JP5997373B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Description
本発明は、窒化物半導体発光素子に関する。
窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（ＩＩＩ族窒化物半導体）は、赤外領域から紫外領域の波長を有する光のエネルギーに相当するバンドギャップエネルギーを有する。よって、ＩＩＩ族窒化物半導体は、赤外領域から紫外領域の波長を有する光を発する発光素子の材料、又は、その領域の波長を有する光を受ける受光素子の材料等として有用である。
発光波長が４２０ｎｍ付近の青色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）では、好適には、発光層にＩｎＧａＮを用い、ダブルへテロ構造となるｎ型半導体層、ｐ型半導体層、キャップ層又は下地層等にＧａＮを用いる。紫外領域の発光波長を有するＬＥＤでは、好適には、発光層にＧａＮ又はＡｌＧａＮを用いる（例えば特開２００７−１５１８０７号公報（特許文献１））。発光層等を形成する基板には、通常、サファイヤ基板が用いられる。結晶成長中の転位の伝播を減少させるために、表面に凹凸形状を有するサファイヤ基板（ＰＳＳ基板（Patternd Sapphire Substrate））を用いることがある（例えば国際公開第２０１２／０９０８１８号（特許文献２））。
ＧａＮは、波長が約３６４ｎｍの光のエネルギーに相当するバンドギャップエネルギーを有する。そのため、ＧａＮを用いて例えば発光波長が３６５ｎｍ（紫外領域）のＬＥＤを製造すると、そのＬＥＤの発する光がＧａＮ層に吸収されるので、発光効率の高いＬＥＤを提供できない。そのため、発光層以外の層にＡｌＧａＮを用いることが多い。
しかし、ＡｌＧａＮでは、３次元成長モードが支配的である。そのため、凹凸形状が形成された基板の面にＡｌＧａＮを成長させると、凹凸形状の凸部の上においてＡｌＧａＮが異常成長することがある。ＡｌＧａＮが異常成長した部分の上では、結晶品質に優れない膜の形成が伝播することがある。また、上面が平坦なＡｌＧａＮ層を形成することは難しい。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光の取り出し効率に優れた窒化物半導体発光素子の提供である。
本発明の窒化物半導体発光素子では、凹凸形状を上面に有する基板と、下地層と、少なくとも発光層を有する窒化物半導体積層構造とが順に設けられている。凹凸形状に含まれる凸部の上方で且つ下地層の内部には、空洞部分が設けられている。好ましくは、空洞部分と基板との間には下地層の一部が設けられている。
本発明の窒化物半導体発光素子では、下地層と、少なくとも発光層を有する窒化物半導体積層構造とが順に設けられていても良い。下地層は、窒化物半導体積層構造の上方で且つ上面に、凹凸部分を有する。下地層の内部には空洞部分が設けられている。好ましくは、空洞部分は、凹凸部分に含まれる凹部の直下に設けられている。
下地層は、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなることが好ましい。下地層は、第１のＡｌＧａＮ下地層と、第１のＡｌＧａＮ下地層の上に設けられた第２のＡｌＧａＮ下地層とを有することが好ましい。第２のＡｌＧａＮ下地層のＡｌ組成比は、第１のＡｌＧａＮ下地層のＡｌ組成比より大きいことが好ましい。空洞部分は、第１のＡｌＧａＮ下地層の内部に設けられていることが好ましい。下地層は、ＡｌＧａＮ下地層と、ＡｌＧａＮ下地層の上に設けられたＧａＮ下地層とを有しても良い。
空洞部分の長さは、窒化物半導体積層構造の水平方向において発光波長の１／４倍以上５倍以下であることが好ましく、窒化物半導体積層構造の厚さ方向において発光波長の１／４倍以上５倍以下であることが好ましい。
凸部は、基板の上面においてドット状に設けられていることが好ましい。凸部の高さは、５００ｎｍ以上２μｍ以下であることが好ましい。窒化物半導体積層構造の厚さ方向に延びる空洞部分の面は、基板を構成する材料のｃ軸方向に対して傾斜していることが好ましい。
本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、基板の上面に凹凸形状を形成する工程と、凹凸形状の上に、窒化物半導体からなる下地層を形成する工程と、下地層の上に、少なくとも発光層を有する窒化物半導体積層構造を形成する工程とを備える。下地層を形成する工程は、下地層の内部に空洞部分を形成する工程を有する。基板を除去する工程を更に備えていることが好ましい。
本発明に係る窒化物半導体発光素子は、光の取り出し効率に優れる。
以下、本発明に係る窒化物半導体発光素子及びその製造方法について図面を用いて説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分又は相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さ等の寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。
＜第１の実施形態＞
［窒化物半導体発光素子の構造］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の断面図である。本実施形態に係る窒化物半導体発光素子は、凹凸形状（凸部１ａと凹部１ｂとを含む）を上面に有する基板１と、基板１の上面に接するようにして設けられたバッファ層３と、バッファ層３の上面に接するようにして設けられ、空洞部分７を有する下地層５と、下地層５の上面に接するようにして設けられたｎ型窒化物半導体層９と、ｎ型窒化物半導体層９の上面に接するようにして設けられた発光層１１と、発光層１１の上面に接するようにして設けられたｐ型窒化物半導体層１３と、ｐ型窒化物半導体層１３の上面に接するようにして設けられた透明電極１５とを備える。ｎ型窒化物半導体層９と発光層１１とｐ型窒化物半導体層１３とで窒化物半導体積層構造を構成する。
［窒化物半導体発光素子の構造］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の断面図である。本実施形態に係る窒化物半導体発光素子は、凹凸形状（凸部１ａと凹部１ｂとを含む）を上面に有する基板１と、基板１の上面に接するようにして設けられたバッファ層３と、バッファ層３の上面に接するようにして設けられ、空洞部分７を有する下地層５と、下地層５の上面に接するようにして設けられたｎ型窒化物半導体層９と、ｎ型窒化物半導体層９の上面に接するようにして設けられた発光層１１と、発光層１１の上面に接するようにして設けられたｐ型窒化物半導体層１３と、ｐ型窒化物半導体層１３の上面に接するようにして設けられた透明電極１５とを備える。ｎ型窒化物半導体層９と発光層１１とｐ型窒化物半導体層１３とで窒化物半導体積層構造を構成する。
