特許 5994420 ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子およびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5994420

(24)【登録日】2016年9月2日

(45)【発行日】2016年9月21日

(54)【発明の名称】ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子およびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/32 20100101AFI20160908BHJP

【ＦＩ】

   H01L33/32

【請求項の数】3

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2012-139602(P2012-139602)

(22)【出願日】2012年6月21日

(65)【公開番号】特開2014-7181(P2014-7181A)

(43)【公開日】2014年1月16日

【審査請求日】2014年8月27日

(73)【特許権者】

【識別番号】000241463

【氏名又は名称】豊田合成株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087723

【弁理士】

【氏名又は名称】藤谷 修

(72)【発明者】

【氏名】奥野 浩司

【審査官】 島田 英昭

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２００５／１２２２９０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０００−１６４９２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１１４３８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２２７８３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１１９７５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０８０４６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００６／１２６３３０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００９−２３１５４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１１−５１９４８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００７／１３６０６４（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３３／００ − ３３／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ｐコンタクト層上に、前記ｐコンタクト層よりも発光波長における屈折率が小さい材料からなる透明電極を有し、この透明電極を通して透明電極側から光を外部に出力させるフェイスアップ型のIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記ｐコンタクト層と前記透明電極との間であってその双方に接して位置し、前記ｐコンタクト層よりも発光波長における屈折率が小さく、かつ、前記透明電極よりも発光波長における屈折率が大きいとともに、ＭｇドープのＡｌＧａＮからなる半導体層を有し、
前記ｐコンタクト層はＧａＮからなり、
前記透明電極はＩＴＯからなり、
前記発光波長は４００〜５００ｎｍであり、
前記半導体層のＡｌ組成比は１０〜４０％、厚さは５〜２５Åであり、
前記半導体層のＭｇ濃度は１×１０²⁰〜１×１０²¹／ｃｍ³ であり、
前記ｐコンタクト層と前記半導体層との屈折率差が０．０５〜０．２、前記半導体層と前記透明電極との屈折率差が０．１５〜０．４の範囲であって、前記半導体層の屈折率を、前記ｐコンタクト層から前記透明電極に向かって段階的あるいは連続的に減少させることで、前記ｐコンタクト層と前記透明電極間の反射を抑制して光取り出し効率を向上させた
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。

【請求項2】

前記半導体層の前記透明電極側表面に凹凸を有することを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。

【請求項3】

ｐコンタクト層上に、前記ｐコンタクト層よりも発光波長における屈折率が小さい材料からなる透明電極を有し、この透明電極を通して透明電極側から光を外部に出力させるフェイスアップ型のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
ＧａＮからなるｐコンタクト層の形成後、前記ｐコンタクト層上に接して、前記ｐコンタクト層よりも発光波長４００〜５００ｎｍにおける屈折率が小さく、ＩＴＯからなる透明電極よりも発光波長における屈折率が大きく、前記ｐコンタクト層に対する屈折率差が０．０５〜０．２、前記透明電極に対する屈折率差が０．１５〜０．４の範囲内であって、かつ、屈折率が前記ｐコンタクト層から前記透明電極に向かって段階的あるいは連続的に減少していくとともに、Ｍｇがドープされ、そのＭｇ濃度が１×１０²⁰〜１×１０²¹／ｃｍ³ であるＡｌＧａＮからなる半導体層を、Ａｌ組成比１０〜４０％、厚さ５〜２５Å、成長温度８００℃以下で形成すると共に、前記半導体層の前記透明電極側表面に凹凸を形成し、
その後、前記半導体層上に接して前記透明電極を形成する、
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光取り出し効率が向上されたIII 族窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

III 族窒化物半導体発光素子は白色発光の光源として利用されており、特に照明やディスプレイのバックライトなどの用途として需要が拡大している。

【0003】

そのIII 族窒化物半導体発光素子の構造として、ｐコンタクト層上にＩＴＯからなる透明電極を形成して電流を拡散させる構造が広く採用されている。そしてそのｐコンタクト層として、ｐ−ＧａＮ／ｐ−ＡｌＧａＮを採用してもよいことが特許文献１に記載されている。しかし、ｐ−ＡｌＧａＮ層を設ける理由については特に記載がない。

