JP3852000B2

JP3852000B2 - 発光素子

Info

Publication number: JP3852000B2
Application number: JP2001304033A
Authority: JP
Inventors: 英昭加藤; 好伸末広
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2006-11-29
Anticipated expiration: 2021-09-28
Also published as: US6809340B2; US20030062529A1; JP2003110136A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光素子に関する。特に、基板上に形成された少なくとも発光領域の側面を凹凸に形成して、側面からも光が出射するようにし、それにより外部量子効率を増大させた発光素子に関する。
本発明は、外部量子効率の増大が要求される、例えばＬＥＤ等の発光素子に適用される。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、発光素子上面に凹凸を形成し、発光効率を向上させた半導体発光素子がある。例えば、特開平５−１６７１０１号公報に開示の半導体発光素子、特開２０００−１９６１５２号公報に開示の半導体発光素子及びその製造方法がある。特開平５−１６７１０１号公報に開示の半導体発光素子を図１１に示す。この半導体発光素子は、n-GaAs等の化合物半導体基板１、光反射層６、発光層２０、電流拡散層３、光散乱層１０、及び電極４、５から形成されている。更に発光層２０は、n-InAlP層２１、InGaAlP層２３、p-InAlP層２２から構成されている。
この発明の特徴は、電流拡散層３上に例えばGaP等からなる光散乱層１０が形成されていることである。光散乱層１０は、電流拡散層３と格子定数を異ならせて不完全成長させることで得られる。これにより、表面（空気との界面）での全反射をなくし、その結果電流拡散層３の光沢面から光取り出す場合よりも約２倍の効率で光を取り出せるとしている。
【０００３】
又、特開２０００−１９６１５２号公報に開示の半導体発光素子を図１２に示す。これは、サファイア基板５１上にn-GaN層５２、InGaN発光層５３、p-GaN層５４を積層し、そのp-GaN層５４上の一部に電極５５を、n-GaN層５２の一部に電極５６を形成した構造である。そしてp-GaN層５４の表面５４ａを複数のシリンドリカル・レンズ状に加工したことが特徴である。p-GaN層５４の表面を従来のように平面とすると、InGaN発光層５３で発光した光は、出射条件（面法線を中心として臨界角約２１．９度以内の入射）を満たす光のみ外部に出射され、他の入射条件の光は全反射によって閉じこめられ減衰される。
しかしながら、この発明ではp-GaN層１５４の表面を複数のシリンドリカル・レンズ状に加工し、正味の出射条件を緩和している。即ち、表面をシリンドリカル形状とすることで出射効率を向上させた例である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、何れの従来例の場合も発光層内を横方向に伝搬した光については何の対策もなされていない。即ち、一般的な矩形形状では半導体層内を幾度反射しても図１３（ａ）（断面図）、（ｂ）（平面図）に示すように結晶界面の臨界角内とはならない光が多く含まれ、それが外部量子効率を低減させる一因となっている。
又、特開２０００−１９６１５２に開示の半導体発光素子において、光取り出し層表面にシリンドリカル状の凹凸を形成することは、外部量子効率を確かに増大させる例であるが、その層は薄く精度よく凹凸を形成することは困難であった。又、ＧａＮのような安定した材料では、従来ＧａＰなどで行われている化学的エッチングによる表面処理に基づく上面のランダムな凹凸形成は望めない。一方で、物理的な形成は従来の様に加工が困難であり生産性が劣るという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は結晶内の光密度を変えることなく、即ち、素子サイズを変更することなく結晶界面面積を増大させることで、結晶内の部位、方向ともにランダムに存在する発光光に対する外部放射面積を増大させ、光取り出し効率、即ち外部量子効率を増大させることである。又、量産対応できるように簡易に実現できるものとすることである。
