JPH0974218A

JPH0974218A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JPH0974218A
Application number: JP23051795A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Okagawa; 広明岡川; Tomoo Yamada; 智雄山田
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 1995-09-07
Filing date: 1995-09-07
Publication date: 1997-03-18

Abstract

(57)【要約】【課題】サブピーク光の発生を抑制しうる新たな構造
が付与された発光素子を提供すること。【解決手段】発光部３と結晶基板１との間に、発光部
が発するメインピーク光光Ｌ１による励起によって基板
から発せられるサブピーク光Ｌ２を基板側に反射する反
射層２が設けられた半導体発光素子。反射層は、メイン
ピーク光のエネルギーよりも大きいバンドギャップの材
料のものが好ましく、互いに屈折率の異なる化合物半導
体からなる２層１組の結晶層を複数組積層したものが好
ましい。また、反射層を構成する一対の半導体層のう
ち、一方の半導体層のバンドギャップをメインピーク光
のエネルギーと同等としてもよい。さらに、発光部と反
射層との間に、メインピーク光を反射する反射層が設け
られた態様も好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体発光素子の
構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＥＤなどの半導体発光素子（以下、
「発光素子」という）における発光は、自由電子と正孔
とが再結合しエネルギーを放出することによって生じる
発光現象であり、その目的の発光の中心波長は、光を発
する部分として用いられる半導体結晶材料のバンドギャ
ップでほぼ決まるものである。また、その光は、中心波
長だけでなく該中心波長をピークとして特定の波長範囲
にわたる発光である場合が多い。以下、目的の発光を
「メインピーク光」、その中心波長を「メインピーク波
長」という。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】発光素子においては、
上記メインピーク光とは別に、これと離れた他の波長帯
にも発光が生じ、問題となる場合がある。例えば、Ｇａ
Ａｓ結晶基板上にＡｌＧａＡｓのｐｎ接合を発光部とし
て結晶成長させた赤色ＬＥＤの場合について説明する
と、メインピーク波長が６５０ｎｍ〜６７０ｎｍである
のに対して、８８０ｎｍ〜９００ｎｍ付近を中心波長と
する発光が観測される等の現象例が知られている。以
下、このような他の波長帯に生じる発光を「サブピーク
光」、その中心波長を「サブピーク波長」という。サブ
ピーク光の発生の原因は、メインピーク光の照射により
結晶基板が励起されて放出されるフォトルミネセンスで
あることが知られている。

【０００４】サブピーク光は、発光素子設計上の目的に
対して意図しない波長帯での発光である。従って、この
ような発光が生じるような発光素子を、例えば光電セン
サーの光源に用いると、誤動作などが発生し種々の問題
となる。

【０００５】サブピーク光を抑制するための一つの方法
として、結晶基板のキャリア濃度を低くする方法が知ら
れているが、そのような方法では電気特性が悪化し、ま
たキャリア濃度を低くしてもサブピーク光の十分な抑制
はできない。また他の方法として、結晶基板を除去する
方法が知られているが、結晶基板を除去すると厚みが薄
くなる分だけ、機械的強度が低下し、また実装時におけ
るチップの保持シロが少なくなるなどの問題があるの
で、これを補うために結晶基板上に成長させる他の結晶
層を厚くする必要がある。しかし、他の結晶層を厚くす
ると結晶基板との熱膨張係数が異なるため、ウエハーの
段階で全体に「反り（湾曲）」が生じる。ウエハー全体
に生じた反りは、結晶基板を除去し分割しても解消され
ず、チップ化工程において歩留りが低下する原因ともな
る。

【０００６】本発明の目的は、サブピーク光の発生を抑
制し得る新たな構造が付与された発光素子を提供するこ
とである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の発光素子は、以
下の特徴を有するものである。

【０００８】(1)結晶基板と発光部との間に、発光部が
発する光による励起によって基板から発せられる光が、
発光部側へ透過することを抑制する反射層を設けたこと
を特徴とする半導体発光素子。

