JP5608340B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、半導体発光素子に関し、詳しくは、赤色よりも短波長側に発光ピークを持つ化合物半導体発光素子の素子構造に関するものである。

従来から、酸化あるいは窒化物系化合物半導体素子から光取り出し効率を上げる方策として、化合物半導体発光素子に反射率の高い電極を形成する方法が用いられている。例えば、窒化ガリウム系化合物半導体素子において半導体発光層にて発生する光は四方八方に向かう性質があり、光取り出し方向とは逆に向かう光は窒化ガリウム系化合物半導体層の表面に形成された電極にて吸収されて、素子の外部に取り出すことができない。これらの課題を解決する方法として、例えば、特許文献１や特許文献２や特許文献３が知られている。

特許文献１には、多層反射膜層を有する酸化物半導体発光素子の１例が開示されている。この酸化物半導体発光素子は、サファイア基板上に、多層反射膜、ｎ型ＺｎＯコンタクト層、ｎ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層、ノンドープ量子井戸発光層、ｐ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層およびｐ型ＺｎＯコンタクト層が積層されている。

また、多層反射膜層は絶縁体酸化物ＬｉＧａＯ_２層と酸化物半導体ＺｎＯ層とを交互に積層することで構成されていて、ｎ型ＺｎＯクラッド層とサファイア基板上間に形成されている。また、ｎ型ＺｎＯコンタクト層とｐ型ＺｎＯコンタクト層にはそれぞれ電圧を印加する電極パッドを有する構成となっている。

また、特許文献２には、フリップチップ型のIII族窒化物系化合物半導体発光素子が開示されている。この発光素子は、ｐ型コンタクト層上にＩＴＯから成る透明導電膜が形成され、その上に絶縁性保護膜が形成され、その上に、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）から成る、光をサファイア基板側へ反射する反射膜が形成され、その上に、金（Ａｕ）から成る金属層が形成されている。

透明導電膜と反射膜との間には、誘電体から成る多重反射膜が介在しているので、多重反射膜により光が反射され、さらに多重反射膜を透過した光が反射膜により反射されるので、透明導電膜と多重反射膜との界面位置における多重反射を考慮した反射率が向上する。この結果、外部量子効率の高い発光素子を得ることができる構造となっている。

特許文献３に開示されている発光素子では、III−Ｖ族化合物半導体基板上に多層反射膜が配置され、さらにその上にIII−Ｖ族化合物半導体のｐｎ接合を含む発光構造が載置され、発光構造の一部にオーミック電極が設置されている。また、多層反射膜と発光構造部の間に透明電流拡散層が配置される例が示されており、第１導電型半導体と第２導電型半導体の一部にそれぞれ第１電極と第２電極とを設けた構成となっている。

これら従来例に係る半導体発光素子は、成長基板上には、第一導電型の半導体層と、この層の上に発光層（活性層）を有する発光半導体層、第二導電型の半導体層が順次積層された構造を有している。また、それぞれの半導体層においては、電気的な導通が可能なようにｎ型電極とｐ型電極が設けられている。そして、前記発光半導体層に順方向バイアスを印加（前記ｐ型コンタクト層の電極にプラス電圧を印加）することにより、前記ｐ型窒化物半導体層に設けた電極からｎ型窒化物半導体層に設けた電極に向かって電流が流れ、前記発光半導体層中の発光接合層にてホールと電子が結合し所定の波長の光を発生させ、多層反射膜にて光取り出し方向へ反射させようとするものである。

特開２００４−２３５５３２号公報 特開２００６−１２０９１３号公報 特開平８−２２２７６１号公報

ところで、上述のような従来の半導体発光素子においては、前記電極間に順方向バイアスを印加したときに前記発光半導体層から発生する光は、任意の方向に向かうため、発光半導体層から多層反射膜に対して垂直に入射する光は、多層反射膜にて反射されるが、多層反射膜に対する光の入射角度が大きくなると多層反射膜の反射率が低下するため多層反射膜だけでは、充分な発光強度が得られないという問題があった。

