JP2003107241A

JP2003107241A - 多層反射膜

Info

Publication number: JP2003107241A
Application number: JP2001299219A
Authority: JP
Inventors: Naoyuki Nakada; 尚幸中田; Hiroyasu Ishikawa; 博康石川; Takashi Egawa; 孝志江川; Masayoshi Umeno; 正義梅野
Original assignee: Nagoya Industrial Science Research Institute
Current assignee: Nagoya Industrial Science Research Institute
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2003-04-09

Abstract

(57)【要約】【課題】熱膨張係数といった物性定数の差を有し、割
れを発生し易い材料層を使用して高反射率を実現する多
層反射膜、発光素子・受光素子を提供すること【解決手段】ＧａＮ層（１Ａ）とＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ｎ層
（１Ｂ）とを交互に積層する多層反射膜１において、両
材料層の熱膨張係数といった物性定数の差による割れを
防止するため、下地のＧａＮ層（１３）と同じ熱膨張係
数を有するＧａＮ層（１Ａ）の光学膜厚を厚くし、熱膨
張係数差といった物性定数の異なるＡｌ_0. ₆Ｇａ_0.4Ｎ層
（１Ｂ）を薄くする。この際、隣接する両材料層対の光
学膜厚を所定波長の１／２に維持しながら、ＧａＮ層
（１Ａ）の光学膜厚を所定波長の１／４に比して厚くす
ると共に、Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ｎ層（１Ｂ）の光学膜厚を所
定波長の１／４に比して薄くする。これにより、割れを
防止して所定波長を中心とした高反射率の多層反射膜１
を構成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多層反射膜、及び
多層反射膜を有する発光素子・受光素子に関するもので
あり、特に、熱膨張係数といった物性定数の異なる層を
積層した場合でも高い反射率を維持する優れた多層反射
膜、及び多層反射膜を有する発光素子・受光素子に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、屈折率の異なる２層の材料層を対
とした多層膜を積層することにより、多層膜に入射する
特定波長の光を中心として選択的に反射させる、いわゆ
る分布型ブラッグ反射鏡（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢ
ｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏｒ、以下、ＤＢＲと略記す
る）を有して構成される発光素子や、受光素子が注目さ
れている。即ち、劈開された結晶端部を反射鏡として基
板面に平行な方向にファブリーペロー型の共振器を構成
する従来型の共振器構造に代えて、積層型の多層反射膜
を使用すれば素子の基板面上に形成される発光層を挟ん
だ全面に反射鏡を形成することができ、いわゆる面発光
レーザを実現することができる。また、背面の基板に吸
収あるいは透過されていた光を多層反射膜により前面に
反射することができるため発光強度の強い超高輝度発光
ダイオード等が実現できる。

【０００３】また、受光素子において、受光部の背面に
構成された多層反射膜により受光部で吸収されずに透過
した光が反射されて再び受光部にて吸収させることがで
きるため、太陽電池の高効率化を図ったり、光センサ等
の高感度化を図った受光素子が注目されてきている。

【０００４】一般的に、ＤＢＲにおいては、屈折率の高
い材料層、及び屈折率の低い材料層における各々の膜厚
を、目的光（真空中での波長がλの光）における各々の
材料中での波長（真空中での波長λを材料層の屈折率で
除したもの）の１／４の長さに相当する厚みで交互に積
層する。これにより、特定波長λの光を中心にして、屈
折率の高い材料層から屈折率の低い材料層への境界面
で、入射波と同位相で反射される反射波と、屈折率の低
い材料層から屈折率の高い材料層への境界面で、入射波
に対して位相が反転して反射される反射波とは、互いに
位相が一致することとなり、特定波長λの光を中心とし
て位相が揃い、高い反射率が得られる。

【０００５】またこの時の反射率は、屈折率の大きく異
なる２つの材料層を交互に積層してやれば、比較的少な
い層対数の多層反射膜で充分な反射率が得られる。ま
た、屈折率の近い２つの材料層を交互に成膜する場合に
は、多層反射膜の層対数を重ねることにより充分な反射
率を得ることができる。

【０００６】ところで、ＧａＮ系の発光素子の結晶成長
においてはＣ面サファイア基板を使用することが一般的
であるが、Ｃ面サファイア基板は劈開が困難であるた
め、劈開によるファブリーペロー型の共振器の形成が難
しい。従って、この制約を解消する技術として多層反射
膜を使用した面発光型レーザが有望視されている。

【０００７】ＧａＮ系材料で多層反射膜を実現するた
め、図７に示すように、屈折率（ｎＡ）が２．４である
ＧａＮ層（１００Ａ）と、屈折率（ｎＢ）が２．２であ
るＡｌ _0.6Ｇａ_0.4Ｎ層（１００Ｂ）とを所定波長の１／
４に相当する光学膜厚で交互に単結晶成長した多層反射
膜１００をＣ面のサファイア基板上１１に形成した構造
が試作されている。

