(57)【要約】【課題】内部量子効率及び光取り出し効率の両方を向上させた半導体発光素子及びそれを製造するための光学基材を提供する。【解決手段】半導体発光素子（１００）は、表面の一部又は全面に微細凹凸構造（２０）が形成された光学基材（１０）の上に第１半導体層（３０）、発光半導体層（４０）及び第２半導体層（５０）と、を積層した構造であり、微細凹凸構造（２０）の平均ピッチＰａｖと、光学基材（１０）の微細凹凸構造（２０）が形成された表面上に設けられた第１半導体層（３０）中での発光半導体層（４０）が放出した発光光の波長λとの比（Ｐａｖ／λ）が２．５以上８以下であり、微細凹凸構造（２０）の面内平均高さＨａｖと発光光の波長λ（Ｈａｖ／λ）との比が０．１以上１以下であり、且つ、微細凹凸構造（２０）のアスペクト比が０．２以上１以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面の一部又は全面に微細凹凸構造が形成された光学基材の上に少なくとも第１半導体層、発光半導体層及び第２半導体層を積層した構造である半導体発光素子であって、
前記微細凹凸構造の平均ピッチＰａｖと、前記光学基材の前記微細凹凸構造が形成された表面上に設けられた光媒質層中での前記発光半導体層が放出した発光光の波長λとの比（Ｐａｖ／λ）が２．５以上８以下であり、
前記微細凹凸構造の面内平均高さＨａｖと前記発光光の波長λとの比（Ｈａｖ／λ）が０．１以上１以下であり、且つ、
前記微細凹凸構造のアスペクト比が０．２以上１以下であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記発光光の波長λが、前記発光光の真空波長λ０を、前記第１半導体層の屈折率ｎで除したものであることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記光媒質層が、前記第１半導体層であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記微細凹凸構造を構成する凹部の底部は平坦面であ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素子。
【請求項５】
前記微細凹凸構造を構成する凸部は底部よりも頂部の方が径が小さいことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記光学基材が、サファイア基板、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、ＧａＡｓ基板又はスピネル基板であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記光学基材が、ｃ面サファイア基板であり、オフセット角度が０．０５度以上、０．８度以下であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記第１半導体層、前記発光半導体層及び前記第２半導体層が、ＩＩＩ−Ｖ族系半導体であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記第１半導体層、前記発光半導体層及び前記第２半導体層が、ＧａＮ系半導体であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法であって、前記光学基材を準備する工程と、前記光学基材の前記微細凹凸構造が形成された表面上に少なくとも前記第１半導体層、前記発光半導体層及び前記第２半導体層を順次積層する工程と、を具備することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
第１半導体層、発光半導体層及び第２半導体層を積層した構造である半導体発光素子に用いられる、表面の一部又は全面に微細凹凸構造が形成された光学基材であって、
前記微細凹凸構造の平均ピッチＰａｖと、前記微細凹凸構造が形成された表面上に設けられた光媒質層中での前記発光半導体層が放出した発光光の波長λとの比（Ｐａｖ／λ）が２．５以上８以下であり、
前記微細凹凸構造の面内平均高さＨａｖと前記発光光の波長λとの比（Ｈａｖ／λ）が０．１以上１以下であり、且つ、
前記微細凹凸構造のアスペクト比が０．２以上１以下であることを特徴とする光学基材。
【請求項１２】
前記発光光の波長λが、前記発光光の真空波長λ０を、前記第１半導体層の屈折率ｎで除したものであることを特徴とする請求項１１記載の光学基材。
【請求項１３】
前記光媒質層が、前記第１半導体層であることを特徴とする請求項１１又は請求項１２記載の光学基材。
【請求項１４】
前記微細凹凸構造を構成する凹部の底部は平坦面であることを特徴とする請求項１１から請求項１３のいずれかに記載の光学基材。
【請求項１５】
前記微細凹凸構造を構成する凸部は底部よりも頂部の径が小さいことを特徴とする請求項１１から請求項１４のいずれかに記載の光学基材。
【請求項１６】
サファイア基板、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、ＧａＡｓ基板又はスピネル基板であることを特徴とする請求項１１から請求項１５のいずれかに記載の光学基材。
【請求項１７】
ｃ面サファイア基板であり、オフセット角度が０．０５度以上、０．８度以下であることを特徴とする請求項１１から請求項１６のいずれかに記載の光学基材。
【請求項１８】
請求項１１から請求項１７のいずれかに記載の光学基材を準備する工程と、前記光学基材の前記微細凹凸構造が形成された表面上に少なくとも前記第１半導体層、前記発光半導体層及び前記第２半導体層を順次積層する工程と、を具備することを特徴とす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、半導体発光素子及びその製造方法並びに光学基材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、有機エレクトロルミネッセンス（ＯＬＥＤ）、蛍光体、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の半導体発光素子における発光効率を向上させるために、種々の検討がされている。このような半導体発光素子は、発光部を内部に含む高屈折率領域が低屈折率領域によって挟まれる構成を有する。このため、半導体発光素子の発光部において発光した発光光は高屈折率領域内部を導波する導波モードとなり、高屈折率領域内部に閉じ込められ、導波過程において吸収されて熱となり減衰する。このように、半導体発光素子においては、発光光を半導体発光素子の外部に取り出すことができず、発光効率は大きく減少する問題がある。
【０００３】
ＬＥＤ素子の場合、以下に説明するように、光取り出し効率ＬＥＥと内部量子効率ＩＱＥ、或いは、光取り出し効率ＬＥＥと電子注入効率ＥＩＥを同時に改善することで、高効率なＬＥＤ素子を製造できる。
【０００４】
青色ＬＥＤに代表されるＧａＮ系半導体素子は、単結晶基板上にエピタキシャル成長によりｎ層、発光層、ｐ層を積層して製造される。単結晶基板としては一般的にサファイア単結晶基板やＳｉＣ単結晶基板が用いられる。しかしながら、サファイア結晶とＧａＮ系半導体結晶との間には格子不整合が存在するため、ＧａＮ系半導体結晶内部に転位が発生する（例えば、非特許文献１参照）。この転位密度は、１×１０９個／ｃｍ２に達する。この転位により、ＬＥＤの内部量子効率、即ち半導体の発光する効率が下がり、結果として外部量子効率が低下する。
【０００５】
また、ＧａＮ系半導体層の屈折率はサファイア基板よりも大きい。このため、半導体発光層内で発生した光は、サファイア基板とＧａＮ系半導体層との界面から臨界角以上の角度では出射しない。即ち、導波モードを形成し、導波過程において熱となり減衰する。このため、光取り出し効率が下がり、結果として外部量子効率が下がる。また、単結晶基板として屈折率の非常に大きなＳｉＣ基板を使用した場合、ＳｉＣ基板と空気層と、の界面から臨界角以上の角度での出光は生じないため、サファイア基板を使用した場合と同様に、導波モードを生成し、光取り出し効率ＬＥＥが低下する。
【０００６】
即ち、半導体結晶内部の転位欠陥により内部量子効率が低下し、且つ導波モード形成により光取り出し効率が低下するため、ＬＥＤの外部量子効率が大きく低下する。
【０００７】
そこで、単結晶基板上に凹凸構造を設け、半導体結晶層での光の導波方向を変えて、光取り出し効率を上げる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
また、単結晶基板に設ける凹凸構造の大きさをナノサイズとし、凹凸構造のパターンをランダム配置とした技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。なお、単結晶基板に設けるパターンサイズがナノサイズであると、マイクロサイズのパターン基材に比べ、ＬＥＤの発光効率が向上することが報告されている（例えば、非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−３１８４４１号公報
【特許文献２】特開２００７−２９４９７２号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】ＩＥＥＥ  ｐｈｏｔｏ．  Ｔｅｃｈ．  Ｌｅｔｔ．，２０，１３，  １１９３（２００８）
【非特許文献２】Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．，１０３，０１４３１４（２００８）
【００１１】
一般に、ＬＥＤの発光効率を示す外部量子効率ＥＱＥ（Ｅｘｔｅｒｎａｌ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を決定する要因としては、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。光取り出し効率ＬＥＥは、単結晶基板に設けられた凹凸構造による光散乱或いは光回折により、ＧａＮ系半導体結晶層内部の導波モードを崩すことで改善される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来の技術では、半導体発光素子の発光効率は極大化されない。特許文献１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）の効果による内部量子効率ＩＱＥ改善の効果は少ない。これは、単結晶基板上の凹凸により転位欠陥が減少する理由は、凹凸によりＧａＮ系半導体層の化学蒸着（ＣＶＤ）の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、凹凸のサイズをナノオーダーのピッチとすることが、転位密度の低減に大きな効果があるため、内部量子効率ＩＱＥの改善に有効である。
【００１３】
しかし、従来の技術においては、ＬＥＤの発光効率を極大化するために必要な内部量子効率ＩＱＥと光取り出し効率ＬＥＥに対して、凹凸構造は最適な構造ではなかった。
【００１４】
本発明は、上記説明した問題点に鑑みてなされたものであり、内部量子効率及び光取り出し効率の両方を向上させた半導体発光素子及びその製造方法、並びに、半導体発光素子を製造するための光学基材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、光学基材に設けるナノパターンの微細凹凸構造が、特定の条件を満たす場合、内部量子効率ＩＱＥ及び光取り出し効率ＬＥＥの両方が向上され、半導体発光素子の発光効率が極大化されることを見出した。即ち、本発明は以下の通りである。
【００１６】
本発明の半導体発光素子は、表面の一部又は全面に微細凹凸構造が形成された光学基材の上に第１半導体層、発光半導体層及び第２半導体層を積層した構造である半導体発光素子であって、前記微細凹凸構造の平均ピッチＰａｖと、前記光学基材の前記微細凹凸構造が形成された表面上に設けられた光媒質層中での前記発光半導体層が放出した発光光の波長λとの比（Ｐａｖ／λ）が２．５以上８以下であり、前記微細凹凸構造の面内平均高さＨａｖと前記発光光の波長λとの比（Ｈａｖ／λ）が０．１以上１以下であり、且つ、前記微細凹凸構造のアスペクト比が０．２以上１以下であることを特徴とする。
【００１７】
この構成により、内部量子効率ＩＱＥ及び光取り出し効率ＬＥＥの両方が向上され、半導体発光素子の発光効率が極大化される。また、光の波動性が強調され、出射光が指向性を有する。これによって、電極部の面積、材質などの設計の自由度が増す。
【００１８】
本発明の半導体発光素子において、前記発光光の波長λが、前記発光光の真空波長λ０を、前記第１半導体層の屈折率ｎで除したものであることが好ましい。
【００１９】
本発明の半導体発光素子において、前記光媒質層が、前記第１半導体層であることが好ましい。
【００２０】
本発明の半導体発光素子において、前記微細凹凸構造を構成する凹部の底部は平坦面であることが好ましい。
【００２１】
本発明の半導体発光素子において、前記微細凹凸構造を構成する凸部は底部よりも頂部の方が径が小さいことが好ましい。
【００２２】
本発明の半導体発光素子において、前記光学基材が、サファイア基板、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、ＧａＡｓ基板又はスピネル基板であることが好ましい。
【００２３】
本発明の半導体発光素子において、前記光学基材が、ｃ面サファイア基板であり、オフセット角度が０．０５度以上、０．８度以下であることが好ましい。
【００２４】
本発明の半導体発光素子において、前記第１半導体層、前記発光半導体層及び前記第２半導体層が、ＩＩＩ−Ｖ族系半導体であることが好ましい。
【００２５】
本発明の半導体発光素子において、前記第１半導体層、前記発光半導体層及び前記第２半導体層が、ＧａＮ系半導体であることが好ましい。
【００２６】
本発明の半導体発光素子の製造方法は、上記記載の半導体発光素子の製造方法であって、前記光学基材を準備する工程と、前記光学基材の前記微細凹凸構造が形成された表面上に少なくとも前記第１半導体層、前記発光半導体層及び前記第２半導体層を順次積層する工程と、を具備することを特徴とする。
