JP2778868B2

JP2778868B2 - 面発光型発光ダイオード

Info

Publication number: JP2778868B2
Application number: JP35776091A
Authority: JP
Inventors: 紀克山内; 貴坂; 真澄廣谷; 俊宏加藤; 寛源諏澤
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1991-03-26
Filing date: 1991-12-25
Publication date: 1998-07-23
Anticipated expiration: 2013-07-23
Also published as: JPH05251735A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光反射層を備えた面発光
型発光ダイオードの改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光通信や表示器、センサなどに発光ダイ
オードが多用されている。かかる発光ダイオードは、半
導体基板の上に液相成長法や気相成長法などのエピタキ
シャル成長法により光を発する活性層を形成したもの
で、このような発光ダイオードの一種に、活性層で発生
した光をその活性層と略平行に形成された光取出し面か
ら取り出す面発光型のものがある。

【０００３】ところで、発光ダイオードの光出力は、電
気エネルギーを光エネルギーに変換する際の内部量子効
率と、発生した光を外部に取り出す際の外部量子効率と
によって定まるが、前記面発光型発光ダイオードの場
合、例えばブラッグ反射として知られているように光波
干渉によって光を反射する光反射層を前記活性層を挟ん
で光取出し面と反対側に設け、光取出し面の反対側へ進
行した光を反射して外部量子効率を上げることにより光
出力を向上させるようにしたものが知られている。上記
光反射層は、組成が異なる複数種類の半導体が重ね合わ
された単位半導体を繰り返し積層した多層構造を成し、
それ等の屈折率の相違に基づいて特定の波長の光を反射
するもので、例えばＡｌ_XＧａ_1-XＡｓにて構成される
赤外或いは赤色発光ダイオードの場合、所定の厚さのＡ
ｌＡｓとＧａＡｓとを交互にエピタキシャル成長させる
ことによって光反射層が形成されている。かかるＡｌＡ
ｓおよびＧａＡｓの厚さＴ_A、Ｔ_Gは、Ａｌ_XＧａ_1-X
Ａｓの発光波長すなわち反射すべき光の波長をλ_B、Ａ
ｌＡｓの屈折率をｎ_A、ＧａＡｓの屈折率をｎ_Gとする
と、それぞれ次式（１）、（２）に従って求められ、そ
れ等を重ね合わせた単位半導体の厚さＴは（Ｔ_A＋
Ｔ_G）となる。

【０００４】

【数１】Ｔ_A＝λ_B／４ｎ_A ・・・（１）Ｔ_G＝λ_B／４ｎ_G ・・・（２）

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな光反射層で反射できる光は光波干渉の条件を満たす
特定の波長の光だけで、その反射波長幅が比較的狭く、
且つその波長は上記（１）式、（２）式に示される如く
単位半導体の厚さや屈折率に依存する。したがって、光
反射層を構成する半導体の厚さや組成が少し変化しただ
けでも、活性層から発せられる光の波長域から反射波長
域がずれて光出力が低下してしまい、製造に非常な困難
を伴うという問題があった。また、大きな基板にエピタ
キシャル成長させる場合、基板面上の膜厚を厳密に均一
に成長させることは困難であり、膜厚の不均一により反
射波長の面内不均一が生じて歩留まりが低下するといっ
た問題も含んでいた。

【０００６】本発明は以上の事情を背景として為された
もので、その目的とするところは、光反射層の反射波長
域を拡大することにある。

【０００７】

【課題を解決するための第１の手段】かかる目的を達成
するための第１の手段は、光を発する活性層と、組成が
異なる複数種類の半導体が重ね合わされた単位半導体が
繰り返し積層されて光を反射する光反射層と、前記活性
層を挟んで前記光反射層の反対側に設けられてその活性
層から発せられた光を取り出す光取出し面とを備えた面
発光型発光ダイオードにおいて、前記光反射層は、連続
して積層された複数の単位半導体の一つ一つの厚さが連
続的に変化している変厚部を有することを特徴とする。

【０００８】

【第１の手段の作用および効果】このような面発光型発
光ダイオードにおいては、単位半導体の厚さが一つ一つ
連続的に変化している変厚部を有するため、その変厚部
においては、各単位半導体による光の反射波長域が少し
ずつずれることとなり、光反射層全体としての反射波長
域が拡大される。これにより、製造時の僅かな制御誤差
等により光反射層における各半導体の厚さや組成が変化
しても、活性層から発せられる光の波長域が光反射層の
反射波長域からずれることが良好に防止され、光反射層
による光出力向上効果が十分に得られるようになるとと
もに、そのような面発光型発光ダイオードを容易に製造
できるようになるのである。また、大きな基板にエピタ
キシャル成長させる場合でも、基板面上の膜厚の不均一
により反射波長の面内不均一が生ずることによる歩留ま
りの低下が良好に回避されるのである。

【０００９】ここで、個々の単位半導体の厚さの変化幅
が大きくなると、局部的に反射率が低下する波長域が出
現するようになるため、個々の単位半導体の厚さの変化
幅は、そのような低反射率の波長域が出現しない範囲で
設定することが望ましい。

【００１０】

【課題を解決するための第２の手段】前記目的を達成す
るための第２の手段は、上記第１の手段の面発光型発光
ダイオードにおいて、光反射層が、一つ一つの単位半導
体の厚さが連続的に変化しているとともに、反射率が低
い波長域の光を反射するように予め定められた厚さの単
位半導体が少なくとも１層付加されていることを特徴と
する。

