(57)【要約】【課題】ＩｎＧａＮ系材料の量子井戸層を有する発光素子において、発光効率を高めることにある。【解決手段】ＩｎＧａＮ系材料により形成された量子井戸層６の近傍に、島状に独立した金属微細構造１８を有し、前記量子井戸層６から発射される光の発光波長と、前記金属微細構造１８の表面プラズモン振動と、が概ね一致することを特徴とする発光素子である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩｎＧａＮ系材料により形成された量子井戸層の近傍に、島状に独立した金属微細構造を有し、
前記量子井戸層から発射される光の発光波長と、前記金属微細構造の表面プラズモン振動と、が概ね一致することを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記金属微細構造は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、または、Ａｌにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記金属微細構造と前記量子井戸層との距離が５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記金属微細構造は、誘電体層および半導体空乏層から選択される少なくとも一方で覆われ、且つ該誘電体層および半導体空乏層から選択される少なくとも一方が更にクラッド層で覆われていることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の発光素子。
【請求項５】
前記金属微細構造と前記クラッド層との間における前記誘電体層または前記半導体空乏層の厚みが５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の発光素子。
【請求項６】
前記金属微細構造は、金属を島状に独立して堆積させ形成された金属薄膜であることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の発光素子。
【請求項７】
前記金属微細構造は、溶媒に金属微粒子を分散させた塗布液を塗布し乾燥して形成された前記金属微粒子の付着物であることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の発光素子。
【請求項８】
前記量子井戸層の厚さ方向に対して垂直に光が出射される端面発光型の半導体レーザであることを特徴とする請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の発光素子。
【請求項９】
前記量子井戸層の厚さ方向に対して平行に光が出射される面発光レーザ、または、発光ダイオードであることを特徴とする請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光効率の高い発光ダイオードや半導体レーザなどの発光素子に関する。特に５００ｎｍ付近の緑色域から６５０ｎｍ付近の赤色域の発光素子に適用した際に顕著に発光効率が上昇し、且つ環境負荷が小さい省エネ型の発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、発光ダイオードや半導体レーザなどの発光素子において、発光効率を向上させるための研究がなされている。
例えば、金属に回折格子構造（層を成した金属に１次元、または、２次元の周期的な凸部が形成されている構造）を設け、回折格子構造の部分に光を透過させることにより発光効率を向上させる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、該文献においては具体的な素子の構成が明らかではなく、どの程度の効果が得られるのかが明確ではない。
【０００３】
また、ＩｎＧａＮ量子井戸活性層のごく近傍にＡｇ、Ａｌ、Ａｕなどの極薄蒸着フィルム（金属が一様な層を成した構造）を配置することにより、フォトルミネセンス（ＰＬ）発光の効率が上昇するとの技術が開示されている（例えば、非特許文献１参照）。この原理を利用してＩｎＧａＮ量子井戸活性層を有する発光素子の発光効率を上昇させることが考えられるが、具体的な発光素子への組み込みについては、いまだ行われていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２５９０６４号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒ誌、８７巻、７１１０２頁、２００５年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
緑色発光素子にＩｎＧａＮ系材料の利用が検討されている。ＩｎＮ組成の高いＩｎＧａＮ系材料は結晶成長が難しく、結晶欠陥を多く含み、この結晶欠陥は発光効率を低下させる。具体的には、ＩｎＧａＮ量子井戸層中の電子−正孔対によって自然放出発光が生じるよりも速く、前記電子−正孔対が前記結晶欠陥につかまって非輻射再結合が生じフォノン（熱）となる。このようにＩｎＧａＮ量子井戸層における電子−正孔対が熱となって発光が生じないため、発光効率の低下が発生していた。つまり、緑色発光素子においては素子の発光効率が低いという問題点がある。
【０００７】
また現在、赤色発光にはＡｌＩｎＧａＰ系の材料が利用されているが、基板にＧａＡｓが用いられており、大量に廃棄するとＡｓを含む廃棄物が生じるという問題がある。これに対し、上記のＩｎＧａＮ系材料は更にＩｎＮ組成を高めることにより、赤色発光素子にも適用できるとされている。但し、緑色発光素子よりもさらに高い発光効率を得るのが難しいとの問題がある。
【０００８】
ＩｎＧａＮ系材料を利用して、青色と同様に高い効率の発光素子ができれば、環境負荷が小さい省エネ型のフルカラーの発光素子ができるため、表示用途などにさらに広く利用される。
【０００９】
即ち、本発明は、ＩｎＧａＮ系材料の量子井戸層を有する発光素子において、発光効率を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は、
＜１＞  ＩｎＧａＮ系材料により形成された量子井戸層の近傍に、島状に独立した金属微細構造を有し、前記量子井戸層から発射される光の発光波長と、前記金属微細構造の表面プラズモン振動と、が概ね一致することを特徴とする発光素子を提供する。
＜２＞  前記金属微細構造は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、または、Ａｌにより形成されていることを特徴とする前記＜１＞に記載の発光素子を提供する。
＜３＞  前記金属微細構造と前記量子井戸層との距離が５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることを特徴とする前記＜１＞または＜２＞に記載の発光素子を提供する。
