発光ダイオードおよびその製造方法、発光ダイオードアレイ
【課題】窒化物半導体を使って、発光効率が高く、スペクトル線幅の狭い青色乃至紫色発光ダイオードを提供する。
【解決手段】発光ダイオードは下側クラッド層と、前記下側クラッド層上に形成された窒化物半導体よりなる発光層と、前記発光層上に形成された上側クラッド層と、前記下側クラッド層に接触した下側オーミック電極と、前記上側クラッド層に接触し、光学窓を形成された上側オーミック電極と、を含み、前記下側クラッド層と前記発光層と前記上側クラッド層とは、マイクロキャビティを形成している。
【解決手段】発光ダイオードは下側クラッド層と、前記下側クラッド層上に形成された窒化物半導体よりなる発光層と、前記発光層上に形成された上側クラッド層と、前記下側クラッド層に接触した下側オーミック電極と、前記上側クラッド層に接触し、光学窓を形成された上側オーミック電極と、を含み、前記下側クラッド層と前記発光層と前記上側クラッド層とは、マイクロキャビティを形成している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に発光ダイオードに係り、特に窒化物半導体を使った発光ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体は大きなバンドギャップを有し、かかる窒化物半導体を発光層として使った青色〜紫色波長の発光ダイオードが実現されている。
【０００３】
発光ダイオードは、発光層中において生じるフォトンの自発放出を動作原理とする素子であるが、従来、発光ダイオードにいわゆる光マイクロキャビティ（optical microcavity）を形成した場合、フォトンの自発放出速度が変化し、その結果、発光効率が向上し発光スペクトルが鋭くなるなどの好ましい効果が得られることが知られている。
【０００４】
光マイクロキャビティは、ファブリ・ペロ共振器の一種であるが、共振器長が数波長程度と短く、その結果、共振器中に生じるモードが制約され、このためこのような光マイクロキャビティを発光ダイオードと組みあわせると、発光スペクトル中にフォトンの自発放出が抑制される禁制帯が出現する。その結果、上記の発光スペクトルが鋭くなる効果、あるいは発光効率が向上する効果を得ることが可能となる。
【特許文献１】特許第２７３５０５７号
【特許文献２】特許第２７８０６９１号
【特許文献３】特許第２８９０３９６号
【特許文献４】特許第３１３５０４１号
【特許文献５】特許第３５３８２７５号
【非特許文献１】J. D. Joannopoulos et al., Photonic Crystals, Princeton University Press, Princeton, U.S.A., 1995
【非特許文献２】E. F. Shubert, Light-Emitting Diodes Second Ed., p.257, Cambridge University Press, Cambridge, U.K., 2006
【非特許文献３】E. F. Schubert et al., Science 265, 943, 1994
【非特許文献４】T. Ichinohe et al., Thin Solid Films 377-378, vol.87, 2000
【非特許文献５】D. Byrne, et al., Jpn. J. Appl. Phys. Vol.42, (2003) pp.L1509-L1511
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、このような光マイクロキャビティを、青色ないし青紫色で発光する窒化物発光ダイオードに適用しようとしても、従来の窒化物発光ダイオードは、図１に示すように一般に厚いサファイア基板上に形成されるため、また発光波長が約４５０ｎｍと短いため、所望のマイクロキャビティを実現することが不可能であった。
【０００６】
図１を参照するに、従来の窒化物発光ダイオードは、サファイア基板１１上に形成されたＧａＮよりなる下側クラッド層１２と、前記下側クラッド層１２上に形成されたＧａＩｎＮ層あるいはＧａＩｎＮ／ＧａＮ量子井戸構造などよりなる発光層１３と、前記発光層１３上に形成されたＧａＮよりなる上側クラッド層１４を含み、前記上側クラッド層１４上には透明導電膜１５を介して上部電極１６Ａが、また前記下側クラッド層１２の一部には下側電極１６Ｂが形成されている。
【０００７】
さらに前記サファイア基板１１の下面に金属反射膜１７が形成され、出力光は、前記上部クラッド層１４から、前記透明導電膜１５を介して上方に取り出される。
このような構造の従来の窒化物発光ダイオードでは、前記金属反射膜１７から上部クラッド層１４の上端面までの距離Ｌcavが、必然的に数百ミクロン以上となり、様々な定在波のモードが可能であるため、前記発光層１３中において生じる自発放出は制御されることがなく、広い発光スペクトルが生じてしまう。またこれに伴って、発光効率も低下する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一の側面によれば本発明は上記の課題を、反射面を有し下側オーミック電極をなす金属基板と、前記金属基板の前記反射面上に形成された下側クラッド層と、前記下側クラッド層上に形成された窒化物半導体よりなる発光層と、前記発光層上に形成された上側クラッド層と、前記上側クラッド層の上面に接触し、光学窓を形成された上側オーミック電極と、を含み、前記下側クラッド層と前記発光層と前記上側クラッド層とは、前記上側クラッド層の上面と前記金属基板の反射面との間にマイクロキャビティを形成し、前記マイクロキャビティは前記発光ダイオードの発光波長の１／２波長の整数倍のキャビティ長を有することを特徴とする発光ダイオードにより、解決する。
【０００９】
他の側面によれば本発明は上記の課題を、反射面を有する下側オーミック電極と、前記金属基板の前記反射面上に形成された下側クラッド層と、前記下側クラッド層上に形成された窒化物半導体よりなる発光層と、前記発光層上に形成された上側クラッド層と、前記上側クラッド層の上面に接触し、光学窓を形成された上側オーミック電極と、を含み、前記下側クラッド層と前記発光層と前記上側クラッド層とは、前記上側クラッド層の上面と前記下側オーミック電極の反射面との間にマイクロキャビティを形成し、前記マイクロキャビティは前記発光ダイオードの発光波長の１／２波長の整数倍のキャビティ長を有することを特徴とする発光ダイオードの製造方法であって、前記上側クラッド層を支持基体上にＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャルに成長させる工程と、前記上側クラッド層上に発光層をＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャルに成長させる工程と、前記発光層上に前記下側クラッド層をＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャルに成長させる工程と、前記下側クラッド層上に、反射膜を形成する工程と、前記反射膜上に、前記下側オーミック電極を形成する工程と、前記支持基体を、前記上側クラッド層から剥離する工程と、前記上側クラッド層をエッチングし、前記上側クラッド層の膜厚を、前記上側クラッド層と前記発光層と前記下側クラッド層とよりなる光キャビティがマイクロキャビティを形成するような厚さに設定する工程と、前記上側クラッド層上に前記上側オーミック電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする発光ダイオードの製造方法。により、解決する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、窒化物半導体よりなる発光層を有する発光ダイオードにおいても、マイクロキャビティを形成することが可能となり、鋭い発光スペクトルと高い発光効率を実現することが可能となる。その際、本発明ではこのようなマイクロキャビティを有する発光ダイオードを、下側オーミック電極を構成する金属基板上に直接形成することができ、例えばこのような発光ダイオードをサファイアなどの絶縁結晶基板上に形成した場合に比べて放熱特性を格段に向上させることが可能となる。このため、本発明の発光ダイオードを金属基台上に多数集積化して高密度発光ダイオードアレイを構成することが可能となる。特に本発明による製造方法では、前記下側クラッド層、発光層および上側クラッド層を全てＭＯＣＶＤ法で形成する場合であっても、前記上側クラッド層上に酸化等の誘電体多層膜からなる多層反射膜を形成することが可能であり、ＭＯＣＶＤ法を使った効率のよい発光ダイオードの製造が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