【００１１】

【第２の手段の作用および効果】このようにすれば、一
つ一つの単位半導体の厚さが比較的大きな変化幅で変化
させられ、それだけでは局部的に反射率が低下する波長
域が出現する場合においても、その反射率が低い波長域
の光を反射するように予め定められた厚さの単位半導体
が付加されることにより、その低反射率の波長域の出現
が抑制され、広い波長域に亘って高い反射率が得られる
ようになる。付加する単位半導体は、付加前の光反射層
に同じ厚さの単位半導体があれば、その単位半導体を複
数連続して積層するようにすれば良く、同じ厚さの単位
半導体が無ければ、近い厚さの単位半導体を複数連続し
て積層したり、厚さが異なる単位半導体を新たに途中に
挿入したりすれば良い。局部的に反射率が低下する波長
域が複数存在したり反射率の低下波長域が広い場合に
は、厚さが異なる複数の単位半導体を付加することもで
きる。

【００１２】

【課題を解決するための第３の手段】前記課題を解決す
るための第３の手段は、上記第１または第２の手段の面
発光型発光ダイオードにおいて、光反射層が、（ａ）活
性層から発せられる光と同じ波長若しくはその波長の近
傍の特定の波長の光を反射するように予め定められた所
定厚さで単位半導体が複数積層された等厚部と、（ｂ）
その等厚部から遠ざかるに従って単位半導体の一つ一つ
の厚さが前記所定厚さから連続的に小さくなる第１変厚
部と、（ｃ）前記等厚部を挟んで前記第１変厚部と反対
側に設けられ、その等厚部から遠ざかるに従って単位半
導体の一つ一つの厚さが前記所定厚さから連続的に大き
くなる第２変厚部とを有することを特徴とする。

【００１３】

【第３の手段の作用および効果】この場合にも、等厚部
の存在により局部的な低反射率の波長域の出現を抑制で
きる。等厚部の単位半導体の厚さ、すなわち所定厚さ
は、反射すべき光の中心波長に対応する厚さであっても
良いが、変厚部のみから成る光反射層に出現する局部的
な低反射率の波長域を考慮して定めることもできる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。

【００１５】図１は、本発明の一実施例である面発光型
発光ダイオード１０の構造を説明する図で、ｎ−ＧａＡ
ｓ基板１２上にはＡｌ_XＧａ_1-XＡｓバッファ層１３、
ｎ−ＡｌＡｓ／ｎ−ＧａＡｓ光反射層１４、ｎ−Ａｌ_X
Ｇａ_1-XＡｓクラッド層１６、ｐ−ＧａＡｓ活性層１
８、ｐ−Ａｌ_XＧａ_1-XＡｓクラッド層２０、およびｐ
−ＧａＡｓキャップ層２２が順次積層されており、クラ
ッド層１６、活性層１８、およびクラッド層２０によっ
てダブルヘテロ構造が構成されている。キャップ層２２
の上面２４の一部および基板１２の下面には、それぞれ
＋電極２６、−電極２８が設けられており、それ等の間
に順電圧が印加されることにより上記ダブルヘテロ構造
の活性層１８から光が発せられ、キャップ層２２の上面
２４からその光が取り出される。上面２４は光取出し面
に相当する。また、上記光反射層１４は、基板１２側へ
進行した光を光波干渉によって反射するもので、これに
より光出力が向上する。

【００１６】上記面発光型発光ダイオード１０の各半導
体は、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）装置を用い
てエピタキシャル成長させたもので、クラッド層１６の
膜厚は約２μｍ、活性層１８の膜厚は約０．１μｍ、ク
ラッド層２０の膜厚は約２μｍ、キャップ層２２の膜厚
は約０．１μｍである。また、光反射層１４は、図２に
示されているように２種類のｎ−ＡｌＡｓ半導体および
ｎ−ＧａＡｓ半導体から成る単位半導体３０を繰り返し
多数積層したものであり、ｎ−ＡｌＡｓ半導体およびｎ
−ＧａＡｓ半導体の膜厚は活性層１８から発せられる光
の波長に基づいて定められている。上記半導体の組成
は、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内に導入する原料ガスの種
類や割合によって制御され、膜厚は、原料ガスの流量や
導入時間によって制御される。なお、図１および図２の
各半導体の膜厚は必ずしも正確な割合で図示したもので
はない。

【００１７】ここで、上記光反射層１４の単位半導体３
０の厚さは、従来、前記（１）式および（２）式に従っ
て求められるｎ−ＡｌＡｓ半導体の厚さＴ_Aとｎ−Ｇａ
Ａｓ半導体の厚さＴ_Gとを加算した一定の厚さ（Ｔ_A＋
Ｔ_G）に設定され、このような一定の厚さ（Ｔ_A＋
Ｔ_G）の単位半導体３０が繰り返し積層されることによ
り光反射層１４が構成されていたが、本実施例では、連
続して積層された複数の単位半導体３０の一つ一つの厚
さが連続的に変化している変厚部を有して光反射層１４
が構成されている。図３乃至図１０は、このような変厚
部を有する光反射層１４の種々の態様を例示したもの
で、何れも上記厚さ（Ｔ_A＋Ｔ_G）を基準厚さＴとし
て、それよりも膜厚が大きい側および小さい側にそれぞ
れＴ・ＤＤの範囲で厚さを変化させたものである。ＤＤ
は基準厚さＴに対する変厚割合であり、全体の膜厚の変
化幅は２Ｔ・ＤＤとなる。また、個々の単位半導体３０
におけるｎ−ＡｌＡｓ半導体およびｎ−ＧａＡｓ半導体
の厚さは、その割合がＴ_A：Ｔ_Gの一定値に保持される
ように定められている。以下、これ等の光反射層１４に
ついて具体的に説明する。

