(57)【要約】【課題】  従来よりも反射率をさらに低減して発光効率を高めたＬＥＤの素子構造を提供する。【解決手段】  基板１１上に発光領域となる窒化物半導体層１２、１３、１４が形成され、半導体層１２、１３、１４の基板１１に接する側とは反対側に、光取り出し面となる透光性電極１６が形成された構造の発光ダイオード素子１０であって、透光性電極１６上に絶縁保護膜１８が形成され、絶縁保護膜１８は、透光性電極１６の厚さに応じて、絶縁保護膜１８と透光性電極１６とによる発光波長に対して反射率が４％以下となる厚さを有するように膜厚を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に発光領域となる窒化物半導体層が形成され、前記半導体層の前記基板に接する側とは反対側に、光取り出し面となる透光性電極が形成された構造の発光ダイオード素子であって、
前記透光性電極上に絶縁保護膜が形成され、
前記絶縁保護膜は、前記透光性電極の厚さに応じて、絶縁保護膜と透光性電極とによる発光波長に対して反射率が４％以下となる厚さを有することを特徴とする発光ダイオード素子。
【請求項２】
前記透光性電極がＩＴＯまたはＺｎＯであり、前記絶縁保護膜がＳｉＯ２膜である請求項１に記載の発光ダイオード素子。
【請求項３】
前記絶縁保護膜が４０ｎｍ〜１５０ｎｍである請求項２に記載の発光ダイオード素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体の発光ダイオード素子に関し、さらに詳細には、発光領域からの光の取り出し効率を向上させた発光ダイオード素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ等の窒化物半導体を用いた発光ダイオード（以下「窒化物ＬＥＤ」ともいう）では、Ｐ型窒化物半導体とｎ型窒化物半導体とが接合され、あるいは、活性層を挟んでＰ型窒化物半導体とｎ型窒化物半導体とが接合され、接合面や活性層（すなわち発光領域）で電子と正孔の再結合による発光が生じるデバイス構造にしてある。
【０００３】
そして、窒化物ＬＥＤでは、発光領域の組成を選択することにより可視光から近紫外光領域の範囲で発光光の波長を調整することができ、この波長範囲で所望の発光波長を有する窒化物ＬＥＤが実用されている。
図７は、従来の典型的な窒化物ＬＥＤのデバイス構造の一例を示す図である。
基板１０１上にｎ型ＧａＮ半導体層１０２、活性層（発光領域）１０３、ｐ型ＧａＮ半導体層１０４からなる窒化物半導体の積層体が形成される。ｎ型ＧａＮ半導体層１０２は部分的に露出され、ｎ側電極（下部電極）１０５が形成される。ｐ型ＧａＮ半導体層１０４には透光性電極１０６およびｐ側電極（上部電極）１０７が形成される。
【０００４】
ここで、透光性電極１０６を設ける理由について説明する。ｐ側電極１０７から注入される正孔は、ｐ型の窒化物半導体層１０４では素子の面方向（深さ方向と直交する方向）にはほとんど拡散しない。そのため発光領域を素子の面方向に拡げるには、ｐ側電極１０７をｐ型ＧａＮ半導体層１０４のほぼ全面にわたって形成することが必要になる（特許文献１参照）。その場合、ｐ側電極１０７を導電率が高い金属電極で形成すると発光領域からの光が遮光されてしまい、ｐ側電極１０７側からは光が取り出せないことになる。
【０００５】
