JP2005005679A - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】窒化物系化合物半導体を用いた高効率な半導体発光素子を量産性高くかつ低価格で提供する。
【解決手段】ｐ−ＧａＮ層４に２次元周期構造の凹凸を形成し、前記凹凸の周期が活性層３から放射される光の半導体中での波長の１〜２０倍とする。その結果、２次元周期構造の凹凸による回折効果のため、活性層３から放射される光の進行方向が変わる。凹凸がない場合には、半導体素子と空気との界面での全反射条件を満たす放射角度の光は半導体素子の外へ取り出すことができず、素子の発光効率が低い。一方、本発明のような周期で２次元の凹凸を形成すると、全反射とならない角度に光が回折されるため半導体素子外への取り出し効率が飛躍的に向上する。その結果、素子の発光効率を向上することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子に関するものであり、特に、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮなどの窒化物系化合物半導体からなる半導体発光素子に関するものである。

近年では、ＧａＮに代表される窒化物系化合物半導体を用いることにより、これまで実現が困難であった紫外光から青色、緑色の波長帯の光を強い発光強度で発光することができるようになったため、これらの窒化物系化合物半導体を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザなどの発光素子の開発が盛んに行われている。特に、ＬＥＤは、半導体レーザに比べて製造および制御が容易であり、また蛍光灯に比べ長寿命であるため、窒化物系化合物半導体を用いたＬＥＤは照明用光源として期待されている。

以下に、従来の窒化物系化合物半導体ＬＥＤの一例について説明する。図１６は、先行技術文献１（特開２０００−１９６１５２号公報）の図１０に開示されている従来の窒化物系化合物半導体ＬＥＤの構造を示す斜視図である。

図１６に示すように、従来のＬＥＤでは、サファイア基板１０１と、ＧａＮバッファ層（図示せず）と、ｎ型ＧａＮ層１０２と、ＩｎＧａＮ活性層１０３と、ｐ型ＧａＮ層１０４とが順次結晶成長され、ＩｎＧａＮ活性層１０３およびｐ型ＧａＮ層１０４の一部がエッチングにより除去されて、底面にｎ型ＧａＮ層１０２が露出する溝１０８が設けられている。そして、溝１０８の底面に露出するｎ型ＧａＮ層１０２の上にはｎ側電極１０６が設けられ、ｐ型ＧａＮ層１０４の上にはｐ側透明電極１０５が設けられ、その一部の上にｐ側ボンディング電極１０７が設けられている。

このＬＥＤは以下のように動作する。ｐ側ボンディング電極１０７を通じて注入された正孔はｐ側透明電極１０５で横方向に拡がり、ｐ型ＧａＮ層１０４からＩｎＧａＮ活性層１０３に注入される。一方、ｎ側電極１０６を通じて注入された電子はｎ型ＧａＮ層１０２からＩｎＧａＮ活性層１０３に注入される。そして、ＩｎＧａＮ活性層１０３中で正孔と電子とが再結合すると発光が生じる。この光はｐ側透明電極１０５を通じてＬＥＤ外に放出される。

しかし、このような従来構造では、光取り出し効率が低いという問題を有していた。光取り出し効率とは、活性層で発生した光のうちＬＥＤから空気中に放出される割合である。光取り出し効率が低い原因は、半導体の屈折率が空気よりも大きいので、活性層からの光が半導体と空気の界面で全反射し、ＬＥＤ内部に閉じ込められるためである。例えば、ＧａＮの屈折率は、波長４５０ｎｍの光の場合には約２．４５であるので、全反射が生じる臨界屈折角が約２３度と小さい。つまり、半導体と空気との界面に対する法線からみて、この臨界角よりも大きい角度で活性層から放射された光は、半導体と空気の界面で全反射されてしまうため、結局、活性層から放出される光の約４％しかＬＥＤの外へ取り出せない。このように、従来の窒化物系化合物半導体を用いたＬＥＤでは、外部量子効率（ＬＥＤに投入した電流のうち、ＬＥＤから取り出せる光の効率）が低い結果、蛍光灯と比べて電力変換効率（投入した電力のうち、取り出せる光出力の効率）が低いという問題があった。

この問題に対する解決策として、先行技術文献１の図５に開示されているように、ＬＥＤの表面に凹凸を形成する技術が提案されている。図１７は、先行技術文献１の図５に開示されている従来の窒化物系化合物半導体ＬＥＤの構造を示す斜視図である。

図１７に示す構造では、半球レンズ構造の凹凸がｐ型ＧａＮ層１０４に形成されている。この構造においては、ｐ型透明電極１０５の平面部と空気との界面に対する法線からの角度が臨界屈折角よりも大きい光も、凹凸が設けられている部分に入射すると、入射角度が臨界屈折角よりも小さくなることがありうる。したがって、活性層で生じた光が全反射されずにＬＥＤ外部に放出される確率が高くなり、外部量子効率が向上する。

