(57)【要約】【課題】外部発光効率の向上した半導体発光素子を提供する。【解決手段】基板１０と、基板１０上に配置され、ナノサイズ加工された加工層１８と、加工層１８に挟まれた基板１０および加工層１８上に配置され,ｎ型不純物をドープされたｎ型半導体層１２と、ｎ型半導体層１２上に配置された活性層１３と、活性層１３上に配置され，ｐ型不純物をドープされたｐ型半導体層１４とを備える半導体発光素子。【選択図】図１
2011009382.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に配置され、ナノサイズ加工された第１加工層と、
前記第１加工層に挟まれた前記基板および前記第１加工層上に配置され,ｎ型不純物をドープされたｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層上に配置された活性層と、
前記活性層上に配置され、ｐ型不純物をドープされたｐ型半導体層と
を備えることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１加工層に挟まれた前記基板上に配置されたバッファ層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記ｐ型半導体層上に配置された透明電極と、
前記透明電極、前記ｐ型半導体層、前記活性層および前記ｎ型半導体層の一部を除去して得られた前記ｎ型半導体層面上に配置されたｎ側電極と、
前記透明電極上に配置されたｐ側電極と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記透明電極上にナノサイズ加工された第２加工層を備えることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記ｎ型半導体層の一部を除去して得られた前記ｎ型半導体層面上にナノサイズ加工された第３加工層を備えることを特徴とする請求項３または４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記第１加工層は、前記基板から離隔するにしたがって、屈折率の値が増加する屈折率分布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素子。
【請求項７】
前記第１加工層は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、チタン酸化膜、アルミナ膜のいずれかであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記半導体発光素子は、フリップチップ構造を備え、光は、前記基板側から取り出されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子に係り、特に外部発光効率の向上した半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）などに、ＩＩＩ族窒化物系半導体からなる半導体発光素子が使用されている。ＩＩＩ族窒化物系半導体の例としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）などがある。代表的なＩＩＩ族窒化物系半導体は、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１, ０≦ｙ≦１, ０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される。
【０００３】
ＩＩＩ族窒化物系半導体を用いた半導体発光素子は、例えば、基板上にｎ型のＩＩＩ族窒化物系半導体層（ｎ型半導体層）、活性層（発光層）およびｐ型のＩＩＩ族窒化物系半導体層（ｐ型半導体層）をこの順に積層した構造を有する。そして、ｐ型半導体層から供給された正孔（ホール）とｎ型半導体層から供給された電子が活性層で再結合して発生する光を外部に出力する。
【０００４】
活性層として、井戸層（ウェル層）をウェル層よりもバンドギャップの大きなバリア層（バリア層）でサンドイッチ状に複数層挟んだ多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi-Quantum Well）構造が採用可能である。
【０００５】
有機金属気相堆積エピタキシャル成長（ＭＯＶＰＥ：Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）法において、サファイア基板上にＡｌＮまたはＧａＮ低温バッファ層を用いて得られるＧａＮの転位密度は、１０8〜１０10ｃｍ-2程度である。半導体レーザなどのデバイスを作成する上では、１０6ｃｍ-2程度以下が必要である。問題となる転位は、サファイア基板との界面領域から結晶成長と共に引き継がれる貫通転位である。
【０００６】
現在、転位密度を１０6〜１０7ｃｍ-2程度まで低減できる有効な方法として確立している技術は、選択横方向成長の特性を生かしたＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth）技術である。
【０００７】
ＧａＮに適用されるＥＬＯ技術には、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法およびＭＯＶＰＥ法に基づくものがある。ＨＶＰＥ法は、成長速度を数１０〜数１００μｍ／ｈ程度に大きくとれることが特徴である。
【０００８】
ＨＶＰＥ法に基づく方法はＦＩＥＬＯ（Facet-Initiated Epitaxial Lateral Overgrowth）と呼ばれている。ＦＩＥＬＯでは、例えば、サファイア（０００１）面（ｃ面）上にＭＯＶＰＥ法で成長させた厚さ１〜１．５μｍのＧａＮ上に、ＳｉＯ2のストライプ状マスクパターンをリソグラフィーによって形成したものを下地として用いている。すなわち、従来の半導体発光素子においては、サファイア基板上にまず、ｎ型ＧａＮ層を数μｍ程度エピタキシャル成長させ、その後、ｎ型ＧａＮ層上にＳｉＯ2膜若しくはＳｉＮx膜を部分的に形成し、その後、ＳｉＯ2若しくはＳｉＮx膜以外のｎ型ＧａＮ層を選択横方向エピタキシャル成長の種結晶として、ｎ型半導体層を選択横方向エピタキシャル成長により形成している。
【０００９】
しかしながら、サファイア基板の屈折率の値に近い屈折率を有するＳｉＯ2膜若しくはＳｉＮx膜の下側に、サファイア基板の屈折率の値とは大きく異なる屈折率を有するｎ型ＧａＮ層が配置されると、サファイア基板―ｎ型ＧａＮ層の界面で光の反射が起こり、半導体発光素子の光を有効に外部に取り出すことができず、外部発光効率が低下する。
【００１０】
従来構造では、有機金属気相堆積法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）によって窒化物系半導体を製造する場合には、例えば、成長用基板としてサファイア基板を用い、反応ガスとして有機金属化合物ガスを供給し、結晶成長温度を約９００℃〜１１００℃の高温で、サファイア基板上にＧａＮエピタキシャル成長層を形成していた。ＭＯＣＶＤ法を用いてサファイア基板上に直接成長されたＧａＮ半導体層の表面モフォロジーは極めて悪い。そこで、ＧａＮ半導体層を成長させる前に、サファイア基板上にＡｌＮのバッファ層を形成する方法が用いられている。しかしながら、上記方法は、バッファ層の成長条件が厳しく制限され、しかも膜厚を１００〜５００Å（オングストローム）と非常に薄い範囲に厳密に制御する必要がある。また、ＡｌＮバッファ層上にＧａＮ層を結晶成長させる場合、格子定数不整合が顕著である。
【００１１】
また、ｐ型半導体層を多層構造に形成する場合、活性層への熱ダメージを低減させるために低温成長させる必要があり、同時に、順方向電圧（Ｖf）を低下させ、発光効率を向上させる必要がある。また、ｐ型半導体層としてＧａＮ層を適用する場合、発光波長に対する透明性の点で問題がある。
【００１２】
また、従来構造では、ＭＱＷのペア数は、４〜５ペアが用いられている。この場合、ｎ型半導体層から供給される電子が活性層を飛び越えてｐ型半導体層まで流れてしまう。この際、ｐ型半導体層から供給されるホールが活性層に達する前に電子と再結合してしまい、活性層に達するホール濃度が減少する。それにより、ＬＥＤの輝度が減少してしまう。これを防止するために、ｐ型半導体層の手前にバンドギャップの大きいｐ型ＡｌＧａＮ層を挿入する構造が用いられている。しかしながら、アルミニウム（Ａｌ）を導入するとｐ型化することが難しくなり、抵抗値が上昇してしまう。一方、活性層の井戸層にＩｎＧａＮ層を適用する場合、ｐ型半導体層の形成における高温プロセスに伴う熱ダメージに弱いという問題点がある。
【００１３】
一方、サファイア基板上に誘電体パターンの凹凸パターンを作製することは可能である（例えば、特許文献１参照。）。
【００１４】
また、ナノインプリント技術を用いて基板成長面への凹凸パターンを樹脂やレジストなどで作製することは可能である（例えば、特許文献２〜４参照。）。
【００１５】
従来例に係る半導体発光素子のサファイア基板加工工程の一工程を説明する模式的断面構造は、図３１（ａ）および図３１（ｂ）に示すように表される。
【００１６】
図３１（ａ）は、サファイア基板１０ａ上にレジスト層６ａのパターンを形成した模式的断面構造を示す。図３１（ａ）の構造において、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ: Reactive Ion Etching）などのドライエッチングによってサファイア基板１０ａの表面を加工しようとすると、図３１（ｂ）に示すように、レジスト層６ａの耐性が至らず、わずかに浅い溝４ａがサファイア基板１０ａ表面上に形成されるのみであり、サファイア基板１０ａの加工が充分に実施できない。
【００１７】
このように、基板が、例えばサファイアのように加工困難な材料である場合、レジスト層の耐性が至らず、基板に充分な高さの凹凸構造を作製する加工が実施できないという問題点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開２００９−５４８９８号公報
【特許文献２】特開２００５−１３６１０６号公報
【特許文献３】特開２００８−１５３６３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明者らは、基板自体を加工する代わりに、予め、基板表面に加工が容易な材料の層を形成しておいて、この層を加工することによって、基板表面に充分な高さの凹凸構造を形成する技術を見出した。
【００２０】
