(57)【要約】【課題】電力変換効率が高く、且つ光出射面からの光取り出し効率を向上させた半導体発光素子、およびその製造方法を提供する。【解決手段】半導体発光素子は、活性層を含み、スラブ構造を有する多層膜１０と、多層膜１０の第１の主面上に設けられた２次元フォトニック結晶１１と、多層膜１０の第２の主面上に設けられた高反射率ｐ電極２と、２次元フォトニック結晶１１の主面上に設けられたｎ電極９とを備え、多層膜１０は、水平面内において複数の領域に分離されている。【選択図】 図１
2006196658.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を放射する活性層を含み、スラブ構造を有する半導体多層膜と、
前記半導体多層膜の上面上に設けられた２次元フォトニック結晶とを備えていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記２次元フォトニック結晶は導電性であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記活性層に第１導電型のキャリアを注入するための第１の電極が前記半導体多層膜の下面上に設けられ、
前記活性層に第２導電型のキャリアを注入するための第２の電極が前記２次元フォトニック結晶のいずれかの主面上に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記第２の電極は、前記２次元フォトニック結晶の主面のうち、前記半導体多層膜が設けられた面に対向する面上に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記第２の電極は、前記２次元フォトニック結晶の主面のうち、前記半導体多層膜が設けられた面と同じ面上に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記第１の電極の下面上には、金属膜が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記半導体多層膜は、水平面内において複数の領域に分離されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
複数の領域に分離された前記半導体多層膜の平面形状は、円形、楕円形、多角形のうちのいずれかであることを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
複数の領域に分離された前記半導体多層膜の平面形状は四辺形であり、
前記四辺形の一辺の長さは１μｍ以上であることを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
複数の領域に分離された前記半導体多層膜の分離間隔は１μｍ以上であることを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記半導体多層膜の下面上に分布ブラッグ反射多層膜が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
前記活性層に第１導電型のキャリアを注入するための第１の電極が前記分布ブラッグ反射多層膜の下面上に設けられ、
前記活性層に第２導電型のキャリアを注入するための第２の電極が前記２次元フォトニック結晶のいずれかの主面上に設けられていることを特徴とする請求項１１に記載の半導体発光素子。
【請求項１３】
前記第１の電極は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、ＲｄおよびＡｌのうちから選ばれた１つの金属、あるいは２つ以上からなる合金、またはＡｕ膜、Ｐｔ膜、Ｃｕ膜、Ａｇ膜、Ｒｄ膜およびＡｌ膜のうちから選ばれた膜の積層体により構成されていることを特徴とする請求項３または１２に記載の半導体発光素子。
【請求項１４】
前記分布ブラッグ反射多層膜を形成する材料は半導体であることを特徴とする請求項１１に記載の半導体発光素子。
【請求項１５】
前記２次元フォトニック結晶には、周期的に配置された孔が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項１６】
前記孔の平面形状は、円形、楕円形、多角形のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１５に記載の半導体発光素子。
【請求項１７】
前記孔は、正方格子状または三角格子状に配置されていることを特徴とする請求項１５に記載の半導体発光素子。
【請求項１８】
前記孔の配列周期は方向によって異なっていることを特徴とする請求項１５に記載の半導体発光素子。
【請求項１９】
前記半導体多層膜の膜厚が、前記活性層から放射される光の前記半導体多層膜中でのピーク波長の１０倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項２０】
前記２次元フォトニック結晶の周期が前記活性層から放射される光の前記半導体多層膜中でのピーク波長の０．５倍以上１０倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項２１】
前記２次元フォトニック結晶の厚みは０．１μｍ以上で且つ２μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項２２】
前記２次元フォトニック結晶を構成する材料が半導体であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項２３】
半導体層の第１の主面上に、光を放射するための活性層を含む半導体多層膜を形成する工程（ａ）と、
前記半導体層に２次元周期構造を形成して前記半導体層を２次元フォトニック結晶とし、前記半導体多層膜をスラブ構造とする工程（ｂ）とを備えていることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項２４】
前記工程（ａ）において、前記半導体層は基板上に設けられており、
前記工程（ａ）の後で前記工程（ｂ）の前に、前記基板を除去する工程（ｃ）をさらに備えていることを特徴とする請求項２３に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項２５】
前記工程（ｂ）は、前記半導体層の第２の主面上にマスクを形成する工程と、前記半導体層をエッチング液に浸漬させた状態で前記第２の主面に紫外線を照射する工程とを含む光化学エッチングによって行われることを特徴とする請求項２３に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項２６】
前記工程（ｂ）は、前記半導体層の第２の主面上にマスクを形成する工程と、前記半導体層および前記半導体多層膜をエッチング液に浸漬した状態で前記半導体層および前記半導体多層膜に電流を流す工程とを含む陽極酸化エッチングにより行われることを特徴とする請求項２３に記載の半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体を用いて形成された発光素子、及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＡｌＩｎＧａＮ（アルミニウム・インジウム・ガリウムナイトライド）に代表される窒化物系化合物半導体を用いることにより、これまで実現が困難であった紫外域から青色、緑色までの波長帯において高い強度で発光する発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザなどの発光素子が盛んに開発されている。特にＬＥＤは半導体レーザに比べ製造が容易でかつ制御が容易である上、蛍光灯に比べて長寿命であるため、窒化物系化合物半導体ＬＥＤは照明用光源として期待されている。
【０００３】
図１８は、第１の従来例に係る窒化物系化合物半導体ＬＥＤを示す斜視図である。同図に示すように、第１の従来例に係るＬＥＤは、サファイアからなる基板１００１と、基板１００１上に形成されたｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層１００２と、ｎ型コンタクト層１００２上に形成されたＡｌＩｎＧａＮからなる活性層１００３と、活性層１００３上に形成されたｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１００４とを備えている。ｎ型コンタクト層１００２、活性層１００３、ｐ型コンタクト層１００４は、基板１００１上に順次結晶成長された層である。
