(57)【要約】【課題】光取り出し効率が向上できる半導体発光素子の製造方法を提供する。【解決手段】基板上に半導体多層膜を積層し、該半導体多層膜の表面から光を取り出す半導体発光素子の製造方法において、マスター基板上に微細凹凸を配列した表面形状のマスターパターンを形成する工程、前記マスターパターンの微細凹凸に対応した、該微細凹凸を反転させた形態のレプリカを前記マスターパターン上で形成する工程、前記レプリカを用いて前記マスターパターンを前記半導体多層膜の表面に転写し、半導体多層膜の表面をマスターパターンに対応した表面形状に加工する工程を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に半導体多層膜を積層し、該半導体多層膜の表面から光を取り出す半導体発光素子の製造方法において、
マスター基板上に微細凹凸を配列した表面形状のマスターパターンを形成する工程、
前記マスターパターンの微細凹凸に対応した、該微細凹凸を反転させた形態のレプリカを前記マスターパターン上で形成する工程、
前記レプリカを用いて前記マスターパターンを前記半導体多層膜の表面に転写し、半導体多層膜の表面をマスターパターンに対応した表面形状に加工する工程を有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２】
前記半導体多層膜が窒化ガリウム系半導体からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
前記微細凹凸が、底辺の幅が１０〜１０００ｎｍの大きさの凹部または凸部からなることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記表面形状が、前記微細凹凸を１０〜１０００ｎｍの間隔で規則的に配列したものである請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
半導体多層膜の表面がｐ型窒化ガリウム系半導体層からなり、該ｐ型窒化ガリウム系半導体層に微細凹凸が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記半導体多層膜の表面上に透光性導電膜からなる電極が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
基板上に半導体多層膜を積層し、その上に透光性導電膜からなる電極を形成し、該透光性導電膜の表面から光を取り出す半導体発光素子の製造方法において、
マスター基板上に微細凹凸を配列した表面形状のマスターパターンを形成する工程、
前記マスターパターンの微細凹凸に対応した、該微細凹凸を反転させた形態のレプリカを前記マスターパターン上で形成する工程、
前記レプリカを用いて前記マスターパターンを前記透光性導電膜の表面に転写し、該透光性導電膜の表面をマスターパターンに対応した表面形状に加工する工程を有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８】
前記半導体多層膜が窒化ガリウム系半導体からなることを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記マスター基板がシリコンまたは石英からなり、電子線リソグラフィーまたはＸ線リソグラフィーによりマスターパターンを形成することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記レプリカが、マスター基板の表面に密着させることによりマスターパターンの微細凹凸を反転させて転写した樹脂からなることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記レプリカを用いてマスターパターンを表面に転写する工程が、レプリカにレジストを塗布し硬化させる工程、その状態でレジストを半導体多層膜または透光性導電膜の表面に貼り合わせる工程、レジストからレプリカを除去する工程、その後レジストをマスクとして半導体多層膜または透光性導電膜の表面をエッチングする工程からなることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記レプリカがポリビニルアルコールから製造され、水に溶解させることによりレジストからレプリカが除去されることを特徴とする請求項１１に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法により製造される半導体発光素子。
