CN1367542A - 半导体发光元件 - Google Patents

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Abstract

提供一种半导体发光元件,不需要复杂的制造工序和制造技术就可大幅度提高光取出效率。该半导体发光元件,具有:活性层(通过注入电流产生第一发光);吸收发光部(吸收所述第一发光的一部分、产生中心波长比所述第一发光的长的第二发光)。所述第一发光的中心波长和所述第二发光的中心波长之差,在其混合光的发光光谱不丧失单峰性的范围内或在第一发光L1的光谱的半值宽度的0.9倍以下的范围内。

Description

半导体发光元件
相关申请的交叉引用
本申请基于并且以2001年1月26日提出的在先日本专利申请No.2001-018934为优先权，该申请的整个内容在此引入作为参考。
技术领域
本发明一般涉及半导体发光元件。
背景技术
发光二极管(LED)、半导体激光器(LD)等的半导体发光元件兼备小型化、重量轻、低耗电、高可靠性等特征，广泛用于显示用光源、通信用光源等各种用途。其开发向高亮度化发展，则作为室外的显示器、通信光源等的应用范围也扩大.作为实用化的可见光LED材料，可举出AlGaAs、GaAlP、GaP、InGaAlP等各种化合物半导体。其发光色为红色、橙色、黄色、绿色等各种，以低成本提供。近年来，使用GaN系材料的蓝色发光LED也被开发，实现了红色、绿色、蓝色的三原色的LED。
上述材料中，InGaAlP系材料具有对应于从红色到绿色的光波长的直接迁移型的带结构。因此，作为在红色到绿色中得到高的内部量子效率的LED材料开发出来。图9是例示原有的InGaAlP系半导体发光元件的主要结构的截面简图。该图所示的半导体发光元件是在n型GaAs衬底601上依次层叠n型InAlP包层602、InGaAlP活性层603、p型InAlP包层604、p型GaAlAs电流扩散层605而形成。并且，电流扩散层605上形成p侧电极606，衬底601的里面侧形成n侧电极607。作为该材料的结晶生长方法，使用在组成和膜厚的控制性方面优越的金属有机气相化学生长法(MOCVD)或分子束外延(MBE)法。该结晶生长中，使用与InGaAlP活性层603晶格匹配的GaAs衬底601。
但是图9的已有InGaAlP系半导体发光元件中，该GaAs衬底601对于来自活性层603的光是不透明的。因此，图9的元件中，存在光取出效率不十分高的问题。
作为提高光取出效率的方法，提出去除吸收来自活性层603的光的GaAs衬底601，粘结对于来自活性层603的光透明的GaP衬底的方法。该方法中，吸收来自活性层603的光的GaAs衬底601没有了，大大提高光取出效率，用迄今的InGaAlP系半导体发光元件得到最高的光输出。但是为制作该结构，需要慎重处理去除GaAs衬底601后薄的外延层602～605的技术和在该外延层602～605上贴和GaP衬底的技术。因此，出现制造工序复杂，成本提高的问题。
作为提高光取出效率的其他方法，还提出在活性层603上形成厚的结晶层的方法。但是，用上述的MOCVD法和MBE法使的长大厚的结晶层是困难的，该方法并非有效的。
发明概述
根据本发明的实施例，提供一种半导体发光元件，包括：
活性层(通过注入电流产生第一发光)；
吸收发光部(吸收所述第一发光的一部分、产生中心波长比所述第一发光的长的第二发光)。
根据本发明的实施例，还提供一种半导体发光元件，包括：
GaAs衬底(对于波长λ的光不透明)；
吸收发光部，(在所述GaAs衬底上形成，与所述GaAs衬底晶格匹配的半导体构成。交替重叠第一层和第二层而形成。所述第一层的折射率为n1，膜厚为λ/4n1。所述第二层的折射率为n2(n2＜n1)，膜厚为λ/4n2，带隙比所述第一层宽。)；
第一导电型包层(在所述吸收发光部上形成。由与所述GaAs衬底晶格匹配的半导体构成。)；
活性层(在所述第一导电型包层上形成。由与所述GaAs衬底晶格匹配的半导体构成。通过注入电流发射中心波长为λ的第一光。带隙比所述吸收发光部的所述第一层宽、比所述第一导电型包层窄。)；
所述吸收发光部吸收来自所述活性层的所述第一光的一部分，从所述第一层发射比所述第一光的中心波长长的第二光；所述吸收发光部反射来自所述活性层的所述第一光的剩余部分；及
第二导电型包层(在所述活性层上形成。由与所述GaAs衬底晶格匹配的半导体构成。带隙比所述活性层大。)。
根据本发明的实施例，又提供一种半导体发光元件，包括：
衬底(由蓝宝石(sapphire)、GaN、SiC之一构成)；
吸收发光部，(在所述衬底上形成，由氮化硅系化合物半导体构成。交替重叠第一层和第二层而形成。所述第一层的折射率为n1，膜厚为λ/4n1。所述第二层的折射率为n2(n2＜n1)，膜厚为λ/4n2，带隙比所述第一层宽。)；
第一导电型包层(在所述吸收发光部上形成。由氮化硅系半导体构成。)；
活性层(在所述第一导电型包层上形成。由氧化硅系半导体构成。通过注入电流发射中心波长为λ的第一光。带隙比所述吸收发光部的所述第一层大、比所述第一导电型包层小。)；
所述吸收发光部吸收来自所述活性层的所述第一光的一部分，从所述第一层发射比所述第一光的中心波长长的第二光；所述吸收发光部反射来自所述活性层的所述第一光的剩余部分；及
第二导电型包层(在所述活性层上形成。由氮化硅系半导体构成。带隙比所述活性层大。)。
