JP3956941B2 - 窒化物半導体発光素子及びそれを用いた発光装置 - Google Patents

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Description

技術分野
本発明は、窒化物半導体を用いた発光素子に係り、特にＧａＮ、ＡｌＮ、もしくはＩｎＮ、又はこれらの混晶であるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体（ＩｎｂＡｌｃＧａ１−ｂ−ｃＮ、０≦ｂ、０≦ｄ、ｂ＋ｄ＜１）を用いた発光素子、並びに、電流狭窄構造を有する面発光型レーザ素子、又は、電流狭窄層の開口部に対応した導波路を有する端面発光型発光素子（レーザ素子）で、発光装置、投光器、集合ランプ、イルミネーション、光結合装置、光検知装置、光通信装置、光ファイバモジュールの光源などに用いられる発光素子に関する。
背景技術
今日、窒化物半導体を用いた半導体レーザは、ＤＶＤなど、大容量・高密度の情報記録・再生が可能な光ディスクシステムへの利用に対する要求が高まりを見せている。このため、窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子は、研究が盛んになされている。また、窒化物半導体を用いた発光素子、レーザ素子は、紫外域から赤色に至るまで、幅広く波長域、可視光域での発光波長が得られるため、その応用範囲は、上記光ディスクシステムの光源にとどまらず、レーザプリンタ、光ネットワークなどの光源、フルカラーディスプレイの光源、信号灯の光源など、多岐にわたるものと期待されている。
また面発光型の発光素子は、光集積化が可能なこと、微小スポットの光源、複数の光源が配列されたアレイ光源など、多くの半導体材料で、実現されている。しかし、窒化物半導体を用いた発光素子では、イオン注入による導電型層の形成が困難で、任意の形状でｐｎ接合、及び発光領域を設けることが困難であり、更に再成長も困難であることから、素子の積層構造でこのような光源を得ることが困難であった。
以上説明したように、従来の窒化物半導体を用いた発光素子で、微小スポットの光源、アレイ光源を得るには、光源の形状に合わせた開口部を有する遮光膜、反射膜で素子端面、側面、裏面などを覆う構造が用いられるが、このような構造では、開口部から出射する光の他に、反射膜により素子内部に反射された光が発生し、それによる損失が発生することから、光の取り出し効率が低いものしか得られない。
また、従来の窒化物半導体の発光素子は、図７Ａの模式断面図に示すように、基板上に、ｎ型層、活性層、ｐ型層が積層されて、ｐ型層表面に透光性の全面電極を形成し、ｐ型層内での電流の流れを広げることで、発光効率を高める構造が用いられているが、一方で透光性電極による光吸収で損失が発生し、光取り出し効率を高めることが困難な構造となっていた。このように、全面のｐ電極を設けても、同一面側に正負一対の電極を設ける構造では、電流が偏って流れる傾向にあり、素子外部に出射される光の指向性は、異方性を有し、ｐ型層表面の上面からの光よりも、活性層端面からの光の強度が大きくなり、ｐ型層上面側に大きい強度の光が出射する指向性の素子となっていた。このような指向性に偏りがある発光素子は、その応用において所望の指向性の光源とするには、例えばＬＥＤランプなどでは、外部の反射板、光学レンズに特別な設計が必要となり、窒化物半導体発光素子の応用の妨げとなっていた。
また、従来の窒化物半導体発光素子は、このような電流の局在化を改善する目的で、様々な電極配置、電極形状が用いられている。例えば、代表的な電極構造として、図７Ｂ〜Ｄに示すように、正負一対の電極を基板の同一面側に配置する構造として、矩形状、正方形、菱形、平行四辺形状の素子に対して、対角線上、若しくは対向する一対の辺の中央部若しくはその近傍に配置して、ｐ電極、ｎ電極の距離を長くして両者を離した構造として、電流の局在化を防ぐ試みが成されている。しかしながら、いずれの場合においても、図７Ｂ〜Ｄの正負電極を結ぶ直線で切断すると、いずれも図７Ａに示す断面構造となり、ｎ電極に近い領域に電流が局在化する。これは、図７Ａからも明らかなように、ｐ型層表面の全面電極（透光性）内と、ｐ型層とでは、ｐｎ接合面内方向への電流の広がりにおいて、電極内で電流が面内方向の流れが優先されるからである。すなわち、図７Ａに示す断面において、横方向（ｐｎ接合面内方向）の電流の流れは、ｐ型層よりも低抵抗な電極内が優先され、電流の多くが全面電極内を横方向に流れて、ｎ電極に近い領域のｐ型層、活性層、ｎ型層を縦方向（膜厚方向）に流れる経路Ｘが、他の経路、例えば、ｐの取り出し電極直下の領域で縦方向に流れてｎ型層内で横方向に流れる経路Ｚ、ｐ全面電極、ｎ型層で横方向に流れる経路Ｙ、などに優先して流れる。このため、ｎ電極に近い領域で電流密度が高くなり、ｎ電極に遠い領域で電流密度が低くなる分布となり、ｎ電極に近い活性層端面から出射する光の強度が、その他の端面、ｐ型層の表面に比べて大きくなり、光の異方性が強くなる。また、このような電流の局在化は、電流が大きくなるほど、大電流駆動であるほど、顕著となるため、大電流駆動で活性層面内でｎ電極に近い領域で高い電流密度となるため、発光効率が低下し、素子の劣化速度が増し、ＬＥＤの高出力かを困難なものとしている。しかし、ｐ型層表面の電極を、全面とせずに、部分的なものとすると、抵抗率が高くなり、全面電極とする場合に比べて発光効率が低下する。
このため、ｎ電極の形状、ｐ取り出し電極の形状を変えて、電流の流れを制御する試みも成されているが、図７Ｄに示すように、ｎ型層表面のｎ電極を活性層端面を囲むように設け、図７Ａの断面では活性層の左右両側にｎ電極を配置する構造としたり、ｐ取り出し電極を活性層端面の交叉する２面に延在させた形状として、電流を広げる試みが成されている。しかし、いずれの場合でも、上述した場合と同様に、ｎ電極に近い活性層端面付近が、活性層の端面から離れた領域、中央部などに比べて、活性層面内での電流が優先して流れる構造であることに変化がないため、活性層端面付近からの光が、ｐ型層表面からの光に比べて強度が大きくなり、活性層面内での指向性は改善されるが、ｐ型層表面から上方への光が取り出されないため、それについては改善されない。
発明の開示
本発明では、従来困難であった基板の素子構造形成面側からの光の取り出し効率を高めた発光素子を得ることが可能となる。本発明の窒化物半導体発光素子の積層構造としては、図１を用いて説明すると、基板１上に窒化物半導体層を積層して得られる素子であり、基板１上に、第１導電型層１１、第２導電型層１２、その間に活性層３を有するものである。特に、第２導電型層１２内には、電流狭窄層５を有し、また第２導電型層１２の上に、窓部４０若しくは透光性膜３０と電極２０とが部分的に形成された発光装置である。具体的には、第２導電型層内には、少なくとも第１の窒化物半導体層４とその上の第２の窒化物半導体層６との間に、開口部４１を有する第３の窒化物半導体層５を含む電流狭窄層が設けられる。このとき、第３の窒化物半導体層５は、第２導電型と異なる第１導電型の層、すなわち反転層であってもよく、高抵抗なｉ型層、若しくは半絶縁性の層とする。すなわち、本発明の発光素子では、第２導電型層上の電極、若しくは光取り出しの窓部を設けることで上方、積層方向上方への光の取り出しを促す構造とし、さらに、第２導電型層内に、電流の経路を制限し、また、開口部を設けることで面内に電流を分散させる電流狭窄層を設けて、上面からの光の取り出し効率を高めた素子構造を有するものとなる。このように、窒化物半導体の発光素子では、ＧａＡｓ系材料と異なり、多くの場合上層となるｐ型層が、高キャリア濃度とできず、ｐ＋型の高キャリア濃度層による電流拡散層を設けることが困難であるが、本発明では、電流の面内の経路を開口部内に制限し、また開口部が複数面内に分布することで、電流経路を面内に多く、かつ広く分布、分散させた構造として、発光効率を高めた構造としている。ここで、第１導電型層は、基板を含むもの、すなわち、第１導電型の基板を用いた構造であってもよい。
また、第２導電型層上面において、電極と窓部を部分的に設けることで、電流狭窄構造により開口部直下の活性層からの光を上方に位置する窓部から効率的に取り出す構造とすることで、従来の窒化物半導体発光素子にみられる透光性電極をほぼ全面を覆って第２導電型層表面に設ける構造とことなり、透光性電極により光の吸収をなくし、またシート抵抗の大きな透光性電極により、電流の面内への広がり抑制を低減し、電流狭窄層と組み合わせて用いることで、効率的に面発光の光取り出しを可能とする。
また、窓部と電極との配置において、窓部のｐｎ接合面、基板面へに投影した像が、開口部４１の該面に投影した像と少なくとも一部が重なるように、配置することで、活性層から上方へ伝搬する光が開口部を通して、そのように配置された窓部から効率的に光を外部に取り出すことができる構造となる。ここで、窓部は、第２導電型層表面において、電極、特にオーミック接触用の第１の電極２０が部分的に設けられることで、電極が設けられなかった領域が窓部となる。
また、窓部の少なくとも一部に、透光性膜を設けることで、半導体層内を伝搬する光を効率的に外部に光を取り出すことが可能となる。この透光性膜は、窓部の一部だけでも良く、窓部のほぼ全面に形成すると、窓部の全面において効率よく光を上方に取り出すことができ好ましい。また、透光性膜は、第２導電型層の電極、特にオーミック接触用の第１の電極の一部を覆って、その上に形成されていても、光の取り出し構造とでき特に問題はなく、また第１の電極が透光性電極である場合には、透光性電極を透過した光も透光性膜を介して外部に効率よく取り出せる構造とできる。
さらに、本発明の発光素子構造として、反射層を、第２導電型層が積層された基板面、若しくはそれと対向する基板面の上に形成すると、基板面に垂直な方向への光の伝搬を効率よく発現でき、特に、窓部が設けられた第２導電型層表面へ光を導出させる構造とできる。好ましくは活性層と基板との間に反射層、特に、窒化物半導体からなる異なる組成、若しくは屈折率の層を交互、若しくは周期的に積層した半導体多層膜を形成することで、活性層に近接して反射層を配置でき、上面への光の出射を促す構造とできる。
また、本発明の発光素子において、第２導電型層表面に設けられるオーミック接触用の第１の電極２０が、透光性電極である場合に、その上に、第１の電極に電気的に接続する第２の電極２２を、図３に示すように設け、図１２Ｂ、１２Ｃに示すように、第２の電極２２を第１の電極２０表面上に広がるように、設けることで、シート抵抗の小さい第２の電極２２でもって、電流を面内において広げ、一方で透光性の第１の電極２０でもって、素子構造内から上方に伝搬する光を窓部だけでなく、第１の電極２０を介する形態でも、上方へ光を取り出せる構造とでき、光の取り出し効率、電流の面内拡散を改善した発光素子とできる。
上述の電流狭窄層の開口部を面内に複数配置することで、本発明の発光素子において、開口部内に選択的に電流路を設けた構造とでき、その電流路が複数、また面内に分散して配置されることで、活性層内を縦に貫く電流路を面内に多く配置でき、活性層内で効率的に光電変換がなされる構造とでき、発光効率を向上できる。また、その複数の開口部に対応して窓部を形成、配置することで、面内に分散した開口部から上方へ伝搬する光を効率的に外部に取り出せる構造とできる。
以上の本発明の発光素子は、基板を挟んで正負一対の電極を対向配置した自立型の発光素子にも、基板の同一面側に正負一対の電極を配置したいわゆるフリップチップタイプにも適用されるものである。また、基板の同一面側に正負一対の電極を配置した発光素子において、一方の電極形成面となる第１導電型層１１の一部を露出させた露出面２ｓ（１１ｓ）を形成することにより、該露出面の上に、ｐｎ接合部、若しくは活性層３とその上の第２導電型層１２を含む凸部５１が形成される場合に、前記第１導電型層の電極、特にオーミック接触用の電極２１を、該凸部を囲むように、若しくは凸部側面１５０〜１５４に沿って、形成することで、電流の経路を凸部の面内に広げることが可能となり、発光効率、光取り出し効率を高めた発光素子構造とできる。このとき、凸部の側面全てを囲むように閉口した形状の電極としても良く、凸部を囲んで一部が開口した電極形状であってもよい。
また、このようなｐｎ接合部５０、若しくは活性層と第２導電型層とを含む凸部において、該凸部側面において、電流狭窄層がその側面を囲むように、すなわち凸部側面で電流狭窄層側面が形成されるように、開口部を設けることで、凸部側面、特に端面を流れる電流を制限し、大電流動作時に端面を集中的に電流が流れて端面から出射する光により発光ムラを防ぎ、静電気による衝撃に対して端面部で短絡することによる端面近傍が破壊されることを防ぐことができる。具体的には図１、１３、１８、２６、２８などに示すように、凸部５１の側面１５０〜１５４において、電流狭窄層５が設けられた形態であり、電流狭窄層側面が凸部側面を囲むように形成するものである。このような凸部側面のほぼ全てを、図２８に示すように、電流狭窄層で囲むように形成すると、凸部を囲むように形成された電極２１に対応して、凸部側面付近の電流の流れを電流狭窄層が設けられることにより制限できる。
また、これとは異なり、電流狭窄層の開口部が、凸部５１の側面１５０〜１５４の少なくとも一部で開口するように形成された構造の発光素子とすることもできる。具体的には、図１５に示すように、凸部５１の側面において、電流狭窄層が設けられずに、開口部が配置される構造であり、面内の配置としては、図１７に示すように、凸部５１の一側面において、部分的に電流狭窄層５側面が開口する開口部４１が、設けられた構造となる。この凸部側面に開口する開口部が設けられることで、上記凸部側面を囲む電流狭窄層が設けられる場合に比べて、凸部側面に開口した開口部において、電流が流れることで、その直下に位置する発光層となる活性層に電流が流れることで、そこで発光した光は、発光点近傍の凸部側面から多くの光が外部に取り出される構造とでき、凸部側面及び上面から光が取り出される素子構造とでき、上方だけでなく、横方向にも光の取り出しを実現し、光取り出し効率を高めた発光素子とできる。また、凸部側面において、全部ではなく、部分的に開口する電流狭窄層を、図１７，２６に示すように設けることで、従来の素子構造のように側面に何ら電流狭窄層を設けない場合に比べて、側面において部分的に電流路が制限されることから、他に設けられた開口部にも多くの電流が分配され、例えば凸部側面に沿って、第１導電型層１１の電極２１が設けられた構造では、電極に近接する凸部側面に電流が集中する傾向にあるが、部分的に電流が制限されることで、このような傾向を押さえて、凸部側面に離間した内部面内にも多くの電流が分配された構造とでき、特に大電流動作時において、正負一対の電極間の短絡路となる凸部側面への電流集中、それによる側面からの発光集中を防ぎ、効率的に上面からの光取り出しを実現できる。
ここで、図１７は、本発明の一実施形態に係る発光素子チップを示す模式的な斜視図（図１７Ａ）と、図１７Ａにおける電流狭窄層５を抜き出した模式的な斜視図（図１７Ｂ）とを示すものである。図１７Ｂ中の太線で示す２３ａ、図中でハッチングを施した領域２２ａは、それぞれ第３の電極（第１の電極）と、第２の電極２２とを電流狭窄層５表面に投影した像である。また、１５０ａ、ｂは、図１７Ａにおいて、第１導電型層の電極、特にボンディング用の電極２４に対峙する凸部側面の一部を示すものであり、ここでは、電流狭窄層に覆われており、電極２４に対峙しない側面、例えば１５１ｃでは、開口部４１が側面に開口していることを示している。また、図１８は、図１７と同様に、発光素子チップの一部（図１８Ａ、Ｃ）と、その電流狭窄層５を抜き出した模式的斜視図（図１８Ｂ、Ｄ）であり、図１８Ａ、Ｂと、図１８Ｃ、Ｄとは異なる実施形態であり、両者とも凸部領域５１の一部、特に端部付近を示すものであり、例えば、長手方向１９６を有する凸部、若しくはストライプ状の凸部、における端部付近を示し、具体的には図１２において、凸部の一部を構成するストライプ状の凸部における端部付近を説明するものである。また、図１８Ｂ、Ｄのハッチングを施した領域２３ａ、３０ａは、図１７Ｂと同様に、それぞれ電流狭窄層５に投影した像である。また、図１３Ｂにおいても、ハッチングを施した領域２２ａは、ｐｎ接合面にボンディング用の電極を投影した像である。図１７、１８、２６に示すように、ボンディング電極２２の直下に開口部４１を設けないこと、すなわち、ｐｎ接合面において、電極２２の像２２ａ（１２２ａ）と開口部の像とが重ならないように電流狭窄層を形成することで、電極２２直下、若しくはその近傍の開口部に電流が集中せずに、面内に分散した電流路を形成して動作させることができる。さらに、図１８Ｄでは、領域３０ａ（４０ａ）を除く領域に電極２３が形成される。図１７、１８では、第１の電極２０を図示せずに、第３の電極２３のみを示しているが、第１の電極２０と第３の電極２３とを１つとすること、すなわち、オーミック性、電流拡散性を備えた電極（２０と２３とを兼用）を、第２導電型層に電気的に接続する形態も本発明に適用できる。このように本発明の発光素子は、特に、第１導電型層が、第２導電型層に比べて電気抵抗が大きい場合、すなわち、第１導電型層よりも第２導電型層のキャリア濃度が小さい場合、さらには電極形成層、若しくはその近傍において第１導電型層よりも第２導電型層のキャリア濃度が小さい場合、に、本発明の発光素子における電流狭窄層、凸部領域、各電極配置、形状を適用することで、活性層面に分散、分布した電流路を形成でき好ましい。例えば、実施例１では、第１導電型層をｎ型窒化物半導体層、第２導電型層をｐ型窒化物半導体層としており、上記条件に相当する。
また、このように凸部５１が、複数の側面が設けられた構造では、その側面が交叉する隅部、若しくは角部において、それを囲むように第１導電型層の電極が近接して設けられた構造では、局部的に該角部、隅部に電流が集中する傾向にあるが、本発明ではこの隅部、角部に電流狭窄層を設けることで、電流集中を防ぎ、複数もうけた開口部に分散して電流を広げる構造とでき、電流の局所的な集中をなくした素子構造とできることで、高い発光効率を実現できる。具体的には、図１７、１８などに示すように、凸部５１の側面が交わる角、若しくは隅において、電流狭窄層５を設けることで、この場所での電流路をなくし、他の開口部に電流を分散できる。ここで、凸部側面が交叉する角部は、図１７、１８に示すように角が設けられた領域であり、また図１２Ｂに示すように、凸部５１側面が交叉する領域で面取り、丸め、ラウンド加工が施された隅部においても、角を有する場合よりも電流集中傾向は緩和される傾向にあるが、この隅部にも電流狭窄層を設けることで、電流路を面内に配置された他の開口部に分配できる。また、このような角部に電流が集中する傾向は、開口部においても成り立つものであり、図１１、１９に示すように、開口部の形状が、角を有する構造よりも、角が面取りされた、若しくは丸められたり、ラウンド加工された形状とすることで、開口部周縁分において、特にその角に電流が集中する傾向を低減でき、均等に開口部内へ電流を分散できるため好ましい。
さらに、本発明の発光素子において、開口部と第２導電型層上に設けられた電極配置において、図１９に示すように、ｐｎ接合面への投影像で考えると、開口部４１に重ならずに、その周り、周縁を囲むように形成すること（図１９Ａ、図１９Ｂ）で、複数も受けられた開口部それぞれに対して、電極により電流路が形成される構造とできる。また、一方で、開口部の面積、幅が大きくなると、開口部の周縁部を多くの電流が流れるものとなり、開口部中央では、電流密度が疎な領域となる傾向が生まれ、特に大電流動作時においては、短絡傾向が強まることから、このような傾向が大きくなり、電流の面内の広がりとして機能する電流狭窄層がうまく機能しない事態が生まれる。このような場合には、図１９Ｃ、図１９Ｄに示すように、ｐｎ接合面の投影像において、開口部の一部に重なるように、電極２０を配置することで、このような電流密度が疎となることを防ぎ、開口領域内で、均等な電流広がりを実現でき、好ましくは、１つの開口部に対して、図に示すように、複数の領域に区分して区切るように、電極２０を架橋するように形成することで、このような電流路が疎となる形態を改善できる。このとき、第１の電極は、オーミック接触用の第１の電極であるが、電流が面内に広く拡散されることにより実現されることとなるため、好ましくはシート抵抗が低くなるように、十分な膜厚で電極が形成されるものとなり、透過率の低い、不透光な膜として形成され、すなわち、前記オーミック接触用の第１の電極と電流拡散用の第２の電極２３を兼ねるものとなり、またその形状、パターンは後述する電流拡散目的に第２の電極と同様に格子状などとできる。また、第１の電極２０を透光性電極として形成する場合には、例えば図３、図１２に示すように、その表面の少なくとも一部に電流拡散用の第２の電極２３を設けることで、同様な効果が得られる。ここで、図１９は、開口部４１ａと、第１の電極若しくは第３の電極２３ａとを、ｐｎ接合面５０に投影した像を用いて、電極配置若しくは形状と、開口部配置若しくは形状と、の関係、特に両者が近接する様子、若しくは電極が開口部に沿ってもうけらる様子、また、一部が重なる、若しくは開口部を架橋する様子を説明するものである。
また、開口部４１が、長手方向を有する場合には、該長手方向に沿って、好ましくは、長手方向とほぼ平行な第１の電極２０を設けることで、開口部の周縁部に長辺に沿って電極が配置された構造とでき、長手方向に開口部内で電流を分散して、適度に分布させて動作させることができ、素子の抵抗を高めることなく、効率的に電流拡散を実現できる。具体的には、図１８Ａ、１８Ｂに示すように、長手方向を有する開口部４１に沿って、その長手方向にほぼ平行な第１の電極２０が、少なくともその一部が長手方向にほぼ平行な電極として形成されている。また、このような開口部の長手方向と電極、若しくはその一部が、それに沿って、若しくは長手方向とほぼ平行に設ける関係は、第１導電型層の電極２１との間にも成り立つものである。具体的には、図１８に示すように、開口部４１の長手方向、若しくはストライプ方向に沿って、若しくはこれとほぼ平行に、電極２１の少なくとも一部が長手方向、ストライプ方向を設ける形状とすることである。このとき、凸部領域５１の少なくとも一部が長手方向、ストライプ方向を有し、該方向にほぼ平行に開口部の長手方向を配置することで、上記第１導電型層の電極２１を、開口部に沿って配置しやすくなり好ましい。
また、凸部側面において、電流狭窄層が開口する開口部を有する構造において、第１導電型層のボンディング用の電極に対峙する凸部側面には、それを囲むように電流狭窄層を設け、すなわち、側面に開口する開口部を設けずに、その他の凸部側面において、１側面の少なくとも一部に開口する電流狭窄層を設けると、側面からの良好な光取り出しが実現され好ましい。これは、図１７に示すように、ボンディング用電極２４は、ワイヤー接続時にボールが形成されるため、そのボンディング面を提供するようにボールの経（おおよそ５０μｍ〜１００μｍφ）よりも大きな面積を有し、素子動作においては耐久性が得られるように厚膜で形成される傾向にあるため、発光層となる活性層３よりも高く形成されることから、そのボンディング電極２４に近接する凸部側面では、電流狭窄層でもってその側面のぼぼ全面を囲むように形成することで、電極２４による側面発光の遮蔽を回避し、一方で、他の凸部側面では、上述したように凸部側面に部分的に開口する開口部を設けることで、側面からの発光を効率よく外部に取り出す構造とできる。ここで、電極２４に対峙する凸部側面とは、電極２４若しくはその側面と凸部側面とを任意に結ぶ直線において、該直線が凸部領域を通らず、介さず若しくは交叉することなく結ばれる凸部側面がこれに該当し、凸部側面が曲面を有するような場合には、連続する側面の一部が、電極に対峙する凸部側面に該当することがある。このように、本発明は、凸部側面が曲面となる場合にも適用できる。