［原理］
マイクロキャビティのＱ（quality factor）を表すフィットネス値（Ｆ値）は、式
Ｆ＝π（１−√Ｒ１Ｒ２）
で与えられる。ここで、Ｒ１，Ｒ２は，図２に示す、ファブリ・ペロ干渉計を構成する２枚の反射鏡１，２の反射率である。
【００１２】
前記Ｆ値を使って、マイクロキャビティのスペクトル半値幅は、
Δλ＝λcav／Ｆ
で与えられる。ただしλcavは、前記ファブリ・ペロ干渉計の共振波長である。
【００１３】
マイクロキャビティによる自然放出の発光制御は、キャビティ内の光学モード密度が自由空間の値に比べて、共振波長において非常に高くなり、非共振波長において低くなることを原理としている。この効果が顕著になるのは、キャビティ長Ｌcav（前記反射鏡１，２の間の距離）が発光波長に近い場合であり、λ／２の場合（Ｌcav＝λ／２）において最高になる。
【００１４】
そこで、この原理を利用すれば、従来の発光ダイオードより圧倒的に効率の高い発光ダイオードを実現できる可能性がある。本発明は、マイクロキャビティを青色発光ダイオード，紫外発光ダイオードに適用することで従来の発光ダイオードの効率の限界を超える素子を実現するものである。
【００１５】
以下では、例えばＧａＮ発光ダイオードの発光波長が４５０ｎｍであるとして、マイクロキャビティのキャビティ長を９００ｎｍ（発光波長の２倍）とした時に、どの程度の利得があるかを計算する。
【００１６】
図２のマイクロキャビティ内にＧａＮ発光ダイオードの発光層を置いた場合に得られる利得（integrated enhancement ratio）Ｇintは、式
Ｇint＝（ξ／２）（２／π）（１−Ｒ１）／（１−／Ｒ１Ｒ２）√πｌｎ２（λ／Δλｎ）（λcav／Ｌcav）（τcav／τ）
で与えられる（非特許文献２）。
【００１７】
ここでξはキャビティ内の活性層の位置で決まるパラメータであり、前記活性層がキャビティ中に形成される定在波の腹に当たる位置の場合は値２を、節に当たる部分にあれば値０を、一様に活性層が分布している場合には値１をとる。以下では、腹に近い位置に活性層を設置できるとして、前記パラメータξの値として値１．５を仮定することにする。Δλｎは、発光スペクトルの半値幅である。またτとτcavは、それぞれ、自然放出におけるライフタイムおよびキャビティ内でのライフタイムの値であり、ここではτcav／τ＝１とする。
【００１８】
前記利得Ｇintの値は反射率Ｒ１とＲ２の値によって変化するが、以下では、前記反射鏡２は全反射するものとして、反射率Ｒ２の値は１とする。
【００１９】
前記反射鏡１の反射率Ｒ１をまず０．５として計算してみると、フィットネス値Fは１０、スペクトル半値幅は４５ｎｍ、利得Ｇintは９（Ｆ＝１０、Δλ＝４５ｎｍ、Ｇint＝９）となる。また、反射率Ｒ１の値を０．８とすると、フィットネス値Fは３０、スペクトル半値幅は１５ｎｍ（Ｆ＝３０、Δλ＝１５ｎｍ）となり、利得Ｇintとして値１１（Ｇint＝１１）が得られる。マイクロキャビティの効果が大きくなるのは当然ながらＲ１の値が大きい場合である。ＧａＮ系発光ダイオードの半値幅は２０ｎｍ程度であるので、これよりΔλの値が小さい方がマイクロキャビティ効果は増大する。一方、ＧａＮ系発光ダイオードの発光波長の温度依存性は約０．０７ｎｍ／℃であるので、あまりＦを大きくすると、実用上の問題が生じる。
【００２０】
上記原理を利用した、高効率の赤色発光ダイオードは、既に実現されている（参考文献３）。出願人も以前、マイクロキャビティを利用して、シリコンナノクリスタルからの発光を制御する試みを行い、スペクトルの先鋭化と発光強度の上昇を確認している（参考文献４）。
【００２１】
一方、先にも述べたように、図１のＧａＮ発光ダイオードにこの原理を適用しようとしても、ファブリ・ペロ共振器が厚いサファイア基板１１を含むことになり、その実現は不可能である。
【００２２】
最近、ＧａＮ系半導体膜をサファイア基板から剥離する技術が実用化され、これを利用した発光ダイオードが市販されている。
【００２３】
そこで、本発明は、このようなサファイア基板から剥離した発光ダイオードを使い、一方の表面に金属反射鏡を前記反射鏡R２として形成し、他方の表面である剥離面をエッチング処理してキャビティ長を所定値に設定することにより、所望のマイクロキャビティを実現する技術を提供する。
【００２４】
好ましくは、前記エッチング面上に多層膜反射鏡を前記反射鏡１として形成し、前記多層反射膜１の反射率Ｒ１を、金属反射鏡２の反射率（銀で約０．９５以上）以下、０３以上とする。この範囲の反射率は、例えばＳｉＯ２とＴａ２０５のような屈折率の大きく異なる２種類の誘電体膜をイオンビームスバッタ法などの膜厚の厳密な制御ができる薄膜形成法で堆積すれば容易に実現できる。
【００２５】
本発明の技術により達成される利点として、以下が挙げられる。
【００２６】
（１）自然放出をキャビティ構造で制御することにより、発光効率が大きく向上する。
【００２７】
（２）キャビティ構造の採用により、出力光の出射方向が反射鏡１に対して垂直方向に揃い、指向性が向上する。
【００２８】
（３）前記（２）の結果、表面からの光取り出し効率が大きく向上する。
【００２９】
（４）前記（２）の結果、横方向への光の損失が減少する。
【００３０】
このように、本発明は、従来実現されなかった高輝度紫色〜緑色発光ダイオードをＭＯＣＶＤ法で実現することを可能とする。
【００３１】
上記（２）の効果を積極的に利用すると、１枚のチツプ内に多数のマイクロ発光ダイオードを形成した発光ダイオードアレイを形成することができる。
［第１の実施形態］
次に、本発明の第１の実施形態による青色発光ダイオードの製造工程を、図３Ａ〜３Ｊを参照しながら説明する。図示の例では、青色発光ダイオードの発光波長を４５０ｎｍとする。ただし本発明はかかる特定の発光波長に限定されるものではなく、本発明は発光波長が５５０ｎｍ〜３３０ｎｍの範囲の緑色〜紫色発光ダイオードに適用が可能である。
【００３２】
最初に図３Ａを参照するに、本実施形態では厚さが例えば３００μｍのサファイア基板２１上にＧａＮよりなる犠牲層２２をＭＯＣＶＤ法により、例えば２０ｎｍの膜厚で、エピタキシャルに形成する。
【００３３】
次に前記図３Ａの工程ではさらに、前記ＧａＮ犠牲層２２上に、ＧａＮに対してエッチングマーカとして作用するＩｎＧａＮ膜２３をＭＯＣＶＤ法により、例えば１０ｎｍの膜厚でエピタキシャルに形成し、前記エッチングマーカ層２３上にｎ型ＧａＮよりなる第１クラッド層２４を前記犠牲層２２と同様にして、ただし前記青色発光ダイオードの発光波長の３／２波長＋５５ｎｍの厚さに相当する７３０ｎｍの膜厚で、エピタキシャルに形成する。
【００３４】
次に前記図３Ａの工程ではさらに、前記第１クラッド層２２上にＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造を有する発光層２５が、厚さが７ｎｍのＩｎＧａＮ膜と厚さが１０ｎｍのＧａＮ膜を交互に繰り返し堆積することにより、全体として、前記発光波長の約１／４波長である１１０ｎｍの膜厚に形成される。さらに前記発光層２５上に、ｐ型ＧａＮよりなる第２クラッド層２６を、前記第１クラッド層２４と同様にして、６０ｎｍの膜厚でエピタキシャルに形成する。
【００３５】
図３Ａの例では、前記第１クラッド層２４、発光層２５および第２クラッド層２６が、全体で２波長分のキャビティ長Ｌcavを有するマイクロキャビティＣａｖを形成し、前記発光層２５は、このようにして形成されたマイクロキャビティ内に生じる定在波の腹の部分に位置するように設計されている。
【００３６】
次に図３Ｂの工程において前記図３Ａの第２クラッド層２６上に、Ａｇ膜２７が反射層として、例えば１０００ｎｍの膜厚に、例えばスパッタ法により形成され、さらに前記Ａｇ膜２７上にＣｕ膜２８が、例えば電解メッキ法により、任意の膜厚に形成される。前記Ａｇ膜２７はその下の第２クラッド層２６に対してオーミック接触し、このため前記Ａｇ膜２７およびＣｕ膜２８は、前記第２のクラッド層のオーミック電極を形成する。
【００３７】
次に、図３Ｃの工程において前記図３Ｂの構造が上下反転され、さらに前記ＧａＮ犠牲層２２に前記サファイア基板２１を介してレーザビームを照射することによって、図３Ｄに示すように前記サファイア基板２１が剥離・除去される。
【００３８】
