JP2006040998A - 半導体発光素子、半導体発光素子用エピタキシャルウェハ - Google Patents

Abstract

【課題】光反射層を備えた半導体発光素子において、当該光反射層を第一光反射層と第二光反射層とから構成し、従来よりもその光反射帯域を広く備えることによって高輝度な半導体発光素子を提供すること。
【解決手段】導電性の半導体基板１と、該半導体基板１の主面上に設けられた光反射層（３、１０）と、該光反射層の上に成長されたｐｎ接合を有する活性層５を含む発光部（４、５、６）とを少なくとも具備する半導体発光素子において、前記光反射層が、前記発光部から放射される光の発光スペクトルの中心波長に一致するか、若しくはそれよりも短波長に反射スペクトルの中心波長が設定された第一光反射層３を備え、且つ前記第一光反射層の有する反射スペクトルの中心波長以外の可視波長域において異なる反射スペクトルの中心波長を有する第二光反射層１０を備えた構造とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高い反射率を有する高効率の光反射層を備えた高輝度の半導体発光素子及びその半導体発光素子用エピタキシャルウェハに関する技術である。

近年、ＡｌＧａＩｎＰ系発光素子用エピタキシャルウェハを用いて製造する高輝度半導体発光素子、特に、発光ダイオード（ＬＥＤ）の需要が大幅に伸びている。従来の用途は、電光掲示板、民生用家電製品の表示ランプなどであったが、最近の主な用途は、交通用信号、自動車の車載用ランプなどであり、これらは近年のＬＥＤの著しい高輝度化に伴い、その応用範囲が急激に拡大してきた。特に、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体は、窒化物を除くIII−Ｖ族化合物半導体の中で最大のバンドギャップを有する直接遷移型半導体であり、これを用いて発光素子を作製すると、５６０nm〜６６０nmの発光帯域において非常に高い輝度が得られることから、現在でも盛んに研究・開発が行われている。

現在のところ、一般に製造販売されている高輝度ＬＥＤの内部量子効率は既に各社製とも極めて高い値にあり、これまで以上の高輝度化を求めるには、内部量子効率よりも外部量子効率を向上させることが極めて効果的である。

図４に赤色帯のＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤの典型的な構造を示す。全てのエピタキシャル層は有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）によって成長されている。

図４におけるＬＥＤでは、ｎ型ＧａＡｓから成る半導体基板１の上にｎ型ＧａＡｓから成るバッファ層２が成長され、その上にｎ型の光反射層３が積層されている。このｎ型の光反射層３は、活性層５から前記ｎ型ＧａＡｓから成る半導体基板１に向かう光を反対方向へ反射する役割を担い、これにより、光がｎ型ＧａＡｓから成る半導体基板１に吸収されること無くＬＥＤの外部量子効率を高めることができる。例えば、前記ｎ型の光反射層３の構成は、ｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層及びｎ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ層を１つのペアとしてこれを多数層積層したものである。ここでｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層及びｎ型Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ層の各々の膜厚は、各々の屈折率をｎ１、ｎ２とすると、発光波長λに対して、λ／（４×ｎ１）、λ／（４×ｎ２）と設計される。

ここで、特許文献１には、半導体発光素子において、光反射層の一部にＧａＡｓ層を用いるＬＥＤにおける赤外発光問題を解決する方策が開示されている。また同時に、光反射層を構成する一対の材料の内、一方を、活性層における発光層側と同一の組成にすることで、活性層から放射される光に励起され発光する光反射層からの放射光の波長を活性層で発光した波長と同一のものとし、総じて発光出力を高めるという方策が開示されている。
特開平１０−２９００２６号公報

しかしながら、上記特許文献１における構造を用いたとしても、活性層で発光した光の全てを効率良く反射するには至らず、画期的な効果をもたらすことは難しい。

従って本発明の目的は、光反射層を備えた半導体発光素子において、当該光反射層を第一光反射層と第二光反射層とから構成し、従来よりもその光反射帯域を広く備えることによって高輝度な半導体発光素子を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。

請求項１の発明に係る半導体発光素子は、導電性の半導体基板と、該半導体基板の主面上に設けられた光反射層と、該光反射層の上に成長されたｐｎ接合を有する活性層を含む発光部とを少なくとも具備する半導体発光素子において、前記光反射層が、前記発光部から放射される光の発光スペクトルの中心波長に一致するか、若しくはそれよりも短波長に反射スペクトルの中心波長が設定された第一光反射層を備え、且つ前記第一光反射層の有する反射スペクトルの中心波長以外の可視波長域において異なる反射スペクトルの中心波長を有する第二光反射層を備えたことを特徴とする。

