(57)【要約】【課題】光透過性の電極膜と金属膜とが複合化された電極を備えた従来のＧａＮ系ＬＥＤにおいては、発光が金属膜の射影領域において最も強くなるが、直上に位置する金属膜によって外部への取り出しが妨げられるために、発光効率が低下するという問題がある。【解決手段】本発明に係るＧａＮ系ＬＥＤは、金属材料からなる電流拡散層と、透光性電極層とが複合化された電極を備え、電流拡散層と窒化物半導体層との界面の接触抵抗が、透光性電極層と窒化物半導体層との界面の接触抵抗よりも大きくなるように、窒化物半導体層の伝導型に合わせて、電流拡散層および透光性電極層の材料が選択される。そのため、窒化物半導体層に供給される電流は、透光性電極層と窒化物半導体層との界面を横切る経路に集中し、電流拡散層の射影領域での発光が抑制される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
上記基板の上に形成された、ｎ型層およびｐ型層を含む複数の窒化物半導体層からなる積層体と、
上記積層体の上面に部分的に形成された、金属からなる電流拡散層と、
上記電流拡散層が形成されていない領域に露出した上記積層体の上面に、上記電流拡散層と電気的に接続されるように形成された透光性電極層とを有し、
上記積層体と上記電流拡散層との界面の接触抵抗が、上記積層体と上記透光性電極層との界面の接触抵抗よりも大きいことを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
上記積層体の最上層がｎ型窒化物半導体からなり、上記電流拡散層がＡｇ、Ｒｈ、ＰｄまたはＰｔからなり、かつ、上記透光性電極層が導電性金属酸化物からなる、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項３】
トンネル接合構造を有する、請求項２に記載の発光ダイオード。
【請求項４】
上記最上層が、膜厚１μｍ未満のｎ型窒化物半導体層であるか、または、電子濃度１×１０１８ｃｍ−３未満のｎ型窒化物半導体層である、請求項２に記載の発光ダイオード。
【請求項５】
上記積層体の最上層がｐ型窒化物半導体からなり、上記電流拡散層がＡｌからなり、かつ、上記透光性電極層が導電性金属酸化物からなる、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項６】
上記積層体の最上層がｐ型窒化物半導体からなり、上記電流拡散層がＡｌからなり、かつ、上記透光性電極層がＡｌよりも仕事関数の大きな金属からなる、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項７】
上記透光性電極層が、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｕ、ＩｒまたはＰｔからなる、請求項６に記載の発光ダイオード。
【請求項８】
上記導電性金属酸化物からなる透光性電極層の厚さが２００ｎｍ以下である、請求項２〜５のいずれかに記載の発光ダイオード。
【請求項９】
上記透光性電極層が上記電流拡散層の上を覆って形成され、それによって、上記電流拡散層が形成されていない領域に露出した上記積層体の上面に、上記透光性電極層が形成された構成となっている、請求項１〜８のいずれかに記載の発光ダイオード。
【請求項１０】
更に、上記透光性電極層の上に形成されたボンディング用のパッド電極と、少なくともその一部が上記パッド電極の射影領域内に入るように、上記積層体の上面に形成された電流阻止層とを有し、上記電流阻止層は、上記電流拡散層と同じ材料からなるとともに、上記電流拡散層と実質的に同じ膜厚を有し、かつ、上記積層体の上面における、上記パッド電極の射影領域の５０％以上が、上記電流阻止層により覆われている、請求項１〜９のいずれか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、特に、ｎ型層およびｐ型層を含む複数の窒化物半導体層からなる積層体を有する発光ダイオード（以下「ＧａＮ系ＬＥＤ」という。）の、発光効率を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ系ＬＥＤは、ｎ型の窒化物半導体層とｐ型の窒化物半導体層とが接合されたｐｎ接合ダイオード構造を基本構造として有する発光素子であり、発光領域に用いる窒化物半導体の組成を選択することによって、可視〜紫外領域の光を発生させることが可能である。特に、可視短波長（青色）〜近紫外波長の光を発生するＧａＮ系ＬＥＤは、照明光源やフルカラー表示装置用の光源に用いられる白色ＬＥＤの励起用光源として注目されている。
【０００３】
窒化物半導体は、一般式ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）で表される化合物半導体であって、例えば、二元系のＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、三元系のＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、四元系のＡｌＩｎＧａＮなど、任意の組成のものが例示される。ここで、３族元素の一部を、Ｂ（ホウ素）、Ｔｌ（タリウム）等で置換したものや、Ｎ（窒素）の一部をＰ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）等で置換したものも、窒化物半導体に含まれる。