【0004】

また、特許文献２、３には、ｐ−ＧａＮからなるｐコンタクト層上に、ｐ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ｐ⁺ −ＡｌＧａＮを繰り返し積層させた構造を設けることが記載されている。これは、ＧａＮとＡｌＧａＮとの界面に生じる２次元電子ガスを利用して、素子の主面方向への電流拡散性を向上させるためのものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００８−４７８６４号公報

【特許文献2】特開２００６−３１３８８８号公報

【特許文献3】特表２０１０−５１２０１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

照明などの用途では、高出力なIII 族窒化物半導体発光素子が求められる。しかし、III 族窒化物半導体発光素子は光取り出し効率が低いという問題がある。光取り出し効率を悪化させている原因の１つが、ｐコンタクト層と透明電極との界面における反射である。ｐコンタクト層をｐ−ＧａＮ、透明電極をＩＴＯとした場合、ｐコンタクト層の青色光における屈折率はおよそ２．３、透明電極の青色光における屈折率はおよそ１．９であり、屈折率が大きく異なっている。そのため、発光層から放射される光の一部は、ｐコンタクト層と透明電極との界面で全反射して素子外部に取り出すことができない。

【0007】

特許文献１〜３には、上記のようなｐコンタクト層と透明電極との界面での反射を課題とする記載はない。

【0008】

そこで本発明の目的は、ｐコンタクト層と透明電極との間での反射を抑制して光取り出し効率を向上させたIII 族窒化物半導体発光素子を提供することである。また、そのIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

第１の発明は、ｐコンタクト層上に、ｐコンタクト層よりも発光波長における屈折率が小さい材料からなる透明電極を有し、この透明電極を通して透明電極側から光を外部に出力させるフェイスアップ型のIII 族窒化物半導体発光素子において、ｐコンタクト層と透明電極との間であってその双方に接して位置し、ｐコンタクト層よりも発光波長における屈折率が小さく、かつ、透明電極よりも発光波長における屈折率が大きいとともに、ＭｇドープのＡｌＧａＮからなる半導体層を有し、ｐコンタクト層はＧａＮからなり、透明電極はＩＴＯからなり、発光波長は４００〜５００ｎｍであり、半導体層のＡｌ組成比は１０〜４０％、厚さは５〜２５Åであり、半導体層のＭｇ濃度は１×１０²⁰〜１×１０²¹／ｃｍ³ であり、ｐコンタクト層と半導体層との屈折率差が０．０５〜０．２、半導体層と透明電極との屈折率差が０．１５〜０．４の範囲であって、半導体層の屈折率を、ｐコンタクト層から透明電極に向かって段階的あるいは連続的に減少させることで、ｐコンタクト層と透明電極間の反射を抑制して光取り出し効率を向上させたことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

【0010】

半導体層は、Ａｌ組成比が１０〜４０％のＡｌＧａＮであって、ｐコンタクト層よりも発光波長における屈折率（以下、特に断りのない限り屈折率は発光波長におけるものとする）が小さく、透明電極よりも屈折率が大きな材料である。III 族窒化物半導体は、Ａｌ組成比が大きいほど屈折率が低くなり、Ｉｎ組成比が大きいほど屈折率が高くなる。そのため、III 族金属の組成比によって屈折率の制御が可能である。本発明では、ＡｌＧａＮである。III 族金属がＡｌとＧａの２つであるから組成比の制御が容易であり、屈折率の制御も容易となるからである。なお、Ａｌ組成比は、III 族窒化物半導体のIII 族金属におけるＡｌの割合（ｍｏｌ％、以下単に％）を示す。すなわち、化学式Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ（０＜ｘ＜１）で表わされるIII 族窒化物半導体において、ｘ＊１００（％）がＡｌ組成比である。Ａｌ組成比が５０％より大きいと、半導体層の抵抗が高くなり、駆動電圧を上昇させてしまうため望ましくない。また、Ａｌ組成比が１０％未満では、ｐコンタクト層との屈折率差が小さく、ｐコンタクト層１６と透明電極１９との間の反射を抑制する効果が小さくなるため望ましくない。