しかし、先行技術文献１に提案されているような原理による光取り出し効率の向上技術では、凹凸面の形状によって光の入射角が敏感に変動するために、凹凸面の設計が非常に困難であり、また、素子を製造する際の寸法変動によって特性が安定しないという不具合を有していた。さらに、光取り出し効率を向上させるためには数μｍ程度の深さの凹凸を形成する必要があるが、窒化物系化合物半導体は耐エッチング特性が高いため加工が困難であるという不具合もあった。

本発明の目的は、高い外部量子効率を有すると共に、特性が安定し、設計および加工が容易である窒化物系化合物半導体を有する発光ダイオードを提供することにある。

本発明の半導体発光素子は、窒化物を含み、活性層を有する半導体多層膜と、前記半導体多層膜の上に設けられ、上面に２次元周期構造の凹凸（２次元周期構造の凹部または凸部）を有し、前記活性層からの光を前記凹凸において回折して前記半導体多層膜の外部に導く透明層とを有する素子を備える。

これにより、透明層と空気との界面に対して、臨界屈折角よりも大きい放射角度で活性層から発せられた光の放射角度が、臨界屈折角よりも小さくなるため、従来では全反射されていた光も外部に取り出すことができる。したがって、光取り出し効率が向上する。

ここで、回折を生じさせるためには、凹凸が２次元周期構造を有しておればよい。２次元周期構造では、１次元周期構造の回折格子とは異なって、どの方向の放射角度の光に対しても回折作用を及ぼすため、光取り出し効率向上効果が高い。縦および横に一定の間隔をもって凹凸が設けられておれば回折は生じるため、レンズを設けることによって光を屈折させて光取り出し効率を向上させる従来と比較して、凹凸の形状や寸法の変動による光取り出し効率への影響が少ない。したがって、製造途中で凹凸の形状や寸法が変動しても、高い光取り出し効率を確保することができるため、設計・加工が容易となり、製造歩留まりを向上させることができる。

前記凹凸の凹部と前記活性層との距離をＤとし、前記活性層からの光の前記素子中における波長をλとしたとき、Ｄ≦５λである場合には、凹凸と活性層が近接するため、凹凸の高さがそれほど大きくなくても回折作用による光取り出し効率向上が実現するため、加工が容易となる。

また、前記凹凸の周期（間隔）をＬとし、前記活性層からの光の前記素子中における波長をλとしたとき、λ≦Ｌ≦２０λである場合には、回折が効果的におこり、光取り出し効率向上が実現する。λ＜１である場合には、回折によって変化する角度が大きすぎるため、光取り出し効率が向上しない。また、λ＞２０である場合には、光取り出し効果が低下する。これは、周期が長すぎると回折効率が低下するため、回折による放射角度が変化する光の割合が減少するためである。

また、前記凹凸の高さをｈとし、前記活性層からの光の前記素子中における波長をλとしたとき、ｈ≦５λである場合には、形成する凹凸の高さが浅くてすむため、加工が容易となる。

前記透明層は第１の窒化物半導体層であって、前記第１の窒素物半導体層の上には電極層が設けられていてもよい。この場合には、屈折率の高い窒化物半導体層に直接凹凸を形成するため回折効率が高く、光取り出し効率向上効果が高い。

この場合には、前記電極層の上面には、前記第１の窒化物半導体層の上面における前記凹凸を反映した凹凸が設けられていてもよい。

また、前記電極層は、膜厚５０ｎｍ以下の金属もしくは金属酸化物であってもよい。

前記電極層は、インジウム錫酸化物であってもよい。

前記半導体多層膜は、前記活性層の上に設けられた第１導電型の窒化物半導体層と、前記活性層の下に設けられた第２導電型の窒化物半導体層とをさらに有し、前記透明層は、前記第１導電型の窒化物半導体層の上に設けられた電極層を有していてもよい。

この場合には、前記電極層の上面に、前記２次元周期構造の凹凸が設けられていてもよい。
この場合には、第１導電型の窒化物半導体層の凹凸に関係なく電流を容易に均一に注入することができ、電流注入の不均一性による電力変換効率の低下を防ぐことができる。

あるいは、前記透明層は、前記電極層の上に設けられ、２次元周期構造の凹凸を有する層をさらに有していてもよい。この構造では、電極層自体を加工しないため、透明電極に凹凸を形成する場合と比較して電流注入に不均一性などの悪影響を与えることがない。その結果、電力変換効率の低下を生じることがなく、光取り出し効率を向上させることができる。また、この透明層には導電性が必要とされないため、窒化物系半導体層や透明電極に凹凸を形成する場合に比べ、材料の選択性の自由度が高い。そのため加工が容易な材料を透明層に用いることにより、安価な製造方法を採用することにより低コストの素子が実現する。

