(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光層をその禁制帯幅よりも大きな禁制帯幅の層で挟んだダブルヘテロ接合構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子において、
該発光素子は基板上に設けた積層構造であり、
当該積層構造の上面にＩＴＯから成る透明電極を有し、
前記基板を穿って露出させた前記積層構造の下面に反射層としての金属電極を有することを特徴とする発光素子。
【請求項２】
発光層をその禁制帯幅よりも大きな禁制帯幅の層で挟んだダブルヘテロ接合構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子の製造方法において、
基板に発光素子を形成し、
光取り出し側である発光素子上面にＩＴＯから成る透明電極を形成し、
基板を穿って発光素子のベース層を露出させ、そこに反射層としての金属電極を形成することを特徴とする発光素子の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、可視単波長、特に青色領域から紫色領域まで、及び紫外線領域で発光可能な、ダブルヘテロ接合構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体による発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、窒化ガリウム系半導体から成る発光素子として、図１と同様な構造のものがある。この発光素子は、サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体をエピタキシャル成長させたものである。これは、層構成としては本発明の層構成と同じであり、発光メカニズムも同じである。この発光素子では、発光層からの発光は、ほぼ等方的であり、使用目的である光取り出し方向には発光される光量の一部しか放射されない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
つまり、せっかく発光しても必要とする方向に放射される光が限られ、無駄な方向に出ていることを意味し、多方向からの視認性は良いものの、目的方向における発光効率としては低いものとなるという問題がある。
【０００４】
従って本発明は上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、窒化ガリウム系半導体発光素子において、発光素子の発光取り出し効率を向上させることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため本発明の特徴ある第１の構成は、発光層をその禁制帯幅よりも大きな禁制帯幅の層で挟んだダブルヘテロ接合構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子において、該発光素子は基板上に設けた積層構造であり、当該積層構造の上面にＩＴＯから成る透明電極を有し、基板を穿って露出させた積層構造の下面に反射層としての金属電極を有することを特徴とする。本発明の特徴ある第２の構成は、発光層をその禁制帯幅よりも大きな禁制帯幅の層で挟んだダブルヘテロ接合構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子の製造方法において、基板に発光素子を形成し、光取り出し側である発光素子上面にＩＴＯから成る透明電極を形成し、基板を穿って発光素子のベース層を露出させ、そこに反射層としての金属電極を形成することを特徴とする。
【０００６】
【作用および発明の効果】
本発明は上記のように、発光素子の積層構造の上下面にそれぞれ設けられた、対向したＩＴＯから成る透明電極と反射層としての金属電極を有するので、光を放射する側と反対側に放射される分が目的方向に放射され、従来よりも発光素子の光が余分な方向に出なくなり、出力が無駄にならず、発光の効率を向上させることができる。
【０００７】
【実施例】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
（構成）
図１は、サファイア基板１を用いて製造した窒化ガリウム系発光素子１００の構造を示した模式的断面図である。サファイア基板１の上に、窒化アルミニウム(AlN) 緩衝層２が形成されて、その上に発光素子の最下層として、Siをドープした窒化ガリウム( n + - GaN ) 層３が形成されている。この窒化ガリウム層３をベースにして、ZnおよびSiドープの半絶縁層もしくは弱いｐ型となる窒化インジウムガリウム(In x Ga1-x N ) 層４が形成され、その上にクラッド層（活性層の禁制帯幅よりも大きい禁制帯幅を有する層）として窒化アルミガリウム( p - Al0.1Ga0.9N)層５が形成され、さらにその上にｐ層としてMgドープの窒化ガリウム(GaN) 層６が形成されている。そして、その上にアルミニウム(Al)で第一電極層７が設けられている。また、窒化ガリウム層３の一部で分離溝９で分離された領域に対して接続孔が設けられ、アルミニウム(Al)で第二電極層８が設けられている。なおこの発光素子１００の場合、光はサファイア基板１の側（図１の矢印）から取り出される。
【０００８】
