JPH0832116A - 発光素子 - Google Patents

発光素子

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JPH0832116A JP19006994A JP19006994A JPH0832116A JP H0832116 A JPH0832116 A JP H0832116A JP 19006994 A JP19006994 A JP 19006994A JP 19006994 A JP19006994 A JP 19006994A JP H0832116 A JPH0832116 A JP H0832116A
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史郎 山崎
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Michinari Sasa
道成 佐々
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正好 小池
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勇 赤崎
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Abstract

(57)【要約】 【目的】窒化ガリウム系半導体発光素子において、発光
素子の発光取り出し効率を向上させること。 【構成】窒化ガリウム系発光素子100 で光の透過効率を
最もよくする反射防止層（もしくは光を反射する反射
層）を設けるために、また光を放射する側へ放射された
光が反射で減衰することが反射防止層10で抑制されて
（もしくは光取り出し側の反対側に放射される光が反射
層で目的方向に放射され）、従来よりも発光素子の光が
余分な方向に出なくなり、出力が無駄にならず、発光の
効率を向上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、可視単波長、特に青色
領域から紫色領域まで、及び紫外線領域で発光可能な、
ダブルヘテロ接合構造を有する窒化ガリウム系化合物半
導体による発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、窒化ガリウム系半導体から成る発
光素子として、図１と同様な構造のものがある。この発
光素子は、サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半
導体をエピタキシャル成長させたものである。これは、
層構成としては本発明の層構成と同じであり、発光メカ
ニズムも同じである。この発光素子では、発光層からの
発光は、ほぼ等方的であり、使用目的である光取り出し
方向には発光される光量の一部しか放射されない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】つまり、せっかく発光
しても必要とする方向に放射される光が限られ、無駄な
方向に出ていることを意味し、多方向からの視認性は良
いものの、目的方向における発光効率としては低いもの
となるという問題がある。
【０００４】従って本発明は上記の課題を解決するため
に成されたものであり、その目的は、窒化ガリウム系半
導体発光素子において、発光素子の発光取り出し効率を
向上させることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め本発明の特徴ある構成は、活性層をその禁制帯幅より
も大きな禁制帯幅の層で挟んだダブルヘテロ接合構造を
有する窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子に
おいて、該発光素子が積層構造であり、該積層構造に垂
直な方向に光を取り出す構成であって、該積層構造に、
発光層からの光を反射する反射層もしくは反射防止層の
いずれかを有することを特徴とする。
【０００６】
【作用および発明の効果】本発明は上記のように、発光
素子の積層構造のいずれかに、発光した光を反射する反
射層、もしくは光の透過効率を最もよくする反射防止層
を設けるために、光を放射する側と反対側に放射される
分が目的方向に放射され、また光を放射する側へ放射さ
れた光が反射で減衰することが抑制されて、従来よりも
発光素子の光が余分な方向に出なくなり、出力が無駄に
ならず、発光の効率を向上させることができる。
【０００７】
【実施例】以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説
明する。 （構成）図１は、サファイア基板１を用いて製造した窒
化ガリウム系発光素子１００の構造を示した模式的断面