前記電極層は、膜厚５０ｎｍ以下の金属もしくは金属酸化物である場合には、導電性と透過率を両立させることができるため、高い電力効率を実現することができる。

また、前記電極層は、インジウム錫酸化物であってもよい。

前記２次元周期構造の凹凸を有する層は、樹脂よりなっていてもよい。この２次元周期構造の凹凸を有する層が樹脂からなっている場合には、プレス加工により前記凹凸を形成することができる。この場合には、リソグラフィーやエッチングなどの半導体プロセスを用いずに、微細な凹凸の容易な形成が可能となる。その結果、製造のスループットやコストが低減でき、安価で高効率の半導体発光素子が実現する。

前記透明層における前記凹凸の凸部の上面は平坦である場合には、より容易に成形することができる。

本発明の半導体発光素子の製造方法は、窒化物を含み、活性層を有する半導体多層膜と、前記半導体多層膜の上に設けられた透明層とを有する半導体発光素子の製造方法であって、前記半導体多層膜の上に、前記透明層を形成する工程（ａ）と、前記工程（ａ）の後に、前記透明層の上面を、表面に２次元周期構造の凹凸が設けられた金型に押圧することにより、前記透明層の上面に、前記金型における前記凹凸を反転した凹凸を形成する工程（ｂ）とを備える。

これにより、リソグラフィーやエッチングなどの半導体プロセスを用いずに、微細な２次元周期の凹凸を容易に形成することができる。その結果、製造のスループットやコストが低減でき、安価で高効率の半導体発光素子が実現する。

上記のように、本発明を用いれば、高効率な半導体発光素子を、特に窒化物系化合物半導体を用いた高効率な半導体発光素子を量産性高くかつ低価格で製造することができる。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながらより詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態における半導体発光素子の構造を示す斜視図である。図１に示すように、本実施形態の半導体発光素子は、サファイア基板１と、サファイア基板１の上に設けられ、厚さ３０ｎｍでノンドープのＧａＮバッファ層（図示せず）と、ＧａＮバッファ層の上に設けられ、濃度２×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型不純物がドーピングされた厚さ２μｍのｎ型ＧａＮ層２と、ｎ型ＧａＮ層２の上に設けられ、ＰＬ（フォトルミネッセンス）ピーク波長が４５０ｎｍであるノンドープＩｎ_0.45Ｇａ_0.55Ｎからなる厚さ３ｎｍのＩｎＧａＮ活性層３と、ＩｎＧａＮ活性層３の上に設けられ、濃度７×１０¹⁷ｃｍ^-3のｐ型不純物がドーピングされた厚さ４００ｎｍのｐ型ＧａＮ層４とを備えるＬＥＤである。なお、これらの窒化物系化合物半導体は、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長：Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）法や、ＭＢＥ（分子線エピタキシャル成長：Molecular Beam Epitaxy）法などの結晶成長方法によって形成する。また、本明細書中における「ノンドープ」とは、意図的なドーピングを行っていないことを示す。

ＩｎＧａＮ活性層３およびｐ型ＧａＮ層４の一部はエッチングにより除去されて、底面にｎ型ＧａＮ層２が露出する溝８が設けられている。この溝８は、例えば、フォトリソグラフィによって、ｐ型ＧａＮ層４の上に開口を有するレジストマスク（図示せず）を形成した後、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング：Reactive Ion Etching）法、イオンミリング（Ion Milling）などのドライエッチング技術、紫外線を照射しながらの光化学エッチング、または加熱した酸・アルカリ液を用いて行うウェットエッチング技術を行うことにより、ｐ型ＧａＮ層４およびＩｎＧａＮ活性層３を除去することにより形成する。

ｐ型ＧａＮ層４の上面には、２次元周期構造の凹凸が形成されている。凹凸の周期、すなわち２次元の面内で、縦方向または横方向の隣り合う凹部または凸部の中心間の間隔は１μｍであって、凹凸の高さは２００ｎｍである。この凹凸は、ｐ型ＧａＮ層４の上にレジスト（図示せず）を形成して、干渉露光や電子ビーム露光、ステッパー（step-and-repeat photolithographic system with demagnification）などの方法によってレジストを２次元周期構造の配置にパターニングした後に、レジストをマスクとしてドライエッチングやウェットエッチングを行うことにより形成する。

凹凸が形成されたｐ型ＧａＮ層４の上には、透明電極５として、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）が１００ｎｍの厚さで堆積されている。ＩＴＯは、スパッタ法等により形成することができる。また、透明電極５としては、ＩＴＯのような導電性の金属酸化物だけでなく、ＬＥＤ発光波長に対して透過率が高ければ、導電性が高くコンタクト抵抗が低い金属の薄膜も用いることができる。この場合、透過率を確保するために、金属の膜厚は５０ｎｍ以下であることが望ましい。なお、透明電極５として、例えば膜厚１０ｎｍのＮｉとその上に設けられた膜厚４０ｎｍのＡｕとの積層膜を用いることができる。

