JP2007220973A - 半導体発光素子及びその製造方法、並びにランプ - Google Patents

Abstract

【課題】光取り出し効率に優れ、且つ波長ムラの少ない半導体発光素子及びその製造方法、並びにランプを提供する。
【解決手段】ｎ型半導体層１２、発光層１３、ｐ型半導体層１４、酸化チタン系導電膜層１５がこの順で積層された発光素子であって、酸化チタン系導電膜層１５表面の少なくとも一部に無秩序な凹凸面が形成された構成としている。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体発光素子に関し、特に、光取り出し効率に優れた半導体発光素子及びその製造方法、並びにランプに関する。

近年、短波長光発光素子用の半導体材料として窒化物系半導体であるＧａＮ系化合物半導体材料が注目を集めている。ＧａＮ系化合物半導体は、サファイア単結晶をはじめ、種々の酸化物やＩＩＩ−Ｖ族化合物を基板として、この基板上に有機金属気相化学反応法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）等によって形成される。

一般的なＧａＮ系化合物半導体発光素子の構造として、サファイア単結晶基板を用いた場合、ｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層がこの順で積層される。サファイア基板は絶縁体であるので、その素子構造は一般的に、図１に示すような、ｐ型半導体層上に形成された正極とｎ型半導体層上に形成された負極が同一面上に存在する構造となる。このようなＧａＮ系化合物半導体発光素子には、透明電極を正極に使用してｐ型半導体側から光を取り出すフェイスアップ方式、Ａｇなどの高反射膜を正極に使用してサファイア基板側から光を取り出すフリップチップ方式の２種類がある。

ｐ型半導体上に透明電極を設ける場合、従来はＮｉ／Ａｕ等からなる金属透明電極が使用されていたが、発光素子の光取り出し効率を向上させるため、近年ではＩＴＯ等の透光性導電酸化膜が産業レベルで実用化され、積極的に用いられるようになっている。

このような発光素子の出力を向上させるための指標として、外部量子効率が用いられる。この外部量子効率が高ければ、出力の高い発光素子と言うことができる。
外部量子効率は、内部量子効率と光取り出し効率を掛け合わせたものとして表される。内部量子効率とは、素子に注入した電流のエネルギーのうち、光に変換される割合である。一方。光取り出し効率とは、半導体結晶内部で発生した光のうち、外部に取り出すことができる割合である。

光取り出し効率を向上させるためには、主として２通りの方法がある。一つは、光取り出し面に形成される電極、保護膜などによる発光波長の吸収を低減させる方法が挙げられる。もう一つは、化合物半導体、電極、保護膜等、屈折率が異なる材料同士の界面で発生する反射損失を低減させる方法が挙げられる。

ここで、Ｎｉ／Ａｕ等の金属透明電極が、ＩＴＯ等の透光性導電酸化膜に置き替わった理由の一つとして、透光性導電酸化膜を用いることによって発光波長の吸収を低減させることができたことが挙げられる。

屈折率が異なる材料同士の界面で発生する反射損失を低減させる方法としては、光取り出し面に凹凸加工を施す技術が挙げられ、凹凸加工を施す方法として、化合物半導体そのものに凹凸加工を施した発光素子が提案されている（例えば、特許文献１）。

しかしながら、特許文献１に記載の発光素子では、半導体材料に加工を施すために半導体層に負荷を掛け、ダメージを残してしまう。このため、光取り出し効率は向上するものの、内部量子効率が低下していまい、発光強度を増加させることができないという問題がある。

特許文献１に記載の発光素子のように、透光性導電酸化膜に凹凸を施すことで、発光素子の光取り出し効率を向上させることができる。この場合、透光性導電酸化膜は、本来の電流拡散層としての役割に加え、光取り出し層としての役割も担うことになる。
しかしながら、ＩＴＯの屈折率は１．９とＧａＮ系化合物半導体の２．６に比べて小さいので、ＩＴＯとＧａＮ系化合物半導体の界面で全反射が生じてしまい、充分に光を取り出すことができないという問題がある。

酸化チタンは、波長によっても異なるが、屈折率が２．６（波長４５０ｎｍ）とＧａＮ系化合物半導体とほぼ同じ屈折率を有している。酸化チタンは絶縁体であるが、近年、Ｎｂなどを添加することにより、導電体化することが明らかとなっている（非特許文献１を参照）。
導電性を有する酸化チタンを透明電極に使用し、ＧａＮ系化合物半導体の表面には凹凸を形成せず、酸化チタンの表面に凹凸を形成することにより、発光素子の光取り出し効率を容易に向上させることができる。
特許第２８３６６８７号公報 アメリカン・インスティテュート・オブ・フィジックス（Ａｍｅｒｉｃａｎ ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ）「ア・トランスペアレント・メタル：Ｎｂ−ドープ・アナテーゼ ＴｉＯ２（Ａ Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｍｅｔａｌ：Ｎｂ−Ｄｏｐｅｄ ａｎａｔａｓｅ ＴｉＯ２）」、アプライド・フィジックス・レター｛Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ ８６，２５２１０１（２００５）｝，（アメリカ合衆国），２００５年６月２０日，ｐ２５２１０１−２５２１０３

しかしながら、半導体層表面に、凹凸パターン等の粗面加工を施す場合、微細なマスクパターニング方法等が要求されることから、工程上、煩雑な手順を踏む必要があり、製造効率が低下する虞がある。
また、マスクパターニング方法によって形成された凹凸パターンは干渉効果を生じるため、ある特定の発光波長が強調されてしまうという問題があった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、光取り出し効率に優れ、且つ波長ムラの少ない半導体発光素子及びその製造方法、並びにランプを提供することを目的とする。

本発明者は、上記問題を解決するために鋭意検討した結果、本発明を完成した。
即ち、本発明は以下に関する。

［１］ ｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層、酸化チタン系導電膜層がこの順で積層された半導体発光素子であって、前記酸化チタン系導電膜層表面の少なくとも一部に無秩序な凹凸面が形成されてなることを特徴とする半導体発光素子。
［２］ 前記酸化チタン系導電膜層表面に形成された無秩序な凹凸面における凸部間の平均距離が、凸部中心間距離で０．０１μｍ〜３μｍの範囲であることを特徴とする［１］に記載の半導体発光素子。
［３］ 前記酸化チタン系導電膜層表面に形成された無秩序な凹凸面における凸部間の平均距離が、凸部中心間距離で０．０５μｍ〜１．５μｍの範囲であることを特徴とする［１］に記載の半導体発光素子。
［４］ 前記凸部中心間距離の平均値に対する各凸部中心間距離の標準偏差が１０％〜８０％の範囲であることを特徴とする［２］又は［３］に記載の半導体発光素子。
［５］ 前記酸化チタン系導電膜が、Ｔｉと、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｂの群から選択される少なくとも１種類以上の元素とを含む酸化物であることを特徴とする［１］〜［４］の何れか１項に記載の半導体発光素子。
［６］ 前記半導体発光素子が窒化物系半導体発光素子であることを特徴とする［１］〜［５］の何れか１項に記載の半導体発光素子。
［７］ 前記窒化物系半導体発光素子がＧａＮ系半導体発光素子であることを特徴とする［６］に記載の半導体発光素子。

