JP4371029B2 - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオード、半導体レーザ等の半導体発光素子およびその製造方法に関する。

発光ダイオード、半導体レーザ等の半導体発光素子において、輝度を向上させるには、発光素子の活性層で発光した光をいかに素子外部に効率よく取り出すかが極めて重要である。すなわち、発光素子表面での光の反射をできる限り抑制して発光光を素子外部に出射させ、いわゆる光取り出し効率を増大させる必要がある。

発光素子表面での光の反射を抑制して光取り出し効率を増大させる手段としては、発光素子表面での全反射を抑制する方法がある。素子表面で出射または全反射される光の割合は、素子の表面層と外部（透明保護層等）との屈折率で決定される。表面層と外部との屈折率は、その差が小さいほど臨界角が大きくなる。ここで、臨界角とは、表面層と外部との界面に対する光の入射角をいう。また、表面層の屈折率をｎ_１１とし、外部の屈折率をｎ_１２とすると、臨界角θは下記数式１で表される。
（数式１）
θ＝ｓｉｎ^−１（ｎ_１１／ｎ_１２）

上記数式１よりわかるように、表面層の屈折率ｎ_１１と外部の屈折率ｎ_１２との差が小さいほど、すなわち、その比ｎ_１１／ｎ_１２が１に近いほど、臨界角θは大きい（９０°に近い）値となる。臨界角θよりも入射角の大きな光は界面で全反射され、出射されない。したがって、屈折率の差が小さいほど全反射される光の割合が低く、光がより多く外部に取り出され、その結果、光取り出し効率が高いものとなる。

しかし、一般的な発光素子は、屈折率が２〜４のガリウム−ヒ素等から構成される表面層を、屈折率１．５程度の樹脂でモールドして形成されており、表面層とその外部との屈折率が比較的大きい。このため、光取り出し効率が比較的低く、光取り出し効率を向上させるための手法が種々開発されている。

このような手法の１つとして、光取り出し面上に、表面に凹凸を有する光散乱層を形成する技術がある（特許文献１および２参照）。このように表面に凹凸を有する光散乱層を形成することにより、光散乱層表面での光の全反射が抑制され、光を素子外部に効率よく取り出せることが期待される。また、発光層の上面に厚いウインドウ層を形成する技術がある（特許文献３参照）。
特開平１０−１６３５２５号公報 特開平１１−４６００５号公報 米国特許第５２３３２０４号明細書

しかし、このような散乱層やウインドウ層の形成は、加工性、再現性等の観点から問題がある。例えば、特許文献１に開示されている光散乱層の形成方法では、散乱粒子を均一に分散配置させる必要がある。また、特許文献２に開示されている光散乱層の形成方法では、液状膜中に気泡を均一に分散させる必要がある。しかし、これらを再現性よく行い、均一性の高い所望の輝度を有する発光素子を歩留まりよく製作することは極めて難しい。また、特許文献３に開示されているウインドウ層を厚くエピタキシャル成長させると、結晶の劣化を招くおそれがある。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、光取り出し効率を向上させることができる半導体発光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、素子表面における発光光の反射を良好に抑制することができる半導体発光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点にかかる半導体発光素子は、
光取り出し面を有する一面に複数の突起部及び窪み部が形成された半導体層と、
前記窪み部に形成された光透過性を有する誘電膜と、
前記半導体層の一面上に形成された光透過性を有する導体膜と、
を備え、
前記導体膜と前記半導体層とが電気的に接続されており、
前記導体膜の屈折率ｎ１と、前記誘電体膜の屈折率ｎ２と、前記半導体層の屈折率ｎ３とは、
ｎ１≦ｎ２＜ｎ３
の関係を満たし、
前記半導体層内で発光した光の波長λと、前記突起部の幅Ｘとは、
Ｘ≧（λ／２）
の関係を満たし、
前記半導体層内で発光した光の波長λと、前記突起部の高さＹとは、
Ｙ≧（λ／２）
の関係を満たす、ことを特徴とする。

