JP4928651B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は窒化物系半導体発光素子に関する。特に、ｍ面を主面とした半導体発光素子に関する。

Ｖ族元素として窒素（Ｎ）を含む窒化物半導体は、そのバンドギャップの大きさから、短波長発光素子の材料として有望視されている。そのなかでも、窒化ガリウム系化合物半導体の研究が盛んに行われており、青色発光ダイオード（ＬＥＤ）、緑色ＬＥＤ、ならびに、窒化ガリウム系半導体を材料とする半導体レーザも実用化されている（例えば、特許文献１、２参照）。

以下、窒化ガリウム系化合物半導体を窒化物系半導体と呼ぶ。窒化物系半導体には、Ｇａの一部または全部をアルミニウム（Ａｌ）およびインジウム（Ｉｎ）の少なくとも一方で置換した化合物半導体が含まれ、窒化物系半導体は、組成式Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される。

ＧａをＡｌやＩｎで置換することによって、バンドギャップをＧａＮよりも大きくすることも小さくすることも可能である。これにより、青色や緑色などの短波長の光のみならず、オレンジ色や赤色の光を発光させることも可能となる。したがって、窒化物系半導体を用いることによって、理論的には、全可視域から任意に選択される波長の光を出射する発光素子を実現することが可能であり、窒化物系半導体発光素子を、画像表示装置や照明装置への応用することも期待されている。

窒化物系半導体はウルツ鉱型結晶構造を有している。図１は、ウルツ鉱型結晶構造の面を４指数表記（六方晶指数）で示している。４指数表記では、ａ１、ａ２、ａ３およびｃで示される基本ベクトルを用いて結晶面や方位が表される。基本ベクトルｃは、［０００１］方向に延びており、この方向は「ｃ軸」と呼ばれる。ｃ軸に垂直な面（ｐｌａｎｅ）は「ｃ面」または「（０００１）面」と呼ばれている。なお、「ｃ軸」および「ｃ面」は、それぞれ、「Ｃ軸」および「Ｃ面」と表記される場合もある。図２（ａ）は窒化物系半導体の結晶構造を棒球モデルで示しており、図２（ｂ）は、ｃ軸に垂直な平面における窒化物系半導体結晶のＧａおよびＮの位置を示している。

従来、窒化物系半導体を用いて半導体素子を作製する場合、窒化物系半導体結晶を成長させる基板として、ｃ面基板すなわち（０００１）面を主面に有する基板が使用される。この場合、図２（ａ）および（ｂ）から分かるように、ｃ軸方向にはＧａ原子のみが配置される層と、Ｎ原子のみが配置される層が形成される。このようなＧａ原子およびＮ原子の配置に起因して、窒化物系半導体には自発的な分極（Electrical Polarization）が形成される。このため、「ｃ面」は「極性面」とも呼ばれている。

その結果、窒化物系半導体発光素子の活性層におけるＩｎＧａＮの量子井戸には、ｃ軸方向に沿ってピエゾ電界が発生し、活性層内における電子およびホールの分布に位置ずれが生じるため、キャリアの量子閉じ込めシュタルク効果により、活性層の内部量子効率が低下する。半導体レーザの場合、しきい値電流の増大が生じ、ＬＥＤの場合、消費電力の増大や発光効率の低下が生じる。また、注入キャリア密度の上昇と共にピエゾ電界のスクリーニングが起こり、発光波長の変化も生じる。

また、緑色やオレンジ色、さらには赤色など長波長域の光を発光させるために、活性層のＩｎ組成を増加すると、Ｉｎ組成と共にピエゾ電界の強度は益々増加し、内部量子効率は急激に低下する。このため、一般にｃ面の活性層を用いたＬＥＤでは、出射可能な光の波長は５５０ｎｍ程度であると言われている。

このような課題を解決するため、非極性面であるｍ面を主面に有する基板（ｍ面ＧａＮ系基板）を使用して、発光素子を製造することが検討されている。図１に示すように、ウルツ鉱型結晶構造におけるｍ面は、ｃ軸に平行であり、ｃ面と直交する６つの等価な面である。例えば、図１においてハッチングで示された［１０−１０］方向に垂直な（１０−１０）面である。（１０−１０）面と等価な他のｍ面には、（−１０１０）面、（１−１００）面、（−１１００）面、（０１−１０）面、（０−１１０）面がある。ここで、ミラー指数を表すカッコ内の数字の左に付された「−」は、「バー」を意味する。

図２（ｃ）は、ｍ軸に垂直な面における窒化物系半導体結晶のＧａおよびＮの位置を示している。図２（ｃ）に示すように、ｍ面においては、Ｇａ原子およびＮ原子は同一原子面上に存在するため、ｍ面に垂直な方向に分極は発生しない。このため、ｍ面上に形成した半導体積層構造を用いて発光素子を作製すれば、活性層にピエゾ電界が発生せず、上述の課題を解決することができる。

また、活性層のＩｎ組成を大きく増加させることが可能であるため、青色のみならず、緑色や、オレンジ色、赤色など、より長波長の光を出射することのできるＬＥＤやレーザダイオードを同一の材料系を用いて実現することができる。

さらに、非特許文献１などに開示されているように、ｍ面上に形成された活性層を用いたＬＥＤは、その価電子帯の構造に由来した偏光特性を有している。具体的には、ｍ面上に形成された活性層はａ軸に平行な方向に電界強度が偏った光を主として出射する。なお、本明細書では、特定方向に電界強度が偏った光を「偏光光」と称する。例えば、Ｘ軸に平行な方向に大きな電界強度を有する偏った光を「Ｘ軸方向の偏光光」、上記Ｘ軸に平行な方向を「偏光方向」と称する。また、ある界面に対し、偏光光が入射したとき、上記偏光光に対する透過光が、上記偏光光と同程度の電界強度の偏りを持つ偏光光となる場合、「偏光特性が維持されている」と表記する。また、入射する偏光光よりも電界強度の偏りが小さな偏光光となる場合、「偏光特性が抑制されている」と表記し、電界強度の偏りがない偏光光となる場合、「偏光特性がなくなる」と表記する。

ｍ面上に形成された活性層を用いたＬＥＤ（以下、「ｍ面発光素子」と表記する）は、上述のようにａ軸方向の偏光光を主として出射する。そのとき、ｃ軸方向の偏光光やｍ軸方向の偏光光も出射する。しかしながら、ｃ軸方向の偏光光とｍ軸方向の偏光光は、ａ軸方向の偏光光と比較し、強度が弱い。そのため、本明細書では、ａ軸方向の偏光光に着目し、議論する。

ｍ面発光素子は、上述のような偏光特性を有する。しかし、偏光特性を有する発光素子を光源とする場合、偏光の向き、すなわちＬＥＤの設置方向によって物体表面での反射量が異なるため、物体の見え方が変わるという課題が発生する。これは、Ｐ偏光光とＳ偏光光によって反射率が異なる（Ｓ偏光のほうが反射率が高い）ためである。ここでＰ偏光光とは、入射面に対して平行な電界成分を有する光である。また、Ｓ偏光光とは、入射面に対して垂直な電界成分を有する光である。従って、偏光特性を利用する用途においては、ＬＥＤから出射する光の偏光度を高めることが重要であるが、一般的な照明用途では、偏光特性をできるだけ抑制する必要があるという課題がある。

特開２００１−３０８４６２号公報 特開２００３−３３２６９７号公報 特開２００８−３０５９７１号公報 特開２００８−１０９０９８号公報

APPLIED PHYSICS LETTERS 92 (2008) 091105 Thin Solid Films 515 (2008) 768-770

また、照明用途では、高輝度ＬＥＤを実現することが求められており、ｍ面発光素子の作製にあたり、活性層から出射する光を高い光取出し効率で外部へ取り出すことが重要となる。

非特許文献２は、発光素子の出射面にランダムな微細構造を設けることにより、光取出し効率を高めることを開示している。出射面に、全反射角よりも小さい角度で入射する活性層からの光は、出射面から外部へ出射することができないため、ランダムな微細構造を設けることによって、全反射角よりも大きい角度で出射面に入射する光の割合を高められ、光取出し効率が向上する。ランダムな微細構造は、光取出し効率を向上させる効果に加えて、偏光方向をランダムに変化させる効果もある。したがって、同様の構造をｍ面発光素子の出射面に形成することで、偏光特性のないｍ面発光素子が実現できると考えられる。

非特許文献２は、自己組織化金ナノマスクを利用する方法（以下、「ＳＡ−Ａｕ法」と表記する）を用いてランダムな微細構造を形成することを開示している。ＳＡ−Ａｕ法によれば、出射面に金属薄膜を成膜し、その後、加熱することで金属薄膜をサブミクロンサイズのアイランド状に凝集させる。凝集した金属をハードマスクとし、ドライエッチングを行うことでランダムな微細構造を形成することができる。しかし、ＳＡ−Ａｕ法によれば、金属薄膜の加熱・凝集工程において、面内バラツキが発生するため、再現性良く、ランダムな微細構造を形成するのが困難である。このため、非特許文献２に開示された方法を用いて、高い光取出し効率を有する発光素子を歩留まり良く作製することは困難である。

また、結晶異方性を利用したウェットエッチング法により、このようなランダムな微細構造をｃ面を主面とする半導体発光素子（以下、「ｃ面発光素子」と表記する）の出射面に形成する方法も提案されている。しかし、上記ウェットエッチング法によりランダムな微細構造をｍ面発光素子の出射面に形成することは困難である。ｍ面発光素子の出射面は、ｃ面を主面とする半導体発光素子の出射面と結晶面が異なり、提案されている結晶方位の異方性を利用することができないからである。

特許文献３は、非極性面または半極性面を主面とする半導体を有する発光素子において、出射する光の偏光方向に対して垂直方向に伸びるストライプ状の溝を形成することにより、出射効率の低下を抑制することを開示している。また、特許文献４は、出射する光の配光特性を改善するために、特許文献３と同様、発光素子の偏光方向に対して垂直に伸びる凹凸形状が出射面に設けられた発光ダイオード装置を開示している。特許文献３によれば、ブリュースター角で出射面へ入射する光のうちｐ波成分は、反射することなく（反射率ゼロ）出射面から透過することができるため、出射する光の偏光方向に対して垂直方向に伸びるストライプ状の溝を構成する面を出射面とすれば、光の偏光方向はｐ波成分の方向と一致し、偏光光の透過率を高めることができると記載している。しかし、本願発明者が詳細に検討したところ、ブリュースター角で出射面に入射する光は非常に少なく、偏光光の透過率向上に対する効果は極めて限定的であることを見出した。

本発明はこのような従来技術の課題の少なくとも1つを解決し、偏光特性が抑制され、光取出し効率の向上を実現できるｍ面窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。また、配光特性が改善された光を出射するｍ面窒化物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、ｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層と、ｍ面窒化物半導体層を含み、前記ｎ型窒化物半導体層および前記ｐ型窒化物半導体層に挟まれた活性層領域と、前記ｎ型窒化物半導体層に電気的に接続されたｎ型電極と、前記ｐ型窒化物半導体層に電気的に接続されたｐ型電極と、前記活性層領域で発生する偏光光を外部へ取出す出射面と、前記出射面に設けられたストライプ構造であって、前記ｍ面窒化物半導体層のａ軸方向と５°以上８０°以下または−８０°以上−５°以下の角度をなす方向に伸びる複数の凸部を有するストライプ構造とを備える。

本発明の半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層と、ｍ面窒化物半導体層を含み、前記ｎ型窒化物半導体層および前記ｐ型窒化物半導体層に挟まれた活性層領域と、前記ｎ型窒化物半導体層に電気的に接続されたｎ型電極と、前記ｐ型窒化物半導体層に電気的に接続されたｐ型電極と、前記活性層領域で発生する偏光光を外部へ取り出す出射面と、前記出射面に設けられたストライプ構造であって、前記ｍ面窒化物半導体層のａ軸方向と３０°以上６０°以下または−６０°以上−３０°以下の角度をなす方向に伸びる複数の凸部を有するストライプ構造とを備える。