＜４＞  前記金属微細構造は、誘電体層および半導体空乏層から選択される少なくとも一方で覆われ、且つ該誘電体層および半導体空乏層から選択される少なくとも一方が更にクラッド層で覆われていることを特徴とする前記＜１＞〜＜３＞の何れか一項に記載の発光素子を提供する。
＜５＞  前記金属微細構造と前記クラッド層との間における前記誘電体層または前記半導体空乏層の厚みが５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることを特徴とする前記＜４＞に記載の発光素子を提供する。
＜６＞  前記金属微細構造は、金属を島状に独立して堆積させ形成された金属薄膜であることを特徴とする前記＜１＞〜＜５＞の何れか一項に記載の発光素子を提供する。
＜７＞  前記金属微細構造は、溶媒に金属微粒子を分散させた塗布液を塗布し乾燥して形成された前記金属微粒子の付着物であることを特徴とする前記＜１＞〜＜５＞の何れか一項に記載の発光素子を提供する。
＜８＞  前記量子井戸層の厚さ方向に対して垂直に光が出射される端面発光型の半導体レーザであることを特徴とする前記＜１＞〜＜７＞の何れか一項に記載の発光素子を提供する。
＜９＞  前記量子井戸層の厚さ方向に対して平行に光が出射される面発光レーザ、または、発光ダイオードであることを特徴とする前記＜１＞〜＜７＞の何れか一項に記載の発光素子を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ＩｎＧａＮ系材料の量子井戸層を有する発光素子において、発光効率が高められる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の発光素子の一例を示す概略断面図である。
【図２】本発明の発光素子による効果のメカニズムを説明するための概略断面図およびその拡大図である。
【図３】蒸着により金属を島状に独立して堆積させ形成した金属微細構造のＡＦＭによる観測画像である。
【図４】金属微粒子を溶液分散した塗布液を塗布し溶媒を揮発させて形成した金属微細構造の例を示す図である。
【図５】連続蒸着膜に開口構造を形成して得られた金属微細構造の例を示す図である。
【図６】実施例１−１（その１）に係る発光素子を示す概略断面図である。
【図７】実施例１−１（その２）に係る発光素子を示す概略断面図である。
【図８】実施例１−１（その３）に係る発光素子を示す概略断面図である。
【図９】実施例１−１（その４）に係る発光素子を示す概略断面図である。
【図１０】実施例１−２（その１）に係る発光素子を示す概略断面図である。
【図１１】実施例１−２（その２）に係る発光素子を示す概略断面図である。
【図１２】実施例１−３に係る発光素子を示す概略断面図である。
【図１３】実施例２に係る発光素子を示す概略断面図である。
【図１４】実施例３に係る発光素子を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の発光素子は、ＩｎＧａＮ系材料により形成された量子井戸層（本明細書においては、単に「ＩｎＧａＮ量子井戸層」と称すことがある）の近傍に、島状に独立した金属微細構造を有し、前記量子井戸層から発射される光の発光波長と、前記金属微細構造の表面プラズモン振動と、が概ね一致することを特徴とする。
【００１４】
ここで、本発明に係る発光素子の実施形態の一例を図１に示す。
図１に示す発光素子は、導電性のｎ型基板２上にｎ−ＡｌＩｎＧａＮクラッド層４を有し、その上に発光層であるＩｎＧａＮ量子井戸層６を有する。更にその上にはｐ−ＩｎＧａＮスペーサ層８を介して島状に独立した金属微細構造１８が配置され、該金属微細構造１８はｐ−ＡｌＩｎＧａＮクラッド層１０によって被覆されている。尚、ｐ−ＡｌＩｎＧａＮクラッド層１０の金属微細構造１８周辺は半導体空乏層（半導体の内部で伝導電子も正孔もほとんど存在しない層）を形成している（図示せず）。更に、これらの各層を挟むように、ｐ−ＡｌＩｎＧａＮクラッド層１０側の表面にオーム性電極（Ｐ電極）１２と、ｎ型基板２表面にオーム性電極（Ｎ電極）１４とを有する形態である。尚、図１に示す発光素子には、ＩｎＧａＮ系材料によって形成された層中に結晶欠陥１６が存在する。
尚、結晶欠陥１６とは、意図せずに存在するもので、不純物や格子間原子、空格子などの点欠陥や転位、積層不整、析出物などを含み、ＩｎＧａＮ量子井戸層６中のキャリアの非輻射再結合を引き起こす原因となる広い概念を含むものとする。
【００１５】
（作用・効果の説明）
既述の通り、ＩｎＧａＮ系材料を用いた発光素子の場合には結晶欠陥が多く存在し、この結晶欠陥によってＩｎＧａＮ量子井戸層中の電子−正孔対がつかまって、非輻射再結合が生じフォノン（熱）となるため、発光効率が低いという問題点がある。
これに対し、図１に示すような本発明の発光素子によれば、ＩｎＧａＮ量子井戸層６の近傍に島状に独立した金属微細構造１８が配置され、且つＩｎＧａＮ量子井戸層６から発射される光の発光波長と、金属微細構造１８の表面プラズモン振動と、が概ね一致するために、発光効率を向上させることができる。
【００１６】
当該効果は、以下のメカニズムによって得られているものと推察される。
まず、図２の拡大図に示すように、ＩｎＧａＮ量子井戸層６には、Ｐ電極１２側から正孔（＋）が注入され、またＮ電極１４側から電子（−）が注入されて電子−正孔対ができる。
ここで、島状に独立した金属微細構造１８には表面プラズモンが存在する。プラズモンとは図２の拡大図に示すように金属中の自由電子（−）が集団で振動して準粒子となった状態を指し、更に表面プラズモンとは上記プラズモンが表面に局在した状態を指す。
前述の通り、本発明の発光素子では、前記金属微細構造１８はＩｎＧａＮ量子井戸層６の近傍に配置され、且つＩｎＧａＮ量子井戸層６から発射される光の発光波長と金属微細構造１８の表面プラズモン振動とが概ね一致するため、ＩｎＧａＮ量子井戸層６中の前記電子−正孔対が励起され、金属微細構造１８の表面プラズモンと共鳴して結合し発光が生じる。この電子−正孔対と表面プラズモンとの共鳴は、前記非輻射再結合よりも速い速度で発生する。そのため、本発明に係る発光素子においては、電子−正孔対が結晶欠陥を介した非輻射再結合によりフォノン（熱）となって失われるよりも速く、電子−正孔対が表面プラズモンと共鳴し結合して発光する。即ち、損失してしまっていた分の電子−正孔対が効率的に発光に寄与し、本発明においては発光効率が向上するものと推察される。
【００１７】
・近傍
既述の通り、本発明において金属微細構造はＩｎＧａＮ量子井戸層の近傍に配置される。ここで「近傍」とは、物理的には、金属微細構造とＩｎＧａＮ量子井戸層との距離が、金属微細構造の表面に形成される表面プラズモンの電界が及ぶ範囲に収まっていることを表す。