前記導体膜と前記半導体層とは、前記突起部を介して電気的に接続されていることが好ましい。

前記半導体層は、前記導体膜から前記半導体層に流れる電流が前記一面の全面に流れるように、前記突起部及び窪み部が形成されていることが好ましい。

前記突起部上に形成された光透過性を有する導電性膜をさらに備え、
前記導体膜と前記突起部とが前記導電性膜を介して電気的に接続されていることが好ましい。

前記突起部の幅Ｘと、前記突起部の高さＹとは、
（Ｙ／３）≦Ｘ≦３Ｙ
の関係を満たすことが好ましい。

上記目的を達成するため、本発明の第２の観点にかかる半導体発光素子の製造方法は、
半導体層の光取り出し面を有する一面に複数の突起部及び窪み部を形成し、前記窪み部に光透過性を有する誘電膜を形成し、前記半導体層の一面上に光透過性を有する導体膜を形成する工程を備え、
前記工程では、前記導体膜と前記半導体層とが前記突起部を介して電気的に接続するように、前記導体膜、前記誘電体膜、及び、前記半導体層を形成する、ことを特徴とする。

前記導体膜から前記半導体層に流れる電流が前記一面の全面に流れるように、前記突起部及び窪み部を形成することが好ましい。

前記突起部上に光透過性を有する導電性膜を形成する工程をさらに備え、該工程では、前記導体膜と前記突起部とが前記導電性膜を介して電気的に接続するように、前記導電性膜を形成することが好ましい。

前記導体膜の屈折率ｎ１と、前記誘電体膜の屈折率ｎ２と、前記半導体層の屈折率ｎ３とが、
ｎ１≦ｎ２＜ｎ３
の関係を満たす材料を用いて、前記導体膜、前記誘電体膜、及び、前記半導体層を形成することが好ましい。

前記突起部の幅Ｘと、前記突起部の高さＹとが
（Ｙ／３）≦Ｘ≦３Ｙ
の関係を満たすように、前記突起部を形成することが好ましい。

前記半導体層内で発光した光の波長λと、前記突起部の幅Ｘとが、
Ｘ≧（λ／２）
の関係を満たし、
前記半導体層内で発光した光の波長λと、前記突起部の高さＹとが、
Ｙ≧（λ／２）
の関係を満たすように、前記突起部を形成することが好ましい。

本発明によれば、光取り出し効率を向上させることができる。また、素子表面における発光光の反射を良好に抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態にかかる半導体発光素子およびその製造方法について、発光ダイオードを用いた場合を例に、図面を参照して説明する。図１に、本実施の形態にかかる半導体発光素子の断面構成を示す。

図１に示すように、本実施の形態の半導体発光素子１は、半導体基体１０と、コンタクト電極２１と、透明誘電体膜２２と、透明導体膜２３と、アノード電極２４と、保護層２５と、カソード電極２６と、を備えている。半導体基体１０は、Ｎ型基板１１と、Ｎ型補助層１２と、活性層１３と、Ｐ型補助層１４と、ウインドウ層１５と、を備えている。

Ｎ型基板１１は、シリコン（Ｓｉ）、ガリウム−ヒ素（ＧａＡｓ）、ガリウム−リン（ＧａＰ）、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）等のＮ型の半導体基板から構成されている。Ｎ型基板１１は、例えば、１×１０^１８ｃｍ^−３程度の不純物濃度で、２５０μｍ程度の厚みに形成されている。

Ｎ型補助層１２は、Ｎ型基板１１上に形成され、アルミニウム−ガリウム−インジウム−リン（ＡｌＧａＩｎＰ）やアルミニウム−インジウム−リン（ＡｌＩｎＰ）等の半導体層から構成されている。Ｎ型補助層１２は、例えば、エピタキシャル成長法により形成されている。Ｎ型補助層１２は、例えば、５×１０^１７ｃｍ^−３程度の不純物濃度で、２μｍ程度の厚みに形成されている。

活性層１３は、Ｎ型補助層１２上に形成され、ＡｌＧａＩｎＰやＡｌＩｎＰ等の半導体層から構成されている。活性層１３は、例えば、エピタキシャル成長法により形成されている。活性層１３は、例えば、０．５μｍ程度の厚みに形成されている。活性層１３は、電界発光により発光する発光層であり、活性層１３においてその両面側から注入されたキャリア（正孔および電子）が再結合し、発光が生じる。

