(57)【要約】【課題】  発光体が放射する光を空気中により効率よく取り出す。【解決手段】半導体発光デバイスは、デバイスの表面の構造を二次元周期構造とすると共に、活性層を挟む２つの層の屈折率を非対称とする構成とすることで、発光体が放射する光を空気中への光の取り出し効率を向上させる。半導体発光デバイスは、基板層、第１の層、活性層、第２の層を順に積層した構成とし、第１の層は、第１導電型半導体クラッド層を含む単数または複数からなる層を基板層の上方に設け、活性層は、この第１の層の上方に設け、さらに上方に第２の層を設ける。第１の層は、活性層の屈折率より低く、かつ、第２の層の内で活性層に接する層の屈折率よりも低い屈折率の層を少なくとも一層を含む構成とし、第２の層は、この第２の層を構成する何れの層も活性層の屈折率より低い屈折率を有する構成とする。この構成によって、活性層を挟む２つの層の屈折率を非対称とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板層と、
前記基板層の上方に設けた第１導電型半導体クラッド層を含む単数または複数からなる第１の層と、
前記第１の層の上方に設けた活性層と、
前記活性層の上方に設けた、第２導電型半導体クラッド層を含み、表面に二次元周期構造を有する単数または複数からなる第２の層と、を備えた半導体発光デバイスであって、
前記第１の層は、前記活性層の屈折率より低く、かつ、前記第２の層の活性層に接する層の屈折率よりも低い屈折率の層を少なくとも一層を含み、
前記第２の層を構成する何れの層も前記活性層の屈折率より低い屈折率を有することを特徴とする半導体発光デバイス。
【請求項２】
基板層と、
前記基板層の上方に設けた単数または複数からなる第１の層と、
前記第１の層の上方に設けた多重量子井戸構造を有する活性層と、
前記活性層の上方に設けた、表面に二次元周期構造を有する単数または複数からなる第２の層と、を備えた半導体発光デバイスであって、
前記第１の層は、前記活性層の屈折率の膜厚荷重平均値より低く、かつ、前記第２の層の活性層に接する層の屈折率よりも低い屈折率の層を少なくとも一層含み、
前記第２の層を構成する何れの層も前記活性層の屈折率の膜厚荷重平均値より低い屈折率を有することを特徴とする半導体発光デバイス。
【請求項３】
前記二次元周期構造の底部と前記活性層の上部の距離が、0.1nλ〜nλ（n：前記二次元周期構造の底部と前記活性層の上部との間の層の屈折率、λ：光学波長）であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光デバイス。
【請求項４】
前記第２の層は、前記活性層の屈折率以下の屈折率を有する中間層を含み、
前記中間層は、前記第２の層の他の層の屈折率より高いことを特徴とする請求項1または３の何れか一つに記載の半導体発光デバイス。
【請求項５】
前記第２の層は、前記多重量子井戸構造を構成する井戸層の屈折率以下の屈折率を有する中間層を含み、
前記中間層は、前記第２の層の他の層の屈折率より高いことを特徴とする請求項２または３のいずれか一つに記載の半導体発光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光取り出し効率の高い半導体発光デバイス（ＬＥＤ）に関し、二次元周期構造を有し、活性層を挟み非対称な屈折率分布を有するLEDに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光デバイス（ＬＥＤ）は、表示、ディスプレイ、照明等の広い分野での利用が期待されている。しかし、一般に半導体材料は空気や樹脂などの周囲環境に対する屈折率が大きいため、ＬＥＤから放射された光は全反射によって外部への取り出しが制限される。よって、ＬＥＤで発光した光の利用効率が低いという問題が指摘されている。例えば半導体材料の屈折率は2.0〜3.5、空気や樹脂などの周囲の屈折率を1.0〜1.5とすると、半導体材料と周囲の媒質の間で全反射が生じるため、LEDから取り出される光の効率は数％に制限される。
【０００３】
したがって、上記したＬＥＤでは、放射する光を外部により効率良く取り出すことが求められている。
【０００４】
この課題を解決するものとして、半導体表面に周期構造を形成する手法が提案されている（例えば、特許文献１，２，３，４参照）。半導体表面に形成した周期構造は、周期構造の波数変換作用によって半導体内部の光の方向を変化させ、全反射していた光を空気中に取り出すようにするもので、内部の光が大きな立体角を有することから、結果的に取り出し効率が向上する。
【０００５】
【特許文献１】米国特許  第５７７９９２４号
【特許文献２】特開平１０−４２０９号公報
【特許文献３】特開２００４−１２８４４５号公報
【特許文献４】特開２００４−３１２２１号公報
【特許文献５】特開２００５−６９７０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、３次元光波シミュレーションによって前記した周期構造による取り出し効率を算出した結果、見込まれる取り出し効率の向上は、周期構造 による回折効率によって制限され、未だ多くの光がＬＥＤ内部にとどまりその光取り出し効果が十分に発揮できていないことを確認した。なお、３次元光波シミュレーションは、本出願の発明者が波動光学シミュレーション方法として出願している（特許文献５）。
【０００７】
また、周期構造を形成する加工プロセスによっては、周期構造の周期性を完全なものとすることができず、十分な光の取り出し効率が得られないという問題があり、また、この周期構造の周期性を完全なものとするには、加工プロセスに大きな負担がかかるという問題がある。
【０００８】
この効率を向上させるものとして、発光層（活性層）に二次元周期構造を直接に形成する構造が考えられ、この構造とすることによって、さらに大幅な効率向上が見込まれる。しかしながら、発光層に直接に二次元周期構造を形成する構造では、発光層自体の品質を著しく損傷させてしまうという問題があるため、現実にはこのような構造を採用することはできない。
【０００９】
一般に結合の切れた半導体表面には、バンドギャップ内に多くの表面状態や欠陥状態が存在する。そのため、半導体表面近くの多くのキャリアは、この表面状態や欠陥状態を通し再結合する（表面再結合）。活性層に二次元周期構造を形成した場合、加工された活性層には結晶の結合が切れた表面と同じ状態が生じることになり、活性層に注入されたキャリアは表面再結合によりが光ではなく熱に変換されてしまい効率が低下する。
【００１０】
本発明は前記した従来の問題点を解決し、発光体が放射する光を空気中により効率よく取り出すことを目的とする。
【００１１】
また、加工プロセスに負担をかけることなく光の取り出し効率を向上させることを目的とする。
【００１２】
また、周期構造の周期性が不十分な場合であっても、光の取り出し効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
発明者は、前記した三次元光波シミュレーションによってＬＥＤからの光放射を解析した結果、光の取り出しに係わる要因として、二次元周期構造を有する半導体発光デバイスを構成する半導体層の各層の屈折率分布があることを見出した。