溝８の底面に露出したｎ型ＧａＮ層２の上には、Ｔｉ／Ａｌのｎ側電極６が設けられている。さらに、凹凸が設けられていない領域のｐ型ＧａＮ層４の上に設けられたＩＴＯ透明電極５の上には、Ａｕのｐ側ボンディング電極７が設けられている。

本実施形態の半導体発光素子では、ｐ型ＧａＮ層４の表面に２次元周期の凹凸が形成されているため、活性層３からの光が回折される。回折のため、半導体と空気との界面に対して臨界屈折角よりも大きな放射角度で活性層から発せられた光の放射角度が臨界屈折角よりも小さくなる。つまり、従来では、半導体発光素子と空気との界面に対する法線からの角度が臨界屈折角よりも大きい光は全反射されていたが、本実施形態では、このような光も回折されてＬＥＤの外部に取り出されるため、光取り出し効率が向上する。ここで、本発明の特徴は、凹凸が一方向のみに周期構造がある回折格子とは異なり、２次元周期構造であることである。この２次元周期構造の凹凸はどの方向に放射された光に対しても回折作用を及ぼすため、光取り出し効率を向上させる効果が高い。

ここで、２次元周期構造の具体的な種類について、図面を参照しながら説明する。図２〜図７は、２次元周期構造の具体的な種類を示す斜視図および平面図である。まず、図２（ａ）は、凸部１１が三角格子で配置する場合を示しており、図２（ｃ）は、凸部１１が正方格子で配置する場合を示している。これらの凸部１１が実際に透明電極５の上面に形成されると、それぞれ図２（ｂ）, （ｄ）に示す構造となる。また、凸部１１の周期が方向によって異なっていてもよく、具体的には、図３（ａ）, （ｂ）に示すように、隣り合う凸部１１の間隔がその方向によって異なる三角格子または正方格子で配置していてもよい。また、凸部１１の周期が領域によって異なっていてもよく、具体的には、図４に示すように、透明電極５の中央部において凸部１１が密な状態で設けられ、透明電極５の上下では、中央部よりも疎な状態で凸部１１が設けられているなどの状態であってもよい。また、凹凸が、透明電極５の一部のみに設けられていてもよく、具体的には、図５（ａ）に示すように、透明電極５の中心に対して凸部１１が回転対称に配置していてもよいし、図５（ｂ）に示すように、透明電極５のうちの中央部のみに凸部１１が設けられ、その中央部の周囲は平坦になっていてもよい。また、凹凸の形状が円柱以外であってもよく、具体的には、図６（ａ）, （ｂ）に示すように、凸部１１が四角柱や六角柱であってもよい。なお、以上に述べた各構造では、凸部ではなく凹部が二次元周期で配列していてもよい。具体的には、図７（ａ）に示すように凹部１２が三角格子で配置していてもよく、また、図７（ｃ）に示すように、凹部１２が正方格子で配置していてもよい。これらの凹部１２が実際に透明電極５の上面に形成されると、それぞれ図７（ｂ）, （ｄ）に示す状態となる。

次に、凹凸の周期と光取り出し効率との関係について、図８を参照しながら説明する。図８は、第１の実施形態において、凹凸の周期と光取り出し効率との関係を理論計算した結果を示すグラフ図である。なお、凹凸の周期とは、図１に示すような半導体発光素子において、縦横に等間隔に配列された凹凸の、２次元の面内で縦または横方向で隣り合う凹の中心または凸の中心間の間隔のことを指す。グラフの横軸は、発光波長が４５０ｎｍであるＬＥＤ中における波長（屈折率２．５の場合には１８０ｎｍ）で規格化した凹凸の周期、つまり、ＬＥＤ中における波長に対する凹凸の周期の相対値を示し、縦軸は、凹凸を形成していない場合の値で規格化した光取り出し効率を示している。なお、ここでのＬＥＤ中における波長とは、真空もしくは大気中での発光波長を半導体の屈折率で割った値である。発光波長が４５０ｎｍで半導体の屈折率が２．５の場合、ＬＥＤ内における波長は１８０ｎｍとなる。

図８から、凹凸の周期がＬＥＤ中の波長の１倍以上２０倍以下の範囲内にある場合には、光取り出し効率が増加していることが分かる。屈折率が２．５と高い値を示す窒化物系化合物半導体層に直接に凹凸を形成するので回折効率が高いため、光取り出し効率向上が最大で約４倍と大きい。

また、凹凸の周期がＬＥＤ中における波長の１倍以下である場合には、回折による角度変化が大き過ぎて、結局、回折後の放射角度が臨界屈折角度よりも大きくなるため、光取り出し効率が向上しない。また、凹凸の周期がＬＥＤ内における波長の２０倍以上である場合にも、周期が長すぎると回折効率が低下して、回折によって放射角度が変化する光の割合が減少するため、光取り出し効率向上の効果が低下してしまう。

