CN100358195C - 半导体发光元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及不仅能达成良好的电阻接触，还能达成表面等离子体激元效应的半导体发光元件。该半导体发光元件具有形成于发光层上的半导体层、形成于半导体层上的第1电极层、形成于第1电极层上的具有周期性结构的第2电极层。第1电极层与半导体层的电阻接触优于第2电极层，第2电极层含有等离子体频率高于第1电极层的金属。

Description

半导体发光元件
技术领域
本发明涉及半导体发光元件，特别涉及包含等离子体频率高的电极层的半导体发光元件。
背景技术
目前已知，在半导体发光元件中，通过使等离子体频率高的金属形成周期性结构，可以激发表面等离子体激元(电子振动)。关于这一点，揭示于例如“Coupling ofInGaN quantum-well photoluminescence tosilver surface plasmons”，Phys.Rev.B60，11564-11567，15 October 1999”中。通过有效利用这种表面等离子体激元(电子振动)，可以提高发光效率和光取出效率。
在金属A和电介质B(包括空气和真空)的介电常数(εA，εB)的实部符号相反时，如果εA+εB＜0，则在金属A和电介质B的界面上存在具有沿垂直的相对两方向呈指数函数衰减的强度的光波(电磁波)。该电磁波被称为表面等离子体激元。金属介电常数εA通常用εA＝ε0(1一ωP 2/ω2)表示。式中，ε0为真空介电常数，ω为光频率，ωP为等离子体频率。电介质B为真空时，以小于ωS＝ωP/20.5的角频率存在着表面等离子体激元。ωS通常位于可见或紫外波长范围内。
为能以短波长光在半导体发光元件中达到表面等离子体激元的效果，需要使用银或铝等等离子体频率高的金属。
然而，AlGaInN类等短波长半导体发光元件中，存在着当在p型半导体层表面上形成可达成表面等离子体激元效应的银或铝电极时，难以得到良好的电阻接触。
发明内容
本发明为解决上述问题而提出，其一个目的是提供不仅可得到良好的电阻接触，而且能达成表面等离子体激元效应的半导体发光元件。
本发明的一种半导体发光元件具有：形成在发光层上的半导体层；形成在上述半导体层上的第1电极层；形成于上述第1电极层上的具有周期性结构的第2电极层。且上述第1电极层与上述半导体层的电阻接触优于上述第2电极层，上述第2电极层与上述第1电极层相比，含有等离子体频率更高的金属。
如上所述，在该半导体发光元件中，不仅在发光层上形成的半导体层上设有与半导体层的电阻接触优于第2电极层的第1电极层，而且在第1电极层上还设有具有含等离子体频率高于第1电极层的金属的周期性结构的第2电极层，因此，不仅可由第1电极层达成良好的电阻接触，并可利用第2电极层达成表面等离子体激元效应。
上述半导体发光元件优选为，上述半导体层为p型氮化物类半导体层，第1电极层与p型氮化物类半导体层接触。这样，特别是在p型氮化物类半导体层上形成电极时，由于难于达成电阻接触，所以，通过使用与p型氮化物类半导体层相关的有良好电阻特性的第1电极层，就能达成p型氮化物类半导体层与第1电极层的良好的电阻接触。
上述半导体发光元件，优选为上述第2电极层的周期性结构为周期性波浪状。采用该结构可易于由第2电极层达成表面等离子体激元效应。而周期性波浪状可为厚度周期性变化的结构。
此时，第2电极层的周期性结构包括波浪状凹部或凸部以三角晶格周期性排列的结构。采用该结构，利用具有波浪状凹部或凸部的三角晶格周期性排列结构的第2电极层，可达成表面等离子体激元效应。
在上述第2电极层具有周期性波浪状的结构中，上述第2电极层的上述周期性结构包括线状周期性结构。采用该结构。利用具有线状周期性结构的第2电极层，可达到表面等离子体激元效应。
此时，优选为半导体层具有隆起的脊状部，并在半导体层的脊状部上，沿脊状部的延伸方向，形成具有上述线状周期性结构的上述第2电极层。采用该结构，在含隆起的脊状部的半导体发光元件中，易于利用具有脊状部上形成的线状周期性结构的第2电极层，达到表面等离子体激元效应。
在上述半导体发光元件中，优选为半导体层含有形成了周期性波浪状的表面。采用该结构，由于形成在半导体层上的第1电极层和第2电极层也呈周期性波浪状，所以可易于在第2电极层上形成用于达到表面等离子体激元效应的周期性波浪状。
此时，优选为半导体层的形成周期性波浪状的表面的凹部或凸部配置成周期性三角晶格状。采用该结构，由于形成在半导体层上的第1电极层和第2电极层也形成凹部或凸部配置成周期性三角晶格状的波浪状，因此能易于在第2电极层上形成用于达成表面等离子体激元效应的周期性波浪状。
在上述半导体发光元件中，优选为上述第1电极层的厚度小于上述第2电极层。采用该结构，由于第1电极层具有透光性，所以，从发光层发出的光在几乎不会由电阻接触良好的第1电极层造成衰减的情况下，透过具有周期性结构的等离子体频率高的第2电极层，因此可使强度达到能在第2电极层的表面充分激发表面等离子体激元的光透过。
在上述半导体发光元件中，优选为第1电极层由Ni、Pd和Pt中的至少一种材料形成，上述第2电极层由Al和Ag中的至少一种材料形成。当第1电极层和第2电极层使用上述材料时，不仅易于由第1电极层达到良好的电阻接触，并可由第2电极层达成表面等离子体激元效应。
此时，第1电极层含Pd，第2电极层含Ag。采用该结构，由于不仅使Pd达到良好的电阻接触，而且由于Ag的等离子体频率高，所以易于由第1电极层达到良好的电阻接触，并可由第2电极层达成表面等离子体激元效应。
在上述第1电极层由Ni，Pd和Pt中的至少一种材料形成、第2电极层由Al和Ag中的至少一种材料形成的结构中，第1电极层可含Pt，第2电极层可含Al。由于采用该结构不仅Pt可达成良好的电阻接触，而且Al可达成等离子体的高频率，所以易于由第1电极层达到良好的电阻接触，并由第2电极层达成表面等离子体激元效应。
在上述第1电极层由Ni，Pd和Pt中的至少一种材料形成、第2电极层由Al和Ag中的至少一种材料形成的结构中，第1电极层可含Ni，第2电极层可含Ag。由于采用该结构不仅Ni可达成良好的电阻接触，而且Ag可达成等离子体的高频率，所以更易于由第1电极层达到良好的电阻接触，并由第2电极层达成表面等离子体激元效应。
在上述半导体发光元件中，优选为第1电极层具有周期性结构，具有周期性结构的上述第2电极层形成于第1电极层上，并能反映第1电极层的周期性结构。采用该结构，在第1电极层具有周期性结构的情况下，可易于在第1电极层上形成具有用于达成表面等离子体激元效应的周期性结构的第2电极层。
此时，可在上述第1电极层和上述第2电极层上形成形状相同的周期性波浪状。采用该结构，可易于利用形成了与第1电极层相同的周期性波浪状的第2电极层达成表面等离子体激元效应。