そこで、特許文献２に記載の発光素子では、多重反射膜の上に銀やアルミニウムの反射膜を形成することで、反射率を向上している。

しかしながら、反射膜の材料にＡｇなどの金属を使用した場合、金属と誘電体材料とは密着性が悪いため、金属の反射膜（金属反射層）と誘電体の多層反射膜（誘電体層）とが良好に密着せず、発光素子の製造プロセス中や、パッケージ実装時に反射層と誘電層とが剥離するおそれがあるという課題がある。

本発明の目的は、誘電体層に対する入射角度が大きい光に対する反射率を向上し、発光層にて発生する光を所望の方向に反射させ、発光素子内部で発生する光を効率よく素子外部に取り出すことができるとともに、金属反射層と誘電体層とが剥離するおそれを低減し、金属反射層と誘電体層との接合信頼性を向上することができる半導体発光素子を提供することである。

本発明に係る半導体発光素子は、透光性及び導電性を持つ基板上に、ｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ層と、窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光層と、ｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体からなるｐ層とが順次積層された半導体発光素子であって、前記ｐ層上に、当該ｐ層とオーミックコンタクトできる材料からなる第一電極層と、光を反射させる材料からなる反射層とが順次積層されて、一方の電極が形成され、前記反射層は、誘電体材料からなる誘電体層と、金属材料からなる金属反射層と、前記金属反射層と誘電体層との間に設けられた第一透明密着層とを含む。

この構成によれば、透光性及び導電性を持つ基板上に、ｎ層、発光層、ｐ層、第一電極層、及び反射層が順次積層されている。また、反射層が、誘電体材料からなる誘電体層と、金属材料からなる金属反射層とを含む。そうすると、誘電体層は入射角度が小さい光に対する反射率が高く、金属反射層は入射角度が大きい光に対する反射率が高いので、発光層から任意の入射角度を有して反射層に到達する光を基板方向に反射する反射率を、総合的に向上させることができる。さらに、金属反射層と誘電体層との間に第一透明密着層が設けられているので、金属反射層と誘電体層との密着性が向上する結果、基板と電極との接合信頼性を向上することができる。

また、前記誘電体層は、屈折率が前記ｐ層よりも低い材料からなり、前記発光層の発光ピーク波長λに対して、厚みが３／４λ以上の単層膜であることが好ましい。

本発明者らは、誘電体層を、屈折率がｐ層よりも低い材料からなり、発光層の発光ピーク波長λに対して、厚みが３／４λ以上の単層膜によって構成することにより、良好な反射率が得られることを見出した。さらに単層膜とすることで、誘電体層の形成プロセスを簡素化することができる。

また、前記誘電体層は、２種類以上の異なる材料が１ペア以上交互に積層されていることが好ましい。

この構成によれば、２種類以上の異なる材料が１ペア以上交互に積層されて誘電体層が構成されているので、誘電体層における反射率を向上できる。また、２種類以上の異なる材料を積層させた場合、誘電体層間にて、互いに膜の応力が相殺されるので、反射層と誘電体層間に働く応力が緩和されて、金属反射層と誘電体層と密着性が向上する結果、基板と電極との接合信頼性を向上することができる。

また、前記第一透明密着層は、Ｔｉ系の酸化物を用いて構成されていることが好ましい。

第一透明密着層を、Ｔｉ系の酸化物を用いて構成すると、ＥＢ（イオンビーム蒸着方やスパッタ）などにより、容易に形成することができ、かつ金属反射層と誘電体層との密着性を向上させて基板と電極との接合信頼性を向上することができる。

また、前記第一透明密着層には、Ｎｂがドープされていることが好ましい。

Ｔｉ系の酸化物を用いて構成された第一透明密着層にＮｂをドープすると、第一透明密着層が電気導電性を示すようになるので、半導体発光素子の動作電圧が低下して消費電力が低下する結果、半導体発光素子の発光効率を向上することができる。

また、前記第一透明密着層にドープされているＮｂの濃度は、２〜８％であることが好ましい。

本願発明者らは、第一透明密着層にドープされるＮｂの濃度を２〜８％とすることで、電気伝導度が向上するので、半導体発光素子の動作電圧が低下して消費電力が低下する結果、半導体発光素子の発光効率を向上することができる。

