(57)【要約】【課題】発光素子の内部量子効率と外部量子効率をともに改善し、低消費電力で高発光効率、しかも均一な配光特性の発光素子を提供すること。【解決手段】発光波長の光に対して透明で且つ裏面に凹凸を有する基板１の主面上に、第１の反射層（ｎ側反射層）２が設けられており、この反射層２の上にｎ型のIII族窒化物半導体層３、発光層４、ｐ型のIII族窒化物半導体層５が形成され、このｐ型III族窒化物半導体層５上に、第２の反射層（ｐ側反射層）６が設けられている。発光層４を挟むｎ側反射層２及びｐ側反射層６は光共振器（共振器長Ｌ）を構成し、発光層４は当該光共振器内で形成される定在波の腹に位置しており、共振モード光のみが選択されて外部に取り出される。基板１の裏面には凹凸が設けられており、定在波の光（外部取出光）を散乱・拡散させて均一な配光特性が得られる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光波長の光に対して透明な基板の一方主面上に、発光層を含むIII族窒化物半導体の積層構造体と、前記発光層を挟むように設けられた第１及び第２の反射層で構成される光共振器とを備え、
前記発光層は前記光共振器内に形成される波長λの定在波の腹となる位置に設けられており、
前記発光層の下面側に設けられた前記第１の反射層の反射率（Ｒ１）と前記発光層の上面側に設けられた前記第２の反射層の反射率（Ｒ２）は、前記定在波の光に対してＲ２＞Ｒ１の関係を満足するとともに、
前記基板の他方主面には前記定在波の光を散乱する凹部又は凸部が設けられていることを特徴とするIII族窒化物系半導体を用いた発光ダイオード。
【請求項２】
前記光共振器は、共振器長Ｌが前記定在波長λと２Ｌ／λ＝３〜１０の関係にある請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項３】
前記第１の反射層と前記発光層との間もしくは前記第２の反射層と前記発光層との間に共振器長調整層が設けられている請求項１又は２に記載の発光ダイオード。
【請求項４】
前記発光層は、単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造である請求項１乃至３の何れか１項に記載の発光ダイオード。
【請求項５】
前記発光層の厚さ（ｔ）は、１ｎｍ≦ｔ≦λ／４である請求項４に記載の発光ダイオード。
【請求項６】
前記基板の他方主面に設けられた凹部又は凸部のサイズは、前記定在波長λと概ね同レベルである請求項１乃至５の何れか１項に記載の発光ダイオード。
【請求項７】
前記基板の他方主面に設けられた凹部又は凸部は、該基板面上にランダムに配置されている請求項１乃至６の何れか１項に記載の発光ダイオード。
【請求項８】
前記基板は、サファイア、スピネル、ガリウム窒化物、炭化珪素、酸化亜鉛、酸化マグネシウムの何れかである請求項１乃至７の何れか１項に記載の発光ダイオード。
【請求項９】
前記基板は主面が窒素極性Ｃ面のガリウム窒化物であり、前記凹部又は凸部は
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面以外の結晶面を端面とする角錐形状を有するものである請求項８に記載の発光ダイオード。
【請求項１０】
前記第１の反射層の上面の前記積層構造体の非形成領域に対応する位置に第１の電極が設けられている請求項１乃至９の何れか１項に記載の発光ダイオード。
【請求項１１】
前記第２の反射層の上面に第２の電極形成用の金属膜が設けられている請求項１乃至１０の何れか１項に記載の発光ダイオード。
【請求項１２】
前記第１の反射層と前記発光層との間には、ｎ型コンタクト層、ｎ型キャリアブロック層、及びｎ側共振器長調整層が順次積層されており、前記発光層と前記第２の反射層との間には、ｐ側共振器調整層、ｐ型キャリアブロック層、及びｐ型コンタクト層が順次積層されている請求項１乃至１１の何れか１項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、III族窒化物系半導体を用いた発光ダイオードの内部量子効率と外部への光取出効率の改善技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮなどのIII族窒化物系半導体結晶は発光素子などの半導体素子の製造に広く用いられている材料であるが、これを用いて発光素子を製造する場合には、下記のような技術的問題がある。
【０００３】
