(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持層と、
前記支持層上に位置する第１電極と、
前記第１電極上に位置する複数の半導体層であって、前記第１電極上に位置するｐ型ＧａＮ層と、前記ｐ型ＧａＮ層上に位置する発光層と、前記発光層上に位置するｎ型ＧａＮ層と、を含む複数の半導体層と、
前記ｎ型ＧａＮ層上に位置し、周期的に配列された複数のホールによって形成される光結晶層と、
前記光結晶層上に位置する第２電極と、
を備える、垂直型発光素子。
【請求項２】
前記光結晶層と第２電極との間に、透明オーミック層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の垂直型発光素子。
【請求項３】
前記透明オーミック層と第２電極との間に、反射層をさらに備えることを特徴とする、請求項２に記載の垂直型発光素子。
【請求項４】
前記第１電極と前記ｐ型ＧａＮ層との間に、オーミック形成層をさらに備えることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の垂直型発光素子。
【請求項５】
前記オーミック形成層は、ｎ型ＧａＮ層であることを特徴とする、請求項４に記載の垂直型発光素子。
【請求項６】
前記支持層と第１電極との間には反射電極をさらに備えることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の垂直型発光素子。
【請求項７】
前記光結晶層のうち少なくとも前記第２電極が形成される部分において、前記複数のホール内に誘電物質が充填されていることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載の垂直型発光素子。
【請求項８】
前記誘電物質は、シリコン酸化物、シリコン窒化物のうちのいずれか一つであることを特徴とする、請求項７に記載の垂直型発光素子。
【請求項９】
前記光結晶層の複数のホールの周期は、放出される光の波長の半分であることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれかに記載の垂直型発光素子。
【請求項１０】
前記光結晶層は、前記ホールの深さが０．０５乃至１０μｍであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の垂直型発光素子。
【請求項１１】
前記光結晶層は、前記ホールの半径が０．０１乃至６μｍであるであることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれかに記載の垂直型発光素子。
【請求項１２】
前記光結晶層は、前記複数のホールが配置される周期が０．０３乃至１８μｍであることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれかに記載の垂直型発光素子。
【請求項１３】
前記支持層は、Ｃｕ、Ａｕ、Ｎｉのうちの一つまたはこれらの合金からなる金属を含む金属板、または半導体基板であることを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれかに記載の垂直型発光素子。
【請求項１４】
前記第２電極は、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＡｌＺｎＯ、及びＩｎＺｎＯのうちの少なくともいずれか一つで形成されることを特徴とする、請求項１乃至１３のいずれかに記載の垂直型発光素子。
【請求項１５】
前記ホールは、円形、多角形、または六角形の形状であることを特徴とする、請求項１乃至１４のいずれかに記載の垂直型発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直型発光素子に係り、特に、光抽出効率を向上させることができる垂直型発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）は、電流を光に変換させる周知の半導体発光素子で、１９６２年ＧａＡｓＰ化合物半導体を用いた赤色ＬＥＤが商品化したことを始めとして、ＧａＰ：Ｎ系列の緑色ＬＥＤも共に、情報通信機器をはじめとする電磁装置の表示画像用光源として用いられている。
【０００３】
このようなＬＥＤによって放出される光の波長は、ＬＥＤ製造に使われる半導体材料による。これは、放出された光の波長が価電子帯（ｖａｌｅｎｃｅ ｂａｎｄ）の電子と伝導帯（ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｂａｎｄ）の電子間のエネルギー差を示す半導体材料のバンドギャップ（ｂａｎｄ ｇａｐ）によるからである。
【０００４】
窒化ガリウム化合物半導体（Ｇａｌｌｉｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ：ＧａＮ）は、高い熱安全性と幅広いバンドギャップ（０．８〜６．２ｅＶ）を持っていることから、高出力電子素子開発分野において大きく注目されてきた。その理由の一つに、ＧａＮが他の元素（インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）等）と組み合わせられて、緑色、青色及び白色光を放出する半導体層を製造できることがある。
