JP2007329382A - ＧａＮ系発光ダイオード素子 - Google Patents

Abstract

【課題】加工基板の上に発光素子構造を含むＧａＮ系半導体層を形成したＧａＮ系発光ダイオード素子のような、屈曲した屈折率界面を利用して光取出し効率の向上を図るＧａＮ系発光ダイオード素子における、光取出し効率の更なる改善を目的とする。
【解決手段】ＧａＮ系半導体層２０は、凹部および凸部を有する主面Ｓと発光層２２との間であって、該主面Ｓからの距離が、該主面Ｓから該発光層２２までの距離Ｄの１／２以下である領域に、該主面Ｓの側に向かって屈折率が上昇する部分を有している。
【選択図】図１

Description

本発明はＧａＮ系発光ダイオード素子に関し、特に発光出力の改善されたＧａＮ系発光ダイオード素子に関する。

一般式Ａｌ_ａＩｎ_ｂＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｎ（０≦ａ＜１、０≦ｂ＜１、０≦ａ＋ｂ＜１）で表されるＧａＮ（窒化ガリウム）系半導体が公知である。ＧａＮ系半導体は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮなど、任意の組成のものを含む。上記化学式において、Ｇａ（ガリウム）の一部をＢ（ホウ素）、Ｔｌ（タリウム）などで置換したもの、また、Ｎ（窒素）の一部をＰ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）などで置換したものも、ＧａＮ系半導体に含まれる。

ＧａＮ系半導体で発光ダイオード構造を構成したＧａＮ系発光ダイオード素子（以下「ＧａＮ系ＬＥＤ」ともいう。）が実用化されている。特に、ｐ型伝導性層とｎ型伝導性層とで発光層を挟んだダブルヘテロｐｎ接合型の発光ダイオード構造を有するＧａＮ系ＬＥＤは高出力を示し、表示用・装飾用の光源として広く用いられている。かかるＧａＮ系ＬＥＤは、典型的には、サファイア基板上に、バッファ層を介して、ＳｉドープＧａＮからなるｎ型コンタクト層（兼クラッド層）、ＩｎＧａＮ層を井戸層として含む量子井戸構造の発光層、ＭｇドープＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層、ＭｇドープＧａＮからなるｐ型コンタクト層を、この順に積層し、ｎ型コンタクト層上に負電極、ｐ型コンタクト層上に正電極を形成することにより構成される。サファイア基板上にＧａＮ系半導体層を形成する方法としては、工業的には、ＭＯＶＰＥ法（有機金属化合物気相成長法）が一般的である。

近年、結晶成長面を加工して凹凸面とした基板（以下、「加工基板（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）」ともいう。）の上に、発光ダイオード構造を含むＧａＮ系半導体層を形成したＧａＮ系ＬＥＤ（以下「ＰＳ−ＬＥＤ」ともいう。）が開発され、注目を集めている（特許文献１）。図８は、従来技術に係るＰＳ−ＬＥＤの構造例を模式的に示す断面図で、サファイア基板を加工してなる加工基板１００の表面には、エッチング加工によって幅３μｍ、深さ１μｍの溝が３μｍ間隔で多数形成され、その上にＭＯＶＰＥ法により成長されたＧａＮ系半導体層２００が形成されている。ＧａＮ系半導体層２００は、加工基板１００側から順に、ｎ側層２０１、発光層２０２、ｐ側層２０３を含んでいる。ｎ側層２０１は、発光層から見て負電極が形成される側に位置する層であり、加工基板１００上に形成された低温ＧａＮバッファ層（図示せず）と、その上に、加工基板の表面の溝を埋め込んで成長したアンドープＧａＮ層２０１ａと、その上に積層されたＳｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層２０１ｂとから構成されている。ｐ側層２０３は、発光層から見て正電極が形成される側に位置する層であり、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２０３ａと、Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層２０３ｂとから構成されている。発光層２０２は、膜厚１０ｎｍのＧａＮ障壁層と膜厚３ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層とを交互に１０層ずつ積層してなるＭＱＷ層である。３００は負電極であり、エッチングにより部分的に露出したＳｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層２０１ｂの表面に形成されている。４００は正電極であり、Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層の上面に形成されている。

