(57)【要約】【課題】  化合物半導体発光素子における光取り出し効率を向上させること。【解決手段】  発光ダイオード１０の窒化物半導体層３のトンネリングコンタクト層（ＣＴＬ層）３８に接して透明導電性オーミック電極層としてホール注入用オーミック電極層４を設け、さらにホール注入用オーミック電極層４に接して透明薄膜層５を設ける構成とした。ホール注入用オーミック電極層４をＩＴＯとすることにより光透過率の高い電極を構成することができ、これにより光取り出し効率を改善できる。ホール注入用オーミック電極層４の光学膜厚は発光波長の１／４の整数倍とすることにより、より一層光取り出し効率を改善できる。また、透明薄膜層５を設け、屈折率と膜厚を調整することにより反射率を極めて小さくすることができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光層とオーミック電極とを有し、前記発光層からの光を光取出し面から素子の外部に出射する化合物半導体発光素子であって、前記発光層に関して光取出し面側にあるオーミック電極が透明導電膜からなり、該透明導電膜の面であって発光層側の面と反対側の面に接して前記光の反射を低減する機能を有する反射率低減層が設けられており、該反射率低減層が１つ以上の透明性薄膜を含んで成っていることを特徴とする化合物半導体発光素子。
【請求項２】
前記反射率低減層が、２つ以上の透明性薄膜を積層してなる層である請求項１記載の化合物半導体発光素子。
【請求項３】
前記透明導電膜が、その発光層側の面でコンタクト層と接している請求項１または２記載の化合物半導体発光素子。
【請求項４】
前記透明導電膜の光学膜厚が、発光波長のｍ／４倍（ただしｍは正の整数）である請求項１〜３のいずれかに記載の化合物半導体発光素子。
【請求項５】
前記透明導電膜が、酸化スズが固溶した酸化インジウムからなる透明導電膜である請求項１〜４のいずれかに記載の化合物半導体発光素子。
【請求項６】
前記透明導電膜と前記各々の透明性薄膜とのいずれの膜においても、膜厚ｄと、屈折率ｎと、発光波長λとの間に、式
ｎ×ｄ＝ｍλ／４（ｍは正の整数）
で示される関係が成り立つ請求項１〜５のいずれかに記載の化合物半導体発光素子。
【請求項７】
前記透明導電膜の光学膜厚が発光波長の１／２であり、前記反射率低減層が一つの透明性薄膜からなり、透明性薄膜の光学膜厚が発光波長の１／４であり、屈折率が１．８〜２．０の範囲または１．４〜１．６の範囲である請求項５記載の化合物半導体発光素子。
【請求項８】
前記透明導電膜の光学膜厚が発光波長の１／４であり、前記反射率低減層が二つの透明性薄膜からなり、前記透明導電膜に接する側の透明性薄膜の光学膜厚が発光波長の１／４であり、屈折率が１．４５〜１．６５の範囲であり、前記透明導電膜に接しない側の透明性薄膜の光学膜厚が発光波長の１／４であり、屈折率が１．４〜１．６の範囲である請求項５記載の化合物半導体発光素子。
【請求項９】
前記透明導電膜の光学膜厚が発光波長の１／４であり、前記反射率低減層が二つの透明性薄膜からなり、前記透明導電膜に接する側の透明性薄膜の光学膜厚が発光波長の１／４であり、屈折率が１．８〜２．０の範囲であり、前記透明導電膜に接しない側の透明性薄膜の光学膜厚が発光波長の１／４であり、屈折率が１．４〜１．６の範囲である請求項５記載の化合物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記透明導電膜の光学膜厚が発光波長の１／４であり、前記反射率低減層が二つの透明性薄膜からなり、前記透明導電膜に接する側の透明性薄膜の光学膜厚が発光波長の１／４であり、屈折率が１．８〜２．０の範囲であり、前記透明導電膜に接しない側の透明性薄膜の光学膜厚が発光波長の１／４であり、屈折率が１．７〜１．９の範囲である請求項５記載の化合物半導体発光素子。
【請求項１１】
前記透明導電膜の光学膜厚が発光波長の１／４であり、前記反射率低減層が二つの透明性薄膜からなり、前記透明導電膜に接する側の透明性薄膜の光学膜厚が発光波長の１／４であり、屈折率が１．４５〜１．６５の範囲であり、前記透明導電膜に接しない側の透明性薄膜の光学膜厚が発光波長の１／４であり、屈折率が１．１〜１．３の範囲である請求項５記載の化合物半導体発光素子。
【請求項１２】