【０００５】
このように、放出波長を調節できるため、特定の装置特性に合わせて材料を用いることができる。例えば、ＧａＮを用いて光記録に有益な青色ＬＥＤと、白熱灯に取って代わる白色ＬＥＤを作ることができる。
【０００６】
また、従来の緑色ＬＥＤでは、当初ＧａＰが用いられたが、間接遷移型材料であるがために効率が落ち、実用的な純緑色発光が得られなかった。しかし、ＩｎＧａＮ薄膜成長に成功したことから、高輝度の緑色ＬＥＤの具現が可能になった。
【０００７】
上記の利点及びその他の利点から、ＧａＮ系のＬＥＤ市場が急速に成長している。したがって、１９９４年に商業的に導入されて以来、ＧａＮ系の光電子装置技術も急激に発達してきた。
【０００８】
ＧａＮ発光ダイオードの効率は白熱灯の効率を凌駕し、現在は蛍光灯に近づく効率に達しており、よって、ＧａＮ系のＬＥＤ市場は急速な成長を続けることが予想されている。
【０００９】
このようなＧａＮ素子技術の急速な発展にもかかわらず、ＧａＮ素子の製作にはコスト面において不利な点がある。これは、ＧａＮエピタキシャル薄膜（ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｌａｙｅｒｓ）を成長させ、続いて完成されたＧａＮ系の素子を切断する上での困難さと関係している。
【００１０】
ＧａＮ系の素子は、通常、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板上に製造される。これは、サファイアウエハがＧａＮ系の装置を大量生産するのに適した大きさで商用可能であり、比較的高品質のＧａＮエピタキシャル薄膜成長をサポートし、広範囲の温度処理能力を有するためである。
【００１１】
なお、サファイアは、化学的に且つ熱的に安定しており、高温製造工程を可能にする高融点を有し、高い結合エネルギー（１２２．４Ｋｃａｌ／ｍｏｌｅ）と高い誘電定数を有する。化学的に、サファイアは結晶性アルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）である。
【００１２】
一方、サファイアは絶縁体であるため、サファイア基板（または、他の絶縁体基板）を使用する場合に利用可能なＬＥＤ素子の形態は、実際に、水平（ｌａｔｅｒａｌ）または垂直（ｖｅｒｔｉｃａｌ）構造に制限される。
【００１３】
図１は、上述した一般のＧａＮ系ＬＥＤのうち、水平型ＬＥＤ素子構造を示している。
【００１４】
一般の水平型ＬＥＤ素子の構造は、サファイア基板１上にｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層２、活性層（発光層）３及びｐ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層４が順に配置されており、ｎ型ＧａＮ層２が露出されるようにエッチングされた面にｎ型電極５が配置され、ｐ型ＧａＮ層４にはｐ型電極６が配置されている。
【００１５】
最近、ＧａＮをベースとする半導体発光素子の研究では、輝度向上に主力を注いでいる。光素子の輝度向上のための研究は、大別すると、内部量子効率を改善する方法と光抽出効率を改善する方法とに分類できる。最近では光抽出効率を改善する方法が活発に研究されている。
【００１６】
光抽出効率を上げる方法の代表は、サファイア基板を一定の形状にエッチングする方法、ｐ型ＧａＮ層の表面の粗化方法、及びｐ型ＧａＮ層をエッチングして一定の周期を持つ光結晶（ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ）を形成する方法などがある。
【００１７】
現在、サファイア基板をエッチングする方法とｐ型ＧａＮ層の表面の粗化方法は、発光素子の大量生産技術に適用されているが、光結晶を用いる方法は、理論的によく知られており、且つ実験室水準で研究・報告されてはいるものの、大量生産技術には未だ適用されていない。
【００１８】
ところが、光結晶を用いる方法は、サファイアをエッチングする方法とｐ型ＧａＮ層の表面の粗化方法に比べてより優れた光抽出効率を有する。
【００１９】
このような光結晶を用いる方法の代表には、図２に示すように、図１に示すような基本構造において上端のｐ型ＧａＮ層４を一定の周期のパターンでエッチングして光結晶７を形成する方法がある。
【００２０】
しかしながら、このような方法は、ｐ型ＧａＮ層４の本質的に低い電気的特性、薄い膜厚及びエッチングによる電気的特性の低下によって光抽出効率の改善には限界がある。
【００２１】
他の方法には、基板上にｐ型ＧａＮ層をまず成長させ、発光層を成長させた後、上端にｎ型ＧａＮ層を成長させた構造を用いて、上端のｎ型ＧａＮ層に光結晶構造を形成する方法がある。
【００２２】
しかしながら、ｐ型ＧａＮ層の本質的に低い電気伝導性、低い結晶性及びエッチングによる電気的特性の低下は、ｐ型ＧａＮ層を下端に成長させる方法を不可能にする。
【００２３】
