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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6722221
(24)【登録日】2020年6月23日
(45)【発行日】2020年7月15日
(54)【発明の名称】発光ダイオード
(51)【国際特許分類】
H01L 33/10 20100101AFI20200706BHJP
H01L 33/40 20100101ALI20200706BHJP
H01L 33/14 20100101ALI20200706BHJP
【ＦＩ】
H01L33/10
H01L33/40
H01L33/14
【請求項の数】15
【全頁数】12
(21)【出願番号】特願2018-71697(P2018-71697)
(22)【出願日】2018年4月3日
(62)【分割の表示】特願2016-216305(P2016-216305)の分割
【原出願日】2016年5月13日
(65)【公開番号】特開2018-113477(P2018-113477A)
(43)【公開日】2018年7月19日
【審査請求日】2018年4月3日
(31)【優先権主張番号】10-2016-0032026
(32)【優先日】2016年3月17日
(33)【優先権主張国】KR
(73)【特許権者】
【識別番号】514121240
【氏名又は名称】ルーメンス カンパニー リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110000051
【氏名又は名称】特許業務法人共生国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】キム，デ−ウォン
【審査官】
大西 孝宣
(56)【参考文献】
【文献】
特開２００２−０２６３８５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１３−１２３０５７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１４−１０３２４０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１３−１９１８４８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００６−１００４２０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１３−１１５４３５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特表２０１１−５０４６６０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１１−２１６８８２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００１−０６０７１７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００２−１６４６２０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平０４−２８０６９３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許出願公開第２０１３／０２５６７２２（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０１Ｌ ３３／００ − ３３／６４
Ｈ０１Ｓ ５／００ − ５／５０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
前面及び背面を有する第１導電型半導体層と、
前面及び背面を有する第２導電型半導体層と、
前記第１導電型半導体層の背面と前記第２導電型半導体層の前面との間に形成された活性層と、
前記第２導電型半導体層の背面上に形成された第２導電型反射層と、
前記第２導電型半導体層とは反対側である前記第２導電型反射層の背面上に形成されてＵＶＡ波長帯域及び青色波長帯域の光を反射する反射部と、を備え、
前記第２導電型反射層は、
前記ＵＶＡ波長帯域である３１５ｎｍ〜４２０ｎｍ波長帯域の光を反射させるＤＢＲ（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）ユニット層を複数含み、前記ＤＢＲユニット層は、低屈折率層と、前記低屈折率層に隣接する高屈折率層と、を含み、
前記反射部は、
オーミックコンタクトを向上させるための第２導電型中間層と、
前記ＵＶＡ波長帯域及び青色波長帯域の光を反射させるための金属反射層と、を含み、
前記複数のＤＢＲユニット層のうちで、前記反射部に最も近く位置するＤＢＲユニット層の第２導電型不純物ドーピング濃度は、残りのＤＢＲユニット層よりも高いことを特徴とする発光ダイオード。
前面及び背面を有する第２導電型半導体層と、
前記第１導電型半導体層の背面と前記第２導電型半導体層の前面との間に形成された活性層と、
