JP6494510B2 - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光素子に関し、特に素子内で発光した光の外部への光取出しについて改善をはかった半導体発光素子及びその製造方法に関する。
半導体発光素子は、発光層やｎ型半導体層、ｐ型半導体層、電極層、支持基板など、幾つかの層から形成される。このため、半導体素子内部の発光層で発光した光は、これら幾つかの層を通過した後に外部に取り出される。しかしながら光については、屈折率の異なる媒質の境界、つまり層界面や表面などを通過する際には必ず一定割合の反射が起こる。また、上述した光の波長（発光波長）に対し吸収係数を有する媒質層を光が通過あるいは反射する際には、一定割合の光吸収が発生する。このため、発光層で発光した光を半導体発光素子の外部に効率良く取り出すことは一般的に困難である。
特に屈折率の大きな媒質から小さな媒質に光が進む場合には光の全反射が起こり、臨界角以上の光は外部に取り出すことができない。半導体発光素子の表面、つまり空気（または封止材料）と半導体素子との界面では、両媒質間の屈折率差が大きくなるため、全反射の起こる臨界角が小さくなり、結果的に界面において全反射される光の割合は増大する。
例えば、サファイア基板の屈折率ｎは１．８で、空気に対する臨界角は３３．７度である。すなわち、半導体発光素子を構成する基板としてサファイア基板を用いる場合であって、サファイア基板を通過して空気側へ光を取り出す場合、入射角が３３．７度より大きい光は全反射され外部に取り出すことができない。さらに屈折率の大きな窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板（屈折率ｎ＝２．２９）の場合は、臨界角が２５．９度となり、さらに少ない光しか外部に取り出すことができない。
３次元時間領域有限差分法（Ｆｉｎｉｔｅ−ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄ：ＦＤＴＤ法）を用いた光放射伝搬特性の理論計算を用いて、例えばＡｌＮ基板上にＡｌＧａＮ層を積層した半導体発光素子における光の取り出し効率を計算した。この結果、ＡｌＧａＮ層内の発光部から放射された波長２６５ｎｍの光の内、発光部から見てＡｌＮ基板と反対側に位置するｐ型ＧａＮ層の吸収なども考慮すると、ＡｌＮ基板の表面（光取出し面）側から取り出せる光の取出し効率は、約４％と極めて低い。
このような問題に対し、光取出し効率を向上させる目的で、基板表面（光取出し面）にナノメートルスケールの凹凸構造を設けた半導体発光素子が提案されている。例えば特許文献１では、発光層より発光される光の平均光学波長の２倍以下となる平均周期を有する凹凸構造を、光取出し面に設けることが開示されている。このような凹凸構成を形成することにより、光取出し面における全反射される光の割の割合を低減する（すなわち素子表面での光の反射を抑制する）方法が提案されている。しかしながら、半導体発光素子の表面にナノメートルスケールの凹凸構造を形成することは容易ではない。また、凹凸構造の形状や発光波長によっても光取出し効率が大きく変動し、十分な効果が得られていない。
発光波長が短くなればなるほど、要求される凹凸構造の周期（例えば凸構造の場合、凸構造の頂点部と隣接する凸構造の頂点部までの距離）は短くなるため、当該凹凸構造の作製は困難となる。特に紫外・深紫外波長領域の光を発光する半導体発光素子においては、当該凹凸構造のサイズは光リソグラフィーでは作製困難な領域となる。この結果、作製コストの増大、歩留まり、生産性の低下などの問題が発生するため実用的では無い。
特許文献１（特開２００５−３５４０２０号公報）では、ナノメートルスケールの周期凹凸構造を形成するため、蒸着した金属を加熱し凝集させたナノメートルサイズの微細金属マスクを光取出し面上に形成し、当該光取出し面の表面をエッチングする方法を開示している。しかしこのような凝集効果を利用した周期マスクは、凹凸構造の配置がランダムであり、その形状の不均一性が大きい。そのため、半導体発光素子から外部に出力される光のパワーのバラつきが大きく、安定で均質な光を出射する半導体発光素子を提供することは難しい。
非特許文献１（ISDRS 2011, December 7-9, 2011, College Park, MD, USA, WP2-04）では、ナノメートルスケールの凹凸構造を形成するため、ウェットエッチングによって基板表面を粗面化する方法を開示する。しかしウェットエッチングを用いる手法によって形成される凹凸構造も、形状が不均一なランダム構造となるため、光取出し効率は大きく変動し、また光取出し効率向上の効果も不十分である。
非特許文献２（Appl. Phys. Express 3 (2010) 061004）では、深紫外の光を出射する半導体発光素子において、リソグラフィー、ドライエッチングにより表面周期凹凸構造を設けているが、当該凹凸構造の周期は５００ｎｍと発光波長より２倍程度も大きく、光取出し効率向上の十分な効果は得られていない。また、光出力のバラつきも極めて大きい。
特開２００５−３５４０２０号公報
ISDRS 2011, December 7-9, 2011, College Park, MD, USA, WP2-04 Appl. Phys. Express 3 (2010) 061004
上記のように、基板表面（光取出し面）にナノメートルスケールの凹凸構造を設けた半導体発光素子が、光取出し効率を向上させる目的で提案されているが、このような従来の発光素子では、凹凸構造の周期、凹凸構造を構成する凸部の高さや形状等の最適値が定かではなく、発光波長や基板の屈折率などによって変動するため、十分な効果が発揮されていないのが現状である。さらに、発光波長が短波長になるにつれて、基板表面（光取出し面）に、より小さなスケールの凹凸構造を形成する必要があるため、当該凹凸構造の作製がますます困難となる。このため、発光波長が短波長でも、光取出し効率を十分に向上させる凹凸構造を再現性良く均一に形成し、さらに半導体発光素子から外部に出力される光のパワーを均一化、安定化させることが大きな課題であった。
したがって、本発明の目的は、上記のような従来課題の解決を図るもので、発光波長が短波長でも高い光取出し効率、均一な光出力が得られる半導体発光素子、および当該半導体発光素子を再現性、生産性が高く製造可能な半導体発光素子の製造方法を提供することにある。
この発明に従った半導体発光素子は、発光層を含む半導体層を備えた半導体発光素子であって、半導体発光素子の表面は光取出し面を含む。光取出し面および半導体発光素子内において互いに屈折率の異なる２つの層の界面の少なくともいずれか一方には、発光層から出射される光の波長の０．５倍を超える周期を有する周期凹凸構造と、周期凹凸構造の表面上に位置し、光の波長の０．５倍以下である平均直径を有する微細凹凸構造とが形成されている。
本発明によれば、高い光取出し効率が得られる半導体発光素子を得ることができる。
本発明に係る半導体発光素子の実施の形態１の断面模式図である。 図１に示した半導体発光素子の光取出し面の平面模式図である。 図２の線分ＩＩＩ−ＩＩＩにおける部分断面模式図である。 図１に示した半導体発光素子の変形例を説明するための平面模式図である。 図１に示した半導体発光素子の製造方法を説明するためのフローチャートである。 本発明に係る半導体発光素子の実施の形態２を説明するための平面模式図である。 図６の線分ＶＩＩ−ＶＩＩにおける部分断面模式図である。 図６に示した半導体発光素子の変形例を説明するための平面模式図である。 図６に示した半導体発光素子の製造方法を説明するためのフローチャートである。 実施例１の試料として用いた半導体発光素子の平面模式図である。 図１０の線分ＸＩ−ＸＩにおける断面模式図である。 図１０に示した半導体発光素子の光取出し面の走査型電子顕微鏡写真である。 図１０に示した半導体発光素子の光取出し面の走査型電子顕微鏡写真である。 実施例１の実験結果を示すグラフである。 実施例２の試料として用いた半導体発光素子の光取出し面の走査型電子顕微鏡写真である。 実施例２の試料として用いた半導体発光素子の光取出し面の走査型電子顕微鏡写真である。 実施例２の試料として用いた半導体発光素子の光取出し面の走査型電子顕微鏡写真である。 実施例２の実験結果を示すグラフである。 実施例３のシミュレーション計算結果を示すグラフである。 実施例３のシミュレーション計算結果を示すグラフである。 実施例４のシミュレーション計算結果を示すグラフである。 実施例４のシミュレーション計算結果を示すグラフである。 実施例５の実験結果を示すグラフである。 実施例６の実験結果を示すグラフである。 実施例７の実験結果を示すグラフである。 実施例８および実施例９の実験結果を示すグラフである。 実施例における実験値とシミュレーション計算結果とを示すグラフである。
初めに、実施の形態の概要について説明する。
（１） 本実施形態による半導体発光素子は、発光層（活性層１３）を含む半導体層を備えた半導体発光素子であって、半導体発光素子の表面は光取出し面を含み、光取出し面および半導体発光素子内において互いに屈折率の異なる２つの層の界面の少なくともいずれか一方には、発光層から出射される光の波長の０．５倍を超える周期を有する周期凹凸構造２１と、周期凹凸構造２１の表面上に位置し、光の波長の０．５倍以下である平均直径を有する微細凹凸構造２２とが形成されている。
このようにすれば、光取出し面において発光層から出射される光の波長（発光波長）に応じた周期の周期凹凸構造２１および当該波長に応じた平均直径を有する微細凹凸構造２２が形成されているので、光取出し面にこれらの凹凸構造が無い場合に比べて光取出し効率を確実に高めることができる。すなわち、波長より周期の大きな周期凹凸構造を形成する場合でも、微細凹凸構造と組み合わせることにより、十分に光取出し効率を高めることができる。さらに、発光波長が短波長（たとえば４５０ｎｍ以下、あるいは３５０ｎｍ以下）である場合に、本実施形態による半導体発光素子では周期凹凸構造の製造に係るコストの増大を抑制するという効果が顕著となる。また、周期凹凸構造の発光波長より大きな周期で形成可能となるため、均一な凹凸構造の形成が容易となる。