本実施形態に係る窒化物半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体層９の露出面に接するようにして設けられたｎ側電極１７と、透明電極１５の上面に接するようにして設けられたｐ側電極１９とを備える。「上面」は、図１の上側に位置する面を意味するのであって、重力方向上側に位置する面を意味するものではない。
＜基板＞
基板１は、例えば、サファイヤ、Ｓｉ、ＳｉＣ又はスピネル等からなっても良いし、ＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物半導体からなっても良い。基板１は、発光波長に対して透明なサファイヤからなることが好ましい。「発光波長」は、発光層１１が発する光のピーク波長を意味する。
基板１は、例えば、サファイヤ、Ｓｉ、ＳｉＣ又はスピネル等からなっても良いし、ＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物半導体からなっても良い。基板１は、発光波長に対して透明なサファイヤからなることが好ましい。「発光波長」は、発光層１１が発する光のピーク波長を意味する。
基板１は、凹部１ｂと、凹部１ｂ同士の間に設けられた凸部１ａとを、上面（図１の上面）に有する。凸部１ａは、基板１の上面（凹凸形状が形成された基板１の面）において、ストライプ状に設けられていても良いが、ドット状に設けられていることが好ましい。凸部１ａが基板１の上面においてストライプ状に設けられていれば、凸部１ａの長手方向においては凸部１ａしか存在せず、凸部１ａの幅方向（凸部１ａの長手方向に対して垂直な方向）において凸部１ａと凹部１ｂとが交互に配置されるに過ぎない。しかし、凸部１ａが基板１の上面においてドット状に設けられていれば、基板１の上面では互いに直交する２方向のそれぞれにおいて凸部１ａと凹部１ｂとが交互に配置される。よって、凸部１ａが基板１の上面においてストライプ状に設けられている場合よりも、光の散乱効果が大きくなるので光の取り出し効率が更に高くなる。
凸部１ａの高さは、５００ｎｍ以上２μｍ以下であることが好ましい。凸部１ａの高さが５００ｎｍ以上であれば、所定の長さｙを有する空洞部分７が下地層５の内部に形成される。よって、光の取り出し効率を更に高めることができる（後述）。凸部１ａの高さが高いほど、空洞部分７の長さｙが長くなるので、光の取り出し効率がより一層、高くなる。より好ましくは、凸部１ａの高さは６００ｎｍ以上である。一方、凸部１ａの高さが２μｍ以下であれば、凹凸形状を基板１に形成したことに起因して窒化物半導体発光素子の厚さが厚くなり過ぎることを防止できる。
凸部１ａの外形は、円錐形状であることが好ましい。これにより、ファセット成長モードで下地層５を成長させたときに、転位の伝播を制御し易くなる。凸部１ａの間隔は、特に限定されない。なお、凸部１ａの外形は、転位の伝播を制御し易い形状であれば良い。凸部１ａの断面形状は、図１に示すように、丸みを帯びた先端又は丸みを帯びた斜面を有していても良い。
＜バッファ層＞
バッファ層３は、基板１を構成する材料とＩＩＩ族窒化物半導体との間の格子定数差を解消させるために設けられる。バッファ層３は、窒化物半導体からなり、Ａｌs1Ｇａt1Ｏu1Ｎ1-u1（０≦ｓ１≦１、０≦ｔ１≦１、０≦ｕ１≦１、ｓ１＋ｔ１＋ｕ１≠０）層であることが好ましく、ＡｌＮ層又はＡｌＯＮ層であることがより好ましい。バッファ層３の厚さは、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましく、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることがより好ましい。
バッファ層３は、基板１を構成する材料とＩＩＩ族窒化物半導体との間の格子定数差を解消させるために設けられる。バッファ層３は、窒化物半導体からなり、Ａｌs1Ｇａt1Ｏu1Ｎ1-u1（０≦ｓ１≦１、０≦ｔ１≦１、０≦ｕ１≦１、ｓ１＋ｔ１＋ｕ１≠０）層であることが好ましく、ＡｌＮ層又はＡｌＯＮ層であることがより好ましい。バッファ層３の厚さは、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましく、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることがより好ましい。
＜下地層＞
下地層５は、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなることが好ましい。「下地層５がＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなる」は、下地層がＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）層（単層）である場合と、下地層が、Ａｌ組成比及びＧａ組成比の少なくとも一方が互いに異なるＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）層の積層体である場合とを含む。
下地層５は、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなることが好ましい。「下地層５がＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなる」は、下地層がＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）層（単層）である場合と、下地層が、Ａｌ組成比及びＧａ組成比の少なくとも一方が互いに異なるＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）層の積層体である場合とを含む。
下地層５は、第１下地層５Ａと、第１下地層５Ａの上に設けられた第２下地層５Ｂとを有することが好ましい。第１下地層５Ａは、ファセット面５ｆ（図２（ｂ）参照）が形成されるファセット成長モードを主として成長されることが好ましい。第２下地層５Ｂは、横方向成長モードを主として成長されることが好ましい。
第１下地層５Ａは、ＡｌＧａＮ層であることが好ましい。これにより、発光波長が３８０ｎｍ以下であっても、当該光が第１下地層５Ａに吸収されることを防止できる。本明細書では、「ＡｌＧａＮ」は、「ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）」を意味する。
第２下地層５Ｂは、Ａｌ組成比が第１のＡｌＧａＮ下地層５ＡのＡｌ組成比よりも大きなＡｌＧａＮ層であっても良いし、ＧａＮ層であっても良い。しかし、発光波長が３８０ｎｍ以下である場合、第２下地層５ＢがＧａＮ層であれば、第２下地層５Ｂが光（発光層１１が発する光）を吸収してしまう。一方、第２下地層５ＢがＡｌＧａＮ層であれば、第２下地層５Ｂが光（発光層１１が発する光）を吸収することを防止できる。したがって、第２下地層５Ｂは、ＡｌＧａＮ層であることが好ましく、Ａｌ組成比が第１のＡｌＧａＮ下地層５ＡのＡｌ組成比よりも大きなＡｌＧａＮ層であることがさらに好ましい。
