JP2017063099A

JP2017063099A - 凹凸構造を含む基板の製造方法及び半導体発光素子の製造方法

Info

Publication number: JP2017063099A
Application number: JP2015187029A
Authority: JP
Inventors: 井上　振一郎; Shinichiro Inoue; 振一郎井上; 直樹溜; Naoki Tamari
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology; Tokuyama Corp
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology; Tokuyama Corp
Priority date: 2015-09-24
Filing date: 2015-09-24
Publication date: 2017-03-30
Anticipated expiration: 2035-09-24
Also published as: JP6548024B2

Abstract

【課題】高アスペクト比を有する凹凸構造を、高スループット、安価かつ容易に製造することができる、凹凸構造を含む基板の製造方法を提供する。【解決手段】凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法は、基板１１の第２の表面１１ｂ上に、第１の層２１と、第２の層２２と、第３の層２３とをこの順に積層することと、インプリントされた第３の層２３を用いて、第２の層２２に複数の第２凹部２２ａを形成することと、複数の第２凹部２２ａが形成された第２の層３３を用いて、第１の層２１に複数の第３凹部２１ａを形成することと、複数の第３凹部２１ａに第４の層２４を形成することと、第１の層２１をリフトオフすることにより、基板１１の第２の表面１１ｂ上に複数の柱状構造体２５を形成することと、複数の柱状構造体２５を用いて、基板１１の第２の表面１１ｂをエッチングすることとを備える。【選択図】図６

Description

本発明は、凹凸構造を含む基板の製造方法及び半導体発光素子の製造方法に関する。

従来、電子線リソグラフィを用いて、凹凸構造を含む基板を製造する方法が知られている（特許文献１、非特許文献１及び非特許文献２を参照）。また、特許文献１、非特許文献１及び非特許文献２には、半導体発光素子からの光取り出し効率を向上させるために、凹凸構造を含む基板を半導体発光素子に適用した例が記載されている。

国際公開第２０１５／０１６１５０号

S. Inoue、外４名、「Light extraction enhancement of 265nm deep-ultraviolet light-emitting diodes with over 90mW output power via an AlN hybrid nanostructure」、Applied Physics Letters、2015年3月30日、第106巻、p.131104 J. Shakya、外３名、「Enhanced light extraction in III-nitride ultraviolet photonic crystal light-emitting diodes」、Applied Physics Letters、2004年7月5日、第85巻、p.142

しかし、電子線リソグラフィを用いて基板の表面に凹凸構造を形成するには、広い面積を有する基板の表面にわたって電子線を走査しなければならないので、基板の表面に凹凸構造を形成するのに多くの時間を要する。そのため、電子線リソグラフィを用いて基板の表面に凹凸構造を形成する方法では、凹凸構造を含む基板を高スループットで製造することができず、凹凸構造を含む基板の製造コストが増加する。また、他の方法により凹凸構造を含む基板を製造すると、凹凸構造のアスペクト比を大きくすることが難しい。アスペクト比が小さな凹凸構造を、例えば半導体発光素子の基板に適用しても、半導体発光素子からの光取り出し効率を向上させることは困難である。

本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、高アスペクト比を有する凹凸構造を、高スループット、安価かつ容易に製造することができる、凹凸構造を含む基板の製造方法を提供することである。

本発明の別の目的は、向上された光取り出し効率を有する半導体発光素子を、高スループット、安価かつ容易に製造することができる、半導体発光素子の製造方法を提供することである。

本発明の凹凸構造を含む基板の製造方法は、第１の表面と第１の表面と反対側の第２の表面とを有する基板の第２の表面上に、第１の層と、第２の層と、第３の層とをこの順に積層することを備える。第１の層、第２の層及び第３の層は互いに異なる材料からなる。第１の層は、第２の層及び第３の層のそれぞれよりも大きな厚さを有する。本発明の凹凸構造を含む基板の製造方法は、さらに、凹凸パターンを有するモールドを第３の層にインプリントすることにより、第３の層に複数の第１凹部を形成することと、複数の第１凹部が形成された第３の層を用いて、第２の層に複数の第２凹部を形成することと、複数の第２凹部が形成された第２の層をマスクとして用いて、第１の層の一部を異方性エッチングすることにより、第１の層に複数の第３凹部を形成することとを備える。複数の第３凹部において基板の第２の表面は露出する。本発明の凹凸構造を含む基板の製造方法は、さらに、複数の第３凹部において露出された基板の第２の表面上に、第４の層を形成することと、複数の第３凹部が形成された第１の層をリフトオフすることにより、基板の第２の表面上に複数の柱状構造体を形成することと、複数の柱状構造体を用いて、基板の第２の表面をエッチングすることにより、基板の第２の表面に凹凸構造を形成することとを備える。

本発明の半導体発光素子の製造方法は、上記方法によって、基板の第２の表面に凹凸構造を形成することと、基板の第１の表面上に、活性層を含む半導体層を形成することとを備える。

本発明の凹凸構造を含む基板の製造方法によれば、高アスペクト比を有する凹凸構造を、高スループット、安価かつ容易に製造することができる、凹凸構造を含む基板の製造方法を提供することができる。

本発明の半導体発光素子の製造方法によれば、向上された光取り出し効率を有する半導体発光素子を、高スループット、安価かつ容易に製造することができる、半導体発光素子の製造方法を提供することができる。

実施の形態１に係る凹凸構造を含む基板の概略断面図である。実施の形態１に係る凹凸構造を含む基板に設けられた凹凸構造のＳＥＭ写真を示す図である。実施の形態１に係る凹凸構造を含む基板の製造方法における一工程を示す概略断面図である。実施の形態１に係る凹凸構造を含む基板の製造方法における、図３に示す工程の次工程を示す概略断面図である。（Ａ）は、実施の形態１に係る凹凸構造を含む基板の製造方法に使用されるモールドの製造方法における一工程を示す概略断面図である。（Ｂ）は、実施の形態１に係る凹凸構造を含む基板の製造方法に使用されるモールドの製造方法における、（Ａ）の次工程を示す概略断面図である。（Ｃ）は、実施の形態１に係る凹凸構造を含む基板の製造方法に使用されるモールドの製造方法における、（Ｂ）の次工程を示す概略断面図である。実施の形態１に係る凹凸構造を含む基板の製造方法における、図４に示す工程の次工程を示す概略断面図である。実施の形態１に係る凹凸構造を含む基板の製造方法における、図６に示す工程の次工程を示す概略断面図である。実施の形態１に係る凹凸構造を含む基板の製造方法における、図７の領域ＶＩＩＩ付近のＳＥＭ写真を示す図である。実施の形態１に係る凹凸構造を含む基板の製造方法における、図７に示す工程の次工程を示す概略断面図である。実施の形態１に係る凹凸構造を含む基板の製造方法における、図９に示す工程の次工程を示す概略断面図である。実施の形態１に係る凹凸構造を含む基板の製造方法における、図１０に示す工程の次工程を示す概略断面図である。実施の形態１に係る凹凸構造を含む基板の製造方法における、図１１に示す工程の次工程を示す概略断面図である。実施の形態１に係る凹凸構造を含む基板の製造方法における、図１２に示す工程の柱状構造体のＳＥＭ写真を示す図である。実施の形態２に係る半導体発光素子の概略断面図である。実施の形態２に係る半導体発光素子の製造方法のフローチャートを示す図である。（Ａ）は、実施の形態２に係る半導体発光素子及び比較例２の半導体発光素子の、発光波長に対するエレクトロルミネッセンス強度の変化を示す図である。（Ｂ）は、実施の形態２に係る半導体発光素子及び比較例２の半導体発光素子の、駆動電流に対する光出力強度の変化を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。特に説明しない限り、同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

