JP5731996B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、半導体基板上に順次成長された分布ブラッグ反射鏡および活性層を備えた面発光型の半導体発光素子に関するものである。

発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）や半導体レーザ（ＬＤ：laser diode)などの半導体発光素子において、発光効率を上げるために分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector)を備えた構成とすることがある（特許文献１、２等）。面発光型の半導体発光素子の場合、一般には、発光層の上下層に備えられたＤＢＲは、共鳴を強めあう構造として特定波長の反射率を高めて、発光効率を大きくすることに寄与する。ＤＢＲは、相対的に高い屈折率を有する層（高屈折率層）と相対的に低い屈折率を有する層（低屈折率層）とが交互に積層した多層膜から構成されるものであり、ＤＢＲの反射波長はＤＢＲを構成する膜の膜厚に非常に敏感である。したがって、ＤＢＲを備えた半導体発光素子の発光効率は、発光波長がずれた時の発光光量（発光効率）の変化も多大である。すなわち、ＤＢＲによる発光効率の増大と、波長ずれによる発光効率の変化の大きさはトレードオフの関係となっている。

一方、半導体発光素子の発光スペクトルは、環境温度変化が大きく、温度が高くなると長波長側に発光波長がずれることが知られている。例えば、ＧａＡｓ-ＡｌＡｓ系のＬＥＤでは、使用環境の温度が約４０℃上昇すると約１０ｎｍ長波長側に波長シフトが生じる。そのため、ＤＢＲを備えた半導体発光素子においては、環境温度の変化により発光量が大きく変化するという問題がある。

特許文献２、３等には、この環境温度変化による発光効率の変動の問題を解決する方法が提案されている。

特許文献２では、活性層下に、活性層から発生する光スペクトルの長波長側および短波長側の光をそれぞれ反射する複数の多層膜反射層を設けることにより、実効的に光スペクトルを広帯域として、環境温度の変化による波長シフトの影響を低減する素子構造が提案されている。

また、特許文献３では、活性層の上層に、第１多層膜層および第２多層膜層と、２つの多層膜の間に挟まれて設けられたスペーサ層とからなるノッチフィルタを備えることにより、環境温度の変化による波長シフトの影響を低減する素子構造が提案されている。

一方、複数の半導体発光素子が１次元あるいは２次元状に配列されてなる露光装置がプリンタやスキャナなどの露光ヘッドに用いられており、このようなアレイ状露光装置においては、配列された複数の半導体発光素子間で光量の均一性が求められる。ここで、光量とは、発光素子の発光波長帯域に亘って積分した光の強度である。

露光装置に用いられる複数の半導体発光素子においても、環境温度の変化による波長シフトにより個々の半導体発光素子の光量は変化する。さらに素子毎にその光量変化の仕方が異なるという現象がみられ、このために環境温度の変化により露光装置に用いられている複数の半導体発光素子間の光量の均一性が保てないという問題がある。

特許文献４には、活性層を挟み下層に反射層、上層に反射層から複数の距離の凹凸を有する面を備えることにより、発光素子の光量の温度変化を抑制した発光装置が提案されている。

特開平６−１９６６８１号公報 特開２００９−７０９２９号公報 特開２００３−３３２６１５号公報 特開２０１０−２１９２２０号公報

一般に、半導体発光素子は、ウエハ上に各層が積層された後に多数のチップに分離形成されるものであり、１枚のウエハから多数の半導体発光素子が作製される。ウエハ上に成膜される積層膜の膜厚は設計値通りにウエハ一面で均一なことが理想であるが、現実的には均一な膜形成は困難であり、膜厚にはばらつきが生じる。その結果として、１枚のウエハにおいて設計値からやや膜厚が小さい部分や大きい部分が生じ、多数のチップに分離された際に、チップ毎に膜厚にばらつきが生じることとなる。基本的にＤＢＲ全体が薄くなる方向へ膜厚がずれるほど反射波長が短波長側にずれる。この膜厚のばらつきによるＤＢＲの反射波長のばらつきが発光波長に対する発光光量の差を生じさせ、また、環境温度変化による光量の変化がチップ毎に異なるという現象を生じさせていると考えられる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、ＤＢＲによる光量増加効果を得つつ、成膜時の膜厚ずれや、環境温度変化によるスペクトルシフトに対する光量変化が抑制され、一枚のウエハから同時に作製される素子間の光量のばらつきが抑えられた半導体発光素子を提供することを目的とする。

本発明の半導体発光素子は、少なくとも基板と、該基板上に設けられた下部分布ブラッグ反射層と、下部分布ブラッグ反射層上に設けられた発光層とを備え、所定の発光ピーク波長λの発光光を出力する半導体発光素子であって、
下部分布ブラッグ反射層中に、ｍλ/２ｎの厚みを有する位相変化層（ここで、ｎは該位相変化層の屈折率、ｍは１以上の整数である。）が少なくとも１層備えられていることを特徴とするものである。