前記透明導電膜の光学膜厚が発光波長の１／４または３／４であり、前記反射率低減層が二つの透明性薄膜からなり、前記透明導電膜に接する側の透明性薄膜の光学膜厚が発光波長の１／２であり、前記透明導電膜に接しない側の透明性薄膜の光学膜厚が発光波長の１／４であり、屈折率が１．５〜１．７の範囲または１．２〜１．４の範囲である請求項５記載の化合物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系化合物半導体を用いた発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、窒化物系化合物半導体を利用した発光ダイオードやレーザーダイオードなどの発光素子が実用化されている。中でも発光ダイオードの用途は、ディスプレイや信号から白色光を利用したバックライト、一般照明分野へと広がろうとしており、そのためには発光素子の発光効率の向上が求められている。
【非特許文献１】Solid State Electronics 43(1999).p2081-4
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
発光効率を向上させるために、光取出し面の側に形成するオーミック電極として従来用いられている金属薄膜に代えて、より光透過性が高く、透明導電膜として知られているスズドープ酸化インジウム（以下、「ＩＴＯ」と称する。）の厚さ３００ｎｍ程度の膜をオーミック電極として利用することが試みられ、ｎ型ＧａＮに対して電子注入用オーミック電極として利用できることが報告されている（例えば、非特許文献１参照。）が、発光効率の向上は十分ではなかった。
【０００４】
本発明の目的は、光取出し面に透明導電膜からなるオーミック電極を有してなり、発光効率の高い化合物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】
【０００５】
従来技術における上述の問題を解決するために、オーミック電極としてＩＴＯ等の透明導電膜を用いても発光素子の発光効率が十分ではない原因について本発明者が鋭意検討した結果、発光層から発生した光が透明導電膜により反射され、光の取出し面から出射する光の量が減少することが発光効率が上がらない原因であることを見出し、光の取出し面における反射率を低減させる機能を透明導電膜に備えてなる発光素子の発光効率が高いことを見出し、本発明を完成させるに至ったものである。
【０００６】
さらに、この透明導電膜の膜厚を例えばλ／４（λは発光層から出射された光の波長）に調整したものは、界面での反射率が非常に小さくできるので、さらに光取出し効率が高められる。
【０００７】
さらに検討を重ねた結果、上述の透明導電膜にさらに他の材料からなる１層以上の透明性薄膜を積層し、各々の屈折率と層厚とを調整して、反射率を極めて小さくすることにより、透明導電膜を積層していない従来技術のものに比べて、光取出し効率を各段に向上させることができる。
【０００８】
請求項１の発明によれば、発光層とオーミック電極とを有し、前記発光層からの光を光取出し面から素子の外部に出射する化合物半導体発光素子であって、前記発光層に関して光取出し面側にあるオーミック電極が透明導電膜からなり、該透明導電膜の面であって発光層側の面と反対側の面に接して前記光の反射を低減する機能を有する反射率低減層が設けられており、該反射率低減層が１つ以上の透明性薄膜を含んで成っていることを特徴とする化合物半導体発光素子が提案される。
【０００９】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、前記反射率低減層が、２つ以上の透明性薄膜を積層してなる層である化合物半導体発光素子が提案される。
【００１０】
請求項３の発明によれば、請求項１または２の発明において、前記透明導電膜が、その発光層側の面でコンタクト層と接している化合物半導体発光素子が提案される。
【００１１】
請求項４の発明によれば、請求項１、２または３の発明において、前記透明導電膜の光学膜厚が、発光波長のｍ／４倍（ただしｍは正の整数）である化合物半導体発光素子が提案される。
【００１２】
請求項５の発明によれば、請求項１、２、３または４の発明において、前記透明導電膜が、酸化スズが固溶した酸化インジウムからなる透明導電膜である化合物半導体発光素子が提案される。
【００１３】
請求項６の発明によれば、請求項１、２、３、４又は５の発明において、前記透明導電膜と前記各々の透明性薄膜とのいずれの膜においても、膜厚ｄと、屈折率ｎと、発光波長λとの間に、式
ｎ×ｄ＝ｍλ／４（ｍは正の整数）
で示される関係が成り立つ化合物半導体発光素子が提案される。
【００１４】
請求項７の発明によれば、請求項５の発明において、前記透明導電膜の光学膜厚が発光波長の１／２であり、前記反射率低減層が１つの透明性薄膜からなり、透明性薄膜の光学膜厚が発光波長の１／４であり、屈折率が１．８〜２．０の範囲または１．４〜１．６の範囲である化合物半導体発光素子が提案される。
【００１５】
