JP2017073511A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率を向上できる半導体発光素子を提供すること。【解決手段】半導体発光素子（１００）は、第１主面（６０ａ）と、第１主面とは反対側の第２主面（６０ｂ）を有する下地層（６０）と、下地層の第２主面側に配置された基板（５５）と、を具備し、下地層と基板と、の間に複数のナノヴォイド（７０）を具備する構成とした。下地層と基板との間に複数のナノヴォイドの隙間が形成されるため、半導体発光素子に対する残留圧縮応力が軽減される。【選択図】図１

Description

本発明は、テクスチャを有する半導体発光素子に関する。

環境エネルギ問題を背景に、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）が注目を集めている。ＬＥＤの発光効率を示す外部量子効率ＥＱＥを決定する要因としては、電子注入効率ＥＩＥ、内部量子効率ＩＱＥ及び光取り出し効率ＬＥＥが挙げられる。特に、内部量子効率ＩＱＥと光取り出し効率ＬＥＥとは、ＬＥＤ基板の表面にテクスチャを設けることで改善できるという報告が多数ある。既にＬＥＤ基板としてＰＳＳ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｓａｐｐｈｉｒｅ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）が一般流通しており、広く使用されている。ＰＳＳは、材質が単結晶サファイアであり、主面にマイクロメートルオーダの複数の凸部より構成されるテクスチャが、フォトリソグラフィ法により形成された基板である。このＰＳＳ基板を使用することで、特に光取り出し効率ＬＥＥが改善すると報告されている（特許文献１参照）。また、ＰＳＳのテクスチャをナノメートルオーダとした例として、特許文献２が挙げられる。特許文献１や特許文献２にみられるように、ＬＥＤの発光効率を改善する検討は、世界的に執り行われている。

特開２０１２−１６０５０２号公報 国際公開第２０１４／０５８０６９号パンフレット

ＬＥＤの発光効率をより改善させるための技術トレンドは、２つある。１つは、ＰＳＳにおいて凸部の径を限りなく大きくすることである。２つは、ＰＳＳの凸部の間隔をナノメートルオーダとしたナノＰＳＳである。この技術トレンドはいずれも、内部量子効率ＩＱＥと光取り出し効率ＬＥＥの更なる改善を指向したものである。

しかしながら、本発明者の検討によれば、上記技術観点により内部量子効率ＩＱＥと光取り出し効率ＬＥＥとを改善したとしても、良好な発光特性を示すＬＥＤが得られないことがある。この１つの原因として、半導体の内部の残留圧縮応力が原因と推定される。即ち、半導体に対する残留圧縮応力を改善する必要がある。これにより、ＬＥＤの発光効率は更に改善され、更には、高電流密度状態においても優れた発光特性を示すと考えられた。

本発明は、かかる点を鑑みてなされたものであり、発光効率を向上できる半導体発光素子を提供することを目的とする。

本発明の半導体発光素子は、第１主面と、前記第１主面とは反対側の第２主面とを有する下地層と、前記下地層の前記第２主面側に配置された基板と、を具備し、前記下地層と前記基板と、の間に複数のナノヴォイドを具備することを特徴とする。

この構成により、下地層と基板との間に複数のナノヴォイドの隙間が形成されるため、半導体発光素子に対する残留圧縮応力が軽減される。これにより、半導体発光素子の発光特性が改善する。

本発明の半導体発光素子においては、前記下地層は窒化物半導体を含み、前記下地層の前記第１主面側に設けられた窒化物半導体を含む第２導電型の第２半導体層と、前記第２半導体層の前記下地層とは反対側に設けられた窒化物半導体を含む発光層と、前記発光層の前記第２半導体層とは反対側に設けられた窒化物半導体を含み前記第２導電型とは異なる第１導電型の第１半導体層と、を備えることが好ましい。

本発明の半導体発光素子においては、前記ナノヴォイドは、前記基板側から前記下地層側に向けて、径が大きくなることが好ましい。

本発明の半導体発光素子においては、前記ナノヴォイドの気圧は８０ｋＰａ以下であることが好ましい。

本発明の半導体発光素子においては、前記ナノヴォイドは前記下地層の面内に渡り複数離間して配置されており、互いに隣接する前記ナノヴォイドの間隔は１００ｎｍ以上３２００ｎｍ以下であることが好ましい。

本発明の半導体発光素子においては、前記ナノヴォイドは、六方格子又は四方格子の格子点位置に設けられ、且つ、前記六方格子又は前記四方格子の格子間距離は、０％以上２５％以下の範囲で変動することが好ましい。

本発明の半導体発光素子においては、前記ナノヴォイドは、六方格子又は四方格子の格子点位置のうち１％以上２５％以下を不規則に省いた前記格子点位置に設けられることが好ましい。

本発明の半導体発光素子においては、前記ナノヴォイドは、六方格子又は四方格子の格子点位置のうち１％以上２５％以下を規則的に省いた前記格子点位置に設けられることが好ましい。

本発明によれば、発光効率を向上することができる。

本実施の形態に係る半導体発光素子を示す断面模式図である。 本実施の形態に係るナノヴォイドの間隔を説明するための図である。 本実施の形態に係る下地層の第２主面側に設けられるテクスチャを示す平面模式図である。 本実施の形態に係る基板に設けられるテクスチャを示す平面模式図である。 本実施の形態に係るナノヴォイドが格子配列されている場合における格子点を不規則に間引いた状態を示す模式図である。 本実施の形態に係る格子点を不規則に間引いた状態を示す模式図である。 本実施の形態に係るナノヴォイドの位置する格子点の規則的な間引き方を示す模式図である。 本実施の形態に係るナノヴォイドの位置する格子点の規則的な間引き方を示す模式図である。 本実施の形態に係るナノヴォイドの位置する格子点の規則的な間引き方を示す模式図である。 本実施の形態に係るナノヴォイドの位置する格子点の規則的な間引き方を示す模式図である。 本実施の形態に係るナノヴォイドの位置する格子点の規則的な間引き方を示す模式図である。 本実施の形態に係るナノヴォイドの位置する格子点の規則的な間引き方を示す模式図である。 本実施の形態に係るナノヴォイドの位置する規則的に間引かれた格子点を示す模式図である。 本実施の形態に係るナノヴォイドの位置する規則的に間引かれた格子点を示す模式図である。 本実施の形態に係るナノヴォイドの位置する規則的に間引かれた格子点を示す模式図である。 本実施の形態に係るナノヴォイドの位置する規則的に間引かれた格子点を示す模式図である。 本実施の形態に係るナノヴォイドの位置する規則的に間引かれた格子点を示す模式図である。 本実施の形態に係る凸状の網目の分岐を示す模式図である。 本実施の形態に係る基板のテクスチャを示す断面模式図である。

以下、添付図面を参照して、本実施の形態に係る半導体発光素子について説明する。図１は、本実施の形態に係る半導体発光素子を示す断面模式図である。

本実施の形態に係る半導体発光素子１００は、第１主面６０ａと、第１主面６０ａとは反対側の第２主面６０ｂを有する下地層６０と、下地層６０の第２主面６０ｂ側に配置された基板５５と、を具備し、下地層６０の第２主面側と基板５５と、の間に複数のナノヴォイド７０を具備することを特徴とする。

下地層６０と基板５５との間に複数のナノヴォイド７０の隙間が形成されるため、半導体発光素子１００に対する残留圧縮応力が軽減される。これにより、半導体発光素子１００の発光特性が改善する。

下地層６０は、窒化物半導体を含むと好ましい。窒化物半導体層を含むことで、ＬＥＤとしての発光特性を向上することができる。また、下地層６０は、ノンドープの層或いは、第１半導体層１０の不純物濃度よりも低い層であることが好ましい。

下地層６０には、上面に第１主面６０ａが設けられ、第１主面６０ａとは反対側に第２主面６０ｂが設けられる。

第２主面６０ｂ上に、後述するテクスチャを設けると、ナノヴォイドの配置精度が向上するため好ましい。なお、テクスチャのある場合であっても、下地層６０はテクスチャを含むものとする。下地層６０の第２主面６０ｂ側に基板５５が配置される。基板５５は、下地層６０の成長基板である。下地層６０と基板５５と、の間にナノヴォイド７０が設けられる。ナノヴォイド７０は、空間であって、隙間である。即ち、ナノヴォイド７０には気体が存在する。

