(57)【要約】【課題】光取り出し効率が高く、かつ動作電圧の低い窒化物半導体発光ダイオード素子を提供する。【解決手段】ｎ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層上に設けられた窒化物半導体発光層と、窒化物半導体発光層上に設けられたｐ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層上に設けられたＩｎ含有窒化物半導体層と、Ｉｎ含有窒化物半導体層上に設けられた透明導電膜と、を含み、Ｉｎ含有窒化物半導体層は組成ゆらぎを有するようにＩｎを含有する窒化物半導体発光ダイオード素子である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物半導体層上に設けられた窒化物半導体発光層と、
前記窒化物半導体発光層上に設けられたｐ型窒化物半導体層と、
前記ｐ型窒化物半導体層上に設けられたＩｎ含有窒化物半導体層と、
前記Ｉｎ含有窒化物半導体層上に設けられた透明導電膜と、を含み、
前記Ｉｎ含有窒化物半導体層は組成ゆらぎを有するようにＩｎを含有する、窒化物半導体発光ダイオード素子。
【請求項２】
前記Ｉｎ含有窒化物半導体層においてＩｎの含有量が最大である領域と、Ｉｎの含有量が最小である領域とにおけるＩｎの含有量の差が１０原子％以上であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
【請求項３】
前記透明導電膜は、ｎ型の導電型を有する窒化物半導体層、金属不純物がドープされていないノンドープの二酸化チタン、金属不純物がドープされた二酸化チタンまたはチタン酸ストロンチウムのいずれかであることを特徴とする、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
【請求項４】
前記透明導電膜の前記Ｉｎ含有窒化物半導体層側とは反対側の表面が凹凸を有していることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
【請求項５】
前記透明導電膜上に設けられた透明絶縁膜をさらに含み、
前記透明導電膜の前記Ｉｎ含有窒化物半導体層側とは反対側の表面および前記透明絶縁膜の前記透明導電膜側とは反対側の表面の少なくとも一方の表面が凹凸を有していることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
【請求項６】
前記Ｉｎ含有窒化物半導体層の厚さが５ｎｍ以上であることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
【請求項７】
前記Ｉｎ含有窒化物半導体層の厚さが前記窒化物半導体発光層の厚さよりも厚いことを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の窒化物半導体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、窒化物半導体発光ダイオード素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえばＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体層を用いた窒化物半導体発光ダイオード素子においては、ＩＩＩ族窒化物半導体層の屈折率がたとえば約２．５程度と高くなるために、ＩＩＩ族窒化物半導体層と他の材料層（たとえば基板または透明導電膜など）との界面で全反射を起こし、発光効率が低下する一因となっている。
【０００３】
たとえば特許文献１（特開２００８−２９４３０６号公報）には、ニオブやタンタルなどの金属不純物のドープ量の調整により所望の屈折率と十分に低減された抵抗率を有する二酸化チタン層をｐ型窒化物半導体層に接する電極として用いた窒化物半導体発光ダイオード素子が記載されている。特許文献１に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、金属不純物がドープされた二酸化チタン層とＧａＮ層との間の界面における全反射を抑えることによって光取り出し効率を向上させている（たとえば特許文献１の段落［００１０］等参照）。
【０００４】
また、たとえば特許文献２（特開２００７−２２０９７１号公報）にも、ニオブやタンタルなどの金属不純物がドープされた二酸化チタン層をｐ型窒化物半導体層に接するように設けた窒化物半導体発光ダイオード素子が記載されている（たとえば特許文献２の段落［００２０］および［００４０］等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２９４３０６号公報
【特許文献２】特開２００７−２２０９７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載された窒化物半導体発光ダイオード素子のように、ニオブやタンタルなどの金属不純物がドープされた二酸化チタン層とｐ型窒化物半導体層とを接触させた場合には、金属不純物がドープされた二酸化チタン層とｐ型窒化物半導体層との接触抵抗が高くなるために、窒化物半導体発光ダイオード素子の動作電圧が高くなるという問題があった。これは、金属不純物がドープされた二酸化チタン層がｎ型伝導を示すためであると考えられる。
【０００７】