又、上記凹凸形状を側面のみならず上面にも適用して、外部量子効率をさらに増大させることである。
又、凹凸側面を発光領域に対してテーパ角を有するように形成し、基板垂直方向への発光効率を向上させた発光素子を実現することである。
尚、上記の目的は、個々の発明が個々に達成する目的であって、個々の発明が全ての上記の目的を達成するものと解釈されるべきではない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発光素子は、基板上にｎ型層、発光領域、ｐ型層をこの順に有し、ｎ型層の露出面に電極を有する固体発光素子であって、ｎ型層、発光領域、ｐ型層の側面の全周又は一部は、水平断面が波形形状をした柱面に、ｎ型層の露出面を形成するドライエッチング工程により、形成されていることを特徴とする発光素子である。
ここで、層状の発光領域は単層又は複数の層で構成されていても良い。半導体を用いた場合には、伝導型はｐ型でもｎ型でもよい。複数の層で形成されている場合には、同一組成比で添加する不純物濃度が異なる複数の層、組成比や構成元素の異なる半導体の複層で構成されていても、これらの複層において添加される不純物濃度が異なっていても良い。発光領域はノンドープでも良いし、ｎ型、ｐ型であっても良い。発光領域の上方、下方には、各種の機能を有した層があっても良い。例えば、ｎ層、ｐ層や不純物無添加層である。半導体発光素子とする場合には、ホモｐｎ接合、シングルヘテロ接合、ダブルヘテロ接合構造などを採用することができる。発光領域は単一量子井戸構造、多重量子井戸構造などを採用することができる。
注入型のＬＥＤの他、真性ＥＬにも本件発明は適用可能である。
波形形状をした柱面に形成される部分は、ｎ型層、発光領域、ｐ型層の側面であれば良。又、側面の周に関しては、全周に渡って波形形状が形成されていても、その周の一部に形成されていても良い。形成される部分が長くなる程、光取り出し効果は大きい。周囲の一部に形成される場合とは、例えば、発光素子を矩形に構成した場合には、４辺のうち少なくとも一辺や、少なくとも対辺に形成される場合などである。
【０００７】
水平断面が曲線である。例えば、曲面柱などである。曲面柱は傾斜していても良い。
【０００８】
又、波形形状をした柱面は、ｎ型層の露出面を形成するドライエッチング工程により、形成される。
【０００９】
又、請求項２に記載の発光素子は請求項１に記載の発光素子であって、基板の屈折率は発光領域の屈折率より小とすることを特徴とする。
基板上には、低温成長バッファ層や高温成長バッファ層が形成されていても良い。これらのバッファ層は複層であっても良い。バッファ層と単結晶層との繰り返しであっても良い。
基板には導電性材料、絶縁性材料を用いることができる。導電性材料を用いた場合には、基板の裏面に一方の電極を形成することができる。絶縁性基板を用いた場合には、基板の上面側に、両電極が形成される。
又、請求項３に記載の発光素子は請求項１又は請求項２に記載の発光素子であって、ｎ型層、発光領域、ｐ型層は、III族窒化物系化合物半導体から構成されることを特徴とする。
以上の手段により、前記の課題を解決することができる。
【００１０】
【作用及び発明の効果】
本発明の請求項１の発光素子は、基板上にｎ型層、発光領域、ｐ型層をこの順に有し、ｎ型層の露出面に電極を有する固体発光素子であって、ｎ型層、発光領域、ｐ型層の側面の全周又は一部は、水平断面が波形形状をした柱面に、ｎ型層の露出面を形成するドライエッチング工程により、形成されている。
通常、発光素子において、発光領域内で発光された光は全方位に放射され、略垂直方向の光のみが基板から垂直方向に出射される。この時、発光領域からその上の層、例えば、発光素子を半導体発光ダイオードとして構成する場合には、ｐ層（発光領域の上にｐ層がある場合にはｐ層）に入射した光のうち臨界角内で入射した光はそのまま基板に垂直方向に出射される。しかしながら、ｐ層（例えば、p-GaN層等）及び発光領域は外部領域より屈折率が高いため、入射角が臨界角より大きい光は全反射によりｐ層で反射され再び発光領域に戻る。即ち、大部分の光は発光領域内に閉じこめられて減衰する。即ち、従来の発光素子は発光領域内で発生した光、全てを効率よく出射させるものではなかった。
【００１１】
