JP2009123836A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】光取り出し面を有するＧａＮ系半導体層にダメージを与えずに、光り取り出し効率を向上させることができる窒化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】サファイア基板１上に、ＧａＮバッファ層２、ｎ型ＧａＮコンタクト層３、ＭＱＷ活性層４、ｐ型ＧａＮコンタクト層５が順次積層されており、ｐ型ＧａＮコンタクト層５からｎ型ＧａＮコンタクト層３の途中まで一部領域がメサエッチングされて、ｎ電極７が形成されている。一方、ｐ型ＧａＮコンタクト層５の上にｐ電極６が設けられており、ｐ電極６以外に、複数のリッジ部８が点散するよう結晶成長により形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光り取り出し効率を高めた窒化物半導体発光素子に関する。

例えば、窒化物半導体は、照明、バックライト等用の光源として使われる青色ＬＥＤ、多色化で使用されるＬＥＤ、ＬＤ等に用いられている。バルク単結晶の製造が困難なために、サファイア、ＳｉＣ等の異種基板の上にＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）を利用してＧａＮを成長させることが行われている。サファイア基板は、エピタキシャル成長工程の高温アンモニア雰囲気中の安定性にすぐれているので、成長用基板として特に用いられる。サファイア基板は絶縁性基板であり、サファイア基板上の窒化物半導体は、エピタキシャル成長後にｎ型窒化ガリウム層を露出するまでエッチングし、エッチングされた面にｎ型コンタクトを形成して、同一面側にｐ型とｎ型の二つの電極を設けている。

一方、ｐ型とｎ型の二つの電極を対向させた構造の窒化物半導体発光素子も提案されている。例えば、図１２に示すように、ｐ電極２１の上にｐ型ＧａＮ層２２、ＩｎＧａＮ活性層２３、ｎ型ＧａＮ層２４が積層されている。なお、ｎ型ＧａＮ層２４の中央部上にｎ電極が形成されて、ｐ電極２１と対向した構造となるが、ｎ電極は図示していない。また、図の上方向が光の取り出し方向となっている。

ＩｎＧａＮ活性層２３で発生した光は、３６０度方向に放射されるが、少しでも外部に取り出せる光量を上げるために、金属で構成されたｐ電極２１を下面の反射ミラーとして用い、下側に放射される光をｐ電極２１で反射させて上側に光を取り出している。

しかし、このように反射ミラーを用いたとしても、ｎ型ＧａＮ層２４と大気層との界面で発生する全反射によって、光の取り出し効率が非常に悪くなる。全反射は、光が屈折率の大きな媒質から屈折率の小さな媒質に向かう場合に境界面で発生するもので、境界面に入射する光の入射角が臨界角以上になると発生する。

全反射が発生しない臨界角以内で境界面に入射する光の範囲を示したのが光取り出しコーン２５であり、ｐ電極２１からの反射光であれ、ＩｎＧａＮ活性層２３から直接上方向に向かう光であれ、この光取り出しコーン２５の範囲内にはいった光は実線Ｔの矢印のように大気中に進んで取り出されるが、光取り出しコーン２５の範囲内に入らない光は、実線Ｒのように、ｎ型ＧａＮ層２４と大気層との界面で全反射を起こし、取り出せない光となっていた。

特にＧａＮの屈折率（約２．５）が空気の屈折率（約１．０）と比較して非常に大きいので、屈折率差が増大すると光取り出しコーン２５の範囲が狭くなり、光取り出し効率が悪化していた。
特開２００６−３１０８９３号公報

上記従来の窒化物半導体発光素子の構造では、光の取り出し効率が向上しないので、例えば、特許文献１に示されるように、光取り出し効率を向上させるために、半導体層の一部に凹凸を形成するという手法が提案されている。これは、図１２の破線で示されるように、光取り出し面であるｎ型ＧａＮ層２４表面に、錐体形状突起２６をエッチング加工やブラスト加工により形成するものである。この錐体形状突起２６により、例えば、境界面で全反射されていた実線Ｒで示される光が、錐体形状突起２６内を進み、錐体形状突起２６の側面に入射する角度が臨界角以内となるので、破線Ｓのように大気中に放射され、光取り出し効率が向上するものである。