図８に示すＰＳ−ＬＥＤでは、低温ＧａＮバッファ層およびアンドープＧａＮ層２０１ａが、加工基板１００の表面の凹部を充填している。そのために、このＧａＮ系半導体層２００の下面は、加工基板１００の表面形状に対応した屈曲面となっている。そして、ＧａＮ系半導体層２００と加工基板１００との間には、ＧａＮ系半導体層２００側を高屈折率側とする、屈曲した屈折率界面（屈折率が不連続的に変化する界面）が形成されている。この屈曲した屈折率界面の影響によって、ＧａＮ系半導体層２００の内部を横方向（層の厚さ方向に直交する方向）に伝播する光の進行方向が変わり、素子の光取出し面に向かう光の量が増加する。

特開２００２−２８０６１１号公報

しかしながら、図８に示すＰＳ−ＬＥＤでは、上記屈曲した屈折率界面が十分有効に利用されているとはいえない。なぜなら、このＰＳ−ＬＥＤでは、ＧａＮ系半導体層２００の内部を横方向に伝播する光が発光層２０２に強く閉じ込められるために、上記屈曲した屈折率界面とこの光との相互作用が大きくないからである。

本発明はかかる事情に鑑みなされたものであり、発光出力の改善されたＧａＮ系ＬＥＤを提供することを目的とする。本発明は、特に、ＰＳ−ＬＥＤのような、屈曲した屈折率界面を利用して光取出し効率の向上を図るＧａＮ系ＬＥＤにおける、光取出し効率の更なる改善を目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、次の特徴を有するＧａＮ系ＬＥＤを提供する。
（１）発光層と、該発光層を挟むｎ側層およびｐ側層と、からなるＧａＮ系半導体層を備え、該ＧａＮ系半導体層が、その少なくとも一方の主面に凹部および凸部を有し、かつ、該凹部および凸部を有する主面の側においてＧａＮ系半導体以外の透明物質と接しており、該ＧａＮ系半導体層と該透明物質との間に、該ＧａＮ系半導体層側を高屈折率側とする、屈曲した屈折率界面が形成されているＧａＮ系発光ダイオード素子であって、前記ＧａＮ系半導体層は、前記凹部および凸部を有する主面と前記発光層との間であって、該主面からの距離が、該主面から該発光層までの距離の１／２以下である領域に、該主面の側に向かって屈折率が上昇する部分を有している、ＧａＮ系発光ダイオード素子。
（２）前記透明物質が基板である、前記（１）に記載のＧａＮ系発光ダイオード素子。
（３）前記透明物質が、透明導電膜、絶縁保護膜、封止材または空気から選ばれる１つ以上の物質を含む、前記（１）に記載の系発光ダイオード素子。
（４）前記屈折率が上昇する部分が、異なる非超格子層の積層により形成されている、前記（１）〜（３）のいずれかに記載のＧａＮ系発光ダイオード素子。
（５）前記異なる非超格子層がＧａＮ層とＩｎＧａＮ層である、前記（４）に記載のＧａＮ系発光ダイオード素子。
（６）前記屈折率が上昇する部分が、異なる超格子層の積層により形成されている、前記（１）〜（３）のいずれかに記載のＧａＮ系発光ダイオード素子。
（７）前記屈折率が上昇する部分が、超格子層の内部に形成されている、前記（１）〜（３）のいずれかに記載のＧａＮ系発光ダイオード素子。
（８）前記屈折率が上昇する部分が、超格子層と非超格子層との積層により形成されている、前記（１）〜（３）のいずれかに記載のＧａＮ系発光ダイオード素子。
（９）前記超格子層がＧａＮ／ＩｎＧａＮ超格子層であり、前記非超格子層がＧａＮ層である、前記（８）に記載のＧａＮ系発光ダイオード素子。
（１０）前記超格子層がＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子層であり、前記非超格子層がＧａＮ層である、前記（８）に記載のＧａＮ系発光ダイオード素子。