（実施の形態１）
図１から図１３を参照して、実施の形態１に係る凹凸構造１７を含む基板１１及び凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法を説明する。

図１及び図２を参照して、実施の形態１に係る凹凸構造１７を含む基板１１は、第１の表面１１ａと第１の表面１１ａと反対側の第２の表面１１ｂとを有する。基板１１の第２の表面１１ｂは凹凸構造１７を含む。本実施の形態の凹凸構造１７は、回折格子、光屈折素子、光散乱素子及びフォトニック結晶のような光学要素、発光ダイオード（ＬＥＤ）、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子、太陽電池、電界放出用電子源、ナノインプリント用モールド、プローブ顕微鏡用探針、高密度磁気記録層、高周波数用配線基板、多周波数対応アンテナ基材、バイオ検査チップ、増強電場を発生させる微細構造体などに適用することができる。

基板１１の材料は、特に限定されないが、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、サファイア、窒化ガリウム（ＧａＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、酸化ガリウム（Ｇａ₂Ｏ₃）、シリコン（Ｓｉ）などを用いることができる。基板１１は、窒化アルミニウム、サファイアまたは酸化ガリウムのような高い硬度を有してもよい。基板１１は、９ＧＰａ以上のビッカース硬度を有してもよい。

凹凸構造１７の凸部１７ｂは、円錐、多角錐、円柱または多角柱の形状を有してもよい。凸部１７ｂを有する凹凸構造１７は、０．８より大きなアスペクト比、好ましくは１．０より大きなアスペクト比、より好ましくは１．５より大きなアスペクト比を有してもよい。凹凸構造１７のアスペクト比の上限値は特に制限されるものではないが、凹凸構造１７を含む基板１１の生産性を考慮すると、１０以下が好ましい。凹凸構造１７のアスペクト比は、凸部１７ｂの高さｈ₁を凸部１７ｂの幅ｄ₁で除算した値として定義される。凸部１７ｂの高さｈ₁は、基板１１の第２の表面１１ｂに垂直な方向における凸部１７ｂの長さである。凸部１７ｂの幅ｄ₁は、基板１１の第２の表面１１ｂに平行な方向における凸部１７ｂの長さである。凸部１７ｂの高さｈ₁は、２００ｎｍより大きくてもよく、好ましくは３５０ｎｍ以上であってもよく、さらに好ましくは５００ｎｍ以上であってもよい。互いに隣り合う凸部１７ｂの間の距離ｄは、１μｍより小さくてもよく、好ましくは８００ｎｍ以下であってもよく、さらに好ましくは６００ｎｍ以下であってもよい。凹凸構造１７は、ナノ構造であってもよい。凹凸構造１７は、１μｍより小さな周期、好ましくは８００ｎｍ以下の周期、さらに好ましくは６００ｎｍ以下の周期を有してもよい。凹凸構造１７は、ナノサイズの周期構造を有してもよい。

図１及び図３から図１３を参照して、凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法を説明する。

図３を参照して、第１の表面１１ａと第１の表面１１ａと反対側の第２の表面１１ｂとを有する基板１１を準備する。

図４を参照して、基板１１の第２の表面１１ｂ上に、第１の層２１と、第２の層２２と、第３の層２３とをこの順に積層する。基板１１の第２の表面１１ｂと第１の層２１との密着性を向上させるために、第１の層２１を形成する前に、基板１１の第２の表面１１ｂをヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）などにより疎水化処理してもよい。

第１の層２１は、基板１１の第２の表面１１ｂ上に形成される。第１の層２１は、第１の樹脂材料を含んでもよい。第１の樹脂材料は、レジスト（ＺＥＰ５２０Ａ、日本ゼオン社製）であってもよい。第１の層２１は、第１の樹脂材料を含む第１の材料を基板１１の第２の表面１１ｂ上にスピンコートし、それから１５０℃以上で３０分間ベークすることによって、形成されてもよい。第１の層２１は、第２の層２２及び第３の層２３のそれぞれよりも大きな厚さを有する。第１の層２１は、４００ｎｍより大きな厚さを有してもよい。また、第１の層２１の厚さの上限値は、特に制限されるものではないが、第１の層２１の加工性等を考慮すると、１０μｍ以下が好ましい。本実施の形態では、第１の層２１は、４６０ｎｍの厚さを有している。第１の層２１は、多層構造（図示せず）を有してもよい。この多層構造の最表面の層は、第２の層２２を構成する第２の材料の濡れ性を向上させる層であってもよい。この多層構造の最表面の層は、ポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）層であってもよい。この多層構造の最表面の層は、例えば５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚さを有してもよい。さらに、第１の層２１は、アセトンやＮ−メチルピロリドン等の極性溶媒に対して溶解性を有する材料からなることが好ましい。

第２の層２２は、第１の層２１上に形成される。第２の層２２は、酸化シリコンのような無機材料を含む第２の材料から構成されてもよい。第２の層２２を構成する第２の材料は、第１の層２１を構成する第１の材料と異なる。第２の層２２は、多層構造（図示せず）を有してもよい。第２の層２２は、第２の材料を第１の層２１上にスピンコートし、それから８０℃以上で３０分間ベークすることによって、形成されてもよい。第２の層２２をスピンコートで形成する場合は、第２の層２２を形成するために用いられるスピンコート材に含まれる溶媒などによって、第１の層２１が溶解されないことが好ましい。第２の層２２は、スピンオングラス（ＳＯＧ）層であってもよい。第２の層２２は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚さを有してもよい。第２の層２２に対する第３の層２３の濡れ性を向上させるために、第２の層２２の表面をヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）などにより疎水化処理し、それから、第２の層２２の表面上にレジスト（ＺＥＰ５２０Ａ、日本ゼオン社製）などからなる中間層（図示せず）を形成してもよい。この中間層は、例えば５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚さを有してもよい。

第３の層２３は、第２の層２２上に形成される。第３の層２３は、中間層上に形成されてもよい。第３の層２３は、第２の樹脂材料を含む第３の材料で構成されてもよい。第３の層２３は、多層構造（図示せず）を有してもよい。第３の層２３を構成する第３の材料は、第１の層２１を構成する第１の材料及び第２の層２２を構成する第２の材料と異なる。第１の層２１、第２の層２２及び第３の層２３は互いに異なる材料からなる。第２の樹脂材料は、紫外線硬化性樹脂を含む光硬化性樹脂を含んでもよい。第２の樹脂材料は、レジスト（ＭＵＲ−ＸＲ、丸善石油化学社製）であってもよい。第３の層２３は、第２の樹脂材料を含む第３の材料を第２の層２２上にスピンコートして、形成されてもよい。第３の層２３をスピンコートで形成する場合は、第３の層２３を形成するために用いられるスピンコート材に含まれる溶媒などによって、第２の層２２が溶解されないことが好ましい。第３の層２３の厚さは、モールド３５（図５（Ｃ）及び図６を参照）の凹凸パターン３４ａに応じて適宜定めればよい。第３の層２３の厚さは、２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であってもよい。

