JP2003347586A - 半導体発光素子 - Google Patents
半導体発光素子Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 動作電圧の上昇や歩留まりの低下を抑えなが
ら、光の取り出し効率が高い半導体発光素子を提供す
る。 【解決手段】 窒化物半導体発光素子において、発光素
子の光取り出し面の表面に、単数または複数のレンズ形
状の凸部を形成する。これにより、活性層から放出され
た光の取り出し効率すなわち、外部量子効率を高くする
ことができる。また、光取り出し面側のｐ型ＧａＮ層
を、結晶成長後にｐ型ドーパントを拡散させる方法によ
って、表面付近のｐ型ドーパント濃度が高い層になるよ
うにしたので、ドーパント濃度を高めながら表面荒れを
防止し、動作電圧の上昇や歩留まりの低下を抑えること
ができる。
ら、光の取り出し効率が高い半導体発光素子を提供す
る。 【解決手段】 窒化物半導体発光素子において、発光素
子の光取り出し面の表面に、単数または複数のレンズ形
状の凸部を形成する。これにより、活性層から放出され
た光の取り出し効率すなわち、外部量子効率を高くする
ことができる。また、光取り出し面側のｐ型ＧａＮ層
を、結晶成長後にｐ型ドーパントを拡散させる方法によ
って、表面付近のｐ型ドーパント濃度が高い層になるよ
うにしたので、ドーパント濃度を高めながら表面荒れを
防止し、動作電圧の上昇や歩留まりの低下を抑えること
ができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体発光素子に
関する。より詳しくは、本発明は、ＧａＮ、ＩｎＧａ
Ｎ、ＧａＡｌＮなどの窒化物系半導体層が積層された発
光素子であって、高輝度化、信頼性の向上などが著しい
半導体発光素子に関する。
関する。より詳しくは、本発明は、ＧａＮ、ＩｎＧａ
Ｎ、ＧａＡｌＮなどの窒化物系半導体層が積層された発
光素子であって、高輝度化、信頼性の向上などが著しい
半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】窒化ガリウムに代表される窒化物系半導
体を用いることにより、紫外光から青色、緑色の波長帯
の発光素子が実用化されつつある。
体を用いることにより、紫外光から青色、緑色の波長帯
の発光素子が実用化されつつある。
【０００３】ここで、本願において「窒化物系半導体」
とは、Ｂx Ｉｎy Ａｌz Ｇａ(1-x-y -z) Ｎ（０≦ｘ≦
１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）なる組成式で表されるII
I −Ｖ族化合物半導体を含み、さらに、Ｖ族元素として
は、Ｎに加えてリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）などを含有す
る混晶も含むものとする。
とは、Ｂx Ｉｎy Ａｌz Ｇａ(1-x-y -z) Ｎ（０≦ｘ≦
１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）なる組成式で表されるII
I −Ｖ族化合物半導体を含み、さらに、Ｖ族元素として
は、Ｎに加えてリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）などを含有す
る混晶も含むものとする。
【０００４】窒化物系半導体を用いて発光ダイオード
（ＬＥＤ）や半導体レーザなどの発光素子を形成するこ
とにより、これまで困難であった発光強度の高い紫外
光、青色光、緑色光等の発光が可能となりつつある。ま
た、窒化物系半導体は、結晶成長温度が高く、高温度下
でも安定した材料であるので電子デバイスヘの応用も期
待されている。
（ＬＥＤ）や半導体レーザなどの発光素子を形成するこ
とにより、これまで困難であった発光強度の高い紫外
光、青色光、緑色光等の発光が可能となりつつある。ま
た、窒化物系半導体は、結晶成長温度が高く、高温度下
でも安定した材料であるので電子デバイスヘの応用も期
待されている。
【０００５】以下、窒化物系半導体を用いた半導体発光
素子の一例としてＬＥＤを例に挙げて説明する。図１０
は、従来の窒化物系半導体ＬＥＤの断面構造を表す概念
図である。すなわち、従来のＬＥＤは、サファイア基板
１０１の上にＧａＮバッファ層（図示せず）、ｎ型Ｇａ
Ｎ層１０２、ＩｎＧａＮ発光層１０３、ｐ型ＧａＮ層１
０４が順次エピタキシャル成長された構成を有する。ま
た、ＩｎＧａＮ発光層１０３およびｐ型ＧａＮ層１０４
の一部がエッチング除去されて、ｎ型ＧａＮ層１０２が
露出されている。ｐ型ＧａＮ層１０３上にはｐ側透明電
極１１３が形成され、その一部に電流阻止用の絶縁膜１
０７とｐ側ボンディング電極１０６が積層されている。
また、ｎ型ＧａＮ層１０２の上にはｎ側電極１０５が形
成されている。
素子の一例としてＬＥＤを例に挙げて説明する。図１０
は、従来の窒化物系半導体ＬＥＤの断面構造を表す概念
図である。すなわち、従来のＬＥＤは、サファイア基板
１０１の上にＧａＮバッファ層（図示せず）、ｎ型Ｇａ
Ｎ層１０２、ＩｎＧａＮ発光層１０３、ｐ型ＧａＮ層１
０４が順次エピタキシャル成長された構成を有する。ま
た、ＩｎＧａＮ発光層１０３およびｐ型ＧａＮ層１０４
の一部がエッチング除去されて、ｎ型ＧａＮ層１０２が
露出されている。ｐ型ＧａＮ層１０３上にはｐ側透明電
極１１３が形成され、その一部に電流阻止用の絶縁膜１
０７とｐ側ボンディング電極１０６が積層されている。
また、ｎ型ＧａＮ層１０２の上にはｎ側電極１０５が形
成されている。
【０００６】このような構造においては、ｐ側電極１０
６を介して注入された電流は、導電性の良い透明電極１
１３で広げられ、ｐ型ＧａＮ層１０３からｎ型ＧａＮ層
１０２に電流が注入されて発光し、その光は透明電極１
１３を透過してチップ外に取り出される。
６を介して注入された電流は、導電性の良い透明電極１
１３で広げられ、ｐ型ＧａＮ層１０３からｎ型ＧａＮ層
１０２に電流が注入されて発光し、その光は透明電極１
１３を透過してチップ外に取り出される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところが、図１０に例
示したような従来の窒化物系半導体発光素子は、光の取
り出し効率が悪いという問題を有していた。
示したような従来の窒化物系半導体発光素子は、光の取
り出し効率が悪いという問題を有していた。
【０００８】すなわち、ＧａＮの屈折率は２．６７と大
きいために、臨界屈折角が２１．９度と極めて小さい。
つまり、光出射面の法線からみて、この臨界屈折角より
も大きい角度で入射した光は、ＬＥＤチップの外に取り
出せない。チップの表面にＡＲ（anti-reflection ：反
射防止）膜を形成しても、この臨界角は変わらない。こ
のために、外部量子効率を改善してより大きな発光パワ
ーを得ることが困難であった。
きいために、臨界屈折角が２１．９度と極めて小さい。
つまり、光出射面の法線からみて、この臨界屈折角より
も大きい角度で入射した光は、ＬＥＤチップの外に取り
出せない。チップの表面にＡＲ（anti-reflection ：反
射防止）膜を形成しても、この臨界角は変わらない。こ
のために、外部量子効率を改善してより大きな発光パワ
ーを得ることが困難であった。
【０００９】ここで、光取り出し面であるｐ型ＧａＮ層
の表面を凹凸形状に加工すれば、この問題を改善するこ
とができる。しかし、凹凸形状を形成するためにはｐ型
ＧａＮ層はある程度の厚さが必要となる。そして、電極
との接触抵抗を少しでも低減するために高濃度の不純物
をドーピングしつつ、厚いｐ型ＧａＮ層を形成しようと
すると、結晶表面の面荒れが発生し、電極剥がれ等が発
生しやすくなり、歩留まりが低下するという問題が生じ
る。
の表面を凹凸形状に加工すれば、この問題を改善するこ
とができる。しかし、凹凸形状を形成するためにはｐ型
ＧａＮ層はある程度の厚さが必要となる。そして、電極
との接触抵抗を少しでも低減するために高濃度の不純物
をドーピングしつつ、厚いｐ型ＧａＮ層を形成しようと
すると、結晶表面の面荒れが発生し、電極剥がれ等が発