請求項８の発明によれば、請求項５の発明において、前記透明導電膜の光学膜厚が発光波長の１／４であり、前記反射率低減層が２つの透明性薄膜からなり、前記透明導電膜に接する側の透明性薄膜の光学膜厚が発光波長の１／４であり、屈折率が１．４５〜１．６５の範囲であり、前記透明導電膜に接しない側の透明性薄膜の光学膜厚が発光波長の１／４であり、屈折率が１．４〜１．６の範囲である化合物半導体発光素子が提案される。
【００１６】
請求項９の発明によれば、請求項５の発明において、前記透明導電膜の光学膜厚が発光波長の１／４であり、前記反射率低減層が２つの透明性薄膜からなり、前記透明導電膜に接する側の透明性薄膜の光学膜厚が発光波長の１／４であり、屈折率が１．８〜２．０の範囲であり、前記透明導電膜に接しない側の透明性薄膜の光学膜厚が発光波長の１／４であり、屈折率が１．４〜１．６の範囲である化合物半導体発光素子が提案される。
【００１７】
請求項１０の発明によれば、請求項５の発明において、前記透明導電膜の光学膜厚が発光波長の１／４であり、前記反射率低減層が２つの透明性薄膜からなり、前記透明導電膜に接する側の透明性薄膜の光学膜厚が発光波長の１／４であり、屈折率が１．８〜２．０の範囲であり、前記透明導電膜に接しない側の透明性薄膜の光学膜厚が発光波長の１／４であり、屈折率が１．７〜１．９の範囲である化合物半導体発光素子が提案される。
【００１８】
請求項１１の発明によれば、請求項５の発明において、前記透明導電膜の光学膜厚が発光波長の１／４であり、前記反射率低減層が２つの透明性薄膜からなり、前記透明導電膜に接する側の透明性薄膜の光学膜厚が発光波長の１／４であり、屈折率が１．４５〜１．６５の範囲であり、前記透明導電膜に接しない側の透明性薄膜の光学膜厚が発光波長の１／４であり、屈折率が１．１〜１．３の範囲である化合物半導体発光素子が提案される。
【００１９】
請求項１２の発明によれば、請求項５の発明において、前記透明導電膜の光学膜厚が発光波長の１／４または３／４であり、前記反射率低減層が２つの透明性薄膜からなり、前記透明導電膜に接する側の透明性薄膜の光学膜厚が発光波長の１／２であり、前記透明導電膜に接しない側の透明性薄膜の光学膜厚が発光波長の１／４であり、屈折率が１．５〜１．７の範囲または１．２〜１．４の範囲である化合物半導体発光素子が提案される。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、光取り出し効率の高い化合物半導体発光素子を実現させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の化合物半導体発光素子は、発光層とオーミック電極を有し、発光層からの光を光取出し面から素子の外部に出射するようにした化合物半導体発光素子において、該オーミック電極のうち発光層に関し光取出し面側にあるオーミック電極が透明導電膜からなっている。そして、該透明導電膜の面であって発光層側の面と反対側の面は光の反射を低減する機能を有し、この機能は１つ以上の透明性薄膜を含み且つ該面に接するように設けられた反射率低減層により果される。
【００２２】
本発明の化合物半導体発光素子が有するオーミック電極は、発光層に対して少なくとも光取出し面側と、その反対側に設けられている。そのうち、光取出し面側のオーミック電極が透明導電膜からなる。このオーミック電極として好適な透明導電膜の材質としては、酸化インジウム、酸化スズ（ＳｎＯ2 ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）のいずれか１つを主成分とする金属酸化物を挙げることができ、さらに具体的には、これらの金属酸化物に添加物を加えた、ＩＴＯ、アンチモン（Ｓｂ）ドープＳｎＯ2 、フッ素（Ｆ）ドープＳｎＯ2 、アルミニウム（Ａｌ）ドープＺｎＯ、インジウム（Ｉｎ）ドープＺｎＯ、ガリウム（Ｇａ）ドープＺｎＯ等が好適に用いられる。なかでもＩＴＯは小さな接触抵抗と高い光透過率が得られるので特に好ましい。
【００２３】
透明導電膜からなる前記オーミック電極は、発光層側の面とその反対側の面の２つの面を有している。本発明の化合物半導体発光素子は、発光層とは反対側の面に、その面における光の反射を低減する機能を有する反射率低減層を有する。この反射率低減層は、オーミック電極とは異なる物質からなる１つ以上の透明性薄膜を含む。この透明性薄膜を該透明導電膜の該面に接して設けることにより、化合物半導体発光素子の発光効率が向上する。すなわち、透明性薄膜を備えていないことを除き素子構造が同一である従来の化合物半導体発光素子を駆動電圧等を同一とする条件で発光させた場合と比較して、本発明の化合物半導体発光素子は従来のそれより高い光出力（輝度）を示すのである。この反射率低減層を２つ以上の透明性薄膜から構成すると、化合物半導体発光素子の出力が高くなるので、好ましい。