一般に、III族窒化物系半導体結晶の結晶成長面としてはＣ面が選択され、ＧａＮ系半導体の場合の発光層としてはＩｎＧａＮ／ＧａＮ歪量子井戸が用いられている。しかし、Ｃ面を結晶成長面として成膜したＧａＮ膜の上にＧａＮ結晶とは格子定数の異なるＩｎＧａＮ量子井戸を形成した場合、この格子定数差から生じる格子歪に起因する量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）によって、量子井戸内の電子と正孔の波動関数の重なり積分が小さくなり電子と正孔の再結合による自然放出の遷移確率が低下し、その結果、発光効率が減少するという問題がある。
【０００４】
このような問題に対して、ＧａＮ系面発光レーザの技術分野においては、発光層の上下にブラッグ反射層などの反射鏡を設け、この反射鏡により共振器長が発光波長程度に小さな微小共振器を形成し、その光学的帰還作用によりレーザ発振を生じさせて基板垂直に光を出射させる構成が提案されている（特許文献１乃至３）。このような素子構造においては、自然放出発光においても共振モードの自然放出の遷移確率が増大して内部量子効率が向上するとともに、発光層からは共振モードの光だけが発生することとなるために外部に取り出される光の指向性も極めて高いものとなる。
【０００５】
しかし、ブラッグ反射層等を利用して微小共振器を形成した素子構造とすると、外部に取り出される光は高指向性のものとなるため、レーザ光を得る目的には適するが、発光ダイオード（ＬＥＤ）のように均一な配光特性が求められる照明用途の素子に当該構造をそのまま適用しても所望の配光特性を得ることはできないという問題がある。
【０００６】
また、従来のＧａＮ系のＬＥＤ構造では、発光層からの光が光出射面（取出面）に対して臨界角以上の角度で入射した場合には、光出射面で全反射が生じ、反射光が素子内部で多重反射を繰り返す結果、外部への光取出効率（外部量子効率）が低くなるという問題がある。
【０００７】
上述のブラッグ反射層を利用して発光ダイオードの光取出効率を向上させようとする方法も知られている（特許文献４）。すなわち、発光層の下方（あるいは上方）にブラッグ反射層を配置し、発光層から発せられた光のうち光取出側とは反対側に向かう光を当該ブラッグ反射層によって光取出側に反射させて光取出効率を向上させる方法である。
【０００８】
しかし、この方法のみでは、高輝度発光ダイオードを実現するために求められる光取出効率の向上を達成するには充分とは言えない。また、ブラッグ反射層を配置しても、量子閉じ込めシュタルク効果に起因する内部量子効率の低下に対する解決はなし得ない。
【０００９】
外部量子効率を向上させる他の手法として、光の取出面に凹凸を設ける方法が知られている（特許文献５）。この手法によれば、光取出面に設けた凹凸により、基板と窒化ガリウムの屈折率の違いによる窒化ガリウム系化合物半導体内部の多重反射により生じる干渉が抑制されることで外部量子効率が高められると同時に、凹凸により光取出面で乱反射を生じさせることでも光出力が向上される。しかし、この手法もまた、量子閉じ込めシュタルク効果に起因する内部量子効率の低下に対する解決とはなり得ない。
【特許文献１】特開２００６−１２１０１０号公報
【特許文献２】特開２０００−３４９９９３号公報
【特許文献３】特許第３２２０９７７号明細書
【特許文献４】特許第３６４５９９４号明細書
【特許文献５】特開２００３−６９０７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、III族窒化物系半導体を用いた発光ダイオードの内部量子効率と外部量子効率（光取出効率）をともに改善し、低消費電力で高発光効率、しかも均一な配光特性の発光ダイオードを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するために、本発明の発光ダイオードは、発光波長の光に対して透明な基板の一方主面上に、発光層を含むIII族窒化物半導体の積層構造体と、前記発光層を挟むように設けられた第１及び第２の反射層で構成される光共振器とを備え、前記発光層は前記光共振器内に形成される波長λの定在波の腹となる位置に設けられており、前記発光層の下面側に設けられた前記第１の反射層の反射率（Ｒ１）と前記発光層の上面側に設けられた前記第２の反射層の反射率（Ｒ２）は、前記定在波の光に対してＲ２＞Ｒ１の関係を満足するとともに、前記基板の他方主面には前記定在波の光を散乱する凹部又は凸部が設けられていることを特徴とする。
【００１２】
前記光共振器は、共振器長Ｌが前記定在波長λと２Ｌ／λ＝３〜１０の関係にあることが好ましい。
【００１３】
また、前記第１の反射層と前記発光層との間もしくは前記第２の反射層と前記発光層との間に共振器長調整層を設ける構成とすることができる。
