JP2007088277A - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 透光性を有する基板上に、少なくともｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層を順次積層して成る半導体発光素子において、光取出し効率を一層向上する。
【解決手段】 透光性の基板２上に、共に柱状で、長周期Ａの凸部８ａと、短周期Ｂの凸部８ｂとを重畳して形成する。そして、その周期Ａ，Ｂを、出射面への入射角θが比較的深い領域での透過率が高くなる波長λの５倍よりも大きな長周期Ａと、前記入射角θが比較的深い領域での透過率が高くなる前記波長λの５倍以下の短周期Ｂとの組合わせとする。これによって、あらゆる入射角θに対しても、回折による光取出し効率が向上し、一般的なλ／４の凹凸構造に比べて、光取出し効率を向上することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体内で電子と正孔とを結合させて光を発生する半導体発光素子およびその製造方法に関する。

近年、III−Ｎ化合物（以下、ナイトライドと呼ぶ）またはII−VI化合物を用いて、その中に量子井戸を形成し、外部から電流を流して、この量子井戸で電子と正孔とを結合させて光を発生する半導体固体発光素子の発展が目覚しい。

III−Ｖ化合物として最もよく用いられているのが前記ナイトライドのＧａＮであるが、このＧａＮを始めとして、ナイトライドの屈折率は１より大きく、大気中への光の取出しに課題がある。ＧａＮの場合を例にとると、屈折率が約２．５であり、ＧａＮと大気との境界の法線に対して、２３．６度（以下、この法線に対して２３．６度より小さい領域で形成された円錐領域をエスケープコーンと呼ぶ）より大きい角度で境界に入射された光は、大気中に放射されず、境界面で全反射され、ＧａＮの中へ閉込められてしまう。

その閉込められた光の一部は発光層に再吸収され、電子―正孔対発生と再結合とによって再発光に寄与するが、その再発光した光も一部のエスケープコーン内で発光されれば大気中へ放射されるが、大部分のエスケープコーン外で発光された光は再びＧａＮ中に閉込められる。そして、閉込められた光は、結晶や電極材料に再吸収されて熱に変化してしまう。このため、平坦なＧａＮ層では、この屈折率による全反射のために発光効率を向上することは難しいという問題がある。

そこで、このような課題に対して、たとえば特許文献１では、光取出し面にピッチ２〜４μｍ、深さλ（２ｎ＋１）／４（ｎ＝１，２，・・・）の矩形の凹凸を形成しておくことで、前記光取り出し面で光が反射する際に、凹部と凸部とでそれぞれ反射される光が互いの位相のλ／２だけ異なって打消し合い、反射が低減して、結果的に光取り出し効率を向上するように工夫されている。
特開平７−２０２２５７号公報

しかしながら、その従来技術では、全反射角以上の浅い角度で入射した光の取出し効率は向上されないので、前記ＧａＮ層側から光を取出すフェイスアップタイプに比べて、高屈折率の透明基板側から光を取出すフェイスダウン（フリップチップ）タイプの場合には、取出し効率の向上効果がほとんど得られないという問題がある。これを図２１を用いて詳しく説明する。図２１は、平坦な基板の出射面への発光層からの入射角θの変化に対する透過率（光取出し効率）の変化を模式的に示すグラフである。この図２１において、入射角θ０は、前記エスケープコーンの角度であり、該入射角θは、基板と大気との境界の法線に対する角度で、基板表面に対しては、該入射角θが、小さい程深い入射角で、大きい程浅い入射角となる。

ここで、出射面が平滑面の場合、透過率（光取出し効率）は、一般に下式で表すことができると考えられる。

光取出し効率η＝∫（透過率（θ）×入射配光分布（θ））ｄθ
これを、図２１に示すと、透過率のグラフは参照符号α０で示され、入射配光分布のグラフは参照符号β０で示され、したがって実際に外部に取出される光の量は、α０，β０の重なった領域であり、図２１において梨地で示す参照符号γ０で示される領域となる。

これに対して、上述の従来技術によるλ／４の凹凸構造を採用し、フレネルロスを低減することで、透過率のグラフは、参照符号α０’で示すように上昇させることができる。しかしながら、その透過率の上昇分は入射配光分布に交わらず、光取出し効率はほとんど向上しない。これは、参照符号β０で示すように、入射配光分布は、通常、発光層から出射面に対して、入射角が非常に深い成分は少なく、入射角が浅くなる程、成分が多くなるからである。

本発明の目的は、光取出し効率を向上することができる半導体発光素子およびその製造方法を提供することである。

本発明の半導体発光素子は、透光性を有する基板上に、半導体層が積層されて成る半導体発光素子において、前記基板の発光層が形成される面とは反対側の表面の全面あるいは一部に、前記発光層に垂直な同一断面内で、前記発光層で発生された光の空気中における波長の５倍の周期よりも大きい周期で前記基板から第１の高さに立設される柱状の第１の凸部と、前記５倍以下で、かつ１倍以上の周期で前記基板から前記第１の高さよりも低い第２の高さに立設される柱状の第２の凸部とを含むことを特徴とする。

上記の構成によれば、透光性を有する基板上に、少なくともｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層を順次積層して成る半導体発光素子において、サファイアなどから成る前記透光性を有する基板の表面に凹凸を形成することで光取出し効率を向上するにあたって、本発明では、そのような凹凸構造を、長周期Ａで基板から第１の高さに立設される柱状の第１の凸部と、短周期Ｂで基板から前記第１の高さよりも低い第２の高さに立設される柱状の第２の凸部との組合わせとする。そして、重畳される第１の凸部の長周期Ａは、前記発光層で発生された光の空気中における波長の５倍の周期よりも大きな前記波長より充分大きい周期とし、第２の凸部の短周期Ｂは、前記５倍以下で、かつ１倍以上の前記波長より大きい周期とする。前記第１の凸部および第２の凸部は、円柱状でも角柱状でもよい。

すなわち、前記の凹凸構造は、前記発光層で発生された光の空気中における波長の５倍の周期を境界として、それよりも短い方の周期に形成すると出射面への入射角θが比較的深い領域での透過率が高くなり、それよりも長い方の周期に形成すると出射面への入射角θが比較的浅い領域での透過率が高くなるという本件発明者の知見によるものであり、これらの周期の凹凸構造を組合わせる。一方、前記波長と等倍以下の周期構造となると、通常よく用いられるλ／４の凹凸構造などと同様に、フレネルロスの低減による光取出し効率は向上するが、本発明による回折による光取出し効率の向上効果は小さくなる。ここで、通常、発光層から出射面に対して、入射角θが非常に深い成分は少なく、入射角θが浅くなる程、成分が多くなる。