【００１４】
また、光取出しに関わる要因が、その二次元周期構造の形状、発光層と二次元周期構造との距離にあることも見出した。ここでいう二次元周期構造とは三角格子、正方格子、六角格子などの周期構造、または、ペンローズタイリングのパターン、１２回対称を有する正方形―三角形タイリングのパターンなどいずれかの並進対称性を持たない準結晶構造およびそれらの組み合わせをいう。
【００１５】
さらに、半導体層が活性層を挟んで非対称な屈折率分布を有する構造に加え、二次元周期構造中、または近傍に活性層の屈折率以下の屈折率を有する中間層を設けることで中間層が方向性結合の役割を果たし活性層と二次元周期構造との結合を強め光取り出しの効果を改善することも見出した。 
【００１６】
本発明の半導体発光デバイスは、デバイスの表面の構造を二次元周期構造とすると共に、活性層を挟む２つの層の屈折率を非対称とする構成とすることで、発光体が放射する光の外部への光の取り出し効率を向上させるものである。
【００１７】
本発明の半導体発光デバイスは、基板層と、この基板層の上方に、第１の層、活性層、および第２の層を順に積層した構成とする。
【００１８】
第１の層は、第１導電型半導体クラッド層を含む単数または複数からなる層であり、基板層の上方に設けられる。
【００１９】
活性層は、この第１の層の上方に設けられ、さらに上方には第２の層を設ける。
【００２０】
第２の層は、第２導電型半導体クラッド層を含み、表面に二次元周期構造を有する単数または複数からなる層であり、活性層の上方に設けられる。この構成によって、デバイスの表面に二次元周期構造を持たせる。
【００２１】
また、本発明の半導体発光デバイスが備える第１の層は、活性層の屈折率より低く、かつ、第２の層の内で活性層に接する層の屈折率よりも低い屈折率の層を少なくとも一層を含む構成とし、第２の層は、この第２の層を構成する何れの層も活性層の屈折率より低い屈折率を有する構成とする。この構成によって、活性層を挟む２つの層の屈折率分布を非対称とする。
【００２２】
本発明の半導体発光デバイスは、上記した構成において、活性層を多重量子井戸構造とすることができる。活性層が多重量子井戸構造の場合、第１の層が備える少なくとも一つの層の屈折率は、活性層の屈折率の膜厚荷重平均値より低く、かつ、第２の層の活性層に接する層の屈折率よりも低い構成とし、さらに、第２の層を構成する何れの層の屈折率も活性層の屈折率の膜厚荷重平均値より低い構成とする。
【００２３】
また、第２の層において、二次元周期構造を形成する位置は、活性層で発光した光が通過する層の屈折率ｎと、光学波長λに基づいて定めることができ、二次元周期構造の底部を活性層の上部から距離が0.1nλ〜nλに位置とする。ここでnは二次元周期構造の底部と活性層の上部との間の層の屈折率であって、発光の真空波長（λ0）に対する屈折率である。また、λは媒質中の光学波長である。
【００２４】
また、本発明の半導体発光デバイスは、上述した構成において、第２の層中に中間層を備える構成とすることが好ましい。第２の層が備える中間層の屈折率は、活性層の屈折率以下であり、第２の層の他の層の屈折率より高く設定する。つまり、中間層は、第２導電型半導体クラッド層の屈折率より高い。活性層が複数の井戸層および障壁層から構成される多重量子井戸構造を有する場合には、中間層は、その井戸層の屈折率以下の屈折率を有するように設定することが好ましい。この中間層により、発光の外部への取り出し効率をさらに高めることができる。中間層は、第２の層を構成する各層のいずれの層内に導入してもよく、また、いずれの層との間に導入してもよいが、活性層には隣接させないで構成するものとする。
【００２５】
基板層には、第１の層と接するように、高い反射率の層（低い屈折率の層）を設けることが好ましく、さらに光取出し効率を高めることができる。また、一時的な成長基板上で成長した半導体積層構造を、金属層や反射層を介して別途用意した支持基板へ貼り合わせる方法を用いることにより容易に製造することができる。
【００２６】
また、基板上に直接半導体積層構造を成長して非対称な屈折率分布を形成することの難しいＧａＮ系等の材料系においては、一時的な成長基板上で成長した半導体層を、別途用意した支持基板へ貼り合わせる方法を用いることにより、電気特性および発光効率を維持して非対称な屈折率分布を有する半導体発光デバイスを作製することができる。
【００２７】
また、本発明の半導体発光デバイスは、上述した構成において、基板層は、基板に加えて、この基板と第１の層とを接合する接合層を含む構成としてもよく、第１の層および第２の層は、適宜、バッファ層、コンタクト層、電流拡散層を設けた構成としてもよい。第２の層にコンタクト層、電流拡散層を設ける場合には、中間層は、コンタクト層および電流拡散層の各層の屈折率よりも大きいものとする。
【００２８】
また、第２の層の二次元周期構造の凸部上に透明導電膜（ZnO（n=2）、TiO2、Ta2O5、ITO（n=1.8〜1.9））、高屈折率樹脂層等を形成した構成としてもよい。
【００２９】
本発明の半導体発光デバイスは、シミュレーションから得られる知見に基づくものであり、以下、ある屈折率媒質を想定した場合の検証結果を示す。
【００３０】
また、実施例としてAlGaInP系デバイスとGaN系デバイスを、シミュレーション結果に基づいて構成した場合の具体的な作製方法とその光取り出し効果を示す。
【発明の効果】
【００３１】
以上説明したように、本発明によれば、発光体が放射する光をＬＥＤの外部により効率よく取り出すことができる。また、加工プロセスに負担をかけることなく光の取り出し効率を向上させることができる。
【００３２】
また、周期構造の周期性が不十分な場合であっても、光の取り出し効率を向上させることができる。
【００３３】
本発明のＬＥＤは、活性層を挟んで上下に積層される第１の層と第２の層において第２の層が第１の層より高い屈折率を有する非対称な屈折率分布を備え、かつ、その第２の層の表面に二次元周期構造を設けることで光取り出しの効果を向上したものである。
【００３４】
また、本発明のＬＥＤは、さらに、二次元周期構造内、あるいは、二次元周期構造の近傍に、活性層の屈折率以下で第２の他の層より高い屈折率を有する中間層を備えることで、中間層が方向性結合の役割を果たし、活性層と二次元周期構造との結合を強め光取り出しの効果を向上したものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。
【００３６】
本発明の半導体発光デバイスの構成例を図１を用いて説明する。なお、図１は断面構成を示している。
【００３７】
図１において、半導体発光デバイス１は、半導体発光デバイスの光取出し面側に二次元周期構造を備える構成において、第１の層２と、この第１の層２上に重なる活性層３と、この活性層３上に重なる第２の層４とを備え、第２の層４の表面、又は第２の層４上に重なる層の表面に二次元周期構造１０を備え、第２の層４の屈折率を第１の層２の屈折率よりも高い構成とする。
【００３８】
