(57)【要約】【課題】  光の取り出し効率が極めて高い半導体発光素子製造方法および半導体発光素子の提供を課題とする。【解決手段】  本発明においては、光の平均光学波長の２倍以下の周期で形成された周期構造Ａ１を半導体発光素子１０の光の取り出し面に形成することにより、光の取り出し面における屈折率の差を緩和することができる。従って、光の取り出し面における反射を防止することができ、高い光の取り出し効率を実現することができる。さらに、Ａｕ薄膜を加熱することにより微細な周期マスクを形成することができるため、周期構造Ａ１を簡易かつ安価に形成することができる。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に少なくともｎ型半導体層とｐ型半導体層とからなる発光部を積層してなる半導体発光素子を作成する半導体発光素子製造方法において、
平均周期が上記発光部にて発光される光の平均光学波長の２倍以下となる周期状のパターンを有する周期マスクを形成するマスク形成工程と、
同周期マスクを用いて平均周期が上記平均光学波長の２倍以下となる周期状の周期構造を形成する周期構造形成工程とを具備することを特徴とする半導体発光素子製造方法。
【請求項２】
上記周期構造形成工程は、
上記周期マスクをエッチングレジストとしてエッチングを行うエッチング工程を具備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製造方法。
【請求項３】
上記周期構造形成工程は、
上記周期マスク上に高反射性金属を蒸着する高反射性金属層形成工程を具備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製造方法。
【請求項４】
上記マスク形成工程は、
被覆材を蒸着することにより被覆層を形成する蒸着工程と、
同被覆層に運動エネルギーを付与する運動エネルギー付与工程とを具備する請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体発光素子製造方法。
【請求項５】
上記運動エネルギー付与工程は、
上記被覆層を加熱することにより上記被覆層に運動エネルギーを付与することを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子製造方法。
【請求項６】
上記被覆材は金属であることを特徴とする請求項４または請求項５のいずれかに記載の半導体発光素子製造方法。
【請求項７】
上記被覆材はＡｕであることを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子製造方法。
【請求項８】
基板上に少なくともｎ型半導体層とｐ型半導体層とからなる発光部を積層してなる半導体発光素子において、
平均周期が上記発光部にて発光される光の平均光学波長の２倍以下となる周期状のパターンを有する周期マスクを形成し、
同周期マスクを用いて平均周期が上記平均光学波長の２倍以下となる周期状の周期構造が形成されることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項９】
基板上に少なくともｎ型半導体層とｐ型半導体層とからなる発光部を積層してなる半導体発光素子において、
異なる屈折率を有する複数層が接する界面において形成されるとともに、上記発光部にて発光される光の平均光学波長の２倍以下の平均周期で形成された多数の凸部で構成される周期構造を具備することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１０】
上記周期構造を構成する多数の上記凸部の平均高さは上記平均光学波長以上となることを特徴とする請求項９に記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
上記多数の凸部が形成される周期の標準偏差は、上記平均周期の２０％以下であることを特徴とする請求項９または請求項１０のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
上記多数の凸部の高さ標準偏差は、上記平均高さの２０％以下であることを特徴とする請求項９から請求項１１のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項１３】
上記周期構造は、上記基板における上記発光部が積層された側と反対側の面に形成されることを特徴とする請求項９から請求項１２のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項１４】
上記基板と上記発光部との間には３族窒化物半導体層が積層されるとともに、
上記周期構造は、上記基板と上記３族窒化物半導体層との界面に形成されることを特徴とする請求項９から請求項１２のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項１５】
上記周期構造は、上記ｐ型半導体層に形成されることを特徴とする請求項９から請求項１２のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項１６】
上記半導体発光素子の一部または全体を被覆する封止部が形成されるとともに、
上記周期構造は上記封止部の表面に形成されることを特徴とする請求項９から請求項１２のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項１７】
上記凸部は、錐体状に形成されることを特徴とする請求項９から請求項１６のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項１８】
上記周期構造と界面を接して高反射性金属層が形成されることを特徴とする請求項９から請求項１７のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項１９】
上記高反射性金属層は電極を構成することを特徴とする請求項１８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、半導体発光素子製造方法および半導体発光素子に関し、特に基板上に少なくともｎ型半導体層とｐ型半導体層とからなる発光部を積層してなる半導体発光素子製造方法および半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の半導体発光素子として、低温堆積緩衝層（1986年 H. Amano, N. Sawaki, I. Akasaki and Y. Toyoda: Appl. Phys. Lett.,48 （1986） 353）を形成したものが提案されている。また、ｐ型伝導性制御 （1989年 H. Amano, M. Kito, K. Hiramatsu and I. Akasaki: Jpn. J. Appl. Phys. 28 （1989） L2112） やｎ型伝導性制御（1991年 H. Amano and I. Akasaki: Mat. Res. Soc. Ext, Abst., EA-21 （1991） 165）を適用した半導体発光素子も提案されている。さらに、高効率発光層の作製法 （1991年 N. Yoshimoto, T. Matsuoka, T. Sasaki and A. Katsui, Appl. Phys. Lett., 59（1991）2251）を適用して作成された半導体発光素子も提案されている。
【０００３】
上記の技術を適用した半導体発光素子の一例として３族窒化物半導体発光素子の構成を図１３に示す。同図において、３族窒化物半導体発光素子１はサファイア基板２を備えており、同サファイア基板２上に低温堆積緩衝層３が積層されている。そして、低温堆積緩衝層３上にｎ−ＧａＮクラッド層４とＧａＩｎＮ発光層５とｐ−ＡｌＧａＮ障壁層６とｐ−ＧａＮコンタクト層７とが順に積層されている。さらに、最上層のｐ−ＧａＮコンタクト層７上にｐ−電極８を積層し、ｎ−ＧａＮ層上にｎ−電極９を積層することにより、３族窒化物半導体発光素子１が形成されている。