上記半導体発光素子における電極の形成法としては、発光部の上に部分的に電極を形成し、且つ半導体基板の裏面に全面又は部分的に電極を形成する形態が一般的である。

上記半導体発光素子には、第一反射層と第二反射層をそれぞれ一層形成したもののみではなく、第一反射層と第二反射層を複数層形成したものも含む。

請求項２の発明は、請求項１に記載の半導体発光素子において、前記光反射層が、前記発光部から放射される光の発光スペクトルの中心波長に一致するか、若しくはそれよりも短波長に反射スペクトルの中心波長が設定された第一光反射層を備え、且つ前記発光部から放射される光の発光スペクトルの中心波長よりも長波長側に反射スペクトルの中心波長が設定された第二光反射層を備えたことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の半導体発光素子において、前記第一光反射層を構成する半導体層のペア数が、５ペア以上３０ペア以下であることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３に記載の半導体発光素子において、前記第二光反射層を構成する半導体層のペア数が、１ペア以上２０ペア以下であることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記第一光反射層と前記第二光反射層とを構成する半導体層の材料がＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰの内から選択されたものであることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記第一光反射層及び前記第二光反射層がそれぞれ低屈折率部と高屈折率部の組み合わせから構成され、その低屈折率部の材料が、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（但し、０．６≦Ｘ≦１．０）、（Ａｌ_YＧａ_1-Y）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（但し、０．６≦Ｙ≦１．０）のどちらかであり、また、高屈折率部の材料が、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（但し、０≦Ｘ≦０．６）、（Ａｌ_YＧａ_1-Y）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（但し、０≦Ｙ≦０．６）のどちらかであることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記半導体基板がＧａＡｓ、若しくはＧｅから成ることを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記活性層を、発光層と、前記発光層よりも広いバンドギャップを有する障壁層によって成る構造とし、これを複数層積層したことを特徴とする。

請求項９の発明は、請求項１乃至８のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記発光部上に少なくとも１層以上の半導体層を介して金属酸化物から成る電流分散層を形成したことを特徴とする。

請求項１０の発明に係る半導体発光素子用エピタキシャルウェハは、導電性の半導体基板と、該半導体基板の主面上に設けられた光反射層と、該光反射層の上に成長されたｐｎ接合を有する活性層を含む発光部とを少なくとも具備する半導体発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、前記光反射層が、前記発光部から放射される光の発光スペクトルの中心波長にほぼ一致するか、若しくはそれよりも短波長に反射スペクトルの中心波長が設定された第一光反射層を備え、且つ、前記発光部から放射される光の発光スペクトルの中心波長よりも長波長側に反射スペクトルの中心波長が設定された第二光反射層を備えたことを特徴とする。

請求項１１の発明は、請求項１０に記載の半導体発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、前記第一光反射層のペア数が５ペア以上３０ペア以下であることを特徴とする。

請求項１２の発明は、請求項１１に記載の半導体発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、前記第二光反射層のペア数が１ペア以上２０ペア以下であることを特徴とする。

請求項１３の発明は、請求項１０乃至１２のいずれかに記載の半導体発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、前記第一光反射層と前記第二光反射層とを構成する半導体材料がＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰの内から選択されたものであることを特徴とする。

請求項１４の発明は、請求項１０乃至１３のいずれかに記載の半導体発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、前記第一光反射層及び前記第二光反射層がそれぞれ低屈折率部と高屈折率部の組み合わせから構成され、その低屈折率部の材料が、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（但し、０．６≦Ｘ≦１．０）、（Ａｌ_YＧａ_1-Y）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（但し、０．６≦Ｙ≦１．０）のどちらかであり、また、高屈折率部の材料がＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（但し、０≦Ｘ≦０．６）、（Ａｌ_YＧａ_1-Y）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（但し、０≦Ｙ≦０．６）のどちらかであることを特徴とする。

請求項１５の発明は、請求項１０乃至１４のいずれかに記載の半導体発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、前記発光部上に少なくとも１層以上の半導体層を介して金属酸化物から成る電流分散層を形成したことを特徴とする半導体発光素子用エピタキシャルウェハ。

＜発明の要点＞
上記の目的を達する為に、本発明の半導体発光素子又は半導体発光素子用エピタキシャルウェハは、短波長設計の第一光反射層と長波長設計の第二光反射層をそれぞれ１層以上備えた構造となっている。ここで、短波長設計の第一光反射層は、発光部から放射される光の発光スペクトルの中心波長に一致するか、若しくはそれよりも短波長に反射スペクトルの中心波長が設定された光反射層から構成される。また、長波長設計の第二光反射層は、前記第一光反射層の有する反射スペクトルの中心波長以外の可視波長域において異なる反射スペクトルの中心波長を有する光反射層、好ましくは前記発光部から放射される光の発光スペクトルの中心波長よりも長波長側に反射スペクトルの中心波長が設定された光反射層から構成される。

この二つの短波長設計の第一光反射層と長波長設計の第二光反射層をペアとして、少なくとも１ペア以上、ｐｎ接合を有する活性層を含む発光部の基板側に配設すると、いわゆるスタガ同調により、従来よりも広帯域の光反射が実践され、極めて高輝度な半導体発光素子を得ることができる。

ここで、短波長設計の第一光反射層と長波長設計の第二光反射層のいずれを基板側（下側）とするかは自由であるが、効率的には短波長設計の第一光反射層を上側とする方が効率は良くなる。

何故かというと、先ず前提として、光反射層（ＤＢＲ）に使用する低屈折率部（Ａ層）の材料と高屈折率部（Ｂ層）の材料は、バンドギャップだけで言えば、活性層で放出される光のエネルギーよりも遥かに大きい材料と、その光のエネルギーとほぼ同じエネルギー（バンドギャップ）を有する材料とで構成されている（この為に、光反射層で光吸収が起きても赤外線が発生しない）。

次に、光反射層（ＤＢＲ）の設計は、長波長、短波長のいずれの設計でも、材料が同じである場合には、そのＡ層とＢ層の膜厚を変える事により行われるので、バンドギャップ的には、長波長設計ＤＢＲも短波長設計ＤＢＲも等しくなる。そして、活性層の光のエネルギーは、波長が長い＝エネルギー小さい、波長が短い＝エネルギー大きい、となっていることから、光反射層（ＤＢＲ）を上側に長波長設計としてしまうと、初めに長波の光を反射するが、短波側の反射は殆ど行われないため、この上側のＤＢＲ（長波長設計の第二光反射層）を透過して下側の短波長設計ＤＢＲで反射されるか、上側の長波長設計ＤＢＲで吸収されてしまうことになる。