本発明の目的は、特にナノインプリント技術を用いて基板成長面に充分な高さの凹凸構造を作製し、外部発光効率の向上した半導体発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、基板と、前記基板上に配置され、ナノサイズ加工された第１加工層と、前記第１加工層に挟まれた前記基板および前記第１加工層上に配置され,ｎ型不純物をドープされたｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層上に配置された活性層と、前記活性層上に配置され，ｐ型不純物をドープされたｐ型半導体層とを備える半導体発光素子が提供される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、特にナノインプリント技術を用いて基板成長面に充分な高さの凹凸構造を作製し、外部発光効率の向上した半導体発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】（ａ）本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の模式的断面構造図、（ｂ）図１（ａ）に対応する模式的平面パターン構成図。
【図２】（ａ）本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子をパッケージに実装した構造を示す模式的断面構造図、（ｂ）図２（ａ）のＡ部分の拡大図。
【図３】（ａ）本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の基板加工工程の一工程を説明する模式的断面構造図（その１）、（ｂ）本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の基板加工工程の一工程を説明する模式的断面構造図（その２）、（ｃ）本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の基板加工工程の一工程を説明する模式的断面構造図（その３）、（ｄ）本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の基板加工工程の一工程を説明する模式的断面構造図（その４）。
【図４】（ａ）本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の基板加工工程の一工程を説明する模式的断面構造図（その５）、（ｂ）本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の基板加工工程の一工程を説明する模式的断面構造図（その６）、（ｃ）本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の基板加工工程の一工程を説明する模式的断面構造図（その７）、（ｄ）本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の基板加工工程の一工程を用いて形成された基板および加工された加工層の模式的断面構造図（構造例１）。
【図５】（ａ）本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の基板加工工程を用いて形成された基板および加工層の模式的断面構造図（構造例２）、（ｂ）本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の基板加工工程を用いて形成された基板および加工層の模式的断面構造図（構造例３）、（ｃ）本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の基板加工工程を用いて形成された基板および加工層の模式的断面構造図（構造例４）。
【図６】（ａ）本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の基板加工工程を用いて形成された基板上の加工層の模式的平面パターン構成図（構成例１）、（ｂ）本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の基板加工工程を用いて形成された基板上の加工層の模式的平面パターン構成図（構成例２）、（ｃ）本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の基板加工工程を用いて形成された基板上の加工層の模式的平面パターン構成図（構成例３）、（ｄ）本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の基板加工工程を用いて形成された基板上の加工層の模式的平面パターン構成図（構成例４）。
【図７】（ａ）本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子において、基板上に加工層１８−１〜１８−ｎを多層構造に形成する工程を説明する模式的断面構造図、（ｂ）本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の基板加工工程を用いて形成された基板および加工された加工層の模式的断面構造図。
【図８】図６の加工層中の屈折率分布を説明する模式図。
【図９】加工層として酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）膜を形成する場合において、Ｎ2Ｏの流量（ｓｃｃｍ）と屈折率ｎとの関係を示す図。
【図１０】加工層としてシリコン窒化（ＳｉＮ）膜を形成する場合において、ＮＨ3の流量（ｓｃｃｍ）と屈折率ｎとの関係を示す図。
【図１１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子において、シミュレーションに用いた加工層１８の各部の寸法を示す図。
【図１２】本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子において、透過率Ｔ（％）とピッチ比ｂ／ａとの関係を表す図。
【図１３】本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子において、透過率Ｔ（％）とａ（ｎｍ）との関係を表す図。
【図１４】本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子において、ａをパラメータとする透過率Ｔ（％）とｈ（ｎｍ）との関係を表す図。
【図１５】本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法の一工程を説明する模式的断面構造図（その１）。
【図１６】本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法の一工程を説明する模式的断面構造図（その２）。
【図１７】本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法の一工程を説明する模式的断面構造図（その３）。
【図１８】本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法の一工程を説明する模式的断面構造図（その４）。
【図１９】本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法の一工程を説明する模式的断面構造図（その５）。
【図２０】本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法の一工程を説明する模式的断面構造図（その６）。
【図２１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法の一工程を説明する模式的断面構造図（その７）。
【図２２】本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の詳細な模式的断面構造例１であって、半導体発光素子部分および活性層部分の拡大された模式的断面構造図。
【図２３】本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の詳細な模式的断面構造例２あって、半導体発光素子部分および活性層部分の拡大された模式的断面構造図。
【図２４】本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子に適用されるＩＩＩ族窒化物半導体の結晶面について説明するための模式図であって、（ａ）ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶構造のｃ面、ａ面、ｍ面を示す模式図、（ｂ）半極性面{１０−１１}を説明するための模式図、（ｃ）半極性面｛１０−１３｝を説明するための模式図、（ｄ）ＩＩＩ族原子と窒素原子の結合を示す模式図。
【図２５】図２２に示した本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子において、ｐ側電極およびｎ側電極まで形成した模式的断面構造図。
【図２６】本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の詳細な模式的断面構造例３であって、半導体発光素子部分および活性層部分の拡大された模式的断面構造図。
【図２７】図２６に示した本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子のｐ側電極およびｎ側電極まで形成した模式的断面構造図。
【図２８】本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子をフリップチップ構造のパッケージに実装した構造を示す模式的断面構造図。
【図２９】本発明の第１の実施の形態の変形例１に係る半導体発光素子をパッケージに実装した構造を示す模式的断面構造図。
【図３０】本発明の第１の実施の形態の変形例２に係る半導体発光素子をパッケージに実装した構造を示す模式的断面構造図。
【図３１】（ａ）従来例に係る半導体発光素子のサファイア基板加工工程の一工程を説明する模式的断面構造図（その１）、（ｂ）従来例に係る半導体発光素子のサファイア基板加工工程の一工程を説明する模式的断面構造図（その２）。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００２５】
又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００２６】
以下の本発明の実施の形態に係る半導体発光装置において、「透明」とは、透過率が約５０％以上であるものと定義する。「透明」とは、本発明の実施の形態に係る半導体発光装置において、可視光線に対して、無色透明という意味で使用する。可視光線は波長約３６０ｎｍ〜８３０ｎｍ程度、エネルギー約３．４ｅＶ〜１．５ｅＶ程度に相当し、この領域で吸収および反射,散乱を起こさなければ、透明である。
【００２７】