本発明の発光素子において、特にその素子積層構造において、前記第３の窒化物半導体層が、４元混晶のＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ｘ＋ｙ≦１）を有することで、良好な電流狭窄層として機能でき好ましい。さらに好ましくは、この４元混晶のＡｌＩｎＧａＮの第３の窒化物半導体が、アンドープ層であることで、例えば、第１導電型の不純物をドープする場合に比べて結晶性良く電流狭窄層を形成でき、特に、第１導電型層をｎ型層、第２導電型層をｐ型層とする窒化物半導体の素子構造においては、結晶性悪化により高抵抗化しやすいｐ型層が良好な結晶性で形成できるため好ましい。また、この第３の窒化物半導体層を挟む第１の窒化物半導体層（下層）、第２の窒化物半導体層（上層）を、該４元混晶の第３の窒化物半導体層よりも、ＩＩＩ族の構成元素数が少ない窒化物半導体で構成されることで、良好な結晶性の積層体を実現できる。具体的には、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌからなる群から選択されるＩＩＩ族元素の少なくとも一種、若しくは２種と、Ｎとの化合物で構成される窒化物半導体とすることで、良好な結晶性を実現できる。
発明を実施するための最良の形態
本発明の窒化物半導体発光素子に用いる窒化物半導体としては、ＧａＮ、ＡｌＮ、もしくはＩｎＮ、又はこれらの混晶であるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体（ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）であり、またこれに加えて、ＩＩＩ族元素としてＢを用いたり、Ｖ族元素としてＮの一部をＰ、Ａｓ、Ｓｂで置換した、混晶としてもよい。また、第１導電型層、第２導電型層には、それぞれ第１導電型の窒化物半導体、第２導電型の窒化物半導体を少なくとも有している。また、窒化物半導体層に用いるｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ、Ｔｉ、Ｚｒ等のＩＶ族、若しくはＶＩ族元素を用いることができ、好ましくはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎを、さらに最も好ましくはＳｉを用いる。また、ｐ型不純物としては、特に限定されないが、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｃａなどが挙げられ、好ましくはＭｇが用いられる。これにより、各導電型の窒化物半導体を形成し、各導電型層を構成する。
（基板）
本発明に用いる基板としては、例えば、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等、窒化物半導体を成長させることが可能で従来から知られている窒化物半導体と異なる基板材料からなる異種基板、さらには、ＧａＮ、ＡｌＮなどの窒化物半導体基板を用いることができる。好ましい異種基板としては、良好な結晶成長が可能なサファイア、スピネル、ＳｉＣが挙げられる。また、異種基板は、オフアングルしていてもよく、この場合ステップ状にオフアングルした基板を用いると窒化物半導体の成長が結晶性よく成長させるため好ましい。具体的には、サファイアＣ面を用いる場合には、０．１°〜０．５°、好ましくは０．１°〜０．２°の範囲で、オフアングルした基板、好ましくはステップ状にオフしたものを用いることが好ましい。また、異種基板上に、ＧａＮ、ＡｌＮなどの窒化物半導体を単体として取り出せる程度の厚膜で形成して、異種基板を除去して、窒化物半導体基板を得ることもできる。さらに、上記異種基板上に、発光素子となる素子構造を形成する際には、低温成長バッファ層、後述する横方向成長層、若しくはアンドープの窒化物半導体からなる下地層などを介して、結晶性を良好なものとし、これら下地層を成長基板として、素子構造を形成するとよい。
（発光素子）
本発明の発光素子は、図１に模式断面図として示すように、基板１上に、第１導電型層１１、第２導電型層が積層された構造を有し、第２導電型層には、第１の窒化物半導体層４と第２の窒化物半導体層との間に、開口部４１が設けられた電流狭窄層を有する構造である。さらに、第２導電型層１２上には、図に示すように、窓部４０と第１の電極２０とが部分的に設けられた構造を有する。このとき、窓部４０は、図２に示すように、活性層からの発光を取り出すための開口部となる。また、窓部４０には図１に示すように、透光性膜３０を設けることもできる。また、第１の主面と第２の主面とを有する基板１において、前記第１導電型層、活性層、第２導電型層は、第１の主面上に積層される。加えて、本発明の発光素子は、基板１の第１の主面（図１）若しくは第２の主面上（図２）に、反射層１０を設ける構造として、第２導電型層表面、窓部から光りを効率よく取り出す構造とすることもできる。基板１の第１の主面上に、反射層を設ける場合には、基板と活性層との間に反射層を設け、また基板の同一面側に正負一対の電極を設ける構造においては、基板と第２導電型層との間に反射層を設けることで、図１に示すように反射層１０の上部に、第１導電型層の電極２１が形成された構造とでき、電流が効率よく注入される構造とでき好ましい。
以上、本発明の発光素子について、その構造について説明したが、各層、膜について、以下で詳しく説明する。
本発明の発光素子は、上述したように、第１の電極を第２導電型層上に部分的に設け、第１の電極が設けられなかった領域に、主に窓部を設ける構造とし、第２導電型層表面から効率的に光を出射させ、すなわち基板面に垂直な多くの光を取り出す構造とした面発光型の発光素子とするものである。従来の窒化物半導体の発光素子は、図７Ａ、図中の白抜き矢印に示すように、活性層端面から出射する光が多く、基板面に垂直な方向への出射する光が少なく、また、オーミック電極２０に透光性電極を用いた場合に、電極を透過する光が電極により吸収されることによる損失が起こり、光の取り出し効率を低下させていた。本発明の発光素子は、図２に示すように、電流若しくはキャリアが電流狭窄層５の開口部内に部分的に注入されることにより、活性層３面内で開口部直下に選択的に発光させることができ、さらにその開口部４１上部に配置された窓部４０を通過して、光は基板面に垂直な方向に、図中の白抜き矢印の方向に、効率的に取り出すことが可能となる。これは、上述したように、従来同一面側において、ｎ電極近くの活性層端面付近が強く発光して、発光効率を低下させていたが、本発明では電流狭窄層を有することで、活性層面内を流れる電流を制御でき、また発光領域を制御でき効率よく光を取り出すことが可能となる。
（窓部４０）
本発明の発光素子において、窓部４０は、第２導電型層１２の上、若しくはその表面に設けられ、第１の電極２０が部分的に、第２導電型層上に形成されることで、主に第１の電極２０が設けられていない領域に形成される。すなわち、第２導電型層上に、選択的に、第１の電極２０を設けることで、主に活性層３からの発光を外部に取り出す窓部が、第２導電型層上に設けられる。
窓部４０の具体的な形態としては、図３に示すように、第２導電型層１２上で、第１の電極２０が部分的に設けられ、第２導電型層１２が露出されることで窓部４０とすることができる。また、窓部４０は、図３Ｂに示すように、第２導電型層１２に凹部を設けても良く、図３Ｃに示すように、第２導電型層１２に凸部を設けてもよい。また、窓部４０に後述する透光性膜３０を形成してもよい。
図１２，１３，１４などに示すように、１つの発光素子に対して、複数の窓部４０を形成することもできる。このように、複数の発光領域、電流注入領域（開口部４１）を形成することで、活性層面内で、発光領域、電流注入領域を複数分布させた構造とでき、発光を分散させて、発光面から光を取り出す構造とできる。
また、窓部４０と電流狭窄層５の開口部４１との関係において、図１３Ｂに示すように、ｐｎ接合面５０に、窓部４０の像、開口部４１の像を投影することで、その大きさ、形状、パターンを説明することができる。このとき、ｐｎ接合面５０とは、具体的には活性層表面、若しくは基板面に平行な面を指し、この面５０に各形状の窓部４０、開口部４１をほぼ垂直に投影することで、面内にその像を得ることができる。窓部４０、開口部４１の形状、パターンについては、図１１を用いて説明する。窓部と開口部の像は、図１１ＡのＩＩに示すように、少なくとも一部が重なって形成することで発光面（第２導電型層表面）から光を取り出すことができ、好ましくはＩに示すように、窓部の像（図中の点線部）が、開口部の像（実線部）のほぼ全面を覆うよう大きさで、形成することで、効率的に窓部から光を取り出すことができる。
また、本発明の発光素子において、開口部、窓部が複数設ける場合について説明すると、図１１Ｂ、Ｃに示すように、複数の開口部（実線部）に対して、１つの窓部（点線部）を設けても良く（図１１Ｂ）、１つの開口部に対して複数の窓部を設けても良く（図１１Ｃ）、また１つの開口部に対して１つの窓部を設けてそれを複数設ける形態（図１１Ａ）としてもよい。すなわち、開口部に対する窓部の関係としては、１対１、多対１（ｎ対１）、１対多（１対ｎ）［ｎは２以上の整数］のいずれの形態でもよい。さらにまた、図１１Ｅに示すように、一部において１つの開口部に対して複数の窓部、別の部分において複数の開口部に対して１つの窓部、を設ける形態、多対多（ｎ対ｎ）の形態としてもよい。
（電流狭窄層５）
本発明の発光素子において、第１の窒化物半導体層４と第２の窒化物半導体層６との間に設ける電流狭窄層５は、面内に、開口部４１（電流通過部５ｂ）が設けられるものであり、その組成としては、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物半導体層（第３の窒化物半導体層）を用いる。従来、ＡｌＧａＮからなる電流狭窄層が知られているが、ＡｌＧａＮの電流狭窄層は、高抵抗な層とでき、電流狭窄層とそれを挟む隣接層との間で障壁となりやすいが、一方で、Ｍｇなどのｐ型不純物の拡散により、ｐ型化されやすく、第１導電型、ｉ型、若しくは半絶縁性とすることが困難な傾向にある。また、第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層として、クラッド層、コンタクト層には、ＡｌｕＧａ１−ｕＮ（０＜ｕ≦１）を用いる際に、Ａｌを含む窒化物半導体が電流狭窄層及びその隣接層とで積層された構造となり、クラックの発生及び結晶性の悪化が問題となる。しかし、本発明では、電流狭窄層にＡｌＩｎＧａＮの４元混晶を用いることでこの問題を回避でき、良好な電流狭窄層、電流阻止層として機能させることができる。これは、電流狭窄層として、ＩｎとＡｌとを含む窒化物半導体を用いることで、Ｉｎを含むことによりＡｌを含むことによるクラックの発生を防止し、Ｍｇの拡散によってもｐ型化されにくいことにある。
このとき、第３の窒化物半導体層として好ましくは、Ａｌ組成比ｘをＩｎ組成比ｙよりも大きくしてＡｌリッチな層とすることで、高抵抗、障壁の大きな層とでき好ましく、Ｉｎを含むことにより、Ａｌを含むことによる結晶性悪化を抑制でき、良好な結晶性の層が形成される。これは、Ｉｎは偏析して、面内にＩｎ偏析領域が適度に分布することで、結晶性を良好にしていると考えられる。このとき、好ましいＩｎ組成比ｙとしては、０＜ｙ≦０．３であり、０．３よりＩｎ組成比を大きくすることによるＩｎとＡｌの反応を抑制して結晶性を安定させることができる。さらに好ましくは、０．０１≦ｙ≦０．１の範囲とすることで、０．０１以上とすることで、上述したＩｎを含有することによる効果を引き出し、また０．１以下とすることで良好な結晶性で形成できる。もっとも好ましくは、０．０２≦ｙ≦０．０５の範囲とすることで、Ｉｎを含有効果を好適に引き出し、０．０５以下とすることで、ＩｎとＡｌとの反応を良好に抑制して表面モフォロジーに優れた膜が形成できる。
電流狭窄層の膜厚としては、特に限定されるものではないが、具体的には、１０ｎｍ以上１μｍ以下の範囲とし、好ましくは５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲とすることで、良好な結晶性で、電流狭窄として良好に機能するものとなる。また、電流狭窄層は、図１などに示すように単一膜で形成されていても良く、図５に示すように、多層膜で形成しても良く、超格子多層膜構造とすることもできる。電流狭窄層は、図４Ａ〜４Ｄ、図２５Ａ〜Ｄに示すように、電流狭窄層まで積層下後、マスク１８を設けて（図４Ａ，２５Ａ）、開口部４１を設け（図４Ｂ，２５Ｂ）、続いて、第２の窒化物半導体層６などを積層し（図４Ｃ，２５Ｃ）、第２導電型層の上に、開口部に対応して窓部、透光性膜３０と第１の電極２０を部分的に形成する（図４Ｄ，２５Ｄ）。また、別の形態として、図４Ｅ〜Ｇ、図２５Ｅ〜Ｇに示すように、第１の窒化物半導体層４に凸部（電流通過部５ｂ、開口部４１）を設けて（図４Ｅ，２５Ｅ）、凹部に層５（電流狭窄部５ａ）を成長させて埋め込み（図４Ｆ，２５Ｆ）、第２の窒化物半導体層６を成長させる形態としてもよい。図４Ｅ〜４Ｇ，２５Ｅ〜Ｇの形態では、電流狭窄層５（電流阻止部５ａ）と第２の窒化物半導体層６とを異なる成長段階を経る必要があるため、図４Ａ〜４Ｄ，２５Ａ〜Ｄの形態に比べて、成長工程が多くなるため、好ましくは図４Ａ〜４Ｄ，２５Ａ〜Ｄに示すように、電流狭窄層５に開口部４１を設けて第２の窒化物半導体層６を成長させる形態を用いる。
また、開口部の幅としては、例えば図１の模式断面図において、開口部の幅は、特に限定されるものではないが、具体的には５０ｎｍ以上１０μｍ以下の範囲とし、好ましくは１μｍ以上５μｍ以下の範囲とし、さらに好ましくは２μｍ以上３μｍ以下の範囲とする。これは、窒化物半導体層において、活性層上部にｐ型の窒化物半導体層を積層した構造とする場合において、ｐ型層、特にその面内において、電流が広がりにくいことに起因する。これにより、開口部を１０μｍを超えて大きく広げても、図２の図中の矢印に示すように、ｐ型層面内で横方向に電流が流れにくいことから、開口部周辺部に集中して電流が流れることとなり、開口部の中央部で発光の少ない構造となる傾向にあるためである。一方で開口部を、５０ｎｍ未満と小さくしすぎると、活性層内に流れる電流が開口部直下の局所的な領域に集中するため、小さい電流値で素子の発光が飽和し、発光出力を高めることが困難となる傾向にあるためである。
さらに、図５に示すように、本発明の電流狭窄層において、多層膜で構成されていても良く、この場合、上記第３の窒化物半導体層の条件を満たす組成による互いに組成の異なる層としても良く、第３の窒化物半導体層と異なる層を第３の窒化物半導体層の上、下の層に配置して設けてもよい。具体的には、ＩｎＧａＮなどのＩｎを含む窒化物半導体層を第３の窒化物半導体層の上層、下層に設けて光吸収層とし、開口部を介して窓部から取り出される光の形状を調節したものとしても良く、ＡｌＧａＮなどのＡｌを含む窒化物半導体層を第３の窒化物半導体層の上層、若しくは下層に設けて、エッチングストップ層（蒸発防止層）として機能させることもできる。詳しくは、Ａｌを含む窒化物半導体層は、ほかの組成、若しくはそれよりもＡｌ混晶比の小さい窒化物半導体層に比して、エッチングレートが小さいこと、すなわち、Ａｌ混晶比が大きいほどエッチングレートが小さくなることを利用して、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮなどのＡｌを含む窒化物半導体層（Ａｌ高混晶層）を、それよりもＡｌ混晶比の小さい第３の窒化物半導体層、若しくはＡｌ混晶比の小さい別の窒化物半導体層層を上層に配置することで、Ａｌを含む窒化物半導体層（Ａｌ高混晶層）で好適にエッチング制御できるエッチングストップ層として機能させることができ、また、Ａｌを含む窒化物半導体層（Ａｌ高混晶層）を、それよりもＡｌ混晶比の小さい第３の窒化物半導体層、若しくはＡｌ混晶比の小さい別の窒化物半導体層を下層に配置することで、開口部形成時において、開口部以外の電流狭窄領域の層が蒸発されたり、エッチングに悪影響を受けるのを押さえる蒸発防止層として機能させることができる。この蒸発防止層の効果は、Ａｌを含む窒化物半導体層（Ａｌ高混晶層）が、ほかのＡｌ混晶比の小さい別の窒化物半導体層（Ａｌを含まない窒化物半導体層）に比べて、蒸発温度が高くなることによるものであり、Ａｌを含む窒化物半導体層とＡｌを含まない窒化物半導体層とを積層することで、この効果を最大限利用することができる。
（第１の窒化物半導体層４、第２の窒化物半導体層６）
本発明の発光素子において、第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層は、その組成などは特に限定されるものではなく、第２導電型層内において、第１の窒化物半導体層は、電流狭窄層５の下に位置し、第２の窒化物半導体層は電流狭窄層５の上に位置する層となる。このため、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とは、ほぼ同じ組成であってもよく、異なる組成であってもよい。第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とが開口部付近において、接する場合には、両者の界面は再成長界面となるため、格子整合性を考慮すると、ほぼ同じ組成の窒化物半導体とすることで、良好な再成長、接合が可能となり好ましい。また、両者で異なる組成とすることで、例えば、第１の窒化物半導体層は、第２の窒化物半導体層より活性層に近い位置に設けられるため、例えば第１の窒化物半導体層をクラッド層とし、第２の窒化物半導体層を透光性の大きい層、若しくは電極との良好なコンタクト層として、それぞれの層に異なる機能を備えた機能分離した層とできる。具体的には、クラッド層とするには、活性層、若しくは井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きなものとなるように、窒化物半導体を用いることであり、例えば、活性層、井戸層をＩｎＧａＮとする場合には、それよりもＩｎ混晶比の小さいＩｎＧａＮなどのＩｎを含む窒化物半導体、若しくはＧａＮを用いることができ、さらに大きな電位障壁を設ける場合には、ＡｌＧａＮなどのＡｌを含む窒化物半導体層を用いると、好適に活性層内にキャリアを閉じこめることができる。コンタクト層としては、ＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＮ若しくはこれらの混晶を用いることができるが好ましくは、ＧａＮとすることで、良好な結晶性でコンタクト層を成長させることができ電極の形成、電極との接着において優れたものとでき、ＩｎＧａＮなどのＩｎを含む窒化物半導体とすればｐ型層において、そのほかの組成に比べて良好なｐ型化、高濃度のｐ型キャリアが得られる傾向にあり好ましく、ＡｌＧａＮとするとバンドギャップエネルギーがほかの組成に比べてオーミック性に劣るものの、活性層からの発光に対して透明な層とでき、光透過性を高め、光の吸収による損失を低減させて、窓部から効率的な光の取り出しを可能とする。
また、両層において、異なる屈折率とすることで、窓部からの光の取り出し効率も大きく変化する。具体的には、図２の白抜き矢印に示すように、窓部から基板面に垂直な方向に光りを取り出す構造であるが、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とで異なる屈折率とすることで、光の取り出しに影響を与えるものとなる。具体的には、第１の窒化物半導体層４を低屈折率とし、第２の窒化物半導体層６を高屈折率とすることで、活性層から出射した光は、開口部を通して、低屈折率側である第２の窒化物半導体層６側に効率的に光が伝搬され、また、窓部以外の領域で光が反射されても、第１の窒化物半導体層６が上方への光閉込めとして機能し、再び活性層側の下方へ光が戻ることを抑止し、効率的に素子外部へ光を取り出せる構造とできる。またこのような屈折率の関係において、屈折率の小さいＡｌＧａＮなどの窒化物半導体は、好適にクラッド層として用いることが可能な大きいバンドギャップエネルギーを有することから、第１の窒化物半導体層をクラッド層とし、それよりもバンドギャップエネルギーの小さい、ＧａＮ、ＩｎＧａＮを第２の窒化物半導体層として、コンタクト層とすれば良好なオーミック接触が実現される積層構造となる。また、光の上方への取り出しにおいて、第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層を伝搬することとなるが、このとき、Ｉｎを含む窒化物半導体、例えばＩｎＧａＮを用いると、光の吸収・損失がほかのＩｎを含まない窒化物半導体に比較して、大きくなる傾向にあることから、好ましくは窓部直下の層にＩｎを含む窒化物半導体を用いないことが好ましく、特に開口部から第２の窒化物半導体層を伝搬する光において損失が大きくな問題となることから、好ましくはＩｎを含む窒化物半導体を第２の窒化物半導体層に用いないことが好ましい。
また、これら電流狭窄層の上層、下層として位置する第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層は、電流狭窄層５、特に第３の窒化物半導体層との関係にも影響される。具体的には、電流狭窄層となる第３の窒化物半導体層は、その成長の下地層となる第１の窒化物半導体層との間で結晶性が影響され、また再成長層となる第２の窒化物半導体層は、再成長面となる第３の窒化物半導体層の結晶性により影響されることにある。具体的には、上記好ましい形態であるＩｎＡｌＧａＮの４元混晶からなる第３の窒化物半導体層において、良好な下地層としては、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮなどの３元混晶、若しくはＧａＮの２元混晶を第１の窒化物半導体層に用いることが好ましい。これは、上述してように、４元混晶の成長において、構成元素同士、特にＩｎとＡｌとが反応することで良好な成長が阻害され、良好な結晶性でもって成膜されない傾向にあることに起因し、特に、下地層（第１の窒化物半導体層）を４元混晶とし、第３の窒化物半導体層を４元混晶とすると、連続して４元混晶を積層することとなるため、３元混晶、ＧａＮなどの２元混晶を下地層とする場合に比べて、電流狭窄層５の結晶性が悪化する傾向にあるためである。電流狭窄層５が結晶性よく形成されないと、リーク電流などの原因となり良好な電流阻止層としての役割を果たせない傾向にあり好ましくない。このため、好ましくは下地層となる第１の窒化物半導体層をＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮなどの３元混晶、若しくはＧａＮの２元混晶とすることであり、ＧａＮであるとこれらの組成の中でもっとも結晶性良く形成でき、ＡｌＧａＮであると活性層、井戸層との間で大きなバンドギャップエネルギー差を形成できクラッド層として良好に機能し、ＩｎＧａＮなどのＩｎを含む窒化物半導体とすることで、ほかの組成に比べて弾力性に富む層とでき、ほかの組成、特にＡｌを含む窒化物半導体に近接して配置されることで、バッファ層として機能させることができる。このような下地層としての第１の窒化物半導体層は、電流狭窄層５、特に第３の窒化物半導体層に接して形成されることでもっとも効果をそうすることとなる。このため、これら下地層を、電流狭窄層５の一部として、４元混晶の第３の窒化物半導体層のしたに配置しても良く、具体的には、図５に示すように多層膜からなる電流狭窄層において、下層５Ａを下地層とし、上層５Ｂを第３の窒化物半導体層として、下地層を効果的に積層した電流狭窄層とできることはいうまでもない。また、電流狭窄層の上層となる第２の窒化物半導体層については、電流狭窄層を再成長表面、若しくは下地層とするため、上述した４元混晶を連続して積層することと同様な理由から、第２の窒化物半導体層をＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮなどの３元混晶、若しくはＧａＮの２元混晶とすることが好ましく、これにより、電流狭窄層上に良好な窒化物半導体の層を成長させることが可能となる。ＩｎＧａＮ、ＧａＮについては、上記第１の窒化物半導体層と同様な理由により、好ましく、ＡｌＧａＮを用いることについては、Ａｌを含む窒化物半導体は、ほかの組成に比べてピット低減効果に優れ、良好な積層構造表面を形成し、光の取り出しに優れた窓部表面を形成でき、電極２０の形成に好適な表面平坦性を有する層とでき、一方で、光の伝搬において、光の損失の少ない層とでき好ましい。
