JP2009147071A

JP2009147071A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP2009147071A
Application number: JP2007322207A
Authority: JP
Inventors: Hirohisa Saito; 裕久齊藤; Hideki Matsubara; 秀樹松原; Susumu Yoshimoto; 晋吉本
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2007-12-13
Filing date: 2007-12-13
Publication date: 2009-07-02
Anticipated expiration: 2027-12-13
Also published as: JP5071087B2

Abstract

【課題】発光に必要な電圧を低下することのできる半導体発光素子を提供する。
【解決手段】ＬＥＤは、キャリアが注入されることにより発光する発光層と、発光層の一方の主面側に形成されたフォトニック結晶層８とを備えている。フォトニック結晶層８は、Ｓｉを含む複数の格子点８１と、母層８２とを有している。母層８２は、平面的に見て複数の格子点８１の各々を取り囲んでおり、かつＧａＮを含んでいる。複数の格子点８１のうち一つの格子点８１ａと、格子点８１ａに最も近い格子点８１ｂとの間隔は１３０ｎｍ以上１０μｍ以下である。
【選択図】図３

Description

本発明は半導体発光素子に関し、より特定的には、２次元回折格子を備えた半導体発光素子に関する。

ＬＥＤ（Light Emitting Diode)は、低電力で駆動することのできる光源であるため、携帯電話を含む携帯情報端末などの表示装置の照明や、電飾などに盛んに用いられている。特にＧａＮ（窒化ガリウム）系材料よりなるＬＥＤは、青色に発光するとともに、蛍光体と組み合わせることで白色にも発光する。このため、ＧａＮ系の材料よりなるＬＥＤは、高輝度化に関する取り組みが盛んに行なわれている。

ＧａＮ系材料よりなる従来のＬＥＤは、たとえば以下のような構造を有している。すなわち、サファイア基板上に、ｎ型ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ活性層、ｐ型ＧａＮ層、およびｐ型電極がこの順序で形成されており、ＩｎＧａＮ活性層、ｐ型ＧａＮ層、およびｐ型電極の各々の一部を除去することにより露出されたｎ型ＧａＮ層の表面にｎ型電極が形成されている。

上記従来のＬＥＤの光の取り出し効率は低かった。特にＧａＮ系材料よりなるＬＥＤにおいては、ＧａＮの屈折率（２．５４）が空気に対して非常に大きいため、青色光がＬＥＤ内部から空気中へ出る際の全反射角が大きい。このようなＧａＮの性質に起因して、青色光を素子外へ効率良く取り出すことは難しかった。

そこで、ＬＥＤの光の取り出し効率を改善するために、ＬＥＤの周囲をエポキシ系樹脂やシリコーン系樹脂で覆う技術が提案されている。これらの樹脂は、ＧａＮの屈折率と空気の屈折率との中間程度の屈折率を有しているので、光がＬＥＤ内部から空気中へ出る際の全反射角が段階的に小さくなる。その結果、ＬＥＤの光の取り出し効率を改善することができる。

また、ＬＥＤの光の取り出し効率を改善するための他の技術として、２次元フォトニック結晶層をＬＥＤに形成する技術が提案されている。たとえば特開２００６−４９８５５号公報（特許文献１）においては、空気中に露出したｐ型ＧａＮ層の表面に複数の円柱を形成することにより、ＬＥＤの２次元フォトニック結晶層が製造されている。また特開２００６−１９６６５８号公報（特許文献２）においては、ＧａＮ層の表面に複数の孔を形成することにより、ＬＥＤの２次元フォトニック結晶層が製造されている。これらの２次元フォトニック結晶層は空気とＬＥＤとの中間の屈折率を有するので、光がＬＥＤ内部から空気中へ出る際の全反射角が段階的に小さくなる。その結果、ＬＥＤの光の取り出し効率を改善することができる。

さらに、２次元フォトニック結晶層を半導体発光素子に形成する技術に関連して、たとえば国際公開第２００６／０６２０８４号パンフレット（特許文献３）には、ＳｉＯ₂およびＧａＮよりなる２次元フォトニック結晶層を半導体レーザに形成する技術が開示されている。また特開２００４−１１１７６６号公報（特許文献４）には、空気およびＧａＮよりなる２次元フォトニック結晶層を、マストランスポート法を用いて半導体レーザに形成する技術が開示されている。

ここで、ＳｉＯ₂は比較的高い融点を有しているため、ＧａＮ層をエピタキシャル成長する際に高温（１０００℃〜１２００℃程度）に保たれても変形することがない。また、ＳｉＯ₂は低い屈折率（１．５以下）を有しているため、ＧａＮ層との間に１以上の大きな屈折率差を有している。さらにＳｉＯ₂は加工が容易である。これらの理由により、特許文献３に開示されているＳｉＯ₂およびＧａＮよりなる２次元フォトニック結晶層は、ＬＥＤなどの半導体発光素子の２次元フォトニック結晶層として特に適している。
特開２００６−４９８５５号公報特開２００６−１９６６５８号公報国際公開第２００６／０６２０８４号パンフレット特開２００４−１１１７６６号公報