本発明の発光素子は、ｎ型層、発光領域、ｐ型層の側面の全周又は一部が水平断面が波形形状の柱面に形成されている。側面を波形形状の柱面に形成すれば、側面の法線方向を様々な方向に分散させることができる。この側面の法線方向の分散は、同時にその臨界角を分散させることになる。即ち、発光領域に閉じこめられた光、特に横方向に閉じこめられた光をより効率的に取り出すことができる。即ち、従来出射され得なかった光を大幅に外部に出射させることができる。即ち、外部量子効率を大幅に向上させることができる。尚、上記波形形状はあらゆる形状の波形形状を含む。例えば、三角波状、波状等である。又、その形状、大きさはランダムであってもよいし、又周期性があってもよい。全てを含む。
【００１２】
又、側面は曲率変化のある曲線で構成されている、即ち、様々な曲率半径からなる曲線で構成されているならば、平面のように臨界角が固定されずに、臨界角が分散するために、外部に出射できる光の入射角範囲が全体として広くなる。このことは、実効的な光の出射面積を拡大したことと等価となる。このように、発光領域で発光した光は、外部に効率良く放射される。よって、より外部量子効率のよい発光素子となる。
【００１３】
又、側面の法線が層状の発光領域に対してテーパ角を有していれば、即ち側面の法線と層の上面の法線とが直角でなければ、その側面の面積を増大させることができる。よって、横方向に内部反射した光をより効率的に外部に取り出すことができる。又、側面の法線が層状の発光領域に対して例えば正のテーパ角（仰角）を有していれば、側面から出射した光は層状の発光領域に対して仰角成分を有する。仰角成分を有するので、側面から発光した光は効果的に層上方に発光される。尚、上記仰角成分は負であってもよい。負である場合は、一旦、出射光は（層状の発光領域が形成される）基板面で反射されて、再び正方向に出射される。
【００１４】
又、波形形状の柱面は、ｎ型層の露出面を形成するドライエッチング工程で形成される。
例えば、絶縁性基板を用いてｎ型層が底面にあって、正負電極を基板の上面側に形成する素子構造の場合には、ｎ型層の電極を形成するために各層をエッチングにより堀下げる必要がある。この時、上面に例えばレジスト等によって波形形状パターン作成しておく。このパターンを形成したままエッチングによって各層を掘り下げると、発光領域の側面にはエッチングパターンの波形形状が形成される。即ち、波形形状の柱面である側面が形成される。又、上記波形形状の柱面である側面はエッチングで形成されるので容易にそれを形成することができる。
【００１５】
又、有機金属化合物気相成長法による発光領域のパターニング工程で波形形状を形成すれば、その形状は任意とすることができる。例えば、波形状、三角波形状、ランダム形状等、任意に作成可能となる。又、その側面の任意の点から出射した光が他の側面の凸部に遮蔽されないように、厳密に設計することができる。よって、その側面形状を最適とすることができるので、更に効率よく光を出射させることができる。
【００１６】
又、素子分離工程を用いても、容易に発光領域の側面を凹凸形状に形成できる。新たな工程を必要としないので、発光素子に拘わらずその製造コストを維持することができる。
【００１７】
又、請求項２に記載の発光素子は請求項１に記載の発光素子であって、基板の屈折率は発光領域の屈折率より小に形成されている。
基板の屈折率を発光領域の屈折率より小とすれば、基板で全反射が起こりやすくなり発光領域で発生した光の一部は発光領域内を横方向に伝搬する。例えば、GaN系半導体層を採用する場合は、その屈折率が約２．４であるので、例えば屈折率１．７のアルミナ系の基板を採用する。これにより、光は基板で全反射されて発光領域側面に到達し、その側面から出射される。よって、更に外部量子効率の高い発光素子となる。
【００１８】
又、請求項３に記載の発光素子は請求項１又は請求項２に記載の発光素子であって、基板に形成される各層はIII族窒化物系化合物半導体から構成される。
III族窒化物系化合物半導体は、例えば発光素子とした場合、発光スペクトルが紫外から赤色の広範囲に渡る直接遷移形の半導体である。よって、様々なスペクトルの発光ダイオード（ＬＥＤ）を作成することができる。
又、そのバンドギャップが広いため、他の半導体を用いた素子よりも高温において安定した動作の発光素子とすることができる。更に、ヒ素(As)を主成分としていないことで、環境面からも安全な発光素子とすることができる。
【００１９】
