(57)【要約】【課題】外部量子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を目的とする。【解決手段】半導体発光素子は、基板１上に設けられ、光を生成する活性層３を含む半導体多層膜と、半導体多層膜上に形成されたｐ電極７と、プラズモン発生層８とを備えている。半導体多層膜のうち少なくとも活性層３を含む部分は、複数の柱状体を構成しており、プラズモン発生層８は各柱状体間を埋めている。プラズモン発生層８は、発光波長における誘電率が負である材料により構成される。複数の柱状体は、周期的に配置されている。【選択図】図１
2007214260.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層を内部に含み、少なくとも前記活性層を含む部分に凹凸が形成された半導体多層膜と、
発生する光の振動数において誘電率が負である物質からなり、前記凹凸に埋め込まれたプラズモン発生層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】
前記半導体多層膜には、前記活性層を貫通する複数の孔が形成されており、
前記プラズモン発生層は前記複数の孔に埋め込ま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３】
前記複数の孔は１次元周期または２次元周期で設けられていることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記半導体多層膜の上に設けられ、前記複数の孔が形成されたｐ電極と、
前記半導体多層膜に接するｎ電極とをさらに備えており、
前記ｐ電極の上面の一部が前記プラズモン発生層と接していることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記ｎ電極は、前記半導体多層膜の裏面上に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記半導体多層膜には、前記活性層を含む複数の柱状体が形成されており、
前記プラズモン発生層は、前記複数の柱状体の間に埋め込ま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７】
前記複数の柱状体は１次元周期または２次元周期で設けられていることを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記半導体多層膜のうち、前記複数の柱状体のそれぞれの上に設けられたｐ電極と、
前記半導体多層膜に接するｎ電極とをさらに備えており、
前記ｐ電極の上面は前記プラズモン発生層と接していることを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記ｎ電極は、前記半導体多層膜の裏面上に設けられていることを特徴とする請求項８に記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記半導体多層膜のうち前記凹凸が形成された領域と前記プラズモン発生層との間に設けられた絶縁層をさらに備え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１１】
前記絶縁層の膜厚は１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
前記プラズモン発生層は、
第１の材料からなる第１のプラズモン発生層と、
前記第１の材料とは異なる第２の材料からなり、前記第１のプラズモン発生層の上に設けられた第２のプラズモン発生層とを有し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１３】
実装基板と、
前記実装基板の主面と前記プラズモン発生層の上面とを接着させる接着層とをさらに備え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１４】
前記半導体多層膜の下に、前記活性層で生成する光に対して透明な基板をさらに備え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１５】
前記プラズモン発生層に発生するプラズモンのエネルギー−水平方向の波数関数において水平方向波数が０となるエネルギーが、前記活性層のバンドギャップエネルギーに等しくなっ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】
活性層を内部に含み、少なくとも前記活性層を含む部分に凹凸が形成された半導体多層膜と、
発生する光の振動数において誘電率が負である物質からなり、前記凹凸に埋め込まれた微小体と、
前記半導体多層膜の上に設けられた金属層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１７】
前記微小体の外形は、球状、楕円球状、もしくは棒状であることを特徴とする請求項１６に記載の半導体発光素子。
【請求項１８】
前記微小体は中空であることを特徴とする請求項１７に記載の半導体発光素子。
【請求項１９】
前記微小体は前記光の振動数において誘電率が負である物質を内部に有していることを特徴とする請求項１７に記載の半導体発光素子。
【請求項２０】
基板上に、活性層を内部に有し、前記活性層を含む部分に凹凸が形成された半導体多層膜を形成する工程（ａ）と、
発生する光の振動数において誘電率が負の材料からなり、前記半導体多層膜に形成された前記凹凸を埋めるプラズモン発生層を形成する工程（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２１】
前記工程（ａ）の後、前記工程（ｂ）の前に前記半導体多層膜の前記凹凸が形成された領域上に絶縁層を形成する工程（ｃ）をさらに備えていることを特徴とする請求項２０に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項２２】
前記工程（ｃ）では、前記半導体多層膜の前記凹凸が形成された領域を酸化することにより前記絶縁層を形成することを特徴とする請求項２１に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項２３】
前記工程（ｂ）の後に、前記半導体多層膜から前記基板を除去する工程（ｄ）をさらに備えていることを特徴とする請求項２０に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項２４】
前記工程（ｂ）の後に、実装基板上に前記プラズモン発生層を接着させる工程（ｅ）をさらに備えていることを特徴とする請求項２０に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項２５】
前記工程（ｅ）の後に、前記実装基板を個片化する工程（ｆ）をさらに備えていることを特徴とする請求項２４に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項２６】
基板上に、活性層を内部に有し、前記活性層を含む部分に凹凸が形成された半導体多層膜を形成する工程（ａ）と、
発生する光の振動数において誘電率が負の材料からなる微小体を分散させた液中に前記基板を置くことにより、前記凹凸内に前記微小体を埋め込む工程（ｂ）と、
前記半導体多層膜上に金属層を形成する工程（ｃ）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２７】
前記工程（ａ）では、前記半導体多層膜には、前記活性層を貫通する複数の孔、または前記活性層を含む複数の柱状体のいずれかが形成されることを特徴とする請求項２６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】
半導体発光素子のうち発光ダイオード（Light-Emitting Diode：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り、照明用や通信用の安価な光源として期待されている。しかし、ＬＥＤの課題として、外部量子効率が低いことと、放射光の指向性が悪いことなどが挙げられる。ここで、「外部量子効率」とは、注入キャリアに対してＬＥＤ外部に取り出すことができる光の効率のことである。
【０００３】
外部量子効率が低い要因は２つに分類できる。１つ目の要因は内部量子効率（注入キャリアのうちフォトンに変換できる効率）が低いことであり、２つ目の要因は光取出し効率（ＬＥＤ内部で発生した光のうちＬＥＤ外部に取り出すことができる効率）が低いことである。
【０００４】
内部量子効率は、発光する半導体結晶に欠陥がないほど高くなる。ＡｌＧａＡｓやＡｌＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＮなどを活性層の半導体材料として用いる赤外や赤色、青色などのＬＥＤでは、半導体の結晶成長を工夫することにより、これらの内部量子効率の値を１００％近い値にすることが可能となっている。しかし、緑色や紫外などのＬＥＤでは半導体結晶の成長が困難であり、依然として内部量子効率は低い。
【０００５】
従来、Ｓｉ基板を用いた結晶成長では、ウエハの大口径化による製造コストの低減が期待されている。しかし、Ｓｉなどの基板上にＳｉと格子整合しない半導体材料を結晶成長させた場合、高密度の欠陥が半導体結晶に発生するため、内部量子効率が低くなるという課題が発生する。