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、光取り出し効率が高く、かつ動作電圧の低い窒化物半導体発光ダイオード素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、ｎ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層上に設けられた窒化物半導体発光層と、窒化物半導体発光層上に設けられたｐ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層上に設けられたＩｎ含有窒化物半導体層と、Ｉｎ含有窒化物半導体層上に設けられた透明導電膜と、を含み、Ｉｎ含有窒化物半導体層は組成ゆらぎを有するようにＩｎを含有する窒化物半導体発光ダイオード素子である。
【０００９】
ここで、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、Ｉｎ含有窒化物半導体層においてＩｎの含有量が最大である領域と、Ｉｎの含有量が最小である領域とにおけるＩｎの含有量の差が１０原子％以上であることが好ましい。
【００１０】
また、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子において、透明導電膜は、ｎ型の導電型を有する窒化物半導体層、金属不純物がドープされていないノンドープの二酸化チタン、金属不純物がドープされた二酸化チタンまたはチタン酸ストロンチウムのいずれかであることが好ましい。
【００１１】
また、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、透明導電膜のＩｎ含有窒化物半導体層側とは反対側の表面が凹凸を有していることが好ましい。
【００１２】
また、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子は、透明導電膜上に設けられた透明絶縁膜をさらに含み、透明導電膜のＩｎ含有窒化物半導体層側とは反対側の表面および透明絶縁膜の透明導電膜側とは反対側の表面の少なくとも一方の表面が凹凸を有していることが好ましい。
【００１３】
また、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、Ｉｎ含有窒化物半導体層の厚さが５ｎｍ以上であることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、Ｉｎ含有窒化物半導体層の厚さが窒化物半導体発光層の厚さよりも厚いことが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、光取り出し効率が高く、かつ動作電圧の低い窒化物半導体発光ダイオード素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図である。
【図２】実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例の製造工程の一部について図解する模式的な断面図である。
【図３】実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。
【図４】実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。
【図５】実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。
【図６】実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図である。
【図７】実施の形態３の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図である。
【図８】実施の形態４の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図である。
【図９】実施例の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の製造工程の一部について図解する模式的な断面図である。
【図１０】実施例の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。
【図１１】実施例の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。
【図１２】実施例の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。
【図１３】実施例の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。
【図１４】実施例の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。
【図１５】実施例の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。
【図１６】実施例の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。
【図１７】実施例の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００１８】
＜実施の形態１＞
図１に、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の一例である実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図を示す。
【００１９】
