JP5644753B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、III 族窒化物半導体発光素子に関する。さらに詳細には、レーザーリフトオフ法により製造される発光素子であって発光光量の大きいIII 族窒化物半導体発光素子に関するものである。

III 族窒化物半導体の成長基板として、一般的にサファイア基板が用いられている。しかし、サファイアには導電性がなく、縦方向に電流を流すことが困難である。また、サファイアの熱伝導性は低い。そのため、半導体素子の放熱が阻害されるおそれがある。また、サファイアには明確な劈開面がない。そのため、ダイジング等の加工が容易でない。

そこで、これらの問題を解決する技術として、成長基板上にIII 族窒化物半導体を成長させた後に、成長基板とIII 族窒化物半導体との界面にレーザーを照射してIII 族窒化物半導体を分解させて成長基板を分離除去する技術（レーザーリフトオフ法）が開発されている。

そして、光取り出し効率をさらに向上させる技術が開発されてきている。例えば、特許文献１には、ｎ−ＧａＮ層側に、規則的な周期を有する第１凹凸構造１６０ａと、その上に形成された不規則的な周期を有する第２凹凸構造１６０ｂが形成されたＧａＮ系発光素子が開示されている（特許文献１の段落［００３３］および図３参照）。そして、このようなＧａＮ系発光素子の発光効率は高いとしている。

特開２００８−４７８６１号公報

ところで、特許文献１では、上記の第１凹凸形状１６０ａおよび第２凹凸形状１６０ｂの上に、透明導電体層１８０を形成してもよいとしている（特許文献１の段落［００３９］および図６参照）。しかし、透明導電体層１８０により光取り出し面からの光抽出効率が低下するおそれがある。

本発明は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは、光取り出し面がｎ層側にある発光素子であって発光効率の高いIII 族窒化物半導体発光素子を提供することである。

この課題の解決を目的としてなされた第１の発明に係るIII 族窒化物半導体発光素子は、ｐ電極と、導電性支持基板と、反射膜と、ｐ層と、III 族窒化物半導体からなる発光層と、粗面化されたｎ層と、ｎ電極とを有する。ｎ層の粗面化された面は、六角錐形状の凹形状を有する凹凸面である。凹凸面は、凸部と凹部とを有している。凸部と凹部との間の距離は、１５００ｎｍ以上２５００ｎｍ以下の範囲内である。また、ｎ層の粗面化された面の少なくとも一部を覆う透明膜を有している。透明膜は、ＳｉＯ ₂ 、Ｓｉ ₃ Ｎ ₄ 、ＳｉＯ _2X Ｎ _4Y （Ｘ＋３Ｙ＝１）のうちのいずれかの誘電体である。透明膜の膜厚は、凹凸面から光取り出し面までの光路が最小となる角度で入射した場合の光路である。そして、透明膜の膜厚は、次に示す式
０．２８ ≦ ｎ×ｄ×２／λ ≦ ０．４２
もしくは
０．６３ ≦ ｎ×ｄ×２／λ ≦ ０．７７
ｎ： 透明膜の屈折率
ｄ： 透明膜における傾斜面に垂直な方向の膜厚
λ： 発光層の発する光の波長
のいずれかを満たすものである。

かかるIII 族窒化物半導体発光素子では、光の取り出し効率が高い。粗面化されているｎ層からの光取り出し効率はよいからである。そして、ｎ層の上に形成されている透明膜では、光が強め合う関係にあるため、光取り出し効率はさらに高い。

第２の発明に係るIII 族窒化物半導体発光素子は、ｐ電極と、導電性支持基板と、反射膜と、ｐ層と、III 族窒化物半導体からなる発光層と、粗面化されたｎ層と、ｎ電極とを有する。ｎ層の粗面化された面は、六角錐形状の凹形状を有する凹凸面である。凹凸面は、凸部と凹部とを有している。凸部と凹部との間の距離は、１５００ｎｍ以上２５００ｎｍ以下の範囲内である。また、ｎ層の粗面化された面の少なくとも一部を覆う透明膜を有している。透明膜は、ＩＴＯ、ＩＣＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ₂ 、ＮｂＴｉＯ₂ 、ＴａＴｉＯ₂ のうちのいずれかの導電性透明膜である。透明膜の膜厚は、凹凸面から光取り出し面までの光路が最小となる角度で入射した場合の光路である。透明膜の膜厚は、次に示す式
０．２８ ≦ ｎ×ｄ×２／λ ≦ ０．４２
もしくは
０．６３ ≦ ｎ×ｄ×２／λ ≦ ０．７７
ｎ： 透明膜の屈折率
ｄ： 透明膜における傾斜面に垂直な方向の膜厚
λ： 発光層の発する光の波長
のいずれかを満たすものである。これらの材質の導電性透明膜を用いることにより、光取り出し効率をほとんど低下させることなく、発光層の面方向に電流を拡散させることができる。