［８］ 下記（１）〜（３）の工程を含んでなることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
（１）基板上に、半導体からなるｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層と、酸化チタン系導電膜層とを、この順序で積層する工程。
（２）酸化チタン系導電膜層表面上に金属微粒子からなるマスクを形成する工程。
（３）該マスク上から酸化チタン系導電膜表面をエッチングする工程。
［９］ 前記工程（２）が、前記酸化チタン系導電膜層表面に金属薄膜を形成する工程および該金属薄膜形成後の熱処理工程からなることを特徴とする［８］に記載の半導体発光素子の製造方法。
［１０］ 前記工程（３）は、前記酸化チタン系導電膜層表面の少なくとも一部に、ドライエッチングによって凹凸面を形成することを特徴とする［８］又は［９］に記載の半導体発光素子の製造方法。
［１１］ 前記工程（３）は、前記酸化チタン系導電膜層表面の少なくとも一部に、ウェットエッチングによって凹凸面を形成することを特徴とする［８］又は［９］に記載の半導体発光素子の製造方法。
［１２］ 前記マスクをなす金属微粒子が、Ｎｉ、もしくはＮｉ合金であることを特徴とする［８］〜［１１］の何れか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
［１３］ 前記マスクをなす金属微粒子が、１００℃〜４５０℃の温度範囲に融点をもつ低融点金属、もしくは低融点合金であることを特徴とする［８］〜［１２］の何れか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
［１４］ 前記マスクをなす金属微粒子が、Ｎｉ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｃｄ、Ｉｎの群から選択される低融点金属か、又は、これらの金属の内の少なくとも１種以上を含有した低融点合金であることを特徴とする［８］〜［１３］の何れか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。

［１５］ 上記［１］〜［７］の何れか１項に記載の半導体発光素子を備えたことを特徴とするランプ。
［１６］ 上記［８］〜［１４］の何れか１項に記載の製造方法によって得られる半導体発光素子を備えたことを特徴とするランプ。

本発明の半導体発光素子によれば、酸化チタン系導電膜層表面の少なくとも一部に無秩序な凹凸面が形成されてなる構成とされていることにより、光取り出し効率に優れ、且つ波長ムラの少ない半導体発光素子が得られる。
また、本発明の半導体発光素子を用いてランプ形状に加工する場合には、ランプに用いられる樹脂の特性に応じて集光性を高めることができるため、発光出力の高いランプを得ることができる。
また、本発明の半導体発光素子の製造方法において、凹凸面を形成する粗面加工処理は、特に下記（１）〜（３）に示すような効果を奏する。
（１）一定範囲のバラつきをもった凹凸面を形成することにより、干渉効果を抑え、波長ムラの少ない半導体発光素子を作製することが出来る。
（２）金属微粒子マスクを用いて凹凸面を形成するため、高度なマスクパターニング工程等が不要であり、簡便且つ安価に粗面化微細加工領域を形成することが可能である。
（３）酸化チタン系導電膜層表面に凹凸面を形成するため、半導体層にダメージを与えることなく半導体発光素子を製造することが可能である。

以下に、本発明の半導体発光素子及びそれを用いたランプの一実施形態について、図１〜５を適宜参照しながら説明する。
但し、本発明は以下の実施形態の各々に限定されるものではなく、例えば、これら実施形態の構成要素同士を適宜組み合わせても良い。

［半導体発光素子の全体構成］
図１は本発明の半導体発光素子の断面を模式的に示した図である。
図１において、符号１１は基板、１２はｎ型半導体層、１３は発光層、１４はｐ型半導体層、１５は酸化チタン系導電膜、１６は光触媒反応防止層、１７は正極、１８は負極である。
本実施形態の半導体発光素子１は、透明電極として酸化チタン系導電膜層１５が用いられており、図１に示すように、該酸化チタン系導電膜層１５表面の少なくとも一部に無秩序な凹凸面が形成されて概略構成されている。

本発明の酸化チタン系導電膜は、図１に示す例のように、ｐ型半導体層１４の直上、あるいはｐ型半導体層１４上に図示略の金属層等を介して形成される。
また、本発明の光触媒反応防止層は、酸化チタン系導電膜１５の直上か、あるいは、酸化チタン系導電膜１５との間に他の透明膜（図示略）などを挟んだ上に、酸化チタン系導電膜１５を覆うように形成される。
以下、本実施形態の半導体発光素子１について詳述する。

（基板）
基板１１としては、サファイア単結晶（Ａｌ_２Ｏ_３；Ａ面、Ｃ面、Ｍ面、Ｒ面）、スピネル単結晶（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ_２単結晶、ＬｉＧａＯ_２単結晶、ＭｇＯ単結晶等の酸化物単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＧａＮ単結晶及びＺｒＢ_２等のホウ化物単結晶、等の基板材料が周知である。本発明においても、これら周知の基板材料を含めて、如何なる基板材料を何ら制限なく用いることができる。これらの中でも、サファイア単結晶及びＳｉＣ単結晶が特に好ましい。
なお、基板の面方位は特に限定されない。また、ジャスト基板でも良いしオフ角を付与した基板であっても良い。

（窒化物系化合物半導体）
上述の基板１１上には、通常、図示略のバッファ層を介して、窒化物系化合物半導体からなるｎ型半導体層１２、発光層１３およびｐ型半導体層１４が積層される。また、使用する基板やエピタキシャル層の成長条件によっては、バッファ層が不要である場合がある。

窒化物系化合物半導体としては、例えば一般式Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＮ_１−ＡＭ_Ａ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１で且つ、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）とは別の第Ｖ族元素を表し、０≦Ａ＜１である。）で表わされる窒化物系化合物半導体が多数知られており、本発明においても、それら周知の窒化物系化合物半導体を含めて一般式Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＮ_１−ＡＭ_Ａ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１で且つ、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）とは別の第Ｖ族元素を表し、０≦Ａ＜１である。）で表わされる窒化ガリウム系化合物半導体を何ら制限なく用いることができる。

窒化物系化合物半導体は、Ａｌ、ＧａおよびＩｎ以外に他のＩＩＩ族元素を含有することができ、必要に応じてＧｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｐ、Ａｓ及びＢなどの元素を含有することもできる。さらに、意図的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含む場合もある。

窒化物系化合物半導体の成長方法は特に限定されず、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）等、窒化物半導体を成長させることが知られている全ての方法を適用できる。好ましい成長方法としては、膜厚制御性、量産性の観点からＭＯＣＶＤ法である。
ＭＯＣＶＤ法では、キャリアガスとして水素（Ｈ_２）または窒素（Ｎ_２）、ＩＩＩ族原料であるＧａ源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）またはトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）またはトリエチルインジウム（ＴＥＩ）、Ｖ族原料であるＮ源としてアンモニア（ＮＨ_３）、ヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_４）などが用いられる。また、ドーパントとしては、ｎ型にはＳｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ_４）またはジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）を、Ｇｅ原料としてゲルマンガス（ＧｅＨ_４）や、テトラメチルゲルマニウム（（ＣＨ_３）_４Ｇｅ）やテトラエチルゲルマニウム（（Ｃ_２Ｈ_５）_４Ｇｅ）等の有機ゲルマニウム化合物を利用できる。
ＭＢＥ法では、元素状のゲルマニウムもドーピング源として利用できる。ｐ型にはＭｇ原料としては例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）またはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ_２Ｍｇ）を用いる。

ｎ型半導体層１２は、通常、下地層、ｎコンタクト層およびｎクラッド層から構成される。ｎコンタクト層は下地層および／またはｎクラッド層を兼ねることができる。
下地層はＡｌ_ＸＧａ_１―ＸＮ層（０≦ｘ≦１、好ましくは０≦ｘ≦０．５、さらに好ましくは０≦ｘ≦０．１）から構成されることが好ましい。下地層の膜厚は０．１μｍ以上が好ましく、より好ましくは０．５μｍ以上であり、１μｍ以上が最も好ましい。膜厚を１μｍ以上とすることにより、結晶性の良好なＡｌ_ＸＧａ_１―ＸＮ層が得られやすくなる。

下地層には、ｎ型不純物を１×１０^１７〜１×１０^１９／ｃｍ^３の範囲内であればドープしても良いが、アンドープ（＜１×１０^１７／ｃｍ^３）の方が、良好な結晶性を維持する点から好ましい。ｎ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎ等が挙げられ、好ましくはＳｉおよびＧｅである。