図８に示す従来のＰＳ−ＬＥＤでは、ＧａＮ系半導体層２００が、ＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮ障壁層とからなる発光層２０３を有しており、この発光層を、ＧａＮからなるｎ側層２０１と、ＡｌＧａＮおよびＧａＮからなるｐ側層２０３とが挟んでいる。ＧａＮもＡｌＧａＮも、ＩｎＧａＮとＧａＮとからなる発光層２０３より低い屈折率を有しているために、ＧａＮ系半導体層２００の内部を横方向に伝播する光の電磁界強度分布（層の厚さ方向の分布）は、発光層２０２の位置において最大となり、発光層から離れるにつれて指数関数的に減衰する。一方、ｎ側層２０１は、加工基板の凸部上において５μｍ以上の膜厚を有している。これは、加工基板の表面の凹部を埋め込むために、アンドープＧａＮ層を凸部上の膜厚が２μｍを超えるまで成長させる必要があり、また、Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層は、そのシート抵抗が十分に低くなるように、３μｍ以上の厚さに形成する必要があるからである。その結果、ＧａＮ系半導体層２００の下面と発光層２０２との距離ｄは５μｍ以上となっている。この距離は、ＧａＮ系半導体層２００の内部を横方向に伝播する光の波長（＝発光層で生じる光のＧａＮ系半導体中における波長）に比べてずっと大きいことから、この光の電磁界強度分布は、ＧａＮ系半導体層２００の下面の近傍では、発光層２０２の近傍に比べて著しく小さくなる。そのために、この光が屈曲した屈折率界面（基板１００とＧａＮ系半導体層２００との界面）から受ける影響は小さく、光取出し効率の改善効果が十分に得られない。

これに対して、本発明に係るＧａＮ系ＬＥＤでは、ＧａＮ系半導体層内部を横方向に伝播する光の電磁界強度分布が、屈曲した屈折率界面の側に寄るように、ＧａＮ系半導体層内部の屈折率分布を設定している。そうすることによって、該光と該屈折率界面との相互作用が強くなるので、該屈折率界面の影響によって光取出し面に向かう光の割合が増加し、ＬＥＤの光取出し効率が改善される。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤの構造例を模式的に示す断面図である。このＧａＮ系ＬＥＤはＰＳ−ＬＥＤであり、加工基板１０の表面には、エッチング加工によって、溝状の凹部が多数形成され、その表面上にＧａＮ系半導体層２０が形成されている。ＧａＮ系半導体層２０は、加工基板１０側から順に、ｎ側層２１、発光層２２、ｐ側層２３を含んでいる。
ｎ側層２１は加工基板１０の表面に形成された溝を埋め込んでおり、そのために、その下面（ＧａＮ系半導体層２０の下面でもある）は、加工基板１０の表面形状を反映した凹部および凸部を有する屈曲面となっている。
ｎ側層２１と加工基板１０の間には、ｎ側層２１側を高屈折率側とする屈曲した屈折率界面が形成されている。
３０は負電極であり、部分的に露出したｎ側層２１の表面に形成されている。４０は正電極であり、ｐ側層２３の上面に形成されている。

以下では、ＧａＮ系半導体層が、ＧａＮ系半導体以外の透明物質との間で屈曲した屈折率界面を構成する側の主面を、「構造化主面」と呼ぶことにする。図面においては、この構造化主面を記号Ｓで表すことにする。図１の例では、ｎ側層２１の下面が構造化主面Ｓである。
また、ＧａＮ系半導体層において、発光層に対し構造化主面の側に位置する層を「構造化層」と呼ぶことにする。図１の例では、構造化層はｎ側層２１である。

図１に示すＧａＮ系ＬＥＤの特徴は、構造化層（ｎ側層２１）の内部に、構造化主面Ｓ（ｎ型層２１の下面）の側に向かって屈折率が上昇する部分（以下「屈折率上昇部」という。）が設けられていることである。かかる構成によって、ＧａＮ系半導体層２０の内部を横方向に伝播する光の電磁界強度分布が構造化主面Ｓ側、すなわち、屈曲した屈折率界面に近づく方向に寄せられる。なぜなら、光は屈折率の高い領域を伝播しようとする傾向を有しているからである。

