JP7841716B2 - 発光素子の製造方法及び発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、ＧａＮ系半導体からなる発光素子の製造方法、及び発光素子に関する。

ＧａＮ系半導体からなる発光ダイオード等の発光素子として、量子井戸構造を有するＩｎＧａＮからなる発光層を備えた発光素子が知られている。

ＩｎＧａＮは、ＧａＮとＩｎＮとの混晶であり，その組成比を調整することによって、バンドギャップエネルギーを変えることができ、これにより、発光波長を制御することができる。しかしながら、青色領域においては、高い発光効率が達成されているが、それ以外の領域では、発光効率が著しく低いのが現状である。

発光効率を向上させるためのアプローチとして、表面プラズモン共鳴を利用した方法が提案されている（非特許文献１）。この方法は、ＩｎＧａＮ発光層の近傍に、ＧａＮ層（キャップ層）を挟んで金属薄膜を形成するもので、ＩｎＧａＮ発光層内に発生した電子・正孔対が、再結合によって発光する際に，金属薄膜とＧａＮ層の界面に生じる表面プラズモンと共鳴することによって、発光速度が増加し、これにより、発光効率が向上する。

Applied Physics Letters、87巻、7110、2頁、2005年

表面プラズモン共鳴を利用した方法は、発光層からの光が、金属薄膜によって吸収にされるため、光損失が大きく、また、緑色領域に適した金属材料がないという課題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、ＧａＮ系半導体で構成された発光素子において、発光効率を向上させることが可能な発光素子の製造方法、及び発光素子を提供することを目的とする。

本発明に係る発光素子の製造方法は、ＧａＮ系半導体で構成された発光素子の製造方法であって、基板上に量子井戸構造を有する発光層を形成する工程と、発光層上にＧａＮからなるキャップ層を形成する工程と、キャップ層上に酸化膜を形成する工程と、を備え、酸化膜は、ＧａＮで構成されたキャップ層内に存在するＧａ空孔に拡散侵入可能な元素の酸化物からなる。

本発明に係る発光素子は、ＧａＮ系半導体で構成された発光素子であって、量子井戸構造を有する発光層と、発光層上に形成されたＧａＮからなるキャップ層と、キャップ層上に形成されたＺｎＯ膜とを備えている。

本発明によれば、ＧａＮ系半導体で構成された発光素子において、発光効率を向上させることが可能な発光素子の製造方法、及び発光素子を提供することができる。

本発明を説明するために作成した試料の構造を模式的に示した断面図である。 ＧａＮ層（キャップ層）上にＳｉＯ_２膜を形成した試料に、励起光を照射してフォトルミネセンス（ＰＬ）を測定した結果を示したグラフである。 黄緑色発光の試料に対して、発光強度の温度依存性を測定した結果を示したグラフである。 黄緑色発光の試料に対して、レーザの照射時間を変えたときの発光強度の変化を測定した結果を示したグラフである。 レーザの照射時間に対して、発光強度をプロットしたグラフである。 ＳｉＯ_２膜の表面をレーザ照射した後、ＳｉＯ_２膜を除去した試料に対して、フォトルミネセンス（ＰＬ）を測定した結果を示したグラフである。 ＧａＮ層（キャップ層）上にＺｎＯ膜を形成した試料に対して、励起光を照射して、フォトルミネセンス（ＰＬ）を測定した結果を示したグラフである。 レーザの照射時間を変えたときの発光強度の変化を測定した結果を示したグラフである。 レーザの照射時間に対して、発光強度をプロットしたグラフである。 ＧａＮ層（キャップ層）上にＳｉＯ_２膜を形成した試料に対して、時間分解発光プロファイルを測定した結果を示したグラフである。 ＧａＮ層（キャップ層）中のＳｉ濃度を測定した結果を示したグラフである。 （Ａ）～（Ｃ）は、ＧａＮ層（キャップ層）の厚みを変えたときの発光強度を、レーザの照射時間に対してプロットしたグラフである。 ＧａＮ層（キャップ層）上にＳｉＯ_２膜を形成したときと、ＳｉＯ_２膜１４を形成しなかったときの発光強度比を、ＧａＮ層（キャップ層）厚みを変えた試料に対して測定した結果を示したグラフである。 本発明の発光素子の構成を模式的に示した断面図である。 本発明の発光素子の他の構成を模式的に示した断面図である。 本発明の発光素子の変形例を示した断面図である。

