(57)【要約】【課題】ＭＱＷ構造を有する活性層を含む窒化物半導体発光ダイオードの発光効率を改善する。【解決手段】窒化物半導体発光ダイオードは、ｎ型窒化物半導体層（１４）、窒化物半導体活性層（１３）、ｐ型窒化物半導体層（１２）、および反射性金属層（２１）をこの積層順で少なくとも含み、活性層は２以上の障壁層（１３ｂ）と２以上の井戸層（１３ａ）とが交互に積層された多重量子井戸構造を有し、或る特定の井戸層（１３ａ2）はその他の井戸層に比べて小さなエネルギバンドギャップを有し、特定の井戸層（１３ａ2）と反射性金属層（２１）との間隔が１４０ｎｍ以下であることを特徴としている。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型窒化物半導体層、窒化物半導体活性層、ｐ型窒化物半導体層、および反射性金属層をこの積層順で少なくとも含み、
前記活性層は２以上の障壁層と２以上の井戸層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有し、
或る特定の前記井戸層はその他の前記井戸層に比べて小さなエネルギバンドギャップを有し、
前記特定の井戸層と前記反射性金属層との間隔が１４０ｎｍ以下であることを特徴とする窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項２】
前記特定の井戸層は前記他の井戸層に比べて大きなＩｎ混晶比を有す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。
【請求項３】
前記特定の井戸層と前記他の井戸層とにおけるＩｎ混晶比の差が２％以上であることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項４】
前記特定の井戸層は前記他の井戸層のいずれと比べても前記反射性金属層に近く配置され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。
【請求項５】
前記反射性金属層はＡｇ、Ａｌ、およびＰｔの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項６】
前記反射性金属層は前記ｐ型窒化物半導体層に接していることを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
【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に関し、特に光取り出し効率の改善によって高い発光効率を示す窒化物半導体発光ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１は、光取り出し効率の改善されたフリップチップ型の窒化物半導体発光ダイオードを開示している。この発光ダイオードは、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）を有する窒化物半導体活性層を含んでおり、この活性層上にｐ型ＡｌＧａＮの薄いキャップ層、ｐ型ＧａＮ層、およびｐ型用Ａｇ電極層が順次積層されている。もちろん、このＡｇ電極層は光反射性の金属層である。
【０００３】
非特許文献１において、発光層（量子井戸層）と反射性Ａｇ金属層との間隔ｄが発光ダイオードの光取り出し効率に及ぼす影響が調査されている。その調査のために、発光層と反射性Ａｇ金属層との間隔ｄを種々に変化させるように、ｐ型ＧａＮ層の厚さが種々に変化させられた複数の発光ダイオードが作製されている。
【０００４】
そうして作製された複数の発光ダイオードからの放射光を観測した結果として、ｄ＝０．７λ／ｎの条件を満たす場合に発光効率が最大になることが、非特許文献１において報告されている。この場合に、λは発光ダイオードから放射される光の真空中の波長を表し、ｎは窒化物半導体の屈折率を表している。
【０００５】
この結果に関連して、発光層からｐ型層側へ放射されて金属層でｎ型層側へ反射された光と発光層からｎ型層側に放射された光との干渉の影響が考えられる。すなわち、この光干渉は発光層と反射性金属層との間隔ｄによって影響され、その間隔ｄに依存して発光ダイオードの発光効率に極大値が生じ得ると推察される。
【非特許文献１】ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ，  Ｖｏｌ．８２，  Ｎｏ．１４，  ２００３，  ｐｐ．２２２１−２２２３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
発光ダイオード（ＬＥＤ）業界の現状では、一般的に活性層として多重量子井戸（ＭＱＷ）構造が用いられている。この理由は、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造に比べて、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造によって高い発光効率を実現できるからである。すなわち、従来のＳＱＷ構造に比べて、ＭＱＷ構造のほうが発光効率の観点から好ましい。