【０００８】理論計算によれば、図７における多層反射
膜１００の反射率は、２０層対の積層数で既に９０％以
上の高反射率が得られ、３０層対の積層数では９９％に
達するはずである（図８中、Ｉ）。しかしながら、多層
反射膜１００の３０．５層対における反射率の測定結果
は８２％程度である（図８中、Ｍ１００）。これは、図
７の多層反射膜１００では、従来技術である所定波長の
１／４光学膜厚の条件に適合させるために、ＧａＮ層
（１００Ａ）の膜厚ｔＡがｔＡ＝４３．８ｎｍ、Ａｌ
_0.6Ｇａ_0.4Ｎ層（１００Ｂ）の膜厚ｔＢがｔＢ＝４７．
７ｎｍとなるため、Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ｎ層（１００Ｂ）の
膜厚を大きく設定せざるを得ず、多層反射膜１００にお
ける層間の応力が大きなものとなって、割れ等が発生し
てしまい本来の反射率が得られていないことに起因して
いる。結晶成長後のサンプルの表面観察においても、表
面の割れは観察されており、特に、３０層対程度以上の
積層（図８中、領域Ａ）において割れが顕著となってい
る。図９に割れの様子を示す。ＧａＮ系材料について、
多層反射膜を構成した場合発生した割れの写真である。

【０００９】このようなＧａＮ系の多層反射膜の結晶成
長性の問題については、従来より多数の論文が発表され
ている。これら論文においては、ＧａＮ系の多層反射膜
の結晶成長について、３０層対程度以上の積層（図８
中、領域Ａ）では、応力による結晶成長面の割れ等によ
り、反射率の低下が顕著であるとの報告が多数されてい
る。ＧａＮ系における面発光型レーザや超高輝度発光ダ
イオード等の発光素子、あるいは超高感度紫外線センサ
等の受光素子を実現する上での制約としてその解決が望
まれている。

【００１０】ここで、上記の論文としては、 N.Nakada,M.Nakaji,H.Ishikawa,T.Egawa,M.Umeno,and
T,Jimbo,Appl.Phys.Lett.,76,1804(2000) T.Someya,and Y.Arakawa,Appl.Phys.Lett.,73,3657(199
8) T.Shirasawa,N.Mochida,A.Inoue,T.Honda,T.Sakaguchi,
F.Koyama,and K.Iga,J.Cryst.Growth.,189/190,124(199
8) 等がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】従来技術における多層
反射膜においては、ＧａＮ系材料の多層反射膜について
上記に説明したように、理論計算によれば、３０層対の
積層数で９９％の高反射率に達するはずであるにも関わ
らず、試作結果においては、結晶成長面の割れ等によ
り、８２％程度の反射率にとどまっている。これは、多
層反射膜間の熱膨張係数といった物性定数の違いにより
発生するものである。特に熱膨張係数の違いにより、高
温での結晶成長後に常温に戻す過程において、結晶成長
面に割れ等が発生してしまう。割れた部分は反射に寄与
することができないため、反射率を低下させてしまい、
また、多層反射膜上に形成すべき素子の他の構成部分を
形成することもできなくなる虞がある。この割れによ
り、多層反射膜の高反射率性を有効に使用することがで
きず問題である。

【００１２】本発明は前記従来技術の問題点を解消する
ためになされたものであり、熱膨張係数といった物性定
数の差があるため、割れを発生しやすい材料層を使用し
ながらも、高い反射率を実現する多層反射膜、及び多層
反射膜を有する発光素子・受光素子を提供することを目
的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、請求項１に係る多層反射膜は、屈折率及び熱膨張係
数の異なる第１材料層と第２材料層とが、熱膨張係数が
第１材料層の熱膨張係数により近い、若しくは同一の第
３材料上に直接又は間接に交互に積層して構成される
際、第１材料層の光学膜厚を厚くし、第２材料層の光学
膜厚を薄く積層して構成されることを特徴とする。

【００１４】これにより、多層反射膜を構成する第１及
び第２材料層のうち、多層反射膜の基材となる第３材料
との間で、熱膨張係数の差が小さい、若しくは同一の材
料層を厚く積層し、熱膨張係数の差が大きい材料層を薄
く積層するので、熱膨張係数の差による応力の発生を抑
制することができ、積層された多層反射膜の割れを防止
することができる。

【００１５】また、請求項２に係る多層反射膜は、請求
項１に記載の多層反射膜において、隣接する第１材料層
と第２材料層との光学膜厚上の和が、所定波長の１／２
であると共に、第１材料層の光学膜厚が、所定波長の１
／４に比して厚く、且つ、第２材料層の光学膜厚が、所
定波長の１／４に比して薄いこと特徴とする。