【０００４】
また、サファイアは絶縁体であるため基板１００１の裏面からｎ電極用のコンタクトを取ることができないので、活性層１００３およびｐ型コンタクト層１００４の一部がエッチングにより除去されて、ｎ型コンタクト層１００２の一部が露出される。このｎ型コンタクト層１００２の露出部分の上にｎ電極１００６が形成されている。また、ｐ型コンタクト層１００４の上には透明電極１００５とｐ電極１００７とが積層されている。
【０００５】
このＬＥＤは以下のように動作する。
【０００６】
まず、ｐ電極１００７を通じてＬＥＤ内に注入された正孔は、透明電極１００５で横方向に拡がった後、ｐ型コンタクト層１００４層を経て活性層１００３に注入される。一方、ｎ電極１００６を通じてＬＥＤ内に注入された電子はｎ型コンタクト層１００２を経て活性層１００３に注入される。そして、活性層１００３中で正孔と電子が再結合することで発光する。この光は透明電極１００５を通してＬＥＤの外部に放出される。
【０００７】
しかし、このような従来の構造では、光取り出し効率が低いという不具合があった。光取り出し効率とはＬＥＤなどの発光素子において、活性層で発生した光のうち発光素子から空気中に放出される割合のことである。従来のＬＥＤにおいて光取り出し効率が低くなるのは、半導体の屈折率が空気よりも大きいので、半導体と空気との界面での全反射により活性層１００３からの光がＬＥＤ内部に閉じ込められるためである。例えば波長４６０ｎｍの光に対するＧａＮの屈折率は約２．４５であるので、全反射が生じる臨界角θｃ（ＧａＮの屈折率は約２．４５であるのでθｃ=ｓｉｎ-1(１／２．５)＝約２３度）が小さい。つまり、半導体と空気との界面の法線からみて、この臨界角よりも大きい角度で活性層１００３から放射された光は、半導体と空気との界面で全反射される。
【０００８】
ここで、活性層１００３から放射される光は３６０度のあらゆる方向に放射されるので、１つの面からの光取り出し効率ηは入射角ごとの反射率Τ（θ）に立体角の効果を考慮して、入射角で積分する必要がある。具体的には、ηは下式から導くことができる。
η ＝ ∫２πΤ(θ)・sinθ・ｄθ
【０００９】
従って、臨界角以下で生じるフレネル反射（反射率１０％程度）を無視しても、結局、活性層から放出される光の約４％しかＬＥＤの１表面からＬＥＤ外部へ取り出せない。よって、ＬＥＤの６つの面のすべてから光が取り出せたとしても、合計２４％の全光取り出し効率しか実現できない。実際には、ＬＥＤの上面と裏面とで全反射により多重反射されつつＬＥＤ内を横方向に伝搬する光は、多重反射中に電極や活性層により吸収されるため、４つのＬＥＤ側面からの光取り出し効率は低い。そのため、実際の全光取り出し効率は２０％以下に留まる。このように、従来のＬＥＤでは、外部量子効率（ＬＥＤに投入した電流のうち、ＬＥＤから取り出せる光の効率）が低く、その結果、蛍光灯と比べて電力変換効率（投入した電力のうち、取り出せる光出力の効率）が低くなるという不具合があった。
【００１０】
この不具合に対する解決策として、非特許文献１や非特許文献２に開示されているように、ＬＥＤにフォトニック結晶を導入する技術が提案されている。この種のフォトニック結晶をここでは、スラブフォトニック結晶と呼ぶこととする。なお、「スラブフォトニック結晶」とは、少なくとも発光波長以下の厚さの板状に形成されているフォトニック結晶を意味する。
【００１１】
図１９は、第２の従来例に係るＬＥＤにおける半導体層を示す斜視図である。同図に示すＬＥＤにおいて、活性層１１０１を含む半導体層１１０２には、２次元周期で配置された孔１１０３が、活性層１１０１を貫いて形成されている。この孔１１０３の２次元配列がスラブフォトニック結晶１１０４を形成する。この従来例において、半導体層１１０２の膜厚は、光の半導体中での波長の１／２と非常に薄い。そのため、半導体層１１０２はスラブ導波路として機能する。すなわち、活性層１１０１で発生した光の大半は半導体層１１０２内を伝播する導波モードと結合する。活性層から発生する光のうち残りは、活性層から臨界屈折角内に出射される漏れモードの光であり、スラブ導波路より空気中に放射される。導波モードはスラブフォトニック結晶１１０４による回折を受けることにより、半導体層１１０２から空気中に放射される。この構造においては、光励起によって８０％の光取り出し効率が実現されている。
【００１２】
また、フォトニック結晶として２次元周期構造をＬＥＤ表面に浅く形成する方法も、特許文献１に提案されている。この種のフォトニック結晶をここでは、「表面フォトニック結晶」と呼ぶ。この技術を用いたＬＥＤの具体的な構造を説明する。
【００１３】
図２０は、表面フォトニック結晶を備えた第３の従来例に係るＬＥＤを示す斜視図である。第３の従来例に係るＬＥＤでは、ｐ型コンタクト層１２０４の表面部を２次元周期構造にパターニングすることにより、表面フォトニック結晶１２０８を形成している。表面フォトニック結晶１２０８の全面上には、透明電極１２０５が設けられている。表面フォトニック結晶１２０８は、活性層１２０３からＬＥＤ上面に達した光を回折する。第３の従来例に係るＬＥＤにおいては、全反射のためにＬＥＤ外部に取り出すことができなかった角度の光が回折され、その光の伝搬方向が変化するため、光をＬＥＤ外部に伝搬させることができる。この構成により、表面フォトニック結晶を形成したＬＥＤ上面からの光取り出し効率を、図１８に示す第１の従来例に係るＬＥＤに比べて約３倍に向上させられることが報告されている。
【非特許文献１】S.ファン(S. Fan), 他３名, Physics Review Letters, vol. 78, pp.3294, 1997
【非特許文献２】H-Y.リュウ(H-Y. Ryu), 他３名, IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 8, pp.23, 2002
【特許文献１】特開２０００−１９６１５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上述の従来の技術では以下のような課題があるため電流注入時、すなわち通常のＬＥＤ動作時において高い光取り出し効率が実現できていない。
【００１５】
スラブフォトニック結晶１１０４のように活性層１１０１を貫いて孔１１０３を形成すると、表面再結合やエッチング形成時のダメージにより、活性層１１０１での内部量子効率（活性層中で再結合する電子・正孔対のうち、光子に変換される割合）が低下する。従って、スラブフォトニック結晶を備えた従来のＬＥＤは、電流注入により発光しない場合や、発光しても電力変換効率が低下してしまう場合があった。
【００１６】
また、半導体層１１０２上に電極を形成する場合、半導体層１１０２が発光波長の１／２と薄く、導波路の断面積が小さくなるため、ＬＥＤの直列抵抗が大幅に増加する。そのため、半導体層１１０２内を流れる電流を横方向に十分拡散させることができず、活性層１１０１への電流注入が困難になる。その結果、電圧効率（印加した電圧のうち、活性層での光の発生に寄与する効率）が低下し、結局、電力変換効率が低くなってしまう。
【００１７】
加えて、プロセスの観点からも、光の半導体層中での波長の１／２という薄い半導体層１１０２を形成することは非常に困難である。例えば、真空中の波長４６０ｎｍの青色光の場合、半導体層の必要な膜厚は約９０ｎｍと非常に薄く、実際上は作製が不可能である。
【００１８】
特許文献１に開示されているＬＥＤにおいては表面フォトニック結晶１２０８がＬＥＤ上面のみに形成され、且つ表面フォトニック結晶１２０８が活性層１２０３から離れているため、活性層１２０３で発生する光は表面フォトニック結晶１２０８の存在とは無関係に、３６０度の全角度に放射される。そのため、表面フォトニック結晶１２０８の回折作用を受けない角度の光が存在し、この光は全反射によってＬＥＤ外部に取り出すことができない。また、表面フォトニック結晶１２０８を形成した面に達した光も、回折効率が１００％ではないため、全ての光がＬＥＤ外部に取り出されることはない。従って、表面フォトニック結晶１２０８を形成したＬＥＤ上面からの光取り出し効率を実際に３倍以上に向上させることは困難であり、３６０度の全角度を考慮した全光取り出し効率は２８％に止まることになる。
