JP2007305998A - 発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子への光抽出構造の導入において、電気的特性を保ちながら光抽出効率を改善することができ、光結晶構造と共にに用いられ、最適な光抽出効率を有する発光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体層と、前記半導体層上に位置し、前記半導体層と同一の屈折率または前記半導体層より大きい屈折率の物質で形成される光抽出層と、を含んで発光素子を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子及びその製造方法に関するもので、特に、発光素子の発光効率及び信頼性を向上できる発光素子及びその製造方法に関するものである。

発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）は、電流を光に変換させるものとして知られた半導体発光素子であり、１９６２年にＧａＡｓＰ化合物半導体を用いた赤色ＬＥＤが商品化されて以来、ＧａＰ：Ｎ系列の緑色ＬＥＤと共に情報通信機器を初めとする電子装置の表示画像用光源として用いられてきた。

上記のようなＬＥＤによって放出される光の波長は、ＬＥＤを製造するのに用いられる半導体材料による。これは、放出された光の波長が、価電子帯の電子と伝導帯の電子との間のエネルギー差を示す半導体材料のバンドギャップ（ｂａｎｄ-ｇａｐ）によるためである。

窒化ガリウム化合物半導体（Ｇａｌｌｉｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ：以下、ＧａＮという）は、高い熱的安定性及び幅広いバンドギャップ（０．８〜６．２ｅＶ）を有しており、ＬＥＤを含む高出力電子部品素子の開発分野で大いに注目を浴びてきた。

これに対する理由の一つは、ＧａＮが他の元素（インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）など）と組み合わされ、緑色、青色及び白色の光を放出する半導体層を製造できるためである。

上記のように放出波長を調節できるため、特定の装置特性に合わせて材料を用いることができる。例えば、ＧａＮを用いて、光記録に有益な青色ＬＥＤ及び白熱灯に取って代わる白色ＬＥＤを作ることができる。

上記のようなＧａＮ系列物質の利点のため、ＧａＮ系列のＬＥＤ市場が急速に成長している。したがって、１９９４年に商業的に導入されて以来、ＧａＮ系列の光電子装置技術も急激に発達した。

上述したようなＧａＮ系列物質を用いたＬＥＤの輝度または出力は、活性層の構造、光を外部に抽出できる光抽出効率、ＬＥＤチップの大きさ、ランプパッケージ組み立て時のモールドの種類及び角度、蛍光物質などによって左右される。

本発明の目的は、発光素子への光抽出構造の導入において、電気的特性を保ちながら光抽出効率を改善することができ、光結晶構造と一緒に用いられ、最適な光抽出効率を有する発光素子及びその製造方法を提供することにある。

上記のような目的を達成するための第１観点として、本発明に係る発光素子は、半導体層と、前記半導体層上に位置し、前記半導体層と同一の屈折率または前記半導体層より大きい屈折率の物質で形成される光抽出層と、を含んで構成されることが好ましい。

上記のような目的を達成するための第２観点として、本発明に係る発光素子は、半導体層と、前記半導体層上の同一平面上に互いに異なる周期を有する少なくとも二つ以上の光結晶構造からなる光結晶層と、を含んで構成されることが好ましい。

上記のような目的を達成するための第３観点として、本発明に係る発光素子は、半導体層と、前記半導体層上の同一平面上に周期的な第１光結晶と、ランダム構造を有する第２光結晶とからなる光結晶層と、を含んで構成されることが好ましい。

上記のような目的を達成するための第４観点として、本発明に係る発光素子は、反射電極と、前記反射電極上に位置して発光層を含む半導体層と、前記半導体層上に形成された光結晶と、を含んで構成されており、前記反射電極と発光層の中心間の距離は、０．６５〜０．８５λ／ｎであり、前記λは放出される光の波長、前記ｎは半導体層の屈折率であることが好ましい。

上記のような目的を達成するための第５観点として、本発明に係る発光素子は、反射電極と、前記反射電極上に位置して発光層を含む半導体層と、前記半導体層上に形成された光結晶と、を含んで構成されており、前記反射電極と発光層の中心間の距離は、λ／４ｎの奇数倍であり、前記λは放出される光の波長、前記ｎは半導体層の屈折率であることが好ましい。

上記のような目的を達成するための第６観点として、本発明に係る発光素子の製造方法は、基板上に複数の半導体層を成長させる段階と、前記半導体層上に第１電極を形成する段階と、前記基板を除去する段階と、前記基板が除去された面に露出した半導体層上に誘電体層を形成する段階と、前記誘電体層に多数のホールを形成する段階と、前記多数のホールが形成された誘電体層面をエッチングし、前記半導体層に多数の溝を形成する段階と、前記誘電体層を除去する段階と、前記誘電体層が除去された半導体層面に第２電極を形成する段階と、を含んで構成されることが好ましい。

本発明に係る発光素子及びその製造方法は、発光素子への光抽出構造の導入において、電気的特性を保ちながら光抽出効率を改善することができ、光結晶構造と共に用いられ、最適な光抽出効率を有する発光素子の構造を提供できるという効果がある。

以下、本発明の好適な実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

本発明は、多様な修正及び変形が可能であり、以下、その特定の実施例が添付の図面に基づいて詳細に説明される。しかし、本発明は、開示された特別な形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって定義された本発明の思想と合致する全ての修正、均等及び代用を含んでいる。

図中、同一の図面符号は、同一の要素を示している。各図面において、各層及び領域の寸法は、明瞭性のために誇張されている。また、ここで説明される各実施例は、相補的な導電型の実施例を含む。

層、領域または基板などの要素が他の構成要素「上（ｏｎ）」に存在すると表現される場合、層、領域または基板などの要素が直接的に他の要素上に存在したり、または、その間に中間要素が存在するものとして理解できる。また、表面などの構成要素の一部が「内部（ｉｎｎｅｒ）」と表現される場合、表面などの構成要素の一部が、その要素の他の部分よりも素子の外側から一層遠くにあることを意味するものと理解できる。

さらに、「下（ｂｅｎｅａｔｈ）」または「重畳（ｏｖｅｒｌｉｅｓ）」などの相対的な用語は、図面に示すように、基板または基準層と関連した一つの層または領域と、他の層または領域に対する一つの層または領域の関係を説明するために用いられる。

上記のような用語は、図面によって描写された方向に加えて、素子の他の方向も含む意図を持つものとして理解できる。最後に、「直接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ）」という用語は、中間に介入する要素が全くないことを意味する。ここで用いられる「及び／または」という用語は、記録された関連項目の一つまたはそれ以上の何れかの組み合わせ、及び全ての組み合わせを含んでいる。

第１及び第２などの用語は、多様な要素、成分、領域、層及び／またはセクションを説明するために用いられるが、これら要素、成分、領域、層及び／または地域は、これら用語によって限定されてはならない。

これら用語は、他の領域、層または地域から一つの要素、成分、領域、層またはセクションを区分するために用いられるものに過ぎない。したがって、以下で論議された第１領域、層またはセクションは、第２領域、層またはセクションという名称にもなり得る。

半導体発光素子（ＬＥＤ）の抽出効率は、光が発生する半導体発光層と、最終的に光を観測する媒質（空気またはエポキシ）との間の屈折率の差によって決定される。通常、半導体媒質は、高い屈折率（ｎ＞２）を有するので、光抽出効率は数％に過ぎない。

例えば、窒化ガリウム（ｎ＝２．４）基盤の青色発光素子の場合、外部物質をエポキシ（ｎ＝１．４）と仮定したとき、発光素子の上層部を通した光抽出効率は約９％にすぎない。これを除いた残りの光は、素子内部に全反射過程によって閉じ込められながら、量子井戸層などの吸収層に消失する。

上記のような半導体発光素子は、その抽出効率を改善するために、全反射過程を経た光が外部に抽出される構造に変形されなければならない。このように構造を変形するための最も単純な方案は、屈折率の高い物質からなる半球を発光素子の上層部に被せることである。

入射角は、光と入射面との間の角であるので、半球の各点では常に垂直である。屈折率の異なる二つの媒質間の透過率は、入射角が垂直である場合に最も高く、全ての方向に対して全反射角度が存在しない。

実際に、半導体発光素子の場合、エポキシからなる半球を被せるが、この場合、表面保護の役割をするとともに、抽出効率向上にも寄与するようになる。

上記のような効果を一層効率的に用いる方法は、図１に示すように、エポキシ層１と半導体素子２との間に、半導体と類似した屈折率を有する半球３を追加的に導入する方法である。この場合、図２に示すように、追加的に導入した半球３の屈折率が半導体の屈折率に接近するほど、抽出効率が漸次増加する。

その理由は、半導体素子２と、追加的に導入した半球３との間の臨界角が大きくなったためである。可視光線領域で吸収がなく、透明な物質の一例としては、ＴｉＯ_２を提案することができる。例えば、上記の物質からなる半球を赤色発光素子に適用すると仮定したとき、理論的に既存の抽出効率の約３倍以上に該当する抽出効率向上が得られる。

屈折率の高い半球を追加的に導入する方法は、単純でかつ非常に効果的な方法である。しかし、上記の方法を適用するためには、高い屈折率を有すると同時に、光の発光波長領域で吸収のない透明な物質を発見すべきである。

また、発光素子を充分に被せる程度の大きさを有する半球を製作し、この半球を付着させる作業が困難である。

外部光抽出効率を改善する他の方法としては、発光構造の側面を逆ピラミッド状に変形させる方法が挙げられる。この方法は、発光素子内で全反射されて側部に進行する光がピラミッド面から反射された後、上層部に放出される原理による。

しかしながら、上記の方法は、素子の大きさが増加するほど向上効果が減少するという短所を有する。その原因は、光が側部に進行するときに必然的に発生する吸収損失である。したがって、吸収のある実際の構造で高い向上効果を得るためには、光が可能な限り短い経路を進行した後、外部に放出されることが重要である。

このために、全反射条件を緩和できる構造を発光素子内に導入するための研究が進められた。その代表的な方法としては、発光素子構造を共振器構造で設計し、初期段階から特定方向の出力を導出する方法、数マイクロン以上の大きさの半球型レンズを上層部に配列して臨界角を大きくする方法などが挙げられる。

しかしながら、上記の方法は、製作上の難点などのために実用化されていない。他の方法としては、発光素子の出力部に光の波長に該当する大きさの粗面を導入し、散乱過程を通して抽出効率を増大する方法が挙げられる。

発光素子の上層部に粗面を形成する方法のために、各発光素子をなす物質によって多様な化学的工程が開発されている。光が粗面に達すると、全反射に該当する入射角度であっても光の一部が粗面を透過するようになる。

しかしながら、一回の散乱による透過率がそれほど大きくないので、高い抽出効果を期待するためには、同一の散乱過程を繰り返して経るべきである。したがって、発光素子内に吸収の大きい構成物質が存在する場合、粗面による抽出効率向上はそれほど効果的でない。

上記の方法と比較して、空間的に周期的な屈折率の配置を有する光結晶を導入すると、相対的に大きく抽出効率を改善することができる。また、適切な光結晶周期を選択すると、発光素子出力の方向性を調節することができる。発光素子の応用分野によって視野角が異なるので、各用途に適した方向性を設計することが重要である。

大きな面積の光結晶の具現は、ホログラムエッチング、紫外線光エッチング、ナノインプリントエッチングなどを活用して行われるので、この技術は、容易に実用可能なものといえる。

光結晶を通して発光素子の光抽出効率を改善しようとする努力は、光結晶を用いた自発放出率調節に関する研究から出発する。

以後、光結晶が発光素子の抽出効率向上に寄与することが、分散特性曲線を活用して理論的に証明された。光結晶が抽出効率向上に寄与する過程は、大きく二つ原理に要約される。

第一の原理は、光バンドギャップ効果を用いて平面方向の光の移動を遮断し、光を垂直方向に抽出することで、第二の原理は、分散曲線でライトコーンの外側に位置した高い状態密度を有するモードと光を結合し、光を外部に抽出することである。

上記の二つの原理は、光結晶の周期によって独立的に適用される。しかし、半波長に該当する厚さを有し、上下方向に高い屈折率比を有する薄膜のある状況で光結晶を形成するときのみに、光バンドギャップ鏡効果や分散曲線の状態密度が適切に定義される。

