JP2014199953A - 半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光出力の大きい半導体発光素子を実現する。
【解決手段】第１のIII族窒化物からなる単一層である発光層と、第２のIII族窒化物からなりｎ型の導電型を呈するｎ型層と、第３のIII族窒化物からなりｐ型の導電型を呈するｐ型層と、を表面が一様に平坦な基材上にそれぞれが基材の面内方向において連続する態様にて備え、発光層がｐ型層とｎ型層との間に位置する半導体発光素子において、ｐ型層の、発光層とは異なる側の界面、および、ｎ型層の基材側の界面が一様に平坦であるとともに、発光層とｎ型層との界面である第１の界面が、平坦部を有するとともにｐ型層の側からｎ型層の側に向けて突出した曲面形状の複数の第１の凸部を有し、発光層とｐ型層側において当該発光層に隣接する隣接層との界面である第２の界面が、平坦部を有するとともにｐ型層の側から前記ｎ型層の側に向けて突出した曲面形状の複数の第２の凸部を有するようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、III族窒化物半導体を用いた発光素子に関する。

深紫外域（例えばλ≦２７０ｎｍ）に発光波長を有するダイオード構造型の発光素子（以下、ＬＥＤとも称する）として、Ａｌ組成比の高いＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（概ねｘ≧０．４）からなる化合物半導体を発光層に用い、該発光層の形成材料よりもさらにＡｌ組成比が高い（バンドギャップが大きい）ＡｌＧａＮからなるｎ型層およびｐ型層によって発光層を挟み込む構造がすでに公知である（例えば、非特許文献１参照）。なお、ｎ型層およびｐ型層を発光層の形成材料よりもバンドギャップが大きい材料にて形成するのは、ＬＥＤの発光効率を向上させるためである。

"III-Nitride UV devices", M.Asif Khan, M.Shatalov, H.P.Maruska, H.M. Wang, and E. Kuokstis, Jpn. J. Appl. Phys., vol.44, No.10, 2005, pp.7191-7206"

高Ａｌ組成のｐ型ＡｌＧａＮは、アクセプタ準位が深くホールキャリア濃度が低いため、これを用いてｐ型層を構成する場合、発光効率の向上という効果が得られる一方で、ｐ型層の導電率が低くなり、かつｐ型層と電極とのコンタクト抵抗が高くなるという不具合も生じる。非特許文献１に開示された発光素子においては、高Ａｌ組成のｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型導電層の上にｐ型ＧａＮからなるコンタクト層を形成し、該コンタクト層に対して電極を形成することで、コンタクト抵抗の低減が図られている。

しかしながら、ＧａＮはＡｌＧａＮよりもバンドギャップが小さいため、ＧａＮからなるコンタクト層を設けた場合、発光層から放出される光の一部がコンタクト層によって吸収されてしまうため、ＬＥＤからの光取り出し効率が悪く光出力が小さいという問題が生じる。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、光出力の大きい半導体発光素子を実現することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、第１のIII族窒化物からなる単一層である発光層と、第２のIII族窒化物からなりｎ型の導電型を呈するｎ型層と、第３のIII族窒化物からなりｐ型の導電型を呈するｐ型層と、を、表面が一様に平坦な所定の基材の上に、それぞれが前記基材の面内方向において連続する態様にて備え、前記発光層が前記ｐ型層と前記ｎ型層との間に位置する半導体発光素子であって、前記ｐ型層の、前記発光層とは異なる側の界面、および、前記ｎ型層の前記基材側の界面が一様に平坦であるとともに、前記発光層と前記ｎ型層との界面である第１の界面が、平坦部を有するとともに前記ｐ型層の側から前記ｎ型層の側に向けて突出した曲面形状の複数の第１の凸部を有し、前記発光層と前記ｐ型層側において当該発光層に隣接する隣接層との界面である第２の界面が、平坦部を有するとともに前記ｐ型層の側から前記ｎ型層の側に向けて突出した曲面形状の複数の第２の凸部を有する、ことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の半導体発光素子であって、Ａｌ_ｗ１Ｇａ_１−ｗ１Ｎ（０．８≦ｗ１≦１．０）なる組成のIII族窒化物からなる中間層を備え、前記中間層が前記隣接層であり、前記中間層と前記発光層との界面が前記第２の界面である、ことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２に記載の半導体発光素子であって、前記中間層と前記ｐ型層との界面が、平坦部を有するとともに、前記第２の界面に備わる前記複数の第２の凸部に対応する位置に前記ｐ型層の側から前記ｎ型層の側に向けて突出した曲面形状の複数の第３の凸部を有する、ことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項２または請求項３に記載の半導体発光素子であって、前記中間層がＡｌＮからなることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の半導体発光素子であって、前記ｐ型層の側から前記ｎ型層の側へと突出する前記複数の第１の凸部が、前記ｎ型層の表面をエッチングすることにより形成されたものである、ことを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の半導体発光素子であって、前記第１のIII族窒化物がＡｌ_ｙ１Ｇａ_ｚ１Ｎ（０＜ｙ１＜１、０＜ｚ１＜１、ｙ１＋ｚ１＝１）であり、前記第３のIII族窒化物がＢ_ｘ３Ａｌ_ｙ３Ｇａ_ｚ３Ｎ（０≦ｘ３＜１、ｙ１＜ｙ３≦１、０＜ｚ３＜１、ｘ３＋ｙ３＋ｚ３＝１）である、ことを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項６に記載の半導体発光素子であって、少なくとも前記第２の界面の近傍において、前記第３のIII族窒化物がＢ_ｘ３Ａｌ_ｙ３Ｇａ_ｚ３Ｎ（０＜ｘ３＜１、ｙ１＜ｙ３≦１、０＜ｚ３＜１、ｘ３＋ｙ３＋ｚ３＝１）である、ことを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子であって、前記第１および第２の凸部について、外周端部から水平距離が最大となる２点を選択したときの当該距離を前記凸部の幅ｗと定義し、対応する前記平坦部の位置を基準としたときの前記凸部の最底部までの鉛直距離を前記凸部の高さｈと定義するときに、幅ｗが１００ｎｍ〜１０００ｎｍであり、高さｈが２５ｎｍ〜５００ｎｍであり、比ｈ／ｗの値が１／４〜１／２であり、前記第１の凸部同士の間隔および前記第２の凸部同士の間隔が１００ｎｍ〜１０００ｎｍである、ことを特徴とする。

請求項９の発明は、請求項３に記載の半導体発光素子であって、前記第１ないし第３の凸部について、外周端部から水平距離が最大となる２点を選択したときの当該距離を前記凸部の幅ｗと定義し、対応する前記平坦部の位置を基準としたときの前記凸部の最底部までの鉛直距離を前記凸部の高さｈと定義するときに、幅ｗが１００ｎｍ〜１０００ｎｍであり、高さｈが２５ｎｍ〜５００ｎｍであり、比ｈ／ｗの値が１／４〜１／２であり、前記第１の凸部同士の間隔、前記第２の凸部同士の間隔、および前記第３の凸部同士の間隔が１００ｎｍ〜１０００ｎｍである、ことを特徴とする。

請求項１０の発明は、半導体発光素子の製造方法であって、表面が一様に平坦な所定の基材の上に第１のIII族窒化物からなる発光層を前記基材の面内方向において連続する単一層として形成する発光層形成工程と、前記所定の基材の上に、第２のIII族窒化物からなり、ｎ型の導電型を呈するｎ型層を前記基材の面内方向において連続する態様にて形成するｎ型層形成工程と、前記所定の基材の上に、第３のIII族窒化物からなり、ｐ型の導電型を呈するｐ型層を前記基材の面内方向において連続する態様にて形成するｐ型層形成工程と、を備え、前記発光層を前記ｎ型層に隣接形成するとともに、前記ｎ型層形成工程においては、前記発光層との界面である第１の界面については前記ｎ型層の表面をエッチングすることによって平坦部を有するとともに前記ｐ型層の側から前記ｎ型層の側に向けて突出した曲面形状の複数の第１の凸部を有するように、前記基材側の第２の界面については一様に平坦となるように、前記ｎ型層を形成し、前記ｐ型層形成工程においては、前記発光層と異なる側の第３の界面が一様に平坦となるように、前記ｐ型層を形成する、ことを特徴とする。

請求項１１の発明は、請求項１０に記載の半導体発光素子の製造方法であって、前記発光層形成工程においては、前記ｐ型層側の第４の界面が、平坦部を有するとともに前記ｐ型層の側から前記ｎ型層の側に向けて突出した曲面形状の複数の第２の凸部を有するように、前記発光層を形成する、ことを特徴とする。

請求項１２の発明は、請求項１１に記載の半導体発光素子の製造方法であって、前記発光層形成工程において前記ｎ型層の表面形状に沿って前記発光層を形成することによって、前記第１の界面に備わる前記複数の第１の凸部に対応する位置に前記第４の界面の前記複数の第２の凸部を形成させる、ことを特徴とする。

