JP4130163B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体発光素子に関し、特に、プラズマ周波数の高い電極層を含む半導体発光素子に関する。
従来、半導体発光素子において、プラズマ周波数の高い金属を周期的な構造で形成することにより、表面プラズモン（電子振動）を励起することが可能であることが知られている（たとえば、非特許文献１参照）。このような表面プラズモン（電子振動）を効果的に利用することによって、発光効率や光取り出し効率を向上させることができる。
ここで、金属Ａと誘電体Ｂ（空気・真空も含む）との誘電率（εＡ、εＢ）の実部が逆符号である場合、εＡ＋εＢ＜０ならば、金属Ａと誘電体Ｂとの界面に垂直な２つの向きに指数関数的に減衰する強度を有する光波（電磁波）が存在する。その電磁波を表面プラズモンという。金属の誘電率εＡは、一般に、εＡ＝ε０（１−ωＰ ２／ω２）で表される。この式中、ε０は、真空の誘電率であり、ωは、光の周波数であり、ωＰは、プラズマ周波数と呼ばれる。誘電体Ｂが真空である場合、ωＳ＝ωＰ／２０．５より小さい角振動数で、表面プラズモンが存在する。ωＳは、一般に、可視あるいは紫外の波長範囲にある。
"Ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｏｆ ＩｎＧａＮ ｑｕａｎｔｕｍ−ｗｅｌｌ ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｔｏ ｓｉｌｖｅｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎｓ"，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．ＰＲＢ６０，１１５６４−１１５６７，１５ Ｏｃｔｏｂｅｒ １９９９
半導体発光素子において、短波長の光に対して表面プラズモンの効果を得るためには、銀やアルミニウムなどのプラズマ周波数の高い金属を用いる必要がある。
しかしながら、ＡｌＧａＩｎＮ系などの短波長の半導体発光素子において、ｐ型半導体層の表面上に表面プラズモン効果が得られる銀やアルミニウムの電極を形成すると、良好なオーミック接触を得ることが困難であるという問題点があった。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、良好なオーミック接触を得ながら、表面プラズモン効果を得ることが可能な半導体発光素子を提供することである。
課題を解決するための手段および発明の効果
この発明の一の局面による半導体発光素子は、発光層上に形成された半導体層と、半導体層上に形成された第１電極層と、第１電極層上に形成され、周期的な構造を有する第２電極層とを備えている。そして、第１電極層は、第２電極層よりも半導体層に対するオーミック接触が良好であり、第２電極層は、第１電極層よりもプラズマ周波数の高い金属を含み、第２電極層側を光の取り出し面とする。
この一の局面による半導体発光素子では、上記のように、発光層上に形成された半導体層上に、第２電極層よりも半導体層に対するオーミック接触が良好な第１電極層を設けるとともに、第１電極層上に第１電極層よりもプラズマ周波数の高い金属を含む周期的な構造を有する第２電極層を設けることによって、第１電極層により良好なオーミック接触を得ながら、第２電極層により表面プラズモン効果を得ることができる。
上記一の局面による半導体発光素子において、好ましくは、半導体層は、ｐ型の窒化物系半導体層であり、第１電極層は、そのｐ型の窒化物系半導体層に接触するように形成されている。このようにｐ型の窒化物系半導体層上に電極が形成される場合には、特に、オーミック接触を得ることが困難であるので、ｐ型の窒化物系半導体層に対して良好なオーミック特性を有する第１電極層を用いることにより、ｐ型の窒化物系半導体層と第１電極層との良好なオーミック接触を得ることができる。
上記一の局面による半導体発光素子において、好ましくは、第２電極層の周期的な構造は、周期的な凹凸形状である。このように構成すれば、容易に、第２電極層により表面プラズモン効果を得ることができる。なお、周期的な凹凸形状として、周期的に厚さが変化する構造であってもよい。
上記一の局面による半導体発光素子において、好ましくは、半導体層は、周期的な凹凸形状が形成された表面を含む。このように構成すれば、半導体層上に形成される第１電極層および第２電極層も周期的な凹凸形状になるので、容易に、第２電極層に表面プラズモン効果を得るための周期的な凹凸形状を形成することができる。
上記一の局面による半導体発光素子において、好ましくは、第１電極層は、第２電極層よりも小さい厚みを有する。このように構成すれば、第１電極層は透光性を有し、発光層で発光した光がオーミック接触の良好な第１電極層でそれほど減衰することなく、周期構造を有するプラズマ周波数の高い第２電極層に透過するので、第２電極層の表面側に表面プラズモンを十分に励起可能な強度の光を透過させることができる。
上記一の局面による半導体発光素子において、好ましくは、第１電極層は、Ｎｉ、ＰｄおよびＰｔのうちの少なくとも１つの材料からなり、第２電極層は、ＡｌおよびＡｇのうちの少なくとも１つの材料からなる。第１電極層および第２電極層として上記のような材料を用いれば、容易に、第１電極層により良好なオーミック接触を得ながら、第２電極層により表面プラズモン効果を得ることができる。
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子（ＬＥＤ）の構造を示した断面図である。図２は、図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の電極の周期的な構造を説明するための平面図である。図３は、図２の電極の周期的構造に対する逆格子を示した平面図である。図１〜図３を参照して、まず、周期的に形成した電極側を光の取り出し面とする第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の構造について説明する。
第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子では、図１に示すように、酸素やＳｉなどがドープされたｎ型ＧａＮ基板１の（０００１）Ｇａ面上に、約５μｍの厚みを有する単結晶のＳｉドープＧａＮからなるｎ型層２が形成されている。ｎ型層２上には、約０．１５μｍの厚みを有する単結晶のＳｉドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｎ型クラッド層３が形成されている。ｎ型クラッド層３上には、約５ｎｍの厚みを有する単結晶のアンドープＧａＮからなる６層の障壁層４ａと、約５ｎｍの厚みを有する単結晶のアンドープＧａ０．９Ｉｎ０．１Ｎからなる５層の井戸層４ｂとが交互に形成された多重量子井戸構造を有するＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）発光層４が形成されている。なお、ＭＱＷ発光層４は、本発明の「発光層」の一例である。ＭＱＷ発光層４上には、約１０ｎｍの厚みを有する単結晶のアンドープＧａＮからなる保護層５が形成されている。この保護層５は、ＭＱＷ発光層４のＩｎ原子が脱離するのを防止することより、ＭＱＷ発光層４の結晶品質が劣化するのを防止する機能を有する。
保護層５上には、約０．１５μｍの厚みを有する単結晶のＭｇドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型クラッド層６が形成されている。ｐ型クラッド層６上には、約０．３μｍの厚みを有する単結晶のＭｇドープＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎからなるｐ型コンタクト層７が形成されている。なお、ｐ型コンタクト層７は、本発明の「半導体層」の一例である。また、ｐ型コンタクト層７上には、約１ｎｍの厚みを有するＰｄからなるオーミック電極８、約２ｎｍの厚みを有するＡｇからなる電極９、および、約１ｎｍの厚みを有するＡｕからなる保護層１０がこの順番で形成されている。なお、オーミック電極８は、本発明の「第１電極層」の一例であり、電極９は、本発明の「第２電極層」の一例である。オーミック電極８は、ＭｇドープＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎからなるｐ型コンタクト層７との良好なオーミック接触を得るために設けられており、電極９と比較してｐ型コンタクト層７に対するオーミック特性が良好である。また、電極９は、表面プラズモンの効果を得るために設けられており、Ｐｄからなるオーミック電極８よりもプラズマ周波数の高い金属（Ａｇ）から形成されている。なお、保護層１０は、電極９の表面の酸化を抑制するために設けられている。