また、光結晶をなすホール構造が発光層を貫通するので、必然的に利得媒質の損失をもたらし、さらに、表面非発光結合による内部量子効率の減少を避けられない。

光バンドギャップ鏡効果や強い分散特性は、一般的な発光素子構造では具現しにくいので、特殊な場合にのみ適用される。上記のような問題を解決するためには、発光素子の能動媒質を含まず、発光素子の表面に限定して光結晶を製作すべきである。

この場合、高い屈折率比を有する薄膜に光結晶を導入する場合のように、強い分散特性を活用することはできないが、一般的な回折理論によって全反射に該当する光と周期的な構造とを結合し、光を外部に抽出することができる。

現在、光結晶と半導体層の発光層とを空間的に分離し、発光層の特性を低下せずに抽出効率を改善しようとする努力が活発に行なわれている。

さらに、ＩｎＧａＡｓ量子井戸を用いた発光素子構造に対して抽出効率向上を試みた例もあり、有機発光素子において、ガラス基板上に形成された光結晶を用いて、外部光抽出効率を１．５倍以上増加させた結果が報告されたこともある。

上述したように、周期的な光結晶構造を表面に導入し、全反射によって閉じ込められた光を回折過程を通して抽出する方法も試みられた。例えば、２００ｎｍ程度の周期を有する光結晶をｐ-型ＧａＮ半導体表面に形成し、抽出効率が増加したことが報告されている。

この他にも、ＧａＮ系列発光素子の能動媒質領域にまで光結晶を製作した後、光バンドギャップ効果を用いて高い抽出効率向上効果を達成した結果を報告した研究もあった。しかし、この方法は、入力電流の増加によって抽出効率が低くなるという短所を有する。その理由は、上述したように、発光層までエッチングして光結晶を導入したとき、特に電流-電圧特性が低下するためである。

以上の内容を整理してみると、発光素子の外部光抽出効率を改善する原理は、構造変形を通して全反射条件を緩和する方法、表面に粗面を導入する方法、高い屈折率比を有する薄膜内に光結晶を形成して光バンドギャップ効果を用いる方法、光結晶と発光層とを分離し、全反射によって閉じ込められた光を回折過程を通して外部に抽出する方法などに要約される。

発光素子の構造の現実性及び効率の増大性を勘案したとき、上記の方法のうち、発光素子の表面に周期的な光結晶構造を導入して抽出効率を改善する方法が最も優れている。

図３に示すように、水平型ＧａＮ系列発光素子は、ＧａＮに比べて相対的に低い屈折率を有するサファイア（ｎ＝１．７６）基板１０上にＧａＮ半導体層２０を成長させた構造である。ＧａＮ半導体層２０の全体の厚さは約５μｍに達するので、多様な高次モードが存在する導波路構造と見なせる。ＧａＮ半導体層２０は、上層部としてのｐ-型ＧａＮ半導体層２１を含み、ｐ-型ＧａＮ半導体層２１の下側には、発光層２２としての多重量子井戸層が位置する。

また、発光層２２の下側にはｎ-型ＧａＮ半導体層２３が位置し、このｎ-型ＧａＮ半導体層２３と基板１０との間には、バッファ層２４が位置する。また、基板１０の反対側には、反射膜（図示せず）が形成される。

水平型ＧａＮ系列発光素子は、全体の面積にかけて均一に電流を供給するために、ＩＴＯなどの透明電極層３０をｐ-型ＧａＮ半導体層２１上に蒸着する。したがって、水平型ＧａＮ系列発光素子に光結晶４０を導入するとき、エッチング可能な最大範囲は、透明電極層３０の厚さとｐ-型ＧａＮ半導体層２１の厚さとを合せた値になる。一般的に、この透明電極層３０とｐ-型ＧａＮ半導体層２１の厚さは、１００〜３００ｎｍである。

光結晶４０のエッチングの深さによって抽出効率が変化する様相を観察するために、コンピュータシミュレーション（３Ｄ―ＦＤＴＤ）計算を実施した結果、図４に示すように、二つの特異事項が見出された。

第一に、抽出効率は、光結晶４０のエッチングの深さに比例して徐々に増加しながら、ＧａＮ半導体層２０をエッチングする部分で大きく増加する。第二に、所定の値以上のエッチングの深さに対しては、抽出効率が増加せずに飽和傾向を示す。

上記の二つの事項を総合すると、最大の抽出効率を得るためには、ＧａＮ半導体層２０を含む領域に、所定の値以上のエッチングの深さを有する光結晶４０を導入する必要がある。

このとき、抽出効率の飽和時点におけるエッチングの深さと、一般的なｐ-型ＧａＮ半導体層２１の厚さとがほぼ類似しているので、発光層２２領域をエッチングせずに、理論的な抽出効率の飽和値を得られる。

しかし、実際の実験において光結晶４０のエッチングの深さによる光出力の変化を調査すると、図５に示すように、特定の深さ以上のｐ-型ＧａＮ半導体層２１をエッチングしたとき、却って光出力の減少現象が見出される。

上記のように発光層２２である量子井戸構造が露出されていないにもかかわらず、光出力が減少する理由は、ｐ-型ＧａＮ半導体層２１の体積減少によって抵抗が増加したためである。抵抗増加は、高出力発光素子を要求する応用分野で一層深刻な問題となる。

すなわち、現在の光結晶を有する発光素子の構造は、抵抗増加問題のために、光学的な観点で抽出効率が最大になるエッチングの深さを用いていない。したがって、解決すべき事項は、抵抗増加の問題を引き起こさずに、光結晶によって得られる抽出効率が最大になるエッチングの深さを適用できる新しい構造を開発することである。

上述したコンピュータシミュレーションを通して導出したエッチングの深さに対する抽出効率変化を示したグラフを見ると、新しい構造に対する一つの端緒を得られる。グラフを通して見出された特異事項の一つは、光結晶４０のエッチングの深さがＩＴＯ透明電極層３０からＧａＮ半導体層２０に行くほど、抽出効率が著しく上昇するという点である。

その理由は、基本的にＩＴＯの屈折率（ｎ＝１．８）がＧａＮ半導体層２０より低いためである。すなわち、低い屈折率を有する領域内に光結晶４０を導入すると、抽出効率改善に大きく役立たない。これは、光結晶４０が、全反射過程を起こす光の抽出機能を行う点を勘案すると容易に理解できる。

したがって、抽出効率は、光がどれだけ光結晶４０領域を認識できるかによる。一般的に、全反射現象が起きるとき、異なる屈折率を有する二つの面の間には表面減衰波が発生する。この表面減衰波は、二つの境界面の表面に沿って存在し、境界面の垂直方向にその大きさが指数的に減少するという特性を有する。

例えば、ＩＴＯ層のみをエッチングした場合、全反射に該当する光は、ＩＴＯ透明電極層３０内に形成された光結晶４０を表面減衰波の大きさだけ認知することができる。したがって、大きな抽出効率向上は期待できなくなる。

結論的に、光結晶４０を通して一層多量の光を抽出するためには、光結晶４０と光との強い相互作用が要求され、物理的な観点では、ＧａＮ系列発光素子内に形成された全反射モードと光結晶４０構造との間の空間的なオーバーラップが主要な因子となる。すなわち、全反射過程で発生する表面減衰波を撹乱するためには、光結晶４０形成のためにＧａＮ半導体層２０をエッチングする必要がある。

しかし、ＧａＮ半導体層のエッチングは、ＧａＮ半導体層と類似しているか、ＧａＮ半導体層より大きい屈折率を有する物質のエッチングを意味することもある。すなわち、ｐ-型ＧａＮ半導体層上に、ｐ-型ＧａＮ半導体層と類似した屈折率を有する物質を蒸着した後、光結晶４０を形成すると、ｐ-型ＧａＮ半導体層をエッチングせずにも、抽出効率面で類似した効果を期待することができる。

そして、新しく蒸着する物質がＧａＮより高い屈折率を有する物質であると、上述した光結晶効果より一層優れた性質を示す。その理由は、光結晶の効果が、基本的に構造を構成する二つの物質の屈折率差によって左右されるためである。

したがって、窒化ガリウム（ＧａＮ）発光素子に対する光抽出効率向上のための光抽出構造の導入において、最上層の窒化ガリウム半導体層（通常、ｐ-ＧａＮ）をエッチングする代りに、窒化ガリウム半導体層の上部に追加的に導入した物質内に光結晶などの光抽出構造を形成することで、電気的な特性を保ちながら、光抽出効率を改善することができる。

水平型ＧａＮ系列発光素子に光結晶４０を導入するとき、エッチング可能な最大範囲は、上述した上層部を形成するｐ-型ＧａＮ半導体層２１の厚さ（１００〜３００ｎｍ）によって制限されるので、抽出効率において限界があり得る。

図６に示すように、垂直型発光素子構造の一例は、ＧａＮ半導体層２０の成長過程で基板として用いられるサファイアをレーザー吸収法で除去し、ｐ-型ＧａＮ半導体層２１上に、鏡及び電極の役割を同時に行えるＮｉ、Ａｇなどを含む多層金属薄膜を用いて反射型オーミック電極５０を形成した構造を示している。

垂直型ＧａＮ発光素子は、絶縁体であるサファイアの除去によって電流方向が垂直方向であり、光の出力面が図６の場合に逆転してｎ-型ＧａＮ半導体層２３に出力される点で一般的な水平型ＧａＮ発光素子と異なる。

垂直型発光素子構造内で電流が垂直方向に流れることは、供給された電流が発光層２２である量子井戸層まで到達する確率が大きいことを意味する。これは、内部量子効率の向上にも寄与する。

また、垂直型発光素子構造は、絶縁体であるサファイアを除去してｐ-型ＧａＮ半導体層２１上に導体を形成したので、熱排出が容易であるという特性を有する。これは、特に高出力発光素子を設計するときに有利に作用する。

実際に、サファイア基板を有する通常のＧａＮ系列青色発光素子の場合、供給される電流値が数百ｍAを超えると、却って出力減少現象が発生する。これは、サファイア基板の脆弱な熱伝導率によって素子内部の温度が上昇し、量子井戸の内部量子効率の劣化が発生したためと解析される。

垂直型青色発光素子構造は、電流の流れ及び熱排出が容易であるという物理的特性の他にも、光抽出効率向上と関連して注意深く考慮すべき光学的特徴を有する。これを整理すると、次の通りである。

まず、垂直型発光素子構造の上層部がｎ-型ＧａＮ半導体層２３であるので、ｐ-型ＧａＮ半導体層２１より相対的に厚いｎ-型ＧａＮ半導体層２３内に光結晶６０を導入できるという長所がある。一般的に、光結晶６０を通した抽出効率向上効果は、抽出効率が飽和する前まではエッチングの深さに比例するという特性を有する。

したがって、水平型ＧａＮ系列発光素子に光結晶を導入するときの難点の一つであるｐ-型ＧａＮ半導体層のエッチングによる抵抗増加や、活性層である量子井戸層のエッチングによる表面非発光結合効果などに対する制約なしに、所望の深さの光結晶構造を形成することができる。また、エッチングの深さによって最大の抽出効率を提供する周期がやや異なるので、与えられたエッチング技術によって許容された構造的条件を活用することができる。

また、垂直型発光素子において、発光領域である量子井戸層（発光層）２２と、高い反射率を有する鏡（反射型オーミック電極）５０は、放出される光の波長より小さい位置内に置かれる。

すなわち、上述したように、垂直型発光素子構造では、ｐ-型ＧａＮ半導体層２１上に、鏡及び電極の役割を同時に行う反射型オーミック電極５０が形成される。したがって、ｐ-型ＧａＮ半導体層２１の厚さは、発光素子の発光層２２と金属鏡との間の距離に該当する。

一般的に、発光層２２から近い位置内に高い反射率を有する鏡が存在すると、鏡のない場合と比較して発光性能が大いに変わる。すなわち、発光層２２と鏡との間の距離によって発光率が変わり、放射パターンを調節することもできる。このような特性を適切に用いることで、発光素子の光抽出効率を画期的に改善することができる。

