JP2018166186A - 半導体発光ダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】
基板上に、少なくともｎ型半導体層、発光層、及びｐ型半導体層が、それぞれ層を成して構成されたＧａＡｓ系半導体発光ダイオードでは、ｐ型半導体層の電極として透明電極であるＩＴＯが電気的特性から適用できないため、金属電極を適用せざるを得ないので、発光取出し面積を広くできないという問題があった。
【解決手段】
ＩＴＯと比べてｐ型半導体層との電気的特性を改善し得る透明電極材料を用いた上で、発光取り出し効率を向上することが出来るｐ型半導体層電極構造を有した半導体発光ダイオードを提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば画像形成装置の露光装置に使用される半導体発光ダイオードに関し、特にその電極構造に特徴を有するものである。

プリンタ等の画像形成装置には、露光用の発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）アレイが備えられている。このＬＥＤには光量の増大が求められており、ＬＥＤそのものの発光輝度を増大させる試みの他、発光取り出し効率を改善させる試みがなされている。

ＬＥＤの発光取り出し効率を改善するため、ＬＥＤの発光面積を広くする試みがなされている。このような試みとして、半導体ＬＥＤにおいて、特にｎ型半導体層のシート抵抗を低くしてＬＥＤの発光輝度の高い領域を広くする方法（特許文献１参照）、従来のＬＥＤ構造をフリップチップ化して基板の裏面からＬＥＤの発光を取り出す方法（特許文献２参照）、あるいは、最表面の半導体層電極を透光性電極として発光取り出し面積を広くする方法（特許文献１、特許文献３及び特許文献４参照）、などが挙げられる。

特許文献１には、基板上にｎ型半導体、発光層、及びｐ型半導体層が順次積層された半導体層が形成され、ｐ型半導体層上に透光性電極が形成されるとともに、ｎ型半導体層のシート抵抗を低くした窒化物半導体発光素子が開示されている。

特許文献２には、発光面積を縮小させない構造として、従来のＬＥＤ構造をフリップチップ化し、基板の裏面からＬＥＤの発光を取り出す方法が開示されている。

特許文献３には、基体上にｎ型半導体、発光層及びｐ型半導体層が順次積層された窒化物半導体層が形成され、ｐ型半導体層上に透光性電極が、基体とｎ型半導体層との間に反射層が、それぞれ形成された窒化物半導体発光素子が開示されている。

特許文献４には、基板上にガリウム砒素（ＧａＡｓ）を用いたｐ型半導体層、発光層及びｎ型半導体層が順次積層された半導体層が形成され、ｎ型半導体層上に透明電極としてインジウム錫酸化物（ＩＴＯ：Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）膜が形成されてなるＬＥＤが開示されている。

特許文献１：特開２０１０−２３２６４９号公報
特許文献２：特開２００９−０４９３４２号公報
特許文献３：特開２００６−３３９３８４号公報
特許文献４：特開２００７−１０３５３８号公報

特許文献１〜３に記載の半導体ＬＥＤは、ｐ型半導体、及びｎ型半導体として窒化物系半導体（ＧａＮ）を用い、さらに基板としてサファイア基板を使用している。窒化物系半導体ＬＥＤは、短波長発光（例えば、波長４６０ｎｍ（青色）や５３０ｎｍ（緑色））に適していることが知られている。長波長発光（例えば、波長７６０ｎｍ（赤色））を得るためには、ｐ型半導体、及びｎ型半導体としてＧａＡｓを適用するのが好ましく、ＧａＡｓ層を積層するためにはＧａＡｓ基板を使用する必要がある。