実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子は、基板１と、基板１の表面に接して設けられたｎ型窒化物半導体層２と、ｎ型窒化物半導体層２の表面に接して設けられた窒化物半導体発光層３と、窒化物半導体発光層３の表面に接して設けられたｐ型窒化物半導体層４と、ｐ型窒化物半導体層４の表面に接して設けられたＩｎ含有窒化物半導体層５と、Ｉｎ含有窒化物半導体層５に接して設けられた透明導電膜６と、透明導電膜６の表面に接して設けられたｐ側電極８と、ｎ型窒化物半導体層２の露出表面に接して設けられたｎ側電極７と、を備えている。
【００２０】
ここで、Ｉｎ含有窒化物半導体層５はＩｎを含有するｐ型の窒化物半導体層であって、Ｉｎ含有窒化物半導体層５はＩｎの組成ゆらぎを有している。なお、「Ｉｎの組成ゆらぎ」とは、Ｉｎ含有窒化物半導体層５の厚さ方向、長さ方向および横方向の少なくとも１つの方向の少なくとも一部においてＩｎ組成（Ｉｎの含有量）が変化していることを意味する。
【００２１】
以下、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例について説明する。
【００２２】
まず、図２の模式的断面図に示すように、たとえばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長）法などによって、基板１の表面上に、ｎ型窒化物半導体層２、窒化物半導体発光層３およびｐ型窒化物半導体層４をこの順序で積層する。
【００２３】
ここで、基板１としては、たとえば、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板、炭化珪素（ＳｉＣ）基板、サファイア基板、スピネル基板または酸化亜鉛（ＺｎＯ）基板などの様々な基板を用いることができる。なお、基板１としては、サファイア基板を用いることが好ましい。基板１としてサファイア基板を用いた場合には、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造コストを低減することができるとともに、安定して実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子を製造することができる傾向にある。
【００２４】
また、ｎ型窒化物半導体層２としては、たとえば、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎz1Ｎの式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる窒化物半導体層（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、０≦ｚ１≦１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≠０）にｎ型ドーパントをドーピングした層などを積層することができる。なお、ｎ型ドーパントとしては、たとえばシリコンおよび／またはゲルマニウムなどをドーピングすることができる。
【００２５】
また、窒化物半導体活性層３としては、たとえば、互いに組成の異なる、Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎz2Ｎの式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる窒化物半導体井戸層（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、０≦ｚ２≦１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２≠０）と、窒化物半導体井戸層よりもバンドギャップの大きいＡｌx3Ｇａy3Ｉｎz3Ｎの式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる窒化物半導体障壁層（０≦ｘ３≦１、０≦ｙ３≦１、０≦ｚ３≦１、ｘ３＋ｙ３＋ｚ３≠０）とを１層ずつ交互に積層した積層体などを積層することができる。窒化物半導体活性層３における窒化物半導体井戸層の数は、たとえば６層とすることができるがこれに限定されるものではない。なお、窒化物半導体活性層３は、上記の窒化物半導体井戸層を１層のみ有する単一量子井戸構造であってもよく、上記の窒化物半導体井戸層を複数層有する多重量子井戸構造であってもよい。
【００２６】
また、ｐ型窒化物半導体層４としては、たとえばＡｌx4Ｇａy4Ｉｎz4Ｎの式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる窒化物半導体層（０≦ｘ４≦１、０≦ｙ４≦１、０≦ｚ４≦１、ｘ４＋ｙ４＋ｚ４≠０）にｐ型ドーパントをドーピングした層などを積層することができる。なお、ｐ型ドーパントとしては、たとえばマグネシウムおよび／または亜鉛などをドーピングすることができる。
【００２７】
次に、図３の模式的断面図に示すように、たとえばＭＯＣＶＤ法などによって、ｐ型窒化物半導体層４の表面上にＩｎ含有窒化物半導体層５を積層する。
【００２８】
ここで、Ｉｎ含有窒化物半導体層５としては、たとえばＡｌx5Ｇａy5Ｉｎz5Ｎの式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる窒化物半導体層（０≦ｘ５≦１、０≦ｙ５≦１、０＜ｚ５≦１）にｐ型ドーパントをドーピングした層などを積層することができる。
【００２９】