逆に、短波長設計の第一光反射層が上側に在れば、エネルギーの大きい光（短波光）をまず反射し、透過したエネルギーの小さい光（長波光）を下側の長波設計の第二光反射層で反射できる。そして、エネルギーの小さい光と大きい光が、上側の短波長設計の第一光反射層を透過して下側の長波設計の第二光反射層に行く際には、光反射層の構成材料の関係上、エネルギーの小さい光の方が吸収が少なく、当然透過率が高くなりまず。

よって、以上の事から、吸収損失をできるだけ抑えると言った点で、短波長設計の第一光反射層が上側にした方が反射効率が高くなる。つまり発光出力が高くなる。但し、効率は悪くなるものの、長波設計の第二光反射層を上側に位置させることもできる。

本発明によれば、次のような優れた効果が得られる。

本発明の半導体発光素子又は半導体発光素子用エピタキシャルウェハは、短波長設計の第一光反射層と長波長設計の第二光反射層を少なくとも１ペア以上備えた構造となっているため、従来の半導体発光素子が備える光反射層の有する反射帯域よりも更に広範囲な反射帯域を有する半導体発光素子を得ることができ、更なる高輝度化が達成される。

また、電流分散層への金属酸化物の応用により、従来と同等、若しくはそれ以上の輝度を有し、且つ製造に掛かるコストを画期的に低減した半導体発光素子を得ることができる。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１は、本発明の半導体発光素子用エピタキシャルウェハの第一の実施形態を示すもので、導電性の半導体基板１と、該基板の主面上にバッファ層２を介して設けられた光反射層（３、１０）と、該光反射層の上に成長されたｐｎ接合を有する活性層５を含む発光部（４、５、６）とを少なくとも具備する。

上記光反射層は、発光部から放射される光の発光スペクトルの中心波長にほぼ一致するか、若しくはそれよりも短波長に反射スペクトルの中心波長が設定された第一光反射層３を備え、且つ発光部から放射される光の発光スペクトルの中心波長よりも長波長側に反射スペクトルの中心波長が設定された第二光反射層１０を少なくとも１ペア以上備える。この実施形態の場合、上側（発光部側）に短波長設計の第一光反射層３を備え、下側（基板側）に長波長設計の第二光反射層１０を備える。

上記第一光反射層３及び第二光反射層１０は、それぞれ低屈折率部と高屈折率部を組み合わせたＤＢＲ（分布ブラッグ反射層）として構成され、その低屈折率部の材料は、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（但し、０．６≦Ｘ≦１．０）、（Ａｌ_YＧａ_1-Y）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（但し、０．６≦Ｙ≦１．０）のどちらかであり、また、高屈折率部の材料はＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（但し、０≦Ｘ≦０．６）、（Ａｌ_YＧａ_1-Y）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（但し、０≦Ｙ≦０．６）のどちらかである。また、第一光反射層３を構成する半導体層のペア数は５ペア以上３０ペア以下であり、第二光反射層１０を構成する半導体層のペア数は１ペア以上２０ペア以下である。なお、これらの光反射層は、その構成材料としてＧａＡｓを用いていないので、赤外光は発光しない。

図５は、本発明の半導体発光素子用エピタキシャルウェハの第二の実施形態を示すもので、図１とは、ｐ型クラッド層６上に、コンタクト層１１及びＩＴＯからなる電流分散層１２を備えている点で相違する。

本発明の効果を確認するため、従来例及び実施例１、２、３の半導体発光素子を試作した。

［従来例］
図４に示した構造の発光波長６４０nm付近の赤色帯ＬＥＤを製作した。

製作の過程は、ｎ型ＧａＡｓから成る半導体基板１上に、ＭＯＶＰＥ法でｎ型ＧａＡｓから成るバッファ層２、ｎ型の第一光反射層３、ｎ型（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐから成るｎ型クラッド層４、アンドープの活性層５、ｐ型（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐから成るｐ型クラッド層６、ｐ型ＧａＰから成る電流分散層７を順次成長させた。

ＭＯＶＰＥ法による成長での成長温度は、前記ｎ型ＧａＡｓから成るバッファ層２から前記ｐ型クラッド層６までを６５０℃とし、前記ｐ型ＧａＰから成る電流分散層８は６６０℃で成長した。その他の成長条件は、成長圧力５０Ｔｏｒｒ、各層の成長速度は０．３〜１．０nm／ｓｅｃ、Ｖ／III比は約２００前後で行った。但し、ｐ型ＧａＰから成る電流分散層７のＶ／III比のみ９とした。

因みにここで言うＶ／III比とは、分母をＴＭＧａやＴＭＡｌなどのIII族原料のモル数とし、分子をＡｓＨ₃、ＰＨ₃などのＶ族原料のモル数とした場合の比率（商）を指す。

ＭＯＶＰＥ成長において用いる原料としては、例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、又はトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、等の有機金属や、アルシン（ＡｓＨ₃）、ホスフィン（ＰＨ₃）等の、水素化物ガスを用いた。