ある好ましい実施形態において、前記複数の凸部は、前記出射面と非平行な少なくとも１つの斜面を有する。

ある好ましい実施形態において、前記偏光光は、前記ａ軸方向よりもｃ軸方向に広い放射角度を有する配光特性で、前記活性層領域で発生する。

ある好ましい実施形態において、半導体発光素子は、第１および第２の主面を有するｎ型窒化物半導体基板をさらに備え、前記第１の主面は、前記ｎ型窒化物半導体層に接しており、前記出射面は、前記第２の主面である。

ある好ましい実施形態において、前記ｐ型窒化物半導体層は、第１および第２の主面を有し、前記第２の主面は前記活性層領域側に位置しており、前記出射面は前記第１の主面である。

ある好ましい実施形態において、半導体発光素子は、前記ｎ型窒化物半導体層に接して設けられたｎ型窒化物半導体基板と、第１および第２の主面を有する光出力部材とをさらに備え、前記第１の主面は、前記ｎ型窒化物半導体基板の前記ｎ型窒化物半導体層に接している面とは反対の面に接しており、前記出射面は、前記第２の主面である。

ある好ましい実施形態において、前記光出力部材の屈折率は１より大きい。

ある好ましい実施形態において、前記複数の凸部の周期は３００ｎｍ以上である。

ある好ましい実施形態において、前記複数の凸部の周期は８μｍ以下である。

本発明の半導体発光素子の製造方法は、ｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層および前記ｐ型窒化物半導体層に挟まれており、ｍ面窒化物半導体層を含む活性層領域とを有する半導体積層構造を基板上に形成する工程と、前記ｎ型窒化物半導体層に電気的に接続されたｎ型電極および前記ｐ型窒化物半導体層に電気的に接続されたｐ型電極を形成する工程と、前記基板の前記半導体積層構造が設けられていない面に、前記ｍ面窒化物半導体層のａ軸方向と５°以上８０°以下または−８０°以上−５°以下の角度をなす方向に伸びる複数の凸部を有するストライプ構造を形成する工程と、を包含する。

本発明の半導体発光素子の製造方法は、ｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層および前記ｐ型窒化物半導体層に挟まれており、ｍ面窒化物半導体層を含む活性層領域とを有する半導体積層構造を基板上に形成する工程と、前記ｎ型窒化物半導体層に電気的に接続されたｎ型電極および前記ｐ型窒化物半導体層に電気的に接続されたｐ型電極を形成する工程と、前記基板の前記半導体積層構造が設けられていない面に、前記ｍ面窒化物半導体層のａ軸方向と３０°以上６０°以下または−６０°以上−３０°以下の角度をなす方向に伸びる複数の凸部を有するストライプ構造を形成する工程と、を包含する。

本発明の半導体発光素子によれば、活性層領域で発光した光を取り出す出射面に、ａ軸と５°以上または−５°以下の角度をなす方向に伸びるストライプ構造が設けられているため、偏光光を、ストライプを構成する凸部の斜面にｐ波およびｓ波の合成波として入射させることができる。ｐ波およびｓ波の合成波で入射した光は、偏光方向を曲げられ、透過する。また、斜面に入射した光のｐ波およびｓ波の割合は、ストライプ構造において幅広く変化させることができる。したがって、偏光方向もさまざまな方向に曲げられ、半導体発光素子から出射する光の偏光特性は抑制される。

また、ストライプ構造は、ａ軸と８０°以下または−８０°以上の角度をなす方向に設けられているため、活性層領域で発光した光の大部分をストライプ構造の斜面に入射させることができる。このため、光取出し効率も向上させることができる。さらに、入射した光はｍ軸に近づくように凸部の斜面と外部との境界で屈折するため、配光特性の非対称性が改善される。

ウルツ鉱型結晶構造の基本ベクトルａ１、ａ２、ａ３、ｃを示す斜視図である。 （ａ）はＧａＮの単位格子を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ、ｃ面の結晶構造およびｍ面の結晶構造を表す図である。 本発明による半導体発光素子の第１の実施形態を示す模式的断面図である。 （ａ）は第１の実施形態におけるストライプ構造を示す斜視図であり、（ｂ）はストライプ構造の凸部の模式的な断面図である。（ｃ）および（ｄ）は、ストライプの伸びる方向を示す模式的な上面図である。 （ａ）から（ｃ）は、ストライプ構造の凸部の例を示す模式的な断面図である。 （ａ）および（ｂ）はストライプ構造の他の例を示す模式的な上面図である。 ｐ波およびｓ波の入射角と反射率および透過率の関係を示した図である。 （ａ）はａ軸方向の偏光光の伝搬ベクトルを示す模式図であり、（ｂ）は、ｍ軸から見た場合におけるａ軸方向およびｃ軸方向の配光特性を示す図である。 角βを０°としたときの、ストライプ構造の凸部に入射する偏光光の一例を模式的に示した図である。 偏光方向と垂直方向に形成されたストライプ構造の出射面に入射する偏光光の一例を模式的に示す図である。 （ａ）はストライプ構造を示す上面図であり、（ｂ）はストライプ構造の見かけ上のピッチＰｒを示す図である。 ストライプの伸びる方向とａ軸とのなす角βと見かけ上のピッチＰｒとの関係を示す図であり、挿入図は、角βが８５°以下の範囲で拡大した図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれａ軸方向から、およびｃ軸方向から、平坦出射面を有する半導体発光素子の出射面に対する入射光と透過光の一例を模式的に示した図であり、（ｃ）は第１の実施形態における窒化物系半導体発光素子の出射面に対する入射光と透過光の一例を模式的に示す図である。 第１の実施形態の製造途中の構造を示す模式的断面図である。 本発明による半導体発光素子の第２の実施形態を示す模式的断面図である。 本発明による半導体発光素子の第３の実施形態を示す模式的断面図である。 本発明による半導体発光素子の第４の実施形態を示す模式的断面図である。 本発明による半導体発光素子の第５の実施形態を示す模式的断面図である。 本発明による半導体発光素子の第６の実施形態を示す模式的断面図である。 本発明による半導体発光素子の第７の実施形態を示す模式的断面図である。 （ａ）は実施例１、２、参考例１、２、比較例１、２におけるストライプ構造の断面形状を模式的に示した図であり、（ｂ）は実施例３、参考例３におけるストライプ構造の断面形状を模式的に示した図である。 （ａ）は平坦出射面を有する半導体発光素子の配光特性を示す図であり、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ（ａ）に示す結果を模式的に表した図である。 配光特性の測定に用いた測定系の構成を示す図である。 ストライプ構造の向きと配光特性の関係を示した図であって、（ａ）はａ軸方向の配光特性を示し、（ｂ）はｃ軸方向の配光特性を示した図である。 実施例１、実施例２、参考例１、参考例２、比較例１、比較例２における半導体発光素子のストライプ構造のピッチと偏光度の維持率の関係を示す図である。 偏光度の測定に用いた測定系の構成を示す図である。 実施例３、参考例３、比較例３における半導体発光素子のストライプ構造の角βと比偏光度の関係を示す図である。 実施例１、参考例１、比較例１における半導体発光素子のストライプ構造とａ軸のなす角と光取出し効率の関係を示した図である。

本願発明者は、ｍ面窒化物系半導体発光素子において活性層から発光する光の偏光特性および配光特性と出射面との関係を詳細に検討した。その結果、出射される光の偏光特性は、窒化物系半導体発光素子の活性層で発生した偏光光が持つ主たる電界ベクトルの方向と出射面の形状の関係に依存していることを見出した。また、出射される光の配光特性は、偏光光が持つ主たる伝搬ベクトルの方向と出射面の形状の関係に依存していることを見出した。これらの知見に基づき、本願発明者は、ｍ面発光素子において、出射面の形状を最適化することによって、出射する光における偏光特性の抑制、光取出し効率向上、および配光特性の改善を実現できる窒化物系半導体発光素子を想到した。以下、図面を参照しながら本発明による発光素子の実施形態を説明する。以下の図面においては、説明の簡略化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す場合がある。なお、本発明は以下の実施の形態に限定されない。

（第１の実施形態）
図３は、本発明による半導体発光素子の第１の実施形態の断面構造を模式的に示している。図３に示すように半導体発光素子１０１は基板１０と、基板１０上に形成されており、活性層領域２２を含む半導体積層構造２０を備える。以下において詳細に説明するように、半導体発光素子１０１は、窒化物系半導体のｍ面を主面とする活性層において高効率で発光した偏光光を、出射面において偏光特性を抑制し、出射する。半導体積層構造２０は、ｍ面を主面とする活性層領域２２を含み、窒化物半導体、より具体的には、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｘ≧０、ｙ≧０、ｚ≧０）半導体から形成されている。

半導体積層構造２０は活性層領域２２の他に、ｎ型窒化物半導体層２１およびｐ型窒化物半導体層２３を含み、活性層領域２２は、ｎ型窒化物半導体層２１およびｐ型窒化物半導体層２３に挟まれている。特に図示しないが、活性層領域２２とｐ型窒化物半導体層２３との間に、アンドープのＧａＮ層を設けても良い。

また、半導体発光素子１０１は、ｎ型窒化物半導体層２１およびｐ型窒化物半導体層２３にそれぞれ電気的に接続されたｎ型電極３０およびｐ型電極４０をさらに備えている。本実施形態では、半導体積層構造２０に凹部３１を設けることによって、ｎ型窒化物半導体層２１の一部を露出させ、露出したｎ型窒化物半導体層２１上にｎ型電極３０が設けられている。ｎ型電極３０は、例えば、Ｔｉ層およびＰｔ層の積層構造（Ｔｉ／Ｐｔ）などで形成される。また、ｐ型窒化物半導体層２３上にｐ型電極４０が設けられている。ｐ型電極４０は概ねｐ型窒化物半導体層２３の表面全体を覆っていることが好ましい。ｐ型電極４０は例えば、Ｐｄ層およびＰｔ層の積層構造（Ｐｄ／Ｐｔ）などで形成される。

基板１０は、半導体積層構造２０を形成するのに適したものが選ばれる。具体的には、ＧａＮ基板の他、酸化ガリウム、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、サファイア基板などを用いることができる。基板１０上にｍ面を主面とする活性層領域を含む半導体積層構造２０をエピタキシャル成長させるためには、ＳｉＣ基板やサファイア基板の面方位もｍ面である方が好ましい。ただし、ｒ面サファイア基板上にａ面ＧａＮが成長することが報告されているように、ｍを主面とする活性層領域２２を成長させるために、基板１０の表面がｍ面であることは必須ではない。また、基板１０以外の他の基板上に半導体積層構造２０が形成された後、半導体積層構造２０を他の基板から剥がし取り、半導体積層構造２０を基板１０に貼り付けてもよい。

ｎ型窒化物半導体層２１は、例えばｎ型のＡｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１、ｕ≧０、ｖ≧０、ｗ≧０）から形成されている。ｎ型ドーパントとして、例えばシリコン（Ｓｉ）を用いることができる。

ｐ型窒化物半導体層２３は、例えばｐ型のＡｌ_sＧａ_tＮ（ｓ＋ｔ＝１、ｓ≧０、ｔ≧０）半導体から形成されている。ｐ型ドーパントとして、例えばマグネシウム（Ｍｇ）を用いることができる。Ｍｇ以外のｐ型ドーパントとして、例えば亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）などを用いてもよい。ｐ型窒化物半導体層２３において、Ａｌの組成比率ｓは、厚さ方向に一様であってもよいし、Ａｌの組成比率ｓが厚さ方向に連続的または階段的に変化していてもよい。具体的には、ｐ型窒化物半導体層２３の厚さは、例えば、０．２μｍ以上２μｍ以下程度である。

