JPH0738151A

JPH0738151A - 光半導体装置

Info

Publication number: JPH0738151A
Application number: JP18103993A
Authority: JP
Inventors: Masanori Watanabe; 昌規渡辺
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1993-07-22
Filing date: 1993-07-22
Publication date: 1995-02-07

Abstract

(57)【要約】【目的】反射層に対し斜め方向に入射する光を高い反
射率で反射する単純な構成の半導体反射層を備えて、外
部出射効率もしくは電流利用効率の高効率化を図った半
導体発光素子を提供する。【構成】半導体基板１０と、ｐｎ接合発光部１６から
の光を伝える入射側媒質であるクラッド層１５との間
に、クラッド層１５より低い屈折率を有し、層厚が０.
２５μｍ以上である半導体反射層１４を設ける。また、
クラッド層１７と表面電極２５との間に同様な半導体反
射層１８を設けても良い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体反射層に係り、
特に、発光ダイオード・半導体レーザなどに好適な高効
率の半導体反射層に関する。

【０００２】

【従来の技術】発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レー
ザ等の半導体発光素子において、内部で発生した光を有
効に取り出すこと、すなわち外部出射効率の向上は、高
出力の発光素子や高効率の発光素子を得るためには非常
に重要である。特に発光波長を吸収する基板を用いた場
合、基板での光吸収が外部出射効率の低下要因となるた
め、基板と発光部の間に反射層を設けて、基板による光
吸収を防止する対策が考えられている。

【０００３】従来技術の例として、発光波長に対して不
透明な基板上に反射層を配し、上面から光を出射させる
ＬＥＤの断面図を図１０に示す。この素子は以下のよう
にして作製される。ｎ型ＧａＡｓ基板５１０上に、ｎ型
ＡｌＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ多層反射層５１１（ＡｌＩ
ｎＰ層厚＝０.０４１μｍ，ＡｌＧａＩｎＰ層厚＝０.０
４０μｍ）、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５１２、ア
ンドープＡｌＧａＩｎＰ発光層５１３、ｐ型ＡｌＧａＩ
ｎＰクラッド層５１４、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層５１
５を順に全面に形成する。その後、表面電極５１６を素
子表面に蒸着し、表面電極５１６およびｐ型ＧａＡｓコ
ンタクト層５１５を素子中央部のみ残してエッチングす
る。また裏面電極５１７を裏面に蒸着する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のＬＥＤにおいて、多層反射層が特定の入射方向の光
（この場合垂直入射光）に対してのみ高反射率となる性
質を有しているため、真下へ向かう光線ｐは多層反射層
によって反射され上方より出射できるが、斜め下方向へ
向かう光線ｑは吸収されてしまい外部出射に寄与しない
という問題点があった。

【０００５】また、斜め入射光についても高い反射率を
有する多層反射層を得るためには、各入射角に対して高
い反射率を有する多層反射層を多段組み合わす必要があ
り、これは非常に製造工程が複雑となり、製造コストが
高くなり、製品の歩留まりが低下するという問題点があ
った。

【０００６】以上の問題点に鑑み、本発明の第１の課題
は、反射層に対し斜め方向に入射する光を高い反射率で
反射する単純な構成の半導体反射層を提供することであ
る。また、本発明の第２の課題は、上記反射層を用いて
外部出射効率もしくは電流利用効率の高効率化を図った
半導体発光素子を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するため
に、本発明は次の構成を有する。すなわち、本発明は、
少なくとも光を情報またはエネルギーとして取り扱う光
半導体装置において、光入射層が有する第１の屈折率よ
り低い第２の屈折率を有し、層厚が０.２５μｍ以上で
ある半導体反射層を有することを特徴とする光半導体装
置である。また、本発明は、少なくとも光を情報または
エネルギーとして取り扱う光半導体装置において、光入
射層が有する第１の屈折率より低い第２の屈折率を有
し、層厚が０.２５μｍ以上である第１の半導体反射層
と、第３の屈折率を有する高屈折率半導体層と前記第３
の屈折率より低い第４の屈折率を有する低屈折率半導体
層とを交互に多層積層して成る第２の半導体反射層と、
を含むことを特徴とする光半導体装置である。