このように回折を生じさせるためには、凹凸が２次元周期構造を有しておればよい。つまり、縦および横に一定の間隔をもって凹凸が設けられておればよく、レンズを設けることによって光を屈折させて光取り出し効率を向上させる従来と比較して、凹凸の形状や寸法の変動による光取り出し効率への影響が少ない。したがって、本実施形態では、製造途中で凹凸の形状や寸法が変動しても、高い光取り出し効率を確保することができるため、設計および加工が容易となり、製造歩留まりを向上させることができる。

次に、凹凸の高さと光取り出し効率との関係を理論計算した結果について、図９〜図１１を参照しながら説明する。図９は、第１の実施形態において、凹凸の周期と光取り出し効率との関係を、凹凸の高さを変化させて理論計算した結果を示すグラフ図である。グラフの横軸は、ＬＥＤ中の波長に対する凹凸の周期の相対値を示し、グラフの縦軸は、凹凸を形成していない場合で規格化した光取り出し効率を示している。そして、凹凸の高さが異なる４種類の理論計算を行い、それぞれの値をプロファイルで示している。なお、図９における凹凸の高さの相対値は、ＬＥＤ内の波長に対する凹凸の高さの値である。一方、図１０も図９と同様に、発光波長が４５０ｎｍであるＬＥＤにおける凹凸の高さと光取り出し効率の関係を示すグラフ図であるが、図９では凹凸の周期および高さが相対値で示したのに対し、図１０では、凹凸の周期および高さが具体的な値で示されている。また、図１１は、光取り出し効率と、活性層から凹凸までの距離との関係を示すグラフ図である。図１１において、横軸は凹凸の凹部から活性層までの距離を示し、縦軸は光取り出し効率を示している。

図１１からわかるように、凹凸と活性層との距離が近づくと光取り出し効率が向上する。図１１では、活性層から凹凸までの距離が約０．９μｍ以下である場合に光取り出し効率が高くなっていることから、活性層から凹凸までの距離が、ＬＥＤ内の波長（１８０ｎｍ）の５倍以下であることが好ましいといえる。また、このように活性層から凹凸までの距離が短い場合には、図９に示すように、凹凸の高さが活性層からの光のＬＥＤ内における波長の１倍（約１８０ｎｍ）程度の小さい場合でも、光取り出し効率が従来の２倍以上となる。これは、活性層と凹凸とが近接するため、凹凸の高さをそれほど高くせずにすむためである。このように、本実施形態において光を回折させるために必要な凹凸の深さは、レンズを設けることによって光を屈折させて光取り出し効率を向上させる従来の凹凸の深さと比較して浅くてすむ。したがって、本実施形態では、加工が困難な窒化物系化合物半導体に凹凸を形成する深さを浅くすることができるので、従来よりも加工が容易となる結果、製造コストも安くすることができる。

次に、本実施形態の半導体発光素子の特性について、図１２（ａ）, （ｂ）を参照しながら説明する。図１２（ａ）, （ｂ）は、第１の実施形態の半導体発光素子の特性を示すグラフ図であり、（ａ）は電流−電圧特性を、（ｂ）は電流−光出力特性を示す。各グラフ中には、比較のため、ｐ型ＧａＮ層４の表面に凹凸を形成していない従来の構造の半導体素子（ただしｐ型ＧａＮ層４の膜厚は２００ｎｍ）の特性も示している。

図１２（ａ）の電流−電圧特性を見ると、本実施形態の半導体発光素子の立ち上り電圧は、従来とほぼ同じ曲線を示すことが分かる。すなわち、本実施形態の半導体発光素子では、ｐ型ＧａＮ層４の表面に２００ｎｍの浅い凹凸が設けられているが、凹凸を形成しない従来例と比べて電流−電圧特性に悪影響が生じないことがわかる。

また、図１２（ｂ）の電流−光出力特性を見ると、本実施形態の素子では、従来例と比べて同一電流における光出力が図８における理論計算とほぼ同じ３．５倍に増加していることが分かる。これは、凹凸を形成することによる内部量子効率の低下と電力変換効率の低下とが、本実施形態の半導体発光素子では回避されているためと考えられる。

すなわち、本実施形態では、凹凸を活性層から離れたｐ型ＧａＮ層（コンタクト層）のみに形成しているため、凹凸を活性層中まで形成する場合に比べて、凹凸による正孔−電子の表面再結合の増加を避けることができる。そのため、内部量子効率（ＬＥＤに注入した電流のうち、ＬＥＤ内部で光に変換される割合）の低下を防ぐことができる。また、凹凸の上全面に透明電極５を形成することによりｐ型ＧａＮ層の凹凸にもかかわらずｐ型ＧａＮ層に電流を均一に注入することができる。従って、電流注入の不均一性による電力変換効率の低下を防ぐことができる。以上のように、本実施形態では、電流特性を低下させることなく光取り出し効率が高い半導体発光素子を量産性良く提供できる。