根据本发明的实施例，再提供一种半导体发光元件，包括：
衬底(由Si、GaAs之一构成，对于波长λ的光不透明)；
吸收发光部，(在所述衬底上形成，由氮化硅系化合物半导体构成。交替重叠第一层和第二层而形成。所述第一层的折射率为n1，膜厚为λ/4n1。所述第二层的折射率为n2(n2＜n1)，膜厚为λ/4n2，带隙比所述第一层宽。)；
第一导电型包层(在所述吸收发光部上形成。由氮化硅系半导体构成。)；
活性层(在所述第一导电型包层上形成。由氮化硅系半导体构成。通过注入电流发射中心波长为λ的第一光。带隙比所述吸收发光部的所述第一层大、比所述第一导电型包层小。)；
所述吸收发光部吸收来自所述活性层的所述第一光的一部分，从所述第一层发射比所述第一光的中心波长长的第二光；所述吸收发光部反射来自所述活性层的所述第一光的剩余部分；及
第二导电型包层(在所述活性层上形成。由氮化硅系半导体构成。带隙比所述活性层大。)。
附图简要说明
图1(a)和1(b)是表示根据本发明的第一实施例的半导体发光元件的横截面简图；
图2A～2I是例示出在本发明的第一实施例的半导体发光元件中得到的发光光谱的图；
图3是例示本发明的第二实施例的半导体发光元件的吸收发光部M的截面结构的概念图；
图4是表示作为本发明的第一例的半导体发光元件的横截面简图；
图5是表示多层膜102对波长625nm的光的反射率特性的曲线图；
图6是表示作为本发明的第二例的半导体发光元件的横截面简图；
图7是表示作为本发明的第三例的半导体发光元件的横截面简图；
图8是表示作为本发明的第四例的半导体发光元件的横截面简图；
图9是例示已有的InGaAlP系半导体发光元件的主要结构的截面简图；
实施发明的具体方法
下面参考附图说明本发明的实施例的半导体发光元件。从图1可知，本实施例的半导体发光元件的特征之一是，设置吸收来自活性层A的第一发光L1的光的一部分并再发出第二发光L2的吸收发光部M。以下，首先用实施例说明半导体发光元件的基本结构，然后说明使用该元件的具体实施例子。
(第一实施例)
下面参考图1(a)～1(b)、图2A～2I说明本发明的第一实施例的半导体发光元件。下面，首先参考图1(a)～1(b)说明元件的基本结构，接着参考图2A～2I说明来自活性层A的第一发光L1的波长和来自吸收发光部M的第二发光L2的波长的关系。
首先，说明第一实施例的半导体发光元件的基本结构。图1(a)是表示本发明的实施例的半导体发光元件的基本结构的概念图。半导体发光元件E具有活性层A和吸收发光部M。活性层A通过电流注入发射波长λ的第一发光L1。吸收发光部M吸收从活性层A发射的上述第一发光L1的一部分，激励载流子，通过载流子的再结合发射出波长比第一发光L1长的第二发光L2。该吸收发光部M反射上述第一发光L1的剩余部分，作为反射光L1’向图中上侧反射。之后，从图中上侧取出该反射光L1’和第一发光L1以及第二发光L2的混合光。
图1(b)是表示吸收发光部M的截面结构的一部分的概念图。在吸收发光部M，交互层叠吸收发光层(第一半导体层)M1和半导体层(第二半导体层)M2。半导体层M2具有比吸收发光层M1宽的带隙。通过吸收来自活性层A的第一发光L1激励的载流子封闭到带隙窄的吸收发光层M1中。之后，在吸收发光层M1产生载流子的再结合。结果在吸收发光层M1产生第二发光L2。这里，若把吸收发光层M1的载流子浓度设定的高，则提高发光L2的发光效率，提高元件的量子效率。吸收发光层M1的折射率n1和半导体层M2的折射率n2不同。并且，吸收发光层M1的膜厚为λ/4n1、半导体层M2的膜厚为λ/4n2。设定到这种膜厚，吸收发光部M用作黑(black)反射镜。这样，用吸收发光部吸收第一发光L1的一部分，由吸收发光部M反射第一发光L1的剩余部分。
接着，参考图2A～2I说明活性层A和吸收发光层M1的发光波长的关系。图2A～2I是例示本发明的半导体发光元件得到的发光光谱的图。该图中活性层A为In0.5(Ga0.9Al0.1)0.5P、吸收发光层M1为In0.5(Ga1-xAlx)0.5P。此时，来自活性层A的第一发光L1的中心波长约为625nm，其半值宽约17nm。来自吸收发光层M1的第二发光L2的波长根据Al组成x变化。从下面说明可知，本实施例中，最好使用图2B～图2E的光谱。
图2A表示吸收发光层M1的Al组成为0.1的情况，即吸收发光层与活性层A相同的情况。纵轴表示任意发光强度、横轴表示发光波长。2个虚线中峰值强度强、波长长的是来自活性层A的第一发光L1的光谱，峰值强度弱、波长短的是来自吸收发光层M1的第二发光L2的光谱。实线表示该第一发光L1和第二发光L2的混合光L的光谱。从图2A可知，吸收发光层M1与活性层A组成相同的情况下，这些发光波长大致相同，光谱重叠。此时，来自吸收发光层M1的第二发光L2由活性层A吸收，因此发光元件的发光效率降低。即，得到的混合光L的光谱是单峰性，但由于活性层A的光吸收，使得积分强度也小。
图2B表示吸收发光层的Al组成x为0.05的情况。此时，来自吸收发光层M1的Al组成x变得比活性层的Al组成低。来自吸收发光层M1的第二发光L2的波长比来自活性层A的第一发光L1的波长长约10nm。图2B中，来自吸收发光层M1的第二发光L2对于活性层A透明。由此，与图2A的情况相比，混合光L的积分强度增大。因此对元件外部的取出效率增高，外部量子效率提高。图2B中，混合光L的光谱维持单峰性。
