(57)【要約】【課題】蛍光体層における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】ｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層および前記ｐ型窒化物半導体層で挟まれた発光部とで構成される窒化物半導体発光層と、前記窒化物半導体発光層上に形成された誘電体層と、前記誘電体層上に形成された金属層と、前記金属層および前記誘電体層の間にまたは前記金属層上に形成され、前記窒化物半導体発光層が発する光を吸収して蛍光を発する蛍光体層とを備える。【選択図】図１
2011035275.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層および前記ｐ型窒化物半導体層で挟まれた発光部とで構成される窒化物半導体発光層と、
前記窒化物半導体発光層上に形成された誘電体層と、
前記誘電体層上に形成された金属層と、
前記金属層および前記誘電体層の間にまたは前記金属層上に形成され、前記窒化物半導体発光層が発する光を吸収して蛍光を発する蛍光体層と
を備える
窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記誘電体層、前記金属層および蛍光体層は、前記窒化物半導体発光層上に順に形成されている
請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記誘電体層、蛍光体層および金属層は、前記窒化物半導体発光層上に順に形成されている
請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記誘電体層は、前記窒化物半導体発光層が発する光に対して透明である
請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記誘電体層は、アンドープの窒化物半導体からなる
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６】
前記誘電体層と前記金属層と前記蛍光体層とは、前記窒化物半導体発光層を構成するｎ型窒化物半導体層側に設けられている
請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記誘電体層の厚みは、前記窒化物半導体発光層が発する光が前記窒化物半導体発光層と前記誘電体層との界面において全反射した際に生じるエバネッセント光のしみ出し深さ以下である
請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記金属層は、ＡｌまたはＡｇを含む金属で構成されている
請求項１〜７のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記蛍光体層は、Ｙ（イットリウム）、Ｃｅ（セリウム）、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｅｕ（ユーロビウム）の少なくとも１つを含む酸化物から構成される
請求項１〜８のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記窒化物半導体発光層は、
前記誘電体層が形成されている側に凹凸形状を有する
請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
前記金属層の厚さは、１５〜２０ｎｍである
請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１２】
前記金属層は、金属微粒子から構成される
請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１３】
窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
ｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層および前記ｐ型窒化物半導体層で挟まれた発光部とで構成される窒化物半導体発光層を形成する工程と、
前記窒化物半導体発光層上に誘電体層を形成する工程と、
前記誘電体層上に金属層を形成する工程と、
前記金属層および前記誘電体層の間にまたは前記金属層上に、前記窒化物半導体発光層が発する光を吸収して蛍光を発する蛍光体層を形成する工程と
を含む
製造方法。
【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するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば照明器具または液晶表示装置のバックライト光源等に白色光源がある。近年、白色光源の低消費電力化のために、発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた白色発光素子が盛んに研究されている。その中でも特に、例えば窒化物半導体等のワイドバンドギャップ半導体を用いた発光ダイオードが白色光を出射する白色発光素子の光源として盛んに開発されている。これは、発光ダイオードが紫外光または青色光を放射することができるためである。また、白色発光素子を実現する構成としては、紫外光を放射する発光ダイオード（以下、「紫外発光ダイオード」と称す）、または青色光を放射する発光ダイオード（以下、「青色発光ダイオード」と称す）等を用いて、主に、以下に示す（１）〜（３）の構成が挙げられる。
【０００３】
（１）青色発光ダイオードと黄色蛍光体とを組み合わせた構成
（２）紫外発光ダイオードと青色、緑色、および赤色蛍光体とを組み合わせた構成
（３）青色、緑色、および赤色発光ダイオードを組み合わせた構成
【０００４】
上記（１）〜（３）の構成において、（３）の構成においてはコストが高いという問題と、混色性が悪いという問題がある。そのため、現在のところ（１）および（２）の構成すなわち発光ダイオードと蛍光体とを組み合わせた構成の開発が進んでいる。その中でも特に、高い発光効率が得られるという理由で（１）の構成すなわち青色発光ダイオードと黄色蛍光体とを組み合わせた白色発光素子の開発が進んでいる。
【０００５】
黄色等の蛍光体を組み合わせた白色発光素子では、白色発光素子を小型化および薄型化するために、蛍光体を集積化した発光ダイオードの開発が進められている（例えば、特許文献１）。特許文献１では、白色発光素子を小型化および薄型化するための白色発光素子の形状が提案されている。
【０００６】
以下、この特許文献１に開示されている従来技術の発光素子の構成および製造方法について説明する。図１７は、従来技術の発光素子の構成および製造方法を説明するための図である。
【０００７】
従来の白色発光素子は、第１電極１００１、第２電極１００２、蛍光体薄膜１００３、エピタキシャル層１００４および基板１００５を備える。図１７において、従来の白色発光素子は、ＬＥＤウェハ１０００を切断面１００６において切断され個片化されたＬＥＤチップ（発光素子）である。具体的には、従来の白色発光素子は、基板１００５と、基板１００５上に形成されたエピタキシャル層１００４と、エピタキシャル層１００４上および基板１００５下面（すなわち、エピタキシャル層１００４の形成面と反対側の面）に形成された蛍光体薄膜１００３とで構成されている。また、従来の白色発光素子は、第１電極１００１と第２電極１００２とが形成されている。
【０００８】
そして、従来の白色発光素子は、次のように製造される。
まず、エピタキシャル成長により、基板１００５上に、複数の半導体層が積層されたエピタキシャル層１００４を形成する。その後、エピタキシャル層１００４のうち不要な部分をエッチングにより除去し、エピタキシャル層１００４に凹部を形成する。ここで、エピタキシャル層１００４は、上側に位置する複数の半導体層からなる半導体層と下側に位置する複数の半導体層からなる半導体層とで構成されている。また、その凹部は、その凹部内に、エピタキシャル層１００４を構成する複数の半導体層のうち下側に位置する半導体層（以下、「下側半導体層」と称す）の上面が露出するように形成されている。
【０００９】
次に、塗布、蒸着またはスパッタリング等の半導体技術を用いて、基板１００５の下面に蛍光体を主に含む蛍光体薄膜（または蛍光体からなる蛍光体膜）１００３を形成する。
【００１０】
次に、塗布、蒸着またはスパッタリング等の半導体技術を用いて、エピタキシャル層１００４上に、蛍光体を主に含む蛍光体薄膜１００３を形成する。ここで、蛍光体薄膜１００３は、凹部内を埋め込むようにエピタキシャル層１００４の下側半導体層上にも形成されている。その後、蛍光体薄膜１００３のうち不要な部分をエッチングにより除去して、蛍光体薄膜１００３に第１凹部および第２凹部を形成する。ここで、第１凹部は、その第１凹部内に、エピタキシャル層１００４の上面を露出させるように形成され、第２凹部は、その第２凹部内に、下側半導体層の上面を露出させるように形成される。
【００１１】
次に、スパッタリングまたは蒸着により、第１凹部内に露出するエピタキシャル層１００４の上面に、第１電極１００１を形成するとともに、第２凹部内に露出する下側半導体層の上面に、第２電極１００２を形成する。
【００１２】
次に、このようにして形成された複数のＬＥＤチップ（発光素子）が組み合わされて構成されたＬＥＤウェハ１０００を、切断面１００６において切断することで、各ＬＥＤチップすなわち従来の白色発光素子に個片化する。
【００１３】
以上のようにして、従来技術の白色発光素子を製造する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００５−３３２８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、従来の白色発光素子では、以下に示す課題を有する。
すなわち、従来の白色発光素子では、蒸着またはスパッタリングなどにより成膜された蛍光体薄膜１００３の結晶性が低いため波長の変換効率が悪いという課題を有する。そのため、蛍光体から十分な量の光を得るために蛍光体薄膜１００３の厚さを増す必要があり、白色発光素子の厚みの増加とともに高コストとなってしまう。
【００１６】
また、従来の白色発光素子の構造においては、エピタキシャル層１００４で発生された青色光が蛍光体薄膜１００３を透過する回数が少ない。そのため、青色光と組み合わせ白色を実現するために十分な黄色光を蛍光体薄膜１００３から得ることが困難であるという課題を有する。
【００１７】
そこで、本発明は、上述の事情を鑑みてなされたもので、蛍光体層における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能に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】
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層および前記ｐ型窒化物半導体層で挟まれた発光部とで構成される窒化物半導体発光層と、前記窒化物半導体発光層上に形成された誘電体層と、前記誘電体層上に形成された金属層と、前記金属層および前記誘電体層の間にまたは前記金属層上に形成され、前記窒化物半導体発光層が発する光を吸収して蛍光を発する蛍光体層とを備える。
【００１９】
この構成により、蛍光体層における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子を実現できる。
【００２０】
具体的には、金属層の構造、材料、膜厚を調整することにより、発光部からの放たれた光の一部が透過して素子外部に取り出される。一方、窒化物半導体発光層と誘電体層との界面において発光部からの放たれた光が全反射する際に発生するエバネッセント光により金属中に表面プラズモンが励起される。発生した表面プラズモンと蛍光体層内のキャリアとカップリングする。それにより、蛍光体層内での発光再結合を促進するため、蛍光体における波長の変換効率が向上する。その結果、蛍光体層における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子を実現できる。
【００２１】
ここで、前記誘電体層、前記金属層および蛍光体層は、前記窒化物半導体発光層上に順に形成されているとしてもよい。
【００２２】