Ｐ型補助層１４は、活性層１３上に形成され、ＡｌＧａＩｎＰやＡｌＩｎＰ等の半導体層から構成されている。Ｐ型補助層１４は、例えば、エピタキシャル成長法により形成されている。Ｐ型補助層１４は、例えば、５×１０^１７ｃｍ^−３程度の不純物濃度で、２μｍ程度の厚みに形成されている。

ここで、Ｎ型補助層１２およびＰ型補助層１４をそれぞれ構成するＡｌＧａＩｎＰ中のＡｌ組成比は、活性層１３を構成するＡｌＧａＩｎＰ中のＡｌ組成比よりも大きくなるように設定されている。このように設定することで、活性層１３内におけるキャリア再結合によって発生した光を活性層１３の外側に効率的に取り出すことができる。

なお、Ｎ型補助層１２およびＰ型補助層１４は、それぞれＮ型クラッド層およびＰ型クラッド層と呼ぶこともできる。

ウインドウ層１５は、Ｐ型補助層１４上に形成され、Ｐ型の不純物が導入されたＧａＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、アルミニウム−ガリウム−砒素（ＡｌＧａＡｓ）等の半導体層から構成されている。ウインドウ層１５は、電流拡散層とも呼ばれるものである。ウインドウ層１５は、例えば、エピタキシャル成長法により形成されている。ウインドウ層１５は、例えば、５×１０^１７ｃｍ^−３程度の不純物濃度で、２μｍ程度の厚みに形成されている。なお、Ｐ型補助層１４とウインドウ層１５との間に、Ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ等から構成される電流ブロック層を設けてもよい。

ウインドウ層１５の上面は、半導体基体１０の一面を構成し、活性層１３から発光された光を取り出す、半導体基体１０の光取り出し面を有している。図２にウインドウ層１５（半導体基体１０）の平面図を示す。図１及び図２に示すように、ウインドウ層１５は、その上面に、島状（アイランド状）に分散配置された多数の円筒状の突起部１６が形成されている。このため、この突起部１６に対して相対的に窪んだ箇所が窪み部１７を構成する。この結果、ウインドウ層１５の上面には、多数の突起部１６及び窪み部１７が形成されている。本実施の形態では、ウインドウ層１５の上面に、千鳥格子状に配置されている。

ここで、図３に示すように、突起部１６の幅Ｘ、及び、突起部１６の高さＹは、数式２を満たすことが好ましく、数式３を満たすことがさらに好ましい。
（数式２）
（Ｙ／３）≦Ｘ≦３Ｙ
（数式３）
（Ｙ／２）≦Ｘ≦２Ｙ

これは、（Ｙ／３）＞Ｘになると、活性層１３から発光した光のうち、突起部１６の側面と透明誘電体膜２２との界面に照射された光が、この界面で全反射を繰り返すうちに減退してしまうおそれがあるためである。また、Ｘ＞３Ｙになると、突起部１６の側面と透明誘電体膜２２との界面に入射されて透明誘電体膜２２を介して導出される光量が減少するおそれがあるためである。

また、突起部１６の幅Ｘや高さＹ、換言すれば、窪み部１７の幅や深さがあまりに微細になると、この凹凸面での回折現象の影響が大きくなり、光取りだし効率が低下してしまうおそれがある。このため、回折現象の影響を小さくするために、活性層１３で発光した光の波長λと、Ｘ及びＹとは、数式４及び数式５の関係を満たすことが好ましい。
（数式４）
Ｘ≧（λ／２）
（数式５）
Ｙ≧（λ／２）

コンタクト電極２１は、ウインドウ層１５の突起部１６の上面に形成されている。コンタクト電極２１は、光透過性を有するように、例えば、その厚みが、好ましくは、１〜１０ｎｍ、より好ましくは、１〜５ｎｍ程度の極薄の金属膜から構成されている。このため、コンタクト電極２１は、活性層１３からの発光光を透過して素子外部に導出することができる。コンタクト電極２１は、例えば、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ベリリウム（Ｂｅ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、Ｓｉ、Ａｌ、亜鉛（Ｚｎ）から選ばれた１つの金属、または、これらの合金から形成されている。なお、コンタクト電極２１は、上述した金属材料以外の金属で形成されていてもよいが、上述した金属材料を使用すると、ＡｌＧａＩｎＰ等からなるウインドウ層１５と良好に低抵抗接触することから、上述した金属材料を用いることが好ましい。

