JP2011049453A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】光取り出し効率が高く、かつ発光効率が高い窒化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】本発明の窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体層と、導電性の第１酸化物層と、絶縁性の第２酸化物層とを含み、第１酸化物層および第２酸化物層は、同一種類の酸化物材料からなることを特徴とする。第１酸化物層を構成する二酸化チタン中のチタンに対し、ニオブ、タンタル、モリブデン、ヒ素、アンチモン、アルミニウムまたはタングステンのいずれかがモル比で１％以上１０％以下ドープされ、第２酸化物層を構成する二酸化チタン中のチタンに対し、ニオブ、タンタル、モリブデン、ヒ素、アンチモン、アルミニウムまたはタングステンのいずれかがモル比で１％未満ドープされることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子に関し、特に、光取り出し効率が高く、かつ発光効率が高い窒化物半導体発光素子に関する。

窒化物半導体は屈折率が２．５と高いため、窒化物半導体と他の材料との界面（たとえば基板、透光性電極層）で全反射が起こりやすい。このため、活性層で発光した光が窒化物半導体発光素子の内部で全反射が起こることとなり、窒化物半導体発光素子の発光効率を低下させる一因となっている。

このような発光効率の低下を抑制するための試みとして、たとえば特許文献１では、透光性電極層に用いる材料を二酸化チタンとすることにより、窒化物半導体発光素子の発光効率を向上させる技術が開示されている。

特許文献１の技術について説明すると、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＮからなる窒化物半導体は、その屈折率が約２．５程度と比較的高い値であるが、二酸化チタンの屈折率も同様に約２．５程度である。このため二酸化チタンを透光性電極層に用いることにより、窒化物半導体層と透光性電極層との屈折率をマッチングさせることができる。これにより窒化物半導体層と透光性電極層との界面で全反射しにくくなり、窒化物半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。

特開２００８−２９４３０６号公報

上記で述べたように、二酸化チタンの屈折率と窒化物半導体の屈折率とはほぼ同一であるため、窒化物半導体と透光性電極層との界面ではほとんど全反射はおこらず光は透過する。

しかしながら、空気の屈折率はおよそ１．０であることにより、空気の屈折率と透光性電極層の屈折率との差が大きい。このため、透光性電極層と空気（もしくは蛍光体）との界面が平坦であると、その界面での全反射が起こりやすく、発光効率は低下する傾向にある。

そこで、このように屈折率が大きく異なる２層の界面で全反射が起こりにくくするためには、その界面を凹凸にすることが効果的である。従来技術では、空気と透光性電極層との界面に凹凸を形成することにより、光を散乱させつつも透過させることができ、以って光の透過率を向上させることができる。

ここで、透光性電極層としては、二酸化チタンを用い、さらに二酸化チタンに対しニオブ等の金属をドーピングする。これにより透光性電極層の光の透光性は低下するものの、透光性電極層の抵抗率を低くすることができる。このような透光性電極層の厚みを、その表面に発光波長の１倍以上の凹凸を形成できる程度に厚くすると、透光性電極層が光の透過を妨げ、窒化物半導体発光素子の発光効率が低下するという問題がある。

本発明は、上記のような現状に鑑みてなされたものであり、光取り出し効率が高く、かつ発光効率が高い窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。

本発明の窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体積層体と、導電性の第１酸化物層と、絶縁性の第２酸化物層とを含み、第１酸化物層および第２酸化物層は、同一種類の酸化物材料からなることを特徴とする。

酸化物材料は、２．３以上の屈折率を有することが好ましく、二酸化チタンからなることが好ましい。

窒化物半導体積層体、第１酸化物層、第２酸化物層の順にアノード側に形成されることが好ましい。

第１酸化物層を構成する二酸化チタン中のチタンに対し、ニオブ、タンタル、モリブデン、ヒ素、アンチモン、アルミニウムまたはタングステンのいずれかがモル比で１％以上１０％以下ドープされ、第２酸化物層を構成する二酸化チタン中のチタンに対し、ニオブ、タンタル、モリブデン、ヒ素、アンチモン、アルミニウムまたはタングステンのいずれかがモル比で１％未満ドープされることが好ましい。また、二酸化チタンからなる第１酸化物層は、アナターゼ型であることが好ましい。

第２酸化物層は、１００ｎｍ以上の厚さであることが好ましく、その表面には凹凸を有することがより好ましく、さらに好ましくは、その表面に１００ｎｍ以上の高さの凹凸を有することである。