請求項１３の発明は、請求項１０ないし請求項１２のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法であって、Ａｌ_ｗ１Ｇａ_１−ｗ１Ｎ（０．８≦ｗ１≦１．０）なる組成のIII族窒化物からなる中間層を前記発光層に隣接させて形成する中間層形成工程、をさらに備えることを特徴とする。

請求項１４の発明は、請求項１３に記載の半導体発光素子の製造方法であって、前記中間層形成工程において前記発光層の表面形状に沿って前記中間層を形成することによって、前記発光層と前記中間層との界面を前記第４の界面として形成するとともに、前記ｐ型層形成工程において前記ｐ型層を前記中間層の表面形状に沿って形成することで、前記中間層と前記ｐ型層との界面が、平坦部を有するとともに、前記第４の界面に備わる前記複数の第２の凸部に対応する位置に前記ｐ型層の側から前記ｎ型層の側に向けて突出した曲面形状の複数の第３の凸部を有するようにする、ことを特徴とする。

請求項１５の発明は、請求項１３または請求項１４に記載の半導体発光素子の製造方法であって、前記中間層をＡｌＮにて形成することを特徴とする。

請求項１６の発明は、請求項１０ないし請求項１５のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法であって、前記第１のIII族窒化物がＡｌ_ｙ１Ｇａ_ｚ１Ｎ（０＜ｙ１＜１、０＜ｚ１＜１、ｙ１＋ｚ１＝１）であり、前記第３のIII族窒化物がＢ_ｘ３Ａｌ_ｙ３Ｇａ_ｚ３Ｎ（０≦ｘ３＜１、ｙ１＜ｙ３≦１、０＜ｚ３＜１、ｘ３＋ｙ３＋ｚ３＝１）である、ことを特徴とする。

請求項１７の発明は、請求項１６に記載の半導体発光素子の製造方法であって、前記ｐ型層形成工程においては、前記発光層の側の前記ｐ型層と隣接層との界面近傍において、前記第３のIII族窒化物がＢ_ｘ３Ａｌ_ｙ３Ｇａ_ｚ３Ｎ（０＜ｘ３＜１、ｙ１＜ｙ３≦１、０＜ｚ３＜１、ｘ３＋ｙ３＋ｚ３＝１）であるように前記ｐ型層を形成する、ことを特徴とする。

請求項１８の発明は、請求項１０に記載の半導体発光素子の製造方法であって、前記第１の凸部について、外周端部から水平距離が最大となる２点を選択したときの当該距離を前記凸部の幅ｗと定義し、対応する前記平坦部の位置を基準としたときの前記凸部の最底部までの鉛直距離を前記凸部の高さｈと定義するときに、幅ｗが１００ｎｍ〜１０００ｎｍであり、高さｈが２５ｎｍ〜５００ｎｍであり、比ｈ／ｗの値が１／４〜１／２であり、前記第１の凸部同士の間隔が１００ｎｍ〜１０００ｎｍであるように、前記第１の凸部を形成する、ことを特徴とする。

請求項１９の発明は、請求項１１または請求項１２に記載の半導体発光素子の製造方法であって、前記第１および第２の凸部について、外周端部から水平距離が最大となる２点を選択したときの当該距離を前記凸部の幅ｗと定義し、対応する前記平坦部の位置を基準としたときの前記凸部の最底部までの鉛直距離を前記凸部の高さｈと定義するときに、幅ｗが１００ｎｍ〜１０００ｎｍであり、高さｈが２５ｎｍ〜５００ｎｍであり、比ｈ／ｗの値が１／４〜１／２であり、前記第１の凸部同士の間隔および前記第２の凸部同士の間隔が１００ｎｍ〜１０００ｎｍであるように、前記第１および第２の凸部を形成する、ことを特徴とする。

請求項２０の発明は、請求項１４に記載の半導体発光素子の製造方法であって、前記第１ないし第３の凸部について、外周端部から水平距離が最大となる２点を選択したときの当該距離を前記凸部の幅ｗと定義し、対応する前記平坦部の位置を基準としたときの前記凸部の最底部までの鉛直距離を前記凸部の高さｈと定義するときに、幅ｗが１００ｎｍ〜１０００ｎｍであり、高さｈが２５ｎｍ〜５００ｎｍであり、比ｈ／ｗの値が１／４〜１／２であり、前記第１の凸部同士の間隔、前記第２の凸部同士の間隔、および前記第３の凸部同士の間隔が１００ｎｍ〜１０００ｎｍであるように、前記第１ないし第３の凸部を形成する、ことを特徴とする。

請求項２１の発明は、請求項１０ないし請求項２０のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法であって、前記ｎ型層形成工程においては、前記第２のIII族窒化物からなり表面が平坦なｎ型層用結晶層を成長させる工程と、前記ｎ型層用結晶層の前記表面にマスクを形成する工程と、前記ウェットエッチングにより前記ｎ型層用結晶層の表面に複数の窪みを形成する工程と、前記マスクを除去する工程と、をこの順で行うことによって前記ｎ型層を形成する、ことを特徴とする。

請求項１ないし請求項２１の発明によれば、層組成が同じであるにも関わらず、従来よりも光出力の高い半導体発光素子が、実現される。

特に、発光層からｎ型層の側へと放出される光がより効率的に外部へ取り出されることにより、光出力が増大する。

特に、請求項１ないし請求項９、請求項１１、請求項１２、および請求項１４の発明によれば、発光層からｐ型層の側へと放出された光のうち、途中で反射されてｎ型層の側へと向かう光の割合が多くなることにより、ｐ型層における吸収が抑制されて発光層にて生じた光がより効率的に外部へと取り出されることになり、結果として光出力が増大する。

特に、請求項２ないし請求項４、および請求項１３ないし請求項１５の発明によれば、中間層を備えることにより、ねらいの発光波長の光についての発光効率が高い半導体発光素子が実現される。

本発明の実施の形態に係る発光素子１０の構造を模式的に示す図である。 凸部Ｉ１２、Ｉ２２、およびＩ３２の形状を特定するパラメータの定義を示すための図である。 発光素子１０において発光層４から発せられる光の方位について説明するための図である。 発光層４’内の点Ｐ’から放出された光が界面Ｉ１’、Ｉ２’に入射する様子を示す図である。 発光層４内の点Ｐから放出された光が界面Ｉ１、Ｉ２に入射する様子を示す図である。 窪み３ｂの形成およびこれに引き続く層形成の様子を模式的に示す図である。 ＳｉＯ_２マスク１００の上面図である。 比較例１に係る発光素子２０の構造を模式的に示す図である。 比較例２に係る発光素子３０の構造を模式的に示す図である。

＜発光素子の概略構成＞
図１は、本発明の実施の形態に係る発光素子１０の構造を模式的に示す図である。なお、図１以降の各図における各部の比率は、必ずしも実際のものを反映したものではない。図１に示すように、発光素子１０は、基板１の上に、下地層２と、第１導電層３と、発光層４と、中間層５と、第２導電層６と、コンタクト層７とをこの順に隣接形成させた積層構造を有する。換言すれば、下地層２の上において第１導電層３と第２導電層６とで発光層４と中間層５とを上下から挟み込み、さらにその上にコンタクト層７を備える積層構造体を、基板１の上に設けたものであるともいえる。

また、第１導電層３の一部は露出しており、その露出部分にカソード電極部８が設けられてなる。なお、カソード電極部８のことをカソード電極パッド８とも称する。カソード電極パッド８は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕによって形成されてなる。

さらに、コンタクト層７の上には、アノード電極層９ａとアノード電極パッド９ｂとからなるアノード電極部９が設けられてなる。アノード電極層９ａは、コンタクト層７の略全面に形成されてなる。アノード電極パッド９ｂは、係るアノード電極層９ａの一部に設けられてなる。アノード電極層９ａとアノード電極パッド９ｂとは、Ｎｉ／Ａｕによって形成されてなる。

発光素子１０は、カソード電極パッド８とアノード電極パッド９ｂとの間に所定の電圧を印加することで生じる、発光層４におけるキャリアの再結合による励起発光を、素子外部に向けて出射するものである。

基板１は、サファイア、ＭｇＯ、ダイヤモンドやＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＩｎＧａＮなどの単結晶基材１ａと、該単結晶基材１ａの上にＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＩｎＧａＮなどのIII族窒化物の結晶をエピタキシャル形成させてなる表面層１ｂとからなる、いわゆるエピタキシャル基板である。例えば、厚みが数百μｍ程度のＣ面単結晶サファイアを単結晶基材１ａとして用い、その上に、ＭＯＣＶＤ法によって０．１μｍ〜数μｍ程度の厚みのＡｌＮ単結晶層を表面層１ｂとしてエピタキシャル成長させたものを基板１とするのが好適な一例である。単結晶基材１ａ、表面層１ｂの材料としては、外部量子効率を向上させる観点から、所望の発光波長の吸収係数が小さい材料を選択することが望ましい。ただし、表面層１ｂを有しておらず単結晶基材そのものを基板１として用いる態様であってもよい。

