(57)【要約】【課題】半導体多層膜を有する半導体発光素子に関して、電気的特性を悪くすることなく、光の取り出し効率を向上させるための半導体多層膜表面の構造、ならびにその製造方法を得ること。【解決手段】半導体多層膜を積層して形成される半導体発光素子において、光が出射される半導体多層膜の表面に２種類の微細凹凸構造をもうけ、第１の凹凸構造と第２の凹凸構造の凹凸の大きさ、配置を変えることにより、半導体発光素子の電気抵抗をあげることなく、光の取り出し効率を増加させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にドット状発光層を含む半導体多層膜を積層して形成される半導体発光素子において、
光が出射される半導体多層膜の表面に２種類の微細凹凸構造をもうけることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記基板上にドット状発光層を含む半導体多層膜を積層して形成される半導体発光素子は、
基板、第１導電クラッド層、第２導電クラッド層、第１導電クラッド層と第２導電クラッド層との間に形成された少なくとも１つのドット状発光層を含み、該ドット状発光層は上側障壁層、下側障壁層およびキャリアトラップ層を有し、該キャリアトラップ層は該上側障壁層と該下側障壁層との間に位置し、該キャリアトラップ層は複数の谷形状構造を画定するための複数の山形構造を有し、該キャリアトラップ層はインジウム含有窒化物構造であり、該キャリアトラップ層のエネルギーバンドギャップが、該上側障壁層および該下側障壁層のものよりも小さいものを含んでおり、
さらに第２導電クラッド層上に形成されたコンタクト層を有することを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記２種類の微細凹凸構造は、微細凹凸の底辺の幅が略３００〜１５００ｎｍの大きさの凹部または凸部からなる第１の凹凸構造と、
微細凹凸の底辺の幅が略１〜１００ｎｍの大きさの凹部または凸部からなる第２の凹凸構造からなる請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記第１の凹凸構造は、略３００〜１５００ｎｍの間隔で規則的に配列をし、前記第２の凹凸構造は、第１の凹凸構造の凸部分もしくは凹部分もしくは凹部分凸部分の両方に略１〜１００ｎｍの間隔でランダムに形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記光が出射される半導体多層膜の表面は、ｐ型窒化ガリウム系半導体層とｎ型窒化ガリウム系半導体層からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記光が出射される半導体多層膜の表面のうち、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の表面に前記第１の凹凸構造のみを形成し、また前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の表面に前記第１の凹凸構造と第２の凹凸構造を形成することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の表面に透光性の導電膜からなる電極が形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記透光性の導電膜は、酸化物系透光性導電膜であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
基板上にドット状発光層を含む半導体多層膜を積層し、該半導体多層膜構造の表面から光を取り出す半導体発光素子の製造方法において、
基板上に第１導電クラッド層、第２導電クラッド層、第１導電クラッド層と第２導電クラッド層との間に形成された少なくとも１つのドット状発光層を含み、該ドット状発光層は上側障壁層、下側障壁層およびキャリアトラップ層を有し、該キャリアトラップ層は該上側障壁層と該下側障壁層との間に位置し、該キャリアトラップ層は複数の谷形状構造を画定するための複数の山形構造を有し、該キャリアトラップ層はインジウム含有窒化物構造であり、該キャリアトラップ層のエネルギーバンドギャップが、該上側障壁層および該下側障壁層のものよりも小さいものを含んでおり、さらに第２導電クラッド層上に形成されたコンタクト層を形成する工程と、
該コンタクト層の表面に第１の間隔及び第１の形状をもった第１の凹凸構造を形成する工程と、
該コンタクト層の一部の範囲を除去し、該第1導電クラッド層を露出させる工程と、
該第１導電クラッド層の露出された部分に第２の間隔及び第２の形状をもった第２の凹凸構造を形成する工程と、