【請求項１４】
基板上に半導体多層膜を積層し、該半導体多層膜の表面に微細凹凸を格子状または同心円状に配列した表面形状を形成し、その上に透光性導電膜からなる電極が形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１５】
基板上に半導体多層膜を積層し、その上に透光性導電膜からなる電極を形成し、該透光性導電膜の表面に微細凹凸を格子状または同心円状に配列した表面形状を形成したことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１６】
前記半導体多層膜が窒化ガリウム系半導体からなることを特徴とする請求項１４または１５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、半導体発光素子の製造方法に関し、特に、光の取り出し効率を向上させるため、その半導体多層膜または透光性導電膜の表面を加工した半導体発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、高輝度の発光ダイオードは、基板上にダブルへテロ構造等からなる発光層を形成して構成される。この発光ダイオードをパッケージする場合、素子を保護するために発光ダイオードは透明樹脂で覆われた構造となる。
【０００３】
たとえば、窒化ガリウム系半導体からなる発光ダイオードでは、半導体層（屈折率：２．５程度）と透明樹脂（屈折率：１．５程度）との間の臨界角は３７度となる。このため、これより入射角が大きくなる発光は、半導体層と透明樹脂の界面で全反射し、発光素子の外部に取り出される確率が著しく低下する。そのため、実際の光の取り出し効率は発光層での発光の３６％程度になっているのが現状である。
【０００４】
そこで、発光ダイオードからの発光の取り出しを向上させるため、素子の表面を粗面化する方法が知られている。例えば、特許文献１（特開２０００−２９９４９４号公報）には、塩酸により発光素子の表面を粗面化し、光の取り出し効率を向上させる方法が記載されている。しかしながら、窒化ガリウム系半導体からなる素子の場合などでは、酸によるエッチングで表面を再現性ある粗面の状態に制御するのは困難であった。
【０００５】
また、特許文献２（特開２００３−２１８３８３号公報）にはブロックコポリマーを用いた反応性イオンエッチングにより、発光素子の表面に錐体形状の凹凸を形成し、光取り出し効率を向上させる方法が記載されている。しかしこの方法の場合、凹凸の形状や配列を精密に制御することが出来ず、十分な光取り出し効率が得られなかった。
【０００６】
特許文献３（特開２００４−２８９０９６公報）には、フォトニック結晶構造を使用するＬＥＤ効率の改良として、発光ダイオードの表面に微細構造を規則的に形成する技術が記載されている。しかし、簡便な方法で再現性よく精密に凹凸の形状や配列を制御して、発光ダイオードの表面に微細凹凸を形成する方法は提案されていない。
【０００７】
一方、特許文献４（特表２００５−５３９３９６号公報）には、マイクロ構造及びナノ構造の複製及び転写技術が提案されている。しかし、この文献は発光素子の製造に関するものでない。
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−２９９４９４号公報
【特許文献２】特開２００３−２１８３８３号公報
【特許文献３】特開２００４−２８９０９６公報
【特許文献４】特表２００５−５３９３９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、半導体多層膜からなる発光ダイオードの表面に、簡便な方法で精密に凹凸の形状や配列を制御して微細凹凸を形成し、光取り出し効率が向上できる半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は、光取り出し面における光の全反射の影響で光取り出し効率が低下するのを防止することができ、光取り出し効率の向上をはかり得る半導体発光素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、マスター基板上に微細凹凸からなる所望の表面形状をマスターパターンとして形成し、この表面形状を、パターン転写技術を用いて発光素子の表面（たとえば、半導体多層膜または透光性導電膜の表面）に転写することにより、簡便な方法で精密に発光素子の表面に微細凹凸を形成できることを見出し、本発明をなしたものである。
