JP5378131B2 - 窒化物半導体発光ダイオード素子 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体発光ダイオード素子に関する。

窒化物半導体発光ダイオード素子の発光効率に大きな影響を与えるパラメータとしては、内部量子効率およびキャリアの注入効率に加えて、光取り出し効率が挙げられる。

たとえば特許文献１には、窒化物半導体発光ダイオード素子の光取り出し効率を高める構造として、フリップチップ型の窒化物半導体発光ダイオード素子とすることが提案されている。

特許文献１に記載のフリップチップ型の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、透明導電膜上に誘電体からなる多重反射膜と金属からなる反射膜との積層構造が設けられており、発光層から透明導電膜側に進行した光を多重反射膜で透光性基板方向に反射させて、透光性基板から光を取り出している。

そして、特許文献１に記載のフリップチップ型の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、誘電体からなる多重反射膜と金属からなる反射膜との積層構造を採用しているため、多重反射膜と透明導電膜との境界における多重反射を考慮した反射率が向上し、透光性基板から取り出すことができる光量を増大させることができるとされている。

特開２００６−１２０９１３号公報

しかしながら、特許文献１に記載のフリップチップ型の窒化物半導体発光ダイオード素子よりもさらに発光効率が高く、かつ動作電圧の低い窒化物半導体発光ダイオード素子が要望されている。

上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、発光効率が高く、かつ動作電圧の低い窒化物半導体発光ダイオード素子を提供することにある。

本発明は、ｎ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層上に設けられた窒化物半導体発光層と、窒化物半導体発光層上に設けられたｐ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層上に設けられた第１の反射層と、第１の反射層上に設けられた第２の反射層と、を含み、第１の反射層は、ＩＴＯ層と、ニオブがドープされた二酸化チタンからなる層との交互積層体からなり、第２の反射層は銀層であるフリップチップ型の窒化物半導体発光ダイオード素子である。

また、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子において、ｐ型窒化物半導体層とＩＴＯ層とは接触していることが好ましい。

また、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子において、ｎ型窒化物半導体層は基板上に設けられており、基板のｎ型窒化物半導体層側の表面およびｎ型窒化物半導体層側とは反対側の表面の少なくとも一方が凹凸を有していることが好ましい。

また、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、第１の導電性酸化物層の１層の厚さＬ１と発光波長λとは０．１５λ≦Ｌ１≦０．２５λの関係を満たし、第２の導電性酸化物層の１層の厚さＬ２と発光波長λとは０．１２λ≦Ｌ２≦０．２λの関係を満たすことが好ましい。

さらに、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、第１の導電性酸化物層の１層の厚さＬ１と発光波長λとは０．１６λ≦Ｌ１≦０．２１λの関係を満たし、第２の導電性酸化物層の１層の厚さＬ２と発光波長λとは０．１３λ≦Ｌ２≦０．１７λの関係を満たすことが好ましい。

本発明によれば、動作電圧が低く、かつ高い発光効率の窒化物半導体発光ダイオード素子を提供することができる。

実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図である。 実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例の製造工程の一部について図解する模式的な断面図である。 実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。 実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。 実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。 実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。 実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図である。 実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例の製造工程の一部について図解する模式的な断面図である。 実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。 実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。 実施の形態３の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図である。 実施の形態３の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例の製造工程の一部について図解する模式的な断面図である。 実施の形態４の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図である。 実施の形態４の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例の製造工程の一部について図解する模式的な断面図である。 実施の形態４の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。 実施の形態４の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。 実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の製造工程の一部について図解する模式的な断面図である。 実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。 実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。 実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。 実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。

＜実施の形態１＞
図１に、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の一例である実施の形態１のフリップチップ型の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図を示す。

実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子は、基板１と、基板１の表面に接して設けられたｎ型窒化物半導体層２と、ｎ型窒化物半導体層２の表面に接して設けられた窒化物半導体発光層３と、窒化物半導体発光層３の表面に接して設けられたｐ型窒化物半導体層４と、ｐ型窒化物半導体層４の表面に接して設けられた第１の反射層５と、第１の反射層５に接して設けられた第２の反射層６と、第２の反射層６の表面に接して設けられたｐ側電極７と、ｎ型窒化物半導体層２の露出表面に接して設けられたｎ側電極８と、を備えている。