【０００４】
以上のような構造の半導体発光素子に代表される３族窒化物半導体発光素子においては、青色、緑色および白色の発光を高輝度で実現することが可能であった。また、例えばＡｌＧａＩｎＰやＡｌＧａＡｓなど他の種類の半導体発光素子についても、適合した格子定数を有する基板を使用することにより、ほぼ同じような層構造を構成することが可能であり、高い発光効率を実現することが可能である。
【０００５】
このように高い発光効率を有する半導体発光素子であっても、半導体発光素子外への光の取り出し効率が低ければ、半導体発光素子全体としてのエネルギー変換効率も低いものとなる。従って、光の取り出し効率の向上が重要な課題となっていた。光の取り出し効率が低い要因の一つとして、半導体の屈折率が空気の屈折率より大きいことが挙げられる。半導体の屈折率が空気の屈折率より大きいことにより、発光層で発光した光の大多数が全反射し、半導体発光素子の内部に閉じこめられてしまうからである。
【０００６】
これに対して、半導体発光素子の屈折率と空気の屈折率との中間の屈折率を有するエポキシ樹脂等によって半導体発光素子をモールドする手法が一般的に知られている（例えば 、非特許文献１、参照。）。また、半導体発光素子の表層にピーク周期５００ｎｍ以上の突起を多数形成することにより、光の取り出し効率の向上させたものが知られている（例えば、特許文献１、参照。）。  前者の構成によれば、半導体発光素子と空気との極端な屈折率の差を緩和することができるため、全反射を低減し、光の取り出し効率を向上させることが可能であった。一方、後者の構成においては、発光した光を凹凸により拡散反射させ、取り出すことができるため、光の取り出し効率を向上させることが可能であった。
【特許文献１】特開２００３−１７４１９１号公報
【非特許文献１】石田哲郎、清水東著: 改訂 半導体素子、コロナ社、1980年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前者の構成においては、界面における屈折率の格差が完全には解消されないため、界面における全反射を完全に防止することができなかった。また、後者の半導体発光素子においては、光の入射角によっては光を外部に拡散させることができなかったり、拡散反射によりエネルギーが減衰したりするため、飛躍的な取り出し効率の向上が実現されるには至っていなかった。また、後者において多数の突起の形成周期を正確に制御することは困難であり、コストも増大するという課題があった。
本発明は、上記課題にかんがみてなされたもので、光の取り出し効率が極めて高い半導体発光素子製造方法および半導体発光素子の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１にかかる発明では、基板上に少なくともｎ型半導体層とｐ型半導体層とからなる発光部を積層してなる半導体発光素子を作成する半導体発光素子製造方法において、
【０００９】
平均周期が上記発光部にて発光される光の平均光学波長の２倍以下となる周期状のパターンを有する周期マスクを形成するマスク形成工程と、同周期マスクを用いて平均周期が上記平均光学波長の２倍以下となる周期状の周期構造を形成する周期構造形成工程とを具備する構成としてある。
【００１０】
上記のように構成した請求項１の発明において、基板上に少なくともｎ型半導体層とｐ型半導体層とからなる発光部を積層することにより、発光可能な半導体発光素子を製造することができる。マスク形成工程においては上記発光部にて発光される光の平均光学波長の２倍以下の平均周期となる周期状のパターンを有する周期マスクが形成される。周期構造形成工程においては、上記周期マスクを用いて上記平均光学波長の２倍の平均周期を有する周期構造を形成する。ここで、周期構造形成工程においては上記周期マスクを使用して上記周期構造を形成すればよく、上記周期マスク以外の部分を選択的に積層する手法や、上記周期マスク以外の部分を選択的に除去する手法等を適用することができる。
【００１１】
また、上記周期構造形成工程の具体例として、請求項２にかかる発明では、上記周期構造形成工程は、上記周期マスクをエッチングレジストとしてエッチングを行うエッチング工程を具備する構成としてある。
上記のように構成した請求項２の発明において、上記周期構造形成工程は、上記周期マスクをエッチングレジストとしてエッチングを行う。すなわち、上記周期構造形成工程においては、上記周期マスクをエッチングレジストとしてエッチングすることにより、上記周期構造を形成するようにしてもよい。エッチングの具体的手法としては、湿式および乾式のいずれの手法を採用してもよい。
【００１２】
さらに、上記周期構造形成工程の別の具体例として、請求項３にかかる発明では、上記周期構造形成工程は、上記周期マスク上に高反射性金属を蒸着する高反射性金属層形成工程を具備する構成としてある。
上記のように構成した請求項３の発明において、上記周期構造形成工程は、上記周期マスク上に高反射性金属を蒸着することにより、高反射性金属層を形成する。すなわち、上記上記周期マスクによれば、上記高反射性金属を選択的に積層させることができるため、上記高反射性金属層を周期的な形状とすることができる。
【００１３】
一方、上記マスク形成工程の具体例として、請求項４にかかる発明では、上記マスク形成工程は、被覆材を蒸着することにより被覆層を形成する蒸着工程と、同被覆層に運動エネルギーを付与する運動エネルギー付与工程とを具備する構成としてある。
上記のように構成した請求項４の発明において、上記マスク形成工程は、蒸着工程と運動エネルギー付与工程とを具備する。上記蒸着工程においては、被覆材を蒸着することにより被覆層が形成される。一方、上記運動エネルギー付与工程では、上記蒸着工程において形成された上記被覆層に運動エネルギーが付与される。運動エネルギーが付与された上記被覆層は多数の粒に凝集することが可能となるため、同凝集した粒を周期的に配列させ上記周期マスクを形成することができる。
【００１４】
さらに、上記運動エネルギー付与工程の好適な一例として、請求項５にかかる発明では、上記運動エネルギー付与工程は、上記被覆層を加熱することにより上記被覆層に運動エネルギーを付与する構成としてある。
上記のように構成した請求項５の発明おいて、上記被覆層を加熱することにより上記被覆層に運動エネルギーを付与することができる。上記被覆層を加熱するにあたっては、ある程度均一に運動エネルギーを付与することが出来ればよく、種々の加熱器具を利用することができる。
【００１５】
また、上記被覆材の具体例として、請求項６にかかる発明では、上記被覆材は金属である構成としてある。
上記のように構成した請求項６の発明において、上記被覆材として金属素材を適用することができる。
【００１６】
さらに、上記被覆材の具体例として、請求項７にかかる発明では、上記被覆材はＡｕである構成としてある。
上記のように構成した請求項７の発明において、上記被覆材としてＡｕを適用することができる。
【００１７】
ところで、請求項８にかかる発明では、基板上に少なくともｎ型半導体層とｐ型半導体層とからなる発光部を積層してなる半導体発光素子において、
平均周期が上記発光部にて発光される光の平均光学波長の２倍以下となる周期状のパターンを有する周期マスクを形成し、同周期マスクを用いて平均周期が上記平均光学波長の２倍以下となる周期状の周期構造が形成される構成としてある。
【００１８】
上記のように構成した請求項８の発明において、請求項１に記載した半導体発光素子製造方法によって作成された半導体発光素子では、上記発光部にて発光される光の平均光学波長の２倍以下の平均周期となる周期状の周期構造が形成される。異なる屈折率を有する複数層が接する界面に上記周期構造を形成することにより、同複数層の平均的な屈折率を有する層における光の挙動を同界面おいて実現することができる。すなわち、上記半導体発光素子において、上記界面における急激な屈折率の差が上記発光部にて発光した光の取り出しに悪影響を与えることを防止することができる。むろん、請求項８に記載した半導体発光素子の製造において請求項２から請求項７の半導体製造方法を適用してもよい。