在上述第2电极层所形成的反映第1电极层的周期性结构的结构中，可在上述第2电极层与上述第1电极层的界面一侧，上述第2电极层形成周期性波浪状。采用该结构，可易于利用在与第1电极层的界面一侧形成周期性波浪状的第2电极层，达成表面等离子体激元效应。
在上述半导体发光元件中，优选为第2电极层上还形成有保护层。采用该结构，可利用保护层抑制第2电极层表面的氧化。
在上述半导体发光元件中，优选为从上述发光层发出的光可由形成了具有周期性结构的第2电极层的区域拾取。采用该结构，在由形成第2电极层的区域拾取从发光层发出的光的半导体发光元件中，不仅能由第1电极层达成良好的电阻接触，还能由第2个电极层达成表面等离子体激元效应。
在上述半导体发光元件中，优选为从上述发光层发出的光从与形成了具有周期性结构的第2电极层的区域相反的一侧的区域拾取。采用该结构，在由与形成第2电极层的区域的相对一侧的区域拾取从发光层发出的光的半导体发光元件中，不仅能由第1电极层达成良好的电阻接触，还能由第2个电极层达成表面等离子体激元效应。
在上述半导体发光元件中，优选为半导体层含ZnO层。采用该结构，在含ZnO层的半导体发光元件中，不仅能由第1电极层达成良好的电阻接触，还能由第2个电极层达成表面等离子体激元效应。
附图说明
图1为本发明实施方式1的半导体发光二极管元件(LED)的结构剖面图；
图2为说明图1所示实施方式1的半导体发光二极管元件的电极的三角晶格状周期性结构的平面图；
图3为图2的三角晶格的反晶格的平面图；
图4为本发明实施方式2的半导体发光二极管元件(LED)的结构剖面图；
图5为本发明实施方式3的半导体发光二极管元件(LED)的结构剖面图；
图6为本发明实施方式4的半导体发光元件(LED或垂直共振腔型半导体激光)的结构剖面图；
图7为具有本发明实施方式5的波导结构的半导体激光的剖面图；
图8为沿具有图7所示实施方式5的波导结构的半导体激光的200-200线的剖面图；
图9为本发明实施方式6的半导体发光元件(LED或垂直共振腔型半导体激光器)的结构剖面图；
图10和图11为用于说明图9所示实施方式6的半导体发光元件制造工艺的剖面图；
图12为本发明实施方式7的半导体发光元件(LED或垂直共振腔型半导体激光)的结构剖面图；
图13为用于说明图12所示实施方式7的半导体发光元件的制造工艺的剖面图；
图14为本发明实施方式8的半导体发光元件(LED或垂直共振腔型半导体激光)的结构剖面图；
图15为用于说明图14所示实施方式8的半导体发光元件的制造工艺的剖面图；
图16为本发明实施方式9的半导体发光二极管元件(LED)的结构剖面图。
具体实施方式
首先，参照图1～图3说明以周期性形成的电极侧为拾光面的实施方式1的氮化物类半导体发光二极管元件的结构。
如图1所示，在实施方式1的氮化物类半导体发光二极管元件中，在掺杂了氧、Si等的n型GaN基板1的(0001)Ga面上，形成厚度约5μm的单晶Si掺杂GaN构成的n型层2。在n层型2上形成厚度约0.15μm的单晶Si掺杂Al0.1Ga0.9N构成的n型金属包层3。在n型金属包层3上形成了具有交替形成厚度约5nm的单晶未掺杂GaN构成的6层势垒层4a和具有由厚度约5nm的单晶未掺杂Ga0.9In0.1N构成的5层的阱层4b的多重量子阱结构(MQW)的发光层4。MQW发光层4为本发明的“发光层”的一例。在MQW发光层4上形成了厚度约10nm的单晶未掺杂GaN构成的保护层5。该保护层5具有通过防止MQW发光层4的In原子脱离，而防止MQW发光层4的结晶品质退化的功能。
在保护层5上形成由厚度约0.15μm的单晶Mg掺杂Al0.1Ga0.9N构成的p型金属包层6。在p型金属包层6上形成由厚度约0.3μm的单晶Mg掺杂Ga0.95In0.05N构成的p型接触层7。p型接触层7为本发明的“半导体层”的一例。另外，在p型接触层7上依序形成厚度约1nm的Pd制电阻电极8，厚度约2nm的Ag制电极9；和厚度约1nm的Au制保护层10。电阻电极8为本发明的“第1电极层”的一例，电极9为本发明的“第2电极层”的一例。电阻电极8的设置是用于与由Mg掺杂Ga0.95In0.05N形成的p型接触层7有良好的电阻接触，与电极9相比，与p型接触层7的电阻特性好。而电极9的设置是用于达到表面等离子体激元效应，以高于Pd制电阻电极8的等离子体频率的金属(Ag)构成。保护层10的设置用于抑制电极9的表面氧化。
在实施方式1中，Pd制电阻电极8，Ag制电极9和Au制保护层10具有周期性结构。如图2所示，电阻电极8、电极9和保护层10的周期性结构具有使电阻电极8、电极9和未形成保护层10的圆形部(圆孔)152周期性排成三角晶格(二维)结构。即，电阻电极8、电极9和保护层10形成于图2所示圆形部(圆孔)152之外的画有剖面线(斜线)的区域151。在实施方式1中，相邻的圆形部(圆孔)152之间的间隔D设为500nm，圆形部(圆孔)152的直径R设为300nm。而由MQW发光层4发出的光的波长设为380nm。
另外，在n型GaN基板1的背面的整个面上，由基板开始，形成包括Al或Ag制电阻电极、Pt或Ti制势垒金属、Au或Au-Sn制缓冲金属的n侧电极11。势垒金属具有抑制电阻电极和缓冲金属反应的功能。缓冲金属由Au或Au-Sn等易熔金属构成。
在实施方式1中，通过使等离子体频率高的金属(Ag)制电极9周期性形成图2所示的三角晶格，使电阻电极8和电极9与p型接触层7的界面上的介电常数发生周期性变化。这样，利用MQW发光层4发出的光，可激发表面等离子体激元。由于等离子体频率低的Pd制电阻电极8和等离子体频率低的Au制保护层10的厚度均很小，约1nm，因此电阻电极8和保护层10对等离子体频率高的金属(Ag)制电极9的表面附近和保护层10与保护层10的表面电介质B(包括空气和真空)的界面上激发的表面等离子体激元的影响很小。因此，电阻电极8、电极9和保护层10形成的电极的介电常数接近由等离子体频率高的Ag制电极9的介电常数值。
此时，当设发光波长的角频率为ωL，Ag制电极9的介电常数为εA，电介质B(包括空气和真空)的介电常数为ωB时，激发的表面等离子体激元的波数kL，可用kL 2＝(ωL/c)2ωAεB/(εA+εB)近似得出。而当设p型接触层7的折射率为nc，周期性结构的反晶格的向量大小为Г，p为整数，从MQW发光层4发出的光入射在p型接触层7和电阻电极8的界面上的入射角为θc时，则满足nc(ωL/c)sinθc＝kL+PF的θc的光，可激发表面等离子体激元。而当电介质B(包括空气和真空)的折射率为nB，q为整数时，则激发的表面等离子体激元以满足nB(ωL/c)sinθB＝kL+qГ的角度θB从表面发射光。在此，Г为图3的任意反晶格的绝对值。如图3所示，反晶格为图2的三角晶格旋转90°后的晶格，其中最小的为图3的G。
