CN1498427A

CN1498427A - 半导体发光元件

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Publication number: CN1498427A
Application number: CNA028067886A
Authority: CN
Inventors: ֻ��һ��; 只友一行; 冈川广明; ��һ; 大内洋一郎; ־; 常川高志
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2001-03-21
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2022-03-20
Also published as: WO2002075821A1; US7053420B2; CN1284250C; EP1378949A4; KR20030093265A; TW536841B; KR100632760B1; EP1378949A1; US20040113166A1

Abstract

在第一层1的表面上加工凹凸1a，使具有与第一层不同的折射率的第二层2将该凹凸埋入并生长(或者，在成为生长的基础的晶体层S上使第一晶体10呈凹凸状地生长，使具有与第一层不同的折射率的第二晶体20生长)。形成了这些凹凸状的折射率界面1a(10a)后，在它上面形成层叠了包括发光层A的半导体晶体层的元件结构。因此，在发光层中产生的横向光由于凹凸状的折射率界面的影响而改变方向，朝向外界。另外，其中，在使发光层的材料为InGaN、发生紫外线的情况下，采用量子井结构，完全用GaN晶体形成该量子井结构和低温隔离层之间的层，将AlGaN排除。该量子井结构最好由InGaN构成的井层和由GaN构成的阻挡层构成，阻挡层的厚度最好为6nm～30nm。

Description

半导体发光元件

技术领域

本发明涉及半导体发光元件(以下简称“发光元件”)，特别是涉及其发光层由GaN系列半导体晶体(GaN系列晶体)构成的半导体发光元件。

背景技术

发光二极管(LED)的基本的元件结构呈这样的结构：在晶体衬底上依次生长n型半导体层、发光层(包括DH结构、MQW结构、SQW结构)、p型半导体层，在n型层或导电性晶体衬底(SiC衬底、DaN衬底等)及p型层各层上形成外部引出电极。

例如，图8是表示将GaN系列半导体作为发光层的材料的元件(GaN系列LED)的一个结构例的图，在晶体衬底101上通过依次进行晶体生长而层叠GaN系列晶体层(n型GsN接触层(也是覆盖层)102、GaN半导体发光层103、p型GaN接触层(也是覆盖层)104)，在它上面设置下部电极(通常为n型电极)105、上部电极(通常为p型电极)106。这里，作为将晶体衬底安装在下侧、光向上方射出后传播的结构进行说明。

在LED中，以怎样的效率充分地将发光层上发生的光取出到外界(所谓光取出效率)是重要的问题。因此，迄今关于从发光层朝向上方的光，将不致成为其朝向外界的障碍物的图8所示的上部电极106作成透明电极的形态，以及关于从发光层朝向下方的光，设置反射层，使其返回上方的形态等，在种种方面下工夫。

关于从发光层向上下方向发射的光，如上所述，通过使电极透明化和设置反射层，能提高向外界取出光的效率，可是，朝向发光层扩展方向(在图8中，在发光层103内用粗箭头表示的方向，以下也称“横向”)发生的光内，虽然在用折射率差规定的全反射角以内到达侧壁的光能发射到外部，但除此以外的很多光例如在侧壁上反复反射等，只在元件内、特别是被发光层本身吸收而衰减、消失。这样的横向的光被上下的覆盖层、或衬底(蓝宝石衬底)和上侧的覆盖层、或衬底和上部电极(进而元件外部的被覆物质等)封闭在里面，成为横向传播的光。该横向传播的光在发光层上发生的全部光量中占有大部分，有时达到总体的60％。

另外，在将衬底作为上侧安装的倒装片型的LED中(光通过衬底射出到外界)，已知这样一种形态：为了使这样的横向光能朝向衬底的方向反射，而在作为元件结构的层叠体的侧壁上设有角度，使该侧壁成为朝向衬底一侧的反射面。可是，使微小的芯片的四面带有角度进行切割的加工是困难的，在成本上也成问题。

另外，在朝向上下方向的光中也有问题，即在GaN系列半导体层/蓝宝石衬底的界面和GaN系列半导体层/p型电极(或封装材料)的界面之间，形成反复反射的驻波等，妨碍光取出效率。

本发明的第一课题是解决上述问题，提供一种使在发光层上发生的横向光朝向外界，另外能抑制上述驻波的发生的赋予了新的结构的发光元件。

除了上述这样的朝向外界的光取出效率的问题以外，在发光层的材料采用InGaN、而且发生紫外线的情况下，存在以下这样的输出低的问题。

在发光层中使用InGaN的发光元件中，一般说来能获得高效率的发光。这是因为由In成分起伏造成的载流子的定域化，使得被注入发光层的载流子内被捕获到非发光中心的载流子的比例变少，所以其结果，说明了能获得高效率的发光。

在GaN系列发光二极管(LED)或GaN系列半导体激光器(LD)中，在发生420nm以下的青紫光～紫外线的情况下，一般说来发光层的材料能使用InGaN(In成分为0.15以下)，有关发光的结构，呈单一量子井结构(由于活性层薄，所以其中包括所谓DH结构)、多重量子井结构。

一般说来，紫外线的波长的上限比可见光的短波长端(380nm～400nm)短，下限为1nm左右(0.2nm～2nm)，但在本说明书中，包括由上述的In成分为0.15以下的InGaN发生的420nm以下的青紫光，称为紫外线，将发生这样的紫外线的半导体发光元件称为紫外线发光元件。

由GaN所能发生的紫外线的波长为365nm。因此，在InGaN必须包含In成分、而且不包含Al成分的三元系列的情况下，能发生的紫外线波长的下限是比上述365nm长的波长。

可是，与具有In成分高的发光层的青·绿色发光元件相比，紫外线发光元件所发生的光的波长短，所以有必要降低发光层的In成分。因此，上述的由In成分起伏造成的定域化的效果低，被被捕获到非发光中心的比例增加，其结果，不能获得高输出。在这样的情况下，盛行降低成为非发光再结合中心的原因的错位密度。

作为降低错位密度的方法，能举出ELO法(横向生长法)，通过谋求降低错位密度，来达到高输出化·长寿命化(参照文献(Jpn.j.Appl.Phys.39(2000)pp.L647)等)。

在GaN系列发光元件中，作成用禁带比其大的材料构成的覆盖层(阻挡层)夹持发光层(井层)的结构。根据文献(米津宏雄著，工学图书株式会社刊，“光通信元件工学”第72页)，一般情况下得出使禁带差为“0.3eV”以上的指导方针。

根据上述背景，在发光层(井层)中使用能发生紫外线的成分的InGaN的情况下，如果考虑到载流子被封闭，则在夹持发光层的覆盖层(在单一量子井结构中不仅覆盖层，还包括阻挡层)中能使用禁带大的AlGaN。

另外，在构成量子井结构的情况下，阻挡层有必要达到产生隧道效应的程度的厚度，一般说来为3～6nm左右。

例如图9是表示将In_0.05Ga_0.95N作为发光层的材料的现有的发光二极管之一例的图，在晶体衬底S10上，通过隔离层201，采用晶体生长法依次层叠n型GaN接触层202、n型Al_0.1Ga_0.9N覆盖层203、In_0.05Ga_0.95N井层(发光层)204、p型Al_0.2Ga_0.8N覆盖层205、p型GaN接触层206，在它上面设置下部电极(通常为n型电极)P10、上部电极(通常为p型电极)P20，成为上述这样一种元件结构。

可是，用ELO法使成为基底的GaN层生长，需要掩蔽层的形成、再生长这样的方法，需要多次生长，有工序非常多的问题。另外，由于存在再生长界面，所以有降低错位密度所派生的怎么也提高不了输出的问题。