【００２７】
本発明の光学基材は、第１半導体層、発光半導体層及び第２半導体層を積層した構造である半導体発光素子に用いられる、表面の一部又は全面に微細凹凸構造が形成された光学基材であって、前記微細凹凸構造の平均ピッチＰａｖと、前記微細凹凸構造が形成された表面上に設けられた光媒質層中での前記発光半導体層が放出した発光光の波長λとの比（Ｐａｖ／λ）が２．５以上８以下であり、前記微細凹凸構造の面内平均高さＨａｖと前記発光光の波長λとの比（Ｈａｖ／λ）が０．１以上１以下であり、且つ、前記微細凹凸構造のアスペクト比が０．２以上１以下であることを特徴とする。
【００２８】
本発明の光学基材において、前記発光光の波長λが、前記発光光の真空波長λ０を、前記第１半導体層の屈折率ｎで除したものであることが好ましい。
【００２９】
本発明の光学基材において、前記光媒質層が、前記第１半導体層であることが好ましい。
【００３０】
本発明の光学基材において、前記微細凹凸構造を構成する凹部の底部は平坦面であることが好ましい。
【００３１】
本発明の光学基材において、前記微細凹凸構造を構成する凸部は底部よりも頂部の径が小さいことが好ましい。
【００３２】
本発明の光学基材において、サファイア基板、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、ＧａＡｓ基板又はスピネル基板であることが好ましい。
【００３３】
本発明の光学基材において、ｃ面サファイア基板であり、オフセット角度が０．０５度以上、０．８度以下であることが好ましい。
【００３４】
本発明の半導体発光素子の製造方法は、上記記載の光学基材を準備する工程と、前記光学基材の前記微細凹凸構造が形成された表面上に少なくとも前記第１半導体層、前記発光半導体層及び前記第２半導体層を順次積層する工程と、を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、内部量子効率及び光取り出し効率の両方を向上させ、さらに電極部の設計自由度が高い半導体発光素子及びその製造方法、並びに、半導体発光素子を製造するための光学基材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本実施の形態に係る半導体発光素子を示す断面概略図である。
【図２】本実施の形態に係る半導体発光素子における回折光の回折方位角を説明するための模式図である。
【図３】本実施の形態に係る及び従来の半導体発光素子における回折方位角と電極部との関係を説明するための模式図である。
【図４】本実施の形態に係る半導体発光素子における連続した凸部の配列の例を示す模式図である。
【図５】本実施の形態に係る半導体発光素子における連続した凸部の配列の例を示す模式図である。
【図６】本実施の形態に係る半導体発光素子の第１半導体層を微細凹凸構造が形成された表面側から見た上面図である。
【図７】本実施の形態に係る半導体発光素子の第１半導体層を微細凹凸構造が形成された表面側から見た上面図である。
【図８】本実施の形態に係る半導体発光素子の微細凹凸構造がドット構造の場合を示す上面図である。
【図９】図８に示したピッチＰに相当する線分位置における微細凹凸構造を示す断面模式図である。
【図１０】本実施の形態に係る半導体発光素子の微細凹凸構造がホール構造の場合を示す上面図である。
【図１１】図１０に示したピッチＰに相当する線分位置における微細凹凸構造を示す断面模式図である。
【図１２】本実施の形態に係るオフセット角度を有するサファイア基板を示す断面模式図である。
【図１３】オフセット角度及び微細凹凸構造を有するサファイア基板を説明する説明図である。
【図１４】オフセット角度及び微細凹凸構造を有するサファイア基板を説明する説明図である。
【図１５】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概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
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。
【００３８】
まず、図面を参照して本実施の形態に係る半導体発光素子の構造について説明する。図１は、本実施の形態に係る半導体発光素子を示す断面概略図である。図１に示すように、半導体発光素子１００において、光学基材１０は、その表面に微細凹凸構造２０を具備している。光学基材１０の微細凹凸構造２０を含む表面上に第１半導体層３０、発光半導体層４０及び第２半導体層５０が順次積層されている。ここで、発光半導体層４０にて発生した発光光は、第２半導体層５０側又は光学基材１０から取り出される。さらに、第１半導体層３０と第２半導体層５０と、は互いに異なる半導体層である。ここで、第１半導体層３０は、微細凹凸構造２０を平坦化すると好ましい。第１半導体層３０が微細凹凸構造２０を平坦化するように設けられることにより、第１半導体層３０の半導体としての性能を、発光半導体層４０及び第２半導体層５０へ、と反映させることができるため、内部量子効率ＩＱＥが向上する。
【００３９】
また、第１半導体層３０は、図１に示すように、非ドープ第１半導体層３１とドープ第１半導体層３２とから構成されてもよい。ここで、非ドープ第１半導体層３１が微細凹凸構造２０を平坦化するように設けられることにより、非ドープ第１半導体層３１の半導体としての性能を、ドープ第１半導体層３２、発光半導体層４０及び第２半導体層５０へ、と反映させることができるため、内部量子効率ＩＱＥが向上する。
【００４０】
さらに、非ドープ第１半導体層３１は、図１に示すように、バッファー層３３を含むと好ましい。半導体発光素子１００においては、微細凹凸構造２０上にバッファー層３３を設け、続いて、非ドープ第１半導体層３１及びドープ第１半導体層３２を順次積層することにより、第１半導体層３０の結晶成長の初期条件である核生成及び核成長が良好となり、第１半導体層３０の半導体としての性能が向上するため、内部量子効率ＩＱＥ改善程度が向上する。ここでバッファー層３３は、微細凹凸構造２０を平坦化するように配置されてもよいが、バッファー層３３の成長速度は遅いため、半導体発光素子１００の製造時間を短縮する観点から、バッファー層３３上に設けられる非ドープ第１半導体層３１により微細凹凸構造２０を平坦化することが好ましい。非ドープ第１半導体層３１が微細凹凸構造２０を平坦化するように設けられることにより、非ドープ第１半導体層３１の半導体としての性能を、ドープ第１半導体層３２、発光半導体層４０及び第２半導体層５０へ、と反映させることができるため、内部量子効率ＩＱＥが向上する。なお、図１において、バッファー層３３は微細凹凸構造２０の表面を覆うように配置されているが、微細凹凸構造２０の表面に部分的に設けることもできる。特に、微細凹凸構造２０の凹部底部に優先的にバッファー層３３を設けることができる。
【００４１】
さらに、第２半導体層５０上に透明導電膜６０を、透明導電膜６０の表面にアノード電極７０を、そして第１半導体層３０表面にカソード電極８０を、それぞれ設けることができる。透明導電膜６０、アノード電極７０及びカソード電極８０の配置は、半導体発光素子により適宜最適化できるため限定されないが、一般的に、図１に例示するように設けられる。
【００４２】
図１に示した半導体発光素子１００は、ダブルヘテロ構造の半導体発光素子に適用した例であるが、第１半導体層３０、発光半導体層４０及び第２半導体層５０の積層構造はこれに限定されるものではない。
【００４３】
本実施の形態に係る半導体発光素子１００において、光学基材１０の微細凹凸構造２０は、以下の条件（１）〜（３）を満たす。
【００４４】
（１）微細凹凸構造２０の平均ピッチＰａｖと、光学基材１０の微細凹凸構造２０が形成された表面（以下、微細凹凸構造面ともいう）上に設けられた第１半導体層３０中での発光光の波長λとの比（Ｐａｖ／λ）が２．５以上８以下である。
【００４５】
（２）微細凹凸構造２０の面内平均高さＨａｖと、発光光の波長λとの比が０．１以上１以下である。
【００４６】
（３）微細凹凸構造２０のアスペクト比が０．２以上１以下である。
【００４７】
本実施の形態に係る半導体発光素子１００は、微細凹凸構造２０が上記（１）〜（３）の条件を満たすことにより、次のような効果を奏する。
【００４８】
まず、内部量子効率ＩＱＥの向上が可能となる。具体的には、微細凹凸構造２０の平均ピッチＰａｖが十分に小さくなることにより、光学基材１０上での第１半導体層３０の成膜時の成長モードを乱すことが可能となり、第１半導体層３０の内部に発生する転位を低減することができる。
【００４９】
一方、微細凹凸構造２０の面内平均高さＨａｖが、第１半導体層３０中での発光光の波長λの０．１倍以上１倍以下であり、且つ、微細凹凸構造２０のアスペクト比が０．２以上１以下であることにより、光から見た微細凹凸構造２０の体積変化が十分大きく、またその回折角度は有利に導波モードを崩すことができ、光取り出し効率ＬＥＥが改善する。
【００５０】
また、平均ピッチＰａｖと発光光の波長λとの比（Ｐａｖ／λ）が２．５以上８以下であることで、光の波動性が強調され、出射光が指向性を有する。これによって、電極部の面積、材質などの設計の自由度が増す。例えば、回折光が六回対称に出射する光の場合、半導体発光素子１００と基板のなす回転角を適切に選ぶことで、電極部の影となる部分が小さくなる。
【００５１】
図２は、本実施の形態に係る半導体発光素子１００における回折光の回折方位角を説明するための模式図である。図２Ａは、半導体発光素子１００において、第１半導体層３０、発光半導体層４０及び第２半導体層５０を順次積層した方向（以下、積層方向ともいう）をｚ軸とした場合に、このｚ軸に沿った断面を示す。図２Ａ中、符号２０１は、微細凹凸構造２０から出射した回折光を示す。また、図２Ａ中、ｚ軸に対して直交し、微細凹凸構造２０が形成された微細凹凸構造面と平行な面に含まれるｘ軸及びｙ軸を示す。
【００５２】
図２Ｂは、図２Ａ中のｚ軸方向上側から見た回折光２０１を示す。この場合、回折光２０１は６回対称に出射している。回折光２０１の一つの放射部分２０２は、ｘ軸に対して回転角度θをなしている。この回転角度θを「回折方位角」と呼ぶ。
【００５３】
本実施の形態に係る半導体発光素子１００において、第１半導体層３０の発光光の波長λは、発光光の真空波長λ０を第１半導体層３０の屈折率ｎで除したものである。
【００５４】
ここで、発光光とは、半導体発光素子１００の発光半導体層４０が放出する光を言う。
【００５５】
第１半導体層３０が、上述のように、バッファー層３３を有し、また、非ドープ第１半導体層３１及びドープ第１半導体層３２を順次積層したものである場合、発光光の波長λは、微細凹凸構造２０を平担化するように設けられた非ドープ第１半導体層３１中での波長である。このように、発光光の波長λは、微細凹凸構造２０の上に設けられた発光光の媒質となる層に依存して決まる。この層を「光媒質層」と呼ぶ。従って、発光光の波長λは、真空波長λ０及び光媒質層の屈折率ｎから算出可能である。
【００５６】
なお、発光光の真空波長λ０は、発光半導体層が、そのバンドギャップに応じて放出する光の真空波長であり、例えば、波長計又は分光放射輝度計により求めることができる。
【００５７】
本実施の形態に係る半導体発光素子１００においては、微細凹凸構造２０を構成する凹部の底部は平坦面であることが好ましい。ここでいう平坦とは、光学基材１０を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で比較的低倍率で観察した場合、例えば２００００倍から１０００００倍で観察した際に、断面像での凹部底部が直線状に観察されること、或いは光学基材１０を傾けた（ｔｉｌｔをかけた）場合、例えば１０度傾けた際、断面像で凹部底部が平坦に観察されることである。即ち、これらの場合、後述のオフセット角度によって定まるテラスとステップは観察されず、平坦であるので、凹部の底部にテラス及びステップが含まれる場合も、平坦面である。
【００５８】
この構成によれば、内部量子効率ＩＱＥを向上させることができる。半導体発光素子１００において内部量子効率ＩＱＥを向上させるためには、半導体結晶層の化学蒸着（ＣＶＤ）の成長モードを乱し、半導体結晶層内部の転位を分散化し、局所的及び巨視的な転位密度を減少させる必要がある。ここで、これらの物理現象の初期条件は、半導体結晶層を化学蒸着（ＣＶＤ）により成膜する際の核生成及び核成長である。微細凹凸構造２０の凹部底部に平坦面を有すことで、核生成を好適に生じさせることが可能となるため、微細凹凸構造２０の密度による半導体結晶層内の転位低減効果をより発現させることが可能となる。この結果、内部量子効率ＩＱＥをより大きくすることができる。
【００５９】
また、本実施の形態に係る半導体発光素子１００においては、微細凹凸構造２０を構成する凸部は底部よりも頂部の方が径が小さい、即ち、凸部の断面は、頂部から底部にかけて傾斜する側辺部を有することが好ましい。
【００６０】
この構成によれば、第１半導体層３０の内部に発生する転位を減少させると共に、微細凹凸構造２０に応じ転位を分散化することが可能となる。即ち、巨視的にも微視的にも転位密度の低い第１半導体層３０を作製することが可能となる、内部量子効率ＩＱＥの向上が良好となる。
【００６１】
また、本実施の形態に係る光学基材１０は、上記（１）〜（３）の条件を満たすことにより、本実施の形態に係る半導体発光素子１００を製造するために有益である。
【００６２】
微細凹凸構造２０は、光学基材１０の表面上の少なくとも一部に設けられていれば良い。好ましい領域の面積は、半導体発光素子１００の１個に相当する領域、最も好ましくは、光学基材１０の全面である。なお、光学基材１０とは、その表面に半導体層を積層し、半導体発光素子を形成するために用いる基板を指す。
【００６３】
以下、本実施の形態に係る半導体発光素子１００が効果を発揮する原理について説明する。
【００６４】