【０００７】
しかし、発光ダイオードの活性層にＭＱＷ構造を適用する場合、そのＭＱＷ構造に含まれる複数の発光層（量子井戸層）の全てに関して、非特許文献１で提案されているｄ＝０．７λ／ｎの条件を満足させることは不可能である。すなわち、ＭＱＷ構造に含まれる複数の量子井戸層のいずれかに関して最適条件のｄ＝０．７λ／ｎを満足して光強度が高められる干渉が得られるとしても、その他の井戸層に関してはその最適条件から外れることになり、ＳＱＷ構造の場合ほどに発光効率の改善効果を得ることができない。
【０００８】
このような先行技術における状況に鑑み、本発明は、ＭＱＷ構造を有する活性層を含む窒化物半導体発光ダイオードの光取り出し効率を改善することによって、その発光ダイオードの発光効率を改善することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による窒化物半導体発光ダイオードは、ｎ型窒化物半導体層、窒化物半導体活性層、ｐ型窒化物半導体層、および反射性金属層をこの積層順で少なくとも含み、活性層は２以上の障壁層と２以上の井戸層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有し、或る特定の井戸層はその他の井戸層に比べて小さなエネルギバンドギャップを有し、特定の井戸層と反射性金属層との間隔が１４０ｎｍ以下であることを特徴としている。
【００１０】
なお、特定の井戸層は、その他の井戸層に比べて大きなＩｎ混晶比を有することが好ましい。また、特定の井戸層とその他の井戸層とにおけるＩｎ混晶比の差は、２％以上であることが好ましい。
【００１１】
特定の井戸層は、その他の井戸層のいずれと比べても反射性金属層に近く配置されていることが好ましい。反射性金属層は、Ａｇ、Ａｌ、およびＰｔの少なくともいずれかを含むことが好ましく、ｐ型窒化物半導体層に接していることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
以上のような本発明によれば、ＭＱＷ構造を有する活性層を含む窒化物半導体発光ダイオードの光取り出し効率を改善することができ、その発光ダイオードの発光効率を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態による窒化物半導体発光ダイオードの主要部を模式的な断面図で示している。この発光ダイオードは、基板１上に順次積層されたｎ型窒化物半導体層２、窒化物半導体活性層３、ｐ型窒化物半導体層４、および金属層５を含んでいる。
【００１４】
基板１の材料としては、サファイヤ、ＳｉＣ、ＧａＮ、Ｓｉなどから選択することができる。この場合に、ＳｉＣ、ＧａＮ、Ｓｉなどの基板は、ドーパントを含めることによって導電性にすることができる。
【００１５】
ｎ型窒化物半導体層２はＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）で形成することができ、そのドーパントとしてはＳｉ、Ｇｅなどが選択され得る。なお、ｎ型窒化物半導体層２の底部には、低温バッファ層または／およびアンドープ層が形成されてもよい。
【００１６】
図２は、窒化物半導体活性層３をより詳細に図解する模式的断面図である。この活性層３も、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）で形成することができる。ただし、図２に示されているように、活性層３は井戸層３ａと障壁層３ｂとが交互に積層されたＭＱＷ構造を有している。前述のように、ＳＱＷ構造に比べて、ＭＱＷ構造は発光効率の観点から好ましい。
【００１７】
活性層３上には、ｐ型窒化物半導体層４がＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）で形成され、そのドーパントとしてはＭｇ、Ｚｎなどが選択され得る。
【００１８】
ｐ型窒化物半導体層４上には、金属層５が形成される。この金属層５において、少なくともｐ型窒化物半導体層４に接する界面はＡｇ、Ａｌ、およびＰｔの少なくともいずれかを含む反射率の高い金属で形成されていることが好ましい。金属層５の界面の反射率を高めることによって、反射光の干渉効果による光強度の向上を顕著にすることができる。
【００１９】
本発明においては、活性層５に含まれる複数の井戸層３ａのうちで、特定の一つの井戸層のエネルギバンドギャップを小さくすることが提案される。なお、窒化物半導体層に関しては、Ａｌ混晶比を小さくするかまたはＩｎ混晶比を大きくすることによって、そのバンドギャップを小さくすることができる。
【００２０】