また、前記第一透明密着層は、Ａｌを含む酸化物、Ｙ_２Ｏ_３、及びＺｎＳのうちのいずれか一つを用いて構成してもよい。

第一透明密着層を、Ａｌを含む酸化物、Ｙ_２Ｏ_３、及びＺｎＳのうちのいずれか一つを用いて構成すると、ｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体からなるｐ層に与えるダメージが低減され、かつ金属反射層と誘電体層との密着性を向上させて基板と電極との接合信頼性を向上することができる。

また、前記第一透明密着層の厚みは、０．１ｎｍ〜１０ｎｍであることが好ましい。

本願発明者らは、第一透明密着層の厚みを０．１ｎｍ〜１０ｎｍとすれば、金属反射層と誘電体層との密着強度が増大し、かつ反射率が増大することを見出した。

また、前記反射層は、前記第一電極層と前記誘電体層との間に形成された、前記第一透明密着層と同じ組成の第二透明密着層を含むことが好ましい。

この構成によれば、第一電極層と誘電体層との密着性を向上させて基板と電極との接合信頼性を向上することができる。

また、前記反射層は、複数のアイランド状に形成されており、前記ｐ層の表面積に占める占有率が１０〜６０％であると共に、前記アイランド状に形成された複数のアイランドの相互間に、光を反射させる材料が充填されて構成されていることが好ましい。

本願発明者らは、反射層を複数のアイランド状に形成し、ｐ層の表面積に占めるアイランドの占有率を１０〜６０％とすると共に、前記アイランド状に形成された複数のアイランドの相互間に光を反射させる材料を充填すれば、良好な反射率が得られることを見出した。

また、前記光を反射させる材料は、金属であることが好ましい。

この構成によれば、複数のアイランドの相互間に充填された金属によって、誘電体層を含む反射層を貫通する方向に導通する。そうすると、半導体発光素子を発光させるための電流を通電するために必要となる電圧を低下させることができるため、消費電力を減少させて発光効率を向上することが容易となる。

また、前記発光層は、前記ｎ層の一部を除いた表面上に積層されており、前記ｎ層における前記発光層が積層されていない部分に、他方の電極が形成されていることが好ましい。

この構成によれば、複数のアイランドの相互間に充填された金属によって、誘電体層を含む反射層を貫通する方向に電流が流れるので、ｎ層の一部を除いた表面上に発光層を積層し、ｎ層における発光層が積層されていない部分に他方の電極を形成することで、一方の電極を構成する反射層から、第一電極層、ｐ層、発光層、ｎ層を介して他方の電極に至る電流経路が得られる。この場合、誘電体層を除去して導通を確保する必要がないので、誘電体層の面積を増大させて反射率を向上することが容易である。また、光が取り出される経路を避けて二つの電極が形成されるので、電極によって光が遮られることがなく、発光効率を向上することが容易である。

また、前記基板の前記ｎ層が積層された面とは反対側の面に、他方の電極が形成されているようにしてもよい。

この構成によれば、複数のアイランドの相互間に充填された金属によって、誘電体層を含む反射層を貫通する方向に電流が流れるので、基板のｎ層が積層された面とは反対側の面に、他方の電極を形成することで、一方の電極を構成する反射層から、第一電極層、ｐ層、発光層、ｎ層、及び基板を介して他方の電極に至る電流経路が得られる。この場合、誘電体層を除去して導通を確保する必要がないので、誘電体層の面積を増大させて反射率を向上することが容易である。また、他方の電極を形成するために、ｎ層及びその上に形成される発光層を除去する必要がないので、発光層の面積を増大させて発光量を増大させることが容易である。

このような構成の半導体発光素子は、透光性及び導電性を持つ基板上に、ｎ層、発光層、ｐ層、第一電極層、及び反射層が順次積層されている。また、反射層が、誘電体材料からなる誘電体層と、金属材料からなる金属反射層とを含む。そうすると、誘電体層は入射角度が小さい光に対する反射率が高く、金属反射層は入射角度が大きい光に対する反射率が高いので、発光層から任意の入射角度を有して反射層に到達する光を基板方向に反射する反射率を向上させることができる。さらに、金属反射層と誘電体層との間に第一透明密着層が設けられているので、金属反射層と誘電体層との密着性が向上する結果、基板と電極との接合信頼性を向上することができる。