ｐ型窒化物半導体層２３において、第１の主面２３ａ近傍、すなわち、ｐ型電極４０との界面近傍はＡｌの組成比率ｓがゼロであること、つまり、ＧａＮであることが好ましい。また、この場合、ＧａＮにはｐ型の不純物が高濃度で含まれており、コンタクト層として機能することが好ましい。特に図示しないが、ｐ型窒化物半導体層２３とｐ型電極４０との間にｐ⁺−ＧａＮからなるコンタクト層が設けられていてもよい。

活性層領域２２は、半導体発光素子１０１における発光領域であり、高い発光効率で発光するため、ｍ面上に形成された窒化物半導体層を含む。活性層領域２２で発光する光はａ軸方向の偏光光となる。活性層領域２２は、ｍ面に対して成長方向が垂直であり活性層領域の第１の主面２２ａおよび第２の主面２２ｂはｍ面である。ただし、第１の主面２２ａおよび第２の主面２２ｂは、ｍ面に対して完全に平行な面である必要はなく、ｍ面から所定の角度で傾斜していてもよい。傾斜角度は、第１の主面２２ａまたは第２の主面２２ｂの法線とｍ面の法線とが形成する角度により規定される。傾斜角度θの絶対値は、ｃ軸方向において５°以下、好ましくは１°以下の範囲であればよい。また、ａ軸方向において５°以下、好ましくは１°以下の範囲であればよい。このような傾斜角度であれば、活性層領域の第１の主面２２ａまたは第２の主面２２ｂは、全体的にｍ面から傾斜しているが、微視的には１から数原子層オーダーの高さのステップによって構成され、多数のｍ面領域を含んでいると考えられる。このため、ｍ面から絶対値で５°以下の角度で傾斜している面は、ｍ面と同様の性質を有すると考えられる。したがって、本実施形態のｍ面窒化物半導体層は、ｍ面から絶対値で５°以下の角度で傾斜している面上に形成された窒化物半導体層を含む。なお、傾斜角度θの絶対値が５°より大きくなると、ピエゾ電界によって内部量子効率が低下する。したがって、傾斜角度θの絶対値を５°以下に設定する。

活性層領域２２は、例えば、ｍ面窒化物半導体層である厚さ３ｎｍ以上２０ｎｍ以下程度のＧａ_1-xＩｎ_xＮ井戸層（０＜ｘ＜１）と、厚さ５ｎｍ以上３０ｎｍ以下程度のＧａＮバリア層とが交互に積層されたＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有している。半導体発光素子１０１から出射する光の波長は、活性層領域２２を構成する半導体のバンドギャップの大きさ、より具体的には、井戸層の半導体組成であるＧａ_1-xＩｎ_xＮ半導体におけるＩｎの組成ｘによって決まる。ｍ面上に形成された活性層領域２２にはピエゾ電界が発生しない。このため、Ｉｎ組成を増加させても発光効率の低下が抑制される。その結果、窒化物系半導体を用いた半導体発光素子であってもＩｎ組成を大きく増加することにより、赤色の発光ダイオードを実現することができる。

基板１０は、第１の主面１０ａおよび第２の主面１０ｂを有し、第１の主面１０ａは半導体積層構造２０のｎ型窒化物半導体層２１と接している。第２の主面１０ｂは活性層領域２２で発光した偏光光を取り出す出射面となる。本実施形態では、第２の主面１０ｂに、偏光特性を抑制した光を取り出すためにストライプ構造５０が設けられている。以下、ストライプ構造５０を詳細に説明する。

図４（ａ）は、ストライプ構造５０を模式的に示した斜視図である。また、図４（ａ）の左上に、活性層領域２２に含まれるｍ面窒化物半導体層の結晶軸の方向とストライプ構造の凸部（尾根またはリッジ）５０ａの伸びる方向を示している。図４（ａ）に示すように、ストライプ構造５０は、ｍ面窒化物半導体層のａ軸と５°以上８０°以下の角度をなす方向に伸びる複数の凸部５０ａを有している。ストライプ構造５０が設けられる第２の主面１０ｂ、つまり出射面は、ａ軸およびｃ軸と平行であり、ｍ軸に垂直である。なお、ストライプ構造５０は、ｍ面窒化物半導体層のａ軸と−８０°以上−５°以下の角度をなす方向に伸びる複数の凸部５０ａを有していてもよい。好ましくは、凸部５０ａの伸びる方向は、ｍ面窒化物半導体層のａ軸と３０°以上６０°以下、または、−６０°以上−３０°以下の角度をなしている。さらに好ましくは、凸部５０ａの伸びる方向は、ｍ面窒化物半導体層のａ軸と４０°以上５０°以下、または、−５０°以上−４０°以下の角度をなしている。

複数の凸部５０ａの間にはａ軸と５°以上８０°以下または−８０°以上−５°以下の角度をなす方向に伸びる複数の溝５０ｂが形成されるため、ストライプ構造５０は、複数の溝５０ｂを備えているとも言える。本願明細書では、ストライプ構造５０が設けられる部材からの偏光光の出射を議論するため、ストライプ構造５０は「凸部」を有するとして説明する。しかし、ストライプ構造５０は、出射面に「溝」を設けることによって「凸部」を形成してもよい。

本実施形態では、各凸部５０ａは、出射面である第２の主面１０ｂと平行な上面５３と、出射面と非平行な少なくとも１つの斜面５２とを含む。ただし、各凸部５０ａは、第２の主面１０ｂと非平行な少なくとも１つの斜面５２を含んでいればよい。また、以下において、説明するように、斜面５２は曲面であってもよい。各凸部５０ａの高さｈはλ／（４×ｎ）以上が好ましく、λ／（４×ｎ）以上１０μｍ以下がより好ましい。ここで、λは活性層領域２２の発光波長、ｎはストライプ構造５０を構成している材料の屈折率である。本実施形態では、基板１０を構成している材料の屈折率である。例えば、活性層領域２２で発生する偏光光の波長を４５０ｎｍ、ストライプ構造５０を構成している材料の屈折率ｎを２．５とすると、高さｈは４５ｎｍ以上であることが好ましい。

高さｈをλ／（４×ｎ）以上とすることで、ストライプ構造５０は光取出し効率向上の効果が得られる。高さｈの上限は製造方法に依存する。例えば化学的ドライエッチングを用いた場合、ストライプ構造の斜面には、α＝６５°程度となる結晶面が発生しやすいため、ストライプ構造のアスペクト比は１．２程度になる。ここで、アスペクト比とは、ストライプ構造５０の底辺の長さｂとストライプ構造５０の高さｈの比で表し、式（１）に示す値を言う。

この場合、底辺の長さｂ＝１０μｍのとき、高さｈの上限は１２μｍとなる。ここで化学的ドライエッチングとは、塩素ラジカルなど、窒化物半導体に対して化学反応性が高いプラズマ条件下でのドライエッチングのことである。

一方、物理的ドライエッチングを用いた場合、ストライプ構造のアスペクト比は５程度まで高めることが可能である。この場合、底辺の長さｂ＝１０μｍのとき、高さｈは５０μｍとなる。ここで物理的ドライエッチングとは、塩素イオンなどのプラズマ条件下による物理的な窒化物半導体のドライエッチングのことである。

ただし、実際には高さｈは基板の厚さ以上の高さは実現できない。また好ましくは、高さｈは基板の厚さの半分程度以下にすることで、ストライプ構造形成後も基板の剛性を保つことが可能となり、取扱上の問題が生じない。

図４（ｂ）は、ストライプ構造５０の１つの凸部５０ａの長手方向（凸部５０ａの伸びる方向）に垂直な断面形状５６を一般的に示している。図４（ｂ）の示すように、斜面５２は複数の斜面部分を有していても良い。このとき、それぞれの斜面部分とｍ面のなす角をα_ij（ｉ，ｊは整数であり、０≦ｉ，ｊ≦∞を満たす）とすると、α_ij≠α_lm（ｉ≠ｌまたはｊ≠ｍであり、かつ、０≦ｌ，ｍ≦ｉ，ｊ）であってもよい。α_ijは、凸部５０ａの長手方向と垂直方向に配列したｉ番目の斜面５２において、凸部５０ａの根元からｊ番目の斜面部分とｍ面（出射面あるいは第２の主面）とがなす角度を示す。また、一本の凸部５０ａの長手方向において、異なる断面形状５６を有していても良い。上記のような断面形状５６には、例えば、図５（ａ）に示すような三角形の形状や、図５（ｂ）に示すような、左右非対称の形状が含まれる。また、ｊ＝∞、つまり、斜面５２が、多数のα_ijの異なる微小傾斜部分によって構成されている場合、図５（ｃ）に示すように、断面形状５６は円や楕円の一部等、曲線を含む形状となる。さらに、ストライプ構造５０を構成する凸部５０ａは、等間隔に規則的に配置する必要はなく、ピッチｐが変調されている場合も本願の効果は得られる。凸部５０ａの高さｈも、すべてにおいて、同一である必要はなく、複数の凸部５０ａの高さが異なっていてもよい。

図４（ｃ）は、ストライプ構造５０を上面から見た図を模式的に示したものである。上述したように、ストライプ構造５０の凸部５０ａの伸びる方向とａ軸のなす角β（以下、「角β」と表記する）は、５°≦｜β｜≦８０°であることが好ましく、３０°≦｜β｜≦６０°であることがより好ましい。４０°≦｜β｜≦５０°であることがさらに好ましい。ここで、角βとは、図４（ａ）中のハッチングされた平面５４と斜面５２の交わる直線５５と、ａ軸のなす角とし、｜β｜は角βの絶対値とする。すなわち、５°≦｜β｜≦８０°は、角βが５°以上８０°以下または−８０°以上−５°以下を意味している。また、以下の実施例において説明するように上述した範囲であれば、本発明の顕著な効果が見られる。

平面５４はａ軸とｃ軸の作る平面（以下、「ａｃ平面」と表記する）と平行な面であり、平面５４は斜面５２と交わる範囲において存在する。図４（ｄ）は、図４（ｃ）の一部の拡大図である。図４（ｄ）で示すように直線５５は必ずしも一本の直線である必要はなく、１つの直線５５がａ軸に対して異なる角度をなす複数の線分で構成されていてもよい。このとき、図４（ｄ）に示すように、直線５５のそれぞれの線分とａ軸のなす角をβ_ij（ｉ，ｊは整数であり、０≦ｉ，ｊ≦∞を満たす）と置くと、β_ij≠β_lm（ｉ≠ｌまたはｊ≠ｍであり、かつ、０≦ｌ，ｍ≦ｉ，ｊ）であっても良い。ただし、５°≦｜β_ij｜≦８０°、より好ましくは、３０°≦｜β｜≦６０°を満たしている。

図６（ａ）に示すように、ストライプ構造５０において、隣接する１対の凸部５０ａが、凸部５０ａの伸びる方向と非平行に伸びる１つ以上の接続部５０ｃによって接続されていてもよい。また、図６（ｂ)に示すように、ストライプ構造５０において、凸部５０ａが凸部５０ａの伸びる方向と非平行に伸びる１つ以上の溝部５０ｄにより分断され、破線状になっていてもよい。これらの場合において、接続部５０ｃまたは溝部５０ｄの長さ（実線で示す）よりも凸部５０ａの長さ（破線で示す）のほうが長いことが好ましい。

以下、ストライプ構造５０と半導体発光素子１０１から出射する光の偏光特性との関係、ストライプ構造５０と光取出し効率の関係およびストライプ構造５０と配光特性の関係を説明する。