图2C表示吸收发光层的Al组成x为0.04的情况。此时，来自吸收发光层M1的第二发光L2的波长比来自活性层A的第一发光L1的波长长约12nm。图2C中，与图2B相比，第一发光L1的峰和第二发光L2的峰偏离，但混合光L的光谱维持单峰性。
图2D表示Al组成x为0.035的情况。此时，来自吸收发光层M1的第二发光L2的波长比来自活性层A的第一发光L1的波长长约13nm。此时混合光L的光谱也维持单峰性。
图2E表示吸Al组成x为0.030的情况。此时，来自吸收发光层M1的第二发光L2的波长比来自活性层A的第一发光L1的波长长约14nm。图2E中，混合光L的光谱的一部分与x轴维持水平。本说明书中，直到该图2E的状态，都定义为混合光L的光谱维持单峰性。
图2F表示Al组成x为0.025的情况。此时，来自吸收发光层M1的第二发光L2的波长比来自活性层A的第一发光L1的波长长约15nm。即第一发光L1的中心波长和第二发光L2的中心波长之差为第一发光L1的光谱的半值宽约17nm的约0.9倍以下。图2F中，混合光L的光谱的强度从短波长侧开始慢慢增加，在约625nm处成为第一个峰值后，单调减少。之后，该强度再度上升，在约640nm处成为第二个峰值后，再度慢慢减少。本说明书中，该图2F的状态定义为混合光L的光谱具有双方向性的峰。这种峰的情况下，混合光L的单色性降低。
图2G表示Al组成x为0.020的情况。此时，来自吸收发光层M1的第二发光L2的波长比来自活性层A的第一发光L1的波长长约16nm。图2G中，与图2E相比，第一发光L1的峰和第二发光L2的峰偏离，混合光L的峰为双方向性。
图2H表示Al组成x为0.010的情况。此时，来自吸收发光层M1的第二发光L2的波长比来自活性层A的第一发光L1的波长长约18nm。这样，第一发光L1的中心波长和第二发光L2的中心波长之差比第一发光L1的光谱的半值宽约17nm还大时，第一发光L1的峰值强度和混合光L的峰值强度大致相同。即，即使施加第二发光L2，第一发光L1的峰值强度基本不增强。之后，单色性再次降低。
图2I表示Al组成x为0的情况。此时，来自吸收发光层M1的第二发光L2的波长比来自活性层A的第一发光L1的波长长约20nm。图2H中，混合光L的峰也为双方向性。
如上那样，活性层A和吸收发光层M1的Al组成x的差为0.07以下时，即，图2A～图2E的情况下，混合光L的光谱维持单峰性。但是组成x的差为0.075以上时，即图2F～图2I的情况下，混合光L的光谱为双方向性。这样，峰为双峰性时，单色性降低。还有，第一发光L1的中心波长和第二发光L2的中心波长之差为第一发光L1的光谱的半值宽的约0.9倍以上时，单色性降低。如上所述，与吸收发光层M1的Al组成x和活性层A的Al组成相同时(图2A)时相比，吸收发光层M1的Al组成x低于活性层A的Al组成时(图2B～图2E)，使混合光L的积分强度增大。即，把第二发光L2的中心波长设置成比第一发光L1的中心波长长时，混合光L的积分强度增大。因此，本实施例中，最好使用图2B～图2E所示的光谱。这样，得到光取出效率增高并且单色性优越的元件。
以上说明的图1的半导体发光元件中，设置吸收发光部M，该吸收发光部M吸收来自活性层A的第一发光L1的一部分，并再次发出第二发光L2，因此，可增加从图中上侧取得的光。图1的半导体发光元件中，上述的第二发光L2的中心波长比来自活性层A的第一发光L1的中心波长长，因此可增加从图中上侧取得的光。图1的半导体发光元件中，设置吸收发光部M，该吸收发光部M反射来自活性层A的第一发光L1，因此，通过反射光L1’可再次增加从图中上侧取得的光。由此，图1的半导体发光元件中，可提高光取出效率。
图1的半导体发光元件中，第一发光L1的中心波长和第二发光L2的中心波长之差在其混合光的光谱不丧失单峰性的范围内(图2B～图2E)，可得到单色性优越的元件。或者，图1的半导体发光元件中，第一发光L1的中心波长和第二发光L2的中心波长之差在小于第一发光L1的光谱的半值宽的约0.9倍以下的范围内(图2B～图2E)，可得到单色性优越的元件。
以上说明的图1的半导体发光元件中，吸收发光部M是层叠多个半导体层形成的，但其也可由一种半导体层构成的单层来构成。
图1的半导体发光元件中，以活性层A为In0.5(Ga0.9Al0.1)0.5P、吸收发光层M1为In0.5(Ga1-xAlx)0.5P、活性层A的发光波长为625nm的例子说明，但本发明不限于这样材料系列、波长带。
(第二实施例)
从图3可知，第二实施例的半导体发光元件与第一实施例的不同之处是将吸收发光部M的吸收发光层M1分为第一吸收发光层M1A和第二吸收发光层M1B。这样，可在提高吸收发光部M的发光效率。吸收发光部M以外的结构与第一实施例相同，其详细说明省略。
图3是例示本发明的第二实施例的半导体发光元件的吸收发光部M的截面结构的概念图。吸收发光部M具有交替层叠第一吸收发光层M1A、第二吸收发光层M1B和半导体层M2的结构。这里，第一吸收发光层M1A具有辅助第二吸收发光层M1B的薄膜化的作用。举出具体例子如下。
第一吸收发光层M1A(高折射率层1)：In0.5(Ga0.5Al0.5)0.5P
第二吸收发光层M1B(高折射率层2)：In0.5(Ga0.95Al0.05)0.5P
半导体层M2(低折射率层)：In0.5Al0.5P
活性层A：In0.5(Ga0.9Al0.1)0.5P