【００１４】
前記発光層は例えば、単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造であり、前記発光層の厚さ（ｔ）は例えば、１ｎｍ≦ｔ≦λ／４である。
【００１５】
前記基板の他方主面に設けられた凹部又は凸部のサイズは、前記定在波長λと概ね同レベルであることが好ましい。また、当該凹部又は凸部は、基板裏面上にランダムに配置されていることが好ましい。
【００１６】
前記基板は例えば、サファイア、スピネル、ガリウム窒化物、炭化珪素、酸化亜鉛、酸化マグネシウムの何れかである。
【００１７】
前記基板として、主面が窒素極性Ｃ面のガリウム窒化物とすることができ、前記凹部又は凸部は
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面以外の結晶面を端面とする角錐形状を有するものとすることができる。
【００１８】
前記第１の反射層の上面の前記積層構造体の非形成領域に対応する位置に第１の電極を設ける構成とすることができる。
【００１９】
また、前記第２の反射層の上面に第２の電極形成用の金属膜を設けるようにしてもよい。
【００２０】
本発明の発光ダイオードの積層構造は、例えば、前記第１の反射層と前記発光層との間には、ｎ型コンタクト層、ｎ型キャリアブロック層、及びｎ側共振器長調整層が順次積層されており、前記発光層と前記第２の反射層との間には、ｐ側共振器調整層、ｐ型キャリアブロック層、及びｐ型コンタクト層が順次積層されているものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明においては、発光波長の光に対して透明で且つ裏面に凹凸を有する基板の主面上に、発光層を挟むｎ側反射層及びｐ側反射層で共振器長Ｌの光共振器を構成し、発光層を当該光共振器内で形成される定在波の腹に位置して設けることとしたので、共振モード光のみが選択されて外部に取り出された光が基板裏面の凹凸で散乱・拡散されることとなり、発光ダイオードの内部量子効率と外部量子効率（光取出効率）をともに改善し、低消費電力で高発光効率、しかも均一な配光特性の発光ダイオードを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、図面を参照して、本発明の発光ダイオードの構造について説明する。
【００２３】
本発明の発光ダイオードは、基板として、発光波長の光に対して透明な材料が用いられている。ここで、発光波長に対して透明な材料とは、当該材料の禁止帯エネルギが発光波長の光のエネルギよりも大きいものをいう。
【００２４】
発光ダイオードは、基板の主面上に、発光層を含むIII族窒化物半導体の積層構造体を設け、発光層を挟むように設けられた第１及び第２の反射層で構成される光共振器を備えている。発光層は光共振器内で形成される定在波（波長λ）の腹となる位置に設けられており、これにより自然放出の遷移確率が増大して内部量子効率が向上する。
【００２５】
また、発光層の下面側（基板側）に設けられた第１の反射層の反射率（Ｒ１）と発光層の上面側に設けられた第２の反射層の反射率（Ｒ２）は、光共振器内で形成される定在波の光に対してＲ２＞Ｒ１の関係を満足しているため、光共振器によって共振モード光のみが選択されて光強度が増強した後に、基板側からの光取出しがなされる。さらに、基板の裏面には凹凸が設けられており、この凹凸によって定在波の光（外部取出光）が散乱・拡散を受けることで均一な配光特性を可能としている。
【００２６】
図１は、本発明の発光ダイオードの基本構造を説明するための断面図で、発光波長の光に対して透明で且つ裏面に凹凸を有する基板１の主面上に、第１の反射層（ｎ側反射層）２が設けられており、この反射層２の上にｎ型のIII族窒化物半導体層３、発光層４、ｐ型のIII族窒化物半導体層５が形成され、このｐ型III族窒化物半導体層５上に、第２の反射層（ｐ側反射層）６が設けられている。
【００２７】
発光層４を挟むｎ側反射層２及びｐ側反射層６は光共振器（共振器長Ｌ）を構成し、発光層４は当該光共振器内で形成される定在波の腹に位置しているので、ｎ型III族窒化物半導体層３に設けられたｎ側電極７とｐ型III族窒化物半導体層３に設けられたｐ側電極８とから電圧が印加されると、共振モード光のみが選択されて外部に取り出されることとなる。なお、素子構造は、基板側をｎ型として図示した積層構造のｐｎ関係を反転する（すなわち、基板側をｐ型とする）ようにしてもよい。
【００２８】
光共振器の共振器長Ｌは、例えば、光共振器内で生じる定在波の波長λと２Ｌ／λ＝３〜１０の関係となるように選択される。