【０００９】(2)上記反射層のバンドギャップが、発光
層が発する光のエネルギーよりも大きいものである上記
(1)記載の半導体発光素子。

【００１０】(3)上記反射層が、互いに屈折率の異なる
一対の半導体層を１組、または複数組積層して設けられ
たものである上記 (1)記載の半導体発光素子。

【００１１】(4)反射層を構成する一対の半導体層のう
ち、一方の半導体層のバンドギャップが発光層が発する
光のエネルギーと同等であり、他方の半導体層のバンド
ギャップがこれよりも大きいものである上記 (3)記載の
半導体発光素子。

【００１２】(5)発光部と反射層との間に、発光部から
発せられた光を反射する反射層がさらに設けられたもの
であることを特徴とする上記 (1)〜 (4)記載の半導体発
光素子。

【００１３】(6)結晶基板がＧａＡｓ結晶基板であり、
発光部がＡｌＧａＡｓ、またはＩｎＧａＡｌＰ系の化合
物半導体材料からなるものであって、上記反射層が、互
いに屈折率の異なるＩｎＧａＡｌＰ系化合物からなる２
層の結晶層を１組の積層体として、または、互いに屈折
率の異なるＡｌＧａＡｓ系化合物からなる２層の結晶層
を１組の積層体として、または、互いに屈折率の異なる
ＩｎＧａＡｌＰ系化合物とＡｌＧａＡｓ系化合物との組
み合わせによる２層の結晶層を１組の積層体として、こ
れらのいずれかが１以上の組数だけ積層されてなる多層
構造である上記 (1)記載の半導体発光素子。

【００１４】

【作用】本発明の発光素子は、上記構成によって次の作
用を示す。発光部から発せられたメインピーク光のなか
には、本発明によって設けられた反射層を透過し、結晶
基板に達するメインピーク光が存在する。結晶基板はこ
のメインピーク光によって励起され、サブピーク光を放
出する。しかし、このサブピーク光の殆どは、上記反射
層によって反射され、発光部側へ通過することなく結晶
基板内において吸収される。換言すれば、発生したサブ
ピーク光が結晶基板内に閉じ込められるということであ
る。

【００１５】ただし、反射層が光を透過させるとは、少
なくともその光の一部が結晶基板側に到達するものであ
ることを意味し、該反射層での部分的な反射・吸収・減
衰などがあってもよい。また、反射層が光を反射させる
とは、その光を全て反射させることだけでなく、該反射
層での部分的な透過・吸収・減衰などの損失があっても
よい。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図を用いて詳細に
説明する。図１は、本発明による発光素子の構造の一例
を模式的に示す図である。同図に例示する発光素子は、
ｎ型のＧａＡｓ結晶基板１上に、上記反射層２が形成さ
れ、更にその上に発光部３が形成されたＬＥＤである。
同図の例では、反射層２は、互いに屈折率の異なる化合
物半導体からなる２層の結晶層を１組の積層体としてこ
れが１以上所望の組数だけ積層されてなる多層構造であ
って、図では便宜上２組計４層の積層体として表現して
いる。また同図の例では、発光部３は、Ａｌ_0.35Ｇａ
_0.65Ａｓの活性層３ｂが、Ａｌ _0.80Ｇａ_0.20Ａｓのｎ型
クラッド層３ａと、Ａｌ_0.80Ｇａ_0.20Ａｓのｐ型クラッ
ド層３ｃとによって挟まれてなるダブルヘテロ構造であ
る。各層の半導体の伝導型は、発光部がｐ型、ｎ型のい
ずれの型を基板側とするかによってｐ型、ｎ型のいずれ
かとなるが、以下、説明の便宜上、基板側がｎ型のもの
を例示する。また、同図では電極等の付帯的な構造は省
略している。電極は公知の構造のものでよい。このよう
な構成とすることによって、上記作用において説明した
ように、サブピーク光が抑制される。