这里，半导体层M2用作低折射率层，第一吸收发光层M1A和第二吸收发光层M1B用作高折射率层。即，构成黑反射镜的高折射率层通过层M1A和层M1B的组合来构成。构成高折射率层的层M1A和层M1B的合计膜厚如前所述为λ/4n。例如，可把各个层厚设定到λ/(8n)。
图3的结构中，可减薄第二吸收发光层M2的层厚，提高第二吸收发光层M2载流子密度，来自第二吸收发光层的第二发光L2的发光效率可进一步提高。
下面，以特定例子方式对上述实施例作出详细说明。下面第一和第二实施例中，对于InGaAlP系半导体发光元件作说明，在第三和第四实施例中，对于氮化硅系半导体发光元件作说明。
(第一例)
首先作为本发明的第一实施例，说明采用本发明的InGaAlP系LED。图4是表示第一实施例的半导体发光元件的主要结构的截面简图。该图所示的本发明的半导体发光元件具有在n型GaAs衬底101上依次层叠多层膜(吸收发光部)102、膜厚1μm的n型InAlP包层103、膜厚0.1μm的未掺杂In0.5(Ga0.9Al0.1)0.5P活性层104、膜厚1μm的p型InAlP包层105、膜厚5μm的p型GaAlAs电流扩散层106的结构。之后，在电流扩散层106上形成p侧电极107、在衬底101的里面侧形成n侧电极108。通过从该电极107、108注入的电流，活性层104发射波长λ的第一发光L1。本实施例中，该λ约为625nm，为红色发光。针对该第一发光L1，n型GaAs衬底101不透明。因此，来自活性层104的第一发光L1从图中上侧取出。形成在n型GaAs衬底101上的多层膜102是交替层叠30对n型In0.5(Ga0.95Al0.05)0.5P层(第一层)102A和n型InAlP层(第二层)102B构成的。第一层102A和第二层102B的带隙不同，第二层102B比第一层102A带隙宽。第一层102A的折射率n1和第二层102B的折射率n2不同，第二层102B的折射率n2小于第一层102A的折射率n1。第一层102A的膜厚为λ/4n1，即约43nm。第二层102B的膜厚为λ/4n2，即约51nm。这样设定第一层102A和第二层102B的膜厚时，多层膜102对于来自活性层104的波长λ的第一发光L1有高的反射率。这里，第一层102A为n型，载流子密度高至1×1018cm-3。该多层膜102上形成的n型InAlP包层103比活性层104带隙宽，将载流子封闭到活性层104中。n型InAlP包层103上形成的In0.5(Ga0.9Al0.1)0.5P活性层104的带隙比上述多层膜102的第一层102A宽。因此，来自活性层104的第一发光L1的一部分由多层膜102吸收。多层膜102吸收该第一发光L1的一部分后，从第一层102A发射出波长比第一发光L1长的第二发光L2。该多层膜102将来自活性层104的第一发光L1的剩余部分反射到图中上侧，作为反射光L1’。上述的第一发光L1的中心波长和第二发光L2的中心波长之差如图2B所示在其混合光的发光光谱不丧失单峰性的范围内。上述的第一发光L1的中心波长和第二发光L2的中心波长之差如图2B所示在第一发光L1的光谱的半值宽的0.9倍以下的范围内。活性层104上形成的p型InAlP包层105带隙大于活性层104，将载流子封闭到活性层104中。
接着，说明图4的半导体发光元件的制造方法。图4的半导体发光元件的InAlP/InGaAlP多层膜102、n型InAlP包层103、InGaP活性层104、p型InAlP包层105和p型GaAlAs电流扩散层106全部晶格匹配GaAs衬底101长大。作为形成本元件的结晶生长法，可使用MOCVD法。此时，作为生长原料，可使用例如三甲基镓、三乙基镓作为Ga源、使用例如三甲基铟、三乙基铟作为In源、使用例如三甲基铝、三乙基铝作为Al源、使用例如三甲基磷、三乙基磷作为P源等。作为n型或p型的杂质(掺杂物)可使用甲硅烷、二甲基锌等。其生长顺序简要如下。首先，用有机溶剂和硫酸系蚀刻剂清洗GaAs衬底101，移到MOCVD炉中。接着，加热衬底到730℃左右，供给P原料和适当的III族原料来依次生长出n型InAlP/n型InGaAlP多层膜102、n型InAlP包层103、未掺杂InGaP活性层104、p型InAlP包层105和p型GaAlAs电流扩散层106。这样，图4的半导体发光元件中，在GaAs衬底101上通过1次的结晶生长连续形成各层。之后，形成电极107、108，形成图4的元件。
以上说明的图4的半导体发光元件中，由于设置多层膜102，可提高光取出效率。即，图4的半导体发光元件中，从活性层104向衬底侧发射的第一发光L1由多层膜102反射吸收。之后，从元件的图中上侧开始出现来自活性层104的第一发光L1、来自多层膜102的反射光L1’和多层膜102吸收后发射的第二发光L2。这样，图4的半导体发光元件中，从图中上侧取出的光增多，因此可提高光取出效率。针对此，图8所示的已有的半导体发光元件中，从活性层503向图中下侧发射的光由GaAs衬底吸收，因此光取出效率降低。
图4的半导体发光元件中，如图2B所示，来自吸收发光层102A的第二发光L2的波长比来自活性层104的第一发光L1的波长长。因此，图4的元件中，可再提高光取出效率。即，图4的半导体发光元件中，吸收发光层102A的带隙比活性层104低，来自吸收发光层102A的第二发光L2对于活性层204透明。因此，向元件外部的读出效率提高。即，第一发光L1和第二发光L2的混合光的积分强度增大，外部量子效率提高。