本発明の第１実施形態に係る半導体発光素子の構成の一例を示す断面図である。 図１に示す半導体発光素子の平面図である。 図２に示す半導体発光素子から、金属反射層、Ｔｉ層、Ｎｉ層，及びＡｕ層を取り除いた状態で、アイランド状に形成された透明密着層、誘電体膜、及び透明密着層のレイアウトの一例を示す平面図である。 図２に示す半導体発光素子から、金属反射層、Ｔｉ層、Ｎｉ層，及びＡｕ層を取り除いた状態で、アイランド状に形成された透明密着層、誘電体膜、及び透明密着層のレイアウトの一例を示す平面図である。 図２に示す半導体発光素子から、金属反射層、Ｔｉ層、Ｎｉ層，及びＡｕ層を取り除いた状態で、アイランド状に形成された透明密着層、誘電体膜、及び透明密着層のレイアウトの一例を示す平面図である。 光の入射角と、誘電体膜７、金属反射層８ａ，８ｂの光の反射率との関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る半導体発光素子の構成の一例を示す断面図である。 誘電体膜がｐ型窒化物半導体層の表面積に占める割合をパラメータとして、半導体発光素子の動作電圧と、ｐ型電極の反射率とを計測した結果を示すグラフである。 透明密着層に、Ｎｂをドープをした場合とドープしない場合とで発光素子の動作電圧を比較測定した結果を示すグラフである。 誘電体層と金属層とで構成された反射層における、誘電体膜厚と、全方向反射率との関係をシミュレーションで求めた結果を示すグラフである。 誘電体層（ＳｉＯ_２）と、透明密着層（ＴｉＯ_２）と、金属層（Ａｇ）とを積層して構成したサンプルを用いて、透明密着層（ＴｉＯ_２）の厚さを変化させた場合に剥離が生じたときの引っ張り力を測定した実験結果を示すグラフである。 図１１で用いたサンプルの説明図である。 透明密着層の厚さを変化させた場合の反射率を測定した結果を示すグラフである。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体発光素子の構成の一例を示す断面図である。また、図２は、図１に示す半導体発光素子の平面図（上から見た表面の図）である。図１は、図２における補助線ａで示した箇所の断面構造を図示している。

図１に示す半導体発光素子は、透光性及び導電性を持つ基板を支持基板１として用いている。この支持基板１上にはｎ型の窒化物半導体が積層されてｎ型窒化物半導体層２（ｎ層）が形成されている。そして、ｎ型窒化物半導体層２の一部を除いた大部分の表面上に、発光半導体層３（発光層）が積層形成され、さらに発光半導体層３の上に、ｐ型電気伝導を示すｐ型窒化物半導体層４（ｐ層）が積層されている。

そして、ｎ型窒化物半導体層２における発光半導体層３が形成されていない部分に、ｎ型電極Ａが形成され、ｐ型窒化物半導体層４の上にｐ型電極Ｂが形成されている。図２においては、半導体発光素子の表面におけるｐ型電極Ｂとｎ型電極Ａのレイアウトを示している。

発光半導体層３は、３族窒化物半導体を用いて形成されたものである。発光半導体層３をｎ型ＩｎＧａＮやＡｌＩｎＧａＮやＡｌＧａＮで形成する場合、この発光半導体層３における発光色は、ＩｎとＡｌの組成比を適宜調整したり、或いはＳｉ、Ｇｅ、Ｓ等のｎ型不純物やＺｎ、Ｍｇ等のｐ型不純物を適宜ドープしたりすることにより、紫外〜青色の範囲で所望の色に調節可能である。

図１においては、発光半導体層３やｐ型窒化物半導体層４を除去して露出したｎ型窒化物半導体層２上にはｎ型電極Ａが形成されており、ｐ型窒化物半導体層４上には、ｐ型電極Ｂが形成された構造となっている。