【０００６】
一方、光取出し効率の向上は発光波長に関わりなく、ＬＥＤ一般の課題である。光取出し効率が低い原因は、屈折率の高い半導体内部で発生した光が、屈折率の低い空気と半導体との界面において全反射を受け、ＬＥＤ内部に閉じ込められることにある。閉じ込められた光は、最終的には電極や基板などにより吸収され熱として浪費される。
【０００７】
また、ＬＥＤが出力する光の放射角は通常半値全幅で±５０度と非常に広い。この原因は、ＬＥＤからの発光が自然放出によるためである。自然放出によって発生する光は、空間のほとんど全方向に放射される。
【０００８】
外部量子効率を向上する方法として、非特許文献１などにおいて表面プラズモンを利用することが提案されている。図１７（ａ）は、表面プラズモンを説明するための図であり、（ｂ）は、表面プラズモンを説明するためのグラフである。
【０００９】
プラズモンは、金属中などの自由電子の集団応答であるプラズマ振動を量子化して捉えたものである。表面プラズモンはプラズモンとフォトンが結合し、半導体素子の表面や界面の微小領域に局在する電磁波の１種である。図１７（ａ）に示すように、金属のような誘電率が負の物質と、誘電体のような誘電率が正の物質との界面には電磁波が局在することが可能である。これが表面プラズモンである。ちなみに、表面プラズモンが生じる領域の、界面に対して垂直な方向の長さは、可視域では金属側で数十ｎｍ、誘電体側で１００ｎｍ前後である。
【００１０】
表面プラズモンの振動数ωと、金属と誘電体との界面に平行な方向の波数ｋ//の分散関係の概要を図１７（ｂ）に示す。この分散曲線は、ｋ//が大きい場合にω＝ωｐ／√（εm＋ε）の線に漸近する。ここで、εmは金属（誘電率が負の物質）の誘電率、εは誘電体（誘電率が正の物質）の誘電率、ωｐはバルクプラズモンの固有振動数である。
【００１１】
ＬＥＤの内部量子効率を下げる主な要因は、前述のように活性層中の結晶欠陥である。正孔・電子のキャリア注入により活性層中に形成された電子−正孔対が、自然放出により発光再結合するまでには一定時間が必要である。その時間中に結晶欠陥に捕獲された電子−正孔対は非発光再結合し、そのエネルギーｈ／２πωを失う。発光再結合の速度を１／τ、非発光再結合の速度を１／τnrとすると、内部量子効率ηintは下式となる。
【００１２】
【数１】
2007214260.tif 000003
【００１３】
この式の意味は、結晶欠陥が多いほど短い時間τnrで非発光再結合が生じるため１／τnrが大きくなり、内部量子効率ηintは低下するということである。
【００１４】
表面プラズモンによる内部量子効率の向上の要点は、電子−正孔対のエネルギーｈ／２πωを表面プラズモンへ高速で移動させることにある。電子−正孔対から表面プラズモンへのエネルギー移動の速度を１／τe-sとすると（１／τe-s＝Ｆ／τr；Ｆは電子−正孔対の発光再結合に対する増幅係数）と定義すると、電子−正孔対から表面プラズモンへのエネルギー移動の効率、すなわち表面プラズモン励起効率ηe-sは、以下のようになる。
【００１５】
【数２】
2007214260.tif 000004
【００１６】
上式（２）より、増幅係数Ｆを大きくすれば、表面プラズモンの励起効率ηe-sは１（＝１００％）に近づくことが分かる。電子−正孔対から表面プラズモンへのエネルギー移動の速度τe-sは、Ｆｅｒｍｉの黄金律を用いると、次式（３）のようになる。
【００１７】
【数３】
2007214260.tif 000005
【００１８】
ここで、ｄは電子−正孔対の再結合を電気双極子近似した場合の双極子モーメント、Ｅ（ａ）は表面プラズモンの活性層位置ｚ＝ａでの電界、ρ（ｈ／２πω）は表面プラズモンの状態密度である。ｄはほぼ材料によって決まる物性値と考えてよいので、素子の構造により制御できるパラメータはＥ（ａ）とρ（ｈ／２πω）である。
【００１９】
Ｅ（ａ）の強度は半導体/金属界面ｚ＝０で最大となり、界面から活性層が離れるほど指数関数的に減少することが知られている。従って、活性層を半導体/金属界面に近接させるほどτe-sは大きくできる。ρ（ｈ／２πω）はプラズモンのω−ｋ分散曲線の傾きの逆数ｄｋ／ｄωに比例する。そのため、図１７（ｂ）のように分散曲線が漸近するωsにおいては、ρ（ｈ／２πω）は非常に大きくなる。従って、電子−正孔対のエネルギーｈ／２πω、すなわち活性層のバンドギャップ・エネルギーをηωs近傍とすれば、τe-sを大きくすることができる。
【００２０】
図１８は非特許文献１で開示されている、表面プラズモンを用いた従来のＬＥＤの模式図である。このＬＥＤは、サファイアからなる基板１００１の上にＧａＮ層１００２、ＩｎＧａＮからなる活性層１００３、ＧａＮからなる中間層１００４が順次結晶成長された構成を有する。活性層１００３のフォトルミネッセンス（Photoluminescence：PL）波長は４６０ｎｍであり、発光は青色である。中間層１００４の上に金属１００５を形成し、中間層１００４と金属１００５の界面に表面プラズモンを発生させる構成となっている。
【００２１】
上述の増幅係数Ｆを増大させるために、非特許文献１ではＧａＮからなる中間層の膜厚を１０ｎｍとすることで、半導体／金属界面を非常に近接させている。さらに、活性層１００３のバンドギャップ・エネルギー２．７ｅＶ（発光波長４６０ｎｍ）を、半導体（ＧａＮからなる中間層１００４）と金属（Ａｇ）１００５との界面における表面プラズモンの量子エネルギーｈ／２πωｓ〜３ｅＶ（真空中の光の波長に換算して４１０ｎｍ）近傍に設定している。その結果、ＰＬ発光強度をピーク波長において、金属膜がない場合と比較して１４倍に向上させることに成功している。
【００２２】
非特許文献１の半導体発光素子として動作させるには、励起した表面プラズモンを効率的に光に変換させ、発光素子の外部に光を放出させる必要がある。表面プラズモンが光を放射するためには、水平方向の並進対称性により、水平方向の波数を伝搬光と一致させる必要がある。しかし、表面プラズモンは局在しているため、水平方向の波数は伝搬光より大きい。
【００２３】
表面プラズモンから光を放射させる方法として、非特許文献１では金属を薄く、かつ金属表面が荒れるように蒸着している。金属を薄くすることによって、半導体と金属との界面、金属と空気との界面のそれぞれに発生する表面プラズモンを結合する。この結合した表面プラズモンが、金属と空気との界面に存在する凹凸によって散乱され、光を放射している。
【非特許文献１】K. Okamoto, 他５名, Nature Materials, vol. 3, pp.601, 2004
【非特許文献２】I. Gontijo, 他５名, Physical Review B, vol. 60, pp.11564, 1999
【非特許文献３】B. Muller, 他２名, Physical Review B, vol. 68, pp.205415, 2003
【非特許文献４】B. Challener, The Physics of Surface Plasmons, pp.19, 2004, ODS short courseセミナー資料
【非特許文献５】M. Kretschmann, 他１名, Physical Review B, vol. 66, pp.245408, 2002
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
しかしながら、非特許文献１に記載の従来の技術では以下のような理由により、電流注入時において高い発光効率を実現することが難しかった。
【００２５】
まず、非特許文献１に記載された従来のＬＥＤでは、電極材料の選択が難しかった。このＬＥＤにおいては、表面プラズモンを発生させる金属を電極に用いることになるが、表面プラズモンの発生に適した金属が電極材料として適しているとは限らない。例えば、紫外領域で表面プラズモンを用いる場合には、銀（Ａｇ）よりもアルミニウム（Ａｌ）のプラズマ振動数が高いため、紫外領域ではＡｌが表面プラズモンの発生に適している。しかし、Ａｌは仕事関数が低いためｐ電極の材料としては不適切であり、オーミック接触を実現することが困難である。その結果、Ａｌを用いた場合には半導体発光素子の電圧効率が低くなる。
【００２６】
また、従来のＬＥＤでは、性能を維持したまま電子−正孔対から表面プラズモンへのエネルギーの変換効率を向上させることが困難であった。電子−正孔対から表面プラズモンへエネルギーを効率的に変換させるには、活性層１００３と金属との距離、すなわちｐ型不純物を含む中間層１００４の膜厚を１００ｎｍ以下に薄くする必要がある。しかし、中間層１００４が非常に薄くなると活性層１００３からの電子のオーバーフローを抑制することが困難になり、電子−正孔対の形成効率が低下する。また、ｐ層不純物を含む中間層１００４が非常に薄い場合には中間層１００４の膜厚のバラツキにより、活性層１００３とｐ電極（金属１００５）とが短絡しリークが発生しやすくなる。
【００２７】
また、非特許文献１の構造では、表面荒れによる散乱を利用しているため、効率的な光放射を実現することが困難であり、その結果、表面プラズモンからの光放射効率が低くなっていた。
【００２８】
また、従来のＬＥＤの構造では光放射を制御できないため、斜めに放射された光が発生する。この光は半導体と空気との界面で全反射されるため、半導体発光素子内部に留まる。さらに、膜厚が薄い金属膜の半導体/金属界面と金属/空気界面のそれぞれに発生する表面プラズモンを結合させているので、金属/空気界面から空気中へ放射される光成分が存在するが、この光は意図している方向とは正反対の方向に放射されているので、利用することができない。その結果、光取出し効率が低く留まる。