したがって、λ／４の凹凸構造を採用しないことで、前記フレネルロスの低減による光取出し効率は低下するが、それ以上に回折による光取出し効率が向上するので、前記λ／４の凹凸構造に比べて、光取出し効率を向上することができる。

また、本発明の半導体発光素子は、透光性を有する基板上に、半導体層が積層されて成る半導体発光素子において、前記基板の発光層が形成される面とは反対側の表面の全面あるいは一部に、前記発光層に垂直な同一断面内で、前記発光層で発生された光の空気中における波長の５倍の周期よりも大きい周期で前記基板から立設される第１の凸部と、前記５倍以下で、かつ１倍以上の周期で前記第１の凸部および凹部上に立設される柱状の第２の凸部とを含むことを特徴とする。

上記の構成によれば、透光性を有する基板上に、少なくともｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層を順次積層して成る半導体発光素子において、サファイアなどから成る前記透光性を有する基板の表面に凹凸を形成することで光取出し効率を向上するにあたって、本発明では、そのような凹凸構造を、長周期Ａで基板から立設される第１の凸部と、短周期Ｂで前記第１の凸部および凹部上に立設される柱状の第２の凸部との組合わせとする。そして、重畳される第１の凸部の長周期Ａは、前記発光層で発生された光の空気中における波長の５倍の周期よりも大きな前記波長より充分大きい周期とし、第２の凸部の短周期Ｂは、前記５倍以下で、かつ１倍以上の前記波長より大きい周期とする。

すなわち、前記の凹凸構造は、前記発光層で発生された光の空気中における波長の５倍の周期を境界として、それよりも短い方の周期に形成すると出射面への入射角θが比較的深い領域での透過率が高くなり、それよりも長い方の周期に形成すると出射面への入射角θが比較的浅い領域での透過率が高くなるという本件発明者の知見によるものであり、これらの周期の凹凸構造を組合わせる。一方、前記波長と等倍以下の周期構造となると、通常よく用いられるλ／４の凹凸構造などと同様に、フレネルロスの低減による光取出し効率は向上するが、本発明による回折による光取出し効率の向上効果は小さくなる。ここで、通常、発光層から出射面に対して、入射角θが非常に深い成分は少なく、入射角θが浅くなる程、成分が多くなる。

したがって、λ／４の凹凸構造を採用しないことで、前記フレネルロスの低減による光取出し効率は低下するが、それ以上に回折による光取出し効率が向上するので、前記λ／４の凹凸構造に比べて、光取出し効率を向上することができる。

さらにまた、本発明の半導体発光素子は、前記第１の凸部および第２の凸部の少なくとも一方で、屈折率が、基板の屈折率から周囲の屈折率に徐々に変化していることを特徴とする。

上記の構成によれば、凸部の内部の屈折率が徐々に変化する傾斜構造にすることによって、フレネル反射を防止することができる。

また、本発明の半導体発光素子は、基板上に、少なくともｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層が積層されて成る半導体発光素子において、前記基板を除去した後のｎ型半導体層の発光層が形成される面とは反対側の表面の全面あるいは一部に、前記発光層に垂直な同一断面内で、前記発光層で発生された光の空気中における波長の５倍の周期よりも大きい周期で第１の高さに立設される柱状の第１の凸部と、前記５倍以下で、かつ１倍以上の周期で前記第１の高さよりも低い第２の高さに立設される柱状の第２の凸部とを含むことを特徴とする。

上記の構成によれば、基板上に、少なくともｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層を順次積層して成り、それらを積層した後に前記基板を除去するようにした半導体発光素子において、その基板を除去した後のｎ型半導体層の表面に凹凸を形成することで光取出し効率を向上するにあたって、本発明では、そのような凹凸構造を、長周期Ａで第１の高さに立設される柱状の第１の凸部と、短周期Ｂで前記第１の高さよりも低い第２の高さに立設される柱状の第２の凸部との組合わせとする。そして、重畳される第１の凸部の長周期Ａは、前記発光層で発生された光の空気中における波長の５倍の周期よりも大きな前記波長より充分大きい周期とし、第２の凸部の短周期Ｂは、前記５倍以下で、かつ１倍以上の前記波長より大きい周期とする。前記第１の凸部および第２の凸部は、円柱状でも角柱状でもよい。

したがって、λ／４の凹凸構造を採用しないことで、前記フレネルロスの低減による光取出し効率は低下するが、それ以上に回折による光取出し効率が向上するので、前記λ／４の凹凸構造に比べて、光取出し効率を向上することができる。

さらにまた、本発明の半導体発光素子は、基板上に、少なくともｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層が積層されて成る半導体発光素子において、前記基板を除去した後のｎ型半導体層の発光層が形成される面とは反対側の表面の全面あるいは一部に、前記発光層に垂直な同一断面内で、前記発光層で発生された光の空気中における波長の５倍の周期よりも大きい周期で立設される第１の凸部と、前記５倍以下で、かつ１倍以上の周期で前記第１の凸部および凹部上に立設される柱状の第２の凸部とを含むことを特徴とする半導体発光素子。

上記の構成によれば、基板上に、少なくともｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層を順次積層して成り、それらを積層した後に前記基板を除去するようにした半導体発光素子において、その基板を除去した後のｎ型半導体層の表面に凹凸を形成することで光取出し効率を向上するにあたって、本発明では、そのような凹凸構造を、長周期Ａで立設される第１の凸部と、短周期Ｂで前記第１の凸部および凹部上に立設される柱状の第２の凸部との組合わせとする。そして、重畳される第１の凸部の長周期Ａは、前記発光層で発生された光の空気中における波長の５倍の周期よりも大きな前記波長より充分大きい周期とし、第２の凸部の短周期Ｂは、前記５倍以下で、かつ１倍以上の前記波長より大きい周期とする。

したがって、λ／４の凹凸構造を採用しないことで、前記フレネルロスの低減による光取出し効率は低下するが、それ以上に回折による光取出し効率が向上するので、前記λ／４の凹凸構造に比べて、光取出し効率を向上することができる。

また、本発明の半導体発光素子は、前記第１の凸部および第２の凸部の平面的な配列周期には、ペンローズのタイリングまたはアルキメデス配列を用いることを特徴とする。

上記の構成によれば、ペンローズのタイリングやアルキメデス配列等の準周期構造を用いることで、配列周期が異なる第１の凸部および第２の凸部を平面上に再現することが可能になり、所望とする光取出し効率の向上効果を、精度よく得ることが可能になる。