そこで、光取り出し面をｐ側電極側とする場合には、発光領域で生じた光を効率よく外部に取り出すために、ｐ側電極として透光性電極（例えばＩＴＯ膜）１０６を形成して光取り出し面にするとともに、当該透光性電極１０６上の一部に、金属電極をｐ側電極１０７として形成するようにしている（特許文献２参照）。これにより、ｐ側電極（金属電極）１０７が形成された部分の直下は遮光されるが、光取り出し面（透光性電極１０６が形成された部分）を透過して発光光が外部に取り出されることになる。したがって、ｐ側電極１０７側に光取り出し面を設ける場合には、透光性電極１０６を形成し、しかも透光性電極１０６の面積をできるだけ広くして発光効率を高めるようにしている。
【０００６】
ところで、ｐ側電極側を光取り出し面とする窒化物ＬＥＤでは、発光効率を高めるために、透光性電極による吸収や反射の影響をできるだけ低減することが重要である。
そのため、特許文献２では、透光性電極の厚さを５００ｎｍ以下として吸収を抑え、さらに薄膜による干渉現象を考慮して、透光性電極の厚さを発光波長に対して無反射となる厚さにすることが記載されている。ここで、「発光波長に対して無反射となる厚さ」とは、上記文献では次式を満たす膜厚ｄをいう。
すなわち、光透過性電極の屈折率をｎ、厚さをｄ、発光波長をλとしたときに、
ｎｄ＝（２Ｎ＋１）λ／４  （ただし、Ｎは整数）
を満たす膜厚ｄをいう。
具体的には、５７０ｎｍの発光波長のＬＥＤに、屈折率ｎが１．８５のＩＴＯを透光性電極として使用する場合に、その透光性電極の厚さを５００ｎｍ以下での「無反射となる厚さ」である、７７ｎｍ、２３０ｎｍ、３８５ｎｍから選択することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−０９３３５８号公報
【特許文献２】特開２００６−１２０９２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、ｐ側電極側を光取り出し面とした窒化物ＬＥＤでは、ＩＴＯ等の透光性電極の反射（薄膜干渉）による発光効率低下の影響を抑えるために、透光性電極が「無反射」の条件を満たす厚さとなるよう、電極の膜厚を調整するようにしている。
【０００９】
そこで、窒化物ＬＥＤについて、光取り出し面側（ｐ型半導体層側）に形成する透光性電極（ＩＴＯ）を、種々の厚さにしたときの反射率についてそれぞれ計算して解析した。
すなわち、図２に示すように、発光光（電場Ｅ０）が通過する領域を三つに分け、第一領域をＧａＮ（屈折率ｎ１＝２．４）、第二領域をＩＴＯ（屈折率ｎ２＝１．８５）、第三領域を空気（屈折率ｎ３＝１）としたとき、入射角をθ１、屈折角をθ２として、多重反射を考慮した薄膜干渉スペクトルの理論計算式を用いて、反射率ｒ（＝Ｅ／Ｅ０）を表すことを考える。
なお、θ２はスネルの法則により、ｎ１ｓｉｎθ１＝ｎ２ｓｉｎθ２の関係がある。
【００１０】
反射光の電場Ｅは以下のように表すことができる。
なお、以下の演算の算出式は、「光学薄膜の基礎理論」（オプトロニクス社刊）を参考にしている。
Ｅ＝Ｅ１＋Ｅ２＋Ｅ３＋・・・
＝Ｅ０（ｒ１２＋ｔ１２ｔ２１ｒ２３ｅｉΔ＋ｔ１２ｔ２１ｒ２３２ｒ２１ｅ２ｉΔ＋ｔ１２ｔ２１ｒ２３３ｒ２１２ｅ３ｉΔ＋・・・）
＝Ｅ０（ｒ１２＋ｔ１２ｔ２１ｒ２３ｅｉΔ（１＋ｒ２３ｒ２１ｅｉΔ＋ｒ２３２ｒ２１２ｅ２ｉΔ＋・・・））
＝Ｅ０（ｒ１２＋ｔ１２ｔ２１ｒ２３ｅｉΔ（１／（１−ｒ２３ｒ２１ｅｉΔ））
ここで、Δは第二領域を入射角θ２でＶ字状に往復したときの位相差であり、光の波長λを用いて次式で与えられる。
Δ＝４πｎ２ｄｃｏｓθ２／λ
【００１１】
ここで、ｒ１２は第一領域から第二領域へ入射するときの振幅反射率、ｔ１２は第一領域から第二領域へ入射するときの振幅透過率、ｒ２３は第二領域から第三領域へ入射するときの振幅反射率、ｔ２１は第二領域から第一領域へ入射するときの振幅透過率である。これらは偏光に依存して、フレネルの公式を用いて計算される。
＜Ｓ波＞
