JP3496745B2 - 発光ダイオード - Google Patents

発光ダイオード

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JP3496745B2 JP24725397A JP24725397A JP3496745B2 JP 3496745 B2 JP3496745 B2 JP 3496745B2 JP 24725397 A JP24725397 A JP 24725397A JP 24725397 A JP24725397 A JP 24725397A JP 3496745 B2 JP3496745 B2 JP 3496745B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、表示用機器、信号
灯、光センサや通信機器等に使用される発光ダイオード
に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、発光ダイオードは表示用機器、信
号灯、光センサや通信機器等、多くの用途で使用されて
いる。この発光ダイオードの輝度は発光部の発光効率や
素子外部への光の取り出し効率等に依存し、これらの効
率をより高くすることでより高い輝度の発光ダイオード
を得ることができる。
【0003】このうち、素子外部への光の取り出し効率
を高める手段としては、光反射多層膜を設けることが最
も有効なものの1つである。発光部からの光は、光出射
面に向かうものもあるが基板へ向かうものもあり、基板
へ向かった光の多くは基板により吸収される。そこで、
発光部と基板との間に光反射多層膜を設けることにより
基板へ向かう光を反射させて出射面へと向かわせること
が可能となる。
【0004】この光反射多層膜は異なる屈折率を有する
2種類の材料膜を1対として適切な厚みで交互に積層し
たものからなるが、全ての層を単一の周期で積層すると
その反射スペクトルが狭帯域となって反射波長領域が狭
くなる。反射波長領域が狭くなると、結晶成長速度等の
変動により反射波長が発光波長からずれやすくなって製
品歩留りが悪くなる。
【0005】この問題に対して、特開平4−32887
7号には以下のように光反射多層膜の厚みを徐々に変化
させた構造が提案されている。
【0006】図15(a)はその公報に開示されている
発光ダイオード(LED)1100の構成を示す断面図
であり、図15(b)は光反射多層膜(DBR:分布ブ
ラッグリフレクター)の構成を示す拡大図であり、図1
6はDBRの層厚構成を示す図である。
【0007】このLED1100は、n型GaAs基板
1101上に、n型AlAs層1102a及びn型Ga
As層1102bを1対としてこれを多数ペア、例えば
40ペア積層した光反射多層膜1102が設けられてい
る。光反射多層膜1102の上には下部クラッド層11
03、活性層1104及び上部クラッド層1105から
なるダブルヘテロ構造が設けられ、さらにその上にキャ
ップ層1106が設けられている。キャップ層1106
の中央部上にはp型電極1107が設けられ、n型基板
1101の下面には全面にn型電極1108が設けられ
ている。
【0008】この従来のLED1100において、DB
Rの層構成は図16に示すように、中心反射波長に対応
する層厚Tに対して長波長側及び短波長側に各々変化割
合DDだけ厚みをチャープ状に変化させてある。
【0009】図17はLED1100におけるDBRの
反射スペクトル及び層構成が単一周期のDBRの反射ス
ペクトルを示す図である。この図17に示すように、D
BRの層厚をチャープ状に変化させたLED1100で
は、層厚を単一周期にしたDBRに比べて反射波長の領
域を広くすることが可能である。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、DBR
は多層構造であるためにDBR中には多くの界面が存在
する。例えば、40ペアのDBRの場合にはその中に7
9の界面が存在する。この界面は結晶成長工程において
材料の供給が切り替えられる部分であり、理想的な結晶
成長が難しいため、DBRのように界面を多く含む構造
では良好な品質の結晶を得ることが困難である。また、
DBRの上にはクラッド層と発光部となる活性層とを積
