JP2007019488A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体発光素子の光取り出し効率を向上する。
【解決手段】半導体発光素子１０は、サファイア基板１２上に、バッファ層１４と、ｎ型ＧａＮ層１６と、ＩｎＧａＮ発光層１８と、ｐ型ＧａＮ層３２とが積層される。ｐ型ＧａＮ層３２上には、透明電極として機能するＺｎＯ層２４が設けられ、ＺｎＯ層２４の表面には、２次元の周期的な間隔で凹部が形成される。ＩｎＧａＮ発光層１８からの光の空気中での波長をλと、その波長λにおけるＺｎＯ層の屈折率をｎ_ｚλと、ＺｎＯ層とそれに接する媒体の界面での全反射角をθ_ｚとしたときに、隣接する凹部の周期間隔Ｌ_ｚが、λ／ｎ_ｚλ≦Ｌ_ｚ≦λ／（ｎ_ｚλ×（１−ｓｉｎθ_ｚ））の範囲となるよう設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子に関し、特にＧａＮ系半導体発光素子に関する。

近年、青色の半導体発光素子として、ＧａＮ系半導体を用いた半導体発光素子が知られている。青色の半導体発光素子と、黄色の発光体を組み合わせた白色ＬＥＤは携帯電話などのＬＣＤバックライト用として需要が増大している。また、白色ＬＥＤは低消費電力、長寿命という特徴をもっていることから、次は蛍光灯、白熱灯などに変わる光源としての利用が期待されている。

従来のＧａＮ系半導体発光素子では、サファイア基板上に、ＧａＮバッファ層、ｎ型ＧａＮ層、発光層、ｐ型ＧａＮ層が順次結晶成長された構造となっている。しかしながら、従来のこのような構造では、ｐ型ＧａＮ層の屈折率と、ｐ型ＧａＮ層に接する空気や樹脂の屈折率との差が大きく、ｐ型ＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層に接する空気や樹脂との界面での全反射角が小さくなってしまうため、発光層で発生した光の多くがｐ型ＧａＮ層に接する空気や樹脂との界面で全反射し、光取り出し効率が低いという問題があった。

たとえば、半導体発光素子が空気中で発光しているとすると、ＧａＮの屈折率は光の波長が４５０ｎｍのときに約２．５であるので、ｐ型ＧａＮ層と空気との界面での全反射角は、約２４°と小さい。発光層から放射され、この全反射角よりも大きな角度でｐ型ＧａＮ層と空気との界面に入射した光は、ｐ型ＧａＮ層と空気との界面で全反射されるため半導体発光素子から取り出すことができない。

この問題に対して、ｐ型ＧａＮ層に発光波長程度の間隔で凹凸を周期的に形成する方法が提案されている（たとえば特許文献１）。この構造では、周期的に形成された凹凸による回折効果により発光層から放射される光の進行方向が変わり、全反射とならない角度に光が回折されるため、半導体発光素子の光取り出し効率が向上する。

このような周期的に形成された凹凸をｐ型ＧａＮ層に形成する場合、まず結晶成長させたｐ型ＧａＮ層上にレジストを形成し、干渉露光法などによりレジストパターンを形成する。その後、ＲＩＥ法などのドライエッチングによりレジストパターンに覆われていない部分を除去することによって、ｐ型ＧａＮ層に凹凸が形成される。
特開２００５−５６７９号公報

しかしながら、ｐ型ＧａＮ層をドライエッチングによってエッチングした場合、プラズマダメージにより、エッチングされたｐ型ＧａＮ層の表面に窒素空孔が生じる。この窒素空孔はドナーとして働くため、エッチングされたｐ型ＧａＮ層の表面にはｎ型化された部分が生じることになる。ｐ型ＧａＮ層の表面の一部にｎ型化された部分が存在すると、その部分についてはｎ／ｐ接合が存在するのにｎ側から＋バイアスされるため、逆バイアス状態になり、結果として半導体発光素子の順方向電圧が上昇してしまう。また、ｎ型化された部分は発光層に注入される電流が減少するうえ、ｐ型ＧａＮ層の抵抗は高く、電流ひろがりがないため、結局半導体発光素子の有効な発光領域が減少してしまう。

そのため、ｐ型ＧａＮ層のｎ型化された部分は、ウェットエッチングなどの方法により除去する必要があるが、ＧａＮのウェットエッチングは難しく、完全に除去することは困難であり、また製造工程が増えるため製造コストが増加する。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、光取り出し効率を向上した半導体発光素子の提供にある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の半導体発光素子は、基板上に、ｎ型ＧａＮ層と、発光層と、ｐ型ＧａＮ層とが積層された半導体発光素子であって、ｐ型ＧａＮ層上にＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）が設けられ、Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）の表面に、２次元の周期的な間隔で凹部または凸部が形成される。

この態様によると、Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）の表面に２次元の周期的な間隔で凹部または凸部が形成されているため、発光層からの光が回折される。回折光のうち、Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）とそれに接する媒体との界面での全反射角よりも小さい角度で界面に入射した回折光は、全反射されずに半導体発光素子の外部に取り出される。ｐ型ＧａＮ層ではなく、Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）に凹部または凸部を形成しているため、ドライエッチングの際のプラズマはｐ型ＧａＮ層に直接さらされることがなく、ダメージによるｐ型ＧａＮ層表面のｎ型化は起こらないので、順方向電圧を上昇させることなく、光取り出し効率を向上させることができる。また、従来必要であったドライエッチング後のウェットエッチングの工程が不要となるので、製造コストを削減することができる。

Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）に形成される凹部または凸部は、正方格子状または三角格子状に配置されてもよい。正方格子状に配置した場合、２次元の周期的な間隔で凹部または凸部を形成することができる。三角格子状に配置した場合は、２次元の周期的な間隔で形成する凹部または凸部の密度を高くすることができ、好適に光取り出し効率を向上させることができる。

本発明の別の態様もまた、半導体発光素子である。この半導体発光素子は、ｐ型ＧａＮ層と、発光層と、ｎ型ＧａＮ層とが積層された半導体発光素子であって、ｎ型ＧａＮ層の表面に、２次元の周期的な間隔で凹部または凸部が形成される。

この態様によると、ｎ型ＧａＮ層の表面に２次元の周期的な間隔で凹部または凸部が形成されているため、発光層からの光が回折される。回折光のうち、ｎ型ＧａＮ層とそれに接する媒体との界面での全反射角よりも小さい角度で界面に入射した回折光は、全反射されずに半導体発光素子の外部に取り出される。ｎ型ＧａＮ層をドライエッチングすることによっても窒素空孔が発生し、ｎ型ＧａＮ層１６の表面がｎ型化するが、ｎ型ＧａＮ層は元来ｎ型であるから逆バイアスが印加される状態にはならず、順方向電圧が上昇することなく、光取り出し効率を向上させることができる。この場合も、従来必要であったドライエッチング後のウェットエッチングの工程が不要となるので、製造コストを削減することができる。

ｎ型ＧａＮ層に形成される凹部または凸部は、正方格子状または三角格子状に配置されてもよい。正方格子状に配置した場合、２次元の周期的な間隔で凹部または凸部を形成することができる。三角格子状に配置した場合は、２次元の周期的な間隔で形成する凹部または凸部の密度を高くすることができ、好適に光取り出し効率を向上させることができる。

本発明のさらに別の態様もまた、半導体発光素子である。この半導体発光素子は、基板上に、ｎ型ＧａＮ層と、発光層と、ｐ型ＧａＮ層とが積層された半導体発光素子であって、基板は、ＳｉＣ基板であり、ＳｉＣ基板の表面に、２次元の周期的な間隔で凹部または凸部が形成される。

この態様によると、ＳｉＣ基板の表面に２次元の周期的な間隔で凹部または凸部が形成されているため、発光層からＳｉＣ基板方向に放出された光が回折される。これにより、光の取り出し効率を向上させることができる。ＳｉＣ基板をドライエッチングしても、プラズマダメージによる順方向電圧の上昇という問題は発生しないため、加工が容易である。