以上、説明したように、電流狭窄層、特に４元混晶からなる第３の窒化物半導体層の下層、上層となる第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層において、第３の窒化物半導体層よりも構成元素（ＩＩＩ族元素）の少ない混晶の窒化物半導体とすること、すなわち、３元混晶（ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ）、２元混晶（ＧａＮ、ＡｌＮ）とすることで、各層が良好な結晶性で成長でき、また各層の機能、具体的には、第１の窒化物半導体層においてはクラッド層、第２の窒化物半導体層においては光伝搬層、コンタクト層として機能できる構造となる。
さらにまた、電流狭窄層５の上層である第２の窒化物半導体層６が、超格子多層膜で構成されること、若しくは少なくとも一部に超格子多層膜を設けることで、図２に示す矢印のように、横方向、基板面の面内方向へのキャリアの移動度を高め、実質的に第２の窒化物半導体層６の抵抗値を下げ、素子の抵抗値、動作電圧を下げることができる。これは、超格子多層膜を電流狭窄層の上に設けることで、２次元電子ガスにより、横方向にキャリアの走行による移動が促進されると考えられる。具体的には変調ドープにより高不純物濃度層と、低不純物濃度層との間に二次元電子ガスができ、この二次元電子ガスの影響により抵抗率が低下すると推察される。例えば、ｎ型不純物がドープされたバンドギャップの大きい窒化物半導体層と、バンドギャップが小さいノンドープの窒化物半導体層とを積層した歪み超格子層では、ｎ型不純物を添加した層と、ノンドープの層とのヘテロ接合界面で、障壁層側が空乏化し、バンドギャップの小さい層側の厚さ前後の界面に電子（二次元電子ガス）が蓄積する。この二次元電子ガスがバンドギャップの小さい側にできるので、電子が走行するときに不純物による散乱を受けないため、歪み超格子の電子の移動度が高くなり、抵抗率が低下する。なお、超格子層にｎ型不純物をドープする場合、バンドギャップエネルギーが大きい第１の窒化物半導体層側に多くドープすることが望ましい。好ましいドープ量としては、１×１０１７／ｃｍ３〜１×１０２０／ｃｍ３、さらに好ましくは１×１０１８／ｃｍ３〜５×１０１９／ｃｍ３の範囲に調整する。１×１０１７／ｃｍ３よりも少ないと、第２の窒化物半導体層との差が少なくなって、キャリア濃度の大きい層が得られにくい傾向にあり、また１×１０２０／ｃｍ３よりも多いと、素子自体のリーク電流が多くなりやすい傾向にある。超格子多層膜の各層の膜厚としては、具体的には１００Å以下とすることであり、好ましくは７５Å以下とすることで臨界膜厚以下とでき、さらに好ましくは５０Å以下とすることで、積層数、積層対数を多くしても、すなわち、超格子多層膜を厚くしても、結晶性を良好なものとでき好ましい。超格子多層膜の組成、積層対などは限定されるものではなく、組成の異なる２層以上を、交互に、若しくは周期的に積層すればよく、例えばＡｌを含む窒化物半導体（Ａ層）とそれとは異なる組成の窒化物半導体（Ｂ層）とを有する多層膜、Ａｌを含む窒化物半導体（Ａ層）とＩｎを含む窒化物半導体（Ｂ層）とを有する多層膜、などがある。具体的には、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）／ＩｎｙＧａ１−ｙ（０≦ｙ≦１）、このときクラッド層として機能させるには、ｘ＞０としてバンドギャップエネルギーを大きくするとよい。
また、第２の窒化物半導体層は、電流狭窄層５の開口部を埋め込むように成長させる場合において、適度に不純物がドープされていることが好ましい。これは、埋込層として良好な結晶性を得るには、横方向への成長が好適に成される必要があるが、不純物がドープされることで、この作用を好適に発現できる傾向にある。具体的な不純物濃度としては、第２導電型の不純物（ドーパント）を、１×１０１８ｃｍ−３以上とすることで、好ましくは、１×１０１９ｃｍ−３以上であると更に埋め込み成長が良好となり好ましい。不純物濃度の上限としては、１×１０２１ｃｍ−３以下であり、不純物ドープによる結晶性悪化を抑えられ、更に好ましくは、１×１０２０ｃｍ−３以下とすることで結晶性を良好に保持して横方向成長を促進でできる。この時、他の層と不純物量の比較において、不純物濃度の上限は、第２導電型層の電極形成層（コンタクト層）を第２の窒化物半導体を上に設ける場合には、その電極形成層よりも不純物濃度を小さくすることで、素子特性が向上し好ましい。また、第１の窒化物半導体層との不純物量の比較において、ほぼ同じ濃度としても良く、第２の窒化物半導体層の不純物濃度を小さくしても良いが、好ましくは、第１の窒化物半導体層の不純物濃度ｃ１に比して、第２の窒化物半導体層の不純物濃度ｃ２を高濃度（ｃ２≧ｃ１、好ましくはｃ２＞ｃ１）とすることで、低濃度の第１の窒化物半導体層が結晶性良好な電流狭窄層の下地層として機能して電流狭窄層の結晶性を向上させ、また電流狭窄層への不純物拡散などを低く抑え、一方高濃度の第２の窒化物半導体層では埋込層として好適な成長を可能とし結晶性が向上する。また、電流狭窄層には上述したように、近隣の第１，２の窒化物半導体層から、主に下層である第１の窒化物半導体層から、の第２導電型の不純物拡散（成長時のコンタミネーション）により、不純物がドープされるが、この不純物濃度よりも高濃度で第２の窒化物半導体層にはドープされる傾向にある。またこの時、上述したように、第３の窒化物半導体層への第１導電型不純物ドープ量は少ない方がその上の埋込層の成長において好ましいため、第３の窒化物半導体層の第２導電型不純物濃度よりも小さい濃度で、第１導電型の不純物が第３の窒化物半導体層にドープされることが好ましく、更に好ましくは、第３の窒化物半導体層内で、第２導電型の不純物濃度よりも第１導電型不純物濃度が小さいことが好ましい。
（透光性膜３０）
本発明において、透光性膜は、下記の条件式を満たすものを用いることができる。
ｄ２＝λ／（４ｎ２）、但しｎ２＝（ｎ１ｎ３）（１／２）
このとき、図１０を用いて説明すると、第２の窒化物半導体層６、透光性膜３０、封止部材（若しくは気体封止）１００の屈折率をそれぞれ、ｎ１、ｎ２、ｎ３とし、膜厚をそれぞれｄ１、ｄ２、ｄ３とする。
また、透光性膜の材料としては、特に限定されず、後述する反射層と同様の材料が用いられ、好ましくは上記絶縁膜、誘電体膜が用いられる。また、図１、１５、１６において、凸部５１の側面を覆うように、これら絶縁膜、誘電体膜からなる透光性膜を形成することで、正負一対の電極間を絶縁する短絡防止層として機能させることもできる。このように、活性層側面、すなわち発光側面において透光性膜を形成する場合には、上記第２の窒化物半導体層を活性層５に置き換えて適用することができる。本発明の透光性膜はこれに限定されず、光を透過させる膜であればよいが、好ましくは上記式を満たす膜を設けることが好ましい。
このように、透光性膜を形成することで、窓部から出射する光を、損失することなく効率的に素子外部に取り出すことができるため、光取り出し効率を高め、さらにはこのような発光素子を用いた発光装置において、発光出力に優れたものとなる。また、このような、透光性膜は、図９に示すような、発光素子２００を用いた様々な形態の発光装置において、図９Ａ、Ｂに示すような透光性樹脂を封止部材１００とする場合よりも、図９Ｃに示すように、ＣＡＮタイプのように、気体により気密封入された封止部材１００ｃを用いた発光素子において、優れた発光効率となる傾向にあり好ましい。ここで、図中の各部位は、封止部材１００、リード電極５０１、反射部（外部反射鏡）５０２、ワイヤ５０３、内部電極５０４、外部電極５０５、基体（５０６，５０７）、筐体５０８、光取り出し窓５０９、発光素子チップ２００を示している。
また、透光性膜との関係において、透光性膜を設けずに、図３Ａに示すように、窓部において、電極２０を開口させる形状として、開口部を窓部とする場合には、上記条件式において、第１の窒化物半導体層４を第２の窒化物半導体層とし、透光性膜を第２の窒化物半導体層と置換して用いることもできる。すなわち、第３の窒化物半導体層５を含む電流狭窄層の開口部から出射する光を透過する膜として、第２の窒化物半導体層を設けることもできる。このとき、電流狭窄層の開口部と窓部との間に介在する窒化物半導体層を透光性膜となるように上記条件式に従って形成することであり、その間に多層膜が形成されるときには、窓部における最上層とその下部の層との間で、上記条件式を満たすように、最上層を透光性膜とする。具体的には、図１４Ｂの模式断面図に示すように、開口部４１の上に第２の窒化物半導体層６、さらに最上層（キャップ層）としてコンタクト層７を有する場合には、コンタクト層７を透光性膜とし、その下部に位置する第２の窒化物半導体層６との関係において、透光性膜の上記条件式を満たすように形成する。また、これを応用して、電極２０とオーミックコンタクトするコンタクト層７と窓部における最上層とを異なる組成とする構造を適用することもできる。具体的には、図３Ｂ、３Ｃにみるように、活性層からの距離が窓部４０の最上層と、電極２０に接するコンタクト層とで異なるものである場合に、窓部４０における凸部、若しくは凹部において多層膜構造とし、電極２０と接する領域における最上層と、窓部における最上層を異なる層とすることで可能となる。具体的な積層構造としては、最上層（１）と、その下に位置する層（２）とを積層した多層膜として、電極を形成する窓部以外の領域を層（２）が露出する深さで一部除去することにより、図３Ｃに示すような凸部の窓部４０を形成し、窓部において最上層が層（１）となり、電極２０の形成表面が除去した際の露出面となる下層（２）とした構造とする。また図３Ｂに示すような凹部とする場合には、下層（２）が露出する深さで窓部となる領域を一部除去することで、窓部において露出層（最上層）が下層（２）となり、電極２０の形成表面（最上層）は、上層（１）となる構造とできる。また、図３Ａに示すように、電極２０の形成表面が窓部にほぼ平坦な表面とする場合においても、電流狭窄層５の開口部による凹部が上層に引き継がれて、最上層を積層した段階で、開口部直上の最上層が凹んだ形状で積層すれば、その最上層における凹部をほぼ平坦な表面となるように、凹部以外の領域を一部除去することで、図３Ａのように、ほぼ平坦な積層表面において、上述した上層（１）が窓部４０の最上層とし、電極２０の形成表面は、上記一部除去により露出した下層（２）を最上層とした積層構造とできる。このとき、電極２０の形成表面となる最上層は、コンタクト層とでき、コンタクト層に優れた半導体を用いて、窓部においては、電極２０の形成表面と異なる組成の半導体からなる層を最上層とし、光の取り出しに優れた組成の窒化物半導体を用いることができる。
（反射層１０）
本発明の発光素子に用いる発光素子としては、下記の半導体多層膜、誘電体膜（多層膜）を用いることができる。また、その他に基板裏面側に、反射金属層を設けて反射層とすることもでき、基板が導電型層として機能する場合には裏面側の電極を兼ねることもできる。
（半導体多層膜）
本発明の発光素子において、反射層１０として、具体的にはＡｌαＧａ１−αＮ（０≦α≦１）からなる組成の異なる層を複数積層した多層膜層を形成する。このとき、各層の膜厚ｄを、ｄ＝λ／（４ｎ）とすることである。具体的には、ＡｌαＧａ１−αＮ（０＜α≦１）からなるＡ層と、ＡｌβＧａ１−βＮ（０≦β＜１、α＞β）からなるＢ層と、それぞれ少なくとも１層以上積層した多層膜とすることで、低屈折率のＡ層と高屈折率のＢ層１０ｂとが交互に積層された構造とする。さらに好ましくは、Ａ層若しくはＢ層のいずれか一方を２層以上積層することで、良好な反射膜として機能する。このとき、Ａ、Ｂ層と異なる組成の層を設けてもよい。図１に示すように、Ａ層１０ａ、Ｂ層１０ｂを交互に積層した構造とし、Ａ、Ｂ層を対として１対以上、好ましくは２対以上積層した構造とする。
また、各層の組成としては、Ａｌ組成比の差（α−β）を大きくすることで、Ａ層、Ｂ層の屈折率差を大きくすることができ、高反射率の反射層が形成される。具体的には、Ａｌ組成比の差（α−β）を、０．３以上とすることで、反射層により反射され、窓部から良好に光が取り出され、好ましくは０．５以上とすることで、高反射率の反射層が形成され、窓部から上方に出射する光が効率よく取り出すことが可能となる。また、Ｂ層にＡｌ組成比βをβ＝０としたＧａＮを用いることが好ましい。Ａ層／Ｂ層をＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮとすると、Ａｌを含む窒化物半導体によるクラックの発生が問題となるが、Ｂ層をＧａＮとして、Ａ層、Ｂ層を交互に積層することで、Ｂ層が介在することで、Ａ層による結晶性悪化を抑制することが可能となり、良好な結晶性で反射層を形成できる。
また、半導体多層膜層の各層に、第１導電型の不純物を添加して、第１導電型の層として、第１導電型層内部に反射層を設けてもよい。しかし、不純物をドープすると結晶性が悪化するため、各層をアンドープとして、第１導電型層と基板との間、若しくは、図１に示すように、第１導電型層の電極２１が形成された層２と基板との間に設けることで、その上に設ける素子構造を結晶性良く形成することができる。また、反射層の一部を第１導電型層内に設けること、反射層の一部に不純物をドープすることもできる。
（誘電体材料）
本発明において、反射層を誘電体膜で形成する場合には、単一膜、多層膜のどちらでも良いが、好ましくは多層膜で構成することで高い反射率を得ることができ、更に多層膜の各膜厚をｄ＝λ／（４ｎ）、として、屈折率の異なる材料を交互に積層した多層膜を用いることで、良好な反射層が形成される。この時、反射層は、下記材料の単一膜で形成しても良いが、好ましくは上記多層膜とすることで高い反射率が得られる。反射層に用いる材料としては、高屈折率の材料としてＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、Ｓｃ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＴｈＯ２の内の少なくとも一種類が選択でき、低屈折率の材料としてＳｉＯ２、ＴｈＦ４、ＬａＦ３、ＭｇＦ２、ＬｉＦ、ＮａＦ、Ｎａ３ＡｌＦ６の内の少なくとも一種類が選択でき、これら高屈折率の材料と、低屈折率の材料とを適宜組み合わせて、多層膜層とした反射層を形成する。好ましくは、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＺｎＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ポリイミドを単一膜、好ましくは多層膜、更に好ましくは上記条件式を満たす膜厚で形成する。
また反射層は、上記膜厚に限定されず、各層を１／４の波長から変化させたものであっても反射率が劣ることとなるが、反射層として機能させることができる。また、反射層の材料は、上記に限らず、Ａｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｒｈなどの金属による反射膜により反射層を形成してもよい。
（電極）
本発明の発光素子において、第２導電型層上に部分的に設けられる第１の電極２０は、第２導電型層と電気的に接続され、主にオーミックコンタクトさせる電極であり、透光性電極としても良く、不透光性の電極としてもよい。透光性電極とすると、窓部から主に光を取り出し、第１の電極２０からもそこを透過させて取り出し、第２導電型層の表面全体から面発光する発光素子とできる。一方で、第１の電極２０を厚膜で形成して、光の透過率をきわめて低くした、若しくは不透光の電極とした場合には、窓部から選択的に光を取り出す発光素子とでき、微少な点光源、アレイ光源とでき、図８に示すように、窓部２０を１列に配置して、インライン光源とすることもできる。第２の電極２２は、図１３などに示すように、第１の電極２０上に設けられ、ワイヤーボンディングさせるパッド電極となる。また、第３の電極２３は、第１の電極２０を透光性電極とした場合において、電流を拡散させるものとなる。透光性電極は抵抗率が大きくなるため、第１の電極２０内で電流が広がりにくいものとなるが、第２の電極に電気的に接続する第３の電極を、第１の電極２０の上に、延在させて部分的に形成することで、第１の電極面内に電流の流れを広げることができる。
各電極について、別の見方をすると、オーミック接触用である第１の電極２０は、光取り出し口となる窓部と電流注入部となる電極形成面とを区分けするものとなり、第１の電極２０は、窓部、若しくは窓部を伝搬して光が出射する場合よりも、光の透過率を低くすることが好ましい。これは、本発明の発光素子が主に窓部から光を取り出すことを目的としていることからもわかるように、第１の電極２０が透光性電極である場合に、電極を投下して取り出される光よりも、窓部からの光が優先されるように、窓部よりも光の透過率を小さくした第１の電極２０を設けることでこのような発光素子が得られる。ここで、第１の電極２０は、透光性電極２０としてもよく、膜厚を大きくして、シート抵抗を低減した不透光膜であってもよいことはいうまでもない。
また、第２の電極２２は、図１３の斜視図、図１４Ａ、図８Ａ、図１２の上面図（電極配置図）に示すように、主に、ワイヤーボンディングの際のボンディング用のパッド電極となるものであり、ボールとの接着性、素子動作時の耐久性に優れた電極とすることが好ましい。また、この第２の電極２２は、ボールが形成される大きさとなるように、５０μｍφ以上の直径、若しくは辺の長さの矩形状として形成すればよい。
さらに、本発明の発光素子において、特に、窓部を複数有する場合において、第３の電極２３を設けることが好ましい。第３の電極２３は、図１２Ｂ、１２Ｃに示すように、第１の電極２０と第２の電極２２とを電気的に接続し、また第１の電極２０に比べてシート抵抗の小さい電極として、第２の電極２２からの電流を効率的に第１の電極２０に伝導させて、第２導電型層表面７ｓの面内に広がった電流の注入を可能とすることができる。これは、第１の電極２０を透光性電極とするとシート抵抗が高くなり、面内方向に電流が広げるのが困難となることを改善するものであり、より低抵抗な第３の電極２３を介して、電流を第１の電極２０に伝導させることで、良好な電流の注入、拡散を実現して、発光効率に優れた発光素子とできる。このような低抵抗な第３の電極２３の形状は特に限定されるものではなく、具体的には、窓部、若しくは開口部の周りを覆うように、若しくは開口部、窓部の長手方向に沿って、好ましくは図１２Ｂ、１２Ｃに示すように両側に配置して形成することが好ましい。これは、電流狭窄層により、電流が選択的に形成された開口部に集中的に電流が注入されるが、この際に、開口部、若しくは窓部を囲むように、その周縁付近、若しくは窓部、開口部の開口形状に沿って配線されることで、電流狭窄域となる開口部に電流を効率的に注入できるからである。以上の第３の電極２３の配置に関する説明は、その一実施形態を説明しただけであり、第３の電極２３の形状、パターンを限定するものではなく、格子状、ドット状、島状、１つから複数に分岐した枝状に配置してもよいことはいうまでもない。また、第３の電極２３は、図３などに示すように、第１の電極２０の上に形成される場合に限定されるものではなく、第２導電型層表面７ｓに第３の電極２３を形成した後、それを覆うように第１の電極２０を形成しても、上述した作用が得られるため、このような形態も含まれるものであり、またボンディング用の電極である第２の電極２２と同時に形成し、すなわち、第２の電極２２を第１の電極２０上に延長させて、配線させた構造としてもよいことはいうまでもない。さらに、開口部、窓部の周縁部近傍を囲むように配置することを説明したが、これら閉口した領域を囲む形態において、その全てを囲むことを指すものではなく、少なくとも一部の周縁部に形成されることが好ましく、開口部、窓部が長手方向を有する場合には、長手方向に沿うように、ほぼ平行して設けられれば、長手方向に沿って電流が効率的に注入されるため、それでも十分に電流拡散機能を果たすことができる。具体的には、図１２Ｂと１２Ｃの違いであり、窓部、開口部をほぼ全部を囲むように、拡散用の第３の電極２３を設けても良く（図１２Ｂ）、長手方向に沿って第３の電極２３を設けても（図１２Ｃ）、ほぼ同様に優れた電流拡散が実現される。
以上、第２導電型層に設ける電極について述べたが、次に、第１導電型層に設ける電極についても述べる。本願明細書に添付の図面は、全て基板の同一面側に正負一対の電極が設けられた、いわゆるフリップチップタイプの素子を示しているが、本発明の発光素子は、これに限らず、基板を狭持するように、すなわち基板を挟んで正負一対の電極を対抗は位置した構造を用いてもよい。具体的には、図３Ｂにおいて、反射層１０を一方の電極として、基板の表面側に設けられた素子構造の上に形成された電極とで対向配置した構造をとることもできる。正負一対の電極を対向配置することで、電流の流れを基板面に垂直なものとでき好ましい。
基板の同一面側に正負一対の電極を設ける場合における第１導電型層の電極２１、２４について以下説明する。基板の同一面側に正負一対の電極を設ける場合には、図８、図１２〜１６に示すように、ｐｎ接合部、活性層を有する凸部領域５１を囲むように電極２１を形成することが好ましい。ここで、電極２１は主に第１導電型層とオーミック接触用の電極であり、電極２４はワイヤーボンディング用のパッド電極である。これらの図に示すように、凸部５１をほぼ全領域を囲むように形成することで、正負電極間で、電流の流れを凸部５１の全域において、均等に、かつ拡散させて流すことができることとなる。図１４に示すように、凸部５１をほぼ全領域を囲む形態であっても良く、一部が開口して、凸部５１の周りを囲むように図１３〜１６に示すように、形成してもよい。また、図１２Ｂに示すように、長手方向を有する矩形状、短冊状の凸部５１が複数結合したような形状においては、上記第３の電極２３と同様に、長手方向に沿うように、電極２１を設けることで、長手領域、特に長手領域の開口部、窓部を有する場合には、その長手方向に沿うように、凸部５１に近接して配置することで、長手領域の開口部、窓部下部に効率的に電流が拡散、注入される形状となる。