以下、コンピュータシミュレーション計算（３Ｄ―ＦＤＴＤ）を通して垂直型ＧａＮ発光素子に適用可能な光結晶の構造的因子を決定し、各構造因子から得られる相対的な抽出効率増大比を算出する過程を説明する。

垂直型発光素子構造は、水平型構造と異なって、基板側面を通した放射が存在しないので、全体効率が垂直放射による効率に該当する。このとき、シミュレーション上で分析するための発光素子の構造の一例は、図７に示すように、光結晶６０が形成された発光素子半導体層８０からなり、光結晶６０の外側には、封止材として用いられる屈折率１．４のエポキシ７０が位置する構造である。

一般的な発光素子の大きさは、コンピュータメモリの限界のために計算構造内に全て含まれない。このような問題を解決するために、有限大きさ（１２μｍ）の発光素子構造の両端に完全鏡（図示せず）が位置する構造を適用した。

また、図８に示すように、発光素子８０の発光層（量子井戸層）２２内部には、吸収率（ｋ＝０．０４５）を与えた。ただし、構造の下端部には、解析の便宜性のために、吸収率が存在する実際の金属鏡の代りに、１００％の反射率を有する完全鏡が位置する。

垂直型構造は、常に鏡による干渉効果を考慮すべきであるので、構造内において鏡に対する発光層２２の相対的位置が重要な変数になる。これは、鏡と発光層２２との間の干渉効果によって放射パターンが変わると、効果的に作用する光結晶６０構造因子が変わる可能性があるためである。すなわち、光結晶６０の周期によって、回折過程で抽出が効率的に起きる光の角度が異なっている。

ここでは、鏡効果が排除された状態で純粋に光結晶６０による効果のみを算出する。鏡による干渉効果を排除するためには、鏡と発光層２２との間の距離を遠く設定したり、その距離を補強干渉条件と相殺干渉条件の中間地点に設定する。

上記のように、発光層２２が鏡の干渉効果から自由であるときの放射パターンは、図９に示す通りである。この放射パターンを観察してみると、角度によって微細な干渉縞が依然として見えるが、近似的に球面波と見なしても構わない程度である。

光結晶６０の周期に対する抽出効率変化を観察してみると、図１０に示すように、最大の抽出効率を得られる光結晶６０の周期ａは約８００ｎｍであり、抽出効率の相対的増大比は約２倍である。このとき、エッチングの深さは２２５ｎｍに固定し、光結晶をなすホール６１の半径は、周期をａとしたとき、０．２５ａに固定した。

次に、光結晶６０をなすホール６１の大きさによる抽出効率の変化を見ると、図１１に示す通りである。このとき、エッチングの深さは２２５ｎｍ、周期は８００ｎｍに固定した。結果を観察してみると、光結晶６０のホール６１の大きさが０．３５ａであるとき、抽出効率が最大になり、相対的増加分が２．４倍にまで大きくなる。

上述したように、垂直型ＧａＮ発光素子の長所は、エッチングの深さに対する制限が少ない点にある。水平型構造の最大のエッチングの深さは、ｐ-型ＧａＮ半導体層の厚さ（実際には、抵抗増加を考慮してｐ-ＧａＮ層の厚さの半分程度）によって決定されるが、垂直型構造は、ｐ-型ＧａＮ半導体層より相対的に非常に厚いｎ-型ＧａＮ半導体層の厚さ（約３μｍ）を活用してもよい。

上記のような垂直型構造の長所を用いるために、図１２に示すように、光結晶形成のためのエッチングの深さを順次変更しながら、このエッチングの深さによる最適の周期を調査した。

抽出効率は、水平型構造の研究で述べたように、所定水準以上のエッチングの深さに対して飽和傾向を示す。

しかし、興味深い事実は、エッチングの深さが大きくなるほど、周期の大きい光結晶構造による抽出効率が継続的に上昇する点である。これは、エッチングの深さを大きくしながら、実際に技術的に具現が容易な周期の大きい光結晶構造を活用できる余地が生じる点で注目に値する。

上記のようにエッチングの深さが大きくなるにつれて、周期の大きい光結晶構造の抽出効率が継続的に上昇する理由は、次のように考えられる（図１３を参考）。

第一に、屈折率の異なる二つの媒質を光が透過するためには、平面方向の位相整合条件を満足すべきである。

第二に、光が屈折率の高い媒質から低い媒質に進行するときは、特定角度以上で位相整合条件を満足することができない。この特定角度を臨界角といい、臨界角度以上では全反射が起きる。

第三に、光結晶は、全反射角度に該当する光を外部に抽出することを助ける。すなわち、光結晶と光とが結合すると、光結晶の運動量が多くなり、全反射に該当する光が位相整合条件を満足するようになる。

第四に、光結晶の運動量は周期に反比例する。すなわち、周期の小さい光結晶は大きな運動量を作れるので、全反射に該当する光のうち、臨界角から遠く離れた水平方向に近く進行する光を効果的に抽出することができる。その反面、周期の大きい光結晶は、相対的に垂直方向に近く進行する光を抽出するのに効果的である。

第五に、波動光学理論によると、導波路構造内の全反射過程をモードに対応して説明することができる。例えば、水平方向に近い入射角度を有する光は、基本導波路モードに該当し、入射角度が垂直方向に近いほど高次モードに該当する。

第六に、ＧａＮ発光素子も、数マイクロン以上の厚さを有する導波路構造と見なすことができる。

したがって、上記のような事実を考慮してＧａＮ発光素子に光結晶を適用するとき、周期の短い光結晶は、基本導波路モードを抽出するのに適しており、周期の長い光結晶は、高次導波路モードを抽出するのに適していることが分かる。

一般的に、基本導波路モードは、所定程度以上の光結晶のエッチングの深さ（〜λ／ｎ）に対して抽出効率が飽和する傾向を示す反面、高次モードに行くほど、光結晶のエッチングの深さに対して抽出効率が継続的に上昇する傾向を示す。

結論的に、エッチングの深さが大きくなるほど、長い周期を有する光結晶構造による高次モードに対する抽出効率が継続的に増加するようになる。

上記のように抽出効率を極大化するために、光結晶構造因子の最適化作業をコンピュータシミュレーション計算を通して実施した。その結果、抽出効率が、エッチングの深さ、穴大きさ、周期などと密接な相関関係を有することが明らかになった。

特に、垂直型ＧａＮ発光素子の場合、相対的に厚いｎ-型ＧａＮ半導体層が光結晶形成に活用されるので、エッチングの深さに対する制約が事実上なく、このように大きいエッチングの深さを導入すると、現在の技術で具現しやすい範囲の周期を選択する可能性も大きくなる。

上述したように、光結晶の周期によって、効率的に作用する光の入射角度が変わる。すなわち、一つの周期からなる光結晶は、回折効率が相対的に小さい入射角度の領域に存在する。

しかし、抽出効率を極大化するためには、臨界角より大きい全ての角度に対して高い回折効率を有するべきである。したがって、二種類以上の周期が混合された光結晶構造は、一つの周期のみが独立的に存在する光結晶より優れた抽出効率特性を示す。

上記と類似した原理は、水平型ＧａＮ発光素子にも適用することができる。水平型ＧａＮ発光素子に外部光抽出効率を高めるために光結晶を導入するとき、光結晶を導入する位置によって大きく二種類に分けられる。

その一つは、図１４に示すように、サファイア基板１０上に形成された半導体層２０のうち、発光素子の最上端部に位置したｐ-型ＧａＮ半導体層２１領域をエッチングするものである。ｐ-型半導体層２１上に透明伝導性層３０が形成された場合、この伝導性層３０も一緒にエッチングされる。

他の一つは、図１５に示すように、最初からパターン１１が形成されたサファイア基板（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｓａｐｐｈｉｒｅ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ；ＰＳＳ）１２上にＧａＮ半導体層２０を成長させるものである。

一方、図１６に示すように、上記の二つの構造を同時に適用する方法も考えられる。上述した各構造別に抽出効率を比較したグラフは、図１７に示されている。

このグラフにおいて、水平軸は、計算空間内で光が進行する距離を意味し、垂直軸は、光の進行距離によって外部に抽出される光の量を示す。

グラフの結果を観察してみると、周期的な構造を適用しない水平構造は、光の進行距離が１０μｍになる前に抽出効率が飽和する。水平構造は、臨界角以内の光のみが抽出されるので、一回の透過（反射）過程でほとんどの光が抜け出るようになる。

これに反し、光結晶４０構造やパターン１１を有するサファイア基板１２を適用した場合、光の進行距離が１００μｍに達するまで抽出効率が継続的に上昇する。その理由は、全反射に該当する光が周期的な構造に接するときごとに、回折過程を通して光が外部に抽出されるためである。

このとき、素子を構成する内部物質の吸収率によって、結果的に抽出効率が飽和する。したがって、構造の変形または周期的な構造の導入によって外部光抽出効率を高めるために適用される基本原理は、可能な限り短い進行距離内で吸収損失を少なく受けながら光を外部に抽出することである。

以上の結果から分かるように、光結晶４０構造とパターン１１を有するサファイア基板１２構造を同時に適用した場合、すなわち、二種類の周期的な構造を同時に適用したとき、抽出効率が最大になる。

水平型ＧａＮ発光素子においてパターン１１を有するサファイア基板１２上にＧａＮ半導体層２０を成長させ、上層部に光結晶４０を適用する構造を技術的に定義すると、互いに異なる周期を有する光結晶をそれぞれ異なる平面に独立的に適用したものと言える。

垂直型ＧａＮ発光素子は、既に基板を除去した構造であるため、水平型発光素子のような混合周期光結晶構造を採用することができない。しかし、エッチングの深さに事実上の制約がないという長所を活用すると、この場合、同一平面内に互いに異なる周期を有する光結晶構造を適用することが可能である。

一般的に、発光層２２と高反射率金属鏡との間の離隔距離が、発光層２２から発生する光の波長より小さくなると、発光層２２の特性を調節することができる。

図１８〜図２１は、ＦＤＴＤシミュレーションによって光を生成する電気双極子が完全鏡と非常に近く位置するときに発生する現象を示している。電気双極子は、偏光によって特定方向に振動する電子を意味する。

アンテナ理論によると、電気双極子から発生する光は、電子の振動方向に対して垂直方向を極大点とする放射パターンを有する。すなわち、電気双極子が高反射率鏡の存在しない単一誘電体空間内に置かれた場合、図１８及び図２０に示すように、放射パターンは、各偏光方向に垂直な方向が極大点となるように分布する。

しかし、電気双極子の周辺に高反射率鏡が光の波長より近く位置すると、発光特性が著しく変わる。電気双極子と鏡との間の距離によって、垂直方向を中心に光が集中することもあり、鏡の表面に沿って光が進行することもある。

これに着眼すると、発光層２２である量子井戸層から主に垂直方向成分の光を生成する条件を最初から適用し、光抽出効率を高めることもできる。また、図１８〜図２１に示していないが、励起状態にある電子が基底状態に転移するまで要される時間である自然常数ｔ（減衰率は、ｔの逆数に該当する）を調節することができる。

上記のように、発光層２２の発光特性を調節可能であることを再び整理すると、次のように二つの特性に分けられる。

まず、発光層２２から発生する光と金属鏡から反射された光との間の干渉効果によって出力放射パターンを調節することができ、発光層２２内の双極子と金属鏡によって生成される鏡双極子との間の相互作用を通して減衰率を調節することができる。

第一の特性は、古典的な光の干渉現象として説明することができる。発光層２２の周囲に鏡が存在しないか、鏡と発光層２２との間の距離が充分に遠くて鏡による干渉効果を無視できる場合、発光層２２から発生する光は、全ての方向に対して同一の係数を有する球面波と見なせる。

鏡が発光層２２に近接して放射パターンを調節できる範囲内にある場合、垂直方向に対して補強干渉が起きることが抽出効率側面で有利である。

また、図６に示した発光素子の場合を観察してみると、垂直型発光素子構造の場合、発光層２２と鏡（反射電極または反射型オーミック電極）５０との間の距離は、ｐ-型ＧａＮ半導体層２１の厚さに該当する。したがって、電気特性を低下しない範囲内で、垂直方向の放射パターンが形成されるｐ-型ＧａＮ半導体層２１の厚さを選択する必要がある。