透明性はバンドギャップＥgとプラズマ周波数ωpによって決定される。バンドギャップＥgが約３．１ｅＶ以上である場合、可視光線では電子のバンド間遷移が起こらないため、可視光線を吸収せずに透過する。一方、プラズマ周波数ωpよりも低エネルギーの光は、プラズマ内部に進入できないため、プラズマとみなせるキャリアによって、反射される。プラズマ周波数ωpは、キャリア密度をｎ、電荷をｑ、誘電率をε、有効質量をｍ*とすると、ωp＝（ｎｑ2／εｍ*）1/2で表され、キャリア密度の関数である。
【００２８】
[第１の実施の形態]
（素子構造）
本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、基板１０と、基板１０上に配置され、ナノサイズ加工された加工層１８と、加工層１８に挟まれた基板１０上および加工層１８上に配置され,ｎ型不純物をドープされたｎ型半導体層１２と、ｎ型半導体層１２上に配置された活性層１３と、活性層１３上に配置され，ｐ型不純物をドープされたｐ型半導体層１４とを備える。
【００２９】
加工層１８のパターンサイズはナノメータスケールであり、例えば、ナノインプリント技術を用いて基板成長面に充分な高さの凹凸構造を作製することによって、加工層１８のパターンを形成している。
【００３０】
また、加工層１８に挟まれた基板１０上に配置されたバッファ層１６をさらに備えていても良い。
【００３１】
また、第１の実施の形態に係る半導体発光素子は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、ｐ型半導体層１４上に配置された透明電極１５と、透明電極１５、ｐ型半導体層１４、活性層１３およびｎ型半導体層１２の一部を除去して得られたｎ型半導体層１２面上に配置されたｎ側電極２００と、透明電極１５上に配置されたｐ側電極１００とを備える。尚、各部の詳細については、図２２の詳細構造の説明において併せて説明する。
【００３２】
第１の実施の形態に係る半導体発光素子をパッケージに実装した模式的断面構造は、図２（ａ）に示すように表される。また、図２（ａ）のＡ部分の拡大された模式的断面構造は、図２（ｂ）に示すように表される。
【００３３】
図２（ａ）に示すように、第１の実施の形態に係る半導体発光素子のｐ側電極１００は、ボンディングコンタクト１０２を介して、ボンディングワイヤ１０４によって、パッケージ２の内壁底に実装されたアノード用の電極パターン１０６に接続され、同様に、ｎ側電極２００は、ボンディングコンタクト２０２を介して、ボンディングワイヤ２０４によって、パッケージ２の内壁底に実装されたカソード用の電極パターン２０６に接続されている。
【００３４】
また、第１の実施の形態に係る半導体発光素子は、例えば、モールド樹脂１によって、パッケージ２内に実装されている。
【００３５】
図２（ａ）に示すように、活性層１３から上方向に放射された光は、ｐ型半導体層１４と透明電極１５との界面で一部反射され、下方向に伝搬される。また、活性層１３から下方向に放射された光は、加工層１８において効率良く屈折されて、基板１０内を伝搬し、パッケージ２の内壁底で反射され、上方向に伝搬される。
【００３６】
結果として、図２（ａ）に示すように、パッケージ２に実装された第１の実施の形態に係る半導体発光素子において、活性層１３から上方向および下方向に放射された光は、効率良く外部に取り出すことができる。
【００３７】
（基板加工工程）
第１の実施の形態に係る半導体発光素子の基板１０の加工工程は、基板自体を加工する代わりに、予め、基板表面に加工が容易な材料の層を形成しておいて、この層を、例えば、ナノインプリント技術を用いてナノメータオーダで、加工することによって、基板表面に充分な高さの凹凸構造を形成している。
【００３８】
第１の実施の形態に係る半導体発光素子の基板１０の加工工程について、図３（ａ）〜図３（ｄ）及び図４（ａ）〜（ｄ）を参照して、以下に説明する。
【００３９】
（ａ）まず、図３（ａ）に示すように、基板１０として、例えば、サファイア基板を準備する。
【００４０】
（ｂ）次に、図３（ｂ）に示すように、基板１０の表面上に、加工層１８を形成する。加工層１８は、加工が容易な材料の層であり、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、チタン酸化膜、アルミナ膜などを適用することができる。
【００４１】
（ｃ）次に、図３（ｃ）に示すように、加工層１８上にレジスト層６を形成する。
【００４２】
（ｄ）次に、図３（ｄ）に示すように、ナノインプリント技術に適用するナノインプリントモールド４を準備する。ナノインプリントモールド４の材料としては、銅（Ｃｕ）などの金属、或いは石英などを適用することができる。ナノインプリントモールド４のパターンは、電子線描画法によって形成され、ナノメータスケールである。例えば、半導体発光素子の発光ピーク波長をλとすると、図３（ｄ）に示すように、パターンピッチはλ/２程度、パターンサイズはλ/４程度である。
【００４３】
（ｅ）次に、図４（ａ）に示すように、ナノインプリント技術を適用して、ナノインプリントモールド４をレジスト層６に圧着して、レジスト層６に凹部を形成する。ここで、ナノインプリント技術としては、例えば、熱サイクルナノインプリント技術、光ナノインプリント技術などを用いることができる。
【００４４】
（ｆ）次に、図４（ｂ）に示すように、ＲＩＥなどのエッチング技術を用いて、レジスト層６を加工する。
【００４５】
（ｇ）次に、図４（ｃ）に示すように、上記のレジストパターンを用いて、ＲＩＥなどのエッチング技術を用いて、加工層１８を加工し、サファイア基板１０を露出させる。
【００４６】
（ｈ）次に、図４（ｄ）に示すように、レジスト層６を剥離して、基板１０上に加工層１８のパターンを形成する。加工層１８のパターンもナノインプリントモールド４のパターンを反映し、図４（ｄ）に示すように、パターンピッチはλ/２程度、パターンサイズはλ/４程度である。
【００４７】
図４（ｄ）は、第１の実施の形態に係る半導体発光素子の基板加工工程を用いて形成された基板１０および加工層１８の模式的断面構造例１に対応し、加工層１８が、パターンピッチλ/２、パターン幅λ/４の矩形パターンを有する例である。
【００４８】
第１の実施の形態に係る半導体発光素子の基板加工工程を用いて形成された基板１０および加工層１８の他の模式的断面構造例２〜４としては、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、それぞれパターンピッチλ/２・上底のパターン幅λ/４の台形形状パターン、パターンピッチλ/２・下辺のパターン幅λ/４の三角形状パターン、パターンピッチλ/２・直径のパターン幅λ/４の半円パターンを備えていても良い。
【００４９】
第１の実施の形態に係る半導体発光素子の基板加工工程を用いて形成された基板上の加工層の模式的平面パターン構成例１〜４は、図６（ａ）〜（ｄ）に示すように表される。図６（ａ）は、矩形形状の加工層１８を格子状配置した例である。図６（ｂ）は、矩形形状の加工層１８を千鳥格子状配置した例であり、隣接する加工層１８のパターンピッチは、全てａに等しい。図６（ｃ）は、円形形状の加工層１８を千鳥格子状配置した例であり、隣接する加工層１８のパターンピッチは、全てａに等しい。図６（ｄ）は、六角形形状の加工層１８を千鳥格子状配置した例であり、隣接する加工層１８のパターンピッチは、全てａに等しい。ここで、図６（ｂ）〜（ｄ）において、ａの値は、例えば、λ/２程度である。
【００５０】
（加工層の形成と屈折率分布）
第１の実施の形態に係る半導体発光素子において、基板１０上に加工層１８−１〜１８−ｎを多層構造に形成する工程を説明する模式的断面構造は、図７（ａ）に示すように表され、基板１０および加工された加工層１８の模式的断面構造は、図７（ｂ）に示すように表される。図７（ａ）に示される加工層１８−１〜１８−ｎにおいては、屈折率ｎの分布をｘ方向に次第に増加するように形成している。
【００５１】
図７の加工層１８中の屈折率ｎの分布は、例えば、図８に示すように、加工層１８−１〜１８−ｎの多層構造を反映して、階段状の線Ｃのように形成される。
【００５２】
さらに多層構造の各層を微細な層として形成する場合には、加工層１８中の屈折率ｎの分布は、破線Ｂに示すように、曲線状に形成され易くなる。
【００５３】
加工層１８中の屈折率ｎの分布は、実際上は、段差状の線Ｃのように形成するよりもむしろ、破線Ｂに示すように曲線状に形成する場合が多い。これは、ガスの流量比を制御することによって、容易に、屈折率ｎの分布を曲線状の滑らかな分布として、実現ことができるからである。すなわち、成膜中にＳｉＨ4、ＮＨ3、Ｎ2Ｏガスの供給比を徐々に変化させることによって、図８の破線Ｂで示すように、屈折率ｎが階段状ではなく、滑らかに変化するような加工層１８も作製可能である。
【００５４】
加工層１８として、シリコン窒化膜を形成する場合には、プラズマ化学的気相堆積法（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）を用い、ＳｉＨ4、ＮＨ3、およびＮ2を原料ガスとして用い、成膜する。加工層１８として、シリコン酸化膜を形成する場合には、プラズマＣＶＤを用い、ＳｉＨ4、Ｈ2Ｏ、およびＮ2を原料ガスとして用い、成膜する。加工層１８として、シリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ）を形成する場合には、プラズマＣＶＤを用い、ＳｉＨ4、ＮＨ3、Ｎ2Ｏ、およびＮ2を原料ガスとして用い、これらのガスを同時に流すことによって、成膜する。
【００５５】
加工層１８としてシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ）を形成する場合において、Ｎ2Ｏ流量（ｓｃｃｍ）と屈折率ｎとの関係は、図９に示すように表される。Ｎ2Ｏ流量を上昇させて相対的な窒素含有量を増加させることによって、屈折率ｎは次第に減少する。例えば、Ｎ2Ｏ流量を０〜３００（ｓｃｃｍ）の範囲で変化させることによって、加工層１８中のｘ方向の屈折率ｎは、約１．６〜約２．１まで増加させることができる。このように、ＳｉＮとＳｉＯ2の中間的なＳｉＯＮ膜の成膜は、Ｎ2Ｏガスなどの導入によって可能である。これによって、サファイア基板１０の屈折率の値１．７を下回るようなｎ＝１．５からＧａＮの屈折率の値に近いｎ＝２．４まで、自由に屈折率ｎの値を変化させることができる。
【００５６】
加工層１８としてシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を形成する場合において、ＮＨ3流量（ｓｃｃｍ）と屈折率ｎとの関係は、図１０に示すように表される。ＮＨ3とＮ2の比を固定して、ＮＨ3流量（ｓｃｃｍ）を上昇させて相対的な窒素含有量を増加させることによって、屈折率ｎは次第に減少する。例えば、ＮＨ3流量を５０〜２００（ｓｃｃｍ）の範囲で変化させることによって、加工層１８中のｘ方向の屈折率ｎは、約１．９〜約２．３まで増加させることができる。窒化膜ＳｉＮyの組成比yにはＳｉ3Ｎ4を中心として幅があり、組成比ｙの値によって、所望の屈折率ｎおよびＳｉＮy膜を得ることができる。例えば、ＳｉＮ膜をＣＶＤ法により成膜する場合において、図１０に示すように、ＳｉＨ4に対するＮＨ3の供給量を変化させることによって、自由に屈折率ｎの値を変化させることができる。