【００１６】これにより、第１材料層の光学膜厚を所定
波長の１／４に比して厚くし、且つ、第２材料層の光学
膜厚を所定波長の１／４に比して薄くすることにより、
第１及び第２材料層間の熱膨張係数の差による応力を吸
収して多層反射膜の割れを防止しながら、隣接する第１
材料層と第２材料層との光学膜厚上の和を所定波長の１
／２とするため、多層反射膜として最低限必要な条件を
満足させることができる。このように多層反射膜として
の好適な光学条件を保持しながら、第１及び第２材料層
を交互に積層する多層反射膜の割れを防止して、所定波
長の光を中心として高反射率を有する多層反射膜を構成
することができる。

【００１７】また、請求項３に係る多層反射膜は、請求
項２に記載の多層反射膜において、第１材料層の光学膜
厚は、所定波長の３／８以下でかつ１／４より厚く、ま
た、第２材料層の光学膜厚は、所定波長の１／８以上で
かつ１／４より薄いことを特徴とする。これにより、第
２材料層の光学膜厚が極端に薄くならないため、第１材
料層と共に、交互に積層して多層反射膜を構成する際、
多層反射膜の割れを防止しながら反射率の低下を防ぐこ
とができる。

【００１８】更に、請求項４に係る多層反射膜は、請求
項１に記載の多層反射膜において、第１材料層の光学膜
厚は、所定波長の１／４の奇数倍であり、第２材料層の
光学膜厚は、所定波長の１／４であることを特徴とす
る。これにより、高反射率を有する多層反射膜を得るた
めに必要な条件を維持しながら、多層反射膜の割れを防
止することができる。

【００１９】また、請求項５に係る多層反射膜は、請求
項１乃至４の少なくとも何れか１項に記載の多層反射膜
において、第１及び第２材料層は、半導体材料であり、
第３材料層からなる基板上に直接又は間接に、単結晶を
成長させることによって形成されることを特徴とする。

【００２０】これにより、単結晶成長工程の前後におい
て、多層反射膜に熱的ストレスが印加される場合におい
ても、熱膨張係数の差による応力に起因する多層反射膜
の割れを防止することができる。

【００２１】また、請求項１乃至５の少なくとも何れか
１項に記載の多層反射膜を、反射鏡として、発光素子や
受光素子に使用すれば、基板全面に渡って形成されるた
め、従来技術においては基板方向に透過あるいは吸収さ
れ損失となっていた光も有効に反射させることができ、
超高輝度発光ダイオードや面発光型レーザ等の発光素子
を実現することができる。また、受光部で吸収できず透
過した光を反射させることにより、再び受光することが
できるため、超高感度の受光素子を構成することが可能
となる。

【００２２】また、請求項９に係る発光素子、あるいは
受光素子は、請求項６又は７に記載の発光素子、あるい
は請求項８に記載の受光素子において、第１材料層は、
ＧａＮ層であり、第２材料層は、ＡｌＧａＮ層であるこ
とを特徴とする。また、請求項１０に係る発光素子、あ
るいは受光素子は、請求項６又は７に記載の発光素子、
あるいは請求項８に記載の受光素子において、第１材料
層と第２材料層とが、Ａｌの含有率の異なるＡｌＧａＮ
層であることを特徴とする。更に、請求項１１に係る発
光素子、あるいは受光素子は、請求項９又は１０に記載
の発光素子、あるいは受光素子において、第１材料層、
及び第２材料層のうち少なくとも何れか一方は、Ｂ、Ｉ
ｎのうち少なくとも何れか一つの元素を、更に含むこと
を特徴とする。

【００２３】これにより、ＧａＮ系材料を使用する発光
素子、受光素子において、多層反射膜を反射鏡として有
効に使用することができるので、ＧａＮ系材料のよう
に、割れの生じやすい材料により多層反射膜を形成した
場合でも、割れを発生されることなく高反射率の多層反
射膜を構成することができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の多層反射膜につい
て具体化した実施形態を図１乃至図６に基づき図面を参
照しつつ詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に
おける多層反射膜を有する構造を示す概略断面図であ
る。図２は、本発明の実施形態における多層反射膜の層
対数と反射率との関係を示す図である。図３は、ＩＩＩ
族窒化物半導体における物性定数を示す図である。図４
は、本発明の実施形態における多層反射膜を有する発光
ダイオードの構造を示す概略断面図である。図５は、上
記発光ダイオードのフォトルミネッセンス強度を示す図
である。図６は、上記発光ダイオードの順方向印加電圧
に対する電流特性を示す図である。

