(57)【要約】【課題】優れた光の取り出し効率を有し、廉価に製作することができる、窒化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】透光性基板１の上面に少なくとも発光層５を含む窒化物半導体層が形成されている。透光性基板１の上面には、凹部領域および凸部領域が形成され、凹部領域および凸部領域の一方は、平面的に見て、１８０°以上の内角を有する頂点を少なくとも一つ以上含む複数の多角形が配置されることにより形成される。凹部領域および凸部領域の他方は、平面的に見て、直線状につながらないように形成される。【選択図】図１
2010171382.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性基板の上面に少なくとも発光層を含む窒化物半導体層が形成されている窒化物半導体発光素子であって、
前記透光性基板の上面には、複数の凹部領域および凸部領域が形成され、
前記凹部領域および前記凸部領域の一方は、平面的に見て、１８０°以上の内角を有する頂点を少なくとも一つ以上含む複数の多角形が配置されることにより形成され、
前記凹部領域および前記凸部領域の他方は、平面的に見て、直線状につながらないように形成される、窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記多角形は、放射状に突出する突出部を複数有し、隣り合う該突出部同士の間に凹みが形成され、
前記多角形の前記凹みに、隣り合う前記多角形の前記突出部が配置される、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記多角形を構成する辺は、前記窒化物半導体層における結晶面と平行である辺を含む、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記多角形は、前記窒化物半導体層における結晶軸の＜１１−２０＞方向の辺で構成される、請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記凹部領域および前記凸部領域の幅が２０μｍ以下である、請求項１〜４のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記凹部領域および前記凸部領域の高さまたは深さが４０ｎｍ以上である、請求項１〜５のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記凹部領域および前記凸部領域の側面がテーパ状である、請求項１〜６のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
平面的に見て、直線状につながらないように形成される、前記凹部領域および前記凸部領域の前記他方が、平面的に見て、連続してつながるように形成される、請求項１〜７のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
平面的に見て、１８０°以上の内角を有する頂点を少なくとも一つ以上含む複数の多角形が配置されることにより形成される、前記凹部領域および前記凸部領域の前記一方が、平面的に見て、不連続に形成される、請求項１〜８のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記透光性基板は、前記窒化物半導体層より小さい屈折率を有する、請求項１〜９のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
前記透光性基板は、前記窒化物半導体層より発光される光の透過率が高い、請求項１〜１０のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１２】
前記窒化物半導体層が、ｎ型窒化物半導体層、前記発光層およびｐ型窒化物半導体層を含む、請求項１〜１１のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１３】
前記ｐ型窒化物半導体層の表面に電流拡散層が形成される、請求項１２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１４】
前記電流拡散層は透明導電膜を含む、請求項１３に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１５】
前記ｐ型窒化物半導体層または前記電流拡散層の表面に、発光される光を反射する反射層が形成される、請求項１３または１４に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１６】
前記透光性基板の上面に、ＡｌＮバッファ層が形成される、請求項１〜１５のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体発光素子に関し、特に、透光性基板の上面に凹凸が形成されている窒化物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から窒化物半導体発光素子には、サファイア(Ａｌ2Ｏ3)基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板およびスピネル(ＭｇＡｌ2Ｏ4)基板などが用いられてきた。窒化物半導体発光素子が他の化合物半導体発光素子と異なる点は、発光する光の波長に対して透光性を有する上記の基板が使用されることである。基板が透光性であるため、半導体層の表面からだけではなく基板の側面からも光を取り出すことができる。
【０００３】
通常の半導体発光素子においては、半導体層は数μｍ程度の厚みで形成されるのに対して、基板は１００μｍ程度の厚みを有している。よって、基板の側面から光を有効に取り出すことができれば、半導体発光素子の光の取り出し効率が大幅に向上する。
【０００４】
窒化物半導体層の屈折率が約２．４であるのに対し、たとえば、サファイア基板の屈折率は約１．７である。このため、窒化物半導体層とサファイア基板との界面において、臨界角より大きな入射角で光が入射する場合、光は全反射される。反射された光は、窒化物半導体層の中で何度も反射する多重反射を起こす。光は多重反射している間に、半導体発光素子の表面に形成されている電極または活性層自体により吸収され減衰するため、外部に取り出される光の強度が弱くなる。
【０００５】
光取り出し効率を向上させることができる半導体発光素子を開示した先行文献として、特許文献１がある。特許文献１に記載された半導体発光素子では、サファイア基板の表面に円形の凸部または三角形の凸部を形成し、その上に窒化物半導体層を形成している。このようにすると、サファイア基板と窒化物半導体層との界面に到達した光を散乱させて、サファイア基板の内部に入射させることができる。その結果、サファイア基板の側面から取り出される光の割合が増え、光の取り出し効率を向上させている。
【０００６】
また、発光効率が極めて高い発光ダイオードを開示した先行文献として、特許文献２がある。特許文献２に記載された発光ダイオードでは、基板上に基板とは異なる材料で形成される誘電体により凸部を形成し、その上に窒化物半導体層を成長させている。凸部は六角形の形状を有し、平面的に見て、ハニカム構造のように並べられている。このように、基板表面に凹凸を設けて光を散乱させることにより、多重反射を防いで光の取り出し効率を上げている。