【００１８】先ず、図３の光反射層１４ａは、全ての単
位半導体３０の膜厚が連続的に且つ直線的、すなわち一
定の変化幅で変化している変厚部のみから成るもので、
最下層すなわち基板１２上に最初に形成される単位半導
体３０の膜厚は最も厚くてＴ（１＋ＤＤ）であり、上部
に向かうに従って直線的に減少して最上層ではＴ（１−
ＤＤ）となっている。このような光反射層１４ａにおけ
る単位半導体３０の積層数Ｎが２０の場合、すなわち個
々の単位半導体３０の膜厚の変化幅が２Ｔ・ＤＤ／１９
の場合と、積層数Ｎが３０、すなわち個々の単位半導体
３０の膜厚の変化幅が２Ｔ・ＤＤ／２９の場合とについ
て、それぞれ変厚割合ＤＤを種々変更して光反射特性を
シミュレーションにより調べた結果を図１１、図１２に
示す。なお、シミュレーションの条件は、光反射層１４
ａに対して光が垂直に入射し、且つその光反射層１４ａ
において光の吸収はないものとする。また、入射媒質お
よび反対側の媒質すなわち前記クラッド層１６およびバ
ッファ層１３に相当する部分の媒質はＡｌ_0.5Ｇａ_0.5
Ａｓとした。以下の各シミュレーションも同じ条件で行
ったものである。

【００１９】かかるシミュレーション結果において、Ｄ
Ｄ＝０は膜厚の変化が無い場合、すなわち全ての単位半
導体３０の膜厚が基準厚さＴで一定であって、従来の光
反射層と同じ場合である。また、図１１、図１２におけ
る波長λ_Bは、基準厚さＴにおける反射波長であって、
前記活性層１８の発光波長と一致する。この結果から明
らかなように、積層数Ｎが２０、３０の何れの場合にお
いても、変厚割合ＤＤが大きくなるに従って反射波長域
が拡大されることが判る。したがって、製造時の僅かな
制御誤差等により光反射層１４ａにおける各半導体の厚
さや組成が変化しても、活性層１８から発せられる光の
波長域が光反射層１４ａの反射波長域からずれることが
良好に防止され、光反射層１４ａによる光出力向上効果
が十分に得られるようになるとともに、そのような面発
光型発光ダイオード１０を容易に製造できるようになる
のである。また、基板１２上における膜厚の不均一によ
り反射波長の面内不均一が生ずることによる歩留まりの
低下が良好に回避される。

【００２０】ここで、上記シミュレーション結果に基づ
いて反射率が８０％以上の波長幅をＤＤ＝０の場合を基
準すなわち１として調べてみると、表１のようにＮ＝２
０の場合にはＤＤ＝０．２以上で高反射率領域の中に局
部的に反射率が８０％以下となる領域が出現する。ま
た、反射率が９０％以上の波長幅をＤＤ＝０の場合を基
準として調べてみると、表２のようにＮ＝２０の場合に
はＤＤ＝０．１８以上で大部分の波長域における反射率
が９０％以下となり、Ｎ＝３０の場合にはＤＤ＝０．２
以上で高反射率領域の中に局部的に反射率が９０％以下
となる領域が出現する。これは、変厚割合ＤＤが大きく
なるに従って個々の単位半導体３０の膜厚の変化幅２Ｔ
・ＤＤ／（Ｎ−１）が大きくなるためと考えられ、例え
ば変化幅２Ｔ・ＤＤ／（Ｎ−１）が０．０１Ｔ程度以下
となるように変厚割合ＤＤや積層数Ｎを設定すれば、局
部的な反射率の低下領域を有しない良好な光反射特性を
得られる。

【００２１】

【表１】

【００２２】

【表２】

【００２３】図４の光反射層１４ｂは、全ての単位半導
体３０の膜厚が連続的に且つ直線的に変化している変厚
部のみから成る点は上記光反射層１４ａと同様である
が、最下層の単位半導体３０の膜厚は最も薄くてＴ（１
−ＤＤ）で、上部に向かうに従って直線的に増加して最
上層ではＴ（１＋ＤＤ）となっている点が異なる。かか
る光反射層１４ｂについても、積層数Ｎが２０、３０の
場合について変厚割合ＤＤを種々変更して光反射特性を
シミュレーションにより調べたところ、上記光反射層１
４ａと同様な結果が得られた。シミュレーション結果の
一例として、積層数Ｎ＝２０、変厚割合ＤＤ＝０．２の
場合の光反射特性を図１３に示す。

【００２４】図５の光反射層１４ｃは、単位半導体３０
の膜厚が一定の基準厚さＴである等厚部３２と、その等
厚部３２の上層側に設けられて上部に向かうに従って膜
厚が連続的に且つ直線的に薄くなる第１変厚部３４と、
等厚部３２の下層側に設けられて下部に向かうに従って
膜厚が連続的に且つ直線的に厚くなる第２変厚部３６と
から構成されている。すなわち、基板１２上に最初に形
成される単位半導体３０の膜厚は最も厚くてＴ（１＋Ｄ
Ｄ）であり、上部に向かうに従って直線的に減少し、膜
厚がＴのところで積層数Ｎ₁または（Ｎ₁＋１）だけそ
の基準厚さＴの単位半導体３０が繰り返し積層され、そ
の後再び直線的に減少して最上層ではＴ（１−ＤＤ）と
なるのである。言い換えれば、膜厚を一定の変化幅で連
続的に変化させた前記図３の光反射層１４ａにおいて、
積層数Ｎが偶数で膜厚Ｔの単位半導体３０が存在しない
場合には、図６のように膜厚Ｔの単位半導体３０ｃを新
たに積層数Ｎ₁だけ積層して、その積層数Ｎ₁の等厚部
３２を設けるのであり、積層数Ｎが奇数で膜厚Ｔの単位
半導体３０が元々存在する場合には、図７のように膜厚
Ｔの単位半導体３０を積層数Ｎ₁だけ余分に積層して、
積層数（Ｎ₁＋１）の等厚部３２を設けるのである。こ
れらの図６，図７の一点鎖線は前記光反射層１４ａに相
当する。この場合には、上記基準厚さＴが前記活性層１
８から発せられる光と同じ波長若しくはその近傍の特定
の波長の光を反射するように予め定められた所定厚さで
ある。なお、第１変厚部３４および第２変厚部３６の積
層数は共に同じ値Ｎ₂である。