Ｉｎ含有窒化物半導体層５は、Ｉｎ含有窒化物半導体層５のＩｎの組成ゆらぎによってＩｎ組成が変化している部分を有するが、Ｉｎ含有窒化物半導体層５の一部に形成されるＩｎ組成が高い部分において透明導電膜６との接触抵抗を低減することができるため、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の動作電圧を低減することができる傾向にある。
【００３０】
Ｉｎ含有窒化物半導体層５と透明導電膜６との接触抵抗を低減することができる理由としては、（ｉ）Ｉｎ含有窒化物半導体層５にピエゾ電界が生じること、（ｉｉ）Ｉｎ含有窒化物半導体層５の透明導電膜６との接触面を構成する窒化物半導体のバンドギャップを小さくできること、（ｉｉｉ）Ｉｎ含有窒化物半導体層５の透明導電膜６との接触面を構成する窒化物半導体がミスフィット転位を生じること、および（ｉｖ）Ｉｎ含有窒化物半導体層５の透明導電膜６との接触面を構成する窒化物半導体に点欠陥が生じることなどが挙げられる。
【００３１】
Ｉｎ含有窒化物半導体層５中におけるＩｎの組成ゆらぎは、Ｉｎ含有窒化物半導体層５の厚さ方向において数ｎｍ（１ｎｍ以上１０ｎｍ以下）の厚さ単位でＩｎの組成が変化することにより形成されていることが好ましい。この場合には、Ｉｎ含有窒化物半導体層５中におけるＩｎ組成の大きい領域が量子化する傾向にあるため、Ｉｎ含有窒化物半導体層５中のＩｎ組成の大きい領域のＩｎ組成が窒化物半導体活性層３のＩｎ組成よりも大きくなった場合でも、窒化物半導体活性層３から発光する光の吸収を抑えることができる傾向にある。
【００３２】
Ｉｎ含有窒化物半導体層５においてＩｎの含有量が最大である領域と、Ｉｎの含有量が最小である領域とにおけるＩｎの含有量の差が１０原子％以上であることが好ましい。この場合には、Ｉｎ含有窒化物半導体層５を、Ｉｎ組成が低い領域における窒化物半導体活性層３から発光する光の透過の確保と、Ｉｎ組成が高い領域における透明導電膜６との接触抵抗の低減とを兼ね備えた層とすることができる傾向にある。ここで、Ｉｎ含有窒化物半導体層５においてＩｎの含有量が最大である領域は、透明導電膜６と接触する領域であることが好ましい。Ｉｎ含有窒化物半導体層５のＩｎの含有量が最大である領域が透明導電膜６と接触する領域である場合には、Ｉｎ含有窒化物半導体層５と透明導電膜６との接触抵抗が大きく低減して、窒化物半導体発光ダイオード素子の動作電圧を大きく低減することができる傾向にある。
【００３３】
なお、Ｉｎ含有窒化物半導体層５におけるＩｎの組成ゆらぎは、たとえばＴＥＭ（Transmission Electron Microscopy）とＡＰＴ（Three-dimensional atom probe tomography）とを組み合わせることによって評価することができる。
【００３４】
また、（ａ）Ｉｎ含有窒化物半導体層５の厚さを厚く形成すること、および（ｂ）Ｉｎ含有窒化物半導体層５を形成した後にＩｎ含有窒化物半導体層５を高温（たとえば９００℃以上）に加熱することの少なくとも一方を採用することによってＩｎ含有窒化物半導体層５中におけるＩｎの組成ゆらぎをさらに大きくすることが可能である。
【００３５】
すなわち、（ａ）Ｉｎ含有窒化物半導体層５の厚さを厚く形成した場合には、Ｉｎ含有窒化物半導体層５中のエネルギを小さくするためにＩｎの組成分離（Ｉｎ組成の高い領域と低い領域との分離）が起こりやすくなることから、Ｉｎ含有窒化物半導体層５中におけるＩｎの組成ゆらぎを大きくすることができる。
【００３６】
ここで、Ｉｎ含有窒化物半導体層５の厚さは５ｎｍ以上であることが好ましい。Ｉｎ含有窒化物半導体層５の厚さが５ｎｍ以上である場合には、Ｉｎ含有窒化物半導体層５中におけるＩｎの組成ゆらぎをさらに大きくすることができる傾向にある。なお、Ｉｎ含有窒化物半導体層５の厚さは、窒化物半導体活性層３から発光する光の吸収を低減する観点から、１００ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００３７】
また、Ｉｎ含有窒化物半導体層５の厚さは窒化物半導体活性層３の厚さよりも厚いことが好ましい。Ｉｎ含有窒化物半導体層５の厚さが窒化物半導体活性層３の厚さよりも厚い場合には、窒化物半導体活性層３の厚さが薄いことによりその後に受ける熱ダメージをＩｎ含有窒化物半導体層５よりも小さくすることができることから、窒化物半導体発光ダイオード素子の発光効率の低下を抑止することができる傾向にある。
【００３８】
また、（ｂ）Ｉｎ含有窒化物半導体層５を形成した後（Ｉｎ含有窒化物半導体層５上にさらに他の層を形成した後であってもよい。）にＩｎ含有窒化物半導体層５を高温（たとえば９００℃以上）に加熱した場合には、その加熱における熱エネルギによってＩｎの組成分離を促進することができる。
【００３９】
ここで、Ｉｎ含有窒化物半導体層５を高温に加熱することによってＩｎ含有窒化物半導体層５が熱によるダメージを受けることで生じる熱ダメージ層の厚さは５ｎｍ以上であることが好ましい。熱ダメージ層の厚さが５ｎｍ以上である場合には、熱ダメージを受けることによって生じる歪みによるエネルギが蓄積され、その蓄積されたエネルギを緩和するためにＩｎの組成分離が熱ダメージ層において起こりやすくなる。したがって、この観点からも、Ｉｎ含有窒化物半導体層５の厚さは５ｎｍ以上であることが好ましい。
【００４０】
次に、図４の模式的断面図に示すように、たとえばスパッタ法などによって、Ｉｎ含有窒化物半導体層５の表面上に透明導電膜６を積層して積層体を形成する。
【００４１】