生しやすくなり、歩留まりが低下するという問題が生じ
る。
【００１０】また、ＧａＮのバンドギャップは３．４ｅ
Ｖと広いために、電極とオーミック接触をさせることが
難しい。このため、上記の表面荒れを防止するためにド
ーピング濃度を低下させると、電極部の接触抵抗が高く
なる。その結果、素子の動作電圧が高くなるとともに、
発熱も大きいという問題が生ずる。
Ｖと広いために、電極とオーミック接触をさせることが
難しい。このため、上記の表面荒れを防止するためにド
ーピング濃度を低下させると、電極部の接触抵抗が高く
なる。その結果、素子の動作電圧が高くなるとともに、
発熱も大きいという問題が生ずる。
【００１１】本発明は、かかる種々の課題の認識に基づ
いてなされたものである。すなわち、その目的は、動作
電圧の上昇や歩留まりの低下を抑えながら、光の取り出
し効率が高い半導体発光素子を提供することにある。
いてなされたものである。すなわち、その目的は、動作
電圧の上昇や歩留まりの低下を抑えながら、光の取り出
し効率が高い半導体発光素子を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光素子
は、発光層と、前記発光層上に形成された窒化物半導体
層と、前記窒化物半導体層上に形成された透明電極と、
を備え、前記透明電極の表面に集光性を有する単数又は
複数のレンズ形状の凸部が形成されていることを特徴と
する。
は、発光層と、前記発光層上に形成された窒化物半導体
層と、前記窒化物半導体層上に形成された透明電極と、
を備え、前記透明電極の表面に集光性を有する単数又は
複数のレンズ形状の凸部が形成されていることを特徴と
する。
【００１３】また、本発明の半導体発光素子は、発光層
と、前記発光層上に形成された窒化物半導体層と、前記
窒化物半導体層上に形成された透明電極と、前記透明電
極上に形成された光取り出し層と、を備え、前記光取り
出し層の表面に集光性を有する単数又は複数のレンズ形
状の凸部が形成されていることを特徴とする。
と、前記発光層上に形成された窒化物半導体層と、前記
窒化物半導体層上に形成された透明電極と、前記透明電
極上に形成された光取り出し層と、を備え、前記光取り
出し層の表面に集光性を有する単数又は複数のレンズ形
状の凸部が形成されていることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下に図面を参照しつつ、本発明
の実施の形態について説明する。図１は、本発明の半導
体発光素子を表す斜視概念図である。すなわち、同図の
半導体発光素子は、サファイア基板１の上にＧａＮバッ
ファ層（図示せず）、ｎ型ＧａＮ層２、ＩｎＧａＮ発光
層３、ｐ型ＧａＮ層４が順次積層された構造を有する。
また、ＩｎＧａＮ発光層３およびｐ型ＧａＮ層４は選択
的にエッチング除去されて、ｎ型ＧａＮ層２が露出され
ている。ｐ型ＧａＮ層４の上には、一部に電流阻止用の
絶縁膜７が形成されている。そして、ｐ型ＧａＮ層４と
絶縁膜７の上には、ｐ側透明電極１３が形成され、その
上にｐ側のボンディング・パッド６が選択的に積層され
ている。また、ｎ型ＧａＮ層２の上にはｎ側電極５が形
成されている。
の実施の形態について説明する。図１は、本発明の半導
体発光素子を表す斜視概念図である。すなわち、同図の
半導体発光素子は、サファイア基板１の上にＧａＮバッ
ファ層（図示せず）、ｎ型ＧａＮ層２、ＩｎＧａＮ発光
層３、ｐ型ＧａＮ層４が順次積層された構造を有する。
また、ＩｎＧａＮ発光層３およびｐ型ＧａＮ層４は選択
的にエッチング除去されて、ｎ型ＧａＮ層２が露出され
ている。ｐ型ＧａＮ層４の上には、一部に電流阻止用の
絶縁膜７が形成されている。そして、ｐ型ＧａＮ層４と
絶縁膜７の上には、ｐ側透明電極１３が形成され、その
上にｐ側のボンディング・パッド６が選択的に積層され
ている。また、ｎ型ＧａＮ層２の上にはｎ側電極５が形
成されている。
【００１５】本発明の特徴的な点のひとつは、ｐ型Ｇａ
Ｎ層４の表面に凹凸状の加工が施されている点にある。
すなわち、図示した例においては、ｐ型ＧａＮ層４の表
面にシリンドリカル・レンズ状の複数の凸部９が形成さ
れている。ｐ型ＧａＮ層４の表面をこのように加工する
ことにより、活性層３から放出された光の取り出し効率
を改善することができる。
Ｎ層４の表面に凹凸状の加工が施されている点にある。
すなわち、図示した例においては、ｐ型ＧａＮ層４の表
面にシリンドリカル・レンズ状の複数の凸部９が形成さ
れている。ｐ型ＧａＮ層４の表面をこのように加工する
ことにより、活性層３から放出された光の取り出し効率
を改善することができる。
【００１６】すなわち、図１０に示した従来例のように
光の取り出し面が平面であると、活性層３から放出され
た光のうちで、取り出し面に対して臨界角よりも大きい
法線角度で斜めに入射した光は、全反射される。これに
対して、本発明の発光素子においては、光取り出し面に
対して斜めに入射した光も、入射した凹凸面との角度に
応じて外部に通り抜けることができるようになる。ま
た、全反射された光も、凹凸面において反射を繰り返
し、その過程において、臨界角よりも小さい法線角度で
凹凸部の表面に入射した時に、外部に通り抜けることが
できるようになる。
光の取り出し面が平面であると、活性層３から放出され
た光のうちで、取り出し面に対して臨界角よりも大きい
法線角度で斜めに入射した光は、全反射される。これに
対して、本発明の発光素子においては、光取り出し面に
対して斜めに入射した光も、入射した凹凸面との角度に
応じて外部に通り抜けることができるようになる。ま
た、全反射された光も、凹凸面において反射を繰り返
し、その過程において、臨界角よりも小さい法線角度で
凹凸部の表面に入射した時に、外部に通り抜けることが
できるようになる。
【００１７】つまり、従来の平面状の光取り出し面の場
合と比べて、凹凸面の場合には、臨界角である２１．９
°よりも小さい法線角で入射する確率が激増する。その
結果として、活性層３から放出された光を外部に取り出
すことのできる効率、すなわち外部量子効率を大幅に改
善することができる。
合と比べて、凹凸面の場合には、臨界角である２１．９
°よりも小さい法線角で入射する確率が激増する。その
結果として、活性層３から放出された光を外部に取り出
すことのできる効率、すなわち外部量子効率を大幅に改
善することができる。
【００１８】また、本実施形態においては、ｐ型ＧａＮ
層４の表面の凸状部は複数のシリンドリカル・レンズあ
るいはロッドレンズとしても作用する。従って、これら
の凸状部の下方の活性層の線状部分から放出された光
は、それぞれのシリンドリカル・レンズによって集光さ
れ、複数の線状のビームとして放出される。
層４の表面の凸状部は複数のシリンドリカル・レンズあ
るいはロッドレンズとしても作用する。従って、これら
の凸状部の下方の活性層の線状部分から放出された光
は、それぞれのシリンドリカル・レンズによって集光さ
れ、複数の線状のビームとして放出される。
【００１９】一方、本発明による半導体発光素子のもう
ひとつの特徴点は、ｐ型ＧａＮ層４の表面付近にマグネ
シウム（Ｍｇ）が高い濃度で含有されていることであ
る。すなわち、後に詳述するように、本発明において
は、素子の製造工程において、ｐ型ＧａＮ層４の表面に
マグネシウムを含む金属層を一旦堆積し、熱処理を施し
てマグネシウムをＧａＮ層４の表面層に拡散させた後
に、その金属層を除去して、ｐ側透明電極１３を形成す
る。このような独特のプロセスによって、ｐ型ＧａＮ層
４の表面付近のキャリア濃度を上昇させ、透明電極１３
とのオーミック接触を確保することができる。その結果
として、素子の動作電圧を低減させ、諸特性を改善する
ことができる。
ひとつの特徴点は、ｐ型ＧａＮ層４の表面付近にマグネ
シウム（Ｍｇ）が高い濃度で含有されていることであ
る。すなわち、後に詳述するように、本発明において
は、素子の製造工程において、ｐ型ＧａＮ層４の表面に
マグネシウムを含む金属層を一旦堆積し、熱処理を施し
てマグネシウムをＧａＮ層４の表面層に拡散させた後
に、その金属層を除去して、ｐ側透明電極１３を形成す
る。このような独特のプロセスによって、ｐ型ＧａＮ層
４の表面付近のキャリア濃度を上昇させ、透明電極１３