【0011】

半導体層は、Ａｌ組成比を厚さ方向に変化させることによって、ｐコンタクト層側から透明電極側に向かって屈折率が段階的あるいは連続的に減少するように構成されていてもよい。この場合における本発明のＡｌ組成比とは、厚さ方向でのＡｌ組成比の平均を意味するものとする。本発明では、半導体層のＡｌ組成比の範囲は１０〜４０％、望ましくは２０〜３５％である。ｐコンタクト層と半導体層との屈折率差は０．０５〜０．２、半導体層と透明電極との屈折率差は０．１５〜０．４とする。屈折率差をこのような範囲とすることで、ｐコンタクト層１６と透明電極１９との間での反射がより抑制され、光取り出し効率がより向上する。

【0012】

半導体層の厚さは、１分子層〜５０Åであればよい。５０Åよりも厚いと、半導体層の抵抗率が高いことから駆動電圧を上昇させてしまう。また、ｐコンタクト層上に半導体層の形成されていない領域があるのは好ましくない。その領域ではｐコンタクト層１６と透明電極１９との間の反射を抑制する効果が得られないためである。本発明では、５〜２５Åである。半導体層の厚さは一定であってもよいし、一定でなくてもよい。半導体層の透明電極側の面は凹凸を有していてもよい。このような凹凸を設けることで、光取り出し効率のさらなる向上を図ることができる。なお、半導体層の厚さが一定でない場合には、本発明における厚さとは厚さの平均を示すとする。

【0013】

半導体層にはＭｇをドープしている。Ｍｇをドープすることで透明電極とのコンタクト抵抗を低減することができ、駆動電圧の上昇を抑制することができる。半導体層のＭｇ濃度は１×１０²⁰〜１×１０²¹／ｃｍ³ である。より望ましくは２×１０²⁰〜１×１０²¹／ｃｍ³ 、さらに望ましくは３×１０²⁰〜５×１０²⁰／ｃｍ³ である。

【0014】

ｐコンタクト層は、半導体層よりも発光波長における屈折率の大きなＭｇドープのＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどのIII 族窒化物半導体であればよく、単層でもＭｇ濃度や組成比などの異なる複層でもよい。本発明では、ｐコンタクト層はＧａＮとしている。ｐコンタクト層をＡｌＧａＮとする場合にはＡｌ組成比を５％以下とすることが望ましい。Ａｌ組成比がこれよりも大きいと、ｐコンタクト層の結晶性が悪化してしまうため、または抵抗率が上昇して駆動電圧が上昇してしまうためである。ｐコンタクト層表面（半導体層側の面）に凹凸を設け、光取り出し効率の向上を図ってもよい。

【0015】

透明電極は、半導体層よりも発光波長における屈折率の小さい材料であればよく、ＩＴＯ、ＩＺＯ（亜鉛ドープの酸化インジウム）、ＺｎＯ、ＩＣＯ（セリウムドープの酸化インジウム）などの透明導電性酸化膜や、Ｃｏ／Ａｕ、Ａｕ、などの金属薄膜、などを用いることができる。本発明では、ＩＴＯを用いている。

【0016】

なお、ｐコンタクト層が複層である場合には、本発明における屈折率の大小は、ｐコンタクト層の複数の層のうち、半導体層に接する層についての屈折率の大小をいうものとする。透明電極についても同様である。

【0017】

III 族窒化物半導体発光素子の発光波長は４００〜５００ｎｍとする。この範囲において、本発明によるｐコンタクト層と透明電極の間での反射低減効果がより十分に発揮される。

