JP4055503B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体発光素子に関し、特に窒化物系化合物半導体発光素子に於いて、基板に半導体に欠陥が発生しない凹凸を設け、半導体層での光の導波方向を変えて、外部量子効率を上げるようにした素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体発光素子、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）では基本的には基板上にｎ型半導体層、発光領域、ｐ型半導体層を積層構造に成長させる一方、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層の上に電極を形成し、半導体層から注入される正孔と電子の再結合によって発光領域で光が発生すると、その光をｐ型半導体層上の透光性電極又は基板から取り出すようにした構造か採用されている。尚、透光性電極とは、ｐ型半導体層のほぼ全面に形成された金属薄膜又は透明導電膜からなる光透過性の電極のことである。
【０００３】
かかる構造の発光ダイオードでは積層構造を原子レベルで制御する関係上、基板の平坦性を鏡面レベルに加工しているので、基板上の半導体層、発光領域及び電極は相互に平行な積層構造をなし、しかも半導体層の屈折率が大きく、ｐ型半導体層の表面と基板の表面とによって導波路が構成される。即ち、屈折率の大きな半導体層を、屈折率の小さな基板と透光性電極によって挟む構造によって導波路が形成される。
【０００４】
従って、光が電極表面又は基板表面に対して所定の臨界角以上の角度で入射すると、電極・ｐ型半導体層の界面又は基板表面で反射されて半導体層の積層構造内を横方向に伝搬して導波路内に捕捉されてしまい、また横方向の伝播中の損失もあり、所期の外部量子効率が得られない。即ち、臨界角よりも大きな角度で基板又は電極との界面に入射した光は、全反射を繰り返して導波路内を伝播し、その間に吸収される。このため、発光の一部は減衰して、有効に外部に取り出すことができず、外部量子効率が低下してしまう。
【０００５】
これに対し、発光ダイオードのチップを半球状又は角錐台状に加工し、発光領域で発生した光を臨界角未満で表面に入射させるようにした方法が提案されているが、チップの加工が難しい。
【０００６】
また、発光ダイオードの表面又は側面を粗面とする方法も提案されているが、ｐ−ｎ接合が部分的に破壊され、有効な発光領域が減少するおそれがある。
【０００７】
他方、基板の表面に凹部又は凸部を形成して発光領域で発生した光を散乱させ、もって外部量子効率を向上させるようにした方法が提案されている（特開平１１−２７４５６８号公報参照）。この方法では、サファイア基板、ｎ型ＧａＮ、ｐ型ＧａＮ、透明電極を順に積層したＧａＮ系ＬＥＤにおいて、サファイア基板の表面を、機械研磨やエッチングによってランダムに粗面化する。これにより、サファイア基板に入射する光が散乱され、外部量子効率が向上する。
また、基板の表面に凹凸を設けることで半導体層の結晶性を高めることも提案されている（特開２００１−１４８３１８、特開２０００−１５６５２４、特開２０００−１０６４５５、特開２００２−２８０６０９、特開２００２−２８０６１１）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来公報記載の発光ダイオードでは凹部又は凸部によっては外部量子効率が向上できないことがあった。即ち、凹部又は凸部の形状や大きさを制御せずに粗面化を行った場合、生じた凹部または凸部がある程度大きくなると、成長したＧａＮの結晶性が低下してしまう。このため、ＧａＮ半導体層における発光効率（＝内部量子効率）が下がり、外部量子効率がかえって低下する。また、無秩序に粗面化を行うだけでは、導波路内における光吸収の影響が大きいため、外部量子効率が十分なレベルに達しない。
【０００９】
そこで、本発明の目的は改善された外部量子効率を安定に確保できるようにした半導体発光素子を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体発光素子は、基板上に、基板とは材質の異なる複数のＧａＮ系半導体層と、前記ＧａＮ系半導体層の最上層に形成されたオーミック電極とを積層し、前記ＧａＮ系半導体層で発生した光を前記オーミック電極側又は基板側から取り出すようにした半導体発光素子において、上記基板の表面部分には上記ＧａＮ系半導体層で発生した光を散乱又は回折させる凸部が、λ／４（λは上記半導体発光素子の発光波長）以上の間隔、１０μｍ以下のピッチで繰り返しパターンに形成されており、その凸部の平面形状が大略三角形又は六角形であり、上記ＧａＮ系半導体層のＡ軸を構成辺とする正六角形を想定したときに上記凸部平面形状の構成辺が上記Ａ軸を構成辺とする正六角形の中心と頂点を結ぶ線分に直交するように形成され、上記凸部の側面が傾斜しており、その側面のテーパ角が９０°より大きく、１５０°以下であり、前記基板表面の凸部は、凸部上面、凸部の形成されていない平坦面、及び凸部側面が連続したＧａＮ系半導体層によって埋められたことを特徴とする。本件発明によれば、凹凸による光の散乱・回折効果を高め、半導体層中を横方向に伝播する光を減らし、伝播中の吸収ロスを低減して発光の総量を高めることができる。
【００１１】
本発明の特徴の１つは半導体層に欠陥が成長しないような形状の凹部及び／又は凸部を基板表面部分に設け、その上に半導体層を成長させるようにした点にある。光を散乱又は回折させる凹部又は凸部を、半導体層と電極の界面ではなく、半導体層と基板の界面に設けることは、発光領域（＝活性層）の結晶性を良好にし、出力を増大させる効果がある。特に窒化ガリウム系化合物半導体系発光素子の場合、基板、ｎ側窒化物半導体層、発光領域（＝活性層）、ｐ側窒化物半導体層の順に積層されるが、ｐ側窒化物半導体層の膜厚はｎ側窒化物半導体層に比べて薄い。このため、凹部又は凸部を、半導体層と電極の界面ではなく、半導体層と基板の界面に設けることにより、凹凸による影響を厚いｎ側窒化物半導体層によって緩和して、発光領域（＝活性層）の結晶性を良好に保つことができる。 尚、本件発明において「半導体層の結晶欠陥を発生させない」とは、基板に凹凸を形成することによる半導体層へのピット等のモホロジ異常の発生がなく、また、基板に凹凸を形成することによる半導体層中の転位の増加が殆どないことをいう。
【００１２】
従来の平坦な基板を有する半導体発光素子の場合、半導体層中を横方向に伝搬している光は伝搬している間に半導体層や電極に一部が吸収され、半導体層から出るまでに減衰する。
【００１３】
これに対し、本発明では従来の平坦な基板の場合には横方向に伝搬していた光が凹部及び／又は凸部において散乱又は回折され、上方の半導体層又は下方の基板から効率的に取り出される結果、外部量子効率を大幅に向上できる。即ち、第１に、凹凸による光の散乱・回折効果により、基板上方又は下方への光束が多くなり、発光素子の発光面を正面から観察したときの輝度（＝正面輝度）を高めることができる。また、第２に、凹凸による光の散乱・回折効果により、半導体層中を横方向に伝播する光を減らし、伝播中の吸収ロスを低減して発光の総量を高めることができる。
【００１４】
しかも、基板表面部分に凹部及び／又は凸部を形成しても、半導体層には凹凸による結晶欠陥が殆ど成長しないので、上述の高い外部量子効率を安定に確保できる。尚、本件発明において、凹部の内側や凸部の周囲は完全に半導体層によって埋められていることが好ましい。凹部の内側や凸部の周囲に空洞が存在すると、散乱又は回折の機能が阻害され、発光効率を低下させるからである。
【００１５】