発光特性調節と関連した第二の特性は、共振器量子電子動力学分野と関連深い。しかし、この現象も、鏡の対称性を活用すると、定性的に減衰率を調節する原理を容易に説明することができる。

図２２は、鏡５１の表面周囲に垂直方向と水平方向の偏光を有する電気双極子が置かれた状態を示している。電磁気場理論によると、電気場は、鏡５１の表面で常に０になるべきである。

上記の原理を用いると、鏡５１の周囲に電気双極子が置かれる状況は、電気双極子と、鏡５１の反対側に同一距離だけ離れて配置された鏡双極子との組み合わせで具現することができる。

例えば、ｚ方向の偏光を有する電気双極子の場合、鏡５１の表面での電気場条件を満足するために、双極子モーメント方向が一致すべきである。したがって、この電気双極子と鏡５１との距離が近くなるほど、２個の双極子がオーバーラップされる効果が発生し、結果として、減衰率が４倍増加する効果を誘発する。

その反面、水平方向の偏光を有する電気双極子は、鏡５１の表面での電気場条件を適用したとき、常に反対方向の鏡双極子を誘導する。したがって、水平方向の電気双極子は、鏡５１に接近するほど、減衰率が０に接近するようになる。

図２３に示すように、ＦＤＴＤシミュレーション上で鏡と発光層との間の距離を調節しながら、出力パターン変化による抽出効率増加分と発光層の減衰率を算術的に計算した。このとき、鏡は、１００％の反射率を有する完全鏡と仮定し、発光層の厚さは、１２．５ｎｍに設定した。

まず、抽出効率増大比に対する結果を観察してみると、光の１／４波長を周期にして抽出効率の極大／極小点が表れることが分かる。これは、光の干渉効果によって放射パターンが変わり、これによって抽出効率が調節されることを示す。

実際に、極大点と極小点での放射パターンを観察すると、極大点である場合、垂直方向に強い放出が起きる反面、極小点である場合、垂直方向の光がほとんど存在せず、ほとんどの光が臨界角より大きい特定角度に傾いた状態で放出される。

抽出効率が極大になる条件は、発光層と鏡との間の間隔が約３／４（λ／ｎ）であるときで、約λ／４ｎの奇数倍であるとき、抽出効率が大きくなることが分かる。

鏡による干渉効果を垂直型ＧａＮ発光素子構造に実際に適用するためには、シミュレーション上で仮定した事項を解決しなければならない。特に、シミュレーション上では、発光層を近似的に点光源と仮定したが、実際の発光素子の量子井戸層は、積層されたペアの数によって約５０〜１００ｎｍの厚さを有する。

しかし、発光層の厚さがλ／４ｎより大きくなると、鏡による干渉効果が漸次なくなる。したがって、内部量子効率を維持しながら、量子井戸の厚さを減少させる成長技術が必要である。

次に、減衰率変化に対する結果を観察してみると、鏡と発光層との間の間隙が小さくなるほど減衰率が大きくなるという特性を示す。すなわち、発光層に鏡が接近するほど、利得媒質の循環過程が迅速になる。しかし、ここで注目すべき点は、減衰率変化が抽出効率増加に繋がるものでない点である。

減衰率は、発光層内で電子と正孔が結合されたとき、どれほど速い時間内に光エネルギーに変換されるかを示す指標に過ぎない。したがって、これを抽出効率と関連づけるためには、発光層内の利得媒質の非発光結合による減衰率を一緒に考慮すべきである。

減衰率変化を抽出効率に直接代入することは困難であるが、減衰率が増加するほど発光結合過程が活発になり、すなわち、相対的に非発光結合確率が減少して抽出効率向上に繋がるという定性的な関係は類推可能である。

以下、鏡と発光層との間の間隙が補強干渉条件にあるときの光結晶効果を説明する。補強干渉条件は、間隙が約３／４（λ／ｎ）であるときで、このときの放射パターンを図２４に示している。これを図１０と比較すると、相対的に多量の光が垂直方向に進行することが分かる。

上記のような条件で光結晶を導入したときの抽出効率向上程度を調査すると、図２５に示す通りである。

まず、光結晶を適用しない構造に対して、補強干渉条件は、鏡効果がほとんどない球面波条件に比べて約２倍の抽出効率向上効果を示す。この値が鏡の干渉効果を算出するとき（１．６倍増加）より大きい理由は、今回の構造で吸収率を考慮したためである。

光結晶（周期＝８００ｎｍ、エッチングの深さ＝２２５ｎｍ）を導入したグラフを比較すると、補強干渉条件を適用した構造が最も優れた特性を示す。

ただし、光結晶前／後の相対的増大比は、補強干渉条件構造の場合には最大約１．２倍である。その理由は、発光層から発生したほとんどの光が最初から臨界角以内に含まれており、光結晶を通して抽出される光の量がその分だけ減少したためである。

次に、補強干渉条件に対する光結晶周期による抽出効率の変化を調査すると、図２６に示す通りである。

このとき、光結晶のエッチングの深さは２２５ｎｍに固定し、光結晶をなすホールの大きさは０．２５ａに固定する。補強干渉条件と正常条件に対する光結晶周期による抽出効率の依存性を知るために、二つの結果を一つのグラフに示した。

結果を観察してみると、補強干渉条件に対する最適周期と正常条件に対する最適周期には著しい差が示されてなく、最適周期は約８００ｎｍである。

以下、光結晶のエッチングの深さによる抽出効率変化を、図２７に基づいて説明する。

発光層の出力パターンが球面波と仮定できる正常条件である場合、約１μｍの周期を基準にしてエッチングの深さに対して抽出効率が飽和する周期と、エッチングの深さに比例して抽出効率が継続的に増加する周期とに分けられる。

その理由は、光結晶の周期が長くなるほど、臨界角に近い全反射光をよく回折するためである。この原理を現在議論している補強干渉条件に適用すると、この条件では、初期から垂直方向中心の放射が行われるため、周期の長い光結晶の役割が一層重要になると予想される。

上記の効果を検証するために、コンピュータシミュレーション計算を通して、図２７に示すように、エッチングの深さを変化させて周期に対する抽出効率を算出した。上述した正常条件と比較すると、エッチングの深さが大きくなるにつれて、抽出効率の最大になる最適周期が、一層明確に長い周期方向に移動することが分かる。

例えば、エッチングの深さが９００ｎｍである場合、最適周期が２μｍ以上で発見される。これは、現在、一般的なフォトリソグラフィの分解能で製作可能な構造に該当するので、実用的な側面で大きな意義を有する。

＜第１実施例＞

まず、図２８に示すように、基板１００上に窒化ガリウム（ＧａＮ）系列半導体層１１０が形成される。そして、この半導体層１１０上に、半導体層１１０と類似した屈折率または半導体層１１０より高い屈折率を有する物質を用いて光抽出層１２０が形成される。

上記のような光抽出層１２０は、特定パターンをなしており、この特定パターンによって、周期的な構造を有する光結晶が形成される。このような光結晶の形成は、エッチングまたはその他のパターニング方法を通して行われる。

上記のような光結晶構造の形成には、ホール１２１を形成するポジティブリソグラフィと、柱構造を形成するネガティブリソグラフィを全て適用可能である。

すなわち、光抽出層１２０を蒸着して形成した後、リソグラフィ及びエッチング過程で光結晶パターンを形成してもよく、その反対に、半導体層１１０上でリソグラフィを行った後、光抽出層１２０を蒸着し、以後にリフトオフ過程を通してパターンを形成してもよい。

上記のように周期的な光結晶構造が発光素子の表面に位置すると、全反射によって閉じ込められた光を回折過程を通して抽出することができ、光抽出効率が向上するようになる。しかし、光抽出層１２０は、特定パターンを持たない場合も、粗面形成などによって光抽出効率が向上する。

このとき、光抽出層１２０の光結晶形成のためのホール１２１に透明電極物質が形成されるが、この透明電極物質としては、透明伝導性酸化物（Ｔａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｏｘｉｄｅ；ＴＣＯ）１３０が用いられる。

上記のような透明伝導性酸化物１３０としては、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ―Ｔｉｎ―Ｏｘｉｄｅ）が用いられるが、その他にも、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ―Ｚｉｎｃ―Ｏｘｉｄｅ）、ＡＺＯ（Ａｌｕｍｉｎｕｍ―Ｚｉｎｃ―Ｏｘｉｄｅ）、ＭＺＯ（Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ―Ｚｉｎｃ―Ｏｘｉｄｅ）、またはＧＺＯ（Ｇａｌｌｉｕｍ―Ｚｉｎｃ―Ｏｘｉｄｅ）などの物質が用いられる。

半導体層１１０が窒化ガリウム層である場合、窒化ガリウムの屈折率が２．４であるので、光抽出層１２０の屈折率は、約２．４であるかそれ以上である。この光抽出層１２０の屈折率は、２．４よりやや小さいこともある。

また、上記のような光抽出層１２０としては、酸化物または窒化物が用いられるが、特にＳｉＮまたはＴｉＯ_２が用いられる。

図２９は、上記のような光抽出層１２０を有する水平型発光素子の構造を示している。すなわち、半導体層１１０は、屈折率が１．７８であるサファイア基板１００上に順次形成されるｎ-型半導体層１１１、活性層１１２及びｐ-型半導体層１１３からなる。場合によって、ｎ-型半導体層１１１は、バッファ層１１４上に形成される。

このとき、光抽出層１２０と隣接するｐ-型半導体層１１３は、光抽出層１２０のパターン形成時にエッチングされず、ｐ-型半導体層１１３は、全体的に積層時の厚さを維持することができる。このｐ-型半導体層１１３の厚さは、３０〜５００ｎｍである。また、光抽出層１２０の厚さは、１５０ｎｍ以上である。

図２９では、光抽出層１２０のパターンが拡大されて示されている。この光抽出層１２０のパターンは、ＧａＮ半導体で光結晶を形成させる多数のホール１２１からなり、このホール１２１の半径、深さ及び周期は、該当の半導体層１１０に最適化される。

すなわち、各ホール１２１間の間隔である周期をａとしたとき、ホール１２１の半径は、０．１０ａ〜０．４５ａであり、ホール１２１の深さは、０．２５λ／ｎ〜１０λ／ｎである。ここで、λは、発光される光の波長で、ｎは、光結晶が形成される媒質、すなわち、ｐ-型半導体層１１３の屈折率である。また、周期ａは、２００ｎｍ〜５０００ｎｍである。

一方、上述したように、ホール１２１を形成する代わりに、規則的な柱構造を形成して光結晶構造を形成することもできる。

このとき、ｎ-型半導体層１１１上にｎ-型電極１４０を形成するために、ｎ-型半導体層１１１が露出するように一側がエッチングされ、光抽出層１２０が形成された部分の上側にはｐ-型電極１５０が形成される。

上記のような光抽出層１２０をなす物質の厚さは自由に決定され、このように高屈折率の物質を蒸着して光結晶を形成する構造は、赤色、緑色及びその他の色を発光する全ての発光素子構造に適用可能である。

本発明の効果を観察するために、図３０に示すように、第１実施例の構造に対する光抽出層１２０の屈折率による抽出効率の変化を調査した。

図３０のグラフにおいて、垂直軸は、光抽出構造を導入していない一般的な平面構造に対する相対的な光抽出効率増大比を示したものである。

この結果から分かるように、透明伝導性酸化物１３０の屈折率と光抽出層１２０の屈折率との差が大きくなるほど、光抽出効率増大比が上昇する。ここで、点線は、半導体層の最上層（この場合、ｐ-型半導体層）をエッチングして光結晶を形成した場合の光抽出効率を示す。

そして、光抽出層１２０の屈折率が約２．６であるとき、ｐ-型ＧａＮ半導体層をエッチングした場合と類似した光抽出効率増大効果を示す。このとき、一層高い屈折率を有する物質を導入して光抽出層１２０または光結晶を形成すると、ｐ-型半導体層をエッチングして光結晶を形成する上述した光結晶構造より優れた光抽出効率向上効果が示される。