另外，在将p型接触层7和电介质B的由折射率确定的临界角为θx时，在入射角θc大于临界角θx时，入射到界面的光通常不能发射到半导体之外，但在激发表面等离子体激元的情况下，能以θB的发射角由氮化物类半导体发光二极管元件(LED)射出。因此，就可提高氮化物半导体发光二极管元件的外部效率。
如上所述，在实施方式1中，在p型接触层7上形成对于p型接触层7有良好的电阻特性的Pd制电阻电极8，同时，在电阻电极8上形成具有高于电阻电极8的等离子体频率的Ag制周期性结构的电极9。由此不仅能由电阻电极8达成良好的电阻接触，且能由电极9达成表面等离子体激元效应。
另外，在实施方式1中，电阻电极8的厚度很小，约1nm，这使得由MQW发光层4发出的光在电阻电极8上几乎不衰减，而能透过具有周期性结构的等离子体频率高的Ag制电极9，因此，可使具有能在电极9的表面充分激发等离子体激元的强度的光透过。
下面，参照图1和图2说明实施方式1的氮化物类半导体发光二极管元件(LED)的制造工艺。
首先，准备具有经氧掺杂或Si掺杂等的厚度约200μm～约400μm的(0001)Ga面的n型GaN基板1。将n型GaN基板1保持在约1000℃～1200℃，例如约1150℃的单晶成长温度状态下，载气采用H2和N2混合气(H2的含有率约50％)、原料气采用NH3和三甲镓(TMGa)，掺杂气采用SiH4，在n型GaN基板1的(0001)Ga面上，以约3μm/h的成长速度使单晶Si掺杂GaN构成的n型层2成长至厚度约5μm。然后，使n型GaN基板1保持在约1000℃～1200℃，例如约1150℃的单晶成长温度下，载气采用H2和N2混合气(H2的含有率约1％～3％)，原料气采用NH3、TMGa和三甲铝(TMAl)，掺杂气采用SiH4，在n型层2上，以约3μm/h的速度使由单晶Si掺杂Al0.1Ga0.9构成的n型金属包层3成长至厚度约0.15μm。
其次，在将n型GaN基板1保持在约700℃～1000℃，例如约850℃的单晶成长温度下，载气采用H2和N2混合气(H2的含有率约1％～5％)，原料气采用NH3、三乙镓(TEGa)和三甲铟(TMIN)，在n型金属包层3上，以约0.4nm/s的成长速度使由单晶未掺杂GaN构成的厚度约5nm的6层的势垒层4a和由单晶未掺杂Ga0.9In0.1N构成的厚度约5nm的5层阱层4b交替成长，而形成MQW发光层4。继而以约0.4nm/s的成长速度，使由单晶未掺杂GaN构成的保护层5成长至厚度约10nm。
然后，在将n型GaN基板1保持在约1000℃～1200℃，例如约1150℃的单晶成长温度下，载气采用H2和N2混合气(H2的含有率约1％～3％)，原料气采用NH3、TMGa和TMAl，掺杂气采用Cp2Mg，在保护层5上，以约3μm/h的成长速度使单晶Mg掺杂Al0.1Ga0.9N构成的p型金属包层6成长至厚度约0.15μm。
然后，使n型GaN基板1保持在约700℃～1000℃，例如约850℃的单晶成长温度下，载气采用H2和N2混合气(H2含有率约1％～3％)，原料气采用NH3、TEGa和TMIn，掺杂气采用Cp2Mg，在p型金属包层6上，以约3μm/h的速度使由单晶Mg掺杂Ga0.95In0.05N构成的p型接触层7成长至厚度约0.3μm。
另外，在由p型金属包层6至p型接触层7的结晶成长期间，通过降低载气的氢组成(H2含有率约1％～3％)，不在N2气环境下进行热处理，也能得到Mg掺杂物被激活的载流子浓度高的p型半导体层。(p型金属包层6和p型接触层7)。
其次，在p型接触层7的所有面上形成保护膜(未图示)，然后利用曝光和显影除去图2所示的除圆形部152之外的部分的保护膜。即，仅在图2所示圆形部152上残存保护膜。此后，利用真空蒸镀法，在所有面上形成厚度约1nm的Pd制电阻电极8、厚度约2nm的Ag制电极9，以及厚度约1nm的Au制保护层10，然后用剥离法除去保护膜，形成具有图1所示周期性结构(图2的三角晶格周期性结构)的电阻电极8、电极9和保护膜10。
然后，在n型GaN基板1的背面的整个面上，利用真空蒸镀法，依次形成Al或Ag制电阻电极、Pt或Ti制势垒金属、Au或Au-Sn制缓冲金属，形成n侧电极11。由此形成图1所示的实施方式1的氮化物类半导体LED。
实施方式2
参照图4说明实施方式2中的不同于上述实施方式1的形成仅由等离子体频率高的金属制电极具有周期性结构，并以具有周期性结构的电极侧面为拾光面的发光二极管元件。
即，如图4所示，在实施方式2中，在p型接触层7的所有表面上，形成厚度约1nm的Pt制电阻电极18。在电阻电极18上形成厚度约3nm的等离子体频率高的Al制电极19，使其具有如图2所示的与实施方式1同样的三角晶格周期性结构。另外，Pt制电阻电极18具具有优于Al制电极19的相对于Mg掺杂Ga0.95In0.05N构成的p型接触层7的电阻特性。而电极19由等离子体频率高于Pt制电阻电极18的金属(Al)制成。电阻电极18为本发明的“第1电极层”的一例。而电极19为本发明的“第2电极层”的一例。再形成厚度为数百nm的SiO2膜制保护层20，以覆盖电极19和电阻电极18。并形成厚度约1μm的Au制缓冲电极21，以便通过保护层20的开口20a，与给定区域的电阻电极18和电极19接触。
在实施方式2中，由等离子体频率高的Al制电极19的如图2所示的相邻的圆形部(圆孔)152之间的间隔D设为330nm，而圆形部(圆孔)152的直径R设为170nm。此时，由发光层发出的光的波长设为380nm。
实施方式2中除上述结构之外，其它结构与上述实施方式1相同。
实施方式2的氮化物类半导体发光二极管元件的制造工艺至形成p型接触层7为止的工序与上述实施方式1相同。然后，在实施方式2中，如图4所示，利用真空蒸镀法，在p型接触层7的所有面上形成厚度约1nm的Pt制电阻电极18，然后利用剥离法形成等离子体频率高的金属(Al)制电极19，使图2所示未形成电极19的圆形部(圆孔)152形成三角晶格周期性结构。然后，在所有表面上形成SiO2膜制保护层20后，在给定区域形成开口20a，再形成厚度约1μm的Au制缓冲电极21，使得经该开口20a，使电阻电极18和电极19形成电连接。然后，利用与实施方式1同样的制造工艺，在n型GaN基板1的背面形成n侧电极11。
如上所述，在实施方式2中，在p型接触层7上，在所有表面上形成电阻特性好的Pt制电阻电极18后，在电阻电极18上，形成具有三角晶格周期性结构的等离子体频率高的Al制电极19，利用电阻电极18可达成良好的电阻接触，而利用电极19可达成等离子体激元效应。
实施方式2的其它效果，与上述实施方式1相同。
实施方式3
参照图5说明实施方式3中的在p型接触层表面形成周期性波浪状，以形成该波浪状的一侧为拾光面的发光二极管元件。