ここで、透明導電膜６としては、窒化物半導体活性層３から発光した光を透過させることができ、かつＩｎ含有窒化物半導体層５と屈折率差の小さい材質を用いることが好ましい。この場合には、窒化物半導体活性層３から発光した光のうちＩｎ含有窒化物半導体層５と透明導電膜６との界面で全反射する光の量を低減することができるため、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の光取り出し効率を向上させることができる傾向にある。
【００４２】
たとえば、Ｉｎ含有窒化物半導体層５として上記のＡｌx5Ｇａy5Ｉｎz5Ｎの式（０≦ｘ５≦１、０≦ｙ５≦１、０＜ｚ５≦１）で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる窒化物半導体層にｐ型ドーパントをドーピングした層が用いられる場合には、透明導電膜６としてはｎ型の導電型を有する窒化物半導体層、金属不純物がドープされていないノンドープの二酸化チタン、金属不純物がドープされた二酸化チタンまたはチタン酸ストロンチウムが用いられることが好ましい。この場合には、Ｉｎ含有窒化物半導体層５と透明導電膜６との屈折率差が小さくなるため（たとえば、Ｉｎ含有窒化物半導体層５の屈折率が約２．５に対して、透明導電膜６の屈折率が約２．３〜２．５）、窒化物半導体活性層３から発光した光のうちＩｎ含有窒化物半導体層５と透明導電膜６との界面で全反射する光の量を低減することができ、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の光取り出し効率を向上させることができる傾向にある。
【００４３】
ここで、ｎ型の導電型を有する窒化物半導体層としては、たとえばｎ型ＧａＮを用いることができる。
【００４４】
また、金属不純物がドープされていないノンドープの二酸化チタンとしては、たとえばニオブ、タンタル、モリブデン、ヒ素、アンチモン、アルミニウム、タングステン、チタン、セリウム、銅、クロムおよび白金などの金属不純物がドープされていない二酸化チタンなどを用いることができる。
【００４５】
また、金属不純物がドープされた二酸化チタンとしては、たとえばニオブ、タンタル、モリブデン、ヒ素、アンチモン、アルミニウム、タングステン、チタン、セリウム、銅、クロムおよび白金からなる群から選択された少なくとも１種の金属不純物がドープされた二酸化チタンを用いることができる。
【００４６】
また、透明導電膜６としては、チタン酸ストロンチウムを用いることもできる。
なかでも、透明導電膜６の材質としては、１０原子％以下の濃度でニオブがドープされた二酸化チタンを用いることが好ましい。透明導電膜６の材質として１０原子％以下の濃度でニオブがドープされた二酸化チタンを用いた場合には、たとえば１×１０-3Ωｃｍ以下といった低い抵抗率を有するとともに、窒化物半導体活性層３から発光した光を含む可視光に対してたとえば８０％の高い透過率を有する透明導電膜６を得ることができる。そのため、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の光取り出し効率がさらに向上するとともに、動作電圧がさらに低下する傾向にある。
【００４７】
次に、図５の模式的断面図に示すように、図４に示す積層体の一部をエッチングなどにより除去することによって、ｎ型窒化物半導体層２の表面の一部を露出させる。
【００４８】
その後、図１に示すように、たとえばＥＢ蒸着法などによって、ｎ型窒化物半導体層２の露出面にｎ側電極７を形成するとともに、透明導電膜６の表面上にｐ側電極８を形成することによって、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子を得ることができる。
【００４９】
上記のようにして作製された図１に示す構成の実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、Ｉｎ含有窒化物半導体層５における透明導電膜６との接触面を構成する窒化物半導体のＩｎ組成が大きくなるようにＩｎの組成ゆらぎを設けるとともに、Ｉｎ含有窒化物半導体層５との屈折率差が小さい材質からなる透明導電膜６をＩｎ含有窒化物半導体層５と接触するように設けている。
【００５０】
そのため、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子のｐ側電極８からｎ側電極７に向けて電流を流すことによって窒化物半導体発光層３から発生した光のうちＩｎ含有窒化物半導体層５と透明導電膜６との界面で全反射する光の量を低減することができるとともに、Ｉｎ含有窒化物半導体層５と透明導電膜６との接触抵抗を低減することができる。
【００５１】
これにより、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子は、光取り出し効率が高く、かつ動作電圧の低い窒化物半導体発光ダイオード素子とすることができる。
【００５２】
＜実施の形態２＞
図６に、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の他の一例である実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図を示す。実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、基板１のｎ型窒化物半導体層２側の表面が凹凸９を有していることを特徴としている。
【００５３】
実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、基板１のｎ型窒化物半導体層２側の表面に凹凸９を設けていることによって、窒化物半導体発光層３から発生した光のうち基板１側に進行した光の基板１の表面の凹凸９による光の散乱効果および回折効果により、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子よりもさらに多くの光を外部に取り出すことができる。