さらにまた、本発明の半導体発光素子の製造方法は、前記の半導体発光素子の製造方法において、前記基板上に少なくともｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層の各層を積層した後、基板の表面にレジストを塗布する工程と、前記レジストに前記第１および第２の凸部に対応した反転形状の型を押付け、形状を転写する工程と、転写後のレジストをマスクとしてエッチングを行う工程とを含むことを特徴とする。

上記の構成によれば、透光性を有する基板上に凹凸構造を形成する前記の半導体発光素子を作成することができる。

また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、前記の半導体発光素子の製造方法において、前記基板上に少なくともｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層の各層を積層した後、前記第１の凸部に対応した凸部を有する第１の型に、屈折率が順に高くなってゆくように複数のレジストを積層してゆく工程と、前記第１の型を基板表面に押付け、加熱、冷却することにより、該第１の型の凸部の先端に形成された多層膜を基板に転写して前記第１の凸部とする工程と、前記第２の凸部に対応した凸部を有する第２の型に、屈折率が順に高くなってゆくように複数のレジストを積層してゆく工程と、前記第２の型を基板表面に押付け、加熱、冷却することにより、該第２の型の凸部の先端に形成された多層膜を基板に転写して前記第２の凸部とする工程とを含むことを特徴とする。

上記の構成によれば、屈折率が異なる周期での重畳構造で、徐々に変化する傾斜構造を有する前記の半導体発光素子を作成することができる。

さらにまた、本発明の半導体発光素子の製造方法は、前記の半導体発光素子の製造方法において、前記基板上に少なくともｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層の各層を積層した後、基板側からレーザ照射して、該基板をｎ型半導体層から剥離する工程と、前記ｎ型半導体層の表面にレジストを塗布する工程と、前記レジストに前記第１および第２の凸部に対応した反転形状の型を押付け、形状を転写する工程と、転写後のレジストをマスクとしてエッチングを行う工程とを含むことを特徴とする。

上記の構成によれば、基板を剥離したｎ型半導体層上に凹凸構造を形成する前記の半導体発光素子を作成することができる。

本発明の半導体発光素子は、以上のように、透光性を有する基板上に、少なくともｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層を順次積層して成る半導体発光素子において、サファイアなどから成る前記透光性を有する基板の表面に凹凸を形成することで光取出し効率を向上するにあたって、その凹凸構造を、長周期Ａで基板から第１の高さに立設される柱状の第１の凸部と、短周期Ｂで基板から前記第１の高さよりも低い第２の高さに立設される柱状の第２の凸部との組合わせとし、かつ前記長周期Ａを出射面への入射角θが比較的浅い領域での透過率が高くなる波長の５倍の周期よりも大きな周期とし、前記短周期Ｂを前記入射角θが比較的深い領域での透過率が高くなる前記５倍以下で、かつ１倍以上の周期とする。

それゆえ、λ／４の凹凸構造を採用しないことで、フレネルロスの低減による光取出し効率は低下するが、それ以上に回折による光取出し効率が向上するので、前記λ／４の凹凸構造に比べて、光取出し効率を向上することができる。

また、本発明の半導体発光素子は、以上のように、透光性を有する基板上に、少なくともｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層を順次積層して成る半導体発光素子において、サファイアなどから成る前記透光性を有する基板の表面に凹凸を形成することで光取出し効率を向上するにあたって、その凹凸構造を、長周期Ａで基板から立設される第１の凸部と、短周期Ｂで前記第１の凸部および凹部上に立設される柱状の第２の凸部との組合わせとし、かつ前記長周期Ａを出射面への入射角θが比較的浅い領域での透過率が高くなる波長の５倍の周期よりも大きな周期とし、前記短周期Ｂを前記入射角θが比較的深い領域での透過率が高くなる前記５倍以下で、かつ１倍以上の周期とする。

それゆえ、λ／４の凹凸構造を採用しないことで、前記フレネルロスの低減による光取出し効率は低下するが、それ以上に回折による光取出し効率が向上するので、前記λ／４の凹凸構造に比べて、光取出し効率を向上することができる。

また、本発明の半導体発光素子は、以上のように、基板上に、少なくともｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層を順次積層して成り、それらを積層した後に前記基板を除去するようにした半導体発光素子において、その基板を除去した後のｎ型半導体層の表面に凹凸を形成することで光取出し効率を向上するにあたって、その凹凸構造を、長周期Ａで第１の高さに立設される柱状の第１の凸部と、短周期Ｂで前記第１の高さよりも低い第２の高さに立設される柱状の第２の凸部との組合わせとし、重畳される第１の凸部の長周期Ａは、前記発光層で発生された光の空気中における波長の５倍の周期よりも大きな前記波長より充分大きい周期とし、第２の凸部の短周期Ｂは、前記５倍以下で、かつ１倍以上の前記波長より大きい周期とする。

それゆえ、λ／４の凹凸構造を採用しないことで、前記フレネルロスの低減による光取出し効率は低下するが、それ以上に回折による光取出し効率が向上するので、前記λ／４の凹凸構造に比べて、光取出し効率を向上することができる。

さらにまた、本発明の半導体発光素子は、以上のように、基板上に、少なくともｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層を順次積層して成り、それらを積層した後に前記基板を除去するようにした半導体発光素子において、その基板を除去した後のｎ型半導体層の表面に凹凸を形成することで光取出し効率を向上するにあたって、その凹凸構造を、長周期Ａで立設される第１の凸部と、短周期Ｂで前記第１の凸部および凹部上に立設される柱状の第２の凸部との組合わせとし、重畳される第１の凸部の長周期Ａは、前記発光層で発生された光の空気中における波長の５倍の周期よりも大きな前記波長より充分大きい周期とし、第２の凸部の短周期Ｂは、前記５倍以下で、かつ１倍以上の前記波長より大きい周期とする。

それゆえ、λ／４の凹凸構造を採用しないことで、前記フレネルロスの低減による光取出し効率は低下するが、それ以上に回折による光取出し効率が向上するので、前記λ／４の凹凸構造に比べて、光取出し効率を向上することができる。

さらにまた、本発明の半導体発光素子の製造方法は、以上のように、前記の半導体発光素子の製造方法において、前記基板上に少なくともｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層の各層を積層した後、基板の表面にレジストを塗布する工程と、前記レジストに前記第１および第２の凸部に対応した反転形状の型を押付け、形状を転写する工程と、転写後のレジストをマスクとしてエッチングを行う工程とを含む。