ところで、図１に示すＧａＮ系ＬＥＤにおいて、ｎ側層、発光層、ｐ側層の各層は、その一部に超格子層を含む構成としたり、または、その全部を超格子層とすることができる。ここで、超格子層とは、結晶組成の異なる膜厚数十ｎｍ以下のＧａＮ系半導体薄膜を複数積層してなる層をいうものとする。超格子層を構成する薄膜のそれぞれの膜厚は、ＬＥＤの発光波長（ＧａＮ系半導体中での波長）に比べて小さいことから、超格子層を伝播する光が感じる屈折率は、各薄膜の屈折率ではなく、各薄膜の屈折率が平均化された屈折率となる。この平均化された屈折率については次のことがいえる。
（イ）Ａｌ_ａ１Ｉｎ_ｂ１Ｇａ_{１−ａ１−ｂ}１Ｎ（屈折率：ｎ_１）／Ａｌ_ａ２Ｉｎ_ｂ２Ｇａ_{１−ａ２−ｂ２}Ｎ（屈折率：ｎ_２）からなる超格子層における平均化された屈折率は、ｎ_１が高いほど高く、また、ｎ_２が高いほど高い。
（ロ）Ａｌ_ａ１Ｉｎ_ｂ１Ｇａ_{１−ａ１−ｂ１}Ｎ（屈折率：ｎ_１）／Ａｌ_ａ２Ｉｎ_ｂ２Ｇａ_{１−ａ２−ｂ２}Ｎ（屈折率：ｎ_２）からなる超格子層における平均化された屈折率は、ｎ_１＜ｎ_２であるとき、ｎ_１よりも高く、ｎ_２よりも低い。
（ハ）Ａｌ_ａ１Ｉｎ_ｂ１Ｇａ_{１−ａ１−ｂ１}Ｎ（屈折率：ｎ_１）／Ａｌ_ａ２Ｉｎ_ｂ２Ｇａ_{１−ａ２−ｂ２}Ｎ（屈折率：ｎ_２）からなる超格子層における平均化された屈折率は、ｎ１＜ｎ２であるとき、Ａｌ_ａ１Ｉｎ_ｂ１Ｇａ_{１−ａ１−ｂ１}Ｎの体積分率が高いほど低く、Ａｌ_ａ１Ｉｎ_ｂ１Ｇａ_{１−ａ１−ｂ１}Ｎの体積分率が低いほど高い。

図２および図３に、本発明に係るＧａＮ系ＬＥＤの構造化層における屈折率分布の例を示す。図２（ａ）〜（ｄ）、図３（ｅ）〜（ｈ）のそれぞれにおいて、横軸は構造化主面Ｓ（ｎ側層２１の下面）からの距離を示し、縦軸は屈折率を示す。Ｄは構造化主面Ｓから発光層２２までの距離である。

図２（ａ）の例のように、屈折率上昇部は、構造化主面の側に向かって屈折率が連続的に上昇するものであってもよいし、図２（ｂ）の例のように、構造化主面の側に向かって屈折率が段階的に上昇するものであってもよい。図２（ｃ）の例のように、屈折率が段階的に上昇する屈折率上昇部を複数設けることもできる。屈折率上昇部は構造化層の内部に部分的に設けるだけでなく、図２（ｄ）の例のように構造化層全体が屈折率上昇部となるようにしてもよい。図２（ａ）（ｄ）の例では、屈折率が連続的に変化する屈折率上昇部における屈折率の変化率が一定であるが、変化させることもできる。

構造化層の内部には、構造化主面の側に向かって屈折率が下降する部分（以下「屈折率下降部」という。）が存在していてもよい。図３（ｅ）の例では、屈折率上昇部よりも構造化主面側に、屈折率が連続的に変化している屈折率下降部が存在している。図３（ｆ）の例では、屈折率上昇部よりも発光層側に屈折率下降部が存在している。図３（ｅ）の例において、屈折率上昇部と屈折率下降部に挟まれた部分は、屈折率の極大部ということができる。図３（ｅ）では極大部の数がひとつであるが、極大部は複数存在していてもよい。図３（ｇ）の例では、極大部が２つ存在している。

構造化層（ｎ側層２１）内部の屈折率分布の好ましい態様として、構造化主面Ｓに近い側の領域、即ち、構造化主面Ｓからの距離が、該構造化主面Ｓから発光層までの距離Ｄの１／２以下である領域（領域２１Ａ）に、屈折率上昇部が存在している態様が挙げられる。図２（ａ）〜（ｄ）、図３（ｅ）〜（ｇ）に示す態様は、いずれもこの態様に該当している。

ＧａＮ系半導体層の内部に屈折率分布を形成するには、層内部で半導体組成を変化させればよい。Ａｌ_ａＩｎ_ｂＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｎで表されるＧａＮ系半導体の屈折率が、ＡｌＮ混晶比ａを大きくするほど低くなり、ＩｎＮ混晶比ｂを大きくするほど高くなることは公知の事実である。ＭＯＶＰＥ法を用いてＧａＮ系半導体を形成する場合、半導体を成長させる際のトリメチルガリウムの供給量に対する、トリメチルアルミニウムの供給量およびトリメチルインジウムの供給量を調節することにより、その組成を制御することができる。また、ＩｎＮ混晶比は結晶成長温度によっても変化することから、インジウムを含むＧａＮ系半導体の屈折率は、結晶成長温度によって制御することも可能である。