【００５４】
したがって、実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子は、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子と比べて光取り出し効率をさらに高くすることができる。
【００５５】
なお、基板１の表面の凹凸９は、たとえば基板１のｎ型窒化物半導体層２側の表面をエッチングすることなどによって形成することができる。
【００５６】
ここで、基板１の表面の凹凸９における凹部はたとえば０．０５μｍ以上１０μｍ以下の間隔で複数形成されており、個々の凹部はたとえば０．０５μｍ以上１０μｍ以下の深さに形成されている。
【００５７】
実施の形態２における上記以外の説明は実施の形態１と同様であるため、ここではその説明については省略する。
【００５８】
＜実施の形態３＞
図７に、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の他の一例である実施の形態３の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図を示す。実施の形態３の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、基板１のｎ型窒化物半導体層２側の表面が凹凸９を有しているとともに、透明導電膜６のＩｎ含有窒化物半導体層５側とは反対側の表面が凹凸１０を有していることを特徴としている。
【００５９】
実施の形態３の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、基板１のｎ型窒化物半導体層２側の表面に凹凸９および透明導電膜６のＩｎ含有窒化物半導体層５側とは反対側の表面に凹凸１０をそれぞれ設けていることによって、基板１の表面の凹凸９および透明導電膜６の表面の凹凸１０による光の散乱効果および回折効果により、実施の形態１および実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子よりもさらに多くの光を外部に取り出すことができる。
【００６０】
したがって、実施の形態３の窒化物半導体発光ダイオード素子は、実施の形態１および実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子と比べて光取り出し効率をさらに高くすることができる。
【００６１】
ここで、透明導電膜６の表面の凹凸１０における凹部はたとえば０．０５μｍ以上１０μｍ以下の間隔で複数形成されており、個々の凹部はたとえば０．０５μｍ以上１０μｍ以下の深さに形成されている。
【００６２】
また、実施の形態３の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、基板１の表面に凹凸９を形成せずに、透明導電膜６のＩｎ含有窒化物半導体層５側とは反対側の表面のみに凹凸１０を形成してもよい。
【００６３】
また、透明導電膜６の表面の凹凸１０は、たとえば透明導電膜６の形成後に透明導電膜６の表面をエッチングすることなどによって形成することができる。
【００６４】
実施の形態３における上記以外の説明は実施の形態１および実施の形態２と同様であるため、ここではその説明については省略する。
【００６５】
＜実施の形態４＞
図８に、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の他の一例である実施の形態４の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図を示す。実施の形態４の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、透明導電膜６の表面に接するように透明絶縁膜２０が設けられており、透明絶縁膜２０が透明導電膜６側とは反対側の表面に凹凸２１を有していることを特徴としている。
【００６６】
実施の形態４の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、透明絶縁膜２０の透明導電膜６側とは反対側の表面に凹凸２１が設けられていることによって、透明絶縁膜２０の表面の凹凸２１による光の散乱効果および回折効果により、光の取り出し効率を高くすることができる傾向にある。
【００６７】
ここで、透明絶縁膜２０としては、窒化物半導体活性層３から発光した光を透過させることができ、かつ抵抗率が１×１０4Ωｃｍ以上の材質の膜を用いることができる。
【００６８】
また、透明絶縁膜２０の表面の凹凸２１は、たとえば透明絶縁膜２０の形成後に透明絶縁膜２０の表面をエッチングすることなどによって形成することができる。
【００６９】
また、透明絶縁膜２０の表面の凹凸２１における凹部はたとえば０．０５μｍ以上１０μｍ以下の間隔で複数形成されており、個々の凹部はたとえば０．０５μｍ以上１０μｍ以下の深さに形成されている。
【００７０】
なお、実施の形態４の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、透明絶縁膜２０の表面に凹凸２１を形成するのに加えて、たとえば実施の形態３のように、透明導電膜６のＩｎ含有窒化物半導体層５側とは反対側の表面の少なくとも一部に凹凸を形成してもよい。
【００７１】