尚、金属微細構造とＩｎＧａＮ量子井戸層との距離を上記範囲とするため、金属微細構造とＩｎＧａＮ量子井戸層とを隔離するスペーサ層（例えば図１に示すｐ−ＩｎＧａＮスペーサ層８）を有してもよい。
また、具体的に金属微細構造とＩｎＧａＮ量子井戸層との間の距離は５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましく、更には表面プラズモンと電子−正孔対との相互作用を高めるという点で、７ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることがより好ましい。金属微細構造とＩｎＧａＮ量子井戸層との間の距離が５０ｎｍ以下であることにより、金属微細構造の表面に形成される表面プラズモンの効果によってＩｎＧａＮ量子井戸層からの発光強度が増強される。尚、上記距離は、ＩｎＧａＮ量子井戸中の電子−正孔対の消滅が金属微細構造の表面プラズモンを励起しやすくするために、なるべく薄くすることが望ましいが、金属微細構造中の電子が漏れ出さないこととの両立の観点から、５ｎｍ以上が好ましく、また、ＩｎＧａＮ量子井戸のポテンシャル構造を保つためにもバリア層としての厚さが必要であることからも、７ｎｍ以上がより好ましく、典型的には１０ｎｍ程度が特に好ましい。
【００１８】
・島状に独立
既述の通り、本発明の発光素子は島状に独立した金属微細構造を有する。ここで「島状に独立」とは、一つの、または、複数の微細な金属の塊が互いに接触せずに個々に別々に形成されている状態を指す。
【００１９】
・微細
既述の通り、本発明の発光素子においては金属微細構造を有する。ここで「微細」とは、該金属の表面に表面プラズモンが局在し得る大きさであることを指す。尚、好ましい大きさについての説明は後述する。
【００２０】
・概ね一致
既述の通り、本発明においては、ＩｎＧａＮ量子井戸層から発射される光の発光波長と金属微細構造の表面プラズモン振動とが概ね一致する。即ち、ＩｎＧａＮ量子井戸層にキャリアが注入された際に発生するゲインスペクトルの波長と金属微細構造の表面プラズモン振動のスペクトル（表面プラズモンの分散曲線）とが概ね一致する。
ここで「概ね一致」とは、物理的には、前記ゲインスペクトルと前記表面プラズモン振動スペクトルとが波長軸上で重なりあうことを意味する。表面プラズモン振動スペクトルは、所謂、表面プラズモン振動数に相当する波長において無限大に発散し、それよりも長波長側に減衰していく傾向を示すので、前記ゲインスペクトルのピーク位置が前記表面プラズモン振動数に一致するか、やや長波長に配置される範囲に収まっていることを表す。
尚、具体的に「概ね一致」の範囲としては、前記ゲインスペクトルのピーク波長が金属微細構造の表面プラズモン振動数に相当する波長から、それよりも１００ｎｍ長い波長の範囲に入っていることが好ましく、更には、５０ｎｍ長い波長の範囲に入っていることがより好ましい。
【００２１】
また、本発明においてＩｎＧａＮ量子井戸層を形成するＩｎＧａＮ系材料とは、ＩｎＮとＧａＮとの混晶半導体を表す。
【００２２】
（金属微細構造）
次いで、本発明に係る発光素子における金属微細構造について説明する。
【００２３】
・金属微細構造の材料
金属微細構造の表面における表面プラズモンのエネルギーは、金属材料により異なる。例えば、ＧａＮ材料と金属の界面における表面プラズモン振動数は、金属がＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌの場合、それぞれ下記表１に示すとおりである。従って、緑〜赤色の発光素子（発射される光の発光波長が５３７ｎｍ〜６３７ｎｍ）には金属微細構造の材料としてＡｕが最も強く相互作用すると考えられる。また、青や青緑色の発光素子（発射される光の発光波長が４３７ｎｍ〜５３７ｎｍ）にはＡｇを用いることが良好で、さらに波長が長めな赤色の発光素子（発射される光の発光波長が５７４ｎｍ〜６７４ｎｍ）ではＣｕを用いることが好適であり、青色や紫外の領域の発光素子（発射される光の発光波長が２２５ｎｍ〜３２５ｎｍ）にはＡｌを用いることが好適である。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
即ち、ＩｎＧａＮ量子井戸層から発射される光の発光波長と金属微細構造の表面プラズモン振動とを概ね一致させる制御方法としては、上記のように発光波長に応じて用いる金属の材料を選択する方法が挙げられる。
【００２６】
尚、金属微細構造においてはバルク金属に比べ融点が低下する傾向にある。大きさが１００ｎｍ程度以上のサイズでは、融点の低下割合は絶対温度比において数％程度である。融点をさらに高めるために、高融点金属などの他の金属を添加したり、合金を利用したりしてもよい。
【００２７】
・金属微細構造の形成方法、形状および大きさ
本発明における金属微細構造の形成方法は、特に限定されるものではなく、公知のいかなる方法を用いてもよい。好適な方法として、例えば以下の方法が挙げられる。
（１）蒸着等により金属を島状に独立して堆積させ金属薄膜を形成する方法
（２）溶媒に金属微粒子を分散させた塗布液を塗布し乾燥して形成する方法
（３）金属の薄膜を形成したのち島状に独立した微細構造に加工する方法
【００２８】
（１）蒸着等により金属を島状に独立して堆積させ金属薄膜を形成する方法
本発明における金属微細構造の形成には、蒸着やスパッタ等の方法により金属を所望の固体表面にわずかに付着させる際に生じる島状構造（粒状になって表面に付着する構造）による微細構造を利用することができる。
例えば、金属材料としてＡｕを用いる場合であれば、連続膜（互いに接触し独立していない状態の金属膜）を形成しようとした場合に、数１０ｎｍ〜数１００ｎｍの厚さに相当する量のＡｕを蒸着することにより島状構造（粒状になって表面に付着する構造）のＡｕが形成される。即ち、蒸着レートと基板温度を調整することにより、島状に独立した金属微細構造が形成される。上記（１）の方法であれば、加工の手間がかからないため低コストで量産が可能との利点がある。
【００２９】
ここで、蒸着により金属を独立した島状構造として堆積させ形成した金属薄膜（Ａｕ）のＡＦＭ（ａｔｏｍｉｃ  ｆｏｒｃｅ  ｍａｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：原子間力顕微鏡）による観測画像を図３に示す。図３に示す金属微細構造の平均的サイズ（島状構造の直径）は０．３μｍである。
【００３０】