前記第２導電型半導体層の背面上に形成された第２導電型反射層と、
前記第２導電型半導体層とは反対側である前記第２導電型反射層の背面上に形成されてＵＶＡ波長帯域及び青色波長帯域の光を反射する反射部と、を備え、
前記第２導電型反射層は、
前記ＵＶＡ波長帯域である３１５ｎｍ〜４２０ｎｍ波長帯域の光を反射させるＤＢＲ（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）ユニット層を複数含み、前記ＤＢＲユニット層は、低屈折率層と、前記低屈折率層に隣接する高屈折率層と、を含み、
前記反射部は、
オーミックコンタクトを向上させるための第２導電型中間層と、
前記ＵＶＡ波長帯域及び青色波長帯域の光を反射させるための金属反射層と、を含み、
前記複数のＤＢＲユニット層のうちで、前記反射部に最も近く位置するＤＢＲユニット層の第２導電型不純物ドーピング濃度は、残りのＤＢＲユニット層よりも高いことを特徴とする発光ダイオード。
【請求項2】
前記第２導電型中間層の厚さは、１０ｎｍ〜１５０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項3】
前記第２導電型反射層の厚さは、６０ｎｍ〜１５００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項4】
前記第１導電型半導体層はｎ型半導体層であり、前記第２導電型半導体層はｐ型半導体層であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項5】
前記金属反射層は銀（Ａｇ）を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項6】
前記第１導電型半導体層の前面にサファイア基板が位置することを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項7】
前記第２導電型半導体層と前記第２導電型反射層との間に形成された位相整合層（ｐｈａｓｅ−ｍａｔｃｈｉｎｇ ｌａｙｅｒ）をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項8】
前記ＤＢＲユニット層の個数は、前記第２導電型反射層の反射率が８０％以上になるように調節されることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項9】
前記低屈折率層及び前記高屈折率層のそれぞれの厚さは、３０ｎｍ〜５０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項10】
前記第２導電型反射層において、前記ＤＢＲユニット層は３つ以上繰り返され、前記第２導電型半導体層の背面に最も近く位置する最初の３つのＤＢＲユニット層の第２導電型不純物ドーピング濃度である第１ドーピング濃度は、残りのＤＢＲユニット層のドーピング濃度である第２ドーピング濃度よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項11】
前面及び背面を有する第１導電型半導体層と、
前面及び背面を有する第２導電型半導体層と、
前記第１導電型半導体層の背面と前記第２導電型半導体層の前面との間に形成された活性層と、
前記第２導電型半導体層の背面上に形成された第２導電型反射層と、
前記第２導電型半導体層とは反対側である前記第２導電型反射層の背面上に形成されてＵＶＡ波長帯域及び青色波長帯域の光を反射し、前記第２導電型半導体層に電気的に連結された反射部と、を備え、
前記第２導電型反射層は、
前記ＵＶＡ波長帯域である３１５ｎｍ〜４２０ｎｍ波長帯域の光を反射させるＤＢＲ（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）ユニット層を複数含み、
前記複数のＤＢＲユニット層のうちで、前記反射部に最も近く位置するＤＢＲユニット層の第２導電型不純物ドーピング濃度は、残りのＤＢＲユニット層よりも高いことを特徴とする発光ダイオード。
前面及び背面を有する第２導電型半導体層と、
前記第１導電型半導体層の背面と前記第２導電型半導体層の前面との間に形成された活性層と、
前記第２導電型半導体層の背面上に形成された第２導電型反射層と、
前記第２導電型半導体層とは反対側である前記第２導電型反射層の背面上に形成されてＵＶＡ波長帯域及び青色波長帯域の光を反射し、前記第２導電型半導体層に電気的に連結された反射部と、を備え、
前記第２導電型反射層は、
前記ＵＶＡ波長帯域である３１５ｎｍ〜４２０ｎｍ波長帯域の光を反射させるＤＢＲ（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）ユニット層を複数含み、
前記複数のＤＢＲユニット層のうちで、前記反射部に最も近く位置するＤＢＲユニット層の第２導電型不純物ドーピング濃度は、残りのＤＢＲユニット層よりも高いことを特徴とする発光ダイオード。
【請求項12】
前記ＤＢＲユニット層は、低屈折率層と、前記低屈折率層に隣接する高屈折率層と、を含み、