【００１９】
本発明の目的は、電力変換効率が高く、且つ光出射面からの光取り出し効率を向上させた半導体発光素子、およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記課題を解決するために、本発明の半導体発光素子は、光を放射する活性層を含み、スラブ構造を有する半導体多層膜と、前記半導体多層膜の上面上に設けられた２次元フォトニック結晶とを備えている。
【００２１】
この構成により、活性層から２次元フォトニック結晶に入射した光が回折によって効率的に空気中に取り出されるようになる。そのため、半導体発光素子の光取り出し効率を従来よりも格段に向上させることができる。
【００２２】
また、前記２次元フォトニック結晶は導電性であることによって、２次元フォトニック結晶を介してキャリアを活性層に注入することが容易になる。
【００２３】
前記活性層に第１導電型のキャリアを注入するための第１の電極が前記半導体多層膜の下面上に設けられ、前記活性層に第２導電型のキャリアを注入するための第２の電極が前記２次元フォトニック結晶のいずれかの主面上に設けられていることにより、２次元フォトニック結晶内で第２の電極から注入されたキャリアを水平方向に拡散させてから活性層に注入することができるので、発光素子内での直列抵抗を低減し、スラブフォトニック結晶を用いた従来の発光素子よりも発光効率を向上させることができる。
【００２４】
特に、前記第２の電極が、前記２次元フォトニック結晶の主面のうち、前記半導体多層膜が設けられた面に対向する面上に設けられている場合には、キャリアを効果的に水平方向に拡散させることができる。
【００２５】
また、前記第２の電極が、前記２次元フォトニック結晶の主面のうち、前記半導体多層膜が設けられた面と同じ面上に設けられている場合には、第２の電極による光の吸収がなく、第２の電極に光が遮蔽されることもないので、２次元フォトニック結晶からの光取り出し効率を向上させることができる。
【００２６】
前記第１の電極の下面上に、金属膜が設けられている場合には、金属膜で光を反射させることができる。特に、スラブ導波路として機能する半導体多層膜が複数の領域に分断されている場合には、半導体多層膜の不連続部分から放射された光を金属膜で反射することでフォトニック結晶からの光取り出し効率をさらに高めることができる。
【００２７】
前記半導体多層膜は、水平面内において複数の領域に分離されていることにより、半導体多層膜が分離・分割されていない場合にはスラブ構造（半導体多層膜）内に閉じこめられる光を半導体多層膜の断絶部界面から放射させ、２次元フォトニック結晶に伝搬させることができる。このため、２次元フォトニック結晶からの光取り出し効率をさらに向上させることができる。
【００２８】
複数の領域に分離された前記半導体多層膜の平面形状は、円形、楕円形、多角形のうちのいずれかであってもよい。特に、楕円形もしくは多角形であれば回転対称性が円形の場合よりも低下するため、スラブ構造の断絶部界面を反射しながら周回し閉じこもるモードの発生を防ぐことができる。その結果、スラブ構造中を伝搬する光を効果的にスラブ構造から取り出すことができ、光取り出し効率がさらに向上する。
【００２９】
複数の領域に分離された前記半導体多層膜の平面形状は四辺形であり、前記四辺形の一辺の長さは１μｍ以上であることが好ましい。四辺形の一辺の長さが１μｍ未満であると、素子面積に占める発光領域の面積の割合が低下するため、光取り出し効率の向上効果を十分に得られなくなるおそれがあるからである。
【００３０】
複数の領域に分離された前記半導体多層膜の分離間隔は１μｍ以上であることが好ましい。分離間隔が１μｍ未満であればスラブ構造の断絶部界面から放射された光が効率よく２次元フォトニック結晶に伝搬されずに隣接する別のスラブ構造に伝搬されるので、スラブ構造に閉じこめられた光を取り出しにくくなる。このため、分離間隔を１μｍ以上とすることで光取り出し効率を向上させることができる。
【００３１】
前記半導体多層膜の下面上に分布ブラッグ反射多層膜が設けられていることにより、活性層から放射された光を反射するので、フォトニック結晶での光取り出し効率を向上させることができる。
【００３２】
前記活性層に第１導電型のキャリアを注入するための第１の電極が前記分布ブラッグ反射多層膜の下面上に設けられ、前記活性層に第２導電型のキャリアを注入するための第２の電極が前記２次元フォトニック結晶のいずれかの主面上に設けられていることが好ましい。
【００３３】
前記第１の電極は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、ＲｄおよびＡｌのうちから選ばれた１つの金属、あるいは２つ以上からなる合金、またはＡｕ膜、Ｐｔ膜、Ｃｕ膜、Ａｇ膜、Ｒｄ膜およびＡｌ膜のうちから選ばれた膜の積層体により構成されていれば、効率よく活性層から放射された光を反射することができるので、反射光をフォトニック結晶に伝搬させることができる。その結果、フォトニック結晶からの光取り出し効率を向上させることができる。
【００３４】
前記分布ブラッグ反射多層膜を形成する材料が半導体であれば、金属膜を用いる場合に比べて光吸収を起こしにくくすることができるので、光取り出し効率を向上させることができる。
【００３５】
前記フォトニック結晶に周期的に配置された孔が形成されていることにより、２次元周期構造での電流拡散が容易となり、直列抵抗を低減することができる。また、ウエットエッチングなどにより形成できるので、結晶の損傷が少ない２次元フォトニック結晶を実現できる。
【００３６】
前記孔の平面形状は、円形、楕円形、多角形のうちのいずれかであってもよく、また、前記孔は、正方格子状または三角格子状に配置されていてもよい。本発明の半導体発光素子においては、周期構造さえあれば光の回折が生じるため、光取り出し効率は孔の平面形状に敏感ではない。
【００３７】
前記孔の配列周期は方向によって異なっていてもよい。
【００３８】
前記半導体多層膜の膜厚が、前記活性層から放射される光の前記半導体多層膜中でのピーク波長の１０倍以下であれば、活性層から臨界屈折角より大きな角度で放射される光を半導体多層膜に閉じこめて水平方向に伝搬させることができる。
【００３９】
前記２次元フォトニック結晶の周期が前記活性層から放射される光の前記半導体多層膜中でのピーク波長の０．５倍以上１０倍以下であれば、２次元フォトニック結晶と空気との界面での回折によって高い光取り出し効率を得ることができる。
【００４０】
前記２次元フォトニック結晶の厚みは０．１μｍ以上で且つ２μｍ以下であることが好ましい。２次元フォトニック結晶の厚みが０．１μｍ以上であれば電流を２次元フォトニック結晶内で水平方向に拡散することができるので、発光素子内での直列抵抗を低減し、電力変換効率を高めることができる。また、２次元フォトニック結晶の厚みが２μｍ以下であることにより、２次元フォトニック結晶の光射出面からの光取り出し効率を高めることができる。
【００４１】
前記２次元フォトニック結晶を構成する材料が半導体であることにより、活性層から放射される光を吸収させずに、電流を拡散させることが容易になる。その結果、光取り出し効率向上の効果を最大限にしつつ、電圧効率の低減を回避することができる。また、２次元フォトニック結晶とスラブ構造とを結晶成長により一括して形成することができる。
【００４２】
本発明の半導体発光素子の製造方法は、半導体層の第１の主面上に、光を放射するための活性層を含む半導体多層膜を形成する工程（ａ）と、前記半導体層に２次元周期構造を形成して前記半導体層を２次元フォトニック結晶とし、前記半導体多層膜をスラブ構造とする工程（ｂ）とを備えている。
【００４３】
この方法により、スラブ構造と２次元フォトニック結晶とを備え、光取り出し効率を向上させた半導体発光素子を製造することができる。
【００４４】
前記工程（ａ）において、前記半導体層は基板上に設けられており、前記工程（ａ）の後で前記工程（ｂ）の前に、前記基板を除去する工程（ｃ）をさらに備えていてもよい。
【００４５】
本発明の半導体発光素子の製造方法において、前記工程（ｂ）は、前記半導体層の第２の主面上にマスクを形成する工程と、前記半導体層をエッチング液に浸漬させた状態で前記第２の主面に紫外線を照射する工程とを含む光化学エッチングによって行なわれることが好ましい。光化学エッチングはドライエッチングなどに比べて低エネルギーのプロセスであるため、活性層近傍までエッチングして２次元周期構造を形成してもエッチングによるダメージが活性層に生じず、内部量子効率の低下を防ぐことができる。また、光化学エッチングによれば、垂直方向に深いエッチングを行うことが可能となるので、２次元フォトニック結晶を容易に形成することができる。