ところが、錐体形状突起２６を形成するためには、ｎ型ＧａＮ層２４表面をエッチング加工やブラスト加工を行っており、このような加工処理によって、ｎ型ＧａＮ層２４にダメージを与えてしまい、電圧―電流特性に影響を与えるという問題が発生する。

また、図１２のように、ｎ型ＧａＮ層側から光を取り出すのではなく、ｐ側から光を取り出す場合には、ｐ型ＧａＮ層等のｐ型ＧａＮ系半導体層にエッチング加工やブラスト加工を行って、錐体形状突起を形成する必要があるが、ｐ型ＧａＮ系半導体層に対する加工ダメージは、ｎ型ＧａＮ系半導体層よりも大きい。加工ダメージはｎ型の伝導を示す欠陥を発生させるため、デバイスの漏れ電流を大きくしたり、ＧａＮが高抵抗になって電極とｐ型ＧａＮ系半導体層とのオーミック接合の形成を困難にしたりする。

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、光取り出し面を有するＧａＮ系半導体層にダメージを与えずに、光り取り出し効率を向上させることができる窒化物半導体発光素子を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、少なくとも、ｎ型ＧａＮ系半導体層、活性層、ｐ型ＧａＮ系半導体層とを備えた窒化物半導体発光素子であって、前記ｎ型ＧａＮ系半導体層又はｐ型ＧａＮ系半導体層のいずれか１方の光取り出し面に、ＧａＮ系半導体からなるリッジ部を複数結晶成長させて凹凸を形成したことを特徴とする窒化物半導体発光素子である。

また、請求項２記載の発明は、前記リッジ部の結晶成長は選択成長により行われることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子である。

また、請求項３記載の発明は、前記リッジ部の形状は六角錐台又は三角錐台であり、リッジ部の一辺がＭ面に平行に形成されていることを特徴とする請求項２記載の窒化物半導体発光素子である。

また、請求項４記載の発明は、前記リッジ部は前記ｐ型ＧａＮ系半導体層の光取り出し面に形成され、ｐ型ＧａＮ層からなることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子である。

また、請求項５記載の発明は、前記リッジ部は前記ｐ型ＧａＮ系半導体層の光取り出し面に形成され、キャリア濃度が１０^１９ｃｍ^−３以上のｎ型ＧａＮ層からなることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子である。

また、請求項６記載の発明は、前記リッジ部は前記ｐ型ＧａＮ系半導体層の光取り出し面に形成され、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造からなり、該ＩｎＧａＮのＩｎ組成比率は前記活性層の井戸層のＩｎ組成比率よりも高いことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子である。

また、請求項７記載の発明は、前記ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造にはｎ型不純物がドープされていることを特徴とする請求項６記載の窒化物半導体発光素子である。

本発明によれば、ｎ型ＧａＮ系半導体層又はｐ型ＧａＮ系半導体層の光取り出し面にＧａＮ系半導体層からなるリッジ部を複数結晶成長させて凹凸を形成しているので、光取り出し面を構成するｐ型ＧａＮ系半導体層やｎ型ＧａＮ系半導体層にはダメージを与えることなく、光り取り出し効率を高めることができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は本発明の窒化物半導体発光素子の一例であるＬＥＤの断面構造の例を示す。また、図２は、図１の窒化物半導体発光素子を上面から見た平面図を表わし、図２のＡ−Ａ断面が図１を示す。

窒化物半導体発光素子を構成する窒化物半導体は、ＡｌＧａＩｎＮ４元混晶を表し、いわゆるIII−V族窒化物半導体と呼ばれるもので、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表すことができる。また、ＧａＮ系半導体とは、ＧａＮのみからなる半導体、又は構成材料にＧａＮを含む半導体であり、上記ＡｌＧａＩｎＮ４元混晶において、０＜ｙ≦１で表される。

