(57)【要約】【課題】素子の発熱量を減少させて信頼性を向上させ、かつ、活性層から発光する光の一部がｎ型電極に吸収され消滅するのを防止して光抽出効率を向上させることができる窒化物系半導体発光素子を提供する。【解決手段】基板１１０と、該基板上に形成されているｎ型窒化物半導体層１２０と、該ｎ型窒化物半導体層上に形成されている活性層１３０と、該活性層上に形成されているｐ型窒化物半導体層１４０と、該ｐ型窒化物半導体層上に形成されている透明電極１５０と、該透明電極上に接続されるように形成されているｐ型ボンディング電極１６０と、アルミニウムまたは銀を含有する化合物からなり、前記ｎ型窒化物半導体層上に形成されているｎ型電極２００と、を含む窒化物系半導体発光素子を提供する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成されているｎ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物半導体層上に形成されている活性層と、
前記活性層上に形成されているｐ型窒化物半導体層と、
前記ｐ型窒化物半導体層上に形成されている透明電極と、
前記透明電極上に接続されるように形成されているｐ型ボンディング電極と、
アルミニウムまたは銀を含有する化合物からなる層であって、前記ｎ型窒化物半導体層上に形成されているｎ型電極
を含む窒化物系半導体発光素子。
【請求項２】
前記アルミニウムまたは銀を含有する化合物は、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｏ及びＮｉよりなる群から選ばれた一種以上の金属添加物が加えられたものであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項３】
前記ｎ型電極は、５００Å〜５０００Åの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項４】
前記基板と前記ｎ型窒化物半導体層との間にバッファー層をさらに含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項５】
前記ｎ型電極は、前記アルミニウムまたは銀を含有する化合物層上に劣化防止層が順次積層されている二重層からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項６】
前記ｎ型電極は、前記アルミニウムまたは銀を含有する化合物の層上に、劣化防止層、及び酸化防止層が順次積層されている三重層からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項７】
前記劣化防止層は、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ及びＲｈよりなる群から選ばれた一種以上の耐熱性金属からなることを特徴とする請求項５又は６に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項８】
前記劣化防止層は、５０Å〜５００Åの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項５又は６に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項９】
前記酸化防止層は、Ａｕ、Ｐｔ及びＲｈよりなる群から選ばれた一種以上の非金属からなることを特徴とする請求項６に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項１０】
前記酸化防止層は、２００Å〜４０００Åの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項６又は９に記載の窒化物系半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系半導体発光素子に関する。より詳細には、本発明は、活性層から発光する光の一部がｎ型電極に吸収されて消滅するのを防止することによって、窒化物系半導体発光素子の光抽出効率を向上させる窒化物系半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、窒化物系半導体は、比較的高いエネルギーバンドギャップを持つ物質（例：ＧａＮ半導体の場合、約３．４ｅＶ）であって、青色または緑色などの短波長光を生成するための光素子に積極的に採用されている。かかる窒化物系半導体としては、ＡｌxＩｎyＧａ(1-x-y)Ｎ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である。）の組成式を持つ物質が広く使われている。
【０００３】
