(57)【要約】【課題】発光した光を出力する効率を向上することができる半導体発光素子および当該半導体発光素子の製造方法を提供する。【解決手段】半導体発光素子１００は、発光層を含む半導体層２と、半導体層２を支持するための支持基板１１と、半導体層２の主表面と支持基板１１の主表面とを接合する貼付け層１５とを備えている。半導体層２の貼付け層１５と対向する主表面または支持基板１１の貼付け層１５と対向する主表面の少なくともいずれか一方の、貼付け層１５との接合界面領域に、屈折率の異なる少なくとも２種類の物質が周期的に配置されることによる２次元回折格子が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光層を含む半導体層と、
前記半導体層を支持するための支持基板と、
前記半導体層の主表面と前記支持基板の主表面とを接合する貼付け層とを備え、
前記半導体層の前記貼付け層と対向する主表面または前記支持基板の前記貼付け層と対向する主表面の少なくともいずれか一方の、前記貼付け層との接合界面領域に、屈折率の異なる少なくとも２種類の物質が周期的に配置されることによる２次元回折格子が形成された、半導体発光素子。
【請求項２】
前記２次元回折格子を形成する前記物質は、
前記半導体層を構成する半導体材料と、
前記半導体層の前記表面において周期的に形成された複数の凹部を充填する充填材料とを含む、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記充填材料は、前記半導体材料とオーミック接触し、前記発光層が発光する光を透過するとともに導電性を有する透明材料である、請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記透明材料は、酸化インジウムと酸化スズとの混合物、アルミニウム原子を含む酸化亜鉛、フッ素原子を含む酸化スズ、酸化亜鉛、セレン化亜鉛、酸化ガリウムからなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成される、請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記充填材料は誘電体膜である、請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記誘電体膜は酸化シリコン、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化リチウムからなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成される、請求項５に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記２次元回折格子と前記支持基板とに挟まれた領域に、前記発光層が発光する光を反射する金属材料からなる反射膜を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記反射膜は、アルミニウム、金、白金、銀、銅、クロムからなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成される、請求項７に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記充填材料は空気である、請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記支持基板は導電性を有する導電性支持基板である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記導電性支持基板はシリコン、ガリウム砒素、炭化珪素からなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成される、請求項１０に記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
前記充填材料は、前記半導体層および前記支持基板に対して接着性を有し、前記発光層が発光する光を透過する透明接着性材料である、請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項１３】
前記透明接着性材料はポリイミド、エポキシ、シリコーン、過フルオロシクロブタンからなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成される、請求項１２に記載の半導体発光素子。
【請求項１４】
前記支持基板はサファイア、ガリウムリン、石英、スピネルからなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成される、請求項１２または１３に記載の半導体発光素子。
【請求項１５】
前記発光層の組成は、ＡｌｘＧａｙＩｎ（１−ｘ−ｙ）Ａｓ、ＡｌｘＧａｙＩｎ（１−ｘ−ｙ）Ｐ、ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ）からなる群から選択される少なくとも１種である、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項１６】
前記２次元回折格子は、屈折率の異なる２種類の前記物質が正方格子をなすように配置されている、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項１７】
前記２次元回折格子は、屈折率の異なる２種類の前記物質が三角格子をなすように配置されている、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項１８】
前記発光層が発光する光の波長をλ、前記正方格子または前記三角格子の、前記半導体層の主表面上における格子定数をａとすれば、
０．２λ≦ａ≦１０λの関係が成立する、請求項１６または１７に記載の半導体発光素子。
【請求項１９】
前記半導体層の主表面に垂直な方向における前記２次元回折格子の厚みをｄとすれば、
０．１λ≦ｄ≦５λの関係が成立する、請求項１８に記載の半導体発光素子。
【請求項２０】
前記発光層が発光する光の波長λが４００ｎｍ以上２μｍ以下、前記格子定数ａが８０ｎｍ以上２０μｍ以下、前記厚みｄが４０ｎｍ以上１０μｍ以下である、請求項１６〜１９のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項２１】
半導体基板の表面に半導体層を形成する工程と、
前記半導体層を支持するための支持基板を準備する工程と、
前記半導体層の表面または前記支持基板の表面の少なくともいずれか一方に２次元回折格子を形成する工程と、
前記半導体層の表面と前記支持基板の表面とを貼り合わせる工程と、
前記半導体基板を除去する工程とを備える、半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法に関するものであり、より特定的には、発光した光を出力する効率を向上することができる半導体発光素子および当該半導体発光素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体層を構成するｐ型半導体層が供給する正孔と、ｎ型半導体層が供給する電子とが、発光層において再結合することにより放出されるエネルギーを光として取り出す半導体発光素子（ＬＥＤ）は、光学ディスプレイ、信号機など幅広い用途で用いられている。この半導体発光素子が発光する光を出力する効率を向上して、出力する光の強度を高めるために、従来から様々な工夫がなされている。
【０００３】
たとえば以下の特許文献１および非特許文献１においては、光を放出する半導体層と、導電性を有する支持基板とを、当該光に対して高い反射率を有する金属からなる接着層を用いて接合することにより、発光する光を出力する効率を向上することができる半導体発光素子の製造方法が開示されている。当該半導体素子が発光する光は、金属からなる接着層において高い反射率で特定の方向に反射されるため、光の出力強度を高めることができる。
【０００４】
また、以下の特許文献２および非特許文献２においては、半導体層の最表面に２次元回折格子の周期構造を形成することにより、発光する光を出力する効率を向上させた半導体発光素子が開示されている。当該半導体発光素子では、半導体層の内部において発光された光が、２次元回折格子により回折され、特定の方向に高い割合で放出されるため、光の出力強度を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１７５４６２号公報
【特許文献２】特開２００５−１２９９３９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】R.H.Horng、S.H.Huang and D.S.Wuu、C.Y.Chiu、「AlGaInP/mirror/Si light-emitting diodes with vertical electrodes by wafer bonding」、Applied Physics Letters、米国、２００３年６月９日、８２巻、２３号、ｐ．４０１１−４０１３