本願発明者等は、ＩｎＧａＮ発光層の表面に形成したＧａＮ層の表面に、金属薄膜を形成する代わりに、特定の材料からなる酸化膜を形成することによって、発光効率が著しく向上するという驚くべき現象を見出した。

（ＳｉＯ_２膜を用いた発光増強）
図１は、上記現象を検証するために作製した試料の構造を模式的に示した断面図である。

図１に示すように、サファイア基板１０上に、厚さ３μｍのＧａＮ層１１を形成し、ＧａＮ層１１の上に、厚さ３ｎｍの量子井戸構造を有するＩｎＧａＮ層（発光層）１２を形成した。さらに、ＩｎＧａＮ層１２上に、厚さ１０ｎｍのＧａＮ層（キャップ層）１３を形成し、ＧａＮ層１３の上に、厚さ５ｎｍのＳｉＯ_２膜１４を形成した。さらに、ＳｉＯ_２膜１４の表面に、Ｈｅ－Ｃｄレーザ（波長：３２５ｎｍ；強度：２００ｍＷ）を、１０分間照射した。なお、作製した試料は、後述するフォトルミネセンス（ＰＬ）で、試料の発光を調べるために、ＧａＮ層１１、ＧａＮ層（キャップ層）１３は、それぞれノンドープとした。なお、ＬＥＤ等の発光素子を形成する場合は、ＧａＮ層１１をｎ型、ＧａＮ層（キャップ層）１３をｐ型とすればよい。

ここで、ＩｎＧａＮ層（発光層）１２は、青色（４７０ｎｍ）、緑色（５１０ｎｍ）、及び、黄緑色（５４０ｎｍ）の光が発光するように、それぞれ、Ｉｎ組成比を調整した。また、ＧａＮ層１１、ＩｎＧａＮ層１２、及びＧａＮ層１３は、それぞれ、有機金属気相成長法を用いて形成し、ＳｉＯ_２膜１４は、スパッタリング法を用いて形成した。

図２は、ＧａＮ層（キャップ層）１３の上に、ＳｉＯ_２膜１４を形成した試料と、ＳｉＯ_２膜１４を形成しなかった試料に対して、Ｈｅ－Ｃｄレーザ（波長：３２５ｎｍ；強度：２００ｍＷ）の励起光を照射して、フォトルミネセンス（ＰＬ）を測定した結果を示したグラフである。ここで、実線のＡ、Ｂ、及びＣで示したグラフは、それぞれ、ＳｉＯ_２膜１４を形成した試料で、青色、緑色、及び、黄緑色の発光を持った試料である。また、破線のＡ’、Ｂ’、及びＣ’で示したグラフは、それぞれ、ＳｉＯ_２膜１４を形成しなかった試料で、青色、緑色、及び、黄緑色の発光を持った試料である。

図２に示すように、ＳｉＯ_２膜１４を形成した試料の発光強度は、ＳｉＯ_２膜１４を形成しなかった試料の発光強度よりも、青色発光の試料で、約１．５倍、緑色発光の試料で、約２．５倍、黄緑色発光の試料で、約１３倍に増強していることが分かる。

図３は、最も発光強度が増強した黄緑色発光の試料に対して、発光強度の温度依存性を測定した結果を示したグラフである。ここで、黒丸で示したグラフが、ＳｉＯ_２膜１４を形成した試料で、黒四角で示したグラフが、ＳｉＯ_２膜１４を形成しなかった試料である。