特許文献４に記載の半導体ＬＥＤは、ＧａＡｓを用いて半導体層を形成したＧａＡｓ系半導体ＬＥＤである。金属電極の替わりに透明電極を適用して発光面積を広くするため、通常構造とは反対に、基板上にｐ型半導体、発光層、及びｎ型半導体を順次積層して半導体ＬＥＤを構成している。基板上にｎ型半導体層、発光層、及びｐ型半導体層を順次積層した通常構造のＧａＡｓ系半導体ＬＥＤにおいて、ｐ型半導体層電極として透明電極であるＩＴＯを適用するには、ｐ型ＧａＡｓ層とＩＴＯ電極との間の電気的特性を改善させる必要がある。これは、ｐ型ＧａＡｓの真空準位からフェルミ準位までのエネルギ（５．４ｅＶ）が、ＩＴＯの真空準位からの仕事関数（４．２ｅＶ）よりも大きいため、ＧａＡｓ層とＩＴＯ電極との接合がショットキ接合となってしまうためである。このような理由から、通常構造のＧａＡｓ系半導体ＬＥＤでは、ｐ型半導体層電極として透明電極であるＩＴＯが適用できず、金属電極を適用せざるを得ないので発光面積を広くすることが出来ない。

透明電極材料として良く知られるＩＴＯは、その成分であるインジウムが発がん性を有することに加え、産出地域が偏重した希少金属であるため供給の安定性が懸念される。また、前記したようにｐ型ＧａＡｓの真空準位からフェルミ準位までのエネルギよりも、ＩＴＯの真空準位からの仕事関数が小さいため、ｐ型ＧａＡｓ層とＩＴＯ電極との接合はショットキ接合となるので、ｐ型ＧａＡｓ層とＩＴＯ電極との間の電気的特性を改善させる必要がある。なお、窒化物系半導体であるＧａＮにおいても、真空準位からフェルミ準位までのエネルギは約７ｅＶと非常に大きいため、ＩＴＯ電極との接合はショットキ接合となる。このため、サファイア基板を用いたＧａＮ等の窒化物系半導体ＬＥＤやＧａＡｓ基板を用いたＧａＡｓ系半導体ＬＥＤは、フリップチップ構造にすることが多い。

そこで、本発明では、ＩＴＯと比べてｐ型半導体層との電気的特性を改善し得る透明電極材料を用いた上で、発光取り出し効率を向上することが出来るｐ型半導体層電極構造を有した半導体発光ダイオードを提供することを目的とする。

本発明の半導体発光ダイオードは、基板上に、少なくとも、ｎ型半導体層、発光層、及びｐ型半導体層が、それぞれ層を成して構成され、ｐ型半導体層上に、少なくとも透明導電膜層で形成されるｐ型半導体層電極を有することを特徴とする。

また、本発明の半導体発光ダイオードは、透明導電膜層の屈折率が当該透明導電膜層の表面に接する外周の屈折率よりも大きく、かつ、ｐ型半導体層の屈折率よりも小さいことを特徴とする。

さらに、本発明の半導体発光ダイオードは、透明導電膜層の屈折率と膜厚との積として求められる透明導電膜層の光路長が、半導体発光ダイオードの発光波長の四分の一の奇数倍と等しいことを特徴とする。

または、本発明の半導体発光ダイオードは、透明導電膜層の屈折率と膜厚との積として求められる透明導電膜層の光路長が、半導体発光ダイオードの発光波長の四分の一の奇数倍から発光波長の八分の一を減じた値より大きく、半導体発光ダイオードの発光波長の四分の一の奇数倍に発光波長の八分の一を加えた値より小さいことを特徴とする。

本発明の半導体発光ダイオードにおけるｐ型半導体層はｐ型ＧａＡｓであり、透明導電膜層はガリウムドープ酸化亜鉛であることを特徴とする。

或いは、本発明の半導体発光ダイオードは、ｐ型半導体層上に、少なくとも、透明導電膜層と表面保護層が、この順にそれぞれ層を成して形成されるｐ型半導体層電極を有することを特徴とする。

また、本発明の半導体発光ダイオードは、表面保護層の屈折率が当該表面保護層の表面に接する外周の屈折率よりも大きく、かつ、透明導電膜層の屈折率よりも小さく、さらに、透明導電膜層の屈折率はｐ型半導体層の屈折率よりも小さいことを特徴とする。

さらに、本発明の半導体発光ダイオードは、透明導電膜層の屈折率と膜厚の積として求められる透明導電膜層の光路長と、表面保護層の屈折率と膜厚の積として求められる表面保護層の光路長の和が、半導体発光ダイオードの発光波長の四分の一の奇数倍と等しいことを特徴とする。