【００２５】図１に示す本発明の実施形態における多層
反射膜の構造は、図７に示す従来技術の多層反射膜を有
する構造における多層反射膜１００に代えて、多層反射
膜１を備えている。屈折率（ｎＡ）が２．４であるＧａ
Ｎ層（１Ａ）と、屈折率（ｎＢ）が２．２であるＡｌ
_0.6Ｇａ_0.4Ｎ層（１Ｂ）とを本発明の条件に合致させて
交互に単結晶成長して多層反射膜１を構成している。こ
の多層反射膜１は、Ｃ面のサファイア基板１１上に形成
されている。そして、サファイア基板１１上に、ＧａＮ
の低温層１２を略３０ｎｍ堆積する。これ以降の単結晶
層はこのＧａＮ低温層１２を核として結晶成長されてお
り、ＧａＮ層１３を略５００ｎｍ、更にＡｌ_0.12Ｇａ
_0.88Ｎのキャップ層１４を略２０ｎｍ結晶成長する。こ
の後、ＧａＮ層（１Ａ）とＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ｎ層（１Ｂ）
とからなる多層反射膜１を３０．５層対結晶成長する。

【００２６】ＧａＮ系材料のような化合物半導体材料に
おいては、構成元素が異なれば、屈折率が異なると共
に、熱膨張係数も異なる。ＩＩＩ族窒化物半導体材料に
おける物性定数として、ＧａＮ、ＡｌＮ、及びＩｎＮに
おける格子定数及び熱膨張係数を図３に示す。図３で
は、各化合物の結晶構造としてウルツ鉱構造の場合を示
している。これらの物性定数は、各化合物ごとに異なる
値を示している。また、ＧａＮ系材料のような化合物半
導体材料においては、異種材料を積層する場合、格子定
数の違いにより、ある程度の厚さまでは割れが無く結晶
成長することができるが、ある厚さを越えると結晶の品
質を保つことができなくなり、割れが生じる臨界膜厚が
存在する材料層の組合せがある。

【００２７】多層反射膜１は、従来技術における多層反
射膜１００と同様に、屈折率（ｎＡ）が２．４のＧａＮ
層（１Ａ）と、屈折率（ｎＢ）が２．２のＡｌ_0.6Ｇａ
_0.4Ｎ層（１Ｂ）という、屈折率の異なる２つの材料層
を交互に単結晶成長して構成されている。実施形態にお
ける多層反射膜１では、第３材料層であるＧａＮ層１３
と同じ熱膨張係数を有するＧａＮ層（１Ａ）を第１材料
層とし、熱膨張係数といった物性定数の異なるＡｌ_0.6
Ｇａ_0.4Ｎ層（１Ｂ）を第２材料層として多層反射膜１
を構成する際、熱膨張係数といった物性定数の違いによ
る多層反射膜の割れを防止するため、ＧａＮ層１３と同
じ熱膨張係数を有するＧａＮ層（１Ａ）の膜厚を厚く形
成し、熱膨張係数の異なるＡｌ_0.6Ｇａ_0.4.Ｎ層（１
Ｂ）の膜厚を薄く形成する。

【００２８】ここでは、各材料層の膜厚を決定する際、
隣接する両材料層を１対とする層対の光学膜厚を所定波
長の１／２に維持しながら、Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ｎ層（１
Ｂ）の光学膜厚を、所定波長の１／４で定められる膜厚
に比して薄く設定している。具体的には、ＧａＮ層（１
Ａ）の膜厚ｔＡと、Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ｎ層（１Ｂ）の膜厚
ｔＢとにおいて、ｔＡ＝２×λ／（６×ｎＡ）、ｔＢ＝λ／（６×ｎＢ）・・・・・（２）という関係とすることにより、ＧａＮ層（１Ａ）とＡｌ
_0.6Ｇａ_0.4Ｎ層（１Ｂ）とを対とした１層対の合計膜厚
に対しては、ｔＡ＋ｔＢ＝λ／６×（２／ｎＡ＋１／ｎＢ）・・・・・・・・・（３）が得られる。これを書き換えれば、ｔＡ×ｎＡ＋ｔＢ×ｎＢ＝λ／２・・・・・・・・・・・・・・・（４）という関係を有している。即ち、ＧａＮ層（１Ａ）に対
しては、２／６光学膜厚とし１／４光学膜厚に比して厚
く積層しながら、Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ｎ層（１Ｂ）に対して
は、１／６光学膜厚として１／４光学膜厚に比して薄く
積層している。個々の材料層については、従来技術にお
ける１／４光学膜厚の条件を崩しながら、ＧａＮ層（１
Ａ）とＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ｎ層（１Ｂ）とを対とした層対の
膜厚に対しては１／２光学膜厚を維持することが本発明
の特徴である。

【００２９】ここで、個々の材料層の膜厚について、Ａ
ｌ_0.6Ｇａ_0.4Ｎ層（１Ｂ）に対しては、ＧａＮ層（１
Ａ）と共に、交互に積層して多層反射膜１を構成する
際、割れのない多層反射膜１において高反射率を得るた
めに必要となる光学膜厚を確保するため、Ａｌ_0.6Ｇａ
_0.4Ｎ層（１Ｂ）の光学膜厚は１／８光学膜厚より厚く
設定されている。また、層対での１／２光学膜厚の条件
を満足させるため、ＧａＮ層（１Ａ）の光学膜厚は３／
８光学膜厚より薄く設定されている。