【００２９】
また、後の実施例で示すように、第１の反射層２と発光層４との間、若しくは、第２の反射層６と発光層４との間に、共振器長調整層を設けた構成としてもよい。
【００３０】
発光層４は、例えば単一量子井戸構造や多重量子井戸構造のもので、その層厚は例えば１ｎｍ≦ｔ≦λ／４（λ：光共振器内で生じる定在波の波長）の範囲で選択される。
【００３１】
透明基板１としては、ＧａＮなどのガリウム窒化物や炭化珪素といった半導体基板や、サファイアやスピネル或いは酸化亜鉛や酸化マグネシウムなどの酸化物基板を用いることとができる。
【００３２】
基板１の裏面に設けられる凹凸は、定在波の光（外部取出光）を散乱・拡散させて均一な配光特性を得るものであるから、凹部又は凸部のサイズ（散乱体としての大きさ）は、定在波長λと概ね同レベル（例えば、定在波長λがλ＝４６０ｎｍである場合には０．１μ乃至１μｍの凹凸サイズ）であることが好ましく、基板裏面上にランダムに配置されていることが好ましい。
【００３３】
例えば、透明基板１がＧａＮである場合には、その主面をＮ極性のＣ面に選択し、この基板面を選択的にエッチンングする等の手法により、
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面以外の結晶面をその表面とする角錐形状の凹部や凸部を形成することができる。
【００３４】
図２は、本発明の発光ダイオードのより具体的な構造例を説明するための断面図で、発光波長の光に対して透明で且つ裏面に凹凸を有する基板１１の主面上に、アンドープバッファ層１２、ｎ型バッファ層１３、ｎ側ＤＢＲ層１４、ｎ型コンタクト層１５が順次積層され、このｎ型コンタクト層１５の上には、ｎ型キャリアブロック層１６、ｎ側共振器長調整層１７、発光層１８、ｐ側共振器長調整層１９、ｐ型キャリアブロック層２０、ｐ型コンタクト層２１、及び透明電極層２２が順次積層された積層構造体が設けられている。そして、この透明電極層２２の上にｐ側ＤＢＲ層２３が設けられてｎ側ＤＢＲ層１４とで光共振器を形成している。また、ｐ側ＤＢＲ層２３の上面には金層２４が、側面にはｐ側電極２５が形成されており、ｎ側電極２６はｎ型コンタクト層１５の上面に形成されている。つまり、第１の反射層であるｎ側ＤＢＲ層１４の上面の積層構造体の非形成領域に対応する位置に、ｎ側電極２６が設けられている。
【００３５】
ｎ型バッファ層１３は、第１の反射層であるｎ側ＤＢＲ層１４と基板１１との間の導電性を担保するためのもので、これにより発光ダイオードのｎ側の直列抵抗成分を減少させている。
【００３６】
ｎ側ＤＢＲ層１４は、屈折率の異なる複数の材料からなる周期的多層構造（一般には、III族窒化物半導体からなる低屈折率層と高屈折率層の多層構造）を有し、例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮ（０＜ｘ≦１）、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ／ＧａＮ（ｘ+ｙ+ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｚ≦１）などの組み合わせがある。なお、各層の厚さは、各層内部での波長λの１／４となるように設計される（λ／４層）。
【００３７】
ｎ側ＤＢＲ層１４を構成する各λ／４層は、上述したＡｌＧａＩｎＮ等の混晶半導体に代えて短周期超格子を用いてもよい。短周期超格子によりブラッグ反射鏡を含む積層構造体の層間に格子不整合がある場合であっても、転位等の結晶欠陥の発生を低減することができる。なお、このｎ側ＤＢＲ層１４には、発光ダイオードのｎ側の直列抵抗成分を減少させるためにｎ型導電性をもたせてある。
【００３８】
ｎ側ＤＢＲ層１４と対になって光共振器を構成するｐ側ＤＢＲ層２３には、好ましくは誘電体多層膜が用いられる。例えば、ＺｒＯ２／ＳｉＯ２、ＭｇＯ／ＳｉＯ２、或いはＳｉＯｘ／ＳｉＮｙなどのように屈折率差のある誘電体膜の組み合わせからなる多層膜とされる。
【００３９】
ｎ側ＤＢＲ層１４とｐ側ＤＢＲ層２３で構成される光共振器内では、下記の共振モードの光が生成する。ｎ側ＤＢＲ層１４とｐ側ＤＢＲ層２３で挟まれた共振器内の媒質の屈折率をｎとし、第１の反射層であるｎ側ＤＢＲ層１４及び第２の反射層であるｐ側ＤＢＲ層２３で光が反射したときに生じる位相シフトをそれぞれφ１及びφ２とすると、共振器長Ｌの光共振器内で波長λの光が共振する条件は、φ１＋φ２＋４πｎＬ＝２πＮλ（ここで、Ｎは自然数（Ｎ≠０））となる。なお、φ１とφ２は光共振器内の媒質の屈折率とＤＢＲ層を構成するλ／４層の屈折率の大小関係によって決まる。
