(57)【要約】【課題】高輝度化が図れる発光ダイオード、発光ダイオード用エピタキシャルウェハ及びその製造方法を提供する。【解決手段】第一導電型基板(2)の上に、高屈折率膜と低屈折率膜とを交互に積層した多層膜からなる第一導電型の分布ブラッグ反射膜(3)と、第一導電型クラッド層(4)、活性層(5)及び第二導電型クラッド層(6)を有する発光部と、第一導電型基板(2)側及び第二導電型クラッド層(6)側にそれぞれ形成された電極(1,8)とを備えた発光ダイオードにおいて、分布ブラッグ反射膜(3)による反射が最大となる波長として、発光ダイオードの発光波長λ０より所定量α（±２５ｎｍ以内）だけ最大視感度の波長（５５５ｎｍ）側にシフトさせた波長λ０−αを用い、高屈折率膜と低屈折率膜の膜厚が設定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一導電型基板の上に、高屈折率膜と低屈折率膜とを交互に積層した多層膜からなる第一導電型の分布ブラッグ反射膜と、第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層を有する発光部とを備えた発光ダイオード用エピタキシャルウェハにおいて、
前記分布ブラッグ反射膜の前記高屈折率膜の膜厚ｄ１［ｎｍ］と前記低屈折率膜の膜厚ｄ２［ｎｍ］とが下記式（１）、式（２）  
ｄ１ ＝（λ０−α）／（４×ｎ１）  …（１）
ｄ２ ＝（λ０−α）／（４×ｎ２）  …（２）
（ただし、λ０［ｎｍ］は前記発光部の発光波長、ｎ１は反射させたい光の波長λ０−αにおける前記高屈折率膜の屈折率、ｎ２は反射させたい光の波長λ０−αにおける前記低屈折率膜の屈折率、α［ｎｍ］は、（i）前記発光部の発光波長λ０が５５５ｎｍより長波長の場合には、０＜α≦２５であり、（ii）前記発光部の発光波長λ０が５５５ｎｍより短波長の場合には、−２５≦α＜０である）
を満たすように設定されていることを特徴とする発光ダイオード用エピタキシャルウェハ。
【請求項２】
前記高屈折率膜がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）であり、前記低屈折率膜がＡｌｙＩｎ１−ｙＰ層（０＜ｙ＜１）であることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェハ。
【請求項３】
前記高屈折率膜がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）であり、前記低屈折率膜がＡｌＡｓであることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェハ。
【請求項４】
第一導電型基板の上に、高屈折率膜と低屈折率膜とを交互に積層した多層膜からなる第一導電型の分布ブラッグ反射膜と、第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層を有する発光部と、前記第一導電型基板側及び前記第二導電型クラッド層側にそれぞれ形成された電極とを備えた発光ダイオードにおいて、
前記分布ブラッグ反射膜の前記高屈折率膜の膜厚ｄ１［ｎｍ］と前記低屈折率膜の膜厚ｄ２［ｎｍ］とが下記式（１）、式（２）  
ｄ１ ＝（λ０−α）／（４×ｎ１）  …（１）
ｄ２ ＝（λ０−α）／（４×ｎ２）  …（２）
（ただし、λ０［ｎｍ］は前記発光部の発光波長、ｎ１は反射させたい光の波長λ０−αにおける前記高屈折率膜の屈折率、ｎ２は反射させたい光の波長λ０−αにおける前記低屈折率膜の屈折率、α［ｎｍ］は、（i）前記発光部の発光波長λ０が５５５ｎｍより長波長の場合には、０＜α≦２５であり、（ii）前記発光部の発光波長λ０が５５５ｎｍより短波長の場合には、−２５≦α＜０である）
を満たすように設定されていることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項５】
前記高屈折率膜がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）であり、前記低屈折率膜がＡｌｙＩｎ１−ｙＰ層（０＜ｙ＜１）であることを特徴とする請求項４記載の発光ダイオード。
【請求項６】
前記高屈折率膜がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）であり、前記低屈折率膜がＡｌＡｓであることを特徴とする請求項４記載の発光ダイオード。
【請求項７】