第２酸化物層は、メッシュ状、円錐状、円柱状、角錐状、または角柱状のいずれかにパターニングされることが好ましい。

窒化物半導体積層体と第１酸化物層との間には、導電性酸化物層が形成され、導電性酸化物層は、窒化物半導体発光素子の発光波長の４分の１以下の厚さであり、かつ、二酸化チタン以外の酸化物からなることが好ましい。

導電性酸化物層は、Ｓｎドープ酸化インジウムからなることが好ましい。
窒化物半導体積層体と第１酸化物層との間には、Ｉｎを含む窒化物半導体層を含むことが好ましく、Ｉｎを含む窒化物半導体層は、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（ｘ＞０、ｙ＞０）からなることがより好ましく、さらに好ましくは、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮのＩｎ混晶比ｙが、Ａｌ混晶比ｘよりも大きいことである。

また、Ｉｎを含む窒化物半導体層の厚さは５ｎｍ以上であることがより好ましい。
アノード側またはカソード側のパット電極から枝状に伸びるように金属電極が形成されることが好ましい。

本発明によれば、光取り出し効率が高く、発光効率が高い窒化物半導体発光素子を提供することができる。

本発明の窒化物半導体発光素子の構成の好ましい一例の模式的な断面図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の構成の好ましい一例の模式的な断面図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の構成の好ましい一例の模式的な上面図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の構成の好ましい一例の模式的な断面図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の構成の好ましい一例の模式的な上面図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の構成の好ましい一例の模式的な断面図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の構成の好ましい一例の模式的な上面図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の構成の好ましい一例の模式的な断面図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の構成の好ましい一例の模式的な上面図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の構成の好ましい一例の模式的な断面図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の構成の好ましい一例の模式的な上面図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の構成の好ましい一例の模式的な断面図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の構成の好ましい一例の模式的な上面図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の構成の好ましい一例の模式的な断面図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の構成の好ましい一例の模式的な上面図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の構成の好ましい一例の模式的な断面図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の構成の好ましい一例の模式的な断面図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の構成の好ましい一例の模式的な断面図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の構成の好ましい一例の模式的な上面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。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。また、本願の図面において、長さ、幅、厚さ等の寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。

（実施の形態１）
＜窒化物半導体発光素子＞
以下、本実施の形態の窒化物半導体発光素子について図１を参照しつつ説明する。図１は、本発明の窒化物半導体発光素子の好ましい一例を示す模式的な断面図である。

本実施の形態の窒化物半導体発光素子は、基板１上に、窒化物半導体積層体１０、第１酸化物層５、および第２酸化物層６をこの順に形成したものである。ここで、窒化物半導体積層体１０は、基板１側から順にｎ型窒化物半導体層２、発光層３、およびｐ型窒化物半導体層４からなるものであり、これら各層はいずれも窒化物半導体からなるものである。

なお、本発明において「窒化物半導体」とは、代表的にはＡｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＮ（ｘ、ｙは、いずれも０以上１以下）で示される半導体を意味するが、それのみに限られるものではなく、ｎ型化またはｐ型化のために任意の元素を添加したものを含まれる。

本発明の窒化物半導体発光素子は、従来の窒化物半導体発光素子では一層の酸化物層として形成されていたものを、導電性の第１酸化物層５と絶縁性の第２酸化物層６との二層に分けて形成し、第１酸化物層５および第２酸化物層６に、同一種類の酸化物材料を用いることを特徴とする。

ここで、「同一種類の酸化物材料」とは、それを構成する酸化物の材料組成が同一である限り、それにいかなるドーパントでドーピングしても、同一種類の酸化物材料であるものとする。すなわちたとえば、ニオブをモル比で１％ドープした二酸化チタンと、モリブデンをモル比で５％ドープした二酸化チタンとは、同一種類の酸化物材料である。二酸化チタンは、ワイドギャップであり、かつ抵抗率が低いことから、本発明の窒化物半導体発光素子においては、第１酸化物層および第２酸化物層として使用することが好ましい。

従来の窒化物半導体発光素子に用いられる酸化物層は、本発明のように二層構造に分かれていないため、一層の酸化物層で導電性と透光性とを両立した上で、その表面に発光波長の約１／４以上の大きさの凹凸を形成する必要があった。しかし、酸化物層を構成する酸化物は、導電性を向上させることと、透光性を向上させることとがトレードオフの関係にあるため、導電性と透光性とを高度に両立することは困難であった。