【０００８】また、本発明は、前記光半導体装置におい
て、光入射層と第２の半導体反射層との間に第１の半導
体反射層を配置したことを特徴とする光半導体装置であ
る。また、本発明は、前記光半導体装置において、光入
射層と半導体基板との間に半導体反射層を配置したこと
を特徴とする光半導体装置である。また、本発明は、前
記光半導体装置において、光入射層がＡｌＧａＡｓまた
はＡｌＧａＩｎＰよりなり、半導体反射層がＡｌＡｓ、
ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰの何れ
かよりなることを特徴とする光半導体装置である。ま
た、本発明は、前記光り半導体装置において、光入射層
がＺｎＳｅ、ＺｎＳＳｅまたはＺｎＭｇＳＳｅの何れか
よりなり、半導体反射層がＺｎＣｄＳ、ＺｎＣｄＳＳｅ
またはＺｎＭｇＳＳｅの何れかよりなることを特徴とす
る光半導体装置である。

【０００９】また、本発明は、前記光半導体装置におい
て、ｐｎ接合発光部と、該ｐｎ接合発光部の片側または
両側に配置された半導体反射層とを備え、該ｐｎ接合発
光部で発した光を少なくとも素子側面から出射すること
を特徴とする光半導体装置である。

【００１０】

【作用】次に、図面を参照して、本発明の作用を説明す
る。図７は、本発明の原理を示す光半導体装置の断面図
である。同図において、光入射側の媒質１の屈折率を
３.５２７、全反射層２の屈折率を媒質１の屈折率より
低い３.１８９、媒質３の屈折率を４.０６６−０.２７
６ｉとし、媒質１から全反射層２への光の入射角Ａとす
る。そして、入射角Ａが５０°および６６°の場合につ
いて、全反射層の層厚ｄを変化させたとき、反射率Ｒが
どのように変わるかを計算した結果を図８に示す。ただ
し光の波長λは０.５６４μｍとした。

【００１１】図７の構成の場合、入射角Ａが全反射とな
る臨界角Ａｃは６４.７°である。入射角Ａが臨界角に
満たない５０°の時は、反射率Ｒは層厚ｄの値が増える
と周期的に増減を繰り返す。入射角Ａが臨界角を越えた
６６°の時は、全反射条件を満たしており、層厚ｄが波
長λに比べて十分大きければ、反射率Ｒは１００％とな
る。しかし層厚ｄが薄ければ反射率Ｒは小さく、反射率
Ｒが５０％を越えるのは層厚ｄが０.２５μｍ程度、１
００％近くの反射率となるのは層厚ｄが約１μｍ以上の
ときである。これは、入射角Ａが全反射条件Ａ＞Ａｃを
満たしていても、全反射層内にエバネッセント波と呼ば
れる光の染み出しがあり、十分な反射率を得るには、そ
の染み出し距離よりも全反射層の層厚ｄが大きくなけれ
ばならないことを示している。

【００１２】なお５０％以上の反射率が得られる全反射
層の下限層厚は、波長・材料の屈折率によって変化する
が、波長を可視光、半導体材料をIII−Ｖ族またはII−V
I族化合物半導体と限定すると、ここで示した層厚０.２
５μｍは一つの目安となる。波長λ（μｍ）が紫外線領
域（＜０.４μｍ）または赤外線領域（＞０.７μｍ）の
場合には、波長に比例した補正を行う必要があり、下限
層厚（μｍ）＝０.２５×λ／０.５６４となる。

【００１３】この下限層厚は、従来用いられている多層
反射層中の低屈折率層の層厚に比べて非常に大きい。多
層反射層中の低屈折率層厚はλ／４ｎ（ｎは屈折率）で
与えられ、ｎを全反射層２と同じ媒質の屈折率とすると
０.０４４μｍとなり、０.２５μｍより十分小さい。両
者はその働きも異なり、別の物であることが分かる。

【００１４】この全反射層を用いて素子側面４から光を
出射する場合を、図７を用いて考察する。側面４は全反
射層２に垂直とする。側面４から出射する光が満たすべ
き側面への入射角Ｃは、０°＜Ｃ＜Ｃmaxとなる。ただ
し媒質１から樹脂５（屈折率１.５）へ出射する光の全
反射臨界角Ｃmaxは、ａｒｃｓｉｎ（１.５／３.５２
７）＝２５.１６°となる。ところで角Ｃと角Ａとは、
Ａ＝９０°−Ｃの関係がある。従って反射層２が側面か
ら出射する光に対して高反射率とするには、Ａmin＜Ａ
＜９０°の角度Ａに対して高い反射率が得られればよ
い。ただしＡmin＝９０°−Ｃmax＝６４.８４°とな
る。この角度は先程上に示した全反射層２の全反射臨界
角Ａｃ＝６４.７°とほぼ等しい。

【００１５】従って、全反射層２は、側面４から出射で
きる光をほぼ完全に反射させることができ、従来よく用
いられて来た多層反射層を用いる必要がないことが分か
る。もちろんこの角度は媒質１と全反射層２の屈折率差
に強く依存するので、用いる媒質１と全反射層２の組み
合わせによっては多層反射層を併用してもよい。組み合
わせる多層反射層は、側面へ出射する光に対する反射率
を補うよう斜め入射光に対して高い反射率とする場合の
ほか、上面へ出射する垂直入射に近い光に対して高反射
率とする場合が考えられる。