次に図３Ｅの工程において前記ＧａＮ犠牲層２２を、塩素ガスなどをエッチングガスとしたドライエッチングにより除去し、さらに前記エッチングマーカ層２３を構成する元素、例えばＩｎを質量分析計によりモニタしながらエッチングを継続し、前記エッチングマーカ層２３までをエッチング・除去することにより、図３Ｆに示す、マイクロキャビティ中に発光層２５を配置した構造が得られる。
【００３９】
さらに、このようにして露出した前記エッチングマーカ層２３を、例えばＩｎの消失を質量分析計によりモニタしながらエッチング・除去することにより、図３Ｆに示す、マイクロキャビティ中に発光層２５を配設した構造が得られる。なお、このエッチングマーカ層２３は残しておいてもよい。その場合には、以後の構造に、前記エッチングマーカ層２３が含まれることになる。
【００４０】
次に図３Ｇの工程で、前記図３Ｆの構造上に厚さが７７ｎｍのＳｉＯ2膜と厚さが５２ｎｍのＴａ2Ｏ5膜を交互に繰り返し積層した構造の多層反射膜２９を形成し、図３Ｈの工程において前記多層反射膜２９の一部を、平面図上の中央部において覆うレジストパターンＲを形成する。
【００４１】
さらに図３Ｈの工程では、前記レジストパターンＲをマスクに、Ｓｉあるいは酸素を例えば２００ｋｅＶの加速電圧下、３×１０14ｃｍ-2のドーズ量で、主に前記マイクロキャビティＣａｖの下部、特に前記第２クラッド層２６にイオン注入し、素子の周辺部に高抵抗電流狭窄構造２４Ｉを形成する。
【００４２】
さらに図３Ｉの工程において、前記レジストパターンＲをマスクに前記多層反射膜２９をパターニングし、前記第１クラッド層２４を前記レジストパターンＲの周辺部で、リング状に露出する。
【００４３】
さらに図３Ｈの工程において、前記第１クラッド層２４のリング状露出部にリング状のオーミック電極３０を、厚さが１．７μｍのＡｌ膜と厚さが０．２５μｍのＮｉ膜と厚さが０．５μｍのＡｕ膜の積層の形で形成される。本実施形態では、前記リング状オーミック電極３０は、その開口部が、径が０．２ｍｍの光学窓３０Ａを画成し、前記発光層２５で発生した青色光は、前記光学窓３０Ａを通って外部へと出射する。
【００４４】
図４は、前記マイクロキャビティＣａｖをより詳細に示す図である。
【００４５】
図４を参照するに、前記マイクロキャビティＣａｖは全体として２λの共振器長を有しており、前記発光層２５の中央が前記マイクロキャビティ中に形成される定在波の腹に位置するように形成されている。ここで、前記発光層２５の中央は前記マイクロキャビティ中に形成される定在波の別の腹の位置に形成してもよく、また前記マイクロキャビティ長Ｌcavは１／２λの整数倍であればよいが、前記キャビティ長Ｌcavが増大すると多数のモードの発光が可能となるため、４λ以下であることが望ましい。このような共振器長の短いマイクロキャビティでは、先にも述べたように可能なモードが制限され、このため基本モードにエネルギが集中し、鋭い発光スペクトルが得られると同時に、発光効率が大きく向上する。また、前記多層反射膜２９を通って出射する出力光の指向性が向上し、前記出力光は前記多層反射膜２９に垂直方向に、高い指向性をもって出射する。
【００４６】
前記多層反射膜２９は、３０〜９０％の透過率を有するのが好ましい。例えば前記多層反射膜２９中における前記ＳｉＯ2膜とＴａ2Ｏ5膜の繰り返し回数を２回とすると前記３０％の透過率が得られ、一方前記繰り返し回数を６回とすると、前記９０％の透過率が得られる。あるいは前記多層反射膜２９は省略することも可能である。
【００４７】
例えば、前記多層反射膜２９を構成する２種類の誘電体膜の屈折率をそれぞれｎ1，ｎ2とすると、波長λの光に対する前記多層反射膜２９の反射率を、一方の誘電体膜の膜厚Ｌ1がλ／４ｎ1で他方の誘電体膜の膜厚Ｌ２がλ／４ｎ2である場合に最大にすることができる（非特許文献２）。そこで、前記ＳｉＯ2膜の屈折率が１．４６でＴａ2Ｏ5膜の屈折率が２．１６であることから、例えば波長が４５０ｎｍの光を発光する発光ダイオードの場合、前記ＳｉＯ2膜の膜厚を７７ｎｍに、Ｔａ2Ｏ5膜の膜厚を５２ｎｍとすることで、前記多層反射膜２９の反射率を最大にすることができる。
【００４８】
また図示の例では、前記発光層２５を多重量子井戸構造としているが、本発明は、かかる特定の構成に限定されるものではなく、前記発光層２５として単一の量子井戸層、あるいはバルクＩｎＧａＮ層を使うことも可能である。さらに前記発光層中のＩｎＧａＮ層は、他の元素、例えばＡｌなどを含むことも可能である。
【００４９】
本実施形態では、発光波長が４５０ｎｍの場合を想定して説明したが、前記ＩｎＧａＮ／ＧａＮ発光層２５中におけるＩｎの濃度を調整することにより、他の波長での発光も可能である。その場合には、前記クラッド層２４，２６の膜厚および前記発光層２５の膜厚は、上記の値から変化するが、図４で説明した関係は維持される必要がある。
【００５０】
本願発明では、多層反射膜２９が、前記発光ダイオードの本体部分、すなわち第１クラッド層２４、発光層２５および第２クラッド層２６の積層構造が形成された後で形成されることに注意すべきである。このため、本発明では、多層反射膜２９の形成工程が前記第１クラッド層２４、発光層２５および第２クラッド層２６の形成工程に影響することがなく、前記第１クラッド層２４、発光層２５および第２クラッド層２６を、成膜効率の高いＭＯＣＶＤ法を使って効率よく形成することができる。
【００５１】
これに対し、例えば前記非特許文献４の技術では、マイクロキャビティ構造を有する青色発光ダイオードをサファイア基板上に直接に形成しているため、多層反射膜を、青色発光ダイオードの本体をなす下側クラッド層とその下のサファイア基板との間に設ける必要がある。このため前記非特許文献４の技術では、発光ダイオードの本体部分は多層反射膜を形成した後、その上に形成され、多層反射膜として、前記発光ダイオードの本体部分がエピタキシャル成長により形成できるように、窒化物半導体を使う必要がある。しかし、窒化物半導体を使った多層反射膜で大きな反射率を得るためには、前記多層反射鏡をＧａＮ膜とＡｌ組成の大きいＡｌＧａＮ膜の積層により形成する必要がある。しかし、ＡｌＧａＮ膜はＡｌ組成が大きくなるとＭＯＣＶＤ法で成長させた場合、多量の欠陥を含むようになるため、ＭＯＣＶＤ法を使うことができない。このため前記非特許文献４では成長レートが低く結晶性が悪い、その結果発光効率の低い、ＭＢＥ法により成膜を行っている。
【００５２】
これに対し本発明は、成長レートが高く結晶性の優れた成膜法であるＭＯＣＶＤ法を使って発光ダイオードを効率良く、安価に製造することを可能とする。
【００５３】
なお、本実施形態において、図５に示すように、前記多層反射膜２９を必要に応じて省略することも可能である。この場合には、前記第１クラッド層２４の上面が反射鏡として作用する。
【００５４】
また、本実施形態において、図６に示すように、第１クラッド層２４と多層反射膜２９との間に、ＩＴＯ（Ｉｎ2Ｏ3・ＳｎＯ2）などの透明導電膜３０Ｂを、前記オーミック電極３０の一部として設けることも可能である。このような構成によれば、前記オーミック電極３０より、より均一な電流注入を行うことが可能となる。
［第２の実施形態］
図７は、本発明の第２の実施形態による発光ダイオードアレイの構成を示す。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５５】
図７を参照するに、前記第２クラッド層２６、発光層２５および第１クラッド層２４を積層しマイクロキャビティＣａｖを構成する積層体が、例えばＣｕよりなる支持基台６１上に絶縁膜６２を介して支持されており、前記積層体には素子領域Ｉ，II，III，・・・が画成されている。
【００５６】
また各々の素子領域Ｉ，II，III，・・・では、前記リング状電極３０およびリング状電流狭窄構造２５Iが形成されており、また前記図５の紙面に垂直方向に前記Ａｇ反射膜２７とＣｕ電極膜２８を積層した配線パターンが連続的に延在している。
【００５７】
また各素子領域Ｉ，II，III，・・・において前記リング状電極３０に対応して、リング状に電流狭窄構造２５Iが形成されている。
【００５８】
かかる構成の発光ダイオードアレイでは、先の実施形態で説明した発光ダイオードが行列状に配列しているが、一つの配線パターンを選択し、一つのリング状電極３０を選択することにより、任意の素子領域の発光ダイオードを発光させることができる。
【００５９】
このような発光ダイオードアレイを用いれば、微小な近接画像伝送装置を実現することが可能となる。
【００６０】
図８は、前記図７の発光ダイオードアレイの一変形例を示す。
【００６１】
図８を参照するに、本実施形態では前記支持基台６１および絶縁膜６２が省略され、その代わりに前記下側電極２８が支持基台６１を兼用している。