このような基板１の上に、ＭＯＣＶＤ法などの公知のエピタキシャル成長法によって所定のIII族窒化物からなる複数の層を順次にエピタキシャル成長させることで、上述の積層構造を構成する各層が形成されてなる。

なお、第１導電層３は、ｎ型の導電型を有するように形成されてなる。このようにｎ型の導電型を有する部位を、ｎ型の導電部もしくはｎ型層と総称する場合がある。また、第２導電層６とコンタクト層７とは、いずれもｐ型の導電型を有するように形成されてなる。このようにｐ型の導電型を有する部位を、ｐ型の導電部もしくはｐ型層と総称する場合がある。

発光層４は、発光素子１０において発光を担う層であり、Ａｌ_ｙ１Ｇａ_ｚ１Ｎ（０＜ｙ１＜１、０＜ｚ１＜１、ｙ１＋ｚ１＝１）なる組成のIII族窒化物にて数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の厚みに形成されてなる。紫外領域に発光波長を有するように発光素子１０を構成する場合であれば、０．１≦ｙ１≦０．９をみたすように発光層４を形成する。ここで、紫外領域に発光波長を有するとは、発光波長が２１０ｎｍ以上３４０ｎｍ以下の範囲にあることを意味する。なお、０．２５≦ｙ１≦０．６をみたすように発光層４を形成すれば、発光波長が２５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲にある発光が得られる。例えば、Ａｌ_０．４９Ｇａ_０．５１ＮなるIII族窒化物で発光層４を形成した場合には、２６５ｎｍの発光波長の発光が得られる。

本実施の形態に係る発光素子１０においては、発光層４とその隣接層である第１導電層３および中間層５との界面の形状が特徴的である。その詳細については後述する。

第１導電層３は、ｎ型の導電型を有する。第１導電層３は、第２導電層６（より具体的にはクラッド層６ａ）と併せ、発光層４にキャリア（第1導電層３においては主に電子、第２導電層６においては主にホール）を供給し、かつキャリアの閉じこめ効果を高める目的で設けられる層である。すなわち、第１導電層３は、いわゆるクラッド層として機能する。係る目的を満たすべく、第１導電層３は、発光層４を構成するIII族窒化物よりも、バンドギャップが大きなIII族窒化物で形成されてなる。

発光層４がＡｌ_ｙ１Ｇａ_ｚ１Ｎ（０＜ｙ１＜１、０＜ｚ１＜１、ｙ１＋ｚ１＝１）なるIII族窒化物で形成されてなる場合、第１導電層３は、さらにＡｌリッチなＡｌ_ｙ２Ｇａ_ｚ２Ｎ（ｙ１＜ｙ２≦１．０、０≦ｚ２＜ｚ１、ｙ２＋ｚ２＝１）なるIII族窒化物に、Ｓｉなどのｎ型のドーパントをドープすることによって形成されてなる。より好ましくは、少なくとも発光層４との接合部近傍においては、ｙ１＜ｙ２≦１．０かつ０．６≦ｙ２≦１．０をみたすように形成される。係る場合、発光素子１０の発光特性がより向上するからである。

例えば、発光層４をＡｌ_０．４９Ｇａ_０．５１ＮなるIII族窒化物で形成する場合であれば、ｎ型ドーパントとしてのＳｉ原子を２×１０^１８/ｃｍ^３程度含むＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ｎからなる層を１μｍ程度の厚みに形成するのが好適である。

なお、上述したように、第１導電層３の一部は露出させられてなり、その露出部分にカソード電極部８が設けられてなる。すなわち、第１導電層３は、カソード電極部８とのコンタクト層としての役割をも担う。

下地層２は、第１導電層３を構成するIII族窒化物と略同一組成のIII族窒化物にて形成されてなる。ただし、下地層２は、第１導電層３と違い、ドーパントはドープされていない高抵抗層である。下地層２は、数百ｎｍ〜数μｍ程度の厚みに形成されるのがその好適な一例である。

第２導電層６は、ｐ型の導電型を有する。第２導電層６は、少なくとも発光層４へのキャリアの閉じ込めが実現されるように設けられる層である。本実施の形態に係る発光素子１０においては、第２導電層６が、この閉じ込め効果を担うクラッド層６ａと、発光層４へのキャリア供給効率を高めるためのキャリア供給層６ｂとの２層からなるものとする。

クラッド層６ａは、上述したように、第１導電層３と併せ、発光層４におけるキャリアの閉じこめ効果を高める目的で設けられる層である。従って、発光層４を構成するIII族窒化物よりも、バンドギャップが大きなIII族窒化物で形成されてなる。

発光層４がＡｌ_ｙ１Ｇａ_ｚ１Ｎ（０＜ｙ１＜１、０＜ｚ１＜１、ｙ１＋ｚ１＝１）なるIII族窒化物で形成されてなる場合、クラッド層６ａは、さらにＡｌリッチなＢ_ｘ３Ａｌ_ｙ３Ｇａ_ｚ３Ｎ（０≦ｘ３＜１、ｙ１＜ｙ３≦１、０＜ｚ３＜１、ｘ３＋ｙ３＋ｚ３＝１）なるIII族窒化物に、Ｍｇなどのｐ型のドーパントをドープすることによって形成されてなる。より好ましくは、クラッド層６ａは、少なくとも発光層４との接合部近傍においては０＜ｘ３＜１をみたすように形成される。すなわち、Ｂ（ホウ素）を含有するように形成される。係る場合、発光素子１０の光出力がより向上する。これは、発光層４とクラッド層６ａに小さい屈折率を持つ材料を用いるほど、発光層４とクラッド層６ａとの界面における反射率が大きくなり、その結果として、発光層４からの光がコンタクト層７の側へと通過することが抑制されて光の取り出し効率が高められることによる。

一方、キャリア供給層６ｂは、発光層４に対しキャリアが効率的に供給されるように設けられる層である。キャリア供給層６ｂは、クラッド層６ａよりもバンドギャップが小さいIII族窒化物にて形成される。

例えば、発光層４をＡｌ_０．４９Ｇａ_０．５１ＮなるIII族窒化物で形成する場合、クラッド層６ａについては、ｐ型ドーパントとしてのＭｇ原子を１×１０^１９/ｃｍ^３程度含むＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ｎからなる層を、数十ｎｍ程度の厚みに形成し、キャリア供給層６ｂについては、ｐ型ドーパントとしてのＭｇ原子を３×１０^１９/ｃｍ^３程度含むＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎからなる層を、数十ｎｍ程度の厚みに形成するのが、好適な一例である。

なお、発光層４との接合部近傍においてＢを含有するようにクラッド層６ａを形成した場合、クラッド層６ａの屈折率が小さくなるので、発光層４からの光が中間層５とクラッド層６ａとの界面で反射する割合が相対的に大きくなり、コンタクト層７における光の吸収が抑制される。結果的に、発光素子１０からの光の取り出し効率が高まる。

なお、キャリア供給層６ｂは単一組成で構成される必要はなく、超格子構造としたり組成傾斜構造とすることもできる。こうした構造は、ｐ型キャリア濃度の向上や、抵抗低減の役割を担う。

コンタクト層７は、アノード電極部９との間で良好なオーミック接触を得るために、第２導電層６とアノード電極部９との間に形成される。第２導電層６がキャリア供給層６ｂを有してなる場合は、キャリア供給層６ｂの上に設けられる。

コンタクト層７は、ｐ型の導電型を有する。コンタクト層７は、発光層４を構成するIII族窒化物よりもバンドギャップが小さいIII族窒化物に、Ｍｇなどのｐ型のドーパントをドープすることによって形成される。第２導電層６がキャリア供給層６ｂを有してなる場合は、キャリア供給層６ｂよりもバンドギャップが小さいIII族窒化物を用いて形成される。例えば、ＧａＮを用いるのが好適な一例である。なお、コンタクト層７を、発光層４を構成するIII族窒化物よりもバンドギャップが小さいIII族窒化物にて形成するのは、アノード電極層９ａとのコンタクト特性を良好に確保するためである。

コンタクト層７は、その機能が確保される範囲において適宜の厚みに形成されてよい。例えば、１００ｎｍ以上の厚みを有するように形成することもできる。１００ｎｍよりも厚くコンタクト層７を形成した場合、三次元核成長段階から二次元成長段階に移行するため、表面が平坦な結晶層として形成され、比抵抗を低減できる。２００ｎｍ程度に設けるのが好適な一例である。

なお、コンタクト層７を、III族窒化物の組成や不純物濃度が異なる複数の層からなる多層構造を有するように形成してもよい。例えば、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ組成を変調若しくは超格子構造にしたり、表面近傍でｐ型のドーパント濃度を上げたりすることにより、ｐ型電極との接触抵抗を低減することも可能である。