そこで、本発明者らは、導電性と透光性とを高度に両立させるための手法として、第１酸化物層と第２酸化物層との２層構造にするという構造的なアプローチを検討した。

その結果、本発明者らは、導電性を有する層の１層のみで必要膜厚を確保する場合と、導電性が高い第１酸化物層と透光性が高い第２酸化物層とを組み合わせて、２層構造とした場合とでは、後者のほうが全体としての透光性が高くなることを見い出した。すなわち、導電性の第１酸化物層５と、絶縁性の第２酸化物層６との二層に分けることにより、導電性と透光性とを高度に両立することができ、光取り出し効率を向上させることができる。

具体的には、第１酸化物層５に導電性が高い材料を用いることにより、第１酸化物層５で電流拡散を生じさせることができる。一方、第２酸化物層６に絶縁性であって、かつ透光性の高い材料を用いるとともに、第２酸化物層６の表面に凹凸を形成することにより、窒化物半導体発光素子の発光を外部に放出し、光取り出し効率を高めることができる。

ここで、第１酸化物層５および第２酸化物層６に同一種類の酸化物材料を用いるにも関わらず、このように特徴が異なるのは、それに導入されるドーパントの組成および量が異なるためである。なお、ドーパントの組成および量に関しては後述する。

上記の酸化物材料は、２．３以上の屈折率を有する材料を用いることが好ましい。第１酸化物層５に屈折率が２．３以上の高屈折率の材料を用いることにより、ｐ型窒化物半導体層４と第１酸化物層５との界面で全反射を生じにくくすることができる。これにより透過率を高めることができ、以って光取り出し効率を高めることができる。

上記の酸化物材料は、二酸化チタン、ストロンチウム二酸化チタンからなる群より選択される１種以上を用いることが好ましく、高屈折率、導電性、および透光性を兼ね備える酸化物材料として二酸化チタンを用いることがより好ましい。二酸化チタンの屈折率は約２．５であり、ｐ型窒化物半導体層４の屈折率とほぼ同程度の屈折率を有する。このため、第１酸化物層５に二酸化チタンを用いることにより、ｐ型窒化物半導体層４と第１酸化物層５との界面での全反射を生じにくくすることができ、以って光取り出し効率を高めることができる。

また、第１の酸化物層５の導電性を示す二酸化チタンは、ルチル型またはアナターゼ型の結晶型のいずれであってもよいが、アナターゼ型であることが高い導電性を得る上で好ましい。

ここで、窒化物半導体積層体１０、第１酸化物層５、および第２酸化物層６の順にアノード側に形成されることが好ましい。酸化物材料は、全般的に仕事関数が高く、窒化物半導体層よりも抵抗率が低い。このため、窒化物半導体積層体１０、第１酸化物層５、および第２酸化物層６の順にアノード側に形成することにより、電流拡散を効率的に行なうことができる。

本実施の形態において、基板１としては、サファイヤのような絶縁性基板、ＧａＮ、ＳｉＣ等のような導電性基板を用いることができる。基板１としてＧａＮ、ＳｉＣのような導電性基板を用いる場合、基板１の底面側にｎ電極を設けることが好ましく、第２酸化物層６の上面側にｐ電極を設けることが好ましい。

また、ｎ型窒化物半導体層２およびｐ型窒化物半導体層４は、窒化物半導体からなるものを用いることが好ましい。そして、ｎ型窒化物半導体層２に用いるｎ型ドーパントとしてはＳｉ、Ｇｅ等を挙げることができ、ｐ型窒化物半導体層４に用いるｐ型ドーパントとしてはＭｇ、Ｚｎ等を挙げることができる。

＜第１酸化物層＞
第１酸化物層５は、ｐ型窒化物半導体層４と接する側の透明電極として設けるものであり、導電性を有するものである。第１酸化物層５は、酸化物材料からなるものであることが好ましい。ここで、「導電性」とは、抵抗率が１×１０^４Ωｃｍ未満であるものをいう。

上述したように、第１酸化物層５に二酸化チタンを主成分とする材料を用いることにより、第１酸化物層５とｐ型窒化物半導体層４との界面で全反射を生じにくくすることができる。これにより透過率を高めることができ、以って光取り出し効率を高めることができる。

第１酸化物層５を構成する酸化物材料が二酸化チタンである場合、第１酸化物層５を構成する二酸化チタン中のチタンに対し、ニオブ、タンタル、モリブデン、ヒ素、アンチモン、アルミニウムまたはタングステンのいずれかがモル比で１％以上１０％以下ドープされることが好ましい。このような割合でドーパントをドーピングすることにより、第１酸化物層５の導電性が高まり、その電流拡散性を高めることができる。なお、ドーパントのドーピング量を増やすことにより、その導電性が高まるとともに透光性が低下することが多い。

