JPWO2006028118A1 - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

ＬＥＤの発光効率を向上する。発光素子１１は、ｎ型ＧａＮ系半導体層１７とｐ型ＧａＮ系半導体層１５とで挟まれたＧａＮ系半導体からなる発光層１６を含んでおり、さらに、ＺｎＯ系またはＩＴＯからなる透明電極層１４を備えている。透明電極層１４の厚さをｔ、発光素子１１の発光面積をＡで表した場合に、３ｔ／（Ａ／π）１／２−３（ｔ／（Ａ／π）１／２）２＋（ｔ／（Ａ／π）１／２）３で表される式の値が０．１以上である。発光面積に対して最適な厚さの透明電極層１４を用いて、発光効率を向上させた。

Description

本発明は、ＧａＮ系半導体層で構成されるＧａＮ系の半導体発光素子に関する。特に、発光効率、発光出力に優れたＧａＮ系半導体発光素子に関する。

ＧａＮ系半導体層で構成されるＧａＮ系半導体発光素子は、蛍光灯に替わる次世代の照明用光源として検討されている。ＧａＮ系半導体発光素子は、発光層をｎ型ＧａＮ系半導体層とｐ型ＧａＮ系半導体層とで挟んだｐｎ接合ダイオードを基本構成とする。発光層に対して、ｎ型ＧａＮ系半導体層から電子が、ｐ型ＧａＮ系半導体層から正孔が注入され、発光層で再結合して発光する。

従来、赤、橙又は黄色のＬＥＤにおいて、各々ＬＥＤの波長に対して透明な（その波長の光を透過させることを意味する、以下同じ）材料であるＧａＰ、ＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓのいずれか一種からなる半導体電流拡散層を厚く堆積することでＬＥＤの発光層からの光を効率良く取り出す技術がある。一方、緑、青、紫色又は紫外線を発光するＧａＮ系材料からなるＬＥＤでは、上述の材料では発光波長に対して不透明であり、透明な電流拡散層として適切でないという問題点がある。

緑、青、紫色又は紫外線を発光するＧａＮ系のＬＥＤに対しては、ｎ型ＧａＮ系半導体層又はｐ型ＧａＮ系半導体層が透明であり、ｎ型ＧａＮ系半導体層は電流拡散層としても機能しているが、ｐ型ＧａＮ系半導体層は高抵抗であるために通常は０．３μｍ以下の厚さであり、これ以上に厚くすることで素子抵抗が増加してしまい、好ましくない。したがって素子全体に効果的に電流を流す電流拡散層として使用するには不適切である。

そこでＧａＮ系のＬＥＤでは、ｐ型ＧａＮ系半導体層の上面に、ほぼ全面を覆うように電極層が形成されている。一般的にはＮｉ又はＡｕ等の金属電極が用いられ、０．１μｍ以下と非常に薄く形成することで、半透明ではあるが、透明性を持たせているため、発光層からの光を取り出し可能にしているが、光の取り出しの効率は悪い。

そのためＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）やＺｎＯ系（Ｚｎを含む酸化物を意味し、具体例としては、ＺｎＯの他、ＺｎとＩＩ族元素及び／又は、ＩＩＢ族元素との酸化物）などの透明かつ導電性を有する材料を電極として用いることで、光の取り出し効率を向上する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。また我々は、非特許文献１において、ＧａをドープしたＺｎＯ透明電極層を使用することでＧａＮ系半導体発光素子の発光効率が向上する技術を実際に示した。しかしながらＬＥＤを照明用途に実用するには、白色光源として利用されるＧａＮ系ＬＥＤの発光効率は、高いほど好ましいが、現状では蛍光灯の発光効率に劣り、実用にはＧａＮ系ＬＥＤの発光効率をさらに高めるような技術が必要である。

上記の透明電極層を利用する技術では、透明電極層の厚さが数μｍ以下であるために、ＧａＮ系半導体発光層で発生した光は、各発光点から発光層に対して鉛直方向の光の成分は素子外部に取り出されるが、鉛直方向から傾くにつれて素子外部に取り出され難くなり、側面方向の光の成分はほとんど素子内部に捕らわれてしまい、素子外部に取り出せていないという問題点がある。
特開２００２-１６４５７０号公報 Japanese Journal of Applied Physics Vol.43,No.2A,2004,pp.L180-L182.

本発明は、上記従来技術の有する問題を解決するために、透明電極を備えるＧａＮ系半導体発光素子において、透明電極層の厚さ、又は透明電極層の上面の一部又は側面の一部に接するように形成された絶縁層の厚さを、最適な厚さにすることで、ＧａＮ系半導体発光素子の発光効率及び発光出力を向上させることを目的とする。

前述した目的を達成するために、本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、次の事実を見出し、本発明を完成した。ＺｎＯ透明電極層を備えるＧａＮ系半導体発光素子において、ＺｎＯ透明電極層の厚さが０．２μｍ、０．４５μｍ、０．９μｍ、５μｍ、２０μｍ、５０μｍ、１６２μｍと異なる素子を形成すると、透明電極層の厚さの増加に伴って、外部量子効率が２３．０％から５０．４％にまで増加する（外部量子効率を示す図９（ｂ）参照）。これは膜厚の増加により光取り出し効率が改善されていることを意味しており、透明電極層の厚さと光取り出し効率の相関を次の式によって表されることを導き出した。すなわち、透明電極層の厚さがｔ、発光面積がＡで表される素子に対して、Ｒ＝３ｔ／（Ａ／π）^１／２−３（ｔ／（Ａ／π）^１／２）^２＋（ｔ／（Ａ／π）^１／２）^３で表されるＲがＲ＝０．１になるような膜厚ｔにすると、発光出力が、透明電極層の厚さが薄いときに比べて１０％以上増加する。なお、この式においてＲは発光出力の増加率を表している。透明電極層の厚さｔと発光面積Ａで表されるｔ／（Ａ／π）^1/2が小さいとき、つまり透明電極層の厚さｔが薄く発光面積Ａによって表される（Ａ／π）^1/2に対して充分小さいときは、透明電極層の厚さｔの増加に対して発光出力の増加率Ｒはほぼ線形に増加する。そして透明電極層の厚さｔが（Ａ／π）^1/2の半分程度になると増加率Ｒは、厚さｔの変化に対して鈍くなる。さらに厚さｔが増加して（Ａ／π）^1/2が同じ値になるにつれて、増加率Ｒはほとんど変化しなくなる。これら一連の変化を上記の式は表している。したがって素子の発光面積Ａが大きいほど、透明電極層の厚さｔを厚くすると発光出力の増加に効果的である。

具体的に説明すると、図１１（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ発光素子の上面図の一例を示すものである。各図において、透明電極層の占める面積が発光面積Ａに相当する。図１１（ａ）の場合、透明電極層の占める面積は、３２０μｍ×３２０μｍ＝１０２,４００μｍ²となる。例えば素子の発光面積ＡがＡ＝１０２,４００μｍ²のときに、ｔ＝６．５μｍにするとＲ＝０．１０４となり、透明電極層の厚さが１μｍ以下であるような薄いときに比べて発光出力がＲ＝０．１０４の割合で、つまり約１０％も増加する。ここでＲ≧０．９になると透明電極層の厚さの増加に対する発光出力の増加が、Ｒ≦０．９の場合に比べて鈍くなるため、生産性が悪くなってしまう。そのため０．１≦Ｒ≦０．９の範囲が実用上は好ましい（発光出力の増加率を示す図９（ａ）参照）。さらに透明電極層の厚さｔ＝１０μｍになると、Ｒ＝０.１５７となり、ｔ＝２０μｍになると、Ｒ＝０.２９７となる。そして透明電極層の厚さｔ＝３０μｍになると、Ｒ＝０.４２０となり、発光出力の増加率が鈍くなってしまうため、Ｒ≦０.３であるような条件が好ましい。透明電極の厚さが、７μｍ≦ｔ≦１３μｍであると、０.１１２≦Ｒ≦０.２００となりより好ましい条件となる。