前記低屈折率層及び前記高屈折率層のそれぞれの厚さは、３０ｎｍ〜５０ｎｍであることを特徴とする請求項１１に記載の発光ダイオード。
前記低屈折率層及び前記高屈折率層のそれぞれの厚さは、３０ｎｍ〜５０ｎｍであることを特徴とする請求項１１に記載の発光ダイオード。
【請求項13】
前記反射部は、
前記第２導電型反射層に隣接して、前記第２導電型反射層と前記反射部とのオーミックコンタクトを向上させるための第２導電型中間層と、
前記ＵＶＡ波長帯域及び青色波長帯域の光を反射させるための金属反射層と、を含むことを特徴とする請求項１１に記載の発光ダイオード。
前記第２導電型反射層に隣接して、前記第２導電型反射層と前記反射部とのオーミックコンタクトを向上させるための第２導電型中間層と、
前記ＵＶＡ波長帯域及び青色波長帯域の光を反射させるための金属反射層と、を含むことを特徴とする請求項１１に記載の発光ダイオード。
【請求項14】
前記第２導電型中間層の厚さは、１０ｎｍ〜１５０ｎｍであることを特徴とする請求項１３に記載の発光ダイオード。
【請求項15】
前記第２導電型反射層の厚さは、６０ｎｍ〜１５００ｎｍであることを特徴とする請求項１１に記載の発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、発光ダイオードに関し、より詳しくは、ｐ型半導体層を通過して進行する光のうち、短波長（ＵＶＡ波長）帯域の光を反射させるためにｐ型半導体層上に導電型反射層を形成し、さらに、短波長帯域の光及び可視光帯域の光を反射させるために導電型半導体層上に金属電極を形成した白色発光ダイオードに関する。
【背景技術】
【0002】
一般に、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などのＩＩＩ族元素の窒化物は、熱的安定性に優れ、直接遷移型のエネルギーバンド構造を有するので、最近、可視光領域及び紫外線領域の発光素子用物質として多くの脚光を浴びている。特に、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）を用いた青色及び緑色発光素子は、大規模なカラー平板表示装置、信号灯、室内照明、高密度光源、高解像度出力システム、及び光通信などの多様な応用分野に活用されている。
【0003】
このようなＩＩＩ族元素の窒化物半導体層は、当該半導体層を成長させる同種の基板を作成することが難しいので、類似する結晶構造を有する異種基板上に金属有機化学気相蒸着法（ＭＯＣＶＤ：ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）又は分子線蒸着法（ＭＢＥ：ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）などの工程よって成長させる。異種基板としては、六方晶系の結晶構造を有するサファイア（ｓａｐｐｈｉｒｅ）基板が主に使用される。しかし、サファイアは、電気的に不導体であるので、発光ダイオードの構造を制限する。このため、最近は、サファイアなどの異種の成長基板上に窒化物半導体層などの各エピタキシャル層を成長させ、成長した各エピタキシャル層に支持基板をボンディングした後、レーザーリフトオフ技術などの基板除去技術を用いて成長基板を分離し、垂直型構造の高効率発光ダイオードを製造する技術が開発されている。このような垂直型構造の発光ダイオードは、成長基板上にｎ型ＧａＮ層、活性層、及びｐ型ＧａＮ層を順次形成し、ｐ型ＧａＮ層上にｐ型のオーミック電極又はオーミック反射層を形成し、その上に支持基板をボンディングした後でサファイア基板を除去し、露出したｎ型化合物半導体層上に電極パッドを形成して製造される。
【0004】
一方、高輝度化及び高出力化を達成し、電極パッド側とのボンディングワイヤを省略するための構造であるフリップチップ型発光ダイオードは、一般にｐ型半導体層ではないサファイア基板を通じて発光することによって、厚いｐ型電極を用いてｐ型半導体層の電流拡がりを良好にし、サブマウント基板を介した熱放出によって熱抵抗を大きく減少させることができる。
【0005】
このようなフリップチップ型発光ダイオード及び垂直型発光ダイオードは、活性層からｐ型半導体層に放出される光を反射させて基板側に放出させなければならないので、ｐ型半導体層に放出される光を反射するために、反射層の形成が必須の要素となっている。一般に、金属電極がこのような反射層の機能を果たす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開２０１１−１９２８２１号公報
【特許文献2】特開２０１６−００１７４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、短波長（ＵＶＡ波長）帯域の光を用いる発光ダイオードにおいて、従来のアルミニウムが反射層に使用される場合の多様な短所を克服し、光抽出効率を向上させた発光ダイオードを提供することにある。
【0008】