＜第２酸化物層＞
第２酸化物層６は、絶縁性の材料であって、第１酸化物層５に用いる材料と同一種類の酸化物材料を用いることを特徴とする。第１酸化物層５の材料と第２酸化物層６の材料とに同一種類の酸化物材料を用いることにより、両者の界面で全反射を生じにくくすることができ、以って光取り出し効率のロスを減らすことができる。ここで、「絶縁性」とは、抵抗率が１×１０^４Ωｃｍ以上であるものをいう。

このような第２酸化物層６は、第１酸化物層５のように必ずしも導電性である必要はなく絶縁性であってもよいが、透光性が高いことが好ましい。すなわち、第２酸化物層６の透光性を高めることにより、光取り出し効率の低下を抑制することができる。

第２酸化物層６を構成する二酸化チタン中のチタンに対し、ニオブ、タンタル、モリブデン、ヒ素、アンチモン、アルミニウムまたはタングステンのいずれかがモル比で１％未満ドープされることが好ましく、ドーパントが含まないことがより好ましい。二酸化チタンのドーパント量を減らすほど、第２酸化物層６の透光性を向上させることができる。ちなみに、ドーパントを含まない二酸化チタンは絶縁体であり、透光性が高い。

このような第２酸化物層６は、発光波長の４分の１以上の厚みを有することが好ましく、発光波長の１倍以上の厚みを有することがより好ましい。第２酸化物層６をこのような厚みにすることにより、第２酸化物層６の表面に所望の凹凸を形成することができる。

上記の第２酸化物層６は、凹凸を形成するための層でもある。第２酸化物層の表面に凹凸を形成することにより、第２酸化物層６と空気との界面での全反射を発生しにくくすることができ、以って窒化物半導体発光素子の光取り出し効率を向上させることができる。

第２酸化物層６は、その表面に１００ｎｍ以上の高さの凹凸を有することが好ましい。このような高さの凹凸は、窒化物半導体発光素子の発光波長の約４分の１の長さに相当する。このような高さの凹凸を有することにより、屈折率差が大きい界面においても、光の全反射を生じにくくすることができる。ここで、「凹凸の高さ」とは、第２酸化物層６の凹凸の凸部から凹部までの長さを意味する。

ここで、所望の凹凸を第２酸化物層６に形成するためには、その厚みが厚いことが好ましく、１００ｎｍ以上の厚さであることがより好ましい。第２酸化物層６の厚さが１００ｎｍ未満であると、その表面に１００ｎｍ以上の高さの凹凸を形成できないため好ましくない。

第２酸化物層６は、窒化物半導体発光素子の保護層としても機能する。従来の窒化物半導体発光素子は、保護層として二酸化ケイ素を用いていたが、二酸化ケイ素よりも二酸化チタンの方が第１酸化物層５と屈折率がマッチするため、光取り出し効率が低減しにくいというメリットがある。

＜導電性酸化物層＞
本発明において、ｐ型窒化物半導体層４と第１酸化物層５との間に、導電性酸化物層（図示せず）を形成することが好ましい。この位置に導電性酸化物層を形成することにより、ｐ型窒化物半導体層４と第１酸化物層５とのコンタクト抵抗を下げることができ、以って発光効率を高めることができる。

このような導電性酸化物層は、窒化物半導体発光素子の発光波長の４分の１以下の厚さであることが好ましい。このような厚さの導電性酸化物層であれば、導電性酸化物層を光がトンネル（透過）するため、全反射を発生しにくくすることができ、光取り出し効率のロスを少なくすることができる。

ここで、導電性酸化物層は、Ｓｎドープ酸化インジウム（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）であることが好ましい。ＩＴＯは屈折率が２．０付近であるため、窒化物半導体に比して低い屈折率である。しかし、発光波長に対して１／４波長以下の厚さであれば、その界面で光が全反射することなく導電性酸化物層を光がトンネル（透過）することができ、以って光取り出し効率のロスを少なくすることができる。

＜Ｉｎを含む窒化物半導体層＞
本実施の形態において、窒化物半導体積層体１０と第１酸化物層５との間には、Ｉｎを含む窒化物半導体層（図示せず）を含むことが好ましい。Ｉｎを含む窒化物半導体層を臨界膜厚以上の厚みにすることにより、Ｉｎを含む窒化物半導体層の歪みを緩和し転位が生ずる。この転位により電流のパスが生じ、窒化物半導体積層体１０と第１酸化物層５とのコンタクト抵抗を下げることができる。Ｉｎを含む窒化物半導体層を臨界膜厚以上の厚みにするためには、Ｉｎを含む窒化物半導体層を厚く形成する、またはＩｎを含む窒化物半導体層に含まれるＩｎ混晶比を上げる等の手法を用いることができる。