ここで、第１実施形態では、Ｐｄからなるオーミック電極８、Ａｇからなる電極９およびＡｕからなる保護層１０が、周期構造を有するように形成されている。オーミック電極８、電極９および保護層１０の周期的な構造は、図２に示すように、オーミック電極８、電極９および保護層１０が形成されていない円形形状部（円形孔）１５２を、三角格子状（２次元）に周期的に並べた構造を有している。すなわち、オーミック電極８、電極９および保護層１０は、図２に示した円形形状部（円形孔）１５２以外のハッチング（斜線）が施された領域１５１に形成されている。第１実施形態では、隣接する円形形状部（円形孔）１５２間の間隔Ｄを５００ｎｍ、円形形状部（円形孔）１５２の直径Ｒを３００ｎｍに設定している。また、ＭＱＷ発光層４からの発光波長を３８０ｎｍとして設計する。
また、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面の全面上には、基板側から、ＡｌまたはＡｇからなるオーミック電極と、ＰｔまたはＴｉなどからなるバリア金属と、ＡｕやＡｕ−Ｓｎなどからなるパッド金属とからなるｎ側電極１１が形成されている。なお、バリア金属は、オーミック電極とパッド金属との反応を抑制する機能を有する。また、パッド金属は、ＡｕやＡｕ−Ｓｎなどの融着しやすい金属により構成されている。
第１実施形態では、プラズマ周波数の高い金属（Ａｇ）からなる電極９を図２に示すような三角格子状に周期的に形成することによって、オーミック電極８および電極９と、ｐ型コンタクト層７との界面で誘電率が周期的に変化している。これにより、ＭＱＷ発光層４で発光した光により、表面プラズモンを励起することが可能となる。ここで、プラズマ周波数の低いＰｄからなるオーミック電極８とプラズマ周波数の低いＡｕからなる保護層１０とは、それぞれ、約１ｎｍの非常に小さい厚みで形成されているので、プラズマ周波数の高い金属（Ａｇ）からなる電極９の表面側近傍、および、保護層１０と保護層１０の表面の誘電体Ｂ（空気・真空も含む）との界面に励起される表面プラズモンに対して、オーミック電極８と保護層１０の影響は小さい。このため、オーミック電極８、電極９および保護層１０からなる電極の誘電率は、プラズマ周波数の高いＡｇからなる電極９の誘電率に近い値になる。
この場合、発光波長の角振動数をωＬ、Ａｇからなる電極９の誘電率をεＡ、誘電体Ｂ（空気・真空も含む）の誘電率をωＢとすると、励起される表面プラズモンの波数ｋＬは、ｋＬ ２＝（ωＬ／ｃ）２εＡεＢ／（εＡ＋εＢ）で近似的に与えられる。また、ｐ型コンタクト層７の屈折率をｎＣ、周期構造の逆格子ベクトルの大きさをΓ、ｐを整数、ＭＱＷ発光層４から発光した光がｐ型コンタクト層７とオーミック電極８との界面に入射する入射角をθＣとすると、ｎＣ（ωＬ／ｃ）ｓｉｎθＣ＝ｋＬ＋ｐΓを満たすθＣの光が表面プラズモンを励起することができる。また、励起された表面プラズモンは、誘電体Ｂ（空気・真空も含む）の屈折率をｎＢ、ｑを整数とすると、ｎＢ（ωＬ／ｃ）ｓｉｎθＢ＝ｋＬ＋ｑΓを満たす角度θＢで表面から光として出射される。ここで、Γは図３の任意の逆格子の絶対値で与えられる。なお、図３に示すように、逆格子は図２の三角格子を９０°回転した格子となる。そのうち最小のものは図３のＧとなる。
なお、ｐ型コンタクト層７と誘電体Ｂの屈折率で決まる臨界角をθＸとすると、入射角θＣが臨界角θＸより大きい場合には、界面に入射した光は、通常半導体の外に出射しないが、表面プラズモンを励起する場合には、θＢの出射角で、窒化物系半導体発光ダイオード素子（ＬＥＤ）から出射する。したがって、窒化物系半導体発光ダイオード素子の外部効率を向上させることが可能となる。
第１実施形態では、上記のように、ｐ型コンタクト層７上に、ｐ型コンタクト層７に対して良好なオーミック特性を有するＰｄからなるオーミック電極８を形成するとともに、そのオーミック電極８上に、オーミック電極８よりもプラズマ周波数の高いＡｇからなる周期構造を有する電極９を形成することによって、オーミック電極８により良好なオーミック接触を得ながら、電極９により表面プラズモン効果を得ることができる。
また、第１実施形態では、オーミック電極８の厚みを約１ｎｍと非常に小さくすることによって、ＭＱＷ発光層４で発光した光がオーミック電極８でそれほど減衰することなく、周期構造を有するプラズマ周波数の高いＡｇからなる電極９に透過するので、電極９の表面側に表面プラズモンを十分に励起可能な強度の光を透過させることができる。
次に、図１および図２を参照して、第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子（ＬＥＤ）の製造プロセスについて説明する。
まず、酸素ドープやＳｉドープなどが施された約２００μｍ〜約４００μｍの厚みを有する（０００１）Ｇａ面を有するｎ型ＧａＮ基板１を準備する。そして、ｎ型ＧａＮ基板１を、約１０００℃〜約１２００℃（たとえば、約１１５０℃）の単結晶成長温度に保持した状態で、Ｈ２およびＮ２からなるキャリアガス（Ｈ２の含有率は約５０％）と、ＮＨ３およびトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）からなる原料ガスと、ＳｉＨ４からなるドーパントガスとを用いて、ｎ型ＧａＮ基板１の（０００１）Ｇａ面上に、単結晶のＳｉドープＧａＮからなるｎ型層２を、約３μｍ／ｈの成長速度で約５μｍの厚みになるように成長させる。その後、ｎ型ＧａＮ基板１を、約１０００℃〜約１２００℃（たとえば、約１１５０℃）の単結晶成長温度に保持した状態で、Ｈ２およびＮ２からなるキャリアガス（Ｈ２の含有率は約１％〜約３％）と、ＮＨ３、ＴＭＧａおよびトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）からなる原料ガスと、ＳｉＨ４からなるドーパントガスとを用いて、ｎ型層２上に、単結晶のＳｉドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｎ型クラッド層３を、約３μ／ｈの成長速度で約０．１５μｍの厚みになるように成長させる。
次に、ｎ型ＧａＮ基板１を、約７００℃〜約１０００℃（たとえば、約８５０℃）の単結晶成長温度に保持した状態で、Ｈ２およびＮ２からなるキャリアガス（Ｈ２の含有率は約１％〜約５％）と、ＮＨ３、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）およびトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）からなる原料ガスとを用いて、ｎ型クラッド層３上に、単結晶のアンドープＧａＮからなる約５ｎｍの厚みを有する６層の障壁層４ａと、単結晶のアンドープＧａ０．９Ｉｎ０．１Ｎからなる約５ｎｍの厚みを有する５層の井戸層４ｂとを０．４ｎｍ／ｓの成長速度で交互に成長させることによりＭＱＷ発光層４を形成する。さらに、連続して、単結晶のアンドープＧａＮからなる保護層５を約０．４ｎｍ／ｓの成長速度で約１０ｎｍの厚みになるように成長させる。
その後、ｎ型ＧａＮ基板１を、約１０００℃〜約１２００℃（たとえば、約１１５０℃）の単結晶成長温度に保持した状態で、Ｈ２およびＮ２からなるキャリアガス（Ｈ２の含有率は約１％〜約３％）と、ＮＨ３、ＴＭＧａおよびＴＭＡｌからなる原料ガスと、Ｃｐ２Ｍｇからなるドーパントガスとを用いて、保護層５上に、単結晶のＭｇドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型クラッド層６を約３μｍ／ｈの成長速度で約０．１５μｍの厚みになるように形成する。
次に、ｎ型ＧａＮ基板１を、約７００℃〜約１０００℃（たとえば、約８５０℃）の単結晶成長温度に保持した状態で、Ｈ２およびＮ２からなるキャリアガス（Ｈ２の含有率は約１％〜約３％）と、ＮＨ３、ＴＥＧａおよびＴＭＩｎからなる原料ガスと、Ｃｐ２Ｍｇからなるドーパントガスとを用いて、ｐ型クラッド層６上に、単結晶のＭｇドープＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎからなるｐ型コンタクト層７を、約３μ／ｈの成長速度で約０．３μｍの厚みになるように形成する。
なお、ｐ型クラッド層６からｐ型コンタクト層７の結晶成長中に、キャリアガスの水素組成を低く（Ｈ２の含有率を約１％〜約３％）することによって、Ｎ２雰囲気中で熱処理することなく、Ｍｇドーパントを活性化して高キャリア濃度のｐ型半導体層（ｐ型クラッド層６およびｐ型コンタクト層７）を得ることが可能となる。
次に、ｐ型コンタクト層７上の全面にレジスト（図示せず）を形成した後、図２に示した円形形状部１５２以外の部分のレジストを露光および現像により除去する。すなわち、図２に示した円形形状部１５２のみにレジストを残す。この後、真空蒸着法を用いて、全面に約１ｎｍの厚みを有するＰｄからなるオーミック電極８、約２ｎｍの厚みを有するＡｇからなる電極９、および、約１ｎｍの厚みを有するＡｕからなる保護層１０を形成した後、リフトオフ法によりレジストを除去することによって、図１に示した周期構造（図２の三角格子状の周期構造）を有するオーミック電極８、電極９および保護層１０が形成される。