そして、ｐ側電極７はサブマウント１１の表面上に設けられた金属バンプ９上に電気的に接続して設けられており、ｎ側電極８はサブマウント１１の表面上に設けられた金属バンプ１０上に電気的に接続して設けられている。

ここで、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の第１の反射層５においては、第１の導電性酸化物層５ａと、第２の導電性酸化物層５ｂとが１層ずつ交互に積層された交互積層体から構成されている。なお、第１の導電性酸化物層５ａと第２の導電性酸化物層５ｂとは互いに屈折率が異なっている。

以下、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例について説明する。

まず、図２の模式的断面図に示すように、たとえばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長）法などによって、基板１の表面上に、ｎ型窒化物半導体層２、窒化物半導体発光層３およびｐ型窒化物半導体層４をこの順序で積層する。

ここで、基板１としては、たとえば窒化物半導体発光層３から発光する光に対して透明な基板を用いることができ、たとえば炭化珪素基板、窒化ガリウム基板またはサファイア基板などを用いることができる。

また、ｎ型窒化物半導体層２としては、たとえば、Ａｌ_x1Ｇａ_y1Ｉｎ_z1Ｎの式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる窒化物半導体層（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、０≦ｚ１≦１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≠０）にｎ型ドーパントをドーピングした層などを積層することができる。なお、ｎ型ドーパントとしては、たとえばシリコンおよび／またはゲルマニウムなどをドーピングすることができる。

また、窒化物半導体活性層３としては、たとえば、互いに組成の異なる、Ａｌ_x2Ｇａ_y2Ｉｎ_z2Ｎの式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる窒化物半導体井戸層（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、０≦ｚ２≦１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２≠０）と、窒化物半導体井戸層よりもバンドギャップの大きいＡｌ_x3Ｇａ_y3Ｉｎ_z3Ｎの式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる窒化物半導体障壁層（０≦ｘ３≦１、０≦ｙ３≦１、０≦ｚ３≦１、ｘ３＋ｙ３＋ｚ３≠０）とを１層ずつ交互に積層した層などを積層することができる。窒化物半導体活性層３における窒化物半導体井戸層の数は、たとえば６層とすることができるがこれに限定されるものではない。なお、窒化物半導体活性層３は、上記の窒化物半導体井戸層を１層のみ有する単一量子井戸構造であってもよく、上記の窒化物半導体井戸層を複数層有する多重量子井戸構造であってもよい。

また、ｐ型窒化物半導体層４としては、たとえばＡｌ_x4Ｇａ_y4Ｉｎ_z4Ｎの式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる窒化物半導体層（０≦ｘ４≦１、０≦ｙ４≦１、０≦ｚ４≦１、ｘ４＋ｙ４＋ｚ４≠０）にｐ型ドーパントをドーピングした層などを積層することができる。なお、ｐ型ドーパントとしては、たとえばマグネシウムおよび／または亜鉛などをドーピングすることができる。

次に、図３の模式的断面図に示すように、たとえばスパッタ法などによって、ｐ型窒化物半導体層４の表面上に、第１の導電性酸化物層５ａ、第２の導電性酸化物層５ｂ、第１の導電性酸化物層５ａ、第２の導電性酸化物層５ｂおよび第１の導電性酸化物層５ａをこの順序で１層ずつ積層することによって、第１の導電性酸化物層５ａと第２の導電性酸化物層５ｂとが１層ずつ交互に積層された交互積層体からなる第１の反射層５を形成する。

第１の導電性酸化物層５ａとしては、インジウム、錫および亜鉛からなる群から選択された少なくとも１種の金属の酸化物からなる層を積層することが好ましく、なかでもインジウムと錫とを含む酸化物であるＩＴＯ（Indium Tin Oxide）を積層することがより好ましい。第１の導電性酸化物層５ａとしてインジウム、錫および亜鉛からなる群から選択された少なくとも１種の金属の酸化物からなる層を積層した場合、特にＩＴＯを積層した場合には、第１の導電性酸化物層５ａとｐ型窒化物半導体層４との接触抵抗が低くなる傾向にある。そのため、この場合には、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の動作電圧を低くすることができる傾向にある。