图4的半导体发光元件中，由于第一层102A的载流子密度高至1×1018cm-3，可再提高来自吸收发光层102的第二发光L2的强度。因此，图4的元件中，进一步提高光取出效率。
图4的半导体发光元件中，如图2B所示，上述第一发光L1的中心波长和第二发光L2的中心波长之差在其混合光的光谱不丧失单峰性的范围内，因此可维持单峰性。图4的半导体发光元件中，第一发光L1的中心波长和第二发光L2的中心波长之差在第一发光L1的光谱的半值宽的约0.9倍以下的范围内，因此可维持单峰性。
图4的半导体发光元件中，如制造方法说明的那样，外延生长层102～106在衬底101上连续生长。因此，即使增大多层膜102，制造时间、成品率、生产率基本不降低。
这样，图4的半导体发光元件中，不降低制造时间、成品率、生产率等，可提高光取出效率。
以上说明的图4的半导体发光元件的工作电流20mA的发光强度在安装在发射角为10℃的组件的状态下为8cd(坎德拉)。这与图8所示的已有结构的发光元件的大约3倍的光输出相当。
接着，讨论图4的半导体发光元件的多层膜102的层叠数。即，图4的元件的多层膜中层叠了30对的第一层102A和第二层102B，但其他数目也可以，因此对其范围进行讨论。
图5是表示交互层叠、In0.5(Ga0.9Al0.1)0.5P层和InAlP层的多层膜对波长625nm的光的反射率特性的曲线图。横轴表示多层膜的对数，纵轴表示多层膜的反射率。这里，波长625nm的光如前所述与活性层104的代表性发光波长对应。从图5可知，随着对数增加反射率增大，从20对开始看到其饱和倾向。从该图看，为提高多层膜的反射率，可将对数设置在20对以上。即使将多层膜的对数设定到40对以上，制造工序变复杂了，但反射率几乎不增大。因此，多层膜的对数在20对以上40对以下，更好是30对左右。
以上说明的图4的半导体发光元件中，多层膜102是层叠In0.5(Ga0.95Al0.05)0.5P层102A和InAlP层102B的多层膜，但也可以将其他组成的InGaAlP层102A作为In0.5(Ga0.95Al0.05)0.5P层102A。活性层104可采用不同组成的其它InGaAlP层104A，也可替换发光波长。这样，通过更替发光波长，可得到红色发光、橙色发光、黄色发光、绿色发光的各色发光。但是，来自活性层104的第一发光L1的中心波长和来自InGaAlP层102A的第二发光L2的中心波长之差如图2B～2E所示在其混合光的发光光谱不丧失单峰性的范围内为好。或者，来自活性层104的第一发光L1的中心波长和来自InGaAlP层102A的第二发光L2的中心波长之差在第一发光L1的光谱的半值宽的0.9倍以下的范围内较好。
图4的半导体发光元件中，如图3所说明的那样，In0.5(Ga0.95Al0.05)0.5P层102A可采用不同组成的2个InGaAlP层。此时，2个层的膜厚分别为λ/8n。
图4的半导体发光元件中，多层膜102可采用其他材料。下面举出在活性层104的发光波长为625nm的情况下用作构成多层膜102的半导体层102A、102B的一例。半导体层                    折射率          层厚λ/4n      层厚λ/8nInAlP                       3.063           51.0nm         25.5nmIn0.5(Ga0.5Al0.5)0.5P    3.297           47.4           23.7InGaP                       3.687           42.4           21.2Al0.4Ga0.6As               3.65            42.8           21.4
考虑其折射率，适当选择并组合上述的各种半导体层，可构成本发明的多层膜102。
图4的半导体发光元件中，说明了InGaAlP系半导体发光元件，但也可以使用其他材料的半导体发光元件。例如，作为和GaAs衬底101晶格匹配的材料，可使用InGaP、InGaAlP、InGaP、AlGaAs等。
(第二例)
接着说明作为本发明的第二实施例的具有窗口层的InGaAlP系LED。
图6是表示本发明的半导体发光元件的主要结构的截面简图。该图所示的第二实施例的半导体发光元件中，与第一实施例(图4)相同的部件赋于相同标号并省略详细说明。
本发明的发光元件与第一实施例不同之处是在GaAs衬底101和n型InAlP包层102之间设置n型GaAlAs窗口层301。n型GaAlAs窗口层301的层厚例如为10μm左右。
本实施例中，多层膜102的第二发光L2可从元件侧面选择地取出。即，可仅提高来自吸收发光层的第二发光L2的选择的光取出效率。
在改用与第一实施例相同结构的参数的试例中，工作电流20mA下的发光强度在发射角为10℃的组件中为10cd(坎德拉)，与图8所示的已有结构的发光元件的大约4倍的光输出相当。
以上说明的图6的半导体发光元件中，举出n型GaAlAs窗口层的例子，但此外，可根据活性层的波长适当地使用InGaAlP系和GaAsP系等各种材料。
(第三例)
接着，说明作为本发明的第三实施例的采用本发明的GaN系(氮化镓)LED。GaN系LED中，可得到纯绿色发光、蓝色发光、紫外发光等发光。