【0018】

本発明において、半導体層の厚さは５〜２５Åである。

【0019】

本発明において、半導体層のＡｌ組成比は１０〜４０％である。

【0020】

本発明において、ｐコンタクト層と半導体層との屈折率差が０．０５〜０．２、半導体層と透明電極との屈折率差が０．１５〜０．４、である。

【0021】

第２の発明において、半導体層の透明電極側表面に凹凸を有することを特徴とする。

【0022】

【0023】

【0024】

本発明において、ｐコンタクト層は、ＧａＮからなる。

【0025】

本発明とは別に、ｐコンタクト層は、Ａｌ組成比が５％以下のＡｌＧａＮを用いることも可能である。

【0026】

本発明において、透明電極はＩＴＯからなる。

【0027】

本発明において、発光波長は４００〜５００ｎｍである。

【0028】

第３の発明は、ｐコンタクト層上に、ｐコンタクト層よりも発光波長における屈折率が小さい材料からなる透明電極を有し、この透明電極を通して透明電極側から光を外部に出力させるフェイスアップ型のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、ＧａＮからなるｐコンタクト層の形成後、ｐコンタクト層上に接して、ｐコンタクト層よりも発光波長４００〜５００ｎｍにおける屈折率が小さく、ＩＴＯからなる透明電極よりも発光波長における屈折率が大きく、ｐコンタクト層に対する屈折率差が０．０５〜０．２、透明電極に対する屈折率差が０．１５〜０．４の範囲内であって、かつ、屈折率がｐコンタクト層から透明電極に向かって段階的あるいは連続的に減少していくとともに、Ｍｇがドープされ、そのＭｇ濃度が１×１０²⁰〜１×１０²¹／ｃｍ³ であるＡｌＧａＮからなる半導体層を、Ａｌ組成比１０〜４０％、厚さ５〜２５Å、成長温度８００℃以下で形成すると共に、半導体層の透明電極側表面に凹凸を形成し、その後、半導体層上に接して透明電極を形成する、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。

【0029】

半導体層の成長温度は、８００℃以下である。成長温度を下げることで半導体層表面に凹凸を設けることができ、光取り出し効率を向上させることができる。なお、成長温度の下限は半導体層が結晶成長する温度である。半導体層表面に凹凸を設ける方法としては、成長温度を下げる他にＭｇなどの不純物を過剰にドープする（たとえば１×１０²¹／ｃｍ³ 以上）方法もある。

【0030】

【発明の効果】

【0031】

本発明のような半導体層をｐコンタクト層と透明電極との間に設けることにより、ｐコンタクト層と透明電極との間での反射が低減される。そのため、本発明によれば、III 族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。

【0032】

また、半導体層の透明電極側表面に凹凸を設けることにより、さらなる光取り出し効率の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0033】

【図1】実施例１の発光素子の構成を示した図。

【図2】実施例１の発光素子の製造工程を示した図。

【図3】半導体層１８の厚さと光出力との関係を示したグラフ。

【図4】電流密度と発光効率との関係を示したグラフ。

【図5】実施例２の発光素子の構成を示した図。

【発明を実施するための形態】

【0034】

以下、本発明の実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

【実施例1】

【0035】

図１は、実施例１の発光素子の構成を示した図である。図１のように、実施例１の発光素子は、サファイア基板１０上に、ＡｌＮからなるバッファ層（図示しない）を介して、III 族窒化物半導体からなるｎコンタクト層１１、ｎクラッド層１３、発光層１４、ｐクラッド層１５、ｐコンタクト層１６、半導体層１８が順に積層されている。また、半導体層１８表面側からｎコンタクト層１１に達する深さの溝が形成されており、溝の底面にｎコンタクト層１１が露出している。そして、その溝の底面に露出したｎコンタクト層１１上にｎ電極１７が位置している。また、半導体層１８上にはＩＴＯからなる透明電極１９が位置している。透明電極１９上にはｐ電極２０が位置している。この実施例１の発光素子は、ｐ電極２０側の面から光を取り出すフェイスアップ型の素子である。