この後、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面の全面上に、真空蒸着法を用いて、ＡｌまたはＡｇからなるオーミック電極と、ＰｔまたはＴｉなどからなるバリア金属と、ＡｕやＡｕ−Ｓｎなどからなるパッド金属とを順次形成することによって、ｎ側電極１１を形成する。このようにして、図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子（ＬＥＤ）が形成される。
（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の構造を示した断面図である。図４を参照して、この第２実施形態では、上記した第１実施形態と異なり、プラズマ周波数の高い金属からなる電極のみを周期構造を有する構造に形成し、周期構造を有する電極側を光の取り出し面とする発光ダイオード素子について説明する。
すなわち、この第２実施形態では、図４に示すように、ｐ型コンタクト層７上の全面に、約１ｎｍの厚みを有するＰｔからなるオーミック電極１８が形成されている。オーミック電極１８上には、約３ｎｍの厚みを有するプラズマ周波数の高いＡｌからなる電極１９が図２に示した第１実施形態と同様の三角格子状の周期構造を有するように形成されている。また、Ｐｔからなるオーミック電極１８は、Ａｌからなる電極１９よりも、ＭｇドープＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎからなるｐ型コンタクト層７に対する良好なオーミック特性を有する。また、電極１９は、Ｐｔからなるオーミック電極１８よりもプラズマ周波数の高い金属（Ａｌ）からなる。なお、オーミック電極１８は、本発明の「第１電極層」の一例であり、電極１９は、本発明の「第２電極層」の一例である。また、電極１９およびオーミック電極１８を覆うように、数百ｎｍの厚みを有するＳｉＯ２膜からなる保護層２０が形成されている。また、保護層２０の開口部２０ａを介して、所定領域のオーミック電極１８および電極１９に接触するように、約１μｍの厚みを有するＡｕからなるパッド電極２１が形成されている。
なお、この第２実施形態では、プラズマ周波数の高いＡｌからなる電極１９は、図２に示した隣接する円形形状部（円形孔）１５２間の間隔Ｄを、３３０ｎｍに設定するとともに、円形形状部（円形孔）１５２の直径Ｒを、１７０ｎｍに設定する。この場合、発光層からの発光波長を３８０ｎｍとして設計する。
なお、第２実施形態における上記した構造以外の構造は、上記第１実施形態と同様である。
第２実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の製造プロセスとしては、ｐ型コンタクト層７を形成するまでの工程は、上記第１実施形態と同様である。この後、この第２実施形態では、図４に示すように、ｐ型コンタクト層７の全面上に、真空蒸着法を用いて、約１ｎｍの厚みを有するＰｔからなるオーミック電極１８を形成した後、リフトオフ法を用いて、プラズマ周波数の高い金属（Ａｌ）からなる電極１９を、図２に示した電極１９が形成されていない円形形状部（円形孔）１５２が三角格子状の周期構造になるように形成する。そして、ＳｉＯ２膜からなる保護層２０を全面に形成した後、所定領域に開口部２０ａを形成する。そして、その開口部２０ａを介して、オーミック電極１８および電極１９に電気的に接続するように、約１μｍの厚みを有するＡｕからなるパッド電極２１を形成する。その後に、第１実施形態と同様の製造プロセスを用いて、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面上に、ｎ側電極１１を形成する。
第２実施形態では、上記のように、ｐ型コンタクト層７上にオーミック特性の良好なＰｔからなるオーミック電極１８を全面に形成した後、オーミック電極１８上に三角格子状の周期構造を有するプラズマ周波数の高いＡｌからなる電極１９を形成することによって、オーミック電極１８により良好にオーミック接触を得ながら、電極１９により表面プラズモンの効果を得ることができる。
なお、第２実施形態のその他の効果は、上記した第１実施形態と同様である。
（第３実施形態）
図５は、本発明の第３実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子（ＬＥＤ）の構造を示した断面図である。図５を参照して、この第３実施形態では、ｐ型コンタクト層の表面に周期的な凹凸形状を形成し、凹凸形状を形成した側を光の取り出し面とする発光ダイオード素子について説明する。
すなわち、この第３実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子では、ＭｇドープＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎからなるｐ型コンタクト層３７の表面に、図２に示した三角格子状（２次元）の円形形状部（円柱形状の凸部または凹部）１５２を周期的に形成する。この場合、隣接する円形形状部（円柱形状の凸部または凹部）１５２間の間隔Ｄを６６０ｎｍとし、円形形状部（円柱形状の凸部または凹部）１５２の直径Ｒを３３０ｎｍとする。そして、発光層からの発光波長を３８０ｎｍとして設計する。なお、ｐ型コンタクト層３７は、本発明の「半導体層」の一例である。
このような周期的な凹凸形状を有するｐ型コンタクト層３７の表面を覆うように、約２ｎｍの厚みを有するＮｉからなるオーミック電極３８が形成されている。また、そのオーミック電極３８を覆うように、約３ｎｍの厚みを有するプラズマ周波数の高いＡｇからなる電極３９が形成されている。また、Ｎｉからなるオーミック電極３８は、Ａｇからなる電極３９よりも、ＭｇドープＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎからなるｐ型コンタクト層３７に対する良好なオーミック特性を有する。また、電極３９は、Ｎｉからなるオーミック電極３８よりもプラズマ周波数の高い金属（Ａｇ）からなる。なお、オーミック電極３８は、本発明の「第１電極層」の一例であり、電極３９は、本発明の「第２電極層」の一例である。
なお、上記した周期的な凹凸形状を有するｐ型コンタクト層３７の表面は、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術とを用いて容易に形成することができる。
この第３実施形態では、上記したように、三角格子状の周期的な凹凸形状を有するｐ型コンタクト層３７上に、オーミック電極３８および電極３９を形成することによって、オーミック電極３８の上面およびプラズマ周波数の高いＡｇからなる電極３９の下面が周期的な凹凸形状になる。これにより、ｐ型コンタクト層３７とオーミック電極３８との界面で誘電率が周期的に変化するので、発光層で発光した光を用いて、表面プラズモンを励起することができる。
また、第３実施形態では、凹凸形状を有するｐ型コンタクト層３７上に、ｐ型コンタクト層３７に対して良好なオーミック特性を有するＮｉからなるオーミック電極３８を形成するとともに、そのオーミック電極３８上に、オーミック電極３８よりもプラズマ周波数の高いＡｇからなる周期構造を有する電極３９を形成することによって、オーミック電極３８により良好なオーミック接触を得ながら、電極３９により表面プラズモン効果を得ることができる。
また、第３実施形態では、Ｎｉからなるオーミック電極３８の厚みを約２ｎｍと非常に小さくすることによって、ＭＱＷ発光層４で発光した光がオーミック電極３８でそれほど減衰することなく、周期構造を有するプラズマ周波数の高いＡｇからなる電極３９に透過するので、電極３９側に表面プラズモンを十分に励起可能な強度の光を透過させることができる。
なお、第３実施形態の上記した以外の効果は、第１実施形態と同様である。
（第４実施形態）
図６は、本発明の第４実施形態による半導体発光素子（半導体発光ダイオード素子（ＬＥＤ）または面発光型半導体レーザ素子）の構造を示した断面図である。図６を参照して、次に、第４実施形態による半導体発光素子の構造について説明する。
まず、この第４実施形態による半導体発光素子では、図６に示すように、（１１１）Ｇａ面を有するｎ型ＧａＰ基板、（１１１）Ｇａ面を有するｎ型ＧａＡｓ基板、または、（１１１）面を有するｎ型Ｓｉ基板からなるｎ型基板４１の（１１１）Ｇａ面または（１１１）面上に、ストライプ状の開口部または六角形や円形の点在する開口部を有するＳｉＯ２またはＳｉＮｘなどからなる選択成長マスク４２が形成されている。隣接する選択成長マスク４２間に露出されたｎ型基板４１の表面上には、約１０ｎｍ〜約５０ｎｍの厚みを有するＳｉドープの非単結晶のＧａＮ、ＡｌＧａＮまたはＡｌＮからなる低温バッファ層４３が形成されている。選択成長マスク４２および低温バッファ層４３を覆うように、約５μｍの厚みを有する単結晶のＳｉドープＧａＮからなるｎ型層４４が形成されている。ｎ型層４４上には、約４０ｎｍの厚みを有する単結晶のＳｉドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎと、約４０ｎｍの厚みを有する単結晶のＳｉドープＧａＮとを交互に１０層形成したｎ型多層反射膜４５が形成されている。なお、ｎ型多層反射膜４５を構成する各層の膜厚は、各層の屈折率をｍ、発光波長をλとすると、λ／（４ｍ）付近に設定するのが好ましい。