【００１９】
さらに、請求項９にかかる発明では、基板上に少なくともｎ型半導体層とｐ型半導体層とからなる発光部を積層してなる半導体発光素子において、
異なる屈折率を有する複数層が接する界面において形成されるとともに、上記発光部にて発光される光の平均光学波長以下の平均周期で形成された多数の凸部で構成される周期構造を具備する構成としてある。
【００２０】
上記のように構成した請求項９の発明において、異なる屈折率を有する複数層が接する界面において、上記発光部にて発光される光の平均光学波長以下の平均周期で形成された多数の凸部で構成される周期構造が形成される。異なる屈折率を有する複数層が接する界面に上記周期構造を形成することにより、同複数層の平均的な屈折率を有する層における光の挙動を同界面おいて実現することができる。すなわち、上記半導体発光素子において、上記界面における急激な屈折率の差が上記発光部にて発光した光の取り出しに悪影響を与えることを防止することができる。
【００２１】
また、上記周期構造の好適な構成の一例として、請求項１０にかかる発明では、上記周期構造を構成する多数の上記凸部の平均高さは上記平均光学波長以上となる構成としてある。
上記のように構成した請求項１０の発明において、上記周期構造を構成する多数の上記凸部の平均高さを上記平均光学波長以上とすることにより、少なくとも同凸部の形成周期よりも同凸部の高さを高く形成することができる。このように、上記凸部を高く形成することにより、同凸部の高さ方向に対してほぼ直交するように入射する光に対しても、上記複数層の平均的な屈折率を有する層における光の挙動を実現することができる。
【００２２】
さらに、上記周期構造の好適な一例として、請求項１１にかかる発明では、上記多数の凸部が形成される周期の標準偏差は、上記平均周期の２０％以下である構成としてある。
上記のように構成した請求項１１の発明において、上記多数の凸部が形成される周期の標準偏差を上記平均周期の２０％以下とすることにより、上記周期が上記平均光学波長を上回る可能性を低減することができ、安定して光の取り出し効率を向上させることができる。
【００２３】
同様に、上記周期構造の好適な一例として、請求項１２にかかる発明では、上記多数の凸部の高さ標準偏差は、上記平均高さの２０％以下である構成としてある。
上記のように構成した請求項１２の発明において、上記多数の凸部の高さ標準偏差を上記平均高さの２０％以下とすることにより、上記高さが上記平均光学波長を下回る可能性を低減することができ、安定して光の取り出し効率を向上させることができる。
【００２４】
さらに、上記周期構造の形成する箇所の一例として、請求項１３に記載した発明では、上記周期構造は、上記基板における上記発光部が積層された側と反対側の面に形成される構成としてある。
上記のように構成した請求項１３の発明において、上記基板における上記発光部が積層された側と反対側の面に上記周期構造が形成される。これにより、上記基板における上記発光部が積層された側と反対側の面と他の層との界面における屈折率の急激な変動を緩和することができる。例えば、上記基板における上記発光部が積層された側と反対側の面を外部の空気層と接するように形成した場合に、同空気層と上記基板との屈折率の差による弊害を抑制することができ、良好な光の取り出し効率を実現することができる。
【００２５】
また、上記周期構造の形成する箇所の一例として、請求項１４に記載した発明では、上記基板と上記発光部との間には３族窒化物半導体層が積層されるとともに、
上記周期構造は、上記基板と上記３族窒化物半導体層との界面に形成される構成としてある。
上記のように構成した請求項１４の発明において、上記基板と上記発光部との中間に形成される３族窒化物半導体層と、同基板との界面において上記周期構造を形成するようにしてもよい。上記３族窒化物半導体層と上記基板とでは屈折率が異なるため、本発明の効果を発揮することができる。
【００２６】
さらに、上記周期構造の形成する箇所の一例として、請求項１５に記載した発明では、上記周期構造は、上記ｐ型半導体層に形成される構成としてある。
上記のように構成した請求項１５の発明において、上記ｐ型半導体層において上記周期構造を形成するようにしてもよい。上記ｐ型半導体層も屈折率が異なるいずれかの層と界面を接するため、上記周期構造を形成しておくことにより、光の取り出し効率を向上させることができる。
【００２７】
さらに、上記周期構造の形成する箇所の一例として、請求項１６に記載した発明では、上記半導体発光素子の一部または全体を被覆する封止部が形成されるとともに、
上記周期構造は上記封止部の表面に形成される構成としてある。
上記のように構成した請求項１６の発明において、上記半導体発光素子の一部または全体を被覆する封止部の表面に上記周期構造を形成してもよい。このようにすることにより、上記封止部と、上記封止部と界面を接する層との屈折率の差異による弊害を緩和することができる。
【００２８】
さらに、上記周期構造を構成する上記凸部の具体的形状の一例として、請求項１７に記載した発明では、上記凸部は、錐体状に形成される構成としてある。
上記のように構成した請求項１７の発明において、上記凸部の形状を錐体状に形成するようにしてもよい。上記凸部の形状を錐体状に形成することにより、上記周期構造における有効屈折率を徐々に変動させることができる。
【００２９】
さらに、上記周期構造の具体的態様の一例として、請求項１８に記載した発明では、上記周期構造と界面を接して高反射性金属層が形成される構成としてある。
すなわち、上記周期構造と界面を接するように高反射性金属層が形成される。高反射性金属層によれば、高い反射率を実現することができる。この場合でも、上記周期構造によって反射率の急激な変動を緩和することができ、高反射率を実現することができる。
【００３０】
さらに、上記高反射性金属層の具体的例として、請求項１９に記載した発明では、上記高反射性金属層は電極を構成する構成としてある。
上記のように構成した請求項１９の発明において、上記高反射性金属層として電極を利用することができる。
【発明の効果】
【００３１】
以上説明したように、請求項１にかかる発明によれば、光の取り出し効率が極めて高い半導体発光素子の製造方法を提供することができる。
請求項２にかかる発明によれば、光の取り出し効率が極めて高い半導体発光素子を安価に製造することができる。
請求項３にかかる発明によれば、周期構造を有する高反射性金属層により高い反射率を有する半導体発光素子を製造することができる。
請求項４にかかる発明によれば、周期マスクを安価に製造することができる。
請求項５にかかる発明によれば、周期マスクを簡単に製造することができる。
【００３２】
請求項６にかかる発明によれば、被覆材を金属で形成することができる。
請求項７にかかる発明によれば、被覆材をＡｕで形成することができる。
請求項８にかかる発明によれば、光の取り出し効率が極めて高い半導体発光素子を提供することできる。
請求項９にかかる発明によれば、光の取り出し効率が極めて高い半導体発光素子を提供することできる。
請求項１０にかかる発明によれば、光の取り出し効率をより向上させることができる。
【００３３】
請求項１１にかかる発明によれば、光の取り出し効率を安定させることができる。
請求項１２にかかる発明によれば、光の取り出し効率を安定させることができる。
請求項１３にかかる発明によれば、基板から効率よく光を取り出すことができる。
請求項１４にかかる発明によれば、基板と３族窒化物半導体層との界面において光が損失することを防止できる。
請求項１５にかかる発明によれば、ｐ型半導体層の界面において光が損失することを防止できる。
【００３４】