【００２９】
以上のことから、非特許文献１の半導体発光素子では、内部量子効率は金属膜を設けない場合の６％から４１％に向上しているが、光取り出し効率が約２３％と見積もられる。従って、外部量子効率は８％に留まっている。
【００３０】
さらに、非特許文献１に記載のＬＥＤの構造では放熱性が低いという不具合もある。高い放熱性を実現するためには、ｐ電極側を熱伝導率の高い材料からなる実装基板に実装する必要がある。このような実装を行えば、活性層１００３で発生した熱を膜厚の薄い中間層１００４を介して、実装基板へ容易に伝達することができる。しかし、非特許文献１の構造ではｐ電極側で実装すると、金属１００５の表面がハンダを介して実装基板に接着するため、金属／空気界面の凹凸が消失する。従って、上記界面の凹凸による、表面プラズモンからの光放射を発生させることができない。
【００３１】
上記に鑑み、本発明は、外部量子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を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
上記課題を解決するために、本発明の第１の半導体発光素子は、活性層を内部に含み、少なくとも活性層を含む部分に凹凸が形成された半導体多層膜と、発生する光の振動数において誘電率が負である物質からなり、凹凸に埋め込まれたプラズモン発生層とを備えている。
【００３３】
この構成によれば、活性層を含む凹凸部分にプラズモン発生層が埋め込まれているので、活性層上に設けられるオーバーフロー抑制層やコンタクト層の膜厚を十分に厚くした上で活性層とプラズモン発生層との距離を十分に近づけることができる。そのため、活性層からの電子のリークを防ぎつつ、活性層で形成される電子−正孔対からプラズモン発生層で生じる表面プラズモンへのエネルギーの移動速度を大きくすることができる。その結果、半導体発光素子の内部量子効率を向上させることが可能となる。
【００３４】
半導体多層膜に形成される凹凸の例としては、活性層を含む半導体多層膜の一部を柱状にしたものや、活性層を貫通する孔などが挙げられる。
【００３５】
なお、これらの凹凸を周期的に繰り返す構造を取ることにより、表面プラズモンの水平方向の波数を制御することができる。その結果、表面プラズモンからの光放射特性を制御できる。特に、プラズモン発生層に生じる表面プラズモンの振動数ω−水平方向波数ｋ//の分散曲線において、活性層のバンドギャップ・エネルギーを表面プラズモンが実質的にｋ//＝０となるように設定すると、表面プラズモンから光が基板面に対して垂直な方向へ放射される。その結果、放射された光が半導体／空気の界面で全反射を受けることなく、高い光取出し効率で半導体発光素子の外部へ取り出される。また、半導体発光素子から放射される光の広がり角が非常に狭くなり、光ファイバなどとの結合時に光を高効率に出力させることができる。なお、活性層のバンドギャップ・エネルギーを表面プラズモンがちょうどｋ//＝０となるように設定することは困難であるので、バンドギャップ・エネルギーは表面プラズモンがｋ//＝０の近傍となる値とすればよい。
【００３６】
また、半導体多層膜を結晶成長させるために用いた基板は除去されていてもよい。この場合には透明な基板を用いる必要がない。また、半導体多層膜の裏面にｎ電極を、半導体多層膜の上面にｐ電極をそれぞれ設けることができ、基板を除去しない場合に比べてチップの面積を縮小することが可能となる。
【００３７】
半導体多層膜のうち凹凸が形成された領域とプラズモン発生層との間に設けられた絶縁層をさらに備えていることにより、活性層からの電流のリークを防ぐことができる。なお、活性層で形成される電子−正孔対からプラズモン発生層で生じる表面プラズモンへのエネルギーの移動速度を大きくするために、絶縁層の膜厚は１００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３８】
また、プラズモン発生層は金属以外の材料で構成されていてもよいが、活性層での発光波長によって最適な材料で構成されていることが好ましい。特に、紫外光を放射する場合にはプラズモン発生層はＡｌで構成されていることが好ましく、青色〜緑色光を放射する場合にはプラズモン発生層はＡｇで構成されていることが好ましく、赤色光を放射する場合にはプラズモン発生層はＡｕで構成されていることが好ましい。
【００３９】
また、プラズモン発生層は２層以上に分かれて構成されていてもよい。この場合、各プラズモン発生層の表面には表面プラズモンが発生する。
【００４０】
本発明の第２の半導体発光素子は、活性層を内部に含み、少なくとも活性層を含む部分に凹凸が形成された半導体多層膜と、発生する光の振動数において誘電率が負である物質からなり、凹凸に埋め込まれた微小体と、半導体多層膜の上に設けられた金属層とを備えている。
【００４１】
この構成により、微小体の表面に生じる局在プラズモンを用いて光を放射させるので、外部量子効率を向上させることができる。微小体は球状、楕円球状、棒状などであってもよいし、中空もしくは内部に別の層を有していてもよい。
【００４２】
本発明の第１の半導体発光素子の製造方法は、基板上に、光を生成する活性層を内部に有し、活性層を含む部分に凹凸が形成された半導体多層膜を形成する工程（ａ）と、発生する光の振動数において誘電率が負の材料からなり、半導体多層膜に形成された凹凸を埋めるプラズモン発生層を形成する工程（ｂ）とを備えている。
【００４３】
この方法により、外部量子効率の高い半導体発光素子を製造することが可能になる。
【００４４】
工程（ａ）の後、工程（ｂ）の前に半導体多層膜の凹凸が形成された領域上に絶縁層を形成する工程（ｃ）をさらに備えていてもよい。絶縁層は半導体多層膜の熱酸化などにより形成してもよく、ＣＶＤ法などによって形成してもよい。
【００４５】
工程（ｂ）の後に、実装基板上にプラズモン発生層を接着させる工程（ｅ）をさらに備えていてもよい。この際には、あらかじめ個片化した半導体多層膜を実装基板に接着させてもよいし、ウェハ状の基板と実装基板とを接着させた後で個片化してもよい。個片化を後で行う場合には、実装基板にチップ状の基板を載せる場合に比べて位置合わせが容易であり、接着を一括で行えるので、生産効率を向上させることが可能である。
【００４６】
本発明の第２の半導体発光素子の製造方法は、基板上に、光を生成する活性層を内部に有し、活性層を含む部分に凹凸が形成された半導体多層膜を形成する工程（ａ）と、発生する光の振動数において誘電率が負の材料からなる微小体を分散させた液中に基板を置くことにより、凹凸内に微小体を埋め込む工程（ｂ）と、半導体多層膜上に金属層を形成する工程（ｃ）とを備えている。
【００４７】
この方法により、外部発光効率が向上された半導体発光素子を製造することができる。
【発明の効果】
【００４８】
本発明の半導体発光素子によれば、内部量子効率を向上させるとともに光取り出し効率も向上させることができるので、外部量子効率を大きく向上させることができる。また、設計によっては放射光の広がり角を狭くすることも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
【００５０】
（第１の実施形態）
−半導体発光素子の構成−
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子を示す斜視図であり、（ｂ）は、本実施形態の半導体発光素子のｎ電極９を通る断面を示す図である。また、図１（ｃ）は、プラズモン発生層８と絶縁層６を除いた場合の半導体発光素子を示す斜視図である。ｎ電極９を通る断面は、理解が容易になるように、図１（ａ）でも示されている。
【００５１】
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態の半導体素子は、サファイアなどからなる透明基板１と、透明基板１上に結晶成長されたＧａＮ系の化合物半導体からなる半導体多層膜と、半導体多層膜の上に形成されたｐ電極７と、少なくとも半導体多層膜の側面に形成された例えばＡｌＧａＩｎＯxを含む絶縁層６と、絶縁層６上に形成された例えばＡｌからなる厚さが０．５μｍのプラズモン発生層８と、半導体多層膜の一部の上に形成されたｎ電極９とを備えている。
【００５２】
半導体多層膜は、透明基板１上に形成された膜厚２μｍのｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型コンタクト層２と、ｎ型コンタクト層２上に形成され、ＡｌＩｎＧａＮからなる多重量子井戸を含む合計膜厚が７０ｎｍの活性層３と、活性層３上に形成され、膜厚５０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮからなるオーバーフロー抑制層４と、オーバーフロー抑制層４上に形成された膜厚１５０ｎｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層５とを有している。活性層３のＰＬピーク波長は３８０ｎｍである。
【００５３】
ｐ電極７は、Ｎｉ層、Ｐｔ層およびＡｕ層で構成され、その膜厚は８０ｎｍである。ｎ電極９は、Ｔｉ層、Ａｌ層およびＡｕ層で構成され、その膜厚は３００ｎｍである。
【００５４】