下地層を成長させる際の成長温度は、８００〜１２００℃が好ましく、１０００〜１２００℃の範囲に調整することがより好ましい。この温度範囲内で成長させれば、結晶性の良い下地層が得られる。また、ＭＯＣＶＤ成長炉内の圧力は１５〜４０ｋＰａに調整することが好ましい。

ｎコンタクト層としては、下地層と同様にＡｌ_ＸＧａ_１―ＸＮ層（０≦ｘ≦１、好ましくは０≦ｘ≦０．５、さらに好ましくは０≦ｘ≦０．１）から構成されることが好ましい。また、ｎ型不純物がドープされていることが好ましく、ｎ型不純物を１×１０^１７〜１×１０^１９／ｃｍ^３、好ましくは１×１０^１８〜１×１０^１９／ｃｍ^３の濃度で含有すると、負極との良好なオーミック接触の維持、クラック発生の抑制、良好な結晶性の維持の点で好ましい。ｎ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ及びＳｎ等が挙げられ、好ましくはＳｉおよびＧｅである。成長温度は下地層と同様である。

ｎコンタクト層を構成する窒化物系化合物半導体は、下地層と同一組成であることが好ましく、これらの合計の膜厚を１〜２０μｍ、好ましくは２〜１５μｍ、さらに好ましくは３〜１２μｍの範囲に設定することが好ましい。ｎコンタクト層と下地層との合計の膜厚がこの範囲であると、半導体の結晶性が良好に維持される。

ｎコンタクト層と発光層１３との間には、ｎクラッド層を設けることが好ましい。ｎクラッド層を設けることにより、ｎコンタクト層の最表面に生じた、平坦性の悪化した箇所を埋めることできる。ｎクラッド層はＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮ等によって形成することが可能である。また、これらの構造のヘテロ接合や複数回積層した超格子構造としてもよい。ＧａＩｎＮとする場合には、発光層のＧａＩｎＮのバンドギャップよりも大きくすることが望ましいことは言うまでもない。

ｎクラッド層の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは０．００５〜０．５μｍの範囲であり、より好ましくは０．００５〜０．１μｍの範囲である。
また、ｎクラッド層のｎ型ドープ濃度は１×１０^１７〜１×１０^２０／ｃｍ^３の範囲が好ましく、より好ましくは１×１０^１８〜１×１０^１９／ｃｍ^３の範囲である。ドープ濃度がこの範囲であると、良好な結晶性の維持および発光素子の動作電圧低減の点で好ましい。

ｎ型半導体層１２上に積層される発光層１３としては、窒化物系化合物半導体、好ましくはＧａ_１−ｓＩｎ_ｓＮ（０＜ｓ＜０．４）の窒化物系化合物半導体からなる発光層が通常用いられる。
発光層１３の膜厚としては、特に限定されないが、量子効果の得られる程度の膜厚、即ち臨界膜厚が好ましく、例えば１〜１０ｎｍの範囲であり、より好ましくは２〜６ｎｍの範囲である。膜厚が上記範囲であると、発光出力の点で好ましい。
また、発光層は、上記のような単一量子井戸（ＳＱＷ）構造の他、上記Ｇａ_１−ｓＩｎ_ｓＮを井戸層として、この井戸層よりバンドギャップエネルギーが大きいＡｌ_ｃＧａ_１−ｃＮ（０≦ｃ＜０．３かつｂ＞ｃ）障壁層とからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造としてもよい。また、井戸層および障壁層には、不純物をドープしてもよい。

Ａｌ_ｃＧａ_１−ｃＮ障璧層の成長温度は７００℃以上が好ましく、８００〜１１００℃の温度で成長させると結晶性が良好になるため、より好ましい。また、ＧａＩｎＮ井戸層は６００〜９００℃、好ましくは７００〜９００℃の温度で成長させる。すなわちＭＱＷの結晶性を良好にするためには、層間で成長温度を変化させることが好ましい。

ｐ型半導体層１４は、通常、ｐクラッド層およびｐコンタクト層から構成される。しかし、ｐコンタクト層がｐクラッド層を兼ねてもよい。
ｐクラッド層としては、発光層のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、発光層１３へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、好ましくは、Ａｌ_ｄＧａ_１−ｄＮ（０＜ｄ≦０．４、好ましくは０．１≦ｄ≦０．３）のものが挙げられる。ｐクラッド層が、このようなＡｌＧａＮからなると、発光層１３へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。
ｐクラッド層の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは１〜４００ｎｍであり、より好ましくは５〜１００ｎｍである。
ｐクラッド層のｐ型ドープ濃度は、１×１０^１８〜１×１０^２１／ｃｍ^３が好ましく、より好ましくは１×１０^１９〜１×１０^２０／ｃｍ^３である。ｐ型ドープ濃度が上記範囲であると、結晶性を低下させることなく良好なｐ型結晶が得られる。

ｐコンタクト層としては、少なくともＡｌ_ｅＧａ_１−ｅＮ（０≦ｅ＜０．５、好ましくは０≦ｅ≦０．２、より好ましくは０≦ｅ≦０．１）を含んでなる窒化物系化合物半導体層である。Ａｌ組成が上記範囲であると、良好な結晶性の維持およびｐオーミック電極との良好なオーミック接触の点で好ましい。
また、ｐ型ドーパントを１×１０^１８〜１×１０^２１／ｃｍ^３の範囲の濃度で含有していると、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましく、より好ましくは５×１０^１９〜５×１０^２０／ｃｍ^３の範囲である。
ｐ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、好ましくはＭｇが挙げられる。
ｐコンタクト層の膜厚は、特に限定されないが、０．０１〜０．５μｍが好ましく、より好ましくは０．０５〜０．２μｍである。膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。

なお、発光素子にはＧａＮ系半導体が用いられることが一般的であるが、この他に、ＺｎＯ、Ｇａ_２Ｏ_３等からなる半導体発光素子を用いることも可能である。

（酸化チタン系導電膜層）
本発明の酸化チタン系導電膜層は、図１に示す例（符号１５参照）のように、ｐ型半導体層１４の直上、あるいはｐ型半導体層１４上に金属層等を介して形成される。
また、本発明の酸化チタン系導電膜層は、図１及び図２に示す例（符号１５、２５参照）のように、表面の少なくとも一部に無秩序な凹凸面が形成されてなる。

酸化チタン系導電膜層１５とｐ型半導体層１４との間に金属層を配した場合には、発光素子の駆動電圧（Ｖｆ）を低減させることができるが、透過率が減少して出力を低下させてしまう。従って、発光素子の用途などに応じて駆動電圧（Ｖｆ）と出力のバランスを取り、酸化チタン系導電膜層１５とｐ型半導体層１４との間に金属層などを配するかどうか適宜判断される。ここで用いられる金属層としては、ＮｉやＮｉ酸化物、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｒｅ、Ｏｓ等からなるものを用いることが好ましい。

酸化チタン系導電膜層には、Ｔｉと、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｂから選択される少なくとも１種類の元素とを含む酸化物を用いることができる。
この場合の酸化チタン系導電膜層の組成としては、Ｔｉ_１−ｘＡ_ｘＯ_２（Ａ＝Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｂ）とされたものを用いることが好ましい。また、この組成において、Ｘは１〜２０ａｔ％の範囲とすることが好ましい。Ｘ＝１ａｔ％未満であると、添加効果が小さく、良好な導電性が得られない。また、Ｘ＝２０ａｔ％を超えると、３００〜５５０ｎｍの波長における透過率が低下するため、発光素子の出力を低下させてしまう。さらに好ましくは、Ｘ＝２〜１０ａｔ％の範囲である。