また、第２の導電性酸化物層５ｂとしては、ニオブ、タンタル、モリブデン、ヒ素、アンチモン、アルミニウム、タングステン、チタン、セリウム、銅、クロムおよび白金からなる群から選択された少なくとも１種の金属がドープされた二酸化チタンからなる層を積層することが好ましく、なかでも１０原子％以下の濃度でニオブがドープされた二酸化チタンからなる層を積層することがより好ましい。第２の導電性酸化物層５ｂとして、ニオブ、タンタル、モリブデン、ヒ素、アンチモン、アルミニウム、タングステン、チタン、セリウム、銅、クロムおよび白金からなる群から選択された少なくとも１種の金属がドープされた二酸化チタンからなる層を積層した場合、特に１０原子％以下の濃度でニオブがドープされた二酸化チタンからなる層を積層した場合には、屈折率が高く、かつ導電性が高い第２の導電性酸化物層５ｂとすることができる。そのため、この場合には、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の動作電圧を低くすることができるとともに、窒化物半導体活性層３から発光した光のうち基板１側とは反対側に向かう光を高い反射率で反射して基板１側から取り出すことにより発光効率を高めることができる傾向にある。

また、第２の導電性酸化物層５ｂとしては、１原子％以上７原子％以下の濃度でニオブがドープされた二酸化チタンからなる層を積層することがさらに好ましい。第２の導電性酸化物層５ｂが１原子％以上７原子％以下の濃度でニオブがドープされた二酸化チタンからなる層である場合には、第２の導電性酸化物層５ｂの導電性をさらに高くして、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の動作電圧をさらに低くすることができる傾向にある。

また、第２の導電性酸化物層５ｂとしては、１原子％以上６原子％以下の濃度でニオブがドープされた二酸化チタンからなる層を積層することが特に好ましい。第２の導電性酸化物層５ｂが１原子％以上６原子％以下の濃度でニオブがドープされた二酸化チタンからなる層である場合には、第２の導電性酸化物層５ｂの導電性をさらに高くすることができるとともに、第２の導電性酸化物層５ｂの透明度（窒化物半導体活性層３から発生する光に対する透明度）も高くすることができる。そのため、この場合には、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の動作電圧をさらに低くすることができるとともに、発光効率をさらに高くすることができる傾向にある。

なお、第２の導電性酸化物層５ｂがニオブがドープされた二酸化チタンからなる場合には、ニオブ濃度の上昇とともに第２の導電性酸化物層５ｂの導電性が高くなるが第２の導電性酸化物層５ｂの透明度が低下する関係にある。しかしながら、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、第２の反射層６によって電流を拡散することができるため、第２の導電性酸化物層５ｂの導電性がある程度確保されていれば、第２の導電性酸化物層５ｂの透明度を高くすることによって、第２の導電性酸化物層５ｂによる光の吸収を抑制して、発光効率を高くする方が好ましい。

また、二酸化チタンの結晶構造は、アナターゼ型の結晶構造であることが好ましい。二酸化チタンの結晶構造としては、ルチル型の結晶構造とアナターゼ型の結晶構造とがあるが、第２の導電性酸化物層５ｂとしてアナターゼ型の結晶構造の二酸化チタンからなる層を積層した場合には、第２の導電性酸化物層５ｂの導電性を高くすることができる傾向にある。

なお、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、窒化物半導体発光層３中のある発光点から球状に光が放射されるため、ｐ型窒化物半導体層４と第１の反射層５との界面にはあらゆる入射角で光が入射することになる。そのうち、入射角が臨界角以上の入射光は全反射され、臨界角未満の入射角で入射する入射光をできるだけ反射するように第１の反射層５を設計することが好ましい。