【００１６】全反射層の材料としては、入射側の媒質よ
り屈折率が小さいだけでなく、格子整合することが望ま
しい。これらの点を考慮すると、入射側の媒質がＡｌＧ
ａＩｎＰのときには、ＡｌＧａＩｎＰ（ただしＡｌ混晶
比が入射側より大）またはＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓま
たはＡｌＡｓが特に適している。入射側の媒質がＡｌＧ
ａＡｓのときも同様である。また入射側の媒質がＺｎＳ
ｅあるいはＺｎＳＳｅのときには、ＺｎＣｄＳあるいは
ＺｎＭｇＳＳｅが適している。入射側の媒質がＺｎＭｇ
ＳＳｅのときも同様である。

【００１７】以上に示した全反射層は光を側面から出射
させる発光素子に適している。光を上面から出射させた
場合の模式図を図９（ａ）、側面から出射させた場合の
模式図を図９（ｂ）に示す。図９（ａ）のように点Ｐか
ら出射した光のうち上面から光を出射する成分は、上面
での全反射のため制約され、円状の領域６だけとなる。
この出射できる光の立体角の全立体角に対する割合は
５.１％である。

【００１８】一方、図９（ｂ）に示すように、円柱の中
心軸上の点Ｑより発した光は、円柱を平行平面で切った
側面である領域７より出射する。この出射できる光の立
体角の全立体角に対する割合は４４.１％である。この
ように側面から出射する立体角のほうが圧倒的に大きい
ことが分かる。しかし側面から出射させるには、中央で
発した光線が基板に吸収される事なく側面に到達するよ
う、十分透光性領域を厚くするか、基板に斜め入射した
光を反射させる必要がある。上記全反射層を用いれば、
透光性領域を極端に厚くする事なく、中央で発した光を
側面まで導くことができる。上記反射層は、発光層の下
部だけでなく上部にも設ければ、上部へ向かい電極近傍
で吸収される光を側面に導くことができる。

【００１９】以上に示した反射層によって反射された光
は、発光層に再吸収される場合がある。この場合は、基
板などに吸収される場合と異なり、再び発光に寄与す
る。このような効果をフォトンリサイクル効果と呼ぶ。
フォトンリサイクル効果は発光ダイオードだけでなく半
導体レーザにもあり、特に半導体レーザの場合には、発
振閾値電流が低減される。

【００２０】

【実施例】次に、図面を参照して、本発明に係る半導体
反射層および半導体発光素子の実施例を詳細に説明す
る。＜第１実施例＞図１は、第１実施例のＡｌＧａＩｎＰ系
発光ダイオード（ＬＥＤ）の断面図を示している。以
下、各層の基板表面に垂直な方向の厚さを括弧内に示
す。また、ＧａＩｎＰはＧａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、ＡｌＩｎＰ
はＡｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、ＡｌＧａＩｎＰは(Ａｌ_yＧａ_1-y)
_0.5Ｉｎ_0.5Ｐの略である。

【００２１】図１のＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤは以下のよ
うにして作製される。表面が（１００）面のｎ型ＧａＡ
ｓ基板１０上に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）
によって、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１１（０.５μ
ｍ）、ｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ中間バンドギャップ層１
２（０.２μｍ）、ｎ型ＡｌＡｓ全反射層（１μｍ）１
４、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ（ｙ＝０.７）クラッド層１５
（２５μｍ）、アンドープＡｌＧａＩｎＰ（ｙ＝０.
５）発光層１６（１μｍ）、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ（ｙ＝
０.７）クラッド層１７（２５μｍ）、ｐ型ＡｌＡｓ全
反射層１８（１μｍ）、ｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ中間バ
ンドギャップ層２０（０.２μｍ）、ｐ型ＧａＡｓコン
タクト層２１（１μｍ）を順次形成する。

【００２２】次いで、表面電極２５・裏面電極２６をそ
れぞれ、表面及び裏面の全面に蒸着する。この後１４０
μｍ間隔でダイシングしてチップ分割し、ステムへのダ
イボンド、ワイヤボンド、樹脂封止を行い素子を完成さ
せる。