第２半導体層２０は、下地層６０の第１主面６０ａ側に設けられる。第２半導体層２０は、第２導電型であり、窒化物半導体を含んでいることが好ましい。第２半導体層２０の下地層６０とは反対側に、発光層３０が設けられる。発光層３０は窒化物半導体を含んでいることが好ましい。発光層３０の第２半導体層２０とは反対側に、第１半導体層１０が設けられる。第１半導体層１０は、第１導電型であり、窒化物半導体を含んでいることが好ましい。第１導電型と第２導電型とは異なる。

一例として、第１導電型をｐ型とし、第２導電型はｎ型とすることができる。第１導電型がｎ型であり、第２導電型がｐ型であっても良い。以下の説明では、第１導電型がｐ型であり、第２導電型がｎ型である場合について、説明する。

また、以下の説明では、下地層６０の第１主面６０ａから第２主面６０ｂに向かう方向をＺ軸方向とする。そして、Ｚ軸に対して垂直な１つの軸をＸ軸とし、Ｚ軸及びＸ軸に対して垂直な方向をＹ軸とする。言い換えると、Ｚ軸は、下地層６０、第２半導体層２０、発光層３０及び第１半導体層１０の積層方向に対して平行である。ここで本明細書において「積層」とは、互いに接して重ねられた状態のみならず、他の層が間に挿入され重ねられた状態も含む。

＜基板＞
半導体発光素子１００は、下地層６０の第２主面６０ｂ側に基板５５を有してもよい。基板５５は下地層６０の成長基板であれば、特に限定されない。例えば、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）に代表される絶縁性基板、炭化珪素（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、ダイヤモンド、窒化物半導体と格子接合するニオブ酸リチウム、ガリウム酸ネオジウムに代表される酸化物基板、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミ（ＡｌＮ）等が挙げられる。また、基板５５の表面を微細加工した後述するテクスチャ基板を使用することもできる。この場合、ナノヴォイド７０の、２次元的な配列を容易に制御できるため好ましい。特に、テクスチャ基板５５のテクスチャ５６が、凸状の網目５６ｂと、網目により互いに離間される陥没部５６ａより構成されると、ナノヴォイド７０をより好適に制御できる。

＜バッファ層＞
下地層６０の第２主面６０ｂ側にバッファ層を有してよい。基板５５と同時に配置する場合は、下地層６０からＺ軸方向に、バッファ層が設けられ、続いて基板５５が配置される。バッファ層は配置されても、されなくてもよい。また、均等に配置されても、部分的に配置されてもよい。

バッファ層の厚さは、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましく、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下がより好ましい。これにより、半導体に対する残留圧縮応力を低減できる。なお、半導体とは、後述する積層構造体１０ｓ全て、或いは積層構造体１０ｓを構成する層のいずれかをいうものとする。バッファ層は、例えば、ＧａＮ構造、ＡｌＧａＮ構造、ＡｌＮ構造、ＡｌＩｎＮ構造、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子構造、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ積層構造、或いはＡｌＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮ積層構造等を採用することができる。また、バッファ層の成膜については、成膜温度を３５０℃以上６００℃以下の範囲にできる。また、バッファ層は、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、或いはスパッタリング法により成膜されることが好ましい。

＜電極（第１電極、第２電極）＞
半導体発光素子１００は、第１電極７０と、第２電極８０とを更に備えることができる。第１半導体層１０の表面に第１電極７０を、第２半導体層２０の表面の一部に第２電極８０を設けることができる。第１電極７０は、第１半導体層１０と電気的に接続される。第２電極８０は、第２半導体層２０と電気的に接続される。例えば、第２半導体層２０の一部と第１半導体層１０との間に発光層３０を設けることができる。第２半導体層２０の表面の一部であって第１半導体層１０側に、第２電極８０を設けることもできる。第１電極７０及び第２電極８０の配置は、半導体発光素子１００により適宜、最適化できる。

第１電極７０と第２電極８０との間に電圧を印加すると、第１半導体層１０と第２半導体層２０とを介し、発光層３０に電流が流れる。そして、発光層３０からフォトンが放出される。半導体発光素子１００としては、例えばＬＥＤが挙げられる。

＜第２半導体層＞
第２半導体層２０は、例えば、ｎ側コンタクト層の機能を有していてもよい。第２半導体層２０には、ｎ型ＧａＮ層を適用できる。第２半導体層２０としては、例えば、シリコンやゲルマニウム等の元素半導体、或いは、ＩＩＩ−Ｖ族やＩＩ−ＶＩ族やＶＩ−ＶＩ族等の化合物半導体に、種々の元素をドープしたものを適用できる。特に、ｎ型ＧａＮ層であることが望ましい。ｎ型ＧａＮ層としては、例えば、ＮＨ_３を３×１０^−２〜４．２×１０^−２ｍｏｌ／ｍｉｎ、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）０．８×１０^−４〜１．８×１０^−４ｍｏｌ／ｍｉｎ及びＳｉに代表されるｎ型ドーパントを含むシランガスを５．８×１０^−９〜６．９×１０^−９ｍｏｌ／ｍｉｎ供給し、形成することができる。膜厚は、活性層への電子注入性の観点から、８００ｎｍ以上であると好ましく、１５００ｎｍ以上であることがより好ましい。

＜第１半導体層＞
第１半導体層１０は、積層構造を採ることができる。「積層」の定義については後述する。例えば、３層であって、Ｐ１層１１、Ｐ２層１２、及びＰ３層１３で構成することができる。Ｐ３層１３が下地層６０側に配置され、Ｐ１層１１が下地層６０から最も遠くに配置される。Ｐ２層１２は、Ｐ１層１１とＰ３層１３との間に配置される。Ｐ１層１１は、ｐ側コンタクト層として機能できる。Ｐ１層１１として、ｐ型ＧａＮ層を適用できる。Ｐ２層１２としては、ｐ型ＧａＮ層を適用できる。Ｐ３層１３には、ｐ型ＡｌＧａＮ層を適用できる。

第１半導体層１０としては、例えば、シリコンやゲルマニウム等の元素半導体、及び、ＩＩＩ−Ｖ族やＩＩ−ＶＩ族やＶＩ−ＶＩ族等の化合物半導体に、種々の元素をドープしたものを適用できる。例えば、ｐ型ＧａＮ層の場合、成長温度を９００℃以上に上昇させ、ＴＭＧａ及びＣＰ_２Ｍｇを供給し、数百〜数千Åの厚さに成膜することができる。

＜発光層＞
単一量子井戸構造（ＳＱＷ）、或いは多重量子井戸構造（ＭＱＷ）とすることが好ましい。ＳＱＷの場合、発光層３０は、２つの障壁層と、その障壁層の間に設けられた井戸層とを含む。ＭＱＷの場合、３つ以上の障壁層と、障壁層同士の間に設けられた井戸層とを含む。

発光層３０は、（ｎ＋１）個の障壁層と、ｎ個の井戸層とを含むことができる。ｎは、１以上の整数である。第（ｉ＋１）番目の障壁層（ｉ＋１）は、第ｉ番目の障壁層ｉと第１半導体層１０との間に配置される。ｉは、１以上（ｎ−１）以下の整数である。第（ｉ＋１）番目の井戸層（ｉ＋１）は、第ｉ番目の井戸層ｉと第１半導体層１０との間に配置される。第１番目の障壁層１は、第２半導体層２０（後述する、多層構造体４０）と第１番目の井戸層１との間に設けられる。第ｎ番目の井戸層ｎは、第ｎ番目の障壁層ｎと第（ｎ＋１）番目の障壁層（ｎ＋１）との間に設けられる。第（ｎ＋１）番目の障壁層（ｎ＋１）は、第ｎ番目の井戸層ｎと第１半導体層１０との間に設けられる。

井戸層は、ＩＩＩ族元素とＶ族元素とを含む窒化物半導体を含むことが好ましい。井戸層は、インジウム（Ｉｎ）とガリウム（Ｇａ）とを含む窒化物半導体を含むことがより好ましく、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０．０５≦ｘ≦０．５）を含むことがさらに好ましい。発光層３０から放出される光のピーク波長は、例えば４００ｎｍ以上６５０ｎｍ以下であることが好ましい。

障壁層は、ＩＩＩ族元素とＶ族元素とを含む窒化物半導体を含むことが好ましい。障壁層のバンドギャップエネルギは、井戸層のバンドギャップエネルギよりも大きい。障壁層がＩｎを含む場合、障壁層のＩＩＩ族元素中におけるＩｎの組成比は、井戸層のＩＩＩ族元素中におけるＩｎの組成比よりも低いことが好ましい。これにより、井戸層におけるバンドギャップエネルギは、障壁層におけるバンドギャップエネルギよりも小さくなる。