一般に、半導体発光素子の発光効率は、内部量子効率ＩＱＥと光取り出し効率ＬＥＥによって決定される。この両者の向上のためには、ナノスケールの凹凸構造による結晶欠陥の低減と、導波モードを崩すこと、そして実効的な光取り出し面積の増加の両立が必要となる。特に、導波モードを崩すために、従来はマイクロオーダーの凹凸構造によって散乱させて光取り出し効率の向上を行っていたが、我々はナノオーダーで生じる光回折、中でも回折のモード数と回折角度に注目した。これによって、結晶欠陥の低減と、回折による導波モードを効果的に崩す作用及び実効的な光取り出し面積の増加から、光取り出し効率の向上の両立が可能となった。
【００６５】
また、半導体発光素子の発光層で生じた発光光と凹凸構造との相互作用は、半導体発光素子中での発光光の波長λと凹凸構造が有する大きさとの関係で決まる。
【００６６】
従来用いられていたマイクロオーダーの凹凸構造は、半導体発光素子中の発光光の波長λの１０倍程度の大きさであり、光と凹凸構造の相互作用は散乱的である。しかしながら、内部量子効率ＩＱＥの向上のために凹凸構造の大きさがナノスケールとなると、半導体発光素子中の発光光の波長λと同程度から数倍程度の大きさとなり、光の波動性が強調され相互作用としては光回折が生じるようになる。
【００６７】
光回折を特徴づける量としては、回折後の出射光線の数であるモード、各モードの出光角度、各モードの強度である。光回折ではその波動性ゆえに、屈折率差を有する界面と入射光の相互作用は、光線として見たときに反射光、透過光が分裂し、モードを生成する。
【００６８】
光回折のモード数は、平均ピッチが小さいと少なく、平均ピッチが大きい程多くなる。つまり、平均ピッチが小さい条件下ではモード数が限定される。これは、回折光が指向性を有していると観察される。
【００６９】
一方、光回折のモード数は、平均ピッチが大きい程多くなる。この時、モード数の増加によって個々のモードが持つ強度は小さくなる。また、出光角度の分布は徐々に幅広くなる。その振る舞いは散乱的と観察される。
【００７０】
ゆえに、半導体発光素子の発光効率を極大化するためには、ナノスケールの微細凹凸構造を設けて結晶成長のモードを乱して内部量子効率を向上させると共に、ナノスケールの凹凸構造によって生じる光回折の回折角度、回折強度を、導波モードを効果的に崩すように設けることが必要である。
【００７１】
次に、ナノスケールの微細凹凸構造で導波モードを崩すに当たり、上記（１）〜（３）の条件が好ましい理由を説明する。
【００７２】
光回折のモード数は、微細凹凸構造２０の平均ピッチＰａｖが小さいと少なく、平均ピッチＰａｖが大きい程多くなる。微細凹凸構造のピッチが大きすぎると、光が散乱的に振る舞う。このとき、以下で挙げるようなロスを生じさせる。
【００７３】
まず、本来散乱されて欲しくない成分、例えば、微細凹凸構造２０がなければ取り出せた筈の臨界角以下の入射角を持つ光に対しても散乱的に作用することにより、出射光を新たな導波モード（臨界角よりも入射角が大きい光）としてしまう。
【００７４】
加えて、導波モードとして入射する光に対しても散乱的に作用する。つまり、光取り出しに寄与しない角度に出光するために効果的に導波モードを崩すことができない。
【００７５】
この新たな導波モードは、発光半導体層４０、第２半導体層５０に達した後、第２半導体層５０と透明導電膜６０との界面、或いは透明導電膜６０と封止材など外部との界面における全反射によって再び第２半導体層５０、発光半導体層４０を通過した後再度微細凹凸構造２０に入射して再び散乱され、光取り出し寄与する成分が生じる。しかしながら、発光半導体層４０は発光光に対応したバンドギャップを有しているゆえに、発光光の波長λに対して非常に大きい吸収を持つことが知られている。つまり、新たな導波モードとなって発光半導体層４０を通過する際に吸収されてしまい、ロスとなってしまう。
【００７６】
光回折ではその指向性ゆえに、入射角に対して取出しに寄与する回折角を持つようなパターンとすることによって、新たな導波モードの生成を回避できる。これによって、光取り出し効率ＬＥＥを向上させることができる。
【００７７】
そして、前述のように、マイクロオーダーの凹凸構造では、内部量子効率の向上は困難である。凹凸構造の密度が結晶成長のモードを乱すには圧倒的に足りないためである。結晶欠陥の低減のためには、ナノスケールの微細凹凸構造が好ましい。
【００７８】
加えて、従来のマイクロオーダーの凹凸構造では、光との相互作用が散乱的であるために、光取り出し面に設けられる電極部がどのように配置しても影となり、実効的な光取り出し面の面積が減少してしまう。つまり、電流注入効率の向上のために電極面積を大きくすることができず、電極部の形状や大きさは著しく制限されていた。しかしながら、ナノオーダーの微細凹凸構造であることで光の波動性が強調され、出射光が指向性を有する。これによって、微細凹凸構造の配列に由来する回折光の回折方位角θを適切に選ぶことで、電極部の面積、材質などの設計の自由度が増す。例えば、回折光が六回対称に出射する光の場合、半導体発光素子と基板のなす回転角を適切に選ぶことで、電極部が影となる領域が小さくなる。
【００７９】
図３は、本実施の形態に係る半導体発光素子における回折方位角と、電極部との関係を説明するための模式図である。
【００８０】
回折方位角とは、微細凹凸構造２０より上方に出射する回折光が、第１半導体層３０において、半導体層の積層方向（図２中、ｚ軸）と直交する面（図２中、ｘ軸及びｙ軸を含む面）内において、回折光の放射部分が有する回転角度をいう。ここで、回折光とは、第１半導体層３０側から微細凹凸構造２０に入射し、反射回折する光、及び、光学基材１０の裏面で反射した後、光学基材１０側から微細凹凸構造２０に再入射し、透過する光をいう。この角度は、微細凹凸構造２０の配列、平均ピッチ、或いは高さなどによって変わる。
【００８１】
光学基材１０上の一部分に注目し、その部分と相互作用する回折光の回折方位角を図示したものが、図３Ａ〜図３Ｃである。これは、半導体発光素子１００を電極側から見たときの、その出光パターンを観察していることとなる。図３Ａは、回折光２０１が六回対称である場合である。図３Ｂは、図３Ａと同様に回折光が６回対称であって、光学基材１０を９０度回転させることで、回折光２０１の放射部分２０２を９０度回転させた場合である。図３Ｃは、微細凹凸構造２０がマイクロスケールである場合である。この場合、微細凹凸構造２０と入射光線の相互作用は散乱的となり、回折光２０１は、あらゆる方向へ出光するために異方性がないように観測される。
【００８２】
ここで、微細凹凸構造２０で回折された回折光を、電極側からの取り出すことを考える。回折光２０１は、その波動性ゆえに、ある回折方位角を有している。一方、極角、即ち、第１半導体層３０、発光半導体層４０及び第２半導体層５０の積層方向であるｚ軸と出射方向がなす角、に対しては分布を有している。つまり、光学基材１０の一部分と相互作用した回折光２０１は、その出光方向が、回折方位角及び極角によって囲まれる領域（以下、見込み角度領域と言う）を見込むこととなる。この見込み角度領域に、アノード電極７０又はカソード電極８０があった場合、光取り出し効率は効果的には向上しない。何故なら、これらの電極部は金属よりなっており、光を透過しないために、実質的には影となってしまうからである。
【００８３】
このように、微細凹凸構造２０の各領域について、見込み角度領域内に電極部が入ってしまう部分を図示したものが、図３Ｄ〜図３Ｆである。
【００８４】
図３Ｄは、回折光２０１が図３Ａのように六回対称の場合である。光学基材１０上のある点において、回折光２０１の放射部分２０２の延長線（図中一点破線で示す）２０４上に電極部２０３が来る場合、影となってしまうことから、見込み角度領域２０５は図３Ｄのようになる。また、半導体発光素子１００の長手方向に影となりうる領域ができることもわかる。
【００８５】
図３Ｅは、図３Ｄの光学基材１０を９０度回転させて電極部２０３を設けた場合である。電極部２０３を見込み角度領域２０５が図３Ｄよりも少なくなっていることがわかる。即ち、光学基材１０の配置としては、回折光２０１の放射部分２０２の延長線２０４上に電極部２０３が来る見込み角度領域２０５が少ない方が好ましい。
【００８６】
図３Ｆは、従来の凹凸構造がマイクロスケールの場合である。この場合、振る舞いが散乱的であるために、陰となりうる領域が多くなってしまっている。このために、従来の半導体発光素子２００では電極部２０３の面積を小さくし、透明導電膜を設けて電流注入できる面積を稼ぐと共に、光取り出しに寄与する面積を大きくしている。
【００８７】
しかしながら、図３Ｅのように、見込み角度領域２０５が回折方位角を避ける形であれば、電極面積を大きくする、或いは非透光性の電極材料を用いることができる。これによって、電極部２０３の位置や材質或いは形状の設計自由度が増す。また、効果的に半導体発光素子１００より光を取り出すことができる。加えて、効率的な電極部２０３の配置によって電流拡散性が向上し、より大面積な素子とすることができる。この効果は、図３Ｄと図３Ｅの比較にもあるように、半導体発光素子１００の断面が長方形であれば顕著であり、断面形状のアスペクト比（長手方向長さ／短手方向長さ）が１より大きい程より顕著になる。
【００８８】
以上により、本実施の形態に係る半導体発光素子１００において、ナノスケールの微細凹凸構造２０によって、半導体発光素子１００の発光効率を決定づける内部量子効率ＩＱＥと光取り出し効率ＬＥＥの両者を向上させ、発光効率の極大化を図ることができる。
【００８９】
Ｐａｖ／λは、２．５以上８以下であることで、内部量子効率ＩＱＥの向上が可能となる。具体的には、微細凹凸構造２０のピッチが十分に小さくなることにより、光学基材１０上での第１半導体層３０の成膜時の成長モードを乱すことが可能となり、第１半導体層３０の内部に発生する転位を低減することができる。これにより、半導体層へのクラックが入り難くなる。また、光の波動性が強調され、出射光が指向性を有する。これによって、電極の面積、材質などの設計の自由度が増す。
【００９０】
上記の観点から、平均ピッチＰａｖと第１半導体層３０中の波長λとの比率Ｐａｖ／λは、２．７以上がより好ましく、３以上がさらに好ましい。また、散乱性を抑制するために、比率は７以下がより好ましく、６．５以下がさらに好ましい。
【００９１】
なお、平均ピッチＰａｖと第１半導体層３０中での発光光の波長λとの比（Ｐａｖ／λ）は、発光光の真空波長λ０及び第１半導体層３０の屈折率ｎを用いて、Ｐａｖ＊ｎ／λ０で表すこともできる。
【００９２】
一方、微細凹凸構造２０の面内平均高さ（Ｈａｖ）が、第１半導体層３０中での発光光の波長λの０．１倍以上１倍以下であり、微細凹凸構造２０のアスペクト比が０．２以上１以下であることにより、光から見た微細凹凸構造２０の体積変化が十分大きく、またその回折角度は有利に導波モードを崩すことができ、光取り出し効率ＬＥＥが改善する。
【００９３】
面内平均高さＨａｖは、微細凹凸構造がドット構造の場合、単位面積当たりの凸部体積である。特に、規則的な配列の場合、単位格子中に含まれる凸部の体積の比で表される。例えば、凸部体積Ｖ０の凸部がピッチＰで六方配列しているとき、面内平均高さＨａｖは下式（１）の通りとなる。また、凸部体積Ｖ０の凸部がピッチＰで正四方配列しているとき、面内平均高さＨａｖは下式（２）の通りとなる。一方、微細凹凸構造がホール構造の場合、面内平均高さＨａｖは、単位面積当たりの凹部体積、つまり面内平均深さとなる。
【００９４】
【数１】
2014195069.tif 000003
【００９５】
面内平均高さＨａｖが大きいことは、凸部体積が大きいことを意味する。また、アスペクト比はドット構造の場合、凸部高さＨと凸部底部幅の比、凸部高さＨ／凸部底部幅の比である。一方、ホール構造の場合、凹部深さと凹部底部幅の比、凹部深さ／凹部底部幅である。アスペクト比が１以下ということは、凸部高さは凸部底部幅よりも大きくないということである。
【００９６】
これらのパラメータ、面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比及びアスペクト比が上記範囲にあることが好ましい理由を説明する。そのために、これらのパラメータを構成する高さＨと、デューティが導波モードを崩す際の効果について説明する。なお、以下ではドット構造の場合について説明するが、ホール構造でも、上記の定義によって読み替えることができる。
【００９７】
高さＨが大きい程、平均ピッチＰａｖによって定まる回折モードの群の中から、より多くのモードと入射光は相互作用する。つまり、高さＨが低い場合には、平均ピッチＰａｖによって定まる回折モードの群の中から限られたモードの回折光とのみ微細凹凸構造２０を介して入射光が作用するが、高さＨが高い場合には、平均ピッチＰａｖによって定まる回折モードの群の中の、より多くの回折モードと入射光は相互作用をする。つまり、高さＨが高い程、入射光と微細凹凸構造２０の相互作用は、振る舞いとしてはより散乱的になる。高さＨが大きい程、多くのモードと相互作用するが、この中には、取出しに寄与しないモードも含まれている。ゆえに散乱的であればロスが生じる。一方、高さＨが低いと微細凹凸構造２０の体積変化が小さいために、回折効率が低下する。平均ピッチＰａｖによって定まる回折モードの群の中から限られたモードの回折光とのみ微細凹凸構造２０を介して入射光が作用するので、導波モードを崩しにくくなる。
【００９８】
続いて、デューティが内部量子効率ＩＱＥと光取り出し効率ＬＥＥの向上に寄与する理由を説明する。
【００９９】
デューティが大きいと凸部の体積は大きくなる。このため、微細凹凸構造２０に入射する光に対して、回折せずに反射、あるいは透過する０次光の強度を下げ、０次光以外の強度、回折光にまわる強度を上げる。これによって、平均ピッチＰａｖで定まる回折モード群の中から光取り出しに寄与するモードが強度を持つように高さＨを設定した上で、その強度を、デューティを調整することで、より効果的に回折で導波モードを崩すことが可能となる。
【０１００】
上述の２つのパラメータ、凸部の高さ及び凸部のデューティにより、面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比及び凸部アスペクト比に好ましい範囲があることがわかる。これを整理したものが上記（２）及び（３）の範囲となる。