そして、本発明の特徴として、この第一実施例では前記緩衝層（バッファ層）２を反射防止膜１０として用いてある。この発光素子１００は、発光層となるのが半絶縁層もしくは弱いｐ型となる窒化インジウムガリウム(In x Ga1-x N ) 層４とその上のクラッド層として窒化アルミガリウム( p - Al0.1Ga0.9N)層５との間で、ここから発光された光をサファイア基板１側から取り出す。ただし発光される光は等方的であるので、光取り出し側に全てが放射されるわけではない。発光される光は波長λが約485nm の青色であり、この波長に対して反射防止層となるためには、
【数  １】
ｄ＝  λ／４ｎ  （ｎ：層の屈折率）・・・・(1)
の厚さｄを持つ層であることが必要である。従って、反射防止層であるということは窒化アルミニウム(AlN) 緩衝層（バッファ層）２が(1) 式を満たす厚さｄを有することを意味する。
【０００９】
緩衝層２である窒化アルミニウム(AlN) 層の前後は、その波長領域に対しては屈折率が図２(a) に示すような関係があるので、従って必要とされる緩衝層２の厚さｄが約619 Åとなることがわかった。また、この厚さの時の反射率が波長485nm 近傍で最も小さい値をとることが図２(b) のシミュレーション結果からも示されている。従ってこの厚さの時に緩衝層２は最も光をよく透過し、反射防止層１０としての役割を果たす。
【００１０】
（製法）
以下にこの窒化ガリウム発光素子１００の形成方法を述べる。
(a) 図１において、(1,1,-2,0)面（即ち、ａ面）を結晶成長面とするサファイア基板１を有機洗浄の後、結晶成長部に設置する。そして成長炉を真空排気の後、水素を供給し、内部を1200℃まで上昇させる。これによりサファイア基板１上に付着していた余分な炭化水素系ガス等が取り除かれる。次にサファイア基板１の温度を 600℃程度まで降温し、トリメチルアルミニウム(TMA) およびアンモニア(NH3) を供給して、サファイア基板１上に619 Å( 約62nm) 程度の膜厚をもつ窒化アルミ(AlN) 緩衝層（バッファ層）２を形成する。
(b) 次に、TMA のみの供給を止め、基板温度を1040℃まで上昇し、トリメチルガリウム(TMG) およびシラン(SiH4)を供給し、Siドープのｎ型窒化ガリウム( n + - GaN ) 層３を形成する。
(c) 次に、トリメチルインジウム(TMI) およびTMG およびシラン(SiH4)を供給して、厚さ0.4 μm のInドープの窒化インジウムガリウム(In0.1Ga0.9N) 層４を形成する。
(e) 次に、TMA 、TMG およびジクロペンタジウムマグネシウム(Cp2Mg) を供給して、厚さ0.4 μm のMgドープの窒化アルミガリウム(Al0.1Ga0.9N) 層５を形成する（これを後にｐ層とする）。
(f) その後、真空チャンバーに移して、Mgのドープされた窒化アルミガリウム（p - Al0.1Ga0.9N)層５および窒化ガリウム(GaN) 層６に対して電子線照射処理を行う。この電子線照射処理により、窒化アルミガリウム( p - Al0.1Ga0.9N)層５および窒化ガリウム(GaN) 層（最上層）６がｐ型伝導を示すようになる。ここで典型的な電子線照射処理条件を表１に示す。
【表１】
0004188749.tif 000002
【００１１】
(g) 次に、最上層６の上に、第一電極層として厚さ200nm のアルミニウム電極層７、分離領域に第二電極層８を形成した。この電極層７、８は発光素子の電極となる。
(h) 上記の素子が一枚のサファイア基板１の上に多数形成されるので、各素子をダイヤモンドカッタで切断しチップとする。そして、各素子に対して、アルミニウム電極層７と８に電圧を印加することで、本発光素子の光が反射防止膜１０の側から出力される。なおこの第一実施例の構成では、アルミニウム電極層７は反射率を100 ％としても問題ない。
【００１２】
（第二実施例）
図３は、緩衝層２の上に窒化アルミガリウム( Al0.1Ga0.9N)層３１と窒化ガリウム( GaN ) 層３２の多層膜を形成して反射層３０を形成した場合の発光素子３００で、この実施例の場合、光取り出し側は上部の電極側としてある。従って上部電極を透明なＩＴＯ膜３３で形成し、一部コンタクト用としてAl電極７を設けてある。この反射層３０は上部の発光領域である４、５から放射された光を上部に反射するよう屈折率を大きくする。そのため、窒化アルミガリウム( Al0.1Ga0.9N)層３１と窒化ガリウム( GaN ) 層３２の多層構造を多数形成する。窒化アルミガリウム( Al0.1Ga0.9N)の屈折率ｎ2 は2.426 、窒化ガリウム( GaN ) の屈折率ｎ1 は2.493 とその差は小さいが、基板のサファイアの屈折率ｎs が1.78であるので、これを反射の条件の式、
【数  ２】
0004188749.tif 000003
によって求める。それぞれの膜厚は、反射率が高くなるような厚さに設定し、窒化アルミガリウム( Al0.1Ga0.9N)層３１は46.37nm 、窒化ガリウム( GaN ) 層３２は45.63nm というシミュレーションから得られた最適値を形成目標厚さとしている。
【００１３】