図５（Ａ）から図５（Ｃ）を参照して、凹凸パターン３４ａを有するモールド３５の製造方法を説明する。モールド３５は、安価かつ高均一なインプリントに適したソフトフィルムモールドが好ましい。図５（Ａ）を参照して、ナノサイズを有する凹凸パターン３１ａを含むマスターモールド３１を作成する。凹凸パターン３１ａは、２８０ｎｍ以上３２０ｎｍ以下の直径と、２８０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の深さとを有する凹部が周期６００ｎｍで正三角格子に配列された構造を有してもよい。図５（Ｂ）を参照して、表面に樹脂層３４が設けられたフィルム３３を準備する。フィルム３３は、ＰＥＴフィルムであってもよい。樹脂層３４は、紫外線硬化性樹脂を含む光硬化性樹脂であってもよい。図５（Ｃ）を参照して、フィルム３３上の樹脂層３４にマスターモールド３１をインプリントして、樹脂層３４を硬化させる。樹脂層３４が紫外線硬化性樹脂である場合には、例えば３６５ｎｍの波長を有する紫外線を樹脂層３４に照射して、樹脂層３４を硬化させてもよい。マスターモールド３１を樹脂層３４から剥離する。こうして、凹凸パターン３４ａを有するモールド３５を製造することができる。モールド３５はフィルムモールドであってもよい。

図６を参照して、凹凸パターン３４ａを有するモールド３５を第３の層２３にインプリントすることにより、第３の層２３に複数の第１凹部２３ａを形成する。特定的には、凹凸パターン３４ａを有するモールド３５を第３の層２３にインプリントする。モールド３５を第３の層２３にインプリントしながら、第３の層２３に含まれる第２の樹脂材料を硬化させる。第２の樹脂材料が紫外線硬化性樹脂を含む光硬化性樹脂である場合には、紫外線を含む光３６を第３の層２３に照射して、第３の層２３に含まれる第２の樹脂材料を硬化させる。モールド３５を第３の層２３にインプリントしながら、第３の層２３に含まれる第２の樹脂材料を硬化させる代わりに、モールド３５を第３の層２３にインプリントした後、すなわちモールド３５を第３の層２３から剥離した後に、第３の層２３に光３６を照射するなどして、第３の層２３に含まれる第２の樹脂材料を硬化させてもよい。

図７及び図８を参照して、モールド３５を第３の層２３から剥離する。こうして、第３の層２３に複数の第１凹部２３ａを形成することができる。第１凹部２３ａは、ｈ₂の高さとｄ₂の幅とを有する。第１凹部２３ａの高さｈ₂は、基板１１の第２の表面１１ｂに垂直な方向における第１凹部２３ａの長さである。第１凹部２３ａの幅ｄ₂は、基板１１の第２の表面１１ｂに平行な方向における第１凹部２３ａの長さである。第１凹部２３ａのアスペクト比は、第１凹部２３ａの高さｈ₂を第１凹部２３ａの幅ｄ₂で除算した値として定義される。複数の第１凹部２３ａを形成することは、複数の第１凹部２３ａの底面に第３の層の一部（残膜２３ｂ）を残存させることを含んでもよい。言い換えると、複数の第１凹部２３ａを形成する際、複数の第１凹部２３ａの底面に残膜２３ｂが存在してもよい。

図９を参照して、複数の第１凹部２３ａが形成された第３の層２３を用いて、第２の層２２に複数の第２凹部２２ａを形成する。第２の層２２に複数の第２凹部２２ａを形成することは、第３の層２３をマスクとして用いて、複数の第１凹部２３ａに対応する第２の層２２の一部をエッチングすることを含んでもよい。第２の層２２の一部のエッチングは、ドライエッチングであってもよい。第２の層２２の一部のエッチングは、フッ素系のエッチングガスのような第１のエッチングガスを用いた誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチングであってもよい。例えば、２００Ｗ以上６００Ｗ以下の出力を有するアンテナ電極と、１０Ｗ以上４００Ｗ以下の出力を有するバイアス電極と、０．１Ｐａ以上１．０Ｐａ以下の圧力を有するチャンバーとを有するＩＣＰエッチング装置を用いて、１分以上５分以下の間、第２の層２２の一部をエッチングすることによって、第２の層２２に複数の第２凹部２２ａを形成してもよい。

複数の第２凹部２２ａを形成するために第２の層２２の一部をエッチングすることは、複数の第１凹部２３ａの底面に残存した第３の層２３の一部（残膜２３ｂ）を除去することをさらに含んでもよい。すなわち、複数の第２凹部２２ａを形成するために第２の層２２の一部をエッチングする際、複数の第１凹部２３ａの底面に残存した第３の層２３（残膜２３ｂ）がさらにエッチングされてもよい。複数の第２凹部２２ａを形成するための第２の層２２の一部のエッチングにおいて、第１の層２１は第２の層２２よりも小さなエッチングレートを有してもよい。複数の第２凹部２２ａを形成するために第２の層２２の一部をエッチングする際、第１の層２１はエッチング停止層として機能してもよい。

図１０を参照して、複数の第２凹部２２ａが形成された第２の層２２をマスクとして用いて、第１の層２１の一部を異方性エッチングすることにより、第１の層２１に複数の第３凹部２１ａを形成する。第１の層２１の一部を異方性エッチングする際、複数の第３凹部２１ａにおいて、基板１１の第２の表面１１ｂは露出する。第１の層２１の一部の異方性エッチングにおいて、第１の層２１のエッチングレートは、第２の層２２のエッチングレートの１０倍以上、好ましくは５０倍以上、さらに好ましくは１００倍以上であってもよい。この異方性エッチングでは、主に基板１１の第２の表面１１ｂに垂直な方向にエッチングされるが、基板１１の第２の表面１１ｂに平行な方向には第１の層２１はほとんどエッチングされない。そのため、第１の層２１が第２の層２２及び第３の層２３のそれぞれよりも大きな厚さを有していても、アスペクト比の大きな複数の第３凹部２１ａを形成することができる。第１凹部２３ａのアスペクト比及びモールド３５の凸部のアスペクト比よりも大きなアスペクト比を有する第３凹部２１ａを形成することができる。第３凹部２１ａのアスペクト比は、第３凹部２１ａの高さｈ₃を第３凹部２１ａの幅ｄ₃で除算した値として定義される。第３凹部２１ａの高さｈ₃は、基板１１の第２の表面１１ｂに垂直な方向における第３凹部２１ａの長さである。第３凹部２１ａの幅ｄ₃は、基板１１の第２の表面１１ｂに平行な方向における第３凹部２１ａの長さである。第１の層２１の一部を異方性エッチングする際、第２の層２２上に残る第３の層２３も除去されてもよい。

第２の層２２の一部の異方性エッチングは、ドライエッチングであってもよい。第２の層２２の一部の異方性エッチングは、酸素とアルゴンとを含む第２のエッチングガスを用いた誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチングであってもよい。第２のエッチングガスは第１のエッチングガスと異なってもよい。例えば、２００Ｗ以上６００Ｗ以下の出力を有するアンテナ電極と、１０Ｗ以上１００Ｗ以下の出力を有するバイアス電極と、０．１Ｐａ以上１．０Ｐａ以下の圧力を有するチャンバーとを有するＩＣＰエッチング装置を用いて、１０分以上７０分以下の間、第１の層２１の一部を異方性エッチングすることによって、第１の層２１に複数の第３凹部２１ａを形成してもよい。図９に示される、第２の層２２に複数の第２凹部２２ａを形成する工程と、図１０に示される、第１の層２１に複数の第３凹部２１ａを形成する工程とを、１つのＩＣＰエッチング装置を用いて行ってもよい。図９及び図１０に示される２つの工程を１つのＩＣＰエッチング装置を用いて行うことにより、凹凸構造１７を含む基板１１を高スループットで製造することができる。