【００４０】
ここで、φ１＝φ２＝０の場合を考える。これは光共振器内の媒質の屈折率が、光共振器内の媒質に接するλ／４層の屈折率よりも大きい場合に対応する。この場合には４πｎＬ＝２πＮλとなるからＬ＝Ｎλ／（２ｎ）が得られる。
【００４１】
例えば、λ＝４６０ｎｍとし、光共振器内媒質がＧａＮ系半導体結晶である場合にこれを一様な媒質とみなしてｎ＝２．５とすると、共振モードが存在する共振器長Ｌは、９２ｎｍ（Ｎ＝１）、１８３ｎｍ（Ｎ＝２）、２７６ｎｍ（Ｎ＝３）などとなる。従って、ｎ側ＤＢＲ層１４とｐ側ＤＢＲ層２３で構成される光共振器の共振器長Ｌを、Ｎ＝１の場合の共振器長（基本共振器長：Ｌ０）の整数倍の値とすれば、共振モードを生じさせることができる。
【００４２】
但し、共振器長Ｌが短すぎると、発光ダイオードの機能を発現するために必要な各層（発光層やコンタクト層など）の厚みを薄くせざるを得ず、必要とされる膜厚が確保できない場合が生じる。逆に、共振器長Ｌが長すぎると、光共振器内に存在する共振モードの密度が増加し過ぎて、自然放出光の基本モードへの結合効率が減少して自然放出の遷移確率の増大効果が弱まるという問題がある。このような理由により、共振器長Ｌを、Ｎ＝２〜２０に対応する長さとすることが好ましく、Ｎ＝３〜１０に対応した共振器長Ｌとすることがより好ましい。
【００４３】
このようにして生じる定在波の腹の位置は、共振器内媒質とＤＢＲ層との境界からＬ＝λ／（２ｎ）の整数倍の距離の位置となる。自然放出の増強を得るためには定在波の腹の位置に発光層の中心をおくことが好ましいため、本発明の発光ダイオードでは、発光層（４、１８）が光共振器内に形成される波長λの定在波の腹となる位置に設けられている。
【００４４】
図２に図示したように、第１の反射層１４と発光層１８との間や第２の反射層２３と発光層１８との間に、光共振器中での発光層１８の実際の位置と共振器長Ｌとを最適化するための共振器長調整層（１７、１９）を設けることができる。すなわち、この共振器長調整層により、光共振器中での発光層１８の理想的な位置からの実際の位置のずれの調整がなされる。なお、これらの共振器長調整層（１７、１９）は何れか一方のみを設ける構成としてもよい。
【００４５】
共振器長調整層（１７、１９）は、例えばＡｌｘＧａ１−ｘＮなどのIII族窒化物半導体からなり、ｎ側に設けられる場合にはアンドープあるいはｎ型不純物がドープされ、ｐ側に設けられる場合にはアンドープあるいはｐ型不純物がドープされていることが望ましい。
【００４６】
共振器長調整層（１７、１９）のバンドギャップの大きさは、発光層１８の障壁層のバンドギャップと同じかそれ以上であることが望ましく、キャリアブロック層（１６、２０）のバンドギャップよりも小さいことが望ましい。
【００４７】
なお、共振器長調整層（１７、１９）は、発光層１８とキャリアブロック層（１６、２０）の間に配置される構成に限らず、キャリアブロック層（１６、２０）とコンタクト層（１５、２１）の間に配置されてもよい。しかし、共振器長調整層（１７、１９）が２０ｎｍ以下と薄い場合には、結晶成長の観点から、発光層１８とキャリアブロック層（１６、２０）の間に設ける構成が好ましい。
【００４８】
発光層は、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）や多重量子井戸構造（ＭＱＷ）などの構造とすることができる。このような量子井戸構造は、例えば、Ｉｎを含むIII族窒化物半導体であるＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ+ｙ+ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｚ≦１）からなる量子井戸層と、当該量子井戸層よりもバンドギャップの大きいIII族窒化物半導体であるＡｌｓＧａｔＩｎｕＮ（ｓ+ｔ+ｕ＝１、０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１、０＜ｕ≦１）からなる障壁層を積層させたものである。なお、量子井戸層と障壁層には、ｎ型あるいはｐ型不純物を添加してもよいし、ノンドープでもよい。
【００４９】
発光層の厚さは、発光層を光共振器中の定在波の腹の位置において自然放出制御を行うためには一定の値以下にすることが望ましい。具体的には、λ／２ｎ以下であることが好ましく、λ／４ｎ以下であることがより好ましい。発光層の厚さが厚くなりすぎると定在波の腹の位置に効率的に量子井戸を配置することができず、自然放出の遷移確率の増大効果が減衰するからである。