たとえば、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子のｐ型窒化物半導体層４に接する第１の反射層５として、ＩＴＯからなる第１の導電性酸化物層５ａと、ニオブがドープされた二酸化チタンからなる第２の導電性酸化物層５ｂとを１層ずつ交互に積層した交互積層体を用いた場合には、第１の導電性酸化物層５ａの屈折率が約２．０となり、第２の導電性酸化物層５ｂの屈折率が約２．５となる。そして、これらの屈折率から計算されるｐ型窒化物半導体層４と第１の反射層５との界面に入射する入射光の臨界角は約５３°となるため、ｐ型窒化物半導体層４と第１の反射層５との界面に約５３°の臨界角以上の入射角で入射する光については全反射されることになる。そして、ｐ型窒化物半導体層４と第１の反射層５との界面に約５３°の臨界角未満の入射角で入射する光を第１の反射層５によってできるだけ多く反射させるためには、第１の導電性酸化物層５ａの１層の厚さＬ１および第２の導電性酸化物層５ｂの１層の厚さＬ２はそれぞれ、発光波長λ（窒化物半導体発光層３で発光した光の波長；入射光の波長）と以下の式（１）および式（２）の関係を満たすことが好ましい。
０．１５λ≦Ｌ１≦０．２５λ …（１）
０．１２λ≦Ｌ２≦０．２λ …（２）
なお、上記の式（１）の関係は、下記の式（３）から算出したものであり、上記の式（２）の関係は、下記の式（４）から算出したものである。上記の式（１）および式（２）に示される範囲は、臨界角である５３°以下の範囲（０°〜５３°の範囲）において反射させるための距離の条件である。
ｎ１×Ｌ１／ｃｏｓθ＝λ／４ …（３）
ｎ２×Ｌ２／ｃｏｓθ＝λ／４ …（４）
上記の式（３）において、ｎ１は第１の導電性酸化物層５ａの屈折率を示し、Ｌ１は第１の導電性酸化物層５ａの厚さを示し、θは入射光の入射角を示し、λは発光波長を示している。

また、上記の式（４）において、ｎ２は第２の導電性酸化物層５ｂの屈折率を示し、Ｌ２は第２の導電性酸化物層５ｂの厚さを示し、θは入射光の入射角を示し、λは発光波長を示している。

ｐ型窒化物半導体層４と第１の反射層５との界面に約５３°の臨界角未満の入射角で入射する光の第１の反射層５による反射量をさらに多くするためには、第１の導電性酸化物層５ａの１層の厚さＬ１および第２の導電性酸化物層５ｂの１層の厚さＬ２はそれぞれ、発光波長λと以下の式（５）および式（６）の関係を満たすことが好ましい。
０．１６λ≦Ｌ１≦０．２１λ …（５）
０．１３λ≦Ｌ２≦０．１７λ …（６）
なお、上記の式（５）の関係は、上記の式（３）から算出したものであり、上記の式（６）の関係は、上記の式（４）から算出したものである。上記の式（５）および式（６）に示される範囲は、臨界角である５３°以下の範囲（０°〜５３°の範囲）のうち高角側（３０°〜５０°の範囲）において反射させるための距離の条件である。この場合には、高角側にあることでより多くの光を反射させることができる。

上記の式（１）、（２）、（５）および（６）のように、第１の導電性酸化物層５ａの１層の厚さＬ１および第２の導電性酸化物層５ｂの１層の厚さＬ２にそれぞれ幅がある理由は、第１の導電性酸化物層５ａと第２の導電性酸化物層５ｂとの屈折率差および第１の反射層５における第１の導電性酸化物層５ａと第２の導電性酸化物層５ｂとのペア数により、ｐ型窒化物半導体層４と第１の反射層５との界面に入射する入射光を高い反射率で第１の反射層５により反射することができる範囲は入射光の入射角に対してある程度の幅（約１０°〜３０°程度）を有するためである。

次に、図４の模式的断面図に示すように、たとえばＥＢ（Electron Beam）蒸着法などによって、第１の反射層５の表面上に第２の反射層６を積層して積層体を作製する。

ここで、第２の反射層６としては、たとえば抵抗率が１×１０^-4Ω・ｃｍ以下の高い導電性を有する金属層を積層することができるが、なかでも銀、白金、ロジウムおよびアルミニウムからなる群から選択されたいずれか１種の金属またはこの群から選択された少なくとも１種を含む合金からなる層を積層することが好ましい。第２の反射層６として銀、白金、ロジウムおよびアルミニウムからなる群から選択されたいずれか１種の金属またはこの群から選択された少なくとも１種を含む合金からなる層を積層した場合には、たとえば抵抗率が１×１０^-4Ω・ｃｍ以下といったさらに高い導電性を有する第２の反射層６を積層することができるため、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の動作電圧をさらに低くすることができる傾向にある。

次に、図５の模式的断面図に示すように、図４に示す積層体の一部をエッチングなどにより除去することによって、ｎ型窒化物半導体層２の表面の一部を露出させる。

次に、図６の模式的断面図に示すように、たとえばＥＢ蒸着法などによって、第２の反射層６の表面上にたとえば金層を積層することによってｐ側電極７を形成するとともに、ｎ型窒化物半導体層２の表面上にたとえばチタン層およびアルミニウム層をこの順序で積層することによってｎ側電極８を形成する。