さら他の方法は、サファイア基板上にｎ型ＧａＮ層を成長させ、続いて発光層及びｐ型ＧａＮ層を順に成長させた後、再びｎ型ＧａＮ層を成長させる方法がある。これは、ｐ型ＧａＮ層とｎ型ＧａＮ層との間における電気的トンネル接合特性を利用する方法である。
【００２４】
しかしながら、この方法も、ｐ型ＧａＮ層の低い電気的特性の故に接合部位で抵抗を増加させ、結果として素子の作動電圧を増加させるという問題点を有する。
【００２５】
それ以外の方法は、サファイア基板上にｎ型ＧａＮ層、発光層、ｐ型ＧａＮ層を順に成長させた後、反射層と熱放出能力に優れた金属板を接合させた後、適宜の方法でサファイアを除去して、露出されたｎ型ＧａＮ層にエッチング工程を施すことによって光結晶を形成する方法である。
【００２６】
しかしながら、この方法も、接合された薄膜層のエッチング工程段階で金属板が十分に安定しておらず、エッチング工程が難しく、また生産性が低いという問題点があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、光抽出効率を改善できる光結晶構造を発光素子に適用することによって高輝度・高効率の発光素子を具現し、特定形状で形成された光抽出構造上に選択的に薄膜を成長させることによって、薄膜の結晶性を向上させ、薄膜内の応力制御を通じて発光素子の効率を向上させることができる垂直型発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本発明の垂直型発光素子は、支持層と、支持層上に位置する第１電極と、第１電極上に位置する複数の半導体層であって、第１電極上に位置するｐ型ＧａＮ層と、ｐ型ＧａＮ層上に位置する発光層と、発光層上に位置するｎ型ＧａＮ層と、を含む複数の半導体層と、ｎ型ＧａＮ層上に位置し、周期的に配列された複数のホールによって形成される光結晶層と、光結晶層上に位置する第２電極と、を備える。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、光抽出効率を改善できる光結晶構造を発光素子に適用できるため、高輝度・高効率の発光素子を具現可能になり、特定形状で形成された光抽出構造上に選択的に薄膜を成長させるため、薄膜の結晶性を向上でき、かつ、薄膜内の応力制御を通じて発光素子の効率を向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】従来の水平型発光素子の一例を示す断面図である。
【図２】従来の光結晶が形成された水平型発光素子の一例を示す断面図である。
【図３】本発明の第１実施例による垂直型発光素子製造方法において、基板に半導体層を形成する段階を示す断面図である。
【図４】図３の半導体層上に光結晶を形成する段階を示す断面図である。
【図５】図４の平面図である。
【図６】図４の光結晶に誘電物質を充填する段階を示す断面図である。
【図７】図６の光結晶構造上に複数の半導体層を形成する段階を示す断面図である。
【図８】図７の複数の半導体層上に電極と支持層を形成する段階を示す断面図である。
【図９】本発明の垂直型発光素子の一例を示す断面図である。
【図１０】本発明の第２実施例による垂直型発光素子製造方法における基板を示す断面図である。
【図１１】図１０の基板上に誘電物質柱を形成する段階を示す断面図である。
【図１２】図１１の平面図である。
【図１３】本発明の第３実施例による垂直型発光素子製造方法において、基板上に半導体薄膜を形成する段階を示す断面図である。
【図１４】図１３の半導体薄膜上に誘電物質柱を形成する段階を示す断面図である。
【図１５】図１４の平面図である。
【図１６】図１４の誘電物質柱上に複数の半導体層を形成する段階を示す断面図である。
【図１７】図１６の半導体層上に第１電極と支持層を形成する段階を示す断面図である。
【図１８】本発明の垂直型発光素子の他の例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。
【００３２】
本発明の様々な修正及び変形を許容する上で、その特定の実施例を図面に基づいて例示し、その詳細については以下に説明する。ただし、これらの特定の実施例は本発明を限定するためのものではなく、よって、本発明は、添付の特許請求の範囲で定義された本発明の思想と合致するあらゆる修正、均等及び代用を含む。
【００３３】
図面中、同一の構成要素には可能な限り同一の参照番号及び符号を共用し、各層及び領域の寸法は、明瞭性のために誇張して示す。また、ここで説明される各実施例は、相補的な導電型の実施例を含む。
【００３４】
層、領域または基板の要素が他の構成要素“上（ｏｎ）”に存在するという記載は、他の要素の直上に存在する、または、その間に中間要素が存在しても良いという意味で理解すれば良い。表面のような構成要素の一部が“内部（ｉｎｎｅｒ）”と表現される場合、これは当該構成要素の一部が他の部分よりも素子の外側からより遠くに離れているという意味で理解すれば良い。
【００３５】
なお、“下（ｂｅｎｅａｔｈ）”または“重畳（ｏｖｅｒｌａｙ）”のような相対的な用語は、ここでは、図面に示すように、ある層または領域の、他の層または領域に対する関係を説明するために使用しても良い。
【００３６】