又、凹凸は発光領域の側面のみならず、上方の光取り出し面の上面にも有効である。側面と同じ理由、即ち正味の臨界角度範囲の増大により有効に発光領域からの光を基板の上面から出射させることができる。側面と上面からより有効に光を出射できるので、更に量子効率が増大する発光素子となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。ただし、本発明は以下に示す実施例に限定されるものではない。
（第１実施例）
図１、図２に本実施例の発光素子を実現した発光ダイオード１００を示す。図１は、発光ダイオード１００の構成断面図であり、図２はその上面図である。尚、本実施例の発光ダイオード１００はIII族窒化物系化合物半導体、例えばＧａＮ系半導体を用いた素子である。本実施例の発光ダイオード１００は、サファイア基板１０１、バッファ層１０２、ｎ型層１０３、発光領域である発光層１０４、ｐ型層１０５、そしてその上に形成された透光性電極（陽極）１０６、台座電極（陽極）１０７、ｎ型層１０３上に形成された電極（陰極）１０８から構成されている。
又、ｎ型層１０３の露出面を除くｎ型層１０３より上の層は図２に示すように、「コ」字形状にエッチングされており、「コ」の字に囲まれた部分に電極１０８が形成されている。尚、発光層１０４はＭＱＷでもよいし、ＳＱＷでもよい。
【００２１】
本実施例の特徴は、図１、図２に示すように少なくとも発光層１０４の側面を凹凸側面１０９としたことである。この凹凸側面１０９（波形形状）は、後述するように台座電極１０８の形成工程において例えばパターニングによって形成する。これにより、発光層１０４からの出射効率、即ち外部量子効率が向上する。
例えば、図３に示すように、従来のように発光層１０４の側面が平面である場合、内部（発光層１０４側）は高屈折率材料であり外部領域は低屈折率材料であるので、発光層１０４側で発光した光には全反射条件が存在する。即ち、内部から外部領域に向かう光のうち、互いの屈折率で決定される臨界角θ_Cより小さく入射した光は外部に出射され、臨界角θ_C以上で入射した光は界面で全反射され内部に閉じこめられる。即ち、内部で減衰される。この結果、臨界角度範囲２θ_C未満で入射した光のみ出射される。
【００２２】
しかしながら、本実施例の発光ダイオード１００は少なくとも発光層１０４の側面は図４（ｂ）の拡大図に示すように凹凸側面１０９となっている。外部領域との界面をこのように形成すると、結晶界面の面方向範囲が拡がるとともに面積が増大するため、界面での外部放射面積が増大することになる。例えば、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、同等条件（界面に対する角θ_A）で発光した光は従来例では全反射されるが（図４（ａ））、本実施例では外部に出射される（図４（ｂ））。
更に、凹凸形状を曲率変化のある曲線とすることで、発光層側面での一次的な外部取り出し効率の向上に加え、それ以降の外部取り出し効率の向上がある。即ち、発光層側面の結晶界面に臨界角θ_c以上の角度で入射し、全反射される光は界面方向に応じた方向へ反射される。このため、従来の一般的な矩形形状の発光素子で、結晶内を幾度反射しても外部放射されない図１３（ａ）、（ｂ）に示すようなモードが生じないものとすることができる。尚、図１３（ａ）は従来の発光層の断面図を用いた反射モードであり、図１３（ｂ）は上面図を用いた反射モードである。
又、図１では便宜上各層を厚い層で示してあるが、実際にはサファイア基板に対し各層全体は僅かな厚みしかない。しかし、発光層からの直接光だけでなく上下界面での反射の後に凹凸側面１０９に至る光に対しても有効である。即ち、基板のサファイアの屈折率は１．７、発光層等を構成する例えば、ＧａＮ系半導体のうちのＧａＮの屈折率は２．４であるので、上下界面で発光素子に閉じこめられる光は、発光素子全体に閉じこめられるものと発光素子のうち屈折率の大きい例えばIII族窒化物半導体層内に閉じこめられるものとが存在し、層での光密度が大幅に高い。このため、僅かな深さの凹凸側面１０９を形成するだけで十分な効果を得ることができるのである。
【００２３】
次に、この構造の発光ダイオード１００の製造方法について説明する。上記発光ダイオード１００は、先ず有機金属化合物気相成長法（以下「MOVPE」と示す）による気相成長によりバッファ層１０２からｐ型層１０５を順次、製造する。次に、スパッタリングによりSiO₂層を形成し、そのSiO₂上にフォトレジストを塗布し、図２に示す凹凸（波形形状）パターンでパターニングを施し、フォトリソグラフを行う。次に、フォトレジスト及びSiO₂層によって覆われていない部位のｐ型層１０５、発光層１０４、及びｎ型層１０３の一部をドライエッチングして、ｎ型層１０３に対する電極取り出しのための領域を形成するとともに側面の凹凸１０９形状を形成する。