例えば前記ｎ型バッファ層２のようなｎ型層の添加物原料としては、セレン化水素（Ｈ₂Ｓｅ）を用いた。前記ｐ型クラッド層６の様なｐ型層の導電型決定不純物の添加物原料としては、ジエチルジンク（ＤＥＺｎ）を用いた。その他に、ｎ型層の導電型決定不純物の添加物原料として、シラン（ＳｉＨ₄）、ジエチルテルル（ＤＥＴｅ）、ジメチルテルル（ＤＭＴｅ）を用いることもできる。その他にｐ型層添加物原料として、ジメチルジンク（ＤＭＺｎ）を用いることもできる。

因みに前記第一光反射層３は、ｎ型ＡｌＡｓ（約５１nm）とｎ型Ａｌ_0.4ＧａＡｓ（約４５nm）を順次積層した構造とし、そのペア数は１５ペアとした。

そして、このエピタキシャルウェハ上面には直径１２５μｍの円形のｐ型（表面）電極８を、マトリックス状に真空蒸着法で形成した。このｐ型電極は、金・亜鉛（ＡｕＺｎ）合金、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）を、それぞれ６０nm、１０nm、１０００nmの順に蒸着した。更に当該エピタキシャルウェハの底面には、全面にｎ側電極９を形成した。ｎ型電極８は、金・ゲルマニウム（ＡｕＧｅ）合金、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）を、それぞれ６０nm、１０nm、５００nmの順に蒸着し、その後、電極の合金化であるアロイを、窒素ガス雰囲気中４００℃で５分間行った。

その後、このエピタキシャルウェハを、ダイシング装置等でチップサイズ３００μｍ角のチップ形状に加工し、更にダイボンディング、ワイヤボンディングを行ってＬＥＤ素子を製作した。

また、本従来例に示すＬＥＤに適用した光反射層をＧａＡｓから成る半導体基板上に単体でエピタキシャル成長し、光反射率測定用試料として別個に作製した。この試料の光反射率を測定した結果を図２に示す。

以上の様にして作製されたＬＥＤの諸特性を評価した結果、発光出力は１．５１ｍＷ、順方向動作電圧は、１．９３Ｖであった（全て２０ｍＡ通電時の評価結果）。

［実施例１］
図１に示した構造の発光波長６４０nm付近の赤色帯ＬＥＤを製作した。

製作の過程は、ｎ型ＧａＡｓから成る半導体基板１上に、ＭＯＶＰＥ法でｎ型ＧａＡｓから成るバッファ層２、ｎ型の第二光反射層１０、ｎ型の第一光反射層３、ｎ型（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐから成るｎ型クラッド層４、アンドープの活性層５、ｐ型（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐから成るｐ型クラッド層６、ｐ型ＧａＰから成る電流分散層７（膜厚１２μｍ）を順次成長させた。ＭＯＶＰＥ法による成長での成長温度は前記ｎ型ＧａＡｓから成るバッファ層２から前記ｐ型クラッド層６までを６５０℃とし、前記ｐ型ＧａＰから成る電流分散層８は６６０℃で成長した。その他の成長条件は、成長圧力５０Ｔｏｒｒ、各層の成長速度は０．３〜１．０nm／ｓｅｃ、Ｖ／III比は約２００前後で行った。但し、ｐ型ＧａＰ電流分散層７のＶ／III比のみ９とした。因みに、ここで言うＶ／III比とは、分母をＴＭＧａやＴＭＡｌなどのIII族原料のモル数とし、分子をＡｓＨ₃、ＰＨ₃などのＶ族原料のモル数とした場合の比率（商）を指す。

ＭＯＶＰＥ成長において用いる原料としては、例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、又はトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、等の有機金属や、アルシン（ＡｓＨ₃）、ホスフィン（ＰＨ₃）等の、水素化物ガスを用いた。

例えば前記ｎ型ＧａＡｓから成るバッファ層２のようなｎ型層の導電型決定不純物の添加物原料としては、セレン化水素（Ｈ₂Ｓｅ）を用いた。前記ｐ型クラッド層６のようなｐ型層の導電型決定不純物の添加物原料としては、ジエチルジンク（ＤＥＺｎ）を用いた。その他に、ｎ型層の導電型決定不純物の添加物原料として、シラン（ＳｉＨ₄）、ジエチルテルル（ＤＥＴｅ）、ジメチルテルル（ＤＭＴｅ）を用いることもできる。その他にｐ型層の導電型決定不純物の添加物原料として、ジメチルジンク（ＤＭＺｎ）を用いることもできる。

因みに前記第一光反射層３は、ｎ型ＡｌＡｓから成る半導体層（約５１nm）とｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓから成る半導体層（約４５nm）を順次積層した構造（ＤＢＲ：分布ブラッグ反射層）とし、そのペア数は１５ペアとした。

更に、前記第一光反射層の下に設けた第二光反射層１０は、ｎ型ＡｌＡｓから成る半導体層（約５５nm）とｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓから成る半導体層（約４８nm）を順次積層した構造（ＤＢＲ：分布ブラッグ反射層）とし、そのペア数は１０ペアとした。

そして、このエピタキシャルウェハ上面には直径１２５μｍの円形のｐ型（表面）電極８を、マトリックス状に真空蒸着法で形成した。このｐ型電極は、金・亜鉛（ＡｕＺｎ）合金、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）を、それぞれ６０nm、１０nm、１０００nmの順に蒸着した。更に当該エピタキシャルウェハの底面には、全面にｎ側電極９を形成した。ｎ型電極８は、金・ゲルマニウム（ＡｕＧｅ）合金、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）を、それぞれ６０nm、１０nm、５００nmの順に蒸着し、その後、電極の合金化であるアロイを、窒素ガス雰囲気中４００℃で５分間行った。