（２） 上記半導体発光素子において、周期凹凸構造２１の配列パターンは三角格子状であってもよい。この場合、周期凹凸構造２１の凸形状部の単位面積当たりの数を容易に多くすることができる。
（３） 上記半導体発光素子において、周期凹凸構造２１は、空気より屈折率の高い高屈折率材料からなる凸部（凸形状部）を含んでいてもよい。発光層（活性層１３）から光取出し面（基板１６の裏面１６Ａ)に向かう方向に対して垂直な面における凸部の断面積は、発光層（活性層１３）から離れるほど小さくなっていてもよい。このようにすれば、光取出し面の外部媒体が空気である場合に、確実に光取出し面からの光取出し効率を高めることができる。
（４） 上記半導体発光素子において、凸部の形状は、錐体形状または半楕円球形状であってもよい。この場合、エッチングなどの比較的一般的なプロセスを用いて凸部を容易に形成することができる。
（５） 上記半導体発光素子において、発光層はＩＩＩ族窒化物半導体を含んでいてもよい。半導体層は、導電型がｎ型であるｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層（ｎ型半導体層１５）と、発光層から見てｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層と反対側に位置し、導電型がｐ型であるｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層（ｐ型半導体層１２）とを含んでいてもよい。このようなＩＩＩ族窒化物半導体を用いれば、発光波長が４５０ｎｍ以下といった短波長の光を出射する半導体発光素子を得ることができる。
（６） 上記半導体発光素子は、発光層から光取出し面側に配置され、発光層から出射される光に対し透明性を有する透明性基板を備えていてもよい。この場合、透明性基板の裏面（半導体層が形成された主表面と反対側の裏面）を、光取出し面として利用することができる。
（７） 上記半導体発光素子において、透明性基板が窒化アルミニウム基板であってもよい。この場合、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光層を含む半導体層の欠陥密度を大幅に低減することができる。
（８） 上記半導体発光素子において、発光層から出射される光の波長は４５０ｎｍ以下であってもよい。このような発光波長が短波長である場合に、上述したような効果を顕著に得ることができる。
（９） 上記半導体発光素子において、周期凹凸構造２１の高さＨ１は、周期凹凸構造２１の周期Ｌ１に対し１／３倍以上５倍以下であってもよく、微細凹凸構造２２の平均高さは、微細凹凸構造２２の平均直径に対し０．１倍以上１０倍以下であってもよい。この場合、光取出し効率を確実に向上させることができる。
（１０） 本実施形態による半導体発光素子は、窒化アルミニウムからなる基板１６と、基板１６の主表面上に形成された半導体層とを備える。半導体層は、ＩＩＩ族窒化物半導体を含む発光層（活性層１３）と、発光層を挟むように配置された、導電型がｎ型であるｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層（ｎ型半導体層１５）と導電型がｐ型であるｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層（ｐ型半導体層１２）とを含む。発光層から出射する光の波長は３５０ｎｍ以下である。基板１６において主表面と反対側に位置する裏面には、発光層から出射される光の波長を、基板を構成する窒化アルミニウムの屈折率と基板の外部に位置する外部媒質の屈折率との差で割った値（評価値）の１／３倍以上５倍以下である周期を有する周期凹凸構造２１が形成されている。
この場合、発光層から出射される光の波長（発光波長）と、ＡｌＮからなる基板１６の屈折率と、外部媒質の屈折率とに応じて周期凹凸構造２１の周期が決定されているので、基板１６の裏面（光取出し面）からの光取出し効率を確実に向上させることができる。
なお、上記周期は、好ましくは評価値の０．５倍以上４倍以下、さらに好ましくは１倍以上３ば以下である。
（１１） 上記半導体発光素子において、周期凹凸構造２１の配列パターンは三角格子状であってもよい。この場合、周期凹凸構造２１の凸形状部の単位面積当たりの数を容易に多くすることができる。
（１２） 上記半導体発光素子において、周期凹凸構造は凸部を含み、当該凸部の形状は、錐体形状または半楕円球形状であってもよい。この場合、エッチングなどの比較的一般的なプロセスを用いて凸部を容易に形成することができる。
（１３） 上記半導体発光素子において、周期凹凸構造の高さは、周期凹凸構造の周期に対し１／３倍以上５倍以下であってもよい。この場合、確実に光取出し効率を高めることができる。
なお、上記高さは、好ましくは評価値の０．５倍以上２倍以下、さらに好ましくは０．６倍以上１．８倍以下である。
（１４） 本実施形態による半導体発光素子の製造方法は、発光層を有する半導体層を含む半導体発光素子となるべき素子部材を準備する工程と、素子部材において、半導体発光素子の光取出し面となるべき領域上に、パターンを有するマスク層を形成する工程と、マスク層をマスクとして用いて、エッチングにより光取出し面となるべき領域を部分的に除去することにより、周期凹凸構造を形成する工程とを備える。マスク層は金属マスク層である。周期凹凸構造を形成する工程では、フッ素系ガスをエッチングガスとして用いたドライエッチングを行なうことにより、周期凹凸構造を形成し、前記マスク層の残渣を除去する工程で、周期凹凸構造の表面に微細凹凸構造を形成する。周期凹凸構造は、発光層から出射される光の波長の０．５倍を超える周期を有する。微細凹凸構造は、光の波長の０．５倍以下である平均直径を有する。また、周期凹凸構造と微細凹凸構造とは同じ材質からなることを特徴とする。このようにすれば、本実施形態による半導体発光素子を容易に得ることができる。
（１５） 本実施形態による半導体発光素子の製造方法は、窒化アルミニウムからなる基板と、当該基板の主表面上に形成され、発光層を有する半導体層とを含む半導体発光素子となるべき素子部材を準備する工程と、素子部材において、半導体発光素子の光取出し面となるべき領域上に、パターンを有するマスク層を形成する工程と、マスク層をマスクとして用いて、エッチングにより光取出し面となるべき領域を部分的に除去することにより、周期凹凸構造を形成する工程とを備える。周期凹凸構造は、発光層から出射される光の波長を、基板を構成する窒化アルミニウムの屈折率と基板の外部に位置する外部媒質の屈折率との差で割った値の１／３倍以上５倍以下である周期を有する。このようにすれば、本実施形態による半導体発光素子を容易に得ることができる。
（１６） 上記半導体発光素子において、周期凹凸構造２１の周期は、光の波長の１倍以上であってもよい。この場合、周期凹凸構造２１を容易に製造することができる。
（１７） 上記半導体発光素子において、周期凹凸構造２１の周期は、光の波長の２倍以上であってもよい。また、微細凹凸構造２２の平均直径は、光の波長の０．４倍以下であってもよい。この場合、半導体発光素子の製造コストが増大することを避けつつ、光取出し効率を確実に高めることができる。
（１８） 上記半導体発光素子において、透明性基板はサファイア基板であってもよい。このような構成であっても、光取出し効率を高めた半導体発光素子を得ることができる。
（１９） 上記半導体発光素子において、発光層から出射される光の波長（発光波長）は３５０ｎｍ以下であってもよい。この場合、上記のような短波長な光を出射する半導体発光素子において本実施形態による効果が顕著である。
次に、発明の実施の形態の具体例について、適宜図面を参照して説明する。ただし、以下に説明する発光素子は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、本発明を以下のものに限定しない。特に、以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。また、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。さらに、以下に記載されている各実施の形態についても同様に、特に排除する記載が無い限りは各構成等を適宜組み合わせて適用できる。
（実施の形態１）
図１〜図３は、本発明の第１の実施形態にかかる半導体発光素子の構造を概念的に示している。図１〜図３を参照して、半導体発光素子は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなる基板１６と、ｎ型半導体層１５と、活性層１３と、ｐ型半導体層１２と、正電極１１と、負電極１４とを主に備えている。基板１６の主表面上にｎ型半導体層１５が形成されている。ｎ型半導体層１５の一部表面に凸部が形成されており、当該凸部上に活性層１３が形成されている。活性層１３上にｐ型半導体層１２が形成されている。ｐ型半導体層１２上に正電極１１が形成されている。また、ｎ型半導体層１５の表面において、上記凸部が形成されていない領域には負電極１４が形成されている。
発光層としての活性層１３から出射する光の波長は３５０ｎｍ以下である。基板１６において主表面と反対側に位置する裏面には、活性層１３から出射される光の波長を、基板１６を構成する窒化アルミニウムの屈折率と基板１６の外部に位置する外部媒質である空気の屈折率との差で割った値（基準値）の１／３倍以上５倍以下である周期Ｌ１を有する周期凹凸構造２１が形成されている。
以下、各構成要素について個別に説明する。
＜基板＞
