(57)【要約】【課題】光取出し効率が高くて且つ動作電圧の増加が抑えられ、また、反射面を構成する反射層と窒化物半導体層との密着性が高い窒化物半導体発光ダイオードを提供する。【解決手段】窒化物半導体発光ダイオードは、ｐ型の窒化物半導体からなるｐ型層１０３と、ｐ型層１０３の下面に設けられた発光層１０２と、発光層１０２の下面に設けられたｎ型の窒化物半導体からなるｎ型層１０１と、ｎ型層１０１に接するように設けられた接合層１１４とを備える。ｎ型層１０１における接合層１１４と接する側の表面に複数の斜面を有する凹凸が設けられ、接合層１１４はIII族原子からなる金属又はIII族原子を含む合金である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型の窒化物半導体からなるｐ型層と、
前記ｐ型層の下面に設けられた発光層と、
前記発光層の下面に設けられた、ｎ型の窒化物半導体からなるｎ型層と、
前記ｎ型層に接するように設けられた接合層とを備えた窒化物半導体発光ダイオードであって、
前記ｎ型層における前記接合層と接する側の表面に複数の斜面を有する凹凸が設けられており、
前記接合層は、III族原子からなる金属又は前記III族原子を含む合金からなる、窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項２】
前記複数の斜面の一部又は全部が、窒化物半導体の結晶方位面によって構成されている、請求項１に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項３】
前記結晶方位面が｛１−１０−１｝面である、請求項２に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項４】
前記III族原子がＡｌである、請求項１に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項５】
前記接合層の下部に設けられた反射層をさらに備えており、
前記接合層の厚みが、
前記発光層から放射される光における前記接合層を構成する材料に対する光の侵入深さ以下である、請求項１に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項６】
前記反射層はＡｇからなる金属又はＡｇを含む合金からなる、請求項５に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項７】
前記ｎ型層と前記接合層との間に形成され、複数の開口部を有する誘電体層をさらに備えており、
前記開口部を介して、前記ｎ型層と前記接合層とが接している、請求項１に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項８】
前記誘電体層は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、ＳｉｘＮｙ、ＡｌｘＯｙ及びＬｉＦからなる群より選択された１種類の材料からなる単層膜、又は少なくとも１種類の材料を含む多層膜によって構成されている、請求項７に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項９】
前記誘電体層は、発光波長に対する屈折率が前記窒化物半導体の前記発光波長に対する屈折率よりも低い誘電体材料によって構成されている、請求項７に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項１０】
前記誘電体層の膜厚は、８０ｎｍ以上である、請求項９に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項１１】
前記誘電体層の膜厚は、１０００ｎｍ以下である、請求項１０に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明に開示の技術は、窒化物系III−Ｖ族半導体を用いた、片面電極型又はｐサイドアップ電極型の発光ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発光効率の高い発光ダイオードの開発が急速に進み、このような発光ダイオードを液晶テレビ等の液晶表示装置のバックライト光源などに用いるための技術開発が盛んに行われている。その中でも、特に、ＧａＮ（窒化ガリウム）に代表されるいわゆる窒化物半導体を用いた発光ダイオード（以下、窒化物半導体発光ダイオード、又は単に発光ダイオードと呼ぶ）は、紫外線から青色の波長の光を放射することができるため、蛍光体と組み合わせることで白色発光が可能である。このため、窒化物半導体発光ダイオードは、液晶バックライト等の光源として必須となっている。このような状況において、最近の液晶表示装置の高輝度化の要望に答えるべく、発光ダイオードの高輝度化が強く求められている。
【０００３】
従来、このような窒化物半導体発光ダイオードを作製する方法としては、基板としてサファイア基板又はＳｉＣ基板を用い、これらの基板上に発光層を含む窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる方法が一般的である。これらサファイア基板又はＳｉＣ基板を用いた窒化物半導体発光ダイオードにおいては、用いる基板によって電極の構造が大きく異なっている。
【０００４】
例えばサファイア基板を用いた窒化物半導体発光ダイオードの場合、サファイア基板が絶縁性基板であるため、発光ダイオードの光放射面側（窒化物半導体層側）にｐ電極とｎ電極の両方が形成された構造が一般的である（以下、この構造を片面電極型と呼ぶ）。この場合、パッケージの方法としては、樹脂接着剤等を用いて、サファイア基板側をパッケージのリードフレーム上に固定し、ｐ電極とｎ電極の両方をリードフレームの配線部分にＡｕワイヤーを用いて接続する方法が採用されている。一方、導電性のＳｉＣ基板を用いた窒化物半導体発光ダイオードの場合、発光ダイオードの光放射面側にはｐ電極のみを形成し、ｎ電極はＳｉＣ基板の裏面側に形成して、発光ダイオード構造の縦方向に電流を流して発光させる構造が一般的である（以下、この構造をｐサイドアップ電極型と呼ぶ）。この場合、パッケージの方法としては、銀ペースト等の導電性樹脂を用いて、ＳｉＣ基板側をリードフレームのｎ電極用配線部分に固定し、ｐ電極をリードフレームのｐ電極用配線部分にＡｕワイヤーを用いて接続する方法が採用されている。
【０００５】
このような片面電極型又はｐサイドアップ電極型の窒化物半導体発光ダイオードでは、高輝度化を実現すべく、発光ダイオードの発光部からの光を発光ダイオードの外部へ効率的に取り出すための様々な技術が提案されている。具体的には、例えば、発光ダイオードの光放射面が形成されている窒化物半導体層と基板との間に反射面を設けることにより、光放射面から基板方向に放射された光を光放射面側に反射させて、光取り出し効率を向上させる技術が提案されている。ここで、光取り出し効率とは、発光ダイオードの発光部から放射された光を発光ダイオードの外部へ取り出す効率のことである。
【０００６】
以下、図２６及び図２７を参照して、従来の窒化物半導体発光ダイオードの構造を説明する。
【０００７】
図２６は、特許文献１又は非特許文献１で開示された従来例（以下、従来例１と呼ぶ）の発光ダイオード８００の構造を示す断面図である。
【０００８】
図２６に示すように、従来例１の発光ダイオード８００は、導電性の支持基板８１５が最下層に形成されている。該支持基板８１５の上には、反射面８２１を構成する反射層８１４、ｎ型の窒化物半導体からなるｎ型層８０１、発光層８０２、及び、ｐ型の窒化物半導体からなるｐ型層８０３がこの順に積層され、窒化物半導体層８０４が形成されている。さらに、ｐ型層８０３の上面には光放射面８２０を構成する透明電極８１１が形成され、透明電極８１１の上面の一部にｐ電極８１２が形成されている。このようにして、ｐサイドアップ電極型の構造が形成されている。この構造では、発光層８０２から光放射面８２０側に放射された光は透明電極８１１を通過して発光ダイオードの外部に放射される。一方、発光層８０２から放射されて光放射面８２０側とは反対の方向へ進行した光の一部は、反射面８２１によって光放射面８２０側に反射されるために、光取り出し効率が向上し、発光ダイオードの輝度向上が実現する。
【０００９】
一方、上記のような反射面を設けた発光ダイオードの発光効率をさらに向上させる技術も提案されている。具体的には、上記の従来例１のような発光ダイオードおいては、反射面に対して斜め下方に進行した光の大部分は窒化物半導体層８０４内部で全反射を繰り返すため、結果的に光放射面から放射されずに窒化物半導体層８０４内で吸収されてしまい、光取り出し効率の改善が不十分である。このため、例えば特許文献２のように、反射面に凹凸斜面を設ける構造が提案されている。
【００１０】
図２７は、特許文献２で開示された従来例（以下、従来例２と呼ぶ）の発光ダイオード９００の構造を示す断面図である。
【００１１】