透明電極層に限らず、透明電極層の表面の一部または側面の一部に接する透明絶縁層の厚さを増すことでも同様に発光効率が改善される。従来、透明絶縁層の厚さは数百ｎｍ程度であるが、上記の式のｔをｔ_ｉとし、Ｒ≧０．１となるような絶縁層の膜厚ｔ＝ｔ_ｉを用いると、前述の透明電極層と同様にＧａＮ系半導体発光素子の発光効率は増加する。この場合も透明電極層の厚さのときと同様に、絶縁層の厚さが、ｔ_i≧１μｍになると、ｔ_i＜１μｍのときに比べて発光出力は数％以上増加する。さらにｔ_i≧５μｍになると好ましく、ｔ_i≧１０μｍになるとより好ましい。透明絶縁層として、例えば、ＳｉＯ_u（ｕ≧０）、ＳｉＯ_uＮ_v（ｕ≧０、ｖ≧０）、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、Ｍｇ_xＺｎ_1-ｘＯ（０≦ｘ≦１）またはＺｒＯ₂等を用いることができ、透明電極層の屈折率に比べて、絶縁層の屈折率は小さい方が、発光素子内で発生した光が、透明電極層から絶縁層へ入射する際に、その入射角が小さいときの反射光の成分が抑制できるので好ましい。

従来、Ｎｉ／Ａｕ等の金属から構成されている半透明電極層は、電極層の厚さを０．１μｍ以下にすることで透明性を得て、ＧａＮ系半導体発光素子に使用されているが、このような厚くすることが困難な透明電極層を使用する場合でも、透明電極層の表面の一部又は側面の一部に接する絶縁層を形成し、絶縁層の厚さｔ＝ｔ_ｉを、上記の式のＲの値が、Ｒ＞０．１となるようにすると、ＧａＮ系半導体発光素子の発光効率及び発光出力を増加することが可能になる。またこのような場合、絶縁層はＧａＮ系半導体発光素子の側面にも接するように形成し、透明電極層又はＧａＮ系半導体層の屈折率に比べて、絶縁層の屈折率が大きい方が、絶縁層との境界面で全反射角が存在しなくなるために好ましい。例えば、Ｎｉ／Ａｕ半透明電極の場合、膜厚が厚いとそれだけ電極層を通過する光の成分が吸収されてしまい効率が悪くなってしまうが、電極層の膜厚を薄くすると吸収される光の成分が少なくなり、できるだけ多くの光を厚い絶縁層へ導くことで、光の取り出し効率が増加する。

本願第一の発明は、ｎ型ＧａＮ系半導体層とｐ型ＧａＮ系半導体層とで挟まれたＧａＮ系半導体からなる発光層を含む半導体発光素子であって、素子の発光波長に対して透明な電極層を備え、該透明電極層の厚さがｔ、発光面積がＡで表される素子に対して、３ｔ／（Ａ／π）^１／２−３（ｔ／（Ａ／π）^１／２）^２＋（ｔ／（Ａ／π）^１／２）^３で表される式の値が０．１以上であるような半導体発光素子である。

すなわち、従来の厚さが数百ｎｍ以下であるような薄い透明電極層の場合には、ＧａＮ系半導体発光層からの光は透明電極層の上面からしか取り出されず、素子側面から光はほとんど取り出せていなかったが、本願第一の発明により、発光層から発生した光の一部は、透明電極層の側面部分を経て素子側面からも光を取り出せるようになり、発光効率が増加し、それにより素子全体の発光出力を増加させることができる。

本願では、ＧａＮ系半導体発光層とは、Ａｌ_ｐＧａ_{１−ｐ−ｑ}Ｉｎ_ｑＮ（０≦ｐ＋ｑ≦１、ｐ≧０、ｑ≧０）を少なくとも１層含む半導体層をいう。

本願第二の発明は、ｎ型ＧａＮ系半導体層とｐ型ＧａＮ系半導体層とで挟まれたＧａＮ系半導体からなる発光層を含む半導体発光素子であって、素子の発光波長に対して透明な電極層を備え、該透明電極層の表面の一部または側面の一部に接するように形成された透明な絶縁層を備え、該絶縁層の厚さがｔ_ｉ、発光面積がＡであるような素子に対して、３ｔ_ｉ／（Ａ／π）^１／２−３（ｔ_ｉ／（Ａ／π）^１／２）^２＋（ｔ_ｉ／（Ａ／π）^１／２）^３で表される式の値が０．１以上であるような半導体発光素子である。
本願第二の発明により、発光層から発生した光の一部は、絶縁層の側面部分を経て素子側面からも光を取り出せるようになり、発光効率が増加し、それにより素子全体の発光出力を増加させることができる。

本願第三の発明は、本願第一の発明において、前記透明電極層の表面の一部または側面の一部に接するように形成された絶縁層を備えることを特徴とする半導体発光素子である。
本願第三の発明により、発光層から発生した光は素子の表面又は側面において、透過して素子外部へ取り出される光の成分と、素子内部へ反射される光の成分があるが、絶縁層を形成することで、素子内部への反射光の成分の割合を減少させることが可能になり、それにより透過光の成分が増加し、発光効率に優れたＧａＮ系半導体発光素子が得られる。

本願第四の発明は、本願第一の発明において、前記透明電極層の表面の一部または側面の一部に接するように形成された透明な絶縁層を備え、該絶縁層の厚さがｔ_ｉ、発光面積がＡであるような素子に対して、３ｔ_ｉ／（Ａ／π）^１／２−３（ｔ_ｉ／（Ａ／π）^１／２）^２＋（ｔ_ｉ／（Ａ／π）^１／２）^３で表される式の値が０．１以上であることを特徴とする半導体発光素子である。
本願第四の発明により、発光層から発生した光の一部は、透明電極層の側面部分又は絶縁層の側面部分を経て素子側面からも光を取り出せるようになり、発光効率が増加し、それにより素子全体の発光出力を増加させることができる。

本願第五の発明は、本願第一又は第二の発明において、前記ｎ型ＧａＮ系半導体層又は前記ｐ型ＧａＮ系半導体層に電流を供給する金属電極を備え、前記透明電極層は前記ｎ型ＧａＮ系半導体層又は前記ｐ型ＧａＮ半導体層と該金属電極との間に形成されていることを特徴とする半導体発光素子である。
本願第五の発明により、透明電極層への電流供給が容易になり、かつ発光効率に優れたＧａＮ系半導体発光素子が得られる。

本願第六の発明は、本願第一又は第二の発明において、前記ｎ型ＧａＮ系半導体層又は前記ｐ型ＧａＮ系半導体層に電流を供給する金属電極を備え、該金属電極と前記透明電極層とは隣接し、かつ該金属電極及び前記透明電極層は前記ｎ型ＧａＮ系半導体層又は前記ｐ型ＧａＮ系半導体層の面に接するように形成されていることを特徴とする半導体発光素子である。
本願第六の発明により、透明電極層への電流供給を容易にし、かつ金属電極とｎ型ＧａＮ系半導体層またはｐ型ＧａＮ系半導体層との電気的接触がショットキー接触となるような金属材料を選択することで、電力効率の良い発光をすることができ、発光効率に優れたＧａＮ系半導体発光素子が得られる。