ｎ型多層反射膜４５上には、約０．１５μｍの厚みを有する単結晶のＳｉドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｎ型クラッド層４６が形成されている。ｎ型クラッド層４６上には、約５ｎｍの厚みを有する単結晶のアンドープＧａ０．８Ｉｎ０．２Ｎからなる井戸層により構成される単一量子井戸構造のＳＱＷ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）発光層４７が形成されている。なお、ＳＱＷ発光層４７は、本発明の「発光層」の一例である。このＳＱＷ発光層４７上には、約０．３μｍの厚みを有するアンドープＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎからなるコンタクト層４８が形成されている。なお、コンタクト層４８は、本発明の「半導体層」の一例である。
ここで、第４実施形態では、コンタクト層４８上の全面に、約１ｎｍの厚みを有するＰｔからなるオーミック電極４９が形成されている。オーミック電極４９上には、約３ｎｍの厚みを有するとともに、プラズマ周波数の高いＡｌからなる電極５０が形成されている。また、Ｐｔからなるオーミック電極４９は、Ａｌからなる電極５０よりも、アンドープＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎからなるコンタクト層４８に対する良好なオーミック特性を有する。また、電極５０は、Ｐｔからなるオーミック電極１８よりもプラズマ周波数の高い金属（Ａｌ）からなる。なお、オーミック電極４９は、本発明の「第１電極層」の一例であり、電極５０は、本発明の「第２電極層」の一例である。
また、電極５０は、電極５０が形成されていない部分が図２に示した円形形状部１５２になるように、三角格子状（２次元）の周期構造を有するように形成した。ここで、発光波長の角振動数をωＬ、コンタクト層４８の誘電率をεＣとすると、コンタクト層４８の表面、オーミック電極４９およびＡｌからなる電極５０の近傍部分に励起される表面プラズモンの波数ｋＬは、ｋＬ ２＝（ωＬ／ｃ）２・εＡεＣ／（εＡ＋εＣ）で与えられる。なお、図２に示した円形形状部１５２間の間隔Ｄは、表面プラズモンの波数ｋがｋ≒（２／３０．５）・（２π／Ｄ）を満たすように決定する。図３に示すように、第４実施形態で形成した二次元格子（三角格子）の最小の逆格子ベクトルの大きさＧは、Ｇ＝２（２／３０．５）・（２π／Ｄ）となる。上記のように、Ｇとｋとがほぼ一致しているので、波数ｋの表面プラズモンの定在波が形成されやすくなる。なお、この第４実施形態では、図２に示した三角格子状の隣接する円形形状部１５２の間隔Ｄを２３０ｎｍとし、直径Ｒを１２０ｎｍとしている。
なお、図６に示したプラズマ周波数の高いＡｌからなる電極５０を覆うように、数百ｎｍの厚みを有するＳｉＯ２膜からなる保護層５１が形成されている。また、保護層５１に設けられた開口部５１ａを介して、約１μｍの厚みを有するＡｕからなるパッド電極５２が形成されている。また、ｎ型基板４１の裏面上のほぼ全面に、ｎ側電極５３が形成されている。
この第４実施形態においても、アンドープＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎからなるコンタクト層４８上の全面に、コンタクト層４８に対して良好なオーミック特性を有するＰｔからなるオーミック電極４９を形成するとともに、そのオーミック電極４９上に、オーミック電極４９よりもプラズマ周波数の高いＡｌからなる周期構造を有する電極５０を形成することによって、オーミック電極４９により良好なオーミック接触を得ながら、電極５０により表面プラズモン効果を得ることができる。
また、第４実施形態では、Ｐｔからなるオーミック電極４９の厚みを約１ｎｍと非常に小さくすることによって、ＳＱＷ発光層４７で発光した光がオーミック電極４９でそれほど減衰することなく、周期構造を有するプラズマ周波数の高いＡｌからなる電極５０に透過するので、電極５０の表面側に表面プラズモンを十分に励起可能な強度の光を透過させることができる。
なお、第４実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
次に、図６を参照して、第４実施形態の製造プロセスを説明する。まず、（１１１）Ｇａ面を有するｎ型のＧａＰ基板、（１１１）Ｇａ面を有するｎ型のＧａＡｓ基板、または、（１１１）面を有するｎ型のＳｉ基板からなるｎ型基板４１の（１１１）Ｇａ面または（１１１）面上に、ストライプ状の開口部、または、六角形や円形の点在する開口部を有するＳｉＯ２膜またはＳｉＮｘ膜などからなる選択成長マスク４２を形成する。次に、ｎ型基板４１を、約４００℃〜約７００℃の温度に保持した状態で、ＮＨ３とＴＭＧａまたはＴＭＡｌとからなる原料ガスと、ＳｉＨ４からなるドーパントガスとを用いて、Ｓｉドープの非単結晶のＧａＮ、ＡｌＧａＮまたはＡｌＮからなる低温バッファ層４３を、約１０ｎｍ〜約５０ｎｍの厚みで形成する。その後、ｎ型基板４１を、約１０００℃〜約１２００℃（たとえば、約１１５０℃）の単結晶成長温度に保持した状態で、Ｈ２およびＮ２からなるキャリアガス（Ｈ２の含有率は約５０％）と、ＮＨ３およびＴＭＧａからなる原料ガスと、ＳｉＨ４からなるドーパントガスとを用いて、低温バッファ層４３上および選択成長マスク４２上に、単結晶のＳｉドープＧａＮからなるｎ型層４４を、約３μｍ／ｈの成長速度で約５μｍの厚みを有するように形成する。
その後、ｎ型基板４１を、約１０００℃〜約１２００℃（たとえば、約１１５０℃）の単結晶成長温度に保持した状態で、Ｈ２およびＮ２からなるキャリアガス（Ｈ２の含有率は約１％〜約３％）、ＮＨ３、ＴＭＧａおよびＴＭＡｌからなる原料ガスと、ＳｉＨ４からなるドーパントガスとを用いて、ｎ型層４４上に、約４０ｎｍの厚みを有する単結晶のＳｉドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層と、約４０ｎｍの厚みを有する単結晶のＳｉドープＧａＮ層とをそれぞれ交互に１０層ずつ約３μｍ／ｈの成長速度で成長させることによって、ｎ型多層反射膜４５を形成する。
その後、ｎ型基板４１を、約１０００℃〜約１２００℃（たとえば、約１１５０℃）の単結晶成長温度に保持した状態で、Ｈ２およびＮ２からなるキャリアガス（Ｈ２の含有率は約１％〜約３％）と、ＮＨ３、ＴＭＧａおよびＴＭＡｌからなる原料ガスと、ＳｉＨ４からなるドーパントガスとを用いて、ｎ型多層反射膜４５上に、単結晶のＳｉドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｎ型クラッド層４６を約３μｍ／ｈの成長速度で約０．１５μｍの厚みになるように形成する。
次に、ｎ型基板４１を、約７００℃〜約１０００℃（たとえば、約８５０℃）の単結晶成長温度に保持した状態で、Ｈ２およびＮ２からなるキャリアガス（Ｈ２の含有率は約１％〜約５％）と、ＮＨ３、ＴＥＧａおよびＴＭＩｎからなる原料ガスとを用いて、ｎ型クラッド層４６上に、単結晶のアンドープＧａ０．８Ｉｎ０．２Ｎからなる井戸層を約０．４ｎｍ／ｓの成長速度で約５ｎｍの厚みを有するように成長させることにより、ＳＱＷ発光層４７を形成する。さらに、連続して、アンドープＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎからなるコンタクト層４８を約３μｍ／ｈの成長速度で約０．３μｍの厚みになるように形成する。
その後、ｎ型基板４１を、約４００℃〜約９００℃（たとえば、約８００℃）のアニール温度に保持した状態で、成長装置内をＮ２雰囲気にして、窒化物系半導体をアニールすることによって、窒化物系半導体中の水素濃度を５×１０１８ｃｍ−３以下に低下させる。その後、ドーパントガスとしてのＣｐ２Ｍｇを、Ｎ２をキャリアガスとして流し、主として、コンタクト層４８中に、Ｍｇを、１×１０１８〜１×１０１９ｃｍ−３だけ拡散させることによって、コンタクト層４８をｐ型化する。
そして、そのｐ型化したコンタクト層４８上の全面に、Ｐｔ層からなるオーミック電極４９を約１ｎｍの厚みで形成する。そして、オーミック電極４９上に、リフトオフ法を用いて、図２に示したような三角格子状の円形形状部（円形孔）１５２を有するプラズマ周波数の高いＡｌからなる電極５０を約３ｎｍの厚みで形成する。そして、全面を覆うように、数百ｎｍの厚みを有するＳｉＯ２膜からなる保護層５１を形成する。そして、保護層５１に開口部５１ａを形成した後、オーミック電極４９および電極５０に接触するように、Ａｕからなるパッド電極５２を約１μｍの厚みで形成する。この後、真空蒸着法を用いて、ｎ型基板４１の裏面上のほぼ全面に、ｎ側電極５３を形成する。