另外，为了使发光层的材料为InGaN而且使紫外线输出得更多，本发明者等研究了现有的元件结构时，明白了AlGaN层成为使InGaN发光层受到由晶格常数差引起的变形的根源。

另外，明白了在量子井结构中，如果将阻挡层的厚度减薄，则Mg就会从设置在它上面的p型层扩散到发光层中，形成非发光中心，所以有不能获得输出大的紫外发光元件的问题。

本发明的第二课题是在本发明的发光元件的发光层的材料中使用InGaN、而且发生紫外线的情况下，通过使元件的结构最佳化，达到高输出化，且达到长寿命化。

发明内容

本发明有以下特征。

(1)一种半导体发光元件，其特征在于：有在第一晶体层表面上加工凹凸，由具有与上述晶体层不同的折射率的半导体材料构成的第二晶体层在该凹凸上通过隔离层或直接地将该凹凸埋入并生长，在第二晶体层上层叠包括发光层的半导体晶体层的元件结构。

(2)是上述(1)记载的半导体发光元件，第二晶体层及它上面的半导体晶体层是由GaN系列半导体晶体构成的层。

(3)是上述(2)记载的半导体发光元件，第一晶体层是晶体衬底，第二晶体层从在晶体衬底的表面上加工的凹凸面开始、实际上一边形成晶面结构一边生长。

(4)是上述(3)记载的半导体发光元件，在晶体衬底的表面上加工的凹凸是呈条纹图形的凹凸，该条纹的纵向是将它埋入并生长的GaN系列半导体的(11-20)方向、或(1-100)方向。

(5)是上述(1)或(4)记载的半导体发光元件，凹凸的断面形状呈矩形波状、三角波状、正负曲线状。

(6)是上述(1)记载的半导体发光元件，从发光层发生的光的波长在第一晶体层中的折射率和在第二晶体层中的折射率的差为0.05以上。

(7)是上述(1)记载的半导体发光元件，发光层由能发生紫外线的成分即InGaN晶体构成。

(8)是上述(1)记载的半导体发光元件，发光层是一种由InGaN构成的井层和由GaN构成的阻挡层所构成的量子井结构。

(9)是上述(1)记载的半导体发光元件，第一晶体层是晶体衬底，在该晶体衬底的表面上加工的凹凸上，第二晶体层通过低温隔离层将该凹凸埋入并生长，发光层是一种由InGaN构成的井层和由GaN构成的阻挡层所构成的量子井结构，量子井结构和低温隔离层之间的层全部由GaN晶体构成。

(10)是上述(8)或(8)记载的半导体发光元件，阻挡层的厚度为6nm～30nm。

(11)一种半导体发光元件，其特征在于：有如下所述的元件结构，即第一GaN系列半导体晶体在成为晶体生长的基础的晶体层表面上呈凹凸状地生长，具有与第一GaN系列半导体晶体不同的折射率的第二GaN系列半导体晶体覆盖着该凹凸的至少一部分生长，另外，第三GaN系列半导体晶体一直生长到使上述凹凸平坦为止，在它上面层叠包括发光层的半导体晶体层。

(12)是上述(11)记载的半导体发光元件，在成为晶体生长的基础的晶体层表面上，呈一种对晶体生长区域进行尺寸性限制的结构或实施表面处理，通过该限制，第一GaN系列半导体晶体一边形成实际的晶面结构或模拟的晶面结构，一边呈凹凸状地生长。

(13)是上述(12)记载的半导体发光元件，对晶体生长区域进行尺寸性限制的结构或表面处理是在成为晶体生长的基础的晶体层表面上加工的凹凸、或附加在成为晶体生长的基础的晶体层表面上的能横向生长的掩蔽图形、或在成为晶体生长的基础的晶体层表面的特定区域上实施的能抑制GaN系列晶体生长的表面处理。

(14)是上述(11)记载的半导体发光元件，第二GaN系列半导体晶体呈膜状地至少覆盖着由第一GaN系列半导体晶体形成的凹凸中的凸部而生长，另外，第三GaN系列半导体晶体覆盖着它一直生长到使上述凹凸平坦为止，在它上面有层叠了包括发光层的半导体晶体层的元件结构，第二GaN系列半导体晶体有多层膜结构。

(15)是上述(11)记载的半导体发光元件，发光层由能发生紫外线的成分即InGaN晶体构成。

(16)是上述(11)记载的半导体发光元件，发光层是一种由InGaN构成的井层和由GaN构成的阻挡层所构成的量子井结构。

(17)是上述(16)记载的半导体发光元件，阻挡层的厚度为6nm～30nm。

(18)是上述(11)记载的半导体发光元件，上述凹凸是呈条纹图形的凹凸，该条纹的纵向是第一GaN系列半导体晶体的(11-20)方向、或(1-100)方向。

以下，将上述(1)的形态称为“形态(I)”，将上述(11)的形态称为“形态(II)”进行说明。

附图说明

图1是表示本发明的发光元件的结构例的模式图。以表示区域的边界为目的在一部分上划有影线(以下的图也同样)。

图2是表示在本发明的形态(I)中形成凹凸状的折射率界面用的晶体生长法的一例的模式图。

图3是表示在本发明的形态(I)中将晶体衬底加工成有斜面的凹凸的方法的模式图。

图4是表示在本发明的形态(II)中形成凹凸状的折射率界面用的晶体生长法的一例的模式图。

图5是表示在本发明的形态(II)中形成凹凸状的折射率界面用的晶体生长法的另一例的模式图。

图6是表示图4、5所示的晶体生长法的变化的模式图。

图7是表示在本发明的形态(II)中形成凹凸状的折射率界面用的晶体生长法的另一例的模式图。

图8是表示现有的GaN系列发光元件的结构的模式图。

图9是表示将In_0.05Ga_0.95N作为发光层的材料的现有的发光二极管的一例的模式图。

具体实施方式

就发光元件来说，本发明的课题具有最重要的意义，根据这一点，本发明的发光元件的最好的形态是LED。另外，虽然不限定材料系列，但如后面所述，举出使用本发明的有用性特别显著的GaN系列材料的LED(GaN系列LED)为例，说明该发光元件。

该发光元件的任意一种形态，都在发光层的下方设置凹凸状的折射率界面，根据其作用及效果，提高光取出效率。从如何形成该凹凸状的折射率界面这一点出发，该发光元件能再分成上述形态(I)、形态(II)。

在上述形态(I)中，在晶体衬底上加工凹凸，通过用半导体晶体(特别是GaN系列晶体)将该凹凸埋入，构成凹凸状的折射率界面。

在上述形态(II)中，在凹凸上使GaN系列晶体生长，通过用另一GaN系列晶体将它埋入，构成凹凸状的折射率界面。

首先，说明上述形态(I)。图1(a)是作为形态(I)的发光元件的结构例，示出了GaN系列LED的图，在第一晶体层(以下也称“第一层”)1的表面上加工凹凸1a，由具有与上述晶体层不同折射率的材料构成的第二晶体层(以下也称“第二层”)2在该凹凸1a上通过隔离层或直接地将该凹凸埋入并生长。因此，不同的折射率界面呈凹凸状。再在它上面通过晶体生长，层叠半导体晶体层(n型接触层3、发光层A、p型接触层4)，形成电极P1、P2后呈元件结构。该图中的元件结构是简单的DH结构，但设有专用的接触层、专用的覆盖层等，另外，也可以将发光层作成SQW结构、MQW结构，有一切作为发光元件的结构。

利用上述结构，在发光层A中产生的沿横向传播的光受凹凸状的折射率界面1a的影响，产生一种模式变换(由于漫反射，使光的传播方向变成面发光方向)，变成朝向横向以外的方向。其结果，朝向取出面的光量增加，元件内部的光吸收层减少，其结果，光取出效率提高。

