JP2016062924A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】高光取り出し効率の半導体発光素子を提供する。【解決手段】実施形態によれば、半導体発光素子は、半導体層と、第１導電層と、前記半導体層と前記第１導電層との間に設けられた第２導電層と、を備える。前記第２導電層の光透過率は、前記第１導電層の光透過率よりも高い。前記第２導電層の消衰係数は、０．００５以下である。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体発光素子に関する。

半導体発光素子（例えば、発光ダイオード）において、光取り出し効率の向上が求められている。

特開２０１３−１６２０２５号公報

本発明の実施形態は、高光取り出し効率の半導体発光素子を提供する。

本発明の実施形態によれば、半導体発光素子は、半導体層と、第１導電層と、前記半導体層と前記第１導電層との間に設けられた第２導電層と、を備える。前記第２導電層の光透過率は、前記第１導電層の光透過率よりも高い。前記第２導電層の消衰係数は、０．００５以下である。

第１の実施形態に係る半導体発光素子を例示する模式的断面図である。 導電層の特性を例示するグラフ図である。 半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。 半導体発光素子の特性を例示する模式図である。 半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。 第１の実施形態に係る半導体発光素子の一部を例示する模式的断面図である。 第２の実施形態に係る半導体発光素子を例示する模式的断面図である。 第２の実施形態に係る別の半導体発光素子を例示する模式的断面図である。 第２の実施形態に係る別の半導体発光素子を例示する模式的断面図である。 図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、第２の実施形態に係る別の半導体発光素子を例示する模式的断面図である。

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る半導体発光素子を例示する模式的断面図である。
図１に示すように、実施形態に係る半導体発光素子１１０は、半導体層２５と、第１導電層５０と、第２導電層６０と、を含む。

半導体層２５は、光を放出する。例えば、半導体層２５は、第１導電形の半導体膜を含む第１半導体膜１０と、第２導電形の半導体膜を含む第２半導体膜２０と、第３半導体膜１５と、を含む。第３半導体膜１５は、第１半導体膜１０と第２半導体膜２０との間に設けられる。第３半導体膜１５は、例えば、活性膜であり、例えば、発光膜である。

第１導電形は、例えばｎ形であり、第２導電形は、例えば、ｐ形である。実施形態において、第１導電形がｐ形で、第２導電形がｎ形でも良い。以下では、第１導電形がｎ形で第２導電形がｐ形の例として説明する。

半導体層２５は、例えば、窒化物半導体を含む。例えば、第１半導体膜１０、第２半導体膜２０及び第３半導体膜１５は、窒化物半導体を含む。第１半導体膜１０は、例えば、ｎ形のＧａＮを含む。第２半導体膜２０は、例えば、ｐ形のＧａＮを含む。第３半導体膜１５は、ＩｎＧａＮを含む井戸層を含む。半導体膜の例については、後述する。

第１半導体膜１０、第２半導体膜２０及び第３半導体膜１５のそれぞれの屈折率は、例えば、２．０以上３．６以下である。半導体層２５としてＧａＮを用いた場合は、屈折率は、約２．３４である。

半導体層２５と第１導電層５０との間に、第２導電層６０が設けられる。

第１導電層５０から半導体層２５に向かう方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向とＸ軸方向とに対して垂直な方向をＹ軸方向とする。

第１導電層５０は、Ｘ−Ｙ平面に沿って広がる。第２導電層６０も、Ｘ−Ｙ平面に沿って広がる。

第１導電層５０は、反射性である。第２導電層６０は、光透過性である。第２導電層６０の光透過率は、第１導電層５０の光透過率よりも高い。第１導電層５０の光反射率は、第２導電層６０の光反射率よりも高い。

例えば、第１導電層５０には、反射性の金属が用いられる。第１導電層５０には、例えば、銀、または、銀を主成分とした合金が用いられる。第１導電層５０として、例えば、アルミニウムまたはアルミニウムを含む合金（例えばＳｉ含有Ａｌ等）を用いても良い。半導体発光素子１１０が、例えば、赤色光ＬＥＤまたは赤外線ＬＥＤの場合、第１導電層５０として、例えば、ＡｕやＣｕ、またはこれらを含む合金を用いてもよい。

第２導電層６０として、例えば、光透過性の酸化物が用いられる。第２導電層６０には、例えば、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｎｉ及びＳｉからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含む酸化物が用いられる。

第１半導体膜１０及び第２半導体膜２０を介して第３半導体膜１５に電流を供給する。この電流の供給には、第１導電層５０と、図１に図示していない電極と、が用いられる。電流が供給された第３半導体膜１５において、光が放出される。すなわち、半導体層２５から光が放出される。半導体発光素子１１０は、例えば、ＬＥＤである。

第３半導体膜１５から放出された光の一部（光Ｌ１）は、第１半導体膜１０を通過して外部に出射する。第３半導体膜１５から放出された光の一部（光Ｌ２）は、第２半導体膜２０及び第２導電層６０を通過して、第１導電層５０で反射し、第２導電層６０及び半導体層２５を通過して外部に出射する。第１半導体膜１０の表面（図１における上面）が、例えば、光取り出し面となる。半導体層２５から放出される発光光（すなわち、第３半導体膜１５から放出される光）は、主として光取り出し面から出射する。