また、活性層３と二次元周期構造１０との距離は、活性層３の上部と二次元周期構造１０の底部との距離を0.1λ0〜λ0（0.1nλ〜nλ）とし、かつ、この距離は、消失領域の浸透深さと同程度、あるいはそれよりも長い距離である。なお、ここで、λ0を真空中波長とし、ｎを活性層３と二次元周期構造１０との間の半導体層の屈折率である。
【００３９】
この構成は、MOCVD（有機金属気相成長法）などによる半導体発光デバイス作製時に、第１の層２と第２の層４を構成する層の組成を調整することで実現可能である。
【００４０】
このように第２の層の屈折率を第１の層の屈折率より高い構成とすることによって、半導体発光デバイスを構成する各層内における光の存在分布を、屈折率分布が活性層を挟んで対称である構成による光分布と異ならせ、この光分布によって発光層内に閉じ込められていた光を発光層外に取り出し易くすることが可能である。これは、第２の層４の屈折率を第１の層２の屈折率よりも高くすることによって、発光層から取り出した光を、屈折率が高い第２の層４側に導き、二次元周期構造５と活性層３から発光した光が強く結合し、二次元周期構造５がより効果的に光取り出しに寄与するためである。
【００４１】
また、この効果は半導体発光デバイス１の周囲が空気(n=1.00)だけでなく、樹脂(n=1.45)などの媒質で覆われている場合でも効果があり、LEDの実用上効果的である。
【００４２】
本発明の半導体発光デバイス１が備える二次元周期構造１０は、例えば円孔最密配列又は錐状突起最密配列により構成することができ、フォトニック結晶あるいはフォトニック準結晶により形成することができる。錐状突起最密配列は、錐状体の突起物を最密配列するものであり、錐状体は任意の形状とすることができ、例えば、円錐状突 起最密配列や角錐状突起最密配列とすることができる。
【００４３】
なお、フォトニック結晶は、屈折率を異にする領域を光の波長程度の周期で繰り返して並べることで構成され、フォトニック準結晶は、２つの異なる屈折率領域を光の波長程度の周期で繰り返すフォトニック結晶において配列パターンを準結晶のパターンに従って構成するものであり、屈折率について並進対称性を持たず、長距離秩序及び回転対称性を有する屈折率の準周期構造を備える。準結晶を形成するパターンとしては、例えば、ペンローズタイリング(Penrose-type) のパターンや正方形−三角形タイリング（12-fold Symmetric）のパターンを用いることができる。
【００４４】
フォトニック準結晶による格子構造を備えた発光取出し面を適用することによって、光の取り出し効率を高めることができ、また、視野角依存性を低減して高い立体角を得ることができる。
【００４５】
図２（ａ）は円孔最密配列による二次元周期構造１０の平面を示し、図２（ｂ）は半導体発光デバイス１及び二次元周期構造１０の側面を示している。
【００４６】
この円孔最密配列の二次元周期構造を備える半導体発光デバイス１では、第２の半導体層４に孔径２ｒ、孔の深さｄhを有する円孔１１ａが周期的に配列され、円孔１１ａの底部１２と活性層３の上部との間の距離をｄsとしている。二次元周期構造を定めるパラメータとして格子常数ａ（孔間のピッチ）を備える。
【００４７】
３次元光波シミュレーションの結果によれば、これらのパラメータａ，２ｒ，及びｄhによって光の取り出し効率が変化し、
ａ＝nλ〜n1.5λ
2ｒ＝0.5ａ〜0.6ａ
ｄh＝0.5nλ〜nλ
において、光の取り出し効率が最大となる。
【００４８】
また、図３（ａ）は円錐突起最密配列による二次元周期構造１０の平面を示し、図３（ｂ）は半導体発光デバイス１及び二次元周期構造１０の側面を示している。
【００４９】
この円錐突起最密配列の二次元周期構造を備える半導体発光デバイス１（発光面は円錐突起によって完全に満たされているものとする）では、第２の半導体層４に角度θを有する円錐突起１３が周期的に配列され、円錐突起１３の底部１４と活性層３の上部との間の距離をｄsとしている。二次元周期構造を定めるパラメータとして格子常数ａ（円錐突起間のピッチ）、及び角度θを備える。
【００５０】
３次元光波シミュレーションの結果によれば、これらのパラメータａ，θによって光の取り出し効率が変化し、
ａ＝0.5nλ〜nλ
θ＝60°〜65°
において、光の取り出し効率が最大となる。
【００５１】
格子常数ａの依存性が小さいことから、要素のサイズと最密配列の程度が、最適な最密配列から大きくずれていない程度に適正化されていれば、他の表面構造であっても同様の効果を得ることを期待することができる。
【００５２】
以上より、二次元周期構造の加工精度は低くてもよいため、加工プロセスも容易であることがわかる。
【００５３】
なお、上記光の取り出し効率は、後述するように、二次元周期構造を備えない平面構造の自発光デバイスの光取り出し量を基準とした比較によって得ている。
【００５４】
また、３次元光波シミュレーションの結果によれば、活性層３の上部と二次元周期構造１０の底部（図２（ｂ）に示す円孔最密配列の底部１２、図３（ｂ）に示す円錐突起最密配列の底部１４）との距離ｄsを0.1nλ〜0.3nλ、又は0.3nλ〜nλとすることによって、光の取り出し効率が向上する。
【００５５】
距離ｄsを0.3nλ〜nλとして、活性層の上部と二次元周期構造の底部との距離を厚い構成とした場合には、活性層３で自由発光する光の活性層からの取り出しを高め、また、距離ｄsを0.1nλ〜0.3nλとして、活性層の上部と二次元周期構造の底部との距離を薄い構成とした場合には、光放射及び光の取り出しを、より高めるように変化させることで取り出し効率を向上させる。
【００５６】
この二次元周期構造は、モールドや鋳型によって予め二次元周期構造の突起を形成しておき、この突起構造を半導体基板に転写することで形成するほか、エピタキシャル等のエッチング処理等によって形成することができる。
【００５７】
この二次元周期構造の形成では半導体層を削る工程を含むため、底部では活性層の近傍まで半導体層を削ることになり、その距離は前記したｄsで定まる。そのため、活性層の上部と二次元周期構造の底部との距離ｄsが薄い構成では、製造プロセス中に活性層を損傷する可能性が高くなるという問題がある。
【００５８】
この場合には、前記した距離ｄsを0.3nλ〜nλの二次元周期構造を形成し、本発明の構成のように、活性層を挟み非対称な屈折率分布を形成すること、または、さらに中間層を導入することにより、高い光取出し効率を維持しつつ、この製造プロセス中の活性層の損傷の問題を解決することができる。
【００５９】
以下、上記した半導体発光デバイスの光の取り出し効率について、二次元周期構造を備えない平面構造の半導体発光デバイスの光強度を基準として３次元光波シミュレーションにより求めた結果を、図４〜図７を用いて示す。
【００６０】
なお、活性層の屈折率は２．８、第１の層の屈折率は２．８または２．５、第２の層の屈折率は２．８、２．７８、２．５、および中間層の屈折率を２．７８として演算を行った。また、光の光学波長λとするとき、活性層３の厚さを０．２nλとする。発光面が面する空気の屈折率を1.0（図４、５）、樹脂の屈折率を１．４５とした。
【００６１】