しかるに、このような窒化物系半導体は、比較的大きいエネルギーバンドギャップを有するため、電極とオーミック接触を形成し難い。特に、ｎ型窒化物半導体層は、より大きいエネルギーバンドギャップを有するため、ｎ型電極と接触部位において接触抵抗が高くなり、これによって、素子の動作電圧が大きくなり発熱量の増加につながるという問題があった。また、従来技術による窒化物系半導体発光素子のｎ型電極は、反射率の低いＣｒ／Ａｕから形成されているため、活性層から発光する光を全部反射せず、一部を吸収し光抽出効率を低下させるという問題もあった。
【０００４】
以下、図１を参照して、従来技術による窒化物系半導体発光素子の問題点について詳細に述べる。
【０００５】
図１は、従来技術による窒化物系半導体発光素子の構造を示す断面図である。図１に示すように、従来技術による窒化物系半導体発光素子は、サファイア基板１１０とＧａＮ（gallium nitride）バッファー層（図示せず）と、ｎ型窒化物半導体層１２０と、活性層１３０と、ｐ型窒化物半導体層１４０が順次結晶成長されており、活性層１３０及びｐ型窒化物半導体層１４０の一部がエッチングで除去され、底面にｎ型窒化物半導体層１２０の一部を露出する溝１７０が形成されている。
【０００６】
そして、溝１７０の底面に露出されたｎ型窒化物半導体層１２０上には、Ｃｒ／Ａｕからなるｎ型電極２００が形成されており、ｐ型窒化物半導体層１４０上には、ＩＴＯなどからなる透明電極１５０が形成されている。また、透明電極１５０上の一部にｐ型ボンディング電極１６０が形成されている。
【０００７】
このように構成される窒化物系半導体発光素子は、以下のように動作する。
【０００８】
ｐ型ボンディング電極１６０を通して注入された正孔は、ｐ型ボンディング電極１６０から横方向に拡散され、ｐ型窒化物半導体層１４０から活性層１３０に注入され、ｎ型電極２００を通して注入された電子は、ｎ型窒化物半導体層１２０から活性層１３０に注入される。続いて、これら注入された正孔と電子が活性層１３０中で再結合し発光を引き起こす。この光は、透明電極１５０から窒化物系半導体発光素子の外へ放出される。
【０００９】
このときに、活性層１３０で発生した光「ｈν」は、全方向に放出される。図１では、便宜上、光子の放出方向を（１）、（２）、及び（３）としている。ここで、（１）及び（２）方向に移動する光は、透明電極１５０を通して窒化物系半導体発光素子の外へ放出されるため、窒化物系半導体発光素子の強度に寄与する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、方向（３）に移動する光は、ｎ型電極２００に吸収され消滅する。このような光吸収は、光抽出効率（light extraction efficiency）を低下させ、窒化物系半導体発光素子の輝度を減少させる原因となる。ここで、光抽出効率とは、活性層で発生した光のうち、窒化物系半導体発光素子から空気中に放出される光の割合をいう。
【００１１】
言い換えれば、上記のように、Ｃｒ／Ａｕから形成されている従来のｎ型電極は、反射率が低いため、活性層から発光する光のうち自身に向かう光を吸収し消滅させ、その結果、光抽出効率を低下させ、輝度を減少させるという問題があった。
【００１２】
本発明は、上記の問題点を解決するためのものであり、その目的は、ｎ型窒化物半導体層上に、低いオーミック接触抵抗を有すると同時に、反射率の高い物質からなるｎ型電極を形成することによって、素子の発熱量を減少させて信頼性を向上させ、かつ、活性層から発光する光の一部がｎ型電極に吸収され消滅するのを防止して光抽出効率を向上させることができる窒化物系半導体発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明は、基板と、前記基板上に形成されているｎ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層上に形成されている活性層と、前記活性層上に形成されているｐ型窒化物半導体層と、前記ｐ型窒化物半導体層上に形成されている透明電極と、前記透明電極上に接続されるように形成されているｐ型ボンディング電極と、アルミニウムまたは銀を含有する化合物からなり、前記ｎ型窒化物半導体層上に形成されているｎ型電極を含む窒化物系半導体発光素子を提供する。
【００１４】
ここで、前記アルミニウムまたは銀を含有する化合物は、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｏ及びＮｉよりなる群から選ばれた一種以上の金属添加物が加えられたものであることが好ましい。これは、前記ｎ型電極を構成しているアルミニウムまたは銀のような物質に、熱工程などでヒル-ロック（hill-rock）現象が生じ劣化するのを防止することによって、アルミニウムまたは銀の特性である低いオーミック接触抵抗及び高い反射率をそのまま維持するためである。また、前記ｎ型電極を構成する化合物層は、５００Å〜５０００Åの範囲の厚さにすることが好ましい。
【００１５】