（第２の実施形態）
図１３は、本発明の第２の実施形態における半導体発光素子の構造を示す斜視図である。図１３に示すように、本実施形態の半導体発光素子は、サファイア基板１と、サファイア基板１の上に設けられ、厚さ３０ｎｍでノンドープのＧａＮバッファ層（図示せず）と、ＧａＮバッファ層の上に設けられ、濃度２×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型不純物がドーピングされた厚さ２μｍのｎ型ＧａＮ層２と、ｎ型ＧａＮ層２の上に設けられ、ＰＬピーク波長が４５０ｎｍであるノンドープＩｎ_0.45Ｇａ_0.55Ｎからなる厚さ３ｎｍのＩｎＧａＮ活性層３と、ＩｎＧａＮ活性層３の上に設けられ、濃度７×１０¹⁷ｃｍ^-3のｐ型不純物がドーピングされた厚さ２００ｎｍのｐ型ＧａＮ層４とを備えるＬＥＤである。

ＩｎＧａＮ活性層３およびｐ型ＧａＮ層４の一部はエッチングにより除去されて、底面にｎ型ＧａＮ層が露出する溝８が設けられている。

ｐ型ＧａＮ層４の上には、透明電極５として、導電性を示す透明のＩＴＯなどの金属酸化物が３００ｎｍの厚さで設けられている。この透明電極５は、スパッタ法やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などによってｐ型ＧａＮ層４の上に形成されている。透明電極５の上面には、２次元周期構造で配列し、周期が０．５μｍであって高さが２００ｎｍの凹凸が形成されている。この凹凸は、以下の方法により作成する。まず、ｐ型ＧａＮ層４の上に上面が平らな状態の金属酸化膜（図示せず）を堆積し、金属酸化膜の上にレジスト（図示せず）を形成した後、干渉露光、電子ビーム露光またはステッパーによってパターニングを行うことにより、その金属酸化物の上に２次元周期構造で配列するレジストパターンを形成する。その状態で、ＲＩＥ法やイオンミリング法などのドライエッチングやＨＣｌ等の酸を用いたウェットエッチングを行うことにより、金属酸化膜のうちレジストパターンに覆われていない部分を除去することにより、上面に凹凸を有する透明電極５形成する。

溝８の底面に露出したｎ型ＧａＮ層２の上には、Ｔｉ／Ａｌからなるｎ側電極６が設置されている。さらに、凹凸が設けられていない領域の透明電極５の上にはＡｕのｐ側ボンディング電極７が形成されている。

本実施形態の特徴は、ｐ型ＧａＮ層４の上が平坦であって、透明電極５の表面に２次元周期の凹凸が形成されている点にある。ここで、凹凸の周期が、ＬＥＤ中の波長の１倍以上２０倍以下の範囲内にある場合には、前述の第１の実施形態と同様の回折作用により光取り出し効率を向上させることができる。

この構成では、窒化物系化合物半導体よりも屈折率の低いＩＴＯ（屈折率２．０）である透明電極５に凹凸を形成するため、光取り出し効率の向上は従来の２．５倍と第１の実施形態よりも低い。しかしながら、ＩＴＯ等の金属化合物に凹凸を形成するのは耐エッチング性の高い窒化物系化合物半導体層に凹凸を形成することよりも容易であるため、製造コストを削減することが可能となる。また、窒化物系化合物半導体に凹凸を形成する場合には、電流特性の低下を避けるために凹凸の底部と活性層の距離を０．１μｍ程度離すなどの素子設計上の注意が必要であるが、本実施形態では、従来の素子と半導体多層膜構造自体は同じであるため、従来の素子設計が変更なく利用できる。

（第３の実施形態）
図１４は、本発明の第３の実施形態における半導体発光素子の構造を示す斜視図である。図１４に示すように、本実施形態の半導体発光素子は、サファイア基板１と、サファイア基板１の上に設けられ、厚さ３０ｎｍでノンドープのＧａＮバッファ層（図示せず）と、ＧａＮバッファ層の上に設けられ、濃度２×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型不純物がドーピングされた厚さ２μｍのｎ型ＧａＮ層２と、ｎ型ＧａＮ層２の上に設けられ、ＰＬピーク波長が４５０ｎｍであるのノンドープＩｎ_0.45Ｇａ_0.55Ｎからなる厚さ３ｎｍのＩｎＧａＮ活性層３と、ＩｎＧａＮ活性層３の上に設けられ、濃度７×１０¹⁷ｃｍ^-3のｐ型不純物がドーピングされた厚さ２００ｎｍのｐ型ＧａＮ層４とを備えるＬＥＤである。なお、これらの窒化物系化合物半導体は、ＭＯＣＶＤ法や、ＭＢＥ法などの結晶成長方法によって形成する。

ＩｎＧａＮ活性層３およびｐ型ＧａＮ層４の一部はエッチングにより除去されて、底面にｎ型ＧａＮ層２が露出する溝８が設けられている。ｐ型ＧａＮ層４の上には、透明電極５として、膜厚１０ｎｍのＮｉと膜厚４０ｎｍのＡｕとが順次積層された膜が設けられている。溝８の底面に露出するｎ型ＧａＮ層２の上には、Ｔｉ／Ａｌのｎ側電極６が設けられている。