基板１６としては、窒化物半導体結晶が表面にエピタキシャル成長可能な基板であって、かつ、半導体発光素子が発する光の波長域に対して透過率が高い（たとえば当該光の透過率が５０％以上である）ことを満たす基板を選択して用いることができる。例えば、基板１６の材料としては、上述したＡｌＮ、さらにサファイア、ＧａＮなどが挙げられる。

基板１６は、上述のように光取出し面（裏面）に周期凹凸構造２１が形成されている。具体的には、周期凹凸構造２１は凸形状部を含み、該凸形状部は図２および図３に示すような錐体形状（たとえば底面の直径Ｄ１、底面から頂点までの高さＨ１、側面と底面との為す角度θを有する錐体形状）である。また、凸形状部は、図４に示すような半楕円球形状であってもよい。
また、周期凹凸構造の配列（凸形状部の配列）は、三角格子配列、正方格子配列、六方格子配列等の周期配列方法であればよく、好ましくは、フィリングファクターが最大となる三角格子配列である。さらに、周期凹凸構造２１は、半導体発光素子の発光波長を、基板１６を構成する窒化アルミニウムの屈折率と基板１６の外部に位置する外部媒質である空気の屈折率との差で割った値（基準値）の１／３倍以上５倍以下である周期Ｌ１を有していてもよい。また、周期凹凸構造２１の高さＨ１は、当該周期Ｌ１に対して１／３倍以上５倍以下の範囲であることが好ましい。
なお、上述した周期凹凸構造２１の周期Ｌ１は、より好ましくは上記基準値の０．５倍以上４倍以下、さらに好ましくは１倍以上３倍以下である。このようにすれば、より確実に光取り出し効率を向上させることができる。また、周期凹凸構造２１の高さＨ１は、当該周期Ｌ１に対して好ましくは０．５倍以上２倍以下、さらに好ましくは０．６倍以上１．８倍以下である。このようにしても、より確実に光取り出し効率を向上させることができる。
次いで、周期凹凸構造２１の作製方法について以下に述べる。周期凹凸構造２１は、第一にエッチングマスク作製工程（図５の工程（Ｓ４１））、第二にエッチング工程(図５の工程（Ｓ４２））、第三にマスク除去工程（図５の工程（Ｓ４３））といったプロセスにより作製することができる。エッチングマスク作製工程は、基板１６の裏面上にエッチングマスクパターンを作製する工程であり、電子線リソグラフィー法、光リソグラフィー法、ナノインプリントリソグラフィー法等、任意の方法を適用することができる。また、エッチング工程でのエッチング選択比を向上させるために、上述した任意の方法によりパターンを有するマスクパターン（たとえばレジストマスク）を形成した後、当該マスクパターンを覆うように金属を堆積させて、その後リフトオフ法によってマスクパターンと共に当該金属の一部を除去することにより、金属のマスクパターンを作製してもよい。
マスクパターンをエッチングマスクとして、基板１６の裏面をエッチングして所望のパターンを基板１６の裏面に形成する。エッチングの手法は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等のドライエッチング、もしくは酸性溶液、またはアルカリ性溶液をエッチング液として用いるウェットエッチング等を適用することができる。ここで、周期性の高いパターンを形成するためには、ドライエッチングを適用する方が好ましい。ドライエッチングを用いたエッチング工程では、エッチングマスクとしてレジスト等の樹脂材料や金属を用いることができ、また、エッチングガスとしては、塩素系のガスやフッ素系のガス、臭素系のガス等が適用できる。さらに、上述したエッチングガスに水素や酸素等を混合させたガスを用いてもよい。
上述したエッチング工程後、マスク除去工程を実施する。すなわち、エッチングマスクの残渣を除去する。エッチングマスクの残渣の除去方法は、当該エッチングマスクの材質によって適宜決定すればよい。例えば、エッチングマスクの材質が金属であれば、当該金属に対して溶解性を有する酸性溶液やアルカリ性溶液を用いて残渣を除去すればよい。
また周期凹凸構造２１の上に、樹脂やガラス、石英などの封止材を形成してもよい。さらに封止材の表面に、凹凸構造を形成してもよい。当該凹凸構造の構成は、上記周期凹凸構造２１と同様の構成としてもよい。
＜積層半導体層＞
積層半導体層は、ＩＩＩ族窒化物半導体からなるものであり、図１に示すように基板１６上にｎ型半導体層１５、活性層１３、およびｐ型半導体層１２がこの順で積層されてなるものである。積層半導体層は、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）等の方法で積層される。
ｎ型半導体層：
ｎ型半導体層１５は、ＡｌｘＩｎｙＧａＮｚ（ｘ、ｙ、ｚは、０＜ｘ≦１．０、０≦ｙ≦０．１、０≦ｚ＜１．０を満たす有理数とし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１．０である）から構成される半導体層であり、ｎ型不純物を含むことが好ましい。不純物としては特に限定されるものではないが、珪素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）などが挙げられ、好ましくはＳｉ、Ｇｅが挙げられる。ｎ型不純物の濃度は１．０×１０１７／ｃｍ３以上１．０×１０２０／ｃｍ３以下としてもよい。また、ｎ型半導体層１５の結晶性およびコンタクト特性の両観点から、好ましくは、ｎ型不純物の濃度は１．０×１０１８／ｃｍ３以上１．０×１０１９／ｃｍ３以下である。
また、ｎ型半導体層１５の膜厚は１００ｎｍ以上１００００ｎｍ以下である。また、ｎ型半導体層１５の結晶性および導電性の両観点から、好ましくは、ｎ型半導体層１５の膜厚は５００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下である。
活性層：
活性層１３は、多重量子井戸構造を有している。活性層１３は、ＡｌｘＩｎｙＧａＮｚ（ｘ、ｙ、ｚは、０＜ｘ≦１．０、０≦ｙ≦０．１、０≦ｚ＜１．０を満たす有理数とし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１．０である）から構成される井戸層と、当該井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいＡｌｘＩｎｙＧａＮｚ（ｘ、ｙ、ｚは、０＜ｘ≦１．０、０≦ｙ≦０．１、０≦ｚ＜１．０を満たす有理数とし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１．０である）から構成される障壁層とが交互に積層した積層構造からなる。井戸層の膜厚は１ｎｍ以上であり、好ましくは２ｎｍ以上である。障壁層の膜厚は１ｎｍ以上であり、好ましくは２ｎｍ以上である。
ｐ型半導体層：
ｐ型半導体層１２は、たとえばｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層から構成される。ｐ型クラッド層は、ＡｌｘＩｎｙＧａＮｚ（ｘ、ｙ、ｚは、０＜ｘ≦１．０、０≦ｙ≦０．１、０≦ｚ＜１．０を満たす有理数とし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１．０である）から構成される。活性層１３に電子を閉じ込める必要があるため、活性層１３を構成する半導体層よりもｐ型クラッド層はバンドギャップエネルギーが大きいことが好ましい。従って、ｐ型クラッド層のＡｌ組成は、活性層１３を構成する半導体層のＡｌ組成よりも大きいことが好ましい。
ｐ型クラッド層の不純物としては、マグネシウム（Ｍｇ）が好適に挙げられる。Ｍｇの濃度（ドーピング濃度）は１．０×１０１７／ｃｍ３以上、好ましく１．０×１０１７／ｃｍ３以上である。ｐ型クラッド層の膜厚は、５ｎｍ以上１０００ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
ｐ型コンタクト層は、ＡｌｘＩｎｙＧａＮｚ（ｘ、ｙ、ｚは、０＜ｘ≦１．０、０≦ｙ≦０．１、０≦ｚ＜１．０を満たす有理数とし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１．０である）から構成される。ｐ型コンタクト層のＡｌ組成はｐ型クラッド層のＡｌ組成よりも小さいことが好ましい。この理由は、ｐ型コンタクト層のバンドギャップエネルギーがｐ型クラッド層より小さい方が、良好なコンタクト特性を得やすいためである。ｐ型コンタクト層の不純物としては、ｐ型クラッド層と同様Ｍｇが好適に挙げられる。Ｍｇのドーピング濃度は１．０×１０１７／ｃｍ３以上とすることができる。ｐ型コンタクト層の膜厚は、紫外光の透過性とｐ型コンタクト層でのコンタクト特性の観点から、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。
＜負電極層＞
負電極１４は、ｎ型半導体層１５の露出面（ｎ型半導体層１５の凸部を囲む上部表面）に形成される。ｎ型半導体層１５の露出面は、ｎ型半導体層１５の一部、および活性層１３やｐ型半導体層１２を部分的に除去する（たとえばエッチング等により除去する）ことにより形成される。エッチングの手法としては、好適には反応性イオンエッチング、誘導結合プラズマエッチング等のドライエッチングを用いることができる。ｎ型半導体層１５の露出面を形成後、ｎ型半導体層１５においてエッチングされた面（露出面）でのエッチングによるダメージを受けた部分を除去するため、酸またはアルカリの溶液で表面処理を施すことが好ましい。その後、前記ｎ型半導体層１５の露出面にオーミック性を有する負電極１４を形成する。
負電極１４や正電極１１などの電極のパターンニングは、リフトオフ法を用いて実施することができる。具体的には、電極を形成する面にフォトレジストを塗布した後、フォトマスクを備えたＵＶ露光機により紫外線をフォトレジストに部分的に照射する。その後、現像液にフォトレジストを浸漬させて、感光したフォトレジストを溶解させることにより所望のパターンのレジスト膜を形成する。パターニングされたレジスト膜上に電極となるべき金属膜を堆積させる。そして、剥離液でレジスト膜を溶解し、レジスト膜上に位置していた金属膜を除去することにより、レジスト膜が形成されていない領域に位置する金属膜を残存させて所定のパターンを有する金属膜（電極）を形成する。