如在现有技术的说明中所述，迄今，与沿着光的取出口以外的方向(例如，向下或横向)传播的光不同，单纯地通过只在端面上反射，使光朝向取出口。

与此不同，在本发明中，将在衬底上通过外延生长形成的GaN系列半导体层区域看作[使光沿横向传播的波导]，通过在沿着该波导能对沿横向传播的光产生影响的位置上形成凹凸状的折射率界面，发生一种模式变换(或发生漫反射)，使光朝向其他方向。

在本发明中，着眼于沿横向传播的光以发光层为中心，使电场作为扩大到其上下层的电磁波，沿横向传播的情况。在通常的DH结构的活性层中，发光层的厚度为10nm～100nm左右。横向光不只在这样薄的活性层内传播，而且作为到达晶体衬底的分布幅度大的波动沿横向传播。因此，如图1(a)所示，如果在横向光的分布范围内形成凹凸状的折射率界面1a，则横向光的波动受影响，利用一种模式变换(或发生漫反射)，能使若干光量朝向其他方向，进而射出到外界的光量也增大。另外，该凹凸也具有作为将从发光层朝向该凹凸本身发射的光漫反射到上方的反射面的功能。

另外该凹凸还具有使GaN系列半导体层/蓝宝石衬底的界面的垂直方向的反射率下降的功能，抑制上下方向的驻波的发生，使很多光进入蓝宝石衬底，来自蓝宝石衬底的光的取出量增大，特别是从衬底一侧取出光时还能提高光取出效率。

在形态(I)中，所谓在第一层的表面上加工的凹凸，是第一层的表面本身构成的凹凸。这与采用迄今众所周知的横向生长法的由SiO₂等构成的掩蔽层被加在覆盖的表面上形成的凹凸不同。

另外，利用上述的结构，能使在晶体衬底上生长的GaN系列晶体有效地降低错位密度。在该结构中，不用ELO用的掩蔽层。一次生长就能完成错位密度的降低。

即，在使用掩模的ELO法中，使GaN膜在基底上生长后，暂时从生长装置中取出到外部，形成掩模，再返回生长装置中，再进行生长。与此不同，在晶体衬底上形成凹凸进行的生长法中，将加工了凹凸的晶体衬底置于生长装置内之后，不需要阻止生长，因此不存在再生长界面，能制作结晶性良好的结构。

另外，在本发明的上述的结构中，由于不使用掩模而使GaN系列晶体层生长，所以没有由掩模的分解产生的不纯物污染、晶体品质下降的问题。

利用这些作用和效果，能制作错位少结晶好的结构，结果，光输出特别高。另外，成为劣化的原因的错位密度降低的结果，能谋求长寿命化。

作为凹凸的总体的配置图形，能不使横向光的波动受影响即可，可以是在第一层的表面(基准平面)上配置了点状的凹部(或凸部)的图形，也可以是以一定的间隔排列了直线状的或曲线状的凹槽(或凸山脊)条纹状的凹凸图形。凸山脊呈栅格状的图形也可以说是排列了角形凹部的图形。它们中能对横向光产生强大影响的是条纹状的凹凸图形。

凹凸的断面形状能举出：如图2(a)所示，呈矩形(包括梯形)波状；如图3(c)所示，呈三角波状或正负曲线状；以及呈它们合成的波状等。

凹凸的细部的规格可以参照后面所述的为了降低GaN系列晶体的错位密度而形成的晶体生长用的凹凸结构。

另外，由于凹凸对横向光有影响，所以该凹凸最好位于从发光层算起的特定距离以内。该距离在图1(a)中如k所示，为5.5微米至20微米左右，特别是最好为1微米至10微米的值，该范围内包含通常的LED的衬底上表面和发光层下表面的距离。因此，如果将元件的晶体衬底作为第一层，在它上表面上形成凹凸，将它埋入并使第二层生长，构成元件结构，则该凹凸对横向光充分地产生影响。

该发光元件的材料系列可以是GaAs系列、InP系列、GaN系列等迄今众所周知的材料，但在晶体的错位密度的降低成为大问题的GaN发光元件(至少发光层的材料是GaN系列半导体的发光元件)中，本发明的有用性最显著。在GaN系列发光元件中，谋求降低GaN系列晶体的错位密度是元件形成时所必要的大前提。在本发明中，如下所述提供一种采用了对于谋求降低GaN系列晶体的错位密度有用的凹凸结构的生长法，由于能将该凹凸结构兼作上述折射率界面上的凹凸用，所以与只以折射率界面为目的形成凹凸的情况相比，凹凸的有用性提高了。以下，说明使用该凹凸结构的GaN系列晶体生长法。

使用凹凸结构的GaN系列晶体生长法是这样一种方法：如图2(a)所示，在晶体衬底(第一层)1的表面上加工凹凸1a，如图2(b)所示，从其凹部及凸部开始，实际上使GaN系列晶体21、22一边形成晶面结构一边生长，如图2(c)所示，使凹部不致成为空洞，实际上用GaN系列晶体填充，将该凹凸埋入并生长。所谓实际上一边形成晶面结构的生长，意味着包括类似于后面所述的晶面结构生长的生长(例如，沿厚度方向一边生成凹凸一边生长等)。以下，将填充使用该凹凸的凹部的生长法称为“该晶面生长法”。

在本发明中利用的该晶面生长法中，有这样的特征：通过在连隔离层都不形成的状态的晶体衬底的表面上加工凹凸，预先提供从晶体生长当初就能形成晶面的毛面。

通过将凹凸设在晶体衬底上，在该面上进行GaN系列晶体的气相生长时，将用相互之间的台阶区分的凹面和凸面作为晶面结构生长生成的单位基准面。通过将凹面和凸面两者作为晶面结构生长可能的面，如图2(b)所示，生长初期从凹面·凸面两者开始发生呈凸面的晶体生长。

其结果，从晶体衬底沿C轴方向延伸的错位线在晶面(图2(b)所示的晶体21、22的斜面)上沿横向弯曲，不向上方传播。然后如图2(c)所示，继续生长，使生长面平坦后，该表面附近成为来自衬底的错位的传播降低了的低错位密度区域。

在使GaN系列晶体生长的一般方法中，采用MOVPE法等在蓝宝石C面衬底上，通过AIN等低温隔离层，使高温GaN膜生长。如果在低温隔离层上使高温GaN生长，则将形成了结晶的一部分隔离层作为生长核，高温GaN晶体开始呈岛状生长，但生长速度快的晶体将生长速度慢的晶体覆盖而成一体，促进横向生长，不久便形成平坦的GaN晶体。这时，在蓝宝石衬底上不加工凹凸时，进行生长，以便出现生长速度慢而稳定的C面，从而被平坦化。这是因为横向的生长速度比稳定的C面的生长速度快。

另一方面，为了在衬底面上加工凹凸来对横向生长施加晶体生长区域的尺寸限制，例如如果凹凸的纵向呈平行于(11-20)方向的条纹形状，则由于对(1-100)方向的生长加以限制，所以C轴方向的生长速度上升，能形成晶体生长速度慢而稳定的{1-101}等斜晶面。本发明中通过在衬底的生长面上进行凹凸加工，施加上述横向生长的生长区域的尺寸限制。

在本说明书中，表记的晶面、晶体方位全部是在晶体衬底上生长的GaN晶体的晶面、方位。

所谓第二层实际上填充凹部，不仅呈全部填充状态，而且填充得构成能达到本发明的目的的有效的凹凸状的折射率界面即可。例如，虽然有时在从凹部开始的生长晶体和从凸部开始的生长晶体成为一体的部分产生空隙，但能获得折射率的变化这一点是好的。另外，在凹部上即使产生空隙，但在凹部上生长的第二层的下部面以能达到本发明的目的的程度进入凹部内，构成有效的凹凸状的折射率界面即可。