図３に示すように、活性層領域２２で発生した偏光光は、ｎ型窒化物半導体層２１および基板１０を伝搬し、出射面である第２の主面１０ｂに入射（以下において、「入射光」と表記する）する。入射光の一部は、ストライプ構造５０を構成している材料の外部へ伝搬する。また、入射光の他の一部は、第２の主面１０ｂにおいて反射し、再びストライプ構造５０を構成している材料の内部へ伝搬する。以下において、ストライプ構造５０を構成している材料の外部へ伝搬した光を「透過光」と表記し、ストライプ構造５０を構成している材料の内部へ伝搬した光を「反射光」と表記する。また、入射光の強度に対する透過光の強度を、「透過率」と表記し、入射光の強度に対する反射光の強度を、「反射率」と表記する。さらに、入射光の伝搬ベクトルと、出射面（第２の主面１０ｂ）に対する法線ベクトルのなす角を「入射角」、透過光の伝搬ベクトルと、出射面に対する法線ベクトルのなす角を、「屈折角」、入射光の伝搬ベクトルと出射面に対する法線ベクトルが作る面を「入射面」と表記する。ここで、伝搬ベクトルとは、光の進む方向と考えることができる。さらに、光を入射面に平行な電界ベクトル成分と、入射面に垂直な電界ベクトル成分の２つの成分に分解し、それぞれ「ｐ波」「ｓ波」と表記する。

次に、平面に入射する入射光の持つ偏光特性が、透過光において抑制される条件を考察する。図７は、平面に入射する入射光の入射角に対する透過率および反射率の関係を、ｐ波成分とｓ波成分に分解して計算した結果を示している。計算は、以下の式（２）から式（５）に示すフレネルの公式を用いた。ただし、Ｒｐはｐ波の反射率、Ｒｓはｓ波の反射率、Ｔｐはｐ波の透過率、Ｔｓはｓ波の透過率、θｉは入射角、θｔは屈折角とする。また、ストライプ構造５０を構成している材料の屈折率ｎを２．５、ストライプ構造５０を構成している材料の外部の屈折率を１．０として計算した。

図７から分かるように、入射光のｐ波成分とｓ波成分は、それぞれ異なる透過率及び反射率を有する。このことは、入射光がｐ波とｓ波との合成波で形成される場合、入射光のｐ波における電界ベクトルのスカラー量とｓ波における電界ベクトルのスカラー量の割合は、平面を透過すると変化する、つまり、透過光の偏光方向は入射光の偏光方向から変化していること意味している。

しかし、入射光のｐ波成分またはｓ波成分のいずれかがゼロである場合、ゼロである波の成分は透過光中に生じ得ない。このため、スカラー量の割合が変化することはなく、電界ベクトルの方向が維持される。このことから、偏光特性を抑制するためには、ストライプ構造５０の外部と接する面に入射する光がｐ波成分またはｓ波成分のみとならないようにすればよい。

ｍ面を主面とする窒化物系半導体からなる半導体発光素子１０１はａ軸方向の偏光光を持つ。図８（ａ）はａ軸方向の偏光光の伝搬ベクトルの主な存在範囲を模式的に表した図である。伝搬ベクトルは電界ベクトルに垂直な方向の成分が主である。今、点ｑで発生したａ軸方向の偏光光の伝搬ベクトルｋ１、ｋ２・・・は図８（ａ）中のハッチングされた平面６０、すなわちｍ軸とｃ軸の作る平面（以下、「ｍｃ平面」と表記する）に対して平行な平面に、主に存在する。図８（ｂ）は、点ｑで発生した偏光光の配光特性を示している。ａｃｍ座標の原点に点ｑを配置した場合、上述したように、偏光光はａ軸方向（ｍａ平面）よりもｃ軸方向（ｍｃ平面）における放射角度の方が広いという配光特性を有している。このような配光特性のため、出射面にストライプ構造５０を形成する場合、透過光の偏光特性は、ストライプ構造５０とａ軸のなす角βに依存する。

図９に示すように、例えば、ストライプの方向がａ軸と平行（β＝０°）の構造を持つ半導体発光素子では、ストライプ構造５０の斜面５２や上面５３における入射光は、ａ軸方向に偏光しているため、ｓ波が主成分となる。偏光光はａ軸方向に電界強度分布が偏っており、ａ軸方向と直交方向における電界強度分布は小さい。したがって、斜面５２および上面５３に入射する入射光のｐ波成分はほぼゼロである。このため、上述した理由から、β＝０°の場合、透過光の偏光特性はほぼ維持される。

角βが０°よりも大きくなると、つまり、ストライプの方向がａ軸と非平行になると、斜面５２とａ軸とが非平行となる。このため、斜面５２に入射する入射光にｐ波成分が生じる。このため、上述した理由から偏光特性が抑制される。角βが負の値をとる場合も同様である。

角βが９０°の場合にも偏光特性を抑制することができる。角βが９０°の場合、図１０に示すようにストライプはｃ軸方向に伸びる。図１０に示すように、点ｑで発生したａ軸方向の偏光光の伝搬ベクトルは、例えば、ｋ１やｋ２のようにｍｃ平面内に存在する。このとき、伝搬ベクトルｋ１とｃ軸のなす角を９０°とすると、伝搬ベクトルｋ１の入射面はｍａ平面と平行になる。電界ベクトルの方向はａ軸方向なので、伝搬ベクトルｋ１を有する偏光光ｋ１は、ストライプ構造５０の斜面５２にｐ波として入射する。また、ｓ波成分は存在しない。このため、偏光光ｋ１の電界ベクトルの方向は維持される。

しかし、点ｑで発生したａ軸方向の偏光光の多くは、伝搬ベクトルｋ２のように、伝搬ベクトルとｃ軸とのなす角が９０°とは異なる角度となる。伝搬ベクトルｋ２の入射面はｍａ平面と平行とはならない。このとき、伝搬ベクトルｋ２を有する偏光光ｋ２は、ストライプ構造５０の斜面５２にｓ波とｐ波の合成波として入射することになる。よって、偏光光ｋ２は、斜面５２から外部へ透過する際、ｐ波およびｓ波のスカラー量の割合が変化し、電界ベクトルの方向も変化する。このため、点ｑで発生したａ軸方向の偏光光は、偏光光ｋ１を除き、全ての偏光光が斜面５２において電界ベクトルの方向を乱される。その結果、β＝９０°の場合、偏光度を減少させることができる。ここで、偏光度とは、式（６）で表される値を言う。

Ｉ_maxおよびＩ_minは、次のような計測を行った際に得られる値を言う。出射面に対して平行に偏光板を設置し、上記偏光板を回転させ、偏光板を透過した光の強度を計測する。計測された光の強度は、ある角度で最大値をとり、別の角度で最小値をとる。このとき、最大値をＩ_maxとし、最小値をＩ_minとする。光の強度が全ての角度で同一である場合、Ｉ_maxとＩ_minとは等しく、偏光度はゼロとなる。

上述のように、偏光特性が抑制される程度は角βに依存する。また、偏光特性が維持されるのは、β＝０という特殊な条件に限定されることが分かる。以下の実施例において説明するように、偏光特性が抑制される程度は、例えば、比偏光度によって評価することでき、詳細な実験を行い、比偏光度を評価した結果、角βは５°以上が好ましく、３０°以上６０°以下がより好ましいことが分かった。ここで、比偏光度とは、β＝ｘ（０＜ｘ≦９０）のストライプ構造を持つ半導体発光素子の偏光度を、β＝０のストライプ構造を持つ半導体発光素子の偏光度で規格化した値であり、式（７）で示す値を言う。

ただし、０＜ｘ≦９０とする。

また、図１０から分かるように、角βが０°以外の値をとる場合、上述したように斜面５２は、ａ軸と非平行となるため、斜面５２に入射する入射光にｐ波成分が生じる。これに対し、凸部５０ａの上面５３はａ軸およびｃ軸に平行であるため、角βが０°以外の値をとる場合でも、活性層領域２２で発生した偏光光は、ｐ波成分が生じない方向で上面５３に入射し得る。このため、上面５３から出射する光では、斜面５２から出射する光ほど偏光特性が抑制されない。しかし、ストライプ構造の各凸部５０ａが少なくとも１つの斜面５２を含む限り、ストライプ構造を設けない場合に比べて、偏光特性が抑制される。

これらの点から、ストライプ構造の複数の凸部は、出射面である第２の主面１０ｂと平行な上面５３を有していないことが好ましい。具体的には、例えば、ストライプ構造は、図５（ａ）に示すような三角形の断面形状を有する凸部、あるいは、図５（ｃ）に示すような円または楕円等の断面形状を備えた凸部を有していることが好ましい。したがって、本実施形態の半導体発光素子の用途に応じて、偏光特性の抑制の程度とストライプ構造における凸部の断面形状を選択することが好ましい。

次に、角βと光取出し効率の関係に関して考察する。出射面にストライプ構造５０を有する半導体発光素子の光取出し効率は、発光した光がストライプ構造５０の斜面５２に入射することで向上する。これは、平坦な出射面であれば、全反射してしまう光であっても、斜面５２に入射することで、全反射角以下の角度で入射し、外部へ取り出される光が存在するためである。また、斜面５２に全反射角以上の角度で入射した光も、斜面５２において反射することにより、光の方向が変化し、次に斜面５２に入射する際、全反射角以下となる可能性が増加するからである。これらのことから、光取出し効率の向上には、発光した光が高い確率で斜面５２に入射することが好ましい。このため、ストライプ構造５０における凸部５０ａのピッチＰは小さい方がよい。

図１１（ａ）はストライプ構造５０を上面から見た図である。また、図１１（ｂ）はストライプ構造の拡大図である。ｍ面を主面とする窒化物系半導体からなる半導体発光素子１０１で発光した光は、図８（ｂ）に示すようにｃ軸方向に広い放射角度を持つ。したがって、上述した光取出し効率を考慮する場合、ストライプ構造５０のピッチをｃ軸に沿って考えることが必要である。

図１１（ｂ）に示すように、隣接する１対の凸部５０ａにおいてピッチＰは凸部５０ａの伸びる方向と垂直な方向において定義される。隣接する１対の凸部５０ａのｃ軸に沿ったピッチを見かけ上のピッチＰｒとした場合、見かけ上のピッチＰｒは以下の式（８）で与えられる。

見かけ上のピッチＰｒをピッチＰで規格化したＰｒ／Ｐと角βの関係を図１２に示す。挿入図は角βが０°から８５°の範囲における拡大図である。角βが９０°近づくと、Ｐｒ／Ｐは急激に大きくなる。つまり、光取出し効率は低下する。図１２により、角β≦８０°であれば、Ｐｒ／Ｐ＜６となり、小さなピッチＰｒを確保でき、光取出し効率を高めることができる。また、角β≦６０°であれば、Ｐｒ／Ｐ≦２となり、十分小さなピッチＰｒを確保でき、大きな取り出し効率を実現できる。これらのことから、角βは、β≦８０°または、−８０°≦βであることが好ましく、β≦６０°または、−６０°≦βであることがより好ましい。

上述した偏光特性と角βとの関係および光取出し効率と角βとの関係より、偏光特性を十分に減少させ、かつ光取出し効率を向上させるためには、角βは、５°≦｜β｜≦８０°であることが好ましく、３０°≦｜β｜≦６０°であることがより好ましいといえる。

本実施形態の半導体発光素子は、上述した条件で偏光光をストライプ構造５０に入射させることにより、配光特性の非対称性も改善することができる。図１３（ａ）および（ｂ）は、光取り出し構造を備えておらず、ｍ面と平行な出射面６１を有する半導体発光素子から光が出射する場合の光線の屈折方向を説明している、図１３（ａ）は、ａ軸方向から見た図であり、出射面６１に入射する入射光は、出射面５２に近づく方向に屈折し、半導体発光素子の外部へ出射する。その結果、透過光の伝搬ベクトルはｃ軸方向に近づく。また、図８（ｂ）を参照して説明したように、ａ軸方向の偏光光の伝搬ベクトルは、ａ軸方向成分が少ない。このため、図１３（ｂ）のようにｃ軸方向から見ると、主たる入射光は出射面に対し、ほぼ垂直に入射し、ほぼ屈折することなく透過する。これは、活性層領域で発生する偏光光が、もともとａ軸方向よりもｃ軸方向に放射角度が広い配光特性を有しているのに、ｍ面と平行な出射面６１から偏光光が出射することにより、より、ｃ軸方向における放射角度が広がることを意味する。