ここで、ｍλ/２ｎの厚みの位相変化層とは、同一の屈折率を有する連続した部分であるが、その中に１５ｎｍ程度以下であれば、異なる屈折率層を備えていてもよい。
なお、ｍλ/２ｎの厚みの定義には±１０％の範囲を含むものとする。すなわち、位相変化層の厚みはｍλ/２ｎ×０.９〜ｍλ/２ｎ×１．１の範囲であればよい。

特には、下部分布ブラッグ反射層中に、位相変化層を２層備えていることが好ましい。

下部分布ブラッグ反射層は、厚みａの低屈折率層と厚みｂの高屈折率層とが交互に２ペア以上積層されてなるものを基本とし、該下部分布ブラッグ反射層を構成する複数の前記低屈折率層および前記高屈折率層のいずれかを厚みｍλ/２ｎとして前記位相変化層とすることが好ましい。

本発明の半導体発光素子は、発光層の上層側に分布ブラッグ反射層を有さず、該発光層の上層側に反射防止層を備えた構成であることが好ましい。

発光層の上層側に分布ブラッグ反射層を有さず、該発光層の上層側に反射防止層を備えた構成であるとき、下部分布ブラッグ反射層中に位相変化層を２層備え、２層のうちの一方が、下部分布ブラッグ反射層を構成するペアのうち最も発光層側に配置されているペアを構成する低屈折率層および高屈折率層のいずれか一方からなり、２層のうちの他方が、下部分布ブラッグ反射層を発光層側を０、基板側を１として割合で分けたときに、下部分布ブラッグ反射層中の０.２４〜０.４６もしくは０.６６〜０.８２の範囲に存在していることが好ましく、２層のうちの他方が、下部分布ブラッグ反射層中の０.２７〜０.３９の範囲に存在していることが特に好ましい。

本発明の半導体発光素子は、発光層の上層に上部分布ブラッグ反射層を備えた構成であってもよい。

発光層の上層に上部分布ブラッグ反射層を備えた構成であるとき、下部分布ブラッグ反射層中に位相変化層を２層備え、２層のうちの一方が、下部分布ブラッグ反射層を構成するペアのうち最も発光層側に配置されているペアを構成する低屈折率層および高屈折率層のいずれか一方からなり、２層のうちの他方が、下部分布ブラッグ反射層を発光層側を０、基板側を１として割合で分けたときに、下部分布ブラッグ反射層中の０.２２〜０.３３の範囲に存在していることが好ましい。

本発明の半導体発光素子は、面発光型の発光ダイオードとして好ましく用いることができる。

本発明の半導体発光素子は、少なくとも基板と、該基板上に設けられた下部分布ブラッグ反射層と、下部分布ブラッグ反射層上に設けられた発光層とを備え、所定の発光ピーク波長λの発光光を出力する半導体発光素子において、下部分布ブラッグ反射層中に、ｍλ/２ｎの厚みを有する位相変化層が少なくとも１層備えられていることにより、下部分布ブラッグ反射層の反射帯域を広帯域化することができ、これにより、環境温度が変化した際の発光量の変化を抑制することができる。

したがって、ＤＢＲによる光量増加効果を得つつ、成膜時の膜厚ずれや、環境温度変化によるスペクトルシフトに対する光量変化が抑制され、一枚のウエハから同時に作製される素子間の光量のばらつきが抑えることができる。

実施形態の半導体発光素子１の断面模式図 実施形態の半導体発光素子について下部ＤＢＲ層における位相変換層挿入位置を説明する断面模式図 設計変更例の半導体発光素子２の断面模式図 設計変更例の半導体発光素子について下部ＤＢＲ層における位相変換層挿入位置を説明する断面模式図 自然発光光のスペクトルを示す図 ウエハ上に成膜した場合の膜厚のばらつきを模式的に示した断面図および平面図 シミュレーション１のＬＥＤの層構成を示す図 平均発光倍率および温度特性ばらつきのλ/２ｎ層の挿入位置による変化を示すグラフ 位相変化層の挿入位置毎の下部ＤＢＲ反射スペクトルを示すグラフ 平均発光倍率および温度特性ばらつきの２層目の位相変化層の挿入位置による変化を示すグラフ シミュレーション３のＬＥＤの層構成を示す図 平均発光倍率および温度特性ばらつきの層厚みによる変化を示すグラフ シミュレーション４のＬＥＤの上部層構成を示す図 上部ＤＢＲ層を備えたＬＥＤについて、平均発光倍率および温度特性ばらつきの２層目の位相変化層の挿入位置による変化を示すグラフ シミュレーション５のＬＥＤの層構成を示す図 位相変化層中に中間層を挿入した場合の平均発光倍率および温度特性ばらつきの中間層の層厚みによる変化を示すグラフ 実施例１のＬＥＤの共振器スペクトルを示すグラフ 実施例１のＬＥＤの自然発光スペクトル、下部ＤＢＲ層および上部ＡＲ層による反射率スペクトルを示すグラフ 実施例２のＬＥＤの層構成を示す図 実施例２のＬＥＤの共振器スペクトルを示すグラフ 比較例１のＬＥＤの共振器スペクトルを示すグラフ 比較例２のＬＥＤの共振器スペクトルを示すグラフ