第２下地層５ＢがＧａＮ層である場合には、第２下地層５Ｂを横方向成長モードで容易に成長させることができる。成長温度を１０００℃以上とすれば、成長条件に制限されることなく第２下地層５Ｂを横方向成長モードで成長させることができる。
第２下地層５ＢがＡｌＧａＮ層である場合には、第２下地層５ＢがＧａＮ層である場合に比べて横方向成長モードでの第２下地層５Ｂの成長が困難となる。しかし、Ｍｇ等のサーファクタントを用いる、２００Ｔｏｒｒ以下の減圧下で成長させる、１１００℃以上の温度下で成長させる、又は、Ｎ2を主成分とするキャリアガスを用いる等により、第２下地層５Ｂを横方向成長モードで容易に成長させることができる。「Ｎ2を主成分とするキャリアガスを用いる」は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により第２下地層５Ｂを形成するときにＮ2を主成分とするキャリアガスを用いることを意味する。
＜空洞部分＞
空洞部分７は、基板１の凸部１ａの上方で且つ下地層５の内部に、設けられている。これにより、ＡｌＧａＮが基板１の凸部１ａの上において異常成長した場合であっても、その異常成長は、空洞部分７によって、当該空洞部分７よりも上方へ伝播し難くなる。また、転位が基板１の凹凸形状（凹部１ｂと凸部１ａとで形成される形状）の上で発生した場合であっても、その転位は、空洞部分７によって、当該空洞部分７よりも上方へ伝播し難くなる。これらのことから、下地層５の上に形成された層（例えば発光層１１）の結晶性を高く維持できる。さらに、空洞部分７の内部空間と空洞部分７を取り囲む部材（下地層５）との間の屈折率差が大きくなるので、空洞部分７に届いた光が散乱又は乱反射される。よって、光の取り出し効率を高めることができる。好ましくは、空洞部分７が第１下地層５Ａ（例えばＡｌＧａＮ層）の内部に設けられていることであり、より好ましくは、空洞部分７と基板１との間に下地層（例えば第１下地層５Ａ）の一部を有することである。
空洞部分７は、基板１の凸部１ａの上方で且つ下地層５の内部に、設けられている。これにより、ＡｌＧａＮが基板１の凸部１ａの上において異常成長した場合であっても、その異常成長は、空洞部分７によって、当該空洞部分７よりも上方へ伝播し難くなる。また、転位が基板１の凹凸形状（凹部１ｂと凸部１ａとで形成される形状）の上で発生した場合であっても、その転位は、空洞部分７によって、当該空洞部分７よりも上方へ伝播し難くなる。これらのことから、下地層５の上に形成された層（例えば発光層１１）の結晶性を高く維持できる。さらに、空洞部分７の内部空間と空洞部分７を取り囲む部材（下地層５）との間の屈折率差が大きくなるので、空洞部分７に届いた光が散乱又は乱反射される。よって、光の取り出し効率を高めることができる。好ましくは、空洞部分７が第１下地層５Ａ（例えばＡｌＧａＮ層）の内部に設けられていることであり、より好ましくは、空洞部分７と基板１との間に下地層（例えば第１下地層５Ａ）の一部を有することである。
ここで、「空洞部分７が基板１の凸部１ａの上方に設けられている」は、下地層５が基板１よりも重力方向上側に位置している場合には空洞部分７が基板１の凸部１ａよりも重力方向上側に設けられていることを意味し、下地層５が基板１よりも重力方向下側に位置している場合には空洞部分７が基板１の凸部１ａよりも重力方向下側に設けられていることを意味する。
空洞部分７は、上述のように基板１の凸部１ａの上方に設けられている。これにより、空洞部分が基板の凹部の上方に形成されている場合に比べて、つまり空洞部分が隣り合う凸部の頂点を架橋するように設けられている場合に比べて、空洞部分７と空洞部分７を取り囲む部材との間の屈折率差が大きくなる。よって、空洞部分が基板の凹部の上方に形成されている場合に比べて、光の散乱効果又は光の乱反射効果が大きくなるので光の取り出し効率が高くなる。
空洞部分７の長さｙは、窒化物半導体積層構造の厚さ方向において１００ｎｍ以上であることが好ましく、窒化物半導体積層構造の厚さ方向において発光波長の１／４倍以上であることが好ましい。これにより、光の染み出しを最小限に抑えることができるので、光の散乱効果又は光の乱反射効果が大きくなり、よって、光の取り出し効率が更に高くなる。空洞部分７の長さｙは、窒化物半導体積層構造の厚さ方向において発光波長の１／４倍以上５倍以下であることがより好ましい。空洞部分７の幅ｘは、窒化物半導体積層構造の水平方向（窒化物半導体積層構造の厚さ方向に対して垂直な方向）において発光波長の１／４倍以上５倍以下であることが好ましい。
空洞部分７は、下地層５（特に第１下地層５Ａ）の形成途中で形成される。そのため、下地層５の形成条件を変更すれば、空洞部分７の大きさを変更できる。これにより、空洞部分を基板と窒化物半導体層との界面に形成する場合に比べて、空洞部分７の設計の自由度が高くなる。例えば、凹凸の大きさ、又は、凹部１ｂに対する凸部１ａの側面の傾斜角度等を変更すれば、空洞部分７の幅ｘが変更される。下地層５の初期成長層の厚さを変更すれば、空洞部分７の長さｙが変更される。「初期成長層」は、窒化物半導体の成長モードを横方向成長モードへ切り換える前までに成長される窒化物半導体層を意味し、本実施形態では第１下地層５Ａである。
空洞部分７は、周期的に設けられていることが好ましい。これにより、光の散乱効果又は光の乱反射効果が大きくなるので、光の取り出し効率が更に高くなる。例えば、基板１の凹凸の周期（隣り合う凸部１ａの間隔等）を変更すれば、隣り合う空洞部分７の間隔ｉが変更される。これにより、空洞部分が成長層中にランダムに設けられる場合に比べて、空洞部分７の周期（例えば隣り合う空洞部分７の間隔ｉ）を自由に設計することができる。よって、空洞部分が成長層中にランダムに設けられる場合に比べて、空洞部分７の設計の自由度が高くなる。
発光波長ごとに空洞部分７の最適な周期が異なる。基板１の凹凸の周期を変更すれば空洞部分７の周期を変更することができるので、発光波長に合わせて空洞部分７の周期を最適化させることができる。
窒化物半導体積層構造の厚さ方向に延びる空洞部分７の面（空洞部分７の側面）は、基板１を構成する材料のｃ軸方向に対して傾斜していることが好ましい。これにより、空洞部分７のアスペクト比（幅ｘ／長さｙ）が高くなるので、空洞部分７の側面の表面積が大きくなる。空洞部分７の側面が上記ｃ軸方向に対して傾斜することにより、発光層として機能しない窒化物半導体層（例えば下地層５、ｎ型窒化物半導体層９又はｐ型窒化物半導体層１３）と基板１、透明電極１５、空気又は樹脂との界面に対して全反射角よりも大きな角度で入射した光の入射角が変更され、よって、その光の一部の入射角が全反射角以下となる。したがって、空洞部分７の側面が上記ｃ軸方向に対して傾斜することにより、光の取り出し効率が更に高くなる。より好ましくは、空洞部分７の側面は、基板１を構成する材料（たとえばサファイヤ）のｃ軸方向に対して２°以上６°以下傾斜している。
＜ｎ型窒化物半導体層＞
ｎ型窒化物半導体層９は、ｎ型ドーパントがＡｌs2Ｇａt2Ｉｎu2Ｎ（０≦ｓ２≦１、０≦ｔ２≦１、０≦ｕ２≦１、ｓ２＋ｔ２＋ｕ２≠０）層にドープされた層であることが好ましい。ｎ型ドーパントは、Ｓｉ又はＧｅであることが好ましい。ｎ型窒化物半導体層９のｎ型ドーパント濃度は、５×１０17ｃｍ-3以上５×１０19ｃｍ-3以下であることが好ましい。ｎ型窒化物半導体層９の厚さは、１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。