第１の凹凸構造が形成された該コンタクト層の表面に透光性の導電膜からなる電極を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記第１の凹凸構造は、フォトリソグラフィー技術を用いて形成したエッチングマスクを用いて形成することを特徴とする請求項９に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記第２の凹凸構造は、金属クラスタを用いて形成したエッチングマスクを用いて形成することを特徴とする請求項９または１０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、半導体多層膜を有する半導体発光素子に関して、特に光の取り出し効率を向上させるための半導体多層膜表面の構造、ならびにその製造方法を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、照明分野へのＬＥＤ（発光ダイオード）光源の使用が進み、特に白色光源に必要な青、緑色を実現できる窒化ガリウム系からなるＬＥＤについては、さらなる高輝度化、高効率化の要求が高まっている。
【０００３】
高輝度化、高効率化の手段として、ＬＥＤ内部での発光量を増やす内部量子効率を高めることともに、ＬＥＤ内部で発光した光をＬＥＤを構成する半導体層の外へ取り出す割合、外部量子効率を高めることが重要である。
【０００４】
発光ダイオードの外部量子効率を高めるために、発光ダイオード素子の表面を疎面化する方法が知られている。例えば特許文献１（特許３８８１４７２公報）には、発光ダイオード素子表面の半導体層を塩酸により疎面化し、光の取り出し効率を向上させる方法が記載されている。また、特許文献２（特開２００５−２７７３７４公報）では、発光素子を形成する半導体層を結晶成長させる際に最表面層を凹凸に成長させることにより、素子表面の疎面化を行い、外部量子効率を向上させる構造が記載されている。
【０００５】
しかしながら、上記の文献などで記載されている技術は疎面の状態を安定して作りにくく、充分な外部量子効率が安定して得られにくい問題がある。
【０００６】
特許文献３（特開２００７−２８８１０６公報）では、安定した疎面の状態を得るため、インプリンティング（転写）技術を用いて、精密な疎面形状を安定して作製し、外部量子効率を向上させる方法が記載されている。
【０００７】
しかし、これらの方法はすべて素子の最表面を疎面化しているため、外部量子効率を向上させるためには複雑な疎面形状を作成しなければならず、その疎面をもった表面と接触する電極形成が非常に難しくなるといった課題が出てきている。例えば、電極の密着性が悪くなり、動作中に接触不良が発生することや、電極とのコンタクト抵抗が高くなり、実用的な製品では使用しにくいといった課題である。
【特許文献１】特許３８８１４７２公報
【特許文献２】特開２００５−２７７３７４公報
【特許文献３】特開２００７−２８８１０６公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は半導体多層膜を有する半導体発光素子に関して、半導体多層膜の表面に２種類の凹凸をもった形状を配置し、その形状、配置を制御して形成し、光取り出し面における全反射による光損失を可能な限り抑えることにより、光の取り出し効率を向上させるための半導体多層膜表面の構造、ならびに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】
【０００９】
上記の課題を解決するための本発明は、下記の通りである。
【００１０】
（１）基板上にドット状発光層を含む半導体多層膜を積層して形成される半導体発光素子において、光が出射される半導体多層膜の表面に２種類の微細凹凸構造をもうけることを特徴とする半導体発光素子。
【００１１】
（２）前記基板上にドット状発光層を含む半導体多層膜を積層して形成される半導体発光素子は、基板、第１導電クラッド層、第２導電クラッド層、第１導電クラッド層と第２導電クラッド層との間に形成された少なくとも１つのドット状発光層を含み、該ドット状発光層は上側障壁層、下側障壁層およびキャリアトラップ層を有し、該キャリアトラップ層は該上側障壁層と該下側障壁層との間に位置し、該キャリアトラップ層は複数の谷形状構造を画定するための複数の山形構造を有し、該キャリアトラップ層はインジウム含有窒化物構造であり、該キャリアトラップ層のエネルギーバンドギャップが、該上側障壁層および該下側障壁層のものよりも小さいものを含んでおり、さらに第２導電クラッド層上に形成されたコンタクト層を有することを特徴とする（１）記載の半導体発光素子。
【００１２】
本発明では、発光層にドット状発光層を用いることで、内部量子効率を高めることが可能となっているが、半導体層内部で光が散乱し、半導体層の外部に光が出にくくなっている。本発明の多層膜の表面に２種類の微細凹凸構造を形成することにより、散乱した光を効率よく外部に取り出せる。
【００１３】