なお、第４実施形態では、ｋ≒（２／３０．５）・（２π／Ｄ）を満たすようにＤを決定したが、Γを図３の任意の逆格子ベクトルの大きさとすると、ｋ≒Γとなるように決定してもよい。
（第１参考形態）
図７は、本発明の第１参考形態による導波路構造を有する窒化物系半導体レーザ素子の構造を示した断面図であり、図８は、図７の２００−２００線に沿った断面図である。図７および図８を参照して、この第１参考形態では、本発明を、導波路構造を有する窒化物系半導体レーザ素子に適用した場合の例について説明する。
この第１参考形態による窒化物系半導体レーザ素子では、図７に示すように、酸素ドープまたはＳｉドープなどが施された約２００μｍ〜約４００μｍの厚みを有するｎ型ＧａＮ基板６１の（０００１）Ｇａ面上に、約５μｍの厚みを有する単結晶のＳｉドープＧａＮからなるｎ型層６２が形成されている。ｎ型層６２上には、約０．１５μｍの厚みを有する単結晶のＳｉドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｎ型クラッド層６３が形成されている。このｎ型クラッド層６３は、中央部に凸部を有するように形成されている。このｎ型クラッド層６３の凸部上には、約５ｎｍの厚みを有する単結晶のアンドープＧａＮからなる６層の障壁層と、約５ｎｍの厚みを有する単結晶のアンドープＧａ０．９Ｉｎ０．１Ｎからなる５層の井戸層とが交互に形成された多重量子井戸構造を有するＭＱＷ発光層６４が形成されている。なお、ＭＱＷ発光層６４は、本発明の「発光層」の一例である。ＭＱＷ発光層６４上には、約５ｎｍの厚みを有する単結晶のＭｇドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる保護層６５が形成されている。保護層６５上には、約５ｎｍの厚みを有する単結晶のＭｇドープＧａＮからなるｐ型コンタクト層６６が形成されている。なお、ｐ型コンタクト層６６は、本発明の「半導体層」の一例である。ｎ型クラッド層６３の凸部、ＭＱＷ発光層６４、保護層６５およびｐ型コンタクト層６６によって、リッジ部が構成されている。
ここで、この第１参考形態では、リッジ部（ｐ型コンタクト層６６）上に、図８に示すように線状（１次元）の周期構造を有するｐ側電極層７２が形成されている。このｐ側電極層７２は、ｐ型コンタクト層６６の上面上にオーミック接触するように形成された約１ｎｍの厚みを有するＰｄからなるオーミック電極６８と、オーミック電極６８上に形成された約２００ｎｍの厚みを有するプラズマ周辺数の高いＡｇからなる電極６９と、電極６９上に形成された約１００ｎｍの厚みを有するＩＴＯなどからなるバリア層７０と、バリア層７０上に形成された約１００ｎｍの厚みを有するＡｕからなるパッド電極７１とから構成されている。また、Ｐｄからなるオーミック電極６８は、Ａｇからなる電極６９よりも、ＭｇドープＧａＮからなるｐ型コンタクト層６６に対する良好なオーミック特性を有する。また、電極６９は、Ｐｄからなるオーミック電極６８よりもプラズマ周波数の高い金属（Ａｇ）からなる。なお、オーミック電極６８は、本発明の「第１電極層」の一例であり、電極６９は、本発明の「第２電極層」の一例である。ここで、ｐ型コンタクト層６６の表面、オーミック電極６８およびＡｇからなる電極６９の近傍部分は、表面プラズモンに対して、ストライプ状の導波路として作用する。
なお、バリア層７０は、オーミック電極６８とパッド電極７１との反応を抑制するために設けられている。これにより、プラズマ周波数の低下が抑制されるとともに、光吸収の増加も抑制される。
ここで、発光波長の角振動数をωＬ、ｐ型コンタクト層６６の誘電率をεＣすると、ｐ型コンタクト層６６の表面、オーミック電極６８およびＡｇからなる電極６９の近傍部分に励起される表面プラズモンの波数ｋＬは、ｋＬ ２＝（ωＬ／ｃ）２・εＡεＣ／（εＡ＋εＣ）で与えられる。また、この第１参考形態では、ｋＬ≒２π／Ｄとなるように、１次元の周期（図８の隣接するｐ側電極層７２の間隔）Ｄを決定する。この場合、１次元格子の最小の逆格子ベクトルの大きさＧは、Ｇ＝（２π／Ｄ）となる。このように、ＧとｋＬとがほぼ一致しているので、波数ｋＬの表面プラズモンの定在波が導波路中にストライプ方向に形成されやすくなる。なお、この第１参考形態では、１次元格子の周期Ｄを１７０ｎｍとしている。この表面プラズモンの定在波はリッジのストライプ端面より、レーザ光として出射される。
また、ｎ型ＧａＮ基板６１の裏面上には、基板側から、Ａｌからなるオーミック電極、ＰｔまたはＴｉなどからなるバリア金属、および、ＡｕやＡｕ−Ｓｎなどからなるパッド電極により構成されるｎ側電極７４が形成されている。
第１参考形態では、上記のように、線状（１次元）に周期的にプラズマ周波数の高いＡｇからなる電極を形成することによって、ＭＱＷ発光層６４で発光した光を用いて、表面プラズモンを励起することができる。
また、第１参考形態では、ｐ型コンタクト層６６上に、ｐ型コンタクト層６６に対して良好なオーミック特性を有するＰｄからなる線状（１次元）の周期構造を有するオーミック電極６８を形成するとともに、そのオーミック電極６８上に、オーミック電極６８よりもプラズマ周波数の高いＡｇからなる線状（１次元）の周期構造を有する電極６９を形成することによって、オーミック電極６８により良好なオーミック接触を得ながら、電極６９により表面プラズモン効果を得ることができる。
また、第１参考形態では、Ｐｄからなるオーミック電極６８の厚みを約１ｎｍと非常に小さくすることによって、ＭＱＷ発光層６４で発光した光がオーミック電極６８でそれほど減衰することなく、周期構造を有するプラズマ周波数の高いＡｇからなる電極６９に透過するので、Ｐ型コンタクト層６６の表面、オーミック電極６８およびＡｇからなる電極６９の近傍部分に表面プラズモンを十分に励起可能な強度の光を透過させることができる。
次に、図７および図８を参照して、第１参考形態の導波路構造を有する窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスについて説明する。まず、約２００μｍ〜約４００μｍの厚みを有する酸素ドープまたはＳｉドープなどが施された（０００１）Ｇａ面を有するｎ型ＧａＮ基板６１を準備する。その後、ｎ型ＧａＮ基板６１を、約１０００℃〜約１２００℃（たとえば、約１１５０℃）の単結晶成長温度に保持した状態で、Ｈ２およびＮ２からなるキャリアガス（Ｈ２の含有率は約５０％）と、ＮＨ３およびＴＭＧａからなる原料ガスと、ＳｉＨ４からなるドーパントガスとを用いて、ｎ型ＧａＮ基板６１の（０００１）Ｇａ面上に、単結晶のＳｉドープＧａＮからなるｎ型層６２を、約３μｍ／ｈの成長速度で、約５μｍの厚みになるように形成する。その後、ｎ型ＧａＮ基板６１を、約１０００℃〜約１２００℃（たとえば、約１１５０℃）の単結晶成長温度に保持した状態で、Ｈ２およびＮ２からなるキャリアガス（Ｈ２の含有率は約１％〜約３％）と、ＮＨ３、ＴＭＧａおよびＴＭＡｌからなる原料ガスと、ＳｉＨ４からなるドーパントガスとを用いて、ｎ型層６２上に、単結晶のＳｉドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｎ型クラッド層６３を、約３μｍ／ｈの成長速度で、約０．１５μｍの厚みになるように形成する。
次に、ｎ型ＧａＮ基板６１を、約７００℃〜約１０００℃（たとえば、約８５０℃）の単結晶成長温度に保持した状態で、Ｈ２およびＮ２からなるキャリアガス（Ｈ２の含有率は約１％〜約３％）と、ＮＨ３、ＴＥＧａおよびＴＭＩｎからなる原料ガスとを用いて、ｎ型クラッド層６３上に、単結晶のアンドープＧａＮからなる約５ｎｍの厚みを有する６層の障壁層と、単結晶のアンドープＧａ０．９Ｉｎ０．１Ｎからなる約５ｎｍの厚みを有する５層の井戸層とを、約０．４ｎｍ／ｓの成長速度で交互に成長させることによって、ＭＱＷ発光層６４を形成する。さらに、連続して、単結晶のＭｇドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる保護層６５を、約０．４ｎｍ／ｓの成長速度で約５ｎｍの厚みになるように形成する。
その後、ｎ型ＧａＮ基板６１を、約１０００℃〜約１２００℃（たとえば、約１１５０℃）の単結晶成長温度に保持した状態で、Ｈ２およびＮ２からなるキャリアガス（Ｈ２の含有率は約１％〜約３％）と、ＮＨ３、ＴＭＧａおよびＴＭＡｌからなる原料ガスと、Ｃｐ２Ｍｇからなるドーパントガスとを用いて、保護層６５上に、単結晶のＭｇドープＧａＮからなるｐ型コンタクト層６６を、約３μｍ／ｈの成長速度で、約５ｎｍの厚みになるように形成する。
なお、上記保護層６５およびｐ型コンタクト層６６を結晶成長する際に、キャリアガスの水素組成を低く（約１％〜約３％）することによって、Ｎ２雰囲気中で熱処理することなく、Ｍｇドーパントを活性化して高キャリア濃度のｐ型半導体層（保護層６５およびｐ型コンタクト層６６）を得ることができる。