また、本発明の目的は、短波長帯域の光を含む広い波長領域で高い反射率を有し、光抽出効率が向上するように、短波長帯域の光を反射させる第１反射層と、短波長帯域及び青色波長帯域の光を反射させる第２反射層とを備える発光ダイオードを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による発光ダイオードは、前面及び背面を有する第１導電型半導体層と、前面及び背面を有する第２導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層の背面と前記第２導電型半導体層の前面との間に形成された活性層と、前記第２導電型半導体層の背面上に形成された第２導電型反射層と、前記第２導電型半導体層とは反対側である前記第２導電型反射層の背面上に形成されてＵＶＡ波長帯域及び青色波長帯域の光を反射する反射部と、を備え、前記第２導電型反射層は、前記ＵＶＡ波長帯域である３１５ｎｍ〜４２０ｎｍ波長帯域の光を反射させるＤＢＲ（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）ユニット層を複数含み、前記ＤＢＲユニット層は、低屈折率層と、前記低屈折率層に隣接する高屈折率層と、を含み、前記反射部は、オーミックコンタクトを向上させるための第２導電型中間層と、前記ＵＶＡ波長帯域及び青色波長帯域の光を反射させるための金属反射層と、を含み、前記複数のＤＢＲユニット層のうちで、前記反射部に最も近く位置するＤＢＲユニット層の第２導電型不純物ドーピング濃度は、残りのＤＢＲユニット層よりも高いことを特徴とする。
【0010】
前記第２導電型中間層の厚さは、１０ｎｍ〜１５０ｎｍであることが好ましい。前記第２導電型反射層の厚さは、６０ｎｍ〜１５００ｎｍであることが好ましい。
前記第１導電型半導体層はｎ型半導体層であり、前記第２導電型半導体層はｐ型半導体層であり得る。
前記金属反射層は、銀（Ａｇ）を含み得る。
前記第１導電型半導体層の前面上にサファイア基板が位置し得る。
前記第２導電型半導体層と前記第２導電型反射層との間に形成された位相整合層（ｐｈａｓｅ−ｍａｔｃｈｉｎｇ ｌａｙｅｒ）をさらに含み得る。
【0011】
前記ＤＢＲユニット層の個数は、前記第２導電型反射層の反射率が８０％以上になるように調節されることが好ましい。
【0012】
前記低屈折率層及び前記高屈折率層のそれぞれの厚さは、３０ｎｍ〜５０ｎｍであり得る。前記第２導電型反射層において、前記ＤＢＲユニット層は３つ以上繰り返され、前記第２導電型半導体層の背面に最も近く位置する最初の３つのＤＢＲユニット層の第２導電型不純物ドーピング濃度である第１ドーピング濃度は、残りのＤＢＲユニット層のドーピング濃度である第２ドーピング濃度よりも低いことが好ましい。
【0013】
上記目的を達成するためになされた本発明の他の態様による発光ダイオードは、前面及び背面を有する第１導電型半導体層と、前面及び背面を有する第２導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層の背面と前記第２導電型半導体層の前面との間に形成された活性層と、前記第２導電型半導体層の背面上に形成された第２導電型反射層と、前記第２導電型半導体層とは反対側である前記第２導電型反射層の背面上に形成されてＵＶＡ波長帯域及び青色波長帯域の光を反射し、前記第２導電型半導体層に電気的に連結された反射部と、を備え、前記第２導電型反射層は、前記ＵＶＡ波長帯域である３１５ｎｍ〜４２０ｎｍ波長帯域の光を反射させるＤＢＲ（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）ユニット層を複数含み、前記複数のＤＢＲユニット層のうちで、前記反射部に最も近く位置するＤＢＲユニット層の第２導電型不純物ドーピング濃度は、残りのＤＢＲユニット層よりも高いことを特徴とする。
【0014】
前記ＤＢＲユニット層は、低屈折率層と、前記低屈折率層に隣接する高屈折率層と、を含み、前記低屈折率層及び前記高屈折率層のそれぞれの厚さは、３０ｎｍ〜５０ｎｍであることが好ましい。前記反射部は、前記第２導電型反射層に隣接して、前記第２導電型反射層と前記反射部とのオーミックコンタクトを向上させるための第２導電型中間層と、前記ＵＶＡ波長帯域及び青色波長帯域の光を反射させるための金属反射層と、を含み得る。
【0015】
前記第２導電型中間層の厚さは、１０ｎｍ〜１５０ｎｍであることが好ましい。前記第２導電型中間層の厚さは、６０ｎｍ〜１５００ｎｍであることが好ましい。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、短波長（ＵＶＡ波長）帯域を反射させる第１反射層と、短波長（ＵＶＡ波長）帯域及び青色波長帯域を反射させる第２反射層とを含む発光ダイオードを提供することによって、ＵＶＡ波長帯域及び青色波長帯域を含む広い波長帯域で高い反射率を有するようにし、光抽出効率をさらに向上させる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、及び銀（Ａｇ）の波長帯域に対する反射率を示すグラフである。
【図2】本発明の一実施形態による発光ダイオードの断面図である。