中間層５は、発光素子１０において、発光層４からの所望の発光波長（ねらいの発光波長）での発光を良好に生じさせる目的で設けられる。中間層５は、好ましくは、Ａｌ_ｗ１Ｇａ_１−ｗ１Ｎ（０．８≦ｗ１≦１．０）なるIII族窒化物にて、より好ましくはＡｌＮにて、５ｎｍ以下の厚みに、好ましくは１ｎｍ程度の厚みに形成される。中間層５を５ｎｍより厚く形成することは、立ち上がり電圧を大きくする必要が生じるため好ましくない。

特にＡｌＮを用いて中間層５を形成する場合、中間層５の厚みは、第２導電層６から発光層４へのキャリア注入が阻害されないように、トンネル電流が支配的になるような範囲内とすることが望ましい。

中間層５は、発光素子１０における光出力の向上という本発明の作用効果を得るうえにおいては、必須の構成ではない。ただし、中間層５を設けない場合、３００ｎｍ帯においてねらいの発光波長以外での不要な発光が生じることが、本発明の発明者によって確認されている。これは、第２導電層６（クラッド層６ａとキャリア供給層６ｂ）にドープされてなるＭｇ原子が発光素子１０の作成過程で発光層４に拡散することが原因と考えられる事象である。本実施の形態においては、中間層５を設けることによってＭｇの拡散を防止することにより、このような不要な発光を抑制し、かつ、ねらいの発光波長の光についての発光効率を向上させるようにしている。なお、この効果は、原子間の結合力が強く、格子定数が最も小さいＡｌＮの場合に顕著となる。また、Ｇａを含まないＡｌＮを用いて中間層５を形成する場合、二元系の材料が持つ面内での組成均一化の効果も、発光効率の向上に寄与している。ただし、この場合、中間層５に不純物程度のＧａ、Ｉｎが含まれることは、組成不均一を引き起こすことにはならないので、排除されない。

＜発光層と隣接層との界面の形状と光取り出し効率＞
上述したように、本実施の形態に係る発光素子１０においては、発光層４とこれに隣接する第１導電層３および中間層５との界面の形状が特徴的である。以下、この点について説明する。

図１に示すように、発光層４と第１導電層３との界面Ｉ１は、一様に平坦ではなく、平坦部Ｉ１１を有するとともに第２導電層６の側から第１導電層３の側に向けて突出した（図１においては図面上側から下側に向けて突出している）曲面形状の複数の凸部Ｉ１２を有する。加えて、発光層４と中間層５との界面Ｉ２も同様に、平坦部Ｉ２１と複数の凸部Ｉ２２とを有する。さらには、図１に示す場合においては、中間層５とクラッド層６ａとの界面も同様に、平坦部Ｉ３１と複数の凸部Ｉ３２とを有する。より一般的な表現をすれば、凸部Ｉ１２、Ｉ２２、およびＩ３２は、ｐ型層の側からｎ型層の側に向けて突出していることになる。なお、図１に示す場合においては、各界面に形成された凸部Ｉ１２、Ｉ２２、およびＩ３２の水平方向の位置が略一致しているが、これは必須の構成ではない。凸部Ｉ１２、Ｉ２２、およびＩ３２は、球面の一部であるのが好適であるが、放物面その他の二次曲面の一部などであってもよい。

図２は、凸部Ｉ１２、Ｉ２２、およびＩ３２の形状を特定するパラメータの定義を示すための図である。なお、図２においては、凸部Ｉ１２を例として示しているが、凸部Ｉ２２およびＩ３２についても同様である。具体的には、凸部Ｉ１２の外周端部から水平距離が最大となる２点を選択したときの当該距離を、凸部Ｉ１２の幅ｗと定義する。また、平坦部Ｉ１１の位置を基準としたときの凸部Ｉ１２の最底部までの鉛直距離を凸部Ｉ１２の高さｈと定義する。幅ｗは、１００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度であるのが好適であり、高さｈは２５ｎｍ〜５００ｎｍ程度であるのが好適である。

発光素子１０において、界面Ｉ１およびＩ２さらにはＩ３がこのような形状にて形成されるのは、発光層４で生じた光の取り出し効率を高めるためである。具体的にいえば、発光層４で生じた光が、コンタクト層７において吸収されることをできるだけ抑制するとともに、第１導電層３の側からより多くの光を取り出すためである。より詳細には、上述した態様にて凸部Ｉ１２、Ｉ２２を設けることで、発光素子１０は、次の２通りの作用効果を奏するものとなっており、これらの作用効果の組合せによって、光の取り出し効率が高められてなる。第１の作用効果は、凸部を設けない場合に比して、発光層４内の任意の発光点からコンタクト層７の側へと向かう光の割合が相対的に低く、第１導電層３の側へと向かう光の割合が相対的に高くなったことである。第２の作用効果は、凸部を設けない場合に比して、発光層４内の任意の発光点から発せられて界面Ｉ２に入射する光の透過比率が相対的に低く（反射比率が相対的に高く）、界面Ｉ１に入射する光の透過比率が相対的に高く（反射比率が相対的に低く）なったことである。

まず、第１の作用効果について説明する。図３は、発光素子１０において発光層４から発せられる光の方位について説明するための図である。なお、図３においては、対比のため、凸部Ｉ１２を有さない平坦な仮想界面Ｉ１’および凸部Ｉ２２を有さない平坦な仮想界面Ｉ２’を破線にて示している。仮想界面Ｉ１’および仮想界面Ｉ２’は略水平面として想定される。また、仮想界面Ｉ１’、Ｉ２’で挟まれた凸部が存在しない場合の発光層４を特に、発光層４’と称することとする。

いま、発光層４において界面Ｉ１の凸部Ｉ１２と界面Ｉ２の凸部Ｉ２２の間に位置する任意の点Ｐから放出される光と、発光層４’内の点Ｐ’から放出される光について考える。発光層４、４’においては、任意の位置において等方的な発光が生じる。それゆえ、ある任意の発光点から放出される光のうち、コンタクト層７の側へと向かう光の割合や、第１導電層３の側へと向かう光の割合の相対的な大小は、当該方向へと向かう光が取り得る出射方位を示す角度範囲の大小によって表すことができる。

そこでまず、発光層４’内の点Ｐ’からの光の放出を考えると、界面Ｉ１’、Ｉ２’は点Ｐ’を挟んで平行に位置しているので、点Ｐ’から放出された光は界面Ｉ１’、Ｉ２’に均等に到達する。換言すれば、点Ｐ’から放出されて界面Ｉ２’に達する光の放出方位についての角度範囲をα’とし、界面Ｉ１’に達する光の放出方位についての角度範囲をβ’とするとき、α’、β’は、理論上は１８０°に近い鈍角となる（実際の発光素子においてはサイズの制約によってさらに小さい角度となり得るが、このことは本質的な問題ではない）。

一方、点Ｐからの光の放出についてみれば、凸部Ｉ１２と平坦部Ｉ１１との境界位置Ｑと点Ｐとを結ぶ線分Ｔ１と、凸部Ｉ２２上の接点Ｒと点Ｐとを結ぶ線分（接線）Ｔ２とに挟まれる鈍角の角度範囲のみが、（平坦部Ｉ２１に到達する場合も含めて）界面Ｉ２に到達する光の放出方位であり、他の角度範囲は界面Ｉ１に到達する光の放出方位となる。よって、点Ｐから放出されて界面Ｉ２に達する光の放出方位についての角度範囲をαとし、界面Ｉ１に達する光の放出方位についての角度範囲をβとすると、α＜α’かつ、β＞β’が成り立つことになる。これらの関係は、任意の点Ｐ、Ｐ’について成り立つ。

ゆえに、発光素子１０においては、凸部を設けない場合に比して、発光層４から放出される光のうち、コンタクト層７の側へと向かう光の割合が相対的に小さく、第１導電層３の側へと向かう光の割合が相対的に大きくなっている。すなわち、発光素子１０は、上述した第１の作用効果を奏するものとなっている。

次に、第２の作用効果について説明する。図４は、発光層４’内の点Ｐ’から放出された光が界面Ｉ１’、Ｉ２’に入射する様子を示す図であり、図５は、発光層４内の点Ｐから放出された光が界面Ｉ１、Ｉ２に入射する様子を示す図である。

まず、図４に示すように、発光層４’内の点Ｐ’から放出された光Ｌ１’、Ｌ２’が界面Ｉ２’に対して任意の入射角θで入射する場合を考えると、光Ｌ１’、Ｌ２’の放出方位同士がなす角度範囲γ１’内に向けて点Ｐ’から放出される光の入射角は、θよりも小さい。同様に、点Ｐ’から放出された光Ｌ３’、Ｌ４’が界面Ｉ１’に対して同じく入射角θで入射する場合についても、光Ｌ３’、Ｌ４’の入射方位同士がなす角度範囲γ２’内に向けて点Ｐ’から放出される光の入射角はθよりも小さい。