【００５０】
発光特性の観点からも量子井戸数と障壁層の厚さに最適な範囲があり、自然放出制御の観点からくる要請と合わせて最適な範囲が存在する。発光層の厚さの下限は単一量子井戸の場合であり、障壁層と量子井戸とのバンド不連続関係や所望の発光波長にもよるが、量子井戸として機能させるためには通常１ｎｍ以上の厚さが必要である。発光層に多重量子井戸を用いる場合には、量子井戸数と障壁層の厚さを調整し、発光層の厚さを決める。具体的には、量子井戸数は１〜８が好ましく、３〜６がより好ましい。また、障壁層の厚さは５〜１３ｎｍが好ましく、６〜１０ｎｍがより好ましい。
【００５１】
キャリアブロック層（１６、２０）は、キャリアのオーバーフローを抑制してキャリアを効率よく発光層１８に閉じ込めるためにもので、発光層１８よりも大きなバンドギャップを有する材料からなる。また、ｎ型コンタクト層１５は、ｎ側電極２６との間でオーミック性接触を得るためのもので、Ｓｉ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ、あるいはＧｅなどのｎ型不純物が添加されたIII族窒化物半導体膜である。同様に、ｐ型コンタクト層２１は、ｐ側電極２５との間でオーミック性接触を得るためのもので、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｓｒ、Ｂａ、あるいはＣａなどのｐ型不純物が添加されたIII族窒化物半導体膜である。
【００５２】
基板裏面に設けられる凹凸は、透明基板として窒化ガリウム基板を用い、その表面を窒素極性面（Ｎ極性面）とすれば、酸やアルカリの溶液中でバンドギャップより短い波長の光を基板裏面に照射してエッチングを進行させる（光電気化学エッチング）手法等により形成することができる。例えば、基板がＮ極性Ｃ面のＧａＮ基板である場合、上述の光電気化学エッチングにより、
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面以外の結晶面をその表面とする角錐形状（多角錐形状）の凹部や凸部を形成することができる。このようにして形成される凹部や凸部の大きさは、エッチング時間により制御することが可能であり、ＬＥＤ素子内部から基板裏面に射出してきた光を効率よく散乱させるには、波長程度のものであることが好ましい。
【実施例１】
【００５３】
本実施例の発光ダイオードの構造は、図２で図示したものと同様である。本実施例の光共振器は、青色発光ダイオードへの応用を考えて発光波長λ＝４６０ｎｍの光に対してＮ＝４の（すなわち２波長分の）共振器長Ｌを有している。本実施例では、ｐ側ＤＢＲ層２３とｐ型コンタクト層２１との間にＩＴＯの透明電極層２２を形成している。従って、光共振器内の媒質は、ＧａＮ系半導体からなるｎ型コンタクト層１５と、その上に形成されたＧａＮ系半導体からなる積層構造体（１６〜２１）とＩＴＯからなる透明電極層２２とで構成される。
【００５４】
ＧａＮ系半導体およびＩＴＯの屈折率はそれぞれ２．５と２．０であり、定在波が、ＧａＮ系半導体領域（ｎ型コンタクト層１５と積層構造体（１６〜２１））中に１．５波長分、ＩＴＯ透明電極層２２中に０．５波長分存在するように、各層厚を調整する。具体的には、ＧａＮ系半導体領域の厚さは、２７６ｎｍとなり、ＩＴＯ膜の厚さは１１５ｎｍとなる。
【００５５】
本実施例においては、基板としてＣ面を結晶成長面としたサファイア基板を使用し、有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）でＧａＮ系多重量子井戸構造を有する発光ダイオードを作製している。先ず、サファイア基板の結晶成長面（Ｃ面）に水素雰囲気中で熱処理を施す。その後、水素をキャリヤガスとして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ３）を供給しアンドープＧａＮバッファ層１２を形成する。
【００５６】
次に、ＴＭＧとＮＨ３およびｎ型ドーパントであるシリコン（Ｓｉ）の原料であるモノシランガス（ＳｉＨ４）を供給し、厚み３μｍのｎ型ＧａＮ層１３を形成する。
【００５７】
さらに、水素、ＮＨ３、ＴＭＧ、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ＳｉＨ４の供給量を制御して、厚さ４９ｎｍの低屈折率層（ｎ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層）と厚さ４６ｎｍの高屈折率層（ｎ−ＧａＮ層）を２０ペア積層させた多層膜からなるＤＢＲ層１４を形成する。なお、ＤＢＲ層１４は、低屈折率層（ｎ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層）で終端させている。このようにして形成されたＤＢＲ層１４の発光波長の光に対する反射率は１０％である。