そして、図１に示すように、サブマウント１１の表面上に設けられた金属バンプ９上にｐ側電極７を電気的に接続するとともに、サブマウント１１の表面上に設けられた金属バンプ１０上にｎ側電極８を電気的に接続することによって、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製することができる。

なお、金属バンプ９および金属バンプ１０としてはそれぞれ、たとえば、金などの金属を用いることができる。

また、サブマウント１１としては、たとえば、窒化アルミニウム基板またはシリコン基板などを用いることができる。

上記のようにして作製された図１に示す構成の実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、窒化物半導体発光層３において発生し、窒化物半導体発光層３から基板１側と反対側に進行した光は、以下の（ａ）〜（ｃ）のいずれかの反射により、基板１側へ進行方向が変更させられて基板１側から取り出すことができる。そのため、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、発光効率を高くすることができる。
（ａ）ｐ型窒化物半導体層４と第１の反射層５との界面における第１の反射層５による全反射（たとえば図１の矢印１２に示される光の反射）。
（ｂ）第１の反射層５の内部の第１の導電性酸化物層５ａと第２の導電性酸化物層５ｂとの界面における第１の導電性酸化物層５ａまたは第２の導電性酸化物層５ｂによる反射（たとえば図１の矢印１３に示される光の反射）。
（ｃ）第１の反射層５と第２の反射層６との界面における第２の反射層６による反射（たとえば図１の矢印１４に示される光の反射）。

さらに、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、ｐ型窒化物半導体層４の表面全面に第１の反射層５を形成することができるため、誘電体であるために、ｐ型コンタクト層の表面全面に形成することができない多重反射膜を用いた従来の特許文献１のフリップチップ型の窒化物半導体発光ダイオード素子と比べて、窒化物半導体発光層３から基板１側とは反対側に進行した光を多く反射させることができる。

したがって、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、従来の特許文献１の窒化物半導体発光ダイオード素子と比べて、発光効率をさらに高いものとすることができる。

また、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、以下の（ｄ）〜（ｆ）の要因によって、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の動作電圧を低くすることができる。
（ｄ）ｐ型窒化物半導体層４と第１の導電性酸化物層５ａとの低い接触抵抗。
（ｅ）第１の反射層５が導電性の第１の導電性酸化物層５ａと第２の導電性酸化物層５ｂとから形成されていることによる第１の導電性酸化物層５ａと第２の導電性酸化物層５ｂとの低い直列抵抗。
（ｆ）第１の反射層５と第２の反射層６における低い接触抵抗。

以上により、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の構成とすることによって、発光効率が高く、かつ動作電圧の低い窒化物半導体発光ダイオード素子とすることができる。

＜実施の形態２＞
図７に、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の他の一例である実施の形態２のフリップチップ型の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図を示す。実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、基板１のｎ型窒化物半導体層２側の表面が凹凸５０を有していることを特徴としている。

以下、実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例について説明する。

まず、図８の模式的断面図に示すように、基板１の表面の凹凸５０上に、ｎ型窒化物半導体層２、窒化物半導体発光層３、ｐ型窒化物半導体層４、第１の反射層５および第２の反射層６をこの順序で積層して積層体を作製する。

次に、図９の模式的断面図に示すように、図８に示す積層体の一部をエッチングなどにより除去することによって、ｎ型窒化物半導体層２の表面の一部を露出させる。

次に、図１０の模式的断面図に示すように、たとえばＥＢ蒸着法などによって、第２の反射層６の表面上にたとえば金層を積層することによってｐ側電極７を形成するとともに、ｎ型窒化物半導体層２の表面上にたとえばチタン層およびアルミニウム層をこの順序で積層することによってｎ側電極８を形成する。

そして、図７に示すように、サブマウント１１の表面上に設けられた金属バンプ９上にｐ側電極７を電気的に接続するとともに、サブマウント１１の表面上に設けられた金属バンプ１０上にｎ側電極８を電気的に接続することによって、実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製することができる。

上記のようにして作製された実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、基板１のｎ型窒化物半導体層２側の表面に凹凸５０を設けていることによって、基板１の表面の凹凸５０による光の回折効果により、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子よりもさらに多くの光を外部に取り出すことができる。

したがって、実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子は、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子と比べて発光効率をさらに高くすることができる。