【０００７】
さらに、光の取り出し効率を改善するとともに、動作電圧を低減させることができる半導体発光素子を開示した先行文献として、特許文献３がある。特許文献３に記載された半導体発光素子では、基板側ではなくｐ型コンタクト層の表面に六角形の凹凸を形成することにより光の取り出し効率を改善している。
【０００８】
従来から用いられているサファイア基板、ＳｉＣ基板、スピネル基板などは、窒化物半導体層とは異種な材料で形成されている。そのため、これらの基板上に窒化物半導体層を成長させると、基板と窒化物半導体との格子定数不整または熱膨張係数差により貫通転位などの欠陥が多数発生する。
【０００９】
窒化物半導体膜の貫通転移が低減される窒化物半導体構造を開示した先行文献として、特許文献４がある。特許文献４に記載された窒化物半導体構造においては、ラテラル成長を促進して結晶品質を向上させるために、基板の成長面に基板と同一の材料で凹部および凸部が形成される。凹部は複数の方向の線状の溝によって構成され、各々の溝に垂直な方向への窒化物半導体膜の成長を促進させることができ、活性層に到達する貫通転位密度を低減させて、発光効率の高い発光ダイオードを作製可能にしている。
【００１０】
また、基板の反りを抑制することにより結晶性が良好である窒化物半導体基板を開示した先行文献として、特許文献５がある。特許文献５に記載された窒化物半導体基板では、基板表面に多角形または円形の凹部を形成し、その上に窒化物半導体膜を成長させることにより、凹部中央に貫通転位を集束させて基板の反りを低減している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−３１７９３１号公報
【特許文献２】特開２００８−１５３６３４号公報
【特許文献３】特開２００５−２５９９７０号公報
【特許文献４】特許４０１６０６２号公報
【特許文献５】特開２００２−２０８７５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１〜４に記載された半導体発光素子のように、基板上またはｐ型コンタクト層上に凹凸を形成した場合にも、凹凸の形状および配置によっては光を有効に散乱させることができない。そのため、発光した光が半導体層内で多重反射して減衰し、光の取り出し効率が悪い場合があった。また、特許文献５に記載された窒化物半導体基板においては、基板の反りを低減するために凹部を形成しているが、凹部の形状について特に限定していない。
【００１３】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、有効に光を散乱することができる凹凸を基板上に高密度に配置することができ、優れた光の取り出し効率を有する、窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る窒化物半導体発光素子は、透光性基板の上面に少なくとも発光層を含む窒化物半導体層が形成されている。透光性基板の上面には、凹部領域および凸部領域が形成され、凹部領域および凸部領域の一方は、平面的に見て、１８０°以上の内角を有する頂点を少なくとも一つ以上含む複数の多角形が配置されることにより形成される。凹部領域および凸部領域の他方は、平面的に見て、直線状につながらないように形成される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、基板上に１８０°以上の内角を有する多角形形状の凹部領域または凸部領域を形成することにより、その内角の反対側に空間が形成される。この空間に隣り合う凹部領域または凸部領域を配置することにより、凹部領域および凸部領域を近接して高密度に基板上に形成することができる。
【００１６】
発光層から発光された光は、基板の上面に形成されたこの凹部領域と凸部領域との境界において散乱されて基板の内部に入射する。よって、基板上に凹部領域と凸部領域との境界を高密度に配置することにより、光を基板の内部に高い割合で入射させることができる。その結果、基板から取り出される光を増やすことができ、取り出し効率の優れた窒化物半導体発光素子を製作することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施の形態に係る窒化物半導体発光素子を示す断面図である。
【図２】(Ａ)は、比較例の窒化物半導体発光素子における透光性基板上面の凹部領域および凸部領域を示す平面図、(Ｂ)は、凹部領域および凸部領域の一部分を拡大して示す平面図、(Ｃ)は、光が凹部領域および凸部領域において散乱せずに通過する状態を示す平面図である。
【図３】比較例の窒化物半導体発光素子における透光性基板上面の凹部領域および凸部領域を示す平面図である。
【図４】(Ａ)は、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子における透光性基板の上面に形成される凸部領域および凹部領域を示す平面図であり、(Ｂ)は、凸部領域および凹部領域の一部分を拡大して示す平面図である。
【図５】(Ａ)は、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子における透光性基板の上面に形成される凸部領域および凹部領域を示す平面図であり、(Ｂ)は、凸部領域および凹部領域の一部分を拡大して示す平面図である。
【図６】実験例２において作製された窒化物半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、この発明に基づいた一実施の形態における窒化物半導体発光素子について、図を参照しながら説明する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施の形態に係る窒化物半導体発光素子を示す断面図である。図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る窒化物半導体発光素子は、透光性基板１の上面に、凹部領域および凸部領域が形成されている。透光性基板１として、たとえば、サファイア基板を用いることができる。
【００２０】
透光性基板１の上面に図示しないＧａＮから成るバッファ層が形成されている。バッファ層は透光性基板１の上面において、少なくとも凸部領域の上面および凹部領域の底面に形成されている。バッファ層として、ＡｌＮから成るバッファ層を形成してもよい。後述するように、ＡｌＮバッファ層を形成することにより、窒化物半導体発光素子の光出力を向上させることができる。ＧａＮバッファ層の上面に、透光性基板１の凹凸に対応する凹凸を有する、厚さが３μｍ程度のノンドープのＧａＮ層２が形成されている。
【００２１】
ノンドープのＧａＮ層２の上面に、厚さが２μｍ程度のｎ型ＧａＮ層３が形成されている。ｎ型ＧａＮ層３の上面に、ノンドープのＧａＮとＩｎＧａＮとから構成されるＳＬ(Semiconductor superlattice)層４が形成されている。ＳＬ層４の上面に発光層５が形成されている。
【００２２】
発光層５は、ＧａＮから成るバリア層とＩｎＧａＮから成るウェル層とを交互にそれぞれ６層積層されたＭＱＷ(Multiple-Quantum Well)で構成されている。発光層５の上面に、厚さが２０ｎｍ程度のｐ型ＡｌＧａＮ層６が形成されている。ｐ型ＡｌＧａＮ層６の上面に、厚さが８０ｎｍ程度のｐ型ＧａＮ層７が形成されている。
【００２３】