実施形態において、発光光に対する第２導電層６０の屈折率は、発光光に対する半導体層２５の屈折率よりも低い。例えば、半導体層２５の屈折率は、上記のように、２．３以上２．６以下である。一方、第２導電層６０の屈折率は、例えば、１．５以上２．３未満である。例えば、第２導電層６０の屈折率は、例えば、１．６以上２．２以下である。

まず、第２導電層６０を設けず、第１導電層５０と半導体層２５とが接する第１参考例の特性について説明する。

半導体層２５の屈折率をｎ_ｓとする。第１導電層５０の屈折率をｎ_ｍとする。これらの屈折率は、複素屈折率である。これらの屈折率は、光の消衰係数を含む。

この第１参考例において、第１導電層５０と半導体層２５との間の界面における反射率Ｒ（垂直入射の場合）は、以下の第１式で表される。

第１式において、Ｒｅ（ｎ_ｍ）は、第１導電層５０の屈折率ｎ_ｍの実部である。Ｉｍ（ｎ_ｍ）は、第１導電層５０の屈折率ｎ_ｍの虚部である。上記の第１式において、半導体層２５の屈折率ｎ_ｓの虚部は、十分小さいので無視している。

第１導電層５０には、反射性の金属が用いられるため、第１導電層５０の屈折率ｎ_ｍの実部Ｒｅ（ｎ_ｍ）は、１よりも小さい。または、第１導電層５０の屈折率ｎ_ｍの虚部Ｉｍ（ｎ_ｍ）は、非常に大きく、約５以上である。

半導体層２５の屈折率ｎ_ｓは高い。このため、半導体層２５と第１導電層５０とが接する第１参考例においては、第１導電層５０としてＡｇを除く多くの金属を用いた場合には、半導体層２５と第１導電層５０との界面において、反射率Ｒが低い。

一方、Ａｇにおいては、屈折率ｎ_ｍの実部（すなわちＲｅ（ｎ_ｍ））は、０．０３以上０．２以下程度であり、非常に小さい。このため、第１導電層５０としてＡｇを用いた場合には、第１式において、分子と分母との差が小さい。このため、半導体層２５と第１導電層５０との間の界面において、Ａｇ以外の金属よりも高い反射率が得られる。なお、屈折率は、波長、Ａｇの純度、表面状態、及び、結晶粒度等の影響を受ける。

次に、第１導電層５０と半導体層２５との間に、第２導電層６０を設けた構成について説明する。第２導電層６０の屈折率をｎ_ｔとする。屈折率ｎ_ｔは、複素屈折率であり、消衰係数を含む。

まず、第２導電層６０における光吸収が無い場合について、第２参考例として、説明する。このとき、屈折率ｎ_ｔの虚部は０である。そして、第２導電層６０の屈折率ｎ_ｔが、半導体層２５の屈折率ｎ_ｓよりも低い。このような第２参考例において、第１導電層５０と第２導電層６０との間の界面における反射率Ｒは、上記の第１式において、屈折率ｎ_ｓを屈折率ｎ_ｔに置き換えることにより得られる。

この第２参考例における反射率Ｒは、上記の第１参考例における反射率Ｒよりも高くなる。すなわち、第２導電層６０を設けず、第１導電層５０が半導体層２５と接する第１参考例においては、第１導電層５０と半導体層２５との間の界面における反射率Ｒは、比較的低い。第２参考例においては、半導体層２５の屈折率ｎ_ｓよりも低い屈折率ｎ_ｔを有する第２導電層６０を第１導電層５０と半導体層２５との間に設ける。この第２参考例において、第１導電層５０と第２導電層６０との間の界面における反射率Ｒは、第１参考例における反射率Ｒよりも高い。第２参考例においては、第１参考例よりも高い光取り出し効率が得られると考えられる。

さらに、第２参考例において、半導体層２５の屈折率ｎ_ｓよりも低い屈折率ｎ_ｔを有する第２導電層６０を用いることで、第２導電層６０と半導体層２５との間の界面において、全反射となる波数成分が生じる。これにより、部分的にＴＩＲ（TIR：total internal reflector：全反射ミラー）が形成される。これにより、高い光取り出し効率が得られると考えられる。

上記の第２参考例においては、第２導電層６０における光吸収を無視している。しかしながら、実際には、光吸収が存在する。従って、光吸収を考慮せずに設計した場合には、第１参考例よりも実際の反射率が低くなる場合がある。実施形態においては、光吸収を考慮した第２導電層６０を用いる。

すなわち、第２導電層６０においては、導電性を得るために、自由キャリアによる光吸収が生じる。例えば、第２導電層６０として、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）を用いる場合において、ＩＴＯの屈折率の虚部は、例えば、０．０２程度である。例えば、１μｍの厚さのＩＴＯにおいては、往復で、約６７％の光の損失が生じる。一方、第２導電層６０を過度に薄くすると、ＴＩＲの特性が低下し、意図した機能が不十分になる。

従って、第２導電層の厚さは、例えば、λ／２Ｒｅ（ｎ_ｔ）以上であることが好ましい。さらに、λ／Ｒｅ（ｎ_ｔ）程度であることが好ましい。ここで、λは、半導体層２５から放出される光の真空中における波長（空気中における波長とほぼ同一）である。これにより、ＴＩＲの機能が効果的に得られる。