実施の形態２における上記以外の説明は実施の形態１と同様であるため、ここではその説明については省略する。

＜実施の形態３＞
図１１に、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の他の一例である実施の形態３のフリップチップ型の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図を示す。実施の形態３の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、基板１のｎ型窒化物半導体層２側の表面が凹凸５０を有しているとともに、基板１のｎ型窒化物半導体層２側とは反対側の表面が凹凸５１を有していることを特徴としている。

以下、実施の形態３の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例について説明する。

まず、図１２の模式的断面図に示すように、両面にそれぞれ凹凸５０および凹凸５１を有している基板１を用意し、基板１の凹凸５０を有する表面上に、実施の形態２と同様にして、ｎ型窒化物半導体層２、窒化物半導体発光層３、ｐ型窒化物半導体層４、第１の反射層５および第２の反射層６をこの順序で積層して積層体を作製した後に、この積層体の一部をエッチングなどにより除去することによってｎ型窒化物半導体層２の表面の一部を露出させる。その後、第２の反射層６の表面上にｐ側電極７を形成するとともに、ｎ型窒化物半導体層２の露出表面上にｎ側電極８を形成する。

そして、図１１に示すように、サブマウント１１の表面上に設けられた金属バンプ９上にｐ側電極７を電気的に接続するとともに、サブマウント１１の表面上に設けられた金属バンプ１０上にｎ側電極８を電気的に接続することによって、実施の形態３の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製することができる。

上記のようにして作製された実施の形態３の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、基板１のｎ型窒化物半導体層２側の表面に凹凸５０および基板１のｎ型窒化物半導体層２側とは反対側の表面に凹凸５１をそれぞれ設けていることによって、基板１の表面の凹凸５０および凹凸５１による光の回折効果により、実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子よりもさらに多くの光を外部に取り出すことが可能となる。

したがって、実施の形態３の窒化物半導体発光ダイオード素子は、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子および実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子と比べて発光効率をさらに高くすることができる。

なお、実施の形態３の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、基板１の表面に凹凸５０を形成せずに、凹凸５１のみを形成してもよい。

実施の形態３における上記以外の説明は実施の形態１および実施の形態２と同様であるため、ここではその説明については省略する。

＜実施の形態４＞
図１３に、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の他の一例である実施の形態４の上下電極構造型の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図を示す。実施の形態４の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、ｎ型窒化物半導体層２の一方の表面に形成されている凹凸５２上にｎ側電極８を形成するとともに、第２の反射層６の表面上に第１の金属層２２と第２の金属層２３との積層体を介してｐ側電極７を形成することによって上下電極構造型の窒化物半導体発光ダイオード素子を実現している点に特徴がある。

以下、実施の形態４の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例について説明する。

まず、図１４の模式的断面図に示すように、たとえばＭＯＣＶＤ法などによって、成長基板２１の表面上に、ｎ型窒化物半導体層２、窒化物半導体発光層３およびｐ型窒化物半導体層４をこの順序で積層する。ここで、成長基板２１としては、たとえばサファイア基板などを用いることができる。

次に、図１４に示すように、たとえばスパッタ法などによって、ｐ型窒化物半導体層４の表面上に第１の導電性酸化物層５ａと第２の導電性酸化物層５ｂとの交互積層体からなる第１の反射層５を積層し、その後、たとえばＥＢ蒸着法などによって第１の反射層５の表面上に第２の反射層６を積層して積層体を作製する。

次に、図１５の模式的断面図に示すように、上記のようにして作製した積層体の第２の反射層６と、第１の金属層２２と第２の金属層２３との積層体の第１の金属層２２とをたとえば共晶接合法などによって接合する。

次に、図１６の模式的断面図に示すように、成長基板２１側からたとえばレーザ光などを照射することによって、成長基板２１をｎ型窒化物半導体層２から剥離するとともに、成長基板２１が剥離されたｎ型窒化物半導体層２の表面に凹凸５２を形成する。

その後、図１３に示すように、ｎ型窒化物半導体層２の表面の凹凸５２上にｎ側電極８を形成するとともに、第２の金属層２３の表面上にｐ側電極７を形成することによって、実施の形態４の上下電極構造型の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製することができる。

上記のようにして作製された実施の形態４の窒化物半導体発光ダイオード素子においても、上記と同様の理由により、動作電圧が低く、かつ高い発光効率の窒化物半導体発光ダイオード素子とすることができる。