【００３０】この設計から、式（２）に各層の屈折率
（ｎＡ＝２．４、ｎＢ＝２．２）を代入すれば、図１に
おける中心反射波長（λ＝４２０ｎｍ）に対する各層の
膜厚は、ｔＡ＝５８．３ｎｍ、ｔＢ＝３１．８ｎｍ・・・・・・・・・・・（５）と求められる。図７で設計されたＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ｎ層
（１Ｂ）の膜厚である４７．７ｎｍに対して実施形態に
おける膜厚は、略７０％に薄膜化されている。また、層
対に対する割合についても、従来技術において、４７．７／（４３．８＋４７．７）＝０．５２となり５０％以上を占めていたのに対して、実施形態で
は、３１．８／（５８．３＋３１．８）＝０．３５となり３５％程度と占有率が低減されている。このよう
に、Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ｎ層（１Ｂ）の膜厚を、従来技術の
光学条件である１／４光学膜厚に比して、薄く結晶成長
させている。この膜厚は、割れなく成長できる臨界膜厚
を考えた場合、従来より薄く形成することができるた
め、Ａｌ _0.6Ｇａ_0.4Ｎ層（１Ｂ）の結晶の品質を良好に
維持することができる。従って、多層反射膜の割れを防
止し、反射率を高く維持することができる。

【００３１】図２に示す多層反射膜の層対数と反射率と
の関係は、上記に示す図１の多層反射膜の構成について
実際に作製した試料による測定結果をプロット（Ｍ１）
したものである。１０層対毎に多層反射膜を作製し反射
率を測定している。３０．５層対の層対数に対して、従
来技術では８２％程度の反射率（Ｍ１００）しか得られ
ていないのに対して、実施形態では９０％以上の高反射
率（Ｍ１）が得られている。

【００３２】これは、隣接するＧａＮ層（１Ａ）とＡｌ
_0.6Ｇａ_0.4Ｎ層（１Ｂ）とを１対とする層対の光学膜厚
を所定波長の１／２とする本発明の条件を満足する多層
反射膜を、割れなく形成することができたためである。
即ち、ＧａＮ層１３と同じ熱膨張係数を有するＧａＮ層
（１Ａ）を１／４光学膜厚より厚くし、熱膨張係数とい
った物性定数が異なるＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ｎ層（１Ｂ）を１
／４光学膜厚より薄くして、熱膨張係数といった物性定
数の違いによる多層反射膜の割れを有効に防止すること
により、割れによる反射率の低下を抑えることができ、
高反射率を維持できたためである。

【００３３】尚、作製された多層反射膜１の構造を有す
る試料の反射率測定については、９０％前後の高反射率
を測定するために以下に示す測定方法により行った。即
ち、測定波長の入射光をビームスプリッタで２つに分光
する。分光された一方の入射光をアルミニウム薄膜から
なる反射鏡に照射し、他方の入射光を試料に照射する。
これによる両者からの反射光の強度比を測定する。アル
ミニウム薄膜からなる反射鏡の反射率は既知であるの
で、これを用いて補正を行い、試料の反射率を算出する
方法である。これらの測定は日本分光株式会社製の紫外
可視分光光度計Ｖ−５７０型を用いて行った。

【００３４】更に、従来よりＧａＮ系化合物半導体の多
層反射膜において、結晶成長における問題として３０層
対程度以上の層対数における積層（図８中、領域Ａ）で
は、成長面の割れに起因する反射率の低下が顕著である
との報告が多数されていた。しかしながら、図１の構成
を有する多層反射膜の反射率を測定したところ、層対数
として８０層対の多層に至るまで反射率の劣化は観測さ
れず、８０層対の層対数においても９９％程度の高い反
射率を実現している。ＧａＮ層（１Ａ）とＡｌ _0.6Ｇａ
_0.4Ｎ層（１Ｂ）との多層反射膜において、ＧａＮ層１
３とは熱膨張係数といった物性定数の異なるＡｌ_0.6Ｇ
ａ_0.4Ｎ層（１Ｂ）の膜厚を従来技術の条件である１／
４光学膜厚から算出される膜厚に比して薄く形成するこ
とにより、Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ｎ層（１Ｂ）の存在による応
力に起因する結晶成長面の割れを防止し、層対数にして
８０層対の多層に至るまで、割れのない結晶成長面を構
成することができることを示している。