尚、上記（１）の方法により形成された金属微細構造の平均サイズ（基板の表面側から見た平均サイズ、島状構造の直径＝断面における金属微細構造の幅）は、量子井戸中の電子−正孔対により金属微細構造の表面プラズモンを効率よく励起するために電子−正孔対のサイズと同程度以上とするという点から０．０５μｍ以上が好ましく、一方、表面プラズモンにより所望の発光を効率よく増強するために半導体中の発光波長の数倍以下とするという点から１μｍ以下であることが好ましい。更に、表面プラズモンと電子−正孔対との相互作用を高めるために発光波長と同じサイズから半分程度とするという点から０．１μｍ以上０．３μｍ以下であることがより好ましい。
また、平均高さ（前記基板表面側からの観察と直行する方向から見た平均高さ＝断面における金属微細構造の厚さ）は、金属微細構造の表面プラズモンを安定に保つという点から５ｎｍ以上が好ましく、金属微細構造の上部に積層される層構造に対して、通電や光閉じ込めなどの機能を損なわない程度の平坦性を得るという点から５０ｎｍ以下であることが好ましい。
ここで、上記平均サイズおよび平均高さは、金属微細構造の形成直後には、先のＡＦＭやＳＥＭ（走査電子顕微鏡）での観察によって測定できる。また、金属微細構造を埋め込む上部構造を形成した後には、ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）による観察によって測定できる。尚、後述するように、金属微細構造を埋め込む上部構造を形成する過程で金属微細構造の大きさは変化する場合がある。上記の好適な平均サイズおよび平均高さの範囲は、最終的にデバイス構造中に含まれる金属微細構造に関するものである。
【００３１】
（２）溶媒に金属微粒子を分散させた塗布液を塗布し乾燥して形成する方法
本発明における金属微細構造の形成には、あらかじめ溶媒に金属微粒子を分散させた塗布液を調製しておいて、この塗布液を所望の固体表面に滴下するかまたは塗布液中に固体を漬けることによって表面に該塗布液を付着させ、その後乾燥して前記溶媒を揮発させ、金属微粒子のみが付着することによって形成された微細構造を利用することができる。
【００３２】
ここで図４に、０．０５μｍ程度のＡｕ微粒子を溶液分散した塗布液を塗布し溶媒を揮発させて形成した金属薄膜（Ａｕ）２０の例を示す。
【００３３】
尚、上記（２）の方法により形成された金属微細構造の平均サイズ（基板の表面側から見た平均サイズ、島状構造の直径＝断面における金属微細構造の幅）は０．０５μｍ以上１μｍ以下であることが好ましく、０．１μｍ以上０．３μｍ以下であることがより好ましい。
また、平均高さ（前記基板表面側からの観察と直行する方向から見た平均高さ＝断面における金属微細構造の厚さ）は５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。高さは概ね使用するＡｕ微粒子の直径と一致する。
【００３４】
（３）金属の薄膜を形成したのち島状に独立した微細構造に加工する方法
本発明における金属微細構造の形成には、蒸着やスパッタ等の方法により一面に金属薄膜の層を形成した後、ＥＢ描画（電子線描画）等の方法により前記金属薄膜を島状に独立した微細構造に加工する方法が利用できる。
【００３５】
ここで図５に、Ａｕの連続蒸着膜に０．２５μｍ周期の開口構造をＥＢ描画により形成して得られた金属微細構造２２の例を示す。
【００３６】
上記（３）の方法によれば、金属微細構造のサイズは設計により自由に設定することができる。
尚、上記（３）の方法により形成された金属微細構造の平均サイズ（基板表面側から見た際の平均サイズ、島状構造の直径＝断面における金属微細構造の大きさ）は０．０５μｍ以上１μｍ以下であることが好ましく、０．１μｍ以上０．３μｍ以下であることがより好ましい。
また、平均高さ（前記基板表面からの観察と直行する方向から見た平均高さ＝断面における金属微細構造の厚さ）は５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。
ここで、上記平均サイズおよび平均高さは、何れも前述の方法により測定することができる。
【００３７】
尚、表面プラズモンは、金属の表面に局在しているが、微細でない通常のマクロなサイズの金属では、外部から伝播光を入射しても直接的に表面プラズモンを励起することができず、また逆に金属の表面プラズモンにより電磁波を励起することは困難である。しかし、金属のサイズを小さくして微細構造とすることにより、表面プラズモンポラリトンという表面プラズモンと電磁波が結合した状態を介して、エバネッセント波の電磁波と相互作用させることができる。
電子−正孔対と表面プラズモンとを効率的に結合させる観点から、金属微細構造の大きさ（前述の島状構造の直径）は、ＩｎＧａＮ量子井戸層における発光波長、ないしは、その半分程度が望ましい。ＧａＮ系材料での緑色発光素子なら２５０ｎｍ程度（ＧａＮの屈折率が２．３程度であるため）であり、また赤色発光素子なら最適サイズは上記よりも大きくなり、一方青色発光素子や紫外発光素子なら最適サイズは上記よりも小さくなる。
【００３８】
・金属微細構造の配置
ＩｎＧａＮ量子井戸層（発光層）と金属微細構造とを相互作用させるには近傍に配置することが求められ、特に１０ｎｍ程度の距離に配置することが好適である。
また、金属微細構造はＩｎＧａＮ量子井戸層の近傍に配置されていれば、周囲のどこに配置してもかまわないが、特にＩｎＧａＮ量子井戸層の厚さ方向の何れか一方側（上側または下側）、あるいは前記厚さ方向の両側（上側と下側）に配置することが好ましい。
【００３９】
また、金属微細構造中の表面プラズモンが輻射と相互作用する前に離脱しないように他の電極金属との配置には注意することが好ましい。
例えば、特開２００５−１０８９８２号公報には、オーミック電極用の金属と電界増強用の金属が接して配置されており、この構成ではオーミック電極を介して励起された表面プラズモンが拡散してしまうため、この配置は本発明には適当でない。
【００４０】
・金属微細構造の被覆部とその製法
図１に示すように、金属微細構造１８は、その周囲が、半導体空乏層および誘電体層から選択される少なくとも一方で覆われていることが好ましい。尚、具体的に図１では、金属微細構造１８がｐ−ＡｌＩｎＧａＮクラッド層１０およびｐ−ＩｎＧａＮスペーサ層８によって覆われ、且つその一部（金属微細構造１８周辺）が半導体空乏層を形成している（図示せず）。このようにして覆われていることにより、プラズモン共鳴に関わる構造中の電子が金属微細構造１８の外部に容易に漏れ出さないことが保証され、且つ正孔キャリアの注入を妨げない構造となる。
【００４１】
このためには、金属微細構造１８とクラッド層１０（半導体空乏層を形成していない部分のクラッド層１０）との間に形成される半導体空乏層の厚さは、表面プラズモンのクラッド層への拡散を抑制するという点で５ｎｍ以上が好ましく、トンネル効果によるキャリアの注入を確保するという点で５０ｎｍ以下であることが好ましく、更にはこの両方の要請をより安定に実現するという点から、５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることがより好ましい。半導体空乏層の厚みは、クラッド層１０のキャリア濃度で調整される。尚、上記半導体空乏層の一部を誘電体層で置き換えることも可能である。即ち、これらの半導体空乏層または半導体空乏層と誘電体層との複合層は、トンネル効果によりクラッド層１０より金属微細構造１８を介して量子井戸層６にキャリアが流入可能である厚みであることが好ましい。