本実施形態の半導体発光素子では、図１（ｃ）に示すように、ｎ型コンタクト層２の上部、活性層３、オーバーフロー抑制層４、ｐ型コンタクト層５およびｐ電極７が、直径１５０ｎｍの柱状体（ロッド）を構成している。従って、上述の絶縁層６はｎ型コンタクト層２の上部、活性層３、オーバーフロー抑制層４、ｐ型コンタクト層５の側面上およびｎ型コンタクト層２の上面上に設けられている。この絶縁層６の膜厚は約２０ｎｍである。
【００５５】
半導体多層膜およびｐ電極７で構成された柱状体は周期的に複数個形成されており、その周期（柱状体の中心同士の間隔）は例えば３２５ｎｍである。これらの柱状体は平面的に見て三角格子状あるいは正方格子状など２次元周期で配置されていればよく、図１（ａ）に示す例では正方格子状に配置されている。これら複数の柱状体同士の間にはプラズモン発生層８が埋め込まれている。従って、プラズモン発生層８は活性層３を含む柱状体の側面を覆う絶縁層６と接している。ここで、本実施形態の半導体発光素子では活性層３のピーク波長（３８０ｎｍ）に対してプラズモン発生層８の誘電率が負であり、絶縁層６の誘電率が正となっている。
【００５６】
また、ｐ型コンタクト層５上に設けられた個々のｐ電極７はプラズモン発生層８と接触しているので互いに電気的に接続されており、個々のｐ電極７にはプラズモン発生層８を介して駆動電流が供給される。ｎ電極９は、ｎ型コンタクト層２のうち上部が除去された部分の上（ｎ型コンタクト層２から見てプラズモン発生層８と同じ側）に設けられている。
【００５７】
動作時の活性層３には、ｐ電極７から正孔が注入され、ｎ電極９から電子が注入される。すると、活性層３内で電子−正孔対が生成され、この電子−正孔対が絶縁層６とプラズモン発生層８との界面に表面プラズモンが励起される。励起された表面プラズモンは、柱状体の周期構造によって回折を受け、フォトン（光）を半導体多層膜側へ放射する。放射された光は半導体多層膜中を伝搬し、透明基板１を通して半導体発光素子の外部へ放射される（図１（ａ）に示す矢印参照）。
【００５８】
本実施形態の半導体発光素子では、活性層３とプラズモン発生層８との間に絶縁層６が設けられているため、活性層３とプラズモン発生層８との距離を近づけて電子−正孔対から表面プラズモンへのエネルギーの移動速度を向上させて内部量子効率を向上させつつ（式（３）参照）、活性層３からの電流のリークを防ぐことが可能になっている。なお、本実施形態の半導体発光素子では絶縁層６の膜厚を２０ｎｍとしているが、絶縁層６の膜厚は１００ｎｍ以下であることが好ましい。絶縁層６の膜厚が１００ｎｍを超えると、活性層３とプラズモン発生層８との距離が大きくなって内部量子効率を向上させることが困難になるためである。
【００５９】
さらに、本実施形態の半導体発光素子では、オーバーフロー抑制層４の膜厚が５０ｎｍ、ｐ型コンタクト層５の膜厚が１５０ｎｍと十分に厚くなっているので、活性層３での電子のオーバーフローを防ぐことができる。このため、電子−正孔対の生成効率の低下が防がれている。
【００６０】
また、本実施形態の半導体発光素子では、ｐ電極７とプラズモン発生層８とを別個に設けているので、プラズモン発生層８とｐ電極７をそれぞれの用途に適した材料で構成することが可能となる。本実施形態では半導体発光素子の光は紫外光であるので、プラズモン発生層８の材料としては例えばＡｌが用いられ、ｐ電極７の材料としては仕事関数が大きいＮｉ層、Ｐｔ層およびＡｕ層の積層体が用いられる。なお、ｐ電極７は０．５μｍと十分に厚いので、ｐ電極７とプラズモン発生層８との界面には表面プラズモンは生成しない。
【００６１】
また、本実施形態の半導体発光素子では、半導体多層膜が適当な周期を有する２次元周期構造をとっているので、表面プラズモンのモードをモードΓ４あるいはモードΓ５とすることができ、内部量子効率および光取り出し効率を向上させることができる。
【００６２】
また、後述する表面プラズモンの振動数ω−水平方向波数ｋ//の分散曲線において、活性層３のバンドギャップ・エネルギーを表面プラズモンがｋ//＝０となるように設定することにより、表面プラズモンから光が基板面に対して垂直方向へ放射される。その結果、放射された光が半導体/空気の界面で全反射を受けることなく、高い光取出し効率で半導体発光素子の外部へ取り出される。また、半導体発光素子から放射される光の広がり角を大幅に狭めることができ、光ファイバなどとの結合が高効率に実現できる。これらの利点については後に詳述する。
【００６３】
−半導体発光素子の動作機構−
本実施形態の半導体発光素子の動作機構について、以下にもう少し詳しく説明する。
【００６４】
上述のように、本実施形態の半導体発光素子においては、プラズモン発生層８と活性層３とが薄い絶縁層６を介して近接しているため、電子−正孔対からプラズモン発生層８と絶縁層６の界面に発生する表面プラズモンへエネルギーを高速で移動させることができる。
【００６５】
プラズモン発生層８と絶縁層６との界面が平坦であると近似すると、電子−正孔対から表面プラズモンへのエネルギー移動の速度τe-sは式（３）から求めることができる。
【００６６】
図２（ａ）は、プラズモン発生層８がＡｌ、絶縁層６がＡｌＧａＩｎＯxで構成されている場合における表面プラズモンの振動数ωと水平方向の波数ｋ//との分散関係を示すグラフであり、（ｂ）は、表面プラズモンの振動数ωと状態密度との関係を示すグラフである。図２（ａ）、（ｂ）はいずれもシミュレーション結果を示している。
【００６７】
図２（ａ）、（ｂ）の結果から、表面プラズモンの振動数ωが高いほど水平方向の波数ｋ//が大きく、且つ状態密度が増加することが分かる。なお、本実施形態の半導体発光素子において振動数ωは活性層３のバンドギャップエネルギーに相当する約３．５ｅＶとなっている。
【００６８】
また、図３は、半導体発光素子において、振動数ωと電子−正孔対から表面プラズモンへの変換効率（表面プラズモンの励起効率）ηe-sとの関係を計算した結果を示すグラフである。同図に示す結果から、図１８に示すような内部量子効率が３０％程度の従来の半導体発光素子であっても、結晶欠陥で電子−正孔対がエネルギーを失う前に表面プラズモンに高速でエネルギーが移動するので、９５％と高い効率で表面プラズモンを励起できることが分かる。
【００６９】
励起された表面プラズモンはフォトンを放射する前に、金属中での散乱や個別励起による吸収によって損失を受ける。従って、高効率の発光を実現するためには、表面プラズモンからフォトンへのエネルギー移動の効率ηs-pを高くする必要がある。ηs-pは、下式で表すことができる。
【００７０】
【数４】
2007214260.tif 000006
【００７１】
ここで、τradは表面プラズモンがフォトンを放射するまでの時間、τlossは表面プラズモンが損失により減衰するまでの時間である。上式より、τradが小さい（フォトンを放射する速度が速い）ほど、またτlossが大きい（減衰する速度が遅い）ほど、ηs-pが大きくなり、半導体発光素子の高効率動作が実現することが分かる。
【００７２】
表面プラズモンからのフォトン放射は、当該表面プラズモンが発生する界面の凹凸による散乱・回折のために生じる。非特許文献３によるとこの散乱はRayleigh（レイリー）散乱的であり、τradは凹凸（本実施形態の半導体発光素子では柱状体）の直径ｄの逆数の４乗に比例する。すなわち、τradを小さくするには、直径ｄを大きくすればよい。本実施形態の半導体発光素子では半導体多層膜からなる柱状体の直径は１５０ｎｍであり、この場合、τradは約２０ｆｓと見積もることができる。
【００７３】
表面プラズモンの減衰は、プラズモン発生層と絶縁層との界面が平坦な場合、非特許文献４に従い、プラズモン発生層として用いられる物質の誘電関数εmより下式（５）で求めることができる。
【００７４】
【数５】
2007214260.tif 000007
【００７５】
ここで、εは誘電体の誘電率である。
【００７６】
図４は、半導体発光素子において、プラズモン発生層８と絶縁層６との界面が平坦と近似した場合のτlossを計算した結果を示すグラフである。なお、プラズモン発生層８がＡｌ、絶縁層６がＡｌＧａＩｎＯxで構成されているとしている。図中の実線がτlossを示している。この結果から、エネルギー（振動数）が高いほど、プラズモン発生層８の誘電率のうち、実数部分の絶対値が大きくなるため、τlossが小さくなる（表面プラズモンが速く減衰する）ことが分かる。なお、本実施形態の半導体発光素子では、ωが約３．５ｅＶであるのでτlossは約３０ｆｓと見積もられる。
【００７７】
図５は、本実施形態の半導体発光素子において、ηs-pを計算した結果を示すグラフである。図５には、τradが２０ｆｓ、５０ｆｓ、１００ｆｓである場合を示している。この結果、本実施形態の半導体素子では、τradを２０ｆｓと十分小さくする（表面プラズモンから速くフォトンを放射させる）ことにより、ηs-pを６７％と大きく、すなわち高効率で発光させることができる。
【００７８】
従って、本実施形態の半導体発光素子において、前述の表面プラズモンの励起効率まで含んだ内部量子効率は、６４％に達すると理論計算より予測される。ただし、活性層３に注入した電子と正孔から１００％の効率で電子−正孔対を発生させることができると仮定している。
【００７９】
外部量子効率を見積もるには、内部量子効率に加え光取り出し効率を求める必要がある。本実施形態の半導体発光素子においては高い光取出し効率を実現するために、以下のように設計を行なっている。
【００８０】