図２７に示すように、従来例２の発光ダイオード９００は、下面に裏面電極９１６を設けた導電性の支持基板９１５が最下層に形成されている。該支持基板９１５の上には、第２の金属層９１４、第１の金属層９１３、コンタクト層９１２が形成され、さらに、コンタクト層９１２の上に、ｐ型層９０３、発光層９０２、及び、ｎ型層９０１がこの順に形成されて窒化物半導体層９０４が形成されている。ｎ型層９０１の上面の一部にｎ電極９１１が形成されており、ｎ型層９０１の上面が光放射面９２０を構成している。コンタクト層９１２は、ｐ型層９０３よりも小さいバンドギャップを有する窒化物半導体で構成され、コンタクト層９１２における第１の金属層９１３と接する側の表面には、ドライエッチ法を用いて微細な凹凸構造が形成されている。このため、第１の金属層９１３によって構成される反射面９２１は凹凸斜面を有している。このように反射面に凹凸斜面を設けることにより、発光層から発せられて反射面側へ進行した光は、凹凸斜面を有する反射面上で乱反射されて様々な方向に進行方向を変えるため、窒化物半導体層９０４内部で光が横方向に伝搬して全反射を繰り返す割合が小さくなる。これにより、発光ダイオードの上方へ放出される光が増加し、従来例１の構造よりも光取り出し効率が向上する。
【００１２】
特許文献２では、この従来例２の発光ダイオードを製造する方法が開示されている。それによると、例えばサファイア基板又はＳｉＣ基板などからなる基礎基板上に、ｎ型層、発光層、及びｐ型層をこの順にエピタキシャル成長した後、ｐ型層の最上面にドライエッチ法によって凹凸構造を形成する。続いて、凹凸構造が形成されたｐ型層の上面に、反射層及び接合金属層を介して支持基板を基板接合技術により貼り合せる。その後、基礎基板を除去してｎ型層表面を露出させ、その露出したｎ型層表面の一部にｎ電極を形成する。このようにして、従来例２の発光ダイオードが作製される。
【特許文献１】特開２００４−８８０８３号公報
【特許文献２】特開２００７−１２３５７３号公報
【非特許文献１】Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｖｏｌ．４３，  Ｎｏ．  ８Ａ，  ２００４，  ｐｐ  ５２３９−５２４２．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上記従来例１及び従来例２に示す従来の構造では、以下に述べるような
課題が発生する。
【００１４】
まず、従来例２の構造においては、従来のサファイア基板又はＳｉＣ基板を用いた発光ダイオードの構造の場合とは電極配置が異なるという課題が挙げられる。具体的には、従来例２の発光ダイオードの構造では、光放射面側にｎ電極が形成された、いわゆるｎサイドアップ電極型の構造となる。従って、この場合のパッケージ方法は、導電性樹脂によってリードフレームのｐ電極用配線上に支持基板側を固定し、発光ダイオードのｎ電極をリードフレームのｎ電極用配線にＡｕワイヤーを用いて接続するような変更が必要である。この変更は、従来のサファイア基板又はＳｉＣ基板を用いた発光ダイオードの構造の場合とは異なるパッケージの設計及び作製が必要となり、結果的にバックライト光源のコスト増加を引き起こしてしまう。
【００１５】
このようなコスト増加を避けるため、従来のパッケージ構造をそのまま用いることが可能な、従来例１の発光ダイオードを用いることが考えられる。しかしながら、従来例１の構造では、前述のように光取り出し効率が十分でないという課題に加え、反射層が、発光部を含む窒化物半導体層から剥がれやすいという密着性の課題、及び、発光ダイオードの動作電圧が増加してしまうという課題が生ずる。実際に、本発明者が、従来例１の発光ダイオードを作製したところ、窒化物半導体層に反射層及び支持基板を形成した後のチップ分離工程において、窒化物半導体層と反射層との間で膜剥がれが生じるという課題が発生した。また、非特許文献１に示すように、反射層を形成した発光ダイオードの構造の場合、反射層を形成しない構造の場合と比較して、動作電圧が０．５〜１Ｖ程度上昇するという課題も生じる。
【００１６】
以上のような課題の中で、光取り出し効率に関しては、従来例１の電極配置と層構造を維持したまま、従来例２のように反射面に凹凸を設け、光取り出し効率を向上させることが考えられる。この場合、ｎ型ＧａＮ層表面に従来例２と同様にドライエッチング法を用いて凹凸を形成する方法が考えられる。しかしながら、この場合においても、従来例１と同様に、窒化物半導体層と反射層との密着性が悪いという課題と、動作電圧が上昇するという課題は解決されない。
【００１７】
前記に鑑み、本発明の目的は、光放射面側にｐ電極が形成された、片面電極型又はｐサイドアップ型の窒化物半導体発光ダイオードにおいて、光取出し効率が高くて且つ動作電圧の上昇が抑えられる構造を提供することである。さらに、反射面を構成する反射層と窒化物半導体層との密着性が高い構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の目的を達成するために、本発明の一例示的な窒化物半導体発光ダイオードは、ｐ型の窒化物半導体からなるｐ型層と、ｐ型層の下面に設けられた発光層と、発光層の下面に設けられた、ｎ型の窒化物半導体からなるｎ型層と、ｎ型層に接するように設けられた接合層とを備えており、ｎ型層における接合層と接する側の表面に複数の斜面を有する凹凸が設けられ、接合層はIII族原子からなる金属又はIII族原子を含む合金である構成を有している。この構造では、接合層によって反射面が形成される。
【００１９】
本発明の一例示的な窒化物半導体発光ダイオードは、ｎ型層における接合層と接する側の表面に複数の斜面を有する凹凸が設けられている点に特徴を有する。これにより、接合層によって構成される反射面は凹凸斜面を有する構造となり、凹凸斜面における光の乱反射効果によって光取り出し効率の向上が実現できる。
【００２０】
また、凹凸斜面としては、窒化物半導体の結晶方位面を用いることが望ましい。そのような結晶方位面の中でも、特に、窒化物半導体の半極性面の一種である｛１−１０−１｝面が最も望ましい。ここで、半極性面とはｃ面、すなわち（０００１）面に対して傾いた面のことである。また、中括弧｛  ｝の表示は、結晶の座標軸に対する相対的な関係が同じ面の一群を表し、｛１−１０−１｝面としては（１−１０−１）、（１０−１−１）、（０１−１−１）、（−１１０−１）、（−１０１−１）、（０−１１−１）の６つの等価な面が含まれる。この｛１−１０−１｝面は、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液と紫外線照射とを併用したウェットエッチ法により容易に形成することが可能である。
【００２１】
｛１−１０−１｝面においては、Ｇａ原子などのIII族原子で終端された最表面が形成される。この最表面のIII族原子は窒素原子と結合を持たないために、電子を１個余分に持ったマイナスイオンの状態となり、最表面上で実効的にｎ型キャリア濃度が増加して、接合層との間のコンタクト抵抗が低減できる。従って、本発明の一例示的な窒化物半導体発光ダイオードの構成によって、動作電圧の上昇を抑えることが可能となる。
【００２２】
さらに、本発明の一例示的な窒化物半導体発光ダイオードは、接合層を構成する材料がIII族原子からなる金属又はIII族原子を含む合金である点に特徴を有する。この場合、接合層を構成するIII族原子とｎ型層の最表面を構成するＧａなどのIII族原子同士が容易に反応して表面再構成が起こる。このため、窒化物半導体層と接合層との間の化学的な結合力が増加する。その結果、ｎ型層と接合層との間の密着性が大幅に向上する。
【００２３】
なお、接合層の構成材料であるIII族原子としては、発光層から発せられる波長が約３５０ｎｍから約５５０ｎｍまでの範囲の光を高効率で反射する材料が望ましく、そのような材料として、特に、Ａｌ又はその合金が最も好ましい。
【００２４】
また、本発明の一例示的な窒化物半導体発光ダイオードでは、接合層の下面に接するように設けられた反射層をさらに備え、接合層の厚みが、発光層から放射される光に対する侵入深さ以下の構成としてもよい。この場合、反射層を構成する材料として、発光層からの光を高効率で反射する金属が望ましく、そのような材料として、特に、Ａｇからなる金属又はＡｇを含む合金が最も好ましい。
【００２５】
このような構成によると、接合層の厚みが光の侵入深さ以下であるため、発光層から接合層側へ進行した光は接合層を透過して反射層の表面へ到達し、そこで反射される。このため、反射層をＡｇなどの高反射率の金属で構成することにより、光の反射効率を向上させることができ、窒化物半導体発光ダイオードの更なる高輝度化が実現できる。
【００２６】
さらに、本発明の一例示的な窒化物半導体発光ダイオードは、ｎ型層と接合層との間に形成され、複数の開口部を有する誘電体層をさらに備えており、開口部を介して、ｎ型層と接合層とが接している構成としてもよい。
【００２７】
この場合には、誘電体層として、光の吸収がないように複素屈折率のうちの虚数部、すなわち、消衰係数が小さい材料を用いることが望ましい。このような材料としては、例えば、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、ＳｉｘＮｙ、ＡｌｘＯｙ又はＬｉＦ等の材料が挙げられる。
【００２８】
これらの誘電体材料から、例えば、ＳｉＯ２とＴｉＯ２などの屈折率差の大きい２種類を選択してそれらを交互に積層させてなる誘電体多層膜によって誘電体層を構成することにより、発光層から発せられて基板側に放射された光の一部が誘電体層の表面で反射されると共に、誘電体層を透過した光についてもその下面に配置された接合層によって反射される。このため、誘電体層の界面においてより効率的に光を反射させることができ、発光ダイオードの更なる高輝度化が実現できる。または、誘電体層は、発光ダイオードの発光波長に対する屈折率が窒化物半導体の発光波長に対する屈折率よりも十分に低い誘電体材料によって構成されていてもよい。このような材料としては、例えば、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、ＳｉｘＮｙ、ＡｌｘＯｙ又はＬｉＦ等の材料が挙げられる。この場合には、発光層から発せられて接合層側に放射された光の一部は、窒化物半導体と誘電体層との間の屈折率差のために吸収されることなく反射されると共に、誘電体層を透過した光についてもその下面に配置された接合層によって反射される。このため、光の反射効率を向上させることができ、発光ダイオードの更なる高輝度化が実現できる。