また、図１では、上記キャリアは正孔であるが、基板上にｐ型クラッド層、活性層、金属微細構造、ｎ型クラッド層の順に形成することも可能であり、この場合は、上記キャリアは電子である。
ここで、半導体空乏層または半導体空乏層と誘電体層との複合層の厚さは、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や走査型キャパシタンス顕微鏡（ＳＣＭ）、ないしは、ＴＥＭにおいて電子線ホログラフィーの手法を利用するなどして測定することができる。例えば、ＳＣＭは、株式会社東レリサーチセンターなどの分析サービスを利用できる。電子線ホログラフィーは、財団法人ファインセラミックスセンター（ＪＦＣＣ）などの研究機関で測定することが可能である。
【００４２】
尚、前記半導体空乏層を形成する方法としては、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ：分子線エピタキシー）や、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：有機金属化学気相堆積法）等が挙げられ、また誘電体層を形成する方法としては、ＰＣＶＤ（プラズマＣＶＤ法）等が挙げられる。
【００４３】
（発光素子の態様）
本発明に係る発光素子の態様としては、ＩｎＧａＮ量子井戸層の厚さ方向に対して垂直に光が出射される端面発光型の半導体レーザや、ＩｎＧａＮ量子井戸層の厚さ方向に対して平行に光が出射される面発光レーザ、発光ダイオード等が挙げられる。
以下においては、図を参照して、本発明に係る発光素子の好ましい実施例について説明する。
【００４４】
〔実施例１〕
実施例１では、蒸着によって島状に独立した金属微細構造を形成する態様について説明する。Ａｕ、Ａｇ、またはＣｕを真空蒸着法で半導体結晶の上に蒸着することにより図１に示すように島状の金属微細構造を得ることができる。
【００４５】
図１の金属微細構造１８は、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）により下地のエピタキシャル層構造を形成したのちに、真空から出さずに金属を蒸着することにより形成したものである。尚、図３は、金属微細構造１８を形成後、大気中に取り出して該金属微細構造１８の形態をＡＦＭにより観測したものである。ただし、通常は金属微細構造１８を形成後に真空から出さずに、金属微細構造１８を被覆する層構造（クラッド層１０）や上部の構造（クラッド層１０の表面に形成されるＰ型コンタクト層（図示せず））を形成する。
【００４６】
尚、蒸着された金属が島状となるか、層状となるかの構造変化は、金属の照射レートと基板温度の設定で制御される。基板温度を高くして表面マイグレーションを促進し、かつ、照射レートを抑制すると、島状（水滴状）に独立した金属ナノ構造が形成される。一方、金属の照射量を増やすと構造の平均サイズと表面の被覆率（サイズ×表面密度）が上昇し、金属の照射を中止して熱処理をするとサイズは余り変化せず、被覆率が低下する傾向にある。
所望の構造を得るための基板温度や照射レートは、蒸着装置の構造にもよるので、ＡＦＭ等の手法で表面状態を観測しつつ条件を調整することにより達成される。
【００４７】
金属微細構造１８を形成した後は、基板温度を下げて被覆部（クラッド層１０）を形成する。この際基板温度が高いと金属微細構造１８が痩せて小さくなったり、被覆部との反応が生じてしまったりすることがあるため、あらかじめ金属微細構造１８のサイズを大きめに設定しておくことも有用である。
【００４８】
尚、ここではＫセル（クヌンセンセル）やＷ（タングステン）ボート等を用いた蒸着源を備えた抵抗加熱蒸着法や電子ビームによるＥＢ蒸着（電子ビーム蒸着）法による製法を記載しているが、その他、ＲＦスパッタ装置に真空搬送してスパッタ蒸着法により金属微細構造１８を得ることもできる。
【００４９】
〔実施例１−１（その１）〕
本発明の好適な実施例である、端面発光型ＬＤ素子の実施例１−１（その１）を、図６を用いて説明する。
図６に記載された実施例１−１（その１）の構造は、次のように形成する。導電性のｎ−ＺｎＯ基板３２Ａ上に、必要により適当な界面層（不図示）を形成したのち、ｎ型のＡｌＩｎＧａＮクラッド層３４Ａを積層し、ｎ型のＩｎＧａＮ層（ＳＣＨ）３６を積層し、緑色発光のＩｎＧａＮ活性層４２を形成する。
尚、ＩｎＧａＮ活性層４２は、Ｉｎ組成の大きなＩｎＧａＮ量子井戸層４０とＩｎ組成の小さいＩｎＧａＮバリア層３８Ａ，３８Ｂからなり、少なくともＩｎＧａＮ量子井戸層４０の前記ｎ−ＺｎＯ基板３２Ａとは反対側のＩｎＧａＮバリア層３８Ｂは１０ｎｍ程度の厚さとする。
【００５０】
ここで、一度成長を中断し、基板温度を２００℃程度に下げて、連続膜換算（金属の連続膜を形成しようとした場合に換算した厚さ）で数１０ｎｍ〜数１００ｎｍの厚さに相当する分量のＡｕを蒸着し金属微細構造５２Ａを形成する。尚、蒸着レートを０．１ｎｍ／ｓ以下程度に小さくすると蒸着されたＡｕは、上からみると０．２μｍ程度の粒状の構造となる。本実施例１−１（その１）では、ＩｎＧａＮ材料の各層の成長は、ＲＦ−ＭＢＥ装置を利用しており、そのままこのＭＢＥ装置、または付属する真空装置において、ＥＢ蒸着や抵抗加熱蒸着などによりＡｕ蒸着を実施した。
【００５１】
尚、Ａｕなどの金属微細構造５２Ａの大きさは、ＩｎＧａＮ量子井戸層４０のマトリックスの材料における発光波長の大きさ程度が好適である。例えば、ＩｎＧａＮ量子井戸層４０からの発光が５５０ｎｍ程度の緑色発光では、ＩｎＧａＮ中の場合屈折率が２．５程度なので、波長は２２０ｎｍ程度であり、金属微細構造５２Ａの大きさ（断面における金属微細構造の幅）としては０．２μｍ程度が好ましい。
また、ＩｎＧａＮ量子井戸層４０のＩｎ組成を増加して発光波長を６５０ｎｍ付近の赤色に設定する場合は、ＩｎＧａＮ量子井戸層４０のマトリックスの材料における発光波長は２６０ｎｍ程度であり、Ａｕなどの金属微細構造５２Ａは、やや大きな０．２５μｍ程度が望ましい。
【００５２】
ここで記載している金属微細構造５２Ａは、構造のサイズは平均的なもので、隣接する島との距離も様々であり、相互作用も全体として広がりをもつが、概略、構造の平均的大きさが上記のマトリックス材料における発光波長の半分以上であれば相互作用がかなり大きくなる。逆に上記波長以下であることにより、吸収によるロスが抑制され好適である。
【００５３】