この後、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて、ｐ型コンタクト層６６からｎ型クラッド層６３の一部までをエッチングすることによって、図７に示すようなリッジ部が形成される。そして、リッジ部の側面とｎ型クラッド層６３の上面とを覆うように、絶縁膜６７を形成する。
この後、ｐ型コンタクト層６６の上面上に、線状（１次元）の周期構造を有するｐ側電極層７２を形成する。具体的には、まず、レジスト（図示せず）を全面に形成した後、そのレジストの電極が形成される部分に対応する部分を除去する。その後、真空蒸着法を用いて、約１ｎｍのＰｄ層、約２００ｎｍのＡｇ層、約１００ｎｍの厚みを有するＩＴＯ膜、および、約１００ｎｍの厚みを有するＡｕ層を順次形成した後、レジストを除去することによって、図８に示したような、１次元（線状）の周期構造を有するｐ側電極層７２が形成される。
その後、真空蒸着法を用いて、ｎ型ＧａＮ基板６１の裏面上に、Ａｌからなるオーミック電極、ＰｔまたはＴｉなどからなるバリア金属、および、ＡｕやＡｕ−Ｓｎなどからなるパッド電極から構成されるｎ側電極７４を形成する。このようにして、第１参考形態による導波路構造を有する窒化物系半導体レーザ素子が形成される。
（第２参考形態）
図９は、本発明の第２参考形態による半導体発光素子の構造を示した断面図である。図９を参照して、この第２参考形態では、表面プラズモン効果を得るために表面に周期的に形成した電極とは反対側を光の取り出し面とする半導体発光ダイオード素子（ＬＥＤ）や垂直共振器型半導体レーザなどの半導体発光素子について説明する。
この第２参考形態による半導体発光素子では、図９に示すように、図５に示した第４実施形態によるｎ型層４４、ｎ型多層反射膜４５、ｎ型クラッド層４６、ＳＱＷ発光層４７およびコンタクト層４８と同様の膜厚および組成を有する層が形成されている。そして、アンドープＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎからなるコンタクト層４８の上面上には、約１ｎｍの厚みを有するＰｄからなるオーミック電極８９および約２００ｎｍの厚みを有するＡｇからなるプラズマ周波数の高い電極９０が、図２に示した円形形状部１５２が電極が形成されない部分である三角格子状の周期構造に形成されている。また、Ｐｄからなるオーミック電極８９は、Ａｇからなる電極９０よりも、アンドープＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎからなるコンタクト層４８に対する良好なオーミック特性を有する。また、電極９０は、Ｐｄからなるオーミック電極８９よりもプラズマ周波数の高い金属（Ａｇ）からなる。なお、オーミック電極８９は、本発明の「第１電極層」の一例であり、電極９０は、本発明の「第２電極層」の一例である。
また、オーミック電極８９および電極９０を覆うように、約１００ｎｍの厚みを有するＩＴＯなどからなるバリア層９１が形成されている。バリア層９１上には、約１００ｎｍの厚みを有するＡｕからなるパッド電極９２が形成されている。また、パッド電極９２上には、電極９３を介して、約２００μｍ〜約１ｍｍの厚みを有する支持基板９４が取り付けられている。この支持基板９４は、ｐ型のダイヤモンド基板、ｎ型のＳｉＣ基板、または、多結晶のｎ型ＡｌＮ基板などからなる。支持基板９４の上面上には、ｐ側電極９５が形成されている。また、ｎ型層４４の裏面上のチップ周辺部約５０μｍの領域には、ｎ側電極９６が形成されている。このｎ側電極９６は、ｎ型層４４側から、Ａｌからなるオーミック電極、ＰｔやＴｉなどからなるバリア金属、および、ＡｕやＡｕ−Ｓｎなどの融着しやすい金属からなるパッド金属から構成されている。
この第２参考形態では、オーミック電極８９およびプラズマ周波数の高いＡｇからなる電極９０を、図２に示した電極の形成されない円形形状部１５２が三角格子状になるように周期的に形成することによって、上記した第４実施形態と同様、波数ｋの表面プラズモンの定在波が形成されやすくなる。なお、この第２参考形態では、第４実施形態と同様、図２に示した隣接する円形形状部１５２の間隔Ｄを２３０ｎｍとし、円形形状部１５２の直径Ｒを１２０ｎｍとしている。ここで、発光波長の角振動数をωＬ、コンタクト層４８の誘電率をεＣとすると、コンタクト層４８、オーミック電極８９およびＡｇからなる電極９０の近傍部分に励起される表面プラズモンの波数ｋＬは、ｋＬ ２＝（ωＬ／ｃ）２・εＡεＣ／（εＡ＋εＣ）で与えられる。
この第２参考形態においても、上記第４実施形態と同様、周期的にプラズマ周波数の高いＡｇからなる電極９０を形成することによって、ＳＱＷ発光層４７で発光した光を用いて、表面プラズモンを励起することができる。また、第６実施形態では、アンドープＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎからなるコンタクト層４８上の全面に、コンタクト層４８に対して良好なオーミック特性を有するＰｄからなる周期構造を有するオーミック電極８９を形成するとともに、そのオーミック電極８９上に、オーミック電極８９よりもプラズマ周波数の高いＡｇからなる周期構造を有する電極９０を形成することによって、オーミック電極８９により良好なオーミック接触を得ながら、電極９０により表面プラズモン効果を得ることができる。
また、第２参考形態では、Ｐｄからなるオーミック電極８９の厚みを約１ｎｍと非常に小さくすることによって、ＳＱＷ発光層４７で発光した光がオーミック電極８９でそれほど減衰することなく、周期構造を有するプラズマ周波数の高いＡｇからなる電極９０に透過するので、電極９０の表面側に表面プラズモンを十分に励起可能な強度の光を透過させることができる。
図１０および図１１は、図９に示した第２参考形態による半導体発光素子の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図９〜図１１を参照して、第２参考形態による半導体発光素子の製造プロセスについて説明する。まず、図１０に示すように、図５に示した第４実施形態による半導体発光素子の形成プロセスと同様のプロセスを用いて、ｎ型基板４１上に、選択成長マスク４２、低温バッファ層４３、ｎ型層４４、ｎ型多層反射膜４５、ｎ型クラッド層４６、ＳＱＷ発光層４７およびコンタクト層４８を順次成長させる。
この後、図１１に示すように、コンタクト層４８上に、リフトオフ法を用いて、図２に示したような三角格子状の周期構造を有するオーミック電極８９および電極９０を形成する。すなわち、レジストを全面に形成した後、電極を形成する部分のレジストを除去する。その後、約１ｎｍの厚みを有するＰｄ層および約２００ｎｍの厚みを有するＡｇ層を順次形成した後、レジストを除去することによって、図２に示したような電極が形成されていない円形形状部（円形孔）１５２が三角格子状の周期構造を有するオーミック電極８９およびプラズマ周波数の高い電極９０が形成される。
この後、全面を覆うように、約１００ｎｍの厚みを有するＩＴＯなどからなるバリア層９１を形成する。バリア層９１上に、約１００ｎｍの厚みを有するＡｕからなるパッド電極９２を真空蒸着法により形成する。この後、表面と裏面とに電極９３および９５がそれぞれ形成された導電性を有する支持基板９４に、パッド電極９２側から半導体発光素子を貼り合わせる。この場合、支持基板９４と、半導体発光素子を形成したｎ型基板４１とは、形状がほぼ等しいことが好ましい。この後、裏面のｎ型基板４１を、ウェットエッチングなどにより除去して、低温バッファ層４３を露出させる。さらに、裏面の低温バッファ層４３および選択成長マスク４２を除去するように研磨することによって、ｎ型層４４の裏面を露出させる。これにより、図９に示されるような形状が得られる。この後、ｎ型層４４のチップ周辺部約５０μｍの領域に、オーミック電極、バリア金属およびパッド金属などを真空蒸着法などにより順次積層することによって、ｎ側電極９６を形成する。このようにして、第２参考形態による半導体発光素子が形成される。
（第３参考形態）
図１２は、本発明の第３参考形態による半導体発光素子を示した断面図である。図１２を参照して、この第３参考形態では、上記第２参考形態と異なり、オーミック電極９９がコンタクト層４８上の全面に形成されているとともに、そのオーミック電極９９上に、周期的な構造を有するプラズマ周波数の高い金属からなる電極１００が形成された構造について説明する。なお、第３参考形態のその他の構造は、第２参考形態と同様である。