【００２９】
さらに、誘電体層には複数の開口部が設けられており、ｎ型層と接合層とは、開口部を介して接することで電気的に導通すると共に、窒化物半導体と接合層との化学的な結合がなされることでｎ型層と接合層との間の密着性が保持できる。
【発明の効果】
【００３０】
以上、本発明の一例示的な窒化物半導体発光ダイオードによると、光取出し効率が高くて且つ動作電圧の上昇が抑えられる。また、反射層と窒化物半導体層との間の密着性が高い片面電極型又はｐサイドアップ電極型の窒化物半導体発光ダイオードが実現される。また、本発明の一例示的な窒化物半導体発光ダイオードによると、ｐ電極が光放射面側に形成されているため、従来の窒化物半導体発光ダイオードにおけるパッケージ構造を共有することができる。従って、パッケージの設計変更をすることなく、窒化物半導体発光ダイオードの高輝度化が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下では、図面及び詳細な説明をもって本発明の技術的思想を明確に説明するものであり、当該技術分野におけるいずれの当業者であれば、本発明の好ましい実施例を理解した後に、本発明が開示する技術により、変更及び付加を加えることが可能であり、これは本発明の技術的思想及び範囲を逸脱するものではない。また、本発明の趣旨を逸脱しない限り、下記の複数の実施形態を組み合わせることも可能である。
【００３２】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードについて、図１〜図１２を用いて説明する。
【００３３】
−本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードの構成−
図１（ａ）は、本実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード１００の上面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のIb-Ib線における窒化物半導体発光ダイオード１００の断面
図である。
【００３４】
図１に示すように、本実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード１００は、例えば、濃度が５×１０１８ｃｍ−３のＳｉがドーピングされた厚さ２μｍのｎ型ＧａＮ層１０１と、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ井戸層とＧａＮ障壁層とが交互に複数層形成された多重量子井戸構造からなる発光層１０２と、濃度が５×１０１８ｃｍ−３のＭｇがドーピングされた厚さ０．５μｍのｐ型ＧａＮ層１０３とがこの順に積層されてなる窒化物半導体層１０４を有する。ｐ型ＧａＮ層１０３の上面には、発光層１０２から発せられる光を透過する、例えばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）又はＧａがドープされたＺｎＯなどからなる厚さ０．２μｍの透明電極１１１が設けられて発光ダイオードの光放射面１２０を構成している。透明電極１１１の上面の一部にはｐ電極１１２が形成されている。また、ｎ型ＧａＮ層１０１の下面には、厚さ０．２μｍのＡｌからなる接合層１１４が設けられて反射面１２１を構成し、接合層１１４の下方には、Ｃｕ又はＡｕ等によって構成された導電性の材料からなる例えば厚さ５０μｍの支持基板１１５、及び裏面電極１１６が設けられている。ｐ電極１１２及び裏面電極１１６は、それぞれ、例えばＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ、又はＣｒ／Ｐｔ／Ａｕなどの多層膜によって構成される。
【００３５】
上記構造において、ｎ型ＧａＮ層１０１における接合層１１４と接する側の表面には複数の斜面を有する凹凸が設けられ、凹凸に接するように接合層１１４が形成される。この結果、接合層１１４によって構成される反射面１２１は凹凸斜面を有した構造となる。ここで、凹凸斜面としては、例えば窒化物半導体の結晶方位面を用いることができる。具体的には、例えば、ＫＯＨ水溶液と紫外線照射を併用したウェットエッチング法により、ｎ型ＧａＮ層１０１の表面に窒化物半導体の半極性面の一種である｛１０−１−１｝面を有するピラミッド形状の凹凸斜面を形成することができ、凹凸反射面として用いることが可能である。なお、半極性面とは、上述の通り、ｃ面、すなわち（０００１）面に対して傾いた面のことである。また、中括弧｛  ｝の表示は、結晶の座標軸に対する相対的な関係が同じ面の一群を表し、｛１−１０−１｝面としては（１−１０−１）、（１０−１−１）、（０１−１−１）、（−１１０−１）、（−１０１−１）、（０−１１−１）の６つの等価な面が含まれる。また、｛１−１０−１｝面においては、Ｇａ原子などのIII族原子で終端された最表面が形成される。この最表面のIII族原子は窒素原子と結合を持たないために、電子を１個余分に持ったマイナスイオンの状態となり、最表面上で実効的にｎ型キャリア濃度が増加して、接合層との間のコンタクト抵抗が低減できる。従って、動作電圧の上昇を抑えることが可能となる。
【００３６】
なお、接合層１１４の構成材料としてＡｌを用いたが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、Ｇａ原子と同じIII族原子からなる金属又はIII族原子を含む合金であれば、Ａｌ以外の金属を用いることが可能である。この場合、接合層を構成するIII族原子とｎ型ＧａＮ層の最表面を構成するＧａなどのIII族原子同士が容易に反応して表面再構成が起こる。このため、窒化物半導体層と接合層との間の化学的な結合力が増加する。その結果、ｎ型ＧａＮ層と接合層との間の密着性が大幅に向上する。ただし、発光層１０２から発せられる光の波長が３５０ｎｍから５５０ｎｍであるならば、その範囲の波長の光に対して反射率が高いＡｌを用いることが最も望ましい。
【００３７】
また、ｐ電極１１２及び裏面電極１１６の構成として、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ又はＣｒ／Ｐｔ／Ａｕなどの多層膜を用いたが、これに限定されるものではなく、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｎｉ、及びＡｕからなる群から選択された少なくとも１種類を含む合金又は多層膜によって構成してもよい。
【００３８】
−本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードの製造方法−
本実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードの製造方法について、図２（ａ）〜（ｅ）及び図３（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。
【００３９】
まず、図２（ａ）に示すように、例えば面方位が＜１１１＞であるＳｉ基板、面方位が＜０００１＞であるサファイア基板、又は、面方位が＜０００１＞である６Ｈ−ＳｉＣ基板等からなる第１の基板１５１の主面上に、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いたエピタキシャル成長により、ＡｌＮ又は低温成長ＧａＮ層などのバッファ層（図示せず）を介在してｎ型ＧａＮ層１０１と、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ井戸層及びＧａＮ障壁層が交互に複数層形成された多重量子井戸構造からなる発光層１０２と、ｐ型ＧａＮ層１０３とが順次積層されてなる窒化物半導体層１０４を形成する。
【００４０】
次に、図２（ｂ）に示すように、ｐ型ＧａＮ層１０３の上面の一部に例えばＩＴＯからなる透明電極１１１を、真空蒸着法とフォトリソグラフィー法を用いて選択的に形成した後、酸素雰囲気にてアニール処理を行う。その後、真空蒸着法とフォトリソグラフィー法により、透明電極１１１の上面の一部にｐ電極１１２を選択的に形成する。
【００４１】
次に、図２（ｃ）に示すように、窒化物半導体層１０４における透明電極１１１を形成した側の表面を覆うように接着層１５０を塗布し、接着層１５０を介して第２の基板１５２を接着する。接着層１５０を構成する接着剤としては水酸化カリウム（ＫＯＨ）など強アルカリ溶液に耐性があるシリコン系樹脂又はワックスなどを用いることができる。シリコン系樹脂又はワックスは所定の剥離剤又は加熱によって除去することが可能である。
【００４２】
次に、図２（ｄ）に示すように、第１の基板１５１を除去してｎ型ＧａＮ層１０１が露出する露出面１０５を形成する。上記の基板除去については、第１の基板１５１がシリコン基板であれば、例えばフッ酸と硝酸の混合液を用いたウェットエッチングによって基板除去を行うことができる。または、第１の基板１５１がサファイア基板であれば、レーザーリフトオフ法によって基板除去を行うことができる。
【００４３】