【００２４】
本発明の化合物半導体が、従来のそれより高い出力を示す理由は必ずしも明らかではないが、次のような機構に基くものと思われる。透明導電膜からなるオーミック電極として通常用いられる物質はＩＴＯである。このＩＴＯは２．０という比較的高い屈折率を有するため、化合物半導体発光素子を被覆している外部の樹脂とＩＴＯとの屈折率差あるいは外部の空気とＩＴＯとの屈折率差が大きく、そのためにＩＴＯと空気との界面、あるいは化合物半導体発光素子を被覆している樹脂とＩＴＯとの界面において光が反射し、射出する光の量が少なくなり、発光効率が上がらなかったものと思われる。
【００２５】
ここで、透明導電膜からなるオーミック電極の面のうち発光層と反対側の面に接してＩＴＯの屈折率に比較的近くＩＴＯより屈折率の低い反射率低減層を設けることにより、屈折率差の少ないオーミック電極／反射率低減層界面および、屈折率差の少ない反射率低減層／外部空気または樹脂界面が形成され、この結果、これらの界面で反射する光が少なくなるものと考えられる。さらに、透明性薄膜とオーミック電極との界面で反射して発光層側に向かう光と外部に出射する方向の光との干渉、オーミック電極と外部との界面で反射して発光層側に向かう光と外部に出射する方向の光との干渉により、前記２ヶ所で反射する光がさらに減少し、その結果、発光素子から出射する光の量が多くなるものと思われる。
【００２６】
透明導電膜からなるオーミック電極の内部で、発光層から外部に出射する方向に進む光と、発光層から出射した後オーミック電極と透明性薄膜の界面で反射した光とが効率よく干渉して反射光を小さくするように、透明導電膜の光学膜厚（厚さ×屈折率）が発光波長のｍ／４（ｍは正の整数である。）倍であることが好ましい。
【００２７】
また、透明性薄膜の内部でも、発光層から外部に出射する方向に進む光と、発光層から出射した後透明性薄膜と外部との界面で反射した光とが干渉して反射光を小さくするように、透明性薄膜の光学膜厚も発光波長のｍ／４（ｍは正の整数である。）倍であることがより好ましい。
【００２８】
透明性薄膜を構成する物質は、オーミック電極を構成する物質より屈折率が小さいことが好ましい。オーミック電極を構成する物質としては、通常は屈折率が２．０のＩＴＯが用いられるので、透明性薄膜を構成する物質は、屈折率が２．０以下のものが好ましい。透明性薄膜を構成する物質の屈折率は、透明性薄膜が空気と接しているときは、空気の屈折率が１．０なので１．０以上であり、樹脂と接しているときは、樹脂の屈折率は通常は１．４程度なので、１．４以上が好ましい。
【００２９】
透明性薄膜を構成する物質としては、具体的には、屈折率が１．９のＳｎＯ2 、屈折率が１．８のＭｇＯ、屈折率が１．４６のＳｉＯ2 、屈折率が１．５９のＬａＦ3 、屈折率が１．２４のＣａＦ2 が挙げられる。
【００３０】
ここで、反射率低減層が１つの透明性薄膜からなる場合は、さらに次の条件を満たすことがさらに好ましい。
すなわち、
ｎ１＝√（ｎ０・ｎｓ）
ｎ１・ｄ１＝λ／４
ｎｏ・ｄｏ＝λ／２
である。ただし、ｎ１、ｄ１はそれぞれ透明性薄膜層の屈折率と膜厚、ｎｏ、ｄｏはそれぞれオーミック電極の屈折率と膜厚、ｎｓは化合物半導体のうちのオーミック電極と接している層を構成する物質の屈折率、ｎ０は外部空気または外部樹脂の屈折率、λは発光波長である。なお、化合物半導体のうちのオーミック電極と接している層が窒化ガリウムからなる場合は、ｎｓは２．４である。
【００３１】
オーミック電極がＩＴＯの膜からなり、反射率低減層が樹脂に接する場合には、例えば、透明性薄膜層の屈折率を１．８〜２．０とすることができる。このような物質の例として、透明性薄膜層がＳｎＯ2 、ＳｉＯ2 またはＭｇＯからなる場合が挙げられる。また、オーミック電極がＩＴＯの膜からなり反射率低減層が空気に接する場合には、例えば、透明性薄膜層の屈折率を１．４〜１．６とすることができる。このような物質の例として、透明性薄膜層がＳｉＯ2 またはＬａＦ3 からなる場合が挙げられる。
【００３２】
さらに、反射率低減層が２つの透明性薄膜を積層してなる場合は、以下に示す第１〜第３の条件のうちのいずれかの条件を満たすことがさらに好ましい。
すなわち、第１の条件は、
ｎ１／ｎ２＝ｎｏ／√（ｎｓ・ｎ０）
ｎ１・ｄ１＝λ／４
ｎ２・ｄ２＝λ／４
ｎｏ・ｄｏ＝λ／４
である。ただし、ｎ１、ｄ１はそれぞれ、２つの透明性薄膜のうちのオーミック電極に接する側の膜の屈折率と膜厚、ｎ２、ｄ２はそれぞれ、２つの透明性薄膜のうちのオーミック電極に接していない側の膜の屈折率と膜厚、ｎｏ、ｄｏはそれぞれオーミック電極の屈折率と膜厚、ｎｓは化合物半導体のうちのオーミック電極と接している層を構成する物質の屈折率、ｎ０はは外部空気または外部樹脂の屈折率、λは発光波長である。