ここで、Ｉｎを含む窒化物半導体層は５ｎｍ以上の厚さであることが好ましい。このような厚さのＩｎを含む窒化物半導体層を形成することにより、Ｉｎを含む窒化物半導体層が臨界膜厚以上の厚みとなり、Ｉｎを含む窒化物半導体層の歪みが緩和し転位が生ずる。この転位により電流のパスが生じ、ｐ型窒化物半導体層４と第１酸化物層５とのコンタクト抵抗を下げることができる。

上記のようにＩｎを含む窒化物半導体層の厚みを厚くすることにより、Ｉｎを含む窒化物半導体層の透光性が低下することとなり、窒化物半導体発光素子の光取り出し効率が低下するという懸念がある。そこで、Ｉｎを含む窒化物半導体層にさらにＡｌを加え、Ｉｎを含む窒化物半導体層がＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（ｘ＞０、ｙ＞０）の４元混晶からなることが好ましい。このようにＩｎを含む窒化物半導体層にＡｌを加えることにより、臨界膜厚を支配する格子定数を大きく変化させずに、バンドギャップを大きくすることができる。これによりＩｎを含む窒化物半導体層の透光性を向上させることができ、以って光取り出し効率を維持することができる。

上記のＩｎを含む窒化物半導体層を構成するＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮは、Ｉｎ混晶比ｙが、Ａｌ混晶比ｘよりも大きいことが好ましい。Ｉｎ混晶比ｙをＡｌ混晶比ｘ以上にすることにより、Ｉｎを含む窒化物半導体層を臨界膜厚以上の厚みに形成することができる。

実施の形態１は、基板１としてＧａＮ、ＳｉＣのような導電性基板を用いるが、以下の実施の形態２〜８は、基板としてサファイヤのような絶縁性基板を用いる。サファイヤのように絶縁性基板を用いる場合、アノード側からメサエッチングすることにより、図２〜図１５のようなチップ形状として、ｐ電極７およびｎ電極８を形成することができる。ここで、図２〜１５は、実施の形態２〜８の窒化物半導体発光素子の好ましい一例を模式的に示した断面図または上面図である。以下において、実施の形態２〜８を説明する。

（実施の形態２）
本実施の形態は、図２に示すように絶縁性基板としてサファイヤを基板として用いることを特徴とする。このようにサファイヤを基板に用いた場合、第２酸化物層６は、ｐ電極７を避けて形成することが好ましい。

（実施の形態３〜７）
実施の形態３〜７の窒化物半導体発光素子は、第２酸化物層６に形成される凹凸が、メッシュ状、円錐状、円柱状、角錐状、または角柱状にパターニングされることを特徴とする。

図４および図５は、実施の形態３の窒化物半導体発光素子の断面図および上面図に相当する。実施の形態３では、フォトリソグラフィ技術を用いることにより、図４および図５に示されるような第２酸化物層６にメッシュ状の凹凸を形成することを特徴とする。

実施の形態４の窒化物半導体発光素子の断面図を図６に示し、その上面図を図７に示す。実施の形態４では、フォトリソグラフィ技術を用いて酸化物とレジストとの選択比を小さくすることにより、第２酸化物層６に円錐状の凹凸を形成することを特徴とする。

実施の形態５の窒化物半導体発光素子の断面図を図８に示し、その上面図を図９に示す。実施の形態５では、フォトリソグラフィ技術を用いて、酸化物とレジストの選択比を大きくした上で、レジストの形状においてテーパー角をなくしてやることにより、円柱状の凹凸を形成することを特徴とする。

実施の形態６の窒化物半導体発光素子の断面図を図１０に示し、その上面図を図１１に示す。実施の形態６では、フォトリソグラフィ技術を用いて酸化物とレジストとの選択比を小さくした上で、ウェットエッチング等で異方性エッチングすることにより、第２酸化物層６に角錐状の凹凸を形成することを特徴とする。

実施の形態７の窒化物半導体発光素子の断面図を図１２に示し、その上面図を図１３に示す。実施の形態７では、フォトリソグラフィ技術を用いて、酸化物とレジストとの選択比を大きくした上で、レジストの形状においてテーパー角をなくすことにより、角柱状の凹凸を形成することを特徴とする。

実施の形態３〜７のように、第２酸化物層６にパターン状の凹凸を形成することにより、第２酸化物層６が空間的に分断（隔離）されることとなる。第２酸化物層６が分断されることにより、第２酸化物層６での電流拡散が起こらないため、第２酸化物層６は、導電性にする必要がなく透光性を高めることができる。