請求項１６にかかる発明によれば、封止部と外部との界面において光が損失することを防止できる。
請求項１７にかかる発明によれば、屈折率の急激な変動を抑制することができる。
請求項１８にかかる発明によれば、周期構造にて高反射率を実現することができる。
請求項１９にかかる発明によれば、製造コストを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
ここでは、下記の順序に従って本発明の実施形態について説明する。
（１）第一の実施形態：
（２）第二の実施形態：
（３）第三の実施形態：
（４）第四の実施形態：
（５）第五の実施形態：
（６）第六の実施形態：
（７）まとめ：
【００３６】
（１）第一の実施形態：
図１は、本発明の第一の実施形態にかかる３族窒化物半導体発光素子の構造を概念的に示している。同図において、半導体発光素子１０はそれぞれが略板状に形成された基板１１と低温堆積緩衝層 １２とクラッド層１３と発光層１４と障壁層１５とコンタクト層１６とｐ−電極１７とｎ−電極１８とから構成されている。図において最下層を構成する板状の基板１１はＳｉＣで構成されており、その表側の面上にＡｌＧａＮ（３族窒化物半導体）で構成された低温堆積緩衝層１２と、ｎ−ＧａＮで構成されたクラッド層１３と、ＧａＩｎＮで構成された発光層１４と、ｐ−ＡｌＧａＮで構成された障壁層１５と、ｐ−ＧａＮで構成されたコンタクト層１６とが順に積層された構造となっている。さらに、最上層のコンタクト層１６上に板状のｐ−電極１７が積層されており、クラッド層１３上にｎ−電極１８が積層されている。基板１１の裏側には周期的な凹凸が形成されている。なお、ｎ−ＧａＮで構成されたクラッド層１３からｐ−ＧａＮで構成されたコンタクト層１６までが本発明にいう発光部を構成する。
【００３７】
図２は、基板１１の裏側（発光部が積層された面と反対側の面）を斜めから見て示している。同図において、基板１１の裏側から下方に向かって多数の略円錐状の凸部１１ａ，１１ａ，１１ａ・・・が突出することにより、基板１１の裏面が起伏形状となっている。なお、凸部１１ａ，１１ａ，１１ａ・・は基板１１の裏面上の二次元方向において周期的に分布しており、凸部１１ａ，１１ａ，１１ａ・・・を総じて周期構造Ａ１というものとする。凸部１１ａ，１１ａ，１１ａ・・・の高さの平均は約３００ｎｍとなっており、その標準偏差は約２０ｎｍとなっている。なお、凸部１１ａ，１１ａ，１１ａ・・・の高さは、凸部１１ａ，１１ａ，１１ａ・・・の頂点と高さと裾の高さとの差であるものとする。凸部１１ａ，１１ａ，１１ａ・・・の形成周期の平均は約２００ｎｍとなっており、同形成周期の標準偏差は約１５ｎｍとなっている。なお、隣接し合う凸部１１ａ，１１ａ，１１ａ・・・の頂点の間隔を凸部１１ａ，１１ａ，１１ａ・・・の形成周期あるいは周期構造Ａ１の平均周期というものとする。
【００３８】
かかる構成において、半導体発光素子１０のｐ−電極１７とｎ−電極１８との間に順バイアス方向に電圧を付与することにより、発光層１４にて発光させることができる。発光層１４においては、そのバンドギャップに相応する波長光が発光される。本実施形態の発光部においては、その平均光学波長が約２２０ｎｍとなる。なお、光学波長は実際の波長を屈折率で除した値を意味する。また、発光層１４にて発光される光の波長は数十ｎｍの幅の波長帯域内に分布しており、その平均値が約２２０ｎｍとなっている。基板１１と低温堆積緩衝層 １２とクラッド層１３と障壁層１５とコンタクト層１６は、それぞれ透光性を有しており、発光層１４にて発光された光を基板１１の裏側から取り出すことが可能となっている。すなわち、基板１１の裏面は半導体発光素子１０における光の取り出し面を構成し、この取り出し面から取り出した光を照明等に利用することが可能となっている。
【００３９】
発光層１４にて発光された光は基板１１の裏面に形成された周期構造Ａ１を貫通し、半導体発光素子１０の外部の空気中に放出される。半導体発光素子１０の外部の空気と基板１１を構成するＳｉＣとでは光の屈折率が異なるため、周期構造Ａ１と空気との界面が反射面を構成する。従って、臨界角を上回る入射角で周期構造Ａ１と空気との界面に入射した光は、同界面にて反射し半導体発光素子１０の内部に閉じこめられる場合がある。しかし、本発明においては、周期構造Ａ１の平均周期（約２００ｎｍ）が、発光した光の光学波長（約２２０ｎｍ）よりも小さいため、周期構造Ａ１に到達した光の大半は空気と基板１１の間の屈折率を感じることとなる。
【００４０】
この周期構造Ａ１における屈折率は、周期構造Ａ１を基板１１の裏面に平行な方向にスライスしたときのスライス面に分布する空気層の面積比に応じて変化すると考えることができる。実際にはスライス面において空気と基板１１のＳｉＣとが偏って分布しているが、この偏りが平均光学波長よりも短い周期で存在しているため、大半の光は面積比に依存する平均的な屈折率を感じることとなる。周期構造Ａ１の裾付近のスライス面においては空気層の占有面積比が小さいため、周期構造Ａ１の裾付近の高さでは基板１１の屈折率の寄与が大きい。これに対して、周期構造Ａ１の頂点付近のスライス面においては空気層の占有面積比が大きいため、周期構造Ａ１の頂点の高さでは空気の屈折率の寄与が大きくなる。すなわち、光が周期構造Ａ１の高さ方向に深く進行するにしたがって、基板１１の屈折率から次第に空気の屈折率に収束するような屈折率（有効屈折率）を周期構造Ａ１が有していると考えることができる。
【００４１】
周期構造Ａ１の高さに応じた屈折率の推移は、凸部１１ａ，１１ａ，１１ａ・・・の形状に依存し、例えば本実施形態のように凸部１１ａ，１１ａ，１１ａ・・・の斜面が直線的であれば、屈折率が連続的な放物線状に変動すると考えることができる。従って、基板１１と空気との界面を構成する周期構造Ａ１における急激な屈折率の変化を防止することができ、周期構造Ａ１において光が反射しないようにすることができる。ただし、凸部１１ａ，１１ａ，１１ａ・・・の形状は円錐状に限られるものではなく、他の形状であっても本発明の効果を発揮することができる。すなわち、高さに応じて断面積が次第に変動する形状であればよく、例えば三角錐状や四角錐状や半球状や台形状の突起を設けるようにしてもよい。
【００４２】
また、本実施形態において周期構造Ａ１の高さ（約４００ｎｍ）は、光の平均光学波長（約２２０ｎｍ）、および、平均周期（約２００ｎｍ）よりも大きいため、凸部１１ａ，１１ａ，１１ａ・・・の斜面が基板１１に交差する角度を比較的高い（９０度に近い）角度とすることができる。従って、周期構造Ａ１の高さを高く形成することにより、周期構造Ａ１の形成面に対して浅い角度に入射する光に対しても、屈折率の急激な変動を感じさせないようにすることができる。また、周期構造Ａ１の高さを高く形成することにより、周期構造Ａ１の高さに応じた面積比の変動がゆるやかとなり、屈折率が線形的に変動する傾きも小さくすることができる。すなわち、屈折率の急激な変化をより抑制することができ、高い反射防止性を実現することができる。
【００４３】
図３は、本発明の効果をヒストグラムによって示している。同図において、図１３のように形成した従来品の光出力に対する図１のように形成した本発明品の光出力の比を横軸に示し、各光出力の比に該当するサンプル数を縦軸に示している。なお、３０個の本発明品について光出力を調査した。その結果として、本発明を適用したサンプルは従来品と比較して３．４〜４．６倍（最頻値３．８倍）の光出力が得られることが分かった。また、半導体発光素子１０に入力した電気エネルギーのほとんどを損失することなく、光エネルギーとして取り出していることが分かった。
【００４４】