窒化物半導体は、欠陥として含まれる窒素空孔から電子が供給されるために、アンドープでもｎ型導電性を示すが、ｎ型として用いる場合には、通常、Ｓｉ（ケイ素）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｓｅ（セレン）、Ｔｅ（テルル）、Ｃ（炭素）などの元素がｎ型不純物としてドープされる。
ｐ型の窒化物半導体は、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）などの元素をｐ型不純物としてドープすることにより得られる。ＭＯＶＰＥ（有機金属化合物気相成長）法やＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法で窒化物半導体の結晶成長を行う際に、これらのｐ型不純物をドープする場合には、水素パッシベーションが生じるので、成長後、不活性ガス雰囲気中でアニーリング処理や電子線照射処理を行い、ｐ型不純物を活性化させることが好ましい。
【０００４】
ＧａＮ系ＬＥＤは、一般に、ＭＯＶＰＥ法、ＨＶＰＥ法、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法などの気相成長法を用いて、基板上に窒化物半導体からなるｎ型層、ｐ型層を順次成長して積層体を形成した後、ｎ型層とｐ型層とに、それぞれｎ側電極とｐ側電極を形成することによって作製される。ｎ型層とｐ型層との間に、これらｎ型層およびｐ型層よりもバンドギャップの小さい発光層を挿入すると、ダブルヘテロ構造となり、発光効率が向上する。
ｎ側電極を形成するとき、基板が絶縁性の場合には、ｐ型層側からのドライエッチによりｎ型層を部分的に露出させ、その露出された表面に形成する。導電性基板を用いた場合には、ｎ側電極を基板の裏面（窒化物半導体層を形成しない側の面）に形成することもできる。
ｐ側電極は、積層体の上面であるｐ型層の表面を覆うように形成される。光透過性のｐ側電極が実用化されており、そのようなｐ側電極を用いたＧａＮ系ＬＥＤは、ｐ側電極を通して発光を取り出すことができるので、基板の裏面をマウント面に接着することにより、簡便に実装することができる。
【０００５】
特開２０００−２１６４３１号公報（特許文献１）には、透光性のｐ側電極として、格子状パターンに形成された金属膜と透明導電層とからなる複合電極を用いた、ＧａＮ系ＬＥＤが開示されている。このＧａＮ系ＬＥＤの断面図を図９に示す。
図９において、１はサファイア基板、２はバッファ層、３はＳｉドープＧａＮからなるｎ型ＧａＮコンタクト層、４はアンドープＧａＮ層とアンドープＩｎＧａＮ層とが交互に積層されたＭＱＷ構造のＩｎＧａＮ発光層、５はＭｇドープＡｌＧａＮからなるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、６はＭｇドープＧａＮからなるｐ型ＧａＮコンタクト層、Ｐ１はｎ側電極、Ｐ２はｐ側電極である。
ｐ側電極Ｐ２は、格子状パターンに形成された金属膜Ｐ２Ａと、それを覆って形成された透明導電層Ｐ２Ｂとからなる。金属膜Ｐ２Ａは、ｐ型コンタクト層６とのオーミック性の良好な金属からなり、具体的には、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｎｉ（ニッケル）などからなる。透明導電層Ｐ２Ｂは、ＳｎＯ２（酸化錫）、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）などの導電性金属酸化物からなる。
ｎ側電極Ｐ１およびｐ側電極Ｐ２から電流が供給されることにより、ＩｎＧａＮ発光層４で発光が生じる。この発光は、金属膜Ｐ２Ａの開口部（金属膜Ｐ２Ａが形成されず、透明導電層Ｐ２Ｂがｐ型コンタクト層６の表面に接して形成された領域）を通して、素子外部に取り出される。導電性の高い金属膜Ｐ２Ａを含むために、ｐ側電極Ｐ２を流れる電流は横方向（窒化物半導体の積層体の厚さ方向と直交する方向）に十分に拡散し、発光層４の面内における発光の均一性が良好となる。
【０００６】
ところで、特許文献１によれば、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉなどからなる金属膜は、ｐ型窒化物半導体との間で、導電性金属酸化物よりも良好なオーミック性接触を形成する。従って、図９のＧａＮ系ＬＥＤにおいて、ｐ側電極Ｐ２からｐ型コンタクト層６へと流れる電流は、接触抵抗の低い、金属膜Ｐ２Ａとｐ型コンタクト層６との界面を横切る経路に集中することになり、そのために、発光層４における発光は、金属膜Ｐ２Ａの射影領域において最も強くなる。しかし、該領域での発光は、該領域の直上に位置する金属膜Ｐ２Ａによって反射され易いことから、外部への取り出しが妨げられ、それによって、ＬＥＤの発光効率が低下するという問題がある。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−２１６４３１号公報
【特許文献２】特開２００３−６０２３６号公報
【特許文献３】特開２００１−２１０８６７号公報
【特許文献４】特開２００４−１７９３６５号公報
【特許文献５】特開２００４−２６６２５８号公報
【特許文献６】特開２００４−６９９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、光透過性の電極膜と、金属膜とが複合化された電極を備えたＧａＮ系ＬＥＤにおける、上記従来技術の問題点を解決し、発光効率の優れたＧａＮ系ＬＥＤを提供することを目的とする。
【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、本発明に係るＧａＮ系ＬＥＤは、以下の特徴を有する。
