JP5048392B2 - Iii族窒化物系化合物半導体発光素子 - Google Patents
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Description
ここにおいて透光性導電層は単層に限定されず、総膜厚100nm以下の多重積層膜を含むものとする。また、「透光性」とは、少なくとも本発明の発光素子の発する光に対して実質的に透明であれば良いものとする。
そこで、例えばIII族窒化物系化合物半導体の電極としてニオブ(Nb)やタンタル(Ta)その他の不純物を1〜10%添加した酸化チタン(TiO2)を用いることが可能であり、且つ、波長360nm〜600nmの光が例えば窒化ガリウム層とドープされた酸化チタン(TiO2)層との界面での全反射をほぼ無くすことが可能となる。以下に示される通り、例えば400nm〜600nmの範囲の中の所望の波長において、ドープされた酸化チタン(TiO2)の屈折率を例えば窒化ガリウムの屈折率よりも大きくすることが、ニオブ(Nb)やタンタル(Ta)その他の不純物のドープ量の調整により可能である。これにより例えば窒化ガリウム層からドープされた酸化チタン(TiO2)層に入射した紫外光が、逆に窒化ガリウム層へは全反射により出射されないようにすることも可能である。
透光性電極に直接接合するコンタクト層としては、窒化ガリウムに以外にも任意組成のIII族窒化物系化合物半導体を用いることができる。III族窒化物系化合物半導体はIII族元素の組成比や添加する不純物の濃度によりその屈折率が変化することが知られている。ニオブ(Nb)やタンタル(Ta)その他の不純物の酸化チタン(TiO2)への添加量を調整して、直接接合するコンタクト層との屈折率を一致させることが最も望ましい。この場合、全反射は全く生じない。完全に一致しないまでも、全反射を低減するため、屈折率比は、0.95〜1.05が望ましく、0.98〜1.02がより望ましく、0.99〜1.01が更に望ましい。この際、ニオブ(Nb)やタンタル(Ta)その他の不純物の酸化チタン(TiO2)への1〜10%の範囲での添加量の変化に対し、屈折率変化は大きいが導電率(抵抗率)の変化は比較的小さいので、導電率をほぼ最大として(抵抗率をほぼ最低として)、屈折率が所望の値となるように添加量を決定することが可能となる。
尚、一般に、屈折率は密度と正の相関が有り、酸化膜の密度が低下すると屈折率も低下する。この点は注意すべきである。
例えば波長460nm付近での窒化ガリウム(GaN)の屈折率2.48と一致させるタンタル(Ta)又はニオブ(Nb)の酸化チタン(TiO2)への添加量は、3〜10%が好ましいが6〜8%とすると更に良い。同様に、波長520nm付近での窒化ガリウム(GaN)の屈折率2.43と一致させるタンタル(Ta)又はニオブ(Nb)の酸化チタン(TiO2)への添加量は、3〜10%が好ましいが3〜5%とすると更に良い。
エッチングを用いる場合は次のようにすると良い。まず、フォトリソグラフにより、レジストマスクをパターニングする。パターンとしては、ドット又は格子、ストライプその他を挙げることができる。この際、周期性の有無も任意である。マスクの幅やピッチ(間隔)は3μm以下が良い。発光波長をλ、ドープされた酸化チタン(TiO2)から成る電極の屈折率をnとした場合、マスクの幅やピッチ(間隔)はλ/(4n)〜λが良い。こうしてマスクのされていない窓をエッチングする(ドライ又はウエット、任意に選択)。深さはピッチの1〜3倍が良く最低でもλ/(4n)が必要である。
その他の凹凸形成方法としては、TiO2膜形成時に凹凸が生成するような条件を用いる、マスクを形成せずにTiO2をエッチングしてランダムで微小な凹凸を形成する、TiO2膜上にフォトレジストマスクパターンを形成し、再度TiO2膜を形成してから不要部をマスクごとリフトオフして形成する、TiO2膜形成後、熱処理を施すことにより表面にランダムな凹凸を形成する、と言った方法を採用しても良い。
凹凸を有するドープされた酸化チタン(TiO2)から成る電極表面には、導電性膜又は絶縁性膜を形成し、或いはそれらをその順に積層すると良い。