図１１を参照して、複数の第３凹部２１ａにおいて露出された基板１１の第２の表面１１ｂ上と、第１の層２１上とに、第４の層２４を形成する。第４の層２４は、複数の第３凹部２１ａ内の第１の部分２４ａと、第１の層２１上の第２の部分２４ｂとからなってもよい。第４の層２４の第１の部分２４ａは、後続する第１の層２１をリフトオフする工程後の、複数の柱状構造体２５に対応する。第４の層２４は、基板１１のエッチグレートの１．５倍以下、好ましくは１．０倍以下、さらに好ましくは０．８倍以下のエッチングレートを有する材料で構成されてもよい。第４の層２４は、ニッケル層であってもよい。第４の層２４を形成する方法は特に限定されないが、真空蒸着法を用いてもよい。

図１２及び図１３を参照して、複数の第３凹部２１ａが形成された第１の層２１と第１の層２１上の第４の層２４（第２の部分２４ｂ）とをリフトオフすることにより、基板１１の第２の表面１１ｂ上に複数の柱状構造体２５を形成する。このリフトオフ工程は、複数の第３凹部２１ａを有する第１の層２１と第４の層２４とが形成された基板１１を４０℃以上の温度を有するアセトンに浸漬させながら、基板１１に１００ｋＨｚの周波数を有する超音波を施すことによって行われてもよい。複数の柱状構造体２５のそれぞれは、円錐、多角錐、円柱または多角柱の形状を有してもよい。柱状構造体２５を用いて形成される基板１１の凹凸構造１７の大きさ及び形状に合わせて、柱状構造体２５の大きさ及び形状が適宜変更されてもよい。複数の柱状構造体２５のそれぞれは、１．０より大きなアスペクト比、好ましくは１．３以上のアスペクト比、より好ましくは１．５以上のアスペクト比を有してもよい。柱状構造体２５のアスペクト比の上限値は特に制限されるものではないが、凹凸構造１７を含む基板１１の生産性を考慮すると、１０以下が好ましい。柱状構造体２５のアスペクト比は、柱状構造体２５の高さｈ₄を柱状構造体２５の幅ｄ₄で除算した値として定義される。柱状構造体２５の高さｈ₄は、基板１１の第２の表面１１ｂに垂直な方向における柱状構造体２５の長さである。柱状構造体２５の幅ｄ₄は、基板１１の第２の表面１１ｂに平行な方向における柱状構造体２５の長さである。柱状構造体２５の高さｈ₄は、２００ｎｍより大きくてもよく、好ましくは３５０ｎｍ以上であってもよく、さらに好ましくは５００ｎｍ以上であってもよい。互いに隣り合う柱状構造体２５の間の距離は、１μｍより小さくてもよく、好ましくは８００ｎｍ以下であってもよく、さらに好ましくは６００ｎｍ以下であってもよい。柱状構造体２５は、ナノ柱状構造体であってもよい。複数の柱状構造体２５は、１μｍより小さな周期、好ましくは８００ｎｍ以下の周期、さらに好ましくは６００ｎｍ以下の周期を有してもよい。複数の柱状構造体２５は、ナノサイズの周期構造を有してもよい。

それから、複数の柱状構造体２５を用いて、基板１１の第２の表面１１ｂをエッチングすることにより、基板１１の第２の表面１１ｂに凹凸構造１７（図１を参照）を形成する。基板１１の第２の表面１１ｂに凹凸構造１７を形成することは、複数の柱状構造体２５をマスクとして用いて、基板１１の第２の表面１１ｂをエッチングすることを含んでもよい。基板１１の第２の表面１１ｂをエッチングする際、基板１１の第２の表面１１ｂとともに複数の柱状構造体２５の少なくとも一部もエッチングされてもよい。基板１１の第２の表面１１ｂのこのエッチングにより、複数の柱状構造体２５のパターンが基板１１の第２の表面１１ｂに転写されて、基板１１の第２の表面１１ｂに凹凸構造１７を形成することができる。複数の柱状構造体２５は、基板１１のエッチグレートの１．５倍以下、好ましくは１．０倍以下、さらに好ましくは０．８倍以下のエッチングレートを有する材料で構成されてもよい。そのため、高アスペクト比を有する複数の柱状構造体２５を用いて、基板１１の第２の表面１１ｂに、高アスペクト比を有する凹凸構造１７を形成することができる。複数の柱状構造体２５は、ニッケルを含んでもよい。

基板１１の第２の表面１１ｂのこのエッチングは、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチングのようなドライエッチングであってもよい。エッチングガスは、三フッ化メタン（ＣＨＦ₃）ガスのようなフッ素系ガスを用いてもよい。例えば、２００Ｗ以上６００Ｗ以下の出力を有するアンテナ電極と、１００Ｗ以上４００Ｗ以下の出力を有するバイアス電極と、０．１Ｐａ以上１．０Ｐａ以下の圧力を有するチャンバーとを有するＩＣＰエッチング装置を用いて、基板１１の第２の表面１１ｂをエッチングすることによって、基板１１の第２の表面１１ｂに凹凸構造１７を形成してもよい。続いて、複数の柱状構造体２５の残渣を除去してもよい。複数の柱状構造体２５の残渣を除去する工程は、例えば、凹凸構造１７が形成された基板１１を、３０℃〜１００℃の温度を有する濃塩酸に１〜４０分間浸漬することによって行ってもよい。このようにして、図１に示される凹凸構造１７を含む基板１１を製造することができる。

本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法の作用及び効果を以下説明する。

本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法は、第１の表面１１ａと第１の表面１１ａと反対側の第２の表面１１ｂとを有する基板１１の第２の表面１１ｂ上に、第１の層２１と、第２の層２２と、第３の層２３とをこの順に積層することを備える。第１の層２１、第２の層２２及び第３の層２３は互いに異なる材料からなる。第１の層２１は、第２の層２２及び第３の層２３のそれぞれよりも大きな厚さを有する。本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法は、さらに、凹凸パターン３４ａを有するモールド３５を第３の層２３にインプリントすることにより、第３の層２３に複数の第１凹部２３ａを形成することと、複数の第１凹部２３ａが形成された第３の層２３を用いて、第２の層２２に複数の第２凹部２２ａを形成することと、複数の第２凹部２２ａが形成された第２の層２２をマスクとして用いて、第１の層２１の一部を異方性エッチングすることにより、第１の層２１に複数の第３凹部２１ａを形成することとを備える。複数の第３凹部２１ａにおいて基板１１の第２の表面１１ｂは露出する。本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法は、さらに、複数の第３凹部２１ａにおいて露出された基板１１の第２の表面１１ｂ上に、第４の層２４を形成することと、複数の第３凹部２１ａが形成された第１の層２１をリフトオフすることにより、基板１１の第２の表面１１ｂ上に複数の柱状構造体２５を形成することと、複数の柱状構造体２５を用いて、基板１１の第２の表面１１ｂをエッチングすることにより、基板１１の第２の表面１１ｂに凹凸構造１７を形成することとを備える。