ｎ型窒化物半導体層９は、ｎ型ドーパントがＡｌs2Ｇａt2Ｉｎu2Ｎ（０≦ｓ２≦１、０≦ｔ２≦１、０≦ｕ２≦１、ｓ２＋ｔ２＋ｕ２≠０）層にドープされた層であることが好ましい。ｎ型ドーパントは、Ｓｉ又はＧｅであることが好ましい。ｎ型窒化物半導体層９のｎ型ドーパント濃度は、５×１０17ｃｍ-3以上５×１０19ｃｍ-3以下であることが好ましい。ｎ型窒化物半導体層９の厚さは、１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。
＜発光層＞
発光層１１は、単一量子井戸構造を有しても良いし、多重量子井戸構造を有しても良い。発光層１１が単一量子井戸構造を有する場合には、発光層１１は、Ｇａ1-s3Ｉｎs3Ｎ（０＜ｓ３＜０．４）層を量子井戸層として含むことが好ましい。発光層１１が多重量子井戸構造を有する場合には、発光層１１は、Ｇａ1-s3Ｉｎs3Ｎ（０＜ｓ３＜０．４）層（井戸層）とＡｌs4Ｇａt4Ｉｎu4Ｎ（０≦ｓ４≦１、０≦ｔ４≦１、０≦ｕ４≦１、ｓ４＋ｔ４＋ｕ４≠０）層（障壁層）とが交互に１層ずつ積層されたものであることが好ましい。
発光層１１は、単一量子井戸構造を有しても良いし、多重量子井戸構造を有しても良い。発光層１１が単一量子井戸構造を有する場合には、発光層１１は、Ｇａ1-s3Ｉｎs3Ｎ（０＜ｓ３＜０．４）層を量子井戸層として含むことが好ましい。発光層１１が多重量子井戸構造を有する場合には、発光層１１は、Ｇａ1-s3Ｉｎs3Ｎ（０＜ｓ３＜０．４）層（井戸層）とＡｌs4Ｇａt4Ｉｎu4Ｎ（０≦ｓ４≦１、０≦ｔ４≦１、０≦ｕ４≦１、ｓ４＋ｔ４＋ｕ４≠０）層（障壁層）とが交互に１層ずつ積層されたものであることが好ましい。
＜ｐ型窒化物半導体層＞
ｐ型窒化物半導体層１３は、ｐ型ドーパントがＡｌs5Ｇａt5Ｉｎu5Ｎ（０≦ｓ５≦１、０≦ｔ５≦１、０≦ｕ５≦１、ｓ５＋ｔ５＋ｕ５≠０）層にドープされた層であることが好ましい。ｐ型ドーパントは、Ｍｇであることが好ましい。ｐ型窒化物半導体層１３のｐ型ドーパント濃度は、１×１０18ｃｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3以下であることが好ましい。ｐ型窒化物半導体層１３の厚さは、１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。
ｐ型窒化物半導体層１３は、ｐ型ドーパントがＡｌs5Ｇａt5Ｉｎu5Ｎ（０≦ｓ５≦１、０≦ｔ５≦１、０≦ｕ５≦１、ｓ５＋ｔ５＋ｕ５≠０）層にドープされた層であることが好ましい。ｐ型ドーパントは、Ｍｇであることが好ましい。ｐ型窒化物半導体層１３のｐ型ドーパント濃度は、１×１０18ｃｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3以下であることが好ましい。ｐ型窒化物半導体層１３の厚さは、１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。
＜透明電極、ｎ側電極、ｐ側電極＞
透明電極１５は、ＩＴＯ(Indium Tin Oxide)、酸化インジウム（Indium Oxide）、酸化スズ（Tin Oxide）又は酸化亜鉛（Zinc Oxide）等からなっても良いし、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ａｌ及びＮｉの少なくとも１つを含む材料からなっても良い。透明電極１５の厚さは、２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。
透明電極１５は、ＩＴＯ(Indium Tin Oxide)、酸化インジウム（Indium Oxide）、酸化スズ（Tin Oxide）又は酸化亜鉛（Zinc Oxide）等からなっても良いし、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ａｌ及びＮｉの少なくとも１つを含む材料からなっても良い。透明電極１５の厚さは、２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。
ｎ側電極１７は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ａｌ及びＮｉの少なくとも１つを含む金属層の単層からなっても良いし、材料が異なる２種以上の金属層が積層されても良い。ｎ側電極１７の厚さは１μｍ以上であることが好ましい。これにより、ｎ側電極１７にワイヤボンディングを行うことができる。
ｐ側電極１９は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ａｌ及びＮｉの少なくとも１つを含む金属層の単層からなっても良いし、材料が異なる２種以上の金属層が積層されても良い。ｐ側電極１９の厚さは１μｍ以上であることが好ましい。これにより、ｐ側電極１９にワイヤボンディングを行うことができる。
以上説明したように、本実施形態では、空洞部分７は、基板１の凸部１ａの上方で且つ下地層５の内部に、設けられている。これにより、基板１の凸部１ａの上に異常成長した、結晶配向性の悪い層が窒化物半導体積層構造側へ伝播することを防止できる。また、基板１の凹凸形状の上で生じた転位が窒化物半導体積層構造側へ伝播することを防止できる。さらに、空洞部分７の内部空間と空洞部分７を取り囲む部材との間の大きな屈折率差に因る高い散乱効果が得られるので、光の取り出し効率が高くなる。光の取り出し効率が高くなることは、Ａｌを含む層を下地層５に用い空洞部分７の大きさを最適化することにより顕著となり、空洞部分７を周期的に設けることによりさらに顕著となる。また、発光波長に応じて空洞部分７の設計を自由に変更できる。
［窒化物半導体発光素子の製造］
図２（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子の製造方法の一部を工程順に示す断面図である。以下では、窒化物半導体積層構造が形成された基板を分割して窒化物半導体発光素子を得るという方法を記載する。しかし、便宜上、分割前の部材と、分割後の当該部材に対応する部材とには、同一の符号を付している。
図２（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子の製造方法の一部を工程順に示す断面図である。以下では、窒化物半導体積層構造が形成された基板を分割して窒化物半導体発光素子を得るという方法を記載する。しかし、便宜上、分割前の部材と、分割後の当該部材に対応する部材とには、同一の符号を付している。
まず、例えば既存のエッチング方法により凹凸形状を基板１に形成する。これにより、例えば、高さが０．６μｍである凸部１ａが、隣り合う間隔を２μｍとして、基板１の上面において三角形の頂点となる位置に設けられる。