実施形態においては、第２導電層６０の厚さをある程度厚くしつつ、光の損失が小さくなるようにする。

第２導電層６０において、屈折率ｎ_ｔの虚部Ｉｍ（ｎ_ｔ）、すなわち、光吸収率が低いことが望まれる。それと同時に、第２導電層６０において、導電性が求められる。以下、第２導電層６０における電気抵抗率と、吸収率と、の関係について説明する。

第２導電層６０において、電気抵抗率ρは、以下の第２式で表される。

第２式において、Ｎは、キャリア密度である。ｑは、キャリア電荷である。μは、キャリア移動度である。

一方、第２導電層６０の複素屈折率ｎ_ｔは、以下の第３式〜第５式で表される。

上記の式において、εは、誘電率である。ｍ^＊は、キャリア有効質量である。ω_ｐは、プラズマ角周波数である。τは、散乱緩和時間である。ωは、光の角周波数である。ｉは、虚数単位である。

第２導電層６０の消衰係数κは、複素屈折率ｎ_ｔの虚部に対応する。消衰係数κと吸収係数αとの間には、κ＝αλ／４πの関係がある。消衰係数κを小さくすることで、吸収が抑制できる。

一方、上記の第２〜第５式で表されるように、電気抵抗率ρと消衰係数κには、密接な関係がある。

図２は、導電層の特性を例示するグラフ図である。
図２は、電気抵抗率ρと消衰係数κとの関係を例示している。この特性は、第２〜第５式に基づいて求められる。第２導電層６０としてＩＴＯを用いた場合には、キャリア有効質量ｍ^＊は、０．２ｍ_０〜０．５ｍ_０程度である。ｍ_０は、電子の静止質量である。図２の例では、ｍ^＊（キャリア有効質量）として、０．３ｍ_０を用いている。そして、複素屈折率ｎ_ｔの実部が、２．０９とする。すなわち、εとして、２．０９^２ε_０を用いている（ε_０は、真空の誘電率である）。そして、μ（移動度）を３０、５０、７０及び１００（ｃｍ^２／Ｖｓ）で変えた場合を例示している。τとして、有効質量から逆算して求めた値を用いている。図２の横軸は、電気抵抗率ρ（Ωｍ）である。縦軸は、消衰係数κである。

図２に示すように、移動度μが一定のときにおいて、電気抵抗率ρが低くなると、消衰係数κは大きくなる。従って、第２導電層６０における電気抵抗率ρを低くするような材料を用いると、消衰係数κが急激に上昇する。

例えば、第２導電層６０としてＩＴＯを用いた場合には、移動度μは、通常は、４０ｃｍ^２／Ｖｓ程度〜７０ｃｍ^２／Ｖｓ程度である。

半導体発光素子の電極として用いられる光透過性の導電層の電気抵抗率ρは、一般的に、２×１０^−４Ωｍ程度である。電気抵抗率ρは、一般的に、５×１０^−４Ωｍ以下である。これは、抵抗を低くして、半導体層に電流を十分に均一に供給する観点で定められている。

図２から、移動度μが５０ｃｍ^２／Ｖｓ程度のときに、電気抵抗率ρが２×１０^−４Ωｍにおいて、消衰係数κは、４×１０^−２程度である。移動度μが５０ｃｍ^２／Ｖｓ程度のときに、電気抵抗率ρが５×１０^−４Ωｍにおいて、消衰係数κは、２×１０^−２程度である。移動度μが７０ｃｍ^２／Ｖｓ程度のときに、電気抵抗率ρが２×１０^−４Ωｍにおいて、消衰係数κは、３×１０^−２程度である。移動度μが７０ｃｍ^２／Ｖｓ程度のときに、電気抵抗率ρが５×１０^−４Ωｍにおいて、消衰係数κは、１．１×１０^−２程度である。すなわち、半導体発光素子に用いられる一般的な光透過性の電極においては、消衰係数κは、最も低く見積もっても０．０１１以上である。

これに対して、実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、第２導電層６０における消衰係数κを、０．００５以下とする。すなわち、実施形態においては、一般的に用いられないような範囲の消衰係数κを用いる。

このとき、図２に示すように、移動度μが５０ｃｍ^２／Ｖｓ程度のときに、電気抵抗率ρは、１．８×１０^−３Ωｍ程度である。移動度μが７０ｃｍ^２／Ｖｓ程度のときに、電気抵抗率ρは、１．１×１０^−３Ωｍ程度である。すなわち、実施形態においては、電気抵抗率ρは、１．１×１０^−３Ωｍ以上であり、一般的な光透過性の導電材料の電気抵抗率（５×１０^−４Ωｍ以下）よりも高い。

すなわち、実施形態においては、光透過性の導電層において、消衰係数κを小さくするために、電気抵抗率ρを敢えて低くしない。これにより、光吸収が抑えられ、高い光利用効率が得られる。

実施形態においては、例えば、消衰係数κは、０．００５以下である。このとき、電気抵抗率ρは、１．１×１０^−３Ωｍ以上である。

実施形態において、不純物やバンド端の影響、及び、キャリアの一部が不活性である影響により、電気抵抗率ρは、図２に例示した特性よりも高くなる傾向がある。従って、実施形態において、消衰係数κが、０．００５以下のときに、電気抵抗率ρは、２×１０^−３Ωｍ以上でも良い。消衰係数κが、０．００５以下のときに、電気抵抗率ρは、５×１０^−３Ωｍ以上でも良い。消衰係数κが、０．００５以下のときに、電気抵抗率ρは、１×１０^−２Ωｍ以上でも良い。