【００６２】
前記下側電極２８はその上面にＡｇ反射膜２７を一様に担持しており、それぞれの素子領域上に前記第１の実施形態で説明した発光ダイオードが多数形成されている。
【００６３】
かかる構成では、前記発光ダイオード中で発生した熱が前記支持基台を兼用する下側電極に効率的に吸収され、前記発光ダイオードを高い密度で配列し、これを同時に駆動するような場合でも、発光ダイオードの昇温を効果的に抑制することができる。すなわち、本実施形態では、前記下側電極２８は、支持基台として作用するのみならず、効果的なヒートシンクとしても作用する。
【００６４】
以上、本発明を好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】従来のＧａＮ発光ダイオードの構成を示す図である。
【図２】マイクロキャビティの原理を説明する図である。
【図３Ａ】本発明の第１の実施形態による発光ダイオードの製造工程を説明する図（その１）である。
【図３Ｂ】本発明の第１の実施形態による発光ダイオードの製造工程を説明する図（その２）である。
【図３Ｃ】本発明の第１の実施形態による発光ダイオードの製造工程を説明する図（その３）である。
【図３Ｄ】本発明の第１の実施形態による発光ダイオードの製造工程を説明する図（その４）である。
【図３Ｅ】本発明の第１の実施形態による発光ダイオードの製造工程を説明する図（その５）である。
【図３Ｆ】本発明の第１の実施形態による発光ダイオードの製造工程を説明する図（その６）である。
【図３Ｇ】本発明の第１の実施形態による発光ダイオードの製造工程を説明する図（その７）である。
【図３Ｈ】本発明の第１の実施形態による発光ダイオードの製造工程を説明する図（その８）である。
【図３Ｉ】本発明の第１の実施形態による発光ダイオードの製造工程を説明する図（その９）である。
【図３Ｊ】本発明の第１の実施形態による発光ダイオードの製造工程を説明する図（その１０）である。
【図４】前記第１の実施形態による発光ダイオードの細部を示す図である。
【図５】第１の実施形態の一変形例による発光ダイオードの構成を示す図である。
【図６】第１の実施形態の一変形例による発光ダイオードの構成を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態による発光ダイオードアレイの構成を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施形態による発光ダイオードアレイの一変形例の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
１，２ 反射鏡
２１ サファイア基板
２２ 第１クラッド層
２３ エッチングマーカ層
２４ 第２クラッド層
２５ 発光層
２５Ｉ 電流狭窄構造
２６ 第３クラッド層
２７ Ａｇ反射膜
２８ 下側電極
２９ 多層反射膜
３０ 上側電極
３０Ａ 光学窓
３０Ｂ 透明導電膜
６１ 支持基体
６２ 絶縁膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に発光ダイオードに係り、特に窒化物半導体を使った発光ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体は大きなバンドギャップを有し、かかる窒化物半導体を発光層として使った青色〜紫色波長の発光ダイオードが実現されている。
【０００３】
発光ダイオードは、発光層中において生じるフォトンの自発放出を動作原理とする素子であるが、従来、発光ダイオードにいわゆる光マイクロキャビティ（optical microcavity）を形成した場合、フォトンの自発放出速度が変化し、その結果、発光効率が向上し発光スペクトルが鋭くなるなどの好ましい効果が得られることが知られている。
【０００４】
光マイクロキャビティは、ファブリ・ペロ共振器の一種であるが、共振器長が数波長程度と短く、その結果、共振器中に生じるモードが制約され、このためこのような光マイクロキャビティを発光ダイオードと組みあわせると、発光スペクトル中にフォトンの自発放出が抑制される禁制帯が出現する。その結果、上記の発光スペクトルが鋭くなる効果、あるいは発光効率が向上する効果を得ることが可能となる。
【特許文献１】特許第２７３５０５７号
【特許文献２】特許第２７８０６９１号
【特許文献３】特許第２８９０３９６号
【特許文献４】特許第３１３５０４１号
【特許文献５】特許第３５３８２７５号
【非特許文献１】J. D. Joannopoulos et al., Photonic Crystals, Princeton University Press, Princeton, U.S.A., 1995
【非特許文献２】E. F. Shubert, Light-Emitting Diodes Second Ed., p.257, Cambridge University Press, Cambridge, U.K., 2006
【非特許文献３】E. F. Schubert et al., Science 265, 943, 1994
【非特許文献４】T. Ichinohe et al., Thin Solid Films 377-378, vol.87, 2000
【非特許文献５】D. Byrne, et al., Jpn. J. Appl. Phys. Vol.42, (2003) pp.L1509-L1511
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、このような光マイクロキャビティを、青色ないし青紫色で発光する窒化物発光ダイオードに適用しようとしても、従来の窒化物発光ダイオードは、図１に示すように一般に厚いサファイア基板上に形成されるため、また発光波長が約４５０ｎｍと短いため、所望のマイクロキャビティを実現することが不可能であった。
【０００６】
図１を参照するに、従来の窒化物発光ダイオードは、サファイア基板１１上に形成されたＧａＮよりなる下側クラッド層１２と、前記下側クラッド層１２上に形成されたＧａＩｎＮ層あるいはＧａＩｎＮ／ＧａＮ量子井戸構造などよりなる発光層１３と、前記発光層１３上に形成されたＧａＮよりなる上側クラッド層１４を含み、前記上側クラッド層１４上には透明導電膜１５を介して上部電極１６Ａが、また前記下側クラッド層１２の一部には下側電極１６Ｂが形成されている。
【０００７】
さらに前記サファイア基板１１の下面に金属反射膜１７が形成され、出力光は、前記上部クラッド層１４から、前記透明導電膜１５を介して上方に取り出される。
このような構造の従来の窒化物発光ダイオードでは、前記金属反射膜１７から上部クラッド層１４の上端面までの距離Ｌcavが、必然的に数百ミクロン以上となり、様々な定在波のモードが可能であるため、前記発光層１３中において生じる自発放出は制御されることがなく、広い発光スペクトルが生じてしまう。またこれに伴って、発光効率も低下する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一の側面によれば本発明は上記の課題を、反射面を有し下側オーミック電極をなす金属基板と、前記金属基板の前記反射面上に形成された下側クラッド層と、前記下側クラッド層上に形成された窒化物半導体よりなる発光層と、前記発光層上に形成された上側クラッド層と、前記上側クラッド層の上面に接触し、光学窓を形成された上側オーミック電極と、を含み、前記下側クラッド層と前記発光層と前記上側クラッド層とは、前記上側クラッド層の上面と前記金属基板の反射面との間にマイクロキャビティを形成し、前記マイクロキャビティは前記発光ダイオードの発光波長の１／２波長の整数倍のキャビティ長を有することを特徴とする発光ダイオードにより、解決する。
【０００９】