【００４６】
あるいは、前記工程（ｂ）は、前記半導体層の第２の主面上にマスクを形成する工程と、前記半導体層および前記半導体多層膜をエッチング液に浸漬した状態で前記半導体層および前記半導体多層膜に電流を流す工程とを含む陽極酸化エッチングにより行われることが好ましい。陽極酸化エッチングも光化学エッチングと同様に低エネルギーのプロセスであるため、活性層にダメージを与えるおそれがなく、内部量子効率の低下を防ぐことができる。加えて、素子に印加する電流をモニターすることでエッチングを終了すべき時間を正確に知ることができるので、活性層へのダメージをより確実に防ぐことができる。また、陽極酸化エッチングによっても垂直方向に深いエッチングを行うことができ、２次元フォトニック結晶を容易に形成することができる。
【発明の効果】
【００４７】
以上のように、本発明の半導体発光素子はスラブ構造を有し、活性層を含む半導体多層膜と二次元フォトニック結晶とを備えているので、従来の半導体発光素子に比べて光取り出し効率が大幅に向上している。また、２次元フォトニック結晶中で電流を水平方向に拡散することができるので、発光素子内での直列抵抗を低減し、スラブフォトニック結晶を用いた従来の発光素子よりも電力変換効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
以下、本発明の実施形態について図を用いて具体的に説明する。
【００４９】
（本発明の実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係る半導体発光素子を示す斜視図であり、図２は、本実施形態に係る半導体発光素子の縦断面と、各層における屈折率とを示す図である。
【００５０】
図１および図２に示す半導体発光素子は、サブマウント１と、サブマウント１上に設けられ、膜厚が５００ｎｍのＡｕからなる高反射率金属層２と、高反射率金属層２上に設けられ、合計膜厚が３００ｎｍのＡｌ／Ｔｉ／Ａｕからなる高反射率ｐ電極３と、高反射率ｐ電極３上に設けられ、膜厚が１００ｎｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層４と、ｐ型コンタクト層４上に設けられ、ノンドープＡｌＩｎＧａＮ井戸層とノンドープＡｌＩｎＧａＮ障壁層とが交互に積層されてなる多重量子井戸を有する膜厚が７０ｎｍの活性層５と、活性層５上に設けられ、膜厚が６０ｎｍのｎ型ＡｌＧａＮからなるエッチングストップ層６と、エッチングストップ層６上に設けられた膜厚が０．５μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層７と、ｎ型コンタクト層７の上に設けられた膜厚が１μｍのＴｉ／Ａｕからなるｎ電極９とを備えているＬＥＤである。活性層５のＰＬピーク波長は例えば４０５ｎｍである。また、「ノンドープ」とは、該当する層に対しドーピングを意図的に行っていないことを示す。
【００５１】
また、図１および図２に示すように、孔８が２次元周期で形成されているため、ｎ型コンタクト層７はフォトニック結晶（２次元フォトニック結晶）１１として機能する。フォトニック結晶１１の周期、すなわち２次元の面内で隣り合う孔８の中心間隔は０．３μｍである。孔８はｎ型コンタクト層７の上面からｎ型コンタクト層７とエッチングストップ層６との界面まで形成されており、その深さは０．５μｍである。一方、ｐ型コンタクト層４、活性層５およびエッチングストップ層６で構成される多層膜（半導体多層膜）１０は、複数の領域に分割されたスラブ構造を有している。すなわち、高反射率ｐ電極３および多層膜１０は、上方から見て一辺が例えば１０μｍの正方形である柱状体が水平方向に１５μｍの周期で配置された構造となっている。なお、本明細書中で「スラブ構造」とは、層内を伝搬する光のピーク波長の１０倍以下の厚さの薄い板状体が低屈折率の層で挟まれた構造を意味し、板状体である多層膜１０が水平方向に複数の領域に分離・分割された場合も含むものとする。なお、板状体を挟む低屈折率層の厚さは当該低屈折率層中の光の波長以上であることが好ましい。
【００５２】
図２の左図から分かるように、本実施形態の半導体発光素子において、ｎ型コンタクト層７は孔８が形成されているため、ｎ型コンタクト層７の屈折率は、孔８が形成されない場合に比べて低下している。そして、ｐ型コンタクト層４、活性層５およびエッチングストップ層６を含む多層膜１０は屈折率が低下したｎ型コンタクト層７と屈折率が低い高反射率ｐ電極３とに挟まれているため、多層膜１０とｎ型コンタクト層７との界面、および多層膜１０と高反射率ｐ電極３との界面とで光が反射される。その結果、多層膜１０は光を上下方向に閉じ込め、水平方向に伝搬するスラブ導波路として機能する。
【００５３】
図３（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図１８に示す型の従来のＬＥＤ、および図２０に示す表面フォトニック結晶を備えた従来のＬＥＤにおいて、活性層から放射される光の伝搬を数値計算によりシミュレーションした結果を示す図である。また、図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれフォトニック結晶を有し、水平方向に連続しているスラブ構造を備えたＬＥＤ（図１６参照）、およびフォトニック結晶を有し、水平方向に不連続なスラブ構造を備えた本実施形態のＬＥＤにおいて、活性層から放射される光の伝搬を数値計算によりシミュレーションした結果を示す図である。なお、図３および図４の発光点は活性層であり、図中に示す素子の向きは図１、図１８および図２０と同じであるとする。
【００５４】
図３（ａ）から分かるように、第１の従来例に係るＬＥＤにおいては、活性層から放射された光の大部分が外部に放出されることなくＬＥＤ内部に閉じ込められていることが分かる。また、図３（ｂ）に示す結果から、第３の従来例に係るＬＥＤにおいても表面フォトニック結晶１２０８によりＬＥＤ外部へ取り出せる光が第１の従来例に係るＬＥＤに比べて増加しているが、依然として大部分の光がＬＥＤ内部に留まっている。
【００５５】
これに対し、図４（ａ）に示すように、フォトニック結晶１１（図１参照）と水平方向（サブマウント１の主面に対して水平な方向）に分断されていない多層構造とを有するスラブ構造を設けたＬＥＤの場合、ｎ型コンタクト層７の屈折率が低下しているため、多層膜１０からｎ型コンタクト層７への光取り出し効率が向上する。そして、ｎ型コンタクト層７内を伝搬する光は、フォトニック結晶１１の回折によってＬＥＤ外部に取り出される。その結果、垂直方向（ＬＥＤ上面から見た上方方向）の光の取り出しが第１および第３の従来例に係るＬＥＤよりも多くなる。しかし、残りの光は多層膜１０内を伝搬する光となりＬＥＤ内部に閉じ込められてしまう。
【００５６】
一方、本実施形態のＬＥＤにおいては、図４（ｂ）に示すようにスラブ構造である多層膜１０を水平方向に不連続にすることで、多層膜１０内を伝搬した光が多層膜１０の不連続部分からｎ型コンタクト層７へと伝搬していることが分かる。
【００５７】
これは、多層膜１０の不連続部分から放射された光が、高反射率金属層２により反射されるためである。また、ｎ型コンタクト層７中を伝搬する光は、図４（ａ）の場合と同様にフォトニック結晶１１の回折によりＬＥＤ外部へ放射されていることが分かる。
【００５８】
以上のように、本実施形態のＬＥＤにおいては、表面だけでなくｎ型コンタクト層７全体がフォトニック結晶として機能することで光の取り出し効率が従来のＬＥＤに比べて向上している。さらに、多層膜１０が複数領域ごとに分断して形成された上で高反射率金属層２が設けられていることにより、従来のＬＥＤではスラブ導波路内に閉じこめられていた光をｎ型コンタクト層７から取り出すことができる。そのため、本実施形態のＬＥＤにおける光取り出し効率は、従来のＬＥＤにおける光取り出し効率に比べ著しく高くなっている。なお、図１ではｎ型コンタクト層７の１対の側面が平坦になっている例を示しているが、ｎ型コンタクト層７の側面にも孔８による周期的な凹凸構造が設けられている方が光取り出し効率を向上させることができるのでより好ましい。