【非特許文献２】Hiroyuki Ichikawa and Toshihiko Baba、「Efficiency enhancement in a light-emitting diode with a two-dimensional surface grating photonic crystal」、Applied Physics Letters、米国、２００４年１月２６日、８４巻、４号、ｐ．４５７−４５９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、たとえば特許文献２の図８に開示されている半導体発光素子（デバイス）が示すように、２次元回折格子の周期構造を半導体層の最表面に形成する場合、半導体層の最表面の表面上には電極を形成することから、電極が配置される分だけ当該２次元回折格子を配置することができる領域の面積が小さくなる。２次元回折格子は、半導体層において発光された光を特定の方向に放出する作用を有することから、当該２次元回折格子の周期構造を配置することができる領域の面積が制限されることにより、当該半導体発光素子が発光する光を出力する効率や出力強度が低下する可能性がある。
【０００８】
本発明は、以上の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、発光した光を出力する効率を向上させた半導体発光素子および当該半導体発光素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る半導体発光素子は、発光層を含む半導体層と、半導体層を支持するための支持基板と、半導体層の主表面と支持基板の主表面とを接合する貼付け層とを備えている。上記半導体層の上記貼付け層と対向する主表面または上記支持基板の上記貼付け層と対向する主表面の少なくともいずれか一方の、上記貼付け層との接合界面領域に、屈折率の異なる少なくとも２種類の物質が周期的に配置されることによる２次元回折格子が形成されている。
【００１０】
本発明に係る半導体発光素子は、２次元回折格子が、半導体発光素子を構成する半導体層と支持基板と貼付け層とからなる積層構造の最表面に形成されているわけではなく、接合界面領域に形成されている。なお、ここで接合界面領域とは、接合された主表面から一定の深さの領域のことをいう。また、ここで主表面とは、表面のうち最も面積の大きい主要な面のことをいう。このように２次元回折格子の周期構造が積層構造の接合界面領域に形成されていれば、積層構造の最表面には２次元回折格子の周期構造が配置されないことになる。このため、積層構造の最表面上に電極を形成しても、２次元回折格子が、積層構造の主表面に沿った方向において占める面積に影響を及ぼさない。したがって、半導体層において発光された光が２次元回折格子により回折され、所定の方向に出力する効率を向上することができる。
【００１１】
また、積層構造の最表面の面粗度を増大させる処理、すなわち積層構造の最表面を粗面化する処理を行なうことにより、当該積層構造の最表面から出力する光が、当該最表面において全反射を起こす現象が発生することを抑制することができる。したがって、積層構造の最表面から出力する光の強度を高めることができる。しかしながら、仮に積層構造の最表面に２次元回折格子の周期構造が配置されていれば、２次元回折格子の周期構造が配置された領域に対して粗面化処理を行なうことは困難である。ところが、本発明に係る半導体発光素子のように積層構造の最表面上に２次元回折格子の周期構造を配置しない場合には、積層構造の最表面上の、電極が形成された領域を除く領域に対して上述した粗面化処理を行なうことができる。したがって、当該処理を行なうことにより、半導体発光素子が光を出力する効率をさらに向上することができる。
【００１２】
本発明に係る半導体発光素子において、２次元回折格子を形成する物質は、半導体層を構成する半導体材料と、半導体層の表面において周期的に形成された複数の凹部を充填する充填材料とを含むことが好ましい。このように、半導体材料と充填材料とが、半導体層のうち貼付け層と対向する主表面（接合界面領域）において周期的に配置されていれば、配置される周期や、半導体材料と充填材料との屈折率の差により、２次元回折格子に入射した光は回折されるため、所望の方向に出力することができる。
【００１３】
上述した充填材料は、半導体材料とオーミック接触し、上記発光層が発光する光を透過するとともに導電性を有する透明材料であることが好ましい。なお、ここで光を透過するとは、入射した光を８０％以上の透過率で透過することをいい、透明とは、たとえばある波長を有する光を対象物に入射したときに、入射した光を８０％以上の透過率で透過する場合、当該対象物は入射した波長の光に対して透明であるという。さらに、導電性を有するとは、導電率が１０ジーメンス／ｃｍ以上であることをいう。ここで上記透明材料とは、たとえば酸化インジウムと酸化スズとの混合物、アルミニウム原子を含む酸化亜鉛、フッ素原子を含む酸化スズ、酸化亜鉛、セレン化亜鉛、酸化ガリウムからなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成されることが好ましい。上記発光層が発光する光としては、赤外線や可視光が挙げられる。赤外線の波長はおよそ０．７μｍ以上１０００μｍ以下であり、可視光の波長はおよそ０．３６μｍ以上０．７μｍ以下である。すなわち、これらの波長の光を８０％以上の透過率で透過するとともに、導電率が１０ジーメンス／ｃｍ以上である材料を充填材料として用いれば、半導体発光素子としての導電性と、２次元回折格子として発光した光を発光する作用とを備えることができる。充填材料（透明材料）として具体的には上述した材質を用いることが好ましい。
【００１４】
本発明に係る半導体発光素子における上記充填材料は誘電体膜であってもよい。具体的には、酸化シリコン、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化リチウムからなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成されることが好ましい。上述したように充填材料として導電性を有する透明材料を用いようとすれば、非常に限られた範囲の材料から、充填材料として用いる材料を選択する必要が生じる。ここで、半導体層の主表面において誘電体膜と半導体材料とが周期的に配置された２次元回折格子においても、誘電体と半導体材料との屈折率の差により、発光層が発光する光を所望の条件で回折させ、所望の条件で高効率に出力することができる。このため、充填材料として誘電体の材料を用いることにより、充填材料として用いる材料の選択の範囲を広げることができる。
【００１５】
本発明に係る半導体発光素子は、２次元回折格子と支持基板とに挟まれた領域に、発光層が発光する光を反射する金属材料からなる反射膜を含むことが好ましい。このようにすれば、半導体発光素子が発光する光を反射させることにより、特定の方向に高い割合で放射させることができる。したがって、発光層が発光する光を出力する強度を高めることができる。具体的には当該反射膜は、アルミニウム、金、白金、銀、銅、クロムからなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成されることが好ましい。このようにすれば、より高い割合で光を反射することができ、特定の方向に光を出力する強度を高めることができる。
【００１６】
本発明に係る半導体発光素子においては、上記充填材料として空気を用いてもよい。半導体層の主表面において空気と半導体材料とが周期的に配置された２次元回折格子においても、空気と半導体材料との屈折率の差により、発光層が発光する光を所望の条件で回折させ、所望の条件で高効率に出力することができる。
【００１７】
以上に述べた本発明に係る半導体発光素子において、支持基板は導電性を有する導電性支持基板であることが好ましく、具体的にはシリコン、ガリウム砒素、炭化珪素からなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成されることが好ましい。支持基板として上述した導電性支持基板を用いれば、積層構造の対向する１対の主表面の最表面の一方と他方とに電極を形成した場合、１対の対向する電極間に導電性支持基板が配置されるため、両電極間に電圧を印加することにより、当該半導体発光素子にスムーズに電力を供給することができる。
【００１８】
本発明に係る半導体発光素子においては、充填材料は、半導体層および支持基板に対して接着性を有し、発光層が発光する光を透過する透明接着性材料であってもよい。具体的には、当該透明接着性材料としてポリイミド（ＰＩ）、エポキシ、シリコーン、過フルオロシクロブタン（ＰＦＣＢ）からなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成されることが好ましい。充填材料が透明でありかつ接着性を有する透明接着性材料である場合、当該透明接着性材料を、２次元回折格子を構成するための材料として用いるのに加えて、半導体層と支持基板とを接合することにより、発光層が発光する光を透過して支持基板側に入射させることができる。
【００１９】
すなわち、上述したように透明接着性材料を用いて半導体層と支持基板とを接合する場合、支持基板として発光層が発光する波長の光を８０％以上透過する透明な材料を用いれば、半導体層が発光する光を、透明接着性材料を超えて支持基板に伝播し、たとえば支持基板の一方の主表面とリードフレームとを固定するために塗布された銀ペーストにより反射され、再び発光層を通過して積層構造の最表面から当該光を出力することができる。ここで、上記透明な支持基板は、サファイア、ガリウムリン、石英、スピネルからなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成されることが好ましい。