酸化チタン系導電膜層にＴｉ_１−ｘＡ_ｘＯ_２を用いる場合、酸素組成によっても導電性が変化する。好ましくは、酸素欠損状態である方が、導電性が向上する。酸素欠損状態の作り方としては、金属を用いた酸素との反応性蒸着、あるいは反応性スパッタで酸素量を調整する方法や、酸素欠損状態にある金属酸化物タブレットまたはターゲットを用いる方法、及び、酸化チタン系導電膜層成膜後にＮ_２やＨ_２などの還元性雰囲気でアニールを行う方法等、様々な方法を用いることができる。

酸化チタン系導電膜層の成膜には、蒸着法、スパッタ法、ＰＬＤ法、ＣＶＤ法など何れの方法も用いることができる。

蒸着法を用いる場合、Ｔｉ_１−ｘＡ_ｘＯ_２（Ａ＝Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｂ）のタブレットを用いて、抵抗加熱やＥＢ加熱等の何れの方法を用いても成膜することができる。
また、それぞれの単体金属酸化物を、別々の蒸着源として成膜することも可能である。この方法を用いることにより、組成制御が容易になる利点がある。例えば、ＴｉＯ_２とＴａ_２Ｏ_５をそれぞれ別々の蒸着源で成膜し、任意のＴｉ_１−ｘＴａ_ｘＯ_２組成を作製することができる。
さらに、単体金属や合金金属を使用し、酸素ガスを導入して、プラズマ等を用いて反応性成膜をすることも可能である。例えば、ＴｉとＴａを別々の蒸着源で蒸発させ、プラズマでＴｉとＴａを酸素ガスと反応させてＴｉ_１−ｘＴａ_ｘＯ_２組成を作製することができる。また、密着性や緻密さを向上させるため、基板加熱やイオンアシストを用いても良い。

スパッタ法を用いる場合、Ｔｉ_１−ｘＡ_ｘＯ_２（Ａ＝Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｂ）のターゲットを用いて、ＲＦ、ＤＣ等の何れの方法を用いても成膜することができる。
また、それぞれの単体金属酸化物を別々のターゲットとして成膜することも可能である。この方法を用いることにより、組成制御が容易になる利点がある。例えば、ＴｉＯ_２とＴａ_２Ｏ_５を、それぞれ別々のターゲットで成膜し、任意のＴｉ_１−ｘＴａ_ｘＯ_２組成を作製することができる。
さらに、単体金属や合金金属を使用し、酸素ガスを導入して、反応性スパッタリング成膜をすることも可能である。例えば、ＴｉとＴａを別々のターゲットで放電させ、プラズマ中でＴｉとＴａを酸素ガスと反応させてＴｉ_１−ｘＴａ_ｘＯ_２組成を作製することができる。また、密着性や緻密さを向上させるため、基板加熱やバイアスを用いても良い。

酸化チタン系導電膜層の結晶構造は特に限定されないが、アナターゼ型である方が、導電性が良好であるので好ましい。しかしながら、アナターゼ型は光触媒反応性が最も高い結晶構造であるので、光触媒反応防止層には、より緻密な膜であることが必要とされる。

酸化チタン系導電膜層の膜厚は、特に限定されるものではないが、１０ｎｍ〜１０μｍ（１００００ｎｍ）の範囲であることが好ましい。酸化チタン系導電膜層の膜厚が１０ｎｍ未満であると、薄すぎて充分な導電性が得られない。また、酸化チタン系導電膜層の膜厚の上限は特に限定されないが、生産性の点から１０μｍが上限と考えられる。

（光触媒反応防止層）
本発明の光触媒反応防止層は、図１に示す例（符号１６参照）のように、酸化チタン系導電膜１５の直上か、あるいは、酸化チタン系導電膜１５との間に他の透明膜等を介して形成される。また、図１に示す光触媒反応防止層１６の表面は、下層の酸化チタン系導電膜１５の表面の一部に無秩序な凹凸形状が形成されているのに伴い、その一部が凹凸面とされている。

一般的に良く知られるように、酸化チタンには光触媒作用があり、水や有機物を分解する特性を有している。光触媒作用は、空気浄化、水浄化、防汚、及び抗菌等の有用な効果を発揮するものとして広く産業に用いられているが、樹脂等の有機物によって封入され、ランプを構成する発光素子においては、封入された樹脂が分解されてしまい、発光素子に対して悪影響を及ぼしてしまうという問題がある。

光触媒は、無添加の酸化チタンでは３８０ｎｍ以下の波長で、窒素やタングステンが添加された酸化チタンでは５００ｎｍの波長まで、光触媒作用があることが知られている。また、光触媒作用が発現するには数十μＷ／ｃｍ^２以上の光量が必要であることが知られている。従って、３００〜５５０ｎｍの発光波長を有する発光素子において酸化チタンを用いた場合、極めて光触媒作用が発現しやすい状況になる。さらに、ＧａＮ系発光素子において酸化チタンを用いた場合には、３００μｍ角の素子から１０ｍＷ程度の発光強度が得られることから明らかなように、１Ｗ／ｃｍ^２と極めて高い光量下での使用となる。

なお、発光波長が５５０ｎｍの発光素子の場合、ピーク波長が５５０ｎｍとなるが、多くの発光素子は一定幅の波長分布を有しているので、ピーク波長が５５０ｎｍの発光素子でも５００ｎｍの波長を有していることが多い。また、ピーク波長がいくつか存在している発光素子の場合は、そのうちの何れかのピーク波長が３００〜５５０ｎｍの範囲に存在していると、酸化チタンの光触媒作用が発現しやすい状況となり、上述のような封入樹脂の分解等の問題が生じる虞がある。

本発明では、上述のような光触媒作用を防止するため、光触媒反応防止層１６が備えられている。
光触媒反応防止層１６は、側面からの光触媒作用を防止するため、酸化チタン系導電膜１５の側面を覆うように形成されていることが好ましい。
さらに、図２に示す半導体発光素子２のように、光触媒反応防止層２６が、ｎ型半導体層２２、発光層２３、ｐ型半導体層２４の側面、及びｐ型半導体層２４の上面外周部を覆うようにすれば、光触媒反応防止層２６とｐ型半導体層２４界面からの水分等の浸入による光触媒作用を防止できるのでさらに好ましい。また、正極２７と酸化チタン系導電膜２５との接合部からの、正極２７側面への光触媒作用を防止するため、図示例のように、光触媒反応防止層２６が正極２７上面の外周部を覆うように形成されていることが好ましい。

なお、酸化チタン系導電膜と光触媒反応防止層の間には、上述したように、他の透明膜等を配した構成としても良い。特に、酸化チタン系導電膜の屈折率（屈折率２．６）と、光触媒反応防止層の屈折率の間の数値の屈折率を有する透明膜を配することが、光取り出し効率を向上させる点で好ましい。
例えば、光触媒反応防止層にＳｉＯ_２（屈折率１．５）、Ａｌ_２Ｏ_３（屈折率１．６）を用いる場合、透明膜として、ＣｅＯ_２（屈折率２．２）、ＨｆＯ_２（屈折率１．９）、ＭｇＯ（屈折率１．７）、ＩＴＯ（屈折率１．９）、Ｎｂ_２Ｏ_５（屈折率２．３）、Ｔａ_２Ｏ_５（屈折率２．２）、Ｙ_２Ｏ_３（屈折率１．９）、ＺｎＯ（屈折率２．１）、ＺｒＯ_２（屈折率２．１）等を使用することができる。

本発明の光触媒反応防止層は、光触媒作用を防止する役割に加え、光を透過させる性質も合わせて有する。
本発明の光触媒反応防止層は、３００〜５５０ｎｍの範囲の波長において、８０％以上の透過率を有する透光性物質からなることが好ましい。
また、光触媒反応防止層には、絶縁性透明膜、あるいは導電性透明膜の何れも用いることができる。