または、本発明の半導体発光ダイオードは、透明導電膜層の屈折率と膜厚の積として求められる透明導電膜層の光路長と、表面保護層の屈折率と膜厚の積として求められる表面保護層の光路長の和が、半導体発光ダイオードの発光波長の四分の一の奇数倍から発光波長の八分の一を減じた値より大きく、半導体発光ダイオードの発光波長の四分の一の奇数倍に発光波長の八分の一を加えた値より小さいことを特徴とする。

本発明の半導体発光ダイオードは、ｐ型半導体層はｐ型ＧａＡｓであり、透明導電膜層はガリウムドープ酸化亜鉛であり、表面保護層は二酸化シリコンであることを特徴とする。

本発明の半導体発光ダイオードによれば、ＩＴＯと比べてｐ型半導体層との電気的特性を改善し得る透明電極を適用することで、さらに発光取り出し効率を向上することができる。

本発明の第１の実施形態におけるＧａＡｓ系半導体発光ダイオード１０の断面図。 本発明の第１の実施形態における取出し光強度の計算モデル。 取出し光強度の計算モデルにおける透明導電膜層の光路長依存性計算結果。 本発明の第１の実施形態におけるＧａＡｓ系半導体発光ダイオード１０の製造工程を説明するフローチャート。 発光ダイオード構造基板の断面図。 ＧＺＯ薄膜を堆積する工程を説明するための素子断面図。 第１のパターニング工程を説明するための素子断面図。 エッチング工程を説明するための素子断面図。 第２のパターニング工程を説明するための素子断面図。 ｎ型半導体層電極を堆積するための素子断面図。 リフトオフ工程を説明するための素子断面図。 本発明の第２の実施形態におけるＧａＡｓ系半導体発光ダイオード２０の断面図。 本発明の第２の実施形態における取出し光強度の計算モデル。 本発明の第２の実施形態における取出し光強度のガリウムドープ酸化亜鉛層及び二酸化シリコン層の光路長依存性計算結果。 本発明の第２の実施形態におけるＧａＡｓ系半導体発光ダイオード２０の製造工程を説明するフローチャート。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態（以下、本実施形態と称する）について詳細に説明する。なお、各図は本発明を十分に理解できる程度に概略的に示してあるに過ぎない。よって、本発明は、図示例のみに限定されるものではない。また、各図において共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態におけるＧａＡｓ系半導体発光ダイオード１０の断面図である。ＧａＡｓ系半導体発光ダイオード１０は、支持基板である基板１１（ＧａＡｓ基板）の表面にバッファ層１２、及びｎ型ＧａＡｓ層であるｎ型クラッド層１３が順次積層され、ｎ型クラッド層１３の基板反対側表面の一部領域に、発光層１４、ｐ型ＧａＡｓ層であるｐ型クラッド層１５が積層されたダブルヘテロ接合構造を成す。

ｐ型クラッド層１５の基板反対側表面に透明導電膜層１６が形成される。透明導電膜層１６はｐ型半導体層電極１８を兼ねるが、例えば透明導電膜層１６とｐ型クラッド層１５との間に、電気的特性などの改善を目的とする特殊層を挿入しても良い。ｎ型クラッド層１３の基板反対側表面の他の領域には、ｎ型半導体層電極１９が形成される。

ｎ型クラッド層１３は、具体的にはシリコン（Ｓｉ）をドープしたＧａＡｓ系半導体層であり、ｐ型クラッド層１５は、具体的には炭素（Ｃ）をドープしたＧａＡｓ系半導体層である。ここで、ＧａＡｓ系半導体層は、例えばガリウム砒素りん（ＧａＡｓＰ）層、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）層、アルミニウムガリウム砒素りん（ＡｌＧａＡｓＰ）層、及び、ＧａＡｓ層等である。

発光層１４は、量子井戸層を複数持つ多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造の活性層であり、個々の量子井戸層で発光を得られるため、単一材料で構成されるバルク型よりも明るく鮮やかな発光が可能である。

透明導電膜層１６は、具体的には材料資源が豊富な酸化亜鉛（ＺｎＯ）にガリウム（Ｇａ）をドープしたガリウムドープ酸化亜鉛（ＧＺＯ）である。ＧＺＯは、希少材料であるインジウムを用いるＩＴＯ膜の代替となる透明導電膜である。ＧＺＯは、ＩＴＯと比べるとコンタクト抵抗が一桁程度小さいため、発光層１４への電荷注入効率の改善も期待できる。