本願第七の発明は、本願第一又は第二の発明において、前記透明電極層がマグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、ルテニウム（Ｒｕ）又はスズ（Ｓｎ）よりなる群から選択される少なくとも一種を含み、かつ酸素（Ｏ）を含む化合物よりなることを特徴とする半導体発光素子である。これらの化合物は、例えば、MgＩｎ_２Ｏ_４、ＣｕＡｌＯ_２、ＮｉＯ、Ｃｕ_２Ｏ、ＳｒＣｕ_２Ｏ_２、ＬａＣｕＯＳ、ＺｎＯ、Ｇａ_２Ｏ_３、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＩＴＯ、ＲｕＯ_２、ＳｎＯ_２等である。
本願第七の発明により、導電性、透明性に優れる透明電極層を備え、かつ発光効率に優れたＧａＮ系半導体発光素子が得られる。

本願第八の発明は、本願第七の発明において、前記透明電極層がガリウム（Ｇａ）またはホウ素（Ｂ）がドープされたＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ（０≦ｘ≦１）からなることを特徴とする半導体発光素子である。
本願第八の発明により、導電性、透明性に優れ、さらにｎ型ＧａＮ系半導体層又はｐ型ＧａＮ系半導体層への電気的接触特性に優れ、特にｐ型ＧａＮ系半導体層へのオーミック特性が良好な透明電極層を備え、発光効率に優れたＧａＮ系半導体発光素子が得られる。

本願第九の発明は、本願第七の発明において、前記透明電極層がアルミニウム（Ａｌ）がドープされたＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ（０≦ｘ≦１）からなることを特徴とする半導体発光素子である。
本願第九の発明により、導電性、透明性に優れ、さらにｎ型ＧａＮ系半導体層又はｐ型ＧａＮ系半導体層への電気的接触特性に優れ、かつ安価な元素材料から構成されるため産業的に安価な透明電極層を備え、発光効率に優れたＧａＮ系半導体発光素子が得られる。

本願第十の発明は、本願第二又は第三の発明において、前記絶縁層がＩＩ族元素よりなる第一元素群から選択される少なくとも一種を含み、かつ酸素（Ｏ）、フッ素（Ｆ）又は硫黄（Ｓ）よりなる第二元素群から選択される少なくとも一種を含むような化合物であることを特徴とする半導体発光素子である。ＩＩ族元素としては、例えばマグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、亜鉛（Ｚｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）又はバリウム（Ｂａ）を用いることができる。これらの化合物は例えば、ＭｇＯ、ＭｇＳ、ＭｇＺｎＳ、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＣａＣＯ_３、ＣａＷＯ_４、ＣａＨｆＯ_３、ＣａＡｌ_２Ｏ_４、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＷＯ_４、ＭｇＺｎＯ、ＳｒＯ、ＳｒＳ、ＳｒＴｉＯ_３、ＢａＦ_２、ＢａＢ_２Ｏ_４、ＢａＴｉＯ_３等である。
本願第十の発明により、絶縁性及び透光性に優れる絶縁体を備え、発光効率に優れたＧａＮ系半導体発光素子が得られる。

本願第十一の発明は、本願第二又は第三の発明において、前記絶縁層がＩＩＩ族元素よりなる第一元素群から選択される少なくとも一種を含み、かつ酸素（Ｏ）又は窒素（Ｎ）よりなる第二元素群から選択される少なくとも一種を含むような化合物であることを特徴とする半導体発光素子である。ＩＩＩ族元素としては、例えばホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、スカンジウム（Ｓｃ）、ガリウム（Ｇａ）、イットリウム（Ｙ）又はインジウム（Ｉｎ）を用いることができる。これらの化合物は例えば、ＢＮ、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＬａＡｌＯ_２、Ｓｃ_２Ｏ_３、ＳｃＡｌＭｇＯ_４、Ｇａ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＹＡｌＯ_３、ＬａＡｌＯ_３、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＩｎＺｎＧａＯ_４等である。
本願第十一の発明により、絶縁性及び透光性に優れ、また硬度の大きい絶縁層を備え、発光効率に優れたＧａＮ系半導体発光素子が得られる。

本願第十二の発明は、本願第二又は第三の発明において、前記絶縁層がＩＶ元素よりなる第一元素群から選択される少なくとも一種を含み、かつ酸素（Ｏ）又は窒素（Ｎ）よりなる第二元素群から選択される少なくとも一種を含むような化合物であることを特徴とする半導体発光素子である。ＩＶ族元素としては、例えば珪素（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ジルコニア（Ｚｒ）、スズ（Ｓｎ）又はハフニウム（Ｈｆ）を用いることができる。これらの化合物は例えば、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＴｉＯ_２、ＫＴｉＰＯ_４、ＧｅＯ_２、Ｂｉ_４Ｇｅ_３Ｏ_１２、ＺｒＯ_２、ＳｎＯ_２、ＨｆＯ_２等である。
本願第十二の発明により、絶縁性及び透光性に優れ、また加工特性の良い絶縁層を備え、発光効率に優れたＧａＮ系半導体発光素子が得られる。

本題第十三の発明は、本願第二又は第三の発明において、前記絶縁層がＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ（０≦ｘ≦１）からなることを特徴とする半導体発光素子である。Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ（０≦ｘ≦１）はホウ素、ガリウム又はアルミニウム等のＩＩＩ族元素をドープすることで透明電極層へ適用可能であるが、ホウ素、ガリウム又はアルミニウム等のＩＩＩ族元素をドープしなければ、絶縁層としても適用可能になり、絶縁層に窒素等のＶ族元素をドープしても良い。
本願第十三の発明により、絶縁性及び透光性に優れ、特に透明電極層にホウ素、ガリウム又はアルミニウム等のＩＩＩ族元素をドープしたＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ（０≦ｘ≦１）を用いた場合に、透明電極層への応力が少ない絶縁層を備え、発光効率に優れたＧａＮ系半導体発光素子が得られる。

本願第十四の発明は、本願第二又は第三の発明において、前記絶縁層がＢ_ｙＡｌ_{１−ｙ−ｚ}Ｇａ_ｚＮ（０≦ｙ＋ｚ≦１、０≦ｙ、０≦ｚ）からなることを特徴とする半導体発光素子である。
本願第十四の発明により、絶縁性、透光性及び熱伝導性に優れ、特にＧａＮ系半導体発光素子に対して応力を与えることのない絶縁層を備え、発光効率に優れたＧａＮ系半導体発光素子が得られる。

本願第十五の発明は、本願第二又は第三の発明において、前記絶縁層がＳｉＯ_ｕＮ_ｖ（０≦ｕ、０≦ｖ）からなることを特徴とする半導体発光素子である。
本願第十五の発明により、絶縁性、透光性及び加工特性に優れ、特に酸素と窒素の割合を調節することにより所望の屈折率が得られる絶縁層を備え、発光効率に優れたＧａＮ系半導体発光素子が得られる。

本願第十六の発明は、本願第二又は第三の発明において、前記絶縁層の屈折率ｎ_ｉが、前記透明電極層の屈折率ｎ以下であり、ｎ_ｉ≦ｎであることを特徴とする半導体発光素子である。
本願第十六の発明により、絶縁層の屈折率が透明電極層の屈折率より小さいために、素子表面方向へ向かう光の成分は、透明電極層及び絶縁層の界面での反射を減らすことができるため、効率良く半導体層から透明電極層及び絶縁層を経て、素子外部へ取り出され、素子側面方向だけでなく素子表面方向も光取り出し効率に優れたＧａＮ系半導体発光素子が得られる。