【００２０】
本発明に係る半導体発光素子において、半導体層に含まれる発光層の組成は、ＡｌｘＧａｙＩｎ（１−ｘ−ｙ）Ａｓ（ただし０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）、ＡｌｘＧａｙＩｎ（１−ｘ−ｙ）Ｐ（ただし０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１）、ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１）、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ）（ただし０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）からなる群から選択される少なくとも１種であることが好ましい。たとえば発光層の組成がＡｌｘＧａｙＩｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｓまたはＩｎｘＧａ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ）であれば赤外線を発光させ、発光層の組成がＡｌｘＧａｙＩｎ（１−ｘ−ｙ）Ｐであれば赤色可視光を発光させることができる。また、発光層の組成がＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎであれば紫色から青色、緑色までの可視光を発光させることができる。
【００２１】
本発明に係る半導体発光素子において、上述した２次元回折格子は、屈折率の異なる２種類の物質が正方格子をなすように配置されていてもよいし、屈折率の異なる２種類の上記物質が三角格子をなすように配置されていてもよい。たとえば半導体層の主表面に２次元回折格子が配置される場合、半導体材料と充填材料とが正方格子をなすように配置されていても、三角格子をなすように配置されていても、発光層が発光する光の波長と、当該正方格子または三角格子の周期を示す格子定数、充填材料が形成される凹部の、半導体層の主表面に垂直な方向における深さ（厚み）、そして半導体材料と充填材料との屈折率が所定の条件を満たせば、当該２次元回折格子は発光層が発光する光を所望の強度、方向に放射させる作用をもたらすことができる。
【００２２】
上述した２次元回折格子の正方格子や三角格子などが満たすべき条件としては、発光層が発光する光の波長をλ、正方格子または三角格子の、半導体層の主表面上における格子定数をａとすれば、
０．２λ≦ａ≦１０λの関係が成立することが好ましい。
【００２３】
さらに、半導体層の主表面に垂直な方向における２次元回折格子の厚みをｄとすれば、
０．１λ≦ｄ≦５λの関係が成立することが好ましい。
【００２４】
本発明に係る半導体発光素子は、発光層が発光する光の波長λが４００ｎｍ以上２μｍ以下、格子定数ａが８０ｎｍ以上２０μｍ以下、厚みｄが４０ｎｍ以上１０μｍ以下である場合に、発光層が発光する光を極めて高効率に出力することができる。
【００２５】
以上に述べた本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、半導体基板の表面に半導体層を形成する工程と、半導体層を支持するための支持基板を準備する工程と、半導体層の表面または支持基板の表面の少なくともいずれか一方に２次元回折格子を形成する工程と、半導体層の表面と支持基板の表面とを貼り合わせる工程と、半導体基板を除去する工程とを備えることが好ましい。以上の工程を備える製造方法を用いて形成される、本発明に係る半導体発光素子は、上述したように、発光する光を出力する効率を向上させて、出力する光の強度を高めることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、発光した光を出力する効率を向上することができる半導体発光素子および当該半導体発光素子の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本実施の形態１に係る半導体発光素子の積層構造を示す概略断面図である。
【図２】本実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図３】工程（Ｓ１０）において半導体層を形成する基板を示す概略断面図である。
【図４】工程（Ｓ１０）において基板の主表面上に半導体層を形成した状態を示す概略断面図である。
【図５】２次元回折格子を構成する凹部の態様を示す概略断面図である。
【図６】三角格子をなすように２次元回折格子（凹部）が形成された態様の概略斜視図である。
【図７】三角格子をなすように２次元回折格子（凹部）が形成された積層最表面２ａを上面から見た概略図である。
【図８】正方格子をなすように２次元回折格子（凹部）が形成された態様の概略斜視図である。
【図９】正方格子をなすように２次元回折格子（凹部）が形成された積層最表面２ａを上面から見た概略図である。
【図１０】複数の凹部３に充填材料を充填した態様を示す概略断面図である。
【図１１】工程（Ｓ４０）において半導体層２と支持基板１１とを貼り合わせた態様を示す概略断面図である。
【図１２】半導体発光素子１００の発光面２ｂに粗面化処理を施した半導体発光素子２００の概略断面図である。
【図１３】本実施の形態２に係る半導体発光素子の積層構造を示す概略断面図である。
【図１４】半導体発光素子３００を形成する過程における反射膜１６を形成して貼り合わせを行なった態様を示す概略断面図である。
【図１５】本実施の形態３に係る半導体発光素子の積層構造を示す概略断面図である。
【図１６】半導体発光素子４００を形成する過程における透明導電膜５を形成した態様を示す概略断面図である。
【図１７】半導体発光素子４００を形成する過程における半導体層２と支持基板１１とを貼り合わせた態様を示す概略断面図である。
【図１８】本実施の形態４に係る半導体発光素子の積層構造を示す概略断面図である。
【図１９】半導体発光素子５００を形成する過程における半導体層２と支持基板１１とを貼り合わせた態様を示す概略断面図である。
【図２０】本実施の形態５に係る半導体発光素子の積層構造を示す概略断面図である。
【図２１】半導体発光素子６００の製造方法における工程（Ｓ４０）において半導体層２と支持基板１１とを貼り合わせた態様を示す概略断面図である。
【図２２】本実施の形態６に係る半導体発光素子の積層構造を示す概略断面図である。
【図２３】本実施の形態６において複数の凹部３に充填材料を充填した態様を示す概略断面図である。
【図２４】本実施の形態６における工程（Ｓ４０）において半導体層２と支持基板１１とを貼り合わせた態様を示す概略断面図である。
【図２５】本実施の形態７に係る半導体発光素子の積層構造を示す概略断面図である。
【図２６】半導体発光素子８００を形成する過程における反射膜１６を形成して貼り合わせを行なった態様を示す概略断面図である。
【図２７】本発明の実施の形態８に係る半導体発光素子の積層構造を示す概略断面図である。
【図２８】半導体発光素子９００を形成する過程における半導体層２と透明支持基板１２とを貼り合わせた態様を示す概略断面図である。
【図２９】本発明の実施の形態９に係る半導体発光素子の積層構造を示す概略断面図である。
【図３０】半導体発光素子９９９を形成する過程における半導体層２と透明支持基板１２とを貼り合わせた態様を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態において、同一の機能を果たす要素には同一の参照符号を付し、その説明は、特に必要がなければ繰り返さない。
【００２９】
（実施の形態１）
図１に示す半導体発光素子１００は、発光層を含む半導体層２と、半導体層２を含む半導体発光素子１００全体を支持する支持基板１１と、半導体層２の一方の主表面（図１における半導体層２の下側の主表面）と支持基板１１の一方の主表面（図１における支持基板１１の上側の主表面）とを接合する貼付け層１５との積層構造となっている。ここで、半導体層２の下側の主表面（貼付け層１５と対向する主表面）の、貼付け層１５との接合界面領域には、半導体層２を構成する半導体材料と、凹部３に充填された透明導電膜４とが周期的に配置された２次元回折格子が、半導体層２の主表面に沿った方向に形成されている。そして、積層構造の最表面の主表面上にはｐ側電極２１およびｎ側電極２２が形成されている。
【００３０】
半導体層２には、上述した接合界面領域の２次元回折格子が備えられているほか、たとえば図示しないｎ型クラッド層、ｐ型クラッド層、発光層、電子ブロック層、フォトニック結晶層などを含み、これらが半導体発光素子１００の積層構造と同様に積層されている。ここでｎ型クラッド層は、ｎ型半導体層として電子を供給する領域であり、ｐ型クラッド層は、ｐ型半導体層として正孔を供給する領域である。ｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層はたとえばＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、より具体的には、たとえばＡｌＧａＡｓ系、ＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体より構成される。