とのオーミック接触を確保することができる。その結果
として、素子の動作電圧を低減させ、諸特性を改善する
ことができる。
【００２０】さらに、このようにマグネシウムをｐ型Ｇ
ａＮ層４の表面層に高濃度にドーピングすることによっ
て、ｐ型ＧａＮ層４の「面荒れ」を回避することもでき
る。すなわち、本発明においては、ｐ型ＧａＮ層４の表
面に凹凸を設けるために、ＧａＮ層４をある程度厚く形
成する必要がある。しかし、ｐ側電極とのオーミック接
触を確保するためにｐ型ドーパントを高い濃度でドーピ
ングしつつ、ＧａＮ層４を厚く成長すると「面荒れ」が
発生するという問題があった。このような「面荒れ」が
発生すると、本発明のような凹凸の加工を施した後も、
その表面の結晶の品質は良好でなく、諸特性が低下す
る。例えば、面荒れにより電極剥がれが起こりやすくな
り、歩留まりが低下する。
ａＮ層４の表面層に高濃度にドーピングすることによっ
て、ｐ型ＧａＮ層４の「面荒れ」を回避することもでき
る。すなわち、本発明においては、ｐ型ＧａＮ層４の表
面に凹凸を設けるために、ＧａＮ層４をある程度厚く形
成する必要がある。しかし、ｐ側電極とのオーミック接
触を確保するためにｐ型ドーパントを高い濃度でドーピ
ングしつつ、ＧａＮ層４を厚く成長すると「面荒れ」が
発生するという問題があった。このような「面荒れ」が
発生すると、本発明のような凹凸の加工を施した後も、
その表面の結晶の品質は良好でなく、諸特性が低下す
る。例えば、面荒れにより電極剥がれが起こりやすくな
り、歩留まりが低下する。
【００２１】これに対して、本発明によれば、成長後に
マグネシウムを導入するので、ｐ型ＧａＮ層４の成長に
際しては、ドーピング濃度をさほど高くする必要がな
い。従って、「面荒れ」を招くことなく、ＧａＮ層４を
厚く成長することが可能となる。
マグネシウムを導入するので、ｐ型ＧａＮ層４の成長に
際しては、ドーピング濃度をさほど高くする必要がな
い。従って、「面荒れ」を招くことなく、ＧａＮ層４を
厚く成長することが可能となる。
【００２２】次に、本発明の発光素子の製造方法の具体
例について説明する。
例について説明する。
【００２３】図２及び図３は、本発明の発光素子の要部
製造方法を表す概略工程断面図である。すなわち、これ
らの図は、図１に示したＡ−Ａ線で切断した断面の一部
を表す概略断面図である。
製造方法を表す概略工程断面図である。すなわち、これ
らの図は、図１に示したＡ−Ａ線で切断した断面の一部
を表す概略断面図である。
【００２４】まず、同図（ａ）に表したように、サファ
イア基板１の上に、図示しないＧａＮバッファ層、ｎ型
ＧａＮ層２、ＩｎＧａＮ発光層３、ｐ型ＧａＮ層４を順
次結晶成長する。結晶成長法としては、例えば、ＭＯＣ
ＶＤ（metal-organic chemical vapor deposition ）
法、ハイドライドＣＶＤ法、あるいはＭＢＥ（molecula
r beam epitaxy）などの方法を挙げることができる。
イア基板１の上に、図示しないＧａＮバッファ層、ｎ型
ＧａＮ層２、ＩｎＧａＮ発光層３、ｐ型ＧａＮ層４を順
次結晶成長する。結晶成長法としては、例えば、ＭＯＣ
ＶＤ（metal-organic chemical vapor deposition ）
法、ハイドライドＣＶＤ法、あるいはＭＢＥ（molecula
r beam epitaxy）などの方法を挙げることができる。
【００２５】次に、図２（ｂ）に表したように、レジス
トパターンを形成する。具体的には、ｐ型ＧａＮ層４の
表面にレジストを塗布し、ＰＥＰ（photo-engraving pr
ocess ）法によりパターニングして、複数の平行なスト
ライプ状のレジストパターン３０を形成する。レジスト
パターンの具体的な寸法は、活性層３から光取り出し面
までの距離や、発光素子が使用される光学系において要
求される光強度分布などに応じて適宜決定することが望
ましい。具体的には、例えば、レジストパターンのスト
ライプの幅及び間隔をそれぞれ数ミクロン程度とするこ
とができる。
トパターンを形成する。具体的には、ｐ型ＧａＮ層４の
表面にレジストを塗布し、ＰＥＰ（photo-engraving pr
ocess ）法によりパターニングして、複数の平行なスト
ライプ状のレジストパターン３０を形成する。レジスト
パターンの具体的な寸法は、活性層３から光取り出し面
までの距離や、発光素子が使用される光学系において要
求される光強度分布などに応じて適宜決定することが望
ましい。具体的には、例えば、レジストパターンのスト
ライプの幅及び間隔をそれぞれ数ミクロン程度とするこ
とができる。
【００２６】次に、図２（ｃ）に表したように、レジス
トパターン３０の形状を加工する。具体的には、熱処理
を施すことにより、ストライプ状のレジストを軟化させ
て横断面が半円状の「かまぼこ形状」に変形させる。
トパターン３０の形状を加工する。具体的には、熱処理
を施すことにより、ストライプ状のレジストを軟化させ
て横断面が半円状の「かまぼこ形状」に変形させる。
【００２７】次に、図２（ｄ）に表したように、レジス
トパターン３０の形状をｐ型ＧａＮ層４に転写する。具
体的には、レジストパターン３０の上からＲｌＥ（reac
tiveion etching）やイオンミリング（ion milling ）
等の方法によりエッチングする。すると、レジストパタ
ーン３０が順次エッチングされ、さらに、その下のｐ型
ＧａＮ層４も順次エッチングされる。このようにして、
ｐ型ＧａＮ層４の表面にレジストパターン３０の断面形
状に似た凹凸を形成することができる。
トパターン３０の形状をｐ型ＧａＮ層４に転写する。具
体的には、レジストパターン３０の上からＲｌＥ（reac
tiveion etching）やイオンミリング（ion milling ）
等の方法によりエッチングする。すると、レジストパタ
ーン３０が順次エッチングされ、さらに、その下のｐ型
ＧａＮ層４も順次エッチングされる。このようにして、
ｐ型ＧａＮ層４の表面にレジストパターン３０の断面形
状に似た凹凸を形成することができる。
【００２８】ここで、レジストパターン３０の断面形状
と、加工後のｐ型ＧａＮ層４の表面凹凸の断面形状との
関係は、エッチング速度の比率によって決定される。す
なわち、レジストパターン３０のエッチング速度に対し
て、ｐ型ＧａＮ層４のエッチング速度の方が速い場合に
は、ｐ型ＧａＮ層４の凹凸は、レジストパターンよりも
強調される。一方、レジストパターン３０のエッチング
速度に対して、ｐ型ＧａＮ層４のエッチング速度の方が
遅い場合には、ｐ型ＧａＮ層４の凹凸は、レジストパタ
ーンよりも緩和される。従って、ｐ型ＧａＮ層４の凹凸
は、レジストパターン３０の断面形状とエッチング選択
比とを適宜調節することにより制御することができる。
と、加工後のｐ型ＧａＮ層４の表面凹凸の断面形状との
関係は、エッチング速度の比率によって決定される。す
なわち、レジストパターン３０のエッチング速度に対し
て、ｐ型ＧａＮ層４のエッチング速度の方が速い場合に
は、ｐ型ＧａＮ層４の凹凸は、レジストパターンよりも
強調される。一方、レジストパターン３０のエッチング
速度に対して、ｐ型ＧａＮ層４のエッチング速度の方が
遅い場合には、ｐ型ＧａＮ層４の凹凸は、レジストパタ
ーンよりも緩和される。従って、ｐ型ＧａＮ層４の凹凸
は、レジストパターン３０の断面形状とエッチング選択
比とを適宜調節することにより制御することができる。
【００２９】次に、図３（ａ）に表したように、まず、
凹凸形状を加工したｐ型ＧａＮ層４の表面全体にＭｇ
（マグネシウム）層４０とＡｕ（金）層４２を順次蒸着
し、熱処理を施す。ここで、Ｍｇ層４０の層厚は例えば
１０ｎｍ、Ａｕ層４２の層厚は例えば１００ｎｍとする
ことができる。また、熱処理の温度を、３００℃以上と
することにより良好な結果が得られる。例えば、７５０
℃で２０秒間程度のフラッシュアニールを施すことが効
果的である。この工程により、ＭｇがＧａＮ層４の表面
層に拡散して、表面のキャリア濃度を十分に高くするこ
とができる。ここで、Ａｕ（金）層４２は、いわゆる
「キャップ層」として作用する。すなわち、Ｍｇ層４０
の上にＡｕ層４２を設けることより、Ｍｇ層４０を保護
