JPH04328877A - チャープ状光反射層を備えた半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はチャープ状光反射層を備
えた半導体装置の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光通信や表示器、センサなどに発光ダイ
オードが多用されている。かかる発光ダイオードは、半
導体基板の上に液相成長法や気相成長法などのエピタキ
シャル成長法により光を発する活性層を形成したもので
、このような発光ダイオードの一種に、活性層で発生し
た光をその活性層と略平行に形成された光取出し面から
取り出す面発光型のものがある。

【０００３】ところで、発光ダイオードの光出力は、電
気エネルギーを光エネルギーに変換する際の内部量子効
率と、発生した光を外部に取り出す際の外部量子効率と
によって定まるが、前記面発光型発光ダイオードの場合
、例えばブラッグ反射として知られているように光波干
渉によって光を反射する光反射層を前記活性層を挟んで
光取出し面と反対側に設け、光取出し面の反対側へ進行
した光を反射して外部量子効率を上げることにより光出
力を向上させるようにしたものが知られている。上記光
反射層は、組成が異なる複数種類の半導体が重ね合わさ
れた単位半導体を繰り返し積層した多層構造を成し、そ
れ等の屈折率の相違に基づいて特定の波長の光を反射す
るもので、例えばＡｌＸ　Ｇａ１−Ｘ　Ａｓにて構成さ
れる赤外或いは赤色発光ダイオードの場合、所定の厚さ
のＡｌＡｓとＧａＡｓとを交互にエピタキシャル成長さ
せることによって光反射層が形成されている。かかるＡ
ｌＡｓおよびＧａＡｓの厚さＴＡ　、ＴＧ　は、ＡｌＸ
　Ｇａ１−Ｘ　Ａｓの発光波長すなわち反射すべき光の
波長をλＢ　、ＡｌＡｓの屈折率をｎＡ　、ＧａＡｓの
屈折率をｎＧ　とすると、それぞれ次式（１）、（２）
に従って求められ、それ等を重ね合わせた単位半導体の
厚さＴは（ＴＡ　＋ＴＧ　）となる。

【０００４】 　　　　ＴＡ　＝λＢ　／４ｎＡ　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・
・（１）　　　　ＴＧ　＝λＢ　／４ｎＧ　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　・・・（２）

【０００５】しかしながら、このよう
な光反射層で反射できる光は光波干渉の条件を満たす特
定の波長の光だけで、その反射波長幅が比較的狭く、且
つその波長は上記（１）式、（２）式に示される如く単
位半導体の厚さや屈折率に依存する。したがって、光反
射層を構成する半導体の厚さや組成が少し変化しただけ
でも、活性層から発せられる光の波長域から反射波長域
がずれて光出力が低下してしまい、製造に非常な困難を
伴うという問題があった。因に、ＧａＡｓ赤外発光ダイ
オードの場合、その発光波長は８８０ｎｍを中心として
約±３５ｎｍの広がりを持っており、この発光波長域を
完全にカバーするには極めて正確な膜厚制御技術を要す
る。また、大きな基板にエピタキシャル成長させる場合
、基板面上の膜厚を厳密に均一に成長させることは困難
であり、膜厚の不均一により反射波長の面内不均一が生
じて歩留まりが低下するといった問題も含んでいた。