【０１０１】
微細凹凸構造２０の面内平均高さＨａｖは、第１半導体層３０中での発光光の波長λの０．１２倍以上がより好ましく、０．１５倍以上がさらに好ましい。また、０．９倍以下がより好ましく、０．８倍以下がさらに好ましい。
【０１０２】
なお、面内平均高さＨａｖと第１半導体層３０中での発光光の波長λとの比（Ｈａｖ／λ）は、発光光の真空波長λ０及び第１半導体層３０の屈折率ｎを用いて、Ｈａｖ＊ｎ／λ０で表すこともできる。
【０１０３】
また、アスペクト比が大きいことは高さＨが大きい、つまり多くの回折モードが立ち、結果として光取り出しに寄与するモードが立ち易くなる。このためアスペクト比は０．２５以上がより好ましく、０．３以上がさらに好ましい。しかしながら、アスペクト比が大きすぎる、つまり凸部が高すぎる場合、過剰に散乱されて好ましくない。この点から、アスペクト比は０．９以下がより好ましく、０．８５以下がさらに好ましい。
【０１０４】
光学基材１０に設けられる微細凹凸構造２０は、複数の凸部或いは凹部から構成される。微細凹凸構造２０は、凸部或いは凹部を有していれば、その形状や配列は限定されず、光取り出し効率ＬＥＥを、内部量子効率ＩＱＥの向上を維持した状態で大きくすることができる。このため、例えば、複数の柵状体が配列したラインアンドスペース構造、複数のドット（凸部、突起）状構造が配列したドット構造、複数のホール（凹部）状構造が配列したホール構造等を採用できる。ドット構造やホール構造は、例えば、円錐、円柱、四角錐、四角柱、六角錐、六角柱、多角錐、多角柱、二重リング状、多重リング状等の構造が挙げられる。なお、これらの形状は底面の外径が歪んだ形状や、側面が湾曲した形状を含む。なお、ドット構造とは、複数の凸部が互いに独立して配置された構造である。即ち、各凸部は連続した凹部により隔てられる。なお、各凸部は連続した凹部により滑らかに接続されてもよい。一方、ホール構造とは、複数の凹部が互いに独立して配置された構造である。即ち、各凹部は連続した凸部により隔てられる。なお、各凹部は連続した凸部により滑らかに接続されてもよい。ホール構造は、基材を剥離して薄膜半導体発光素子とする場合、高屈折率である半導体層が凸となり、薄膜半導体発光素子の発光効率を向上させるために、より好ましい。
【０１０５】
微細凹凸構造２０の配列は、正六方配列、正四方配列、準六方配列、準四方配列等を採用できる。さらに、これらの配列を組み合わせた配列を採用することもできる。例えば、正六方配列と正四方配列が交互に並んだ配列や、正六方配列から正四方配列にむけて徐々に変化し、正四方配列から正六方配列へと徐々に戻る配列等が挙げられる。内部量子効率ＩＱＥを向上させる観点からは、正六方配列又は準六方配列を含む配列を採用すると好ましい。ここで準六方配列とは、正六方配列の隣接する凸部間距離（ピッチ）が±２５％以下のずれを生じている配列として定義する。このずれ量は、配列内に渡り均等なずれ量でもよく、ずれ量に分布が設けられていてもよい。
【０１０６】
また、ラインアンドスペース構造、或いはラインアンドスペースを並べたような、連続した凸部が１次元、或いは、２次元配列したものが、配列に加えて、凸部の体積が大きいことから、より効率的に導波モードを崩す回折光を生成させることができ、好ましい。
【０１０７】
図４Ａ〜図４Ｇ及び図５は、本実施の形態に係る半導体発光素子における連続した凸部の配列の例を示す模式図である。図中の実線は、凸部頂部を示している。図４Ａは、ラインアンドスペース構造を示している。また、図４Ｂは、畳配列を示している。図４Ｃは、連続した凸部頂部が直交した構造を示している。図４Ｄは、連続した凸部が、平行四辺形を構成する構造を示している。図４Ｅは、連続した凸部が、三角形を構成する構造を示している。図４Ｆは、ラインアンドスペース構造が、平行からずれた場合を示している。図４Ｇは、異なる長さの連続した凸部が直交する構造を示している。図５は、連続した凸部がカゴメ格子を構成する場合を示している。
【０１０８】
＜微細凹凸構造の形状＞
微細凹凸構造２０の形状は、特に限定されない。単一の凸部側面傾斜角である場合、例えばドット構造であれば円錐形状、より凸部の体積を増加させるために、凸部側面傾斜角は凸部頂部から凸部底部にかけて多段階に変化すると好ましい。例えば、凸部側面が上に膨らんだ変曲点が１つの曲線を描く場合、傾斜角度は２つとなる。このような多段階の傾斜角度を有すことで、微細凹凸構造２０の光回折性による角度、強度の制御が行いやすくなり、光取り出し効率ＬＥＥを向上させることができる。また、成長基材と半導体結晶層の材質により、凸部側面の傾斜角度を、凸部側面に出る結晶面より選定することもできる。
【０１０９】
次に、微細凹凸構造２０の説明に使用する用語について定義する。また、以下の説明では、微細凹凸構造２０が凸部の場合について説明するが、凹部の場合について説明においても、凹部形状は凸部形状が反転したものであるので、特段区別して説明する他は、以下の用語を同様に用いて説明することができる。
【０１１０】
＜ピッチＰ及び平均ピッチＰａｖ＞
図６は、本実施の形態に係る半導体発光素子の第１半導体層を微細凹凸構造が形成された表面側から見た上面図である。微細凹凸構造２０が、複数の凸部２０ａが凹部２０ｂの中に配置されたドット構造である場合、ある凸部Ａ１の中心とこの凸部Ａ１に隣接する凸部Ｂ１−１〜凸部Ｂ１−６の中心との間の距離ＰＡ１Ｂ１−１〜距離ＰＡ１Ｂ１−６を、ピッチＰと定義する。しかし、この図６に示すように、隣接する凸部によりピッチＰが異なる場合は次の手順に従い、平均ピッチＰａｖを決定する。（１）任意の複数の凸部Ａ１，Ａ２…ＡＮを選択する。（２）凸部ＡＭと凸部ＡＭ（１≦Ｍ≦Ｎ）に隣接する凸部（ＢＭ−１〜ＢＭ−ｋ）と、のピッチＰＡＭＢＭ−１〜ＰＡＭＢＭ−ｋを測定する。（３）凸部Ａ１〜凸部ＡＮについても、（２）と同様にピッチＰを測定する。（４）ピッチＰＡ１Ｂ１−１〜ＰＡＮＢＮ−ｋの相加平均値を平均ピッチＰａｖとして定義する。但し、Ｎは５以上１０以下、ｋは４以上６以下とする。なお、ホール構造の場合、上記ドット構造にて説明した凸部２０ａを凹部開口部と読み替えることで、平均ピッチＰａｖを定義することができる。
【０１１１】
また、図７に示すように、微細凹凸構造２０がラインアンドスペース構造の場合、ある凸ラインＡ１の中心線と、この凸ラインＡ１に隣接する凸ラインＢ１−１及び凸ラインＢ１−２の中心線との間の最短距離ＰＡ１Ｂ１−１及び最短距離ＰＡ１Ｂ１−２の相加平均を、ピッチＰと定義する。しかし、この図７に示すように、選択する凸ラインによりピッチＰが異なる場合には、次の手順に従い、平均ピッチＰａｖを決定する。（１）任意の複数の凸ラインＡ１，Ａ２…ＡＮを選択する。（２）凸ラインＡＭと凸ラインＡＭ（１≦Ｍ≦Ｎ）に隣接する凸ライン（ＢＭ−１、ＢＭ−２）と、のピッチＰＡＭＢＭ−１、ＰＡＭＢＭ−２を測定する。（３）凸ラインＡ１〜凸ラインＡＮについても、（２）と同様にピッチＰを測定する。（４）ピッチＰＡ１Ｂ１−１−１〜ＰＡＮＢＮ−２の相加平均値を平均ピッチＰａｖとして定義する。但し、Ｎは５以上１０以下とする。
【０１１２】
＜凸部頂部幅ｌｃｖｔ、凹部開口幅ｌｃｃｔ、凸部底部幅ｌｃｖｂ、凹部底部幅ｌｃｃｂ＞
図８は、微細凹凸構造２０がドット構造の場合の上面図を示している。図８中に示す破線で示す線分は、ある凸部２０ａの中心と該凸部２０ａに最近接する凸部２０ａの中心との距離であり、上記説明したピッチＰを意味する。図８中に示したピッチＰに相当する線分位置における微細凹凸構造２０の断面模式図を示したのが図９Ａ及び図９Ｂである。
【０１１３】
図９Ａに示すように、凸部頂部幅ｌｃｖｔは凸部２０ａの頂面の幅として定義され、凹部開口幅ｌｃｃｔは、ピッチＰと凸部頂部幅ｌｃｖｔと、の差分値（Ｐ−ｌｃｖｔ）として定義される。
【０１１４】
図９Ｂに示すように、凸部底部幅ｌｃｖｂは凸部２０ａの底部の幅として定義され、凹部底部幅ｌｃｃｂは、ピッチＰと凸部底部幅ｌｃｖｂと、の差分値（Ｐ−ｌｃｖｂ）として定義される。
【０１１５】
図１０は、微細凹凸構造２０がホール構造の場合の上面図を示している。図１０中に破線で示す線分は、ある凹部２０ｂの中心と該凹部２０ｂに最近接する凹部２０ｂの中心との距離であり、上記説明したピッチＰを意味する。図１０中に示したピッチＰに相当する線分位置における微細凹凸構造２０の断面模式図を示したのが図１１Ａ及び図１１Ｂである。
【０１１６】
図１１Ａに示すように、凹部開口幅ｌｃｃｔは凹部２０ｂの開口幅として定義され、凸部頂部幅ｌｃｖｔは、ピッチＰと凹部開口幅ｌｃｃｔと、の差分値（Ｐ−ｌｃｃｔ）として定義される。
【０１１７】
図１１Ｂに示すように、凸部底部幅ｌｃｖｂは凸部２０ａの底部の幅として定義され、凹部底部幅ｌｃｃｂは、ピッチＰと凸部底部幅ｌｃｖｂと、の差分値（Ｐ−ｌｃｖｂ）として定義される。
【０１１８】
＜デューティ＞
デューティは、ドット構造の場合、凸部底部幅ｌｃｖｂとピッチＰと、の比率（ｌｃｖｂ／Ｐ）で定義される。一方、ホール構造の場合、凹部底部幅とピッチＰの比率（ｌｃｃｂ／Ｐ）で定義される。
【０１１９】
デューティが小さいことは、凹凸構造の平坦部、即ち凹部底部の平坦面が多いことを示している。これは、結晶成長の点では、核形成が生じやすく有利であるが、光取り出しの面からは、回折が生じず、ただ全反射するだけの平坦部は少ない方が好ましい。この点から、デューティは０．２以上が好ましく、０．３以上がより好ましく、０．５以上が最も好ましい。
【０１２０】
一方、デューティの上限は半導体層の結晶成長から定まる。平坦部の面積が小さすぎると、結晶成長する際の核形成が阻害され、結果として結晶品質が低下してしまう。この点から、デューティは０．９以下が好ましく、０．８３以下がより好ましく、０．７３以下が最も好ましい。
【０１２１】
また、デューティは回折を特徴づける面内平均高さＨａｖにも作用する。独立した凸部、或いは凹部の配列であるドット構造、ホール構造では、デューティは凸部の体積に対して２乗で効くため、ドット状の凸部の配列に対しては、デューティは０．３以上がより好ましく、０．５以上が最も好ましい。上限は、０．９以下が好ましく、０．８以下がより好ましい。
【０１２２】
更に、ラインアンドスペース構造のような連続した凸部を持つ微細凹凸構造では、凸部の体積はデューティに対して線形である。従って、デューティは０．３以上がより好ましく、０．５以上が最も好ましい。上限は、０．８以下が好ましく、０．６以下がより好ましい。
【０１２３】
＜高さＨ＞
微細凹凸構造の高さＨは、凹凸構造の凹部底部の平均位置と凹凸構造の凸部頂点の平均位置と、の最短距離として定義する。平均位置を算出する際のサンプル点数は１０点以上であることが好ましい。
【０１２４】
微細凹凸構造２０の凸部２０ａの高さＨは、好ましいアスペクト比の上限が１であることから、凸部２０ａの高さＨは平均ピッチＰａｖ以下となる。平均ピッチＰａｖ以下の場合、微細凹凸構造２０の屈折率分布が、発光光からみて適切になるため、光取り出し効率ＬＥＥをより向上させることができる。また、凸部２０ａの平坦化に要する半導体層の厚みを薄くできる。ゆえに、半導体発光素子１００の反りを抑制できる。この観点から、微細凹凸構造２０の高さＨは、平均ピッチＰａｖの１倍以下が好ましく、０．７倍以下がより好ましい。
【０１２５】
＜凸部側面傾斜角Θ＞
凸部側面の傾斜角度Θは、上記説明した微細凹凸構造２０の形状パラメータより決定される。特に、凸部頂部から凸部底部に向けて多段階に傾斜角度が変化すると好ましい。例えば、凸部側面が上に膨らんだ変曲点が１つの曲線を描く場合、傾斜角度は２つとなる。このような多段階の傾斜角度を有すことで、微細凹凸構造２０の光回折性による角度、強度の制御が行いやすくなり、光取り出し効率ＬＥＥを向上させることができる。また、成長基材と半導体結晶層の材質により、凸部側面の傾斜角度を、凸部側面に出る結晶面より選定することもできる。
【０１２６】
（相加平均）
ある要素（変量）の分布のＮ個の測定値をｘ１、ｘ２…、ｘｎとした場合に、相加平均値は、次式（３）にて定義される。
【０１２７】
【数２】
2014195069.tif 000004
【０１２８】
相加平均を算出する際のサンプル点数Ｎは、１０以上として定義する。また、標準偏差算出時のサンプル点数は、相加平均算出時のサンプル点数Ｎと同様とする。
【０１２９】
ここで、観察に使用する局所的範囲とは、微細凹凸構造２０の平均ピッチの５倍〜５０倍程度の範囲として定義する。例えば、平均ピッチが７００ｎｍであれば、３５００ｎｍ〜３５０００ｎｍの観察範囲の中で観察を行う。そのため、例えば７５００ｎｍの視野像を撮像し、該撮像を使用して相加平均を求める。
【０１３０】
光学基材１０上に設けられる微細凹凸構造２０の形状について説明する。
微細凹凸構造２０の凸部頂部幅ｌｃｖｔと凹部開口幅ｌｃｃｔと、の比率（ｌｃｖｔ／ｌｃｃｔ）は、小さい程好ましく、実質的に０であると最も好ましい。なお、ｌｃｖｔ／ｌｃｃｔ＝０とは、ｌｃｖｔ＝０ｎｍであることを意味する。しかしながら、例えば、走査型電子顕微鏡によりｌｃｖｔを測定した場合であっても、０ｎｍは正確には計測できない。よって、ここでのｌｃｖｔは測定分解能以下の場合全てを含むものとする。比率（ｌｃｖｔ／ｌｃｃｔ）が３以下であると、内部量子効率ＩＱＥを効果的に向上させることができる。これは、凸部頂部上から発生する転位が抑制され、転位の分散性が向上し、微視的及び巨視的な転位密度が低下するためである。さらに、（ｌｃｖｔ／ｌｃｃｔ）が１以下であることにより、光取り出し効率ＬＥＥを向上させることができる。これは光学基材１０と半導体結晶層により作られる微細凹凸構造２０の屈折率分布が、発光光からみて適切になるためである。上記説明した内部量子効率ＩＱＥ及び光取り出し効率ＬＥＥを共に大きく向上させる観点から、（ｌｃｖｔ／ｌｃｃｔ）は、０．４以下が好ましく、０．２以下がより好ましく、０．１５以下がさらに好ましい。
【０１３１】