次に、図２（ｅ）に示すように、ＫＯＨ水溶液と紫外光照射を併用したＰＥＣ（Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ）エッチング法を用いて、ｎ型ＧａＮ層１０１の露出面１０５をウェットエッチングする。具体的には、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液１５４を入れた容器１５３内に、図２（ｄ）の工程で形成した基板１９０を浸し、紫外光Ｌを照射した状態でウェットエッチングを行う。例えば、このとき、ＫＯＨ水溶液は濃度が４５％であって、温度は室温とし、紫外光Ｌの照射強度は１０ｍＷ／ｃｍ２とする。
【００４４】
このＰＥＣエッチングによる窒化物半導体のエッチングは面方位による異方性があるため、エッチング後のｎ型ＧａＮ層１０１の表面は（０００１）面と所定の角度を有して傾いた｛１−１０−１｝面が形成される。これにより、｛１−１０−１｝面で構成された斜面を有する凹凸面１５５が形成される。
【００４５】
ここで、図４は、ＰＥＣエッチングによってｎ型ＧａＮ層表面に凹凸を形成した後の様子を観察した高分解能電子顕微鏡写真を示している。
【００４６】
図４から分かるように、ＰＥＣエッチングによってピラミッド形状の凹凸面が形成されていることが確認できる。このピラミッド形状の凹凸斜面は、面方位が｛１−１０−１｝面の半極性面となっている。
【００４７】
次に、図３（ａ）に示すように、凹凸面１５５上に、電子ビーム蒸着法を用いて、ＡｌなどIII原子からなる金属又はその合金を堆積して接合層１１４を形成する。
【００４８】
ここで、凹凸面１５５上にIII族原子からなる金属を形成することの効果について、図５（ａ）及び（ｂ）を用いて説明する。図５（ａ）は本実施形態におけるｎ型ＧａＮ層最表面の原子配列を示している。図５（ａ）に示すように、本実施形態では、ｎ型ＧａＮ層最表面はIII族原子であるＧａ原子で終端された、面方位が例えば（１−１０−１）面の半極性面が形成される。この場合、終端部のＧａ原子はＮ原子と結合を持たないために、電子を１個余分に持ったマイナスイオンの状態となり、最表面において実効的にｎ型キャリア濃度が増加する。その結果、このような半極性面を有する凹凸面上にＡｌなどの金属からなる接合層を形成することにより、ｎ型ＧａＮ層と接合層との間のコンタクト抵抗が低減され、窒化物半導体発光ダイオードの動作電圧の上昇が抑えられる。
【００４９】
一方、比較として、図５（ｂ）は、ｎ型ＧａＮ層表面に凹凸を形成しない場合におけるｎ型ＧａＮ層最表面の原子配列を示している。この、ｎ型ＧａＮ層表面に凹凸を形成しない構造は従来例１の場合に相当する。この場合、ｎ型ＧａＮ層最表面は、Ｎ原子で終端された（０００−１）面が形成される。このとき、終端部のＮ原子はＧａ原子と結合を持たないために、電子が１個満たされない状態のダングリングボンドを有したプラスイオンの状態になり、実効的に正孔として機能する。このため、最表面においてｎ型キャリア濃度が減少する。その結果、上記（０００−１）面上にＡｌなどの金属を形成するとコンタクト抵抗が増加してしまい、窒化物半導体発光ダイオードの動作電圧が上昇する。
【００５０】
以上のように、ｎ型ＧａＮ層最表面に半極性面を形成し、その表面に金属を形成することにより、発光ダイオードにおける動作電圧の上昇を抑えることが可能である。
【００５１】
また、接合層１１４を構成する材料がIII族原子からなる金属である場合、接合層１１４を構成するIII族原子とｎ型ＧａＮ層の最表面を構成するＧａなどのIII族原子同士が容易に反応して表面再構成が起こり、窒化物半導体層と接合層１１４との間の化学的な結合力が増加する。その結果、ｎ型ＧａＮ層と接合層との間の密着性が大幅に向上する。
【００５２】
なお、接合層１１４の構成材料であるIII族原子としてＡｌを用いたが、これに限定されるものではない。特に、Ｇａと同属のIII族原子を用いることで、上述のＡｌと同等の効果が得られる。また、前述の接合層１１４の材料を凹凸面上に形成する際に電子ビーム蒸着法を用いたが、これに限定されるものではない。例えば抵抗加熱蒸着法などの他の蒸着技術、又はスパッタ技術等を用いることも可能である。
【００５３】
次に、図３（ｂ）に示すように、導電性の材料からなる支持基板１１５を接合層１１４の上面に接するように形成する。このとき、支持基板１１５を構成する材料としては放熱性に優れているものが好ましく、例えば、Ｎｉ、Ｃｕ、若しくはＡｕなどの金属材料を電解メッキ法又は無電解メッキ法を用いて形成するのが好ましい。その中でも、特に、支持基板１１４を低コストで形成するためには、電解メッキ法を用いたＣｕの金属膜を用いることが望ましい。
【００５４】
次に、図３（ｃ）に示すように、接着層１５０の剥離液を用いて接着層１５０を除去することにより、第２の基板１５２を分離する。
【００５５】
次に、図３（ｄ）に示すように、ブレード１５６を用いたダイシングにより、チップ分離を行って、窒化物半導体発光ダイオード１００を形成する。
【００５６】
−本実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードの動作及び効果−
本実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード１００の動作及び効果について、図６及び図７を用いて説明する。
【００５７】
図６は、本実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード１００における電流の流れを模式的に示した図である。
【００５８】
図６に示すように、本実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード１００には、ｐ電極１１２と裏面電極１１６とを通して電流が注入される。ｐ電極１１２に注入された電流は透明電極１１１により、窒化物半導体発光ダイオード１００の全面に拡げられた後、ｐ型ＧａＮ層１０３を通過して発光層１０２に注入される。このとき、発光層１０２に注入された電流はその電流量に応じて光に変換されて発光光を生じ、この発光光は窒化物半導体層１０４の全方向に放射される。
【００５９】
図７は、本実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード１００における発光光の軌跡を
示している。
【００６０】
図７に示すように、発光層１０２のある一点から放射された光のうち、光放射面１２０側に放射された光（例えば発光光１３０ａ）は透明電極１１１を通過し、窒化物半導体発光ダイオード１００の外部へ放出される。一方、光放射面１２０とは反対の反射面１２１側に放射された光（例えば発光光１３０ｂ、ｃ、ｄ）は凹凸斜面を有する反射面１２１上で乱反射されて光放射面側へ向かい、透明電極１１１を通過し、窒化物半導体発光ダイオード１００の外部へ放出される。また、反射面１２１側に向かった光のうち横斜め方向に放射された光（例えば発光光１３０ｅ）についても、窒化物半導体層１０４内で吸収されないうちに光放射面側へ反射されて、窒化物半導体発光ダイオード１００の外部に放出される。以上のようにして、本実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードの構造によって光取り出し効率の向上が実現する。
【００６１】
次に、図８〜図１１を用いて、前述した窒化物半導体発光ダイオードにおける光取り出し効率の向上、密着性の向上、及び発光ダイオードの動作電圧の低減について、実験的に検証した結果を説明する。
【００６２】
図８（ａ）〜（ｃ）は、この検証を行うために作製した窒化物半導体発光ダイオードの構造であり、図８（ａ）は、本実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード、（ｂ）は前述の製造方法において凹凸を形成しないで作製した場合の窒化物半導体発光ダイオード（従来例１の構造）、（ｃ）は電極構成として片面電極構造を形成し、裏面側の反射面を形成しない場合の窒化物半導体発光ダイオード（反射面が無い場合）の構造である。
【００６３】
まず、図９に、図８（ａ）及び（ｂ）に示した窒化物半導体発光ダイオード８ａ及び８ｂにおける全光束出力−電流特性をプロットした図を示している。
【００６４】
図９から分かるように、本実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードの全光束出力（図９の８ａ）は、従来例１の窒化物半導体発光ダイオードの全光束出力（図９の８ｂ）に比べて約２倍向上しており、本発明の構造を用いることにより、光取り出し効率が向上していることが確認できる。
【００６５】
次に、本実施形態の構成により、接合層と窒化物半導体層との間の密着性の向上が実現することについて、図１０を用いて説明する。
【００６６】
図１０は、図８（ａ）及び（ｂ）に示す窒化物半導体発光ダイオードにおいて、ブレードによるダイシングを用いてチップ分離した後の状態を、光学顕微鏡を用いて発光面側から撮影した写真である。
【００６７】
図１０から分かるように、本実施形態の窒化物半導体発光ダイオード（図１０の（ａ））においては、チップ分離によって窒化物半導体層の膜剥れは発生していない。しかしながら、従来例１の窒化物半導体発光ダイオード（図１０（ｂ））においては、チップ分離されて分離溝が形成された箇所の周辺で窒化物半導体層の膜剥れが発生している箇所が見られる。これらの結果から、窒化物半導体発光ダイオードの反射面側に｛１−１０−１｝面で構成された凹凸斜面を形成することにより、窒化物半導体層と接合層との密着性を十分に高くすることができることが分かる。
【００６８】
次に、本実施形態の構成により、動作電圧の増加が抑えられることについて、図１１を用いて説明する。
【００６９】