この種の用語は、図面に描写された方向に加えて素子の他の方向を含むことを意図するためであることが理解できる。最後に、“直接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ）”という用語は、中間に介在するいかなる要素も存在しないということを意味する。ここで使用される“及び／または”という用語は、記載された関連項目のうちのいずれか１つまたはそれ以上のいずれかの組み合わせ及び全ての組み合わせを含む。
【００３７】
例えば、第１、第２などの用語が、様々な要素、成分、領域、層及び／または部分を説明するために使用することができるが、それらの要素、成分、領域、層及び／または部分は、そのような用語によって限定されてはならないということは明らかである。
【００３８】
すなわち、それらの用語は、単に他の領域、層または部分からいずれかの要素、成分、領域、層または部分を区分するために使用されるものである。したがって、下記における第１領域、層または部分は、第２領域、層または部分という名称にもなりうる。
【００３９】
＜第１実施例＞
以下、添付図面に基づき、本発明の第１実施例について詳細に説明する。
【００４０】
まず、基板上に光抽出層を形成する。このために、図３に示すように、基板１０を湿式または乾式工程を通じて表面処理し、この基板１０上に通常の半導体薄膜成長装置を用いてＧａＮ半導体層２０を形成する。
【００４１】
基板１０は、サファイア、シリコン（Ｓｉ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）などのうちのいずれか一つを使用することができ、ＧａＮ半導体層２０の厚さは、０．３乃至５μｍの薄膜として成長させることが好ましく、ｎ型ＧａＮ物質を用いて形成できる。
【００４２】
その後、図４に示すように、パターン工程とエッチング工程を用いてＧａＮ半導体層２０中に一定の周期とパターンを持つホール２１を形成する。この過程による平面は、図５の通りになる。
【００４３】
このようなホール２１は、以降基板１０を除去した後、発光素子の発光面が露出される場合に、ホール２１が一定の周期とパターンを持たなくても発光素子の発光効率を向上させることができる。
【００４４】
また、図５では、ホール２１の形状を円形としが、ホール２１の形状を四角形、六角形などの多角形の形状にしても良い。
【００４５】
さらに、窒化物半導体薄膜層に一定の周期とパターンを持ち、整列して配置されたホール２１が形成される場合、このように規則的に整列されたホール２１によって発光面に光結晶構造が形成されることができる。
【００４６】
このように光結晶構造が形成されると、この光結晶構造では屈折率の配置が周期的になる。この時、光結晶の周期（ｐｅｒｉｏｄｉｃｉｔｙ）が、放出される光の波長の略半分になる時、周期的に屈折率（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ）が変わる光結晶格子による光子の多重散乱によってフォトニックバンドギャップ（ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｂａｎｄｇａｐ）が形成される。
【００４７】
このような光結晶構造において、光は一定の方向に効果的に放出される特性を持つ。すなわち、上記のフォトニックバンドギャップが形成されるので、発光する光は光結晶構造をなすホール２１に流入、通過せず、ホール２１以外の部分を通じて抽出される現象を起こすことができる。
【００４８】
このような現象は、周期性を持つ複数のホール２１によって形成される光結晶構造における光子（ｐｈｏｔｏｎ）の挙動によって説明することができる。
【００４９】
すなわち、周期性を持つ複数のホール２１によって、光結晶構造では誘電定数（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔ）が周期的に変わり、このような光結晶構造を伝播する光の挙動に影響を与えることになる。
【００５０】
特に、光結晶構造のフォトニックバンドギャップが発光素子から放出する光の波長帯域に属する又は含まれる場合に、このような発光素子の光子は、発光素子であたかも全反射現象によって反射されるような効果を持つ。
【００５１】
このようなフォトニックバンドギャップは、結晶構造における電子に類似しており、当該フォトニックバンドギャップに属する光子は光結晶内で自由に伝播できない。
【００５２】
したがって、発光素子から放出される光の光子をいずれもフォトニックバンドギャップに属するようにすると、全ての光子は、全反射現象と略同様にホール２１以外の部分を通じて発光素子から抜け出るようになり、その結果、発光効率が増加する。
【００５３】
したがって、光結晶構造が效果的に光を放出するためには、エッチングされるホール２１の深さ、大きさ及び隣接するホール２１間の距離などを放出される光の波長に応じて最適化することが好ましい。
【００５４】
窒化物半導体発光素子の場合、ホール２１の深さは０．０５〜１０μｍ、半径は０．０１〜６μｍ、隣接するホール２１間の間隔、すなわち、光結晶周期は０．０３〜１８μｍが好ましい。
【００５５】