【００５８】
このＤＢＲ層１４の上に、ｎ−ＧａＮからなるｎ型コンタクト層１５を形成する。具体的には、水素をキャリヤガスとして、ＴＭＧ、ＮＨ３、およびｎ型ドーパントとなるＳｉの供給源であるＳｉＨ４を供給して、Ｓｉを１×１０１８/ｃｍ３ドープした厚さ５０ｎｍのｎ−ＧａＮ層を形成する。ｎ−ＧａＮからなるｎ型コンタクト層１５は、ＤＢＲ層１４の低屈折率層（ｎ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層）よりも屈折率が大きいので、ＤＢＲ層１４で光波が反射される際の位相シフトは生じない。そして、このｎ型コンタクト層１５の上に、水素をキャリヤガスとして、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３、ＳｉＨ４を供給して、厚さ１５ｎｍのｎ−ＡｌＧａＮからなるｎ型キャリアブロック層１６を形成する。
【００５９】
続いて、水素、ＮＨ３、ＴＭＧ、ＳｉＨ４の供給量を制御してｎ−ＧａＮからなるｎ側共振器長調整層１７を形成する。これは特定の共振モードに整合するように共振器長Ｌを調整するとともに、発光層１８の中心が定在波の腹に位置するようにするためのものである。本実施例では、このｎ側共振器長調整層１７の厚さを６ｎｍとし、発光層１８の中心が定在波の腹の位置、すなわちｎ型コンタクト層１５とＤＢＲ層１４の境界からλ／２ｎ＝９２ｎｍの距離になるように調整している。
【００６０】
その後、キャリヤガスを水素から窒素に切り替え、ｎ側共振器長調整層１７の上にＩｎＧａＮ／ＧａＮの多重量子井戸発光層１８を形成する。具体的には、窒素をキャリヤガスとして、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）とＴＭＧおよびＮＨ３を供給して厚さ２ｎｍのＩｎＧａＮ量子井戸層を、ＴＭＧとＮＨ３を供給して厚さ８ｎｍのＧａＮ障壁層を形成する。これらＩｎＧａＮ量子井戸層とＧａＮ障壁層を交互に成膜させて多重に積層させ、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの多重量子井戸発光層が得られる。なお、本実施例では、量子井戸数は５であり、発光層１８の厚さは４２ｎｍとした。
【００６１】
次に、水素をキャリヤガスとして、ＴＭＧ、ＮＨ３、およびｐ型ドーパントとなるＭｇの供給源であるシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を供給してＭｇをドープの厚さ１０ｎｍのｐ−ＧａＮからなるｐ側共振器長調整層１９を形成し、さらに、水素をキャリヤガスとして、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３、およびＣｐ２Ｍｇを供給してＭｇドープのｐ型ＡｌＧａＮ層を厚さ２０ｎｍ成膜してｐ型キャリアブロック層２０を設ける。
【００６２】
このｐ型キャリアブロック層２０の上に、上記供給ガスのうちのＴＭＡの供給を断って、Ｍｇを２ｘ１０１９/ｃｍ３ドープした厚さ１２０ｎｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２１を形成し、さらに、真空蒸着法によってＩＴＯからなる厚さ１１５ｎｍの透明電極層２２を設ける。
【００６３】
透明電極層２２の上には、厚み７９ｎｍのＳｉＯｘ膜（低屈折率層）と厚み６１ｎｍのＳｉＮｙ膜（高屈折率層）を６ペア積層させたｐ側ＤＢＲ層２３を形成する。このｐ側ＤＢＲ層２３とｎ側ＤＢＲ層１４により光共振器が構成され、その共振器長Ｌは、ｎ側ＤＢＲ層１４とｎ型コンタクト層１５の界面からｐ側ＤＢＲ層２３と透明電極層２２の界面までの距離となる。本実施例においては、共振器長Ｌは２λである。なお、ＩＴＯの屈折率は、ｐ側ＤＢＲ層２３の低屈折率層（ＳｉＯｘ膜）の屈折率よりも大きいので、ｐ側ＤＢＲ層２３で光波が反射した際に位相シフトは生じない。このようにして形成されたＤＢＲ層２３の発光波長の光に対する反射率は約９０％となる。
【００６４】
続いて、ＤＢＲ層２３の上面に、後述のｐ型電極の構成金属であるＡｕ層２４を５００ｎｍ形成する。このＡｕ層２４は、基板側への反射効率を高めること及び後工程におけるエッチング保護マスク並びにボンディングパッドとしての機能をもたせるためのものである。このようにして、図３に示したような積層状態のものが得られる。