透明誘電体膜２２は、ウインドウ層１５の窪み部１７を埋めるように形成されている。透明誘電体膜２２は、光透過性を有する誘電体膜から形成されている。このため、透明誘電体膜２２は、活性層１３からの発光光を透過して素子外部に導出することができる。また、透明誘電体膜２２は、ウインドウ層１５や透明導体膜２３と低抵抗接触しない。透明誘電体膜２２は、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ）、酸化シリコン（ＳｉＯ）等から形成されている。

透明導体膜２３は、透明誘電体膜２２と、コンタクト電極２１との上に形成されている。透明導体膜２３は、光透過性を有する導体膜から形成されている。このため、透明誘電体膜２２は、活性層１３からの発光光を透過して素子外部に導出することができる。透明導体膜２３は、例えば、酸化インジウム・スズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム（ＩｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ）等から形成されている。この透明導体膜２３は、その上面に形成されたアノード電極２４及びコンタクト電極２１と良好に低抵抗接触するが、透明誘電体膜２２とは低抵抗接触しない。

アノード電極２４は、透明導体膜２３の上面に形成され、例えば、半導体発光素子１をその上方から見た状態で（平面視）、透明導体膜２３上の中央部分に略円形状に形成されている。アノード電極２４は、その外周側が保護層２５によって環状に包囲されている。アノード電極２４は、透明導体膜２３と良好に低抵抗接触する金属から形成されており、例えば、Ａｕ電極、ＡｕとＴｉの積層電極、ＡｕとＣｒの積層電極、ＡｕとＮｉの積層電極から構成されている。

保護層２５は、透明導体膜２３及びアノード電極２４の上面に形成されている。保護層２５は、エポキシ樹脂等の光透過率の高い材料から構成され、半導体基体１０を湿分から保護する等の機能を有する。

カソード電極２６は、Ｎ型基板１１（半導体基体１０）の下面に形成されている。カソード電極２６は、Ｎ型基板１１に低抵抗接触する金属から形成されており、例えば、Ａｕ電極、ＡｕとＴｉの積層電極、ＡｕとＣｒの積層電極、ＡｕとＮｉの積層電極、ＡｕとＮｉとＴｉの積層電極、ＡｕＧｅＮｉ合金電極、ＡｕＧｅ合金電極、ＡｕＳｉ合金電極から構成されている。

このように構成された半導体発光素子１では、アノード電極２４とカソード電極２６との間に、アノード電極２４側の電位が高くなるように電圧を印加すると、図４に示すように、アノード電極２４から、透明導体膜２３、コンタクト電極２１、突起部１６、ウインドウ層１５、Ｐ型補助層１４、活性層１３、Ｎ型補助層１２、及び、Ｎ型基板１１を介してカソード電極２６に電流が流れる。ここで、ウインドウ層１５の上面には突起部１６及び窪み部１７が形成され、突起部１６の上面にコンタクト電極２１が形成され、窪み部１７内に透明誘電体膜２２が形成されている。また、透明導体膜２３は、アノード電極２４及びコンタクト電極２１と良好に低抵抗接触するが、透明誘電体膜２２とは低抵抗接触しない。このため、図４に示すように、アノード電極２４から透明導体膜２３に流れる電流は、透明導体膜２３の横方向（図４に左右方向）に流れ、コンタクト電極２１を介してウインドウ層１５の多数の突起部１６に分流する。この結果、活性層１３の素子外周側にも良好に電流が流れる。従って、活性層１３で発光した光を良好に導出することができ、光取り出し効率を向上させることができる。

ここで、アノード電極２４からの電流が活性層１３の上面の全面に流れるように、突起部１６及び窪み部１７を形成することが好ましい。このため、アノード電極２４からの電流がウインドウ層１５の上面の全面に流れるように、突起部１６をウインドウ層１５の上面の全面に形成することが好ましい。