一方、このようなホール２１を形成すると同時に、素子と素子とを区分する単位素子区分領域１１を共にエッチングして形成することが好ましい。
【００５６】
このようにエッチングされて形成されるホール２１と単位素子区分領域１１には、図６に示すように、屈折率の異なる物質を充填することができる。
【００５７】
このような屈折率の異なる物質には、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）あるいはシリコン窒化物（ＳｉＮ）などの誘電物質（誘電体）３０を使用することが好ましい。ホール２１が十分に小さく深い場合は、誘電物質３０を充填しなくても良い。
【００５８】
また、少なくとも所定の部分には、誘電物質３０を充填し、以降、このように誘電物質３０の充填された部分にｎ型電極を形成することができる（図９参照）。
【００５９】
このように、ホール２１と誘電物質３０が充填された層上に、図７に示すように、ＧａＮ系半導体層４０を形成する。
【００６０】
このＧａＮ系半導体層４０は、ｎ型ＧａＮ層４１、発光層（活性層）４２、及びｐ型ＧａＮ層４３からなる。発光層は通常、単一または多重量子井戸（Ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）構造をなす。この時、量子井戸構造をなすために、Ｉｎ、Ａｌなどの物質がＧａＮ物質に混合されて使用されることができる。
【００６１】
一方、上記のように、素子と素子とを分離する区分領域１１をホール２１と共に形成すると、発光素子製造の後の工程において素子と素子とを分離する工程を省くことができる。
【００６２】
これは、図７に示すように、素子と素子とを分離するようにエッチングされた区分領域１１に充填された誘電物質３０の上においては薄膜形成がされず、光結晶構造が形成された素子領域上においてのみ選択的にＧａＮ薄膜が形成されるためである。
【００６３】
また、このように、光結晶構造上に選択的にＧａＮ薄膜を形成すると、高品質のｎ型ＧａＮ層４１、発光層４２及びｐ型ＧａＮ層４３を形成することができる。
【００６４】
これは、光結晶構造上に選択的に形成される薄膜層は、基板１０に起因する歪（strain）を相当量効率よく緩和できるためである。
【００６５】
このような単一素子薄膜層内の歪の減少は、結果として発光層４２の内部量子効率を増加させる効果を有する。
【００６６】
さらに、本発明によれば、光結晶構造は、複数のホール２１及びこれらを充填する誘電物質３０からなるので、この上層に成長する半導体層４０は、基板１０と半導体層４０薄膜間の界面から始まる本質的な薄膜欠陥である貫通転位（ｔｈｒｅａｄｉｎｇ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｓ）密度を半分近く減少させることができる。このような転位密度の減少は、素子の性能向上に大きく寄与できる。
【００６７】
その後、図８に示すように、分離された素子と素子との間の区分領域１１に、エポキシなどのような熱化学的に除去が容易な物質を充填した後、ＧａＮ系半導体層４０上にはｐ型電極５０を形成する。このｐ型電極５０はオーミック電極を形成し、このようなｐ型電極５０上には反射効率向上のための反射電極６０が形成されることができる。
【００６８】
このとき、エポキシ等の物質が充填される時期は、異なっても良い。
【００６９】
ｐ型電極５０としてインジウムスズ酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）あるいは酸化亜鉛（ＺｎＯ）などのような酸化物層を使用する場合には、ｐ型ＧａＮ層４３上に、オーミック特性向上のために薄膜のｎ型ＧａＮ層（図示せず）がさらに形成されても良い。
【００７０】
また、ｐ型電極５０または反射電極６０上には、支持層７０が形成され又は取り付けられることによって、後で基板１０を除去する場合において、支持層７０を素子全体の構造を支持する支持板として使用することができる。
【００７１】
この支持層７０には、熱放出に有利な銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）などのような金属板またはこれらの合金を用いて形成される金属板、シリコン（Ｓｉ）基板などが用いられると良い。また、金属板は、反射電極６０上にメッキによって形成されても良い。
【００７２】
このような支持層７０を金属板とする場合には、当該支持層７０とｐ型電極５０または反射電極６０との間に、金属間接合のためのシードメタル（ｓｅｅｄ ｍｅｔａｌ）が用いられても良い。
【００７３】
その後、ＧａＮ半導体層４０の薄膜が成長した基板１０を除去する。基板１０がサファイア基板の場合は、レーザーを用いたり、物理的に除去でき、シリコン基板の場合は、化学的あるいは物理的に除去できる。このように基板１０の除去された面は、エッチングして表面処理をすることが好ましい。
【００７４】
この際、上記の光抽出層の形成されたｎ型ＧａＮ半導体層２０は、基板１０を除去することによって露出される。これにより、図９に示すように、結局、ホール２１及びホール２１を充填する誘電物質３０からなる光結晶構造８０が露出される。
【００７５】