図３に示すように、発光強度は低温になるほど増加し、極低温では一定の値を示す。これは、低温になるほど励起子の熱による運動が低下し、励起子が不純物や転位・欠陥などの非発光サイトに捕獲されにくくなり、発光効率の低下を引き起こす熱失活が抑えられるためである。よって、極低温で発光強度が一定になった時の発光の内部量子効率はほぼ１００％であると考えられ、この値と比較することで各温度における発光の内部量子効率の値を見積もることができる。これにより、ＳｉＯ_２膜１４を形成しなかった試料では、内部量子効率が１．３％であったの対し、ＳｉＯ_２膜１４を形成した試料では、内部量子効率が２２％まで高くなっているのが分かる。

図４は、黄緑色発光の試料に対して、レーザの照射時間を変えたときの発光強度の変化を測定した結果を示したグラフである。ここで、Ａ_０、Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３、Ａ_４で示したグラフは、それぞれ、レーザ照射時間を、０分（照射なし）、１分、３分、５分、８分としたときの発光強度を示す。なお、Ｂで示したグラフは、ＳｉＯ_２膜１４を形成しなかった試料である。また、図５は、レーザの照射時間に対して、発光強度をプロットしたグラフである。

図４に示すように、レーザの照射時間が長くなるほど、発光強度が増加しているのが分かる。また、図５に示すように、一定時間、レーザ照射すると、発光強度が飽和しているのが分かる。なお、レーザを照射しない場合（Ａ_０で示したグラフ）でも、ＳｉＯ_２膜１４を形成しなかった試料に比べて、発光強度は、約５倍に向上していた。

図６は、ＳｉＯ_２膜１４の表面をレーザ照射した後、フッ酸で、ＳｉＯ_２膜１４をＧａＮ層（キャップ層）１３から除去した試料に対して、フォトルミネセンス（ＰＬ）を測定した結果を示したグラフである。ここで、Ａで示したグラフが、ＳｉＯ_２膜１４を除去した試料で、Ｂで示したグラフが、元々ＳｉＯ_２膜１４を形成していなかった試料である。

図６に示すように、ＳｉＯ_２膜１４を除去した試料においても、ＳｉＯ_２膜１４の表面をレーザ照射した試料と同程度の高い発光強度を維持していることが分かる。

（ＺｎＯ膜を用いた発光増強）
ＧａＮ層（キャップ層）１３上に形成する酸化膜１４として、ＳｉＯ_２膜の代わりに、厚さ５ｎｍのＺｎＯ膜を形成した試料を作成した。ＺｎＯ膜は、スパッタリング法で形成し、ＺｎＯ膜以外は、図１に示した試料と同じ構成にした。ＩｎＧａＮ層（発光層）１２は、黄緑色（５４０ｎｍ）の光が発光するように、Ｉｎ組成比を調整した。また、ＺｎＯ膜の表面に、Ｈｅ－Ｃｄレーザ（波長：３２５ｎｍ；強度：２００ｍＷ）を、１０分間照射した。

図７は、ＧａＮ層（キャップ層）１３の上に、ＺｎＯ膜を形成した試料と、ＺｎＯ膜を形成しなかった試料に対して、Ｈｅ－Ｃｄレーザ（波長：３２５ｎｍ；強度：２００ｍＷ）の励起光を照射して、フォトルミネセンス（ＰＬ）を測定した結果を示したグラフである。ここで、Ａ_０で示したグラフは、ＺｎＯ膜を形成した後、レーザ照射を行わなかった試料、Ａ_１で示したグラフは、ＺｎＯ膜を形成した後、レーザ照射を行った試料、Ｂで示したグラフは、ＺｎＯ膜を形成しなかった試料である。

図７に示すように、ＺｎＯ膜を形成した後、レーザ照射を行った試料の発光強度は、ＺｎＯ膜を形成しなかった試料の発光強度よりも、約７倍に増強していることが分かる。

図８は、レーザの照射時間を変えたときの発光強度の変化を測定した結果を示したグラフである。ここで、Ａ_０、Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３で示したグラフは、それぞれ、レーザ照射時間を、０分（照射なし）、１分、３分、５分、８分としたときの発光強度を示す。なお、Ｂで示したグラフは、ＺｎＯ膜を形成しなかった試料である。また、図９は、レーザの照射時間に対して、発光強度をプロットしたグラフである。