一方で、ＳｉＯ₂およびＧａＮよりなる２次元フォトニック結晶層には、発光に必要な電圧が高いという問題があった。この問題は、ＳｉＯ₂に限らず、Ｓｉを含む材料とＧａＮを含む材料とにより構成される２次元フォトニック結晶層を備える半導体発光素子において共通に起こりうる問題である。

したがって、本発明の目的は、発光に必要な電圧を低下することのできる半導体発光素子を提供することである。

本発明の半導体発光素子は、キャリアが注入されることにより発光する発光層と、発光層の一方の主面側に形成された２次元回折格子とを備えている。２次元回折格子は、Ｓｉを含む複数の格子点と、母層とを有している。母層は、平面的に見て複数の格子点の各々を取り囲んでおり、かつＧａＮを含んでいる。複数の格子点のうち一つの格子点と、一つの格子点に最も近い格子点との間隔は１３０ｎｍ以上１０μｍ以下である。

本願発明者らは、ＳｉＯ₂およびＧａＮよりなる２次元フォトニック結晶層においては、ＧａＮを含む母層中にＳｉが拡散することが原因となって、発光に必要な電圧が高くなることを見出した。すなわち、ＧａＮを含む母層を形成する際、または２次元回折格子の形成後に他の層を形成する際には、Ｓｉを含む複数の格子点の各々は高温に加熱される。この加熱により格子点から母層中にＳｉが拡散され、母層の性質に悪影響を与え、発光に必要な電圧が高くなる。特に、ｐ型ＧａＮよりなる母層中にＳｉが拡散すると、Ｓｉが拡散した部分の導電型がｐ型からｎ型に変化する。その結果、２次元回折格子の電気抵抗が著しく増加し、発光に必要な電圧が高くなる。

そこで、本願発明者らは、格子点間の距離を従来よりも大きく設定することで発光に必要な電圧を低下する方法を見出した。具体的には、複数の格子点のうち一つの格子点と、一つの格子点に最も近い格子点との間隔を１３０ｎｍ以上とする。これにより、Ｓｉが拡散していない部分が母層中に確保される。また、複数の格子点のうち一つの格子点と、一つの格子点に最も近い格子点との間隔を１０μｍ以下とすることにより、格子点間に定在波を発生できる。さらに好ましくは、３μｍ以下であれば定在波の高次化が抑制できその主面と垂直方向への回折効果がより有効に働く。その結果、発光に必要な電圧を低下することができる。

本発明の半導体発光素子において好ましくは、複数の格子点のうち一つの格子点と、一つの格子点に最も近い格子点との間隔は２００ｎｍ以上である。これにより、発光に必要な電圧を一層低下することができる。

本発明の半導体発光素子において好ましくは、２次元回折格子は三角格子または正方格子の形状を有している。これらの格子を進む光は、複数回の回折を経て元の格子点の位置に戻るので、各格子点間に定在波が立ちやすい。加えて、これらの形状は容易に作製可能である。

本発明の半導体発光素子において好ましくは、発光層と２次元回折格子との間に形成されており、かつ発光層よりも広いバンドギャップを有する電子ブロック層をさらに備えている。これにより、電子が２次元回折格子に進入することを防止することができるので、２次元回折格子内でのキャリアの非発光再結合を防止することができる。加えて、格子点から発光層へのＳｉの拡散を抑制することができる。

本発明の半導体発光素子において好ましくは、電子ブロック層はＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）よりなっている。このＡｌ_xＧａ_1-xＮは広いバンドギャップを有しているので、電子ブロック層として適している。

本発明の半導体発光素子において好ましくは、発光層と２次元回折格子との間に形成されたＧａＮよりなる中間層をさらに備えている。これにより、２次元回折格子に含まれる不純物が発光層に拡散するのを中間層で抑制することができる。

本発明の半導体発光素子において好ましくは、発光層の他方の主面側に形成され、かつ発光層から伝搬する光を発光層へ反射する反射層をさらに備えている。これにより、発光層の他方の主面側に伝搬した光を反射させて、２次元回折格子内に導入することができる。その結果、発光効率を向上することができる。

本発明の半導体発光素子において好ましくは、反射層は、他方の主面の法線に沿った周期的な屈折率分布を有している。これにより、反射層がブラッグ反射層として機能し、発光層の他方の主面側における光の反射効率を高めることができる。その結果、光の取り出し効率を向上することができる。

本発明の半導体発光素子において好ましくは、発光層の他方の主面側に配置されるｎ型のＧａＮよりなる基板をさらに備えている。これにより、基板に電極を取り付けることで基板を介して発光層内へキャリアを注入することができるので、高電流密度の電流を発光層内へ注入することができる。

本発明の半導体発光素子によれば、発光に必要な電圧を低下することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるＬＥＤの構成を示す平面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。図１および図２を参照して、本実施の形態におけるＬＥＤ１は、基板２と、ｎ型ＧａＮ層３と、発光層としての活性層４と、中間層としてのスペーサ層５と、電子ブロック層６と、ｐ型ＧａＮ層７と、２次元回折格子としてのフォトニック結晶層８と、ｐ型コンタクト層９と、透明電極１０と、ｐ型電極１１と、ｎ型電極１２とを備えている。