【００３１】
発光層とは、半導体発光素子１００に電圧を印加した際に供給される電子や正孔が再結合することにより放出されるエネルギーを光として取り出す領域である。発光層の組成は、取り出したい光の波長によって異なるが、たとえば赤外線を発光させたい場合はＡｌｘＧａｙＩｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｓまたはＩｎｘＧａ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ）、赤色可視光を発光させたい場合はＡｌｘＧａｙＩｎ（１−ｘ−ｙ）Ｐ、紫色から青色、緑色までの可視光を発光させたい場合はＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎとすることが好ましい。また電子ブロック層は、発光層に供給された電子が発光層で正孔と再結合することなくｐ型クラッド層に漏れ出すことを抑制するために配置される層である。このため、電子ブロック層を配置すれば、発光層における電子と正孔との再結合およびこれに伴う発光の効率を高めることができる。
【００３２】
２次元回折格子は、フォトニック結晶層の一方の主表面から一定の深さ分だけ、周期的に形成された複数の凹部３を充填する充填材料と、接合界面領域における半導体層２（フォトニック結晶層）を構成する半導体材料とが、半導体層２の主表面に沿った方向に周期的に配置されることにより形成されている。そして充填材料として透明導電膜４が配置されている。なお、ここで深さとは主表面に垂直な方向における、図１の上下方向の深さをいう。
【００３３】
充填材料としての透明導電膜４は、半導体材料とオーミック接触し、発光層が発光する光を透過するとともに導電性を有する透明材料であることが好ましい。なお、このようにすれば、透明導電膜４は、半導体層を構成する半導体材料と導通可能な状態となり、かつ発光層が発光する光を２次元回折格子にて回折させるために透明導電膜４の内部に光を入射させたり、回折した光を透過させることができる。
【００３４】
半導体発光素子１００の発光層が発光する、赤外線や可視光に対して透明であり、かつ導電性を有する材料として、透明導電膜４は、酸化インジウムと酸化スズとの混合物、アルミニウム原子を含む酸化亜鉛、フッ素原子を含む酸化スズ、酸化亜鉛、セレン化亜鉛、酸化ガリウムからなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成されることが好ましい。
【００３５】
支持基板１１は導電性を有する導電性支持基板であることが好ましい。このようにすれば、ｐ側電極２１とｎ側電極２２との間に電圧を印加した際に支持基板１１を含む半導体発光素子１００全体を導通することができるため、半導体発光素子１００にスムーズに電力を供給することができる。具体的には、支持基板１１はシリコン（Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、炭化珪素（ＳｉＣ）からなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成されることが好ましい。半導体発光素子１００においては例として、支持基板１１はｐ型Ｓｉからなる支持基板であるとする。
【００３６】
半導体層２を含む半導体発光素子１００全体を支持基板１１で支持するために、フォトニック結晶層の、２次元回折格子が形成された主表面と、支持基板１１の一方の主表面とが貼付け層１５により接合されている。貼付け層１５としては、比較的低温で溶融接着できるはんだを用いることが好ましく、たとえばＡｕＳｎやＡｕＩｎを用いることが好ましい。半導体発光素子１００においては例として、貼付け層１５はＡｕＳｎであるとする。貼付け層１５に用いられるＡｕＳｎは導電性に優れることより、当該貼付け層１５を配置すれば、半導体層２と支持基板１１とを高い強度で接合することができるとともに、ｐ側電極２１とｎ側電極２２との導通状態をさらに良好なものとすることができる。
【００３７】
このように半導体発光素子１００においては、フォトニック結晶層の、２次元回折格子が形成された主表面が貼付け層１５と対向するように配置されている。すなわち半導体発光素子１００の積層構造の最表面から一定の深さを有する領域に配置されている。したがって、半導体層２の最表面の主表面である発光面２ｂには２次元回折格子が形成されていない。このような構成とすることにより、フォトニック結晶層の、２次元回折格子を形成する主表面上には電極が配置されないため、２次元回折格子は主表面の全面に形成することができる。以上より、２次元回折格子を形成する領域を広く（半導体層２の主表面の全面に）確保することができるため、当該２次元回折格子は、発光層が発光する光を所望の方向に出力する効率を高める作用をさらに大きくすることができる。
【００３８】
半導体発光素子１００を動作させると、半導体層２に含まれる発光層から発光した光が接合界面領域の方へ進む。すると、当該光の波長と、屈折率の異なる半導体材料と充填材料とが周期的に配置された２次元回折格子の配置される周期（格子定数）や主表面に垂直な方向の深さ、上記材料の屈折率の差などのパラメータとの間に一定の条件を満たせば、２次元回折格子において当該光は回折を起こし、所望の方向に出力する強度を高める。仮に２次元回折格子が存在しない場合には、当該光は不透明な支持基板で吸収されたり、全反射により発光素子の外部に出力されないことがある。しかし半導体発光素子１００に２次元回折格子が配置されていることにより、２次元回折格子に回折されてｎ側電極２２の方向へ光が進行し、発光面２ｂから高効率に、すなわち高い強度で出力される。
【００３９】
半導体発光素子１００においては、たとえば特許文献２や非特許文献２に開示された半導体発光素子と異なり、２次元回折格子が図１のように配置されていることにより、半導体層２の積層構造の最表面である発光面２ｂには２次元回折格子を構成する複数の凹部などが形成されていない。このため、特許文献２や非特許文献２に開示された半導体発光素子においては困難とされる、発光面２ｂの表面の粗面化処理を、半導体発光素子１００においては容易に行なうことができる。なお、ここで粗面化処理とは、表面の面粗度を増大する処理のことである。この粗面化処理を行なうことにより、２次元回折格子において回折され発光面２ｂから高効率に放出されようとする光が発光面２ｂにおいて全反射を起こし、出力される効率を低下させる現象が発生することを抑制することができる。したがって、発光面２ｂの表面の面粗度を増大することにより、光の取り出し効率を高め、出力の強度を高くすることができる。なお、粗面化処理としては、任意の方法を用いることができる。たとえば所定のエッチング液（たとえば希硝酸）を用いたウェットエッチングにより発光面２ｂの表面の面粗度を増大させてもよい。
【００４０】
なお、上記のように半導体発光素子１００の積層構造は、支持基板１１としてｐ型のＳｉを用いているため、図１における下側にｐ型の半導体材料、図１における上側にｎ型の半導体材料を配置したＬＥＤ（ダイオード）構造とすることが好ましい。したがって、半導体発光素子１００の半導体層２は、上側にｎ型クラッド層を配置し、発光層を挟んで下側にｐ型クラッド層が配置されていることが好ましい。また、上記の事由により、図１における半導体発光素子１００は、上側（半導体層２側）に配置される電極をｎ側電極２２、下側（支持基板１１側）に配置される電極をｐ側電極２１としている。
【００４１】
次に、上記半導体発光素子１００の製造方法について説明する。図２のフローチャートを参照すれば、上述した図１に示す半導体発光素子１００の製造方法として、まず半導体層を形成する工程（Ｓ１０）を実施する。これは具体的には基板、特に半導体基板の主表面上に、ｎ型クラッド層やｐ型クラッド層、発光層などからなる半導体層を形成する工程である。
【００４２】
半導体発光素子１００を形成する場合、図３に示す、半導体層２を形成するための半導体基板として用いる基板１の材質は、ｎ型のＧａＡｓとすることが好ましいが、他にたとえばｎ型のＧａＮ基板や、ＩｎＰ基板を用いてもよい。以下においては、基板１としてｎ型のＧａＡｓを用いる場合について説明する。
【００４３】
基板１の一方の主表面（図３における上側の主表面）に、図４に示すように、半導体発光素子１００として光を発光する領域である半導体層２を形成する。半導体層２は、基板１に近い方からｎ型クラッド層、発光層、電子ブロック層、ｐ型クラッド層、フォトニック結晶層となるべき層の順に形成した積層構造であることが好ましい。ここでフォトニック結晶層となるべき層、および電子ブロック層は発光層よりバンドギャップが大きい、たとえばＡｌＧａＡｓからなることが好ましい。以上に述べた半導体層２の積層構造を構成する各層は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて形成することが好ましいが、たとえば気相成長法（ＶＰＥ法）やハイドライド気相成長法（Ｈ−ＶＰＥ法）を用いて形成してもよい。
【００４４】
次に図２に示すように支持基板を準備する工程（Ｓ２０）を実施する。上述したように半導体発光素子１００の場合は、半導体層２を支持するための支持基板１１はｐ型Ｓｉからなる支持基板であるとする。
【００４５】