ｎ型半導体層電極１９としては、具体的にはチタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）の積層膜が使われる。

図２は、本発明の第１の実施の形態における取出し光強度の計算モデルである。ＧａＡｓ系半導体発光ダイオード１０での光取出しにおける透明導電膜層１６の影響を調べるため、ＧａＡｓ基板内部にＬＥＤ発光部を想定した光源を設定し、ＧａＡｓ基板上に形成したＧＺＯ層の膜厚を変化させて取出し光強度を算出する。

ＧＺＯの膜厚が０ｎｍ、即ちＧａＡｓ基板のみの場合、光源が発した光は、ＧａＡｓ基板とその周囲を覆う空気とで屈折率が異なることから、ＧａＡｓ基板の表面、即ちＧａＡｓ基板と空気との界面において反射が生じる。ＧａＡｓ基板と空気との界面における表面反射率（Ｒ_Ｒｅｆ）は、ＧａＡｓの屈折率をｎ_１、空気の屈折率をｎ_２として式（１）より求まる。通常圧力かつ室温環境下を想定（以後、通常環境下と表す）し、ＧａＡｓの屈折率を３．２〜３．７、空気の屈折率を１として、式（１）によりＧａＡｓ基板と空気との界面に垂直に入射する成分についてのみ計算すると、ＧａＡｓの屈折率を３．２としても２７％程度であるため、取り出し光強度計測面における光強度は２７％程度弱くなると見積もれる。

式１

他方、ＧＺＯ層の膜厚が０ｎｍでない場合、ＧａＡｓ基板とＧＺＯ層（通常環境下の屈折率＝１．７５）の界面における屈折率差は、ＧａＡｓ基板と空気の屈折率差より小さくなる。ＧａＡｓ基板とＧＺＯ層との界面における表面反射率は、式（１）を用いて同様に計算すると８％程度となる。同様に、ＧＺＯ層と空気との界面における表面反射率も、ＧＺＯ層と空気との屈折率差が小さいので７％程度となり、全体でも１５％程度の反射率となる。つまり、取り出し光強度は、ＧＺＯ層がある場合の方が強くなることが見込める。

以上の検討より、透明導電膜層１６とｐ型クラッド層１５は、透明導電膜層１６の屈折率が空気の屈折率よりも大きく、ｐ型クラッド層１５の屈折率が透明導電膜層１６の屈折率よりも大きくなるように、それぞれの材料が選択されることが望ましい。

図３は、図２で示したモデルにおける取り出し光強度のＧＺＯ層の光路長依存性を計算した結果である。縦軸はＧａＡｓ基板のみの取り出し光強度を基準とした相対光強度［％］であり、横軸はＧＺＯ層の膜厚と屈折率の積として求められる光路長［ｎｍ］である。なお、本計算にはＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）法を用い、図２に示したように、ＧａＡｓ基板表面からＬＥＤ発光部を想定した光源までの深さは１μｍとし、ＧＺＯ層表面から取り出し光強度計測面の距離を０．５μｍとして、ＬＥＤの想定発光波長７５０ｎｍについて算出した。

図３から明らかなように、得られる取出し光強度が、ＧＺＯ層の光路長によって周期的に増減する結果が得られた。この結果は、屈折率差から算出する表面反射率での単純検討結果とは異なる。

ＧＺＯ層の光路長１８５ｎｍ程度において第１の極大点として最大光強度（１．３７倍相当）が得られ、光路長４００ｎｍ程度において第１の極小点として最小光強度（０．８７倍相当）が得られた。ＧＺＯ層の光路長５８０ｎｍ付近が第２の極大点となる。これらの光路長をＬＥＤの発光波長（７５０ｎｍ）と対比させると、光路長１８５ｎｍは発光波長の四分の一（１８７．５ｎｍ）と同等であり、光路長４００ｎｍ程度は発光波長の二分の一（３７５ｎｍ）に相当し、光路長５８０ｎｍ程度は発光波長の四分の三（５６２．５ｎｍ）に相当する。これらの結果から、ＧＺＯ層の光路長が、ＬＥＤの発光波長の四分の一の奇数倍に相当する場合に光強度が極大となり、ＬＥＤの発光波長の四分の一の偶数倍に相当する場合に光強度が極小となることが見出せる。図３から明らかなように、第１の極大点において最大光強度が得られていることから、ＧＺＯ層の光路長がＬＥＤの発光波長の四分の一となるようにＧＺＯ層の膜厚を設計するのが最適である。