ｒ１２＝（ｎ１ｃｏｓθ１−ｎ２ｃｏｓθ２）／（ｎ１ｃｏｓθ１＋ｎ２ｃｏｓθ２）
ｔ１２＝２ｎ１ｃｏｓθ１／（ｎ１ｃｏｓθ１＋ｎ２ｃｏｓθ２）
＜Ｐ波＞
ｒ１２＝（ｎ２ｃｏｓθ１−ｎ１ｃｏｓθ２）／（ｎ２ｃｏｓθ１＋ｎ１ｃｏｓθ２）
ｔ１２＝２ｎ１ｃｏｓθ１／（ｎ２ｃｏｓθ１＋ｎ１ｃｏｓθ２）
全体の反射率ｒ（＝Ｅ／Ｅ０）は、Ｓ波、Ｐ波ともに、以下の関係が成立することを利用して変形（途中の導出過程は省略）すると、Ｓ波、Ｐ波のいずれについても次式（１）が得られる。
ｒ２１＝−ｒ１２
ｔ２１ｔ１２＋ｒ１２２＝１
ｒ＝Ｅ／Ｅ０
＝ｒ１２＋ｔ１２ｔ２１ｒ２３ｅｉΔ（１／（１−ｒ２３ｒ２１ｅｉΔ）
＝（ｒ１２−ｒ１２ｒ２３ｒ２１ｅｉΔ＋（１−ｒ１２２）ｒ２３ｅｉΔ）／（１−ｒ２３ｒ２１ｅｉΔ）
＝（ｒ１２＋ｒ２３ｅｉΔ）／１＋ｒ２３ｒ１２ｅｉΔ）  ・・・（１）
式（１）によれば、全体の反射率ｒが、上側の層と下側の層との境界面での振幅反射率（ｒ１２、ｒ２３）だけで表されることになる。
【００１２】
図３は、ＧａＮ、ＩＴＯ、空気の３層構造（図２参照）で、式（１）により、ＩＴＯの厚さをパラメータとして変化させたときの発光波長（横軸）と反射率ｒ（縦軸）との関係を示す図である。
ＩＴＯの厚さが２００ｎｍ、３００ｎｍ、４００ｎｍ、５００ｎｍのいずれにおいても、薄膜干渉により反射率が変動している。
発光波長に応じて反射率を最少にできるＩＴＯの膜厚が変化しており、例えば４３０ｎｍの波長の光を出すＬＥＤに適したＩＴＯ膜厚は５００ｎｍ、４４０ｎｍの波長の光を出すＬＥＤに適したＩＴＯ膜厚は４００ｎｍ、４６０ｎｍの波長の光を出すＬＥＤに適したＩＴＯ膜厚は３００ｎｍ、５００ｎｍの波長の光を出すＬＥＤに適したＩＴＯ膜厚は２００ｎｍであることがわかる。
しかしながら、反射率は、発光波長が４００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲では、ＩＴＯの厚さにかかわらず、最高でも４％程度までしか反射率を低下することができず、反射による発光効率の低下の影響を抑えることが十分にはできていない。
ここで、図４は、ＧａＮ、ＺｎＯ（厚さ７００ｎｍ）、空気の３層構造で、式（１）により計算した発光波長（横軸）と反射率ｒ（縦軸）との関係を示す図である。なお、シート抵抗を抑えるため、厚さはＩＴＯよりも厚くしてある。この場合、反射率が７％以下になることはない。
【００１３】
そこで本発明は、ＬＥＤの素子構造において、反射率をさらに低減して発光効率を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するためになされた本発明の発光ダイオード素子は、基板上に発光領域含む窒化物半導体層が形成され、前記半導体層の前記基板に接する側とは反対側に、光取り出し面となる透光性電極が形成された構造の発光ダイオード素子であって、前記透光性電極上に絶縁保護膜が形成され、前記絶縁保護膜は、前記透光性電極の厚さに応じて、絶縁保護膜と透光性電極とによる発光波長に対して反射率が４％以下となる厚さを有するようにしている。
【発明の効果】
【００１５】
すなわち、これまでの発光ダイオード素子では、発光効率を高める素子構造を設計する際に、透光性電極による反射の影響を考慮することはなされていたが、透光性電極の上に絶縁保護膜を形成するときには、保護膜として適した厚さを考慮して（１００ｎｍ以上の厚い）絶縁保護膜を形成するだけで、反射への影響を無視していた。