【０００６】これに対し、上記単位半導体の膜厚を変化
させて反射波長域を拡大することが考えられている。す
なわち、光反射層による光の反射波長は上記のように単
位半導体の膜厚によって定まるため、例えば、所定の積
層数毎に単位半導体の膜厚を段階的に変化させたり、連
続して積層される単位半導体の一つ一つの膜厚を連続的
に変化させたりするのである。このような光反射層によ
れば、製造時の僅かな制御誤差等により各半導体の厚さ
や組成が変化しても、活性層から発せられる光の波長域
が光反射層の反射波長域からずれることが良好に防止さ
れ、光反射層による光出力向上効果が十分に得られるよ
うになるとともに、そのような光反射層を備えた面発光
型発光ダイオードを容易に製造できるようになる。また
、大きな基板にエピタキシャル成長させる場合でも、基
板面上の膜厚の不均一により反射波長の面内不均一が生
ずることによる歩留まりの低下が良好に回避される。 本明細書においては、このように単位半導体の膜厚を段
階的若しくは連続的に変化させた光反射層を便宜的にチ
ャープ状光反射層という。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなチャープ状光反射層の光反射特性について研究を重
ねたところ、短波長側における光の反射率向上効果が必
ずしも十分でないことを見出した。これは、光反射層を
構成している半導体が光を吸収するためと考えられ、具
体的にはその半導体の吸収端エネルギーにおける波長λ
Ｃ　より長い波長の光は吸収しないが短い波長の光は吸
収するため、短波長側の光の反射率がその分だけ低下し
てしまうのである。前記ＧａＡｓおよびＡｌＡｓから成
る光反射層の場合、ＧａＡｓの吸収端波長λＣは８８０
ｎｍであるため、ＧａＡｓ赤外発光ダイオードの発光波
長域８８０±３５ｎｍの短波長側の半分の光は反射層の
吸収を受けて光の反射率が低下する。この対策としては
、吸収端波長λＣ　が最短波長８４５ｎｍよりも短いＡ
ｌ０．２　Ｇａ０．８　ＡｓをＧａＡｓの替わりに用い
ることが考えられるが、混晶比の制御が困難で屈折率が
ばらつくとともに、ＡｌＡｓとの屈折率の差が小さくな
って光波干渉上好ましくない。

【０００８】本発明は以上の事情を背景として為された
もので、その目的とするところは、光吸収による短波長
側の反射率の低下を簡単な手法で防止することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに、本発明は、組成が異なる複数種類の半導体が重ね
合わされた単位半導体が繰り返し積層されて入射した光
を光波干渉によって反射するとともに、その単位半導体
の厚さが変化させられて反射波長域が拡大されたチャー
プ状光反射層を備えた半導体装置において、前記単位半
導体の厚さが薄いもの程光の入射側に設けられているこ
とを特徴とする。

【００１０】

【作用および発明の効果】すなわち、厚さが薄い単位半
導体は前記（１）式および（２）式から明らかなように
短波長側の光を反射するため、これを光の入射側に設け
ると、その短波長側の光は光反射層の奥深くまで入射す
ることなく反射されるようになり、光反射層による吸収
が防止されて反射率が向上するのである。一方、長波長
側の光は光反射層の奥深くまで入射して反射されること
になるが、この長波長側の光は光反射層によって吸収さ
れないため、これにより反射率が低下することはない。 したがって、長波長側の光の反射率を損なうことなく短
波長側の光の反射率が向上させられることとなり、広い
波長域の光がその全域に亘って良好に反射されるように
なるのである。

【００１１】また、かかる本発明では、厚さが薄い単位
半導体を光の入射側に設けるだけで良いため、入射光の
波長域よりも吸収端波長λＣ　が短い半導体を用いて光
反射層を構成する場合に比較して、半導体組成を細かく
制御したり屈折率の差が小さくなったりするなどの問題
がなく、所定の光反射特性を有するチャープ状光反射層
を安定して簡単に形成することができる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳
細に説明する。

【００１３】図１は、本発明の一実施例である面発光型
発光ダイオード１０の構造を説明する図で、ｎ−ＧａＡ
ｓ基板１２上にはｎ−ＡｌＡｓ／ｎ−ＧａＡｓ光反射層
１４、ｎ−Ａｌ０．４５Ｇａ０．５５Ａｓクラッド層１
６、ｐ−ＧａＡｓ活性層１８、ｐ−Ａｌ０．４５Ｇａ０
．５５Ａｓクラッド層２０、およびｐ−ＧａＡｓキャッ
プ層２２が順次積層されており、クラッド層１６、活性
層１８、およびクラッド層２０によってダブルヘテロ構
造が構成されている。キャップ層２２の上面２４の一部
および基板１２の下面には、それぞれ＋電極２６、−電
極２８が設けられており、それ等の間に順電圧が印加さ
れることにより上記ダブルヘテロ構造の活性層１８から
光が発せられ、キャップ層２２の上面２４からその光が
取り出される。上面２４は光取出し面に相当する。また
、上記光反射層１４は、基板１２側へ進行した光を光波
干渉によって反射するもので、これにより光出力が向上
する。