また、アノード電極２４から透明導体膜２３に流れる電流は、透明誘電体膜２２を介してウインドウ層１５に流れない。このため、ウインドウ層１５及びＰ型補助層１４を介して活性層１３に流れ込む電流は、突起部１６の下側において相対的に大きくなり、窪み部１７の下側において相対的に小さくなる。この結果、活性層１３の発光光は、突起部１６の下側において発光量が相対的に大きくなり、窪み部１７の下側において発光量が相対的に小さくなる。図５に示すように、この突起部１６の下側において発光した光の一部Ｌ１は、突起部１６の側面と透明誘電体膜２２との界面で反射して、コンタクト電極２１、透明導体膜２３及び保護層２５を通じて素子外部に良好に導出される。また、図５に示すように、突起部１６の下側において発光した光の一部あるいは窪み部１７の下側において発光した光Ｌ２は、突起部１６の側面と透明誘電体膜２２との界面に入射して、透明誘電体膜２２及び透明導体膜２３を通じて素子外部に良好に導出される。このため、活性層１３で発光した光を効率よく素子外部に取り出すことができ、光取り出し効率が向上する。

このように、本実施の形態の半導体発光素子１では、ウインドウ層１５の上面に突起部１６を多数形成することにより、ウインドウ層の厚い発光素子が多数集合したような構造に形成している。このため、従来の発光素子に比較して、その光取り出し効率を向上させることができる。また、ウインドウ層１５をあまり厚く形成していないので、結晶の劣化を抑制することができる。このため、厚いウインドウ層を有する発光素子と同様に光取り出し効率を向上させるとともに、結晶性の良好な発光素子を得ることができる。この結果、発光特性が向上した半導体発光素子を得ることができる。

このような半導体発光素子１では、透明導体膜２３の屈折率ｎ１、透明誘電体膜２２の屈折率ｎ２、ウインドウ層１５の屈折率ｎ３、及び、保護層２５の屈折率ｎ４が、下記数式６の関係を満たすことが好ましい。
（数式６）
ｎ４＜ｎ１≦ｎ２＜ｎ３

ここで、ウインドウ層１５と透明導体膜２３との界面における臨界角θ１は、下記数式７で表される。
（数式７）
θ１＝ｓｉｎ^−１（ｎ３／ｎ１）

ウインドウ層１５と透明誘電体膜２２との界面における臨界角θ２は、下記数式８で表される。
（数式８）
θ２＝ｓｉｎ^−１（ｎ３／ｎ２）

透明誘電体膜２２と透明導体膜２３との界面における臨界角θ３は、下記数式９で表される。
（数式９）
θ３＝ｓｉｎ^−１（ｎ２／ｎ１）

透明導体膜２３と保護層２５との界面における臨界角θ４は、下記数式１０で表される。
（数式１０）
θ４＝ｓｉｎ^−１（ｎ１／ｎ４）

このため、透明導体膜２３の屈折率ｎ１と、透明誘電体膜２２の屈折率ｎ２と、ウインドウ層１５の屈折率ｎ３と、保護層２５の屈折率ｎ４とが数式６の関係を満たすことにより、臨界角θ１、θ２、θ３、θ４を比較的大きくすることができる。従って、各界面における全反射を抑制することができ、光取りだし効率を向上させることができる。

次に、本実施の形態にかかる半導体発光素子１の製造方法について説明する。なお、以下に示す製造方法は一例であり、同様の結果物が得られるのであればこの方法に限らない。

まず、Ｎ型の不純物が導入されたＧａＡｓから構成されるＮ型基板１１の上に、エピタキシャル成長法により、Ｎ型補助層１２、活性層１３、Ｐ型補助層１４、ウインドウ層１５の順に積層形成する。エピタキシャル成長法としては、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法、化学ビームエピタキシ（ＣＢＥ）法、分子層エピタキシ（ＭＬＥ）法等を用いることができる。

例えば、減圧ＭＯＣＶＤ法を用いる場合には、以下のように層形成を行うことができる。ＧａＡｓにＮ型不純物を加えて構成されるＮ型基板１１を用意し、ＭＯＣＶＤ法によって、Ｎ型基板１１上に、Ｎ型補助層１２と、活性層１３と、Ｐ型補助層１４と、ウインドウ層１５と、を連続的に気相エピタキシャル成長により形成する。

具体的には、例えば、まず、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）と、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）と、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）と、とＰＨ_３（フォスフィン）と、を原料ガスとして用い、例えば、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｙ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０．３≦ｘ≦１）の組成を有するＮ型補助層１２を形成する。ここで、Ｎ型のドーパントガスとしては、例えば、ＳｉＨ_４（モノシラン）、Ｓｉ_２Ｈ_６（ジシラン）、ＤＥＳｅ（ジエチルセレン）、ＤＥＴｅ（ジエチルテルル）等を用いることができる。