図８に示すように、レーザの照射時間が長くなるほど、発光強度が増加しているのが分かる。また、図９に示すように、一定時間、レーザ照射すると、発光強度が飽和していることが分かる。なお、レーザを照射しない場合（Ａ_０で示したグラフ）でも、ＺｎＯ膜を形成しなかった試料に較べて、発光強度は、約３倍に向上しているのが分かる。

また、レーザ照射後に、ＺｎＯ膜を除去した試料においても、ＺｎＯ膜の表面をレーザ照射した試料と同程度の高い発光強度を維持していた。

以上の結果から、ＧａＮ層（キャップ層）１３の上に、特定の酸化膜（ＳｉＯ_２膜またはＺｎＯ膜）１４を形成することによって、発光効率が向上し、さらに、酸化膜（ＳｉＯ_２膜またはＺｎＯ膜）１４の表面をレーザ照射することによって、発光効率が顕著に向上することが判明した。また、レーザ照射後に、酸化膜（ＳｉＯ_２膜またはＺｎＯ膜）１４を除去しても、高い発光効率を維持していることが分かった。

（発光効率が向上するメカニズム）
ＧａＮ層（キャップ層）１３の上に、ＳｉＯ_２膜またはＺｎＯ膜を形成することによって一定の発光効率が向上し、さらに、ＳｉＯ_２膜またはＺｎＯ膜の表面をレーザ照射することによって、発光効率が顕著に向上する理由は定かではないが、以下のようなメカニズムにより、このような現象が生じたものと考えられる。

図１０は、ＧａＮ層（キャップ層）１３の上に、ＳｉＯ_２膜１４を形成した試料と、ＳｉＯ_２膜１４を形成しなかった試料に対して、時間分解発光プロファイルを測定した結果を示したグラフである。ここで、Ａで示したグラフが、ＳｉＯ_２膜１４を形成した試料で、Ｂで示したグラフが、ＳｉＯ_２膜１４を形成しなかった試料である。

図１０に示すように、ＳｉＯ_２膜１４を形成した試料では、発光寿命が短くなっており、これは、ＩｎＧａＮ層（発光層）１２内に発生した電子・正孔対の再結合速度が増加していることを意味する。この再結合速度が増加した要因として、ＩｎＧａＮ層（発光層）１２上に形成したＧａＮ層（キャップ層）１３の結晶性が改善したことが考えられる。

上述したように、ＧａＮ層（キャップ層）１３上に、酸化膜１４としてＳｉＯ_２膜やＺｎＯ膜を形成することにより、一定の発光効率の向上が得られ、さらに、ＳｉＯ_２膜やＺｎＯ膜の表面に、波長が３２５ｎｍのレーザを照射することにより、発光効率の顕著な向上が得られたのに対し、ＧａＮ層（キャップ層）１３上に、他の酸化膜として、Ａｌ_２Ｏ_３膜を形成しても、発光効率の向上は得られなかった。

通常、ＧａＮ層１３にはＧａ空孔が存在し、このＧａ空孔が、ＩｎＧａＮ層（発光層）１２の発光効率に影響を与えるが、表１に示すように、Ｓｉ、Ｚｎ、及びＡｌの共有結合半径は、Ｇａの共有結合半径以下であるため、ＳｉＯ_２膜、ＺｎＯ膜、及びＡｌ_２Ｏ_３膜中に存在するＳｉ、Ｚｎ、及びＡｌは、ＧａＮ層１３中に存在するＧａ空孔に拡散することが可能である。

一方、発光効率の顕著な効果は、波長が３２５ｎｍのレーザを照射することによって得られるが、この波長は、３．８ｅＶのエネルギーに相当し、このエネルギーは、表２に示すように、ＳｉとＯ（酸素）との結合エネルギー（３．１ｅＶ）、及び、ＺｎとＯ（酸素）との結合エネルギー（２．２ｅＶ）より高く、ＡｌとＯ（酸素）との結合エネルギー（５．３ｅＶ）よりも低い。