透明電極５の上面上には、樹脂や金属酸化物などの透明な材料からなる複数の透明層９が２次元周期構造に配置されている。透明層９が配置する周期は１．５μｍであり、透明層９の透明電極５からの高さは３００ｎｍである。本実施形態では、透明層９の材質としてポリカーボネイトの樹脂を用いた。さらに、透明電極５の一部の上には、Ａｕのｐ側ボンディング電極７が形成されている。

透明層９によって半導体発光素子の表面に設けられる凹凸の周期が、ＬＥＤ内での波長の１倍以上２０倍以下の範囲内にある場合には、前述の第１や第２の実施形態と同様の回折作用により光取り出し効率を向上させることができる。

この構成では、窒化物系化合物半導体よりも屈折率の低い樹脂（屈折率約１．５）や金属酸化物（屈折率約２．０）によって凹凸を形成するため、光取り出し効率の向上は従来の２．０〜２．５倍と第１の実施形態よりも低い。しかしながら、樹脂や金属酸化物を２次元周期構造で配置するのは、耐エッチング性の高い窒化物系化合物半導体層の一部をエッチングによって除去するよりも容易であるため、製造コストを削減することができる。また、窒化物系化合物半導体や透明電極に凹凸を形成する場合と比較して、電流注入が不均一になる等の悪影響を与えるおそれがなくなる。その結果、電力変換効率の低下を生じることがなく、光取り出し効率を向上させることができる。

また、透明層９は透明電極５の上に形成するため、透明層９に導電性は必要なく、材料の選択の自由度がより高くなり、透明層９として加工性の容易な材料を用いることができる。例えば、透明層９に樹脂を用いた場合には、フォトリソグラフィやエッチングなどの半導体加工技術ではなく、予め凹凸を形成したスタンプを過熱した樹脂にプレスすることにより凹凸を転写して透明層９を形成することができる。図１５（ａ）〜（ｃ）は、プレスによって透明層を形成する工程を示す斜視図である。なお、この図１５では、図３の構造のように透明層９が凸状に設けられている場合ではなく、透明層に凹部が配列している場合が示されている。まず、図１５（ａ）に示す工程では、凹凸を有する金型２１と、上面上に平坦な状態の透明層２２が設けられた発光ダイオード２０とを準備する。そして、図１５（ｂ）に示す工程で、透明層２２を構成する樹脂等が軟化する温度で、金型２１の凹凸が形成されている面と透明層２２の上面とを合わせて金型２１を上からプレスすることにより、透明層２２に、金型２１の凹凸と逆の凹凸を反映させる。そして、図１５（ｃ）に示す工程で、金型２１を透明層２２と分離すると、透明層２２の表面には、２次元周期構造に配列する凹部２３が設けられている。プレスにより凹凸を形成する方法では、上述のフォトリソグラフィとエッチングといった半導体技術と異なって、非常に安価に微細構造が形成できるため、低コストで光取り出し効率の高い半導体発光素子を製造することができる。

以上のように本実施形態によって、光取り出し効率が高い半導体発光素子を、量産性良く提供できる。

また、上記の実施形態では加工が困難な窒化物系化合物半導体を用い、ＬＥＤ内から青色や紫色の短波長の光が発せられることに対応して凹凸の周期が小さくなり微細加工が困難な場合を特に記載しているが、半導体としてＡｌＧａＡｓ（屈折率３．６）やＡｌＧａＩｎＰ（屈折率３．５）を用いた赤外や赤色の半導体発光素子に対しても本発明の設計は適用可能である。ＬＥＤ内の波長は発振波長８５０ｎｍの赤外光の場合は約２４０ｎｍ、６２０ｎｍの赤色の場合は約１８０ｎｍとなる。従って、図８より凹凸の周期が赤外光の場合は１．６μｍ、赤色の場合は１．２μｍにおいて光取出し効率増加の効果が最大となる。このようにμｍオーダーの加工はサブμｍの加工より低コストで実現ができる。