また、実施の形態４の窒化物半導体発光ダイオード素子は、上下電極構造型の窒化物半導体発光ダイオード素子であるため、実施の形態１〜３のフリップチップ型の窒化物半導体発光ダイオード素子と比べて、素子を小型化することができる。

（実施例１）
まず、図１７の模式的断面図に示すように、サファイア基板１０１の凹凸１５０の表面上に、ＧａＮからなるバッファ層（図示せず）、厚さ２μｍのアンドープＧａＮ層（図示せず）および厚さ５μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層１０２（Ｓｉドーピング濃度：５×１０¹⁸／ｃｍ³）をこの順序でＭＯＣＶＤ法により積層する。

ここで、サファイア基板１０１の表面の凹凸１５０において、凹部は４．５μｍ間隔で複数形成されており、個々の凹部は１．２μｍの深さに形成されている。

次に、図１７に示すように、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１０２の表面上に、ＭＯＣＶＤ法により、厚さ１０ｎｍのＧａＮ層と厚さ３ｎｍのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層とを１層ずつ交互に１０周期積層することによって、多重量子井戸構造のＭＱＷ発光層１０３を積層する。

次に、図１７に示すように、ＭＱＷ発光層１０３の表面上に、ＭＯＣＶＤ法により、厚さ２０ｎｍのＭｇドープｐ型ＡｌＧａＮ層と厚さ１００ｎｍのＭｇドープｐ型ＧａＮ層とをこの順序に１層ずつ積層することによってｐ型窒化物半導体層１０４を形成する。

次に、図１７に示すｐ型窒化物半導体層１０４の形成後のウエハを窒素と酸素との混合雰囲気において７００℃に加熱して熱処理をする。

次に、図１８の模式的断面図に示すように、上記の熱処理後のウエハのｐ型窒化物半導体層１０４の表面上に、スパッタ法にて、ＩＴＯ層とＮｂドープＴｉＯ₂層（Ｎｂの原子濃度：６原子％）とを１層ずつ交互に５周期積層することによってＩＴＯ層とＮｂドープＴｉＯ₂層との交互積層体からなる透明導電性光学多層膜層１０５を形成する。なお、上記のｐ型窒化物半導体層１０４の形成後のウエハは複数作製されており、ＩＴＯ層の厚さは５５ｎｍ〜９５ｎｍの範囲内の任意の厚さにウエハごとに変えられており、ＮｂドープＴｉＯ₂層の厚さは４５ｎｍ〜７７ｎｍの範囲内の任意の厚さにウエハごとに変えられている。

次に、図１８に示すように、上記の透明導電性光学多層膜層１０５の形成後のそれぞれのウエハの透明導電性光学多層膜層１０５の表面上に、ＥＢ蒸着法により、Ａｇ層からなる金属反射層１０６を１００ｎｍの厚さに積層する。

その後、図１９の模式的断面図に示すように、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）を用いたフォトエッチングにより、上記の金属反射層１０６の形成後のそれぞれのウエハをエッチングして、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１０２の表面を露出させる。

次に、図２０の模式的断面図に示すように、ＥＢ蒸着法により、上記のフォトエッチング後のＳｉドープｎ型ＧａＮ層１０２の表面上にＡｕ層からなるｎ側パッド電極１０８を形成するとともに、金属反射層１０６の表面上にＴｉ層とＡｌ層との積層体からなるｐ側パッド電極１０７を形成する。

その後、ｐ側パッド電極１０７およびｎ側パッド電極１０８の形成後のそれぞれのウエハを複数のチップ状に分割することによって、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）チップを得る。

次に、図２１の模式的断面図に示すように、ＡｌＮからなるサブマウント１１１上のＡｕからなる金属バンプ１０９および金属バンプ１１０上にそれぞれＬＥＤチップのｐ側パッド電極１０７およびｎ側パッド電極１０８を設置する。その後、金属バンプ１０９，１１０と、ｐ側パッド電極１０７，ｎ側パッド電極１０８のそれぞれの接触部に、熱、荷重および超音波を加えることによって、金属バンプ１０９とｐ側パッド電極１０７とを接合するとともに、金属バンプ１１０とｎ側パッド電極１０８とを接合する。