【図3】本発明の一実施形態による発光ダイオードの波長に対する反射率を示すグラフである。
【図4】本発明の一実施形態による発光ダイオードにおいて、第２導電型反射層を構成するＤＢＲユニット層の低屈折率層及び高屈折率層に対応する位置におけるアルミニウム（Ａｌ）の含量の一例を示す図である。
【図5】本発明の一実施形態による発光ダイオードにおいて、第２導電型反射層を構成するＤＢＲユニット層の低屈折率層及び高屈折率層に対応する位置におけるアルミニウム（Ａｌ）の含量の他の例を示す図である。
【図6】ＤＢＲユニット層に含まれる多様な形態のアルミニウム組成プロファイルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、本発明を実施するための形態の具体例を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【0019】
図１は、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、及び銀（Ａｇ）の波長帯域に対する反射率を示すグラフである。銀（Ａｇ）を含む金属電極は、反射層として用いることができる。しかし、銀の場合、青色波長帯域では反射率が非常に良好（高い）であるが、概ね３１５ｎｍ〜４２０ｎｍの波長帯域であるＵＶＡ波長帯域では、図１に示すように反射率が良好でない。よって、ＵＶＡ波長帯域の光を用いる白色発光ダイオードを具現しようとする場合、反射層として銀を使用することは難しい。
【0020】
そこで、ＵＶＡ波長帯域の光を反射するために反射層又は電極としてアルミニウム（Ａｌ）を使用する。図１に示すように、アルミニウム（Ａｌ）は、ＵＶＡ波長帯域に対して反射率が良好（高い）であるが、ｐ型半導体層とアルミニウムとの間のオーミックコンタクトが良好ではなく、さらにアルミニウム電極を使用するためには拡散障壁層（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｂａｒｒｉｅｒ ｌａｙｅｒ）を使用しなければならないので、このための工程が必要になる。
【0021】
図２は、本発明の一実施形態による発光ダイオードの断面図であり、図３は、本発明の一実施形態による発光ダイオードの波長に対する反射率を示すグラフであり、図４は、本発明の一実施形態による発光ダイオードにおいて、第２導電型反射層を構成するＤＢＲユニット層の低屈折率層及び高屈折率層に対応する位置におけるアルミニウム（Ａｌ）の含量の一例を示す図であり、図５は、本発明の一実施形態による発光ダイオードにおいて、第２導電型反射層を構成するＤＢＲユニット層の低屈折率層及び高屈折率層に対応する位置におけるアルミニウム（Ａｌ）の含量の他の例を示す図であり、図６は、ＤＢＲユニット層に含まれる多様な形態のアルミニウム組成プロファイルを示す図である。各図に示した発光ダイオードは、フリップチップ型発光ダイオードであり、以下、これに関して集中的に記述するが、本発明は、フリップチップ型発光ダイオードに限定されるものではなく、垂直型発光ダイオードにもそのまま適用可能である。また、各図において、各層の厚さは、説明の便宜上、誇張又は概略的に示している。
【0022】
まず、図２を参照して本発明の一実施形態による発光ダイオードを説明する。図２に示すように、発光ダイオードは、サファイア基板１０、第１導電型半導体層２０、活性層３０、第２導電型半導体層４０、第２導電型反射層５０、第１電極８０、第２電極としての反射部（７２、７４）、及び位相整合層９０を含む。
【0023】
第１導電型半導体層２０及び第２導電型半導体層４０は、それぞれ前面及び背面を有する。図２において、第１導電型半導体層２０はｎ型半導体層であり、第２導電型半導体層４０はｐ型半導体層である。第１導電型半導体層２０、第２導電型半導体層４０、及び第２導電型反射層５０のそれぞれの前面は、図２上で上側に向いた面を示し、背面は、図２上で下側に向いた面を示す。
【0024】
活性層３０は、第１導電型半導体層２０の背面と第２導電型半導体層４０の前面との間に形成される。活性層３０は、電子と正孔との再結合によって光が発生する層であって、多重量子井戸構造（ＭＱＷ：ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）に形成する。例えば、活性層３０は、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、又はＧａＮなどの窒化物半導体層で構成される。
【0025】
第１導電型半導体層２０、活性層３０、及び第２導電型半導体層４０は、化学気相蒸着法（ＣＶＤ：ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、金属有機化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）、プラズマ化学気相蒸着法（ＰＥＣＶＤ：ｐｌａｓｍａ−ｅｎｈａｎｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、分子線成長法（ＭＢＥ）、水素化物気相成長法（ＨＶＰＥ：ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）などの蒸着及び成長方法によって形成される。