本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法では、凹凸パターン３４ａを有するモールド３５を第３の層２３にインプリントすることにより、第３の層２３に複数の第１凹部２３ａを形成している。そのため、基板１１の第２の表面１１ｂ全体にわたって凹凸構造１７を、高スループット、高精度かつ安価に形成することができる。本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法では、複数の第２凹部２２ａが形成された第２の層２２をマスクとして用いて、第１の層２１の一部を異方性エッチングすることにより、第１の層２１に複数の第３凹部２１ａを形成している。第１の層２１は、第２の層２２及び第３の層２３のそれぞれよりも大きな厚さを有する。そのため、第３凹部２１ａのアスペクト比と、第３凹部２１ａ内に形成される柱状構造体２５のアスペクト比とを大きくすることができる。複数の柱状構造体２５を用いて、基板１１の第２の表面１１ｂをエッチングすることにより、基板１１の第２の表面１１ｂに高アスペクト比を有する凹凸構造１７を形成することができる。また、第１の層２１と第３の層２３とは互いに異なる材料からなる。第１の層２１を構成する第１の材料として、第３の層２３を構成する第３の材料よりも容易にリフトオフすることができる材料を選択することができる。そのため、複数の第３凹部２１ａが形成された第１の層２１をリフトオフすることにより、基板１１の第２の表面１１ｂ上に、高アスペクト比を有する凹凸構造１７を容易に形成することができる。以上より、本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法によれば、高アスペクト比を有する凹凸構造１７を含む基板１１を、高スループット、安価かつ容易に製造することができる。

以上述べた本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法の作用及び効果をより分かりやすく説明するため、２つの比較例１−１及び１−２の問題点を以下説明する。

比較例１−１の製造方法では、基板１１の第２の表面１１ｂ上に、第１の層２１及び第２の層２２を設けず、第３の層２３のみを設けて、第３の層２３をマスクとして用いて基板１１の第２の表面１１ｂ上に凹凸構造１７を形成する。インプリントに適した材料からなる第３の層２３は基板１１よりも非常に速くエッチングされてしまうため、第３の層２３は、基板１１の第２の表面１１ｂ上に凹凸構造１７を形成するためのエッチングマスクとして機能しない。また、第３の層２３をインプリントすることのみによって、高アスペクト比を有する微細な凹凸構造を第３の層２３に形成すること、及び、凹凸構造が形成された第３の層２３を用いて基板１１の第２の表面１１ｂ上に高アスペクト比を有する凹凸構造１７を形成することは、一般的に困難である。さらに、安価かつ高均一なインプリントに適したソフトフィルムモールドを用いて第３の層２３をインプリントすることのみによって、高アスペクト比を有する凹凸構造を第３の層２３に形成すること、及び、凹凸構造が形成された第３の層２３を用いて基板１１の第２の表面１１ｂ上に高アスペクト比を有する凹凸構造１７を形成することはさらに困難である。そのため、比較例１−１の製造方法は、高アスペクト比を有する凹凸構造１７を形成することが困難であるという問題を有する。

比較例１−２の製造方法では、基板１１の第２の表面１１ｂ上に、第１の層２１及び第２の層２２を設けず、第３の層２３のみを設け、第３の層２３の第３凹部２１ａ及び第３の層２３上に第４の層２４を形成し、第３の層２３をリフトオフして複数の柱状構造体２５を形成し、複数の柱状構造体２５を用いて基板１１の第２の表面１１ｂ上に凹凸構造１７を形成する。インプリントに適した材料からなる第３の層２３は、リフトオフの際に用いられる溶剤に溶け難いため、第３の層２３をリフトオフして複数の柱状構造体２５を形成することが難しい。そのため、比較例１−２の製造方法は、基板１１の第２の表面１１ｂ上に、高アスペクト比を有する凹凸構造１７を高スループット、安価かつ容易に形成することが難しいという問題を有する。

これに対し、本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法は、比較例１−１及び比較例１−２の問題を有しない。本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法を比較例１−１の製造方法及び比較例１−２の製造方法と比べることにより、本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法の利点がより一層明らかになる。

本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法において、凹凸構造１７の凸部１７ｂは、０．８より大きなアスペクト比を有してもよい。本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法によれば、高アスペクト比を有する凹凸構造１７を含む基板１１を、高スループット、安価かつ容易に製造することができる。

本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法において、凹凸構造１７の凸部１７ｂは、円錐、多角錐、円柱または多角柱の形状を有してもよい。本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法によれば、高アスペクト比及び様々な形状を有する凹凸構造１７を含む基板１１を、高スループット、安価かつ容易に製造することができる。

本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法において、第１の層２１は、４００ｎｍより大きな厚さを有してもよい。第１の層２１は４００ｎｍより大きな厚さを有するため、高アスペクト比を有する複数の第３凹部２１ａを形成することができる。複数の第３凹部２１ａが高アスペクト比を有するため、高アスペクト比を有する複数の柱状構造体２５を形成することができる。高アスペクト比を有する複数の柱状構造体２５を用いて、基板１１の第２の表面１１ｂをエッチングすることにより、基板１１の第２の表面１１ｂに高アスペクト比を有する凹凸構造１７を形成することができる。本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法によれば、高アスペクト比を有する凹凸構造１７を含む基板１１を、高スループット、安価かつ容易に製造することができる。

本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法において、第１の層２１の一部の異方性エッチングにおいて、第１の層２１のエッチングレートは第２の層２２のエッチングレートの１０倍以上であってもよい。そのため、高アスペクト比を有する複数の第３凹部２１ａを形成することができる。複数の第３凹部２１ａが高アスペクト比を有するため、高アスペクト比を有する複数の柱状構造体２５を形成することができる。高アスペクト比を有する複数の柱状構造体２５を用いて、基板１１の第２の表面１１ｂをエッチングすることにより、基板１１の第２の表面１１ｂに高アスペクト比を有する凹凸構造１７を形成することができる。本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法によれば、高アスペクト比を有する凹凸構造１７を含む基板１１を、高スループット、安価かつ容易に製造することができる。

本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法において、複数の第１凹部２３ａを形成することは、複数の第１凹部２３ａの底面に第３の層２３の一部（残膜２３ｂ）を残存させることを含んでもよい。第２の層２２の一部をエッチングすることは、複数の第１凹部２３ａの底面に残存した第３の層２３の一部（残膜２３ｂ）を除去することをさらに含んでもよい。そのため、第２の層２２の一部と第３の層２３の一部（残膜２３ｂ）とを一つの工程で除去することができる。本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法によれば、高アスペクト比を有する凹凸構造１７を含む基板１１を、高スループット、安価かつ容易に製造することができる。

本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法では、基板１１の第２の表面１１ｂの一部のエッチングにおいて、複数の柱状構造体２５のエッチングレートは、基板１１のエッチグレートの１．５倍以下であってもよい。そのため、高アスペクト比を有する複数の柱状構造体２５の形状を基板１１の第２の表面１１ｂに転写して、高アスペクト比を有する凹凸構造１７を基板１１の第２の表面１１ｂに形成することができる。本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法によれば、高アスペクト比を有する凹凸構造１７を含む基板１１を、高スループット、安価かつ容易に製造することができる。

本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法において、複数の柱状構造体２５は、１．０より大きなアスペクト比を有してもよい。本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法によれば、高アスペクト比を有する凹凸構造１７を含む基板１１を、高スループット、安価かつ容易に製造することができる。

本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法において、複数の柱状構造体２５は、ニッケルを含んでもよい。そのため、基板１１の第２の表面１１ｂに凹凸構造１７を形成するための基板１１の第２の表面１１ｂのエッチングにおいて、基板１１が高い硬度を有していても、複数の柱状構造体２５は、第３の層２３のエッチングマスクとして機能し得る。本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法によれば、高い硬度を有する基板１１であっても、高アスペクト比を有する凹凸構造１７を含む基板１１を、高スループット、安価かつ容易に製造することができる。

本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法において、基板１１は、窒化アルミニウム基板であってもよい。本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法によれば、窒化アルミニウム基板のように高い硬度を有する基板１１であっても、高アスペクト比を有する凹凸構造１７を含む基板１１を、高スループット、安価かつ容易に製造することができる。