電極のパターンニング手法として、さらに以下の手法が挙げられる。すなわち、電極形成面（たとえばｎ型半導体層１５の露出面）に電極となるべき金属膜を形成する。そして、金属膜上にフォトレジストを塗布後、露光、現像工程を経てフォトレジストをパターニングする。その後、上記パターニングされたフォトレジスト（レジスト膜）をマスクとして用いて、ドライエッチング、またはウェットエッチングで金属膜を部分的に除去する。その後、剥離液でフォトレジストを溶解する。このようにしても、電極を形成することができる。なお、上述したリフトオフ法は、金属膜上にレジストパターンを形成するパターニング手法と比較して、工程が簡略であるため好適に用いられる。
負電極１４を構成する金属膜を堆積する手法は、真空蒸着法、スパッタリング法、化学気相成長法等任意の方法を用いることができるが、金属膜中の不純物を排除する観点から真空蒸着法を用いることが好ましい。負電極１４に用いられる材料は、様々挙げられるが公知の材料から選択することができる。負電極１４となるべき金属膜を堆積後、ｎ型半導体層１５と負電極１４とのコンタクト性向上のため、３００℃以上１１００℃以下の温度で３０秒以上３分以下の加熱時間という条件で熱処理を施すことが好ましい。熱処理の温度および加熱時間については、負電極１４を構成する金属の種類、および金属膜の膜厚に応じて適宜最適な条件で実施すればよい。
＜正電極層＞
正電極１１は、ｐ型半導体層１２におけるｐ型コンタクト層上に形成される。正電極１１のパターニングは、負電極１４のパターニングと同様、リフトオフ法を用いることが好ましい。正電極１１に用いられる金属材料は、様々挙げられるが公知の材料から選択することができる。また、正電極１１は透光性を有することが好ましいため、正電極１１の厚みは薄いほど好ましい。具体的には正電極１１の厚みは１０ｎｍ以下、さらに好適には５ｎｍ以下である。
正電極１１となるべき金属膜を堆積する方法としては、負電極１４の形成と同様、真空蒸着法、スパッタリング法、化学気相成長法等が挙げられるが、金属膜中の不純物を極力排除するため真空蒸着法を用いることが好ましい。正電極１１となるべき金属膜を堆積後、ｐ型コンタクト層とのコンタクト性向上のため、２００℃以上８００℃以下の温度で３０秒以上３分以下の時間、熱処理を施すことが好ましい。熱処理の温度および時間については、正電極１１を構成する金属の種類および正電極１１の厚みに応じて適宜好適な条件を選択することができる。
上述した半導体発光素子は、図５に示すような製造工程により製造される。すなわち、図５を参照して、まず基板準備工程（Ｓ１０）を実施する。この工程（Ｓ１０）では、ＡｌＮからなる基板を準備する。なお、この段階ではまだ基板の裏面には周期凹凸構造２１は形成されていない。次に、半導体層形成工程（Ｓ２０）を実施する。この工程（Ｓ２０）では、基板１６の主表面上に、ｐ型半導体層１２、活性層１３、ｎ型半導体層１５からなる積層半導体層を形成する。これらのｐ型半導体層１２、活性層１３、ｎ型半導体層１５それぞれは、上述のようにＭＯＣＶＤ法やＭＯＶＰＥ法など、任意の方法により形成することができる。
次に、電極形成工程（Ｓ３０）を実施する。この工程では、エッチングによりｐ型半導体層１２、活性層１３、ｎ型半導体層１５の一部を除去することにより、図１に示すようにｎ型半導体層１５の露出面を形成する。また、リフトオフ法などを用いて、ｐ型半導体層１２上に正電極１１を形成し、ｎ型半導体層１５の露出面上に負電極１４を形成する。
その後、凹凸構造形成工程（Ｓ４０）を実施する。この工程（Ｓ４０）では、まずマスク形成工程（Ｓ４１）を実施する。この工程（Ｓ４１）では、上述のようにリソグラフィー法等を用いて基板１６の裏面上にエッチングマスクパターンを形成する。次に、エッチング工程（Ｓ４２）を実施する。この工程（Ｓ４２）では、基板１６の裏面に対して上記エッチングマスクパターンをマスクとして用いてエッチングを行なう。この結果、周期凹凸構造２１が形成される。そして、次にマスク除去工程（Ｓ４３）を実施する。この工程（Ｓ４３）では、エッチングマスクの残渣を任意の方法により除去する。このようにして、図１に示した半導体発光素子を得ることができる。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る半導体発光素子は、基本的には図１〜図３に示した半導体発光素子と同様の構造を備えるが、基板１６の裏面の構成が図１〜図３に示した半導体発光素子とは異なっている。図６は、本発明の実施の形態２に係る半導体発光素子の基板１６における裏面の平面構造を概念的に示している。図６を参照して、本発明の実施の形態２における半導体発光素子では、光取出し面の一例として基板１６の裏面を用いており、当該基板１６の裏面において周期凹凸構造２１が形成されている。そして、さらに当該周期凹凸構造２１の表面に微細凹凸構造２２が形成されている。
すなわち、図６に示した半導体発光素子は、発光層である活性層１３を含む半導体層を備えた半導体発光素子であって、半導体発光素子の表面は光取出し面としての基板１６の裏面を含む。光取出し面および半導体発光素子内において互いに屈折率の異なる２つの層の界面の少なくともいずれか一方には、活性層１３から出射される光の波長の０．５倍を超える周期Ｌ１を有する周期凹凸構造２１と、周期凹凸構造２１の表面上に位置し、光の波長の０．５倍以下である平均直径（直径Ｄ２の平均値）を有する微細凹凸構造２２とが形成されている。なお、平均直径は、周期凹凸構造２１の一周期を一辺の長さとする正方形領域に含まれる微細凹凸構造２２の直径をそれぞれ測長し、それらの平均値から決定することができる。
また、ここでは光取出し面の一例として基板１６の裏面を用い、当該基板１６の裏面１６Ａに周期凹凸構造２１などが形成される場合を例として説明しているが、上述した周期凹凸構造２１および微細凹凸構造２２が形成される場所は光取出し面に限られない。すなわち、周期凹凸構造２１および微細凹凸構造２２が形成される場所は半導体発光素子内の屈折率の異なる層同士の界面であってもよい。たとえば、基板１６の裏面１６Ａ上に封止材などの別部材が形成された場合における当該裏面１６Ａと封止材（別部材）との界面、もしくは半導体発光素子内の半導体層などにおいて屈折率の互いに異なる層同士の界面など）に、上述した周期凹凸構造２１および微細凹凸構造２２を形成してもよい。
また、上述のように基板１６の裏面上に封止材などの別部材が形成されていれば、当該封止材表面（別部材表面）が外部に対する光取出し面となる。そして、この場合には、たとえば屈折率差が最も大きくなる界面（たとえば当該裏面１６Ａと封止材（別部材）との界面）に加えて、封止材表面の光取出し面となる部分にも、上述した周期凹凸構造２１および微細凹凸構造２２を形成してもよい。
本実施形態に係る半導体発光素子は、ｐ型半導体層１２、活性層１３、ｎ型半導体層１５、正電極１１、負電極１４の構成は基本的に図１〜図３に示した半導体発光素子と同様である一方、上述のように基板１６の構成は図１〜図３に示した半導体発光素子と異なっている。そのため、基板１６の構成について以下説明する。
＜基板＞
基板１６の材質や特性は、基本的に図１〜図３に示した半導体発光素子における基板１６と同様であり、例えば、サファイア、ＡｌＮ、ＧａＮなどを用いることができる。基板１６は、上述のように光取出し面（裏面）に周期凹凸構造２１を有する。具体的には、周期凹凸構造２１は凸形状部を含み、当該凸形状部は図６および図７に示すような錐体形状である。また、凸形状部は図８に示すように半楕円球形状であってもよい。
また、周期凹凸構造２１の配列は、三角格子配列、正方格子配列、六方格子配列等の周期配列方法であればよく、好ましくは、フィリングファクターが最大となる三角格子配列がよい。さらに、周期凹凸構造２１は、半導体発光素子の発光波長に対して、０．５倍を超える範囲の周期Ｌ１を有していてもよい。また、周期凹凸構造２１の高さ（凸形状部の高さＨ１）は、周期Ｌ１に対して１／３倍以上５倍以下の範囲であることが好ましい。
上述した周期凹凸構造２１の周期Ｌ１の数値範囲の例としては、たとえば上記発光波長の２／３倍以上１０００倍以下、あるいは２倍以上１００倍以下とすることができる。このようにすれば、より確実に光取り出し効率を向上させつつ製造コストを抑制し、より均一な素子形状と光出力を得ることができる。また、周期凹凸構造２１の高さＨ１は、当該周期Ｌ１に対して好ましくは１／２倍以上３倍以下、さらに好ましくは３／４倍以上２倍以下である。このようにしても、より確実に光取り出し効率を向上させつつ製造コストを抑制し、より均一な素子形状と光出力を得ることができる。
さらに、周期凹凸構造２１が形成される基板１６の裏面には、周期凹凸構造２１の表面に、周期凹凸構造２１よりも小さい微細凹凸構造２２を形成する。微細凹凸構造２２は微細凸形状部を含む。微細凹凸構造２２は、周期凹凸構造２１の凸形状部の表面と、周期凹凸構造２１の凹部（凸形状部の間に位置する平坦部）に配置される。微細凹凸構造２２の平均直径は、半導体発光素子の発光波長の１／２以下であり、微細凹凸構造２２の高さは、平均直径の０．１倍以上１０倍以下の範囲であることが好ましい。また、微細凹凸構造２２の高さは、より好ましくは０．２倍以上５倍以下、より好ましくは０．５倍以上２倍以下である。微細凹凸構造２２の微細凸形状部は、錐体形状または半楕円球形状を有することが好ましい。
上述した微細凹凸構造２２の平均直径は、より好ましくは上記発光波長の１／３０倍以上２／５倍以下、さらに好ましくは１／１０倍以上３／１０倍以下である。このようにすれば、より確実に光取り出し効率を向上させることができる。また、微細凹凸構造２２の平均高さは、当該平均直径に対して好ましくは０．２倍以上５倍以下、さらに好ましくは０．５倍以上２倍以下である。このようにしても、より確実に光取り出し効率を向上させることができる。