層するが、DBRの結晶品質が悪いと欠陥の伝搬等によ
り発光部の結晶品質も悪くなって発光部の発光効率が低
くなる。その結果、発光ダイオードの輝度が低くなると
いう問題があった。
【0011】また、特開平4−328877号に開示さ
れている構造ではDBRを構成する材料にAlAs及び
GaAsを用いているが、これらの材料はいずれも2元
混晶であり、結晶成長における供給材料の数が各々2種
類である。これに対して、AlGaInP系半導体材料
を用いたDBRでは結晶成長における供給材料の数が3
〜4種類であり、界面での材料の供給の切替が一層困難
である。そのため、DBRの結晶品質が低下してさらに
発光ダイオードの輝度が低くなるという問題があった。
【0012】本発明はこのような従来技術の課題を解決
すべくなされたものであり、光反射多層膜上の活性層の
結晶品質が低下するのを防いで輝度を向上することがで
きる発光ダイオード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】本発明の発光ダイオード
は、基板上に、活性層、及び該活性層から該基板に向か
う光を反射させるべく該基板と該活性層との間に配置さ
れている光反射多層膜を有する発光ダイオードにおい
て、該光反射多層膜が互いに異なる屈折率を有する2種
類の材料の膜を1対とした複数層からなり、その対の厚
みが厚いものほど該活性層に近い側に配してあり、該2
種類の材料の膜が共に4元混晶であって、そのことによ
り上記目的が達成される。
【0014】前記活性層及び前記光反射多層膜がAlG
aInP系化合物半導体材料からなっていてもよい。
【0015】前記光反射多層膜は、最上層と最下層との
間の各層を等間隔とした場合よりも中間付近が厚くなる
ように層厚を設定するのが好ましい。
【0016】前記光反射多層膜が、前記2種類の材料の
膜を15対以下積層してあってもよい。
【0017】前記2種類の材料が、前記活性層のバンド
ギャップよりも大きいバンドギャップを有する材料であ
ってもよい。
【0018】
【0019】以下、本発明の作用について説明する。
【0020】光反射多層膜(DBR)には界面が多数存
在し、結晶成長工程において材料の供給切り替えを多数
回行う必要があるので良質な結晶を得るのが困難であ
る。そこで、本発明にあっては2種類の材料の膜の対の
厚みを徐々に変化させ、その対の厚みが厚いものほど活
性層に近い側に配してある。すなわち、厚みが厚いもの
ほど材料の供給切り替えが少なく、その結晶品質を良好
にすることができるので、その結晶品質が良好な部分を
発光部に近く配置する。その結果、DBR上に成長する
発光部の結晶品質を向上させて発光効率を高めることが
可能となる。
【0021】また、発光部にAlGaInP系化合物半
導体を用いる場合には、成長条件の統一や生産効率の点
からDBRにもAlGaInP系化合物半導体を用いる
のが望ましいが、AlGaInP系化合物半導体からな
るDBRでは結晶成長工程において切り替えられる材料
の数が多いため、その結晶品質が悪くなりやすい。そこ
で、請求項2に記載の本発明にあっては、DBRにおい
て厚みを厚くした対を発光部に近い側に配することによ
り、結晶品質が良好な部分を発光部に近く配置してい
る。このため、結晶品質が悪くなり易いAlGaInP
系発光ダイオードにおいても、DBRの上に形成される
発光部の結晶品質を良好にすることができる。
【0022】
【0023】DBRを構成する材料が発光波長に対して
吸収を持つ場合、DBRを構成する対のうちの厚みが厚
いものを活性層に近い側に配すると、発光部に近い対の
光吸収が増えるために反射特性が悪くなる傾向がある。
そこで、請求項4に記載の本発明にあっては、DBRを
構成する対を15対以下にすることにより、後述する図
10に示すように、光吸収による反射特性の低下を防い
でDBRの特性を向上させることが可能である。
【0024】また、請求項5に記載の本発明にあって
は、DBRを構成する2種類の材料として活性層のバン
ドギャップよりも大きいバンドギャップを有する材料を
用いているので、発光波長に対する吸収の影響が無くな
る。従って、DBRにおいて厚みの厚い対を発光部に近
い側に配しても反射特性が悪くなることはなく、活性層
の発光効率を向上させることが可能である。