（１）基板と、上記基板の上に形成された、ｎ型層およびｐ型層を含む複数の窒化物半導体層からなる積層体と、上記積層体の上面に部分的に形成された、金属からなる電流拡散層と、上記電流拡散層が形成されていない領域に露出した上記積層体の上面に、上記電流拡散層と電気的に接続されるように形成された透光性電極層とを有し、上記積層体と上記電流拡散層との界面の接触抵抗が、上記積層体と上記透光性電極層との界面の接触抵抗よりも大きいことを特徴とする発光ダイオード。
（２）上記積層体の最上層がｎ型窒化物半導体からなり、上記電流拡散層がＡｇ、Ｒｈ、ＰｄまたはＰｔからなり、かつ、上記透光性電極層が導電性金属酸化物からなる、上記（１）に記載の発光ダイオード。
（３）トンネル接合構造を有する、上記（２）に記載の発光ダイオード。
（４）上記最上層が、膜厚１μｍ未満のｎ型窒化物半導体層であるか、または、電子濃度１×１０１８ｃｍ−３未満のｎ型窒化物半導体層である、上記（２）に記載の発光ダイオード。
（５）上記積層体の最上層がｐ型窒化物半導体からなり、上記電流拡散層がＡｌからなり、かつ、上記透光性電極層が導電性金属酸化物からなる、上記（１）に記載の発光ダイオード。
（６）上記積層体の最上層がｐ型窒化物半導体からなり、上記電流拡散層がＡｌからなり、かつ、上記透光性電極層がＡｌよりも仕事関数の大きな金属からなる、上記（１）に記載の発光ダイオード。
（７）上記透光性電極層が、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｕ、ＩｒまたはＰｔからなる、上記（６）に記載の発光ダイオード。
（８）上記導電性金属酸化物からなる透光性電極層の厚さが２００ｎｍ以下である、上記（２）〜（５）のいずれかに記載の発光ダイオード。
（９）上記透光性電極層が上記電流拡散層の上を覆って形成され、それによって、上記電流拡散層が形成されていない領域に露出した上記積層体の上面に、上記透光性電極層が形成された構成となっている、上記（１）〜（８）のいずれかに記載の発光ダイオード。
（１０）更に、上記透光性電極層の上に形成されたボンディング用のパッド電極と、少なくともその一部が上記パッド電極の射影領域内に入るように、上記積層体の上面に形成された電流阻止層とを有し、上記電流阻止層は、上記電流拡散層と同じ材料からなるとともに、上記電流拡散層と実質的に同じ膜厚を有し、かつ、上記積層体の上面における、上記パッド電極の射影領域の５０％以上が、上記電流阻止層により覆われている、上記（１）〜（９）のいずれかに記載の発光ダイオード。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るＧａＮ系ＬＥＤは、ｎ型層およびｐ型層を含む複数の窒化物半導体層からなる積層体（以下、これを単に「積層体」ともいう）の上面に形成された、電流拡散層と透光性電極層とを備える。この電流拡散層が、透光性電極層に電気的に接続されて、透光性電極層における横方向の電流拡散を補助するために、発光領域に電流が均一性よく供給されるようになり、素子面内での発光の均一性が良好となる。
また、本発明に係るＧａＮ系ＬＥＤでは、電流拡散層と積層体との界面の接触抵抗が、透光性電極層と積層体との界面の接触抵抗よりも高くなるように、積層体の最上層をなす窒化物半導体層の伝導型に合わせて、電流拡散層および透光性電極層の材料が選択される。そのために、透光性電極層から積層体に供給される電流は、殆どが透光性電極層と積層体との界面を横切る電流経路を流れることになる。その結果、発光層において、電流拡散層の射影領域での発光が抑制される一方、透光性電極層と積層体とが界面を形成した領域の射影領域での発光が促進される。後者の領域での発光は、直上に影となる電流拡散層が存在しないために、透光性電極層を通して効率的に素子の外部に取り出されるので、ＬＥＤの発光効率が改善される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
（第１の実施形態）
図１〜図３は、本発明の第１の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤ１００の素子構成図であり、図１は平面図、図２は図１のＡ−Ｂ線における断面図、図３は図１のＣ−Ｄ線における断面図である。
図１〜図３において、１０１はサファイア基板、１０２は窒化物半導体材料からなる低温成長バッファ層、１０３はＳｉドープＧａＮ（電子濃度約５×１０１８ｃｍ−３）からなる膜厚３μｍのｎ型ＧａＮクラッド層、１０４はＩｎＧａＮ層を井戸層として含むＭＱＷ構造のＩｎＧａＮ発光層、１０５はＭｇドープＡｌＧａＮからなる膜厚５０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、１０６はＭｇドープＧａＮ（Ｍｇ濃度約１×１０２０ｃｍ−３）からなる膜厚１５０ｎｍの高ドープｐ型ＧａＮ層、１０７はＳｉドープＧａＮ（電子濃度約１×１０２０ｃｍ−３）からなる膜厚５ｎｍのｎ型ＧａＮコンタクト層、Ｐ１０１は膜厚３０ｎｍのＴｉ層の上に膜厚１００ｎｍのＡｌ層を積層したｎ側電極、Ｐ１０２はＡｇ（銀）からなる膜厚４０ｎｍの電流拡散層、Ｐ１０３はＩＴＯからなる膜厚１００ｎｍの透光性電極層、Ｐ１０４とＰ１０５は、それぞれ、膜厚３０ｎｍのＴｉ層の上に膜厚３００ｎｍのＡｕ層を積層した、ｎ側およびｐ側のボンディング用パッド電極、Ｐ１０６はＡｇからなる膜厚４０ｎｍの電流阻止層である。
【００１２】
