JPWO2014199851A1 - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

少なくとも２層以上の半導体層（１０３）（１０５）と、発光層（１０４）とを積層して構成される積層半導体層（１１０）を有し、第一の光を発光する半導体発光素子（１００）と、少なくとも半導体発光素子（１００）の一部を覆い、第一の光の少なくとも一部を吸収し、第一の光の波長とは異なる第二の光を発光する波長変換部材とで構成されており、半導体発光素子（１００）は、半導体発光素子（１００）を構成するいずれかの主面において、面外方向に延在する複数の凸部又は凹部から構成されるドットを含む微細構造層を構成要素として備え、微細構造層は、少なくともドット間のピッチ、ドット径又はドット高さのいずれかにより制御された二次元フォトニック結晶（１０２）を構成し、二次元フォトニック結晶（１０２）は少なくとも、各々１μｍ以上の２つ以上の周期を有することを特徴とする半導体発光装置。

Description

本発明は、半導体発光素子と波長変換部材とを有して構成される半導体発光装置に関する。

半導体層を利用した半導体発光素子である発光ダイオード（ＬＥＤ）は、従来の蛍光灯や白熱球等の旧来の発光装置に比較し、小型で電力効率が高い、オンオフ応答性が速い等の特性を有し、かつ、全て固体で構成されているため振動に強く機器寿命が長い等の多くの利点を有している。

またＬＥＤは、発光中心波長が単一であるが、各種光源として使用するためには、単一波長ではその使用用途に制限ができることから、発光光源としては、白色光が求められる。

例えば、特許文献１には、青色ＬＥＤと、その発光光を吸収して黄色の蛍光を発する蛍光材とを組み合わせ、黄色光と、吸収されなかった青色光とを混合して白色光を生成する半導体発光デバイスに関する発明が開示されている。

また特許文献２には、ＵＶ光〜紫色光の１次光を放射する発光ダイオードチップと、蛍光材層が分散された透明樹脂層とを有する白色ＬＥＤランプに関する発明が開示されている。１次光が透明樹脂層を透過して蛍光材層に到達すると、蛍光材層中の蛍光材粉末が青色光、緑色光、黄色光及び赤色光等の光（２次光）を放射し、この際、各色の２次光を混合した光の色が白色になるように定められている。

特許文献３には、半導体発光装置の一構成である半導体発光素子に関する発明が開示されている。特許文献３では、マイクロオーダーの凹凸パターンを、ＬＥＤを構成する基板表面に設け、発光層での光の導波方向を変えて、光取り出し効率を向上させるとしている。なお特許文献３に記載された発明においても、半導体発光素子の表面にＹＡＧを含んだ蛍光材を樹脂と混合させて形成することで、光取り出し効率の高い白色発光装置を得ることができるとしている（特許文献３の［００７７］欄等参照）。

特許文献４には、半導体発光素子の発光露出面に凹凸構造を形成し、蛍光体を含んだコーティング層でコーティングすることにより、光取り出し効率の高い発光装置に関する発明が開示されている。

さらに、特許文献５には、発光層を含む積層半導体層上に、表面に凹凸構造が形成された樹脂材からなる光取り出し層を設けた半導体発光装置が開示されている。

また特許文献６には、基板にナノサイズのパターンを設け、且つ、そのパターンにマイクロオーダーの長周期を設けた半導体発光素子用基材及び半導体発光素子に関する発明が開示されている。特許文献６によれば、ＬＥＤ製造時のエピタキシャル成長における結晶欠陥転位を抑制し、ＬＥＤの内部量子効率を上げることができ、且つ、マイクロオーダーの長周期が設けられることで光取り出し効率も上がり、結果として、内部量子効率と光取り出し効率の積で定義される外部量子効率が向上するとしている。

特開２００４−１５０６３号公報 特開２０１３−３８４４７号公報 特開２００３−３１８４４１号公報 特開２００８−２０５５１１号公報 特開２００７−３５９６７号公報 国際公開第２０１３／０３１８８７号パンフレット

しかしながら従来では、特許文献３から特許文献６に記載された、凹凸パターンを備えた半導体発光素子を、特許文献１や特許文献２に記載された発光光と蛍光とが発光される白色発光装置に適用した際に、白色発光装置の発光効率を向上させることが可能な構成について何ら言及がなされていなかった。

また特許文献３に示すように、ＬＥＤ単体の発光効率を向上させるために、マイクロオーダーの凹凸パターンを、ＬＥＤを構成する基板表面に設ける技術が広く適用されている。

ＬＥＤの発光効率を示す外部量子効率ＥＱＥ（Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｅｙ）を決定する要因として、電子注入効率ＥＩＥ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）、内部量子効率ＩＱＥ（Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）及び光取り出し効率ＬＥＥ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が挙げられる。このうち、内部量子効率ＩＱＥは、ＧａＮ系半導体結晶の結晶不整合に起因する転位密度に依存する。また光取り出し効率ＬＥＥは、基板に設けられた凹凸パターンによる光散乱により、ＧａＮ系半導体結晶内部の導波モードを崩すことで改善される。

すなわち、半導体発光素子に設けられた凹凸パターンの役割（効果）としては、（１）半導体結晶内の転位低減による内部量子効率ＩＱＥの改善、（２）導波モードを解消することによる光取り出し効率ＬＥＥの改善が挙げられる。

しかしながら、特許文献３に記載の技術では、（２）の効果による光取り出し効率ＬＥＥの改善はなされるが、（１）の転位低減の効果は少ないと考えられる。半導体発光素子用基材の表面に凹凸を設けることで、転位欠陥が減少する理由は、凹凸によりＧａＮ系半導体層のＣＶＤ成長モードが乱され、層成長に伴う転位欠陥が衝突して消滅するためである。そのため、欠陥数に相当するだけの凹凸パターンが存在すれば欠陥減少には効果的であるが、欠陥数よりも少ない凹凸パターンの数では、転位低減の効果は限定される。例えば、転位密度１×１０^９個／ｃｍ^２は、ナノオーダーに換算すると１０個／μｍ^２に相当し、転位密度１×１０^８個／ｃｍ^２は、１個／μｍ^２に相当する。５μｍ×５μｍ（□５μｍ）に２個程度の凹凸パターンを設けると、凹凸パターン密度は、０．０８×１０^８個／ｃｍ^２となり、５００ｎｍ×５００ｎｍ（□５００ｎｍ）に２個程度の凹凸パターンを設けると、凹凸パターン密度は、８×１０^８個／ｃｍ^２となる。このように、凹凸パターンのサイズをナノオーダーのピッチとすると、転位密度の低減に大きな効果がある。

しかしながら、凹凸パターン密度が細かくなると、光に対する散乱効果が減少し、（２）の導波モード解消の効果が減る問題があった。

そこで、特許文献６に記載の技術では、基板にナノサイズの凹凸パターンを設け、且つ、そのパターンにマイクロオーダーの長周期を設け、ＬＥＤの外部量子効率ＥＱＥを向上させている。

この技術においては、上記したような、ＬＥＤ製造時のエピタキシャル成長における結晶欠陥転位をナノサイズの凹凸パターンで抑制し、ＬＥＤの内部量子効率ＩＱＥを上げている。さらに、ナノサイズの凹凸パターンの配置に、マイクロオーダーの長周期が設けられることで光取り出し効率ＬＥＥも上がり、結果として、内部量子効率ＩＱＥと光取り出し効率ＬＥＥの積で定義される外部量子効率ＥＱＥを向上させることが可能になる。

しかしながら、上記した技術は、ＬＥＤそのものの発光効率の向上を図ることを主眼に置いており、上記した技術を適用したＬＥＤを利用して、特許文献１、あるいは、特許文献２に記載されているように、発光光と蛍光とが発光される白色発光装置に適用した場合、単色発光の効率に比べ、効率が低下する問題があった。さらには、白色光の色ムラが観察される問題もあった。特に、照明用途の場合、白色発光装置の発光分布としては、角度依存性が少なく、可視光全波長においてランバーシアン型の発光分布が必要とされる。

上記問題は、次のように解釈される。ＬＥＤに設けられたマイクロオーダーの長周期構造は、発光光に適するように設定されている。このため、蛍光材が発光光の一部を吸収し、発光光とは異なる波長の蛍光が発光された際に、十分な光散乱性が機能しないと考えられる。その結果、蛍光に対する光取り出し効率が、発光光よりも低下するため、白色発光装置からの白色光全体の効率が向上しない。さらには、上記と同様に発光光と蛍光とで光散乱性が異なるため、角度分布が異なり、結果として、可視光全波長における角度依存性が観察される。

また、特許文献４に記載された、半導体発光素子の発光露出面に凹凸構造を備えた半導体発光素子を、蛍光体を含んだコーティング層でコーティングしてなる半導体発光装置においては、半導体発光素子からの一次発光光の光取り出し効率は向上するが、蛍光体からの蛍光光の光取り出し効率については、なんら効果を見いだせるものではなかった。

同様に、特許文献５に記載された半導体発光装置においても、半導体発光素子からの一次発光光に対する光取り出し効率の向上効果を開示しているが、蛍光体からの蛍光光の光取り出し効率については、何ら効果を見出していない。

さらに、特許文献２に記載のナノ粒子の蛍光体を含むコーティング層を用いて、半導体発光素子の発光露出面に凹凸構造を備えた半導体発光素子をコーティングした場合、マイクロオーダーの蛍光体を含むコーティング層を使用した場合と比較して、半導体発光素子からの一次発光光の光取り出し効率が低下する問題があった。

上記問題は、次のように解釈される。半導体発光素子の発光露出面に凹凸構造を形成することで、回折または光散乱効果を生じさせ、半導体発光素子の内部の導波モードを崩し、一次発光光の光取り出し効率を向上させている。しかしながら、ナノ粒子の蛍光体を含むコーティング層の屈折率は、ナノ粒子を含有するため、有効媒質近似で近似され、蛍光体の屈折率は、コーティング層の分散媒質よりも高く、結果として、コーティング層の屈折率は高くなる。例えば、２．３の屈折率を有する蛍光体を１．５の屈折率を有する分散媒に４０％の体積分率で分散した場合、次の式（Ａ）及び式（Ｂ）からコーティング層の屈折率は、１．８０と計算される。
ｆａ（εａ−ε)／(εａ＋2ε)＋ｆｂ(εｂ−ε)／(εｂ＋２ε)＝０（Ａ）
n＝√ε（Ｂ）

ここで、ｆａ、ｆｂは媒質ａ、媒質ｂの体積分率であり、εａ、εｂ、εは各々、媒質ａ、媒質ｂ、有効媒質の誘電率であり、ｎは有効媒質の屈折率である。

以上により凹凸構造とコーティング層との間における屈折率の差が減少し、その結果、凹凸構造による回折／分散効果が減少するため、半導体発光素子の発光露出面に凹凸構造を形成しても一次発光光の光取り出し効率が低下すると考えられる。

このように、従来の技術では、ＬＥＤからの発光光に対しては、（１）内部量子効率ＩＱＥの改善、（２）光散乱により導波モードを解消することによる光取り出し効率ＬＥＥの改善の両者を満たすことができているが、蛍光材と組み合わせた白色発光装置においては、十分な発光効率が発現せず、さらに、発光分布の角度依存性があるという問題があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、ＬＥＤからの発光光に対しては、内部量子効率ＩＱＥと光取り出し効率ＬＥＥを高めることで、発光効率を向上させると同時に、蛍光に対しても、光散乱性を増加させ、発光効率を向上させることが可能な半導体発光装置を提供することを目的とする。さらには、発光分布の角度依存性が少なく、工業用途として適用容易な半導体発光装置を提供することを目的とする。

本発明の半導体発光装置は、少なくとも２層以上の半導体層と、発光層とを積層して構成される積層半導体層を有し、第一の光を発光する半導体発光素子と、少なくとも前記半導体発光素子の一部を覆い、前記第一の光の少なくとも一部を吸収し、前記第一の光の波長とは異なる第二の光を発光する波長変換部材と、を有して構成される半導体発光装置であって、前記半導体発光素子は、前記半導体発光素子を構成するいずれかの主面において、面外方向に延在する複数の凸部又は凹部から構成されるドットを含む微細構造層を構成要素として備え、前記微細構造層は、少なくとも前記ドット間のピッチ、ドット径又はドット高さのいずれかにより制御された二次元フォトニック結晶を構成し、前記二次元フォトニック結晶は少なくとも、各々１μｍ以上の２つ以上の周期を有することを特徴とする。

本発明の半導体発光装置においては、前記二次元フォトニック結晶は、前記第一の光の光学波長の６倍以上及び前記第二の光の光学波長の６倍以上の、少なくとも２つ以上の周期を有することが好ましい。

また本発明の半導体発光装置は、少なくとも２層以上の半導体層と、発光層とを積層して構成される積層半導体層を有し、第一の光を発光する半導体発光素子と、少なくとも前記半導体発光素子の一部を覆い、前記第一の光の少なくとも一部を吸収し、前記第一の光の波長とは異なる第二の光を発光する波長変換部材と、を有して構成される半導体発光装置であって、前記半導体発光素子は、前記半導体発光素子を構成するいずれかの主面において、面外方向に延在する複数の凸部又は凹部から構成されるドットを含む微細構造層を構成要素として備え、前記微細構造層は、少なくとも前記ドット間のピッチ、ドット径又はドット高さのいずれかにより制御された二次元フォトニック結晶を構成し、前記二次元フォトニック結晶は、前記第一の光の光学波長の６倍以上及び前記第二の光の光学波長の６倍以上の、少なくとも２つ以上の周期を有することを特徴とする。

また、本発明の半導体発光装置においては、前記波長変換部材が、少なくとも前記第一の光及び前記第二の光に対し透明である第一の材料、及び、前記第一の光の少なくとも一部を吸収し、前記第二の光を発光する第二の材料を含有することが好ましい。

さらに、前記微細構造層を、少なくとも、前記半導体発光素子の最表面に構成要素として備え、前記微細構造層と前記波長変換部材との間には、少なくとも前記第一の光及び前記第二の光に対し実質的に透明であり、前記第二の材料を含まない中間材料が充填されていることが好ましい。

さらに、前記第二の材料が、前記第一の光の第一の材料における光学波長よりも小さい平均粒子径であることが好ましい。

また、本発明の半導体発光装置においては、前記波長変換部材は、前記第二の光と、前記第一の光及び前記第二の光の各波長とは異なる第三の光とを発光する構成であり、前記波長変換部材が、少なくとも前記第一の光と前記第二の光及び前記第三の光に対し透明である第一の材料、及び、前記第一の光の少なくとも一部を吸収し、前記第三の光を発光する第三の材料を含有し、前記二次元フォトニック結晶は、前記第三の光の光学波長の６倍以上の周期を有することが好ましい。

さらに、前記微細構造層を、少なくとも、前記半導体発光素子の最表面に構成要素として備え、前記微細構造層と前記波長変換部材との間には、少なくとも前記第一の光と前記第二の光及び前記第三の光に対し実質的に透明であり、前記第二の材料及び前記第三の材料を含まない中間材料が充填されていることが好ましい。

さらに、前記第二の材料及び第三の材料の少なくとも一つが、前記第一の光の前記第一の材料における光学波長よりも小さい平均粒子径であることが好ましい。

また、本発明の半導体発光装置においては、前記波長変換部材は、前記第二の光と、前記第三の光と、前記第一の光、前記第二の光及び前記第三の光の各波長とは異なる第四の光とを発光する構成であり、前記波長変換部材が、少なくとも前記第一の光と前記第二の光と前記第三の光及び前記第四の光に対し透明である第一の材料、及び、前記第一の光の少なくとも一部を吸収し、前記第四の光を発光する第四の材料を含有し、前記二次元フォトニック結晶は、前記第四の光の光学波長の６倍以上の周期を有することが好ましい。

さらに、前記微細構造層を、少なくとも、前記半導体発光素子の最表面に構成要素として備え、前記微細構造層と前記波長変換部材との間には、少なくとも前記第一の光と前記第二の光と前記第三の光及び前記第四の光に対し実施的に透明であり、前記第二の材料、前記第三の材料及び前記第四の材料を含まない中間材料が充填されていることが好ましい。

さらに、前記第二の材料、前記第三の材料及び前記第四の材料の少なくとも一つが、前記第一の光の前記第一の材料における光学波長よりも小さい平均粒子径であることが好ましい。

さらに、本発明の半導体発光装置においては、前記二次元フォトニック結晶が、前記半導体発光素子を構成するいずれか異なる二つ以上の主面に構成され、各々の二次元フォトニック結晶の前記周期が互いに異なることが好ましい。

本発明の半導体発光装置においては、前記二次元フォトニック結晶の周期が少なくとも前記主面の一軸方向に周期を有する構成にでき、あるいは、前記二次元フォトニック結晶の周期が少なくとも独立する前記主面の二軸方向に周期を有する構成にできる。

本発明によれば、微細構造層を構成する二次元フォトニック結晶が、１μｍ以上、あるいは、第一の光の光学波長の６倍以上及び第二の光（波長変換部材にて第一の光の少なくとも一部を吸収して発する第一の光とは異なる波長の光）の光学波長の６倍以上の、少なくとも２つ以上の周期を有することで、光回折性よりも光散乱性を強めることができる。そのため、本発明の半導体発光素子においては、半導体層中からの発光、及び、波長変換部材からの発光に対し、光散乱性を強く発現させることができ、この光散乱性によって導波モードを解消し、光取り出し効率ＬＥＥを高めることが可能となる。さらに、半導体発光素子からの効率的に発光された一次発光を効率的に波長変換できる。この結果、半導体発光装置の最終的な発光効率を向上させることができる。さらには、発光分布の角度依存性を少なくし、工業用途として適用容易な半導体発光装置を提供することができる。

本実施の形態に係る半導体発光装置の断面模式図である。 本実施の形態に係る半導体発光装置の他の例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装置の他の例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装置の他の例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装置の他の例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装置の他の例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装置の他の例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装置の他の例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の断面模式図である。 本実施の形態に係る半導体発光素子の他の例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の他の例を示す断面模式図である。 第１の実施の形態に係る半導体発光素子用基材の一例を示す斜視模式図である。 本実施の形態に係る半導体発光素子用基材の他の例を説明するための斜視模式図である。 本実施の形態に係る半導体発光素子用基材の一例を示す平面模式図である。 半導体発光素子用基材の第２方向Ｄ２におけるドット列の配置例を示す模式図である。 本実施の形態に係る半導体発光素子用基材の別の例を示す平面模式図である。 本実施の形態に係る半導体発光素子用基材の別の例を示す平面模式図である。 本実施の形態に係る半導体発光素子用基材の別の例を示す平面模式図である。 本実施の形態に係る半導体発光素子用基材の別の例を示す平面模式図である。 本実施の形態に係る半導体発光素子用基材の別の例を示す平面模式図である。 本実施の形態に係る半導体発光素子用基材の第２方向Ｄ２におけるドットの配置例を示す模式図である。 本実施の形態に係る半導体発光素子用基材の第２方向Ｄ２におけるドットの配置例を示す模式図である。 ドット間隔が長周期を有するドットで構成される半導体発光素子用基材の平面模式図である。 同一主面内に２つ以上の周期を有する半導体発光素子用基材の別の平面模式図である。 本実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法の各工程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用基材の製造方法の一例を示す概略説明図である。 本実施の形態に係る半導体発光素子用基材を形成する露光装置におけるスピンドルモーターのＺ相信号を基準信号として基準パルス信号、変調パルス信号を設定した一例を説明する説明図である。 本実施の形態に係る半導体発光素子用基材を形成する露光装置における基準パルス信号と変調パルス信号から、位相変調パルス信号を設定した一例を説明する説明図である。 本実施の形態に係る半導体発光素子用基材を形成する露光装置におけるレーザ光を照射する加工ヘッド部の移動速度の一例を説明する説明図である。