また、微細凹凸構造２０の凹部２０ｂの底部が平坦面を有すると、内部量子効率ＩＱＥを向上させると共に、半導体結晶成膜装置間の差を小さくできるため好ましい。ＬＥＤ素子において内部量子効率ＩＱＥを向上させるためには、半導体結晶層内部の転位を分散化し、局所的及び巨視的な転位密度を減少させる必要がある。ここで、これらの物理現象の初期条件は、半導体結晶層を化学蒸着（ＣＶＤ）により成膜する際の核生成及び核成長である。微細凹凸構造２０の凹部２０ｂの底部に平坦面を有すことで、核生成を好適に生じさせることが可能となるため、微細凹凸構造２０の密度による半導体結晶層内の転位低減効果をより発現させることが可能となる。結果、内部量子効率ＩＱＥをより大きくすることができる。加えて、転位が低減されることから、半導体結晶中にクラックが入り難くなる。
【０１３２】
以上の観点から、微細凹凸構造２０の凸部底部幅ｌｃｖｂと凹部底部幅ｌｃｃｂと、の比率（ｌｃｖｂ／ｌｃｃｂ）は、５以下であると好ましい。特に、微細凹凸構造２０の凹部底部を基準面とした半導体結晶層の成長をより促進する観点から、（ｌｃｖｂ／ｌｃｃｂ）は２以下がより好ましく、１以下が最も好ましい。
【０１３３】
一方、電子注入効率ＥＩＥの向上と光取り出し効率ＬＥＥの向上を同時に満たすために、微細凹凸構造２０の凹部底部の平坦面は０に漸近すると好ましい。ＬＥＤ素子において電子注入効率ＥＩＥを向上させるためには、比表面積を効果的に増大させ、コンタクト抵抗を減少させる必要がある。一方で、光取り出し効率ＬＥＥを向上させるためには、導波モードを効果的に乱す必要がある。以上の観点から、微細凹凸構造２０の凸部底部幅ｌｃｖｂと凹部底部幅ｌｃｃｂと、の比率（ｌｃｖｂ／ｌｃｃｂ）は、０．３３以上であると好ましい。特に、比表面積を増大させると共に、散乱性を向上させる観点から、（ｌｃｖｂ／ｌｃｃｂ）は０．６以上がより好ましく、３以上が最も好ましい。
【０１３４】
さらに、凸部頂部幅ｌｃｖｔは凸部底部幅ｌｃｖｂよりも小さい形状であると、上記説明した比率（ｌｃｖｔ／ｌｃｃｔ）及び比率（ｌｃｖｂ／ｌｃｃｂ）を同時に満たすことが容易となり、このため、既に説明したメカニズムにより、内部量子効率ＩＱＥ或いは電子注入効率ＥＩＥと、光取り出し効率ＬＥＥと、を同時に大きくすることができる。
【０１３５】
また、微細凹凸構造２０は、ドット構造であると凸部頂部幅ｌｃｖｔ及び凸部底部幅ｌｃｖｂの制御が容易となり、比率（ｌｃｖｔ／ｌｃｃｔ）及び比率（ｌｃｖｂ／ｌｃｃｂ）同時に満たすことが容易となり、このため、既に説明したメカニズムにより、内部量子効率ＩＱＥ或いは電子注入効率ＥＩＥと、光取り出し効率ＬＥＥと、を同時に大きくすることができる。
【０１３６】
次に、半導体発光素子１００を構成する各層の材質等について説明する。本実施の形態に係る半導体発光素子１００は、光学基材１０の表面に設けられた微細凹凸構造２０が前記範囲を満たす形状であることで、内部量子効率ＩＱＥ及び光取り出し効率ＬＥＥの両者を向上させた半導体発光素子となるため、この効果を発揮する限り、各半導体層の材料、状態、層数又は厚み、電極の材料、層数、配置又は厚み、発光半導体層の材料、層数、又は厚み、成長基材の材料、面方位又は厚み等は適宜選択することができ、特に限定されない。
【０１３７】
図１に示すように、表面に微細凹凸構造２０を具備した光学基材１０の、微細凹凸構造２０上に第１半導体層３０、発光半導体層４０及び第２半導体層５０が順次積層され、半導体発光素子１００を構成する。ここで、発光半導体層４０にて発生した発光光を第２半導体層５０側又は光学基材１０から取り出すことを特徴とする。さらに、第１半導体層３０と第２半導体層５０と、は互いに異なる半導体層である。ここで、第１半導体層３０は、微細凹凸構造２０を平坦化すると好ましい。第１半導体層３０が微細凹凸構造２０を平坦化するように設けられることにより、第１半導体層３０の半導体としての性能を、発光半導体層４０及び第２半導体層５０へ、と反映させることができるため、内部量子効率ＩＱＥが向上する。また、第１半導体層３０は非ドープ第１半導体層３１とドープ第１半導体層３２とから構成されてもよい。
【０１３８】
さらに、第１半導体層３０に続いて、発光半導体層４０及び第２半導体層５０を積層する。その後に、半導体発光素子１００の第２半導体層５０上に透明導電膜６０を、透明導電膜６０の表面にアノード電極７０を、そして第１半導体層３０表面にカソード電極８０を、それぞれ設けることができる。透明導電膜６０、アノード電極７０及びカソード電極８０の配置は、半導体発光素子により適宜最適化できるため限定されないが、一般的に図１に例示するように設けられる。
【０１３９】
・第１半導体層３０
第１半導体層３０としては、半導体発光素子（ＬＥＤ）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。
【０１４０】
第１半導体層３０と微細凹凸構造２０とは、第１半導体層３０内部の転位低減の観点から適宜組み合わせることができる。微細凹凸構造２０の凹部２０ｂの底部の有す平坦面と、第１半導体層３０の安定成長面に対してほぼ平行な面と、が平行である場合、微細凹凸構造２０の凹部２０ｂの近傍における第１半導体層３０の成長モードの乱れが大きくなり、第１半導体層３０内の転位を効果的に微細凹凸構造２０に応じ分散化することができるため、内部量子効率ＩＱＥが向上する。安定成長面とは、成長させる材料において成長速度の最も遅い面のことをさす。
【０１４１】
また、微細凹凸構造２０がナノスケールであることより、第１半導体層３０で微細凹凸構造２０を平坦化するために必要な厚みが薄くなる。このため、発光半導体層４０からの光を吸収する半導体層が薄くなることで、光取り出し効率ＬＥＥのさらなる向上が見込まれると共に、第１半導体層３０並びにその上に順次積層される発光半導体層４０及び第２半導体層５０の反りを抑制することが可能となり、従来よりも大面積の半導体発光素子とすることができる。このため、第１半導体層３０の厚みは、５μｍ以下が好ましく、４μｍ以下がより好ましく、３．５μｍ以下がさらに好ましく、２．５μｍ以下がいっそう好ましく、１．５μｍ以下が最も好ましい。
【０１４２】
・発光半導体層４０
発光半導体層４０としては、半導体発光素子（ＬＥＤ）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、発光半導体層４０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、発光半導体層４０には、適宜、特性に応じて種々の元素をドープしてもよい。
【０１４３】
・第２半導体層５０
第２半導体層５０としては、半導体発光素子（ＬＥＤ）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。
【０１４４】
なお、本実施の形態に係る半導体発光素子１００において、第１半導体層３０、発光半導体層４０及び第２半導体層５０には、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族系半導体を用いることが好ましい。
【０１４５】
また、第１半導体層３０、発光半導体層４０及び第２半導体層５０には、ＧａＮ系半導体を用いることが好ましい。ＧａＮ系は、Ｉｎ等の不純物ドープによってバンドギャップを比較的容易に変えることができ、好ましい。また、バンドギャップが大きく、青から紫外まで発光波長領域が広いために、より幅広い蛍光体を励起できるため、好ましい。
【０１４６】
・光学基材１０
光学基材１０の材質は、半導体発光素子用基板として使用できるものであれば特に制限はない。サファイア、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＧａＮ、Ｗ−Ｃｕ、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等の基板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基板、Ｓｉ基板、スピネル基板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、これらを用いた基板本体上に別の基板を設けたヘテロ構造の基板としてもよい。例えば、光学基材１０に、Ｃ面（０００１）を主面とするサファイア基板を用いることができる。
【０１４７】
特にサファイア基板を用いる場合、ｃ面に対して０度超α度以下の傾斜、即ちオフセット角度を有する基板であることが好ましい。
【０１４８】
サファイア基板が上述の（１）〜（３）の条件を満たす微細凹凸構造２０を有し、且つ前記範囲のオフセット角度を有することによって、第１半導体層成膜時の欠陥発生が抑制され、内部量子効率ＩＱＥの更なる向上が可能となる。これは以下の理由と推測される。
【０１４９】
一般に、エピタキシャル成長に用いられるサファイア基板は研磨され、原子数個レベルでの平滑性を有している。ｃ面の基板においては、基板の法線からのｃ軸の傾きがオフセット角度αである。オフセット角度αを有する基板は、テラスとステップを有している。
【０１５０】
サファイア基板がオフセット角度αを有す場合、基板を所定の条件(ガス流量、ガス圧力、プラズマ出力)でエッチングすることにより、エピタキシャル成長に適した平坦性を有する基板を得ることができる。このとき、凹凸構造の平坦部、つまり凹部底部の平坦面には、オフセット角度によって定まるテラスとステップが形成されているものと推察される。
【０１５１】
図１２は、本実施の形態に係るオフセット角度を有するサファイア基板を示す断面模式図である。オフセット角度αを有するサファイア基板１０は、通常原子一層分の高さのシングルステップを形成し、オフセット角度αにより所定のステップ高さＳとテラス幅Ｗをもつ。サファイア基板の場合、シングルステップの高さはおよそ０．２ｎｍである。ステップ高さＳはサファイア基板１０の平坦度から上限があり、シングルステップの高さの数倍程度と推察される。テラス幅Ｗ、オフセット角度α、ステップ高さＳは、次式（４）で表される。
【０１５２】
【数３】
2014195069.tif 000005
【０１５３】
図１３及び図１４は、オフセット角度及び微細凹凸構造を有するサファイア基板を説明する説明図である。なお、Ｐ、ｌｃｖｂ、ｌｃｃｂの記号は、図９Ｂを参照して説明した通りである。サファイア基板１０上にドット構造の微細凹凸構造２０を設けた場合、ステップ高さＳは原子数層分であることから、オフセット角度αが非常に小さいと、テラス幅Ｗが凹部底部幅ｌｃｃｂより大きくなることがある（図１３）。このとき、凹部底部幅ｌｃｃｂの範囲にステップが無いため、あたかもオフセット角度αが０度の基板と同じように振る舞ってしまうことが推測される。従って、テラス幅Ｗが凹部底部幅ｌｃｃｂよりも小さくなるようなオフセット角度αであれば（図１４）、凹部底部におけるステップによって欠陥発生が好適に抑制され、内部量子効率ＩＱＥがさらに向上する。なお、図１３及び図１４は、オフセット角度αを有するサファイア基板１０にドット構造の微細凹凸構造２０を適用した例であるが、本発明はこれに限定されるものではない。
【０１５４】
微細凹凸構造２０を設ける際、光取り出し効率ＬＥＥの観点からデューティを大きくすると、微細凹凸構造２０において、平坦部が少なく、即ち凹部底部幅ｌｃｃｂが小さくなったり、基板のエッチング精度がよくないと、ステップ高さＳが大きくなったりする。これらの場合、テラス幅Ｗが凹部底部幅ｌｃｃｂを超えないようにするため、オフセット角度αは０．０５度以上が好ましく、０．１度以上がより好ましい。
【０１５５】
また、平均ピッチＰａｖが小さくなるほど、テラス幅Ｗが凹部底部幅ｌｃｃｂを超えないようにしつつ、面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、アスペクト比、を所望の範囲にすることは難しい。これは、平均面内高さＨａｖ及びアスペクト比の上限を定める高さＨ、凸部底部幅ｌｃｖｂが平均ピッチＰａｖと凹部底部幅ｌｃｃｂにより制限されるためである。このため、テラス幅Ｗと凹部底部幅ｌｃｃｂの大小関係を保ちつつ、面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、アスペクト比、を好ましい範囲にするために、特に平均ピッチＰａｖ５００ｎｍの場合、オフセット角度αは０．２度以上が好ましい。
【０１５６】
一方、オフセット角度αが大きすぎ、同じステップ高さＳでもテラス幅Ｗが小さくなり、微細凹凸構造２０において、平坦部にテラスとステップが多く存在するようになると、結晶成長が阻害され、逆に欠陥を発生させてしまう。そこで、微細凹凸構造２０を設けることによる内部量子効率ＩＱＥの向上が十分に発揮される観点から、オフセット角度αは０．８度以下が好ましく、０．５度以下がより好ましい。
【０１５７】
また、光学基材１０は、少なくとも第１半導体層３０を積層した後の工程において除去してもよい。光学基材１０を除去することにより、導波モードの乱し効果が大きくなるため、光取り出し効率ＬＥＥが大きく向上する。この場合、半導体発光素子１００の発光光の出光面は、発光半導体層４０からみて第１半導体層３０側であると好ましい。
【０１５８】
このとき、光学基材１０上のナノスケールの凹凸構造が反転した微細パターンが、第１半導体層３０の剥離面に形成されるが、半導体層の微細パターンと、光学基材１０が有する凹凸構造とは完全に同一となる必要はない。即ち、光学基材１０を半導体層から剥離した際に、凹凸構造の一部が微細パターン内に部分的に残留していても、微細パターンの一部が凹凸構造内に部分的に残留していてもよい。このような場合であっても、内部量子効率ＩＱＥ及び光取り出し効率ＬＥＥの両立という本発明の効果は問題なく発揮される。
【０１５９】
なお、上述の光学基材１０の剥離には、レーザー光を利用したリフトオフや、光学基材の全溶解或いは部分溶解を用いることができる。特に、溶解による除去が剥離面に形成されるパターンの精度の点から、好ましい。
【０１６０】
本実施の形態に係る光学基材においては、透明導電膜の材質は、ＬＥＤ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、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、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。