第３の発明に係るIII 族窒化物半導体発光素子では、ｎ電極は、複数のフレーム部と、パッド部と、を有している。また、パッド部は、複数のフレーム部がなす角部に設けられている。

第４の発明に係るIII 族窒化物半導体発光素子では、ｎ層の粗面化された面は、レーザーリフトオフ法により成長基板が除去されて露出されたｎ−ＧａＮの窒素面である。

本発明によれば、光取り出し面がｎ層側にある発光素子であって発光効率の高いIII 族窒化物半導体発光素子が提供されている。

実施形態に係るIII 族窒化物半導体発光素子の構造を示す概略構成図である。 実施形態に係るIII 族窒化物半導体発光素子のｎパッド電極の形状を説明するための平面図である。 実施形態に係るIII 族窒化物半導体発光素子における透明膜の膜厚を示す概念図である。 実施形態に係るIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図（その１）である。 実施形態に係るIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図（その２）である。 実施形態に係るIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図（その３）である。 実施形態に係るIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図（その４）である。 実施形態に係るIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図（その５）である。 実施形態に係るIII 族窒化物半導体発光素子における透明膜の膜厚と光の出力比との関係を示すグラフ（その１）である。 実施形態に係るIII 族窒化物半導体発光素子における透明膜の膜厚と光の出力比との関係を示すグラフ（その２）である。

以下、本発明の具体的な実施の形態について、発光素子を例に挙げて図を参照しつつ説明する。しかし、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。また、後述する発光素子の各層の積層構造および電極構造は、例示である。特に、粗面化されている箇所を、極端に描いてある。また、実施形態とは異なる積層構造であってももちろん構わない。そして、それぞれの図における各層の厚みは、概念的に示したものであり、実際の厚みを示しているわけではない。

１．半導体発光素子
本実施形態に係るIII 族窒化物半導体発光素子について説明する。図１は、本実施形態に係る発光素子１００の積層構造を示す概略構成図である。発光素子１００は、III 族窒化物半導体から成る半導体素子である。また、発光素子１００は、成長基板をレーザーにより除去するレーザーリフトオフ法により形成されたものである。そのため、サファイア基板等の成長基板は、発光素子１００には残っていない。そして、光取り出し面Ｚは、ｎ層側にある。

図１に示すように、発光素子１００は、ｐ電極Ｐ１と、支持基板１０と、第１の導電性金属層１１と、導電性接合材層２０と、第２の導電性金属層２１と、導電性反射膜３０と、ｐ−ＧａＮ層４０と、ＧａＮ層５０と、発光源であるＭＱＷ層６０と、ｎ−ＧａＮ層７０と、透明膜Ｎ１０と、ｎパッド電極Ｎ２０とを、この順序で配置されるように形成されたものである。

ｐ電極Ｐ１は、Ｐｔ層、Ｔｉ層、Ｐｔ層、Ｔｉ層、Ａｕ層を、支持基板１０の側からこの順序で形成したものである。

支持基板１０は、発光素子１００の形状を保つためのものである。そして、発光素子１００の変形を防止するとともに、発光素子１００の機械的強度を高いものとするためのものである。そしてのその材質は、Ｓｉである。または、ＧａＡｓ、Ｇｅ、その他の金属製のものであってもよい。発光素子１００となった後に、発光層に電流を流す必要が生じる。そのため、支持基板１０は、導電性の材質のものである必要がある。

第１の導電性金属層１１は、支持基板１０と、導電性接合材層２０との密着性を向上させるためのものである。第１の導電性金属層１１の材質として、例えば、Ａｕが挙げられる。

導電性接合材層２０は、発光素子１００の製造過程において、形成した半導体層と支持基板１０とを接合するために形成されたものである。発光素子１００となった後に、発光層に電流を流す必要がある。そのため、導電性接合材層２０の材質は、導電性のものである。具体的には、ＡｕＳｎ系の半田である。もちろん、これ以外のものであってもよい。

第２の導電性金属層２１は、導電性接合材層２０と導電性反射膜３０との密着性を向上させるための層である。そして、導電性接合材層２０の半田が、半導体層に拡散するのを防止する役割も担っている。第２の導電性金属層２１の材質として、例えば、Ａｕが挙げられる。