以下、本発明の一実施の形態（以下、「実施の形態」と略記する。）について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。

以下、本実施の形態に係る半導体発光装置について詳細に説明する。本発明における半導体発光装置は、少なくとも２層以上の半導体層と、発光層とを積層して構成される積層半導体層を有し、第一の光を発光する半導体発光素子と、少なくとも、前記半導体発光素子の一部を覆い、前記第一の光の少なくとも一部を吸収し、第一の光の波長とは異なる第二の光を発光する波長変換部材と、を有して構成される。

例えば、本実施の形態の半導体発光装置は、図１に示す断面模式図にて構成される。図１に示すように、半導体発光装置５００は、半導体発光素子１００をパッケージ５２０の収納部５２０ａ内に配置した構成となっている。

図１に示す実施の形態では、パッケージ５２０が、波長変換部材５１１で充填されている。そのため半導体発光素子１００の裏面１００ａを除く各面が波長変換部材５１１で覆われた構造となっている。

図１に示すように波長変換部材５１１は、半導体発光素子１００からの発光光（第一の光）の発光中心波長に対して実質的に透明な第一の材料である充填材５４１とそれに含有、分散されている蛍光材（第二の材料）５３１とを有して構成されている。蛍光材５３１は、半導体発光素子１００から発光される発光光である第一の光の発光中心波長に対する蛍光特性を有しており、第一の光の少なくとも一部を吸収し、第一の光の波長とは異なる第二の光である蛍光を発光する。さらに、充填材５４１は、前記第二の光である蛍光に対しても実質的に透明であり、後述する第三の光及び第四の光に対しても実質的に透明である。

以下、本発明において実質的に透明とは、該当する波長の光に対する吸収がほとんどない状態を指し、具体的には、該当する波長の光に対する吸収率が１０％以下であり、好ましくは５％以下であり、より好ましくは２％以下である。あるいは、実質的に透明とは、該当する波長の光の透過率が、８０％以上であり、好ましくは、８５％以上であり、より好ましくは、９０％以上と定義される。

充填材５４１は、有機物又は無機物とすることができ、例えば、エポキシ、アクリルポリマー、ポリカーボネート、シリコーンポリマー、光学ガラス、カルコゲナイドガラス、スピロ化合物、及びこれらの混合物を含む材料から構成することができるが、特に材質を限定するものではない。

さらに充填材５４１は、また、第一の光、第二の光、第三の光、及び第四の光に対して実質的に透明な微粒子を含有しても良い。微粒子を含有することで、耐熱性、耐久性、耐候性、熱寸法安定性が向上し好ましい。

充填材５４１に含有される前記微粒子としては、特に限定されるものではないが、金属酸化物、金属窒化物、ニトリドシリケート、及びこれらの混合物とすることができる。好適な金属酸化物の例としては、酸化カルシウム、酸化セリウム、酸化ハフニウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム及びこれらの混合物を含むことができる。

半導体発光装置５００からの発光光は、半導体発光素子１００から発光される第一の光と、波長変換部材５１１からの蛍光である第二の光との混色が観察され、例えば、第一の光が４５０ｎｍ付近に発光中心波長を有する青色、第二の光が５９０ｎｍ付近に主波長を有する黄色蛍光材である場合、半導体発光装置５００の発光光は、白色として観察される。

第一の光と第二の光の波長は、特に制限されるものではなく、上記したように、半導体発光装置５００からの発光色が目的に応じた色を呈するように任意に選択される。ただし、第一の光を吸収し、蛍光である第二の光が得られることから、第二の光の波長は、必ず、第一の光よりも長くなる。

また、第一の光、第二の光が共に、可視光である必要はなく、例えば、第一の光が４１０ｎｍ以下の波長を有する紫外光であり、第二の光が緑色であってもよい。この場合、半導体発光装置５００からの発光光は、単色光のみ観察されることとなる。半導体発光装置５００からの発光光は、目的に応じて種々選択することができ、それに応じて、半導体発光素子１００の構成と、蛍光材５３１の材料とが種々選択される。

半導体発光素子１００からの発光光の一部は、蛍光材５３１に吸収され、蛍光を発する。蛍光は、そのまま、半導体発光装置５００の系外へ導出されるが、一部は、図１に示すように散乱され、半導体発光素子１００に戻る。このとき、後述する半導体発光素子１００に設けられている微細構造層により、蛍光は散乱を受け、半導体発光装置５００の系外へ導出される。本実施の形態と異なって、半導体発光素子１００に微細構造層が設けられていない場合、半導体発光装置５００に戻った光の角度は変わらず、一部は、導光モードとなり、半導体発光装置５００の系外へ導出されない現象がおき、結果として、半導体発光装置５００の発光効率は低下することとなる。

図２は、本実施の形態に係る半導体発光装置の他の例を示す断面模式図である。半導体発光装置５０１においては、パッケージ５２０に設置された半導体発光素子１００の発光面の一部が、波長変換部材５１２で覆われている。図２に示すようにパッケージ５２０内は、封止材５４２で充填されている。波長変換部材５１２は、半導体発光素子１００からの発光光に対して、実質的に透明である充填材５４１とそれに含有、分散されている蛍光材５３１とを有して構成されている。

図２に示す半導体発光装置５０１においても、上記した図１の半導体発光装置５００と同様に、半導体発光素子１００からの発光光（第一の光）と、蛍光材５３１からの蛍光（第二の光）とが、半導体発光素子１００に設けられた微細構造層により、散乱を受け、半導体発光装置５０１の系外へ効率的に導出される。図２の半導体発光装置５０１においては、図１の半導体発光装置５００よりも、波長変換部材５１２の体積が少なく、半導体発光素子１００からの発光光及び蛍光は、蛍光材５３１からの散乱を受けにくくなるため、半導体発光素子１００に設けられる微細構造層は、より強い散乱性が必要となる。このように、半導体発光装置の構成、用途等により、半導体発光素子１００に設ける微細構造層を適宜、設計することができる。

図２に示す半導体発光装置５０１に用いられる封止材５４２としては、例えば波長変換部材５１２に用いられる充填材５４１と同じ透明な部材を用いることができる。

図３は、本実施の形態に係る半導体発光装置の他の例を示す断面模式図である。図３に示すように、半導体発光装置５１０は、半導体発光素子１００をパッケージ５２０の収納部５２０ａ内に配置した構成となっている。

図３に示す実施の形態では、パッケージ５２０が、波長変換部材５１１で充填されており、さらに、半導体発光素子１００は、その最表面に、凹部または、凸部から構成されるドットを含む微細構造層１２０を構成要素として備えている。

図３に示すように、微細構造層１２０と波長変換部材５１１との間には、中間材料１２１が介在しており、微細構造層１２０は波長変換部材５１１に接していない。すなわち中間材料１２１は、微細構造層１２０の最表面と波長変換部材５１１の微細構造層１２０との対向面との間に厚みを持って形成されている。

図３に示すように、中間材料１２１は、微細構造層１２０の凸部から構成されるドット間に充填されている。あるいは、ドットが凹部で構成される形態では、凹部内に中間材料１２１が充填されている。したがって微細構造層１２０の表面から波長変換部材５１１に至る空間の全域が、中間材料１２１で埋まった状態とされている。

図３に示す中間材料１２１は塗布後、硬化して固められている。中間材料１２１は、微細構造層１２０の表面のうねりに倣って形成されていてもよいが、図３に示すように中間材料１２１（中間層）の表面１２１ａは平坦な面で形成されていてもよい。

あるいは、中間材料１２１が、微細構造層１２０の凸部から構成されるドット間のみ、または、凹部で形成されたドット内にのみ充填された形態とすることもできる。かかる構成では、微細構造層１２０の最表面と波長変換部材５１１の微細構造層１２０との対向面との間の少なくとも一部が接触する。なお、かかる構成も、微細構造層１２０と波長変換部材５１１との間に、中間材料１２１が介在（充填）された構成と定義される。

ただし、微細構造層１２０と波長変換部材５１１との間に中間材料１２１が介在して、微細構造層１２０が波長変換部材５１１に非接触の形態であることが好ましい。

図３においても波長変換部材５１１は、半導体発光素子１００からの発光光（第一の光）の発光中心波長に対して実質的に透明な第一の材料である充填材５４１とそれに含有、分散されている蛍光材（第二の材料）５３１とを有して構成されている。蛍光材５３１は、半導体発光素子１００から発光される発光光である第一の光の発光中心波長に対する蛍光特性を有しており、第一の光の少なくとも一部を吸収し、第一の光の波長とは異なる第二の光である蛍光を発光する。さらに、充填材５４１は、前記第二の光である蛍光に対しても実質的に透明であり、後述する第三の光及び第四の光に対しても実質的に透明である。

前記した微細構造層１２０のドット間に充填された中間材料１２１は、半導体発光素子１００からの発光光（第一の光）の発光中心波長に対して実質的に透明である。さらに、前記第二の光である蛍光に対しても実質的に透明であり、後述する第三の光及び第四の光に対しても実質的に透明である。

中間材料１２１は、有機物または無機物とすることができ、例えば、エポキシ、アクリルポリマー、ポリカーボネート、シリコーンポリマー、光学ガラス、カルコゲナイドガラス、スピロ化合物、及びこれらの混合物を含む材料から構成することができるが、特に材質を限定するものではない。

中間材料１２１は、充填材５４１と同じ材質であっても異なる材質であってもどちらであってもよい。ただし、中間材料１２１と充填材５４１とを同じ材質としたほうが、効果的に発光特性を向上させることができ好適である。例えば、中間材料１２１と充填材５４１とにシリコーン樹脂を選択することができる。

さらに、中間材料１２１は、また、第一の光、第二の光、第三の光、第四の光に対して実質的に透明な微粒子を含有しても良い。微粒子を含有することで、耐熱性、耐久性、耐候性、熱寸法安定性が向上し好ましい。

中間材料１２１に含有される前記微粒子としては、特に限定されるものではないが、微細構造層１２０のドット間に充填される中間材料１２１の有効屈折率が増加することは好ましくなく、実質的に、中間材料１２１と同等かそれ以下の屈折率であることが好ましい。ここで、実質的に同等であるとは、中間材料１２１との屈折率の差が０．１以下である。屈折率の差が０．１以下であれば、中間材料１２１に含有される前記微粒子が５０％以内の体積分率であるとき、前記微粒子を含む中間材料１２１の有効屈折率が中間材料１２１のみの屈折率と同等となるので好ましい。中間材料１２１に含有される前記微粒子としては、特に限定されるものではなく、金属酸化物、金属窒化物、ニトリドシリケート、及びこれらの混合物とすることができる。好適な金属酸化物の例としては、酸化シリコン、酸化カルシウム、酸化セリウム、酸化ハフニウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム及びこれらの混合物を含むことができる。また、前記した充填材５４１に含有される微粒子と同一の材質であってもよい。

本実施の形態では、微細構造層１２０と波長変換部材５１１との間には、中間材料１２１が充填されるが、蛍光材（第二の材料）５３１は含まれていない。微細構造層１２０が凸部のドットで形成される場合、ドット間には、蛍光材（第二の材料）５３１が入っていない。また、微細構造層１２０が凹部のドットで形成される場合、ドット内には、蛍光材（第二の材料）５３１が入っていない。したがって、微細構造層１２０と波長変換部材５１１との間には、中間材料１２１のみが介在しているか、あるいは、前記微粒子を含む中間材料１２１が介在した構成となっている。このように蛍光材５３１が微細構造層１２０のドット間やドット内に充填されていないために、ドット間やドット内での有効屈折率が増加せず、微細構造層１２０による、半導体発光素子１００からの第一の光に対する回折あるいは散乱の効率が低下しない。その結果として、半導体発光素子１００の少なくとも一部を覆うように波長変換部材５１１を設けても、半導体発光装置５００からの光取り出し効率が低下することを防止できる。

本実施の形態と異なって、半導体発光素子１００の微細構造層１２０のドット間やドット内に蛍光材５３１が存在し、ドット間やドット内での有効屈折率が増加すると、微細構造層１２０による蛍光に対する回折あるいは散乱効率が低下するため、半導体発光装置５１０の系外への導出が抑制される現象がおき、結果として、半導体発光装置５１０の発光効率は低下することとなる。

図４は、本実施の形態に係る半導体発光装置の他の例を示す断面模式図である。半導体発光装置５０８においては、パッケージ５２０に設置された半導体発光素子１００の発光面の一部が、波長変換部材５１２で覆われている。図４に示すようにパッケージ５２０内は、封止材５４２で充填されている。波長変換部材５１２は、半導体発光素子１００からの発光光に対して、実質的に透明である充填材５４１とそれに含有、分散されている蛍光材５３１とを有して構成されている。

図４に示す半導体発光装置５０８においても、上記した図３の半導体発光装置５１０と同様に、半導体発光素子１００からの発光光（第一の光）と、蛍光材５３１からの蛍光（第二の光）とが、半導体発光素子１００に設けられた微細構造層１２０により、散乱を受け、半導体発光装置５０８の系外へ効率的に導出される。図４の半導体発光装置５０８においては、図３の半導体発光装置５１０よりも、波長変換部材５１２の体積が少なく、半導体発光素子１００からの発光光及び蛍光は、蛍光材５３１からの散乱を受けにくくなるため、半導体発光素子１００に設けられる微細構造層１２０は、より強い散乱性が必要となる。このように、半導体発光装置の構成、用途等により、半導体発光素子１００に設ける微細構造層１２０を適宜、設計することができる。

図４においても、半導体発光素子１００に設けられた微細構造層１２０と波長変換部材５１２との間には、蛍光材５３１を含まない中間材料１２１が介在し、微細構造層１２０は波長変換部材５１２に接していない。

図４に示す半導体発光装置５０８に用いられる封止材５４２としては、例えば波長変換部材５１２に用いられる充填材５４１と同じ透明な部材を用いることができる。

図５は、本実施の形態に係る半導体発光装置の他の例を示す断面模式図である。図５の半導体発光装置５０２では、パッケージ５２０に設置された半導体発光素子１００は、図１と同様に波長変換部材５１３で覆われている。波長変換部材５１３は、第一の光である半導体発光素子１００からの発光光の発光中心波長に対して実質的に透明な第一の材料である充填材５４１と、それに含有、分散されている蛍光材５３１、及び蛍光材５３２とで構成されている。

蛍光材５３２は、半導体発光素子１００から発光される発光光である第一の光の発光中心波長に対する蛍光特性を有しており、第一の光の少なくとも一部を吸収し、第一の光、及び第二の光の波長とは異なる第三の光である蛍光を発光する第三の材料である。半導体発光装置５０２からの発光光は、半導体発光素子１００から発光される第一の光と、波長変換部材からの蛍光である第二の光と、第三の光との混色にて観察される。例えば、第一の光が４５０ｎｍ付近に発光中心波長を有する青色、第二の光が５４５ｎｍ付近に主波長を有する緑色、第三の光が７００ｎｍ付近に主波長を有する赤色の場合、半導体発光装置５０２の発光光は、白色として認識される。

さらに、前記した充填材５４１は、第二の光及び第三の光に対しても実質的に透明である。

第一の光と第二の光、及び第三の光の波長は、特に制限されるものではなく、上記したように、半導体発光装置５０２からの発光色が目的に応じた色を呈するように任意に選択される。ただし、第一の光を吸収し、蛍光である第二の光と第三の光が得られることから、第二の光と第三の光の波長は、必ず、第一の光よりも長くなる。

図５の半導体発光装置５０２において、第二の光、及び第三の光の一部は、散乱され、半導体発光素子１００に戻る。そして、半導体発光素子１００に設けられている微細構造層により、散乱を受け、半導体発光装置５０２の系外へ導出される。このような作用により、半導体発光装置５０２の発光効率を向上させることができる。

図５に示す半導体発光装置５０２では、図２に示す半導体発光装置５０１と同様に、半導体発光素子１００の発光面の一部を、充填材５４１内に蛍光材５３１、５３２が分散された波長変換部材５１３で覆い、さらにパッケージ５２０内を図２の封止材５４２で充填した構成とすることもできる。

図６は、本実施の形態に係る半導体発光装置の他の例を示す断面模式図である。図６の半導体発光装置５０９では、パッケージ５２０に設置された半導体発光素子１００が、図５と同様に波長変換部材５１３で覆われている。波長変換部材５１３は、第一の光である半導体発光素子１００からの発光光の発光中心波長に対して実質的に透明な第一の材料である充填材５４１と、それに含有、分散されている蛍光材（第二の材料）５３１、及び蛍光材（第三の材料）５３２とで構成されている。

図６においては、半導体発光素子１００に設けられた微細構造層１２０と波長変換部材５１３との間には、蛍光材５３１、５３２を含まない中間材料１２１が介在し、微細構造層１２０は波長変換部材５１３に接していない。

図６の半導体発光装置５０９において、第二の光、及び第三の光の一部は、散乱され、半導体発光素子１００に戻る。そして、半導体発光素子１００に設けられている微細構造層１２０により、散乱を受け、半導体発光装置５０９の系外へ導出される。このような作用により、半導体発光装置５０９の発光効率を向上させることができる。

図６に示す半導体発光装置５０９では、半導体発光素子１００の発光面の一部を、充填材５４１内に蛍光材５３１、５３２が分散された波長変換部材５１３にて、図４に示す半導体発光装置５０８と同じ様に覆い、さらにパッケージ５２０内を図４の封止材５４２で充填した構成とすることもできる。この場合も、半導体発光素子１００の表面に設けられた微細構造層１２０と波長変換部材５１３との間には、蛍光材５３１、５３２を含まない中間材料１２１が介在しており、微細構造層１２０と波長変換部材５１３とは直接接しない構造となる。

図７は、本実施の形態に係る半導体発光装置の他の例を示す断面模式図である。図７の半導体発光装置５０３は、パッケージ５２０に設置された半導体発光素子１００が、波長変換部材５１４で覆われた構成となっている。波長変換部材５１４は、第一の光である半導体発光素子１００からの発光光の発光中心波長に対して実質的に透明な第一の材料である充填材５４１と、それに含有、分散されている蛍光材５３１、蛍光材５３２、及び蛍光材５３３とで構成されている。

蛍光材５３３は、半導体発光素子１００から発光される発光光である第一の光の発光中心波長に対する蛍光特性を有しており、第一の光の少なくとも一部を吸収し、第一の光、及び、第二の光、さらに、第三の光の波長とは異なる第四の光である蛍光を発光する。半導体発光装置５０３からの発光光は、半導体発光素子１００から発光される第一の光と、波長変換部材５１４からの蛍光である第二の光、第三の光、及び第四の光との混色として観察される。例えば、第一の光が３６０ｎｍ付近に発光中心波長を有するＵＶ光、第二の光が５４５ｎｍ付近に主波長を有する緑色、第三の光が７００ｎｍ付近に主波長を有する赤色、第四の光が、４３６ｎｍ付近に主波長を有する青色の場合、半導体発光装置５０３の発光光は、白色として認識される。