図である。サファイア基板１の上に、窒化アルミニウム
(AlN) 緩衝層２が形成されて、その上に発光素子の最下
層として、Siをドープした窒化ガリウム( n + - GaN )
層３が形成されている。この窒化ガリウム層３をベース
にして、ZnおよびSiドープの半絶縁層もしくは弱いｐ型
となる窒化インジウムガリウム(In x Ga1-x N ) 層４が
形成され、その上にクラッド層（活性層の禁制帯幅より
も大きい禁制帯幅を有する層）として窒化アルミガリウ
ム( p - Al0.1Ga0.9N)層５が形成され、さらにその上に
ｐ層としてMgドープの窒化ガリウム(GaN) 層６が形成さ
れている。そして、その上にアルミニウム(Al)で第一電
極層７が設けられている。また、窒化ガリウム層３の一
部で分離溝９で分離された領域に対して接続孔が設けら
れ、アルミニウム(Al)で第二電極層８が設けられてい
る。なおこの発光素子１００の場合、光はサファイア基
板１の側（図１の矢印）から取り出される。
【０００８】そして、本発明の特徴として、この第一実
施例では前記緩衝層（バッファ層）２を反射防止膜１０
として用いてある。この発光素子１００は、発光層とな
るのが半絶縁層もしくは弱いｐ型となる窒化インジウム
ガリウム(In x Ga1-x N ) 層４とその上のクラッド層と
して窒化アルミガリウム( p - Al0.1Ga0.9N)層５との間
で、ここから発光された光をサファイア基板１側から取
り出す。ただし発光される光は等方的であるので、光取
り出し側に全てが放射されるわけではない。発光される
光は波長λが約485nm の青色であり、この波長に対して
反射防止層となるためには、
【数 １】 ｄ＝ λ／４ｎ （ｎ：層の屈折率）・・・・(1) の厚さｄを持つ層であることが必要である。従って、反
射防止層であるということは窒化アルミニウム(AlN) 緩
衝層（バッファ層）２が(1) 式を満たす厚さｄを有する
ことを意味する。
【０００９】緩衝層２である窒化アルミニウム(AlN) 層
の前後は、その波長領域に対しては屈折率が図２(a) に
示すような関係があるので、従って必要とされる緩衝層
２の厚さｄが約619 Åとなることがわかった。また、こ
の厚さの時の反射率が波長485nm 近傍で最も小さい値を
とることが図２(b) のシミュレーション結果からも示さ
れている。従ってこの厚さの時に緩衝層２は最も光をよ
く透過し、反射防止層１０としての役割を果たす。
【００１０】（製法）以下にこの窒化ガリウム発光素子
１００の形成方法を述べる。 (a) 図１において、(1,1,-2,0)面（即ち、ａ面）を結晶
成長面とするサファイア基板１を有機洗浄の後、結晶成
長部に設置する。そして成長炉を真空排気の後、水素を
供給し、内部を1200℃まで上昇させる。これによりサフ
ァイア基板１上に付着していた余分な炭化水素系ガス等
が取り除かれる。次にサファイア基板１の温度を 600℃
程度まで降温し、トリメチルアルミニウム(TMA) および
アンモニア(NH3) を供給して、サファイア基板１上に61
9 Å( 約62nm) 程度の膜厚をもつ窒化アルミ(AlN) 緩衝
層（バッファ層）２を形成する。 (b) 次に、TMA のみの供給を止め、基板温度を1040℃ま
で上昇し、トリメチルガリウム(TMG) およびシラン(SiH
4)を供給し、Siドープのｎ型窒化ガリウム( n +- GaN )
層３を形成する。 (c) 次に、トリメチルインジウム(TMI) およびTMG およ
びシラン(SiH4)を供給して、厚さ0.4 μm のInドープの
窒化インジウムガリウム(In0.1Ga0.9N) 層４を形成す
る。 (e) 次に、TMA 、TMG およびジクロペンタジウムマグネ
シウム(Cp2Mg) を供給して、厚さ0.4 μm のMgドープの
窒化アルミガリウム(Al0.1Ga0.9N) 層５を形成する（こ
れを後にｐ層とする）。 (f) その後、真空チャンバーに移して、Mgのドープされ
た窒化アルミガリウム（p - Al0.1Ga0.9N)層５および窒
化ガリウム(GaN) 層６に対して電子線照射処理を行う。
この電子線照射処理により、窒化アルミガリウム( p -
Al0.1Ga0.9N)層５および窒化ガリウム(GaN) 層（最上
層）６がｐ型伝導を示すようになる。ここで典型的な電
子線照射処理条件を表１に示す。
【表１】
【００１１】(g) 次に、最上層６の上に、第一電極層と
して厚さ200nm のアルミニウム電極層７、分離領域に第
二電極層８を形成した。この電極層７、８は発光素子の
電極となる。 (h) 上記の素子が一枚のサファイア基板１の上に多数形
成されるので、各素子をダイヤモンドカッタで切断しチ
ップとする。そして、各素子に対して、アルミニウム電
極層７と８に電圧を印加することで、本発光素子の光が
誘電体多層反射防止膜１０の側から出力される。なおこ