他の側面によれば本発明は上記の課題を、反射面を有する下側オーミック電極と、前記金属基板の前記反射面上に形成された下側クラッド層と、前記下側クラッド層上に形成された窒化物半導体よりなる発光層と、前記発光層上に形成された上側クラッド層と、前記上側クラッド層の上面に接触し、光学窓を形成された上側オーミック電極と、を含み、前記下側クラッド層と前記発光層と前記上側クラッド層とは、前記上側クラッド層の上面と前記下側オーミック電極の反射面との間にマイクロキャビティを形成し、前記マイクロキャビティは前記発光ダイオードの発光波長の１／２波長の整数倍のキャビティ長を有することを特徴とする発光ダイオードの製造方法であって、前記上側クラッド層を支持基体上にＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャルに成長させる工程と、前記上側クラッド層上に発光層をＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャルに成長させる工程と、前記発光層上に前記下側クラッド層をＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャルに成長させる工程と、前記下側クラッド層上に、反射膜を形成する工程と、前記反射膜上に、前記下側オーミック電極を形成する工程と、前記支持基体を、前記上側クラッド層から剥離する工程と、前記上側クラッド層をエッチングし、前記上側クラッド層の膜厚を、前記上側クラッド層と前記発光層と前記下側クラッド層とよりなる光キャビティがマイクロキャビティを形成するような厚さに設定する工程と、前記上側クラッド層上に前記上側オーミック電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする発光ダイオードの製造方法。により、解決する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、窒化物半導体よりなる発光層を有する発光ダイオードにおいても、マイクロキャビティを形成することが可能となり、鋭い発光スペクトルと高い発光効率を実現することが可能となる。その際、本発明ではこのようなマイクロキャビティを有する発光ダイオードを、下側オーミック電極を構成する金属基板上に直接形成することができ、例えばこのような発光ダイオードをサファイアなどの絶縁結晶基板上に形成した場合に比べて放熱特性を格段に向上させることが可能となる。このため、本発明の発光ダイオードを金属基台上に多数集積化して高密度発光ダイオードアレイを構成することが可能となる。特に本発明による製造方法では、前記下側クラッド層、発光層および上側クラッド層を全てＭＯＣＶＤ法で形成する場合であっても、前記上側クラッド層上に酸化等の誘電体多層膜からなる多層反射膜を形成することが可能であり、ＭＯＣＶＤ法を使った効率のよい発光ダイオードの製造が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
［原理］
マイクロキャビティのＱ（quality factor）を表すフィットネス値（Ｆ値）は、式
Ｆ＝π（１−√Ｒ１Ｒ２）
で与えられる。ここで、Ｒ１，Ｒ２は，図２に示す、ファブリ・ペロ干渉計を構成する２枚の反射鏡１，２の反射率である。
【００１２】
前記Ｆ値を使って、マイクロキャビティのスペクトル半値幅は、
Δλ＝λcav／Ｆ
で与えられる。ただしλcavは、前記ファブリ・ペロ干渉計の共振波長である。
【００１３】
マイクロキャビティによる自然放出の発光制御は、キャビティ内の光学モード密度が自由空間の値に比べて、共振波長において非常に高くなり、非共振波長において低くなることを原理としている。この効果が顕著になるのは、キャビティ長Ｌcav（前記反射鏡１，２の間の距離）が発光波長に近い場合であり、λ／２の場合（Ｌcav＝λ／２）において最高になる。
【００１４】
そこで、この原理を利用すれば、従来の発光ダイオードより圧倒的に効率の高い発光ダイオードを実現できる可能性がある。本発明は、マイクロキャビティを青色発光ダイオード，紫外発光ダイオードに適用することで従来の発光ダイオードの効率の限界を超える素子を実現するものである。
【００１５】
以下では、例えばＧａＮ発光ダイオードの発光波長が４５０ｎｍであるとして、マイクロキャビティのキャビティ長を９００ｎｍ（発光波長の２倍）とした時に、どの程度の利得があるかを計算する。
【００１６】
図２のマイクロキャビティ内にＧａＮ発光ダイオードの発光層を置いた場合に得られる利得（integrated enhancement ratio）Ｇintは、式
Ｇint＝（ξ／２）（２／π）（１−Ｒ１）／（１−／Ｒ１Ｒ２）√πｌｎ２（λ／Δλｎ）（λcav／Ｌcav）（τcav／τ）
で与えられる（非特許文献２）。
【００１７】
ここでξはキャビティ内の活性層の位置で決まるパラメータであり、前記活性層がキャビティ中に形成される定在波の腹に当たる位置の場合は値２を、節に当たる部分にあれば値０を、一様に活性層が分布している場合には値１をとる。以下では、腹に近い位置に活性層を設置できるとして、前記パラメータξの値として値１．５を仮定することにする。Δλｎは、発光スペクトルの半値幅である。またτとτcavは、それぞれ、自然放出におけるライフタイムおよびキャビティ内でのライフタイムの値であり、ここではτcav／τ＝１とする。
【００１８】
前記利得Ｇintの値は反射率Ｒ１とＲ２の値によって変化するが、以下では、前記反射鏡２は全反射するものとして、反射率Ｒ２の値は１とする。
【００１９】
前記反射鏡１の反射率Ｒ１をまず０．５として計算してみると、フィットネス値Fは１０、スペクトル半値幅は４５ｎｍ、利得Ｇintは９（Ｆ＝１０、Δλ＝４５ｎｍ、Ｇint＝９）となる。また、反射率Ｒ１の値を０．８とすると、フィットネス値Fは３０、スペクトル半値幅は１５ｎｍ（Ｆ＝３０、Δλ＝１５ｎｍ）となり、利得Ｇintとして値１１（Ｇint＝１１）が得られる。マイクロキャビティの効果が大きくなるのは当然ながらＲ１の値が大きい場合である。ＧａＮ系発光ダイオードの半値幅は２０ｎｍ程度であるので、これよりΔλの値が小さい方がマイクロキャビティ効果は増大する。一方、ＧａＮ系発光ダイオードの発光波長の温度依存性は約０．０７ｎｍ／℃であるので、あまりＦを大きくすると、実用上の問題が生じる。
【００２０】
上記原理を利用した、高効率の赤色発光ダイオードは、既に実現されている（参考文献３）。出願人も以前、マイクロキャビティを利用して、シリコンナノクリスタルからの発光を制御する試みを行い、スペクトルの先鋭化と発光強度の上昇を確認している（参考文献４）。
【００２１】
一方、先にも述べたように、図１のＧａＮ発光ダイオードにこの原理を適用しようとしても、ファブリ・ペロ共振器が厚いサファイア基板１１を含むことになり、その実現は不可能である。
【００２２】
最近、ＧａＮ系半導体膜をサファイア基板から剥離する技術が実用化され、これを利用した発光ダイオードが市販されている。
【００２３】
そこで、本発明は、このようなサファイア基板から剥離した発光ダイオードを使い、一方の表面に金属反射鏡を前記反射鏡R２として形成し、他方の表面である剥離面をエッチング処理してキャビティ長を所定値に設定することにより、所望のマイクロキャビティを実現する技術を提供する。
【００２４】
好ましくは、前記エッチング面上に多層膜反射鏡を前記反射鏡１として形成し、前記多層反射膜１の反射率Ｒ１を、金属反射鏡２の反射率（銀で約０．９５以上）以下、０３以上とする。この範囲の反射率は、例えばＳｉＯ２とＴａ２０５のような屈折率の大きく異なる２種類の誘電体膜をイオンビームスバッタ法などの膜厚の厳密な制御ができる薄膜形成法で堆積すれば容易に実現できる。
【００２５】
本発明の技術により達成される利点として、以下が挙げられる。
【００２６】
（１）自然放出をキャビティ構造で制御することにより、発光効率が大きく向上する。
【００２７】
（２）キャビティ構造の採用により、出力光の出射方向が反射鏡１に対して垂直方向に揃い、指向性が向上する。
【００２８】
（３）前記（２）の結果、表面からの光取り出し効率が大きく向上する。
【００２９】
（４）前記（２）の結果、横方向への光の損失が減少する。
【００３０】
このように、本発明は、従来実現されなかった高輝度紫色〜緑色発光ダイオードをＭＯＣＶＤ法で実現することを可能とする。
【００３１】
上記（２）の効果を積極的に利用すると、１枚のチツプ内に多数のマイクロ発光ダイオードを形成した発光ダイオードアレイを形成することができる。
［第１の実施形態］
次に、本発明の第１の実施形態による青色発光ダイオードの製造工程を、図３Ａ〜３Ｊを参照しながら説明する。図示の例では、青色発光ダイオードの発光波長を４５０ｎｍとする。ただし本発明はかかる特定の発光波長に限定されるものではなく、本発明は発光波長が５５０ｎｍ〜３３０ｎｍの範囲の緑色〜紫色発光ダイオードに適用が可能である。
【００３２】
最初に図３Ａを参照するに、本実施形態では厚さが例えば３００μｍのサファイア基板２１上にＧａＮよりなる犠牲層２２をＭＯＣＶＤ法により、例えば２０ｎｍの膜厚で、エピタキシャルに形成する。
【００３３】