なお、上述したとおり本発明の効果は、光の平均光学波長よりも周期構造Ａ１の平均周期が小さい場合に発揮されるが、凸部１１ａ，１１ａ，１１ａ・・・の形成周期の標準偏差を周期構造Ａ１の平均周期の２０％以内（より好ましくは１０％以内）とすることにより、確実に本発明の効果を発揮させることができる。また、凸部１１ａ，１１ａ，１１ａ・・・の形成周期の標準偏差は小さい方が望ましいが、凸部１１ａ，１１ａ，１１ａ・・・が例えば格子状等のように秩序正しく形成されている必要はない。ただし、凸部１１ａ，１１ａ，１１ａ・・・の分布に異方性を生じさせないために、基板１１の裏面上の二次元方向に分布していることが望ましい。むろん、効果に異方性は生じるが、周期構造Ａ１をストライプ状に形成するようにしてもよい。また、凸部１１ａ，１１ａ，１１ａ・・・高さのばらつきも平均に対して２０％以内（より好ましくは１０％以内）とすることが望ましい。
【００４５】
図４は、基板１１と空気との界面における透過率をグラフにより示している。同図において、縦軸に光の透過率を示し、横軸に周期構造Ａ１の平均周期を示している。なお、横軸の周期構造Ａ１の平均周期は、発光される光の平均光学波長（約２２０ｎｍ）の何倍かで表現されている。同図において、周期構造Ａ１の平均周期が平均光学波長（約２２０ｎｍ）の３倍の約５００ｎｍ以下となる領域において透過率が向上することが分かる。特に、周期構造Ａ１の平均周期が平均光学波長の２倍以下となる領域において、半導体発光素子１０として良好な光の取り出し効率を実現することができる。また、本実施形態のように、周期構造Ａ１の平均周期が平均光学波長以下となるようにすれば、１００％に近い光の透過率を実現することができる。すなわち、周期構造Ａ１の平均周期は小さければ小さい方が望ましい。
【００４６】
発光層１４において発光される光は平均光学波長が約２２０ｎｍとなるが、数十ｎｍの波長帯域幅を有しているため、周期構造Ａ１の平均周期が小さくなるほど、発光された光のうち周期構造Ａ１の周期よりも光学波長が小さいものの割合が高くなる。従って、光の透過率を、周期構造Ａ１の平均周期が発光された光の平均光学波長の２〜３倍となる領域から徐々に向上させ、周期構造Ａ１の平均周期が発光された光の平均光学波長以下の領域では１００％の近くまで到達させることができる。
【００４７】
次に、半導体発光素子１０の製造方法について説明する。まず、略板状の基板１１を用意する。なお、この時点で基板１１の裏側には周期構造Ａ１は形成されていない。有機金属化合物気相成長法を用い基板１１の表側にＡｌＧａＮを均一に成長させることにより、所定の厚みを有する低温堆積緩衝層 １２を形成する。同様にして、低温堆積緩衝層 １２上にはクラッド層１３を形成し、さらにクラッド層１３上には発光層１４を形成する。さらに、発光層１４上に障壁層１５を形成し、障壁層１５上にｐ−ＧａＮを成長させることにより、コンタクト層１６を形成する。
【００４８】
以上のようにして各層を積層した後に、図５のように基板１１の裏側に被覆材としてのＡｕを均一に蒸着することにより被覆層２０を形成する（蒸着工程）。Ａｕを蒸着するにあたっては、種々の蒸着手法を適用することができる。例えば、真空化でＡｕを加熱蒸散させることにより蒸着を行うＥＢ蒸着装置等を利用してもよい。さらに、ある程度基板１１の裏側にＡｕを均一に分布させることが出来ればよく、例えば湿式の手法によってＡｕを付着させてもよい。なお、本実施形態においては被覆層２０の膜厚が約５０Åとなるように蒸着が行われる。
【００４９】
被覆層２０を形成した後に、半導体発光素子１０をオーブン等によって加熱する（運動エネルギー付与工程）。その際、基板１１の裏側に形成された被覆層２０が全面にわたり均一に例えば約１８０℃に加熱されるようにする。このようにすることにより、被覆層２０を構成する各Ａｕ原子に運動エネルギーを付与することができ、それによりＡｕ原子を基板１１の裏側面上にて凝集させることができる。そして、半導体発光素子１０を冷却することにより、図６のように基板１１の裏側面上に多数のＡｕ粒３０，３０，３０・・・を分布させることができる。上述のとおり、被覆層２０は均一の膜厚となるように形成されるとともに、運動エネルギーは全面にわたって均一に付与されるため、Ａｕ原子の凝集エネルギーは基板１１の裏側全体において均一と考えることができる。従って、図６に示すようにＡｕ粒３０，３０，３０・・・を基板１１の裏側面にて均一な周期状に分布させることができる。
【００５０】
なお、Ａｕ粒３０，３０，３０・・・の分布周期は、加熱温度や被覆層２０の膜厚等によって制御することができる。本実施形態においては、膜厚が約５０Åの被覆層２０を約１８０℃で加熱することにより、Ａｕ粒３０，３０，３０・・・を平均周期が約２００ｎｍとなるように分布させることができる。例えば、Ａｕ粒３０，３０，３０・・・の分布周期を大きくしたい場合には、加熱温度を高くしたり、被覆層２０の膜厚を厚くしたりすればよい。逆に、Ａｕ粒３０，３０，３０・・・の分布周期を小さくしたい場合には、加熱温度を低くしたり、被覆層２０の膜厚を薄くしたりすればよい。また、被覆層２０の凝集が可能な程度に運動エネルギーを付与することができればよく、加熱以外の手法によって周期状のＡｕ粒３０，３０，３０・・・を形成するようにしてもよい。例えば、イオン照射や電子線照射などによっても、被覆層に運動エネルギーを付与することができる。なお、Ａｕ粒３０，３０，３０・・・は平均周期が平均光学波長以下となる周期状のパターンとなるため、Ａｕ粒３０，３０，３０・・・は全体として本発明にいう周期マスクを構成する（マスク形成工程）。
【００５１】
以上のようにして基板１１の裏側面上に周期的に分布するＡｕ粒３０，３０，３０・・・を形成した後に、反応性イオンエッチング装置によって基板１１の裏側をエッチングする（エッチング工程）。本実施形態においては、エッチング媒体としてＣＦ4ガスを使用するものとする。むろん、他のエッチングガスを使用してもよいし、エッチング液を用いてエッチングを行ってもよい。ＡｕのＣＦ4ガスに対するエッチング耐性は、ＳｉＣのＣＦ4ガスに対するエッチング耐性よりも高いため、ＳｉＣを選択的にエッチングすることができる。エッチング方向は基板１１の裏面に対して垂直方向であり、基板１１の裏側面におけるＡｕ粒３０，３０，３０・・・が付着していない部位のみをエッチングすることができる。
【００５２】
すなわち、多数のＡｕ粒３０，３０，３０・・・で構成される周期マスクをエッチングレジストとして利用して、エッチングを行うことができる。これにより、図８に示すような周期構造Ａ１を形成することができる（周期構造形成工程）。なお、一般にエッチング速度が早くなる条件にすると、エッチングが基板１１の裏面に対して垂直に進行するため、凸部１１ａ，１１ａ，１１ａ・・・の斜面の基板１１の裏面に対する傾斜角度は垂直に近くなる。反対に、エッチング速度が遅くなる条件にすると、サイドエッチングが進行し、凸部１１ａ，１１ａ，１１ａ・・・の斜面の基板１１の裏面に対する傾斜角度は鋭角となる。
【００５３】
このように周期マスクを利用してエッチングを行うことにより、周期構造Ａ１の形状を所望の形状に制御することができる。また、過度にエッチングを行わない限り、凸部１１ａ，１１ａ，１１ａ・・・の頂点の高さを揃えることができる。従って、凸部１１ａ，１１ａ，１１ａ・・・の高さのばらつきを小さく形成することができる。ただし、意図的にサイドエッチング量を増加させ、図７の左から３個目の凸部１１ａのようにＡｕ粒３０を除去してもよい。また、Ａｕ粒３０がエッチングによって消滅するようなエッチング条件を設定するようにしてもよい。なお、本実施形態においてＡｕ粒３０，３０，３０・・・が半導体発光素子１０の内部に残留していても半導体発光素子１０の性能を大きく劣化させることはない。しかし、被覆材の素材によっては性能を劣化させることもあるため、その場合は周期マスクを除去しておくことが望ましい。
【００５４】
周期マスクの素材は、エッチング媒体に対するエッチング耐性が基板よりも高ければよく、Ａｕに限られるものではない。具体的には、周期マスクと基板とのエッチング選択比が０．１以上であればよく、１以上であることがより望ましい。例えば、ＣＦ4ガスに対して有効な周期マスクの素材として、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、ＳｉＮ、ＳｉＯ2あるいは絶縁体等を挙げることができる。むろん、エッチング媒体に応じて適切な周期マスク素材が選択されるため、上記以外の周期マスク素材が適用され得ることはいうまでもない。ただし、本実施形態のように周期マスクを形成する過程において、原子あるいは分子の凝集を利用する場合には、Ａｕのように凝集可能な被覆材を選択しておく必要がある。