凹部と凸部とは何れか一方を基板表面部分に形成してもよく、両者を組合せて形成しても同様の作用効果を奏する。但し、凹部よりも凸部を形成する方が、半導体層によって周囲を空洞なく埋め易いため、好ましい。凹部又は凸部の周囲に空洞があると、凹凸による散乱又は回折機能が阻害され、出力が低下してしまう。
【００１６】
半導体層に欠陥が成長しないような凹部及び／又は凸部の形状とは、具体的には半導体層の成長安定面に対してほぼ平行な面と交叉する直線を構成辺とする形状である。成長安定面に対してほぼ平行な面と交叉する直線とは、より具体的に言えば、基板上面から見て成長安定面と平行でない直線のことである。なお、成長安定面とは、成長させる材料において、他の面より成長速度の最も遅い面のことをさす。成長安定面は、一般に、成長の途中にファセット面として現れる。例えば、窒化ガリウム系化合物半導体の場合、Ａ軸に平行な平面（特にＭ面）が成長安定面となる。従って、基板上面から見て、Ａ軸に平行な平面に平行でない直線（＝Ａ軸に平行でない直線）を構成辺とする多角形に凹部又は凸部を形成する。凹部及び／又は凸部が半導体層の成長安定面に対してほぼ平行な直線を構成辺としていると、半導体層の成膜時にその部位で結晶の欠陥が発生し、これが内部量子効率を低下させ、結果的に外部量子効率を低下させる原因となるからである。
【００１７】
より具体的には、凹部及び／又は凸部は、半導体層の成長安定面に対してほぼ平行な面に頂点を有しかつ半導体層の成長安定面に対してほぼ平行な面と交叉する直線を構成辺とする多角形、例えば三角形、平行四辺形又は六角形、好ましくは正三角形、菱形又は正六角形とすることができる。
尚、本件明細書において、凹部又は凸部を多角形にするとは、基板上面から観察した場合の平面形状を多角形にすることを指す。また、凹凸の平面形状は、幾何学的に完全な多角形である必要はなく、加工上の理由等から角が丸みを帯びていても良い。
【００１８】
例えば、サファイア基板のＣ面上にＧａＮ系半導体を成長させる場合、ＧａＮ系半導体のＡ軸を含む平面で囲まれた六角形状で島状に成長が始まり、その島同士が結合して均一な半導体層となる。そこで、ＧａＮ系半導体のＡ軸を構成辺とする正六角形を想定し、その正六角形の中心と頂点を結ぶ線分に直交する直線を構成辺とする多角形（例えば、三角形、六角形など）に凹部又は凸部を形成する。このように凹凸を形成したサファイア基板の上には、平坦で結晶性に優れたＧａＮ系半導体を成長させることができる。
【００１９】
また、凹部及び／又は凸部は１つでもよいが、その形状を繰り返したパターンに形成すると、光の散乱又は回折の効率がアップし、外部量子効率をさらに向上できる。尚、本件発明では、凹部及び／又は凸部を基板上に繰り返し設けた場合であっても、凹部又は凸部による局所的な結晶欠陥を抑制するように半導体層を成長させることにより、基板の全面を発光面とすることができる。
【００２０】
本発明は基板表面部分に凹部及び／又は凸部を形成して光を散乱又は回折させるようにした点に特徴があり、発光素子の基板及び半導体の材料自体はどのような材料であってもよく、例えば半導体層がIII −V 族系半導体、具体的にはＧａＮ系半導体である半導体発光素子に適用することができる。ＧａＮ系の半導体層の成長安定面は、六方晶結晶のＭ面｛１−１００｝である。ここで｛１−１００｝は（１−１００）、（０１−１０）、（−１０１０）のすべてを表している。Ｍ面は、Ａ軸に平行な平面の一つである。尚、成長条件によっては、ＧａＮ系半導体のＡ軸を含む他の平面（＝Ｍ面以外の平面）が成長安定面になる場合もある。
【００２１】
また、基板にはサファイア基板、ＳｉＣ基板又はスピネル基板を用いることができる。例えば、上記基板には、Ｃ面（０００１）を主面とするサファイア基板を用いることができる。この場合、ＧａＮ系の半導体層の成長安定面であるＭ面は、サファイア基板のＡ面｛１１−２０｝に平行な面である。ここでＡ面｛１１−２０｝は（１１−２０）、（１−２１０）、（−２１１０）のすべてを表している。
【００２２】
凹部の深さ又は凸部の段差は５０Å以上で，基板上に成長される半導体層の厚さ以下の寸法であるのが重要である。少なくとも発光波長（例えば、ＡｌＧａＩｎＮ系の発光層の場合、２０６ｎｍ〜６３２ｎｍ）をλとしたとき、λ／４以上の深さ又は段差がないと、十分に光を散乱又は回折することができない一方、凹部の深さ又は凸部の段差が基板上に成長される半導体層の厚さを越える寸法の場合には、電流が積層構造内の横方向に流れにくくなり、発光効率が低下するからである。従って、半導体層の表面が凹状及び／又は凸状をなしてもよい。尚、十分に光を散乱又は回折させるためにはλ／４以上の深さ又は段差であることが好ましいが、λ／４ｎ（ｎは半導体層の屈折率）以上の深さ又は段差であれば散乱又は回折の効果を得ることができる。
【００２３】
また、凹部及び／又は凸部の大きさ（すなわち、凹部及び／又は凸部の構成辺となる一辺の長さ）、及び相互の間隔は、半導体中における発光波長をλ（３８０ｎｍ〜４６０ｎｍ）としたとき、少なくともλ／４以上の大きさであることが重要である。少なくともλ／４以上の大きさがないと、十分に光を散乱又は回折することができないからである。尚、十分に光を散乱又は回折させるためには、凹部又は凸部の大きさ及び相互の間隔がλ／４以上であることが好ましいが、λ／４ｎ（ｎは半導体層の屈折率）以上の大きさ及び相互の間隔があれば散乱又は回折の効果を得ることができる。製造上は凹部又は凸部の大きさ及び相互の間隔は１００μｍ以下とするのがよい。さらに２０μｍ以下とすることで、散乱面が増え、好ましい。
【００２４】
また、一般に半導体層の総膜厚は３０μｍ以下であるため、散乱又は回折により全反射の回数を有効に減少させる観点からは凹凸のピッチが５０μｍ以下であることが好ましい。さらに、ＧａＮ層の結晶性（＝ピット発生防止）の観点からは、凹凸のピッチが２０μｍ以下であることが好ましい。より望ましくは、凹凸のピッチを１０μｍ以下とすることにより、散乱又は回折の確率が高まり、出力を一層向上することができる。尚、凹凸のピッチとは、隣接する凹部同士又凸部同士の中心間距離のうち、最小の距離をいう。
【００２５】
次に、凹凸の断面形状については、図９に示すように、凸部であれば台形、凹部であれば逆台形であることが好ましい。このような断面形状とすることにより、光の散乱及び回折効率を高めることができる。尚、凹凸の断面形状は、幾何学的に完全な台形又は逆台形である必要はなく、加工上等の理由から角が丸みを帯びていても良い。凹凸側面のテーパ角θは、図９に示すように、凸部であれば上面と側面のなす角をいい、凹部であれば底面と側面のなす角をいう。例えば、テーパ角θが９０°の時に、凹凸の断面が方形となり、１８０°の時に、凹凸が全くない平らな状態となる。半導体層によって凹凸を埋めるためには、凹凸のテーパ角θが少なくとも９０°以上であることが必要である。また、散乱又は回折による出力向上の観点からは、凹凸のテーパ角θが９０°より大きいことが好ましく、望ましくは１０５°以上、より望ましくは１１５°以上とする。一方、凹凸のテーパ角θがあまり大き過ぎると、却って散乱又は回折の効率が低下し、また、半導体層のピットが発生し易くなる。そこで、テーパ角θは、好ましくは１６０°以下、より好ましくは１５０°以下、さらに好ましくは１４０°以下とする。
尚、凹凸側面が傾斜している場合、凹凸の大きさと相互の間隔は、基板最表面（＝凸部であれば凸部の底面、凹部であれば基板の平坦面）における長さで定義されるものとする。
【００２６】
また、本件発明に係る発光素子では、開口部を有する金属膜を形成してオーミック電極とすることが好ましい。即ち、本発明のように、凹凸を設けた基板上に、半導体層を形成し、その上に開口部を設けた全面電極を形成すると、両者の相乗的な効果によって光の取り出し効率は格段に向上する。特に、電極の開口部に、基板表面の凹凸の段差部が少なくとも１つ含まれるようにすることが好ましい。