次に前記図３Ａの工程ではさらに、前記ＧａＮ犠牲層２２上に、ＧａＮに対してエッチングマーカとして作用するＩｎＧａＮ膜２３をＭＯＣＶＤ法により、例えば１０ｎｍの膜厚でエピタキシャルに形成し、前記エッチングマーカ層２３上にｎ型ＧａＮよりなる第１クラッド層２４を前記犠牲層２２と同様にして、ただし前記青色発光ダイオードの発光波長の３／２波長＋５５ｎｍの厚さに相当する７３０ｎｍの膜厚で、エピタキシャルに形成する。
【００３４】
次に前記図３Ａの工程ではさらに、前記第１クラッド層２２上にＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造を有する発光層２５が、厚さが７ｎｍのＩｎＧａＮ膜と厚さが１０ｎｍのＧａＮ膜を交互に繰り返し堆積することにより、全体として、前記発光波長の約１／４波長である１１０ｎｍの膜厚に形成される。さらに前記発光層２５上に、ｐ型ＧａＮよりなる第２クラッド層２６を、前記第１クラッド層２４と同様にして、６０ｎｍの膜厚でエピタキシャルに形成する。
【００３５】
図３Ａの例では、前記第１クラッド層２４、発光層２５および第２クラッド層２６が、全体で２波長分のキャビティ長Ｌcavを有するマイクロキャビティＣａｖを形成し、前記発光層２５は、このようにして形成されたマイクロキャビティ内に生じる定在波の腹の部分に位置するように設計されている。
【００３６】
次に図３Ｂの工程において前記図３Ａの第２クラッド層２６上に、Ａｇ膜２７が反射層として、例えば１０００ｎｍの膜厚に、例えばスパッタ法により形成され、さらに前記Ａｇ膜２７上にＣｕ膜２８が、例えば電解メッキ法により、任意の膜厚に形成される。前記Ａｇ膜２７はその下の第２クラッド層２６に対してオーミック接触し、このため前記Ａｇ膜２７およびＣｕ膜２８は、前記第２のクラッド層のオーミック電極を形成する。
【００３７】
次に、図３Ｃの工程において前記図３Ｂの構造が上下反転され、さらに前記ＧａＮ犠牲層２２に前記サファイア基板２１を介してレーザビームを照射することによって、図３Ｄに示すように前記サファイア基板２１が剥離・除去される。
【００３８】
次に図３Ｅの工程において前記ＧａＮ犠牲層２２を、塩素ガスなどをエッチングガスとしたドライエッチングにより除去し、さらに前記エッチングマーカ層２３を構成する元素、例えばＩｎを質量分析計によりモニタしながらエッチングを継続し、前記エッチングマーカ層２３までをエッチング・除去することにより、図３Ｆに示す、マイクロキャビティ中に発光層２５を配置した構造が得られる。
【００３９】
さらに、このようにして露出した前記エッチングマーカ層２３を、例えばＩｎの消失を質量分析計によりモニタしながらエッチング・除去することにより、図３Ｆに示す、マイクロキャビティ中に発光層２５を配設した構造が得られる。なお、このエッチングマーカ層２３は残しておいてもよい。その場合には、以後の構造に、前記エッチングマーカ層２３が含まれることになる。
【００４０】
次に図３Ｇの工程で、前記図３Ｆの構造上に厚さが７７ｎｍのＳｉＯ2膜と厚さが５２ｎｍのＴａ2Ｏ5膜を交互に繰り返し積層した構造の多層反射膜２９を形成し、図３Ｈの工程において前記多層反射膜２９の一部を、平面図上の中央部において覆うレジストパターンＲを形成する。
【００４１】
さらに図３Ｈの工程では、前記レジストパターンＲをマスクに、Ｓｉあるいは酸素を例えば２００ｋｅＶの加速電圧下、３×１０14ｃｍ-2のドーズ量で、主に前記マイクロキャビティＣａｖの下部、特に前記第２クラッド層２６にイオン注入し、素子の周辺部に高抵抗電流狭窄構造２４Ｉを形成する。
【００４２】
さらに図３Ｉの工程において、前記レジストパターンＲをマスクに前記多層反射膜２９をパターニングし、前記第１クラッド層２４を前記レジストパターンＲの周辺部で、リング状に露出する。
【００４３】
さらに図３Ｈの工程において、前記第１クラッド層２４のリング状露出部にリング状のオーミック電極３０を、厚さが１．７μｍのＡｌ膜と厚さが０．２５μｍのＮｉ膜と厚さが０．５μｍのＡｕ膜の積層の形で形成される。本実施形態では、前記リング状オーミック電極３０は、その開口部が、径が０．２ｍｍの光学窓３０Ａを画成し、前記発光層２５で発生した青色光は、前記光学窓３０Ａを通って外部へと出射する。
【００４４】
図４は、前記マイクロキャビティＣａｖをより詳細に示す図である。
【００４５】
図４を参照するに、前記マイクロキャビティＣａｖは全体として２λの共振器長を有しており、前記発光層２５の中央が前記マイクロキャビティ中に形成される定在波の腹に位置するように形成されている。ここで、前記発光層２５の中央は前記マイクロキャビティ中に形成される定在波の別の腹の位置に形成してもよく、また前記マイクロキャビティ長Ｌcavは１／２λの整数倍であればよいが、前記キャビティ長Ｌcavが増大すると多数のモードの発光が可能となるため、４λ以下であることが望ましい。このような共振器長の短いマイクロキャビティでは、先にも述べたように可能なモードが制限され、このため基本モードにエネルギが集中し、鋭い発光スペクトルが得られると同時に、発光効率が大きく向上する。また、前記多層反射膜２９を通って出射する出力光の指向性が向上し、前記出力光は前記多層反射膜２９に垂直方向に、高い指向性をもって出射する。
【００４６】
前記多層反射膜２９は、３０〜９０％の透過率を有するのが好ましい。例えば前記多層反射膜２９中における前記ＳｉＯ2膜とＴａ2Ｏ5膜の繰り返し回数を２回とすると前記３０％の透過率が得られ、一方前記繰り返し回数を６回とすると、前記９０％の透過率が得られる。あるいは前記多層反射膜２９は省略することも可能である。
【００４７】
例えば、前記多層反射膜２９を構成する２種類の誘電体膜の屈折率をそれぞれｎ1，ｎ2とすると、波長λの光に対する前記多層反射膜２９の反射率を、一方の誘電体膜の膜厚Ｌ1がλ／４ｎ1で他方の誘電体膜の膜厚Ｌ２がλ／４ｎ2である場合に最大にすることができる（非特許文献２）。そこで、前記ＳｉＯ2膜の屈折率が１．４６でＴａ2Ｏ5膜の屈折率が２．１６であることから、例えば波長が４５０ｎｍの光を発光する発光ダイオードの場合、前記ＳｉＯ2膜の膜厚を７７ｎｍに、Ｔａ2Ｏ5膜の膜厚を５２ｎｍとすることで、前記多層反射膜２９の反射率を最大にすることができる。
【００４８】
また図示の例では、前記発光層２５を多重量子井戸構造としているが、本発明は、かかる特定の構成に限定されるものではなく、前記発光層２５として単一の量子井戸層、あるいはバルクＩｎＧａＮ層を使うことも可能である。さらに前記発光層中のＩｎＧａＮ層は、他の元素、例えばＡｌなどを含むことも可能である。
【００４９】
本実施形態では、発光波長が４５０ｎｍの場合を想定して説明したが、前記ＩｎＧａＮ／ＧａＮ発光層２５中におけるＩｎの濃度を調整することにより、他の波長での発光も可能である。その場合には、前記クラッド層２４，２６の膜厚および前記発光層２５の膜厚は、上記の値から変化するが、図４で説明した関係は維持される必要がある。
【００５０】
本願発明では、多層反射膜２９が、前記発光ダイオードの本体部分、すなわち第１クラッド層２４、発光層２５および第２クラッド層２６の積層構造が形成された後で形成されることに注意すべきである。このため、本発明では、多層反射膜２９の形成工程が前記第１クラッド層２４、発光層２５および第２クラッド層２６の形成工程に影響することがなく、前記第１クラッド層２４、発光層２５および第２クラッド層２６を、成膜効率の高いＭＯＣＶＤ法を使って効率よく形成することができる。
【００５１】
これに対し、例えば前記非特許文献４の技術では、マイクロキャビティ構造を有する青色発光ダイオードをサファイア基板上に直接に形成しているため、多層反射膜を、青色発光ダイオードの本体をなす下側クラッド層とその下のサファイア基板との間に設ける必要がある。このため前記非特許文献４の技術では、発光ダイオードの本体部分は多層反射膜を形成した後、その上に形成され、多層反射膜として、前記発光ダイオードの本体部分がエピタキシャル成長により形成できるように、窒化物半導体を使う必要がある。しかし、窒化物半導体を使った多層反射膜で大きな反射率を得るためには、前記多層反射鏡をＧａＮ膜とＡｌ組成の大きいＡｌＧａＮ膜の積層により形成する必要がある。しかし、ＡｌＧａＮ膜はＡｌ組成が大きくなるとＭＯＣＶＤ法で成長させた場合、多量の欠陥を含むようになるため、ＭＯＣＶＤ法を使うことができない。このため前記非特許文献４では成長レートが低く結晶性が悪い、その結果発光効率の低い、ＭＢＥ法により成膜を行っている。
【００５２】
これに対し本発明は、成長レートが高く結晶性の優れた成膜法であるＭＯＣＶＤ法を使って発光ダイオードを効率良く、安価に製造することを可能とする。
【００５３】
なお、本実施形態において、図５に示すように、前記多層反射膜２９を必要に応じて省略することも可能である。この場合には、前記第１クラッド層２４の上面が反射鏡として作用する。