ｐ型電極Ｂは、ｐ型窒化物半導体層４の上に、厚みが５ÅのＰｔ電極層５（第一電極層）が形成されている。そして、Ｐｔ電極層５上に、ｐ型窒化物半導体層４の約５０％の面積を覆うようにアイランド状にされた厚みが５ｎｍのＴｉＯ_２からなる透明密着層６（第二透明密着層）が形成され、透明密着層６上に、それぞれ厚み３１．１ｎｍのＳｉＯ_２と厚み１５９．１ｎｍのＺｒＯ_２とを交互に積層した誘電体材料からなる誘電体膜７（誘電体層）が形成されている。

さらに、誘電体膜７上に厚みが５ｎｍのＴｉＯ_２からなる透明密着層９（第一透明密着層）が設けられている。

そして、透明密着層６、誘電体膜７、及び透明密着層９が積層された各アイランドとＰｔ電極層５とを覆うようにＡｇが充填されて、透明密着層９上に厚さ３００ｎｍのＡｇからなる金属反射層８ａが形成されている。また、各アイランドの相互間には、Ａｇが充填されて金属反射層８ｂが形成されている。

そして、透明密着層６、誘電体膜７、透明密着層９、及び金属反射層８ａ，８ｂによって、反射層Ｃが形成されて、Ｐｔ電極層５と反射層Ｃとで電極が形成されている。

さらに、反射層Ｃの上に、パッケージ実装用の電極として、厚みが３０ｎｍのＴｉ層１０と、厚みが５０ｎｍのＮｉ層１１と、厚みが１．５μｍのＡｕ層１２とが積層されて、ｐ型電極Ｂが形成されている。

ｎ型電極Ａは、ｎ型窒化物半導体層２上に、厚みが３０ｎｍのＴｉ層１０と、厚みが５０ｎｍのＮｉ層１１と、厚みが１．５μｍのＡｕ層１２とが積層されて、パッケージ実装用の電極として形成されている。

なお、誘電体膜７として、ＳｉＯ_２とＺｒＯ_２とを積層させた事例を示したが、厚みが３８０ｎｍのＳｉＯ_２の単層膜としてもよい。また、ＴｉＯ_２からなる透明密着層６，９を誘電体膜の上下に形成した場合を示しているが、透明密着層９のみ備える構成としてもよい。

また、金属反射層８ａ，８ｂとしてＡｇを用いているが、Ａｇ系の材料やＡｇ合金としてもよい。詳しくは、金属反射層８ａ，８ｂの材料は、半導体発光素子の発光ピーク波長に対して材料を適時選定するのが望ましく、例えば発光ピーク波長が４００ｎｍ以下の場合には、Ａｌとするのがよい。

さらに、透明密着層６，９の材料としてＴｉＯ_２を記載したが、Ａｌを含む酸化物、Ｙ_２Ｏ_３、ＺｎＳなどとしてもよい。また、第一電極層としてＰｔを用いた例を記載したが、例えばｐ型の窒化物半導体層とオーミックコンタクトが良好な材料で反射率が比較的高いＲｈ（ロジウム）やＰｄ（パラジウム）としてもよい。

また、透明密着層６、誘電体膜７、透明密着層９をアイランド状に形成する例を示したが、アイランド状にせず、面状に形成してもよい。

そして、ｐ型電極Ｂにプラス電圧を、ｎ型電極Ａにマイナス電圧を加えると、発光半導体層３内で、電子とホールが結合して、青色若しくは紫外の光が発生する。そして、光取り出し方向の反対側（ｐ型電極Ｂ方向、図１の紙面上向き）に向かう光は、誘電体膜７や金属反射層８ａ，８ｂにより光取り出し方向（支持基板１方向、図１の紙面下向き）へ反射され発光素子外部に伝わる。

図３、図４、図５は、図２に示す半導体発光素子から、金属反射層８ａ、Ｔｉ層１０、Ｎｉ層１１，及びＡｕ層１２を取り除いた状態で、アイランド状に形成された透明密着層６、誘電体膜７、及び透明密着層９のレイアウトの一例を示す平面図である。