本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法において、基板１１は、サファイア基板または酸化ガリウム基板であってもよい。本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法によれば、サファイア基板及び酸化ガリウム基板のように高い硬度を有する基板１１であっても、高アスペクト比を有する凹凸構造１７を含む基板１１を、高スループット、安価かつ容易に製造することができる。

本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法において、第１の層２１は、第１の樹脂材料を含んでもよい。そのため、スピンコーティング及び塗布のような安価かつ簡単な方法で、第１の層２１が形成され得る。本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法によれば、高アスペクト比を有する凹凸構造１７を含む基板１１を、高スループット、安価かつ容易に製造することができる。

本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法において、第２の層２２は、無機材料を含んでもよい。第２の層２２の材料を第１の層２１の材料と大きく異ならせることができるため、第１の層の一部を異方性エッチングする際、第２の層２２はエッチングマスクとして機能し得る。本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法によれば、高アスペクト比を有する凹凸構造１７を含む基板１１を、高スループット、安価かつ容易に製造することができる。

本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法において、第２の層２２は、酸化シリコンを含んでもよい。第２の層２２の材料を第１の層２１の材料と大きく異ならせることができるため、第１の層の一部を異方性エッチングする際、第２の層２２はエッチングマスクとして機能し得る。また、スピンコーティング及び塗布のような安価かつ簡単な方法で、第２の層２２が形成され得る。本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法によれば、高アスペクト比を有する凹凸構造１７を含む基板１１を、高スループット、安価かつ容易に製造することができる。

本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法において、第３の層２３は、第２の樹脂材料を含んでもよい。そのため、スピンコーティング及び塗布のような安価かつ簡単な方法で、第３の層２３が形成され得る。本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法によれば、高アスペクト比を有する凹凸構造１７を含む基板１１を、高スループット、安価かつ容易に製造することができる。

本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法において、第２の樹脂材料は、光硬化性樹脂を含んでもよい。第３の層２３に複数の第１凹部２３ａを形成することは、モールド３５を第３の層２３にインプリントしながら、または、モールド３５を第３の層２３にインプリントした後に、第３の層２３に光３６を照射して、第２の樹脂材料を硬化させることをさらに含んでもよい。モールド３５は、ソフトフィルムモールドであってもよい。第２の樹脂材料は光硬化性樹脂を含むため、第２の樹脂材料に光３６を数十秒照射するだけで、第２の樹脂材料を硬化させることができる。本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法によれば、高アスペクト比を有する凹凸構造１７を含む基板１１を、高スループット、安価かつ容易に製造することができる。モールド３５としてソフトフィルムモールドを用いることによって、安価に、高均一な凹凸構造１７を形成することができる。

本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法において、凹凸構造１７は、１μｍより小さな周期を有してもよい。本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法によれば、高アスペクト比及びナノ構造を有する凹凸構造１７を含む基板１１を、高スループット、安価かつ容易に製造することができる。

本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法において、凹凸構造１７は、フォトニック結晶構造を含んでもよい。本実施の形態に係る凹凸構造１７を含む基板１１の製造方法によれば、高アスペクト比を有する凹凸構造１７を含む基板１１を、高スループット、安価かつ容易に製造することができる。そのため、光を含む電磁波に対して大きな作用を及ぼすことができるフォトニック結晶デバイスを高スループットかつ安価に製造することができる。

（実施の形態２）
図１４及び図１５を参照して、実施の形態２に係る半導体発光素子２及びその製造方法を説明する。本実施の形態に係る半導体発光素子２及びその製造方法は、実施の形態１に係る凹凸構造１７を含む基板１１及びその製造方法を、半導体発光素子２の基板１１及び半導体発光素子２の製造方法に適用したものである。

図１４を参照して、実施の形態２に係る半導体発光素子２は、主に、凹凸構造１７を含む基板１１と、活性層１３を含む半導体層１８と、ｎ型電極１５と、ｐ型電極１６とを含む。

本実施の形態の凹凸構造１７を含む基板１１は、実施の形態１の凹凸構造１７を含む基板１１と同様の構成を備えている。基板１１の第２の表面１１ｂは、出射面であってもよい。凹凸構造１７はフォトニック結晶構造を含んでもよい。基板１１は、活性層１３から放射される光に対して高い透過率を有する材料から構成されることが好ましい。活性層１３から深紫外光が放射される場合には、基板１１は深紫外光に対して高い透過率を有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板、サファイア基板または酸化ガリウム基板が好ましい。活性層１３を含む半導体層１８において生ずる熱を半導体発光素子２の外部に放散させるために、基板１１は高い熱伝導性を有することが好ましい。高い熱伝導性を有する基板１１として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板、炭化珪素（ＳｉＣ）基板が好ましい。

基板１１の第１の表面１１ａ上に、活性層１３を含む半導体層１８が設けられている。半導体層１８は、ｎ型半導体層１２と、活性層１３と、ｐ型半導体層１４とを含んでもよい。

ｎ型半導体層１２は、基板１１の第１の表面１１ａ上に設けられてもよい。ｎ型半導体層１２は、ＡｌＩｎＧａＮからなる窒化物半導体から構成されてもよい。より特定的には、ｎ型半導体層１２は、Ａｌ_x1Ｉｎ_y1Ｇａ_z1Ｎ（ｘ₁、ｙ₁、ｚ₁は、０≦ｘ₁≦１．０、０≦ｙ₁≦０．１、０≦ｚ₁≦１．０を満たす有理数とし、ｘ₁＋ｙ₁＋ｚ₁＝１．０である）から構成されてもよい。ｎ型半導体層１２は、珪素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、酸素（Ｏ）、炭素（Ｃ）のようなｎ型不純物を含むことが好ましい。ｎ型半導体層１２におけるｎ型不純物の濃度は、１．０×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１．０×１０²⁰ｃｍ^-3以下、好ましくは、１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3以上１．０×１０¹⁹ｃｍ^-3以下であってもよい。ｎ型半導体層１２は、１００〜１００００ｎｍ、好ましくは５００〜３０００ｎｍの膜厚を有してもよい。

ｎ型半導体層１２によって活性層１３に電子及び正孔を閉じ込めるとともに、活性層１３から放射される光がｎ型半導体層１２によって吸収されることを抑制するために、ｎ型半導体層１２は、活性層１３から放射される光のエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有することが好ましい。ｎ型半導体層１２は、活性層１３よりも低い屈折率を有し、クラッド層として機能してもよい。ｎ型半導体層１２は、単層から構成されてもよいし、Ａｌ組成、Ｉｎ組成、もしくはＧａ組成が互いに異なる複数層から構成されてもよい。Ａｌ組成、Ｉｎ組成、もしくはＧａ組成が互いに異なる複数層は、超格子構造、または、その組成が徐々に変化する傾斜組成構造を有してもよい。

ｎ型半導体層１２の上に、活性層１３が設けられる。活性層１３は、１９０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下、好ましくは２００ｎｍ以上３２０ｎｍ以下、より好ましくは２２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の波長を有する深紫外光を放射するように構成されてもよい。活性層１３は、３５０ｎｍより大きく４１０ｎｍ以下の紫外光を放射するように構成されてもよい。活性層１３は、４１０ｎｍより大きく５００ｎｍ以下の青色光を放射するように構成されてもよい。