本発明においてはまた、バンドギャップの小さな特定の井戸層と反射性金属層との間隔を１４０ｎｍ以下にすることが提案される。この間隔は、１００〜１４０ｎｍの範囲内であることが好ましく、１００ｎｍ〜１３０ｎｍの範囲内であることがより好ましい。このような間隔を設定することによって、発光層からｐ型層側へ放射されて金属層でｎ型層側へ反射された光と発光層からｎ型層側に放射された光とが強めあう干渉を生じ、光取り出し効率が改善されて発光効率が高くなり得る。
【００２１】
本発明においてはさらに、バンドギャップの小さな特定の井戸層は、他の井戸層に比べて金属層５に最も近く配置されることが好ましい。バンドギャップの小さな特定の井戸層を形成すればその特定の井戸層からの発光が支配的となり、その特定の井戸層に関して前述の高い干渉効果が得られるように反射性金属層との間隔を設定することができる。また、バンドギャップの小さな特定の井戸層が最もｐ型層側に近く配置される場合、その特定の井戸層からの発光をより顕著に促すことができる。なお、バンドギャップの小さな特定の井戸層がＩｎを含む場合、その他の井戸層に比べて、Ｉｎ混晶比が２％以上大きいことが好ましい。
【００２２】
図１に示されているような発光ダイオードの実装方法としては、ｎ型窒化物半導体層２側が光取り出し側となるようなフリップチップ型が好ましい。
【００２３】
図３は、そのような発光ダイオードの一例を示す模式的な断面図である。この図に示されているように、基板１がＳｉＣ、ＧａＮなどのように発光波長に関して透明でかつ導電性の材料で形成されている場合には、基板１の表面の部分的領域上に負電極７を形成し、反射性金属層５の表面上に正電極６を形成した構造を採用することができる。
【００２４】
なお、反射性金属層５と正電極６との間には、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）などからなる保護層や、例えば銅（Ｃｕ）などからなる導電性の放熱基板が挿入されてもよい。
【００２５】
図４は、発光ダイオードの他の例を示す模式的な断面図である。基板１がサファイヤなどの絶縁性材料で形成されている場合、この図４に示されているように、反射性金属層５側からｎ型窒化物半導体層２までエッチングされる。そして、反射性金属層５の表面上に正電極６が形成され、エッチングによって露出されたｎ型窒化物半導体層２の表面上に負電極７が形成される。こうして、フリップチップ型の発光ダイオードを実現して、ｎ型窒化物半導体層２側から光を取り出すことができる。なお、この場合でも、反射性金属層５と正電極６との間には、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）などからなる保護層を挿入することができる。
【００２６】
図５は、発光ダイオードのさらに他の例を示す模式的な断面図である。サファイヤ基板などの絶縁性基板（図５において示されず）を利用して半導体積層構造２−４が結晶成長させられた場合、反射性金属層５上および別途用意した導電性基板８上に接着金属層９を形成して共晶接合法などによって接合し、サファイヤ基板を例えばレーザにより剥離することができる。こうして、図５に示されているような発光ダイオードを得ることができる。この場合に、反射金属層５と接着金属層９間において、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）などの保護層を挿入してもよく、さらにはＳｉＯ2などの層を部分的に挿入してもよい。
【００２７】
導電性基板８として例えばｎ型Ｓｉ基板を用いた場合、その導電性基板８と接着金属層９との間には、ｎ型Ｓｉ基板用のオーミックコンタクト層（図示せず）としてＴｉ、Ｗなどを利用することができる。また、そのオーミックコンタクト層と接着金属層との間にはＰｔなどの保護層を挿入することもできる。接着金属層９としては、反射金属層５側には例えばＡｕを利用し、導電性基板７側は例えばＡｕＳｎを利用することができる。その他にも、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｉなどを接着金属として利用することもできる。サファイア基板の剥離によって露出されたｎ型窒化物半導体層２の表面の一部領域上には負電極７を形成することができ、導電性基板８はそのまま正電極として機能し得る。
【実施例】
【００２８】
（実施例１）
図６は、本発明の実施例１において作製される窒化物半導体発光ダイオードを示す模式的な断面図である。この発光ダイオードの作製においては、まずサファイヤ基板（図示せず）がＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積）装置の反応炉内にセットされる。そして、その反応炉内に水素を流しながらサファイア基板の温度を１０５０℃まで上昇させて、基板表面（Ｃ面）の熱クリーニングが行なわれる。
【００２９】
次に、基板温度を５１０℃まで低下させ、キャリアガスとしての水素、および原料ガスとしてのアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）を反応炉内に流して、サファイア基板の表面（Ｃ面）上に約２０ｎｍの厚さのＧａＮバッファ層をＭＯＣＶＤ法によって堆積させる。