加熱された第一導電型基板の上に、原料ガスを供給してエピタキシャル成長を行うことにより、高屈折率膜と低屈折率膜とを交互に積層した多層膜からなる第一導電型の分布ブラッグ反射膜と、第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層を有する発光部とを備える発光ダイオード用エピタキシャルウェハを製造する方法において、
前記分布ブラッグ反射膜の前記高屈折率膜と前記低屈折率膜の膜厚が下記式（１）、式（２）  
高屈折率膜の膜厚ｄ１［ｎｍ］＝（λ０−α）／（４×ｎ１）  …（１）
低屈折率膜の膜厚ｄ２［ｎｍ］＝（λ０−α）／（４×ｎ２）  …（２）
（ただし、λ０［ｎｍ］は前記発光部の発光波長、ｎ１は反射させたい光の波長（λ０−α）における高屈折率膜の屈折率、ｎ２は反射させたい光の波長（λ０−α）における低屈折率膜の屈折率、α［ｎｍ］は、（i）前記発光部の発光波長λ０が５５５ｎｍより長波長の場合には、０＜α≦２５であり、（ii）前記発光部の発光波長λ０が５５５ｎｍより短波長の場合には、−２５≦α＜０である）
を満たすように成長させることを特徴とする発光ダイオード用エピタキシャルウェハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分布ブラッグ反射膜を有する発光ダイオード、発光ダイオード用エピタキシャルウェハ及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオードの更なる高輝度化を求めるためには、既に極めて高い値にある内部量子効率を向上させるよりも、外部量子効率を向上させる方が効果的であり、外部量子効率向上の一手段として、発光ダイオードの発光部と基板との間に、分布ブラッグ反射膜（多層反射膜）を設けた構造の発光ダイオードが知られている。
【０００３】
従来の発光ダイオードの分布ブラッグ反射膜は、屈折率の異なる２種類の層（高屈折率層と低屈折率層）を交互に積層した多層構造を有し、干渉によって、発光ダイオードの発光波長（ピーク波長、中心波長）λ０の入射光を反射するように、下記の式により、２層の膜厚が設計されている。
高屈折率層の膜厚 ＝λ０／（４×ｎ１）
低屈折率層の膜厚 ＝λ０／（４×ｎ２）
ここで、ｎ１は発光波長λ０における高屈折率層の屈折率、ｎ２は発光波長λ０における低屈折率層の屈折率である。
【０００４】
分布ブラッグ反射膜の高屈折率層と低屈折率層との組み合わせとしては、ＧａＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層、ＧａＡｓ層とＡｌＩｎＰ層、ＡｌＩｎＰ層とＡｌＧａＩｎＰ層の組み合わせなどが知られている。
【０００５】
分布ブラッグ反射膜は、高屈折率層の屈折率ｎ１と低屈折率層の屈折率ｎ２との屈折率差が大きいほど、その反射率が高くなり、また、光の吸収が少ない半導体材料を用いるのが好ましい。そこで、ＧａＡｓ層（高屈折率層）とＡｌＩｎＰ層（低屈折率層）とからなる分布ブラッグ反射膜において、光吸収のあるＧａＡｓ層を上記膜厚設計の式の膜厚よりも薄くし、ＧａＡｓ層で吸収される光量を減少し、その薄くした光学的膜厚分だけＡｌＩｎＰ層の光学的膜厚を厚くした、高反射率の分布ブラッグ反射膜を有する発光ダイオードが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−２１８３８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、可視光が眼に入射した時の光知覚の感受性は、波長に依存し、最大視感度を与える波長５５５ｎｍから離れるに従って低下する。しかしながら、従来の分布ブラッグ反射膜では、反射したい波長を発光ダイオードの発光波長λ０に合わせて膜厚を設計しているため、視感度の高い波長帯の反射率が十分に得られないという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決し、高輝度化が図れる発光ダイオード、発光ダイオード用エピタキシャルウェハ及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様は、第一導電型基板の上に、高屈折率膜と低屈折率膜とを交互に積層した多層膜からなる第一導電型の分布ブラッグ反射膜と、第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層を有する発光部とを備えた発光ダイオード用エピタキシャルウェハにおいて、前記分布ブラッグ反射膜の前記高屈折率膜の膜厚ｄ１［ｎｍ］と前記低屈折率膜の膜厚ｄ２［ｎｍ］とが下記式（１）、式（２）  
ｄ１ ＝（λ０−α）／（４×ｎ１）  …（１）