基板２は、たとえば矩形の平面形状を有している。基板２の上面２ａ上には、ｎ型ＧａＮ層３と、活性層４と、スペーサ層５と、電子ブロック層６と、ｐ型ＧａＮ層７とがこの順序で積層されて形成されている。これらの層は互いに隣接している。スペーサ層５は活性層４とフォトニック結晶層８との間に形成されている。ｐ型ＧａＮ層７上にはフォトニック結晶層８が形成されている。フォトニック結晶層８は活性層４の上面４ａ側に形成されており、さらに、フォトニック結晶層８上には、ｐ型コンタクト層９と、透明電極１０とがこの順序で積層されて形成されている。透明電極１０の上面１０ａにはｐ型電極１１が形成されており、基板２の下面２ｂにはｎ型電極１２が形成されている。ｐ型電極１１は、たとえば円形の平面形状を有しており、透明電極１０の上面１０ａの中央部において透明電極１０に接触している。ｎ型電極１１は、たとえば基板２と同一の平面形状を有しており、基板２の下面２ｂに接触している。

図３は、本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶層の構成を模式的に示す図である。（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は平面図である。図３を参照して、フォトニック結晶層８は、複数の格子点８１と母層８２とを有している。格子点８１はたとえば円柱形状を有しており、母層８２の内部において均一に分布している。図３において、フォトニック結晶層８は正方格子の形態の２次元回折格子を構成している。格子点８１の各々は、正方格子の格子点となる位置、言い換えれば正方形の頂点の位置に形成されている。母層８２は、平面的に見て複数の格子点８１の各々を取り囲んでいる。

複数の格子点８１のうち一つの格子点８１ａに着目すると、格子点８１ａは図３（ｂ）中上下左右の位置で４つの格子点８１ｂに囲まれている。これらの格子点８１ｂが格子点８１ａに最も近い位置に存在している。格子点８１ａの中心軸から格子点８１ｂの中心軸までの距離をピッチｐと示し、格子点８１の半径をｒとすると、格子点８１ａと格子点８１ｂとの間隔ｃは、“ｃ＝ｐ−２ｒ”という式で表される。図３のフォトニック結晶層８において、格子点８１ａと格子点８１ｂとの間隔ｃは１３０ｎｍ以上、好ましくは２００ｎｍ以上であり、かつ１０μｍ以下、好ましくは３μｍ以下である。

複数の格子点８１の各々は、Ｓｉを含んでおり、たとえばＳｉＯ₂よりなっている。また、１つの格子点８１の一部が空気によって形成されていてもよい。また、母層８２はＧａＮの成分を含んでおり、たとえばＧａＮや、Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ（０＜ｙ＜１）や、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）などよりなっている。

なお、図３ではフォトニック結晶層８が正方格子の形態の２次元回折格子を構成している場合について示したが、フォトニック結晶層はこのような場合の他、たとえば図４に示すように三角格子の形態の２次元回折格子を構成してもよい。

図４は、本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶層の他の構成を模式的に示す図である。（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は平面図である。図４を参照して、格子点８１の各々は、三角格子の格子点となる位置、言い換えれば正三角形の頂点の位置に形成されている。複数の格子点８１のうち一つの格子点８１ａに着目すると、格子点８１ａは６つの格子点８１ｂに囲まれている。これらの格子点８１ｂが格子点８１ａに最も近い位置に存在している。格子点８１ａと格子点８１ｂとの間隔ｃは１３０ｎｍ以上、好ましくは２００ｎｍ以上であり、かつ１０μｍ以下、好ましくは３μｍ以下である。

図２を参照して、基板２はたとえばｎ型ＧａＮなどの導電性基板よりなっている。ｎ型ＧａＮ層３は、基板２上に形成される層の結晶性を向上させるために形成される。活性層４は、たとえばＩｎＧａＮ／ＧａＮよりなる多重量子井戸構造を有している。スペーサ層５は、たとえばｐ型ＧａＮよりなっている。電子ブロック層６は、活性層４よりも広いバンドギャップを有しており、フォトニック結晶層８内への電子の進入をブロックするブロック層として機能する。これにより、フォトニック結晶層８内で電子と正孔とが非発光再結合するのを抑止することができる。電子ブロック層６はたとえばｐ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）よりなっている。ｐ型コンタクト層９は、透明電極１０との接触をオーミック接触にするために形成される。ｐ型コンタクト層９はたとえばｐ型ＧａＮよりなっている。透明電極１０はたとえばＮｉ／Ａｕの積層膜などよりなっており、ｐ型電極１１はたとえばＴｉ／Ａｕの積層膜などよりなっており、ｎ型電極１２はたとえばＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕの積層膜などよりなっている。ｎ型電極１２は透明電極などよりなっていてもよいが、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕの積層膜などを用いることによって、活性層４から伝搬する光を活性層４へ反射することができる。