表面プラズモンから生じた光は半導体多層膜の側に放射され、透明基板１の裏面（半導体多層膜が設けられた面に対向する面）から空気中へ取り出される。プラズモン発生層８は十分厚いため内部での電磁波の伝搬が禁止されているので、非特許文献１に記載の半導体素子とは違い、透明基板１とは反対方向に表面プラズモンから光が放射されることはない。従って、光取り出し効率は、単純に考えても非特許文献１よりも大きい。また、以下のように放射される光の方向が透明基板１の主面に対し垂直であるため、半導体多層膜間の界面や半導体多層膜と透明基板１との界面での全反射を受けないために光取出し効率がさらに高い。
【００８１】
図６（ａ）、（ｂ）は、本実施形態の半導体発光素子において、表面プラズモンのバンド構造の理論計算結果を示す図である。図６（ａ）に示すように、表面プラズモンの振動数ωと水平方向波数ｋ//との分散関係は周期構造による多重回折を受け、バンド構造を形成する。図６（ａ）では振動数は周期ａを用い規格化されており、ｋ//のうちΓ−Ｍ方向のバンド構造のみを表示している。ここで、Γ−Ｍ方向とは、正方格子の周期構造における周期方向に対して４５°斜めの方向のことを意味する。これまで述べてきたように、半導体発光素子の動作時には電子−正孔対のエネルギー、すなわち活性層３のバンドギャップ・エネルギーに相当するモードの表面プラズモンが励起される。従って、図６（ｂ）に示すように周期ａを適切に設定することにより、励起される表面プラズモンのモードを選択することができる。本実施形態の半導体発光素子では例えば半導体多層膜で構成された柱状体の周期ａを３２５ｎｍとしているので、活性層３のバンドギャップ・エネルギーが３．５ｅＶであり、Γ点近傍のモードΓ４、Γ５の表面プラズモンを励起することができる。なお、周期ａの範囲は概ね３１０ｎｍ〜３４０ｎｍであればモードΓ４、Γ５の表面プラズモンを励起することができる。周期ａの許容範囲は活性層３で発生する電子−正孔対のエネルギー分布幅に比例する。
【００８２】
表面プラズモンからのフォトン放射は、水平方向の離散的並進対称性よりｋ//が保存するように生じる。すなわち、放射させるフォトンのｋ//は表面プラズモンのｋ//と等しい。従って、モードΓ４、Γ５の表面プラズモンから放射されるフォトンのｋ//はｋ//＝０、すなわち透明基板１の主面に垂直な方向に伝搬する。
【００８３】
次に、図７（ａ）〜（ｂ）は、本実施形態の半導体発光素子において、表面プラズモンに起因するフォトンの放射をシミュレーションした結果を示す図である。このシミュレーションは、表面プラズモンが励起される界面の凹凸が小さいと近似して、非特許文献５で用いられているReduced Rayleigh法により行なった。なお、図７（ａ）はΓ４のモードを示し、図７（ｂ）はΓ２のモードを示している。
【００８４】
図７（ａ）において、一定間隔で並んでいる線は同電位線を表している。従って、Γ４のモードにおいては垂直方向に伝搬する電磁波が存在すること、すなわち表面プラズモンから垂直方向にフォトンが放射されていることが分かる。本実施形態の半導体発光素子において、表面プラズモンは主にΓ４近傍のモードで励起されるので、半導体発光素子から放射される光の広がり角はほとんど０に近く、狭放射の発光が実現されている。
【００８５】
一方、同じΓ点近傍のモードであってもΓ２は、図７（ｂ）に示すように表面プラズモンからフォトンへの放射がΓ４よりも弱いことが分かる。フォトン放射効率の違いは、表面プラズモンの状態密度と電界分布がモードにより異なることが原因と考えられる。
【００８６】
図７（ｃ）、（ｄ）は、それぞれΓ４とΓ２のモードにおける表面プラズモンの金属／誘電体界面での電界分布を示す図である。図７（ｃ）から分かるようにΓ４の電界がほぼ直線であるのに対し、図７（ｄ）に示すΓ２の電界には回転成分があることが分かる。表面プラズモンからのフォトンの放射効率は電界分布にも左右され、古典光学で導波路間の結合効率を計算されているように、金属／誘電体界面における表面プラズモンの電界Ｅspp（ｘ，ｙ）とフォトンの電界Ｅph（ｘ，ｙ）の積を金属／誘電体界面で面積分した値
∫∫Ｅspp（ｘ，ｙ）・Ｅph（ｘ，ｙ）ｄｘｄｙ  ・・・（６）
に比例すると考えられる。
【００８７】
半導体多層膜中を伝搬するフォトンは直線横偏向であるので、Γ４の方がΓ２よりも表面プラズモンとフォトンの電界の積の面積分は大きくなる。その結果、Γ４の方がΓ２よりも表面プラズモンからのフォトンの放射効率が高くなると考えられる。
【００８８】
図８は、本実施形態の半導体発光素子における表面プラズモンの状態密度の理論計算結果を示すグラフである。同図に示すように、表面プラズモンの状態密度はΓ４の方がΓ２よりも高いことが分かる。式（３）よりΓ４の方が電子−正孔対から表面プラズモンへのエネルギー移動の速度が速い。従って、内部量子効率の点でも、Γ４の方がΓ２よりも望ましい表面プラズモンのモードであるといえる。よって、本実施形態の半導体発光素子は、内部量子効率の大幅の向上が可能となっている。
【００８９】
また、Γ４モードの表面プラズモンから放射されたフォトンは垂直方向に伝搬するので、半導体多層膜と透明基板との界面や透明基板と空気との界面において光は全反射を受けない。そのため、光取り出し効率を高くすることが可能である。従来のＬＥＤや非特許文献１に記載の半導体発光素子では光の放射方向は制御できないため、空間の全方向に放射される。この場合、半導体多層膜と透明基板との界面や透明基板と空気との界面に全反射臨界角以上の角度で光が入射した場合、光は全反射を受ける。そのため、従来の半導体発光素子では光取出し効率が低かった。
【００９０】
ただし、本実施形態の半導体発光素子においても、光は界面において屈折率差に起因するフレネル反射を受ける。もっともフレネル反射は数％と低いため、２つの界面による２回の反射損失を差し引いても光取出し効率は依然として高い。実際、本実施形態の半導体発光素子のように、半導体多層膜、透明基板１の屈折率がそれぞれ２．６３（ＧａＮ）、１．７９（サファイア）の場合、光取り出し効率は９２％である。これに対し、従来のＬＥＤや非特許文献１の半導体発光素子では光取り出し効率が２０〜３０％である。このように、本実施形態の半導体発光素子では光取出し効率が非常に高くなっていることが分かる。
【００９１】
このように、本実施形態の半導体発光素子では、表面プラズモンの振動数ωと水平方向の波数ｋ//の分散関係、および表面プラズモンの電磁界分布を適宜設計することにより、内部量子効率と光取出し効率のいずれも向上できる。そのため、本実施形態の半導体発光装置は、高い外部量子効率を実現することができる。
【００９２】
具体的には、従来の紫外ＬＥＤでは外部量子効率が１０％以下であるのに対し、本実施形態の半導体発光素子では５４％にまで向上させることができる。
【００９３】
−半導体発光素子の製造方法−
図９（ａ）〜（ｇ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す断面図である。
【００９４】
まず、図９（ａ）に示すように、サファイアからなる透明基板１の上に、ｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型コンタクト層２、ＡｌＩｎＧａＮからなる多重量子井戸を有する活性層３、ｐ型ＡｌＧａＮからなるオーバーフロー抑制層４、およびｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層５から構成される半導体多層膜を結晶成長させる。この半導体多層膜の結晶成長には、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）法などを用いる。
【００９５】
次に、図９（ｂ）に示すように、ｐ型コンタクト層５の上にＮｉ層、Ｐｔ層、Ａｕ層を順に堆積させた後に、２次元周期（正方格子状）のドット状に形成することで、ｐ電極７を作製する。各ｐ電極７の平面形状は、例えば直径約１５０ｎｍの円形とする。また、ｐ電極７間の配置間隔（配置周期）は３２５ｎｍとする。
【００９６】
ｐ電極７の材料を堆積する際には、スパッタ法や真空蒸着法などを用いる。ドット状構造を形成するためには深紫外光によるフォトリソグラフィや電子線露光、ナノプリンティング、ナノインプリンティングなどによりパターニングされたレジストを利用してドライエッチングやリフトオフを行い、ｐ電極７の材料をパターニングする。
【００９７】
次に、図９（ｃ）に示すように、ｐ電極７をマスクとして半導体多層膜をエッチングして柱状体に加工することで、少なくとも活性層３の側面を露出させる。半導体多層膜のエッチングには、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、加熱した酸・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などを用いることができる。
【００９８】
次に、図９（ｄ）に示すように、上記柱状体の側面に絶縁層６を形成する。本実施形態では半導体多層膜の表面を酸化させることによりＡｌＧａＩｎＯxからなる絶縁層６を形成する。ここで、半導体多層膜の酸化方法としては、透明基板１を酸・アルカリ液中に浸した状態で紫外線を照射する光化学酸化や、酸素プラズマの照射によるプラズマ酸化、酸素もしくは水蒸気中での加熱による熱酸化などを用いることができる。なお、絶縁層６はＣＶＤ法などにより形成してもよい。
【００９９】