活性層１３は、ＡｌＩｎＧａＮからなる窒化物半導体から構成されてもよい。より特定的には、活性層１３は、Ａｌ_x2Ｉｎ_y2Ｇａ_z2Ｎ（ｘ₂、ｙ₂、ｚ₂は、０≦ｘ₂≦１．０、０≦ｙ₂≦０．１、０≦ｚ₂≦１．０を満たす有理数とし、ｘ₂＋ｙ₂＋ｚ₂＝１．０である）から構成される井戸層と、井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいＡｌ_x3Ｉｎ_y3Ｇａ_z3Ｎ（ｘ₃、ｙ₃、ｚ₃は、０≦ｘ₃≦１．０、０≦ｙ₃≦０．１、０≦ｚ₃≦１．０を満たす有理数とし、ｘ₃＋ｙ₃＋ｚ₃＝１．０である）から構成される障壁層とを含む多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有してもよい。ｎ型半導体層１２及びｐ型半導体層１４によって活性層１３に電子及び正孔を閉じ込めるために、活性層１３は、ｎ型半導体層１２及びｐ型半導体層１４よりも小さなバンドギャップエネルギーを有することが好ましい。活性層１３は、ｎ型半導体層１２及びｐ型半導体層１４よりも高い屈折率を有してもよい。

活性層１３の上に、ｐ型半導体層１４が設けられる。ｐ型半導体層は、活性層１３側に位置する第１のｐ型半導体層１４ａと、活性層１３と反対側に位置する第２のｐ型半導体層１４ｂとから構成されてもよい。

第１のｐ型半導体層１４ａは、ＡｌＩｎＧａＮからなる窒化物半導体から構成されてもよい。より特定的には、第１のｐ型半導体層１４ａは、Ａｌ_x4Ｉｎ_y4Ｇａ_z4Ｎ（ｘ₄、ｙ₄、ｚ₄は、０≦ｘ₄≦１．０、０≦ｙ₄≦０．１、０≦ｚ₄≦１．０を満たす有理数とし、ｘ₄＋ｙ₄＋ｚ₄＝１．０である）から構成されてもよい。第１のｐ型半導体層１４ａは、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）のようなｐ型不純物を含むことが好ましい。第１のｐ型半導体層１４ａにおけるｐ型不純物の濃度は、１．０×１０¹⁷ｃｍ^-3以上、好ましくは、１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3以上であってもよい。第１のｐ型半導体層１４ａは、５〜１０００ｎｍ、好ましくは１０〜５００ｎｍ以下の膜厚を有してもよい。

第１のｐ型半導体層１４ａによって活性層１３に電子及び正孔を閉じ込めるとともに、活性層１３から放射される光が第１のｐ型半導体層１４ａによって吸収されることを抑制するために、第１のｐ型半導体層１４ａは、活性層１３から放射される光のエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有してもよい。第１のｐ型半導体層１４ａは、活性層１３よりも低い屈折率を有し、クラッド層として機能してもよい。第１のｐ型半導体層１４ａは、単層から構成されてもよいし、Ａｌ組成、Ｉｎ組成、もしくはＧａ組成が互いに異なる複数層から構成されてもよい。Ａｌ組成、Ｉｎ組成、もしくはＧａ組成が互いに異なる複数層は、超格子構造、または、その組成が徐々に変化する傾斜組成構造を有してもよい。

第２のｐ型半導体層１４ｂは、ＡｌＩｎＧａＮからなる窒化物半導体から構成されてもよい。より特定的には、第２のｐ型半導体層１４ｂは、Ａｌ_x5Ｉｎ_y5Ｇａ_z5Ｎ（ｘ₅、ｙ₅、ｚ₅は、０≦ｘ₅≦１．０、０≦ｙ₅≦０．１、０≦ｚ₅≦１．０を満たす有理数とし、ｘ₅＋ｙ₅＋ｚ₅＝１．０である）から構成されてもよい。第２のｐ型半導体層１４ｂは、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）のようなｐ型不純物を含むことが好ましい。第２のｐ型半導体層１４ｂは、第１のｐ型半導体層１４ａよりも高いｐ型伝導度を有し、ｐ型コンタクト層として機能してもよい。第２のｐ型半導体層１４ｂにおけるｐ型不純物の濃度は、１．０×１０¹⁷ｃｍ^-3以上、好ましくは、１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3以上であってもよい。活性層１３から放射される光が第２のｐ型半導体層１４ｂによって吸収されることを抑制するためと、第２のｐ型半導体層１４ｂにおいて良好なｐ型コンタクトを得るために、第２のｐ型半導体層１４ｂは、１〜５００ｎｍの膜厚を有してもよい。

第２のｐ型半導体層１４ｂが窒化物半導体から構成される場合には、第２のｐ型半導体層１４ｂのＡｌ組成が小さいほど、第２のｐ型半導体層１４ｂから活性層１３により均一に正孔を注入することができ、良好なｐ型コンタクト特性を得ることができる。そのため、第２のｐ型半導体層１４ｂは、第１のｐ型半導体層１４ａよりも小さなＡｌ組成比を有してもよい。活性層１３から放射される光が第２のｐ型半導体層１４ｂによって吸収されることを抑制するために、第２のｐ型半導体層１４ｂは、活性層１３から放射される光のエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有してもよい。

ｎ型電極１５は、ｎ型半導体層１２の表面に設けられる。特定的には、ｎ型電極１５は、ｎ型半導体層１２の露出面に設けられる。ｎ型半導体層１２の露出面は、基板１１の上に、ｎ型半導体層１２、活性層１３、及びｐ型半導体層１４を積層した後、メサ構造を形成するために、ｎ型半導体層１２の一部と、活性層１３の一部と、ｐ型半導体層１４の一部とを除去することによって露出されたｎ型半導体層１２の表面を意味する。ｐ型電極１６は、ｐ型半導体層１４の表面、より特定的には、ｐ型コンタクト層として機能してもよい第２のｐ型半導体層１４ｂの表面に設けられる。

図１５を参照して、本実施の形態１に係る半導体発光素子の製造方法は、以下の工程を備えてもよい。基板１１の第１の表面１１ａ上に活性層１３を含む半導体層１８を形成する（Ｓ１）。基板１１の第１の表面１１ａ上に活性層１３を含む半導体層１８を形成する工程（Ｓ１）は、基板１１の第１の表面１１ａ上に、ｎ型半導体層１２、活性層１３、及びｐ型半導体層１４をこの順に堆積させる工程を含んでもよい。半導体層１８を堆積する方法は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）であってもよい。基板１１の第１の表面１１ａ上に活性層１３を含む半導体層１８を形成する工程（Ｓ１）は、活性層１３を含む半導体層１８の一部をエッチングして、半導体層１８にメサ構造を形成する工程をさらに含んでもよい。このエッチングにより、ｎ型半導体層１２の一部の表面が露出する。続いて、ｎ型半導体層１２上に、真空蒸着法などの方法によって、ｎ型電極１５を形成する（Ｓ２）。特定的には、半導体層１８にメサ構造を形成するためのエッチングにより露出されたｎ型半導体層１２上に、ｎ型電極１５が形成されてもよい。ｎ型半導体層１２とｎ型電極１５との間の電気的コンタクトを向上させるため、３００℃以上１１００℃以下の温度で、３０秒以上３分間以下の時間、アニールすることが好ましい。ｐ型半導体層１４の上に、真空蒸着法などの方法によって、ｐ型電極１６を形成する（Ｓ３）。ｐ型半導体層１４とｐ型電極１６との間の電気的コンタクトを向上させるため、２００℃以上８００℃以下の温度で、３０秒以上３分間以下の時間、アニールすることが好ましい。基板１１の第２の表面１１ｂに凹凸構造１７を形成する（Ｓ４）。基板１１の第２の表面１１ｂに凹凸構造１７を形成する工程（Ｓ４）は、実施の形態１と同様の工程である。それから、基板１１をダイシングしてもよい（Ｓ５）。以上の工程により、第２の表面１１ｂに凹凸構造１７を含む基板１１を備える半導体発光素子２を製造することができる。なお、基板１１の第１の表面１１ａ上に活性層１３を含む半導体層１８を形成する工程（Ｓ１）の前に、基板１１の第２の表面１１ｂに凹凸構造１７を形成する工程（Ｓ４）を行ってもよい。