次に２次元回折格子を形成する工程（Ｓ３０）を実施する。これは具体的には、半導体層２を構成するフォトニック結晶層となるべき層に、発光層が発光した光を回折するための２次元回折格子を形成する工程である。
【００４６】
図６に示す三角格子の概略斜視図には、半導体層の主表面に交差する断面の態様も示されている。図５〜図９に示すように、半導体層２を構成する積層構造のうち基板１から最も離れたフォトニック結晶層の一方の主表面がなす積層最表面２ａの主表面に沿った方向における１方向、および上記主表面に沿った方向であって当該１方向に交差する他の方向との２次元方向に周期的に形成された円柱形状の複数の凹部３を形成する。このように、積層最表面２ａの主表面に２次元方向に周期的に形成された複数の凹部３が、２次元回折格子を形成する。なお、積層最表面２ａに沿った方向に関して円形を有する円柱形状の凹部３を形成する方法としては、たとえばフォトリソグラフィ法を用いてマスク層を形成し、当該マスク層をマスクとして用いて半導体層２の積層最表面２ａを部分的に除去する、といった方法を用いることができる。
【００４７】
２次元回折格子は、図６および図７に示すように、積層最表面２ａに沿った方向に関して複数の凹部３が複数の三角形を形成するように配置された三角格子をなすように形成してもよい。あるいは、図８および図９に示すように、積層最表面２ａに沿った方向に関して複数の凹部３が複数の正方形を形成するように配置された正方格子をなすように形成してもよい。このようにすれば上述したように、発光層が発光する光の波長と、当該正方格子または三角格子の周期を示す格子定数、充填材料が形成される凹部３の、半導体層２の主表面に垂直な方向における深さ（厚み）、そして半導体材料と充填材料との屈折率が所定の条件を満たせば、当該２次元回折格子は発光層が発光する光を所望の強度、方向に放射させる作用をもたらすことができる。
【００４８】
２次元回折格子が上記作用を高効率にもたらすためには、発光層が発光する光の波長をλ、複数の凹部３が構成する正方格子または三角格子の、半導体層２の主表面上（積層最表面２ａ上）において隣り合う凹部３の中心間距離（格子定数）をａ（図６参照）とすれば、０．２λ≦ａ≦１０λの関係が成立することが好ましい。また、図６に示すように、半導体層２の主表面に垂直な方向における２次元回折格子（複数の凹部３）の厚みをｄとすれば、０．１λ≦ｄ≦５λの関係が成立することが好ましい。なお、そのなかでもλが４００ｎｍ以上２μｍ以下、ａが８０ｎｍ以上２０μｍ以下、ｄが４０ｎｍ以上１０μｍ以下であることが特に好ましい。上述した条件を満たすときに、発光層が発光する光を極めて高効率に出力することができる。
【００４９】
図５〜図９における複数の凹部３を、半導体材料と充填材料との屈折率の差が所望の条件を満たす導電性の、発光層が発光する光に対して透明な材料（透明導電膜４）で充填する。透明導電膜４の材料としては、たとえばＩＴＯ（酸化インジウムスズ）を用いる。ＩＴＯからなる透明導電膜４の成膜方法としては、たとえばＥＢ蒸着装置による成膜など従来周知の任意の方法を用いることができる。このようにして、図１０に示すように、凹部３が透明導電膜４で充填されたＩＴＯコンタクト層が形成される。
【００５０】
以上の手順にて２次元回折格子が形成されたところで、貼り合わせる工程（Ｓ４０）として、半導体層２の表面と支持基板１１の表面とを接合する工程を実施する。
【００５１】
図１１に示す貼付け層１５を形成するために、ＡｕＳｎのはんだを、半導体層２の２次元回折格子が形成された積層最表面２ａ上または支持基板１１の半導体層２と対向する一方の主表面上に供給する。また、Ａｕの薄膜層を、半導体層２の２次元回折格子が形成された積層最表面２ａ上または支持基板１１の半導体層２と対向する一方の主表面上のいずれか、上記ＡｕＳｎのはんだを供給しなかった方に供給する。そしてＡｕＳｎの融点以上まで加熱することにより、供給したＡｕＳｎとＡｕとの間で共晶反応を起こさせ、両者を接合させる。このようにすれば、図１１に示すように、半導体層２の積層最表面２ａと支持基板１１の一方の主表面とが、貼付け層１５を介して接合された状態となる。この貼付け層１５の、半導体層２の主表面に垂直な方向における厚みは１μｍ以上１０μｍ以下、より好ましくは３μｍ以上６μｍ以下にすることが好ましい。このようにすれば、半導体層２と支持基板１１との接合を強固なものとすることができる。
【００５２】
続いて図２に示すように、半導体基板を除去する工程（Ｓ５０）を実施する。ここで半導体層２を形成するために用いた基板１を、たとえばアンモニア水と過酸化水素水とを混合した液を用いた選択ウェットエッチングという方法を用いて除去する。そして、電極を形成する工程（Ｓ６０）において金属薄膜のオーミック電極であるｐ側電極２１およびｎ側電極２２を、たとえば真空蒸着により形成する。半導体発光素子１００の場合、図１に示す発光面２ｂはたとえばＡｌＧａＡｓ系、あるいはＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体なので、ｎ側電極２２としてはたとえばＡｕＧｅＮｉの薄膜を、ｐ側電極２１としてはたとえばＴｉＡｕの薄膜を形成することが好ましい。以上の手順により、図１に示す半導体発光素子１００が形成される。
【００５３】
図１２に示す半導体発光素子２００は、図１に示す半導体発光素子１００と基本的に同様の態様を備えている。しかし半導体発光素子２００は、発光面２ｃに粗面化処理を施している点において、半導体発光素子１００と異なる。当該粗面化処理は、たとえば希硝酸を用いたエッチングにより行なうことができる。また、発光面２ｃの面粗度Ｒａが０．０５μｍ以上５μｍ以下となるように粗面化処理を行なうことが好ましい。このようにすれば、発光面２ｃにおける全反射の発生を効果的に抑制することができる。
【００５４】
（実施の形態２）
図１３に示す半導体発光素子３００は、図１に示す半導体発光素子１００と基本的に同様の態様を備えている。しかし半導体発光素子３００は、半導体層２と支持基板１１とに挟まれた、より具体的には半導体層２に形成された２次元回折格子と貼付け層１５とに挟まれた領域に、発光層が発光する光を反射する金属材料からなる反射膜１６を含んでいる。以上の点において、半導体発光素子３００は半導体発光素子１００と異なる。なお、ここでは反射とは、当該反射膜１６に入射した、発光層が発光する波長の光を８０％以上の反射率にて反射することをいう。
【００５５】
図１３に示すように、半導体層２の２次元回折格子の下側（支持基板１１側）に反射膜１６を備えれば、発光層にて発光し、２次元回折格子の方へ進入した光が回折により貼付け層１５から支持基板１１の方へ進入しようとすれば、反射膜１６において当該光を反射させることができる。反射により光の進行方向を図１３における下向きから上向きに転向させるために、発光面２ｂから光が放射される効率を高め、発光面２ｂから光を特定方向へ出力する強度をより高めることができる。
【００５６】
反射膜１６としては、アルミニウム、金、白金、銀、銅、クロムからなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成されることが好ましい。これらの金属材料からなる反射膜１６は、発光層から発光した、たとえば赤外線や可視光などを８０％以上の高い反射率で反射することができる。
【００５７】
半導体発光素子３００の製造方法は、基本的に図２に示す半導体発光素子１００の製造方法と同様である。しかし上述したように、半導体発光素子３００には反射膜１６が含まれるため、半導体発光素子３００の製造方法には半導体発光素子１００の製造方法に対して、反射膜１６を形成する工程が加わる。
【００５８】
半導体発光素子３００の製造方法は、基本的に図２に示す半導体発光素子１００の製造方法と同様である。しかし、半導体発光素子３００の製造方法においては、図２における２次元回折格子を形成する工程（Ｓ３０）を行ない、上述した図１０に示す態様のものを形成した後に、図１０に示す積層最表面２ａ上に、アルミニウム、金、白金、銀、銅、クロムからなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成される反射膜１６を、たとえば真空蒸着を用いて形成する。ここで、当該反射膜１６の、半導体層２の主表面に垂直な方向における厚みは０．０５μｍ以上２μｍ以下とすることが好ましい。このようにすれば、反射膜１６において効果的に光を反射させることができる。
【００５９】
その後、形成した反射膜１６の半導体層２と対向しない主表面上、または支持基板１１の半導体層２と対向させる主表面上に、上述した貼り合わせる工程（Ｓ４０）と同様に、貼付け層１５を形成するためにＡｕＳｎのはんだを供給する。また、Ａｕの薄膜層を、形成した反射膜１６の半導体層２と対向しない主表面上または支持基板１１の半導体層２と対向させる主表面上のいずれか、上記ＡｕＳｎのはんだを供給しなかった方に供給する。そして図１４に示すように、半導体層２の主表面上に形成した反射膜１６の主表面と支持基板１１の主表面とを、ＡｕＳｎのはんだを介して貼り合わせ、加熱により当該はんだを溶融して支持基板１１と半導体層２とを接続する。このようにして、ＡｕＳｎはんだからなる貼付け層１５を形成する。以下は半導体発光素子１００の製造方法と同様に、基板１を除去して電極を形成する処理を行なうことにより、図１３に示す半導体発光素子３００が形成される。以上の点において、半導体発光素子３００の製造方法は半導体発光素子１００の製造方法と異なる。