与该晶面生长法不同，例如，在特开2000-106455号公报中，公开了将凹凸设在晶体衬底上，将凹部作为空洞留下来，使氮化镓系列半导体生长的方法。可是，在这样的生长法中，由于不填充凹部而作为空洞部留下来，所以从第二层看时折射率界面(即，第二层的下表面)未构成充分的凹凸，对横向光进行的模式调制的作用和效果不大。可是，空洞部的存在不利于使发光层上产生的热向衬底一侧逃逸。另外，由于不能积极地控制错位的传播，所以错位会传播到凸部的上方，错位密度的降低效果也不充分。

该晶面生长法中使用的晶体衬底是使各种半导体晶体层生长用的构成基底的衬底，也可以说是晶格调整用的隔离层等还未形成的状态的衬底。作为优选的晶体衬底，能使用蓝宝石(C面、A面、R面)、SiC(6H、4H、3H)、GaN、AlN、Si、尖晶石、ZnO、GaAs、NGO等，但如果适应于本发明的目的，也可以使用除此以外的材料。另外，衬底的面方位不特别限定，也可以是更恰当的衬底，还可以是带有偏角的衬底。

所谓GaN系列半导体，是用In_XGa_YAl_ZN(0≤X≤1，0≤Y≤1，0≤Z≤1，X+Y+Z＝1)表示的化合物半导体，晶体混合比是任意的，例如，能举出AlN、GaN、AlGaN、InGaN等作为重要的化合物。

如上所述，该晶面生长法中用的凹凸是从凹面、凸面两者进行晶面结构生长所能生成的凹凸形状，而且，最好是能对发光层中产生的横向光起作用的凹凸形状。以下说明该凹凸描绘的优选图形、该凹凸的优选规格。

概略地说，该晶面生长法中用的凹凸的配置图形可以参照能对上述的横向光的波动产生影响的凹凸，能举出排列了点状的凹部(或凸部)的图形、以一定的间隔排列了直线状或曲线状的凹槽(或山脊)的条纹状的凹凸图形。另外，凹凸的断面形状能举出矩形(包括梯形)波状、三角波状、正负曲线状等，间距也如上所述，没有必要是一定的。

在这些各种形态中，直线状或曲线状的凹槽(或山脊)以一定间隔排列的条纹状的凹凸图形，能简化其制作工序，同时图形的制作也容易，如上所述，对横向光的影响大，这一点是好的。

在使凹凸图形呈条纹状的情况下，该条纹的纵向可以是任意的，但拿将其埋入并生长的GaN系列晶体来说，在<11-20>方向的情况下，对横向生长施加了尺寸限制时容易形成{1-101}面等倾斜晶面。其结果，从衬底一侧沿C轴方向传播的错位在该晶面上沿横向弯曲，难以向上传播，能形成低错位密度区，这一点特别好。

另一方面，即使在使条纹的纵向为<1-100>方向的情况下，通过选择容易形成模拟的晶面的生长条件，能获得与上述同样的效果。

其次以图2(a)所示的断面呈矩形波状的凹凸为例，举出该晶面生长法、以及能有效地影响横向光的方向的凹凸的优选尺寸。

凹槽的宽度W1为0.5微米～20微米，特别是最好为1微米～10微米。

凸部的宽度W2为0.5微米～20微米，特别是最好为1微米～10微米。

凹凸的振幅(凹槽的深度)d为0.05微米～5微米，特别是最好为0.2微米～3微米。

这些尺寸和根据它计算的间距等在其他断面形状的凹凸中也一样。

利用凹部的宽度和凸部的宽度的组合，虽然在所生长的GaN系列晶体上怎样形成晶面能进行各种变化，但该晶面呈能使错位的传播弯曲的程度的面即可，优选形态如图2(b)所示，从各个单位基准面生长的晶体单位21、22在各自的顶部上完全没有平坦部，两晶面在顶部上呈交叉的山形(三角锥或长长地连接成山脉状的山脊形)的形态。如果是这样的晶面，则能使从上述基底面承接的错位线大致完全弯曲，能进一步降低其正上方的错位密度。

另外，不仅凹凸宽度的组合，而且改变凹部的深度(凸部的高度)d，也能进行晶面形成区的控制。

作为凹凸的加工方法，例如，举例示出采用通常的光刻技术，对应于作为目的的凹凸的形态形成图形，采用RIE技术等进行刻蚀加工，获得作为目的的凹凸的方法等。

在衬底上进行半导体晶体层的生长的方法可以是HVPE、MOVPE、MBE法等。在制作厚膜的情况下，HVPE法好，但在形成薄膜的情况下，MOVPE法或MBE法好。

进行晶体生长时根据生长条件(气体种类、生长压力、生长温度等)，能控制晶面的形成。减压生长时在NH₃分压低的情况下容易出现{1-101}面的晶面，常压生长时与减压相比容易出现晶面。

另外如果提高生长温度，则虽然能促进横向生长，但如果低温生长，则C轴方向的生长比横向生长快，容易形成晶面。

虽然示出了根据以上生长条件能进行晶面形成的控制，但如果在能产生本发明的效果的范围内，也可以根据目的灵活使用。

在该晶面生长法中，在从晶体衬底上形成的凹凸使GaN系列晶体生长时，也可以在晶体衬底上直接生长，还可以通过GaN、AlN等众所周知的低温隔离层、其他众所周知的隔离层。

以上，示出了用该晶面生长法进行的凹凸的埋入方法，但通过选择凹凸的尺寸和晶体生长条件，也可以不以晶面结构生长为主，利用一般的生长(例如，横向生长大的生长)将凹凸埋入。

其次，举例示出将凹凸的断面作成三角波状的形态。在将GaN晶体衬底作为第一层用的情况下，该形态特别有用。

作为将晶体衬底的表面加工成有这样的斜面的凹凸的方法，例如，如图3(a)所示，利用条纹状、栅格状等作为目的的图形，在GaN衬底1的表面上形成其断面形状呈两边缘薄的凸拱状的抗蚀剂R，对此能举出实施有关气体刻蚀的方法。作为抗蚀剂的材料，最好使用能承受该气体刻蚀的材料。通过对带有这样的抗蚀剂R的GaN衬底进行该气体刻蚀，露出了GaN衬底的区域从最初被刻蚀，另一方面，抗蚀剂薄的肩部与进行刻蚀的同时进行消耗，GaN晶体的刻蚀开始变慢。这样由于刻蚀开始的时间被错开进行刻蚀，所以最后如图3(b)所示，作为总体其断面呈近似于三角波的凹凸。抗蚀剂最薄的部分虽然能通过该气体刻蚀而被除去，但也可以留下来，在此情况下，也可以使用不会损伤GaN晶体的抗蚀剂专用的除去剂将其除去。另外，如果最后进行凸部的刻蚀处理，则效果更好。

其次举出图3(b)所示的有斜面的凹凸的优选尺寸。

凹凸的间距为2微米～40微米，特别是最好为2微米～20微米。

凹凸的振幅为0.05微米～5微米，特别是最好为0.2微米～3微米。

有斜面的凹凸的配置图形与上面说明的该晶面生长法相同，能举出排列了点状的凹部(或凸部)的图形、以一定的间隔排列了直线状或曲线状的凹槽(或山脊)的条纹状的凹凸图形，特别是条纹状的凹凸图形最好。

其次，如图3(c)所示，使第二层2的生长从凹凸的全部表面开始，一直生长到凹凸完全被埋入为止。这时凹槽的侧壁变成了模拟的晶面，所以使GaN系列晶体生长时，将该晶面作为界面错位线弯曲，能获得在上层上形成低错位密度部分的作用和效果。可是，这样的凹凸不仅对横向光起作用，而且作为反射面也有很强的作用，是一种好的形态。