さらに、前記した充填材５４１は、第二の光、第三の光、及び第四の各光に対しても、実質的に透明である。

第一の光、第二の光、第三の光、及び第四の光の波長は、特に制限されるものではなく、上記したように、半導体発光装置５０３からの発光色が目的に応じた色を呈するように任意に選択される。ただし、第一の光を吸収し、蛍光である第二の光、第三の光、第四の光が得られることから、第二の光、第三の光、第四の光の波長は、必ず、第一の光よりも長くなる。

図７に示す半導体発光装置５０３において、第二の光、第三の光、及び第四の光の一部は、散乱され、半導体発光素子１００に戻る。そこで、半導体発光素子１００に設けられている微細構造層により、散乱をうけ、半導体発光装置５０３の系外へ導出される。このような作用により、半導体発光装置５０３の発光効率を向上させることができる。

図８は、本実施の形態に係る半導体発光装置の他の例を示す断面模式図である。図８の半導体発光装置５１５は、パッケージ５２０に設置された半導体発光素子１００が、波長変換部材５１４で覆われた構成となっている。波長変換部材５１４は、第一の光である半導体発光素子１００からの発光光の発光中心波長に対して実質的に透明な第一の材料である充填材５４１と、それに含有、分散されている蛍光材（第二の材料）５３１、蛍光材（第三の材料）５３２、及び蛍光材（第四の材料）５３３とで構成されている。

図８においては、半導体発光素子１００に設けられた微細構造層１２０と波長変換部材５１４との間に、蛍光材５３１、５３２、５３３を含まない中間材料１２１が介在し、微細構造層１２０は波長変換部材５１４に接していない。

さらに、前記した充填材５４１、及び中間材料１２１は、第二の光、第三の光、及び第四の各光に対しても、実質的に透明である。

図８に示す半導体発光装置５１５においても、第二の光、第三の光、及び第四の光の一部は、散乱され、半導体発光素子１００に戻る。そこで、半導体発光素子１００に設けられている微細構造層１２０により、散乱をうけ、半導体発光装置５１５の系外へ導出される。このような作用により、半導体発光装置５１５の発光効率を向上させることができる。

蛍光材５３１、蛍光材５３２、及び蛍光材５３３としては、第一の光の少なくとも一部を吸収し、所定の蛍光を発光すれば、特に限定されるものではなく、例えば、イットリウム・アルミニウム・ガーネット、硫黄置換アルミン酸塩、非置換アルミン酸塩、アルカリ土類金属ホウ酸ハロゲン化物、アルカリ土類金属アルミン酸塩、アルカリ土類ケイ酸塩、アルカリ土類チオガレート、アルカリ土類窒化ケイ素、ゲルマン酸塩、リン酸塩、ケイ酸塩、セレン化物、硫化物、窒化物、酸窒化物及びこれらの混合物が挙げられる。これらの材料に、例えば、Ｃｅ、Ｅｕ等のランタノイド系元素をドープし、賦活することができる。また、Ｃｅ、Ｅｕに加えて、Ｔｂ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｍｇから選択される１種以上を含有させることもできる。

各蛍光材５３１、５３２、５３３は、第一の光の充填材（第一の材料）５４１における光学波長よりも小さい平均粒径であることが好ましい。第一の光の第一の材料における光学波長よりも小さい平均粒径であるいわゆるナノ粒径の蛍光粒子であると、蛍光粒子による光散乱性を減少させ、半導体発光装置からの光取り出し効率を向上させることができる。さらに、ナノ粒径の蛍光粒子であるために、半導体発光素子から発光された一次発光（第一の光）を効率的に波長変換できるため、さらに光取り出し効率を向上させることができる。ここで、本発明における平均粒径とは、蛍光粒子の一次粒子の質量平均粒子径であり、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を使用し、ＪＩＳ Ｚ８８２７に記載の方法で求めることができる。

図５、図６においては、蛍光材５３１、５３２の少なくともいずれか一つが、第一の光の充填材（第一の材料）５４１における光学波長よりも小さい平均粒子径であればよいが、全ての蛍光材５３１、５３２が、第一の光の充填材（第一の材料）５４１における光学波長よりも小さい平均粒子径であることが好ましい。

また図７、図８においては、蛍光材５３１、５３２、５３３の少なくともいずれか一つが、第一の光の充填材（第一の材料）５４１における光学波長よりも小さい平均粒子径であればよいが、全ての蛍光材５３１、５３２、５３３が、第一の光の充填材（第一の材料）５４１における光学波長よりも小さい平均粒子径であることが好ましい。

各蛍光材５３１、５３２、５３３は粒子状であることが好ましい。ただし球状に限定されるものでなく、多角形状、楕円体等であってもよい。

次に、本実施の形態の半導体発光装置の一部を構成する半導体発光素子１００について、詳細に説明する。

図９は、本実施の形態に係る半導体発光装置における半導体発光素子の断面模式図である。図９に示すように、半導体発光素子１００においては、半導体発光素子用基材１０１の一主面に設けられた二次元フォトニック結晶１０２上にｎ型半導体層１０３、発光層１０４及びｐ型半導体層１０５が順次積層されている。なお、半導体発光素子用基材１０１上に順次積層されたｎ型半導体層１０３、発光層１０４及びｐ型半導体層１０５を、積層半導体層１１０と称する。ここで「主面」とは、半導体発光素子用基材１０１や層を構成する広い面を指し、例えば、積層半導体層１１０を積層する際の積層面（形成面）あるいは積層面に対する逆面である。「主面」には、半導体発光素子用基材と層との間や層間の界面、半導体発光素子用基材１０１や層の露出表面、露出裏面が含まれる。

フォトニック結晶とは、屈折率（誘電率）が周期的に変化するナノ構造体であり、二次元フォトニック結晶とは、二次元の周期構造体を指す。

図９に示すように、ｐ型半導体層１０５上には透明導電膜１０６が形成されている。また、ｎ型半導体層１０３表面にカソード電極１０７が、透明導電膜１０６表面にアノード電極１０８がそれぞれ形成されている。なお、図９においては、半導体発光素子用基材１０１の一主面に設けられた二次元フォトニック結晶１０２上に積層半導体層１１０を形成したが、半導体発光素子用基材１０１の二次元フォトニック結晶１０２が設けられた面と相対する他の一主面上に積層半導体層１１０を形成してもよい。

図１０は、本実施の形態に係る半導体発光素子の他の例を示す断面模式図である。図１０に示すように、半導体発光素子３００においては、半導体発光素子用基材３０１上にｐ型半導体層３０２、発光層３０３、及び、ｎ型半導体層３０４を順次積層している。そしてｎ型半導体層３０４の一主面（露出表面）に二次元フォトニック結晶３０５が設けられている。

また図１０に示すように、半導体発光素子用基材３０１のｐ型半導体層３０２と接する主面とは反対側の主面にアノード電極３０６が、ｎ型半導体層３０４の表面にカソード電極３０７がそれぞれ形成されている。

図１０においては、図示しない基材上に、ｎ型半導体層３０４、発光層３０３、ｐ型半導体層３０２を順次積層後、半導体発光素子用基材３０１に貼着し、前記基材を剥離する半導体発光素子の製造方法が採用される。前記基材を剥離後、アノード電極３０６、カソード電極３０７を各々形成し、本実施の形態の半導体発光装置における半導体発光素子が得られる。基材上に、ｎ型半導体層を設けた後、ｎ型半導体層との界面で剥離するために、二次元フォトニック結晶３０５が転写、形成されている。

図１１は、本実施の形態に係る半導体発光素子の他の例を示す断面模式図である。図１１に示すように、半導体発光素子２００においては、図９で示した透明導電膜１０６の主面上（露出表面）に二次元フォトニック結晶２０１が形成されている。後述するように、本実施の形態の二次元フォトニック結晶においては、少なくとも２つ以上の周期を有する必要がある。図１１に示すように、半導体発光素子２００において、構成要素として、半導体発光装置の異なる主面に夫々、二次元フォトニック結晶１０２、２０１が設けられ、２つ以上の二次元フォトニック結晶１０２、２０１を備える場合、各々の二次元フォトニック結晶１０２、２０１に２つ以上の周期を有する必要はなく、周期の異なる２つ以上の二次元フォトニック結晶１０２、２０１を、半導体発光装置の構成要素としても良い。半導体発光素子から発光された光、及び、波長変換部材から発光された光は、半導体発光装置内での透過、反射、回折、及び散乱により、二次元フォトニック結晶を構成している界面の回折、散乱効果を受けることとなる。この効果は、同一界面である必要はなく、異なる界面、あるいは、同一界面、いずれでも同様の効果を奏する。そのため、２つ以上の周期を異なる界面に設けること、あるいは、同一界面に設けることの、いずれによっても本発明の効果を発現することができる。

図９から図１１に示した半導体発光素子１００、２００、３００は、ダブルヘテロ構造の半導体発光素子に、本実施の形態を適用した例であるが、積層半導体層の積層構造はこれに限定されるものではない。また、半導体発光素子用基材とｎ型半導体層との間に、図示しないバッファ層や、非ドープ半導体層を設けてもよい。また、半導体発光素子用基材と半導体層との界面に図示しない反射層を設けてもよい。

次に、図１２を参照して、第１の実施の形態に係る半導体発光素子用基材の構成について詳細に説明する。図１２は、第１の実施の形態に係る半導体発光素子用基材１の一例を示す斜視模式図である。図１２に示すように、半導体発光素子用基材１は、概して平板形状を有しており、基材１１と、この基材１１の一主面上に設けられた微細構造層１２（二次元フォトニック結晶）と、を備えている。微細構造層１２は、基材１１の主面から上方に突出する複数の凸部１３（凸部列１３−１〜１３−Ｎ）を含む。凸部１３は、それぞれ特定の間隔を持って配置されている。

微細構造層１２は、基材１１の主面上に別途形成してもよいし、基材１１を直接加工して形成してもよい。

なお、図１２においては、微細構造層１２の微細構造が複数の凸部１３で構成される例について示しているが、これに限られず、微細構造層１２の微細構造は複数の凹部で構成されていてもよい。

図１３は、本実施の形態に係る半導体発光素子用基材の他の例を示す斜視模式図である。図１３に示すように、半導体発光素子用基材１ａは、概して平板形状を有しており、基材１１ａと、この基材１１ａの一主面上に設けられた微細構造層１２ａ（二次元フォトニック結晶）と、を備えている。微細構造層１２ａは、微細構造層１２ａの表面Ｓから基材１１ａの裏面に向けて陥没した複数の凹部１４（凹部列１４−１〜１４−Ｎ）を含む。凹部１４は、それぞれ特定の間隔を持って配置されている。

微細構造層１２ａは、基材１１ａの主面上に別途形成してもよいし、基材１１ａを直接加工して形成してもよい。

以下、半導体発光素子用基材１、１ａにおける微細構造層１２、１２ａの微細構造を構成する凸部１３又は凹部１４を「ドット」と称する。

本実施の形態においては、上記ドットの径やピッチはナノオーダーである。この構成によれば、ナノオーダーの凹凸構造が半導体発光素子用基材１、１ａの表面に設けられることにより、半導体発光素子用基材１、１ａの表面に半導体層を形成する際に、半導体層のＣＶＤ成長モードが乱され、相成長に伴う転位欠陥が衝突して消滅し、転位欠陥の低減効果を生じさせることができる。そして半導体結晶内の転位欠陥が低減することにより、半導体発光素子の内部量子効率ＩＱＥを高めることが可能となる。

本実施の形態の半導体発光素子においては、前記したドット間のピッチ、ドット径、ドット高さのいずれかにより制御された二次元フォトニック結晶が形成されている。本実施の形態において、屈折率が周期的に変化するフォトニック結晶により、結晶内部の伝播光に対する反射、透過、回折特性を制御することができる。

本実施の形態の半導体発光素子用基材の一主面に形成されたドットの径やピッチはナノオーダーであり、伝播光の波長と概ね同程度である。そのため、本実施の形態においてフォトニック結晶の特性を決定するのは、構造に起因した屈折率を平均化した有効屈折率分布の周期的な変化である（有効媒質近似）。有効屈折率分布が、半導体発光素子用基材の主面内で繰り返されているため、二次元フォトニック結晶が形成される。

さらに、本実施の形態の半導体発光素子用基材においては、前記した二次元フォトニック結晶の周期が、少なくとも、各々１μｍ以上の２つ以上の異なる周期を有する。あるいは、第一の光の光学波長の６倍以上であり、且つ、第二の光の光学波長の６倍以上の、少なくとも２つ以上の周期を有している。二次元フォトニック結晶が、１μｍ以上の２つ以上の異なる周期、あるいは、第一の光、及び第二の光の光学波長の６倍以上の周期を有するために、光回折性よりも光散乱性が強まることになる。そのため、本実施の形態の半導体発光素子においては、半導体層中からの発光、及び、波長変換部材からの発光に対し、光散乱性を強く発現させることができ、この光散乱性によって導波モードを解消し、光取り出し効率ＬＥＥを高めることが可能となる。

さらに、同時に、強い光散乱性により、その発光特性における角度依存性は弱まり、より工業用途に適用しやすいランバーシアン発光特性に近づくことになる。

本実施の形態では、二次元フォトニック結晶の周期が、各々１μｍ以上であるとともに、第一の光の光学波長の６倍以上であり、且つ、第二の光の光学波長の６倍以上の、少なくとも２つ以上の周期を有していることがより好ましい。これにより、より効果的に、光回折性よりも光散乱性を強めることができ、光取り出し効率ＬＥＥをより高めることが可能となる。

なお、図１２及び図１３は、本実施の形態の二次元フォトニック結晶を有する微細構造層を、半導体発光素子用基材１、１ａに適用した一例であるが、半導体発光素子を構成するいずれかの界面に適用する場合も同様であり、以下も同様である。すなわち二次元フォトニック結晶は、半導体発光素子用基材の一主面に設けられることに限定されず、半導体発光素子内の一か所以上に設けられ、半導体発光素子の最表面にも設けられる。

ドット間のピッチ、ドット径、ドット高さで制御された二次元フォトニック結晶について、図面によりさらに、詳細に説明する。

図１４は、本実施の形態に係る半導体発光素子用基材１の平面模式図であり、半導体発光素子用基材１の表面（一主面）に形成された二次元フォトニック結晶を示している。

図１４に示すように、ドット（凸部１３又は凹部１４）は、半導体発光素子用基材１の主面内の第１方向Ｄ１において、複数のドットが不定間隔のピッチＰｙで配列された複数のドット列（凸部列１３−１〜１３−Ｎ又は凹部列１４−１〜１４−Ｎ；図１２、図１３参照）を構成する。また、各ドット列は、半導体発光素子用基材１の主面内で第１方向Ｄ１に直交する第２方向Ｄ２において、不定間隔のピッチＰｘで配置されている。

さらに、第１方向Ｄ１において、ドット間の不定間隔のピッチＰｙが周期的に増減する。また、第１方向Ｄ１に直交する第２方向Ｄ２における不定間隔のピッチＰｘが周期的に増減する。第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２の両方において不定間隔のピッチＰｙ、Ｐｘが周期的に増減してもよいし、第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２のどちらか一方にて、不定間隔のピッチＰｙ、Ｐｘが周期的に増減する構成としてもよい。このように各ドットの間隔を増減させることで、ドット間のピッチで制御された二次元フォトニック結晶を形成することができる。なんとなれば、個々のドットの大きさ、ピッチは、発光波長と同程度以下であるため、光学的には、個々のドットの存在は、有効媒質近似により有効屈折率で代替される。図１４においては、第１方向Ｄ１において、ドット間の不定間隔のピッチＰｙが周期的に増減しているため、前記有効媒質近似により、光としては、不定間隔のピッチＰｙの周期的増減の周期を感じることになり、あたかも、より大きな凹凸構造が存在することと等価な挙動を示す。

さらに図１５を用いて、ドット間の不定間隔のピッチＰｘが周期的に増減した第２方向Ｄ２におけるドット列の配置例について詳細に説明する。図１５は、第２方向Ｄ２におけるドット列の配置例を示す模式図である。図１５に示すように、第２方向Ｄ２におけるドット列は、８列ずつ特定の間隔（ピッチＰｘ）で配置されており、かつ、８列のドット列が繰り返し配置されている。この複数（ｚ）のドット列で構成された単位を、長周期単位Ｌｘｚ（ただし、ｚは正の整数であり、ｘはｘ方向であることを指す）と称する。

本実施の形態においては、この長周期単位Ｌｘｚが、１μｍ以上、あるいは、半導体発光素子から発せられる光学波長の６倍以上である必要がある。なお、互いに異なるピッチＰｙで不定間隔に配置された第１方向Ｄ１におけるドットについても、長周期単位Ｌｙｚを使用し、以下の説明と同様に配置できる。

ピッチＰｘは、隣接するドット列間の距離である。ここで、長周期単位Ｌｘｚにおける少なくとも隣接する４個以上、ｍ個以下のドット列間のピッチＰｘｎ（３≦ｎ≦２ａ又は３≦ｎ≦２ａ＋１。ただし、ｍ、ａは正の整数であり、ｎ＝ｍ−１である。）には、次の式（１）の関係が成り立つ。
Ｐｘ１＜Ｐｘ２＜Ｐｘ３＜…＜Ｐｘａ＞…＞Ｐｘｎ （１）

なお、各ドットの直径は、ピッチＰｘｎより小さい。ピッチＰｘ１からＰｘｎまでの長さは、長周期単位Ｌｘｚを構成する。

図１５は、長周期単位Ｌｘｚが８列のドット列で構成される場合、すなわち、ｍ＝８の場合を示している。この場合、ｎ＝７、ａ＝３となるため、長周期単位Ｌ１において、ドット列間のピッチＰｘｎには、次の式（２）の関係が成り立っている。
Ｐｘ１＜Ｐｘ２＜Ｐｘ３＞Ｐｘ４＞Ｐｘ５＞Ｐｘ６＞Ｐｘ７ （２）

また、長周期単位ＬｘｚにおけるピッチＰｘは、ピッチＰｘの最大値（Ｐｘ（ｍａｘ））と、最小値（Ｐｘ（ｍｉｎ））との差で表される最大位相ずれδが、（Ｐｘ（ｍｉｎ））×０．０１＜δ＜（Ｐｘ（ｍｉｎ））×０．６６、好ましくは、（Ｐｘ（ｍｉｎ））×０．０２＜δ＜（Ｐｘ（ｍｉｎ））×０．５、より好ましくは、（Ｐｘ（ｍｉｎ））×０．１＜δ＜（Ｐｘ（ｍｉｎ））×０．４、を満たすよう設定されている。