【００１２】
本発明は、下記のとおりである。
（１）基板上に半導体多層膜を積層し、該半導体多層膜の表面から光を取り出す半導体発光素子の製造方法において、
マスター基板上に微細凹凸を配列した表面形状のマスターパターンを形成する工程、
前記マスターパターンの微細凹凸に対応した、該微細凹凸を反転させた形態のレプリカを前記マスターパターン上で形成する工程、
前記レプリカを用いて前記マスターパターンを前記半導体多層膜の表面に転写し、半導体多層膜の表面をマスターパターンに対応した表面形状に加工する工程を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【００１３】
（２）前記半導体多層膜が窒化ガリウム系半導体からなることを特徴とする上記（１）に記載の半導体発光素子の製造方法。
【００１４】
（３）前記微細凹凸が、底辺の幅が１０〜１０００ｎｍの大きさの凹部または凸部からなることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の半導体発光素子の製造方法。
【００１５】
（４）前記表面形状が、前記微細凹凸を１０〜１０００ｎｍの間隔で規則的に配列したものである上記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【００１６】
（５）半導体多層膜の表面がｐ型窒化ガリウム系半導体層からなり、該ｐ型窒化ガリウム系半導体層に微細凹凸が形成されていることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【００１７】
（６）前記半導体多層膜の表面上に透光性導電膜からなる電極が形成されていることを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【００１８】
（７）基板上に半導体多層膜を積層し、その上に透光性導電膜からなる電極を形成し、該透光性導電膜の表面から光を取り出す半導体発光素子の製造方法において、
マスター基板上に微細凹凸を配列した表面形状のマスターパターンを形成する工程、
前記マスターパターンの微細凹凸に対応した、該微細凹凸を反転させた形態のレプリカを前記マスターパターン上で形成する工程、
前記レプリカを用いて前記マスターパターンを前記透光性導電膜の表面に転写し、該透光性導電膜の表面をマスターパターンに対応した表面形状に加工する工程を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【００１９】
（８）前記半導体多層膜が窒化ガリウム系半導体からなることを特徴とする上記（７）に記載の半導体発光素子の製造方法。
【００２０】
（９）前記マスター基板がシリコンまたは石英からなり、電子線リソグラフィーまたはＸ線リソグラフィーによりマスターパターンを形成することを特徴とする上記（１）〜（８）のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【００２１】
（１０）前記レプリカが、マスター基板の表面に密着させることによりマスターパターンの微細凹凸を反転させて転写した樹脂からなることを特徴とする上記（１）〜（９）のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【００２２】
（１１）前記レプリカを用いてマスターパターンを表面に転写する工程が、レプリカにレジストを塗布し硬化させる工程、その状態でレジストを半導体多層膜または透光性導電膜の表面に貼り合わせる工程、レジストからレプリカを除去する工程、その後レジストをマスクとして半導体多層膜または透光性導電膜の表面をエッチングする工程からなることを特徴とする上記（１）〜（１１）のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【００２３】
（１２）前記レプリカがポリビニルアルコールから製造され、水に溶解させることによりレジストからレプリカが除去されることを特徴とする上記（１１）に記載の半導体発光素子の製造方法。
【００２４】