【００５７】
（シミュレーション結果）
加工層１８の最適なサイズを決定するために、シミュレーションを行った。図１１には、シミュレーションに用いた加工層１８の各部の寸法を示す。図１１に示すように、加工層１８の高さはｈ（ｎｍ）、パターン幅はｂ（ｎｍ）、パターンピッチはａ（ｎｍ）で表されている。
【００５８】
発光波長λおよび加工層１８の高さｈを固定し、ピッチ比ｂ／ａを変化させた場合の透過率Ｔ（％）を図１２に示す。図１２に示すように、所定のピッチ比ｂ／ａにおいて、透過率Ｔは、ピーク値を有するという傾向が現れている。
【００５９】
次に、発光波長λ、加工層１８の高さｈ、パターン幅ｂを固定し、パターンピッチａのみを変化させた場合の透過率Ｔ（％）を図１３に示す。図１３に示すように、パターンピッチａの値をλ／２、λ、２λと変化させた場合、パターンピッチａの値がλと２λとの間において、透過率Ｔ（％）は、ピーク値を有するという傾向が現れている。
【００６０】
次に、発光波長λ、加工層１８のパターン幅ｂおよびパターンピッチａを固定し、加工層１８の高さｈを変化させた場合の透過率Ｔ（％）を図１４に示す。図１４には、パターンピッチａを１．８λ、３．２λ、１．１λ、λに変化させた場合の結果を示した。いずれの場合も加工層１８の高さｈの値がλと２λとの間において、透過率Ｔ（％）は、ピーク値を有するという傾向が現れている。
【００６１】
第１の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、基板１０上に、屈折率ｎが次第に増加する傾向を有する加工層１８を形成し、この加工層１８に対して、特にナノインプリント技術を用いて、ナノメータスケールの凹凸構造を作製することによって、基板１０側への光の取り出し効率が向上し、外部発光効率の向上した半導体発光素子を提供することができる。
【００６２】
（製造方法）
第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法は、図１５〜図２１に示すように、基板１０を準備する工程と、基板１０上に、ナノサイズ加工された加工層１８を形成する工程と、加工層１８をパターニングし、基板１０を露出する工程と、加工層１８に挟まれ,露出された基板１０および加工層１８上にｎ型不純物をドープされたｎ型半導体層１２を横方向エピタキシャル成長により形成する工程と、ｎ型半導体層１２上に活性層１３を形成する工程と、活性層１３上にｐ型不純物をドープされたｐ型半導体層１４を形成する工程とを有する。
【００６３】
加工層１８のパターンサイズはナノメータスケールであり、例えば、ナノインプリント技術を用いて基板成長面に充分な高さの凹凸構造を作製することによって、加工層１８のパターンを形成している。
【００６４】
また、基板１０を露出する工程後、加工層１８に挟まれ, 露出された基板１０上にバッファ層１６を形成する工程をさらに有する。
【００６５】
以下、図１５〜図２１を参照して、第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法を説明する。以下に述べる半導体発光素子の製造方法は一例であり、変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。ここでは、基板１０にサファイア基板を適用する例を説明する。
【００６６】
（ａ）まず、図１５に示すように、サファイア基板１０を準備し、サファイア基板１０上に加工層１８を形成後、ナノインプリント技術を用いてナノサイズ加工し、基板１０の表面を露出する。
【００６７】
加工層１８の形状は、矩形、三角形、菱形、六角形、円形、ストライプ等、横方向選択エピタキシャル成長（ＥＬＯ）を阻害しないパターン形状ものが良い。特に、ＥＬＯを行うため、パターンの方向は、横方向成長面であるａ面、ｍ面を考慮して、選択する。サファイア基板１０の裏面もしくはエピタキシャル成長層の上面から光を取り出す際、加工層１８とエピタキシャル成長層の界面に凹凸が生じるため、光が散乱もしくは回折され、エピタキシャル成長層−異種基板界面の屈折率差によって全反射されていた光が、外へ効率よく取り出されることになる。サファイア基板１０上に、屈折率ｎが次第に増加する傾向を有する加工層１８を形成し、この加工層１８に対して、特にナノインプリント技術を用いて、ナノメータスケールの凹凸構造を作製することによって、サファイア基板１０側への光の取り出し効率が向上し、外部発光効率の向上する。
【００６８】
（ｂ）次に、図１６に示すように、露出されたサファイア基板１０上に、ＭＯＣＶＤ法などにより、ＡｌＮバッファ層１６を成長させる。例えば、約９００℃〜９５０℃程度の高温において、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）と、アンモニア（ＮＨ3）を、Ｈ2ガスをキャリアとして、反応室に供給することによって、厚さ約１０〜５０オングストローム程度の薄いＡｌＮバッファ層１６を、短時間に成長させる。
【００６９】
（ｃ）次に、図１７に示すように、ＡｌＮバッファ層１６上に、ＭＯＣＶＤ法などにより、ｎ型半導体層１２となるＧａＮ層を成長させる。例えば、ＡｌＮバッファ層１６を形成したサファイア基板１０をサーマルクリーニングした後、基板温度を１０００°Ｃ程度に設定して、ＡｌＮバッファ層１６上に、ｎ型不純物を不純物添加したｎ型半導体層１２を１〜５μｍ程度成長させる。ｎ型半導体層１２には、例えばｎ型不純物としてＳｉを３×１０18ｃｍ-3程度の濃度で不純物添加したＧａＮ膜が採用可能である。Ｓｉを不純物添加する場合は、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ3）及びシラン（ＳｉＨ4）を原料ガスとして供給して、ｎ型半導体層１２を形成する。図１７中に示すように、ｎ型半導体層１２となるＧａＮ層中には、貫通転位２０が発生している。
【００７０】
（ｄ）次に、図１８に示すように、ＥＬＯによって、ｎ型半導体層１２を形成する。横方向選択エピタキシャル成長面であるｍ面若しくはａ面上に横方向選択エピタキシャル成長層が形成されて、図１８中のベクトルＬＡ、ＬＢ方向にｎ型半導体層１２が、横方向に選択エピタキシャル成長される。結果として、貫通転位２０も曲げられて、加工層１８の中央部ＬＯ近傍において左右からの選択エピタキシャル成長面が合体し、同時に貫通転位２０もつながる。
【００７１】
加工層１８を埋めるため、途中からピタキシャル成長条件を横方向成長を促進させる条件に変えても良い。横方向成長を促進させるためには、例えば、結晶成長時のガス系の圧力を変化させると良い。第１のステップとして、例えば約１０５０℃で、約１００Ｔｏｒｒで約１μｍ程度成長後、第２のステップとして、例えば約１０５０℃で、約２００Ｔｏｒｒで約１.５μｍ程度成長させることができる。このようにｎ型半導体層１２を形成することによって、ＥＬＯによる貫通転位密度の低減効果と共に、横方向成長を促進させることができる。
【００７２】
加工層１８を覆うように、横方向選択エピタキシャル成長（ＥＬＯ）させるため、結晶の貫通転位を曲げることができ、結晶性も向上する。
【００７３】
さらに、ｎ型半導体層１２を形成する圧力および成長温度条件を変化させて、何回かのステップにわけることも可能であり、例えば、図１９に示すように、４層構造のｎ型半導体層１２（１２１、１２２、１２３、１２４）を形成することもできる。このようにすることによって、ｎ型半導体層１２の表面モフォロジ―が改善され、結晶性を向上することができる。
【００７４】
例えば、加工層１８のパターンをストライプ状に形成する場合、ストライプは、＜１１−２０＞または＜１−１００＞方向とし、加工層１８の幅を約１〜４μｍ程度、繰り返しの周期を例えば約７μｍ程度とする。この上に、ＨＶＰＥ法により、１０００℃でｎ型半導体層１２となるＧａＮを成長する。ＨＶＰＥ法では、ＧａＣｌとＮＨ3を反応させてＧａＮを成長する。ストライプ方向が＜１１−２０＞の場合に、ＧａＮの成長は、まず加工層１８の開口部では、最初（０００１）方向の成長により、基板面に対して傾斜した｛１−１０１｝面をファセットとする三角形断面の形状が生じる。次に、ファセットを保持したまま、加工層１８上で横方向の成長が、隣接した成長部が合体するまで進む。合体後は、さらに表面が平坦化するように成長が進み、（０００１）面を有する完全に平坦な成長層が得られる。ストライプが＜１−１００＞方向のパターンでは、｛１１−２２｝面がファセットとなるが、同様の成長層が得られる。
【００７５】
上記の例は一例であって、他のパターンおよびパターン方向も適用可能である。また、結晶成長の主面は上記の例では、極性面の例を説明しているが、非極性面、半極性面を適用することも可能である。
【００７６】
（ｅ）次に、図２０に示すように、活性層１３をｎ型半導体層１２上に形成する。
【００７７】
（ｆ）次いで、図２１に示すように、基板温度を８００℃〜９００℃程度にして、最終バリア層３１０上に、ｐ型不純物を不純物添加したｐ型半導体層１４を０．０５〜１μｍ程度形成する。
【００７８】
（ｇ）次に、図２に示すように、ｐ型半導体層１４の上部に蒸着、スパッタリング技術などによって透明電極１５を形成する。透明電極１５としては、例えば、ＺｎＯ、ＩＴＯ若しくはインジウムを含有するＺｎＯのいずれかを用いることができる。さらに、ＧａあるいはＡｌなどのｎ型不純物を１×１０19 〜５×１０21ｃｍ-3程度まで高濃度に不純物添加しても良い。
【００７９】
（ｈ）次に、図２に示すように、透明電極１５をパターニング後、ｐ型半導体層１４〜ｎ型半導体層１２の途中までを、ＲＩＥなどのエッチング技術を用いて除去し、ｎ型半導体層１２の表面を露出させる。
【００８０】
（ｉ）次に、露出したｎ型半導体層１２の表面にｎ側電極２００を蒸着、スパッタリング技術などにより形成する。ｐ型半導体層１４上の透明電極１５に対しても、パターン形成後ｐ側電極１００を蒸着、スパッタリング技術などにより形成して、図２に示した半導体発光素子が完成する。
【００８１】
（詳細構造例１）
第１の実施の形態に係る半導体発光素子の詳細な模式的断面構造例１であって、半導体発光素子部分および活性層部分の拡大された模式的断面構造図は、図２２に示すように、基板１０と、基板１０上に配置され、ナノサイズ加工された加工層１８と、加工層１８に挟まれた基板１０上に配置されたバッファ層１６と、バッファ層１６および加工層１８上に配置され,ｎ型不純物が不純物添加されたｎ型半導体層１２と、ｎ型半導体層１２上に配置され、ｎ型半導体層１２より低い濃度でｎ型不純物が不純物添加されたブロック層１７と、ブロック層１７上に配置され活性層１３と、活性層１３上に配置されたｐ型半導体層１４と、ｐ型半導体層１４上に配置された透明電極１５とを備える。