【００２３】本実施例の発光ダイオードにおいては、発
光層１６から直接側面に達する光線ａ、反射層１４ある
いは１８で反射して側面に達する光線ｂ・ｃが外部に出
射する。従来の代表的な素子サイズが３００μｍ角だっ
たのに対し、本実施例の素子は上面に出射面を形成して
いないため、チップサイズをワイヤーボンドに必要なパ
ッド面積にほぼ等しい１４０μｍ角と小さくできた。そ
の結果１ウエハ当たりの素子数が４倍以上になり、生産
性が大幅に向上した。本実施例のＬＥＤは中心波長５６
０ｎｍで発光し、従来の上面出射型ＬＥＤの約１.７倍
の光度が得られた。これは、上面へ出射する光の割合よ
り、前後左右の側面へ出射する光の割合が大きいことに
よる。

【００２４】なお、本第１実施例は、以下のように変更
してもよい。反射層１４・１８としては、ＡｌＡｓを用
いたが、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＰ、あるいはＡｌＧａ
ＩｎＰを用いてもよい。反射層の厚さは０.２５μｍ以
上であればよい。中間バンドギャップ層１２・２０は、
素子への印加電圧を減少させる効果があるが、必ずしも
なくてもよく、ＧａＡｓとＡｌＡｓの間のバンドギャッ
プを有する他の材料（ＧａＩｎＰなど）で置き換えても
よい。基板１０表面の面方位は（１００）面としたが、
（１００）面から数度（２〜１５°）傾けてもよく、そ
のほうが発光効率が高い場合がある。また（１１１）Ｂ
面、（１１１）Ａ面、（１１０）面、およびそれらの面
から数度傾いた面としてもよい。

【００２５】また、基板１０の導電型はｎ型でもｐ型で
もよい。表面電極２５としては、ＡｕＺｎを用いたが、
その他のｐ側オーミック電極を用いてもよい。また裏面
電極２６としてはＡｕＧｅを用いたが、その他のｎ側オ
ーミック電極を用いてもよい。各半導体層１１〜２１は
ＭＯＣＶＤ法で形成したが、ＭＢＥ法（分子線エピタキ
シ法）、ガスソースＭＢＥ法、ＭＯＭＢＥ法（有機金属
ＭＢＥ法）、ＣＢＥ法（化学ビームエピタキシ法）など
の成長法で形成してもよい。

【００２６】＜第２実施例＞次に、第２実施例の発光ダ
イオードの断面図を図２に示す。第２実施例のＬＥＤ
は、上面および側面から光を出射する構造とした。また
全反射層と多層反射層を組み合わせた複合反射層を採用
している。図２において、第１実施例と同じ要素に対し
ては同一記号で示している。

【００２７】本第２実施例のＬＥＤは以下のようにして
作製される。表面が（１００）面のｎ型ＧａＡｓ基板１
０上に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）によっ
て、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１１（０.５μｍ）、ｎ型
Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ中間バンドギャップ層１２（０.２
μｍ）、ｎ型ＡｌＡｓ／Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ多層反射層
（２０.５ペア）１３、ｎ型ＡｌＡｓ全反射層（１μ
ｍ）１４、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ（ｙ＝０.７）クラッド
層１５（２５μｍ）、アンドープＡｌＧａＩｎＰ（ｙ＝
０.５）発光層１６（１μｍ）、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ
（ｙ＝０.７）クラッド層１７（２μｍ）、ｐ型Ａｌ_0.5
Ｇａ_0.5Ａｓ中間バンドギャップ層２０（０.２μｍ）、
ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２１（１μｍ）を順次形成す
る。

【００２８】次いで、表面電極２５を表面の全面に蒸着
する。その上に１００μｍφのレジストパターンを形成
し、ウエットエッチングによって層２５、２１、２０を
除去する。これにより、表面電極２５の除去された部分
はクラッド層１７が露出する。この露出面は光出射面お
よび全反射面として働く。次いで、裏面電極２６を裏面
の全面に蒸着する。この後、３００μｍ間隔でダイシン
グしてチップ分割し、ステムへのダイボンド、ワイヤボ
ンド、樹脂封止を行い素子を完成させる。

【００２９】多層反射層１３は、ＡｌＡｓ層、Ａｌ_0.7
Ｇａ_0.3Ａｓ層、ＡｌＡｓ層、Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ層 …
ＡｌＡｓ層が順に２０.５ペア（４１層）積層されたも
のである。各層の層厚は、上面より出射できる入射角０
〜２６°の光に対して高い反射率が得られるよう、上面
への加重平均入射角θ₀＝１８°の光に対して反射率が
最大となるように設計されている。