刻蚀法虽然没有限定，但如果是由使用了包含氯的刻蚀气体的RIE(Reactive Ion Etching)等进行的气体刻蚀，则在第一层是GaN晶体衬底的情况下，在晶体表面上不会留下损伤，所以好。

在以上的说明中，在GaN系列发光元件中，虽然示出了将该晶面生长法的凹凸结构作为横向光用的凹凸兼用的例，但不一定必须兼用，也可以是另外设置只供横向光用的凹凸的形态。

其次，说明上述形态(II)。图1(b)是作为上述形态(II)的发光元件的结构例表示GaN系列LED的图，在成为晶体生长的基础的晶体层(该图中为晶体衬底)S的表面上，使第一GaN系列晶体(以下也称“第一晶体”)10生长，且一边形成晶面结构，一边作成凹凸，将该凹凸中的至少凸部(在图4的例中，就是第一晶体10本身)覆盖起来使具有与第一GaN系列晶体不同的折射率的第二GaN系列晶体(以下也称“第二晶体”)20生长，因此，构成凹凸状的折射率界面，能获得与上述形态(I)同样的作用和效果。

在该形态(II)中，在第一晶体生长而作成凹凸的时刻，在其他GaN系列晶体中使成分变化，改变折射率，即，只要第一晶体达到了平坦化就不再生长是重要的。折射率的变化(成分的变化)可以是台阶状的变化，也可以.是在折射率分布波导中看到的连续的变化。

使第一晶体生长成凹凸的方法不限定，但通过一边实际上形成晶面结构、或者一边形成模拟的晶面结构的生长，能使适合达到本发明的目的的凹凸生长。

这里所说的凹凸，不仅是凸部连续相邻的波状的凹凸，而且也可以如图5(a)～(c)所示，凸状的第一晶体10离散地配置，另一物质作为凹部存在于它们之间。

由第一晶体的晶面生长形成的凹凸的形状不限定，例如，可以是凸部的顶部有平坦部的梯形形状，但为了充分地获得凹凸状的折射率界面的作用和效果，与上述形态(I)中说明的相同，最好从各个单位基准面生长的晶体单位在各自的顶部上完全没有平坦部，两晶面在顶部上呈交叉的山形(三角锥或长长地连接成山脉状的山脊形)的形态。

在形态(II)中，如果是能使第一晶体呈凹凸状的方法，则什么样的方法都可以采用，在第一晶体呈凹凸的时刻，使第二晶体覆盖着它生长，构成凹凸状的折射率界面即可。

作为使GaN系列晶体生长成凹凸的方法，特别是最好使晶面生长(或者类似于它的方法)。为此，能举出在成为晶体生长的基础的晶体层表面上对晶体生长区域进行尺寸限制的方法。

例如，能举出：①如上面详细说明的该晶面生长法所示，在成为晶体生长的基础的晶体层表面上加工凹凸的方法(图1(b)、图4、图5(a)、图6、图7)；②在成为晶体生长的基础的晶体层表面的特定区域上设置GaN系列晶体不能生长的掩蔽图形的方法(图5(b))；③对成为晶体生长的基础的晶体层表面的特定区域进行能抑制GaN系列晶体生长的表面处理的方法(图5(c))等。

利用这些方法，第一晶体生长并作成凹凸。

作为上述方法①，也可以不仅是根据图4所示的该晶面生长法，用GaN系列晶体10、20实际上填充凹凸的凹部的形态，而且如图5(a)所示，只从全部凸部的上面使第一晶体10进行晶面生长后，切换成第二晶体20，在凹部上进行晶面生长，将凹部作为空洞保留的形态。另外，在上述形态(I)中，也可以利用具有以图3为例说明的斜面的凹凸。如图7所示，这是在晶体衬底S上的有斜面的凹凸上，使第一晶体10生长，使模拟的晶面生长后，切换成第二晶体20的形态。

作为上述方法②，如图5(b)所示，使用迄今众所周知的掩模的各种横向生长法全部都能适用。

作为掩模m的材料，可以使用Si、Ti、Ta、Zr等的氮化物或氧化物，即SiO₂、SiN_X、TiO₂、ZrO₂等，也可以众所周知的掩模材料。作为掩模的图形，可以参照众所周知的图形，但重要的是以条纹状的图形、栅格状的图形等为主，掩蔽区和非掩蔽区的边界线的方向特别重要。在作成沿着使掩蔽区和非掩蔽区的边界线生长的GaN系列晶体的<1-100>方向延伸的直线的情况下，横向生长速度快。反之，如果使掩蔽区和非掩蔽区的边界线为<11-20>方向的直线，则容易形成{1-101}面等的斜晶面，就本发明来说，能获得好的晶面生长。

关于实施使用掩模的横向生长法时的掩模的详细尺寸、气氛气体(H₂、N₂、Ar、He等)、以及晶体生长法(HVPE、MOVPE)等，可以参照众所周知的技术，例如，在文献(A.Sakai等，Appl.Phys.Lett.71(1997)2259.)中有详细的记载。

作为上述方法③，例如，能举出特开2000-277435公报中记载的在掩模中使用SiO₂的残渣的方法。因此，能呈现与上述掩模同样的作用和效果，从不进行处理的区域使GaN系列晶体呈凸状地进行晶面生长是可能的。

在上述形态(II)中，作为呈凸状生长的第一晶体及覆盖它的第二晶体的组合(第一晶体/第二晶体)，举例给出了(AlGaN/GaN)、(AlInGaN/GaN)等。由于AlGaN作为第一晶体存在于GaN的下侧，所以作为第二晶体的GaN相当于称为光波导的折射率高的心子，作为第一晶体的AlGaN相当于折射率比它低的覆盖层，本发明的作用和效果更高，另外，即使作为反射层也有效。将凹凸埋入的GaN系列晶体(例如，GaN)既可以不掺杂，也可以是n型的。

以上①～③虽然是使GaN系列晶体进行晶面生长用的各种方法，但在任何一种方法中，使凹凸平坦化用的第三GaN系列晶体既可以是第二晶体(呈第二晶体照样继续生长直至平坦化为止的形态)，也可以是与第二晶体不同的晶体(包括第一晶体)。另外，第三GaN系列晶体还可以是呈多层变化的晶体。

通过选择第三GaN系列晶体的形态，在晶面结构的生长过程中或生长后，存在使GaN系列晶体的成分呈多层状变化的共同变化。以下，以上述①中的用该晶面生长法进行的凹凸形成为例，说明该变化。

在图4(a)的例中，覆盖第一晶体10的第二晶体20虽然照样生长，直至使凹凸平坦为止，但在该变化中，如图4(b)所示，使覆盖第一晶体(例如GaN)10的第二晶体(例如AlGaN)20呈膜状，另外折射率不同的另一GaN系列晶体(例如GaN)20a一直生长到平坦化为止。在图4(c)的例中，第二晶体20呈膜状地覆盖着第一晶体10而生长，另外第一晶体20a、第二晶体20b依次覆盖着第二晶体20，折射率互不相同的GaN系列晶体膜形成多层膜结构。

如果采用由这样的折射率互不相同的GaN系列晶体膜构成的多层膜结构的形态，则更能提高反射性。例如，对应于发光波长，最适当地设计膜的厚度，也可以形成布雷格反射层作为由AlGaN/GaN等双层构成的超晶格结构。

在作成多层膜结构的情况下，不限定膜的层数，可以是从图4(b)所示的夹着一层膜的结构，变化到图4(c)所示的多层(5对至100对)。

不限定在哪一时刻将在凹凸上生长(最好是晶面生长)的第一晶体切换成第二晶体，例如，图6中模式地示出了由GaN系列晶体构成的多层凹凸的生长状态，在衬底S上形成的凹凸面上生长时也可以从初期的生长阶段改变成分。在该图中，为了区别折射率不同的GaN系列晶体呈多层状生长而构成凹凸状，划了影线。