図４，５に、二次元周期構造を備える半導体発光デバイスについて、各構造の光取り出し効率（Ｆ）を、二次元周期構造を備えない平面構造の半導体発光デバイスの場合を基準（１．００）として示す。３次元光波シミュレーションの結果により得られた最適なパラメータ範囲に基づいて、図４に示す円孔最密配列の二次元周期構造を備える半導体発光デバイスでは、ａ＝1.5nλ、2ｒ＝0.6ａ，ｄh＝nλとし、図５に示す円錐突起最密配列の二次元周期構造を備える半導体発光デバイスではａ＝0.5nλ、θ＝63°とした結果である。
【００６２】
図４、５には、シミュレーションを行った、単一層の構造（（ｂ），（ｆ））、屈折率を異ならせる非対称構造（（ｃ），（ｇ））、屈折率を等しくする対称構造（（ｄ），（ｈ））、第２の半導体層に中間層を備える中間層構造（（ｅ），（ｉ））、の各構造の模式図を各層の屈折率と共に示す。また、二次元周期構造の底部と活性層との距離ｄsを0.3nλ〜nλとした場合（（ｂ）〜（ｅ））、0.1nλ〜0.3nλとした場合（（ｆ）〜（ｉ））についてそれぞれ示した。
【００６３】
上記図４，５に示したシミュレーション結果をまとめると、以下の表１となる。
【００６４】
【表１】
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【００６５】
二次元周期構造の形状を円孔最密配列とした場合においても、円錐突起最密配列とした場合においても同様の光取出し効率向上の傾向が見られた。また、二次元周期構造を設けた場合において、半導体発光デバイスの層構成が非対称構造の場合に、最も高い光取出し効率が得られ、続いて、中間層構造の場合に高い光取出し効率が得られた。また、いずれの構造においても、二次元周期構造の底部と活性層との距離ｄsは、小さい方（0.1nλ〜0.3nλ）が光取出し効率が高いことが確認できた。
【００６６】
図６，７に、二次元周期構造を備え、かつ光取出し面を樹脂により覆った被覆構造の半導体発光デバイスについて、各構造の光取り出し効率（Ｆ）を、二次元周期構造を備えない平面構造の半導体発光デバイスの場合（樹脂被覆あり）を基準（１．００）として示す。３次元光波シミュレーションの結果により得られた最適なパラメータ範囲に基づいて、図６に示す円孔最密配列の二次元周期構造を備える半導体発光デバイスでは、ａ＝1.5nλ、2ｒ＝0.6ａ，ｄh＝nλとし、図７に示す円錐突起最密配列の二次元周期構造を備える半導体発光デバイスではａ＝0.5nλ、θ＝63°とした結果である。
【００６７】
図６、７には、シミュレーションを行った、屈折率を異ならせる非対称構造（（ａ），（ｃ））、屈折率を等しくする対称構造（（ｂ），（ｄ））の各構造の模式図を各層の屈折率と共に示す。二次元周期構造の底部と活性層との距離ｄsを0.3nλ〜nλとした場合（（ａ）〜（ｂ））、0.1nλ〜0.3nλとした場合（（ｃ）〜（ｄ））についてそれぞれ示した。
【００６８】
上記図６および図７の結果より、光取出し面を樹脂で被覆した場合においても、二次元周期構造を有する構造、二次元周期構造および非対称な屈折率分布を有する構造で光取出し効率の向上の効果を確認できる。また、二次元周期構造の形状は、円孔最密配列および円錐突起最密配列のいずれの形状においても光取出し向上の効果が確認できた。
【００６９】
また、半導体部分に孔（開口部）あるいは凹部を形成する手法は、光照射による凹部の生成するレーザー加工技術や、マスクを用いて半導体層をエッチングする等の半導体生成技術を用いることができる。
【００７０】
シミュレーション結果によれば、円錐突起周期構造において、半導体発光デバイスのサイズが固定であり、格子定数ａが６λまで可変である場合には、光の取り出し効率は最大値の半分まで低下する。このことは、各要素での光散乱、及びフォトニック結晶の周期性による光の回折は、光の取り出し効率に対して同程度に寄与していることを表している。
【００７１】
また、格子常数ａの依存性が小さいことから、フォトニック結晶は光の取り出し効率に大きく寄与している。また、要素のサイズと最密配列の程度が、構造がローカルで周期的で最適な最密配列から大きくずれていない程度に適正化されていれば、他の表面構造であっても同様の効果を得ることを期待することができる。
【００７２】
なお、上述した構成は、第1の層、第２の層および活性層を単層で示したが、複数層であってもよい。実際の半導体発光デバイスは、一般的に種々の機能を有する複数の層から構成されるため、後述する実施例のように第1の層および第2の層は、適宜、バッファ層、コンタクト層、電流拡散層を設けた構成としてもよく活性層は多重量子井戸構造としてもよい。また、中間層は、第2の層を構成する各層のいずれの層内に導入してもよく、いずれの層との間に導入してもよい。ただし、中間層は活性層には隣接させない。
【００７３】
ここで、第２の層を複数の層で構成する場合には、第１の層は、第2の層の活性層に接する層の屈折率よりも低い屈折率の層を有するように設計され、中間層は、活性層に隣接させないよう設計すればよい。また、活性層を複数の層で構成する場合には、非対称屈折率分布は、各層の屈折率の膜厚荷重平均値を活性層の屈折率とみなし、それより低い屈折率を有する層で第1の層および第2の層を構成するよう設計される。このことは、多重量子井戸構造の場合、井戸層および障壁層の膜厚(数nm)は、発光波長の１０分の１以下であるため、発光は、それぞれの層の屈折率に対し影響を受けるのではなく、その平均屈折率の影響を受けるためである。
【００７４】
また、活性層を多重量子井戸構造で構成する場合には、中間層は、活性層の井戸層の屈折率以下となるよう設計する。さらに、中間層は、活性層（多重量子井戸構造の場合は、中でも井戸層）の屈折率に近いことが望ましい。このことは、中間層としては、屈折率が大きい方が２次元周期構造との結合効果の点で有効と考えられる一方、発光波長の吸収損失を少なくする観点から、活性層よりバンドギャップの小さい材料、すなわち活性層（多重量子井戸構造の場合は、中でも井戸層）の屈折率以下とすることが望ましいためである。
【００７５】
また、第2の層の二次元周期構造の凸部上に透明導電膜（ZnO（n=2）、TiO2、Ta2O5、ITO（n=1.8〜1.9））、高屈折率樹脂層等を形成した構成としてもよい。
【実施例】
【００７６】
次に、本発明の半導体発光デバイスの実施例として、ＡｌＧａＩｎＰ系とＧａＮ系の２つの材料系について、構成、作製方法、および光取り出し効果のシミュレーション結果について説明する。
【００７７】
図８に、二次元周期構造および半導体層が活性層を挟んで非対称な屈折率分布を有する半導体発光デバイスの構成を示す。基板層６Ａ上に第１の層である第１導電型半導体クラッド層２Ａ、活性層３Ａ，第２の層である第２導電型半導体クラッド層４Ａａおよび電流拡散層４ｂを積層して形成し、電流拡散層４ｂの表面に二次元周期構造１０を形成する。また、基板層６Ａの下方には電極７Ａを設ける。
【００７８】
図９に、二次元周期構造、半導体層が活性層を挟んで非対称な屈折率分布、および中間層を有する半導体発光デバイスの構成を示す。上述した図８の構成において、第２の層４Ａ中に中間層５Ａを備える。この中間層５Ａの屈折率は、活性層３Ａの屈折率以下とするとともに、第２の層４Ａの他の層の屈折率より高くする。なお、第２の層４Ａ中において、中間層５Ａは、二次元周期構造１０の部分に設ける他、二次元周期構造１０以外の部分に設けても良い。