導電性反射膜３０は、ＭＱＷ層６０により発せられた光を反射するための膜である。また、導電性反射膜３０は、導電性を示すものである。発光素子１００のＭＱＷ層６０に十分な電流が流れるようにするためである。このため、導電性反射膜３０は、光を反射する反射性と、電流の流れる導電性との両方の性質を備えるものである。

導電性反射膜３０の材質は、例えば、Ａｇ、Ａｌの他、Ａｌ又はＡｇを主成分として含む合金である。または、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、もしくは、これらの金属を少なくとも１種類以上含んだ合金であっても良い。また、屈折率の異なる２つの材料の複数の層から形成される分布ブラッグ反射膜（ＤＢＲ）であってもよい。

ｐ−ＧａＮ層４０は、電子を閉じ込めるためのものである。すなわち、電子が導電性反射膜３０側に拡散するのを防止するためのものである。これにより、ＭＱＷ層６０での発光光率を上昇させるのである。

ＧａＮ層５０は、ノンドープのＧａＮから成る層である。ただし、ｐ−ＧａＮから成る層としてもよい。

ＭＱＷ層６０は、電子と正孔とが再結合することで、光を発する発光層である。そのために、ＭＱＷ層６０は、バンドギャップの小さい井戸層と、バンドギャップの大きい障壁層とが交互に形成された多重量子井戸構造を有している。ここで、井戸層としてＩｎＧａＮを用いるとともに、障壁層としてＡｌＧａＮを用いた。また、井戸層としてＧａＮを用いるとともに、障壁層としてＡｌＧａＮを用いてもよい。または、障壁層としてＡｌＩｎＧａＮを用いてもよい。もしくは、これらを自由に組み合わせて、４層以上を単位構造として、その単位構造を繰り返すこととしてもよい。また、発光層として、ＳＱＷ層を用いてもよい。

ｎ−ＧａＮ層７０は、ｎパッド電極Ｎ２０に接触するコンタクト層であるとともに、ＭＱＷ層６０に応力が加わるのを防止するための層である。また、ＭＱＷ層６０のＩｎが拡散するのを防止するための層である。そのＳｉ濃度は１×１０¹⁸／ｃｍ³ 以上である。ここではｎ−ＧａＮ層７０としたが、それ以外のｎ層であってももちろん構わない。

ｎ−ＧａＮ層７０の光取り出し面Ｚ側は、粗面化されている。つまり、ｎ−ＧａＮ層７０には、図１に示すように凹凸面Ｘが形成されている。これにより、半導体層からの光取り出し効率を向上させるためである。ただし、図１では、概念的に分かりやすくするために、ｎ−ＧａＮ層７０および透明膜Ｎ１０の凹凸形状を極端に大きく描いてある。

透明膜Ｎ１０は、もちろん、透明の材質である。ＭＱＷ層６０から発せられた光を効率よく取り出すためである。透明膜Ｎ１０の材質は、ＳｉＯ₂ である。ＳｉＯ₂ により、発光素子１００の表面が保護される。透明膜Ｎ１０の形状および膜厚については、後に詳しく述べる。

ｎパッド電極Ｎ２０は、ｎ−ＧａＮ層７０の上に形成されている。つまり、ｎパッド電極Ｎ２０とｎ−ＧａＮ層７０とは導通している。ｎパッド電極Ｎ２０は、金属製の電極である。つまり、透明ではない。図２は、発光素子１００を図１の上側から見た平面図である。図２に示すように、ｎパッド電極Ｎ２０は、発光層から発せられる光をなるべく遮らないように配置されている。

つまり、ｎパッド電極Ｎ２０は、フレーム部Ｎ２１、Ｎ２２、Ｎ２３、Ｎ２４、Ｎ２５、Ｎ２６と、パッド部Ｎ２７、Ｎ２８とを有している。フレーム部Ｎ２１、Ｎ２２、Ｎ２３、Ｎ２４は、光取り出し面を囲むように配置されている。フレーム部Ｎ２５、Ｎ２６は、光取り出し面を交差するように配置されている。そして、フレーム部Ｎ２１とＮ２３とがなす角部には、パッド部Ｎ２７が設けられている。フレーム部Ｎ２２とＮ２４とがなす角部には、パッド部Ｎ２８が設けられている。

２．透明膜
２−１．透明膜の形状
透明膜Ｎ１０は、前述したように、粗面化されたｎ−ＧａＮ層７０の上に形成されている。そして、ｎ−ＧａＮ層７０の上面を、ｎパッド電極Ｎ２０の箇所を除いてすべて覆っている。ただし、ｎ−ＧａＮ層７０における粗面化された凹凸面Ｘの少なくとも一部を覆うようにしてもよい。