図１１は、図８の８ａ〜８ｃに示す窒化物半導体発光ダイオードにおける電流−電圧特性をプロットした図である。ここで、図８の８ｂに示す従来例１においては、図１０（ｂ
）に示したように、ダイシングにより膜剥がれが発生してチップ単体でのダイシングができないことから、膜剥がれの影響がない程度の大きめのサイズにダイシングを行った。
【００７０】
図１１から分かるように、従来例１の窒化物半導体発光ダイオード（図１１の８ｂ）の動作電圧は、反射面が無い構造の窒化物半導体発光ダイオード（図１１の８ｃ）における動作電圧よりも上昇していることが分かる。一方、本実施形態の窒化物半導体発光ダイオード（図１１の８ａ）の動作電圧は、反射面が無い構造の窒化物半導体発光ダイオード（図１１の８ｃ）における動作電圧よりも低くなっていることが分かる。具体的には、注入電流２０ｍＡにおける動作電圧は、図１１の８ｂの従来例１では４．２Ｖであり、図１１の８ｃの反射面が無い構造の窒化物半導体発光ダイオードよりも０．３Ｖ上昇している。これに対し、図１１の８ａの本実施形態では、３．６Ｖとなり、図１１の８ｃの反射面が無い構造の窒化物半導体発光ダイオードよりも０．３Ｖ低減している。このように、本実施形態の窒化物半導体発光ダイオードの構造によって、光取り出し効率を向上させるだけでなく、動作電圧の増加を抑制することが可能である。
【００７１】
次に、図１２（ａ）及び（ｂ）を用いて、本実施形態の構成により、従来の窒化物半導体発光ダイオードとパッケージ構造を共有できることを説明する。
【００７２】
図１２（ａ）は本実施形態の窒化物半導体発光ダイオード１００を用いたパッケージ構造例の上面図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のXIIb-XIIb線における断面図である。
【００７３】
本実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード１００は、光放射面側にｐ電極が形成され、基板裏面側にｎ電極が形成されたｐサイドアップ電極型の発光ダイオードである。このため、そのパッケージ構造としては、図１２（ａ）及び（ｂ）に示すように、基板裏面側をリードフレームのｎ電極用配線部分１６０に銀ペースト等の導電性樹脂接着剤１６２を用いて接続固定し、ｐ電極をリードフレームのｐ電極用配線部分１６１にＡｕワイヤー１６３を用いて接続した構造が採用される。その上で、エポキシなどの樹脂１６４でモールドし、ランプ形状に成型して高温で硬化させることでパッケージ化される。
【００７４】
このように、本実施形態の窒化物半導体発光ダイオード１００を用いると、従来の導電性ＳｉＣ基板を用いた窒化物半導体発光ダイオードと同一のパッケージ構造を用いてパッケージ化することが可能となる。このことにより、窒化物半導体発光ダイオードのコスト増加を抑制することができる。
【００７５】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態における窒化物半導体発光ダイオードについて、図１３〜図１６を用いて説明する。
【００７６】
図１３（ａ）は、本実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード２００の上面図であり、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のXIIIb-XIIIB線における窒化物半導体発光ダイオード２００の断面図である。
【００７７】
図１３（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード２００は、上記第１の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードと比較して、ｐ電極とｎ電極との両方が光放射面側に形成された片面電極型となっている点で異なっており、その他の部分は、上記第１の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードの構成と同様であるため、その他の部分についての説明は省略する。
【００７８】
−本実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードの製造方法−
本実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードの製造方法について、図１４（ａ）〜（ｄ）を参照しながら説明する。
【００７９】
まず、図１４（ａ）に示すように、例えば面方位が＜１１１＞であるＳｉ基板、面方位が＜０００１＞であるサファイア基板、又は面方位が＜０００１＞である６Ｈ−ＳｉＣ基板などからなる第１の基板２５１の主面上に、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いたエピタキシャル成長により、ＡｌＮ又は低温成長ＧａＮ層等のバッファ層（図示せず）を介在してｎ型ＧａＮ層２０１と、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ井戸層及びＧａＮ障壁層とが交互に複数層形成された多重量子井戸構造からなる発光層２０２と、ｐ型ＧａＮ層２０３とが順次積層されてなる窒化物半導体層２０４を形成する。
【００８０】
次に、図１４（ｂ）に示すように、窒化物半導体層２０４の一部をフォトリソグラフィー法とドライエッチ法を用いてｎ型ＧａＮ層２０１の一部が露出した開口部２０６を形成する。
【００８１】
次に、図１４（ｃ）に示すように、ｐ型ＧａＮ層２０３の上面の一部に例えばＩＴＯからなる透明電極２１１を、真空蒸着法とフォトリソグラフィーとを用いて選択的に形成した後、酸素雰囲気にてアニール処理を行う。その後、真空蒸着法とフォトリソグラフィーとにより、透明電極２１１の上面の一部にｐ電極２１２を選択的に形成する一方、開口部２０６の上面の一部にはｎ電極２１３を選択的に形成する。
【００８２】
次に、図１４（ｄ）に示すように、窒化物半導体層２０４の透明電極２１１を形成した側の表面を覆うように接着層２５０を塗布し、接着層２５０を介して第２の基板２５２を接着する。
【００８３】
その後の工程は、上記第１の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード１００の製造方法における図２（ｄ）及び（ｅ）並びに図３（ａ）〜（ｄ）に示す工程と同様である。
【００８４】
−本実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードの動作及び効果−
図１５は、本実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード２００における電流の流れを模式的に示した図である。
【００８５】
図１５に示すように、本実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード２００においては、電流が流れる経路として、ｐ電極２１２からｎ電極２１３へ流れる経路と、ｐ電極２１２から裏面電極２１６へ流れる経路との２種類が存在する。具体的には、ｐ電極２１２に注入された電流は透明電極２１１によって発光ダイオード全面に拡げられる。その後、ｐ型ＧａＮ層２０３、及び発光層２０２を通過してｎ型ＧａＮ層２０１へと流れ、ひとつの経路としてはｎ型ＧａＮ層２０１から接合層２１４及び支持基板２１５を通過して裏面電極２１６側へ流れるのに対し、もうひとつの経路としては、ｎ型ＧａＮ層２０１内を横方向へ流れたのちｎ電極２１３側へ流れる。このように、電流の流れを基板に対して裏面方向と横方向との２経路設けることにより、電流を発光ダイオードの面内に容易に拡げ、且つ、動作電圧を低減させることができる。
【００８６】
次に、本実施形態の構成により、従来の発光ダイオードとパッケージ構造とを共有できることについて、図１６（ａ）及び（ｂ）を用いて説明する。
【００８７】
図１６（ａ）は、本実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード２００を用いたパッケージ構造例の上面図であり、図１６（ｂ）は図１６（ａ）のXVIb-XVIb線における断面図である。
【００８８】
図１６（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード２００は、発光面側にｐ電極とｎ電極との両方が形成された片面電極型の発光ダイオードであるため、そのパッケージ構造としては、図１６（ａ）及び（ｂ）に示すように、樹脂接着剤２６２を用いて基板裏面側をリードフレーム上に固定し、ｐ電極とｎ電極の両方をリードフレームの配線部分にＡｕワイヤー２６３を用いて接続した構造が採用されて採用される。その上で、エポキシなどの樹脂２６４でモールドし、ランプ形状に成型して高温で硬化させることでパッケージ化する。
【００８９】
このように本実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードを用いることにより、従来のサファイア基板を用いた発光ダイオードと同一のパッケージ構造を用いてパッケージ化することが可能となる。このことにより、窒化物半導体発光ダイオードのコスト増加を抑えることができる。
【００９０】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードについて、図１７及び図１８を用いて説明する。
【００９１】