【００２７】
これは、次のような理由によると推定される。
まず第１に、凹凸基板を用いた発光素子の輝度を正面から観測すると、基板凹凸の段差部付近の輝度が、基板平坦部の輝度よりも高くなる。このため、基板凹凸の段差部上方に電極の開口部を設けることにより、出力が各段に向上する。
また、第２に、基板上に凹凸を設けた発光素子では、発光領域で発生した光のうち、本来は側方や下方に向かう光を凹部及び凸部において散乱又は回折することによって上方に取出すことができる。しかし、通常の透光性電極を全面に設けた構成では、散乱や回折を経て上方に達した光が透光性電極によって一部吸収されてしまい、光の強度が小さくなってしまう。そこで、凹凸を設けた基板上に、半導体層を形成する場合には、透光性電極に開口部を設ける、又は高反射率の開口部を有する非透光性電極を設けて一部半導体層が露出する部分を設けることで、散乱や回折を経て上方に達した光が外部に取り出されやすくなり、光の取出し効率が格段に向上する。
【００２８】
また、窒化ガリウム系（少なくともガリウムと窒素を含む）の半導体発光素子の場合、ｐ型窒化物半導体層上に設けるｐ電極の周縁近傍が他の部分よりも強く光るという性質がある。このため、電極に開口部を設けることによって光の吸収を軽減すると共に、強く光る周縁部分が増すため、光取り出し効率が向上する。例えば、電極の開口の周長の合計をＬ、開口の内側を含むオーミック電極の占有面積をＳとして、Ｌ／Ｓ≧０．０２４μｍ／μｍ^２であることが好ましい。これによって、強く光る電極周縁部の割合を増加させ、より一層発光出力を高めることができる。
【００２９】
開口を形成するオーミック電極には、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｗ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｐｔ、Ａｇ及びこれらの酸化物、窒化物から選択した少なくとも１種を含む合金または多層膜を用いることができる。特に、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）の一種を含む合金または多層膜であることが好ましい。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す具体例に基づいて詳細に説明する。図１及び図２は本発明に係る半導体発光素子の好ましい実施形態を示す。図において、基板１０にはＡ面（１１−２０）にオリフラのあるＣ面（０００１）サファイア基板が用いられ、該サファイア基板１０の表面部分には凹部２０が繰り返しパターンで形成されている。図２において、斜線で示される部分を残してエッチングされる。
【００３１】
この凹部２０はサファイア基板１０に成長するＧａＮ系半導体１１の成長安定面（１−１００）、（０１−１０）、（−１０１０）、すなわちＭ面に対して、ほぼ平行な面に頂点を有しかつ上記成長安定面に対してほぼ平行な面と交叉する直線を構成辺とする正三角形をなしている。即ち、図３に示すように、凹部２０を構成する正三角形は、基板上面から見てＭ面が交差する位置に頂点を有しており、正三角形の各構成辺はＭ面に対して３０度又は９０度で交叉している。さらに具体的には、図３に示すように、凹部２０を基板上部から見ると、凹部２０の各構成辺は、ＧａＮ半導体１１のＭ面を構成辺とする正六角形の中心と頂点を結ぶ線に直交している。尚、サファイア基板１０の上面から観察すると、ＧａＮ半導体のＭ面はＧａＮ系半導体のＡ軸と平行になる。
【００３２】
また、凹部２０の深さは約１μｍ、１辺の大きさａが１０μｍであり、凹部２０と凹部２０の間隔ｂはその対応する１辺の間隔が１０μｍとなっている。
【００３３】
このサファイア基板１０上にはｎ型ＧａＮ系半導体層１１、その上にＭＱＷ発光領域１２、さらにその上にｐ型ＡｌＧａＮ／ｐ型ＧａＮ系半導体１３が形成されている。
【００３４】
本例の半導体発光素子を製造する場合、サファイア基板１０上には図４（ａ）に示されるようにエッチングマスクとなるＳｉＯ_２膜３０を成膜する。
【００３５】
次に、 1辺１０μｍの正三角形のフォトマスクを使用し、正三角形の一辺がオリフラと垂直になるようにフォトマスクをあわせ、正三角形の各辺をサファイアの（１−１００）、（０１−１０）、（−１０１０）、すなわちＭ面にほぼ平行になるようし、図４（ｂ）、（ｃ）に示されるようにＳｉＯ_２膜３０とサファイア基板１０をＲＩＥで約１μｍエッチングした後、図４（ｄ）に示されるようにＳｉＯ_２膜３０を除去すると、サファイア基板１０の表面部分には図２に示される凹部２０の繰り返しパターンが形成される。
【００３６】
凹部２０の繰り返しパターンのついたサファイア基板１０上にｎ型ＧａＮ半導体層１１、その上にＭＱＷ発光領域１２、その上にｐ型ＡｌＧａＮ／ｐ型ＧａＮ半導体層１３を成長させる。
【００３７】
サファイア基板１０の格子に対し、ＧａＮの格子は３０度ずれて成長するので、サファイア基板１０につけた凹部２０の繰り返しパターンはＧａＮのＡ面（１１−２０）、（１−２１０）、（−２１１０）面にほぼ平行の辺を持ち、ＧａＮの成長安定面（１−１００）、（０１−１０）、（−１０１０）に頂点が在り、ＧａＮの成長安定面（１−１００）、（０１−１０）、（−１０１０）、すなわちＭ面に平行な直線のない多角形になる。
【００３８】
このような形状に凹凸を形成することにより、平坦で結晶性に優れたＧａＮを成長させることができる。以下にその原理を説明する。尚、凹部でも凸部でも原理は同様であるため、凸部を例にして詳説する。図５（ａ）及び（ｂ）は、正三角形の凸部２０を形成したサファイア基板１０の上にＧａＮを成長させる途中過程におけるＳＥＭ写真であり、図５（ａ）は、基板上面から観察した様子、図５（ｂ）は、基板斜め上方から観察した様子を示している。図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、サファイア基板１０の上にＧａＮを成長させると、凸部２０の上面と、凸部２０が形成されていない平坦面とからＧａＮの成長が進み、最後に凸部２０の側面付近が埋まる。従って、基板上方から見てＧａＮの成長安定面と凸部２０の側面が平行になっていると、凸部２０の側面付近が埋まり難く、ＧａＮの結晶性が低下してしまう。
【００３９】
そこで、基板上方から見てＧａＮの成長安定面であるＭ面と交叉するように（＝平行にならないように）正三角形の凸部２０の構成辺を形成することが好ましく、さらに好ましくは、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、基板上方から見てＧａＮの成長安定面であるＡ軸を含む面を構成辺とする正六角形（＝Ａ軸を構成辺とする正六角形）の中心と頂点を結ぶ線に直交するように、正三角形の凸部２０の構成辺を形成する。このように凸部２０を形成することにより、凸部２０の周囲を平坦に埋めて、結晶性の良好なＧａＮを得ることができる。
【００４０】
これは、凸部２０の上面から成長したＧａＮと、凸部２０が形成されていない平坦面から成長したＧａＮとが接合する部分において、ＧａＮの成長速度が高くなるためと推定される。即ち、図５（ｂ）に示すように、凸部２０の上面からは、Ａ軸を構成辺とする六角形の形状にＧａＮが成長しているが、凸部２０の上面から成長したＧａＮと平坦面から成長したＧａＮとが接する凸部側面付近において、ＧａＮの成長速度が高くなる。従って、凸部２０の側面付近におけるＧａＮの成長が他の領域に追いつき、平坦なＧａＮが得られる。