【００８２】
図２２の構成では、ｎ型半導体層１２上にブロック層１７として、Ｓｉを１×１０17ｃｍ-3未満、例えば８×１０16ｃｍ-3程度の濃度で不純物添加したＧａＮ膜を例えば、約２００ｎｍ程度成長させる。このとき、ｎ型半導体層１２を形成した場合と同様の原料ガスを適用可能である。
【００８３】
活性層１３は、図２２に示すように、バリア層３１１〜３１ｎ、３１０とそのバリア層３１１〜３１ｎ、３１０よりバンドギャップが小さい井戸層３２１〜３２ｎが交互に配置された積層構造を有する。以下において、活性層１３に含まれる第１バリア層３１１〜第ｎバリア層３１ｎを総称して「バリア層３１」という。また、活性層１３に含まれるすべての井戸層を総称して「井戸層３２」という。
【００８４】
形成された積層構造上に、図２２に示すように、最終バリア層３１０としてノンドープのＧａＮ膜を１０ｎｍ程度形成して、活性層１３が形成される。最終バリア層３１０の膜厚ｄ0は、ｐ型半導体層１４から活性層１３に拡散するｐ型ドーパンドが活性層１３の井戸層３２に到達しない厚さに設定される。
【００８５】
例えば、図２２に示すように、ＧａＮ膜からなるバリア層３１とＩｎＧａＮ膜からなる井戸層３２を交互に積層して、活性層１３が形成される。具体的には、活性層１３を形成する際の基板温度及び原料ガスの流量を調整しながら、バリア層３１と井戸層３２を交互に連続して成長させ、バリア層３１と井戸層３２が積層してなる活性層１３が形成される。即ち、基板温度及び原料ガスの流量を調節することによって井戸層３２及び井戸層３２よりバンドギャップが大きいバリア層３１を積層する工程を単位工程とし、この単位工程をｎ回、例えば８回程度繰り返して、バリア層３１と井戸層３２が交互に積層された積層構造を得る。
【００８６】
バリア層３１を形成する場合は、原料ガスとして、例えばＴＭＧガス、ＮＨ3ガスをそれぞれ成膜用の処理装置に供給する。一方、井戸層３２を形成する場合は、原料ガスとして、例えばＴＭＧガス、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）ガス、ＮＨ3ガスをそれぞれ処理装置に供給する。なお、ＴＭＧガスはＧａ原子の原料ガス、ＴＭＩガスはＩｎ原子の原料ガス、ＮＨ3ガスは窒素原子の原料ガスとして供給される。
【００８７】
ｐ型半導体層１４は、例えば、図２２に示すように、ｐ型不純物としてＭｇを不純物添加した４層構造に形成する。活性層１３の上部に配置される第１窒化物系半導体層４１は、約２×１０20ｃｍ-3、厚さ約５０ｎｍ程度のｐ型ＧａＮ層で形成し、第２窒化物系半導体層４２は、約４×１０19ｃｍ-3、厚さ約１００ｎｍ程度のｐ型ＧａＮ層で形成し、第３窒化物系半導体層４３は、例えば約１×１０20ｃｍ-3、厚さ約４０ｎｍ程度のｐ型ＧａＮ層で形成し、第４窒化物系半導体層４４は、約８×１０19ｃｍ-3、厚さ約１０ｎｍ程度のｐ型ＧａＮ層で形成する。
【００８８】
Ｍｇを不純物添加する場合は、ＴＭＧガス、ＮＨ3ガス及びビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）ガスを原料ガスとして供給して、ｐ型半導体層１４（４１〜４４）を形成する。ｐ型半導体層１４（４１〜４４）の形成時にｐ型半導体層１４（４１〜４４）から活性層１３にＭｇが拡散するが、最終バリア層３１０により、Ｍｇが活性層１３の井戸層３２に拡散することが防止される。
【００８９】
上記の積層構造の最上層の最終バリア層３１０の膜厚は、その最終バリア層３１０以外の積層構造に含まれる他のバリア層（第１バリア層３１１〜第ｎバリア層３１ｎ）の厚さより厚く形成されていてもよい。
【００９０】
図２２に示した半導体発光素子では、最終バリア層３１０のｐ型ドーパンドの濃度が、ｐ型半導体層１４に接する最終バリア層３１０の第１主面から最終バリア層３１０の膜厚方向に沿って漸減し、第１主面に対向する第２主面においてｐ型ドーパンドが存在しない。
【００９１】
ｎ型半導体層１２、活性層１３及びｐ型半導体層１４はそれぞれＩＩＩ族窒化物系半導体からなり、基板１０上にナノサイズ加工された加工層１８を形成後、バッファ層１６、ｎ型半導体層１２、ブロック層１７、活性層１３及びｐ型半導体層１４が順次積層される。
【００９２】
（加工層）
加工層１８は、発光波長に対して透明であり、かつ加工層１８の屈折率は、基板１０の屈折率とほぼ等しい。例えば、加工層１８としては、発光波長に対して十分に透明であり、基板１０の屈折率に近い屈折率のものを用いても良い。
【００９３】
基板１０としてサファイア基板（ｎ＝１．７〜１．８）を用いる場合、加工層１８として、ＳｉＯ2膜を用いると、ＳｉＯ2膜の屈折率は約ｎ＝１．４６程度であり、サファイア基板の屈折率ｎ＝１．７〜１．８と同程度となる。また、加工層１８として、ＳｉＮx膜を用いると、ＳｉＮx膜の屈折率は約ｎ＝２．０５程度であり、サファイア基板の屈折率と同程度となる。加工層１８として、ＴｉＯx膜を用いると、ＴｉＯx膜の屈折率は約ｎ＝１．８程度であり、サファイア基板の屈折率と同程度となる。さらにまた、加工層１８として、Ａｌ2Ｏ3膜を用いると、Ａｌ2Ｏ3膜の屈折率は約ｎ＝１．７〜１．８程度でありサファイア基板の屈折率と同程度となる。
【００９４】
したがって、加工層１８としては、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、チタン酸化膜、アルミナ膜のいずれも適用可能である。
【００９５】
しかも、図７〜図８に示したように、加工層１８の内部に屈折率ｎの分布を持たせることによって、基板１０側への光の取り出し効率が向上し、外部発光効率の向上した半導体発光素子を提供することができる。
【００９６】
（ＡｌＮバッファ層）
バッファ層１６は、例えば、厚さ約１０〜５０オングストローム程度のＡｌＮ層で形成される。ＡｌＮバッファ層１６を結晶成長させる場合、例えば、約９００℃〜９５０℃程度の温度範囲の高温において成長させる。
【００９７】
トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）と、アンモニア（ＮＨ3）を、Ｈ2ガスをキャリアとして、反応室に供給することによって、厚さ約１０〜５０オングストローム程度の薄いＡｌＮバッファ層１６を、高速に成長させることができ、しかも結晶性も良好に保ちつつ形成することができる。
【００９８】
第１の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、高温ＡｌＮバッファ層１６および加工層１８上に形成されるＩＩＩ族窒化物系半導体の結晶性および表面モフォロジーを改善することができる。
【００９９】
（ブロック層）
ｎ型半導体層１２と活性層１３間に配置されたブロック層１７は、例えばｎ型不純物としてＳｉを１×１０17ｃｍ-3未満で不純物添加した膜厚約２００ｎｍ程度のＩＩＩ族窒化物系半導体、例えばＧａＮ層等が採用可能である。
【０１００】
図２２に示した半導体発光素子では、例えばｎ型半導体層１２にＳｉが３×１０18ｃｍ-3程度不純物添加された場合に、Ｓｉが約８×１０16ｃｍ-3程度不純物添加されたブロック層１７をｎ型半導体層１２と活性層１３間に配置することにより、活性層１３の形成工程及びその工程以後の製造工程におけるｎ型半導体層１２から活性層１３へのＳｉの拡散を防止できる。
【０１０１】
つまり、活性層１３内にＳｉが拡散せず、活性層１３で発生する光の輝度の低下が防止される。更に、活性層１３で発光させるためにｎ型半導体層１２とｐ型半導体層１４間にバイアスが印加された場合に、ｎ型半導体層１２から活性層１３に供給された電子が活性層１３を通過してｐ型半導体層１４に到達するオーバーフローを防止することができ、半導体発光素子から出力される光の輝度の低下を防止できる。
【０１０２】
ブロック層１７のＳｉ濃度は、１×１０17ｃｍ-3未満である。これは、ブロック層１７のＳｉ濃度が高すぎる場合、ｎ型半導体層１２から供給された電子が活性層１３を超えてｐ型半導体層１４までオーバーフローし、ｐ型半導体層１４内で正孔と再結合してしまい、活性層１３中での再結合の割合が減少し、活性層１３で発生する光の輝度が低下するためである。一方、ブロック層１７のＳｉ濃度が低すぎる場合は、ｎ型半導体層１２から活性層１３へ注入させる電子のキャリア密度を上昇することができない。そのため、ブロック層１７のＳｉ濃度は、約５×１０16〜１×１０17ｃｍ-3未満であることが好ましい。
【０１０３】
以上に説明したように、第１の実施の形態に係る半導体発光素子では、ｎ型半導体層１２と活性層１３間にブロック層１７を配置することにより、製造工程中でのｎ型半導体層１２から活性層１３へのＳｉの拡散、及び発光時におけるｎ型半導体層１２からｐ型半導体層１４への電子のオーバーフローを防止することができ、半導体発光素子から出力される光の輝度の低下を防止できる。その結果、図２２に示す半導体発光素子の品質の劣化を防止できる。
【０１０４】
（ｎ型半導体層）
ｎ型半導体層１２は、電子を活性層１３に供給し、ｐ型半導体層１４は、正孔（ホール）を活性層１３に供給する。供給された電子及び正孔が活性層１３で再結合することにより、光が発生する。
【０１０５】
ｎ型半導体層１２は、シリコン（Ｓｉ）等のｎ型不純物を不純物添加した膜厚１〜６μｍ程度のＩＩＩ族窒化物系半導体、例えばＧａＮ層等が採用可能である。
【０１０６】
加工層１８を介して窒化物半導体からなるｎ型半導体層１２を異種基板１０上へ直接エピタキシャル成長させる。加工層１８を埋めるため、途中から条件を横方向成長を促進させる条件に変える。横方向成長を促進させるためには、例えば、結晶成長時のガス系の圧力を変化させると良い。第１のステップとして、例えば約１０５０℃で、約１００Ｔｏｒｒで約１μｍ程度成長後、第２のステップとして、例えば約１０５０℃で、約２００Ｔｏｒｒで約１.５μｍ程度成長させることができる。このようにｎ型半導体層１２を形成することによって、横方向成長（ＥＬＯ）による貫通転位密度の低減効果と共に、横方向成長を促進させることができる。
【０１０７】
加工層１８を覆うように、横方向成長（ＥＬＯ）させるため、結晶の貫通転位を曲げることができ、結晶性も向上する。
【０１０８】
（ｐ型半導体層）
ｐ型半導体層１４は、ｐ型不純物を不純物添加した膜厚０．０５〜１μｍ程度のＩＩＩ族窒化物系半導体、例えばＧａＮ層等が採用可能である。ｐ型不純物としては、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、カルシウム（Ｃａ）、ベリリウム（Ｂｅ）、炭素（Ｃ）等が使用可能である。
【０１０９】