ＳｉＣ基板に形成される凹部または凸部は、正方格子状または三角格子状に配置されてもよい。正方格子状に配置した場合、２次元の周期的な間隔で凹部または凸部を形成することができる。三角格子状に配置した場合は、２次元の周期的な間隔で形成する凹部または凸部の密度を高くすることができ、好適に光取り出し効率を向上させることができる。

ｐ型ＧａＮ層上にＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）が設けられ、Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）の表面に、２次元の周期的な間隔で凹部または凸部が形成されてもよい。この場合、Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）の表面に２次元の周期的な間隔で凹部または凸部が形成されているため、発光層からＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）方向に放出された光が回折される。回折光のうち、Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）とそれに接する媒体との界面での全反射角よりも小さい角度で、Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）とそれに接する媒体との界面に入射した回折光は、全反射されずに半導体発光素子の外部に取り出すことができる。

Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）に形成される凹部または凸部は、正方格子状または三角格子状に配置されてもよい。正方格子状に配置した場合、２次元の周期的な間隔で凹部または凸部を形成することができる。三角格子状に配置した場合は、２次元の周期的な間隔で形成する凹部または凸部の密度を高くすることができ、好適に光取り出し効率を向上させることができる。

本発明のさらに別の態様もまた、半導体発光素子である。この半導体発光素子は、基板上に、ｎ型ＧａＮ層と、発光層と、ｐ型ＧａＮ層とが積層された半導体発光素子であって、ｐ型ＧａＮ層上に、Ｚｎ、Ｉｎ、ＳｎおよびＭｇよりなる群から選択された少なくとも１種の元素を含む酸化物層よりなる透明導電膜層、もしくはその酸化物層とＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）とを積層した透明導電膜層が設けられ、透明導電膜層の表面に、２次元の周期的な間隔で凹部または凸部が形成される。

この態様によると、透明導電膜層の表面に２次元の周期的な間隔で凹部または凸部が形成されているため、発光層からの光が回折される。回折光のうち、透明導電膜層とそれに接する媒体との界面での全反射角よりも小さい角度で界面に入射した回折光は、全反射されずに半導体発光素子の外部に取り出される。ｐ型ＧａＮ層ではなく、透明導電膜層に凹部または凸部を形成しているため、ドライエッチングの際のプラズマはｐ型ＧａＮ層に直接さらされることがなく、ダメージによるｐ型ＧａＮ層表面のｎ型化は起こらないので、順方向電圧を上昇させることなく、光取り出し効率を向上させることができる。また、従来必要であったドライエッチング後のウェットエッチングの工程が不要となるので、製造コストを削減することができる。

本発明のさらに別の態様もまた、半導体発光素子である。この半導体発光素子は、基板上に、ｎ型ＧａＮ層と、発光層と、ｐ型ＧａＮ層とが積層された半導体発光素子であって、基板は、ＳｉＣ基板であり、ＳｉＣ基板の表面に、２次元の周期的な間隔で凹部または凸部が形成され、ｐ型ＧａＮ層上に、Ｚｎ、Ｉｎ、ＳｎおよびＭｇよりなる群から選択された少なくとも１種の元素を含む酸化物層よりなる透明導電膜層、もしくはその酸化物層とＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）とを積層した透明導電膜層が設けられ、透明導電膜層の表面に、２次元の周期的な間隔で凹部または凸部が形成される。

この態様によると、ＳｉＣ基板の表面に２次元の周期的な間隔で凹部または凸部が形成されているため、発光層からＳｉＣ基板方向に放出された光が回折される。これにより、光の取り出し効率を向上させることができる。ＳｉＣ基板をドライエッチングしても、プラズマダメージによる順方向電圧の上昇という問題は発生しないため、加工が容易である。また、透明導電膜層の表面に２次元の周期的な間隔で凹部または凸部が形成されているため、発光層から透明導電膜層方向に放出された光が回折される。回折光のうち、透明導電膜層とそれに接する媒体との界面での全反射角よりも小さい角度で界面に入射した回折光は、全反射されずに半導体発光素子の外部に取り出される。ｐ型ＧａＮ層ではなく、透明導電膜層に凹部または凸部を形成しているため、ドライエッチングの際のプラズマはｐ型ＧａＮ層に直接さらされることがなく、ダメージによるｐ型ＧａＮ層表面のｎ型化は起こらないので、順方向電圧を上昇させることなく、光取り出し効率を向上させることができる。また、従来必要であったドライエッチング後のウェットエッチングの工程が不要となるので、製造コストを削減することができる。

本発明に係る半導体発光素子によれば、光取り出し効率を向上することができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の断面図である。図１に示すように、半導体発光素子１０は、コンタクト層であるｎ型ＧａＮ層１６と、ＩｎＧａＮ発光層１８と、クラッド層であるｐ型ＡｌＧａＮ層２０とコンタクト層であるｐ型ＧａＮ２２とで構成されるｐ型ＧａＮ層３２と、が積層されたダブルヘテロ構造のＧａＮ系半導体発光素子である。第１の実施形態に係る半導体発光素子１０の発光観測面は、透明電極であるＺｎＯ層２４側である。なお、各図面は各層などの位置関係を説明することを目的としているため、必ずしも実際の寸法関係を表すものではない。また、各実施形態において、同一または対応する構成要素には同様の符号を付すと共に、重複する説明は適宜省略する。

半導体発光素子１０は、サファイア基板１２上にＧａＮ系半導体をエピタキシャル成長させることによって形成される。

サファイア基板１２上には、バッファ層１４が設けられる。バッファ層１４は、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて５５０℃程度の低温で形成されたＡｌＧａＮの非晶質層である。バッファ層１４の厚みは、１０〜２０ｎｍ程度とする。バッファ層１４は、サファイア基板１２上に結晶性のよいＧａＮ膜を成長させるための下地で、サファイア基板１２との格子不整による格子欠陥の増加を防ぐ緩衝層としての機能を有する。また、バッファ層１４は、結晶性のバッファ層であってもよい。この場合は、８００〜１０００℃程度でＡｌＧａＮを結晶成長させる。結晶性のバッファ層とした場合の厚みは、特に制限はないが、１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度あれば十分である。

バッファ層１４上には、ＭＯＣＶＤ法を用いてＳｉがドープされたｎ型ＧａＮ層１６が設けられる。ｎ型ＧａＮ層１６はコンタクト層として機能する。ドーパントは、Ｇｅであってもよい。ｎ型ＧａＮ層１６形成時のサファイア基板１２の温度は、１０００〜１２００℃程度に保持する。ｎ型ＧａＮ層１６が薄い場合、ｎ型ＧａＮ層１６のシート抵抗が高くなってしまい、動作電圧の増加をまねくので、ｎ型ＧａＮ層１６の厚みは、３〜１０μｍ程度とすることが望ましい。このｎ型ＧａＮ層１６は、ｎ型クラッド層としての機能も有する。

ｎ型ＧａＮ層１６上には、ＭＯＣＶＤ法を用いてＩｎＧａＮ発光層１８が設けられる。ＩｎＧａＮ発光層１８形成時のサファイア基板１２の温度は、７００〜１０００℃程度に保持する。ＩｎＧａＮ発光層１８は、ＩｎＧａＮ層と、ＧａＮ層もしくは発光するＩｎＧａＮ層よりＩｎ組成比の小さいＩｎＧａＮ層とが交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造を有する。井戸数は、５〜１０程度であってよい。ＩｎＧａＮ層の厚みは、１〜１０ｎｍ程度、ＩｎＧａＮ層は、３〜３０ｎｍ程度とする。たとえば、ＩｎＧａＮ層を３ｎｍ、ＧａＮ層を１０ｎｍとする。ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比を増加させると、バンドギャップエネルギーが小さくなり、発光ピーク波長は長くなる。よって、半導体発光素子１０の発光波長を、ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比もしくは厚みを変えることによって制御することができる。