【００５５】
また、本実施形態においては、被覆層の凝集を利用して周期マスクを形成したが、他の手法によって周期状のマスクを形成するようにしてもよい。例えば、エキシマレーザを用いたステッパーを利用して周期状のマスクパターンを形成してもよいし、感光性を有するマスク材料に対して電子ビーム露光等や２光速干渉露光を行うことにより周期状のマスクパターンを形成してもよい。
【００５６】
以上のようにして周期構造Ａ１を形成した後にｎ−電極１７およびｎ−電極１８を形成し、半導体発光素子１０をパッケージングする。なお、一様に積層された発光層１４と障壁層１５とコンタクト層１６を選択エッチングすることによってｎ−電極１８が形成されるクラッド層１３を露出させてもよいし、予め選択的に発光層１４と障壁層１５とコンタクト層１６を成長させることによりｎ−電極１８が形成されるクラッド層１３を露出させてもよい。また、予めｎ−電極１７およびｎ−電極１８を形成した後に、周期構造Ａ１を形成するようにしてもよい。
【００５７】
さらに、予め基板１１の裏側に周期構造Ａ１を形成しておいてから、基板１１の表側に各層を形成するようにしてもよい。また、基板１１は透光性を有していればよく、ＳｉＣ以外の素材により基板を形成するようにしてもよい。例えば、サファイア基板やＧａＮ基板やＧａ2Ｏ3基板やＧａＮ基板等を適用することができる。また、例えばＡｌＧａＩｎＰやＡｌＧａＡｓなどの他の種類の半導体発光素子に対しても本発明が適用可能であることはいうまでもない。なお、発光層の種類によって発光される光の平均光学波長が異なってくるが、それぞれの平均光学波長の２倍以下（平均光学波長以下が好ましい。）の周期を有する周期構造Ａ１を形成することにより、高い光の取り出し効率が実現できることに相違ない。
【００５８】
（２）第二の実施形態：
図８は、本発明の第二の実施形態にかかる３族窒化物半導体発光素子の構造を概念的に示している。同図において、半導体発光素子１１０はそれぞれが略板状に形成された基板１１１と低温堆積緩衝層 １１２とクラッド層１１３と発光層１１４と障壁層１１５とコンタクト層１１６とｐ−電極１１７とｎ−電極１１８とから構成されている。最下層を構成する板状の基板１１１はＳｉＣで構成されており、その表側の面上にＡｌＧａＮで構成された低温堆積緩衝層 １１２と、ｎ−ＧａＮで構成されたクラッド層１１３と、ＧａＩｎＮで構成された発光層１１４と、ｐ−ＡｌＧａＮで構成された障壁層１１５と、ｐ−ＧａＮで構成されたコンタクト層１１６とが順に積層された構造となっている。さらに、最上層のコンタクト層１１６上に周期的に配列するＡｕ粒１３０，１３０，１３０・・・によって構成される周期構造Ａ２を有しており、同周期構造Ａ２が形成されたコンタクト層１１６上にＣｕで構成された高反射性金属層としてのｐ−電極１１７が積層されている。基板１１１の裏側はフラットな面となっており、ｎ−電極１１８が積層されている。
【００５９】
かかる構成によれば、半導体発光素子１１０に対して順バイアス方向に電圧を付与することにより、発光層１１４にて発光することができる。発光層１１４においては、そのバンドギャップに相応する光が発光され、その平均光学波長は約２２０ｎｍとなる。基板１１１と低温堆積緩衝層 １１２とクラッド層１１３と障壁層１１５とコンタクト層１１６は、それぞれ透光性を有しており、発光層１１４にて発光された光を基板１１１の裏側から取り出すことが可能となっている。すなわち、基板１１１の裏側は半導体発光素子１１０における光の取り出し面を構成し、この取り出し面から取り出した光を照明等に利用することが可能となっている。
【００６０】
一方、コンタクト層１１６の上面は反射率の高いＣｕで形成されたｐ−電極１１７によって覆われているため、発光した光を反射させることにより、ｐ−電極１１７側から漏出することを防止している。反射した光は光の取り出し面から取り出され照明等に利用することができる。周期構造Ａ２が形成されることにより、拡散反射を促進させることができるため、よりコンタクト層１１６とｐ−電極１１７との界面における反射率を向上させることができる。従って、最終的に半導体発光素子１１０における光の取り出し面から取り出される光量を増加させ、光の取り出し効率を通常の１．３倍程度に向上させることができる。
【００６１】
次に、半導体発光素子１１０の製造方法について説明する。まず、略板状の基板１１１を用意する。有機金属化合物気相成長法を用い基板１１１の表側にＡｌＧａＮを均一に成長させることにより、所定の厚みを有する低温堆積緩衝層 １１２を形成する。同様にして、低温堆積緩衝層 １１２上にはクラッド層１１３を形成し、さらにクラッド層１１３上には発光層１１４を形成し、さらには障壁層１１５を発光層１１４上に形成する。そして、障壁層１１５上にｐ−ＧａＮを成長させることにより、コンタクト層１１６を形成する。
【００６２】
以上のようにして各層を積層した後に、コンタクト層１１６の表面に被覆材としてのＡｕを均一に蒸着し、図５と同様の被覆層を形成する。Ａｕを蒸着するにあたっては、種々の蒸着手法を適用することができる。例えば、真空化でＡｕを加熱蒸散させることにより蒸着を行うＥＢ蒸着装置等を利用してもよい。また、ある程度基板１１１の裏側にＡｕを均一に分布させることが出来ればよく、例えば湿式の手法によってＡｕを付着させてもよい。なお、本実施形態においては被覆層の膜厚が約５０Åとなるように蒸着が行われる。
【００６３】
被覆層を形成した後に、半導体発光素子１１０をオーブン等によって加熱する。その際、コンタクト層１１６の表面に形成された被覆層が例えば約１８０℃に加熱されるようにする。このようにすることにより、被覆層を構成する各Ａｕ原子に運動エネルギーを付与することができ、Ａｕ原子をコンタクト層１１６の表面上にて凝集させることができる。そして、半導体発光素子１１０を冷却することにより、コンタクト層１１６の表面に多数のＡｕ粒１３０，１３０，１３０・・・を分布させることができる。上述のとおり、被覆層は均一の膜厚となるように形成されるとともに、加熱時に凝集するＡｕ原子の凝集エネルギーはコンタクト層１１６の表面において均一と考えることができるため、図６と同様にＡｕ粒１３０，１３０，１３０・・・をコンタクト層１１６の表面にて均一な周期状に分布させることができる。
【００６４】
以上のようにしてコンタクト層１１６の表面上に周期的に分布するＡｕ粒１３０，１３０，１３０・・・を形成した後に、コンタクト層１１６およびＡｕ粒１３０，１３０，１３０・・・上に、さらにＣｕを蒸着する（高反射性金属層形成工程）。ここでＣｕを蒸着するにあたってもＥＢ蒸着装置等を用いることができるし、蒸着以外の手法によってＣｕをコンタクト層１１６の表面に付着させるようにしてもよい。蒸着における初期段階においては、コンタクト層１１６の表面がＡｕ粒１３０，１３０，１３０・・・によって凹凸をなしているが、蒸着が進行するに伴ってＡｕ粒１３０，１３０，１３０・・・の隙間がＣｕによって埋められ、最終的に平坦な表面が形成され、ｐ−電極１１７が形成される。すなわち、Ａｕ粒１３０，１３０，１３０・・・で構成される周期構造に界面を接する高反射性金属層がｐ−電極１１７として形成されたこととなる。
【００６５】