図１７は、本実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード３００の断面図である。なお、本実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードの上面図については、上記図１に示した第１の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードの上面図と同様であるため、ここではその図示を省略する。
【００９２】
図１７に示すように、本実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード３００は、上記第１の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード１００と比較して、接合層３１４と支持基板３１５との間に反射層３１７が設けられ、接合層３１４の厚みを、発光層から放射される光に対する侵入深さ以下とした点で異なっており、その他の部分は、上記第１の実施形態と同様であるため、その他の部分についての説明は省略する。
【００９３】
−本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードの構成−
図１７に示す本実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード３００は、例えば、ｎ型ＧａＮ層３０１と、発光層３０２と、ｐ型ＧａＮ層３０３とから構成される窒化物半導体層３０４と、ｐ型ＧａＮ層３０３に接するように配置され、発光層３０２から発せられる光を透過する透明電極３１１と、ｎ型ＧａＮ層３０１に接するように配置された接合層３１４と、接合層３１４の下方に配置された反射層３１７と、反射層３１７の下方に配置された支持基板３１５とによって構成された構造を有している。また、透明電極３１１の上面の一部にはｐ電極３１２が形成されている一方、支持基板３１５の下面には裏面電極３１６が形成されている。ｎ型ＧａＮ層３０１における接合層３１４と接する側の表面には、複数の斜面からなる凹凸面が設けられており、凹凸面に接するように接合層３１４及び反射層３１７が形成されている。
【００９４】
本実施形態において、接合層３１４の厚みは、発光層３０２から放射される光に対する侵入深さ以下としている。ここで侵入深さとは、金属内に光が侵入したときに光の強度が１／ｅ倍になるときの厚みのことである。以下、具体的に、接合層３１４の構成材料としてIII族元素のＡｌを用いた場合の侵入深さについて、図１８を用いて説明する。
【００９５】
金属表面から光が金属内に侵入すると、光の多くは金属表面で全反射されるが、一部は金属内に侵入して吸収される。金属表面から金属内部に侵入する光の強度は、金属表面からの深さｘに対して、ｅｘｐ（−αｘ）に比例する。ここで、αは吸収係数と呼ばれ、金属の複素屈折率の虚数部ｋ、及び光の波長λを用いて、α＝４πｋ／λで与えられる。光の波長がλ＝４７０ｎｍである場合に、Ａｌ金属表面から金属内部に侵入する光の強度をプロットしたものを図１８に示している。
【００９６】
図１８に示すように、光の強度は、深さがおよそ４．６ｎｍのときに半分に、そして、およそ６．７ｎｍのときに１／ｅ倍になっていることが分かる。従って、接合層３１４を構成する材料がＡｌである場合、その厚みを６．７ｎｍ以下とすれば、接合層３１４は、光を透過する透明薄膜金属として機能する。
【００９７】
このように、接合層３１４の厚みが光の侵入深さ以下である本実施形態の構成によると、発光層３０２から発せられて接合層３１４側に放射された光は、接合層３１４を透過して反射層３１７の表面に到達し、そこで反射される。この場合、反射層３１７を構成する材料が、発光層からの光を前記接合層３１４の構成材料よりも高効率で反射する金属で構成することにより、第１の実施形態の場合よりも反射効率を向上させることができる。具体的には、第１の実施形態において接合層１１４の構成材料としてＡｌを用いた場合、波長４７０ｎｍの垂直方向から入射する光に対してＧａＮ／Ａｌ界面の反射率が８４％であり、１６％の光が吸収される。一方、本実施形態に示すように、接合層３１４として厚みが６．７ｎｍ以下のＡｌを用い、反射層３１７の構成材料としてＡｇ又はＡｇ合金を用いることにより、第１の実施形態の場合には吸収されていた１６％の光の一部を反射層３１７で反射させることができるため、第１の実施形態よりも反射効率を向上させることができる。実際に我々は、接合層３１４として厚み２ｎｍのＡｌを用い、反射層３１７として厚み０．２μｍのＡｇを用いて第３の実施形態の窒化物半導体発光ダイオードを作製し、第１の実施形態の窒化物半導体発光ダイオードと比較したところ、発光ダイオードの全光束出力を２０％向上させることに成功した。
【００９８】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードについて、図１９〜図２２を用いて説明する。
【００９９】
図１９は、本実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード４００の断面図である。
【０１００】
図１９に示すように、本実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード４００は、上記第１の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード１００と比較して、ｎ型ＧａＮ層４０１と接合層４１４との間に、複数の開口部４１８が設けられた誘電体層４１７が配置され、ｎ型ＧａＮ層４０１と接合層４１４とがその開口部４１８を介して接続している点で異なっており、その他の部分は、上記第１の実施形態と同様であるため、その他の部分についての説明は省略する。
【０１０１】
−本発明の第４の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードの構成−
図１９に示す本実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード４００は、例えば、ｎ型ＧａＮ層４０１と、発光層４０２と、ｐ型ＧａＮ層４０３とから構成される窒化物半導体層４０４と、ｐ型ＧａＮ層４０３に接するように配置され、発光層４０２から発せられる光を透過する透明電極４１１と、ｎ型ＧａＮ層４０１の下方に配置された接合層４１４と、接合層４１４の下面に接する形で配置された支持基板４１５とを備えている。ｎ型ＧａＮ層４０１における上記発光層４０２と対向する側の面には、複数の斜面からなる凹凸面が設けられている。
【０１０２】
このような構造において、本実施形態では、ｎ型ＧａＮ層４０１と接合層４１４との間に、複数の開口部４１８が設けられた誘電体層４１７が配置されている。誘電体層４１７の構成材料としては、光の吸収がないように複素屈折率のうちの虚数部、すなわち消衰係数が小さい材料が望ましく、また、電子ビーム蒸着、プラズマＣＶＤ又はスパッタ等により容易に形成できるものが好ましい。このような材料として、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、ＳｉｘＮｙ、ＡｌｘＯｙ又はＬｉＦ等の材料が挙げられる。なお、誘電体層４１７に設けられた複数の開口部４１８には、下層の接合層４１４が充填されているため、該複数の開口部４１８の各々を介して、ｎ型ＧａＮ層４０１と接合層４１４とが接続し、電気的に導通している。
【０１０３】
このような誘電体材料から、例えば、ＳｉＯ２及びＴｉＯ２などの屈折率差の大きい２種類の材料を選択してそれらを交互に積層させてなる誘電体多層膜（選択された少なくとも１種類の材料を含む誘電体多層膜であってもよい。）により、上記誘電体層４１７を構成するか、又は、発光ダイオードの発光波長において窒化物半導体よりも屈折率が十分に低い誘電体材料によって（例えば上記材料から選択される単層膜からなる）上記誘電体層４１７を構成する。後者については、例えば、誘電体材料としてＳｉＯ２を用いると、発光波長４７０ｎｍの青色光に対してその屈折率は１．４６であり、窒化物半導体の屈折率２．５と比べて十分に低いことに加え、ウェットエッチングによる開口部４１８の形成が容易であるから望ましい。
【０１０４】
−本実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードの第１の製造方法−
本実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードの第１の製造方法について、図２０（ａ）〜（ｃ）及び図２１（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。
【０１０５】
まず、本発明の第１の実施形態の製造方法における図２（ａ）〜（ｅ）と同様の手順により、図２０（ａ）に示すように、接着層４５０を介して第２の基板４５２が接着された状態でｎ型ＧａＮ層４０１上に凹凸面４５５を形成する。
【０１０６】
次に、図２０（ｂ）に示すように、凹凸面４５５の上に誘電体層４１７を形成する。具体的には、例えば、電子ビーム蒸着法などにより、ＳｉＯ２膜からなる単層膜、又はＳｉＯ２膜及びＴｉＯ２膜を交互に積層させた誘電体多層膜などを誘電体層４１７として形成する。
【０１０７】
次に、図２０（ｃ）に示すように、レジスト層４６０を形成した後、フォトリソグラフィー法により、レジスト層４６０にレジスト開口部４６１を設ける。
【０１０８】
次に、図２１（ａ）に示すように、レジスト開口部４６１を通して誘電体層４１７に開口部４１８を設ける。この場合、誘電体層４１７が、例えばＳｉＯ２膜からなる単層膜である場合には、フッ化水素酸によるウェットエッチングによって開口部４１８を設けることができる。また、誘電体層４１７が、例えばＳｉＯ２膜及びＴｉＯ２膜を交互に積層させた誘電体多層膜である場合には、フッ素系ガスを用いたドライエッチングによって開口部４１８を設けることができる。