次に、例えばスパッタ法によりバッファ層３を形成する。これにより、図２（ａ）に示すように、例えばＡｌＮからなるバッファ層３が基板１の凸部１ａの上とその凹部１ｂの上とに形成される。
続いて、例えばＭＯＣＶＤ法により、下地層５を形成する。下地層５の材料であるＡｌＧａＮでは、３次元成長モードが支配的である。つまり、ＡｌＧａＮでは、基板１の平面方向（横方向）におけるエピタキシャル成長に対して、ｃ軸方向におけるエピタキシャル成長が支配的となる。以下、仮想的に引いた点線Ｌ５１〜Ｌ５６を参照しながら詳細に示す。
ＡｌＧａＮは、凸部１ａの上ではなく凹部１ｂの上に選択的に成長され（Ｌ５１）、ファセット面５ｆを保持しながら３次元成長される（Ｌ５１→Ｌ５２→Ｌ５３）。隣り合うファセット面５ｆの下端が凸部１ａの頂点上で重なると、ＡｌＧａＮは凸部１ａを覆うように結晶成長される（Ｌ５４）。しかし、隣り合うファセット面５ｆは、完全には会合（コアレッセンス）されない。そのため、ＡｌＧａＮは、溝部（ＡｌＧａＮが成長されない部分、空洞部分７となる部分）が凸部１ａの上方に形成された状態でｃ軸方向へさらに結晶成長される（Ｌ５５）。ＡｌＧａＮが結晶成長されるにつれて、溝部の深さが深くなる。
溝部の深さが所定値を超えると、ＡｌＧａＮの結晶成長条件を３次元成長モードから横方向成長モードに変更する。これにより、溝部の開口がＡｌＧａＮにより蓋されて空洞部分７が形成される（図２（ｄ））。
例えば次に示す方法にしたがって第１下地層５Ａを形成できる。バッファ層３が形成された基板をＭＯＣＶＤ装置内に入れて、基板１の温度を１０４５℃とする。形成されるＡｌＧａＮ層（第１下地層）が４ｍｏｌ％のＡｌを含むようにトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ（Trimethylaluminium））、トリメチルガリウム（ＴＭＧ（Trimethylgallium））及びＮＨ3の供給量を設定して、これらをＭＯＣＶＤ装置内に供給する。キャリアガスとしてＮ2をＭＯＣＶＤ装置内に供給し、Ｎ2を９０体積％以上含む雰囲気下でＡｌＧａＮ層をファセット成長モードで結晶成長させる。
例えば次に示す方法にしたがって第２下地層５Ｂを形成できる。基板１の温度を１１００℃とする。形成されるＡｌＧａＮ層（第２下地層）が５ｍｏｌ％のＡｌを含むようにＴＭＡ、ＴＭＧ及びＮＨ3の供給量を設定して、これらをＭＯＣＶＤ装置内に供給する。キャリアガスとしてＮ2をＭＯＣＶＤ装置内に供給し、Ｎ2を９０体積％以上含む雰囲気下でＡｌＧａＮ層（厚さ２．５μｍ）を横方向成長モードで結晶成長させる。このようにキャリアガスとしてＮ2を含む雰囲気下でＡｌＧａＮ層を横方向成長モードで結晶成長させれば、ＡｌＧａＮ層の上面Ｌ５６が平坦となる。
既知の方法にしたがってｎ型窒化物半導体層９と発光層１１とｐ型窒化物半導体層１３とを形成してから、既知の条件でアニールを行う。既知の条件でエッチングを行ってｎ型窒化物半導体層９を露出させる。ｎ型窒化物半導体層９の露出面にはｎ側電極１７を設け、ｐ型窒化物半導体層１３の上面には透明電極１５を挟んでｐ側電極１９を設ける。その後、基板１を分割して、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子を得る。
［実験例１］
ＦＩＢ（Focused Ion Beam（集束イオンビーム））装置を用いて、上述の方法にしたがって得られた窒化物半導体発光素子の断面を露出させた。その後、ＳＥＭを用いて、露出された断面を観察した。図３は、本実験例の窒化物半導体発光素子の一部の断面ＳＥＭ写真である。
ＦＩＢ（Focused Ion Beam（集束イオンビーム））装置を用いて、上述の方法にしたがって得られた窒化物半導体発光素子の断面を露出させた。その後、ＳＥＭを用いて、露出された断面を観察した。図３は、本実験例の窒化物半導体発光素子の一部の断面ＳＥＭ写真である。
図３に示すように、空洞部分がサファイヤ基板の凸部の上に形成されていることが分かる。形成された空洞部分の幅ｘは０．２５μｍであり、その長さｙは１．６７５μｍであった。空洞部分のこの大きさは、光を空洞部分において散乱又は乱反射させるためには十分の大きさであると考えられる。
図３では、サファイヤ基板の凸部の上では、ＡｌＧａＮが異常成長していることを確認できる。しかし、図３に示すように、この異常成長は、空洞部分によって、当該空洞部分よりも上へ伝播することが防止されている。
図４（ａ）は下地層の成長途中の断面ＳＥＭ写真であり、図４（ｂ）は基板の上面のＳＥＭ写真である。空洞部分となる溝部が基板の凸部の上に形成されていることが分かり（図４（ａ））、基板の上面に凹凸形状が形成されていることが分かる（図４（ｂ））。
［実験例２］
ＡｌＧａＮ層（下地層）に形成される空洞部分の作用・効果を調べるために、ドット状に設けられた凸部（高さが約０．６μｍ）を上面に有するサファイヤ基板（凹凸形状を有する基板）と上面が平坦なサファイヤ基板とを準備し、これらの２種類のサファイヤ基板のそれぞれの上面に、ＡｌＮ層、ＡｌＧａＮ層及びｎ型窒化物半導体層を成長させた。
ＡｌＧａＮ層（下地層）に形成される空洞部分の作用・効果を調べるために、ドット状に設けられた凸部（高さが約０．６μｍ）を上面に有するサファイヤ基板（凹凸形状を有する基板）と上面が平坦なサファイヤ基板とを準備し、これらの２種類のサファイヤ基板のそれぞれの上面に、ＡｌＮ層、ＡｌＧａＮ層及びｎ型窒化物半導体層を成長させた。
まず、サファイヤ基板のそれぞれをスパッタ装置に入れ、サファイヤ基板のそれぞれの上面にＡｌＮ層（バッファ層）を形成した。その後直ちに、ＡｌＮ層が形成されたサファイヤ基板のそれぞれをＭＯＣＶＤ装置に入れ、ＡｌＮ層の上面にＡｌＧａＮ層を形成した。
成長温度を１２５５℃とし、水素及び窒素を含むキャリアガスを用い、全キャリアガスに対する水素ガスの混合比率を５８体積％として、ＡｌＧａＮ層を２．２μｍ成長させた。次に、成長温度をそのままとし、全キャリアガスに対する水素ガスの混合比率を５８体積％から１０体積％まで減らし、窒素ガスの流量を増加させた。これにより、ＡｌＧａＮの２次元成長が促進され、サファイヤ基板の凸部の上方に空洞部分を形成しながらＡｌＧａＮ層の上面が平坦化された。その後、同じ成長温度でシランガスをさらに加え、Ｓｉを３×１０18／cm3ドーピングした（ｎ型窒化物半導体層の形成）。なお、本実験例では、ＭＯＣＶＤ装置として、大陽日酸株式会社製の品番「ＳＲ２３Ｋ」を用いた。本明細書において、特に記載がない場合には、ＭＯＣＶＤ装置としてVeeco炉を用いた。
図５及び図６は、それぞれ、凹凸形状を有する基板を用いて得られた積層体の断面ＳＥＭ写真及びノマルスキー光学顕微鏡写真である。図７及び図８は、それぞれ、上面が平坦な基板を用いて得られた積層体の断面ＳＥＭ写真及びノマルスキー光学顕微鏡写真である。
凹凸形状を上面に有する基板では、ＡｌＧａＮが基板の上面にファセット成長するので、ＡｌＧａＮ層に空洞部分が形成された（図５）。一方、上面が平坦な基板では、ＡｌＧａＮが基板の上面にファセット成長しないので、ＡｌＧａＮ層には空洞部分が形成されなかった（図７）。