【００２５】そして、上記図６のような光反射層１４ｃ
において、変厚部３４、３６の積層数Ｎ₂が１０（両変
厚部の合計では２０）で変厚割合ＤＤが０．２の場合に
ついて、余分に挿入する膜厚Ｔの単位半導体３０の積層
数Ｎ₁を種々変更して光反射特性をシミュレーションに
より調べたところ、図１４に示す結果が得られた。かか
る図１４において、Ｎ₁＝０は等厚部３２が無い場合
で、前記光反射層１４ａにおいて積層数Ｎ＝２０、変厚
割合ＤＤ＝０．２の場合と実質的に同じであり、反射率
が局部的に低下する領域が中間部に生じるが、積層数Ｎ
₁が大きくなるにつれて低反射率領域が解消し、良好な
光反射特性を得られるようになることが判る。上記シミ
ュレーション結果に基づいて反射率が８０％以上、９０
％以上の波長幅をそれぞれＮ₁＝０の場合を基準として
調べてみると、表３のような結果が得られ、Ｎ₁が４以
上で特に良好な光反射特性を得られることが判る。した
がって、この場合には前記光反射層１４ａのような積層
数Ｎおよび変厚割合ＤＤに関する制約が大幅に緩和され
る。

【００２６】

【表３】

【００２７】ここで、上記新たに挿入する単位半導体３
０，３０ｃの積層数Ｎ₁は少なくとも１以上であれば、
反射率の局部的な低下を抑制する一応の効果が得られ
る。また、その膜厚は、必ずしも反射すべき光の中心波
長λ_Bに基づいて前記（１）式および（２）式に従って
算出される基準厚さＴと完全に一致させる必要はなく、
反射率の低下波長域を考慮して定めることもできる。以
下、反射すべき光の中心波長λ_Bが８８０ｎｍで、複数
の単位半導体３０の厚さが前記図３のように一定の変化
幅で連続的に変化している光反射層１４ａを基本とし
て、反射率の局部的な低下を抑制するために余分に単位
半導体３０を挿入した場合の幾つかの態様について、そ
の光反射特性をシミュレーションにより調べた結果を説
明する。

【００２８】図１５の実線は、単位半導体３０の積層数
Ｎが２５、変厚割合ＤＤが０．１５の変厚部のみから成
る光反射層１４ａのシミュレーション結果で、一点鎖線
は、局部的な反射率の低下を示す上記中心波長λ_B＝８
８０ｎｍの光を反射するように算出された上記膜厚Ｔの
単位半導体３０を余分に１層挿入して計２層から成る等
厚部３２を設けた場合であり、二点鎖線はその膜厚Ｔの
単位半導体３０を余分に２層挿入して計３層から成る等
厚部３２を設けた場合であり、膜厚Ｔの単位半導体３０
を余分に１層または２層挿入するだけでも、反射率の局
部的な低下が軽減されることが判る。この場合は、前記
図７の光反射層１４ｃにおける積層数Ｎ₁を０、１、２
とした場合と実質的に同じである。

【００２９】図１６の実線は、単位半導体３０の積層数
Ｎが２５、変厚割合ＤＤが０．２の変厚部のみから成る
光反射層１４ａのシミュレーション結果で、一点鎖線
は、局部的な反射率の低下を示す波長λ＝８４３ｎｍの
光を反射するように算出された膜厚Ｔ₁の単位半導体３
０を新たに１層挿入した場合であり、二点鎖線は、局部
的な反射率の低下を示す別の波長λ＝９１７ｎｍの光を
反射するように算出された膜厚Ｔ₂の単位半導体３０を
更に１層新たに挿入した場合であり、そのような膜厚Ｔ
₁，Ｔ₂の単位半導体３０が新たに設けられることによ
り、その膜厚Ｔ₁、Ｔ₂に対応する波長部分の局部的な
反射率の低下が軽減される。上記膜厚Ｔ₁、Ｔ₂の単位
半導体３０は、変厚部のみから成る基本の光反射層１４
ａを構成している単位半導体３０の中に同じ膜厚のもの
が存在せず、前記図６の単位半導体３０ｃと同様に新た
な膜厚のものである。

【００３０】図１７の実線は、上記図１６と同様に単位
半導体３０の積層数Ｎが２５、変厚割合ＤＤが０．２の
変厚部のみから成る光反射層１４ａのシミュレーション
結果で、一点鎖線は、局部的な反射率の低下を示す波長
λ＝８４３ｎｍの光を反射するように算出された膜厚Ｔ
₁の単位半導体３０を２層挿入した場合であり、図１６
の一点鎖線の場合よりも波長λ＝８４３ｎｍ付近におけ
る反射率が向上している。

【００３１】図１８の実線は、単位半導体３０の積層数
Ｎが３０、変厚割合ＤＤが０．１５の変厚部のみから成
る光反射層１４ａのシミュレーション結果で、一点鎖線
は、局部的な反射率の低下を示す上記中心波長λ_B＝８
８０ｎｍの光を反射するように算出された上記膜厚Ｔの
単位半導体３０を新たに１層挿入した場合であり、この
場合にも波長λ_B＝８８０ｎｍ付近における反射率の局
部的な低下が軽減される。