次にＭＢＥ装置において、ＩｎＧａＮ材料により薄く金属微細構造５２Ａを被覆するようにｐ−ＩｎＧａＮ層（ＳＣＨ）４４Ａの成長を行う。高温で成長させると金属微細構造５２Ａを核とする針状結晶になりやすいので、低温で成長を開始し、引き続き上層部のｐ型のＡｌＩｎＧａＮクラッド層４６およびｐ−ＧａＮコンタクト層またはｐ−ＩｎＧａＮコンタクト層（不図示）の形成においては、アクセプタが活性化するに十分な高温での成長を行う。
【００５４】
エピタキシャル成長の終了後、適宜、ストライプ構造などの導波構造（不図示）を形成し、前記ｐ型のＡｌＩｎＧａＮクラッド層４６側、およびｎ型のＺｎＯ基板側にオーム性電極（Ｐ電極）４８、およびオーム性電極（Ｎ電極）５０を形成し、ストライプに直角の方向で劈開するなどして端面ミラー（不図示）を作製し、さらに出射端面にはＡＲ膜（不図示）、反対側の端面にはＨＲ膜（不図示）を形成して半導体レーザが加工される。
【００５５】
実施例１−１（その１）では、導電性のＺｎＯ基板３２Ａを使用し、該基板３２Ａの裏面にＮ電極５０を設けているが、ＺｎＯ基板３２Ａとｎ−ＡｌＩｎＧａＮクラッド層３４Ａの間にＩｎＧａＮによるｎ型コンタクト層を成長し、この層の上にｎ型電極を設けることもできる。
【００５６】
作製された金属微細構造５２Ａを有する半導体レーザ素子は、５３５ｎｍの緑色域で発振し、比較のために作製した金属微細構造を有さない半導体レーザ素子に比べて、閾値電流密度が１／３になり、最大発光出力も倍以上となった。
【００５７】
〔実施例１−１（その２）〕
次に実施例１−１（その１）の変形例である、端面発光型ＬＤ素子の実施例１−１（その２）を、図７を用いて説明する。実施例１−１（その２）は、ＩｎＧａＮ活性層４２のｎ−ＺｎＯ基板３２Ａ側（図７における下側）に金属微細構造５２Ａを有する例である。
この例では、あらかじめｎ−ＺｎＯ基板３２Ａ上にｎ−ＭｇＺｎＯクラッド層３４Ｂを成長させ、このクラッド層３４Ｂの上に金属微細構造５２Ａを、前記実施例１−１（その１）と同様の方法で形成する。
【００５８】
次に窒化物成長装置に真空搬送して金属微細構造５２Ａよりも上層側を成長させる。まず、厚さ１０ｎｍのＩｎＧａＮ層を低温で成長させて金属微細構造５２Ａを被覆する低温成長界面層５４を形成する。この後、温度を上昇させてＩｎＧａＮバリア層３８Ａ、ＩｎＧａＮ量子井戸層４０、ＩｎＧａＮバリア層３８ＢからなるＩｎＧａＮ活性層４２を成長させる。尚、ＩｎＧａＮ量子井戸層４０よりｎ−ＺｎＯ基板３２Ａ側（図７における下側）のＩｎＧａＮバリア層３８Ａを形成しない態様もある。
以降の工程（ｐ−ＩｎＧａＮ層（ＳＣＨ）４４Ａ、ＡｌＩｎＧａＮクラッド層４６、ｐ−ＩｎＧａＮコンタクト層（不図示）、オーム性電極（Ｐ電極）４８、オーム性電極（Ｎ電極）５０、ストライプ構造などの導波構造（不図示）、端面ミラー（不図示）、ＡＲ膜（不図示）、ＨＲ膜（不図示）等を形成する工程）は前記実施例１−１（その１）と同様の方法で形成することができる。
【００５９】
〔実施例１−１（その３）〕
次に実施例１−１（その１）の別の変形例である実施例１−１（その３）を、図８を用いて説明する。実施例１−１（その３）の例も端面発光型ＬＤ素子の実施例であるが、実施例１−１（その１）と異なり、結晶成長にＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相堆積法）を使用している。
また実施例１−１（その３）では、ＭＯＣＶＤ装置と、金属微細構造５２Ａを形成するための蒸着装置が別の場所にあり、大気中を介して運搬する必要がある場合を説明する。尚、実施例１−１（その１）においてもＭＢＥ装置と蒸着装置とが別々の場所にある態様で形成してもよい。
上記のように大気中での搬送が必要な場合には、大気中に存在する酸素や水分、炭素などの不純物が取り込まれやすいので注意が必要である。
【００６０】
実施例１−１（その３）においては、ｎ−ＧａＮ基板３２Ｂ上にｎ−ＡｌＩｎＧａＮクラッド層３４Ａを成長させたのち、ｎ−ＩｎＧａＮ層（ＳＣＨ）３６、ＩｎＧａＮ量子井戸層４０とＩｎＧａＮバリア層３８Ａおよび３８ＢとによるＩｎＧａＮ活性層４２、を順次ＭＯＣＶＤにより成長させて形成する。成長温度は１０００℃程度に設定することが一般的である。
【００６１】
尚、基板の面方位は、ｃ面に加え、ｍ面などの非極性面や半極性面も利用できる。また、基板３２Ｂの材料としてはＧａＮ以外にも、サファイアやＳｉＣ、Ｓｉなどが好適である。但し、これらの材料の多くは非導電性であるため、その場合には基板３２ＢとＩｎＧａＮ活性層４２との間にコンタクト層を設ける必要がある。
【００６２】
基板温度を２００℃程度として、連続膜換算（金属の連続膜を形成しようとした場合に換算した厚さ）で２０ｎｍ〜３００ｎｍの厚さに相当する分量のＡｕを蒸着し金属微細構造５２Ａを形成する。尚、蒸着レートを０．１ｎｍ／ｓ以下程度に小さくすると蒸着されたＡｕは、上からみると直径が０．４μｍ程度の粒状の構造となる。
【００６３】
次に基板温度を下げてウエハを取り出し、再びＭＯＣＶＤ装置に導入する。ＭＯＣＶＤ装置による結晶成長の再開に際し、基板温度を１０００℃近くに上昇する。大気中で混入した不純物をクリーニングするには高温とすることが望ましいが、金属微細構造５２Ａは、この熱処理で変質して小さくなる。そのため、最終的な金属微細構造５２Ａの形状が所望の形状（直径が０．２μｍ程度の大きさ）となるように、この高温とする前における金属微細構造５２Ａの蒸着量を増加するなどして、金属微細構造５２Ａの大きさを大きくしておくこと、および基板温度を下げてクリーニングにおける変質を抑制することを適宜組み合わせて、使用するＭＯＣＶＤ装置に合わせた条件設定を行うことが好ましい。
【００６４】
尚、金属微細構造５２Ａにおける不純物をクリーニングして残留を抑制することよりも、金属微細構造５２Ａの形状の乱れを極力抑制することの方が、発光効率を向上させる観点においては有利である場合が多い。これは、不純物を介することによって生じる非発光再結合も、前述の非輻射再結合と同様に、金属微細構造５２Ａによる表面プラズモン共鳴によって抑制されていることが予想される。
【００６５】
クリーニングの後、ｐ−ＩｎＧａＮ層（ＳＣＨ）４４Ａ、ｐ−ＡｌＩｎＧａＮクラッド層４６、ｐ−ＩｎＧａＮコンタクト層（不図示）などを順次成長させる。これらの層は、段階的に成長温度を上昇させながら、またｐ型導電性を得るためのアクセプタ濃度も上昇させて成長させることが望ましい。
【００６６】
エピタキシャル成長の終了後、適宜、ストライプ構造などの導波構造（不図示）を形成し、ｐ型のＡｌＩｎＧａＮクラッド層４６側、およびｎ−ＧａＮ基板３２Ｂ側にオーム性電極（Ｐ電極）４８、およびオーム性電極（Ｎ電極）５０を形成し、ストライプに直角の方向で劈開するなどして端面ミラー（不図示）を作製し、さらに出射端面にはＡＲ膜（不図示）、反対側の端面にはＨＲ膜（不図示）を形成して半導体レーザが加工される。