光触媒反応防止層として用いる絶縁性透明膜には、絶縁性を有するとともに、３００〜５５０ｎｍの範囲の波長において、８０％以上の透過率を有していれば、どのような物質でも使用可能であるが、酸化シリコン（例えば、ＳｉＯ_２）、酸化アルミニウム（例えば、Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ハフニウム（例えば、ＨｆＯ_２）、酸化ニオブ（例えば、Ｎｂ_２Ｏ_５）、酸化タンタル（例えば、Ｔａ_２Ｏ_５）、窒化シリコン（例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４）、窒化アルミニウム（例えば、ＡｌＮ）等を用いることが好ましい。さらにＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３を用いることが、ＣＶＤ成膜で緻密な膜が容易に作製できることから好ましい。ＣＶＤ法でＡｌ_２Ｏ_３を成膜することにより、高温高湿下での信頼性がより向上するので、さらに好ましい。

ＣＶＤでＳｉＯ_２を成膜する場合は、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）、ＴＭＳ（トリメトキシシラン）、ＳｉＨ_４などを原料として用いることができる。
また、ＣＶＤでＡｌ_２Ｏ_３を成膜する場合は、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＤＭＡ（ジメチルアルミニウム）、アルコキシ化合物（イソプロポキシジメチルアルミニウム、ｓｅｃ−ブトキシジメチルアルミニウム、イソプロポキシジエチルアルミニウム、ｔｅｒｔ−ブトキシジメチルアルミニウム）などを原料として用いることができる。

光触媒反応防止層として用いる導電性透明膜には、導電性を有するとともに、３００〜５５０ｎｍの範囲の波長において８０％以上の透過率を有していれば、どのような物質でも使用可能であるが、ＩＴＯ（Ｉｎ_２Ｏ_３−ＳｎＯ_２）、ＡＺＯ（ＺｎＯ−Ａｌ_２Ｏ_３），ＩＺＯ（Ｉｎ_２Ｏ_３−ＺｎＯ），ＧＺＯ（ＺｎＯ−Ｇａ_２Ｏ_３）等を用いることが好ましい。
さらに、導電性透明膜を用いた場合、図３に示す半導体発光素子３のように、光触媒反応防止層３６とｐ型半導体３４との導通部分が、光触媒反応防止層３６をなす導電性透明膜の接触部分だけ増加するので、駆動電圧（Ｖｆ）の低減に有利である。

ＩＴＯ、及びＩＺＯの屈折率は１．９、ＡＺＯ、及びＧＺＯの屈折率は２．１であるので、上述したように光取り出し効率の向上に有利である。さらに、酸化チタン系導電膜の表面に凹凸が形成されていれば、酸化チタン系導電膜と導電性透明膜との界面の全反射が低減するので、より一層、光取り出し効率が向上する。

また、光触媒反応防止層に導電性透明膜を用いた場合、発光層、ｎ型半導体層まで覆うことは出来ないので、さらに、導電性透明膜上に絶縁性透明膜を、発光層、ｎ型半導体層を覆うように形成しても良い。

また、光触媒反応防止層は緻密な膜であることが必要である。上記酸化シリコン膜を作製するためには、ＳＯＧ（スピン・オン・グラス）等の液体塗布材料を用いる方法が用いられるが、この方法だと緻密な膜が作りにくいことと、アニールしても膜中に水分が残留してしまうことなどから、本発明の光触媒反応防止層には適さない。

光触媒反応防止層の成膜には、スパッタやＣＶＤなどの緻密な膜ができる成膜方法を用いることができる。特に、ＣＶＤを用いた方が、より緻密な膜ができるので好ましい。
光触媒反応防止層の膜厚は、特に限定されるものではないが、１０ｎｍ〜１０μｍ（１００００ｎｍ）の範囲であることが好ましい。光触媒反応防止層の膜厚が１０ｎｍ未満であると、薄すぎて水分などの浸入を防ぐことができない。また、光触媒反応防止層の膜厚の上限は、特に限定されないが、生産性の点から１０μｍが上限と考えられる。

また、酸化チタン系導電膜の光触媒作用は、酸化チタン系導電膜に、鉄、アルミニウム、マグネシウム、ジルコニウム等添加することでも弱めることができるので、これらの元素を添加した上で、上述の光触媒反応防止層を設けた構成としても良い。
但し、上述のような光触媒作用を弱める元素の添加量は、酸化チタン系導電膜の導電性と透過性を著しく損なうことの無い範囲とする必要がある。

（正極及び負極）
正極１７は、酸化チタン系導電膜１５上に設けられるボンディングパッドであり、図１に示す例では、光触媒反応防止層１６によって側面及び上面の周辺部が覆われている。
正極１７の材料としては、Ａｕ、Ａｌ、ＮｉおよびＣｕ等を用いた各種構造が周知であり、これら周知の材料、構造のものを何ら制限無く用いることができる。
正極１７の厚さは、１００〜１０μｍの範囲内であることが好ましい。また、ボンディングパッドの特性上、厚さが大きい方が、ボンダビリティーが高くなるため、正極１７の厚さは３００ｎｍ以上とすることがより好ましい。さらに、製造コストの観点から３μｍ以下とすることが好ましい。

負極１８は、図１に示す例のように、基板１１上に、ｎ型半導体層１２、発光層１３およびｐ型半導体層１４が順次積層された窒化ガリウム系化合物半導体の前記ｎ型半導体層１２に接するように形成されるボンディングパッドである。
このため、負極１８を形成する際は、発光層１３およびｐ型半導体層１４の一部を除去してｎ型半導体層１２のｎコンタクト層を露出させ、この上に負極１８を形成する。
負極１８の材料としては、各種組成および構造の負極が周知であり、これら周知の負極を何ら制限無く用いることができ、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。

［酸化チタン系導電膜層の表面に無秩序な凹凸を形成する方法］
酸化チタン系導電膜層の表面に無秩序な凹凸形状（図２の凸部２５ａを参照）を形成する方法としては、フォトリソグラフィー法やナノインプリント法を用いることも可能であるが、例えば、以下に示す（１）〜（３）の工程を含んだ方法が、低コストに凹凸を形成できる方法の１つとして挙げられる。
（１） 基板上に、半導体からなるｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層と、酸化チタン系導電膜層とを、この順序で積層する工程。
（２） 酸化チタン系導電膜層上に金属微粒子からなるマスクを形成する工程。
（３） 該マスク上から酸化チタン系導電膜層をエッチングする工程。
上記方法では、酸化チタン系導電膜層上への凹凸面の形成を、酸化チタン系導電膜層表面の凹凸面加工領域に金属微粒子からなるマスクを形成し、その上から酸化チタン系導電膜層をエッチングすることによって、無秩序な凹凸形成を行なうことができる。

まず、上記金属微粒子マスクの形状に関して説明する。
本例では、金属微粒子マスクの形状によって、酸化チタン系導電膜層上の凹凸形状が規定されるため、金属微粒子マスクの形状を制御する事で酸化チタン系導電膜層上の凹凸形状を制御することができる。特に、金属微粒子マスクの膜厚は、酸化チタン系導電膜層上の凹凸形状に大きく影響を及ぼす。

本実施形態では、上記工程（２）を、酸化チタン系導電膜層表面に金属薄膜を形成する工程、及び該金属薄膜形成後の熱処理工程から構成することができる。
金属微粒子マスクを形成する際に、酸化チタン系導電膜層表面上に形成する熱処理工程前の金属薄膜の膜厚は、０．００５μｍ〜１μｍの範囲であることが好ましい。
マスク材料やランプ化するときの封入樹脂材により、上記膜厚の最適値は異なるが、０．００５μｍ未満だとマスクとして機能せず、酸化チタン系導電膜層上に、光取り出しに効果的な凹凸を形成することが出来ない。また、上記膜厚が１μｍ以上だと、凝集効果が小さくなり、上記と同様、酸化チタン系導電膜層上に光取り出しに効果的な凹凸を形成することが出来なくなる。