また、前記誘電体層、蛍光体層および金属層は、前記窒化物半導体発光層上に順に形成されていとしてもよい。
【００２３】
また、前記誘電体層は、前記窒化物半導体発光層が発する光に対して透明であるとしてもよい。
【００２４】
この構成により、窒化物半導体発光層が放つ光を吸収することなく白色発光素子外部へ取り出すことができる。
【００２５】
また、前記誘電体層は、アンドープの窒化物半導体からなるとしてもよい。
この構成により、金属層からのキャリアの拡散が抑制されるため、表面プラズモンの強度を向上させることができ、蛍光体層における蛍光体の変換効率を向上させることができる。ここで、表面プラズモンは、誘電体層と金属層の界面において発光部からの放たれた光が全反射する際に発生するエバネッセント光により励起される。
【００２６】
また、前記誘電体層と前記金属層と前記蛍光体層とは、前記窒化物半導体発光層を構成するｎ型窒化物半導体層側に設けられているとしてもよい。
【００２７】
この構成により、ｎ型側に設けられているので、透明導電層を設ける必要がなく、容易に表面プラズモンを励起させる構成を実現できる。
【００２８】
また、前記誘電体層の厚みは、前記窒化物半導体発光層が発する光が前記窒化物半導体発光層と前記誘電体層との界面において全反射した際に生じるエバネッセント光のしみ出し深さ以下であるとしてもよい。
【００２９】
この構成により、効果的に金属層に表面プラズモンを励起することができる。
また、前記金属層は、ＡｌまたはＡｇを含む金属で構成されているとしてもよい。
【００３０】
この構成により、ＡｌおよびＡｇにおいては表面プラズモンが効果的に励起されるため、蛍光体層の変換効率を向上させることができる。
【００３１】
また、前記蛍光体層は、Ｙ（イットリウム）、Ｃｅ（セリウム）、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｅｕ（ユーロビウム）の少なくとも１つを含む酸化物から構成されるとしてもよい。
【００３２】
この構成によれば、蒸着やスパッタリングにより成膜したこれらの酸化物蛍光体層において表面プラズモンを用いることにより波長の変換効率を向上させることができる。したがって、蒸着やスパッタリングという従来の半導体プロセス技術を用いて高変換効率な蛍光体層を有する低コストな白色発光素子を実現できる。
【００３３】
また、前記窒化物半導体発光層は、前記誘電体層が形成されている側に凹凸形状を有するとしてもよい。
【００３４】
この構成により、凹凸部において発光部からの放たれた光に全反射を繰り返させ、効果的に表面プラズモンを励起することが可能となる。
【００３５】
また、前記金属層は、金属微粒子から構成されるとしてもよい。
このような構成にすることにより、金属微粒子で表面プラズモンを効率よく励起すると同時に、窒化物半導体表面の被覆率を低下させることができる。それにより、金属薄膜に被覆されている場合と比較して青色光を効果的に発光素子外部に取り出すことができ、演色性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、蛍光体層における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】実施の形態１における窒化物半導体発光素子の構成を示す断面図である。
【図２Ａ】蛍光体層内におけるキャリアの再結合を説明するための図である。
【図２Ｂ】蛍光体層内におけるキャリアの再結合を説明するための図である。
【図３Ａ】実施の形態１における動作および効果を説明するための図である。
【図３Ｂ】実施の形態１における動作および効果を説明するための図である。
【図３Ｃ】実施の形態１における動作および効果を説明するための図である。
【図４Ａ】実施の形態１における動作および効果を説明するための図である。
【図４Ｂ】実施の形態１における動作および効果を説明するための図である。
【図４Ｃ】実施の形態１における動作および効果を説明するための図である。
【図５Ａ】実施の形態１における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
【図５Ｂ】実施の形態１における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
【図５Ｃ】実施の形態１における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
【図６】実施の形態２における窒化物半導体発光素子の構成を示す断面図である。
【図７Ａ】実施の形態２における動作および効果を説明するための図である。
【図７Ｂ】実施の形態２における動作および効果を説明するための図である。
【図８Ａ】実施の形態２における動作および効果を説明するための図である。
【図８Ｂ】実施の形態２における動作および効果を説明するための図である。
【図９】実施の形態３における窒化物半導体発光素子の構成を示す断面図である。
【図１０Ａ】実施の形態３における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
【図１０Ｂ】実施の形態３における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
【図１０Ｃ】実施の形態３における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
【図１０Ｄ】実施の形態３における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
【図１０Ｅ】実施の形態３における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
【図１０Ｆ】実施の形態３における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
【図１１】実施の形態４における窒化物半導体発光素子の構成を示す断面図である。
【図１２Ａ】実施の形態４における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
【図１２Ｂ】実施の形態４における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
【図１２Ｃ】実施の形態４における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
【図１２Ｄ】実施の形態４における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
【図１２Ｅ】実施の形態４における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
【図１２Ｆ】実施の形態４における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
【図１３】実施の形態５における窒化物半導体発光素子の構成を示す断面図である。
【図１４Ａ】実施の形態５における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
【図１４Ｂ】実施の形態５における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
【図１４Ｃ】実施の形態５における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
【図１４Ｄ】実施の形態５における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
【図１４Ｅ】実施の形態５における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
【図１４Ｆ】実施の形態５における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
【図１５】実施の形態６における窒化物半導体発光素子の構成を示す断面図である。
【図１６Ａ】実施の形態６における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
【図１６Ｂ】実施の形態６における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
【図１６Ｃ】実施の形態６における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
【図１６Ｄ】実施の形態６における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
【図１６Ｅ】実施の形態６における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
【図１６Ｆ】実施の形態６における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
【図１７】従来技術の発光素子の構成および製造方法を説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下に、本発明の実施形態に係る窒化物半導体発光素子およびその製造方法について、図面を参照しながら説明する。
【００３９】
（実施の形態１）
まず、実施の形態１について説明する。図１は、実施の形態１における窒化物半導体発光素子の構成を示す断面図である。図２Ａおよび図２Ｂは、蛍光体内でのキャリアの再結合を説明するための図である。図３Ａ〜図３Ｃおよび図４Ａ〜図４Ｃは、実施の形態１における動作および効果を説明するための図である。図５Ａ〜図５Ｃは、実施の形態１における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。以下、詳細に本実施の形態について説明する。
【００４０】
（構造）
図１に示す窒化物半導体発光素子１００は、基板２上に積層された窒化物半導体発光層１０、金属層５０および蛍光体層６０を備える。また、窒化物半導体発光素子１００は、ｎ型電極２０およびｐ型電極３０を備える。
【００４１】
基板２は、例えば面方位が＜１１１＞であるＳｉ基板、面方位が＜０００１＞であるサファイア基板、または面方位が＜０００１＞である６Ｈ−ＳｉＣ基板から成る。
【００４２】
窒化物半導体発光層１０は、ｎ型窒化物半導体層５ａ、発光部５ｂ、ｐ型窒化物半導体層５ｃ、高濃度ｎ型窒化物半導体層５ｄ、およびアンドープ窒化物半導体層６が順に積層されている。なお、窒化物半導体発光層１０は、高濃度ｎ型窒化物半導体層５ｄにかえて、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）などの透明電極で構成されていてもよい。また、窒化物半導体発光層１０では、アンドープ窒化物半導体層６にかえて、例えば１５０ｎｍ程度の厚さのＳｉＯ2などからなる誘電体層で構成されていてもよい。
【００４３】
ｎ型窒化物半導体層５ａは、基板２上にバッファ層を介して形成され、例えばＳｉがドープされたＧａＮからなる。
【００４４】
発光部５ｂは、ｎ型窒化物半導体層５ａ上に形成され、例えば波長４７０ｎｍを中心とする青色発光を示すように調整されたＩｎＧａＮおよびＧａＮの多重量子井戸からなる。すなわち、発光部５ｂは、ＩｎxＧａ1-xＮ井戸層とＧａＮ障壁層が交互に複数形成された多重量子井戸構造からなり、発光する。
【００４５】
ｐ型窒化物半導体層５ｃは、発光部５ｂ上に形成され、例えばＭｇがドープされたｐ型のＧａＮからなる。
【００４６】
高濃度ｎ型窒化物半導体層５ｄは、高濃度ｎ型ＧａＮからなり、ｐ型窒化物半導体層５ｃ上に形成される。高濃度ｎ型窒化物半導体層５ｄは、導電性を有し、トンネル電流によりｐ型窒化物半導体にキャリアを供給する働きをする。そのため、高濃度ｎ型窒化物半導体層５ｄは、ドーパントとして例えばＳｉを１×１０19ｃｍ-3以上含むことが好ましい。
【００４７】
アンドープ窒化物半導体層６は、アンドープＧａＮからなり、高濃度ｎ型窒化物半導体層５ｄ上に形成される。アンドープ窒化物半導体層６は、高濃度ｎ型窒化物半導体層５ｄに接する形で形成されている。
【００４８】