【００２４】
次に、１〜２００ｎｍの厚さで金属（例えばＡｕ、Ｎｉ、Ｃｏ等）を蒸着してｐ型層１０５の上に透光性電極１０６を形成する。そして、蒸着によりｎ型層１０３の上に電極１０８を形成し、透光性電極１０６上の台座電極１０７を形成する。本実施例の発光ダイオード１００はこのように形成される。上述のように、凹凸側面１０９はｎ型層１０３を露出させるための工程を利用して形成される。よって、新たに凹凸形成工程を設ける必要がない。容易に安価に、発光素子を実現することができる。
【００２５】
尚、凹凸側面１０９の形状は、その任意の点から出射した光が隣接した凹凸１０９に遮蔽されないような形状とすることが望ましい。出射した光が隣接した凸部に遮られると再度発光層１０４に入射し、閉じこめられて減衰することが考えらえる。又、凹凸形状が狭く深い場合は、ランダムに存在する光に対して実質の外部放射面積は増大しない。従って、凹凸は所定の条件で作成することが望ましい。例えば、凹凸側面１０９の凹凸形状を振幅Ａが周期Ｌの１／４である周期性を有するサイン波形状とする（図５）。これにより結晶界面の面方向範囲を広げ、面積を増やすことで光の取り出し効率が向上するため、従来より発光効率の高い発光ダイオードが作成できた。尚、上記周期は時間周期ではなく、空間周波数の意味における周期である。
【００２６】
（第２実施例）
第１実施例において、凹凸側面１０９はｎ型層１０３の露出工程を利用して作成したが、これは最終工程である素子分離工程でもよい。これらの発光ダイオード１００は、通常サファイア基板１０１上にリソグラフィ技術によって多数作成され、一連の工程後それらは素子分離されるからである。
最終工程の素子分離時に凹凸側面１０９を形成した例を図６、図７に示す。図６が断面構成図であり、図７がその上面図である。図６において、破線部が素子分離時の例えばエッチングによって形成された凹凸側面１０９である。このように形成してもよい。このようにすれば、ＧａＮ層の側面をすべてカバーした凹凸側面１０９ができ、さらなる光取り出し効率の向上を図ることができる。
又、素子分離はダイシングソーによって機械的に分離することもできる。その場合は、素子分離後、側面以外をレジスト等で保護し側面のみをエッチングする。これによりエッチピットによる様々な形状の凹凸を形成してもよい。この場合は、パターンニングを行わないのでエッチングによる粗面となる。同様に側面に凹凸が形成されるので、従来より高効率な発光ダイオードが得られる。
【００２７】
（第３実施例）
図８に、発光素子の第３実施例を示す。第１実施例では、発光ダイオードの凹凸側面１０９は、サファイア基板１０１に対して垂直であった。即ち、発光層１０４からの光は、サファイア基板１０１の基板面に平行に出射される。そこで、第３実施例では凹凸側面１０９を基板１０１に対してテーパを有するように形成した。この時、発光領域である発光層１０４は基板に積層された状態であるので、凹凸側面１０９は基板１０１に対してテーパを有することになる。即ち、これにより、更に結晶界面の面積を増大することができ、光取り出し効率が増大する。
【００２８】
このような形状は、ｎ型層１０３に対する電極１０８のための領域形成工程、即ち、ｐ型層１０５、発光層１０４、ｎ型層１０３の一部のドライエッチング工程において、真空度、高周波電力パワー、ガスの種類、それらのガス供給速度等でコントロールされ形成される。
尚、図８では側面の法線がサファイア基板１０１に対して負の仰角である逆テーパを有するように形成したが、正の仰角になるように形成してもよい。各層の形成時に、そのパターンを徐々に小さくして気相成長させれば正のテーパを有す凹凸側面１０９を形成することができる。そのように形成すれば、直接、基板上方に向かう出射光成分が増大するのでより視認性に優れることになる。このように形成してもよい。
【００２９】
（第４実施例）
第１実施例乃至第３実施例は、サファイア基板１０１の同一面側に正極（透光性電極１０６、及び台座電極１０７）と負極（電極１０８）を設けた例であった。この様な形態に限定しなくても良い。例えば、図９、図１０に示すような発光ダイオード４００としても良い。図９はその構成断面図であり、図１０はその上面図である。