なお、微細凹凸構造２２の平均高さは、周期凹凸構造の一周期を一辺の長さとする正方形領域に含まれる微細凹凸構造の高さをそれぞれ測長し、それらの平均値から決定することができる。
次いで、凹凸構造の作製方法について以下に述べる。前記周期凹凸構造２１と微細凹凸構造２２は、第一にエッチングマスク作製工程（図９の工程（Ｓ４１０））、第二にエッチング工程（図９の工程（Ｓ４２０））、第三にエッチングマスク除去工程（図９の工程（Ｓ４３０））といったプロセスで作製することができる。エッチングマスク作製工程は、基板にエッチングマスクパターンを作製する工程であり、電子線リソグラフィー法、光リソグラフィー法、ナノインプリントリソグラフィー法等を適用することができる。また、エッチング工程でのエッチング選択比を向上させるために、上述した任意の方法によりパターンを有するマスクパターン（たとえばレジストマスク）を形成した後、当該マスクパターンを覆うように金属を堆積させて、その後リフトオフ法によってマスクパターンと共に当該金属の一部を除去することにより、金属のマスクパターンを作製してもよい。
ここで、微細凹凸構造２２の形成においては、リフトオフ法で金属のマスクを形成することが好ましく、金属のマスクがニッケル膜により構成されることがさらに好ましい。その理由は、エッチング工程（Ｓ４２０）でエッチングされたニッケル粒子、もしくはニッケルとエッチングガスとの反応物が基板１６の裏面に再付着し、ナノサイズのエッチングマスクとして作用して微細凹凸構造２２を確実に形成できるためである。
マスクパターンをエッチングマスクとして、基板１６の裏面をエッチングして所望のパターンを基板１６の裏面に形成する。エッチングの手法は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等のドライエッチング、もしくは酸性溶液、またはアルカリ性溶液をエッチング液として用いるウェットエッチング等を適用することができる。ここで、周期性の高いパターンを形成するためには、ドライエッチングを適用する方が好ましい。
ドライエッチングを用いたエッチング工程では、エッチングマスクとしてレジスト等の樹脂材料や金属を用いることができる。さらに、エッチングガスとして反応性ガス、好ましくは塩素系のガスやフッ素系のガス、臭素系のガス、または、エッチングガスに水素、酸素、アルゴン等を混合させたガスも用いることができる。また、微細凹凸構造２２を形成するためには、ドライエッチングのガスにフッ素系ガス、特にカーボンを含有するフッ素系ガスを用いることが好ましい。
あるいは、上述したマスク作製工程前に、基板１６の裏面をドライエッチングやウェットエッチングによって予め粗面化しておいてもよい。この場合、該粗面上に上述したプロセスによって周期凹凸構造２１を形成し、周期凹凸構造２１と微細凹凸構造２２の組合せを作製することができる。
または、周期凹凸構造２１を形成後、金属やセラミックスの微粒子を基板１６の裏面（周期凹凸構造２１が形成された表面）に配置し、微粒子をエッチングマスクとしてドライエッチングを施してもよい。このようにしても、周期凹凸構造２１と微細凹凸構造２２の組合せを作製することができる。上記微粒子の配置方法は、微粒子を溶解させた溶媒を基板１６の裏面に塗布し乾燥させる方法や、基板１６の裏面上に金属薄膜を形成した後、加熱して金属薄膜の金属を凝集させる方法等が挙げられるが、いずれの方法を用いてもよい。
上記の通り、周期凹凸構造２１と微細凹凸構造２２を共存させる作製手法は様々あるが、プロセスの簡便性等を考慮すると、金属マスクをカーボン含有フッ素系ガスでエッチングする手法がもっとも好ましい。
エッチング工程後、マスク除去工程として、エッチングマスクの残渣を除去する。エッチングマスクの残渣の除去方法については、実施の形態１で示した方法を用いることができる。
また、周期凹凸構造２１と微細凹凸構造２２との組合せの上に、樹脂やガラス、石英などの封止部を形成してもよい。さらに封止部の表面に、周期凹凸構造２１と微細凹凸構造２２の組合せ、または周期凹凸構造２１もしくは微細凹凸構造２２を形成してもよい。
上述した本実施の形態に係る半導体発光素子は、図９に示すような製造工程により製造される。すなわち、図９を参照して、基板準備工程（Ｓ１００）〜電極形成工程（Ｓ３００）を実施する。これらの工程（Ｓ１００）〜（Ｓ３００）は、基本的に図５に示した工程（Ｓ１０）〜（Ｓ３０）と同様に実施することができる。
その後、凹凸構造形成工程（Ｓ４００）を実施する。この工程（Ｓ４００）では、まずマスク形成工程（Ｓ４１０）を実施する。この工程（Ｓ４１０）では、上述のようにリソグラフィー法等を用いて基板１６の裏面上に金属からなるエッチングマスクパターンを形成する。次に、エッチング工程（Ｓ４２０）を実施する。この工程（Ｓ４２０）では、基板１６の裏面に対して上記エッチングマスクパターンをマスクとして用いて、カーボン含有フッ素系ガスによりエッチングを行なう。この結果、周期凹凸構造２１および微細凹凸構造２２が形成される。そして、次にマスク除去工程（Ｓ４３０）を実施する。この工程（Ｓ４３０）では、エッチングマスクの残渣を任意の方法により除去する。このようにして、図６に示した半導体発光素子を得ることができる。
なお、上述した周期凹凸構造２１および微細凹凸構造２２は、基板１６の裏面ではなく、半導体発光素子内において互いに屈折率の異なる２つの層の界面に形成してもよい。この場合も、発光層から出射する光が、当該界面において反射・全反射される割合を低減し、結果的に半導体発光素子の光の取り出し効率を高めることができる。
ここで、上述した実施の形態と一部重複する部分もあるが、本発明の特徴的な構成を列挙する。
すなわち、本発明の一態様は、半導体発光素子の表面（光取出し面の一例である基板１６の裏面１６Ａ、もしくは基板１６の裏面１６Ａ上に封止材などの別部材が配置された場合には当該別部材の表面、など）、または半導体発光素子内の屈折率の異なる層同士の界面（たとえば基板１６の裏面１６Ａ上に樹脂などが配置された場合の裏面１６Ａと樹脂との界面、もしくは半導体発光素子内の半導体層などにおいて屈折率の互いに異なる層同士の界面など）に、発光波長の０．５倍を超える周期を有する周期凹凸構造２１と、発光波長に対し１／２以下の平均直径を有する微細凹凸構造２２とが、併せて同一の表面（または界面）上に形成されていることを特徴とする。
この場合、周期凹凸構造２１同士の隙間の平坦面部や、周期凹凸構造２１表面上に、周期凹凸構造よりも小さなスケールの微細凹凸構造２２が形成されているため、周期凹凸構造２１が単体で存在する場合と比較して、より表面・界面での屈折率差が緩和され、反射や全反射を抑制することが可能になる。
また、周期凹凸構造２１単体の場合では、通常、光取出し効率を高めるために、波長以下程度に小さなスケールの周期凹凸構造２１を形成する必要があるが、本実施態様の構造では、波長よりも大きなサイズの周期凹凸構造２１でも、微細凹凸構造２２と組合わせることで、十分に光取出し効率を高めることが可能である。つまり、発光波長が短波長でも、光取出し構造の作製に掛かるコストを低くし、またプロセスウィンドウが拡がることで、均一な構造を作製することが容易になる。
さらに、周期凹凸構造２１の配列パターンが、三角格子状であることが好ましい。
さらに、周期凹凸構造２１の形状が、底部から頂点方向（光取出し方向）にいくほど高屈折率媒質の断面面積が減少していくことが好ましい。
さらに、周期凹凸構造２１の形状が、凸形状であり、その凸形状が錐体形状または半楕円球形状であることが好ましい。
本発明を以下のものに特定するものではないが、本発明の一態様は、以下の特徴をもつ。
ｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層（ｎ型半導体層１５）、ＩＩＩ族窒化物半導体発光層（活性層１３）、およびｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層（ｐ型半導体層１２）を有した半導体積層構造を備えることを特徴とする。
フリップチップ構造を有し、ＩＩＩ族窒化物半導体発光層から光取出し面側に、発光波長に対し透明性を有する透明性基板(基板１６）を備えることを特徴とする。
透明性基板が、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板あるいはサファイア基板であることを特徴とする。
発光波長が、４５０ｎｍ以下あるいは３５０ｎｍ以下であることを特徴とする。
周期凹凸構造２１の高さが、周期に対し１／３〜５倍の範囲であり、微細凹凸構造２２の平均高さが、平均直径に対し１／１０〜５倍の範囲であることを特徴とする。
また本発明の別の一態様は、ＡｌＮ基板（基板１６）と、ｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層（ｎ型半導体層１５）、ＩＩＩ族窒化物半導体発光層（活性層１３）、およびｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層（ｐ型半導体層１２）を有した半導体積層構造を備え、発光波長が３５０nm以下であり、ＡｌＮ基板表面上に、発光波長／（ＡｌＮ基板の屈折率と外部媒質の屈折率との差）に対し1／３〜５倍の範囲の周期を有する周期凹凸構造２１が形成されてい
ることを特徴とする。
さらに周期凹凸構造２１の配列パターンが、三角格子状であることが好ましい。
さらに周期凹凸構造２１の形状が、凸形状であり、その凸形状が錐体形状または半楕円球形状であることが好ましい。
さらに周期凹凸構造２１の高さが、周期に対し1／３〜５倍の範囲であることが好ましい。
また、本発明の別の一態様は、上記半導体発光素子の製造方法であり、有機系薄膜を周期的に加工する工程と、有機膜（有機系薄膜）を用いて金属マスクを形成する工程と、マスクを用いてドライエッチング法により、周期凹凸構造２１を形成する工程を含むことを特徴とする。