【００５９】
次に、本実施形態のＬＥＤにおいて、ｎ型コンタクト層７の２次元周期構造の周期、多層構造（スラブ構造）厚さ、およびｎ型コンタクト層７（フォトニック結晶）の厚さがそれぞれ光取り出し効率に与える影響を検討する。
【００６０】
図５（ａ）は、本実施形態のＬＥＤにおいて、ｎ型コンタクト層７に形成された２次元周期構造の周期を変化させた場合の光取り出し効率の計算結果を示す図であり、（ｂ）は、多層膜１０の厚さ（スラブ厚）を変化させた場合の光取り出し効率の計算結果を示す図である。また、図５（ｃ）は、本実施形態のＬＥＤにおいて、ｎ型コンタクト層７の厚みを変化させた場合の光取り出し効率の計算結果を示す図である。光取り出し効率は、ｎ型コンタクト層７上面と空気との界面からＬＥＤ外部に取り出される光の割合を計算した。これはＬＥＤの計６つの面のうち１面からの光取り出し効率であり、第１の従来例に係るＬＥＤにおいては４％、表面フォトニック結晶を備えた第３の従来例に係るＬＥＤにおいては１０％であった（図示せず）。
【００６１】
図５（ａ）に示す結果から、本実施形態のＬＥＤにおける光取り出し効率に２次元構造の周期に対する依存性があることが分かる。すなわち、ｎ型コンタクト層７における２次元構造の周期が０．３μｍ以上０．５μｍ以下の場合、周期が短いほど光取り出し効率が向上していることが分かる。これは、周期が短いほど、光がフォトニック結晶１１を水平方向に伝搬する場合に通過する周期数が多くなるためである。従って、ｎ型コンタクト層７に形成される２次元構造の周期は、半導体中の光のピーク波長（PLピーク波長）の１０倍程度またはそれ以下にすることが望ましい。一方、周期が半導体中の波長に比べて短すぎる場合、光に対しては周期構造ではなく数周期分を平均した屈折率が一様に分布した構造と同等になるため、回折による光取り出し効率向上の効果がなくなる。このように回折効果がなくなるのは周期が半導体中の光の波長の０．５倍未満である場合である。従って、ｎ型コンタクト層７における２次元構造の周期は、半導体中の光のピーク波長（PLピーク波長）の０．５倍以上１０倍以下であることが好ましい。
【００６２】
また、図５（ａ）に示す結果から、本実施形態のＬＥＤにおいてはｎ型コンタクト層７に形成された２次元構造の周期が０．３μｍの場合、３００ｎｍから５００ｎｍまでのどの波長の光に対しても６０％程度の光取り出し効率を得られる可能性があることが分かる。これは、第１の従来例に係るＬＥＤに比べて１５倍もの高効率である。このように、特定の波長ではなく広い波長範囲に渡り高効率化が実現することは、放射する光の波長が数１０ｎｍに渡り分布しているＬＥＤ場合にも、フォトニック結晶と領域ごとに分断されたスラブ構造とを備える本発明の半導体発光素子が有効であることを示している。なお、本実施形態の半導体発光素子において、広範囲の波長の光に対して光取り出し効率が向上する機構については、後述する。
【００６３】
次に、図５（ｂ）に示す結果から、スラブ構造を有する多層膜１０の膜厚に光取り出し効率はほとんど依存しないことが分かる。具体的には、少なくともスラブ厚が７９ｎｍ以上３１８ｎｍ以下の範囲で光取り出し効率は大きく変化しない。これは、積層方向の共振を利用して光取り出し効率を向上させる共振器ＬＥＤ（Resonant-cavity LED）のように光取り出し効率がスラブ膜厚に敏感に依存する技術とは、本発明の技術が異なることを意味する。本実施形態のＬＥＤはスラブ膜厚を精密に制御する必要がないため、共振器ＬＥＤに比べてプロセスの許容度が高く、安定な歩留まりを実現することができる。なお、スラブ膜厚はＰＬピーク光の波長の１０倍以下であることが好ましい。
【００６４】
次に、図５（ｃ）に示す結果から、ｎ型コンタクト層７の厚さが増加するほど、光取り出し効率が低下することが分かる。従って、光取り出し効率の観点からは、フォトニック結晶１１を設けるｎ型コンタクト層７の厚さは薄いほうが好ましい。しかし、本実施形態のＬＥＤでは、ｎ型コンタクト層７内で横方向に電流拡散をすることによって広い範囲の活性層に電流注入する必要があるため、電流拡散の観点からはｎ型コンタクト層７の厚さが厚いほうが好ましい。以上の観点から、ｎ型コンタクト層７の厚さは少なくとも０．１μｍ以上で且つ２μｍ以下であることが望ましい。
【００６５】
以上の数値計算の結果より、本実施形態のＬＥＤによれば、従来のＬＥＤに比べて光取り出し効率を大幅に向上させることができることが分かる。
【００６６】
次に、本発明の半導体発光素子において広範囲の波長の光に対して光取り出し効率が向上する機構について、図を用いて説明する。
【００６７】
図６（ａ）は、上面が平坦である第１の従来例に係るＬＥＤを模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、第１の従来例に係るＬＥＤの光射出面における光の挙動を説明するための図であり、（ｃ）は、水平方向の波数ｋ//とフォトン周波数ωの関係を示す図である。
【００６８】
図６（ｂ）に示すように、第１の従来例に係るＬＥＤにおいて、活性層で発生する光が全反射臨界角より小さい角度でＬＥＤ上面に達する場合、全反射されずにＬＥＤ上面を透過、すなわちＬＥＤ外部の空気中へ放射される。しかし、全反射臨界角より大きい角度で光出射面に入射した光はＬＥＤ上面で全反射され、ＬＥＤ内部に閉じ込められる。この現象はスネルの法則により説明されるが、ここでは後述するフォトニック結晶に関しても記述できるように、フォトン周波数ωと波数ｋ（ただし、ｋ＝２π/λ。λは光の波長）の関係、すなわちω−ｋ分散を用いて説明する。波数ベクトルは光の伝搬方向を示す。対象とする系は、図６（ｂ）のように水平方向に関して並進対称性を有するため、水平方向の波数ｋ//が保存される。すなわち、ＬＥＤの内部からＬＥＤの外部に光が伝搬する場合、ＬＥＤ内部におけるｋ//とＬＥＤ外部におけるｋ//とは一致しなくてはならない。このようにｋ//は特別な物理量となるため、系の光を指定する指標としてｋ//を用いると光の伝搬の解析が便利である。
【００６９】
ここで、ＬＥＤ内部の屈折率をＮとすると、ＬＥＤ内部で発生した光は屈折率の定義であるω＝ｋ・ｃ／Ｎの関係を満たす必要がある（ｃは光の速度）。ＬＥＤ内部における垂直方向の波数をｋverとすると波数の定義より、ｋ2＝ｋver2＋ｋ//2である。伝搬する光はｋverもしくはｋ//が実数である必要がある。ｋverもしくはｋ//が虚数であると、減衰する光を意味し、光が伝搬しないことを意味するからである。従って、とり得るｋ//の範囲は｜ｋ//｜≦Ｎω／ｃである。しかし、ＬＥＤの外部に伝搬する光のとり得るｋ//の範囲は｜ｋ//｜≦ω／ｃでありＮ＞１であるので、ω／ｃ≦｜ｋ//｜≦Ｎω／ｃの範囲の光はＬＥＤ上面からＬＥＤ外部へと透過することができない。なぜなら、ＬＥＤの外部へ透過しようとすると、ｋverが虚数となり減衰してしまうからである。これが全反射現象である。
【００７０】
ＬＥＤ表面への入射角度θはθ＝ｔａｎ-1（ｋver／ｋ//）であるため、｜ｋ//｜が大きい光というのは、入射角度が大きいことを意味する。全反射が生じ始める角度である全反射臨界角θｃにおいては、ｋver＝０である。このとき、｜ｋ//｜＝Ｎω／ｃであるので、θｃ＝ｔａｎ-1（０／Ｎω／ｃ）＝ｓｉｎ-1（（ω／ｃ）／（Ｎω／ｃ））＝ｓｉｎ-1（１／Ｎ）となる。θｃ以上の入射角の光は、ＬＥＤ表面で全反射される。
【００７１】
次に、図２０に示すような表面フォトニック結晶を有する第３の従来例に係るＬＥＤについて考察する。
【００７２】
図７（ａ）は、上面近傍にのみフォトニック結晶が設けられた第３の従来例に係るＬＥＤを模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、第３の従来例に係るＬＥＤの光射出面における光の挙動を説明するための図であり、（ｃ）は、第３の従来例に係るＬＥＤにおいて水平方向の波数ｋ//とフォトン周波数ωの関係を示す図である。ここでは単純に１次元方向に周期ａの構造が形成されているとして考察する。
【００７３】