凹凸形状を上面に有する基板を用いた場合、Ｓｉがドープされた層の表面（図５の上面）にはクラックが発生しなかった（図６）。一方、上面が平坦な基板を用いた場合、Ｓｉがドープされた層の表面（図７の上面）には複数のクラックが発生した（図８における黒線がクラックに相当する）。このような結果から、ＡｌＧａＮ層の空洞部分は歪を緩和する効果を奏すると考えられる。
発光ダイオードのようなｐｎ接合を含むデバイスの場合、ｎ型ＡｌＧａＮ層を用いる必要がある。ｎ型ドーパントとしてＳｉが使われると、転位が斜めに曲げられ、それによって、強い引っ張り歪が生じる。ＡｌＧａＮ層で多層膜を形成する場合、上記強い引っ張り歪を緩和する機構が必要となる。本実験例では、本実施形態の空洞部分が上記強い引っ張り歪の緩和に対して大きな効果を発揮することが示された。
図５に示すように、空洞部分の側面は、サファイヤのｃ軸方向に対して２°〜６°程度、傾斜した。これにより、空洞部分のアスペクト比（幅ｘ／長さｙ）が高くなるので、空洞部分の側面の表面積が大きくなった。空洞部分の側面が上記ｃ軸方向に対して傾斜すると、発光層として機能しない窒化物半導体層（例えば下地層、ｎ型窒化物半導体層又はｐ型窒化物半導体層）と基板、透明電極、空気又は樹脂との界面に対して全反射角よりも大きな角度で入射した光の入射角が変更され、よって、その光の一部の入射角が全反射角以下となる。したがって、空洞部分７の側面が上記ｃ軸方向に対して傾斜すれば、光の取り出し効率が更に高くなる。
［実験例３］
ドット状に設けられた凸部の高さが互いに異なるサファイヤ基板を用いて、凸部の高さがもたらす作用・効果を調べた。
ドット状に設けられた凸部の高さが互いに異なるサファイヤ基板を用いて、凸部の高さがもたらす作用・効果を調べた。
上記実験例２に示す方法にしたがって、凸部の高さが約５００ｎｍであるサファイヤ基板及び凸部の高さが約６００ｎｍであるサファイヤ基板のそれぞれの上に、ＡｌＮ層、ＡｌＧａＮ層及びｎ型窒化物半導体層を成長させた。図９及び図１０は、それぞれ、凸部の高さが約５００ｎｍ及び約６００ｎｍであるサファイヤ基板を用いて得られた積層体の断面ＳＥＭ写真である。図１１は、凸部の高さが約６００ｎｍであるサファイヤ基板を用いて得られた積層体の断面ＳＴＥＭ写真である。
サファイヤ基板の凸部の高さが約５００ｎｍであれば、サファイヤ基板の凸部の高さが約６００ｎｍである場合に比べて、空洞部分の長さ（窒化物半導体積層構造の厚さ方向における空洞部分の大きさ）が１５０ｎｍ程度小さいことが分かった（図９、図１０）。
サファイヤ基板の凸部の高さが約６００ｎｍであれば、転位（貫通転位）を終端させる効果があることが確認された（図１１）。実際、ＡｌＧａＮの（１０２）面からのＸ線回折ピークの半値幅を測定すると、その半値幅は、凸部の高さが約６００ｎｍである場合には４０８ａｒｃｓｅｃであったのに対し、凸部の高さが約５００ｎｍである場合には４８３ａｒｃｓｅｃであった。このＸ線ピークの半値幅の結果からも、凸部の高さが高い方が転位（刃状転位）が少ないことが分かる。これらのことから、凸部の高さは、５００ｎｍ以上であることが好ましく、６００ｎｍ以上であることがより好ましいことが分かった。
＜第２の実施形態＞
第２の実施形態に係る窒化物半導体発光素子は、透明電極１５の代わりに反射層３１を備え、フリップチップ実装可能である。以下では、上記第１の実施形態とは異なる点を主に示す。
第２の実施形態に係る窒化物半導体発光素子は、透明電極１５の代わりに反射層３１を備え、フリップチップ実装可能である。以下では、上記第１の実施形態とは異なる点を主に示す。
図１２は、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子の断面図である。本実施形態に係る窒化物半導体発光素子は、凹凸形状を下面に有する基板１と、基板１の下面に接するようにして設けられたバッファ層３と、バッファ層３の下面に接するようにして設けられ、空洞部分７を有する下地層５と、下地層５の下面に接するようにして設けられたｎ型窒化物半導体層９と、ｎ型窒化物半導体層９の下面に接するようにして設けられた発光層１１と、発光層１１の下面に接するようにして設けられたｐ型窒化物半導体層１３と、ｐ型窒化物半導体層１３の下面に接するようにして設けられた反射層３１とを備える。
本実施形態に係る窒化物半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体層９の露出面に接するようにして設けられたｎ側電極１７と、反射層３１の下面に接するようにして設けられたｐ側電極１９とを備える。ｎ側電極１７の下面とｐ側電極１９の下面とは面一である。「下面」は、図１２の下側に位置する面を意味するのであって、重力方向下側に位置する面を意味するものではない。
空洞部分７は、基板１の凸部１ａの下方に設けられている。しかし、図１２に示す窒化物半導体発光素子を上下逆さにすると、空洞部分７は基板１の凸部１ａの上方に設けられることとなる。よって、本実施形態においても空洞部分７は基板１の凸部１ａの上方に設けられると言えるので、上記第１の実施形態で記載した効果が得られる。
透明電極１５を形成する代わりにＡｌからなる反射層３１をスパッタ法により形成すること、及び、ｎ側電極１７の下面とｐ側電極１９の下面とを面一とすることを除いては上記第１の実施形態に記載の方法にしたがって、本実施形態の窒化物半導体発光素子を製造できる。このことからも、上記第１の実施形態で記載した効果が得られると言える。
反射層３１は、金属からなることが好ましく、Ａｌからなることがより好ましい。これにより、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子の発光波長が３８０ｎｍ以下であっても、発光層１１からの光を基板１側へ効率良く反射させることができる。反射層３１の厚さは、特に限定されず、発光層１１からの光が反射層３１を透過しない程度の厚さであることが好ましい。反射層３１は、例えば、スパッタ法又はメッキ法等により形成されることが好ましい。
本実施形態に係る窒化物半導体発光素子では、反射層３１がｐ型窒化物半導体層１３の下面に接するように設けられており、ｎ側電極１７の下面とｐ側電極１９の下面とは面一である。これにより、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子をフリップチップ実装させることができる。よって、導電性ワイヤ等を用いて窒化物半導体発光素子と取付基板（窒化物半導体発光素子を取り付けるための基板（例えば実装基板））とを電気的に接続する必要がないので、発光層１１からの光が導電性ワイヤ等に遮られることを防止できる。したがって、上記第１の実施形態よりも光の取り出し効率が高くなる。
本実施形態に係る窒化物半導体発光素子では、反射層３１がｐ型窒化物半導体層１３の下面に接するように設けられている。これにより、発光層１１からの光は、反射層３１により基板１側へ反射される。よって、発光層１１からの光が上述の取付基板に吸収されることを防止できるので、光の取り出し効率がさらに高くなる。サファイヤの屈折率は窒化物半導体材料の屈折率と空気の屈折率との間であるので、基板１がサファイヤ基板であれば光の取り出し効率がさらに高くなる。