また、各ボンディング用の電極２２、２４の配置としては、図１４に示すように、矩形状の素子チップに対して、対角線上に配置して、それぞれの電極を一方の角近傍に配置する形態としても良く、また矩形状のチップに対して、その一辺に沿って近接して配置してもよい。これらの電極配置とすることで、発光面積を大きくとることができ、また一辺に沿って電極２２，２４を配置した場合には、チップのボンディング、電極へのワイヤボンディングの際に、チップの一方に偏って電極が設けられているため、ワイヤボンディングが容易となり好ましい。このとき、素子チップの形状は矩形状に限定されるものではなく、菱形状、台形状、平行四辺形状、多角形状であってもよい。また、第２の電極２２は、図に示すように、凸部５１上に設けても良く、絶縁膜などを介して、第２導電型層の電極形成面２ｓ上に延在させて、電極２１，２４とほぼ同じ高さに設けることもできる。
また、以上の電極にもちいられる材料としては、従来知られた窒化物半導体の電極材料、積層構造を用いることができる。具体的な電極材料としては、Ｎｉ、Ａｕ、Ｗ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｒｈ、Ａｌ、Ａｇ、Ｉｒなどがある。
（封止部材［透光性部材］）
ＬＥＤなどの発光素子チップ２００は、通常、図９に示すように、封止部材１００によって、封止され、パッケージングされた発光装置として使用される。このため、図１０に示すように、窓部４０と封止部材１００との屈折率、若しくは透光性膜と封止部材との屈折率により発光装置における光取出し効率を高めることができる。
具体的には、透光性膜の材料と封止部材の材料、若しくは窓部に第２導電型層が露出される場合には露出層の材料と封止部材の材料、との関係により、適宜各材料及び屈折率を決定することで、発光装置の発光出力を高めることができる。
封止部材は、発光素子チップ２００からの光を透過させる透光性材料からなる場合が多く、例えば図９Ａに示すランプ型の発光装置において、封止部材（モールド部材）１００には、透光性樹脂としてエポキシ樹脂（１．５〜１．６）、シリコーン樹脂（１．４〜１．５）などが一般的に用いられる（括弧内は屈折率）。そのほかに、ポリイミド樹脂、またはフィラーなどの拡散材、蛍光体、顔料などの粒子、ミクロンオーダー、サブミクロンオーダーの粒子などを含む封止部材を部分的に用いることもできる。
（活性層）
本発明において、活性層３としては、好ましくはＩｎを含む窒化物半導体を少なくとも有するものであり、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物半導体が用いられる。具体的にはＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）を用いることで、紫外域から可視光域（青色〜赤色）までの良好な発光を可能とする活性層、井戸層となる１層の発光層を少なくとも有することである。また、活性層は、量子井戸構造とすることで、良好な発光効率の発光素子が得られ、単一量子井戸構造であっても良く、多重量子井戸構造であっても良い。このとき、前記Ｉｎを含む窒化物半導体は、量子井戸構造の井戸層、障壁層の少なくとも一方であっても良く、両方の層であっても良く、好ましくは井戸層に少なくとも用いることである。一方障壁層は、発光層でないため、特にＩｎを含む窒化物半導体に限らず、具体的な組成としては、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）であり、好ましくはＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）を用いることである。
本発明の発光素子において、複数の電流狭窄層５ａ（１０５ａ）の開口部４１（通過部５ｂ、１０５ｂ）を有する形態では、電流が選択的に注入される複数の発光部３ａに電流が集中するために、電流密度が高くなる傾向があり、この場合、発光層（井戸層）に用いるＩｎを含む窒化物半導体のＩｎ組成ｘは、好ましくは０＜ｘ≦０．３とすると、実施例に示すように出力に優れた発光素子が得られる。これは、Ｉｎ混晶比ｘが大きくなると、結晶の偏析などにより結晶性が面内で一様ではなく良好な領域が面内で散在する結晶となり、電流密度増加において、電流−出力特性のリニアリティーが乏しく、飽和しやすい傾向にあるが、上記Ｉｎ組成範囲では電流密度増加における電流−出力特性のリニアリティーに優れて、高出力化において有利となる傾向にあるためである。このときの発光波長は、紫外域〜青色領域であり、３６０ｎｍ〜４７０ｎｍの範囲であり、さらに好ましくは、視感度の低い４２０ｎｍの近紫外域以下で発光する波長（３６０ｎｍ〜４２０ｎｍ）とすることで良好な発光が得られる。このときのＩｎＧａＮ発光層（井戸層）のＩｎ混晶比ｘとしては、０＜ｘ≦０．１程度である。また、上述したように、Ｉｎに加えてＡｌを含む窒化物半導体で発光層（井戸層）に用いる場合には、さらに短波長域での発光も可能となる。
（下地層１２）
基板として、異種基板を用いる場合には、図１などに示すように、第１導電型層１１、活性層３、第２導電型層１２が積層された素子構造と、基板との間に、下地層１２として、低温成長バッファ層を用いると、結晶性を良好なものとできる。低温成長バッファ層として具体的には、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）を用いることができる。
また、基板上に設ける下地層として、その他に、ＥＬＯＧ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙ Ｌａｔｅｒａｌｌｙ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）成長させた窒化物半導体、横方向成長層６０を用いると結晶性が良好な成長基板が得られる。ＥＬＯＧ層の具体例としては、図６に示すように、基板上に、窒化物半導体層１３ａを成長させ、その表面に窒化物半導体の成長が困難な保護膜を設けるなどして形成したマスク１８領域と、窒化物半導体を成長させる非マスク領域（開口部）を、ストライプ状に設け、その非マスク領域から窒化物半導体を成長させることで、膜厚方向への成長に加えて、横方向への成長が成されることにより（図６Ｂ）、マスク領域の上部にも窒化物半導体が成長して成膜された層１３ｂとなる。その他の形態では、異種基板上に成長させた窒化物半導体層に開口部を設け、その開口部側面から横方向への成長がなされて、成膜される層でもよい。
このように、横方向成長（ＥＬＯＧ）による窒化物半導体、若しくはその上に成長させた窒化物半導体層１３ｂの特徴としては、結晶性の分布を呈した表面を有するものであり、図６に示すように、結晶性の良い領域Ａと、結晶性の悪い領域Ｂと、が設けられるものである。この時、結晶性の良い領域Ａ、悪い領域Ｂは、主に転位密度を評価することにより決定されるものであり、結晶性の良い領域Ａの転位密度／結晶性の悪い領域Ｂの転位密度の比としては、下地層１３ａの結晶性にもよるが、１／１０以上、好ましくは１／１００以上の転位密度の違いが現れる。具体的には、結晶性の良い領域Ａにおける転位密度は、１×１０１０／ｃｍ２以下であり、好ましくは１×１０８／ｃｍ２以下となるものであり、また結晶性の悪い領域Ｂにおける転位密度は、１×１０１０／ｃｍ２上以上となり、欠陥が多い場合には１×１０１３／ｃｍ２以上となる。さらに、結晶性の良い領域Ａは、好ましい欠陥密度としては、１×１０６／ｃｍ２以上１×１０７／ｃｍ２以下の範囲程度まで、結晶性が改善される。このような貫通転位の面内分布は、図６Ｂに示すように横方向成長時に、窒化物半導体１３ｂ内の貫通転位が横方向に伸びて、膜厚方向に貫通転位が伝搬しないことで、横方向に成長した領域Ａにおいて貫通転位が低減された表面となる。図６ではハッチングを施して低欠陥領域Ａを締めするものであり、図６Ａ〜６Ｃは、横方向成長層１３ｂの成長形態を説明する模式断面図であり、図６Ｄ、６Ｅは、横方向成長層１３ｂ（６０）表面若しくは、ｐｎ接合面５０内で、低欠陥領域Ａと、高欠陥領域Ｂとが分布する様子を示すものである。この低欠陥領域Ａ内に上記電流狭窄層の開口部を設けることで、結晶性の良好な領域の活性層内に選択的に電流が注入され、高出力、優れた素子寿命、高発光効率の発光素子とできる。低欠陥領域Ａの像と、開口部の像との関係は、上述した窓部の像と開口部の像との関係において、窓部を低欠陥領域Ａに置き換えた関係においた発光素子とすることが好ましい。
ここで、横方向成長時のマスク形状、すなわち基板面内における横方向成長領域、マスクを用いる場合にはマスク形状、としては、特に限定されず、ストライプ状、ドット状、格子状、六角形状（窒化物半導体の六方晶系に近似した面方位にほぼ一致した）、若しくはこれらの組み合わせなどあらゆる形状を適応することができる。また、マスクを用いない場合には、凸部若しくは島状の窒化物半導体を形成し、そこから成長させることで、横方向成長を発現させ、横方向成長を伴った成膜がなされる。
（凸部（ｐｎ接合部を含む）５１）
本発明の別の実施形態として、図１２〜１６に示すように、基板の同一面側に、正負一対の電極を設ける構造においては、ｐｎ接合部、具体的には活性層、第２導電型層を有する凸部５１が、基板面に対して部分的に設けられたいわゆるフリップチップタイプの素子がある。凸部５１の形態について、具体的に説明すると、図１３に示すように、ほぼ矩形状であっても良く、矩形状で一部（角）がかけて、ボンディング用電極２４を設ける領域が形成された凸部形状５１（図１４Ａ）に示すような形状であってもよい。好ましくは、図１２Ｃに示すように、矩形領域、短冊状の凸部５１を複数結合したような形状とすることが好ましい。これは、上記電極の説明でも述べたように、各導電型層の電極を開口部、窓部の周囲、若しくは長手方向に沿って、電極を形成することで、各電極間を流れる電流をｐｎ接合面内に分散させて、開口部に集中させることが可能になることによるものであり、各導電型層の電極を凸部領域５１の側面、図１２の上面図において、凸部５１の辺の長さを長くすることで、各導電型層の電極を近接して長い領域でもって配置することが可能となり、正負電極間の距離を小さくし、大電流下での発光特性に優れる発光素子が得られる。具体的な形状としては、図１２Ｃの発光観測面側からみた上面図において、凸部領域５１を、ストライプ状、矩形状などの突出部を設け（図中の窓部が設けられた領域）、長手方向に伸びた突出領域を形成することが電極の配置、電流の流れの関係から好ましく、図に示すように、短冊状の領域、ストライプ状の領域を接合した凸部５１としても良く、図８に示すように、各ストライプ状の凸部５１を複数独立して、すなわち、ｐｎ接合部（活性層）を、分離して設けて、電極、若しくはそれに電気的に接合する配線でもって電気的に接合した形状であってもよい。このように、凸部５１の突出した領域において、好ましくはストライプ状の領域において、それに長手方向をほぼ平行にする窓部、開口部を設けることにより、上記電流注入、発光の関係から好ましい発光素子が得られ好ましい。また、図１２Ｃに示すように、ストライプ状の突出部を結合する領域にも、窓部、開口部を設ける形状であってもよい。なぜなら、図からわかるように、凸部５１は、ストライプ状の領域が複数結合した形状となっているため、結合部においても（図中の窓部にほぼ垂直な方向に伸びる凸部領域５１）、ストライプ状となっているためである。
図８は、上述したように、凸部５１が長手方向を有するストライプ状の領域が、活性層が分離されて複数設けられる形態を示す例である。ここで、図中の短い矢印で示す領域を１つの発光素子としても良く、長い矢印で示す領域を１つの素子としてもよい。また上述したように、ｐｎ接合部が分離されて、互いに独立した複数の凸部５１を導電性材料により電気的に接続して（配線して）接合した発光素子とすることもできる。
（電流狭窄層の開口部と窓部と凸部５１）
上述したように、窓部と開口部は、ｐｎ接合面の投影面において、それらの投影像が一部重なるように形成することを説明したが、これに上記凸部領域５１を加えた３者の関係について以下説明する。図１は、図１２におけるＡＡ切断面の一部（凸部５１の一つのストライプ状の突出部）、若しくはＢＢ切断面を模式的に示す断面図であり、図１５は図１と異なる実施形態を説明するものであり、図１６は、これら切断面において、開口部、若しくは窓部が複数も受けられる様子を示すものである。図１、図１６は凸部５１の領域、若しくは凸部５１のストライプ状の突出部においてストライプ方向に垂直な切断面での開口部と窓部との関係を示すものである。
（蛍光体）
本発明の発光素子と、発光素子からの発光スペクトルの少なくとも一部を変換する蛍光物質とを有する発光装置とすることもできる。本発明の好ましい発光素子の発光波長と蛍光物質との組み合わせは、上述したように主発光波長が３６０ｎｍ以上の紫外領域の発光スペクトルの一部を変換する蛍光物質として、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｚｎから選択される１種を含むＭで代表される元素と、少なくともＭｎ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｓｎから選択される１種を含むＭ’で代表される元素とを有するＥｕで附活されたアルカリ土類金属ハロゲンアパタイト蛍光体とを用いた発光装置とすることである。この蛍光物質は、好ましくは少なくともＭｎ及び／又はＣｌを含むＥｕで附活されたアルカリ土類金属ハロゲンアパタイト蛍光体であり、より具体的には、（Ｍ１−ｘ−ｙＥｕｘＭ’ｙ）１０（ＰＯ４）６Ｑ２で表される蛍光体（ただし、ＭはＭｇ、Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｚｎから選択される少なくとも１種と、Ｍ’はＭｎ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｓｎから選択される少なくとも１種と、Ｑはハロゲン元素のＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉから選択される少なくとも１種とを有する。０．０００１≦ｘ≦０．５、０．０００１≦ｙ≦０．５である）であり、さらに好ましくは、（Ｍ１−ｘ−ｙＥｕｘＭ’ｙ）１０（ＰＯ４）６Ｃｌ２（ただし、ＭはＭｇ、Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｚｎから選択される少なくとも１種と、Ｍ’はＭｎ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｓｎから選択される少なくとも１種とを有する。０．０００１≦ｘ≦０．５、０．０００１≦ｙ≦０．５である。）である。これにより、３６０ｎｍ以上の紫外領域で主発光し、出力に優れる本発明の発光素子に対し、蛍光物質とを組み合わせることで、赤色成分を含み演色性に優れた白色発光素子が得られるため好ましい。このとき、３６０ｎｍ以上の紫外領域は、上述したように、３６０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下の視感度の低い可視領域及び近紫外域を含むものであり、好ましくは、３６０ｎｍ以上４２０ｎｍ以下の範囲である。
また、このような本発明の発光素子と上記蛍光物質とを用いた発光素子の形態において、発光素子は少なくとも紫外領域に発光スペクトルを有すると共に、前記蛍光物質は発光素子からの発光スペクトルの少なくとも一部を吸収し、２以上の発光ピークを持った発光スペクトルを発し、蛍光物質の発光スペクトルは少なくとも一部が互いに補色となる蛍光であるものとすることもできる。このとき得られる発光装置の発光は、前記少なくとも一部が互いに補色となる２以上の発光ピークを持った発光スペクトルは、短波長側の発光ピークの半値幅がそれよりも長波長側の発光ピークの半値幅よりも狭くなる傾向にある特徴が観られる。さらに、この発光装置において、前記２以上の発光ピーク間に発光ピークをもった別の蛍光物質をさらに用いることもできる。これにより、所望の発光色、演色性に優れた発光が得られる発光装置となる。また、このような蛍光物質には、組成によって前記少なくとも一部が補色となる２以上の発光スペクトルの強度比が調整されてなることも可能である。これにより発光色の設計自由度が高められる。さらに、前記蛍光物質に加えて、ＢａＭｇ２Ａｌ１６Ｏ２７：Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ，Ｍｎ、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）５（ＰＯ４）３Ｃｌ：Ｅｕ、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）１０（ＰＯ４）６Ｃｌ２、ＳｒＡｌ２Ｏ４：Ｅｕ、Ｓｒ４Ａｌ１４Ｏ２５：Ｅｕ、ＺｎＳ：Ｃｕ、Ｚｎ２ＧｅＯ４：Ｍｎ、ＢａＭｇ２Ａｌ１６Ｏ２７：Ｅｕ，Ｍｎ、Ｚｎ２ＧｅＯ４：Ｍｎ、Ｙ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、Ｌａ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、Ｇｄ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、から選択される少なくとも１種の蛍光物質を、発光装置に用いることもでき、これにより、様々な発光が得られる。さらに、蛍光物質の組み合わせとしては、前記蛍光物質に加えて、（Ｍ１−ｘＥｕｘ）１０（ＰＯ４）６Ｑ２で表される蛍光物質を有する（ただし、ＭはＭｇ、Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｚｎから選択される少なくとも１種と、Ｑはハロゲン元素のＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉから選択される少なくとも１種とを有する。０．０００１≦ｘ≦０．５、０．０００１≦ｙ≦０．５である。）もの、前記蛍光物質に加えて、（Ｍ１−ｘＥｕｘ）１０（ＰＯ４）６Ｃｌ２で表される蛍光物質（ただし、ＭはＭｇ、Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｚｎから選択される少なくとも１種とを有する。０．０００１≦ｘ≦０．５、０．０００１≦ｙ≦０．５である。）もの、などをあげることができる。
（凹凸部有する基板）
本発明において、図２０、３０、３２、３３などに示すように、凹凸部１９０を基板若しくは、界面に設けた構造を有すると光取り出し効率を更に高めることができ好ましい。具体的には、図３０、３１の模式断面図に示すように、基板３０１（６０１）上に、成長層として、下地層３１３（６１３）、第１導電型層１１としてｎ型電荷供給層３０２（６０２）、活性層（発光層）３０３（６０３）、第２導電型層１２としてｐ型層３０４（６０４）を積層した構造において、光は発光層の上方である第２導電型層表面１２ｓに向かう光だけでなく、全方位への発光があり、特に、下方の第１導電型層１１側へ伝搬する光は、各層の界面、層と基板との界面、基板と外界との界面により、反射、回折されて素子内部を伝搬して一部は外部に取り出されていた。しかしながら、素子内部を伝搬する光は、その多くが各層の材料により吸収されて、外部量子効率を低下させていた。なぜなら、素子構造は１０μｍ程度の膜厚であり、縦方向（膜厚方向）で反射を繰り返してもその光路は短いが、横方向の光の伝搬は、チップサイズに依存し、その多くは２００μｍ以上、大きいものでは１ｍｍ以上のものもあり、素子側面に到達して反射するまでの光路は縦方向の伝搬に比べて、極めて大きいものであり、すなわち、このことは反射を繰り返す前に光の減衰が大きく、そのほとんどは素子端面の反射面（出射面）に達する前に、図３０の白抜き矢印に示すように、横方向成分が大きな光は、素子の上面、下面で臨界角を越えて全反射するため、上下に反射を繰り返し、距離の遠い素子側面に達するまで素子を構成する半導体材料などにより大部分が吸収され、損失されて、その結果、光取り出し効率が低下する傾向にある。
このような横方向の伝搬を少なくして、縦方向、特に上方の第２導電型層表面１２ｓ方向に光を伝搬させる凹凸部１９０を設けることにより、素子外部への光の取り出し効率、特に上方への光取り出し効率を高めることができる。
本発明の凹凸部１９０は、図３０Ａ、Ｂ、Ｃに示すように、基板６０１とその上に成長させた窒化物半導体層６１３〜６０４との界面に設けられるように、成長させる基板の表面に設けられることが好ましい。その他の形態としては、図３０Ｄに示すように、基板の成長表面（主面）と対向する裏面側に設ける形態、図３０Ｃに示すように、成長層の各層６１３〜６０４の各界面を凹凸部１９０とすることができる。基板表面側に凹凸部１９０を設ける場合には、成長層（積層構造）に用いる窒化物半導体と異なる材料である異種基板を用いると、成長層の半導体材料との屈折率差を大きくでき、凹凸部１９０の反射・回折作用が高められ、好ましい。さらに好ましくは、基板材料を窒化物半導体材料（ＧａＮ）の屈折率よりも小さなものとすること、具体的にはサファイア、スピネル基板を用いることで、積層構造からの光はそれよりも屈折率の小さい基板との界面で反射されて上方に光を伝搬させることができるためである。一方、異種材料であっても、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＩｎＰのように、窒化物半導体よりも屈折率の大きな材料の基板では、その表面に凹凸部が形成されても、基板内部へ光が伝搬し、素子上方へ光を取り出すことが困難となるためである。しかしながら、このように屈折率の大きな基板の場合には、図３０Ｄに示すように、基板裏面側に凹凸部を設けることで、基板と外界との間の屈折率差の大きな界面で光を上方へ反射させることができ、一方、その界面が凹凸を呈することで、基板側からの光の取り出しが促進され好ましい。また、基板が窒化物半導体材料である場合は、成長層との屈折率差が小さくなるため、基板表面側よりも基板裏面側に凹凸部１９０を形成して基板側からの光の取り出しをする方が好ましい。
凹凸部１９０の形成方法は、凹凸部を設ける対象となる基板、成長層に、所望の形状の保護膜を形成して、エッチングして基板の一部を除去して段差を設ける方法、機械的な研磨・研削などの方法により段差を設ける方法をあげることができる。
本発明の窓部４１（電極開口部）を有する発光素子への適用においては、図２６Ｄ、図３０に示すように、窓部もしくは電極の形状、特にその方向を考慮して凹凸部を形成することが好ましい。具体的には、窓部もしくは電極開口部の長手方向１９６に対し、基板面内において交叉する方向の凹部（凸部）側面１９３が形成されることが好ましい。具体的には、図２６Ｄ、３０において、凹部１９１、もしくは凸部１９２の上面側（観測面側）から見てその構成辺の方向が、上記長手方向１９６に交叉する方向であるこが好ましい（１９１Ｂ、１９１Ｃ）。また凹部１９３が、連続した溝部１９４（格子状の凹部１９１）を形成する場合には、溝部１９４の方向が、上記長手方向１９６と交叉する方向であることが好ましい。さらに好ましくは、上面側からみて、電極が開口した窓部領域に、凹部１９１により複数の凸部１９２Ａが分断、区分けされて、配置されることが好ましい。さらにまた、凹部１９１Ａに示すように、長手方向に沿うようにほぼ並行な構成辺、もしくは溝部１９４方向を設けることが好ましい。