【００１４】上記面発光型発光ダイオード１０の各半導
体は、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）装置を用い
てエピタキシャル成長させたもので、クラッド層１６の
膜厚は約２μｍ、活性層１８の膜厚は約０．１μｍ、ク
ラッド層２０の膜厚は約２μｍ、キャップ層２２の膜厚
は約０．１μｍである。また、光反射層１４は、図２に
示されているように２種類のｎ−ＡｌＡｓ半導体および
ｎ−ＧａＡｓ半導体から成る単位半導体３０を繰り返し
多数積層したものであり、ｎ−ＡｌＡｓ半導体およびｎ
−ＧａＡｓ半導体の膜厚は活性層１８から発せられる光
の波長域、すなわち８８０±３５ｎｍに基づいて定めら
れている。上記半導体の組成は、ＭＯＣＶＤ装置の反応
炉内に導入する原料ガスの種類や流量によって制御され
、膜厚は、原料ガスの流量や導入時間によって制御され
る。なお、図１および図２の各半導体の膜厚は必ずしも
正確な割合で図示したものではない。

【００１５】ここで、上記光反射層１４は、図３または
図４に示されているように単位半導体３０の厚さが変化
するチャープ状を成し、その単位半導体３０の厚さは、
反射すべき波長λＢ　＝８８０ｎｍとして前記（１）式
および（２）式に従って求められるｎ−ＡｌＡｓ半導体
の厚さＴＡ　とｎ−ＧａＡｓ半導体の厚さＴＧ　とを加
算した厚さ（ＴＡ　＋ＴＧ）を基準厚さＴとして設定さ
れている。また、個々の単位半導体３０におけるｎ−Ａ
ｌＡｓ半導体およびｎ−ＧａＡｓ半導体の厚さは、その
割合がＴＡ：ＴＧ　の一定値に保持されるように定めら
れている。

【００１６】図３の光反射層１４ａは、全ての単位半導
体３０の膜厚が連続的に且つ直線的に変化しているもの
で、最下層すなわち基板１２上に最初に形成される単位
半導体３０の膜厚は最も厚くてＴ（１＋ＤＤ）であり、
上部すなわち光の入射側に向かうに従って直線的に減少
して最上層ではＴ（１−ＤＤ）となっている。ＤＤは基
準厚さＴに対する変厚割合であり、全体の膜厚の変化量
は２Ｔ・ＤＤとなる。また、膜厚が最も厚い最下層の単
位半導体３０における反射波長は、基準厚さＴにおける
反射波長λＢ　と（１＋ＤＤ）との積λＢ　・（１＋Ｄ
Ｄ）となり、膜厚が最も薄い最上層の単位半導体３０に
おける反射波長は、基準厚さＴにおける反射波長λＢ　
と（１−ＤＤ）との積λＢ　・（１−ＤＤ）となる。

【００１７】そして、このような光反射層１４ａにおけ
る単位半導体３０の積層数Ｎが３０で、変厚割合ＤＤが
０．０５、すなわち最下層および最上層における単位半
導体３０の反射波長がそれぞれ８８０＋４４ｎｍ、８８
０−４４ｎｍの場合の光反射特性をシミュレーションに
より調べた結果を図５の（ａ）に示す。また、比較のた
め、図９に示されているように上部に向かうに従って単
位半導体３０の膜厚が厚くなる光反射層４０ａについて
、上記と同じ条件で光反射特性を調べた結果を図５の（
ｂ）に示す。シミュレーションの条件は、光反射層１４
ａ，４０ａに対して光が垂直に入射し、且つｎ−ＧａＡ
ｓ半導体による光の吸収を考慮したものである。また、
入射側の媒質は前記クラッド層１６と同じＡｌ０．４５
Ｇａ０．５５Ａｓで、反対側の媒質は前記基板１２と同
じｎ−ＧａＡｓとした。かかるシミュレーション結果か
ら、光の入射側程単位半導体３０の膜厚が薄い光反射層
１４ａは、その反対の光反射層４０ａに比較して特に短
波長側の光に対する反射率が向上し、発光波長域８８０
±３５ｎｍの光をその全域に亘って良好に反射できるこ
とが判る。