このことから、ＳｉＯ_２膜やＺｎＯ膜の表面に、波長が３２５ｎｍのレーザを照射することによって、ＳｉやＺｎとＯとの結合が切れて、ＳｉまたはＺｎが、ＧａＮ層（キャップ層）１３の結晶内に存在するＧａ空孔に拡散侵入し、これにより、ＧａＮ層（キャップ層）１３の結晶性が改善したものと考えられる。その結果、ＩｎＧａＮ層（発光層）１２の内部量子効率が向上し、発光効率が向上したものと考えられる。

加えて、ＧａＮのバンドギャップに相当する波長は３６５ｎｍであるため、これよりも波長の短い３２５ｎｍのレーザをＳｉＯ_２膜やＺｎＯ膜の表面に照射すると、ＳｉＯ_２膜やＺｎＯ膜を透過した光が、ＧａＮ層（キャップ層）１３で吸収されて、ＧａＮ層（キャップ層）１３が発熱し、温度が上昇する。これにより、ＳｉＯ_２膜やＺｎＯ膜から拡散してきたＳｉまたはＺｎは、ＧａＮ層（キャップ層）１３の結晶内の拡散が促進されるため、ＧａＮ層（キャップ層）１３の結晶内に存在するＧａ空孔への侵入がより促進される。その結果、ＧａＮ層（キャップ層）１３の結晶性がより改善し、ＩｎＧａＮ層（発光層）１２の内部量子効率が向上し、発光効率が向上したものと考えられる。

上記に説明したメカニズムを検証するために、ＧａＮ層（厚さ：１０ｎｍ）１３の上に、ＳｉＯ_２膜（厚さ：５ｎｍ）を形成した後、ＳｉＯ_２膜の表面をレーザ照射した試料に対して、ＧａＮ層（キャップ層）中に存在する元素を、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）を用いて測定した。なお、測定は、ＧａＮ層１３上のＳｉＯ_２膜を除去した後行った。

図１１は、その結果を示したグラフで、ＧａＮ層の表面から、深さ方向に、発光に関係する量子井戸のある２０ｎｍまでの領域において、１０^１８～１０^１９atoms/cm^３の濃度のＳｉが分布していることが確認できた。

これに対して、Ａｌ_２Ｏ_３膜の表面に、波長が３２５ｎｍのレーザを照射しても、ＡｌとＯとの結合が切れることはないため、ＧａＮ層（キャップ層）１３の結晶性が改善されず、発光効率が向上する効果が得られなかったものと考えられる。

なお、レーザ照射による発光効率の向上効果を得るには、ＧａＮ層（キャップ層）１３上に形成したＳｉＯ_２膜やＺｎＯ膜の表面に、ＳｉまたはＺｎとＯ（酸素）との結合エネルギーよりも大きなエネルギーを有する波長のレーザを照射することが好ましい。また、ＧａＮ層（キャップ層）１３上に形成したＳｉＯ_２膜やＺｎＯ膜の表面に、ＧａＮのバンドギャップエネルギーよりも大きなエネルギーを有する波長のレーザを照射することが好ましい。

なお、ＧａＮ層（キャップ層）１３の表面近傍には、Ｇａ空孔だけでなくＮ空孔も存在するため、このＮ空孔に、ＳｉやＺｎと結合の切れたＯが拡散することによって、ＧａＮ層（キャップ層）１３の結晶性が改善されることも考えられる。

また、ＧａＮ層（キャップ層）上に、スパッタリング法を用いてＳｉＯ_２膜やＺｎＯ膜を形成しただけでも一定の発光効率の向上が得られたのは、ＳｉＯ_２膜やＺｎＯ膜を形成した際、スパッタリング時に、一定数のＳｉやＺｎが、ＧａＮ層（キャップ層）１３の表面近傍に存在するＧａ空孔に拡散侵入し、これにより、ＧａＮ層（キャップ層）１３の結晶性が改善されたものと考えられる。