ＩｎＧａＮ発光層１８上には、ＭＯＣＶＤ法を用いてアンドープＧａＮ層（図示せず）を設けてもよい。アンドープＧａＮ層の厚みは、１０〜１００ｎｍ程度とする。このアンドープＧａＮ層は、保護層として機能し、結晶成長プロセス中にＩｎＧａＮ発光層１８が高温になることに起因して、ＩｎＧａＮ発光層１８の結晶が劣化するのを防止する機能を有する。

ＩｎＧａＮ発光層１８上には、Ｍｇがドープされたｐ型ＡｌＧａＮ層２０が設けられる。ｐ型ＡｌＧａＮ層２０は、ｐ型ＧａＮ層であってもよい。ｐ型ＡｌＧａＮ層２０は、クラッド層として機能する。ｐ型ＡｌＧａＮ層２０形成時のサファイア基板１２の温度は、１０００〜１２００℃程度に保持する。ｐ型ＡｌＧａＮ層２０の厚みは、０．１〜０．３μｍ、たとえば０．１５μｍ程度とする。

ｐ型ＡｌＧａＮ層２０上には、Ｍｇがドープされたｐ型ＧａＮ層２２が設けられる。ｐ型ＧａＮ層２２はコンタクト層として機能する。ｐ型ＧａＮ層２２形成時のサファイア基板１２の温度は、７００〜１０００℃程度に保持する。ｐ型ＧａＮ層２２の厚みは、２０ｎｍ〜０．２μｍ程度とする。

ｐ型ＧａＮ層２２上には、ＰＬＤ法を用いてＧａがドープされたＺｎＯ層２４が設けられる。ＺｎＯ層２４は、ゾル・ゲル法や熱ＣＶＤ法などを用いて形成してもよい。ＺｎＯ層２４の厚みは、１〜２μｍ程度とする。ＺｎＯ層２４は、ＧａＮ系半導体発光素子の発光波長帯に対して透過率が高く、透明電極として機能する。ＺｎＯ層２４は、Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）であってもよい。ＧａＮとＺｎＯの結晶は、同じウルツァイト構造をとるため、良好な界面を得ることができる。

ＺｎＯ層２４の表面には、２次元の周期的な間隔で複数の凹部３０が形成される。ＺｎＯ層２４の表面とは、ｐ型ＧａＮ層２２とＺｎＯ層２４が接している面と対向する面を指す。図２は、凹部３０の配置例を示す図である。図３は、凹部３０の他の配置例を示す図である。凹部３０は、図２に示すように正方格子状に配置されて形成されてもよい。正方格子状に配置した場合、２次元の周期的な間隔で凹部３０を形成することができる。また、凹部３０は、図３に示すように三角格子状に配置されて形成されてもよい。三角格子状に配置した場合は、２次元の周期的な間隔で形成する凹部３０の密度を高くすることができ、好適に光取り出し効率を向上させることができる。

凹部３０の平面視形状は、たとえば図２または図３に示すように円形であってよく、また、四角形や六角形であってもよい。その直径や１辺の長さは１００ｎｍ程度であってよい。凹部３０の深さは、５００ｎｍ程度であってよい。凹部３０の好適な周期間隔については後述する。

この凹部３０は、ＺｎＯ層２４上にレジストを形成した後に、電子ビーム露光法や、ナノインプリント法などの方法によってレジストを所望の形状にパターニングし、レジストをマスクとしてＲＩＥ法などのドライエッチングを行うことにより形成する。

その後、ＺｎＯ層２４、ｐ型ＧａＮ層２２、ｐ型ＡｌＧａＮ層２０、ＩｎＧａＮ発光層１８およびｎ型ＧａＮ層１６の一部の領域をエッチングにより除去する。ｎ型ＧａＮ層１６の途中までエッチングして、露出したｎ型ＧａＮ層１６の上面にｎ側電極２８を形成する。ｎ側電極２８はオーミックコンタクトであり、接触比抵抗が小さく熱的に安定であることが望ましく、ＡｌまたはＴｉ／Ａｌを好適に用いることができる。オーミックコンタクトとするために、ｎ側電極２８を形成した後に、６００℃程度でシンターを行うことが望ましい。ｎ側電極２８の厚みは、２５００Å程度であってよい。

最後に、ＺｎＯ層２４上の凹部が設けられていない一部の領域にｐ側電極２６を形成する。ｐ側電極２６は、オーミックコンタクトを実現するために、Ａｌ、Ｔｉ、Ａｇなどが利用できる。ｐ側電極２６の厚みは、Ｐｔが１０００Å程度、Ａｕが３０００Å程度であってよい。ｐ側電極２６およびｎ側電極２８は、蒸着法やスパッタ法を用いて形成することができる。

図４は、半導体発光素子の電流−輝度特性を示す図である。図４の横軸は、半導体発光素子１０の順方向電流を表し、縦軸は、輝度を表す。曲線３４はＺｎＯ層２４の表面に凹部３０を形成しなかった場合の電流−輝度特性を示し、曲線３６はＺｎＯ層２４の表面に凹部３０を形成した場合の電流−輝度特性を示す。図４に示すように、ＺｎＯ層２４の表面に凹部３０を形成することによって輝度が向上している。これは、半導体発光素子１０の光取り出し効率が向上していることを意味する。

第１の実施形態に係る半導体発光素子１０は、ＺｎＯ層２４の表面に２次元の周期的な間隔で凹部が形成されているため、ＩｎＧａＮ発光層１８からの光が回折される。回折光のうち、ＺｎＯ層２４と空気との界面での全反射角θ_ｚよりも小さい角度で界面に入射した回折光は、全反射されずに半導体発光素子１０の外部に取り出されるため、光取り出し効率を向上させることができる。

第１の実施形態に係る半導体発光素子１０では、ｐ型ＧａＮ層２２ではなく、ＺｎＯ層２４に凹部を形成しているため、ドライエッチングの際のプラズマダメージによるｐ型ＧａＮ層２２表面のｎ型化は起こらないので、順方向電圧を上昇させることなく、好適に光取り出し効率を向上させることができる。

図５は、凹部３０の周期間隔を説明するための図である。凹部３０の周期間隔とは、２次元の面内において縦または横方向で隣接する凹部の中心間の間隔をいう。周期間隔をＬ_ｚと、ＩｎＧａＮ発光層１８からの光の空気中でのピーク波長をλと、その波長λにおけるＺｎＯ層２４の屈折率をｎ_ｚλと、ＺｎＯ層２４と空気層との界面に前記発光層からの光が入射する際の全反射角をθ_ｚとする。全反射角θ_ｚは、θ_ｚ＝ｓｉｎ^−１（１／ｎ_ｚλ）となるので、たとえば波長λ＝４５０ｎｍのときのＺｎＯの屈折率ｎ_ｚλを２．３と、空気の屈折率を１．０とすると、全反射角θ_ｚは、約２５．８°である。

図５において、ＺｎＯ層２４を横方向に導波する光４８から、ＺｎＯ層２４の法線方向に対してθ_ｍの方向に回折される回折光５０と回折光５２が互いに強め合う条件は、

と表すことができる。ｍは整数であり回折光の次数を意味する。（１）式において、左辺は回折光５０と回折光５２の位相差を表している。位相差が２πの整数倍であるときに、回折光５０と回折光５２は互いに強め合う。（１）式をＬ_ｚについて変形すると、

のように表すことができる。

回折光５０と回折光５２が互いに強め合う角度θ_ｍが全反射角θ_ｚより小さいとき、すなわちθ_ｍが０≦θ_ｍ≦θ_ｚの範囲にあるとき、互いに強め合う回折光５０と回折光５２は、ＺｎＯ層２４と空気との界面で全反射せず、半導体発光素子１０の外部に取り出すことができる。つまり、周期間隔Ｌ_ｚが、