上述した凹部１９１、凸部１９２の上面側から見た構成辺の方向の窓部領域に及ぼす作用について、図３０、３２を用いて、以下説明する。上述したように、活性層からの光において、下方及び横方向成分の大きな光は、素子内部での損失・吸収が大きいため、図３０Ａの白抜き矢印に示すように、凹凸部の発光観測面側から見た構成辺に相当する側面１９３により、主に反射、もしくは回折により図中の実線矢印に示すように、縦方向成分を強めた光の伝搬方向へと変化、すなわち、横方向に長い距離の伝搬をさせる前に、比較的短距離に位置する基板表面に到達した時に凹凸部でもって乱反射させることで、電極開口部である窓部４０から上方へ光を導き、素子外部に取り出す働きを担うものである。図３０Ｂを用いて説明すると、横方向成分の大きな光の伝搬は、上述したようにそのほとんどが縦方向成分をいくらか有しながら、上下面では臨界角を越えるために反射されて横方向に伝搬するため、左側の白抜き矢印の光が、基板凹凸部において、上下左右の小さな光（真ん中の矢印）に乱反射され、さらに残った横方向成分の大きな光も同様に縦方向の光（右側の矢印）取り出すことができ、その結果、上面側からの光取り出しが高められる。この際に、図３２に示すように、基板上方に位置する電極開口部の窓部４０Ａ、Ｂに光が入射するが、窓部４０Ａに入射する光（図中の白抜き矢印）を観ると、凹部１９１、凸部１９２の発光観測面側構成辺により反射された光が上方に伝搬したものに由来する。一方、発光の源は、電極２０と基板との間にある活性層であり、そこから直接窓部に向かう光以外の光を凹凸部１９０で反射させて効率的に取り出すために、凹凸部が設けられるものである。しかし、本発明のように、ほぼ光を遮光する電極２０（１２０）でもって、第２導電型層１２ｓを表面の一部を覆い、その電極開口部で光取り出しの窓部とした場合には、図２３に示すように、活性層の部分的な発光部３ａから全方位に放射される光の一部だけが臨界角未満で窓部４０に入射して、残り大部分の光は、素子内部で反射・回折を繰り返しながら効率的に第２導電型層の微少面積である電極開口部の窓部領域に再び入射させるには、上記形状、構成辺を有する凹凸部を形成することで解決できる。すなわち、図３２において、窓部領域４０Ａの下方領域を基板面内で、長手方向１９６に対し斜めに横切る横方向成分の多くの光を、構成辺の方向が長手方向１９６に対し交叉、傾斜していることで、その凹凸部側面で反射させ、直上に位置する窓部に入射させることが可能となる。一方で、長手方向にほぼ平行な方向の溝部１９１Ａ（構成辺）の場合には、上記と同様に、窓部下方領域をほぼ長手方向にほぼ直交して横切る光を、その構成辺による凹凸部側面でもって直上の窓部領域に反射させることができる。これは、図に示すように、長手方向を有する窓部の場合に特に重要であり、それは長手方向に対応した発光部３ａによる光は、線光源となるため、例えば窓部４０Ｂの下方に位置する発光部は、その斜め下方に位置し、長手方向を同じにする溝部１９１Ａの側面で好適に直上の窓部４０Ａに入射させることが可能となる。すなわち、長手方向を有する窓部が、その長手方向に傾斜した方向、好ましくはほぼ直交した方向１９７Ａに、周期的に配列されたような窓部であると、具体的には実施例に示すように、ストライプ状である場合には、有効である。従って、長手方向を有さない窓部においても、窓部が所望の方向（複数も可）に複数配列された形態、例えば図８，１８Ａでは１方向に配列された各素子に素子配列方向１９７Ａにほぼ垂直な１方向（１９６，１９７Ａ，１９７Ｂ）に窓部が配列され、図１２，１４，２１，２６〜２８では窓部の長手方向１９６にほぼ垂直な１方向１９７Ａに窓部が配列され、図１３，１７，１８Ｂでは互いにほぼ垂直な２方向（１９７Ａ，１９７Ｂ）に窓部が配列される形態、においては、その配列方向に交叉する方向（傾斜する方向）、その配列方向にほぼ垂直な方向、その配列方向にほぼ平行な方向、の少なくとも１つの構成辺もしくは溝部を有することが好ましく、さらに好ましくは、少なくとも２つの構成辺もしくは溝部を有することであり、このときの２つの方向としては傾斜方向と、平行もしくは垂直方向のいずれかの組み合わせとすることが好ましく、特に、配列方向１９７が２方向以上、もしくは配列方向１９７と長手方向１９６とを有する場合に有効である。
また、窓部が長手方向を有さず、また複数の領域が設けられるような場合には、具体的には図８，１３の形態においては、上述したように、図２６Ｄ、３２に示すように、各窓部領域４０（４０Ａ，Ｂ）内で、発光観測面側からみて、複数の凸部１９２もしくは凹部１９１が設けられることが好ましい。これは、少なくとも１つの凸部と凹部が形成されることで、その協会に位置する凸部側面１９３（凹部側面）が発光領域に直下に設けられることで上述した効果が得られ、さらに好ましくは構成辺もしくは溝部、または両者の境界が、上記互いに異なる複数の方向を有するように、少なくとも２つの側面１９３が１つの窓部領域に、すくなくとも複数の凸部若しくは凹部、または複数の凸部と凹部の境界線を設けることが好ましい。
ここで、凸部１９２、凹部１９１の形状は、基板上面側（発光観測面側）からみて、図２０、３２などに示すように、凸部、若しくは凹部が、少なくとも１つの構成辺若しくは溝部、好ましくは異なる方向の２つ以上の構成辺若しくは溝部が設けられることである。このとき、図に示すように、多角形状に限定されず、上面側からみて、隣接する凸部と凹部の境界線の一部が、上記少なくとも１つの方向、好ましくは異なる２つ以上の方向を有し、他の部分が曲線状などであってもよい。また、直線部を有していない円形状、楕円形状などのような形態にあっては、上述したように各窓部領域内で、凹部と凸部との境界により複数の凸部（凹部）領域に、分断され、区画された領域であることにより、上述した効果を奏する。凹凸部の上面側から観た具体的な模様としては、図３３に示すように、黒色領域、白色領域を、それぞれ凸部、凹部に割り当て、若しくはそれを反転させた形状とできる。これら複数の凸部、凹部領域を、１つ若しくは複数設けて基本単位１９５を構成し、基板面内で、この基本単位を等間隔若しくは隣接して、並進・配列して、基板表面に基本単位を複数設けて凹凸部の模様もしくは図形が形成される。各凸部、凹部の形状は、図３３に示すように、格子状、多角形状の他、円形状、楕円形状、若しくは両者の境界が直線、曲線若しくは直線と曲線の組み合わせなど、様々な形態を適用できる。また、断面形状は、図３０に示すように、基板の主面、ｐｎ接合面５１、第２導電型層表面１２ｓにほぼ垂直な側面１９３であってもよく（図３０Ａ，Ｃ，Ｄ）、図３０Ｂに示すように傾斜した側面とすることもできる。好ましくは、ほぼ垂直な側面若しくは凹部が上方に幅広となる図３０Ｂに示す傾斜側面とすることであり、さらに好ましくは凹部が幅広となる傾斜側面を有することで、上述したように、横方向成分の大きな迷光を、効率的に上方に反射・進行させることができる。また、凸部、若しくは凹部の上面については、基板の主面、ｐｎ接合面５１、第２導電型層表面１２ｓに対し、ほぼ平行であっても、傾斜した面であっても、ほぼ垂直な面であってもいずれでもよく、好ましくは実施例で示すように基板面若しくは表面１２ｓにほぼ平行な上面が凸部に形成されていることである。これは、窓部の直下方向に進行する光を直上に反射して、さらに近接の発光部３ａからの光を反射して窓部に進行させることができる傾向にあるためである。また、凹凸部の大きさとしては、光を反射させるため、少なくとも凹部の深さ（凸部の高さ）がλ／（４ｎ）以上とすることである。、ここでλは発光波長、ｎは凹凸部を設ける対象の屈折率、例えば実施例では基板の屈折率である。好ましくは、加工精度を考慮して、０．１μｍ以上とすることであり、また、成長層により平坦な表面を形成するには１０μｍ以下とすることで、下地層の膜厚を小さくして、下地層表面で平坦な面が得られる。構成辺の長さ、幅としては、特に限定されないが上述したように、窓部領域内で複数の凸部若しくは凹部を複数形成するため、窓部の幅、長さ、径よりも小さくすることが好ましい。具体的な大きさとしては、０．５μｍ以上１０μｍ以下の範囲で辺の長さ、幅とする。
後述する実施例１において、発光観測面側から発光状態を観察すると、電極１２０ａの開口部（窓部）においては、全体的に発光している中で、凸部１９２の方が、凹部１９１よりも明るく観察され、さらにその凸部において上述したように凹凸部の構成辺、若しくは境界線が明るく発光している様子が観られる。また、第２導電型層表面１２ｓにおいて、拡散電極が設けられていない凸部５１側面（１５０〜１５４）近傍の非電極形成部（露出部）では、窓部よりも発光が弱いものの上記凸部と凹部との明部と暗部の差がより顕著となり、また上記構成辺若しくは境界線における発光もより強くなる傾向が観られる。さらに、第１導電型層の露出面１１ｓにおいても、非電極形成部（露出部）でも、第２導電型層露出面１２ｓよりも弱いものの上記凸部と凹部との明部と暗部の傾向が観られ、第１導電型層表面１１ｓからも好適に光が取り出されている。このため、好ましくは、基板面において（発光観測面側、上面側から観て）、凹部と凸部との面積比（［凸部面積］／［凹部面積］）を少なくとも１以上とすること、すなわち、凸部の面積を凹部の面積とほぼ同じか大きくすること、好ましくは１より大きくして凸部の面積を大きくすること、更に好ましくは、３以上（３倍以上の面積）とすること、最も好ましくは４（４倍以上の面積）以上とすることで、暗部となる凹部（溝部）の面積が低減され、光出力が高くなる。また、この時、上述したように構成辺若しくは境界線における凹部側面が素子外部への光の取り出しに寄与する為、この構成辺若しくは境界線の長さの総和も光取り出し効率の影響を及ぼす。ここで、構成辺若しくは境界線の長さの総和は、基本単位を用いる場合には、基本単位１９５の面積当たりの長さの総和（［長さの総和（μｍ）］／［基本単位１９５の面積（μｍ２）］）で考えることができ、基本単位を有していない凹凸部の形状の場合には、５μｍ角（面積２５μｍ２）（仮の基本単位となる）当たりの長さの総和を考慮し、また、基本単位が面積２５μｍ２に満たない場合には、基本単位を複数配列し、又は基本単位が面積１００μｍ２を超える場合には基本単位を小さくして、面積が２５μｍ２以上１００μｍ２以下程度となる第２基本単位として、考慮すると良い。単位面積当たりの長さの総和としては、好ましくは２（μｍ／μｍ２）以上、更に好ましく３（μｍ／μｍ２）以上、最も好ましくは、５（μｍ／μｍ２）以上とすることが好ましい。更に上述したように、凹凸部による光取り出し効率向上効果は、第１，２導電型層の表面において、電極から露出した露出面であるため、少なくとも、電極開口部（窓部）において、上記面積比若しくは単位面積当たりの長さの総和を考慮することが好ましく、更に好ましくは、それに加えて第２導電型層表面１２ｓにおける電極（第１〜３の電極）からの露出面において考慮することであり、さらに好ましくはそれらに加えて、第１導電型層表面１１ｓにおける電極（２１，２４，１２１，１２４）からの露出面を考慮することである。
（一実施形態）
本発明の一実施形態である図２１〜２４について以下説明する。
本発明に係る窒化物半導体発光素子において、上記ｐ側電極を互いに電気的に導通する複数の電極枝１２０ａを有する櫛型形状に形成することにより、その隣接する電極枝の間を発光部とすることができる。
また、本発明に係る窒化物半導体発光素子において、上記複数の電極枝は、互いに平行に形成されていることが好ましい。
またさらに、本発明の窒化物半導体発光素子においては、上記第２ｐ型層の上に、上記ｐ側電極に電気的に接続されたｐ側パット電極を形成することができるが、その場合、上記ｐ側パット電極直下に電流阻止部を形成することが好ましい。
また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、上記ｐ側パット電極はその一部が上記ｐ側電極の一部に重なるように設けられていることが好ましい。
さらに、本発明の窒化物半導体発光素子においては、上記第２ｐ型層、上記第１ｐ型層及び上記発光領域の一部を除去して露出させたｎ型層の表面にｎ側電極を形成することができるが、その場合、そのｎ側電極に近接する上記第２ｐ型層の外周縁端部と上記ｐ側電極との間の距離を上記第２ｐ型層の他の外周縁端部と上記ｐ側電極との間の距離より大きく設定することが好ましい。
またさらに、本発明の窒化物半導体発光素子においては、上記第２ｐ型層、上記第１ｐ型層及び上記発光領域の一部を除去して露出させたｎ型層に形成されたｎ側電極と、上記第２ｐ型層上に形成され上記ｐ側電極と電気的に接続するｐ側パット電極とをさらに有し、上記電流阻止マトリクス層には、互いにほぼ平行な電流通過部が複数設けられていてもよいが、その場合、上記電流通過部の長手方向と上記ｐ側パット電極とｎ側電極とを結ぶ方向とを交叉させることが好ましい。
またさらに、本発明の窒化物半導体発光素子においては、上記電流通過部が、上記ｎ側電極近傍の側面に達するように設けられていることが好ましい。
以下、図面を参照しながら本発明に係る実施の形態について説明する。図２１は、本発明に係る実施の形態の窒化物半導体発光素子の電極構造を示す平面図であり、図２２は本実施の形態の窒化物半導体発光素子の断面構造を示す図２１のＡ−Ａ’線についての断面図である。
半導体積層構造はその一部分においてｎ型層１１が露出されるまでエッチングされ、その露出されたｎ型層１１上にｎ側電極２１が形成される。
また、ｐ側電極２０は電流拡散層６上に、互いに平行に形成された複数の電極枝２０ａを有する櫛形形状に形成される。これにより、電極枝２０ａの間に電流拡散層６の表面が露出された発光部４０が形成される。尚、ｐ側電極２０は外部との接続に用いられるワイヤーボンディング用のｐパッド部２２を有し、各電極枝２０ａはその一端で導通されさらにｐパッド部２２に電気的に導通される。
本実施の形態の窒化物半導体発光素子は、上述のように発光部４０を形成するように設けられた電極構造と、各発光部４０にそれぞれ対応する電流通過部５ｂと電流阻止部５ａとからなり電流拡散層６とキャリア閉じ込め層４ａとの間に設けられた電流阻止マトリクス層５とによって特徴付けられるものである。この電流阻止マトリクス層５は、図２１及び図２２に示すように、ｐ側電極２０の下には必ず電流阻止部５ａが位置し、電流通過部５ｂが発光部４０の直下に位置するように電流拡散層６とキャリア閉じ込め層４ａの間に形成されている。
以上のように構成された実施の形態の窒化物半導体発光素子において、ｐ側電極２０（電極枝２０ａ）から注入されたキャリア（ホール）は、ｐ側電極２０の直下に形成された電流阻止部５ａにより最短距離で活性層３に到達することができず、図２３の矢印Ｃ１に示すように、電流通過部５ｂを通って発光部４０の直下に位置する分布発光領域（分布活性領域）３ａに注入される。
一方、ｎ側電極２１から注入されたキャリア（電子）は、図２３において矢印Ｃ２により示すように、ｐ型の層より抵抗値の低いｎ型層１１を横方向に移動し活性層３全体に注入される。このようにして、注入された電子とホールは、分布発光領域３ａにおいて再結合して発光し、発光した光を発光部４０から出射する。
以上のようにして、本実施の形態の窒化物半導体発光素子では、発光部４０の直下に位置する分布発光領域３ａに選択的にホールを注入することにより、分布発光領域３ａにおいて選択的に発光させ、その発光した光を発光部４０を介してｐ側電極２０に遮られることなく出射できるので、発光した光を効率良く出射することができる。
次に、本実施の形態の窒化物半導体発光素子における、発光部４０と各発光部４０に対応して設けられた電流通過部５ａの形状及び位置関係について詳細に説明する。まず、分布発光領域３ａで発光した光が発光部４０において電流拡散層６の表面で反射されることなく出射されることが好ましい。
かかる観点から考察すると、本実施の形態の窒化物半導体発光素子では、分布発光領域３ａにおいて発光した光が発光部４０の電流拡散層６表面に入射される際の入射角θ（図２３に図示）が、全反射角θｃより小さくなるように分布発光領域３ａの範囲と位置及び発光部４０の形状（特にその幅）と位置を設定することが好ましい。ここで、全反射角θｃは、電流拡散層６の屈折率をｎ、発光素子外部の外界を空気とすると、ｓｉｎ−１（１／ｎ）で与えられる。
しかしながら、発光部４０の電流拡散層６表面に入射される際の入射角θ（図２３に図示）が、全反射角θｃより小さくなるようにすると、発光部４０の幅が狭くなるので、分布発光領域３ａから等方的に放射された光のうち限られた範囲の光しか発光部４０から出力することができないようになり、ｐ側電極２０により遮られる（反射される）光が多くなる。かかる観点からは発光部４０の幅は広い方が好ましい（但し、全反射角θｃより大きくなると発光部４０の両側の表面で反射されるようになるのでそれ以上広くしても意味はない。）。
これらのことを総合的に考慮すると、分布発光領域３ａにおいて発光されて発光部４０の端部に入射される光の入射角θが概略全反射角θｃに等しくなるように、発光部４０の位置及び範囲を設定することが好ましい。ここで、分布発光領域３ａの範囲と位置は、主として電流通過部５ｂの形状及び位置により設定することができる。
すなわち、本実施の形態の窒化物半導体発光素子においては、言いかえれば、発光した光が発光部４０の電流拡散層６表面に入射される際の入射角θが、全反射角θｃに略等しくなるよに発光部４０の形状、電流通過部５ｂの形状及び互いの位置を設定することが好ましい。また、本発明において、電極枝２０ａの幅は、１μｍ以上、５μｍ以下が好ましい。
また、発光部４０の形状は、従来技術の欄で説明したように、他の半導体材料に比較してｐ型窒化物半導体の抵抗が高く、電流拡散層６及びキャリア閉じ込め層４ａにおける横方向の拡散が比較的小さいことを考慮して決定する必要がある。
すなわち、電流拡散層６の厚さに対して発光部４０の幅（ｐ側電極２０からの距離）を大きくし過ぎると次のような不都合が生じる。発光部４０の幅を広くしてその広い幅に対応させて電流通過部５ｂの幅を大きくすると、比較的幅の広い分布発光領域３ａが形成されることになるが、この場合、分布発光領域３ａにおいてｐ側電極に近い部分に多くのホールが注入され、ｐ側電極から離れた分布発光領域３ａの中央部ではホールの注入が少なくなり、その結果、分布発光領域３ａにおいて発光強度の不均一が生じる。発光部４０の幅を広くして電流通過部５ｂの幅を狭くすると、比較的抵抗値の高い電流拡散層６を横方向に流れる電流の経路が長くなり、電流拡散層６におけるジュール損失が大きくなる。
以上の種々の要因を考慮すると、電流拡散層６の厚さＴ６を、０．４５μｍとした場合、発光部４０の幅Ｗ４０の好ましい範囲は、２μｍ以上６μｍ以下であり、電流通過部５ｂの幅Ｗ５ｂの好ましい範囲は、１μｍ以上５μｍ以下である。
また、本発明において、分布発光領域３ａで発光した光は、半導体内において等方的に伝播されるので、発光した光の一部は基板側に伝播される。
そこで、本実施の形態の窒化物半導体発光素子では、ｎ型層１１と基板１の間にミラー層１０を形成することにより基板側に伝播された光をそのミラー層１０により反射させて発光部４０から出力するようにしてさらに取り出し効率を向上させている。
本発明の発光素子は、素子積層構造として、ｎ型層と第１ｐ型層との間に、発光領域となる活性層が設けられた構造であり、より具体的には、図２７や実施例に示すように、基板の上に、ｎ型窒化物半導体を有してなるｎ側層、窒化物半導体からなる活性層、ｐ型窒化物半導体層を有してなるｐ側層が積層された構造であり、そのｐ側層において、電流阻止マトリクス層５が形成され、その電流阻止マトリクス層と活性層との間には第１ｐ型層が形成され、電流阻止マトリクス層の上には、第２ｐ型層が少なくとも形成されている。また、第２ｐ型層として電流拡散層を設けることがこのましく、更に、基板と活性層との間にミラー層を設けることが好ましく、より好ましくは、ミラー層を基板とｎ側層との間に設ける。
ｐ側電極１２０ａは、上述したように、電極枝が各発光部を囲むようにｐ側層表面に形成されるものである。本発明における電極の形状は、図２６に示すように、ストライプ状の電極枝を複数形成して、各電極枝を接合する結合部１７１が設けられたくし形の構造、図２８に示すような格子状等、さらには、ドット状、扇形状、円形状など、下方に位置する電流阻止マトリクス層の形状に対応させて様々な形状を適用できる。本発明では、発光部から多くの光を取りだし、上方への発光を高めることを目的としているため、好ましくは、図２６に示すストライプ状の発光部のように、１つの発光部の面積を大きくすることが可能な電極形状とすることが好ましい。
このような発光部の形状と関連して形状が決定されるｐ側電極２０ａ、１２０ａは、実施例に示すように、ｐ側層表面で該ｐ側層とオーミック接触して素子内部に電流を注入するためのオーミック電極である。通常、窒化物半導体発光素子では、このオーミック用のｐ側電極１２０ａとは別に、例えば、ワイヤーボンディングにより接続する発光素子にあっては、ボンティング用のｐパット電極１２２を形成して、そのｐパッド電極１２２をオーミック電極と電気的に接続する。このｐパット電極は、図２６〜２８に示すように、ｐ側層の上に設ける形でも良く、メタル配線してｐ側層の外部、例えばｎ側電極形成面１０２ｓに絶縁膜を介して設けたり、基板表面１０１ａ上に設けることもできる。
ｐ側層の上に形成する場合には、図２６に示すように、ｐ側パット電極１２２を、ｐ側電極１２０ａの一部が重なるように形成するしてもよいし、図２８に示すように、ｐ側電極１２０ａの上にｐ側パット電極１２２を形成してもよい。
ｎ側電極については、図２１，２６，２７に示すように、ボンディング用のパット電極と、ｎ側層とオーミック接触するオーミック用の電極とをほぼ同一の形状として、オーミック電極１２１とパット電極１１２ｂとを重ねて積層しても良いし、図２８に示すように、オーミック用のｎ側電極１２１を、パット電極１２４と異なる形状、異なる工程で積層して、形成してもよい。
図２８に示す形態では、ｎ側電極を形成するための電極形成面を素子の外周に沿って形成し、活性層を取り囲むようにｎ側電極１２１を形成している。そして素子の１つの隅部においてパッド電極１１２ｂを形成するための領域を設け、その部分においてｎ側電極１２１とパッド電極１１２ｂとを接続している。
また、本発明の発光素子では、図２８に示すように、ｐ側電極１２０ａにおいて外周縁電極部１７２が設けられて発光部が完全にｐ側電極により囲まれる構造と、図２６に示すように、発光部が完全にはｐ側電極１２０ａにより囲まれていない構造とがある。本発明では、いずれの電極構造であっても、図２６（ｂ）等に示すように、ｐ側電極を、ｐ側層の外周縁端部（側面）１５０〜１５４から離れて形成することが好ましく、特に、ｎ側電極１２１と近接する側面１５０とｐ側電極１２０ａとの距離１６０は、本発明において、電流注入、光取り出し等に影響を与える重要なファクターとなる。すなわち、実施例に示すように、基板の上に、ｎ側層、活性層、ｐ側層が積層されて、ｐ側層からエッチングなどにより、ｎ側層の一部を露出させて、ｎ側電極形成面１０２ｓを設けて、基板の上に、正負一対の電極が設けられる発光素子構造では、各電極形状、配置、及びｎ側電極形成面により露出されたｐ側層、活性層の側面１５０〜１５４の形状、ｎ側電極形成面の形状、さらには電流通過部の形状、配置は、電流経路、光取りだし効率に大きく影響を及ぼすものとなる。