ｎ−ＧａＮ層７０の凹凸面Ｘは、六角錐形状である。凹凸面Ｘは、凸部Ｘ１と凹部Ｘ２とを有している。凹凸面Ｘは、六角錐形状の凹みが繰り返し現れた形状となっている。凹凸面Ｘのうち、ｐ電極Ｐ１の側からみて最も高い箇所、すなわち最も遠い箇所が凸部Ｘ１である。凸部Ｘ１は、透明膜Ｎ１０に向かって突出する凸形状の箇所である。凹凸面Ｘのうち、ｐ電極Ｐ１の側からみて最も低い箇所、すなわち最も近い箇所が凹部Ｘ２である。凹部Ｘ２は、透明膜Ｎ１０に対して凹んでいる形状の箇所である。

凸部Ｘ１と凹部Ｘ２との間の距離は、１５００ｎｍ〜２５００ｎｍである。そして、図１に示すように、六角錐の凸部Ｘ１をなす２つの面の角度θは、約６０°である。また、凹部Ｘ２において向かい合う面のなす角の角度は、約６０°である。

そして、透明膜Ｎ１０の形状も、ｎ−ＧａＮ層７０の凹凸形状にならった形状となっている。つまり、透明膜Ｎ１０の光取り出し面Ｚは、六角錐の凹凸形状である。より具体的には、六角錐形状の凹みが繰り返し形成されている。光取り出し面Ｚのうち、ｐ電極Ｐ１の側からみて最も高い箇所、すなわち最も遠い箇所が凸部Ｚ１である。凸部Ｚ１は、発光素子１００の外側に向かって突出する凸形状の箇所である。そして、光取り出し面Ｚのうち、ｐ電極Ｐ１の側からみて最も低い箇所、すなわち最も近い箇所が凹部Ｚ２である。凹部Ｚ２は、発光素子１００の外側に対して凹んでいる形状の箇所である。

一方、透明膜Ｎ１０の半導体層側、すなわちｎ−ＧａＮ層７０の側の面Ｙは、もちろん、ｎ−ＧａＮ層７０の凹凸面Ｘと対応している。つまり、六角錐の凹凸形状の繰り返した形状である。より具体的には、六角錐の凹形状が繰り返し形成されている。面Ｙのうち、ｐ電極Ｐ１の側からみて最も低い箇所、すなわち最も近い箇所が凸部Ｙ１である。凸部Ｙ１は、ｎ−ＧａＮ層７０に向かって突出する凸形状の箇所である。面Ｙのうち、ｐ電極Ｐ１の側からみて最も高い箇所、すなわち最も遠い箇所が凹部Ｙ２である。凹部Ｙ２は、ｎ−ＧａＮ層７０に対して凹んでいる形状の箇所である。面Ｙの凸部Ｙ１は、凹凸面Ｘの凹部Ｘ２と対面する位置に位置している。一方、面Ｙの凹部Ｙ２は、凹凸面Ｘの凸部Ｘ１と対面する位置に位置している。

そして、光取り出し面Ｚは、面Ｙの凹凸形状と対応している。すなわち、光取り出し面Ｚの凸部Ｚ１は、面Ｙの凹部Ｙ２の反対側（裏面側）の位置に位置している。光取り出し面Ｚの凹部Ｚ２は、面Ｙの凸部Ｙ１の反対側（裏面側）の位置に位置している。

このように、透明膜Ｎ１０では、透明膜Ｎ１０をはさんで凸部Ｚ１の反対側に凹部Ｙ２があり、凹部Ｚ２の反対側に凸部Ｙ１がある。

ここで、ｎ−ＧａＮ層７０の凹凸面Ｘと、光取り出し面Ｚとの関係について説明する。光取り出し面Ｚの凸部Ｚ１は、図１では、凹凸面Ｘの凸部Ｘ１の上方に、すなわち、凹凸面Ｘの凸部Ｘ１をｃ軸方向に延長した位置に位置している。また、光取り出し面Ｚの凹部Ｚ２は、図１では、凹凸面Ｘの凹部Ｘ２の上方に、すなわち、凹凸面Ｘの凹部Ｘ２をｃ軸方向に延長した位置に位置している。

２−２．透明膜の膜厚
図３は、図１の透明膜Ｎ１０周辺を拡大した拡大図である。そして、図３には、透明膜Ｎ１０の膜厚ｄ１が示されている。ここで、膜厚ｄ１とは、透明膜Ｎ１０における、ｎ−ＧａＮ層７０の凹凸面Ｘの傾斜面に垂直な方向の厚みである。