金属微粒子マスクの微粒子の密度は、１×１０^５個／ｍｍ^２〜１×１０^８個／ｍｍ^２の範囲であることが好ましい。この範囲であれば、光取り出し効率が効果的に向上する凹凸を酸化チタン系導電膜層上に形成することができ、より好ましくは１×１０^６個／ｍｍ^２〜１×１０^７個／ｍｍ^２の範囲である。

次に、エッチングによって酸化チタン系導電膜層上に形成される凹凸形状に関して説明する。
凸部のピーク間距離で規定する酸化チタン系導電膜層上の凸部中心間距離の平均値は、０．０１μｍ〜３μｍの範囲であることが好ましい。
凸部中心間距離の平均値が０．０１μｍ未満だと、凝集しすぎて光取り出し効率が低下してしまう。また、凸部中心間距離の平均値が３μｍを超えると、大きすぎて充分な光取り出し効率を得ることが出来ない。凸部中心間距離の平均値の、より好ましい範囲は、０．０５μｍ〜１．５μｍであり、この範囲であれば、光取り出し効率が効果的に向上する。

凸部中心間距離の平均値に対する標準偏差は、１０％〜８０％の範囲であることが好ましい。より好ましくは２０％〜６０％の範囲である。
上記標準偏差が１０％以下だと、干渉効果が増大し、波長ムラが発生する可能性が高くなる。また、上記標準偏差が８０％以上だと、凹凸パターンの密度が低下し、光取り出し効率向上の効果が低下してしまう。

酸化チタン系導電膜層上の凸部底面の直径の平均値は、０．０１〜３μｍの範囲であることが好ましい。この範囲であれば、光取り出し効率が効果的に向上する。
凸部底面の直径の平均値が０．０１μｍ未満だと、小さすぎて光取り出し効率に寄与しない。また、凸部底面の直径の平均値が３μｍを超えると、大きすぎて充分な光取り出し効率を得ることが出来ない。凸部底面の直径の平均値の、より好ましい範囲は、０．０２〜２μｍである。

酸化チタン系導電膜層上の凸部高さの平均値は、０．１μｍ〜２．０μｍの範囲であることが好ましい。
凸部高さの平均値が０．１μｍだと、高さが充分ではなく、光取り出し効率の向上には寄与しない。また、凸部高さの平均値が２．０μｍを超える場合、光取り出し効率の向上には寄与するものの、生産性が大幅に低下するので適さない。
また、凸部の大きさは、（凸部底面の直径）＜（凸部高さ）であることがより好ましい。この関係とすることにより、光取り出し効率をより効果的に向上させることができる。

次に、上記特定形状の、酸化チタン系導電膜層上の凹凸加工領域の形成方法について説明する。
本発明では、酸化チタン系導電膜層上の凹凸加工領域の形成は、当該領域のｐ酸化チタン系導電膜層表面に金属微粒子からなるマスクを形成し、その上から酸化チタン系導電膜層をドライエッチングすることによって行なうことができる。

金属微粒子マスクに使用する金属微粒子の材料としては、凝集性が良好で且つ球面形状の微粒子であるものが好ましい。このような金属としては、例えば、Ｎｉ、Ｎｉ合金等が挙げられる。また、凝集性とともにプロセスの効率化に適した金属微粒子材料として、Ｎｉ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｃｄ、Ｉｎの金属の内、少なくとも一種以上を含有し、１００℃〜４５０℃の間に融点をもつ低融点金属、もしくは低融点合金が挙げられる。これらの金属材料の中でも、ＡｕＳｎ合金、ＡｕＧｅ合金、ＡｕＳｎＮｉ合金およびＡｕＧｅＮｉ合金を用いることが好ましく、中でもＡｕＳｎ合金を用いるのが最も好ましい。
ＡｕＳｎ合金は、Ｓｎ組成比が１０質量％〜３５質量％程度の範囲であれば、１９０〜４２０℃程度の温度で共晶化する事が知られており、また、この範囲の温度を上回ると、一般的に合金層が凝集形態を取ることも知られている。

金属微粒子マスクを作製するためには、一般的に知られる真空蒸着装置を用いて、まず、金属の薄膜を形成する。
金属薄膜の厚さは、５０Å以上１０００Å以下であることが好ましい。
また、金属薄膜の厚み制御が上記範囲内で均一に可能であれば、スパッタリング装置等を用いてもなんら問題は無い。

金属微粒子からなるマスクを得る為には、使用する金属によって異なるが、形成した金属薄膜に対して、一般に１００〜６００℃の温度範囲で１分以上の熱処理を行う。
熱処理後の金属微粒子マスクの形状は、熱処理雰囲気中の酸素濃度により変化する。使用する材料に応じて酸素濃度を制御することにより、光取り出し効率向上に適した形状の凹凸パターンを酸化チタン系導電膜上に形成することができる、金属微粒子マスクを得ることが出来る。また、使用する金属微粒子材料によっては、酸素を全く含まない雰囲気で熱処理を行うことが良いものもある。

金属微粒子マスクを形成した後、該マスク上から酸化チタン系導電膜をドライエッチングすることによって、上記特定形状の凹凸面を形成することができる。ドライエッチングにおいては、一般的なリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）型のドライエッチングを用いることができる。ガス種においては、何ら制限なく用いることが出来るが、好ましくは塩素を含むガスを用いてエッチングすることである。なお、熱による金属凝集形状（金属微粒子形状）の変化を防ぐ為、基板温度は１００℃以下に保つことが望ましい。

また、酸化チタン導電膜層上に凹凸形状を形成する方法としては、ウェットエッチングを用いることもできる。この場合、上記金属薄膜は形成しても良いし、しなくとも良い。
ウェットエッチングを行なう場合、エッチング液として、フッ酸、リン酸、硫酸、塩酸、フッ酸／硝酸混合液、フッ酸／過酸化水素水混合液、フッ酸／フッ化アンモニウム混合液、珪フッ化水素酸等を用いることができるが、フッ酸、フッ酸／硝酸混合液、フッ酸／過酸化水素水混合液、フッ酸／フッ化アンモニウム混合液、珪フッ化水素酸（Ｈ_２ＳｉＦ_６）を用いることがより好ましい。

［ステップカバレッジ］
酸化チタン系導電膜上に凹凸形状を形成した場合、その上に成膜する膜のステップカバレッジが問題となる。例えば、凹凸の斜面が急過ぎたり、アスペクト比が大き過ぎたり、また、凹凸の大きさが小さ過ぎる場合、酸化チタン系導電膜上に成膜する膜が凹凸に沿って成膜されず、空隙が生じてしまうことがある。空隙が生じると、その箇所の屈折率は１となるので、光取り出し効率の低下を招いてしまう。

ステップカバレッジが向上する成膜方法としては、ＣＶＤ法やスパッタ法が適している。スパッタ法によって成膜する場合、成膜面にバイアスを掛けるスパッタ電源に、高周波電源（１３ＭＨｚ以上、さらに好ましくは６０ＭＨｚ±１０ＭＨｚ）を用いる方法等を用いることが、より好ましい。

凹凸の形状に関しては、図４（ａ）に示すような矩形型の凸部では、良好なステップカバレッジが得られない。良好なステップカバレッジを得るためには、凸部の下端寸法が上端寸法より大きいことが好ましい。さらに好ましくは、下端から上端に行くにしたがって徐々に寸法が小さくなってゆく形状である。
具体的には、図４（ｂ）に示すような斜面型の凸部、図４（ｃ）に示すような曲面型の凸部等が好ましい例として挙げられる。斜面型の凸部の場合、基板法線に対して５度以上傾いていることが、ステップカバレッジが向上するので好ましい。但し、基板法線に対する傾きが大きすぎるとアスペクト比が取りにくくなるので、６０度以下の角度とすることが好ましい。