また、前記ｎ型電極は、アルミニウムまたは銀を含有する化合物層上に劣化防止層が順次的層された二重層からなることが好ましい。このようにすると、熱に弱いアルミニウムまたは銀からなる前記高反射ｎ型電極が、熱によって劣化するのをより完全に防止できる。
【００１６】
また、前記劣化防止層は、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ及びＲｈよりなる群から選ばれた一種以上の耐熱性金属であり、５０Å〜５００Åの範囲の厚さを有することが好ましい。
【００１７】
また、前記ｎ型電極は、アルミニウムまたは銀を含有する化合物層、劣化防止層及び酸化防止層が順次積層された三重層からなることが好ましく、このようにすると、前記劣化防止層が大気に露出され酸化するのを防止することができる。
【００１８】
また、前記酸化防止層は、Ａｕ、Ｐｔ及びＲｈよりなる群から選ばれた一種以上の非金属であり、２００Å〜４０００Åの範囲の厚さにすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、ｎ型窒化物半導体層上に、低いオーミック接触抵抗を有すると同時に、反射率の高い物質からなるｎ型電極を形成するため、素子の発熱量を減少させて信頼性を向上させ、かつ、活性層から発光する光の一部がｎ型電極に吸収され消滅するのを防止して光抽出効率を向上させることが可能になる。
【００２０】
したがって、本発明は、窒化物系半導体発光素子の輝度、特性及び信頼性を向上させるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明に係る窒化物系半導体発光素子の好適な実施形態を、本発明の属する技術分野における通常の知識を持つ者が容易に実施できるように詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２２】
図面中、多数の層及び領域は、明確な図示のためにその厚さを拡大し、同一の構成要素については同一の参照符号を共通して使用するものとする。
【実施例１】
【００２３】
＜第１の実施形態＞
まず、図２を参照して、本発明の第１の実施形態による窒化物系半導体発光素子について詳細に説明する。図２は、本発明の第１の実施形態による窒化物系半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【００２４】
図２に示すように、基板１１０上にバッファー層（図示せず）、ｎ型窒化物半導体層１２０、活性層１３０及びｐ型窒化物半導体層１４０が順次積層されている。
【００２５】
基板１１０は、サファイアを含む透明な材料からなることが好ましいが、サファイアの外に、酸化亜鉛（zinc  oxide、ＺｎＯ）、窒化ガリウム（gallium nitride、ＧａＮ）、炭化ケイ素（silicon carbide、ＳｉＣ）及び窒化アルミニウム（aluminium nitride、ＡｌＮ）から選ばれる材料で形成されていてもよい。
【００２６】
バッファー層（図示せず）は、ＧａＮから形成されるが、バッファー層は省略してもよい。
【００２７】
ｎ型またはｐ型窒化物半導体層１２０，１４０はそれぞれ、導電型不純物のドープされたＧａＮ層またはＧａＮ／ＡｌＧａＮ層から形成され、活性層１３０は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ層から形成された多重量子井戸構造（Multi-Quantum Well）となる。
【００２８】
一方、活性層１３０は、一つの量子井戸層またはダブルヘテロ構造に形成することができる。また、活性層１３０は、それを構成しているインジウム（Ｉｎ）の量によって、ダイオードが緑色発光素子か青色発光素子かが決定される。具体的には、青色光を持つ発光素子に対しては、約２２％の範囲のインジウムが使われ、緑色光を持つ発光素子に対しては、約４０％の範囲のインジウムが使われる。すなわち、活性層１３０を形成するのに使われるインジウムの量は、必要とする青色または緑色波長によって異なる。
【００２９】
また、活性層１３０とｐ型窒化物半導体層１４０の一部は、メサエッチング（mesa etching）で除去され、底面にｎ型窒化物半導体層１２０が露出した溝１７０が形成されている。
【００３０】
ｐ型窒化物半導体層１４０上には、透明電極１５０が形成されている。ここで、透明電極１５０は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）のような導電性金属酸化物だけでなく、発光素子の発光波長に対して透過率が高いものなら、導電性が高く且つコンタクト抵抗が低い金属薄膜からなっていてもよい。
【００３１】
一方、透明電極１５０が金属薄膜からなる場合には、透過率の確保のために、金属の膜厚を５０ｎｍ以下に維持することが好ましく、例えば、膜厚１０ｎｍのＮｉと膜厚４０ｎｍのＡｕが順次積層されている構造とすればいい。
【００３２】