それゆえ、透光性を有する基板上に凹凸構造を形成する前記の半導体発光素子を作成することができる。

さらにまた、本発明の半導体発光素子の製造方法は、以上のように、前記の半導体発光素子の製造方法において、前記基板上に少なくともｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層の各層を積層した後、基板側からレーザ照射して、該基板をｎ型半導体層から剥離する工程と、前記ｎ型半導体層の表面にレジストを塗布する工程と、前記レジストに前記第１および第２の凸部に対応した反転形状の型を押付け、形状を転写する工程と、転写後のレジストをマスクとしてエッチングを行う工程とを含む。

それゆえ、基板を剥離したｎ型半導体層上に凹凸構造を形成する前記の半導体発光素子を作成することができる。

［実施の形態１］
図１は本発明の実施の第１の形態に係る発光ダイオード１の構造を示す断面図であり、図２はその正面図であり、図２において図１の切断面を参照符号Ｉ−Ｉで示す。図１は１チップ分の断面であり、１チップのサイズは、たとえば０．３〜１ｍｍ角である。図２は、図１の一部分の正面図を示している。

この発光ダイオード１は、大略的に、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板２上に、ｎ型半導体層３、発光層４、ｐ型半導体層５が形成され、発光層４で発生した光をサファイア基板２側から取出すフリップチップ（フェイスダウン）タイプの発光ダイオードである。前記ｎ型半導体層３上で、一部分の発光層４およびｐ型半導体層５が除去されてｎ電極領域となり、前記ｐ型半導体層５上の一部分がｐ電極領域となり、それぞれｎ電極６およびｐ電極７が形成され、それらはバンプ電極などを介して、図示しない配線基板に接続される。

前記基板２は、前記サファイアに限定されず、発光波長に対して透光性を持つものであればよいことは言うまでもない。またこの種の発光ダイオードの製造方法については、当業者には公知のＭＯＣＶＤ法を用いて実現することができ、ここでの詳しい説明は省略する。

注目すべきは、本発明では、基板２の発光層４が形成される面とは反対側の表面が、面方向に周期的に異なる誘電率に形成され、さらにその誘電率の異なる周期は、波長λ以上で、かつ５λを境界として、５λより充分大きい長周期Ａと、５λ以下の短周期Ｂとの周期成分が重畳されたものであることである。ここで多重反射する界面に、凹凸８によって周期的に誘電率（＝屈折率^２）を変化させた形状を形成すると、光の回折効果などの波動光学現象により外部への光取出し効率を向上させることが可能となる。さらに本発明では、その凹凸８の周期は、前記長周期Ａと短周期Ｂとの成分が重畳されたものである。

前記凹凸８は、前記長周期Ａ毎に形成され、円柱状で比較的高い第１の凸部である凸部８ａと、前記短周期Ｂ毎に形成され、円柱状で比較的低い第２の凸部である凸部８ｂと、前記周期Ｂ毎に形成される凹部８ｃとから構成されている。前記凸部８ａ，８ｂは、角柱状でもよい。

この図１の例では、周期Ａと周期Ｂとの比は、３：１であり、かつ凸部８ａと凸部８ｂとの位相は一致しており、したがって凸部８ｂの３つに１つが凸部８ａに重なるようになっている。また、凸部８ａと凸部８ｂとの高さの比は、たとえば２：１である。前記発光層４の発光波長λは、たとえば４６０ｎｍであり、上述のように周期Ａ，Ｂ共、前記発光層４で発生された光の空気中における前記波長λよりも大きく、長周期Ａは、５λより大きい周期に選ばれ、短周期Ｂは、前記５λ以下に選ばれる。基板２内の波長λ’は、λ／ｎとなり、サファイアの場合、ｎ＝１．７６８であるから、λ’＝２５８ｎｍである。

図３に、本件発明者のシミュレーション結果のグラフを示す。このグラフは、前記図２１と同様に、基板の出射面への発光層からの入射角θの変化に対する透過率（光取出し効率）の変化を示すグラフである。この図３は、基板２がサファイアの場合を示しており、前記図２１と同様に、参照符号α０は基板２の表面が平坦な状態での透過率を示し、参照符号β０は、入射配光分布のグラフである。一方、参照符号α１，α２，α３，α４は、基板２の表面に凹凸を形成した状態での透過率を示し、それぞれ周期が１，２，３，４μｍである。

したがって、５λ＝２．３μｍ程度を境界に、図４の参照符号αａで模式的に示すように、それよりも短い方の周期に形成すると出射面への入射角θが比較的深い領域での透過率が高くなり、図５の参照符号αｂで模式的に示すように、それよりも長い方の周期に形成すると前記入射角θが比較的浅い領域での透過率が高くなることが理解される。本件発明者は、このような知見に基づき、前述のように周期Ａ，Ｂ共、波長λよりも大きく、かつ長周期Ａは５λより大きく、短周期Ｂは前記５λ以下に設定する。前記凸部８ａの高さは、たとえば１μｍに設定され、前記凸部８ｂの高さは、０．３μｍに設定される。

たとえば、長周期Ａを前記参照符号α３の３μｍに設定し、短周期Ｂを前記参照符号α１の１μｍに設定すると、図３において、前述の図２１と同様に梨地で示す参照符号γ０で示される領域に加えて、斜線で示す参照符号γ１で示される領域も、前記参照符号β０で示す入射配光分布内であるので、新たに光として取出すことができる。これによって、λ／４の凹凸構造を採用しないことで、前記フレネルロスの低減による光取出し効率は低下するが、それ以上に回折による光取出し効率が向上するので、前記λ／４の凹凸構造に比べて、光取出し効率を向上することができる。

ここで、Ｂ＝λ以下の周期構造となると、通常よく用いられるλ／４の凹凸構造などと同様に、フレネルロスの低減による光取出し効率は向上するが、本発明による回折による光取出し効率の向上効果は小さくなる。また、加工性から、Ａ＝１５λ程度までが好ましい。