その後、このエピタキシャルウェハをダイシング装置等でチップサイズ３００μｍ角のチップ形状に加工し、更にダイボンディング、ワイヤボンディングを行ってＬＥＤ素子を製作した。

また、本実施例に示すＬＥＤに適用した光反射層（第一光反射層及び第二光反射層）をＧａＡｓから成る半導体基板上に単体でエピタキシャル成長し、光反射率測定用試料として別個に作製した。

この試料の光反射率測定結果を、図２に実施例として黒丸のドットにて示す。この測定結果によれば、図２で示した従来例（白丸のドット）の反射率スペクトルよりも、広い反射帯域を有した光反射層が作製されたことが解る。

以上の様にして作製されたＬＥＤの諸特性を評価した結果、発光出力は１．６５ｍＷ、順方向動作電圧は、１．９４Ｖであった（全て２０ｍＡ通電時の評価結果）。

この結果から、本実施例に示した光反射層を用いることによって、従来の光反射層よりも広範囲な反射帯域を有することができ、それによって発光出力が増大したものである。

［実施例２］
図１に示した構造の発光波長６４０nm付近の赤色帯ＬＥＤを製作した。

製作の過程は、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ＭＯＶＰＥ法でｎ型ＧａＡｓから成るバッファ層２、ｎ型の第二光反射層１０、ｎ型の第一光反射層３、ｎ型（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐから成るｎ型クラッド層４、アンドープの活性層５、ｐ型（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐから成るｐ型クラッド層６、ｐ型ＧａＰから成る電流分散層７を順次成長させた。

ＭＯＶＰＥ法による成長での成長温度は前記ｎ型ＧａＡｓから成るバッファ層２から前記ｐ型クラッド層６までを６５０℃とし、前記ｐ型ＧａＰから成る電流分散層８は６６０℃で成長した。その他の成長条件は、成長圧力５０Ｔｏｒｒ、各層の成長速度は０．３〜１．０nm／ｓｅｃ、Ｖ／III比は約２００前後で行った。

但し、ｐ型ＧａＰから成る電流分散層７のＶ／III比のみ９とした。因みにここで言うＶ／III比とは、分母をＴＭＧａやＴＭＡｌなどのIII族原料のモル数とし、分子をＡｓＨ₃、ＰＨ₃などのＶ族原料のモル数とした場合の比率（商）を指す。

ＭＯＶＰＥ法による成長において用いる原料としては、例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、又はトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、等の有機金属や、アルシン（ＡｓＨ₃）、ホスフィン（ＰＨ₃）等の、水素化物ガスを用いた。

例えば、前記ｎ型バッファ層２のようなｎ型層の導電型決定不純物の添加物原料としては、セレン化水素（Ｈ₂Ｓｅ）を用いた。前記ｐ型クラッド層６のようなｐ型層の導電型決定不純物の添加物原料としては、ジエチルジンク（ＤＥＺｎ）を用いた。その他に、ｎ型層の導電型決定不純物の添加物原料として、シラン（ＳｉＨ₄）、ジエチルテルル（ＤＥＴｅ）、ジメチルテルル（ＤＭＴｅ）を用いることもできる。その他にｐ型層の導電型決定不純物の添加物原料として、ジメチルジンク（ＤＭＺｎ）を用いることもできる。

因みに前記第一光反射層３は、ｎ型ＡｌＡｓ（約５１nm）から成る半導体層とｎ型Ａｌ_0.4ＧａＡｓから成る半導体層（約４５nm）を順次積層した構造（ＤＢＲ：分布ブラッグ反射層）とし、そのペア数は１５ペアとした。

更にこの時、前記第一光反射層の下に設けた第二光反射層１０は、ｎ型ＡｌＡｓから成る半導体層（約４７nm）とｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓから成る半導体層（約４１nm）順次積層した構造（ＤＢＲ：分布ブラッグ反射層）とし、そのペア数は１０ペアとした。

そして、このエピタキシャルウェハ上面には直径１２５μｍの円形の表面電極８を、マトリックス状に真空蒸着法で形成した。この表面電極は、金・亜鉛（ＡｕＺｎ）合金、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）を、それぞれ６０nm、１０nm、１０００nmの順に蒸着した。更に、当該エピタキシャルウェハの底面には、全面に裏面電極９を形成した。裏面電極８は、金・ゲルマニウム（ＡｕＧｅ）合金、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）を、それぞれ６０nm、１０nm、５００nmの順に蒸着し、その後、電極の合金化であるアロイを、窒素ガス雰囲気中４００℃で５分間行った。

その後、このエピタキシャルウェハをダイシング装置等でチップサイズ３００μｍ角のチップ形状に加工し、更に、ダイボンディング、ワイヤボンディングを行ってＬＥＤ素子を製作した。

以上のようにして作製されたＬＥＤの諸特性を評価した結果、発光出力は１．７０ｍＷ、順方向動作電圧は、１．９５Ｖであった（全て２０ｍＡ通電時の評価結果）。

この結果から、本実施例に示した光反射層を用いることによって、従来の光反射層よりも広範囲な反射帯域を有することができ、それによって発光出力が増大したものである。

［実施例３］
図５に示した構造の発光波長６４０nm付近の赤色帯ＬＥＤを製作した。

製作の過程は、ｎ型ＧａＡｓから成る半導体基板１上に、ＭＯＶＰＥ法でｎ型ＧａＡｓから成るバッファ層２、ｎ型の第二光反射層１０、ｎ型の第一光反射層３、ｎ型（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐから成るｎ型クラッド層４、アンドープの活性層５、ｐ型（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐから成るｐ型クラッド層６、ｐ型Ａｌ_0.１Ｇａ_0.9Ａｓから成るコンタクト層１１を順次成長させた。ＭＯＶＰＥ法による成長での成長温度は前記ｎ型ＧａＡｓから成るバッファ層２から前記ｐ型クラッド層６までを６５０℃とし、その他の成長条件は、成長圧力５０Ｔｏｒｒ、各層の成長速度は０．３〜１．０nm／ｓｅｃ、Ｖ／III比は約２００前後で行った。