次に、連続的に、同一の原料ガスを用いて、例えば、Ｎ型補助層１２よりもアルミニウム組成の低い、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｙ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０．２≦ｘ≦１）の組成を有する活性層１３を形成する。このとき、ドーパントガスは用いない。

続いて、連続的に、同一の原料ガスを用いて、活性層１３よりもアルミニウム組成の高い、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｙ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０．３≦ｘ≦１）の組成を有するＰ型補助層１４を形成する。ここで、Ｐ型不純物の導入方法としては、例えば、ＤＥＺｎ（ジエチル亜鉛）等のドーパントガスを用い、或いは固体のベリリウム（Ｂｅ）ソースを用いることができる。

その後、連続的に、ＴＭＡおよびＴＭＩｎの供給を停止し、ＴＥＧおよびとＰＨ_３を導入し、Ｐ型の不純物が導入されたＧａＰから構成されるウインドウ層１５を形成する。ここで、ＰＨ_３のかわりにＴＢＰ（ターシャリーブチルフォスフィン）を用いても良い。このようにして図６（ａ）に示すような半導体基体１０が得られる。

次に、例えば、エッチング法等を用いて、ウインドウ層１５の上面に多数の円筒状の突起が千鳥格子状に配置されるように、ウインドウ層１５の上面の所定領域を除去する。これにより、図６（ｂ）に示すように、ウインドウ層１５の上面に突起部１６及び窪み部１７が形成される。そして、図６（ｃ）に示すように、ウインドウ層１５の窪み部１７を埋めるように、蒸着法、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法、ゾルゲル法等により、酸化チタン等から構成される透明誘電体膜２２を形成する。

続いて、ウインドウ層１５の上に、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）等からなる金属膜等を真空蒸着法又はスパッタリング法により堆積し、金属膜を形成する。更に、エッチング法等を用いて透明誘電体膜２２上の金属膜を除去して、図７（ａ）に示すように、ウインドウ層１５の突起部１６上にコンタクト電極２１を形成する。

次に、図７（ｂ）に示すように、ウインドウ層１５（コンタクト電極２１及び透明誘電体膜２２）の上に、蒸着法、スパッタリング法等によりＩＴＯ、ＩｎＯ等から構成される透明導体膜２３を形成する。

続いて、透明導体膜２３の上に、Ａｕ−Ｚｎ、Ａｕ−Ｂｅ−Ｃｒ及びＡｕ等からなる金属多層膜等を真空蒸着法又はスパッタリング法により堆積し、金属膜を形成する。更に、エッチング法等を用いて、例えば、平面視略円形状となるように、透明導体膜２３上の金属膜を除去して、図７（ｃ）に示すように、透明導体膜２３上にアノード電極２４を形成する。また、Ｎ型基板１１の露出面上に、Ａｕ−Ｇｅ膜、又は、Ａｕ−Ｇｅ、Ｎｉ、Ａｕからなる金属多層膜等を真空蒸着法又はスパッタリング法で堆積し、図７（ｃ）に示すように、カソード電極２６を形成する。

次に、得られた積層体について、透明導体膜２３及びアノード電極２４の表面等をエポキシ樹脂等の保護層２５で被覆する。以上のようにして、図１に示す半導体発光素子１が得られる。

以上説明したように、本実施の形態では、ウインドウ層１５の上面に突起部１６及び窪み部１７が形成され、突起部１６の上面にコンタクト電極２１が形成され、窪み部１７内に透明誘電体膜２２が形成されている。このため、活性層１３の素子外周側にも良好に電流が流れ、活性層１３で発光した光を良好に導出することができ、光取り出し効率を向上させることができる。

本実施の形態では、ウインドウ層１５の上面に突起部１６を多数形成することにより、ウインドウ層の厚い発光素子が多数集合したような構造に形成している。このため、従来の発光素子に比較して、その光取り出し効率を向上させることができるとともに、結晶性の良好な発光素子を得ることができる。