し、熱処理の際にＭｇが蒸発することを防止して、Ｇａ
Ｎ層４へのＭｇの拡散を促進することができる。また、
ここで行う熱処理は、ＲＩＥやイオン・ミリングなどの
ドライプロセスにより半導体層に与えられたダメージを
軽減して結晶性を回復させることにも作用する。
凹凸形状を加工したｐ型ＧａＮ層４の表面全体にＭｇ
（マグネシウム）層４０とＡｕ（金）層４２を順次蒸着
し、熱処理を施す。ここで、Ｍｇ層４０の層厚は例えば
１０ｎｍ、Ａｕ層４２の層厚は例えば１００ｎｍとする
ことができる。また、熱処理の温度を、３００℃以上と
することにより良好な結果が得られる。例えば、７５０
℃で２０秒間程度のフラッシュアニールを施すことが効
果的である。この工程により、ＭｇがＧａＮ層４の表面
層に拡散して、表面のキャリア濃度を十分に高くするこ
とができる。ここで、Ａｕ（金）層４２は、いわゆる
「キャップ層」として作用する。すなわち、Ｍｇ層４０
の上にＡｕ層４２を設けることより、Ｍｇ層４０を保護
し、熱処理の際にＭｇが蒸発することを防止して、Ｇａ
Ｎ層４へのＭｇの拡散を促進することができる。また、
ここで行う熱処理は、ＲＩＥやイオン・ミリングなどの
ドライプロセスにより半導体層に与えられたダメージを
軽減して結晶性を回復させることにも作用する。
【００３０】ここで、Ｍｇ層とＡｕ層の積層構造を堆積
する代わりに、Ｍｇ層とＩｎ（インジウム）層を積層し
ても良い。または、Ｍｇ層とＩｎ層とＡｕ層を積層して
も良い。さらに、ＡｕまたはＩｎの少なくともいずれか
にＭｇを含有させた合金層を堆積しても良い。Ｉｎを用
いると、ＧａＮ層４の表面付近に、ＭｇとともにＩｎも
拡散し、局所的にＩｎＧａＮの薄層が形成される。Ｉｎ
ＧａＮは、ＧａＮと比較してバンドギャップが小さいた
め、ｐ側電極とのオーミック接触をさらに良好すること
ができる。
する代わりに、Ｍｇ層とＩｎ（インジウム）層を積層し
ても良い。または、Ｍｇ層とＩｎ層とＡｕ層を積層して
も良い。さらに、ＡｕまたはＩｎの少なくともいずれか
にＭｇを含有させた合金層を堆積しても良い。Ｉｎを用
いると、ＧａＮ層４の表面付近に、ＭｇとともにＩｎも
拡散し、局所的にＩｎＧａＮの薄層が形成される。Ｉｎ
ＧａＮは、ＧａＮと比較してバンドギャップが小さいた
め、ｐ側電極とのオーミック接触をさらに良好すること
ができる。
【００３１】また、ｐ型のドーパントとしては、Ｍｇの
他にも、各種のII族元素を用いることができると考えら
れる。例えば、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｈｇ（水銀）、Ｚ
ｎ（亜鉛）、Ｃｄ（カドミウム）などを用いても良好な
結果が得られる可能性がある。さらに、ｐ型ドーパント
としては、Ｃ（炭素）などの各種の材料を用いることが
できる。
他にも、各種のII族元素を用いることができると考えら
れる。例えば、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｈｇ（水銀）、Ｚ
ｎ（亜鉛）、Ｃｄ（カドミウム）などを用いても良好な
結果が得られる可能性がある。さらに、ｐ型ドーパント
としては、Ｃ（炭素）などの各種の材料を用いることが
できる。
【００３２】次に、図３（ｂ）に表したように、蒸着し
たＭｇ層４０とＡｕ層４２をエッチングにより除去す
る。この状態で、ｐ型ＧａＮ層４の表面は、Ｍｇが高い
濃度でドーピングされている。このようにＭｇ層４０と
Ａｕ層４２を除去することにより、この後に形成する電
極の「はがれ」を解消することができる。すなわち、本
発明者の実験検討によれば、ｐ型ＧａＮ層４とｐ側電極
との間にＭｇ層が介在すると、ｐ側電極が剥離しやすく
なるという傾向が認められた。これに対して、本発明に
よれば、Ｍｇ層４０を除去することにより、ｐ側電極の
剥離を解消することができる。同時に、これらの金属層
を除去することによって、光取り出し面の透明性を確保
し、発光強度を改善することもできる。
たＭｇ層４０とＡｕ層４２をエッチングにより除去す
る。この状態で、ｐ型ＧａＮ層４の表面は、Ｍｇが高い
濃度でドーピングされている。このようにＭｇ層４０と
Ａｕ層４２を除去することにより、この後に形成する電
極の「はがれ」を解消することができる。すなわち、本
発明者の実験検討によれば、ｐ型ＧａＮ層４とｐ側電極
との間にＭｇ層が介在すると、ｐ側電極が剥離しやすく
なるという傾向が認められた。これに対して、本発明に
よれば、Ｍｇ層４０を除去することにより、ｐ側電極の
剥離を解消することができる。同時に、これらの金属層
を除去することによって、光取り出し面の透明性を確保
し、発光強度を改善することもできる。
【００３３】次に、図３（ｃ）に表したように、ｎ側電
極５を形成する。具体的には、まず、ｐ型ＧａＮ層４と
活性層３を部分的にエッチングして、ｎ型ＧａＮ層２を
露出させる。そして、熱ＣＶＤ法によりＳｉＯ2 膜７を
堆積し、ＰＥＰ法を用いてパターニングする。さらに、
エッチングにより露出させたｎ型ＧａＮ層２の上にＴｉ
層５ａとＡｕ層５ｂを蒸着し、リフトオフによりパター
ニングして、８００℃で２０秒間程度のフラッシュアニ
ールを施すことにより、ｎ型電極５を形成する。
極５を形成する。具体的には、まず、ｐ型ＧａＮ層４と
活性層３を部分的にエッチングして、ｎ型ＧａＮ層２を
露出させる。そして、熱ＣＶＤ法によりＳｉＯ2 膜７を
堆積し、ＰＥＰ法を用いてパターニングする。さらに、
エッチングにより露出させたｎ型ＧａＮ層２の上にＴｉ
層５ａとＡｕ層５ｂを蒸着し、リフトオフによりパター
ニングして、８００℃で２０秒間程度のフラッシュアニ
ールを施すことにより、ｎ型電極５を形成する。
【００３４】次に、図３（ｄ）に表したように、ｐ側電
極１３を形成する。具体的には、ｐ型ＧａＮ層４の表面
のＳｉＯ2 膜７をＰＥＰ法によりパターニングして部分
的に除去する。そして、凹凸加工されたｐ型ＧａＮ層４
の上に、透明金属電極として真空蒸着法により厚さ５ｎ
ｍのＮｉ（ニッケル）層１３ａを堆積し、さらに、スパ
ッタ法によりｌＴＯ（indium tin oxide）透明電極１３
ｂを形成する。なお、Ｎｉ（ニッケル）層１３ａの代わ
りに、Ｐｔ（白金）層を用いても良い。このように、Ｉ
ＴＯ層１３ｂの下にＮｉやＰｔなどの金属層１３ａを設
けるとＩＴＯ層の付着強度を改善し、さらに接触抵抗も
低下させることができる。
極１３を形成する。具体的には、ｐ型ＧａＮ層４の表面
のＳｉＯ2 膜７をＰＥＰ法によりパターニングして部分
的に除去する。そして、凹凸加工されたｐ型ＧａＮ層４
の上に、透明金属電極として真空蒸着法により厚さ５ｎ
ｍのＮｉ（ニッケル）層１３ａを堆積し、さらに、スパ
ッタ法によりｌＴＯ（indium tin oxide）透明電極１３
ｂを形成する。なお、Ｎｉ（ニッケル）層１３ａの代わ
りに、Ｐｔ（白金）層を用いても良い。このように、Ｉ
ＴＯ層１３ｂの下にＮｉやＰｔなどの金属層１３ａを設
けるとＩＴＯ層の付着強度を改善し、さらに接触抵抗も
低下させることができる。
【００３５】さらに、金（Ａｕ）などを堆積しＰＥＰ法
によってパターニングすることによって、ｌＴＯ透明電
極１３と接続されたボンディング・パッド６を形成す
る。
によってパターニングすることによって、ｌＴＯ透明電
極１３と接続されたボンディング・パッド６を形成す
る。
【００３６】ここで、ｐ型ＧａＮ層４の表面に残された
ＳｉＯ2 膜７は、ボンディング・パッド６の下部での発
光を防いで、発光効率を改善する役割を有する。なお、
ｎ型ＧａＮ層２を部分的に露出させた後に形成したＳｉ
Ｏ2 膜７は、図３（ｃ）及び（ｄ）に表したように、発
光層３の側面が露出しているメサ側面にも形成されてお
り、また、ｎ側電極部分と透明電極とｐ側電極の重なり
部分を除くｐ側電極の周囲にも形成されている。
ＳｉＯ2 膜７は、ボンディング・パッド６の下部での発
光を防いで、発光効率を改善する役割を有する。なお、
ｎ型ＧａＮ層２を部分的に露出させた後に形成したＳｉ
Ｏ2 膜７は、図３（ｃ）及び（ｄ）に表したように、発
光層３の側面が露出しているメサ側面にも形成されてお
り、また、ｎ側電極部分と透明電極とｐ側電極の重なり
部分を除くｐ側電極の周囲にも形成されている。