以上により、実施例１のフリップチップ型の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製する。

上記のようにして作製した実施例１のフリップチップ型の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、ｐ型窒化物半導体層１０４と透明導電性光学多層膜層１０５との界面において臨界角以上の入射角で入射する入射光をＩＴＯ層とＮｂドープＴｉＯ₂層との交互積層体からなる透明導電性光学多層膜層１０５で全反射することができるために高い発光効率を得ることができる。

特に、透明導電性光学多層膜層１０５のＩＴＯ層の厚さが７２ｎｍ以上であって、ＮｂドープＴｉＯ₂層の厚さが５９ｎｍ以上である場合には、さらに高い発光効率を得ることができる。

さらに、透明導電性光学多層膜層１０５で反射させることができず、透明導電性光学多層膜層１０５の内部に進行した入射光については透明導電性光学多層膜層１０５の内部および／またはＡｇ層からなる高反射率の金属反射層１０６で反射させることができるため、高い発光効率を得ることができる。

（実施例２）
透明導電性光学多層膜層１０５のＮｂドープＴｉＯ₂層のＮｂの原子濃度を３原子％に変更するとともに、ＩＴＯ層の厚さを７５ｎｍとし、ＮｂドープＴｉＯ₂層の厚さを６０ｎｍとしたこと以外は実施例１と同様にして、フリップチップ型の窒化物半導体発光ダイオード素子（実施例２のフリップチップ型の窒化物半導体発光ダイオード素子）を作製した。

実施例２のフリップチップ型の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、透明導電性光学多層膜層１０５の全体の厚さは６７５ｎｍであるが、ＮｂドープＴｉＯ₂層のＮｂの原子濃度が３原子％に低減されているため、透明導電性光学多層膜層１０５の透明度を高くすることができる。

これにより、実施例２のフリップチップ型の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、実施例１のフリップチップ型の窒化物半導体発光ダイオード素子と比べて、発光効率を高くすることができる。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれるこ
とが意図される。

本発明は、窒化物半導体発光ダイオード素子に好適に利用することができる。

１ 基板、２ ｎ型窒化物半導体層、３ 窒化物半導体発光層、４，１０４ ｐ型窒化物半導体層、５ 第１の反射層、５ａ 第１の導電性酸化物層、５ｂ 第２の導電性酸化物層、６ 第２の反射層、７ ｐ側電極、８ ｎ側電極、９，１０，１０９，１１０ 金属バンプ、１１，１１１ サブマウント、１２，１３，１４ 矢印、２１ 成長基板、２２ 第１の金属層、２３ 第２の金属層、５０，５１，５２，１５０ 凹凸、１０１ サファイア基板、１０２ Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層、１０３ ＭＱＷ発光層、１０５ 透明導電性光学多層膜層、１０６ 金属反射層、１０７ ｐ側パッド電極、１０８ ｎ側パッド電極。

Claims (5)

1. ｎ型窒化物半導体層と、
   前記ｎ型窒化物半導体層上に設けられた窒化物半導体発光層と、
   前記窒化物半導体発光層上に設けられたｐ型窒化物半導体層と、
   前記ｐ型窒化物半導体層上に設けられた第１の反射層と、
   前記第１の反射層上に設けられた第２の反射層と、を含み、
   前記第１の反射層は、ＩＴＯ層と、ニオブがドープされた二酸化チタンからなる層との交互積層体からなり、
   前記第２の反射層は銀層である、フリップチップ型の窒化物半導体発光ダイオード素子。
2. 前記ｐ型窒化物半導体層と前記ＩＴＯ層とは接触していることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
3. 前記ｎ型窒化物半導体層は基板上に設けられており、
   前記基板の前記ｎ型窒化物半導体層側の表面および前記ｎ型窒化物半導体層側とは反対側の表面の少なくとも一方が凹凸を有していることを特徴とする、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
4. 前記第１の導電性酸化物層の１層の厚さＬ１と発光波長λとは０．１５λ≦Ｌ１≦０．２５λの関係を満たし、
   前記第２の導電性酸化物層の１層の厚さＬ２と発光波長λとは０．１２λ≦Ｌ２≦０．２λの関係を満たすことを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
5. 前記第１の導電性酸化物層の１層の厚さＬ１と発光波長λとは０．１６λ≦Ｌ１≦０．２１λの関係を満たし、
   前記第２の導電性酸化物層の１層の厚さＬ２と発光波長λとは０．１３λ≦Ｌ２≦０．１７λの関係を満たすことを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。

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