【００６０】
本実施の形態２は、以上に述べた各点についてのみ、本実施の形態１と異なる。すなわち、本実施の形態２について、上述しなかった構成や条件、手順や効果などは、全て本実施の形態１に順ずる。
【００６１】
（実施の形態３）
図１５に示す半導体発光素子４００は、図１に示す半導体発光素子１００と基本的に同様の態様を備えている。しかし半導体発光素子４００は、半導体層２（２次元回折格子）を構成する複数の凹部３を充填する透明導電膜４と同一の材料が、２次元回折格子が形成された積層最表面２ａ上の全体に配置され、透明導電膜５を形成している。この点において、半導体発光素子４００は半導体発光素子１００と異なる。
【００６２】
透明導電膜５を構成する材料は、半導体発光素子１００のように、２次元回折格子の凹部３を充填する透明導電膜４としてのみ配置されていてもよい。しかし半導体発光素子４００のように、２次元回折格子の凹部３を充填する透明導電膜４に加えて、積層最表面２ａの全面を覆うように透明導電膜５として配置されていてもよい。このようにすれば、貼付け層１５の主表面と透明導電膜５の主表面とが対向するように接合されるため、当該領域において、貼付け層１５の主表面が透明導電膜５の主表面のみと接続されることになる。この結果、半導体層２と透明導電膜５とが全面でオーミック接触することとなり、半導体発光素子１００の動作電圧を低くすることができる。
【００６３】
半導体発光素子４００の製造方法は、基本的に図２に示す半導体発光素子１００の製造方法と同様である。しかし、半導体発光素子４００の製造方法においては、半導体発光素子１００の製造方法に対して、透明導電膜５を形成する工程が加わる。図２の２次元回折格子を形成する工程（Ｓ３０）において、上述した図５に示す態様の構造を形成した後に、図１６に示すように、透明導電膜４および透明導電膜５を形成する。透明導電膜５は、積層最表面２ａの全面、すなわち凹部３が透明導電膜４で充填された領域と、凹部３が形成されていない領域との両方を覆うように形成されることが好ましい。ここで、透明導電膜５を構成する材料は、凹部３を充填する透明導電膜４を構成する材料と同一であることが好ましい。したがって、透明導電膜５は、図２の工程（Ｓ３０）において積層最表面２ａに配置された複数の凹部３を充填材料で充填することにより透明導電膜４を形成しながら、積層最表面２ａのうち凹部３が存在しない領域にも当該充填材料と同一の材料を同時に配置することにより、図１６に示す態様となるように配置することができる。
【００６４】
以下は半導体発光素子１００の製造方法と同様に、貼付け層１５を用いて支持基板１１を半導体層２と貼り合わせて図１７に示す態様のものを形成する。そして基板１を除去して電極を形成する処理を行なうことにより、図１５に示す半導体発光素子４００が形成される。以上の点において、半導体発光素子４００の製造方法は半導体発光素子１００の製造方法と異なる。
【００６５】
本実施の形態３は、以上に述べた各点についてのみ、本実施の形態１と異なる。すなわち、本実施の形態３について、上述しなかった構成や条件、手順や効果などは、全て本実施の形態１に順ずる。
【００６６】
（実施の形態４）
図１８に示す半導体発光素子５００は、図３に示す半導体発光素子４００と基本的に同様の態様を備えている。しかし半導体発光素子５００は、図２に示す半導体発光素子３００と同様に、半導体層２と支持基板１１とに挟まれた、より具体的には透明導電膜５と貼付け層１５とに挟まれた領域に、発光層が発光する光を反射する金属材料からなる反射膜１６を含んでいる。以上の点において、半導体発光素子５００は半導体発光素子４００と異なる。
【００６７】
半導体発光素子５００についても、半導体発光素子３００と同様に、反射膜１６を備えることにより、発光面２ｂから光が放射される効率を高め、発光面２ｂから光を特定方向へ出力する強度をより高めることができる。
【００６８】
半導体発光素子５００の製造方法は、基本的に上述した半導体発光素子４００の製造方法と同様である。しかし上述したように、半導体発光素子５００には反射膜１６が含まれるため、半導体発光素子５００の製造方法には半導体発光素子４００の製造方法に対して、反射膜１６を形成する工程が加わる。
【００６９】
図２における２次元回折格子を形成する工程（Ｓ３０）を行ない、上述した図１６に示す態様のものを形成した後に、図１６に示す透明導電膜５の、半導体層２と対向しない一方の主表面上に、アルミニウム、金、白金、銀、銅、クロムからなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成される反射膜１６を、たとえば真空蒸着を用いて形成する。その後、形成した反射膜１６の半導体層２と対向しない主表面上、または支持基板１１の半導体層２と対向させる主表面上に、上述した貼り合わせる工程（Ｓ４０）と同様に、貼付け層１５を形成するために、ＡｕＳｎのはんだを供給する。また、Ａｕの薄膜層を、反射膜１６の半導体層２と対向しない主表面上、または支持基板１１の半導体層２と対向させる主表面上のいずれか、上記ＡｕＳｎのはんだを供給しなかった方に供給する。そしてＡｕＳｎの融点以上まで加熱することにより、供給したＡｕＳｎとＡｕとの間で共晶反応を起こさせ、両者を接合させる。このようにして図１９に示すような貼付け層１５を形成する。
【００７０】
以下は半導体発光素子１００の製造方法と同様に、基板１を除去して電極を形成する処理を行なうことにより、図１８に示す半導体発光素子５００が形成される。以上の点において、半導体発光素子５００の製造方法は半導体発光素子４００の製造方法と異なる。
【００７１】
本実施の形態４は、以上に述べた各点についてのみ、本実施の形態３と異なる。すなわち、本実施の形態４について、上述しなかった構成や条件、手順や効果などは、全て本実施の形態３に順ずる。
【００７２】
（実施の形態５）
図２０に示す半導体発光素子６００は、図１に示す半導体発光素子１００と基本的に同様の態様を備えている。しかし半導体発光素子６００においては、２次元回折格子を構成する複数の凹部３が空気で充填された空気孔６を形成している。以上の点において、半導体発光素子６００は半導体発光素子１００とは異なる。
【００７３】
半導体発光素子６００においては、半導体層２の主表面において空気と半導体材料とが周期的に配置された２次元回折格子を構成することになる。この場合においても、半導体層２の主表面に沿った方向に関しては、空気と半導体材料との屈折率の差により、発光層が発光する光を所望の条件で回折させ、所望の条件で高効率に出力することができる。なお、半導体発光素子６００のフォトニック結晶層の、２次元回折格子が配置されている主表面に沿った領域においては、空気孔６の存在する部分ではｎ側電極２２とｐ側電極２１との間の導通が遮断される。しかし当該２次元回折格子の領域においても、フォトニック結晶層を構成する半導体材料からなる領域（空気孔６が存在する領域以外の領域）においてはｎ側電極２２とｐ側電極２１との間を導通させることが可能である。このため、半導体発光素子６００全体としては、ｎ側電極２２とｐ側電極２１との間を導通させることが可能となる。以上より、複数の凹部３が誘電体膜７で充填されていても半導体発光素子６００の通常の動作を阻害しない。
【００７４】
半導体発光素子６００のように２次元回折格子の複数の凹部３を空気で充填した空気孔６とすることにより、たとえば半導体発光素子１００の製造方法における２次元回折格子を形成する工程（Ｓ３０）に含まれている透明導電膜４を充填する処理を行なう必要がなくなる。凹部３を空気で充填するためには、空気中にて当該処理を行なう場合には凹部３の内部を充填する処理は何ら必要としない。このため、半導体発光素子６００の製造方法は、たとえば半導体発光素子１００の製造方法に比べて生産のタクトタイムを短縮させ、材料費を削減することができる。したがって、半導体発光素子６００の製造方法は、加工コストを低減することができる。
【００７５】
半導体発光素子６００の製造方法は、基本的に図２に示す半導体発光素子１００の製造方法と同様である。しかし、半導体発光素子６００の製造方法においては、半導体発光素子１００の製造方法に対して、図２に示す支持基板を準備する工程（Ｓ２０）および２次元回折格子を形成する工程（Ｓ３０）において若干の相違がある。支持基板を準備する工程（Ｓ２０）において、図２１に示すように、支持基板１１の一方の主表面上に、支持基板１１とオーミック接触することが可能なオーミック層と、上述した半導体発光素子１００などと同様の、ＡｕＳｎからなる層とを形成する。また、半導体層２の積層最表面２ａのうち、凹部３が形成されていない領域に、半導体層２とオーミック接続することが可能なオーミック層と、上述した半導体発光素子１００などと同様のＡｕの薄膜層とを形成する。これらを形成した上で、図２１に示すように、上述した半導体発光素子１００などと同様の要領で支持基板１１と半導体層２とを貼り合わせる。半導体層２に接触するオーミック層としてはたとえばＡｕ／Ｚｎ／Ｔｉ／Ａｕの積層構造からなる薄膜を用いることが好ましいが、このほかにたとえばＡｕＢｅの合金からなる薄膜を形成してもよい。このようにすれば、２次元回折格子を構成する空気孔６の領域が、ｐ側電極２１とｎ側電極２２との導通を妨げたとしても、接合層１７が２層の金属層からなるオーミック接合を形成していることにより、２次元回折格子を構成する半導体材料の領域において、ｐ側電極２１とｎ側電極２２との導通を十分に行なうことができる。