（実施の形態８）
図１４および図１５は、本実施の形態の窒化物半導体発光素子の断面図および上面図である。本実施の形態の窒化物半導体発光素子は、第２酸化物層６が窒化物半導体発光素子の側面の一部を覆うように形成され、かつ電極パットから枝状に伸びるように金属電極７、８を形成することを特徴とする。なお、電極パットから伸びる枝状は、図１５に示される一例に限定されるものではない。

図１５に示されるように、アノード側またはカソード側のパット電極から枝状に伸びるように、金属電極７、８を形成することにより、面内に電流を拡散しやすくすることができ、以って電流拡散性を向上させることができる。この場合、第１酸化物層５を薄く形成しても、電流拡散の性能が不十分なものとなりにくいことから、第１酸化物層５を薄く形成することにより、第１酸化物層５の透光性を向上させることができる。

本実施例では、図１６に示す構成の窒化物半導体発光ダイオード素子（以下において単に「ＬＥＤ素子」とも記する）を作製する。まず、サファイアからなる基板１１を用意し、その基板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を流しながら基板１１の温度を１０５０℃まで上昇させることにより、基板１１の表面（Ｃ面）をクリーニングする。

次に、ＭＯＣＶＤ法により基板１１の表面（Ｃ面）上に、ｎ型窒化物半導体層１２を形成した。ｎ型窒化物半導体層１２は、バッファ層、ｎ型窒化物下地層、およびｎ型窒化物コンタクト層からなるものであり、具体的には以下の手順で作製する。

基板１１の温度を５１０℃まで低下させる上で、反応炉内にキャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびトリメチルガリウム（ＴＭＧ：TriMethylGallium）を流しながら、基板１１の表面（Ｃ面）上に、ＧａＮからなるバッファ層を約２０ｎｍの厚さで積層する。

そして、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、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧ、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流しながら、バッファ層上に、キャリア濃度が１×１０¹⁸／ｃｍ³となるようにＳｉをドーピングしたＧａＮからなるｎ型窒化物半導体下地層を６μｍの厚さで積層する。

続いて、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ｎ型窒化物半導体下地層と同様の方法により、ｎ型窒化物半導体下地層上にＧａＮからなるｎ型窒化物半導体コンタクト層を０．５μｍの厚さで形成する。以上がｎ型窒化物半導体層１２を形成する工程である。

次に、基板１１の温度を７００℃に低下し、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、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型窒化物半導体コンタクト層上に２．５ｎｍの厚さのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎからなる井戸層１３ａおよび１０ｎｍの厚さのＧａＮからなる障壁層１３ｂをそれぞれ交互に６周期成長させ、多重量子井戸構造からなる活性層１３とする。なお、活性層１３の形成時において、ＧａＮ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。このとき6周期形成される井戸層１３ａのいずれかが発光層として機能する。

次に、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、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを反応炉内に流しながら、発光層１３上にＧａＮからなる蒸発防止層１４を１５ｎｍの厚さで形成する。

次に、蒸発防止層１４上に、第１のｐ型窒化物半導体層、およびｐ型窒化物半導体コンタクト層からなるｐ型窒化物半導体層１５をＭＯＣＶＤ法により形成する。ここで、ｐ型窒化物半導体層１５を形成する具体的な手順は以下の通りである。

まず、基板１１の温度を９５０℃に上昇させ、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧ、およびトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ：TriMethylAluminum）、不純物ガスとしてＣＰ₂Ｍｇを反応炉内に流しながら、Ｍｇが１×１０²⁰／ｃｍ³の濃度でドーピングされたＡｌ_0.20Ｇａ_0.85Ｎからなる第１のｐ型窒化物半導体層を約２０ｎｍの厚さで形成する。

次に、基板１１の温度を９５０℃に保持し、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧ、不純物ガスとしてＣＰ₂Ｍｇを反応炉内に流しながら、第１のｐ型窒化物半導体層上に、Ｍｇが１×１０²⁰／ｃｍ³の濃度となるようにドーピングしたＧａＮからなるｐ型窒化物半導体コンタクト層を８０ｎｍの厚さで形成する。そして、基板１の温度を７００℃に低下し、キャリアガスとして窒素を反応炉内に流しながら、アニーリングを行なう。

次に、反応炉からウェハを取り出し、ｐ型窒化物半導体層１５の表面に、６％の原子濃度でニオブをドーピングしたニ酸化チタン（ＴｉＯ₂）からなる第１酸化物層１６をスパッタ法により３００ｎｍの厚さで形成する。そして、同様の方法により３００ｎｍのニオブを含まないＴｉＯ₂からなる第２酸化物層１７を形成する。