発光層３０としては、ＬＥＤとして発光特性を有するものが望ましい。例えば、ＡｓＰ、ＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＺｎＳｅ、ＡｌＨａＩｎＰ、ＺｎＯ等の半導体層を適用できる。また、特性に応じて種々の元素をドープしてもよい。例えば、６００℃以上８５０℃以下の成長温度で、窒素をキャリアガスとして使い、ＮＨ_３、ＴＭＧａ、及びトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を供給し、ＩＮＧａＮ／ＧａＮからなる活性層を、１００Å以上１２５０Å以下の厚さに成長させることができる。また、多重量子井戸構造の場合、１つの層を構成するＩｎＧａＮに関し、Ｉｎ元素濃度を変化させることもできる。また、発光層３０と第１半導体層１０との間に電子ブロック層を設けることができる。電子ブロック層は、例えば、ｐ−ＡｌＧａＮにて構成することができる。

＜積層構造体＞
積層構造体１０ｓは、下地層６０、第２半導体層２０、発光層３０、及び第１半導体層１０を含んでいる。積層構造体１０ｓの積層方向は、Ｚ軸に対して平行である。積層構造体１０ｓは、例えば、ＣＶＤにより成膜され得られ、ＣＶＤとしては、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）等が挙げられる。

更に、積層構造体１０ｓは多層構造体４０を含んでいてもよい。多層構造体４０は、第２半導体層２０と発光層３０との間に設けられており、第２半導体層２０に含まれるものと見なすこともできる。多層構造体４０は、例えば、超格子層であり、ｎ型であってもよい。多層構造体４０は適宜配置することができ、配置されなくてもよい。多層構造体４０は、Ｚ軸方向に交互に積層された複数の第１構造膜と複数の第２構造膜とを含んでいてもよい。第１構造膜は、ＧａＮを含むことができる。第２構造膜は、ＩｎＧａＮを含むことができる。第１構造膜２０ａを下地層６０側に配置しても、第２構造膜２０ｂを下地層６０側に配置してもよい。

＜窒化物半導体＞
本明細書において窒化物半導体とは、Ｂ_ｘＩｎ_ｙＡｌ_ｚＧａ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）の化学式として示される組成の半導体を含むものと定義する。なお、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素も更に含んだものも窒化物半導体として扱うことができる。更には、導電型に代表される物性を制御するために添加される各種元素を更に含むものも、窒化物半導体として扱うことができる。また、意図せずに含まれる各種の元素を更に含むものも窒化物半導体として扱うことができる。

＜下地層＞
下地層６０としては、例えば、シリコンやゲルマニウム等の元素半導体、或いは、ＩＩＩ−Ｖ族やＩＩ−ＶＩ族やＶＩ−ＶＩ族等の化合物半導体を適用できる。特に、アンドープ窒化物層であることが好ましい。アンドープ窒化物層としては、例えば、９００℃以上１５００℃以下の成長温度で、ＮＨ_３とＴＭＧａを供給することで成膜できる。膜厚は、１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましく、下地層６０に対する残留応力の観点から、１．５μｍ以上８μｍ以下がより好ましい。

また下地層６０は、その第２主面６０ｂ側にテクスチャ６１を有すると好ましい。これにより、ナノヴォイド７０の２次元的な配列を制御できるためである。特に、下地層６０の第２主面６０ｂ側に設けられるテクスチャ６１は、凹状の網目６１ａと、網目により互いに離間される隆起部６１ｂと、から構成されることが好ましい。これにより、ナノヴォイド７０の２次元配列がより精密に制御される。なお、この場合、隆起部６１ｂの上（隆起部６１ｂのＺ軸方向の頂部の上側）にナノヴォイド７０が配置されると、より好ましい。

＜ナノヴォイド＞
ナノヴォイド７０は、下地層６０と基板５５との間に配置される。ナノヴォイド７０は、下地層６０の第２主面６０ｂに平行な面内に複数配置される。このようにナノヴォイド７０を配置することで、半導体層に対する残留圧縮応力が低減すると推察される。これは、ナノヴォイド７０と下地層６０との界面が形成される、換言すれば、下地層６０の表面が形成されると言えるためである。即ち、下地層６０は気体に接触する表面を有することから、残留圧縮応力は当該表面を伝って、軽減すると考えることができる。

ナノヴォイドは、基板５５に対して下地層６０を成膜する際に偶発的に発生するヴォイド欠陥ではなく、制御して配置されたヴォイドである。この観点から、本実施の形態に係るナノヴォイドは、ナノヴォイドアレイである。ナノヴォイドアレイとは、複数のナノヴォイドがアレイをなして配列した空隙の集合体である。アレイとは、複数の点が互いに離間して配列した状態をいう。好ましい配列の仕方については、後述する。

本明細書において、ナノヴォイド７０とは、空間であって、隙間であり、その大きさが１０ｎｍ以上９００ｎｍ以下であることが好ましい。即ち、下地層６０と基板５５との間に複数の１０ｎｍ以上９００ｎｍ以下の大きさの隙間が形成される。この隙間は、下地層６０の第２主面６０ｂに平行な面内に渡り広がりを有し、複数配置されると好ましい。即ち、アレイであることが好ましい。これにより、残量圧縮応力を低減できると考えられる。即ち、ナノヴォイド７０が、下地層６０と基板５５との間において、２次元的な広がりを有することが好ましい。

ナノヴォイド７０の大きさは、ナノヴォイド７０を形成する空間の最大長さとして規定される。ナノヴォイド７０の大きさは１０ｎｍ以上９００ｎｍ以下であることが好ましい。これは、１０ｎｍ以上であることで、下地層６０のナノヴォイド７０に接する表面積が増加し、上述した残留圧縮応力の低減が期待できるためである。一方で、９００ｎｍ以下であることで、半導体発光素子１００の長期信頼性が向上する。これらの観点から、ナノヴォイド７０の大きさは、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下がより好ましく、５０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下が最も好ましい。

ナノヴォイド７０の形状は特に限定されないが、±Ｚ軸方向に径が変化する形状が好ましい。これにより、ナノヴォイド７０の物理的な安定性が向上する。特に、−Ｚ軸方向（基板５５側から下地層６０側）に向けて、径が大きくなる形状が好ましい。例えば、円錐形状、レンズ形状、砲弾形状、コーン状、ドーム状であって、これらの頂点がＺ軸方向にある形状である。これにより、下地層６０とナノヴォイド７０との界面積が大きくなると同時に、ナノヴォイド７０と基板５５との界面積が小さくなる。よって、下地層６０に対する残留圧縮応力低減の効果は向上し、同時に半導体発光素子１００の長期信頼性を改善できると考えられる。

ナノヴォイド７０を作る空間（隙間）の気圧は、８０ｋＰａ以下であることが好ましい。８０ｋＰａ以下であることにより、ナノヴォイド７０が、基板５５と下地層６０とを好適に引き付けることができる。これにより、基板５５と下地層６０との予期せぬ分離といった不良を抑制できると考えられる。この観点から、６０ｋＰａ以下がより好ましく、１０ｋＰａ以下が最も好ましい。なお、ナノヴォイド７０の気圧は、基板５５に下地層６０を成膜するときの圧力と温度、及び基板５５を下地層６０との密着性により制御できる。

＜ナノヴォイドの間隔＞
ナノヴォイド７０は下地層６０の第２主面６０ａの面内に渡り複数離間して配置されている。図２は、本実施の形態に係るナノヴォイドの間隔を説明するための図である。ナノヴォイド７０の間隔Ｄは、断面視において隣接するナノヴォイド間の距離である。まず、半導体発光素子１００の断面を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察する。観察倍率は、１０個のナノヴォイド７０が観察される倍率とする。ナノヴォイド７０の位置は、観察されたナノヴォイド７０に対する外接円の、中心として定義する。ナノヴォイド７０の間隔Ｄは、隣接するナノヴォイドの、Ｚ軸に垂直なＸＹ平面内における各中心間の距離である。間隔Ｄは、１０点のナノヴォイドの間隔の、相加平均値として与えられる。

互いに隣接するナノヴォイド７０の間隔Ｄは、１００ｎｍ以上３２００ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、ナノヴォイド７０の下地層６０と基板５５との間における２次元的な広がりを保つと共に、ナノヴォイド７０の密度が制御される。よって、下地層６０に対する残留圧縮応力は、半導体発光素子１００に渡り発現される。特に、ナノヴォイド７０の間隔Ｄが、２５０ｎｍ以上２６００ｎｍであれば、ナノヴォイド７０と下地層６０との界面積を大きくすると共に、ナノヴォイド７０の密度を向上できるため、残留圧縮応力の低減効果が高まると考えられる。同様の観点から、４５０ｎｍ以上２１００ｎｍ以下が最も好ましい。