ｄ２ ＝（λ０−α）／（４×ｎ２）  …（２）
（ただし、λ０［ｎｍ］は前記発光部の発光波長、ｎ１は反射させたい光の波長λ０−αにおける前記高屈折率膜の屈折率、ｎ２は反射させたい光の波長λ０−αにおける前記低屈折率膜の屈折率、α［ｎｍ］は、（i）前記発光部の発光波長λ０が５５５ｎｍより長波長の場合には、０＜α≦２５であり、（ii）前記発光部の発光波長λ０が５５５ｎｍより短波長の場合には、−２５≦α＜０である）を満たすように設定されていることを特徴とする発光ダイオード用エピタキシャルウェハである。
【０００９】
本発明の第２の態様は、第１の態様の発光ダイオード用エピタキシャルウェハにおいて、前記高屈折率膜がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）であり、前記低屈折率膜がＡｌｙＩｎ１−ｙＰ層（０＜ｙ＜１）であることを特徴とする発光ダイオード用エピタキシャルウェハである。
【００１０】
本発明の第３の態様は、第１の態様の発光ダイオード用エピタキシャルウェハにおいて、前記高屈折率膜がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）であり、前記低屈折率膜がＡｌＡｓであることを特徴とする発光ダイオード用エピタキシャルウェハである。
【００１１】
本発明の第４の態様は、第一導電型基板の上に、高屈折率膜と低屈折率膜とを交互に積層した多層膜からなる第一導電型の分布ブラッグ反射膜と、第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層を有する発光部と、前記第一導電型基板側及び前記第二導電型クラッド層側にそれぞれ形成された電極とを備えた発光ダイオードにおいて、前記分布ブラッグ反射膜の前記高屈折率膜の膜厚ｄ１［ｎｍ］と前記低屈折率膜の膜厚ｄ２［ｎｍ］とが下記式（１）、式（２）  
ｄ１ ＝（λ０−α）／（４×ｎ１）  …（１）
ｄ２ ＝（λ０−α）／（４×ｎ２）  …（２）
（ただし、λ０［ｎｍ］は前記発光部の発光波長、ｎ１は反射させたい光の波長λ０−αにおける前記高屈折率膜の屈折率、ｎ２は反射させたい光の波長λ０−αにおける前記低屈折率膜の屈折率、α［ｎｍ］は、（i）前記発光部の発光波長λ０が５５５ｎｍより長波長の場合には、０＜α≦２５であり、（ii）前記発光部の発光波長λ０が５５５ｎｍより短波長の場合には、−２５≦α＜０である）を満たすように設定されていることを特徴とする発光ダイオードである。
【００１２】
本発明の第５の態様は、第４の態様の発光ダイオードにおいて、前記高屈折率膜がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）であり、前記低屈折率膜がＡｌｙＩｎ１−ｙＰ層（０＜ｙ＜１）であることを特徴とする発光ダイオードである。
【００１３】
本発明の第６の態様は、第４の態様の発光ダイオードにおいて、前記高屈折率膜がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）であり、前記低屈折率膜がＡｌＡｓであることを特徴とする発光ダイオードである。
【００１４】
本発明の第７の態様は、加熱された第一導電型基板の上に、原料ガスを供給してエピタキシャル成長を行うことにより、高屈折率膜と低屈折率膜とを交互に積層した多層膜からなる第一導電型の分布ブラッグ反射膜と、第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層を有する発光部とを備える発光ダイオード用エピタキシャルウェハを製造する方法において、前記分布ブラッグ反射膜の前記高屈折率膜と前記低屈折率膜の膜厚が下記式（１）、式（２）  
高屈折率膜の膜厚ｄ１［ｎｍ］＝（λ０−α）／（４×ｎ１）  …（１）
低屈折率膜の膜厚ｄ２［ｎｍ］＝（λ０−α）／（４×ｎ２）  …（２）
（ただし、λ０［ｎｍ］は前記発光部の発光波長、ｎ１は反射させたい光の波長（λ０−α）に対する高屈折率膜の屈折率、ｎ２は反射させたい光の波長（λ０−α）に対する低屈折率膜の屈折率、α［ｎｍ］は、（i）前記発光部の発光波長λ０が５５５ｎｍより長波長の場合には、０＜α≦２５であり、（ii）前記発光部の発光波長λ０が５５５ｎｍより短波長の場合には、−２５≦α＜０である）を満たすように成長させることを特徴とする発光ダイオード用エピタキシャルウェハの製造方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、分布ブラッグ反射膜で反射させたい特定の波長を、発光ダイオードの発光波長より所定量α（±２５ｎｍ以内）だけ最大視感度の波長（５５５ｎｍ）側にシフトさせるべく、分布ブラッグ反射膜の膜厚が設定されているため、視感度の高い波長帯での反射率が高くなり、高輝度の発光ダイオードが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に係る発光ダイオード、発光ダイオード用エピタキシャルウェハ及びその製造方法の実施形態を説明する。