前記凹凸８の具体的な作成方法を、以下に種々詳述する。図６の例では、先ず凹凸８の作成にあたって、前記凹凸８の反転形状を有する型１０を作成する。型１０の作成には、たとえば電子線リソグラフィー法を用いることができる。具体的には、シリコンウエハ上にスピンコートにより形成した電子線用レジストに、電子線を照射して上述の２重周期のレジストパターンを作成する。前記凸部８ａと凸部８ｂとに対応してパターン高さを変化させるには、電子線のドーズ量を変化させることで対応でき、ドーズ量が多いと電子線レジストの感光深さが深くなり、ドーズ量が少ないと電子線レジストの感光深さが浅くなる。こうして、異なる高さのレジストパターンを作成することができる。そのレジストパターンのＮｉ電鋳を採ることで、プレス用の型１０を作成することができる。

図７は、前記発光ダイオード１への凹凸８の形成工程を示す図である。図７（ａ）から（ｂ）で示すように、ウエハ状態の発光ダイオード１の基板２の表面に、レジスト１１をスピンコートし、前記型１０を押し付け、形状を転写する。レジスト１１の材料は、有機もしくは無機どちらでも良いが、転写性が良く、かつ耐ドライエッチング性が高い必要がある。たとえば、スピンオンガラスを使用することができる。スピンコート条件は、たとえば１０００ｒｐｍ×６０秒で、約１μｍの膜厚を得ることができる。転写条件としては、たとえば、常温で、圧力１００ＭＰａ、５分間保持した後、離型する。

図７（ｃ）で示すように、離型後、レジスト１１には、型１０のパターンが転写される。凹部１２のレジスト残渣は、図７（ｄ）で示すように、チャンバ１３内で酸素ガスを用いたリアクティブイオンエッチングにより除去する。その転写後のレジスト１１をマスクとして、塩素ガスを用いたリアクティブイオンエッチングを行うことで、発光ダイオード１の基板２の表面に、型１０のパターンを反転して転写することができる。

また、図８および図９には、前記凹凸８の作成方法の他の例を示す。図８は型１５，１６を示すものであり、図８（ａ）で示す型１５は前記凸部８ａの形成用、図８（ｂ）で示す型１６は前記凸部８ｂの形成用である。前記図６で示す型１０では、凹凸８のすべてのパターンが形成されているのに対して、これらの型１５，１６は、２種類の凸部８ａ，８ｂにのみそれぞれ対応して深さが異なり、しかも基本パターンのみが形成されている。すなわち、小規模な型１５，１６は、基本パターンをプレスする毎に、位置を変えて次の基本パターンをプレスしてゆくことで、必要な全面の凹凸８が作成される。

したがって、前記型１０は大量生産に適しているのに対して、この深さの異なる２種類の型１５，１６は、それぞれの型内のパターン高さが同じであるので、前記の電子線リソグラフィーでなくても、機械切削やフォトリソグラフィーなどでも作成が可能になる。また、小規模な型１５，１６によって、任意の位置に凸部８ａ，８ｂを形成することができる。

たとえば前記フォトリソグラフィーを使用する場合、シリコンウエハー上にフォトレジスト（ＡＺ１５００）をスピンコートする。たとえば、型１５用は、厚み１μｍ、型１６用は、厚み０．５μｍになるように回転数を調整する。スピンコート後、フォトエッチングを行い、その後、レジストパターンの電鋳を採り、前記型１５，１６とする。

図９は、前記型１５，１６を用いた発光ダイオード１への凹凸８の形成工程を示す図である。先ず、図９（ａ）で示すように、ウエハ状態の発光ダイオード１の基板２の表面に、レジスト１７をスピンコートする。レジスト１７の材料は、２回の成形が可能な材料にする必要がある。すなわち、熱により可逆的な粘弾性特性を示す材料（たとえば熱可塑性樹脂）、常温で形状転写が可能な材料（無機レジスト）などが挙げられる。しかしながら、熱硬化性樹脂や光硬化性樹脂は、一度架橋させると硬くなってしまい、転写するためには高温高圧でプレスする必要があるため適さない。また、レジスト１７の膜厚は、高い方のモールドパターンよりも厚くしておく必要がある。本実施の形態では、レジスト１７の材料として、前記スピンオンガラスを使用する。スピンコート条件は、たとえば１０００ｒｐｍ×６０秒で、約１μｍの膜厚を得ることができる。

その後、図９（ａ）から（ｂ）で示すように、型１５のモールドで転写し、図９（ｃ）で示すように離型後、図９（ｄ）から（ｆ）で示すように、再び型１６のモールドで転写し、離型することで、レジスト１７に両方の型１５，１６のパターンを転写する。転写条件は、共に、たとえば常温で、圧力１００ＭＰａ、５分間保持である。

転写後のレジスト１７をマスクとして、図９（ｇ）で示すように、チャンバ１３内で塩素ガスを用いたリアクティブイオンエッチングを行うことで、発光ダイオード１の基板２の表面に、型１５，１６のパターンを反転して転写することができる。

さらにまた、図１０および図１１には、前記凹凸８の作成方法の他の例を示す。本実施の形態では、前記凸部８ｂの周期Ｂの整数倍（図１では３倍）が凸部８ａの周期Ａであることに着目して、その周期Ａ毎に前記凸部８ａに対応した深い孔が形成された前記型１５のみを用い、基本パターンをプレスする毎に、位置および高さを変えて次の基本パターンをプレスしてゆくことで、必要な全面の凹凸８を作成する。図１０は、型１５のプレスの順序を示すものであり、黒丸で示す前記凸部８ａを形成した後、プレス圧を低くして、図１０で示す順序で型１５をずらしながらプレスしてゆく。

図１１は、前記型１５を用いた発光ダイオード１の基板２の表面への凹凸８の形成工程を示す図である。先ず、図１１（ａ）〜（ｃ）では、前記図９（ａ）〜（ｃ）と同様に、レジスト１７をスピンコートし、凸部８ａに対応して、型１５をプレスする。続いて、図１１（ｄ）〜（ｆ）および図１１（ｇ）〜（ｉ）で示すように、凸部８ｂに対応した深さで、順次位置を変えて、型１５をプレスする。

その後、転写後のレジスト１７をマスクとして、図１１（ｊ）で示すように、チャンバ１３内で塩素ガスを用いたリアクティブイオンエッチングを行うことで、発光ダイオード１の基板２の表面に、単一の深さの型１５を用いて、２種類の凸部８ａ，８ｂを転写することができる。

また、図１２には、前記凹凸８の作成方法の他の例を示す。本実施の形態では、図１２（ａ）〜（ｃ）で示すように、先ず前記凸部８ａに対応した型１５をレジスト２１に転写した後、形状が転写されたレジスト２１をマスクとして、図１２（ｄ）で示すように、一旦チャンバ１３内で塩素系ガスにてリアクティブイオンエッチングを行って基板２を途中までエッチングする。その後、図１２（ｅ）〜（ｇ）で示すように、前記凸部８ｂに対応した型１６を用いて転写した後、図１２（ｈ）で示すように、所望の深さまでエッチングを行う。