したがって、光抽出層１２０が備えるべき条件は、上述したように、屈折率が半導体層２０の屈折率（２．４）と類似しているか、それより大きくなるべきで、その厚さは、最小１５０ｎｍ（λ／ｎ）以上で、場合によっては最小λ／４ｎの厚さであってもよい。

また、上記のような光抽出層１２０をなす物質は、発光素子の発光層の波長領域内に吸収損失が存在してはならず、透明伝導性酸化物１３０との物理的な接合力に優れたものであるべきである。

上記のような条件を満足する物質としては、上述したように、屈折率が約２．４であるシリコン窒化物（Ｓｉ_３Ｎ_４）または屈折率が３．０であるチタニウム酸化物（ＴｉＯ_２）が好ましい。

上述したように、半導体層１１０上に、半導体層１１０と屈折率が類似しているか、それより大きい物質を用いて光抽出層１２０を形成すると、発光素子に光抽出効率向上のための光結晶を導入しながら、発光素子の電気的特性を保つことができ、高い電流に対しても同一の光抽出効果を示すようになる。

さらに、ＧａＮ半導体層をエッチングして光結晶を形成する場合と同一であるか、それより優れた光抽出効果を実現することができ、光結晶の形成時、エッチングの深さを光抽出効率の飽和時まで拡張させることができる。

＜第２実施例＞

図３１に示すように、屈折率が１．７８であるサファイア基板２００上に窒化ガリウム（ＧａＮ）系列半導体層２１０が形成され、この半導体層２１０上には透明伝導性層２２０が形成される。この透明伝導性層２２０は、電極として用いられる。

上記のような透明伝導性層２２０としては、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ）が用いられるが、その他にも、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｚｉｎｃ−Ｏｘｉｄｅ）、ＡＺＯ（Ａｌｕｍｉｎｕｍ−Ｚｉｎｃ−Ｏｘｉｄｅ）、ＭＺＯ（Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ−Ｚｉｎｃ−Ｏｘｉｄｅ）、またはＧＺＯ（Ｇａｌｌｉｕｍ−Ｚｉｎｃ−Ｏｘｉｄｅ）などの物質が用いられる。

上記のような透明伝導性層２２０上には、屈折率が半導体層２１０と類似しているか、 屈折率が半導体層２１０より大きい物質を用いて光抽出層２３０が形成される。

上述した光抽出層２３０は。特定パターンをなしており、この特定パターンによって、周期的なホール構造を有する光結晶が形成される。このような光結晶の形成は、エッチングまたはその他のパターニング方法を通して行われる。

半導体層２１０が窒化ガリウム層である場合、窒化ガリウムの屈折率が２．４であるので、光抽出層２３０の屈折率は、約２．４であるか、それより大きい。この光抽出層２３０の屈折率は、２．４よりやや小さくてもよい。また、この光抽出層２３０としては、酸化物または窒化物が用いられるが、特にＳｉＮまたはＴｉＯ_２が用いられ、このような事項は第１実施例と同一である。

一方、図３２に示すように、透明伝導性層２２０の代りに、Ｎｉ層２４１とＡｕ層２４２などの薄い透明金属層２４０を用いてもよい。この透明金属層２４０は、その厚さを充分に薄く形成して光を通過させるものである。

また、ＮｉまたはＡｕを含む合金を用いて透明金属層２４０を形成してもよいことは言うまでもない。

上記のような透明金属層２４０は、１０ｎｍ以下の数ナノメートル（ｎｍ）の厚さで形成することが好ましく、例えば、Ｎｉ層２４１は２ｎｍ以下、Ａｕ層２４２は４ｎｍ以下の厚さで形成する。

上述したように、半導体層２１０上には、透明伝導性層２２０または透明金属層２４０が形成される。このとき、酸化物金属である透明伝導性層２２０が形成される場合、その厚さを充分に薄くすることが好ましい。

図３３は、透明伝導性層２２０の例としてＩＴＯを用いた場合と、透明金属層２４０の光の入射角による透過率を示している。図示するように、ＩＴＯを用いた場合、入射角が約４５度より大きくなるとき、透過率が大いに減少することが分かる。

また、図３４に示すように、ＩＴＯの厚さが増加するほど、光抽出層２３０による光抽出効率が漸次減少することが分かる。したがって、上述したように、屈折率が半導体層２１０の屈折率より低いとき、透明伝導性層２２０の厚さは、λ／２ｎ（λは光の波長、ｎは透明伝導性層の屈折率）より小さくすることが好ましい。

上記のような透明伝導性層２２０は、電極として作用するので、電圧特性を考慮する場合、λ／１６ｎ〜λ／４ｎの厚さを有することが一層好ましい。

しかし、透明金属層２４０の場合、図３３に示すように、透過率がほとんどの角度で維持されるので、発光される光の透過率を考慮して厚さを決定することができる。

図３５は、上述した構造を有する発光素子を示している。このとき、半導体層２１０の構造は、ｎ-型半導体層２１１上に発光層２１２が位置し、この発光層２１２上にｐ-型半導体層２１３が位置する。このとき、ｎ-型半導体層２１１は、ドーピングされていない低温バッファ層２１４上に形成される。

また、ｐ-型半導体層２１３上には、厚さが数ナノメートル（ｎｍ）である電流拡散層２１５が形成される。この電流拡散層２１５は、ドーピングされていない半導体層からなる。

特に、上記のような電流拡散層２１５としては、Ｉｎ_ｘＧａ_1−ｘＮ層またはＩｎ_ｘＧａ_1−ｘＮ／ＧａＮ超格子層が用いられる。この電流拡散層２１５は、キャリア移動を向上させて電流の流れを円滑にする役割をし、ＣＴＥＬ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｌａｙｅｒ）層ともいう。

このとき、ｐ-型半導体層２１３の厚さは、３０〜５００ｎｍである。また、光抽出層２３０の厚さは、λ／４ｎ以上である。ここで、ｎは、光抽出層２３０をなす物質の屈折率である。

その他の説明されていない部分は、上記の第１実施例と同一である。

＜第３実施例＞

図３６は、垂直型発光素子構造上に高屈折率を有する光抽出層３２０を適用した実施例を示している。

すなわち、ｎ-型半導体層３１１、このｎ-型半導体層３１１上に位置する発光層３１２及びｐ-型半導体層３１３からなる半導体層３１０上には、屈折率が半導体層３１０と類似しいるか、屈折率が半導体層３１０より大きい物質を用いて光抽出層３２０が形成される。

上記のような光抽出層３２０は、特定パターンをなしており、この特定パターンによって、周期的な構造を有する光結晶が形成される。この光結晶の形成は、エッチングまたはその他のパターニング方法を通して行われる。

上記のような光結晶構造の形成は、ホールを形成するポジティブリソグラフィと、柱構造を形成するネガティブリソグラフィとが全て適用可能であり、このような事項は、第１実施例の場合と同一である。

このとき、図示するように、半導体層３１０は、オーミック特性を有する透明電極３３０と反射型電極３４０上に位置する。この透明電極３３０は、ＩＴＯなどの伝導性酸化物を用いて形成され、反射型電極３４０は、ＡｌまたはＡｇなどの金属を用いて形成される。

また、上記のような透明電極３３０と反射型電極３４０は、単一層の反射型オーミック電極（図示せず）として形成されることもある。

一方、上述した構造は、金属または半導体層からなる支持層３５０上に位置し、この支持層３５０は、垂直型構造を形成するために、半導体層３１０が成長された基板を除去する過程で発光素子構造を支持する。

上記のような垂直型発光素子の構造は、光抽出層３２０上にｎ-型半導体層３１３と電気的に連結されるｎ-型電極が形成され、発光素子の駆動時、垂直方向に電流が流れるようになる。

＜第４実施例＞

図３７は、垂直型ＧａＮ発光素子内に互いに異なる周期の光結晶が混合された光結晶層４２０構造を示している。図３８及び図３９は、上記のような光結晶層４２０構造を実験的に具現したときの電子顕微鏡写真である。

電子顕微鏡写真内の混合周期光結晶層４２０構造は、垂直型構造のｎ-型ＧａＮ半導体層の表面に一般的なエッチング工程を通してパターンを形成するとき、エッチングに用いる気体のプラズマとＧａＮ半導体層の表面とが反応を起こし、追加的に微細パターンが形成された構造である。

したがって、上記のような形成過程によって形成された混合周期光結晶層４２０構造は、周期的な光結晶構造に、これより平均周期の短いランダム構造が追加された構造と見なせる。

上記のような混合周期光結晶層４２０構造の効果を算術的に評価するために、コンピュータシミュレーション計算を通して図４０及び図４１に示した構造を用いて抽出効率を比較した。

上記のような混合周期光結晶層４２０構造は、多様な形態で表現可能であるが、その構造を単純化するために、次のような原理によって表現した。

まず、周期の長い第１周期を有する第１光結晶４２１構造を導入し、この第１光結晶４２１構造のエッチングの深さを４５０ｎｍに設定した。

上述した周期の長い第１光結晶４２１構造においてエッチングされていない部分に、周期が相対的に短い第２光結晶４２２構造を導入し、この周期の短い第２光結晶４２２構造のエッチングの深さを２２５ｎｍに設定した。

計算空間で表現された構造は、まず、実験的に短い周期の第２光結晶４２２を定義した後、より大きいエッチングの深さを有する長い周期の第１光結晶４２１を導入する方法を示している。

このとき、混合される各光結晶４２１、４２２構造の周期、エッチングの深さ及び形状などは、多様に表現可能であるので、多様な組み合わせの混合周期光結晶層４２０構造が考えられる。

計算結果を観察してみると、図４２に示すように、互いに異なる周期が混合された光結晶構造は、常に他の構造より優れた光抽出効率向上効果を示している。したがって、実験的に混合周期光結晶構造を信頼性を持って製作できる方法が提供される場合、各光結晶構造の組み合わせとは関係なしに、単一光結晶構造より常に改善された抽出効率を期待することができる。

上述したように、垂直型ＧａＮ発光素子に光結晶を導入する場合、３μｍ以上の厚さを有するｎ-型ＧａＮ半導体層をエッチングして光結晶を形成すると、ｐ-型ＧａＮ半導体層に光結晶を形成する水平型構造に比べて電気的特性を保つことができ、実質的にエッチングの深さに対する制約がなくなる。

まず、単一周期からなる光結晶構造におけるエッチングの深さに対する光抽出効率効果を整理すると、ｎ-型ＧａＮ半導体層に導入された光結晶のエッチングの深さが３００ｎｍ以上である場合、導入された光結晶の周期が１μｍ以上で、５μｍ未満であるとき、上記の二つの条件を満足する光結晶構造は、エッチングの深さに比例して抽出効率が継続的に増加しながら、最大の光抽出効率に接近する傾向性を示す。

また、エッチングの深さが大きくなるにつれて、最適の周期は長くなる方向に移動し、例えば、２２５ｎｍのエッチングの深さであるとき、最適の光結晶周期が約８００ｎｍである反面、９００ｎｍのエッチングの深さであるとき、最適の光結晶周期が１４００ｎｍとなる。

上記のように、エッチングの深さに対する制約が実質的になくなると、多様な形態の混合周期光結晶構造を提案することができる。混合周期光結晶構造の形状は、製作方法によって次のように分類される。

図４３に示すように、混合周期光結晶層４２０を半導体層４１０上に形成し、長い周期を有する第１光結晶４２１をエッチング過程を通して形成した後、これより相対的に短い周期を有する第２光結晶４２２をエッチング過程を通して形成する。このとき、上述したように、第２光結晶４２２は、平均周期が第１光結晶４２１の周期より短いランダム構造でもある。

上記のように、まず、長い周期の第１光結晶４２１を形成した後、短い周期の第２光結晶４２２を形成すると、図示するように、第１光結晶４２１をなすホール４２１ａの内側にも第２光結晶４２２が形成され、第２光結晶４２２も発光面全体に形成される。