（３）前記２種類の微細凹凸構造は、微細凹凸の底辺の幅が略３００〜１５００ｎｍの大きさの凹部または凸部からなる第１の凹凸構造と、微細凹凸の底辺の幅が略１〜１００ｎｍの大きさの凹部または凸部からなる第２の凹凸構造からなる（１）または（２）に記載の半導体発光素子。
【００１４】
（４）前記第１の凹凸構造は、略３００〜１５００ｎｍの間隔で規則的に配列をし、前記第２の凹凸構造は、第１の凹凸構造の凸部分もしくは凹部分もしくは凹部分凸部分の両方に略１〜１００ｎｍの間隔でランダムに形成されていることを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【００１５】
本発明で示した２種類の微細凹凸構造を用いることで、半導体層表面の光散乱状況に合わせた構造を選択することが可能となり、発光素子の電気特性を損なうことなく、外部量子効率を向上させることが可能となる。
【００１６】
（５）前記光が出射される半導体多層膜の表面は、ｐ型窒化ガリウム系半導体層とｎ型窒化ガリウム系半導体層からなることを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【００１７】
（６）前記光が出射される半導体多層膜の表面のうち、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の表面に前記第１の凹凸構造のみを形成し、また前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の表面に前記第１の凹凸構造と第２の凹凸構造を形成することを特徴とする（１）〜（５）のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【００１８】
（７）前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の表面に透光性の導電膜からなる電極が形成されていることを特徴とする（１）〜（６）のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【００１９】
（８）前記透光性の導電膜は、酸化物系透光性導電膜であることを特徴とする（１）〜（７）のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
【００２０】
特に本発明で有効な構造は、ｐ型半導体層の最表面に酸化物系透光性導電膜、ｎ型半導体層に金属電極を形成する構造のときである。酸化物系透光性導電膜は半導体層との密着、コンタクト抵抗の状態が不安定であり、半導体層表面の凹凸の状態を密にすると酸化物系透光性導電膜が安定して形成できない。そこで、酸化物系透光性導電膜と接触するｐ型半導体層の最表面には、安定した密着、コンタクト抵抗が形成できる第１の凹凸構造を形成し、それ以外のｎ型半導体層の表面には、光の取り出し効率が最も高くなる第２の凹凸構造を形成することで、発光素子の電気特性を損なうことなく、外部量子効率の高い発光素子を得られる構造となる。
【００２１】
（９）基板上にドット状発光層を含む半導体多層膜を積層し、該半導体多層膜構造の表面から光を取り出す半導体発光素子の製造方法において、基板上に第１導電クラッド層、第２導電クラッド層、第１導電クラッド層と第２導電クラッド層との間に形成された少なくとも１つのドット状発光層を含み、該ドット状発光層は上側障壁層、下側障壁層およびキャリアトラップ層を有し、該キャリアトラップ層は該上側障壁層と該下側障壁層との間に位置し、該キャリアトラップ層は複数の谷形状構造を画定するための複数の山形構造を有し、該キャリアトラップ層はインジウム含有窒化物構造であり、該キャリアトラップ層のエネルギーバンドギャップが、該上側障壁層および該下側障壁層のものよりも小さいものを含んでおり、さらに第２導電クラッド層上に形成されたコンタクト層を形成する工程と、該コンタクト層の表面に第１の間隔及び第１の形状をもった第１の凹凸構造を形成する工程と、該コンタクト層の一部の範囲を除去し、該第1導電クラッド層を露出させる工程と、該第１導電クラッド層の露出された部分に第２の間隔及び第２の形状をもった第２の凹凸構造を形成する工程と、第１の凹凸構造が形成された該コンタクト層の表面に透光性の導電膜からなる電極を形成する工程とを有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【００２２】
（１０）前記第１の凹凸構造は、フォトリソグラフィー技術を用いて形成したエッチングマスクを用いて形成することを特徴とする（９）に記載の半導体発光素子の製造方法。
【００２３】
（１１）前記第２の凹凸構造は、金属クラスタを用いて形成したエッチングマスクを用いて形成することを特徴とする（９）または（１０）に記載の半導体発光素子の製造方法。
【００２４】