なお、不純物やバンド端の影響、及び、キャリアの一部の不活性の影響により、一般的な光透過性の導電層において、電気抵抗率ρが２×１０^−３Ωｍのときに、消衰係数κが、０．０１以上、または、０．０２以上の場合もある。すなわち、図２に例示した特性よりも、実際の消衰係数κは高い。

第２導電層６０の消衰係数κが大きい参考例においては、第２導電層６０をＴＩＲ効果が得られるように厚くしてしまうと、光の吸収が過度に大きくなる。このため、第２導電層６０を設けることで、かえって光の損失が大きくなる。

これに対して、実施形態においては、消衰係数κを、０．００５以下とし、一般的な値である０．０１〜０．０２に対して、著しく小さくする。これにより、第２導電層６０における光の吸収を抑制できる。これにより、第２導電層６０をＴＩＲ効果が得られるように厚くしても、光の吸収は小さくい。このため、第２導電層６０を設けることにより、ＴＩＲの効果によって、光の取り出し効果が向上し、その効果が、光の吸収による損失を上回る。その結果、光取り出し効率が向上する。

第２導電層６０における光吸収によるエネルギーの損失の割合は、以下の第６式で表される。

なお、Ｉｍ（ｎｔ）が、消衰係数κに対応する。

第２導電層６０における全反射（エバネッセント波）の効果ＴＲ（ｄ）は、以下の第７式〜第９式で表される。

上記の式において、Ｌｅ（θ、ｎ_ｓ、ｎ_ｔ）は、エバネッセント波の浸透長である。θは、半導体層２５内における光の進行角である。ｎ_ｓは、半導体層２５の屈折率である。ｎ_ｔは、第２導電層６０の屈折率である。λは、半導体層２５から放出される光の真空中における波長である。光の真空中における波長は、光の空気中における波長と実質的に同じである。θ_ｃは、臨界角である。第９式において、配向はランバート配光であると仮定している。ｄは、第２導電層６０の厚さである。

図３は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
図３は、ＴＩＲの効果Ｅ_ＴＩＲと第２導電層６０の厚さｄとの関係を例示している。図３は、第９式に基づいて導出される。この例では、第９式において第２導電層６０の厚さｄを無限大としたときの値を基準（＝１）として、ＴＩＲの効果Ｅ_ＴＩＲを示している。

第２導電層６０における平均パワー反射率Ｒｒ（ｄ）（干渉の効果ＩＦに相当）は、以下の第１０式〜第１８式で表される。

上記の式において、θは、半導体層内における光の進行角である。ｎ_１は、半導体屈折率(実数）である。ｎ_２は、透明導電層屈折率（実数）である。ｎ_ｍは、金属層屈折率（複素数）である。λは、光の真空波長（空気中における波長とほぼ同一）である。ｉは、虚数単位である。θｃは、臨界角（全反射となる角度）である。Ｒｓ（θ，ｎ_１，ｎ_２）は、振幅反射率（Ｓ波、フレネル反射）である。Ｒｐ（θ，ｎ_１，ｎ_２）は、振幅反射率（Ｐ波、フレネル反射）である。Ｔｓ（θ，ｎ_１，ｎ_２）は、振幅透過率（Ｓ波、フレネル反射）である。Ｔｐ（θ，ｎ_１，ｎ_２）は、振幅透過率（Ｐ波、フレネル反射）である。Θ（θ）は、透明導電層内における光の進行角である。ｄは、透明導電層の厚さである。φ（θ，ｄ）は、透明導電層内往復による位相変化量である。Ａｓ（θ，ｎ_１，ｎ_２，ｎ_ｍ，ｄ）は、半導体層から見た透明導電層／金属導電層の振幅反射率（多重反射による干渉込み、各角度成分毎）（Ｓ波、多重反射）である。Ａｐ（θ，ｎ_１，ｎ_２，ｎ_ｍ，ｄ）は、半導体層から見た透明導電層／金属導電層の振幅反射率（多重反射による干渉込み、各角度成分毎）（Ｐ波、多重反射）である。Ｒｒ（ｄ）は、平均パワー反射率である。第１８式において、配向は、ランバート配光としている。

図４（ａ）及び図４（ｂ）は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、２種類の条件について、平均パワー反射率Ｒｒ（ｄ）と第２導電層６０の厚さｄとの関係を例示している。図４（ａ）及び図４（ｂ）は、第１８式を用いて計算した結果をグラフ化したものである。

図４（ａ）において、条件は以下である。
半導体層２５の屈折率ｎ_ｓ＝２．４７、
半導体層２５の屈折率ｎ_ｔ＝２．０９、
第１導電層５０の屈折率ｎ_ｍ＝０．１＋２．５ｉ（ｉは、虚数単位）、
半導体層２５から放出される光の真空中における波長λ＝４５０ｎｍ。
第１導電層５０の垂直反射率は９２．３％であり、全立体角平均は９５．５％である。 図４（ａ）に示すように、平均パワー反射率Ｒｒ（ｄ）は、０．９６７に収束している。