図１の例では、サファイア基板１の上に、ＧａＮバッファ層２、ｎ型ＧａＮコンタクト層３、ＭＱＷ活性層４、ｐ型ＧａＮコンタクト層５が順次積層されており、ｐ型ＧａＮコンタクト層５からｎ型ＧａＮコンタクト層３の途中まで一部領域がメサエッチングされて、ｎ型ＧａＮコンタクト層３が露出した面にｎ電極７が形成されている。一方、ｐ型ＧａＮコンタクト層５の上にｐ電極６が設けられている。また、ｐ型ＧａＮコンタクト層５上には、複数のリッジ部８が点散するように形成されている。

ＭＱＷ活性層４は、多重量子井戸構造（Multi Quantum Well）を有する活性層であり、井戸層（ウェル層）を、井戸層よりもバンドギャップの大きな障壁層（バリア層）でサンドイッチ状に挟んだ量子井戸構造を多重化したものとなっている。この量子井戸構造は、多重化せずに１つとしても良く、この場合は、単一量子井戸構造（ＳＱＷ：Single Quantum Well）となる。

また、図１の構造では、ｐ電極６とｎ電極７との電流経路幅は狭いものとなるので、ｐ電極６とｎ電極７間の抵抗値が高くなって、動作電圧が高くなるとともに、ＭＱＷ活性層４が均一に発光しないで、電流が流れる領域だけ強く光ることになるという問題がある。そこで、図３に示すように、リッジ部８の表面とｐ型ＧａＮコンタクト層５の表面の全体に渡って透明電極９を形成し、透明電極９の上に電流注入のためのｐ電極６を形成するようにしても良い。透明電極９にはＺｎＯやＩＴＯ等が用いられる。このようにすれば、上記問題は解消し、ＭＱＷ活性層４からの発光等、内部の光を透明電極９を透してｐ側に取り出すことができる。

リッジ部８は、例えば、断面が台形形状からなる六角錐台に形成されている。上から見た形状は、図２に示すように、六角形状となり、六角形状の底面８ｂと六角形状の頂面８ａ、稜線８ｃ等で構成される。また、リッジ部８は、ＧａＮ系半導体からなり、後述する選択成長により形成される。

一方、リッジ部８の形状は、図２のように、六角錐台ではなく、断面が台形形状からなる三角錐台で構成しても良い。図４は、リッジ部を三角錐台に形成した場合に、複数のリッジ部１８の一部を上から見た図を示す。この場合、三角形状の底面１８ｂと三角形状の頂面１８ａ、稜線１８ｃ等で構成される。

ところで、リッジ部８、１８は後述する選択成長により形成されるが、分離した台形状のリッジ部を作製するために、選択成長用マスクの開口部の形状の一辺をｐ型ＧａＮコンタクト層５のＭ面（１０−１０）と平行になるように形成しているので、リッジ部８の底面８ｂの各辺はすべてＭ面と平行になる。また、リッジ部１８の底面１８ｂの各辺のうち一辺はＭ面と平行となる。

リッジ部８、１８は、ＧａＮ系半導体で構成されるが、まず、第１の例としては、ｐ型ＧａＮ層で構成される。リッジ部がｐ型ＧａＮ層の場合、リッジ部と接触しているｐ型ＧａＮコンタクト層５と同じｐ型ＧａＮであるので、図３に示すように、ＺｎＯやＩＴＯ等の透明電極９をリッジ部及びｐ型ＧａＮコンタクト層５表面の全体に渡って作製した場合、ｐ型ＧａＮと透明電極９との接触面積を増加させることができるので、リッジ部を形成しない場合と比較して動作電圧を低くすることができる。