本願第十七の発明は、本願第第二又は第三の発明において、前記絶縁層の屈折率ｎ_ｉが、前記透明電極層の屈折率ｎより大きく、ｎ_ｉ＞ｎであり、該透明電極層の厚さｔが、ｔ≦１μｍであることを特徴とする半導体発光素子である。
本願第十七の発明により、絶縁層の屈折率が透明電極層の屈折率より大きいために、透明電極層と絶縁層との界面における光の全反射角が存在しないようになり、透明電極層を薄くしても、光取り出し効率に優れたＧａＮ系半導体発光素子が得られる。つまり透明電極層を厚く堆積することが難しい、例えばＮｉ／Ａｕ半透明電極層を使用する場合にも、光取り出し効率に優れたＧａＮ系半導体発光素子が得られる。
なお、これらの各構成は、可能な限り組み合わせることができる。

以上のように、本発明によれば透明電極層または絶縁層を最適な厚さに堆積することにより、ＧａＮ系半導体発光素子は、透明電極層や絶縁層の側面から有効に光を取り出すことができるため、発光効率に優れ、発光出力の大きい半導体発光素子を得ることができる。

図１は、本発明の一実施形態の発光素子の断面図である。 図２は、本発明の他の一実施形態の発光素子の断面図である。 図３は、本発明のさらに他の一実施形態の発光素子の断面図である。 図４は、本発明のさらに他の一実施形態の発光素子の断面図である。 図５は、本発明のさらに他の一実施形態の発光素子の断面図である。 図６は、本発明のさらに他の一実施形態の発光素子の断面図である。 図７は、本発明のさらに他の一実施形態の発光素子の断面図である。 図８は、本発明のさらに他の一実施形態の発光素子の断面図である。 図９（ａ）および（ｂ）は、上記発光素子における光取り出し効率を説明するためのグラフである。 図１０（ａ）および（ｂ）は、発光素子における光取り出し効率を説明するための概略の断面図の一例である。 図１１（ａ）〜（ｃ）は、発光素子の上面図の例である。

符号の説明

１１、２１、３１、４１、５１、６１、７１、８１ 発光素子（半導体発光素子）
１２、２２、３２、４２、５２、６２、７２、８２ 金属電極
１３、２３、３３、４３、５３、６３、７３、８３ 絶縁層
１４、２４、３４、４４、５４、６４、７４、８４ 透明電極層
１５、２５、３５、４５、５５、６５、７５、８５ ｐ型ＧａＮ系半導体層
１６、２６、３６、４６、５６、６６、７６、８６ ＧａＮ系半導体発光層
１７、２７、３７、４７、５７、６７、７７、８７ ｎ型ＧａＮ系半導体層
１８、２８、４８、６８、７８ 導電性基板
１９、６９、７９ 第二金属電極層（反射電極層）
２９ パターン電極層
２０ 第二絶縁層
３０、５０、６０ 反射電極層
３９、８９ 反射金属層
３８、８８ 非導電性基板（絶縁基板）
４０、４９、５９、９０ 第二金属電極

以下、本願の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。本発明の第一の実施形態を図１に示す。図１に示すように、ＧａＮ系半導体発光素子である発光素子（半導体発光素子）１１は、金属電極１２、絶縁層１３、透明電極層１４、ｐ型ＧａＮ系半導体層１５、ＧａＮ系半導体発光層１６、ｎ型ＧａＮ系半導体層１７、導電性基板１８および第二金属電極層１９を含んでいる。本実施形態の第二金属電極層１９は反射電極層として機能してもよい。

このようなＧａＮ系半導体発光素子は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて形成することが好適であり、他に分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、ＨＶＰＥ法なども好適である。まず、導電性基板１８の上面にこれらの手法を用いて、ｎ型ＧａＮ系半導体層１７を形成する。導電性基板１８は炭化珪素（ＳｉＣ）であることが好適であり、他にＺｎＯ、ＧａＮ、Ｓｉ、ＺｒＢ_２も好適である。ｎ型ＧａＮ系半導体層１７はＳｉをドープしたｎ型ＧａＮとＳｉをドープしたｎ型Ａｌ_ｐＧａ_１−ｐＮ（０≦ｐ≦１）緩衝層で構成することが好適である。

ｎ型ＧａＮ系半導体層１７の上面にＧａＮ系半導体発光層１６を形成する。ＧａＮ系半導体発光層１６はＡｌ_ｐＧａ_{１−ｐ−ｑ}Ｉｎ_ｑＮ（０≦ｐ＋ｑ≦１、０≦ｐ、０≦ｑ）からなり、上記のＡｌまたはＩｎの少なくともどちらかの比率を調整したＡｌ_ｐＧａ_{１−ｐ−ｑ}Ｉｎ_ｑＮ／Ａｌ_ｒＧａ_{１−ｒ−ｓ}Ｉｎ_ｓＮ（０≦ｐ＋ｑ≦１、０≦ｐ、０≦ｑ、０≦ｒ＋ｓ≦１、０≦ｒ、０≦ｓ）ダブルへテロ構造または多重量子井戸構造とすることが好適であり、Ｓｉがドープされていても良い。ＧａＮ系半導体発光層１６とｎ型ＧａＮ系半導体層１７の間には、ＡｌまたはＩｎの少なくともどちらかの比率を調整したＡｌ_ｐＧａ_{１−ｐ−ｑ}Ｉｎ_ｑＮ／Ａｌ_ｒＧａ_{１−ｒ−ｓ}Ｉｎ_ｓＮ（０≦ｐ＋ｑ≦１、０≦ｐ、０≦ｑ、０≦ｒ＋ｓ≦１、０≦ｒ、０≦ｓ）からなる超格子構造層を設けてもよい。

ＧａＮ系半導体発光層１６の上面にＭｇまたはＺｎをドープしたｐ型ＧａＮ系半導体層１５を形成する。ＧａＮ系半導体発光層１６とｐ型ＧａＮ系半導体層１５の間に、ＭｇまたはＺｎをドープしたＡｌ_ｐＧａ_１−ｐＮ（０≦ｐ≦１）からなる層を設けてもよい。

ｐ型ＧａＮ系半導体層１５の上面に、ＧａがドープされたＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ（０≦ｘ≦１）からなる透明電極層１４を形成する。Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ（０≦ｘ≦１）透明電極層１４には、Ｇａの代わりにＢ、Ａｌ又はＩｎがドープされていても良い。Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ（０≦ｘ≦１）透明電極層１４の厚さｔは、ｔ＝５０μｍであるときが発光効率及び生産性を考慮すると好適であり、発光面積Ａ＝１０２,４００μｍ^２である素子に対して、ｔ＝５０μｍのとき、Ｒ＝３ｔ／（Ａ／π）^１／２−３（ｔ／（Ａ／π）^１／２）^２＋（ｔ／（Ａ／π）^１／２）^３で表される式（１）の値は、Ｒ＝０．６２２となり、透明電極層の厚さが１μｍ以下であるときに比べて、発光出力が６２％増加する（発光出力の増加率を示す図９（ａ）参照）。Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ（０≦ｘ≦１）透明電極層１４の厚さｔは、Ｒ≧０．１となるような厚さにすることで、１０％以上の発光出力の増加が見込まれ、発光面積Ａ＝１０２,４００μｍ^２である素子に対しては、ｔ≧６．５μｍであることが好ましい。さらに透明電極層の厚さｔ＝１０μｍになると、Ｒ＝０.１５７となり、ｔ＝２０μｍになると、Ｒ＝０.２９７となる。そして透明電極層の厚さｔ＝３０μｍになると、Ｒ＝０.４２０となり、発光出力の増加率が鈍くなってしまうため、Ｒ≦０.３であるような条件が好ましい。透明電極の厚さが、７μｍ≦ｔ≦１３μｍであると、０.１１２≦Ｒ≦０.２００となりより好ましい条件となる。図９（ｂ）はＺｎＯ透明電極層１４の厚さに対するＧａＮ系半導体発光素子１１の外部量子効率の変化を表しており、ＺｎＯ透明電極層１４の厚さの増加に伴い、外部量子効率が増加している。したがってＺｎＯ透明電極層１４の厚さを増加することでＧａＮ系半導体発光素子１１の発光効率の増加及び発光出力の増加が可能である。