場合によっては、露出された誘電物質３０はエッチングして除去しても良い。
【００７６】
そして、基板１０の除去された面には、ｎ型電極９０が形成される。このとき、誘電物質３０が除去される場合であっても、少なくともｎ型電極９０が形成された部分に対しては誘電物質３０を除去しないことが好ましい。
【００７７】
なお、上記ホール２１の露出された部分にｎ型透明オーミック層９２を形成し、電流拡散によって発光効率を向上させても良い。このｎ型透明オーミック層９２には、Ｔｉ／ＡｌまたはＴｉ／Ａｕを用いることができ、特定の厚さ以下に形成すると、透明なオーミック層とすることができる。
【００７８】
一方、ｎ型電極９０の下側面には反射層９１を形成することによって、ｎ型電極９０が発光層４２から発される光を吸収せず、反射層９１で反射されて外部に放出されるようにしても良い。
【００７９】
以上の工程によって、本発明の発光素子は図９の構造とされる。
【００８０】
以下、図３乃至図９を参照して、本発明の第１実施例に係る具体例について説明する。
【００８１】
本発明では、窒化物半導体薄膜成長のために有機金属化学気相蒸着法（ＭＯＣＶＤ：ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いた。
【００８２】
基板１０はサファイアとした。アンモニアを窒素源とし、水素と窒素を運搬ガスとした。
【００８３】
ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）及びアルミニウム（Ａｌ）は、有機金属ソースを使用した。ｎ型ドーパント（ｄｏｐａｎｔ）はシリコン（Ｓｉ）を使用し、ｐ型ドーパントはマグネシウム（Ｍｇ）を使用した。
【００８４】
サファイア基板１０上に３μｍ厚のｎ型ＧａＮ半導体２０薄膜を１０３０℃で成長させ、圧力は２５０トール（Ｔｏｒｒ）を適用した。
【００８５】
光結晶周期は１．２μｍ、ホール２１の半径は０．４μｍ、エッチング深さは３μｍを適用した。エッチングされた部分には誘電物質３０としてシリコン酸化物（ＳｉＯ２）を充填した。
【００８６】
その後、３μｍ厚のｎ型ＧａＮ層４１を光結晶構造上に成長させ、その上に５対の窒化インジウムガリウム／窒化ガリウム（ＩｎＧａＮ/ＧａＮ）かならる多重量子井戸（Ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）構造の発光層４２を形成した。
【００８７】
発光層４２上に０．１μｍ厚のｐ型ＧａＮ層４３を成長させ、その上端にオーミック特性向上のためにｎ型ＧａＮ層を薄く形成した。
【００８８】
素子と素子との間の領域にエポキシを充填した後、ｐ型電極５０としてインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）を０．２μｍ厚で蒸着したのち、この上層に反射電極６０と銅（Ｃｕ）で形成された支持層７０とを形成した。
【００８９】
その後、レーザーを用いてサファイア基板１０を除去した後、これにより露出された表面を０．５μｍの厚さだけエッチングして、結晶欠陥層を除去した。
【００９０】
このように、露出された表面を化学的に処理した後、ｎ型電極９０を形成した。
【００９１】
このような方法によって形成された素子を単一素子として分離し、パッケージングする。このとき、発光素子の特性を測定した時、素子の輝度は、基準試験片に対して３０％以上も向上した。
【００９２】
＜第２実施例＞
次に、添付図面を参照して、本発明の第２実施例について詳細に説明する。
【００９３】
まず、基板上に光抽出層を形成する。このために、図１０に示すように、基板１００を湿式または乾式工程を通じて表面処理する。基板１００には、サファイア、シリコン（Ｓｉ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）などを用いれば良い。
【００９４】
この基板１００上に、図１１に示すように、複数の誘電物質柱２００を形成する。誘電物質柱２００の水平断面形状は、円形、四角形、六角形、またはそれ以外の多角形にすることができる。
【００９５】
この誘電物質柱２００は、酸化物または窒化物で形成でき、特に、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）あるいはシリコン窒化物（ＳｉＮ）などで形成すると良い。
【００９６】
誘電物質柱２００は、パターン工程またはエッチング工程によって形成されることができる。すなわち、誘電物質層を形成し、これをエッチングして誘電物質柱２００を形成することができる。
【００９７】
図１１に示すように、誘電物質柱２００は、領域全体にわたって形成しても良く、場合によっては、単位素子の形成領域にのみ形成しても良く、また、単位素子区分領域には誘電物質を柱の形状に形成せず、誘電物質を充填して形成しても良い（図示せず）。図１２は、単位素子形成領域にのみ誘電物質柱２００が形成された平面を示している。
【００９８】
＜第３実施例＞
一方、第３実施例として、図１３に示すように、基板１００上に通常の半導体薄膜成長装置を用いてＧａＮ半導体薄膜１１０を成長させ、このＧａＮ薄膜１１０上に上記の誘電物質柱２００を形成することができる。