【０１０９】
次に、図２１（ｂ）に示すように、レジスト開口部４６１が設けられたレジスト層４６０を除去し、誘電体層４１７を露出させる。
【０１１０】
次に、図２１（ｃ）に示すように、誘電体層４１７の上に、ＡｌなどIII原子からなる金属又はその合金を堆積してなる接合層４１４を形成した後、導電性の材料からなる支持基板４１５を接合層４１４の上面に接するように形成する。支持基板４１５を構成する材料としては、放熱性に優れているものが好ましく、特に、支持基板４１５を低コストで形成するためには、電解メッキ法を用いたＣｕの金属膜を用いることが望ましい。
【０１１１】
その後の工程は、上記第１の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード１００の製造方法における図３（ｃ）及び（ｄ）に示す工程と同様である。
【０１１２】
−本実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードの動作及び効果−
本実施形態の構成では、発光層４０２から発せられて基板側に放射された光の一部が、誘電体層４１７の表面で反射されると共に、上記誘電体層４１７を透過した光についてもその下面に配置された接合層４１４によって反射される。このため、本実施形態の構成は、第１の実施形態の場合よりも反射効率を向上させることができる。
【０１１３】
以下に、表１及び図２２〜図２４を用いて、本実施形態の窒化物半導体発光ダイオードに関して反射効率が向上することを、数値的方法と実験的方法とによって検証した結果について説明する。
【０１１４】
下記［表１］は、接合層４１４の構成材料であるＡｌと誘電体層４１７の構成材料であるＳｉＯ２と窒化物半導体層４０４の構成材料であるＧａＮとのそれぞれに対する複素屈折率ｎ及びｋをまとめた表である。
【０１１５】
【表１】
2010114405.tif 000003
【０１１６】
［表１］に示すように、Ａｌは光の吸収に関連する消衰係数ｋは５．６であり、ＧａＮ膜とＡｌ膜との界面では光が一部吸収される。一方、ＳｉＯ２は消衰係数ｋが０であるため、ＧａＮ膜とＳｉＯ２膜との界面では光の吸収は発生しない。従って、ＧａＮ膜とＡｌ膜との間にＳｉＯ２膜を挿入することで、ＧａＮ膜とＡｌ膜との界面での光の吸収を低減できるため、発光ダイオードの光出力をより向上させることができる。
【０１１７】
上記［表１］で得られた結果について、図２２及び図２３を用いてさらに詳細に説明する。
【０１１８】
図２２は、ＧａＮ／Ａｌ反射面（図２２（ａ）、第１の実施形態におけるＧａＮ（１０１）及びＡｌ（１１４）に対応する）、及びＧａＮ／ＳｉＯ２／Ａｌ反射面（図２２（ｂ）、本実施形態におけるＧａＮ（４０１）、ＳｉＯ２（４１７）及びＡｌ（４１４）に対応する）における光の反射を説明するための図である。また、図２３は、ＧａＮ膜からの入射光に対する図２２（ａ）及び（ｂ）の反射面構造それぞれに対する反射率の入射光の角度θ依存性をＲｉｇｏｒｏｕｓ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｗａｖｅ  Ａｎａｌｙｓｉｓ（ＲＣＷＡ）法を用いて計算した図である。
【０１１９】
このとき反射率のＳｉＯ２膜に対する厚み依存性も調査するため、ＳｉＯ２膜の膜厚を１００ｎｍ、２００ｎｍ、４００ｎｍ、８００ｎｍ、及び、ＳｉＯ２膜の厚みが無限に厚い場合（ＧａＮ／ＳｉＯ２と記述）、それぞれにおいて計算した。
【０１２０】
図２２及び図２３に示すように、ＧａＮ／Ａｌ反射面では、光の一部がＡｌ膜の表面で吸収されるために反射率が低下し、入射角が０〜６０°の範囲で反射率が８５％以下である。一方、ＧａＮ／ＳｉＯ２／Ａｌ反射面では、光はＳｉＯ２膜の表面で一部反射され、ＳｉＯ２膜を透過した一部の光のみその下層のＡｌ膜の表面で反射されるため、ＧａＮ／Ａｌ反射面と比較し、反射率が改善される。特に、ＧａＮ／ＳｉＯ２界面の臨界角である３７°以上では反射率が大幅に改善される。なお、入射角４０°付近に反射率が落ち込む領域が発生しているが、これは入射光がＧａＮ／ＳｉＯ２界面で全反射される際に一部の光がエバネッセント光となってＳｉＯ２膜にしみ出し、そのしみ出した光がＡｌ膜と結合することによりロスが生じているためである。このロス量は光のしみ出し深さとＳｉＯ２膜厚との関係に依存するため、例えば入射角度４０°のときのしみ出し深さ約１４０ｎｍよりもＳｉＯ２膜を厚くすることで、ロスを大幅に低減することができる。例えば図２３に示すように、ＳｉＯ２膜の厚みを８００ｎｍとすることで、このロスをほとんどなくすることが可能となる。
【０１２１】
次に、上記図２３の内容を確認するため、実際に行った実験結果について説明する。
【０１２２】
図２４は、誘電体層４１７としてＳｉＯ２膜を用い、その膜厚を８０ｎｍ以上８００ｎｍ以下の範囲として、本実施形態における窒化物半導体発光ダイオードを実際に作製した場合の全光束出力を、ＳｉＯ２膜を挿入しない構造における発光ダイオードの全光束出力と比較した結果を示している。
【０１２３】
図２４から分かるように、ＳｉＯ２膜を挿入することにより、発光ダイオードの全光束光出力が、ＳｉＯ２膜を挿入しない場合に比べて、最大で１．４倍向上していることが確認できる。また、ＳｉＯ２膜の膜厚が０から４００ｎｍの範囲においては、ＳｉＯ２の膜厚を厚くするほど全光束光出力が大きくなっていることがわかる。これは上記に述べたように、ＳｉＯ２膜の膜厚を厚くすることで結合ロスを低減することができるためである。なお、この全光束光出力の向上は、ＳｉＯ２膜の膜厚が８０ｎｍ以上で確認できたことから、ＳｉＯ２膜の膜厚は８０ｎｍ以上が好ましいことがわかる。
【０１２４】
ただし、ＳｉＯ２膜の膜厚が厚すぎると発光ダイオードの放熱が不十分になるため好ましくない。実際に我々は実験的に、ＳｉＯ２膜の膜厚を１０００ｎｍより厚くした場合に発光ダイオードの光出力が低下することを確認した。このことから、ＳｉＯ２膜の膜厚は１０００ｎｍ以下が好ましいことがわかる。
【０１２５】
以上のように本実施形態に係る構造を有する窒化物半導体発光ダイオードを用いることにより、発光ダイオードの光出力を容易に向上させることが可能となる。
【０１２６】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードについて、図２５（ａ）〜（ｅ）を用いて説明する。本実施形態の窒化物半導体発光ダイオードの構造は、第４の実施形態と同じであり、本実施形態の窒化物半導体発光ダイオードの製造方法は、上記第４の実施形態における第１の製造方法とは異なる第２の製造方法である。従って、下記では、構造の説明は繰り返さず、その第２の製造方法について、図２５（ａ）〜（ｅ）を参照しながら説明する。
【０１２７】
まず、本発明の第１の実施形態の製造方法における図２（ａ）〜（ｅ）と同様の手順により、図２５（ａ）に示すように、接着層４５０を介して第２の基板４５２が接着された状態で、ｎ型ＧａＮ層４０１上に凹凸面４５５を形成する。
【０１２８】
次に、図２５（ｂ）に示すように、金属微粒子４１９を凹凸面４５５上に分散させる。具体的に、金属微粒子４１９を分散させる方法としては、例えば、粒径が２〜３μｍの金属微粒子からなる金属粉末を純水に多量に含ませた液体を作り、その液体を凹凸面４５５上に均一に塗布し、その後、自然乾燥させる方法などが考えられる。
【０１２９】
なお、粒径が２〜３μｍの金属微粒子からなる金属粉末は、例えば、アドマイズ法（溶けた金属に水、空気、又はガス等を吹き付けることで微粒子を生成する方法）などによって作製可能であり、多く市販されている。本実施形態においては、粒径が２〜３μｍのＮｉからなる金属微粒子で構成された金属粉末を用いる。
【０１３０】
次に、図２５（ｃ）に示すように、電子ビーム蒸着法を用いて、例えばＳｉＯ２又はＡｌｘＯｙ（より具体的にはＡｌ２Ｏ２）からなる誘電体層４１７を堆積させる。このとき、誘電体層４１７は、凹凸面４５５上だけではなく、金属微粒子４１９上にも堆積される。
【０１３１】
次に、塩酸を用いたウェットエッチングを行うことにより、Ｎｉからなる金属微粒子４１９がエッチングされて除去される。これにより、図２５（ｄ）に示すように、誘電体層４１７に開口部４１８が設けられる。なお、ここで形成される開口部４１８の大きさ又は形状は、金属粒子４１９の大きさに左右されるものであって、その大きさ又は形状は、上記第４の実施形態のような開口部４１８の比較的均一な大きさ又は形状に対してバラツキを有している。
【０１３２】
次に、図２５（ｅ）に示すように、誘電体層４１７の上に、ＡｌなどIII原子からなる金属又はその合金を堆積してなる接合層４１４を形成した後、導電性の材料からなる支持基板４１５を接合層４１４の上面に接するように形成する。
【０１３３】
その後の工程は、上記第１の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード１００の製造方法における図３（ｃ）及び（ｄ）に示す工程と同様である。
【０１３４】
以上のように、本実施形態の製造方法を用いることにより、第４の実施形態の窒化物半導体発光ダイオードをより容易に作製することが可能となる。なお、第４、第５の実施形態の窒化物半導体発光ダイオードの反射膜としてＡｌを説明したが、もちろん、第３の実施形態で説明したＡｌ（２ｎｍ）／Ａｇ（０．２ｎｍ）膜のようなＡｌ薄膜／高反射率金属などの金属多層膜を用いることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１３５】