そして、透明電極１５０及び溝１７０の底面に露出したｎ型窒化物半導体層１２０上には、Ａｕなどからなるｐ型ボンディング電極１６０と反射及び電極の役割を兼ねるｎ型電極２００がそれぞれ形成されている。
【００３３】
次に、反射及び電極の役割を兼ねる本発明の第１の実施形態によるｎ型電極２００について詳しく説明する。
【００３４】
本発明の第１の実施形態によるｎ型電極２００は、アルミニウム（Ａｌ）または銀（Ａｇ）を含有する化合物からなる高反射ｎ型電極２１０の単一層となっている。ここで、化合物は、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｏ及びＮｉよりなる群から選ばれた一種以上の耐熱性金属添加物が加えられたものを使用することが好ましく、これは、高反射ｎ型電極２１０を構成しているアルミニウムまたは銀が熱工程などで劣化するのを防止するためである。
【００３５】
すなわち、高反射ｎ型電極２１０を構成しているアルミニウムまたは銀は、熱工程などでヒルロック（hill-rock）現象が発生する等劣化し易い。このように劣化した場合、アルミニウムまたは銀は、その固有特性とされる低いオーミック接触抵抗及び高い反射率をそのまま維持できなくなるという問題につながる。そこで、本発明の一実施形態による高反射ｎ型電極２１０は、アルミニウムまたは銀に耐熱性金属添加物を加え熱工程などに伴う劣化を防止し、低いオーミック接触抵抗及び高い反射率をそのまま維持できるようにしている。
【００３６】
一方、高反射ｎ型電極２１０は、５００Å以下の厚さにすると反射機能を有することができず、また５０００Å以上の厚さにすると厚い電極厚さによってストレスが生じ、高反射ｎ型電極２１０の接触性が低減するという問題があるので、５００Å〜５０００Åの範囲の厚さにすることが好ましい。
【００３７】
図３は、図１及び図２に示す窒化物系半導体発光素子のオーミック接触（I-V curve）を比較したグラフであり、図４は、図１及び図２に示す窒化物系半導体発光素子の反射率を比較して示す図である。
【００３８】
図３を参照すると、本発明の第１の実施形態によってアルミニウムまたは銀を含有する化合物からなる高反射ｎ型電極である単一層からなるｎ型電極は、従来技術によってＣｒ／Ａｕで形成されているｎ型電極に比べ、非常に低いオーミック接触抵抗を有する。
【００３９】
一方、図４を参照すると、本発明の第１の実施形態によってアルミニウムまたは銀を含有する化合物からなる高反射ｎ型電極である単一層からなるｎ型電極のシリコン（Ｓｉ）対比反射率は、約２０２％であり、従来技術によってＣｒ／Ａｕから形成されているｎ型電極のシリコン（Ｓｉ）対比反射率は、約１０４％である。すなわち、本発明の第１の実施形態によるｎ型電極は、従来技術によるｎ型電極に比べて約９４％の反射率上昇効果が得られるため、活性層から発光する光のうちｎ型電極に向かう光を全部反射して透明電極に再び放出させ、それによって、発光素子の光抽出効率を向上させることができる（図２の方向（３）参照）。
【実施例２】
【００４０】
＜第２の実施形態＞
図５を参照して本発明の第２の実施形態について説明するが、第１の実施形態と同じ構成についての説明は省略する。
【００４１】
図５は、本発明の第２の実施形態による窒化物系半導体発光素子の構造を示す断面図である。図５に示すように、第２の実施形態による窒化物系半導体発光素子は、第１の実施形態による窒化物系半導体発光素子と略同様に構成される。ただし、ｎ型電極２００が、高反射ｎ型電極２１０の単一層構造となっておらず、高反射ｎ型電極２１０上に劣化防止層２２０が順次積層されている二重層構造となっている点が、第１の実施形態と異なる。
【００４２】
したがって、第１の実施形態と同様に、第２の実施形態も、ｎ型電極２００に、アルミニウムまたは銀を含有する化合物からなる高反射ｎ型電極２１０が含まれているので、第１実施形態と同じ作用及び効果が得られる。
【００４３】
さらに、第１の実施形態に比べて、第２の実施形態は、高反射ｎ型電極２１０上に耐熱性金属からなる劣化防止層２２０がさらに形成されているので、アルミニウムまたは銀を含有する化合物からなる高反射ｎ型電極２１０が熱工程などで劣化するのをより完全に防止できるという利点がある。
【００４４】
ここで、劣化防止層２２０は、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ及びＲｈよりなる群から選ばれた一種以上の耐熱性金属からなることが好ましい。また、劣化防止層２２０は、５０Å以下の厚さにすると劣化防止の機能が果たせなくなり、５００Å以上の厚さにすると厚い厚さによってストレスが生じ劣化防止層２２０の接触性が低下するという問題につながるので、５０Å〜５００Åの範囲の厚さにすることが好ましい。
【００４５】
図６は、図２及び図５に示す窒化物系半導体発光素子の反射率を比較して示すもので、図６を参照すると、本発明の第２の実施形態による、すなわち、劣化防止層２２０を含むｎ型電極２００では、熱工程進行後の反射率が、熱工程進行前と同じ水準である約２０２％に維持されているのに対し、劣化防止層を含まない第１の実施形態によるｎ型電極２００は、熱工程進行後の反射率が熱工程進行前と同じ水準である約２０２％から約１７２％に急激に低下している。