本発明でしめした凹凸構造の形成方法を用いることで、特定の部分に形状、配置を制御した第１の凹凸構造を、またそれ以外の部分に光の取り出し構造を高くできる第２の凹凸構造を簡便に制御性よく作製できる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明により、発光素子の外部量子効率が向上し、半導体層に微細凹凸構造を設けない従来の半導体発光素子と比較して、発光の出力が２倍〜４倍に向上した半導体発光素子が得られる。また、微細凹凸構造を形成しても、半導体発光素子の電気特性は劣化せず、特に窒化ガリウム系半導体を半導体層に利用した際、閾値電圧（Ｖｆ）は、３Ｖ以下に抑えることが可能である。また、本発明の製造方法により、特定の部分に形状、配置を制御した第１の凹凸構造を、またそれ以外の部分に光の取り出し構造を高くできる第２の凹凸構造を簡便に制御性よく形成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施様態を図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１の実施様態に係る半導体発光素子の光出射面側からみた図であり、また図２は図１に示した発光素子の構造を説明する為のＡ−Ａ‘での断面図である。図3はその製造方法を説明する為の断面工程図である。本実施形態で製造される発光素子は、基板と反対の面に電極を設ける表面２電極型と呼ばれる構造を示している。
【００２７】
初めに、図３（Ａ）に示すように、サファイア基板１１上に７００℃以上の高温で形成された多孔質層１２、ｎ型ＧａＮ導電クラッド層１３、ＩｎＧａＮおよびＧａＮから構成される山型のキャリアトラップ層を上側障壁層と下側障壁層との間に持ったドット状層が複数からなるドット状発光層１４、ｐ型ＧａＮ導電クラッド層１５、ｐ型ＧａＮコンタクト層１６をＭＯＣＶＤ法で形成し、ドット状発光層を有する発光素子構造を得る。
【００２８】
次いで、図３（Ｂ）に示すように、ｐ型ＧａＮコンタクト層１６の上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフによりエッチングされる部分以外にフォトレジストが残るようにパターンニングされたフォトレジスト層１７を形成する。パターンニングされたフォトレジスト層１７は、光ピックアップおよび青色半導体レーザ光を用いてらせん状にドット状の露光ができる露光装置で露光を行うことにより、パターンの開口径４００ｎｍ、パターンピッチ１．２μｍのパターンがｐ型ＧａＮコンタクト層１６全面にわたり形成されている。
【００２９】
次に、フォトレジスト層１７をマスクにして、ｐ型ＧａＮコンタクト層１６をエッチングする。エッチングの深さは、１５００Å以内とする。エッチング終了後、フォトレジスト層１７を除去し、図３（Ｃ）に示すｐ型ＧａＮコンタクト層１６の表面全面にナノサイズにドットが加工された形状を得る。この形状が前述の第１の凹凸構造１６ａとなる。
【００３０】
次に、図３（Ｄ）に示すように、この第１の凹凸構造１６ａの表面のうち、後にｎ型ＧａＮ導電クラッド層１３を露出する部分にＮｉ層１８を２００Å蒸着形成する。Ｎｉ層１８の蒸着は、第１の凹凸構造１６の表面全面に形成したのち必要な部分を残して除去する方法や、必要な部分のみが開口しているメタルマスクを使って蒸着形成する方法などが使える。
【００３１】
その後、高温ランプ加熱炉で５００度、１０秒の加熱を行い、加熱後、急速に冷却すると第１の凹凸構造１６ａの上に形成されたＮｉ層１８は自己凝集し、ナノサイズの大きさを持った粒子状態のＮｉ粒子層１８ａに変化をする。これにより、図３（Ｅ）に示すように、Ｎｉ粒子層１８ａは、粒子径１〜１００ｎｍのサイズ、粒子間隔１〜１００ｎｍでランダムな形状をもった粒子層が形成できる。
【００３２】
次に、図３（Ｅ）の構造をもつ表面全面にフォトレジストを塗布し、一般的なフォトリソグラフィー法を用いて、ｎ型ＧａＮ導電クラッド層１３を露出させる部分のフォトレジストを除去する（図示せず）。このフォトレジストを用いたマスクと、前述のＮｉ粒子層１８をエッチングマスクとして、ｐ型ＧａＮコンタクト層１６、ｐ型ＧａＮ導電クラッド層１５、ドット状発光層１４およびｎ型ＧａＮ導電クラッド層１３の途中までをエッチング除去する。エッチングは塩素系ガスを含む反応性ガスを用いたプラズマエッチングを用いることで制御性の高いエッチングができる。
【００３３】
その後、エッチングマスクであるフォトレジストを除去することで、図３（Ｆ）に示す形状を形成することができる。ここで、エッチングマスクであったＮｉ粒子層１８ａは、塩素系ガスを用いたドライエッチングの際に、途中でＮｉ粒子もエッチングされ、エッチング終了時には、Ｎｉ粒子層１８は残らなくなる。
【００３４】
このとき、露出したｎ型ＧａＮ導電クラッド層１３の表面１３ａは、ｐ型コンタクト層１６の表面に形成された第１の凹凸構造１６ａが転写されて同じ形状の第１の凹凸構造が形成されるとともに、ランダムな大きさ、間隔をもったＮｉ粒子層をマスクとする第２の凹凸構造が第１の凹凸構造の間に形成される。