図４（ｂ）において、条件は以下である。

半導体層２５の屈折率ｎ_ｓ＝２．４７、
半導体層２５の屈折率ｎ_ｔ＝１．７０、
第１導電層５０の屈折率ｎ_ｍ＝０．１＋２．５ｉ（ｉは、虚数単位）、
半導体層２５から放出される光の真空中における波長λ＝４５０ｎｍ。
図４（ｂ）に示すように、平均パワー反射率Ｒｒ（ｄ）は、０．９７９に収束している。

図５は、半導体発光素子の特性を例示する模式図である。
図５は、光透過性の第２導電層６０の光学特性、すなわち、透過率ＴＳ、全反射の効果ＴＲ及び多重反射による干渉の効果ＩＦを例示している。横軸は、第２導電層６０の厚さｔである。この例では、消衰係数κが小さい場合（κ≦０．００５）と、消衰係数が大きい場合（κ＞０．０１）の２つの場合が模式的に示されている。図５の縦軸において、上方向は、平均パワー反射率が向上することに対応する。下方向は、平均パワー反射率が劣化することに対応する。

図５に示すように、厚さｔが増大すると、透過率ＴＳは上昇し、１に漸近してゆく。この透過率ＴＳの低下は、光吸収による。消衰係数κが大きいと透過率ＴＳの低下は、激しい。消衰係数κが小さいと、高い透過率ＴＳが維持できる。

一方、厚さｔが増大すると、全反射の効果ＴＲは、低下する。この全反射の効果ＴＲは、エバネッセント波の浸透長による。厚さｔの増大につれて、干渉の効果ＩＦは振動し、振幅が減少する。

第２導電層６０において、半導体層２５から第２導電層６０に染み出すエバネッセント波を半導体層２５に戻すことで、光の損失が低減できる。これにより、ＴＩＲの機能が十分に得られる。例えば、第２導電層６０の厚さｔは、λ／２Ｒｅ（ｎ_ｔ）以上であることが好ましい。厚さｔは、例えば、λ／Ｒｅ（ｎ_ｔ）程度であることが好ましい。ここで、λは、半導体層２５から放出される光の真空中における波長（空気中における波長とほぼ同一）である。これにより、ＴＩＲの機能が効果的に得られる。

図２に例示したように、干渉の効果ＩＦは振動するため、干渉の効果ＩＦが極大となる条件に厚さｔを設定することが好ましい。図２に示した干渉の効果ＩＦの最初の極大値に対応する厚さｔは、実質的にλ／Ｒｅ（ｎ_ｔ）である。実用的には、厚さｔをλ／Ｒｅ（ｎ_ｔ）の約０．７倍以上約１．４倍以下において、干渉の効果ＩＦを有効に利用できる。

図５に示すように、消衰係数κが大きい場合は、吸収による損失が大きく、全反射の効果ＴＲ及び干渉の効果ＩＦの効果よりも透過率ＴＳの低下が大きくなる。このため、高い光取り出し効率が得られない。これに対して、消衰係数κを小さくすることで、吸収による損失を、全反射の効果ＴＲ及び干渉の効果ＩＦの効果よりも小さくできる。これにより、高い光取り出し効果が得られる。

図６（ａ）及び図６（ｂ）は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、上記の透過率ＴＳ、全反射の効果ＴＲ及び干渉の効果ＩＦの効果を考慮したときの光取り出し効率のシミュレーション結果を例示している。

図６（ａ）の例では、第１導電層５０の反射率Ｒｆは９２％である。第２導電層６０の屈折率ｎ_ｔは、２．０９＋κｉである。κ＝０．００１１の場合と、κ＝０.００５の場合と、を例示している。κ＝０．００１１の場合、ＩＴＯに対応する。半導体層２５の屈折率ｎｓは、２．４７＋０．００００３６ｉである。この値は、ＧａＮに対応する。第１導電層５０の屈折率ｎｍは、０．１＋２．５ｉである。この値は、Ａｇに対応する。半導体層２５から放出される光の波長λ（空気中または真空中の波長）は、４５０ｎｍである。第２導電層６０中における波長λ１は、λ／Ｒｅ（ｎ_ｔ）であり、２１５．３ｎｍである。

図６（ｂ）の例では、第２導電層の存在により第１導電層の表面状態が良好に保たれる場合を想定した計算であり、このとき第１導電層５０の反射率Ｒｆは９７％である。現実には９２％〜９７％の値を取り得る。第２導電層６０の屈折率ｎ_ｔは、２．０９＋κｉである。κ＝０．００１１の場合と、κ＝０．０００３の場合と、κ＝０．０００５の場合と、例示している。

このモデルでは、半導体層２５の光取り出し面にはランダムな凹凸が設けられており、半導体素子の全体が、屈折率が１．５の樹脂で覆われている。シミュレーションにおいては、周期境界を用いたＦＤＴＤ法（Finite-difference time-domain method、時間領域差分法）が用いられる。なお、第１導電層５０に対向する電極の影響は無視している。ＴＥ−ｌｉｋｅ発光（電気双極子が活性層面に対して平行に振動する光源）と、ＴＭ−ｌｉｋｅ発光（電気双極子が活性層面に対して垂直に振動する光源）のそれぞれについて、外部に出射する光の強度が求められる。これらを合計して、光取り出し効率Ｅｆｆが求められる。図６には、第２導電層６０の厚さｔを変えたときの、光取り出し効率Ｅｆｆが示されている。横軸は厚さｔであり、縦軸は光取り出し効率Ｅｆｆである。