例えば、図１５に示す長周期単位Ｌ１においては、各ドット列間のピッチＰｘｎは次のように表される。
Ｐｘ１＝Ｐｘ（ｍｉｎ）
Ｐｘ２＝Ｐｘ（ｍｉｎ）＋δａ
Ｐｘ３＝Ｐｘ（ｍｉｎ）＋δｂ＝Ｐｘ（ｍａｘ）
Ｐｘ４＝Ｐｘ（ｍｉｎ）＋δｃ
Ｐｘ５＝Ｐｘ（ｍｉｎ）＋δｄ
Ｐｘ６＝Ｐｘ（ｍｉｎ）＋δｅ
Ｐｘ７＝Ｐｘ（ｍｉｎ）＋δｆ

ただし、δａからδｆの値は、Ｐｘ（ｍｉｎ）×０．０１＜（δａ〜δｆ）＜Ｐｘ（ｍｉｎ）×０．５を満たす。隣接する長周期単位Ｌ２についても同様である。

また、長周期単位Ｌｘｚ、あるいは長周期単位Ｌｙｚにおけるｚの最大値は、４≦ｚ≦１０００、好ましくは、４≦ｚ≦１００、より好ましくは、４≦ｚ≦２０、を満たすよう設定されている。

なお、第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２における長周期単位Ｌｘｚ及びＬｙｚは互いに同一である必要はない。

本実施の形態の半導体発光素子用基材１における第１方向Ｄ１においては、上記した長周期単位Ｌｙｚを有するドット群が少なくとも１個以上配列され、第２方向Ｄ２においては、上記した長周期単位Ｌｘｚを有するドット列群が少なくとも１個以上配列されることが好ましい。

ピッチＰｙの不定期間隔に配置された配置は、上記にて説明した互いに異なるピッチＰｘで不定間隔に配置された第２方向Ｄ２におけるドット列の配置例において、ドット列をドットと読み替えることで定義される。

本実施の形態に係る半導体発光素子用基材１においては、微細構造層１２（１２ａ）の微細構造を構成するドットは、第１方向Ｄ１、第２方向Ｄ２ともに上記にて説明したような不定間隔のピッチＰｘ、Ｐｙで配置することもできるし（図１４参照）、第１方向Ｄ１、第２方向Ｄ２のいずれか一方のみを上記にて説明したような不定間隔のピッチで配置し、他方を一定間隔のピッチで配置することもできる（図１６参照）。図１６は、本実施の形態に係る半導体発光素子用基材の別の例を示す平面模式図である。なお、図１６においては、第１方向Ｄ１におけるドットが不定間隔のピッチで配置され、第２方向Ｄ２におけるドット列が一定間隔のピッチに配置されている。

図１４、図１６において図示した二次元フォトニック結晶は、非周期のドット（ドット列）から形成された二次元フォトニック結晶であるが、本実施の形態に係る半導体発光素子用基材１においては、二次元フォトニック結晶を構成するドットのパターンは、周期的であってもよい。個々のドットの周期性は、前記したように有効媒質近似によりキャンセルされるので、長周期単位Ｌｘｚが、本実施の形態の半導体発光素子用基材の効果を発現するために必要であり、個々のドットの周期／非周期は重要ではない。

周期的ドットパターンの例として、図１７、図１８、図１９、図２０を例として挙げる。これらの配置例においては、隣接する各ドット列間（図１９、図２０）、一つ置きのドット列同士（図１７、図１８）がそろった配置となっており、ドットパターンは周期的に配列されている。なお、図１７〜図２０は、それぞれ、本実施の形態に係る半導体発光素子用基材の別の例を示す平面模式図である。

さらに、本実施の形態の半導体発光素子においては、ドットパターンによる二次元フォトニック結晶は、少なくとも半導体発光素子を構成するいずれかの主面の一軸方向に第一の光、及び第一の光の周期と異なる第二の光の光学波長の６倍以上の周期を有することが好ましく、具体的には、図１６、図１８、図２０のような二次元フォトニック結晶である。

又は、二次元フォトニック結晶の周期は、少なくとも独立する二軸方向に周期的であることが好ましく、具体的には、図１４、図１７、図１９のような二次元フォトニック結晶である。

図１４、図１７、図１９では、独立する二軸方向が互いに直交している例であるが、必ずしも直交する必要はなく、任意の角度で配置させることができる。さらに、独立する３軸方向のパターンとしてもよく、この場合は、ドットの粗密により形成される二次元フォトニック結晶は、三角格子配列とすることができる。

また、第１方向Ｄ１におけるドット間距離、あるいは第２方向Ｄ２におけるドット列間距離のいずれか一方が一定間隔で配置される場合には、一定間隔のピッチに対する不定間隔のピッチの比が、特定の範囲内にあることが好ましい。

ここで、第１方向Ｄ１におけるドットが一定間隔のピッチＰｙｃで配置され、第２方向Ｄ２におけるドット列が不定間隔のピッチＰｘで配置される例について説明する。この場合には、一定間隔のピッチＰｙｃに対する、不定間隔のピッチＰｘの比は、８５％〜１００％の範囲内にあることが好ましい。一定間隔のピッチＰｙｃに対する、不定間隔のピッチＰｘの比が８５％以上であれば、隣接するドット間の重なりが小さくなるため好ましい。また、一定間隔のピッチＰｙｃに対する、不定間隔のピッチＰｘの比が１００％以下であれば、ドットを構成する凸部１３の充填率が向上するため好ましい。なお、一定間隔のピッチＰｙｃに対する、不定間隔のピッチＰｘの比は、９０％〜９５％の範囲内にあることが、より好ましい。

また、１つの長周期単位ＬｘｚあるいはＬｙｚは、発光層内で発生した光の屈折率の長周期の変動が、ナノオーダーから遠ざかり、光散乱が生じやすくなるため好ましい。一方、十分な光取り出し効率ＬＥＥを得るためには、長周期単位Ｌｘｚ、あるいはＬｙｚは、１００１個以下のドットから構成される（属するピッチＰｘ又はＰｙが１０００以下である）ことが好ましい。

本実施の形態に係る半導体発光素子用基材１（１ａ）には、以上のような微細構造層１２（１２ａ）の微細構造の関係を満足する二次元フォトニック結晶が形成されている。これにより、光散乱効果が十分となり、かつ、ドット（凸部１３又は凹部１４）の間隔が小さくなるため転位欠陥の低減効果が生じることとなる。その結果、ナノオーダーの凹凸で半導体層中の転位欠陥を減らすと同時に、ナノオーダーの周期性が乱れることとなり、半導体層中からの発光に対し、光散乱性を強く発現することができる。

さらに、二次元フォトニック結晶であるにも関わらず、その光回折性が抑制され、より工業的用途に好適なランバーシアン発光に近づくことになる。

続いて、本実施の形態に係る半導体発光素子用基材１（１ａ）の微細構造層１２（１２ａ）の二次元フォトニック結晶を構成するドット形状（凹凸構造）について説明する。凸部１３及び凹部１４の形状は、本発明の効果が得られる範囲であれば特に限定されず、用途に応じて適時変更可能である。凸部１３及び凹部１４の形状としては、例えば、ピラー形状、ホール形状、円錐形状、角錐形状及び楕円錘形状等を用いることができる。

上記したのは、本実施の形態における二次元フォトニック結晶がドットの間隔で構成されている場合であるが、ドット径の大小で構成されてもよい。具体的には、本実施の形態に係る半導体発光素子用基材１（１ａ）の微細構造層１２（１２ａ）の微細構造を構成するドット形状（凹凸構造）においては、ドットの各々の直径が、ピッチＰｙ及び／又はピッチＰｘに対応して増減することが好ましい。

以下、ピッチに対応して増減するドットの直径の例について、詳細に説明する。本実施の形態に係る半導体発光素子用基材においては、ピッチＰｙが不定間隔である場合には、少なくとも隣接する４個以上でｍ個以下のピッチを構成するドット径Ｄｙｎ（３≦ｎ≦２ａ又は３≦ｎ≦２ａ＋１。ただし、ｍ、ａは正の整数であり、ｎ＝ｍ−１である。）は、下記式（３）の関係を満たすとともに、第１方向Ｄ１において、ドット径Ｄｙ１〜Ｄｙｎで構成されるドット群が長周期単位Ｌｙｚで繰り返し配列され、かつピッチＰｘが不定間隔である場合には、少なくとも隣接する４個以上でｍ個以下のピッチを構成するドット径Ｄｘｎ（３≦ｎ≦２ａ又は３≦ｎ≦２ａ＋１。ただし、ｍ、ａは正の整数であり、ｎ＝ｍ−１である。）は、下記式（４）の関係を満たすとともに、第２方向Ｄ２において、ドット径Ｄｘ１〜Ｄｘｎで構成されるドット群が長周期単位Ｌｘｚで繰り返し配列されることが好ましい。本実施の形態においては、この長周期単位Ｌｘｚ、あるいはＬｙｚが、１μｍ以上であり、あるいは、半導体発光素子から発せられる第一の光、及び第二の光の光学波長の６倍以上である必要がある。なお、以下の説明は、Ｌｘｚについて述べるが、Ｌｙｚについても同様である。
Ｄｙ１＜Ｄｙ２＜Ｄｙ３＜…＜Ｄｙａ＞…＞Ｄｙｎ （３）
Ｄｘ１＜Ｄｘ２＜Ｄｘ３＜…＜Ｄｘａ＞…＞Ｄｘｎ （４）

図２１は、長周期単位Ｌｘｚが８列のドット列で構成される場合、すなわち、ｍ＝８の場合を示している。図２１は、本実施の形態に係る半導体発光素子用基材の第２方向Ｄ２におけるドットの配置例を示す模式図である。この場合、ｎ＝７、ａ＝３となるため、長周期単位Ｌ１において、ドット列を構成する各ドット径Ｄｘｎには、上記式（４）の関係が成り立っている。

図２１においては、隣接するドット間隔が広くなると、ドット径が小さくなり、ドット間隔が狭くなるとドット径が大きくなっている。増減するドット径の増減範囲は、大きすぎると隣接するドットと接するようになり好ましくなく、小さすぎると、光取り出し効率ＬＥＥが低下するため好ましくない。同じ長周期単位Ｌｘｚ内における、ドットの平均径に対し、±２０％以内であると、光取り出し効率ＬＥＥが増加し好ましい。

上記構成により、ドットの体積が長周期単位Ｌｘｚで増減することになり、二次元フォトニック結晶を構成することになる。なんとなれば、有効媒質近似は、誘電率分布の体積分率で簡易的に表現することができ、誘電率は、屈折率の２乗となるからである。つまり、媒質の体積が長周期単位Ｌｘｚで変化することで、有効屈折率が長周期単位Ｌｘｚで変化することになる。

本実施の形態では、１μｍ以上、あるいは、第一の光及び第二の光の光学波長の６倍以上の周期をもつ二次元フォトニック結晶が形成されるため、発光光に対する光散乱性が大きくなり、半導体発光素子における光取り出し効率ＬＥＥが増加することとなる。

次に、本実施の形態の半導体発光素子において、二次元フォトニック結晶がドット高さにより制御される例について説明する。

本実施の形態に係る半導体発光素子用基材１（１ａ）においては、前記した二次元パターンに同期して微細構造層１２（１２ａ）の微細構造を構成するドット形状（凹凸構造）の、各ドットの各々の高さが、ピッチＰｙ及び／又はピッチＰｘに対して増減することが好ましい。

本実施の形態に係る半導体発光素子用基材１（１ａ）においては、ピッチＰｙが不定間隔である場合には、少なくとも隣接する４個以上でｍ個以下のピッチを構成するドット高さＨｙｎ（３≦ｎ≦２ａ又は３≦ｎ≦２ａ＋１。ただし、ｍ、ａは正の整数であり、ｎ＝ｍ−１である。）は、下記式（５）の関係を満たすとともに、第１方向Ｄ１において、ドット高さＨｙ１〜Ｈｙｎで構成されるドット群が長周期単位Ｌｙｚで繰り返し配列され、ピッチＰｘが不定間隔である場合には、少なくとも隣接する４個以上でｍ個以下のピッチを構成するドット高さＨｘｎ（３≦ｎ≦２ａ又は３≦ｎ≦２ａ＋１。ただし、ｍ、ａは正の整数であり、ｎ＝ｍ−１である。）は、下記式（６）の関係を満たすとともに、かつ、第２方向において、ドット高さＨｘ１〜Ｈｘｎで構成されるドット群が長周期単位Ｌｘｚで繰り返し配列されることが好ましい。本実施の形態においては、この長周期単位Ｌｘｚ、あるいはＬｙｚが、１μｍ以上であり、あるいは、半導体発光素子から発せられる第一の光、及び第二の光の光学波長の６倍以上である必要がある。なお、以下の説明は、Ｌｘｚについて述べるが、Ｌｙｚについても同様である。
Ｈｙ１＜Ｈｙ２＜Ｈｙ３＜…＜Ｈｙａ＞…＞Ｈｙｎ （５）
Ｈｘ１＜Ｈｘ２＜Ｈｘ３＜…＜Ｈｘａ＞…＞Ｈｘｎ （６）

図２２は、長周期単位Ｌｘｚが８列のドット列で構成される場合、すなわち、ｍ＝８の場合を示している。図２２は、本実施の形態に係る半導体発光素子用基材の第２方向Ｄ２におけるドットの配置例を示す模式図である。この場合、ｎ＝７、ａ＝３となるため、長周期単位Ｌ１において、ドット列を構成する各ドットの高さＨｘｎには、上記式（６）の関係が成り立っている。

図２２においては、隣接するドット間隔が広くなると、ドット高さが小さくなり、ドット間隔が狭くなるとドット高さが大きくなっている。増減するドット高さの増減範囲は、大きすぎるとその部分における光取り出し効率ＬＥＥのムラが大きくなり好ましくなく、小さすぎると、ドット高さの増減による光取り出し効率ＬＥＥの向上効果が低下するため好ましくない。同じ長周期単位Ｌｘｚ内における、ドットの平均高さに対し、±２０％以内であると、光取り出し効率ＬＥＥがムラなく増加し好ましい。

上記構成により、ドットの体積が長周期単位Ｌｘｚで増減することになり、二次元フォトニック結晶を構成することになる。なんとなれば、有効媒質近似は、誘電率分布の体積分率で簡易的に表現することができ、誘電率は、屈折率の２乗となるからである。つまり、媒質の体積が長周期単位Ｌｘｚで変化することで、有効屈折率が長周期単位Ｌｘｚで変化することになる。

本実施の形態では、１μｍ以上、あるいは、第一の光及び第二の光の光学波長の６倍以上の周期をもつ二次元フォトニック結晶が形成されるため、発光光に対する光散乱性が大きくなり、半導体発光素子における光取り出し効率ＬＥＥが増加することとなる。

以上は、同一主面内に１つの周期を有する二次元フォトニック結晶の場合であり、図１１に例示したように、半導体発光素子を構成するいずれかの主面に、異なる周期の二次元フォトニック結晶１０２、２０１を少なくとも２つ以上設けることで、本実施の形態の半導体発光装置とすることも可能である。

次に、同一主面内に２つ以上の周期を有する二次元フォトニック結晶の場合について述べる。図２３は、図１７と同様に、ドット間隔が長周期を有するドットで構成される二次元フォトニック結晶の平面模式図である。図２３に示す二次元フォトニック結晶においては、各々直行するＤ１方向のピッチＰｙとＤ２方向のピッチＰｘで構成される長周期が異なっている。この構成においては、例えば、Ｄ１方向の周期は、１μｍ以上、あるいは、第一の光の光学波長の６倍以上であり、Ｄ２方向の周期は、１μｍ以上、あるいは第二の光の光学波長の６倍以上と設定することができ、同一主面内で異なる２つ以上の周期を有する二次元フォトニック結晶となる。

この構成によれば、例えば、Ｄ１方向は、第一の光の回折、散乱に好適な長周期とすることができ、Ｄ２方向は、第二の光の回折、散乱に好適な長周期とすることができる。

図２４は、同一主面内に２つ以上の周期を有する二次元フォトニック結晶の別の平面模式図である。図２４に示す二次元フォトニック結晶においては、Ｄ１方向のピッチＰｙの長周期に２種類の長周期が重なっている。そのため、周期が１μｍ以上、あるいは、第一の光及び第二の光の光学波長の６倍以上の周期をもつ二次元フォトニック結晶を形成することが可能となり、第一の光及び第二の光に対する光散乱性を各々増強させることができ、半導体発光素子における光取り出し効率ＬＥＥが増加することとなる。図２４においては、Ｄ１方向のピッチＰｙとＤ２方向のピッチＰｘは同一であるが、本実施の形態の半導体発光素子においては、必ずしも同一である必要はなく、適宜、変えることができる。

例えば、図２３で例示した二次元フォトニック結晶のように、Ｄ１方向とＤ２方向の長周期を変えることができ、１）Ｄ１方向のみに２つ以上の長周期を形成し、Ｄ２方向に１つの長周期とする、あるいは、２）Ｄ１方向及びＤ２方向に２つ以上の長周期を形成し、各々の長周期のうち、１つの長周期のみ同一とする等が挙げられる。

さらに、図１１に例示したように、半導体発光素子を構成するいずれかの主面に、異なる周期の二次元フォトニック結晶１０２、２０１を少なくとも２つ以上設ける場合にも、各々の長周期を２つ以上形成する。あるいは、Ｄ１方向、Ｄ２方向で長周期を変えて形成する、Ｄ１方向に２つ以上の長周期を形成する等、適宜、選択することで、本実施の形態の半導体発光装置とすることができる。

また、上記した本実施の形態に係る半導体発光装置において、ピッチＰｘ及びピッチＰｙは、それぞれ１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましい。ピッチＰｘ、Ｐｙがこの範囲内にあると、ナノオーダーの凹凸が、本実施の形態の半導体発光装置を構成する半導体発光素子用基材の表面に設けられることにより、半導体発光素子用基材の表面に半導体層を設けた場合の半導体層中の転位欠陥数を減らすことができる。ピッチＰｘ、Ｐｙは、１００ｎｍ以上であることにより、半導体発光素子の光取り出し効率ＬＥＥが向上し、発光効率向上に寄与する転位欠陥の減少の効果が現れる。また、ピッチＰｘ、Ｐｙが１０００ｎｍ以下であることにより、転位欠陥数の低減効果が維持される。

続いて、本実施の形態に係る半導体発光装置により、光取り出し効率ＬＥＥが向上する原理について説明する。

本実施の形態では、半導体発光素子と波長変換部材とを有して構成される半導体発光装置において、半導体発光素子は微細構造層を構成要素として備え、微細構造層は二次元フォトニック結晶を構成している。そして、二次元フォトニック結晶は、１μｍ以上、あるいは、第一の光の光学波長の６倍以上及び、第二の光の光学波長の６倍以上の少なくとも２つ以上の周期を有している。ここで第一の光は、半導体発光素子から発光され、第二の光は、波長変換部材にて第一の光の少なくとも一部が吸収されて発せられる、第一の光とは異なる波長の光である。なお、図５〜図８の実施の形態のように、第三の光、第四の光・・・が存在する場合には、二次元フォトニック結晶は、１μｍ以上の各光の散乱性に最適な周期、あるいは、各光の光学波長の６倍以上の２つ以上の周期を有している。