ＭＯＶＰＥ法による成長において用いる原料としては、例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、又はトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、等の有機金属や、アルシン（ＡｓＨ₃）、ホスフィン（ＰＨ₃）等の、水素化物ガスを用いた。

例えば前記ｎ型ＧａＡｓから成るバッファ層２のようなｎ型層の導電型決定不純物の添加物原料としては、セレン化水素（Ｈ₂Ｓｅ）を用いた。前記ｐ型クラッド層６のようなｐ型層の導電型決定不純物の添加物原料としては、ジエチルジンク（ＤＥＺｎ）を用いた。その他に、ｎ型層の導電型決定不純物の添加物原料として、シラン（ＳｉＨ₄）、ジエチルテルル（ＤＥＴｅ）、ジメチルテルル（ＤＭＴｅ）を用いることもできる。その他にｐ型層の導電型決定不純物の添加物原料として、ジメチルジンク（ＤＭＺｎ）を用いることもできる。

因みに前記第一光反射層３は、ｎ型ＡｌＡｓから成る半導体層（約５１nm）とｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓから成る半導体層（約４５nm）を順次積層した構造（ＤＢＲ：分布ブラッグ反射層）とし、そのペア数は１５ペアとした。

更に、前記第一光反射層の下に設けた第二光反射層１０は、ｎ型ＡｌＡｓから成る半導体層（約５５nm）とｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓから成る半導体層（約４８nm）を順次積層した構造（ＤＢＲ：分布ブラッグ反射層）とし、そのペア数は１０ペアとした。

次に、このエピタキシャルウェハをＭＯＶＰＥ装置から搬出した後、当該ウェハの表面、つまりｐ型のコンタクト層１１の表面側へ、真空蒸着法によって膜厚２５０nmのＩＴＯから成る電流分散層１２を形成した。この時、ＩＴＯが蒸着された同一バッチ内にセットした評価用ガラス基板を取り出し、Ｈａｌｌ測定が可能なサイズに切断し、ＩＴＯ単体の電気特性を評価した所、キャリア濃度１．１９×１０²¹／cm³、移動度１９．６cm²／Ｖｓ、抵抗率２．３９×１０^-4Ω・cmであった。

そして、このエピタキシャルウェハ上面には直径１２５μｍの円形の表面電極８を、マトリックス状に真空蒸着法で形成した。この表面電極は、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）を、それぞれ６００nm、２０nmの順に蒸着した。更に当該エピタキシャルウェハの底面には、全面に裏面電極９を形成した。裏面電極８は、金・ゲルマニウム（ＡｕＧｅ）合金、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）を、それぞれ６０nm、１０nm、５００nmの順に蒸着し、その後、電極の合金化であるアロイを、窒素ガス雰囲気中４００℃で５分間行った。

その後、このエピタキシャルウェハをダイシング装置等でチップサイズ３００μｍ角のチップ形状に加工し、更にダイボンディング、ワイヤボンディングを行ってＬＥＤ素子を製作した。

以上の様にして作製されたＬＥＤの諸特性を評価した結果、発光出力は１．５２ｍＷ、順方向動作電圧は、１．９４Ｖであった（全て２０ｍＡ通電時の評価結果）。

この結果から、本実施例に示した光反射層を用いることによって、従来の光反射層よりも広範囲な反射帯域を有することができ、電流分散層としてＩＴＯを用いた薄膜構造のＬＥＤにおいても、従来と同等のＬＥＤを得ることができた。

電流分散層に金属酸化物を用いたＬＥＤはＧａＰなどの半導体材料によって電流分散層を形成しないことから、装置のスループットの向上と、電流分散層形成に掛かる原料コストの低減の両方を図ることができる。しかし、従来の方法において、この薄膜構造を作製した場合には、電流分散層の膜厚が現象したことによる光取出し面積の減少によって、発光出力が低下するという問題があった。しかしながら、本実施例に示した光反射層の構造を採ることによって、従来と同等、若しくはそれ以上の発光出力を有する高輝度ＬＥＤ素子を、従来よりも低コストに作製することができる様になった。

＜最適条件についての根拠＞
本発明における第一光反射層は、活性層から放射された光の発光スペクトルにおいて、その中心波長とほぼ一致するか、若しくはそれよりも短波長に反射スペクトルの反射中心波長が設計された構造を採る。つまり、発光ピーク波長を主に反射する光反射層である。

発光波長に対して主となる当該第一光反射層の反射率が低くては、当然ながら高い輝度の半導体発光素子を得ることは難しい。従って、高輝度の半導体発光素子を得るには、ある程度のペア数が必要とされる。但し、反射率はペア数に比例して無限大に高くなるものではなく、あるペア数以上になれば徐々に飽和傾向となり、大差は無くなる。従って厚くしすぎると、反射率の向上の効果は薄れ、コスト増大によるデメリットの方が大きくなっていく。