図６に示すように、反射率Ｒｆが９２％のとき、厚さｔが０のとき、すなわち、第２導電層６０を設けないとき、光取り出し効率Ｅｆｆは、約８０％である。第２導電層６０の厚さｔが２０ｎｍのときに、光取り出し効率Ｅｆｆは約７７％であり、低下する。これは、図５に例示した干渉の効果ＩＦによる。厚さｔが２０ｎｍから２００ｎｍの範囲において、厚さｔの増大するにつれて光取り出し効率Ｅｆｆが上昇する。これは、図５に例示した全反射の効果ＴＲ（ＴＩＲの効果）の寄与が大きいと考えられる。そして、厚さｔが２００ｎｍを超えると、厚さｔの増大するにつれて光取り出し効率Ｅｆｆが低下する。この範囲では、吸収による透過率ＴＳの効果が大きくなる。

波長が４５０ｎｍのときにおいては、第２導電層６０の厚さｔは、１４０ｎｍ以上２８０ｎｍ以下において、光取り出し効率Ｅｆｆが高くなる。すなわち、第２導電層６０の厚さｔが、（２／３）・λ１以上（４／３）・λ１以下のとき、（２／３）・λ／Ｒｅ（ｎ_ｔ）以上（４／３）・λ／Ｒｅ（ｎ_ｔ）以下において、光取り出し効率Ｅｆｆが高くなる。

実施形態においては、第２導電層６０の厚さｔは、半導体層２５から放出された光の第２導電層６０中における波長の、２／３以上４／３以下、すなわち、０．６７倍以上１．３３倍以下とする。これにより、高い発光効率が得られる。

図７（ａ）及び図７（ｂ）は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
これらの図は、第２導電層６０を設けないときの光取り出し効率Ｅｆｆ０に対して、第２導電層６０を設けたときの光取り出し効率Ｅｆｆ１の変化率を示している。縦軸は、光取り出し効率の変化率ΔＥｆｆである。ΔＥｆｆ＝（Ｅｆｆ１−Ｅｆｆ０）／Ｅｆｆ０である。横軸は、消衰係数κである。

図７（ａ）においては、第２導電層６０の屈折率ｎ_ｔが２．０９＋κｉである。図７（ｂ）においては、第２導電層６０の屈折率ｎ_ｔが１．７０＋κｉである。これらの図には、第１導電層５０の反射率Ｒｆが９２％のとき（図６の例と同様）と、９７％のときが例示されている。第２導電層６０の厚さｔは、それぞれの上記において最高の光取り出し効率が得られる厚さ（２００ｎｍ）である。これ以外の条件は、図６に関して説明した条件が用いられている。

図７（ａ）に示すように、反射率Ｒｆが９２％のとき、消衰係数κが０のとき、光取り出し効率の変化率ΔＥｆｆは、最高であり、約６．８％である。反射率Ｒｆが９７％のとき、例えば、消衰係数κが０．００１のとき、光取り出し効率の変化率ΔＥｆｆは、約１０．０％である。

光取り出し効率の変化率ΔＥｆｆは、消衰係数κの増に伴って減少する。これは、上述したように、消衰係数κが増加すると、吸収による損失が大きくなるためである。

図７（ｂ）に示すように、屈折率ｎ_ｔの実部が１．７０においては、消衰係数κの上限は、屈折率ｎ_ｔの実部が２．０９のときよりも高くなる。

半導体発光素子１１０の製造方法の例について説明する。
基板上に、半導体層２５、第２導電層６０となる膜、第２半導体膜２０、第３半導体膜１５、及び、第１半導体膜１０をこの順で、ピタキシャル成長させる。
このとき、例えば、第２導電層６０となる膜におけるＳｎ濃度を低くすることで吸収が低くできる。例えば、第２導電層６０となる膜の密度を低くすることで屈折率を低くすることができる。これにより、小さい消衰係数κが得られる。

膜成形の方法として、スパッタ法を用いてもよい。スパッタ法においても、Ｓｎ濃度を低くすることで、吸収が低くできる。スパッタ法においても、密度を低くすることで屈折率を低くすることができる。これにより、小さい消衰係数κが得られる。

膜成形の方法として、ゾルゲル法や、塗布後に焼結する方法等を用いても良い。低屈折率フィラーを用いることにより、屈折率を低くすることができる。低屈折率フィラーの粒径は、５０ｎｍ以下であることが好ましい。平均２０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。これによって、効果的な全反射が得られる。

実施形態においては、電極における反射率を向上させ、光取り出し効率が向上できる。第２導電層６０を用いることで、反射率を向上できるので、第１導電層５０として、Ａｇ以外の材料を用いることができる。第２導電層６０を半導体層２５と第１導電層５０の間に設けることで、第１導電層５０から不純物（金属元素など）が半導体層２５に侵入することが抑制され、信頼性が向上する。

実施形態において、消衰係数κは、エリプソメトリ解析による情報に基づいて得られる。例えば、吸収係数を求めることで、消衰係数κが得られる。

図８は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の一部を例示する模式的断面図である。 図８に示すように、第３半導体膜１５は、障壁層ＢＬと、井戸層ＷＬと、を含む。この例では、複数の障壁層ＢＬと、複数の井戸層ＷＬと、が設けられている。複数の障壁層ＢＬと、複数の井戸層ＷＬと、は、Ｚ軸方向に沿って交互に配置される。この例では、複数の井戸層ＷＬが設けられている。実施形態において、井戸層ＷＬの数は、１でも良い。