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る半導体発光素子１の断面模式図および一部拡大図である。
本半導体発光素子１は、ｐ型基板１０上に、下部分布ブラック反射層３０（以下、下部ＤＢＲ層３０とする。）、ｐ型ドープ層１３、発光層２０、ｎ型ドープ層１５、コンタクト層１７および反射防止層１８を備えた面発光型の半導体発光素子である。図中矢印で発光光の光路を模式的に示すように、発光層２０で生じた光は下部ＤＢＲ層３０で反射され、反射防止層１８を透過して面発光する。

各層の組成は特に限定されないが、例えば、基板１０としてｐ型ＧａＡｓ、下部ＤＢＲ層３０としてＡｌＧａＡｓ系半導体多層膜、ｐ型ドープ層１３としてｐ型ＡｌＧａＡｓ、発光層２０としてＡｌＧａＡｓ、ｎ型ドープ層１５としてｎ型ＡｌＧａＡｓ、コンタクト層としてｎ型ＧａＡｓ、反射防止層１８としてＳｉＯ_XもしくはＳｉＮ_Xを用いることができる。なお、ＡｌＧａＡｓ半導体層は、ＡｌとＧａの組成比を変化させることにより、各機能層とすることができる。なお、反射防止層は１層で形成されていてもよいし複数層で形成されていてもよい。反射防止層が１層からなる場合には、反射を抑制したい波長λに対して、λ(２Ｌ−１)/４ｎ(ここで、ｎは反射防止層の屈折率、Ｌは１以上の整数)とする。

図１の一部拡大図に示すように、下部ＤＢＲ層３０は、相対的に低い屈折率を有する低屈折率層３１と相対的に高い屈折率を有する高屈折率層３２とが交互に積層されてなる多層膜である。一般的なＤＢＲ層の基本構造は、厚みａの低屈折率層３１と厚みｂの高屈折率層３２とのペアを２組以上（合計４層以上）含む多層膜構造であり、発光波長域の光を効率的に反射するように構成されている。低屈折率層と高屈折率層の各厚みａ、ｂは一般にそれぞれλ/４ｎ（ここでλは所望の反射中心波長、ｎはそれぞれの層の屈折率である。）近傍である。

本実施形態においては、下部ＤＢＲ層３０中に厚みがｍλ/２ｎの位相変化層３３を備えていることを特徴とする。λは発光ピーク波長であり、ｎは位相変化層の発振ピーク波長に対する屈折率、ｍは１以上の整数である。本実施形態においては、位相変化層３３は低屈折率層組成から構成されている。
なお、半導体発光素子を作製する場合の各層の成膜工程においては、膜厚に設計値から最大で±１０％程度の誤差が生じ得る。したがって、本明細書における膜厚は、それぞれ±１０％の厚み誤差を許容するものとする。

また、半導体発光素子において発光量向上を図る場合には、一般には下部ＤＢＲ層に加えて、発光層の上層に上部ＤＢＲ層を備えて、上下ＤＢＲ層間で共鳴を生じさせる構造とするのが一般的であるが、本実施形態の半導体発光素子は上部ＤＢＲ層を備えない構成である。

上記構成の素子は一般に、ウエハ上にＭＯＣＶＤ法等の成膜方法により各層が順次成膜された後に、チップ化されて製造される。ウエハ上への成膜時には、各半導体膜が均一な膜厚で形成されることが理想ではあるが、既述の通り現実には、ウエハ上において厚みにばらつきが生じる。この厚みのばらつきは材料の種類や成膜法によって様々であるが、±１０％程度のばらつきが生じうる。ＤＢＲは膜厚に非常に敏感であることから、ウエハ上における膜厚のばらつきは、チップ化されて形成される素子毎の温度特性にばらつきを生じる原因となる。しかしながら、本実施形態の構成の素子であれば、製造時に膜厚のばらつきが生じた場合にも、ＤＢＲによる光量の増大効果を維持しつつ、１枚のウエハから得られた複数の素子間で、温度特性ばらつきが非常に抑制されたものを作製することができる。

上記実施形態においては、下部ＤＢＲ層３０中にｍλ/２ｎの厚みを有する位相変化層３３を２層備えるものとしたが、１層のみであっても、位相変化層を備えないＤＢＲ層と比較すると温度特性ばらつきを抑制する効果を得ることができる（後記シミュレーション１参照。）。

位相変化層３３を備えることにより、下部ＤＢＲ層の反射帯域を広げることができ、結果として発光量の増強効果を維持しつつ、温度変化に対する光量変動を抑制することができると考えられる。