【００４１】
このことを図６（ａ）〜（ｆ）を用いて模式的に説明する。図６（ａ）に示すように、サファイア基板１０に凸部を形成して、その上にＧａＮ１１を成長させると、図６（ｂ）及び（ｃ）に示すように、ＧａＮ１１は、凸部の底面と、凸部が形成されていない平坦面から成長し、凸部の側面付近は成長が遅れる。しかし、図６（ｄ）及び（ｅ）に示すように、凸部の上面から成長したＧａＮ１１と、平坦面から成長したＧａＮ１１とが出会うと、そこでＧａＮ１１の成長速度が速くなる。このため、成長の遅れていた凸部の側面付近におけるＧａＮ１１の成長が顕著に進む。そして、図６（ｆ）に示すように、平坦で結晶性に優れたＧａＮ１１が成長する。これに対し、基板上方から見てＧａＮの成長安定面と凸部２０の側面が平行になっていると、凸部２０の側面付近で成長速度が速くなることがないため、凸部２０の側面付近が埋まり難く、ＧａＮの結晶性が低下してしまう。
【００４２】
その後、デバイスプロセスを行い、電極等を適宜形成し、ＬＥＤチップに仕上げる。
【００４３】
ｎ型ＧａＮ半導体層１１及びｐ型ＡｌＧａＮ／ｐ型ＧａＮ半導体層１３からＭＱＷ発光領域１２に正孔及び電子が注入され、再結合が行われると、光が発生する。この光はサファイア基板１０又はｐ型ＡｌＧａＮ／ｐ型ＧａＮ半導体層１３から取り出される。
【００４４】
従来の平坦な基板を有する半導体発光素子の場合、図７（ａ）に示されるように、発光領域１２からの光がｐ型半導体層１３と電極との界面又は基板１０表面に臨界角以上で入射すると、導波路内に捕捉されて横方向に伝搬していた。
【００４５】
これに対し、本例の半導体発光素子ではｐ型半導体層１３と電極との界面又は基板１０表面に対して臨界角以上の光は、図７（ｂ）に示されるように、凹部２１によって散乱又は回折され、臨界角よりも小さな角度でもってｐ型半導体層１３と電極との界面又は基板１０表面に対して入射し、取り出すことができる。
【００４６】
ｐ型半導体層１３上のコンタクト電極が透光性電極の場合はＦＵ（フェイスアップ）、反射電極の場合はＦＤ（フェイスダウン）のどちらの場合にも効果がある。尚、反射電極であっても、電極に開口又は切込みが形成されている場合には、ＦＵ（フェイスアップ）に使用される。その場合、特に顕著な効果がある。
【００４７】
図８は本発明に係る半導体発光素子の他の実施形態を示す。図８（ａ）に示される実施形態では凹部２０の段面を傾斜して形成している。また、図８（ｂ）に示される実施形態では基板１０の表面部分に凹部２０ではなく、凸部２１を形成しており、この例では断面半円形状の凸部２１を形成している。さらに、図８（ｃ）に示される実施形態ではｎ型半導体層１１、発光領域１２及びｐ型半導体層１３が凹部２０の影響を受けて凹状をなしている。
【００４８】
図７（ｃ）、（ｄ）は、図８（ａ） 及び（ｃ） に示される実施形態における光の伝搬の例を示す。いずれにしても光が効率よく取り出せることが分かる。特に図８（ａ）のように、半導体層の成長安定面に対してほぼ平行な面と交叉する直線（本件では、多角形の構成辺とも称している）を境界として凸部の表面及び凹部の表面とに連続している面（＝凹部又は凸部の側面）を半導体の積層方向に対して傾斜して形成することで、光の散乱又は回折の効果は顕著に増し、光の取り出し効率は格段に向上する。この１つの要因としては、傾斜して設けることで、凹部の表面及び凸部の表面とに連続している面（＝凹部又は凸部の側面）の表面積が増えることで、光の散乱又は回折の起こる回数が増えるからと考えられる。
【００４９】
換言すれば、凹凸の断面形状については、図９に示すように、凸部であれば台形、凹部であれば逆台形であることが好ましい。このような断面形状とすることにより、伝播する光が散乱及び回折を起こす確率が高まり、光の伝播時の吸収ロスを低減することができる。凹凸側面のテーパ角θは、図９に示すように、凸部であれば上面と側面のなす角をいい、凹部であれば底面と側面のなす角をいう。例えば、テーパ角θが９０°の時に、凹凸の断面が方形となり、１８０°の時に、凹凸が全くない平らな状態となる。
【００５０】
半導体層によって凹凸を埋めるためには、凹凸のテーパ角θが少なくとも９０°以上であることが必要である。また、散乱又は回折による出力向上の観点からは、凹凸のテーパ角θが９０°より大きいことが好ましく、望ましくは１０５°以上、より望ましくは１１５°以上とする。一方、凹凸のテーパ角θがあまり大き過ぎると、却って散乱又は回折の効率が低下し、また、半導体層にピットが発生し易くなる。そこで、テーパ角θは、好ましくは１６０°以下、より好ましくは１５０°以下、さらに好ましくは１４０°以下とする。
【００５１】
図１０は、凹部側面のテーパ角とＬＥＤ出力の関係をシミュレーションしたグラフである。尚、これは凸部側面のテーパ角と見ても同様の傾向がある。図１０のグラフの縦軸は、平坦な基板（＝テーパ角θが１８０°）を用いた場合のＬＥＤ出力を１とした場合の出力比を表しており、グラフの横軸は、凹部側面のテーパ角を表している。図示されるように、凹部側面のテーパ角（＝凹部の底面と側面のなす角）を９０度から１８０度の間で変化させることによって、ＬＥＤ出力が大きく変化する。
【００５２】
図１１は凹部２０又は凸部２１の他の形状の例を示す。図において、斜線で示す部分がエッチングせずに残す部分である。
【００５３】
また、凹部２０、又は凸部２１を正六角形とする場合、図１２（ａ） に示されるサファイア基板１０のオリフラＡ面に対し、図１２（ｃ） に示される方向ではなく、図１２（ｂ） に示される方向に正六角形を配置する。前述の通り、サファイア基板のＣ面上にＧａＮを成長させた場合、サファイア基板のＡ面とＧａＮのＭ面が平行になる。従って、図１２（ｂ）のように凹凸の正六角形を配置することにより、基板上方から見て、凹凸の正六角形の各構成辺が、ＧａＮの成長安定面であるＭ面のいずれかと直交するようになる。これは、別の表現をすれば、基板上方から見て、ＧａＮのＭ面を構成辺とする正六角形（＝Ａ軸を構成辺とする正六角形）の中心と頂点を結ぶ線分に対して、凹凸の正六角形の各構成辺が直交することを意味している。
【００５４】
また本発明は、半導体に欠陥が発生しない凹凸を設けた基板上に、窒化物半導体層などの通常の半導体層を形成し、さらに電極等を形成した素子であれば、その他の構成は特に限定されないが、さらにその他の構成を次のようにすることで顕著な効果を示す。
【００５５】
（１）電極形状と材料
▲１▼ 開口電極
半導体発光素子の表面には、半導体層上に電極を設ける必要があるが、ｐ型窒化物半導体層のような、比較的比抵抗が高く、その層で電流拡散が行われにくい半導体層上には、例えば半導体層表面の全面に、透光性電極を形成することが一般的である。しかしながら、透光性電極−半導体層−基板によって構成される導波路内を光が伝播する際、反射光の「しみ出し」の影響により、半導体層だけでなく、透光性電極や基板によっても発光が吸収・減衰してしまう。特に、透光性電極は、その一般的な構成材料（例えば、Ａｕ／Ｎｉ等）の短波長域における光吸収率が高いため、発光の減衰への影響が大きい。
【００５６】
そこで、本件発明に係る発光素子では、開口部を有する金属膜を形成して電極とすることが好ましい。特に、電極の開口部に、基板表面の凹凸の段差部が少なくとも１つ含まれるようにすることが好ましい。このように半導体層表面に形成する電極を、開口部を有する電極とすることで、開口部から光が外部に取り出され、また電極で吸収する光の割合が減少するため好ましい。開口部は、金属膜中に複数設けることが望ましく、また開口部の面積はできるだけ大きく設けることが光取り出し効率を向上するという点で好ましい。（このような電極には、好ましくは外部と発光素子を電気的に接続させるパッド電極を設ける。）