本発明における窒化物半導体発光ダイオードにより、反射面の反射効率が高くて且つ動作電圧が低減でき、また、反射面を構成する金属層と窒化物半導体層との密着性が高い片面電極型又はｐサイドアップ型の窒化物半導体発光ダイオードを実現できる。本発明の構成により、発光波長が紫外線から青色及び緑色の光を放射する、高輝度の発光ダイオードが実現できるため、例えば、液晶モニタ又は液晶テレビなどの薄型液晶表示装置の液晶バックライトモジュール、又は広範囲を照らすことが必要な照明光源としての利用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１３６】
【図１】（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードの構造を示す上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のIb-Ib線の断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードの製造方法を工程順に示す断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードの製造方法を工程順に示す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードの凹凸面を観察した高分解能電子顕微鏡画像を示す図である。
【図５】（ａ）は、本発明の第１の実施形態における窒化物半導体の（１−１０−１）面の原子配列を説明する模式図であり、（ｂ）は、従来例の窒化物半導体の（０００−１）面の原子配列を説明する模式図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードにおける電流の流れを説明する図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードにおける発光光の軌跡を説明する図である。
【図８】本発明の第１の実施形態における密着性と動作電圧を検証するために作製した発光ダイオード（ａ）〜（ｃ）を示す図である。
【図９】本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードにおける全光束出力−電流特性を従来例と対比して示した図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードにおけるチップ分離後の様子を従来例と対比して示した図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードにおける電流−電圧特性を従来例と対比して示した図である。
【図１２】（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードにおけるパッケージ構造例を示す上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のXIIb-XIIb線における断面図である。
【図１３】（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードの構造を示す上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のXIIIb-XIIIb線における断面図である。
【図１４】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードの製造方法を工程順に示す断面図である。
【図１５】本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードにおける電流の流れを説明する図である。
【図１６】（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードにおけるパッケージ構造例を示す上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のXVIb-XVIb線における断面図である。
【図１７】本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードの構造を示す断面図である。
【図１８】本発明の第３の実施形態のＡｌ金属における光の侵入深さを説明する図である。
【図１９】本発明の第４の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードの構成を示す断面図である。
【図２０】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第４の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードの第１の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図２１】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第４の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードの第１の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図２２】本発明の第１及び第４の実施形態に係る発光ダイオードの反射効率を説明する模式図である。
【図２３】ＧａＮ膜からの入射光に対する反射率の入射光角度θ依存性を示した図である。
【図２４】本発明の第１及び第４の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードの全光束出力を比較したグラフである。
【図２５】（ａ）〜（ｆ）は、本発明の第５の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードの製造方法を工程順に示す断面図であって、上記第４の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードの第２の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図２６】従来例１における発光ダイオードの構造を示す断面図である。
【図２７】従来例２における発光ダイオードの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１３７】
１００、２００、３００、４００  発光ダイオード
１０１、２０１、３０１、４０１  ｎ型ＧａＮ層
１０２、２０２、３０３、４０２  発光層
１０４、２０４、３０４、４０４  窒化物半導体層
１０５  露出面
１１１、２１１、３１１、４１１  透明電極
１１２、２１２、３１２、４１２  ｐ電極
１１４、２１４、３１４、４１４  接合層
１１５、２１５、３１５、４１５  支持基盤
１１６、２１６、３１６、４１６  裏面電極
１２０、３２０、４２０  光放射面
１２１、３２１、４２１  反射面
１３０ａ〜ｅ  発光光
１５０、２５０、４５０  接着層
１５１、２５１  第１の基板
１５２、２５２、４５２  第２の基板
１５３  容器
１５４  ＫＯＨ水溶液
１５５、４５５  凹凸面
１５６  ブレード
１６０、２６０  ｎ電極用配線部分
１６１、２６１  ｐ電極用配線部分
１６２、２６２  樹脂接着剤
１６３、２６３  Ａｕワイヤー
１６４  樹脂
１９０  基板
２０３  ｐ型ＧａＮ層
２０５  開口部
２０６  開口部
２１３  ｎ電極
２２０  光放射面
２２１  反射面
２６５  樹脂
３１７  反射層
４１７  誘電体層（低屈折率膜）
４１８  開口部
４１９  金属微粒子
４６０  レジスト
４６１  レジスト開口部
【図１】
2010114405.tif 000004
【図２】
2010114405.tif 000005
【図３】
2010114405.tif 000006
【図５】
2010114405.tif 000007
【図６】
2010114405.tif 000008
【図７】
2010114405.tif 000009
【図８】
2010114405.tif 000010
【図９】
2010114405.tif 000011
【図１１】
2010114405.tif 000012
【図１２】
2010114405.tif 000013
【図１３】
2010114405.tif 000014
【図１４】
2010114405.tif 000015
【図１５】
2010114405.tif 000016
【図１６】
2010114405.tif 000017
【図１７】
2010114405.tif 000018
【図１８】
2010114405.tif 000019
【図１９】
2010114405.tif 000020
【図２０】
2010114405.tif 000021
【図２１】
2010114405.tif 000022
【図２２】
2010114405.tif 000023
【図２３】
2010114405.tif 000024
【図２４】
2010114405.tif 000025
【図２５】
2010114405.tif 000026
【図２６】
2010114405.tif 000027
【図２７】
2010114405.tif 000028
【図４】
2010114405.tif 000029
【図１０】
2010114405.tif 000030