ここで、透明膜Ｎ１０の膜厚ｄは、次に示す式
０．２８ ≦ ｎ×ｄ×２／λ ≦ ０．４２ ………（１）
もしくは
０．６３ ≦ ｎ×ｄ×２／λ ≦ ０．７７ ………（２）
を満たす範囲内のものを選ぶ。なお、
ｎ： 透明膜の屈折率
ｄ： 透明膜における傾斜面に垂直な方向の膜厚
λ： 発光層の発光する光の波長
である。ここで、透明膜Ｎ１０の膜厚とは、ｃ軸方向の厚みではなく、図３に示すように、ｎ−ＧａＮ層７０の凹凸面Ｘからみた厚みである。すなわち、透明膜における、凹凸面Ｘ（傾斜面）に垂直な方向の膜厚である。そして、膜厚ｄは、凹凸面Ｘから光取り出し面Ｚまでの光路が最小となる角度で入射した場合の光路と同じである。

ここで、ＭＱＷ層６０の発する光の波長は４５２．５ｎｍであった。そして、透明膜Ｎ１０の屈折率、ここではＳｉＯ₂ の屈折率は、１．４５である。この場合、式（１）を満たす透明膜Ｎ１０の膜厚ｄの範囲は、４３．７ｎｍ以上６５．５ｎｍ以下である。式（２）を満たす透明膜Ｎ１０の膜厚ｄの範囲は、９８．３ｎｍ以上１２０．１ｎｍ以下である。

後述する実験の項で説明するように、透明膜Ｎ１０の膜厚をこの範囲内とすれば、発光素子１００から照射される光の出力は高い。つまり、発光層の波長を変えない場合には、透明膜Ｎ１０として採用する材質の屈折率に応じて、膜厚を選択すれば、光取り出し効率の高い発光素子１００を製造することができる。

３．半導体発光素子の製造方法
本形態における半導体素子の製造方法では、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、上記の各層の結晶をエピタキシャル成長させた。以下、各工程を説明する。

ここで用いたキャリアガスは、水素（Ｈ₂ ）もしくは窒素（Ｎ₂ ）もしくは水素と窒素との混合気体（Ｈ₂ ＋Ｎ₂ ）である。窒素源として、アンモニアガス（ＮＨ₃ ）を用いた。Ｇａ源として、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ₃ ）₃ ：以下、「ＴＭＧ」という。）を用いた。Ｉｎ源として、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ₃ ）₃ ：以下、「ＴＭＩ」という。）を用いた。Ａｌ源として、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ₃ ）₃ ：以下、「ＴＭＡ」という。）を用いた。ｎ型ドーパントガスとして、シラン（ＳｉＨ₄ ）を用いた。ｐ型ドーパントガスとして、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ₅ Ｈ₅ ）₂ ：以下、「ＣＰ₂ Ｍｇ」という。）を用いた。

３−１．積層工程
本形態では、ｃ面サファイア基板Ｓ１を用いた。そして、そのサファイア基板Ｓ１をＭＯＣＶＤ炉に入れた。次に、水素ガス中でサファイア基板Ｓ１のクリーニングを行い、サファイア基板Ｓ１の表面に付着している付着物を除去した。そして、サファイア基板Ｓ１の上に、低温バッファ層Ｂ１を形成した。

次に、低温バッファ層Ｂ１の上にｎ−ＧａＮ層７０をＧａＮの＋ｃ軸方向に成長させた。形成した。続いて、ｎ−ＧａＮ層７０の上にＭＱＷ層６０を形成した。次に、ＭＱＷ層６０の上にＧａＮ層５０を形成した。そして、ＧａＮ層５０の上にｐ−ＧａＮ層４０を形成した。続いて、ｐ−ＧａＮ層４０の上に導電性反射膜３０を形成した。

３−２．接合層形成工程
次に、導電性反射膜３０の上に第２の導電性金属層２１と、低融点金属層２６を形成した。これにより、図４に示した積層構造が得られた。一方、支持基板１０にも、図５に示すような第１の導電性金属層１１と、低融点金属層２５を形成した。そして、図５に示すように支持基板１０に形成された低融点金属層２５と、サファイア基板Ｓ１側の導電性反射膜３０に形成された低融点金属層２６とを、向かい合わせにした。そして、低融点金属層２５と、低融点金属層２６とを、接合した。そして、低融点金属層２５、２６は、一体の導電性接合層２０となった。これにより、図６に示すような積層構造が得られた。