最大光強度が得られる第１の極大点である光路長１８５ｎｍ程度を中心として、１８０ｎｍ程度の光路長範囲（即ち、光路長９５ｎｍ〜２７５ｎｍ程度）においても、基準よりも強い光強度が得られている。光路長１８０ｎｍはＬＥＤの発光波長の四分の一に相当するので、ＬＥＤの発光波長の八分の一に相当する光路長の分だけ極大点となる光路長と異なっても（即ち、ＬＥＤの発光波長の八分の一から八分の三の範囲に相当）基準より強い光強度を得られることが期待できる。

以上の検討より、透明導電膜層１６の膜厚と屈折率の積として求められる光路長が、ＧａＡｓ系半導体発光ダイオード１０の発光波長の四分の一と等しくなるように、透明導電膜層１６の膜厚が定められるのが最適である。次善として、ＧａＡｓ系半導体発光ダイオード１０の発光波長の八分の一から八分の三の範囲に相当する光路長となるように、透明導電膜層１６の膜厚が定められるのが望ましい。

（製造方法）
図４は、ＧａＡｓ系半導体発光ダイオード１０の製造工程を説明するためのフローチャートである。なお、以後の説明における各製造工程の順序や適用する手段、条件等は、あくまで一例であり、これらに限定されるものではない。ＧａＡｓ系半導体発光ダイオード１０は、発光ダイオード構造基板（積層基板）を準備し（Ｓ１０）、発光ダイオード構造基板にＧＺＯ薄膜１６を堆積する（Ｓ１１）。レジスト３１で第１のパターニングを行い（Ｓ１３）、エッチングによってｎ型クラッド層１３の一部まで除去する（Ｓ１４）。フォトレジスト３２で第２のパターニングを行い（Ｓ１５）、Ｔｉ／Ａｌ積層膜３３を堆積させ（Ｓ１６）、リフトオフによりｎ型半導体層電極１９を形成（Ｓ１７）した後、熱処理を行う（Ｓ１８）ことにより形成される。以下、各ステップの対応図を用いて順に製造工程を説明する。

（Ｓ１０）発光ダイオード構造基板の準備
図５に示す発光ダイオード構造基板は、支持基板であるＧａＡｓ基板（基板１１）の表面に、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりバッファ層１２を堆積し、バッファ層１２の基板反対側表面にｎ型クラッド層１３をエピタキシャル成長させ、ｎ型クラッド層１３の基板反対側表面に発光層１４を積層し、発光層１４の基板反対側表面にｐ型クラッド層１５を結晶成長させて構成される。

基板１１とｎ型クラッド層１３とは結晶構造が同じであるが、バッファ層１２を間に挟むことで格子不整合による歪みが軽減される。発光層１４はキャリアを集中させ、再結合を効率よく起こさせる活性層であり、構成の説明でも述べたようにＭＱＷ構造を有する。

（Ｓ１１）ＧＺＯ薄膜の堆積
図６に示すように、発光ダイオード構造基板の最表面であるｐ型クラッド層１５上に、ＧＺＯ薄膜１６をスパッタ法或いはイオンプレーティング法により形成する。このとき、成膜初期の不安定さや不均一さを回避するため、膜厚は５０ｎｍ以上とすることが望ましい。取り出し光強度のＧＺＯ層の光路長依存性検討結果で説明したように、ＧＺＯ薄膜１６の光路長（膜厚と屈折率の積）が、ＧａＡｓ系半導体発光ダイオード１０の出力波長の四分の一と等しくなるようにＧＺＯ薄膜１６の膜厚は定められ、本実施の形態におけるＧＺＯ薄膜１６の膜厚は１１０ｎｍ相当である。