次に、図５に示すように、発光層４内の点Ｐから放出された光Ｌ１、Ｌ２が同じ入射角θで界面Ｉ２に対して入射する場合を考える。なお、図５においては、理解の助けのために光Ｌ１’、Ｌ２’、Ｌ３’、Ｌ４’を重ね合わせている。図５に示すように、界面形状の違いを反映して、光Ｌ１、Ｌ２の入射方位同士がなす角度範囲γ１は、図４の場合の角度範囲γ１’よりも小さい。また、点Ｐから放出された光Ｌ３、Ｌ４がやはり入射角θで界面Ｉ１に対して入射する場合については、光Ｌ３、Ｌ４の入射方位同士がなす角度範囲γ２は、図４の場合の角度範囲γ２’よりも大きい。すなわち、コンタクト層７の側へ向けて放出される光についてはγ１＜γ１’が成り立ち、第１導電層３の側へ向けて放出される光については、γ２＞γ２’が成り立っている。

θは任意の角度であるので、図４および図５は結局のところ、発光層から放出されて中間層５との界面に入射する光においては、凸部Ｉ２２を設けた場合の方が凸部Ｉ２２を設けない場合よりも入射角が大きい光の割合が相対的に多く、発光層から放出されて第１導電層３との界面に入射する光においては、凸部Ｉ１２を設けた場合の方が凸部Ｉ１２を設けない場合より入射角がθよりも小さい光の割合が相対的に多いということを、意味していることになる。

一般に、界面にある方向から光が入射する場合、入射角が大きいほど透過する割合が小さく、入射角が小さいほど透過する割合が大きい。このことを併せ考えると、発光素子１０においては、凸部Ｉ１２、Ｉ２２を備えることにより、発光層４内の任意の発光点から界面Ｉ２に入射する光の透過比率が相対的に低く、界面Ｉ１に入射する光の透過比率が相対的に高くなっていることになる。すなわち、発光素子１０は、上述した第２の作用効果を奏するものとなっている。

以上を踏まえると、発光層と隣接層との界面に凸部を備える発光素子１０においては、第１の作用効果によって、発光層４からコンタクト層７へと向かう光の割合が相対的に少なく、第１導電層３へと向かう光の割合が相対的に多くなっている。加えて、第２の作用効果によって、コンタクト層７の側の界面Ｉ２に入射する光の透過比率が相対的に小さくなっている。これにより、発光素子１０においては、コンタクト層７にまで到達する光の割合が相対的に小さくなっているので、自ずから、コンタクト層７における吸収は少なくなっている。その一方で、第１導電層３を通じて外部に発せられる光の割合は相対的に大きくなっている。なお、第１導電層３およびこれに隣接する下地層２とは、発光層４の形成材料よりもバンドギャップの大きい略同一の組成のIII族窒化物にて形成されているので、第１導電層３の側へと向かった光は好適に外部へと通過する。従って、第１導電層３の側へと向かう光の割合が相対的に大きくなることはそのまま、発光素子１０における光出力が増大することを意味する。

結果として、本実施の形態に係る発光素子１０は、コンタクト層７にて吸収される光の割合を抑制しつつ、光の取り出し効率を高めたものとなっている。すなわち、発光素子１０においては、高い光出力が実現されてなる。

しかも、本実施の形態に係る発光素子１０においては、中間層５とクラッド層６ａとの界面Ｉ３も界面Ｉ２の凸部Ｉ２２と同様の凸部Ｉ３２を含む構成を有している。それゆえ、界面Ｉ３を平坦に形成した場合に比して、界面Ｉ２を通過して中間層５からさらにコンタクト層７の側へと向かおうとする光については、第１導電層３の側へと反射される比率が相対的に高く、界面Ｉ３を通過してコンタクト層７の側へと向かう比率が相対的に低くなっている。従って、発光素子１０は、コンタクト層７における光の吸収がさらに抑制される一方で、光出力がより高められたものとなっている。具体的には、発光素子１０の光出力は、同じ組成の材料を用い、界面Ｉ１、Ｉ２を平坦に形成した場合に比して、５０％程度高くなる。

なお、コンタクト層７における光の吸収の抑制と、発光素子における光の取り出し効率の向上という効果を良好に得るには、凸部Ｉ１２、Ｉ２２、Ｉ３２の比ｈ／ｗの値は１／４〜１／２程度であるのが好適である。ｈ／ｗの値が１／４より小さい場合や１／２よりも大きい場合は、界面Ｉ２さらには界面Ｉ３に向かう光の入射角を相対的に増大させる効果や、界面Ｉ１に向かう光の入射角を相対的に低減させる効果は十分に得られない。

また、凸部同士の間隔は、１００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度であるのが好適である。１０００ｎｍよりも凸部同士の間隔が大きい場合は、平坦部が相対的に支配的となり、凸部を設けることの効果が十分に得られない。また、１００ｎｍよりも凸部同士の間隔を小さくしようとする場合、平坦部は少なくなるが、凸部の形成プロセスに高い加工精度が要求される。現実的には、後述するような加工プロセスを用いて凸部同士の間隔を１００ｎｍ未満にしようとすると、平坦部を介さず直接に凸部同士が隣接する箇所が少なからず形成されることで界面Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３が凹部と凸部が混在するランダム凹凸面となるので、結果として十分な効果が得られない。

このことは、平坦部をある程度残しつつ部分的に凸部を備えるように発光層の界面を形成することが、コンタクト層７における光の吸収の抑制と、発光素子における光の取り出し効率の向上に対して効果的であることを意味している。

以上、説明したように、本実施の形態によれば、発光層と隣接層との界面に、ｐ型層の側からｎ型層の側に向かう凸部を設けることで、層組成が同じであるにも関わらず、従来よりも光出力の高い発光素子が実現される。

＜発光素子の作製方法＞
次に、本実施の形態に係る発光素子１０の作製方法の一例を示す。ここでは、発光層４をＡｌ_ｙ１Ｇａ_ｚ１Ｎ（０＜ｙ１＜１、０＜ｚ１＜１、ｙ１＋ｚ１＝１）で形成し、下地層２と第１導電層３とをＡｌ_ｙ２Ｇａ_ｚ２Ｎ（ｙ１＜ｙ２≦１．０、０≦ｚ２＜ｚ１、ｙ２＋ｚ２＝１）で形成し、中間層５をＡｌ_ｗ１Ｇａ_１−ｗ１Ｎ（０．８≦ｗ１≦１．０）で形成し、クラッド層６ａをＢ_ｘ３Ａｌ_ｙ３Ｇａ_ｚ３Ｎ（０≦ｘ３＜１、ｙ１＜ｙ３≦１、０＜ｚ３＜１、ｘ３＋ｙ３＋ｚ３＝１）で形成し、キャリア供給層６ｂをＡｌ_ｙ４Ｇａ_ｚ４Ｎ（０１＜ｙ４＜ｙ３、０＜ｚ４＜１、ｙ４＋ｚ４＝１）で形成し、コンタクト層７をＧａＮで形成する場合について説明する。なお、以下に示す作製方法はあくまで例示であって、必ずしもこれに限られるわけではない。

まず、Ｃ面単結晶サファイアからなる厚みが数百μｍ程度の単結晶基材１ａを用意し、その上に、ＭＯＣＶＤ装置によって、数μｍ程度の厚みのＡｌＮ層を表面層１ｂとしてエピタキシャル成長させる。これによって基板１が得られる。なお、上述したように、サファイアやＳｉＣなどの単結晶基材をそのまま基板１として用いてもよい。

引き続き、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、基板１の上に下地層２および第１導電層３を次のように順次にエピタキシャル成長させる：
（１）下地層２を数百ｎｍ程度の厚みに形成する；
（２）第１導電層３を、Ｓｉ原子濃度が２×１０^１８/ｃｍ^３程度となるようにＳｉをドーピングしつつ、１μｍ程度の厚みに形成する。

第１導電層３が形成されると、この時点までで得られた積層構造体をいったんＭＯＣＶＤ装置から取り出す。そして、第１導電層３の表面３ａに、界面Ｉ１の凸部Ｉ１２となる窪み３ｂを形成する処理を行う。図６は、窪み３ｂの形成およびこれに引き続く層形成の様子を模式的に示す図である。

まず、第１導電層３の表面３ａの上に、従来公知のフォトリソグラフィープロセスとフッ化水素（ＨＦ）溶液によるエッチングにより、図６（ａ）に示すような多数の開口部１０１を有するＳｉＯ_２マスク１００を形成する。図７は、ＳｉＯ_２マスク１００の上面図である。なお、図６および図７に示すＳｉＯ_２マスク１００における開口部１０１の形成態様はあくまで例示であって、開口部の数、配置位置、間隔などの種々の形成要件は適宜に定められる。すなわち、図７においては開口部１０１が正方格子状に形成されているが、これはあくまで例示に過ぎない。