【００３０】
次いで、基板温度を１０５０℃まで上昇させて、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてアンモニアとＴＭＧ、および不純物ガスとしてのシランを反応炉内に流して、厚さ６μｍのｎ型ＧａＮ下地層（キャリア濃度：１×１０18／ｃｍ3）をＭＯＣＶＤ法によってバッファ層上に堆積させる。
【００３１】
続いて、キャリア濃度が５×１０18／ｃｍ3になるようにＳｉをドーピングしたこと以外はｎ型ＧａＮ下地層と同様にして、厚さ０．５μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層をＭＯＣＶＤ法によってｎ型ＧａＮ下地層上に堆積させる。
【００３２】
以上のようにして、ＧａＮバッファ層、ｎ型ＧａＮ下地層、およびｎ型ＧａＮコンタクト層を含むｎ型窒化物半導体層１２を形成する。
【００３３】
次に、基板温度を７００℃に低下させ、キャリアガスとしての窒素とともに、原料ガスとしてのアンモニア、ＴＭＧおよびＴＭＩ（トリメチルインジウム）を反応炉内に流して、ｎ型ＧａＮコンタクト層上に厚さ２．５ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ井戸層１３ａおよび厚さ１０ｎｍのＧａＮ障壁層１３ｂをそれぞれ交互に５周期成長させ、さらにその上に厚さ２．５ｎｍのＩｎ0.20Ｇａ0.80Ｎ井戸層１３ａ2と厚さ１０ｎｍのＧａＮ障壁層１３ｂを成長させ、こうして多重量子井戸構造の窒化物半導体活性層１３を形成する。なお、窒化物半導体活性層１３の形成時において、ＧａＮ層を成長させる際にはＴＭＩを反応炉内に流していないことは言うまでもない。
【００３４】
次いで、基板温度を９５０℃に上昇させ、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてのアンモニア、ＴＭＧおよびＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、さらに不純物ガスとしてのＣＰ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を反応炉内に流して、Ｍｇが１×１０20／ｃｍ3の濃度でドーピングされた約２０ｎｍの厚さのｐ型Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ｎクラッド層をＭＯＣＶＤ法によって活性層３上に堆積させる。
【００３５】
次に、基板温度を９５０℃に保持したままで、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてのアンモニアとＴＭＧ、および不純物ガスとしてのＣＰ2Ｍｇを反応炉内に流して、Ｍｇが１×１０20／ｃｍ3の濃度でドーピングされたｐ型ＧａＮコンタクト層がＭＯＣＶＤ法によってｐ型Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ｎクラッド層上に４０〜１５０ｎｍの範囲内の任意厚さに堆積される。
【００３６】
以上のようにして、ｐ型Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ｎクラッド層とｐ型ＧａＮコンタクト層を含むｐ型窒化物半導体層１４が形成される。
【００３７】
その後、基板温度を７００℃に低下させ、キャリアガスとしての窒素を反応炉内に流しながら、アニーリングが行われる。
【００３８】
アニーリング後には、ｐ型ＧａＮコンタクト層上に、厚さ１５０ｎｍのＡｇ膜からなる反射層２１、厚さ５０ｎｍのＭｏ膜からなる保護層２２および厚さ３μｍのＡｕ膜からなる第１の接着用金属層２３をこの順序でＥＢ（電子ビーム）蒸着法によって形成する。
【００３９】
次に、別途用意した厚さ１２０μｍの導電性Ｓｉ基板２４上に、ＥＢ蒸着法によって、厚さ１５ｎｍのＴｉ膜と厚さ１５０ｎｍのＡｌ膜をこの順序で積層したオーミック電極層２５、および厚さ１００ｎｍのＡｕ膜と厚さ３μｍのＡｕＳｎ膜をこの順序で積層した第２の接着用金属層２６をこの順序で形成する。
【００４０】
そして、第１の接着用金属層２３のＡｕ膜と第２の接着用金属層２６のＡｕＳｎ膜とを対向させ、共晶接合法を用いて、第１の接着用金属層２３と第２の接着用金属層２６とを接合させる。なお、共晶接合時の温度は２９０℃に設定され得る。
【００４１】
この後に、サファイヤ基板とＧａＮバッファ層が除去される。この除去は、具体的にはＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）−ＴＨＧ（第３次高調波）レーザ光（波長：３５５ｎｍ）が基板の鏡面研磨された裏面側から照射され、基板上に形成されたＧａＮバッファ層とｎ型ＧａＮ下地層との界面部分を熱分解することによって行なわれる。