ｐ型ＧａＮ層７の上面に、厚さが２００ｎｍ程度の電流拡散層８が形成されている。電流拡散層８は、ＩＴＯ(酸化インジウムスズ)により構成されている。電流拡散層８およびｎ型ＧａＮ層３の上面を一部を除いて覆うように、絶縁性保護膜９が形成されている。絶縁性保護膜９は、厚さが２００ｎｍ程度のＳｉＯ2で構成されている。
【００２４】
絶縁性保護膜９が覆っていない部分の電流拡散層８の上面にｐ型パッド電極１１が形成され、絶縁性保護膜９が覆っていない部分のｎ型ＧａＮ層３の上面にｎ型パッド電極１０が形成されている。ｎ型パッド電極１０およびｐ型パッド電極１１は、厚さが２０ｎｍ程度のＴｉ、厚さが３０ｎｍ程度のＭｏおよび厚さが５００ｎｍ程度のＡｕが積層されて形成されている。
【００２５】
以下、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の形成方法を説明する。まず、透光性基板１として、たとえば、ｃ面サファイア基板に凹部領域および凸部領域を形成するため、サファイア基板の上面にレジストをパターニングする。レジストをマスクとしてドライエッチングを行ない、サファイア基板に１μｍ程度の深さまでエッチングする。
【００２６】
次に、サファイア基板上からレジストを除去する。上面に凹部領域および凸部領域が形成されたサファイア基板をＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Depositon)装置に導入する。装置内でサファイア基板に１１００℃の水素を流しながら、クリーニングを５分間行なう。
【００２７】
その後、サファイア基板上にＧａＮから成るバッファ層を成長させる。バッファ層の上に、ノンドープのＧａＮ層２を３μｍ程度の厚さまで成長させ、その上にｎ型ＧａＮ層３を２μｍ程度の厚さまで成長させる。ｎ型ＧａＮ層３の上に、ノンドープのＧａＮとＩｎＧａＮとから構成されるＳＬ層４を成長させ、ＳＬ層４の上にＧａＮから成るバリア層とＩｎＧａＮとから成るウェル層を６周期成長させたＭＱＷから成る発光層５を成長させる。発光層５の上にｐ型ＡｌＧａＮ層６を２０ｎｍ程度の厚さまで成長させ、その上にｐ型ＧａＮ層７を８０ｎｍ程度の厚さまで成長させる。
【００２８】
上記、ＧａＮから成るバッファ層は、少なくともサファイア基板上の上面の凸部領域の上面および凹部領域の底面に形成される。サファイア基板の上面にノンドープのＧａＮ層２を成長させる際、バッファ層が形成された凸部領域の上面および凹部領域の底面においてＧａＮがそれぞれ成長し、やがて、会合してつながる。
【００２９】
ｐ型ＧａＮ層７の表面に、電流拡散層８およびコンタクト電極としてＩＴＯを２００ｎｍ程度の厚さまでスパッタリングする。その上に、コンタクト電極をパターニングするためのレジストを形成する。このレジストをマスクにして、塩酸またはシュウ酸を含むエッチング液を用いてＩＴＯをエッチングする。
【００３０】
その後、レジストを除去し、上記工程で積層された積層体を酸素を含む雰囲気中でアロイする。そうすると、ｐ型ＡｌＧａＮ層６およびｐ型ＧａＮ層７の活性化、電流拡散層８とｐ型ＧａＮ層７とのオーミックコンタクト抵抗の低減、および、ＩＴＯの透明化が同時に行なわれる。
【００３１】
次に、メサエッチング用のレジストを上記積層体の上面に形成する。このレジストをマスクにして、ＩＣＰ(Inductively coupled plasma)によりメサエッチングを行ない、ｎ型ＧａＮ層３を積層体の表面に露出させる。その後、絶縁性保護膜９としてＳｉＯ2を２００ｎｍ程度の厚さまで形成する。
【００３２】
絶縁性保護膜９には、ｎ型パッド電極１０およびｐ型パッド電極１１が形成される位置に開口部が形成される。開口部を形成するために、絶縁性保護膜９の上面に、開口部に対応するようにレジストがパターニングされる。このレジストをマスクにして、ＣＨＦ3ガスを用いてドライエッチングを行なう。ｐ型パッド電極１１の形成位置ではＩＴＯが露出するまで、ｎ型パッド電極１０の形成位置ではｎ型ＧａＮ層３が露出するまでエッチングする。
【００３３】
ここで、絶縁性保護膜９を構成するＳｉＯ2と電流拡散層８を構成するＩＴＯとに対する、エッチングガスであるＣＨＦ3のエッチング選択比は５以上である。よって、ＣＨＦ3によるエッチングに対し、ＩＴＯはエッチングストップ層として機能する。また、絶縁性保護膜９を構成するＳｉＯ2とｎ型ＧａＮ層３とに対する、エッチングガスであるＣＨＦ3のエッチング選択比は５以上である。よって、ＣＨＦ3によるエッチングに対し、ｎ型ＧａＮ層３はエッチングストップ層として機能する。
【００３４】
次に、レジストを除去した後、パッド電極形成用のレジストを新たに形成する。このレジストをマスクにして、Ｔｉを２０ｎｍ程度、Ｍｏを３０ｎｍ程度、Ａｕを５００ｎｍ程度の厚さまで蒸着する。レジスト上に蒸着された金属をレジストと共に除去する、いわゆるリフトオフ法によりｎ型パッド電極１０およびｐ型パッド電極１１を同時に形成する。このようにして、本実施の形態に係る、窒化物半導体発光素子が形成される。
【００３５】
本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子は、電流拡散層８およびコンタクト電極により、発光素子の全面に電流が効率よく流されるため、発光層５の全面において均一に発光する。発行した光は、発光層５から窒化物半導体層を伝播して、サファイア基板とノンドープのＧａＮ層２との界面に到達する。サファイア基板の上面に凹部領域および凸部領域が形成されているため、界面における光の反射が抑制されて、サファイア基板の内部に光が効率よく入射する。
【００３６】
サファイア基板の屈折率は約１．７程度であり、一般的に用いられる、屈折率が約１．５程度のモールド樹脂と比較的近い屈折率を有している。このため、サファイア基板に入射した光は、サファイア基板の裏面または側面から外部に効率よく取り出される。また、サファイア基板の上面に形成される凹部領域および凸部領域を所定の形状および配置にすることにより、さらに光の取り出し効率を向上させることができる。
【００３７】
以下、透光性基板１の上面に形成される凹部領域および凸部領域について説明する。まず、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子に対する比較例を説明する。図２(Ａ)は、比較例の窒化物半導体発光素子における透光性基板上面の凹部領域および凸部領域を示す平面図、(Ｂ)は、凹部領域および凸部領域の一部分を拡大して示す平面図、(Ｃ)は、光が凹部領域および凸部領域において散乱せずに通過する状態を示す平面図である。
【００３８】
窒化物半導体発光素子の発光層５で発生する光は、半導体層内を伝播して透光性基板１の上面に到達するが、このとき、光の進行方向が透光性基板１の上面に対して平行となっている場合がある。この場合、光は、反射または散乱により進行方向を変えられない限り、透光性基板１の内部に入射しない。
【００３９】
図２(Ｃ)に示すように、透光性基板１の上面に六角形１４の凸部領域を形成した場合、光は凹部領域を矢印で示すように直進する可能性がある。このような光は、素子内で多重反射を繰り返すうちに減衰して、基板の外部に取り出すことができない。よって、形成された凹部領域および凸部領域が、光の取り出し効率の改善に寄与できない場合がある。なお、凹部領域と凸部領域は逆でもよく、凹部領域が六角形１４の形状に形成されていてもよい。
【００４０】