よって、第一光反射層のペア数には最適値があると言え、その範囲は少なくとも５ペア以上であり、多くとも３０ペア以下である。

次に、本発明における第二光反射層は、前記第一光反射層の有する反射スペクトルの中心波長以外の可視域において異なる反射スペクトルの中心波長を有する光反射層である。つまり、活性層で放射される光の主な部分を反射するのが第一光反射層であり、第二光反射層は、第一光反射層でカバーできない反射帯域の光を反射する様に設計し、効果的に光取出し効率、発光出力の増大を図るものである。

そして、当該第二光反射層も前記第一光反射層と同様の理由により、そのペア数に最適値を持つと言える。その範囲は少なくとも１ペア以上であり、多くとも２０ペア以下である。

ペア数の範囲が前記第一光反射層よりも狭い理由は、活性層から放射された光の主たる部分は第一光反射層が担う為、あくまでも第二光反射層は、それ以外の部分である。よって、必然的に必要とされる第二光反射層は前記第一光反射層よりも狭い範囲、若しくは少ないペア数で充分とされる。

次に、光反射層に用いられる材料は、できるだけ対となる層同士の屈折率差が大きいことが好ましく、且つそのバンドギャップは広いことが好ましい。

前者の理由としては、光反射層（分布ブラッグ反射膜）の基本的な部分であり、屈折率差の大きい材料による対の方が反射帯域を広くすることができ、且つその反射強度（反射率）を高めることができるからである。そして、後者の理由としては、光反射層における活性層から放射された光の吸収を極力抑えたいからである。

光反射層の存在する意義は、活性層から放射された光が基板材であるＧａＡｓやＧｅで吸収されない様、光を上方へ反射させることで光取出し効率、ひいては発光出力の低下を未然に防ぐ為のものである。これは光反射層による吸収においても同様のことが言える。よって、光反射層のバンドギャップはできる限り広い方が好ましいのである。

しかしここで、前述した屈折率差とバンドギャップは両立させることが難しい。一般に光反射層に用いられるＡｌＧａＡｓ系材料、ＡｌＧａＩｎＰ系材料などでは、これらはまさに二律背反の関係にある。よって、好ましい範囲に設定されるべき光反射層の材料、及び組成には最適値があり、それは、第一光反射層、及び第二光反射層を構成する低屈折率部の材料が、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（但し、０．６≦Ｘ≦１．０）、（Ａｌ_YＧａ_1-Y）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（但し、０．６≦Ｙ≦１．０）のどちらかであり、また、高屈折率部の材料がＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（但し、０≦Ｘ≦０．６）、（Ａｌ_YＧａ_1-Y）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（但し、０≦Ｙ≦０．６）のどちらかであることが好ましいのである。

［変形例１］
本発明における実施例においては、どの構造においても活性層とｐ型クラッド層との間に何も介在させない構造とした。しかし、ここに例えば真性なアンドープ層を設けたり、多少導電型不純物を含んでいようとも擬似的にアンドープ層となる様な擬似アンドープ層を設けたりする構造を採っても、単にＬＥＤ素子の出力の信頼性を向上させるなどの効果が生ずるのみであり、本発明の意図する効果が得られる。

［変形例２］
本発明における実施例においては、発光波長６４０nmの赤色ＬＥＤ素子のみを作製例としたが、同じＡｌＧａＩｎＰ系の材料を用いて製作されるそれ以外のＬＥＤ素子、例えば発光波長５６０nm〜６６０nmのＬＥＤ素子においても、この時に用いられる各層の材料、キャリア濃度などは活性層以外には大きな変更点を持たない。従って、仮にＬＥＤ素子の発光波長を本発明の実施例と異なる波長帯域としても同様な効果が得られる。

［変形例３］
本発明における実施例においては、バッファ層を常に設けたＬＥＤ構造を作製例としたが、当該層が省略されたＬＥＤ素子構造を採ることもできる。

［実施例４］
本発明における実施例においては、ｐ型層に添加する導電型決定不純物を亜鉛（Ｚｎ）、ｎ型層に添加する導電型決定不純物をセレン（Ｓｅ）としたが、このｐ型層に添加する導電型決定不純物にマグネシウム（Ｍｇ）を用いたり、ｎ型層に添加する導電型決定不純物にシリコン（Ｓｉ）やテルル（Ｔｅ）を用いることもできる。

［変形例５］
本発明における実施例においては、表面電極の形状は常に円形のものとした構造を採ったが、その他にも異形状、例えば四角、菱形、多角形等でも本発明の意図する効果を得ることができる。

［変形例６］
本発明における実施例においては、電流分散層としてＩＴＯのみを用いた例を挙げたが、この他方にも酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ガリウム添加酸化亜鉛（ＧＺＯ）、アルミニウム添加酸化亜鉛（ＡＺＯ）、ホウ素添加酸化亜鉛（ＢＺＯ）などの一般的に低抵抗で知られる金属酸化物を電流分散層に適用した場合においても、本発明の意図する所の効果が得られる。

［変形例７］
本発明における実施例においては、半導体基板にＧａＡｓを用いた例のみを挙げたが、この他方にもＧｅを半導体基板とするＬＥＤ用エピタキシャルウェハや、当初の半導体基板をＧａＡｓ、又はＧｅとし、これを後に除去し、代替の半導体基板としてＳｉやＳｉ以上の熱伝導率を有する金属基板を用いたＬＥＤ用エピタキシャルウェハにおいても本発明の意図する効果は得られる。