［ランプの構成］
本発明の発光素子は、当業者周知の方法を用いてなんら制限無くＬＥＤランプとして構成することができる。
図３は、本発明のランプの一例を模式的に示した断面図であり、このランプ５は、図２に示す本発明のフェイスアップ型の窒化物系半導体からなる半導体発光素子２が砲弾型に実装されたものである。図３において、符号５１、５２はフレームを示し、符号５３、５４はワイヤー、符号５５はモールドを示している。

ランプ５は、図２に示す本発明の半導体発光素子２を用いて、従来公知の方法により製造することができる。具体的には、例えば、２本のフレーム５１、５２の内の一方（図３ではフレーム５１）に半導体発光素子２を樹脂等で接着し、該半導体発光素子２の正極及び負極（図２に示す符号２７、２８参照）を、金等の材質からなるワイヤー５３、５４でそれぞれフレーム５１、５２に接合した後、透明な樹脂からなるモールド５５で半導体発光素子２の周辺をモールドすることにより、図３に示す砲弾型のランプを作成することができる。

なお、本発明のランプは上記の構成には限定されず、例えば、本発明の半導体発光素子と蛍光体を有するカバーとを組み合わせることにより、白色のランプを構成することもできる。
また、本発明のランプは、一般用途の砲弾型、携帯のバックライト用途のサイドビュー型、表示器に用いられるトップビュー型等、何れの用途にも用いることができる。

本発明の発光素子は、信頼性が高く、光取り出し効率に優れていることから、発光特性に優れたランプを実現することが可能となる。

次に、本発明の発光素子及びそれを用いたランプを実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。

［実験例１］
図２に、本実験例で作製した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面模式図を示すとともに、図５に、その平面模式図を示す。

（窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の作製）
サファイアからなる基板２１上に、ＡｌＮからなるバッファ層を介して、窒化ガリウム系化合物半導体層を積層した。この窒化ガリウム系化合物半導体層は、厚さ８μｍのアンドープＧａＮからなる下地層、厚さ２μｍのＧｅドープｎ型ＧａＮコンタクト層及び厚さ０．０２μｍのｎ型Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎクラッド層がこの順序で積層されたｎ型半導体層２２、厚さ１６ｎｍのＳｉドープＧａＮ障壁層及び厚さ２．５ｎｍのＩｎ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎ井戸層を５回積層し、最後に障壁層を設けた多重量子井戸構造の発光層２３、さらに厚さ０．０１μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎクラッド層と厚さ０．１８μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎコンタクト層がこの順序で積層されたｐ型半導体層２４からなり、各層をこの順で積層して形成した。光取り出し面は半導体側とした。
この構造において、ｎ型ＧａＮコンタクト層のキャリア濃度は１×１０^１９ｃｍ^−３であり、ＧａＮ障壁層のＳｉドープ量は１×１０^１７ｃｍ^−３であり、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層のキャリア濃度は５×１０^１８ｃｍ^−３であり、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層のＭｇドープ量は５×１０^１９ｃｍ^−３であった。

また、窒化ガリウム系化合物半導体層の積層（図２の符号２２、２３、２４、２５）は、ＭＯＣＶＤ法により、当該技術分野においてよく知られた通常の条件で行なった。
そして、この窒化ガリウム系化合物半導体層に、負極を形成する領域のｎ型ＧａＮコンタクト層を反応性イオンエッチング法により露出させた。この際、まず、レジストをｐ型半導体層の全面に一様に塗布した後、公知のリソグラフィー技術を用いて、負極形成領域からレジストを除去した。そして、真空蒸着装置内にセットして、圧力４×１０^−４Ｐａ以下で、Ｎｉ及びＴｉをエレクトロンビーム法により膜厚がそれぞれ約５０ｎｍ及び３００ｎｍとなるように積層した。その後、リフトオフ技術により、負極形成領域以外の金属膜をレジストとともに除去した。

次いで、反応性イオンエッチング装置のエッチング室内の電極上に半導体積層基板を載置し、エッチング室を１０^−４Ｐａに減圧した後、エッチングガスとしてＣｌ_２を供給してｎ型ＧａＮコンタクト層が露出するまでエッチングした。エッチング後、反応性イオンエッチング装置より取り出し、上記エッチングマスクを硝酸およびフッ酸により除去した。

（酸化チタン系導電膜の形成）
次に、公知のフォトリソグラフィー技術及びリフトオフ技術を用いて、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層（ｐ型半導体層２４）表面の正極を形成する領域にのみ、厚さ１ｎｍのＮｉコンタクトメタル層、厚さ１μｍのＴｉ_０．９５Ｎｂ_０．０５Ｏ_２からなる酸化チタン系導電膜層２５を形成した。
酸化チタン系導電膜層の形成は、まず、窒化ガリウム系化合物半導体層を積層した基板を真空スパッタ装置内に入れ、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層上にＴｉ_０．９５Ｎｂ_０．０５Ｏ_２を積層することによって形成した。
そして、真空スパッタ装置から窒化ガリウム系化合物半導体層を積層した基板を取り出した後、透明化のための熱処理を施した。

（凹凸パターンの形成）
次に、公知のフォトリソグラフィー技術を用いて、酸化チタン系導電膜層表面以外の部分にレジスト膜を形成した後、蒸着装置内に入れ、Ａｕ／Ｓｎを１５ｎｍ積層した。
次に、窒素雰囲気中において、２５０℃の温度で熱処理を行い、上記Ａｕ／Ｓｎの薄膜を粒状に凝集させ、金属微粒子からなるマスクを形成した。金属微粒子の直径は０．２〜１．５μｍの範囲であり、２×１０^６個／ｍｍ^２という高密度の金属微粒子層（マスク）が形成された。
次に、酸化チタン系導電膜層表面を露出させるように、レジスト膜によってパターニングを行った後、一般的なドライエッチングを施した。
ここで、凹凸パターンを加工する領域には、上述の金属微粒子マスクが形成されているので、ドライエッチングにより、金属微粒子の形に添った形状で選択的にエッチングされ、酸化チタン系導電膜層表面を、曲面を持った凹凸パターン形状に加工する事ができた。この凸部は、平面視円形であり、下端寸法の平均値は約０．７μｍ（直径）、高さＴの平均値は約１．０μｍであった。また凸部間距離の平均値は０．８μｍで、この値に対する標準偏差は５０％であった。

（ボンディングパッドの形成）
次に、正極（ボンディングパッド）２７および負極（ボンディングパッド）２８を、以下のような手順で形成した。
まず、通常、リフトオフと呼ばれる周知の手順に則って処理し、さらに、同様の積層方法により、酸化チタン系導電膜上の一部にＡｕからなる第１の層、Ｔｉからなる第２の層、Ａｌからなる第３の層、Ｔｉからなる第４の層、Ａｕからなる第５の層を順に積層し、５層構造の正極２７を形成した。ここで、Ａｕ／Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕからなる各層の厚さは、それぞれ、５０／２０／１０／１００／５００ｎｍとした。
次に、負極ボンディングパッドを、上述した反応性イオンエッチング法により露出したｎ型ＧａＮコンタクト層上に、以下の手順により形成した。
まず、レジストを、ｎ型ＧａＮコンタクト層の露出した領域全面に一様に塗布した後、公知のリソグラフィー技術を用いて、露出したｎ型ＧａＮコンタクト層上の負極形成部分からレジストを除去した。そして、通常用いられる真空蒸着法により、半導体側から順に、Ｔｉが１００ｎｍ、Ａｕが２００ｎｍの厚さとされた負極２８を形成した。その後、レジストを公知の方法により除去した。