図４は、第１の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤのより具体的な構造例を示す断面図である。この図に示すＧａＮ系ＬＥＤはＰＳ−ＬＥＤであり、サファイア基板を加工してなる加工基板１０の表面には、幅３μｍ、深さ１μｍの溝が３μｍ間隔で多数形成され、その表面上にＧａＮ系半導体層２０がＭＯＶＰＥ法により形成されている。ＧａＮ系半導体層２０は、加工基板側から順にｎ側層２１、発光層２２、ｐ側層２３を含んでいる。ｎ側層２１は、加工基板上に形成された低温ＧａＮバッファ層（図示せず）と、その上に、加工基板の表面の溝を埋め込んで平坦に成長したアンドープＧａＮ層２１ａと、その上に積層されたアンドープＩｎＧａＮ層２１ｂと、その上に積層されたＳｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層２１ｃとから構成されている。低温ＧａＮバッファ層の膜厚は約０．０４μｍ、アンドープＧａＮ層の膜厚（加工基板の凸部上）は２μｍ、アンドープＩｎＧａＮ層の膜厚は０．３μｍ、Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層の膜厚は３μｍである。Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層の上には、膜厚１０ｎｍのＧａＮ障壁層と膜厚３ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層とを交互に１０層ずつ積層してなるＭＱＷ構造の発光層２２が形成され、その上には、膜厚０．０３μｍのＭｇドープｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２３ａ、膜厚０．２μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層２３ｂが順次形成されている。エッチングにより部分的に露出したＳｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層２１ｃの表面には、Ｔｉ層とＡｌ層を積層し熱処理を施してなる負電極３０が形成されている。Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層２３ｂの上面には、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）からなる正電極４０が形成されている。図示していないが、正電極の表面にはボンディングパッドが形成されている。

図４に示すＧａＮ系ＬＥＤにおいて、構造化主面Ｓであるｎ側層２１の下面から発光層２２までの距離Ｄは、約５．３μｍである。構造化層であるｎ側層２１においては、アンドープＩｎＧａＮ層２１ｂとＳｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層２１ｃとの境界部分が、構造化主面Ｓ側に向かって屈折率が上昇する屈折率上昇部となっている。よって、構造化主面Ｓから屈折率上昇部までの距離は、約２．３μｍである。このように、ｎ側層２１の内部でも、特に、構造化主面Ｓに近い側の領域に、屈折率の高いアンドープＩｎＧａＮ層２１ｂを設けることによって、ＧａＮ系半導体層２０の内部を横方向に伝播する光の電磁界強度分布を、効果的に構造化主面Ｓ側に寄せることができる。

第１の実施形態において、加工基板１０は、発光層で生じる光を透過し、かつ、ＧａＮ系半導体層２０との間で、ＧａＮ系半導体層２０側を高屈折率側とする屈折率界面を形成するものであればよく、サファイア基板ベースのものに限定されない。サファイア基板のように、ＧａＮ系半導体結晶の成長に適した基板をベースとした加工基板を用いると、加工基板上にＧａＮ系半導体層をＭＯＶＰＥ法などによって直接形成することができる。加工基板上にＧａＮ系半導体結晶を成長させる場合、格子不整合を緩和するバッファ層を介在させることが好ましいが、本発明では、このバッファ層がＧａＮ系半導体からなる場合は、これをＧａＮ系半導体層に含め、ＧａＮ系半導体以外からなる場合には、これを基板の一部とみなす。

ＧａＮ系半導体層を、加工基板上に気相成長法によって直接形成することは必須ではない。例えば、平坦な表面を有するサファイア基板を成長用基板として用い、その上に、ｎ側層、発光層、ｐ側層を順次成長させてＧａＮ系半導体層を形成した後、サファイア基板を剥離、研磨、溶解等によって除去する。そして、露出したｎ側層の表面を凹凸状に加工したうえで、その表面に低融点ガラスからなる支持基板を加熱圧着して接合することによっても、構造化主面を備えたＧａＮ系半導体層を有するＧａＮ系ＬＥＤを得ることができる。