前記レジスト２１には、２回の転写プロセスが実施されるので、熱可塑性樹脂ベースのレジストか、無機材料ベースのレジストが望ましい。本実施の形態では、スピンオンガラスを使用する。１回目の転写条件は前記図９と同じであり、たとえば高さ１μｍのパターンを有する型１５をレジスト２１に押付けて、その形状を転写させる。続いて、リアクティブイオンエッチングを行った後、基板２に型１６の形状を転写する。

このように２回に分けてエッチングを行うと、エッチング装置の条件や、レジスト２１の材料の種類を変化させることで、レジスト２１と基板２との選択比を変化させ、加工深さを制御することができる。たとえば、先ず前記選択比を１として、基板２を０．８μｍまでエッチングすると、レジスト２１には、０．２μｍ程度の残渣が残る。次に、高さ０．５μｍのパターンを有する型１６をそのレジスト残渣に押付け、型１６の形状を転写する。その後、エッチング条件を１回目と変えて、選択比０．５として、型１６の形状が転写されたレジスト２１をマスクとして、再度基板２を０．１μｍエッチングすると、結果として、０．９μｍと０．１μｍとの加工が可能となった。

このようにして、モールドの高さの比によらず、エッチング条件によって任意に加工深さの比を変化させることができる。これによって、高さが一定の型１５，１６を使用できるだけでなく、凹部８ｃの形状を変化して、該凹部８ｃによる屈折率を変化することができる。

また、図１３にも、前記凹凸８の作成方法の他の例を示す。本実施の形態では、前記凸部８ａ，８ｂを、転写手法を用いて作成する。先ず、前記凸部８ａ，８ｂにそれぞれ対応した型１５，１６には、予め離型剤を塗布しておく。図１３（ａ）および図１３（ｂ）で示すように、前記凸部８ｂ，８ａに対応した型１６，１５のパターン面に、レジスト２２，２３をスピンコートする。レジスト２２，２３には、たとえば熱可塑性樹脂のＰＭＭＡをベースとしたレジスト（ＯＥＢＲ−１０００）を使用する。たとえば、型１６には、２０００ｒｐｍ、６０秒でスピンコートし、型１５には、５００ｒｐｍ、６０秒でスピンコートすることで、レジスト２２，２３は型１６，１５の凹凸に沿って塗布され、型１６の凸部先端には０．５μｍ厚のレジスト２２が付着し、型１５の凸部先端には１μｍのレジスト２３が付着する。

次に、図１３（ｃ）で示すように、平坦な基板２’の表面に型１６を接触させ、樹脂のガラス転移温度以上まで加熱、５分保持し、常温まで冷却した後、図１３（ｃ）で示すように、型１６と基板２’とを引き離し、型１６の凸部に付着していたレジスト２２を基板２’に移し取る。

続いて、レジスト２３が付着した型１５を基板２’に接触させ、型１６の場合と同様の熱履歴を加えて、該型１５の凸部に付着していたレジスト２３を基板２’に移し取る。このようにして、基板２’の表面に高さの異なる２重周期構造の凹凸８を作成し、前記基板２とすることができる。

以上のように構成される発光ダイオード１によれば、基板２の発光層４が形成される面とは反対側の表面に、２重周期Ａ，Ｂの凸部８ａ，８ｂを有する凹凸８が設けられているので、基板２の天面に臨界角以上の角度で入射する光も取出すことができるようになる。しかも、その周期Ａ，Ｂは、出射面への入射角θが比較的深い領域での透過率が高くなる波長λの５倍よりも大きな長周期Ａと、前記入射角θが比較的深い領域での透過率が高くなる前記波長λの５倍以下の短周期Ｂとの組合わせであるので、あらゆる入射角θに対しても、回折による光取出し効率が向上し、前記λ／４の凹凸構造に比べて、光取出し効率を向上することができる。

なお、平面的には、前記周期Ａ，Ｂには、ペンローズのタイリングやアルキメデス配列等の準周期構造を適用することが好ましい。ペンローズのタイリングとは、２種類の図形で平面上を非周期的に、すき間なく敷き詰めるようなタイルのことである。図１４の例では、２種類の菱形で正五角形を作成している。黒塗りで示すその正五角形の頂点に前記長周期Ａの凸部８ａを形成し、残余の２種類の菱形の中心に前記短周期Ｂの凸部８ｂを形成する。もちろん、この図１４の例に限られるものではない。

一方、アルキメデス配列（平面充填形）も、２種類の図形で平面上をすき間なく敷き詰めるという点でペンローズのタイリングと同意であるが、正多角形を用いる。図１５の例では、正方形と正八角形とによって平面を敷き詰めている。アルキメデス配列はこれを含めて全部で８種類（１種類の正多角形で充填する場合を含めると１１種類）あることが知られている。これらの図形を用いれば、本発明の凹凸８の周期構造を平面上に再現することが可能になり、所望とする光取出し効率の向上効果を、精度よく得ることが可能になる。

［実施の形態２］
図１６は、本発明の実施の第２の形態に係る発光ダイオード３１の構造を示す断面図である。この発光ダイオード３１は、前述の発光ダイオード１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、この発光ダイオード３１では、基板３２の表面に形成される凹凸３８は、厚み方向の（発光層４に垂直な）断面が三角形であることである。前述の凹凸８を構成する凸部８ａ，８ｂは、円柱状または四角柱状であったけれども、この凹凸３８を構成する凸部３８ａ，３８ｂは、円錐または角錐のいずれであってもよい。前記凸部３８ａ，３８ｂは、前記凸部８ａ，８ｂと同様の周期Ａ，Ｂおよび高さを有する。凹部３８ｃの周期も凹部８ｃの周期と同様である。

ここで、凸部８ａ，８ｂ；３８ａ，３８ｂによる光取出し効率の向上効果は、その構造を持つ面に入射する光の角度分布に依存する。一般論としては、三角形は、その斜面の角度に垂直に入射する成分に大きく寄与すると考えられ、矩形は、その面に対して大きな角度、あるいは略平行に走る光に対して効果があると考えられる。したがって、光源の配光によって、矩形の凸部８ａ，８ｂが好ましい場合と、三角形の凸部３８ａ，３８ｂが好ましい場合とがあり、これらの凸部８ａ，８ｂ；３８ａ，３８ｂは、前記光源の配光に応じて適宜選択されればよい。