【００７９】
図１０に、図８と同様、二次元周期構造および半導体層が活性層を挟んで非対称な屈折率分布を有する半導体発光デバイスの構成を示す。図８とは、基板と半導体層間の構成が異なり、基板と半導体層間に電極８Ｂｃおよび結合層８Ｂａが設けられている。基板と半導体層間の構成が異なるのは、その製造方法が、基板上に直接半導体層を成長して作製するのではく、一時成長基板（最終的に除去される）で形成した半導体層を別途用意した永久基板に貼り合わせて作製されることによる。一時成長基板（図示なし）上に、第２の層（第２導電型半導体クラッド層４Ｂ、中間層５Ａ、第２導電型半導体クラッド層４Ｂ）、活性層３Ｂ、第１の層２Ｂ（電流拡散層２Ｂｂおよび第１導電型半導体クラッド層２Ｂａ）を成長した後、電極８Ｂｂ、結合層８Ｂａの一部を形成する。一方、基板６Ｂ上に、電極８Ｂｃ、結合層８Ｂａの一部を形成する。結合層８Ｂａを向かい合わせて熱圧着した後、一時成長基板を除去し、露出した第２導電型半導体クラッド層４Ｂの表面に二次元周期構造１０を形成する。電極８Ｂｂは、半導体層とオーミック接合をとると共に、活性層から基板側へ向かう光を基板へ到達する前に反射する機能を有する。
【００８０】
図１１に、図９と同様、二次元周期構造、半導体層が活性層を挟んで非対称な屈折率分布、および中間層を有する半導体発光デバイスの構成を示す。図９とは、基板と半導体層間の構成が異なる。
【００８１】
また、上述した図１１の構成において、第２の層４Ｂ中に中間層５Ｂを備える。この中間層５Ｂの屈折率は、活性層３Ｂの屈折率以下とするとともに、第２の層４Ｂの他の層の屈折率より高くする。なお、第２の層４Ｂ中において、中間層５Ｂは、二次元周期構造１０の部分に設ける他、二次元周期構造１０以外の部分に設けても良い。
【００８２】
図１２に、図１０と同様、二次元周期構造、および半導体層が活性層を挟んで非対称な屈折率分布を有する半導体発光デバイスの構成を示す。図１０とは、基板と半導体層間の構成が異なり、基板と半導体層との間に高反射率層８Ｂｄを備えた構成を有する。図１０における電極８Ｂｂより高い反射率の層を導入することができるため、高い光取出し効率を得ることができる。
【００８３】
上述した図８、図９に示す構成のＡｌＧａＩｎＰ系材料における実施例について、各層の材料例、屈折率を以下の表２に示し、図１０，図１１，図１２に示す構成の実施例について、各層の材料例、屈折率を以下の表３に示す。
【００８４】
なお、活性層を多重量子井戸で構成しており、このときの屈折率は井戸層（AlGaInP、z =0.15、膜厚20nm、n=3.46）とバリア層（AlGaInP、z =0.56、膜厚10nm、n=3.30）の荷重平均値（3.41）を使用している。
【００８５】
【表２】
2008084973.tif 000004
【００８６】
【表３】
2008084973.tif 000005
【００８７】
上記表２の実施例では第１の層と第２の層の屈折率差はΔn=0.09であり、上記表３の実施例では第１の層と第２の層の屈折率差はΔn=0.1である。なお、上記表２において、zは(AlzGa1-z)0.5In0.5PのAl組成の比率を示し、活性層の組成範囲はｚ=0〜0.7であり、第１の層および第２の層の組成範囲はz=0.5〜1.0（ただし、屈折率は、第２の層＞第１の層、ｚは、第２の層＜第１の層）であり、中間層の組成範囲はz=0〜0.6（ただし、屈折率は、活性層＞中間層、ｚは、活性層＜中間層）である。
【００８８】
本発明の半導体発光デバイスの作製方法の実施例について説明する。以下では、基板上に直接半導体層を成長することで図８、９に示すような構成の半導体発光デバイスを作製する方法と、永久基板と半導体層とをメタルボンディング等により貼り合わせることで図１０〜１２のような構成の半導体発光デバイスを作製する方法の２つの作製方法を説明する。
【００８９】
はじめに、二次元周期構造を有する、GaAs成長基板上にAlGaInP系半導体層を形成して半導体発光デバイスを作製する方法について説明する。
【００９０】
ｎ型GaAs成長基板上にAlGaInPから成るn-Clad層、活性層、p-Clad層、さらに、及び、電極とオーミック接触を確保するためのGaPから成る電流拡散層（CSL）をMOCVD法（（有機金属気相成長法）により順次成長する。本実施例では活性層の(AlzGa1-z) 0.5In0.5Pの組成を井戸層（z=0.15,20nm)、バリア層（z=0.56,10nm）とした。ただし、井戸層とバリア層のAl組成(z)は発光波長に合わせ0＜z＜0.7の範囲で調整可能であり、本実施例の組成で限定するものではない。
【００９１】
AlGaInP系材料の場合、(AlzGa1-z)1-ｘInxPの組成をx=0.5に調整し、Al組成(z)を変化させることで、GaAs成長基板に格子整合させて屈折率を変化させることが可能である。
【００９２】
この実施例では、バンドオフセットによる電子・ホールの閉じ込めと屈折率を考慮し、n-Clad(z =1.0)、p-Clad（z =0.7）、CSLをGaPとした。この時、n-Clad層を第１の層、p-Clad層+CSLを第２の層とし、それぞれ屈折率は3.17と3.26となる。
【００９３】
なお、中間層を導入する場合は、p-Clad層とCSLの間にAl組成を調整したAlGaInP(z=0.3)からなる層を挿入した。このAl組成の調整は、中間層の屈折率が、CSL層の屈折率より大きくなるように、また、活性層の光を吸収しないように行う。
【００９４】
電流拡散層であるGaPは、その格子定数はGaAsの格子定数と3％程度異なるため、格子不整合により結晶性の良い単結晶は積層できない。しかし、電流拡散層は、すでに活性層を積層した後の成長であるため、発光色に対し透明で、かつ、電気的に導電性を有し、金系の合金によりオーミック接触が可能であれば良く、結晶性は問題にならない。実際の製造では、この電流拡散層の積層には、AlGaInPの成長温度よりも、50〜100℃程度高温に成長すれば、十分要求に応える結晶が製造できる。また、金系の合金によりオーミック接触が可能であれば良いことから、AlGaAsを選択することも可能である。
【００９５】
MOCVD法で成長させた後、CSL表面に二次元周期構造を形成する。ここでいう二次元周期構造とは三角格子、正方格子、六角格子などいずれかの周期構造、または、ペンローズタイリングのパターン、１２回対称を有する正方形―三角形タイリングのパターンなどいずれかの並進対称性を持たない準結晶構造をいう。
【００９６】
実施例では、円孔で構成された三角格子配列の二次元周期構造を、第２の層であるCSL層の表面に形成した。二次元周期構造の周期a=1000nm、円孔半径r=300nm、深さｄ=600nm、活性層との距離ｈ=600ｎｍとした。
【００９７】