ＧａＮ系ＬＥＤ１００において、発光に係るｐｎ接合はｎ型ＧａＮクラッド層１０３とｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０５との間に形成され、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０７と高ドープｐ型ＧａＮ層１０６との接合部は発光に関与しない。このようなＧａＮ系ＬＥＤの構成は、特開２００３−６０２３６号公報（特許文献２）などに開示されており、ｎ型不純物が高濃度にドープされたｎ型層とｐ型不純物が高濃度にドープされたｐ型層との界面にトンネル接合構造が形成されることを利用して、ｐ側のコンタクト層をｎ型層とすることができ、それによって、ｐ側電極の接触抵抗を低下させることができる。
後述するように、ＧａＮ系ＬＥＤ１００では、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０７が、ＩｎＧａＮ発光層１０４の後に成長されるが、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０７を成長する際の熱によって、ＩｎＧａＮ発光層１０４が劣化し、発光効率が低下することを防ぐために、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０７は薄く形成することが望ましい。そのために、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０７に十分な横方向の電流拡散性を持たせることは難しい。
【００１３】
ＧａＮ系ＬＥＤ１００の、ｎ側、ｐ側の各パッド電極Ｐ１０４、Ｐ１０５に通電すると、ｐ側では、電流拡散層Ｐ１０２と透光性電極層Ｐ１０３とによって、電流が横方向に広げられる。
ここで、ＩＴＯやＺｎＯなどの導電性金属酸化物の抵抗率は、最も導電性の良好なもので、１０−４Ωｃｍのオーダーであるのに対し、金属の抵抗率は１０−６〜１０−５Ωｃｍのオーダーであることから、同程度の厚さに形成した金属薄膜と導電性金属酸化物薄膜とでは、前者の電流拡散能力が後者の１０〜１００倍にもなる。従って、透光性電極層Ｐ１０３に、その１／１０以上の膜厚を有する電流拡散層Ｐ１０２を複合化することによって、透光性電極層Ｐ１０３の電流拡散性を十分に補うことができる。
ＩＴＯやＺｎＯなどの導電性金属酸化物と金属材料との接触抵抗は一般的に低いので、電流拡散層Ｐ１０２と透光性電極層Ｐ１０３は、相互に接するように形成すれば、電気的に接続することができる。また、電流拡散層Ｐ１０２と透光性電極層Ｐ１０３とを形成した後に熱処理を行うことによって、両層間の接触抵抗を低下させることができる。
【００１４】
ＩＴＯなどの導電性金属酸化物は、可視〜近紫波長域において高い透過率を有するが、全く吸収が無いというわけではなく、特に可視短波長領域から紫外にかけての波長領域では、バンド間遷移による吸収の影響も現れて、透過率が低くなる傾向がある。また、屈折率が約２であるＩＴＯからなる透光性電極層Ｐ１０３と、素子外部を取り巻く媒体（ＳｉＯ２からなるパッシベーション膜、封止樹脂、空気等）との界面では、屈折率差によって、発光が再び素子内部に向かって反射され易いために、発光の一部は透光性電極層Ｐ１０３を何度も横切ることになる。従って、透光性電極層Ｐ１０３を薄く形成して光透過性を向上させることにより、ＬＥＤの発光効率を改善することができる。
例えば、特開２００１−２１０８６７号公報（特許文献３）には、膜厚約０．５μｍのＩＴＯ電極を用いたＧａＮ系ＬＥＤが開示されているが、これに対して、ＧａＮ系ＬＥＤ１００では、ＩＴＯの数十倍の導電率を有するＡｇで電流拡散層Ｐ１０２を形成し、透光性電極層Ｐ１０３の電流拡散性を補う構成とするので、この透光性電極層Ｐ１０３の厚さを従来の半分以下とすることができる。
本発明に係るＧａＮ系ＬＥＤでは、透光性電極層を導電性金属酸化物で形成する場合の好ましい厚さは２００ｎｍ以下であり、より好ましくは１００ｎｍ以下である。
【００１５】
ＧａＮ系ＬＥＤ１００における電流拡散層Ｐ１０２の効果は、ＬＥＤチップのサイズが大きくなるにつれ、顕著となる。これまで、ＧａＮ系ＬＥＤのチップサイズは、３００〜４００μｍ角が標準的であったが、特に、照明装置の用途においては、小さなチップを多数実装するよりも、大型のチップを少数実装する方が製造上有利となるために、チップサイズが１ｍｍ角以上のＧａＮ系ＬＥＤの開発が行われている。このような、大サイズのチップにおいては、横方向の電流拡散性の確保が重要となるために、電流拡散層によって横方向の電流拡散を補助する本発明の構成が、特に有用となる。
【００１６】
電流拡散層Ｐ１０２の材料であるＡｇは、ｎ型窒化物半導体とは良好なオーミック性接触を形成しないことが知られており、ｎ型窒化物半導体用のオーミック電極の材料とし得ることが知られているＩＴＯやＺｎＯよりも、ｎ型窒化物半導体との接触抵抗が大きくなる。従って、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０７に供給される電流は、透光性電極層Ｐ１０３とｎ型コンタクト層１０７との界面を横切る経路に集中し、電流拡散層Ｐ１０２とｎ型ＧａＮコンタクト層１０７との界面を横切って流れる電流は僅かとなる。そして、膜厚の小さいｎ型ＧａＮコンタクト層１０７、膜厚が小さく、かつ導電率も低い高ドープｐ型ＧａＮ層１０６およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０５の内部では、電流が横方向に殆ど拡散しないので、ＩｎＧａＮ発光層１０４において発光が生じるのは、実質的に、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０７と透光性電極層Ｐ１０３とが界面を形成した領域の、射影領域のみとなる。該領域で発生する光は、該領域直上に電流拡散層Ｐ１０２が存在しないために、透光性電極層Ｐ１０３を通して効率良く素子外に取り出される。