井戸層ＷＬのバンドギャップエネルギーは、障壁層ＢＬのバンドギャップエネルギーよりも小さい。井戸層ＷＬには、Ｉｎを含む窒化物半導体（例えばＩｎＧａＮ）が用いられる。障壁層ＢＬには、例えばＧａＮが用いられる。

第１半導体膜１０の少なくとも一部は、ｎ形半導体膜２１である。ｎ形半導体膜１１は、コンタクト層を含む。第２半導体膜２０の少なくとも一部は、ｐ形半導体膜２１である。ｐ形半導体膜２１は、コンタクト層を含む。

（第２の実施形態）
図９は、第２の実施形態に係る半導体発光素子を例示する模式的断面図である。
図９に示すように、本実施形態に係る半導体発光素子１２０においては、半導体層２５、第１導電層５０及び第２導電層６０に加えて、第１電極５１、第２電極５２、支持部７５、中間導電層７６及びパッシベーション膜８０が設けられている。

支持部７５の上に、中間導電層７６が設けられる。中間導電層７６の上に、第１導電層５０が設けられる。第１導電層５０の上に、第２導電層６０が設けられる。第２導電層６０の上に、第２半導体膜２０、第３半導体膜１５、第１半導体膜１０がこの順で設けられる。第１半導体膜１０の上面（第１面１０ａ）には、凹凸１０ｄｐが設けられる。第１面１０ａの上に、第１電極５１が設けられる。第１面１０ａとは反対側の第２面１０ｂに第３半導体膜１５は接している。

中間導電層７６と第１導電層５０は電気的に接続されている。中間導電層７６の一部の上に、第２電極５２が設けられる。パッシベーション膜８０は、半導体層２５の側面に設けられている。

第１電極５１と第２電極５２との間に電圧を印加するこことで、半導体層２５に電流が供給され、第３半導体膜１５から光が放出される。

第１導電層５０には、例えば、Ａｇが用いられている。半導体発光素子１２０においては、発光光は、第１導電層５０で反射して、第１面１０ａから外部に出射する。実施形態に係る第２導電層６０を用いることで高い光取り出し効率が得られる。

図１０は、第２の実施形態に係る別の半導体発光素子を例示する模式的断面図である。 図１０に示すように、本実施形態に係る半導体発光素子１２１においては、半導体層２５、第１導電層５０及び第２導電層６０に加えて、電極４１、配線層５４、絶縁層６５、パッシベーション膜８０、支持部７５、中間導電層７６、裏面電極７７、パッド電極７８が設けられている。

第１半導体膜１０は、第１半導体領域１１ａと第２半導体領域１１ｂとを含む。第２半導体領域１１ｂから第１半導体領域１１ａに向かう方向は、Ｚ軸方向と交差する。

第２半導体領域１１ｂと第２半導体膜２０との間に、第３半導体膜１５が設けられる。

第１半導体膜１０と支持部７５との間に、第２半導体膜２０及び第３半導体膜１５が配置される。

第１半導体領域１１ｂと支持部７５との間に電極４１が配置される。電極４１は、第１半導体膜１０と電気的に接続される。電極４１と支持部７５との間に中間導電層７６が配置される。この例では、支持部７５は導電性である。中間導電層７６は、導電性であり、支持部７５と電極４１とを電気的に接続する。

この例では、裏面電極７７が設けられており、裏面電極７７と中間導電層７６との間に支持部７５が配置される。

支持部７５と第２半導体膜２０との間に、第１導電層５０が設けられる。第１導電層５０と第２半導体膜２０との間に第２導電層６０が設けられる。支持部７５と第１導電層５０との間に配線層５４が設けられる。配線層５４は、第１導電層５０を介して、第２半導体膜２０と電気的に接続される。配線層５４は、例えば、Ｘ−Ｙ平面に沿って延びる。

支持部７５と配線層５４との間に絶縁層６５が配置される。支持部７５と絶縁層６５との間に中間導電層７６が配置される。支持部７５と電気的に接続されている中間導電層７６は、絶縁層６５により、配線層５４、第１導電層５０及び第２半導体膜２０と電気的に絶縁される。

配線層５４の一端５４ｅは、パッド電極７８と支持部７５との間の位置に延在している。配線層５４は、パッド電極７８と電気的に接続される。

第１半導体膜１０、第３半導体膜１５、第２半導体膜２０を含む半導体層２５の側面２５ｓにパッシベーション膜８０が設けられる。これにより、半導体層２５が保護される。第１半導体層１０の第１面１０ａに凹凸１０ｄｐが設けられる、第１面１０ａの上に絶縁層３０（保護膜）が設けられる。

パッド電極７８と裏面電極７７との間に電圧を印加する。配線層５４、第１導電層５０、第２半導体膜２０、支持部７５、中間導電層７６、電極４１及び第１半導体膜１０を介して、第３半導体膜１５に電流が供給される。半導体発光素子１２１は、例えば、ＬＥＤである。

第３半導体膜１５から放出された光は、電極４１及び第１導電層５０で反射し、第１半導体膜１０を通過して、外部に出射する。

電極４１には、銀、銀合金及びアルミニウム（Ａｌ）の少なくともいずれかが用いられる。高い光反射率が得られる。これらの電極は、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｍｇ、Ｚｎ及びＴｉの少なくともいずれかを含んでも良い。例えば、半導体層２５との良好なオーミック接触性が得られる。