上記のような光結晶層４２０のうち最も長い周期を有する第１光結晶４２１の周期は、８００ｎｍ〜５０００ｎｍであり、この光結晶層４２０のうち最も長い周期を有する第１光結晶４２１をなすパターンの深さは、３００ｎｍ〜３０００ｎｍである。

また、光結晶層４２０の周期が一層短い第２光結晶４２２の周期は、５０ｎｍ〜１０００ｎｍであり、この光結晶層４２０の周期が一層短い第２光結晶４２２をなすパターンの深さは、５０ｎｍ〜５００ｎｍである。

一方、上記のような光結晶層４２０の周期をａとしたとき、光結晶層４２０の光結晶をなすホールの深さは、０．１ａ〜０．４５ａである。

図４４は、半導体層４１０上に混合周期光結晶層４２０を形成するにおいて、まず、短い周期を有する第２光結晶４２２をエッチング過程を通して形成した後、これより長い周期を有する第１光結晶４２１をエッチング過程を通して形成した構造を示している。

図４５に示すように、長い周期を有する第１光結晶４２１をエッチング過程を通して形成した後、これより短い周期を有する第２光結晶４２２を蒸着過程を通して形成することができる。

このとき、第２光結晶４２２を蒸着過程を通して形成すると、陰刻形状の代わりに、第１光結晶４２１構造上に突出した粒子４２２ａのパターンで第２光結晶４２２が形成される。この粒子４２２ａの形状は、半球型になるか、ＧａＮ結晶の形状によって六角構造をなすこともある。

上記のように、まず、長い周期の第１光結晶４２１を形成した後、短い周期の第２光結晶４２２を形成すると、図示するように、第１光結晶４２１をなすホール４２１ａの内側にも第２光結晶４２２が形成され、第２光結晶４２２も発光面全体に形成される。

図４６は、まず、短い周期を有する第２光結晶４２２を蒸着過程を通して形成した後、これより長い周期を有する第１光結晶４２１をエッチング過程を通して形成した構造を示している。

以上説明した混合周期光結晶層４２０の構造は、独立的な二つの異なる周期を有する光結晶４２１、４２２を追加したものであるので、各光結晶４２１、４２２の構造因子によって多様な組み合わせが可能である。

基本的に、二つの光結晶４２１、４２２の周期の組み合わせ方式によって抽出効率が変わり、エッチングの深さ及び光結晶形状なども変数になる。また、蒸着過程によって新しい物質を導入する場合、導入する物質の屈折率も変数になる。

上記のような本発明は、外部光抽出効率改善のために垂直型ＧａＮ発光素子のｎ-型ＧａＮ半導体層内に光結晶を導入するとき、光結晶のエッチングの深さを大きく形成し、製作が容易な長い周期（１μｍ以上）で最大の抽出効率を保障する。

また、単一周期からなる光結晶構造を拡張し、同一平面内に二種類以上の周期が混合された混合周期光結晶構造を提供することで、抽出効率向上を極大化することができる。

図４７は、上述した混合周期光結晶層４２０を有する垂直型発光素子構造を示している。

上記のような光結晶が形成される半導体層４１０は、順にｎ-型半導体層４１１、発光層４１２及びｐ-型半導体層４１３からなり、上述したように、光結晶４２０は、ｎ-型半導体層４１１上に形成される。

上記のような半導体層４１０の下側には、オーミック電極層または反射型オーミック電極層４３０が位置し、このような発光素子構造は、シリコンなどの半導体または金属からなる支持層４４０上に位置する。

このとき、光結晶層４２０が形成されたｎ-型半導体層４１１上には、ｎ-型電極４５０が位置する。

以上説明した構造の特徴は、上述したように、光結晶をｎ-型ＧａＮ半導体層４１１をエッチングして形成することで、半導体層４１０内の抵抗増加にほとんど影響を及ぼさないことである。また、この垂直型ＧａＮ発光素子は、熱排出が容易であり、光結晶層４２０の導入による光抽出効果は、高出力領域でも同一に保たれる。

また、ｎ-型ＧａＮ半導体層４１１の厚さは、一般的に３μｍより大きくなるので、抽出効率が飽和する光結晶のエッチングの深さを遥かに超えるようになる。

上記のように、光結晶のエッチングの深さが大きくなるにつれて、最大の抽出効率を保障する周期が漸次長くなる方向に移動し、特に１μｍ以上の周期の光結晶は、短い周期の飽和時点より大きいエッチングの深さに対して継続的に抽出効率が上昇する。

一方、上述したように同一平面内に互いに異なる周期が混合された混合周期光結晶層４２０の構造は、光結晶構造の組み合わせとは関係なしに、常に単一周期を有する構造より優れた抽出効率向上効果を示し、上述したエッチングの深さによる最適の周期移動と混合周期光結晶層４２０の構造は、光結晶形成層の厚さが３００ｎｍ以上である他の発光素子構造にも適用可能である。

＜第５実施例＞

図４８は、上述した鏡と発光層との間の間隙が補強干渉条件にあるとき、光結晶効果を考慮して、光抽出効率が極大化される発光素子の構造の一例を示している。

上記のような発光素子の構造は、支持層５４０上に反射電極５３０が位置し、この反射電極５３０上に半導体層５１０が位置する。反射電極５３０としては、半導体層５１０とオーミック接触をなす物質が用いられる。また、この反射電極５３０の反射率は、５０％以上であることが好ましい。

また、図４９に示すように、別途のオーミック電極５３１が反射電極５３０と半導体層５１０との間に位置することもある。このとき、別途のオーミック電極５３１としては、透明電極が用いられる。また、この透明電極としては、半導体層５１０より低い屈折率を有するＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ）が用いられるが、その他にも、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｚｉｎｃ−Ｏｘｉｄｅ）、ＡＺＯ（Ａｌｕｍｉｎｕｍ−Ｚｉｎｃ−Ｏｘｉｄｅ）、ＭＺＯ（Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ−Ｚｉｎｃ−Ｏｘｉｄｅ）、またはＧＺＯ（Ｇａｌｌｉｕｍ−Ｚｉｎｃ−Ｏｘｉｄｅ）などの物質が用いられる。

図示するように、半導体層５１０の構成は、ｐ-型半導体層５１３上に発光層５１２が位置し、この発光層５１２上にｎ-型半導体層５１１が位置する。

このとき、ｎ-型半導体層５１１上には、多数のホール５２１パターンまたは柱構造によって形成される光結晶５２０が位置し、このｎ-型半導体層５１１上の一部にはｎ-型電極５５０が位置する。図示するように、ｎ-型電極５５０が位置する部分には、光結晶５２０パターンが形成されないこともある。

上記のような光結晶５２０は、ホール５２１の深さまたは柱構造の高さが３００ｎｍ〜３０００ｎｍであり、光結晶５２０の周期が０．８〜５μｍである。このとき、ホール５２１または柱構造の大きさ（直径）は、周期をａとしたとき、０．２５ａ〜０．４５ａである。

上述したように、反射電極５３０と発光層５１２の中心間の距離ｄは、０．６５〜０．８５λ／ｎであり、約λ／４ｎの奇数倍をなすこともある。

結局、上記のような反射電極５３０と発光層５１２との間の距離の調節は、ｐ-型半導体層５１３によって行われる。すなわち、この反射電極５３０と発光層５１２との間の距離を調節することで、光抽出における補強干渉条件をなすようになる。

一方、上記のようにｐ-型半導体層５１３の厚さが補強干渉条件をなすように調節する際に、上述したように、反射電極５３０と発光層５１２との間に、別途のＩＴＯなどの物質で形成された透明なオーミック電極５３１が位置する場合、補強干渉条件の厚さ調節が相対的に容易になる。

図５０は、図４９に示した構造においてオーミック電極５３１としてＩＴＯが用いられた場合におけるオーミック電極５３１の厚さによる光抽出効率のグラフを示し、図５１は、図４９に示した構造におけるｐ-型半導体層５１３の厚さ変化による光抽出効率の変化を示している。

図示するように、透明なオーミック電極５３１の厚さを調節することで、光抽出効率の制御が相対的に容易になることを示している。これは、オーミック電極５３１の厚さを制御することで、光抽出の補強干渉条件を一層容易に調節できることを意味する。

以上説明した本発明は、外部光抽出効率改善のために垂直型ＧａＮ発光素子のｎ-型半導体層５１１内に光結晶５２０を導入するとき、反射電極５３０の干渉効果とエッチングの深さを活用し、製作が容易な長い周期（１μｍ以上）の光結晶５２０で最大の抽出効率を得ることができる。また、反射電極５３０の干渉効果のみでも改善された抽出効率向上効果をもたらす。

上記のような発光素子の構造は、パッケージをなしたとき、パッケージの構造と関係なしに高い抽出効率を示すようになる。

図５２は、パッケージボディ５６０の周囲にリード５６１が形成され、このパッケージボディ５６０の上側に、上述した特徴を有する発光素子５００が装着された状態を示している。このとき、リード５６１と発光素子５００は、ワイヤー５６２によって連結され、発光素子５００の一側には、ツェナーダイオード５７０を設置して耐電圧特性を向上させることができる。

上記のような発光素子５００が結合されたパッケージボディ５６０には、平面状の充填材が形成される。

図５３は、パッケージボディ５８０上に発光素子５００を設置し、ドーム状の充填材５９０が形成された状態を示している。

上述した発光素子５００構造で発光される垂直方向の方向性の強い光は、図５２に示した平面状パッケージ構造や、図５３に示したドーム状パッケージ構造においてほぼ同一の光出力特性を示す。

＜第６実施例＞

以下、光結晶などの光抽出構造を有する発光素子の製造過程を説明する。

図５４は、基板６１０に形成されたＬＥＤ構造６００を示している。

上記のようなＬＥＤ構造６００は、まず、サファイアなどの基板６１０上に化合物半導体層６２０を形成する。この半導体層６２０は、基板６１０側からｎ-型半導体層６２１、活性層６２２及びｐ-型半導体層６２３の順に形成される。

このとき、ｎ-型半導体層６２１、活性層６２２及びｐ-型半導体層６２３は、上記と反対の順に形成されてもよい。すなわち、基板６１０上からｐ-型半導体層６２３、活性層６２２、ｎ-型半導体層６２１の順に形成されてもよい。

特に、半導体層６２０としては、窒化ガリウム（ＧａＮ）系列半導体が用いられる。このとき、活性層６２２は、IｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸（ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ：ＱＷ）構造をなす。その他に、ＡｌＧａＮ、ＡｌIｎＧａＮなどの物質も、活性層６２２として用いられる。この活性層６２２では、電界を印加したとき、電子-正孔対の結合によって光が発生するようになる。

また、上記のような活性層６２２は、輝度向上のために上述した量子井戸構造（ＱＷ）が複数形成され、多重量子井戸（ｍｕｌｔｉ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ：ＭＱＷ）構造をなす。

半導体層６２０上には、ｐ-型電極６３０が形成される。このとき、ｐ-型電極６３０はオーミック電極であり、このｐ-型電極６３０上には、活性層６２２から発生した光を反射して外部に放出させるための反射電極６４０が形成される。

また、ｐ-型電極６３０と反射電極６４０の物質選択によって、一つの電極がｐ-型電極６３０と反射電極６４０の役割を兼ねることもある。

上記のような反射電極６４０上には、後の基板６１０の分離過程でＬＥＤ構造６００を支持するための支持層６５０が形成される。

上記のような支持層６５０は、シリコン（Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）などの半導体基板やＣｕＷなどの金属基板を反射電極６４０上にボンディングして形成するか、または、反射電極６４０上にニッケル（Ｎｉ）または銅（Ｃｕ）などの金属をメッキして形成する。

上記のような支持層６５０が金属である場合、反射電極６４０への付着性を高めるために結合金属を用いて形成してもよい。

以上説明した段階によって、ＬＥＤ構造６００は、図５４に示した構造をなす。このような構造は、以後、基板６１０を除去し、この基板６１０が除去された面に誘電体層６６０を形成することで、図５５に示した構造となる。