透明電極層を厚くすることで、発光効率が増加する原理について、図１０（ａ）〜（ｂ）に基づいて説明する。図１０（ａ）〜（ｂ）では、ｐ型ＧａＮ系半導体層上には簡単のためＺｎＯ透明電極層だけが形成されているものとし、さらにその上をエポキシ樹脂が覆っているものとする。ＺｎＯ透明電極層の厚さｔが薄いときに、図１０（ａ）中の左下の発光点から発光した光はｐ型ＧａＮ系半導体層中を通り抜けＺｎＯ透明電極層に透過する。ＺｎＯ透明電極層と発光素子外部であるエポキシ樹脂層の境界へ入射する角度が臨界角θ_Ｃ以上であると、光はエポキシ樹脂層へ透過することなくＺｎＯ電極の中へ全て反射される（図１０（ａ）中の光線Ｄ３。）。反射された光は再びｐ型ＧａＮ系半導体層へ戻り、その下にある発光層で吸収されてしまう。したがって発光点からＬＥＤ発光素子表面方向の光の成分（図１０（ａ）中に示すＤ１やＤ２のような光線成分）しか取り出せない。臨界角θ_Ｃはスネルの法則、ｎ_１ｓｉｎθ_１＝ｎ_２ｓｉｎθ_２、から決まり、光が媒質１（屈折率ｎ_１）から媒質２（屈折率ｎ_２）へ進むときの、入射角θ_１と屈折角θ_２の関係を表している。屈折角θ_２が９０°以上になると全反射が生じ、その入射角が臨界角θ_Ｃである。次に、ＺｎＯ透明電極層が厚い場合には、光は表面にあるエポキシ樹脂層との境界で反射されるより前に、素子の端面からエポキシ樹脂層へ透過するようになるため、光の取り出し効率が向上する（図１０（ｂ）の光線Ｄ６）。但し、この場合に端面において光の入射角は臨界角θ_Ｃ以内であることが必要である。

図１に戻ると、Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ（０≦ｘ≦１）透明電極層１４の形成には、金属Ｚｎ、金属Ｍｇ及びドーピング用の金属Ｇａをヒーターで加熱し、酸素をＲＦラジカルセルで供給する分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）が好適であるが、これに似た蒸着法でも形成することができる。厚いＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ（０≦ｘ≦１）透明電極層１４を形成するには、堆積速度の点から、ＺｎＯ、ＭｇＯ及びＧａ_２Ｏ_３の粉末を混合して、焼結したターゲットを原料に用いるイオンプレーティング法、反応性プラズマ蒸着法（ＲＰＤ）が好ましい。他にもマグネトロンスパッタリング法、対向ターゲット式スパッタリング法、パルスレーザー堆積法（ＰＬＤ）（またはレーザーアブレーション法）、蒸着法、ゾルゲル法、スプレーパイロリシス法、無電界めっき法、ディップコート法、塗布法、化学気相成長法（ＣＶＤ）、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）なども好適である。

透明電極層１４には、他にもＭｇＩｎ_２Ｏ_４、ＣｕＡｌＯ_２、ＮｉＯ、Ｃｕ_２Ｏ、ＳｒＣｕ_２Ｏ_２、ＬａＣｕＯＳ、Ｇａ_２Ｏ_３、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＩＴＯ、ＲｕＯ_２、ＳｎＯ_２等、Ｍｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｒｕ、及びＳｎよりなる群れから選ばれる少なくとも一種の元素と酸素を含む化合物も好適であり、また、Ｇａ、Ｂ又はＡｌがドープされたＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ（０≦ｘ≦１）又は上記の透明電極から選択される２層以上の積層構造となっていても良い。

Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ（０≦ｘ≦１）透明電極層１４形成後、Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ（０≦ｘ≦１）透明電極層１４の一部を、希釈塩酸を用いてウェットエッチングにより除去するが、ドライエッチングにより除去することも可能である。続いて、ｐ型ＧａＮ系半導体層１５、ＧａＮ系半導体発光層１６及びｎ型ＧａＮ系半導体層１７の一部をドライエッチングにより除去する。Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ（０≦ｘ≦１）透明電極層１４の上面の一部にチタン（Ｔｉ）及び金（Ａｕ）からなる金属電極１２を蒸着法又はスパッタ法で形成するが、金属電極１２の材料はこれに限らず選択可能である。金属電極１２の形成にはリフトオフ法を用いることで、透明電極層１４の上面の一部に形成可能である。

導電性基板１８の下面側に第二金属電極層１９を蒸着法又はスパッタ法で形成する。導電性基板１８がＳｉＣ基板である場合は、ニッケル（Ｎｉ）を形成後、１０００℃、５秒間のアニール処理により、Ｎｉシリサイド層を形成することが好ましい。Ｎｉシリサイド層形成後、ＴｉとＡｕを積層する。導電性基板１８下側面の第二金属電極層１９を反射率の大きい反射電極層とすることで、発光出力の増加が可能である。

絶縁層１３には、ＳｉＯ_ｕ（０≦ｕ）又はＳｉＯ_ｕＮ_ｖ（０≦ｕ、０≦ｖ）が好適であり、他にもＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ（０≦ｘ≦１）、Ｂ_ｙＡｌ_{１−ｙ−ｚ}Ｇａ_ｚＮ（０≦ｙ＋ｚ≦１、０≦ｙ、０≦ｚ）も好適である。さらにＩＩ族、ＩＩＩ族又はＩＶ族元素の少なくとも何れか一種を選択し、酸素、窒素、フッ素又は硫黄の少なくとも何れか一種との化合物であり、かつ絶縁性、透明性に優れる材料であれば絶縁層１３へ適用可能である。絶縁層１３は上記の絶縁層からなる２層以上の積層構造となっていてもよい。

絶縁層１３の屈折率は透明電極層１４の屈折率より小さい方が好ましく、透明電極層１４又は絶縁層１３を積層する場合は、素子上面へ向かって、屈折率が徐々に小さくなる方が好ましい。発光素子から最終的に出る空気層の屈折率に徐々に近づき、全反射を少なくすることができるからである。