半導体発光素子１２１においても、実施形態に係る第２導電層６０を用いることで高い光取り出し効率が得られる。

図１１は、第２の実施形態に係る別の半導体発光素子を例示する模式的断面図である。 図１１に示すように、本実施形態に係る半導体発光素子１２２においても、半導体層２５、第１導電層５０及び第２導電層６０に加えて、電極４１、絶縁層６５ａ、絶縁層６５ａ６５ｂ、支持部７５及び電流ブロック部６７が設けられている。

第１半導体膜１０の一部に電極４１が接している。電極４１と第３半導体膜１５との間、及び、電極４１と第２第２半導体膜２０との間に絶縁層６５が設けられている。支持部７５と電極４１との間に、絶縁層６５ｂが設けられている。絶縁層６５ｂの一部は、第１導電層５０と絶縁層６５ｂとの間に延在している。絶縁層６５ｂの一部は、第１導電層５０と絶縁層６５ａとの間に位置する。電極４１の一部と第１半導体膜１０との間に電流ブロック部６７が設けられる。電流ブロック部６７は、電極４１と第１半導体膜１０との間に流れる電流を抑制する。例えば電気抵抗が高い材料、または、接触抵抗が高い材料が用いられる。支持部７５は、例えば、一方の電極として機能する。支持部７５は、例えば、電流広がり層として機能する。支持部７５は、例えば、はんだ埋め込み層を含んでも良い。支持部７５は、接続層を含んでも良い。

図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、第２の実施形態に係る別の半導体発光素子を例示する模式的断面図である。
図１２（ａ）に示すように、半導体発光素子１２３においては、電極４１と第１導電層５０との間、電極４１と第２導電層６０との間、電極４１と第２半導体膜２０との間、及び、電極４１と第３半導体膜１５との間に絶縁層６５が設けられている。絶縁層６５は、電極４１の側面と、第１半導体膜１０と、の間にも設けられている。この例では、電極４１は、第１電極膜４１ａと、第２電極膜４１ｂと、を含む。第２電極膜４１ｂと第１半導体膜１０との間に第１電極膜４１ａが設けられる。第１電極膜４１ａの反射率は、第２電極膜４１ｂの反射率よりも高い。

図１２（ｂ）に示すように、半導体発光素子１２４においては、絶縁層６５の下面の位置が、第１導電層５０の位置よりも高い。この例では、絶縁層６５の下面の位置は、第２半導体膜２０と第２導電層６０との間の界面の位置と実質的に一致している。絶縁層６５の下面の位置は、種々の変形が可能である。

実施形態によれば、高光取り出し効率の半導体発光素子半導体発光素子が提供できる。

なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、Ｂ_ｘＩｎ_ｙＡｌ_ｚＧａ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むもの、導電形などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、半導体発光素子に含まれる半導体膜、半導体層、導電層、電極及び絶縁層などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。

また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

その他、本発明の実施の形態として上述した半導体発光素子を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体発光素子も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…第１半導体膜、 １０ａ…第１面、 １０ｂ…第２面、 １０ｄｐ…凹凸、 １１…ｎ形半導体膜、 １１ａ…第１半導体領域、 １１ｂ…第２半導体領域、 １５…第３半導体膜、 ２０…第２半導体膜、 ２１…ｐ形半導体膜、 ２５…半導体層、 ２５ｓ…側面、 ３０…絶縁層、 ４０、４１…電極、 ４１ａ、４１ｂ…第１、第２電極膜、 ５０…第１導電層、 ５１…第１電極、 ５２…第２電極、 ５４…配線層、 ５４ｅ…一端、 ６０…第２導電層、 ６５、６５ａ、６５ｂ…絶縁層、 ６７…電流ブロック部、 ７５…支持部、 ７６…中間導電層、 ７７…裏面電極、 ７８…パッド電極、 ８０…パッシベーション膜、 ΔＥｆｆ…変化率、 ρ…電気抵抗率、 １１０、１２０、１２１、１２２、１２３、１２４…半導体発光素子、 ＢＬ…障壁層、 Ｅｆｆ…光取り出し効率、 ＩＦ…干渉の効果、 Ｌ１、Ｌ２…光、 Ｒｆ…反射率、 ＴＲ…全反射の効果、 ＴＳ…透過率、 ＷＬ…井戸層、 ｔ…厚さ

Claims (6)

1. 半導体層と、
   第１導電層と、
   前記半導体層と前記第１導電層との間に設けられた第２導電層と、
   を備え、
   前記第２導電層の光透過率は、前記第１導電層の光透過率よりも高く、
   前記第２導電層の消衰係数は、０．００５以下である半導体発光素子。
2. 前記第１導電層の光反射率は、前記第２導電層の光反射率よりも高い請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記第２導電層の電気抵抗率は、１．１×１０^−３Ωｍ以上である請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 前記半導体層から放出される光に対する前記第２導電層の屈折率は、前記光に対する前記半導体層の屈折率よりも低い請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
5. 前記第２導電層の厚さは、前記光の前記第２導電層中における波長の０．６７倍以上１．３３倍以下である請求項４記載の半導体発光素子。
6. 前記半導体層は、窒化物半導体を含み、
   前記第２導電層は、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｎｉ及びＳｉからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含む酸化物を含む請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。

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