図１２（Ａ）～（Ｃ）は、ＧａＮ層（キャップ層）１３の上に、厚み５ｎｍのＳｉＯ_２膜を形成した試料において、ＧａＮ層（キャップ層）１３の厚みを変えたときの発光強度を、レーザの照射時間に対してプロットしたグラフである。（Ａ）、（Ｂ）、及び（Ｃ）は、それぞれ、ＧａＮ層（キャップ層）１３の厚みが、５ｎｍ、２５ｎｍ、及び４０ｎｍの試料である。

図１２（Ａ）～（Ｃ）に示すように、ＧａＮ層（キャップ層）の厚みが厚くなるほど、発光強度が飽和するまでの時間が長くなっていることが分かる。これは、レーザ照射によって、ＧａＮ層（キャップ層）１３内に拡散したＳｉが、ＩｎＧａＮ層（発光層）１２まで到達する時間が長くなり、その結果、ＧａＮ層（キャップ層）１３の結晶性が改善されるまでの時間が長くなったためと考えられる。

（キャップ層の厚み）
図１３は、図１に示した試料において、ＧａＮ層（キャップ層）１３上にＳｉＯ_２膜１４を形成したときの発光強度と、ＳｉＯ_２膜１４を形成しなかったときの発光強度との比（発光強度比）を、ＧａＮ層（キャップ層）１３の厚みを変えた試料に対して測定した結果を示したグラフである。

図１３に示すように、ＧａＮ層（キャップ層）１３の厚みが大きくなるほど、発光強度比が向上しているのが分かる。なお、ＧａＮ層（キャップ層）１３の厚みは、５ｎｍ以上が好ましい。ＧａＮ層（キャップ層）１３の厚みが５ｎｍ未満だと、ＳｉＯ_２膜１４形成時のスパッタリングによるダメージをＩｎＧａＮ層（発光層）１２が受けるため、発光効率の向上効果が得られず、好ましくない。

また、ＧａＮ層（キャップ層）１３の厚みは、１５０ｎｍ以下が好ましい。ＧａＮ層（キャップ層）１３の厚みが１５０ｎｍを超えると、ＩｎＧａＮ層（発光層）１２と、ＳｉＯ_２膜１４との距離が大きくなりすぎ、ＩｎＧａＮ層（発光層）１２近くまでＳｉが拡散しないため、発光効率の向上効果が得られず、好ましくない。さらに、ＧａＮ層（キャップ層）１３の厚みは、１００ｎｍ以下がより好ましい。波長が３２５ｎｍのレーザが、ＧａＮ層（キャップ層）１３に侵入できる距離は約１００ｎｍであるため、ＧａＮ層（キャップ層）１３の厚みが１００ｎｍを超えると、ＧａＮ層（キャップ層）１３の発熱による温度上昇が十分に得られないため、発光効率の有効な向上効果が得られず、好ましくない。

（酸化膜の厚み）
本発明において、ＧａＮ層（キャップ層）１３上に形成する酸化膜（ＳｉＯ_２膜、ＺｎＯ膜）１４の厚みは、１ｎｍ未満だと、薄膜を形成するのが困難であるため、１ｎｍ以上であることが好ましい。

（発光素子の製造方法）
本発明における発光素子の製造方法は、基板１０上に、量子井戸構造を有する発光層１２を形成する工程と、発光層１２上に、ＧａＮからなるキャップ層１３を形成する工程と、キャップ層１３上に、酸化膜１４を形成する工程とを備え、酸化膜１４は、ＧａＮで構成されたキャップ層１３内に存在するＧａ空孔に拡散侵入可能な元素の酸化物からなる。

酸化膜１４は、ＳｉＯ_２膜またはＺｎＯ膜からなり、スパッタリング法により形成されることが好ましい。

また、キャップ層１３上に形成された酸化膜１４の表面に、酸化膜１４を構成する元素（ＳｉＯ_２膜の場合はＳｉ、ＺｎＯ膜の場合はＺｎ）と酸素との結合エネルギーよりも大きなエネルギーを有する波長の光を照射する工程をさらに備えることが好ましい。