この発光ダイオード４００は、導電性基板であるSiC基板４０１、ｎ型層であるｎ−AlGaＮ層４０２、MQW形の発光層４０３、ｐ型層であるｐ−AlGaＮ層４０４から構成され、その両側に電極４０５Ａ、４０５Ｂが形成された構造である。この様な形態の素子も、第１実施例と同じくエピタキシャル成長法（MOVPE）で作成する。この場合は、図１０に示す四方が波形状に形成された形状をパターニングに用い、そのパターンで各層を成長させる。これにより、容易に図９の発光ダイオード４００製造される。このような構成としても、発光層４０３で発光された光は側面が凹凸側面１０９であるので面法線が分散するとともに面積が増大し、それに応じて効率的に光が出射される。このような形態とすることもできる。
尚、この場合の凹凸側面１０９はMOVPEで作成したが、これに限定するものではない。例えば、素子分離後、側面以外をフォトレジストで保護し、側面のみをエッチング等で粗面としてもよい。従来より、発光素子となる。
導電性基板としては、SiC（代表的には6H-SiC）、導電性Si、導電性GaN基板などを用いることができる。
【００３０】
（変形例）
本発明は、上記実施例に限定されるものではなく他に様々な変形が考えられる。例えば、上記の第１、２実施例ではIII族窒化物系化合物半導体素子として、GaN系の半導体層を用いたが、勿論Ga_xIn_1-xN（例：Ga_0.08In_0.92N）等から成る層、その他、任意の混晶比の３元乃至４元系のAlGaInNとしても良い。より具体的には、「Al_xGa_yIn_1-x-yN（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）」成る一般式で表される３元（GaInN，AlInN，AlGaN）或いは４元（AlGaInN）のIII族窒化物系化合物半導体等を用いることもできる。また、そられの化合物のNの一部をP、As等のV族元素で置換しても良い。
【００３１】
例えば、サファイア基板上にIII族窒化物系化合物半導体積層する際、結晶性良く形成させるため、サファイア基板との格子不整合を是正すべくバッファ層を形成することが好ましい。他の基板を使用する場合もバッファ層を設けることが望ましい。バッファ層としては、低温で形成させたIII族窒化物系化合物半導体Al_xGa_yIn_1-x-yN（0≦x≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1）、より好ましくはAl_xGa_1-xN（0≦x≦1）が用いられる。このバッファ層は単層でも良く、組成等の異なる多重層としても良い。バッファ層の形成方法は、380〜420℃の低温で形成するものでも良く、逆に1000〜1180℃の範囲で、ＭＯＣＶＤ法で形成しても良い。また、ＤＣマグネトロンスパッタ装置を用いて、高純度金属アルミニウムと窒素ガスを原材料として、リアクティブスパッタ法によりAlNから成るバッファ層を形成することもできる。同様に一般式Al_xGa_yIn_1-x-yN（0≦x≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1、組成比は任意）のバッファ層を形成することができる。更には蒸着法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法、ＥＣＲ法を用いることができる。物理蒸着法によるバッファ層は、200〜600℃で行うのが望ましい。さらに望ましくは300〜600℃であり、さらに望ましくは350〜450℃である。これらのスパッタリング法等の物理蒸着法を用いた場合には、バッファ層の厚さは、100〜3000Åが望ましい。さらに望ましくは、100〜400Åが望ましく、最も望ましくは、100〜300Åである。多重層としては、例えばAl_xGa_1-xN（0≦x≦1）から成る層とGaN層とを交互に形成する、組成の同じ層を形成温度を例えば600℃以下と1000℃以上として交互に形成するなどの方法がある。勿論、これらを組み合わせても良く、多重層は３種以上のIII族窒化物系化合物半導体Al_xGa_yIn_1-x-yN（0≦x≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1）を積層しても良い。一般的には緩衝層は非晶質であり、中間層は単結晶である。緩衝層と中間層を１周期として複数周期形成しても良く、繰り返しは任意周期で良い。繰り返しは多いほど結晶性が良くなる。
又、低温バッファ層の上に高温成長バッファ層を形成して、その上に本体のＩＩＩ族窒化物半導体を形成しても良い。