次に、本実施の形態における半導体発光素子の発光原理について説明する。
ｐ型電極１１側が正となるような電圧をｐ型電極１１とｎ型電極１２との間に加えると、透明電極１０、ｐ型コンタクト層９、フォトニック結晶層８、ｐ型ＧａＮ層７、電子ブロック層６、およびスペーサ層５を通じて活性層４へ正孔が注入され、基板２およびｎ型ＧａＮ層３を通じて活性層４へ電子が注入される。そして、注入された正孔と電子とが活性層４内においてそれぞれ再結合し、青色の光が発生する。発生した光のうち基板２の上面２ａ側を進行する光は、フォトニック結晶層８内に到達する。そして、光は各格子点８１（図３）において回折され、各格子点８１間には定在波が発生する。同時に、光はフォトニック結晶層８の主面の法線方向（図２中上下方向）にも回折される。この光は、ＬＥＤ１（透明電極１０）と空気との境界面に対して鋭角で入射するので、この境界面において反射されずに、透明電極１０の上面１０ａから放出される。一方、発生した光のうち活性層４の下面４ｂ側へ進行した光は、ｎ型電極１２によって活性層４の方向に反射される。これにより、基板２の下面２ｂ側へ進行した光がフォトニック結晶層８内へ導かれる。

続いて、本実施の形態におけるＬＥＤの製造方法について説明する。
始めに、基板２の上面２ａにｎ型ＧａＮ層３と、活性層４と、スペーサ層５をエピタキシャル成長させる。スペーサ層５の成膜の際にはアンドープのＧａＮを成膜する。続いて、スペーサ層５の上に電子ブロック層６と、ｐ型ＧａＮ層７とをエピタキシャル成長させる。ここで、電子ブロック層６やｐ型ＧａＮ層７などの層を成膜する際には、基板２が高温に保持されるので、電子ブロック層６およびｐ型ＧａＮ層７に含まれる不純物（たとえばＭｇ）がスペーサ層５内へ拡散する。その結果、スペーサ層５はｐ型の導電型を示すようになる。

続いて、フォトニック結晶層８を形成する。図２および図３を参照して、フォトニック結晶層８は、始めにＳｉＯ₂よりなる格子点８１の各々をｐ型ＧａＮ層７上に形成し、続いて、格子点８１の周囲を埋めるように、ＧａＮよりなる母層８２をｐ型ＧａＮ層７上にエピタキシャル成長させる。続いて、フォトニック結晶層８の上にｐ型コンタクト層９をエピタキシャル成長させる。

なお、格子点８１の周囲をＧａＮで埋めた後もＧａＮをエピタキシャル成長させ続けると、格子点８１の真上の領域にもＧａＮがエピタキシャル成長する。この方法によりｐ型コンタクト層９を形成してもよい。この場合には、母層８２とｐ型コンタクト層９とが同一材料により形成され、母層８２とｐ型コンタクト層９との境界はなくなる。このため、図２においては、フォトニック結晶層８とｐ型コンタクト層９との境界線を点線で示している。

その後、ｐ型コンタクト層９上に透明電極１０と、ｐ型電極１１とを成膜し、基板２の下面２ｂにｎ型電極１２を形成する。

ここで、図２および図５を参照して、ｐ型コンタクト層９、透明電極１０、ｐ型電極１１、およびｎ型電極１２を成膜する際には、基板２が高温に保持されるので、フォトニック結晶層８の格子点８１に含まれるＳｉは、格子点８１から母層８２内へ拡散する。Ｓｉは最大で、図５においてＤで示される距離だけ拡散する。その結果、各格子点８１にはＳｉが拡散した領域Ｒが形成される。領域Ｒは各格子点８１を中心とした円形状を有している。この領域Ｒにおいては、母層８２を構成するＧａＮの導電型がｐ型からｎ型へ変わる。しかし、間隔ｃは距離Ｄの２倍以上の大きさに設定されているので、各格子点８１の周りに形成された領域Ｒは互いに重なることがない。このため、領域Ｒ以外にはｐ型の導電型を有する領域が維持される。以上の工程により、本実施の形態におけるＬＥＤ１が得られる。

本実施の形態におけるＬＥＤ１によれば、複数の格子点８１のうち一つの格子点８１ａと、格子点８１ａに最も近い格子点８１ｂとの間隔が１３０ｎｍ以上であるので、Ｓｉが拡散していない部分が母層８２中に確保される。また、複数の格子点８１のうち格子点８１ａと、格子点８１ａに最も近い格子点８１ｂとの間隔を１０μｍ以下とすることにより、格子点間に定在波を発生できる。さらに好ましくは、３μｍ以下であれば定在波の高次化が抑制できその主面と垂直方向への回折効果がより有効に働く。その結果、発光に必要な電圧を低下することができる。

また、格子点８１ａと格子点８１ｂとの間隔を２００ｎｍ以上とすることにより、発光に必要な電圧を一層低下することができる。

また、フォトニック結晶層８を正方格子または三角格子の形状とすることにより、これらの格子を進む光が、複数回の回折を経て元の格子点の位置の戻るようになり、各格子点８１間に定在波が立ちやすくなる。加えて、正方格子または三角格子の形状は容易に作製可能である。

また、活性層４よりも広いバンドギャップを有する電子ブロック層６を活性層４とフォトニック結晶層８との間に形成することにより、電子がフォトニック結晶層８に進入することを防止することができ、フォトニック結晶層８内でのキャリアの非発光再結合を防止することができる。加えて、格子点８１から活性層４へのＳｉの拡散を抑制することができる。特にＡｌ_xＧａ_1-xＮは広いバンドギャップを有しているので、電子ブロック層６として適している。