その後、水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液でウェットエッチングを行う。これにより、ＳｉＯ_２マスク１００の開口部１０１の直下の部分においてエッチングが進行し、図６（ｂ）に示すように、当該部分に曲面形状を有する窪み３ｂが形成される。なお、図２に示した凸部Ｉ１２の幅ｗおよび高さｈがそれぞれ、窪み３ｂの幅および深さに相当する。ＳｉＯ_２マスク１００の開口部のサイズやＫＯＨ溶液によるウェットエッチングの条件を適宜調整することで、幅ｗと高さｈとを適宜に設定することができる。

ＳｉＯ_２マスク１００をＨＦ溶液で除去すると、図６（ｃ）に示すように、第１導電層３の表面３ａは、窪み３ｂと平坦部３ｃとからなる、上述の界面Ｉ１に相当する形状となる。

第１導電層３に対するエッチングの終了後、再びＭＯＣＶＤ法を用いて、発光層４、中間層５、クラッド層６ａ、キャリア供給層６ｂ、コンタクト層７となるIII族窒化物層を次のように順次にエピタキシャル成長させる：
（３）発光層４を、１０ｎｍ程度の厚みに形成する；
（４）中間層５を、１ｎｍ程度の厚みに形成する；
（５）クラッド層６ａを、Ｍｇ原子濃度が１×１０^１９/ｃｍ^３程度となるようにＭｇをドーピングしつつ、数十ｎｍ程度の厚みに形成する；
（６）キャリア供給層６ｂを、Ｍｇ原子濃度が３×１０^１９/ｃｍ^３程度となるようにＭｇをドーピングしつつ、数十ｎｍ程度の厚みに形成する；
（７）コンタクト層７を、Ｍｇ原子濃度が１×１０^２０/ｃｍ^３程度となるようにＭｇをドーピングしつつ、数百ｎｍ程度の厚みに形成する。

このとき、発光層４および中間層５の厚みは合わせても１０ｎｍ程度であって窪み３ａの深さ（つまりは凸部Ｉ１２の高さ）ｈに比して小さいので、図７（ｄ）、（ｅ）に示すように、両層は第１導電層３の表面３ａに沿って形成されることになる。これにより、発光層４の表面４ａにおいては、窪み３ｂが存在する位置の直上に窪み４ｂが形成され、平坦部３ｃが存在する位置の直上が平坦部４ｃとなる。同様に、中間層５の表面５ａにおいても、窪み３ｂ、４ｂが存在する位置の直上に窪み５ｂが形成され、平坦部３ｃ、４ｃが存在する位置の直上が平坦部５ｃとなる。結果として、上述のような界面Ｉ１、Ｉ２、およびＩ３が形成されることになる。

コンタクト層７までを形成した積層構造体に対し、フォトリソグラフィープロセスとＲＩＥ法とを用いて、第１導電層３の一部を露出させる。

次に、クラッド層６ａ、キャリア供給層６ｂ、およびコンタクト層７におけるＭｇイオンの活性化処理として、窒素雰囲気中での８００℃の熱処理を数十分間施す。

続いて、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法とを用いて、第１導電層３の露出部分に、カソード電極パッド８となるＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ膜を適宜の厚みにパターニングする。その後、オーミック性接触特性を良好なものとするために、窒素雰囲気中での９００℃以上の温度での熱処理を、好ましくは１０００℃での熱処理を数十秒間施す。通常ＧａＮの場合７００℃程度での熱処理であるが、III族元素のうちＡｌの濃度が４０％以上となるｎ型III族窒化物材料でオーミック性コンタクトを実現するには、９００℃以上の温度で熱処理することが好ましい。

さらに、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法とを用いて、コンタクト層７の最上面に、アノード電極層９ａとなるＮｉ/Ａｕ膜をパターニングする。その後、オーム性接触特性を良好なものとするために窒素雰囲気中での６００℃の熱処理を数分間施す。

さらに、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法とを用いて、アノード電極層９ａの上面の一部領域に、アノード電極パッド９ｂとなるＮｉ/Ａｕ膜をパターニングする。

以上のプロセスを経ることで、発光素子１０は作製される。

＜変形例＞
第１導電層３の表面３ａに窪み３ｂを形成する方法は、上述のＫＯＨ溶液によるウェットエッチングに限られず、ドライエッチングや機械加工などの手法を用いてもよいし、あるいは第１導電層３の成長条件を調整して、第１導電層３の形成過程において直接に窪み３ｂが形成されるようにしてもよい。

上述の実施の形態においては、発光層４に隣接する第１導電層３と中間層５との双方の界面が、凸部を有するようにしているが、いずれか一方の界面にのみ凸部が設けられる態様であってもよい。係る場合においても、双方の界面がともに平坦な場合に比べると、光出力は向上する。また、中間層５とクラッド層６ａとの界面が凸部を有することは、必須の態様ではない。

上述の実施の形態においては、基板の上にｎ型層、発光層、ｐ型層をこの順に形成するとともに、発光層と隣接層との界面にｐ型層の側からｎ型層の側に向けて突出する凸部を形成している。これに代わり、基板の上にｐ型層、発光層、ｎ型層をこの順に形成するようにしてもよい。この場合も、発光層と隣接層との界面にｐ型層の側からｎ型層の側に向けて突出する凸部を形成することで、上述の実施の形態と同様の効果が得られる。

（実施例１）
本実施例では、上述の実施の形態にて示した手順で３種類の発光素子１０を作製し、その特性を評価した。具体的には、凸部Ｉ１２（窪み３ｂ）の幅ｗと高さｈとの比ｈ／ｗの値を１／４、１／３、１／２の３水準に違えたほかは、同一の手順にてそれぞれの発光素子１０を作製した。

まず、厚みが４００μｍの単結晶Ｃ面サファイアを単結晶基材１ａとして用意し、その上に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて表面層１ｂとしてのＡｌＮ層を１μｍの厚みにエピタキシャル成長させることで基板１を得た。

次いで、基板１の上にＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ｎからなる層を０．５μｍの厚みにエピタキシャル成長させることによって下地層２を形成し、続けて、Ｓｉ原子濃度が２×１０^１８／ｃｍ^３程度となるようにＳｉをドーピングしつつ、Ａｌ_０．６Ｇａ_０．４Ｎからなる層を１μｍの厚みにエピタキシャル成長させることによって、第１導電層３を形成した。

その後、ここまでで得られた積層構造体をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、フォトリソグラフィープロセスとＨＦ溶液によるエッチングにて正方格子状に多数の開口部１０１を有するＳｉＯ_２マスク１００を形成した。ＳｉＯ_２マスク１００におけるそれぞれの開口部１０１のサイズは１００ｎｍとし、開口部１０１同士の間隔は２００ｎｍとした。

続いて、窪み３ｂを形成するために、ＫＯＨ溶液によるエッチングを行った。エッチングは、窪み３ｂの幅ｗと高さｈの比ｈ／ｗが上述の３水準のいずれかとなるようにした。ｈ／ｗ＝１／４の場合であれば、代表的な幅ｗと高さｈの値は、それぞれ２００ｎｍ、５０ｎｍである。

ＫＯＨエッチングが終了すると、再びＭＯＣＶＤ装置を用い、発光層４、中間層５、クラッド層６ａ、キャリア供給層６ｂ、およびコンタクト層７となるＩＩＩ族窒化物層を順次にエピタキシャル成長させた。

具体的には、発光層４としては、Ａｌ_０．４９Ｇａ_０．５１Ｎからなる層を１０ｎｍの厚みに形成した。中間層５としては、ＡｌＮからなる層を１ｎｍの厚みに形成した。クラッド層６ａとしては、Ｍｇ原子濃度が１×１０^１９／ｃｍ^３程度となるようにＭｇをドーピングしつつ、Ａｌ_０．６Ｇａ_０．４Ｎからなる層を２５ｎｍの厚みに形成した。キャリア供給層６ｂとしては、Ｍｇ原子濃度が３×１０^１９／ｃｍ^３程度となるようにＭｇをドーピングしつつ、Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎからなる層を２５ｎｍの厚みに形成した。コンタクト層７としては、Ｍｇ原子濃度が１×１０^２０／ｃｍ^３程度となるようにＭｇをドーピングしつつ、ＧａＮからなる層を０．２μｍの厚みに形成した。

得られた積層構造体に対し、フォトリソグラフィープロセスとＲＩＥ法とを用い、第１導電層３となるＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ｎ層の一部を露出させた。なお、その際の非エッチング領域の概略寸法は０．５ｍｍ×０．５ｍｍとした。

次に、クラッド層６ａとなるＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ｎ層、キャリア供給層６ｂとなるＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎからなる層、およびコンタクト層７となるＧａＮ層におけるＭｇイオンの活性化処理として、窒素雰囲気中での８００℃の熱処理を２５分間行った。