【００５４】
また、本実施形態において、図６に示すように、第１クラッド層２４と多層反射膜２９との間に、ＩＴＯ（Ｉｎ2Ｏ3・ＳｎＯ2）などの透明導電膜３０Ｂを、前記オーミック電極３０の一部として設けることも可能である。このような構成によれば、前記オーミック電極３０より、より均一な電流注入を行うことが可能となる。
［第２の実施形態］
図７は、本発明の第２の実施形態による発光ダイオードアレイの構成を示す。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５５】
図７を参照するに、前記第２クラッド層２６、発光層２５および第１クラッド層２４を積層しマイクロキャビティＣａｖを構成する積層体が、例えばＣｕよりなる支持基台６１上に絶縁膜６２を介して支持されており、前記積層体には素子領域Ｉ，II，III，・・・が画成されている。
【００５６】
また各々の素子領域Ｉ，II，III，・・・では、前記リング状電極３０およびリング状電流狭窄構造２５Iが形成されており、また前記図５の紙面に垂直方向に前記Ａｇ反射膜２７とＣｕ電極膜２８を積層した配線パターンが連続的に延在している。
【００５７】
また各素子領域Ｉ，II，III，・・・において前記リング状電極３０に対応して、リング状に電流狭窄構造２５Iが形成されている。
【００５８】
かかる構成の発光ダイオードアレイでは、先の実施形態で説明した発光ダイオードが行列状に配列しているが、一つの配線パターンを選択し、一つのリング状電極３０を選択することにより、任意の素子領域の発光ダイオードを発光させることができる。
【００５９】
このような発光ダイオードアレイを用いれば、微小な近接画像伝送装置を実現することが可能となる。
【００６０】
図８は、前記図７の発光ダイオードアレイの一変形例を示す。
【００６１】
図８を参照するに、本実施形態では前記支持基台６１および絶縁膜６２が省略され、その代わりに前記下側電極２８が支持基台６１を兼用している。
【００６２】
前記下側電極２８はその上面にＡｇ反射膜２７を一様に担持しており、それぞれの素子領域上に前記第１の実施形態で説明した発光ダイオードが多数形成されている。
【００６３】
かかる構成では、前記発光ダイオード中で発生した熱が前記支持基台を兼用する下側電極に効率的に吸収され、前記発光ダイオードを高い密度で配列し、これを同時に駆動するような場合でも、発光ダイオードの昇温を効果的に抑制することができる。すなわち、本実施形態では、前記下側電極２８は、支持基台として作用するのみならず、効果的なヒートシンクとしても作用する。
【００６４】
以上、本発明を好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】従来のＧａＮ発光ダイオードの構成を示す図である。
【図２】マイクロキャビティの原理を説明する図である。
【図３Ａ】本発明の第１の実施形態による発光ダイオードの製造工程を説明する図（その１）である。
【図３Ｂ】本発明の第１の実施形態による発光ダイオードの製造工程を説明する図（その２）である。
【図３Ｃ】本発明の第１の実施形態による発光ダイオードの製造工程を説明する図（その３）である。
【図３Ｄ】本発明の第１の実施形態による発光ダイオードの製造工程を説明する図（その４）である。
【図３Ｅ】本発明の第１の実施形態による発光ダイオードの製造工程を説明する図（その５）である。
【図３Ｆ】本発明の第１の実施形態による発光ダイオードの製造工程を説明する図（その６）である。
【図３Ｇ】本発明の第１の実施形態による発光ダイオードの製造工程を説明する図（その７）である。
【図３Ｈ】本発明の第１の実施形態による発光ダイオードの製造工程を説明する図（その８）である。
【図３Ｉ】本発明の第１の実施形態による発光ダイオードの製造工程を説明する図（その９）である。
【図３Ｊ】本発明の第１の実施形態による発光ダイオードの製造工程を説明する図（その１０）である。
【図４】前記第１の実施形態による発光ダイオードの細部を示す図である。
【図５】第１の実施形態の一変形例による発光ダイオードの構成を示す図である。
【図６】第１の実施形態の一変形例による発光ダイオードの構成を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態による発光ダイオードアレイの構成を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施形態による発光ダイオードアレイの一変形例の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
１，２ 反射鏡
２１ サファイア基板
２２ 第１クラッド層
２３ エッチングマーカ層
２４ 第２クラッド層
２５ 発光層
２５Ｉ 電流狭窄構造
２６ 第３クラッド層
２７ Ａｇ反射膜
２８ 下側電極
２９ 多層反射膜
３０ 上側電極
３０Ａ 光学窓
３０Ｂ 透明導電膜
６１ 支持基体
６２ 絶縁膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射面を有し下側オーミック電極をなす金属基板と、
前記金属基板の前記反射面上に形成された下側クラッド層と、
前記下側クラッド層上に形成された窒化物半導体よりなる発光層と、
前記発光層上に形成された上側クラッド層と、
前記上側クラッド層の上面に接触し、光学窓を形成された上側オーミック電極と、
を含み、
前記下側クラッド層と前記発光層と前記上側クラッド層とは、前記上側クラッド層の上面と前記金属基板の反射面との間にマイクロキャビティを形成し、
前記マイクロキャビティは前記発光ダイオードの発光波長の１／２波長の整数倍のキャビティ長を有することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
さらに前記上側クラッド層上面のうち、前記上側オーミック電極が前記光学窓を形成する部分には多層反射膜が設けられ、前記マイクロキャビティは、前記上側クラッド層と前記多層反射膜との界面と、前記金属基板上の反射面との間に形成されることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード。
【請求項３】
前記多層反射膜は酸化膜の積層よりなることを特徴とする請求項２記載の発光ダイオード。
【請求項４】
前記上側オーミック電極は、前記上側クラッド層の前記上面を前記光学窓において覆う透明導電膜を含むことを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード。
【請求項５】
前記透明導電膜上には、３０〜９０％の透過率を有する反射膜が形成されていることを特徴とする請求項４記載の発光ダイオード。
【請求項６】
前記上側クラッド層中には、前記上側オーミック電極より導入されたキャリアを狭窄する電流狭窄構造が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のうち、いずれか一項記載の発光ダイオード。
【請求項７】
前記電流狭窄構造は、酸素原子を含む高抵抗領域であることを特徴とする請求項６記載の発光ダイオード。
【請求項８】
絶縁膜を担持した金属基台と、
前記金属基台上に前記絶縁膜を介して形成された複数の発光ダイオード素子を含み、
前記複数の発光ダイオード素子の各々は、請求項１記載の発光ダイオードよりなることを特徴とする発光ダイオードアレイ。
【請求項９】
反射面を有する下側オーミック電極と、前記金属基板の前記反射面上に形成された下側クラッド層と、前記下側クラッド層上に形成された窒化物半導体よりなる発光層と、前記発光層上に形成された上側クラッド層と、前記上側クラッド層の上面に接触し、光学窓を形成された上側オーミック電極と、を含み、前記下側クラッド層と前記発光層と前記上側クラッド層とは、前記上側クラッド層の上面と前記下側オーミック電極の反射面との間にマイクロキャビティを形成し、前記マイクロキャビティは前記発光ダイオードの発光波長の１／２波長の整数倍のキャビティ長を有することを特徴とする発光ダイオードの製造方法であって、
前記上側クラッド層を支持基体上にＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャルに成長させる工程と、
前記上側クラッド層上に発光層をＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャルに成長させる工程と、