の範囲にあるとき、互いに強め合う回折光５０と回折光５２は半導体発光素子１０の外部に放出される。実質的には１次の回折光の強度が最も強いので、ｍ＝１として周期間隔Ｌ_ｚを設定してよい。すなわち、

を満たすような周期間隔Ｌ_ｚに設定することが望ましい。たとえば、波長λ＝４５０ｎｍ、ＺｎＯの屈折率ｎ_ｚλ＝２．３、ｍ＝１、θ_ｚ＝２５．８°として上記の（４）式を用いて周期間隔Ｌ_ｚを計算すると、１９６ｎｍ≦Ｌ_ｚ≦３４６ｎｍとなる。

また、半導体発光素子では、半導体レーザと違い発光スペクトルがブロードなので、空気中での半値幅Δλを考慮して周期間隔Ｌ_ｚを設定してもよい。すなわち、発光ピーク波長λからΔλだけずれた波長λ±Δλに合わせて周期間隔Ｌ_ｚを設定しても発光効率の改善効果を有する。ここで、半値幅Δλとは、発光ピーク波長λから発光強度が１／２となる波長までの波長幅をいう。半値幅Δλを考慮した場合の周期間隔Ｌ_ｚの範囲は、

と表すことができる。ｎ_{ｚ（λ−Δλ）}は波長λ−ΔλにおけるＺｎＯ層の屈折率を、ｎ_{ｚ（λ＋Δλ）}は波長λ＋ΔλにおけるＺｎＯ層の屈折率を表す。ここでも、実質的には１次の回折光の強度が最も強いので、ｍ＝１として周期間隔Ｌ_ｚを設定してよい。すなわち、

を満たすような周期間隔Ｌ_ｚに設定してよい。この場合、たとえば、波長λ＝４５０ｎｍ、半値幅Δλを１５ｎｍ、θ_ｚ＝２５．８°とし、波長λにおけるＺｎＯの屈折率ｎ_ｚλと波長λ±Δλでの屈折率ｎ_{ｚ（λ±Δλ）}が等しく２．３であるとすると、（６）式から、１８９ｎｍ≦Ｌ_ｚ≦３５８ｎｍとなる。

さらに、上記のように、回折光５０と回折光５２が強め合う角度θ_ｍが全反射角θ_ｚよりも小さい場合に最も望ましいのであるが、実質的には、θ_ｍがθ_ｚの２倍より小さくても発光効率の改善効果を有する。すなわち、θ_ｍが、０≦θ_ｍ≦２θ_ｚの範囲であってもよい。このとき、周期間隔Ｌ_ｚの範囲は、

と表すことができる。ここでも、実質的には１次の回折光の強度が最も強いので、ｍ＝１として周期間隔Ｌ_ｚを設定してよい。すなわち、

を満たすような周期間隔Ｌ_ｚに設定してよい。この場合、波長λ＝４５０ｎｍ、半値幅Δλを１５ｎｍ、θ_ｚ＝２５．８°とし、波長λにおけるＺｎＯの屈折率ｎ_ｚλと波長λ±Δλでの屈折率ｎ_{ｚ（λ±Δλ）}が等しく２．３であるとすると、（８）式から、１８９ｎｍ≦Ｌ_ｚ≦９３５ｎｍとなる。

第１の実施形態においては、ＺｎＯ層２４の表面に凹部を形成する場合について説明したが、凹部ではなく凸部をＺｎＯ層２４形成しても同様に光取り出し効率の改善効果を有する。また、上記においては、半導体発光素子１０が空気中で発光している場合について説明したが、半導体発光素子１０は蛍光体や、光透過性樹脂に覆われた状態であってもよい。この場合は、全反射角θ_ｚを求める際に、空気の屈折率ではなく、ＺｎＯ層２４が接する媒体である蛍光体や光透過性樹脂の屈折率を用いれば、上記の（３）〜（８）式を適用することができる。

（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子の断面図である。図６に示すように、半導体発光素子６０は、コンタクト層であるｐ型ＧａＮ２２とクラッド層であるｐ型ＡｌＧａＮ層２０とで構成されるｐ型ＧａＮ層３２と、ＩｎＧａＮ発光層１８と、コンタクト層であるｎ型ＧａＮ層１６と、が積層されたダブルヘテロ構造のＧａＮ系半導体発光素子である。第２の実施形態に係る半導体発光素子６０の発光観測面は、ｎ型ＧａＮ層１６側である。

第２の実施形態に係る半導体発光素子６０は、まず、サファイア基板上に、ｎ型ＧａＮ層１６、ＩｎＧａＮ発光層１８、ｐ型ＡｌＧａＮ層２０、ｐ型ＧａＮ層２２を積層する。ここまでは、第１の実施形態に係る半導体発光素子１０と同様の工程であるが、その後、レーザ・リフト・オフによってサファイア基板およびバッファ層を剥離する。レーザとしては、波長２４８ｎｍのＫｒＦレーザを用いることができる。

サファイア基板およびバッファ層剥離によって露出したｎ型ＧａＮ層１６の表面には、２次元の周期的な間隔で複数の凹部３０が形成される。ｎ型ＧａＮ層１６の表面とは、ＩｎＧａＮ発光層１８とｎ型ＧａＮ層１６が接している面と対向する面を指す。凹部３０は、図２に示すように正方格子状に配置されて形成されてもよい。また、凹部３０は、図３に示すように三角格子状に配置されて形成されてもよい。

凹部３０の平面視形状は、たとえば図２または図３に示すように円形であってよく、また、四角形や六角形であってもよい。その直径や１辺の長さは１００ｎｍ程度であってよい。凹部３０の深さは、５００ｎｍ程度であってよい。

凹部３０は、第１の実施の形態に係る半導体発光素子１０と同様に、ＲＩＥ法などのドライエッチングを行うことにより形成することができる。ｎ型ＧａＮ層１６をドライエッチングすることによっても窒素空孔が発生し、ｎ型ＧａＮ層１６の表面がｎ型化するが、ｎ型ＧａＮ層１６は元来ｎ型であるから逆バイアスが印加される状態にはならず、順方向電圧が上昇することはない。

凹部３０を形成後、ｐ型ＧａＮ層２２、ｐ型ＡｌＧａＮ層２０、ＩｎＧａＮ発光層１８およびｎ型ＧａＮ層１６の一部の領域をエッチングにより除去する。ｎ型ＧａＮ層１６の途中までエッチングして、露出したｎ型ＧａＮ層１６の上面にｎ側電極２８を形成する。

その後、ｐ型ＧａＮ層２２上に、ｐ側電極２６を形成する。半導体発光素子６０は、発光観測面がｎ型ＧａＮ層１６側であるから、ｐ型ＧａＮ層２２上にＺｎＯの透明電極層は形成する必要はなく、ｎ型ＧａＮ層１６上に直接ｐ側電極２６を形成する。ｐ側電極２６は、Ｐｔ／Ａｕなどを用いることが望ましい。ｐ側電極２６の厚みは、Ｐｔが１０００Å程度、Ａｕが３０００Å程度であってよい。

第２の実施形態に係る半導体発光素子６０においては、ｎ型ＧａＮ層１６の表面に２次元の周期的な間隔で凹部が形成されているため、ＩｎＧａＮ発光層１８からの光が回折される。回折光のうち、ｎ型ＧａＮ層１６と空気との界面での全反射角θ_ｇよりも小さい角度で界面に入射した回折光は、全反射されずに半導体発光素子６０の外部に取り出されるため、光取り出し効率を向上させることができる。