【００３３】
オーミック電極がＩＴＯの膜からなり、反射率低減層が樹脂に接する場合には、例えば、ＩＴＯ膜に接する側の透明性薄膜層の屈折率を１．４５〜１．６５とし、樹脂に接する側の透明性薄膜の屈折率を１．４〜１．６とすることができる。このような例として、ＩＴＯ膜に接する側の透明性薄膜層がＬａＦ3 で樹脂に接する側の透明性薄膜がＳｉＯ2 からなる場合が挙げられる。また、オーミック電極がＩＴＯの膜からなり反射率低減層が空気に接する場合には、例えば、ＩＴＯ膜に接する側の透明性薄膜層の屈折率を１．８〜２．０とし、空気に接する側の透明性薄膜層の屈折率を１．４〜１．６とすることができる。このような物質の例として、ＩＴＯ膜に接する側の透明性薄膜層がＳｎＯ2 で空気に接する側の透明性薄膜層がＳｉＯ2 からなる場合が挙げられる。
【００３４】
第２の条件は、
ｎ１＝√（ｎ０・ｎｓ）、  ｎ２＝ｎ１2 ／ｎｏ
ｎ１・ｄ１＝ｍλ／４
ｎ２・ｄ２＝ｍλ／４
ｎｏ・ｄｏ＝ｍλ／４
である。ｎ１、ｎ２、ｎｏ、ｎ０、ｎｓ、ｄ１、ｄ２、λはそれぞれ前記と同じ意味を示す。
【００３５】
オーミック電極がＩＴＯの膜からなり、反射率低減層が樹脂に接する場合には、例えば、ＩＴＯ膜に接する側の透明性薄膜の屈折率を１．８〜２．０とし、樹脂に接する側の透明性薄膜の屈折率を１．７〜１．９とすることができる。このような物質の例として、ＩＴＯ膜に接する側の透明性薄膜がＳｎＯ2 で樹脂に接する側の透明性薄膜がＭｇＯからなる場合が挙げられる。また、オーミック電極がＩＴＯの膜からなり、反射率低減層が空気に接する場合には、例えば、ＩＴＯ膜に接する側の透明性薄膜の屈折率を１．４５〜１．６５とし、空気に接する側の透明性薄膜の屈折率を１．１〜１．３とすることができる。このような物質の例として、ＩＴＯ膜に接する側の透明性薄膜がＬａＦ3 で空気に接する側の透明性薄膜がＣａＦ2 からなる場合が挙げられる。
【００３６】
第３の条件は、
ｎ２＝ｎｏ・√（ｎ０／ｎｓ）
ｎ１・ｄ１＝λ／４
ｎ２・ｄ２＝λ／２
ｎｏ・ｄｏ＝λ／４  または  ３λ／４
である。ｎ１、ｎ２、ｎｏ、ｎ０、ｎｓ、ｄ１、ｄ２、λはそれぞれ前記と同じ意味を示す。
【００３７】
この場合は、オーミック電極に接する側の透明性薄膜の屈折率は任意でよいが、オーミック電極がＩＴＯの膜からなり、反射率低減層が樹脂に接する場合には、例えば、樹脂に接する側の透明性薄膜の屈折率を１．５〜１．７とすることができる。このような物質の例として、樹脂に接する側の透明性薄膜がＬａＦ3 、ＮｄＦ3 からなる場合が挙げられる。また、オーミック電極がＩＴＯの膜からなり、反射率低減層が空気に接する場合には、例えば、空気に接する側の透明性薄膜の屈折率を１．２〜１．４とすることができる。このような物質の例として、空気に接する側の透明性薄膜がＣａＦ2 からなる場合が挙げられる。
【００３８】
このような、反射率低減層が１つの透明性薄膜からなる場合の１つの条件、または２つの透明性薄膜からなる場合の３つの条件のいずれかを満たした場合、理論的には反射光がをゼロとすることができる。
【００３９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例につき詳細に説明する。
【００４０】
図１は、本発明による化合物半導体発光素子の実施の形態の一例を示す層構造図である。図１に示す化合物半導体発光素子は、サファイア基板上に化合物半導体からなる薄膜層が積層されて発光素子が構成されている発光ダイオードの場合の例であり、ｐ型ＧａＮ層の上にトンネリングコンタクト層と透明性薄膜層とを積層する構成とすることにより、窒化物半導体結晶内部からの光をそのｐ層側から効率よく取り出すことができるようにしたものである。
【００４１】
発光ダイオード（発光素子）１０はサファイア基板１上にＧａＮ低温バッファ層２を設け、ＧａＮ低温バッファ層２の上に発光ダイオード構造の窒化物系半導体エピタキシャル結晶薄膜層を有機金属気相成長法により積層して成長し、これにより、活性層を構成する化合物半導体層（窒化物半導体層）３が形成されている。
【００４２】
窒化物半導体層３は、高濃度Ｓｉドープｎ+ −ＧａＮ層３１、Ｓｉドープｎ−ＧａＮ層３２、アンドープＧａＮ層３３、多重量子井戸活性層（ＭＱＷ層）３４、アンドープＧａＮ層３５、Ｍｇドープｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層３６、Ｍｇドープｐ−ＧａＮ層３７、及びトンネリングコンタクト層（ＣＴＬ層）３８を積層して構成されている。