実施の形態４における上記以外の説明は実施の形態１〜３と同様であるため、ここではその説明については省略する。
【実施例】
【００７２】
（実施例）
まず、図９の模式的断面図に示すサファイア基板１１を用意し、そのサファイア基板１１をＭＯＣＶＤ装置の反応炉内にセットする。そして、その反応炉内に水素ガスを流しながらサファイア基板１１の温度を１０５０℃に上昇させることによってサファイア基板１１の凹凸の表面（Ｃ面）のクリーニングを行なう。ここで、サファイア基板１１の表面の凹凸において、凹部は２μｍ間隔で複数形成されており、個々の凹部は１μｍの深さに形成されている。
【００７３】
次に、サファイア基板１１の温度を５１０℃まで低下して、キャリアガスとして水素ガス、原料ガスとしてアンモニアガスおよびＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガスを反応炉内に流してサファイア基板１１の凹凸の表面（Ｃ面）上に約２０ｎｍの厚さのノンドープＧａＮバッファ層（図示せず）をＭＯＣＶＤ法により積層する。
【００７４】
次に、サファイア基板１１の温度を１０５０℃まで上昇させて、キャリアガスとして水素ガス、原料ガスとしてアンモニアガスおよびＴＭＧガス、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流してＧａＮバッファ層上に厚さ６μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ下地層（キャリア濃度：１×１０18／ｃｍ3）をＭＯＣＶＤ法により積層する。
【００７５】
次に、キャリア濃度が５×１０18／ｃｍ3となるようにＳｉをドーピングしたこと以外はＳｉドープｎ型ＧａＮ下地層と同様にして、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ下地層上に厚さ０．５μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層をＭＯＣＶＤ法により積層する。
【００７６】
以上により、図９に示すように、サファイア基板１１の凹凸の表面（Ｃ面）上にノンドープＧａＮバッファ層（図示せず）を介してＳｉドープｎ型ＧａＮ下地層およびＳｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層がこの順序で積層されたｎ型窒化物半導体層１２が積層される。
【００７７】
次に、サファイア基板１１の温度を７００℃とした状態で、キャリアガスとして窒素ガス、原料ガスとしてアンモニアガス、ＴＭＧガスおよびＴＭＩガスを反応炉内に流して、ｎ型窒化物半導体層１２上に厚さ２．５ｎｍのノンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ井戸層と厚さ１０ｎｍのノンドープＧａＮ障壁層とを１層ずつこの順序で交互に６周期積層することによって、図１０の模式的断面図に示すように、ｎ型窒化物半導体層１２上に多重量子井戸構造のＭＱＷ発光層１３をＭＯＣＶＤ法により積層する。なお、ノンドープＧａＮ障壁層の積層時にはＴＭＩガスを反応炉内に流していないことは言うまでもない。
【００７８】
次に、サファイア基板１１の温度を７００℃のまま維持し、キャリアガスとして窒素ガス、原料ガスとしてアンモニアガスおよびＴＭＧガスを反応炉内に流して、図１１の模式的断面図に示すように、ＭＱＷ発光層１３上に厚さ１５ｎｍのノンドープＧａＮ蒸発防止層１４をＭＯＣＶＤ法により積層する。
【００７９】
次に、サファイア基板１１の温度を９５０℃まで上昇させ、キャリアガスとして水素ガス、原料ガスとしてアンモニアガス、ＴＭＧガスおよびＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガス、不純物ガスとしてＣＰ2Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）ガスを反応炉内に流して、ノンドープＧａＮ蒸発防止層１４上に、Ｍｇが１×１０20／ｃｍ3の濃度でドーピングされた厚さ約２０ｎｍのＭｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層をＭＯＣＶＤ法により積層する。
【００８０】
次に、サファイア基板１１の温度を９５０℃に維持したままで、キャリアガスとして水素ガス、原料ガスとしてアンモニアガスおよびＴＭＧガス、不純物ガスとしてＣＰ2Ｍｇガスを反応炉内に流して、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層上に、Ｍｇが１×１０20／ｃｍ3の濃度でドーピングされた厚さ８０ｎｍのＭｇドープｐ型ＧａＮ層をＭＯＣＶＤ法により積層する。
【００８１】
以上により、図１２の模式的断面図に示すように、ノンドープＧａＮ蒸発防止層１４上にＭｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層とＭｇドープｐ型ＧａＮ層とがこの順序で積層されたｐ型窒化物半導体層１５が積層される。
【００８２】
次に、サファイア基板１１の温度を７００℃に低下させ、キャリアガスとして水素ガス、原料ガスとしてアンモニアガス、ＴＭＧガスおよびＴＭＩガス、不純物ガスとしてＣＰ2Ｍｇガスを反応炉内に流して、図１３の模式的断面図に示すように、ｐ型窒化物半導体層１５上に、Ｍｇが１×１０20／ｃｍ3の濃度でドーピングされた厚さ１０ｎｍのＭｇドープｐ型ＩｎＧａＮ層１６をＭＯＣＶＤ法により積層する。
【００８３】