【００５７】
また窒化物半導体発光素子であって、とくに窒化ガリウム系（少なくともガリウムと窒素を含む）の半導体発光素子の場合、ｐ型窒化物半導体層上には好ましくは全面に透光性を有する電極をｐ電極として設ける場合が多いが、透光性電極における光の吸収が大きく、ｐ型窒化物半導体層上に設けるｐ電極の周縁近傍が他の部分よりも強く光るという性質がある。そこで、透光性電極に開口部を設けても良く、これによって光の吸収を軽減し、強く光る周縁部分が増すため、光取り出し効率が向上する。この場合、開口部の面積はできるだけ大きく設けることが光取り出し効率を向上するという点で好ましく、またｐ電極の周縁の部位の長さをできるだけ長く設けることで、光取り出し効率がさらに向上する。
【００５８】
本発明のように、凹凸を設けた基板上に、半導体層を形成し、上述の開口部を設けた電極を形成すると、両者の相乗的な効果によって光の取り出し効率は格段に向上する。これは、次のような理由によると推定される。
まず第１に、凹凸基板を用いた発光素子の輝度を正面から観測すると、基板凹凸の段差部付近の輝度が、基板平坦部の輝度よりも高くなる。このため、基板凹凸の段差部上方に電極の開口部を設けることにより、出力が各段に向上する。
また、第２に、基板上に凹凸を設けた発光素子では、発光領域で発生した光のうち、本来は側方や下方に向かう光を凹部及び凸部において散乱又は回折することによって上方に取出すことができる。しかし、通常の透光性電極を全面に設けた構成では、散乱や回折を経て上方に達した光が透光性電極によって一部吸収されてしまい、光の強度が小さくなってしまう。そこで、凹凸を設けた基板上に、半導体層を形成する場合には、透光性電極に開口部を設ける、又は高反射率の開口部を有する非透光性電極を設けて一部半導体層が露出する部分を設けることで、散乱や回折を経て上方に達した光が外部に取り出されやすくなり、光の取出し効率が格段に向上する。
【００５９】
▲２▼ 開口電極の材料
上述のように、窒化物半導体発光素子であって、とくに窒化ガリウム系（少なくともガリウムと窒素を含む）の半導体発光素子の場合、ｐ型窒化物半導体層のほぼ全面に透光性を有する電極をｐ電極として設けるが、より好ましい形態として、ｐ型窒化物半導体層のほぼ全面に、開口部を設けた電極を形成することで、光取り出し効率が向上する。このとき、電極として用いる材料は金属または２つ以上の金属からなる合金を用い、単層又は複数の層で形成することができる。この電極の材料には、少なくとも発光する波長に対して高反射率の金属材料を用いることで、電極で吸収する光の成分を減らし、外部への光の取り出し効率を向上させることができる。
【００６０】
開口電極の好ましい材料としては、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｗ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｐｔ、Ａｇ及びこれらの酸化物、窒化物からなる群から選択される少なくとも一種を含む合金または多層膜があげられる。これらは、４００℃以上の温度でアニールすることにより、ｐ型半導体層と良好なオーミック接触を得ることができる。特に、Ｎｉの上にＡｕの多層膜が好ましい。開口電極の総膜厚としては５０Å〜１００００Åが好ましい。特に、透光性の電極として用いる場合は、５０Å〜４００Åが好ましい。また、非透光性電極とする場合は、１０００Å〜５０００Åが好ましい。
【００６１】
とくに窒化ガリウム系（少なくともガリウムと窒素を含む）の半導体発光素子では、高反射率の金属材料として、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）などが挙げられ、反射電極として用いる。
【００６２】
特に、開口電極の材料を、特にＲｈとすることも好ましい。Ｒｈを用いることで熱的に安定で、しかも吸収の少ない電極とすることができる。しかも、接触抵抗を低くすることができる。
【００６３】
▲３▼ 開口電極のサイズと形状
電極の開口部と基板表面の凹凸の大小関係は、特に限定されないが、１つの開口部内に少なくとも１以上の凹凸段差部が形成されていることが好ましい。これにより、凹凸により散乱・回折された光を有効に取り出すことができると同時に、発光の均一性が向上する。
【００６４】
また、開口電極は、ｐ型半導体層の表面まで貫通し、かつ周囲を電極によって囲まれた複数の開口部を有する電極であるが、最外周部で囲まれた部分の面積（＝開口部内を含む電極の全面積）をＳとし、開口部の内周長の総和をＬとすると、Ｌ／Ｓ≧０．０２４μｍ／μｍ^２であることが好ましい。これにより、ｐ型半導体層の表面から効率良く光を外部に放出させ、さらにＶｆの低い半導体発光素子とすることができる。
【００６５】
複数の開口部は、各開口部がほぼ同じ形状であることが好ましく、これにより、開口部の形成が容易であるとともに、発光の面内分布が均一となる。また、複数の開口部は、ほぼ同じ面積であることが好ましく、これによっても発光の面内分布が均一となる。
【００６６】
膜厚を厚くして開口部を設ける場合、その開口部の形状や大きさ等を規定することによって、光の取りだし効率を高くし、発光効率を向上させることができる。特に、開口部の内周長Ｌを規定することで、より効率的に光を放出することが可能となる。Ｌ／Ｓが小さくなる、即ち、開口電極の最外周部によって囲まれた面積Ｓに対して、開口部の内周長さの総和Ｌが小さくなると、ｐ型半導体層側への出力が低下する。
【００６７】
図１３は、開口率が同じ、すなわち、開口部の総面積が同じで、内周長を変化させたときの電力変換効率を示すものである。開口部の面積が同じであることで、ｐ型半導体層と開口電極との接触面積も同じであるので、Ｖｆ及び量子効率は同じであると考えられる。この図より、開口率は同じでも、開口部の内周長を変化させることで、さらに高出力とできることがわかる。そして、本件発明では、Ｌ／Ｓ≧０．０２４μｍ／μｍ^２を満たすような範囲とすることで、高出力の半導体発光素子とすることができる。上限は、特に定めていないが、実質的には１μｍ／μｍ^２よりも大きくなると、開口部一つの大きさが非常に小さくなりすぎて、実用的でなくなる。
【００６８】
上述のように、ｐ型半導体層側からの出力効率が、開口部の内周長によって大きく左右されるのは、電極とｐ型半導体層との境界において特に強く発光が観測されるためであり、その境界を多くする、すなわち内周長を長くすることで効率よく光を放出させることができる。境界をさらに多くするためには、開口部だけでなく、さらに、ｐ側オーミック電極の最外周部を、直線ではなく屈折させた連続線によって半導体層の端部に沿うように設けることで、ｐ側オーミック電極とｐ型半導体との境界を多くすることができるので、さらに出力を向上させることができる。
【００６９】
上記のような複数の開口部は、ほぼ同じ形状となるように形成することで、複数の開口部を効率よく形成しやすくなる。さらに、面内分布も均一になりやすく、ムラのない発光を得ることができる。形状としては、方形、円形、三角形など、種々の形状を用いることができる。好ましくは、隣接する開口部と一定の距離間隔をあけて均一に分散させるように複数形成させることで、均一な発光が得られ易くなる。また、複数の開口部の面積をほぼ同じになるように形成することで、開口部が形成される位置によって、好ましい形状を選択することができる。
【００７０】