続いて、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法とを用いて、第１導電層３となるＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ｎ層の露出部分に、カソード電極パッド８としてのＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ膜をそれぞれ１５ｎｍ、７０ｎｍ、１２ｎｍ、６０ｎｍの厚みでパターニングした。その後、オーム性接触特性を良好なものとするために、窒素雰囲気中での９００℃の熱処理を３０秒間行った。

さらに、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法とを用いて、コンタクト層７となるＧａＮ層の最上面に、アノード電極層９ａとなるＮｉ／Ａｕ膜をそれぞれ６ｎｍ、１２ｎｍの厚みにパターニングした。その後、オーム性接触特性を良好なものとするために窒素雰囲気中での６００℃の熱処理を３０秒間行った。

さらに、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法とを用いて、アノード電極層９ａとしてのＮｉ／Ａｕ膜の上面の一部領域に、アノード電極パッド９ｂとなるＮｉ／Ａｕ膜をそれぞれ５ｎｍ、６０ｎｍの厚みにパターニングした。以上により、発光素子１０が得られた。なお、断面ＴＥＭにより、得られたそれぞれの発光素子１０について、界面Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３にそれぞれ凸部Ｉ１２、Ｉ２２、Ｉ３２が形成されていることを確認した。

それぞれの発光素子１０に対して、アノード電極部９とカソード電極部８の間に正バイアスを加えたところ、いずれも、波長２６５ｎｍの紫外線発光が確認された。また、入力電流６０ｍＡ時の基板１側からの光出力は、それぞれ、以下の通りであった。

ｈ／ｗ＝１／４→１７．８μＷ；
ｈ／ｗ＝１／３→１８．２μＷ；
ｈ／ｗ＝１／２→１８．５μＷ。

（比較例１）
第１導電層３の成長後にウェットエッチングを行うことなく、実施例１と同様の手順で発光層４以降の層形成を引き続いて行うことにより、発光素子２０を作製した。図８は、比較例１に係る発光素子２０の構造を模式的に示す図である。一様に平坦な表面を有する第１導電層３の上に発光層４以降の各層が形成されることにより、発光素子２０においては、発光層４と中間層５との界面および中間層５とクラッド層６ａとの界面も、一様に平坦に形成されてなる。

得られた発光素子２０に対して、アノード電極部９とカソード電極部８の間に正バイアスを加えたところ、波長２６５ｎｍの紫外線発光が確認された。また、入力電流６０ｍＡ時の基板１側からの光出力は、１１．４μＷであった。

（比較例２）
窪み３ｂを形成するためのマスク形成およびエッチング処理を行うことに代えて、第１導電層３まで成長させた後、ＭＯＣＶＤ装置から素子を取り出し、第１導電層３の表面３ａに対してＢＣｌ_３ガスによる反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行ったほかは、実施例１と同様の手順で、発光素子３０を作製した。図９は、比較例２に係る発光素子３０の構造を模式的に示す図である。

発光素子３０においては、上述のように第１導電層３の表面に対してＲＩＥがなされた結果、第１導電層３と発光層４との界面Ｉ３１が、凹部と凸部とがランダムに混在する態様にて凹凸が形成されかつ平坦部を有さないランダム凹凸面となっている。なお、図９においては界面Ｉ３１の凹凸形状を規則的に表現しているが、これは図示の都合に過ぎない。

加えて、発光層４および中間層５の厚みが薄いために、発光層４と中間層５との界面Ｉ３２、および中間層５とクラッド層６ａとの界面Ｉ３３も、同様のランダム凹凸面として形成されてなる。

得られた発光素子３０に対して、アノード電極部９とカソード電極部８の間に正バイアスを加えたところ、波長２６５ｎｍの紫外線発光が確認された。また、入力電流６０ｍＡ時の基板１側からの光出力は、１２．１μＷであった。

（実施例１と比較例１、２との対比）
実施例１および比較例２の結果を、比較例１の結果と対比すると、実施例１では比較例１に比して約５０％〜６０％程度大きな光出力が得られたのに対して、比較例２における光出力は比較例１と大差がなかった。係る結果は、実施例１のように界面Ｉ１、Ｉ２、およびＩ３をｐ型層の側からｎ型層の側に向けて突出した曲面形状の凸部を有するように形成することが、紫外域の発光における光出力を向上させるうえで有効であり、一方、比較例２のように、界面Ｉ１、Ｉ２、およびＩ３をランダム凹凸面として形成しても、光出力の向上の効果は顕著には得られないことがわかる。

比較例２に係る発光素子３０において、十分な効果が得られなかったのは、界面Ｉ１、Ｉ２、およびＩ３をランダム凹凸面として形成した場合、個々の入射位置における入射角は種々様々な値となるが、平均的な入射角が、界面が平坦な場合とあまり違いがないためであると考えられる。

（実施例２）
クラッド層６ａの組成をＢ_０．１Ａｌ_０．９Ｎとした他は、実施例１と同様の手順で発光素子１０を作製した。なお、ｈ／ｗ＝１／４とした。

得られた発光素子に対して、アノード電極部９とカソード電極部８の間に正バイアスを加えたところ、波長２６５ｎｍの紫外線発光が確認された。また、入力電流６０ｍＡ時の基板１側からの光出力は、２１．３μＷであった。

すなわち、クラッド層６ａの組成をＢ_０．１Ａｌ_０．９Ｎとすることで、Ａｌ_０．６Ｇａ_０．４Ｎ層にてクラッド層６ａを形成していた実施例１の場合よりもさらに光出力が高くなることが確認された。これは、Ｂを加えたことによりクラッド層６ａの屈折率が小さくなり、発光層４からクラッド層６ａに向かう光が、中間層５とクラッド層６ａとの界面Ｉ３で反射される割合が実施例１の発光素子１０よりもさらに増え、結果として、コンタクト層７における光の吸収がより低減されたためであると考えられる。

１ 基板
１ａ 単結晶基材
１ｂ 表面層
２ 下地層
３ 第１導電層
３ａ （第１導電層の）表面
３ｂ （第１導電層の）窪み
３ｃ （第１導電層の）平坦部
４ 発光層
５ 中間層
６ａ クラッド層
６ｂ キャリア供給層
７ コンタクト層
８ カソード電極部
９ アノード電極部
１０、２０、３０ 発光素子
１００ ＳｉＯ_２マスク
１０１ （ＳｉＯ_２マスクの）開口部
Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３ 界面
Ｉ１１、Ｉ２１、Ｉ３１ 平坦部
Ｉ１２、Ｉ２２、Ｉ３２ 凸部

Claims (21)