＜ナノヴォイドの配列＞
ナノヴォイド７０の配列は、ナノヴォイド７０を基板５５側から下地層６０に向けて観察した際の配列であり、特に限定されない。しかしながら、所定の規則性を有すると、圧縮応力を低減するポイントを適切に配置できるため、半導体発光素子１００全体における残留圧縮応力の低減効果が高まると考えることができる。以下、ナノヴォイド７０の好ましい配列に関し、３つ説明する。なお、ナノヴォイド７０の配列は、下地層６０のテクスチャ６１、及び基板５５のテクスチャ５６により、制御できる。特に、下地層６０の第２主面６０ｂ上であり隆起部６１ｂの表面、及び基板５５の陥没部５６ａの内部に、ナノヴォイド７０を配列することができる。この観点から、本実施の形態においては、ナノヴォイド７０の配列は、基板５５のテクスチャ５６或いは下地層６０のテクスチャ６１の配列として定義できる。ナノヴォイド７０の配列は、基板５５のテクスチャ５６或いは下地層６０のテクスチャ６１を、ＳＥＭにて観察することで、把握できる。

下地層６０に関し隆起部６１ｂの位置は、下地層６０を−Ｚ軸方向に観察した際の、隆起部６１ｂの底部輪郭に対する外接円の中心により定義される。基板５５に関し陥没部５６ａの位置は、基板５５をテクスチャ５６側から観察した際の、陥没部５６ａの開口輪郭に対する外接円の中心として定義される。以下の説明で、ナノヴォイド７０の配列を記載した場合、それは、上記説明した隆起部６１ｂ或いは陥没部５６ａの配列である。

ナノヴォイド７０が規則的に配置されることで、ナノヴォイド７０と下地層６０との界面は、所定の規則性にて配置される。即ち、下地層６０に対する残留圧縮応力の緩和点を、所定の規則性にて配置できる。よって、半導体発光素子１００全体にわたり、下地層６０の残留圧縮応力を効果的に緩和できるといえる。

図３は、本実施の形態に係る下地層の第２主面側に設けられるテクスチャを示す平面模式図である。図４は、本実施の形態に係る基板に設けられるテクスチャを示す平面模式図である。隆起部６１ｂの位置は、上述したように、下地層６０を−Ｚ軸方向に観察した際の、隆起部６１の底部輪郭に対する外接円の中心である。即ち、下地層６０を第２主面６０ｂ側から観察したときの、隆起部（図３中、６１ｂ−１、６１ｂ−２）の底部の外形に対する外接円（図３中、１３１−１、１３１−２）の中心（図３中、Ｏ_１、Ｏ_２）である。基板５５に関し陥没部５６ａの位置は、基板５５をテクスチャ５６側から観察した際の、陥没部５６ａの開口輪郭に対する外接円の中心である。即ち、基板５５をテクスチャ５６側から観察したときの、陥没部（図４中、５６ａ−１、５６ａ−２）の開口部の外形に対する外接円（図４中、１３２−１、１３２−２）の中心（図４中、Ｏ_３、Ｏ_４）である。ナノヴォイド７０の配列（位置）としていずれの定義に従うかは、上記両方の方法により観察を実施し、より鮮明に観察可能な方法を採用する。

ナノヴォイド７０は、規則的に配列するとよい。これにより、下地層６０に対する残留圧縮応力の緩和点を、所定の規則性にて配置できる。よって、半導体発光素子１００全体にわたり、下地層６０の残留圧縮応力を効果的に緩和できるといえる。本実施の形態における規則的は、完全規則性から±１０％の変動を許容する。即ち、ナノヴォイド７０が単一間隔にて規則的に配置された場合であり、全ての間隔が一定値である完全規則性から、平均値±１０％のばらつきを有する准規則性までを含むものとする。

上記説明したように、ナノヴォイド７０の配列は、基板５５のテクスチャ５６或いは下地層６０のテクスチャ６１の配列として定義できた。この観点から、ナノヴォイド７０の間隔は、基板５５の陥没部５６ａの間隔Ｒ２或いは下地層６０の隆起部６１ｂの間隔Ｒ１として定義できる。

下地層６０に関し、隆起部６１ｂの間隔Ｒ１は、最近接する隆起部（６１ｂ−１、６１ｂ−２）の外接円（１３１−１、１３１−２）の中心（Ｏ_１、Ｏ_２）間の、最短距離である。また、基板５５に関し、陥没部５６ａの間隔Ｒ２は、最近接する陥没部（５６ａ−１、５６ａ−２）の外接円（１３２−１、１３２−２）の中心（Ｏ_３、Ｏ_４）間の、最短距離である。

准規則性及び完全規則性のいずれを採用すべきかは、用途により異なるので限定されない。しかしながら、残留圧縮応力を、半導体発光素子１００のＸＹ面内において、均等に抑制する観点から、ナノヴォイド７０の配列は、完全規則性に近い程好ましく、完全規則性であることが最も好ましい。これにより、半導体発光素子１００全体にわたり、下地層６０の残留圧縮応力を効果的に緩和できるといえる。

規則性としては、例えば、ナノヴォイド７０が格子配列されている場合が挙げられる。格子配列とは、例えば、六方格子又は四方格子のような格子構造の格子の位置（以下、格子点位置と呼ぶ）にナノヴォイド７０の位置が配置されていることを言う。

格子配列のうち、ナノヴォイド７０の間隔が一定の場合を正格子配列と呼ぶ。例えば、六方格子又は四方格子の格子点位置にナノヴォイド７０が配置されている場合であって間隔が一定の場合、正方六方配列又は正四方配列と呼ぶ。

１つめの配列としては、ナノヴォイド７０が、六方格子又は四方格子の格子点位置に設けられ、且つ、六方格子又は四方格子の格子間距離は、０％以上２５％以下の範囲で変動することが好ましい。

例えば、四方格子があって、その格子間距離がＰだとする。Ｐが一定値であれば正四方格子である。この場合、ナノヴォイド７０は正四方配列し、ナノヴォイド７０の間隔はＰと一致する。

格子間距離Ｐがサイン波やコサイン波に相乗して増減を繰り返す場合、（Ｐの最大値−Ｐの最小値）／（Ｐの平均値）は０％以上２５％以下であることが好ましい。０％の場合は、増減がないと言えるので、正四方配列である。例えば、Ｐの最大値が５５０ｎｍ、Ｐの最小値が４５０ｎｍ、そしてＰの平均値が５００ｎｍであれば、２０％の変動と言える。

ナノヴォイド７０は、このような増減を繰り返す間隔にて配置することができる。また、例えば、格子間距離Ｐの変動はステップ状であってもよい。即ち、Ｘ個の格子の間隔がＰｘで続くＹ個の格子の間隔がＰｙであってもよい。Ｘが２でＹが１であれば、（Ｐｘ、Ｐｘ、Ｐｙ）を１周期とした繰り返しが設けられることを意味する。

同様に、六方格子があって、その格子間距離がＰだとする。Ｐが一定値であれば正六方格子である。この場合、ナノヴォイド７０は正六方配列し、ナノヴォイド７０の間隔はＰとなる。

格子間距離Ｐがサイン波やコサイン波に相乗して増減を繰り返す場合、（Ｐの最大値−Ｐの最小値）／（Ｐの平均値）は０％以上２５％以下である。この増減は、格子方向のみに設けられても、格子に垂直な方向に設けられてもよい。０％の場合は、増減がないと言えるので、正六方配列である。例えば、Ｐの最大値が５６０ｎｍ、Ｐの最小値が４４０ｎｍ、そしてＰの平均値が５００ｎｍであれば、２４％の変動と言える。

ナノヴォイド７０は、このような増減を繰り返す間隔にて配置することができる。また、例えば、格子間距離の変動はステップ状であってもよい。即ち、Ｘ個の格子の間隔がＰｘで続くＹ個の格子の間隔がＰｙであってもよい。Ｘが５でＹが２であれば、（Ｐｘ、Ｐｘ、Ｐｘ、Ｐｘ、Ｐｘ、Ｐｙ、Ｐｙ）を１周期とした繰り返しが設けられることを意味する。