なお、本発明は、上記の実施の形態に限られず、種々の変形、応用が可能である。以下、本発明に適用可能な他の実施の形態について説明する。

上記実施の形態では、ウインドウ層１５の上面に多数の円筒状の突起部１６が千鳥格子状に形成される場合を例に本発明を説明したが、ウインドウ層１５の上面に突起部１６がほぼ均一に形成されていればよく、千鳥格子状に形成されていなくてもよい。また、突起部１６の形状は円筒状に限定されるものではない。例えば、図８（ａ）に示すように、窪み部１７の断面形状が（逆）三角形となるように突起部１６を形成したり、図８（ｂ）に示すように、窪み部１７の断面形状が半楕円形となるように突起部１６を形成してもよい。

上記実施の形態では、突起部１６上にコンタクト電極２１が形成されている場合を例に本発明を説明したが、ウインドウ層１５と透明導体膜２３とが電気的に接続されていればよく、コンタクト電極２１を形成していなくてもよい。また、ウインドウ層１５と透明導体膜２３とが突起部１６の上面とともに突起部１６の側面や窪み部１７を介して電気的に接続されていてもよい。さらに、ウインドウ層１５と透明導体膜２３とが突起部１６の側面や窪み部１７のみを介して電気的に接続されていてもよい。ただし、光取り出し効率を高めるためには、突起部１６の下側において発光量が相対的に大きいことが望ましいので、上記実施の形態のように、ウインドウ層１５と透明導体膜２３とが突起部１６の上面のみを介して電気的に接続されていることが好ましい。

上記実施の形態の半導体発光素子１において、透明導体膜２３からの光が保護層２５との界面で光が全反射することを抑制するように、透明導体膜２３の上面に凹凸部を設けてもよい。この場合、透明導体膜２３からの光を良好に導出することができ、光取り出し効率を向上させることができる。

上記実施の形態の半導体発光素子１において、活性層１３の素子外周側に流れる電流を相対的に大きくするために、アノード電極２４の下側に位置する領域に周知の電流ブロック層を形成してもよい。この場合、素子外周側に流れる電流量が増加し、活性層１３で発光した光を良好に導出することができ、光取り出し効率をさらに向上させることができる。

上記実施の形態の半導体発光素子１において、例えば、Ｎ型基板１１とＮ型補助層１２との間に、反射膜を設けてもよい。アルミニウム等の導電性が高く、かつ、反射性の材料を用いて反射膜を設けることにより、活性層１３からＮ型基板１１側に発光された光をウインドウ層１５側に反射させてより発光光の利用効率を高めることができる。

上記実施の形態では、ウインドウ層１５が単層の半導体層から構成される場合を例に本発明を説明したが、例えば、ウインドウ層１５がＡｌＧａＡｓ半導体層とＡｌＧａＩｎＰ半導体層とを積層させた構造のような多層構造としてもよい。また、透明誘電体膜２２、透明導体膜２３、保護層２５等を多層の積層膜から形成してもよい。この場合、各膜について、これらの界面における臨界角が大きくなるような屈折率を有する材料を用いることが好ましい。

上記実施の形態では、透明導体膜２３及びアノード電極２４の表面等をエポキシ樹脂等の保護層２５で被覆した場合を例に本発明を説明したが、保護層２５を設けなくてもよい。この場合、大気の屈折率に基づいて、好ましい屈折率を有する材料を透明導体膜２３に用いることが好ましい。

本発明の半導体発光素子１は、透明導体膜２３の屈折率ｎ１、透明誘電体膜２２の屈折率ｎ２、ウインドウ層１５の屈折率ｎ３、及び、保護層２５の屈折率ｎ４が、ｎ４＜ｎ１≦ｎ２＜ｎ３の関係を満たすことが好ましいが、ｎ３がｎ１またはｎ２よりも大きければ、ｎ１＞ｎ２であってもよい。

上記実施の形態では、アノード電極２４がＡｕ電極等から構成されている場合を例に本発明を説明したが、例えば、透明導体膜２３と同様に、ＩＴＯ等からなる導体膜から構成されていてもよい。

上記実施の形態では、半導体基体１０がＮ型基板１１、Ｎ型補助層１２等を備える場合を例に本発明を説明したが、これらの導電型を反対に構成してもよい。

上記実施の形態では、半導体発光素子１として発光ダイオードを用いた場合を例に本発明を説明したが、本発明は発光ダイオードに限定されるものではなく、半導体レーザ等のいかなる電界発光型の半導体装置にも適用可能である。