基板６１０の除去は、いわゆる、レーザーリフトオフ法でレーザーを用いて除去するか、または、エッチング法を用いた化学的方法で除去する。

上記のような基板６１０の除去過程で、支持層６５０は、ＬＥＤ構造６００を支持する。

基板６１０が除去されて露出するｎ-型半導体層６２１には、上述したように、誘電体層６６０が形成される。この誘電体層６６０としては、酸化物または窒化物が用いられるが、その一例として、シリコン酸化物（ＳｉＯ_２）を用いてもよい。

誘電体層６６０には、多数のホール６６１が規則的に形成されるが、このホール６６１は、反応性イオンエッチング（ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ：ＲＩＥ）または誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ：ＩＣＰ−ＲＩＥ）などの乾式エッチング法を用いて形成される。

上記のような乾式エッチング法は、湿式エッチング法と異なって、一方性エッチングが可能であり、上記のようなホール６６１を形成するのに適している。すなわち、湿式エッチング法では、等方性エッチングによって全ての方向にエッチングが行われるが、これと異なって、乾式エッチング法では、ホール６６１を形成するための深さ方向のみにエッチングが可能であり、ホール６６１の大きさ及び間隔などを所望のパターンで形成することができる。

上記のような多数のホール６６１を形成するためには、図５６に示すように、ホールパターン６７１が形成されたパターンマスク６７０を用いることができる。

上記のようなパターンマスク６７０としては、クロム（Ｃｒ）などの金属マスクが用いられるが、場合によってはフォトレジストが用いられてもよい。

パターンマスク６７０としてフォトレジストを用いる場合、ホールパターン６７１は、フォトリソグラフィ、ｅ−ビームリソグラフィまたはナノインプリントリソグラフィなどの方法を用いて形成される。また、このような過程には、乾式エッチングまたは湿式エッチングが用いられる。

パターンマスク６７０としてクロムマスクを用いる場合、クロムにパターンを形成するためにはクロム上にポリマー層を形成し、このポリマーにナノインプリンティングを用いてパターンを形成した後、クロムマスクをエッチングしてパターンマスク６７０を形成する。このクロムマスクのエッチングには、乾式エッチング法が用いられる。

上記のような乾式エッチング法には、上述したようなＲＩＥ、ＩＣＰ−ＲＩＥが用いられるが、このときに用いられるガスは、Ｃｌ_２及びＯ_２のうち少なくとも何れか一つである。

このとき、後の工程でｎ-型電極パッド６９１（図６６を参考）が形成される空間のために、一部の領域ではホールパターン６７１を形成しないことが好ましい。

上記のような過程を通して、図５７に示すように、誘電体層６６０にホールパターン６７１と同一パターンを有する多数のホール６６１が形成されるが、このとき、多数のホール６６１は、誘電体層６６０全体を貫通して形成される。

上述した多数のホール６６１は、多様なパターンで形成されるが、例えば、そのパターンが正方形をなすように形成されてもよい。また、図５８〜図６２に示すように、多様なパターンで形成してもよい。

すなわち、多数のホール６６１は、図５８に示すように、発光素子パッケージの斜線状に羅列されて形成されるか、図５９に示すように、発光素子パッケージの多数に区画された面で斜線をなすように形成される。このとき、斜線パターンは、他の区画の斜線パターンと互いに接しないように形成する。

また、図６０及び図６１に示すように、多数のホール６６１の斜線状パターンを複数の区域で互いに接するように形成してもよい。図６０は、発光素子が二つの領域に区画された状態で、ホール６６１が各区画の境界面で互いに接する斜線状に配列されたパターンを示しており、図６１は、４個の領域に区画された状態で、ホール６６１が各区画の境界面で互いに接する斜線状パターンを示している。

一方、図６２に示すように、多数のホール６６１を複数の同心円状または放射状のパターンをなして形成してもよい。

その他にも、６角形、８角形などの多様な多角形及び台形のパターンで形成してもよく、不定形のパターンで形成してもよい。

上記のようなホール６６１が形成された誘電体層６６０がｎ-型半導体層６２１上に位置した状態で、図５８に示すように、乾式エッチング法を用いて誘電体層６６０の表面を通してｎ-型半導体層６２１をエッチングして多数の溝６２４を形成する。

上記のように、ｎ-型半導体層６２１上に形成された誘電体層６６０は、ｎ-型半導体層６２１をエッチングするためのマスクまたは保護膜の役割をする。

このとき、多数の溝６２４は、誘電体層６６０に形成されたホール６６１のパターンと同一パターンで形成される。

すなわち、溝６２４のパターンは、図５８〜図６２に基づいて説明したように、正方形状、複数の斜線状、少なくとも二つ以上の区画に分けられた複数の斜線状、少なくとも二つ以上の区画に分けられて互いに反対方向に向かう複数の斜線状、複数の同心円状、多角形状、台形状及び放射状のパターンなどで形成される。

図６３は、ＩＣＰ−ＲＩＥを用いてｎ-型半導体層６２１に溝６２４を形成する過程を示している。

上記のようなＩＣＰ−ＲＩＥ装置としては、平面型及びソレノイド型を全て用いてもよく、図６３は、平面型ＩＣＰ−ＲＩＥ装置を示している。以下、その具体的な方法を説明する。

ＩＣＰ−ＲＩＥ装置は、接地された金属シールド７０１と、これを覆う絶縁窓７０２とを含むチャンバー７００上に銅コイル７１０が位置し、電力がＲＦ供給器７２０からコイル７１０に加えられる。このとき、ＲＦ電力によって絶縁総７０２を絶縁するために、適切な角度で磁場が形成されるべきである。

上記のようなチャンバー７００の下部電極７３０上に、ホール６６１パターンを有する誘電体層６６０が形成されたＬＥＤ構造６００を位置させる。下部電極７３０は、エッチングが行われるようにＬＥＤ構造６００を偏向させるバイアス電圧供給器７４０と連結される。

上記のようなバイアス電圧供給器７４０は、無線周波数電力及びＤＣバイアス電圧を供給することが好ましい。

このとき、Ａｒ、ＢＣｌ_３、Ｃｌ_２のうち少なくとも何れか一つのガスが適切に混合されたガス混合物が、反応性ガスポート７０３を通してチャンバー７００内に流入し、電子は、上側ポート７０４を通してチャンバー７００内に注入される。

上記のように注入された電子は、コイル７１０によって生成された電磁気場のために、注入された混合ガスの中性粒子と衝突してプラズマを生成するイオンと中性原子を形成する。

上記のようなプラズマ内のイオンは、バイアス電圧供給器７４０によって電極７３０に供給されたバイアス電圧のためにＬＥＤ構造６００に向かって加速され、この加速された電子と一緒に誘電体層６６０に形成されたホール６６１のパターンを通過し、図６４に示すように、ｎ-型半導体層６２１に溝６２４パターンを形成する。

このとき、チャンバー７００内の圧力は５ｍＴｏｒｒに維持し、Ｈｅフローを用いることができ、エッチング過程ではチャンバーを１０℃にクーリングすることが好ましい。

また、ＲＦ供給器７２０とバイアス電圧供給器７４０は、それぞれ３３Ｗ、２３０Ｗの電力を用いる。

上記のようなＩＣＰ−ＲＩＥ装置は、誘電体層６６１にホール６６０を形成するときも同様に用いることができる。このとき、混合ガスは、ＣＦ_４、Ａｒ、ＣＨＦ_３のうち少なくとも何れか一つ以上であり、ＲＦ供給器７２０とバイアス電圧供給器７４０は、それぞれ５０Ｗ、３００Ｗの電力を用いる。

一方、上述した過程によって誘電体層６６１に形成された多数のホール６６０を不規則的に形成することで、ｎ-型半導体層６２１に溝６２４が不規則的に形成されてもよい。このように不規則的に形成された溝６２４は、光が抽出される表面を粗くして光抽出効率を向上させることができる。

しかし、溝６２４パターンを規則的に形成して周期性を持たせることで（図５８〜図６２を参考）、ｎ-型半導体層６２１の表面にいわゆる光結晶構造６８０を形成することが好ましい。

図６５は、上記のような過程によってｎ-型半導体層６２１に形成された光結晶構造６８０のＳＥＭ（ｓｃａｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）イメージを示している。

上記のような光結晶構造６８０は、ＧａＮの屈折率（２．６）と光が抽出されるＬＥＤのエポキシレンズ屈折率（１．５）と、駆動電圧との関係などを考慮するとき、光結晶の周期は０．５〜１．５μｍで、光結晶をなす溝６２４の直径は、当該周期の約０．３〜０．６倍である。

また、溝６２４の深さは、ｎ-型半導体層６２１の厚さの１／３以上である。

上記のような光結晶構造６８０が形成されると、光結晶構造６８０では、屈折率の配置が周期的に行われるようになる。このとき、光結晶構造６８０の周期が、放出される光の波長の約半分になるとき、周期的に屈折率が変わる光結晶格子による光子の多重散乱によってフォトニックバンドギャップ（ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｂａｎｄ ｇａｐ）が形成される。

上記のような光結晶構造６８０において、光は所定方向に効果的に放出される属性を有する。すなわち、上記のようなフォトニックバンドギャップが形成されることで、発光される光は、光結晶構造６８０をなすホール６２４に流入または通過せず、このホール６２４以外の部分を通して抽出される現象が発生する。

上述したように、光結晶構造６８０が形成されたＬＥＤ構造６００の上下側には、図６６に示すように、それぞれｎ-型電極パッド６９１とｐ-型電極パッド６９２が形成されることで、ＬＥＤ構造６００が完成される。

上記の実施例は、本発明の技術的思想を具体的に説明するための一例に過ぎず、本発明は、上記の実施例に限定されずに多様な形態に変形可能であり、このような技術的思想の多様な実施形態は、全て本発明の保護範囲に属するものである。

発光素子の光抽出効率のための構造の一例を示す断面図である。 図１の半球の屈折率増加による抽出効率を示すグラフである。 光結晶構造を有する水平型発光素子の一実施例を示す断面図である。 図３の構造における光結晶の深さによる光抽出効率を示すグラフである。 半導体層の厚さが限定された場合、エッチングの深さによる光抽出効率を示すグラフである。 光結晶構造を有する垂直型発光素子の一実施例を示す断面図である。 コンピュータシミュレーションのための垂直型発光素子構造の一例を示す断面図である。 図７の構造における発光層の吸収率を示す断面図である。 発光層が鏡から充分に遠い場合の放射パターンを示す図である。 光結晶の周期を変更しながら光抽出効率を調査したグラフである。 光結晶のホールの大きさによる光抽出効率の変化を示すグラフである。 光結晶のエッチングの深さによる光抽出効率の変化を示すグラフである。 光結晶構造が全反射角度に該当する光を抽出する原理を示す図である。 水平型発光素子の上層部に光結晶を導入した構造を示す断面図である。 パターンが形成された基板上の発光素子構造を示す断面図である。 光結晶とパターンが形成された基板を同時に導入した発光素子構造を示す断面図である。 光結晶とパターンが形成された基板によって光が進行する距離による光抽出効率の変化を示すグラフである。 電気双極子の放射パターンを示す図である。 電気双極子の放射パターンを示す図である。 電気双極子の放射パターンを示す図である。 電気双極子の放射パターンを示す図である。 鏡面に対する双極子の配置を示す概略図である。 鏡と発光層との間隔による抽出効率の増大比及びそれによる放射パターンを示す図である。 発光層と鏡との間の間隔が補強干渉条件にあるときの放射パターンを示す図である。 補強干渉条件を有する構造において光結晶導入による効果を示すグラフである。 エッチングの深さが同一である光結晶の周期による抽出効率の変化を示すグラフである。 補強干渉条件である場合のエッチングの深さによる抽出効率の変化を示すグラフである。 本発明の第１実施例を示す断面図である。 本発明の第１実施例に係る水平型発光素子の一例を示す断面図である。 本発明の第１実施例における光抽出層の屈折率による光抽出効率を示すグラフである。 本発明の第２実施例に係る水平型発光素子構造の一例を示す断面図である。 本発明の第２実施例に係る水平型発光素子構造の他の例を示す断面図である。 本発明の第２実施例における透明伝導性層と透明金属層の入射角による透過率を示すグラフである。 本発明の第２実施例における透明伝導性層の厚さによる光抽出効率を示すグラフである。 本発明の第２実施例による発光素子を示す断面図である。 本発明の第３実施例を示す断面図である。 本発明の第４実施例における混合周期光結晶を有する発光素子の一例を示す断面図である。 図３７と同一構造の平面電子顕微鏡写真である。 図３７と同一構造の断面電子顕微鏡写真である。 本発明の第４実施例における混合周期光結晶の一例を示す平面図である。 図４０の断面図である。 本発明の第４実施例における混合周期光結晶を導入した構造の光抽出効率を示すグラフである。 本発明の第４実施例における混合周期光結晶を示す断面図である。 本発明の第４実施例における混合周期光結晶を示す断面図である。 本発明の第４実施例における混合周期光結晶を示す断面図である。 本発明の第４実施例における混合周期光結晶を示す断面図である。 本発明の第４実施例における混合周期光結晶を有する垂直型発光素子を示す断面図である。 本発明の第５実施例における発光素子構造の一例を示す断面図である。 本発明の第５実施例における発光素子構造の他の例を示す断面図である。 図４９の構造におけるオーミック電極の厚さによる光抽出効率の変化を示すグラフである。 図４９の構造におけるｐ-型半導体層の厚さによる光抽出効率の変化を示すグラフである。 本発明の第５実施例における発光素子パッケージの一例を示す断面図である。 本発明の第５実施例における発光素子パッケージの他の例を示す断面図である。 本発明の第６実施例における基板上にＬＥＤ構造を形成した段階を示す断面図である。 本発明の第６実施例における基板を除去して誘電体層を形成した段階を示す断面図である。 本発明の第６実施例における誘電体層にホールパターンを形成するためのマスクを位置させた段階を示す断面図である。 本発明の第６実施例における誘電体層に多数のホールを形成した段階を示す断面図である。 本発明の第６実施例における多数のホールパターンの例を示す平面図である。 本発明の第６実施例における多数のホールパターンの例を示す平面図である。 本発明の第６実施例における多数のホールパターンの例を示す平面図である。 本発明の第６実施例における多数のホールパターンの例を示す平面図である。 本発明の第６実施例における多数のホールパターンの例を示す平面図である。 本発明の第６実施例おける乾式エッチング過程を示す概略図である。 本発明の第６実施例おけるｎ-型半導体層に光結晶を形成した段階を示す断面図である。 本発明の第６実施例おける光結晶構造を示すＳＥＭイメージである。 本発明の第６実施例おける発光素子の構造を示す断面図である。