このような場合、ｎ側電極近傍の側面１５０（外周縁端部）とｐ側電極との距離１６０は、少なくとも５μｍ以上、好ましくは１０μｍ以上とすることが好ましい。これは、５μｍ未満の距離まで、ｐ側電極枝が形成されると、ｎ側電極近傍の側面１５０付近に、多くの電流が流れる構造となり、発光部の均一な発光を妨げる傾向にあるからである。その距離を１０μｍ以上とすると、ｎ側電極近傍の側面１５０付近への電流集中を緩和でき、面内に広く広がった電流通過部全体に電流を通過させることができ、均一な発光が得られる。
特に、図２６〜２８に示すように、ｐ側層側から、活性層、ｎ側層の一部が除去されて、ｎ電極を形成する電極形成面が設けられ、正負一対の電極が、基板の同一面側に配置された構造において、上記距離１６０は、発光素子特性に大きな影響を与えることとなる。具体的には、発光領域側面１５０〜１５４の内、ｎ側電極近傍に位置する側面１５０（外周縁端部）とｐ側電極１２０ａとの距離が、他の側面１５１〜１５４（外周縁端部）とｐ側電極との距離より大きいことで、上記電流経路を面内に均一なものとでき、電流通過部５ｂ全体に電流を通過させることができ、発光部において均一性に優れた発光が得られる。これは、ｎ側電極に近い側面１５０は、上述した電流集中傾向があるため、他の側面１５１〜１５４よりも、ｐ側電極枝の距離を大きくして、電流集中を抑えることができるからである。ここで、側面１５０は、言うまでもなく、複数の発光領域側面が設けられた電極構造において、ｎ側電極１２１に最も近い距離にある側面であり、その近傍側面１５０は、図２６等では曲面形状を有しているが、図２１の電極構造では、２つの直交する側面がｎ側電極近傍の側面となる。従って、側面１５０が、曲面でなく図２１のように屈曲した２つの平面である場合には、その２つの平面ともｎ側電極近傍の側面となる。図２１，２６に示すように、オーミック電極とパット電極とが同一形状の場合には、近傍側面を明確に定義することができ、近傍側面が曲面であっても直交する平面であっても上述の説明は成り立つ。
しかしながら、図２８に示すように、オーミック電極１２１とパット電極１１２ｂが異なる形状となる場合においても結果としては同様のことが言える。すなわち、図２８の場合は、ｎ側パット電極１２４に近接する側面を近傍側面１５０と同様に考える。これは、同一面側に正負の電極が設けられた構造では、ボンディング用の電極は、オーミック用の電極１２１に比べて厚膜で形成されることから、図２７（ｂ）に示すように、このような厚膜のパット電極１２４は、発光領域側面からの光の出射を遮断し、光取りだし効率を低下させたり、側面からの光出射量に偏りが発生して、発光素子の指向性を低下させる傾向にある。従って、この図２８の構造であっても、近傍側面１５０とｐ側電極との距離１６０を、他の側面からの距離より大きく取ることで、ｎ側パット電極に遮蔽される光を少なくして、他の側面から効率的に素子外部に光を取り出せる発光素子構造となる。
ｐ側パット電極１２２は、上述したように、電極枝であるオーミック用のｐ側電極１２０ａに電気的に接合されて、主に素子上に配置されるものであるが、特に、図２１、２６〜２８に示すように、ｐ側層上にｐ側パット電極が形成される場合には、図２１のように、ｐ側パット電極の下面の全面がｐ側電極２０ａと接するようにｐ側電極２０ａの上にｐ側パット電極２２を重ねて形成する構造と、図２６，２８に示すように、ｐ側パット電極１２２とｐ側電極１２０ａとが部分的に重なるように形成する場合とがある。この２つの場合を比較すると、後者のように（図２７（ｂ）、図２８（ｂ）に示す）、第２ｐ型層上において、ｐ側パット電極１２２とｐ側電極１２０ａとが一部で重なる構造とすることにより、詳細後述するように、ｐ側パット電極１２２の光反射率が高いことを利用でき、前者に比べて、光取りだし効率を高めることが可能となる。
すなわち、上述したようにボンディング用のｐ側パット電極は、オーミック用の電極に比べて厚膜で形成される傾向にあるため出射光の大部分を遮蔽し、またボンディング時の密着性を高めるために大きな面積で形成されることから、発光領域からｐ側パット電極方向に伝搬する光の量が比較的多く、その光を外部に取り出すことが困難である。しかしながら、オーミック用の電極材料とパット電極の材料は、目的が異なることから通常は異なる材料で構成され、そのパッド電極用の材料は通常、光の反射率が高く、かつパット電極は厚く形成されることから、ｐ側電極１２０ａに比較してパット電極の光反射率が高くなる傾向にある。
この反射率の違いにより、ｐ側パット電極と第２ｐ型層との間に、大きな面積のｐ側電極１２０ａが設けられると、ｐ側電極１２０ａに吸収されることによる光損失も大きくなり、光取りだし効率を低下させることなる。これに対して、図２６〜２８のに示すように、ｐ側パット電極１２２とｐ側層１０７との間に設けられるｐ側電極１２０ａの面積を小さくして、ｐ側パット電極の一部がｐ側電極１２０ａの一部と重なるようにすると、別の見方をすれば、第２ｐ型層１２２の上に直接接するｐパッド電極の面積を大きくすると、ｐ側電極１２０ａによる光の損失を抑えて、ｐ側パット電極１２２により光を素子内部へ反射させ、さらに下の層（例えば、ミラー層）により反射させて外部への光取り出すことが可能となる。
このようにｐパッド電極による反射を利用して光の取り出し効率を向上させようとする場合、ｐ側パット電極の材料は、オーミック用のｐ側電極の材料に比較してより光に対する反射率の高いものを選択すると良いことはいうまでもない。具体的には、反射率の高いｐ側パット電極に用いられる材料としては、従来知られたパット電極材料、例えばＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈを用いることができ、好ましくは、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｒｈからなる群から選ばれる少なくとも１種を用いることであり、更に好ましくはＡｇ、Ａｌ、Ｐｔからなる群から選ばれる少なくとも１種を用いることである。これは、窒化物半導体発光素子として、特に多用される緑色〜青色（紫外域）の波長において、上記材料が優れた反射率を有するためである。ここで、各電極は、層構造で積層したものでも良く、複数の材料をからなる合金としても良い。ｐ側電極は、オーミック接触用であるために、従来知られたｐ型窒化物半導体との優れたオーミック性を実現する材料を用いることができる。
また、ｐ側パット電極１２２と第２ｐ型層表面との関係について言えば、図２６〜２８に示すように、ｐ側電極形成面１２２ａ表面に接して、ｐ側パット電極１２２が設けられていても良いが、透光性の膜などが介在していても良い。前者のように、ｐ側層表面に接して形成させる場合には、実施例などに示すように、ｐ型層とオーミック接触させずに、ショットキーバリアを形成するような材料、層構成とすることが好ましく、また透光性などの膜を介する場合には、絶縁膜とすることが好ましい。これにより、電流通過部に対応して設けられたｐ側電極枝を介して多くの電流を発光領域に注入することができ、ｐ側パット電極直下を流れる電流をなくし、従ってｐ側パット電極直下における発光を抑える素子構造とできる。また、ｐ側パット電極とｐ型層との間に介在させる膜としては、絶縁性で透光性を有する膜が好ましく、具体的な材料としては、上述した誘電体膜、酸化物膜を挙げることができる。
また、以上のように、ｐ側パット電極が、ｐ型層の上に設けられ、正負一対の電極が、ｎ型層露出面側に共に配置されるような構造である場合に、ｐ側パット電極直下の電流阻止マトリクス層には、電流阻止部が設けられていると、電流通過部が設けられている場合に比べて、光取りだし効率を高くできるため好ましい。これは、ｐ側パット電極は、上述したように、光遮蔽作用が強いため、その直下部の発光領域における発光を小さくする方が、ｐ型層表面を介して出射される光を多くできるためである。具体的には、図２６（ｃ）、２７（ｂ）に示すように、ｐ側パット電極１２２の直下部の領域１２２ａに、電流阻止部１０５ａが形成されていることで、その領域１２２ａでは、電流が阻止されるため、その下部の活性層における発光を抑えることができる。この時、図２７（ｂ）に示すように、ｐ側電極１２０ａが形成されていない被形成部（露出部）に設けられたｐ側パット電極１２２の下部の領域１２２ａに少なくとも電流阻止部１０５ｂが設けられることが好ましく、更に好ましくは、ｐ側パット電極１２２下部全体に渡る大きさで、電流阻止部を設けることにより電流を効果的に阻止できて、ｐ側パット電極直下の発光領域をなくすことができるからである。
また、本発明の発光素子において、電流阻止マトリクス層は、その電流通過部の形状、及び、電流通過部の形成方向によって、発光素子の発光効率、光取りだし効率は大きく影響を受ける。例えば、図２１に示すように、ｎ側電極２１とｐ側電極２０との間に、電流阻止マトリクス層が形成されていないような形態においては、電流通過部の形状、方向の違いによる発光効率への影響は小さいが、図２６〜２８に示すように、ｐ側電極とｎ側電極との間に、電流阻止マトリクス層が形成される場合には、電流通過部の形状、方向により発光効率が大きく依存する傾向にある。後者の場合、ｐ側パット電極とｎ側パット電極とを結ぶ方向が、電流通過部の長手方向に対し、平行とならずに交叉するように設けられた構造とすることが好ましく、これにより、ｐ側パット電極とｎ側パット電極とを結ぶ方向と電流通過部の長手方向とが平行な場合に比較して発光効率を大きくできる。
これは、ｐ側パット電極とｎ側パット電極との間を流れる電流は、その最短距離、すなわち、図２６、２８の平面図において、ｐ側パット電極とｎ側パット電極とを結ぶ対角線方向に多くの電流が流れるため、これに平行に電流通過部を設けると、対角線に近い位置の電流通過部、図２６においてＢ−Ｂ’線に近い電流通過部１０５ｂに電流が集中する傾向が強くなり、発光部における光の取り出しが偏ったものとなるが、図２６、２８に示すように、各電流通過部の長手方向がｐ側パット電極とｎ側パット電極とを結ぶ線の方向に交叉するような形状、方向とすることで、各電極の最短距離を分断するように、電流阻止部が設けられることとなり、電流マトリクス層による電流の分散性を高めることができる。これにより、発光部における光分布の均一性を高めることができる結果、光取りだし効率を大きくすることができる。この時、好ましくは、ｐ側パット電極とｎ側パット電極とを結ぶ線分内に、少なくとも１つの電流通過部、電流阻止部が設けられて、その線分と交叉していることが好ましい。ここで、各電極の内、パット電極間の線分、及びその方向を電流通過部の形状及びその長手方向とが影響し合うのは、オーミック電極の形状により電流の経路が変わるものの、オーミック電極よりパット電極の配置により電流経路が大きく依存するためである。また、各パット電極の配置は、図２１に示すように、発光素子内の一部に偏って配置される場合よりも、図２６、２８に示すように、パット電極間の距離が大きくなるように、例えば対角線上に配置された構造の方が、上記交叉による電流拡散効果が高くなる傾向にあり、好ましい。具体的には、図２６、２８に示すように、矩形状の発光素子チップに対して、対角線上であって、対向する角の近くに、それぞれ電極を配置した構造であることが好ましく、また、矩形状若しくは多角形の発光素子チップの対向する辺の近傍に、それぞれ電極を配置する構造であっても良い。具体的には、矩形の発光素子チップで、対向する２辺の各点の中点部、若しくは端部近傍に、電極をそれぞれ配置した構造であっても良い。
このように、本願は発光部４０から発光させる構造としていることから、発光部４０の表面には、封止部材１００若しくは大気を設けた構造とし、従来のような透光性の電極を設けないで、電極による光損失をなくした構造とすることが好ましい。すなわち、発光部４０表面には、図９、上述した屈折率を考慮した封止部材が設けられた発光装置とすることが好ましい。一方で、発光素子内部からの光の取り出しを更に高める目的で、発光部４０表面に透光性膜を形成することも可能である。この場合、従来の透光性電極とは異なり、電流注入は上記ｐ側電極１２０ａが担い、光取り出しは、発光部表面に設けられる透光性膜が担う構造とし、ｐ側層表面において、電極形成部と発光部とにより機能分離させた構造とすることが好ましい。このため、透光性膜は、従来の透光性電極のように光損失の大きな材料を用いて電流注入機能を担う必要がないため、高い透過率の透光性材料を用いることができ、具体的には絶縁性の透光性材料を用いることができる。ここでの透光性膜は、ｐ側電極と電気的に導通しない材料、若しくは構造とすることができる。透光性膜としては、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３などの誘電体膜、上記封止部材、窒化物などの従来知られた絶縁性の透光性膜を用いることができる。この時、ｐ側層を構成する多くの窒化物半導体、特に第２ｐ型層の窒化物半導体の屈折率より大きな屈折率の透光性膜を用いると、素子外部である透光性膜への光の伝搬が良好なものとなり、また、上記全反射角θｃを大きくでき、発光部からの光の取りだし効率を高めることができる。また、図９（ｄ）に示すように、第１の封止部材１００ｄが発光素子側に設けられ、その外部に第２の封止部材１００ｅが設けられる場合と同様に、透光性膜とその外部に設けられる封止部材との屈折率差を考慮することで、発光出力の良好な発光装置とできる。また透光性膜は半円球状、半円柱状などとして発光素子に設けることでも、透光性膜と封止部材との界面形状、すなわち発光素子外部（封止部材）への入射角小さく調節でき、光取りだし効率を高めることができる。
実施例．
［実施例１］
実施例１のＬＥＤとして、図２６（図２６Ｄ）及び図２７Ｃに示す発光素子を基に以下説明する。ここで、第１導電型層１１をｎ型層側とし、第２導電型層１２をｐ型層側とし、基板１０１には図２０、３０、３２、３３に示すように、基板に凹凸部１９０を設けた基板６０１を用いる。また、図２６Ｄは、図２６Ａ〜Ｃに示す発光素子に比して基板１０１を凹凸部１９０有する基板とした他はほぼ同じであり、図２７Ｃも同様に、図２７Ａ、Ｂと基板が異なる他は、各導電型層の層構成に変更がある他はほぼ同様であり、また図２６ＤのＣ−Ｃ’断面構造を示す模式図でもある。
（基板１０１）図２６Ｄに示す基板１０１として、窒化物半導体と異なる材料の異種基板とし、オリフラ面を（１１２０）Ａ面とし、（０００１）Ｃ面を主面とする２インチφのサファイア基板を用意し、凹凸部１９０を形成する。凹凸部１９０は、サファイア基板上に、ＳｉＯ２の保護膜を成膜した後、フォトリソグラフィー技術により、図３３に示す基本単位１９５の三角柱状の凸部１９２（図３３の基本単位１９５Ａの黒線に囲まれた白色領域）に対応した部分的な保護膜を、基本単位１９５を基本単位の各辺に並進させた別の基本単位１９５の各辺を設ける繰り返し周期配列で、ほぼ基板の全面にハニカム状（六角格子状）に基本単位１９５を並進・配列して形成し、ＲＩＥにより保護膜から露出された領域を約１μｍの深さでエッチングして、凹部１９１（溝部１９４）を形成して、凹凸部１９０を得る。ここで、図２０に示す各凸部１９２（図３３の基本単位１９５Ａの白色領域で示す凸部）の三角形は、一辺が５μｍの正三角形とし、凹部（図３３の基本単位１９５Ａの黒線で示す凹部もしくは溝部）は、溝部１９４とし、凸部１９２の間隔が約２μｍとなるように、すなわち、溝部１９１の幅が約２μｍとする。このとき、図２０Ｂに示すように、凹部１９１を構成する３方向の溝部の内、第１の溝部１９４Ａは、オリフラ面６０１ＡであるサファイアＡ面にほぼ垂直な方向（サファイアの＜００１０＞方向）とし、残り２方向の溝部１９４Ｂ、１９４Ｃは、溝部１９４Ａに約６０°傾斜（サファイアの＜１０００＞、＜０１００＞方向）させて形成し、これら３方向の溝部１９４Ａ〜Ｃに囲まれて凸部１９２の各辺が、サファイアのＭ面に平行な３つの面（例えば（−１ ０１０）面、（０１ −１ ０）面、（−１ １００）面に平行な面の組み合わせ）で形成される。従って、図２０Ｂに示すように、点線部１９５で示されるサファイアＭ面に対しほぼ平行な構成辺により多角形状の凹凸部１９０が形成され、基板面にほぼ垂直なｃ軸に配向して基板上に成長する六方晶系の窒化物半導体（ＧａＮ）は、ｃ軸でπ／６回転させた結晶方位を有するため、成長させたＧａＮのＡ面が、点線で示すサファイアのＡ面にほぼ平行となり、すなわち、３角形の構成辺は、ＧａＮのＭ面に交叉、若しくは傾斜した基板面内方向を有するものとなる。また、３角形状の凸部１９２は、三角格子状に配置された形態となる。
従って、凹部若しくは凸部の構成辺若しくは境界線が、基板の上に成長させた窒化物半導体（ＧａＮ）のＭ面｛１ −１ ００｝に対し、基板面内で交叉、傾斜する方向に形成されている。このことは、六方晶系の窒化物半導体の結晶成長時の安定面であるＭ面に傾斜したものとなる。このように、窒化物半導体の成長安定面に対し、傾斜、交叉する方向を有する構成辺若しくは境界線を少なくとも有する凹凸部が形成されることで、成長が安定し、その結果、結晶欠陥を低減させて、素子構造を積層することが可能となり、好ましい。窒化物半導体は、六方晶系に限らず、立方晶系のものを用いても良く、その場合も上記と同様に、成長安定面に対し、傾斜した方向の構成辺若しくは境界線が設けられることが好ましい。更に好ましくは、凹凸部の形状が、上記構成辺を有する多角形状若しくは、連続直線状に形成されていることで、上記結晶欠陥低減作用が好適に得られ、更に好ましくは互いに異なる方向を有する２つ以上の構成辺若しくは連続直線で構成することが、基板面内方向における成長（２次元成長）が良好となり、結晶欠陥低減作用が好適に発現される。
凹凸部１９０を有するサファイア基板をＭＯＶＰＥにより、下記に示す素子構造を構成する各層を積層する。
（下地層１１３）凹凸部１９０を有するサファイア基板の上に、バッファ層として、５１０℃にて１００ÅのＡｌ混晶比約０．１のＡｌＧａＮからなる低温成長バッファ層と、３μｍのアンドープＧａＮの下地層を形成する。この時、下地層により凹凸部１９０が平坦化されて、下地層表面ではほぼ平坦な面となる。これらバッファ層、下地層など、素子構造を形成する下地となる層は、基板の種類、成長条件、素子構造などにより省略することができる。
バッファ層としては、具体的にはＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）で表される組成の層を低温成長で形成し、３００℃以上９００℃以下の低温で膜厚５ｎｍ〜５００ｎｍ程度で成長させて、その上に成長させる単結晶の成長層は、このバッファ層よりも高温で形成する。また、本実施例に示すように、凹凸部を有する基板面に形成する場合にはＡｌ混晶比ｘが０＜ｘ＜１であること、好ましくは０＜ｘ＜０．５の層を形成することで平坦化が促進され、また成長不良が減少する傾向にあり好ましい。
下地層としては、具体的にはＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）で表される組成の窒化物半導体を、膜厚０．１μｍ以上１０μｍ以下で形成する。ＧａＮとすると結晶性が良好になる傾向にありその上の素子構造形成に好ましく、また、Ａｌ混晶比ｘが０＜ｘ＜１であること、好ましくは０＜ｘ＜０．５とするとピットの発生を抑えられる。また、発光波長が４１０ｎｍ以下の紫外域では、光吸収を押さえるためにＡｌ混晶比ｘを０．１以上とすると透明な層とでき好ましい。
また、第１導電型層１１の電極形成面（露出面）１１ｓと基板（凹凸部１９０）との距離は、好ましくは４μｍ以上、更に好ましくは６μｍ以上とすることで、光の反射・回折において、外部に光を取り出す効率を高めることができる。この時、基板は凹凸部を有していない場合にもこの効果が得られるが、特に、凹凸部１９０を有する基板を用いた場合には、第１導電型層露出面１１ｓからも好適に光が取り出されることができるため好ましい。
（ｎ型層１１）下地層１１３（図２７Ｃの点線部より基板側）の上に、第１導電型のｎ型層１１として、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮ、膜厚２．７μｍのｎ型コンタクト層（電極形成層）１０２と、その他のｎ側層１０２ａとして、膜厚０．３μｍのアンドープＧａＮ層、膜厚４５０ÅのＳｉドープＧａＮ層を形成する。（活性層１０３）アンドープのＩｎ０．１Ｇａ０．９０Ｎよりなる井戸層（５０Å）と、ＳｉドープしたＧａＮよりなる障壁層（１５０Å）と、を交互に６層ずつ積層し、最後の障壁層はアンドープで形成して、総膜厚１２００Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を形成する。
（ｐ型層１２）第２導電型層１２のｐ型層側に、活性層の上に、第１の窒化物半導体層１０４として、Ｍｇドープしたｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎを２００Åで形成したキャリア閉込め層１０４ａと、その上にＭｇドープＧａＮ層１０４を０．１μｍで形成する。第１の窒化物半導体層１０４の上に、電流狭窄層１０５として、アンドープのＡｌ０．４Ｉｎ０．０３Ｇａ０．５７Ｎを０．１μｍの膜厚で形成する。
形成した電流狭窄層１０５を図２５Ａ〜Ｃに示すように部分的に除去して開口部４１を形成する。先ず、ウエハをＭＯＣＶＤ反応容器から取り出してＣＶＤ装置に移送してＳｉＯ２からなる保護膜１８を成膜し、フォトリソグラフィー技術により、開口部の形状に保護膜１８を部分的に除去し（図２５Ａ）、続いて、ＩＣＰ装置にて保護膜１８の開口部の電流狭窄層５を、その第１の窒化物半導体層１０４の途中まで選択的に除去して、保護膜１８を除去して、開口部４１（５ｂ）と電流狭窄部５ａとを有する電流狭窄層１０５を形成する。この時、開口部４１は、図２６Ｃに示すようなストライプ状とし、この時、ストライプ幅は約４．５μｍ、間隔約６μｍで形成し、また図２６Ｃに示すようにｐ型層１２のパッド電極である第３の電極１２２の直下部の領域を覆うように電流狭窄部１０５ａを形成する。
その開口部４１を有する電流狭窄層１０５の上に、２段階目の成長として（図２５Ｃ）、第２の窒化物半導体層６を形成する。ここで、第２の窒化物半導体層１０６として、Ｍｇドープのｐ型ＧａＮ層を０．４μｍの膜厚で形成し、その上に、第２導電型層の電極形成層として、Ｍｇを１×１０２０ｃｍ−３ドープしたｐ＋型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１０７を膜厚１５０Åで形成する。
また上記第１の窒化物半導体層１０４と第２の窒化物半導体層１０６のＭｇ濃度は、ほぼ同一で１×１０１９ｃｍ−３とする。また、素子構造積層後に、ｐ型化のために、熱処理する。