【００６５】
図３に示した積層構造のものに、フォトリソグラフィによる電極形成及び基板裏面の凹凸形成を行って図２の構造とする。具体的には、図４に図示（ｎ側ＤＢＲ層１４以下の層は不図示）したように、先ず、レジストマスクを用いて、イオンミリングによりＡｕ層２４及びｐ側ＤＢＲ層２３の不要部分を除去し（図４（Ａ））、さらに、ＩＴＯ膜の透明電極層２２の不要部分はＨＦ系エッチャントを用いて除去する（図４（Ｂ））。
【００６６】
次いで、所定領域にｐ側電極２５を形成すべく再度レジストマスクを形成し、３０ｎｍのＮｉ膜と５００ｎｍのＡｕ膜を順次基板全面に蒸着し、その後リフトオフ法によってＮｉ／Ａｕの不要部分を除去してｐ側電極２５を形成する（図４（Ｃ））。
【００６７】
この後、ｐ側電極２５および当該ｐ側電極２５の側面のｐ側ＤＢＲ層２３を保護するためのＳｉＮｘマスクを全面に形成し、ｎ側電極形成部分を露出すべく当該ＳｉＮｘマスクの不要部分をＳＦ６を用いたＲＩＥ法によって除去し、これをエッチング用マスクとして利用して、ｎ側電極形成部分のＧａＮ系半導体からなる積層構造体（１６〜２１）をＣｌ２系のガスを用いたＩＣＰプラズマによるエッチングで除去する（図４（Ｄ））。
【００６８】
その後、エッチング用マスクとして利用したＳｉＮｘを除去すべく、ＳＦ６によるエッチングを施す。なお、ＳｉＯｘ／ＳｉＮｘ積層構造のｐ側ＤＢＲ層２３の最表面はＡｕ層２４で覆われているため、ｐ側ＤＢＲ層２３がこのエッチングの際にダメージを受けることはない。
【００６９】
このＳｉＮｘの除去に続き、真空蒸着法により３０ｎｍのＴｉ膜と５００ｎｍのＡｌ膜を全面に形成し、この上にレジストをパターンニングし、ｎ側電極形成部分以外のＴｉ／Ａｌ積層膜をリフトオフ法によって除去してｎ側電極２６を形成し（図４（Ｅ））、さらに、熱処理を実施し、ｐ側電極２５とｎ側電極２６をオーム性接触の電極とする。
【００７０】
最後に、基板の主面側の全面をレジストで保護し、基板の裏面をダイヤモンド研磨粉を用いて荒らして凹凸を形成する。このようにして図２に示した構造の発光ダイオードが得られる。
【実施例２】
【００７１】
実施例２は、基板としてＮ極性Ｃ面（（０００１）面）を主面とする窒化ガリウム基板（ＧａＮ基板）を使用している点が実施例１と異なる。先ず、ＧａＮ基板１１を反応炉内のサセプタ上に設置し、窒素ガスを流しながらＮＨ３ガスを供給して熱処理をおこなう。続いて、実施例１と同様の手順により、アンドープＧａＮバッファ層１２からＡｕ層２４までの成膜を実行し、さらに、電極形成を行う。
【００７２】
最後に、基板の主面側の全面をレジストで保護し、基板をＫＯＨ溶液に浸した状態でキセノンランプの光を高密度に照射し、
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面以外の結晶面をその表面とする角錐形状（多角錐形状）の突起構造を有する凹凸を形成する。このようにして図２に示した構造の発光ダイオードが得られる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明により、III族窒化物系半導体を用いた発光ダイオードの内部量子効率と外部量子効率（光取出効率）をともに改善し、低消費電力で高発光効率、しかも均一な配光特性の発光ダイオードが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の発光ダイオードの基本構造を説明するための断面図である。
【図２】本発明の発光ダイオードのより具体的な構造例を説明するための断面図である。
【図３】成膜プロセスで得られた積層状態を説明するための図である。
【図４】電極形成プロセスを説明するための図である。
【符号の説明】
【００７５】
１、１１  透明基板
２  第１の反射層（ｎ側反射層）
３  ｎ型III族窒化物半導体層
４、１８  発光層
５  ｐ型III族窒化物半導体層
６  第２の反射層（ｐ側反射層）
７、２６  ｎ側電極
８、２５  ｐ側電極
１２  アンドープバッファ層
１３  ｎ型バッファ層
１４  ｎ側ＤＢＲ層
１５  ｎ型コンタクト層
１６  ｎ型キャリアブロック層
１７  ｎ側共振器長調整層
１９  ｐ側共振器長調整層
２０  ｐ型キャリアブロック層
２１  ｐ型コンタクト層
２２  透明電極層
２３  ｐ側ＤＢＲ層
２４  金層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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