【００３０】すなわち波長λ、層１３中各層の厚さｄ_i
（ｉ＝１はＡｌＡｓ層、ｉ＝２はＡｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ層
を示す）、層１３中各層の屈折率ｎ_i、クラッド層１７
の屈折率ｎ₀、層１３中各層内での光の入射角θ_iとおい
て、θ_i＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ₀・ｓｉｎ（θ₀）／ｎ_i）、
ｄ_i＝λ／（４・ｎ_i・ｃｏｓ（θ_i））、となる。波長
５６４ｎｍに対してＡｌＡｓ層の層厚ｄ₁は０.０４７μ
ｍ、ＡｌＧａＡｓ層の層厚ｄ₂は０.０４１μｍである。
このことより、全反射層１４（１μｍ）は多層反射層１
３中のＡｌＡｓ層厚より約２０倍（全反射層が０.２５
μｍとしても約５倍）大きく、両者は別のものであると
言える。

【００３１】この構成では、下方へ出射した光線ｅが反
射されて上面から出射し、反射層１４によって反射され
た光線ｆは側面から出射する。従って、前後・左右・上
下の６方向に出射された光が外部に取り出され、そのた
め外部出射効率は実施例１よりも良好である。このよう
な組み合わせにおいて、全反射層１４を多層反射層１３
よりも光入射側に設置することにより、最も高い平均反
射率が得られる。

【００３２】本第２実施例において、ｐ型クラッド層１
７の上部にも全反射層または複合反射層を設けることに
より、中間バンドギャップ層２０・コンタクト層２１・
表面電極２５での光吸収を抑制することができ、さらに
外部出射効率の向上が図れる。この上部全反射層または
上部複合反射層は、表面電極２５・コンタクト層２１・
中間バンドギャップ層２０のエッチング時に除去して表
面電極２５の下部だけ残してもよく、上記エッチング時
にエッチングせず表面全面に残してもよい。本第２実施
例において、他にも第１実施例で示した各種変更が可能
である。

【００３３】＜第３実施例＞次に、第３本実施例の発光
ダイオードの上面図を図３に、断面図を図４に示す。本
第３実施例は、素子側面の形状を直方体でなく頂点の欠
けた円錐状にしている。また反射層として全反射層と斜
め入射用多層反射層の複合反射層を用いている。

【００３４】本第３実施例のＬＥＤは以下のようにして
作製される。表面が（１００）面のｎ型ＧａＡｓ基板５
０上に、ＭＯＣＶＤ法によって、ｎ型ＧａＡｓバッファ
層５１（０.５μｍ）、ｎ型ＧａＩｎＰ中間バンドギャ
ップ層５２（０.２μｍ）、ｎ型ＡｌＩｎＰ／ＡｌＧａ
ＩｎＰ（ｙ＝０.７）多層反射層（５.５ペア）５３、ｎ
型ＡｌＩｎＰ全反射層（１μｍ）５４、ｎ型ＡｌＧａＩ
ｎＰ（ｙ＝０.７）クラッド層５５（２５μｍ）、アン
ドープＡｌＧａＩｎＰ（ｙ＝０.５）発光層５６（１μ
ｍ）、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ（ｙ＝０.７）クラッド層５
７（２５μｍ）、ｐ型ＡｌＩｎＰ全反射層５８（１μ
ｍ）、ｐ型ＡｌＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ（ｙ＝０.７）
多層反射層（５.５ペア）５９、ｐ型ＧａＩｎＰ中間バ
ンドギャップ層６０（０.２μｍ）、ｐ型ＧａＡｓコン
タクト層６１（１μｍ）を形成する。

【００３５】次いで、表面電極６５、裏面電極６６をそ
れぞれ全面に蒸着する。さらに、表面電極６５の上に１
００μｍφのレジストパターンを形成し、ウエットエッ
チングで表面電極６５から基板５０までの各層をエッチ
ングし深さ５０μｍの溝を掘る。このエッチングによっ
てやや傾斜した側面６９が形成され、１００μｍφのメ
サ形状６８が形成される。その後、ダイシングによって
１４０μｍ間隔に分割する。

【００３６】発光層５６で発した光は、直接側面より出
射するか、光線ｇ・ｈのように反射層５３・５４・５８
・５９で反射されて側面より出射する。ダイシング前に
メサ形状６８を設けるのには２つの理由がある。１つ
は、四角柱に比べ円錐状にすることにより、外部出射効
率が増大するからである。もう一つは、側面にダイシン
グによるダメージが生じないため、信頼性の点で有利だ
からである。

【００３７】本第３実施例は以下のように変更すること
も可能である。すなわち、メサ形状６８は、円錐以外の
形状、例えば三角錐、四角錐、六角錐及び八角錐などの
多角錐やこれらの組み合わせでもよい。メサ形状の側面
６９は基板５０表面に対し少し傾けたが、垂直としても
よい。メサ形状６８を形成するためのエッチングは、表
面電極６５・裏面電極６６を形成してからとしたが、電
極形成前に行ってもよい。またこのエッチングはＲＩＢ
Ｅ（反応性イオンビームエッチング）法などでもよい。