【0026】
第１電極８０は、第１導電型半導体層２０に電気的に連結される構成要素であり、反射部（７２、７４）は、第２導電型反射層５０の背面上に形成されて、第２電極として機能するものであって、オーミックコンタクトを向上させるための第２導電型中間層７２と、ＵＶＡ波長帯域及び青色波長帯域の光を反射させるための金属反射層７４とを含む。例えば、第１電極８０は、ｎ型半導体層２０に電気的に連結される電極であり、反射部（７２、７４）は、ｐ型半導体層４０に電気的に連結される第２電極として機能する。反射部の金属反射層７４は、以下で説明する第２導電型反射層５０が第１反射層として機能する際に、第２反射層として機能する。第２導電型中間層７２の厚さは、概ね１０ｎｍ〜１５０ｎｍである。
【0027】
第２導電型反射層５０は、第２導電型半導体層４０の背面上に、すなわち、第２導電型半導体層４０の背面と反射部（７２、７４）との間に形成され、活性層から第２導電型半導体層４０を通過して放出される短波長帯域の光を反射する。ここで、短波長帯域は、ＵＶＡ波長帯域に該当し、概ね３１５ｎｍ〜４２０ｎｍ帯域の波長を有する。
【0028】
第２導電型反射層５０は、複数のＤＢＲユニット層（５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、…、５０ｚ）を含む。以下では、ＤＢＲユニット層（５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、…、５０ｚ）のうちのいずれか一つであって、代表的に５０ａを例に挙げて説明する。ＤＢＲユニット層５０ａは、低屈折率層５０ａ１と、低屈折率層５０ａ１に隣接する高屈折率層５０ａ２とを含み、低屈折率層５０ａ１は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）を含み、高屈折率層５０ａ２は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ＜１、ｙ＜ｘ）を含む。第２導電型反射層５０に含まれるＤＢＲユニット層（５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、…、５０ｚ）の個数は可変である。ＤＢＲユニット層の個数は、第２導電型反射層５０の反射率が概ね８０％以上になるように調節する。低屈折率層５０ａ１及び高屈折率層５０ａ２の説明で使用する「隣接する」という用語は、他の構成要素の介在なしに直接隣接することを意味するか、又は他の構成要素が介在した状態で隣接することを意味する。
【0029】
図２に示すように、第２導電型反射層５０が複数のＤＢＲユニット層（５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、…、５０ｚ）を含む状態である場合、低屈折率層５０ａ１及び高屈折率層５０ａ２が継続して交互に繰り返されるパターンになる。
【0030】
例えば、第２導電型半導体層４０がｐ型半導体層である場合、第２導電型反射層５０はｐ型ＤＢＲである。また、低屈折率層５０ａ１及び高屈折率層５０ａ２は、それぞれ上述したようにＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）及びＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ＜１、ｙ＜ｘ）を含むが、ＧａＮの屈折率（ＵＶ帯域で約２．４）に比べてＡｌＮの屈折率がより低いので、低屈折率層５０ａ１が高屈折率層５０ａ２に比べて常にＡｌの含量をより高く含むように構成される。
【0031】
低屈折率層５０ａ１及び高屈折率層５０ａ２の一般式において、低屈折率層５０ａ１はＡｌｘＧａ１−ｘＮであり、高屈折率層５０ａ２はＡｌｙＧａ１−ｙＮである。ここで、ｘとｙとの間の関係式は、０≦ｙ＜ｘ≦１である。すなわち、低屈折率層５０ａ１のアルミニウム（Ａｌ）の含量が高屈折率層５０ａ２のアルミニウム（Ａｌ）の含量より高い。さらに、低屈折率層５０ａ１及び高屈折率層５０ａ２の組成を段階的に変化させて、エネルギーバンドの急激な変化を減少できるようにする。上記の式に基づいて説明すると、例えば、低屈折率層５０ａ１はＡｌＮからなり、高屈折率層５０ａ２はＧａＮからなる。
【0032】
また、図２に示すように、第２導電型反射層５０が複数のＤＢＲユニット層（５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、…、５０ｚ）を含む場合、複数のＤＢＲユニット層（５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、…、５０ｚ）のうちで、第２電極となる反射部（７２、７４）に最も近く位置するＤＢＲユニット層５０ｚの第２導電型不純物ドーピング濃度は、残りのＤＢＲユニット層より高い。その結果、第２電極となる反射部（７２、７４）とのオーミックコンタクトを向上させることができる。例えば、第２導電型不純物がｐ型不純物である場合、ｐ型電極となる反射部（７２、７４）に最も近く位置する最後のＤＢＲユニット層５０ｚを、最大５×１０２０ｃｍ−３まで高濃度にドーピングされたｐ型半導体層で形成する。