しかしながら、下部ＤＢＲ層３０中に位相変化層３３を２層備えれば、温度特性ばらつきを抑制する効果がより顕著なものとなるため、より好ましい。
下部ＤＢＲ層３０中に２層の位相変化層を備える場合、１層目の位相変化層３３は、図２に下部ＤＢＲ層３０の模式断面図を示すように、最も発光層２０寄りのペア中に配置することが好ましい。そして、図２に示すように第１層目の位相変化層３３が配置された状態の下部ＤＢＲ層の厚みを発光層側を０、基板側を１としたときに、２層目の位相変化層３３を、０.２４〜０.４６もしくは０.６６〜０.８２の範囲、特には０.２７〜０.３９に位置させることにより、より温度特性ばらつきを抑制する効果を得ることができる（後記シミュレーション２参照。）。なお、これらの割合の範囲に一部でも重なっている層の厚みをｍλ/２ｎとすればよい。

図３は上記実施形態の設計変更例の半導体発光素子２を示す断面模式図である。ここでは、発光層２０の上方に上部ＤＢＲ層３５を備えている。下部ＤＢＲ層３０の構成は上記とほぼ同様であり、同様に光量増強効果を得つつ、温度特性ばらつきを抑制するという効果を得ることができる。
但し、本構成において、下部ＤＢＲ層３０中に２層の位相変化層を備える場合の好ましい配置の範囲が上述の実施形態とは異なる。１層目の位相変化層３３は、図４に下部ＤＢＲ層３０の模式断面図を示すように、最も発光層２０寄りの２ペア中に配置することが好ましい。一方、２層目の位相変化層は、図４に示すように第１層目の位相変化層が配置された状態の下部ＤＢＲ層の厚みを発光層側を０、基板側を１としたときに、０.２２〜０.３３の範囲に配置されていることが好ましい（後記シミュレーション４参照。）。

ＤＢＲ層と発光層とは、同一組成系であることが製造上の煩雑さを防ぐために好ましい。位相変化層は基本のＤＢＲ層を構成する層の組成とは全く異なる組成から構成してもよいが、基本のＤＢＲ層を構成する高屈折率層あるいは低屈折率層の組成を用いることが製造工程の容易化の点から好ましい。なお、上記実施形態では低屈折率層の厚みを変化させるものとしたが、高屈折率層の厚みを変化させても同様の効果を得ることができる。

また、位相変化層を複数層備えた構成とする場合、実際の作製に当たっては、異なる組成の層および/または異なる膜厚の位相変化層を形成するためには、それぞれの組成と膜厚に対して条件出しをしなければならないため、開発コストの上昇を伴うこととなる。したがって、位相変化層を複数層形成する場合には、同一組成の層から構成するものとし、また、位相変化層を一方で厚みはλ/２ｎが最適であるため（後記シミュレーション３参照）、同じ厚さ（λ/２ｎ）とするのが好ましい。

なお、上記実施形態において説明した、ｍλ/２ｎの厚みを有する位相変化層は、その内部に１５ｎｍ程度までの極薄い層が挿入されていても構わない（後記シミュレーション５参照）。１５ｎｍ程度までの薄い層であれば内部に挟みこまれていても位相変化層としての機能を損なうことなく、温度特性ばらつき抑制の効果を十分に得ることができる。

以下、ＤＢＲによる発光量増強効果を維持しつつ、周囲の環境温度変化および作製上の膜厚のばらつきによる半導体発光素子の光量の温度変化（温度特性）を抑制するための本発明の構成の効果および好ましい構成を見出すに至ったシミュレーションおよび実施例、比較例について説明する。

＜シミュレーション手法＞
まず、シミュレーション手法について説明する。

以下の検討においては、常温で７８０ｎｍに発光ピーク波長を有するＧａＡｓ−ＡｌＡｓ系の発光素子について検討した。ここで用いたＧａＡｓ−ＡｌＡｓ系の発光素子の自然発光スペクトルを図５に示す。常温から約４０℃温度が上昇したときには、この自然発光スペクトルが１０ｎｍ長波側にシフトするもの（図５中破線で示す。）とした。自然発光スペクトルとは発光層で発光した光のスペクトルそのものであり、ＤＢＲの影響を受けないスペクトルである。

実際の成膜時においては、ウエハ上での厚みずれは材料の種類や成膜法によって様々であるが、最大で±１０.０％程度の厚みずれが生じ得る。一方で、成膜条件や対象とする材料の工夫等によりこの厚みずれは±２.５％程度まで抑えることができる。そこで、以下のシミュレーションにおいては、厚みのずれが±２.５％であると仮定した。

図６に模式断面図を示すように１枚のウエハ上に形成された±２.５％の範囲で膜厚が異なる５つの素子を仮定して温度特性のばらつき、および平均発光倍率をシミュレーションにより求め、これらに基づいてＬＥＤ構造を評価した。膜厚の異なる５つの素子として、図６の平面図に模式的に示す１〜５の位置に対応する、基準厚みより２.５０％薄くなった素子１、基準厚みより１.２５％薄くなった素子２、基準厚みの素子３、基準厚みより１.２５％厚くなった素子４、基準厚みより２.５０％厚くなった素子５を仮定した。