格子間距離Ｐが０％以上２５％以下の範囲で変動する、六方格子又は四方格子の格子点位置にナノヴォイド７０が設けられることで、ナノヴォイド７０と下地層６０との界面の配列は、幾何学的な対称性が向上する。即ち、下地層６０に対する残留圧縮応力の緩和点を、高い幾何学的対称性にて配置できる。よって、半導体発光素子１００全体にわたり、下地層６０の残留圧縮応力を効果的に緩和できるといえる。この観点から、ナノヴォイド７０の変動は５％以上２５％以下がより好ましく、１０％以上２５％以下が最も好ましい。

２つめの配列としては、ナノヴォイド７０が、六方格子又は四方格子の格子点位置のうち１％以上２５％以下を不規則に省いた格子点位置に設けられることが好ましい。任意に１％以上２５％以下の格子点を省いた、六方格子の格子点位置或いは四方配列の格子点位置に設けられる配列である。

この配列の場合、上述の１つめの配列に比べ、部分的に、ナノヴォイド７０のない大きな下地層６０を作製できる。即ち、下地層６０に残留圧縮応力を集中させ、他の半導体層の残留圧縮応力をより軽減できると考えられる。

例えば、四方格子を想定し、四方格子の格子点を任意に１％以上２５％以下の割合で不規則に間引くことができる。この任意に間引かれた四方格子の、残存した格子点位置にナノヴォイド７０が設けられる。図５は、本実施の形態に係るナノヴォイドが格子配列されている場合における格子点を不規則に間引いた状態を示す模式図である。図５中、黒点が格子点であって、ナノヴォイド７０が設けられる位置である。なお、図５中、ナノヴォイド７０やテクスチャ５６（６１）の形状は反映させていない。

例えば、四方格子のある１軸上に着目したときに、（ナノヴォイド７０、ナノヴォイド７０、ナノヴォイド７０、ナノヴォイド７０、ナノヴォイド７０、ナノヴォイド７０、ナノヴォイド７０、…）と、ナノヴォイド７０が四方格子の格子点位置に全て設けられるのではなく、（ナノヴォイド７０、ナノヴォイド７０、下地層６０、ナノヴォイド７０、ナノヴォイド７０、ナノヴォイド７０、下地層６０、…）といったように、四方格子の配列からみれば本来ナノヴォイド７０が設けられる箇所に、下地層６０を配置できる。この割合が１％以上２５％以下である。

同様に、六方格子を想定し、六方格子の格子点を任意に１％以上２５％以下の割合で不規則に間引くことができる。この任意に間引かれた六方格子の、残存した格子点位置にナノヴォイド７０が設けられる。図６は、本実施の形態に係る格子点を不規則に間引いた状態を示す模式図である。図６中の黒点が格子点であって、ナノヴォイド７０の配置される点を示している。なお、図６中、ナノヴォイド７０の大きさや形状は反映させていない。

例えば、六方格子のある１軸上に着目したときに、（ナノヴォイド７０、ナノヴォイド７０、ナノヴォイド７０、ナノヴォイド７０、ナノヴォイド７０、ナノヴォイド７０、ナノヴォイド７０、…）と、ナノヴォイド７０が六方格子の格子点位置に全て設けられるのではなく、（下地層６０、ナノヴォイド７０、下地層６０、ナノヴォイド７０、ナノヴォイド７０、ナノヴォイド７０、下地層６０、…）といったように、六方格子の配列からみれば本来ナノヴォイド７０が設けられる箇所に、下地層６０を配置できる。この割合が１％以上２５％以下である。

ナノヴォイド７０が、六方格子又は四方格子の格子点位置のうち１％以上２５％以下を不規則に省いた格子点位置に設けられることで、ナノヴォイド７０と下地層６０との界面の配列は、幾何学的な対称性が向上する。即ち、下地層６０に対する残留圧縮応力の緩和点を、高い幾何学的対称性にて配置できる。更には、ナノヴォイド７０の配置されない下地層６０が幾何学的に点在する構成となる。即ち、下地層６０に残留圧縮応力を集中させて、他の半導体層ではより残留圧縮応力を低減できると考えられる。よって、半導体発光素子１００全体にわたり、下地層６０の残留圧縮応力を効果的に緩和できるといえる。この観点から、間引く割合は５％以上２５％以下がより好ましく、１０％以上２５％以下が最も好ましい。

３つめの配列は、ナノヴォイド７０が、六方格子又は四方格子の格子点位置のうち１％以上２５％以下を規則的に省いた格子点位置に設けられることが好ましい。

規則的な格子点の省き方は、省く点の規則性として、例えば、正三角格子の格子点位置、正四方格子の格子点位置、正六方格子の格子点位置、斜方格子（菱形格子）の格子点位置、矩形格子の格子点位置、歪斜格子の格子点位置、正六角形の単位格子が互いに辺としてのみ重なり最密充填した格子の格子点位置、及び、互いに平行なライン状の配列が挙げられる。特に、正三角格子の格子点位置、正六方格子の格子点位置、正六角形の単位格子が互いに辺としてのみ重なり最密充填した格子の格子点位置、及び、ライン状配列がより好ましい。これらの場合、上述の２つめの配列よりも更に、残留圧縮応力を低減できると考えられる。これは、ナノヴォイド７０の配置されない大きな下地層６０の幾何学的な対称性が増し、下地層６０の配列による残留圧縮応力の緩和効果も得られると推定されるためである。

図７〜図１２は、本実施の形態に係るナノヴォイドの位置する格子点の規則的な間引き方を示す模式図である。図７には、正三角格子の格子点及び正六角格子の格子点位置を、図８には、正四方格子の格子点位置を、図９には、菱形格子の格子点位置を、図１０は、歪斜格子の格子点位置を、図１１は、矩形格子の格子点位置を、図１２は、正六角形の単位格子が互いに辺としてのみ重なり最密充填した格子の格子点位置を、それぞれ示している。図７〜図１２は、間引く点の規則性を示した図であり、ナノヴォイド７０、及びテクスチャ５６（６１）は図示していない。

例えば、四方格子を想定し、四方格子の格子点を１％以上２５％以下の割合で規則的に間引くことができる。この間引き方は、間引いた格子点位置のみを抽出したときに、その配列が上述した配列（図７〜図１２）になるようにする。間引かれた四方格子の、残存した格子点位置にナノヴォイド７０が設けられる。例えば、格子間距離が５００ｎｍの四方格子から、間隔を３０００ｎｍとして四方配列状に又は六方配列状に格子点を間引くことができる。換言すれば、間隔が３０００ｎｍの四方配列又は六方配列状に間引かれた格子点位置には、下地層６０が設けられる。

同様に、六方格子を想定し、六方格子の格子点を１％以上２５％以下の割合で規則的に間引くことができる。この間引き方は、間引いた格子点位置のみを抽出したときに、その配列が上述した配列（図７〜図１２）になるようにする。間引かれた六方格子の、残存した格子点位置にナノヴォイド７０が設けられる。例えば、格子間距離が５００ｎｍの六方格子から、間隔を２０００ｎｍとして四方配列状又六方配列状に格子点を間引くことができる。換言すれば、間隔が２０００ｎｍの四方配列又は六方配列状に間引かれた格子点位置には、下地層６０が設けられる。

図１３〜図１７は、本実施の形態に係るナノヴォイドの位置する規則的に間引かれた格子点を示す模式図である。なお、図１３〜図１７は、ナノヴォイド７０を配置する場所（配列）を示すものであり、ナノヴォイド７０、及びテクスチャ５６（６１）の大きさは反映させていない。図１３〜図１７において、白丸がナノヴォイド７０の配置される位置を示す。黒丸の位置は、ナノヴォイド７０が間引かれた部分であり、下地層６０が配置される。

図１３Ａ〜図１３Ｄは、六方格子の格子点位置から、正六角形の単位格子が互いに辺としてのみ重なり最密充填した格子の格子点位置を間引いた状態で、且つ、元の格子の六角形の方向と、間引かれる格子の六角形の方向が同じ場合の図を示す。

図１４は、六方格子の格子点位置から、正六角形の単位格子が互いに辺としてのみ重なり最密充填した格子の格子点位置を間引いた状態で、且つ、元の格子の六角形の方向と、間引かれる格子の六角形の方向が異なる場合を示す。

図１５は、六方格子の格子点位置から、正三角格子の格子点位置を間引いた状態で、且つ、元の格子の六角形の方向と、６つの正三角形の集合により作られる正六角形の方向が異なる場合を示す。