金属層５０は、窒化物半導体発光層１０上に形成され、例えばＡｌ、Ａｇ等の金属により構成される金属薄膜である。具体的には、金属層５０は、窒化物半導体発光層１０のアンドープ窒化物半導体層６に接する形で形成されており、例えば５〜２５ｎｍの薄い金属膜である。なお、金属層５０は、金属微粒子から構成されていてもよく、さらに、開口部を有していてもよい。また、金属層５０の厚さは、好ましくは５〜２５ｎｍであるが、それに限らない。金属層５０と蛍光体層６０の界面に表面プラズモンを発生させることができる厚さであればよい。
【００４９】
蛍光体層６０は、金属層５０上に、金属層５０に接する形で形成されている。ここで、蛍光体層６０は、発光部５ｂで発生した光を吸収してその補色となる蛍光を発生する材料、例えばＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ  Ａｌｉｍｉｎｕｍ  Ｇａｒｎｅｔ）やサイアロン蛍光体等からなる。すなわち、蛍光体層６０は、Ｙ（イットリウム）、Ｃｅ（セリウム）、Ａｌ、Ｓｉ（シリコン）、Ｃａ（カルシウム）、Ｅｕ（ユーロビウム）の少なくとも一つの酸化物である構成からなっていればよい。
【００５０】
ｎ型電極２０は、例えばＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ等の金属の多層膜で構成され、ｎ型窒化物半導体層５ａに電気的に接続するように形成されている。具体的には、ｎ型電極２０は、ｐ型窒化物半導体層５ｃおよび発光部５ｂの一部を選択的に除去されて露出したｎ型窒化物半導体層５ａに接する形で形成されている。
【００５１】
ｐ型電極３０は、窒化物半導体発光層１０上すなわち高濃度ｎ型窒化物半導体層５ｄ上に形成され、例えばＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ等の金属の多層膜で構成される。
【００５２】
以上のように、実施の形態１における窒化物半導体発光素子１００は構成される。
【００５３】
（動作および効果）
次に、本実施の形態１における窒化物半導体発光素子１００の動作について説明する。
【００５４】
まず、発光部５ｂは、発光する。ここで、発光部５ｂは、例えば出射光７０ａおよび出射光７０ｂを発生したとする。出射光７０ａおよび出射光７０ｂは、金属層５０に対して一定の角度をもち入射し、窒化物半導体発光層１０と金属層５０との界面において、透過（出射光７０ａ）、反射（出射光７０ｂ）、吸収のいずれかを生じる。
【００５５】
図１に示すように、出射光７０ａは、窒化物半導体発光層１０および金属層５０の界面を透過し、さらに金属層５０を透過して、蛍光体層６０に入射する。そして、蛍光体層６０に入射された出射光７０ａの一部は、蛍光体層６０内の蛍光体を励起するため、蛍光体内にキャリアが生じる。このようにして、蛍光体層６０は、出射光７０ａにより生じたキャリアが再結合することにより黄色光を発光する。
【００５６】
また、金属層５０が前記のように十分薄い場合、金属層５０に入射した出射光７０ａの一部は、金属層５０および蛍光体層６０を透過し、窒化物半導体発光素子１００の外部へ出力する。すなわち、金属層５０に入射した出射光７０ａの一部は、蛍光体層６０を透過し、青色光として外部へ出力する。
【００５７】
一方、出射光７０ｂは、図１に示すように、窒化物半導体発光層１０および金属層５０の界面で反射する。そして、出射光７０ｂが全反射する際、アンドープ窒化物半導体層６と金属層５０との界面には、界面に沿って伝播するエバネッセント光が発生する。このエバネッセント光がアンドープ窒化物半導体層６と金属層５０との界面に表面プラズモンを励起する。ここで、金属層５０が例えば５ｎｍ〜２５ｎｍの厚さであるなど十分薄い場合、金属層５０と蛍光体層６０との界面にも表面プラズモンが励起される。そして、金属層５０表面に励起された表面プラズモンと、出射光７０ａにより生じた蛍光体層６０内のキャリアとがカップリング（連動）することにより、蛍光体層６０からの発光（蛍光）を増強することができる。このようにして、窒化物半導体発光素子１００では、蛍光体層６０における波長の変換効率を向上させることが可能となる。
【００５８】
このようにして、実施の形態１では、蛍光体層６０を透過した青色光と、蛍光体層６０で変換された黄色光とを混色することにより、蛍光体層６０における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子１００を実現できる。
【００５９】
続いて、蛍光体層６０内でのキャリアの再結合に対する表面プラズモンの効果について説明する。図２Ａは、表面プラズモンが励起されない場合における蛍光体層内でのキャリアの再結合を説明するための図である。図２Ｂは、表面プラズモンが励起される場合における蛍光体層内でのキャリアの再結合を説明するための図である。
【００６０】
図２Ａで示すように、表面プラズモンが存在しない場合、励起光によって蛍光体層内に生成されたキャリアは、発光または非発光して再結合する。ここで、発光再結合確率をｋr、非発光再結合確率をｋnrとすると、蛍光体層における波長の変換効率ηintは、式１のように表される。
【００６１】
ηint ＝  ｋr／（ｋr  ＋  ｋnr）        （式１）
【００６２】
それに対して、図２Ｂで示すように、表面プラズモンが存在する場合、図２Ａで説明した蛍光体層内でのキャリアの再結合に加えて、表面プラズモンと蛍光体層内のキャリアとがカップリングすることにより発光再結合が発生する。ここでこの表面プラズモンとキャリアとのカップリングによる発光再結合確率をｋSPとすると、ηintは式２のように変化する。
【００６３】
ηint  ＝  （ｋr  ＋  ｋSP）／（ｋr  ＋  ｋSP ＋  ｋnr）  （式２）
【００６４】
以上のように、表面プラズモンを発生させることによりｋSPの値を増大させることができるので、蛍光体層内における波長の変換効率が向上することがわかる。
【００６５】
続いて、窒化物半導体発光素子１００を構成するアンドープ窒化物半導体層６、金属層５０および蛍光体層６０が表面プラズモンを発生させることを説明する。具体的には、窒化物半導体発光素子のモデル構造を用いて、金属層５０への入射される光の角度（入射角）と、吸収率との関係について計算結果を用いて説明する。ここで、図３Ａ〜図３Ｃは、計算に用いた構造およびパラメータを示している。図４Ａ〜図４Ｃは、その計算結果を示している。
【００６６】
図３Ａでは、窒化物半導体層６ａと金属層５０ａと蛍光体層６０ａとが順に積層された窒化物半導体発光素子のモデル構造を示している。図３Ｂでは、窒化物半導体層６ａと誘電体層４０ａと金属層５０ａと蛍光体層６０ａとが順に積層された窒化物半導体発光素子のモデル構造を示している。また、図３Ｃでは、図３Ａおよび図３Ｂで示すモデル構造に用いられる材料の計算パラメータを示している。
【００６７】
具体的には、アンドープのＧａＮからなる窒化物半導体層６ａでは、設定波長４７０ｎｍにおいて、複素屈折率は、ｎ＝２．４２、ｋ＝０である。また、ドープありのＧａＮからなる窒化物半導体層６ａでは、設定波長４７０ｎｍにおいて、複素屈折率は、ｎ＝２．４２、ｋ＝０．００４である。また、ＳｉＯ2からなる誘電体層４０ａでは、設定波長４７０ｎｍにおいて、複素屈折率は、ｎ＝１．４０、ｋ＝０である。ＳｉＯ2からなる誘電体層４０ａでは、設定波長４７０ｎｍにおいて、複素屈折率は、ｎ＝１．４０、ｋ＝０である。Ａｌからなる金属層５０ａでは、設定波長４７０ｎｍにおいて、複素屈折率は、ｎ＝０．６７５、ｋ＝５．６０である。また、ＹＡＧからなる蛍光体層６０ａでは、設定波長４７０ｎｍにおいて、複素屈折率は、ｎ＝１．８３、ｋ＝０である。
【００６８】
まず、図４Ａでは、誘電体層４０ａのない図３Ａに示すモデル構造において、窒化物半導体層６ａがドープなしのＧａＮからなる場合の計算結果が示されている。また、図４Ａでは、Ａｌからなる金属層５０ａの膜厚が０ｎｍ（図中、Ａｌ薄膜なしと記載）と、５ｎｍと、１５ｎｍと、２５ｎｍとの場合の計算結果が示されている。
【００６９】
図４Ａの計算結果に示されるように、すなわち入射光が窒化物半導体層６ａを透過して金属層５０ａに入射する場合の金属層５０ａの吸収率に示されるように、金属層５０ａに表面プラズモンを励起することに伴う吸収は観測されない。これは、金属層５０ａからドープあり窒化物半導体層６ａへのキャリアの拡散が発生するためである。
【００７０】
一方、図４Ｂでは、誘電体層４０ａのない図３Ａに示すモデル構造において、窒化物半導体層６ａがドープありＧａＮからなる場合の計算結果が示されている。また、図４Ｂでは、Ａｌからなる金属層５０ａの膜厚が０ｎｍ（Ａｌ薄膜なし）と、５ｎｍと、１５ｎｍと、２５ｎｍとの場合の計算結果が示されている。
【００７１】
図４Ｂの計算結果に示されるように、すなわち入射光が窒化物半導体層６ａを透過して金属層５０ａに入射する場合の金属層５０ａの吸収率に示されるように、金属層５０ａに表面プラズモンを励起することに伴う吸収が観測される。具体的には、金属層５０ａに表面プラズモンの励起に伴う急峻な吸収ピークが入射角５４度付近に発生する。これは、金属層５０ａから窒化物半導体層６ａへのキャリアの拡散が抑制されるためである。
【００７２】
また、図４Ｃでは、誘電体層４０ａのある図３Ｂに示すモデル構造において、窒化物半導体層６ａがドープありＧａＮからなる場合の計算結果が示されている。また、図４Ｃでは、Ａｌからなる金属層５０ａの膜厚が０ｎｍ（Ａｌ薄膜なし）と、５ｎｍと、１５ｎｍと、２５ｎｍとの場合の計算結果が示されている。ここで、誘電体層４０ａは、厚さ１５０ｎｍのＳｉＯ2からなると設定している。
【００７３】
図４Ｂの計算結果に示されるように、すなわち入射光が窒化物半導体層６ａを透過して、誘電体層４０ａおよび金属層５０ａに入射する場合の金属層５０ａの吸収率に示されるように、金属層５０ａに表面プラズモンを励起することに伴う吸収が観測される。具体的には、金属層５０ａに表面プラズモンの励起に伴う急峻な吸収ピークが入射角４０度付近に発生する。これは、誘電体層４０ａのため金属層５０ａから窒化物半導体層６ａへのキャリアの拡散が抑制されるためである。また、入射角４５度以上において、吸収はほとんど観測されない。これは、誘電体層４０ａから金属層５０ａへ入射された際に、金属層５０ａで反射された入射光が窒化物半導体層６ａと誘電体層４０ａの界面で全反射するためである。この結果、反射による入射光のロスを抑制することができる。
【００７４】
以上より、アンドープ窒化物半導体層６、金属層５０および蛍光体層６０を備えるまたはアンドープ窒化物半導体層６、誘電体層、金属層５０および蛍光体層６０を備える窒化物半導体発光素子１００は、表面プラズモンを発生させることができることがわかる。
【００７５】
このとき、図４Ｂおよび図４Ｃの結果から、金属層５０の材料がＡｌの場合、その膜厚は５ｎｍから２５ｎｍであることが望ましい。金属層５０の膜厚を範囲に膜厚を設定することにより、表面プラズモンを励起すると同時に発光部５ｂから放たれた青色光の透過率を高めることができる。
【００７６】
（製造方法）
次に、上記のように構成された窒化物半導体発光素子１００の製造方法を説明する。
【００７７】
まず、例えば面方位が＜１１１＞であるＳｉ基板からなる基板２の主面上に、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いたエピタキシャル成長により、ＡｌＮや低温成長ＧａＮ層などのバッファ層（図示せず）を介在して窒化物半導体発光層１０を形成する（図５Ａ）。ここで、窒化物半導体発光層１０は、基板２の主面上に、バッファ層を介してｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体層５ａと、ＩｎxＧａ1-xＮ井戸層およびＧａＮ障壁層が交互に複数形成された多重量子井戸構造から成る発光部５ｂと、ｐ型ＧａＮからなるｐ型窒化物半導体層５ｃと、高濃度ｎ型ＧａＮからなる高濃度ｎ型窒化物半導体層５ｄと、アンドープＧａＮからなるアンドープ窒化物半導体層６とが順次積層されてなる。なお、基板２は、面方位が＜１１１＞であるＳｉ基板だけでなく、面方位が＜０００１＞であるサファイア基板、または面方位が＜０００１＞である６Ｈ−ＳｉＣ基板などからなっていてもよい。
【００７８】
次に、真空蒸着法により窒化物半導体発光層１０上に金属層５０、蛍光体層６０を順次形成する。そして、蛍光体層６０、金属層５０および窒化物半導体発光層１０の一部をフォトリソグラフィー技術とドライエッチ法とを用いて選択的にエッチングし、ｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体層５ａの一部を露出する第１の開口部１５を形成する。続いて、蛍光体層６０、金属層５０および窒化物半導体発光層１０の一部をフォトリソグラフィー技術とドライエッチ法を用いて選択的にエッチングし、高濃度ｎ型ＧａＮ層からなる高濃度ｎ型窒化物半導体層５ｄの一部を露出する第２の開口部２５を形成する（図５Ｂ）。