本発明では、光取り出し面となる透光性電極上に形成される絶縁保護膜の膜厚を積極的に制御することにより、透光性電極膜と絶縁保護膜とによる全体としての反射率が、透光性電極膜だけを制御するときよりも反射率を低減できることを計算により見出し、全体としての反射率を４％以下となる厚さに調整することとした。すなわち、絶縁保護膜としては膜厚を十分に厚く（例えば２００ｎｍ程度）する方が好ましいが、反射率を小さくして発光効率を高める観点からは考慮していない。そのため、従来よりも絶縁保護膜の膜厚を薄くするようにして、透光性電極膜と絶縁保護膜とによる全体としての反射率を最少にするようにした。具体的には４０ｎｍ〜１００ｎｍ程度にまで薄くして、絶縁保護膜として最小限必要な膜厚まで薄くするようにした。
これにより、透光性電極だけで「無反射」となるように膜厚を制御した場合よりもさらに反射率を低くすることができ、発光効率を高めることができるようになった。
【００１６】
上記発明において、具体的には透光性電極がＩＴＯまたはＺｎＯであり、絶縁保護膜がＳｉＯ２膜であってもよい。特に、絶縁保護膜が４０ｎｍ〜１５０ｎｍであるのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係るＧａＮ系発光ダイオード素子の素子構造の一例を示す図。
【図２】３層構造（ＧａＮ、ＩＴＯ、空気）での薄膜干渉による発光光の反射、屈折、透過現象を説明する図。
【図３】図２の３層構造でＩＴＯの厚さをパラメータとして変化させたときの発光波長と反射率との関係を示す図。
【図４】３層構造（ＧａＮ、ＺｎＯ、空気）でＺｎＯの厚さを７００ｎｍとしたときの発光波長と反射率との関係を示す図。
【図５】４層構造（ＧａＮ、ＩＴＯ、ＳｉＯ２、空気）でＩＴＯの厚さを固定し、ＳｉＯ２の厚さをパラメータとして変化させたときの発光波長と反射率との関係を示す図。
【図６】４層構造（ＧａＮ、ＺｎＯ、ＳｉＯ２、空気）でＺｎＯの厚さを４００ｎｍ、ＳｉＯ２の厚さを１００ｎｍとしたときの発光波長と反射率との関係を示す図。
【図７】従来の窒化物ＬＥＤのデバイス構造の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の発光ダイオード素子の素子構造について図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態であるＧａＮ系発光ダイオード素子１０（以下「ＬＥＤ１０」と略す）の素子構造の一例を示す図であり、図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は平面図である。
ＬＥＤ１０は、例えばサファイア基板１１の上にｎ型ＧａＮ半導体層１２、活性層１３、ｐ型ＧａＮ半導体層１４の積層体が形成される。ｎ型ＧａＮ半導体層１２は部分的に露出され、ｎ側電極（下部電極）１５が形成される。活性層１３は、例えば量子井戸構造にすることで発光効率を高めてある。
【００１９】
ｐ型ＧａＮ半導体層１４の上面には、上面全体をほぼ覆うように透光性電極１６が形成される。透光性電極１６にはＩＴＯ、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化錫等の導電性酸化物を用いることができるが、本実施形態では導電率が高く透過率も高いＩＴＯを用いている。
透光性電極１６上の一部にはｐ側電極（上部電極）１７が形成される。ｐ側電極１７には導電性の高い金属電極（例えば金、白金、アルミ、銅等）が用いられる。
【００２０】
以上の構造は、前述した従来例のＬＥＤ（図７）とほぼ同じであるが、本発明ではさらにｐ側電極１７、ｎ側電極１５の表面を残して、半導体層のほぼ全面にわたって膜厚を制御した絶縁保護膜１８を形成するようにしている。この絶縁保護膜１８の材料としては、発光波長に対する透過率の高い絶縁膜が好ましく、具体的にはＳｉ酸化膜（ＳｉＯ２）、窒化膜（ＳｉＮｘ）、亜酸化膜（ＳｉＯＮ）等を用いることができる。絶縁保護膜は、膜厚を制御できるように蒸着、スパッタ等の膜厚をモニタリングしながら成膜できる方法で形成することが好ましい。