次いで、図９（ｅ）に示すように、絶縁層６とｎ型コンタクト層２を一部除去してｎ型コンタクト層２を露出させ、露出させたｎ型コンタクト層２の上面にＴｉ層、Ａｌ層、Ａｕ層により構成されるｎ電極９を設置する。絶縁層６とｎ型コンタクト層２を一部除去するための方法、ｎ電極９の堆積およびパターニング方法としては、前述した一般的なプロセス方法を用いる。
【０１００】
続いて、図９（ｆ）に示すように、絶縁層６とｐ電極７で覆われた半導体多層膜からなる柱状体間の隙間をＡｌからなるプラズモン発生層８で埋め込む。Ａｌの堆積は蒸着法やスパッタ法、ＣＶＤ法などを用いる。柱状体が形成する微細な凹部へのＡｌの埋め込みを実現するためには、Ａｌを半導体多層膜上に堆積した後に加熱することでＡｌの形状を流動的に変化させるリフロー技術や、Ａｌの堆積中に透明基板１を加熱し、Ａｌ原子・クラスタの表面マイグレーションを向上させる技術などを用いることができる。
【０１０１】
本実施形態では発光波長が紫外であるためにプラズモン発生層８の材料にＡｌを用いているが、プラズマ振動数を考慮すると活性層３で生じる光が青色（例えば活性層３の材料がＧａＮ系半導体）の場合はＡｇで、活性層３で生じる光が赤色（例えば活性層３の材料がＧａＡｓ系半導体）の場合にはＡｕをプラズモン発生層８の材料として用いることが望ましい。この場合、柱状体が形成する微細な凹部へのＡｇやＡｕの埋め込みは、メッキ技術を用いることにより、容易に実現することができる。
【０１０２】
次に、図９（ｇ）に示すように、ウェハ状の透明基板１をチップ状に個片化し、フリップチップ実装によりバンプ状のハンダ１０（接着層）を介して、チップのｐ側（プラズモン発生層８側）を実装基板１１にボンディングする。ハンダ１０の材料としては、ＡｕＳｎやＰｂＳｎなどを用いることができる。本実施形態の半導体発光素子ではＡｕＳｎを用いる。また、実装基板１１には放熱性の良い銅（Ｃｕ）基板やタングステン（Ｗ）基板、ＡｌＮ基板、静電破壊防止回路が形成されたＳｉ基板などを用いることができる。本実施形態の半導体発光素子ではＣｕ基板を用いている。
【０１０３】
本実施形態の半導体発光素子をＣＷ（Continuous Wave)動作させると、駆動電流が２０ｍＡである場合の光出力は３０ｍＷであり、外部量子効率は４５％であった。これは、前述の理論計算値に近い値であった。このように、上述の方法によりほぼ設計通りの性能を有する半導体発光素子を実現することができた。なお、設計値とのずれは、活性層における電子−正孔対の形成効率が１００％と見込んでいることや、製造工程中に活性層を露出させることにより発生する表面再結合のために内部量子効率が低下することや、表面プラズモンから放射された光が活性層で再吸収されることを考慮していないために生じたと考えられる。
【０１０４】
一方、表面プラズモンを用いず、本実施形態の半導体発光素子と同じ半導体多層膜を有する従来のＬＥＤの特性を測定したところ、駆動電流が２０ｍＡの場合の光出力は５ｍＷであり、外部量子効率は７％であった。従来のＬＥＤでの光取り出し効率を２０％と仮定すると、活性層の内部量子効率は３５％であり、活性層に多数の結晶欠陥が存在していると考えられる。なお、従来のＬＥＤにおける内部量子効率は、電子−正孔対から直接にフォトンが放射される場合の効率を意味している。このような結晶欠陥の多い活性層と同じ組成の活性層を備えていても、表面プラズモンを利用した本実施形態の半導体発光素子では高い外部量子効率を実現することができる。
【０１０５】
また、ＣＷ動作において駆動電流を１Ａまで増加させても、光出力は飽和せずに電流に比例して増加し、１．４Ｗの光出力を得ることができた。これは、本実施形態の半導体発光素子の放熱特性が良好であることを意味している。
【０１０６】
次に、実際に製造した本実施形態の半導体発光素子について、放射光の広がり角を評価したところ、±１度であった。このように、本実施形態の半導体発光素子によれば、従来のＬＥＤ（放射角±５０度）に比べ、光の放射角を著しく狭めることができた。
【０１０７】
また、本願発明者は、従来のＬＥＤおよび本実施形態の半導体発光素子の高速動作特性を調べた。すると、駆動電流が２０ｍＡの条件での遮断周波数は従来のＬＥＤでは１００ＭＨｚであったが、本実施形態の半導体発光素子では３００Ｈｚであった。このように、本実施形態の半導体発光素子は、従来のＬＥＤに比べて高速動作特性が向上していることが確認された。
【０１０８】
以上のように、本実施形態の構造によって、外部量子効率が高く、放射光の指向性が良好な半導体発光素子を実現することができる。
【０１０９】
なお、本実施形態では透明基板１としてサファイア基板を用いているが、発光波長に対して透明な材料からなる基板であれば透明基板１として用いることができる。例えば透明基板１として、ＡｌＧａＮ基板、サファイア基板／ＡｌＧａＮテンプレート基板、ＺｎＯ基板などを用いてもよい。
【０１１０】
また、本実施形態の半導体発光素子では、半導体多層膜の少なくとも上部が柱状に形成されているが、半導体多層膜の活性層３を含む部分が凹凸を形成していれば、当該凹凸を埋めるプラズモン発生層８と活性層３との距離を短くし、電子−正孔対から表面プラズモンへのエネルギー移動の速度を大きくすることができる。この半導体多層膜の凹凸は、必ずしも２次元周期構造を有している必要はなく、例えば１次元の周期構造であってもよい。
【０１１１】
また、本実施形態の半導体発光素子では、活性層３とプラズモン発生層８との間に絶縁層６が設けられているが、絶縁層６を設けずに活性層３とプラズモン発生層８との間に空間を設けてもよい。この場合には、プラズモン発生層８の絶縁層６に対向する面に表面プラズモンが励起される。
【０１１２】
なお、本実施形態では、半導体発光素子がＬＥＤである例について説明したが、半導体発光素子がレーザーである場合にも、活性層を含む半導体多層膜に凹凸を形成し、絶縁層を挟んで凹凸を埋めるプラズモン発生層を設けることにより、外部量子効率の向上を図ることができる。
【０１１３】
（第２の実施形態）
図１０（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子を示す斜視図であり、（ｂ）は、この半導体発光素子のｎ電極９を通る断面を示す図である。また、図１０（ｃ）は、プラズモン発生層８および絶縁層６を除いた場合の本実施形態に係る半導体発光素子を示す斜視図である。
【０１１４】
本実施形態に係る半導体発光素子が第１の実施形態に係る半導体発光素子と異なる点は、半導体多層膜に少なくとも活性層３を貫通する孔が２次元周期で形成されていることである。孔の直径は１５０ｎｍであり、孔は例えば周期が３２５ｎｍの正方格子状に形成されている。
【０１１５】
また、本実施形態の半導体発光素子では膜厚が２０ｎｍのＳｉＯ2からなる絶縁層６がｐ電極７の側面も含めて上記孔の内面を被覆している点も、第１の実施形態の半導体発光素子とは異なる。第１の実施形態の半導体発光素子では各柱状体の上に形成されたｐ電極７同士が互いに孤立しているが、本実施形態の半導体発光素子では半導体多層膜上にｐ電極７が一体となって形成されている。そのため、本実施形態の半導体発光素子では図１０（ｂ）に示すように絶縁層６がｐ電極７の上面及び側面を覆っていても、ｐ電極７の一部のみをプラズモン発生層８と接触させておけば半導体多層膜の全面に正孔を注入することができる。なお、その他の部材については第１の半導体発光素子と同じであるので説明を省略する。
【０１１６】
図１１（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す断面図である。本実施形態の製造方法は、基本的には第１の実施形態の製造方法と同様であるので、要点のみを説明する。
【０１１７】
まず、図１１（ａ）に示すように、図９（ａ）〜（ｃ）に示す第１の実施形態の製造方法と同様の手順により、透明基板１の上にｎ型コンタクト層２、活性層３、オーバーフロー抑制層４、ｐ型コンタクト層５からなる半導体多層膜およびｐ電極７を形成する。次いで、ｐ電極７に直径１５０ｎｍの孔を多数形成した後、ｐ電極７をマスクとするエッチングにより半導体多層膜に孔を形成し、活性層３の側面を露出させる。
【０１１８】
次に、図１１（ｂ）に示すように、上記孔の内面とｐ電極７の上面を覆う絶縁層６を形成する。このような微細な構造の表面を覆うためには、ＣＶＤ法により絶縁層６を堆積することが望ましい。この方法を用いることによって、絶縁性の高い膜を形成することが可能となる。絶縁層６の材料としては、ＳｉＯ2などの絶縁性の酸化物の他にＳｉＮなどの絶縁性の窒化物を用いてもよい。
【０１１９】
次いで、絶縁層６のうち正孔を注入するための領域に形成された部分を除去し、ｐ電極７の一部を露出させる。続いて、図９（ｅ）に示す工程と同様の手順により、絶縁層６およびｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層２の一部を除去し、ｎ型コンタクト層２の一部を露出させる。次いで、ｎ型コンタクト層２の露出部分上にｎ電極９を形成する。その後、半導体多層膜に形成され、絶縁層６で覆われた孔を埋めるプラズモン発生層８を形成する。プラズモン発生層８が絶縁層６の露出部においてｐ電極７と接続することにより、プラズモン発生層８からｐ電極７を経由して半導体多層膜の全面に正孔を注入することができる。
【０１２０】
次に、図１１（ｄ）に示すように、第１の実施形態の図９（ｇ）に示す工程と同様に、透明基板１をチップ状に個片化し、個片化されたチップのプラズモン発生層８側を実装基板１１にボンディングする。以上のようにして本実施形態の半導体発光素子が作製される。
【０１２１】