本発明の一実施例にかかるＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤ素子の断面構造図である。 本発明の一実施例における光反射層の反射スペクトルを従来例と比較して示した図である。 本発明の一実施例におけるＬＥＤ素子の発光出力を従来例と比較して示した図である。 従来例にかかるＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤ素子の断面構造図である。 本発明の他の実施例にかかるＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤ素子の断面構造図である。

符号の説明

１ 半導体基板
２ バッファ層
３ 光反射層（第一光反射層）
４ ｎ型クラッド層
５ アンドープ活性層
６ ｐ型クラッド層
７ （ｐ型ＧａＰから成る）電流分散層
８ 表面電極
９ 裏面電極
１０ 第二光反射層
１１ コンタクト層
１２ （ＩＴＯから成る）電流分散層

Claims (15)

1. 導電性の半導体基板と、該半導体基板の主面上に設けられた光反射層と、該光反射層の上に成長されたｐｎ接合を有する活性層を含む発光部とを少なくとも具備する半導体発光素子において、
   前記光反射層が、前記発光部から放射される光の発光スペクトルの中心波長に一致するか、若しくはそれよりも短波長に反射スペクトルの中心波長が設定された第一光反射層を備え、且つ前記第一光反射層の有する反射スペクトルの中心波長以外の可視波長域において異なる反射スペクトルの中心波長を有する第二光反射層を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
2. 請求項１に記載の半導体発光素子において、
   前記光反射層が、前記発光部から放射される光の発光スペクトルの中心波長に一致するか、若しくはそれよりも短波長に反射スペクトルの中心波長が設定された第一光反射層を備え、且つ前記発光部から放射される光の発光スペクトルの中心波長よりも長波長側に反射スペクトルの中心波長が設定された第二光反射層を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
3. 請求項１又は２に記載の半導体発光素子において、
   前記第一光反射層を構成する半導体層のペア数が、５ペア以上３０ペア以下であることを特徴とする半導体発光素子。
4. 請求項３に記載の半導体発光素子において、
   前記第二光反射層を構成する半導体層のペア数が、１ペア以上２０ペア以下であることを特徴とする半導体発光素子。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体発光素子において、
   前記第一光反射層と前記第二光反射層とを構成する半導体層の材料がＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰの内から選択されたものであることを特徴とする半導体発光素子。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体発光素子において、
   前記第一光反射層及び前記第二光反射層がそれぞれ低屈折率部と高屈折率部の組み合わせから構成され、その低屈折率部の材料が、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（但し、０．６≦Ｘ≦１．０）、（Ａｌ_YＧａ_1-Y）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（但し、０．６≦Ｙ≦１．０）のどちらかであり、また、高屈折率部の材料が、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（但し、０≦Ｘ≦０．６）、（Ａｌ_YＧａ_1-Y）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（但し、０≦Ｙ≦０．６）のどちらかであることを特徴とする半導体発光素子。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体発光素子において、
   前記半導体基板がＧａＡｓ、若しくはＧｅから成ることを特徴とする半導体発光素子。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体発光素子において、
   前記活性層を、発光層と、前記発光層よりも広いバンドギャップを有する障壁層によって成る構造とし、これを複数層積層したことを特徴とする半導体発光素子。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の半導体発光素子において、
   前記発光部上に少なくとも１層以上の半導体層を介して金属酸化物から成る電流分散層を形成したことを特徴とする半導体発光素子。
10. 導電性の半導体基板と、該半導体基板の主面上に設けられた光反射層と、該光反射層の上に成長されたｐｎ接合を有する活性層を含む発光部とを少なくとも具備する半導体発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、
    前記光反射層が、前記発光部から放射される光の発光スペクトルの中心波長にほぼ一致するか、若しくはそれよりも短波長に反射スペクトルの中心波長が設定された第一光反射層を備え、且つ前記発光部から放射される光の発光スペクトルの中心波長よりも長波長側に反射スペクトルの中心波長が設定された第二光反射層を備えたことを特徴とする半導体発光素子用エピタキシャルウェハ。
11. 請求項１０に記載の半導体発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、
    前記第一光反射層のペア数が５ペア以上３０ペア以下であることを特徴とする半導体発光素子用エピタキシャルウェハ。
12. 請求項１１に記載の半導体発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、
    前記第二光反射層のペア数が１ペア以上２０ペア以下であることを特徴とする半導体発光素子用エピタキシャルウェハ。
13. 請求項１０乃至１２のいずれかに記載の半導体発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、
    前記第一光反射層と前記第二光反射層とを構成する半導体材料がＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰの内から選択されたものであることを特徴とする半導体発光素子用エピタキシャルウェハ。
14. 請求項１０乃至１３のいずれかに記載の半導体発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、
    前記第一光反射層及び前記第二光反射層がそれぞれ低屈折率部と高屈折率部の組み合わせから構成され、その低屈折率部の材料が、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（但し、０．６≦Ｘ≦１．０）、（Ａｌ_YＧａ_1-Y）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（但し、０．６≦Ｙ≦１．０）のどちらかであり、また、高屈折率部の材料がＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（但し、０≦Ｘ≦０．６）、（Ａｌ_YＧａ_1-Y）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（但し、０≦Ｙ≦０．６）のどちらかであることを特徴とする半導体発光素子用エピタキシャルウェハ。
15. 請求項１０乃至１４のいずれかに記載の半導体発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、
    前記発光部上に少なくとも１層以上の半導体層を介して金属酸化物から成る電流分散層を形成したことを特徴とする半導体発光素子用エピタキシャルウェハ。

Images