【０１６１】
・その他の凹凸構造
図１に示すように、半導体発光素子１００においては、光学基材１０と第１半導体層３０との間に微細凹凸構造２０が設けられているが、図１５に示すように、別の凹凸構造をさらに設けることができる。図１５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概略図である。図１５に示すように、半導体発光素子８００に、別に設けられる凹凸構造としては、以下のものが挙げられる。
・アノード電極７０の表面とカソード電極８０の表面に設けられる凹凸構造８０１
・アノード電極７０と透明導電膜６０との間、或いはカソード電極８０と第１半導体層３０の間に設けられる凹凸構造８０２
・透明導電膜６０の表面に設けられる凹凸構造８０３
・第２半導体層５０と透明導電膜６０との間に設けられる凹凸構造８０４
・第１半導体層３０、発光半導体層４０、第２半導体層５０、及び透明導電膜６０の側面に設けられる凹凸構造８０５
・光学基材１０の半導体積層体面と対向した面に設けられる凹凸構造８０６
【０１６２】
上述のように、微細凹凸構造２０の他に、さらに凹凸構造８０１〜８０６の少なくともいずれか１つを設けることにより、以下に説明する各凹凸構造８０１〜８０６に応じた効果を発現することができる。
【０１６３】
凹凸構造８０１を設けることにより、配線時の接触面積が大きくなり、剥離が抑制される。さらに、電子注入効率ＥＩＥを大きくすることができる。
【０１６４】
凹凸構造８０２を設けることにより、アノード電極７０と透明導電膜６０の接触面積、或いはカソード電極８０と第１半導体層３０の接触面積が増加するため、電子注入効率ＥＩＥを改善することができ、外部量子効率ＥＱＥを向上させることができる。
【０１６５】
凹凸構造８０３を設けることにより、高屈折率である透明導電膜６０と空気の界面においても導波モードが崩され易くなるために、光取り出し効率ＬＥＥを向上させることができる。
【０１６６】
凹凸構造８０４を設けることにより、第２半導体層５０中の導波モードが乱され易くなり、光取り出し効率ＬＥＥを向上させることができる。さらに、第２半導体層５０と透明導電膜６０との接触面積を大きくすることができるため電子注入効率ＥＩＥを大きくすることができる。
【０１６７】
凹凸構造８０５を設けることにより、第１半導体層３０、発光半導体層４０及び第２半導体層５０の側面より出光する発光光量を増加させることができるため、導波モードにて減衰消失する発光光割合を低減できる。このため、光取り出し効率ＬＥＥが向上し、外部量子効率ＥＱＥを大きくすることができる。
【０１６８】
凹凸構造８０６を設けることにより、光学基材１０の裏面においても、空気に対して高屈折率である光学基材１０中の導波モードを乱すことができ、光取り出し効率ＬＥＥを向上させることができる。これは、特にフリップチップ型で有利である。
【０１６９】
上記凹凸構造８０１〜８０６としては、上記説明した微細凹凸構造２０の形状、配列、大きさ等を採用することができ、これにより微細凹凸構造２０に応じた効果（電子注入効率ＥＩＥの向上、光取り出し効率ＬＥＥの向上、半導体発光素子８００の大面積化、電極剥離の抑制）を発現することができる。
【０１７０】
上記凹凸構造８０１〜８０６を形成するために、公知のエッチング法を用いることができる。このような形式のエッチング法は、例えば湿式化学的なエッチング又は乾式エッチングである。このようなエッチング法として、反応性のイオンエッチング、イオンビームエッチング又は化学的に補助されたイオンビームエッチングが挙げられる。
【０１７１】
次に、本実施の形態に係る半導体発光素子１００の製造方法の各工程について説明する。
【０１７２】
・光学基材準備工程
光学基材１０は、上記説明した微細凹凸構造２０を形成することができれば、その作製方法は限定されず、転写法、フォトリソグラフィ法、熱リソグラフィ法、電子線描画法、干渉露光法、ナノ粒子をマスクとしたリソグラフィ法、自己組織化構造をマスクとしたリソグラフィ法等により作製することができる。特に、光学基材１０の微細凹凸構造２０の加工精度や加工速度の観点から、転写法を採用すると好ましい。
【０１７３】
本明細書における転写法とは、表面にテクスチャーを具備したモールドの、テクスチャーを被処理体（凹凸構造を作製する前の光学基材）に転写する工程を含む方法として定義する。即ち、モールドのテクスチャーと被処理体と、を転写材を介し貼合する工程と、モールドを剥離する工程と、を少なくとも含む方法である。より具体的に、転写法は２つに分類することができる。第１に、被処理体に転写付与された転写材を永久剤として使用する場合である。この場合、光学基材本体と微細凹凸構造とを構成する材料は異なることとなる。また、微細凹凸構造は永久剤として残り、半導体発光素子として使用されることを特徴とする。半導体発光素子は、数万時間と長期に渡り使用することから、転写材を永久剤として使用する場合、転写材を構成する材料は、金属元素を含むと好ましい。特に、加水分解・重縮合反応を生じる金属アルコキシドや、金属アルコキシドの縮合体を原料に含むことにより、永久剤としての性能が向上するため好ましい。第２に、ナノインプリントリソグラフィ法が挙げられる。ナノインプリントリソグラフィ法は、モールドのテクスチャーを被処理体上に転写する工程と、エッチングにより被処理体を加工するためのマスクを設ける工程と、被処理体をエッチングする工程と、を含む方法である。例えば、転写材を１種類用いる場合、まず被処理体とモールドとを、転写材を介し貼合する。続いて、熱や光（ＵＶ）により転写材を硬化させ、モールドを剥離する。転写材から構成される凹凸構造に対して酸素アッシングに代表されるエッチングを行い、被処理体を部分的に露出させる。その後、転写材をマスクとして、エッチングにより被処理体を加工する。この際の加工方法としては、ドライエッチングとウェットエッチングを採用できる。凹凸構造の高さを高くしたい場合はドライエッチングが有用である。また、例えば転写材を２種類用いる場合、まず被処理体上に第１転写材層を成膜する。続いて、第１転写材層とモールドとを、第２転写材を介して貼合する。その後、熱や光（ＵＶ）により転写材を硬化させ、モールドを剥離する。第２転写材から構成される凹凸構造に対して酸素アッシングに代表されるエッチングを行い、第１転写材を部分的に露出させる。続いて、第２転写材層をマスクとして、第１転写材層をドライエッチングによりエッチングする。その後、転写材をマスクとして、エッチングにより被処理体を加工する。この際の加工方法としては、ドライエッチングとウェットエッチングを採用できる。微細凹凸構造の高さを高くしたい場合はドライエッチングが有用である。
【０１７４】
以上説明したように、転写法を採用することで、モールドのテクスチャーを被処理体に反映させることができるため、良好な光学基材１０を得ることができる。
【０１７５】
インプリントモールドの材質は特に限定されず、非フレキシブルなガラス、石英、サファイア、ニッケルや、フレキシブルな樹脂を使用することができる。中でも、フレキシブルなモールドを使用することで、モールドのテクスチャーの転写精度が向上し、且つ、光学基材１０が有する微細凹凸構造２０の精度が向上するため、好ましい。
【０１７６】
・半導体層及び透明導電膜積層工程
光学基材１０の微細凹凸構造２０上に、第１半導体層３０、発光半導体層４０、第２半導体層５０及び透明導電膜６０を順次成膜する。各半導体層の形成方法は、特に限定されないが、周知の有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等によって形成することができる。
【０１７７】
微細凹凸構造２０がナノスケールの構造であるために、第１半導体層３０を平坦化するために有する膜厚を薄くすることができる。これは、従来手法よりも製造時間及びコストが低減されることを意味している。ＬＥＤ製造においては、半導体結晶層成膜工程である（ＭＯ）ＣＶＤ工程が律速であり、スループットを低下させ、且つ材料コストを押し上げている。半導体結晶量を低減できることは、（ＭＯ）ＣＶＤ工程のスループット性を向上させると共に、使用材料を低減させることを意味するため、製造上重要な要件となる。
【０１７８】
・電極形成工程
露出した第１半導体層３０の表面（剥離面）に第２電極層９０を形成する。第２電極層９０の材料は、第１半導体層３０に対して低抵抗にコンタクトをとることができる材料であればよい。第２電極層９０はパッド部のみからなる構造であってもよいが、パッド部に連続する格子状、放射状等の配線状パターンの配線電極を設け、素子面方向の電流拡散性を向上させるようにしてもよい。また、第１半導体層３０と第２電極層９０との間にＩＴＯ等の透明電極を設けた場合、接触面積の増大により大面積のＬＥＤが作成可能となると共に、電流拡散性を向上させることで電子注入効率ＥＩＥの改善が見込まれる。
【０１７９】
・裁断工程
レーザースクライプやレーザーダイサ等を用いて、発光素子単位に分断する個変化処理を行う。
【実施例】
【０１８０】
以下、本発明の効果を確認するために行った実施例について説明する。以下の説明において使用する記号は、以下の意味を示す。
・ＤＡＣＨＰ…フッ素含有ウレタン（メタ）アクリレート（ＯＰＴＯＯＬ  ＤＡＣ  ＨＰ（ダイキン工業社製））
・Ｍ３５０…トリメチロールプロパン（ＥＯ変性）トリアクリレート（東亞合成社製  Ｍ３５０）
・Ｉ．１８４…１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン（ＢＡＳＦ社製  Ｉｒｇａｃｕｒｅ（登録商標）  １８４）
・Ｉ．３６９…２−ベンジル−２−ジメチルアミノ−１−（４−モルフォリノフェニル）−ブタノン−１（ＢＡＳＦ社製  Ｉｒｇａｃｕｒｅ（登録商標）  ３６９）
・ＴＴＢ…チタニウム（ＩＶ）テトラブトキシドモノマー（和光純薬工業社製）
・ＳＨ７１０…フェニル変性シリコーン（東レ・ダウコーニング社製）
・３ＡＰＴＭＳ…３−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン（ＫＢＭ５１０３（信越シリコーン社製））
・ＤＩＢＫ…ジイソブチルケトン
・ＭＥＫ…メチルエチルケトン
・ＭＩＢＫ…メチルイソブチルケトン
・ＤＲ８３３…トリシクロデカンジメタノールジアクリレート（ＳＲ８３３（ＳＡＲＴＯＭＥＲ社製））
・ＳＲ３６８…トリス（２−ヒドロキシエチル）イソシアヌレートトリアクリレート（ＳＲ８３３（ＳＡＲＴＯＭＥＲ社製）
【０１８１】
（実施例）
表面に微細凹凸構造を具備する光学基材を作製し、光学基材上に第１半導体層、発光半導体層及び第２半導体層を順次積層し、半導体発光素子（ＬＥＤ）を作製し、ＬＥＤの効率を比較した。この時、微細凹凸構造の配列や形状を変化させた。
【０１８２】
以下の検討においては、表面に微細凹凸構造を具備する光学基材を作製するために、まず（１）円筒状マスターモールドを作製し、（２）円筒状マスターモールドに対して光転写法を適用して、リール状樹脂モールドを作製した。（３）その後、リール状樹脂モールドを光学基材のナノ加工用部材（ナノ加工用フィルム）へと加工した。続いて、（４）ナノ加工用フィルムを使用し、光学基材上にマスクを形成し、得られたマスクを介してドライエッチングを行うことで、表面に微細凹凸構造を具備した光学基材を作製した。（５）光学基材上に各半導体層を積層し、透明導電膜を蒸着した。最後に、（６）電極を取り付けて性能を評価した。
【０１８３】
（１）円筒状マスターモールドの作製
半導体レーザーを用いた直接描画リソグラフィ法により円筒状石英ガラスの表面に、テクスチャーを形成した。まず円筒状石英ガラス表面上に、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、φ３インチのＣｕＯ（８ａｔｍ％Ｓｉ含有）を用いて、ＲＦ１００Ｗの電力で実施し、２０ｎｍのレジスト層を成膜した。その後、一度円筒状石英ガラスの全面を露光した。続いて、円筒状石英ガラスを回転させながら、波長４０５ｎｍ半導体レーザーを用い露光を行った。次に、露光後のレジスト層を現像した。レジスト層の現像は、０．０３ｗｔ％のグリシン水溶液を用いて、２４０秒間処理とした。次に、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（石英ガラス）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ＳＦ６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。最後に、表面にテクスチャーが付与された円筒状石英ガラスから、レジスト層残渣のみを、ｐＨ１の塩酸を用い剥離した。剥離時間は６分間とした。
【０１８４】
得られた円筒状石英ガラスのテクスチャーに対し、フッ素系離型剤であるデュラサーフ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時間静置し固定化した。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、円筒状マスターモールドを得た。
【０１８５】
（２）リール状樹脂モールドの作製
作製した円筒状マスターモールドを鋳型とし、光ナノインプリント法を適用し、連続的にリール状樹脂モールドＧ１を作製した。続いて、リール状樹脂モールドＧ１をテンプレートとして、光ナノインプリント法により、連続的にリール状樹脂モールドＧ２を得た。
【０１８６】
ＰＥＴフィルムＡ−４１００（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５μｍになるように以下に示す材料１を塗布した。次いで、円筒状マスターモールドに対し、材料１が塗布されたＰＥＴフィルムをニップロールで押し付け、大気下、温度２５℃、湿度６０％で、ランプ中心下での積算露光量が１５００ｍＪ／ｃｍ２となるように、フュージョンＵＶシステムズ・ジャパン株式会社製ＵＶ露光装置（Ｈバルブ）を用いて紫外線を照射し、連続的に光硬化を実施し、表面にテクスチャーが転写されたリール状樹脂モールドＧ１（長さ２００ｍ、幅３００ｍｍ）を得た。