［実施の形態３］
図１７は、本発明の実施の第３の形態に係る発光ダイオード９１の構造を示す断面図である。この発光ダイオード９１は、前述の発光ダイオード１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。前述の発光ダイオード１，３１では、長周期Ａの凸部８ａ，３８ａおよび短周期Ｂの凸部８ｂ，３８ｂが、共に基板２，３２から立設されているのに対して、注目すべきは、この発光ダイオード９１では、基板９２上に長周期Ａの凸部９８ａおよびそれに対応した凹部９８ｃが形成され、それらの凸部９８ａ上および凹部９８ｃ上に、短周期Ｂの凸部９８ｂが形成されて凹凸９８が形成されることである。前記凸部９８ａ，９８ｂは、前記凸部８ａ，８ｂと同様の周期Ａ，Ｂおよび高さを有する。

このように構成してもまた、λ／４の凹凸構造に比べて、光取出し効率を向上することができる。

［実施の形態４］
図１８は、本発明の実施の第４の形態に係る発光ダイオード６１の構造を示す断面図である。この発光ダイオード６１は、前述の発光ダイオード１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、この発光ダイオード６１では、凹凸６８において、高さおよび周期の異なる凸部６８ａ，６８ｂの誘電率（屈折率）が、基板６２側から遊端部側になるにつれて、段階的に低く、好ましくはサファイアの屈折率から、空気の屈折率まで変化していることである。前記凸部６８ａ，６８ｂは、たとえば直径０．５μｍの円柱とする。たとえば、長周期Ａの凸部６８ａの高さは１μｍとし、ピッチは前述の３μｍとする。短周期Ｂの凸部６８ｂの高さは０．３μｍとし、ピッチは前述の１μｍとする。

図１９は、前記発光ダイオード６１の凹凸６８の形成工程を示す図である。上述のような重畳構造と傾斜構造とを組合わせた構造は、下記に示すような転写手法を用いて作成することができる。先ず、図１９（ａ）で示す型６３には、短周期Ｂの凸部６８ｂに対応した直径０．５μｍ、高さ０．３μｍの円柱形状の凸部６３ａが立設されている。一方、図１９（ｅ）で示す型６４には、長周期Ａの凸部６８ａに対応した直径０．５μｍ、高さ１μｍの円柱形状の凸部６４ａが立設されている。型６３，６４の表面には、フッ素系の離型剤を塗布しておく。

前記型６３には、図１９（ｂ）で示すように、屈折率が１．２、１．４、１．６のレジスト６５ａ，６５ｂ，６５ｃを、各層０．１１μｍになるように順次スピンコートする。スピンコートされたレジスト６５ａ，６５ｂ，６５ｃは、型６３の凹凸に沿って積層される。このようなレジスト６５ａ，６５ｂ，６５ｃの多層膜を形成後、図１９（ｃ）で示すように基板６２の表面に押付け、加熱、冷却することにより、凸部６３ａの先端に形成された多層膜を基板６２に転写する。以上の工程により、図１９（ｄ）で示すような、周期Ｂの凸部６８ｂが形成される。

次に型６４にも同様に、図１９（ｆ）で示すように、屈折率が１．２、１．４、１．６のレジスト６６ａ，６６ｂ，６６ｃを、各層０．３３μｍになるように順次スピンコートする。スピンコートされたレジスト６６ａ，６６ｂ，６６ｃは、型６４の凹凸に沿って積層される。このようなレジスト６６ａ，６６ｂ，６６ｃの多層膜を形成後、図１９（ｇ）で示すように基板６２の表面に押付け、加熱、冷却することにより、凸部６４ａの先端に形成された多層膜を基板６２に転写する。以上の工程により、図１９（ｈ）で示すような、周期Ａの凸部６８ａが形成される。

このように構成してもまた、λ／４の凹凸構造に比べて、光取出し効率を向上することができる。

［実施の形態５］
図２０は、本発明の実施の第５の形態に係る発光ダイオード７１の構造を示す断面図である。この発光ダイオード７１は、前述の発光ダイオード１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、この発光ダイオード７１では、電極６，７まで形成された後に、サファイアの基板７２が除去され、前記凹凸８が、ｎ型半導体層７３に直接形成されることである。

この場合、基板７２を前記ｎ型半導体層７３から剥離する必要があり、一般的には紫外レーザが用いられる。具体的には、たとえばＧａＮ系半導体発光素子の透明結晶基板７２（サファイア）側から、ＫｒＦエキシマレーザ（λ＝２４８ｎｍ、照射強度：０．３Ｊ／ｃｍ^２）７４を入射する。レーザ７４は透明結晶基板７２を透過してＧａＮのｎ型半導体層７３層で吸収されるので、界面でアブレーションが生じ、結果、基板７２が型半導体層７３から剥離する。この露出したｎ型半導体層７３に前記凹凸８の周期構造を形成する。

ｎ型半導体層７３に凹凸８を直接形成するメリットとしては、ＧａＮはサファイアに比べて屈折率が高く（ＧａＮ：ｎ＝２．５０、サファイア：ｎ＝１．７７）、取出すことができる光が多くなることが挙げられる。これは、基板７２を剥離することで、ｎ型半導体層７３と基板７２との界面で反射されてロスされる光が減少するためである。ｎ型半導体層７３から直接光を取出すと、基板７２から取出す場合よりも全反射ロスやフレネルロス自体は増加するが、ｎ型半導体層７３に前記凹凸８の周期的な加工を実施すれば、総合的に、基板７２に加工する場合よりも多くの光を取出すことが可能となる。

このように基板７２をｎ型半導体層７３から剥離した後に凹凸８を形成するにあたって、前述の図１７で示す発光ダイオード９１における凹凸９８のように、長周期Ａの凸部９８ａおよびそれに対応した凹部９８ｃが形成され、それらの凸部９８ａ上および凹部９８ｃ上に、短周期Ｂの凸部９８ｂが形成されていてもよい。