図３は、ｐ型窒化物半導体層４上に形成したＰｔ電極層５の領域に、透明密着層６、誘電体膜７、透明密着層９が、ｐ型窒化物半導体層４の約４０％を覆うようにしてメッシュ状の方形の目にアイランドが形成される一例を示している。

図４は、ｐ型窒化物半導体層４上に形成されたＰｔ電極層５の領域に、透明密着層６、誘電体膜７、透明密着層９が、ｐ型窒化物半導体層４の約４０％を覆うようにした略６角形のアイランドが形成される一例を示している。

図５は、ｐ型窒化物半導体層４上に形成されたＰｔ電極層５の領域に、透明密着層６、誘電体膜７、透明密着層９が、ｐ型窒化物半導体層４の約２０％を覆うようにした略６角形のアイランドが形成される一例を示している。

なお、本実施形態では、アイランドのレイアウトをメッシュ状の方形、略６角形とした場合を示しているが、任意の多角形としてもよく、また、略円形としても差し支えない。

図６は、光の入射角と、誘電体膜７、金属反射層８ａ，８ｂの光の反射率との関係を示すグラフである。図６に示すように、入射角が大きくなると、誘電体膜７の反射率が低下するのに対し、金属反射層８ａ，８ｂの反射率は増大する。

従って、図１に示す半導体発光素子は、誘電体膜７と金属反射層８ａ，８ｂとを備えることによって、誘電体膜７のみを用いる場合よりも反射層Ｃにおける反射率を増大し、発光半導体層３にて発生する光を光取り出し方向（支持基板１方向、図１の紙面下向き）へ取り出す効率を向上することができる。

また、誘電体膜７と金属反射層８ａとの間に透明密着層９が設けられ、誘電体膜７とＰｔ電極層５との間に透明密着層６が設けられているので、誘電体層と金属反射層との密着性が向上する。これにより、金属反射層と誘電体層とが剥離するおそれを低減し、金属反射層と誘電体層との接合信頼性を向上することができる。

また、誘電体は基本的に絶縁体であるから、背景技術に記載されている誘電体の多層反射膜には、電流が流れない。そこで、特許文献２に記載の発光素子は、多層反射膜を取り除いた箇所に電極４１を取り付けているため、多層反射膜の面積が小さくなって、反射率が低下するという不都合がある。

また、特許文献１、３に記載の発光素子は、光取り出し方向に電極を設けることで、多層反射膜に電流を流さずに済むようにしている。このため、発光素子から取り出される光は、電極部分で遮蔽されて、光取り出し効率が低下するという不都合がある。

一方、図１に示す半導体発光素子は、誘電体膜７がアイランド状にされており、金属反射層８ｂを介して反射層Ｃを貫通する方向に電流が流れる。これにより、誘電体膜７を取り除くことなくｐ型電極Ｂを設けることができるので、特許文献２に記載の発光素子より反射層Ｃの面積を増大させて反射率を向上することが容易である。

また、光取り出し方向に電極を設ける必要がないので、特許文献１、３に記載の発光素子より光取り出し効率を向上させることが容易である。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る半導体発光素子について説明する。図７は、本発明の第２実施形態に係る半導体発光素子の構成の一例を示す断面図である。図７に示す半導体発光素子と図１に示す半導体発光素子とでは、ｎ型電極Ａの取り付け構造と、反射層Ｃ’との構成とが異なる。

その他の構成は図１に示す半導体発光素子と同様であるのでその説明を省略し、以下本実施形態の特徴的な点について説明する。

図７に示す半導体発光素子は、ｎ型電極Ａが、支持基板１のｎ型窒化物半導体層２が積層された面とは反対側の面に、形成されている。そして、ｎ型窒化物半導体層２の略全面を覆うように、発光半導体層３、ｐ型窒化物半導体層４、及びｐ型電極Ｂ’が形成されている。