また、活性層４とフォトニック結晶層８との間にスペーサ層５を形成することにより、フォトニック結晶層８に含まれる不純物が活性層４に拡散するのをスペーサ層５で抑制することができる。

また、活性層４から伝搬する光を活性層４へ反射する性質を、活性層４の下面４ｂ側に形成されたｎ型電極１２が有していることにより、活性層４の下面４ｂ側に伝搬した光を反射させて、フォトニック結晶層８内に導入することができる。その結果、光の取り出し効率を向上することができる。

さらに、活性層４の下面４ｂ側にｎ型ＧａＮよりなる基板２を配置することにより、基板２に電極を取り付けることで基板２を介して活性層４内へ電子を注入することができるので、高電流密度の電流を活性層４内へ注入することができる。

（実施の形態２）
図６（ａ）は、本発明の実施の形態２におけるＬＥＤの構成を示す断面図である。図６（ａ）を参照して、本実施の形態におけるＬＥＤ１ａは、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層をさらに備えている点において、実施の形態１におけるＬＥＤとは異なっている。ＤＢＲ層１３は、活性層４の下面４ｂ側に形成されており、基板２とｎ型ＧａＮ層３との間に形成されている。ＤＢＲ層１３は、屈折率の異なる２つの層を積層することによって形成されている。図６（ｂ）は、本発明の実施の形態２におけるＤＢＲ層の屈折率分布を示す図である。図６（ｂ）を参照して、ＤＢＲ層１３は、活性層４の下面４ｂの法線（図６（ａ）中高さ方向）、つまり厚み方向に沿った周期的な屈折率分布を有している。具体的には、ＤＢＲ層１３の屈折率は、厚み方向に沿って屈折率ｎ１と屈折率ｎ２との間で変化する。屈折率の変化の周期はＴで表される。

なお、これ以外のＬＥＤ１ａの構成は、図２に示す実施の形態１のＬＥＤと同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。

本実施の形態におけるＬＥＤ１ａによれば、実施の形態１におけるＬＥＤと同様の効果を得ることができる。加えて、厚み方向に沿った周期的な屈折率分布を有するＤＢＲ層１３により、活性層４の下面４ｂ側における光の反射効率を高めることができる。

（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３におけるＬＥＤの構成を示す断面図である。図７を参照して、本実施の形態におけるＬＥＤ１ｂは、基板２の材質およびｎ型電極１２の位置が実施の形態１におけるＬＥＤと異なっている。具体的には、基板２はサファイアよりなっている。ｎ型ＧａＮ層３の上面の一部分１４は露出されており、この部分１４にｎ型電極１２が形成されている。基板２の下面２ａにはｎ電極の代わりにたとえばＡｌよりなる反射膜１２ａが形成されている。

本実施の形態におけるＬＥＤ１ｂは、たとえば以下の方法で製造される。始めに、基板２の上面２ａにｎ型ＧａＮ層３と、活性層４と、スペーサ層５と、電子ブロック層６と、ｐ型ＧａＮ層７と、フォトニック結晶層８と、ｐ型コンタクト層９と、透明電極１０とをエピタキシャル成長させる。次に、透明電極１０上にレジストなどのマスク層を形成する。このマスク層は、部分１４の真上以外の領域に形成される。そして、このマスク層を用いて透明電極１０、ｐ型コンタクト層９、フォトニック結晶層８、ｐ型ＧａＮ層７、電子ブロック層６、スペーサ層５、活性層４をエッチングする。図７に示すように、ｎ型ＧａＮ層３の一部もさらにエッチングしてもよい。これにより、ｎ型ＧａＮ層３の上面の一部分１４が露出される。その後、部分１４にｎ型電極１２を形成し、基板２の下面２ａに反射膜１２ａを形成する。以上の工程により、本実施の形態におけるＬＥＤ１ｂが得られる。

本実施の形態におけるＬＥＤ１ｂにおいては、基板２はサファイアよりなっており、絶縁性である。しかし、ｎ型電極１２がｎ型ＧａＮ層３に形成されているので、ｎ型電極１２から活性層４へ電子を注入することができる。その結果、実施の形態１におけるＬＥＤと同様の効果を得ることができる。

また、図８に示すＬＥＤ１ｃのように、実施の形態２と同様のＤＢＲ層１３を基板２とｎ型ＧａＮ層３との間に形成してもよい。

（実施の形態４）
実施の形態１〜３では、本発明の半導体発光素子がＬＥＤである場合について示した。しかし、本発明の半導体発光素子は、ＬＥＤの他、たとえば以下に説明するような半導体レーザ素子であってもよい。

図９は、本発明の実施の形態４における半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。図９を参照して、本実施の形態における半導体レーザ素子１ｄは、基板２１と、ｎ型クラッド層２２と、発光層としての活性層２３と、ｐ型クラッド層２４と、２次元回折格子としてのフォトニック結晶層８と、ＧａＮ層２５と、ｐ型クラッド層２６と、ｐ型コンタクト層２７と、ｐ型電極３０と、ｎ型電極３１とを備えている。