次に、リッジ部の第２の例としては、ｎ型ＧａＮ層で構成される。Ｓｉ等のｎ型不純物を高濃度にドープし、キャリア濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３以上となるｎ型ＧａＮを作製する。このように、ｎ型不純物が高濃度にドープされたｎ型ＧａＮは、ＭＱＷ活性層４からの発光を受けると緑色の光を発光する。したがって、ＭＱＷ活性層４のＩｎ比率を調整しておき、ＭＱＷ活性層４で青色の光を発光するようにしておけば、このｎ型ＧａＮ層からなるリッジ部の緑色発光と合わせて、白色に近い光が蛍光体がなくても得られる。

次に、リッジ部の第３の例としては、ＭＱＷ活性層４と同様、ＩｎＧａＮ井戸層をＧａＮ障壁層で挟んだ量子井戸構造とし、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とを交互に数周期積層したＭＱＷ構造とする。この場合リッジ部を構成するＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成比率は、ＭＱＷ活性層４のＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成比率よりも大きくし、５００ｎｍ〜５３０ｎｍの緑色発光が行われるように形成しておく。そして、ＭＱＷ活性層４のＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成比率を調整して、例えば４００ｎｍ〜４５０ｎｍの発光波長の光を発生させるようにしておけば、ＭＱＷ活性層４からの光とリッジ部からの光と合わせて、蛍光体を用いなくても、白色に近い光が得られる。また、上記リッジ部を構成するＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮ障壁層に各々Ｓｉ（シリコン）をドープしておけば、発光効率を増加させることができる。

前記の場合の構成例を示すと、短波長の光を発生させるＭＱＷ活性層４は、例えば、ＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成比率を１０％〜１５％の範囲で形成し、膜厚２０Å〜３０ÅのＩｎＧａＮ井戸層と膜厚１５０ÅのＧａＮ障壁層とを交互に４〜１０周期程度積層した積層構造で形成される。一方、長波長の光を発生させるリッジ部８又は１８は、例えば、ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比率を２０％程度、膜厚３０ÅのＩｎＧａＮ層と膜厚１５０ÅのＧａＮ層とを交互に４〜３０周期程度積層した積層構造で構成される。また、リッジ部８又は１８にＳｉ（シリコン）をドープする場合は、不純物濃度１０^１７×１０^１９ｃｍ^−３の範囲とすることができる。

図１のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法を図５〜図７を参照しつつ、以下に説明する。製造方法としては、主としてＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いる。ＭＯＣＶＤ装置内に、サファイア基板１を搬送し、水素ガスを流しながら、１０５０℃程度まで温度を上げ、サファイア基板１をサーマルクリーニングする。次に、サファイア基板１上に、例えば、ＧａＮバッファ層２を膜厚０．０１μｍ以下で、６００〜７００℃の低温で成長させる。その後、１０００℃以上に基板温度を上げて、不純物Ｓｉドープのｎ型ＧａＮコンタクト層３を膜厚３〜５μｍで積層し、７００℃程度に温度を下げて、ＭＱＷ活性層４を井戸層をＩｎＧａＮ、バリア層をＧａＮで交互に数周期積層し膜厚０．１μｍで、次に基板温度を１０００℃以上に上げて、不純物Ｍｇドープのｐ型ＧａＮコンタクト層５を膜厚０．１〜０．３μｍで積層する。

次に、ｐ型ＧａＮコンタクト層５上のリッジ部８を作製する所定の領域にマスクを形成する。ｐ型ＧａＮコンタクト層５からｎ型ＧａＮコンタクト層３が露出するまで一部領域をドライエッチングする。このドライエッチングにより、最大０．６μｍまでのＧａＮ系半導体を除去した。その後、前記マスクを取り除くと、図５に示す積層構造体が得られる。

次に、図６に示すように、選択成長用マスク１１をｐ型ＧａＮコンタクト層５上に形成する。まず、選択成長用マスク１１となるレジストをＳＯＧ（Spin On Glass）で塗布、被覆したのち、４００℃の温度で３０分加熱する。その後、リッジ部８、１８を作製する部分を取り除いて開口部を形成し、ｐ型ＧａＮコンタクト層５表面を露出させる。選択成長用マスク１１は、ＳｉＯ_２等で構成される。