【００１７】結晶基板は、反射層や発光部など、種々の
半導体結晶層を成長させるための基礎となる結晶であ
る。結晶基板の材料としては、単一の元素からなる半導
体、上記例のＧａＡｓのような化合物半導体の他、成長
させるべき半導体結晶と格子定数の整合性が良好であれ
ば、絶縁体等、どのようなものであってもよい。

【００１８】発光部は、ホモ接合やヘテロ接合など２層
からなる単純なｐｎ接合の他、ダブルヘテロ接合、ある
いは、１つまたは多重の量子井戸構造であってもよい。

【００１９】本発明は、メインピーク光によって励起さ
れて結晶基板が発するサブピーク光を抑制するものであ
る。従って、結晶基板と発光部の材料は、そのような現
象が発生し得るバンドギャップの組み合わせのものが対
象となる。そのような結晶基板と発光部の材料の組み合
わせとしては、上記例のようなＧａＡｓ結晶基板とＡｌ
ＧａＡｓ系の化合物半導体材料からなる発光部の他、Ｇ
ａＡｓ結晶基板とＩｎＧａＡｌＰ系の化合物半導体材料
からなる発光部等が挙げられる。ＩｎＧａＡｌＰ系の化
合物半導体材料とは、Ｉｎ_y( Ｇａ_1-xＡｌ_x）
_1-yＰ、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１で決定される化合物半
導体材料である。

【００２０】上記反射層は、発光部から発せられた光の
励起で結晶基板から発せられた光を結晶基板側に反射す
るものであればよい。また、上記反射層は、発光部と結
晶基板との間に介在するものであるから、発光部の結晶
品質を低下させないためにも、これらとの格子整合性が
良好なものであることが好ましい。そのような反射層と
しては、互いに屈折率の異なる化合物半導体からなる２
層の結晶層を１組の積層体としてこれが１以上の組数だ
け積層されてなる多層構造が好ましいものとして例示さ
れる。

【００２１】また、本発明はサブピーク光の抑制を目的
としているため、反射層がメインピーク光に励起されて
サブピーク光を発するものでは発明の目的を達成し得な
い。従って、上記反射層としては、メインピーク光に励
起されてサブピーク光を発することのない反射層、即ち
反射層のバンドギャップが、メインピーク光エネルギー
よりも大きいエネルギー幅であるような材料からなる反
射層とすることが望ましい。

【００２２】上記反射層が、上記のような多層構造であ
る場合、２層１組の積層体の例としては、上記例のよう
にＧａＡｓ結晶基板とＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体材
料からなる発光部との組み合わせ（メインピーク波長６
６０ｎｍ、サブピーク波長８７０ｎｍ）である場合なら
ば、ＩｎＧａＡｌＰ系化合物からなる２層１組の積層
体、ＡｌＧａＡｓ系化合物からなる２層１組の積層体、
ＩｎＧａＡｌＰ系化合物とＡｌＧａＡｓ系化合物との組
み合わせからなる２層１組の積層体などが挙げられる。
これらの反射層は、例えばＩｎ_0.5（Ｇａ_0.9Ａ
ｌ_0.1）_0.5Ｐ（発光部側）／Ｉｎ_0.5Ａｌ_0.5Ｐ（基
板側）の２層１組のように、組成比を選択することによ
って、上記波長のサブピーク光をよく反射する作用を示
す。

【００２３】反射層における２層１組の積層体は、その
組数を増やすに従って反射率が向上し、外部に放出する
サブピーク光の強度をさらに抑制することができる。

【００２４】上記反射層の形成方法としては、エピタキ
シャル成長可能な公知の成膜法が用いられる。特に、上
記のような多層構造である場合、薄膜形成を容易にでき
るという点で、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ法等が好ましい成膜
法として挙げられる。

【００２５】また、２層１組の積層体のうちの一方の層
を、メインピーク光が有するエネルギーと同じエネルギ
ー幅のバンドギャップを有する材料によって形成する態
様が挙げられる。具体的には、この層を発光部において
光を放出する部分と同じ半導体材料を用いて形成するこ
とが挙げられる。このような態様によって、その層にお
いてメインピーク光がよく吸収され、結晶基板側へ透過
するメインピーク光をより削減できるようになるに伴
い、サブピーク光もより抑制される。