【００９９】
このとき、図１３に示すように、ＧａＮ半導体薄膜１１０を単位素子形成領域にのみ形成しても良く、半導体薄膜１１０を面全体にわたって形成し、その中で単位素子区分領域はエッチングして除去しても良い。
【０１００】
薄膜１１０の厚さは、０．００１乃至５μｍとすることが好ましく、この薄膜１１０は基板１００上でバッファ層として使用されても良い。
【０１０１】
その後、図１４に示すように、ＧａＮ半導体薄膜１１０の形成された部分上に誘電物質柱２００を形成する。
【０１０２】
図１５は、ＧａＮ半導体薄膜１１０上に誘電物質柱２００が形成された平面を示す図である。
【０１０３】
また、このような単位素子区分領域には誘電物質柱２００を形成せず、区分領域全体に誘電物質を充填して形成しても良い。
【０１０４】
以降の過程は、ＧａＮ半導体薄膜１１０上に誘電物質柱２００を形成した構造を例に挙げて説明する。ただし、基板１００上に誘電物質柱２００を直接形成した構造においても、以下の過程は同一に適用されることができる。
【０１０５】
図１６に示すように、誘電物質柱２００の形成されたＧａＮ半導体薄膜１１０上に、複数のＧａＮ系半導体層３００を形成する。
【０１０６】
このＧａＮ系列半導体層３００は、ｎ型ＧａＮ層３１０、発光層（活性層）３２０、及びｐ型ＧａＮ層３３０からなる。発光層は通常、単一構造または多重量子井戸（Ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）構造をなす。この時、量子井戸構造をなすために、Ｉｎ、Ａｌなどの物質がＧａＮ物質に混合されて用いられことができる。
【０１０７】
ｎ型ＧａＮ層３１０は、最初の段階では誘電物質柱２００の上側には形成されず、誘電物質柱２００間の薄膜１１０の上側において形成される。
【０１０８】
このように、薄膜１１０の上側、誘電物質柱２００間においてｎ型ＧａＮ層３１０が形成されて、誘電物質柱２００を覆うようになると、この際、ｎ型ＧａＮ層３１０は、図１６のように、層をなして成長する。
【０１０９】
このとき、単位素子区分領域にはサファイア基板１００や誘電物質（図示せず）が充填されているので、ＧａＮ系列半導体層３００が形成されず、よって、以降の工程段階で素子と素子を分離する別の工程を省くことができる。
【０１１０】
また、このように、誘電物質柱２００上に選択的にＧａＮ半導体層３００を形成すると、高品質のｎ型ＧａＮ層３１０、発光層３２０及びｐ型ＧａＮ層３３０を形成できる。
【０１１１】
これは、誘電物質柱２００上に選択的に形成される薄膜層が、基板１００に起因する歪（strain）を相当量効率よく緩和できるためである。
【０１１２】
このような単一素子薄膜層内の歪の減少は、結果として発光層３２０の内部量子効率を増加させる。
【０１１３】
さらに、本発明によると、ｎ型ＧａＮ層３１０の下側には誘電物質柱２００が位置するので、この上に成長する半導体層３００は、基板１００と半導体層３００薄膜間の界面から始まる本質的な薄膜欠陥である貫通転位（ｔｈｒｅａｄｉｎｇ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｓ）密度を半分近く減少させることができる。このような転位密度の減少は、素子の性能向上に大きく寄与できる。
【０１１４】
その後、図１７に示すように、分離された素子と素子との間の区分領域にエポキシなどのような熱化学的に除去が容易な物質を充填した後、ＧａＮ系半導体層３００上には、ｐ型電極４００を形成する。このｐ型電極４００はオーミック電極を形成し、ｐ型電極４００上には反射効率向上のための反射電極５００が形成されることができる。
【０１１５】
この時、エポキシ等の物質が充填される時期は、異なっても良い。
【０１１６】
ｐ型電極４００としてインジウムスズ酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ＡｌＺｎＯ、ＩｎＺｎＯなどのような酸化物層を使用する場合には、ｐ型ＧａＮ層３３０上にオーミック特性向上のためにオーミック形成層３４０として薄膜のｎ型ＧａＮ層がさらに形成されても良い。
【０１１７】
また、ｐ型電極４００または反射電極５００上には、支持層６００が形成されまたは取り付けられることによって、後で基板１００を除去する場合において支持層６００を素子全体の構造を支持する支持板として使用することができる。
【０１１８】
このような支持層６００には、熱放出に有利な銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）などの金属板またはこれらの合金を用いて形成される金属板、それ以外にシリコン（Ｓｉ）基板等のような半導体基板が用いられることができる。この場合、金属板は、反射電極５００上にメッキによって形成されることができる。
【０１１９】
この支持層６００を金属板とする場合には、支持層６００とｐ型電極４００または反射電極５００との間に、金属間接合のためのシードメタル（ｓｅｅｄ ｍｅｔａｌ）が用いられても良い。
【０１２０】