以上のようにして、素子構造となる各層を積層した後、図２６Ａ、Ｄ、図２６Ｃに示すように、第１導電型層１１の一部が露出するまでエッチングで除去し、露出面１１ｓ（ｎ型コンタクト層の露出面１０２ｓ）を形成する。続いて、図に示すように、第２導電型層１２のオーミック用の電極となる第１の電極１２０を、第２導電型層の電極形成面１２ｓ（ｐ型コンタクト層１０７の表面１０７ｓ）に、ｐ型層１２の露出された側面１５０〜１５４から距離１６０ほど離間した領域のほぼ全面を覆うように、Ｎｉ（１００Å）、Ａｕ（１５００Å）とを積層し、図２６Ｂ、図２７Ｃに示すように、電流狭窄部１０５ａのほぼ直上に、ストライプ状の電極１２０ａ（２３）となるように、部分的に除去する。この時、電流拡散用２３の第１の電極部１２０ａは、ストライプ幅約２μｍで、図に示すように、ストライプ上の電流狭窄部１０５ａの直上に中央部を揃えて形成し、電流狭窄部１０５ａのストライプ両側から１μｍほど狭いストライプ状の電極部１２０ａ（２３）が形成される。また、開口部４１が設けられていない領域では、図に示すように、パッド用の第３の電極１２２に一部が重なるように第１の電極１２０が形成されている。続いて、ｎ型コンタクト層表面１０２ｓにも第１導電型層１１のオーミック用の電極１２１として、Ｔｉ（２００Å）、Ａｌ（８０００Å）を積層する。これら第１、２導電型層のオーミック用電極を形成した後、電極を熱処理してアニールし、更に、露出された第１、２導電型層表面１１ｓ、１２ｓ及び、露出された活性層（を含む凸部５１）の側面１５０〜１５４を覆う絶縁膜として、ＳｉＯ２を成膜し、続いて、第１、２導電型層のオーミック用電極表面上の絶縁膜を一部除去して、それら電極に電気的に接続するワイヤーボンディング用（パッド用）の電極として、Ｎｉ（０．１μｍ）、Ｔｉ（０．１μｍ）、Ａｕ（０．８μｍ）を積層して、形成する。
最後に、基板裏面を研磨して基板を薄くし、基板を分割して、１辺３００μｍ角のＬＥＤチップを得る。このようにして得られるＬＥＤチップは、図２６Ｄ、図２７Ｃに示すように、発光観測面（上面、基板主面）側から観測して、電極１２０ａの開口部（窓部）に対し、３方向の溝部１９４Ａ〜Ｃが形成され、その内１方向の溝部１９４Ａは、開口部の長手方向若しくは電極枝１２０ａの開口部側辺に沿うように、ほぼ平行な方向に形成され、他の２方向の溝部１９４Ｂ、Ｃは、開口部の長手方向若しくは開口部側辺の方向に交叉するように形成され、これら２方向の溝部１９４Ｂ、Ｃにより、開口部領域が、開口部の長手方向若しくは開口部側辺の方向に分断されている。また、基板表面に成長させた窒化物半導体層と、基板の凹凸部１９０との面方位関係は、ｃ軸配向してＣ面成長した六方晶系の窒化物半導体（ＧａＮ）であり、サファイア基板と窒化物半導体成長層とはｃ軸で３０°回転した面方位関係を有し、上記凹部（凸部）の各辺は、窒化物半導体のＡ面｛１１ −２ ０｝にほぼ平行となる。
このようにして得られる発光素子は、発光波長４００ｎｍで、２０ｍＡ時のＶｆが４．０Ｖで、出力２１．９ｍＷ、電力効率２７．６％、外部量子効率３５．６％となる。これは、比較例１に示す透光性の全面ｐ電極を用いた従来の発光素子に比べて、Ｖｆは大きくなるものの、出力は１１５％、電力効率は１２．５％、外部量子効率は１９．３％向上する。
［比較例１］
発光素子として、図２９に示す素子構造を作製する。ここで、図２９Ａは、発光素子を示す平面図であり、図２９ＢはＡ−Ａ’線についての断面図である。
実施例１と同様に、基板３０１の上に、バッファ層（図示せず）、ｎ型層３０３、活性層３０３まで形成した後、以下に示すｐ側クラッド層３０４、ｐ側コンタクト層３０７を形成する。
（ｐ側クラッド層３０４）
活性層３０３の上に、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを５×１０１９／ｃｍ３ドープしたｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる第１の層を４０Åの膜厚で成長させ、続いて温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇを用いＭｇを５×１０１９／ｃｍ３ドープしたＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎよりなる第２の層を２５Åの膜厚で成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、第１＋第２の順で交互に５層ずつ積層し、最後に第１の層を４０Åの膜厚で成長させた超格子構造の多層膜よりなるｐ側多層膜クラッド層３０５を３６５Åの膜厚で成長させる。
（ｐ側コンタクト層３０７）
続いて、１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなるｐ側コンタクト層を１２００Åの膜厚で成長させる。
以上の素子構造を形成する反応終了後、実施例１と同様に、アニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。
アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層３０７の表面に所定の形状のマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置でｐ側コンタクト層３０７側からエッチングを行い、図２９に示すようにｎ側コンタクト層３０２の表面を露出させ、電極形成面３０２ｓを形成する。
エッチング後、最上層にあるｐ側コンタクト層表面３２２ａのほぼ全面に膜厚２００ÅのＮｉとＡｕを含む透光性のｐ側電極３１１ａと、エッチングにより露出させたｎ型コンタクト層３０２の表面３０２ｓにはＷ（２００Å）とＡｌ（２０００Å）のｎ側電極３２１、そのｎ側電極３２１の上に、Ｐｔ（２０００Å）、Ａｕ（２０００Å）のｎ側パット電極３２４を形成する。その露出部にあるｐ側電極３２０の上にボンディング用のＡｕよりなるｐ側パット電極３２２を０．５μｍの膜厚で形成し、各電極をアニールする。続いて、実施例１と同様に、絶縁膜を表面のほぼ全面に形成し、ｐ側パット電極３２２、ｎ側パット電極３１２ｂ上の絶縁膜の一部を除去して、ボンディング面を露出させる。ウエハをチップ状に分割して、一辺３００μｍ角の発光素子を得る。
得られる発光素子は、発光波長４００ｎｍ、２０ｍＡ時のＶｆが３．４Ｖで、出力１０．２ｍＷ、電力効率１５．１％、外部量子効率１６．３％となる。
［実施例２］
実施例１において、基板１０１として、凹凸部１９０を設けていない基板を用いる他は、実施例１と同様にして発光素子を得る。得られる発光素子は、発光波長４００ｎｍ、２０ｍＡ時のＶｆが４．０Ｖで、出力１７．８ｍＷ、電力効率２２．４％、外部量子効率２９．０％となり、比較例１に比べて、Ｖｆは大きくなるものの、出力は７５％、電力効率は７．３％、外部量子効率は２９．０％向上する。
［実施例３］
実施例として、図１４に示す発光素子を作製し、このとき、第１導電型層１１をｎ型層、第２導電型層１２をｐ型層として形成するが、本発明はこれに限定されずこれとは逆に、第１導電型層をｐ型層、第２導電型層をｎ型層としてもよい。
（基板）
基板として、Ｃ面を主面とし、オリフラ面をＡ面とするサファイア基板からなる異種基板を反応容器内にセットし、温度を５１０℃にして、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、サファイア基板上に、ＧａＮよりなるバッファ層を２００Åの膜厚で成長させる。バッファ層成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させ、１０５０℃になったら、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、シランガスを用い、アンドープＧａＮよりなる下地層１３ａを５μｍの膜厚で成長させる。図６に示すように、その下地層１３ａの上にストライプ状のフォトマスクを形成し、ＣＶＤ装置によりストライプ幅６μｍ、開口部１４μｍのＳｉＯ２よりなるマスク１８を０．５μｍの膜厚で形成する。なお、マスクのストライプ方向はサファイアＡ面に対して垂直な方向とする。マスク形成後、ウェーハを反応容器に移し、１０５０℃にて、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなる横方向成長層１３ｂを１５μｍの膜厚で成長させる。
以下、この下地層１３の上に、図１４に示すように、素子構造を作製する。
（反射層１０）
下地層１３の上に、図１に示すように、１０５０℃で原料ガスにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ、アンモニアガスを用いアンドープのＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ（Ａ層１０ａ）、原料ガスをＴＭＧ、アンモニアガスとしてアンドープのＧａＮ（Ｂ層１０ｂ）、を交互に３対積層して（Ａ／Ｂ／Ａ／Ｂ／Ａ／Ｂ）、反射層１０を形成する。この時、各層の膜厚はλ／（４ｎ）である。
（発光素子構造）反射層１０を形成した後、１０５０℃で原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガスを用いてＳｉドープのＧａＮ、３μｍのｎ型コンタクト層２、以下同様にして、
活性層３：Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎよりなる障壁層（１００Å）、アンドープのＩｎ０．１１Ｇａ０．８９Ｎよりなる井戸層（５０Å）、障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層の順に積層して総膜厚５５０Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）
ｐ側クラッド層（第１の窒化物半導体層４）：Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ、膜厚４ｎｍの第３の層、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ、膜厚２．５ｎｍの第４の層とを、１対として、交互に５層ずつ、５対積層して、最後に第３の層を積層した超格子構造の多層膜
電流狭窄層５：アンドープのＡｌ０．１Ｉｎ０．０３Ｇａ０．８７Ｎ、１００ｎｍ
以上を積層下後、図４に示すように、マスク１８を設けてエッチングして一部を除去し、図１４に示すようにストライプ状の開口部４１を、幅２μｍ、長さ２００μｍで形成する。この時、開口部４１は、図に示すように、横方向成長層の低欠陥領域Ａ内に配置する。
次に、ｐ側コンタクト層（第２の窒化物半導体層６）として、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮを１μｍの膜厚で形成する。
続いて、ｎ型コンタクト層を一部露出させて電極形成面とし、ｐ型コンタクト層表面にＮｉ・Ａｕを含む透明電極（第１の電極２０）を膜厚２０ｎｍ、幅３μｍ、長さ２１０μｍで、開口部４１の全面を覆うストライプ領域を除いて形成する。露出させたｎ型コンタクト層にＷとＡｌを含むｎ電極２１を形成する。また、各電極にパッド電極２２、２３を設ける。
さらに、ｐ型コンタクト層６表面で、上記ストライプ領域の窓部４０に、ＺｎＯ２を上記条件式の膜厚で透光性膜３０を形成する。このようにして得られた発光素子チップを、図９Ａに示すように、リード電極５０１の反射部５０２のカップ内に、ダイボンディングし、透光性樹脂（エポキシ樹脂、屈折率１．５）でモールドして、ランプ型の発光装置とする。
［実施例４］
図２６の平面図及び図２７のＡ−Ａ’線の断面構造、Ｂ−Ｂ’線の断面構造に示す発光素子を元に実施例４について説明する。
サファイア（Ｃ面）よりなる基板１０１をＭＯＶＰＥの反応容器内にセットし、水素を流しながら、基板の温度を１０５０℃まで上昇させ、基板のクリーニングを行う。
（バッファ層） 続いて、温度を５１０℃まで下げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、基板１上にＧａＮよりなるバッファ層（図示せず）を約１００オングストロームの膜厚で成長させる。
（下地層１１３） バッファ層成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させる。１０５０℃になったら、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガスを用い、アンドープＧａＮ層１２０を２μｍの膜厚で成長させる。この下地層１１３の上に、第１導電型層１１となるｎ型層側を形成する。
（ｎ型層１０２［第１導電型層１１１］） 続いて１０５０℃で、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉを４．５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなるｎ型層１０２を、ｎ型層としてｎ側電極を形成するｎ側コンタクト層として、厚さ３μｍで成長させる。
（活性層１０３） 次に、ＳｉドープＧａＮよりなる障壁層を５０Åの膜厚で成長させ、続いて温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用いアンドープＩｎ０．３Ｇａ０．７Ｎよりなる井戸層を５０Åの膜厚で成長させる。そして障壁＋井戸＋障壁＋井戸・・・・＋障壁の順で障壁層を４層、井戸層を３層、交互に積層して、総膜厚３５０Åの多重量子井戸構造よりなる活性層１０３を成長させる。活性層の上に、下記に示す第２導電型層１２としてｐ型層側を形成する。
（ｐ側キャリア閉込め層［第１の窒化物半導体層４内の１層］１０４ａ） 次に、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを５×１０１９／ｃｍ３ドープしたＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎよりなるｐ側キャリア閉込め層１０４ａを、膜厚１００Åで成長させる。
（第１ｐ型層１０４［第１の窒化物半導体層］） 続いて、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇを用い、ｐ型不純物をドープしたＧａＮよりなる第１ｐ型層１０４を０．１μｍの膜厚で成長させる。
（電流阻止層１０５） 続いて、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、アンドープのＡｌ０．４Ｉｎ０．０５Ｇａ０．５５Ｎよりなる電流狭窄層１０５を膜厚６００Åで成長させる。
続いて、反応装置からウエハを取り出し、電流通過部５ａを形成して、電流阻止層を電流阻止マトリクス層とする。この工程について、図２５（ａ）〜（ｃ）を用いて、以下説明する。
先ず、ウエハをＣＶＤ装置にセットし、図２５（ａ）に示すように、電流阻止層５の上に、ＳｉＯ２からなるマスクを形成した後、フォトリソグラフィー技術により部分的にマスクを除去する。次に、ＩＣＰ装置にて、エッチングによりマスク１３開口部の電流阻止層５を選択的に除去し、図２５（ｂ）に示すように、電流阻止マトリクス層５ａと、電流通過部５ｂとを形成する。ここでは、電流通過部５ｂを形成する際に、図２７に示すように、電流阻止層１０５下の第１ｐ型層１０４を、約２００Åの深さで一部除去する。続いて、図２５（ｃ）に示すように、第２ｐ型層（電流拡散層、第２の窒化物半導体層）６などを形成し、素子構造の上に、選択的に発光部４０が設けられた電極枝２０ａを形成する。この時、電流阻止マトリクス層１０５は、電流通過部１０５ｂの幅を約３μｍ、電流阻止部１０５ａの幅を約５μｍとし、図２６Ｃ，図２７に示すように、ストライプ状の電流阻止部１０５ａと電流通過部１０５ｂとを、交互に設ける。
（第２ｐ型層［第２の窒化物半導体層１０６］） ウエハをＭＯＶＰＥの反応容器内にセットし、電流阻止マトリクス層１０５を形成した上に、２段階目の成長をさせて、以下の第２ｐ型層を形成する。先ず、第２ｐ型層として、ＭｇドープのＧａＮからなるｐ側層１０６ａを、膜厚０．１μｍの膜厚で形成する。
続いて、第２ｐ型層として、上記ｐ側層１０６ａの上に、電流拡散層１０６となるｐ側層を成長させる。電流拡散層１０６は、アンドープのＡｌ０．０５Ｇａ０．９５ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、続いて、ＭｇドープのＧａＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させ、Ａ層、Ｂ層を交互に１００回繰り返し、総膜厚０．５μｍの超格子多層膜を形成する。
最後に、第２ｐ型層として、表面にｐ側電極を形成するｐ側コンタクト層１０７を形成する。ｐ側コンタクト層１０７は、電流拡散層１０６の上に、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮを１５０Åの膜厚で成長させる。ｐ側コンタクト層１０７は電極を形成する層であるので、１×１０１７／ｃｍ３以上の高キャリア濃度とすることが望ましい。１×１０１７／ｃｍ３よりも低いと電極と好ましいオーミックを得るのが難しくなる傾向にある。さらにコンタクト層の組成をＧａＮとすると、電極材料と好ましいオーミックが得られやすくなる。
以上の素子構造を形成する反応を終了した後、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。素子構造を形成したウエハを装置から取り出し、以下に説明する電極形成工程を実施する。
アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層１２２の表面に所定の形状のマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置でｐ側コンタクト層１０７側からエッチングを行い、図２６、２７に示すようにｎ側コンタクト層１０２の表面を露出させて、電極形成面１０２ｓを形成する。この時、図２６Ａ〜Ｃに示すように、ｎ型層露出面１０２ｓ（第１導電型層露出面１１ｓ）形成により、ストライプ状の電流通過部１０５ｂの端部が、露出されたｐ型層、活性層側面（凸部５１側面）１５０〜１５４の一部に、達するように設けられ、もう一方の端部は、側面部分に電流阻止部１０５ａが設けられて、電流通過部１０５ｂを閉塞させている構造としている。すなわち、図２６Ｃに示すように、電流通過部１０５ｂの側面１５１〜１５３周縁部において、その側面に閉塞して電流阻止部１０５ａが形成されている結合部１８１が設けられ、他方、側面１５０、１５１の周縁部において、その側面に開口する開口部（窓部）１４０が設けられた構造となっている。更に、ｐ側パット電極形成部１２２直下の領域１２２ａは、図２６Ｃの点線で囲まれた領域１２２ａ、図２７Ｂの点線で囲まれた領域１２２ａに示すように、電流阻止部１０５ａが形成された構造となっている。
ｎ側電極形成面を露出させた後、図２５Ｄに示すように、第２ｐ型層６、ここではｐ側コンタクト層１０７表面に（第２導電型層１２の表面１２ｓ）、オーミック接触用のｐ側電極１２０ａを、電流通過部１０５ｂに対応して、選択的に電極が除去されてｐ側電極形成面が露出させて発光部１４０を形成する。ここでは、ｐ側電極１２０ａとして、Ｎｉ（１００Å）、Ａｕ（１３００Å）を順に積層して、Ｎｉ／Ａｕよりなるｐ側電極１２０ａを形成する。また、このｐ側電極１２０ａは、第２ｐ型層６、ｐ側コンタクト層１０７にオーミック接触させたオーミック電極であり、且つ電流をパッド部から第２導電型層表面１２ｓ面内に拡散させるように、側面１５０〜１５４方向に延伸させた拡散電極２３となる。この時、図２６Ａ，Ｂに示すように、形成された電極枝１２０ａは、ストライプ状の発光部（窓部１４０）の幅を約５μｍ、ストライプ状の電極枝１２０ａの幅を約３μｍとし、ストライプ状の発光部と電極枝を交互に形成する。発光部１１０は、図に示すように、その直下に電流通過部１０５ｂを設け、発光部のストライプ幅を、電流通過部のストライプ幅よりも大きくし、直下の電流通過部の周縁を囲むように、その電流通過部より大きな発光部を形成し、電流通過部の周縁に沿って電極枝を形成する。また、発光部１１０を囲む、若しくは挟む電極枝１２０ａは、ストライプ状の発光部において一方の端部１７１が電極１２０で結合され、各電極枝１２０ａを接合し、もう一方の端部１７０は、各電極枝が離間されるように開口された形状とする。また、図２６、２７Ｂに示すように、ｐ側パット電極１２２が形成される領域には、ｐ側電極１２０を一部だけ形成し、ｐ側パット電極１２２を、ｐ側コンタクト層表面１０７ｓの上に形成して、一部をｐ側電極１２０の上にわたって形成して、電気的に導通させる。この時、ｐ側パッド電極１２２が設けられるｐ側コンタクト層表面１０７ｓは、電極１２２とコンタクト層１０７とはオーミック接触させずに、ショットキー障壁が両者の間に形成されて、パット電極１２２形成部からは、直接素子内部に電流が流れずに、電気的に接続された電極枝を通って、電流を素子内部に注入する構造となる。
続いて、ｎ側コンタクト層１０２の露出させた電極形成面１０２ｓ（第１導電型層の電極形成面１１ｓ）に、ｎ側電極１２１としてＴｉ（２００Å）、Ａｌ（８０００Å）を積層して形成する。ここで、ｎ側電極１２１は、ｎ型層１１、ｎ側コンタクト層１０２にオーミック接触させたオーミック電極となる。オーミック用のｐ側電極１２０ａ、ｎ側電極１２１を形成した後、熱処理でアニールして、各電極をオーミック接触させる。この時得られるｐ側のオーミック電極１２０は、活性層の発光をほぼ透過しない不透光性膜となる。
続いて、上記ｐ側電極１２０ａ、ｎ側電極１２１の一部、若しくは全部を除く表面全体に、すなわち、電極形成面１０２ｓ、１２２ａ及びｎ側電極形成面露出時の側面などの素子表面全体に、ＳｉＯ２よりなる絶縁膜（図示せず）を形成する。絶縁膜形成後、絶縁膜から露出したｐ側電極１２０ａ、ｎ側電極１２１の表面に、それぞれボンディング用のパッド電極を形成して、各オーミック用の電極に電気的に導通させる。ｐ側パット電極１２２、ｎ側パット電極１１２４は、各オーミック用の電極の上に、Ｎｉ（１０００Å）、Ｔｉ（１０００Å）、Ａｕ（８０００Å）を積層して、それぞれ電気的に接続して形成する。
最後に、基板を分割して、１辺の長さが３００μｍのＬＥＤチップを得る。
得られるＬＥＤ素子は、発光波長４７０ｎｍの純青色発光で、比較例２の透光性電極をｐ側コンタクト層のほぼ全面に形成した発光素子に比べて、１．４倍の発光強度のものとなる。
［比較例２］
比較例１において、活性層までを実施例４と同様な素子構造とし、活性層から上の層の積層及び、積層後の電極構造などは、比較例１と同様として、発光素子を得る。得られる発光素子は、実施例４と同様に発光波長４７０ｎｍの純青色発光であり、２０ｍＡ時のＶｆ３．３Ｖ、出力８．７３ｍＷ、電力変換効率１３．１％のＬＥＤが得られる。
［実施例５］
実施例１の発光素子において、活性層を以下に示すものとする他は、実施例１と同様にして発光素子を作製する。
（活性層１０３）
ＳｉドープＧａＮよりなる障壁層を５０Åの膜厚で成長させ、続いて温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用いアンドープＩｎ０．１Ｇａ０．７Ｎよりなる井戸層を５０Åの膜厚で成長させる。そして障壁＋井戸＋障壁＋井戸・・・・＋障壁の順で障壁層を４層、井戸層を３層、交互に積層して、総膜厚３５０Åの多重量子井戸構造よりなる活性層１０３を成長させる。
得られる発光素子は、発光波長４００ｎｍで、比較例１に比べて、１．６倍の発光強度のものとなる。また、動作電流２０ｍＡ時の動作電圧（Ｖｆ）３．７Ｖ、出力１４．２ｍＷ、電力変換効率１９．１％であり、比較例２に比べて、Ｖｆは大きくなるものの、出力が６２％、電力変換効率が６％向上する。
また、参考例として、比較例２において、電極構造を実施例４と同様な構造とした発光素子では、２０ｍＡ時のＶｆが比較例２とほぼ同じ３．４Ｖであり、出力が２０％向上して１０．５ｍＷであり、電力変換効率が１５．５のものが得られる。