ｐ型半導体層１４の構成例は、さらに詳細には以下の通りである。すなわち、ｐ型半導体層１４は、図２２に示すように、活性層１３の上部に配置され,ｐ型不純物を含む第１窒化物系半導体層４１と、第１窒化物系半導体層４１上に配置され,第１窒化物系半導体層４１のｐ型不純物よりも低濃度のｐ型不純物を含む第２窒化物系半導体層４２と、第２窒化物系半導体層４２上に配置され,第２窒化物系半導体層４２のｐ型不純物よりも高濃度のｐ型不純物を含む第３窒化物系半導体層４３と、第３窒化物系半導体層４３上に配置され,第３窒化物系半導体層４３のｐ型不純物よりも低濃度のｐ型不純物を含む第４窒化物系半導体層４４とを備える。
【０１１０】
第２窒化物系半導体層４２の厚さは、第１窒化物系半導体層４１、或いは第３窒化物系半導体層４３乃至第４窒化物系半導体層４４の厚さよりも厚く形成される。
【０１１１】
ここで、具体的に各層の材料と厚さを説明する。活性層１３の上部に配置されるｐ型不純物を含む第１窒化物系半導体層４１は、例えばＭｇを不純物添加された約２×１０20ｃｍ-3、厚さ約５０ｎｍ程度のｐ型ＧａＮ層で形成される。
【０１１２】
第１窒化物系半導体層４１上に配置され,第１窒化物系半導体層４１のｐ型不純物よりも低濃度のｐ型不純物を含む第２窒化物系半導体層４２は、例えばＭｇを不純物添加された約４×１０19ｃｍ-3、厚さ約１００ｎｍ程度のｐ型ＧａＮ層で形成される。
【０１１３】
第２窒化物系半導体層４２上に配置され,第２窒化物系半導体層４２のｐ型不純物よりも高濃度のｐ型不純物を含む第３窒化物系半導体層４３は、例えばＭｇを不純物添加された約１×１０20ｃｍ-3、厚さ約４０ｎｍ程度のｐ型ＧａＮ層で形成される。
【０１１４】
第３窒化物系半導体層４３上に配置され,第３窒化物系半導体層４３のｐ型不純物よりも低濃度のｐ型不純物を含む第４窒化物系半導体層４４は、例えばＭｇを不純物添加された約８×１０19ｃｍ-3、厚さ約１０ｎｍ程度のｐ型ＧａＮ層で形成される。
【０１１５】
第１の実施の形態に係る半導体発光素子において、インジウムを含む多重量子井戸からなる活性層１３の上に形成されるｐ型半導体層１４は、上記のように、Ｍｇ濃度の異なる４層構造のｐ型ＧａＮ層からなり、上記の濃度でドーピングされている。ｐ型ＧａＮ層は、活性層１３への熱ダメージを低減させるために、約８００℃〜９００℃の低温で成長する。
【０１１６】
活性層１３に一番近い第１窒化物系半導体層４１は、Ｍｇ濃度が高いほど発光強度が高くなるため、Ｍｇ濃度は高ければ高いほど望ましい。
【０１１７】
第２窒化物系半導体層４２は、Ｍｇを不純物添加しすぎると、Ｍｇに起因する結晶欠陥が増加し、膜の抵抗が高くなるため、１０19ｃｍ-3台の半ば程度のＭｇ濃度とすることが望ましい。
【０１１８】
第３窒化物系半導体層４３は、活性層１３への正孔注入量を決める層であるため、第２窒化物系半導体層４２よりはやや高めのＭｇ濃度とすることが望ましい。
【０１１９】
第４窒化物系半導体層４４は、透明電極１５とのオーミックコンタクトを取るためのｐ型ＧａＮ層であり、実質的に空乏化されている。透明電極１５として、例えば、ＧａまたはＡｌが１×１０19 〜５×１０21ｃｍ-3程度不純物添加されたＺｎＯ電極を用いた場合、半導体発光素子の順方向電圧Ｖfを最も下げる時のＭｇ濃度となるように、第４窒化物系半導体層４４には、Ｍｇが不純物添加される。
【０１２０】
ｐ型ＧａＮ層を４層成長させる場合、ｐ側電極１００に近い第３窒化物系半導体層４３、第４窒化物系半導体層４４は、膜中の正孔濃度を上昇させる必要があるため、キャリアガス中のＨ2ガス量を多くする。また、活性層１３に近い第１窒化物系半導体層４１、第２窒化物系半導体層４２は、キャリアガス中のＨ2ガス量を多くする必要はなく、活性層１３をＮ2キャリアガスで成長させているその延長で結晶成長させる。これらのｐ型ＧａＮ層を成長させる時は、Ｖ／ＩＩＩ比をなるべく高くした方がより低抵抗な膜を成長させることができ、発光素子の順方向電圧（Ｖf）を下げることができる。
【０１２１】
第１の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、低温でｐ型半導体層を形成して活性層への熱ダメージを低減させ、かつ順方向電圧（Ｖf）を低下させ、発光効率を向上させることができる。
【０１２２】
（活性層）
また、活性層１３は、バリア層とバリア層よりバンドギャップが小さい井戸層が交互に配置された積層構造を有し、インジウムを含む多重量子井戸からなる。
【０１２３】
また、バリア層は、ＧａＮよりなり、井戸層は、ＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）よりなり、多重量子井戸のペア数は、例えば、６〜１１程度である。
【０１２４】
また、井戸層の厚さは、例えば、２〜３ｎｍであり、バリア層の厚さは、例えば、１５〜１８ｎｍである。
【０１２５】
さらに詳細には、活性層１３は、図２２に示すように、第１バリア層３１１〜第ｎバリア層３１ｎ及び最終バリア層３１０でそれぞれ挟まれた第１井戸層３２１〜第ｎ井戸層３２ｎを有する多重量子井戸（ＭＱＷ）構造である（ｎ：自然数）。つまり、活性層１３は、井戸層３２を井戸層３２よりもバンドギャップの大きなバリア層３１でサンドイッチ状に挟んだ量子井戸構造を単位ペア構造とし、この単位ペア構造をｎ回積層したｎペア構造を有する。
【０１２６】
具体的には、第１井戸層３２１は第１バリア層３１１と第２バリア層３１２の間に配置され、第２井戸層３２２は第２バリア層３１２と第３バリア層３１３の間に配置される。そして、第ｎ井戸層３２ｎは第ｎバリア層３１ｎと最終バリア層３１０の間に配置される。活性層１３の第１バリア層３１１は、ｎ型半導体層１２上にブロック層１７を介して配置され、活性層１３の最終バリア層３１０上にはｐ型半導体層１４（４１〜４４）が配置される。
【０１２７】
井戸層３２１〜３２ｎは、例えばＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）層によって形成され、バリア層３１１〜３１ｎ，３１０は、例えばＧａＮ層によって形成される。また、多重量子井戸層のペア数は、例えば、６〜１１であることを特徴とする。なお、井戸層３２１〜３２ｎのインジウム（Ｉｎ）の比率｛ｘ／（１−ｘ）｝は、発生させたい光の波長に応じて適宜設定される。
【０１２８】
また、井戸層３２１〜３２ｎの厚さは、例えば、約２〜３ｎｍ程度、望ましくは、約２．８ｎｍ程度であり、バリア層３１１〜３１ｎの厚さは約７〜１８ｎｍ程度、望ましくは、約１６．５ｎｍ程度である。
【０１２９】
第１の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１２から供給される電子と、ｐ型半導体層１４から供給されるホールが活性層１３において効率よく再結合するための活性層１３内のＭＱＷペア数を最適化することができる。
【０１３０】
（最終バリア層）
最終バリア層３１０の膜厚は、ｐ型半導体層１４から活性層１３へのＭｇの拡散距離より厚く形成される。
【０１３１】
図２２に示した半導体発光素子の例では、最終バリア層３１０のｐ型不純物の濃度が、ｐ型半導体層１４に接する最終バリア層３１０の第１主面から最終バリア層３１０の膜厚方向に沿って漸減し、第１主面に対向する第２主面においてｐ型不純物が実質的に存在しない。
【０１３２】
図２２に示した半導体発光素子の最終バリア層３１０の膜厚ｄ0は、ｐ型半導体層１４の形成工程及びその工程以降においてｐ型半導体層１４から活性層１３に拡散するｐ型不純物が、活性層１３の井戸層３２に達しないように設定される。つまり、ｐ型半導体層１４から最終バリア層３１０に拡散するｐ型不純物が、ｐ型半導体層１４に接する最終バリア層３１０の第１主面に対向する第２主面（最終バリア層３１０が井戸層３２ｎに接する面）まで達しない厚みに膜厚ｄ0が設定される。
【０１３３】
ｐ型半導体層１４に接する最終バリア層３１０の第１主面でのＭｇ濃度は、例えば、約２×１０20cｍ-3程度であり、第１主面に対向する最終バリア層３１０の第２主面に向かってＭｇ濃度は次第に低下し、第１主面から距離約７〜８ｎｍの位置においてＭｇ濃度は、約１０16ｃｍ-3未満の影響を及ぼさず、分析での検出下限界以下になる。
【０１３４】
即ち、最終バリア層３１０の膜厚ｄ0を、約１０ｎｍ程度にすることにより、Ｍｇは最終バリア層３１０の第２主面まで拡散せず、そのため、活性層１３と接する最終バリア層３１０の第２主面にはＭｇは存在しない。つまり、第ｎ井戸層３２ｎ内にＭｇが拡散せず、活性層１３で発生する光の輝度の低下が防止される。
【０１３５】
なお、第１バリア層３１１〜第ｎバリア層３１ｎの膜厚ｄ１〜ｄｎは、同一であってもよい。ただし、膜厚ｄ１〜ｄｎは、ｎ型半導体層１２から活性層１３に注入される正孔が第ｎ井戸層３２ｎに到達し、第ｎ井戸層３２ｎで電子と正孔の再結合による発光が生じ得る厚さに設定する必要がある。第１バリア層３１１〜第ｎバリア層３１ｎの膜厚ｄ１〜ｄｎが厚すぎると活性層１３中での正孔の移動が妨げられ、発光効率が低下するためである。例えば、最終バリア層３１０の膜厚ｄ0は約１０ｎｍ程度であり、第１バリア層３１１〜第ｎバリア層３１ｎの膜厚ｄ１〜ｄｎは約７〜１８ｎｍ程度であり、第１井戸層３２１〜第ｎ井戸層３２ｎの膜厚は約２〜３ｎｍ程度である。
【０１３６】
以上に説明したように、第１の実施の形態に係る半導体発光素子では、ｐ型半導体層１４に接する最終バリア層３１０の膜厚ｄ0が、ｐ型半導体層１４から活性層１３に拡散するｐ型不純物が活性層１３の井戸層３２に到達しない厚さに設定される。つまり、図１５に示した半導体発光素子によれば、最終バリア層３１０の膜厚ｄ0をＭｇの拡散距離より厚く設定することにより、活性層１３全体の膜厚の増大を抑制しつつ、ｐ型半導体層１４から活性層１３の井戸層３２へのｐ型不純物の拡散を防止できる。その結果、井戸層３２へのｐ型不純物の拡散に起因する光の輝度の低下が生じず、半導体発光素子の品質の劣化が抑制された半導体発光素子を製造することができる。
【０１３７】
（透明電極）
透明電極１５は、ＺｎＯ、ＩＴＯ若しくはインジウムを含有するＺｎＯのいずれかであっても良い。或いはまた、透明電極１５は、ＧａまたはＡｌが、不純物濃度１×１０19 〜５×１０21ｃｍ-3で不純物添加されたＺｎＯ、ＩＴＯ若しくはインジウムを含有するＺｎＯのいずれかであっても良い。
【０１３８】
（詳細構造例２）
第１の実施の形態に係る半導体発光素子の詳細な模式的断面構造例２あって、半導体発光素子部分および活性層部分の拡大された模式的断面構造は、図２３に示すように、基板１０と、基板１０上に配置され、ナノサイズ加工された加工層１８と、加工層１８に挟まれた基板１０上に配置されたバッファ層１６と、バッファ層１６および加工層１８上に配置され,ｎ型不純物が不純物添加されたｎ型半導体層１２と、ｎ型半導体層１２上に配置され、ｎ型半導体層１２より低い濃度でｎ型不純物が不純物添加されたブロック層１７と、ブロック層１７上に配置された活性層１３と、活性層１３上に配置されたｐ型半導体層１４と、ｐ型半導体層１４上に配置された透明電極１５とを備える。