温度特性のばらつきは以下のように求めた。
まず、各素子構造から共振器スペクトルＲi（λ）を求める（ｉは素子番号でありｉ＝1,２,３,４,５である。以下において同様とする。）。
共振器スペクトルは、発光層から全ての波長で同じ強度の光が発光した場合に素子から出力される光のスペクトルであり、発光層の発光スペクトルとは無関係に定まるものである。ここでは、共振器スペクトルを、吸収のある多層膜の内部発光計算を用いたシミュレーションにより求めた。具体的には、『光学薄膜の基礎理論』（小檜山光信著、オプトロニクス社）などを参考に外部入射の多層膜計算を行い、発光層内の位相差を別途計算することで内部発光を計算した。なお、同様の計算は、FLUXiM AG社のSETFOSのような内部発光計算ソフトウェアで再現することもできる。

次に、共振器スペクトルＲi（λ）と自然発光スペクトルＳ(λ)を掛け合わせて、波長について積分し、各素子について発光量Ｐi（i＝１,２,３,４,５）を求める。
Ｐi∝∫（Ｓ(λ)×Ｒi（λ）)dλ

環境温度が４０℃上昇したとき、常温の自然発光スペクトルがそのまま長波長側に１０ｎｍシフトするものとし、１０ｎｍ長波長側にシフトしたスペクトルＳ'(λ）を用いて、各素子について発光量Ｐi’を求める。
Ｓ'(λ)＝Ｓ（λ−１０ｎｍ）
Ｐi’∝∫（Ｓ'(λ)×Ｒi(λ）)dλ

次に、ＰiとＰi’の差分をとり、温度に対する発光量の変化量を求める。ここでは、４０℃の環境温度変化に対応する変化量であるので、そこから１℃当たりの光量変化（単位：/℃）を求める。
dＰi/dＴ＝（Ｐi'-Ｐi）/４０
２）上記のようにして、５つの素子１〜５について、それぞれ単位温度当たりの光量変化dＰi/dＴ（i＝１,２,３,４,５）を求め、そのうちの最大値（Ｍａｘ（dＰi/dＴ）)と最小値（Ｍｉｎ（dＰi/dＴ）)を抽出する。この最大値と最小値との差を温度特性のばらつき（温特ばらつき）δとする。
δ＝Ｍａｘ（dＰi/dＴ）−Ｍｉｎ（dＰi/dＴ）

ＤＢＲ層による平均発光倍率は以下のように求めた。
ＤＢＲ層を備えていないＬＥＤについての発光光強度Ｐ₀を求め、５つの素子１〜５についての発光倍率Ｐi/Ｐ₀を求め、５つの素子の発光倍率の平均値を平均発光倍率Ｍとする。なお、以下において、平均発光倍率を単に発光倍率をいうことがある。
Ｐ_０∝∫(Ｓ(λ))ｄλ
Ｐi/Ｐ_０＝∫(Ｓ(λ)×Ｒi(λ))dλ/∫(Ｓ(λ))dλ
Ｍ＝[ΣＰi/Ｐ₀]/５

以下のシミュレーションにおいては、ＧａＡｓ基板を用い、下部ＤＢＲ層、ＡｌＧａＡｓ系の発光層を備えた素子を仮定した。ＤＢＲ層は相対的に高い屈折率を有するＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓと、相対的に低い屈折率を有するＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓとを交互に積層してなる多層膜からなるものとした。高屈折率層および低屈折率層の各１層ずつを１ペアとし、下部ＤＢＲ層は１９.５ペアを基本とした。

＜シミュレーション１＞
図１に示す構造の発光ダイオード（ＬＥＤ）であって、図７の表に具体的に示す層構成のＬＥＤについて検討した。図７の表の各層がＬＥＤにおけるどの機能層に相当するかについては図１に用いた符号を付して詳細な説明を省略する（以下において層構成を表で示す場合は同様とする。）。本検討のＬＥＤは、ＧａＡｓ基板１０上に下部ＤＢＲ層３０、ｎ型ドープ層(Al280)１３、発光層（active)２０、ｐ型ドープ層(Al280)１５、コンタクト層１７および反射防止層(SiN)１８を備えている。発光層２０の厚みは発光層の屈折率ｎ_aとしたときλ/２ｎ_a（＝１０８ｎｍ）である。なお図７の表中において、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ層についてはＡｌに続く数値ｘ×1000で示している（以下において、同様である。）。例えば、Al900はＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ低屈折率層であり、Al300はＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ高屈折率層を示す。

図７の表に示す通り、下部ＤＢＲ層３０中のＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ低屈折率層３１に、最も活性層に近い側から順次番号(Ｎｏ.)を振り、Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ低屈折率層３１のいずれか１層の厚みをλ/２ｎの光学長を持つ厚み(＝０．１２４μｍ)に変化させたときの平均発光倍率と温度特性のばらつきをシミュレーションにより求めた。低屈折率層３１のうち最も発光層２０側がＮｏ.１、最も基板１０側がＮｏ.２０である。なお、発光倍率の基準とする素子構造には、表の中の下部ＤＢＲ層３０をすべてなくして、その代わりにＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層のみを備えた構造を用いた。結果を表１に示す。

表１の結果を図８のグラフに示す。ここで挿入位置は、下部ＤＢＲ層の最も発光層側の面を０、基板との界面を１としたときのλ/２ｎに変換した層の基板側の面の位置の割合で示している。