本実施の形態に係る半導体発光素子２の製造方法の作用及び効果を以下説明する。
本実施の形態に係る半導体発光素子２の製造方法は、実施の形態１と同様の方法によって、基板１１の第２の表面１１ｂに凹凸構造１７を形成することと、基板１１の第１の表面１１ａ上に、活性層１３を含む半導体層１８を形成することとを備える。本実施の形態に係る半導体発光素子２の製造方法によれば、向上された光取り出し効率を有する半導体発光素子を、高スループット、安価かつ容易に製造することができる。以上述べたことは、以下の実験結果によっても裏付けられる。

図１６（Ａ）を参照して、実線及び黒丸は、発光波長に対する、本実施の形態の半導体発光素子２のエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）強度の変化を示す。点線及び白丸は、発光波長に対する、凹凸構造１７を備えない比較例２の半導体発光素子のエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）強度を示す。凹凸構造１７を形成することによって、半導体発光素子２のエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）強度は６０％以上増加している。図１６（Ｂ）を参照して、実線及び黒丸は、駆動電流に対する、本実施の形態の半導体発光素子２の光出力強度の変化を示す。点線及び白丸は、駆動電流に対する、凹凸構造１７を備えない比較例２の半導体発光素子の光出力強度の変化を示す。凹凸構造１７を形成することによって、半導体発光素子２からの光出力強度は７０％以上増加している。本実施の形態の半導体発光素子２の製造方法により形成された凹凸構造１７による半導体発光素子２のＥＬ強度及び光出力強度の増加率は、電子線リソグラフィを用いて形成された凹凸構造による半導体発光素子のＥＬ強度及び光出力強度の増加率と同等以上である。そのため、本実施の形態の半導体発光素子２の製造方法により形成された凹凸構造１７は、電子線リソグラフィを用いて形成された凹凸構造と同等以上のアスペクト比を有していると考えられる。したがって、本実施の形態に係る半導体発光素子２の製造方法によれば、向上された光取り出し効率を有する半導体発光素子を、高スループット、安価かつ容易に製造することができる。

本実施の形態に係る半導体発光素子２の製造方法において、半導体発光素子２は深紫外光を放射してもよい。本実施の形態に係る半導体発光素子２の製造方法によれば、向上された深紫外光の取り出し効率を有する半導体発光素子を、高スループット、安価かつ容易に製造することができる。

今回開示された実施の形態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特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。

２半導体発光素子、１１基板、１１ａ第１の表面、１１ｂ第２の表面、１２ｎ型半導体層、１３活性層、１４ｐ型半導体層、１４ａ第１のｐ型半導体層、１４ｂ第２のｐ型半導体層、１５ｎ型電極、１６ｐ型電極、１７凹凸構造、１７ｂ凸部、１８半導体層、２１第１の層、２１ａ第３凹部、２２第２の層、２２ａ第２凹部、２３第３の層、２３ａ第１凹部、２３ｂ残膜、２４第４の層、２４ａ第１の部分、２４ｂ第２の部分、２５柱状構造体、３１マスターモールド、３１ａ，３４ａ凹凸パターン、３３フィルム、３４樹脂層、３５モールド、３６光。

Claims

凹凸構造を含む基板の製造方法であって、
第１の表面と前記第１の表面と反対側の第２の表面とを有する前記基板の前記第２の表面上に、第１の層と、第２の層と、第３の層とをこの順に積層することを備え、前記第１の層、前記第２の層及び前記第３の層は互いに異なる材料からなり、前記第１の層は、前記第２の層及び前記第３の層のそれぞれよりも大きな厚さを有し、さらに、
凹凸パターンを有するモールドを前記第３の層にインプリントすることにより、前記第３の層に複数の第１凹部を形成することと、
前記複数の第１凹部が形成された前記第３の層を用いて、前記第２の層に複数の第２凹部を形成することと、
前記複数の第２凹部が形成された前記第２の層をマスクとして用いて、前記第１の層の一部を異方性エッチングすることにより、前記第１の層に複数の第３凹部を形成することとを備え、前記複数の第３凹部において前記基板の前記第２の表面は露出し、さらに、
前記複数の第３凹部において露出された前記基板の前記第２の表面上に、第４の層を形成することと、
前記複数の第３凹部が形成された前記第１の層をリフトオフすることにより、前記基板の前記第２の表面上に複数の柱状構造体を形成することと、
前記複数の柱状構造体を用いて、前記基板の前記第２の表面をエッチングすることにより、前記基板の前記第２の表面に前記凹凸構造を形成することとを備える、方法。
前記凹凸構造の凸部は、０．８より大きなアスペクト比を有する、請求項１に記載の方法。
前記凹凸構造の前記凸部は、円錐、多角錐、円柱または多角柱の形状を有する、請求項２に記載の方法。
前記第１の層は、４００ｎｍより大きな厚さを有する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の方法。
前記第１の層の前記一部の前記異方性エッチングにおいて、前記第１の層のエッチングレートは前記第２の層のエッチングレートの１０倍以上である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の方法。
前記複数の第１凹部を形成することは、前記複数の第１の凹部の底面に前記第３の層の一部を残存させることを含み、
前記第２の層の前記一部をエッチングすることは、前記複数の第１の凹部の前記底面に残存した前記第３の層の前記一部を除去することをさらに含む、請求項５に記載の方法。
前記基板の前記第２の表面の前記一部の前記エッチングにおいて、前記複数の柱状構造体のエッチングレートは、前記基板のエッチグレートの１．５倍以下である、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の方法。
前記複数の柱状構造体は、１．０より大きなアスペクト比を有する、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の方法。
前記複数の柱状構造体は、ニッケルを含む、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の方法。
前記基板は、窒化アルミニウム基板である、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の方法。
前記基板は、サファイア基板または酸化ガリウム基板である、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の方法。
前記第１の層は、第１の樹脂材料を含む、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の方法。
前記第２の層は、無機材料を含む、請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の方法。
前記第２の層は、酸化シリコンを含む、請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の方法。
前記第３の層は、第２の樹脂材料を含む、請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の方法。
前記第２の樹脂材料は、光硬化性樹脂を含み、
前記第３の層に前記複数の第１凹部を形成することは、前記モールドを前記第３の層にインプリントしながら、または、前記モールドを前記第３の層にインプリントした後に、前記第３の層に光を照射して、前記第２の樹脂材料を硬化させることをさらに含み、
前記モールドは、ソフトフィルムモールドである、請求項１５に記載の方法。
前記凹凸構造は、１μｍより小さな周期を有する、請求項１から請求項１６のいずれか１項に記載の方法。
前記凹凸構造は、フォトニック結晶構造を含む、請求項１から請求項１７のいずれか１項に記載の方法。
請求項１から請求項１８のいずれか１項に記載の方法によって、前記基板の前記第２の表面に前記凹凸構造を形成することと、
前記基板の前記第１の表面上に、活性層を含む半導体層を形成することとを備える、半導体発光素子の製造方法。
前記半導体発光素子は深紫外光を放射する、請求項１９に記載の半導体発光素子の製造方法。