図１６Ａ及び図１６Ｂは、六方格子の格子点位置から、正六角形の単位格子が互いに辺としてのみ重なり最密充填した格子の格子点位置を間引いた場合を示す。

図１７Ａ及び図１７Ｂは、六方格子の格子点位置から、ラインアンドスペース格子の格子点位置を間引いた場合を示す。図１７Ａと図１７Ｂと、では間引く格子点の密度が異なる。図１７Ｂの方が、高い密度で間引いている。図１７Ｂは、間引かれる格子点近傍における六方格子の格子間距離の変化が大きい。より具体的には、間引かれる格子点近傍では、格子間距離が狭くなっている。

下地層６０が、六方格子又は四方格子の格子点位置のうち１％以上２５％以下を規則的に省いた格子点位置に設けられることで、ナノヴォイド７０と下地層６０との界面の配列は、幾何学的な対称性が向上する。即ち、下地層６０に対する残留圧縮応力の緩和点を、高い幾何学的対称性にて配置できる。さらには、ナノヴォイド７０の配置されない下地層６０が幾何学的に点在する構成となる。即ち、下地層６０に残留圧縮応力を集中させて、他の半導体層ではより残留圧縮応力を低減できると考えられる。よって、半導体発光素子１００全体にわたり、下地層６０の残留圧縮応力を効果的に緩和できるといえる。この観点から、間引く割合は５％以上２５％以下がより好ましく、１０％以上２５％以下が最も好ましい。

＜テクスチャ基板＞
既に説明したように、本実施の形態においては、表面にテクスチャ５６を有するテクスチャ基板５５を使用することで、ナノヴォイド７０の２次元的な配列を精密に制御できる。言い換えれば、テクスチャ基板５５のテクスチャ５６を、ナノヴォイド７０のガイドとして機能させる。

テクスチャ基板５５は、基板の主面を微細加工して製造される。これは、ボトムアッププロセスでもトップダウンプロセスでもよい。テクスチャ基板５５のテクスチャ５６は、凹部と凸部と、より構成されるものであり、所望のナノヴォイド７０配列を実現するために、適宜設計できる。

この中でも、凹部が、連続した凸部により離間されたテクスチャ５６が、ナノヴォイド７０の配列制御の観点から好ましい。即ち、テクスチャ基板５５のテクスチャ５６は、凸状の網目５６ｂと、網目により離間される陥没部５６ａと、から構成されるとよい（図１参照）。

凸状の網目を断面視した際の形状は、正方形、長方形、或いは台形であると好ましい。なお、台形においては、その側面が曲面であってもよく、特に下に凸の曲面であることが好ましい。このような形状により、ナノヴォイド７０の生成効率が向上する。

＜凸状の網目の分岐数＞
凸状の網目５６ｂの分岐数は、複数種存在できる。本実施の形態において、凸状の網目５６ｂの分岐数は、３、４、６及び８からなる群から選択される１以上の分岐数により構成されることが好ましい。分岐数とは、凸状の網目５６ｂにおいて、網目を構成する凸部の頂部の一つの交点で交わる頂部の本数ｎである。図１８は、本実施の形態に係る凸状の網目の分岐を示す模式図である。図１８Ａは分岐数が３の場合、図１８Ｂは分岐数が４の場合、図１８Ｃは分岐数が６の場合、図１８Ｄは分岐数が８の場合、をそれぞれ示している。これにより、凸状の網目５６ｂの幾何学的な対称性が向上する傾向にある。即ち、凸状の網目５６ｂにより互いに離間される陥没部５６ａの幾何学的対象性が向上する。よって、陥没部５６ａにナノヴォイド７０を生成させることで、ナノヴォイド７０の配列の幾何学的対称性が向上する。

特に、単一の分岐数のみにより構成されるか、又は、分岐数が３と４、３と６、４と６、或いは３と４と６により構成されると、残留圧縮応力の低減効果が増すため好ましい。

＜陥没部のアスペクト比＞
陥没部５６ａのアスペクト比とは、陥没部５６ａの深さを開口径にて除した値である。図１９は、本実施の形態に係る基板のテクスチャを示す断面模式図である。図１９に示すように、陥没部５６ａの深さは、凸状の網目５６ｂの頂面（頂部）１１０から陥没部５６ｂの凹部の最深部までの距離（ｂ）である。陥没部５６ａの開口径は、陥没部５６ａに対する外接円の直径（ａ）である。

陥没部５６ａのアスペクト比（ｂ／ａ）が、０．３以上５以下であることにより、ナノヴォイド７０の生成効率が向上するため好ましい。特に、０．５以上３．５以下であることで、ナノヴォイド７０の形状の均等性が向上する。

また、陥没部５６ａの凹部の断面視形状における底部の平坦面の長さは、０ｎｍ以上開口径未満であることが好ましい。陥没部５６ａの底部の平坦面の長さＬは、０ｎｍ以上開口径未満であることにより、凸状の網目５６ｂを主成長起点とした半導体の成膜を実現できる。これにより、ナノヴォイド７０の配列を制御性が飛躍的に向上する。特に、長さＬが０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の場合、ナノヴォイド７０の生成に対するプロセスマージンが大きくなるため、より好ましい。この観点から、長さＬは、０ｎｍ以上８０ｎｍ以下が最も好ましい。長さＬが０ｎｍの場合、陥没部５６ａの底部の頂点は、曲率半径が０ｎｍ超の角部であると好ましい。これにより、ナノヴォイド７０の規則的な配列に関し、正格子配列を実現しやすくなる。

また、開口径に対する底部の平坦面の長さＬの比率は、１未満であることが好ましい。特に、０．８未満であれば、凸状の網目５６ｂを起点とした半導体層の成長が、陥没部５６ａの直上にて停止することを抑制しやすいため、より好ましい。即ち、ナノヴォイド７０を陥没部５６ａの内部に配置できるので、ナノヴォイド７０の２次元的な規則性がより向上する。同様の観点から、０．５未満が最も好ましい。

＜ナノヴォイドの製造方法＞
ナノヴォイド７０は、基板５５に下地層６０を成膜する際の、成膜条件により適宜制御できる。特に、テクスチャ基板５５を使用することで、ナノヴォイド７０の生成効率が改善すると共に、ナノヴォイド７０の配列を制御しやすい。以下、テクスチャ基板５５を使用するケースを例に挙げて説明する。また、テクスチャ基板５５のテクスチャとして、上記例示した、凸状の網目５６ｂと、網目に互いに離間される陥没部５６ａを有するテクスチャ５６を例に挙げて説明する。

まず、下地層６０を成膜するための基板５５を準備する。基板５５の種類については既に説明した。次に、基板５５を微細加工する。ここではサファイア基板を代表して説明する。Ｃ面のサファイア基板５５を、例えば硫酸と過酸化水素水の混合液（ＳＰＭ液）にて洗浄し、クリーニングする。

一方で、凹状網目と凹所網目により区切られる隆起部と、を有するテクスチャシートを準備する。例えば、ガラスのマザーロールに対して熱リソグラフィ法を適用してテクスチャを形成し、当該マザーロールから光ナノインプリント法におり、テクスチャシートを製造できる。テクスチャシートに対して、無機或いは有機無機の第１レジストを充填する。例えば、チタンアルコキシド、ジルコニウムアルコキシド、アルミニウムアルコキシド、チタニア、ジルコニア、アルミナ等をレジストに含有できる。また、充填とは、テクスチャシートのテクスチャが平坦化される前の状態であり、第１レジストを塗布した後であっても、テクスチャの一部が露出している状態である。テクスチャシートのテクスチャの凹部体積よりも、第１レジストの体積が小さくなるように、塗布膜厚や濃度を決定できる。

次に、第１レジスト充填テクスチャシートに対して、有機レジストである第２レジストを塗布する。ここでは、平坦化するように成膜する。有機レジストは、ネガ型でもポジ型でもよく、少なくも紫外線にて硬化作用が発現するラジカル重合システム或いは化学増幅システムを含むと好ましい。レジストに、フェノールノボラック、クレゾールノボラック、アクリル変性エポキシノボラック、メタクリル変性エポキシノボラック、アダマンタン、フルオレン、カルバゾール、ポリビニルカルバゾール、ポリ−ｐ−ヒドロキシスチレン等を含むと、加工性が向上するため好ましい。特に、オリゴマー或いはポリマー、モノマー、及び重合開始剤を含む混合物とすると、塗布したレジストの薄膜状態を維持する機能が向上するため望ましい。

第１レジスト層と第２レジスト層が充填されたテクスチャシートを、サファイア基板５５に貼り合わせる。貼り合わせた後に、光や熱によりレジストを安定化させ、その後、テクスチャシートを取り除く。或いは、テクスチャシートを取り除いた後に、光や熱によりレジストを安定化させる。以上の操作により、サファイア基板５５の主面上に第２レジスト層と第１レジスト層を転写付与できる。レジストの表面にはテクスチャシートの反転構造が転写されている。