【0025】さらに、本発明にあっては、DBRを構成
する対のうち、活性層に最も近い側から最も遠い側まで
膜厚を直線的に変化させた場合よりも膜厚が厚い対を少
なくとも1対以上設けてあれば、後述する図14に示す
ように、DBR全体の膜厚に対する界面の割合を減らす
ことができる。従って、結晶成長工程において材料の供
給切り替え回数を減らしてDBRの結晶品質を向上させ
ることができる。その結果、さらに発光部の結晶品質を
向上させることが可能である。
【0026】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施形態につい
て図面を参照しながら説明する。
【0027】(実施形態1)図1(a)は実施形態1の
発光ダイオード(LED)100の構成を示す断面図で
あり、図1(b)は光反射多層膜(DBR)12の構成
を示す拡大図である。
【0028】このLED100は、n型GaAs基板1
1上に、n型(AlxGa1-x0.51In0.49P(0≦x≦
1、例えばx=0.8層12a及びn型(Aly
1-y0.51In0.49P(0≦y≦1、x≠y、例えば
y=0.15層12bを1対としてこれを多数ペア、例
えば20ペア積層したDBR12が設けられている。
【0029】このDBR12は、図2に示すように、下
層から上層に向かって層厚がチャープ状に変化させてあ
る。n型(AlxGa1-x0.51In0.49P層12a及び
n型(AlyGa1-y0.51In0.49P層12bの厚さ
は、各層の屈折率をn1、n2とし、活性層からの発光波
長をλとし、最上層と最下層との変化割合を各々D
1、DD2すると、例えば以下のように設定される。
【0030】例えば、図2に示すように、n型(Alx
Ga1-x0.51In0.49P層12aの最下層の層厚は、 (λ/4n1)×(1−DD2) とし、n型(AlxGa1-x0.51In0.49P層12aの
最上層の層厚は、 (λ/4n1)×(1+DD1) とし、最上層と最下層との間の各層については等間隔と
なるように層厚を設定する。同様に、n型(AlyGa
1-y0.51In0.49P層12bの最下層の層厚は、 (λ/4n2)×(1−DD2) とし、n型(AlyGa1-y0.51In0.49P層12bの
最上層の層厚は、 (λ/4n2)×(1+DD1) とし、最上層と最下層との間の各層については等間隔と
なるように層厚を設定する。DBR12の上には、n型
(AlxGa1-x0.51In0.49P(例えばx=1.0、
厚み1.0μm)下部クラッド層13層、(AlxGa
1-x0.51In0.49P(例えばx=0.1、厚み0.5
μm)活性層14及びp型(AlxGa1-x0.51In
0.49P(例えばx=1.0、厚み1.0μm)上部クラ
ッド層15層からなるダブルヘテロ構造が設けられ、さ
らにその上にp型GaP電流拡散層16が設けられてい
る。p型電流拡散層16の中央部上には例えばAu−Z
n膜を蒸着して円形にパターニングしたp型電極17が
設けられ、n型基板11の下面には例えばAu−Zn膜
を蒸着したn型電極18が全面に設けられている。
【0031】図3に単位層厚当たりに含まれる界面の数
(界面密度)と結晶品質との関係を示す。この図3から
理解されるように、界面密度が高いほど結晶品質は悪く
なり、界面密度が低いほど結晶品質が良好になる。従っ
て、DBRには界面が多数含まれるために結晶の品質が
悪くなることがわかる。
【0032】この図3に示した関係から本実施形態のL
ED100におけるDBR中の結晶品質を導出したもの
を図4に実線で示す。また、比較のために図15に示し
た従来のLED1100におけるDBR中の結晶品質に
ついても図4に点線で示す。従来のLED1100にお
いてはDBRの各層の層厚を上層ほど薄くしているので
上層ほど結晶品質が悪くなり、その上に積層される活性
層の結晶品質も悪くなる。これに対して、本実施形態の
LED100においてはDBRの各層の層厚を上層ほど
厚くしているので上層ほど結晶品質が良くなり、その上
に積層される活性層の結晶品質も良好である。
【0033】なお、図15に示した従来のLED110
0ではDBRを構成する材料に2元混晶である化合物半
導体を用いているが、本実施形態においてはDBRを構