图7是表示本发明的半导体发光元件的主要结构的截面简图。该图所示的本发明的半导体发光元件在蓝宝石衬底401上依次层叠缓冲层402、GaN底层403、InGaN/GaN多层膜(吸收发光部)404、n型GaN接触和包层405、InGaN活性层406、p型AlGaN包层407、p型GaN接触层408。p型接触层408的上面设置p侧电极409。图7的元件中，该p侧电极409作为透明电极。并且，由于向活性层406均匀地注入电流，扩大p侧透明电极409的面积。作为另一侧的电极的n侧电极410设置为部分蚀刻去除层叠结构的一部分，露出n型GaN接触层405的一部分。蓝宝石衬底401是绝缘的，但这样，n型接触层405上形成n侧电极410，使得可向活性层406注入电流。通过该n侧电极410和p侧透明电极409注入的电流，活性层406发射波长λ的第一发光L1。本实施例中，该λ约为470nm，为蓝色发光。该第一发光通过p侧透明电极409从图中上侧取出。
多层膜404通过交替层叠InGaN层(第一层)和GaN层(第二层)形成。第二层和第一层带隙不同，第二层比第一层带隙宽。第二层的折射率n2和第一层的折射率n1不同，第二层的折射率n2小于第一层的折射率n1。第一层膜厚为λ/4n1，约为3nm。第二层102B膜厚为λ/4n2，约为5.5nm。第一层和第二层的膜厚这样设置时，多层膜404对于来自活性层406的波长λ的第一发光L1具有高反射率。该多层膜404上形成的n型接触兼包层405比活性层406带隙宽，载流子封闭到活性层406中。n型GaN接触兼包层405上形成的活性层406带隙比上述多层膜404的第一层宽。因此，来自活性层406的第一发光L1的一部分由多层膜404吸收。多层膜404吸收该第一发光L1的一部分后，从第一层发射波长比第一发光L1长的第二发光L2。该多层膜404将来自活性层406的第一发光L1的剩余部分作为反射光L1’向图中上侧反射。上述的第一发光L1的中心波长和第二发光L2的中心波长之差如图2B～图2E所示在其混合光的发光光谱不丧失单峰性的范围内。上述的第一发光L1的中心波长和第二发光L2的中心波长之差如图2B～图2E所示在第一发光L1的光谱的半值宽的0.9倍以下的范围内。这些第一发光L1、第二发光L2和反射光L’，通过p侧透明电极409从图中上侧取出。第一发光L1、第二发光L2从图中端面取出。活性层406上形成的p型AlGaN包层407的带隙比活性层406大，载流子封闭到活性层406中。
接着，说明图7的半导体发光元件的制造方法。本实施例中，半导体发光元件通过MOCVD法形成。作为长大原料，可使用例如三甲基镓、三乙基镓作为Ga源、使用例如三甲基铟、三乙基铟作为In源、使用例如三甲基铝、三乙基铝作为Al源、使用例如三甲基氮、三乙基氮作为N(氮)源等。作为n型或p型的杂质(掺杂物)可使用甲硅烷、双(环戊二烯基)镁等。其制造方法简要如下。
首先，用有机溶剂和硫酸系蚀刻剂清洗蓝宝石衬底401，移到MOCVD炉中。接着，将衬底加热到1100℃左右进行热清洗，调整各长大层的温度并供给N原料和适当的III族原料来生长层叠结构。这里，构成活性层406的InGaN层的组成调整成发光波长为470nm。这些高层的长大膜厚和长大温度如下所示。
缓冲层402    30nm   500℃
GaN底层403  1μm   1050℃
InGaN/GaN多层膜404
InGaN层   3nm    750℃
GaN层     5.5nm  750℃
n型GaN405 4μm   1050℃
InGaN活性层406
InGaN层 3nm   750℃
GaN层   8nm   750℃
p型AlGaN包层407 50nm   1050℃
p型GaN接触层408 150nm  1050℃
这样，图7的半导体发光元件中，在蓝宝石衬底401上通过1次的结晶生长连续形成各层。因此，即使增多多层膜404，也不降低制造时间、合格率、生产率。之后，形成电极409、410，形成图7的元件。
以上图7的半导体发光元件中，提高光取出效率。此外，图7的元件中，制造时间短，生产率高。即，图7的元件设置多层膜404，因此除来自活性层406的第一发光L1外，从图中上侧还取出来自多层膜404的第二发光L2和反射光L1’，提高光取出效率。图7的元件中，如前所述，多层膜404的形成容易，因此缩短制造时间，提高生产率。
针对此，即使原来的氮化镓系半导体发光元件，光取出效率也比较高。这是由于在氮化镓系半导体发光元件中，蓝宝石401对于来自活性层406的光是透明的。但是，原来的氮化镓系半导体发光元件中，为提高光取出效率，需要在衬底里面形成金属反射层，或向安装元件的反射板进行特殊加工等复杂工序。因此，原来的氮化镓系半导体发光元件中，出现制造时间增长，合格率下降，生产率降低的问题。
这样，本实施例的多层膜404不仅可用于使用不透明衬底的半导体发光元件，还可用于使用透明衬底401的半导体发光元件中。
向本发明的发光元件施加偏置时，波长470nm的蓝色发光通过p侧透明电极409得到。工作电流20mA的发光强度为1.0mW。
以上说明的图7的半导体发光元件中，发光波长为470nm，为蓝色发光，但通过改变活性层407的铟组成，可得到纯绿色发光、蓝色发光、紫外发光等发光。再增大铟组成，可得到红色发光。但是，来自活性层404的第一发光L1的中心波长和来自多层膜402的第一层的第二发光L2的中心波长之差如图2B～2E所示在其混合光的发光光谱不丧失单峰性的范围内为好。或者来自活性层404的第一发光L1的中心波长和来自多层膜402的第一层的第二发光L2的中心波长之差在第一发光L1的光谱的半值宽的0.9倍以下的范围内较好。