［実験例４］
透明電極１５の代わりにＡｌからなる反射層３１をスパッタ法により形成したこと、及び、ｎ側電極１７の下面とｐ側電極１９の下面とを面一としたことを除いては上記第１の実施形態に記載の方法にしたがって窒化物半導体発光素子を製造した場合を仮定して、光学シミュレーションを行なった。光学シミュレーションでは、発光波長を３６５ｎｍと仮定し、Ａｌからなる反射層の３６５ｎｍでの反射率を９２％と仮定し、ＡｌＧａＮ層の３６５ｎｍでの透過率を１００％と仮定し、ＧａＮ層の３６５ｎｍでの透過率を５０％と仮定して、光の取り出し効率を求めた。その結果、空洞部分が形成されていれば、空洞部分が形成されていない場合に比べて、光の取り出し効率が１％改善した。
透明電極１５の代わりにＡｌからなる反射層３１をスパッタ法により形成したこと、及び、ｎ側電極１７の下面とｐ側電極１９の下面とを面一としたことを除いては上記第１の実施形態に記載の方法にしたがって窒化物半導体発光素子を製造した場合を仮定して、光学シミュレーションを行なった。光学シミュレーションでは、発光波長を３６５ｎｍと仮定し、Ａｌからなる反射層の３６５ｎｍでの反射率を９２％と仮定し、ＡｌＧａＮ層の３６５ｎｍでの透過率を１００％と仮定し、ＧａＮ層の３６５ｎｍでの透過率を５０％と仮定して、光の取り出し効率を求めた。その結果、空洞部分が形成されていれば、空洞部分が形成されていない場合に比べて、光の取り出し効率が１％改善した。
＜第３の実施形態＞
第３の実施形態に係る窒化物半導体発光素子は、上記第２の実施形態に係る窒化物半導体発光素子とは異なり、基板を備えていない。以下では、上記第２の実施形態とは異なる点を主に示す。
第３の実施形態に係る窒化物半導体発光素子は、上記第２の実施形態に係る窒化物半導体発光素子とは異なり、基板を備えていない。以下では、上記第２の実施形態とは異なる点を主に示す。
図１３は、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子の断面図である。本実施形態に係る窒化物半導体発光素子は、空洞部分７を有する下地層５と、下地層５の下面に接するようにして設けられたｎ型窒化物半導体層９と、ｎ型窒化物半導体層９の下面に接するようにして設けられた発光層１１と、発光層１１の下面に接するようにして設けられたｐ型窒化物半導体層１３と、ｐ型窒化物半導体層１３の下面に接するようにして設けられた反射層３１とを備える。
本実施形態に係る窒化物半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体層９の露出面に接するようにして設けられたｎ側電極１７と、反射層３１の下面に接するようにして設けられたｐ側電極１９とを備える。ｎ側電極１７の下面とｐ側電極１９の下面とは面一である。「下面」は、図１３の下側に位置する面を意味するのであって、重力方向下側に位置する面を意味するものではない。
下地層５は、窒化物半導体積層構造の上方に設けられ、その上面に凹凸部分を有する。凹凸部分は、凸部５ａと凹部５ｂとを有する。本実施形態に係る窒化物半導体発光素子の製造方法の一例としては、透明電極１５を形成する代わりにＡｌからなる反射層３１をスパッタ法により形成すること、及び、ｎ側電極１７の下面とｐ側電極１９の下面とを面一とすることを除いては上記第１の実施形態に記載の方法にしたがって基板付き窒化物半導体発光素子を製造してから、当該基板を除去するという方法が挙げられる。そのため、凹部５ｂは基板１の凸部１ａに対応し、凸部５ａは基板１の凹部１ｂに対応する。
空洞部分７は、下地層５の凹部５ｂの直下に設けられている。上述の方法にしたがって本実施形態に係る窒化物半導体発光素子を製造できるので、本実施形態においても上記第１の実施形態で記載した効果が得られる。なお、空洞部分７は、下地層５の凹部５ｂの下方に設けられていれば良い。これにより、上記第１の実施形態で記載した効果が得られる。しかし、空洞部分７が下地層５の凹部５ｂの直下に設けられていれば、光の取り出し効率が更に高くなるという効果も得られる。よって、空洞部分７は下地層５の凹部５ｂの直下に設けられていることが好ましい。
ここで、「下地層５は、窒化物半導体積層構造の上方に設けられ、その上面に凹凸部分を有する」は、下地層５が窒化物半導体積層構造よりも重力方向上側に位置している場合には凹凸部分が下地層５の上面（窒化物半導体積層構造とは反対側に位置する下地層５の面）に設けられていることを意味し、下地層５が窒化物半導体積層構造よりも重力方向下側に位置している場合には凹凸部分が下地層５の下面（窒化物半導体積層構造とは反対側に位置する下地層５の面）に設けられていることを意味する。
また、「空洞部分７は下地層５の凹部５ｂの直下に設けられている」は、下地層５が窒化物半導体積層構造よりも重力方向上側に位置している場合には空洞部分７が下地層５の凹部５ｂの直下に設けられていることを意味し、下地層５が窒化物半導体積層構造よりも重力方向下側に位置している場合には空洞部分７が下地層５の凹部５ｂの直上に設けられていることを意味する。「空洞部分７は下地層５の凹部５ｂの下方に設けられている」についても同様のことが言える。
本実施形態では、基板が設けられていないので、窒化物半導体発光素子の厚さは薄くなる。また、図１３に示すように反射層３１の厚さを大きくする、又は、支持基板を貼り付ける等により、強度を維持できる。
基板を除去する方法は特に限定されない。例えば、基板（又はバッファ層）と下地層５との界面付近にレーザー光を照射することにより基板１とバッファ層３とを除去しても良いし、基板の凸部にレーザー光を照射することにより基板１とバッファ層３とを除去しても良い。
以上説明したように、図１及び図１２に示す窒化物半導体発光素子では、凹凸形状を上面に有する基板１と、下地層５と、少なくとも発光層１１を有する窒化物半導体積層構造とが順に設けられている。凹凸形状に含まれる凸部１ａの上方で且つ下地層５の内部には、空洞部分７が設けられている。これにより、光の取り出し効率が高くなる。好ましくは、空洞部分７と基板１との間には下地層５の一部が設けられている。
図１３に示す窒化物半導体発光素子では、下地層５と、少なくとも発光層１１を有する窒化物半導体積層構造とが順に設けられていても良い。下地層５は、窒化物半導体積層構造の上方で且つ上面に、凹凸部分を有する。下地層５の内部には空洞部分７が設けられている。これにより、光の取り出し効率が高くなる。好ましくは、空洞部分７は、凹凸部分に含まれる凹部５ｂの直下に設けられている。
下地層５は、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなることが好ましい。
下地層５は、第１のＡｌＧａＮ下地層５Ａと、第１のＡｌＧａＮ下地層５Ａの上に設けられた第２のＡｌＧａＮ下地層５Ｂとを有することが好ましい。第２のＡｌＧａＮ下地層５ＢのＡｌ組成比は、第１のＡｌＧａＮ下地層５ＡのＡｌ組成比より大きいことが好ましい。これにより、発光波長が３８０ｎｍ以下であっても、当該光が下地層５に吸収されることを防止できる。