成する材料に4元混晶であるAlGaInP系化合物半
導体を用いている。これは、発光部にAlGaInP系
化合物半導体を用いる場合には、成長条件の統一や生産
効率の点からDBRもAlGaInP系化合物半導体を
用いるのが望ましいからである。
【0034】図5(a)は2元混晶である2種類の結晶
の成長界面における材料供給の切り替えタイミングを示
す図であり、図5(b)は4元混晶である2種類の結晶
の成長界面における材料供給の切り替えタイミングを示
す図である。この図から理解されるように、2元混晶を
用いる場合に比べて4元混晶を用いる場合には成長界面
で切り替えられる材料ガスの数が多いため、成長界面に
おける結晶の乱れが生じ易くなって界面の結晶品質が悪
くなる。よって、DBRを構成する材料として4元混晶
を用いる場合には、DBRの結晶品質を良好にしてその
上に形成される発光部の結晶品質を向上させることが特
に重要となる。
【0035】ところで、従来技術である特開平4−32
8877号においては、DBRの層厚構成を発光部に近
い層ほど薄くする理由を以下のように述べている。
【0036】DBRを構成する材料に活性層からの発光
に対して光吸収がある材料を用いると、DBRの活性層
に近い部分で活性層からの光が吸収され、DBRの活性
層から遠い部分での反射効果を得難くなるため、DBR
の反射波長領域が狭くなる。DBRの層厚構成を発光部
に近い層ほど薄くすることにより活性層から遠いDBR
部分まで光を届かせることができるので、広い反射波長
領域を得ることができる。
【0037】しかしながら、この特開平4−32887
7号に述べられているような反射波長領域が狭くなると
いう問題が起こるのは、光吸収が問題となるだけの吸収
係数と層厚を有する場合であり、吸収係数が低い場合や
DBRの全層厚が薄い場合にはDBRの層厚構成を発光
部に近い層ほど薄くすることによる効果は小さい。
【0038】本実施形態においては、DBRに光吸収が
比較的少ない材料を用いているため、DBRの層厚構成
を発光部に近い層ほど厚くしてもDBRの反射領域の狭
帯域化は観測されなかった。また、DBRの層厚構成を
活性層に近い層ほど厚くしてあるので界面での結晶品質
低下が少ない良好な結晶であり、その上に積層する発光
部の結晶品質を高めて、LEDの輝度を向上することが
できる。
【0039】また、DBRを構成する2つの材料にV族
元素が同じであるIII-V族化合物半導体を用いているの
で材料の切り替えが少なく、発光部の結晶品質を向上さ
せることができる。
【0040】これらの効果により、本実施形態のLED
においては、従来のLEDに比べて約1.3倍の輝度を
得ることができた。
【0041】(参考例としての実施形態2) 図6(a)は実施形態2のLED200の構成を示す断
面図であり、図6(b)はDBR22の構成を示す拡大
図である。
【0042】このLED200は、n型GaAs基板2
1上に、n型Al0.51In0.49P層22a及びn型Ga
0.51In0.49P層22bを1対としてこれを多数ペア、
例えば20ペア積層したDBR22が設けられている。
【0043】このDBR22は、図7に示すように、下
層から上層に向かって層厚がチャープ状に変化させてあ
る。n型Al0.51In0.49P層22a及びn型Ga0.51
In0.49P層22bの厚さは、各層の屈折率をn1、n2
とし、活性層からの発光波長をλとし、最上層と最下層
との変化割合を各々DD1、DD2すると、例えば以下の
ように設定される。
【0044】例えば、図7に示すように、n型Al0.51
In0.49P層22aの最下層の層厚は、 (λ/4n1)×(1−DD2) とし、n型Al0.51In0.49P層22aの最上層の層厚
は、 (λ/4n1)×(1+DD1) とし、最上層と最下層との間の各層については等間隔と
なるように層厚を設定する。
【0045】同様に、n型Ga0.51In0.49P層22b
の最下層の層厚は、 (λ/4n2)×(1−DD2) とし、n型Ga0.51In0.49P層22bの最上層の層厚
は、 (λ/4n2)×(1+DD1) とし、最上層と最下層との間の各層については等間隔と
なるように層厚を設定する。
【0046】DBR22の上には、n型(Alx
1-x0.51In0.49P(例えばx=1.0、厚み1.