図１４（ａ）乃至（ｄ）は、開口電極の考えられる形状を示す。図１４において、ｎ側半導体層３０の上に、ｐ側半導体層３２が形成され、その上にｐ側オーミック電極である開口電極３４が形成され、その一部にｐ側パッド電極３６が形成されている。また、ｐ側半導体層３２をエッチングして露出させたｎ側半導体層３０の上に、ｎ側パッド電極３８が形成されている。開口電極３４には、複数の円形開口部が配列されている。図１４（ｂ）は、開口電極３４の円形開口部の寸法が大きな場合の例である。図１４（ｃ）及び（ｄ）は、開口電極３４とｐ側パッド電極３６のみを抜き出したものである。図１４（ｃ）に示すように、ｐ側オーミック電極内に設ける開口部は、周囲が閉じていない切込み形状であっても良い。この場合、ｐ側オーミック電極は、複数の線状電極を接合したような形状となる。開口部は、電流の通路の強いところに多くの電流が流れないよう形成することが好ましい。また、図１４（ｄ）に示すように、ｎ側パッド電極（図示せず）を中心として、同心円状に配列された複数の円弧状に開口部を設けても良い。このような開口形状とすることにより、発光の均一性を高めることができる。
【００７１】
また、ｐ側オーミック電極の端部断面形状は、図１５（ａ）のように垂直であっても良いが、図１５（ｂ）に示すように、メサ形状（台形状）であることが好ましい。特に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の場合、ｐ側オーミック電極の周縁部の発光強度が高いという性質があるため、端部断面がメサ形状（台形状）であることにより、効率良く光を取り出すことができる。その場合、端部断面のもつテーパ角θは、３０°≦θ＜９０°であることが好ましい。テーパ角が３０°未満の場合、テーパ部分におけるｐ側オーミック電極の抵抗値が大きくなるため、電極周部が強く光るという性質を有効に利用しにくくなる。
【００７２】
（２）半導体発光素子の形状
本発明は、基板表面上に基板とは材質の異なる少なくとも２層の半導体層と発光領域とを積層構造に成膜している。つまり、基板と半導体層の材質は異なる。ここで、基板として絶縁性の基板を用いる場合、例えばサファイア基板上に窒化ガリウム系（少なくともガリウムと窒素を含む）の半導体層を形成する場合などにおいて、電極は基板に形成することはできず、同一面側にｎ電極とｐ電極の２つの電極を形成する必要がある。このとき、例えばｎ型半導体層、発光領域、ｐ型半導体層の順で形成する窒化物半導体素子は、ｐ型半導体層の表面の一部をｎ型半導体層の表面が露出するまでエッチングし、ｐ型半導体層表面にｐ電極、露出したｎ型半導体層の表面にｎ電極を形成し、半導体層表面から見た図は図１６のように四角形状の半導体素子の２つの対向する頂点にそれぞれの電極を配置して形成する。
【００７３】
この場合、半導体発光素子の側面から外部に出る光は、ｎ型半導体層を露出するときに形成された側面において、ｎ電極またはｎ電極と接続するワイヤーなどの外部接続端子によって、遮られてしまう。
【００７４】
そこで、図１７に示すように、ｎ型半導体層を露出する部位をｐ型半導体層の内部とし、ｐ型半導体層の表面の内部においてｎ型半導体層を露出して設けることで、ｎ型半導体層とｐ型半導体層の間に挟まれて発光する発光領域が半導体発光素子の外側の側面全面において設けられるので、外部への光取り出し効率は向上する。基板上にｐ型半導体層、発光領域、ｎ型半導体層の順で積層する素子の場合は、ｎ型半導体層の内部にｐ型半導体層の露出面を設けることで、同様の効果が得られる。
【００７５】
また、図１７に示すように、一方の導電型の半導体層表面の内部をエッチングして他方の導電型の半導体層表面を露出して形成する場合、前者の半導体層の表面に、もしくは開口部を有する電極を形成する場合は、前者の半導体層及び開口部を有する電極の表面に、パッド電極から延伸した拡散電極を設けることで、前者半導体層の全面に均一に電流が流れるようになり、発光領域での発光がムラなく均一になり好ましい。さらにこの拡散電極は、半導体発光素子の外形の形状に沿って前者半導体層の内部に設けることで、さらに均一な発光となり好ましい。
【００７６】
また、半導体発光素子の外形の形状としては、半導体層表面から見て、四角形状でも三角形状でもよく、その他多角形とすることができるが、エッチングによって露出する面及び露出した面に形成する電極を、半導体発光素子の外形を構成する頂点に向かって、一部延伸して形成することにより、電流が均一に流れやすくなり、発光領域での発光がムラなく均一になり好ましい。
【００７７】
本発明の発光素子は、例えば窒化ガリウム系（少なくともガリウムと窒素を含む）の半導体発光素子の場合、電極まで形成した発光素子の表面にＹＡＧを含んだ蛍光体を樹脂と混合させて形成することで、光取り出し効率の高い白色の発光素子を得ることができ、また適当な蛍光体を選択することで、種々の発光波長を持った光取り出し効率の高い発光素子を得ることができる。
【００７８】
本発明で用いるｐ電極およびｎ電極とは、少なくとも半導体層に接して形成される電極であり、接する半導体層と良好なオーミック特性を示す材料が適宜選択されるものである。
【００７９】
【実施例１】
基板としてＡ面（１１−２０）にオリフラのあるＣ面（０００１）を主面とするサファイア基板を用いる。
【００８０】
まずサファイア基板１０上に図４（ａ）に示されるようにエッチングマスクとなるＳｉＯ_２膜３０を成膜する。
【００８１】
次に１辺５μｍの正三角形のフォトマスクを使用し、正三角形の１辺がオリフラと垂直となるようにフォトマスクをあわせ、正三角形の各辺をサファイアの（１−１００）、（０１−１０）、（−１０１０）、すなわちＭ面にほぼ平行となるようにし、図４（ｂ）、（ｃ）に示されるようにＳｉＯ_２膜３０とサファイア基板１０をＲＩＥで３〜４μｍエッチングした後、図４（ｄ）に示されるようにＳｉＯ_２膜３０を除去すると、サファイア基板１０の表面部分には図１１（ｂ）に示される凸部２０（斜線部がエッチングされていない領域）の繰り返しパターンが形成される。凸部の一辺の長さａ＝５μｍ、凸部と凸部の間隔ｂ＝２μｍとした。凸部のピッチ（隣接する凸部同士の中心間の距離）は、６．３μｍである。また、凸部側面の傾斜角は１２０°であった。
【００８２】
次に凸部２０の繰り返しパターンのついたサファイア基板１０の上に、ｎ型半導体層としてＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）の低温成長バッファ層を１００Å、アンドープのＧａＮを３μｍ、ＳｉドープのＧａＮを４μｍ、アンドープのＧａＮを３０００Å積層し、続いて発光領域となる多重量子井戸の活性層として、（井戸層、障壁層）＝（アンドープのＩｎＧａＮ、ＳｉドープのＧａＮ）をそれぞれの膜厚を（６０Å、２５０Å）として井戸層が６層、障壁層が７層となるように交互に積層する。この場合、最後に積層する障壁層はアンドープのＧａＮとしてもよい。尚、低温成長バッファ層の上に形成する第１層をアンドープのＧａＮとすることにより、より均一に凸部２０を埋めて、その上に形成する半導体層の結晶性を良好にすることができる。
【００８３】
多重量子井戸の活性層を積層後、ｐ型半導体層として、ＭｇドープのＡｌＧａＮを２００Å、アンドープのＧａＮを１０００Å、ＭｇドープのＧａＮを２００Å積層する。ｐ型半導体層として形成するアンドープのＧａＮ層は、隣接する層からのＭｇの拡散によりｐ型を示す。
【００８４】
次にｎ電極を形成するために、ＭｇドープのＧａＮからｐ型半導体層と活性層及びｎ型半導体層の一部までをエッチングし、ＳｉドープのＧａＮ層を露出させる。
【００８５】
次にｐ型半導体層の表面全面にＮｉ／Ａｕからなる透光性のｐ電極を、さらに透光性のｐ電極上において、ｎ型半導体層の露出面と対向する位置にＡｕからなるｐパッド電極を形成し、ｎ型半導体層の露出面にＷ／Ａｌ／Ｗからなるｎ電極およびＰｔ／Ａｕからなるｎパッド電極を形成する。
【００８６】