【００１７】
本実施形態の発光ダイオード用エピタキシャルウェハは、第一導電型基板の上に、高屈折率膜と低屈折率膜とを交互に積層した多層膜からなる第一導電型の分布ブラッグ反射膜と、第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層を有する発光部とを備えた発光ダイオード用エピタキシャルウェハであって、分布ブラッグ反射膜の高屈折率膜の膜厚ｄ１［ｎｍ］と低屈折率膜の膜厚ｄ２［ｎｍ］とが下記式（１）、式（２）  
ｄ１ ＝（λ０−α）／（４×ｎ１）  …（１）
ｄ２ ＝（λ０−α）／（４×ｎ２）  …（２）
（ただし、λ０［ｎｍ］は発光部の発光波長、ｎ１は反射させたい光の波長λ０−αにおける高屈折率膜の屈折率、ｎ２は反射させたい光の波長λ０−αにおける低屈折率膜の屈折率、α［ｎｍ］は、（i）発光部の発光波長λ０が５５５ｎｍより長波長の場合には、０＜α≦２５であり、（ii）発光部の発光波長λ０が５５５ｎｍより短波長の場合には、−２５≦α＜０である）を満たすように設定されている。
【００１８】
上記の発光ダイオード用エピタキシャルウェハにおいて、第一導電型基板と第一導電型の分布ブラッグ反射膜との間にバッファ層を形成したり、或いは、発光部の第二導電型クラッド層上に第二導電型の電流分散層を形成してもよい。また、第一導電型と第二導電型とは、一方がｎ型ならば、他方はｐ型であり、第一導電型はｎ型、ｐ型のいずれでもよい。
【００１９】
上記の高屈折率膜と低屈折率膜との組み合わせとしては、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）とＡｌｙＩｎ１−ｙＰ（０＜ｙ＜１）との組み合わせ、又は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）とＡｌＡｓとの組み合わせが好ましい。
【００２０】
また、本実施形態の発光ダイオードは、上記発光ダイオード用エピタキシャルウェハに対し、第一導電型基板側に第一導電型電極、第二導電型クラッド層側に第二導電型電極を形成した後、ウェハから切り出したチップをステム等の支持体に実装して作製した。
【００２１】
また、本実施形態の発光ダイオード用エピタキシャルウェハの製造方法では、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いた。即ち、気相成長装置内に設置した第一導電型の基板を加熱し、基板にIII族原料ガス、Ｖ族原料ガス、ドーパント原料ガス及びキャリアガスを供給し、基板上にIII−Ｖ族化合物半導体のエピタキシャル層を順次成長させて、高屈折率膜と低屈折率膜とを交互に積層した第一導電型の分布ブラッグ反射膜と、第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層からなる発光部とを順次、積層形成した。
【００２２】
本実施形態の発光ダイオード及び発光ダイオード用エピタキシャルウェハでは、分布ブラッグ反射膜の膜厚設計に特徴があり、上記の式（１）、式（２）に示すように、ブラッグ反射膜による反射が最大となる波長を、従来の分布ブラッグ反射膜で使用されている発光ダイオードの発光波長λ０ではなく、発光波長λ０より所定量α（±２５ｎｍ以内）だけ最大視感度の波長（５５５ｎｍ）側にシフトさせた波長λ０−αを狙いの波長として、膜厚設計している。
このため、発光部からの光のブラッグ反射膜による反射は、視感度の高い波長帯での反射率が高くなり、高輝度の発光ダイオードが得られる。
ただし、発光波長λ０からのシフト量αが大きすぎると、発光波長（ピーク波長）λ０付近の波長帯の輝度成分の低下を招いたり、発光ダイオードの発光ピークのシフトなどの問題が発生する。従って、発光波長λ０からのシフト量αは、±２５ｎｍ以内とし、その範囲内で、発光ダイオードの発光波長λ０、発光スペクトル分布などに応じて最適なシフト量を選定するのがよい。
【実施例】
【００２３】
次に、本発明の具体的な実施例を説明する。図１は、本発明の実施例の発光ダイオード（ＬＥＤ）の概略的な構造を示す断面図である。
【００２４】