【００３７】図４は、このようにして得られた半導体発
光素子の特性を表すグラフ図である。すなわち、同図
（ａ）は電流−電圧特性、同図（ｂ）は電流−光パワー
特性をそれぞれ表す。また、これらの特性図において
は、図１０に表した従来の半導体発光素子の特性も併せ
て示した。
光素子の特性を表すグラフ図である。すなわち、同図
（ａ）は電流−電圧特性、同図（ｂ）は電流−光パワー
特性をそれぞれ表す。また、これらの特性図において
は、図１０に表した従来の半導体発光素子の特性も併せ
て示した。
【００３８】図４（ａ）の電流−電圧特性をみると、従
来の素子の場合には、３ボルトにおいて動作電流は約１
ミリアンペアであり、電圧を増加に伴う電流の立ち上が
りは緩慢である。これに対して、本発明の素子の場合
は、３ボルトにおいて５ミリアンペアが得られ、電圧の
増加に伴って電流は急激に立ち上がっている。本発明の
素子は、電流値が３．２ミリアンペアの時の電圧が約
３．２ボルトと低く、従来の素子と比較して動作電圧を
１０％以上低下することができた。
来の素子の場合には、３ボルトにおいて動作電流は約１
ミリアンペアであり、電圧を増加に伴う電流の立ち上が
りは緩慢である。これに対して、本発明の素子の場合
は、３ボルトにおいて５ミリアンペアが得られ、電圧の
増加に伴って電流は急激に立ち上がっている。本発明の
素子は、電流値が３．２ミリアンペアの時の電圧が約
３．２ボルトと低く、従来の素子と比較して動作電圧を
１０％以上低下することができた。
【００３９】一方、図４（ｂ）の発光特性をみると、本
発明の素子は、従来と比べて光出力が倍増していること
が分かる。例えば、動作電流２０ミリアンペアにおける
光出力をみると、従来の素子では０．４５ミリワットで
あるのに対して、本発明の素子では０．９５ミリワット
が得られている。このように、本発明によれば、光取り
出し面に凹凸を設けることによって光の取り出し効率が
向上し、従来の２倍以上の光出力が得られた。
発明の素子は、従来と比べて光出力が倍増していること
が分かる。例えば、動作電流２０ミリアンペアにおける
光出力をみると、従来の素子では０．４５ミリワットで
あるのに対して、本発明の素子では０．９５ミリワット
が得られている。このように、本発明によれば、光取り
出し面に凹凸を設けることによって光の取り出し効率が
向上し、従来の２倍以上の光出力が得られた。
【００４０】また、本発明の発光素子の発光波長は、約
４５０ナノメータであった。さらに、本発明の素子にお
いては、ｐ型ＧａＮ層４の表面のモフォロジは良好であ
り、比較的厚く成長したにもかかわらず、「面荒れ」が
生ずることもなかった。さらに、ｐ型ＧａＮ層４の表面
に形成した透光性電極層１３の付着強度も良好であり、
剥離が生ずることもなかった。
４５０ナノメータであった。さらに、本発明の素子にお
いては、ｐ型ＧａＮ層４の表面のモフォロジは良好であ
り、比較的厚く成長したにもかかわらず、「面荒れ」が
生ずることもなかった。さらに、ｐ型ＧａＮ層４の表面
に形成した透光性電極層１３の付着強度も良好であり、
剥離が生ずることもなかった。
【００４１】以上詳述したように、本発明によれば、ｐ
側のオーミック接触が良好で、光の取り出し効率も高
く、信頼性も良好な半導体発光素子を提供することがで
きることが分かった。
側のオーミック接触が良好で、光の取り出し効率も高
く、信頼性も良好な半導体発光素子を提供することがで
きることが分かった。
【００４２】次に、本発明の変形例について説明する。
【００４３】図５は、本発明の第１の変形例を表す概念
斜視図である。同図においては、図１乃至図３に関して
前述した部分と同一の部分には、同一の符号を付して詳
細な説明は省略する。本変形例においては、ｐ型ＧａＮ
層４の表面に、半円柱形状でなく、半球状の凸状部１０
が形成されている。このようにしても、光の取り出し効
率すなわち、外部量子効率を改善することができる。
斜視図である。同図においては、図１乃至図３に関して
前述した部分と同一の部分には、同一の符号を付して詳
細な説明は省略する。本変形例においては、ｐ型ＧａＮ
層４の表面に、半円柱形状でなく、半球状の凸状部１０
が形成されている。このようにしても、光の取り出し効
率すなわち、外部量子効率を改善することができる。
【００４４】また、本変型例の凹凸形状は、図２に関し
て前述したプロセスと概略同様にして形成することがで
きる。すなわち、ｐ型ＧａＮ層４の上にレジストを円形
のパターンに形成し、加熱軟化させてレンズ形状とした
後にエッチングすることにより図５に表したような半球
状の凸状部１０を形成することができる。
て前述したプロセスと概略同様にして形成することがで
きる。すなわち、ｐ型ＧａＮ層４の上にレジストを円形
のパターンに形成し、加熱軟化させてレンズ形状とした
後にエッチングすることにより図５に表したような半球
状の凸状部１０を形成することができる。
【００４５】本変形例においても、図１に関して前述し
たものと同様に、活性層３から放出された光を外部に取
り出すことのできる確率、すなわち外部量子効率を大幅
に改善することができる。
たものと同様に、活性層３から放出された光を外部に取
り出すことのできる確率、すなわち外部量子効率を大幅
に改善することができる。
【００４６】さらに、本変形例によれば、それぞれの半
球状レンズの凸部の下から放出される光をそれぞれの半
球状レンズにより集光して外部に放出することができ
る。
球状レンズの凸部の下から放出される光をそれぞれの半
球状レンズにより集光して外部に放出することができ
る。
【００４７】次に、本発明の第２の変形例について説明
する。
する。
【００４８】図６は、本発明の第２の変形例を表す概念
斜視図である。同図においても、図１乃至図３に関して
前述した部分と同一の部分には、同一の符号を付して詳
細な説明は省略する。本変形例においては、ｐ型ＧａＮ
層４の表面に、球状でなく、複数のメサストライプ状の
凸状部１１が形成されている。このようにしても、光の
取り出し効率すなわち、外部量子効率を改善することが
できる。
斜視図である。同図においても、図１乃至図３に関して
前述した部分と同一の部分には、同一の符号を付して詳
細な説明は省略する。本変形例においては、ｐ型ＧａＮ
層４の表面に、球状でなく、複数のメサストライプ状の
凸状部１１が形成されている。このようにしても、光の
取り出し効率すなわち、外部量子効率を改善することが
できる。
【００４９】また、本変型例の凹凸形状も、図２に関し
て前述したプロセスと概略同様にして形成することがで
きる。すなわち、図２（ｂ）に表したように、ｐ型Ｇａ
Ｎ層４の上にレジストをストライプ状に形成し、加熱軟
化させずにエッチングすることにより図６に表したよう
な形状の凹凸を形成することができる。
て前述したプロセスと概略同様にして形成することがで
きる。すなわち、図２（ｂ）に表したように、ｐ型Ｇａ
Ｎ層４の上にレジストをストライプ状に形成し、加熱軟
化させずにエッチングすることにより図６に表したよう
な形状の凹凸を形成することができる。
【００５０】本変形例においても、図１に関して前述し
たものと同様に、活性層３から放出された光を外部に取
り出すことのできる確率、すなわち外部量子効率を大幅
に改善することができる。
たものと同様に、活性層３から放出された光を外部に取
り出すことのできる確率、すなわち外部量子効率を大幅
に改善することができる。
【００５１】さらに、本変形例によれば、図２（ｃ）に
関して前述したようなレジストパターンの軟化工程が不
要であり、製造が容易であるという利点も有する。
関して前述したようなレジストパターンの軟化工程が不
要であり、製造が容易であるという利点も有する。
【００５２】次に、本発明の第３の変形例について説明
する。
する。
【００５３】図７は、本発明の第３の変形例を表す概念
斜視図である。同図においても、図１乃至図３に関して
前述した部分と同一の部分には、同一の符号を付して詳
細な説明は省略する。本変形例においては、ｐ型ＧａＮ
層４の表面に、単一の半球レンズ状の凸状部１２が形成
されている。このようにしても、光の取り出し効率すな
わち、外部量子効率を改善することができる。