【００３２】図１９の実線は、単位半導体３０の積層数
Ｎが３０、変厚割合ＤＤが０．２の変厚部のみから成る
光反射層１４ａのシミュレーション結果で、一点鎖線
は、局部的な反射率の低下を示す波長λ＝８１９ｎｍ、
８５６ｎｍ、９０４ｎｍの光を反射するように算出され
た膜厚Ｔ₁、Ｔ₂、Ｔ₃の単位半導体３０をそれぞれ新
たに１層ずつ挿入した場合であり、この場合にもそれ等
の波長付近における反射率の局部的な低下が軽減され
る。上記膜厚Ｔ₁、Ｔ₂、Ｔ₃の単位半導体３０は、変
厚部のみから成る基本の光反射層１４ａを構成している
単位半導体３０の中に同じ膜厚のものが存在せず、前記
図６の単位半導体３０ｃと同様に新たな膜厚のものであ
る。

【００３３】図２０の実線は、単位半導体３０の積層数
Ｎが３０、変厚割合ＤＤが０．２５の変厚部のみから成
る光反射層１４ａのシミュレーション結果で、一点鎖線
は、局部的な反射率の低下を示す波長λ＝８００ｎｍ、
８８０ｎｍ、９４５ｎｍの光を反射するように算出され
た膜厚Ｔ₁、Ｔ、Ｔ₂の単位半導体３０をそれぞれ新た
に１層ずつ挿入した場合であり、この場合にもそれ等の
波長付近における反射率の局部的な低下が軽減される。
上記膜厚Ｔ₁、Ｔ、Ｔ₂の単位半導体３０は、変厚部の
みから成る基本の光反射層１４ａを構成している単位半
導体３０の中に同じ膜厚のものが存在せず、前記図６の
単位半導体３０ｃと同様に新たな膜厚のものである。

【００３４】図２１の実線は、上記図２０と同様に単位
半導体３０の積層数Ｎが３０、変厚割合ＤＤが０．２５
の変厚部のみから成る光反射層１４ａのシミュレーショ
ン結果で、一点鎖線は、図２０の一点鎖線の場合に比較
して膜厚Ｔ₁の単位半導体３０を２層挿入した点が相違
するものであり、その図２０の一点鎖線の場合よりも波
長λ＝８００ｎｍ付近における反射率が向上している。

【００３５】光反射層１４の更に別の態様を示す図８の
光反射層１４ｄは、単位半導体３０の膜厚が一定の基準
厚さＴである等厚部３８と、その等厚部３８の下層側に
設けられて下部に向かうに従って膜厚が連続的に且つ直
線的に薄くなる第１変厚部４０と、等厚部３８の上層側
に設けられて上部に向かうに従って膜厚が連続的に且つ
直線的に厚くなる第２変厚部４２とから構成されてい
る。すなわち、基板１２上に最初に形成される単位半導
体３０の膜厚は最も薄くてＴ（１−ＤＤ）であり、上部
に向かうに従って直線的に増加し、膜厚がＴのところで
積層数Ｎ₁または（Ｎ₁＋１）だけその基準厚さＴの単
位半導体３０が繰り返し積層され、その後再び直線的に
増加して最上層ではＴ（１＋ＤＤ）となるのである。上
記基準厚さＴは予め定められた所定厚さに相当する。そ
して、前記図６と同様に基準厚さＴの単位半導体３０ｃ
を新たに積層数Ｎ₁だけ付加して構成される光反射層１
４ｄにおいて、変厚部４０、４２の積層数Ｎ₂が１０
（両変厚部の合計では２０）で変厚割合ＤＤが０．２の
場合について、等厚部３８の積層数Ｎ₁を種々変更して
光反射特性をシミュレーションにより調べたところ、図
２２に示す結果が得られた。このシミュレーション結果
は前記光反射層１４ｃのシミュレーション結果と略同じ
であり、積層数Ｎ₁が４以上において低反射率領域が解
消し、良好な光反射特性を得られるようになることが判
る。

【００３６】図９の光反射層１４ｅは、前記光反射層１
４ａと同様に下層側から上層側に向かうに従って膜厚が
連続的に且つ直線的に小さくなる変厚部４４の上に、膜
厚が一定の基準厚さＴである等厚部４６を設けたもので
ある。そして、変厚部４４の積層数Ｎ₃が２０で変厚割
合ＤＤが０．２の場合について、等厚部４６の積層数Ｎ
₁を種々変更して光反射特性をシミュレーションにより
調べたところ、図２３に示す結果が得られた。かかるシ
ミュレーション結果から、この光反射層１４ｅにおいて
は、前記光反射層１４ｃ、１４ｄと同様に膜厚が一定の
等厚部４６を有するにも拘らず、低反射率領域の出現を
抑制する効果は得られず、光反射特性は却って悪化する
ことが判る。

【００３７】図１０の光反射層１４ｆは、上記光反射層
１４ｅとは逆に前記光反射層１４ａと同様な変厚部４８
の下側に膜厚が一定の基準厚さＴである等厚部５０を設
けたものである。この場合にも、変厚部４８の積層数Ｎ
₃が２０で変厚割合ＤＤが０．２の場合について、等厚
部５０の積層数Ｎ₁を種々変更して光反射特性をシミュ
レーションにより調べたところ、光反射層１４ｅと略同
様な図２４に示す結果が得られた。

【００３８】以上、単位半導体３０の膜厚が変化する変
厚部を有する光反射層１４の幾つかの態様を具体的に説
明したが、単位半導体３０の膜厚が不連続に変化してい
る光反射層１４ｅ、１４ｆを除いて、高反射率を維持し
つつ反射波長域を拡大することができた。特に、単位半
導体３０の膜厚が一定の変化幅で連続的に変化している
とともに、その膜厚が一定の等厚部３２、３８を有する
光反射層１４ｃ、１４ｄや、光反射層１４ａを基本とし
て余分に所定の膜厚の単位半導体を少なくとも１層付加
した光反射層については、変厚部における一つ一つの単
位半導体３０の膜厚の変化幅が比較的大きくても、局部
的な反射率の低下領域を有しない良好な光反射特性を得
られるようになる。