【００７９】
次に、フォトリソグラフィーと真空蒸着法とにより、第１の開口部１５の上面の一部にｎ型電極２０を選択的に形成する。続いて、フォトリソグラフィーと真空蒸着法とにより、第２の開口部２５の上面の一部にｐ型電極３０を選択的に形成する。そして最後に、ブレードを用いたダイシングによりチップ分離を行うことで、窒化物半導体発光素子１００を形成する（図５Ｃ）。
【００８０】
以上のように、窒化物半導体発光素子１００を形成する。
以上のように、本実施の形態１の窒化物半導体発光素子１００では、金属層５０の構成、材料および膜厚を調整することにより、発光部５ｂからの放たれた光の一部が透過して窒化物半導体発光素子１００外部に取り出される。一方、窒化物半導体発光層１０のアンドープ窒化物半導体層６と金属層５０の界面において発光部からの放たれた光が全反射する際に発生するエバネッセント光により金属層５０中に表面プラズモンが励起される。そして、発生した表面プラズモンと蛍光体層６０内のキャリアとカップリングする。それにより、蛍光体層６０内での発光再結合を促進するため、蛍光体における波長の変換効率が向上する。
【００８１】
また、本実施の形態１の窒化物半導体発光素子１００では、金属層５０と接する窒化物半導体発光層１０にアンドープ窒化物半導体層６を構成することにより、金属層からのキャリアの拡散が抑制されるため、表面プラズモンの強度を向上させることができ、蛍光体層６０における蛍光体の変換効率を向上させることができる。
【００８２】
また、本実施の形態１の窒化物半導体発光素子１００では、アンドープ窒化物半導体層６は、透明であり窒化物半導体発光層１０が発光する光を吸収しないので、窒化物半導体発光層１０の発光部５ｂが放つ光を吸収することなく窒化物半導体発光素子１００の外部へ取り出すことができる。
【００８３】
また、本実施の形態１の窒化物半導体発光素子１００では、金属層５０はＡｌまたはＡｇから構成され、ＡｌおよびＡｇにおいては表面プラズモンが効果的に励起されるため、蛍光体層６０の変換効率を向上させることができる。
【００８４】
また、本実施の形態１の窒化物半導体発光素子１００では、蛍光体層６０は、Ｙ、Ｃｅ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｅｕの少なくとも１つの酸化物から構成される。それにより、蒸着やスパッタリングにより成膜したこれらの酸化物で構成される蛍光体層６０でも表面プラズモンを用いることにより波長の変換効率を向上させることができる。したがって、蒸着やスパッタリングという従来の半導体プロセス技術を用いて高変換率の蛍光体層６０を有し低コストな白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子１００を実現できる。
【００８５】
以上、本実施の形態１によれば、蛍光体層６０における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子を実現できる。
【００８６】
なお、上述したが、窒化物半導体発光素子１００では、高濃度ｎ型窒化物半導体層５ｄにかえて、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）などの透明電極で構成されていてもよい。また、アンドープ窒化物半導体層６にかえて、例えば１５０ｎｍ程度の厚さのＳｉＯ2などからなる誘電体層で構成されていてもよい。
【００８７】
（実施の形態２）
次に、実施の形態２について説明する。実施の形態２では、窒化物半導体発光層と金属層との間に誘電体層が構成される場合の例について説明する。
【００８８】
図６は、実施の形態２における窒化物半導体発光素子の構成を示す断面図である。図１と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。図７Ａ、図７Ｂ、図８Ａおよび図８Ｂは、実施の形態２の動作および効果を説明するための図である。
【００８９】
（構造）
図６に示す窒化物半導体発光素子１０１は、基板２上に積層された窒化物半導体発光層１１０、誘電体層１４０、金属層１５０、および蛍光体層６０を備える。また、窒化物半導体発光素子１０１は、ｎ型電極２０およびｐ型電極３０を備える。図６に示す窒化物半導体発光素子１０１は、実施の形態１に係る窒化物半導体発光素子１００に対して、窒化物半導体発光層１１０と金属層１５０との構成が異なり、誘電体層１４０を備えている。
【００９０】
具体的には、窒化物半導体発光層１１０は、実施の形態１に係る窒化物半導体発光層１０が備えるアンドープ窒化物半導体層６が構成されていない。すなわち、窒化物半導体発光層１１０は、ｎ型窒化物半導体層５ａ、発光部５ｂ、ｐ型窒化物半導体層５ｃ、および高濃度ｎ型窒化物半導体層５ｄが順に積層されている。
【００９１】
誘電体層１４０は、ＧａＮよりも低屈折率のＳｉＯ2などから構成され、窒化物半導体発光層１１０上すなわち高濃度ｎ型窒化物半導体層５ｄに接する形で形成されている。このため、誘電体層１４０では、高濃度ｎ型窒化物半導体層５ｄから誘電体層１４０に入射される光のうちの一部は、誘電体層１４０と高濃度ｎ型窒化物半導体層５ｄに吸収されることなく全反射される。
【００９２】
また、誘電体層１４０は、例えば１５０ｎｍと十分薄い厚さで構成されている。なお、誘電体層１４０の厚さは、１５０ｎｍに限定されない。窒化物半導体発光層１１０と誘電体層１４０との界面において、窒化物半導体発光層１１０が放つ光が誘電体層１４０で全反射した際に生じるエバネッセント光のしみ出し深さ以下の厚さであればよい。
【００９３】
金属層１５０は、例えばＡｌ、Ａｇ等の金属により構成され、誘電体層１４０に接する形で形成されている。このとき、金属層１５０には周期的な開口が設けられている。また、金属層１５０は、例えば２０ｎｍの十分薄い厚さで構成されている。
【００９４】
以上のように、実施の形態２における窒化物半導体発光素子１０１は構成される。
【００９５】
（動作および効果）
次に、実施の形態２における窒化物半導体発光素子１０１の動作および効果について説明する。
【００９６】
まず、発光部５ｂにおいて発生した光は、誘電体層１４０に対して一定の角度をもち入射する。ここで、誘電体層１４０は、窒化物半導体発光層１１０の屈折率よりも低い屈折率を有する。このため、高濃度ｎ型窒化物半導体層５ｄから誘電体層１４０に入射する光のうちの一部は、誘電体層１４０と高濃度ｎ型窒化物半導体層５ｄとに吸収されることなく全反射される。
【００９７】
したがって、誘電体層１４０に対して一定の角度をもち入射された光は、高濃度ｎ型窒化物半導体層５ｄと誘電体層１４０との界面において、一部が全反射される。そして、入射された光の一部が全反射する際、高濃度ｎ型窒化物半導体層５ｄと誘電体層１４０との界面には、界面に沿って伝播するエバネッセント光が発生する。
【００９８】
ここで、誘電体層１４０が例えば１５０ｎｍの厚さであるように十分薄い場合、高濃度ｎ型窒化物半導体層５ｄと誘電体層１４０との界面に発生したエバネッセント光が誘電体層１４０内にもしみ込み、誘電体層１４０と金属層１５０との界面に表面プラズモンを励起する。また、金属層１５０が例えば２０ｎｍの厚さであるように十分薄い場合、金属層１５０と蛍光体層６０との界面にも表面プラズモンが励起される。
【００９９】
このように励起された表面プラズモンと蛍光体層６０内のキャリアとがカップリングすることにより、蛍光体層６０からの発光（蛍光）を増強することができる。すなわち、窒化物半導体発光素子１０１では、蛍光体層６０における変換効率を向上させることが可能となる。さらに、金属層１５０に周期的な開口を設けることで、金属層１５０に効果的に表面プラズモンを励起することができる。これにより、さらに蛍光体層６０の変換効率を向上させることが可能となる。
【０１００】
一方、金属層１５０は例えば２０ｎｍの厚さであるように十分薄いので、金属層１５０に入射した青色光は、その一部が金属層１５０またはその開口部を透過し、発光素子外部へ効果的に青色光を取り出すことができる。
【０１０１】
このようにして、実施の形態２では、蛍光体層６０を透過した青色光と、蛍光体層６０で変換された黄色光とを混色することにより、蛍光体層６０における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子１０１を実現できる。
【０１０２】
続いて、窒化物半導体発光素子１０１を構成する窒化物半導体発光層１１０、誘電体層１４０、金属層１５０および蛍光体層６０が表面プラズモンを発生させることを説明する。具体的には、窒化物半導体発光素子のモデル構造を用いて、金属層１５０への入射される光の角度（入射角）と、吸収率との関係について計算結果を用いて説明する。図７Ａ、図７Ｂ、図８Ａおよび図８Ｂは、実施の形態２における動作および効果を説明するための図である。
【０１０３】
図７Ａでは、窒化物半導体層１１０ａと誘電体層１４０ａと金属層１５０ａと蛍光体層６０ａとが順に積層された窒化物半導体発光素子のモデル構造を示している。図７Ｂでは、図７Ａに示すモデル構造に用いられる材料の計算パラメータを示している。
【０１０４】
図８Ａおよび図８Ｂでは、ドープありＧａＮからなる窒化物半導体層１１０ａと１５０ｎｍのＳｉＯ2からなる誘電体層１４０ａと２０ｎｍのＡｌからなる金属層１５０ａとＹＡＧからなる蛍光体層６０ａとが順に積層された窒化物半導体発光素子のモデル構造の計算結果が示されている。このモデル構造では、入射光は窒化物半導体層１１０ａを透過して、誘電体層１４０ａおよび開口部を有する金属層１５０ａおよび蛍光体層６０ａに入射する。また、図８Ａでは、金属層１５０ａは、開口率５０％であって、その周期が０．５μｍと、１μｍと、１．５μｍとの場合の計算結果が示されている。図８Ｂでは、金属層１５０ａは、周期が１μｍであって、その開口率が２５％と、５０％と、７５％との場合の計算結果が示されている。
【０１０５】
図８Ａおよび図８Ｂの計算結果に示されるように、金属層１５０ａが周期１μｍで開口率５０％以上の周期構造をとる場合、金属層１５０ａにおいて効果的に表面プラズモンが励起される。この表面プラズモンの励起のため、入射角３７．５度付近に急峻な吸収ピークが発生する。この結果、金属層１５０ａに開口部を設けることにより青色光を効果的に発光素子外部へ取り出すとともに、励起された表面プラズモンにより蛍光体層６０ａの変換効率を向上させることができる。
【０１０６】
以上のように、本実施の形態２の窒化物半導体発光素子１０１では、金属層１５０の構成、材料および膜厚を調整することにより、発光部５ｂからの放たれた光の一部が透過して窒化物半導体発光素子１０１外部に取り出される。一方、窒化物半導体発光層１１０と誘電体層１４０との界面において発光部からの放たれた光が全反射する際に発生するエバネッセント光により、金属層１５０中に表面プラズモンが励起される。そして、発生した表面プラズモンと蛍光体層６０内のキャリアとカップリングする。それにより、蛍光体層６０内での発光再結合を促進するため、蛍光体における波長の変換効率が向上する。
【０１０７】
また、本実施の形態２の窒化物半導体発光素子１０１では、誘電体層１４０は、透明であり窒化物半導体発光層１１０が発光する光を吸収しないので、窒化物半導体発光層１１０の発光部５ｂが放つ光を吸収することなく窒化物半導体発光素子１０１の外部へ取り出すことができる。
【０１０８】
また、本実施の形態２の窒化物半導体発光素子１０１では、誘電体層１４０は、例えば１５０ｎｍと十分薄い厚さで構成されている。すなわち誘電体層１４０は、窒化物半導体発光層１１０と誘電体層１４０との界面において、窒化物半導体発光層１１０が放つ光が誘電体層１４０で全反射した際に生じるエバネッセント光のしみ出し深さ以下の厚さで構成されている。この構成により、効果的に金属層１５０に表面プラズモンを励起することができる。
【０１０９】
また、本実施の形態１の窒化物半導体発光素子１０１では、金属層１５０はＡｌまたはＡｇから構成され、ＡｌおよびＡｇにおいては表面プラズモンが効果的に励起されるため、蛍光体層６０の変換効率を向上させることができる。