第３の従来例に係るＬＥＤの場合、図７（ｂ）に示すように活性層からＬＥＤ上面に伝搬して光は周期構造による回折を受け、伝搬方向を変える。回折を回折ベクトルＧphc（ここで、Ｇphc＝２π／ａ）による散乱として、図７（ｃ）に示すω−ｋ分散形式で記述する。ＬＥＤ表面（上面）に周期構造が設けられている場合、水平方向を伝搬する光は平坦な表面の連続的な並進対称性（平行移動であればどの距離の平行移動においても、系は移動前と変わらない）ではなく、離散的な並進対称性（周期の整数倍の距離の平行移動のときに、系は移動前と変わらない）を示す。この場合のｋ//の保存則は、ｋ//aft＝ｋ//bef＋ ｍＧphc となる（ｍ＝０、±１、±２、±３・・・の整数）。ここで、ｋ//aftは散乱後の水平方向の波数を意味し、ｋ//befは散乱前の水平方向の波数を意味する。上式から、周期構造の回折により、ｋ//を変化させることができることが分かる。これは回折により光が伝搬する方向を変えることを意味する。表面フォトニック結晶においては、ω／ｃ≦｜ｋ//｜≦Ｎω／ｃの平坦な平面では全反射していた光もＧphcによって｜ｋ//｜≦ω／ｃと変化させることができ、ＬＥＤ外部に光を取り出すことができる。しかし、回折効率を１００％とすることは不可能なため、回折を受けなかった光は全反射によりＬＥＤ内部に閉じ込められる。
【００７４】
次に、図１に示す本実施形態のＬＥＤについて考察する。
【００７５】
図８（ａ）は、本実施形態のＬＥＤのうち２次元フォトニック結晶として機能するｎ型コンタクト層を斜視図であり、（ｂ）は、本実施形態のＬＥＤにおいて水平方向の波数ｋ//とフォトン周波数ωの関係を示す図である。以下、本実施形態のＬＥＤにおける光の伝搬をω−ｋ分散形式を用いて説明する。
【００７６】
本実施形態のＬＥＤの場合、２次元フォトニック結晶中を伝搬する光についてのｋ//の範囲は、ブロッホの定理により｜ｋ//｜≦π／ａに制限される。その結果、ａ≧λとすれば、２次元フォトニック結晶中においては｜ｋ//｜≦π／λ＝ω／ｃとなるため、光がＬＥＤ外部に透過する条件を満たす。すなわち、ａ≧λの２次元フォトニック結晶中を伝搬する光は、全てＬＥＤ外部の空気中へ取り出される。従って、本実施形態のように、内部量子効率の低下を避けるために２次元フォトニック結晶の孔が活性層を貫通しない構造の場合、活性層から２次元フォトニック結晶へ高効率に光を伝搬することができれば、非常に高い光取り出し効率を実現することができる。この高効率の伝搬を実現するために、本実施形態のＬＥＤでは前述のスラブ構造を採用している。
【００７７】
次に、本実施形態のＬＥＤの製造方法を説明する。図９（ａ）〜（ｆ）は、本実施形態のＬＥＤの製造方法を示す斜視図である。図面の都合上、ＬＥＤの１素子分を図示しているが、実際の製造は複数の素子が設けられるウェハ単位で行われ、ＬＥＤが形成された後でチップごとに分割される。
【００７８】
まず、図９（ａ）に示すように、基板１２上にｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層７、ｎ型ＡｌＧａＮからなるエッチングストップ層６、ＡｌＩｎＧａＮ多重量子井戸からなる活性層５、ｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層４をこの順に形成する。基板１２としてはサファイア基板やＳｉＣ基板、ＡｌＮ基板、Ｓｉ基板などが用いられるが、本実施形態の例ではサファイア基板が用いられている。本工程において、窒化物系化合物半導体の結晶成長方法としては、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長：Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）法や、ＭＢＥ（分子線エピタキシャル成長：Molecular Beam Epitaxy）法などが用いられる。本実施形態の例では、ＡｌＧａＮ層の形成にＭＯＣＶＤ法が用いられている。
【００７９】
次に、図９（ｂ）に示すように、Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕからなる高反射率ｐ電極３を堆積した後に、周期的な形状にパターニングする。本実施形態の例では高反射率の材料であるＡｌを高反射率ｐ電極３の一部に利用しているが、その他の高反射率の金属として、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｒｄなどやそれらの合金を用いてもよい。金属の堆積には、蒸着法やスパッタ法などが用いられるが、本実施形態の例では電子ビーム蒸着法が用いられている。また、周期的な形状のパターニングにはリフトオフやエッチングなどが用いられるが、本実施形態の例ではリフトオフが用いられている。この高反射率ｐ電極３の周期は例えば１５μｍで、上から見た場合の各正方形の一辺は８μｍである。高反射率ｐ電極３の平面面積は図１に示すように多層膜１０の平面面積と等しくてもよいが、多層膜１０の平面面積よりも小さい方が側面でのリークを低減できるのでより好ましい。
【００８０】
その後、図９（ｃ）に示すように、水平方向に不連続なスラブ構造を形成するために、エッチングストップ層６、活性層５、ｐ型コンタクト層４を含む多層膜をエッチングにより周期的に分離する。ここで、分離の周期は１５μｍ、分離された多層膜を上から見た場合の正方形の一辺は１０μｍである。この分離構造の形成には、例えば、エッチングマスク用のレジストのパターニングにはフォトリソグラフィが利用され、窒化物系化合物半導体のエッチングにはＲＩＥ（反応性イオンエッチング：Reactive Ion Etching）法やイオンミリング（Ion Milling）法などのドライエッチング技術や、紫外線を照射しながらの光化学エッチングや加熱した酸またはアルカリ液によるエッチングなどのウェットエッチング技術を用いることができる。ここでは、ＲＩＥ法によりエッチングが行われる。
【００８１】
次に、図９（ｄ）に示すように、Ａｕからなる高反射率金属層２を上面上に有し、Ｓｉからなるサブマウント１を準備し、先の工程で形成した素子を、高反射率ｐ電極３を下にして高反射率金属層２と貼り合せる。サブマウント１の材料としてはＳｉの他、ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｃｕなどが用いられる。この後、基板１２の裏面からＫｒＦエキシマレーザ(波長２４８ｎｍ）を、ウエハ面内をスキャンする形で照射して基板１２を除去する。照射されたレーザ光はサファイアからなる基板で吸収されずＧａＮでのみ吸収される波長であるので、レーザ光の吸収による局所的な発熱により基板１２とｎ型コンタクト層７の界面付近においてＧａＮの結合が分解する。これにより、基板１２を素子から分離し、窒化物系半導体からなるデバイス構造を得ることができる。ここで用いられるレーザ光は、ＧａＮに吸収され、且つサファイアに対して透明な波長であればよいので、ＹＡＧレーザの第三高調波(波長３５５ｎｍ)、あるいは水銀灯輝線(波長３６５ｎｍ)なども用いられる。また、この例では基板１２としてサファイア基板を用いたが、ＡｌＮ基板を用いる場合でも、本実施形態と同様にして基板を除去することができる。また、基板１２としてＳｉＣ基板が用いられる場合には、ＳｉＣとＧａＮとの選択的ドライエッチングによってＳｉＣ基板を除去することができる。また、基板１２としてＳｉ基板が用いられる場合、ウェットエッチングにより容易に基板を除去することができる。
【００８２】
次に、図９（ｅ）に示すように、ｎ型コンタクト層７の上面（エッチングストップ層６などが設けられた面に対向する面）上に電子ビーム蒸着法によってＴｉ／Ａｕを堆積した後リフトオフによってパターニングを行う。これにより、ｎ型コンタクト層７の上面の中心領域にＴｉ／Ａｕからなるｎ電極９を形成する。
【００８３】
次いで、図９（ｆ）に示すように、ｎ型コンタクト層７を貫通する孔８を周期的に形成して２次元周期構造を有するフォトニック結晶１１を形成する。このフォトニック結晶１１を形成する際に、エッチングマスクとなるレジストのパターニングには例えば電子ビーム露光やステッパー、ナノプリントなどが利用されるが、本実施形態の例では電子ビーム露光が用いられている。この孔８のエッチングでは活性層５を貫通することを避けるために、深さ方向を精密に行う必要がある。そのために、本実施形態のＬＥＤではｎ型コンタクト層７と異なる組成の半導体であるエッチングストップ層６を設けている。本実施形態のＬＥＤでは、ＧａＮからなるｎ型コンタクト層７に対してエッチング耐性を高めるためにＡｌを含むＡｌＧａＮをエッチングストップ層６に用いている。ドライエッチングにおいてＡｌＧａＮのエッチング速度がＧａＮのエッチング速度よりも遅いために、ＡｌＧａＮをエッチングストップ層６として用いることができる。本工程では、活性層５をドライエッチングしてしまわないようドライエッチングの条件を適切に設定する必要がある。また、ＡｌＧａＮとＧａＮとのエッチング選択比はあまり高くないので、深さ方向を制御するためにもエッチング条件を適切に設定する必要がある。なお、フォトニック結晶１１の周期は、例えば、０．３μｍ、孔の直径は０．１μｍである。