【００１７】
電流拡散層Ｐ１０２の材料として好適な、ｎ型窒化物半導体と良好なオーミック性接触を形成しない金属としては、Ａｇの他に、Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｔ、Ｐｄなどが挙げられる。中でも、Ａｇ、Ｒｈは、光反射性が特に優れているため、Ａｇ、Ｒｈで電流拡散層Ｐ１０２を形成すると、電流拡散層Ｐ１０２による光吸収が小さくなり、ＬＥＤの発光効率を向上させるうえで好ましい。
【００１８】
電流拡散層Ｐ１０２は、光透過性が生じる厚さに形成してもよく、それによって、発光の取り出し性が向上する。一般に、金属膜は厚さ２０ｎｍ程度以下に形成すると光透過性を示すようになる。光透過性とする場合の金属膜の膜厚は、導電性を確保するために、３ｎｍ以上とすることが好ましい。
【００１９】
電流拡散層Ｐ１０２のパターン（チップを上方から見たときのパターン）は特に限定されず、透光性電極層Ｐ１０３における横方向の電流拡散を補うことのできるパターンであればよい。図１、図４〜図６に、電流拡散層Ｐ１０２のパターンの一例を示す。これらの図において、点線で表しているのが、電流拡散層Ｐ１０２と、後述する電流阻止層Ｐ１０６の輪郭線である。点線で表示したのは、これらの層が、透光性電極層Ｐ１０３の下に形成された層であるからである。
【００２０】
図１の例は、線状の電流拡散層Ｐ１０２を、複数、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０７の表面に、相互に離間して形成したものである。
図４の例は、複数の線状の電流拡散層Ｐ２０２を、放射状のパターンに形成し、更に、線状部分の一端で電流素子層Ｐ２０６と一体化したものである。
図５の例は、線状の電流拡散層Ｐ３０２を円環状に形成したものである。
図６の例は、複数の線状の電流拡散層Ｐ４０２を、井桁状のパターンに形成したものである。このパターンは格子状パターンの一種と見ることもできる。
電流拡散層のパターンは、これらの図に例示したパターンを変形したり、相互に組み合わせたパターンとしてもよい。また、図示しないが、電流拡散層は、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０７の上面に広がった、ネット状、樹枝状、櫛状などのパターンに形成することもできる。
【００２１】
ＩｎＧａＮ発光層１０４のうち、電流拡散層Ｐ１０２の射影領域は発光が弱くなる（もしくは、発光しない）ことから、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０７の上面のうち、電流拡散層Ｐ１０２により覆われた領域の面積は、電流拡散性が著しく低下しない範囲で、小さくすることが望ましい。金属材料は上述のように抵抗率が低いので、電流拡散層Ｐ１０２は比較的幅の狭い線状部分からなるパターンとすることができる。例えば、上記例示した各パターンに含まれる線状部分の線幅は、０．５μｍ〜１０μｍとすることが好ましい。
【００２２】
ｐ側のボンディング用パッド電極Ｐ１０５の下方には、電流阻止層Ｐ１０６を形成してもよい。ＩｎＧａＮ発光層１０４の、パッド電極Ｐ１０５の下方に位置する領域での発光は、その殆どが大きなパッド電極Ｐ１０５により遮られて素子外部に取り出されないので、損失となる。電流阻止層Ｐ１０６は、パッド電極Ｐ１０５の射影領域における、透光性電極層Ｐ１０３から窒化物半導体層への電流供給を阻止することによって、このような損失の発生を抑制するための層である。
電流阻止層Ｐ１０６は、図１の例のように、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０７の表面におけるパッド電極Ｐ１０５の射影領域を、完全に覆うように形成することが最も好ましいが、該射影領域の５０％以上を覆うように形成すれば、損失を軽減する効果が得られる。この場合、該射影領域の中心に近い部分を、電流阻止層Ｐ１０６で覆う方が効果的である。
製造効率の点から、電流阻止層Ｐ１０６は、電流拡散層Ｐ１０２と同じ材料から、同時に形成することが好ましい。図４に示すように、電流拡散層Ｐ２０２と電流阻止層Ｐ２０６をパターンのうえで一体化させることもできる。電流阻止層Ｐ１０６を電流拡散層Ｐ１０２と同じ材料で形成すると、電流素子層Ｐ１０６が導電性となるので、ｐ側のパッド電極Ｐ１０５と電流阻止層Ｐ１０６との間の透光性電極層Ｐ１０３を省略し、ｐ側のパッド電極Ｐ１０５を電流阻止層Ｐ１０６の表面上に直接形成することもできる。
電流阻止層は、電流拡散層と異なる材料で形成することも妨げられない。例えば、各種の絶縁性材料を用いることもできる。
【００２３】
ＧａＮ系ＬＥＤ１００は、次の方法で作製することができる。
まず、サファイア基板１０１をＭＯＶＰＥ装置にセットし、水素気流中で加熱することにより表面のサーマルエッチングを行う。次に、有機金属原料とアンモニアを供給して、３００〜７００℃で低温成長バッファ層１０２を形成した後、基板温度を約１０００℃に上げて、ｎ型ＧａＮクラッド層１０３、ＩｎＧａＮ発光層１０４、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０５、高ドープｐ型ＧａＮ層１０６、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０７を、順次、所定の厚さに成長し、窒化物半導体の積層体を形成する。なお、ＩｎＧａＮ発光層１０４を成長するときの基板温度は、約８００℃とする。