以上说明的图7的半导体发光元件中，举出使用蓝宝石衬底401的元件，但除此以外，例如在将SiC、GaN作为衬底的GaN系的发光元件中也得到同样的效果。各层叠层401～408可替代为其他氮化镓系化合物半导体。这里，氮化镓系化合物半导体是包含氮和镓的化合物半导体。
(第四例)
从图8可知，第四实施例的半导体发光元件与第三实施例不同之处之一是使用n型Si衬底501。该n型Si衬底对于来自活性层506的发光不透明，但有大型衬底可廉价地得到的优点。
图8是表示本发明的半导体发光元件的图。图8的元件是氮化镓系半导体发光元件，使用n型Si衬底501。衬底的面方向为(111)。氮化镓系半导体材料与该n型Si衬底501的晶格常数的不同为20％，但通过设置适当的缓冲层502可在这些衬底上结晶生长。该n型Si衬底501对于来自活性层506的第一发光L1不透明。多层膜503～p型GaN接触层508的结构与第三实施例相同，其说明从略。p型GaN接触层508的上面设置作为一侧的电极的p侧电极509。该p侧电极509使用导电性良好的金属。该p侧电极509对于来自活性层506的第一发光L1不透明，因此面积可减小。作为另一侧的电极的n侧电极510设置在部n型Si衬底501的图中下侧的整个面上。图8的元件中，n侧电极510面积大，在图中上下不设置电极509、510，因此，即使p侧电极509的面积有一定的减小，可向活性层506均匀地注入电流而得到均匀的发光。
以上说明的图8的半导体发光元件中，光取出效率高并且成本大大降低。即，n型Si衬底501可广泛用于半导体产业，可得到廉价的大型衬底，加工也容易。该衬底501是导电性的，因此在图中上下形成电极509、510，容易形成电极509、510。因比，图8的半导体发光元件中，成本可大大降低。图8的元件中，由于设置多层膜504，除来自活性层506的第一发光L1外，从图中上侧还取出来自多层膜504的第二发光L2和反射光L1’，提高光取出效率。
针对此，即使不设置多层膜504的原来的氮化镓系半导体发光元件，使用n型Si衬底501时，由于n型Si衬底501对于来自活性层506的第一发光L1不透明，降低光取出效率。
本实施例的发光元件上施加偏置时，波长470nm的蓝色发光通过p侧透明电极509得到。工作电流20mA的发光强度为1.0mW，比没有设置多层膜504的原有元件相比得到大约2倍的光输出。
以上说明的图8的半导体发光元件中，举出使用n型Si衬底501的元件，但除此以外，在使用GaAs衬底的氮化镓系半导体发光元件中也得到同样的效果。
图8的半导体发光元件中，举出使用不透明的p侧电极509的例子，但将其作为与第三实施例(图7)相同的透明电极也可以。
以上举出具体例子说明了本发明的实施例。但是，本发明不限于这些具体例子。
例如，关于第一到第四实施例，举出了几个多层膜(吸收发光部)，但除此以外，根据来自活性层的发光波长和其他结构的参数适当使用各种组合也得到同样的效果。另外，本发明的吸收发光部未必是多层膜，具有吸收发光作用的单一的半导体层也可以。
任一实施例中，元件材料和发光波长不被记载所限定，通过材料特性可对波长调整来使用。具体说，例如，本发明不限于使用III-V族的化合物半导体的发光元件，同样适用于使用II-IV族和IV-VI族、其他各种半导体材料的发光元件。
本发明不限于LED，可适用于半导体激光器等的各种发光元件，另外，可适用于组合其他的受光元件、光调制元件、电子元件的集成型元件。
在不背离本发明的主旨的范围内可作各种变形。

Claims (24)

1.一种半导体发光元件，包括：
通过注入电流产生第一发光的活性层；以及
吸收所述第一发光的一部分、产生中心波长比所述第一发光的长的第二发光的吸收发光部。
2.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述第一发光的中心波长和所述第二发光的中心波长之差，在其混合光的发光光谱不丧失单峰性的范围内。
3.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述第一发光的中心波长和所述第二发光的中心波长之差，在所述第一发光光谱的半值宽度的0.9倍以下的范围内。
4.根据权利要求2所述的半导体发光元件，其特征在于：所述吸收发光部通过交替层叠第一半导体层和其带隙比所述第一半导体层宽的第二半导体层而构成。
在所述第一半导体层中产生所述第二发光。
5.根据权利要求4所述的半导体发光元件，其特征在于：所述吸收发光部的所述第一半导体层的折射率n1和所述第二半导体层的折射率n2不同，所述吸收发光部反射所述第一发光的剩余部分。
6.根据权利要求5所述的半导体发光元件，其特征在于：所述第一发光的中心波长为λ，所述吸收发光部的所述第一半导体层的膜厚为λ/4n1，所述第二半导体层的膜厚为λ/4n2。
7.根据权利要求6所述的半导体发光元件，其特征在于：所述吸收发光部的所述第一半导体层的折射率n1比所述第二半导体层的折射率n2大。
8.根据权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于：所述发光部由InGaAlP构成，所述吸收发光部中的所述第一半导体层由InGaAlP构成，所述第二半导体层由InAlP构成。