この反射層３０の形成は窒化アルミガリウム( Al0.1Ga0.9N)層３１と窒化ガリウム( GaN ) 層３２各一組では反射率が不十分であるので、多層構造とする。そこで、基板上の窒化アルミニウム(AlN) 層の形成後、通常の窒化ガリウム系の層形成プロセスを用いて、上記の層を交互に層を重ねていく。その結果、(2) 式からＮ＝30（多重層の数）では反射率が64.40 ％となり、Ｎ＝50では反射率が86.29 ％となり、かなりの光量の反射が得られることが判る。
【００１４】
（第三実施例）
図４に示す発光素子４００では、光取り出し側を上面とし、発光素子形成後にサファイア基板１を穿って直接発光素子のベース層であるSiドープのｎ型窒化ガリウム( n + - GaN ) 層３を露出させ、そこに反射層としてのAlなどの金属電極４０を形成した場合である。ただし余分なリーク等が生じないよう、金属電極４０は周囲のAlN バッファ層２と接触しないように構成する。反射層としての金属電極４０は全て光を上方側へ反射させる構成でよいので反射率100 ％に形成してある。またこのサファイア基板１は周囲に台をなす形となるので（図４）、下側の金属電極４０側は、サファイア基板１と基板をのせる台との間にスペースを形成する。それで金属電極４０は、そのスペースを用いてコンタクトをとることができ、光取り出し側を発光素子４００の上面に広く形成することができる利点がある。
【００１５】
（第四実施例）
図５の場合では、光取り出し側をやはり上方とする構成であるが、図３のように反射層を発光素子のベース部、つまりサファイア基板１と発光素子との間に形成するのではなく、また図４のようにサファイア基板１に穴を穿つことはしないで、直接サファイア基板１の裏面上に金属反射層５０を形成する構成である。基板の裏面側に形成するのでこの金属反射層５０は電極としては利用できず、従って電極は図３と同様な構成である。サファイア基板１は窒化ガリウム発光素子５００の発光波長に呈して透明であるので、サファイア基板１の底面で反射する光はサファイア基板通過による減衰はほとんどなく、光取り出し側の上方へ向かう。この金属反射層５０はサファイア基板表面に形成するだけでよいので容易に形成することができる。
【００１６】
なお請求項で述べた構成の変形例として、以下のようなものがあげられる。
[1] 前記反射層もしくは前記反射防止層が、Alx Ga1-x N （０≦ｘ≦１）で出来ていることを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
[2] 前記反射層もしくは前記反射防止層が、Alx1Ga1-x1N とAlx2Ga1-x2N ( Ｘ1 ≠Ｘ2 、０≦Ｘ1 ≦１、０≦Ｘ2 ≦１）からなる多重層であることを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
[3] 前記多重層が反射層である場合に、該多重層の何れかの第一層が、その第一層の隣の、該発光素子の光取り出し側と反対側の第二層に対して屈折率が大きくなる関係を有することを特徴とする[2] に記載の発光素子。
[4] 前記電極層が金属層であることを特徴とする請求項３記載の発光素子。
[5] 前記反射層が金属層であること、そして前記金属層が、該発光素子の絶縁性基板の下側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
などである。
【００１７】
なお請求項でいう窒化ガリウム系多重層とは、窒化ガリウムを基本とする多元素材料で、窒化アルミガリウム( Al0.1Ga0.9N)や窒化インジウムガリウム(In0.1Ga0.9N) などがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施例を示す、サファイア基板上に作成した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の模式的構成断面図。
【図２】第一実施例の反射層の関係説明図および反射率シミュレーション結果図。
【図３】第二実施例で示す発光素子の模式的構成断面図。
【図４】第三実施例で示す発光素子の模式的構成断面図。
【図５】第四実施例で示す発光素子の模式的構成断面図。
【符号の説明】
１００、３００、４００、５００  窒化ガリウム系ダイオード（発光素子）
１  サファイア基板
２  窒化アルミニウム(AlN) 緩衝層
３  Siをドープしたｎ型窒化ガリウム( n + - GaN ) 層
４  Siドープの窒化インジウムガリウム(In0.1Ga0.9N) 層
５  無添加の窒化ガリウム(GaN) 層（クラッド層）
６  Mgドープのｐ型窒化アルミガリウム( p - Al0.1Ga0.9N)層
７  第一電極層（アルミニウム電極）
８  第二電極層（アルミニウム電極）
９  分離領域
１０  反射防止膜
３０  反射層（多層構造）
３１  窒化アルミガリウム( Al0.1Ga0.9N)層（屈折率小）
３２  窒化ガリウム( GaN ) 層（屈折率大）
３３  ＩＴＯ（透明電極）
４０  金属電極（反射層）
４１  ＩＴＯ（透明電極）
５０  金属反射層
５１  ＩＴＯ（透明電極）
【図１】
0004188749.tif 000004
【図２】
0004188749.tif 000005
【図３】
0004188749.tif 000006
【図４】
0004188749.tif 000007
【図５】
0004188749.tif 000008