前記のとおり、半導体発光素子を形成するいずれかの界面に、ナノオーダーの凹凸（ドット）の微細構造層により構成される二次元フォトニック結晶を設けることにより、光散乱により導波モードを解消することによる光取り出し効率ＬＥＥの改善の効果が得られる。

複数のドットから構成される長周期単位Ｌｘｚを繰り返し並べることにより、長周期単位Ｌｘｚごとに屈折率が変化し、長周期単位Ｌｘｚを構成する複数のドットが１単位となって繰り返された場合と同じ効果を生じることとなる。換言すると、波長と同程度の複数のドットの場合、平均的な屈折率分布で光の挙動を説明できるため（有効媒質近似）、空間の平均屈折率分布を計算すると、あたかも、長周期単位Ｌｘｚの複数のドットが１単位として繰り返されたように光に作用する。このように長周期単位Ｌｘｚで並べられた複数のドットは、光散乱効果を奏する。

このように二次元フォトニック結晶の周期を調整・制御することで、発光光に対する光散乱性を大きくでき、半導体発光素子における光取り出し効率ＬＥＥが増加することとなる。この結果、半導体発光装置の発光効率を向上させることができる。さらには、発光分布の角度依存性を少なくし、工業用途として適用容易な半導体発光装置を提供することができる。

本実施の形態において、１μｍ以上、あるいは、各光の光学波長の６倍以上の二次元フォトニック結晶を備えた半導体発光装置とすることで、後述する実験結果に示すように、１μｍ以上、及び光学波長の６倍以上の周期をもたない従来の構造に比べて、半導体発光装置としての高い発光効率を得ることができるとわかった。さらに、発光特性において、角度依存性がほとんどないことがわかり、工業実用上、好適な半導体発光装置にできることがわかった。

また二次元フォトニック結晶の周期は、２００倍以下であることが好適である。二次元フォトニック結晶の周期が、２００倍を超える周期であると、半導体発光装置を構成する半導体発光素子の外形に比べ、十分に小さな二次元フォトニック結晶でなくなるため、半導体発光素子間の性能差が大きくなり好ましくない。なんとなれば、半導体発光素子上に形成される二次元フォトニック結晶の密度が、半導体発光素子間で変動しやすくなるためである。

なお本実施の形態に係る半導体発光装置においては、ドットの各々の直径を、ピッチに応じて増減させることができる。空間の平均屈折率分布は、構成単位の体積分率に依存し変化するため、長周期単位Ｌｘｚの複数のドットにおいて、各ドットの体積が変化するとそれだけ、平均屈折率分布の変化が大きくなり、同じ長周期単位Ｌｘｚでも、より光散乱効果が高まることとなる。この効果は、ドット間のピッチが狭い場合、ドットの直径を大きく、ドット間のピッチが広い場合、ドットの直径を小さくすることでより顕著となる。

さらに、本実施の形態にかかる半導体発光装置においては、ドットの高さもドット間のピッチに応じて増減させることができる。この場合も上記した理由と同様、ドット間のピッチが狭い場合、ドット高さを大きくし、ドット間のピッチが広い場合、ドット高さを小さくすると、長周期単位Ｌｘｚ内の平均屈折率分布が大きくなり、光散乱効果を増加させることになる。

さらに、複数のドットから構成される長周期単位Ｌｘｚを繰り返し並べた配列において、上記したドットの各々の直径とドットの高さの両方を、ピッチに応じて増減させると、有効媒質近似により記述される屈折率分布の差がさらに大きくなるため好ましい。この場合、ドット間のピッチが狭い場合、ドットの直径とドットの高さを大きくし、ドット間のピッチが広い場合、ドットの直径とドットの高さを小さくすると、空間の平均屈折率分布において、構成単位の体積分率の差が大きくなり、より光散乱効果が高まり好ましい。

本実施の形態に係る半導体発光装置において、適用される半導体発光素子用基材の材質は、半導体発光素子用基材として使用できるものであれば特に制限はない。例えば、サファイア、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＧａＮ、シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタン、ハフニウム、タングステン、モリブデン、ＧａＰ、ＧａＡｓ等の半導体発光素子用基材を用いることができる。なかでも半導体層との格子マッチングの観点から、サファイア、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ半導体発光素子用基材等を適用することが好ましい。さらに、単体で用いてもよく、これらを用いた半導体発光素子用基材本体上に別の半導体発光素子用基材を設けたヘテロ構造の半導体発光素子用基材としてもよい。

本実施の形態に係る半導体発光素子においては、ｎ型半導体層の材質は、半導体発光素子に適したｎ型半導体層として使用できるものであれば、特に制限はない。例えば、シリコン、ゲルマニウム等の元素半導体、及び、ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族、ＶＩ−ＶＩ族等の化合物半導体に適宜、種々の元素をドープしたものを適用できる。

また、本実施の形態に係る半導体発光素子においては、ｐ型半導体層の材質は、半導体発光素子に適したｐ型半導体層として使用できるものであれば、特に制限はない。例えば、シリコン、ゲルマニウム等の元素半導体、及び、ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族、ＶＩ−ＶＩ族等の化合物半導体に適宜、種々の元素をドープしたものを適用できる。

本実施の形態に係る半導体発光素子においては、透明導電膜の材質は、半導体発光素子に適した透明導電膜として使用できるものであれば、特に制限はない。例えば、Ｎｉ／Ａｕ電極等の金属薄膜や、ＩＴＯ、ＺｎＯ、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２、ＩＺＯ、ＩＧＺＯ等の導電性酸化物膜等を適用できる。特に、透明性、導電性の観点からＩＴＯが好ましい。

次に、本実施の形態の半導体発光装置に係る半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る半導体発光素子においては、上述の本実施の形態に係る半導体発光素子用基材を構成に含む。本実施の形態に係る半導体発光素子用基材を構成に入れることで、内部量子効率ＩＱＥの向上、電子注入効率ＥＩＥの向上、光取り出し効率ＬＥＥの向上を図ることができる。

本実施の形態に係る半導体発光素子は、例えば、半導体発光素子用基材主面上に、少なくとも２層以上の半導体層と発光層とを積層して構成される積層半導体層を有する。そして、積層半導体層が最表面に位置する半導体層の主面から面外方向（例えば主面に対して略直交する方向）に延在する複数の凸部又は凹部から構成されるドットを含む二次元フォトニック結晶を備え、この二次元フォトニック結晶が、上述の実施の形態に係る半導体発光素子用基材の二次元フォトニック結晶構造に相当する。積層半導体層については、図９、図１０、図１１を用いて説明した通りである。

本実施の形態に係る半導体発光素子において、半導体層としては、半導体発光素子に適した半導体層として使用できるものであれば、特に制限はない。例えば、シリコン、ゲルマニウム等の元素半導体、ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族、ＶＩ−ＶＩ族等の化合物半導体等に適宜、種々の元素をドープしたものを適用できる。また、ｎ型半導体層、ｐ型半導体層には、適宜、図示しないｎ型クラッド層、ｐ型クラッド層を設けることができる。

発光層としては、半導体発光素子として発光特性を有するものであれば、特に限定されない。例えば、発光層として、ＡｓＰ、ＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＺｎＳｅ、ＡｌＨａＩｎＰ、ＺｎＯ等の半導体層を適用できる。また、発光層には、適宜、特性に応じて種々の元素をドープしてもよい。

これらの積層半導体層（ｎ型半導体層、発光層、及びｐ型半導体層）は、半導体発光素子用基材の表面に公知の技術により成膜できる。例えば、成膜方法としては、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）等が適用できる。

次に、本実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法について説明する。本実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法においては、前記した、本実施の形態の半導体発光素子用基材上に、半導体層を設ける工程を少なくとも含むことを特徴とする。

前記したように、主面に二次元フォトニック結晶を有する半導体発光素子用基材の、二次元フォトニック結晶を有する主面側に、ｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層を形成する。本実施の形態の半導体発光素子の製造方法においては、半導体発光素子用基材上に、半導体層を設ける工程が含まれていればよく、得られる半導体発光素子中に、半導体発光素子用基材が含まれている必要はない。具体的には、半導体発光素子用基材上に半導体層を設けた後、半導体発光素子用基材を除去する方法が挙げられる。

図２５で上記工程を説明する。図２５は、本実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法の各工程を示す断面模式図である。

図２５Ａに示す積層半導体層１２３は、半導体発光素子用基材１上に、ｎ型半導体層３０、発光層４０、ｐ型半導体層５０が順次積層されている。さらに、ｐ型半導体層５０上に、さらにｐ電極層６０及び支持体７０が順次積層されている。

支持体７０としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｃｕ、又は、Ｃｕ−Ｗ等からなる導電性基板を用いることができる。また、図２５Ａでは、積層半導体層１２３は素子面に垂直な方向に導通を取る構成となっているが、平行電極型でもよい。この場合、支持体７０は絶縁性基板でもよい。支持体７０とｐ電極層６０との接合には、低融点金属であるＡｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｉ、Ａｇ−Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｂｉ等の金属共晶や、又は低融点金属ではないが、Ａｕ層、Ｓｎ層、Ｃｕ層等を用いることもできる。なお、ｐ電極層６０上に直接めっき、スパッタ、蒸着等によって金属層を形成して支持体７０としてもよい。さらに、支持体７０のｐ電極層６０と面していない面に、図示しない裏面電極を設けてもよい。

積層半導体層１２３から、図２５Ｂに示すように、半導体発光素子用基材１を剥離（リフトオフ）することにより、ｎ型半導体層３０の剥離面に、二次元フォトニック結晶２０が反転した二次元フォトニック結晶８０を有する半導体発光素子６００が得られる。この場合、反転した二次元フォトニック結晶８０が、得られる半導体発光素子６００に適した構造となるよう、反転元となる二次元フォトニック結晶２０の構造が適宜設計される。

半導体発光素子用基材１の剥離には、例えばレーザリフトオフ、ケミカルリフトオフ等が採用される。レーザリフトオフの場合、照射されるレーザは、半導体発光素子用基材１を透過し、ｎ型半導体層３０を透過しない波長が用いられる。また、ケミカルリフトオフの場合は、二次元フォトニック結晶２０上に薄いエッチング層を積層し、ケミカルエッチングによって、半導体発光素子用基材１を剥離する方法が挙げられる。

続いて、半導体発光素子６００は、図２５Ｃに示すように、二次元フォトニック結晶８０を含むｎ型半導体層３０の表面上に、ｎ電極層９０を設ける。

本実施の形態の半導体発光素子用基材上に半導体層を順次積層する工程、あるいは、上記のように得られた積層半導体層から、半導体発光素子用基材をリフトオフする工程の後、さらに、デバイスプロセスを行い、電極等を適宜形成し、半導体発光素子とする。

続いて、本実施の形態に係る半導体発光装置において、微細構造層を半導体発光素子用基材に適用する場合の製造方法について説明する。ただし、以下に示す製造方法は一例であって、半導体発光素子用基材の製造方法はこれに限定されるものではない。

図２６は、本実施の形態の半導体発光素子用基材１（１ａ）の製造方法の一例を示す概略説明図である。

図２６に示すように、露光装置４００は、レジスト層が被覆されたロール状部材４０１を図示しないロール把持部により把持しており、回転制御部４０２と、加工ヘッド部４０３と、移動機構部４０４と、露光制御部４０５と、を備えている。回転制御部４０２は、ロール状部材４０１の中心を軸として、ロール状部材４０１を回転させる。加工ヘッド部４０３は、レーザ光を照射して、ロール状部材４０１のレジスト層を露光する。移動機構部４０４は、加工ヘッド部４０３をロール状部材４０１の長軸方向に沿って、制御速度で移動させる。露光制御部４０５は、回転制御部４０２によるロール状部材４０１の回転と同期した基準信号に基づいて、加工ヘッド部４０３によるレーザ露光のパルス信号を制御する。

露光装置４００によるロール状部材４０１の加工は、ロール状部材４０１を回転させた状態で、加工ヘッド部４０３からパルスレーザを照射することにより行う。加工ヘッド部４０３は、パルスレーザを照射しながら、移動機構部４０４によって、ロール状部材４０１の長軸方向に沿って移動する。ロール状部材４０１の回転数及びパルスレーザの周波数から、回転方向におけるロール状部材４０１の外周面のレジスト層に任意のピッチでパターン４０６が記録される。これが、ロールツーロールナノインプリントモールドにおける第１方向Ｄ１のピッチＰｙとなる。

さらに、ロール状部材４０１の長軸方向に沿って走査しているため、任意の位置からロール状部材４０１が１周すると、加工ヘッド部４０３が長軸方向にずれることになる。これがロールツーロールナノインプリントモールドにおける第２方向Ｄ２のピッチＰｘとなる。ロール状部材４０１の周長に比較して、パターン４０６のピッチＰｙ、Ｐｘは、ナノメートルオーダーと非常に小さいので、第１方向Ｄ１のピッチＰｙを維持しながら、長軸方向でみると第１方向Ｄ１のシフト量がずれた列状パターンを形成することができる。さらに、上述したように、パターン４０６のピッチＰｙ、Ｐｘは、ロール状部材４０１の周長に比較して非常に小さいので、第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２は実質的に直交する。

ロール状部材４０１は、円筒状に形成された部材に回転軸が備えられているものであり、材質としては、金属、カーボンコア、ガラス、石英等が適用できる。ロール状部材４０１は、高回転が可能な加工精度が必要とされることから、材質は、金属、カーボンコア等が好ましい。さらに、レーザ露光される円筒表面部のみ、異なる材料で被覆することもできる。特に、熱反応型レジストを使用するときは、断熱効果を高めるために金属よりも熱伝導率が低い材料を適用することが好ましく、ガラス、石英、酸化物、窒化物等が挙げられる。円筒表面に被覆した層を、後述するレジスト層をマスクとしてエッチングするエッチング層として、使用することも可能である。

ロール状部材４０１を被覆するレジストは、レーザ光により露光されるものであれば、特に限定されるものではなく、光硬化型レジスト、光増幅型レジスト、熱反応型レジスト等が適用できる。特に、熱反応型レジストは、レーザ光の波長よりも小さい波長でパターン形成できるので好ましい。

熱反応型レジストは、有機レジスト又は無機レジストであることが好ましい。これらのレジストにより形成されたレジスト層は、単層構造であっても、複数のレジスト層を組み合わせた多層構造であってもよい。なお、どのようなレジストを選択するかは、工程や要求加工精度等によって適宜変更することができる。例えば、有機レジストは、ロール状部材４０１を被覆するレジスト層を形成する際に、ロールコーター等で塗布できるため工程が簡便となる。ただし、スリーブ上に塗布するためレジストの粘性に制限があり、塗布厚精度や制御あるいは多層にコーティングすることは難しい。

有機レジストとしては、（株）情報機構発刊 「最新レジスト材料ハンドブック」や（株）工業調査会 「フォトポリマーハンドブック」にあるように、ノボラック樹脂又はノボラック樹脂とジアゾナフトキンとの混合物、メタクリレート系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリエチレン系樹脂、フェノール系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリアミド系樹脂、シリコーン樹脂、ポリエステル系樹脂、エポキシ系樹脂、メラミン系樹脂、ビニル系樹脂等が挙げられる。

一方、無機レジストは、ロール状部材４０１を被覆するレジスト層を、抵抗加熱蒸着法や電子ビームスパッタ法、ＣＶＤ法等の気相法等によって設けることが好適である。これらの方法は、基本的に真空プロセスになるため、スリーブ上に形成するには工数が掛かるが、膜厚が精度良く制御でき、また、多層に積層することが容易である。

無機レジスト材料は、反応させる温度によって種々選択することができる。例えば、無機レジスト材料としては、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ａｇ、Ａｕ及びこれらの合金が挙げられる。また、無機レジスト材料は、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂａ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙの酸化物、窒化物、窒酸化物、炭化物、硫化物、硫酸化物、フッ化物、塩化物や、これらの混合物を適用してもよい。

ロール状部材４０１を被覆するレジストとして熱反応型レジスト材料を使用した場合、下記のパターンを形成する露光前に、レジストをパターン形成時よりも低い温度で処理する予備加熱を施してもよい。予備加熱を加えることで、パターン形成時のパターン分解能を向上させることが可能となる。予備加熱によりパターン分解能が向上するメカニズムの詳細は不明だが、熱反応型レジスト材料の熱エネルギーによるレジスト層を形成する材料の変化が複数の反応に基づく場合、予備加熱により、パターン形成時の反応以外を事前に終了させることで、パターン形成反応が単純となり、パターン分解能が向上すると推測される。

ロール状部材４０１を被覆するレジストを予備加熱する方法としては、特に制限されるものではなく、ロール状部材４０１の全体を加熱する方法や、ロール状部材４０１にレーザでパターニングするよりも低い出力でロール表面全体を走査し、レジストに熱エネルギーを照射する方法等が挙げられる。

ロール状部材４０１を被覆するレジストとして、熱反応型レジストを使用すると、後述する回転と同期した基準信号に基づいて位相変調させたパルス信号で露光する場合、パターンを形成するドットの各々の直径が、ピッチＰｙ及び／又はピッチＰｘに対応して増減するため好ましい。熱反応型レジストを使用した場合に、ピッチに対応してドットの直径が増減する明確なメカニズムは不明であるが、つぎのように推測される。

熱反応型レジストの場合、照射部に照射されたレーザの熱エネルギーによりレジスト層を形成する材料に変化が生じ、エッチング特性が変わることでパターンが形成される。この時、照射された熱はレジスト層の変化にすべて使われるのではなく、一部は蓄熱され隣接する領域に伝熱される。そのため、隣接する領域での熱エネルギーは、照射エネルギーに加え、隣接する領域からの伝熱エネルギーが加わることになる。ナノオーダーのパターン形成では、この伝熱エネルギーの寄与は無視できず、伝熱の寄与は、パターンを形成するドット間距離に反比例するため、結果として、得られるパターン径は、隣接するドット間距離の影響を受ける。

ここで、ドット間距離が位相変調により変わると、上記した伝熱エネルギーの寄与が、ドット毎に異なることになり、ドット間距離が広いと、伝熱エネルギーの寄与が小さくなり、ドット径が小さくなり、ドット間距離が狭いと、伝熱エネルギーの寄与が大きくなるため、ドット径が大きくなる。

また、ロール状部材４０１を被覆するレジストとして、熱反応型レジストを使用し、後述するエッチング層を設け、パターンの加工深さを制御すると、前記したと同様、回転と同期した基準信号に基づいて位相変調させたパルス信号で露光する場合、パターンを形成するドットの各々の高さが、ピッチＰｙ及び／又はピッチＰｘに対応して増減するため好ましい。熱反応型レジストとエッチング層を併用した場合に、ピッチＰｘに対応してドットの直径が増減するメカニズムは不明であるが、上記した、ドット間距離に応じてドット径が増減することから説明が可能である。

すなわち、ナノオーダーのパターニングにおいて、ドット径に応じて、エッチング深さは増減し、ドット径が広くなるとエッチング深さは深くなり、ドット径が狭くなるとエッチング深さが浅くなる傾向がある。特に、エッチング手法がドライエッチングにおいて顕著である。これは、エッチャントの交換、あるいは、エッチング生成物の離脱が迅速に行われないためであると考えられる。