上記のように、本発明は、窒化物系化合物半導体を用いた高効率な半導体発光素子を量産性高くかつ低価格で製造することができる点で産業上の利用可能性は高い。

本発明の第１の実施形態における半導体発光素子の構造を示す斜視図である。 （ａ）〜（ｄ）は、２次元周期構造の具体的な配置を示す斜視図および平面図である。 （ａ）, （ｂ）は、２次元周期構造の具体的な配置のうち方向によって配置の間隔が異なる構造を示す斜視図である。 （ａ）, （ｂ）は、２次元周期構造の具体的な配置のうち方向によって配置の間隔が異なる構造を示す斜視図である。 （ａ）, （ｂ）は、２次元周期構造が電極の一部のみに設けられている構造を示す斜視図である。 （ａ）, （ｂ）は、２次元周期構造に配置する凸部の形状の具体的な種類を示す斜視図および平面図ある。 （ａ）〜（ｄ）は、２次元周期構造に凹部が配置する構造を示す斜視図および平面図である。 第１の実施形態において、凹凸の周期と光取り出し効率との関係を理論計算した結果を示すグラフ図である。 第１の実施形態において、凹凸の周期と光取り出し効率との関係を、凹凸の高さを変化させて理論計算した結果を示すグラフ図である。 第１の実施形態において、発光波長が４５０ｎｍであるＬＥＤにおける凹凸の高さと光取り出し効率の関係を示すグラフ図である。 光取り出し効率と、活性層から凹凸までの距離との関係を示すグラフ図である。 第１の実施形態の半導体発光素子の特性を示すグラフ図であり、（ａ）は電流−電圧特性を、（ｂ）は電流−光出力特性を示す。 本発明の第２の実施形態における半導体発光素子の構造を示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態における半導体発光素子の構造を示す斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は、プレスによって透明層を形成する工程を示す斜視図である。 先行技術文献１の図１０に開示されている従来の窒化物系化合物半導体ＬＥＤの構造を示す斜視図である。 先行技術文献１の図５に開示されている従来の窒化物系化合物半導体ＬＥＤの構造を示す斜視図である。

符号の説明

１ サファイア基板
２ ｎ型ＧａＮ層
３ ＩｎＧａＮ活性層
４ ｐ型ＧａＮ層
５ ＩＴＯ透明電極
６ ｎ側電極
７ ｐ側ボンディング電極
８ 溝
９ 透明層
１１ 凸部
１２ 凹部
２０ 発光ダイオード
２１ 金型
２２ 透明層
２３ 凹部

Claims (17)

1. 窒化物を含み、活性層を有する半導体多層膜と、
   前記半導体多層膜の上に設けられ、上面に２次元周期構造の凹凸を有し、前記活性層からの光を前記凹凸において回折して前記半導体多層膜の外部に導く透明層と
   を有する素子を備える、半導体発光素子。
2. 前記凹凸の凹部と前記活性層との距離をＤとし、前記活性層からの光の前記素子中における波長をλとしたとき、Ｄ≦５λである、請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記凹凸の周期をＬとし、前記活性層からの光の前記素子中における波長をλとしたとき、λ≦Ｌ≦２０λである、請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 前記凹凸の高さをｈとし、前記活性層からの光の前記素子中における波長をλとしたとき、ｈ≦５λである、請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の半導体発光素子。
5. 前記透明層は、第１の窒化物半導体層であって、前記第１の窒化物半導体層の上には電極層がさらに設けられている、請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の半導体発光素子。
6. 前記電極層の上面には、前記第１の窒化物半導体層の上面における前記凹凸を反映した凹凸が設けられている、請求項５に記載の半導体発光素子。
7. 前記電極層は、膜厚５０ｎｍ以下の金属もしくは金属酸化物である、請求項５または６に記載の半導体発光素子。
8. 前記電極層は、インジウム錫酸化物である、請求項５〜７のうちいずれか１項に記載の半導体発光素子。
9. 前記半導体多層膜は、前記活性層の上に設けられた第１導電型の窒化物半導体層と、
   前記活性層の下に設けられた第２導電型の窒化物半導体層とをさらに有し、
   前記透明層は、前記第１導電型の窒化物半導体層の上に設けられた電極層を有する、請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の半導体発光素子。
10. 前記電極層の上面には、前記２次元周期構造の凹凸が設けられている、請求項９に記載の半導体発光素子。
11. 前記透明層は、前記電極層の上に設けられ、前記２次元周期構造の凹凸を有する層をさらに有する、請求項９または１０に記載の半導体発光素子。
12. 前記電極層は、膜厚５０ｎｍ以下の金属もしくは金属酸化物である、請求項９〜１１のうちいずれか１項に記載の半導体発光素子。
13. 前記電極層は、インジウム錫酸化物である、請求項９〜１２のうちいずれか１項に記載の半導体発光素子。
14. 前記２次元周期構造の凹凸を有する層は樹脂よりなる、請求項１１に記載の半導体発光素子。
15. プレス加工により前記凹凸を形成した、請求項１４に記載の半導体発光素子。
16. 前記透明層における前記凹凸の凸部の上面は平坦である、請求項１〜１５のうちいずれか１項に記載の半導体発光素子。
17. 窒化物を含み、活性層を有する半導体多層膜と、前記半導体多層膜の上に設けられた透明層とを有する半導体発光素子の製造方法であって、
    前記半導体多層膜の上に、前記透明層を形成する工程（ａ）と、
    前記工程（ａ）の後に、前記透明層の上面を、表面に２次元周期構造の凹凸が設けられた金型に押圧することにより、前記透明層の上面に、前記金型における前記凹凸を反転した凹凸を形成する工程（ｂ）と
    を備える半導体発光素子の製造方法。

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