このことから、半導体発光素子１０１から出射される光の伝搬ベクトルは、（ａ軸方向成分）＜（ｃ軸方向成分）という関係が成り立つ。この関係は、（ａ軸方向に出射する光強度）＜（ｃ軸方向に出射する光強度）という関係が成り立つことを意味する。すなわち、配光特性の非対称性がある。

これに対し、本実施形態の半導体発光素子１０１によれば、図１３（ｃ）に示すように、ストライプ構造５０の斜面５２に入射光は、出射面に近づく方向に透過し、結果として、透過光の伝搬ベクトルはｍ軸に近づく。つまり、ｃ軸方向における放射角度が狭くなるように屈折する。したがって、半導体発光素子１０１から出射する偏光光は、平坦な出射面６１を持つ半導体発光素子から出射した光と比較し、伝搬ベクトルのｃ軸方向成分が減少している。その結果、伝搬ベクトルのａ軸方向成分と、ｃ軸方向成分の量が近くなり、配光特性の非対称性が改善される。

このように本発明の半導体発光素子によれば、活性層領域で発生した光を取り出す出射面に、ａ軸と５°≦｜β｜、より好ましくは、３０°≦｜β｜をなす角に伸びるストライプ構造が設けられているため、ａ軸方向の偏光光をストライプを構成する凸部の斜面や上面にｓ波成分とｐ波成分の合成波として入射させることができる。このため、偏光特性を抑制し、偏光度が低下した光を出射する。また、｜β｜≦８０°、より好ましくは、｜β｜≦６０°をなす角に伸びるストライプ構造が設けられているため、発生した光がストライプ構造の斜面に効率よく入射させることができる。このため、光取出し効率を向上させることができる。さらに、ａ軸方向の偏光光は、ｍ軸に近づくように凸部の斜面と外部との境界で屈折するため、配光特性の非対称性が改善される。

本発明は、透過率の高さあるいは反射率の低さではなく、偏光特性を減少できる条件を満たしてストライプ構造に入射する光をできるだけ多くするという観点でストライプ構造を半導体発光素子の出射面に設けている。この点で、反射率がゼロとなるブリュースター角で出射面へ光を入射させる特許文献３の半導体発光素子は、本発明とは全く異なる思想に基づいていると言える。

なお、出射面にストライプ構造を設けるという点で、特開２００１−２０１７４６号公報は関連した技術を開示している。しかし、特開２００１−２０１７４６号公報は、液晶表示素子のバックライト用導光体に、所定の高さを有する複数のリブを形成することによって、導光体に入射した無偏光光を偏光光に変換し、出射させることを開示しており、本発明とは偏光の制御が全く逆である。この技術は、図７に示すように、平面に入射する光のＰ成分とＳ成分とで反射率および透過率が異なることを利用するに過ぎず、上述した本発明の半導体発光素子の目的や構造、取出し効率が向上する原理などとは全く異なる。

以下、半導体発光素子１０１の製造方法の一例を説明する。図１４に示すように、まず半導体積層構造２０を形成する。例えば、ｎ型ＧａＮによって構成される基板１０の上に、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により半導体積層構造２０を形成していく。

具体的には、ｍ面を主面とするｎ型ＧａＮによって構成される１０の上に、ｎ型窒化物半導体層２１をエピタキシャル成長させる。例えば、ｎ型不純物としてシリコンを用い、Ｇａ（ＣＨ₃）₃（トリメチルガリウム、ＴＭＧ）、およびＮＨ₃を原料として用い、９００℃以上１１００℃以下程度の成長温度で、ＧａＮからなる厚さ３μｍ程度のｎ型窒化物半導体層２１を形成する。

次に、ｎ型窒化物半導体層２１上に、活性層領域２２を形成する。活性層領域２２は、例えば、厚さ９ｎｍ程度のＧａ_1-xＩｎ_xＮ井戸層と、厚さ９ｎｍ程度のＧａＮバリア層が交互に積層されたＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を形成する。Ｇａ_1-xＩｎ_xＮ井戸層を形成する際には、Ｉｎの取り込みを行うために、成長温度を８００℃に下げることが好ましい。半導体発光素子１０１の用途に応じて発光波長を選択し、波長に応じたＩｎ組成_xを決定する。波長を４５０ｎｍ（青色）にする場合にはＩｎ組成_xを０．１８以上０．２以下に決定する。５２０ｎｍ（緑色）であればｘ＝０．２９以上０．３１以下であり、６３０ｎｍ（赤色）であればｘ＝０．４３以上０．４４以下となる。このＩｎ組成の制御によって照明装置に用いる青色、緑色および赤色を発光する半導体発光素子１０１が得られる。

活性層領域２２の上に、例えば厚さ３０ｎｍ程度のアンドープＧａＮ層を堆積しても良い（図示せず）。アンドープＧａＮ層の上に、ｐ型窒化物半導体層２３を形成する。例えば、ｐ型不純物としてＣｐ₂Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、ＴＭＧ、Ａｌ（ＣＨ₃）₃（トリメチルアルミニウム、ＴＭＡ）およびＮＨ₃を原料として用い、９００℃以上１１００℃以下程度の成長温度で、厚さ７０ｎｍ程度のｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮからなるｐ型窒化物半導体層２３を形成する。ここで、ｘは、例えば、０．１４程度とする。

次に、ｐ型窒化物半導体層２３上に、Ｃｐ₂Ｍｇをドーパントとして用い、例えば厚さ０．５μｍ程度のｐ−ＧａＮコンタクト層を堆積する（図示せず）。次に、８００度から９００度程度の温度で、２０分間程度熱処理を行う。

次に、ｐ型電極４０及びｎ型電極３０を形成する。塩素系ガスを用いてドライエッチングを行うことにより、ｐ−ＧａＮコンタクト層、ｐ型窒化物半導体層２３、アンドープＧａＮ層、活性層領域２２およびｎ型窒化物半導体層２１の一部を除去して凹部３１を形成し、ｎ型窒化物半導体層２１の一部を露出させる。

次いで、凹部３１の底部に位置し、露出したｎ型窒化物半導体層２１の一部上に、ｎ型電極３０として、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ層を形成する。また、ｐ−ＧａＮコンタクト層上にｐ型電極４０として例えば、Ｐｄ／Ｐｔ層を形成する。その後、熱処理を行って、Ｔｉ／Ｐｔ層とｎ型窒化物半導体層２１、および、Ｐｄ／Ｐｔ層とｐ−ＧａＮコンタクト層を合金化させ、ｎ型窒化物半導体層２１およびｐ−ＧａＮコンタクト層にそれぞれｎ型電極３０およびｐ型電極４０を得る。

その後、基板１０の第２の主面１０ｂを研磨することにより、半導体発光素子１０１の厚さを小さくし、半導体発光素子１０１内での光の吸収を抑える。半導体発光素子１０１の厚さは、例えば、１００μｍとすると、半導体発光素子１０１を回路基板に実装する際にハンドリングしやすい。これにより、図１４に記載の平坦出射面１４を有する半導体発光素子１０１の構造が完成する。

次に、平坦出射面１４にストライプ構造５０を形成する。ストライプ構造５０は、例えば、コンタクト露光装置を用いた方法や、電子線描画装置を用いた方法、ナノインプリントを用いた方法、ステッパーを用いた方法など、様々な方法で形成することができる。本実施形態では、特に、コンタクト露光装置および電子線描画装置を用いストライプ構造５０の形成方法を詳細に説明する。なお、ストライプ構造５０を形成する前の出射面である第２の主面１０ｂを「平坦出射面１４」と表記する。

まず、平坦出射面１４にハードマスク材料として、例えば、ＳｉＯ₂膜を成膜する。ＳｉＯ₂膜は、例えば、プラズマ化学気相成長法（ｐ-ＣＶＤ）により成膜する。次に、レジストをハードマスク上に塗布する。レジスト塗布後、コンタクト露光装置または電子線描画装置を用いて露光を行い、現像処理を行うことにより、ａ軸と５°≦｜β｜≦８０°、より好ましくは３０°≦｜β｜≦６０°をなす方向に伸びる複数のストライプパターンを有するレジストパターンを形成する。

レジストパターンをマスクとし、ハードマスクのドライエッチングを行う。ハードマスクのドライエッチングは、例えば、ＣＦ₄ガスとＯ₂ガスを用いて行う。次に、ハードマスクをマスクとし、平坦出射面１４のドライエッチングを行う。平坦出射面１４のドライエッチングは、塩素系ガスを用いて行う。最後にハードマスクをドライエッチングにより除去する。これにより、図３に示すように、ストライプ構造５０が基板１０の第２の主面１０ｂに設けられた半導体発光素子１０１が完成する。

なお、平坦出射面１４にストライプ構造５０を形成する方法は次のような方法もある。すなわち、まず、平坦出射面１４上にフォトレジストを塗布し、コンタクト露光装置を用いて露光を行い、現像処理を行うことにより、ａ軸と５°≦｜β｜≦８０°、より好ましくは３０°≦｜β｜≦６０°をなす方向に伸びる複数のストライプパターンを有するレジストパターンを形成する。上記フォトレジストを加熱することによりドライエッチング耐性を向上させる。その後、上記フォトレジストをマスクとし、塩素系ガスを用いて平坦出射面１４のドライエッチングを行う。このとき、同時にフォトレジストも除去される。これにより、図３に示すように、ストライプ構造５０が基板１０の第２の主面１０ｂに設けられた半導体発光素子１０１が完成する。

また、半導体積層構造２０の形成には、主面がｍ面であるｎ型ＧａＮ基板ではなく、例えば、ＳｉＣ基板、サファイア基板、ＬｉＡｌＯ₂基板、Ｇａ₂Ｏ₃基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板上に結晶成長されたｍ面ＧａＮ層などを用いてもよい。この場合、上述の基板に窒化物系半導体をエピタキシャル成長させる前に、ストライプ構造５０を形成しておき、上記エピタキシャル成長後に、レーザーリフトオフなどを用い上記基板を剥離する。このとき、エピタキシャル成長させる前に形成したストライプ構造５０が、窒化物系半導体に転写されることになる。そのため、結果的に、上記基板を剥離したあと、ストライプ構造５０を有する半導体発光素子１０１を得ることができる。以上より半導体発光素子１０１を完成することもできる。ここで、基板上にｍ面からなる窒化物系半導体をエピタキシャル成長させるためには、ＳｉＣ基板やサファイア基板の面方位もｍ面である方が好ましい。ただし、ｒ面サファイア基板上にａ面ＧａＮが成長することが報告されているように、ｍを主面とする半導体層を成長させるために、基板１０の主面がｍ面であることは必須ではない。少なくとも活性層領域２２がｍ面に平行であり、その結晶成長の方向がｍ面と垂直であればよい。

（第２の実施形態）
図１５は、本発明による半導体発光素子の第２の実施形態の断面構造を模式的に示している。図１５に示すように半導体発光素子１０２は、基板１０と、基板１０の第１の主面１０ａ上に形成されており、活性層領域２２を含む半導体積層構造２０と、基板１０の第２の主面１０ｂに接して設けられた光出力部材１３とを備える。また、半導体積層構造２０には、ｎ型電極３０およびｐ型電極４０が設けられている。半導体積層構造２０、ｎ型電極３０およびｐ型電極４０の構造は第１の実施形態と同じである。