その後、第２酸化物層１７上に所定の形状にパターニングされたマスクを形成する。そして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching)装置を用いて、マスクが形成されていない部分の第２酸化物層１７、第１酸化物層１６、ｐ型窒化物半導体層１５、蒸発防止層１４、発光層１３、およびｎ型窒化物半導体層１２の一部をエッチングで除去することにより、ｎ型窒化物半導体層１２（ｎ型窒化物半導体コンタクト層）の表面を露出させる。

さらに、第２酸化物層１７上に所定の形状にパターニングされたマスクを形成する。そして、ＲＩＥ装置を用いて、マスクが形成されていない第２酸化物層１７の一部分をエッチングすることにより、図１６に示されるような、角柱上のパターンを形成する。露出した第１酸化物層１６上、および露出したｎ型窒化物半導体層１２上の所定の位置にＴｉとＡｌとを含むパット電極１８、１９をそれぞれ形成する。

以上のようにして、実施例１のＬＥＤ素子を形成する。このようにして作製されたＬＥＤ素子は、ｐ型窒化物半導体層１５と第１酸化物層１６との屈折率差が小さいことから、これらの各層の界面で反射しにくい。このため、ＬＥＤ素子の光取り出し効率が高く、かつ発光効率を高めることができる。また、第２酸化物層１７の表面がパターニングされて、凹凸構造となっていることにより、高い光取り出し効率を実現でき、発光効率を向上させることができる。

実施例２では、実施例１のＬＥＤ素子に対し、図１７に示すように、ｐ型窒化物半導体層１５と第１酸化物層１６との間に導電性酸化物層２０を形成することを除いては、実施例１と同様の方法により、実施例２のＬＥＤ素子を作製する。

具体的には、実施例１においてｐ型窒化物半導体層１５の形成後に、ウエハを反応炉から取り出し、ｐ型窒化物半導体層１５の表面にスパッタ法を用いてＩＴＯ（indium tin oxide）からなる導電性酸化物層２０を５０ｎｍの厚さで形成する。

実施例２のＬＥＤ素子のように、ＩＴＯからなる導電性酸化物層２０をｐ型窒化物半導体層１５と第１酸化物層１６との間に形成することにより、ｐ型窒化物半導体層１５と第１酸化物層１６との間の接触面のコンタクト抵抗を低くすることができ、以って光取り出し効率を高くするとともに、動作電圧を低くすることができる。

実施例３では、実施例１のＬＥＤ素子に対し、図１８に示すように、ｐ型窒化物半導体層１５と第１酸化物層１６との間に、Ｉｎを含む窒化物半導体層２１を形成することを除いては、実施例１と同様の方法により、実施例３のＬＥＤ素子を作製する。

具体的には、実施例１においてｐ型窒化物半導体層１５の形成後に、基板の温度を７００℃に低下させて、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧおよびＴＭＩ、不純物ガスとしてＣＰ₂Ｍｇを反応炉内に流しながら、Ｍｇが１×１０²⁰／ｃｍ³の濃度でドーピングされたＩｎ_0.1Ｇａ_0.9ＮからなるＩｎを含む窒化物半導体層２１を２０ｎｍの厚さで形成する。

実施例３のＬＥＤ素子のように、Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9ＮからなるＩｎを含む窒化物半導体層２１をｐ型窒化物半導体層１５上に形成することにより、ｐ型窒化物半導体層１５と第１酸化物層１６との間の接触面のコンタクト抵抗を低くすることができ、光取り出し効率を高くするとともに、動作電圧を低くすることができる。

実施例４では、実施例３のＩｎを含む窒化物半導体層２１の組成をＡｌ_0.05Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.8Ｎに代えることを除いては実施例３と同様の方法により、実施例４のＬＥＤ素子を作製する。

具体的には、実施例１においてｐ型窒化物半導体層１５を形成し、基板の温度を７００℃に低下させて、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧおよびＴＭＩ、ＴＭＡ、不純物ガスとしてＣＰ₂Ｍｇを反応炉内に流しながら、Ｍｇが１×１０²⁰／ｃｍ³の濃度でドーピングされたＡｌ_0.05Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.8ＮからなるＩｎを含む窒化物半導体層２１を２０ｎｍの厚さで形成する。