斜視図である。同図においても、図１乃至図３に関して
前述した部分と同一の部分には、同一の符号を付して詳
細な説明は省略する。本変形例においては、ｐ型ＧａＮ
層４の表面に、単一の半球レンズ状の凸状部１２が形成
されている。このようにしても、光の取り出し効率すな
わち、外部量子効率を改善することができる。
【００５４】本変型例の凹凸形状も、図２に関して前述
したプロセスと概略同様にして形成することができる。
すなわち、ｐ型ＧａＮ層４の上にレジストを円形のパタ
ーンで厚く形成し、加熱軟化させることによって単一の
半球状の形状に成形し、エッチングすることにより図７
に表したようなレンズ形状を形成することができる。
したプロセスと概略同様にして形成することができる。
すなわち、ｐ型ＧａＮ層４の上にレジストを円形のパタ
ーンで厚く形成し、加熱軟化させることによって単一の
半球状の形状に成形し、エッチングすることにより図７
に表したようなレンズ形状を形成することができる。
【００５５】本変形例においても、図１に関して前述し
たものと同様に、活性層３から放出された光を外部に取
り出すことのできる確率、すなわち外部量子効率を大幅
に改善することができる。
たものと同様に、活性層３から放出された光を外部に取
り出すことのできる確率、すなわち外部量子効率を大幅
に改善することができる。
【００５６】さらに、本変形例によれば、ｐ型ＧａＮ層
４の表面の凸部を単一のレンズ状としたことにより、高
い集光効果が得られ、ファイバなどへの結合効率を改善
することができる。
４の表面の凸部を単一のレンズ状としたことにより、高
い集光効果が得られ、ファイバなどへの結合効率を改善
することができる。
【００５７】次に、本発明の第４の変形例について説明
する。
する。
【００５８】図８は、本発明の第４の変形例を表す概念
斜視図である。同図においても、図１乃至図３に関して
前述した部分と同一の部分には、同一の符号を付して詳
細な説明は省略する。本変形例においては、ｐ型ＧａＮ
層４の表面は平面であり、その上に堆積されたｐ側透明
電極１３の表面が凹凸状に加工されている。このように
しても、光の取り出し効率を改善することができる。
斜視図である。同図においても、図１乃至図３に関して
前述した部分と同一の部分には、同一の符号を付して詳
細な説明は省略する。本変形例においては、ｐ型ＧａＮ
層４の表面は平面であり、その上に堆積されたｐ側透明
電極１３の表面が凹凸状に加工されている。このように
しても、光の取り出し効率を改善することができる。
【００５９】すなわち、透明電極１３として多用される
ＩＴＯの屈折率は、約２．０であり、ｐ型ＧａＮ層４の
屈折率２．６７に対して近い。従って、ｐ型ＧａＮ層４
と透明電極１３との間では、全反射は殆ど生ずることが
なく、光は通り抜けることができる。そして、透明電極
１３に入射した光は、図１に関して前述した場合と同様
にその凹凸面において臨界角よりも小さい法線角度で入
射する確率が高くなり、その結果として、光の取り出し
効率を改善することができる。
ＩＴＯの屈折率は、約２．０であり、ｐ型ＧａＮ層４の
屈折率２．６７に対して近い。従って、ｐ型ＧａＮ層４
と透明電極１３との間では、全反射は殆ど生ずることが
なく、光は通り抜けることができる。そして、透明電極
１３に入射した光は、図１に関して前述した場合と同様
にその凹凸面において臨界角よりも小さい法線角度で入
射する確率が高くなり、その結果として、光の取り出し
効率を改善することができる。
【００６０】さらに、本実施形態によれば、ｐ型ＧａＮ
層４の表面を加工する必要がないため、加工に伴って生
じうる損傷を解消することができる。例えば、ｐ型Ｇａ
Ｎ層４の表面を凹凸状に加工するために過度のプラズマ
や荷電粒子に曝すと、ｐ型ＧａＮ層４の表面が変質し、
ｐ側電極とのオーミック接触が劣化するなどの問題が生
ずることもある。これに対して、本実施形態によれば、
ｐ型ＧａＮ層４の表面を加工する必要がないので、オー
ミック接触を維持することが容易となる。
層４の表面を加工する必要がないため、加工に伴って生
じうる損傷を解消することができる。例えば、ｐ型Ｇａ
Ｎ層４の表面を凹凸状に加工するために過度のプラズマ
や荷電粒子に曝すと、ｐ型ＧａＮ層４の表面が変質し、
ｐ側電極とのオーミック接触が劣化するなどの問題が生
ずることもある。これに対して、本実施形態によれば、
ｐ型ＧａＮ層４の表面を加工する必要がないので、オー
ミック接触を維持することが容易となる。
【００６１】また、本変形例においては、ｐ型ＧａＮ層
４の表面に凹凸を形成する必要がないので、ｐ型ＧａＮ
層４をそれ程厚く成長する必要がない。
４の表面に凹凸を形成する必要がないので、ｐ型ＧａＮ
層４をそれ程厚く成長する必要がない。
【００６２】透明電極１３の表面に設ける凹凸のパター
ンは、図示したものには限定されず、図１〜図３に例示
したようなパターンも同様に用いることができる。ま
た、そのパターン寸法は、活性層３から放出される光の
波長よりも大きくすることが望ましい。すなわち、図示
した例においては、凹凸のストライプの幅や高さを５０
０ナノメータ程度よりも大きくすることが望ましい。
ンは、図示したものには限定されず、図１〜図３に例示
したようなパターンも同様に用いることができる。ま
た、そのパターン寸法は、活性層３から放出される光の
波長よりも大きくすることが望ましい。すなわち、図示
した例においては、凹凸のストライプの幅や高さを５０
０ナノメータ程度よりも大きくすることが望ましい。
【００６３】一方で、ＩＴＯなどの透明電極は、数ミク
ロン程度まで厚く堆積することが困難であるので、凹凸
のストライプの幅や高さを１ミクロン以下に形成する必
要が生ずる場合もある。このような微細なパターンを形
成する方法としては、例えば、「干渉露光法」がある。
これは、光半導体素子の回折格子（グレーティング）を
形成する際に用いられる方法であり、波長が異なる２つ
のレーザ光を合波し、ハーフミラーを介して２光束に分
割し、それぞれの光束を対称に位置にある全反射ミラー
でそれぞれ反射させて対象物に入射させることによって
「干渉縞」を生じさせる方法である。このようにして得
られた干渉縞により、レジストを露光することにより、
微細なストライプ状パターンを形成することができる。
ロン程度まで厚く堆積することが困難であるので、凹凸
のストライプの幅や高さを１ミクロン以下に形成する必
要が生ずる場合もある。このような微細なパターンを形
成する方法としては、例えば、「干渉露光法」がある。
これは、光半導体素子の回折格子（グレーティング）を
形成する際に用いられる方法であり、波長が異なる２つ
のレーザ光を合波し、ハーフミラーを介して２光束に分
割し、それぞれの光束を対称に位置にある全反射ミラー
でそれぞれ反射させて対象物に入射させることによって
「干渉縞」を生じさせる方法である。このようにして得
られた干渉縞により、レジストを露光することにより、
微細なストライプ状パターンを形成することができる。
【００６４】レーザ光としては、例えば、Ｈｅ−Ｃｄレ
ーザ（波長：３２５ナノメータ）とＡｒレーザ（波長：
３５１ナノメータ）を用いることができる。
ーザ（波長：３２５ナノメータ）とＡｒレーザ（波長：
３５１ナノメータ）を用いることができる。
【００６５】また、このような微細パターンを形成する
方法として、「電子ビーム露光法」も挙げることができ
る。これは、電子線に対して感光性を有する材料をマス
クとして用い、電子ビームを走査することにより、所定
のパターンを形成する方法である。
方法として、「電子ビーム露光法」も挙げることができ
る。これは、電子線に対して感光性を有する材料をマス
クとして用い、電子ビームを走査することにより、所定
のパターンを形成する方法である。
【００６６】次に、本発明の第５の変形例について説明
する。
する。
【００６７】図９は、本発明の第５の変形例を表す概念
斜視図である。同図においても、図１乃至図３に関して
前述した部分と同一の部分には、同一の符号を付して詳
細な説明は省略する。本変形例においても、ｐ型ＧａＮ
層４の表面は平面であり、その上には、ｐ側透明電極１
３が堆積され、さらにその上に透光性を有する光取り出
し層２０が設けられている。そして、光取り出し層２０