光出力部材１３は、基板１０の半導体積層構造２０側と異なる面である第２の主面１０ｂに接するように設けられている。光出力部材１３の第１の主面１３ａは基板１０に接しており、第２の主面１３ｂにストライプ構造５０が設けられている。光出力部材１３は、例えば、活性層領域２２で発生する偏光光を透過するＳｉＯ₂、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＴｉＯ₂、サファイア、ＬｉＡｌＯ₂、Ｇａ₂Ｏ₃などＧａＮ半導体以外の材料からなる。光出力部材１３は、より好ましくは、ドライエッチングなどにより加工が容易な材料からなる。

一般的にｎ型ＧａＮによって構成される基板１０のような窒化物系半導体のドライエッチングは、エッチングレートが遅い、側壁形状の制御が難しいなどの課題があった。これに対して、このような材料からなる光出力部材１３を備えることによって、ストライプ構造５０の形成が容易になる。また、光出力部材１３にＳｉＯ₂やＳｉＮを用いる場合、フッ素酸を含む水溶液などを用い、ウェットエッチングによってストライプ構造５０を形成することも可能となる。

また、光出力部材１３の屈折率ｎ_oは、ストライプ構造５０が設けられた第２の主面１３ｂが接している外部の媒体の屈折率ｎ_t以上（ｎ_t＜ｎ_o）であることが好ましい。これにより、基板１０から外部へ直接偏光光を透過させる場合に比べて、基板１０の第２の主面１０ｂを透過する光の透過率を高め、光の取り出し効率をより向上させることができる。

なお、光出力部材１３から出射する偏光光の偏光度は、光出力部材１３を構成する材料の屈折率ｎ_o、ストライプ構造５０の凸部５０ａの伸びる方向とａ軸とのなす角度β（図４（ｃ））および斜面５２がｍ面に依存する。

半導体発光素子１０２は、例えば、以下の方法によって製造することができる。

まず、図１４に示すように、第１の実施形態と同様の方法によって、基板１０の上に半導体積層構造２０を形成する。基板１０として、主面がｍ面であるｎ型ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板、サファイア基板、ＬｉＡｌＯ₂基板、Ｇａ₂Ｏ₃基板を用いることができる。また、ｎ型電極３０およびｐ型電極４０を形成する。

その後、基板１０の第２の主面１０ｂに、光出力部材１３を形成する。ＳｉＯ₂からなる光出力部材１３を形成する場合には、プラズマ化学気相成長法などによって、ＳｉＯ₂膜を形成する。膜厚が大きくなると、膜質が低下し、透過率が低下しやすい。このため、光出力部材１３の厚さは、１０μｍ以下であることが好ましい。

その後、第１の実施形態で説明したようにＳｉＯ₂膜上にレジストパターンを形成し、レジストパターンを用いてＳｉＯ₂膜をエッチングする。例えば、ＣＦ₄ガスおよびＯ₂ガスの混合ガスを用い、ドライエッチングを行うことによって、窒化物半導体からなる基板１０をエッチングするよりも容易に、かつ、制御性よくストライプ構造５０を形成することができる。これにより図１５に示す半導体発光素子１０２が完成する。

（第３の実施形態）
図１６は、本発明による半導体発光素子の第３の実施形態の断面構造を模式的に示している。図１６に示すように半導体発光素子１０３は、基板１０と、基板１０の第１の主面１０ａ上に形成されており、活性層領域２２を含む半導体積層構造２０と、ｎ型電極３０と、ｐ型電極４０とを備える。

半導体発光素子１０３は、半導体積層構造２０に凹部３１が設けられておらず、ｎ型電極３０が基板１０のストライプ構造５０が設けられた第２の主面１０ｂに設けられている点で第１の実施形態と異なっている。半導体積層構造２０の積層構造、ｐ型電極４０およびストライプ構造５０は第１の実施形態と同じ構造を備えている。

図１６に示すようにｎ型電極３０は、例えば、Ｔｉ層およびＰｔ層の積層構造（Ｔｉ／Ｐｔ）などからなり、ストライプ構造５０の一部を覆うように設けられている。半導体発光素子１０３によれば、半導体積層構造２０に凹部３１を設ける必要がないため、素子構造が簡単になり、製造コストを低減することが可能となる。

半導体発光素子１０３は、例えば以下の方法によって製造することができる。まず、第１の実施形態で説明したように、基板１０の第１の主面１０ａ上に半導体積層構造２０上に形成する。その後、全体の厚さが１００μｍ程度になるまで、基板１０を研磨する。次に、第１の実施形態で説明したように基板１０の第２の主面１０ｂにストライプ構造５０を形成する。

ストライプ構造５０の形成後、電極を形成する。まず、ストライプ構造５０が形成された第２の主面１０ｂの一部上に、ｎ型電極３０として、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ層を形成する。また、ｐ型窒化物半導体層２３上にｐ型電極４０として、例えば、Ｐｄ／Ｐｔ層を形成する。その後、熱処理を行って、Ｔｉ／Ｐｔ層と基板１０、および、Ｐｄ／Ｐｔ層とｐ−ＧａＮコンタクト層を合金化させ、基板１０およびｐ−ＧａＮコンタクト層にそれぞれ電気的に接続されたｎ型電極３０およびｐ型電極４０を得る。これにより、図１６に示す半導体発光素子１０３が完成する。

（第４の実施形態）
図１７は、本発明による半導体発光素子の第４の実施形態の断面構造を模式的に示している。図１７に示すように、半導体発光素子１０４は、基板１０と、基板１０の第１の主面１０ａ上に形成されており、活性層領域２２を含む半導体積層構造２０と、光出力部材１３と、ｎ型電極３０とｐ型電極４０とを備えている。

半導体発光素子１０４は、基板１０の第２の主面１０ｂに設けられたストライプ構造５０を覆うように光出力部材１３が設けられている点で、第１の実施形態と異なる。また、ストライプ構造５０が基板１０に設けられている点で第２の実施形態と異なっている。半導体積層構造２０、ｎ型電極３０、ｐ型電極４０およびストライプ構造５０の構造は第１の実施形態と同じである。

基板１０の第２の主面１０ｂに設けられたストライプ構造５０を覆う光出力部材１３の屈折率ｎ_oは、半導体発光素子１０４の外部の媒体の屈折率ｎ_tよりも大きいこと（ｎ_t＜ｎ_o）が好ましい。また、光出力部材１３は、活性層領域２２で発生する偏光光に対して高い透過率を有していることが好ましい。これにより、基板１０から外部へ直接偏光光を透過させる場合に比べて、基板１０の第２の主面１０ｂを透過する光の透過率を高め、光の取り出し効率をより向上させることができる。光出力部材１３は、例えば、活性層領域２２で発生する偏光光を透過するＳｉＯ₂、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＴｉＯ₂、サファイア、ＬｉＡｌＯ₂、Ｇａ₂Ｏ₃などＧａＮ半導体以外の材料からなる。

光出力部材１３は、ストライプ構造５０の溝５０ｂを完全に埋め、外部の媒体と接する第２の主面１３ｂが平坦になっていてもよいし、第２の主面１３ｂにストライプ構造５０と対応するストライプ構造５０’を備えていてもよい。光出力部材１３の屈折率ｎ_oは、ｎ_t＜ｎ_o＜ｎ₁の関係を満たしていることが好ましい。ここで、ｎ₁は、基板１０の屈折率である。このように屈折率が、ｎ₁からｎ_tまで段階的に変化することにより、活性層領域２２で発生する偏光光の透過率がさらに向上する。

半導体発光素子１０４は、例えば、以下の方法によって形成できる。まず、第１の実施形態で説明したように、基板１０上に半導体積層構造２０、ｎ型電極３０、ｐ型電極４０を形成する。さらに基板１０の第２の主面１０ｂにストライプ構造５０を形成する。

その後、出力部材１３を堆積する。例えば、出力部材１３として、ＳｉＯ₂膜を成膜する場合には、プラズマ化学気相成長法を用いることができる。その後、必要であれば、光出力部材１３に第２の実施形態で説明した方法により、ストライプ構造５０’を形成する。

（第５の実施形態）
図１８は、本発明による半導体発光素子の第５の実施形態の断面構造を模式的に示している。図１８に示すように、半導体発光素子１０５は、基板１０と、基板１０の第１の主面１０ａ上に形成されており、活性層領域２２を含む半導体積層構造２０と、光出力部材１３と、ｎ型電極３０とｐ型電極４０とを備えている。

半導体発光素子１０５は、光出力部材１３がｐ型窒化物半導体層２３に接して設けられており、活性層領域２２で発生した偏光光がｐ型窒化物半導体層２３を透過して光出力部材１３から出射する点で第１の実施形態と異なっている。

図１８に示すように、ｐ型窒化物半導体層２３の第２の主面２３ｂは、活性層領域２３側に位置している。ｐ型窒化物半導体層２３の第１の主面２３ａには、光出力部材１３が設けられている。光出力部材１３のｐ型窒化物半導体層２３に接していない側に位置する第１の主面１３ａは出射面であり、第１の主面１３ａにストライプ構造５０が設けられている。また、ｐ型窒化物半導体層２３の第１の主面２３ａの一部にはｐ型電極４０も設けられている。

基板１０の第２の主面１０ｂには、ｎ型電極３０が設けられており、電気的に接続されている。半導体積層構造２０およびストライプ構造５０は第１の実施形態と同じ構造を備えている。

光出力部材１３は、例えば、活性層領域２２で発生する偏光光を透過するＳｉＯ₂、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＴｉＯ₂、サファイア、ＬｉＡｌＯ₂、Ｇａ₂Ｏ₃などＧａＮ半導体以外の材料からなる。光出力部材１３は、より好ましくは、ドライエッチングなどにより加工が容易な材料からなる。光出力部材１３の屈折率ｎ_oは、ストライプ構造５０が設けられた第１の主面１３ａが接している外部の媒体の屈折率ｎ_t以上（ｎ_t＜ｎ_o）であることが好ましい。これにより、ｐ型窒化物半導体層２３から外部へ直接偏光光を透過させる場合に比べて、ｐ型窒化物半導体層２３の第１の主面２３ａを透過する光の透過率を高めることができる。

さらに、第２の実施形態に比べて、光出力部材１３と活性層領域２２との間隔を短くし、活性層領域２２で発生した偏光光が半導体層で吸収されるのを抑制することができる。このため、いっそう、光の取り出し効率を向上させることができる。また、第２の実施形態で説明したように、ストライプ構造５０の形成も容易となる。

半導体発光素子１０５は、例えは、以下の方法により製造することができる。まず、図１８に示すように、第１の実施形態と同様の方法によって基板１０の上に半導体積層構造２０を形成する。その後、基板１０を研磨し、全体の厚さを１００μｍ程度にする。

次に、電極を形成する。まず、基板１０の第２の主面１０ｂにｎ型電極３０として、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ層を形成する。また、ｐ型窒化物半導体層２３の一部上に、ｐ型電極４０としてＰｄ／Ｐｔ層を形成する。その後、熱処理を行って、Ｔｉ／Ｐｔ層と基板１０、および、Ｐｄ／Ｐｔ層とｐ−ＧａＮコンタクト層とを合金化させ、基板１０およびｐ−ＧａＮコンタクト層にそれぞれ接合したｎ型電極３０およびｐ型電極４０を得ることができる。

電極形成後、ｐ型窒化物半導体層２３の第１の主面２３ａ上に光出力部材１３を形成する。ＳｉＯ₂からなる光出力部材１３を形成する場合には、プラズマ化学気相成長法などによって、ＳｉＯ₂膜を形成する。膜厚が大きくなると、膜質が低下し、透過率が低下しやすい。このため、光出力部材１３の厚さは、１０μｍ以下であることが好ましい。

その後、第１の実施形態で説明したようにＳｉＯ₂膜上にレジストパターンを形成し、レジストパターンを用いてＳｉＯ₂膜をエッチングする。例えば、ＣＦ₄ガスおよびＯ₂ガスの混合ガスを用い、ドライエッチングを行うことによって、容易に、かつ、制御性よくストライプ構造５０を形成することができる。