【００３５】上記に示したＧａＮ系化合物半導体の多層
反射膜では、ＧａＮ層（１Ａ）と対をなす材料層とし
て、２種類のＩＩＩ族元素であるガリウム（Ｇａ）元素
とアルミニウム（Ａｌ）元素とを混晶とするＡｌ_xＧａ
_1-xＮにおいて、アルミニウム（Ａｌ）元素の組成をｘ
＝０．６として、Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ｎ層（１Ｂ）を成長し
た場合を示している。しかしながら、これに限定される
ものではなく、対をなす２種類の材料層として、この他
の化合物半導体材料としては、ＧａＮの他、ＡｌＮ、Ｉ
ｎＮや、これらのＩＩＩ族元素を任意の組成比で混在さ
せる混晶を構成することもできる。Ａｌ_xＧａ_1-xＮ、Ｉ
ｎ_xＧａ_1-xＮ、Ａｌ_xＩｎ_1-xＮ等や、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ
_1-x―_yＮを結晶成長させることも可能である。更に、こ
れらの化合物半導体材料のＩＩＩ族元素に代えて、ある
いはこれらのＩＩＩ族元素に追加して、ボロン（Ｂ）を
構成元素とすることも可能である。化合物半導体材料の
一般的な性質として、構成元素の違いにより、また、構
成元素の組成比の違いにより、各々の化合物半導体材料
における屈折率は異なるので、ＩＩＩ族化合物半導体の
発光・受光素子において、２種類のＩＩＩ族化合物半導
体材料を交互に結晶成長させれば、多層反射膜を構成す
ることが可能である。

【００３６】従って、多層反射膜を構成する際には、２
種類のＩＩＩ族化合物半導体材料を交互に積層させる際
の１層対における光学条件を、必要に応じて１／４光学
膜厚から、２／６及び１／６光学膜厚の対とする他、結
晶成長面の割れ易さに応じて、図１のＧａＮ層（１Ａ）
に例示される第１材料層の膜厚は３／８光学膜厚以下
に、また、図１のＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ｎ層（１Ｂ）に例示さ
れる第２材料層の膜厚は１／８光学膜厚以上とすること
によって、個々の光学膜厚を調整して多層反射膜の割れ
を防止しながら、高反射率を維持することができる。

【００３７】また、第１材料層の光学膜厚を、所定波長
の１／４の奇数倍とし、第２材料層の光学膜厚を、所定
波長の１／４とすることにより、多層反射膜の割れを防
止しながら、高反射率を有する多層反射膜を得るために
必要な位相条件を維持することができる。

【００３８】図４は、図１において構成した多層反射膜
１を有するＧａＮ系の発光ダイオードの構成例を示す。
図１の多層反射膜１を有する構造と同様の構成を有する
部分は同一の符号を付しここでの説明は省略する。

【００３９】図４における本発明の発光ダイオードの構
造について説明する。多層反射膜１までは、図１におけ
る本発明の実施形態における多層反射膜１の構造と同様
である。多層反射膜１の上に、ｎ型ＧａＮ層（１５）を
略４μｍ結晶成長させたうえで、ＧａＩｎ_0.01ＮとＧａ
Ｉｎ_0.12Ｎで構成される多重量子井戸構造の発光層（１
６）を成長する。発光層（１６）の上面には、略２０ｎ
ｍの光閉じ込め層としてｐ型Ａｌ_0.12Ｇａ_0.88Ｎ層（１
７）、更にプラス側電極（１９）との接続をするための
ｐ型ＧａＮ層（１８）を結晶成長させる。なお、活性層
（１６）の下側にあるｎ型ＧａＮ層（１５）は、その一
部をマイナス側電極（２０）との接続に用いている。

【００４０】図４における発光ダイオードでは、発光層
（１６）より放出された光は、ｐ型Ａｌ_0.12Ｇａ_0.88Ｎ
層（１７）、ｐ型ＧａＮ層（１８）及びプラス側電極を
透過して直接外部に放出される直接光の他、ｎ型ＧａＮ
層（１５）側にも放出される。ｎ側ＧａＮ層（１５）側
に放出された光は、多層反射膜１により特定波長λを中
心として反射されて上面に戻され、ｐ型Ａｌ_0.12Ｇａ
_0.88Ｎ層（１７）及びｐ型ＧａＮ層（１８）を透過して
直接光と共に外部に放出される。従来では、基板側に放
出された光は、出力光として寄与しないか、あるいは基
板（１１）の裏面で素子を囲む等の方法により反射され
るにしても、外部の反射板では反射率が低いため効率よ
く光を反射できなかった。これに対して多層反射膜１
は、発光ダイオード素子と基板（１１）との間に結晶成
長により一体に、且つ全面に形成されているので、基板
（１１）側に放出された光は効率よく反射され、直接光
に反射光が加わり超高輝度の発光ダイオードを構成する
ことができる。尚、多層反射膜１において高反射率を奏
する波長λと、発光層（１６）における発光波長とは、
略同一に調整されており、発光層（１６）において放出
された光を中心にして、多層反射膜１において選択的に
効率よく反射されることは言うまでもない。

【００４１】図５において、発光中心波長を４２０ｎｍ
の発光層を有する図４の発光ダイオードのフォトルミネ
センス強度を示す。多層反射膜１において高反射率を奏
する波長を発光層の発光中心波長と一致させたため、多
層反射膜１により発光層の発光中心波長においてフォト
ルミネッセンス強度を増大することができている。