【００４３】
ここで、発光層であるＭＱＷ層３４は、アンドープＧａＮ層とＩｎＧａＮ層とを交互に５回繰り返して積層した多重量子井戸であり、ＣＴＬ層３８はＳｉドープｎ−ＧａＮ層とＳｉドープｐ型ＩｎＧａＮ層の５回繰り返しから成る層構成とされている。
【００４４】
サファイア基板１から見て窒化物半導体層３の最上層であるＣＴＬ層３８の上には、ホール注入用オーミック電極層４が形成されている。ここでは、ホール注入用オーミック電極層４としてＩＴＯ膜が電子ビーム蒸着法によりその全面に亘って形成されている。ホール注入用オーミック電極層４の上には透明薄膜層５が形成されている。６、７は取り出し電極である。ここで、ＣＴＬ層３８が窒化物半導体層３からの光を取り出す光取出し側となっており、ＣＴＬ層３８のホール注入用オーミック電極層４側の表面３８Ａが光取出し面となっている。
【００４５】
反射率低減層５は反射率低減層として働く層であり、２層以上の透明性薄膜からなる構成が好ましい。図２には、そのような場合の構成の一例の要部が示されている。ここでは、反射率低減層を構成する２つの透明性薄膜５１、５２のうち、オーミック電極４１に接する側の透明性薄膜５１の屈折率と膜厚をそれぞれｎ１、ｄ１、オーミック電極４１に接していない側の透明性薄膜５２の屈折率と膜厚をそれぞれｎ２、ｄ２、オーミック電極４１の屈折率と膜厚をそれぞれｎｏ、ｄｏ、化合物半導体のうちのオーミック電極４１と接している層３０を構成する物質の屈折率をｎｓで示してある。
【００４６】
このように、発光ダイオード１０の光取出し面側には、ＩＴＯ膜によるホール注入用オーミック電極層４が光透過性で導電性の膜として形成されている構造となっている。しかし、光取出し面と反対側の電極においても、ＩＴＯ透明導電膜を利用することができるものの、これを用いることは必ずしも必須ではなく、接触抵抗の小さな電極であれば適宜利用可能である。
【００４７】
図３には、本発明による発光ダイオードの他の実施の形態を示す層構造図を示した。図３の各部のうち、図１の各部に対応する部分には同一の符号が付されている。図３に示した発光ダイオード（発光素子）２０は、ｐ層側の構造は図１に示した発光ダイオード１０と略同じであるが、サファイア基板１に代えて導電性基板２１を利用し、化合物半導体層３の最下層のｎ+ −ＧａＮ層３１と導電性基板２１との間に光反射層２２を設けた構成となっている点で図１に示した発光ダイオード１０と異なっている。
【００４８】
光反射層２２は、接着および反射の機能を有する接着／反射層２２１と、透明導電膜からなる電子注入用オーミック電極層２２２との２層構造で、接着／反射層２２１が導電性基板２１に接し、電子注入用オーミック電極層２２２がｎ+ −ＧａＮ層３１に接する構成となっている。図３において、２３はヒートシンク、２４は接着層である。
【００４９】
発光ダイオード２０の構成によれば、窒化物半導体層３から導電性基板２１に向けて放射された光が光反射層２２により反射され光取出し面側に取り出せるので、図１に示した構成の場合に比べて光取り出しの効率をより高くすることができる。
【００５０】
図４には、本発明による発光ダイオードの別の実施の形態を示す層構造図を示した。図４に示す発光ダイオード３０は、ｎ型層側から光を取り出す構成となっている点で図３に示した発光ダイオード２０と異なっている。このため、窒化物半導体層３を構成する窒化物半導体薄膜層の積層順序が発光ダイオード２０と発光ダイオード３０とで逆になっているが、発光ダイオード４０はｎ型層側から光を取り出すようになっている点を除き、発光ダイオード３０と同一の機能を有しており、光取出し効率を発光ダイオード３０の場合と同様に向上させることができる。
【００５１】
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００５２】
図４に示した層構造の発光ダイオードを以下のようにして製作した。成長用基板１としてサファイア（表面は（００１）面の方位面を有する。）基板を用い、サファイア基板１上に、図１の２および３に相当する発光ダイオード構造の窒化物系半導体エピタキシャル結晶を有機金属気相成長法により成長した。すなわち、ＧａＮ低温バッファ層２、高濃度Ｓｉドープｎ+ −ＧａＮ層３１（不純物濃度：２×１０19、層厚：１μｍ）、Ｓｉドープｎ−ＧａＮ層３２（不純物濃度：２×１０18、層厚：３μｍ）、アンドープＧａＮ層３３（層厚：３００ｎｍ）、アンドープＧａＮ層（層厚：１５ｎｍ）とＩｎＧａＮ層（層厚：３ｎｍ）の５回繰り返しからなるＭＱＷ層３４、アンドープＧａＮ層３５（層厚：１８ｎｍ）、Ｍｇドープｎ−ＡｌＧａＮ層３６（Ａｌ５％、不純物濃度＝２×１０16、層厚：２５ｎｍ）、Ｍｇドープｐ−ＧａＮ層３７（層厚：１５０ｎｍ）、Ｓｉドープｎ−ＧａＮ層（不純物濃度：２×１０20、層厚：１ｎｍ）とＳｉドープｎ−ＩｎＧａＮ層（不純物濃度：２×１０20、層厚：１ｎｍ）の５回繰り返しからなるＣＴＬ層３８を成長させた。なお活性層のＩｎＧａＮ層のＩｎ組成は電流注入により発光層から射出される光の波長が４７０ｎｍとなるように調整して決めた。