在形态(II)中，在能理想地达到本发明的目的方面，凹凸状的折射率界面的凸部高度最好为0.05微米～10微米，特别是0.1微米～5微米就更好。另外，在迄今众所周知的横向生长法中，凹凸状的折射率界面的间距大约为1微米～10微米，特别是1微米～5微米左右是好的值。关于利用该晶面生长法获得的凹凸的间距，与上述形态(I)相同。

以上，不管是上述形态(I)还是形态(II)，第一层(第一晶体)的折射率和第二层(第二晶体)的折射率的差异，在从发光层发射的光的波长中，最好为0.01以上，特别是在0.05以上就更好。

另外，两者的折射率的大小关系，最好为第一层(第一晶体)＜第二层(第二晶体)，因此，第二层(第二晶体)相当于光波导中的折射率高的心子，第一层(第一晶体)相当于折射率比它低的覆盖层，本发明的作用和效果更大。

其次，给出将InGaN用作发光层的材料、输出紫外线(波长为420nm以下)的情况的优选形态。这时的InGaN，其In成分为0.15以下。

不管是上述形态(I)还是形态(II)，都能利用凹凸获得错位少的良好的晶体，结果，光输出特别高。另外，降低成为劣化的原因的错位密度的结果，能谋求长寿命化。

作为输出紫外线情况下的优选形态，在上述形态(I)中，将在衬底的凹凸上形成的GaN系列晶体层的材料限定为GaN晶体。在该GaN晶体层上，构成将能发生紫外线的成分的InGaN晶体层作为井层的MQW结构，作为发光层。附带说一下，n型覆盖层由GaN构成，成为在发光层和低温隔离层之间不存在AlGaN层的结构。

在该形态中，虽然将能发生紫外线的成分InGaN用作发光层，可是作为n型覆盖层材料，不使用以往所必须的AlGaN，而使用GaN。在本发明中，对紫外线发光层来说，即使n型覆盖层是GaN，也看得出能充分地达到空穴的封闭。这可以认为由于从p型层注入的空穴的有效质量重，所以扩散长度短，不能充分地到达n型覆盖层。因此，在本发明的结构中，作为InGaN发光层的下层存在的n型GaN层，严格地说，不相当于以往的覆盖层。排除了在晶体衬底和发光层之间作为覆盖层存在的AlGaN，由于是GaN层，所以能降低InGaN发光层的变形。

在发光层(井层)发生变形的情况下，由变形产生的压电电场的发生，致使井结构倾斜，电子和空穴的波动函数的重叠减少。其结果，电子和空穴的再结合概率减少，光输出减弱。为了避免该情况的发生，通过将Si掺入MQW结构中，进行了消除压电电场的尝试，但由于引起由掺杂造成的结晶性的下降，所以没有好方法。如上所述，通过排除n型AlGaN层也就没有这样的危险了，能获得高输出。

以上说明的使用衬底上的凹凸来降低错位密度、以及排除了AlGaN的上述作用和效果相辅相成，InGaN发光层能降低错位密度，同时降低形变，充分地提高了光输出和元件寿命。

另外，在输出紫外线的情况下的另一优选形态中，将发光层的量子井结构的阻挡层的材料限定于GaN。因此，从井层和低温隔离层之间排除了AlGaN层，能抑制井层的形变，能达到高输出化、长寿命化。在现有的量子井结构中，考虑到载流子被封闭在井层内，AlGaN能用于阻挡层和覆盖层。

可是如果是它们的组合，则由于晶体生长条件的最佳值在AlGaN和InGaN的情况下有很大的不同，存在以下问题。AlN比GaN熔点高，GaN比AlN熔点低。因此，最佳生长温度应这样确定：假设GaN为1000℃，则InGaN为1000℃以下，最好为600～800℃左右，AlGaN在GaN以上。在将AlGaN用于阻挡层的情况下，如果不改变AlGaN阻挡层和InGaN井层的生长温度，则达不到各自的最佳晶体生长条件，有晶体品质下降的问题。另一方面，改变生长温度，变成设定生长中断，在作为3nm左右的薄膜的井层的情况下，在该生长中断的过程中，由于刻蚀作用致使厚度变化，发生表面上出现晶体缺陷等问题。由于有这些折中关系，所以用AlGaN阻挡层、InGaN井层的组合来获得高品质的产品是困难的。另外，由于将阻挡层作成AlGaN，所以还有使井层变形的问题，妨碍高输出化。因此，在本发明中，用GaN作为阻挡层的材料，进行了减少上述折中的问题的尝试，改善了晶体品质。另外，为了减少变形，用GaN作为n型覆盖层时，由于变形的减少，高输出化成为可能。如果将GaN作成覆盖层，则载流子被封闭，担心对能发生紫外线的成分InGaN来说变得不充分，判明了载流子(特别是空穴)会被封闭。

另外，在输出紫外线的情况下的该另一优选形态中，将MQW结构中的阻挡层的厚度限定为6nm～30nm，以8nm～30nm为好，最好为9nm～15nm。以往的MQW结构中的阻挡层的厚度3nm～7nm。

如果将阻挡层作成这样的厚度，则不会有波动函数的重叠，与其呈MQW结构，不如成为将SQW结构重叠多层的状态，能充分地达到高输出化。阻挡层如果超过30nm，则从p型层注入的空穴到达井层之前，被陷在阻挡层中存在的成为非发光中心的错位缺陷等中，发光效率下降，所以不好。

另外，通过将阻挡层加厚，井层不容易受到使其上面的层生长时由热或气体引起的损伤，所以能减少损伤，另外，能降低来自p型层的掺杂材料(Mg等)向井层扩散，另外还能获得降低加在井层上的形变的作用和效果。

实施例

以下，给出实际制作有按照上述形态(I)、(II)形成的凹凸状的折射率界面的GaN系列LED的例。

实施例1

在本实施例中，如图1(a)所示，按照上述形态(I)，采用该晶面生长法将蓝宝石衬底上的凹凸埋入，作成凹凸状的折射率界面，实际制作了GaN系列LED。

在C面蓝宝石衬底上进行由光敏抗蚀剂形成的条纹状的构图(宽2微米，周期4微米，条纹方位：条纹的纵向由在衬底上生长的GaN系列晶体决定，为方向<11-20>)，用RIE装置进行深度达2微米、断面呈方形的刻蚀，如图2(a)所示，获得了表面呈条纹状图形的凹凸的衬底。这时的条纹槽断面的纵横比为1。

将光敏抗蚀剂除去后，将衬底安装在MOVPE装置中，在以氮气为主要成分的气氛中，使温度上升到1100℃，进行了热清理。使温度下降到500℃，作为III族原料使三甲基镓(以下称TMG)流过，作为N原料使氨流过，使厚度为30nm的GaN低温隔离层生长。

接着使温度上升到1000℃，作为原料使TMG、氨流过，作为掺杂剂使硅烷流过，使n型GaN层(接触层)生长。如图2(b)所示，这时的GaN层的生长从凸部的上表面、凹部的底面开始，作为断面呈山形包含晶面的山脊状的晶体发生后，在凹部内不会形成空洞，是将总体埋入的生长。

在晶面结构生长过程中，在GaN晶体的C面完全消失、顶部呈尖锐的凸状的时刻，将生长条件切换成横向生长占优势的条件(使生长温度上升等)，使GaN晶体从蓝宝石衬底的上表面生长到厚度为5微米为止。为了获得上表面呈平坦的埋入层，厚度有必要生长到5微米。