【００３８】また、側面６９に露出している各層を保護
するため、エッチング後にアルミナ、ＳｉＯ₂、窒化シ
リコン、その他の誘電体層で覆ってもよい。これらの形
成法としては、真空蒸着法、スパッタ法などがある。そ
の場合、層厚×屈折率を発光波長の１／４とすると反射
防止膜としての役割も果たす。

【００３９】本第３実施例においては、基板側反射層・
上面反射層として、それぞれ多層反射層５３・５９と全
反射層５４・５８の複合反射層を用いている。ここでは
全反射層５４・５８の材料としてＡｌＡｓよりも安定な
ＡｌＩｎＰを用いているが、この場合全反射角が大き
く、側面へ出射できる入射角の光すべてにわたって良好
な反射率が得られない。その点を補うため、入射角が約
６０°〜７０°の斜め光に対して良好な反射率が得られ
るように設計した多層反射層５３・５９と組み合わせて
ある。多層反射層５３・５９は実施例２に説明した多層
反射層１３に準じた設計を行っているが、層材料・層数
・高反射率が得られる入射角が異なる。全反射層と多層
反射層の組み合わせにおいて、全反射層５４・５８を多
層反射層５３・５９よりも発光層５６側に設置すること
により、最も高い平均反射率が得られる。ふその他の
点に関しても、第１実施例及び第２実施例で示したのと
同じ変更が可能である。

【００４０】＜第４実施例＞次に、第４実施例のＺｎＣ
ｄＳｅ系ＬＥＤの断面図を図５に示す。なおＺｎＣｄＳ
ｅはＺｎ_1-xＣｄ_xＳｅ、ＺｎＣｄＳはＺｎ_1-xＣｄ_xＳ、
ＺｎＭｇＳＳｅはＺｎ_1-xＭｇ_xＳ_yＳｅ_1-yの略である。

【００４１】本第４実施例のＬＥＤは以下のようにして
作製される。ｎ型ＧａＡｓ基板１００上に、ＭＢＥ法に
より、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１０１（０.５μｍ）、
ｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ第１中間バンドギャップ層１０
２（０.２μｍ）、ｎ型ＡｌＡｓ第２中間バンドギャッ
プ層１０３（０.２μｍ）、ｎ型ＺｎＣｄＳ反射層１０
４（１μｍ）、ｎ型ＺｎＳＳｅクラッド層１０５（２０
μｍ）、アンドープＺｎ_1-xＣｄ_xＳｅ（ｘ＝０.２）歪
み量子井戸発光層１０６（０.０１μｍ）、ｐ型ＺｎＳ
Ｓｅクラッド層１０７（２０μｍ）、ｐ型ＺｎＣｄＳ反
射層１０８（１μｍ）、ｐ型ＡｌＡｓ第２中間バンドギ
ャップ層１０９（０.２μｍ）、ｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａ
ｓ第１中間バンドギャップ層１１０（０.２μｍ）、ｐ
型ＧａＡｓコンタクト層１１１（１μｍ）を形成し、表
面電極１１５、裏面電極１１６を形成する。次いで、ダ
イシングによって１４０μｍ角の素子に分割し、ステム
ボンド、ワイヤーボンド、樹脂封止を行う。

【００４２】また、図５において、発光層で発し側面よ
り出射される光線の例を光線ｉ・ｊとして示す。本第４
実施例のＬＥＤ素子は、フルカラー表示に不可欠な波長
４９２ｎｍの青色で発光し、その光度は、全反射特性を
有する反射層を用いない比較例の上面出射型ＬＥＤ素子
の２.２倍であった。本第４実施例では、反射層１０４・
１０８を構成するＺｎＣｄＳの屈折率がクラッド層１０
５・１０７を構成するＺｎＳＳｅの屈折率より小さいこ
とを利用してＺｎＣｄＳを反射層としている。ただしＺ
ｎＣｄＳ、ＺｎＳＳｅの混晶比はＧａＡｓ基板１００に
格子整合するように設定した。

【００４３】なお、本第４実施例は以下に示す変更が可
能である。反射層１０４・１０８としては、ＺｎＣｄＳ
の他、ＺｎＣｄＳＳｅ、ＺｎＭｇＳＳｅなどが可能であ
る。反射層に対する光入射側媒質であるクラッド層１０
５・１０７としては、ＺｎＳＳｅの他、ＺｎＭｇＳＳｅ
あるいは単なるＺｎＳｅが可能である。反射層の厚さは
０.５μｍ以上であればよい。