（Ｓ１３）第１のパターニング
図７に示すように、ＧＺＯ薄膜１６を堆積した積層基板の平面を発光領域かつｐ型半導体層電極領域と、ｎ型半導体層電極領域とに分割し、発光領域及びｐ型半導体層電極領域にレジスト３１を塗布する。

（Ｓ１４）エッチング
レジスト３１が塗布されていない領域（すなわち、ｎ型半導体層電極領域）において、ドライエッチングによりＧＺＯ薄膜１６をエッチングして除去し、さらに過酸化水素水及び燐酸の混合液を用いたウェットエッチング、或いはメタン系か塩素性ガスを用いたドライエッチングによりｎ型クラッド層１３の一部まで除去し、図８に示すような、いわゆるＭＥＳＡ構造（Ｍｅｓａ Ｓｔｒｕｓｔｕｒｅ）を形成する。

（Ｓ１５）第２のパターニング
図９に示すように、ｎ型半導体層電極領域を、ｎ型半導体層電極の形成領域と非形成領域に分割し、ｎ型半導体層電極の非形成領域と、ＧＺＯ薄膜１６が形成された発光領域かつｐ型半導体層電極領域とにフォトレジスト３２を塗布する。

（Ｓ１６）Ｔｉ／Ａｌの堆積
図１０に示すように、塗布したフォトレジスト３２の表面及びｎ型半導体層電極の形成領域に、スパッタ法や真空蒸着法などによりＴｉ／Ａｌ積層膜３３を堆積する。

（Ｓ１７）リフトオフ
図１１に示すように、フォトレジスト３２及びフォトレジスト３２上に堆積されたＴｉ／Ａｌ積層膜３３を剥がし、ｎ型半導体層電極の形成領域にｎ型半導体層電極１９を形成する。

（Ｓ１８）熱処理
ｎ型半導体層電極１９が形成されたＧａＡｓ系半導体発光ダイオード１０は、急速アニール装置（ＲＴＡ：Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）を用いて３００℃〜５００℃の窒素雰囲気で３分間熱処理される。このときの熱処理温度は、ＧａＡｓ半導体の劣化損傷を防ぐため、ＧａＡｓの劣化温度よりも低い温度である５００℃以下（更に好ましくは３６０℃相当）であることが望ましい。

（第１の実施形態の効果）
本発明の第１の実施形態におけるＧａＡｓ系半導体発光ダイオード１０では、ｐ型半導体層電極１８は透明導電膜層１６で構成される透明電極であるので、金属電極とする場合と比べて大きな発光取り出し面積を確保することが出来る。また、透明導電膜層１６の膜厚と屈折率の積が、ＧａＡｓ系半導体発光ダイオード１０の出力波長の四分の一と等しくなるように、透明導電膜層１６の膜厚を制御するので、ｐ型クラッド層１５と透明導電膜層１６の界面、並びに透明導電膜層１６と空気層との界面における反射を抑え、より強い光を取り出すことが出来る。

（第２の実施形態）
図１２は本発明の第２の実施形態におけるＧａＡｓ系半導体発光ダイオード２０の断面図である。ＧａＡｓ系半導体発光ダイオード２０は、主な構成は第１の実施形態におけるＧａＡｓ系半導体発光ダイオード１０と同様であるが、透明導電膜層１６の基板反対側表面に表面保護層１７が更に積層され、透明導電膜層１６及び表面保護層１７によってｐ型半導体層電極１８が形成されている点が異なる。

表面保護層１７は、具体的には二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）である。ＧａＡｓ系半導体発光ダイオード２０の最表面層となるため、電気的な絶縁性と化学的安定性を備えた材料であるのが望ましく、材料間の屈折率差から定まる表面反射率での検討に基づき、ＧＺＯよりも屈折率が小さく（屈折率＝１．４５）、かつ空気よりも屈折率が大きい材料である。

図１３に示すように、図２で示したモデルのＧＺＯ層上にＳｉＯ_２層を積層したモデルを用い、ＧＺＯ膜厚及びＳｉＯ_２膜厚による取り出し光強度を計算した結果を図１４に示す。縦軸はＳｉＯ_２層の光路長［ｎｍ］、横軸はＧＺＯ層の光路長［ｎｍ］である。ＧａＡｓ基板のみの取り出し光強度を基準とした相対光強度［％］を算出し、第１の極大点を黒丸（●）、第１の極小点を黒三角（▲）、及び第２の極大点を黒四角（■）で表している。なお、ＳｉＯ_２層の膜厚が０ｎｍの場合の結果は、図３に示した結果である。