【００４２】また、図６において、図４の発光ダイオー
ドにおける順方向印加電圧に対する電流特性を示してい
る。立上がり電圧は略３．３Ｖであり、直列抵抗は略３
９Ωであることが観測され、多層反射膜１を備えない従
来型の発光ダイオードと同等の特性を示している。これ
により、層対数として３０．５層対を積層した多層反射
膜１上に結晶成長して構成した発光層（１６）を中心と
する発光ダイオード素子の結晶性が、従来型のものと同
等であることが証明され、多層反射膜１の結晶成長面の
平坦性が優れていることが実証されている。

【００４３】以上詳細に説明したとおり、本実施形態に
係る多層反射膜１では、第１材料層であるＧａＮ層（１
Ａ）に対して、第２材料層であるＡｌ_xＧａ_1-xＮ層（１
Ｂ）は、構成元素の違いから熱膨張係数の違いを有し、
屈折率も異なっている。従って、ＧａＮ層（１Ａ）の膜
厚を厚く形成し、割れの発生し易い混晶化合物半導体の
Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層（１Ｂ）の膜厚を薄く成長して、多層
反射膜１の熱膨張係数といった物性定数の違いによる応
力の発生を減少させて、結晶表面の割れを発生させるこ
となく結晶面を多層に成長することを可能としながら、
第１及び第２材料層を対として所定波長の１／２光学膜
厚の条件を充足させることができる。従来技術では高反
射率の多層反射膜の形成が困難なＧａＮ系材料で発光ダ
イオードを構成する場合に、結晶成長面の全面に渡って
多層反射膜１を構成することができ、光を効率よく反射
させることができるため、超高輝度の発光ダイオードを
構成することができる。

【００４４】また、所定波長の１／２光学膜厚の条件を
維持しながら熱膨張係数といった物性定数の異なるＡｌ
_xＧａ_1-xＮ層（１Ｂ）を薄く成長することによりシリコ
ン基板上へのＧａＡｓの結晶成長において実証されてい
るような物性定数の異なる膜の成長時に発生する転位の
抑止効果も期待することができる。

【００４５】尚、本発明は前記実施形態に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の
改良、変形が可能であることは言うまでもない。例え
ば、本実施形態においては、多層反射膜の応用として、
ＧａＮ系の発光素子である発光ダイオードに適用する場
合を説明したが、これに限定されるものではない。図４
における発光ダイオードにおいて、発光層（１６）を挟
んで多層反射膜１とは反対側に、他の多層反射膜や金属
による反射層、誘電体と金属による反射層、あるいは誘
電体多層反射膜等の他の技術による反射層を備えること
により、ＧａＮ系で構成される面発光型レーザを構成す
ることができる。

【００４６】また、図４において、発光層（１６）に代
えて、紫外線等の特定波長の光の吸収に好適なバンドギ
ャップを有する材料層を備えれば、紫外領域に対する超
高感度光センサを構成することもできる。

【００４７】また、実施形態において、多層反射膜をＧ
ａＮ系のデバイスについて構成する場合を例にとり説明
したが、本発明による多層反射膜はこれに限定されるも
のではなく、ＧａＡｓ系等の他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半
導体材料について構成することもでき、また、ＩＩ−Ｖ
Ｉ族化合物半導体材料についても同様に構成することが
できる。更に、ＳｉとＧｅとを交互に積層する等、ＩＶ
族半導体材料を使用する多層膜も構成可能である。

【００４８】更に、多層反射膜を太陽電池等に備えれ
ば、光電変換部で吸収されず透過した光を効率よく反射
して光電変換部に戻すことができ、高効率の太陽電池を
構成することも可能である。

【００４９】また、多層反射膜を、屈折率の異なる２層
の材料層を交互に積層して構成する場合について説明し
たが、これに限定されるものではなく、３層以上の材料
層を適宜に組み合わせて多層反射膜を構成するようにし
てもよい。この場合も、熱膨張係数といった物性定数の
異なる材料層を従来技術の光学条件を越えて薄く形成し
ながら所定の層対の組み合わせにおいて、本発明の光学
条件に合致するように構成することも可能である。

【００５０】

【発明の効果】本発明によれば、熱膨張係数といった物
性定数が異なる材料層を交互に積層する多層反射膜にお
いて、結晶成長面の割れのない多層反射膜を形成するこ
とができるため、高い反射率を維持することができる。
さらに、この多層反射膜を有することによって、非常に
高い効率を持つ発光素子・受光素子を提供することが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態における多層反射膜を有する
構造を示す概略断面図である。