の第一実施例の構成では、アルミニウム電極層７は反射
率を100 ％としても問題ない。
【００１２】（第二実施例）図３は、緩衝層２の上に窒
化アルミガリウム( Al0.1Ga0.9N)層３１と窒化ガリウム
( GaN ) 層３２の多層膜を形成して反射層３０を形成し
た場合の発光素子３００で、この実施例の場合、光取り
出し側は上部の電極側としてある。従って上部電極を透
明なＩＴＯ膜３３で形成し、一部コンタクト用としてAl
電極７を設けてある。この反射層３０は上部の発光領域
である４、５から放射された光を上部に反射するよう屈
折率を大きくする。そのため、窒化アルミガリウム( Al
0.1Ga0.9N)層３１と窒化ガリウム( GaN ) 層３２の多層
構造を多数形成する。窒化アルミガリウム( Al0.1Ga0.9
N)の屈折率ｎ2 は2.426 、窒化ガリウム( GaN ) の屈折
率ｎ1 は2.493 とその差は小さいが、基板のサファイア
の屈折率ｎs が1.78であるので、これを反射の条件の
式、
【数 ２】 によって求める。それぞれの膜厚は、反射率が高くなる
ような厚さに設定し、窒化アルミガリウム( Al0.1Ga0.9
N)層３１は46.37nm 、窒化ガリウム( GaN ) 層３２は4
5.63nm というシミュレーションから得られた最適値を
形成目標厚さとしている。
【００１３】この反射層３０の形成は窒化アルミガリウ
ム( Al0.1Ga0.9N)層３１と窒化ガリウム( GaN ) 層３２
各一組では反射率が不十分であるので、多層構造とす
る。そこで、基板上の窒化アルミニウム(AlN) 層の形成
後、通常の窒化ガリウム系の層形成プロセスを用いて、
上記の層を交互に層を重ねていく。その結果、(2) 式か
らＮ＝30（多重層の数）では反射率が64.40 ％となり、
Ｎ＝50では反射率が86.29 ％となり、かなりの光量の反
射が得られることが判る。
【００１４】（第三実施例）図４に示す発光素子４００
では、光取り出し側を上面とし、発光素子形成後にサフ
ァイア基板１を穿って直接発光素子のベース層であるSi
ドープのｎ型窒化ガリウム( n + - GaN ) 層３を露出さ
せ、そこに反射層としてのAlなどの金属電極４０を形成
した場合である。ただし余分なリーク等が生じないよ
う、金属電極４０は周囲のAlN バッファ層２と接触しな
いように構成する。反射層としての金属電極４０は全て
光を上方側へ反射させる構成でよいので反射率100 ％に
形成してある。またこのサファイア基板１は周囲に台を
なす形となるので（図４）、下側の金属電極４０側は、
サファイア基板１と基板をのせる台との間にスペースを
形成する。それで金属電極４０は、そのスペースを用い
てコンタクトをとることができ、光取り出し側を発光素
子４００の上面に広く形成することができる利点があ
る。
【００１５】（第四実施例）図５の場合では、光取り出
し側をやはり上方とする構成であるが、図３のように反
射層を発光素子のベース部、つまりサファイア基板１と
発光素子との間に形成するのではなく、また図４のよう
にサファイア基板１に穴を穿つことはしないで、直接サ
ファイア基板１の裏面上に金属反射層５０を形成する構
成である。基板の裏面側に形成するのでこの金属反射層
５０は電極としては利用できず、従って電極は図３と同
様な構成である。サファイア基板１は窒化ガリウム発光
素子５００の発光波長に呈して透明であるので、サファ
イア基板１の底面で反射する光はサファイア基板通過に
よる減衰はほとんどなく、光取り出し側の上方へ向か
う。この金属反射層５０はサファイア基板表面に形成す
るだけでよいので容易に形成することができる。
【００１６】なお請求項で述べた構成の変形例として、
以下のようなものがあげられる。 [1] 前記反射層もしくは前記反射防止層が、Alx Ga1-x
N （０≦ｘ≦１）で出来ていることを特徴とする請求項
２に記載の発光素子。 [2] 前記反射層もしくは前記反射防止層が、Alx1Ga1-x1
N とAlx2Ga1-x2N ( Ｘ1≠Ｘ2 、０≦Ｘ1 ≦１、０≦Ｘ2
≦１）からなる多重層であることを特徴とする請求項
２に記載の発光素子。 [3] 前記多重層が反射層である場合に、該多重層の何れ
かの第一層が、その第一層の隣の、該発光素子の光取り
出し側と反対側の第二層に対して屈折率が大きくなる関
係を有することを特徴とする[2] に記載の発光素子。 [4] 前記電極層が金属層であることを特徴とする請求項
３記載の発光素子。 [5] 前記反射層が金属層であること、そして前記金属層
が、該発光素子の絶縁性基板の下側に設けられているこ
とを特徴とする請求項１に記載の発光素子。などであ
る。
【００１７】なお請求項でいう窒化ガリウム系多重層と
は、窒化ガリウムを基本とする多元素材料で、窒化アル