開口部の形成の際には、図２のような六角錐台のリッジ部８を作製したい場合には、図８に示すように、選択成長用マスク１１に六角形状の開口部１１ａを形成するようにし、一方、図４のような三角錐台のリッジ部１８を作製したい場合は、図９に示すように選択成長用マスク１１１に六角形状の開口部１１１ａを形成するようにする。

選択成長用マスク１１を用いた場合は、図７に示すように、開口部にＧａＮ系半導体を成長させて、リッジ部８を作製する。ところで、サファイア基板等の成長用基板とＧａＮとでは、格子定数が異なるため、成長用基板上に成長させたＧａＮ系半導体層においては、基板から上下方向に伸びる転位（格子欠陥）が存在している。このような転位を低減する方法として、選択横方向成長（ＥＬＯ：Epitaxial Lateral Overgrowth）が良く知られている。本発明では、上記選択成長を用いた。

この選択成長は、ＳｉＯ_２等の誘電体による選択成長用マスク１１でｐ型ＧａＮコンタクト層５を覆うことにより、最初に選択成長用マスク１１の開口部１１ａ中央から再成長が起こり（選択成長）、その後選択成長用マスク１１側にも成長層が拡がることで横方向に結晶成長が形成される。ここで、リッジ部が横方向に結合せずに、分離した状態で断面が台形状になるように結晶成長させるためには、選択成長マスク１１の各開口部１１ａ、の一辺Ｌ１が、ｐ型ＧａＮコンタクト層５のＭ面（１０−１０）と平行になるようにすることが必要である。

図９の選択成長マスク１１１を用いる場合には、各開口部１１１ａの一辺Ｌ２が、ｐ型ＧａＮコンタクト層５のＭ面（１０−１０）と平行になるようにすることが必要である。これは、良く知られているように、窒化物半導体はウルツ鉱型となる六方晶の結晶構造を有しているために、柱面であるＭ面を上記選択成長マスクの開口部の一辺と平行になるようにすれば、縦方向の成長レートが横方向の成長レートよりも大きくなり、分離形状が形成される。また、選択成長の成長温度は９００℃以下で行う。

ところで、ＩｎＧａＮ／ＧａＮによるＭＱＷ活性層４成長後に、ｐ型ＧａＮ層等を成膜する際には、結晶品質を高めるために、従来、活性層の成長温度よりも２００〜３００℃高い温度となる１０００℃付近の成長温度でエピタキシャル成長させている。このように、ｐ型層の成長温度が高いために、既に成膜されている活性層４が熱のダメージを受け、発光特性が著しく悪化する。

特に、緑色〜黄色領域の発光波長の長波長の窒化物半導体発光素子を作製する場合、井戸層のＩｎ組成比率が２０％を超える程高くなるが、Ｉｎ組成比率が高くなるほど、高温状態に置かれた場合、Ｉｎが昇華して壊れやすくなり、発光効率が極端に落ちる。熱のダメージを受け続けると、Ｉｎが分離してウエハが黒色化する場合も発生する。したがって、なるべく、活性層４形成後は、１０００℃付近の高温での結晶成長時間をなるべく短縮しておく必要がある。

一方、リッジ部は、光の取り出し効率を高めるためのものであるから、結晶品質にこだわることがないので、９００℃以下の成長温度として活性層４への熱ダメージをなるべく回避させる。特に、リッジ部をＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造にし、活性層４よりも長波長の発光を得るためにＩｎ組成比率を高めている場合には、リッジ部形成後に、１０００℃付近の高温で結晶成長させる工程がないので効果的である。

ところで、ｎ型ＧａＮコンタクト層３のメサエッチングされて露出した領域には、マスク１２が形成されているが、このマスク１２は絶縁膜であり、選択成長用マスク１１と同じ材料であっても良いし、異なる材料であっても良い。リッジ部８、１８については、前述したように、ＧａＮ系半導体で形成され、その種類は、ｐ型ＧａＮ、ｎ型ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造等である。