下地層５は、第１のＡｌＧａＮ下地層５Ａと、第１のＡｌＧａＮ下地層５Ａの上に設けられた第２のＡｌＧａＮ下地層５Ｂとを有することが好ましい。第２のＡｌＧａＮ下地層５ＢのＡｌ組成比は、第１のＡｌＧａＮ下地層５ＡのＡｌ組成比より大きいことが好ましい。これにより、発光波長が３８０ｎｍ以下であっても、当該光が下地層５に吸収されることを防止できる。
下地層５は、ＡｌＧａＮ下地層５Ａと、ＡｌＧａＮ下地層５Ａの上に設けられたＧａＮ下地層５Ｂとを有しても良い。これにより、ＧａＮ下地層５Ｂを横方向成長モードで容易に成長させることができる。
下地層５は、第１のＡｌＧａＮ下地層５Ａと、第１のＡｌＧａＮ下地層５Ａの上に設けられた第２のＡｌＧａＮ下地層５Ｂとを有することが好ましい。空洞部分７は、第１のＡｌＧａＮ下地層５Ａの内部に設けられていることが好ましい。これにより、発光波長が３８０ｎｍ以下であっても、当該光が下地層５に吸収されることを防止できる。
空洞部分７の長さは、窒化物半導体積層構造の厚さ方向において１００ｎｍ以上であることが好ましく、窒化物半導体積層構造の厚さ方向において発光波長の１／４倍以上５倍以下であることがより好ましい。これにより、光の染み出しを最小限に抑えることができる。空洞部分７の長さは、窒化物半導体積層構造の水平方向において発光波長の１／４倍以上５倍以下であることが好ましい。
凸部１ａは、基板１の上面においてドット状に設けられていることが好ましい。これにより、光の取り出し効率が更に高くなる。
窒化物半導体積層構造の厚さ方向に延びる空洞部分７の面は、基板１を構成する材料のｃ軸方向に対して傾斜していることが好ましい。これにより、光の取り出し効率が更に高くなる。
凸部１ａの高さは、５００ｎｍ以上２μｍ以下であることが好ましい。これにより、光の取り出し効率が更に高くなる。
本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、基板１の上面に凹凸形状を形成する工程と、凹凸形状の上に、窒化物半導体からなる下地層５を形成する工程と、下地層５の上に、少なくとも発光層１１を有する窒化物半導体積層構造を形成する工程とを有する。下地層５を形成する工程は、下地層５の内部に空洞部分７を形成する工程を有する。これにより、図１及び図１２に示す窒化物半導体発光素子が製造される。
基板１を除去する工程を更に備えることが好ましい。これにより、図１３に示す窒化物半導体発光素子が製造される。
今回開示された実施の形態及び実験例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
例えば、位置関係を表すために、図面の下側に記載した部分を「下」と表記し、図面の上側に記載した部分を「上」と表記していることがある。これは便宜上の表記であり、重力方向に対して定められる「上」及び「下」とは異なる。
１ 基板、１ａ 凸部、１ｂ 凹部、３ バッファ層、５ 下地層、５ａ 凸部、５ｂ 凹部、５ｆ ファセット面、７ 空洞部分、９ ｎ型窒化物半導体層、１１ 発光層、１３ ｐ型窒化物半導体層、１５ 透明電極、１７ ｎ型電極、１９ ｐ側電極、３１ 反射層。
Claims (12)
- 凹凸形状を上面に有する基板と、下地層と、少なくとも発光層を有する窒化物半導体積層構造とが順に設けられ、
前記凹凸形状に含まれる凸部の上方で且つ前記下地層の内部に、厚さ方向に延びる空洞部分が設けられ、前記空洞部分の側面は、前記基板を構成する材料のｃ軸方向に対して傾斜している、窒化物半導体発光素子。 - 凹凸形状を上面に有する基板と、下地層と、少なくとも発光層を有する窒化物半導体積層構造とが順に設けられ、
前記凹凸形状に含まれる凸部の上方で且つ前記下地層の内部に、厚さ方向に延びる空洞部分が設けられ、前記凸部は外形が円錐形状、または断面形状が丸みを帯びた先端又は丸みを帯びた斜面を有している、窒化物半導体発光素子。 - 凹凸形状を上面に有する基板と、下地層と、少なくとも発光層を有する窒化物半導体積層構造とが順に設けられ、
前記凹凸形状に含まれる凸部の上方で且つ前記下地層の内部に、空洞部分が設けられ、前記下地層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなり、前記下地層は、第１のＡｌＧａＮ下地層と、前記第１のＡｌＧａＮ下地層の上に設けられた第２のＡｌＧａＮ下地層とを有し、
前記第２のＡｌＧａＮ下地層のＡｌ組成比は、前記第１のＡｌＧａＮ下地層のＡｌ組成比より大きい窒化物半導体発光素子。 - 前記空洞部分は、前記第１のＡｌＧａＮ下地層の内部に設けられている請求項３に記載の窒化物半導体発光素子。
- 凹凸形状を上面に有する基板と、下地層と、少なくとも発光層を有する窒化物半導体積層構造とが順に設けられ、
前記凹凸形状に含まれる凸部の上方で且つ前記下地層の内部に、空洞部分が設けられ、前記下地層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなり、前記下地層は、ＡｌＧａＮ下地層と、前記ＡｌＧａＮ下地層の上に設けられたＧａＮ下地層とを有している、窒化物半導体発光素子。 - 前記空洞部分と前記基板との間に前記下地層の一部が設けられている請求項１〜５のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記凸部は、前記基板の前記上面においてドット状に設けられている請求項１〜６のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記凸部の高さは、５００ｎｍ以上２μｍ以下である請求項１〜６のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記空洞部分の長さは、前記窒化物半導体積層構造の水平方向において、発光波長の１／４倍以上５倍以下である請求項１〜８のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記空洞部分の長さは、前記窒化物半導体積層構造の厚さ方向において、発光波長の１／４倍以上５倍以下である請求項１〜８のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
- 基板の上面に凹凸形状を形成する工程と、
前記凹凸形状の上に、窒化物半導体からなる下地層を形成する工程と、
前記下地層の上に、少なくとも発光層を有する窒化物半導体積層構造を形成する工程とを備え、
前記下地層を形成する工程は、前記凹凸形状に含まれる凸部の上方で且つ前記下地層の内部に厚さ方向に延びる空洞部分を形成する工程を有し、前記空洞部分の側面は、前記基板を構成する材料のｃ軸方向に対して傾斜する窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 前記基板を除去する工程を更に備える請求項１１に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
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