び第２の
層２２のいずれか一方又は両方ともＩｎを含有していて
も良い。ただし、低屈折率領域１２ａの屈折率が高屈折
率領層１２ｂの屈折率よりも低くなりＤＢＲ膜として良
好に機能するように、低屈折率領域１２ａ全体における
Ｉｎの含有率(混晶比)を高屈折率層１２ｂにおけるＩｎ
の含有率(混晶比)よりも小さくする。 （１０） 透明電極１８とｐ型半導体領域１６との間に
ｐ+形半導体領域等を介在させることができる。 （１１） 図６に示すように電流制限用ＧａＮ層１７を
省いて電極１９ａをｐ形半導体領域１６の一部に接続す
ることができる。
【図１】本発明の実施形態の発光ダイオードを示す中央
縦断面図である。
縦断面図である。
【図２】図１の発光ダイオードの反射領域を詳しく示す
断面図である。
断面図である。
【図３】図２の低屈折率領域の１つを詳しく示す断面図
である。
である。
【図４】変形例の低屈折率領域を示す断面図である。
【図５】変形例の高屈折率領域を示す断面図である。
【図６】変形例の発光素子の一部を示す断面図である。
１１ シリコン単結晶から成る低抵抗性基体
１２ ＤＢＲ層
１２ａ 低屈折率層
１２ｂ 高屈折率層
１４ ｎ形半導体領域
１５ 発光層
１６ ｐ形半導体領域
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 柳原 将貴
埼玉県新座市北野三丁目６番３号 サンケ
ン電気株式会社内
(72)発明者 田中 良孝
埼玉県新座市北野三丁目６番３号 サンケ
ン電気株式会社内
Ｆターム(参考） 5F041 AA03 AA24 CA04 CA33 CA34
CA40 CA57 CA65 CA82 CA92
CB02 CB15 DA07
5F045 AA04 AB09 AB14 AB17 AC01
AC08 AC12 AC19 AD12 AD14
AD15 AF03 AF04 AF16 BB08
CA11 DA52 DA55 DA64 EB14
EE12
Claims (8)
- 【請求項１】 低抵抗率を有している半導体基体と、 前記基体の一方の主面上に形成された導電性を有する反
射領域と、発光機能を有するものであって前記反射領域
の上に形成され、且つ主成分としてガリウムと窒素とを
含む化合物半導体層を複数有している半導体領域と、前
記半導体領域の表面上に形成された第１の電極と、前記
基板の他方の主面形成された第２の電極と、を備え、 前記反射領域は、相対的に低い屈折率を有する低屈折率
領域と前記低屈折率領域の屈折率よりも大きい屈折率を
有する高屈折率領域とから成り、前記高屈折率領域はイ
ンジウムを含む窒化物系化合物半導体から成ることを特
徴とする半導体発光素子。 - 【請求項２】 前記高屈折率領域は、導電形決定不純物
を含むＧａXＩｎ1-xＮ（ここで、Ｘは１よりも小さい数
値）から成ることを特徴とする請求項１記載の半導体発
光素子。 - 【請求項３】 前記低屈折率領域は、導電形決定不純物
を含む半導体から成る第１の層と、量子力学的なトンネ
ル効果が生じる厚みに形成された第２の層とを有し、前
記第１の層はアルミニウムを含まないか又は前記第２の
層よりもアルミニウムの混合率が小さい窒化物系化合物
半導体であることを特徴とする請求項１又は２記載の半
導体発光素子。 - 【請求項４】 前記低屈折率領域は、導電形決定不純物
を含むＡｌZＧａ1-ZＮ（但し、Ｚは０≦Ｚ≦０.５を満
足する数値）から成る第１の層と、ＡｌWＧａ 1-WＮ（但
し、ＷはＷ＞Ｚを満足する数値）から成り且つ量子学的
なトンネル効果が生じる厚みに形成された第２の層とを
有するものである請求項１又は２記載の半導体発光素
子。 - 【請求項５】前記反射領域は前記低屈折率領域及び前記
高屈折率領域をそれぞれ複数有し、前記低屈折率領域と
前記高屈折率領域とが交互に積層されていることを特徴
とする請求項１又は２又は３記載の半導体発光素子。 - 【請求項６】前記低屈折率領域は、前記第１の層及び前
記第２の層をそれぞれ複数有し、前記第２の層は前記第
１の層の相互間に配置されていることを特徴とする請求
項１又は２又は３又は４又は５記載の半導体発光素子。 - 【請求項７】 前記半導体領域は、前記反射領域の上に
形成された第１の導電形の第１の半導体領域と、前記第
１の半導体領域の上に形成された発光層と、前記発光層
の上に形成され且つ前記第１の導電形と反対の第２の導
電形を有している第２の半導体領域とを備えていること
を特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体
発光素子。 - 【請求項８】 前記第２の半導体領域は、Ｐ形不純物を
含むＧａＮから成り、 更に、前記第２の半導体領域の主面の一部の上に形成さ
れたｎ形不純物を含むＧａＮから成る第３の半導体領域
を有することを特徴とする請求項７記載の半導体発光素
子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001199717A JP4058590B2 (ja) | 2001-06-29 | 2001-06-29 | 半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001199717A JP4058590B2 (ja) | 2001-06-29 | 2001-06-29 | 半導体発光素子 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003017742A true JP2003017742A (ja) | 2003-01-17 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005029587A1 (ja) * | 2003-09-24 | 2005-03-31 | Sanken Electric Co., Ltd. | 窒化物系半導体素子 |