なお、このように基板７２を剥離してから、ｎ型半導体層７３にエッチングによって凹凸８を刻設するのではなく、ｎ型ＧａＮ層を蓄積して凹凸８を形成するようにしてもよい。

本発明の実施の第１の形態に係る発光ダイオードの構造を示す断面図である。 図１の正面図である。 本件発明者のシミュレーションによる凹凸を形成した基板の出射面への発光層からの入射角の変化に対する透過率（光取出し効率）の変化を示すグラフである。 前記図３で示す本件発明者のシミュレーション結果の一部を模式的に示すグラフである。 前記図３で示す本件発明者のシミュレーション結果の一部を模式的に示すグラフである。 前記発光ダイオードの基板表面への凹凸の作成にあたって用いる型の断面図である。 前記発光ダイオードの基板表面への凹凸の形成工程の一例を示す図である。 前記発光ダイオードの基板表面への凹凸の作成にあたって用いる他の型の断面図である。 前記図８で示す型を用いた発光ダイオードの基板表面への凹凸の形成工程の他の例を示す図である。 前記図８で示す型のプレスの順序の一例を示す図である。 図８（ａ）で示す型のみを用いた発光ダイオードの基板表面への凹凸の形成工程の一例を示す図である。 図８（ａ）で示す型のみを用いた発光ダイオードの基板表面への凹凸の形成工程の他の例を示す図である。 前記発光ダイオードの基板表面への凹凸の形成工程のさらに他の例を示す図である。 ペンローズのタイリングを説明するための図である。 アルキメデス配列を説明するための図である。 本発明の実施の第２の形態に係る発光ダイオードの構造を示す断面図である。 本発明の実施の第３の形態に係る発光ダイオードの構造を示す断面図である。 本発明の実施の第４の形態に係る発光ダイオードの構造を示す断面図である。 図１８で示す発光ダイオードの基板表面への凹凸の形成工程の一例を示す図である。 本発明の実施の第５の形態に係る発光ダイオードの構造を示す断面図である。 平坦な基板の出射面への発光層からの入射角の変化に対する透過率（光取出し効率）の変化を模式的に示すグラフである。

符号の説明

１，３１，６１，７１，９１ 発光ダイオード
２，２’，３２，６２，７２，９２ 基板
３，７３ ｎ型半導体層
４ 発光層
５ ｐ型半導体層
６ ｎ電極
７ ｐ電極
８，３８，６８，９８ 凹凸
８ａ，８ｂ，３８ａ，３８ｂ，６８ａ，６８ｂ，９８ａ，９８ｂ 凸部
８ｃ，３８ｃ，９８ｃ 凹部
１０，１５，１６，６３，６４ 型
１１，１７，１９，２１，２２，２３ レジスト
１３ チャンバ
６５ａ，６５ｂ，６５ｃ，６６ａ，６６ｂ，６６ｃ レジスト
７４ レーザ

Claims (9)

1. 透光性を有する基板上に、半導体層が積層されて成る半導体発光素子において、
   前記基板の発光層が形成される面とは反対側の表面の全面あるいは一部に、前記発光層に垂直な同一断面内で、前記発光層で発生された光の空気中における波長の５倍の周期よりも大きい周期で前記基板から第１の高さに立設される柱状の第１の凸部と、前記５倍以下で、かつ１倍以上の周期で前記基板から前記第１の高さよりも低い第２の高さに立設される柱状の第２の凸部とを含むことを特徴とする半導体発光素子。
2. 透光性を有する基板上に、半導体層が積層されて成る半導体発光素子において、
   前記基板の発光層が形成される面とは反対側の表面の全面あるいは一部に、前記発光層に垂直な同一断面内で、前記発光層で発生された光の空気中における波長の５倍の周期よりも大きい周期で前記基板から立設される第１の凸部と、前記５倍以下で、かつ１倍以上の周期で前記第１の凸部および凹部上に立設される柱状の第２の凸部とを含むことを特徴とする半導体発光素子。
3. 前記第１の凸部および第２の凸部の少なくとも一方で、屈折率が、基板の屈折率から周囲の屈折率に徐々に変化していることを特徴とする請求項１または２記載の半導体発光素子。
4. 基板上に、少なくともｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層が積層されて成る半導体発光素子において、
   前記基板を除去した後のｎ型半導体層の発光層が形成される面とは反対側の表面の全面あるいは一部に、前記発光層に垂直な同一断面内で、前記発光層で発生された光の空気中における波長の５倍の周期よりも大きい周期で第１の高さに立設される柱状の第１の凸部と、前記５倍以下で、かつ１倍以上の周期で前記第１の高さよりも低い第２の高さに立設される柱状の第２の凸部とを含むことを特徴とする半導体発光素子。
5. 基板上に、少なくともｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層が積層されて成る半導体発光素子において、
   前記基板を除去した後のｎ型半導体層の発光層が形成される面とは反対側の表面の全面あるいは一部に、前記発光層に垂直な同一断面内で、前記発光層で発生された光の空気中における波長の５倍の周期よりも大きい周期で立設される第１の凸部と、前記５倍以下で、かつ１倍以上の周期で前記第１の凸部および凹部上に立設される柱状の第２の凸部とを含むことを特徴とする半導体発光素子。
6. 前記第１の凸部および第２の凸部の平面的な配列周期には、ペンローズのタイリングまたはアルキメデス配列を用いることを特徴とする請求項１または４記載の半導体発光素子。
7. 前記請求項１または２記載の半導体発光素子の製造方法において、前記基板上に少なくともｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層の各層を積層した後、
   基板の表面にレジストを塗布する工程と、
   前記レジストに前記第１および第２の凸部に対応した反転形状の型を押付け、形状を転写する工程と、
   転写後のレジストをマスクとしてエッチングを行う工程とを含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
8. 前記請求項３記載の半導体発光素子の製造方法において、前記基板上に少なくともｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層の各層を積層した後、
   前記第１の凸部に対応した凸部を有する第１の型に、屈折率が順に高くなってゆくように複数のレジストを積層してゆく工程と、
   前記第１の型を基板表面に押付け、加熱、冷却することにより、該第１の型の凸部の先端に形成された多層膜を基板に転写して前記第１の凸部とする工程と、
   前記第２の凸部に対応した凸部を有する第２の型に、屈折率が順に高くなってゆくように複数のレジストを積層してゆく工程と、
   前記第２の型を基板表面に押付け、加熱、冷却することにより、該第２の型の凸部の先端に形成された多層膜を基板に転写して前記第２の凸部とする工程とを含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
9. 前記請求項５または６記載の半導体発光素子の製造方法において、前記基板上に少なくともｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層の各層を積層した後、
   基板側からレーザ照射して、該基板をｎ型半導体層から剥離する工程と、
   前記ｎ型半導体層の表面にレジストを塗布する工程と、
   前記レジストに前記第１および第２の凸部に対応した反転形状の型を押付け、形状を転写する工程と、
   転写後のレジストをマスクとしてエッチングを行う工程とを含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。

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