さらに、金属マスクとフッ素系ガスを用いたドライエッチング法により、周期凹凸構造２１と微細凹凸構造２２とを同時に形成する工程を含むことを特徴とする。
この場合、金属マスクとフッ素系ガスを用いたドライエッチング法により、周期凹凸構造が、人工的に均一・高精度に作製でき、またドライエッチング後の金属マスク剥離を目的とする酸処理により、周期凹凸構造同士の隙間の平坦面部や、周期凹凸構造２１表面上に、波長よりも十分小さなスケールの微細凹凸構造２２が自発的に形成されるため、一つのプロセスで周期凹凸構造２１と微細凹凸構造２２とを同時に形成することが可能となる。よって波長と同程度かそれ以上の大きさで、形状の変化が特性に大きな影響を与える周期凹凸構造２１は、均一・高精度に作製でき、波長よりも十分小さなスケールで形状変化がそれほど特性に大きな影響を与えない微細凹凸構造２２は、自発的に密に形成できる。また、周期凹凸構造２１と微細凹凸構造２２とは同じ材質から成ることを特徴とする。結果として、加工形状の均一性、プロセスの再現性が高まり、光取出し効率とその均一性を高められるとともに、製造コストを低く抑えることが可能となる。
本発明によれば、スケールの異なる周期凹凸構造２１と微細凹凸構造２２とを組合わせることによって、基板表面（光取出し面）や界面における反射や全反射を効果的に抑制する。またプロセスウィンドウが拡げられることで、発光波長が短波長でも、高い光取出し効率と、均一な光出力が得られる半導体発光素子を、再現性、生産性高く作製することが可能となる。さらに、本発明では、周期凹凸構造２１と微細凹凸構造２２とを同時に作製する製造方法により、加工形状の均一性、プロセスの再現性が高まり、光取出し効率とその均一性を高められるとともに、製造コストを低く抑えることが可能となる。
本発明の上記実施形態に係る半導体発光素子の構造に基づいて、図１０および図１１に示すように実施例１に係る半導体発光素子を作製した。具体的には、単結晶ＡｌＮからなる基板１６上にＭＯＣＶＤ法によってｎ型半導体層１５、活性層１３（発光層）、ｐ型半導体層１２を順次成長して得られる発光素子基板に、正電極１１、および負電極１４を所定の位置に配置した。半導体発光素子の発光層を含むエピタキシャル層は、上記実施の形態と同様のＡｌＧａＮ系半導体で構成し、素子の発光波長は２６５ｎｍとした。
作製した半導体発光素子基板のエピタキシャル層とは逆側の基板面（光取出し面）に、電子線レジストを塗布し、半導体発光素子の発光部を覆うようにアライメントして電子線描画することによって、エッチングマスクパターンを作製した。発光部は、直径１００μｍの円形状の領域であり、発光部の中心を描画中心として、描画領域を９００μｍ×９００μｍとした。描画パターンは、直径２２０ｎｍ、パターン周期３００ｎｍ、パターン配列は三角格子配列とした。次いで、エッチングマスクパターンの上に、真空蒸着法によりニッケルを１００ｎｍ〜５００ｎｍ堆積させた。ニッケルを堆積させる理由は、上述した実施の形態で説明したとおり、基板１６とエッチングマスクパターンとのエッチング選択比を高めるためである。ニッケルの堆積後、半導体発光素子基板を電子線レジストの剥離液に浸漬してレジストおよび当該レジスト上に位置するニッケルを除去した（リフトオフ法）。このようにして、ニッケルからなるマスクパターンを基板１６の裏面上に形成した。
続いて、ＩＣＰエッチング装置に上記半導体発光素子基板を導入し、三フッ化メタン（ＣＨＦ３）ガスを用いてエッチング処理を１０分〜３０分間施した。その後、ニッケルのマスクパターンを除去するために、２０℃〜３０℃の塩酸に半導体発光素子基板を１５分間浸漬させた。このとき、半導体発光素子基板の電極金属が塩酸によって腐食することを防止するため、半導体発光素子基板の電極を形成している面には予めフォトレジストを塗布、硬化させて保護膜として用いた。塩酸への浸漬後、超純水で半導体発光素子基板をリンスし、保護膜としてのフォトレジストを剥離液で溶解した。
これにより、円錐底部の直径２５０ｎｍ、周期Ｌ１が３００ｎｍ、高さＨ１が２５０ｎｍの錐体構造を有する基板１６からなる実施例１の紫外発光の半導体発光素子を作製した。作製した凹凸構造のＳＥＭ写真を図１２および図１３に示す。
実施例１に対する比較例として、基板１６に凹凸構造を形成する前の紫外発光の半導体発光素子を準備した（比較例１）。そして、これらの実施例および比較例１の試料について、光出力を測定した。その結果を図１４に示す。
図１４を参照して、横軸は比較例１を基準とした場合の実施例の光出力比を示し、縦軸はサンプル個数を示す。比較例１の光出力を１．００としたとき、実施例の光出力比の平均値は１．３１であった。図１４は、実施例１の試料である紫外発光の半導体発光素子の光出力比を表すヒストグラムである。また、実施例１の光出力比の標準偏差は０．０３１であり、光出力比平均値の２．３％に相当した。すなわち、実施例１の試料は、発光出力のバラつきが極めて小さい半導体発光素子であることが示された。
本発明の上記実施形態に係る半導体発光素子の構造に基づいて、実施例２に係る半導体発光素子を作製した。なお、実施例２に係る半導体発光素子の構成は、基本的には実施例１における半導体発光素子と同様である。すなわち、単結晶ＡｌＮからなる基板１６上にＭＯＣＶＤ法によってｎ型半導体層１５、活性層１３（発光層）、ｐ型半導体層１２を順次成長して得られる発光素子基板に、正電極１１、および負電極１４を所定の位置に配置した。半導体発光素子の発光層を含むエピタキシャル層は、上記実施の形態と同様のＡｌＧａＮ系半導体で構成し、素子の発光波長は２６５ｎｍとした。
作製した半導体発光素子ウェハの発光素子層とは逆の基板面（光取出し面）に電子線レジストを塗布し、半導体発光素子の発光部を覆うようにアライメントして電子線描画することによって、エッチングマスクパターンを作製した。発光部は、直径１００μｍの円領域であり、発光部の中心を描画中心として、描画領域を９００μｍ×９００μとした。描画パターンは、直径３００ｎｍ、パターン周期６００ｎｍ、パターン配列は正三角格子配列とした。次いで、マスクパターンの上に、真空蒸着法によりニッケルを１００ｎｍ〜５００ｎｍ堆積させた。ニッケルを堆積させる理由は、実施例１に記載の理由と同様である。ニッケルの堆積後、半導体発光素子基板を電子線レジストの剥離液に浸漬してレジストおよび当該レジスト上に位置するニッケルを除去した（リフトオフ法）。このようにして、ニッケルからなるマスクパターンを基板１６の裏面上に形成した。
続いて、ＩＣＰエッチング装置に上記半導体発光素子基板を導入し、三フッ化メタン（ＣＨＦ３）ガスを用いてエッチング処理を３０分〜８０分間施した。ニッケル膜厚とエッチング時間を調整することで、微細凹凸構造の発現の有無と形状を制御した。最後に、ニッケルのマスクパターンを除去するために、６０℃〜９０℃に加熱した塩酸に半導体発光素子基板を１５分間浸漬させた。このとき、半導体発光素子基板の電極金属が塩酸によって腐食することを防止するため、半導体発光素子基板の電極を形成している面には予めフォトレジストを塗布、硬化させて保護膜として用いた。塩酸浸漬後、超純水でリンスし、保護膜として用いたフォトレジストを剥離液で溶解した。
これにより、円錐底部の直径６００ｎｍ、周期６００ｎｍ、高さ５５０ｎｍの周期凹凸構造と、平均直径５２ｎｍ、平均高さ５２ｎｍの微細凹凸構造とを有する基板からなる実施例２の紫外発光の半導体発光素子を作製した。作製した凹凸構造のＳＥＭ写真を図１５〜図１７に示す。
実施例２に対する比較例として、基板に凹凸構造を形成する前の紫外発光の半導体発光素子を準備した（比較例２）。そして、これらの実施例２および比較例２の試料について、光出力を測定した。その結果を図１８に示す。
図１８を参照して、横軸は比較例２を基準とした場合の実施例２の光出力比を示し、縦軸はサンプル個数を示す。比較例２の光出力を１．００としたとき、実施例２の光出力比平均値は１．７０であった。また、微細凹凸構造のみを有する紫外発光の半導体発光素子を比較例３とすると、比較例２に対する比較例３の光出力比の平均値は１．２５であった。この結果、実施例２で作製した周期凹凸構造と微細凹凸構造の両方を有する構造の優位性を示すことができた。図１８には、実施例２の試料である紫外発光の半導体発光素子の光出力比を表すヒストグラムである。また、実施例２の光出力比の標準偏差は０．０２９であり、実施例２の光出力比平均値の１．７％に相当した。すなわち、実施例２の試料も、発光出力のバラつきが極めて小さい半導体発光素子であることが示された。
本発明による半導体発光素子に形成される周期凹凸構造２１の効果を確認するべく、以下のようなシミュレーション計算を行なった。すなわち、発光層としてのＡｌＧａＮ層で発光した光（波長２６５ｎｍ）がＡｌＮ基板とＡｌＮ基板表面に加工された周期凹凸構造（ＡｌＮからなる円錐の２次元周期配列（三角格子））を介して外部（空気）へ取り出される光取出し効率を計算した。また、同様の系において周期凹凸構造が無い場合における光取り出し効率も計算した。
計算は時間領域有限差分法（ＦＤＴＤ法）を用い、初期光源としてダイポール点光源を設定しているが、ダイポールの振動方向や位置を複数変えて計算し平均化（疑似ランダム化）することにより、非コヒーレントな光源を人工的に再現した。屈折率は、ＡｌＧａＮ部について２．４３、ＡｌＮ部について２．２９、空気部について１．０を仮定した。発光層から見て光取出し面と反対側（裏面側）については通常ｐ−ＧａＮ層により光が吸収されるため、吸収境界とした。その結果を、図１９および図２０に示す。
図１９および図２０は、発光層としてのＡｌＧａＮ層で発光した光（波長２６５ｎｍ）がＡｌＮ基板とＡｌＮ基板表面に加工された周期凹凸構造（ＡｌＮからなる円錐の２次元周期配列（三角格子））を介して外部（空気）へ取り出される光取出し効率を計算し、それを周期凹凸構造が無い場合（フラット面）の結果で規格化した数値（光出力比）を示している。周期凹凸構造の凸形状部（円錐形状部）の底部の幅と周期は一致させた。図１９の横軸は周期凹凸構造の周期（単位：ｎｍ）を示し、縦軸は光出力比を示す。図１９では、アスペクト比の異なる場合ごとにデータを示している。また、図２０の横軸はアスペクト比（周期凹凸構造の凸形状部（円錐形状部）の底部の幅に対する凸形状部の高さの比）を示し、縦軸は光出力比を示す。図２０では、周期凹凸構造の周期（ａ）ごとにデータを示している。