その後、ＧａＮ半導体層３００の薄膜が成長した基板１００を除去する。基板１００がサファイア基板の場合は、レーザーを用いたり、物理的に除去でき、シリコン基板の場合は、化学的あるいは物理的に除去できる。このように基板１００の除去された面は、エッチングして表面処理をすることが好ましい。
【０１２１】
このとき、基板１００が除去されたＧａＮ半導体層３００のｎ型ＧａＮ層３１０には、誘電物質柱２００が配列された構造が位置することになる。場合によっては、誘電物質柱２００はエッチングによって除去されても良い。このように誘電物質柱２００が除去されると、図１８に示すように、ｎ型ＧａＮ層３１０には、複数のホール２１０が形成される。
【０１２２】
このような誘電物質柱２００またはホール２１０の配列は、一定の周期とパターンを持たなくても発光素子の発光効率を向上させることができる。
【０１２３】
一方、誘電物質柱２００またはホール２１０が窒化物半導体薄膜層において一定の周期とパターンを持つ場合、このような規則的に整列された柱２００またはホール２１０によって発光面に光結晶構造が形成されることができる。
【０１２４】
このような光結晶構造の作用は、上記の第１実施例における説明と同様である。
【０１２５】
すなわち、このような光結晶構造において、光は一定の方向に効果的に放出される特性を持つ。すなわち、上記のフォトニックバンドギャップが形成されるので、発光する光は光結晶構造をなす誘電物質柱２００またはホール２１０に流入、通過せず、誘電物質柱２００またはホール２１０以外の部分を通じて抽出される現象が起きる。
【０１２６】
このような現象は、周期性を持つ複数のホール２１０によって形成される光結晶構造における光子（ｐｈｏｔｏｎ）の挙動によって説明することができる。
【０１２７】
すなわち、周期性を持つ複数のホール２１０によって、光結晶構造では誘電定数（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔ）が周期的に変わり、このような光結晶構造を伝播する光の挙動に影響を与えることになる。
【０１２８】
したがって、発光素子から放出される光の光子がいずれもフォトニックバンドギャップに属する場合、全ての光子は、全反射現象と略同様に発光素子を抜け出るようになり、結果として発光効率が増加する。
【０１２９】
したがって、光結晶構造が効果的に光を放出するためには、誘電物質柱２００の高さと半径、柱２００と柱２００との間隔、エッチングされるホール２１０の深さと大きさ、及びホール２１０とホール２１０との距離などを、放出される光の波長に応じて最適化することが好ましい。
【０１３０】
窒化物半導体発光素子の場合、誘電物質柱２００の高さは０．００１〜１０μｍ、柱２００の半径は０．００１〜６μｍ、隣接する柱２００間の間隔、すなわち、光結晶周期は０．００３〜１８μｍが好ましい。
【０１３１】
したがって、誘電物質柱２００がエッチングされて形成されるホール２１０の深さは０．００１〜１０μｍ、ホール２１０の半径は０．００１〜６μｍ、隣接するホール２１０間の間隔、すなわち光結晶の周期は、０．００３〜１８μｍになりうる。
【０１３２】
このような過程によって形成された発光素子構造の一例を、図１８に示す。
【０１３３】
すなわち、図１８に示すように、基板１００の除去された面には、ｎ型電極７００が形成される。この場合、誘電物質柱２００がエッチングされて除去される場合であっても、少なくともｎ型電極７００の形成された部分に対しては誘電物質２００を除去しないことが好ましい。
【０１３４】
また、ホール２１０が露出された部分には、ｎ型透明オーミック層７２０を形成して、電流拡散によって発光効率を向上させることができる。
【０１３５】
一方、ｎ型電極７００の下側面には反射層７１０を形成することによって、ｎ型電極７００が発光層３２０から発される光を吸収せず、反射層７１０で反射されて外部に放出されるようにしても良い。
【０１３６】
上記の実施例は本発明の技術的思想を具体的に説明するための一例で、本発明は、上記の実施例に限定されず、様々な形態の変形が可能であり、このような技術的思想内における様々な実施形態はいずれも本発明の保護範囲に属することは当然である。
【図１】
0005475833.tif 000002
【図２】
0005475833.tif 000003
【図３】
0005475833.tif 000004
【図４】
0005475833.tif 000005
【図５】
0005475833.tif 000006
【図６】
0005475833.tif 000007
【図７】
0005475833.tif 000008
【図８】
0005475833.tif 000009
【図９】
0005475833.tif 000010
【図１０】
0005475833.tif 000011
【図１１】
0005475833.tif 000012
【図１２】
0005475833.tif 000013
【図１３】
0005475833.tif 000014
【図１４】
0005475833.tif 000015
【図１５】
0005475833.tif 000016
【図１６】
0005475833.tif 000017
【図１７】
0005475833.tif 000018
【図１８】
0005475833.tif 000019