【００２１】
そして、ＧａＮ、ＩＴＯ、空気の３層構造（図２参照）に、絶縁保護膜１８（本実施形態ではＳｉＯ２膜とする）を含めた４層での全体の反射率ｒを計算により求める。４層構造での反射率ｒは、上述したＧａＮ、ＩＴＯ、空気の３層構造での反射率を求める式（１）を３層構造ずつに適用し、繰り返し計算する。
すなわち、３層構造での反射率（式（１））から、下記の式（２）が成立する。
（ｒ１２＋ｒ２３ｅｉΔ２３）／１＋ｒ２３ｒ１２ｅｉΔ２３）＝ｒ２３  ・・・（２）
ここで、Δ２３＝４πｎ２ｄｃｏｓθ２／λ
そして、式（２）を式（３）に代入することにより、４層での反射率が求められる。
ｒ＝（ｒ２３＋ｒ３４ｅｉΔ３４）／１＋ｒ３４ｒ２３ｅｉΔ３４）  ・・・（３）
ここで、Δ３４＝４πｎ３ｄｃｏｓθ３／λ
式（３）によれば、４層構造での全体の反射率ｒについても、上側の層と下側の層との境界面での振幅反射率（ｒ２３、ｒ３４）だけで表されることになる。
【００２２】
図５は、ＧａＮ、ＩＴＯ、ＳｉＯ２、空気の４層構造で、ＩＴＯの厚さを４００ｎｍに固定し、ＳｉＯ２の厚さをパラメータとして変化させたときの式（３）により算出した発光波長（横軸）と反射率ｒ（縦軸）との関係を示す図である。
ＳｉＯ２が０ｎｍ、すなわち絶縁保護膜を設けていないときは、反射率が４％程度までしか低下しないが、４０ｎｍ、８０ｎｍ、１００ｎｍでは４％以下にすることができた。
そして、ＩＴＯの厚さを４００ｎｍに固定したときに、ＬＥＤが出す各波長の光に適したＳｉＯ２膜厚はそれぞれ次の通りである。
４１０ｎｍの波長の光を出すＬＥＤに適したＳｉＯ２膜厚は８０ｎｍ、４２０ｎｍの波長では１００ｎｍ、４５０ｎｍの波長では４０ｎｍ、４９０ｎｍの波長では８０ｎｍ、５２０ｎｍの波長では１００ｎｍ、６２０ｎｍの波長では４０ｎｍである。
なお、図示は省略するが、ＩＴＯの厚さを２００ｎｍ、３００ｎｍ、５００ｎｍにしたときにも、それぞれの膜厚に応じてＳｉＯ２の厚さを調整することで反射率を４％以下にすることができるようになる。
このように、ＩＴＯだけでなく、ＳｉＯ２の厚さを含めて全体として調整することで、全体としての反射率を４％以下で最少にすることができるようになる。
【００２３】
なお、ＳｉＯ２の厚さは、絶縁保護膜としてはこれまでよりも薄くなっているが、４０ｎｍ以上であれば絶縁保護膜としても機能させることができる。
以上の説明は、透光性電極がＩＴＯ、絶縁保護膜がＳｉＯ２である場合について説明したが、これ以外の材料の組み合わせであってもよい。例えば、図６に示すように透光性電極をＺｎＯ、絶縁保護膜をＳｉＯ２として解析した場合でも、反射率を４％以下にできることが計算による解析によって確認されている。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明は発光効率を高めた窒化物半導体の発光ダイオード素子に利用される。
【符号の説明】
【００２５】
１０  発光ダイオード素子
１１  基板
１２  ｎ型半導体層
１３  活性層
１４  ｐ型半導体層
１５  ｎ側電極（下部電極）
１６  透光性電極
１７  ｐ側電極（上部電極）
１８  絶縁保護膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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