0μm)下部クラッド層23層、(AlxGa1-x0.51
In0.49P(例えばx=0.0、厚み0.5μm)活性
層24及びp型(AlxGa1-x0.51In0.49P(例え
ばx=1.0、厚み1.0μm)上部クラッド層25層
からなるダブルヘテロ構造が設けられ、さらにその上に
p型GaP電流拡散層26が設けられている。p型電流
拡散層26の中央部上には例えばAu−Zn膜を蒸着し
て円形にパターニングしたp型電極27が設けられ、n
型基板21の下面には例えばAu−Zn膜を蒸着したn
型電極28が全面に設けられている。
【0047】本実施形態においても、実施形態1と同様
に、DBRの層厚構成を活性層に近い層ほど厚くしてあ
るので界面での結晶品質低下が少ない良好な結晶であ
り、その上に積層する発光部の結晶品質を高めて、LE
Dの輝度を向上することができる。
【0048】また、本実施形態においてはDBRの材料
に3元混晶であるAlInP及びGaInPを用いてお
り、これらはAlGaInP化合物半導体の中でも最も
原子の種類の数が少ない材料であるので、結晶成長工程
において切り替えられる材料の数を減らして界面におけ
る結晶品質を向上させることができる。
【0049】従って、本実施形態においてはDBRの結
晶品質をより良好なものとすることが可能であり、DB
R上に積層する発光部の結晶品質をさらに高めることが
できる。
【0050】これらの効果により、本実施形態のLED
においては、実施形態1のLEDに比べて約1.4倍の
輝度を得ることができ、従来のLEDに比べて約1.8
倍の輝度を得ることができた。
【0051】(実施形態3)図8(a)は実施形態3の
LED300の構成を示す断面図であり、図9(b)は
DBR32の構成を示す拡大図である。
【0052】このLED300は、n型GaAs基板3
1上に、n型Al0.51In0.49P層32a及びn型(A
xGa1-x0.51In0.49P(0≦x<1)層32bを
1対としてこれを多数ペア、例えば15ペア積層したD
BR32が設けられている。
【0053】このDBR32は、図9に示すように、下
層から上層に向かって層厚がチャープ状に変化させてあ
る。n型Al0.51In0.49P層32a及びn型(Alx
Ga1-x0.51In0.49P層32bの厚さは、各層の屈
折率をn1、n2とし、活性層からの発光波長をλとし、
最上層と最下層との変化割合を各々DD1、DD2する
と、例えば以下のように設定される。
【0054】例えば、図9に示すように、n型Al0.51
In0.49P層32aの最下層の層厚は、 (λ/4n1)×(1−DD2) とし、n型Al0.51In0.49P層32aの最上層の層厚
は、 (λ/4n1)×(1+DD1) とし、最上層と最下層との間の各層については等間隔と
なるように層厚を設定する。
【0055】同様に、n型(AlxGa1-x0.51In
0.49P32bの最下層の層厚は、 (λ/4n2)×(1−DD2) とし、n型(AlxGa1-x0.51In0.49P32bの最
上層の層厚は、 (λ/4n2)×(1+DD1) とし、最上層と最下層との間の各層については等間隔と
なるように層厚を設定する。
【0056】DBR32の上には、n型(Alx
1-x0.51In0.49P(例えばx=1.0、厚み1.
0μm)下部クラッド層33層、(AlxGa1-x0.51
In0.49P(例えばx=0.3、厚み0.5μm)活性
層34及びp型(AlxGa1-x0.51In0.49P(例え
ばx=1.0、厚み1.0μm)上部クラッド層35層
からなるダブルヘテロ構造が設けられ、さらにその上に
p型GaP電流拡散層36が設けられている。p型電流
拡散層36の中央部上には例えばAu−Zn膜を蒸着し
て円形にパターニングしたp型電極37が設けられ、n
型基板31の下面には例えばAu−Zn膜を蒸着したn
型電極38が全面に設けられている。
【0057】本実施形態においても、実施形態1と同様
に、DBRの層厚構成を活性層に近い層ほど厚くしてあ
るので界面での結晶品質低下が少ない良好な結晶であ
り、その上に積層する発光部の結晶品質を高めて、LE
Dの輝度を向上することができる。
【0058】また、実施形態1と同様に、DBRを構成
する2種類の材料にV族元素が同じであるIII-V族化合物
半導体を用いているので材料の切り替えが少なく、発光
部の結晶品質を向上させることができる。
【0059】さらに、本実施形態においては、DBRを
構成する2種類の材料の膜の対の数を15ペアにしてい
るので、以下のような効果が得られる。
【0060】図10にDBRの対の数と平均反射強度と
の関係を示す。ここでは、LED300の組成について
発光部に近いほど各層の厚みを厚くしたDBRと、発光
部に近いほど各層の厚みを薄くしたDBRとを比較して
示している。2種類の材料の膜を15対より多く積層し
た場合には発光部に近いほど厚みを薄くしたDBRの方
が反射強度が強くなるが、15対以下積層した場合に
は、発光部に近いほど厚みを厚くしたDBRでも、DB
Rの吸収により反射強度が劣ることはない。従って、1
5対以下積層した場合には、発光部に近いほど厚みを厚
くした構成のDBRにすることにより、発光部の結晶品
質をより向上させて輝度の向上を図ることができること
がわかる。
【0061】これらの効果により、本実施形態のLED
においては、従来のLEDに比べて約1.2倍の輝度を
得ることができた。
【0062】(実施形態4)図11(a)は実施形態4