本実施形態における基板は透光性を有していればよく、ＳｉＣ以外の素材により基板を形成するようにしてもよい。例えば、サファイア基板やＧａＮ基板やＧａ2Ｏ3基板やＧａＮ基板等を適用することができる。また、例えばＡｌＧａＩｎＰやＡｌＧａＡｓなどの他の種類の半導体発光素子に対しても本発明が適用可能であることはいうまでもない。なお、発光層の種類によって発光される光の平均光学波長が異なってくるが、それぞれの平均光学波長以下の周期を有する周期構造Ａ２を形成することにより、高い光の取り出し効率が実現できることには相違ない。また、本実施形態において、高反射性金属層の一例としてＣｕを素材としたものを例示したが、Ｒｈ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｃｕおよびこれらを含む合金などを高反射性金属層として形成してもよい。また、高反射性金属層を電極として利用することにより、工程の数の削減を実現することが可能であるが、高反射性金属層と電極とを個別に形成するようにしてもよい。
【００６６】
（３）第三の実施形態：
図９は、第三の実施形態にかかる３族窒化物半導体発光素子の構造を概念的に示している。同図において、半導体発光素子２１０はそれぞれが略板状に形成された基板２１１と低温堆積緩衝層 ２１２とクラッド層２１３と発光層２１４と障壁層２１５とコンタクト層２１６とｐ−電極２１７とｎ−電極２１８とから構成されている。最下層を構成する板状の基板２１１はＳｉＣで構成されており、その表側の面上にＡｌＧａＮで構成された低温堆積緩衝層 ２１２と、ｎ−ＧａＮで構成されたクラッド層２１３と、ＧａＩｎＮで構成された発光層２１４と、ｐ−ＡｌＧａＮで構成された障壁層２１５と、ｐ−ＧａＮで構成されたコンタクト層２１６とが順に積層された構造となっている。さらに、最上層のコンタクト層２１６から上方に向かって多数の凸部を突設することにより、周期構造Ａ３（平均周期約２００ｎｍ，平均高さ４００ｎｍ）が形成されている。周期構造Ａ３上にはＣｕで構成されたｐ−電極２１７が積層されており、基板２１１の裏側にｎ−電極２１８が積層されている。
【００６７】
かかる構成によれば、半導体発光素子２１０に対して順バイアス方向に電圧を付与することにより、発光層２１４にて発光することができる。発光層２１４においては、そのバンドギャップに相応する光が発光され、その平均光学波長は約２２０ｎｍとなる。基板２１１と低温堆積緩衝層 ２１２とクラッド層２１３と障壁層２１５とコンタクト層２１６は、それぞれ透光性を有しており、発光層２１４にて発光された光を基板２１１の裏側から取り出すことが可能となっている。すなわち、基板２１１の裏側は半導体発光素子２１０における光の取り出し面を構成し、この取り出し面から取り出した光を照明等に利用することが可能となっている。
【００６８】
一方、コンタクト層２１６の上面は反射率の高いＣｕで形成されたｐ−電極２１７によって覆われているため、発光した光を反射させることによりｐ−電極２１７側から光が漏出することを防止している。反射した光は光の取り出し面から取り出され照明等に利用することができる。周期構造Ａ３が形成されることにより、拡散反射を促進させることができるため、よりコンタクト層２１６とｐ−電極２１７との界面における反射率を向上させることができる。従って、最終的に半導体発光素子２１０における光の取り出し面から取り出される光量を増加させ、光の取り出し効率を向上させることができる。
【００６９】
次に、半導体発光素子２１０の製造方法について説明する。まず、略板状の基板２１１を用意する。有機金属化合物気相成長法を用い基板２１１の表側にＡｌＧａＮを均一に成長させることにより、所定の厚みを有する低温堆積緩衝層 ２１２を形成する。同様にして、低温堆積緩衝層 ２１２上にはクラッド層２１３を形成し、さらにクラッド層２１３上には発光層２１４および障壁層２１５を形成する。そして、障壁層２１５上にｐ−ＧａＮを成長させることにより、コンタクト層２１６を形成する。
【００７０】
以上のようにして各層を積層した後に、コンタクト層２１６の表面に周期構造Ａ３を形成する。周期構造Ａ３を形成するにあたっては、第一の実施形態と同様の手法を適用することができるため、ここでは説明を省略する。周期構造Ａ３が形成できると、さらにコンタクト層２１６の表面に対してＣｕを蒸着する。蒸着における初期段階においては、コンタクト層２１６の表面が周期構造Ａ３によって凹凸をなしているが、蒸着が進行するに伴って周期構造Ａ３の隙間がＣｕによって埋められ、最終的に平坦な表面が形成され、ｐ−電極２１７が形成される。前実施形態のように、Ａｕ粒を周期構造Ａ２として利用することにより工程数を削減できる。一方、本実施形態のようにＡｕ粒を周期マスクとして周期構造Ａ３を形成することにより、周期構造Ａ３の形状を制御することができる。
【００７１】
（４）第四の実施形態：
図１０は、第四の実施形態にかかる３族窒化物半導体発光素子の構造を概念的に示している。同図において、半導体発光素子３１０はそれぞれが略板状に形成された基板３１１と低温堆積緩衝層 ３１２とクラッド層３１３と発光層３１４と障壁層３１５とコンタクト層３１６とｐ−電極３１７とｎ−電極３１８とから構成されている。最下層を構成する板状の基板３１１はＳｉＣで構成されており、その表側の面上にＡｌＧａＮで構成された低温堆積緩衝層 ３１２と、ｎ−ＧａＮで構成されたクラッド層３１３と、ＧａＩｎＮで構成された発光層３１４と、ｐ−ＡｌＧａＮで構成された障壁層３１５と、ｐ−ＧａＮで構成されたコンタクト層３１６とが順に積層された構造となっている。さらに、最上層のコンタクト層３１６にｐ−電極３１７が積層されており、基板３１１の裏側にｎ−電極３１８が積層されている。
【００７２】
基板３１１の表側には周期的に起伏する周期構造Ａ４が形成されており、周期構造３１１ａ，３１１ａ，３１１ａ・・・に追従するように低温堆積緩衝層 ３１２とクラッド層３１３が形成されている。一方、クラッド層３１３の表側は平坦化され、クラッド層３１３よりも上層は全て平坦に形成されている。
【００７３】
このように、基板３１１の表側に周期的に起伏する周期構造Ａ４を形成することにより、基板３１１と低温堆積緩衝層 ３１２との界面における反射率を低減することができる。基板３１１の屈折率と低温堆積緩衝層 ３１２の屈折率は異なるが、周期構造Ａ４により屈折率の急激な変化を抑制することができるからである。さらに、低温堆積緩衝層 ３１２のように膜厚が薄い層を形成すれば周期構造Ａ４の凹凸形状が維持されるため、低温堆積緩衝層 ３１２と、その上に積層されるクラッド層３１３との界面も周期状に起伏させることができる。従って、低温堆積緩衝層 ３１２とクラッド層３１３の界面における反射率も低減することができる。
【００７４】
このように、複数組の界面において周期構造を形成することによって、さらに光の取り出し効率を向上させることができる。また、周期構造Ａ４上に同周期構造Ａ４を平坦化させない程度の厚みの薄膜層（低温堆積緩衝層 ３１２）を形成することにより、薄膜層（低温堆積緩衝層 ３１２）表面においても凹凸形状維持することができる。従って、薄膜層（低温堆積緩衝層 ３１２）表面に上層（クラッド層３１３）を積層することで、同薄膜層（低温堆積緩衝層 ３１２）と同上層（クラッド層３１３）との界面に周期構造を形成することができる。すなわち、各界面において個別に周期構造を形成する工程を行わなくても済むため、少ない製造コストで高い光取り出し効率を有する半導体発光素子を製造することができる。
【００７５】
次に、半導体発光素子３１０の製造方法について説明する。まず、略板状の基板３１１を用意する。そして、基板３１１の表側に周期構造Ａ４を形成する。周期構造Ａ４を形成するにあたっては、第一の実施形態において基板１１の裏側に周期構造Ａ１を形成する手法と同様の手法を適用することができるため、ここでは説明を省略する。周期構造Ａ４を形成した後に、有機金属化合物気相成長法を用い基板３１１の表側にＡｌＧａＮを均一に成長させることにより、周期構造Ａ４に追従した形状の低温堆積緩衝層 ３１２を形成する。
【００７６】