【０１１０】
また、本実施の形態１の窒化物半導体発光素子１０１では、金属層１５０には、周期的な開口が設けられている。それにより、青色光を効果的に窒化物半導体発光素子１０１外部へ取り出すとともに、励起された表面プラズモンにより蛍光体層６０の変換効率を向上させることができる。
【０１１１】
また、本実施の形態１の窒化物半導体発光素子１０１では、蛍光体層６０は、Ｙ、Ｃｅ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｅｕの少なくとも１つの酸化物から構成される。それにより、蒸着やスパッタリングにより成膜したこれらの酸化物で構成される蛍光体層６０でも表面プラズモンを用いることにより波長の変換効率を向上させることができる。したがって、蒸着やスパッタリングという従来の半導体プロセス技術を用いて高変換率の蛍光体層６０を有し低コストな白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子１０１を実現できる。
【０１１２】
以上、本実施の形態２によれば、蛍光体層６０における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子１０１を実現できる。
【０１１３】
（実施の形態３）
続いて、実施の形態３について説明する。
【０１１４】
図９は、実施の形態３における窒化物半導体発光素子の構成を示す断面図である。図６と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。図１０Ａ〜図１０Ｆは、実施の形態３における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。以下、詳細に本実施形態について説明する。
【０１１５】
（構造）
図９に示す窒化物半導体発光素子２００は、支持基板２１７上に積層された反射膜２１６、窒化物半導体発光層２１０、誘電体層２４０、金属層２５０および蛍光体層２６０を備える。また、窒化物半導体発光素子２００は、ｎ型電極２２０およびｐ型電極２３０を備える。
【０１１６】
図９に示す窒化物半導体発光素子２００は、実施の形態２に係る窒化物半導体発光素子１０１に対して、窒化物半導体発光層２１０の構成が異なり、誘電体層２４０と金属層１５０と蛍光体層２６０との形状が異なる。また、窒化物半導体発光素子２００は、実施の形態２に係る窒化物半導体発光素子１０１に対して、反射膜２１６および支持基板２１７を備える点で異なり、ｐ型電極２３０の構成が異なる。
【０１１７】
窒化物半導体発光層２１０は、ｐ型窒化物半導体層５ｃ、発光部５ｂおよびｎ型窒化物半導体層２０５ａが順に積層されている。
【０１１８】
ｎ型窒化物半導体層２０５ａは、例えばＳｉがドープされたＧａＮから構成されている。また、ｎ型窒化物半導体層２０５ａは、発光部５ｂとは反対側すなわち誘電体層２４０が積層される側に凹凸が形成されている。
【０１１９】
発光部５ｂは、ｎ型窒化物半導体層２０５ａ下に形成され、例えば波長４７０ｎｍを中心とする青色発光を示すように調整されたＩｎＧａＮおよびＧａＮの多重量子井戸からなる。すなわち、発光部５ｂは、ＩｎxＧａ1-xＮ井戸層とＧａＮ障壁層が交互に複数形成された多重量子井戸構造からなり、発光する。
【０１２０】
ｐ型窒化物半導体層５ｃは、発光部５ｂ下に形成され、例えばＭｇがドープされたＧａＮからなる。
【０１２１】
反射膜２１６は、例えばＰｔ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕなどの金属の多層膜で構成され、ｐ型窒化物半導体層５ｃに電気的に接続される形で形成される。また、反射膜２１６は、支持基板２１７に電気的に接続されている。
【０１２２】
支持基板２１７は、例えばＡｕ、Ｃｕ等の金属メッキにより構成される基板であり、反射膜２１６に電気的に接続される形で形成される。
【０１２３】
ｐ型電極２３０は、例えばＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ等の金属の多層膜で構成され、支持基板２１７の反射膜２１６と反対側の面に電気的に接続される形で形成されている。
【０１２４】
誘電体層２４０は、窒化物半導体発光層２１０の屈折率よりも低い屈折率を有する例えばＳｉＯ2、ＭｇＦ2等の誘電体から構成され、ｎ型窒化物半導体層２０５ａに接する形で形成される。誘電体層２４０は、例えば１５０ｎｍ程度の厚さの誘電体である。また、誘電体層２４０は、ｎ型窒化物半導体層２０５ａの誘電体層２４０の側に形成されている凹凸形状に沿って凹凸形状に形成されている。
【０１２５】
金属層２５０は、例えばＡｌ、Ａｇ等の金属から構成され、誘電体層２４０に接する形で形成される。金属層２５０は、例えば５〜２５ｎｍの薄い金属膜である。また、金属層２５０は、誘電体層２４０の形状に沿って凹凸形状に形成されている。
【０１２６】
蛍光体層２６０は、例えばＹＡＧやサイアロン蛍光体等から構成され、金属層２５０に接する形で形成される。また、蛍光体層２６０は、金属層２５０の形状に沿って凹凸形状に形成されている。
【０１２７】
ｎ型電極２２０は、例えばＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ等の金属の多層膜で構成され、ｎ型窒化物半導体層２０５ａに電気的に接続される形で形成されている。具体的には、ｎ型電極２２０は、蛍光体層２６０、金属層２５０および誘電体層２４０の一部を選択的に除去されて露出したｎ型窒化物半導体層２０５ａに接する形で形成されている。
【０１２８】
以上のように、実施の形態３における窒化物半導体発光素子２００は構成される。
なお、窒化物半導体発光素子２００では、上述したが、ｎ型窒化物半導体層２０５ａと誘電体層２４０との界面、および、ｎ型窒化物半導体層２０５ａとｎ型電極２２０との界面には、凹凸が形成されている。
【０１２９】
（動作および効果）
次に、本実施の形態３における窒化物半導体発光素子２００の動作および効果について説明する。
【０１３０】
まず、発光部５ｂにおいて発生した光は、誘電体層２４０に対して一定の角度をもち入射する。ここで、誘電体層２４０は、窒化物半導体発光層２１０の屈折率よりも低い屈折率を有する。このため、ｎ型窒化物半導体層２０５ａから誘電体層２４０に入射する光のうちの一部は、吸収されることなく全反射される。
【０１３１】
したがって、誘電体層２４０に対して一定の角度をもち入射された光は、ｎ型窒化物半導体層２０５ａと誘電体層２４０との界面において、一部が全反射される。そして、入射された光の一部が全反射する際、ｎ型窒化物半導体層２０５ａと誘電体層２４０との界面には、界面に沿って伝播するエバネッセント光が発生する。
【０１３２】
ここで、誘電体層２４０が例えば１５０ｎｍ程度の厚さであるように十分薄い場合、ｎ型窒化物半導体層２０５ａと誘電体層２４０との界面に発生したエバネッセント光が誘電体層２４０内にもしみ込み、誘電体層２４０と金属層２５０との界面に表面プラズモンを励起する。また、金属層２５０が例えば５〜２５ｎｍ程度の厚さであるように十分薄い場合、金属層２５０と蛍光体層２６０との界面にも表面プラズモンが励起される。
【０１３３】
このように励起された表面プラズモンと蛍光体層２６０内のキャリアがカップリングすることにより、蛍光体層２６０からの発光（蛍光）を増強することができる。すなわち、窒化物半導体発光素子１０１では、蛍光体層２６０における波長の変換効率を向上させることが可能となる。
【０１３４】
一方、金属層２５０は例えば５〜２５ｎｍ程度の厚さであるように十分薄いので、金属層２５０に入射した入射光（青色光）は、その一部が金属層２５０を透過し、窒化物半導体発光素子２００の外部へ取り出される。
【０１３５】
このように、実施の形態３における窒化物半導体発光素子２００は、金属層２５０を透過した入射光（青色光）と、蛍光体層２６０で変換された黄色光とを混色することにより、白色光を実現できる。
【０１３６】
また、ｎ型窒化物半導体層２０５ａと誘電体層２４０との界面には凹凸が設けられており、入射光が凹凸により多数回反射されるため、表面プラズモンを効率的に励起することができる。
【０１３７】
また、全反射はｎ型窒化物半導体層２０５ａと誘電体層２４０との界面で生じるため、金属界面での反射時に生じる反射ロスが発生せず、青色光を窒化物半導体発光素子２００外部へ効率よく取り出すことができる。
【０１３８】
さらに、窒化物半導体発光素子２００において、ｎ型窒化物半導体層２０５ａは、容易に導電性を得ることができる。そのため、図９のようにｎ型電極２２０とｎ型窒化物半導体層２０５ａとを電気的に接続させることで、透明導電層等を用いずともキャリアをｎ型窒化物半導体層２０５ａ内に拡散させることができる。すわなち、透明導電層による光の吸収を抑制し、効率よく青色光を発光素子外部へ取り出すことができる。
【０１３９】
このように、窒化物半導体発光層２１０、誘電体層２４０、金属層２５０および蛍光体層２６０を透過してきた青色光と、蛍光体層２６０で変換された黄色光とを混色することにより、蛍光体層２６０における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子２００を実現できる。
【０１４０】
（製造方法）
次に、上記のように構成された窒化物半導体発光素子２００の製造方法を説明する。
【０１４１】
まず、例えば面方位が＜１１１＞であるＳｉ基板からなる基板２の主面上に、ＭＯＣＶＤ法を用いたエピタキシャル成長により、ＡｌＮや低温成長ＧａＮ層などのバッファ層（図示せず）を介在して窒化物半導体発光層２１０を形成する（図１０Ａ）。ここで、窒化物半導体発光層２１０は、基板２の主面上に、バッファ層を介してｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体層２０５ａと、ＩｎxＧａ1-xＮ井戸層およびＧａＮ障壁層が交互に複数形成された多重量子井戸構造から成る発光部５ｂと、ｐ型ＧａＮからなるｐ型窒化物半導体層５ｃとが順次積層されてなる。なお、基板２は、面方位が＜１１１＞であるＳｉ基板だけでなく、面方位が＜０００１＞であるサファイア基板、または面方位が＜０００１＞である６Ｈ−ＳｉＣ基板などから成っていてもよい。
【０１４２】
次に、真空蒸着法により、窒化物半導体発光層２１０上に、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕからなる反射膜２１６を形成する。続いて、Ｃｕを電界メッキすることで、反射膜２１６上に支持基板２１７を形成する。続いて、支持基板２１７上に、Ｎｉ、Ａｕからなるｐ型電極２３０を形成する（図１０Ｂ）。
【０１４３】
次に、窒化物半導体発光素子２００におけるｐ型電極２３０を形成した側の表面を覆う形で接着層（図示せず）を塗布し、接着層を介して窒化物半導体発光素子２００に第２の支持基板（図示せず）を接着する。ここで、接着層を構成する接着剤としては、水酸化カリウム（ＫＯＨ）など強アルカリ溶液に耐性がある例えばシリコーン樹脂接着剤などを用いる。そして、第２の支持基板上へ窒化物半導体発光素子２００を接着後、基板２を除去する。これにより、ｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体層２０５ａを露出させる（図１０Ｃ）。
【０１４４】
なお、基板２がＳｉ基板の場合、フッ酸と硝酸の混合液を用いたウェットエッチングによって基板２を除去することができる。また、基板２がサファイア基板であれば、レーザーリフトオフ法によって基板除去を行うことができる。
【０１４５】
次に、ＫＯＨ水溶液と紫外光照射を併用したＰＥＣ（Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ）エッチング法を用いて、露出したｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体層２０５ａをウェットエッチングする。具体的には、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液を入れた容器内に第２の支持基板上に接着した窒化物半導体発光素子２００を浸し、紫外光を照射した状態でウェットエッチングを行う。それにより、ｎ型窒化物半導体層２０５ａに斜面を有する凹凸面（図１０Ｄ）を形成する。
【０１４６】