実施例４のＬＥＤ素子のように、Ａｌ_0.05Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.8ＮからなるＩｎを含む窒化物半導体層２１をｐ型窒化物半導体層１５上に形成することにより、ｐ型窒化物半導体層１５と第１酸化物層１６との間の接触面のコンタクト抵抗を低くすることができ、光取り出し効率を高くするとともに、動作電圧を低くすることができる。

実施例５では、実施例１に対して、ＴｉとＡｌを含むパット電極１８、１９を図１９に示すように枝状に伸ばし、第１酸化物層１６の厚さを１５０ｎｍに変更することを除いては、実施例１と同様の方法により、実施例５のＬＥＤ素子を作製する。

実施例５のＬＥＤ素子のように、パット電極を枝上に伸ばすことにより、ｐ側の第１酸化物層である第１酸化物層１６の厚みが薄くても電流を十分拡散させることができ、動作電圧を低くすることができる。また、第１酸化物層１６の厚みを薄くすることにより、第１酸化物層１６が発光層１３からの光の吸収率を下げることができ、以って光取り出し効率を高くするとともに、発光効率を向上させることができる。

以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。

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。

本発明によれば、光取り出し効率が高く、かつ発光効率が高い窒化物半導体発光素子を提供することができる。

１ 基板、２ ｎ型窒化物半導体層、３ 発光層、４ ｐ型窒化物半導体層、５ 第１酸化物層、６ 第２酸化物層、７，８ 金属電極、１０ 窒化物半導体積層体、１１ 基板、１２ ｎ型窒化物半導体層、１３ 活性層、１４ 蒸発防止層、１５ ｐ型窒化物半導体層、１６ 第１酸化物層、１７ 第２酸化物層 １８，１９ パット電極、２０ 導電性酸化物層、２１ Ｉｎを含む窒化物半導体層。

Claims (17)

1. 窒化物半導体積層体と、導電性の第１酸化物層と、絶縁性の第２酸化物層とを含み、
   前記第１酸化物層および前記第２酸化物層は、同一種類の酸化物材料からなる、窒化物半導体発光素子。
2. 前記酸化物材料は、２．３以上の屈折率を有する、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
3. 前記窒化物半導体積層体、前記第１酸化物層、および前記第２酸化物層の順にアノード側に形成される、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記酸化物材料は、二酸化チタンである、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
5. 前記第１酸化物層を構成する二酸化チタン中のチタンに対し、ニオブ、タンタル、モリブデン、ヒ素、アンチモン、アルミニウムまたはタングステンのいずれかがモル比で１％以上１０％以下ドープされ、
   前記第２酸化物層を構成する二酸化チタン中のチタンに対し、ニオブ、タンタル、モリブデン、ヒ素、アンチモン、アルミニウムまたはタングステンのいずれかがモル比で１％未満ドープされる、請求項３に記載の窒化物半導体発光素子。
6. 前記二酸化チタンからなる第１酸化物層は、アナターゼ型である、請求項４または５に記載の窒化物半導体発光素子。
7. 前記第２酸化物層は、１００ｎｍ以上の厚さである、請求項１〜６のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
8. 前記第２酸化物層は、その表面に凹凸を有する、請求項１〜７のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
9. 前記第２酸化物層は、その表面に１００ｎｍ以上の高さの凹凸を有する、請求項８に記載の窒化物半導体発光素子。
10. 前記第２酸化物層は、メッシュ状、円錐状、円柱状、角錐状、または角柱状のいずれかにパターニングされる、請求項１〜９のいずれか記載の窒化物半導体発光素子。
11. 前記窒化物半導体積層体と前記第１酸化物層との間に、導電性酸化物層が形成され、
    前記導電性酸化物層は、窒化物半導体発光素子の発光波長の４分の１以下の厚さであり、かつ、二酸化チタン以外の酸化物からなる、請求項１〜１０のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
12. 前記導電性酸化物層は、Ｓｎドープ酸化インジウムからなる、請求項１１に記載の窒化物半導体発光素子。
13. 前記窒化物半導体積層体と、前記第１酸化物層との間に、Ｉｎを含む窒化物半導体層を含む、請求項１〜１２のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
14. 前記Ｉｎを含む窒化物半導体層は、５ｎｍ以上の厚さである、請求項１３に記載の窒化物半導体発光素子。
15. 前記Ｉｎを含む窒化物半導体層は、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（ｘ＞０、ｙ＞０）からなる、請求項１３または１４に記載の窒化物半導体発光素子。
16. 前記Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮのＩｎ混晶比ｙは、Ａｌ混晶比ｘよりも大きい、請求項１５に記載の窒化物半導体発光素子。
17. アノード側またはカソード側のパット電極から枝状に伸びるように金属電極が形成される、請求項１〜１６のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。

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