図３は、比較例の窒化物半導体発光素子における透光性基板上面の凹部領域および凸部領域を示す平面図である。図３に示すように、透光性基板の上面に円形１５の凸部領域を形成した場合、光は凹部領域を矢印で示すように直進する可能性がある。このような光は、素子内で多重反射を繰り返すうちに減衰して、基板の外部に取り出すことができない。よって、形成された凹部領域および凸部領域が、光の取り出し効率の改善に寄与できない場合がある。なお、凹部領域と凸部領域は逆でもよく、凹部領域が円形の形状に形成されていてもよい。
【００４１】
凸部領域および凹部領域を上記の六角形１４および円形１５の形状で形成した場合でも、その配置によっては、光が素子内を直進して多重反射することを防ぐことができる。図２(Ａ)に示すように、隣り合う六角形同士の間隔をＬ１、六角形の対向する辺同士の間隔をＬ２とする。この場合、図２(Ｃ)に示すように、光が直進可能な幅Ｌ３は、Ｌ３＝√３／２×Ｌ１−√３／６×Ｌ２で表される。このＬ３≦０のとき、光は凹部領域と凸部領域の境界に当たって散乱されることになる。
【００４２】
透光性基板１の上面に微細な形状から成る凸部領域および凹部領域を形成するためには、レジストをパターニングするステッパーが使用される。このステッパーは、微細な形状を作製できるものほど高価になる。そのため、図２(Ａ)に示す六角形１４において、Ｌ１，Ｌ２を小さくすると、ステッパーが高価になるため発光ダイオードの製造コストが上昇してしまう。発光ダイオードの製造には、一般に、１μｍ程度のサイズの形状を作製可能なステッパーが使用されている。
【００４３】
そこで、一般のステッパーで形成できる、Ｌ１＝１μｍとすると、Ｌ３≦０となるのは、Ｌ２≧３μｍのときである。つまり、六角形１４の対向する辺の間隔を３μｍ以上で形成しなければ、透光性基板１との界面近傍の半導体層内を透光性基板１の上面と平行に光が直進することを防ぐことができない。
【００４４】
図２(Ｂ)で示すように、六角形１４の内角γは１８０°以下である。そのため、複数の六角形１４を配置する際に、内角γを有する頂点における一辺とその隣辺とで挟まれる領域の反対(３６０°−γ)側に、隣り合う六角形１４を接することなく近接して配置し、光が素子内を直進することを防ごうとすると、凸部領域および凹部領域のサイズが大きくなってしまう。
【００４５】
さらに、上記のステッパーを使用する方法より廉価な方法として、コンタクト式露光装置を用いて、透光性基板の上面に凸部領域および凹部領域を形成する方法がある。この場合、作製可能な形状のサイズは一般に２μｍ程度となる。そこで、Ｌ１＝２μｍとすると、Ｌ３≦０となるのは、Ｌ２≧６μｍのときである。よって、コンタクト式露光装置を用いた場合、六角形１４の対向する辺の間隔を６μｍ以上で形成しなければ、透光性基板１との界面近傍の半導体層内を透光性基板１の上面と平行に光が直進することを防ぐことができない。
【００４６】
同様に、図３に示すような円形１５の凸部領域を形成した場合において、円の半径をｒ、隣り合う円同士の間隔をＬ４とする。この場合、光が直進可能な幅Ｌ５は、Ｌ５＝√３／２×Ｌ４＋(√３−２)×ｒで表される。一般のステッパーを用いてレジストをパターニングし、透光性基板１の上面に円形１５の凸部領域を形成する場合、１μｍ程度のサイズの形状が作製可能である。
【００４７】
そこで、一般のステッパーで形成できる、Ｌ４＝１μｍとすると、このＬ５≦０となるのは、ｒ≧４．８μｍのときである。つまり、直径９．６μｍ以上の円形１５で形成しなければ、光が透光性基板１の上面を透光性基板１の上面と平行に直進することを防ぐことができない。
【００４８】
このように、凸部領域を六角形１４または円形１５で形成した場合、光の多重反射を防ぐためには、凸部領域を３μｍ以上のサイズで形成しなければならない。しかし、光の散乱確率を上げて、透光性基板１からの光の取り出し効率を良くするためには、凸部領域および凹部領域のサイズを小さくして凸部領域と凹部領域との境界を透光性基板１上に高密度に配置した方がよい。このため、凸部領域および凹部領域の大きさを大きくせずに、透光性基板１の上面に高密度に配置できる形状を有する凸部領域および凹部領域が必要である。
【００４９】
以下、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子において、透光性基板１の上面に形成される凸部領域および凹部領域について説明する。図４(Ａ)は、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子における透光性基板の上面に形成される凸部領域および凹部領域を示す平面図であり、(Ｂ)は、凸部領域および凹部領域の一部分を拡大して示す平面図である。
【００５０】
図４(Ａ)に示すように、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の透光性基板１の上面は、複数の凸部領域および凹部領域が形成されている。図４(Ａ)において、凸部領域を多角形１２で形成し、凹部領域を多角形１２を除いた形状としてもよいし、凹部領域を多角形１２で形成し、凸部領域を多角形１２を除いた形状としてもよい。
【００５１】
図４(Ｂ)に示すように、凸部領域および凹部領域の一方は、平面的に見て、１８０°以上の内角αを有する頂点を少なくとも一つ以上含む多角形１２で形成されている。図４(Ａ)に示すように、多角形１２は１８０°以上の内角αを３つ有し、透光性基板１の上面に複数配置されている。
【００５２】
さらに、凸部領域および凹部領域の他方は、平面的に見て、直線状につながらないように形成されている。そのため、透光性基板１の上面は全体的に複数の凸部領域および凹部領域が形成され、透光性基板１との界面近傍の半導体層内を透光性基板１の上面と平行に進む光は、全方位において必ず凸部領域と凹部領域との境界に存在する側面に当たることになる。側面に当たった光は、散乱して透光性基板１の内部に入射する。
【００５３】
このように凸部領域および凹部領域を形成することにより、透光性基板１との界面近傍の半導体層内を透光性基板１の上面と平行に直進する光を散乱させて、透光性基板１の内部に入射させることができる。その結果、透光性基板１の側面または下面から取り出される光が増えるため、発光素子の光の取り出し効率の向上が図られる。
【００５４】
また、多角形１２が１８０°以上の内角αを有する頂点を少なくとも一つ以上含んでいるため、複数の多角形１２を配置する際に、内角αを有する頂点における一辺とその隣辺とで挟まれる領域の反対(３６０°−α)側に空間ができ、この空間に隣り合う多角形１２を接することなく近接して配置することができる。さらに、多角形１２は、放射状に突出する突出部を複数有し、隣り合う突出部同士の間に凹みが形成され、この多角形の凹みに、隣り合う多角形の突出部が配置されるようにしてもよい。
【００５５】
このように多角形１２を配置することにより、多角形１２の大きさを大きくすることなく凹部領域と凸部領域との境界を透光性基板１の上面に高密度に形成できる。そのため、透光性基板１との界面近傍の半導体層内を直進する光を散乱させて、透光性基板１の内部に高い割合で入射させることができる。また、これらの凸部領域および凹部領域は通常のステッパーで形成できるため、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子を廉価に作成することができる。
【００５６】