即，在实施方式3的氮化物半导体发光二极管元件中，在Mg掺杂Ga0.95In0.05N构成的p型接触层37的表面，周期性形成图2所示的三角晶格(二维)的圆形部(圆柱形凸部或凹部)152。此时相邻的圆形部(圆柱形的凸部或凹部)152之间的间隔D设为660nm，圆形部(圆柱形的凸部或凹部)152的直径R设为330nm。由发光层发出的光的波长设为380mm。p型接触层37为本发明的“半导体层”的一例。
形成厚度约2nm的Ni制电阻电极38，以覆盖具有该周期性波浪状p型接触层37的表面。再形成厚度约3nm的等离子体频率高的Ag制电极39，以覆盖电阻电极38。且Ni制电阻电极38具有优于Ag制电极39的相对于Mg掺杂Ga0.95In0.05N构成的p型接触层37的电阻特性。电极39由等离子体频率高于Ni制电阻电极38的金属(Ag)构成。电阻电极38为本发明的“第1电极层”的一例，电极39为本发明的“第2电极层”的一例。
利用光刻技术和蚀刻技术，可易于形成具有上述周期性波浪状的p型接触层37的表面。
如上所述，在实施方式3中，通过在具有三角晶格的周期性波浪状的p型接触层37上形成电阻电极38和电极39，使电阻电极38的上表面和等离子体频率高的Ag制电极39的下表面形成周期性波浪状。这样，由于在p型接触层37和电阻电极38的界面上，介电常数周期性变化，所以利用发光层发出的光可以激发表面等离子体激元。
另外，在实施方式3中，在具有波浪状的p型接触层37上形成相对p型接触层37具有良好电阻特性的Ni制电阻电极38，并在电阻电极38上形成等离子体频率高于电阻电极38的Ag制具有周期性结构的电极39，这样，不仅可由电阻电极38达成良好的电阻接触，并且可由电极39达成表面等离子体激元效应。
另外，由于实施方式3的Ni制电阻电极38的厚度很小，约2nm，所以，由MQW发光层4发出的光在电阻电极38上几乎不衰减，而能透过具有周期性结构的由等离子体频率高的Ag制电极39，因此，可使具有能在电极39表面充分激发等离子体激元的强度的光透过。
而实施方式3除上述效果之外，其它效果与实施方式1相同。
实施方式4
参照图6说明实施方式4的半导体发光元件的结构。
首先，如图6所示，实施方式4的半导体发光元件中，在由具有(111)Ga面的n型GaP基板、具有(111)Ga面的n型GaAs基板、或具有(111)面的n型Si基板形成的n型基板41的(111)Ga面或(111)面上，形成具有线状开口或散布有六角形或圆形开口的SiO2或SiNx等构成的选择性成长的掩模42。在露出于相邻的选择性成长掩模42之间的n型基板41的表面上形成厚度约10nm～50nm的Si掺杂非单晶GaN、AlGaN或AlN制低温缓冲层43。形成厚度约5μm的单晶Si掺杂GaN构成的n型层44，以覆盖选择成长掩模42和低温缓冲层43。在n型层44上，形成了交替形成10层厚度约40nm的单晶Si掺杂Al0.2Ga0.8N和厚度约40nm的单晶Si掺杂GaN的n型多层反射膜45。构成n型多层反射膜45的各层膜的膜厚优选为，设各层折射率为m，发光波长为λ时，在λ/(4m)附近。
在n型多层反射膜45上，形成厚度约0.15μm的单晶Si掺杂Al0.1Ga0.9N构成的n型金属包层46。在n型金属包层46上，形成由厚度约5nm的单晶未掺杂Ga0.8In0.2N形成的阱层构成的单一量子阱结构的SQW发光层47。SQW发光层47为本发明的“发光层”的一例。在该SQW发光层47上形成厚度约0.3μm的未掺杂Ga0.95In0.05N构成的接触层48。接触层48为本发明的“半导体层”的一例。
在实施方式4中，在接触层48的所有表面上，形成厚度约1nm的Pt制电阻电极49。在电阻电极49上，形成厚度约3nm的等离子体频率高的Al制电极50。Pt制电阻电极49具有优于Al制电极50的相对于未掺杂Ga0.95In0.05N构成的接触层48的电阻特性。而电极50由等离子体频率高于Pt制电阻电极18的金属(Al)构成。电阻电极49为本发明的“第1电极层”的一例，电极50为本发明的“第2电极层”的一例。
电极50形成具有三角晶格(二维)的周期性结构，且其未形成电极50的部分为图2所示的圆形部152。当设发光波长的角频率为ωL，接触层48的介电常数为εc时，接触层48的表面、电阻电极49与Al制电极50附近激发的表面等离子体激元的波数kL可用kL 2＝(ωL/c)2εAεC/(εA+εC)得出。决定图2所示的邻接的圆形部152之间的间隔D时，需满足表面等离子体激元的波数k为k(2/30.5)·(2π/D)。如图3所示，实施方式4形成的二维晶格(三角晶格)的最小反晶格向量的大小G为G＝2(2/30.5)·(2π/D)。如上所述，因G和k大致一致，因此容易形成波数k的表面等离子体激元的驻波。而在实施方式4中，图2所示的三角晶格的相邻圆形部1 52的间隔D为230nm，直径R为120nm。
再形成厚度为数百nm的SiO2膜制保护层51，以覆盖图6所示的等离子体频率高的Al制电极50。经设于保护层51上的开口51a，形成厚度约1μm的Au制缓冲电极52。另外，在n型基板41的背面的全部表面上形成n侧电极53。
在实施方式4中，也通过在未掺杂Ga0.95In0.05N构成的接触层48的全部表面上形成由对接触层48具有良好电阻特性的Pt制电阻电极49，并在该电阻电极49上形成具有等离子体频率高于电阻电极49的A1制周期性结构的电极50，就不仅能由电阻电极49达成良好的电阻接触，且能由电极50达成表面等离子体激元效应。
另外，在实施方式4中，Pt制电阻电极49的厚度很小，约1nm，这使得由SQW发光层47发出的光在电阻电极49上不衰减，而能透过具有周期性结构的等离子体频率高的Al制电极50，因此，可使具有能在电极50表面充分激发等离子体激元的强度的光透过。
实施方式4的其它效果与上述实施方式1相同。
其次，参照图6说明实施方式4的制造工艺。首先，在由具有(111)Ga面的n型GaP基板、具有(111)Ga面的n型GaAs基板、或具有(111)面的n型Si基板形成的n型基板41的(111)Ga面或(111)面上，形成具有线状开口或散布有六角形或圆形开口的SiO2或SiNx膜等构成的选择性成长的掩模42。再在将n型基板41保持在约400℃～700℃的温度下，使用由NH3和TMGa或TMAl构成的原料气，和由SiH4构成的掺杂气，形成厚度约10nm～50nm的Si掺杂非单晶GaN、AlGaN或AlN制低温缓冲层43。然后，将n型基板41保持在约1000℃～1200℃，例如1150℃的单晶成长温度下，使用H2和N2的载气(H2含率约50％)，由NH3、TMGa构成的原料气，和由SiH4构成的掺杂气，在低温缓冲层43和选择成长掩模42上，以约3μm/h的成长速度形成单晶Si掺杂GaN构成的n型层44，使厚度为约5μm。