【００２６】またさらに、上記反射層と発光部との間
に、発光部からのメインピーク光を発光部側によく反射
する反射層をさらに加える態様が挙げられる。そのよう
な新たに加える反射層としては、上記説明の（Ａ）の反
射層と同様の多層構造であってメインピーク光を反射し
得る特性のもの等が挙げられる。このような態様によっ
て、結晶基板側へ透過するメインピーク光をより削減で
きるようになるに伴い、サブピーク光もより抑制され
る。

【００２７】

【実施例】以下、実施例を挙げて、本発明による発光素
子を具体的に示す。実施例１本実施例では、ＧａＡｓ結晶基板上に下記の仕様の反射
層と発光部とを成長させ、メインピーク光６６０ｎｍの
ＬＥＤを製造した。積層構造の概略は図１に示すとおり
であって、各層の仕様は以下のとおりとした。ｐ型クラッド層；（材料）Ａｌ_0.80Ｇａ_0.20Ａｓ、厚
み１０μｍ。活性層；（材料）Ａｌ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓ、厚み１μ
ｍ。ｎ型クラッド層；（材料）Ａｌ_0.80Ｇａ_0.20Ａｓ、厚
み３μｍ。反射層；厚み６６．９ｎｍのＩｎ_0.50（Ｇａ_0.90Ａｌ
_0.10）_0.50Ｐを発光部側とし、厚み７１．５ｎｍのＩｎ
_0.50Ａｌ_0.50Ｐを結晶基板側とする２層一組の積層体を
２０組、計４０層積層したもの。結晶基板；（材料）ＧａＡｓ。ｎ型側の電極；ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ。ｐ型側の電極；
ＡｕＺｎ／Ａｕ。

【００２８】上記の反射層がない従来のＬＥＤの場
合、メインピーク光の強度に対するサブピーク光の強度
の割合は約８％であり、このＬＥＤをセンサー等の用途
に用いると、サブピーク光が誤動作の原因となって問題
となる。ただしサブピーク光の強度は、ＧａＡｓ結晶基
板のキャリア濃度によっても変化し、キャリア濃度３×
１０¹⁸ｃｍ^-3の時は８％であるが、低キャリア濃度基板
（５×１０¹⁷ｃｍ^-3）を用いると２％に低下することが
知られている。

【００２９】本実施例におけるの反射層を有するＬＥ
Ｄでは、発光部から基板方向へ発せられたメインピーク
光の９８％が反射層を透過しＧａＡｓ基板に到達した。
基板は励起されてサブピーク光を発したが、発光部方向
に向かう光の７８％が反射層によって基板側へ反射され
た。この結果メインピーク光により励起されたサブピー
ク光は、その２２％しか発光部方向に出なくなった。こ
のときのメインピーク光強度をＩ_oとすると、これに対
する発光部方向に出たサブピーク強度光Ｉ_subは、以下
のように表される。Ｉ_sub＝Ｉ_o×０．９８×０．０８×０．２２＝０．０１７・Ｉ_o 即ち、もとのメインピーク光の強度に対するサブピーク
光の強度の割合を１．７％にまで低下させることができ
た。

【００３０】なお、反射層のペア数を増すと、反射率も
同様に増すため、サブピーク光強度を更に抑制すること
ができる。例えば、ペア数を２０から３０にすると、反
射率が７８％から９３．６％に向上し、その結果サブピ
ーク光強度を０．５％にまで低下させることができる。
またさらに、低キャリア濃度（５×１０¹⁷ｃｍ^-3）の基
板と組合わせると、サブピーク光強度を０．５％から
０．１２５％にまで低下させることができた。