【０１８７】
次に、リール状樹脂モールドＧ１をテンプレートとして見立て、光ナノインプリント法を適用し連続的に、リール状樹脂モールドＧ２を作製した。
【０１８８】
ＰＥＴフィルムＡ−４１００（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、材料１を塗布膜厚３μｍになるように塗布した。次いで、リール状樹脂モールドＧ１のテクスチャー面に対し、材料１が塗布された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１２００ｍＪ／ｃｍ２となるように、フュージョンＵＶシステムズ・ジャパン株式会社製ＵＶ露光装置（Ｈバルブ）を用いて紫外線を照射し、連続的に光硬化を実施し、表面にテクスチャーが転写されたリール状樹脂モールドＧ２（長さ２００ｍ、幅３００ｍｍ）を複数得た。
材料１…  ＤＡＣＨＰ：Ｍ３５０：Ｉ．１８４：Ｉ．３６９＝１７．５ｇ：１００ｇ：５．５ｇ：２．０ｇ
【０１８９】
（３）ナノ加工用フィルムの作製
リール状樹脂モールドＧ２のテクスチャー面に対して、下記材料２の希釈液を塗工した。続いて、材料２をテクスチャー内部に内包するリール状樹脂モールドＧ２のテクスチャー面上に、下記材料３の希釈液を塗工し、ナノ加工用フィルムを得た。
材料２…ＴＴＢ：３ＡＰＴＭＳ：ＳＨ７１０：Ｉ．１８４：Ｉ．３６９＝６５．２ｇ：３４．８ｇ：５．０ｇ：１．９ｇ：０．７ｇ
材料３…Ｂｉｎｄｉｎｇｐｏｌｙｍｅｒ：ＳＲ８３３：ＳＲ３６８：Ｉ．１８４：Ｉ．３６９＝７７．１ｇ：１１．５ｇ：１１．５ｇ：１．４７ｇ：０．５３ｇ
Ｂｉｎｄｉｎｇｐｏｌｙｍｅｒ…ベンジルメタクリレート８０質量％、メタクリル酸２０質量％の２元共重合体のメチルエチルケトン溶液（固形分５０％、重量平均分子量５６０００、酸当量４３０、分散度２．７）
【０１９０】
（２）リール状樹脂モールドの作製と同様の装置を使用し、ＰＧＭＥにて希釈した材料２を、リール状樹脂モールドＧ２のテクスチャー面上に直接塗工した。ここで、希釈濃度は、単位面積当たりの塗工原料（ＰＧＭＥにて希釈した材料２）中に含まれる固形分量が、単位面積当たりのテクスチャーの体積よりも２０％以上小さくなるように設定した。塗工後、８０℃の送風乾燥炉内を５分間かけて通過させ、材料２をテクスチャー内部に内包するリール状樹脂モールドＧ２を巻き取り回収した。
【０１９１】
続いて、材料２をテクスチャー内部に内包するリール状樹脂モールドＧ２を巻き出すと共に、（２）リール状樹脂モールドの作製と同様の装置を使用し、ＰＧＭＥ及びＭＥＫにて希釈した材料３を、テクスチャー面上に直接塗工した。ここで、希釈濃度は、テクスチャー内部に配置された材料２と塗工された材料３の界面と、材料３の表面と、の距離が４００ｎｍ〜８００ｎｍになるように設定した。塗工後、８０℃の送風乾燥炉内を５分間かけて通過させ、材料３の表面にポリプロピレンから成るカバーフィルムを合わせ、巻き取り回収した。
【０１９２】
（４）成長基材のナノ加工
作製したナノ加工用フィルムを使用し、成長基材の加工を試みた。成長基材としてはｃ面サファイア基板を使用した。なお、サファイア基板のオフセット角度は０度、０．０５度、０．１度、０．２度、０．５度、０．８度、１度の７種類を用意した。
【０１９３】
サファイア基板に対しＵＶ−Ｏ３処理を５分間行い、表面のパーティクルを除去すると共に、親水化した。続いて、ナノ加工用フィルムの材料３表面を、サファイア基材に対して貼合した。この時、サファイア基板を８０℃に加温した状態で貼合した。続いて、高圧水銀灯光源を使用し、積算光量が１２００ｍＪ／ｃｍ２になるように、リール状樹脂モールドＧ２越しに光照射した。その後、リール状樹脂モールドＧ２を剥離した。
【０１９４】
得られた積層体（材料２／材料３／基板からなる積層体）の材料２面側より酸素ガスを使用したエッチングを行い、材料２をマスクとして見立て材料３をナノ加工し、サファイア基板表面を部分的に露出させた。酸素エッチンングとしては、圧力１Ｐａ、電力３００Ｗの条件にて行った。続いて、材料２面側からＢＣｌ３ガスを使用した反応性イオンエッチングを行い、サファイア基板をナノ加工した。ＢＣｌ３を使用したエッチングは、ＩＣＰ：１５０Ｗ、ＢＩＡＳ：５０Ｗ、圧力０．２Ｐａにて実施し、反応性イオンエッチング装置（ＲＩＥ−１０１ｉＰＨ、サムコ株式会社製）を使用した。
【０１９５】
最後に、硫酸及び過酸化水素水を２：１の重量比にて混合した溶液にて洗浄し、微細凹凸構造を表面に具備するサファイア基材を得た。なお、サファイア基板上に作製される微細凹凸構造の形状は、主に、ナノ加工用フィルムの材料２の充填率と材料３の膜厚により制御した。
【０１９６】
サファイア基板の表面に作製された微細凹凸構造の形状は、円筒状マスターモールドに作製したテクスチャーの形状、樹脂モールドを製造する際のニップ圧条件、ドライエッチングの処理条件により適宜制御した。
【０１９７】
（５）半導体発光素子の作製
得られたサファイア基板上に、バッファー層としてＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）の低温成長バッファー層を１００Å成膜した。次に、非ドープ第１半導体層３１として、アンドープのＧａＮを成膜し、ドープ第１半導体層として、ＳｉドープのＧａＮを成膜した。続いて歪吸収層を設け、その後発光半導体層４０として、多重量子井戸の活性層（井戸層、障壁層＝アンドープのＩｎＧａＮ、ＳｉドープのＧａＮ）をそれぞれの膜厚を（６０Å、２５０Å）として井戸層が６層、障壁層が７層となるように交互に積層した。発光半導体層上に、第２半導体層として、エレクトロブロッキング層を含むようにＭｇドープのＡｌＧａＮ、アンドープのＧａＮ、ＭｇドープのＧａＮを積層した。続いて、ＩＴＯを成膜し、エッチング加工した後に電極部として電極パッドを取り付けた。この状態で、プローバを用いてｐ電極パッドとｎ電極パッドの間に２０ｍＡの電流を流し発光出力を測定した。なお、出射指向性については、電極部の位置を変えて作成し、回折方位角に電極が入らないように配置できるか、配光測定装置で測定し、評価した。回折方位角を避けるように電極を設けることができた場合を○、出光分布がやや散乱的であり、回折方位角を避けるように電極を設けても、一部が電極にかかり、電極部の影が薄く観測された場合を△、出光分布が散乱的であり、回折方位角を避けるように電極を設けることができず、電極部が影となる場合を×とした。また、発光出力比は表１の比較例３に記載の凹凸構造を具備しないサファイア基板を使用した場合の出力を１とし評価した。
【０１９８】
なお、表１に記載の比較例３は、微細凹凸構造を具備しない平坦なサファイア基板を使用し半導体発光素子を製造した場合である。
【０１９９】
実施例においては、内部量子効率ＩＱＥを向上させるために、ドット状の凸部を有する、或いはラインアンドスペース構造、からなる微細凹凸構造を具備するサファイア基板を用いた。ゆえに、走査型電子顕微鏡で、微細凹凸構造を観察すると、複数の凸部を有していた。一つの凸部の形状は、凸部頂部から凸部底部にかけての側面が膨らむように湾曲した形状であり、側面の傾斜角度は多段階に変化していた。また、発光の中心波長は４５０ｎｍ、半導体層の屈折率ｎは２．３９であった。
【０２００】
内部量子効率ＩＱＥはＰＬ強度より決定した。内部量子効率ＩＱＥは、（単位時間に発光半導体層４０より発せられるフォトンの数／単位時間に半導体発光素子１００に注入される電子の数）により定義される。本実施例においては、上記内部量子効率ＩＱＥを評価する指標として、（３００Ｋにて測定したＰＬ強度／１０Ｋにて測定したＰＬ強度）を採用した。
【０２０１】
【表１】
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【０２０２】
表１中、Ｈは凸部高さ、Ｄはデューティ、αはオフセット角度、Ａはアスペクト比、を示す。表１からわかるように、種々の配列、ピッチに対して、微細凹凸構造を具備しない場合（比較例３）に比べ、微細凹凸構造を具備する場合（比較例１、比較例２、比較例４〜比較例１３、実施例１〜実施例２２）の発光出力が向上していることがわかる。
【０２０３】
比較例１は、正六方配列されたドット配列であり、平均ピッチが３００ｎｍであり、デューティが０．４８、高さが８９ｎｍ、オフセット角度が０．２度の場合である。この場合、発光出力はほとんど増加していないことがわかる。これは、平均ピッチが３００ｎｍと微小であることから、転位密度は減少し内部量子効率ＩＱＥが向上し、また光の波動性が強調されるために回折方位角を避けるように電極を設けることができたが、凸部高さが低く凸部体積が大きくないために、光回折が効果的に生じず、光取り出し効率ＬＥＥが殆ど向上しないためと考えられる。
【０２０４】
比較例２は、正六方配列されたドット配列であり、平均ピッチが３０００ｎｍ、高さが１４０３ｎｍとマイクロオーダーで、オフセット角度が０．２度の場合である。この場合、導波モードが崩されることで、凹凸構造が無い場合に比べて発光出力は向上しているが、平均ピッチが大きいために、内部量子効率ＩＱＥの向上は小さく、光と凹凸構造との相互作用は散乱的であり、回折方位角を避けるように電極を設けることができず、電極部が影となっていた。
【０２０５】
比較例４は、正六方配列されたドット配列であり、平均ピッチが７００ｎｍであり、デューティが０．６３、高さが５３ｎｍ、オフセット角度が０．２度の場合である。この場合、発光出力はほとんど増加していないことがわかる。これは、平均ピッチが７００ｎｍと微小であることから、転位密度は減少し内部量子効率ＩＱＥが向上するが、凸部高さが低く凸部体積が大きくないために、光回折が効果的に生じず、光取り出し効率ＬＥＥが殆ど向上しないためと考えられる。
【０２０６】
比較例５は、実施例１とほぼ同じ寸法、同じ配列でオフセット角度が０度の場合である。この場合、面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、及びアスペクト比は所定の範囲内あるが、オフセット角度が０度のため、微細凹凸構造による内部量子効率ＩＱＥの向上が効果的に生じていないため、発光出力比の向上が小さいと考えられる。
【０２０７】
比較例６は、実施例１とほぼ同じ寸法、同じ配列でオフセット角度が１度の場合である。この場合、面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、及びアスペクト比は所定の範囲内あるが、オフセット角度が１度のため、微細凹凸構造による内部量子効率ＩＱＥの向上が効果的に生じていないため、発光出力比の向上が小さいと考えられる。
【０２０８】
比較例７は、実施例３とほぼ同じ寸法、同じ配列であり、オフセット角度が１度の場合である。この場合、面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、及びアスペクト比は所定の範囲内あるが、オフセット角度が１度のため、微細凹凸構造による内部量子効率ＩＱＥの向上が効果的に生じていないため、発光出力比の向上が小さいと考えられる。
【０２０９】
比較例８は、実施例４とほぼ同じ寸法、同じ配列であり、オフセット角度が０度の場合である。この場合、面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、及びアスペクト比は所定の範囲内あるが、オフセット角度が０度のため、微細凹凸構造による内部量子効率ＩＱＥの向上が効果的に生じていないため、発光出力比の向上が小さいと考えられる。
【０２１０】
比較例９は、実施例４とほぼ同じ寸法、同じ配列で、オフセット角度が１度の場合である。この場合、面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、及びアスペクト比は所定の範囲内あるが、オフセット角度が１度のため、微細凹凸構造による内部量子効率ＩＱＥの向上が効果的に生じていないため、発光出力比の向上が小さいと考えられる。
【０２１１】
比較例１０は、実施例８とほぼ同じ寸法、同じ配列で、オフセット角度が０度の場合である。この場合、面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、及びアスペクト比は所定の範囲内あるが、オフセット角度が０度のため、微細凹凸構造による内部量子効率ＩＱＥの向上が効果的に生じていないため、発光出力比の向上が小さいと考えられる。
【０２１２】
比較例１１は、実施例８とほぼ同じ寸法、同じ配列で、オフセット角度が１度の場合である。この場合、面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、及びアスペクト比は所定の範囲内あるが、オフセット角度が１度のため、微細凹凸構造による内部量子効率ＩＱＥの向上が効果的に生じていないため、発光出力比の向上が小さいと考えられる。
【０２１３】
比較例１２は、実施例５とほぼ同じ寸法、同じ配列で、オフセット角度が０度の場合である。この場合、面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、及びアスペクト比は所定の範囲内あるが、オフセット角度が０度のため、微細凹凸構造による内部量子効率ＩＱＥの向上が効果的に生じていないため、発光出力比の向上が小さいと考えられる。
【０２１４】
比較例１３は、実施例５とほぼ同じ寸法、同じ配列で、オフセット角度が１度の場合である。この場合、面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、及びアスペクト比は所定の範囲内あるが、オフセット角度が１度のため、微細凹凸構造による内部量子効率ＩＱＥの向上が効果的に生じていないため、発光出力比の向上が小さいと考えられる。
【０２１５】