【００８４】
なお、ドライエッチング以外の方法でフォトニック結晶１１を形成することもできる。
【００８５】
図１０は、本実施形態の半導体発光素子の製造方法の第１の変形例を示す図であり、図１１は、本実施形態の半導体発光素子の製造方法の第２の変形例を示す図である。
【００８６】
図９（ｆ）に示す工程において、図１０に示すように紫外線を照射しながら光化学エッチングを用いてフォトニック結晶１１を形成することもできる。すなわち、ｎ型コンタクト層７の上面上にマスクとなるレジスト２０を周期的なパターンで形成した後、素子をＫＯＨなどを含むアルカリ性液体や燐酸などを含む酸性の液体であるエッチング液１９中に浸し、ＡｌＧａＮには透明でＧａＮでは吸収される波長３６０ｎｍの紫外線を照射する。これにより、孔８が周期的に形成される。ＧａＮは化学的に安定であり、アルカリや酸に浸してもそのままではエッチングされない。しかし、正孔が形成される、すなわち化学結合を形成している電子が不足すると、化学結合が弱くなるためアルカリや酸にエッチングされる。しかし、エッチングがＡｌＧａＮからなるエッチングストップ層６まで達すると、紫外線はＡｌＧａＮに吸収されないのでＡｌＧａＮ表面に正孔が形成されない。従って、ＡｌＧａＮからなるエッチングストップ層６はエッチングされず、エッチングが停止する。このようにエッチングが所定の深さで自動的に停止するため、製造しやすく高い歩留まりが実現する。また、ドライエッチングに比べてフォトニック結晶１１の表面を傷めることなく孔８を形成できる上、活性層５にダメージを与えるおそれがなくなる。
【００８７】
また、図１１に示すように、フォトニック結晶１１は、バイアスを印加しながらの陽極酸化エッチングなどのウェットエッチング技術を用いても形成される。すなわち、パターニングされたレジストをｎ型コンタクト層７上に形成した後、素子をＫＯＨを含むアルカリ性の液体や燐酸を含む酸性の液体であるエッチング液１９中に浸す。この状態で、サブマウント１とｎ型コンタクト層７との間にバイアスを印加して電流を流すことによって、電気的にｎ型コンタクト層７に孔８を形成する。バイアスを印加するためのＰｔ電極にはコンピュータにより制御されたエレクトロメータ１７が接続される。エッチングは素子に電流を流すことによって進むため、エッチングの進行は素子を流れる電流を通してモニタでき、エッチングがエッチングストップ層６の表面に達した時の電流の変化を捉えた時に、バイアス印加を解除すればエッチングをエッチングストップ層６の直上で停止することができる。このように、本変形例に係る方法によれば、エッチングの進行を電気的にモニタすることが可能なため、コンピュータによりエッチングを自動的に制御でき、高い歩留まりを実現することができる。
【００８８】
図１２（ａ）、（ｂ）は、以上のようにして作製された本実施形態のＬＥＤについて、電流−電圧特性と電流−光出力特性とをそれぞれ示す図である。各グラフ中には、比較のために、基板１２が除去されているがフォトニック結晶１１が形成されていない従来の構造のＬＥＤの特性も示している。
【００８９】
図１２（ａ）に示す結果から、本実施形態のＬＥＤと従来のＬＥＤの電流−電圧特性は、立ち上り電圧を含めてほぼ等しい曲線を描くことが分かる。このことから、本実施形態の製造方法によれば、２次元周期構造を形成することによる活性層５への加工ダメージによるリークがなく、ｎ型コンタクト層７に２次元周期構造の孔８が形成されていても電流が従来のＬＥＤと同様に拡散するＬＥＤを作製できることが分かる。すなわち、本実施形態のＬＥＤにおいては、フォトニック結晶１１が形成されない従来のＬＥＤと比べて電流−電圧特性に悪影響を与えることなくフォトニック結晶１１が形成されている。
【００９０】
一方、図１２（ｂ）に示す結果から、本実施形態のＬＥＤは、従来のＬＥＤに比べて電流値に対する光出力（ＬＥＤ全面からの合計の光出力）が大幅に増加していることが分かる。例えば、２０ｍＡ以下の電流領域において、本実施形態のＬＥＤの光出力は、同一電流を流した場合の従来のＬＥＤの約１５倍に増加している。すなわち、本実施形態のＬＥＤでは、図５に示す理論計算結果と同様に光取り出し効率が６０％近くに向上していることが分かる。そして、理論計算と同じ結果が得られていることから、フォトニック結晶１１の孔８が活性層５まで貫通せず、内部量子の低下が生じていないことが確認できる。
【００９１】
以上のように、本実施形態のＬＥＤにより、電圧効率や内部量子効率を低下させることがなく、光取り出し効率を向上することができることが示された。
【００９２】
なお、図１３（ａ）〜（ｆ）は、それぞれ本実施形態のＬＥＤにおいて、フォトニック結晶１１に形成された孔８の形状および配置のバリエーションを示す平面図である。
【００９３】
図１３（ａ）に示すように、２次元周期配列を構成する孔８は正方格子状に配置されていてもよいし、図１３（ｂ）に示すように、三角格子状に配置されていてもよい。また、図１３（ｃ）、（ｄ）に示すように、孔８は、方向によって周期が異なるように配置されていてもよい。図１３（ｅ）、（ｆ）に示すように、孔の形は円形に限らず、楕円形や正方形、六角形などの多角形でもよい。これは、上述の理論計算に示されたように周期構造があれば回折が生じ、光取り出し効率を向上させる効果が孔の配置や形状に敏感でないためである。このように、本発明の半導体発光素子の構成は、孔の配置や形状に対する許容度が高くなっている。
【００９４】
また、図４（ａ）の理論計算で示したように、スラブ構造を形成する多層膜１０が水平方向に分離されていない場合でも、従来のＬＥＤに比べて光取り出し効率を向上させることができる。従って、図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、多層膜１０が複数の領域に分離されない構造であってもよい。
【００９５】
図１５（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態のＬＥＤにおいて、水平面内で分割された多層膜１０および高反射率ｐ電極３の形状のバリエーションを示す斜視図である。これらの図に示すように、多層膜１０および高反射率ｐ電極３の平面形状は特に限定されず、正方形や五角形、六角形などの多角形状であってもよいし、図１５（ａ）に示すように、円形あるいは楕円形であってもよい。分割された多層膜１０の平面形状が楕円形もしくは多角形であれば回転対称性が円形の場合よりも低下するため、スラブ構造（多層膜１０）の分割面を反射しながら周回し閉じこもるモードの発生を防ぐことができる。その結果、スラブ構造中を伝搬する光を効果的にスラブ構造から取り出すことができ、光取り出し効率をさらに向上させることができる。
【００９６】
また、水平方向に互いに分離された多層膜１０の配列は図１５（ｃ）、（ｄ）に示すように三角格子状であっても正方格子状であってもよい。これは周期があれば回折が生じ、上述の理論計算に示されたように光取り出し効率向上が構造に敏感でないという構造の許容度が本発明において高いためである。なお、多層膜１０は必ずしも周期構造である必要はない。
【００９７】
また、分割された多層膜１０同士の間隔は１μｍ以上とし、分割された多層膜１０の平面形状が四辺形の場合の一辺の長さは１μｍ以上であることが好ましい。これは、多層膜１０の幅が小さく、且つ多層膜１０の間隔が大きすぎると素子面積に対する発光領域の面積が小さくなるため、光取り出し効率の向上効果が低減してしまうためである。また、多層膜１０の間隔が大きすぎると多層膜１０の断絶部分の界面から放射された光が次元フォトニック結晶に伝搬されずに隣接する別のスラブ構造に伝搬されるので、スラブ構造に閉じ込められた光を取り出すことができず、光取り出し効率向上という本発明の効果が低減してしまう可能性がある。
【００９８】