これにより、図１に示す半導体発光素子よりも発光半導体層３の面積が増大するので、発光量を増大させることが容易である。

また、反射層Ｃ’は、透明密着層６を備えておらず、誘電体膜７’が、Ｐｔ電極層５上に、厚さ３８０ｎｍのＳｉＯ_２の単層構造とされている例を示している。

この構成によれば、構造が簡素化されるので、製造コストを低減することが容易である。

図１に示す半導体発光素子と同様に、各電極に外部よりバイアス電圧を供給することにより、図７に示す半導体発光素子が動作する。

図８は、厚みを５ÅとしたＰｔからなるＰｔ電極層５上に、厚さ３８０ｎｍのＳｉＯ_２の単層構造の誘電体膜７’を形成した図７の半導体発光素子において、誘電体膜７’がｐ型窒化物半導体層４の表面積に占める割合をパラメータとして、発光素子に４０ｍＡの電流を流して発光させるために外部から加える電圧と、ｐ型電極Ｂ’の反射率を計測した結果を示すグラフである。

図８に示すグラフより、ＳｉＯ_２からなる誘電体膜７’をｐ型のＰｔからなるＰｔ電極層５の６０％を超える占有率の領域に形成すると、動作電圧が急激に増大して３．２Ｖ以上となり、占有率が１０％以下では、反射率が、Ａｇにおける波長４６０ｎｍの光に対する反射率である９５％を下回り、発光効率が低下することが確認できている。

図８において、誘電体膜７’の面積がｐ型窒化物半導体層４の面積に占める割合を、１０％〜６０％にした範囲では、ｐ型電極Ｂ’の反射率が高く（Ａｇを上回る）、半導体発光素子の動作電圧が低く（３．２Ｖ以下、通電電流４０ｍＡ）となるので有効である。その一方で、誘電体膜７’の面積がｐ型窒化物半導体層４の面積に占める割合を１０％未満にした場合は、ｐ型電極Ｂ’の反射率が低く（Ａｇを下回る）、誘電体膜７’の面積がｐ型窒化物半導体層４の面積に占める割合が、６０％を超える場合は、半導体発光素子の動作電圧が高く（３．４Ｖ以上、通電電流４０ｍＡ）なるので有効ではない（実使用に耐えない）。

このことから、誘電体膜７’の面積がｐ型窒化物半導体層４の面積に占める割合は、１０％〜６０％が好適であることが確認できた。なお、この実験結果は、誘電体膜の面積がｐ型窒化物半導体層の面積に占める割合と、反射率及び動作電圧との関係を示すものであり、図１に示す半導体発光素子の構造に対しても同様に適用できる。

図９は、図１に示す半導体発光素子において、厚みが５ｎｍでＴｉＯ_２からなる透明密着層６、９に、Ｎｂのドープをした場合とドープしない場合、すなわち、Ｎｂドープ濃度が０％の場合と５％の場合とで発光素子の動作電圧を比較測定した結果を示している。

図９に示す実験結果から、Ｎｂをドープした場合の方が、ドープしない場合と比較して、発光素子の動作電圧が約０．２Ｖ（４０ｍＡ通電時）低いことが確認できた。

なお、Ｎｂドープ濃度が２〜８％の範囲では、５％の場合と同様の効果が得られると推定される。

従って、Ｎｂドープ濃度が２〜８％の範囲、特に５％の場合には、半導体発光素子の動作電圧を低減する効果が得られることが確認できた。

図１０は、誘電体層と金属層とで構成された反射層における、誘電体膜厚と、全方向反射率との関係をシミュレーションで求めた結果を示すグラフである。なお、シミュレーションは、オプト社製ｏｐｔａｓｆｉｌｍを用いた。

図１０において、グラフＧ１は、誘電体層をＳｉＯ_２の単層膜、金属層をＡｌとした場合のグラフであり、グラフＧ２は、誘電体層をＡｌ_２Ｏ_３の単層膜、金属層をＡｇとした場合のグラフである。また、反射率は、波長λ＝４７０ｎｍの場合を示している。

図１０に示すグラフから、誘電体層がＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３のいずれであっても、誘電体の厚さが３５０ｎｍ以上の範囲では、反射率が９８％以上の高いレベルでほぼ一定になることが確認できた。３５０ｎｍは、ほぼ３／４λに相当する。