前記したように、熱反応型レジストを使用すると、ドット間距離が広いとドット径が小さくなり、ドット間距離が狭いと、ドット径が大きくなる。ドット径に応じて、エッチング深さが増減する傾向があるため、結果として、ドット間距離が広いと、ドット深さは浅くなり、ドット間距離が狭いと、ドット深さが深くなる。

以上ドット間距離と、ドット径、ドット深さの増減の影響は、平均ピッチが小さくなると顕著である。これは、上記した伝熱エネルギーの影響が大きくなるためと推定される。

本実施の形態においては、ロール状部材４０１を被覆するレジスト層を利用してそのままロールツーロールナノインプリントモールドとして適用してもよく、また、レジスト層をマスクとして、ロール状部材４０１の表面をエッチングすることによりパターンを形成してもよい。

ロール状部材４０１にエッチング層を設けることで、パターンの加工深さを自由に制御でき、かつ、熱反応レジスト層の厚みを加工に最適な膜厚に選択することができる。すなわち、エッチング層の厚みを制御することで、加工深さを自由に制御できる。また、加工深さはエッチング層で制御できることから、熱反応型レジスト層は露光や現像が容易な膜厚を選択すればよい。

露光を行う加工ヘッド部４０３に用いるレーザは、波長１５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下が好ましい。また、波長の小型化及び入手の容易さから、半導体レーザを使用することが好ましい。半導体レーザの波長は、１５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下であることが好ましい。波長が１５０ｎｍより短い場合には、レーザの出力が小さくなり、ロール状部材４０１を被覆するレジスト層を露光することが困難なためである。一方、波長が５５０ｎｍより長い場合には、レーザのスポット径を５００ｎｍ以下にすることができず、小さな露光部を形成することが困難なためである。

一方、スポットサイズが小さな露光部を形成するためには、加工ヘッド部４０３に用いるレーザとして、ガスレーザを使用することが好ましい。特に、ＸｅＦ、ＸｅＣｌ、ＫｒＦ、ＡｒＦ、Ｆ_２のガスレーザは、波長が３５１ｎｍ、３０８ｎｍ、２４８ｎｍ、１９３ｎｍ、１５７ｎｍと短く、非常に小さなスポットサイズに集光することができるため好ましい。

また、加工ヘッド部４０３に用いるレーザとして、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの２倍波、３倍波、４倍波を用いることができる。Ｎｄ：ＹＡＧレーザの２倍波、３倍波、４倍波の波長は、それぞれ５３２ｎｍ、３５５ｎｍ、２６６ｎｍであり、小さなスポットサイズを得ることができる。

ロール状部材４０１の表面に設けられたレジスト層に微細パターンを露光により形成する場合、ロール状部材４０１の回転位置精度が非常に高く、初めに焦点深度内に部材表面があるようにレーザの光学系を調整しておけば製造は容易である。しかしながら、ナノインプリントに適合するほどのロール寸法精度、回転精度を保持することは非常に困難である。そのため、露光に用いるレーザは対物レンズにより収束されロール状部材４０１表面が焦点深度の中に絶えず、存在するようにオートフォーカスがかけられていることが好ましい。

回転制御部４０２は、ロール状部材４０１をロールの中心を軸に回転させる機能を有する装置であれば特に制限されるものではなく、例えば、スピンドルモーター等が好適である。

加工ヘッド部４０３をロール状部材４０１の長軸方向に移動させる移動機構部４０４としては、制御された速度で加工ヘッド部４０３を移動できれば特に制限されるものではなく、リニアサーボモーター等が好適に挙げられる。

図２６に示す露光装置４００では、ロール状部材４０１の表面上に形成される露光パターンが回転制御部４０２の回転（例えば、スピンドルモーターの回転）と同期した基準信号に基づいて、位相変調させたパルス信号により露光制御部４０５で露光部の位置を制御している。基準信号としては、スピンドルモーターの回転に同期したエンコーダーからの出力パルスを用いることができる。

回転と同期した基準信号に基づいて位相変調させたパルス信号は、例えば、次のように制御することができる。

図２７は、本実施の形態に係る半導体発光素子用基材を形成する露光装置におけるスピンドルモーターのＺ相信号を基準信号として基準パルス信号、変調パルス信号を設定した一例を説明する説明図である。図２７Ａ〜図２７Ｃを用いて、スピンドルモーターのＺ相信号と、基準パルス信号、変調パルス信号との関係を説明する。Ｚ相信号を基準とし、そのｍ倍（ｍ＞２の整数）の周波数のパルス信号が基準パルス信号であり、ｎ倍（ｍ／ｎ＞ｋかつｋ＞１の整数）の周波数のパルス信号が変調パルス信号となる。基準パルス信号、変調パルス信号のいずれも、Ｚ相信号の周波数の整数倍であるために、ロール状部材４０１が中心軸周りに１回転する時間内に整数のパルス信号が存在することになる。

図２８は、本実施の形態に係る半導体発光素子用基材を形成する露光装置における基準パルス信号と変調パルス信号から、位相変調パルス信号を設定した一例を説明する説明図である。図２８を用いて、基準パルス信号と変調パルス信号、位相変調パルス信号との関係を説明する。基準パルス信号の位相を変調パルス信号の波長で周期的に増減させると、位相変調パルス信号となる。例えば、基準パルス周波数ｆＹ０を次の式（７）で表わし、変調周波数ｆＹＬを次の式（８）で表わすと、周波数変調させた変調パルス信号ｆＹは次の式（９）で表せられる。
ｆＹ０＝Ａｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０） （７）
ｆＹＬ＝Ｂｓｉｎ（ω１ｔ＋φ１） （８）
ｆＹ＝Ａｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋Ｃｓｉｎ（ω１ｔ）） （９）

また、次の式（１０）で表わすように、基準パルス周波数ｆＹ０に、変調パルス信号から得られるサイン波を加算することでも位相変調パルス信号ｆＹ’を得ることができる。
ｆＹ´＝ｆＹ０＋Ｃ´ｓｉｎ（ｔ・ｆＹＬ／ｆＹ０×２π） （１０）

さらには、基準パルスのパルス波長ＬＹ０に、変調パルス信号の波長ＬＹＬから得られるサイン波を加算することで、位相変調パルス信号の波長ＬＹを得ることができる。

図２８に示すように、得られる位相変調パルス信号は、変調パルス信号の信号間隔に応じて、基準パルス信号のパルス間隔が周期的に増減した信号となる。

また、図２４に示したように、Ｄ１方向、あるいはＤ２方向に２つの長周期を形成するためには、例えば、式（１０）に、もう一つ変調パルスの周期を加え、式（１１）のようにすることで、可能となる。
ｆＹ”＝ｆＹ０＋Ｃ”ｓｉｎ（ｔ・ｆＹＬ／ｆＹ０×２π＋ｔ・ｆＹＬ’／ｆＹ０×２π） （１１）

式（１１）では、基準パルス周波数ｆＹ０に、二つの周期を有する変調パルス信号から得られるサイン波を加算し、位相変調パルス信号ｆＹ”を得ている。式（１１）における二つの変調周波数ｆＹＬ、ｆＹＬ’が各々、本実施の形態の半導体発光装置における二つの長周期となる。

このとき本実施の形態では、１μｍ以上、あるいは、第一の光の光学波長の６倍以上及び第二の光の光学波長の６倍以上の長周期となるように、変調パルス信号を調整・制御して位相変調パルス信号を得る。

また、露光装置４００においては、位相変調したパルス信号によらず、一定周波数の基準パルス信号を用いて加工ヘッド部４０３によるレーザ露光のパルス信号を制御し、移動機構部４０４による加工ヘッド部４０３の移動速度を周期的に増減させる構成としてもよい。この場合には、例えば、図２９に示すように、加工ヘッド部４０３の移動速度を周期的に増減する。図２９は、本実施の形態に係る半導体発光素子用基材を形成する露光装置におけるレーザ光を照射する加工ヘッド部の移動速度の一例を説明する説明図である。図２９に図示した移動速度は、基準移動速度±σの移動速度の例である。この移動速度は、ロール状部材４０１の回転と同期させることが好ましく、例えば、Ｚ相信号における速度が図２９に示す速度となるように制御する。

以上は、パターン４０６（図２６参照）が周期的な位相変調で制御された場合であるが、周期的でなくランダムな位相変調によってパターン４０６を形成することもできる。例えば第１方向Ｄ１においては、ピッチＰｙは、パルス周波数に反比例するので、パルス周波数に、最大位相ずれが１／１０になるようにランダム周波数変調を行うと、ピッチＰｙは、ピッチＰｙの１／１０の変動幅δ１（最大変動幅）を有し、ランダムにピッチＰｙが増減したパターンを得ることができる。

回転と同期した基準信号の制御頻度については、ロール１周毎等、複数回以上の頻度による基準信号により、変調パルス信号を制御してもよく、露光初期に設定した初期の基準信号のみで制御してもよい。初期の基準信号のみで制御する場合、回転制御部４０２の回転数に変調が生じた場合、露光パルス信号に位相変調が生じることとなる。なんとなれば、ナノオーダーの回転制御であるため、回転制御部４０２のわずかな電位変動でも、ナノオーダーのピッチ変動が生じ、それが積算されるためである。仮に５００ｎｍピッチのパターンピッチの場合、ロール外周長が２５０ｍｍであると、５０万回のレーザ露光となり、１万回毎に１ｎｍのずれでも、５０ｎｍのずれとなる。

同じピッチ、同じ長周期でも、基準信号の制御頻度の調整により、図１４及び図１７に示す配置の微細構造を作成することが可能となる。図１４に示す配置の微細構造を形成する場合は、基準信号の制御頻度を下げており、図１７に示す配置の微細構造を形成する場合は基準信号の制御頻度を上げている。そのため、図１７に示す配置においては、該当するドットの第２方向の位相（位置）がそろっており、図１４に示す配置においては、該当するドットの第２方向の位相（位置）にずれが生じる。図１６及び図１８に示す配置の関係も同様である。

露光装置４００により、表面に設けられたレジスト層が露光されたロール状部材４０１を現像し、現像したレジスト層をマスクとして、ドライエッチングによりエッチング層をエッチングする。エッチング後、残渣のレジスト層を除去すると、ロールツーロールナノインプリントモールドを得ることができる。

上記のように得られたパターン４０６を、所定の半導体発光素子用基材に転写し、半導体発光素子用基材を得る方法としては特に限定されるものではなく、例えば、ナノインプリントリソグラフィ法により所定の半導体発光素子用基材表面にパターンを転写し、転写パターン部分をマスクとして、ドライエッチングにより半導体発光素子用基材をエッチングすることでパターン４０６を半導体発光素子用基材に転写することができる。具体的には、パターン４０６を形成したロール状部材４０１を円筒型モールド（ロールツーロールナノインプリントモールド）として用いる。半導体発光素子用基材の表面側に有機材料からなるレジスト層を形成し、このレジスト層に円筒型モールドを押し付けて、パターン４０６をレジスト層に転写した後、レジスト層及び半導体発光素子用基材を表面側からエッチングすることで半導体発光素子用基材の表面側に微細凹構造層を形成し、半導体発光素子用基材とすることができる。

また、円筒型モールド（ロール状部材４０１）からパターン４０６を直接半導体発光素子用基材に転写するのではなく、パターン４０６を一度フィルムに転写し、樹脂モールドを形成してから、この樹脂モールドによるナノインプリントリソグラフィ法により半導体発光素子用基材上にパターンを形成し、半導体発光素子用基材を得る方法も挙げられる。この方法によれば、モールドの利用効率を高めて、半導体発光素子用基材の平坦性を吸収できるため、パターンを半導体発光素子用基材に転写する方法としては、樹脂モールドによるナノインプリントリソグラフィ法がより好ましい。

円筒型モールドから樹脂モールドにパターン４０６を転写する方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、直接ナノインプリント法が適用できる。直接ナノインプリント法としては、所定温度で加熱しながら円筒型モールドのパターン４０６に熱硬化性樹脂を充填し、円筒型モールドを冷却してから硬化した熱硬化性樹脂を離型して転写する熱ナノインプリント法や、円筒型モールドのパターン４０６に充填した光硬化性樹脂に所定の波長の光を照射し、光硬化性樹脂を硬化させてから、円筒型モールドから硬化した光硬化性樹脂を離型して転写する光ナノインプリント法が挙げられる。

円筒型モールド（ロール状部材４０１）は、シームレスの円筒状モールドであるため、特に、ロールツーロールナノインプリントにより樹脂モールドを連続転写することに好適である。

また、パターン４０６を転写した樹脂モールドから電鋳により電鋳モールドを作製し、この電鋳モールドによりナノインプリントリソグラフィ法によりパターンを形成する方法も挙げられる。電鋳モールドを形成した場合は、元型となる円筒型モールドの寿命を延ばす点で好ましく、電鋳モールドを一度形成する方式においても、半導体発光素子用基材の平坦性を吸収できるため、さらに樹脂モールドを形成する方法が好ましい。

さらに、樹脂モールド法においては、繰り返し転写が容易であるため好ましい。ここでの「繰り返し転写」とは、（１）凸凹パターン形状を有する樹脂モールド（＋）から、転写反転した凹凸パターン転写物を複数製造すること、又は、（２）特に硬化性樹脂組成物を転写材として用いる場合において、樹脂モールド（＋）から反転した転写体（−）を得て、次に転写体（−）を樹脂モールド（−）として、反転転写した転写体（＋）を得て、凸凹／凹凸／凸凹／凹凸／・・・／を繰り返しパターン反転転写することのいずれか一方、あるいは両方を意味する。また（＋）は雄型、（−）は雌型を指す。

レジスト層により半導体発光素子用基材の表面側にパターンを形成したのち、レジスト層をマスクとして、エッチングにより半導体発光素子用基材に凹凸を形成する。エッチング方法としては、レジスト層をマスクとして半導体発光素子用基材に凹凸を形成できれば、特に限定されるものではなく、ウェットエッチング、ドライエッチング等が適用できる。特に、半導体発光素子用基材の凹凸を深く形成できるためドライエッチング法が好ましい。ドライエッチング法の中でも異方性ドライエッチングが好ましく、ＩＣＰ−ＲＩＥ、ＥＣＭ−ＲＩＥが好ましい。ドライエッチングに使用する反応ガスとしては、半導体発光素子用基材の材質と反応すれば、特に限定されるものではないが、ＢＣｌ_３、Ｃｌ_２、ＣＨＦ_３、あるいはこれらの混合ガスが好ましく、適宜、Ａｒ、Ｏ_２等を混合できる。

上記のように得られたパターン４０６を、半導体発光素子用基材以外、例えば、図１１に記載した半導体発光素子２００の二次元フォトニック結晶２０１に適用する方法としては、上記と同様に、特に限定されるものではなく、例えば、ナノインプリントリソグラフィ法により所定の透明導電膜表面にパターンを転写し、転写パターン部分をマスクとして、エッチングにより透明導電膜をエッチングすることで、パターン４０６を透明導電膜に転写することができる。

また、透明導電膜表面に、透明導電膜と実質的に同等の屈折率を有する膜を形成し、その膜に上記と同様に、パターン４０６を転写し、本実施の形態の半導体発光装置における半導体発光素子とすることができる。

以下、本発明の効果を明確にするために行った実施例をもとに本発明をより詳細に説明する。なお、下記実施の形態における材料、使用組成、処理工程等は例示的なものであり、適宜変更して実施することが可能である。その他、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、適宜変更して実施することが可能である。そのため、本発明は以下の実施例によって何ら限定されるものではない。

［実施例１］
（円筒状金型作製（樹脂モールド作製用鋳型の作製））
円筒状金型の半導体発光素子用基材としては、直径８０ｍｍ、長さ５０ｍｍの円筒型石英ガラスロールを用いた。この円筒型石英ガラスロール表面に、次の方法により半導体パルスレーザを用いた直接描画リソグラフィ法により微細構造（微細凹凸構造）を形成した。

まず、この石英ガラス表面の微細構造上にスパッタリング法によりレジスト層を成膜した。スパッタリング法は、ターゲット（レジスト層）として、ＣｕＯを用いて、ＲＦ１００Ｗの電力で実施した。成膜後のレジスト層の膜厚は２０ｎｍであった。以上のように作製した円筒状金型を線速度ｓ＝１．０ｍ／ｓｅｃで回転させながら、以下の条件で露光し、２種類の長周期を有する円筒状金型を作成した。

露光用半導体レーザ波長：４０５ｎｍ
露光レーザパワー：３．５ｍＷ
円筒状金型Ａ：
Ｘ軸方向のピッチＰｘ：３９８ｎｍ
Ｘ軸方向のピッチＰｘに対する変動幅δ２：４０ｎｍ
変動幅δ２のＸ軸方向の長周期単位ＰｘＬ ：３．９８μｍ
Ｙ軸方向のピッチＰｙ：４６０ｎｍ
Ｙ軸方向のピッチＰｙに対する変動幅δ１：４６ｎｍ
変動幅δ１のＹ軸方向の長周期単位ＰｙＬ ：４．６０μｍ
円筒状金型Ｂ
Ｘ軸方向のピッチＰｘ：３９８ｎｍ
Ｘ軸方向のピッチＰｘに対する変動幅δ２：４０ｎｍ
変動幅δ２のＸ軸方向の長周期単位ＰｘＬ ：１．９９μｍ
Ｙ軸方向のピッチＰｙ：４６０ｎｍ
Ｙ軸方向のピッチＰｙに対する変動幅δ１：４６ｎｍ
変動幅δ１のＹ軸方向の長周期単位ＰｙＬ ：２．３３μｍ

Ｙ軸方向のピッチＰｙは次のように決定される。スピンドルモーターのＺ相信号を基準に、１周に要する時間Ｔが測定され、線速度ｓから周長Ｌが計算され、次の式（１２）が得られる。
Ｌ＝Ｔ×ｓ （１２）

目標のピッチをＰｙとして、Ｌ／Ｐｙが整数になるように目標ピッチＰｙの０．１％以下の値を足して調整し、実効ピッチＰｙ’を次の式（１３）によって得る。
Ｌ／Ｐｙ’＝ｍ （ｍは整数） （１３）

目標のピッチＰｙと実効ピッチＰｙ’とは、厳密にはＰｙ≠Ｐｙ’であるが、Ｌ／Ｐｙ≒１０^７であるので、｜Ｐｙ−Ｐｙ’｜／Ｐｙ’≒１０^−７となり、実質的に等しいものとして扱うことができる。同様に、長周期単位ＰｙＬも、Ｌ／ＰｙＬが整数になるように実効長周期単位ＰｙＬ’を次の式（１４）によって得る。
Ｌ／ＰｙＬ’＝ｎ （ｎは整数） （１４）

この場合も、厳密にはＰｙＬ≠ＰｙＬ’であるが、Ｌ／ＰｙＬ≒１０^５であるので、｜ＰｙＬ−ＰｙＬ’｜／ＰｙＬ’≒１０^−５となり、実質的に等しいものとして扱うことができる。

次に実効ピッチＰｙ’から、式（１５）、（１６）により、基準パルス周波数ｆｙ０、変調周波数ｆｙＬが算出される。
ｆｙ０＝ｓ／Ｐｙ’ （１５）
ｆｙＬ＝ｓ／ＰｙＬ’ （１６）