接着，依次形成n型AlGaN覆盖层、InGaN发光层(MQW结构)、p型AlGaN覆盖层、p型GaN接触层，作为发光波长为370nm的紫外线LED用外延衬底，另外，进行使n型接触层露出用的刻蚀加工、电极形成、元件分离，作成了LED元件。

测定了在晶片总体上采取的LED芯片(裸芯片状态、波长370nm、通电20mA时)的各输出。

另外，作为比较例1，除了在蓝宝石衬底上不形成条纹状的凹凸以外，在与上述相同的条件下，形成紫外线LED芯片(即，在平的蓝宝石衬底上通过低温隔离层形成元件结构)，测定了其输出。这些测定结果如后面所述。

比较例2

在本比较例中，采用迄今众所周知的使用掩模的横向生长法，谋求降低上述比较例1中的GaN系列晶体层的错位密度。该比较例2是一种在晶面结构生长时不改变成分，用同一成分自始至终地将掩模埋入的众所周知的结构，不具有由晶面结构生长形成的凹凸状的折射率界面，这一点与本发明的形态(II)(特别是图5(b))有很大不同。

将与实施例1规格相同的C面蓝宝石衬底安装在MOVPE装置中，在以氮气为主要成分的气氛中，使温度上升到1100℃，进行了热清理。使温度下降到500℃，作为III族原料使TMG流过，作为N原料使氨流过，使厚度为30nm的GaN低温隔离层生长。

接着使温度上升到1000℃，作为原料使TMG、氨流过，作为掺杂剂使硅烷流过，使n型GaN层生长了约2微米。

从MOVPE装置中取出衬底，进行由光敏抗蚀剂形成的条纹状的构图(宽2微米，周期4微米，条纹方位：条纹的纵向由GaN系列晶体决定，为方向<11-20>)，在电子束蒸镀装置中蒸镀了厚度为100nm的SiO₂。用称为剥离的方法，将光敏抗蚀剂除去，获得了条纹状的SiO₂掩模。

再装填到MOVPE装置中，使n型GaN晶体接触层生长。生长条件与实施例1大致相同，从GaN晶体的露出部分(非掩模区域)的生长，作为断面呈山形包含晶面的山脊状的晶体发生后，使生长一直进行到直接将总体埋入而达到平坦为止。埋入时有必要沿C轴方向生长厚度约5微米的GaN晶体。

测定了在晶片总体上采取的LED芯片(裸芯片状态、波长370nm、通电20mA时)的各输出。测定结果如后面所述。

实施例2

在本实施例中，如图1(b)所示，按照上述形态(II)，采用该晶面生长法形成由AlGaN构成的凹凸状的晶面结构，用GaN将其埋入，作成凹凸状的折射率界面，实际制作了GaN系列LED。

与实施例1完全相同，在C面蓝宝石衬底上形成呈条纹状图形的凹凸，将它安装在MOVPE装置中，在以氮气为主要成分的气氛中，使温度上升到1100℃，进行了热清理。使温度下降到500℃，作为III族原料使TMG流过，作为N原料使氨流过，使厚度为30nm的GaN低温隔离层生长。

接着使温度上升到1000℃，作为原料使TMG、氨流过，使GaN层生长约100nm后，将三甲基铝(TMA)加入III族原料中，使AlGaN生长。如图2(b)所示，AlGaN/GaN层的生长从凸部的上表面、凹部的底面开始，作为断面呈山形包含晶面的山脊状的晶体发生后，在凹部内不形成空洞地进行生长。

在晶面结构生长过程中，在AlGaN晶体的C面完全消失、顶部呈尖锐的凸状的时刻，将生长条件切换成n型GaN生长、而且横向生长占优势的条件，使n-GaN晶体(接触层)从蓝宝石衬底的上表面生长到厚度为5微米为止。

与上述实施例1完全相同，在上述n型GaN接触层上依次形成n型AlGaN覆盖层、InGaN发光层(MQW结构)、p型AlGaN覆盖层、p型GaN接触层，作为发光波长为370nm的紫外线LED用外延衬底，另外，进行使n型接触层露出用的刻蚀加工、电极形成、元件分离，作成了LED元件。

测定了在晶片总体上采取的LED芯片(裸芯片状态、波长370nm、通电20mA时)的各输出的结果，如后面所述。

实施例3

在本实施例中，如图4(c)所示，按照上述形态(III)，采用该晶面生长法形成由AlGaN构成的凹凸状的晶面结构，用由AlGaN/GaN超栅格结构构成的50对的布雷格反射层将其覆盖，作成凹凸状的多层折射率界面，实际制作了GaN系列LED。

接着使温度上升到1000℃，作为原料使TMG、氨流过，如图4(c)所示，使GaN层从凸部的上表面、凹部的底面开始，作为断面呈山形包含晶面的山脊状的晶体生长。

在晶面结构生长过程中，在GaN晶体的C面完全消失、顶部呈尖锐的凸状的时刻，使Al_0.2Ga_0.8N(沿C轴方向37nm)/GaN(沿C轴方向34nm)生长50对，此后将生长条件切换成n型GaN生长、而且横向生长占优势的条件，使n-GaN晶体(接触层)从蓝宝石衬底的上表面生长到厚度为5微米为止。

与上述实施例1完全相同，在上述n型GaN接触层上依次形成n型AlGaN覆盖层、InGaN发光层(MQW结构)、p型AlGaN覆盖层、p型GaN接触层，作为发光波长为370nm的紫外LED用外延衬底，另外，进行使n型接触层露出用的刻蚀加工、电极形成、元件分离，作成了LED元件。

上述实施例1～3、比较例1、2各自的测定结果(平均值)如下。

实施例1：14mW。

实施例2：14.5mW。

实施例3：15mW。

比较例1：6mW。

比较例2：7mW。

从上述的比较可知，通过将凹凸状的折射率界面附加在发光层的下方，能将在元件内部消灭了横向光的一部分取出到外界，提高发光元件的输出。

实施例4

在本实施例中，制作有量子井结构的GaN系列LED，将发光层和晶体衬底之间的层作成只由GaN构成的形态。

在C面蓝宝石衬底上进行由光敏抗蚀剂形成的条纹状的构图(宽2微米，周期4微米，条纹方位：条纹的纵向由在衬底上生长的GaN系列晶体决定，为方向<11-20>)，用RIE装置进行深度达2微米、断面呈方形的刻蚀，获得了由表面呈条纹状图形的凹凸构成的衬底。这时的条纹槽断面的纵横比为1。

将光敏抗蚀剂除去后，将衬底安装在MOVPE装置中，在以氢气气氛中，使温度上升到1100℃，进行了热刻蚀。使温度下降到500℃，作为III族原料使三甲基镓(以下称TMG)流过，作为N原料使氨流过，使厚度为30nm的GaN低温隔离层生长。只在凸部的上表面、凹部的底面上形成了该GaN低温隔离层。

接着使温度上升到1000℃，作为原料使TMG、氨流过，使不掺杂的GaN层在平坦的衬底上生长相当于2微米的时间后，使生长温度上升到1050℃，在平坦的衬底上生长了相当于4微米的时间。在该条件下进行了生长的情况下，如图2(b)所示，这时的GaN层的生长从凸部的上表面、凹部的底面开始，生长成断面呈山形包含晶面的山脊状。此后通过变更生长温度，促进二维生长，进行平坦化。

接着，依次形成n型GaN接触层(覆盖层)、厚度为3nm的InGaN井层(发光波长380nm、In成分接近于零，难以测定)、厚度为6nm的由GaN阻挡层构成的3周期的多层量子井层、厚度为30nm的p型AlGaN覆盖层、厚度为50nm的p型GaN接触层，作为发光波长为380nm的紫外线LED晶片，另外，进行电极形成、元件分离，作成了LED元件。