なお、このＰＥＣエッチングによる窒化物半導体のエッチングは面方位の異方性があり、面方位がｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体層２０５ａの結晶方位面の一種で、半極性面のひとつである｛１−１０１｝面が形成される。これにより、ｎ型窒化物半導体層２０５ａに｛１−１０１｝面で構成された斜面を有する凹凸面を形成することができる。
【０１４７】
次に、フォトリソグラフィー技術と真空蒸着法とにより、ｎ型窒化物半導体層２０５ａの凹凸面上の一部にｎ型電極２２０を選択的に形成する（図１０Ｅ）。
【０１４８】
次に、フォトリソグラフィー技術と真空蒸着法とを用いて、ｎ型窒化物半導体層２０５ａの凹凸面上に、誘電体層２４０、金属層２５０および蛍光体層２６０を順次形成する。続いて、接着剤の剥離液を用いて接着層を除去することで第２の支持基板を分離する。最後に、ブレード（図示せず）を用いたダイシングによりチップ分離を行い、窒化物半導体発光素子２００を形成する（図１０Ｆ）。
【０１４９】
以上のようにして、窒化物半導体発光素子２００を形成する。
以上のように、本実施の形態３の窒化物半導体発光素子２００では、金属層２５０の構成、材料および膜厚を調整することにより、発光部５ｂからの放たれた光の一部が透過して窒化物半導体発光素子２００外部に取り出される。一方、窒化物半導体発光層２１０と誘電体層２４０との界面において発光部からの放たれた光が全反射する際に発生するエバネッセント光により、金属層２５０中に表面プラズモンが励起される。そして、発生した表面プラズモンと蛍光体層２６０内のキャリアとカップリングする。それにより、蛍光体層２６０内での発光再結合を促進するため、蛍光体における波長の変換効率が向上する。
【０１５０】
また、本実施の形態３の窒化物半導体発光素子２００では、誘電体層２４０は、透明であり窒化物半導体発光層２１０が発光する光を吸収しないので、窒化物半導体発光層２１０の発光部５ｂが放つ光を吸収することなく窒化物半導体発光素子２００の外部へ取り出すことができる。
【０１５１】
また、本実施の形態３の窒化物半導体発光素子２００では、金属層２５０はＡｌまたはＡｇから構成され、ＡｌおよびＡｇにおいては表面プラズモンが効果的に励起されるため、蛍光体層２６０の変換効率を向上させることができる。
【０１５２】
また、本実施の形態２の窒化物半導体発光素子１０１では、蛍光体層２６０は、Ｙ、Ｃｅ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｅｕの少なくとも１つの酸化物から構成される。それにより、蒸着やスパッタリングにより成膜したこれらの酸化物で構成される蛍光体層２６０でも表面プラズモンを用いることにより波長の変換効率を向上させることができる。つまり、表面プラズモンを用いた蛍光体層２６０の変換効率向上の効果は欠陥準位や表面準位が存在する蛍光体において顕著となる。そのため、蒸着やスパッタリングなどの一般的な半導体プロセス技術を用いて蛍光体層２６０を成膜することが可能となり、白色発光素子の低コスト化を実現できる。したがって、蒸着やスパッタリングという従来の半導体プロセス技術を用いて高変換率の蛍光体層２６０を有し低コストな白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子２００を実現できる。
【０１５３】
また、本実施の形態２の窒化物半導体発光素子１０１では、誘電体層２４０と誘電体層２４０が設けられている窒化物半導体発光層２１０とが凹凸形状を有している。この構成により、誘電体層２４０と窒化物半導体発光層２１０とに形成された凹凸において窒化物半導体発光層２１０の発光部５ｂからの放たれた光に全反射を繰り返させ、効果的に表面プラズモンを励起することが可能となる。
【０１５４】
以上、本実施の形態３によれば、蛍光体層２６０における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子１００を実現できる。
【０１５５】
（実施の形態４）
次に、実施の形態４について説明する。実施の形態４では、実施の形態３と構成は同じものの、製造方法が違う場合の例について説明する。
【０１５６】
図１１は、実施の形態４における窒化物半導体発光素子の構成を示す断面図である。図９と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。図１２Ａ〜図１２Ｆは、実施の形態４における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
【０１５７】
（構造）
図１１に示す窒化物半導体発光素子３００は、支持基板２１７上に積層された反射膜２１６、窒化物半導体発光層３１０、誘電体層３４０、金属層２５０、蛍光体層２６０を備える。また、窒化物半導体発光素子３００は、ｎ型電極２２０およびｐ型電極２３０を備える。図１１に示す窒化物半導体発光素子３００は、実施の形態３に係る窒化物半導体発光素子２００に対して、構成は同じものの窒化物半導体発光層３１０と誘電体層３４０との製造方法が異なる。
【０１５８】
窒化物半導体発光層３１０は、ｎ型窒化物半導体層３０５ａ、発光部５ｂ、ｐ型窒化物半導体層５ｃが積層されている。この窒化物半導体発光層３１０は、面方位がＧａＮ結晶の（０００１）面以外の面、例えば｛１−１０１｝面に沿って結晶成長している。
【０１５９】
誘電体層３４０は、例えばＡｌＮ等の窒化物から構成されており、ｎ型窒化物半導体層３０５ａに接する形で形成される。また、誘電体層３４０は、例えば１５０ｎｍ程度の薄い誘電体である。
【０１６０】
以上のように、実施の形態４における窒化物半導体発光素子３００は構成される。
なお、実施の形態４における窒化物半導体発光素子３００の動作および効果については、実施の形態３における窒化物半導体発光素子２００と同様のため、説明を省略する。
【０１６１】
なお、この窒化物半導体発光素子３００は、窒化物半導体発光層３１０の成長面がＣ面に対して傾いた面となる。このため、発光部５ｂでの電子と正孔の再結合確率が向上し、発光部５ｂにおける発光効率が高くなるという効果を有する。
【０１６２】
以上のように、窒化物半導体発光層３１０、誘電体層３４０、金属層２５０および蛍光体層２６０を透過してきた青色光と、蛍光体層２６０で変換された黄色光とを混色することにより、蛍光体層２６０における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子３００を実現できる。
【０１６３】
（製造方法）
次に、上記のように構成された窒化物半導体発光素子３００の製造方法を説明する。
【０１６４】
まず、例えば面方位が７°オフの＜１００＞であるＳｉ基板からなる基板３０２の主面上に、熱酸化法によりＳｉＯ2からなる酸化膜（図示せず）を形成する。続いて、フォトリソグラフィー技術と例えばＣＨＦ３ガスによるドライエッチングとにより、形成した酸化膜にパターニングを施し、Ｓｉを露出させる。
【０１６５】
続いて、基板３０２を加熱したＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）、ＫＯＨ等のアルカリ水溶液中に浸漬することで、基板３０２に異方性エッチングを施す。ここで、例えばＴＭＡＨの濃度は２．３８％、温度は８０℃、ウェットエッチング時間は２０分である。このように、基板３０２に施した異方性エッチングによりＳｉ（１１１）が露出するため、基板３０２の主面上に凹凸が形成される。
【０１６６】
続いて、真空蒸着法やフォトリソグラフィーなどの半導体プロセス技術を用いて、基板３０２の主面上に形成された凹凸の一方の傾斜面を例えばＳｉＯ2等の誘電体膜にて形成する（図示せず）。続いて、基板３０２上に、ＭＯＣＶＤ法を用いたエピタキシャル成長により、ＡｌＮからなる誘電体層３４０および低温成長ＧａＮ層などのバッファ層（図示せず）を介在して窒化物半導体発光層３１０を形成する（図１２Ａ）。ここで、窒化物半導体発光層３１０は、基板３０２上に、バッファ層を介して、ｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体層３０５ａと、ＩｎxＧａ1-xＮ井戸層およびＧａＮ障壁層が交互に複数形成された多重量子井戸構造からなる発光部５ｂと、ｐ型ＧａＮからなるｐ型窒化物半導体層５ｃとが順次積層されてなる。
【０１６７】
次に、真空蒸着法により、窒化物半導体発光層３１０上に、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕからなる反射膜２１６を形成する。続いて、Ｃｕを電界メッキすることで、反射膜２１６上に、支持基板２１７を形成する。続いて、支持基板２１７上に、Ｎｉ、Ａｕからなるｐ型電極２３０を形成する（図１２Ｂ）。
【０１６８】
次に、窒化物半導体発光素子３００におけるｐ型電極２３０を形成した側の表面を覆う形で接着層（図示せず）を塗布し、前記接着層を介して窒化物半導体発光素子３００に第２の支持基板（図示せず）を接着する。ここで、接着層を構成する接着剤としては水酸化カリウム（ＫＯＨ）など強アルカリ溶液に耐性がある例えばシリコーン樹脂接着剤などを用いる。そして、第２の支持基板上へ前記窒化物半導体発光素子３００を接着後、基板３０２を除去する。これにより、誘電体層３４０を露出させる（図１２Ｃ）。
【０１６９】
なお、基板３０２がＳｉ基板であれば、フッ酸と硝酸の混合液を用いたウェットエッチングによっても除去することができる。また、基板３０２がサファイア基板であれば、レーザーリフトオフ法によって基板除去を行うことができる。
【０１７０】
次に、フォトリソグラフィー技術とＣＨＦ3ガスによるドライエッチング技術とを用いて、誘電体層３４０に開口部３２５を形成する。これにより、ｎ型窒化物半導体層３０５ａを露出させる（図１２Ｄ）。
【０１７１】
次に、フォトリソグラフィー技術と真空蒸着法とにより、ｎ型窒化物半導体層３０５ａの凹凸面上の一部にｎ型電極２２０を選択的に形成する（図１２Ｄ）。
【０１７２】
次に、フォトリソグラフィー技術と真空蒸着法とを用いて、誘電体層３４０の凹凸面上に、金属層２５０および蛍光体層２６０を順次形成する。続いて、接着剤の剥離液を用いて接着層を除去することで第２の支持基板を分離する。最後に、ブレード（図示せず）を用いたダイシングによりチップ分離を行うことで、窒化物半導体発光素子３００を形成する（図１２Ｆ）。
【０１７３】
以上のように、窒化物半導体発光素子３００を、製造する。窒化物半導体発光素子３００では、基板３０２の形状を引き継いで凹凸を形成することが可能となるため、製造工程の簡略化が実現できる。
【０１７４】
以上、本実施の形態４によれば、蛍光体層２６０における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子３００を実現できる。
【０１７５】
（実施の形態５）
次に、実施の形態５について説明する。
【０１７６】
図１３は、実施の形態５における窒化物半導体発光素子の構成を示す断面図である。図１と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。図１４Ａ〜図１４Ｆは、実施の形態５における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。以下、詳細に本実施形態について説明する。
【０１７７】
（構造）
図１３に示す窒化物半導体発光素子４００は、支持基板４７０上に積層された金属層４６０、蛍光体層４５０、誘電体層４４０、窒化物半導体発光層４１０および透明導電層４１５を備える。また、窒化物半導体発光素子４００は、ｎ型電極２０およびｐ型電極３０を備える。図１３に示す窒化物半導体発光素子４００は、実施の形態１に係る窒化物半導体発光素子１００に対して、窒化物半導体発光層４１０の構成が異なり、誘電体層４４０、金属層４６０および蛍光体層４５０の積層方向および積層順序が異なる。また、窒化物半導体発光素子４００は、実施の形態１に係る窒化物半導体発光素子１００に対して、透明導電層４１５、支持基板４７０の構成が追加されている点が異なる。
【０１７８】
窒化物半導体発光層４１０は、ｎ型窒化物半導体層４０５ａ、発光部５ｂおよびｐ型窒化物半導体層５ｃが積層されている。なお、窒化物半導体発光層４１０は、実施の形態１に係る窒化物半導体発光層１０が有する高濃度ｎ型窒化物半導体層５ｄおよびアンドープ窒化物半導体層６は備えていない。
【０１７９】