の表面が凹凸状に加工されている。このようにしても、
光の取り出し効率を改善することができる。また、本変
形例においても、ｐ型ＧａＮ層４の表面に凹凸を形成す
る必要がないので、加工に伴う損傷を防ぎ、ｐ型ＧａＮ
層４をそれ程厚く成長する必要もない。なお、本変形例
の場合には、透光性電極層１３とボンディング電極６と
を接続させて導通を確保する。
斜視図である。同図においても、図１乃至図３に関して
前述した部分と同一の部分には、同一の符号を付して詳
細な説明は省略する。本変形例においても、ｐ型ＧａＮ
層４の表面は平面であり、その上には、ｐ側透明電極１
３が堆積され、さらにその上に透光性を有する光取り出
し層２０が設けられている。そして、光取り出し層２０
の表面が凹凸状に加工されている。このようにしても、
光の取り出し効率を改善することができる。また、本変
形例においても、ｐ型ＧａＮ層４の表面に凹凸を形成す
る必要がないので、加工に伴う損傷を防ぎ、ｐ型ＧａＮ
層４をそれ程厚く成長する必要もない。なお、本変形例
の場合には、透光性電極層１３とボンディング電極６と
を接続させて導通を確保する。
【００６８】透光性電極層１３や光取り出し層２０の材
料としては、活性層３から放出される光に対して透光性
を有し、且つｐ型ＧａＮ層４と近い屈折率を有すること
が望ましい。つまり、これらの層の屈折率がｐ型ＧａＮ
層４と近ければ、層間での光の全反射を低減し、光の取
り出し効率を高くすることができる。また、光取り出し
層２０の材料として、導電性を有するものを用いれば、
電流を拡げることができる点でさらに良い。
料としては、活性層３から放出される光に対して透光性
を有し、且つｐ型ＧａＮ層４と近い屈折率を有すること
が望ましい。つまり、これらの層の屈折率がｐ型ＧａＮ
層４と近ければ、層間での光の全反射を低減し、光の取
り出し効率を高くすることができる。また、光取り出し
層２０の材料として、導電性を有するものを用いれば、
電流を拡げることができる点でさらに良い。
【００６９】透光性電極層１３の材料としては、例え
ば、ＩＴＯを挙げることができる。また、光取り出し層
２０の材料としては、例えば、ＧａＮと屈折率が近い樹
脂などの有機材料や、無機材料を用いることができる。
樹脂材料を用いる場合には、厚く形成することができる
ので、大きな凹凸も容易に形成することができ、凹凸の
形状や大きさを任意に選択することが可能となる。樹脂
材料としては、具体的には例えば、ポリカーボネイトを
挙げることができる。すなわち、ポリカーボネイトの屈
折率は約１．６程度で、ＧａＮと比較的近い屈折率を有
する。
ば、ＩＴＯを挙げることができる。また、光取り出し層
２０の材料としては、例えば、ＧａＮと屈折率が近い樹
脂などの有機材料や、無機材料を用いることができる。
樹脂材料を用いる場合には、厚く形成することができる
ので、大きな凹凸も容易に形成することができ、凹凸の
形状や大きさを任意に選択することが可能となる。樹脂
材料としては、具体的には例えば、ポリカーボネイトを
挙げることができる。すなわち、ポリカーボネイトの屈
折率は約１．６程度で、ＧａＮと比較的近い屈折率を有
する。
【００７０】また、光取り出し層２０の材料としては、
窒化シリコン（ＳｉＮx ）を挙げることができる。すな
わち、窒化シリコンの屈折率は、約２．０であり、Ｇａ
Ｎの屈折率と近いために、活性層３から放出された光が
層間において全反射されることを防止することができ
る。また、その他にも、例えば、Ｉｎ2 Ｏ3 （屈折率は
約２．０）、Ｎｄ2 Ｏ2 （屈折率は約２．０）、Ｓｂ2
Ｏ3 （屈折率は約２．０４）、ＺｒＯ2 （屈折率は約
２．１）、ＣｅＯ2 （屈折率は約２．２）、ＴｉＯ
2 （屈折率は約２．２〜２．７）、ＺｎＳ（屈折率は約
２．３５）、Ｂｉ2 Ｏ3（屈折率は約２．４５）などを
用いても同様に良好な結果を得ることができる。さら
に、光取り出し層２０の材料としては、導電性を有する
金属酸化物を用いても良い。
窒化シリコン（ＳｉＮx ）を挙げることができる。すな
わち、窒化シリコンの屈折率は、約２．０であり、Ｇａ
Ｎの屈折率と近いために、活性層３から放出された光が
層間において全反射されることを防止することができ
る。また、その他にも、例えば、Ｉｎ2 Ｏ3 （屈折率は
約２．０）、Ｎｄ2 Ｏ2 （屈折率は約２．０）、Ｓｂ2
Ｏ3 （屈折率は約２．０４）、ＺｒＯ2 （屈折率は約
２．１）、ＣｅＯ2 （屈折率は約２．２）、ＴｉＯ
2 （屈折率は約２．２〜２．７）、ＺｎＳ（屈折率は約
２．３５）、Ｂｉ2 Ｏ3（屈折率は約２．４５）などを
用いても同様に良好な結果を得ることができる。さら
に、光取り出し層２０の材料としては、導電性を有する
金属酸化物を用いても良い。
【００７１】以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の
形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具
体例に限定されるものではない。例えば、ＧａＮ層の表
面に設ける凹凸形状は、種々の形状が考えられ、規則的
あるいは不規則的な凹凸形状であっても同様の作用効果
を得ることができる。
形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具
体例に限定されるものではない。例えば、ＧａＮ層の表
面に設ける凹凸形状は、種々の形状が考えられ、規則的
あるいは不規則的な凹凸形状であっても同様の作用効果
を得ることができる。
【００７２】また、発光素子の構造は、当業者が適宜変
更して同様に実施することができる。すなわち、必要に
応じて、素子の積層構造や材料の組成を最適化すること
ができ、例えば、活性層を多重量子井戸型の構造とした
り、活性層の上下にクラッド層を設けたりしても良い。
更して同様に実施することができる。すなわち、必要に
応じて、素子の積層構造や材料の組成を最適化すること
ができ、例えば、活性層を多重量子井戸型の構造とした
り、活性層の上下にクラッド層を設けたりしても良い。
【００７３】また、基板として用いるものはサファイア
に限定されず、その他にも、例えば、スピネル、Ｍｇ
Ｏ、ＳｃＡｌＭｇＯ4 、ＬａＳｒＧａＯ4 、（ＬａＳ
ｒ）（ＡｌＴａ）Ｏ3 などの絶縁性基板や、ＳｉＣ、Ｓ
ｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮなどの導電性基板も同様に用いて
それぞれの効果を得ることができる。ここで、ＳｃＡｌ
ＭｇＯ4 基板の場合には、（０００１）面、（ＬａＳ
ｒ）（ＡｌＴａ）Ｏ3 基板の場合には（１１１）面を用
いることが望ましい。特に、ＧａＮについては、例え
ば、サファイア基板の上にハイドライド気相成長法など
により厚く成長したＧａＮ層をサファイア基板から剥離
してＧａＮ基板として用いることができる。
に限定されず、その他にも、例えば、スピネル、Ｍｇ
Ｏ、ＳｃＡｌＭｇＯ4 、ＬａＳｒＧａＯ4 、（ＬａＳ
ｒ）（ＡｌＴａ）Ｏ3 などの絶縁性基板や、ＳｉＣ、Ｓ
ｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮなどの導電性基板も同様に用いて
それぞれの効果を得ることができる。ここで、ＳｃＡｌ
ＭｇＯ4 基板の場合には、（０００１）面、（ＬａＳ
ｒ）（ＡｌＴａ）Ｏ3 基板の場合には（１１１）面を用
いることが望ましい。特に、ＧａＮについては、例え
ば、サファイア基板の上にハイドライド気相成長法など
により厚く成長したＧａＮ層をサファイア基板から剥離
してＧａＮ基板として用いることができる。
【００７４】また、ＧａＮのような導電性の基板を用い
た場合には、発光素子のｎ側電極を基板の裏面側に設け
ることもできる。
た場合には、発光素子のｎ側電極を基板の裏面側に設け
ることもできる。
【００７５】
【発明の効果】本発明は、以上説明したような形態で実
施され、以下に説明する効果を奏する。
施され、以下に説明する効果を奏する。
【００７６】まず、本発明によれば、半導体発光素子に
おいて、光の取り出し面にレンズ状の凸部を形成するこ
とにより、活性層から放出された光の取り出し効率すな