のLED400の構成を示す断面図であり、図11
(b)はDBR42の構成を示す拡大図である。
【0063】このLED400は、n型GaAs基板4
1上に、n型Al0.51In0.49P層42a及びn型(A
xGa1-x0.51In0.49P(0≦x<1、例えばx=
0.4層42bを1対としてこれを多数ペア、例えば4
0ペア積層したDBR42が設けられている。
【0064】このDBR42は、図12に示すように、
下層から上層に向かって層厚がチャープ状に変化させて
ある。n型Al0.51In0.49P層42a及びn型(Al
xGa1-x0.51In0.49P層42bの厚さは、各層の屈
折率をn1、n2とし、活性層からの発光波長をλとし、
最上層と最下層との変化割合を各々DD1、DD2する
と、例えば以下のように設定される。
【0065】例えば、図12に示すように、n型Al
0.51In0.49P層42aの最下層の層厚は、 (λ/4n1)×(1−DD2) とし、n型Al0.51In0.49P層42aの最上層の層厚
は、 (λ/4n1)×(1+DD1) とし、最上層と最下層との間の各層については等間隔と
なるように層厚を設定する。
【0066】同様に、n型(AlxGa1-x0.51In
0.49P42bの最下層の層厚は、 (λ/4n2)×(1−DD2) とし、n型(AlxGa1-x0.51In0.49P42bの最
上層の層厚は、 (λ/4n2)×(1+DD1) とし、最上層と最下層との間の各層については等間隔と
なるように層厚を設定する。
【0067】DBR42の上には、n型(Alx
1-x0.51In0.49P(例えばx=1.0、厚み1.
0μm)下部クラッド層43層、(AlxGa1-x0.51
In0.49P(例えばx=0.3、厚み0.5μm)活性
層44及びp型(AlxGa1-x0.51In0.49P(例え
ばx=1.0、厚み1.0μm)上部クラッド層45層
からなるダブルヘテロ構造が設けられ、さらにその上に
p型GaP電流拡散層46が設けられている。p型電流
拡散層46の中央部上には例えばAu−Zn膜を蒸着し
て円形にパターニングしたp型電極47が設けられ、n
型基板41の下面には例えばAu−Zn膜を蒸着したn
型電極48が全面に設けられている。
【0068】本実施形態においても、実施形態1と同様
に、DBRの層厚構成を活性層に近い層ほど厚くしてあ
るので界面での結晶品質低下が少ない良好な結晶であ
り、その上に積層する発光部の結晶品質を高めて、LE
Dの輝度を向上することができる。
【0069】また、本実施形態においては、DBRを構
成する2種類の材料として活性層よりも大きなバンドギ
ャップを有する材料を用いているので、以下のような効
果が得られる。
【0070】従来のLED1100ではDBRの層厚構
成を発光部に近い層ほど薄くしているが、これは実施形
態1で述べたようにDBRを構成する材料に活性層から
の発光に対して吸収がある材料を用いているからであ
る。そこで、本実施形態では、DBRを構成する2種類
の材料として活性層よりも大きなバンドギャップを有す
る材料を用いて活性層からの発光に対する吸収を無く
し、DBRの活性層から離れた部分でもその反射効果が
低減ないようにしている。これにより、特開平4−32
8877号に開示されているようにDBRの層厚構成を
活性層に近い層ほど薄くする必要がない。従って、DB
Rの層厚構成を活性層に近い層ほど厚くすることによ
り、実施形態1で述べたように成長界面での結晶品質低
下の影響を低減することが可能であり、その上に積層す
る発光部の結晶品質を向上することが可能になる。
【0071】これらの効果により、本実施形態のLED
においては、従来のLEDに比べて約1.5倍の輝度を
得ることができた。
【0072】(実施形態5)図13(a)は実施形態5
のLED500の構成を示す断面図であり、図13
(b)はDBR52の構成を示す拡大図である。
【0073】このLED500は、n型GaAs基板5
1上に、n型Al0.51In0.49P層52a及びn型(A
xGa1-x0.51In0.49P(0≦x<1)層52bを
1対としてこれを多数ペア、例えば40ペア積層したD
BR52が設けられている。
【0074】このDBR52は、図14に示すように、
下層から上層に向かって層厚がチャープ状に変化させて
ある。n型Al0.51In0.49P層52a及びn型(Al
xGa1-x0.51In0.49P層542bの厚さは、各層の
屈折率をn1、n2とし、活性層からの発光波長をλと
し、最上層と最下層との変化割合を各々DD1、DD2
ると、例えば以下のように設定される。
【0075】例えば、図14に示すように、n型Al
0.51In0.49P層52aの最下層の層厚は、 (λ/4n1)×(1−DD2) とし、n型Al0.51In0.49P層52aの最上層の層厚
は、 (λ/4n1)×(1+DD1) とし、最上層と最下層との間の各層については等間隔と
した場合よりも中間付近が厚くなるように層厚を設定す
る。
【0076】同様に、n型(AlxGa1-x0.51In
0.49P52bの最下層の層厚は、 (λ/4n2)×(1−DD2) とし、n型(AlxGa1-x0.51In0.49P52bの最
上層の層厚は、 (λ/4n2)×(1+DD1) とし、最上層と最下層との間の各層については等間隔と
した場合よりも中間付近が厚くなるように層厚を設定す
る。
【0077】DBR52の上には、n型(Alx
1-x0.51In0.49P(例えばx=1.0、厚み1.