凹部３０の周期間隔Ｌ_ｇは、

を満たす範囲で設定することが望ましい。λはＩｎＧａＮ発光層１８からの光の空気中でのピーク波長を、ｎ_ｇλはその波長λにおけるｎ型ＧａＮ層１６の屈折率を表す。

（９）式を満たす周期間隔Ｌ_ｇでｎ型ＧａＮ層１６の表面に凹部３０を形成することによって、回折光を半導体発光素子６０の外部に取り出すことができ、光取り出し効率を向上させることができる。たとえば、波長λ＝４５０ｎｍ、ｎ型ＧａＮ層１６の屈折率ｎ_ｇλ＝２．５、全反射角θ_ｇ＝２３．６°として上記の（９）式を用いて周期間隔Ｌ_ｇを計算すると、１８０ｎｍ≦Ｌ_ｇ≦３００ｎｍとなる。

また、第１の実施形態と同様に、半導体発光素子６０の半値幅Δλを考慮して周期間隔Ｌ_ｇを設定しても光取り出し効率を向上させることができる。すなわち、隣接する凹部３０の周期間隔Ｌ_ｇが、

の範囲にあってもよい。ｎ_{ｇ（λ−Δλ）}は波長λ−Δλにおけるｎ型ＧａＮ層１６の屈折率を、ｎ_{ｇ（λ＋Δλ）}は波長λ＋Δλにおけるｎ型ＧａＮ層１６の屈折率を表す。

さらに、第１の実施形態と同様に、回折光が強め合う角度θ_ｍが、０≦θ_ｍ≦２θ_ｇの範囲であっても光取り出し効率を向上させることができる。すなわち、隣接する凹部３０の周期間隔Ｌ_ｇが、

の範囲にあってもよい。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子の変形例を示す図である。図７示す半導体発光素子６２では、サファイア基板１２およびバッファ層１４は剥離せずに、ＺｎＯ層２４側からｎ型ＧａＮ層１６の途中までエッチングすることによって露出したｎ型ＧａＮ層１６の表面であって、ｎ側電極２８を形成する領域以外の場所に、凹部３０を形成している。なお、図７においては凹部３０の大きさを拡大して描いているため、凹部３０は１つしか描かれていないが、実際には複数の凹部３０が形成される。

ＩｎＧａＮ発光層１８で発光し、バッファ層１４とサファイア基板１２との界面で反射した光が凹部３０を形成した領域に入射した場合、この光は凹部３０によって回折されるので、進行方向が変わり、全反射することなく半導体発光素子６２の外部に取り出すことができる。半導体発光素子６２においても、ｎ型ＧａＮ層１６に凹部３０を形成しているため、ｎ型ＧａＮ層１６の表面がｎ型化することによって順方向電圧が上昇することはない。

第２の実施形態においては、ｎ型ＧａＮ層１６の表面に凹部を形成する場合について説明したが、凹部ではなく凸部をｎ型ＧａＮ層１６の表面に形成しても同様に光取り出し効率の改善効果を有する。また、上記においては、半導体発光素子６０または６２が空気中で発光している場合について説明したが、半導体発光素子６０または６２は蛍光体や、光透過性樹脂に覆われた状態であってもよい。この場合は、全反射角θ_ｇを求める際に、空気の屈折率ではなく、ｎ型ＧａＮ層１６が接する媒体である蛍光体や光透過性樹脂の屈折率を用いれば、上記の（９）〜（１１）式を適用することができる。

（第３の実施形態）
図８は、本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子の断面図である。図８に示すように、半導体発光素子７０は、ＳｉＣ基板４０上に、コンタクト層であるｎ型ＧａＮ層１６と、ＩｎＧａＮ発光層１８と、クラッド層であるｐ型ＡｌＧａＮ層２０とコンタクト層であるｐ型ＧａＮ２２とで構成されるｐ型ＧａＮ層３２と、が積層されたダブルヘテロ構造のＧａＮ系半導体発光素子である。半導体発光素子７０の発光観測面は、ＺｎＯ層２４側またはＳｉＣ基板４０側である。ＺｎＯ層２４側を発光観測面とする場合には、半導体発光素子７０を使用する際に、ＳｉＣ基板４０と実装基板との間にたとえば銀（Ａｇ）からなる反射板（図示せず）を設けるとよい。反射板を設けることで、ＳｉＣ基板４０側から放出された光を発光観測面であるＺｎＯ層２４側へ反射させることができる。

第３の実施形態に係る半導体発光素子７０は、ＳｉＣ基板４０上に、ＧａＮ系半導体をエピタキシャル成長させることによって形成し、その後、ＳｉＣ基板４０の表面に凹部３０を形成している。ＺｎＯ層２４上には透明電極として機能するＺｎＯ層２４を備えるが、ＺｎＯ層２４に凹部は形成していない。

ＳｉＣはサファイアと異なり導電性であるため、第１または第２の実施形態のようにｐ型ＧａＮ層やＩｎＧａＮ発光層などをエッチングして、ｎ型ＧａＮ層１６に接続するｎ側電極を形成する工程は不要であり、製造工程の簡易化と信頼性の向上を図ることができる。

ＳｉＣ基板４０の表面には、２次元の周期的な間隔で複数の凹部３０が形成される。ＳｉＣ基板４０の表面とは、ｎ型ＧａＮ層１６とＳｉＣ基板４０が接している面と対向する面を指す。凹部３０は、図２に示すように正方格子状に配置されて形成されてもよい。また、凹部３０は、図３に示すように三角格子状に配置されて形成されてもよい。

凹部３０の平面視形状は、たとえば図２または図３に示すように円形であってよく、また、四角形や六角形であってもよい。その直径や１辺の長さは１００ｎｍ程度であってよい。凹部３０の深さは、５００ｎｍ程度であってよい。

凹部３０は、第１の実施の形態に係る半導体発光素子１０と同様に、ＲＩＥ法などのドライエッチングを行うことにより形成することができる。ＳｉＣ基板４０をドライエッチングしても、プラズマダメージによる順方向電圧の上昇という問題は発生しない。

ＳｉＣ基板４０上の凹部３０が形成されていない一部の領域には、ｎ側電極２８が設けられる。ｎ側電極２８は、ＳｉＣ基板４０の表面中央付近に形成することが望ましい。ｎ側電極２８は、反射層としても機能し、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｎｉ／Ｔｉ／Ａｕ、またはＮｉＴｉアロイなどを用いることができる。ｎ側電極２８の厚みは２５００Å程度であってよい。

ＺｎＯ層２４上の一部の領域には、ｐ側電極２６が形成される。基板としてＳｉＣ基板４０を用いた場合は、ｐ側電極２６をＺｎＯ層２４の表面中央付近に形成することが望ましい。ｐ側電極２６は、Ｐｔ／Ａｕなどを用いることが望ましい。ｐ側電極２６の厚みは、Ｐｔが１０００Å程度、Ａｕが３０００Å程度であってよい。

第３の実施形態に係る半導体発光素子７０においては、ＳｉＣ基板４０の表面に２次元の周期的な間隔で凹部が形成されているため、ＩｎＧａＮ発光層１８からＳｉＣ基板４０方向に放出された光が、ＳｉＣ基板４０と空気との界面で回折される。ＳｉＣ基板４０の法線に対して全反射角θ_ｓよりも小さい角度方向に回折された光は、ＳｉＣ基板４０と空気との界面で全反射されることなく半導体発光素子７０の外部に取り出すことができ、光取り出し効率を向上させることができる。

凹部３０の周期間隔Ｌ_ｓは、

を満たす範囲で設定することが望ましい。λはＩｎＧａＮ発光層１８からの光の空気中でのピーク波長を、ｎ_ｓλはその波長λにおけるＳｉＣ基板４０の屈折率を、θ_ｓはＳｉＣ基板と空気との界面での全反射角を表す。

（１２）式を満たす周期間隔Ｌ_ｓで凹部３０を形成することによって、回折光を半導体発光素子７０の外部に取り出すことができ、光取り出し効率を向上させることができる。たとえば、波長λ＝４５０ｎｍ、ＳｉＣ基板４０の屈折率ｎ_ｓλ＝２．６５、θ_ｓ＝２２．２°として上記の（１２）式を用いて周期間隔Ｌ_ｓを計算すると、１７０ｎｍ≦Ｌ_ｓ≦２７３ｎｍとなる。