その二次元周期構造の形成方法は、CSL層の表面にフォトリソグラフィー、電子線描画、ナノインプリント、干渉露光などの手法により二次元周期構造のレジストパターンを形成し、ウェットエッチング、または、ドライエッチングにより所望の二次元周期構造を作成する。また、SiO2のパターンを上記方法で形成し、MOCVD法で再成長させることで二次元周期構造を形成することも可能である。
【００９８】
電流を供給するための電極は、GaAs基板裏面とCSL層の表面に真空蒸着法、スパッタ法、電子ビーム蒸着法などにより形成することができる。具体的には、GaAs基板裏面の電極は金、ゲルマニウム、ニッケルの合金を用いて形成し、CSL層の表面の電極は、金、亜鉛の合金を用いて形成した。LEDに電流を注入するための電極は、二次元周期構造作成前に形成しても、または、二次元周期構造後に形成しても構わない。
【００９９】
次に、永久基板（Si層）上のAlGaInP系LEDをメタルボンディングすることによって、半導体発光デバイスを作製する方法について説明する。
【０１００】
GaAs基板を一時基板とし、AlGaInP系の材料による半導体層を成長した後に、その半導体層を別途用意したSiからなる基板に貼り付け、しかる後にGaAsを除去した。
【０１０１】
なお、手順の概略を図１３を用いて説明する。
【０１０２】
半導体層と基板層とを個別に形成しておき、これらの層を結合層を挟んで、メタルボンディングによって結合することで行われる。図１３（ａ）〜（ｄ）は半導体層を形成する手順であり、図１３（ｅ）〜（ｇ）は基板層を形成する手順であり、図１３（ｈ）〜（ｊ）は半導体層と基板層とを結合する手順を示している。
【０１０３】
半導体層を形成する手順では、GaAs基板上に半導体層を形成し（図１３（ａ））、半導体層に上に反射電極層を形成し（図１３（ｂ））、さらにその上にバリア層とAuの金属層を形成した後（図１３（ｃ））、反転させる（図１３（ｄ））。この半導体層に、上述した第１の層、活性層、第２の層を含むものであり、ｎ形GaAs成長基板（図１３（ａ）に相当）上にAlGaInPから成るn-Clad層、活性層、p-Clad層、さらに、GaPから成る電流拡散層（CSL）をMOCVD法により順次成長する（図１３（ｂ）に相当）。本実施例ではn-Clad層が光取り出し面側になるため、n-Clad層の屈折率を3.26(z=0.7)、p-Clad層の屈折率を3.17（z=1.0）、とした。本実施例では活性層の(AlzGa1-z)0.5In0.5Pの組成を井戸層（z=0.15,20nm)、バリア層（z=0.56,10nm）とした。ただし、井戸層とバリア層のAl組成(z)は発光波長に合わせ0＜z＜0.7の範囲で調整可能であり、本実施例の組成で限定するものではない。
【０１０４】
中間層を導入する場合は、n-Clad層の間にn-Clad層より屈折率が大きくなるように、また、活性層の光を吸収しないようにAl組成を調整したAlGaInP(z=0.3)からなる層を挿入した。
【０１０５】
MOCVD法で半導体層の各層を成長させた後、電流拡散層（CSL層）の表面に半導体結晶との電気的接触を確保するためのAuZn合金（図１３（ｂ）の反射電極層に相当）をスパッタなどで形成し（厚み3000Å）、電気的接合とAuSnとの密着性を確保するためTa、Au（厚み3000Å）を形成する（図１３（ｃ）のバリア層およびAuに相当）。また、図１２に示す構成のように、半導体層と基板層に反射層を有する半導体発光デバイスを作製する場合には、例えば電流拡散層上にＳｉＯ2等からなる高い反射率の得られる層を部分的に形成した後、ＡｕＺｎ電極層、バリア層、密着層等を形成する。
【０１０６】
一方、例えばSiの永久基板にAuSnを形成し（図１３（ｆ）、（ｇ）の金属層、結合層に相当）、この永久基板のAuSn上に、前記した半導体層側のAuを載せて加熱・圧着してAuSnを溶解し、MOCVD法で形成した層と永久基板を結合する（図１３（ｈ）に相当）。この構成によれば、永久基板は成長基板を除去したあとのLED構造の機械的強度を保ち、電極との電気的接合を提供する。
【０１０７】
GaAs成長基板は永久基板に接着した後、アンモニアと過酸化水素から成るエッチャントにより除去される（図１３（ｉ）に相当）。成長基板を除去した後、n-Clad層に二次元周期構造を形成する。なお、二次元周期構造の構造、作製方法は前記した実施例と同様である。
【０１０８】
上記したメタルボンディングの手順は一例であり、反転させずに形成する方法、金属層や結合層を介さずに貼り合わせる方法など種々の方法をとり得る。
【０１０９】
次に、上述した、AlGaInP系LEDについてのシミュレーション結果について説明する。表４にAlGaInP系LEDの波動光学シミュレーションにおける二次元周期構造の設定条件を示す。シミュレーションの設定項目は図１４に示される。また、波動光学シミュレーションにおける発光波長（真空中）は、λ0＝６４０ｎｍ、励振方法はインコヒーレント、時間ステップは０．０３ｆｓ、セルサイズは２０ｎｍ×２０ｎｍ×２０ｎｍとした。
【０１１０】
【表４】
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【０１１１】
図１５に示す各構成について光取り出し効果について比較した。比較を行う構成は、二次元周期構造を有さず活性層を挟み対称な屈折率分布を有する構成（以下、基本構造、あるいは「平面対称」）、二次元周期構造を有さず活性層を挟み非対称な屈折率分布を有する構成（以下、「平面非対称」）、二次元周期構造および活性層を挟み対称な屈折率分布を有する構成（以下、「二次元周期×対称」）、二次元周期構造、活性層を挟み対称な屈折率分布および中間層を有する構成（以下、「二次元周期×対称×中間層」）、二次元周期構造および活性層を挟み非対称な屈折率分布を有する構成（以下、「二次元周期×非対称」）、二次元周期構造、活性層を挟み非対称な屈折率分布および中間層を有する構成（以下、「二次元周期×非対称×中間層」）である。なお、活性層を挟み非対称な屈折率分布を有する構造については、各層の屈折率を、第１の層3.26、活性層3.4）、第２の層屈折率3.17、中間層3.39で計算した。なお、λ0＝640nmとしている。
【０１１２】
図１５，図１６に、AlGaInP系LEDにおける光取り出し効果を示す。
【０１１３】
図１５は、AlGaInP系LEDの各構成における光取り出し効果を「平面対称」の光強度を基準（１.００）として一覧で示したものである。
【０１１４】
図１６は、基本構造で得られる光強度を基準としたときの各構成で得られる光強度の比率と、二次元周期構造の底部と活性層との間の距離ｈとの関係について示している。
【０１１５】
図１６中の符号Ａは「二次元周期×対称」を、符号Ｂは「二次元周期×対称×中間層」を、符号Ｃは「二次元周期×非対称」を、符号Ｄは二次元周期×非対称×中間層」を示している。
【０１１６】
図１５，図１６に示すシミュレーション結果から、距離ｈと波長λ0との比率ｈ／λ0が小さい場合には、ＡとＣの比較から二次元周期構造と非対称な屈折率分布を有する構成とすることで光の取り出し効果が高まることが確認される。また、光の取り出し効果はｈ／λ0が小さいほど増加することが確認される。
【０１１７】
また、二次元周期構造、非対称な屈折率分布および中間層を有する構成とすることで、さらに光りの取り出し効果を向上させることができることが確認できた。