図５(Ａ)は、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子における透光性基板の上面に形成される凸部領域および凹部領域を示す平面図であり、(Ｂ)は、凸部領域および凹部領域の一部分を拡大して示す平面図である。
【００５７】
図５(Ａ)に示すように、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の透光性基板１の上面には、凸部領域および凹部領域が形成されている。図５(Ａ)において、凸部領域を多角形１３で形成し、凹部領域を多角形１３を除いた形状としてもよいし、凹部領域を多角形１３で形成し、凸部領域を多角形１３を除いた形状としてもよい。
【００５８】
図５(Ｂ)に示すように、凸部領域および凹部領域の一方は、平面的に見て、１８０°以上の内角βを有する頂点を少なくとも一つ以上含む多角形１３で形成されている。図５(Ａ)に示すように、多角形１３は１８０°以上の内角βを４つ有し、透光性基板１の上面に複数配置されている。
【００５９】
さらに、凸部領域および凹部領域の他方は、平面的に見て、直線状につながらないように形成されている。そのため、透光性基板１の上面は全体的に複数の凸部領域および凹部領域が形成され、透光性基板１との界面近傍の半導体層内を透光性基板１の上面と平行に進む光は、全方位において必ず凸部領域と凹部領域との境界に存在する側面に当たることになる。側面に当たった光は、散乱して透光性基板１の内部に入射する。
【００６０】
このように凸部領域および凹部領域を形成することにより、透光性基板１との界面近傍の半導体層内を透光性基板１の上面と平行に直進する光を散乱させて、透光性基板１の内部に入射させることができる。その結果、透光性基板１の側面または下面から取り出される光が増えるため、発光素子の光の取り出し効率の向上が図られる。
【００６１】
また、多角形１３が１８０°以上の内角βを有する頂点を少なくとも一つ以上含んでいるため、複数の多角形１３を配置する際に、内角βを有する頂点における一辺とその隣辺とで挟まれる領域の反対(３６０°−β)側に空間ができ、この空間に隣り合う多角形１３を接することなく近接して配置することができる。さらに、多角形１３は、放射状に突出する突出部を複数有し、隣り合う突出部同士の間に凹みが形成され、この多角形の凹みに、隣り合う多角形の突出部が配置されるようにしてもよい。
【００６２】
このように多角形１３を配置することにより、多角形１３の大きさを大きくすることなく凹部領域と凸部領域との境界を透光性基板１の上面に高密度に形成できる。そのため、透光性基板１との界面近傍の半導体層内を透光性基板１の上面と平行に直進する光を散乱させて、基板の内部に高い割合で入射させることができる。また、これらの凸部領域および凹部領域は通常のステッパーで形成できるため、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子を廉価に作成することができる。
【００６３】
本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子は、上記の構成を有することにより、透光性基板１とノンドープのＧａＮ層２との界面において、あらゆる角度に放射された光を全反射させずに散乱させることができる。よって、素子内における多重反射により電極層および活性層において光が吸収されて減衰することを防いで、光の取り出し効率を向上させることができる。なお、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子において、透光性基板の上面に形成される凹部領域または凸部領域の多角形の形状は、図４，３に示す多角形の形状に限られない。
【００６４】
本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子において、凹部領域または凸部領域の多角形を構成する辺は、窒化物半導体層における結晶面と平行である辺を含むようにしてもよい。こうすることで、透光性基板１の上面に窒化物半導体層が成長する際、窒化物半導体層の結晶面と透光性基板１の凸部領域の上面および凹部領域の底面とが平行となるため、互いの面が密着する。
【００６５】
この状態で、凸部領域および凹部領域を埋め込むように窒化物半導体層を成長させることにより、ボイドの発生を防ぐことができる。ボイドは、屈折率が１に近い孤立領域となるため、そこに光が到達すると反射されやすい。そのためボイドが発生すると、光は透光性基板１の内部に入射しにくくなり、窒化物半導体層内に戻る確率が高くなる。よって、ボイドの発生を防ぐことにより、窒化物半導体発光素子の光の取り出し効率を向上させることができる。
【００６６】
本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子において、凹部領域または凸部領域の多角形は、窒化物半導体層における結晶軸の＜１１−２０＞方向の辺で構成されるようにしてもよい。窒化物半導体層は、六角形の結晶が敷き詰められて結晶成長するため、凹部領域または凸部領域の多角形を構成する辺が、この六角形の辺と平行でない場合、成長した結晶にボイドが発生してしまう。
【００６７】
そのため、凹部領域または凸部領域の多角形を上記のように構成することにより、さらにボイドの発生を低減して、窒化物半導体発光素子の光の取り出し効率を向上させることができる。また、窒化物半導体層の成長初期には、結晶内または結晶間の界面に転位が発生するが、横方向成長が進むと、転位が曲げられ、貫通転位を低減することができる。この結果、内部量子効率を向上させることができる。
【００６８】
本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子において、凹部領域および凸部領域の幅が２０μｍ以下であるようにしてもよい。通常、発光ダイオードの１チップ内において、発光領域の幅は、狭いところで２０μｍ程度である。その幅の中に凹部領域および凸部領域の境界が１箇所は少なくとも含まれるように形成されるのが好ましい。
【００６９】
凹部領域および凸部領域の幅が２０μｍより大きくなると、その領域内で多重反射を繰り返してしまう。凹部領域および凸部領域の幅が長くなるほど多重反射の回数が多くなり、それに従って、電極層および活性層における光吸収が増え、光の取り出し効率が低下してしまう。凹部領域および凸部領域の幅が２０μｍ以下であれば、その領域内で起こる反射は数回であるため、影響は小さく、光取り出し効率を高く維持することができる。
【００７０】
本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子において、凹部領域および凸部領域の高さまたは深さが４０ｎｍ以上であるようにしてもよい。凹部領域および凸部領域により十分な光の散乱効果を得るには、光の波長の１／４以上の高さが必要である。この波長は、屈折率を考慮した光路長で考える必要がある。
【００７１】
窒化物半導体層の屈折率は、光の波長および窒化物半導体層の組成により変化するが、略２．５程度である。窒化物半導体発光素子の発光波長は、４００ｎｍ以上である場合が多い。よって、凹部領域および凸部領域の必要な高さは、４００ｎｍ×１／４×１／２．５＝４０ｎｍ以上となる。凹部領域の深さおよび凸部領域の高さを４０ｎｍ以上にすることにより、透光性基板１の上面において、有効に光を散乱させることができ、光の取り出し効率の改善を図ることができる。