ＧａＮ系半導体層の構造化主面には、好ましくは、凹部の深さが０．５μｍ以上となるように、凹部および凸部を設ける。凹部の深さが大きいほど、ＧａＮ系半導体層の内部を横方向に伝播する光と、構造化主面の位置に形成される屈曲した屈折率界面との相互作用が強くなる。よって、凹部の深さは、より好ましくは１．５μｍ以上であり、特に好ましくは２μｍ以上である。

屈折率上昇部の態様は図１の例に限定されるものではなく、例えば、加工基板上に形成したバッファ層の直上にＩｎＧａＮ層を成長させ、その上に、ＩｎＧａＮよりも屈折率の低いＧａＮ層を積層することによって形成してもよい。その場合、ＩｎＧａＮ層で加工基板の表面の凹凸を埋め込むことは必須ではなく、凹部の底面上と凸部の上面上のそれぞれにＩｎＧａＮ層を形成してもよい。また、ＩｎＧａＮ層で加工基板の表面の凹凸を埋め込む場合には、当該ＩｎＧａＮ層の表面が平坦となるように埋め込むことは必須ではなく、ＩｎＧａＮ層の表面が非平坦面となってもよい。また、加工基板の表面の凹凸を、ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層とを交互に積層してなる超格子層で埋め込み、その上にＧａＮ層を形成することによって、屈折率上昇部を形成することなどもできる。屈折率上昇部は、このように超格子層と非超格子層を積層することにより形成することもできるし、異なる超格子層を積層することにより形成することもできる。また、超格子層の平均化された屈折率が構造化主面側に向かって高くなるように、超格子層を構成する薄膜の組成を変化させることによって、屈折率上昇部を超格子層の内部に形成することもできる。

図４に示すＬＥＤは、正電極４０が透明なＩＴＯからなるので、素子の上面（正電極４０の表面）を光取出し面とすることができる。また、このＬＥＤは、基板の下面を光取出し面として使用することも可能であり、いずれの面を光取出し面とするかは、任意に決定することができる。

図５は、第１の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤの、他の構造例を模式的に示す断面図である。この図に示すＧａＮ系ＬＥＤはＰＳ−ＬＥＤであるが、図４の例とは異なり、ＧａＮ系半導体層２０が、発光層２２から見て加工基板１０側にｐ側層２３を備えており、そのｐ側層２３が構造化層となっている。

図５に示すＧａＮ系ＬＥＤにおいて、加工基板１０は図４の例に示したものと同じである。ｐ側層２３は、加工基板上に形成された低温ＧａＮバッファ層（図示せず）と、その上に、加工基板の表面の溝を埋め込んで平坦に成長したアンドープＧａＮ層２３ａと、その上に積層されたアンドープＩｎＧａＮ層２３ｂと、その上に積層されたＳｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層２３ｃと、その上に積層されたＭｇドープｐ型ＩｎＧａＮ層２３ｄと、その上に積層されたＭｇドープｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２３ｅとから構成されている。低温ＧａＮバッファ層の膜厚は約０．０４μｍ、アンドープＧａＮ層の膜厚は２μｍ（加工基板の凸部上）、アンドープＩｎＧａＮ層の膜厚は０．３μｍ、Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層の膜厚は３μｍ、Ｍｇドープｐ型ＩｎＧａＮ層の膜厚は０．１μｍ、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の膜厚は０．０３μｍである。発光層２２の構成は図４のＬＥＤと同じである。発光層２２の上には、膜厚０．２μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層２１が形成されている。エッチングにより部分的に露出した、ｐ側のＳｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層２３ｃの表面には、Ｔｉ層とＡｌ層を積層し熱処理を施してなる正電極４０が形成されている。ｎ側のＳｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層２１の上面には、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）からなる負電極３０が形成されている。図示していないが、正電極の表面にはボンディングパッドが形成されている。

図５に示すＧａＮ系ＬＥＤでは、ｐ側のＳｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層２３ｃとＭｇドープｐ型ＩｎＧａＮ層２３ｄとの間にトンネル接合が形成されており、正電極４０に正電圧、負電極３０に負電圧を印加したときには、ｐ側のＳｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層２３ｃからＭｇドープｐ型ＩｎＧａＮ層ｄに正孔キャリアが注入される。

図５に示すＧａＮ系ＬＥＤにおいて、構造化主面Ｓはｐ側層２３の下面である。この構造化主面Ｓから発光層２２までの距離Ｄは、約５．４μｍである。構造化層であるｐ側層２３では、アンドープＩｎＧａＮ層２３ｂとＳｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層２３ｃとの境界部分が屈折率上昇部となっている。構造化主面Ｓからこの屈折率上昇部までの距離は、約２．３μｍである。