また、図１６は、本実施形態のＬＥＤにおいて、高反射率金属層２の代わりに分布ブラッグ反射（DBR: Distributed Bragg Reflection）ミラー１４を用いた例を示す斜視図である。同図に示すように、スラブ構造に光を閉じ込めるための層として高反射率金属層２に代えて、ＧａＮからなる低屈折率層３２とＡｌＧａＮからなる高屈折率半導体薄膜１３とが交互に積層された多層膜であるＤＢＲミラー１４を用いてもよい。ＤＢＲミラー１４を用いる場合、金属からなる高反射率金属層２を設ける場合よりも斜め方向の反射率が低下するが、垂直方向の光に対する反射率を９０％以上にもすることができる。さらに、ＤＢＲミラー１４を用いる場合、ミラーの構成材料による光吸収を低減できるため、金属からなる高反射率金属層２と同等の光閉じ込め機能を実現することができる。その結果、高反射率金属層２を設ける場合と同様に６０％以上の高い光取り出し効率を実現することができる。
【００９９】
また、図１７（ａ）は、本実施形態のＬＥＤの一変形例を示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す本実施形態のＬＥＤの一変形例を上下逆さにして示した斜視図である。同図に示すように、本実施形態のＬＥＤにおいて、ｎ電極９はｎ型コンタクト層７の主面のうち活性層５が設けられた主面に対向する面に必ずしも設けられる必要はない。すなわち、図１７（ａ）に示すように、ｎ電極９がｎ型コンタクト層７の主面のうち活性層５と同じ主面に設けられていてもよい。このような構成にすると、図１７（ｂ）に示すように、光が取り出される面において、図１に示す構成に比べてｎ電極９による光の吸収および遮蔽がないので光取り出し効率をさらに向上させることができる。ただし、図１に示す構成は、ｎ電極９から注入された電流が水平方向に拡散しやすいという利点があるので、素子の設計に応じてｎ電極９をｎ型コンタクト層７のいずれの主面上に設けるかを適宜選択すればよい。
【０１００】
なお、上記の実施形態では発光波長が青色や紫色の短波長となるＡｌＧａＩｎＮ層を活性層として用いた例を特に説明したが、半導体発光素子の発光波長が青色や紫色以外であってもよい。例えば、ＡｌＧａＡｓ（屈折率３．６）やＡｌＧａＩｎＰ（屈折率３．５）を用いた赤外光や赤色光を発光する半導体発光素子に対しても本発明の設計は適用可能である。
【０１０１】
また、図１に示す本実施形態の半導体発光素子において、高反射率金属層２を設けず、代わりに高反射率ｐ電極３をサブマウント１の全面上に設ける構成であっても多層膜１０をスラブ構造とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明の半導体発光素子は、高発光効率の光源として有用であり、例えば表示装置用のバックライトや照明器具等に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体発光素子を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体発光素子の縦断面と、各層における屈折率とを示す図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図１８に示す型の従来のＬＥＤ、および図２０に示す表面フォトニック結晶を備えた従来のＬＥＤにおいて、活性層から放射される光の伝搬を数値計算によりシミュレーションした結果を示す図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）は、それぞれフォトニック結晶を有し、水平方向に連続しているスラブ構造を備えたＬＥＤ（図１６参照）、およびフォトニック結晶を有し、水平方向に不連続なスラブ構造を備えた本実施形態のＬＥＤにおいて、活性層から放射される光の伝搬を数値計算によりシミュレーションした結果を示す図である。
【図５】（ａ）は、本発明の実施形態に係るＬＥＤにおいて、ｎ型コンタクト層７に形成された２次元周期構造の周期を変化させた場合の光取り出し効率の計算結果を示す図であり、（ｂ）は、多層構造の厚さを変化させた場合の光取り出し効率の計算結果を示す図であり、（ｃ）は、本発明の実施形態に係るＬＥＤにおいて、ｎ型コンタクト層７の厚みを変化させた場合の光取り出し効率の計算結果を示す図である。
【図６】（ａ）は、上面が平坦である第１の従来例に係るＬＥＤを模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、第１の従来例に係るＬＥＤの光射出面における光の挙動を説明するための図であり、（ｃ）は、水平方向の波数ｋ//とフォトン周波数ωの関係を示す図である。
【図７】（ａ）は、上面近傍にのみフォトニック結晶が設けられた第３の従来例に係るＬＥＤを模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、第３の従来例に係るＬＥＤの光射出面における光の挙動を説明するための図であり、（ｃ）は、第３の従来例に係るＬＥＤにおいて水平方向の波数ｋ//とフォトン周波数ωの関係を示す図である。
【図８】（ａ）は、本発明の実施形態に係るＬＥＤのうち２次元フォトニック結晶として機能するｎ型コンタクト層を斜視図であり、（ｂ）は、本発明の実施形態に係るＬＥＤにおいて水平方向の波数ｋ//とフォトン周波数ωの関係を示す図である。
【図９】（ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施形態に係るＬＥＤの製造方法を示す斜視図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の第１の変形例を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の第２の変形例を示す図である。
【図１２】（ａ）、（ｂ）は、以上のようにして作製された本発明の実施形態に係るＬＥＤについて、電流−電圧特性と電流−光出力特性とをそれぞれ示す図である。
【図１３】（ａ）〜（ｆ）は、それぞれ本実施形態のＬＥＤにおいて、フォトニック結晶に形成された孔の形状および配置のバリエーションを示す平面図である。
【図１４】（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施形態に係るＬＥＤにおいて、多層構造が水平方向に分離されていない例を示す斜視図である。
【図１５】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施形態に係るＬＥＤにおいて、多層構造および高反射率ｐ電極の形状のバリエーションを示す斜視図である。
【図１６】本発明の実施形態に係るＬＥＤにおいて、高反射率金属層の代わりにＤＢＲミラーを用いた例を示す斜視図である
【図１７】（ａ）は、本発明の実施形態に係るＬＥＤの一変形例を示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すＬＥＤの一変形例を上下逆さにして示した斜視図である。
【図１８】第１の従来例に係る窒化物系化合物半導体ＬＥＤを示す斜視図である。
【図１９】第２の従来例に係るＬＥＤにおける半導体層を示す斜視図である。
【図２０】表面フォトニック結晶を備えた第３の従来例に係るＬＥＤを示す斜視図である。
【符号の説明】
【０１０４】
１                  サブマウント
２                  高反射率金属層
３                  高反射率ｐ電極
４                  ｐ型コンタクト層
５                  活性層
６                  エッチングストップ層
７                  ｎ型コンタクト層
８                  孔
９                  ｎ電極
１０                多層膜
１１                フォトニック結晶
１２                基板
１３                高屈折率半導体薄膜
１４                ＤＢＲミラー
１７                エレクトロメータ
１９                エッチング液
２０                レジスト
３２                低屈折率層
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図３】
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【図４】
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