すなわち、この第３参考形態では、コンタクト層４８上の全面に、約１ｎｍの厚みを有するＰｔからなるオーミック電極９９が形成されている。そして、そのオーミック電極９９上に、図２に示した電極の形成されない円形形状部１５２が三角格子状になるような周期構造を有するとともに、約１００ｎｍの厚みを有するＡｌからなるプラズマ周波数の高い電極１００が形成されている。なお、Ｐｔからなるオーミック電極９９は、Ａｌからなる電極１００よりも、アンドープＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎからなるコンタクト層４８に対する良好なオーミック特性を有する。また、電極１００は、Ｐｔからなるオーミック電極８９よりもプラズマ周波数の高い金属（Ａｌ）からなる。なお、オーミック電極９９は、本発明の「第１電極層」の一例であり、電極１００は、本発明の「第２電極層」の一例である。ここで、この第７実施形態では、波数ｋＬをｋＬ≒２（２／３０．５）・（２π／Ｄ）となるように、図２に示した隣接する円形形状部１５２間の間隔Ｄを決める。この場合、Ｇ＝２（２／３０．５）・（２π／Ｄ）は、２次元格子（三角格子）の逆格子ベクトルの大きさと一致している。この第３参考形態では、Ｄを４６０ｎｍとし、Ｒを２４０ｎｍとしている。
この第３参考形態においても、上記第２参考形態と同様、オーミック電極９９によりコンタクト層４８に対する良好なオーミック接触を得ながら、プラズマ周波数の高い周期構造を有する電極１００により表面プラズモン効果を得ることができる。
なお、第３参考形態のその他の効果は、第２参考形態と同様である。
図１３は、図１２に示した第３参考形態による半導体発光素子の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図１２および図１３を参照して、第７実施形態による半導体発光素子の製造プロセスについて説明する。
まず、図１０および図１１に示した第２参考形態と同様の製造プロセスを用いて、図１３に示すコンタクト層４８までを形成する。この後、真空蒸着法を用いて、コンタクト層４８上の全面にＰｔを約１ｎｍの厚みで形成することによって、オーミック電極９９を形成する。そして、オーミック電極９９上に、リフトオフ法を用いてプラズマ周波数の高いＡｌからなる約１００ｎｍの厚みを有する電極１００を形成する。この後、図１１および図９を用いて説明した第２参考形態と同様のプロセスを経て、図１２に示すような第３参考形態による半導体発光素子が形成される。
（第４参考形態）
図１４は、本発明の第４参考形態による半導体発光素子の構造を示した断面図である。図１４を参照して、この第４参考形態では、上記した第２参考形態と異なり、コンタクト層１０８の上面が周期的な凹凸形状を有する半導体発光素子について説明する。なお、第４参考形態のその他の構造は、第２参考形態と同様である。
すなわち、この第４参考形態による半導体発光素子では、ＳＱＷ発光層４７上に形成される約０．３μｍの厚みを有するアンドープＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎからなるコンタクト層１０８の表面に、周期的な凹凸形状が形成されている。なお、コンタクト層１０８は、本発明の「半導体層」の一例である。この場合、凹部の深さは、たとえば約２０ｎｍとする。この凹凸形状としては、図２に示した円形形状部１５２を凸部または凹部として、三角格子状に形成する。この場合、図２に示した隣接する円形形状部１５２間の間隔Ｄを４６０ｎｍとし、円形形状部１５２の直径Ｒを２４０ｎｍとする。
また、上記のような凹凸形状を有するコンタクト層１０８の表面全面を覆うように、約２ｎｍの厚みを有するＮｉからなるオーミック電極１０９が形成されている。オーミック電極１０９上には、約３００ｎｍの厚みを有するプラズマ周波数の高いＡｇからなる電極１１０が形成されている。なお、Ｎｉからなるオーミック電極１０９は、Ａｇからなる電極１１０よりも、アンドープＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎからなるコンタクト層１０８に対する良好なオーミック特性を有する。また、電極１１０は、Ｎｉからなるオーミック電極１０９よりもプラズマ周波数の高い金属（Ａｇ）からなる。なお、オーミック電極１０９は、本発明の「第１電極層」の一例であり、電極１１０は、本発明の「第２電極層」の一例である。
第４参考形態では、上記のように、コンタクト層１０８の表面を周期的な凹凸形状に形成するとともに、その周期的な凹凸形状の上に、オーミック電極１０９およびプラズマ周波数の高い金属からなる電極１１０を順次形成することによって、プラズマ周波数の高いＡｇからなる電極１１０の下面が周期的な凹凸形状になるので、容易に表面プラズモン効果を得ることができる。なお、この第８実施形態においても、オーミック電極１０９によりコンタクト層１０８に対する良好なオーミック接触を得ながら、プラズマ周波数の高いＡｇからなる電極１１０により表面プラズモンの効果を得ることができる。
なお、第４参考形態のその他の効果は、第２参考形態と同様である。
図１５は、図１４に示した第４参考形態による半導体発光素子の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図１４および図１５を参照して、第４参考形態の半導体発光素子の製造プロセスについて説明する。まず、図１０に示した第２参考形態の製造プロセスと同様のプロセスを用いて、ＳＱＷ発光層４７までを形成する。その後、ＳＱＷ発光層４７上に、約０．３μｍの厚みを有するアンドープＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎからなるコンタクト層１０８を形成する。そして、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて、コンタクト層１０８の表面に、図２に示したような三角格子状の周期的な凹凸形状を図１５に示すように形成する。その後、真空蒸着法を用いて、コンタクト層１０８上に、約２ｎｍの厚みを有するＮｉからなるオーミック電極１０９、約３００ｎｍの厚みを有するプラズマ周波数の高いＡｇからなる電極１１０、および、約１００ｎｍの厚みを有するＩＴＯなどからなるバリア層１１１を形成する。その後、図１１および図９の第２参考形態の製造プロセスで説明したと同様の製造プロセスを経て、図１４に示すような第４参考形態による半導体発光素子が完成される。
（第５実施形態）
図１６は、本発明の第５実施形態による半導体発光ダイオード素子を示した断面図である。図１６を参照して、この第５実施形態の構造は、図１に示した第１実施形態の構造を、ＺｎＯ系の材料を用いた構造に適用した場合について説明する。
この第５実施形態による半導体発光ダイオード素子では、図１６に示すように、ｎ型ＺｎＯ基板の（０００１）Ｚｎ面上に、約４μｍの厚みを有するＧａドープのｎ型ＺｎＯからなるｎ型層１２２が形成されている。ｎ型層１２２上には、Ｇａドープｎ型Ｍｇ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏからなるｎ型クラッド層１２３が形成されている。ｎ型クラッド層１２３上には、Ｃｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏからなる３層の井戸層１２４ａと、Ｍｇ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏからなる２層の障壁層１２４ｂとが交互に積層された多重量子井戸構造を有するＭＱＷ発光層１２４が形成されている。なお、ＭＱＷ発光層１２４は、本発明の「発光層」の一例である。
ＭＱＷ発光層１２４上には、約２０ｎｍの厚みを有する窒素ドープｐ型Ｍｇ０．１５Ｚｎ０．８５Ｏからなるｐ型キャリアブロック層１２５が形成されている。ｐ型キャリアブロック層１２５上には、約０．２μｍの厚みを有する窒素ドープｐ型Ｍｇ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏからなるｐ型クラッド層１２６が形成されている。ｐ型クラッド層１２６上には、約０．１５μｍの厚みを有する窒素ドープｐ型ＺｎＯからなるｐ型コンタクト層１２７が形成されている。なお、ｐ型コンタクト層１２７は、本発明の「半導体層」の一例である。
ここで、第５実施形態においては、ｐ型コンタクト層１２７上に、図１に示した第１実施形態と同様、約１ｎｍの厚みを有するＰｄからなるオーミック電極８、約２ｎｍの厚みを有するＡｇからなるプラズマ周波数の高い電極９、および、約１ｎｍの厚みを有するＡｕからなる保護層１０が、図２に示す電極などが形成されていない円形形状部１５２が三角格子状に周期的に形成されている。Ｐｄからなるオーミック電極８は、窒素ドープｐ型ＺｎＯからなるｐ型コンタクト層１２７との良好なオーミック接触を得るために設けられており、電極９と比較してｐ型コンタクト層１２７に対するオーミック特性が良好である。また、電極９は、第１実施形態と同様、表面プラズモンの効果を得るために設けられており、Ｐｄからなるオーミック電極８よりもプラズマ周波数の高い金属（Ａｇ）から形成されている。
また、ｎ型ＺｎＯ基板１２１の裏面上には、第１実施形態と同様、ＡｌまたはＡｇからなるオーミック電極、ＰｔまたはＴｉなどからなるバリア金属、および、ＡｕやＡｕ−Ｓｎなどからなるパッド金属から構成されるｎ側電極１１が形成されている。