【0036】

以下、実施例１の発光素子の各構成についてより詳しく説明する。

【0037】

サファイア基板１０は、III 族窒化物半導体を結晶成長させる側の表面に、ストライプ状、ドット状などの周期的なパターンの凹凸（図示しない）が設けられている。この凹凸は、光取り出し効率の向上を目的に設けられている。成長基板として、サファイア以外にも、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、スピネル、ＧａＮ、Ｇａ₂ Ｏ₃ などを用いることができる。

【0038】

ｎコンタクト層１１は、Ｓｉ濃度が１×１０¹⁸／ｃｍ³ 以上のｎ−ＧａＮである。ｎコンタクト層１１をＳｉ濃度の異なる複数の層で構成してもよく、複数の層のうち一部の層のＳｉ濃度を高くしてｎ電極１７と接触させるようにすれば、ｎコンタクト層１１の結晶性を悪化させずにｎ電極１７とのコンタクト抵抗をより低減することができる。

【0039】

ｎクラッド層１３は、アンドープＩｎＧａＮ、アンドープＧａＮ、ｎ−ＧａＮを順に積層させた３層を１ペアとして、これを１５ペア繰り返し積層させた超格子構造である。

【0040】

ｎコンタクト層１１とｎクラッド層１３との間に、耐圧を高めるためのＥＳＤ層を設けてもよい。ＥＳＤ層は、たとえば、ｎコンタクト層１１側から、厚さ３１２．５ｎｍのアンドープＧａＮ、Ｓｉ濃度５×１０¹⁸〜９×１０¹⁸／ｃｍ³ 、厚さ３０ｎｍのｎ−ＧａＮ、の順に積層された２層で構成された層である。

【0041】

発光層１４は、アンドープのＩｎＧａＮからなる井戸層とアンドープのＡｌＧａＮからなる障壁層とが交互に繰り返し積層されたＭＱＷ構造である。井戸層と障壁層との間に、Ａｌ組成比が障壁層のＡｌ組成比以下のＡｌＧａＮからなり、井戸層と同じ成長温度で形成するキャップ層を設けてもよい。このようなキャップ層を設けると、障壁層を形成する際の昇温時に井戸層からのＩｎの離脱が防止されるため、発光効率を向上させることができる。発光層１４とｐクラッド層１５との間に、ｐクラッド層１５中のＭｇが発光層１４へ拡散するのを防止するために、アンドープのＧａＮとアンドープのＡｌＧａＮとからなる層を設けてもよい。

【0042】

ｐクラッド層１５は、ｐ−ＡｌＧａＮ層とｐ−ＩｎＧａＮ層とを積層させた層を１単位として、これを繰り返し積層させた超格子構造である。ただし、最初に形成する層、すなわち、発光層１４に接する層をｐ−ＩｎＧａＮ層とし、最後に形成する層、すなわち、ｐコンタクト層１６に接する層をｐ−ＡｌＧａＮ層としている。ｐクラッド層１５は上記以外の超格子構造であってもよいし、超格子構造以外の構造であってもよい。たとえばｐ−ＡｌＧａＮからなる単層であったり、超格子構造ではない複数の層で構成されていてもよい。

【0043】

ｐコンタクト層１６は、ｐ−ＧａＮからなる単層である。半導体層１８よりも屈折率の大きなIII 族窒化物半導体であれば、ＧａＮ以外でもよく、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮやＡｌＧａＩｎＮを用いてもよい。ＡｌＧａＮを用いる場合にはＡｌ組成比を５％以下とすることが望ましい。また、Ｍｇ濃度や組成比の異なる複数の層で構成してもよい。なお、ｐコンタクト層１６が複数の層で構成されている場合には、ｐコンタクト層１６を構成する複数の層のうち半導体層１８に接する層が、半導体層１８の屈折率よりも大きければよい。また、ｐコンタクト層１６表面（半導体層１８側の面）に凹凸を設けて光取り出し効率の向上を図ってもよい。