【００４２】
その後、基板およびバッファ層が除去されて露出されたｎ型ＧａＮ下地層の表面上において、後でチップ分割される各発光ダイオードに対応する領域の中央部にパッド電極２７（Ａｕ膜／Ｔｉ膜との積層）を形成する。パッド電極２７の形成後のウエハをチップ状に分割して、図６に示す積層構造を有する実施例１の窒化物半導体発光ダイオードが得られる。
【００４３】
図６の発光ダイオードにおいて、Ｉｎ混晶比が大きくてバンドギャップの小さな井戸層１３ａ2と反射性金属層２１との間隔Ｄは、ＧａＮ障壁層１３ｂの厚さ１０ｎｍ、ｐ型Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ｎクラッド層の厚さ２０ｎｍ、およびｐ型ＧａＮコンタクト層の厚さ４０〜１５０ｎｍの合計に相当する。
【００４４】
このような本発明の発光ダイオードにおいて、間隔Ｄが１４０ｎｍ以下のとき、すなわちｐ型ＧａＮコンタクト層の厚さが１１０ｎｍ以下のときに、後述のように全ての井戸層のＩｎ混晶比が等しくてバンドギャップが一定である比較例１に比べて発光効率が高くなる。さらに、間隔Ｄが１００〜１３０ｎｍのとき、すなわちｐ型ＧａＮコンタクト層の厚さが７０〜１００ｎｍのときに、比較例１に比べて一層発光効率が高くなる。
【００４５】
（実施例２）
本発明の実施例２による発光ダイオードは、実施例１に比べて、窒化物半導体活性層１３が部分的に変更されることにおいて異なっている。
【００４６】
具体的には、本実施例２の窒化物半導体活性層１３において、厚さ１０ｎｍのＧａＮ障壁層１３ｂおよび金属層２１に最も近い厚さ２．５ｎｍのＩｎ0.20Ｇａ0.80Ｎ井戸層１３ａ2は実施例１の場合と同様に形成されるが、他の５層の各ＩｎＧａＮ井戸層におけるＩｎ混晶比が１５％〜１９％の範囲内で変化させられる。この場合に、ｐ型ＧａＮコンタクト層の厚は、８５ｎｍに設定される。
【００４７】
本実施例２の発光ダイオードにおいて、金属層２１に最も近い井戸層１３ａ2以外の５層の井戸層１３ａにおけるＩｎ混晶比が特に１８％以下のときに、ｐ型層１４側に最も近い（すなわちｐ型層１４側に最も近い）井戸層１３ａ2へのキャリアの注入が顕著となり、比較例１に比べて発光効率が高くなる。
【００４８】
（比較例１）
比較例１による発光ダイオードは、実施例１に比べて、窒化物半導体活性層１３が部分的に変更されることのみにおいて異なっている。
【００４９】
具体的には、本比較例１の窒化物半導体活性層１３は、６層の全ての井戸層が厚さ２．５ｎｍのＩｎ0.20Ｇａ0.80Ｎ層で形成されることのみにおいて実施例１の場合と異なっている。
【００５０】
なお、以上で開示された本発明の実施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。本発明の範囲は上述の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】
【００５１】
以上のように、本発明によれば窒化物半導体発光ダイオードの発光効率を向上させることができ、そのような発光ダイオードは例えば照明分野、液晶テレビのバックライト、自動車のヘッドライトなどに好ましく応用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の一実施形態による窒化物半導体発光ダイオードの主要部を示す模式断面図である。
【図２】図１の発光ダイオードに含まれる窒化物半導体活性層をより詳細に図解する模式的断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態による窒化物半導体発光ダイオードの主要部を示す模式断面図である。
【図４】本発明のさらに他の実施例による窒化物半導体発光ダイオードの主要部を示す模式断面図である。
【図５】本発明のさらに他の実施形態による窒化物半導体発光ダイオードの主要部を示す模式断面図である。
【図６】本発明の一実施例による窒化物半導体発光ダイオードの主要部を示す模式断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１  基板、２  ｎ型窒化物半導体層、３  窒化物半導体活性層、３ａ  井戸層、３ｂ  障壁層、４  ｐ型窒化物半導体層、５  金属層、６  正電極、７  負電極、８  導電性基板、９  接着金属層、１２  ｎ型窒化物半導体層、１３  窒化物半導体活性層、１３ａ  井戸層、１３ｂ  障壁層、１３ａ2  バンドギャップの小さな井戸層、１４  ｐ型窒化物半導体層、２１  反射層、２２  保護層、２３  第１の接着用金属層、２４  導電性基板、２５  オーミック電極層、２６  第２の接着用金属層、２７  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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