【００５３】
次に、透明導電性のホール注入用オーミック電極層４として、膜厚５９ｎｍのＩＴＯ膜を電子ビーム蒸着法により全面に形成した。
【００５４】
このホール注入用オーミック電極層４の上に、引き続いて、次の工程で接着層／反射層２２１となるＴｉ／Ａｌ／Ａｕ積層膜を、５０／２００／５００ｎｍの厚さとなるように蒸着法により全面に形成した。
【００５５】
導電性基板２１として低抵抗Ｓｉ（１００）基板を用い、この両面にＳｉ基板に対するオーミック性電極であるＡｌと、後の工程で接着層として用いるＡｕの積層膜（図示しない）を２００／５００ｎｍ形成した後３５０℃で３０分間熱処理したものを準備し、先のＩＴＯ４およびＴｉ／Ａｌ／Ａｕ積層膜２２１を形成した窒化物半導体エピタキシャル結晶と、基板貼り合わせ装置を用いて貼り合わせた。
【００５６】
次に貼り合わせた基板から、研磨装置とラッピング装置によりサファイアを削りサファイア厚さ２０μｍまでした。この後、ＩＣＰエッチング装置を用いて、更にサファイアを削り完全に除去し、さらに低温バッファ層２も除去した。こうしてＳｉ基板上にＬＥＤ構造の窒化物半導体が形成され、最表面がＳｉドープｎ型高濃度ＧａＮ３１である構造体が得られた。
【００５７】
この構造体（ウェハー）を数個に分割し、最表面のＳｉドープｎ型高濃度ＧａＮ層３１にＩＴＯ透明導電膜からなる電子注入用オーミック電極層２２２と種々の透明性薄膜層５を形成した。
【００５８】
〔膜厚λ／２のＩＴＯ＋膜厚λ／４の透明性薄膜（空気用）の構成〕
分割片の１つに、最表面であるＳｉドープｎ型高濃度ＧａＮ層上に、膜厚１１８ｎｍのＩＴＯ膜を電子ビーム蒸着法により全面に形成し、フォトリソグラフィによりパターニングを行った後、ＩＴＯ膜の上に（取出し電極部を除いて）厚さ８０ｎｍのＳｉＯ2 膜を形成しＬＥＤウェハを作製した。
【実施例２】
【００５９】
〔膜厚λ／４のＩＴＯ＋膜厚λ／４の透明性薄膜＋膜厚λ／４の透明性薄膜（空気用）の構成〕
分割片の１つに、膜厚５９ｎｍのＩＴＯ膜を電子ビーム蒸着法により全面に形成し、ＩＴＯ膜の上に（取出し電極部を除いて）厚さ６２ｎｍのＳｎＯ2 膜と、厚さ８０ｎｍのＳｉＯ2 膜をこの順に形成したことを除いては実施例１と同じ方法によりＬＥＤウェハを作製した。
【実施例３】
【００６０】
〔膜厚λ／４のＩＴＯ＋膜厚λ／４の透明性薄膜＋膜厚λ／４の透明性薄膜（空気用）の構成〕
ＩＴＯ膜の上に（取出し電極部を除いて）厚さ７４ｎｍのＬａＦ3 膜と、厚さ９５ｎｍのＣａＦ2 膜をこの順に形成したことを除いては実施例２と同じ方法によりＬＥＤウェハを作製した。
【実施例４】
【００６１】
〔膜厚λ／４のＩＴＯ＋膜厚λ／２の透明性薄膜＋膜厚λ／４の透明性薄膜（空気用）の構成〕
ＩＴＯ膜の上に（取出し電極部を除いて）厚さ１６０ｎｍのＳｉＯ2 膜と、厚さ９５ｎｍＣａＦ2 膜をこの順に形成したことを除いては実施例２と同じ方法によりＬＥＤウェハを作製した。
【００６２】
（比較例１）
〔ＩＴＯのみの構成〕
分割片の１つに、膜厚５９ｎｍのＩＴＯ膜を電子ビーム蒸着法により全面に形成し、フォトリソグラフィによりパターニングを行なう工程のみを行ない、透明性薄膜を形成しなかったことを除いては、実施例２と同様にしてＬＥＤウェハを作製した。
【００６３】
（比較例２）
〔従来ＴｉＡｌ金属系メッシュ電極〕
分割片の１つに、ＩＴＯ透明電極を形成する替わりに、最表面であるＳｉドープｎ型高濃度ＧａＮ層上に、ＴｉＡｌを１０／１００ｎｍ堆積しメッシュ状パターンにした後Ｎ2 中７００℃でアニールにとりオーミック電極を形成したことを除いては、実施例１と同様にしてＬＥＤウェハを作製した。
【００６４】
（参考例１）
上記実施例１〜５および比較例１で得られたＬＥＤの２０ｍＡにおける光出力の平均値の比較例に対する相対値を表１にしめす。表１からわかるように、本発明の透明性薄膜を積層することにより、光出力が２５〜５０％増大した。
【００６５】
（表１）
積層透明膜の構成                    光出力（相対値＊）
実施例１      ＩＴＯ／ＳｉＯ2                           １．４５
実施例２      ＩＴＯ／ＳｎＯ2 ／ＳｉＯ2                 １．４８
実施例３      ＩＴＯ／ＬａＦ3 ／ＣａＦ2                 １．４３