然后，在将n型基板41保持在约1000℃～1200℃，例如约1150℃的单晶成长温度下，利用由H2和H2构成的载气(H2含有率约1％～3％)、由NH3、TMGa和TMAl构成的原料气，和由SiH4构成的掺杂气，在n型层44上，以每10层约3μm/h的成长速度交替形成厚度约40nm的单晶Si掺杂Al0.2Ga0.8N层和厚度约40nm的单晶Si掺杂GaN层的n型多层反射膜45。
然后，将n型基板41保持在约1000℃～1200℃，例如1150℃的单晶成长温度下，使用由H2和N2构成的载气(H2含率约1％～3％)、由NH3、TMGa和TMAl构成的原料气，和由SiH4构成的掺杂气，在n型多层反射膜45上，以约3μm/h的成长速度形成单晶Si掺杂Al0.1Ga0.9N构成的n型金属包层46，达到厚度约0.15μm。
然后，在将n型基板41保持在约700℃～1000℃，例如约850℃的单晶成长温度下，利用由H2和N2构成的载气(H2含率约1％～5％)，由NH3、TEGa和TMIn构成的原料气，在n型金属包层46上，以约0.4nm/s的成长速度，使单晶未掺杂Ga0.8In0.2N构成的阱层成长至厚度约5nm，形成SQW发光层47。继而以约3μm/h的成长速度，形成未掺杂Ga0.95In0.05N构成的接触层48，使其厚度约0.3μm。
然后，在将n型基板41保持在约400℃～900℃，例如约800℃的退火温度下，使成长装置内为N2环境，对氮化物类半导体施行退火，将氮化物类半导体中的氢浓度降至5×1018cm-3以下，然后，以N2为载气，通入掺杂气Cp2Mg，主要通过在接触层48中使Mg仅扩散1×1018～1×1019cm-3，使接触层48转成p型。
在变成p型的接触层48的全部表面上，形成厚度约1nm的Pt制电阻电极49。在电阻电极49上，利用剥离法，形成厚度约3nm的具有图2所示三角晶格状圆形部(圆孔)152的等离子体频率高的Al制电极50。再形成厚度为数百nm的SiO2膜制保护层51，以覆盖全部表面。在保护层51上形成开口51a，然后形成厚度约1μm的Au制缓冲电极52，使其与电阻电极49和电极50接触。再利用真空蒸镀法，在n型基板41的背面的全部表面上形成n侧电极53。
在实施方式4中，决定D时，需满足k(2/30.5)·(2π/D)，但当Г为图3的任意反晶格的向量大小时，也可按kГ来决定。
实施方式5
参照图7和图8说明本发明实施方式5适用于具有波导结构的氮化物类半导体激光元件的实施例。
如图7所示，在实施方式5的氮化物类半导体激光元件中，在掺杂了氧、Si等的厚度约200μm～400μm的n型GaN基板61的(0001)Ga面上，形成厚度约5μm的单晶Si掺杂GaN构成的n型层62。在n型62上形成厚度约0.15μm的单晶Si掺杂Al0.1Ga0.9N构成的n型金属包层63。该n型金属包层63的中央有凸部。该n型金属包层63的凸部上，形成了具有交替形成了厚度约5nm的单晶未掺杂GaN构成的6层势垒层和厚度约5nm的单晶未掺杂Ga0.9In0.1N构成的5层阱层的多量子阱结构的MQW发光层64。MQW发光层64为本发明的“发光层”的一例。在MQW发光层64上，形成了厚度约5nm的单晶Mg掺杂Al0.1Ga0.9N构成的保护层65。在保护层65上形成了厚度约5nm的单晶Mg掺杂GaN构成的p型接触层66。p型接触层66为本发明的“半导体层”的一例。由n型金属包层63的凸部、MQW发光层64、保护层65和p型接触层66构成脊状部。
在实施方式5中，在脊状部(p型接触层66)上，如图8所示，形成具有线状(一维)周期性结构的p侧电极层72。该p侧电极层72由与p型接触层66的上面电阻接触形成的厚度约1nm的Pd制电阻电极68、形成在电阻电极68上的厚度约200nm的等离子体频率高的Ag制电极69、形成在电极69上的厚度约100nm的ITO制势垒层70、以及形成在势垒层70上的厚度约100nm的Au制缓冲电极71构成。Pd制电阻电极68，具有优于Ag制电极69的相对于Mg掺杂GaN构成的p型接触层66的电阻特性。而电极69由等离子体频率高于Pd制电阻电极68的金属(Ag)构成。电阻电极68为本发明的“第1电极层”的一例，电极69为本发明的“第2电极层”的一例。p型接触层66的表面、电阻电极68和Ag制电极69的附近部分对于表面等离子体激元来说，起到线状波导的作用。
势垒层70用于抑制电阻电极68和缓冲电极71的反应。这样，在抑制等离子体频率降低的同时，还可抑制光吸收的增加。
当设发光波长的角频率为ωL，p型接触层66的介电常数为εc时，在p型接触层66的表面，在电阻电极68和Ag制电极69附近激发的等离子体激元的波数kL，可用kL 2＝(ωL/c)2εAεc/(εA+εc)得出。在实施方式5中，决定一维周期(图8的相邻的p侧电极层72的间隔)D时需满足k(2π/D)。此时，一维晶格的最小反晶格向量的大小G为G＝(2π/D)。这样，因G和kL大体一致。在波导中，容易在线向上形成波数kL的表面等离子体激元的驻波。在实施方式5中，一维晶格的周期D为170nm，该表面等离子体激元的驻波形成激光，由脊状部的线状端面发射。
另外，在n型GaN基板61的背面，从基板侧开始，形成由Al制电阻电极、Pt或Ti等制势垒金属、以及Au、Au-Sn等制缓冲电极构成的n侧电极74。
如上所述，在实施方式5中，通过形成线状(一维)周期的等离子体频率高的Ag制电极，使用由MQW发光层64发出的光，可激发表面等离子体激元。
在实施方式5中，通过在p型接触层66上，形成具有相对于p型接触层66具有良好电阻特性的Pd制线状(一维)周期性结构的电阻电极68，同时还在电阻电极68上形成等离子体频率高于电阻电极68的Ag制线状(一维)周期性结构的电极69，由此不仅能由电阻电极68达成良好的电阻接触，且能由电极69达成表面等离子体激元效应。
另外，在实施方式5中，Pd制电阻电极68的厚度很小，约1nm，使得由MQW发光层64发出的光在电阻电极68上几乎不衰减，而能透过具有周期性结构的等离子体频率高的Ag制电极69，因此，在p型接触层66的表面，电阻电极68和Ag制电极69的附近部分，可使具有能充分激发等离子体激元的强度的光透过。
其次，参照图7和图8说明具有实施方式5的波导结构的氮化物类半导体激光元件的制造工艺。首先，准备具有经氧掺杂或Si掺杂等的厚度约200μm～400μm的(0001)Ga面的n型GaN基板61。将n型GaN基板61保持在约1000℃～1200℃，例如约1150℃的单晶成长温度下，利用由H2和N2构成的载气(H2的含有率约50％)，由NH3、TMGa构成的原料气，和由SiH4构成的掺杂气，在n型GaN基板61的(0001)Ga面上，使由单晶Si掺杂GaN构成的n型层，以约3μm/h的成长速度成长至厚度约5μm。然后，在将n型GaN基板61保持在约1000℃～1200℃，例如1150℃的单晶成长温度下，利用由H2和N2组成的载气(H2的含有率约1％～3％)，由NH3、TMGa和TMA1构成的原料气，和由SiH4构成的掺杂气，在n型层62上使单晶Si掺杂Al0.1Ga0.9N构成的n型金属包层63，以约3μm/h的成长速度成长至厚度约0.15μm。