基板２１はたとえばＧａＮよりなっており、基板２１の上面２１ａ上には、ｎ型クラッド層２２、活性層２３、ｐ型クラッド層２４、およびフォトニック結晶層８が形成されている。フォトニック結晶層８は実施の形態１に記載のフォトニック結晶層と同様の構成を有している。

フォトニック結晶層８上にはＧａＮ層２５が形成されている。フォトニック結晶層８とＧａＮ層２５とは、共にＧａＮよりなっており、同一の層である（境界がない）。ＧａＮ層２５上にはｐ型クラッド層２６およびｐ型コンタクト層２７が形成されている。ｐ型コンタクト層２７の上面２７ａにはｐ型電極３０が形成されており、基板２１の下面２１ｂにはｎ型電極３１が形成されている。

本実施の形態における半導体レーザ素子１ｄによれば、実施の形態１におけるＬＥＤと同様の効果を得ることができる。

なお、実施の形態１では、フォトニック結晶層の格子点が円柱形状である場合について示したが、本発明における格子点の形状は任意である。また、格子点の一部が空気によって構成されていてもよい。

また、実施の形態１〜３においては、活性層の上面側にフォトニック結晶層が形成されている場合について示したが、活性層の下面側にフォトニック結晶層が形成されていてもよい。

さらに、本発明は、ＬＥＤおよび半導体レーザ素子への適用に限定されるものではなく、キャリアが注入されることにより発光する発光層と、発光層の一方の主面側に形成された２次元回折格子とを備えて半導体発光素子全般に適用することができる。本発明を半導体レーザ素子に適用した場合、フォトニック結晶層が共振器として機能するためには、フォトニック結晶層における回折の次数が１または２程度にし、かつ発振波長に応じた厳密なピッチで格子点を形成する必要がある。一方、本発明をＬＥＤに適用した場合には、回折の次数が高くてもよい。つまり、格子点の間隔が２００ｎｍ以上であっても非常に強い回折光が生じる。

本実施例においては、実施の形態１と同様の構成のＬＥＤを作製し、その性能を評価した。具体的には、導電性のｎ型ＧａＮ基板を準備し、この基板をＯＭＶＰＥ（Organo Metaric Vapor Phase Epitaxy）炉に投入した。そしてこの炉内において、２０００ｎｍの厚みのｎ型ＧａＮ層と、３周期のＩｎＧａＮ／ＧａＮよりなる活性層（量子井戸層）と、２０ｎｍの厚みのＧａＮよりなるスペーサ層と、５０ｎｍの厚みのｐ型ＡｌＧａＮよりなる電子ブロック層と、１０ｎｍの厚みのｐ型ＧａＮ層とを基板の表面にこの順序でエピタキシャル成長させた。続いて、基板をＰ−ＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）炉に投入した。そしてこの炉内において、ＳｉＨ₄ガスおよびＮ₂Ｏガスを用いて、格子点となる位置に１００ｎｍの厚みのＳｉＯ₂膜を形成した。次に、基板をＰ−ＣＶＤ炉から取り出し、円形状の複数の格子点のレジストパターンをＳｉＯ₂膜上に形成した。具体的には、電子ビーム（ＥＢ）露光用のレジストをＳｉＯ₂膜上に塗布し、ＥＢ露光機を用いてピッチが３５０ｎｍ、直径が１３０ｎｍの複数の格子点を残すように露光し、その後現像した。次に、基板をＲＩＥ（Reactive Ion Etching）装置に投入し、レジストをマスクとしてＣＦ₄ガスによりＳｉＯ₂をエッチングした。その結果、直径１３０ｎｍ、高さ（厚み）１００ｎｍの、ＳｉＯ₂よりなる複数の円柱が格子点に形成された。次に、基板を再びＯＭＶＰＥ炉に投入した。そしてこの炉内において、複数の円柱を埋め込むようにＧａＮよりなる母層およびｐ型コンタクト層をエピタキシャル成長させた。次に、ｐ型コンタクト層の表面全面にＮｉ／Ａｕよりなる透明電極を形成し、この透明電極上の一部にＴｉ／Ａｕよりなるｐ型電極を形成した。そして基板の裏面にＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕよりなるｐ型電極（反射層）を形成した。こうして得られたＬＥＤに電圧を加えたところ、３Ｖ程度の電圧で青く発光した。