従って、誘電体層の厚さを、発光層のピーク波長λに対して３／４λ以上とすれば、良好な反射率が得られることが確認できた。

図１１は、図１２に示す誘電体層（ＳｉＯ_２）と、透明密着層（ＴｉＯ_２）と、金属層（Ａｇ）とを積層して構成したサンプルを用いて、透明密着層（ＴｉＯ_２）の厚さを変化させた場合に剥離が生じたときの引っ張り力を測定した実験結果を示すグラフである。

図１１に示すように、透明密着層の厚さを０．１ｎｍ以上とすることで、引っ張り力、すなわち密着強度が急激に増大することが確認できた。

図１３は、図７に示す半導体発光素子において、透明密着層９の厚さを変化させた場合の反射率を測定した結果を示すグラフである。反射率は、波長λ＝４７０ｎｍの場合を示している。

図１３から、透明密着層９の厚さを１０ｎｍ以下にすると、反射率が９５％以上となり、Ａｇの単層膜の反射率以上になることが確認できた。

以上の結果から、透明密着層９（第一透明密着層）の厚さを、０．１ｎｍ〜１０ｎｍとすることで、金属反射層と誘電体層との密着強度が増大し、かつ反射率が増大することが確認できた。

１ 支持基板
２ ｎ型窒化物半導体層
３ 発光半導体層
４ ｐ型窒化物半導体層
５ Ｐｔ電極層
６ 透明密着層
７ 誘電体膜
８ａ，８ｂ 金属反射層
９ 透明密着層
１０ Ｔｉ層
１１ Ｎｉ層
１２ Ａｕ層
Ａ ｎ型電極
Ｂ，Ｂ’ ｐ型電極
Ｃ，Ｃ’ 反射層

Claims (11)

1. 透光性及び導電性を持つ基板上に、ｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ層と、窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光層と、ｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体からなるｐ層とが順次積層された半導体発光素子であって、
   前記ｐ層上に、当該ｐ層とオーミックコンタクトできる材料からなる第一電極層と、光を反射させる材料からなる反射層とが順次積層されて、一方の電極が形成され、
   前記反射層は、
   誘電体材料からなる誘電体層と、
   金属材料からなる金属反射層と、
   前記金属反射層と誘電体層との間に設けられた第一透明密着層とを含み、
   前記第一透明密着層の厚みは、０．１ｎｍ〜１０ｎｍであり、
   前記誘電体層は複数のアイランド状に形成されており、前記ｐ層の表面積に占める占有率が１０〜６０％であると共に、前記アイランド状に形成された複数のアイランドの相互間に、光を反射させる材料が充填されて構成されていること
   を特徴とする半導体発光素子。
2. 前記誘電体層は、
   屈折率が前記ｐ層よりも低い材料からなり、前記発光層の発光ピーク波長λに対して、厚みが３／４λ以上の単層膜であること
   を特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記誘電体層は、
   ２種類以上の異なる材料が１ペア以上交互に積層されていること
   を特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
4. 前記第一透明密着層は、
   Ｔｉ系の酸化物を用いて構成されていること
   を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
5. 前記第一透明密着層には、
   Ｎｂがドープされていること
   を特徴とする請求項４記載の半導体発光素子。
6. 前記第一透明密着層にドープされているＮｂの濃度は、２〜８％であること
   を特徴とする請求項５記載の半導体発光素子。
7. 前記第一透明密着層は、
   Ａｌを含む酸化物、Ｙ_２Ｏ_３、及びＺｎＳのうちのいずれか一つを用いて構成されていること
   を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
8. 前記反射層は、
   前記第一電極層と前記誘電体層との間に形成された、前記第一透明密着層と同じ組成の第二透明密着層を含むこと
   を特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
9. 前記光を反射させる材料は、金属であること
   を特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
10. 前記発光層は、
    前記ｎ層の一部を除いた表面上に積層されており、
    前記ｎ層における前記発光層が積層されていない部分に、他方の電極が形成されていること
    を特徴とする請求項９記載の半導体発光素子。
11. 前記基板の前記ｎ層が積層された面とは反対側の面に、他方の電極が形成されていること
    を特徴とする請求項９記載の半導体発光素子。

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