【００６７】
〔実施例１−１（その４）〕
実施例１−１（その３）における金属微細構造５２Ａの作製は、上記したようにあらかじめ大きめに形成してクリーニングにおいて縮小するなど形成が難しい場合がある。これに対して、実施例１−１（その３）を改良した実施例１−１（その４）を、図９を用いて説明する。
【００６８】
実施例１−１（その４）においては、ｎ−ＧａＮ基板３２Ｂ上にｎ−ＡｌＩｎＧａＮクラッド層３４Ａを成長させたのち、ｎ−ＩｎＧａＮ層（ＳＣＨ）３６、ＩｎＧａＮ量子井戸層４０とＩｎＧａＮバリア層３８Ａおよび３８ＢとによるＩｎＧａＮ活性層４２、を順次ＭＯＣＶＤにより成長させて形成し、実施例１−１（その３）と同様に金属微細構造５２Ａを形成後、Ｐ−ＣＶＤ、Ｃａｔ−ＣＶＤなどの方法によってＳｉＮなどの誘電体保護層５６を堆積する。この誘電体保護層５６を１μｍ〜数μｍ間隔でフォトリソグラフィの手法とドライエッチングによりライン＆スペース状に取り除く。
【００６９】
前記誘電体保護層５６を形成した後の試料をＭＯＣＶＤ装置に導入し、ＥＬＯＧ（epitaxially lateral over growth：ラテラル方向埋め込みエピタキシャル成長）の手法で上層部を覆うように埋め込み成長させる。誘電体保護層５６を取り除いた部分の金属微細構造５２Ａの金属は、ドライエッチング時に一緒に取り除かれている場合が多いが、残留する場合は、適宜、オーバーエッチングを行い取り除く。
【００７０】
尚、それ以降の上層部の成長構造は、実施例１−１（その３）とほぼ同様であるが、誘電体保護層５６の存在による光導波路としての構造は、各層の厚さや組成を変更するなどして調整する必要がある。
【００７１】
〔実施例１−２（その１）〕
特別な導波構造を設けずＬＥＤとした実施例１−２（その１）を、図１０を用いて説明する。
ＭＯＣＶＤ法でｎ−ＧａＮ基板３２Ｂ上にｎ−ＧａＮクラッド層３４Ｃを成長させ、組成の異なるＩｎＧａＮ量子井戸層４０およびＩｎＧａＮバリア層３８Ａ，３８Ｂで構成されるＩｎＧａＮ活性層４２を形成した後に成長装置（ＭＯＣＶＤ装置）から取り出し、Ａｕナノ構造による金属微細構造５２Ａを形成し、ＳｉＮやＳｉＯ２などの誘電体膜による誘電体保護層５６を設け、誘電体保護層５６の一部を取り除いた上で、成長装置にもどしてｐ−ＩｎＧａＮ層（ＳＣＨ）４４ＡによるＥＬＯＧを行う。ＥＬＯＧでは、誘電体保護層５６が金属微細構造５２Ａを絶縁しているため、比較的高いアクセプタ濃度の成長を行ってもよい。
結晶成長後、ｎ−ＧａＮ基板３２Ｂ側およびｐ−ＩｎＧａＮ層（ＳＣＨ）４４Ａ側にオーム性電極（Ｐ電極）４８およびオーム性電極（Ｎ電極）５０を設ける。尚、基板３２Ｂ側であるＮ電極５０には、発光取り出し用の窓を設ける。
【００７２】
〔実施例１−２（その２）〕
量子井戸層を２層設け、且つそれぞれの近傍に金属微細構造を配置した変形例実施例１−２（その２）を、図１１を用いて説明する。
実施例１−２（その２）は、ＩｎＧａＮ量子井戸層４０−１およびＩｎＧａＮバリア層３８Ａ−１，３８Ｂ−１で構成されるＩｎＧａＮ活性層４２−１と、ＩｎＧａＮ量子井戸層４０−２およびＩｎＧａＮバリア層３８Ａ−２，３８Ｂ−２で構成されるＩｎＧａＮ活性層４２−２と、を交互に積層（図１１においてはＩｎＧａＮ活性層を２層積層）して、所謂ＭＱＷ（Multiple  Quantum  Well）の構成とした場合である。
実施例１−２（その２）では、ＩｎＧａＮ活性層４２−１を形成後、Ａｕナノ構造による金属微細構造５２Ａを形成し、金属微細構造５２Ａを被覆するように、ＩｎＧａＮバリア層３８Ａ−２、ＩｎＧａＮ量子井戸層４０−２、ＩｎＧａＮバリア層３８Ｂ−２の成長を順次行い、ＩｎＧａＮ活性層４２−２を形成する。その後、更に、金属微細構造５２Ａを形成し、ｐ−ＩｎＧａＮ層（ＳＣＨ）４４Ａを成長させる。
結晶成長後、ｎ−ＧａＮ基板３２Ｂ側およびｐ−ＩｎＧａＮ層（ＳＣＨ）４４Ａ側にオーム性電極（Ｐ電極）４８およびオーム性電極（Ｎ電極）５０を設ける。尚、基板３２Ｂ側であるＮ電極５０には、実施例１−２（その１）と同様に、発光取り出し用の窓を設ける。
実施例１−２（その２）では、量子井戸層の数が増えるため発光効率を上昇させることができる。尚、Ａｕナノ構造による金属微細構造５２Ａの蒸着とＩｎＧａＮ活性層４２−１，４２−２との形成を、同一のＭＢＥ装置で連続的に行うとよい。
【００７３】
〔実施例１−３〕
実施例１−３は、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）に金属微細構造を組み込んだ実施例である。この例を図１２に示す。
ｃ面のＺｎＯ基板６２上に、ＺｎＭｇＢｅＣｄＯからなりエピタキシャル成長される酸化物ＤＢＲミラー６４を有する。酸化物ＤＢＲミラー６４上にはｎ＋−ＩｎＧａＮコンタクト層６６を有し、その上にＩｎＧａＮ量子井戸層がＩｎＧａＮバリア層に挟まれた形態のＩｎＧａＮ活性層７０を有する。また、実施例１−３においてもＩｎＧａＮ量子井戸層の近傍に金属微細構造を配置すべく、図１２に示すとおりＩｎＧａＮ活性層７０上に金属微細構造５２Ａを有する。金属微細構造５２Ａは誘電体保護層５６で覆われ、その外周部は金属微細構造を含まないＳｉＮやＳｉＯ２などの誘電体層からなる高抵抗の電流狭窄層７２を有する。金属微細構造５２Ａを覆う誘電体保護層５６と電流狭窄層７２は、同一の誘電体層とすることもできるが、誘電体の材質を変更したり、電流狭窄層７２を誘電体保護層５６に比べ厚くしたり、電流狭窄層７２を誘電体保護層５６と同一の層と別の層による複数の層で構成することができる。誘電体保護層５６上にはｐ＋−ＩｎＧａＮコンタクト層７４を有し、その上にはＳｉＯ２などの多層膜からなる誘電体ＤＢＲミラー７８を有する。尚、ｎ＋−ＩｎＧａＮコンタクト層６６およびｐ＋−ＩｎＧａＮコンタクト層７４には、Ｔｉ／ＡｌやＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ等からなる電極６８およびＮｉ／ＡｌやＮｉ／Ｐｄ／Ｐｔ等からなる電極７６を設ける。
【００７４】
尚、ＶＣＳＥＬの場合は、金属微細構造５２Ａによる吸収損失の影響が大きいので、金属微細構造５２Ａのサイズは、ＩｎＧａＮ量子井戸層中のマトリックスの材料における発光波長に比較して小さく、また被覆率も小さく設定することが望ましい。
緑色帯のＶＣＳＥＬである実施例１−３では、金属微細構造５２Ａの平均サイズは、０．１μｍ程度であり、被覆率は１０％としている。
【００７５】
〔実施例２〕
実施例２では、Ａｕコロイドを分散させた溶液を塗布し乾燥して形成した金属微細構造の例を説明する。前記実施例１−２（その１）に示すＬＥＤにおいて、金属微細構造を上記のＡｕコロイドを分散させた溶液を用いた方法にて形成した例を図１３に示す。
【００７６】