【００３２】
バッファ層及び上層のIII族窒化物系化合物半導体は、III族元素の組成の一部は、ボロン(B)、タリウム(Tl)で置き換えても、また、窒素(N)の組成一部をリン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)で置き換えても本発明を実質的に適用できる。また、これら元素を組成に表示できない程度のドープをしたものでも良い。例えば組成にインジウム(In)、ヒ素(As)を有しないIII族窒化物系化合物半導体であるAl_xGa_1-xN（0≦x≦1）に、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)よりも原子半径の大きなインジウム(In)、又は窒素(N)よりも原子半径の大きなヒ素(As)をドープすることで、窒素原子の抜けによる結晶の拡張歪みを圧縮歪みで補償し結晶性を良くしても良い。この場合はアクセプタ不純物がIII族原子の位置に容易に入るため、ｐ型結晶をアズグローンで得ることもできる。
【００３３】
バッファ層とIII族窒化物系化合物半導体層とが２周期以上で形成されている基底層の場合、各III族窒化物系化合物半導体層に主たる構成元素よりも原子半径の大きな元素をドープすると更に良い。なお、発光素子として構成する場合は、本来III族窒化物系化合物半導体の２元系、若しくは３元系を用いることが望ましい。
【００３４】
ｎ型のIII族窒化物系化合物半導体層を形成する場合には、ｎ型不純物として、Si、Ge、Se、Te、C等IV族元素又はVI族元素を添加することができる。また、ｐ型不純物としては、Zn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等II族元素又はIV族元素を添加することができる。これらを複数或いはｎ型不純物とｐ型不純物を同一層にドープしても良い。ＢｅをインプラントしたＭｇドープのＧａＮ系半導体は、１１００℃で６０秒のアニリーニングにより、５．５×１０¹⁶から、８．１×１０¹⁹／cm³のホール濃度に変化する。ＢｅをインプラントによりＭｇの活性化エネルギーは１７０ｍＶに低下する。これは、ＢｅがＭｇと水素の結合を解き、水素と結合するためと考えられる。よって、ｐ型層を得るためには、Ｍｇなどのアクセプタ不純物の他にＢｅが同にインプラントされているのが望ましい。
【００３５】
各層の構成は、横方向エピタキシャル成長を用いてIII族窒化物系化合物半導体層の転位を減じることも任意である。この際、マスクを用いるもの、段差を形成して、凹部の上に横方向成長層を形成するマスクを用いない方法が採用できる。段差を用いる方法は、基板にスポットやストライプ状の凹部を形成し、この上に窒化ガリウム系化合物半導体を成長させて、凹部の上に横方向成長させる方法を採用することができる。又、横方向成長層とその下の層や基板との間に空隙があっても良い。空隙がある場合には、応力歪みが入ることが防止されるので、より結晶性を向上させることができる。横方向成長させる条件は、温度を高くする方法、III族元素ガスの供給量を増加させること、Ｍｇを添加する方法がある。
【００３６】
透光性電極１０６が接合されるｐ型層１０５は、ＩｎＧａＮを用いると高い正孔濃度が得られるので望ましい。ｐ型層１０５にはＢｅを添加してＭｇを添加することで、より正孔濃度を高くすることができる。アクセプタ不純物は、Ｍｇが望ましい。例えば、組成比は、Ｉｎ_0.14Ｇａ_0.86Ｎが望ましい。又、超格子をｐ型層１０５に用いることが可能である。例えば、透光性電極１０６が形成される層の正孔濃度を向上させて良好なオーミック性を得る目的で、ｐ型ＡｌＧａＮ／ｐ型ＧａＮからなる超格子を採用することも可能である。又、ｐ型層１０５内を横方向に電流が十分拡散する場合は透光性電極１０６に代えて台座電極１０７を形成してもよい。
【００３７】
基板上にIII族窒化物系化合物半導体を順次積層を形成する場合は、基板としてはサファイア、シリコン(Si)、炭化ケイ素(SiC)、スピネル(MgAl₂O₄)、ZnO、MgOその他の無機結晶基板、リン化ガリウム又は砒化ガリウムのようなIII-V族化合物半導体あるいは窒化ガリウム(GaN)その他のIII族窒化物系化合物半導体等を用いることができる。III族窒化物系化合物半導体層を形成する方法としては有機金属気相成長法（MOCVD又はMOVPE）が好ましいが、分子線気相成長法（MBE）、ハライド気相成長法（Halide VPE）、液相成長法（LPE）等を用いても良く、各層を各々異なる成長方法で形成しても良い。