【００３９】次に、実際の光反射特性とシミュレーショ
ン結果との整合性を検討する。先ず、図２５に示されて
いるようにＧａＡｓ基板１００上に変厚部のみから成る
光反射層１０２を形成したテストピース１０４を作製す
る。光反射層１０２は、ＡｌＡｓ半導体とＡｌ_0.2Ｇａ
_0.8Ａｓ半導体とから成る単位半導体を３０層（Ｎ＝３
０）積層したもので、ＡｌＡｓ半導体からＧａＡｓ基板
１００上に順次積層されている。また、かかる単位半導
体の膜厚は、前記図３に示されているように上部に向か
うに従って一定の変化幅で連続的に薄くされており、変
厚割合ＤＤは０．１５である。ＡｌＡｓ半導体およびＡ
ｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ半導体の各膜厚は、ＡｌＡｓ半導体
の屈折率を２．９７、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ半導体の屈
折率を３．４７として、反射すべき光の中心波長λ_Bに
応じて計算した。今回は、λ_B＝８８０ｎｍ，８５０ｎ
ｍの２種類を作製したが、λ_B＝８８０ｎｍの場合、基
準厚さＴの部分におけるＡｌＡｓ半導体の膜厚は８８０
／（４×２．９７）＝７４．１（ｎｍ）であり、Ａｌ
_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ半導体の膜厚は８８０／（４×３．４
７）＝６３．４（ｎｍ）であり、基準厚さＴは７４．１
＋６３．４＝１３７．５（ｎｍ）である。また、λ_B＝
８５０ｎｍの場合、基準厚さＴの部分におけるＡｌＡｓ
半導体の膜厚は８５０／（４×２．９７）＝７１．５
（ｎｍ）であり、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ半導体の膜厚は
８５０／（４×３．４７）＝６１．２（ｎｍ）であり、
基準厚さＴは７１．５＋６１．２＝１３２．７（ｎｍ）
である。なお、前記実施例ではＧａＡｓ半導体を用いて
いたのに対し、今回Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ半導体を用い
たのは、ＧａＡｓ半導体の光吸収による影響を無視でき
るようにするためである。また、単位半導体の積層数Ｎ
は偶数であるため、この場合のテストピース１０４には
上記基準厚さＴの単位半導体は実際には存在しない。

【００４０】上記光反射層１０２はＭＯＣＶＤ装置を用
いて作製され、ＧａＡｓ基板１００を反応炉内にセット
して８５０℃に保持した状態で、バルブ操作により原料
ガスを切り換えてＡｌＡｓ半導体およびＡｌ_0.2Ｇａ
_0.8Ａｓ半導体を交互に結晶成長させるとともに、原料
ガスの導入時間を変更して各々の膜厚を制御した。具体
的には、ＡｌＡｓ半導体を形成する際に導入するＴＭＡ
（トリメチルアルミニウム）ガスの流量は１．９×１０
^-5ｍｏｌｅ／ｍｉｎ、１０％希釈ＡｓＨ₃ガスの流量は
４００ｃｃ／ｍｉｎ、２０ｐｐｍ希釈Ｈ₂Ｓｅガスの流
量は９０ｃｃ／ｍｉｎである。また、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8
Ａｓ半導体を形成する際に導入するＴＭＧ（トリメチル
ガリウム）ガスの流量は３．１×１０^-5ｍｏｌｅ／ｍｉ
ｎ、ＴＭＡガスの流量は４．０×１０^-5ｍｏｌｅ／ｍｉ
ｎ、１０％希釈ＡｓＨ₃ガスの流量は４００ｃｃ／ｍｉ
ｎ、２０ｐｐｍ希釈Ｈ₂Ｓｅガスの流量は９０ｃｃ／ｍ
ｉｎである。上記ＡｌＡｓ半導体の成長とＡｌ_0.2Ｇａ
_0.8Ａｓ半導体の成長とを切り換える際にはＡｓＨ₃ガ
スを１０秒間流した。

【００４１】そして、このようにして作製したテストピ
ース１０４を図２６に示されている測定装置にセットし
て光反射特性を測定した。図２６は、測定装置の光学的
配置を示す図で、Ｗランプ１０６から出た光はミラー１
０８で反射されてモノクロメータ１１０に入射し、単色
化された後ブラックボックス１１２内に入射される。ブ
ラックボックス１１２は、モノクロメータ１１０からの
光以外の光を遮断するようになっており、そのモノクロ
メータ１１０から入射した光は、ミラー１１４により反
射されてテストピース１０４に照射される。この時の入
射角は約１５゜であり、テストピース１０４で反射され
た光はミラー１１６，１１８で反射された後、検出器１
２０に入射させられ、その光強度から反射率が測定され
る。反射率は、予め反射率が判っている標準試料、本実
施例では反射率９０％のＡｌ板をテストピース１０４の
代わりに用いて測定した光強度の測定結果を用いて算出
される。

【００４２】図２７は、λ_B＝８８０ｎｍとして作製し
たテストピース１０４の光反射特性の測定結果である。
また、図２８は、λ_B＝８８０ｎｍのテストピース１０
４と同じ構成の光反射層について、入射媒質を空気、反
対側の媒質をＧａＡｓとし、光を垂直に入射させるとと
もに光反射層による光の吸収を無視した場合の光反射特
性のシミュレーション結果である。実験では光の入射角
が約１５゜であるのに対し、シミュレーションでは垂直
入射であるが、この影響は殆ど無視できる程度のもので
ある。かかる図２７および図２８から明らかなように、
シミュレーション結果は実際の測定結果と高い整合性を
示しており、前述した各シミュレーション結果は十分に
高い信頼性を有することが判る。