0μm)下部クラッド層53層、(AlxGa1-x0.51
In0.49P(例えばx=0.3、厚み0.5μm)活性
層54及びp型(AlxGa1-x0.51In0.49P(例え
ばx=1.0、厚み1.0μm)上部クラッド層55層
からなるダブルヘテロ構造が設けられ、さらにその上に
p型GaP電流拡散層56が設けられている。p型電流
拡散層56の中央部上には例えばAu−Zn膜を蒸着し
て円形にパターニングしたp型電極57が設けられ、n
型基板51の下面には例えばAu−Zn膜を蒸着したn
型電極58が全面に設けられている。
【0078】本実施形態においても、実施形態1と同様
に、DBRの層厚構成を活性層に近い層ほど厚くしてあ
るので界面での結晶品質低下が少ない良好な結晶であ
り、その上に積層する発光部の結晶品質を高めて、LE
Dの輝度を向上することができる。
【0079】また、本実施形態においては、DBRの層
厚構成を最上層と最下層との間の中間付近の層を等間隔
とした場合よりも厚く設定しているので、以下のような
効果が得られる。
【0080】実施形態1で述べたように、結晶に含まれ
る界面密度が低いほど結晶品質が高くなるので、DBR
中の各層厚を厚く設定することによりDBRの界面密度
を低減して結晶品質を向上させることができる。これに
より、その上に積層する発光部の結晶品質を向上させ
て、LEDの輝度を向上することができる。
【0081】これらの効果により、本実施形態のLED
においては、従来のLEDに比べて約1.3倍の輝度を
得ることができた。
【0082】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
光反射多層膜の層厚構成を発光部である活性層に近い層
ほど厚くすることにより、発光部の結晶品質を向上する
ことが可能となる。その結果、発光部の発光効率を高め
て発光ダイオードの輝度を向上させることができる。
【0083】特に、請求項2に記載の本発明によれば、
発光部にAlGaInP系化合物半導体を用い、光反射
多層膜にもAlGaInP系化合物半導体を用いた発光
ダイオードにおいて、発光部の結晶品質を向上させるこ
とができるので、発光ダイオードの輝度を向上させる効
果が大きい。
【0084】
【0085】請求項4に記載の本発明によれば、光反射
多層膜を構成する2種類の材料の膜の対の数を15以下
にすることにより、層厚構成を発光部に近い層ほど薄く
した光反射多層膜に比べて反射強度が低下することはな
い。従って、活性層からの発光に対して吸収がある材料
を場合でも、光反射多層膜の層厚構成を発光部に近い層
ほど厚くすることが可能であり、発光部の結晶品質を向
上させて発光ダイオードの輝度を向上させることができ
る。
【0086】また、請求項5に記載の本発明によれば、
光反射多層膜を構成する2種類の材料として活性層のバ
ンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する材料
を用いることにより、発光波長に対する吸収の影響を無
くすことができる。従って、対の数が増えて光反射多層
膜の全層厚を厚くしても、光吸収により発光部から遠い
部分に光が届かなくなることはなく、発光部の結晶品質
を向上させて発光ダイオードの輝度を向上させることが
できる。
【0087】さらに、光反射多層膜を構成する対のう
ち、活性層に最も近い側から最も遠い側まで膜厚を直線
的に変化させた場合よりも膜厚が厚い対を少なくとも1
対以上設ければ、光反射多層膜全体の膜厚に対する界面
の割合を減らすことができる。従って、光反射多層膜の
結晶品質をより向上させることができるので、さらに発
光部の結晶品質を向上させて発光ダイオードの輝度を向
上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は実施形態1の発光ダイオードの構成を
示す断面図であり、(b)は光反射多層膜の構成を示す
拡大図である。
【図2】実施形態1における光反射多層膜の層厚構成を
示す図である。
【図3】界面密度と結晶品質との関係を示す図である。
【図4】光反射多層膜中の結晶品質を示す図である。
【図5】(a)は2元混晶である2種類の結晶の成長界
面における材料供給の切り替えタイミングを示す図であ