【００１８】また、単位半導体３０の積層数Ｎが３０で
、変厚割合ＤＤが０．１、すなわち最下層および最上層
における単位半導体３０の反射波長がそれぞれ８８０＋
８８ｎｍ、８８０−８８ｎｍの場合の光反射特性を、上
記と同じ条件のシミュレーションにより調べた結果を図
６の（ａ）に示す。図６の（ｂ）は、図９の光反射層４
０ａにおいてＮ＝３０、ＤＤ＝０．１とした場合であり
、この場合にも光反射層１４ａは光反射層４０ａに比較
して短波長側の光に対する反射率が向上していることが
判る。

【００１９】一方、前記図４の光反射層１４ｂは、所定
の積層数ｎ毎に単位半導体３０の膜厚を３段階で変化さ
せたもので、下層側の膜厚Ｔｂ　は基準厚さＴよりも厚
くされ、上層側の膜厚Ｔａ　は基準厚さＴよりも薄くさ
れている。この場合に、膜厚Ｔｂ　を９５０ｎｍの光を
反射する値すなわちＴ・（９５０／８８０）とし、膜厚
Ｔａ　を８００ｎｍの光を反射する値すなわちＴ・（８
００／８８０）として、ｎ＝５の場合の光反射特性を、
前記と同じ条件のシミュレーションにより調べた結果を
図７の（ａ）に示す。図７の（ｂ）は、図１０のように
下層側の膜厚が薄くて上層側の膜厚が厚くされた光反射
層４０ｂにおいて、Ｔａ　，Ｔｂ　，ｎを上記光反射層
１４ｂと同じに設定した場合の光反射特性であり、この
場合にも光反射層１４ｂは光反射層４０ｂに比較して短
波長側の光に対する反射率が向上していることが判る。

【００２０】このように、本実施例の面発光型発光ダイ
オード１０は、チャープ状の光反射層１４を構成する単
位半導体３０の膜厚が光の入射側程薄くされて、短波長
側の光を光反射層１４の入射側部分で反射するようにな
っているため、光反射層１４による吸収が防止されて反
射率が向上するのである。一方、長波長側の光は光反射
層１４の奥深くまで入射して反射されることになるが、
この長波長側の光は光反射層１４によって吸収されない
ため、これにより反射率が低下することはない。したが
って、長波長側の光の反射率を損なうことなく短波長側
の光の反射率が向上させられ、広い波長域の光をその全
域に亘って良好に反射できるようになり、面発光型発光
ダイオード１０の光出力が向上する。

【００２１】また、厚さが薄い単位半導体３０を光の入
射側に設けるだけで良いため、活性層１８からの発光波
長域よりも吸収端波長λＣ　が短い半導体、具体的には
ｎ−Ａｌ０．２　Ｇａ０．８　Ａｓをｎ−ＧａＡｓの替
わりに用いて光反射層１４を構成する場合のように、混
晶比の制御が困難で屈折率がばらついたりｎ−ＡｌＡｓ
との屈折率の差が小さくなって光波干渉が損なわれたり
することがなく、所定の光反射特性を有する光反射層１
４を安定して簡単に形成することができる。

【００２２】以上、本発明の一実施例を図面に基づいて
詳細に説明したが、本発明は他の態様で実施することも
できる。

【００２３】例えば、前記実施例の光反射層１４ａは全
ての単位半導体３０の膜厚が連続的に変化しており、光
反射層１４ｂは段階的に変化しているが、図８に示され
ているように、単位半導体３０の膜厚が一定の基準厚さ
Ｔである等厚部３２と、その等厚部３２の上層側に設け
られて上部に向かうに従って膜厚が連続的に且つ直線的
に薄くなる第１変厚部３４と、等厚部３２の下層側に設
けられて下部に向かうに従って膜厚が連続的に且つ直線
的に厚くなる第２変厚部３６とから成る光反射層１４ｃ
を採用することもできる。

【００２４】また、前記実施例の面発光型発光ダイオー
ド１０はｐ−ＧａＡｓ活性層１８を有するダブルヘテロ
構造を備えているが、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ
などの他の化合物半導体から成るダブルヘテロ構造や単
一ヘテロ構造の面発光型発光ダイオード、或いはホモ構
造の面発光型発光ダイオード等にも本発明は同様に適用
され得る。半導体レーザなど光反射層を備えた他の半導
体装置にも本発明は適用され得る。