続いて、実施例１は、正六方配列されたドット配列であり、平均ピッチ７００ｎｍ、高さ２８６ｎｍ、デューティ０．７９、オフセット角度が０．２度の場合である。正六方配列であることから、面内平均高さＨａｖは、式（１）で表される。実施例１の場合、比較例に比べ発光出力が増加していることがわかる。これは、平均ピッチがナノオーダーであるために内部量子効率が向上し、面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、アスペクト比が好適に作用し、より光取り出しに寄与するモードの回折が生じているためと推察される。回折光の放射部分は六回対称に観測された。電極部は、回折方位角を避けるように設けることができた。
【０２１６】
実施例２では、実施例１と同じ平均ピッチ、同じオフセット角度で、正四方配列した場合である。面内平均高さＨａｖは、式（２）で表される。この場合も実施例１と同様に、内部量子効率、及び発光効率の向上が得られた。
【０２１７】
実施例３では、実施例１と同じ平均ピッチで、配列をラインアンドスペース構造としたものである。面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。
【０２１８】
実施例４は、実施例１〜実施例３よりも平均ピッチが大きく、ピッチ９００ｎｍの正六方配列の場合である。面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。
【０２１９】
実施例５は、平均ピッチ１２００ｎｍで、配列を正六方配列のドット構造としたものである。面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。
【０２２０】
実施例６は、平均ピッチ７００ｎｍで、ラインアンドスペースを領域ごとに直交して配列させた、図４Ｂに示す畳配列の場合である。なお、各領域は１４μｍ角の正方形とし、凸部が２０本含まれるようにした。面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。
【０２２１】
実施例７は、平均ピッチ７００ｎｍでラインアンドスペースを直交するように重ね合わせた図４Ｃに示す配列の場合である。面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。
【０２２２】
実施例８は、実施例１〜実施例３よりも平均ピッチが小さく、ピッチ５００ｎｍの正六方配列の場合である。面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。
【０２２３】
実施例９は、正六方配列されたドット配列であり、平均ピッチ７００ｎｍ、高さ３２１ｎｍ、デューティ０．５６、オフセット角度を０．０５度としたものである。面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。
【０２２４】
実施例１０は、正六方配列されたドット配列であり、平均ピッチ７００ｎｍ、高さ３１２ｎｍ、デューティ０．６０、オフセット角度を０．１度としたものである。面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。
【０２２５】
実施例１１は、実施例３とほぼ同じ寸法、配列でオフセット角度を０．５度としたものである。面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。
【０２２６】
実施例１２は、実施例１０とほぼ同じ寸法、配列でオフセット角度を０．８度としたものである。面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。
【０２２７】
実施例１３は、正六方配列されたドット配列であり、平均ピッチ９００ｎｍ、高さ３９３ｎｍ、デューティ０．５３、オフセット角度を０．０５度としたものである。面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。
【０２２８】
実施例１４は、実施例４とほぼ同じ寸法、配列でオフセット角度を０．１度としたものである。面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。
【０２２９】
実施例１５は、実施例４とほぼ同じ寸法、配列でオフセット角度を０．５度としたものである。面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。
【０２３０】
実施例１６は、ラインアンドスペース配列であり、平均ピッチ９００ｎｍ、高さ３３３ｎｍ、デューティ０．４８、オフセット角度を０．８度としたものである。面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。
【０２３１】
実施例１７は、実施例８とほぼ同じ寸法、配列でオフセット角度を０．５度としたものである。面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。
【０２３２】
実施例１８は、実施例８ほぼ同じ寸法、配列でオフセット角度を０．８度としたものである。面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。
【０２３３】
実施例１９は、実施例５ほぼ同じ寸法、配列でオフセット角度を０．０５度としたものである。面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。
【０２３４】
実施例２０は、ラインアンドスペース配列であり、平均ピッチ１２００ｎｍ、高さ４２８ｎｍ、デューティ０．４７、オフセット角度を０．１度としたものである。面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。
【０２３５】
実施例２１は、実施例５ほぼ同じ寸法、配列でオフセット角度を０．５度としたものである。面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。
【０２３６】
実施例２２は、実施例５ほぼ同じ寸法、配列でオフセット角度を０．８度としたものである。面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。
【０２３７】
上記より、平均ピッチ、配列によらず、サファイア基板の微細凹凸構造が上記条件（１）〜（３）を満たせば効果を奏することがわかる。次に、各パラメータの範囲について検討した。
【０２３８】
表２は、正六方配列、オフセット角度０．２度の基板を用いて、平均ピッチＰａｖを変えた結果である。比較例１４は平均ピッチＰａｖが４５０ｎｍの場合である。平均ピッチＰａｖが小さく、光の波動性が強調されるために回折方位角を避けるように電極を設けることができたが、平均ピッチＰａｖから定まる回折角度が適切でないために、発光効率の向上の程度が小さいと推定される。
【０２３９】
実施例２３は平均ピッチＰａｖが５５０ｎｍの場合である。面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。
【０２４０】
実施例２４は平均ピッチＰａｖが６００ｎｍの場合である。面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。
【０２４１】
実施例２５は平均ピッチＰａｖが１３００ｎｍの場合である。面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。
【０２４２】
実施例２６は平均ピッチＰａｖが１５００ｎｍの場合である。面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上しているが、その出光分布はやや散乱的であり、回折方位角を避けるように電極を設けても、一部が電極にかかり、電極部の影が薄く観測された。このため、発光効率の向上は見られるが、より平均ピッチＰａｖが小さい場合と比べて、発光効率の向上の程度が小さいと推定される。
【０２４３】
比較例１５は平均ピッチＰａｖが１６００ｎｍの場合である。光と凹凸構造との相互作用は散乱的であり、電極部が影となっていた。
【０２４４】
【表２】
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【０２４５】
表３は、平均ピッチＰａｖ７００ｎｍの正六方配列、オフセット角度０．２度の基板を用いて、アスペクト比の影響を検討した結果である。比較例１６ではアスペクト比が小さくまた面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比が小さいため、光回折が効果的に生じず、光取り出し効率ＬＥＥが殆ど向上しないと考えられる。実施例２７、実施例２８、実施例２９及び実施例３０は所望の範囲にあるため、発光効率が向上していることがわかる。実施例３１は、発光効率は向上しているが、アスペクト比が１に近く、光回折の角度が光取り出しに寄与しにくくなっているために、発光出力比の向上がやや小さくなっていると推察される。実施例３２は、発光効率は向上しているが、アスペクト比が１に近く、光回折の角度が光取り出しに寄与しにくくなっていることに加え、高さＨが相対的に大きいため、光の振る舞いがやや散乱的であり、電極部がやや影になっているために、発光出力比の向上がやや小さくなっていると推察される。比較例１７はアスペクト比が１より大きい場合で、凸部底部幅よりも凸部高さＨが大きいために、光回折が効果的に生じず、また光の振る舞いも散乱的であるために光取り出し効率ＬＥＥの向上が小さいと考えられる。
【０２４６】
表４は、表３と同様に、平均ピッチＰａｖ９００ｎｍでアスペクト比の影響を検討した結果である。傾向は平均ピッチ７００ｎｍの場合と類似していることがわかる。
【０２４７】
【表３】
2014195069.tif 000008
【０２４８】
【表４】
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【０２４９】
表５は面内平均高さＨａｖを変えた結果である。六方配列、オフセット角度０．２度の基板を用いた。実施例３９は平均ピッチ９００ｎｍで、面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比が０．１５７の場合である。面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。
【０２５０】
実施例４０は平均ピッチ９００ｎｍで、面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比が０．５９８の場合である。面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。
【０２５１】
実施例４１は平均ピッチ１２００ｎｍで、面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比が０．７９３の場合である。面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。
【０２５２】
実施例４２は平均ピッチ１３００ｎｍで、面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比が０．８１８の場合である。このとき、発光効率は向上しているが、前記比率が０．８未満である場合と比べてその出光分布はやや散乱的であり、回折方位角を避けるように電極を設けても、一部が電極にかかり、電極部の影が薄く観測された。これは面内平均高さＨａｖが大きい、つまり凸部体積が大きいためと考えられ、影が生じることによって発光効率の向上の程度が小さいと推定される。
【０２５３】
実施例４３は平均ピッチが１２００ｎｍで、面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比が０．９４７の場合である。このとき実施例４２と同様に、発光効率は向上しているが、その出光分布はやや散乱的であり、回折方位角を避けるように電極を設けても、一部が電極にかかり、電極部の影が薄く観測された。このため、発光効率の向上の程度が小さいと推定される。
【０２５４】
比較例２０は平均ピッチ１２００ｎｍで、面内平均高さＨａｖと発光光の波長λとの比が１を超える場合である。このとき、同じ平均ピッチＰａｖを有する基板と同様に、内部量子効率ＩＱＥの向上は見られたが、発光出力比の向上が小さかった。また、凸部体積が大きいことから光は散乱的に振る舞い、回折方位角を避けるように電極を設けることができず、電極部が影となっていた。
【０２５５】
【表５】
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【０２５６】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、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することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【０２５７】
本発明は、例えば、ＯＬＥＤ、蛍光体、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の半導体発光素子に好適に適用することが可能である。
【符号の説明】
【０２５８】
１０  光学基材（サファイア基板）
２０  微細凹凸構造
３０  第１半導体層
４０  発光半導体層
５０  第２半導体層
６０  透明導電膜
７０  アノード電極
８０  カソード電極
１００  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】
2014195069.tif 000015
【図６】
2014195069.tif 000016
【図７】
2014195069.tif 000017
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2014195069.tif 000021
【図１２】
2014195069.tif 000022
【図１３】
2014195069.tif 000023
【図１４】
2014195069.tif 000024
【図１５】
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