最後にウエハを四角形状にチップ化し、３５０μｍ□の半導体チップを得る。これを反射鏡を備えたリードフレームに実装して、砲弾型のＬＥＤを作製した。
【００８７】
これによって得られるＬＥＤは、順方向電流２０ｍＡにおいて、発光波長４００ｎｍ、外部への発光出力が９．８ｍＷであった。
【００８８】
【比較例１】
比較例として、サファイア基板の表面に凹凸を設けないで、他の構成は実施例１と同様にして砲弾型ＬＥＤを形成したところ、順方向電流２０ｍＡにおいて、外部への発光出力が８．４ｍＷであった。
【００８９】
【実施例２】
基板としてＡ面（１１−２０）にオリフラのあるＣ面（０００１）を主面とするサファイア基板を用いる。
基板の加工及びｎ型半導体層からｐ型半導体層までの積層は、実施例１と同様にする。
次にｎ電極を形成するために、ＭｇドープのＧａＮからなるｐ型半導体層と活性層及びｎ型半導体層の一部までをエッチングし、ＳｉドープのＧａＮからなるｎ型半導体層を露出させる。
【００９０】
次に１辺５μｍの正三角形からなる開口であって、図１６に示すような正三角形の開口が単位面積当たりで最も密に充填されるようなパターニングのフォトマスクを使用し、Ｎｉ／Ａｕからなる透光性のｐ電極を、ｐ型半導体層表面のほぼ全面に形成する。
【００９１】
さらに透光性のｐ電極上において、ｎ型半導体層の露出面と対向する位置にＡｕからなるｐパッド電極を形成し、ｎ型半導体層の露出面にＴｉ／Ａｌからなるｎ電極およびＰｔ／Ａｕからなるｎパッド電極を形成する。
【００９２】
最後に四角形状にウエハをチップ化し、半導体発光素子を得る。これを反射鏡を備えたリードフレームに実装して、砲弾型のＬＥＤを作製する。
【００９３】
これによって得られるＬＥＤは、ｐ電極の周縁近傍が他の部分よりも強く光るという性質から、実施例１よりも発光出力が向上する。
【００９４】
【実施例３】
基板としてＡ面（１１−２０）にオリフラのあるＣ面（０００１）を主面とするサファイア基板を用いる。
基板の加工及びｎ型半導体層からｐ型半導体層までの積層は、実施例１と同様にする。
【００９５】
次にｎ電極を形成するために、ＭｇドープのＧａＮからｐ型半導体層と活性層及びｎ型半導体層の一部までをエッチングし、ＳｉドープのＧａＮ層を露出させる。
【００９６】
次に１辺７．７μｍの正方形とし、６．３μｍの間隔で配列し、開口率３０％からなる開口であって、Ｒｈからなるｐ電極を、ｐ型半導体層表面のほぼ全面に形成する。
【００９７】
さらにｐ電極上において、ｎ型半導体層の露出面と対向する位置にＰｔ／Ａｕからなるｐパッド電極を形成し、ｎ型半導体層の露出面にＷ／Ａｌ／Ｗからなるｎ電極及びＰｔ／Ａｕからなるｎパッド電極を形成する。
最後にウエハをチップ化し、半導体発光素子を得る。これを反射鏡を備えたリードフレームに実装して、砲弾型ＬＥＤを作製した。
【００９８】
これによって得られる半導体発光素子は、ｐ電極の周縁近傍が他の部分よりも強く光るいう性質を利用し、さらに電極に発光波長に対して高反射する材料を用いて電極での光の吸収成分を減少させたことから、実施例１や実施例２よりも発光出力が向上した。砲弾型ＬＥＤの発光出力は、１３．２ｍＷであった。
【００９９】
【実施例４】
実施例３の発光素子において、ｐ電極を、図１４（ｃ）のようなストライプ状に形成する。こうしたストライプ電極構造を採用することによって、ｐ側パッド電極から半導体層に供給される電流が面内に均一化され、発光効率が向上する。ｐ電極のストライプ隙間は、半導体層が露出する開口部として形成されるため、開口部を増加させることができ、その結果、光取り出し効率が向上する。このとき、半導体層が露出した複数のストライプ隙間に対応する開口部５の総面積Ｓａと、半導体層１０２が露出していない電極部分の面積Ｓｂとを合計した値をＳとし、開口部の内周長の総和をＬとして、Ｌ／Ｓ≧０．０２４μｍ／μｍ^２ が成立することが好ましい。
【０１００】
【実施例５】
基板としてＡ面（１１−２０）にオリフラのあるＣ面（０００１）を主面とするサファイア基板を用いる。
基板の加工及びｎ型半導体層からｐ型半導体層までの積層は、実施例１と同様にする。
【０１０１】
次にｐ型半導体層の表面の内部で、とくに中心部においてＳｉドープのＧａＮ層が露出するまでエッチングする。このときのエッチングにより露出する面は、図１７に示すように、半導体発光素子の外形を構成する３つの頂点に向かって、一部延伸して形成する。
【０１０２】
次に１辺５μｍの正三角形であって、正三角形が単位面積当たりで最も密に充填されるようなパターニングのフォトマスクを使用し、Ｒｈからなるｐ電極１０４を、ｐ型半導体層表面のほぼ全面に正三角形の形状で形成する。
【０１０３】
さらにｐ電極１０４上に、Ｐｔ／Ａｕからなるｐパッド電極兼ｐ拡散電極１０６を形成する。このｐパッド電極兼ｐ拡散電極１０６は、図１７に示されるように、正三角形となる半導体発光素子の外形の形状に沿って前者半導体層の内部にパッド電極を延伸して設ける。この電極を設けることで、半導体層全面に電流が均一に流れやすくなるので、拡散電極として機能する。
【０１０４】
またｎ型半導体層の露出面にＷ／Ａｌ／Ｗからなるｎ電極及びＰｔ／Ａｕからなるｎパッド電極１０３を形成する。
【０１０５】
最後に正三角形状にウエハをチップ化し、半導体発光素子を得る。この発光素子を上面から見ると図１７のようになる。
【０１０６】
これによって得られる発光素子は、ｐ電極の周縁近傍が他の部分よりも強く光るいう性質を利用し、さらに電極に発光波長に対して高反射する材料を用いて電極での光の吸収成分を減少させた、さらには多重量子井戸構造の発光領域が半導体発光素子の外側の側面全面において設けていることから、発光出力が向上した。
【０１０７】
【実施例６】
実施例５で得られた半導体発光素子の上面及び側面に蛍光体としてイットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光物質をベースとしたＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２Ｙ：Ｃｅ（ＹＡＧ：Ｃｅ）が含有された透光性の樹脂を形成する。
これによって得られる半導体発光素子は、発光出力の高い白色光が発光された。
【０１０８】
【実施例７】
本実施例では、種々の凹凸平面形状について、凹凸形成の効果をチップとランプの両方で確認した。まず、基板としてＡ面（１１−２０）にオリフラのあるＣ面（０００１）を主面とするサファイア基板を用いる。
【０１０９】
次に、サファイア基板について、（i）〜（iv）の４種類の加工を行う。サファイア基板の表面への凹凸形成は実施例１と同様にして行う。
（i） サファイア基板の表面に、図１１（ｂ）に示すような、正三角形の凸部を形成する。正三角形の凸部は、その一辺がサファイア基板のオリフラと直交するように配置し、頂点の向きが左右交互になるように配列する。正三角形の凸部の一辺を５μｍ、凸部同士の間隔を２μｍとする。
（ii） サファイア基板の表面に、図１１（ｌ）に示すような、菱形の凸部を形成する。菱形の凸部の一辺を４μｍ、凸部同士の間隔を２μｍとする。
（iii） サファイア基板の表面に、図１１（ｍ）に示すような、六角形の凸部を形成する。六角形の凸部の一辺を３μｍ、凸部同士の間隔を２μｍとする。
（iv） サファイア基板の表面に凹凸を形成しない。
【０１１０】
次に４種類のサファイア基板１０の上に、ｎ型半導体層としてＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）の低温成長バッファ層を１００Å、アンドープのＧａＮを３μｍ、ＳｉドープのＧａＮを４μｍ、アンドープのＧａＮを３０００Å積層し、続いて発光領域となる多重量子井戸の活性層として、（井戸層、障壁層）＝（アンドープのＩｎＧａＮ、ＳｉドープのＧａＮ）をそれぞれの膜厚を（６０Å、２５０Å）として井戸層が６層、障壁層が７層となるように交互に積層する。この場合、最後に積層する障壁層はアンドープのＧａＮとしてもよい。尚、低温成長バッファ層の上に形成する第１層をアンドープのＧａＮとすることにより、より均一に凹部２０を埋めて、その上に形成する半導体層の結晶性を良好にすることができる。