（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤの構造例を模式的に示す断面図である。このＧａＮ系ＬＥＤは、導電性基板１０の上に発光層２２を含むＧａＮ系半導体層２０が形成されており、その上面が凹部および凸部を有する屈曲面とされている。このＧａＮ系半導体層２０の上面は空気と接しており、この上面側において、ＧａＮ系半導体層２０と空気との間に屈曲した屈折率界面が形成されている。よって、このＧａＮ系ＬＥＤでは、構造化主面ＳはＧａＮ系半導体層２０の上面であり、構造化層はｎ側層２１である。そして、構造化層であるｎ側層２１の内部には、構造化主面Ｓに向かって屈折率が上昇する屈折率上昇部が設けられている。それによって、ＧａＮ系半導体層２０の内部を横方向に伝播する光の電磁界強度分布が、ｎ側層２１と空気との間に形成される屈曲した屈折率界面の側に寄せられる。

第２の実施形態においても、好ましくは、構造化主面Ｓからの距離が、該面から発光層２２までの距離Ｄの１／２以下である領域（領域２１Ａ）に屈折率上昇部が存在するよう、構造化層（ｎ側層２１）内部の屈折率分布を設定する。

図７は、第２の実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤのより具体的な構造例を示す断面図である。ＣｕＷ基板１０の表面には、接合層（図示せず）を介して、正電極４０とＧａＮ系半導体層２０が順次積層されている。ＧａＮ系半導体層２０は、基板側から順にｐ側層２３、発光層２２、ｎ側層２１を含んでいる。ｐ側層２１は、基板側から順に、ＭｇドープＧａＮコンタクト層２３ａ、ＭｇドープＡｌＧａＮクラッド層２３ｂを含んでいる。発光層２２は、膜厚１０ｎｍのＧａＮ障壁層と膜厚３ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層とを交互に１０層ずつ積層してなるＭＱＷ層である。ｎ側層２１は、発光層２２側から順に、膜厚２μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層２１ａ、膜厚０．３μｍのＳｉドープｎ型ＩｎＧａＮ層２１ｂ、薄い部分の膜厚が約１μｍであるＳｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層ｃを含んでいる。ＳｉドープＧａＮコンタクト層は、膜厚約２．５μｍのＳｉドープＧａＮ層の表面に、エッチングによって深さ約１．５μｍの凹部を設けることにより形成されている。該凹部を形成するためのエッチングによって同時に形成された負電極形成面の上に、負電極３０が形成されている。

図７に示すＧａＮ系ＬＥＤにおいて、構造化主面Ｓはｎ側層２１の上面である。構造化主面Ｓから発光層２２までの距離Ｄは、約３．３μｍである。構造化層であるｎ側層２１においては、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層２１ａとＳｉドープｎ型ＩｎＧａＮ層２１ｂとの境界部分が、構造化主面Ｓ側に向かって屈折率が上昇する屈折率上昇部となっている。構造化主面Ｓからこの屈折率上昇部までの距離は約１．３μｍである。

図７に示すＧａＮ系ＬＥＤは、次のようにして製造することができる。
まず、通常のサファイア基板上に低温ＧａＮバッファ層を介して、ＧａＮ系半導体層２０を成長させる。このとき、Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層２１ｃを最下層（サファイア基板側）とし、最上層がＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層２３ａとなるように成長させる。
次に、Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層２３ａの上面に、Ｔｉ層、Ｐｔ層、Ａｕ層をこの順に積層し、熱処理を行って、ｐ側電極４０を形成する。次に、ハンダ等の導電性接着材料からなる接合層を形成し、それを介して、ｐ側電極４０の表面にＣｕＷ基板１０を接合する。
次に、レーザリフトオフ法を用いて、ＧａＮ系半導体層２０からサファイア基板を剥離させる。
次に、剥離によって露出したＧａＮ系半導体層２０の表面を、Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層２１ｃの膜厚が約２．５μｍとなるまで、研磨する。
次に、ドライエッチングによってＳｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層２１ｃの研磨面を加工し、深さ１．５μｍの凹部を形成する。このとき同時に負電極形成面を形成する。
次に、負電極形成面上に、Ｔｉ層とＡｌ層の積層膜を形成し、熱処理を施して、負電極を形成する。