1. 第１のIII族窒化物からなる単一層である発光層と、
   第２のIII族窒化物からなりｎ型の導電型を呈するｎ型層と、
   第３のIII族窒化物からなりｐ型の導電型を呈するｐ型層と、
   を、表面が一様に平坦な所定の基材の上に、それぞれが前記基材の面内方向において連続する態様にて備え、前記発光層が前記ｐ型層と前記ｎ型層との間に位置する半導体発光素子であって、
   前記ｐ型層の、前記発光層とは異なる側の界面、および、前記ｎ型層の前記基材側の界面が一様に平坦であるとともに、
   前記発光層と前記ｎ型層との界面である第１の界面が、平坦部を有するとともに前記ｐ型層の側から前記ｎ型層の側に向けて突出した曲面形状の複数の第１の凸部を有し、
   前記発光層と前記ｐ型層側において当該発光層に隣接する隣接層との界面である第２の界面が、平坦部を有するとともに前記ｐ型層の側から前記ｎ型層の側に向けて突出した曲面形状の複数の第２の凸部を有する、
   ことを特徴とする半導体発光素子。
2. 請求項１に記載の半導体発光素子であって、
   Ａｌ_ｗ１Ｇａ_１−ｗ１Ｎ（０．８≦ｗ１≦１．０）なる組成のIII族窒化物からなる中間層を備え、
   前記中間層が前記隣接層であり、前記中間層と前記発光層との界面が前記第２の界面である、
   ことを特徴とする半導体発光素子。
3. 請求項２に記載の半導体発光素子であって、
   前記中間層と前記ｐ型層との界面が、平坦部を有するとともに、前記第２の界面に備わる前記複数の第２の凸部に対応する位置に前記ｐ型層の側から前記ｎ型層の側に向けて突出した曲面形状の複数の第３の凸部を有する、
   ことを特徴とする半導体発光素子。
4. 請求項２または請求項３に記載の半導体発光素子であって、
   前記中間層がＡｌＮからなることを特徴とする半導体発光素子。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の半導体発光素子であって、
   前記ｐ型層の側から前記ｎ型層の側へと突出する前記複数の第１の凸部が、前記ｎ型層の表面をエッチングすることにより形成されたものである、
   ことを特徴とする半導体発光素子。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の半導体発光素子であって、
   前記第１のIII族窒化物がＡｌ_ｙ１Ｇａ_ｚ１Ｎ（０＜ｙ１＜１、０＜ｚ１＜１、ｙ１＋ｚ１＝１）であり、
   前記第３のIII族窒化物がＢ_ｘ３Ａｌ_ｙ３Ｇａ_ｚ３Ｎ（０≦ｘ３＜１、ｙ１＜ｙ３≦１、０＜ｚ３＜１、ｘ３＋ｙ３＋ｚ３＝１）である、
   ことを特徴とする半導体発光素子。
7. 請求項６に記載の半導体発光素子であって、
   少なくとも前記第２の界面の近傍において、
   前記第３のIII族窒化物がＢ_ｘ３Ａｌ_ｙ３Ｇａ_ｚ３Ｎ（０＜ｘ３＜１、ｙ１＜ｙ３≦１、０＜ｚ３＜１、ｘ３＋ｙ３＋ｚ３＝１）である、
   ことを特徴とする半導体発光素子。
8. 請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子であって、
   前記第１および第２の凸部について、外周端部から水平距離が最大となる２点を選択したときの当該距離を前記凸部の幅ｗと定義し、対応する前記平坦部の位置を基準としたときの前記凸部の最底部までの鉛直距離を前記凸部の高さｈと定義するときに、
   幅ｗが１００ｎｍ〜１０００ｎｍであり、高さｈが２５ｎｍ〜５００ｎｍであり、比ｈ／ｗの値が１／４〜１／２であり、
   前記第１の凸部同士の間隔および前記第２の凸部同士の間隔が１００ｎｍ〜１０００ｎｍである、
   ことを特徴とする半導体発光素子。
9. 請求項３に記載の半導体発光素子であって、
   前記第１ないし第３の凸部について、外周端部から水平距離が最大となる２点を選択したときの当該距離を前記凸部の幅ｗと定義し、対応する前記平坦部の位置を基準としたときの前記凸部の最底部までの鉛直距離を前記凸部の高さｈと定義するときに、
   幅ｗが１００ｎｍ〜１０００ｎｍであり、高さｈが２５ｎｍ〜５００ｎｍであり、比ｈ／ｗの値が１／４〜１／２であり、
   前記第１の凸部同士の間隔、前記第２の凸部同士の間隔、および前記第３の凸部同士の間隔が１００ｎｍ〜１０００ｎｍである、
   ことを特徴とする半導体発光素子。
10. 半導体発光素子の製造方法であって、
    表面が一様に平坦な所定の基材の上に第１のIII族窒化物からなる発光層を前記基材の面内方向において連続する単一層として形成する発光層形成工程と、
    前記所定の基材の上に、第２のIII族窒化物からなり、ｎ型の導電型を呈するｎ型層を前記基材の面内方向において連続する態様にて形成するｎ型層形成工程と、
    前記所定の基材の上に、第３のIII族窒化物からなり、ｐ型の導電型を呈するｐ型層を前記基材の面内方向において連続する態様にて形成するｐ型層形成工程と、
    を備え、
    前記発光層を前記ｎ型層に隣接形成するとともに、
    前記ｎ型層形成工程においては、前記発光層との界面である第１の界面については前記ｎ型層の表面をエッチングすることによって平坦部を有するとともに前記ｐ型層の側から前記ｎ型層の側に向けて突出した曲面形状の複数の第１の凸部を有するように、前記基材側の第２の界面については一様に平坦となるように、前記ｎ型層を形成し、
    前記ｐ型層形成工程においては、前記発光層と異なる側の第３の界面が一様に平坦となるように、前記ｐ型層を形成する、
    ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
11. 請求項１０に記載の半導体発光素子の製造方法であって、
    前記発光層形成工程においては、前記ｐ型層側の第４の界面が、平坦部を有するとともに前記ｐ型層の側から前記ｎ型層の側に向けて突出した曲面形状の複数の第２の凸部を有するように、前記発光層を形成する、
    ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
12. 請求項１１に記載の半導体発光素子の製造方法であって、
    前記発光層形成工程において前記ｎ型層の表面形状に沿って前記発光層を形成することによって、前記第１の界面に備わる前記複数の第１の凸部に対応する位置に前記第４の界面の前記複数の第２の凸部を形成させる、
    ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
13. 請求項１０ないし請求項１２のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法であって、
    Ａｌ_ｗ１Ｇａ_１−ｗ１Ｎ（０．８≦ｗ１≦１．０）なる組成のIII族窒化物からなる中間層を前記発光層に隣接させて形成する中間層形成工程、
    をさらに備えることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
14. 請求項１３に記載の半導体発光素子の製造方法であって、
    前記中間層形成工程において前記発光層の表面形状に沿って前記中間層を形成することによって、前記発光層と前記中間層との界面を前記第４の界面として形成するとともに、前記ｐ型層形成工程において前記ｐ型層を前記中間層の表面形状に沿って形成することで、前記中間層と前記ｐ型層との界面が、平坦部を有するとともに、前記第４の界面に備わる前記複数の第２の凸部に対応する位置に前記ｐ型層の側から前記ｎ型層の側に向けて突出した曲面形状の複数の第３の凸部を有するようにする、
    ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
15. 請求項１３または請求項１４に記載の半導体発光素子の製造方法であって、
    前記中間層をＡｌＮにて形成することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
16. 請求項１０ないし請求項１５のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法であって、
    前記第１のIII族窒化物がＡｌ_ｙ１Ｇａ_ｚ１Ｎ（０＜ｙ１＜１、０＜ｚ１＜１、ｙ１＋ｚ１＝１）であり、
    前記第３のIII族窒化物がＢ_ｘ３Ａｌ_ｙ３Ｇａ_ｚ３Ｎ（０≦ｘ３＜１、ｙ１＜ｙ３≦１、０＜ｚ３＜１、ｘ３＋ｙ３＋ｚ３＝１）である、
    ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
17. 請求項１６に記載の半導体発光素子の製造方法であって、
    前記ｐ型層形成工程においては、前記発光層の側の前記ｐ型層と隣接層との界面近傍において、
    前記第３のIII族窒化物がＢ_ｘ３Ａｌ_ｙ３Ｇａ_ｚ３Ｎ（０＜ｘ３＜１、ｙ１＜ｙ３≦１、０＜ｚ３＜１、ｘ３＋ｙ３＋ｚ３＝１）であるように前記ｐ型層を形成する、
    ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
18. 請求項１０に記載の半導体発光素子の製造方法であって、
    前記第１の凸部について、外周端部から水平距離が最大となる２点を選択したときの当該距離を前記凸部の幅ｗと定義し、対応する前記平坦部の位置を基準としたときの前記凸部の最底部までの鉛直距離を前記凸部の高さｈと定義するときに、
    幅ｗが１００ｎｍ〜１０００ｎｍであり、高さｈが２５ｎｍ〜５００ｎｍであり、比ｈ／ｗの値が１／４〜１／２であり、
    前記第１の凸部同士の間隔が１００ｎｍ〜１０００ｎｍであるように、
    前記第１の凸部を形成する、
    ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
19. 請求項１１または請求項１２に記載の半導体発光素子の製造方法であって、
    前記第１および第２の凸部について、外周端部から水平距離が最大となる２点を選択したときの当該距離を前記凸部の幅ｗと定義し、対応する前記平坦部の位置を基準としたときの前記凸部の最底部までの鉛直距離を前記凸部の高さｈと定義するときに、
    幅ｗが１００ｎｍ〜１０００ｎｍであり、高さｈが２５ｎｍ〜５００ｎｍであり、比ｈ／ｗの値が１／４〜１／２であり、
    前記第１の凸部同士の間隔および前記第２の凸部同士の間隔が１００ｎｍ〜１０００ｎｍであるように、
    前記第１および第２の凸部を形成する、
    ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
20. 請求項１４に記載の半導体発光素子の製造方法であって、
    前記第１ないし第３の凸部について、外周端部から水平距離が最大となる２点を選択したときの当該距離を前記凸部の幅ｗと定義し、対応する前記平坦部の位置を基準としたときの前記凸部の最底部までの鉛直距離を前記凸部の高さｈと定義するときに、
    幅ｗが１００ｎｍ〜１０００ｎｍであり、高さｈが２５ｎｍ〜５００ｎｍであり、比ｈ／ｗの値が１／４〜１／２であり、
    前記第１の凸部同士の間隔、前記第２の凸部同士の間隔、および前記第３の凸部同士の間隔が１００ｎｍ〜１０００ｎｍであるように、
    前記第１ないし第３の凸部を形成する、
    ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
21. 請求項１０ないし請求項２０のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法であって、
    前記ｎ型層形成工程においては、
    前記第２のIII族窒化物からなり表面が平坦なｎ型層用結晶層を成長させる工程と、
    前記ｎ型層用結晶層の前記表面にマスクを形成する工程と、
    前記ウェットエッチングにより前記ｎ型層用結晶層の表面に複数の窪みを形成する工程と、
    前記マスクを除去する工程と、
    をこの順で行うことによって前記ｎ型層を形成する、
    ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。

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