【００２４】
次に、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０７の表面から、ｎ型ＧａＮクラッド層１０３に達する深さのエッチングを行い、ＩｎＧａＮ発光層１０４、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０５、高ドープｐ型ＧａＮ層１０６、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０７の一部を除去して、ｎ型ＧａＮクラッド層１０３を露出させる。
【００２５】
次に、上記露出させたｎ型ＧａＮクラッド層１０３の表面に、真空蒸着、スパッタリング等の方法を用いて、Ｔｉ膜およびＡｌ膜を順次積層することにより、ｎ側電極Ｐ１０１を形成する。
なお、ｎ側電極は、透光性電極層と同じ導電性金属酸化物で形成することもできる。その場合は、工程の順序を変更し、ｎ側電極と透光性電極層とを同時に形成することが好ましい。
【００２６】
次に、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０７の表面に、真空蒸着、スパッタリング等の方法を用いて、Ａｇからなる電流拡散層Ｐ１０２および電流阻止層Ｐ１０６を、所定の位置に形成する。このとき、Ａｇ単体を用いてもよいが、Ａｇ単体と比べて化学的安定性が改良されたＡｇ合金を用いることもできる。電流拡散層Ｐ１０２をＲｈ、Ｐｔ、Ｐｄなどで形成する場合も、材料はこれらの金属の単体に限定されず、合金を用いることができる。
【００２７】
次に、上記形成した電流拡散層Ｐ１０２を覆って、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０７の表面に、ＩＴＯからなる透光性電極層Ｐ１０３を形成する。透光性電極層Ｐ１０３の形成には、ＣＶＤ法（熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ、光ＣＶＤ）、スプレー法、スパッタリング法、真空蒸着法、クラスタービーム蒸着法、パルスレーザ蒸着法、イオンプレーティング法、ゾルゲル法、レーザアブレーション法、その他、公知のＩＴＯ薄膜の形成方法を適宜用いることができる。
透光性電極層は、ＺｎＯ、ＳｎＯ２など、ＩＴＯ以外の導電性金属酸化物で形成してもよいが、その場合も、上記方法を使用することができる。
【００２８】
次に、ｎ側電極Ｐ１０１および透光性電極層Ｐ１０３の上の所定の位置に、真空蒸着、スパッタリング等の方法で、Ｔｉ膜、Ａｕ膜を順次積層することにより、ｎ側およびｐ側のボンディング用パッド電極Ｐ１０４、Ｐ１０５を形成する。ｐ側のパッド電極Ｐ１０５は、先に形成した電流阻止層Ｐ１０６の上に形成する。これら２つのパッド電極の形成は、同時に行うことができる。
【００２９】
（第２の実施形態）
図７および図８は、本発明の第２の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤ５００の素子構成図であり、図７は平面図、図８は図７のＥ−Ｆ線における断面図である。
図７および図８において、５０１はサファイア基板、５０２は窒化物半導体材料からなる低温成長バッファ層、５０３はＳｉドープＧａＮ（電子濃度約５×１０１８ｃｍ−３）からなる膜厚３μｍのｎ型ＧａＮクラッド層、５０４はＩｎＧａＮ層を井戸層として含むＭＱＷ構造のＩｎＧａＮ発光層、５０５はＭｇドープＡｌＧａＮからなる膜厚５０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、５０６はＭｇドープＧａＮ（Ｍｇ濃度約１×１０２０ｃｍ−３）からなる膜厚１５０ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層、Ｐ５０１は膜厚３０ｎｍのＴｉ層の上に膜厚３００ｎｍのＡｕ層を積層したｎ側電極、Ｐ５０２はＡｌ（アルミニウム）からなる膜厚４０ｎｍの電流拡散層、Ｐ５０３はＩＴＯからなる膜厚１００ｎｍの透光性電極層、Ｐ５０５は、膜厚３０ｎｍのＴｉ層の上に膜厚３００ｎｍのＡｕ層を積層したｐ側のボンディング用パッド電極、Ｐ５０６はＡｌからなる膜厚４０ｎｍの電流阻止層である。
【００３０】
ＧａＮ系ＬＥＤ５００の特徴的な構成は、ｐ型ＧａＮコンタクト層５０６の表面に形成された、Ａｌからなる電流拡散層Ｐ５０２と、それを覆って形成された、ＩＴＯからなる透光性電極層Ｐ５０３である。
Ａｌは１０−６Ωｃｍのオーダーの抵抗率を有するのに対し、ＩＴＯの抵抗率は１０−４Ωｃｍのオーダーであるから、電流拡散層Ｐ５０２は透光性電極層Ｐ５０３の電流拡散を十分に補うことができる。
また、Ａｌはｐ型の窒化物半導体と良好なオーミック性接触を形成しないことが知られており、ｐ型窒化物半導体用のオーミック電極の材料にも用いられるＩＴＯやＺｎＯなどの導電性金属酸化物と比べ、ｐ型窒化物半導体との接触抵抗が大きい。従って、ｐ型ＧａＮコンタクト層５０６に供給される電流は、透光性電極層Ｐ５０３とｐ型ＧａＮコンタクト層５０６との界面を横切る経路に集中し、電流拡散層Ｐ５０２とｐ型ＧａＮコンタクト層５０６との界面を横切って流れる電流は僅かとなる。従って、ＩｎＧａＮ発光層５０４において発光が生じるのは、実質的に、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０６と透光性電極層Ｐ５０３とが界面を形成する領域の、射影領域のみとなる。該領域で発生する光は、該領域の直上に電流拡散層Ｐ５０２が存在しないために、透光性電極層Ｐ５０３を通して効率良く素子外に取り出される。