（光触媒反応防止層の形成）
次に、公知のフォトリソグラフィー技術及びリフトオフ技術を用いて、正極、負極の中心部を除いて、Ａｌ_２Ｏ_３からなる光触媒反応防止層をＣＶＤ法により５００ｎｍ形成した。光触媒反応防止層は正極側面、負極側面、および、発光層、ｎ型半導体側面を覆うように成膜した。

（素子の分割）
このようにして、光触媒反応防止層まで形成したウエーハを、基板１１裏面を研削・研磨することにより、基板１１の板厚を８０μｍまで薄くして、レーザスクライバを用いて半導体積層側から罫書き線を入れた後、押し割って、３５０μｍ角のチップに切断し、実験例１の半導体発光素子とした。

（駆動電圧（Ｖｆ）及び発光出力（Ｐｏ）の測定）
上述のようにして得られたチップについて、プローブ針による通電を行い、２０ｍＡの印加電流における順方向電圧を測定し、駆動電圧（Ｖｆ）を調べ、下記表１に示した。
また、得られたチップをＴＯ−１８缶パッケージに実装し、テスターによって印加電流２０ｍＡにおける発光出力を計測し、下記表１に示した。
また、得られたチップの発光面の発光分布を調べた。その結果、正極上の全面で発光しているのが確認できた。

（配光性の測定）
上述のチップをＴＯ−１８缶パッケージに実装した状態として、配光性を測定した。配光性測定には、オプトサイエンス社製のＬＥＤ−１１００を用いた。
まず、チップの上方に設置したディテクタを、チップの一つの辺に平行でチップと同じ距離を保つ軌道に沿って動かし、発光強度を測定した。次に、その辺と直交する辺に平行でチップと同じ距離を保つ軌道に沿ってディテクタを動かし、発光強度を測定した。
ディテクタとチップ中心を結んだ線が基板面となす角度に対する発光強度の分布は、何れの辺に沿って測定した場合も差がなかった。

また、金属微粒子マスクの成膜条件を下記表１に示す条件とし、酸化チタン系導電膜層表面に形成される凸部の中心間平均距離、下端寸法幅、及び標準偏差が下記表１に示す値となるように凹凸パターンを形成した点以外は、実験例１と同様にして、実験例２〜１０及び実験例１２〜１４の半導体発光素子を作製し、同様の評価を行なった。
また、酸化チタン系導電膜層表面に凸部からなる凹凸パターンを形成しなかった点以外は、実験例１と同様にして、実験例１１の半導体発光素子を作製した。

各実験例の作製条件及び素子特性の一覧を表１に示す。

（評価結果）
表１に示すように、酸化チタン系導電膜層表面に無秩序な凹凸面が形成された実験例１〜１０の半導体発光素子は、凸部中心間の平均距離が何れも０．０５〜１．５μｍの範囲内であり、また、凸部中心間の平均距離に対する標準偏差が１０〜８０％の範囲内となっている。
また、実験例１〜１０に示す半導体発光素子は、何れも発光出力（Ｐｏ）が１２．４ｍＷ以上であり、駆動電圧（Ｖｆ）が全て３．３Ｖとなっている。

なお、実験例２の半導体発光素子では、金属微粒子マスクの材料としてＮｉを用いており、金属微粒子マスクの融点が１４５５℃と非常に高く、マスク形成の際の熱処理温度も６００℃と高くなっているが、凸部平均距離に対する標準偏差は５５％となっている。

また、酸化チタン導電膜層上に凹凸パターンを形成していない実験例１１の半導体発光素子では、発光出力が９．３ｍＷとなっている。
また、実験例１２に示す半導体発光素子では、凸部間の平均距離が１．７μｍと疎らであり、発光出力が９．５ｍＷとなっている。
また、実験例１３の半導体発光素子では、凸部間の平均距離が０．８μｍであり、この平均距離に対する標準偏差が８５％とバラツキがあり、発光出力が９．１ｍＷとなっている。
また、実験例１４の半導体発光素子では、凸部間の平均距離が０．０１μｍであり、凸部の平均下端寸法は０．０１μｍであった。実験例１４の半導体発光素子の発光出力は、９．４ｍＷとなっている。

以上の結果により、本発明の半導体発光素子が光取り出し効率に優れ、高い素子特性を有していることが明らかである。

本発明の発光素子の一例を模式的に説明する図であり、断面構造を示す概略図である。 本発明の発光素子の他例を模式的に説明する図であり、断面構造を示す概略図である。 本発明のランプの一例を模式的に説明する図であり、断面構造を示す概略図である。 本発明の発光素子を模式的に説明する図であり、図２に示す発光素子の部分断面構造の一例を示す概略図である。 本発明の発光素子を模式的に説明する図であり、図２に示す発光素子の平面構造を示す概略図である。

符号の説明

１、２…発光素子、５…ランプ、１１、２１…基板、１２、２２…ｎ型半導体層、１３、２３…発光層、１４、２４…ｐ型半導体層、１５、２５…酸化チタン系導電膜層、１６、２６…光触媒反応防止層、１７…正極、１８…負極

Claims (16)

1. ｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層、酸化チタン系導電膜層がこの順で積層された半導体発光素子であって、
   前記酸化チタン系導電膜層表面の少なくとも一部に無秩序な凹凸面が形成されてなることを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記酸化チタン系導電膜層表面に形成された無秩序な凹凸面における凸部間の平均距離が、凸部中心間距離で０．０１μｍ〜３μｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記酸化チタン系導電膜層表面に形成された無秩序な凹凸面における凸部間の平均距離が、凸部中心間距離で０．０５μｍ〜１．５μｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
4. 前記凸部中心間距離の平均値に対する各凸部中心間距離の標準偏差が１０％〜８０％の範囲であることを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体発光素子。
5. 前記酸化チタン系導電膜が、Ｔｉと、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｂの群から選択される少なくとも１種類以上の元素とを含む酸化物であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体発光素子。
6. 前記半導体発光素子が窒化物系半導体発光素子であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体発光素子。
7. 前記窒化物系半導体発光素子がＧａＮ系半導体発光素子であることを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子。
8. 下記（１）〜（３）の工程を含んでなることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
   （１）基板上に、半導体からなるｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層と、酸化チタン系導電膜とを、この順序で積層する工程。
   （２）酸化チタン系導電膜表面上に金属微粒子からなるマスクを形成する工程。
   （３）該マスク上から酸化チタン系導電膜表面をエッチングする工程。
9. 前記工程（２）が、前記酸化チタン系導電膜表面に金属薄膜を形成する工程および該金属薄膜形成後の熱処理工程からなることを特徴とする請求項８に記載の半導体発光素子の製造方法。
10. 前記工程（３）は、前記酸化チタン系導電膜表面の少なくとも一部に、ドライエッチングによって凹凸面を形成することを特徴とする請求項８又は９に記載の半導体発光素子の製造方法。
11. 前記工程（３）は、前記酸化チタン系導電膜表面の少なくとも一部に、ウェットエッチングによって凹凸面を形成することを特徴とする請求項８又は９に記載の半導体発光素子の製造方法。
12. 前記マスクをなす金属微粒子が、Ｎｉ、もしくはＮｉ合金であることを特徴とする請求項８〜１１の何れか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
13. 前記マスクをなす金属微粒子が、１００℃〜４５０℃の温度範囲に融点をもつ低融点金属、もしくは低融点合金であることを特徴とする請求項８〜１２の何れか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
14. 前記マスクをなす金属微粒子が、Ｎｉ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｃｄ、Ｉｎの群から選択される低融点金属か、又は、これらの金属の内の少なくとも１種以上を含有した低融点合金であることを特徴とする請求項８〜１３の何れか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
15. 請求項１〜７の何れか１項に記載の半導体発光素子を備えたことを特徴とするランプ。
16. 請求項８〜１４の何れか１項に記載の製造方法によって得られる半導体発光素子を備えたことを特徴とするランプ。
    

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