本実施形態の半導体発光素子においても、第１の実施形態の半導体発光素子と同様に外部量子効率が大幅に向上し、且つ光の放射角が従来のＬＥＤより大幅に狭くなっている。
【０１２２】
（第３の実施形態）
図１２は、本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子を示す断面図である。
【０１２３】
第１および第２の実施形態に係る半導体発光素子では、いずれも半導体多層膜に形成された微細な凹凸を埋め込むように連続体のプラズモン発生層８が設けられていた。これに対し、図１２に示すように、本実施形態の半導体発光素子では半導体多層膜に活性層３を貫通する直径１５０ｎｍ程度の孔が形成され、その孔の内部にＡｌまたはＡｇ、Ａｕなどからなる微小球１２が複数個埋め込まれている。本実施形態の半導体発光素子では、放射光のピーク波長が３８０ｎｍの紫外領域にあるため、微小球１２の材料としてはＡｌが好ましく用いられる。
【０１２４】
また、絶縁層６およびｐ電極７の上に設けられた金属層１８は、微小球１２の間や、凹凸と微小球１２との間を埋めている。金属層１８の構成材料はプラズモンを発生させる材料に限られず、ｐ電極７に正孔を供給するために金属であればよい。ただし、微小球１２と金属層１８とは異なる金属材料で構成する必要がある。
【０１２５】
本実施形態の半導体発光素子の動作時においては、微小球１２に局在プラズモンが発生する。そのため、この局在プラズモンから放射されるフォトンを利用することができる。従って、第１および第２の実施形態に係る半導体発光素子と同様に、本実施形態の半導体発光素子は、高い外部量子効率を示し、放射光の広がり角を従来の半導体発光素子よりも大幅に狭くすることができる。
【０１２６】
なお、微小球１２は、ＡｌやＡｇ、Ａｕなどの単一材料で構成されていてもよいし、内部と外部で異なる金属層を有するなど、複数の金属層で構成されていてもよい。あるいは、微小球１２の内部に空洞が形成されていてもよく、微小球１２の内部に絶縁体が設けられていてもよい。
【０１２７】
微小球１２の内部に空洞が形成されている場合、微小球１２の外表面と内表面の両方に異なるモードの表面プラズモンを発生させることができる。また、微小球１２の内部と外部を互いに異なる材料で構成した場合にも、微小球１２の外表面および内部層と外部層との界面の両面に表面プラズモンを発生させることができる。この場合、外部層の膜厚を調節することで内部量子効率や光取り出し効率を適宜調節することができる。
【０１２８】
このように、本実施形態の半導体発光素子においては、微小球１２の構造を設計する自由度が大きいため、外部量子効率を向上させ、放射光の広がり角を狭くすることが可能となる。
【０１２９】
なお、この微小球１２は球状に限らず、楕円球状や棒状などであってもよい。
【０１３０】
次に、本実施形態の半導体発光素子の製造方法を簡単に説明する。微小球１２の作製方法の例としては、Physical Review letters, volume93,p077402(2004)、微小球の配置方法の例としては、Current Opinion in Colloid & Interface Science, volume 7, p204 (2002)などが挙げられる。
に記載された微小球の配置方法を利用するものである。
【０１３１】
図１３は、第３の実施形態に係る半導体発光素子の製造工程のうち、凹凸が形成された半導体多層膜上に微小球１２を配置する工程を示す図である。
【０１３２】
まず、図１１（ａ）〜（ｃ）に示す工程と同じ工程によって、ｐ電極７および半導体多層膜に多数の孔が形成された状態の半導体発光素子を作製する。半導体発光素子には絶縁層６およびｎ電極９を形成しておく。
【０１３３】
次に、図１３に示すように、Ａｌなどからなる微小球１２を分散させた水または有機溶媒などである分散液１３中に半導体発光素子を浸し、半導体多層膜に形成された孔内に微小球１２を配置させる。
【０１３４】
その後、分散液１３から半導体発光素子を取り出し、スパッタ法などにより絶縁層６上に金属層１８を形成する。以上のようにして本実施形態の半導体発光素子は作製される。
【０１３５】
なお、半導体多層膜が複数の柱状体を形成する場合であっても、柱状体同士の間に微小球１２を配置させることによって局在プラズモンを発生させることができる。
【０１３６】
（第４の実施形態）
図１４（ａ）は、本発明の第４の実施形態に係る半導体発光素子を示す斜視図であり、（ｂ）は、この半導体発光素子のｎ電極９を通る断面を示す図である。
【０１３７】
本実施形態の半導体発光素子は、プラズモン発生層が第１のプラズモン発生層８ａと第２のプラズモン発生層８ｂの２つの層で構成されていることを特徴としている。それ以外の構成は第１の実施形態に係る半導体発光素子と同じである。第１のプラズモン発生層８ａと第２のプラズモン発生層８ｂとは、それぞれＡｌ、Ａｇ、Ａｕのうちのいずれかであり、且つ第１のプラズモン発生層８ａと第２のプラズモン発生層８ｂとは異なる金属で構成されている。
【０１３８】
本実施形態の半導体発光素子においては、第１のプラズモン発生層８ａと絶縁層６との界面に表面プラズモンが発生するだけでなく、第１のプラズモン発生層８ａと第２のプラズモン発生層８ｂとの界面にも表面プラズモンが発生する。この構成によれば、それぞれの界面に異なるモードの表面プラズモンを発生させることができる。従って、柱状体の周期を適宜調節することにより外部量子効率を向上させることができる上、第１のプラズモン発生層８ａの膜厚を調節することによっても外部量子効率を向上させることができる。このように、本実施形態の半導体発光素子では、設計の自由度が大きくなっている。また、第１のプラズモン発生層８ａと第２のプラズモン発生層８ｂとでは効果的に表面プラズモンを発生させるための光の波長が異なるので、広い波長範囲で表面プラズモンを発生させることができる。
【０１３９】
なお、第２のプラズモン発生層８ｂと活性層３との距離が１００ｎｍ以下となるように、絶縁層６と第１のプラズモン発生層８ａとの膜厚の和は１００ｎｍ以下であることが好ましい。
【０１４０】
また、本実施形態の半導体発光素子は、第１の実施形態の製造方法を応用することで容易に製造することができる。
【０１４１】
（第５の実施形態）
図１５は、本発明の第５の実施形態に係る半導体発光素子を示す断面図である。本実施形態の半導体発光素子は、青色光を放射するＬＥＤである。なお、図１５に示す半導体発光素子は、図１などに示す半導体発光素子とは上下逆に示されている。
【０１４２】
すなわち、本実施形態の半導体発光素子は、直径２００ｎｍの孔が多数形成された半導体多層膜と、半導体多層膜の第１の主面（図１５では下面）上に形成されたｐ電極７と、半導体多層膜の側面および第１の主面、ｐ電極７の下面をそれぞれ覆う絶縁層６と、絶縁層６の下面に設けられ、半導体多層膜の孔を埋めるプラズモン発生層８と、半導体多層膜の第２の主面（図１５では上面）上に形成されたｎ電極９と、実装基板１１と、実装基板１１とプラズモン発生層８とを接着するハンダ１０とを備えている。
【０１４３】
半導体多層膜は、膜厚が２μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層２と、ｎ型コンタクト層２の第１の主面（図１５では下面）上に形成され、ＩｎＧａＮからなり、全体の膜厚が８０ｎｍの多重量子井戸を有する活性層３と、活性層３の第１の主面上に形成された膜厚が５０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮからなるオーバーフロー抑制層４と、オーバーフロー抑制層４の第１の主面上に形成された膜厚が１５０ｎｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層５とを有している。ｐ電極はＮｉ層、Ｐｔ層、Ａｕ層からなっており、膜厚が８０ｎｍである。ｎ電極９は、Ｔｉ層、Ａｌ層、Ａｕ層からなっており、膜厚が３００ｎｍである。
【０１４４】
本実施形態の半導体発光素子では、半導体多層膜に形成された孔は少なくとも活性層３を貫通しており、平面的に見て２次元周期で配置されている。図１５に示す例では、この孔は周期が４００ｎｍの正方格子状に形成されている。この孔の内面とｐ電極７の下面および側面にはＳｉＯ2などからなる膜厚が３０ｎｍの絶縁層６が形成されている。ただし、ｐ電極７の下面の一部では絶縁層６が形成されておらず、ｐ電極７とプラズモン発生層８とはその一部が接触している。
【０１４５】
本実施形態の半導体発光素子において、活性層３のＰＬピーク波長は４６０ｎｍであり、光はｎ型コンタクト層２の第２の主面側（ｎ電極が形成された側）から放射される。また、プラズモン発生層８の材料は、活性層３のＰＬピーク波長において誘電率が負となる金属で構成されている。本実施形態ではプラズモン発生層８の材料としてＡｇが用いられている。
【０１４６】
本実施形態の半導体発光素子が第２の実施形態の半導体発光素子と大きく異なっているのは、半導体多層膜の結晶成長に用いられた透明基板が除去されている点である。この構成によれば、製造時に用いる基板が透明でなくてもよくなるので、より容易に半導体多層膜の結晶成長をさせることが可能となる。また、ｎ型コンタクト層２の第２の主面（活性層３が形成された主面と対向する面）上にｎ電極９が形成されることにより、チップ面積を小さくすることができる上、第１の主面上にｎ電極９を形成する場合に比べて活性層３全体に電子を拡散させやすくなっている。
【０１４７】
本実施形態の半導体発光素子の製造方法を以下に説明する。
【０１４８】