実施例４      ＩＴＯ／ＳｉＯ2 ／ＣａＦ2                 １．４５
比較例１      ＩＴＯのみ                                １．２６
比較例２      ＴｉＡｌメッシュ電極                      １．００
＊比較例２を１．００とした相対値。
【実施例５】
【００６６】
〔膜厚λ／２のＩＴＯ＋膜厚λ／４の透明性薄膜（樹脂用）の構成〕
分割片の１つに、最表面であるＳｉドープｎ型高濃度ＧａＮ層上に、厚さ膜厚１１８ｎｍのＩＴＯ膜を電子ビーム蒸着法により全面に形成し、フォトリソグラフィによりパターニングを行った後、ＩＴＯ膜の上に（取出し電極部を除いて）厚さ６２ｎｍのＳｎＯ2 膜を形成した。
【００６７】
こうして作製したＬＥＤ構造エピタキシャル基板を、スクライブ・ブレークによりチップ分離して、ＬＥＤチップをリードにボンディングした後、樹脂包埋してＬＥＤを作製した。
【実施例６】
【００６８】
〔膜厚λ／４のＩＴＯ＋膜厚λ／４の透明性薄膜＋膜厚λ／４の透明性薄膜（樹脂用）の構成〕
分割片の１つに、膜厚５９ｎｍのＩＴＯ膜を形成し、ＩＴＯ膜の上に（取出し電極部を除いて）厚さ７４ｎｍのＬａＦ3 膜と厚さ８０ｎｍのＳｉＯ2 膜をこの順に形成したことを除いて実施例５と同様の工程によりＬＥＤを作製した。
【実施例７】
【００６９】
〔膜厚λ／４のＩＴＯ＋膜厚λ／４の透明性薄膜＋膜厚λ／４の透明性薄膜（樹脂用）の構成〕
分割片の１つに、膜厚５９ｎｍのＩＴＯ膜を形成し、ＩＴＯ膜の上に（取出し電極部を除いて）厚さ６２ｎｍのＳｎＯ2 膜と厚さ６７ｎｍのＭｇＯ膜をこの順に形成したことを除いて実施例５と同様の工程によりＬＥＤを作製した。
【実施例８】
【００７０】
〔膜厚λ／４のＩＴＯ＋膜厚λ／２の透明性薄膜＋膜厚λ／４の透明性薄膜（樹脂用）の構成〕
分割片の１つに、厚さ膜厚５９ｎｍのＩＴＯ膜を形成し、ＩＴＯ膜の上に（取出し電極部を除いて）厚さ１６１ｎｍのＳｉＯ2 膜と厚さ７４ｎｍのＬａＦ3 膜をこの順に形成したことを除いて実施例５と同様の工程によりＬＥＤを作製した。
【００７１】
比較例３
〔従来ＴｉＡｌ金属系メッシュ電極〕
分割片の１つに、ＩＴＯ電極を形成する替わりに、最表面であるＳｉドープｎ型高濃度ＧａＮ層上に、ＴｉＡｌを１０／１００ｎｍ形成した後Ｎ2 中７００℃にでアニールを行いオーミック電極を形成したことを除いて、実施例６と同様の工程によりＬＥＤを作製した。
【００７２】
上記実施例６〜１０および比較例２で得られたＬＥＤの２０ｍＡにおける光出力の平均値の比較例２に対する相対値を表２に示す。表２からわかるように、本発明の透明性薄膜を積層することにより、比較例に比べ光出力が４０〜５０％増大した。
【００７３】
（表２）
積層透明膜の構成                光出力（相対値＊＊）
実施例５      ＩＴＯ／ＳｎＯ2                     １．４７
実施例６      ＩＴＯ／ＬａＦ3 ／ＳｉＯ2           １．４４
実施例７      ＩＴＯ／ＳｎＯ2 ／ＭｇＯ            １．４５
実施例８      ＩＴＯ／ＳｉＯ2 ／ＬａＦ3           １．４６
比較例３      ＴｉＡｌメッシュ電極                １．００
＊＊比較例３を１．００とした相対値。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明による発光ダイオードの実施の形態の一例を示す層構造図。
【図２】透明性薄膜を２層設けた場合の構成例の要部を示す図。
【図３】本発明による発光ダイオードの他の実施の形態を示す層構造図。
【図４】本発明による発光ダイオードの別の実施の形態を示す層構造図。
【符号の説明】
【００７５】
１  サファイア基板
２  ＧａＮ低温バッファ層
３  窒化物半導体層
４  ホール注入用オーミック電極層
５  透明薄膜層
６、７  取り出し電極
１０、２０、３０  発光ダイオード
２２  光反射層
３１  ｎ+ −ＧａＮ層
３２  ｎ−ＧａＮ層
３３  ＧａＮ層
３４  ＭＱＷ層
３５  ＧａＮ層
３６  ｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層
３７  ｐ−ＧａＮ層
３８  ＣＴＬ層
２２１  接着／反射層
２２２  電子注入用オーミック電極層
【図１】
2005268601.tif 000003
【図２】
2005268601.tif 000004
【図３】
2005268601.tif 000005
【図４】
2005268601.tif 000006