9.根据权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于：所述吸收发光部的所述第一半导体层由多层构成。
10.一种半导体发光元件，包括：
对于波长λ的光不透明的GaAs衬底；
吸收发光部，其在所述GaAs衬底上形成，由与所述GaAs衬底晶格匹配的半导体构成，通过交替重叠第一层和第二层而形成，所述第一层的折射率为n1，膜厚为λ/4n1，所述第二层的折射率为n2(n2＜n1)，膜厚为λ/4n2，带隙比所述第一层宽；
第一导电型包层，其在所述吸收发光部上形成，由与所述GaAs衬底晶格匹配的半导体构成；
活性层，其在所述第一导电型包层上形成，由与所述GaAs衬底晶格匹配的半导体构成，通过注入电流发射中心波长为λ的第一光，带隙比所述吸收发光部的所述第一层宽、比所述第一导电型包层窄；
所述吸收发光部吸收来自所述活性层的所述第一光的一部分，从所述第一层发射比所述第一光的中心波长长的第二光；所述吸收发光部反射来自所述活性层的所述第一光的剩余部分；以及
第二导电型包层，其在所述活性层上形成，由与所述GaAs衬底晶格匹配的半导体构成，带隙比所述活性层大。
11.根据权利要求10所述的半导体发光元件，其特征在于：所述第一发光的中心波长和所述第二发光的中心波长之差，在其混合光的发光光谱不丧失单峰性的范围内。
12.根据权利要求10所述的半导体发光元件，，其特征在于：所述第一发光的中心波长和所述第二发光的中心波长之差，在所述第一发光光谱的半值宽度的0.9倍以下的范围内。
13.根据权利要求11所述的半导体发光元件，其特征在于：所述吸收发光部由InAlP、InGaAlP、InGaP、AlGaAs中的任一个构成。
14.根据权利要求13所述的半导体发光元件，其特征在于：所述活性层由InGaAlP构成，所述吸收发光部的所述第一层由InAlP构成，所述吸收发光部的所述第二层由InGaAlP构成。
15.根据权利要求14所述的半导体发光元件，其特征在于：所述吸收发光部的所述第一层和所述第二层层叠20对以上
16.根据权利要求11所述的半导体发光元件，其特征在于：还包括窗口层，其形成在所述吸收发光部和所述第一导电型包层之间由与所述GaAs衬底晶格匹配的半导体构成，带隙比所述活性层大。
17.一种半导体发光元件，包括：
衬底，由蓝宝石、GaN、SiC中的任一个构成；
吸收发光部，其在所述衬底上形成，由氮化硅系化合物半导体构成，通过交替重叠第一层和第二层而形成，所述第一层的折射率为n1，膜厚为λ/4n1。所述第二层的折射率为n2(n2＜n1 )，膜厚为λ/4n2，带隙比所述第一层宽；
第一导电型包层，其在所述吸收发光部上形成，由氮化硅系半导体构成；
活性层，其在所述第一导电型包层上形成，由氮化硅系半导体构成，通过注λ电流发射中心波长为λ的第一光，带隙比所述吸收发光部的所述第一层大、比所述第一导电型包层小；
所述吸收发光部吸收来自所述活性层的所述第一光的一部分，从所述第一层发射比所述第一光的中心波长长的第二光；所述吸收发光部反射来自所述活性层的所述第一光的剩余部分；以及
第二导电型包层，其在所述活性层上形成，由氮化硅系半导体构成，带隙比所述活性层大。
18.根据权利要求17所述的半导体发光元件，其特征在于：所述第一光的中心波长和所述第二光的中心波长之差，在其混合光的发光光谱不丧失单峰性的范围内。
19.根据权利要求17所述的半导体发光元件，其特征在于：所述第一光的中心波长和所述第二光的中心波长之差，在所述第一发光光谱的半值宽度的0.9倍以下的范围内。
20.根据权利要求18所述的半导体发光元件，其特征在于：所述活性层由InGaN构成，所述吸收发光部中的所述第一层由GaN构成，所述吸收发光部的所述第二层由InGaN构成。
21.一种半导体发光元件，包括：
衬底，由Si、GaAs中的任一个构成，对于波长λ的光不透明；
吸收发光部，其在所述衬底上形成，由氮化硅系化合物半导体构成，通过交替重叠第一层和第二层而形成，所述第一层的折射率为n1，膜厚为λ/4n1，所述第二层的折射率为n2(n2＜n1)，膜厚为λ/4n2，带隙比所述第一层宽；
第一导电型包层，其在所述吸收发光部上形成，由氮化硅系半导体构成；
活性层，其在所述第一导电型包层上形成，由氮化硅系半导体构成，通过注入电流发射中心波长为λ的第一光，带隙比所述吸收发光部的所述第一层大、比所述第一导电型包层小；
所述吸收发光部吸收来自所述活性层的所述第一光的一部分，从所述第一层发射比所述第一光的中心波长长的第二光；所述吸收发光部反射来自所述活性层的所述第一光的剩余部分；以及
第二导电型包层，其在所述活性层上形成，由氮化硅系半导体构成，带隙比所述活性层大。
22.根据权利要求21所述的半导体发光元件，其特征在于：所述第一光的中心波长和所述第二光的中心波长之差，在其混合光的发光光谱不丧失单峰性的范围内。
23.根据权利要求21所述的半导体发光元件，其特征在于：所述第一发光的中心波长和所述第二发光的中心波长之差，在所述第一发光光谱的半值宽度的0.9倍以下的范围内。
24.根据权利要求22所述的半导体发光元件，其特征在于：所述活性层由InGaN构成，所述吸收发光部中的所述第一层由GaN构成，所述吸收发光部的所述第二层由InGaN构成。
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