また、軸状（第２導電型層表面１１ｓにほぼ垂直な方向）における出力を比較したところ、比較例２は０．７１ｍＷ／ｓｒであり、これに比べて、本実施例５の出力は８６％向上した１．３２ｍＷ／ｓｒであり、また上記参考例では２２％向上した０．８７ｍＷ／ｓｒである。
［実施例６］
実施例５において、電流狭窄層１０５のストライプ状の開口部４１（電流通過部１０５ｂ）の幅を、３μｍ、６μｍ、９μｍと変化させる他は、実施例５と同様にして発光素子を得る。この時、電流阻止部５ａの幅は同一とする。得られる発光素子は、幅３，６，９μｍの発光素子特性において、電流密度（Ａ／ｃｍ２）が、それぞれ９５、６５、５５であり、出力（ｍＷ）が、それぞれ１３．１、１３．９、１３．８である。このことにより、電流通過部１０５ｂ（開口部５ｂ）の幅が狭くなると、電流密度が大きくなって出力が低下する傾向が観られ、これは電流阻止部５ａと通過部５ｂとの面積比（５ａ／５ｂ）が大きくなることにより、電流密度が増加し、一方光の取り出しにおいて、通過部（開口部４１）５ｂに対応してそれよりも幅広に設けられる窓部４０の面積、若しくは電極が形成された遮光領域の面積に対する比が小さくなることで出力が低下するものと考えられる。また、幅が広くなると、電流密度が小さくなって出力が向上する傾向が観られ、上記幅９μｍでは開口部中央部分が暗部となり、電流の回り込みが不十分なことにより中央部分下方に位置する活性層での発光がすくなることに依るものと考えられる。
このため、好ましい電流通過部のストライプ幅は、３μｍ以上９μｍ以下、更に好ましくは４μｍ以上８μｍ以下とする。
［実施例７］
実施例７として、図２８に示す発光素子を作製する。
実施例４と同様に、基板１０１の上に、バッファ層（下地層）１１３、ｎ型層１０２（第１導電型層１１１）、活性層２０３、ｐ側キャリア閉込め層（第１の窒化物半導体層４内の１層）１０４ａ、電流阻止マトリクス層１０５ａ、ｐ側層１０６ａ、ｐ側電流拡散層１０６、ｐ側コンタクト層１０７を積層して素子構造を形成する。この時、電流阻止マトリクス層１０５ａの形状は、実施例１と異なり、図２８Ｄに示すように、側面１５０〜１５４に達しない長さでストライプ状に電流通過部１０５ｂ（開口部４１）を形成し、外周縁電極部１７２の内部に形成し、長手方向を発光部の縦方向（Ａ−Ａ’線に垂直な方向）に平行とし、縦方向に配列された複数の発光部の列（１列）に対して、１つの電流通過部１０５ｂを設ける。電流通過部の幅は、実施例１と同様に、約３μｍとする。
続いて、実施例４と同様に、ｎ型層１０２の一部を露出させて、電極形成面１０２ｓを形成し、ｎ側電極形成面１０２ｓ、ｐ側電極形成面１０７ｓに、それぞれオーミック用のｎ側電極１２１、ｐ側電極１２０ａを形成する。この時、実施例４と異なり、ｐ側電極１２０ａは、格子状に電極枝を形成し、ドット状の発光部（窓部）１４０が格子間に配列された形状とし、更にｎ側電極形成面１０２ｓを露出させたことにより形成されたｐ側層、活性層側面の周縁部１５０〜１５４には、その周縁に沿って、外周縁電極部１７２が設けられ、この外周縁電極部１７２の内部に格子状の電極枝、ドット状の発光部が配置された形状とする。すなわち、実施例４と異なり、電極が側面の周縁部１５０〜１５４に開口する開口部（窓部）１４０を設けずに、全ての電極枝が周縁部で結合された結合部となるように、外周縁電極部１７２（図２８Ｃ内のハッチングされた領城）が設けられた形状とする。また、発光部の幅、電極枝の幅は、実施例１と同様に、それぞれ約５μｍ、約３μｍで形成し、実施例４のストライプ状の発光部を複数の発光部に区切るように、電極枝が格子状に形成される。この区切られた発光部の長さは、約８μｍとし、各発光部の長手方向における間隔は、電極枝の幅である３μｍとする。すなわち、縦８μｍ、横５μｍの長方形の発光部が、幅３μｍの電極枝を介して離間されて、縦横に配列された形状となる。
次に、実施例１と同様に、絶縁膜（図示せず）を設けて、絶縁膜の開口部に、ｐ側パット電極１２２、ｎ側パット電極１２４を形成する。この時、実施例４と異なり、ｐ側パット電極１２２の直下の領域にも、パット電極が形成されない領域と同様に、発光部１４０、電極枝１２０ａが形成される。また、オーミック用のｎ側電極１２１は、図２８Ａに示すように、活性層側面１５０〜１５４を囲むように形成する。また、実施例４と異なり、図２８Ｂ、Ｄに示すように、ｐ側パット電極１２２の直下にも、電流阻止部１０５ａと電流通過部１０５ｂが設けられた構造とする。
最後に、図２８Ａに示すように、基板１０１が露出するまでエッチングして露出面１０１ａをチップ形状に設け、実施例４と同様にチップ状にウエハを分割して発光素子を得る。
得られる発光素子は、実施例４に比較して、電極枝がｐ型層を覆う面積が大きいため、発光部の面積を小さくし、ｐ型層表面からの光取りだし効率が減少する。また、実施例４に比して、ｐ側電極１２０ａに外周縁電極部１７２が設けられているため、各電極枝への電流の分散を高めることができるものの、同一面側に正負一対の電極が設けられた発光素子において、ｎ側電極近傍の側面１５０近傍にも外周縁電極部が形成されること、すなわち、実施例４に比べて、近傍の側面１５０に近い電極面積が大きくなるため、近傍の側面１５０への電流集中傾向が大きくなり、ｐ型層表面における発光むらが実施例４よりも発生しやすい傾向にある。また、電流阻止マトリクス層が、実施例４に比べて、近傍の側面１５０において電流阻止部が形成されており、電流阻止部は、第１ｐ型層、第２ｐ型層よりも屈折率の小さい窒化物半導体を有することから、発光領域から側面１５０付近のｐ型層表面方向へ伝搬する反射させる傾向にあり、光取りだし効率が低下する傾向にある。
［実施例８］
実施例１で得られる発光素子チップを、図９Ｃに示すＣＡＮタイプのパッケージに実装して、更に、その発光素子の発光で励起する蛍光体をパッケージ内部に一部充填、スプレーコーティングして、白色光の発光装置を作製する。
先ず、実施例１の発光波長４００ｎｍのＬＥＤチップを、基体５０７に載置して、装置外部から電力を供給する電極端子となるリート電極と、ＬＥＤチップとを、発光装置内部で、ワイヤーボンディングにより電気的に接続する。続いて、蛍光体として、（Ｓｒ０．９３，Ｅｕ０．０５，Ｍｎ０．０２）１０（ＰＯ４）６Ｃｌ２蛍光体を用意する。ここで、この蛍光体は、３６５ｎｍの励起により色度座標が（ｘ，ｙ）＝（０．４１８，０．４００）となるものである。この蛍光体の粉体を、アルキルシリケートと高沸点有機溶剤とを所望の割合で混合してなるシリカゾル中に分散させた塗布液とし、図１０に示すように発光素子表面（露出面、側面、裏面）及び／又は基体表面にスプレーコーティングして、３００℃で２時間乾燥し、色変換層１００をチップ表面などに形成する。この時、ＬＥＤチップは基体に設けられた凹部内に載置されていても良い。次に、パッケージ内の水分を十分に排除した後、中央部に光を取り出す硝子窓部５０９を有する封止体５０８（リッド）にてシーム溶接して封止する。
このようにして得られる発光装置は、上記蛍光体が、２５０〜４３０ｎｍの波長域の励起光により、特に好ましくは３５０〜４００ｎｍの波長域で励起されることで、発光素子の発光の少なくとも一部で励起されて、白色発光する発光装置となる。
［実施例９］
図１に基づいて、面発光型のレーザ素子の実施例を以下に示す。
Ｃ面を主面とする２インチφのサファイアからなる基板１の上に、下地層１３として、５１０℃にて１００ÅのＡｌ混晶比約０．１のＡｌＧａＮからなる低温成長のバッファ層と、３μｍのアンドープＧａＮからなる下地層を形成し、その上に、反射層１０として、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ（Ａ層１０ａ）／アンドープのＧａＮ（Ｂ層１０ｂ）を１対として、交互に５対積層し、各層の膜厚をλ／（４ｎ）で形成する。
反射層の上に素子構造として、以下に示す層を積層する。ｎ型層２として、ＳｉドープのＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる膜厚２μｍのｎ型コンタクト層を形成し、その上に活性層３として、アンドープのＩｎ０．１Ｇａ０．９０Ｎよりなる井戸層（５０Å）と、ＳｉドープしたＧａＮよりなる障壁層（１５０Å）と、を交互に６層ずつ積層し、最後の障壁層はアンドープで形成して、総膜厚１２００Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を形成し、その上にｐ型層１２として、Ｍｇドープしたｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎを２００Åで形成したキャリア閉込め層と、その上にＭｇドープＧａＮ層（第１の窒化物半導体層４）を０．１μｍ、その上に電流狭窄層５として、アンドープのＡｌ０．４Ｉｎ０．０３Ｇａ０．５７Ｎを０．１μｍの膜厚で形成し、エッチングにより一部を層４が露出する深さで除去して、約１０μｍφの開口部４１を設け、続いて、電流狭窄層５及び開口部４１の上に、埋込層（第２の窒化物半導体層６）として、Ｍｇドープのｐ型ＧａＮ層を０．４μｍの膜厚で形成し、その上にＭｇを１×１０２０ｃｍ−３ドープしたｐ＋型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層を膜厚１５０Åで形成する。
続いて、ｎ電極を形成するｎ型層を円環状に露出させ、窓部３０として、ｐ型層１２の上に、ＳｉＯ２／ＴｉＯ２の誘電体多層膜からなる反射層を１２μｍφで開口部４１の直上に中心を同じにして形成し、その窓部の周囲を囲む円環状のｐ電極（Ｎｉ／Ａｕ）を形成し、更に凸部５１を囲む円環状露出面２ｓに円環状ｎ電極（Ｔｉ／Ａｌ）を形成して、さらにこれら正負電極に電気的に接続するボンディング用の電極をそれぞれ形成して、面発光型のレーザ素子とする。得られるレーザ素子は、窓部から波長４０５ｎｍの連続発振するレーザ光となる。
本実施例では、下地層を設けたが上述したように省略可能であり、更に、ｎ型層１１として、ｎ型コンタクト層を形成したが、反射層１０をｎ型層として形成することもでき、更にそのｎ型導電性の反射層１０の途中までエッチングで露出して電極形成面２ｓ設けること、すなわちｎ型コンタクト層を兼ねることもできる。さらに、窓部に誘電体多層膜の反射膜を用いたが、半導体多層膜を用いることもでき、更に、半導体多層膜をｐ型層に用いて、例えば、電流狭窄層の上に、埋込層（第２の窒化物半導体層６）の上、若しくは埋込層（第２の窒化物半導体層６）を兼ねてｐ型導電性の半導体多層膜を形成することができる。また、面発光型のレーザ素子を基板上に複数配列したアレイ状の面発光素子とすることもできる。
［実施例１０］
電流狭窄型のレーザ素子とする実施例として、図１に基づいて以下説明する。
実施例３と同様にして、基板１の上に、下地層１３として、低温成長バッファ層、ＥＬＯＧ層、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎバッファ層を形成し、下地層１３の上に、以下に示す素子構造を形成する。ここで、この下地層は、省略することもでき、また、ＥＬＯＧ層などの欠陥低減層は、ｎ型層とすることもでき、また、素子構造、例えばｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド層を兼ねることもできる。
ｎ型層１１として、下地層の上に、４μｍのＳｉドープＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなるｎ型コンタクト層、その上に２５ÅのアンドープのＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎと２５ÅのＳｉドープしたＧａＮとを交互に２００回積層した超格子多層膜よりなる光閉込めのクラッド層、クラッド層の上に０．１５μｍのアンドープのＧａＮよりなるｎ型光ガイド層を形成する。
ｎ型層１１の上に、活性層３として、１４０ÅのＳｉドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなる障壁層（Ｂ）と、５０ÅのアンドープＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎよりなる井戸層（Ｗ）とを、（Ｂ）／（Ｗ）／（Ｂ）／（Ｗ）の順に積層して最後に、１４０ÅのアンドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなる障壁層を積層して、総膜厚約４７０Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を形成する。
活性層３の上にｐ型層１２として、１００ÅのＭｇドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎよりなるｐ側キャリア閉込層、その上に０．１５μｍのアンドープＧａＮよりなるｐ側光ガイド層（第１の窒化物半導体層４）、その上に０．１μｍのアンドープＡｌ０．４Ｉｎ０．０３Ｇａ０．５７Ｎよりなる電流狭窄層５を形成し、約２μｍのストライプ状の開口部４１を電流狭窄層５に設け、その上に、２５ÅのアンドープＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎと２５ÅのＭｇドープＧａＮとを交互に９０回繰り返して積層し膜厚０．４５μｍの超格子多層膜からなるｐ型光閉込めクラッド層（第２の窒化物半導体層）を埋込層として開口部４１及び電流狭窄層５の上に形成し、その上に１５０ÅのＭｇドープしたｐ型ＧａＮを形成して素子構造とする。
ここでは、光閉込め層と光ガイド層とを別々に設けた導波路構造（ＳＣＨ構造）としたが、第１，２導電型層側のいずれか、若しくは両方のガイド層を省略して、光閉込めとキャリア閉込めとを担うクラッド層を設けた導波路構造とすることもできる。また、クラッド層とコンタクト層とを別々に設けたが、コンタクト層を省略してクラッド層がコンタクト層を兼ねる構造であっても良い。
ｎ型層を一部露出させて電極形成面２ｓ、ここではｎ型コンタクト層、を設け、ｎ型層、ｐ型層の表面に、それぞれｎ電極、ｐ電極を形成し、更に、各電極に電気的に接続するボンディング用の電極をそれぞれ設ける。ここで、ｐ電極は、図１とは異なり、開口部４１及び電流狭窄部の直上を覆うように設ける。
電極形成に続いて、ウエハをチップ状に分割して端面発光型のレーザ素子をえる。ここで、上記ｎ電極形成面露出時、若しくは別工程において、活性層端面を露出させ、共振器面を設けても、ウエハをチップ状に分割する際に分割面を共振器面として形成しても良く、出射側と反射側で分割面（例えば、窒化物半導体、ＧａＮのＭ面、Ａ面などの劈開面でも可能）、エッチング端面と異なる端面を形成する方法でも、いずれの方法でも良く、共振器面を形成して、更にそれら共振器面に、反射膜若しくは保護膜を設けても、設けなくても良い。ここでは、ｎ電極形成面露出時に、エッチング端面で共振器面を形成し、反射膜として、ＳｉＯ２とＴｉＯ２からなる誘電体多層膜を出射側、反射側に設ける。
得られるレーザ素子は、電流狭窄層によるストライプ状の開口部４１によりストライプ状の導波路が設けられ、発振波長４０５ｎｍのレーザ素子となる。
本実施例では、電流狭窄型のレーザ素子としているが、上記素子構造を形成して、エッチングによりストライプ状のリッジ導波路を形成して、屈折率導波路を設けても良く、例えば上記素子構造において電流狭窄層表面が露出する深さでエッチングして、すなわち活性層よりも上でリッジを形成して実効屈折率による導波路を設けても良い。このとき、リッジの幅は、開口部の幅よりも狭くしても、ほぼ等しくしても、広くしても良く、好ましくは、広くして、電流通過路の幅と異なり、それよりも幅広な屈折率導波路が形成されることで好適な端面発光型レーザ素子が得られる。この時、リッジの側面は、窒化物半導体を成長させて、反転型、ｉ型、半絶縁性の埋込層を形成しても良く、その他の屈折率差を有する材料であっても良く、例えばＳｉＯ２以外の材料、好ましくはＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物、ＳｉＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮの内の少なくとも一種で形成することが望ましく、その中でもＺｒ、Ｈｆの酸化物、ＢＮ、ＳｉＣを用いることが特に好ましい。
また、この実施例では、電流狭窄層のストライプ状の開口部は、端面に達するものとしているが、共振器面のいずれか一方の端面近傍、好ましくは、出射側の端面近傍に電流狭窄部を設ける、すなわち、端面に達しない長さで、端面に開口しない開口部を設けても良く、このように開口部が設けられると端面での光吸収を抑えて、端面（出射側）付近を非電流注入部としたレーザ素子とすることもできる。例えば、端面から１μｍ〜１０μｍを電流狭窄部として形成することができる。
［実施例１１］
実施例１において、基板に設けられた凹凸部の形状は、図３３の１９５Ａと同様とし、三角形状の凸部１９２Ａの大きさを大きくし、図２６Ｄに示す電極開口部の窓部の長手方向（電極枝１２０ａ）１９６にほぼ平行な溝部１９４Ａが、電極枝１２０ａの直下に位置し、隣り合う溝部１９４Ａの間隔が電極開口部の間隔と等しくなるようにして、発光観測面側から溝部１９４Ａが各電極枝１２０ａに隠れるようにする他は、実施例１と同様にして、発光素子を得る。得られる発光素子は、窓部長手方向に沿う溝部１９４Ａによる光取り出し作用が軽減され、更に、実施例１に比して、出力が低下する傾向にあり、更に、窓部長手方向に傾斜する方向の溝部１９４Ｂ，Ｃの内、一方を設けない形状とすると、溝部１９４による光取り出し作用が軽減と、構成辺の長さの総和が低下することにより、更に光出力が低下する傾向が観られる。
産業上の利用の可能性
本発明により得られる窒化物半導体発光素子は、発光面上方への光を積極的に、かつ効率的に取り出すことが可能となり、光取り出し効率向上、高出力化が可能な発光素子が得られる。また、電流狭窄構造を１つ、若しくは複数設けた構造となるため、微少領域の開口部に集中して電流を活性層に注入する構造とでき、高速応答性に優れた発光素子とでき、光通信に好適に利用できるものとなる。また、一方で、窒化物半導体は、ｐ型のキャリアを高濃度でドープした層が形成できず、面内の電流拡散が困難であったが、第２導電型層をｐ型層とすることで、電流狭窄層が面内への電流路を拡散する電流拡散の機能を担い、発光効率に優れた発光素子とできる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の一実施形態に係る素子構造を説明する模式断面図。
図２は、本発明の一実施形態に係る素子構造を説明する模式断面図。
図３は、本発明の一実施形態に係る素子構造を模式断面図。
図４は、本発明の一実施形態に係る電流狭窄構造の積層過程を説明する模式断面図。
図５は、本発明の一実施形態を説明する模式断面図。
図６は、本発明の一実施形態に係る横方向成長層の成長方法を説明する模式断面図。
図７は、従来の発光素子の電極配置を示す上面図（平面図）、及び素子構造を説明する模式断面図。
図８は、本発明の一実施形態を説明する上面図、及びそのＡＡ断面における模式断面図。
図９は、本発明の発光素子を用いた発光装置の実施形態を説明する模式断面図。
図１０は、本発明の一実施形態に係る素子構造及び封止部材による封止形態を説明する模式断面図。
図１１は、本発明に係る開口部と窓部との配置関係をｐｎ接合面５０において説明する模式図。
図１２は、本発明の一実施形態に係る電極配置などを説明する模式的な上面図。
図１３は、本発明の一実施形態を説明する模式的な斜視図。
図１４は、本発明の一実施形態を説明する模式断面図及び電極配置を説明する上面図。
図１５は、本発明の一実施形態を説明する模式断面図。
図１６は、本発明の一実施形態を説明する模式断面図。
図１７は、本発明の一実施形態に係る電極と開口部との配置を説明する模式的な斜視図。
図１８は、本発明の一実施形態に係る電極と開口部との配置を説明する模式的な斜視図。
図１９は、本発明の一実施形態に係る開口部と電極形状、及び配置などを説明する模式的な平面図。
図２０は、本発明の一実施形態にかかる基板と凹凸部の形状を説明する模式的な斜視図。
図２１は、本発明に係る実施の形態の窒化物半導体発光素子の構成を示す平面図である。
図２２は、図２１のＡ−Ａ’線についての模式断面図。
図２３は、図２２の断面図の一部を拡大して示す模式断面図。
図２４は、図２３の一部分を示す模式断面図。
図２５は、本発明の電流阻止部の製造方法を説明する模式断面図。
図２６は、本発明の一実施形態を説明する平面図Ａと、ｐ側電極枝Ｂ、電流阻止マトリクス層Ｃを取り出した平面図と、凹凸部有する基板を用いた形態に係る平面図Ｄである。
図２７は、図２６のＡ−Ａ’線についての模式断面図Ａ、Ｂ−Ｂ’線についての模式断面図Ｂ、Ｃ−Ｃ’線についての模式断面図Ｃである。
図２８は、本発明の一実施形態を説明する平面図Ａと、そのＡ−Ａ’線についての断面図Ｂ、ｐ側電極枝（第２導電側の拡散用電極）Ｃ、電流阻止マトリクス層Ｄを取り出した平面図である。
図２９は、従来の発光素子について説明する平面図Ａと、そのＡ−Ａ’線についての模式断面図である。
図３０は、本発明の一実施形態に係る凹凸部を有する基板とそれを用いた素子構造における光の伝搬を説明する模式断面図である。
図３１は、本発明の一実施形態に係る通常の基板とそれを用いた素子構造における光の伝搬を説明する模式断面図である。
図３２は、本発明の一実施形態に係る凹凸部を有する基板と窓部、電流狭窄層と光の伝搬について説明する模式的な斜視図である。
図３３は、本発明の一実施形態に係る基板の凹凸部の形状における基本単位を説明する模式的な平面図である。

Claims (5)

  1. 基板主面上に、第１導電型の窒化物半導体層を有する第１導電型層と、活性層と、第１導電型と異なる第２導電型の第１の窒化物半導体層を有する第２導電型層と、が積層された構造を有する窒化物半導体発光素子において、
    前記第２導電型層の上に、オーミック用の第１の電極と、電極開口部である窓部とが部分的に形成され、
    前記基板の表面が、凹凸部を有すると共に、前記窓部領域内で、該凹部と凸部との境界が設けられて、複数の凸部領域が形成されており、
    前記窓部領域内で、該凸部の構成辺の方向が、前記窓部の長手方向に傾斜して形成されているとともに、
    前記凹部は、幅広となる傾斜側面を有することを特徴とする窒化物半導体発光素子。
  2. 前記凹凸部は、基板の主面に有することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
  3. 前記凹凸部は、基板の主面と対向する裏面に有することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
  4. 前記第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層との間に、開口部を含み、第３の窒化物半導体層を含む電流狭窄層を有し、前記窓部直下に電流狭窄層の開口部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
  5. 前記第１導電型層の一部が露出されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
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