絶縁層１３は、透明電極層１４上の金属電極１２、透明電極１４の上面及びエッチングにより露出した側面部分、ｐ型ＧａＮ系半導体層１５、ＧａＮ系半導体発光層１６、ｎ型ＧａＮ系半導体層１７のエッチングにより露出した部分を覆うように形成する。ＳｉＯ_ｕＮ_ｖ（０≦ｕ、０≦ｖ）絶縁層を形成する場合は、プラズマＣＶＤ法が好適である。他にも、マグネトロンスパッタリング法、対向ターゲット式スパッタリング法、パルスレーザー堆積法（ＰＬＤ）（またはレーザーアブレーション法）、蒸着法、イオンプレーティング法、反応性プラズマ蒸着法（ＲＰＤ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、ゾルゲル法、スプレーパイロリシス法、無電界めっき法、ディップコート法、塗布法も絶縁層１３の形成が可能である。

絶縁層１３を３０〜４０μｍの厚さに形成すると発光出力の増加に好適であるが、１μｍ以下と薄くても良い。素子の発光面積Ａ、絶縁層の厚さｔ_ｉのときにＲ＝３ｔ_ｉ／（Ａ／π）^１／２−３（ｔ_ｉ／（Ａ／π）^１／２）^２＋（ｔ_ｉ／（Ａ／π）^１／２）^３で表される式（２）の値が、Ｒ≧０．１となるような値にすると発光出力の増加に効果的である。さらにこの場合も透明電極層の厚さのときと同様に、絶縁層の厚さが、ｔ₁≧１μｍになると、ｔ₁＜１μｍのときに比べて発光出力は数％以上増加する。さらにｔ₁≧５μｍになると好ましく、ｔ₁≧１０μｍになるとより好ましい。また絶縁層の厚さがＲ≧０．１であるような場合は、透明電極層１４の厚さが１μｍ以下でもＧａＮ系半導体発光素子１１の発光出力の増加が可能である。なお、この場合も図９（ａ）の横軸を透明電極層の厚さにすれば、ほぼ同様のグラフになる。

絶縁層１３形成後、透明電極層１４上の金属電極１２の上面を露出するために、絶縁層１３の一部をエッチングにより除去する。絶縁層１３がＳｉＯ_ｕＮ_ｖ（０≦ｕ、０≦ｖ）である場合は、ドライエッチング法が好適であるが、ウェットエッチング法も適用可能である。

以上、上記の方法により、本発明の第一の実施形態を形成可能であり、透明電極層１４の厚さｔ又は絶縁層１３の厚さｔ_ｉを上記の式の値ＲがＲ≧０．１、好ましくはｔ≧６.５μｍ、さらに好ましくはｔ≧１０μｍとなるような厚さにすることで発光効率及び発光出力に優れる半導体発光素子１１が得られた。

本発明の第二の実施形態を図２に示す。図２に示すように、発光素子（半導体発光素子）２１は、金属電極２２、絶縁層２３、透明電極層２４、ｐ型ＧａＮ系半導体層２５、ＧａＮ系半導体発光層２６、ｎ型ＧａＮ系半導体層２７、導電性基板２８、パターン電極層２９、第二絶縁層２０および反射電極層３０を含んでいる。

第一の実施形態との差は、導電性基板の下側面を反射率の高い構造に変更するために、パターン電極層２９、第二絶縁層２０、反射電極層３０が形成されている点である。

第二の実施形態の発光素子２１の形成は、透明電極層２４上の金属電極２２の形成までは、第一の実施形態における透明電極層１４上の金属電極１２の形成までと同様の製造工程である。透明電極層２４の上面の一部に金属電極２２形成後、パターン電極２９を導電性基板２８の下面の一部に形成する。導電性基板２８がＳｉＣである場合は、パターン電極層２９は、蒸着法またはスパッタ法により、Ｎｉ膜を形成後、１０００℃、５秒間のアニール処理を施し、Ｎｉシリサイド層を形成する。続いて、蒸着法またはスパッタ法により、Ｔｉ及びＡｕを積層し、Ｎｉ／Ｔｉ／Ａｕの積層構造が形成される。またＴｉ及びＡｕ蒸着後、５００℃、１分間のシンター処理を行うことで、良好な電極構造が得られる。リフトオフ法を用いることにより、導電性基板２８の下面の一部にパターン電極層２９を形成することが可能である。

第二絶縁層２０には、第一の実施形態で使用されている絶縁層１３と同じ材料を適用可能である。絶縁層が、ＳｉＯ_ｕＮ_ｖ（０≦ｕ、０≦ｖ）である場合は、プラズマＣＶＤ法によりパターン電極層２９下側面及び露出している導電性基板２８の下側面を覆うように形成し、エッチングにより、パターン電極層２９下側に形成された第二絶縁層２０の一部を除去する。続いて、露出したパターン電極層２９下側及び第二絶縁層２０の下側に反射電極層３０を蒸着法またはスパッタ法により形成する。反射電極層３０には反射率の高いアルミニウム（Ａｌ）が好適であるが、他にも半導体発光素子２１の波長に対して反射率が高く、かつ導電性が得られる材料であれば適用可能である。
反射電極層３０形成後、第一の実施形態と同様の製造工程により、透明電極層２４の上面の一部及び側面を覆う絶縁層２３を形成可能であり、金属電極層２２の露出もまた同様である。

以上の方法により、第二の実施形態のＧａＮ系半導体発光素子２１を形成可能であり、導電性基板２８の下面側の構造により、ＧａＮ系半導体発光層２６から下側へ発光した光が効果的に反射されるようになり、発光効率の増加に寄与し、さらに発光出力に優れる発光素子が得られる。

本発明の第三の実施形態を図３に示す。図３に示すように、発光素子（半導体発光素子）３１は、金属電極３２、絶縁層３３、透明電極層３４、ｐ型ＧａＮ系半導体層３５、ＧａＮ系半導体発光層３６、ｎ型ＧａＮ系半導体層３７、非導電性基板（絶縁基板）３８、反射金属層３９および第二金属電極４０を含んでいる。

第一の実施形態との違いは、基板３８が非導電性であることと、それによりｎ型ＧａＮ系半導体３７の上面の一部に第二金属電極４０が形成され、非導電性基板３８の下面に反射金属層３９が形成されている点である。非導電性基板３８にはサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）が好適である。

第三の実施形態の発光素子３１を形成するには、透明電極層３４上の金属電極３２形成までは、第一の実施形態における透明電極層１４上の金属電極１２の形成までと同様の製造工程であり、ｎ型ＧａＮ系半導体層３７とサファイア基板３８の間に、ＧａＮ緩衝層を形成してもよく、ＧａＮ緩衝層は６００℃以下の低温で形成するのが好適である。第二金属電極４０は、エッチングにより露出したｎ型ＧａＮ系半導体層３７の上面の一部に、蒸着法により形成する。第二金属電極４０は、金属の積層構造であることが好ましく、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕが好適である。リフトオフ法を用いることで第二金属電極４０はｎ型ＧａＮ系半導体層３７の上面の一部に形成可能である。絶縁層３３の形成は第一の実施形態の製造工程と同様であり、反射金属層３９は蒸着法により形成し、アルミニウム（Ａｌ）が好適である。

本発明の第四の実施形態を図４に示す。図４に示すように、発光素子（半導体発光素子）４１は、第二金属電極４９、導電性基板４８、ｎ型ＧａＮ系半導体層４７、ＧａＮ系半導体発光層４６、ｐ型ＧａＮ系半導体層４５、透明電極層４４、絶縁層４３、金属電極４２、および反射電極層５０を含んでいる。第一の実施形態では、発光素子１１の主発光面が透明電極１４側であるが、第四の実施形態では、主発光面は導電性基板４８側である。発光素子４１をリードフレーム等に実装する際に、透明電極４４側をリードフレームと接するように実装することで、導電性基板４８側を主発光面とする発光素子４１が得られる。このような構造の発光素子をフリップチップ型ＬＥＤとも言う。