最後に、ストライプ構造５０上にレジストパターンを形成し、レジストパターンを用いてＳｉＯ₂膜をエッチングする。例えば、フッ酸を用い、ウェットエッチングを行うことによって、ｐ型電極４０を露出させる。これにより図１８に示す半導体発光素子１０５が完成する。

（第６の実施形態）
図１９は、本発明による半導体発光素子の第６の実施形態の断面構造を模式的に示している。図１９に示すように、半導体発光素子１０６は、基板１０と、基板１０の第１の主面１０ａ上に形成されており、活性層領域２２を含む半導体積層構造２０と、ｎ型電極３０とｐ型電極４０とを備えている。

半導体発光素子１０６は、ｐ型窒化物半導体層２３の第１の主面２３ａにストライプ構造５０が設けられており、ストライプ構造５０の表面全体を覆うように、ｐ型電極４０が形成されている点で第５の実施形態と異なる。

ｐ型電極４０は、本実施形態ではＩＴＯからなる透明電極である。透明電極とｐ型窒化物半導体層２３との間に、ｐ型窒化物半導体層２３とオーミック接合する十分薄い金属の層を設けてもよい。半導体発光素子１０６によれば、ｐ型電極４０をｐ型窒化物半導体層２３の第１の主面２３ａ全体に設けることができるため、低抵抗のｐ型オーミック接合を実現することができる。

半導体発光素子１０６は例えば以下の方法によって製造することができる。まず、図１９に示すように、第１の実施形態と同様の方法によって基板１０の上に半導体積層構造２０を形成する。その後、基板１０を研磨し、全体の厚さを１００μｍ程度にする。次に、ｐ型窒化物半導体層２３の第１の主面２３ａにストライプ構造５０を形成する。その後、電極を形成する。まず、基板１０上にｎ型電極３０として、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ層を形成する。また、ストライプ構造５０上にｐ型電極４０として、例えば、ＩＴＯ層を形成する。その後、熱処理を行って、Ｔｉ／Ｐｔ層と基板１０、および、ＩＴＯ層とｐ型窒化物半導体層２３を合金化させ、基板１０およびｐ型窒化物半導体層にそれぞれ接合したｎ型電極３０およびｐ型電極４０を得ることができる。これにより、図１９に示す半導体発光素子１０６が完成する。

（第７の実施形態）
図２０は、本発明による半導体発光素子の第７の実施形態の断面構造を模式的に示している。図２０に示すように、半導体発光素子１０７は、基板１０と、基板１０の第１の主面１０ａ上に形成されており、活性層領域２２を含む半導体積層構造２０と、ｎ型電極３０とｐ型電極４０とを備えている。

半導体発光素子１０７は、ｐ型電極４０がｐ型窒化物半導体層２３の第１の主面２３ａに設けられたストライプ構造５０の一部にのみ設けられている点で第６の実施形態と異なる。ｐ型電極４０を小さくすることにより、第６の実施形態と比較して、ｐ型電極４０による光の吸収を抑制することができ、光取出し効率を向上させることができる。

半導体発光素子１０７は例えば以下の方法によって製造することができる。まず、図２０に示すように、第１の実施形態と同様の方法によって基板１０の上に半導体積層構造２０を形成する。その後、基板１０を研磨し、全体の厚さを１００μｍ程度にする。次に、ｐ型窒化物半導体層２３の第１の主面２３ａにストライプ構造５０を形成する。その後、電極を形成する。まず、基板１０上にｎ型電極３０として、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ層を形成する。また、ストライプ構造５０の一部にｐ型電極４０として、例えば、Ｐｄ／Ｐｔ層を形成する。その後、熱処理を行って、Ｔｉ／Ｐｔ層と基板１０、および、Ｐｄ／Ｐｔ層とｐ型窒化物半導体層２３を合金化させ、基板１０およびｐ型窒化物半導体層にそれぞれ接合したｎ型電極３０およびｐ型電極４０を得ることができる。これにより、図２０に示す半導体発光素子１０７が完成する。

本発明による効果を確認するため、第１の実施形態の製造方法に従い、種々の半導体発光素子を作製し、特性を評価した。

（実施例１、参考例１、比較例１の作製）
まず、図３に示すように、基板１０上に半導体積層構造２０をエピタキシャル成長させた。成長には、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いた。具体的には、基板１０としてｍ面を有するｎ型のＧａＮ基板の上に、ｎ型窒化物半導体層２１をエピタキシャル成長させた。ｎ型不純物としてシリコンを用い、ＴＭＧ（Ｇａ（ＣＨ₃）₃）、およびＮＨ₃を原料として反応室に供給し、１０５０℃の成長温度で、ＧａＮからなる厚さ３μｍのｎ型窒化物半導体層２１を形成した。

次に、ｎ型窒化物半導体層２１上に、活性層領域２２を形成した。活性層領域２２は、厚さ９ｎｍのＧａ_1-xＩｎ_xＮ（ｘは０．１９）井戸層と、厚さ９ｎｍのＧａＮバリア層が交互に積層されたＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有している。Ｇａ_1-xＩｎ_xＮ井戸層を形成する際、Ｉｎの取り込みを行うために、成長温度を８００℃に下げた。

次に、活性層領域２２の上に、厚さ３０ｎｍのアンドープＧａＮ層（図示せず）を堆積した。アンドープＧａＮ層の上に、ｐ型窒化物半導体層２３を形成した。ｐ型不純物としてＣｐ₂Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、ＴＭＧ、ＴＭＡおよびＮＨ₃を原料として反応室に供給し、１０５０℃の成長温度で、厚さ７０ｎｍのｐ−Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎからなるｐ型窒化物半導体層２３を形成した。

次に、ｐ型窒化物半導体層２３上に、Ｃｐ₂Ｍｇをドーパントとして用い、厚さ０．５μｍのｐ−ＧａＮコンタクト層（図示せず）を堆積した。

次に、塩素系ガスを用いてドライエッチングを行うことにより、ｐ−ＧａＮコンタクト層、ｐ型窒化物半導体層２３、アンドープＧａＮ層、活性層領域２２およびｎ型窒化物半導体層２１の一部を除去して凹部３１を形成し、ｎ型窒化物半導体層２１の一部を露出させた。

次いで、凹部３１の底部に位置し、露出したｎ型窒化物半導体層２１の一部上に、ｎ型電極３０として、Ｔｉ／Ｐｔ層を形成した。また、ｐ−ＧａＮコンタクト層上にｐ型電極４０として、Ｐｄ／Ｐｔ層を形成した。その後、熱処理を行って、Ｔｉ／Ｐｔ層とｎ型窒化物半導体層２１、および、Ｐｄ／Ｐｔ層とｐ−ＧａＮコンタクト層を合金化させ、ｎ型窒化物半導体層およびｐ−ＧａＮコンタクト層にそれぞれｎ型電極３０およびｐ型電極４０を得た。

その後、基板１０を研磨することで、全体の厚さを１００μｍに薄膜化した。これにより半導体発光素子の部分を完成させた。

次にストライプ構造５０を作製した。基板１０の第２の主面１０ｂにハードマスク材料として、ＳｉＯ₂膜を成膜した。ＳｉＯ₂膜は、プラズマ化学気相成長法により成膜した。次に、電子線描画用レジストをハードマスク上に塗布し、電子線描画装置を用いて、電子線描画用レジストのパターニングを行った。電子線描画用レジストをマスクとし、ハードマスクのドライエッチングを行った。ハードマスクのドライエッチングは、ＣＦ₄ガスとＯ₂ガスを用いた。さらに、ハードマスクをマスクとし、基板１０の第２の主面１０ｂのドライエッチングを塩素系ガスを用いて行った。最後にハードマスクをドライエッチングにより除去した。上記の方法により、半導体発光素子を製作した。

ストライプ構造のピッチｐは３００ｎｍであり、高さｈは３００ｎｍとした。また、断面形状は、台形に近い形状とした。上記断面形状の模式図を図２１（ａ）に示す。ストライプの伸びる方向がａ軸と平行（β＝０）である参考例１、ａ軸と４５°の角度をなす（β＝４５）実施例１およびａ軸と直交する（β＝９０）比較例１を作製した。

（実施例２、参考例２、比較例２の作製）
実施例１、参考例１、比較例１と同様の手順により、半導体発光素子の部分を作製した。その後、ストライプ構造を、実施例１、参考例１、比較例１とは異なる手順で作製した。すなわち、基板１０の第２の主面１０ｂにハードマスク材料として、ＳｉＯ₂膜を成膜した。ＳｉＯ₂膜は、プラズマ化学気相成長法により成膜した。次に、フォトレジストをハードマスク上に塗布し、コンタクト露光装置を用いて、フォトレジストのパターニングを行った。フォトレジストをマスクとし、ハードマスクのドライエッチングを行った。ハードマスクのドライエッチングは、ＣＦ₄ガスとＯ₂ガスを用いた。さらに、ハードマスクをマスクとし、基板１０の第２の主面１０ｂのドライエッチングを塩素系ガスを用いて行った。最後にハードマスクをドライエッチングにより除去した。上記の方法により、半導体発光素子を製作した。

ストライプ構造のピッチｐは８μｍであり、高さｈは４μｍとした。また、断面形状は、台形に近い形状とした。上記断面形状の模式図を図２１（ａ）に示す。ストライプの伸びる方向がａ軸と平行（β＝０）である参考例２、ａ軸と４５°の角度をなす（β＝４５）実施例２およびａ軸と直交する（β＝９０）比較例２を作製した。

（実施例３、参考例３、比較例３の作製）
ストライプ構造とａ軸のなす角が、β＝０°、５°、３０°、４５°、９０°となる半導体発光素子を作製した。まず、実施例１、参考例１、比較例１と同様の手順により、半導体発光素子の部分を作製した。その後、ストライプ構造を、実施例１、参考例１、比較例１とは異なる手順で作製した。すなわち、基板１０の第２の主面１０ｂにフォトレジストを塗布し、コンタクト露光装置を用いて、フォトレジストのパターニングを行い、フォトレジストを２３０℃で加熱した。フォトレジストをマスクとし、基板１０の第２の主面１０ｂのドライエッチングを塩素系ガスを用いて行った。このとき、フォトレジストも上記ドライエッチングにより同時に除去される。上記の方法により、半導体発光素子を製作した。

ストライプ構造のピッチｐは８μｍであり、高さｈは２．５μｍとした。また、上記製造方法でストライプ構造を作製することにより、実施例２、参考例２、比較例２とは異なる断面形状を得ることができる。すなわち、断面形状は、二等辺三角形に近い形状とした。上記断面形状の模式図を図２１（ｂ）に示す。ストライプの伸びる方向がａ軸と平行（β＝０）である参考例３、ａ軸と５°、３０°、４５°の角度をなす（β＝５、３０、４５）実施例３およびａ軸と直交する（β＝９０）比較例３を作製した。

（比較例４の作製）
実施例１と同様の手順により、ストライプ構造５０を設けないことのみが異なる半導体発光素子を作製し、比較例４とした。

（実施例１−３、参考例１−３、比較例１−４の特性評価）
作製した半導体発光素子の特性を評価した。伝搬ベクトルｋの存在範囲がｍｃ平面に平行な平面が主であること（図８（ａ）参照）を確認することを目的とし、比較例４の半導体発光素子の配光特性を計測した。図２２（ａ）は配光特性を計測した結果を示すグラフである。図２３は、測定に用いた構成を模式的に示している。比較例４の半導体発光素子をフリップチップ実装し、発光素子チップ７１として測定に用いた。発光素子チップ７１に電源７２から電流を流すことにより発光が得られる。発光素子チップ７１は、図２３において示すｚ軸を中心軸として回転させ、フォトディテクタ７３により光強度を計測した。図２２（ａ）に示すａ軸方向とは、図２３に示すｘ軸をｍ軸、ｙ軸をａ軸、ｚ軸をｃ軸としたときの計測結果であり、図２２（ａ）に示すｃ軸方向とは図２３に示すｘ軸をｍ軸、ｙ軸をｃ軸、ｚ軸をａ軸、としたときの計測結果である。