り、(b)は4元混晶である2種類の結晶の成長界面に
おける材料供給の切り替えタイミングを示す図である。
【図6】(a)は実施形態2の発光ダイオードの構成を
示す断面図であり、(b)は光反射多層膜の構成を示す
拡大図である。
【図7】実施形態2における光反射多層膜の層厚構成を
示す図である。
【図8】(a)は実施形態3の発光ダイオードの構成を
示す断面図であり、(b)は光反射多層膜の構成を示す
拡大図である。
【図9】実施形態3における光反射多層膜の層厚構成を
示す図である。
【図10】光反射多層膜の対の数と平均反射強度との関
係を示す。
【図11】(a)は実施形態4の発光ダイオードの構成
を示す断面図であり、(b)は光反射多層膜の構成を示
す拡大図である。
【図12】実施形態4における光反射多層膜の層厚構成
を示す図である。
【図13】(a)は実施形態5の発光ダイオードの構成
を示す断面図であり、(b)は光反射多層膜の構成を示
す拡大図である。
【図14】実施形態5における光反射多層膜の層厚構成
を示す図である。
【図15】(a)は従来の発光ダイオードの構成を示す
断面図であり、(b)は光反射多層膜の構成を示す拡大
図である。
【図16】従来の発光ダイオードにおける光反射多層膜
の層厚構成を示す図である。
【図17】光反射多層膜の反射スペクトルを示す図であ
る。
【符号の説明】
11、21、31、41、51 n型GaAs基板 12、22、32、42、52 光反射多層膜 12a、22a、32a、42a、52a n型AlG
aInP層 12b、22b、32b、42b、52b n型AlG
aInP層 13、23、33、43、53 n型AlGaInP下
部クラッド層 14、24、34、44、54 AlGaInP活性層 15、25、35、45、55 p型AlGaInP上
部クラッド層 16、26、36、46、56 p型GaP電流拡散層 17、27、37、47、57 p型電極 18、28、38、48、58 n型電極 100、200、300、400、500 発光ダイオ
ード
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−251735(JP,A) 特開 平5−37017(JP,A) 特開 平4−328877(JP,A) 特開 平6−334216(JP,A) 特開 平5−259508(JP,A) 特開 平7−226535(JP,A) 特開 平6−45648(JP,A) 特開 平4−96381(JP,A) 特開 平6−5916(JP,A) 特開 平9−74219(JP,A) 特開 平7−86638(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 33/00

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に、活性層、及び該活性層から該
    基板に向かう光を反射させるべく該基板と該活性層との
    間に配置されている光反射多層膜を有する発光ダイオー
    ドにおいて、 該光反射多層膜が互いに異なる屈折率を有する2種類の
    材料の膜を1対とした複数層からなり、その対の厚みが
    厚いものほど該活性層に近い側に配してあり、該2種類
    の材料の膜が共に4元混晶である発光ダイオード。
  2. 【請求項2】 前記活性層及び前記光反射多層膜がAl
    GaInP系化合物半導体材料からなる請求項1に記載
    の発光ダイオード。
  3. 【請求項3】 前記光反射多層膜は、最上層と最下層と
    の間の各層を等間隔とした場合よりも中間付近が厚くな
    るように層厚を設定する請求項1または2に記載の発光
    ダイオード。
  4. 【請求項4】 前記光反射多層膜が、前記2種類の材料
    の膜を15対以下積層してある請求項1乃至3のいずれ
    かに記載の発光ダイオード。
  5. 【請求項5】 前記2種類の材料が、前記活性層のバン
    ドギャップよりも大きいバンドギャップを有する材料で
    ある請求項1乃至4のいずれかに記載の発光ダイオー
    ド。
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