また、キャップ層１３上に形成された酸化膜１４を除去する工程をさらに備えていてもよい。

また、キャップ層１３内には、酸化膜１４を構成する元素、または酸素の少なくとも一方、または両方が存在している。

本発明における発光素子の製造方法によれば、ＧａＮ系半導体で構成された発光素子において、発光効率の向上した発光素子を得ることができる。特に、緑色（５１０ｎｍ）や黄緑色（５４０ｎｍ）の波長領域において、高い発光効率を有する発光素子を実現することができる。

（発光素子の構造）
図１４は、本発明における発光素子の製造方法により製造した発光素子（発光ダイオード）の構成を模式的に示した断面図である。

図１４に示すように、発光素子１は、基板１０上に形成されたｎ型ＧａＮ層１１と、ｎ型ＧａＮ層１１上に形成された量子井戸構造を有する発光層１２と、発光層１２上に形成されたｐ型ＧａＮからなるキャップ層１３と、キャップ層１３上に形成されたＺｎＯ膜１４とを備えている。

ここで、ＺｎＯ膜１４は、スパッタリング法で形成された膜であることが好ましい。また、ＺｎＯ膜１４の表面は、亜鉛（Ｚｎ）と酸素（Ｏ）との結合エネルギーよりも大きなエネルギーを有する波長の光による照射処理が施されていることが好ましい。

ＺｎＯ膜１４は、導電性を有するため、ＺｎＯ膜１４上に透明電極膜１５を形成して、透明電極膜１５上、及び、ｎ型ＧａＮ層１１上に電極２０、２１を形成することにより、発光層１２に電流を注入して、発光層１２からの光を取り出すことができる。

一方、キャップ層１３上にＳｉＯ_２膜を形成した場合、ＳｉＯ_２膜は絶縁膜であるため、図１５に示すように、キャップ層１３上に形成したＳｉＯ_２膜を除去した後、キャップ層１３上に透明電極膜１５を形成し、透明電極膜１５上、及び、ｎ型ＧａＮ層１１上に電極２０、２１を形成することにより、発光層１２に電流を注入して、発光層１２からの光を取り出すことができる。なお、キャップ層１３上に形成したＳｉＯ_２膜を除去しても、発光効率の向上効果は維持されるので、高い発光効率を有する発光素子を得ることができる。

（発光素子の変形例）
図１６は、本発明における発光素子の変形例を示した断面図である。

図１６に示した発光素子１は、図１４に示した発光素子１において、ＺｎＯ膜１４上に、発光層１２から放出された光とプラズモン共鳴を起こすプラズモン層３０がさらに形成されている。ここで、プラズモン層３０は、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ等の材料からなる金属薄膜または金属微粒子で構成されている。

ＩｎＧａＮ発光層１２の上に形成したｐ型ＧａＮ層１３の表面に、プラズモン層３０を形成することによって、プラズモン効果により発光効率が向上することが知られているが（非特許文献１）、プラズモン層３０を構成する金属薄膜または金属微粒子から、金属原子が、ｐ型ＧａＮ層１３内に拡散し、プラズモン層３０の構造が、時間の経過とともに破壊され、プラズモン効果が低下するという問題がある。

本変形例における発光素子１は、図１６に示すように、ｐ型ＧａＮ層（キャップ層）１３の上に、ＺｎＯ膜１４を介して、プラズモン層３０を形成することによって、プラズモン層３０を構成する金属薄膜等から、金属原子が、ｐ型ＧａＮ層１３内に拡散するのを防止することができる。これにより、プラズモン層３０の構造が安定し、プラズモン効果を維持することができる。

本変形例における発光素子１は、ｐ型ＧａＮ層１３の上に、ＺｎＯ膜１４を形成することによって、発光効率の向上が発揮されることに加え、ＺｎＯ膜１４の上にプラズモン層３０を形成することによって、発光効率の向上がさらに発揮されるため、より高い発光効率を有する発光素子１を実現することができる。