【００４３】なお、高反射率の波長域が、シミュレーシ
ョン結果では僅かに短波長側へずれているが、これは結
晶成長させたＡｌＡｓ半導体やＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ半
導体の膜厚が設計値からずれたか、或いは使用した屈折
率の値が正しくなかったためと考えられる。また、反射
率の低下が生じている部分の深さが異なるのは、膜厚の
ゆらぎによるものと考えられる。更に、前述したシミュ
レーション結果に比較して高反射率領域における局部的
な反射率の落込みが大きいが、これは今回入射媒質を空
気としたためであり、入射媒質をＡｌ_0.45Ｇａ_0.55Ａｓ
として光反射特性をシミュレートすると図２９のように
なり、前記図１２におけるＤＤ＝０．１５の場合と良く
似たスペクトルになる。

【００４４】また、図３０および図３１は、λ_B＝８５
０ｎｍの場合の実験結果およびシミュレーション結果で
あり、上記λ_B＝８８０ｎｍの場合と同様に、高い整合
性を示している。

【００４５】以上、本発明のいくつかの実施例を図面に
基づいて詳細に説明したが、本発明は他の態様で実施す
ることもできる。

【００４６】例えば、前記実施例の面発光型発光ダイオ
ード１０はｐ−ＧａＡｓ活性層１８を有するダブルヘテ
ロ構造を備えているが、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ
Ｐなどの他の化合物半導体から成るダブルヘテロ構造や
単一ヘテロ構造の面発光型発光ダイオード、或いはホモ
構造の面発光型発光ダイオードにも本発明は同様に適用
され得る。

【００４７】また、前記実施例ではｎ−ＧａＡｓ／ｎ−
ＡｌＡｓ光反射層１４が設けられているが、光反射層を
構成する半導体結晶の種類や組成、膜厚は、その半導体
結晶の屈折率、発光ダイオードの発光波長などに基づい
て適宜設定される。

【００４８】また、前記面発光型発光ダイオード１０は
基板１２の反対側に光取出し面２４が形成されている
が、基板１２側から光を取り出す面発光型発光ダイオー
ドにも本発明は適用され得る。

【００４９】また、前記実施例では単位半導体３０の膜
厚が直線的すなわち一定の変化幅で変化させられている
が、滑らかな曲線に沿って変化させることもできる。

【００５０】また、前記光反射層１４ｃ、１４ｄにおい
て、発光波長が異なる複数の活性層を有する場合や複数
の反射率低下波長域を有する場合などには、膜厚が異な
る複数の等厚部を設けることも可能である。等厚部３
２、３８の膜厚、すなわち所定厚さは必ずしも活性層１
８の発光波長に対応する基準厚さＴと一致させる必要は
なく、発光波長の近傍、具体的には反射率が低い波長域
の光を反射するように設定されれば良い。

【００５１】また、前記実施例では基準厚さＴを中心と
して±Ｔ・ＤＤだけ膜厚が変化しているが、製造時にお
ける膜厚誤差のずれ方向、言い換えれば反射波長域のず
れ方向に偏りがある場合など、必要に応じて膜厚を非対
称に変化させるようにしても良い。前記光反射層１４ｃ
を例として具体的に説明すると、一対の変厚部３４、３
６における膜厚の変化割合ＤＤや積層数Ｎ₂をそれぞれ
異なる値に設定しても差支えないのであり、極端な場合
には何れかの変厚部３４または３６を省略することもで
きるのである。

【００５２】また、前記実施例ではＭＯＣＶＤ装置を用
いて面発光型発光ダイオード１０を作製する場合につい
て説明したが、分子線エピタキシー法など他のエピタキ
シャル成長技術を用いて作製することも可能である。

【００５３】その他一々例示はしないが、本発明は当業
者の知識に基づいて種々の変更，改良を加えた態様で実
施することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である面発光型発光ダイオー
ドの構造を説明する図である。

【図２】図１の面発光型発光ダイオードにおける光反射
層を説明する図である。

【図３】図２の光反射層における単位半導体の膜厚変化
を説明する図である。

【図４】図２の光反射層における単位半導体の膜厚変化
の別の態様を説明する図である。

【図５】図２の光反射層における単位半導体の膜厚変化
の更に別の態様を説明する図である。

【図６】図５の光反射層の等厚部近傍の膜厚変化を具体
的に示す図である。

【図７】図２の光反射層における単位半導体の膜厚変化
の更に別の態様を説明する図で、図６に対応する図であ
る。

【図８】図２の光反射層における単位半導体の膜厚変化
の更に別の態様を説明する図である。

【図９】図２の光反射層における単位半導体の膜厚変化
の更に別の態様を説明する図である。

【図１０】図２の光反射層における単位半導体の膜厚変
化の更に別の態様を説明する図である。

【図１１】図３の光反射層において積層数Ｎが２０で変
厚割合ＤＤが種々異なる場合の光反射特性のシミュレー
ション結果を示す図である。

【図１２】図３の光反射層において積層数Ｎが３０で変
厚割合ＤＤが種々異なる場合の光反射特性のシミュレー
ション結果を示す図である。

【図１３】図４の光反射層において積層数Ｎが２０、変
厚割合ＤＤが０．２の場合の光反射特性のシミュレーシ
ョン結果を示す図である。

【図１４】図５の光反射層において積層数Ｎ₂が１０、
変厚割合ＤＤが０．２で、積層数Ｎ₁が種々異なる場合
の光反射特性のシミュレーション結果を示す図である。

【図１５】図３の光反射層において反射中心波長が８８
０ｎｍ、積層数Ｎが２５、変厚割合ＤＤが０．１５の場
合に、波長が８８０ｎｍの光を反射する単位半導体を余
分に挿入した場合の光反射特性のシミュレーション結果
を示す図である。