【００３５】
最後に、第１の凹凸構造１６ａが形成されたｐ型ＧａＮコンタクト層１６上にＩＴＯなどの透光性導電電極１９および外部ワイヤを接続するための金パッド電極２０、第１の凹凸構造、第２の凹凸構造が形成されたｎ型ＧａＮ導電クラッド層１３ａの表面の一部に外部ワイヤを接続するための金パッド電極２１を形成することにより、ＰＮ接合をもった半導体発光素子が完成する。（図２）
以上、本発明の第１実施形態によれば、ｐ型ＧａＮコンタクト層上に第１の凹凸構造を、露出したｎ型ＧａＮ導電クラッド層上に第１の凹凸構造、第２の凹凸構造を作ることにより、半導体発光素子の電気特性を劣化させることなく、輝度を向上させることができる。
【００３６】
図４に本発明を実施した半導体発光素子の表面のＳＥＭ写真を示す。図４（Ａ）は、凹凸構造が規則正しく形成された第１の凹凸構造を、図４（Ｂ）は、規則正しく配置された凹凸構造の間に、より小さな凹凸構造をランダムに形成した第２の凹凸構造を示している。
【００３７】
従来技術では、例えば図５に示すように、半導体発光素子内の発光層で発生した光を有効に取り出すために、光が出射するｐ型コンタクト層の表面、および露出したｎ型導電クラッド層の表面に凹凸構造を作成している。
【００３８】
光の取り出し効率を増加させるためには、凹凸構造の大きさは数ｎｍ〜数１０ｎｍの大きさであることがよいことが実験でわかっている。しかしながら、ｐ型コンタクト層の凹凸構造がｎｍ単位の微細になると、その上に形成した透光性導電電極との接触抵抗が高くなり、実用的に使用できる動作電圧が３．５Ｖ以上になることがわかった。また特に第１の実施例で示したようなコンタクト層にＧａＮを使用したｐ型ＧａＮコンタクト層はその影響が顕著であった。
【００３９】
本発明では、透光性導電電極との接触抵抗が高くなるｐ型コンタクト層の表面は数１００ｎｍ〜数μｍの凹凸構造を規則正しく配列することにより、接触抵抗を上昇させずに光取り出し効率が上げることができるようになり、また、ｎ型ＧａＮ導電クラッド層と金パッド電極は元来接触抵抗が低くできることから、ｎ型ＧａＮ導電クラッド層の表面は、光の取り出し効率が最大にできる数ｎｍ〜数１０ｎｍの凹凸構造をランダムに形成することで、従来の構造に問題となった接触抵抗と光取り出し効率のバランスを最適にすることが可能となる。
【００４０】
また、規則的に凹凸構造を配列した第１の凹凸構造とランダムに配列した第２の凹凸構造を組み合わせることにより、半導体発光素子から放出される光の方向を一方向に狭める効果も達成できる。
【００４１】
さらに、光ピックアップおよび青色半導体レーザ光を用いる露光技術と、Ｎｉなど自己凝集しやすい金属材料をマスクにする技術を組み合わせることにより、任意の場所に第１、第２の凹凸構造のどちらでも、安定的に作製でき、量産性が高い技術を実現するものである。
【００４２】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。第１の実施例に記載した基板の種類、各層を構成する元素組成、透光性導電電極の種類、自己凝集する金属の種類などは、好適な種類を選択することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、近年開発が盛んになってきている白色ＬＥＤ照明に用いる青〜近紫外ＬＥＤチップの輝度向上に応えていくものであり、低消費電力、省コスト、環境に負荷を与えない照明の実現に必要なものと考える。従って、広く社会全般に対して大きな有益性をもたらすものである。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１の実施様態に係る半導体発光素子の光出射面側からみた図。
【図２】図１に示した発光素子の構造を説明する為のＡ−Ａ‘での断面図。
【図３】本発明の第１の実施様態に係る半導体発光素子の製造方法を説明する為の断面工程図。
【図４】本発明を実施した半導体発光素子の表面のＳＥＭ写真。
【図５】従来の技術を用いた半導体発光素子の断面図。
【符号の説明】
【００４５】
１・・・基板、２・・・バッファ層、３・・・ｎ型クラッド層、４・・・発光層、５・・・ｐ型クラッド層、６・・・ｐ型コンタクト層、７・・・透光性導電電極、８・・・パッド電極、１１・・・サファイア基板、１２・・・多孔質層、１３・・・ｎ型ＧａＮ導電クラッド層、１４・・・ドット状発光層、１５・・・ｐ型ＧａＮ導電クラッド層、１６・・・ｐ型ＧａＮコンタクト層、１６ａ・・・第１の凹凸構造、１７・・・フォトレジスト層、１８・・・Ｎｉ層、１８ａ・・・Ｎｉ粒子層、１９・・・透光性導電電極、２０、２１・・・金パッド電極
【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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