本実施例においては、実施の形態２と同様の構成のＬＥＤを作製し、その性能を評価した。具体的には、導電性のｎ型ＧａＮ基板を準備し、この基板をＯＭＶＰＥ炉に投入した。そしてこの炉内において、２００ｎｍの厚みのｎ型ＧａＮ層と、５０周期のｎ型ＧａＮ／ｎ型ＡｌＧａＮよりなる４０００ｎｍの厚みのＤＢＲ層と、３周期のＩｎＧａＮ／ＧａＮよりなる活性層と、２０ｎｍの厚みのＧａＮよりなるスペーサ層と、５０ｎｍの厚みのｐ型ＡｌＧａＮよりなる電子ブロック層と、１０ｎｍの厚みのｐ型ＧａＮ層とを基板の表面にこの順序でエピタキシャル成長させた。続いて、基板をＰ−ＣＶＤ炉に投入した。そしてこの炉内において、ＳｉＨ₄ガスおよびＮ₂Ｏガスを用いて、格子点となる位置に１００ｎｍの厚みのＳｉＯ₂膜を形成した。次に、基板をＰ−ＣＶＤ炉から取り出し、円形状の複数の格子点のレジストパターンをＳｉＯ₂膜上に形成した。具体的には、ＥＢ露光用のレジストをＳｉＯ₂膜上に塗布し、ＥＢ露光機を用いてピッチが３５０ｎｍ、直径が１３０ｎｍの複数の格子点を残すように露光し、その後現像した。次に、基板をＲＩＥ装置に投入し、レジストをマスクとしてＣＦ₄ガスによりＳｉＯ₂をエッチングした。その結果、直径１３０ｎｍ、高さ（厚み）１００ｎｍの、ＳｉＯ₂よりなる複数の円柱が格子点に形成された。次に、基板を再びＯＭＶＰＥ炉に投入した。そしてこの炉内において、複数の円柱を埋め込むようにＧａＮよりなる母層およびｐ型コンタクト層をエピタキシャル成長させた。次に、ｐ型コンタクト層の表面全面にＮｉ／Ａｕよりなる透明電極を形成し、この透明電極上の一部にＴｉ／Ａｕよりなるｐ型電極を形成した。そして基板の裏面にＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕよりなるｎ型電極（反射層）を形成した。こうして得られたＬＥＤに電圧を加えたところ、３Ｖ程度の電圧で青く発光した。こうして得られたＬＥＤに電圧を加えたところ、３Ｖ程度の電圧で青く発光した。

本実施例においては、実施の形態３と同様の構成のＬＥＤを作製し、その性能を評価した。具体的には、サファイア基板を準備し、この基板をＯＭＶＰＥ炉に投入した。そしてこの炉内において、２０００ｎｍの厚みのｎ型ＧａＮ層と、２周期のＩｎＧａＮ／ＧａＮよりなる活性層（量子井戸層）と、６０ｎｍの厚みのＧａＮよりなるスペーサ層と、２０ｎｍの厚みのｐ型ＡｌＧａＮよりなる電子ブロック層と、１０ｎｍの厚みのｐ型ＧａＮ層とを基板の表面にこの順序でエピタキシャル成長させた。次に、ＯＭＶＰＥ炉から基板を取り出し、円形状の複数の格子点のレジストパターンをｐ型ＧａＮ層上に形成した。具体的には、ＥＢ露光用のレジストをｐ型ＧａＮ層上に塗布し、ＥＢ露光機を用いてピッチが４５０ｎｍ、直径が２００ｎｍの複数の孔を形成するに露光し、その後現像した。次に、基板をＰ−ＣＶＤ炉に投入した。そしてこの炉内において、ＳｉＨ₄ガスおよびＮ₂Ｏガスを用いて、格子点となる位置に１００ｎｍの厚みのＳｉＯ₂膜を形成した。その後、レジストともにレジスト上の余分なＳｉＯ₂をリフトオフした。その結果、高さ１００ｎｍのＳｉＯ₂よりなる複数の円柱が格子点に形成された。このＳｉＯ₂よりなる円柱は、その先端が若干細くなっていた。次に、基板を再びＯＭＶＰＥ炉に投入した。そしてこの炉内において、複数の円柱を埋め込むようにＧａＮよりなる母層およびｐ型コンタクト層をエピタキシャル成長させた。次に、ｐ型コンタクト層の表面全面にＮｉ／Ａｕよりなる透明電極を形成し、この透明電極上の一部にＴｉ／Ａｕよりなるｐ型電極を形成した。続いて、透明電極およびｐ型電極上の一部にレジストを形成し、このレジストをマスクとして透明電極、ｐ型コンタクト層、フォトニック結晶層、ｐ型ＧａＮ層、電子ブロック層、スペーサ層、活性層をエッチングし、ｎ型ＧａＮ層の上面の一部分を露出した。このエッチングは、ＲＩＥ装置を用いてＣｌ₂ガスにより行なった。その後、ｎ型ＧａＮ層の露出した部分にＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕよりなるｎ型電極を形成し、基板の裏面にＡｇよりなる反射膜を形成した。こうして得られたＬＥＤに電圧を加えたところ、３Ｖ程度の電圧で青く発光した。

本実施の形態では、ＳｉＯ₂よりなる格子点同士の間隔が発光に必要な電圧に与える影響について調べた。具体的には、導電性のｎ型ＧａＮ基板を準備し、この基板をＯＭＶＰＥ炉に投入した。そしてこの炉内において、２０００ｎｍの厚みのｎ型ＧａＮ層と、３周期のＩｎＧａＮ／ＧａＮよりなる活性層と、２０ｎｍの厚みのＧａＮよりなるスペーサ層と、５０ｎｍの厚みのｐ型ＡｌＧａＮよりなる電子ブロック層と、１０ｎｍの厚みのｐ型ＧａＮ層とを基板の表面にこの順序でエピタキシャル成長させた。続いて、基板をＰ−ＣＶＤ炉に投入した。そしてこの炉内において、ＳｉＨ₄ガスおよびＮ₂Ｏガスを用いて、格子点となる位置に１００ｎｍの厚みのＳｉＯ₂膜を形成した。次に、基板をＰ−ＣＶＤ炉から取り出し、実施例１〜３と同様の方法で、円形状の複数の格子点のレジストパターンをＳｉＯ₂膜上に形成した。ここで、本実施例においては、試料Ａ〜試料Ｌに対して表１に示す間隔でレジストパターンをそれぞれ作製した。