符号の説明

１０ サファイア基板
２０ ＧａＮ半導体層
２１ ｐ-型ＧａＮ半導体層
２２ 発光層
２３ ｎ-型ＧａＮ半導体層
２４ バッファ層
３０ 透明電極層
４０ 光結晶

Claims (58)

1. 
   半導体層と、
   前記半導体層上に位置し、前記半導体層と同一の屈折率または前記半導体層より大きい屈折率の物質で形成される光抽出層と、
   を含んで構成されることを特徴とする発光素子。
2. 前記光抽出層には、複数のホールが形成されたことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 前記複数のホールには、透明伝導性酸化物が位置することを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
4. 前記ホールは、規則的に形成されたことを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
5. 前記光抽出層と前記半導体層との間には、透明伝導性層がさらに含まれることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
6. 前記透明伝導性層の厚さは、λ／１６ｎ〜λ／２ｎ（ｎは、透明伝導性層の屈折率）であることを特徴とする請求項５に記載の発光素子。
7. 前記光抽出層と前記半導体層との間には、透明金属層がさらに含まれることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
8. 前記透明金属層は、Ｎｉ及び／またはＡｕ、またはこれらを含む合金で形成されることを特徴とする請求項７に記載の発光素子。
9. 前記光抽出層は、酸化物または窒化物で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
10. 前記光抽出層は、屈折率が２．４以上であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
11. 前記光抽出層は、ＳｉＮまたはＴｉＯ_２で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
12. 前記半導体層は、
    ｎ-型半導体層と、
    前記ｎ-型半導体層上に位置する活性層と、
    前記活性層上に位置するｐ-型半導体層と、
    を含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
13. 前記ｐ-型半導体層の厚さは、３０ｎｍ〜５００ｎｍであることを特徴とする請求項１２に記載の発光素子。
14. 前記光抽出層は、
    前記半導体層上に位置する透明伝導性酸化物層と、
    前記透明伝導性酸化物層上に位置し、複数のホールが形成された誘電体層と、
    を含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
15. 前記光抽出層の厚さは、１５０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
16. 前記半導体層は、
    ｐ-型半導体層と、
    前記ｐ-型半導体層上に位置する活性層と、
    前記活性層上に位置するｎ-型半導体層と、
    を含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
17. 前記半導体層は、第１電極上に位置することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
18. 前記第１電極は、
    反射電極と、
    前記反射電極上に位置するオーミック電極と、
    を含んで構成されることを特徴とする請求項１７に記載の発光素子。
19. 前記第１電極は、金属または半導体からなる支持層上に位置することを特徴とする請求項１７に記載の発光素子。
20. 半導体層と、
    前記半導体層上の同一平面上に互いに異なる周期を有する少なくとも二つ以上の光結晶構造からなる光結晶層と、
    を含んで構成されることを特徴とする発光素子。
21. 前記光結晶層は、多数のホールパターンまたは多数の突出粒子のパターンで形成されることを特徴とする請求項２０に記載の発光素子。
22. 前記光結晶層のうち最も長い周期を有する光結晶の周期は、８００ｎｍ〜５０００ｎｍであることを特徴とする請求項２０に記載の発光素子。
23. 前記光結晶層のうち最も長い周期を有する光結晶をなすパターンの深さは、３００ｎｍ〜３０００ｎｍであることを特徴とする請求項２０に記載の発光素子。
24. 前記光結晶層のうち最も短い周期を有する光結晶の周期は、５０ｎｍ〜１０００ｎｍであることを特徴とする請求項２０に記載の発光素子。
25. 前記光結晶層のうち最も短い周期を有する光結晶をなすパターンの深さは、５０ｎｍ〜５００ｎｍであることを特徴とする請求項２０に記載の発光素子。
26. 前記光結晶層の周期をａとしたとき、前記光結晶層の光結晶をなすホールの深さは、０．１ａ〜０．４５ａであることを特徴とする請求項２０に記載の発光素子。
27. 前記半導体層は、
    ｐ-型半導体層と、
    前記ｐ-型半導体層上に位置する発光層と、
    前記発光層上に位置するｎ-型半導体層と、
    を含んで構成されることを特徴とする請求項２０に記載の発光素子。
28. 前記光結晶層は、ｎ-型半導体層上に形成されたことを特徴とする請求項２７に記載の発光素子。
29. 前記光結晶層の反対側の前記半導体層表面には、反射型オーミック電極層が位置することを特徴とする請求項２０に記載の発光素子。
30. 前記反射型オーミック電極層上には、半導体または金属からなる支持層が位置することを特徴とする請求項２９に記載の発光素子。
31. 前記光結晶層は、
    第１周期を有する第１光結晶と、
    前記第１周期より長い周期を有する第２光結晶と、
    含んで構成されることを特徴とする請求項２０に記載の発光素子。
32. 前記第１光結晶または第２光結晶は、多数のホールパターンで形成されることを特徴とする請求項３１に記載の発光素子。
33. 前記第２光結晶層は、前記第１光結晶をなす多数のホールに形成されたことを特徴とする請求項３２に記載の発光素子。
34. 前記第２光結晶は、多数の突出粒子であることを特徴とする請求項３１に記載の発光素子。
35. 半導体層と、
    前記半導体層上の同一平面上に周期的な第１光結晶と、ランダム構造を有する第２光結晶とからなる光結晶層と、
    を含んで構成されることを特徴とする発光素子。
36. 前記第２光結晶は、平均周期が前記第１光結晶の周期より小さいことを特徴とする請求項３５に記載の発光素子。
37. 反射電極と、
    前記反射電極上に位置して発光層を含む半導体層と、
    前記半導体層上に形成された光結晶と、を含んで構成される発光素子であって、
    前記反射電極と発光層の中心間の距離は、０．６５〜０．８５λ／ｎであり、
    前記λは放出される光の波長、前記ｎは半導体層の屈折率であることを特徴とする発光素子。
38. 前記反射電極は、オーミック電極であることを特徴とする請求項３７に記載の発光素子。
39. 前記反射電極は、反射率が５０％以上であることを特徴とする請求項３７に記載の発光素子。
40. 前記発光層の厚さは、０．０５〜０．２５λ／ｎであることを特徴とする請求項３７に記載の発光素子。
41. 前記光結晶は、半導体層上に形成されたホールパターンまたは柱構造であることを特徴とする請求項３７に記載の発光素子。
42. 前記ホールの深さまたは柱構造の高さは、３００ｎｍ〜３０００ｎｍであることを特徴とする請求項４１に記載の発光素子。
43. 前記ホールまたは柱構造の直径は、前記光結晶の周期をａとしたとき、０．２５ａ〜０．４５ａであることを特徴とする請求項４２に記載の発光素子。
44. 前記光結晶の周期は、０．８〜５μｍであることを特徴とする請求項３７に記載の発光素子。
45. 前記反射電極と半導体層との間には、オーミック電極がさらに含まれることを特徴とする請求項３７に記載の発光素子。
46. 前記オーミック電極は、透明電極であることを特徴とする請求項４５に記載の発光素子。
47. 前記反射電極と発光層との間には、ｐ-型半導体層が位置することを特徴とする請求項３７に記載の発光素子。
48. 前記反射電極は、半導体または金属からなる支持層上に位置することを特徴とする請求項３７に記載の発光素子。
49. 反射電極と、
    前記反射電極上に位置して発光層を含む半導体層と、
    前記半導体層上に形成された光結晶と、を含んで構成される発光素子であって、
    前記反射電極と発光層の中心間の距離は、λ／４ｎの奇数倍であり、
    前記λは放出される光の波長、前記ｎは半導体層の屈折率であることを特徴とする発光素子。
50. 基板上に複数の半導体層を成長させる段階と、
    前記半導体層上に第１電極を形成する段階と、
    前記基板を除去する段階と、
    前記基板が除去された面に露出した半導体層上に誘電体層を形成する段階と、
    前記誘電体層に多数のホールを形成する段階と、
    前記多数のホールが形成された誘電体層面をエッチングし、前記半導体層に多数の溝を形成する段階と、
    前記誘電体層を除去する段階と、
    前記誘電体層が除去された半導体層面に第２電極を形成する段階と、
    を含んで構成されることを特徴とする発光素子の製造方法。
51. 前記複数の半導体層を成長させる段階は、
    前記基板上にｎ-型半導体層を形成する段階と、
    前記ｎ-型半導体層上に活性層を形成する段階と、
    前記活性層上にｐ-型半導体層を形成する段階と、
    を含むことを特徴とする請求項５０に記載の発光素子の製造方法。
52. 前記誘電体層は、酸化物または窒化物であることを特徴とする請求項５０に記載の発光素子の製造方法。
53. 前記溝の深さは、前記基板が除去された面に露出した半導体層の厚さの１／３以上になることを特徴とする請求項５０に記載の発光素子の製造方法。
54. 前記多数のホールまたは溝は、規則性を有するパターンで形成されることを特徴とする請求項５０に記載の発光素子の製造方法。
55. 前記多数のホールまたは溝を形成する段階では、乾式エッチング法を用いることを特徴とする請求項５０に記載の発光素子の製造方法。
56. 前記乾式エッチング法は、ＲＩＥ（ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ）またはＩＣＰ―ＲＩＥ（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ）であることを特徴とする請求項５５に記載の発光素子の製造方法。
57. 前記乾式エッチングは、Ａｒ、ＢＣｌ_３、Ｃｌ_２、ＣＦ_４、ＣＨＦ_３のうち少なくとも何れか一つを用いて行われることを特徴とする請求項５５に記載の発光素子の製造方法。
58. 前記誘電体層に多数のホールを形成する段階では、前記第２電極の形成領域を除いた部分に多数のホールを形成することを特徴とする請求項５０に記載の発光素子の製造方法。