【００７２】
本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子において、凹部領域および凸部領域の側面がテーパ状であるようにしてもよい。凹部領域および凸部領域の側面をテーパ状にするために、透光性基板をエッチングする際にマスクとして使用するレジストの側面をテーパ状にする。つまり、レジストの断面を、略台形のような形状にする。このような形状のレジストをマスクにエッチングすると、透光性基板１の凹部領域および凸部領域の側面をテーパ状にすることができる。
【００７３】
凹部領域および凸部領域の側面をテーパ状にすると、側面の面積が増えて光が当たりやすくなり、また、その側面の傾きによって光が良好に散乱されて透光性基板１の中に入射されやすくなる。よって、透光性基板１の側面から効率よく光を取り出すことができる。
【００７４】
また、凹部領域および凸部領域の側面がテーパ状になっていない場合、凸部領域の側面が垂直になっているため、結晶は凹部領域の底面から真上にまっすぐ成長する。そのため、凸部領域の上面に成長した結晶と整合性良く会合することができず、ボイドが発生しやすくなる。
【００７５】
そこで、凹部領域および凸部領域の側面がテーパ状になっていると、このテーパに沿って結晶が横方向にも成長していくため、凸部領域の上面に成長した結晶と整合性良く会合することができる。さらに、凹部領域および凸部領域の側面がテーパ状になっていると、凸部領域の上面の面積が小さくなり凸部領域の上面に成長する結晶の成長速度が遅くなる。その結果、凹部領域の底面から成長した結晶と、凸部領域の上面に成長した結晶の高さの差が小さくなるため、結晶が会合しやすく発生するボイドが低減する。ボイドが低減することにより、発光素子の光の取り出し効率が向上される。
【００７６】
本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子において、凹部領域が、平面的に見て、直線状につながらないように形成される場合、平面的に見て、凹部領域は連続してつながるように形成されてもよい。このようにすると、凹部領域は、直線状にはつながっていないが、曲がった形ではつながっている。凹部領域がつながらずに孤立状態になっている場合、結晶成長させる際の原料ガスが凹部領域内の隅々に流れにくいため、凹部領域の隅部にボイドが発生しやすい。
【００７７】
凹部領域が連続してつながるように形成されることで、結晶成長させる際の原料ガスが凹部領域内の隅々まで行き渡るため、凹部領域内にボイドが発生しにくい。このように、ボイドの発生を低減することで、透光性基板１とノンドープのＧａＮ層２との間の界面において効率よく光を散乱させて、透光性基板１内に入射する光を増やし、発光素子の光取り出し効率を向上させることができる。
【００７８】
また、凹部領域内に原料ガスが滞りなく到達することで、凹部領域および凸部領域に安定して結晶が成長し、その後、凹部領域内の結晶と凸部領域上の結晶とが会合する。そのため、結晶内または結晶間に発生した転位が曲げられ、透光性基板の表面に達する貫通転位を低減できるため、内部量子効率を向上させることができる。
【００７９】
本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子において、凸部領域が、平面的に見て、１８０°以上の内角を有する頂点を少なくとも一つ以上含む複数の多角形が配置されることにより形成される場合、平面的に見て、凸部領域は不連続に形成されるようにしてもよい。多角形が複数配置される凸部領域を不連続に形成することにより、隣り合う凸部領域同士が接近しつつも離隔して配置されることにより、凹部領域が直線状につながらないようにすることができる。このようにして、透光性基板の上面を光が直進することを防ぎ、光を散乱させて透光性基板の内部に入射させることができる。その結果、透光性基板の側面または下面から取り出される光が増えるため、発光素子の光の取り出し効率の向上が図られる。
【００８０】
また、凸部領域を不連続に形成することにより、凸部領域と凹部領域との境界を多くすることができる。そのため、凸部領域および凹部領域で成長した結晶が会合して、結晶内および結晶界面で成長した転位が曲げられて貫通転位が低減される割合が増えるため、内部量子効率を向上させることができる。
【００８１】
本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子において、透光性基板１は、窒化物半導体層より小さい屈折率を有するようにしてもよい。透光性基板１と窒化物半導体層との界面で光が効率よく散乱することで、透光性基板１の内部に多くの光が入射する。通常、透光性基板１は樹脂または空気などで外部を覆われている。
【００８２】
これらの樹脂または空気などの屈折率は小さいため、透光性基板１の側面から外部に光を効率よく取り出すには、透光性基板１の屈折率も小さい方が好ましい。特に、窒化物半導体層よりも透光性基板１から効率よく光を取り出すには、窒化物半導体層よりも透光性基板１の屈折率が小さい方が好ましい。さらに好ましくは、透光性基板１の屈折率が２以下であることが好ましい。
【００８３】
本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子において、透光性基板１は、窒化物半導体層より発光される光の透過率が高い。透光性基板１の透過率が低い場合、透光性基板１とノンドープのＧａＮ層２との界面で効率良く散乱して、透光性基板１の内部に多くの光が入射したとしても、透光性基板１の内部で光の吸収が起こり、外部への光の取り出し効率が低下する。
【００８４】
そのため、光を透光性基板１の側面から外部に効率よく取り出すには、基板の透過率が高いことが好ましく、さらに、可視光に対する透過率が９０％以上であることが好ましい。可視光領域の波長に対する窒化物半導体層の透過率が９０％程度であるため、透光性基板１は窒化物半導体結晶より透過率の高い、９０％以上の透過率を有することが好ましい。
【００８５】
上記のように、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体層が、ｎ型窒化物半導体層、発光層５およびｐ型窒化物半導体層を含むようにしてもよい。このようにすることで、良好な発光層５を形成することができ、発光素子の発光効率を向上させることができる。
【００８６】
上記のように、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子は、ｐ型窒化物半導体層の表面に電流拡散層８が形成されるようにしてもよい。ｐ型窒化物半導体層の表面に電流拡散層８が形成されることにより、窒化物半導体発光素子は全面で発光し、透光性基板１に形成された凸部領域および凹部領域に均一に光が当たる。この光は散乱されて、透光性基板１の内部に入射し、その後、透光性基板１の側面から外部に効率よく取り出されるため、発光素子の光の取り出し効率の向上が図られる。
【００８７】
本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子において、電流拡散層８は透明導電膜を含むようにしてもよい。上記のように、たとえば、ＩＴＯを電流拡散層８に使用することにより、可視光を透過させながら電気を流すことができるため、素子内における光の吸収を低減することができる。