（１３）上記（１）〜（１２）のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法により製造される半導体発光素子。
【００２５】
（１４）基板上に半導体多層膜を積層し、該半導体多層膜の表面に微細凹凸を格子状または同心円状に配列した表面形状を形成し、その上に透光性導電膜からなる電極が形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
【００２６】
（１５）基板上に半導体多層膜を積層し、その上に透光性導電膜からなる電極を形成し、該透光性導電膜の表面に微細凹凸を格子状または同心円状に配列した表面形状を形成したことを特徴とする半導体発光素子。
【００２７】
（１６）前記半導体多層膜が窒化ガリウム系半導体からなることを特徴とする上記（１４）または（１５）に記載の半導体発光素子。
【発明の効果】
【００２８】
本発明により、発光素子からの光の取り出し効率が向上し、表面に微細凹凸を設けない従来の半導体発光素子と比較して、発光出力がおよそ１．５〜３倍に向上した半導体発光素子が得られる。また、パターン転写技術を用いて発光素子の表面に微細凹凸を形成した結果、極めて短時間で再現性よく半導体発光素子の製造が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明の半導体発光素子の製造方法は様々な半導体発光素子に対して応用でき、特に限定されない。半導体発光素子は、たとえば、ｎ型電極が形成されるｎ型コンタクト層と、ｐ型電極が形成されるｐ型コンタクト層との間に、キャリア再結合により発光を生じる発光層を有する半導体発光ダイオードである。ここで、発光層を含む発光ダイオードの発光部は、ダブルへテロ構造、単一または多重の量子井戸構造などから構成することができる。また、基板が導電性の場合、ｎ型コンタクト層またはｐ型コンタクト層に換えて、基板にｎ型電極またはｐ型電極を形成しても良い。
【００３０】
本発明の方法により製造される発光素子は、好ましくは、半導体多層膜の表面から発光を取り出す、いわゆるフェイスアップ（Ｆａｃｅ−ｕｐ）タイプのものである。この場合、発光素子は基板を支持体に接合させて保持され、半導体多層膜の表面に形成される透光性導電膜からなる電極を介して発光の多くが取り出されるからである。フェイスアップタイプの発光素子は、支持体への接合やワイヤボンディングのような導線の接続が容易であるという利点を有する。透明導電膜には、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）や酸化インジウム亜鉛、酸化錫、酸化亜鉛などの透明酸化物のほか、金（Ａｕ）や白金（Ｐｔ）などの金属薄膜などを用いることができる。
【００３１】
図１は、フェイスアップタイプの半導体発光ダイオード（LED)素子の１態様の断面図を示している。図１において、発光ダイオード１００は、基板１上にバッファ層２を有し、その上に、ｎ型電極８が形成されるｎ型コンタクト層３が形成され、その上に、ｎ型障壁層４と発光層５とｐ型障壁層６とからなる発光部１１が形成され、次いで、ｐ型透明電極９及びボンディングパッド１０が形成されるｐ型コンタクト層７が形成されている。なお、ｐ型コンタクト層７の形成までは、通常の発光ダイオードの製造手順に従って形成できる。たとえば、基板１上に、有機金属化学気相堆積法（ＭＯＣＶＤ）などの適切な堆積法によって各層（２〜７）を形成する。次いで、以下に詳細に説明する工程によって、ｐ型コンタクト層７に微細凹凸表面形状１２を形成し、その上にｐ型透明電極９を、さらにその上に、ボンディングパッド１０をスパッタリングなどの適切な方法で形成する。ｎ型電極８をｎ型コンタクト層３の上に同様に形成することにより、半導体発光ダイオードが完成する。得られた発光ダイオード１００は素子の保護のために透明樹脂によって保護されることができる（図示しない）。
【００３２】
半導体多層膜の表面がコンタクト層７であり、そのコンタクト層７に微細凹凸が形成されていると、光取り出し効率の高い発光ダイオードを形成することができることがわかった。この場合、微細凹凸の高さはコンタクト層７の膜厚の範囲内とするのが、その下にある発光部１１に影響を与えないために好ましい。
【００３３】