【００３１】
Ａｌは、光反射性に優れていること、導電率が高いこと、化学的に安定であることから、ｐ型ＧａＮコンタクト層５０６上に形成する電流拡散層Ｐ５０２の材料として最適である。
電極の熱処理工程や、素子表面にパッシベーション膜を形成する工程における熱変形を抑制するために、ＡｌにＳｉ（ケイ素）、Ｔｉ（チタン）、Ｃｕ（銅）、Ｎｄ（ネオジム）等の元素を添加して耐熱性を向上させたＡｌ合金を用いることもできる。なお、Ａｌ合金膜は、合金スパッタリングや多元蒸着などによる他、Ａｌ単体からなる層と、添加しようとする金属元素からなる層を積層した多層膜を形成し、Ａｌの融点以下の温度で熱処理を行うことによっても、得ることができる。
【００３２】
ＧａＮ系ＬＥＤ５００では、図７に示すように、電流拡散層Ｐ５０２を格子状パターンに形成し、その一部に連続した電流素子層Ｐ５０６を設けている。これは、電流拡散層Ｐ５０２のパターンの一例であり、本第２の実施形態においても、電流拡散層を、前記第１の実施形態の説明中で例示した各種のパターンに形成することができる。
【００３３】
透光性電極層の材料としては、ＩＴＯの他に、ＺｎＯ、ＳｎＯ２などの導電性金属酸化物を用いることもできる。
導電性金属酸化物とｐ型窒化物半導体との接触抵抗を低減するために、次の方法を用いてもよい。
（ａ）導電性金属酸化物に、ｐ型窒化物半導体にドープされたｐ型不純物と同じｐ型不純物をドープする。詳細は、特開２００４−１７９３６５号公報（特許文献４）などを参照することができる。
（ｂ）ｐ型窒化物半導体層の表面に、一層目として、スパッタリング法以外の方法、例えば、真空蒸着法、レーザーアブレーション法、ゾルゲル法などによって、膜厚１００オングストローム以上の導電性金属酸化物層を形成し、その後、厚膜化する。詳細は、前記特許文献３などを参照することができる。
（ｃ）導電性金属酸化物がＺｎＯの場合に、Ｇａ（ガリウム）またはＢ（ホウ素）をドープする。詳細は、特開２００４−２６６２５８号公報（特許文献５）などを参照することができる。
【００３４】
透光性電極層として、光透過性が生じる厚さに形成した金属膜を用いることもできる。
ｐ型の窒化物半導体は大きな仕事関数（ｐ型ＧａＮで約７ｅＶといわれる）を有するために、どのような金属を電極に用いた場合も、接合部にショットキー型の障壁が形成される。従って、電極材料とする金属の仕事関数が大きい程、障壁の高さが低くなり、接触抵抗が低くなる。
そこで、Ａｌよりも仕事関数の大きな金属で透光性電極層Ｐ５０３を形成すれば、電流拡散層Ｐ５０２とｐ型ＧａＮコンタクト層５０６との接触抵抗を、透光性電極層Ｐ５０３とｐ型ＧａＮコンタクト層５０６との接触抵抗よりも大きくすることができる。そのような金属として、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｕ（金）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｐｔ等、およびこれらの合金が、好適に用い得る。これらの金属は、ｐ型窒化物半導体用のオーミック電極に用い得ることが知られているものであり、中でも、Ｎｉ−Ａｕ系の薄膜は、低接触抵抗の光透過性電極として汎用されている。
【００３５】
以上、本発明の第１の実施形態および第２の実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
【００３６】
上記第１の実施形態として、トンネル接合構造を含むＧａＮ系ＬＥＤを例に、ｎ型窒化物半導体層上に電流拡散層および透光性電極層を形成する態様を説明したが、この態様は、トンネル接合構造を含むＧａＮ系ＬＥＤに限定されるものではない。
特開２００４−６９９１号公報（特許文献６）には、サファイア基板上に、窒化物半導体からなるｎ型層、発光層、ｐ型層を順に積層した積層体を形成した後、ｐ型層の表面にオーミック電極を介して、別途用意した導電性の支持基板を接合し、続いて、研磨やレーザリフトオフによってサファイア基板を除去してｎ型層を露出させ、露出させたｎ型層の表面にｎ側電極を形成するＧａＮ系ＬＥＤの製造方法が記載されている。この方法で製造されるＧａＮ系ＬＥＤは、支持基板上に接合形成された積層体の最上層がｎ型窒化物半導体層となるので、その表面に、上記第１の実施形態と同様の、電流拡散層および透明電極層を形成することができる。
【００３７】
ところで、特許文献６の方法では、発光層の成長を行う前にｎ型層を成長するので、ｎ型層の成長時に発光層が劣化するという問題が無く、ｎ型層を任意の厚さに成長することができる。そして、ｎ型層は、電子濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上となるようにｎ型不純物をドープし、かつ、膜厚を１μｍ以上に形成すれば、シート抵抗がかなり低くなり、横方向の電流拡散性が良好となる。そのために、ｎ型層を厚くし、かつ、電子濃度が十分高くなる濃度に不純物をドープすることが行われているが、一方で、ｎ型層を厚く形成すると、製造効率が低下するという問題があり、また、不純物の濃度を高くすると、当該ｎ型層や、その上に成長する発光層、ｐ型層の結晶性が低下し、発光効率の低下やリーク電流の増加という問題が現れる。