続いて、サファイア基板５５をドライエッチングにより、加工する。例えば、酸素ガスを利用して第２レジスト層を加工し、続いて、塩素系ガス（Ｃｌ_２、ＢＣｌ_３等）を利用して、サファイア基板５５を加工できる。最後に、ＳＰＭ液により加工されたサファイア基板５５をクリーニングする。

凸状の網目５６ｂと網目により互いに離間される陥没部５６ａとを有するサファイア基板５５（以下、テクスチャ基板）に対して下地層６０をＣＶＤ成膜する。ＣＶＤ成膜としては、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）が挙げられる。ここで、テクスチャ基板５５の凸状の網目５６ｂの頂面（頂部）１１０を、下地層６０の主成長点として成膜する。これにより、テクスチャ基板５５の陥没部５６ａにおける下地層６０の成長速度は低下する。よって、陥没部５６ａ内に成膜できない箇所が発生する。これがナノヴォイド７０である。比（テクスチャ基板５５の凸状の網目５６ｂの頂面１１０に対する成長速度／陥没部５６ａに対する成長速度）を大きくすれば、ナノヴォイド７０は大きくなり、上記比を小さくすればナノヴォイド７０は小さくなる。この比は、ＣＶＤ成膜の原料ガスの流量比と成膜温度が支配因子である。特に、成膜温度の調整により、調整可能である。

ここで、下地層６０に視点を移すと、テクスチャ基板５５の凸状の網目５６ｂが下地層６０の凹状の網目６１ａに対応し、テクスチャ基板５５の陥没部５６ａが下地層６０の隆起部６１ｂに対応する。

以下、本発明について、実施例に基づき更に詳述するが、これらは説明のために記述されるものであって、本発明の範囲が下記実施例に限定されるものではない。

テクスチャ基板を作製し、テクスチャ基板にＣＶＤ成膜を行い、下地層を形成した。その後、積層構造体を製膜し、電極を形成し、ＬＥＤとした。

＜テクスチャ基板の作製＞
まず、テクスチャ基板を作製した。テクスチャ基板のテクスチャは、２層レジストテクスチャシートを使用して作成した。２層レジストテクスチャシートについては後述する。４インチの片面鏡面のｃ面サファイア基板を準備し、洗浄した。続いて、サファイア基板を１２０℃のヒートテーブル上に配置した。次に、２層レジストテクスチャシートを、１２０℃に加温したラミネートロールを使用して、サファイア基板に貼り合わせた。貼り合わせは、０．５ＭＰａの圧力で、線速５０ｍｍ／秒にて行った。２層レジストテクスチャシートの貼り合わせられたサファイア基板に対して、サファイア基板越しに紫外線を照射した。紫外線は、波長３６５ｎｍのＵＶ−ＬＥＤ光源より照射されたもので、積算光量が１５００ｍＪ／ｃｍ^２になるように設定した。次に、１２０℃に加熱した２枚の並行平板で、２層レジストテクスチャシートとサファイア基板を挟み込んだ。挟み込みの圧力は０．３ＭＰａとし、時間は１０秒とした。続いて、空冷にて室温まで冷却し、２層レジストテクスチャシートをサファイア基板より、５０ｍｍ／秒の速度で剥離した。以上の操作により、サファイア基板の主面上に、２層レジスト層を転写付与した。レジスト層の表面にはテクスチャが設けられている。このテクスチャの形状及び配列、２層レジストの層構成、そして以下に記載のドライエッチング条件によりテクスチャを制御した。

＜２層レジストテクスチャシート＞
２層レジストテクスチャシートは、貼合操作及び剥離操作で、ウェハ上に加工マスクを転写付与できる成形体である。構成としては、テクスチャシート、第１レジスト、及び第２レジストである。テクスチャシートは、表面にテクスチャを有し、テクスチャの凹部の内部に、第１レジストが充填される。そして、テクスチャシートのテクスチャと第１レジストと、を平坦化するように第２レジストが配置される。

まず、テクスチャシートを、ロール・ツー・ロールの光ナノインプリント法を適用して、製造した。幅は５００ｍｍ、長さは１８０ｍである。層構成としては、厚み５０μｍのＰＥＴフィルムの易接着面上に厚み１．１μｍの転写層があり、転写層の表面に光ナノインプリント法にて転写されたテクスチャがある。また、テクスチャシートのテクスチャ面に対する水滴の接触角は１４０°〜１５３°の間であった。

次に、テクスチャシートのテクスチャに対して、第１レジストを、ダイコート法にて成膜した。第１レジストは、アクリロイル基を有する修飾材にて修飾されたジルコニウム粒子と光重合開始剤である。第１レジストを、１，１，２，２，３，３，４−ヘプタフルオロシクロペンタン、ハイドロフルオロエーテル（Ｃ_４Ｆ_９ＯＣＨ_３）、アニソール及びプロピレングリコールモノメチルエーテルから成る混合溶剤にとかし、塗布液とした。ダイコート法にて塗布する際に、ダイリップの上流側を減圧した。塗布の速度は５ｍ／分とし、吐出量を制御することで、第１レジストの充填量を制御した。塗布後、１２０℃のエアを吹き付け乾燥させ、その後、巻き取り回収した。

次に、第１レジストの充填されたテクスチャシートに対して、第２レジストを成膜した。成膜方法は、第１レジストの場合と同様に行った。第２レジストは、アクリロイル基を側鎖に具備するノボラック樹脂であり、表面張力が２５．０ｍＮ／ｍ以下の溶剤にて希釈し、塗液とした。乾燥は、１０５℃にて行った。乾燥後、ヘーズ（濁度）が１０％以下のＰＥ／ＥＶＡ保護フィルムを貼り合わせ、巻き取り、回収した。第２レジストが、テクスチャシートのテクスチャ及び第１レジストを平坦化するように成膜できていることを、ＳＥＭを利用し確認した。

製造した２層レジストテクスチャシートを使用して、既に説明したように、サファイア基板の主面上に、第１レジスト及び第２レジストからなる２層レジスト層を転写付与した。次に、レジスト層を加工するエッチングと、サファイア基板を加工するエッチングを同一チャンバー内で連続して行った。レジスト層のエッチングには、酸素ガスを使用した。ここでは、第１レジストが第２レジストのエッチングマスクとして機能し、第２レジストをサファイア基板の主面が部分的に露出するまでエッチングする。エッチング条件は、処理ガス圧１Ｐａ、処理電力３００Ｗの条件とした。続いて、ＢＣｌ_３ガスとＣｌ_２ガスと、の混合ガスを使用した反応性イオンエッチングを行い、サファイア基板をエッチングした。ここでは、第２レジストをエッチングマスクとして、サファイア基板をエッチングした。処理条件としては、ＩＣＰ：１５０Ｗ、ＢＩＡＳ：５０Ｗ、圧力０．２Ｐａとした。

エッチング加工したサファイア基板（以下、テクスチャ基板）を取り出し、硫酸及び過酸化水素水を２：１の重量比にて混合したＳＰＭ溶液にて洗浄した。処理液の温度は、１００℃以上に制御した。以上操作を経て、テクスチャ基板を製造した。なお、テクスチャは、２層レジストテクスチャシートのテクスチャ、第１レジストの充填量、第２レジストの膜厚により適宜調整した。

製造したテクスチャ基板に対して、ＣＶＤ工程を適用し、ＬＥＤを製造した。まず、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）の低温成長バッファ層を、２００Å成膜した。次に、アンドープのＧａＮを、１１００〜１２００℃の温度で、Ｖ／ＩＩＩ比を２４０〜２８０の間で、そして、アンモニア流量を１９０〜２２０の間で成膜した。この成膜条件により、ナノヴォイドの生成を制御した。また、成膜圧力を４００〜６００Ｔｏｒｒから１５０〜２５０Ｔｏｒｒへと、成膜途中で切り替え、下地層の平坦性を向上させた。この低温成長バッファ層とアンドープのＧａＮが、下地層に相当する。続いて、ｎ型ＧａＮ層として、ＳｉドープのＧａＮを成膜した。続いて、歪吸収層を設けた。その後、発光層として、多重量子井戸の活性層を成膜した。発光層は、井戸層とアンドープのＩｎＧａＮ及びＳｉドープのＧａＮより構成される障壁層と、から構成した。また、それぞれの膜厚を２５Å及び１３０Åとし、井戸層が６層、障壁層が７層となるように交互に積層した。発光層の上に、エレクトロブロッキング層を含むようにＭｇドープのＡｌＧａＮ、アンドープのＧａＮ、ＭｇドープのＧａＮを積層した。続いて、ＩＴＯを成膜し、エッチング加工した後に電極パッドを取り付けた。