【0044】

半導体層１８は、Ａｌ組成比が１０〜５０％のＡｌＧａＮからなり、厚さは２〜５０Åである。半導体層１８の発光波長における屈折率は、ｐコンタクト層１６の屈折率よりも小さく、透明電極１９の屈折率よりも大きい。また、半導体層１８は平坦な膜状でｐコンタクト層１６上のほぼ全面に形成されており、半導体層１８の一方の表面はｐコンタクト層１６に接しており、他方の表面は透明電極１９に接している。このような半導体層１８をｐコンタクト層１６と透明電極１９との間に導入することで、ｐコンタクト層１６から透明電極１９に向かって屈折率が段階的に変化することとなり、ｐコンタクト層１６と透明電極１９との間での反射が抑制されるため、光取り出し効率が向上する。

【0045】

半導体層１８には、ＡｌＧａＮ以外にもＡｌを含む任意の組成比のIII 族窒化物半導体を用いることができる。III 族窒化物半導体は、Ａｌ組成比が大きいほど屈折率が低くなり、Ｉｎ組成比が大きいほど屈折率が高くなるので、III 族金属の組成比を制御することによって、半導体層１８の屈折率を上記のような範囲とすることが可能である。望ましくは、実施例１のようにＡｌＧａＮである。３元系のため組成比の制御が４元系に比べて容易であり、屈折率の制御も容易となるためである。

【0046】

半導体層１８のＡｌ組成比を１０〜５０％としたのは、Ａｌ組成比が５０％より大きいと、半導体層１８の抵抗が高くなり、駆動電圧を上昇させてしまうからであり、Ａｌ組成比が１０％未満では、ｐコンタクト層１６との屈折率差が小さく、ｐコンタクト層１６と透明電極１９との間の反射を抑制する効果が小さくなるためである。半導体層１８のＡｌ組成比のより望ましい範囲は１０〜４０％、さらに望ましくは２０〜３５％である。

【0047】

ｐコンタクト層１６と半導体層１８との屈折率差は０．０５〜０．２、半導体層１８と透明電極１９との屈折率差は０．１５〜０．４とすることが望ましい。屈折率差をこのような範囲とすることで、ｐコンタクト層１６と透明電極１９との間での反射がより抑制され、光取り出し効率がより向上する。

【0048】

半導体層１８の屈折率は、ｐコンタクト層側から透明電極側に向かって屈折率が段階的あるいは連続的に減少するように構成されていてもよい。このような屈折率変化は、たとえばＡｌ組成比を厚さ方向に変化させることによって達成することができる。このように半導体層１８の屈折率を一定としない場合には、厚さ方向でのＡｌ組成比の平均が１０〜５０％であればよい。

【0049】

半導体層１８の厚さを１分子層〜５０Åとしたのは、以下の理由による。半導体層１８を１分子層未満とする場合、つまり半導体層１８を設けない場合は、ｐコンタクト層１６と透明電極１９との間の屈折率差が大きく、光取り出し効率が低い。また、半導体層１８が５０Åより厚いと、半導体層１８をトンネルする電子が少なくなり、半導体層１８の抵抗が高いことから駆動電圧が上昇してしまう。以上の理由から厚さを１分子層〜５０Åとした。半導体層１８はｐコンタクト層１６表面のほぼ全面を覆うように形成されていることが望ましい。全面を覆うように形成されているのであれば、厚さは一定でなくともよい。厚さが一定でない場合には、厚さの平均が１分子層〜５０Åであればよい。ドット状、メッシュ状、島状などに形成されていると、ｐコンタクト層１６と透明電極１９とが直接接する領域が存在してしまい、その領域では半導体層１８による反射を低減する効果がない。そのため、光取り出し効率の向上効果が小さく望ましくない。半導体層１８のより望ましい厚さは５〜２５Åである。

【0050】

半導体層１８はアンドープであってもよいが、透明電極１９とのコンタクト抵抗を低減するためにＭｇがドープされていることが望ましい。Ｍｇ濃度は１×１０²⁰〜１×１０²¹／ｃｍ³ が望ましい。より望ましくは２×１０²⁰〜１×１０²¹／ｃｍ³ 、さらに望ましくは３×１０²⁰〜５×１０²⁰／ｃｍ³ である。