また、半導体発光素子７０の半値幅Δλを考慮して周期間隔Ｌ_ｓを設定しても光取り出し効率を向上させることができる。すなわち、隣接する凹部３０の周期間隔Ｌ_ｓが、

の範囲にあってもよい。ｎ_{ｓ（λ−Δλ）}は波長λ−ΔλにおけるＳｉＣ基板４０の屈折率を、ｎ_{ｓ（λ＋Δλ）}は波長λ＋ΔλにおけるＳｉＣ基板４０の屈折率を表す。

さらに、回折光が強め合う角度θ_ｍが、０≦θ_ｍ≦２θ_ｓの範囲であっても光取り出し効率を向上させることができる。すなわち、隣接する凹部３０の周期間隔Ｌ_ｓが、

の範囲にあってもよい。

第３の実施形態においては、ＳｉＣ基板４０の表面に凹部を形成する場合について説明したが、凹部ではなく凸部をＳｉＣ基板４０の表面に形成しても同様に光取り出し効率の改善効果を有する。また、上記においては、半導体発光素子７０が空気中で発光している場合について説明したが、半導体発光素子７０は蛍光体や、光透過性樹脂に覆われた状態であってもよい。この場合は、空気ではなく、ＳｉＣ基板４０が接する媒体である蛍光体や光透過性樹脂の屈折率を用いれば、上記の（１２）〜（１４）式を適用することができる。

（第４の実施形態）
図９は、本発明の第４の実施形態に係る半導体発光素子の断面図である。図９に示すように、半導体発光素子８０は、ＳｉＣ基板４０上に、コンタクト層であるｎ型ＧａＮ層１６と、ＩｎＧａＮ発光層１８と、クラッド層であるｐ型ＡｌＧａＮ層２０とコンタクト層であるｐ型ＧａＮ２２とで構成されるｐ型ＧａＮ層３２と、が積層されたダブルヘテロ構造のＧａＮ系半導体発光素子である。第４の実施形態に係る半導体発光素子８０の発光観測面は、ＺｎＯ層２４側またはＳｉＣ基板４０側である。第３の実施形態と同様に、実装する際には、反射板を設けてもよい。

第４の実施形態に係る半導体発光素子８０は、ｐ型ＧａＮ層２２上に設けられたＺｎＯ層２４の表面に凹部３８を形成する点が、第３の実施形態に係る半導体発光素子７０と異なる。ＳｉＣ基板４０の表面には、第３の実施形態と同様に凹部３０が形成される。

ＺｎＯ層２４の表面には、２次元の周期的な間隔で複数の凹部３８が形成される。ＺｎＯ層２４の表面とは、ＺｎＯ層２４とｐ型ＧａＮ層２２が接している面と対向する面を指す。凹部３８の配置、形状などは、第１の実施形態に係る半導体発光素子１０と同様であり、周期間隔Ｌ_ｚは、（３）〜（８）式を適用して設定することができる。ただし、基板としてＳｉＣ基板４０を用いた場合は、ｐ側電極２６をＺｎＯ層２４の表面中央付近に形成することが望ましい。

第４の実施形態に係る半導体発光素子８０では、ＺｎＯ層２４の表面に２次元の周期的な間隔で凹部３８が形成されているため、ＩｎＧａＮ発光層１８からＺｎＯ層２４方向に放出された光が回折される。回折光のうち、ＺｎＯ層２４と空気との界面での全反射角θ_ｚよりも小さい角度で界面に入射した回折光は、全反射されずに半導体発光素子８０の外部に取り出すことができる。また、ＳｉＣ基板４０の表面に形成した凹部３０の効果は、第３の実施形態に係る半導体発光素子７０の場合と同様である。

第４の実施形態に係る半導体発光素子８０においても、第１の実施形態と同様に、ｐ型ＧａＮ層２２ではなく、ＺｎＯ層２４に凹部を形成しているため、ドライエッチングの際のプラズマダメージによるｐ型ＧａＮ層２２表面のｎ型化は起こらないので、順方向電圧は上昇しない。また、第３の実施形態と同様に、ＳｉＣ基板４０をドライエッチングしても、プラズマダメージによる順方向電圧の上昇は起こらない。

（第５の実施形態）
第５の実施形態に係る半導体発光素子は、図１に示す第１の実施形態に係る半導体発光素子１０のＺｎＯ層２４の代わりに、Ｚｎ、Ｉｎ、ＳｎおよびＭｇよりなる群から選択された少なくとも１種の元素を含む酸化物層が、ｐ型ＧａＮ層上に形成された半導体発光素子である。第５の実施形態に係る半導体発光素子のその他の構成は、第１の実施形態に係る半導体発光素子１０と同様である。

Ｚｎ、Ｉｎ、ＳｎおよびＭｇよりなる群から選択された少なくとも１種の元素を含む酸化物層、すなわち、ＩＴＯ系酸化物（ＩＴＯ、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２、ＩｎＺｎＯ複合酸化物）層は、マグネトロンスパッタリングにより形成される。ＩＴＯのＳｎ含有量は、２〜２０％程度であってよい。また、ＩｎＺｎＯ複合酸化物は、Ｚｎの含有量が５〜４０％程度であってよい。ＩＴＯ系酸化物層の厚みが薄すぎると、電流がＩＴＯ系酸化物層中に拡がらないので、ＩＴＯ系酸化物層の厚みは、５００Å以上とするのが好ましい。ＩＴＯ系酸化物層の厚みは、厚ければ厚いほど、横方向からの光の取り出しを多くでき、望ましいが、厚く形成する場合はコストがかかるので、１０μｍ以下とするのがよい。

ｐ型ＧａＮは、プラズマダメージに弱いため、ダメージが入らないようにスパッタリングの条件を調整する必要がある。たとえば、４インチの大きさのターゲットであれば、投入するスパッタパワーは、６００Ｗ以下であることが望ましい。ＩＴＯ系酸化物層は、ＧａＮ系半導体発光素子の発光波長帯に対して透過率が高く、透明導電膜層として機能する。

プラズマダメージをより効果的に避ける場合には、真空蒸着法を用いて蒸着する方法をとることもできる。また、真空蒸着法を行った後にマグネトロンスパッタリング法を行う２段階の製膜を行ってもよい。この場合、真空蒸着法を単独で用いた場合よりも、透明度の高い電極層を形成することができる。

ＩＴＯ系酸化物層の表面には、２次元の周期的な間隔で凹部または凸部が形成される。ＩＴＯ系酸化物層の表面とは、ＩＴＯ系酸化物層とｐ型ＧａＮ層が接している面と対向する面を指す。凹部または凸部の配置、形状などは、第１の実施形態に係る半導体発光素子１０と同様であり、周期間隔Ｌ_ｚは、（３）〜（８）式を適用して設定することができる。なお、（３）〜（８）式を適用する場合、ＺｎＯ層の屈折率ｎ_ｚλは、ＩＴＯ系酸化物層の屈折率ｎ_Ｉλに置き換え、ＺｎＯ層と空気層との界面に前記発光層からの光が入射する際の全反射角θ_ｚは、ＩＴＯ系酸化物層と空気層との界面に発光層からの光が入射する際の全反射角θ_Ｉに置き換えて適用する。

第５の実施形態に係る半導体発光素子では、透明導電膜層として機能するＩＴＯ系酸化物層の表面に、２次元の周期的な間隔で凹部または凸部が形成されているため、ＩｎＧａＮ発光層からＩＴＯ系酸化物層方向に放出された光が回折される。回折光のうち、ＩＴＯ系酸化物層と空気との界面での全反射角θ_Ｉよりも小さい角度で界面に入射した回折光は、全反射されずに半導体発光素子の外部に取り出すことができる。