また、半導体多層膜の表面がｐ型窒化ガリウム（ＧａＮ）系などの半導体層であり、そこに微細凹凸が形成されている場合、その上に形成する透明導電膜の材料には酸化インジウム錫（ＩＴＯ）を用いるのが好ましい。ＩＴＯはｐ型窒化ガリウム系などの半導体層と容易にオーム性接触を形成することができ、光の透過率も高いため、光取り出し効率の高い発光ダイオードを形成することができるからである。またＩＴＯは膜厚を１００〜１０００ｎｍ程度と厚く積層して使用できるため、表面に微細凹凸を形成した半導体多層膜表面上でも、凹凸の段差を埋めて連続した電極として使用することができる。
【００３４】
図２は、フェイスアップタイプの半導体発光ダイオード（LED)素子の別の態様の断面図を示している。図１の場合とほぼ同様の構成であるが、微細凹凸表面形状１２はｐ型コンタクト層７でなく、ｐ型透明電極９に形成されている。この場合、たとえば、基板１上に、有機金属化学気相堆積法（ＭＯＣＶＤ）などの適切な堆積法によって、各層（２〜７）を形成し、次いで、その上にｐ型透明電極９をスパッタリングなどの適切な方法で形成する。その後、以下に詳細に説明する工程において、ｐ型透明電極９に微細凹凸表面形状１２を形成し、そしてボンディングパッド１０をスパッタリングなどの適切な方法で形成し、ｎ型電極８をｎ型コンタクト層３の上に同様に形成することにより、半導体発光ダイオードが完成する。得られた発光ダイオード１００は素子の保護のために透明樹脂によって保護されることができる（図示しない）。
【００３５】
上述のとおり、本発明では、発光を取り出す発光素子の表面（たとえば、透明導電膜又は半導体多層膜の表面）を、微細凹凸を配列した表面形状とすることを特徴とする。表面が平滑であると、臨界角より大きな角度で表面に入射した光は全反射して発光素子の外部に取り出せないが、表面に微細な凹凸を形成することにより光の入射角を臨界角より小さくし、光を取り出す機会を多くすることができる。このため、発光出力が顕著に向上した半導体発光素子が得られる。
【００３６】
本発明の半導体発光素子は、１つの好ましい実施形態において、基板上にｎ型およびｐ型の半導体多層膜を積層した構造の発光ダイオードである。基板にはサファイア、炭化珪素（ＳｉＣ）、シリコンなどを用いることができる。また、半導体多層膜としては、特に好ましくは窒化ガリウム系半導体を用いることができ、窒化ガリウム系半導体は、一般式ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０＜１−ｘ−ｙ≦１）で表すことができる。
【００３７】
以下において、図面を参照しながら、微細凹凸形状の形成の手順を説明する。本発明の製造方法ではマスター基板を用いる。まず、マスター基板上に微細凹凸を配列した表面形状のマスターパターンを形成し、次いで、マスターパターンの微細凹凸に対応した、微細凹凸を反転させた形態のレプリカをマスターパターン上で形成する。このようにして得られたレプリカを用いて、マスターパターンを、加工しようとする表面（たとえば、半導体多層膜又は透明電極の表面）に転写し、マスターパターンに対応した表面形状に加工する。
【００３８】
図３〜９は微細凹凸形状の形成までの工程を示している。
図３はマスター基板の１態様の断面図を示している。まず、図３に示すように、マスター基板２０の上に所望の表面形状のマスターパターン２１が形成されている。マスター基板２０はシリコンまたは石英とすると耐久性があるので好ましい。これらの基板２０上のマスターパターン２１は、電子線リソグラフィーまたはＸ線リソグラフィーにより形成すると、時間は掛かるが、微細で精密な表面加工を行うことができるため好ましい。マスター基板２０は一度作製すると、レプリカ作製のための原版として繰り返し使用することができる。
【００３９】
マスター基板２０上のマスターパターン２１は、続けて行う転写技術において、加工すべき表面（たとえば、半導体多層膜又は透明導電膜の表面）に移植される。従って、微細凹凸の配列、大きさ、形状を前記の本発明の条件に合わせて設計し、マスターパターン２１を作製する必要がある。
【００４０】
図４は、レプリカ作製の様子を示す断面図である。マスター基板２０を作製したら、次に図４に示すようにマスターパターン２１のレプリカ２２が作製される。レプリカ２２は、マスター基板２０の表面に樹脂を密着させ、凹凸を反転させたパターンを樹脂に写し取ることにより作製する。このレプリカ２２は、樹脂を取り替えることにより必要な個数だけ簡単に作製することができる。
【００４１】