【０１１１】
多重量子井戸の活性層を積層後、ｐ型半導体層として、ＭｇドープのＡｌＧａＮを２００Å、ＭｇドープのＧａＮを２００Å積層する。
【０１１２】
次にｎ電極を形成するために、ＭｇドープのＧａＮからｐ型半導体層と活性層及びｎ型半導体層の一部までをエッチングし、ＳｉドープのＧａＮ層を露出させる。
【０１１３】
次にｐ型半導体層の表面全面にＮｉ／Ａｕからなる透光性のｐ電極を、６０Å／７０Åの膜厚で形成する。さらに透光性のｐ電極上において、ｎ型半導体層の露出面と対向する位置にＡｕからなるｐパッド電極を形成し、ｎ型半導体層の露出面にＷ／Ａｌ／Ｗからなるｎ電極およびＰｔ／Ａｕからなるｎパッド電極を形成する。
【０１１４】
ウエハの状態でプローバを用いてｐパッド電極とｎパッド電極の間に電流を流し、発光出力を調べると、表１の通りとなる。表１では、凹凸がない場合の発光出力を１として、発光出力の強度比を表示している。
表１

表１に示すように、凸部の形状がいずれの場合であっても、平坦なサファイア基板を用いた場合に比べて、４３％以上高い発光出力が得られる。このように、反射鏡を用いないチップ状態で正面輝度の評価を行うと、凹凸形成による発光出力の増大効果が顕著に現れる。
【０１１５】
次にウエハを四角形状にチップ化し、３５０μｍ□の半導体チップを得る。これを反射鏡を備えたリードフレームに実装して、砲弾型のＬＥＤを作製した。
【０１１６】
作製したＬＥＤのＶｆと２０ｍＡにおける発光出力を評価すると、表２のようになる。尚、ＬＥＤの発光波長４６０ｎｍである。
表２

表２に示すように、凸部の形状がいずれの場合であっても、平坦なサファイア基板を用いた場合に比べて、１３％以上高い発光出力が得られる。特に、本実施例において、凸部の形状が六角形である場合に最も高い発光出力が得られる。
【０１１７】
【実施例８】
ｐ電極をＮｉ／Ａｕ電極から、Ｒｈ開口電極に変えた点を除いて、実施例７と同様にする。Ｒｈ電極の開口形状は、一辺７．７μｍの正方形とし、６．３μｍの間隔で配列し、開口率を３０％とする。
【０１１８】
ウエハの状態でプローバを用いてｐパッド電極とｎパッド電極の間に電流を流し、発光出力を調べると、表３の通りとなる。表３では、凹凸がない場合の発光出力を１として、発光出力の強度比を表示している。
表３

表３に示すように、凸部の形状がいずれの場合であっても、平坦なサファイア基板を用いた場合に比べて、５４％以上高い発光出力が得られる。
【０１１９】
砲弾型ＬＥＤを作製し、Ｖｆと２０ｍＡにおける発光出力を評価すると、表４のようになる。尚、ＬＥＤの発光波長４６０ｎｍである。
表４

表４に示すように、凸部の形状がいずれの場合であっても、平坦なサファイア基板を用いた場合に比べて、１７％以上高い発光出力が得られる。特に、本実施例において、凸部の形状が六角形である場合に最も高い発光出力が得られる。
実施例７と実施例８の対比からわかるように、ｐ電極を開口電極とすることにより、開口電極と凹凸基板が相乗的に作用して、凹凸形成の効果が一層顕著に現れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る半導体発光素子の好ましい実施形態を示す断面図である。
【図２】 上記実施形態における凹部のパターン例を示す図である。
【図３】 窒化物半導体の成長安定面と凹部形状の関係を示す模式図である。
【図４】 第１の実施形態の製造工程を示す図である。
【図５】 凸部を形成したサファイア基板上に窒化ガリウムを成長する途中過程を観察したＳＥＭ写真である。
【図６】 凸部を形成したサファイア基板上に窒化ガリウムを成長する過程を示す模式図である。
【図７】 本発明の光の伝搬を従来構造との対比で模式的に示す図である。
【図８】 更に他の実施形態を示す断面図である。
【図９】 凹凸の断面形状の例を示す断面図である。
【図１０】 凹部側面の傾斜角と発光出力の関係を示すグラフである。
【図１１】 凹部又は凸部の他のパターン例を示す図である。
【図１２】 凹部又は凸部を正六角形とした他の実施形態を説明するための図である。
【図１３】 Ｌ／Ｓ（＝ｐ側オーミック電極の面積Ｓと開口部内周長Ｌの比）と発光出力の関係を示すグラフである。
【図１４】 ｐ側オーミック電極の形態のバリエーションを示す図である。
【図１５】 ｐ側オーミック電極の端部断面形状と発光の関係を示す模式図である。
【図１６】 本発明の他の実施形態に係る半導体発光素子を上面から見た図。
【図１７】 本発明の他の実施形態に係る半導体発光素子を上面から見た図。
【符号の説明】
１０・・・基板
１１・・・ｎ型半導体層
１２・・・発光領域
１３・・・ｐ型半導体層
２０・・・凹部
２１・・・凸部
３０・・・ｎ側半導体層
３２・・・ｐ側半導体層
３４・・・ｐ側オーミック電極
３６・・・ｐ側パッド電極
３８・・・ｎ側パッド電極
１０１・・・ｎ型半導体層
１０２・・・ｐ型半導体層
１０３・・・ｎ電極及びｎパッド電極
１０４・・・ｐ電極
１０５・・・ｐパッド電極
１０６・・・ｐパッド電極兼ｐ拡散電極

Claims (7)

1. 基板上に、基板とは材質の異なる複数のＧａＮ系半導体層と、前記ＧａＮ系半導体層の最上層に形成されたオーミック電極とを積層し、前記ＧａＮ系半導体層で発生した光を前記オーミック電極側又は基板側から取り出すようにした半導体発光素子において、
   上記基板の表面部分には上記ＧａＮ系半導体層で発生した光を散乱又は回折させる凸部が、λ／４（λは上記半導体発光素子の発光波長）以上の間隔、１０μｍ以下のピッチで繰り返しパターンに形成されており、
   その凸部の平面形状が大略三角形又は六角形であり、上記ＧａＮ系半導体層のＡ軸を構成辺とする正六角形を想定したときに上記凸部平面形状の構成辺が上記Ａ軸を構成辺とする正六角形の中心と頂点を結ぶ線分に直交するように形成され、上記凸部の側面が傾斜しており、その側面のテーパ角が９０°より大きく、１５０°以下であり、
   前記基板表面の凸部は、凸部上面、凸部の形成されていない平坦面、及び凸部側面が連続したＧａＮ系半導体層によって埋められたことを特徴とする半導体発光素子。
2. 上記オーミック電極が、上記半導体層の最上層のほぼ全面を覆うことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 上記オーミック電極が、透光性であ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. 上記基板が、サファイア基板、ＳｉＣ基板又はスピネル基板である請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体発光素子。
5. 上記基板が、Ｃ面（０００１）サファイア基板である請求項１ないし４のいずれかに記載の半導体発光素子。
6. 上記半導体中における発光波長をλ、上記半導体の屈折率をｎとしたとき、上記凸部の大きさが、少なくともλ／４ｎ以上、２０μｍ以下である請求項１ないし５のいずれかに記載の半導体発光素子。
7. 上記テーパ角が、１０５°以上、１５０°以下であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の半導体発光素子。

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