【０１３９】
第１の実施の形態に係る半導体発光素子の詳細な模式的断面構造例２は、活性層１３の上部に配置されたｐ型不純物を含む第３窒化物系半導体層４３と、第３窒化物系半導体層上に配置され、第３窒化物系半導体層のｐ型不純物よりも低濃度のｐ型不純物を含む第４窒化物系半導体層と、第４窒化物系半導体層上に配置され、透明電極１５とを備える。
【０１４０】
第１の実施の形態に係る半導体発光素子の詳細な模式的断面構造例２においては、その構造上、ｐ型半導体層１４が、活性層１３の上部に直接配置された第３窒化物系半導体層４３と、第３窒化物系半導体層４３上に配置され、第３窒化物系半導体層４３のｐ型不純物よりも低濃度のｐ型不純物を含む第４窒化物系半導体層４４からなる２層構造に形成されている。
【０１４１】
活性層１３の上部に直接配置された第３窒化物系半導体層４３は、例えばＭｇを不純物添加された約１×１０20ｃｍ-3、厚さ約４０ｎｍ程度のｐ型ＧａＮ層で形成される。
【０１４２】
第３窒化物系半導体層４３上に配置され,第３窒化物系半導体層４３のｐ型不純物よりも低濃度のｐ型不純物を含む第４窒化物系半導体層４４は、例えばＭｇを不純物添加された約８×１０19ｃｍ-3、厚さ約１０ｎｍ程度のｐ型ＧａＮ層で形成される。
【０１４３】
第１の実施の形態に係る半導体発光素子の詳細な模式的断面構造例２において、インジウムを含む多重量子井戸からなる活性層１３の上に形成されるｐ型半導体層１４は、上記のように、Ｍｇ濃度の異なる２層構造のｐ型ＧａＮ層からなり、上記の濃度でドーピングされている。ｐ型ＧａＮ層は、活性層１３への熱ダメージを低減させるために、約８００℃〜９００℃の低温で成長する。
【０１４４】
活性層１３に一番近い第３窒化物系半導体層４３は、活性層１３への正孔注入量を決める層であるため、Ｍｇ濃度が高いほど発光強度が高くなる。このため、Ｍｇ濃度は高ければ高いほど望ましい。
【０１４５】
第４窒化物系半導体層４４は、透明電極１５とのオーミックコンタクトを取るためのｐ型ＧａＮ層であり、実質的に空乏化されている。透明電極１５として、例えば、ＧａまたはＡｌが１×１０19 〜５×１０21ｃｍ-3程度不純物添加されたＺｎＯ電極を用いた場合、半導体発光素子の順方向電圧Ｖfを最も下げる時のＭｇ濃度となるように、第４窒化物系半導体層４４には、Ｍｇが不純物添加される。
【０１４６】
ｐ型ＧａＮ層を２層成長させる場合、ｐ側電極１００に近い第３窒化物系半導体層４３、第４窒化物系半導体層４４は、膜中の正孔濃度を上昇させる必要があるため、キャリアガス中のＨ2ガス量を多くする。或いはまた、活性層１３に近い第３窒化物系半導体層４３は、キャリアガス中のＨ2ガス量を多くする必要はなく、活性層１３をＮ2キャリアガスで成長させているその延長で結晶成長させてもよい。
【０１４７】
第１の実施の形態に係る半導体発光素子の詳細な模式的断面構造例２においても、基板１０上に配置された加工層１８、加工層１８に挟まれた基板１０上に配置されたバッファ層１６、バッファ層１６および加工層１８上に配置され,ｎ型不純物が不純物添加されたｎ型半導体層１２、ブロック層１７、活性層１３、ｐ型半導体層１４、最終バリア層３１０および電極構造は本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の詳細構造例１と同様であるため、説明は省略する。
【０１４８】
第１の実施の形態に係る半導体発光素子の詳細な模式的断面構造例１および構造例２においては、高温ＡｌＮバッファ層１６および加工層１８上に形成されるＩＩＩ族窒化物系半導体の結晶性および表面モフォロジーを改善することができる。
【０１４９】
また、低温でｐ型半導体層１４を形成して活性層１３への熱ダメージを低減させ、かつ順方向電圧Ｖfを低下させ、発光効率を向上させることができる。
【０１５０】
また、ｎ型半導体層１２から供給される電子と、ｐ型半導体層１４から供給されるホールが活性層１３において効率よく再結合するための活性層１３のＭＱＷペア数を最適化し、発光効率を向上させることができる。
【０１５１】
また、ｐ型半導体層１４から井戸層へのｐ型不純物の拡散を抑制し、発光効率を向上させることができ、ｎ型半導体層１２からｐ型半導体層１４への電子のオーバーフロー、及びｎ型半導体層１２から活性層１３へのｎ型不純物の拡散を抑制し、発光効率を向上させることができる。
【０１５２】
（結晶成長面方位）
第１の実施の形態に係る半導体発光素子に適用されるＩＩＩ族窒化物半導体の結晶面について説明する。ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶構造のｃ面、ａ面、ｍ面は、模式的に図２４（ａ）に示すように表され、半極性面{１０−１１}は、模式的に図２４（ｂ）に示すように表され、半極性面｛１０−１３｝は、模式的に図２４（ｃ）に示すように表され、ＩＩＩ族原子と窒素原子の結合形状は、模式的に、図２４（ｄ）に示すように表される。
【０１５３】
ＩＩＩ族窒化物系半導体の結晶構造は、図２４（ａ）〜図２４（ｄ）に示すように、六方晶系で近似することができ、一つのＩＩＩ族原子に対して４つの窒素原子が結合している。４つの窒素原子は、ＩＩＩ族原子を中央に配置した正四面体の４つの頂点に位置している。これらの４つの窒素原子は、一つの窒素原子がＩＩＩ族原子に対して＋ｃ軸方向に位置し、他の三つの窒素原子がＩＩＩ族原子に対して−ｃ軸側に位置している。このような構造のために、ＩＩＩ族窒化物半導体では、分極方向がｃ軸に沿っている。
【０１５４】
ｃ軸は六角柱の軸方向に沿い、このｃ軸を法線とする面（六角柱の頂面）がｃ面｛０００１｝である。ｃ面に平行な２つの面でＩＩＩ族窒化物半導体の結晶を劈開すると、＋ｃ軸側の面（＋ｃ面）はＩＩＩ族原子が並んだ結晶面となり、−ｃ軸側の面（−ｃ面）は窒素原子が並んだ結晶面となる。そのため、ｃ面は、＋ｃ軸側と−ｃ軸側とで異なる性質を示すので、極性面(Polar Plane)と呼ばれる。
【０１５５】
＋ｃ面と−ｃ面とは異なる結晶面であるので、それに応じて、異なる物性を示す。具体的には、＋ｃ面は、アルカリに強いなどといった化学反応に対する耐久性が高く、逆に、−ｃ面は化学的に弱く、例えば、アルカリに溶けてしまうことが分かっている。
【０１５６】
一方、六角柱の側面がそれぞれｍ面｛１０−１０｝であり、隣り合わない一対の稜線を通る面がａ面｛１１−２０｝である。これらは、ｃ面に対して直角な結晶面であり、分極方向に対して直交しているため、極性のない平面、すなわち、非極性面(Nonpolar Plane)である。さらに、図２４（ｂ）および図２４（ｃ）に示すように、ｃ面に対して傾斜している（平行でもなく直角でもない）結晶面｛１０−１１｝や｛１０−１３｝は、分極方向に対して斜めに交差しているため、若干の極性のある平面、すなわち、半極性面(Semipolar Plane)である。他の半極性面の具体例は、｛１０−１−１｝面、｛１０−１−３｝面、｛１１−２２｝面などの面である。
【０１５７】
例えば、ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶基板は、ｃ面を主面としたＧａＮ単結晶から切り出して作製することができる。切り出された基板のｍ面は、例えば、化学的機械的研磨処理によって研磨され、［０００１］方向および［１１−２０］方向の両方に関する方位誤差が±１°以内（好ましくは±０．３°以内）とされる。こうして、ｍ面を主面としたＧａＮ単結晶基板が得られる。
【０１５８】
第１の実施の形態に係る半導体発光素子は、上記六方晶構造の各面を結晶主面として用いることができ、ＭＯＣＶＤ法などによって、半導体発光素子を形成することができる。
【０１５９】
第１の実施の形態およびその変形例に係る半導体発光素子においては、例えば、ｎ型半導体層１２，活性層１３，およびｐ型半導体層１４は、六方晶構造の非極性面を結晶成長の主面とし、ｎ型半導体層１２の横方向成長面は、上記の非極性面に垂直な非極性面となるように、加工層１８のパターン形状を選択すると良い。
【０１６０】
或いはまた、ｎ型半導体層１２，活性層１３，およびｐ型半導体層１４は、六方晶構造のｍ面を結晶成長の主面とし、ｎ型半導体層１２の横方向成長面は、上記のｍ面に垂直なａ面となるように、加工層１８のパターン形状を選択すると良い。
【０１６１】
或いはまた、ｎ型半導体層１２，活性層１３，およびｐ型半導体層１４は、六方晶構造のａ面を結晶成長の主面とし、ｎ型半導体層１２の横方向成長面は、上記のａ面に垂直なｍ面となるように、加工層１８のパターン形状を選択すると良い。
【０１６２】
或いはまた、ｎ型半導体層１２，活性層１３，およびｐ型半導体層１４は、六方晶構造の半極性面を結晶成長の主面とし、ｎ型半導体層１２の横方向成長面は、上記の半極性面に垂直なａ面若しくはｍ面となるように、加工層１８のパターン形状を選択すると良い。
【０１６３】
或いはまた、ｎ型半導体層１２，活性層１３，およびｐ型半導体層１４は、六方晶構造の極性面を結晶成長の主面とし、ｎ型半導体層１２の横方向成長面は、ｍ面若しくはａ面となるように、加工層１８のパターン形状を選択すると良い。
【０１６４】
図２２に示した第１の実施の形態に係る半導体発光素子の詳細な模式的断面構造例１において、ｐ側電極およびｎ側電極まで形成した模式的断面構造は、図２５に示すように、ｎ型半導体層１２に電圧を印加するｎ側電極２００と、ｐ型半導体層１４に電圧を印加するｐ側電極１００を更に備える。図２５に示すように、ｐ型半導体層１４、活性層１３、ブロック層１７、及びｎ型半導体層１２の一部領域をエッチングして露出させたｎ型半導体層１２の表面に、ｎ側電極２００が配置される。
【０１６５】
ｐ側電極１００は、ｐ型半導体層１４上に透明電極１５を介して配置される。或いはまた、ｐ側電極１００は、ｐ型半導体層１４上に直接配置されていても良い。第４窒化物系半導体層４４上に配置される透明電極１５は、例えば、ＺｎＯ、ＩＴＯ若しくはインジウムを含有するＺｎＯのいずれかを含む。
【０１６６】
ｎ側電極２００は、例えばアルミニウム（Ａｌ）膜、Ｔｉ／Ｎｉ／ＡｕまたはＡｌ／Ｔｉ／Ａｕ，Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ，Ａｌ／Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕの多層膜、或いは上層からＡｕ-Ｓｎ／Ｔｉ／Ａｕ／Ｎi／Ａｌの多層膜からなり、ｐ側電極１００は、例えばＡｌ膜、パラジウム（Ｐｄ）−金（Ａｕ）合金膜、Ｎｉ／Ｔｉ／Ａｕの多層膜、或いは上層からＡｕ-Ｓｎ／Ｔｉ／Ａｕの多層膜からなる。そして、ｎ側電極２００はｎ型半導体層１２に、ｐ側電極１００は、透明電極１５を介してｐ型半導体層１４に、それぞれオーミック接続される。
【０１６７】
（詳細構造例３）