第５の実施形態に係る半導体発光素子においても、第１の実施形態と同様に、ｐ型ＧａＮ層ではなく、ＩＴＯ系酸化物層に凹部を形成しているため、ドライエッチングの際のプラズマダメージによるｐ型ＧａＮ層表面のｎ型化は起こらないので、順方向電圧は上昇しない。また、従来必要であったドライエッチング後のウェットエッチングの工程が不要となるので、製造コストを削減することができる。

ＩＴＯ系酸化物は、ＺｎＯのようにＧａＮと同じ結晶構造をとるわけではないものの、ｐ−ＧａＮに対してオーミック電極として用いることができる。ＺｎＯの比抵抗率は、約２×１０^−４Ωｃｍ程度であるのに対し、ＩＴＯ系酸化物の比抵抗率は、約９×１０^−５〜１×１０^−４Ωｃｍ程度である。これは、ＩＴＯ系酸化物がＺｎＯよりも電流が拡がり易いことを意味するので、ＩＴＯ系酸化物層をｐ型ＧａＮ層上に形成した場合には、ＺｎＯ層を形成する場合よりも膜厚を薄くすることができる。

（第６の実施形態）
第６の実施形態に係る半導体発光素子は、図９に示す第４の実施形態に係る半導体発光素子８０のＺｎＯ層２４の代わりに、Ｚｎ、Ｉｎ、ＳｎおよびＭｇよりなる群から選択された少なくとも１種の元素を含む酸化物層が、ｐ型ＧａＮ層上に形成された半導体発光素子である。第６の実施形態に係る半導体発光素子のその他の構成は、第４の実施形態に係る半導体発光素子８０と同様である。

Ｚｎ、Ｉｎ、ＳｎおよびＭｇよりなる群から選択された少なくとも１種の元素を含む酸化物層、すなわち、ＩＴＯ系酸化物（ＩＴＯ、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２、ＩｎＺｎＯ複合酸化物）層の形成方法、厚み等は、第５の実施形態に係る半導体発光素子と同様であってよい。ＳｉＣ基板の表面には、第３、第４の実施形態と同様に凹部または凸部が形成される。

ＩＴＯ系酸化物層の表面には、２次元の周期的な間隔で凹部または凸部が形成される。ＩＴＯ系酸化物層の表面とは、ＩＴＯ系酸化物層とｐ型ＧａＮ層が接している面と対向する面を指す。凹部または凸部の配置、形状などは、第１の実施形態に係る半導体発光素子１０と同様であり、周期間隔Ｌ_ｚは、（３）〜（８）式を適用して設定することができる。なお、（３）〜（８）式を適用する場合、ＺｎＯ層の屈折率ｎ_ｚλは、ＩＴＯ系酸化物層の屈折率ｎ_Ｉλに置き換え、ＺｎＯ層と空気層との界面に前記発光層からの光が入射する際の全反射角θ_ｚは、ＩＴＯ系酸化物層と空気層との界面に発光層からの光が入射する際の全反射角θ_Ｉに置き換えて適用する。

第６の実施形態に係る半導体発光素子では、透明導電膜層として機能するＩＴＯ系酸化物層の表面に、２次元の周期的な間隔で凹部または凸部が形成されているため、ＩｎＧａＮ発光層からＩＴＯ系酸化物層方向に放出された光が回折される。回折光のうち、ＩＴＯ系酸化物層と空気との界面での全反射角θ_Ｉよりも小さい角度で界面に入射した回折光は、全反射されずに半導体発光素子の外部に取り出すことができる。また、ＳｉＣ基板の表面に形成した凹部または凸部の効果は、第３、第４の実施形態に係る半導体発光素子の場合と同様である。

第６の実施形態に係る半導体発光素子においても、第１の実施形態と同様に、ｐ型ＧａＮ層ではなく、ＩＴＯ系酸化物層に凹部を形成しているため、ドライエッチングの際のプラズマダメージによるｐ型ＧａＮ層表面のｎ型化は起こらないので、順方向電圧は上昇しない。また、第５の実施形態と同様に、ＺｎＯ層を形成する場合よりも、ＩＴＯ系酸化膜の膜厚を薄くすることができる。また、従来必要であったドライエッチング後のウェットエッチングの工程が不要となるので、製造コストを削減することができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

第５および第６の実施形態では、ｐ型ＧａＮ層上にＩＴＯ系酸化物層を形成したが、ｐ型ＧａＮ層上に、ＩＴＯ系酸化物層とＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）とを積層した透明導電膜層を形成し、この透明導電膜層に対して２次元の周期的な間隔で凹部または凸部を形成してもよい。この場合も、第５および第６の実施形態と同様に、光の取り出し効率を向上させることができる。

ＩＴＯ系酸化物層とＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）の積層順序は、どちらもオーミックコンタクトを取れるので、ｐ型ＧａＮ層、Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）、ＩＴＯ系酸化物層の順序で積層してもよいし、ｐ型ＧａＮ層、ＩＴＯ系酸化物層、Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）の順序で積層してもよい。ｐ型ＧａＮ層、Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）、ＩＴＯ系酸化物層の順序で積層した場合、ＧａＮとＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）の結晶は、同じウルツァイト構造をとるため、良好な接合界面を得ることができる。

また、ｐ型ＧａＮ層、ＩＴＯ系酸化物層、Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）の順序で積層した場合、２次元構造プロセスが簡単になるというメリットがある。Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）が酸、特にＨＣｌに溶けやすく、それに比べるとＩＴＯ系酸化物ははるかにＨＣｌで溶けにくい。従って、Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）上に２次元パターンを作り、ウェットエッチングすれば、ＩＴＯ系酸化物が擬似的にエッチングストップ層となり、所望の２次元構造を容易に作ることができる。

上記の実施形態においては、第１〜第４の実施形態ではＺｎＯ層またはＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）が、第５〜第６の実施形態ではＩＴＯ系酸化物層が、電流拡がり層としての機能を有している。ＧａＮ系半導体発光素子では、電流拡がり層は必須である。電流拡がり層が存在しない場合、半導体側のコンタクト層であるｐ型ＧａＮは数Ωｃｍと比抵抗が非常に高いため、赤色半導体発光素子のようにコンタクト層に１００μｍ径のパッド電極をつけただけでは活性層全体に電流が行き渡らず、殆どパッド電極直下しか発光しない。３００μｍ角のチップで考えると、チップ全体に電流が拡がるためのｐ型ＧａＮ層の厚みは、数ｍｍというオーダーになり、現実的ではない。従って、ＧａＮ系半導体発光素子では、ｐ型ＧａＮ層の手前で電流を拡げる必要があり、第１〜第４の実施形態ではＺｎＯ層またはＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）が、第５〜第６の実施形態ではＩＴＯ系酸化物層がその役割を果たす。そのため、図１に示すように、凹部または凸部を形成した場合であっても、半導体層の直上ではＺｎＯ層、Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）、ＩＴＯ系酸化物層が連続的につながっていることが好ましい。凹部または凸部を形成した後の膜厚が薄くなった部分の厚みは、駆動電流にもよるが、５００Å程度残しておくことが好ましい。膜厚が薄くなった部分の厚みを５００Å程度残しておくことにより、電流拡がり層として効果的に機能することができる。

本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の断面図である。 凹部の配置例を示す図である。 凹部の他の配置例を示す図である。 半導体発光素子の電流−輝度特性を示す図である。 凹部の周期間隔を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子の断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子の変形例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子の断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る半導体発光素子の断面図である。

符号の説明

１０ 半導体発光素子、 １２ サファイア基板、 １４ バッファ層、 １６ ｎ型ＧａＮ層、 １８ ＩｎＧａＮ発光層、 ２４ ＺｎＯ層、 ２６ ｐ側電極、 ２８ ｎ側電極、 ３０ 凹部、 ３２ ｐ型ＧａＮ層。

Claims (17)