図２２（ａ）から、ａ軸方向に比べ、ｃ軸方向において、広い角度に渡って光強度が強い配光特性を持っていることが分かる。つまり、放射角度はａ軸方向よりもｃ軸方向において広く、配光特性に非対称性がある。図２２（ｂ）および図２２（ｃ）は、図２２（ａ）に示す結果を模式的に表している。図２２（ｂ）では、ｍｃ平面に伝搬する光を模式的に表しており、ｍｃ平面において、広い範囲にわたって強い光を発していることが分かる。一方、図２２（ｃ）では、ｍａ平面に伝搬する光を模式的に表しており、ｍ軸方向において、強い光を発していることが分かる。また、ａ軸方向成分を持つ光は少ない。ここで、ｍ軸方向に発する光は、ｍｃ平面とｍａ平面で共有する光である。これらのことから、発生した光はｍｃ平面に主に存在していることが分かる。

次に、実施例１、参考例１、比較例１の半導体発光素子の配光特性を計測した。測定に用いた構成は、図２３に示す通りである。図２４は、参考例１（β＝０）、実施例１（β＝４５）、比較例１（β＝９０）の半導体発光素子における配光特性を計測した結果を示すグラフである。図２４（ａ）は、ａ軸方向の計測結果であり、図２４（ｂ）は、ｃ軸方向の計測結果を示している。ここで、ａ軸方向とは、図２３に示すｘ軸をｍ軸、ｙ軸をａ軸、ｚ軸をｃ軸、としたときの計測結果であり、ｃ軸方向とは図２２に示すｘ軸をｍ軸、ｙ軸をｃ軸、ｚ軸をａ軸、としたときの計測結果である。図２４（ａ）から、ａ軸方向の配光特性は、角βに依存しないことが分かる。これに対し、ｃ軸方向の配光特性は、図２４（ｂ）から、角βの値が４５°以下のとき、０°付近、すなわちｍ軸方向の光強度の割合が大きくなっていることが分かる。すなわち、角βの値が４５°以下のとき、ａ軸方向の配光特性とｃ軸方向の配光特性は類似することが分かる。これらの結果から、実施例１の半導体発光素子では、配光特性の非対称性が改善されていることが分かる。

次に、出射した偏光光において、偏光度がどの程度抑制されているかを確認した。図２５は、半導体発光素子Ｓにおける、ストライプ構造５０のピッチｐ及び角度βと偏光度の維持の関係を調べた測定結果である。ここで、半導体発光素子Ｓとは、実施例１、２、参考例１、２、比較例１、２の総称とする。また、偏光度の維持とは、ストライプ構造が設けられていない比較例４の有する偏光度に対する維持を言い、式（９）で表される値を言う。

図２６は測定に用いた構成を模式的に示している。半導体発光素子Ｓまたは比較例４の半導体発光素子をフリップチップ実装し、発光素子チップ７１として測定に用いた。発光素子チップ７１に電源７２から電流を流すことにより発光が得られる。発光素子チップ７１から出射した光は偏光板７４を通過し、フォトディテクタ７３において光の強度を計測した。発光素子チップ７１から出射する光が偏光光を有する場合、偏光板７４を回転させることにより、光の強度が変化することが観測される。

図２５に示すように、少なくともピッチ３００ｎｍ以上８μｍ以下のストライプ構造において、角βが４５°および９０°である場合、偏光度が７０％程度に低下することが分かる。これに対し、角度βが０°の場合、偏光度が維持されていることが分かる。

角βと偏光度の関係をさらに詳しく調べるため、実施例３、参考例３、比較例３の半導体発光素子における偏光度を計測した。図２７は実施例３、参考例３、比較例３の計測結果である。なお、計測結果は比偏光度として評価した。比偏光度とは、式（７）で表される値を言う。より具体的に表現しなおすと、比偏光度とは、実施例３または比較例３の偏光度を参考例３の偏光度で規格化した値を言い、式（１０）で表される値を言う。

図２７に示すように、角βが５°以上で偏光度が０．４以下と大きく減少していることが分かる。特に、角βが３０°以上になると比偏光度は０．２５以下になる。また、比偏光度の減少率は緩やかになり、角βが４５°付近で最小値をとることが分かる。半導体発光素子を製造する際の凸部の伸びる方向の方位誤差が５°程度であるとすれば、角βは４０°以上５０°以下が最も好ましいと言える。

なお、図２５に示す測定結果では、角β＝４５°および角β＝９０°における偏光度の維持率は５０％以上であるのに対し、図２７に示す測定結果では、角β＝４５°および角β＝９０°における偏光度の維持率は２０％程度になっている。これは、上述したようにストライプ構造の凸部における断面形状の違いによるものと考えられる。

具体的には、図２５に示す測定結果が得られた半導体発光素子のストライプ構造における凸部５３ａの断面形状は、図２１（ａ）に示す通り上面５３を有する。上面５３から出射する光は上述したように偏光特性が十分には抑制されないため、図２５に示す測定結果が得られた半導体発光素子においては、角βが０より大きくなっても、出射する光の偏光度が比較的高い値に維持されると考えられる。これに対して、図２７に示す測定結果が得られた半導体発光素子のストライプ構造における凸部５３ａの断面形状は、図２１（ｂ）に示す通り上面を有しない。このため、偏光特性がより抑制されていると考えられる。

このように、ストライプ構造における凸部の断面形状によって、偏光度の維持率は異なる。しかし、斜面による偏光特性の抑制効果の角βの依存性は、断面形状にかかわらず同じであると考えられる。したがって、ストライプ構造における凸部の断面形状に関わらず、角βは５°以上８０°以下が好ましく、３０°以上６０°以下がより好ましく、４５°程度が最も好ましいと考えられる。

次に、光取出し効率を確認した。図２８は実施例１、参考例１、比較例１の半導体発光素子における、比光取出し効率となす角βの関係を調べた測定結果を示している。比光取出し効率とは、実施例１または参考例１または比較例１の半導体発光素子における光取出し効率を、比較例３の平坦出射面を有する半導体発光素子における光取出し効率で規格化した値である。図２８より、平坦出射面１４にストライプ構造５０を形成することにより、比光取出し効率が１より大きい値、具体的には、１．１以上になっていることが分かる。特になす角βが０°および４５°である場合、比光取出し効率は１．２以上になり、大幅に光取出し効率が改善していることが分かる。

このように実施例１、２または３の半導体発光素子によれば、図２４に示すように、配光特性の非対称性が改善され、また、図２５、図２７に示すように、偏光光の偏光特性を減少させる。また、図２８に示すように、光取出し効率が大幅に改善する。したがって、実施例１、２または３の半導体発光素子は偏光度が小さく、高効率で配光特性に優れた光源として用いることができることが分かった。

本発明の半導体発光素子は、高い光取出し効率、十分小さな偏光度および十分良好な配光特性を備えており、種々の光源として用いることができる。特に、偏光特性が求められない一般照明に好適に用いることができる。

１０ 基板
１３ 光出力部材
１４ 平坦出射面
２０ 半導体積層構造
２１ ｎ型窒化物半導体層
２２ 活性層領域
２３ ｐ型窒化物半導体層
３０ ｎ型電極
３１ 凹部
４０ ｐ型電極
５０ ストライプ構造
５０ａ 凸部
５０ｂ 溝
５２ 斜面
５３ 上面
５４ ａｃ平面に平行な平面
５５ 平面５４と斜面の交わる直線
５６ ストライプ構造５０の断面形状
６０ ｍｃ平面に平行な平面
７１ 発光素子チップ
７２ 電源
７３ フォトディテクタ
７４ 偏光板
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７ 半導体発光素子

Claims (12)

1. ｎ型窒化物半導体層と、
   ｐ型窒化物半導体層と、
   ｍ面窒化物半導体層を含み、前記ｎ型窒化物半導体層および前記ｐ型窒化物半導体層に挟まれた活性層領域と、
   前記ｎ型窒化物半導体層に電気的に接続されたｎ型電極と、
   前記ｐ型窒化物半導体層に電気的に接続されたｐ型電極と、
   前記活性層領域で発生する偏光光を外部へ取り出す出射面と、
   前記出射面に設けられたストライプ構造であって、前記ｍ面窒化物半導体層のａ軸方向と５°以上８０°以下または−８０°以上−５°以下の角度をなす方向に伸びる複数の凸部を有するストライプ構造と、
   を備えた半導体発光素子。
2. 前記複数の凸部は、前記出射面と非平行な少なくとも１つの斜面を有する請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記複数の凸部の周期は３００ｎｍ以上である請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 前記複数の凸部の周期は８μｍ以下である請求項１から３の何れかに記載の半導体発光素子。
5. 前記ストライプ構造において、前記複数の凸部は、前記ｍ面窒化物半導体層の前記ａ軸方向と３０°以上６０°以下または−６０°以上−３０°以下の角度をなす方向に伸びている請求項１から４の何れかに記載の半導体発光素子。
6. 前記偏光光は、前記ａ軸方向よりもｃ軸方向に広い放射角度を有する配光特性で、前記活性層領域で発生する請求項１から５の何れかに記載の半導体発光素子。
7. 第１および第２の主面を有するｎ型窒化物半導体基板をさらに備え、
   前記第１の主面は、前記ｎ型窒化物半導体層に接しており、
   前記出射面は、前記第２の主面である請求項１から６の何れかに記載の半導体発光素子。
8. 前記ｐ型窒化物半導体層は、第１および第２の主面を有し、
   前記第２の主面は前記活性層領域側に位置しており、
   前記出射面は前記第１の主面である請求項１から７の何れかに記載の半導体発光素子。
9. 前記ｎ型窒化物半導体層に接して設けられたｎ型窒化物半導体基板と、
   第１および第２の主面を有する光出力部材と
   をさらに備え、
   前記第１の主面は、前記ｎ型窒化物半導体基板の前記ｎ型窒化物半導体層に接している面とは反対の面に接しており、
   前記出射面は、前記第２の主面である請求項１から８の何れかに記載の半導体発光素子。
10. 前記光出力部材の屈折率は１より大きい請求項１から９の何れかに記載の半導体発光素子。
11. ｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層および前記ｐ型窒化物半導体層に挟まれており、ｍ面窒化物半導体層を含む活性層領域とを有する半導体積層構造を基板上に形成する工程と、
    前記ｎ型窒化物半導体層に電気的に接続されたｎ型電極および前記ｐ型窒化物半導体層に電気的に接続されたｐ型電極を形成する工程と、
    前記基板の前記半導体積層構造が設けられていない面に、前記ｍ面窒化物半導体層のａ軸方向と５°以上８０°以下または−８０°以上−５°以下の角度をなす方向に伸びる複数の凸部を有するストライプ構造を形成する工程と、
    を包含する半導体発光素子の製造方法。
12. ｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層および前記ｐ型窒化物半導体層に挟まれており、ｍ面窒化物半導体層を含む活性層領域とを有する半導体積層構造を基板上に形成する工程と、
    前記ｎ型窒化物半導体層に電気的に接続されたｎ型電極および前記ｐ型窒化物半導体層に電気的に接続されたｐ型電極を形成する工程と、
    前記基板の前記半導体積層構造が設けられていない面に、前記ｍ面窒化物半導体層のａ軸方向と３０°以上６０°以下または−６０°以上−３０°以下の角度をなす方向に伸びる複数の凸部を有するストライプ構造を形成する工程と、
    を包含する半導体発光素子の製造方法。

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