そして、低温堆積緩衝層 ３１２の表側に有機金属化合物気相成長法を用いｎ−ＧａＮを成長させることにより、クラッド層３１３を形成する。クラッド層３１３がある程度形成されたところで、周期構造Ａ４の凹部がｎ−ＧａＮによって埋められ、最終的に平坦な表面が形成される。クラッド層３１３の平坦表面を形成すると、クラッド層３１３上に発光層３１４を形成し、さらに発光層３１４上に障壁層３１５を成長させる。そして、障壁層３１５上にｐ−ＧａＮを成長させることにより、コンタクト層３１６を形成する。さらに、最上層のコンタクト層３１６にｐ−電極３１７を積層し、基板３１１の裏側にｎ−電極３１８を積層する。
【００７７】
（５）第五の実施形態：
図１１は、第五の実施形態にかかる３族窒化物半導体発光素子の構造を概念的に示している。同図において、半導体発光素子４１０はそれぞれが略板状に形成された基板４１１と低温堆積緩衝層 ４１２とクラッド層４１３と発光層４１４と障壁層４１５とコンタクト層４１６とｐ−電極４１７とｎ−電極４１８とから構成されている。最下層を構成する板状の基板４１１はＳｉＣで構成されており、その表側の面上にＡｌＧａＮで構成された低温堆積緩衝層 ４１２と、ｎ−ＧａＮで構成されたクラッド層４１３と、ＧａＩｎＮで構成された発光層４１４と、ｐ−ＡｌＧａＮで構成された障壁層４１５と、ｐ−ＧａＮで構成されたコンタクト層４１６とが順に積層された構造となっている。さらに、コンタクト層４１６にｐ−電極４１７が積層されており、基板４１１の裏側にｎ−電極３１８が積層されている。なお、ｐ−電極４１７は、メッシュ状のＮｉ／Ａｕ等によって半透明に形成されており、光を透過させることが可能となっている。また、ｐ−電極４１７は、ある程度、光を透過させることが出ればよく、Ｇａ2Ｏ3やＺｎＯやＩＴＯ等の透明電極を使用してもよい。
【００７８】
基板４１１と低温堆積緩衝層 ４１２とクラッド層４１３と発光層４１４と障壁層４１５とコンタクト層４１６とｎ−電極４１８とは平坦な板状に積層されている。コンタクト層４１６の表面には周期状に起伏する周期構造Ａ５が形成されており、同周期構造Ａ５上にｐ−電極４１７が追従して積層されている。ｐ−電極４１７の表面は、周期構造Ａ５の凹凸が維持された形状となっている。
【００７９】
このように、コンタクト層４１６の表側に周期的に起伏する周期構造Ａ５を形成することにより、コンタクト層４１６とｐ−電極４１７との界面における反射率を低減することができる。コンタクト層４１６の屈折率とｐ−電極４１７の屈折率は異なるが、周期構造Ａ５により屈折率の急激な変化を抑制することができるからである。さらに、ｐ−電極４１７のように膜厚が薄い層を形成すれば周期構造Ａ５の凹凸形状が維持されるため、ｐ−電極４１７と空気との界面も周期状に起伏させることができる。従って、ｐ−電極４１７と空気の界面における反射率も低減することができる。
【００８０】
次に、半導体発光素子４１０の製造方法について説明する。まず、略板状の基板４１１を用意する。そして、有機金属化合物気相成長法を用い基板４１１の表側にＡｌＧａＮを均一に成長させ、低温堆積緩衝層 ４１２を形成する。低温堆積緩衝層 ４１２の表側に有機金属化合物気相成長法を用いｎ−ＧａＮを成長させることにより、クラッド層４１３を形成する。さらに、クラッド層４１３上に発光層４１４を形成し、発光層４１４上には障壁層４１５を成長させる。そして、障壁層４１５上にｐ−ＧａＮを成長させることにより、コンタクト層４１６を形成する。
【００８１】
コンタクト層４１６上には周期的に起伏する周期構造Ａ５を形成する。周期構造Ａ５を形成するにあたっては、第一の実施形態において基板１１の裏側に周期構造Ａ１を形成する手法と同様の手法を適用することができるため、ここでは説明を省略する。周期構造Ａ５を形成した後に、周期構造Ａ５上に塗布や蒸着によりｐ−電極４１７を積層する。一方、基板４１１の裏側には、ｎ−電極４１８を積層する。
【００８２】
（６）第六の実施形態：
図１２は、第六の実施形態にかかる３族窒化物半導体発光素子の構造を概念的に示している。同図において、略半球ドーム状の封止部６０が形成されており、同封止部６０の内部に第一の実施形態の半導体発光素子１０が光の取り出し面を紙面上方に配向させて埋め込まれている。封止部６０は透明なエポキシ樹脂等の合成樹脂によって形成されており、半導体発光素子１０から外部に取り出された光を透過させることが可能となっている。封止部６０の表面は周期的に起伏する周期構造Ａ６が形成されている。周期構造Ａ６を形成するにあたっては、第一の実施形態において基板１１の裏側に周期構造Ａ１を形成する手法と同様の手法を適用することができるため、ここでは説明を省略する。
【００８３】
このように、封止部６０の表面に周期的に起伏する周期構造Ａ６を形成することにより、封止部６０と外側の空気との界面における反射率を低減することができる。封止部６０の空気の屈折率は異なるが、周期構造Ａ６により屈折率の急激な変化を抑制することができるからである。なお、封止部６０によって半導体発光素子１０を封止する態様は様々であり、光の取り出し面のみを封止部６０によって封止するようにしてもよい。この場合も、封止部６０の表面に周期構造Ａ６を形成することにより、封止部６０の外部への光の取り出し効率を向上させることができる。
【００８４】
（７）まとめ：
以上説明したように本発明によれば、光の平均光学波長の２倍以下の周期で形成された周期構造Ａ１を半導体発光素子１０の光の取り出し面に形成することにより、光の取り出し面における屈折率の差を緩和することができる。従って、光の取り出し面における反射を防止することができ、高い光の取り出し効率を実現することができる。さらに、Ａｕ薄膜を加熱することにより微細な周期マスクを形成することができるため、周期構造Ａ１を簡易かつ安価に形成することができる。
【００８５】
また、各実施形態を適宜組み合わせて半導体発光素子を形成することも可能である。例えば、第一から第五の実施形態の半導体発光素子を、第六の実施形態の封止部６０に封止してもよい。また、例えば第一の実施形態の構成と第二または第３の実施形態の構成を組み合わせた半導体発光素子を形成することも可能である。かかる構成によれば、光の取り出し面にて高い透過率を実現しつつ、光の取り出し面と発光部を挟んだ反対側の面にて高い反射率を実現することができるため、光の取り出し効率を相乗的に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】第一の実施形態にかかる半導体発光素子の概念図である。
【図２】第一の実施形態にかかる周期構造の斜視図である。
【図３】本発明を適用した半導体発光素子の光の出力を示すヒストグラムである。
【図４】光の透過率と平均周期との関係を示すグラフである。
【図５】第一の実施形態にかかる周期構造の工程説明図である。
【図６】第一の実施形態にかかる周期構造の工程説明図である。
【図７】第一の実施形態にかかる周期構造の工程説明図である。
【図８】第二の実施形態にかかる半導体発光素子の概念図である。
【図９】第三の実施形態にかかる半導体発光素子の概念図である。
【図１０】第四の実施形態にかかる半導体発光素子の概念図である。
【図１１】第五の実施形態にかかる半導体発光素子の概念図である。
【図１２】第六の実施形態にかかる半導体発光素子の概念図である。
【図１３】従来例にかかる半導体発光素子の概念図である。
【符号の説明】
【００８７】
１，１０，１１０，２１０，３１０，４１０…半導体発光素子
２，１１，１１１，２１１，３１１，４１１…基板
３，１２，１１２，２１２，３１２，４１２…低温堆積緩衝層
４，１３，１１３，２１３，３１３，４１３…クラッド層
５，１４，１１４，２１４，３１４，４１４…発光層
６，１５，１１５，２１５，３１５，４１５…障壁層
７，１６，１１６，２１６，３１６，４１６…コンタクト層
８，１７，１１７，２１７，３１７，４１７…ｐ−電極
９，１８，１１８，２１８，３１８，４１８…ｎ−電極
１１ａ…凸部
２０…被覆層
３０…Ａｕ粒（周期マスク）
６０…封止部
Ａ１〜Ａ６…周期構造
【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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