半導体層への残留圧縮応力はマイクロラマン測定（ｍｉｃｒｏ−Ｒａｍａｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）により、測定した。室温下におけるマイクロラマン測定を実施し、ラマンシフト値とＧａＮ Ｅ２（ｈｉｇｈ）に対する半値幅を記録した。Ｅ２（ｈｉｇｈ）位置におけるフォノンの周波数に対しては、理想的なＧａＮにおいて５６７．６ｃｍ−１とした。また、Ｅ２（ｈｉｇｈ）ｍｏｄｅのラマンシフト値から、残留圧縮応力を計算した。ここで、残留圧縮応力値は、マイクロラマン測定結果からの出力までにとどめた。これは、ＧａＮに対する弾性率やポアソン比を適用し実数に換算したとしても、マイクロラマン測定結果から得られる出力内での相対関係と、変わらないためである。

表１に、実施例１〜実施例５及び比較例１を示した。

表１には、ナノヴォイドの情報と、評価結果としての残留圧縮応力に係る情報を記載した。

実施例１〜実施例５にて使用したテクスチャ基板は以下の通りである。下地層成膜時に、テクスチャ基板の陥没部にナノヴォイドが生成するよう条件を整えている。

実施例１で使用したテクスチャ基板は、円状の開口部を有する陥没部が、正六方格子の格子点位置に配置されている。陥没部は、４２０ｎｍの開口径を有し、そのアスペクト比は０．５である。陥没部の開口形状は円形であるが、その真円度（内接円径／外接円径）は０．９５であった。陥没部の真円度は、陥没部の開口に対する真円度として定義される。陥没部の間隔は５００ｎｍである。また、網目の頂部線幅８０ｎｍ、底部線幅が３０ｎｍであり、網目は底部から頂部に向かい細くなる形状である。凸状の網目の頂部における線幅が頂部線幅である。陥没部の底部における線幅が、底部線幅である。ナノヴォイドの形状は楕円状であった。

実施例２で使用したテクスチャ基板は、円状の開口部を有する陥没部が、正六方格子の格子点位置に配置されている。陥没部は、３５０ｎｍの開口径を有し、そのアスペクト比は０．４である。陥没部の開口形状は円形であるが、その真円度（内接円径／外接円径）は０．９８であった。陥没部の間隔は５００ｎｍである。また、網目の頂部線幅１５０ｎｍ、底部線幅が２０ｎｍであり、網目は底部から頂部に向かい細くなる形状である。ナノヴォイドの形状は砲弾状であった。

実施例３で使用したテクスチャ基板は、円状の開口部を有する陥没部が、正六方格子の格子点位置に配置されている。陥没部は、４５０ｎｍの開口径を有し、そのアスペクト比は０．４５である。陥没部の開口形状は円形であるが、その真円度（内接円径／外接円径）は０．９７であった。陥没部の間隔は９００ｎｍである。また、網目の頂部線幅４５０ｎｍ、底部線幅が０ｎｍであり、網目は底部から頂部に向かい細くなる形状である。ナノヴォイドの形状はレンズ状であった。

実施例４で使用したテクスチャ基板は、円状の開口部を有する陥没部が、格子間距離が周期的に変化する六方格子の格子点位置に配置されている。格子間距離は、六方格子の最短格子間距離の方向である３軸に対して、いずれも周期６０００ｎｍで変調している。変調は、最大間隔が５５０ｎｍ、最小間隔が４５０ｎｍ、平均間隔が５００ｎｍであり、周期６０００ｎｍを一単位とした変調である。即ち、平均格子間距離が５００ｎｍの六方格子が、６０００ｎｍの大きな周期にて六方配列状に変調されている。陥没部は、３００ｎｍの開口径を有し、そのアスペクト比は０．５である。陥没部の開口形状は円形であるが、その真円度（内接円径／外接円径）は０．９４であった。また、網目の頂部線幅２００ｎｍ、底部線幅が３０ｎｍであり、網目は底部から頂部に向かい細くなる形状である。ナノヴォイドの形状はレンズ状であった。

実施例５で使用したテクスチャ基板は、円状の開口部を有する陥没部が、部分的に間引かれた正六方格子の格子点位置に配置されている。格子間距離が５００ｎｍの正六方格子があって、当該正六方格子から、六方配列になるように、そして間隔が２０００ｎｍになるように格子点を間引いた格子の格子点に、凸状の網目が配置されている。換言すれば、間引かれた部分には陥没部は配置されておらず、当該箇所は、網目の交点となる。陥没部は、２８０ｎｍの開口径を有し、そのアスペクト比は０．７である。陥没部の開口形状は円形であるが、その真円度（内接円径／外接円径）は０．９１であった。また、網目の頂部線幅２２０ｎｍ、底部線幅が２０ｎｍであり、網目は底部から頂部に向かい細くなる形状である。ナノヴォイドの形状はレンズ状であった。

比較例にて使用したテクスチャ基板は以下の通りである。下地層成膜時に、テクスチャ基板の陥没部にナノヴォイドが生成せぬ条件を整えている。

比較例１で使用したテクスチャ基板は、円状の開口部を有する陥没部が、正六方格子の格子点位置に配置されている。陥没部は、３００ｎｍの開口径を有し、そのアスペクト比は０．６である。陥没部の開口形状は円形であるが、その真円度（内接円径／外接円径）は０．９５であった。陥没部の間隔は５００ｎｍである。また、網目の頂部線幅２００ｎｍ、底部線幅が１９０ｎｍである。

表１に関し、評価結果の残留圧縮応力の「対比較例１」は、マイクロラマン測定より導出した圧縮応力の逆数の比率である。即ち、比較例１に対して数値が大きい程、圧縮応力が低減していることを意味する。

比較例１及び実施例１〜実施例５より、ナノヴォイドが存在する場合に、残留圧縮応力が低減していることがわかる。これは、ナノヴォイドと下地層との界面が形成されることで下地層に表面が形成され、残留圧縮応力は表面を伝って、軽減するためと考えることができる。

また、実施例１〜実施例５から、ナノヴォイドの形状として、基板側に頂点を有するレンズ状や砲弾状が、残留圧縮応力の低減に効果があるといえる。これは、下地層とナノヴォイドとの界面積が大きくなることで、下地層に対する残留圧縮応力が低減するためと考えられる。

本発明は、テクスチャを有する半導体発光素子に有用である。

５５ 基板（テクスチャ基板）
５６、６１ テクスチャ
５６ａ 陥没部
５６ｂ 凸状の網目
６０ 下地層
６０ａ 第１主面
６０ｂ 第２主面
６１ａ 凹状の網目
６１ｂ 隆起部
７０ ナノヴォイド
１００ 半導体発光素子

Claims (8)

1. 第１主面と、前記第１主面とは反対側の第２主面とを有する下地層と、
   前記下地層の前記第２主面側に配置された基板と、を具備し、
   前記下地層と前記基板と、の間に複数のナノヴォイドを具備することを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記下地層は窒化物半導体を含み、
   前記下地層の前記第１主面側に設けられた窒化物半導体を含む第２導電型の第２半導体層と、
   前記第２半導体層の前記下地層とは反対側に設けられた窒化物半導体を含む発光層と、
   前記発光層の前記第２半導体層とは反対側に設けられた窒化物半導体を含み前記第２導電型とは異なる第１導電型の第１半導体層と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記ナノヴォイドは、前記基板側から前記下地層側に向けて、径が大きくなることを特徴とする請求項１又は請求子２に記載の半導体発光素子。
4. 前記ナノヴォイドの気圧は８０ｋＰａ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体発光素子。
5. 前記ナノヴォイドは前記下地層の面内に渡り複数離間して配置されており、
   互いに隣接する前記ナノヴォイドの間隔は１００ｎｍ以上３２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体発光素子。
6. 前記ナノヴォイドは、六方格子又は四方格子の格子点位置に設けられ、且つ、前記六方格子又は前記四方格子の格子間距離は、０％以上２５％以下の範囲で変動することを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。
7. 前記ナノヴォイドは、六方格子又は四方格子の格子点位置のうち１％以上２５％以下を不規則に省いた前記格子点位置に設けられることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。
8. 前記ナノヴォイドは、六方格子又は四方格子の格子点位置のうち１％以上２５％以下を規則的に省いた前記格子点位置に設けられることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。
   

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