【００７６】
そして半導体発光素子６００の製造方法における、２次元回折格子を形成する工程（Ｓ３０）においては、図５に示す態様の複数の凹部３を形成するが、凹部３の内部には充填材料を導入しない。この状態で、貼り合わせる工程（Ｓ４０）において図５に示す半導体層２の積層最表面２ａと、支持基板１１に形成した接合層１７の主表面とを、空気中にて図２１に示すように接合する。このようにすれば、接合層１７に覆われた複数の凹部３の内部を空気で充填させることができる。以下は半導体発光素子１００の製造方法と同様に、基板１を除去して電極を形成する処理を行なうことにより、図２０に示す半導体発光素子６００が形成される。以上の点において、半導体発光素子６００の製造方法は半導体発光素子１００の製造方法と異なる。
【００７７】
本実施の形態５は、以上に述べた各点についてのみ、本実施の形態１と異なる。すなわち、本実施の形態５について、上述しなかった構成や条件、手順や効果などは、全て本実施の形態１に順ずる。
【００７８】
（実施の形態６）
図２２に示す半導体発光素子７００は、図１に示す半導体発光素子１００と基本的に同様の態様を備えている。しかし半導体発光素子７００においては、２次元回折格子を構成する複数の凹部３を充填する充填材料が誘電体膜７となっている。以上の点において、半導体発光素子７００は半導体発光素子１００とは異なる。
【００７９】
誘電体膜７は、酸化シリコン、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化リチウム、酸化ジルコニウムからなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成されることが好ましい。これらの材料は、発光層が発光する波長の光に対して透明であるため、これらの材料を２次元回折格子を構成する材料として用いれば、２次元回折格子において光の回折をスムーズに行なうことができる。
【００８０】
上述した各実施の形態のように、複数の凹部３を充填する充填材料として透明導電膜４を用いる場合、発光層が発光する赤外線や可視光に対して透明であり、かつ導電性を有する材料を用いることが好ましい。このため、透明導電膜４や透明導電膜５に用いることのできる材料の選択の幅が狭い。そこで、本実施の形態６の半導体発光素子７００のように、複数の凹部３を誘電体材料からなる誘電体膜７で充填する。このようにすれば、複数の凹部３を充填する材料の選択の範囲を拡張することができる。
【００８１】
なお、半導体発光素子７００のフォトニック結晶層の、２次元回折格子が配置されている主表面に沿った領域においては、誘電体膜７の存在によりｎ側電極２２とｐ側電極２１との間の導通が遮断される。しかし当該２次元回折格子の領域においても、フォトニック結晶層を構成する半導体材料からなる領域においてはｎ側電極２２とｐ側電極２１との間に導通させることが可能である。このため、半導体発光素子７００全体としては、ｎ側電極２２とｐ側電極２１との間に導通させることが可能となる。以上より、複数の凹部３が誘電体膜７で充填されていても半導体発光素子７００の通常の動作を阻害しない。
【００８２】
半導体発光素子７００の製造方法は、基本的に上述した半導体発光素子１００の製造方法と同様である。しかし上述したように、半導体発光素子７００においては、図２３に示すように、複数の凹部３に誘電体膜７を充填する点が半導体発光素子１００と異なる。したがって、半導体発光素子７００の製造方法においては、図２における２次元回折格子を形成する工程（Ｓ３０）において、上述した図５に示す態様のものを形成した後に、複数の凹部３に上述した誘電体膜７を充填することにより、図２３に示す態様の構造を形成する。誘電体膜７を複数の凹部３に充填するに際し、誘電体膜７の形成方法としては従来周知の任意の方法を用いることができる。
【００８３】
貼り合わせる工程（Ｓ４０）においては図２４に示すように、半導体発光素子１００の製造方法における図１１と同様に、ＡｕＳｎからなる貼付け層１５を用いて半導体層２と支持基板１１とを接合する。以下についても半導体発光素子１００の製造方法と同様に、基板１を除去して電極を形成する処理を行なうことにより、図２２に示す半導体発光素子７００が形成される。以上の点において、半導体発光素子７００の製造方法は半導体発光素子１００の製造方法と異なる。
【００８４】
本実施の形態６は、以上に述べた各点についてのみ、本実施の形態１と異なる。すなわち、本実施の形態６について、上述しなかった構成や条件、手順や効果などは、全て本実施の形態１に順ずる。
【００８５】
（実施の形態７）
図２５に示す半導体発光素子８００は、図２２に示す半導体発光素子７００と基本的に同様の態様を備えている。しかし半導体発光素子８００は、図２に示す半導体発光素子３００と同様に、半導体層２（２次元回折格子）と支持基板１１とに挟まれた、より具体的には透明導電膜５と貼付け層１５とに挟まれた領域に、発光層が発光する光を反射する金属材料からなる反射膜１６を含んでいる。以上の点において、半導体発光素子８００は半導体発光素子７００と異なる。
【００８６】
半導体発光素子８００についても、半導体発光素子７００と同様に、反射膜１６を備えることにより、発光面２ｂから光が放射される効率を高め、発光面２ｂから光を特定方向へ出力する強度をより高めることができる。
【００８７】
半導体発光素子８００の製造方法は、基本的に上述した半導体発光素子７００の製造方法と同様である。しかし上述したように、半導体発光素子８００には反射膜１６が含まれるため、半導体発光素子８００の製造方法には半導体発光素子７００の製造方法に対して、反射膜１６を形成する工程が加わる。
【００８８】
図２における２次元回折格子を形成する工程（Ｓ３０）を行ない、上述した図２３に示す態様のものを形成した後に、図２３に示す積層最表面２ａ上に、アルミニウム、金、白金、銀、銅、クロムからなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成される反射膜１６を、たとえば真空蒸着を用いて形成する。その後、形成した反射膜１６の、半導体層２と対向しない主表面上、または支持基板１１の半導体層２と対向させる主表面上に、上述した貼り合わせる工程（Ｓ４０）と同様に、貼付け層１５を形成するためにＡｕＳｎのはんだを供給する。また、Ａｕの薄膜層を、形成した反射膜１６の半導体層２と対向しない主表面上または支持基板１１の半導体層２と対向させる主表面上のいずれか、上記ＡｕＳｎのはんだを供給しなかった方に供給する。そして図２６に示すように、透明導電膜５の主表面上に形成した反射膜１６の主表面と支持基板１１の主表面とを、ＡｕＳｎのはんだを介して貼り合わせ、加熱により貼付け層１５を形成する。以下は半導体発光素子１００の製造方法と同様に、基板１を除去して電極を形成する処理を行なうことにより、図２５に示す半導体発光素子８００が形成される。以上の点において、半導体発光素子８００の製造方法は半導体発光素子７００の製造方法と異なる。
【００８９】
本実施の形態７は、以上に述べた各点についてのみ、本実施の形態６と異なる。すなわち、本実施の形態７について、上述しなかった構成や条件、手順や効果などは、全て本実施の形態６に順ずる。
【００９０】
（実施の形態８）
図２７に示す半導体発光素子９００は、半導体層２を支持するための支持基板として、発光層が発光する光の波長に対して透明な透明支持基板１２を備えている。半導体層２の積層最表面２ａと透明支持基板１２の主表面とは、透明接着層８により接合されている。透明支持基板１２の、半導体層２と対向しない側の主表面（図２７における下側の主表面）を主表面１２ｂとする。そして、ｐ側電極２１、ｎ側電極２２ともに、半導体層２の表面上（ｐ型半導体層表面２ｄ、ｎ型半導体層表面２ｅ）に形成されている。
【００９１】
上述した本実施の形態１〜７における半導体発光素子はいずれも、支持基板１１として発光する光に対して不透明な材料を用いているため、半導体層２の、支持基板１１と対向しない主表面（各図における上側の主表面）を発光面２ｂとしている。半導体発光素子９００においては、支持基板として発光する光に対して透明な材料を用いているため、透明支持基板１２と対向しないｎ型半導体層表面２ｅを発光面とすることも、透明支持基板１２の主表面１２ｂを発光面とすることもできる。このため、半導体発光素子の設計の自由度を増加させることができる。透明支持基板１２と対向しないｎ型半導体層表面２ｅを発光面とする場合は、透明支持基板１２の主表面１２ｂを銀ペーストによりリードフレームに固定する形とする。このようにすれば、発光層から主表面１２ｂ側に進行する光は銀ペーストで反射されｎ型半導体層表面２ｅから出力されるため、光出力の強度を高めることができる。なお、透明支持基板１２を構成する材料は導電性に乏しいため、半導体発光素子９００においては、ｐ側電極２１およびｎ側電極２２ともに、半導体層２側に形成されている。
【００９２】
半導体発光素子９００においては、半導体層２の発光層が発光する光は、透明接着層８を伝って透明支持基板１２に達し、主表面１２ｂから出力される構成としてもよいし、主表面１２ｂに塗布された銀ペーストにより反射され、ｎ型半導体層表面２ｅにより出力される構成としてもよい。したがって、透明接着層８についても透明支持基板１２と同様に、発光層が発光する光に対して透明な材料を用いることが好ましい。
【００９３】