透光性電極20のルチル型/アナターゼ型は任意に選択して良いが、抵抗率の観点からはアナターゼ型がより好ましい。
用いられたガスは、アンモニア(NH3)、キャリアガス(H2,N2)、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルインジウム(TMI)、シラン(SiH4)とシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)である。
次に、サファイア基板10の温度を1150℃に保持し、H2を20L/分、NH3を10L/分、TMGを1.7×10-4モル/分、H2ガスにより0.86ppmに希釈されたシランを20×10-8モル/分で40分間供給し、膜厚約4.0μm、電子濃度2×1018/cm3、シリコン濃度4×1018/cm3のn型GaNから成るnコンタクト層11を形成した。
次に、フォトレジストの塗布、フォトリソグラフによりp電極20のマスクをパターニングした後、ドライエッチングによりp電極20を所望の形状に成形した。
次に、フォトレジストをリフトオフにより除去し、n電極30は所望の形状に形成された。この後、窒素を含む雰囲気下600℃5分間の加熱処理によりn電極30のn型GaN層11に対する合金化と、p型GaN層15及びpクラッド層14の低抵抗化を行った。
図1のIII族窒化物系化合物半導体発光素子100において、凹凸20sを有しない、即ち露出面が平坦である、酸化ニオブチタン(ニオブ3%)から成る透光性電極を有する発光素子を形成して光出力を比較した。凹凸20sを有する図1のIII族窒化物系化合物半導体発光発光素子100は、凹凸20sを有しないIII族窒化物系化合物半導体発光発光素子に比較して、光出力が30%向上した。この際、駆動電圧その他の素子特性には差は無かった。
また、図3.BのIII族窒化物系化合物半導体発光素子310に、図4.CのIII族窒化物系化合物半導体発光素子420の酸化ケイ素(SiO2)から成る保護膜40や、図4.BのIII族窒化物系化合物半導体発光素子410の酸化ケイ素(SiO2)から成る凹凸40sを有する保護膜40を追加して構成しても良い。
また、各実施例ではニオブ(Nb)を単独で酸化チタンに添加したが、タンタル(Ta)を単独で酸化チタンに添加しても良く、ニオブ(Nb)とタンタル(Ta)を同時に添加しても良い。
20:酸化ニオブチタンから成る透光性電極
21、22:透光性導電層
40:保護膜
Claims (4)
- 透光性電極を有するIII族窒化物系化合物半導体発光素子において、
コンタクト層であるGaNからなる半導体層上に接して、透光性導電層、前記透光性電極が順に積層され、
前記透光性電極は、タンタル(Ta)またはニオブ(Nb)がチタン(Ti)に対してモル比3〜10%でドープされた酸化チタンから成り、
且つ、前記透光性電極の少なくとも一部に凹凸を有し、
前記透光性導電層は、横方向拡散抵抗を低減させる低抵抗率で前記透光性電極とは異なる材料からなり、λ/(4*n)(ここで、λは前記III族窒化物系化合物半導体発光素子の発光波長、nは前記透光性導電層の発光波長における屈折率)未満の厚さであり、
前記透光性電極の発光波長における屈折率と、前記コンタクト層であるGaNからなる半導体層の発光波長における屈折率との比は、0.98以上1.02以下であり、
発光波長が400〜600nmである、
ことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子。 - 前記透光性導電層は、ITOからなることを特徴とする請求項1に記載のIII 族窒化物系化合物半導体発光素子。
- 前記透光性電極はp電極であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
- 前記透光性電極はn電極であることを特徴とする請求項1または請求項2のいずれか1項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
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