次に、基板をＲＩＥ装置に投入し、レジストをマスクとしてＣＦ₄ガスによりＳｉＯ₂をエッチングした。その結果、ＳｉＯ₂よりなる複数の円柱が格子点に形成された。次に、基板を再びＯＭＶＰＥ炉に投入した。そしてこの炉内において、複数の円柱を埋め込むようにＧａＮよりなる母層およびｐ型コンタクト層をエピタキシャル成長させた。次に、ｐ型コンタクト層の表面全面にＮｉ／Ａｕよりなる透明電極を形成し、この透明電極上の一部にＴｉ／Ａｕよりなるｐ型電極を形成した。そして基板の裏面にＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕよりなるｎ型電極（反射層）を形成した。こうして得られた試料Ａ〜試料ＬのＬＥＤについて、発光に必要な電圧を調べた。この結果を表２および図１０に示す。

表２および図１０を参照して、間隔が１３０ｎｍ以上の場合には４Ｖ未満で発光し、間隔が２００ｎｍ以上の場合には３Ｖ程度で発光している。この結果から、格子点の間隔を１３０ｎｍ以上、好ましくは２００ｎｍ以上とすることで、発光に必要な電圧を低下できることが分かる。

以上に開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態および実施例ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものと意図される。

本発明は、２次元回折格子を備えた半導体発光素子に利用可能である。

本発明の実施の形態１におけるＬＥＤの構成を示す平面図である。図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。（ａ）は、本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶層の構成を模式的に示す斜視図である。（ｂ）は、本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶層の構成を模式的に示す平面図である。（ａ）は、本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶層の他の構成を模式的に示す斜視図である。（ｂ）は、本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶層の他の構成を模式的に示す平面図である。格子点に含まれるＳｉの拡散を模式的に示す図である。（ａ）は、本発明の実施の形態２におけるＬＥＤの構成を示す断面図である。（ｂ）は、本発明の実施の形態２におけるＤＢＲ層の屈折率分布を示す図である。本発明の実施の形態３におけるＬＥＤの構成を示す断面図である。本発明の実施の形態３におけるＬＥＤの他の構成を示す断面図である。本発明の実施の形態４における半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。本発明の実施例４におけるＳｉＯ₂よりなる円柱の間隔と発光電圧との関係を示す図である。

符号の説明

１，１ａ〜１ｃＬＥＤ、１ｄ半導体レーザ素子、２，２１基板、２ａ，２１ａ基板上面、２ｂ，２１ｂ基板下面、３ｎ型ＧａＮ層、４，２３活性層、４ａ活性層上面、４ｂ活性層下面、５スペーサ層、６電子ブロック層、７ｐ型ＧａＮ層、８フォトニック結晶層、９，２７ｐ型コンタクト層、１０透明電極、１０ａ透明電極上面、１１，３０ｐ型電極、１２，３１ｎ型電極、１２ａ反射膜、１３ＤＢＲ層、１４部分、２２ｎ型クラッド層、２４，２６ｐ型クラッド層、２５ＧａＮ層、２７ａｐ型コンタクト層上面、８１，８１ａ，８１ｂ格子点、８２母層。

Claims

キャリアが注入されることにより発光する発光層と、
前記発光層の一方の主面側に形成された２次元回折格子とを備え、
前記２次元回折格子は、シリコンを含む複数の格子点と、平面的に見て前記複数の格子点の各々を取り囲み、かつ窒化ガリウムを含む母層とを有し、
前記複数の格子点のうち一つの格子点と、前記一つの格子点に最も近い格子点との間隔は１３０ｎｍ以上１０μｍ以下である、半導体発光素子。
前記間隔は２００ｎｍ以上である、請求項１に記載の半導体発光素子。
前記２次元回折格子は三角格子または正方格子の形状を有する、請求項１または２に記載の半導体発光素子。
前記発光層と前記２次元回折格子との間に形成され、かつ前記発光層よりも広いバンドギャップを有する電子ブロック層をさらに備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
前記電子ブロック層はＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）よりなる、請求項４に記載の半導体発光素子。
前記発光層と前記２次元回折格子との間に形成された窒化ガリウムよりなる中間層をさらに備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
前記発光層の他方の主面側に形成され、かつ前記発光層から伝搬する光を前記発光層へ反射する反射層をさらに備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
前記反射層は前記他方の主面の法線に沿った周期的な屈折率分布を有する、請求項７に記載の半導体発光素子。
前記発光層の前記他方の主面側に配置されるｎ型の窒化ガリウムよりなる基板をさらに備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体発光素子。