再将n型GaN基板61保持在约700℃～1000℃，例如约850℃的单晶成长温度下，利用由H2和N2构成的载气(H2的含有率约1％～3％)，由NH3、TEGa和TMIn构成的原料气，在n型金属包层63上，以0.4nm/s的成长速度，交替形成厚度约5nm的单晶未掺杂GaN构成的6层势垒层和厚度约5nm的单晶未掺杂Ga0.9In0.1N构成的5层阱层，从而形成MQW发光层64。继而以约0.4nm/s的成长速度，使由单晶Mg掺杂Al0.1Ga0.9N构成的保护层65成长至厚度约5nm。
在将n型GaN基板61保持在约1000～1200℃，例如1150℃的单晶成长温度下，利用由H2和N2组成的载气(H2的含有率约1％～3％)，由NH3、TMGa和TMAl构成的原料气，和由Cp2Mg构成的掺杂气，在保护层65上，以约3μm/h的成长速度使单晶Mg掺杂GaN构成的p型金属包层66成长至厚度约5nm。
另外，在使上述保护层65和p型接触层66结晶成长期间，通过降低载气的氢组成(约1％～3％)，不在N2气环境下进行热处理，也能得到Mg掺杂物被激活的载流子浓度高的p型半导体层。(保护层65和p型接触层66)。
此后，利用光刻技术和蚀刻技术，通过蚀刻p型接触层66至n型金属包层63的局部，形成图7所示的脊状部。再形成绝缘膜67，覆盖脊状部的侧面和n型金属包层63的上表面。
然后，在p型接触层66的上表面上，形成具有线状(一维)周期性结构的p侧电极层72。具体而言，首先，在全部表面上形成保护膜(未图示)后，除去保护膜的与电极形成相应的部分。然后，利用真空蒸镀法，在依次形成约1nm的Pd层、约200nm的Ag层、约100nm厚的ITO膜和约100的厚的Au层后，除去保护膜，形成具有图8所示的一维(线状)周期性结构的p侧电极层72。
然后，利用真空蒸镀法，在n型GaN基板61的背面上形成由Al制电阻电极，Pt或Ti等制势垒金属，以及Au或Au-Sn等缓冲电极构成的n侧电极74。这样，就形成实施方式5的有波导结构的氮化物类半导体激光元件。
实施方式6
参照图9说明实施方式6中，为达到表面等离子体激元效应，将与表面周期性形成的电极的相反一侧用作拾光面的半导体LED元件或垂直共振腔型半导体激光器等半导体发光元件。
如图9所示，在实施方式6的半导体发光元件中，形成具有与图5所示的实施方式4的n型层44、n型多层反射膜45、n型金属包层46、SQW发光层47和接触层48同样膜厚和组成的层。然后在未掺杂Ga0.95In0.05N构成的接触层48的上表面上形成厚度约1nm的Pd制电阻电极89和厚度约200nm的等离子体频率高的Ag制电极90，使图2所示未形成电极的圆形部152部分为三角晶格周期性结构。另外，Pd制电阻电极89具有优于Ag制电极90的相对于未掺杂Ga0.95In0.05N构成的接触层48的电阻特性。而电极90由等离子体频率高于Pd制电阻电极89的金属(Ag)构成。电阻电极89为本发明的“第1电极层”的一例，电极90为本发明的“第2电极层”的一例。
另外，形成厚度约100nm的由ITO等构成的势垒层91，以覆盖电阻电极89和电极90。在势垒层91上形成厚度约100nm的Au制缓冲电极92。在缓冲电极92上，经电极93，装有厚度约200μm～1mm的支承基板94。该支承基板94可由p型金刚石基板、n型SiC基板或多晶n型AlN基板等制成。在支承基板94的上表面上形成p侧电极95。而在n型层44的背面芯片周边部约50μm的区域形成n侧电极96。该n侧电极96，从n型层侧44开始，由Al制电阻电极，Pt或Ti等制势垒金属，和Au或Au～Sn等易熔金属构成的缓冲金属构成。
在实施方式6中，通过周期性地形成电阻电极89和等离子体频率高的Ag制电极90，使图2所示未形成电极的圆形部152呈三角晶格状，就能与上述实施方式4同样，易于形成波数k的表面等离子体激元驻波。在实施方式6中，与实施方式4一样，图2所示的相邻圆形部152的间隔D为230nm，圆形部152的直径R为120nm。当设发光波长的角频率为ωL，接触层48的介电常数为εc时，接触层48、电阻电极89与Ag制电极90附近激发的等离子体激元的波数kL可由kL 2＝(ωL/c)2εAεc/(εA+εc)得出
在实施方式6中，与上述实施方式4同样，通过周期性形成等离子体频率高的Ag制电极90，利用SQW发光层47发出的光，可激发表面等离子体激元。另外，在实施方式6中，通过在未掺杂Ga0.95In0.05N构成的接触层48的全部表面上形成由对接触层48具有良好电阻特性的Pd制周期性结构的电阻电极89，并在该电阻电极89上形成具有等离子体频率高于电阻电极89的Ag制周期性结构电极90，就不仅能由电阻电极89达成良好的电阻接触，且能由电极90达成表面等离子体激元效应。
另外，在实施方式6中，Pd制电阻电极89的厚度很小，约1nm，这使得由SQW发光层47发出的光在电阻电极89上几乎不衰减，而能透过具有周期性结构的等离子体频率高的Ag制电极90，因此，可使具有能在电极90表面充分激发表面等离子体激元的强度的光透过。
其次，参照图9～图11说明实施方式6的半导体发光元件的制造工艺。首先，如图10所示，利用与图5所示的实施方式4的半导体发光元件的形成工艺同样的工艺，在n型基板41上，依次使选择成长掩模42、低温缓冲层43、n型层44、n型多层反射膜45、n型金属包层46、SQW发光层47和接触层48成长。
然后，如图11所示，在接触层48上，利用剥离法，形成具有图2所示的三角晶格周期性结构的电阻电极89和电极90。即，在全部表面上形成保护膜后，除去电极形成部分的保护膜。然后依次形成厚度约1nm的Pd层和厚度约200nm的Ag层，再除去保护膜，由此形成图2所示未形成电极的圆形部(圆孔)152具有三角晶格周期性结构的电阻电极89和等离子体频率高的电极90。
然后，形成厚度约100nm的ITO等构成的势垒层91，以覆盖全部表面。在势垒层91上，利用真空蒸镀法形成厚度约100nm的Au制缓冲电极92。然后，将半导体发光元件从缓冲电极92侧贴合在表面和背面分别形成电极93和95的导电性支承基板94上。此时，优选支承基板94与形成半导体发光元件的n型基板41的形状大致相同。然后利用湿式蚀刻等方法除去背面的n型基板41，露出低温缓冲层43。再研磨背面的低温缓冲层43和选择成长掩模42以将其除去，使n型层44的背面露出。这样，就得到图9所示形状。然后，通过在n型层44的芯片周边部约50μm的区域，利用真空蒸镀法，依次层积电阻电极、势垒金属和缓冲金属，形成n侧电极96。这就形成了实施方式6的半导体发光元件。
实施方式7