【００４４】また、第３実施例に示したようなメサ形状
の形成を行ってもよい。発光層１０６はＺｎＣｄＳｅ
（ｘ＝０.２）としたが、ｘの値は特に限定されず、例
えばｘ＝０のＺｎＳｅであってもよい。また発光層は例
えばＺｎＳｅ／ＺｎＣｄＳｅ多重量子井戸構造であって
もよい。ＺｎＳＳｅクラッド層１０５・１０７はそれぞ
れＺｎＳ／ＺｎＳｅ歪超格子層であってもよい。各半導
体層１０１〜１１１をＭＢＥ法（分子線エピタキシ法）
で形成したが、ＭＯＣＶＤ法、ＭＯＭＢＥ法、ガスソー
スＭＢＥ法、ＣＢＥ法などで形成してもよい。各半導体
層１０４〜１０８の材料としては、II族元素としてＣｄ
・Ｚｎ・Ｍｇなど、VI族材料としてＴｅ・Ｓｅ・Ｓなど
を用いたII-VI族半導体を用いることができる。

【００４５】＜第５実施例＞次に、第５実施例の半導体
レーザの断面図を図６に示す。本第５実施例は、半導体
反射層を「フォトンリサイクル」のために用いたＡｌＧ
ａＡｓ系半導体レーザであり、以下に示す方法で製作さ
れる。

【００４６】まず、表面が（１１１）Ｂ面のｎ型ＧａＡ
ｓ基板２１０上に、ＭＢＥ法によって、ｎ型ＧａＡｓバ
ッファ層２１１（０.５μｍ）、ｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａ
ｓ中間バンドギャップ層２１２（０.２μｍ）、ｎ型Ａ
ｌＡｓ全反射層（１μｍ）２１４、ｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5
Ａｓクラッド層２１５（２μｍ）、アンドープＡｌ_0.08
Ｇａ_0.92Ａｓ発光層２１６（０.０５μｍ）、ｐ型Ａｌ
_0.5Ｇａ_0.5Ａｓクラッド層２１７（２μｍ）、ｐ型Ａｌ
Ａｓ全反射層２１８（１μｍ）、ｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａ
ｓ中間バンドギャップ層２２０（０.２μｍ）、ｐ型Ｇ
ａＡｓコンタクト層２２１（１μｍ）を形成する。

【００４７】次いで、表面にＳｉ₃Ｎ₄膜２２２を形成
し、幅１００μｍ、ピッチ２００μｍの開口部２２３を
設ける。続いて、表面電極２２５・裏面電極２２６をそ
れぞれ表面・裏面の全面に蒸着する。この後、４００μ
ｍ間隔で劈開してバー状に分割する。一方の劈開面（前
面）にアルミナ反射防止コート膜、もう一方の劈開面
（後面）にアルミナ・Ｓｉ多層反射膜を蒸着する。さら
にバーを２００μｍ間隔に切断してチップとする。チッ
プをステムにダイボンド、ワイヤボンドし、ハーメチッ
クシールを行い半導体レーザ素子を完成させる。

【００４８】本第５実施例の半導体レーザにおいては、
フォトンリサイクル効果により発振閾値電流が低減され
る。電流を閾値以下にしたとき、通常は自然放出光が四
方に放出され、その大部分が光吸収領域（基板など）に
吸収されてしまうが、本実施例では反射層が形成されて
いるので、自然放出光のかなりの部分が発光層に再吸収
される。再吸収された光はレーザ発振に寄与するので、
閾値電流の低減が図れる。本第５実施例の半導体レーザ
は、閾値電流９０ｍＡで発振した。これは反射層を用い
ない場合の値１５０ｍＡに比べて大幅に低減されてい
る。発振スロープ効率は反射層の有無によらず１.０Ｗ
／Ａ程度であまり変化はなかった。

【００４９】なお、第１〜第４実施例に示した発光ダイ
オードにおいても、反射層を設けることによりフォトン
リサイクル効果が起こっていると考えられるが、その寄
与を外部出射効率の増加と分離するのは難しい。半導体
レーザの場合には閾値電流の減少はフォトンリサイクル
効果だけによると考えてよい。

【００５０】また、本第５実施例は、以下のような変更
が可能である。本実施例においては基板２１０として表
面が（１１１）Ｂ面のＧａＡｓを用いた。これは（１０
０）面の基板より若干低閾値電流が得られるからである
が、特に基板の種類は限定されない。本実施例において
は幅１００μｍのブロードエリア型半導体レーザとした
が、幅の狭いストライプをアレイ状にした半導体レーザ
に適用しても同様なフォトンリサイクル効果が得られ
る。反射層は単層の全反射層としたが、多層反射層との
複合反射層としてもよい。発光層は、量子井戸、多重量
子井戸、歪み量子井戸などとすればさらに低閾値化が図
れる。