【００３８】
又、第１乃至第３実施例では、基板にサファイア基板１０１を用いたが、上述した材料の基板を用いたものでもよい。尚、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を基板として用いた場合、屈折率はＧａＮと同等である。このため、上下界面でＧａＮ層内だけに閉じこめられている光は存在しない。しかし、層状の発光点からは全方向に均一な放射強度で放射されるので、発光層の側面に放射される放射密度は高く僅かな深さの凹凸側面１０９を形成するだけで光取り出し向上効果を得ることができる。勿論、凹凸側面１０９は基板に及ぶ深さのものであっても構わない。更に、第１実施例乃至第３実施例では、ｐｎ接合型ＧａＮ系発光素子について説明したが、層状の発光領域を有する固体発光素子であれば、ＭＩＳ型でもよく、ＡｌＧａＡｓ系やＧａＡｌＩｎＰ系等他の材料であってもよい。
【００３９】
又、第１実施例乃至第４実施例において、凹凸側面１０９は上方から見てサイン波形になるように形成したが、横方向から見てサイン波形になるように形成してもよい。外部量子効率については同等な効果がある。尚、上方からの視認性に付いては、面法線が基板法線成分（上方成分）を有するので、より性能が向上する。更に、そのサイン波形は限定するものではない。三角波形状や円弧等他の形状でもよい。側面に凹凸があれば、その形状に拘わらず従来よりは外部量子効率が向上する。
【００４０】
又、第１実施例乃至第４実施例においては、発光層の側面を凹凸形状としたが、これに加えて透光性電極１０６下の光取り出し面の上面にも部分エッチング法等で凹凸を付加してもよい。側面と上面と両方から光を取り出せば、更に外部量子効率を向上させた発光素子となる。
【００４１】
凹凸の形成は、主にドライエッチングやウエットエッチングが用いられるが、その他、基板上にレジストを凹凸形状にパターニングして、各層を成長させた後、このレジストを除去するリフトオフ法を用いることも可能である。さらに、基板上に凹凸形状にマスクを形成して、このマスク外に成長させる選択エピタキシャル成長を用いても、マスクで遮蔽しながら各層をエピタキシャル成長させても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係わる発光ダイオードの構成断面図。
【図２】本発明の第１実施例に係わる発光ダイオードの上面図。
【図３】本発明の発光層界面における発光光の経路と臨界角θ_Cの関係説明図。
【図４】本発明の第１実施例に係わる臨界角増大に関する従来との比較図説明図。
【図５】本発明の第１実施例に係わる最適な凹凸側面形状の説明図。
【図６】本発明の第２実施例に係わる発光ダイオードの構成断面図。
【図７】本発明の第２実施例に係わる発光ダイオードの上面図。
【図８】本発明の第３実施例に係わる発光ダイオードの構成断面図。
【図９】本発明の第４実施例に係わる発光ダイオードの構成断面図。
【図１０】本発明の第４実施例に係わる発光ダイオードの上面図。
【図１１】従来の上面を粗面にした発光素子の構成断面図。
【図１２】従来の上面に凹凸を設けた発光素子の鳥瞰図。
【図１３】従来の発光ダイオードにおける発光層内の反射モードの光経路説明図。
【符号の説明】
１００、４００…発光ダイオード
１０１…サファイア基板
１０２…バッファ層
１０３…ｎ型層
４０２…ｎ−AlGaＮ層
１０４、４０３…発光層
１０５…ｐ型層
１０６…透光性電極
１０７、１０８…台座電極
１０９…凹凸側面
４０１…SiC基板
４０４…ｐ−AlGaＮ層
４０５Ａ、Ｂ…電極

Claims

基板上にｎ型層、発光領域、ｐ型層をこの順に有し、前記ｎ型層の露出面に電極を有する固体発光素子であって、
前記ｎ型層、前記発光領域、前記ｐ型層の側面の全周又は一部は、水平断面が波形形状をした柱面に、前記ｎ型層の前記露出面を形成するドライエッチング工程により、形成されていることを特徴とする発光素子。
前記基板の屈折率は前記発光領域の屈折率より小とすることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
前記ｎ型層、前記発光領域、前記ｐ型層は、III族窒化物系化合物半導体から構成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光素子。