【0051】

透明電極１９はＩＴＯからなり、半導体層１８表面のほぼ全面に設けられている。透明電極１９には、半導体層１８よりも屈折率の小さな材料を用いることができ、ＩＴＯ以外にもＩＣＯ（セリウムドープの酸化インジウム）やＩＺＯ（亜鉛ドープの酸化インジウム）、ＺｎＯ、ＴｉＯ₂ 、ＮｂＴｉＯ₂ 、ＴａＴｉＯ₂ 、などの透明酸化物導電体材料や、Ｃｏ／Ａｕ、Ａｕなどの金属薄膜、グラフェン、などを用いることができる。

【0052】

ｎ電極１７、ｐ電極２０は、ワイヤがボンディングされるパッド部と、面内に配線状（たとえば格子状や櫛歯状、放射状）に広がり、パッド部と接続する配線状部と、を有する構造としてもよい。このような構造とすることで電流拡散性を向上させることができ、均一な発光とすることができる。

【0053】

以上説明した実施例１の発光素子では、ｐコンタクト層１６と透明電極１９との間に、上記の屈折率、Ａｌ組成比、厚さを満たした半導体層１８を設けているため、従来ｐコンタクト層１６と透明電極１９との界面で生じていた反射を低減することができる。そのため、実施例１の発光素子は従来の発光素子に比べて光取り出し効率が向上している。

【0054】

なお、実施例１の発光素子の発光波長は３８０〜６００ｎｍとするのが望ましく、より望ましくは４００〜５００ｎｍである。この波長範囲において、ｐコンタクト層１６と透明電極１９との間の反射を効果的に抑制することができる。

【0055】

次に、実施例１の発光素子の製造工程について図を参照に説明する。

【0056】

まず、凹凸加工が施されたサファイア基板１０を用意し、水素雰囲気で加熱して表面のクリーニングを行う（図２（ａ））。

【0057】

次に、サファイア基板１０上に、ＭＯＣＶＤ法によって、ＡｌＮからなるバッファ層（図示しない）、ｎコンタクト層１１、ＥＳＤ層１２、ｎクラッド層１３、発光層１４、ｐクラッド層１５、ｐコンタクト層１６、半導体層１８を順に積層させる（図２（ｂ））。ＭＯＣＶＤ法において用いる原料ガスは、窒素源として、アンモニア（ＮＨ₃ ）、Ｇａ源として、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ₃ ）₃ ）、Ｉｎ源として、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ₃ ）₃ ）、Ａｌ源として、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ₃ ）₃ ）、ｎ型ドーピングガスとして、シラン（ＳｉＨ₄ ）、ｐ型ドーピングガスとしてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ₅ Ｈ₅ ）₂ ）、キャリアガスとしてＨ₂ 、Ｎ₂ である。

【0058】

ここで、半導体層１８を成長させる際の温度は、１０００℃以下とする。これにより、ｐコンタクト層１６上の全面に膜状に半導体層１８が形成されるようにする。また、半導体層１８のＡｌ組成比が１０〜５０％、厚さが２〜５０Åとなるように、原料ガスの供給量や成長時間を調整する。

【0059】

次に、所定の領域をドライエッチングして半導体層１８表面からｎコンタクト層１１に達する深さの溝を形成する。そして、半導体層１８上のほぼ全面にＩＴＯからなる透明電極１９を形成し、透明電極１９上にｐ電極２０、溝底面に露出したｎコンタクト層１１表面にｎ電極１７を形成する。以上によって図１に示した実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子が製造される。