レプリカ２２の材料としては、例えばポリビニルアルコールを使用することができる。この場合、マスター基板２０の表面に樹脂を密着させる方法として、マスター基板２０の上にスピンコートによりポリビニルアルコールを塗布する方法を用いることが出来る。塗布されたポリビニルアルコールは、乾燥の後、マスター基板２０から剥離されてレプリカ２２として使用される。
【００４２】
作製したレプリカ２２を用いて、次にマスターパターン２１を加工すべき表面に転写する。この工程は、レプリカ２２にレジストを塗布し硬化させる工程、その状態でレジストを加工すべき表面に貼り合わせる工程、レジストからレプリカを除去する工程、その後レジストをマスクとして加工すべき表面をエッチングする工程からなる。
【００４３】
まず、図５に示すように、レプリカ２２にレジストを塗布し硬化させる。するとレプリカ２２の凹凸を反転させた、すなわちマスターパターン２１に対応した凹凸を持つレジスト膜２３を作製することが出来る。このレジスト膜２３をエッチングマスクとして使用することにより、マスターパターン２１を加工すべき表面に転写することが可能となる。
【００４４】
本発明では、レプリカ２２にレジスト膜２３を形成した後、図６に示すようにレプリカ２２とともにレジスト膜２３を加工すべき対象物２４の表面に貼り合わせる。たとえばレプリカ２２がポリビニルアルコールでできている場合、水洗いで容易に溶解し除去することができる。従って、ポリビニルアルコールからなるレプリカ２２をレジスト膜２３と接着した状態で加工対象物２４に貼り合わせた後、水洗いすると、レプリカ２２を除去し加工対象物２４にレジスト膜２３のみを残すことができる。このようにしてレジスト膜２３からレプリカ２２を除去し、加工対象物２４上にパターン状にレジスト膜２３を形成する。
【００４５】
上記のレジスト膜２３はマスターパターンと同じ微細凹凸の配列を有している。従って、このレジスト膜２３をエッチングマスクとして、図８のように加工対象物２４を、例えばドライエッチングによりエッチングすることにより、加工対象物２４の表面にマスターパターンと同じ凹凸を形成することができる。
【００４６】
加工対象物２４が窒化ガリウム系半導体からなる場合、ドライエッチングとして反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いることができる。またエッチングガスとしては、ＣＦ4、ＣＨＦ3、ＳＦ6、ＢＣｌ3、ＳｉＣｌ4などを使用することができる。また、加工対象物２４が透明導電膜からなる場合にも、同様のエッチングガスを用いて、同様に反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いることができる。
【００４７】
最後にエッチング終了後、レジスト膜２３を剥離すれば、図９に示すようにマスター基板の表面形状を転写した表面形状を有する対象物２４を得ることができる。
【００４８】
上記の転写の過程において、レプリカ作製後、レジストを塗布する前に、レプリカの表面に例えばＡｕ，Ｗ，Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｏなどの金属やその酸化物の薄膜を蒸着やスパッタリングで形成し、その後レジストを塗布しても良い。そうすると、レプリカ除去後レジスト表面に金属や酸化物の薄膜が残るため、エッチングマスクとしての耐性をコントロールすることができる。
【００４９】
微細凹凸は対象物の表面を凹状に加工したもの（凹部）でも良いし、凸状に加工したもの（凸部）でも良い。凹部は、例えば円錐状、多角錐状、円柱状、多角柱状などの窪みとすることができる。同様に凸部は、例えば円錐状、多角錐状、円柱状、多角柱状などの突起とすることができる。いずれの形状であれ、凹部または凸部の最大の横幅の部分（これを「底辺」と定義する）の幅が１０〜１０００ｎｍ程度の大きさであれば、光の取り出し効率を向上させるのに極めて有効である。また、凹部または凸部の高さは、１０〜１０００ｎｍ程度とするのが光取り出しの改良のために好ましい。
【００５０】
微細凹凸は、半導体多層膜又は透明導電膜の表面に１０〜１０００ｎｍの間隔で規則的に配列するのが光の取り出し効率の観点から好ましい。半導体多層膜の表面に幅１０〜１０００ｎｍの凹部または凸部を１０〜１０００ｎｍの間隔で形成するような微細な加工を行う場合、通常のフォトリソグラフィー技術を用いると加工精度が悪く、また、電子線リソグラフィー技術を用いるのでは加工に時間が掛かりすぎるが、本発明のパターン転写技術を用いると簡便に再現良く精密な加工を行うことができる。特に微細凹凸を表面に格子状または同心円状に等間隔で配列することにより、光の干渉作用を利用し、取り出し効率を大幅に向上させることができる。円錐状の凹部を格子状に配列した表面の概念図を図１０に示す。