各結果を直線近似すると図中に示したような近似式が得られる。全ての近似式においてｘ項を左辺に移動すると、第１の極大点ではｙ＋ｘ＝２１３、第１の極小点ではｙ＋ｘ＝３９５、及び第２の極大点ではｙ＋ｘ＝５７３となる。それぞれ左辺のｙ＋ｘはＧＺＯ層の光路長とＳｉＯ_２層の光路長の和であるから、ＧＺＯ層の光路長とＳｉＯ_２層の光路長の和がＬＥＤの発光波長の四分の一に相当する２１３ｎｍであるとき第１の極大点となり、ＧＺＯ層の光路長とＳｉＯ_２層の光路長の和がＬＥＤの発光波長の四分の二に相当する３９５ｎｍであるとき第１の極小点となり、ＧＺＯ層の光路長とＳｉＯ_２層の光路長の和がＬＥＤの発光波長の四分の三に相当する５７３ｎｍであるとき第２の極大点となることがわかる。これは図３から得られた結果と同様である。また、図１３には示していないが、ＧＺＯ層の光路長とＳｉＯ_２層の光路長の和が、ＬＥＤの発光波長の八分の一に相当する光路長の分だけ、極大点或いは極小点となる光路長と異なっても、基準よりも強い或いは弱い光強度となることも図３から得られた結果と同様である。

以上の検討より、透明導電膜層１６の膜厚と屈折率の積として求められる光路長と、表面保護層１７の膜厚と屈折率の積として求められる光路長の和が、ＧａＡｓ系半導体発光ダイオード２０の発光波長の四分の一の奇数倍と等しくなるように、透明導電膜層１６及び表面保護層１７の膜厚が定められるのが最適である。或いは、透明導電膜層１６の光路長をＬ１、表面保護層１７の光路長をＬ２、ＧａＡｓ系半導体発光ダイオード２０の発光波長をλ、さらに１より大きい任意の整数をＮとして、Ｌ１とＬ２の和が式（２）を満たすように、透明導電膜層１６及び表面保護層１７の膜厚が定められるのが望ましい。

式２

（製造方法）
図１５にＧａＡｓ系半導体発光ダイオード２０の製造工程を説明するためのフローチャートを示す。図４に示した、第１のＧａＡｓ系半導体発光ダイオード１０の製造工程におけるＧＺＯ薄膜の堆積工程（Ｓ１１）と、第１のパターニング工程（Ｓ１３）の間に、ＳｉＯ_２薄膜の堆積工程（Ｓ１２）を有する点が異なる。第１のパターニング工程（Ｓ１３）以降の工程は、第１の実施形態におけるＧａＡｓ系半導体発光ダイオード１０の製造工程と同様である。

（第２の実施形態の効果）
本発明の第２の実施形態におけるＧａＡｓ系半導体発光ダイオード２０では、ｐ型半導体層電極１８は透明導電膜層１６上に表面保護層１７を積層した透明電極で構成されるので、金属電極とする場合と比べて大きな発光取り出し面積を確保することが出来る。また、透明導電膜層１６の膜厚と屈折率の積と、表面保護層１７の膜厚と屈折率の積の和が、ＧａＡｓ系半導体発光ダイオード２０の出力波長の四分の一の奇数倍と等しくなるように、透明導電膜層１６並びに表面保護層１７の膜厚をそれぞれ制御するので、ｐ型クラッド層１５と透明導電膜層１６の界面、透明導電膜層１６と表面保護層１７の界面、及び表面保護層１７と空気層との界面、それぞれにおける反射を抑え、より強い光を取り出すことが出来る。

さらに、表面保護層１７が最表面層となるので、製造プロセスでのエッチング等に用いる酸等の化学薬品や湿気等による透明導電膜層１６への影響が抑制され、ＧａＡｓ系半導体発光ダイオード２０を安定に保つことが出来る。