【図１６】図３の光反射層において反射中心波長が８８
０ｎｍ、積層数Ｎが２５、変厚割合ＤＤが０．２の場合
に、波長が８４３ｎｍ，９１７ｎｍの光を反射する単位
半導体を余分に挿入した場合の光反射特性のシミュレー
ション結果を示す図である。

【図１７】図３の光反射層において反射中心波長が８８
０ｎｍ、積層数Ｎが２５、変厚割合ＤＤが０．２の場合
に、波長が８４３ｎｍの光を反射する単位半導体を余分
に２層挿入した場合の光反射特性のシミュレーション結
果を示す図である。

【図１８】図３の光反射層において反射中心波長が８８
０ｎｍ、積層数Ｎが３０、変厚割合ＤＤが０．１５の場
合に、波長が８８０ｎｍの光を反射する単位半導体を余
分に挿入した場合の光反射特性のシミュレーション結果
を示す図である。

【図１９】図３の光反射層において反射中心波長が８８
０ｎｍ、積層数Ｎが３０、変厚割合ＤＤが０．２の場合
に、波長が８１９ｎｍ，８５６ｎｍ，９０４ｎｍの光を
反射する単位半導体を余分に挿入した場合の光反射特性
のシミュレーション結果を示す図である。

【図２０】図３の光反射層において反射中心波長が８８
０ｎｍ、積層数Ｎが３０、変厚割合ＤＤが０．２５の場
合に、波長が８００ｎｍ，８８０ｎｍ，９４５ｎｍの光
を反射する単位半導体を余分に挿入した場合の光反射特
性のシミュレーション結果を示す図である。

【図２１】図３の光反射層において反射中心波長が８８
０ｎｍ、積層数Ｎが３０、変厚割合ＤＤが０．２５の場
合に、波長が８００ｎｍ，８８０ｎｍ，９４５ｎｍの光
を反射する単位半導体を余分に挿入した場合の光反射特
性のシミュレーション結果を示す図である。

【図２２】図８の光反射層において積層数Ｎ₂が１０、
変厚割合ＤＤが０．２で、積層数Ｎ₁が種々異なる場合
の光反射特性のシミュレーション結果を示す図である。

【図２３】図９の光反射層において積層数Ｎ₃が２０、
変厚割合ＤＤが０．２で、積層数Ｎ₁が種々異なる場合
の光反射特性のシミュレーション結果を示す図である。

【図２４】図１０の光反射層において積層数Ｎ₃が２
０、変厚割合ＤＤが０．２で、積層数Ｎ₁が種々異なる
場合の光反射特性のシミュレーション結果を示す図であ
る。

【図２５】本発明にかかる光反射層の実際の光反射特性
を測定するためのテストピースを説明する図である。

【図２６】図２５のテストピースの光反射特性を測定す
るための測定装置の光学的構成を説明する図である。

【図２７】反射中心波長λ_Bを８８０ｎｍとして作製し
た図２５のテストピースにおける光反射特性の測定結果
を示す図である。

【図２８】図２７の場合と略同じ条件でシミュレートし
て得られた光反射特性を示す図である。

【図２９】図２８に比較して入射媒質をＡｌ_0.45Ｇａ
_0.55Ａｓとした場合のシミュレーション結果を示す図で
ある。

【図３０】反射中心波長λ_Bを８５０ｎｍとして作製し
た図２５のテストピースにおける光反射特性の測定結果
を示す図である。

【図３１】図３０の場合と略同じ条件でシミュレートし
て得られた光反射特性を示す図である。

【符号の説明】

１０：面発光型発光ダイオード１４：光反射層１４ａ、１４ｂ：光反射層（変厚部）１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ：光反射層１８：活性層２４：上面（光取出し面）３０、３０ｃ：単位半導体３２、３８、４６、５０：等厚部３４、４０：第１変厚部３６、４２：第２変厚部４４、４８：変厚部Ｔ：基準厚さ（所定厚さ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者諏澤寛源愛知県東海市加木屋町南鹿持18番地 (56)参考文献特開平３−16278（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−77473（ＪＰ，Ａ) 特開平３−163882（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 33/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光を発する活性層と、組成が異なる複数種
類の半導体が重ね合わされた単位半導体が繰り返し積層
されて光を反射する光反射層と、前記活性層を挟んで前
記光反射層の反対側に設けられて該活性層から発せられ
た光を取り出す光取出し面とを備えた面発光型発光ダイ
オードにおいて、前記光反射層は、連続して積層された複数の単位半導体
の一つ一つの厚さが連続的に変化している変厚部を有す
ることを特徴とする面発光型発光ダイオード。
【請求項２】前記光反射層は、一つ一つの単位半導体の
厚さが連続的に変化しているとともに、反射率が低い波
長域の光を反射するように予め定められた厚さの単位半
導体が少なくとも１層付加されている請求項１に記載の
面発光型発光ダイオード。
【請求項３】前記光反射層は、前記活性層から発せられ
る光と同じ波長若しくはその近傍の特定の波長の光を反
射するように予め定められた所定厚さで前記単位半導体
が複数積層された等厚部と、該等厚部から遠ざかるに従
って前記単位半導体の一つ一つの厚さが前記所定厚さか
ら連続的に小さくなる第１変厚部と、前記等厚部を挟ん
で前記第１変厚部と反対側に設けられ、該等厚部から遠
ざかるに従って前記単位半導体の一つ一つの厚さが前記
所定厚さから連続的に大きくなる第２変厚部とを有する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の面発
光型発光ダイオード。