３−３．成長基板除去工程
続いて、図６に示した積層構造のサファイア基板Ｓ１の接合面にレーザーを照射する。ここで照射するレーザーは、波長が２４８ｎｍのＫｒＦ高出力パルスレーザーであった。また、ＹＡＧレーザー（３５５ｎｍ、２６６ｎｍ）、ＸｅＣｌレーザー（３０８ｎｍ）、ＡｒＦレーザー（１５５ｎｍ）、などのいずれを用いてもよい。３６５ｎｍよりも波長の短いレーザーであれば、その他のレーザーを用いてもよい。

これにより、図７に示したように、積層体からサファイア基板Ｓ１が除去された。なお、低温バッファ層Ｂ１は薄い。そのため、この成長基板除去工程により、低温バッファ層Ｂ１の少なくとも一部は、サファイア基板Ｓ１とともに除去される。

３−４．粗面化工程
次に、低温バッファ層Ｂ１を除去するとともに、ｎ−ＧａＮ層７０の表面を粗面化した。ｎ−ＧａＮ層７０の表面は−ｃ面、すなわち、窒素面である。エッチングにより、ｎ−ＧａＮ層７０に凹凸面Ｘを形成した。具体的には、ｎ−ＧａＮ層７０の表面をＴＭＡＨ溶液に浸漬した。このＴＭＡＨ溶液の温度を６０℃とした。ＴＭＡＨ溶液で−ｃ面のエッチングは可能である。ここで、−ｃ面をエッチングするため、凹凸面Ｘは六角錐形状となる。そして、凹凸面Ｘは、ＴＭＡＨ溶液の浸漬の具合やその他の要因によるため、その六角錐形状は、やや不規則である。ＴＭＡＨ溶液の代わりに、水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨａｑ）を用いてもよい。なお、図８では、粗面化後の積層体が模式的に描かれている。このように粗面化された凹凸面Ｘは、成長基板であるサファイア基板Ｓ１上にエピタキシャル成長させた後、サファイア基板Ｓ１を除去することにより露出された面である。

３−５．透明膜形成工程
次に、粗面化されたｎ−ＧａＮ層７０の上に、透明膜Ｎ１０を形成した。そのためにスパッタ装置を用いて、ｎ−ＧａＮ層７０の凹凸面Ｘの全面にＳｉＯ₂ の膜を形成した。

３−６．電極形成工程
続いて、支持基板１０における導電性接合層２０の反対側の面に、ｐ電極Ｐ１を形成した。ｐ電極Ｐ１として、Ｐｔ層、Ｔｉ層、Ｐｔ層、Ｔｉ層、Ａｕ層を支持基板１０の側からこの順番で形成した。また、ｎ−ＧａＮ層７０の上に、ｎパッド電極Ｎ２０を形成した。ｎパッド電極Ｎ２０として、Ｗ層、Ｔｉ層、Ａｕ層をｎ−ＧａＮ層７０の側からこの順番で形成した。そのｎパッド電極Ｎ２０の形状は、図２に示したとおりである。以上の工程を経ることにより、図１に示した発光素子１００を製造した。

４．実験結果
ここで、本実施の形態で行った実験結果について説明する。この実験では、透明膜Ｎ１０として、ＳｉＯ₂ を用いた場合に、ＳｉＯ₂ の膜厚を変えて光の出力Ｉｖを測定した。

表１は、ＳｉＯ₂ から成る透明膜Ｎ１０の膜厚ｄ１として、種々の値を用いたときに、透明膜Ｎ１０を形成したことによる光の出力Ｉｖの変化量を示している。ここで、膜厚ｄ１は、式（１）、（２）の膜厚ｄと同じである。

表１の１番左側の欄には、透明膜Ｎ１０の膜厚ｄ１が記載されている。透明膜Ｎ１０は、粗面化されたｎ−ＧａＮ層７０の上に形成されている。そのため、凹凸面の膜厚ｄ１は、平坦面に形成した場合の膜厚ｄ０よりも薄い。ここで、同様の方法で平坦面に形成した場合の膜厚ｄ０は、膜厚ｄ１の２．３倍程度であった。

表１の左側から２番目の欄には、光路差ｎ×２×ｄ１が記載されている。ここで、ＳｉＯ₂ の屈折率ｎは１．４５である。表１の左側から３番目の欄には、光路差と波長の比ｎ×ｄ１×２／λｄが記載されている。ここでλｄは、発光層の発する光の波長（大気中）である。

表１には、透明膜Ｎ１０を形成しなかった場合における光の出力Ｉｖ０と、透明膜Ｎ１０を形成した場合における光の出力Ｉｖ１と、これらの比Ｉｖ１／Ｉｖ０が記載されている。ここで、透明膜Ｎ１０を形成したとしても、出力があまり落ちない膜厚の条件を選ぶ。ここで、Ｉｖ比（Ｉｖ１／Ｉｖ０）が０．９５以上となる場合を、好適な条件と判断することとした。