１０ 第１のＧａＡｓ系半導体発光ダイオード
１１ 基板
１２ バッファ層
１３ ｎ型クラッド層
１４ 発光層
１５ ｐ型クラッド層
１６ 透明導電膜層（ＧＺＯ薄膜）
１７ 表面保護層（ＳｉＯ_２薄膜）
１８ ｐ型半導体層電極
１９ ｎ型半導体層電極
２０ 第２のＧａＡｓ系半導体発光ダイオード
３１ レジスト
３２ フォトレジスト
３３ Ｔｉ／Ａｌ積層膜

Claims (10)

1. 基板上に、
   少なくとも、ｎ型半導体層、発光層、及びｐ型半導体層が、それぞれ層を成して構成され、
   前記ｐ型半導体層上に、少なくとも透明導電膜層で形成されるｐ型半導体層電極を有する
   ことを特徴とする半導体発光ダイオード。
2. 前記透明導電膜層は、屈折率が当該透明導電膜層の表面に接する外周の屈折率よりも大きく、
   かつ、前記ｐ型半導体層の屈折率よりも小さい材料である
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光ダイオード。
3. 請求項１又は請求項２に記載の半導体発光ダイオードであって、
   前記透明導電膜層の屈折率と膜厚との積として求められる前記透明導電膜層の光路長が、前記半導体発光ダイオードの発光波長の四分の一の奇数倍と等しい
   ことを特徴とする半導体発光ダイオード。
4. 請求項１又は請求項２に記載の半導体発光ダイオードであって、
   前記透明導電膜層の屈折率と膜厚との積として求められる前記透明導電膜層の光路長が、前記半導体発光ダイオードの発光波長の四分の一の奇数倍から当該発光波長の八分の一を減じた値より大きく、前記半導体発光ダイオードの発光波長の四分の一の奇数倍に当該発光波長の八分の一を加えた値より小さい
   ことを特徴とする半導体発光ダイオード。
5. 前記ｐ型半導体層はｐ型ＧａＡｓであり、
   前記透明導電膜層はガリウムドープ酸化亜鉛である
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の半導体発光ダイオード。
6. 基板上に、
   少なくとも、ｎ型半導体層、発光層、及びｐ型半導体層が、それぞれ層を成して構成され、
   前記ｐ型半導体層上に、少なくとも、透明導電膜層と表面保護層が、この順にそれぞれ層を成して構成されるｐ型半導体層電極を有する
   ことを特徴とする半導体発光ダイオード。
7. 請求項６に記載の半導体発光ダイオードであって、
   前記表面保護層は、屈折率が当該表面保護層の表面に接する外周の屈折率よりも大きく、かつ前記透明導電膜層の屈折率よりも小さい材料であり、
   前記透明導電膜層は、屈折率が前記ｐ型半導体層の屈折率よりも小さい材料である、
   ことを特徴とする半導体発光ダイオード。
8. 請求項６又は請求項７に記載の半導体発光ダイオードであって、
   前記透明導電膜層の屈折率と膜厚の積として求められる前記透明導電膜層の光路長と、
   前記表面保護層の屈折率と膜厚の積として求められる前記表面保護層の光路長の和が、
   前記半導体発光ダイオードの発光波長の四分の一の奇数倍と等しい
   ことを特徴とする半導体発光ダイオード。
9. 請求項６又は請求項７に記載の半導体発光ダイオードであって、
   前記透明導電膜層の屈折率と膜厚の積として求められる前記透明導電膜層の光路長と、
   前記表面保護層の屈折率と膜厚の積として求められる前記表面保護層の光路長の和が、
   前記半導体発光ダイオードの発光波長の四分の一の奇数倍から当該発光波長の八分の一を減じた値より大きく、前記半導体発光ダイオードの発光波長の四分の一の奇数倍に当該発光波長の八分の一を加えた値より小さい
   ことを特徴とする半導体発光ダイオード。
10. 請求項６〜９の何れかに記載の半導体発光ダイオードであって、
    前記ｐ型半導体層はｐ型ＧａＡｓであり、
    前記透明導電膜層はガリウムドープ酸化亜鉛であり、
    前記表面保護層は二酸化シリコンである
    ことを特徴とする半導体発光ダイオード。

Images