本発明の実施の形態の半導体発光素子の構成を示す図である。 ウインドウ層の平面図である。 突起部及び窪み部を示す図である。 半導体発光素子の電流の流れを説明するための図である。 突起部及び窪み部における光の屈折を説明するための図である。 実施の形態の半導体発光素子の製造プロセスを示す図である。 実施の形態の半導体発光素子の製造プロセスを示す図である。 他の実施の形態の突起部及び窪み部を示す図である。

符号の説明

１ 半導体発光素子
１０ 半導体基体
１１ Ｎ型基板
１２ Ｎ型補助層
１３ 活性層
１４ Ｐ型補助層
１５ ウインドウ層
１６ 突起部
１７ 窪み部
２１ コンタクト電極
２２ 透明誘電体膜
２３ 透明導体膜
２４ アノード電極
２５ 保護層
２６ カソード電極

Claims (11)

1. 光取り出し面を有する一面に複数の突起部及び窪み部が形成された半導体層と、
   前記窪み部に形成された光透過性を有する誘電膜と、
   前記半導体層の一面上に形成された光透過性を有する導体膜と、
   を備え、
   前記導体膜と前記半導体層とが電気的に接続されており、
   前記導体膜の屈折率ｎ１と、前記誘電体膜の屈折率ｎ２と、前記半導体層の屈折率ｎ３とは、
   ｎ１≦ｎ２＜ｎ３
   の関係を満たし、
   前記半導体層内で発光した光の波長λと、前記突起部の幅Ｘとは、
   Ｘ≧（λ／２）
   の関係を満たし、
   前記半導体層内で発光した光の波長λと、前記突起部の高さＹとは、
   Ｙ≧（λ／２）
   の関係を満たす、ことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記導体膜と前記半導体層とが前記突起部を介して電気的に接続されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記半導体層は、前記導体膜から前記半導体層に流れる電流が前記一面の全面に流れるように、前記突起部及び窪み部が形成されている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 前記突起部上に形成された光透過性を有する導電性膜をさらに備え、
   前記導体膜と前記突起部とが前記導電性膜を介して電気的に接続されている、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
5. 前記突起部の幅Ｘと、前記突起部の高さＹとは、
   （Ｙ／３）≦Ｘ≦３Ｙ
   の関係を満たす、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
6. 半導体層の光取り出し面を有する一面に複数の突起部及び窪み部を形成し、前記窪み部に光透過性を有する誘電膜を形成し、前記半導体層の一面上に光透過性を有する導体膜を形成する工程を備え、
   前記工程では、前記導体膜と前記半導体層とが前記突起部を介して電気的に接続するように、前記導体膜、前記誘電体膜、及び、前記半導体層を形成する、ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
7. 前記導体膜から前記半導体層に流れる電流が前記一面の全面に流れるように、前記突起部及び窪み部を形成する、ことを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子の製造方法。
8. 前記突起部上に光透過性を有する導電性膜を形成する工程をさらに備え、該工程では、前記導体膜と前記突起部とが前記導電性膜を介して電気的に接続するように、前記導電性膜を形成する、ことを特徴とする請求項６または７に記載の半導体発光素子の製造方法。
9. 前記導体膜の屈折率ｎ１と、前記誘電体膜の屈折率ｎ２と、前記半導体層の屈折率ｎ３とが、
   ｎ１≦ｎ２＜ｎ３
   の関係を満たす材料を用いて、前記導体膜、前記誘電体膜、及び、前記半導体層を形成する、ことを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
10. 前記突起部の幅Ｘと、前記突起部の高さＹとが
    （Ｙ／３）≦Ｘ≦３Ｙ
    の関係を満たすように、前記突起部を形成する、ことを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
11. 前記半導体層内で発光した光の波長λと、前記突起部の幅Ｘとが、
    Ｘ≧（λ／２）
    の関係を満たし、
    前記半導体層内で発光した光の波長λと、前記突起部の高さＹとが、
    Ｙ≧（λ／２）
    の関係を満たすように、前記突起部を形成する、ことを特徴とする請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。

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