図１９を参照して、周期が２００ｎｍ〜４５０ｎｍの範囲では、アスペクト比１．０の場合が最も光出力比が大きくなっている。また、図２０を参照して、アスペクト比が１．０の場合が最も光出力比が大きくなっている。
なお図１９および図２０は、２次元での計算の結果であるが、３次元での計算とほぼ同様の傾向の結果が得られることを確認している。
本発明による半導体発光素子に形成される周期凹凸構造２１の効果を確認するべく、以下のようなシミュレーション計算を行なった。すなわち、発光層としてのＡｌＧａＮ層で発光した光（波長２６５ｎｍ）がＡｌＮ基板とＡｌＮ基板表面に加工された周期凹凸構造（ＡｌＮからなる円錐の２次元周期配列（三角格子））を介して外部（封止材層）へ取り出される光取出し効率を計算した。また、同様の系において周期凹凸構造が無い場合における光取り出し効率も計算した。なお、計算方法は実施例３と同様である。屈折率は、ＡｌＧａＮ部が２．４３、ＡｌＮ部が２．２９、封止材部が１．４５を仮定した。封止材部としては、ＳｉＯ２や樹脂などが想定される。そして、他の条件は実施例３と同様とした。
図２１および図２２は、ＡｌＧａＮ層で発光した光（波長２６５ｎｍ）がＡｌＮ基板とＡｌＮ基板表面に加工された周期凹凸構造（ＡｌＮ円錐の２次元周期配列（三角格子））を介して外部（封止材層）へ取り出される光取出し効率を計算し、それをＡｌＮ基板表面に周期凹凸構造が無い場合のフラット面から外部（空気層）へ取り出される場合の光取出し効率の計算結果で規格化した数値（光出力比）を示している。
図２１の横軸は周期凹凸構造の周期（単位：ｎｍ）を示し、縦軸は光出力比を示す。図２１では、アスペクト比の異なる場合ごとにデータを示している。また、図２２の横軸はアスペクト比を示し、縦軸は光出力比を示す。図２２では、周期凹凸構造の周期（ａ）ごとにデータを示している。
実施例３および実施例４の結果から、例え同じ基板、波長、周期凹凸構造であっても、封止部材などの外部媒質の屈折率により最適な光取出し構造は変化することが分かる。ただし、ＡｌＮ基板とＡｌＮ基板表面に加工された周期凹凸構造からの光の取り出しは、空気もしくは封止材層いずれかへの取り出しの場合が生産工程上好ましく、これらの結果から、周期凹凸構造２１の効果を確認できる。
本発明の上記実施形態に係る半導体発光素子の構造に基づいて、実施例５に係る半導体発光素子を作製した。なお、実施例５に係る半導体発光素子の構成は、基本的には実施例１における半導体発光素子と同様である。半導体発光素子の発光層を含むエピタキシャル層は、上記実施の形態と同様のＡｌＧａＮ系半導体で構成し、素子の発光波長は２６５ｎｍとした。
作製した半導体発光素子ウェハの発光素子層とは逆の基板面（光取出し面）に電子線レジストを塗布し、半導体発光素子の発光部を覆うようにアライメントして電子線描画することによって、エッチングマスクパターンを作製した。発光部は、直径１００μｍの円領域であり、発光部の中心を描画中心として、描画領域を９００μｍ×９００μｍとした。描画パターンは、直径１８０ｎｍ、パターン周期３００ｎｍ、パターン配列は正三角格子配列とした。次いで、マスクパターンの上に、真空蒸着法によりニッケルを１００ｎｍ〜５００ｎｍ堆積させた。ニッケルを堆積させる理由は、実施例１に記載の理由と同様である。ニッケルの堆積後、半導体発光素子基板を電子線レジストの剥離液に浸漬してレジストおよび当該レジスト上に位置するニッケルを除去した(リフトオフ法)。このようにして、ニッケルからなるマスクパターンを基板１６の裏面上に形成した。
続いて、実施例２と同様に、ＩＣＰエッチング装置に上記半導体発光素子基板を導入し、三フッ化メタン(ＣＨＦ３)ガスを用いてエッチング処理を１０分〜８０分間施した。実施例５のように実施例２と比べてパターンサイズが小さい構造ではエッチング処理時間は相対的に短くなる。最後に、ニッケルのマスクパターンを除去するために、６０℃〜９０℃に加熱した塩酸に半導体発光素子基板を１５分間浸漬させた。なお、塩酸の温度を調整することで、微細凹凸構造の発現の有無と形状を制御できる。また、実施例２の場合と同様に、半導体発光素子基板の電極金属が塩酸によって腐食することを防止するため、半導体発光素子基板の電極を形成している面には予めフォトレジストを塗布、硬化させて保護膜として用いた。塩酸浸漬後、超純水でリンスし、保護膜として用いたフォトレジストを剥離液で溶解した。
これにより、円錐底部の直径３００ｎｍ、周期３００ｎｍ、アスペクト比が１の周期凹凸構造と、平均直径３３ｎｍ、平均高さ３３ｎｍの微細凹凸構造とを有する基板からなる実施例５の紫外発光の半導体発光素子を作製した。
実施例５に対する比較例として、基板に凹凸構造を形成する前の紫外発光の半導体発光素子を準備し、比較例４とした。そして、これらの実施例５および比較例４の試料について、光出力を測定した。その結果を図２３に示す。
図２３を参照して、横軸は比較例４を基準とした場合の実施例５の光出力比を示し、縦軸はサンプル個数を示す。比較例４の光出力を１．００としたとき、実施例５の光出力比平均値は１．９６であった。図２３からわかるように、実施例５では高い光出力比が得られており、周期凹凸構造と微細凹凸構造の両方を有する構造の優位性を示すことができた。また、実施例５の光出力比の標準偏差は０．０７であり、これは光出力比平均値の３．６％に相当する。このように、実施例５の試料も光出力のバラつきが相対的に小さい半導体発光素子であることが示された。
本発明の上記実施形態に係る半導体発光素子の構造に基づいて、実施例６に係る半導体発光素子を作製した。なお、実施例６に係る半導体発光素子の構成は、基本的には実施例１における半導体発光素子と同様である。また、半導体発光素子の発光層を含むエピタキシャル層の材料および素子の発光波長は上述した実施例５と同様である。
作製した半導体発光素子ウェハの発光素子層とは逆の基板面（光取出し面）に、実施例５と同様に電子線描画によってエッチングマスクパターンを作製した。発光部は、直径１００μｍの円領域であり、発光部の中心を描画中心として、描画領域を９００μｍ×９００μｍとした。描画パターンは、直径２００ｎｍ、パターン周期４００ｎｍ、パターン配列は正三角格子配列とした。次いで、実施例５と同様に、マスクパターンの上に、真空蒸着法によりニッケルを１００ｎｍ〜５００ｎｍ堆積させた。ニッケルの堆積後、半導体発光素子基板を電子線レジストの剥離液に浸漬してレジストおよび当該レジスト上に位置するニッケルを除去した(リフトオフ法)。このようにして、ニッケルからなるマスクパターンを基板１６の裏面上に形成した。
続いて、実施例２と同様に、ＩＣＰエッチング装置に上記半導体発光素子基板を導入し、三フッ化メタン(ＣＨＦ３)ガスを用いてエッチング処理を１０分〜８０分間施した。最後に、ニッケルのマスクパターンを除去するために、６０℃〜９０℃に加熱した塩酸に半導体発光素子基板を１５分間浸漬させた。なお、実施例２の場合と同様に、半導体発光素子基板の電極金属が塩酸によって腐食することを防止するため、半導体発光素子基板の電極を形成している面には予めフォトレジストを塗布、硬化させて保護膜として用いた。塩酸浸漬後、超純水でリンスし、保護膜として用いたフォトレジストを剥離液で溶解した。
これにより、円錐底部の直径４００ｎｍ、周期４００ｎｍ、アスペクト比が１の周期凹凸構造と、平均直径３３ｎｍ、平均高さ３３ｎｍの微細凹凸構造とを有する基板からなる実施例６の紫外発光の半導体発光素子を作製した。
実施例６に対する比較例として、基板に凹凸構造を形成する前の紫外発光の半導体発光素子を準備し、比較例５とした。そして、これらの実施例６および比較例５の試料について、光出力を測定した。その結果を図２４に示す。
図２４を参照して、横軸は比較例５を基準とした場合の実施例６の光出力比を示し、縦軸はサンプル個数を示す。比較例５の光出力を１．００としたとき、実施例６の光出力比平均値は１．７９であった。図２４からわかるように、実施例５と同様に実施例６でも高い光出力比が得られており、周期凹凸構造と微細凹凸構造の両方を有する構造の優位性を示すことができた。また、図２４からわかるように、実施例６の試料も実施例５の試料と同様に光出力のバラつきが相対的に小さい半導体発光素子であることが示された。
本発明の上記実施形態に係る半導体発光素子の構造に基づいて、実施例７に係る半導体発光素子を作製した。なお、実施例７に係る半導体発光素子の構成は、基本的には実施例１における半導体発光素子と同様である。また、半導体発光素子の発光層を含むエピタキシャル層の材料および素子の発光波長は上述した実施例５と同様である。
作製した半導体発光素子ウェハの発光素子層とは逆の基板面（光取出し面）に、実施例５と同様に電子線描画によってエッチングマスクパターンを作製した。発光部は、直径１００μｍの円領域であり、発光部の中心を描画中心として、描画領域を９００μｍ×９００μｍとした。描画パターンは、直径４００ｎｍ、パターン周期１０００ｎｍ、パターン配列は正三角格子配列とした。次いで、実施例５と同様に、マスクパターンの上に、真空蒸着法によりニッケルを１００ｎｍ〜５００ｎｍ堆積させた。ニッケルの堆積後、半導体発光素子基板を電子線レジストの剥離液に浸漬してレジストおよび当該レジスト上に位置するニッケルを除去した(リフトオフ法)。このようにして、ニッケルからなるマスクパターンを基板１６の裏面上に形成した。
続いて、実施例２と同様に、ＩＣＰエッチング装置に上記半導体発光素子基板を導入し、三フッ化メタン(ＣＨＦ３)ガスを用いてエッチング処理を１０分〜８０分間施した。なお、実施例５のようなパターンサイズが相対的に小さい構造では上記エッチング処理時間は短く、逆に実施例７のようにパターンサイズが相対的に大きい構造では上記エッチング処理時間は長くなる。