第四の実施形態の発光素子４１を形成するには、透明電極層４４の下面の一部に形成する金属電極層４２の製造工程までは、第一の実施形態における透明電極層１４上の金属電極１２の形成までと同様の製造工程である。続いて、絶縁層４３を形成するが、第一の実施形態における絶縁層１３の形成と同様の工程である。反射電極層５０の形成は、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法を用い、反射率の高いアルミニウムが好適である。また金属電極４２と反射電極層５０の接続面には、ＣＶＤ法によりタングステン（Ｗ）を形成しても良い。

導電性基板４８は第一の実施形態と同様にＳｉＣが好適であり、金属電極４９の形成には第一の実施形態における第二金属電極層１９の形成と同様の工程を適用可能である。導電性基板４８上の表面の一部に、透明電極層４４の下面と同様に絶縁層４３を形成してもよく、絶縁層４３の厚さｔ_ｉは、上記の式（２）の値ＲがＲ≧０．１であるような厚さｔ_ｉであると、発光効率が上がるために好ましい。

本発明の第五の実施形態を図５に示す。図５に示すように、発光素子（半導体発光素子）５１は、第二金属電極５９、ｎ型ＧａＮ系半導体層５７、ＧａＮ系半導体発光層５６、ｐ型ＧａＮ系半導体層５５、透明電極層５４、絶縁層５３、金属電極５２および反射電極層６０を含んでいる。第四の実施形態との差は、導電性基板４８がないことである。

第五の実施形態の形成方法は、非導電性基板３８上にＧａＮ系半導体発光素子３１を形成する第三の実施形態において、透明電極層３４上の金属電極３２（透明電極層５４に接する金属電極５２）の形成までは、同様の製造工程が適用可能である。非導電性基板として、サファイアが好適である。金属電極５２形成後、絶縁層５３を第一の実施形態における絶縁層１３の形成と同様の手法で、反射電極層６０は第四の実施形態における反射金属層５０の形成と同様の手法で形成する。

図示しない非導電性基板は、レーザーリフトオフ法（ＬＬＯ）により除去可能である。レーザーリフトオフ法は、ＫｒＦエキシマーレーザー（波長２４８ｎｍ）、ＹＡＧレーザーの第三高調波（波長３５５ｎｍ）又はＹＡＧレーザーの第四高調波（波長２６６ｎｍ）を用いて、非導電性基板のｎ型ＧａＮ系半導体層５７に接していない側から、レーザー光を照射し、非導電性基板を透過したレーザー光が、非導電性基板とｎ型ＧａＮ系半導体層５７との境界面で吸収され反応することで、境界面から基板が除去される手法である。この手法を用いるには、レーザー光が透過するような基板であれば、導電性、非導電性に関わらず適用可能であり、ｎ型ＧａＮ系半導体層５７が吸収する波長を発振するレーザーであれば選択可能である。

基板除去後、ｎ型ＧａＮ系半導体層５７の基板と接していた側に、第二金属電極５９を、第三の実施形態における第二金属電極４０の形成と同様の工程により、形成可能である。ｎ型ＧａＮ系半導体層５７の上面又は上面の一部に、ｐ型ＧａＮ系半導体層５５の下面と同様な透明電極層を形成してもよく、更に透明電極層の上面には絶縁層を形成してもよい。ｎ型ＧａＮ系半導体層５７の上面に透明電極層を形成した場合は、第二金属電極５９をｎ型ＧａＮ系半導体層５７の上面に形成した透明電極層の上面の一部に形成してもよい。またこれら透明電極層又は絶縁層の厚さは、上記の式（１）及び（２）のＲの値が、Ｒ≧０．１となるような厚さｔ又は厚さｔ_ｉとするとよい。

本発明の第六の実施形態を図６に示す。図６に示すように、発光素子（半導体発光素子）６１は、金属電極６２、絶縁層６３、透明電極層６４、ｐ型ＧａＮ系半導体層６５、ＧａＮ系半導体発光層６６、ｎ型ＧａＮ系半導体層６７、導電性基板６８および第二金属電極層６９を含んでいる。第二金属電極層６９は、反射電極層として機能してもよい。ｐ型ＧａＮ系半導体層６５に接するように、金属電極６２が形成されている点が、第一の実施形態と異なる点である。

第六の実施形態の発光素子６１を形成するには、透明電極層６４、ｐ型ＧａＮ系半導体層６５、ＧａＮ系半導体発光層６６、ｎ型ＧａＮ系半導体層６７の一部をエッチングにより除去するまでは、第一の実施形態における透明電極層１４、ｐ型ＧａＮ系半導体層１５、ＧａＮ系半導体発光層１６、ｎ型ＧａＮ系半導体層１７の一部をエッチングにより除去するまでと、同様の工程で製造可能である。続いて、透明電極層６４の一部をエッチングにより除去し、露出したｐ型ＧａＮ系半導体層６５の上面及び透明電極層６４の側面及び上面の一部に接するように金属電極６２を形成する。金属電極６２は、蒸着法又はスパッタ法を用いて形成後、リフトオフ法を用いて、不要な部分の金属電極６２を除去する。絶縁層６３は第一の実施形態における絶縁層１３の形成と同様の手法を用いて形成される。

この例のように、金属電極６２がｐ型ＧａＮ系半導体層６５に接するように設けられることにより、透明電極層６４の側面とも金属電極６２が接触して電流を流しやすくすると共に、金属電極６２にｐ型ＧａＮ系半導体層６２とショットキー接合するような材料を選択することにより、発光層で発光した光を透過させることができない金属電極６２の下側への電流を抑制することができて、無駄な発光を抑制することができるため、より外部量子効率を向上させることができる。

本発明の第七の実施形態を図７に示す。図７に示すように、発光素子（半導体発光素子）７１は、金属電極７２、絶縁層７３、透明電極層７４、ｐ型ＧａＮ系半導体層７５、ＧａＮ系半導体発光層７６、ｎ型ＧａＮ系半導体層７７、導電性基板７８および第二金属電極層７９を含んでいる。第二金属電極層７９は、反射電極層として機能してもよい。透明電極層７４、ｐ型ＧａＮ系半導体層７５、ＧａＮ系半導体発光層７６及びｎ型ＧａＮ系半導体発光層７７の側面部分に絶縁層７３が接していない点が、第一の実施形態との差である。

第七の実施形態の形成は、第一の実施形態における透明電極層１４（透明電極層７４）の形成までは同様の製造工程で可能であるが、透明電極層７４、ｐ型ＧａＮ系半導体層７５、ＧａＮ系半導体発光層７６及びｎ型ＧａＮ系半導体発光層７７のエッチング工程が不要であるため、製造工程の簡略化が可能である。金属電極層７２、絶縁層７３及び第二金属電極層７９の形成は、第一の実施形態における金属電極層１２、絶縁層１３及び第二金属電極層１９の形成と同様である。

この例のように、側面に絶縁膜が形成されていなくても、表面側に透明電極層７４及び絶縁層７３が合計の厚さをｔとして積層され、式（１）のＲが０.１以上になるように設けられることにより、外部量子効率を向上させることができる。

本発明の第八の実施形態を図８に示す。図８に示すように、発光素子（半導体発光素子）８１は、金属電極８２、絶縁層８３、透明電極層８４、ｐ型ＧａＮ系半導体層８５、ＧａＮ系半導体発光層８６、ｎ型ＧａＮ系半導体層８７、非導電性基板８８、反射金属層８９および第二金属電極９０を含んでいる。透明電極層８４が１μｍ以下と薄いのが第三の実施形態と異なる点である。