【０１１８】
また、活性層と二次元周期構造底部の距離ｈがλ0より小さい場合に、「二次元周期×対称」、「二次元周期×対称×中間層」、「二次元周期×非対称」、「二次元周期×非対称×中間層」のいずれの構成も「平面対称」より光取出し効果が改善している。ここで、ｈ/λ0の値が１であるときのｈはｎλであるため、活性層から二次元周期構造の底部までの距離は、ｎλ以下において光取出し効率が向上すると言える。なかでも、「二次元周期×対称×中間層」、「二次元周期×非対称×中間層」は高い光取出し効果が得られることが確認できた。このことは、中間層が方向性結合の役割を果たし活性層と二次元周期構造との結合を強めることによるものと考えられる。特に「二次元周期×非対称×中間層」は、光取出し効果が高いことが確認できた。「二次元周期×非対称×中間層」の光取出し効率が、「二次元周期×対称×中間層」や「二次元周期×非対称」の効果から予測される以上に高い結果が得られた理由としては、非対称な屈折率分布の形成により、光取出し面側および活性層中を導波した光のうち、光取出し面側へ導波する光が２次元周期構造へと結合し取り出され、活性層中を導波する光が中間層を介して２次元周期構造へと結合し取り出されたことによると考えられる。
【０１１９】
「二次元周期×非対称×中間層」の光取出し効率が、「二次元周期×対称×中間層」や「二次元周期×非対称」の効果から予測される以上に高い結果が得られた理由としては、非対称な屈折率分布の形成により、光取出し面側および活性層中を導波した光のうち、光取出し面側へ導波する光が２次元周期構造へと結合し取り出され、活性層中を導波する光が中間層を介して２次元周期構造へと結合し取り出されたことによると考えられる。
【０１２０】
ここで、中間層は、屈折率を活性層以下とし、第２の層の他の層の屈折率より高く設定するが、活性層とほぼ同等の屈折率を有することが好ましい。活性層に二次元周期構造を加工した場合、表面再結合により半導体発光デバイスの効率が大幅に低下するが、活性層の屈折率とほぼ等しい中間層を二次元周期構造中、または、近傍に設けることで中間層が方向性結合の役割を果たし活性層と二次元周期構造との結合を強め光取り出しの効果が向上する。中間層を備えた場合、表面再結合による効率低下が生じない。さらに、活性層まで二次元周期構造を加工する必要がないため、加工プロセスも容易になるメリットがある。
【０１２１】
次に、GaN系LED の構成について、説明する。なお、上述したＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤと材料は異なるものの基本的な構成（屈折率の大小関係を含む）は同じであるので、図１０〜１２を用いて構成例を説明する。
【０１２２】
基板６ＢをSiで形成し、第１の層２Ｂの電流拡散層（CSL層）２ＢｂをGaNで形成し、第１導電型半導体クラッド層（p−Clad層）２Ｂａを（AlGaN）で形成し、活性層３Ｂを（InGaN）で形成し、第２導電型半導体クラッド層（n−Clad層）４Ｂを（GaN）で形成する。
【０１２３】
ＧａＮ系ＬＥＤ構成の実施例について、各層の材料例、屈折率を表５に示す。
【０１２４】
なお、ここでは、活性層を多重量子井戸で構成しており、このときの屈折率は井戸層（InxGa1-xN、ｘ=0.4,2nm、n=2.75）とバリア層（GaN、14nm、n=2.50）の荷重平均値（n=2.53）を使用している。  
【０１２５】
【表５】
2008084973.tif 000007
【０１２６】
表５の実施例では第１の層と第２の層の屈折率差はΔn=0.１である。なお、ｘはＩｎxＧａ1-xＮのＩｎ組成の比率を示し、活性層の組成範囲はｘ=0〜0.４（井戸とバリアの平均）であり、第２の層の組成範囲はｘ=0〜0.5であり、中間層の組成範囲はｘ=0〜0.4（ただし、活性層＞中間層）である。
【０１２７】
以下に上記ＧａＮ系ＬＥＤの実施例の作製方法について示す。
【０１２８】
はじめに、非対称な屈折率分布をもつGaN系LEDを、MOCVD法によりサファイア成長基板上に作製する。成長基板上に膜厚数nm〜10nm程度のGaN、またはAlNからなるバッファ層を形成した後、膜厚１〜６um程度のSiドープGaNから成るn-Clad層を作製する。
【０１２９】
次に、InGaNから成る活性層を形成する。本実施例では活性層のInxGa1-xNからなる井戸層（ｘ=0.2,2nm)とGaNからなるバリア層（14nm）で構成される多重量子井戸構造とした。ただし、井戸層のIn組成(x)は発光波長に合わせ調整可能であり、本実施例の組成で限定するものではない。
【０１３０】
その後、屈折率を非対称にするためにMgドープp-AlGaN層、次にp-GaNからなるp-Clad層を成長する。
【０１３１】
実施例では、n-Clad層 GaNの屈折率を2.50、活性層InGaNの屈折率を2.53、n-AlGaNの屈折率を結晶の品質低が生じない領域でAl組成を調整し2.40（Al組成40％）とした。この組成における屈折率差Δnは0.1である。
【０１３２】
中間層を導入する場合は、n-Clad層の間にn-Clad層より屈折率が大きくなるようにIn組成を調整したInGaNから成る層を挿入した。実施例では中間層の屈折率を2.55とした。
【０１３３】
MOCVD法で成長させた後、p-Clad層表面に半導体結晶との電気的接触を確保するためのPt/Ag合金をスパッタなどで形成し（厚み3000Å）、電気的接合とAuSnとの密着性を確保するためTa、Au（厚み3000Å）を形成し、AuSnが形成された永久基板（例えばSi）に加熱・圧着によりAuSnを溶解し、MOCVD法で形成した層と永久基板を結合する。
【０１３４】
成長基板の除去は、サファイアの場合、成長基板裏面からのパルスレーザ照射により除去可能である。
【０１３５】
MOCVD法での成長させた後、n-Clad層GaN表面に二次元周期構造を形成する。
【０１３６】
実施例では、円孔で構成された三角格子配列の二次元周期構造を、第２の層であるn-GaN表面に形成した。本実施例においては、二次元周期構造を、周期a=700nm、円孔半径r=200nm、深さｄ=400nm、活性層との距離をｈ＝１２０ｎｍとした。
【０１３７】
その形成手法は、n-Clad層GaN表面にフォトリソグラフィー、電子線描画、電子線転写、ナノインプリント、干渉露光などの手法により二次元周期構造のレジストパターンを形成し、ウェットエッチング、または、ドライエッチングにより所望の二次元周期構造を作成する。また、SiO2のパターンを上記方法で形成し、MOCVD法で再成長させることで二次元周期構造を形成することも可能である。
【０１３８】
LEDに電流を注入するための電極は、永久基板が導電性の場合、永久基板裏面とn-Clad GaN表面に形成する。
【０１３９】