選択成長が終了すると、図７のようにリッジ部８が形成され、その後、選択成長用マスク１１及びマスク１２を取り除いて、ｐ電極６、ｎ電極７を形成すれば、図１の窒化物半導体発光素子が完成する。ここで、ｐ電極６、ｎ電極７は、どちらも、下側からＡｌを膜厚３０００Å、その上にＮｉを膜厚３００Åで形成したＡｌ／Ｎｉ金属多層膜とした。なお、図３のように、透明電極９を設ける場合は、選択成長用マスク１１及びマスク１２を取り除いた後、例えば、透明電極９としてＺｎＯを２０００Å程度形成した後、ｐ電極６、ｎ電極７を形成する。

なお、各半導体層の製造については、キャリアガスの水素又は窒素とともに、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ_３）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）などの各半導体層の成分に対応する反応ガス、ｎ型にする場合のドーパントガスとしてのシラン（ＳｉＨ_４）、ｐ型にする場合のドーパントガスとしてのＣＰ_２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）等の必要なガスを供給して、７００℃〜１２００℃程度の範囲で順次成長させることにより、所望の組成で、所望の導電型の半導体層を、必要な厚さに形成することができる。

次に、ｎ電極側から光を取り出すタイプの窒化物半導体発光素子の一例を図１０に示す。これは、ｎ型ＧａＮコンタクト層３３上にリッジ部３８を選択成長により形成して、光の取り出し効率を高めたものである。リッジ部３８は、リッジ部８、１８と同様、断面が台形状の六角錐台又は三角錐台で構成され、ｎ電極３７の周囲に点散して形成されている。また、リッジ部３８は、ＧａＮ系半導体で形成され、リッジ部８、１８と同様、ｐ型ＧａＮ、ｎ型ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造等により構成される。

図１０の窒化物半導体発光素子の製造方法について、簡単に説明する。成長用基板としてサファイア基板をＭＯＣＶＤ装置に入れ、水素ガスを流しながら、１０５０℃程度まで温度を上げ、サファイア基板１１をサーマルクリーニングする。温度を６００〜７００℃程度まで下げ、低温で分離層となるＧａＮバッファ層を膜厚０．０１μｍ以下で成長させる。

その後、１０００℃以上に基板温度を上げて、不純物Ｓｉドープのｎ型ＧａＮコンタクト層３３を膜厚３〜５μｍで積層し、７００℃程度に温度を下げて、ＭＱＷ活性層３４を井戸層をＩｎＧａＮ、バリア層をＧａＮで交互に数周期積層し膜厚０．１μｍで、次に基板温度を１０００℃以上に上げて、不純物Ｍｇドープのｐ型ＧａＮコンタクト層３５を膜厚０．１〜０．３μｍで積層する。

次に、ｐ電極３６として、例えば、ＺｎＯ電極等の透明電極を形成し、ｐ電極３６上に、ＡｌやＡｇなどの銀白色系の反射ミラーとして働く反射膜３９を蒸着法で積層する。その後、支持基板４０を反射膜３９の上側に配置し、ハンダ又は熱圧着等を利用して、支持基板４０を反射膜３９に貼り付ける。

次に、サファイア基板を除去するために、レーザーリフトオフ（Laser Lift Off：以下ＬＬＯと略す）を用いる。例えば、２４８ｎｍで発振するＫｒＦレーザをサファイア基板側からＧａＮバッファ層に向けて照射し、ＧａＮバッファ層のＧａＮが分解することにより、サファイア基板が剥離される。

サファイア基板を剥離した後、図６及び図７に示す工程と同様、選択成長マスクをＳＯＧにより形成して、開口部を開け、選択成長により、リッジ部３８を再成長させる。選択成長マスクは、図８、９に示される選択成長用マスク１１又は１１１を用いる。また、選択成長マスク用１１、１１１の開口部１１ａ、１１１ａの一辺Ｌ１、Ｌ２がＭ面と平行になるように開口部を形成する。以上のように、リッジ部３８を結晶成長させた後、選択成長用マスクを取り除き、ｎ電極３７を形成すれば図１０の窒化物半導体発光素子が完成する。なお、ｎ電極３７は、Ａｌ／Ｎｉを膜厚３０００Å／３００Åで積層した金属多層膜で形成した。