表１に示すように、透明膜Ｎ１０の膜厚ｄ１が４８ｎｍのとき、すなわち、ｎ×ｄ１×２／λｄが０．３１のとき、Ｉｖ比が０．９７であった。また、透明膜Ｎ１０の膜厚ｄ１が５７ｎｍのとき、すなわち、ｎ×ｄ１×２／λｄが０．３７のとき、Ｉｖ比が０．９６であった。そして、透明膜Ｎ１０の膜厚ｄ１が１０９ｎｍのとき、すなわち、ｎ×ｄ１×２／λｄが０．７２のとき、Ｉｖ比が０．９６であった。上記の場合において、光が強め合うと考えられる。

図９は、表１に示した実験結果を示すものである。図９の横軸は、微細加工面での膜厚ｄ１である。図９の縦軸は、Ｉｖ比である。図９に示すように、Ｉｖ比は、膜厚ｄ１の変化に対して、やや大きい値をとる領域と、それより小さい値をとる領域とがある。

図１０は、図９に示したグラフの横軸を変換したものである。図１０の横軸は、ｎ×ｄ１×２／λｄの値である。図１０の縦軸は、Ｉｖ比である。ここで、前述のように、透明膜Ｎ１０であるＳｉＯ₂ の屈折率ｎは１．４５である。また、発光層の発光する光の波長λｄは、４５２．５ｎｍである。このように、透明膜Ｎ１０の屈折率ｎおよび発光層の発する光の波長λｄが一定値である。そのため、ｎ×ｄ１×２／λｄは、膜厚ｄ１に定数（２×ｎ／λｄ）を掛け合わせたものにすぎない。

図１０に示すように、Ｉｖ比が０．９５以上である範囲が好ましい。つまり、図１０において、スラッシュでハッチングされている領域である。この領域は、前述の式（１）、（２）で表される範囲である。

なお、ｎ−ＧａＮ層７０の屈折率をｎ１、大気中の屈折率をｎ２とすると、
ｎ² ＝ ｎ１×ｎ２
のときに光取り出し効率が最も高い。ここで、ｎは１．４５であり、ｎ１は２．６であり、ｎ２は１である。ｎ² は、およそ２．１であり、光取り出し効率は、よい。

５．変形例
５−１．透明膜
本形態では、透明膜Ｎ１０として、ＳｉＯ₂ を用いた。ＳｉＯ₂ は誘電体である。また、透明膜Ｎ１０として、Ｓｉ₃ Ｎ₄ や、その他にＳｉＯ_2XＮ_4Y（Ｘ＋３Ｙ＝１）であってもよい。

５−２．導電性透明膜
さらに、透明膜Ｎ１０を導電性の材質で形成するとよい。電流を半導体層の面方向（図１では横方向）に拡散して、発光層の発光領域にわたって効率よく電流を流すためである。この場合には、透明膜Ｎ１０は導電性であるため、透明膜Ｎ１０の上にｎパッド電極Ｎ２０を形成するとよい。ｎ−ＧａＮ層７０の凹凸面Ｘの可能な限り大部分を覆うことにより、ＭＱＷ層６０に面方向に電流が拡散するからである。

このように導電性透明膜を形成する場合であっても、式（１）、（２）を満たすように、膜厚を選べばよい。材質に応じて屈折率は異なっているが、その場合でも光取り出し効率が高くなるような膜厚で透明膜Ｎ１０を形成すればよい。ここで、導電性透明膜の材質として、ＩＴＯを用いることができる。または、ＩＣＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ₂ 、ＮｂＴｉＯ₂ 、ＴａＴｉＯ₂ であってもよい。

６．まとめ
以上、詳細に説明したように、本実施形態に係る発光素子１００は、レーザーリフトオフ法により成長基板を除去されたものである。そして、成長基板を除去されたｎ層側の半導体層が粗面化されている。そのため、半導体層からの光取り出し効率は高い。その粗面化された半導体層の上に、透明膜Ｎ１０が形成されている。

そしてさらに、透明膜Ｎ１０では、粗面化された半導体層側に、その粗面化形状に応じた凹凸形状が形成されているとともに、光取り出し面側に、半導体層側の凹凸形状に対応する凹凸形状が形成されている。これにより、光取り出し効率の向上と、電流の面方向への拡散とを図った発光素子が実現されている。さらに、透明膜Ｎ１０の膜厚は、光を強め合う光路差となるようにしている。これにより、発光性に優れた発光素子が実現されている。