ミガリウム( Al0.1Ga0.9N)や窒化インジウムガリウム(I
n0.1Ga0.9N) などがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施例を示す、サファイア基板上
に作成した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の模式
的構成断面図。
【図２】第一実施例の反射層の関係説明図および反射率
シミュレーション結果図。
【図３】第二実施例で示す発光素子の模式的構成断面
図。
【図４】第三実施例で示す発光素子の模式的構成断面
図。
【図５】第四実施例で示す発光素子の模式的構成断面
図。
【符号の説明】
１００、３００、４００、５００ 窒化ガリウム系ダイ
オード（発光素子） １ サファイア基板 ２ 窒化アルミニウム(AlN) 緩衝層 ３ Siをドープしたｎ型窒化ガリウム( n + - GaN ) 層 ４ Siドープの窒化インジウムガリウム(In0.1Ga0.9N)
層 ５ 無添加の窒化ガリウム(GaN) 層（クラッド層） ６ Mgドープのｐ型窒化アルミガリウム( p - Al0.1Ga
0.9N)層 ７ 第一電極層（アルミニウム電極） ８ 第二電極層（アルミニウム電極） ９ 分離領域 １０ 反射防止膜 ３０ 反射層（多層構造） ３１ 窒化アルミガリウム( Al0.1Ga0.9N)層（屈折率
小） ３２ 窒化ガリウム( GaN ) 層（屈折率大） ３３ ＩＴＯ（透明電極） ４０ 金属電極（反射層） ４１ ＩＴＯ（透明電極） ５０ 金属反射層 ５１ ＩＴＯ（透明電極）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 591014950 天野 浩 愛知県名古屋市名東区山の手２丁目104 宝マンション山の手508号 (72)発明者 小出 典克 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑１ 番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 柴田 直樹 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑１ 番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 山崎 史郎 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑１ 番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 梅崎 潤一 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑１ 番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 佐々 道成 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑１ 番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 小池 正好 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑１ 番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 赤崎 勇 愛知県名古屋市西区浄心１丁目１番38− 805 (72)発明者 天野 浩 愛知県名古屋市名東区神丘町二丁目21 虹 ケ丘東団地19号棟103号室

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】活性層をその禁制帯幅よりも大きな禁制帯
    幅の層で挟んだダブルヘテロ接合構造を有する窒化ガリ
    ウム系化合物半導体から成る発光素子において、 該発光素子が積層構造であり、該積層構造に垂直な方向
    に光を取り出す構成であって、 該積層構造に、発光層からの光を反射する反射層もしく
    は反射防止層のいずれかを有することを特徴とする発光
    素子。
  2. 【請求項２】前記反射層もしくは前記反射防止層が、窒
    化ガリウム系多重層で構成されていることを特徴とする
    請求項１に記載の発光素子。
  3. 【請求項３】前記反射層が、該発光素子の光取り出し側
    と反対側に設けられた電極層であることを特徴とする請
    求項１に記載の発光素子。
JP19006994A 1994-07-19 1994-07-19 発光素子 Expired - Fee Related JP3717196B2 (ja)

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