第１の実施の形態に係る半導体発光素子の詳細な模式的断面構造例３であって、半導体発光素子部分および活性層部分の拡大された模式的断面構造は、図２６に示すように、基板１０と、基板１０上に配置され、ナノサイズ加工された加工層１８と、加工層１８に挟まれた基板１０上に配置されたＡｌＮバッファ層１６と、ＡｌＮバッファ層１６上および加工層１８上に配置され,ｎ型不純物が不純物添加されたＡｌxＧａ1-xＮ層(０＜ｘ＜１)からなるｎ型半導体層２５と、ｎ型半導体層２５上に配置され、ＡｌxＧａ1-xＮ層(０＜ｘ＜１)からなるバリア層とバリア層よりバンドギャップが小さいＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ層(０＜ｘ≦ｙ＜１, ０＜ｘ＋ｙ＜１)からなる井戸層が交互に配置された積層構造を有する多重量子井戸からなる活性層６０と、活性層６０上に配置され、ｐ型不純物が不純物添加されたＡｌxＧａ1-xＮ層(０≦ｘ＜１)からなるｐ型半導体層８０とを備える。ｎ型半導体層２５は、ｎ型不純物が不純物添加されたＡｌxＧａ1-xＮ層(０＜ｘ＜１)からなるｎ型半導体層１２とｎ型半導体層１２上に配置され、同じくｎ型不純物が不純物添加されたＡｌxＧａ1-xＮ層(０＜ｘ＜１)からなるｎ型コンタクト層１９とを備える。
【０１６８】
活性層６０は、図２６に示すように、ＡｌxＧａ1-xＮ層(０＜ｘ＜１)からなるバリア層６１１〜６１ｎ、６１０とバリア層６１１〜６１ｎ、６１０よりバンドギャップが小さいＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ層(０＜ｘ≦ｙ＜１, ０＜ｘ＋ｙ＜１) からなる井戸層６２１〜６２ｎが交互に配置された積層構造を有する。
【０１６９】
図２６に示した第１の実施の形態に係る半導体発光素子の詳細な模式的断面構造例３において、ｐ側電極およびｎ側電極まで形成した模式的断面構造は、図２７に示すように、ｎ型半導体層２５に電圧を印加するｎ側電極２００と、ｐ型半導体層８０に電圧を印加するｐ側電極１００を更に備える。図２７に示すように、ｐ型半導体層８０、活性層６０、及びｎ型コンタクト層１９の一部領域をエッチングして露出させたｎ型コンタクト層１９の表面に、ｎ側電極２００が配置される。
【０１７０】
（フリップチップ構造）
第１の実施の形態に係る半導体発光素子をフリップチップ構造のパッケージに実装した構造を示す模式的断面構造は、図２８に示すように表される。
【０１７１】
第１の実施の形態に係る半導体発光素子のｐ側電極１００は、ダイボンディングによって、パッケージ２の内壁底に実装されたアノード用の電極パターン（図示省略）に接続され、同様に、ｎ側電極２００は、ダイボンディングによって、パッケージ２の内壁底に実装されたカソード用の電極パターン（図示省略）に接続されている。
【０１７２】
また、第１の実施の形態に係る半導体発光素子は、例えば、モールド樹脂１によって、パッケージ２内に実装されている。
【０１７３】
フリップチップ構造に実装された第１の実施の形態に係る半導体発光素子においては、活性層１３から下方向に放射された光は、ｐ型半導体層１４と透明電極１５との界面で一部反射され、上方向に伝搬される。また、活性層１３から上方向に放射された光は、加工層１８において効率良く屈折されて、基板１０内を伝搬し、上方向に伝搬される。
【０１７４】
結果として、図２８に示すように、フリップチップ構造のパッケージ２に実装された第１の実施の形態に係る半導体発光素子において、活性層１３から上方向および下方向に放射された光は、効率良く外部に取り出すことができる。
【０１７５】
ＧａＮ層側からサファイア基板１０を介して外部へ光を取り出す経路となるフリップチップ構造が、特に外部発光効率を向上させ得る点で有効である。
【０１７６】
異種基板１０上へ部分的に屈折率の異なる加工層１８を形成した基板を作成し、その上に窒化物系半導体を直接上記の基板へエピタキシャル成長させ、発光素子を形成することにより、エピタキシャル成長層ー基板界面に凹凸を形成でき、光の散乱・回折が生じ、光取り出し効率が向上する。
【０１７７】
しかも、図７〜図８に示したように、加工層１８の内部に屈折率ｎの分布を持たせることによって、基板１０側への光の取り出し効率が向上し、外部発光効率の向上した半導体発光素子を提供することができる。
【０１７８】
（変形例１）
第１の実施の形態の変形例１に係る半導体発光素子をパッケージに実装した構造を示す模式的断面構造は、図２９に示すように表される。
【０１７９】
本発明の第１の実施の形態の変形例１に係る半導体発光素子においては、透明電極１５上にも加工層１９ａを備えることを特徴とする。その他の構成は、第１の実施の形態と同様であるため、重複説明は省略する。
【０１８０】
加工層１９ａのパターンサイズはナノメータスケールであり、例えば、ナノインプリント技術を用いて透明電極１５に充分な高さの凹凸構造を作製することによって、加工層１９ａのパターンを形成している。また、加工層１９ａは、加工が容易な材料の層であり、加工層１８と同様に、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、チタン酸化膜、アルミナ膜などを適用することができる。
【０１８１】
活性層１３から上方向に放射された光は、ｐ型半導体層１４と透明電極１５との界面で一部反射され、下方向に伝搬されるが、一部は、加工層１９ａの凹凸面で乱反射され、また加工層１９ａの内部の屈折率分布によって、上方向に伝搬される。
【０１８２】
また、活性層１３から下方向に放射された光は、加工層１８において効率良く屈折されて、基板１０内を伝搬し、パッケージ２の内壁底で反射され、上方向に伝搬される。
【０１８３】
結果として、パッケージ２に実装された第１の実施の形態の変形例１に係る半導体発光素子において、活性層１３から上方向および下方向に放射された光は、効率良く外部に取り出すことができる。
【０１８４】
（変形例２）
第１の実施の形態の変形例２に係る半導体発光素子をパッケージに実装した構造を示す模式的断面構造は、図３０に示すように表される。
【０１８５】
本発明の第１の実施の形態の変形例２に係る半導体発光素子においては、透明電極１５上の加工層１９ａに加え、エッチングにより露出されたｎ型半導体層１２の表面上にも加工層１９ｂを備えることを特徴とする。その他の構成は、第１の実施の形態の変形例１と同様であるため、重複説明は省略する。
【０１８６】
加工層１９ｂのパターンサイズはナノメータスケールであり、例えば、ナノインプリント技術を用いてｎ型半導体層１２に充分な高さの凹凸構造を作製することによって、加工層１９ｂのパターンを形成している。また、加工層１９ｂは、加工が容易な材料の層であり、加工層１８と同様に、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、チタン酸化膜、アルミナ膜などを適用することができる。
【０１８７】
活性層１３から上方向に放射された光は、ｐ型半導体層１４と透明電極１５との界面で一部反射され、下方向に伝搬されるが、一部は、加工層１９ａの凹凸面で乱反射され、また加工層１９ａの内部の屈折率分布によって、上方向に伝搬される。
【０１８８】
また、活性層１３から下方向に放射された光は、加工層１８において効率良く屈折されて、基板１０内を伝搬し、パッケージ２の内壁底で反射され、上方向に伝搬され、一部は、加工層１９ｂの凹凸面で乱反射され、また加工層１９ｂの内部の屈折率分布によって、上方向に伝搬される。
【０１８９】
結果として、パッケージ２に実装された第１の実施の形態の変形例２に係る半導体発光素子において、活性層１３から上方向および下方向に放射された光は、効率良く外部に取り出すことができる。
【０１９０】
本発明の第１の実施の形態およびその変形例によれば、特にナノインプリント技術を用いて基板成長面に充分な高さの凹凸構造を作製し、外部発光効率の向上した半導体発光素子を提供することができる。
【０１９１】
[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は第１の実施の形態およびその変形例によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【０１９２】
既に述べた実施の形態の説明においては、ＡｌxＧａ1-xＮ層(０＜ｘ＜１)からなるバリア層３１と該バリア層３１よりバンドギャップが小さいＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ層(０＜ｘ≦ｙ＜１, ０＜ｘ＋ｙ＜１)からなる井戸層３２が交互に配置された積層構造を有する多重量子井戸からなる活性層３０の例を示したが、活性層３０がＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ層(０＜ｘ≦ｙ＜１, ０＜ｘ＋ｙ＜１)からなる１つの井戸層３２を含み、この井戸層３２とｐ型半導体層４０間に配置された最終バリア層３１０の膜厚ｄ0を、Ｍｇの拡散距離より厚くした構造であってもよい。
【０１９３】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。
【産業上の利用可能性】
【０１９４】
本発明の半導体発光素子は、量子井戸構造を備えたＬＥＤ素子,ＬＤ素子等の窒化物系半導体素子全般に利用可能である。
【符号の説明】
【０１９５】
１…モールド樹脂
２…パッケージ
４…ナノインプリントモールド
６…レジスト層
１０…基板（サファイア基板）
１２、２５、１２１、１２２、１２３、１２４…ｎ型半導体層
１３、３０，６０…活性層
１４…ｐ型半導体層
１５…透明電極
１６…バッファ層
１７…ブロック層
１８、１８−１〜１８−ｎ、１９ａ、１９ｂ…加工層
１９…ｎ型コンタクト層
２０…貫通転位
２１…電子バリア層
２２…キャップ層
３１，３１１〜３１ｎ…バリア層（ＧａＮ層）
３２，３２１〜３２ｎ…井戸層（ＩｎＧａＮ層）
６１，６１１〜６１ｎ…バリア層（ＡｌＧａＮ層）
６２，６２１〜６２ｎ…井戸層（ＡｌＩｎＧａＮ層）
４０，８０…ｐ型半導体層
４１，８１…第１窒化物系半導体層
４２，８２…第２窒化物系半導体層
４３，８３…第３窒化物系半導体層
４４，８４…第４窒化物系半導体層（ｐ型コンタクト層）
１００…ｐ側電極
１０２、２０２…ボンディングコンタクト
１０４、２０４…ボンディングワイヤ
１０６、２０６…電極パターン
２００…ｎ側電極
３１０、６１０…最終バリア層
ＬＯ…加工層１８の中央部
ＬＡ,ＬＢ…横方向選択成長方向のベクトル
【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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【図３１】
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