図７に示すＧａＮ系ＬＥＤを透明樹脂、低融点ガラス等の封止材で封止した場合には、ＧａＮ系半導体層２２の上面はこれらの封止材と接することになるので、屈曲した屈折率界面は、ＧａＮ系半導体層２２と封止材との間に形成されることになる。

図７に示すＧａＮ系ＬＥＤにおいて、露出したＧａＮ系半導体層２２の表面を、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、スピネルなどからなる絶縁保護膜で被覆してもよい。その場合は、ＧａＮ系半導体層２２と絶縁保護膜との間に屈曲した屈折率界面が形成されることになる。

図７に示すＧａＮ系ＬＥＤにおいて、負電極３０を、Ｔｉ／Ａｌに代えて、ＩＴＯ、酸化インジウム、酸化錫、ＩＺＯ（インジウム亜鉛酸化物）、ＡＺＯ（アルミニウム亜鉛酸化物）、酸化亜鉛などの透明導電膜材料で形成してもよい。透明導電膜材料からなる負電極は、Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層２１ｃの上面を略全面的に覆うように形成してもよい。その場合には、ＧａＮ系半導体層２２と透明導電膜との間で、屈曲した屈折率界面が形成されることになる。

本発明の第１の実施形態に係るＧａＮ系発光ダイオード素子の構造例を模式的に示す断面図である。 本発明に係るＧａＮ系発光ダイオード素子の構造化層における屈折率分布を例示する図である。 本発明に係るＧａＮ系発光ダイオード素子の構造化層における屈折率分布を例示する図である。 本発明の第１の実施形態に係るＧａＮ系発光ダイオード素子の構造例を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るＧａＮ系発光ダイオード素子の構造例を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るＧａＮ系発光ダイオード素子の構造例を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るＧａＮ系発光ダイオード素子の構造例を示す断面図である。 従来技術に係るＧａＮ系発光ダイオード素子の構造例を示す断面図である。

符号の説明

１０、１００ 基板
２０、２００ ＧａＮ系半導体層
２１、２０１ ｎ側層
２２、２０２ 発光層
２３、２０３ ｐ側層
Ｓ 構造化主面

Claims (10)

1. 発光層と、該発光層を挟むｎ側層およびｐ側層と、からなるＧａＮ系半導体層を備え、
   該ＧａＮ系半導体層が、その少なくとも一方の主面に凹部および凸部を有し、かつ、該凹部および凸部を有する主面の側においてＧａＮ系半導体以外の透明物質と接しており、該ＧａＮ系半導体層と該透明物質との間に、該ＧａＮ系半導体層側を高屈折率側とする、屈曲した屈折率界面が形成されているＧａＮ系発光ダイオード素子であって、
   前記ＧａＮ系半導体層は、前記凹部および凸部を有する主面と前記発光層との間であって、該主面からの距離が、該主面から該発光層までの距離の１／２以下である領域に、該主面の側に向かって屈折率が上昇する部分を有している、ＧａＮ系発光ダイオード素子。
2. 前記透明物質が基板である、請求項１に記載のＧａＮ系発光ダイオード素子。
3. 前記透明物質が、透明導電膜、絶縁保護膜、封止材または空気から選ばれる１つ以上の物質を含む、請求項１に記載のＧａＮ系発光ダイオード素子。
4. 前記屈折率が上昇する部分が、異なる非超格子層の積層により形成されている、請求項１〜３のいずれかに記載のＧａＮ系発光ダイオード素子。
5. 前記異なる非超格子層がＧａＮ層とＩｎＧａＮ層である、請求項４に記載のＧａＮ系発光ダイオード素子。
6. 前記屈折率が上昇する部分が、異なる超格子層の積層により形成されている、請求項１〜３のいずれかに記載のＧａＮ系発光ダイオード素子。
7. 前記屈折率が上昇する部分が、超格子層の内部に形成されている、請求項１〜３のいずれかに記載のＧａＮ系発光ダイオード素子。
8. 前記屈折率が上昇する部分が、超格子層と非超格子層との積層により形成されている、請求項１〜３のいずれかに記載のＧａＮ系発光ダイオード素子。
9. 前記超格子層がＧａＮ／ＩｎＧａＮ超格子層であり、前記非超格子層がＧａＮ層である、請求項８に記載のＧａＮ系発光ダイオード素子。
10. 前記超格子層がＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子層であり、前記非超格子層がＧａＮ層である、請求項８に記載のＧａＮ系発光ダイオード素子。