【図２】本発明の実施形態における多層反射膜の層対数
と反射率との関係を示す図である。

【図３】ＩＩＩ族窒化物半導体における物性定数を示す
図である。

【図４】本発明の実施形態における多層反射膜を有する
発光ダイオードの構造を示す概略断面図である。

【図５】上記発光ダイオードのフォトルミネッセンス強
度を示す図である。

【図６】上記発光ダイオードの順方向印加電圧に対する
電流特性を示す図である。

【図７】従来技術における多層反射膜を有する構造を示
す概略断面図である。

【図８】従来技術における多層反射膜の層対数と反射率
との関係を示す図である。

【図９】従来技術におけるＧａＮ系材料による多層反射
膜の割れを示す結晶成長層の表面及び断面写真である。

【符号の説明】

１、１００多層反射膜１Ａ、１００Ａ多層反射膜におけるＧａＮ層１Ｂ、１００Ｂ多層反射膜におけるＡｌ_xＧａ_1-xＮ層１１サファイア基板１２ＧａＮ低温層１３ＧａＮ層１４Ａｌ_0.12Ｇａ_0.88Ｎキャップ層１５ｎ型ＧａＮ層１６ＧａＩｎＮで構成される多重量子井戸
構造の発光層１７ｐ型Ａｌ_0.12Ｇａ_0.88Ｎ層１８ｐ型ＧａＮ層１９プラス側電極２０マイナス側電極Ａ従来技術におけるＧａＮ系の多層反射
膜の結晶性悪化領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｓ 5/343 ６１０Ｈ０１Ｌ 31/10 Ａ (72)発明者江川孝志名古屋市昭和区小桜町２−14 柳荘６ (72)発明者梅野正義名古屋市名東区西里町２−43−２Ｆターム(参考） 2H048 FA01 FA05 FA07 FA09 FA15 GA01 GA04 GA09 GA13 GA35 GA60 GA61 5F041 AA03 CA04 CA05 CA12 CA40 CB15 5F049 MA04 MB07 NA01 QA20 SZ16 5F073 AA65 AA74 AB17 CA07 EA23

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１屈折率及び第１熱膨張係数を有する
第１材料層と、前記第１屈折率とは異なる屈折率である
第２屈折率、及び前記第１熱膨張係数とは異なる熱膨張
係数である第２熱膨張係数を有する第２材料層とを、前
記第２熱膨張係数に比して前記第１熱膨張係数により近
い、若しくは同一の第３熱膨張係数を有する第３材料上
に直接又は間接に交互に積層してなる多層反射膜におい
て、前記第１材料層の光学膜厚を厚くし、前記第２材料層の
光学膜厚を薄く積層してなることを特徴とする多層反射
膜。
【請求項２】隣接する前記第１材料層と前記第２材料
層との光学膜厚上の和が、所定波長の１／２であると共
に、前記第１材料層の光学膜厚が、前記所定波長の１／
４に比して厚く、且つ、前記第２材料層の光学膜厚が、
前記所定波長の１／４に比して薄いこと特徴とする請求
項１に記載の多層反射膜。
【請求項３】前記第１材料層の光学膜厚は、前記所定
波長の３／８以下でかつ１／４より厚く、また、前記第
２材料層の光学膜厚は、前記所定波長の１／８以上でか
つ１／４より薄いことを特徴とする請求項２に記載の多
層反射膜。
【請求項４】前記第１材料層の光学膜厚は、前記所定
波長の１／４の奇数倍であり、前記第２材料層の光学膜
厚は、前記所定波長の１／４であること特徴とする請求
項１に記載の多層反射膜。
【請求項５】前記第１及び第２材料層は、半導体材料
であり、前記第３材料層からなる基板上に直接又は間接
に、単結晶を成膜させることによって形成されること特
徴とする請求項１乃至４の少なくとも何れか１項に記載
の多層反射膜。
【請求項６】請求項１乃至５の少なくとも何れか１項
に記載の多層反射膜を、反射鏡として含むことを特徴と
する発光素子。
【請求項７】前記発光素子は、前記反射鏡を、共振器を構成する１対の反射鏡のうち少
なくとも一方の反射鏡として含む面発光型レーザである
ことを特徴とする請求項６に記載の発光素子。
【請求項８】請求項１乃至５の少なくとも何れか１項
に記載の多層反射膜を、反射鏡として含むことを特徴と
する受光素子。
【請求項９】前記第１材料層は、ＧａＮ層であり、前
記第２材料層は、ＡｌＧａＮ層であることを特徴とする
請求項６又は７に記載の発光素子、あるいは請求項８に
記載の受光素子。
【請求項１０】前記第１材料層と前記第２材料層と
は、それぞれＡｌ含有率の異なるＡｌＧａＮ層であるこ
とを特徴とする請求項６又は７に記載の発光素子、ある
いは請求項８に記載の受光素子。
【請求項１１】前記第１材料層、及び前記第２材料層
のうち少なくとも何れか一方は、Ｂ、Ｉｎのうち少なく
とも何れか一つの元素を、更に含むことを特徴とする請
求項９又は１０に記載の発光素子、あるいは受光素子。