【００８８】
本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子において、ｐ型窒化物半導体層または電流拡散層８の表面に、発光される光を反射する反射層が形成されるようにしてもよい。こうすることで、発光層５から放射された光のうち、透光性基板１とは反対側に放射された光は、反射層で反射されて透光性基板１側に向かい、透光性基板１と窒化物半導体層との界面の凸部領域および凹部領域によって散乱されて透光性基板１の内部に入射する。その光は、透光性基板１の側面または透光性基板１の裏面などから効率よく取り出される。
【００８９】
このような構造は、フリップチップマウントをする場合に特に好ましい。反射層は、たとえば、ＡｇやＡｇ合金などをコンタクト電極としてｐ型窒化物半導体層の表面に直接形成してもよい。または、透明導電膜またはｎ型窒化物半導体層で構成される電流拡散層８の表面にＡｇやＡｇ合金などを反射層として形成してもよい。もしくは、絶縁性保護膜９の代わりに、誘電体多層膜で構成される反射層を形成してもよい。
【００９０】
本実施の形態において説明した数値などは例示であって、これに限られるものではない。また、本実施の形態では、透光性基板１としてｃ面サファイア基板を用いたが、他の面方位の基板を用いてもよい。さらに、電流拡散層８としてＩＴＯを用いたが、その他の透明導電膜、たとえば、ＩＺＯ、ＩＧＯおよびＩＣＯなどを用いてもよいし、電流拡散層８にｎ型ＧａＮ層を用いてもよい。
【００９１】
電流拡散層８としてｎ型ＧａＮ層を用いる場合、ｐ型ＧａＮ層を成長させた後、連続してＭＯＣＶＤ装置内で結晶成長させることが可能である。この場合、パッド電極がコンタクト電極として機能するため、電流拡散層８の全面にコンタクト電極を形成する必要がない。
【００９２】
本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子は、透光性基板１側をフレームなどの台座にマウントして、透光性基板１の側面から光を取り出すようにしてもよい。または、フリップチップ実装のように、パッド電極側をバンプなどでマウントし、透光性基板１の裏面および側面から光を取り出すようにしてもよい。
【００９３】
本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子をフリップチップ実装する場合は、ｐ型ＧａＮ層の表面にＡｇまたはＡｇ合金で構成され、コンタクト電極を兼ねる反射層を形成してもよい。また、電流拡散層８の上面にＡｇまたはＡｇ合金で構成される反射層を形成してもよい。さらに、絶縁性保護膜９をＳｉＯ2から誘電体多層膜で構成され、反射層を兼ねるものにしてもよい。
【００９４】
実験例１
以下、透光性基板１の上面に形成される凸状領域または凹状領域を図２(Ａ)，２(Ｃ)，３，４および５の５パターン形成し、発光素子の出力を計測した結果を示す。図４，５に示す形状では、凸部領域の最も狭い箇所の幅を１．５μｍ、凹部領域の最も狭い箇所の幅を１．５μｍとした場合、発光素子の出力は、電圧が３．１Ｖで３０ｍＷとなった。
【００９５】
図２(Ａ)に示す形状では、Ｌ１＝１μｍ、Ｌ２＝３．５μｍとした場合、発光素子の出力は電圧が３．１Ｖで２９ｍＷとなった。図３に示す形状では、Ｌ４＝１μｍ、ｒ＝５μｍとした場合、発光素子の出力は電圧が３．１Ｖで２７ｍＷとなった。図２(Ｃ)に示す形状では、発光素子の出力は、電圧が３．１Ｖで２０〜２５ｍＷ程度となった。
【００９６】
このように、図３に示す形状の凸部領域または凹部領域を有する発光素子は、図２(Ｃ)に示す形状の凸部領域または凹部領域を有する発光素子と比べると、発光効率の改善は認められる。しかし、図４，５に示す形状の凸部領域または凹部領域を有する発光素子に比べると、発光効率が劣る。
【００９７】
この発光効率が劣る理由は、図３に示す形状の凸部領域または凹部領域を有する発光素子は、凸部領域および凹部領域の領域内の平坦部分の面積が広いことにより、凸部領域および凹部領域の内部で少数回の多重反射が起こっていることが理由として考えられる。また、凸部領域および凹部領域の境界が少ないため、転位の曲がりが不十分で貫通転位があまり減少せずに、内部量子効率が比較的低いためと考えられる。
【００９８】
また、窒化物半導体を形成したウエハの反りは、図２(Ａ)，２(Ｂ)，３に示す形状の凸部領域または凹部領域を形成したものに比べて、図４，５に示す形状の凸部領域または凹部領域を形成したもののほうが小さかった。これは、図４，５に示す形状の凸部領域または凹部領域を形成したもののほうが、透光性基板と窒化物半導体層との接触面積が大きいため、応力が緩和しやすいためと考えられる。ウエハの反りが小さいほど、基板の研削研磨およびチップの分割の際の歩留まりが良好であった。
【００９９】
実験例２
以下、ＡｌＮバッッファ層１６を形成した窒化物半導体発光素子の形成方法および出力の計測結果を示す。
【０１００】
まず、実験例１と同様に、図４または図５に示す形状の凹部領域および凸部領域を透光性基板１の表面上に形成した。透光性基板１として、サファイア基板を用いた。この透光性基板１を、ＤＣ−ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ方式により電圧を印加して行なわれるＤＣマグネトロンスパッタ装置のチャンバの内部のヒータ上に設置した。
【０１０１】
ここで、透光性基板１のｃ面が、Ａｌターゲットの表面と対向し、かつ、Ａｌターゲットの表面の中心と透光性基板１のｃ面との最短距離が５０ｍｍとなるように透光性基板１を設置した。その状態で、ヒータによって透光性基板１を５００℃に加熱した。その後、ＤＣマグネトロンスパッタ装置のチャンバの内部に、窒素ガスのみを２０ｓｃｃｍの流量で供給した。透光性基板１の温度を、５００℃に保持した。
【０１０２】
そして、透光性基板１とＡｌターゲットとの間に、ＤＣ−ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ方式により３０００Ｗのバイアス電圧を印加して窒素プラズマを生成した。チャンバの内部の圧力を０．５Ｐａに保持し、チャンバの内部に１００ｖｏｌ％の窒素ガスを２０ｓｃｃｍの流量で供給した。ＤＣマグネトロンスパッタ法を用いた反応性スパッタにより、透光性基板１のｃ面上に、ＡｌＮの柱状結晶の集合体からなる厚さ２５ｎｍのＡｌＮバッファ層１６を積層した。このときのＡｌＮバッファ層１６の形成速度は、０．０４ｎｍ／秒であった。
【０１０３】
なお、ＤＣマグネトロンスパッタ装置のカソード中のマグネットは、透光性基板１のｃ面の窒化中およびＡｌＮバッファ層１６の積層中のいずれの場合にも揺動されていた。また、ＡｌＮバッファ層１６の積層は、予め測定しておいたＡｌＮバッファ層１６の成膜速度にしたがって所定の時間だけ行なわれ、ＡｌＮバッファ層１６の厚さが２５ｎｍとなったところで窒素プラズマの発生を停止させることにより、透光性基板１の温度を低下させた。スパッタ直前のチャンバの圧力は、１×１０-4Ｐａ以下であった。
【０１０４】
次に、ＡｌＮバッファ層１６の積層後の透光性基板１をＤＣマグネトロンスパッタ装置のチャンバから取り出し、ＭＯＣＶＤ装置の気相成長反応炉の内部に設置した。ここで、ＡｌＮバッファ層１６の積層後の透光性基板１は、高周波誘導加熱式ヒータで加熱される場合は、グラファイト製のサセプタ上に設置される。一方、抵抗加熱式のヒータで加熱される場合は、グラファイト製のサセプタ上に置かれる石英製のトレイの上に設置される。