これに対して、透光性電極層と、金属からなる電流拡散層とを複合化した電極を用いれば、電極によって横方向の電流拡散が達成されるので、ｎ型層を薄くすることができ、また、ｎ型不純物のドープ量を少なくすることができる。そして、このような電極を用いたとき、透光性電極層とｎ型層との接触抵抗を、電流拡散層とｎ型層との接触抵抗より高くするという、本発明の構成が、好ましく用い得る。
すなわち、本発明は、結晶成長用基板が除去され、支持基板上に、ｎ型層が最上層となるように、積層体が接合形成されたＧａＮ系ＬＥＤにおいて、該ｎ型層の膜厚を１μｍ未満、特に５００ｎｍ未満とするときに、好適に用いることができ、また、該ｎ型層の電子濃度を１×１０１８ｃｍ−３未満、特に１×１０１７ｃｍ−３未満とするときに、好適に用いることができる。
【００３８】
本発明のＧａＮ系ＬＥＤに含まれる基板は、窒化物半導体層の成長に用いられた基板である必要はなく、該成長に用いられた基板が、工程中に研磨、レーザリフトオフ等により除去された後、接合された支持基板であってもよい。
窒化物半導体層の成長には、サファイア基板の他に、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ、スピネル、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＮＧＯ、ＬＧＯ等からなる基板を用いることができる。
窒化物半導体からなる積層体を形成した後、支持基板を接合する場合、該支持基板は、導電性、熱伝導性、熱膨張係数、へき開性などの観点から、目的に応じて望ましいものを適宜選択することができる。また、支持基板は、積層体の表面に、メッキ、気相成長などの方法で成長させた、厚膜金属層であってもよい。
【００３９】
透光性電極層として導電性金属酸化物を用いる場合であるが、ＩＴＯ、ＺｎＯ等の製膜は、真空蒸着法やスパッタリング法のような物理的手法であれば１５０℃〜３００℃、ＣＶＤやスプレー法のような化学的手法でも３５０℃〜５００℃という、窒化物半導体の結晶成長と比べると、かなり低い基板温度で行うことができる。従って、ＩｎＧａＮ発光層に大きな熱ダメージを与えることなく、比較的厚い膜を形成することができる。そこで、透光性電極層を予め厚めに形成し、その後、エッチングなどの方法で、該透光性電極層中における発光波長の１／４以上の深さを有する凹部を表面に形成することにより、透光性電極層の表面を光散乱性とすることができる。透光性電極層の表面を光散乱性にすると、ＩｎＧａＮ発光層で発生する光が該表面で散乱・回折されて、素子外部に取り出され易くなるため、ＬＥＤの光取り出し効率を改善することができる。
【００４０】
基板上に形成される、窒化物半導体からなる積層体は、発光可能なｐｎ接合ダイオード構造を含むものであればよく、従来公知の技術を参照して、上記第１の実施形態、第２の実施形態として例示した構造に、追加や省略を行ったり、各窒化物半導体層の厚さ、組成、バンドギャップ、不純物の種類、キャリア濃度等に、種々の変形を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤを示す平面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤを示し、図１のＡ−Ｂ線における断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤを示し、図１のＣ−Ｄ線における断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤを示す平面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤを示す平面図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤを示す平面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤを示す平面図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤを示し、図７のＥ−Ｆ線における断面図である。
【図９】従来のＧａＮ系ＬＥＤを示す断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０１      サファイア基板
１０２      低温成長バッファ層
１０３      ｎ型ＧａＮクラッド層
１０４      ＩｎＧａＮ発光層
１０５      ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１０６      高ドープｐ型ＧａＮ層
１０７      ｎ型ＧａＮコンタクト層
Ｐ１０１    ｎ側電極
Ｐ１０２    電流拡散層
Ｐ１０３    透光性電極層
Ｐ１０４    ｎ側のボンディング用パッド電極
Ｐ１０５    ｐ側のボンディング用パッド電極
Ｐ１０６    電流阻止層
【図１】
2006156590.tif 000003
【図２】
2006156590.tif 000004
【図３】
2006156590.tif 000005
【図４】
2006156590.tif 000006
【図５】
2006156590.tif 000007
【図６】
2006156590.tif 000008
【図７】
2006156590.tif 000009
【図８】
2006156590.tif 000010
【図９】
2006156590.tif 000011