前記発光層上に前記下側クラッド層をＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャルに成長させる工程と、
前記下側クラッド層上に、反射膜を形成する工程と、
前記反射膜上に、前記下側オーミック電極を形成する工程と、
前記支持基体を、前記上側クラッド層から剥離する工程と、
前記上側クラッド層をエッチングし、前記上側クラッド層の膜厚を、前記上側クラッド層と前記発光層と前記下側クラッド層とよりなる光キャビティがマイクロキャビティを形成するような厚さに設定する工程と、
前記上側クラッド層上に前記上側オーミック電極を形成する工程と、
を含むことを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
【請求項１０】
前記上側クラッド層はエッチングマーカ層を含み、前記エッチング工程は、前記エッチングマーカ層でエッチングを停止する工程を含むことを特徴とする請求項９記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項１１】
前記エッチング工程の後、さらに前記エッチングマーカ層を除去する工程を含むことを特徴とする請求項１０記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項１２】
前記基体を剥離する工程は、前記基体にレーザ光を照射する工程を含むことを特徴とする請求項９〜１１のうち、いずれか一項記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項１３】
さらに前記エッチング工程の後、前記上側クラッド層上に多層反射膜を、屈折率が互いに異なる第１および第２の酸化膜の積層により形成する工程を含むことを特徴とする請求項９〜１２のうち、いずれか一項記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項１】
反射面を有し下側オーミック電極をなす金属基板と、
前記金属基板の前記反射面上に形成された下側クラッド層と、
前記下側クラッド層上に形成された窒化物半導体よりなる発光層と、
前記発光層上に形成された上側クラッド層と、
前記上側クラッド層の上面に接触し、光学窓を形成された上側オーミック電極と、
を含み、
前記下側クラッド層と前記発光層と前記上側クラッド層とは、前記上側クラッド層の上面と前記金属基板の反射面との間にマイクロキャビティを形成し、
前記マイクロキャビティは前記発光ダイオードの発光波長の１／２波長の整数倍のキャビティ長を有することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
さらに前記上側クラッド層上面のうち、前記上側オーミック電極が前記光学窓を形成する部分には多層反射膜が設けられ、前記マイクロキャビティは、前記上側クラッド層と前記多層反射膜との界面と、前記金属基板上の反射面との間に形成されることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード。
【請求項３】
前記多層反射膜は酸化膜の積層よりなることを特徴とする請求項２記載の発光ダイオード。
【請求項４】
前記上側オーミック電極は、前記上側クラッド層の前記上面を前記光学窓において覆う透明導電膜を含むことを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード。
【請求項５】
前記透明導電膜上には、３０〜９０％の透過率を有する反射膜が形成されていることを特徴とする請求項４記載の発光ダイオード。
【請求項６】
前記上側クラッド層中には、前記上側オーミック電極より導入されたキャリアを狭窄する電流狭窄構造が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のうち、いずれか一項記載の発光ダイオード。
【請求項７】
前記電流狭窄構造は、酸素原子を含む高抵抗領域であることを特徴とする請求項６記載の発光ダイオード。
【請求項８】
絶縁膜を担持した金属基台と、
前記金属基台上に前記絶縁膜を介して形成された複数の発光ダイオード素子を含み、
前記複数の発光ダイオード素子の各々は、請求項１記載の発光ダイオードよりなることを特徴とする発光ダイオードアレイ。
【請求項９】
反射面を有する下側オーミック電極と、前記金属基板の前記反射面上に形成された下側クラッド層と、前記下側クラッド層上に形成された窒化物半導体よりなる発光層と、前記発光層上に形成された上側クラッド層と、前記上側クラッド層の上面に接触し、光学窓を形成された上側オーミック電極と、を含み、前記下側クラッド層と前記発光層と前記上側クラッド層とは、前記上側クラッド層の上面と前記下側オーミック電極の反射面との間にマイクロキャビティを形成し、前記マイクロキャビティは前記発光ダイオードの発光波長の１／２波長の整数倍のキャビティ長を有することを特徴とする発光ダイオードの製造方法であって、
前記上側クラッド層を支持基体上にＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャルに成長させる工程と、
前記上側クラッド層上に発光層をＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャルに成長させる工程と、
前記発光層上に前記下側クラッド層をＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャルに成長させる工程と、
前記下側クラッド層上に、反射膜を形成する工程と、
前記反射膜上に、前記下側オーミック電極を形成する工程と、
前記支持基体を、前記上側クラッド層から剥離する工程と、
前記上側クラッド層をエッチングし、前記上側クラッド層の膜厚を、前記上側クラッド層と前記発光層と前記下側クラッド層とよりなる光キャビティがマイクロキャビティを形成するような厚さに設定する工程と、
前記上側クラッド層上に前記上側オーミック電極を形成する工程と、
を含むことを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
【請求項１０】
前記上側クラッド層はエッチングマーカ層を含み、前記エッチング工程は、前記エッチングマーカ層でエッチングを停止する工程を含むことを特徴とする請求項９記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項１１】
前記エッチング工程の後、さらに前記エッチングマーカ層を除去する工程を含むことを特徴とする請求項１０記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項１２】
前記基体を剥離する工程は、前記基体にレーザ光を照射する工程を含むことを特徴とする請求項９〜１１のうち、いずれか一項記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項１３】
さらに前記エッチング工程の後、前記上側クラッド層上に多層反射膜を、屈折率が互いに異なる第１および第２の酸化膜の積層により形成する工程を含むことを特徴とする請求項９〜１２のうち、いずれか一項記載の発光ダイオードの製造方法。
【図２】
【図１】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図３Ｅ】
【図３Ｆ】
【図３Ｇ】
【図３Ｈ】
【図３Ｉ】
【図３Ｊ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図３Ｅ】
【図３Ｆ】
【図３Ｇ】
【図３Ｈ】
【図３Ｉ】
【図３Ｊ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−１８８２４９（Ｐ２００９−１８８２４９Ａ）
【公開日】平成２１年８月２０日（２００９．８．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２７７２５（Ｐ２００８−２７７２５）
【出願日】平成２０年２月７日（２００８．２．７）
【出願人】（５０１０４５０２１）株式会社ナノテコ (9)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月２０日（２００９．８．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月７日（２００８．２．７）
【出願人】（５０１０４５０２１）株式会社ナノテコ (9)
【Ｆターム（参考）】
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