λ/２ｎ層の挿入位置により温度特性のばらつきが大きく変化していることが分かる。１層のみの場合には、０.２４〜０.３５、０.５５〜０.８７の範囲で温度特性ばらつきが０.４５％/℃以下となる。

＜シミュレーション２＞
次に、図７に示す層構成のＬＥＤの下部ＤＢＲ層３０について、下部ＤＢＲ層中のＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ低屈折率層３１のうち、最も発光層２０に近い層Ｎｏ.１の厚みをλ/２ｎ(＝０.１２４μｍ)とし、さらにＮｏ.２〜２０のいずれかの厚みをλ/２ｎ(＝０.１２４μｍ)に変化させ２層目の位相変化層とした場合について、内部発光多層膜シミュレーションにより分析を行った。なお、１層目の位相変化層をＮｏ.１に配置することにより、発光層に反射される光の位相をうまく調整する役割を有することが期待される。

下部ＤＢＲ層中のＮｏ.２，４，６，８，１１および１６の層を２層目の位相変化層とした場合について、下部ＤＢＲ反射率のスペクトルを図９に示す。
また、下部ＤＢＲ層中のＮｏ.２〜２０のいずれかを２層目の位相変化層とした時の、ＤＢＲ反射設計中心波長（７７５ｎｍ）に対する反射率は表２に示す通りである。

図９に示すように、位相変化層の挿入位置によって、特に中央波長（設計中心波長）の反射率が低くなると同時に、反射率の帯域が広がることがわかる。また、ＤＢＲの中心位置（本例では、Ｎｏ.１０と１１の間にある。）に対称な挿入位置でスペクトル形状がほぼ同じ形状になる（例えば、図９において、Ｎｏ.６とＮｏ.１６とは略同一のスペクトルを示している）。

２層目の位相変化層を下部ＤＢＲ層中に挿入することによって、２層目の位相変化層の上側のＤＢＲ層による反射波と下側のＤＢＲ層による反射波の位相が互いに打ち消しあいの関係となり、上下のＤＢＲ層の数を同じにすることで、ＤＢＲ設計波長での反射波はほぼ完全に打ち消しあい反射波が生じなくなり、中心位置以外に挿入した場合も、同様の現象で設計波長での反射が低減すると考えられる。一方で、ＤＢＲ設計波長からずれた波長においては、もともとＤＢＲによって打ち消しあいの関係で反射波がなくなっていたところが、位相変化層を挿入したことにより打ち消しあいの関係が弱くなり、ある程度反射するようになる。このように下部ＤＢＲ層中に挿入された位相変化層が、反射スペクトルの広帯域化にも寄与していると考えられる。

次に、下部ＤＢＲ層中のＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ低屈折率層のうち、最も発光層に近い層Ｎｏ.１の厚みをλ/２ｎ(＝０.１２４μｍ)とし、さらにＮｏ.２〜２０のいずれかの厚みをλ/２ｎ(＝０.１２４μｍ)に変化させた場合について、それぞれ平均発光倍率と温度特性ばらつきを求めた。結果を表３に示す。

図１０に、表３をグラフにして示す。
既述の通り、下部ＤＢＲ層の反射率のみの検討ではＤＢＲ中心を対称に上下で差は現れなかったが、全体の発光を考えると、発光層界面の反射などとの共振器を形成するために上下で差が現れた。ここでは、２層目の位相変化層を、発光層側を０、基板側を１として割合で示すと０.２４〜０.４６もしくは０.６６〜０.８２の範囲に配置すると温度特性のばらつきを０.２％/℃以下にできることが明らかになった。また、０.２７〜０.３９の範囲とすることにより温度特性のばらつきを０.１％/℃以下とすることができ、特に好ましいことが分かった。

＜シミュレーション３＞
次に、図１１の表に示す層構成のＬＥＤにおいて、下部ＤＢＲ層３０中のＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ低屈折率層３１のうち、Ｎｏ.１およびＮｏ.７の厚みｔを４ｎｍ〜２９２ｎｍの範囲で１２ｎｍおきに変化させた場合について、それぞれ平均発光倍率と温度特性ばらつきを求めた。図１１には、Ｎｏ.７の厚みｔ＝０の場合とｔ＝λ/２ｎの場合とについてＮｏ.６〜Ｎｏ.８の層構成の模式断面図を併せて示している。結果を表４に示す。