【0033】
第２導電型反射層５０のＤＢＲユニット層（５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、…、５０ｚ）において、第２導電型半導体層４０の背面に最も近く位置する最初の３つのＤＢＲユニット層（５０ａ、５０ｂ、５０ｃ）の第２導電型不純物ドーピング濃度である第１ドーピング濃度は、残りのＤＢＲユニット層の第２導電型不純物ドーピング濃度である第２ドーピング濃度より低くする。これは、第２導電型反射層５０において残りの部分に比べて相対的に活性層３０に近く位置するＤＢＲユニット層の場合、自由キャリア吸収（ｆｒｅｅ−ｃａｒｒｉｅｒ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）が相対的に大きくなるので、これを減少させるためである。第２ドーピング濃度は、第２導電型反射層５０において残りのＤＢＲユニット層のドーピング濃度である。例えば、第２ドーピング濃度は、概ね１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２１ｃｍ−３であり、最初の３つのＤＢＲユニット層（５０ａ、５０ｂ、５０ｃ）の第２導電型不純物ドーピング濃度である第１ドーピング濃度は、概ね１×１０１６ｃｍ−３〜５×１０１７ｃｍ−３である。第２導電型反射層５０の全体厚さは、例えば、概ね６０ｎｍ〜１５００ｎｍであり、ＤＢＲユニット層（例えば、５０ａ）の厚さは概ね６０ｎｍ〜１００ｎｍである。また、ＤＢＲユニット層（例えば、５０ａ）において、低屈折率層５０ａ１及び高屈折率層５０ａ２のそれぞれの厚さは概ね３０ｎｍ〜５０ｎｍである。
【0034】
位相整合層９０は、第２導電型半導体層４０と第２導電型反射層５０との間に追加されるものであって、有効反射率を極大化するための層である。この位相整合層９０の第２導電型不純物ドーピング濃度も、最初の３つのＤＢＲユニット層（５０ａ、５０ｂ、５０ｃ）と同様に、自由キャリア吸収を減少させるために第２導電型不純物ドーピング濃度を第２ドーピング濃度より低下させる。例えば、第２ドーピング濃度は、概ね１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２１ｃｍ−３であり、最初の３つのＤＢＲユニット層（５０ａ、５０ｂ、５０ｃ）の第２導電型不純物ドーピング濃度及び位相整合層の第２不純物ドーピング濃度のすべては、１×１０１６ｃｍ−３〜５×１０１７ｃｍ−３である。例えば、位相整合層９０は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）を含み、厚さは５ｎｍ〜５０ｎｍである。
【0035】
このように、本発明は、ＵＶＡ波長帯域を反射させる第１反射層として機能する第２導電型反射層５０と、ＵＶＡ波長帯域及び青色波長帯域を反射させる第２反射層として機能する金属反射層７４と、を含む発光ダイオードを提供するものであって、本発明による発光ダイオードは、ＵＶＡ波長帯域を含む広い波長帯域で高い反射率を有し、光抽出効率をより向上させるようになる。さらに、ｐ型半導体層の方向に伝播する光を反射させて、光効率を向上させるために導電型ＤＢＲを追加することによって、既存の非導電型ＤＢＲを形成した場合に電流経路を形成するための追加工程を削減できるという長所がある。
【0036】
次に、図２に示した本発明の一実施形態による発光ダイオードの波長（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）に対する反射率（ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ）を示す図３を参照すると、セクション２（Ｓ２）より短波長の帯域（セクション１（Ｓ１）及びそれ以下の帯域）は、白色発光ダイオードの具現に使用されない波長帯域（ＵＶＢ、ＵＶＣと定義される）であり、セクション２は、ＵＶＡ波長帯域（３１５ｎｍ〜４２０ｎｍ）の一部であって、図２における第２導電型反射層５０によって主に反射される。セクション２において、図中の実線で示すように、この波長帯域で第２導電型反射層５０は９０％（０．９）以上の反射率を示す。そして、セクション３は、ＵＶＡ波長帯域の一部と青色波長帯域であって、この部分の反射は、図中の破線で示すように、金属反射層７４によって反射される。図中の破線は、銀を金属反射層７４として使用した場合である。そのため、本実施形態は、ＵＶＡ波長帯域を反射させる第１反射層として機能する第２導電型反射層５０と、ＵＶＡ波長帯域及び青色波長帯域を反射させる第２反射層として機能する金属反射層７４とを含む発光ダイオードを提供することによって、ＵＶＡ波長帯域を含む広い波長帯域で高い反射率を有し、光抽出効率がさらに向上するようになる。
【0037】