【００２５】また、前記実施例ではｎ−ＧａＡｓ／ｎ−
ＡｌＡｓ光反射層１４が設けられているが、光反射層を
構成する半導体結晶の種類や組成、膜厚は、その半導体
結晶の屈折率、発光ダイオードの発光波長などに基づい
て適宜設定される。

【００２６】また、前記面発光型発光ダイオード１０は
基板１２の反対側に光取出し面２４が形成されているが
、基板１２側から光を取り出す面発光型発光ダイオード
にも本発明は適用され得る。

【００２７】また、前記実施例の光反射層１４ａは単位
半導体３０の膜厚が直線的に変化させられているが、滑
らかな曲線に沿って変化させることもできる。

【００２８】また、前記光反射層１４ｃは単位半導体３
０の膜厚が基準厚さＴの等厚部３２を備えているが、発
光波長が異なる複数の活性層を有する場合など、必要に
応じて膜厚が異なる複数の等厚部を設けることも可能で
ある。基準厚さＴは、必ずしも活性層１８の発光波長に
厳密に対応させる必要はなく、発光波長の近傍の波長の
光を反射するように設定されても良い。

【００２９】また、前記実施例の光反射層１４ａ，１４
ｃは、基準厚さＴを中心として±Ｔ・ＤＤだけ膜厚が変
化しているが、製造時における膜厚誤差のずれ方向、言
い換えれば反射波長域のずれ方向に偏りがある場合など
、必要に応じて膜厚を非対称に変化させるようにしても
良い。前記光反射層１４ｃを例として具体的に説明する
と、一対の変厚部３４、３６における膜厚の変化割合Ｄ
Ｄや積層数をそれぞれ異なる値に設定しても差支えない
のであり、極端な場合には何れかの変厚部３４または３
６を省略することもできるのである。

【００３０】また、前記実施例の光反射層１４ｂは単位
半導体３０の膜厚が３段階で変化させられているが、２
段階或いは４段階以上で変化させることもできる。各膜
厚における積層数ｎは必ずしも同じである必要はなく、
その積層数ｎについても適宜変更できる。なお、積層数
ｎは４以上であることが望ましい。

【００３１】また、前記実施例ではＭＯＣＶＤ装置を用
いて面発光型発光ダイオード１０を作製する場合につい
て説明したが、分子線エピタキシー法など他のエピタキ
シャル成長技術を用いて作製することも可能である。

【００３２】その他一々例示はしないが、本発明は当業
者の知識に基づいて種々の変更，改良を加えた態様で実
施することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるチャープ状光反射層を
備えた面発光型発光ダイオードの構造を説明する図であ
る。

【図２】図１の面発光型発光ダイオードにおける光反射
層を説明する図である。

【図３】図２の光反射層における単位半導体の膜厚変化
を説明する図である。

【図４】図２の光反射層における単位半導体の膜厚変化
の別の態様を説明する図である。

【図５】図３の光反射層において積層数Ｎ＝３０、変厚
割合ＤＤ＝０．０５の場合の光反射特性を、図９の光反
射層の場合と比較して示す図である。

【図６】図３の光反射層において積層数Ｎ＝３０、変厚
割合ＤＤ＝０．１の場合の光反射特性を、図９の光反射
層の場合と比較して示す図である。

【図７】図４の光反射層の光反射特性を、図１０の光反
射層の場合と比較して示す図である。

【図８】図２の光反射層における単位半導体の膜厚変化
の更に別の態様を説明する図である。

【図９】単位半導体の膜厚変化が図３と逆の場合を説明
する図である。

【図１０】単位半導体の膜厚変化が図４と逆の場合を説
明する図である。

【符号の説明】

１０：面発光型発光ダイオード（半導体装置）１４，１
４ａ，１４ｂ，１４ｃ：チャープ状光反射層３０：単位
半導体

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　組成が異なる複数種類の半導体が重ね
   合わされた単位半導体が繰り返し積層されて入射した光
   を光波干渉によって反射するとともに、該単位半導体の
   厚さが変化させられて反射波長域が拡大されたチャープ
   状光反射層を備えた半導体装置において、前記単位半導
   体の厚さが薄いもの程光の入射側に設けられていること
   を特徴とするチャープ状光反射層を備えた半導体装置。