ｎ型窒化物半導体層４０５ａは、例えばＳｉがドープされたＧａＮから構成されている。また、ｎ型窒化物半導体層４０５ａには、発光部５ｂとは反対側すなわち誘電体層４４０が積層される側に凹凸が形成されている。
【０１８０】
透明導電層４１５は、例えばＩＴＯからなり、窒化物半導体発光層４１０上に形成される。透明導電層４１５は、ｐ型窒化物半導体層５ｃに電気的に接続される形で形成されている。
【０１８１】
誘電体層４４０は、例えばＳｉＯ2からなり、ｎ型窒化物半導体層４０５ａの凹凸面上に沿って形成されている。すなわち、ｎ型窒化物半導体層４０５ａと誘電体層４４０との界面には、凹凸が形成されている。また、誘電体層４４０は、例えば１５０ｎｍ程度の厚さの誘電体である。
【０１８２】
蛍光体層４５０は、例えばＹＡＧやサイアロン蛍光体等からなり、誘電体層４４０の凹凸面上に沿って形成されている。
【０１８３】
金属層４６０は、例えばＡｌ、Ａｇ、Ｃｕなどの金属多層膜で構成され、蛍光体層４５０の凹凸面上に沿って形成されている。金属層４６０は、例えば５〜２５ｎｍ程度の厚さで構成されている。
【０１８４】
ｎ型電極２０は、例えばＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ等の金属の多層膜で構成され、ｎ型窒化物半導体層４０５ａに電気的に接続される形で形成されている。
【０１８５】
ｐ型電極３０は、例えばＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ等の金属の多層膜で構成され、透明導電層４１５に電気的に接続される形で形成されている。
【０１８６】
支持基板４７０は、例えばＡｕ、Ｃｕ等の金属メッキにより構成される基板である。
以上のように、実施の形態５における窒化物半導体発光素子４００は構成される。
【０１８７】
（動作および効果）
次に、本実施の形態５における窒化物半導体発光素子４００の動作および効果について説明する。
【０１８８】
まず、発光部５ｂは発光して光を発生する。発生した光の一部は、ｎ型窒化物半導体層４０５ａと誘電体層４４０との界面において、全反射する。この際に発生したエバネッセント光は、誘電体層４４０および蛍光体層４５０を伝播し、金属層４６０の表面に表面プラズモンを励起する。一方、誘電体層４４０においてすなわちｎ型窒化物半導体層４０５ａと誘電体層４４０との界面において、全反射しなかった光は、誘電体層４４０を透過し、蛍光体層４５０にキャリアを励起する。
【０１８９】
そして、金属層４６０の表面に励起された表面プラズモンと、蛍光体層４５０に励起されたキャリアとがカップリングすることで、効率よくキャリアが再結合し、蛍光体層４５０の変換効率が向上する。
【０１９０】
このようにして、透明導電層４１５を透過した青色光と、蛍光体層４５０で変換され、誘電体層４４０、窒化物半導体発光層４１０および透明導電層４１５を透過してきた黄色光とを混色することにより、蛍光体層４５０における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子４００を実現できる。
【０１９１】
（製造方法）
次に、上記のように構成された窒化物半導体発光素子４００の製造方法を説明する。
【０１９２】
まず、例えば面方位が＜１１１＞であるＳｉ基板からなる基板４０２の主面上に、ＭＯＣＶＤ法を用いたエピタキシャル成長により、ＡｌＮや低温成長ＧａＮ層などのバッファ層（図示せず）を介在して窒化物半導体発光層４１０を形成する（図１４Ａ）。ここで、窒化物半導体発光層４１０は、基板４０２の主面上に、バッファ層を介してｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体層４０５ａと、ＩｎxＧａ1-xＮ井戸層およびＧａＮ障壁層が交互に複数形成された多重量子井戸構造から成る発光部５ｂと、ｐ型ＧａＮからなるｐ型窒化物半導体層５ｃとが順次積層されてなる。なお、基板４０２は、面方位が＜１１１＞であるＳｉ基板だけでなく、面方位が＜０００１＞であるサファイア基板、あるいは面方位が＜０００１＞である６Ｈ−ＳｉＣ基板などからなっていてもよい。
【０１９３】
次に、フォトリソグラフィー技術と例えばＣｌ2ガスによるドライエッチングとにより、窒化物半導体発光層４１０に、第１の開口部４２５を形成する（図１４Ｂ）。
【０１９４】
次に、フォトリソグラフィー技術と真空蒸着法とにより、例えばＩＴＯからなる透明導電層４１５を、ｐ型ＧａＮからなるｐ型窒化物半導体層５ｃに電気的に接続される形で形成する。さらに、フォトリソグラフィー技術と真空蒸着法とにより、例えばＴｉ、Ａｌ、ＮｉまたはＡｕの多層膜からなるｐ型電極３０を、透明導電層４１５に電気的に接続される形で形成する。さらに、フォトリソグラフィー技術と真空蒸着法とにより、例えばＴｉ、Ａｌ、ＮｉまたはＡｕの多層膜からなるｎ型電極２０を、第１の開口部４２５により露出したｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体層４０５ａに電気的に接続される形で形成する（図１４Ｃ）。
【０１９５】
次に、窒化物半導体発光素子４００におけるｐ型電極３０を形成した側の表面を覆う形で接着層（図示せず）を塗布し、接着層を介して窒化物半導体発光素子４００に第２の基板（図示せず）を接着する。ここで、接着層を構成する接着剤としては水酸化カリウム（ＫＯＨ）など強アルカリ溶液に耐性がある例えばシリコーン樹脂接着剤などを用いる。そして、第２の基板上へ窒化物半導体発光素子４００を接着後、基板４０２を除去する。これにより、ｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体層４０５ａを露出させる（図１４Ｄ）。
【０１９６】
なお、基板４０２がＳｉ基板の場合、フッ酸と硝酸の混合液を用いたウェットエッチングによって基板４０２を除去することができる。また、基板４０２がサファイア基板の場合、レーザーリフトオフ法によって基板除去を行うことができる。
【０１９７】
次に、ＫＯＨ水溶液と紫外光照射を併用したＰＥＣ（Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ）エッチング法を用いて、露出したｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体層４０５ａをウェットエッチングする。具体的には、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液を入れた容器内に、図１４Ｃで形成した第２の基板上に接着した窒化物半導体発光素子４００を浸し、紫外光を照射した状態でウェットエッチングを行う。それにより、ｎ型窒化物半導体層４０５ａに斜面を有する凹凸面を形成する（図１４Ｅ）。
【０１９８】
なお、このＰＥＣエッチングによる窒化物半導体のエッチングは面方位の異方性があり、面方位がｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体層４０５ａの結晶方位面の一種で、半極性面のひとつである｛１−１０１｝面が形成される。これにより、ｎ型窒化物半導体層４０５ａに前記｛１−１０１｝面で構成された斜面を有する凹凸面を形成することができる。
【０１９９】
次に、フォトリソグラフィー技術と真空蒸着法とにより、ｎ型窒化物半導体層４０５ａの凹凸面上に、例えばＳｉＯ2からなる誘電体層４４０と、例えばＹＡＧからなる蛍光体層４５０と、例えばＡｌ、ＡｇまたはＣｕなどの金属の多層膜からなる金属層４６０とを順次形成する。さらに、例えばＡｕやＣｕメッキにより、金属層４６０上に支持基板４７０を形成する。そして、接着剤の剥離液を用いて接着層を除去することで第２の基板を分離する。最後に、ブレード（図示せず）を用いたダイシングによりチップ分離を行い、窒化物半導体発光素子４００を形成する（図１４Ｆ）。
【０２００】
以上のようにして、窒化物半導体発光素子４００を形成する。
以上、本実施の形態５によれば、蛍光体層４５０における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子４００を実現できる。
【０２０１】
（実施の形態６）
次に、実施の形態６について説明する。
【０２０２】
図１５は、実施の形態６における窒化物半導体発光素子の構成を示す断面図である。図９と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。図１６Ａ〜図１６Ｆは、実施の形態６における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
【０２０３】
（構造）
図１５に示す窒化物半導体発光素子５００は、窒化物半導体発光層２１０上に積層された誘電体層２４０、金属層２５０および蛍光体層２６０を備える。また、窒化物半導体発光素子５００は、反射膜５１６とｎ型電極５２０とｐ型電極５３０とを備える。図１５に示す窒化物半導体発光素子５００は、実施の形態３に係る窒化物半導体発光素子２００に対して、反射膜５１６とｎ型電極５２０とｐ型電極５３０との構成が異なる。
【０２０４】
反射膜５１６は、例えばＮｉ、Ａｇなどからなり、窒化物半導体発光層２１０のｐ型窒化物半導体層５ｃに電気的に接続される形で形成されている。
【０２０５】
ｐ型電極５３０は、例えばＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ等の金属の多層膜で構成され、反射膜５１６に電気的に接続される形で形成されている。ｐ型電極５３０は、窒化物半導体発光層２１０に対して下部となるように反射膜５１６の窒化物半導体発光層２１０が積層される面とは反対の面に形成され、かつ、支持基板（図示せず）上に形成される。このようにして、ｐ型電極５３０は、外部へ配線が可能となるように設置される。
【０２０６】
ｎ型電極５２０は、例えばＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ等の金属の多層膜で構成され、ｎ型窒化物半導体層２０５ａに電気的に接続される形で形成されている。ｎ型電極５２０は、窒化物半導体発光層２１０に対して下部となるように窒化物半導体発光層２１０の誘電体層２４０が積層される面とは反対の面に形成され、かつ、支持基板（図示せず）上にされる。このようにして、外部へ配線が可能となるように設置される。
【０２０７】
以上のように、実施の形態６における窒化物半導体発光素子５００は構成される。
なお、図１５に示すように、窒化物半導体発光素子５００では、窒化物半導体発光素子４００と同様に、ｎ型窒化物半導体層２０５ａと誘電体層２４０との界面、および、ｎ型窒化物半導体層２０５ａとｎ型電極５２０との界面には、凹凸が形成されている。
【０２０８】
（動作および効果）
次に、本実施の形態６における窒化物半導体発光素子５００の動作および効果について説明する。
【０２０９】
まず、発光部５ｂは発光して光を発生する。発生した光の一部は、ｎ型窒化物半導体層２０５ａと誘電体層２４０との界面において、全反射する。この際に発生したエバネッセント光は、誘電体層２４０を伝播し、金属層２５０の表面に表面プラズモンを励起する。一方、誘電体層２４０においてすなわちｎ型窒化物半導体層２０５ａと誘電体層２４０との界面において全反射しなかった光は、誘電体層２４０および金属層２５０を透過し、蛍光体層２６０にキャリアを励起する。
【０２１０】
このように金属層２５０の表面に励起された表面プラズモンと、蛍光体層２６０に励起されたキャリアとがカップリングすることで、効率よくキャリアが再結合し、蛍光体層２６０の変換効率が向上する。
【０２１１】
このようにして、窒化物半導体発光層２１０、誘電体層２４０、金属層２５０および蛍光体層２６０を透過してきた青色光と、蛍光体層２６０で変換された黄色光とを混色することにより、蛍光体層２６０における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子５００を実現できる。
【０２１２】
（製造方法）
次に、上記のように構成された窒化物半導体発光素子５００の製造方法を説明する。
【０２１３】