参照图12说明实施方式7中的与上述实施方式6不同的，在接触层48的全部表面上形成电阻电极99，并在该电阻电极99上，形成具有周期性结构的等离子体频率高的金属构成的电极100的结构。而实施方式7的其它结构与实施方式6相同。
即，在实施方式7中，在接触层48的全部表面上形成了厚度约1nm的Pt制电阻电极99。在该电阻电极99上，使图2所示未形成电极的圆形部152呈三角晶格周期性结构，并形成厚度约100nm的等离子体频率高的Al制电极100。Pt制电阻电极99具有优于Al制电极100的相对于未掺杂Ga0.95In0.05N构成的接触层48的电阻特性。而电极100由等离子体频率高于Pt制电阻电极89的金属(Al)构成。电极99为本发明的“第1电极层”的一例，电极100为本发明的“第2电极层”的一例。在实施方式7中，决定图2所示的邻接的圆形部152之间的间隔D时，需满足波数kL为kL2(2/30.5)·(2π/D)。此时，G＝2(2/30.5)·(2π/D)与二维晶格(三角晶格)的反晶格的向量大小一致。在实施方式7中，D＝460nm，R＝240nm。
在实施方式7中，也与上述实施方式6同样，可得到由电阻电极99达成与接触层48的良好电阻接触，并由具有等离子体频率高的周期性结构的电极100达成表面等离子体激元效应。
实施方式7的其它效果与实施方式6相同。
参照图12和图13说明实施方式7的半导体发光元件的制造工艺。
首先，使用与图10和图11所示实施方式6相同的制造工艺形成图13所示的接触层48。然后利用真空蒸镀法，在接触层48的全部表面上形成厚度约1nm的Pt，形成电阻电极99。然后在电阻电极99上，利用剥离法，形成等离子体频率高的Al制厚度约100nm的电极100。然后，经过与图11和图9所述实施方式6的同样过程，形成图12所示的实施方式7的半导体发光元件。
实施方式8
参照图14说明实施方式8中与上述实施方式6不同的，在接触层108上面有周期性波浪状的半导体发光元件。实施方式8的其它结构，与实施方式6相同。
即，在实施方式8的半导体发光元件中，在由形成于SQW发光层47上的厚度约0.3μm的未掺杂Ga0.95In0.05N构成的接触层108的表面上，形成周期性波浪状。接触层108为本发明的“半导体层”的一例。此时，凹部的深度约20nm。就该波浪状而言，可将图2所示圆形部152用作凸部或凹部，形成三角晶格。此时，图2所示的相邻的圆形部152之间的间隔D＝460nm，圆形部152的直径R＝240nm。
另外，形成厚度约2nm的Ni制电阻电极109，以覆盖具有上述波浪状的接触层108的全部表面。在电阻电极109上形成厚度约300nm的等离子体频率高的Ag制电极110。Ni制电阻电极109具有优于Ag制电极110的相对于未掺杂Ga0.95In0.05N构成的接触层108的电阻特性，而电极110由等离子体频率高于Ni制电阻电极109的金属(Ag)构成。电阻电极109为本发明的“第1电极层”的一例，电极110为本发明的“第2电极层”的一例。
如上所述，在实施方式8中，由于接触层108的表面呈周期性波浪状，且在该周期性波浪状上依次形成了电阻电极109和等离子体频率高的金属制电极110，所以，等离子体频率高的Ag制电极110的下面呈周期性波浪状，因此易于达成表面等离子体激元效应。在实施方式8中，可由电阻电极109达成与接触层108的良好的电阻接触，且能由等离子体频率高的Ag制电极110达成表面等离子体激元效应。
实施方式8的其它效果，与实施方式6相同。
再参照图14和图15说明实施方式8的半导体发光元件的制造工艺。首先，利用与图10所示实施方式6的制造工艺同样的过程形成SQW发光层47。然后在SQW发光层47上形成厚度约0.3μm的未掺杂Ga0.95In0.05N构成的接触层108。如图15所示，利用光刻技术和蚀刻技术，在接触层108的表面上形成图2所示的三角晶格周期性波浪状。然后，利用真空蒸镀法，在接触层108上形成厚度约2nm的Ni制电阻电极109，厚度约300nm的等离子体频率高的Ag制电极110，以及厚度约100nm的ITO等制势垒层111。再经与图11和图9的实施方式6的制造工艺中所述的同样的制造工艺，制成图14所示的实施方式8的半导体发光元件。
实施方式9
参照图16，说明图1所示实施方式1的结构适用于ZnO系材料的结构时的实施方式9的结构。
如图16所示，实施方式9的半导体发光二极管元件中，在n型ZnO基板的(0001)Zn面上形成厚度约4μm的Ga掺杂n型ZnO形成的n型层122。在n型层122上形成Ga掺杂n型Mg0.05Zn0.95O构成的n型金属包层123。在n型金属包层123上，形成了具有由Cd0.1Zn0.9O构成的3层阱层124a和由Mg0.05Zn0.95O构成的2层势垒层124b交替层积成多重量子阱结构的MQW发光层124。MQW发光层124为本发明的“发光层”的一例。
在MQW发光层124上形成厚度约20nm的氧掺杂p型Mg0.15Zn0.85O构成的p型载流子阻挡层125。在p型载流子阻挡层125上形成厚度约0.2μm的氮掺杂p型Mg0.05Zn0.95O构成的p型金属包层126。在p型金属包层126上形成厚度约0.15μm的氮掺杂p型ZnO构成的p型接触层127。p型接触层127为本发明的“半导体层”的一例。
在实施方式9中，在p型接触层127上与图1所示实施方式1同样，形成厚度约1nm的Pd制电阻电极8和厚度约2nm的等离子体频率高的Ag制电极9，以及厚度约1nm的Au制保护层10，使图2所示未形成电极等的圆形部152形成周期性三角晶格，为使Pd制电阻电极8与氮掺杂p型Zno构成的p型接触层127有良好的电阻接触，因此它与电极9相比，相对于p型接触层127的电阻特性好。且由于与实施方式1一样，所设电极9用于达成表面等离子体激元效应，故由等离子体频率高于Pd制电阻电极8的金属(Ag)构成。
在n型ZnO基板121的背面，与实施方式1同样，形成由Al或Ag制电阻电极，Pt或Ti等制势垒金属，以及Au或Au-Sn等制缓冲金属构成的n侧电极11。
实施方式9中也通过设置与上述实施方式1相同的p侧电极结构，而在即使采用ZnO类材料的情况下，也可由电阻电极8形成与接触层127的良好的电阻接触，并能利用等离子体频率高的Ag制有周期性结构的电极9，达成表面等离子体激元效应。
上述实施方式9的半导体发光二极管元件的制造工艺首先如图16所示，准备厚度约200～400μm的n型ZnO基板121。然后利用MOVPE法，在n型ZnO基板121的(0001)Zn面上，以氢为载气，用MOVPE法在约500～700℃的成长温度下使Ga掺杂n型ZnO构成的n型层122成长，使其在约0.08μm/s的成长速度下长至厚度约4μm。然后在n型层122上，在约500～700℃的成长温度下，使Ga掺杂n型Mg0.05Zn0.95O构成的n型金属包层123成长，达到厚度约0.45μm。在n型金属包层123上，在约400～450℃的成长温度下，通过使由Cd0.1Zn0.9O构成的3层阱层124a和由Mg0.05Zn0.95O构成的2层势垒层124b交替成长，形成MQW发光层124。