図１２に、表４をグラフにして示す。図１２に示す通り、温度特性ばらつきも光量倍率も膜厚の変化に対して周期的に変化することが明らかになった。温度特性ばらつきが極小値を示すのは、光学膜厚がほぼ０,λ/２ｎ（＝１２４ｎｍ）,λ/ｎに一致するときであることが明らかになった。周期的に変化していることから、ｔ＝ｍλ/２ｎにおいて温度特性ばらつきは略極小値を示すものと一般化可能と考えられる。ｔが０のとき（ｍ＝０のとき）は、図１１中に例を示すように、Ｎｏ.７の層はなくなり上下の高屈折率層３２によりほぼλ/２ｎの層が形成されることになるため、温度特性ばらつきの抑制については同様の効果が得られたと考えられる。本例においては、ｍ＝０のとき高屈折率層３２が略λ/２ｎであり位相変化層を構成しているといえる。なお、Ｎｏ.１、Ｎｏ.７の層厚ｔが０のとき（ｍ＝０）の発光倍率はｔがλ/２ｎ（ｍ＝１）あるいはλ/ｎ（ｍ＝２）のときと比較して小さい。これはｍ＝０は、実効的にＤＢＲの層数を減らすことと等価であるためと考えられる。なお、ｍが２以上では、ほとんど効果は変わらず膜厚が大きくなる分コストアップすることを考慮すると、層厚ｔとしては、λ/２ｎ（ｍ＝１）のときが特に好ましい。

＜シミュレーション４＞
図３に示す構造の発光ダイオード（ＬＥＤ）であって、発光層２０より上層の層構成として図１３の表に具体的に示す層構成を有するＬＥＤについて検討した。発光層２０より下層側の層構成はシミュレーション２のＬＥＤと同一とした。図１３の表の各層がＬＥＤにおけるどの機能層に相当するかについては図３に用いた符号を付して詳細な説明を省略する。シミュレーション２と同様に、下部ＤＢＲ層中のＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ低屈折率層３１のうち、最も発光層２０に近い層Ｎｏ.１の厚みをλ/２ｎ(＝０.１２４μｍ)とし、さらにＮｏ.２〜２０のいずれかの厚みをλ/２ｎ(＝０.１２４μｍ)に変化させ２層目の位相変化層とした場合について、平均発光倍率と温度特性ばらつきを求めた。結果を表５に示す。

図１４に、表５をグラフにして示す。
本シミュレーションにより、上部ＤＢＲ層３５を備えた素子構成においては、２層目の位相変化層を、発光層側を０、基板側を１として割合で示したとき０.２２〜０.３３の範囲に配置すると温度特性のばらつきを０.２％/℃以下にできることが明らかになった。

＜シミュレーション５＞
次に、図１５の表に示す層構成のＬＥＤについて検討した。本シミュレーション５では、シミュレーション３、図１１に示した下部ＤＢＲ層３０においてＮｏ.１およびＮｏ.７の低屈折率層の厚みがλ/２ｎ（＝１２４ｎｍ）の位相変化層である構造を基本とし、Ｎｏ.７の低屈折率層の厚み方向中央位置にＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層３４を挿入した構成について検討した。図１５に模式的に示す通り、Ｎｏ.７の層をλ/４ｎ（＝６２ｎｍ）ずつに分けて、その間に挿入したＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層３４挿入した構成について、その層厚を５ｎｍ〜８０ｎｍの間で５ｎｍずつ変化させた場合の平均発光倍率と温度特性ばらつきについて求めた。結果を表６に示す。

図１６に表６をグラフとして示す。
中間に挿入する層３４の層厚Ｓが大きくなるほど温特のばらつきは大きくなり、層３４の上下層と光学的な長さがほぼ等しくなる５６ｎｍ付近で温特ばらつきの大きさが最大となる。一方で、層厚Ｓが１５ｎｍ以下の厚みであれば、温特ばらつきを０．２％/℃以下にすることができることが明らかになった。すなわち、ｍλ/２ｎの厚みを有する位相変化層中に挿入層を備えても１５ｎｍ以下であれば、十分に発光増強効果と温度特性のばらつき抑制効果を両立することができる。

以上のシミュレーションは、ＡｌＧａＡｓ系半導体発光素子について行っているが、下部ＤＢＲ層内に位相変化層を備えることによる温度特性ばらつき抑制効果は組成に拘わらず同様の傾向を示すと考えられる。

以下、本発明の半導体発光素子の実施例および比較例について説明する。
以下の実施例および比較例について、それぞれ上述のシミュレーション手法により平均光量ばらつきおよび温度特性ばらつきを求めた。

[実施例１]
実施例１は、シミュレーション２の図１１に示す層構成において、Ｎｏ.１、Ｎｏ.７の低屈折率層の厚みｔをλ/２ｎの厚みにしたＬＥＤとした。この素子についてシミュレーションにより求められた共振器スペクトルを図１７に示す。また、自然発光スペクトルおよび下部ＤＢＲ層による発光ピーク波長に対する反射率、上部ＡＲ層による発光ピーク波長に対する反射率を図１８に示す。

[実施例２]
実施例２は、図１９に示す層構成のＬＥＤとした。本素子は、下部ＤＢＲ層において、Ｎｏ.１、Ｎｏ.７の低屈折率層の下層の高屈折率層３２を位相変化層としてλ/２ｎ（＝１１６ｎｍ）の膜厚に変化させたものである。本素子についてシミュレーションにより求められた共振器スペクトルを図２０に示す。