図１６（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第５の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す断面図である。
【０１４９】
まず、図１６（ａ）に示すように、第２の実施形態の図１１（ａ）〜（ｂ）に示す工程と同様の工程により、基板１４上に半導体多層膜、ｐ電極７を形成した後、半導体多層膜に２次元周期で配置された孔を形成して活性層３の側面を露出させる。次に、孔の内面およびｐ電極７の側面および上面を覆う絶縁層６を形成する。その後、孔を埋めるようにプラズモン発生層８を形成する。なお、半導体多層膜の結晶成長に用いる基板１４は後の工程で除去するため、発光波長に対して透明である必要はない。従って、基板１４として可視域で透明でないＳｉや、紫外に対して透明でないＳｉＣなどを用いてもよい。もちろん、サファイア基板やサファイア基板上のＡｌＮテンプレート基板のように、紫外〜可視域の波長に対して透明である基板を用いてもよい。本実施形態では、大口径化により低コスト化が期待できるＳｉ基板を基板１４として用いている。
【０１５０】
次に、図１６（ｂ）に示すように、第１の実施形態と同様のハンダ１０を用い、半導体多層膜が形成されたウェハ状の基板１４をウェハ状の実装基板１１上にボンディングする。この際には、実装基板１１の主面とプラズモン発生層８とが対向するように接着させる。本実施形態の製造方法では、第１の実施形態の製造方法と異なり、ウェハ単位でボンディングしている。このように、ウェハ単位でボンディング工程を行うことにより、実装コストを低減することができる。その後、半導体発光素子から基板１４を除去する。基板１４の除去には、Ｓｉ基板の場合はウェットエッチング、ＳｉＣ基板の場合にはドライエッチング、サファイア基板の場合にはレーザリフトオフを用いることができる。本実施形態では、ＨＦ／ＨＮＯ3によりＳｉ基板である基板１４をウェットエッチングにより除去している。
【０１５１】
次に、図１６（ｃ）に示すように、基板１４が除去されたｎ型コンタクト層２の裏面にｎ電極９を形成する。図示しないが、この後、ダイシングなどによりウェハ状の基板１４よび実装基板１１を分割することで、本実施形態の半導体発光素子のチップが完成する。
【０１５２】
本実施形態の半導体発光素子をＣＷ動作させると、駆動電流が２０ｍＡの時の光出力は２５ｍＷであり、外部量子効率は４５％であった。一方、表面プラズモンを用いない従来のＬＥＤを本実施形態の半導体発光素子と同じ半導体多層膜が形成されたウェハを用いて作製した場合、駆動電流が２０ｍＡの時の光出力は４ｍＷであり、外部量子効率は８％であった。従来のＬＥＤでの光取り出し効率を２０％と仮定すると、用いたウェハの活性層の内部量子効率は４０％と見積もることができる。ＧａＮ系半導体と格子定数が大きく異なるＳｉ基板を用いたために、活性層に多数の結晶欠陥が存在していると考えられる。そのような結晶欠陥の多い活性層の半導体ウェハを用いても、表面プラズモンによって高い外部量子効率を実現することができた。
【０１５３】
なお、上記の実施形態ではいずれも半導体多層膜の周期構造の配置は２次元正方格子であるが、２次元三角格子やその他の格子系であっても、同様に表面プラズモン・局在プラズモンの効果により高い発光効率を実現することができる。正方格子の場合、半導体発光素子より放射される光のビーム形状はその対称性より円形であるが、その他の格子系では対称性に応じてビーム形状を制御することができる。
【０１５４】
半導体多層膜に形成された孔は２次元周期でなく、１次元周期で形成されていてもよい。１次元周期で孔が形成される場合、２次元周期で孔が形成される場合よりも発光効率が低下するが、１次元周期の方向に狭放射の楕円ビーム形状が実現するなどの特徴ある動作を実現することができる。
【０１５５】
また、これまでに説明した各実施例形態の半導体発光装置では、いずれも発光波長が紫外または青色であるＡｌＧａＩｎＮを用いた場合を特に記載しているが、活性層を構成する半導体としてＡｌＧａＡｓやＡｌＧａＩｎＰなどを用いた赤外や赤色光を出力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。
【産業上の利用可能性】
【０１５６】
本発明の半導体発光素子は、各種電気機器の光源として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１５７】
【図１】（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子を示す斜視図であり、（ｂ）は、第１の実施形態に係る半導体発光素子のｎ電極を通る断面を示す図であり、（ｃ）は、プラズモン発生層と絶縁層を除いた場合の第１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】（ａ）は、第１の実施形態に係る半導体発光素子における表面プラズモンの振動数ωと水平方向の波数ｋ//との分散関係を示すグラフであり、（ｂ）は、表面プラズモンの振動数ωと状態密度との関係を示すグラフである。
【図３】半導体発光素子において、振動数ωと電子−正孔対から表面プラズモンへの変換効率ηe-sとの関係を計算した結果を示すグラフである。
【図４】半導体発光素子において、プラズモン発生層と絶縁層との界面が平坦と近似した場合のτlossを計算した結果を示すグラフである。
【図５】半導体発光素子において、内部量子効率が３０％の活性層を用いた場合のηs-pを計算した結果を示すグラフである。
【図６】（ａ）、（ｂ）は、半導体発光素子において、表面プラズモンのバンド構造の理論計算結果を示す図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）は、半導体発光素子において、表面プラズモンに起因するフォトンの放射をシミュレーションした結果を示す図であり、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれΓ４とΓ２のモードにおける表面プラズモンの金属／誘電体界面での電界分布を示す図である。
【図８】半導体発光素子における表面プラズモンの状態密度の理論計算結果を示すグラフである。
【図９】（ａ）〜（ｇ）は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す断面図である。
【図１０】（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子を示す斜視図であり、（ｂ）は、この半導体発光素子のｎ電極を通る断面を示す図であり、（ｃ）は、プラズモン発生層および絶縁層６を除いた場合の第２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１１】（ａ）〜（ｄ）は、第２の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す断面図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子を示す断面図である。
【図１３】第３の実施形態に係る半導体発光素子の製造工程のうち、凹凸が形成された半導体多層膜上に微小球を配置する工程を示す図である。
【図１４】（ａ）は、本発明の第４の実施形態に係る半導体発光素子を示す斜視図であり、（ｂ）は、この半導体発光素子のｎ電極を通る断面を示す図である。
【図１５】本発明の第５の実施形態に係る半導体発光素子を示す断面図である。
【図１６】（ａ）〜（ｃ）は、第５の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す断面図である。
【図１７】（ａ）は、表面プラズモンを説明するための図であり、（ｂ）は、表面プラズモンを説明するためのグラフである。
【図１８】表面プラズモンを用いた従来のＬＥＤの模式図である。
【符号の説明】
【０１５８】
１      透明基板
２      ｎ型コンタクト層
３      活性層
４      オーバーフロー抑制層
５      ｐ型コンタクト層
６      絶縁層
７      ｐ電極
８      プラズモン発生層
８ａ    第１のプラズモン発生層
８ｂ    第２のプラズモン発生層
９      ｎ電極
１０      ハンダ
１１      実装基板
１２      微小球
１３      分散液
１４      基板
１８      金属層
【図１】
2007214260.tif 000008
【図２】
2007214260.tif 000009
【図３】
2007214260.tif 000010
【図４】
2007214260.tif 000011
【図５】
2007214260.tif 000012
【図６】
2007214260.tif 000013
【図８】
2007214260.tif 000014
【図９】
2007214260.tif 000015
【図１０】
2007214260.tif 000016
【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１８】
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【図７】
2007214260.tif 000024
【図１７】
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