第５実施形態においても、上記第１実施形態と同様のｐ側の電極構造を設けることによって、ＺｎＯ系の材料を用いた場合にも、オーミック電極８によりコンタクト層１２７に対する良好なオーミック接触を得ることができるとともに、プラズマ周波数の高いＡｇからなる周期構造を有する電極９により表面プラズモンの効果を得ることができる。
なお、上記第５実施形態による半導体発光ダイオード素子の製造プロセスとしては、まず、図１６に示すように、約２００μｍ〜約４００μｍの厚みを有する酸素ドープやＳｉドープなどが施されたｎ型ＺｎＯ基板１２１を準備する。そして、ＭＯＶＰＥ法を用いて、ｎ型ＺｎＯ基板１２１の（０００１）Ｚｎ面上に、水素をキャリアガスとして、ＭＯＶＰＥ法を用いて、約５００℃〜約７００℃の成長温度で、Ｇａドープｎ型ＺｎＯからなるｎ型層１２２を、約０．０８μｍ／ｓの成長速度で約４μｍの厚みを有するように成長させる。そして、ｎ型層１２２上に、Ｇａドープｎ型Ｍｇ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏからなるｎ型クラッド層１２３を、約５００℃〜約７００℃の成長温度で約０．４５μｍの厚みを有するように成長させる。さらに、ｎ型クラッド層１２３上に、Ｃｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏからなる３層の井戸層１２４ａと、Ｍｇ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏからなる２層の障壁層１２４ｂとを交互に約４００℃〜約４５０℃の成長温度で成長させることによって、ＭＱＷ発光層１２４を形成する。
その後、ＭＱＷ発光層１２４上に、約５００℃〜約７００℃の成長温度で、約２０ｎｍの厚みを有する窒素ドープｐ型Ｍｇ０．１５Ｚｎ０．８５Ｏからなるｐ型キャリアブロック層１２５、および、約０．２μｍの厚みを有する窒素ドープｐ型Ｍｇ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏからなるｐ型クラッド層１２６を順次成長させる。そして、ｐ型クラッド層１２６上に、約５００℃〜約７００℃の成長温度で、約０．１５μｍの厚みを有する窒素ドープｐ型ＺｎＯからなるｐ型コンタクト層１２７を成長させる。このｐ型コンタクト層１２７の成長後に、窒素やアルゴンの不活性ガス雰囲気中や真空中で、約７００℃の温度条件下でアニールすることによって、半導体層に含まれる水素を半導体中から脱離させる。これにより、ｐ層（ｐ型キャリアブロック層１２５、ｐ型クラッド層１２６およびｐ型コンタクト層１２７）のキャリア濃度を高くする。
この後、図１に示した第１実施形態による半導体発光素子の製造プロセスと同様のプロセスを用いて、オーミック電極８、電極９および保護層１０を形成するとともに、ｎ型ＺｎＯ基板の裏面に、ｎ側電極１１を形成する。このようにして、第５実施形態による半導体発光ダイオード素子（ＬＥＤ）が完成される。
なお、今回開示された実施形態及び参考形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
たとえば、上記実施形態及び参考形態では、本発明を、窒化物系半導体からなる半導体発光素子またはＺｎＯ系の材料からなる半導体発光素子に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、他の材料からなる半導体発光素子にも適用可能である。ただし、短波長の光を発光する半導体発光素子に適用するのが好ましい。
また、上記第１〜第３、第５実施形態及び第１参考形態では、窒化物系半導体またはＺｎＯ系の各層は、六方晶のＣ面上に積層したが、本発明はこれに限らず、六方晶の他の面方位の面上に積層してもよい。たとえば、（１−１００）や（１１−２０）面などの（Ｈ、Ｋ、−Ｈ−Ｋ、０）面上に、各層を積層してもよい。この場合、発光層にピエゾ電場が発生しないので、発光層の発光効率を向上させることができる。また、それぞれの面方位からオフしている基板を用いてもよい。
また、上記実施形態及び参考形態では、発光層としてＭＱＷ構造（多重量子井戸構造）またはＳＱＷ構造（単一量子井戸構造）を用いた例を示したが、本発明はこれに限らず、厚膜の単層を有する構造であっても同様の効果を得ることができる。
また、上記実施形態及び参考形態において、半導体の結晶構造は、ウルツ鉱型構造であってもよいし、閃亜鉛鉱型構造であってもよい。
また、上記実施形態及び参考形態では、窒化物系半導体またはＺｎＯ系の各層の結晶成長を、ＭＯＶＰＥ法などを用いて行ったが、本発明はこれに限らず、ＨＶＰＥ法、または、ＭＢＥ法、ガスソースＭＢＥ法などを用いて結晶成長を行ってもよい。
また、上記実施形態及び参考形態では、周期的な構造の例として、図２に示したような三角格子状（２次元）または図８に示したような線状（１次元）の周期構造の例を示したが、本発明はこれに限らず、他の周期構造であってもよい。たとえば、電極の形成されていない部分、電極の形成されている部分または凹凸形状を、三角格子状以外の２次元（正方格子状、長方格子状または斜方格子状）に周期的に並べるようにしても同様の効果を得ることができる。また、図２において、ハッチングが施された領域１５１に電極を形成せず、円形形状部１５２にのみ電極を形成してもよい。
本発明の第１実施形態による半導体発光ダイオード素子（ＬＥＤ）の構造を示した断面図である。 図１に示した第１実施形態による半導体発光発光ダイオード素子の電極の三角格子状の周期構造を説明するための平面図である。 図２の三角格子の逆格子を示した平面図である。 本発明の第２実施形態による半導体発光ダイオード素子（ＬＥＤ）の構造を示した断面図である。 本発明の第３実施形態による半導体発光ダイオード素子（ＬＥＤ）の構造を示した断面図である。 本発明の第４実施形態による半導体発光素子（ＬＥＤまたは垂直共振器型半導体レーザ）の構造を示した断面図である。 本発明の第１参考形態による導波路構造を有する半導体レーザを示した断面図である。 図７に示した第１参考形態の導波路構造を有する半導体レーザの２００−２００線に沿った断面図である。 本発明の第２参考形態による半導体発光素子（ＬＥＤまたは垂直共振器型半導体レーザ）の構造を示した断面図である。 図９に示した第２参考形態による半導体発光素子の製造プロセスを説明するための断面図である。 図９に示した第２参考形態による半導体発光素子の製造プロセスを説明するための断面図である。 本発明の第３参考形態による半導体発光素子（ＬＥＤまたは垂直共振器型半導体レーザ）の構造を示した断面図である。 図１２に示した第３参考形態による半導体発光素子の製造プロセスを説明するための断面図である。 本発明の第４参考形態による半導体発光素子（ＬＥＤまたは垂直共振器型半導体レーザ）の構造を示した断面図である。 図１４に示した第４参考形態による半導体発光素子の製造プロセスを説明するための断面図である。 本発明の第５実施形態による半導体発光ダイオード素子（ＬＥＤ）の構造を示した断面図である。
符号の説明
４、６４、１２４ ＭＱＷ発光層（発光層）
７、３７、６６、１２７ ｐ型コンタクト層（半導体層）
８、１８、３８、４９、６８、８９、９９、１０９ オーミック電極（第１電極層）
９、１９、３９、５０、６９、９０、１００、１１０ 電極（第２電極層）
４７ ＳＱＷ発光層（発光層）
４８、１０８ コンタクト層（半導体層）

Claims (6)

  1. 発光層上に形成された半導体層と、
    前記半導体層上に形成された第１電極層と、
    前記第１電極層上に形成され、周期的な構造を有する第２電極層とを備え、
    前記第１電極層は、前記第２電極層よりも前記半導体層に対するオーミック接触が良好であり、
    前記第２電極層は、前記第１電極層よりもプラズマ周波数の高い金属を含み、
    前記第２電極層側を光の取り出し面とする、半導体発光素子。
  2. 前記半導体層は、ｐ型の窒化物系半導体層であり、
    前記第１電極層は、前記ｐ型の窒化物系半導体層に接触するように形成されている、請求項１に記載の半導体発光素子。
  3. 前記第２電極層の周期的な構造は、前記第２電極層が形成されていない部分を周期的に並べた構造を有している、請求項１または２に記載の半導体発光素子。
  4. 前記第１電極層は、前記第１電極層が形成されていない部分を周期的に並べた構造を有している、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
  5. 前記第１電極層は、前記第２電極層よりも小さい厚みを有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
  6. 前記第１電極層は、Ｎｉ、ＰｄおよびＰｔのうちの少なくとも１つの材料からなり、
    前記第２電極層は、ＡｌおよびＡｇのうちの少なくとも１つの材料からなる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
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