また、透明接着層８については、発光層が発光する光に対して透明であると同時に、半導体層２の積層最表面２ａと透明支持基板１２の主表面とを接合することができる接着性を有する材料を用いることが好ましい。このようにすれば、当該透明接着層８は発光層が発光する光を透過する役割とともに、半導体層２と透明支持基板１２とを接合する役割を有することができる。
【００９４】
さらに、透明接着層８を構成する材料と同一の材料を半導体発光素子９００の２次元回折格子を構成する複数の凹部３を充填することにより、発光する光を２次元回折格子の凹部３を充填する透明接着層８において回折し、所望の方向（透明支持基板１２の方向）へ当該光の進行方法を誘導することができる。
【００９５】
具体的には透明接着層８として用いる透明接着性材料は、ポリイミド（ＰＩ）、エポキシ、シリコーン、過フルオロシクロブタン（ＰＦＣＢ）からなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成されることが好ましい。なお、上述した透明接着性材料を複数の凹部３の充填材料にのみ用いて、半導体層２の積層最表面２ａと透明支持基板１２の主表面とを接合する層については他の材料を用いてもよい。
【００９６】
一方、透明支持基板１２はサファイア、ガリウムリン、石英、スピネルからなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成されることが好ましい。これらの材料を透明支持基板１２に用いれば、半導体層２が発光する光を、透明接着層８を超えて透明支持基板１２に伝播し、主表面１２ｂから当該光を高効率に出力することができる。また、銀ペーストを塗布してリードフレームに固定した場合は、銀ペーストで光を反射し、ｎ型半導体層表面２ｅから当該光を高効率に出力することができる。半導体発光素子９００においては例として、透明支持基板１２はサファイアからなる支持基板であるとする。なお、半導体発光素子９００においてはｐ側電極２１とｎ側電極２２との間で導通することにより動作させるため、透明接着層８や透明支持基板１２は導電性を有さない材料であってもよい。
【００９７】
なお、本実施の形態８の半導体発光素子においては、発光層が発光した光は、透明支持基板１２の主表面１２ｂの方へ進行する。このため、発光した光を回折する作用を有する２次元回折格子は、図２７に示すように、半導体層２側の接合界面領域（半導体層２の透明接着層８と接合される主表面から半導体層２側へ向かう一定の深さの領域）に形成してもよいが、透明支持基板１２側の接合界面領域（透明支持基板１２の透明接着層８と接合される主表面から透明支持基板１２側へ向かう一定の深さの領域）に形成してもよい。
【００９８】
本実施の形態８の半導体発光素子９００においても、上述した本実施の形態１〜７の半導体発光素子と同様に、半導体層２のうち２次元回折格子が形成された主表面が透明接着層８と対向するように配置されている。したがって、透明支持基板１２の最表面の主表面である主表面１２ｂや、電極が配置されているｐ型半導体層表面２ｄ、ｎ型半導体層表面２ｅには２次元回折格子が形成されていない。このため、２次元回折格子を主表面の全面に形成することができる。
【００９９】
次に、上記半導体発光素子９００の製造方法について説明する。半導体発光素子９００の製造方法も、基本的に図２に示す手順に従う。半導体層を形成する工程（Ｓ１０）において、上述した図４に示す半導体層２を形成する。支持基板を準備する工程（Ｓ２０）において、上述したように半導体発光素子９００の場合は、サファイアからなる透明支持基板１２を準備する。
【０１００】
２次元回折格子を形成する工程（Ｓ３０）において、上述した図５に示すように半導体層２の積層最表面２ａの主表面に複数の凹部３を形成する。なお、複数の凹部３は、透明支持基板１２の一方の主表面に形成してもよい。
【０１０１】
２次元回折格子を形成する工程（Ｓ３０）において、上述した図５に示す態様のものを形成した後に、凹部３を透明接着層８で充填し、同時に凹部３を含む２次元回折格子の最表面上を覆うように透明接着層８を形成する透明接着性材料を配置する。
【０１０２】
以下は上述した各半導体発光素子の製造方法と同様に、貼り合わせる工程（Ｓ４０）において、貼付け層１５の代わりに２次元回折格子の表面の全面を覆うように配置された透明接着層８を用いて、半導体層２と透明支持基板１２とを接合する。このようにすれば、図２８に示す態様のものが形成される。
【０１０３】
次に、半導体基板を除去する工程（Ｓ５０）において、基板１を除去する。その後、電極を形成する工程（Ｓ６０）において、たとえば真空蒸着によりｐ側電極２１およびｎ側電極２２を形成する前に、図２７に示すように、部分的に半導体層２を除去する処理を行なう。これは、半導体発光素子９００においては透明支持基板１２には導電性を有さないため、電極を半導体層２の表面上に形成する必要があるためである。ここで、図２７の半導体層２の積層構造は、透明支持基板１２に近い側（図２７における下側）がｐ型クラッド層などｐ型の半導体材料からなる領域、透明支持基板１２から離れた側（図２７における上側）がｎ型クラッド層などｎ型の半導体材料からなる領域であるとする。この場合、ｐ側電極２１を形成するため、半導体層２の一部（図２７における右側）の領域に対して、ｐ型クラッド層が露出するようにエッチングを行なう。このようにすれば、当該露出させた領域の表面（ｐ型半導体層表面２ｄ）上にたとえば真空蒸着によりｐ側電極２１を形成することができ、半導体層２の最表面のうち当該エッチングを行なわなかった領域の表面（ｎ型半導体層表面２ｅ）上にはたとえば真空蒸着によりｎ側電極２２を形成することができる。以上の手順により、図２７に示す半導体発光素子９００が形成される。
【０１０４】
本実施の形態８は、以上に述べた各点についてのみ、本実施の形態１と異なる。すなわち、本実施の形態８について、上述しなかった構成や条件、手順や効果などは、全て本実施の形態１に順ずる。
【０１０５】
（実施の形態９）
図２９に示す半導体発光素子９９９は、図２７に示す半導体発光素子９００と基本的に同様の態様を備えている。しかし半導体発光素子９９９においては、２次元回折格子を構成する複数の凹部３が空気で充填された空気孔６を形成している。以上の点において、半導体発光素子９９９は半導体発光素子９００とは異なる。
【０１０６】
図２９のようにすれば、たとえば上述した半導体発光素子６００と同様に、透明接着層８を配置する領域を半導体発光素子９００に比べて少なくすることができるため、加工のコストを削減することができる。
【０１０７】
また、本発明の実施の形態９において、半導体層２の積層最表面２ａと透明支持基板１２の主表面とを接合する材料として、透明接着層８の代わりにたとえば貼付け層１５を用いてもよい。ただし、この場合貼付け層１５として出射される光に対して透明な材料を用いなければ、光の出射面はｎ側電極２２などが形成された半導体層２の最表面側となる。
【０１０８】
半導体発光素子９９９の製造方法は、基本的に上述した半導体発光素子９００の製造方法と同様である。しかし上述したように、半導体発光素子９９９の２次元回折格子を構成する複数の凹部３は空気孔６を形成する。このため、２次元回折格子を形成する工程（Ｓ３０）においては、複数の凹部３を透明接着層８を形成する透明接着性材料で充填する処理を行なわず、貼り合わせる工程（Ｓ４０）を空気中で行なう。このようにすれば、次の図３０のような態様を有するものが形成される。以下、半導体発光素子９００の製造方法と同様の処理を行なう。図３０は、図２８に対して、凹部３が空気孔６を形成している点のみ異なる。以上の点において、半導体発光素子９９９の製造方法は、半導体発光素子９００の製造方法と異なる。
【０１０９】
本実施の形態９は、以上に述べた各点についてのみ、本実施の形態８と異なる。すなわち、本実施の形態９について、上述しなかった構成や条件、手順や効果などは、全て本実施の形態８に順ずる。
【０１１０】
なお、以上に述べた各実施の形態に示す各半導体発光素子のいずれにおいても、発光面における光の全反射の発生を抑制するため、当該発光面に対して粗面化処理を施し、面粗度Ｒａを増大させる処理を行なってもよい。
【０１１１】
今回開示された各実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上述した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
本発明は、半導体発光素子の発光した光を出力する効率を向上することができる技術として、特に優れている。
【符号の説明】
【０１１３】
１  基板、２  半導体層、２ａ  積層最表面、２ｂ，２ｃ，１２ｂ  発光面、２ｄ  ｐ型半導体層表面、２ｅ  ｎ型半導体層表面、３  凹部、４，５  透明導電膜、６  空気孔、７  誘電体膜、８  透明接着層、１１  支持基板、１２  透明支持基板、１２ｂ  主表面、１５  貼付け層、１６  反射膜、１７  接合層、２１  ｐ側電極、２２  ｎ側電極、１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００，８００，９００，９９９  半導体発光素子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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