【0060】

図３は、半導体層１８の厚さと光出力との関係を示したグラフである。Ａｌ組成比３０％のＡｌＧａＮからなる半導体層１８の厚さを０（つまり半導体層１８を設けない）、１５、３５Åとした場合の光出力であり、光出力は半導体層１８を設けない場合を１とする相対値である。また、発光波長は４５０ｎｍとした。発光波長における屈折率は、ｐ−ＧａＮからなるｐコンタクト層１６がおよそ２．３、Ａｌ組成比３０％のＡｌＧａＮからなる半導体層１８がおよそ２．２、ＩＴＯからなる透明電極１９がおよそ１．９である。図３のように、半導体層１８を１５、３５Åとした場合のいずれも、半導体層１８を設けない場合よりも光出力が向上していることがわかる。これは、半導体層１８を設けたことにより、ｐコンタクト層１６と透明電極１９との間での反射が抑制され、光取り出し効率が向上したためであると考えられる。

【0061】

図４は、電流密度と発光効率との関係を示したグラフである。図３と同様に、Ａｌ組成比３０％のＡｌＧａＮからなる半導体層１８の厚さを０、１５、３５Åとした場合について示している。図４のように、半導体層１８を設けない場合、電流密度の増加とともに発光効率は減少していく。半導体層１８の厚さを１５、３５Åとした場合にも、同様の曲線を描き、電流密度の増加とともに発光効率は減少していく。しかし、どの電流密度においても、半導体層１８を設けない場合よりも、１５、３５Åの半導体層１８を設けた場合の方が、発光効率が高くなっている。

【0062】

また、図３、４を見るとわかるように、半導体層１８の厚さを１５Åとした場合の方が、３５Åとした場合よりも発光効率が高く光出力が高い。これは、半導体層１８を薄くすることによりトンネルする電子が増加し、その結果透明電極１９とのコンタクト抵抗や半導体層１８自体の抵抗が下がるためと考えられる。

【実施例2】

【0063】

図５は、実施例２の発光素子の構成を示した図である。実施例２の発光素子は、実施例１の発光素子における半導体層１８、透明電極１９を、以下に説明する半導体層１１８、透明電極１１９に置き替えたものであり、他の構成については実施例１の発光素子と同様である。

【0064】

半導体層１１８は、透明電極１１９側の表面に凹凸を有した膜状に形成されている。それ以外については実施例１の半導体層１８と同様の屈折率、厚さ、材料、Ａｌ組成比で構成されている。厚さについては、半導体層１１８の厚さの平均が半導体層１８と同様の範囲である。また、透明電極１１９は、凹凸を有した半導体層１１８表面上に、凹凸を埋めるようにして形成されている。透明電極１１９の材料、屈折率などは透明電極１９と同様である。

【0065】

このような凹凸は、実施例１の発光素子の製造工程の半導体層１８形成において、成長温度を９００℃以下とすればよい。あるいは、Ｍｇなどの不純物を過剰にドープ（たとえば１×１０²¹／ｃｍ³ 以上）しても凹凸が形成される。それ以外の製造工程については実施例１と同様である。成長温度は８００℃以下とすることが望ましい。凹凸の密度や深さが向上し、より光取り出し効率を向上させることができるためである。

【0066】

実施例２の発光素子は、実施例１の発光素子と同様にｐコンタクト層１６と透明電極１１９との間の反射が抑制されているため光取り出し効率が向上している。さらに、半導体層１１８表面に凹凸を設けているため、より光取り出し効率が向上している。

【0067】

なお、実施例１、２はフェイスアップ型の発光素子であるが、本発明はこれに限るものではなく、ｐ電極側から光を取り出す縦型構造の発光素子などに対しても適用することができ、光取り出し効率の向上を図ることができる。

【0068】

また、本発明は実施例１、２の発光素子における半導体層１８、１１８に特徴を有するものであり、他の構成については従来知られている種々の構造、製造方法等を採用することができる。

【産業上の利用可能性】

【0069】

本発明のIII 族窒化物半導体発光素子は、照明装置や表示装置などに利用することができる。

【符号の説明】

【0070】

１０：サファイア基板
１１：ｎコンタクト層
１３：ｎクラッド層
１４：発光層
１５：ｐクラッド層
１６：ｐコンタクト層
１７：ｎ電極
１８、１１８：半導体層
１９：透明電極
２０：ｐ電極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】