测定了在晶片总体上采取的LED元件(裸芯片状态、波长380nm、通电20mA时)的各输出。

为了进行比较，在未进行凹凸加工的蓝宝石衬底上，在与上述相同的条件下，形成紫外线LED芯片(比较例1)，测定了其输出。

另外，在通常的ELO用基体材料(在平坦的蓝宝石衬底上暂时形成了GaN层后，形成了掩蔽层的基体材料)上，在与上述相同的条件下，形成紫外线LED芯片(比较例2)，测定了其输出。

利用阴极发光测定了LED晶片中的错位密度的平均值，将测定的结果、输出的平均值、以及用80℃、20mA进行的加速试验的寿命(下降到初始输出的80％的时间)示于表1中。

表1

	错位密度(个/cm²)	输出(mW)	寿命(hr)
	错位密度(个/cm²)	输出(mW)	寿命(hr)	实施例	8×10⁷	10	1300
比较例1	1×10⁹	3	800	实施例	8×10⁷	10	1300
比较例1	1×10⁹	3	800	比较例2	8×10⁷	6	1300

从表1可知，在本实施例中能谋求降低错位密度、长寿命化、高输出化。从比较例2的结果可知，采用作为错位密度降低法之一的ELO法，虽然同样能谋求错位密度的降低，但输出比本实施例低。这可以认为再生长界面的存在引起的结晶性的不同。另外，由于在通常衬底上错位密度也大，所以与本实施例相比，输出寿命都不好。

实施例5

在本实施例中，将n型Al_0.1Ga_0.9N覆盖层设置在实施例4的n型GaN接触层和InGaN井层之间，除此以外，在与实施例4相同的条件下，形成紫外线LED芯片，测定了其输出。

如上面的表1所示，实施例4的元件的输出为10mW，与此不同，本实施例的元件的输出为7mW。根据该结果可知，本实施例的元件与比较例1、2相比，虽然输出提高了，但如实施例4所示，由于从InGaN井层和晶体衬底之间将AlGaN层排除，所以输出进一步提高。

实施例6

在本实施例中，进行了调查关于MQW结构的阻挡层厚度的限定的作用和效果的实验。

使实施例4中的MQW结构的各阻挡层的厚度分别为：式样1：3nm，式样2：6nm，式样3：10nm，式样4：15nm，式样5：30nm，此外与上述实施例4同样地制作了GaN系列LED。这些全部属于本发明的发光元件。

在与上述相同的条件下，测定了紫外LED芯片的输出。

这些测定结果的平均值如下。

式样1：2mW

式样2：7mW

式样3：10mW

式样4：8mW

式样5：5mW

另外，在低温4K下对这些式样进行了光致发光测定的结果，在表1中在3.2eV附近观测到了从Mg发射的光。这可以认为由于阻挡层薄，所以Mg能从p型层扩散的结果。

从上述的结果可知，阻挡层的厚度为6nm～30nm时，更能改善高输出化。

工业上利用的可能性

如上所述，通过将凹凸状的折射率界面附加在发光层的下方，能对发光层中产生的横向光的至少一部分改变其传播方向，进而能增加取出到外界光的量。

另外，能提供一种抑制上下方向的驻波的发生，使光进入蓝宝石衬底，特别是从衬底一侧取出光时，提高光取出效率的赋予了新的结构的发光元件。

另外，通过在进行了凹凸加工的衬底上制作晶体结构，谋求降低错位，而且，通过使n型覆盖层(在量子井结构中也是阻挡层)的材料为GaN，谋求减少形变，另外，作为MQW结构中的优选形态，限定阻挡层的厚度，能提高元件的光输出，实现长寿命化。

本申请以在日本申请的特愿2001-081447、以及特愿2001-080806为基础，在本说明书中完全包括了这些内容。

Claims

1.一种半导体发光元件，其特征在于：有在第一晶体层表面上加工凹凸，由具有与上述晶体层不同的折射率的半导体材料构成的第二晶体层在该凹凸上通过隔离层或直接地将该凹凸埋入并生长，在第二晶体层上层叠包括发光层的半导体晶体层的元件结构。

2.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：第二晶体层及它上面的半导体晶体层是由GaN系列半导体晶体构成的层。

3.根据权利要求2所述的半导体发光元件，其特征在于：第一晶体层是晶体衬底，第二晶体层从在晶体衬底的表面上加工的凹凸面开始、实际上一边形成晶面结构一边生长。

4.根据权利要求3所述的半导体发光元件，其特征在于：在晶体衬底的表面上加工的凹凸是呈条纹图形的凹凸，该条纹的纵向是将它埋入并生长的GaN系列半导体的<11-20>方向、或<1-100>方向。

5.根据权利要求4所述的半导体发光元件，其特征在于：凹凸的断面形状呈矩形波状、三角波状、正负曲线状。

6.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：从发光层发生的光的波长在第一晶体层中的折射率和在第二晶体层中的折射率的差为0.05以上。

7.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：发光层由能发生紫外线的成分即InGaN晶体构成。

8.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：发光层是一种由InGaN构成的井层和由GaN构成的阻挡层所构成的量子井结构。

9.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：第一晶体层是晶体衬底，在该晶体衬底的表面上加工的凹凸上，第二晶体层通过低温隔离层将该凹凸埋入并生长，发光层是一种由InGaN构成的井层和由GaN构成的阻挡层所构成的量子井结构，

量子井结构和低温隔离层之间的层全部由GaN晶体构成。

10.根据权利要求8或9所述的半导体发光元件，其特征在于：阻挡层的厚度为6nm～30nm。

11.一种半导体发光元件，其特征在于：有如下所述的元件结构，即第一GaN系列半导体晶体在成为晶体生长的基础的晶体层表面上呈凹凸状地生长，具有与第一GaN系列半导体晶体不同的折射率的第二GaN系列半导体晶体覆盖着该凹凸的至少一部分生长，另外，第三GaN系列半导体晶体一直生长到使上述凹凸平坦为止，在它上面层叠包括发光层的半导体晶体层。

12.根据权利要求11所述的半导体发光元件，其特征在于：在成为晶体生长的基础的晶体层表面上，呈一种对晶体生长区域进行尺寸性限制的结构或实施表面处理，通过该限制，第一GaN系列半导体晶体一边形成实际的晶面结构或模拟的晶面结构，一边呈凹凸状地生长。

13.根据权利要求12所述的半导体发光元件，其特征在于：对晶体生长区域进行尺寸性限制的结构或表面处理是

在成为晶体生长的基础的晶体层表面上加工的凹凸、

或者，附加在成为晶体生长的基础的晶体层表面上的能横向生长的掩蔽图形、

或者，在成为晶体生长的基础的晶体层表面的特定区域上实施的能抑制GaN系列晶体生长的表面处理。

14.根据权利要求11所述的半导体发光元件，其特征在于：第二GaN系列半导体晶体呈膜状地至少覆盖着由第一GaN系列半导体晶体形成的凹凸中的凸部而生长，另外，第三GsN系列半导体晶体覆盖着它一直生长到使上述凹凸平坦为止，在它上面有层叠了包括发光层的半导体晶体层的元件结构，

第二GaN系列半导体晶体有多层膜结构。

15.根据权利要求11所述的半导体发光元件，其特征在于：发光层由能发生紫外线的成分即InGaN晶体构成。

16.根据权利要求11所述的半导体发光元件，其特征在于：发光层是一种由InGaN构成的井层和由GaN构成的阻挡层所构成的量子井结构。

17.根据权利要求16所述的半导体发光元件，其特征在于：阻挡层的厚度为6nm～30nm。

18.根据权利要求16所述的半导体发光元件，其特征在于：上述凹凸是呈条纹图形的凹凸，该条纹的纵向是第一GaN系列半导体晶体的<11-20>方向、或<1-100>方向。