【０１０５】
気相成長反応炉の内部にアンモニアガスを供給しながら、キャリアガスとして窒素ガスおよび水素ガスを供給した状態で、透光性基板１の温度を約１５分間かけて１１２５℃まで上昇させた。気相成長反応炉の内部の圧力は常圧とし、キャリアガスである水素ガスと窒素ガスの流量比を５０／５０とした。
【０１０６】
透光性基板１の温度が、１１２５℃で安定したのを確認した後、ＴＭＧ(THROAT MIX GAS)ガスの気相成長反応炉の内部への供給を開始して、ＡｌＮバッファ層１６の表面上に厚さ５μｍのノンドープのＧａＮ層２をＭＯＣＶＤ法により積層した。なお、ＴＭＧガスは、ＩＩＩ族元素に対するＶ族元素のモル比（Ｖ族元素のモル数／ＩＩＩ族元素のモル数）が、１５００となるように気相成長反応炉の内部に供給された。
【０１０７】
次に、透光性基板１の温度を１１２５℃に保持して、Ｓｉのドーピング濃度が１×１０１９／ｃｍ3となるようにシランガスを気相成長反応炉の内部に供給することによって、ノンドープのＧａＮ層２の表面上に厚さ３μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層３をＭＯＣＶＤ法により積層した。
【０１０８】
気相成長反応炉の内部へのＴＭＧガスおよび水素ガスの供給を停止した後に、透光性基板１の温度を８７０℃に低下させた。そして、気相成長反応炉の内部状態が安定するのを確認した後に、原料ガスとしてのＴＭＧガス、ＴＭＩガスおよびアンモニアガスを気相成長反応炉の内部に供給した。さらに、Ｓｉドーピング濃度が、５×１０18／ｃｍ3となるようにシランガスを気相成長反応炉の内部に供給することによって、Ｓｉドープｎ型のＧａＮとＩｎＧａＮとから成るｎ型ＳＬ層４を積層した。
【０１０９】
次に、気相成長反応炉の内部へのＴＭＧガスおよび水素ガスの供給を停止した後に、透光性基板１の温度を８５０℃に低下させた。気相成長反応炉の内部の状態が安定するのを確認した後に、原料ガスとしてのＴＭＧガス、ＴＭＩガスおよびアンモニアガスを気相成長反応炉の内部に供給した。さらに、Ｓｉのドーピング濃度が１×１０18／ｃｍ3となるように、シランガスを気相成長反応炉の内部に供給することによって、ｎ型ＧａＮコンタクト層の表面上に、厚さ８ｎｍのＳｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎバリア層を積層した。シランガスの供給を停止した後に、ＴＭＧガスおよびＴＭＩガスを供給することによってＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎからなるウエル層を３ｎｍの厚さに積層した。
【０１１０】
上記のようにバリア層とウエル層の形成手順を繰り返すことによって、７層のｎ型ＧａＮからなるバリア層と６層のＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎからなるウエル層とが１層ずつ交互に積層された多重量子井戸構造のＭＱＷから成る発光層５を、ｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎバリア層の表面上に積層した。
【０１１１】
次に、透光性基板１の温度を１１００℃まで上昇させ、キャリアガスを窒素ガスから水素ガスに変更した。そして、気相成長反応炉の内部に、ＴＭＧガス、ＴＭＡガスおよびＣＰ2Ｍｇガスを２分間に亘って供給した後、ＴＭＧガスおよびＴＭＡガスの供給を停止した。これにより、厚さ２０ｎｍのＭｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層６をＭＱＷ活性層である発光層５の表面上に積層した。
【０１１２】
透光性基板１の温度を１１００℃に保持するとともに、気相成長反応炉の内部にアンモニアガスを供給しながら、ＴＭＡの供給を停止した。その後、ＴＭＧガスとＣＰ2Ｍｇガスの供給量を変更することによって、厚さ０．２μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮ層７をｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層６の表面上に積層した。
【０１１３】
ｐ型ＧａＮ層７の積層後、直ちにヒータへの通電を停止するとともに、気相成長反応炉の内部に供給されるキャリアガスを水素ガスから窒素ガスに変更した。透光性基板１の温度が３００℃以下になったことを確認して、上記の層が積層された透光性基板１を気相成長反応炉から取り出した。以降の工程は、実験例１と同様であるため、説明を繰り返さない。
【０１１４】
図６は、実験例２において作製された窒化物半導体発光素子の構造を示す断面図である。図６に示すように、透光性基板１の上面にＡｌＮバッファ層１６が形成されている。ＡｌＮバッファ層１６は透光性基板１の上面において、少なくとも凸部領域の上面および凹部領域の底面に形成されている。
【０１１５】
ｐ型ＧａＮ層７の上面に、厚さが２００ｎｍ程度の電流拡散層８が形成されている。電流拡散層８は、ＩＴＯにより構成されている。電流拡散層８のおよびｎ型ＧａＮ層３の上面を一部を除いて覆うように、絶縁性保護膜９が形成されている。絶縁性保護膜９は、厚さが２００ｎｍ程度のＳｉＯ2で構成されている。
【０１１６】
絶縁性保護膜９が覆っていない部分の電流拡散層８の上面にｐ型パッド電極１１が形成され、絶縁性保護膜９が覆っていない部分のｎ型ＧａＮ層３の上面にｎ型パッド電極１０が形成されている。ｎ型パッド電極１０およびｐ型パッド電極１１は、厚さが２０ｎｍ程度のＴｉ、厚さが３０ｎｍ程度のＭｏおよび厚さが５００ｎｍ程度のＡｕが積層されて形成されている。
【０１１７】
このようにして作製した窒化物半導体発光素子のベアチップでの特性は、２０ｍＡで３３ｍＷであり、駆動電圧は３．０Ｖであった。また、（００４）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅は３０ａｒｃｓｅｃであり、従来技術で製造した場合の４００ａｒｃｓｅｃに比べて大幅に改善されており、高品質な結晶が得られたことが分かった。
【０１１８】
本発明の凹部領域および凸部領域とＡｌＮバッファ層とを用いることにより、Ｘ線ロッキングカーブの半値幅が狭くなり、かつ、ボイドが無く、貫通転位密度が低い高品質な結晶を作製することができ、発光素子の光出力が向上し、動作電圧が低減したといえる。
【０１１９】
なお、今回開示した上記実施の形態および実験例はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施の形態および実験例のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【符号の説明】
【０１２０】
１  透光性基板、２  ノンドープのＧａＮ層、３  ｎ型ＧａＮ層、４  ＳＬ層、５  発光層、６  ｐ型ＡｌＧａＮ層、７  ｐ型ＧａＮ層、８  電流拡散層、９  絶縁性保護膜、１０  ｎ型パッド電極、１１  ｐ型パッド電極、１２，１３  多角形、１４  六角形、１５  円形、１６  ＡｌＮバッファ層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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