図２を参照して説明した本発明の一実施形態による発光ダイオードにおいて、ＤＢＲユニット層（例えば、５０ａ）の低屈折率層５０ａ１が、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）を含み、高屈折率層５０ａ２が、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ＜１、ｙ＜ｘ）を含む場合を説明した。これに対応して、第２導電型反射層５０のアルミニウム（Ａｌ）の含量を図で説明する。それらの各例を、図４〜図６に示す。各図において、ｘ軸は第２導電型反射層５０の位置を示し、ｙ軸はＡｌの含量を示す。ここで、図２に示す第２導電型反射層５０の上下方向に沿った位置がｘ軸に対応する。
【0038】
まず、図４を参照すると、ａは低屈折率層５０ａ１であり、ｂは高屈折率層５０ａ２であり、ａ＋ｂはＤＢＲユニット層５０ａである。このように低屈折率層５０ａ１ではＡｌの含量が最も高いので、低屈折率層５０ａ１は実質的にＡｌＮ層になる。そして、高屈折率層５０ａ２では、Ａｌの含量が最も低いので、高屈折率層５０ａ２は実質的にＧａＮ層になる。よって、この場合、第２導電型反射層５０はＡｌＮ層とＧａＮ層とが交互に繰り返されるパターンになる。
【0039】
次に、図５を参照すると、ａは低屈折率層５０ａ１であり、ｂは高屈折率層５０ａ２である。本例において、ＤＢＲユニット層５０ａは、低屈折率層５０ａ１と高屈折率層５０ａ２との間にＡｌの含量が漸次低くなる第１トランジション部ｔ１を含み、高屈折率層５０ａ２とその次のＤＢＲユニット層（図１の５０ｂ）における低屈折率層５０ａ１との間に含量が漸次高くなる第２トランジション部ｔ２を含む。図５の場合、０．５ｔ２＋ａ＋０．５ｔ１が低屈折率層であり、０．５ｔ１＋ｂ＋０．５ｔ２が高屈折率層であり、ａ＋ｂ＋ｔ１＋ｔ２は一つのＤＢＲユニット層の全体厚さである。波長との関係を考慮すると、一つのＤＢＲユニット層の光学的厚さ、すなわち、ａ＋ｂ＋ｔ１＋ｔ２は、λ／２になるように設計する。また、一つのＤＢＲユニット層内において、低屈折率層５０ａ１及び高屈折率層５０ａ２のそれぞれの厚さは、λ／４になるように設計する。第１トランジション部ｔ１と第２トランジション部ｔ２のＡｌの含量プロファイルは多様な形態になり、例えば、線形又は二次曲線の形態である。
【0040】
図６を参照すると、第１トランジション部ｔ１の開始点Ｐ３と終了点Ｐ４、そして、第２トランジション部ｔ２の開始点Ｐ１と終了点Ｐ２、すなわち、各異種接合点（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４）は、Ａｌの含量が漸次変化せずに急激に変化するポイントであるが、この地点にのみデルタドーピングを行い、エネルギーバンドの急激な変化を減少させる。なお、本明細書中において、各図のプロファイルに関する説明は、Ａｌの含量を基準にして説明しているが、ＤＢＲユニット層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）及びＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ＜１、ｙ＜ｘ）からなるので、Ｇａの含量もそれに対応して変化する。
【0041】
一般に、デルタドーピング（ｄｅｌｔａ ｄｏｐｉｎｇ）は、デルタ関数（ｄｅｌｔａ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）などのプロファイルでドーピングする方法であって、第２導電型反射層５０におけるドーピング過程でバックグラウンドドーピングを高める場合、自由キャリア吸収が全体的に大きくなるので、これを防止するために、本実施形態のように、第２ドーピング濃度を１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２１ｃｍ−３の水準にし、Ａｌの含量が変化する部分、すなわち、各トランジション部（ｔ１、ｔ２）にのみこのようなデルタドーピングを適用することによって、Ａｌの含量の変化によって発生するエネルギーバンドの急激な変化を減少させ、第２導電型反射層５０における抵抗を減少させる。
【0042】
以上のように、本発明は、新たな概念の発光ダイオードを提供することによって、従来のｐ型半導体層上に非導電型ＤＢＲを形成する場合に比べて、電流経路を形成するための銀やアルミニウムなどのｐ型半導体層との機械的／電気的接合性能が良好でない金属反射電極を使用する必要がないだけでなく、追加的な金属反射層を使用しなくても光効率を大幅に向上させることができる。
【0043】
以上、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
【符号の説明】
【0044】
１０ サファイア基板２０ 第１導電型半導体層
３０ 活性層
４０ 第２導電型半導体層
５０ 第２導電型反射層
５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、…、５０ｚ ＤＢＲユニット層
５０ａ１ 低屈折率層
５０ａ２ 高屈折率層
７２ （反射部の）第２導電型中間層
７４ （反射部の）金属反射層
８０ 第１電極
９０ 位相整合層