最後に、ニッケルのマスクパターンを除去するために、６０℃〜９０℃に加熱した塩酸に半導体発光素子基板を１５分間浸漬させた。なお、実施例２の場合と同様に、半導体発光素子基板の電極金属が塩酸によって腐食することを防止するため、半導体発光素子基板の電極を形成している面には予めフォトレジストを塗布、硬化させて保護膜として用いた。塩酸浸漬後、超純水でリンスし、保護膜として用いたフォトレジストを剥離液で溶解した。
これにより、円錐底部の直径１０００ｎｍ、周期１０００ｎｍ、アスペクト比が１の周期凹凸構造と、平均直径３３ｎｍ、平均高さ３３ｎｍの微細凹凸構造とを有する基板からなる実施例７の紫外発光の半導体発光素子を作製した。
実施例７に対する比較例として、基板に凹凸構造を形成する前の紫外発光の半導体発光素子を準備し、比較例６とした。そして、これらの実施例７および比較例６の試料について、光出力を測定した。その結果を図２５に示す。
図２５を参照して、横軸は比較例６を基準とした場合の実施例７の光出力比を示し、縦軸はサンプル個数を示す。比較例６の光出力を１．００としたとき、実施例７の光出力比平均値は１．６９であった。図２５からわかるように、実施例５と同様に実施例７でも高い光出力比が得られており、周期凹凸構造と微細凹凸構造の両方を有する構造の優位性を示すことができた。また、図２５からわかるように、実施例７の試料も実施例５の試料と同様に光出力のバラつきが相対的に小さい半導体発光素子であることが示された。
実施例８に係る半導体発光素子として、上記実施例１の半導体発光素子ウェハの光取出し面に作製した周期凹凸構造（パターン周期が３００ｎｍ）の周期を６００ｎｍとしたものを作製した。また、アスペクト比を１に固定するため、直径および高さは上記パターン周期に合わせた。なお、上記実施例８に係る半導体発光素子は、上記パターン周期、直径、および高さ以外は全て実施例１に係る半導体発光素子と同様である。また、作製条件も、エッチングの処理の処理時間を３０分〜８０分とする以外は、実施例１と同様である。
このようにして、実施例８に係る半導体発光素子として、円錐底部の直径６００ｎｍ、周期６００ｎｍ、高さ６００ｎｍの周期凹凸構造を有する基板からなる紫外発光の半導体発光素子を作製した。
実施例８に対する比較例として、基板に凹凸構造を形成する前の紫外発光の半導体発光素子を準備し、比較例７とした。そして、この実施例８および比較例７の試料について、光出力を測定した。その結果を図２６に示す。
図２６を参照して、横軸は比較例７を基準とした場合の実施例８の光出力比を示し、縦軸はサンプル個数を示す。比較例７の光出力を１．００としたとき、実施例８の光出力比平均値は１．４４であった。ここで、同一の周期凹凸構造（周期６００ｎｍ）を有する実施例２、実施例８、さらに周期凹凸構造を有さない比較例７とを比べると、光出力比は実施例２＞実施例８＞比較例７の順に小さくなり、周期凹凸構造と微細凹凸構造の両方を有する構造の優位性を示すことができた。
実施例９に係る半導体発光素子として、上記実施例１の半導体発光素子ウェハの光取出し面に作製した周期凹凸構造（パターン周期が３００ｎｍ）の周期を１０００ｎｍとしたものを作製した。また、アスペクト比を１に固定するため、直径および高さは上記パターン周期に合わせた。なお、上記実施例９に係る半導体発光素子は、上記パターン周期、直径、および高さ以外は全て実施例１に係る半導体発光素子と同様である。また、作製条件も、エッチングの処理の処理時間を３０分〜８０分とする以外は、実施例１と同様である。
このようにして、実施例９に係る半導体発光素子として、円錐底部の直径１０００ｎｍ、周期１０００ｎｍ、高さ１０００ｎｍの周期凹凸構造を有する基板からなる紫外発光の半導体発光素子を作製した。
実施例９に対する比較例として、基板に凹凸構造を形成する前の紫外発光の半導体発光素子を準備し、比較例８とした。そして、この実施例９および比較例８の試料について、光出力を測定した。その結果を図２６に示す。
図２６を参照して、横軸は比較例８を基準とした場合の実施例９の光出力比を示し、縦軸はサンプル個数を示す。比較例８の光出力を１．００としたとき、実施例９の光出力比平均値は１．２６であった。ここで、同一の周期凹凸構造（周期１０００ｎｍ）を有する実施例７、実施例９、さらに周期凹凸構造を有さない比較例８とを比べると、光出力比は実施例７＞実施例９＞比較例８の順に小さくなり、周期凹凸構造と微細凹凸構造の両方を有する構造の優位性を示すことができた。
また、上述した実施例１、実施例８、および実施例９について得られた光出力比は、図２７に示す通り、実施例３で示した計算結果とよく一致している。これは、シミュレーション計算から得られた光取出し構造の最適化に関する指針の妥当性を裏付けるものである。また、図２７には、実施例２、実施例５〜実施例７について得られた光出力比も合わせてプロットしている。なお、図２７の横軸は凹凸構造の配列周期（単位：ｎｍ）を示し、縦軸は光出力比を示している。
図２７からもわかるように、周期凹凸構造の配列周期に対する光出力比の傾向は、シミュレーション計算結果とほぼ一致している。すなわち、図２７から、光出力比の絶対値の増加分は、微細凹凸構造の付加による光取出し効率の向上効果によるものであることが裏付けられる。
今回開示された実施の形態および実施例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て請求の範囲によって示され、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が意図される。
この発明は、短波長の光を出射する半導体発光素子に特に有利に適用される。
１１ 正電極、１２ ｐ型半導体層、１３ 活性層、１４ 負電極、１５ ｎ型半導体層、１６ 基板、１６Ａ 裏面、２１ 周期凹凸構造、２２ 微細凹凸構造。

Claims (10)

  1. 発光層を含む半導体層を備えた半導体発光素子であって、
    前記半導体発光素子の表面は光取出し面を含み、
    前記光取出し面および前記半導体発光素子内において互いに屈折率の異なる２つの層の界面の少なくともいずれか一方には、前記発光層から出射される光の波長の０．５倍を超える周期を有する周期凹凸構造と、前記周期凹凸構造の表面上に位置し、前記光の前記波長の０．５倍以下である平均直径を有する微細凹凸構造とが形成されており、
    前記周期凹凸構造の凹部上に形成される前記微細凹凸構造の微細凹凸の密度は、前記周期凹凸構造の凸部上に形成される前記微細凹凸構造の前記微細凹凸の密度よりも大きい、半導体発光素子。
  2. 前記周期凹凸構造の配列パターンは三角格子状である、請求項１に記載の半導体発光素子。
  3. 前記周期凹凸構造は、空気より屈折率の高い高屈折率材料部を含み、
    前記発光層から前記光取出し面に向かう方向に対して垂直な面における前記高屈折率材料部の断面積は、前記発光層から離れるほど小さくなる、請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子。
  4. 前記高屈折率材料部は、空気より屈折率の高い高屈折率材料からなる凸部を含み、
    前記凸部の形状は、錐体形状または半楕円球形状である、請求項３に記載の半導体発光素子。
  5. 前記発光層はＩＩＩ族窒化物半導体を含み、
    前記半導体層は、
    導電型がｎ型であるｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層と、
    前記発光層から見て前記ｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層と反対側に位置し、導電型がｐ型であるｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層とを含む、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
  6. 前記発光層から前記光取出し面の側に配置され、前記発光層から出射される前記光に対し透明性を有する透明性基板を備える、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
  7. 前記透明性基板が、窒化アルミニウム基板である、請求項６に記載の半導体発光素子。
  8. 前記周期凹凸構造は、前記光の前記波長を超える前記周期を有し、
    前記光の前記波長は３５０ｎｍ以下である、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
  9. 前記周期凹凸構造の高さは、前記周期凹凸構造の周期に対し１／３倍以上５倍以下であり、
    前記微細凹凸構造の平均高さは、前記微細凹凸構造の前記平均直径に対し０．１倍以上１０倍以下である、請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
  10. 発光層を有する半導体層を含む半導体発光素子となるべき素子部材を準備する工程と、
    前記素子部材において、前記半導体発光素子の光取出し面となるべき領域上に、パターンを有するマスク層を形成する工程と、
    前記マスク層をマスクとして用いて、エッチングにより前記光取出し面となるべき領域を部分的に除去することにより、周期凹凸構造を形成する工程とを備え、
    前記マスク層は金属マスク層であり、
    前記周期凹凸構造を形成する工程では、フッ素系ガスをエッチングガスとして用いたドライエッチングを行なうことにより、前記周期凹凸構造を形成するとともに、前記周期凹凸構造の表面に微細凹凸構造を形成し、
    前記周期凹凸構造は、前記発光層から出射される光の波長の０．５倍を超える周期を有し、
    前記微細凹凸構造は、前記光の前記波長の０．５倍以下である平均直径を有する、半導体発光素子の製造方法。
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