なお、本変形例においては、ＺｎＯ膜１４の膜厚が大きすぎると、プラズモン層３０の電場が、ＩｎＧａＮ発光層１２に届かず、プラズモン効果が発揮されなくなるため、ＺｎＯ膜１４の膜厚は、１０ｎｍ以下が好ましい。

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態では、ｐ型ＧａＮ層（キャップ層）１３の上に、ＳｉＯ_２膜やＺｎＯ膜からなる酸化膜１４を形成したが、Ｓｉ_３Ｎ_４膜などの窒化膜を形成してもよい。この場合、例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４膜の表面に、ＳｉとＮ（窒素）との結合エネルギーよりも大きなエネルギーを有する波長のレーザを照射することによって、ＳｉとＮとの結合が切れて、Ｓｉがｐ型ＧａＮ層（キャップ層）１３内のＧａ空孔に拡散侵入し、これにより、ｐ型ＧａＮ層（キャップ層）１３の結晶性が改善される。

また、上記実施形態では、発光層１２として、単一量子井戸構造を有するＩｎＧａＮ層を例示したが、これに限定されず、多重量子井戸構造を有するＩｎＧａＮ層を用いてもよい。また、発光層１２は、ＩｎＧａＮ層に限定されず、ＡｌＧａＮ層などを用いてもよい。

また、上記実施形態では、発光素子１として、発光ダイオードを例示したが、これに限定されず、例えば、半導体レーザ等にも適用することができる。

１ 発光素子
１０ 基板
１１ （ｎ型）ＧａＮ層
１２ ＩｎＧａＮ層（発光層）
１３ （ｐ型）ＧａＮ層（キャップ層）
１４ 酸化膜（ＳｉＯ_２膜、ＺｎＯ膜）
１５ 透明電極膜
２０、２１ 電極
３０ プラズモン層

Claims (3)

1. ＧａＮ系半導体で構成された発光素子の製造方法であって、
   基板上に、量子井戸構造を有する発光層を形成する工程と、
   前記発光層上に、ＧａＮからなるキャップ層を形成する工程と、
   前記キャップ層上に、ＳｉＯ_２膜またはＺｎＯ膜を形成する工程と、
   前記キャップ層上に形成された前記ＳｉＯ_２膜またはＺｎＯ膜の表面に、該ＳｉＯ_２膜またはＺｎＯ膜を構成するシリコンまたは亜鉛と酸素との結合エネルギーよりも大きなエネルギーを有する波長の光を照射する工程と、
   前記ＳｉＯ_２膜またはＺｎＯ膜の表面に、前記発光層から放出された光とプラズモン共鳴を起こすプラズモン層を形成する工程と
   を備え、
   前記光を照射する工程において、前記ＳｉＯ_２膜またはＺｎＯ膜を構成するシリコンまたは亜鉛は、前記光の照射により前記酸素との結合が切れて、前記キャップ層内に存在するＧａ空孔に拡散侵入する、発光素子の製造方法。
2. 前記プラズモン層は、金属薄膜または金属微粒子で構成されている、請求項１に記載の発光素子の製造方法。
3. ＧａＮ系半導体で構成された発光素子の製造方法であって、
   基板上に、量子井戸構造を有する発光層を形成する工程と、
   前記発光層上に、ＧａＮからなるキャップ層を形成する工程と、
   前記キャップ層上に、ＺｎＯ膜を形成する工程と、
   前記キャップ層上に形成された前記ＺｎＯ膜の表面に、亜鉛（Ｚｎ）と酸素（Ｏ）との結合エネルギーよりも大きなエネルギーを有する波長の光を照射する工程と、
   前記ＺｎＯ膜上に、透明電極を形成する工程と、
   を備え、
   前記光を照射する工程において、前記ＺｎＯ膜を構成する亜鉛（Ｚｎ）は、前記光の照射により酸素（Ｏ）との結合が切れて、前記キャップ層内に存在するＧａ空孔に拡散侵入する、発光素子の製造方法。