第八の実施形態の形成は、第三の実施形態と同様である。絶縁層８３だけを厚くすることでも、発光素子８１の発光出力の増加が可能である。そのため、Ｎｉ／Ａｕ半透明電極のように透明電極層８４の厚さを増加することで、透光性が悪くなるような透明電極層８４を使用する場合にも、適用可能な形態であり、透明電極層８４は薄いまま、絶縁層８３を厚くすることだけでも発光効率は増加する。また逆に、透明電極層８４を厚く、絶縁層８３が薄くても、発光効率の増加は可能である。要は、透明電極層と絶縁層との厚さの和ｔが前述の式（１）でＲが０.１以上になるように設けられればよい。

上記の実施形態はｐ型ＧａＮ系半導体層に透明電極層が接する場合を中心に説明したが、これらに限らず、ｎ型ＧａＮ系半導体層に透明電極層が接する場合も可能である。また各実施形態の特徴を組み合わせることも可能である。
以上に説明したように、ＬＥＤによる固体素子照明の実用にはＬＥＤの発光効率の改善が必要であり、従来の赤、橙、黄色ＬＥＤでは各々のＬＥＤの発光波長に対して透明な半導体電流拡散層の厚膜化による発光効率の改善が行われている。一方、緑、青、紫色、紫外線を発光するＧａＮ系ＬＥＤでは、透明な半導体電流拡散層となる適切な材料がないために、Ｎｉ／Ａｕ等による半透明金属電極の替わりにＩＴＯやＺｎＯ系による透明電極を使用することで発光効率の改善が行われている。しかし現状ではＧａＮ系ＬＥＤの発光効率は蛍光灯の発光効率には及ばないために、ＬＥＤによる照明を本格的に実用化するには、さらなる発光効率の改善が必要であり、本発明は透明電極層を用いるＬＥＤにおいて、従来、数μｍ以下の厚さである薄い透明電極層又は透明絶縁層を厚くし、ＬＥＤ素子の発光面積に対して最適な厚さの透明電極層又は透明絶縁層を用いることで、ＬＥＤの発光効率を向上することを目的とする。上記の目的を達成するために、本発明は、ｎ型ＧａＮ系半導体層とｐ型ＧａＮ系半導体層とで挟まれたＧａＮ系半導体からなる発光層を含む半導体発光素子であって、ＺｎＯ系またはＩＴＯ透明電極層を備え、該透明電極層の厚さがｔ、発光面積がＡで表される素子に対して、３ｔ／（Ａ／π）^１／２−３（ｔ／（Ａ／π）^１／２）^２＋（ｔ／（Ａ／π）^１／２）^３で表される式の値が０．１以上であるような半導体発光素子である。

本発明は、液晶表示装置などのバックライト、白色や青色系などの各種発光素子、照明装置など、幅広い分野で光源として用いることができる。

Claims (17)

1. ｎ型ＧａＮ系半導体層とｐ型ＧａＮ系半導体層とで挟まれたＧａＮ系半導体からなる発光層を含む半導体発光素子であって、素子の発光波長に対して透明な電極層を備え、該透明電極層の厚さがｔ、発光面積がＡであるような素子に対して、３ｔ／（Ａ／π）^１／２−３（ｔ／（Ａ／π）^１／２）^２＋（ｔ／（Ａ／π）^１／２）^３で表される式の値が０．１以上であるような半導体発光素子。
2. ｎ型ＧａＮ系半導体層とｐ型ＧａＮ系半導体層とで挟まれたＧａＮ系半導体からなる発光層を含む半導体発光素子であって、素子の発光波長に対して透明な電極層を備え、該透明電極層の表面の一部または側面の一部に接するように形成された透明な絶縁層を備え、該絶縁層の厚さがｔ_ｉ、発光面積がＡであるような素子に対して、３ｔ_ｉ／（Ａ／π）^１／２−３（ｔ_ｉ／（Ａ／π）^１／２）^２＋（ｔ_ｉ／（Ａ／π）^１／２）^３で表される式の値が０．１以上であるような半導体発光素子。
3. 前記透明電極層の表面の一部または側面の一部に接するように形成された絶縁層を備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
4. 前記透明電極層の表面の一部または側面の一部に接するように形成された透明な絶縁層を備え、該絶縁層の厚さがｔ_ｉ、発光面積がＡであるような素子に対して、３ｔ_ｉ／（Ａ／π）^１／２−３（ｔ_ｉ／（Ａ／π）^１／２）^２＋（ｔ_ｉ／（Ａ／π）^１／２）^３で表される式の値が０．１以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
5. 前記ｎ型ＧａＮ系半導体層又は前記ｐ型ＧａＮ系半導体層に電流を供給する金属電極を備え、前記透明電極層は前記ｎ型ＧａＮ系半導体層又は前記ｐ型ＧａＮ系半導体層と該金属電極との間に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
6. 前記ｎ型ＧａＮ系半導体層又は前記ｐ型ＧａＮ系半導体層に電流を供給する金属電極を備え、該金属電極と前記透明電極層とは隣接し、かつ該金属電極及び前記透明電極層は前記ｎ型ＧａＮ系半導体層又は前記ｐ型ＧａＮ系半導体層の面に接するように形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
7. 前記透明電極層がマグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、ルテニウム（Ｒｕ）又はスズ（Ｓｎ）よりなる群から選択される少なくとも一種を含み、かつ酸素（Ｏ）を含む化合物よりなることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
8. 前記透明電極層がガリウム（Ｇａ）またはホウ素（Ｂ）がドープされたＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ（０≦ｘ≦１）からなることを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子。
9. 前記透明電極層がアルミニウム（Ａｌ）がドープされたＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ（０≦ｘ≦１）からなることを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子。
10. 前記絶縁層がＩＩ族元素よりなる第一元素群から選択される少なくとも一種を含み、かつ酸素（Ｏ）、フッ素（Ｆ）又は硫黄（Ｓ）よりなる第二元素群から選択される少なくとも一種を含むような化合物であることを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体発光素子。
11. 前記絶縁層がＩＩＩ族元素よりなる第一元素群から選択される少なくとも一種を含み、かつ酸素（Ｏ）又は窒素（Ｎ）よりなる第二元素群から選択される少なくとも一種を含むような化合物であることを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体発光素子。
12. 前記絶縁層がＩＶ族元素よりなる第一元素群から選択される少なくとも一種を含み、かつ酸素（Ｏ）又は窒素（Ｎ）よりなる第二元素群から選択される少なくとも一種を含むような化合物であることを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体発光素子。
13. 前記絶縁層がＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ（０≦ｘ≦１）からなることを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体発光素子。
14. 前記絶縁層がＢ_ｙＡｌ_{１−ｙ−ｚ}Ｇａ_ｚＮ（０≦ｙ＋ｚ≦１、０≦ｙ、０≦ｚ）からなることを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体発光素子。
15. 前記絶縁層がＳｉＯ_ｕＮ_ｖ（０≦ｕ、０≦ｖ）からなることを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体発光素子。
16. 前記絶縁層の屈折率ｎ_ｉが、前記透明電極層の屈折率ｎ以下（ｎ_ｉ≦ｎ）であることを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体発光素子。
17. 前記絶縁層の屈折率ｎ_ｉが、前記透明電極層の屈折率ｎより大きく（ｎ_ｉ＞ｎ）、該透明電極層の厚さｔが、ｔ≦１μｍであることを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体発光素子。

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