まず、例えば面方位が＜１１１＞であるＳｉ基板からなる基板５０２の主面上に、ＭＯＣＶＤ法を用いたエピタキシャル成長により、ＡｌＮや低温成長ＧａＮ層などのバッファ層（図示せず）を介在して窒化物半導体発光層２１０を形成する（図１６Ａ）。ここで、窒化物半導体発光層２１０は、基板５０２の主面上に、バッファ層を介してｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体層２０５ａと、ＩｎxＧａ1-xＮ井戸層およびＧａＮ障壁層が交互に複数形成された多重量子井戸構造からなる発光部５ｂと、ｐ型ＧａＮからなるｐ型窒化物半導体層５ｃとが順次積層されてなる。なお、基板５０２は、面方位が＜１１１＞であるＳｉ基板だけでなく、面方位が＜０００１＞であるサファイア基板、あるいは面方位が＜０００１＞である６Ｈ−ＳｉＣ基板などからなっていてもよい。
【０２１４】
次に、フォトリソグラフィー技術と例えばＣｌ2ガスによるドライエッチングとにより、窒化物半導体発光層２１０上に、第１の開口部５２５を形成する（図１６Ｂ）。
【０２１５】
次に、フォトリソグラフィー技術と真空蒸着法とにより、例えばＮｉ、Ａｇなどからなる反射膜５１６を、ｐ型ＧａＮからなるｐ型窒化物半導体層５ｃに電気的に接続される形で形成する。続いて、フォトリソグラフィー技術と真空蒸着法とにより、例えばＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕの多層膜からなるｐ型電極５３０を、反射膜５１６に電気的に接続される形で形成する。そして、フォトリソグラフィー技術と真空蒸着法とにより、例えばＴｉ、Ａｌ、ＮｉまたはＡｕの多層膜からなるｎ型電極５２０を、前記第１の開口部５２５により露出したｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体層２０５ａに電気的に接形で形成する（図１６Ｃ）。
【０２１６】
次に、窒化物半導体発光素子５００のｐ型電極５３０およびｎ型電極５２０を、それぞれ電気的に外部に配線ができるように、第２の基板（図示せず）に接着する。そして、第２の基板上へ窒化物半導体発光素子５００のｐ型電極５３０およびｎ型電極５２０を接着後、基板５０２を除去する。これにより、ｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体層２０５ａを露出させる（図１６Ｄ）。
【０２１７】
なお、基板５０２がＳｉ基板の場合、フッ酸と硝酸の混合液を用いたウェットエッチングによって基板５０２を除去することができる。また、基板５０２がサファイア基板の場合、レーザーリフトオフ法によって基板除去を行うことができる。これにより、ｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体層２０５ａを露出させる。
【０２１８】
次に、ＫＯＨ水溶液と紫外光照射を併用したＰＥＣ（Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ）エッチング法を用いて、図１６Ｄで露出したｎ型ＧａＮ層からなるｎ型窒化物半導体層２０５ａをウェットエッチングする。具体的には、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液を入れた容器内に、図１６Ｃで形成した第２の基板上に接着した窒化物半導体発光素子５００を浸し、紫外光を照射した状態でウェットエッチングを行う。それにより、ｎ型窒化物半導体層２０５ａに斜面を有する凹凸面を形成する（図１６Ｅ）。
【０２１９】
なお、ＰＥＣエッチングによる窒化物半導体のエッチングは面方位の異方性があり、面方位がｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体層２０５ａの結晶方位面の一種で、半極性面のひとつである｛１−１０１｝面が形成される。これにより、ｎ型窒化物半導体層２０５ａに｛１−１０１｝面で構成された斜面を有する凹凸面を形成することができる。
【０２２０】
次に、フォトリソグラフィー技術と真空蒸着法とにより、ｎ型窒化物半導体層２０５ａの凹凸面上に、例えばＳｉＯ2からなる誘電体層２４０と、例えばＡｌ、ＡｇまたはＣｕなどの金属の多層膜からなる金属層２５０と、例えばＹＡＧからなる蛍光体層２６０とを順次形成する。最後に、ブレード（図示せず）を用いたダイシングによりチップ分離を行い、窒化物半導体発光素子５００を形成する（図１６Ｆ）。
【０２２１】
以上のようにして、窒化物半導体発光素子５００を形成する。
以上、本実施の形態５によれば、蛍光体層２６０における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子１００を実現できる。
【０２２２】
以上、本発明によれば、窒化物半導体発光素子は、金属層の構成、材料および膜厚を調整することにより、発光部５ｂからの放たれた光の一部が透過して窒化物半導体発光素子外部に取り出される。一方、窒化物半導体発光層のアンドープ窒化物半導体層６または誘電体層と、金属層との界面において、発光部からの放たれた光が全反射する際に発生するエバネッセント光により金属層中に表面プラズモンが励起される。そして、発生した表面プラズモンと蛍光体層内のキャリアとカップリングする。それにより、蛍光体層内での発光再結合を促進するため、蛍光体における波長の変換効率が向上する。
【０２２３】
また、本発明の窒化物半導体発光素子では、アンドープ窒化物半導体層および誘電体層膜は、透明であり窒化物半導体発光層が発光する光を吸収しないので、窒化物半導体発光層の発光部５ｂが放つ光を吸収することなく窒化物半導体発光素子の外部へ取り出すことができる。
【０２２４】
また、本発明の窒化物半導体発光素子では、誘電体層は、例えば１５０ｎｍと十分薄い厚さで構成される。すなわち誘電体層は、例えば窒化物半導体発光層と誘電体層との界面において、窒化物半導体発光層が放つ光が誘電体層で全反射した際に生じるエバネッセント光のしみ出し深さ以下の厚さで構成されている。この構成により、効果的に金属層に表面プラズモンを励起することができる。
【０２２５】
また、本発明の窒化物半導体発光素子では、金属層はＡｌまたはＡｇから構成され、ＡｌおよびＡｇにおいては表面プラズモンが効果的に励起されるため、蛍光体層の変換効率を向上させることができる。
【０２２６】
また、本発明の窒化物半導体発光素子では、蛍光体層は、Ｙ、Ｃｅ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｅｕの少なくとも１つの酸化物から構成される。それにより、蒸着やスパッタリングにより成膜したこれらの酸化物で構成される蛍光体層でも表面プラズモンを用いることにより波長の変換効率を向上させることができる。したがって、蒸着やスパッタリングという従来の半導体プロセス技術を用いて高変換率の蛍光体層６０を有し低コストな白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子１００を実現できる。
【０２２７】
以上、本発明によれば、蛍光体層における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子を実現できる。
【０２２８】
なお、本発明の窒化物半導体発光素子を構成する金属層は、金属微粒子から構成されていてもよい。その場合、金属微粒子で表面プラズモンを効率よく励起すると同時に、窒化物半導体表面の被覆率を低下させることができる。薄い金属層に被覆されている場合と比較して青色光を効果的に発光素子外部に取り出すことができ、演色性を向上させることができる。
【０２２９】
また、本発明の窒化物半導体発光素子では、上述したように、窒化物半導体発光層上に誘電体層、金属層および蛍光体層が順に積層されても、窒化物半導体発光層上に誘電体層、蛍光体層および金属層が順に積層されてもよい。すなわち、窒化物半導体発光層と誘電体層とが積層されており、誘電体層上に、金属層と蛍光体層とがどちらの順でも積層されていればよい。なお、誘電体層に替えて、窒化物半導体発光層にアンドープ窒化物半導体層を備える場合も、同様である。
【０２３０】
以上、本発明の窒化物半導体発光素子およびその製造方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０２３１】
本発明は、窒化物半導体発光素子およびその製造方法に利用でき、特に、各種表示用または照明用の高輝度窒化物半導体発光ダイオードなどの窒化物半導体発光素子およびその製造方法に利用できる。
【符号の説明】
【０２３２】
２、３０２、４０２、５０２、１００５  基板
５ａ、２０５ａ、４０５ａ  ｎ型窒化物半導体層
５ｂ  発光部
５ｃ  ｐ型窒化物半導体層
５ｄ  高濃度ｎ型窒化物半導体層
６  アンドープ窒化物半導体層
６ａ、１１０ａ  窒化物半導体層
１０、１１０、２１０、３１０、４１０  窒化物半導体発光層
１５、４２５、５２５  第１の開口部
２０、２２０、５２０  ｎ型電極
２５  第２の開口部
３０、２３０、５３０  ｐ型電極
４０ａ  誘電体層
５０、１５０、２５０、４６０  金属層
５０ａ、１５０ａ  金属層
６０、２６０、４５０  蛍光体層
６０ａ  蛍光体層
７０ａ、７０ｂ  出射光
１００、１０１、２００、３００、４００、５００  窒化物半導体発光素子
１４０、２４０、３４０、４４０  誘電体層
１４０ａ  誘電体層
１５０ａ  金属層
２１６、５１６  反射膜
２１７、４７０  支持基板
３０５ａ  ｎ型窒化物半導体層
３２５  開口部
４１５  透明導電層
１０００  ＬＥＤウェハ
１００１  第１電極
１００２  第２電極
１００３  蛍光体薄膜
１００４  エピタキシャル層
【図１】
2011035275.tif 000003
【図２Ａ】
2011035275.tif 000004
【図２Ｂ】
2011035275.tif 000005
【図３Ａ】
2011035275.tif 000006
【図３Ｂ】
2011035275.tif 000007
【図３Ｃ】
2011035275.tif 000008
【図４Ａ】
2011035275.tif 000009
【図４Ｂ】
2011035275.tif 000010
【図４Ｃ】
2011035275.tif 000011
【図５Ａ】
2011035275.tif 000012
【図５Ｂ】
2011035275.tif 000013
【図５Ｃ】
2011035275.tif 000014
【図６】
2011035275.tif 000015
【図７Ａ】
2011035275.tif 000016
【図７Ｂ】
2011035275.tif 000017
【図８Ａ】
2011035275.tif 000018
【図８Ｂ】
2011035275.tif 000019
【図９】
2011035275.tif 000020
【図１０Ａ】
2011035275.tif 000021
【図１０Ｂ】
2011035275.tif 000022
【図１０Ｃ】
2011035275.tif 000023
【図１０Ｄ】
2011035275.tif 000024
【図１０Ｅ】
2011035275.tif 000025
【図１０Ｆ】
2011035275.tif 000026
【図１１】
2011035275.tif 000027
【図１２Ａ】
2011035275.tif 000028
【図１２Ｂ】
2011035275.tif 000029
【図１２Ｃ】
2011035275.tif 000030
【図１２Ｄ】
2011035275.tif 000031
【図１２Ｅ】
2011035275.tif 000032
【図１２Ｆ】
2011035275.tif 000033
【図１３】
2011035275.tif 000034
【図１４Ａ】
2011035275.tif 000035
【図１４Ｂ】
2011035275.tif 000036
【図１４Ｃ】
2011035275.tif 000037
【図１４Ｄ】
2011035275.tif 000038
【図１４Ｅ】
2011035275.tif 000039
【図１４Ｆ】
2011035275.tif 000040
【図１５】
2011035275.tif 000041
【図１６Ａ】
2011035275.tif 000042
【図１６Ｂ】
2011035275.tif 000043
【図１６Ｃ】
2011035275.tif 000044
【図１６Ｄ】
2011035275.tif 000045
【図１６Ｅ】
2011035275.tif 000046
【図１６Ｆ】
2011035275.tif 000047
【図１７】
2011035275.tif 000048