| JP2008205117A (ja) * | 2007-02-19 | 2008-09-04 | Sanken Electric Co Ltd | 半導体ウエーハ及び半導体素子及び製造方法 |
| JP2008218479A (ja) * | 2007-02-28 | 2008-09-18 | Sanken Electric Co Ltd | 半導体ウエーハ及び半導体素子及び製造方法 |
| US8163577B2 (en) | 2004-06-30 | 2012-04-24 | Cree, Inc. | Methods of forming light emitting devices having current reducing structures |
| KR101170193B1 (ko) * | 2004-06-30 | 2012-07-31 | 크리 인코포레이티드 | 전류 차단 구조들을 가지는 발광소자들 및 전류 차단구조들을 가지는 발광소자들의 제조방법들 |
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| US8410499B2 (en) | 2005-01-24 | 2013-04-02 | Cree, Inc. | LED with a current confinement structure aligned with a contact |
| CN103390711A (zh) * | 2013-07-18 | 2013-11-13 | 江苏中谷光电股份有限公司 | 一种具有电极反射层的 led 芯片及其制作方法 |
| KR101418224B1 (ko) * | 2004-06-30 | 2014-07-10 | 크리 인코포레이티드 | 전류 차단 구조들을 가지는 발광소자들 및 전류 차단 구조들을 가지는 발광소자들의 제조방법들 |
| KR101832305B1 (ko) * | 2010-10-18 | 2018-02-26 | 엘지이노텍 주식회사 | 발광소자 및 그 발광 소자의 제조 방법 |
-
2001
- 2001-06-29 JP JP2001199717A patent/JP4058590B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US8704240B2 (en) | 2004-06-30 | 2014-04-22 | Cree, Inc. | Light emitting devices having current reducing structures |
| US8163577B2 (en) | 2004-06-30 | 2012-04-24 | Cree, Inc. | Methods of forming light emitting devices having current reducing structures |
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| US8772792B2 (en) | 2005-01-24 | 2014-07-08 | Cree, Inc. | LED with surface roughening |
| US8410499B2 (en) | 2005-01-24 | 2013-04-02 | Cree, Inc. | LED with a current confinement structure aligned with a contact |
| US8410490B2 (en) | 2005-01-24 | 2013-04-02 | Cree, Inc. | LED with current confinement structure and surface roughening |
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| US8237761B2 (en) | 2006-10-27 | 2012-08-07 | Canon Kabushiki Kaisha | Semiconductor member, semiconductor article manufacturing method, and LED array using the manufacturing method |
| US8670015B2 (en) | 2006-10-27 | 2014-03-11 | Canon Kabushiki Kaisha | Semiconductor member, semiconductor article manufacturing method, and LED array using the manufacturing method |
| JP2008205117A (ja) * | 2007-02-19 | 2008-09-04 | Sanken Electric Co Ltd | 半導体ウエーハ及び半導体素子及び製造方法 |
| JP2008218479A (ja) * | 2007-02-28 | 2008-09-18 | Sanken Electric Co Ltd | 半導体ウエーハ及び半導体素子及び製造方法 |
| KR101832305B1 (ko) * | 2010-10-18 | 2018-02-26 | 엘지이노텍 주식회사 | 발광소자 및 그 발광 소자의 제조 방법 |
| CN103390711A (zh) * | 2013-07-18 | 2013-11-13 | 江苏中谷光电股份有限公司 | 一种具有电极反射层的 led 芯片及其制作方法 |
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