然后，在约500～700℃的成长温度下，在MQW发光层124上，依次使厚度约20nm的氮掺杂p型Mg0.15Zn0.85O构成的p型载流子阻挡层125和厚度约0.2μm的氮掺杂p型Mg0.05Zn0.95O构成的p型金属包层126成长。在约500～700℃的成长温度下，在p型金属包层126上，使厚度约0.15μm的氮掺杂的p型ZnO构成的p型接触层127成长。在该p型接触层127成长后，在氮或氩的不活泼气体环境下或真空中，在约700℃的温度条件下进行退火，这样，使半导体层中所含氢由半导体中脱离。由此提高p层(p型载流子阻挡层125，p型金属包层126和p型接触层127)的载流子浓度。
然后，利用与图1所示实施方式1的半导体发光元件的制造工艺相同的过程，在形成电阻电极8、电极9和保护层10的同时，在n型ZnO基板的背面形成n侧电极11。由此完成实施方式9的半导体发光二极管元件(LED)。
本说明书所示实施方式的所有各要点均不应受限于所举例，本发明的范围包括上述实施方式中未说明，但权利要求已经表明的，以及权利要求范围的同等意义和范围内的所有变更。
例如，在上述实施方式中，说明了在氮化物类半导体制半导体发光元件或ZnO类材料制半导体发光元件中使用本发明的情况。但本发明不限于此，在由其它材料构成的半导体发光元件中也可使用。优选用于发出短波长光的半导体发光元件中。
另外，在上述实施方式1～3、5和9中，氮化物类半导体或ZnO类的各层层积在六方晶的C面上，但本发明不仅限于此，也可层积在六方晶的其它方位面上。例如也可将各层层积在(1-100)或(11-20)面等(H、K、-H-K、O)面上。此时，由于在发光层上不产生压电电场，因此可提高发光层的发光效率。还可使用偏离各面方位的基板。
在上述实施方式中，以MQW结构或SQW结构为例阐释了发光层，但本发明不限于此，厚膜的单层的结构也可得到同样的效果。
另外，在实施方式1～9中，半导体的结晶结构也可为纤锌矿型结构或闪锌矿结构。
在上述实施方式中，氮化物类半导体或ZnO类的各层的结晶成长用MOVPE法进行，但本发明不限于此。还可利用HVPE法或MBE法，气体源MBE法等进行结晶成长。
另外，在上述实施方式中，以图2所示的三角晶格(二维)和图8所示的线状(一维)周期性结构为例阐述了周期性结构，但本发明不限于此，也可为其它的周期性结构。例如，将未形成电极的部分、形成电极的部分或波浪状周期性排列成三角晶格之外的其它二维(正方晶格状，长方晶格状或斜方晶格状)晶格，也可得到同样的效果。另外，也可不在图2中的剖面线区域151中形成电极，而仅在圆形部152中形成电极。

Claims (20)

1.半导体发光元件，其特征在于，具有
形成于发光层上的半导体层；
形成于所述半导体层上的第1电极层；和
形成于所述第1电极层上的具有周期性结构的第2电极层，
所述第1电极层与所述半导体层的电阻接触优于所述第2电极层，所述第2电极层含有等离子体频率高于所述第1电极层的金属。
2.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述半导体层为p型氮化物类半导体层，所述第1电极层与所述p型氮化物类半导体层接触。
3.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征为，所述第2电极层的周期性结构为周期性波浪状。
4.如权利要求3所述的半导体发光元件，其特征在于，所述第2电极层的所述周期性结构包括所述波浪状的凹部或凸部以三角晶格状周期性排列的结构。
5.如权利要求3所述的半导体发光元件，其特征在于，所述第2电极层的所述周期性结构包括线状周期性结构。
6.如权利要求5所述的半导体发光元件，其特征在于，所述半导体层具有隆起的脊状部，在所述半导体层的所述脊状部上，沿所述脊状部的延伸方向，形成具有所述线状周期性结构的所述第2电极层。
7.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述半导体层包括形成周期性波浪状的表面。
8.如权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于，形成所述半导体层的所述周期性波浪状表面的凹部或凸部，以三角晶格状周期性配置。
9.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述第1电极层厚度小于所述第2电极层。
10.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述第1电极层由Ni，Pd和Pt中的至少一种材料形成；所述第2电极层由A1和Ag中的至少一种材料形成。
11.如权利要求10所述的半导体发光元件，其特征在于，所述第1电极层含Pd，所述第2电极层含Ag。
12.如权利要求10所述的半导体发光元件，其特征在于，所述第1电极层含Pt，所述第2电极层含Al。
13.如权利要求10所述的半导体发光元件，其特征在于，所述第1电极层含Ni，所述第2电极层含Ag。
14.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述第1电极层具有所述周期性结构，具有所述周期性结构的所述第2电极层形成于所述第1电极层上，并反映出所述第1电极层的所述周期性结构。
15.如权利要求14所述的半导体发光元件，其特征在于，在所述第1电极层和所述第2电极层上，形成形状相同的周期性波浪状。
16.如权利要求14所述的半导体发光元件，其特征在于，在所述第2电极层与所述第1电极层的界面处，所述第2电极层形成周期性波浪状。
17.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，还具有形成于所述第2电极层上的保护层。
18.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，从所述发光层发出的光，从形成具有所述周期性结构的所述第2电极层区域拾取。
19.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，从所述发光层发出的光，从与形成具有所述周期性结构的所述第2电极层区域相反的一侧区域拾取。
20.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述半导体层包含ZnO层。
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