発光波長６３０ｎｍのＡｌＧａＩｎＰ系赤色ＬＥＤ用エピタキシャルウェハの作製にあたって、ブラッグ反射膜の反射が最大となる狙いの波長を６１５ｎｍ（シフト量α＝１５ｎｍ）として、ブラッグ反射膜の膜厚設計をした。ＬＥＤ用エピタキシャルウェハの作製は、ＭＯＶＰＥ法により、まず、ｎ型ＧａＡｓ基板２上に、高屈折率膜である膜厚３９.９ｎｍのｎ型ＧａＡｓ層（キャリア濃度：１×１０１８ｃｍ−３、屈折率：約３.８５）と、低屈折率膜である膜厚４９.４ｎｍのｎ型ＡｌＩｎＰ層（キャリア濃度：１×１０１８ｃｍ−３、屈折率：約３.１１）との２層（１ペア）を交互に積層した合計２０ペアからなる分布ブラッグ反射膜３を成長させた。その上に厚さが０.５μｍでキャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３のｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４、厚さが０.５μｍのアンドープＡｌ０.１ＧａＩｎＰ活性層５、厚さが０.５μｍでキャリア濃度が５×１０１７ｃｍ−３のｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６、厚さが５μｍでキャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３のｐ型ＡｌＧａＩｎＰ電流分散層７を順次成長した。
なお、上記エピタキシャル成長は基板温度７００℃、圧力約１３３３２．２Ｐａ(l00Torr)のもとで実施した。また、III族原料として、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）を用い、Ｖ族原料として、ＰＨ３（ホスフィン）、ＡｓＨ３（アルシン）を用いた。また、ｎ型ドーパント原料としてはＳｉ２Ｈ６（ジシラン）、ｐ型ドーパント原料としてはＤＥＺ（ジエチル亜鉛）を用いた。これらIII族有機金属原料ガス、Ｖ族原料ガス及びドーパント原料を、高純度水素キャリアガスとの混合ガスとして、気相成長装置の反応炉(成長炉)内に導入し、反応炉内で加熱された基板上にエピタキシャル層を成長させた。
【００２５】
上記のＬＥＤ用エピタキシャルウェハに対して、ｎ型ＧａＡｓ基板２に裏面電極１を、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ電流分散層７上の一部に表面電極８を形成した後、ウェハを切り出して、図１に示すＬＥＤチップを作製した。
【００２６】
図２は、図１と同一構造の発光波長６３０ｎｍの発光ダイオードにおいて、ブラッグ反射膜の設計膜厚のみを種々に変更して作製した発光ダイオードに対し、発光波長からのシフト量αと発光ダイオードの相対輝度との相関を調べた結果である。図２に示すように、従来のα＝０の時（相対輝度が１）に比べ、α＝１５ｎｍの時に相対輝度が約１.１で最大となり、また０＜α≦２５の範囲において輝度が向上した。
【００２７】
上記実施例においては、赤色から緑色の発光を実現できるＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤに適用した例を説明したが、本発明は、他のIII-Ｖ族化合物半導体、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮなどの窒化物半導体の発光層を有する青色ＬＥＤの分布ブラッグ反射膜にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る発光ダイオードの実施例の概略的な断面構造を示す断面図である。
【図２】分布ブラッグ反射膜の膜厚を、発光ダイオードの発光波長からαだけずらした波長で膜厚設計した場合の、αと発光ダイオードの相対輝度との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  裏面電極
２  ｎ型ＧａＡｓ基板
３  分布ブラッグ反射膜
４  ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
５  アンドープＡｌ０.１ＧａＩｎＰ活性層
６  ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
７  ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ電流分散層
８  表面電極
【図１】
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【図２】
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