ここで、Ｍｇドープｐ型ＩｎＧａＮ層１６の形成は、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内に導入されるＴＭＩガスの流量を変化させながら行なわれ、Ｍｇドープｐ型ＩｎＧａＮ層１６にはＭｇドープｐ型ＩｎＧａＮ層１６の厚さ方向にＩｎの組成比が０．１５〜０．３の範囲で変化させられたＩｎの組成ゆらぎが設けられている。
【００８４】
また、Ｍｇドープｐ型ＩｎＧａＮ層１６の最表面はＩｎ組成が最も大きい窒化物半導体の領域となっており、その領域におけるＭｇを除いた窒化物半導体のみの組成はＩｎ0.3Ｇａ0.7ＮとなっていることがＴＥＭとＡＰＴとを組み合わせた方法によって確認された。
【００８５】
また、Ｍｇドープｐ型ＩｎＧａＮ層１６におけるＩｎ組成が最も小さい窒化物半導体の領域におけるＭｇを除いた窒化物半導体のみの組成はＩｎ0.15Ｇａ0.85ＮであることがＴＥＭとＡＰＴとを組み合わせた方法によって確認された。
【００８６】
したがって、Ｍｇドープｐ型ＩｎＧａＮ層１６においては、Ｉｎの含有量が最大である領域とＩｎの含有量が最小である領域とにおけるＩｎの含有量の差は１５原子％であり、１０原子％以上となっている。
【００８７】
さらに、Ｍｇドープｐ型ＩｎＧａＮ層１６の最表面を構成する窒化物半導体の屈折率は２．５である。
【００８８】
次に、サファイア基板１１の温度を７００℃に維持した状態で、キャリアガスとして水素ガスを反応炉内に流して、Ｍｇドープｐ型ＩｎＧａＮ層１６の積層後のウエハのアニーリングを行なう。
【００８９】
次に、Ｍｇドープｐ型ＩｎＧａＮ層１６の積層後のウエハを反応炉から取り出し、図１４の模式的断面図に示すように、Ｍｇドープｐ型ＩｎＧａＮ層１６の最表面上にニオブが６原子％の濃度でドープされた厚さ４００ｎｍの二酸化チタン層１７をスパッタ法により形成した。ここで、二酸化チタン層１７の屈折率は２．５である。
【００９０】
その後、二酸化チタン層１７の表面上に所定の形状に形成されたフォトマスクを形成した後にＲＩＥ（Reactive Ion Etching）により、上記の二酸化チタン層１７の形成後のウエハをエッチングして、図１５の模式的断面図に示すように、ｎ型窒化物半導体層１２の表面を露出させる。
【００９１】
さらに、二酸化チタン層１７の表面上に所定の形状に形成されたフォトマスクを形成した後にＲＩＥにより二酸化チタン層１７をエッチングして、図１６の模式的断面図に示すように、二酸化チタン層１７の表面に凹凸を形成する。
【００９２】
次に、図１７の模式的断面図に示すように、ＥＢ蒸着法により、上記のエッチング後のｎ型窒化物半導体層１２の露出表面上および二酸化チタン層１７の表面上にそれぞれＴｉ層とＡｌ層との積層体からなるｎ側パッド電極１９およびｐ側パッド電極１８をそれぞれ形成する。
【００９３】
その後、ｐ側パッド電極１８およびｎ側パッド電極１９の形成後のそれぞれのウエハを複数のチップ状に分割することによって、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）チップを得る。
【００９４】
上記のようにして作製した実施例の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、Ｍｇドープｐ型ＩｎＧａＮ層１６にＩｎの組成ゆらぎが設けられており、Ｉｎ組成の大きい領域が二酸化チタン層１７と接していることから、Ｍｇドープｐ型ＩｎＧａＮ層１６と二酸化チタン層１７との接触抵抗を低くすることができるため、窒化物半導体発光ダイオード素子の動作電圧が低くなる。
【００９５】
また、上記のようにして作製した実施例の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、Ｍｇドープｐ型ＩｎＧａＮ層１６と屈折率差の小さい材質からなる二酸化チタン層１７が用いられていることからＭｇドープｐ型ＩｎＧａＮ層１６と二酸化チタン層１７との海面における光の全反射を抑制できることから、窒化物半導体発光ダイオード素子の光取り出し効率が高くなる。
【００９６】
また、上記のようにして作製した実施例の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、二酸化チタン層１７のＭｇドープｐ型ＩｎＧａＮ層１６側と反対側の表面に凹凸が設けられていることから、窒化物半導体発光ダイオード素子の光取り出し効率がさらに高くなる。
【００９７】
さらに、上記のようにして作製した実施例の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、Ｍｇドープｐ型ＩｎＧａＮ層１６の厚さが５ｎｍ以上であることから、Ｉｎの組成ゆらぎが大きくなる。
【００９８】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
本発明は、窒化物半導体発光ダイオード素子に好適に利用することができる。
【符号の説明】
【０１００】
１  基板、２，１２  ｎ型窒化物半導体層、３  窒化物半導体発光層、４，１５  ｐ型窒化物半導体層、５  Ｉｎ含有窒化物半導体層、６  透明導電膜、７  ｎ側電極、８  ｐ側電極、９，１０，２１  凹凸、２０  透明絶縁膜、１１  サファイア基板、１３  ＭＱＷ発光層、１４  ノンドープＧａＮ蒸発防止層、１６  Ｍｇドープｐ型ＩｎＧａＮ層、１７  二酸化チタン層、１８  ｐ側パッド電極、１９  ｎ側パッド電極。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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