【００３１】実施例２本実施例では、発光部と反射層との間に、発光部から
発せられたメインピーク光を反射する層を、さらに加
えて設けたこと以外は、上記実施例１と同じ仕様のＬＥ
Ｄを製造した。発光部から発せられたメインピーク光を
反射する層としては、厚み４６．４ｎｍのＩｎ_0.50（Ｇ
ａ_0.90Ａｌ_0.10）_0.50Ｐを発光部側とし、厚み５０．９
ｎｍのＩｎ_0.50Ａｌ_0.50Ｐを結晶基板側とする２層を一
組としてこれを１０組、計２０層積層したものとした。
上記実施例１と同様に発光を観測したところ、発光部か
ら基板方向への透過は４２％であった。この結果、発光
部側へ出たサブピーク光強度は、Ｉ_sub＝Ｉ_o×０．４２×０．０８×０．２２＝０．７３９２・Ｉ_o となり、もとのメインピーク光の強度に対するサブピー
ク光の強度の割合を０．７４％にまで低下させることが
できた。

【００３２】以上実施例１、および２において得られた
サブピーク光の強度の割合を表１にまとめた。

【００３３】

【表１】

【００３４】また、実施例１において、反射層の組数
を変化させたところ、メインピーク光の強度に対するサ
ブピーク光の強度の比は、表２に示すような値であっ
た。ただし、ＧａＡｓ基板のキャリア濃度はすべて３×
１０¹⁸ｃｍ^-3である。

【００３５】

【表２】

【００３６】以上のように、サブピーク光を基板側に反
射する反射層に加えて、発光部からのメインピーク光を
反射する反射層を設けると、サブピーク光抑制の効果は
より向上する。これに加えて、低キャリア濃度の基板と
組み合わせることで、更に大きなサブピーク光抑制効果
が得られる。また、反射層の組数を増やして、反射率を
向上させるにともなって、サブピーク光抑制効果は向上
する。これは反射層についても同様である。

【００３７】

【発明の効果】以上説明のように、本発明は、サブピー
ク光の発生を抑制し得る新たな構造を有する発光素子で
ある。この新たな構造を用いることによって、従来のサ
ブピーク光抑制手段が有していた問題や、低い歩留りの
問題などが根本から解消された。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による発光素子の構造の一例を模式的に
示す図である。

【符号の説明】

１結晶基板２反射層３発光部Ｌ１メインピーク光Ｌ２サブピーク光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】結晶基板と発光部との間に、発光部が発
する光による励起によって基板から発せられる光が、発
光部側へ透過することを抑制する反射層を設けたことを
特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】上記反射層のバンドギャップが、発光層
が発する光のエネルギーよりも大きいものである請求項
１記載の半導体発光素子。
【請求項３】上記反射層が、互いに屈折率の異なる一
対の半導体層を１組、または複数組積層して設けられた
ものである請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項４】反射層を構成する一対の半導体層のう
ち、一方の半導体層のバンドギャップが発光層が発する
光のエネルギーと同等であり、他方の半導体層のバンド
ギャップがこれよりも大きいものである請求項３記載の
半導体発光素子。
【請求項５】発光部と反射層との間に、発光部から発
せられた光を反射する反射層がさらに設けられたもので
あることを特徴とする請求項１〜４記載の半導体発光素
子。
【請求項６】結晶基板がＧａＡｓ結晶基板であり、発
光部がＡｌＧａＡｓ、またはＩｎＧａＡｌＰ系の化合物
半導体材料からなるものであって、上記反射層が、互い
に屈折率の異なるＩｎＧａＡｌＰ系化合物からなる２層
の結晶層を１組の積層体として、または、互いに屈折率
の異なるＡｌＧａＡｓ系化合物からなる２層の結晶層を
１組の積層体として、または、互いに屈折率の異なるＩ
ｎＧａＡｌＰ系化合物とＡｌＧａＡｓ系化合物との組み
合わせによる２層の結晶層を１組の積層体として、これ
らのいずれかが１以上の組数だけ積層されてなる多層構
造である請求項１記載の半導体発光素子。