[実施例３]
実施例３は、シミュレーション５の図１５に示す層構成において、Ｎｏ.７の低屈折率層中に挿入した層３４の厚みＳを１０ｎｍとしたＬＥＤとした。

[比較例１]
比較例１は、発光層２０およびその下層は図７の表に示す層構成であり、発光層２０より上層は図１３に示す上部ＤＢＲ層３５を備えた層構成のＬＥＤとした。すなわち、本素子は、１９.５ペアの層からなる下部ＤＢＲ層３０、５ペアの層からなる上部ＤＢＲ層３５を備え、ｍλ/２ｎの位相変化層を備えていない素子である。本素子についてシミュレーションにより求められた共振器スペクトルを図２１に示す。

[比較例２]
比較例１は、図７の表に示す層構成とした。すなわち、本素子は、１９.５ペアの層からなる下部ＤＢＲ層を備え、発光層の上層にはＤＢＲ層を備えずＡＲ構造を備えた素子であり、ｍλ/２ｎの位相変化層を備えていない素子である。本素子についてシミュレーションにより求められた共振器スペクトルを図２２に示す。

実施例１〜３、比較例１および２についての平均発光倍率および温度特性のばらつきを上記シミュレーション手法により求めた結果を表７に示す。

表７に示す通り、実施例１は、発光層の上下にＤＢＲ層を備えた従来の素子構成（比較例１）に対して、温度特性のばらつきが１/２０以下であり、非常に高い温度特性のばらつき抑制効果を示すものであった。実施例１、２は、いずれも０.１％/℃以下の非常に高い温度特性のばらつき抑制効果を得ることができ、これは、λ/２ｎの厚みにする層は、低屈折率層であっても高屈折率層であってもよいことを示すものである。

本発明の半導体発光素子は、同一ウエハ上に作製された互いに膜厚にばらつきを有する複数のＬＥＤを用い、この光量を一定する必要があるＬＥＤアレイ露光装置などに適用される場合に極めて大きい効果を発揮する。

１、２ 半導体発光素子
１０ 基板
１３ ｐ型ドープ層
１５ ｎ型ドープ
１７ ｎ型コンタクト層
１８ 反射防止層
２０ 発光層
３０ 下部分布ブラッグ反射層
３１ 低屈折率層
３２ 高屈折率層
３３ 位相変化層
３５ 上部分布ブラッグ反射層

Claims (7)

1. 少なくとも基板と、該基板上に設けられた下部分布ブラッグ反射層と、前記下部分布ブラッグ反射層上に設けられた発光層とを備え、所定の発光ピーク波長λの発光光を出力する半導体発光素子であって、
   前記下部分布ブラッグ反射層中に、ｍλ/２ｎの厚みを有する位相変化層（ここで、ｎは該位相変化層の屈折率、ｍは１以上の整数である。）が少なくとも１層備えられており、
   前記発光層の上層側に分布ブラッグ反射層を有さず、該発光層の上層側に反射防止層を備えていることを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記下部分布ブラッグ反射層中に、前記位相変化層を２層備えていることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記下部分布ブラッグ反射層中に前記位相変化層を２層備え、
   該２層のうちの一方が、前記下部分布ブラッグ反射層を構成する前記ペアのうち最も前記発光層側に配置されているペアを構成する前記低屈折率層および前記高屈折率層のいずれか一方からなり、
   前記２層のうちの他方が、前記下部分布ブラッグ反射層を前記発光層側を０、基板側を１として割合で分けたときに、該下部分布ブラッグ反射層中の０.２４〜０.４６もしくは０.６６〜０.８２の範囲に存在していることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子
4. 前記２層のうちの他方が、前記下部分布ブラッグ反射層中の０.２７〜０.３９の範囲に存在していることを特徴とする請求項３記載の半導体発光素子。
5. 少なくとも基板と、該基板上に設けられた下部分布ブラッグ反射層と、前記下部分布ブラッグ反射層上に設けられた発光層とを備え、所定の発光ピーク波長λの発光光を出力する半導体発光素子であって、
   前記発光層の上層に上部分布ブラッグ反射層を備えており、
   前記下部分布ブラッグ反射層中に、ｍλ/２ｎの厚みを有する位相変化層（ここで、ｎは該位相変化層の屈折率、ｍは１以上の整数である。）を２層備えており、
   該２層のうちの一方が、前記下部分布ブラッグ反射層を構成する前記ペアのうち最も前記発光層側に配置されているペアを構成する前記低屈折率層および前記高屈折率層のいずれか一方からなり、
   前記２層のうちの他方が、前記下部分布ブラッグ反射層を前記発光層側を０、基板側を１として割合で分けたときに、該下部分布ブラッグ反射層中の０.２２〜０.３３の範囲に存在していることを特徴とする半導体発光素子。
6. 前記下部分布ブラッグ反射層が、厚みａの低屈折率層と厚みｂの高屈折率層とが交互に２ペア以上積層されてなるものを基本とし、該下部分布ブラッグ反射層を構成する複数の前記低屈折率層および前記高屈折率層のいずれかが前記厚みａもしくはｂとは異なる前記ｍλ/２ｎの厚みをする前記位相変化層を構成していることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の半導体発光素子。
7. 面発光型の発光ダイオードであることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載半導体発光素子。