ここで、ＧａＮ系ＬＥＤにおいて、ｐ側領域に加工を行う場合、ドライエッチングなどが結晶に損傷を与えｐ型層が高抵抗化を引き起こす可能性がある。しかし、本実施例のような製法を用いることにより、ｎ側層を加工することで高抵抗化が回避できる。また、ＧａＮ系ＬＥＤでは、本発明特有の活性層を挟み非対称（第２の層の屈折率＞第１の層の屈折率）な屈折率分布を有する半導体発光デバイスは、成長基板上に直接半導体層を積層してＬＥＤを作製する方法によっては屈折率の低い第１の層を形成するためにＡｌ組成の高いＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層を形成する必要があるが、一方で、ｎ型側に電子の障壁となるＡｌＧａＮ層の形成により電子注入能力が低下するという問題があるため作製困難であるが、本実施例のように基板の貼り合わせ工程を用いることにより作製することができる。
【０１４０】
次に、GaN系LED についてのシミュレーションについて説明する。表６はGaN系LEDの波動光学シミュレーションにおける二次元周期構造の設定条件であり、各設定項目は、ＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤのシミュレーション同様、図１４に示される。また、波動光学シミュレーションにおける発光波長（真空中）は、λ0＝４５５ｎｍ、励振方法はインコヒーレント、時間ステップは０．０３ｆｓ、セルサイズは２０ｎｍ×２０ｎｍ×２０ｎｍとした。
【０１４１】
【表６】
2008084973.tif 000008
【０１４２】
図１７，図１８に、GaN系LEDにおけるシミュレーション結果として得られた光取り出し効果を示す。
【０１４３】
図１７は、GaN系LEDの各構成における光取り出し効果を一覧で示したものである。比較を行う構成は、二次元周期構造を有さず活性層を挟み対称な屈折率分布を有する構成（以下、基本構造、あるいは「平面対称」）、二次元周期構造を有さず活性層を挟み非対称な屈折率分布を有する構成（以下、「平面非対称」）、二次元周期構造および活性層を挟み対称な屈折率分布を有する構成（以下、「二次元周期×対称」）、二次元周期構造、活性層を挟み対称な屈折率分布および中間層を有する構成（以下、「二次元周期×対称×中間層」）、二次元周期構造および活性層を挟み非対称な屈折率分布を有する構成（以下、「二次元周期×非対称」）、二次元周期構造、活性層を挟み非対称な屈折率分布および中間層を有する構成（以下、「二次元周期×非対称×中間層」）である。
【０１４４】
図１８は、基本構造で得られる光強度を基準としたときの各構成で得られる光強度の比率と、二次元周期構造の底部と活性層との間の距離ｈとの関係について示している。
【０１４５】
図１７中の符号Ｅは「二次元周期×対称」、符号Ｆは「二次元周期×対称×中間層」、符号Ｇは「二次元周期×非対称」、符号Ｈは「二次元周期×非対称×中間層」を示している。
【０１４６】
非対称な屈折率分布を有する「二次元周期×非対称」（Ｇ）および「二次元周期×非対称×中間層」（Ｈ）の光取出し効率が顕著に高く、中でも中間層を有する「二次元周期×非対称×中間層」（Ｈ）の光取出し効率が高い。また、構成「二次元周期×対称×中間層」（Ｆ）、「二次元周期×非対称」（Ｇ）、「二次元周期×非対称×中間層」（Ｈ）においては、距離ｈと波長λ0との比率ｈ／λ0が小さいほうが、光取出し効果が高まることが確認できた。ここで、中間層を導入した効果については、非対称の屈折率分布を有する場合には、活性層と二次元周期構造底部の距離ｈが１．５ｎλ（ｈ/λ0＝１．５）以下において、対称の屈折率分布を有する場合には、０．７ｎλ（ｈ/λ0＝０．７）以下において、光取出し向上の効果が確認できた。
【０１４７】
図１７，図１８に示すGaN系LEDのシミュレーション結果は光の取り出し効果はAlGaInP系LEDよりも小さいが、AlGaInP系LEDのシミュレーション結果とほぼ同様の傾向を示しており、異なる材料系においても同様の傾向を示すことが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【０１４８】
本発明は、半導体ＬＥＤ、およびそれを用いた白色照明、ライト、インジケータ、ＬＥＤ通信等に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１４９】
【図１】本発明の半導体発光デバイスの構成例を説明するための図である。
【図２】本発明の二次元周期構造の円孔最密配列の平面図および側面図である。
【図３】本発明の二次元周期構造の円錐突起最密配列の平面図および側面図である。
【図４】本発明の二次元周期構造（円孔最密配列）を備える半導体発光デバイスの光取り出し効率を示す図である。
【図５】本発明の二次元周期構造（円錐突起最密配列）を備える半導体発光デバイスの光取り出し効率を示す図である。
【図６】本発明の二次元周期構造（円孔最密配列）を備える半導体発光デバイスの光取り出し効率を示す図である。
【図７】本発明の二次元周期構造（円錐突起最密配列）を備える半導体発光デバイスの光取り出し効率を示す図である。
【図８】本発明のAlGaInP系LEDの二次元周期構造と非対称屈折率構成との構成を説明するための構成図である。
【図９】本発明のAlGaInP系LEDの二次元周期構造と非対称屈折率構成と中間層の構成を説明するための構成図である。
【図１０】本発明のAlGaInP系LEDの二次元周期構造と非対称屈折率構成との構成を説明するための図である。
【図１１】本発明のAlGaInP系LEDの二次元周期構造と非対称屈折率構成と中間層の構成を説明するための構成図である。
【図１２】本発明のAlGaInP系LEDの二次元周期構造と非対称屈折率構成との構成を説明するための図である。
【図１３】メタルボンディングによって永久基板層上に半導体層を形成する手順の概略を説明するための図である。
【図１４】本発明のAlGaInP系LEDのシミュレーションにおける二次元周期構造の設定条件を説明するための図である。
【図１５】本発明のAlGaInP系LEDにおける光り取り出し効果を示す図である。
【図１６】本発明のAlGaInP系LEDにおける光り取り出し効果を示す図である。
【図１７】本発明のGaN系LEDにおける光り取り出し効果を示す図である。
【図１８】本発明のGaN系LEDにおける光り取り出し効果を示す図である。
【符号の説明】
【０１５０】
１…半導体発光デバイス
２…第１の層
２Ａ…n-Clad層
２Ｂａ…ｐ-Clad層
２Ｂｂ…ＣＳＬ（電流拡散層）
２Ｃａ…ｐ-Clad層
２Ｃｂ…ＣＳＬ（電流拡散層）
３…活性層
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ…活性層
４…第２の層
４Ａａ…ｐ-Clad層
４Ａｂ…ＣＳＬ（電流拡散層）
４Ｂ…n-Clad層
５…中間層
５Ａ，５Ｂ，５Ｃ…中間層
６…基板層
６Ａ…成長基板
６Ｂ，６Ｃ…永久基板
７Ａ，７Ｂ…電極
１０…二次元周期構造
１１…孔
１１ａ…円孔
１２…底部
１３…突起
１３ａ…円錐突起  
１４…底部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【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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