【００４６】
したがって、第２の実施形態によるｎ型電極は、第１の実施形態によるｎ型電極に比べ、熱工程によって高反射ｎ型電極が劣化するのをさらに防止し、高い反射率をそのまま維持できるという利点がある。
【実施例３】
【００４７】
＜第３の実施形態＞
図７を参照して本発明の第３の実施形態について説明するが、第２の実施形態と同じ構成についての説明は省略する。
【００４８】
図７は、本発明の第３の実施形態による窒化物系半導体発光素子の構造を示す断面図である。図７に示すように、第３の実施形態による窒化物系半導体発光素子は、第２の実施形態による窒化物系半導体発光素子と略同様に構成される。ただし、ｎ型電極２００が、高反射ｎ型電極２１０と劣化防止層２２０とが順次積層されている二重層構造を有するのではなく、高反射ｎ型電極２１０と劣化防止層２２０とが順次積層された二重層構造の上に、酸化防止層２３０がさらに積層されている、すなわち、高反射ｎ型電極２１０、劣化防止層２２０及び酸化防止層２３０が順次積層されている三重層構造を有する点が、第２の実施形態と異なる。
【００４９】
したがって、第２の実施形態と同様に、第３の実施形態も、ｎ型電極２００に、高反射ｎ型電極２１０と劣化防止層２２０が順次積層される二重層が含まれるため、第２の実施形態と同じ作用及び効果が得られる上に、劣化防止層２２０上に酸化防止層２３０がさらに形成されているため、劣化防止層２２０が大気に露出され酸化するのを防止できるというさらなる利点が得られる。
【００５０】
ここで、酸化防止層２３０は、Ａｕ、Ｐｔ及びＲｈよりなる群から選ばれた一種以上の非金属からなることが好ましい。また、酸化防止層２３０は、２００Å以下の厚さにすると酸化防止の機能が果たせなくなり、４０００Å以上の厚さにすると、厚い厚さによってストレスが生じ酸化防止層２３０の接触性が低下するため、２００Å〜４０００Åの範囲の厚さにすることが好ましい。
【００５１】
以上では本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、当該技術分野における通常の知識を持つ者にとっては、これら実施形態から種々の変形及び均等な他の実施形態を得ることが可能であるということが明らかである。したがって、本発明の権利範囲は、これら実施形態に限定されるものではなく、請求範囲で定義している本発明の基本概念に基づいて当業者によりなされる種々の変形及び改良形態も本発明の権利範囲に属するものとして解釈されるべきである。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
以上のように、本発明にかかる窒化物系半導体発光素子は、青色または緑色などの短波長光を生成するための光素子に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】従来技術による窒化物系半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による窒化物系半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図３】図１及び図２に示す窒化物系半導体発光素子のオーミック接触（I-V curve）を比較して示すグラフである。
【図４】図１及び図２に示す窒化物系半導体発光素子の反射率を比較して示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態による窒化物系半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図６】図２及び図５に示す窒化物系半導体発光素子の反射率を比較して示す図である。
【図７】本発明の第３の実施形態による窒化物系半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１１０  基板
１２０  ｎ型窒化物半導体層
１３０  活性層
１４０  ｐ型窒化物半導体層
１５０  透明電極
１６０  ｐ型ボンディング電極
１７０  溝
２００  ｎ型電極
２１０  アルミニウムまたは銀を含有する化合物層
２２０  劣化防止層
２３０  酸化防止層
【図１】
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【図２】
2006324668.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2006324668.tif 000007
【図６】
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【図７】
2006324668.tif 000009