なお、本実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能である。積層体の積層構造については、必ずしも図に示したものに限らない。積層構造や各層の繰り返し回数等、任意に選択してよい。また、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）に限らない。キャリアガスを用いて結晶を成長させる方法であれば、他の方法を用いてもよい。

１０…支持基板
１１…第１の導電性金属層
２０…導電性接合層
２１…第２の導電性金属層
３０…導電性反射膜
４０…ｐ−ＧａＮ層
５０…ＧａＮ層
６０…ＭＱＷ層
７０…ｎ−ＧａＮ層
８０…発光層
１００…発光素子
Ｐ１…ｐ電極
Ｎ１０…透明膜
Ｎ２０…ｎパッド電極
Ｎ２１、Ｎ２２、Ｎ２３、Ｎ２４、Ｎ２５、Ｎ２６…フレーム部
Ｎ２７、Ｎ２８…パッド部
Ｓ１…サファイア基板
Ｂ１…低温バッファ層
２５、２６…低融点金属層
Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１…凸部
Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２…凹部
Ｘ…凹凸面
Ｙ…面
Ｚ…光取り出し面

Claims (4)

1. ｐ電極と、
   導電性支持基板と、
   反射膜と、
   ｐ層と、
   III 族窒化物半導体からなる発光層と、
   粗面化されたｎ層と、
   ｎ電極とを有するIII 族窒化物半導体発光素子であって、
   前記ｎ層の粗面化された面は、
   六角錐形状の凹形状を有する凹凸面であり、
   前記凹凸面は、凸部と凹部とを有しており、
   前記凸部と前記凹部との間の距離は、１５００ｎｍ以上２５００ｎｍ以下の範囲内であり、
   前記ｎ層の粗面化された面の少なくとも一部を覆う透明膜を有し、
   前記透明膜は、
   ＳｉＯ ₂ 、Ｓｉ ₃ Ｎ ₄ 、ＳｉＯ _2X Ｎ _4Y （Ｘ＋３Ｙ＝１）のうちのいずれかの誘電体であり、
   前記透明膜の膜厚は、
   前記凹凸面から光取り出し面までの光路が最小となる角度で入射した場合の光路であり、
   前記透明膜の膜厚は、
   次に示す式
   ０．２８ ≦ ｎ×ｄ×２／λ ≦ ０．４２
   もしくは
   ０．６３ ≦ ｎ×ｄ×２／λ ≦ ０．７７
   ｎ： 透明膜の屈折率
   ｄ： 透明膜における傾斜面に垂直な方向の膜厚
   λ： 発光層の発する光の波長
   のいずれかを満たすものであること
   を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
2. ｐ電極と、
   導電性支持基板と、
   反射膜と、
   ｐ層と、
   III 族窒化物半導体からなる発光層と、
   粗面化されたｎ層と、
   ｎ電極とを有するIII 族窒化物半導体発光素子であって、
   前記ｎ層の粗面化された面は、
   六角錐形状の凹形状を有する凹凸面であり、
   前記凹凸面は、凸部と凹部とを有しており、
   前記凸部と前記凹部との間の距離は、１５００ｎｍ以上２５００ｎｍ以下の範囲内であり、
   前記ｎ層の粗面化された面の少なくとも一部を覆う透明膜を有し、
   前記透明膜は、
   ＩＴＯ、ＩＣＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ₂ 、ＮｂＴｉＯ₂ 、ＴａＴｉＯ₂ のうちのいずれかの導電性透明膜であり、
   前記透明膜の膜厚は、
   前記凹凸面から光取り出し面までの光路が最小となる角度で入射した場合の光路であり、
   前記透明膜の膜厚は、
   次に示す式
   ０．２８ ≦ ｎ×ｄ×２／λ ≦ ０．４２
   もしくは
   ０．６３ ≦ ｎ×ｄ×２／λ ≦ ０．７７
   ｎ： 透明膜の屈折率
   ｄ： 透明膜における傾斜面に垂直な方向の膜厚
   λ： 発光層の発する光の波長
   のいずれかを満たすものであること
   を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
3. 請求項１または請求項２に記載のIII 族窒化物半導体発光素子であって、
   前記ｎ電極は、
   複数のフレーム部と、パッド部と、を有しており、
   前記パッド部は、前記複数のフレーム部がなす角部に設けられていること
   を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子であって、
   前記ｎ層の粗面化された面は、
   レーザーリフトオフ法により成長基板が除去されて露出されたｎ−ＧａＮの窒素面であること
   を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。

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