【００５１】第５実施例に限らずすべての実施例に言え
ることであるが、各層の材料はＧａＡｓ基板を用いた場
合ＡｌＧａＡｓ系、ＡｌＧａＩｎＰ系、ＺｎＣｄＳｅ
系、ＩｎＧａＡｓ系などの材料でもよい。またＩｎＰ基
板を用いた場合、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料であってもよ
い。またＧａＰ基板を用いた場合、ＡｌＧａＰ系、Ｉｎ
ＧａＰ系あるいはＧａＡｓＰ系材料であってもよい。

【００５２】

【発明の効果】本発明は、発光ダイオード・半導体レー
ザなどの半導体発光素子において、光入射側の媒質より
も屈折率が低く、かつ膜厚が０.２５μｍ以上の全反射
層を、基板と発光部の間に形成することにより、基板に
斜めに入射し吸収されていた光を側面などから取り出し
たり、発光部へ光をフィードバックすることができ、単
純・小型な構成で高い外部出射効率もしくは低い発振閾
値電流を得ることができる。

【００５３】従って、本発明によれば、ＡｌＧａＩｎＰ
系・ＡｌＧａＡｓ系あるいはII−ＶＩ族系半導体発光素
子などの高輝度化・高効率化ならびに生産性の向上に大
いに効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例のＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤの断面図
である。

【図２】第２実施例のＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤの断面図
である。

【図３】第３実施例のＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤの上面図
である。

【図４】第３実施例のＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤの断面図
である。

【図５】第４実施例のＺｎＣｄＳｅ系ＬＥＤの断面図で
ある。

【図６】第５実施例のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザの断
面図である。

【図７】本発明の作用を説明するための、光線と反射層
・側面との関係を示す模式断面図である。

【図８】本発明の作用を説明するための、反射層厚ｄの
変化に対する反射率Ｒの関係を示す図である。

【図９】本発明の作用を説明するための、素子の上面ま
たは側面から出射する光の立体角を示す模式図である。

【図１０】従来例のＬＥＤの断面図である。

【符号の説明】

１０ｎ型ＧａＡｓ（１００）基板１１ｎ型ＧａＡｓバッファ層１２ｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ中間バンドギャップ層１４ｎ型ＡｌＡｓ全反射層１５ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ（ｙ＝０.７）クラッド層１６アンドープＡｌＧａＩｎＰ（ｙ＝０.５）発光層１７ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ（ｙ＝０.７）クラッド層１８ｐ型ＡｌＡｓ全反射層２０ｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ中間バンドギャップ層２１ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２５表面電極２６裏面電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも光を情報またはエネルギーと
して取り扱う光半導体装置において、光入射層が有する第１の屈折率より低い第２の屈折率を
有し、層厚が０.２５μｍ以上である半導体反射層を有
することを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】少なくとも光を情報またはエネルギーと
して取り扱う光半導体装置において、光入射層が有する第１の屈折率より低い第２の屈折率を
有し、層厚が０.２５μｍ以上である第１の半導体反射
層と、第３の屈折率を有する高屈折率半導体層と前記第３の屈
折率より低い第４の屈折率を有する低屈折率半導体層と
を交互に多層積層して成る第２の半導体反射層と、を含
むことを特徴とする光半導体装置。
【請求項３】請求項２において、光入射層と第２の半
導体反射層との間に第１の半導体反射層を配置したこと
を特徴とする光半導体装置。
【請求項４】請求項１ないし請求項３の何れかにおい
て、光入射層と半導体基板との間に半導体反射層を配置
したことを特徴とする光半導体装置。
【請求項５】請求項１ないし請求項４の何れかにおい
て、光入射層がＡｌＧａＡｓまたはＡｌＧａＩｎＰより
なり、半導体反射層がＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩ
ｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰの何れかよりなることを特徴
とする光半導体装置。
【請求項６】請求項１ないし請求項４の何れかにおい
て、光入射層がＺｎＳｅ、ＺｎＳＳｅまたはＺｎＭｇＳ
Ｓｅの何れかよりなり、半導体反射層がＺｎＣｄＳ、Ｚ
ｎＣｄＳＳｅまたはＺｎＭｇＳＳｅの何れかよりなるこ
とを特徴とする光半導体装置。
【請求項７】請求項１ないし請求項６の何れかの光半
導体装置において、ｐｎ接合発光部と、該ｐｎ接合発光部の片側または両側に配置された半導体
反射層とを備え、該ｐｎ接合発光部で発した光を少なくとも素子側面から
出射することを特徴とする光半導体装置。