上記Ａｕコロイドは、クエン酸などの水溶液中に表面修飾された数１０ｎｍサイズのＡｕクラスタを分散させたものであり、田中貴金属工業(株)などから入手できる。
【００７７】
図１３に示したものは、まずｎ−ＧａＮ基板３２Ｂ上にｎ−ＧａＮクラッド層３４Ｃ、ＩｎＧａＮバリア層３８Ａ、ＩｎＧａＮ量子井戸層４０、ＩｎＧａＮバリア層３８Ｂで構成されるＩｎＧａＮ活性層４２を実施例１−２（その１）と同様にして形成する。その後、４０ｎｍ程度のＡｕコロイドを分散させた溶液を塗布して自然乾燥などによって水分を蒸発させ、Ａｕコロイドが凝集して０．２μｍ〜３μｍのサイズとなった構造を形成する。そして、ｐ−ＣＶＤ装置に導入し、ｐ−ＩｎＧａＮ層（ＳＣＨ）４４Ｂを形成する際の結晶成長前の熱処理過程において、真空中で２００℃程度に加熱すると、前記凝集したＡｕコロイドは一体化して所望の金属微細構造５２Ｂが形成される。
【００７８】
尚、ＡｇやＣｕを材料とする金属微細構造５２Ｂについても、同様にしてコロイド溶液を利用して得ることができる。
【００７９】
その後、金属微細構造５２Ｂを被覆するように、ＳｉＮやＳｉＯ２などを用いて誘電体保護層５６を等方的な成膜条件で堆積し、異方性の高いドライエッチング条件にて金属微細構造５２Ｂのない部分を開口し、ＥＬＯＧ（ラテラル方向埋め込みエピタキシャル成長）によってｐ−ＩｎＧａＮ層（ＳＣＨ）４４Ｂの結晶成長を再開する。
なお、誘電体保護層５６を形成せず、半導体空乏層で金属微細構造５２Ｂを覆う場合には、ｐ−ＩｎＧａＮ層（ＳＣＨ）４４Ｂは、低濃度のｐ型、または、金属微細構造５２Ｂ側を低濃度とし、この後形成する、オーム性電極（Ｐ電極）４８に向かって徐々に濃度をアップさせることが望ましい。この場合は、図１３に示されるようにＥＬＯＧによって形成されるｐ−ＩｎＧａＮ層（ＳＣＨ）４４Ｂの平坦性を得ることは難しいが、発光品質にはあまり影響しない。また、ＬＥＤの場合は、裏面の乱反射の構造となり光取り出し効率が上昇する場合も多い。
結晶成長後、ｎ−ＧａＮ基板３２Ｂ側およびｐ−ＩｎＧａＮ層（ＳＣＨ）４４Ｂ側にオーム性電極（Ｐ電極）４８およびオーム性電極（Ｎ電極）５０を設ける。尚、基板３２Ｂ側であるＮ電極５０には、発光取り出し用の窓を設ける。
【００８０】
このように実施例２で示したＡｕコロイドを分散させた溶液による金属微細構造５２Ｂの形成方法は、実施例１−１（その３）等に示した大気中に一度取り出して金属微細構造５２Ｂを形成する場合の蒸着法を置き換えて利用することができる。
【００８１】
〔実施例３〕
実施例３では、Ａｌの薄膜を加工して形成した金属微細構造の例を、図１４を用いて説明する。Ａｌは、紫外域に共鳴周波数を有しており、紫外発光素子の効率改善に好適であるが、他の金属に比べると反応性が高いため、蒸着法などで島状の構造を得ることが難しい。また、酸化されやすいため、コロイド状の溶液分散型ナノ粒子を得ることも難しい。
そこで、実施例３では、真空蒸着法でＡｌの薄膜を形成した後、図１４に示されるように部分的にＡｌを取り去る加工を行い、金属微細構造５２Ｃを作製する。
【００８２】
具体的には、ＥＢ描画等によりパターニングして、Ａｌを残したい部分以外のレジストを取り除き、ドライエッチングにより不要な部分のＡｌを取り除く方法である。尚、図１４では、若干サイドエッチングが進行し、Ａｌナノ構造の形態が小さくなっている。
【００８３】
実施例３は、実施例１−２（その１）に示すＬＥＤにおいて、金属微細構造の形成をＡｌの薄膜を加工して形成する方法を利用したものである。なお、実施例３における発光素子は、発光波長が３００ｎｍ程度の紫外域のＬＥＤである。また、実施例３では、実施例１−２（その１）におけるクラッド層、バリア層、量子井戸層、ＳＣＨ等の形成に用いる「ＩｎＧａＮ材料」に代えて「ＡｌＧａＮ材料」を用いている。
【００８４】
まず、ＭＯＣＶＤによりｎ−ＧａＮ基板３２Ｂ上にｎ−ＡｌＧａＮクラッド層８４を成長させ、さらにＡｌＧａＮバリア層８８Ａ，８８ＢおよびＡｌＧａＮ量子井戸層９０を備え所望の発光波長に対応したＡｌＧａＮ活性層９２を成長させる。ＡｌＧａＮ活性層９２を成長させた後にウエハをＭＯＣＶＤ装置より取り出し、ＡｌＧａＮ活性層９２の上に１０ｎｍの薄膜Ａｌを真空蒸着により蒸着する。尚、実施例３においては層状の成膜がなされる一般的な条件での蒸着を行えばよい。
【００８５】
次にＥＢ描画用のレジスト材を塗布してから、ＥＢ描画によりパターニングし、ドライエッチングによりパターンをＡｌに転写し、金属微細構造５２Ｃを形成する。尚、紫外域のＬＥＤの例なので、金属微細構造５２Ｃのサイズ（断面における金属微細構造の幅）は１５０ｎｍ程度が望ましい。
その後、ＰＣＶＤによりＳｉＮやＳｉＯ２膜などの誘電体保護層５６を成膜して、１μｍ程度のピッチのライン＆スペースパターンで加工する。不要部分の誘電体保護層５６とＡｌの金属微細構造５２Ｃは、ドライエッチングで取り除く。
さらに、金属微細構造５２Ｃよりも上層部の構造をＭＯＣＶＤのＥＬＯＧにより成長させ、ｐ−ＡｌＧａＮ層（ＳＣＨ）９４を形成する。
【００８６】
また、本実施例の紫外発光素子では、発光を取り出す領域にあるｎ−ＧａＮ基板３２Ｂでの紫外発光の吸収を避けるため、発光を取り出す領域の下部のｎ−ＧａＮ基板３２Ｂは、基板全体を薄くしてからドライエッチングで開口して取り除く。また、ｐ−ＡｌＧａＮ層（ＳＣＨ）９４側にオーム性電極（Ｐ電極）４８を形成し、ｎ−ＧａＮ基板３２Ｂ側の下部の開口以外の部分にオーム性電極（Ｎ電極）５０を形成する。
実施例３では、従来に比べ発光効率が著しく改善された紫外域の発光素子が得られる。
【符号の説明】
【００８７】
２  ｎ型基板
４  ｎ−ＡｌＩｎＧａＮクラッド層
６  ＩｎＧａＮ量子井戸層
８  ｐ−ＩｎＧａＮスペーサ層
１０  ｐ−ＡｌＩｎＧａＮクラッド層
１２、４８  オーム性電極（Ｐ電極）
１４、５０  オーム性電極（Ｎ電極）
１６  結晶欠陥
１８、２２  金属微細構造
２０  金属薄膜
３２Ａ、３２Ｂ、６２  基板
３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、４６、８４  クラッド層
３８Ａ、３８Ｂ、８８Ａ、８８Ｂ  バリア層
４０、９０  量子井戸層
４２、７０、９２  活性層
５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ  金属微細構造
５４  低温成長界面層
５６  誘電体保護層
６４、７８  ミラー
６６、７４  コンタクト層
６８、７６  電極
７２  電流狭窄層
【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３】
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【図４】
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