わち、外部量子効率を大幅に改善することができる。
おいて、光の取り出し面にレンズ状の凸部を形成するこ
とにより、活性層から放出された光の取り出し効率すな
わち、外部量子効率を大幅に改善することができる。
【００７７】また、本発明によれば、ｐ型ＧａＮ層の表
面付近にマグネシウム（Ｍｇ）などのｐ型ドーパントを
高い濃度で含有させ、ｐ側電極とのオーミック接触を確
保したので、凸部を形成しても、動作電圧が上昇した
り、発熱が増加したり、信頼性が低下したりすることは
ほとんどない。
面付近にマグネシウム（Ｍｇ）などのｐ型ドーパントを
高い濃度で含有させ、ｐ側電極とのオーミック接触を確
保したので、凸部を形成しても、動作電圧が上昇した
り、発熱が増加したり、信頼性が低下したりすることは
ほとんどない。
【００７８】また、本発明によれば、マグネシウムなど
の金属層を設けてｐ型ドーパントを拡散により高濃度に
ドーピングすることによって、ｐ型ＧａＮ層４の「面荒
れ」を回避することもできる。すなわち、ｐ型ＧａＮ層
の表面に凹凸を設ける（凸部を形成する）ためには、Ｇ
ａＮ層をある程度厚く形成する必要があり、ｐ型ドーパ
ントを高い濃度でドーピングしてＧａＮ層を厚く成長す
ると「面荒れ」が発生するという問題がある。これに対
して、本発明によれば、成長後にマグネシウムを導入す
るので、ｐ型ＧａＮ層の成長に際しては、ドーピング濃
度をさほど高くする必要がない。従って、ｐ型ＧａＮ層
４を厚く成長しても、この層４の「面荒れ」を招くこと
はない。このため、凹凸を設けても、電極剥がれ等の不
具合は生じにくく、歩留まりの低下もほとんどない。
の金属層を設けてｐ型ドーパントを拡散により高濃度に
ドーピングすることによって、ｐ型ＧａＮ層４の「面荒
れ」を回避することもできる。すなわち、ｐ型ＧａＮ層
の表面に凹凸を設ける（凸部を形成する）ためには、Ｇ
ａＮ層をある程度厚く形成する必要があり、ｐ型ドーパ
ントを高い濃度でドーピングしてＧａＮ層を厚く成長す
ると「面荒れ」が発生するという問題がある。これに対
して、本発明によれば、成長後にマグネシウムを導入す
るので、ｐ型ＧａＮ層の成長に際しては、ドーピング濃
度をさほど高くする必要がない。従って、ｐ型ＧａＮ層
４を厚く成長しても、この層４の「面荒れ」を招くこと
はない。このため、凹凸を設けても、電極剥がれ等の不
具合は生じにくく、歩留まりの低下もほとんどない。
【００７９】以上詳述したように、本発明によれば、動
作電圧の上昇や歩留まりの低下を抑えながら、外部量子
効率が高い半導体発光素子を提供することができる。
作電圧の上昇や歩留まりの低下を抑えながら、外部量子
効率が高い半導体発光素子を提供することができる。
【図１】本発明の半導体発光素子を表す概念斜視図であ
る。
る。
【図２】本発明の発光素子の要部製造方法を表す概略工
程断面図である。
程断面図である。
【図３】本発明の発光素子の要部製造方法を表す概略工
程断面図である。
程断面図である。
【図４】本発明の半導体発光素子の特性を表すグラフ図
である。すなわち、同図（ａ）は電流−電圧特性、同図
（ｂ）は電流−光パワー特性をそれぞれ表す。
である。すなわち、同図（ａ）は電流−電圧特性、同図
（ｂ）は電流−光パワー特性をそれぞれ表す。
【図５】本発明の第１の変形例を表す概念斜視図であ
る。
る。
【図６】本発明の第２の変形例を表す概念斜視図であ
る。
る。
【図７】本発明の第３の変形例を表す概念斜視図であ
る。
る。
【図８】本発明の第４の変形例を表す概念斜視図であ
る。
る。
【図９】本発明の第５の変形例を表す概念斜視図であ
る。
る。
【図１０】従来の窒化物系半導体ＬＥＤの断面構造を表
す概念図である。
す概念図である。
【符号の説明】
１、１０１ サファイア基板
２、１０２ ｎ型ＧａＮ層
３、１０３ ｌｎＧａＮ発光層
４、１０４ ｐ型ＧａＮ層
５、１０５ ｎ側電極
６、１０６ ボンディング・パッド
７、１０７ 電流阻止層
９ シリンドリカルレンズ
１０ 半球レンズ
１１ メサストライフ
１２ 半球レンズ
１３、１１３ ｐ側透光性電極
２０ 光取り出し層
４０ マグネシウム層
４２ 金層
フロントページの続き
(72)発明者 野 崎 千 晴
神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株
式会社東芝マイクロエレクトロニクスセン
ター内
Ｆターム(参考） 5F041 AA03 CA04 CA34 CA40 CA46
CA49 CA57 CA64 CA74 CA83
CA88 CA99 EE17
Claims (6)
- 【請求項１】発光層と、 前記発光層上に形成された窒化物半導体層と、 前記窒化物半導体層上に形成された透明電極と、 を備え、 前記透明電極の表面に集光性を有する単数又は複数のレ
ンズ形状の凸部が形成されていることを特徴とする半導
体発光素子。 - 【請求項２】前記窒化物半導体層の表面に単数又は複数
の凸部が形成され、 前記透明電極の前記表面の前記レンズ形状の前記凸部
は、前記窒化物半導体層の前記表面の形状に応じた形状
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。 - 【請求項３】発光層と、 前記発光層上に形成された窒化物半導体層と、 前記窒化物半導体層上に形成された透明電極と、 前記透明電極上に形成された光取り出し層と、 を備え、 前記光取り出し層の表面に集光性を有する単数又は複数
のレンズ形状の凸部が形成されていることを特徴とする
半導体発光素子。 - 【請求項４】前記透明電極の下の前記窒化物半導体層
は、前記透明電極層との接触面の付近において、ドーパ
ントが高い濃度で導入されていることを特徴とする請求
項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。 - 【請求項５】前記透明電極は、前記窒化物半導体層と接
触して設けられた１００ｎｍ以下の層厚の金属からなる
層を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１
つに記載の半導体発光素子。 - 【請求項６】前記透明電極または前記光取り出し層の表
面に形成された前記凸部が、シリンドリカル・レンズあ
るいはロッドレンズとして作用することを特徴とする請
求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003193785A JP2003347586A (ja) | 2003-07-08 | 2003-07-08 | 半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003193785A JP2003347586A (ja) | 2003-07-08 | 2003-07-08 | 半導体発光素子 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP36680398A Division JP3469484B2 (ja) | 1998-12-24 | 1998-12-24 | 半導体発光素子およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003347586A true JP2003347586A (ja) | 2003-12-05 |
Family
ID=29774883
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003193785A Pending JP2003347586A (ja) | 2003-07-08 | 2003-07-08 | 半導体発光素子 |
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|---|---|
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- 2003-07-08 JP JP2003193785A patent/JP2003347586A/ja active Pending
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