以上のように形成されたリッジ部を有する窒化物半導体発光素子における光の取り出しについて示したのが、図１１である。図１１は、いくつかのリッジ部を代表的に破線で示して、ＭＱＷ活性層４からの光の進路を示した模式図であり、図中３、４、５の符号が付された半導体層は、図１と同じ構成を表わす。

全反射が発生しない臨界角以内で境界面に入射する光の範囲を示したのが光取り出しコーン１５であり、ＭＱＷ活性層４で発光した光のうち、光取り出しコーン１５の範囲内にはいった光は実線Ｔの矢印のように大気中に進んで取り出される。ここで、仮に破線で示されたリッジ部がない場合を考えると、光取り出しコーン１５の範囲内に入らない光は、実線Ｒのように、ｐ型ＧａＮコンタクト層５と大気層との界面で全反射を起こし、取り出せない光となってしまう。

しかし、リッジ部を形成された場合は、ｐ型ＧａＮコンタクト層５とリッジ部とはどちらもＧａＮ系半導体で構成されているため、ｐ型ＧａＮコンタクト層５とリッジ部との屈折率差は、ほとんどなくなるので、境界面で全反射されていた実線Ｒで示される光が、直進してリッジ部内を進み、リッジ部側面に入射する角度が臨界角以内となるので、破線Ｓのように大気中に放射され、光取り出し効率が向上するものである。また、リッジ部は、エッチングやブラスト等の加工処理ではなく、選択成長法等の結晶成長により形成されるので、光取り出し面を構成するＧａＮ系半導体層に損傷、ダメージを与えることがない。

本発明の窒化物半導体発光素子の断面構造の一例を示す図である。 図１の窒化物半導体発光素子を上から見た平面図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の断面構造の他の例を示す図である。 図２とは異なるリッジ部形状を示す図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の一製造工程を示す図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の一製造工程を示す図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の一製造工程を示す図である。 選択成長用マスク形状の一例を示す図である。 選択成長用マスク形状の一例を示す図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の断面構造の他の例を示す図である。 リッジ部の形成により、光取り出し効率が向上することを説明する概略図である。 従来の光取り出し効率を向上させた窒化物半導体発光素子の構造を示す概略図である。

符号の説明

１ サファイア基板
２ ＧａＮバッファ層
３ ｎ型ＧａＮコンタクト層
４ ＭＱＷ活性層
５ ｐ型ＧａＮコンタクト層
６ ｐ電極
７ ｎ電極
８ リッジ部

Claims (7)

1. 少なくとも、ｎ型ＧａＮ系半導体層、活性層、ｐ型ＧａＮ系半導体層とを備えた窒化物半導体発光素子であって、
   前記ｎ型ＧａＮ系半導体層又はｐ型ＧａＮ系半導体層のいずれか１方の光取り出し面に、ＧａＮ系半導体からなるリッジ部を複数結晶成長させて凹凸を形成したことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 前記リッジ部の結晶成長は選択成長により行われることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
3. 前記リッジ部の形状は六角錐台又は三角錐台であり、リッジ部の一辺がＭ面に平行に形成されていることを特徴とする請求項２記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記リッジ部は前記ｐ型ＧａＮ系半導体層の光取り出し面に形成され、ｐ型ＧａＮ層からなることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
5. 前記リッジ部は前記ｐ型ＧａＮ系半導体層の光取り出し面に形成され、キャリア濃度が１０^１９ｃｍ^−３以上のｎ型ＧａＮ層からなることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
6. 前記リッジ部は前記ｐ型ＧａＮ系半導体層の光取り出し面に形成され、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造からなり、該ＩｎＧａＮのＩｎ組成比率は前記活性層の井戸層のＩｎ組成比率よりも高いことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
7. 前記ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造にはｎ型不純物がドープされていることを特徴とする請求項６記載の窒化物半導体発光素子。

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