最後に、式（１５）、（１６）から、スピンドルモーターのＺ相信号からの経過時間ｔにおけるパルス周波数ｆｙが、式（１７）のように決定される。
ｆｙ＝ｆｙ０＋δ１×ｓｉｎ（ｔ×（ｆｙＬ／ｆｙ０）×２π）（１７）

Ｘ軸方向の軸送り速度は次のように決定される。スピンドルモーターのＺ相信号を基準に、１周に要する時間Ｔが測定され、Ｘ軸方向のピッチＰｘから、軸方向の基準送り速度Ｖｘ０が次の式（１８）のように決定される。
Ｖｘ０＝Ｐｘ／Ｔ （１８）

Ｘ軸方向の長周期単位ＰｘＬから、時刻ｔにおける軸送り速度Ｖｘを次の式（１９）で決定し、スキャンする。
Ｖｘ＝Ｖｘ０＋Ｖδ２・ｓｉｎ（Ｐｘ／ＰｘＬ×ｔ×２π）（１９）

ここで、Ｖδ２は、ｘ軸方向の長周期単位ＰｘＬにおける速度変動幅であり、長周期単位ＰｘＬのピッチ変動幅δ２、Ｘ軸方向のピッチＰｘ、軸方向の基準送り速度Ｖｘ０により、次の式（２０）で示される。
Ｖδ２＝δ２×Ｖｘ０／Ｐｘ （２０）

次に、レジスト層を現像し、現像したレジスト層をマスクとし、ドライエッチングによるエッチング層のエッチングを行った。ドライエッチングは、エッチングガスとしてＳＦ_６を用い、処理ガス圧１Ｐａ、処理電力３００Ｗ、処理時間５分の条件で実施した。次に、表面に微細構造が付与された円筒状金型から、残渣のレジスト層のみをｐＨ＝１の塩酸で６分間の条件で剥離して円筒モールド（転写用モールド）を作製した。

（樹脂モールドの作製）
得られた２種類の円筒状の石英ガラスロール表面（転写用モールド）に対し、デュラサーフ（登録商標、以下同じ）ＨＤ−１１０１Ｚ（ダイキン化学工業社製）を塗布し、６０℃で１時間加熱後、室温で２４時間静置、固定化した。その後、デュラサーフＨＤ−ＺＶ（ダイキン化学工業社製）で３回洗浄し、離型処理を施した。

次に、得られた円筒モールドからリール状樹脂モールドを作製した。ＯＰＴＯＯＬ（登録商標、以下同じ） ＤＡＣ（ダイキン工業社製）、トリメチロールプロパントリアクリレート（東亞合成社製 Ｍ３５０）及びＩｒｇａｃｕｒｅ（登録商標、以下同じ） １８４（Ｃｉｂａ社製）を重量部で１０：１００：５の割合で混合して光硬化性樹脂を調製した。次に、この光硬化性樹脂をＰＥＴフィルム（Ａ４１００、東洋紡社製：幅３００ｍｍ、厚さ１００μｍ）の易接着面にマイクログラビアコーティング（廉井精機社製）により、塗布膜厚６μｍになるように塗布した。

次いで、円筒モールド（円筒状金型）に対し、光硬化性樹脂を塗布したＰＥＴフィルムをニップロール（０．１ＭＰａ）で押し付け、大気下、温度２５℃、湿度６０％で、ランプ中心下での積算露光量が６００ｍＪ／ｃｍ^２となるように、ＵＶ露光装置（フュージョンＵＶシステムズ・ジャパン社製、Ｈバルブ）を用いて紫外線を照射して連続的に光硬化を実施して、表面に微細構造が反転転写されたリール状透明樹脂モールド（長さ２００ｍ、幅３００ｍｍ）を得た。

樹脂モールドを走査型電子顕微鏡で観察したところ、断面形状がφ４００ｎｍ、ｈ８００ｎｍの凸部がつぎの長周期構造を有する周期構造で形成されている２種類の樹脂モールドＡ、及び樹脂モールドＢを得た。

樹脂モールドＡ：
Ｘ軸方向のピッチＰｘ：３９８ｎｍ
Ｘ軸方向のピッチＰｘに対する変動幅δ２：４０ｎｍ
変動幅δ２のＸ軸方向の長周期単位ＰｘＬ ：３．９８μｍ
Ｙ軸方向のピッチＰｙ：４６０ｎｍ
Ｙ軸方向のピッチＰｙに対する変動幅δ１：４６ｎｍ
変動幅δ１のＹ軸方向の長周期単位ＰｙＬ ：４．６０μｍ
樹脂モールドＢ：
Ｘ軸方向のピッチＰｘ：３９８ｎｍ
Ｘ軸方向のピッチＰｘに対する変動幅δ２：４０ｎｍ
変動幅δ２のＸ軸方向の長周期単位ＰｘＬ ：１．９９μｍ
Ｙ軸方向のピッチＰｙ：４６０ｎｍ
Ｙ軸方向のピッチＰｙに対する変動幅δ１：４６ｎｍ
変動幅δ１のＹ軸方向の長周期単位ＰｙＬ ：２．３３μｍ

（電子顕微鏡）
装置；ＨＩＴＡＣＨＩ ｓ−５５００
加速電圧；１０ｋＶ
ＭＯＤＥ；Ｎｏｒｍａｌ

（反転樹脂モールドの作製）
次に、ＯＰＴＯＯＬ ＤＡＣ ＨＰ（ダイキン工業社製）、トリメチロールプロパントリアクリレート（東亞合成社製 Ｍ３５０）、及びＩｒｇａｃｕｒｅ １８４（Ｃｉｂａ社製）を重量部で１０：１００：５の割合で混合して光硬化性樹脂を調製した。この光硬化性樹脂をＰＥＴフィルム（Ａ４１００、東洋紡社製：幅３００ｍｍ、厚さ１００μｍ）の易接着面にマイクログラビアコーティング（廉井精機社製）により、塗布膜厚２μｍになるように塗布した。

次いで、上記リール状樹脂モールドに、光硬化性樹脂を塗布したＰＥＴフィルムをニップロール（０．１ＭＰａ）で押し付け、大気下、温度２５℃、湿度６０％で、ランプ中心下での積算露光量が６００ｍＪ／ｃｍ^２となるように、ＵＶ露光装置（フュージョンＵＶシステムズ・ジャパン社製、Ｈバルブ）を用いて紫外線を照射して連続的に光硬化を実施して、表面に樹脂モールドＡ、樹脂モールドＢの微細構造が反転転写されたシート状の透明樹脂モールドＡ、シート状の透明樹脂モールドＢ（長さ２００ｍｍ、幅３００ｍｍ）を得た。

（ナノインプリントリソグラフィ：サファイア基板）
φ２”厚さ０．３３ｍｍのＣ面サファイア半導体発光素子用基材上に、マスク材料をスピンコーティング法（２０００ｒｐｍ、２０秒）により塗布し、レジスト層を形成した。マスク材料は、感光性樹脂組成物の固形分を５重量％になるようにプロピレングリコールモノメチルエーテルで希釈した塗布溶液を作成した。

（感光性樹脂組成物）
感光性樹脂組成物としては、３−エチル−３｛［（３−エチルオキセタン−３−イル）メトキシ］メチル｝オキセタン（ＯＸＴ−２２１、東亜合成社製）２０重量部、３’、４’−エポキシシクロヘキサンカルボン酸３、４−エポキシシクロヘキシルメチル（和光純薬社製）８０重量部、フェノキシジエチレングリコールアクリレート（アロニックス（登録商標、以下同じ）Ｍ−１０１Ａ、東亜合成社製）５０重量部、エチレンオキサイド変性ビスフェノールＡジアクリレート（アロニックスＭ−２１１Ｂ、東亜合成社製）５０重量部、ＤＴＳ−１０２（みどり化学社製）８重量部、１、９−ジブトキシアントラセン（アントラキュア（登録商標）ＵＶＳ−１３３１、川崎化成社製）１重量部、Ｉｒｇａｃｕｒｅ １８４（Ｃｉｂａ社製）５重量部及びＯＰＴＯＯＬ ＤＡＣ ＨＰ（２０％固形分、ダイキン工業社製）４重量部、を混合して使用した。

レジスト層を形成したサファイア半導体発光素子用基材上に、透明樹脂モールドＢを７０ｍｍ×７０ｍｍ（□７０ｍｍ）に切断し貼り合わせた。貼り合わせには、サンテック社製のフィルム貼合装置（ＴＭＳ−Ｓ２）を使用し、貼合ニップ力９０Ｎ、貼合速度１．５ｍ／ｓで貼り合わせた。次に、貼合し一体化した透明樹脂モールド／レジスト層／サファイア半導体発光素子用基材を、□７０ｍｍ×ｔ１０ｍｍの透明シリコーン板（硬度２０）２枚で挟んだ。その状態で、エンジニアリングシステム社製のナノインプリント装置（ＥＵＮ−４２００）を用いて、０．０５ＭＰａの圧力でプレスした。プレスした状態で、透明樹脂モールド側から紫外線を２５００ｍＪ／ｃｍ^２で照射し、レジスト層を硬化させた。硬化後、透明シリコーン板と透明樹脂モールドを剥離し、Ｃ面状にパターンが形成されたレジスト／サファイア積層体を得た。

（エッチング：サファイア半導体発光素子用基材）
反応性イオンエッチング装置（ＲＩＥ−１０１ｉＰＨ、サムコ株式会社製）を用い、下記エッチング条件でサファイア半導体発光素子用基材をエッチングした。
エッチングガス：Ｃｌ_２／（Ｃｌ_２＋ＢＣｌ_３）＝０．１
ガス流量：１０ｓｃｃｍ
エッチング圧力：０．１Ｐａ
アンテナ：５０ｗ
バイアス：５０ｗ

エッチング後、サファイア半導体発光素子用基材の断面を電子顕微鏡で観察したところ、断面形状φ４００ｎｍ、ｈ＝２５０ｎｍの凸部が、ナノインプリントに使用した透明樹脂モールドＢと同様の長周期構造を含む周期構造として形成されていることがわかった。

（半導体発光素子の形成）
得られたサファイア半導体発光素子用基材上に、ＭＯＣＶＤにより、（１）ＧａＮ低温バッファ層、（２）ｎ型ＧａＮ層、（３）ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、（４）ＩｎＧａＮ発光層（ＭＱＷ）、（５）ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、（６）ｐ型ＧａＮ層、（７）ＩＴＯ層を連続的に積層した。サファイア半導体発光素子用基材上の凹凸は、（２）ｎ型ＧａＮ層の積層時に埋められて、平坦化する製膜条件とした。上記構成により、半導体層からの発光は４６０ｎｍであり、ＧａＮ層（屈折率：２．４６）中の光学波長は、１８７ｎｍであった。

（ナノインプリント：ＩＴＯ）
次に、表面に形成されたＩＴＯ層に、マスク材料をスピンコーティング法（２０００ｒｐｍ、２０秒）により塗布し、レジスト層を形成した。マスク材料は、前記感光性樹脂組成物の固形分を５重量％になるようにプロピレングリコールモノメチルエーテルで希釈した塗布溶液を作成した。

レジスト層を形成したＩＴＯ上に、透明樹脂モールドＡを７０ｍｍ×７０ｍｍ（□７０ｍｍ）に切断し貼り合わせた。貼り合わせには、サンテック社製のフィルム貼合装置（ＴＭＳ−Ｓ２）を使用し、貼合ニップ力９０Ｎ、貼合速度１．５ｍ／ｓで貼り合わせた。次に、貼合し一体化した透明樹脂モールド／レジスト層／ＩＴＯ層／積層半導体層／サファイア半導体発光素子用基材を、□７０ｍｍ×ｔ１０ｍｍの透明シリコーン板（硬度２０）２枚で挟んだ。その状態で、エンジニアリングシステム社製のナノインプリント装置（ＥＵＮ−４２００）を用いて、０．０５ＭＰａの圧力でプレスした。プレスした状態で、透明樹脂モールド側から紫外線を２５００ｍＪ／ｃｍ^２で照射し、レジスト層を硬化させた。硬化後、透明シリコーン板と透明樹脂モールドを剥離し、ＩＴＯ表面パターンが形成されたレジスト／ＩＴＯ／積層半導体層を得た。

（エッチング：ＩＴＯ層）
反応性イオンエッチング装置（ＲＩＥ−１０１ｉＰＨ、サムコ株式会社製）を用い、下記エッチング条件でＩＴＯ層をエッチングした。

エッチングガス：Ｃｌ_２／（Ｃｌ_２＋ＢＣｌ_３）＝０．１
ガス流量：１０ｓｃｃｍ
エッチング圧力：０．１Ｐａ
アンテナ：５０ｗ
バイアス：５０ｗ

エッチング後、ＩＴＯ面上を電子顕微鏡で観察したところ、断面形状φ４００ｎｍ、ｈ＝５０ｎｍの凸部が、ナノインプリントに使用したリール状透明樹脂モールドＡと同様の長周期構造を含む周期構造として形成されていることがわかった。ＩＴＯ層の半導体層からの発光４６０ｎｍに対する、ＩＴＯ層（屈折率：２．０）中の光学波長は、２３０ｎｍであった。さらに、エッチング加工し電極パッドを取り付けた。

（半導体発光装置）
上記のように得られた半導体発光素子をパッケージに配置し、電極パッドにＡｕワイヤを介して電気的に接続した。次に、パッケージ内をシリコーン樹脂に６５０ｎｍの主波長を有するＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ（蛍光材）を混合した波長変換部材で充填した。

この状態で、カソードとアノードの間に２０ｍＡの電流を流し発光出力を測定した。表４には、比較例１の半導体発光装置からの発光出力を１としたときの発光出力比が示されている。実施例１では、比較例１と比較して、半導体発光素子からの発光に、回折特有のバラツキは観察されず、発光角度依存性はほとんどないことがわかった。

［実施例２］
実施例１と同様に作成した円筒状金型を線速度ｓ＝１．０ｍ／ｓｅｃで回転させながら、以下の条件で露光した。

円筒状金型Ｃ
露光用半導体レーザ波長：４０５ｎｍ
露光レーザパワー：３．５ｍＷ
Ｘ軸方向のピッチＰｘ：２６０ｎｍ
Ｘ軸方向のピッチＰｘに対する変動幅δ２：２６ｎｍ
変動幅δ２のＸ軸方向の長周期単位ＰｘＬ１ ：２．６０μｍ
Ｙ軸方向のピッチＰｙ：３００ｎｍ
Ｙ軸方向のピッチＰｙに対する変動幅δ１：３０ｎｍ
変動幅δ１のＹ軸方向の長周期単位ＰｙＬ１ ：２．６０μｍ
変動幅δ１のＹ軸方向の長周期単位ＰｙＬ２ ：１．３０μｍ

Ｙ軸方向のピッチＰｙは次のように決定される。スピンドルモーターのＺ相信号を基準に、１周に要する時間Ｔが測定され、線速度ｓから周長Ｌが計算され、次の式（１２）が得られる。
Ｌ＝Ｔ×ｓ （１２）

目標のピッチをＰｙとして、Ｌ／Ｐｙが整数になるように目標ピッチＰｙの０．１％以下の値を足して調整し、実効ピッチＰｙ’を次の式（１３）によって得る。
Ｌ／Ｐｙ’＝ｍ （ｍは整数） （１３）

目標のピッチＰｙと実効ピッチＰｙ’とは、厳密にはＰｙ≠Ｐｙ’であるが、Ｌ／Ｐｙ≒１０^７であるので、｜Ｐｙ−Ｐｙ’｜／Ｐｙ’≒１０^−７となり、実質的に等しいものとして扱うことができる。同様に、長周期単位ＰｙＬ１も、Ｌ／ＰｙＬ１が整数になるように実効長周期単位ＰｙＬ１’、ＰｙＬ２’を次の式（２１）、式（２２）によって得る。
Ｌ／ＰｙＬ１’＝ｎ （ｎは整数） （２１）
Ｌ／ＰｙＬ２’＝ｍ （ｍは整数） （２２）

この場合も、厳密にはＰｙＬ１≠ＰｙＬ１’、ＰｙＬ２≠ＰｙＬ２’であるが、Ｌ／ＰｙＬ１≒１０^５であるので、｜ＰｙＬ１−ＰｙＬ１’｜／ＰｙＬ１’≒１０^−５、｜ＰｙＬ２−ＰｙＬ２’｜／ＰｙＬ２’≒１０^−５なり、実質的に等しいものとして扱うことができる。

次に実効ピッチＰｙ’から、式（１５）、式（２３）、式（２４）により、基準パルス周波数ｆｙ０、変調周波数ｆｙＬが算出される。
ｆｙ０＝ｓ／Ｐｙ’ （１５）
ｆｙＬ１＝ｓ／ＰｙＬ１’ （２３）
ｆｙＬ２＝ｓ／ＰｙＬ２’ （２４）

最後に、式（１５）、式（２３）、式（２４）から、スピンドルモーターのＺ相信号からの経過時間ｔにおけるパルス周波数ｆｙが、式（２５）のように決定される。
ｆｙ＝ｆｙ０＋δ１×ｓｉｎ（ｔ×（ｆｙＬ１／ｆｙ０）×２π＋ｔ×（ｆｙＬ２／ｆｙ０）×２π） （２５）

次に実施例１と同様に、表面構造が反転転写されたリール状透明樹脂モールド（長さ２００ｍ、幅３００ｍｍ）が得られた。

樹脂モールドを走査型電子顕微鏡で観察したところ、断面形状がφ２５０ｎｍ、ｈ５００ｎｍの凸部がつぎの長周期構造を有する周期構造で形成されている樹脂モールドＣを得た。

樹脂モールドＣ：
露光用半導体レーザ波長：４０５ｎｍ
露光レーザパワー：３．５ｍＷ
Ｘ軸方向のピッチＰｘ：２６０ｎｍ
Ｘ軸方向のピッチＰｘに対する変動幅δ２：２６ｎｍ
変動幅δ２のＸ軸方向の長周期単位ＰｘＬ１ ：２．６０μｍ
Ｙ軸方向のピッチＰｙ：３００ｎｍ
Ｙ軸方向のピッチＰｙに対する変動幅δ１：３０ｎｍ
変動幅δ１のＹ軸方向の長周期単位ＰｙＬ１ ：２．６０μｍ
変動幅δ１のＹ軸方向の長周期単位ＰｙＬ２ ：１．３０μｍ

以下、実施例１と同様に、サファイア半導体発光素子用基材表面に樹脂モールドＣのパターンを転写し、半導体発光素子を作製した。

上記のように得られた半導体発光素子をパッケージに配置し、電極パッドにＡｕワイヤを介して電気的に接続した。次に、パッケージ内をシリコーン樹脂に６５０ｎｍに主波長を有するＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ（蛍光材）、５３０ｎｍに主波長を有するβ−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ（蛍光材）を各々混合した波長変換部材で充填した。

２０ｍＡにおける実施例２の発光出力比を表４に示す。実施例１と同様、回折特有のギラツキがある発光は観察されず、発光角度依存性はほとんどなかった。

［実施例３］
実施例２と同様の半導体発光素子をパッケージに配置し、電極パッドにＡｕワイヤを介して電気的に接続した。次に、パッケージ内を、シリコーン樹脂に下記の主波長を有する蛍光材を混合した波長変換部材で充填した。
５３０ｎｍ β−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ
５８０ｎｍ Ｃａ−α―ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ
６５０ｎｍ ＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ

２０ｍＡにおける実施例３の発光出力比を表４に示す。実施例３では、実施例１、実施例２と同様、回折特有のギラツキがある発光は観察されず、発光角度依存性はほとんどなかった。

［比較例１］
実施例１と同様の条件で通常のフラットなサファイア半導体発光素子用基材上に半導体発光素子を形成した後、実施例１と同様の波長変換部材で封止し発光出力を測定した。

［比較例２］
実施例１と同様の方法で、半導体レーザを用いた直接描画リソグラフィ法によりナノパターンの微細構造（微細凹凸構造）を石英ガラス表面に形成した。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向のピッチは同じで、ピッチ変動がない六方配列とした。
Ｘ軸方向のピッチＰｘ：３９８ｎｍ
Ｙ軸方向のピッチＰｙ：４６０ｎｍ

その後、実施例１と同様の方法で、半導体発光装置を形成し、発光出力を測定した。得られた半導体発光素子からの発光においては、回折構造特有の回折光が強く観察され、発光角度分布が大きかった。

［比較例３］
実施例１と同様の方法で、半導体レーザを用いた直接描画リソグラフィ法によりナノパターンの微細構造（微細凹凸構造）を石英ガラス表面に形成した。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向のピッチは同じで、ピッチ変動がない六方配列とした。
Ｘ軸方向のピッチＰｘ：２６０ｎｍ
Ｙ軸方向のピッチＰｙ：３００ｎｍ

その後、実施例１と同様の方法で、半導体発光装置を形成し、発光出力を測定した。得られた半導体発光素子からの発光においては、回折構造特有の回折光が強く観察され、発光角度分布が大きかった。

実施例１、２、３における、二次元フォトニック結晶の周期と、光学波長の関係をまとめて表１、表２及び表３に表示した。

いずれの実施例においても、１μｍ以上の周期を２つ以上有することがわかった。また、光学波長の６倍以上の周期を有し、かつ、その周期が２つ以上あることがわかった。

実施例１

実施例２

実施例３

表４には、比較例１の出力を１とした際の、各試料の発光出力比が示されている。表４から、本実施の形態に係る半導体発装置（実施例１〜実施例３）によれば、従来の平坦なサファイア半導体発光素子用基材（比較例１）、従来の光学波長の６倍以上の周期をもたない二次元フォトニック結晶を有するサファイア半導体発光素子用基材（比較例２）に比べ、サファイア半導体発光素子用基材上に成膜した半導体層中の転位欠陥数を減らすことができ、また、周期性が乱れた凹凸パターンに起因する光散乱により導波モードを解消して光取り出し効率を上げることができるため、高い発光効率を有する半導体発光素子を得ることができることがわかった。さらに、発光素子からの発光特性において、角度依存性がほとんどないことがわかり、工業実用上、好適な発光素子である。

角度依存性は、２０ｍＡにおける発光状況を目視で観察し、特定角度に強い発光光が観察される、あるいは、観察角度により発光色が変化する場合を角度依存性が強いとして×として評価した。

また、２０ｍＡにおける３次元の発光状況を配光分光装置（ＩＭＳ５０００−ＬＥＤ、朝日分光社製）で測定し、仰角４５度における円周方向の発光強度分布の変動係数（変動係数＝標準偏差/平均値）で示した。

表４に示すように変動係数は、比較例２及び比較例３で１０％を超えており、一方、実施例１〜実施例３では、角度依存性がない平坦基板の比較例１と同等の変動係数を示し、４％よりも小さくできることがわかった。これにより、実施例では、特定角度に強い発光光が観察されておらず、角度依存性がほとんどないことがわかった。

［実施例４］
（積層半導体の形成）
サファイア半導体発光素子用基材上に、ＭＯＣＶＤにより、（１）ＧａＮ低温バッファ層、（２）ｎ型ＧａＮ層、（３）ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、（４）ＩｎＧａＮ発光層（ＭＱＷ）、（５）ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、（６）ｐ型ＧａＮ層、（７）ＩＴＯ層を連続的に積層した。上記構成により、半導体層からの発光は４６０ｎｍであり、ＩＴＯ層の膜厚は、６００ｎｍとした。

（ナノインプリント：ＩＴＯ）
次に、表面に形成されたＩＴＯ層に、マスク材料をスピンコーティング法（２０００ｒｐｍ、２０秒）により塗布し、レジスト層を形成した。マスク材料は、前記感光性樹脂組成物の固形分を５重量％になるようにプロピレングリコールモノメチルエーテルで希釈した塗布溶液を作成した。

レジスト層を形成したＩＴＯ上に、透明樹脂モールドＣを７０ｍｍ×７０ｍｍ（□７０ｍｍ）に切断し貼り合わせた。貼り合わせには、サンテック社製のフィルム貼合装置（ＴＭＳ−Ｓ２）を使用し、貼合ニップ力９０Ｎ、貼合速度１．５ｍ／ｓで貼り合わせた。次に、貼合し一体化した透明樹脂モールド／レジスト層／ＩＴＯ層／積層半導体層／サファイア半導体発光素子用基材を、７０ｍｍ×ｔ１０ｍｍの２枚の透明シリコーン板（硬度２０）で挟んだ。その状態で、エンジニアリングシステム社製のナノインプリント装置（ＥＵＮ−４２００）を用いて、０．０５ＭＰａの圧力でプレスした。プレスした状態で、透明樹脂モールド側から紫外線を２５００ｍＪ／ｃｍ^２で照射し、レジスト層を硬化させた。硬化後、透明シリコーン板と透明樹脂モールドを剥離し、ＩＴＯ表面パターンが形成されたレジスト／ＩＴＯ／積層半導体層を得た。

（エッチング：ＩＴＯ層）
反応性イオンエッチング装置（ＲＩＥ−１０１ｉＰＨ、サムコ株式会社製）を用い、下記エッチング条件でＩＴＯ層をエッチングした。
エッチングガス：ＢＣｌ_３
ガス流量：１０ｓｃｃｍ
エッチング圧力：０．２Ｐａ
アンテナ：１５０ｗ
バイアス：５０ｗ

エッチング後、ＩＴＯ面上を電子顕微鏡で観察したところ、断面形状φ２３０ｎｍ、ｈ＝２５０ｎｍの凸部が、ナノインプリントに使用したリール状透明樹脂モールドＣと同様の周期構造として形成されている微細構造層が得られ、２つの異なる周期を有する二次元フォトニック結晶が形成されていることがわかった。

上記のように得られた半導体発光素子をパッケージに配置し、電極パッドにＡｕワイヤを介して電気的に接続した。次に、パッケージ内に配置された半導体発光素子の微細構造層の表面のみを覆うように、前記微細構造層の表面を中間材料としてのシリコーン樹脂（屈折率１．５３）で封止し、その後、前記シリコーン樹脂を硬化させた。続いて、パッケージ内を、第一の材料としてのシリコーン樹脂（屈折率）と下記の主波長を有する蛍光材とを混合した波長変換部材により充填した。使用した蛍光材の平均粒径は、いずれも２００ｎｍであった。
５３０ｎｍ β−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ
５８０ｎｍ Ｃａ−α―ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ
６５０ｎｍ ＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ

［実施例５］
実施例４と同様に得られた半導体発光素子をパッケージ内に封止する際、実施例４に使用したシリコーン樹脂（屈折率１．５）に６５０ｎｍの主波長を有するＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ（蛍光材）を混合した波長変換部材のみで充填した。

［比較例４］
実施例４と同様の条件でサファイア半導体発光素子用基材上に半導体発光素子を形成した後、ＩＴＯ層表面に微細構造層を設けずに、実施例１と同様の波長変換部材で封止し発光出力を測定した。

表５には、比較例４の出力を１とした際の、各試料の発光出力比が示されている。表５から、微細構造層と波長変換部材との間に、中間材料としてのシリコーン樹脂を介在させた実施例４は、微細構造層を波長変換部材に接して形成した実施例５に比べ、半導体発光素子中の導波モードを解消し、さらに、蛍光光の散乱性を増加させ、光取り出し効率をあげることができるため、高い発光効率を有する半導体発光素子を得ることができる。さらに、２つの異なる周期を有する二次元フォトニック結晶を形成することで、導波モードの解消と、散乱性が増加するために、さらに、光取り出し効率を上げた半導体発光素子を得ることができ、工業実用上、好適な発光素子である。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、さまざまに変更して実施可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状等については、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更が可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施可能である。

本発明の半導体発光装置によれば、半導体発光素子に備えられた微細構造層によって、半導体層中の転位欠陥数を減らすことにより発光光においては、内部量子効率ＩＱＥを改善し、かつ、発光光と蛍光においては、光散乱により導波モードを解消して光取り出し効率ＬＥＥを高めることができる。さらに、半導体発光素子からの効率的に発光された一次発光を効率的に波長変換できる。これらの効果により、半導体発光装置の最終的な発光効率を向上させることができ、さらには、発光分布の角度依存性を少なくできるので、簡便に工業実用上の用途に適用し得る。また、本発明の半導体発光装置は、高い発光効率を有し、電力の有効活用ができ、省エネルギーに大きく貢献できる。

本出願は、２０１３年６月１０日出願の特願２０１３−１２１５８０、２０１３年７月２３日出願の特願２０１３−１５２６８２、及び２０１３年７月２６日出願の特願２０１３−１５５５９８に基づく。これらの内容は全てここに含めておく。

本発明の半導体発光装置は、少なくとも２層以上の半導体層と、発光層とを積層して構成される積層半導体層を有し、第一の光を発光する半導体発光素子と、少なくとも前記半導体発光素子の一部を覆い、前記第一の光の少なくとも一部を吸収し、前記第一の光の波長とは異なる第二の光を発光する波長変換部材と、を有して構成される半導体発光装置であって、前記半導体発光素子は、前記半導体発光素子を構成するいずれかの主面において、面外方向に延在する複数の凸部又は凹部から構成されるドットを含む微細構造層を構成要素として備え、前記微細構造層は、前記ドット間のピッチが１００ｎｍ以上４６０ｎｍ以下であり、前記ドット間のピッチが不定間隔であり、前記ドット間の不定間隔のピッチが周期的に増減し、前記ドット間のピッチにより制御された二次元フォトニック結晶を構成し、前記二次元フォトニック結晶は少なくとも、周期的に増減する前記ドット間の不定間隔のピッチの長周期単位が各々１．３μｍ以上の２つ以上の周期を有することを特徴とする。

本発明の半導体発光装置においては、周期的に増減する前記ドット間の不定間隔のピッチの長周期単位が前記第一の光の光学波長の６倍以上及び前記第二の光の光学波長の６倍以上の、少なくとも２つ以上の周期を有することが好ましい。

また本発明の半導体発光装置は、少なくとも２層以上の半導体層と、発光層とを積層して構成される積層半導体層を有し、第一の光を発光する半導体発光素子と、少なくとも前記半導体発光素子の一部を覆い、前記第一の光の少なくとも一部を吸収し、前記第一の光の波長とは異なる第二の光を発光する波長変換部材と、を有して構成される半導体発光装置であって、前記半導体発光素子は、前記半導体発光素子を構成するいずれかの主面において、面外方向に延在する複数の凸部又は凹部から構成されるドットを含む微細構造層を構成要素として備え、前記微細構造層は、前記ドット間のピッチが１００ｎｍ以上４６０ｎｍ以下であり、前記ドット間のピッチが不定間隔であり、前記ドット間の不定間隔のピッチが周期的に増減し、前記ドット間のピッチにより制御された二次元フォトニック結晶を構成し、前記二次元フォトニック結晶は、周期的に増減する前記ドット間の不定間隔のピッチの長周期単位が前記第一の光の光学波長の６倍以上及び前記第二の光の光学波長の６倍以上の、少なくとも２つ以上の周期を有することを特徴とする。

また、本発明の半導体発光装置においては、前記波長変換部材は、前記第二の光と、前記第一の光及び前記第二の光の各波長とは異なる第三の光とを発光する構成であり、前記波長変換部材が、少なくとも前記第一の光と前記第二の光及び前記第三の光に対し透明である第一の材料、及び、前記第一の光の少なくとも一部を吸収し、前記第三の光を発光する第三の材料を含有し、前記二次元フォトニック結晶は、周期的に増減する前記ドット間の不定間隔のピッチの長周期単位が前記第三の光の光学波長の６倍以上の周期を有することが好ましい。

また、本発明の半導体発光装置においては、前記波長変換部材は、前記第二の光と、前記第三の光と、前記第一の光、前記第二の光及び前記第三の光の各波長とは異なる第四の光とを発光する構成であり、前記波長変換部材が、少なくとも前記第一の光と前記第二の光と前記第三の光及び前記第四の光に対し透明である第一の材料、及び、前記第一の光の少なくとも一部を吸収し、前記第四の光を発光する第四の材料を含有し、前記二次元フォトニック結晶は、周期的に増減する前記ドット間の不定間隔のピッチの長周期単位が前記第四の光の光学波長の６倍以上の周期を有することが好ましい。

さらに、本発明の半導体発光装置においては、前記二次元フォトニック結晶が、前記半導体発光素子を構成するいずれか異なる二つ以上の主面に構成され、各々の二次元フォトニック結晶の周期的に増減する前記ドット間の不定間隔のピッチの長周期単位が互いに異なることが好ましい。

本発明の半導体発光装置においては、前記二次元フォトニック結晶の周期的に増減する前記ドット間の不定間隔のピッチの長周期単位が少なくとも前記主面の一軸方向に周期を有する構成にでき、あるいは、前記二次元フォトニック結晶の周期的に増減する前記ドット間の不定間隔のピッチの長周期単位が少なくとも独立する前記主面の二軸方向に周期を有する構成にできる。

Claims (15)

1. 少なくとも２層以上の半導体層と、発光層とを積層して構成される積層半導体層を有し、第一の光を発光する半導体発光素子と、
   少なくとも前記半導体発光素子の一部を覆い、前記第一の光の少なくとも一部を吸収し、前記第一の光の波長とは異なる第二の光を発光する波長変換部材と、を有して構成される半導体発光装置であって、
   前記半導体発光素子は、前記半導体発光素子を構成するいずれかの主面において、面外方向に延在する複数の凸部又は凹部から構成されるドットを含む微細構造層を構成要素として備え、
   前記微細構造層は、少なくとも前記ドット間のピッチ、ドット径又はドット高さのいずれかにより制御された二次元フォトニック結晶を構成し、
   前記二次元フォトニック結晶は少なくとも、各々１μｍ以上の２つ以上の周期を有することを特徴とする半導体発光装置。
2. 前記二次元フォトニック結晶は、前記第一の光の光学波長の６倍以上及び前記第二の光の光学波長の６倍以上の、少なくとも２つ以上の周期を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 少なくとも２層以上の半導体層と、発光層とを積層して構成される積層半導体層を有し、第一の光を発光する半導体発光素子と、
   少なくとも前記半導体発光素子の一部を覆い、前記第一の光の少なくとも一部を吸収し、前記第一の光の波長とは異なる第二の光を発光する波長変換部材と、を有して構成される半導体発光装置であって、
   前記半導体発光素子は、前記半導体発光素子を構成するいずれかの主面において、面外方向に延在する複数の凸部又は凹部から構成されるドットを含む微細構造層を構成要素として備え、
   前記微細構造層は、少なくとも前記ドット間のピッチ、ドット径又はドット高さのいずれかにより制御された二次元フォトニック結晶を構成し、
   前記二次元フォトニック結晶は、前記第一の光の光学波長の６倍以上及び前記第二の光の光学波長の６倍以上の、少なくとも２つ以上の周期を有することを特徴とする半導体発光装置。
4. 前記波長変換部材が、少なくとも前記第一の光及び前記第二の光に対し透明である第一の材料、及び、前記第一の光の少なくとも一部を吸収し、前記第二の光を発光する第二の材料を含有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体発光装置。
5. 前記微細構造層を、少なくとも、前記半導体発光素子の最表面に構成要素として備え、
   前記微細構造層と前記波長変換部材との間には、少なくとも前記第一の光及び前記第二の光に対し実質的に透明であり、前記第二の材料を含まない中間材料が充填されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光装置。
6. 前記第二の材料が、前記第一の光の第一の材料における光学波長よりも小さい平均粒子径であることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光装置。
7. 前記波長変換部材は、前記第二の光と、前記第一の光及び前記第二の光の各波長とは異なる第三の光とを発光する構成であり、
   前記波長変換部材が、少なくとも前記第一の光と前記第二の光及び前記第三の光に対し透明である第一の材料、及び、前記第一の光の少なくとも一部を吸収し、前記第三の光を発光する第三の材料を含有し、
   前記二次元フォトニック結晶は、前記第三の光の光学波長の６倍以上の周期を有することを特徴とする請求項４に記載の半導体発光装置。
8. 前記微細構造層を、少なくとも、前記半導体発光素子の最表面に構成要素として備え、
   前記微細構造層と前記波長変換部材との間には、少なくとも前記第一の光と前記第二の光及び前記第三の光に対し実質的に透明であり、前記第二の材料及び前記第三の材料を含まない中間材料が充填されていることを特徴とする請求項７に記載の半導体発光装置。
9. 前記第二の材料及び第三の材料の少なくとも一つが、前記第一の光の前記第一の材料における光学波長よりも小さい平均粒子径であることを特徴とする請求項８に記載に半導体発光装置。
10. 前記波長変換部材は、前記第二の光と、前記第三の光と、前記第一の光、前記第二の光及び前記第三の光の各波長とは異なる第四の光とを発光する構成であり、
    前記波長変換部材が、少なくとも前記第一の光と前記第二の光と前記第三の光及び前記第四の光に対し透明である第一の材料、及び、前記第一の光の少なくとも一部を吸収し、前記第四の光を発光する第四の材料を含有し、
    前記二次元フォトニック結晶は、前記第四の光の光学波長の６倍以上の周期を有することを特徴とする請求項７に記載の半導体発光装置。
11. 前記微細構造層を、少なくとも、前記半導体発光素子の最表面に構成要素として備え、
    前記微細構造層と前記波長変換部材との間には、少なくとも前記第一の光と前記第二の光と前記第三の光及び前記第四の光に対し実質的に透明であり、前記第二の材料、前記第三の材料及び前記第四の材料を含まない中間材料が充填されていることを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光装置。
12. 前記第二の材料、前記第三の材料及び前記第四の材料の少なくとも一つが、前記第一の光の前記第一の材料における光学波長よりも小さい平均粒子径であることを特徴とする請求項１１に記載の半導体発光装置。
13. 前記二次元フォトニック結晶が、前記半導体発光素子を構成するいずれか異なる二つ以上の主面に構成され、各々の二次元フォトニック結晶の前記周期が互いに異なることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれかに記載の半導体発光装置。
14. 前記二次元フォトニック結晶の周期が少なくとも前記主面の一軸方向に周期を有することを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれかに記載の半導体発光装置。
15. 前記二次元フォトニック結晶の周期が少なくとも独立する前記主面の二軸方向に周期を有することを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれかに記載の半導体発光装置。

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