1. 基板上に、ｎ型ＧａＮ層と、発光層と、ｐ型ＧａＮ層とが積層された半導体発光素子であって、
   前記ｐ型ＧａＮ層上にＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）が設けられ、
   前記Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）の表面に、２次元の周期的な間隔で凹部または凸部が形成されることを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記発光層からの光の空気中での波長をλと、その波長λにおける前記Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）の屈折率をｎ_ｚλと、前記Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）とそれに接する媒体との界面での全反射角をθ_ｚとしたときに、隣接する凹部の周期間隔または隣接する凸部の周期間隔Ｌ_ｚが、
   

   

   の範囲にあ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. 前記発光層からの光の空気中での波長をλと、その波長λにおける前記Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）の屈折率をｎ_ｚλと、前記発光層からの光の空気中での半値幅をΔλと、波長λ−Δλにおける前記Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）の屈折率をｎ_{ｚ（λ−Δλ）}と、波長λ＋Δλにおける前記Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）の屈折率をｎ_{ｚ（λ＋Δλ）}と、前記Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）とそれに接する媒体との界面での全反射角をθ_ｚとしたときに、隣接する凹部の周期間隔または隣接する凸部の周期間隔Ｌ_ｚが、
   

   

   の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
4. 前記発光層からの光の空気中での波長をλと、その波長λにおける前記Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）の屈折率をｎ_ｚλと、前記発光層からの光の空気中での半値幅をΔλと、波長λ−Δλにおける前記Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）の屈折率をｎ_{ｚ（λ−Δλ）}と、波長λ＋Δλにおける前記Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）の屈折率をｎ_{ｚ（λ＋Δλ）}と、前記Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）とそれに接する媒体との界面での全反射角をθ_ｚとしたときに、隣接する凹部の周期間隔または隣接する凸部の周期間隔Ｌ_ｚが、
   

   

   の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
5. 前記Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）に形成される凹部または凸部は、正方格子状または三角格子状に配置されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の半導体発光素子。
6. ｐ型ＧａＮ層と、発光層と、ｎ型ＧａＮ層とが積層された半導体発光素子であって、
   前記ｎ型ＧａＮ層の表面に、２次元の周期的な間隔で凹部または凸部が形成されることを特徴とする半導体発光素子。
7. 前記発光層からの光の空気中での波長をλと、その波長λにおける前記ｎ型ＧａＮ層の屈折率をｎ_ｇλと、前記ｎ型ＧａＮ層とそれに接する媒体との界面での全反射角をθ_ｇとしたときに、隣接する凹部の周期間隔または隣接する凸部の周期間隔Ｌ_ｇが、
   

   

   の範囲にあることを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子。
8. 前記発光層からの光の空気中での波長をλと、その波長λにおける前記ｎ型ＧａＮ層の屈折率をｎ_ｇλと、前記発光層からの光の空気中での半値幅をΔλと、波長λ−Δλにおける前記ｎ型ＧａＮ層の屈折率をｎ_{ｇ（λ−Δλ）}と、波長λ＋Δλにおける前記ｎ型ＧａＮ層の屈折率をｎ_{ｇ（λ＋Δλ）}と、前記ｎ型ＧａＮ層とそれに接する媒体との界面での全反射角をθ_ｇとしたときに、隣接する凹部の周期間隔または隣接する凸部の周期間隔Ｌ_ｇが、
   

   

   の範囲にあることを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子。
9. 前記発光層からの光の空気中での波長をλと、その波長λにおける前記ｎ型ＧａＮ層の屈折率をｎ_ｇλと、前記発光層からの光の空気中での半値幅をΔλと、波長λ−Δλにおける前記ｎ型ＧａＮ層の屈折率をｎ_{ｇ（λ−Δλ）}と、波長λ＋Δλにおける前記ｎ型ＧａＮ層の屈折率をｎ_{ｇ（λ＋Δλ）}と、前記ｎ型ＧａＮ層とそれに接する媒体との界面での全反射角をθ_ｇとしたときに、隣接する凹部の周期間隔または隣接する凸部の周期間隔Ｌ_ｇが、
   

   

   の範囲にあることを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子。
10. 前記ｎ型ＧａＮ層に形成される凹部または凸部は、正方格子状または三角格子状に配置されることを特徴とする請求項６から９のいずれかに記載の半導体発光素子。
11. 基板上に、ｎ型ＧａＮ層と、発光層と、ｐ型ＧａＮ層とが積層された半導体発光素子であって、
    前記基板は、ＳｉＣ基板であり、
    前記ＳｉＣ基板の表面に、２次元の周期的な間隔で凹部または凸部が形成され、
    前記ｐ型ＧａＮ層上にＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）が設けられ、
    前記Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）の表面に、２次元の周期的な間隔で凹部または凸部が形成されることを特徴とする半導体発光素子。
12. 前記発光層からの光の空気中での波長をλと、その波長λにおける前記Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）の屈折率をｎ_ｚλと、前記Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）とそれに接する媒体との界面での全反射角をθ_ｚとしたときに、隣接する凹部の周期間隔または隣接する凸部の周期間隔Ｌ_ｚが、
    

    

    の範囲にあることを特徴とする請求項１１に記載の半導体発光素子。
13. 前記発光層からの光の空気中での波長をλと、その波長λにおける前記Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）の屈折率をｎ_ｚλと、前記発光層からの光の空気中での半値幅をΔλと、波長λ−Δλにおける前記Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）の屈折率をｎ_{ｚ（λ−Δλ）}と、波長λ＋Δλにおける前記Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）の屈折率をｎ_{ｚ（λ＋Δλ）}と、前記Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）とそれに接する媒体との界面での全反射角をθ_ｚとしたときに、隣接する凹部の周期間隔または隣接する凸部の周期間隔Ｌ_ｚが、
    

    

    の範囲にあることを特徴とする請求項１１に記載の半導体発光素子。
14. 前記発光層からの光の空気中での波長をλと、その波長λにおける前記Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）の屈折率をｎ_ｚλと、前記発光層からの光の空気中での半値幅をΔλと、波長λ−Δλにおける前記Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）の屈折率をｎ_{ｚ（λ−Δλ）}と、波長λ＋Δλにおける前記Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）の屈折率をｎ_{ｚ（λ＋Δλ）}と、前記Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）とそれに接する媒体との界面での全反射角をθ_ｚとしたときに、隣接する凹部の周期間隔または隣接する凸部の周期間隔Ｌ_ｚが、
    

    

    の範囲にあることを特徴とする請求項１１に記載の半導体発光素子。
15. 前記Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）に形成される凹部または凸部は、正方格子状または三角格子状に配置されることを特徴とする請求項１１から１４のいずれかに記載の半導体発光素子。
16. 基板上に、ｎ型ＧａＮ層と、発光層と、ｐ型ＧａＮ層とが積層された半導体発光素子であって、
    前記ｐ型ＧａＮ層上に、Ｚｎ、Ｉｎ、ＳｎおよびＭｇよりなる群から選択された少なくとも１種の元素を含む酸化物層よりなる透明導電膜層、もしくはその酸化物層とＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）とを積層した透明導電膜層が設けられ、
    前記透明導電膜層の表面に、２次元の周期的な間隔で凹部または凸部が形成されることを特徴とする半導体発光素子。
17. 基板上に、ｎ型ＧａＮ層と、発光層と、ｐ型ＧａＮ層とが積層された半導体発光素子であって、
    前記基板は、ＳｉＣ基板であり、
    前記ＳｉＣ基板の表面に、２次元の周期的な間隔で凹部または凸部が形成され、
    前記ｐ型ＧａＮ層上に、Ｚｎ、Ｉｎ、ＳｎおよびＭｇよりなる群から選択された少なくとも１種の元素を含む酸化物層よりなる透明導電膜層、もしくはその酸化物層とＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ層（０≦ｘ≦０．５）とを積層した透明導電膜層が設けられ、
    前記透明導電膜層の表面に、２次元の周期的な間隔で凹部または凸部が形成されることを特徴とする半導体発光素子。

Images