【００５１】
上述のとおり、本発明の方法の１つの実施形態として、基板上に半導体多層膜を積層し、該半導体多層膜の表面に微細凹凸を格子状または同心円状に配列した表面形状を形成し、その上に透光性導電膜からなる電極が形成されている半導体発光素子が提供される。また、別の実施形態として、基板上に半導体多層膜を積層し、その上に透光性導電膜からなる電極を形成し、該透光性導電膜の表面に微細凹凸を格子状または同心円状に配列した表面形状を形成した半導体発光素子が提供される。これらの半導体発光素子に含まれる半導体多層膜は好ましくは窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体からなる。また、透明導電膜は、ＩＴＯからなると、ｐ型窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体層と容易にオーム性接触を形成できるので好ましい。
【００５２】
なお、本発明に用いたパターン転写技術によって半導体多層膜を積層する基板の表面に微細凹凸を格子状または同心円状に配列した表面形状を形成し、その上に半導体多層膜を積層することも可能である。これにより、基板と半導体多層膜の界面で光が乱反射され、光の取り出し効率が向上する。
【実施例】
【００５３】
実施例１
本実施例では、図１に示すとおりの発光ダイオードを作製した。
サファイア基板上に有機金属化学気相堆積法（ＭＯＣＶＤ法）で、厚さ２０ｎｍのＧａＮバッファ層、厚さ２μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層、発光部、厚さ３００ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層からなる半導体多層膜を積層した発光ダイオード用ウェハを作製した。発光部は、厚さ２００ｎｍのｎ型ＧａＮ障壁層と厚さ２０ÅのＩｎＧａＮ発光層と厚さ５０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ障壁層とからなる単一量子井戸構造とした。
【００５４】
別にシリコン基板上に、電子線リソグラフィーの技術を用いて表面形状のマスターパターンを作製した。マスターパターンは、底辺の直径が７０ｎｍの円柱状の窪み（凹部）を１００ｎｍ間隔で格子状に配列した表面形状とした。この凹部の高さ１００ｎｍとした。
【００５５】
次にシリコン基板上のマスターパターンをポリビニルアルコールを用いて転写し、レプリカを作成した。レプリカは、シリコン基板上にスピンコートを用いてポリビニルアルコールを塗布し、乾燥して固めて作製した。なお、このレプリカは数十μｍの厚さであり、そのままでは取り扱いが困難なため、予め成形しておいた別のポリビニルアルコールからなる保持プレートに貼り付けて、シリコン基板から取り外した。
【００５６】
続いて、レプリカ上にフォトレジストをスピンコートを用いて塗布した。さらに露光と加熱により、フォトレジストを硬化させた。これにより、レプリカのパターンを転写したレジスト膜が作製できた。
【００５７】
作製したレジスト膜をレプリカおよび保持プレートごと、上述の半導体多層膜のｐ型ＧａＮコンタクト層の表面に張り合わせた。そして、水洗いによりレプリカおよび保持プレートを除去した。このようにして半導体多層膜の表面にレジスト膜からなるエッチングマスクが形成された。
【００５８】
半導体多層膜の表面をＳｉＣｌ4を用いた反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ）によりエッチングした。これにより、ｐ型ＧａＮコンタクト層の表面に、マスターパターンと同じ表面形状の微細凹凸が形成された。ｐ型ＧａＮコンタクト層の表面の凹部の深さは１００ｎｍであった。
【００５９】
ｎ型電極を形成するため、半導体多層膜の一部をｎ型ＧａＮコンタクト層が露出するまで、別途エッチングした。露出したｎ型ＧａＮコンタクト層の表面に真空蒸着法にてＴｉ／Ａｌ／Ａｕ（厚さ２０ｎｍ／２０ｎｍ／５００ｎｍ）からなるｎ型電極を形成した。
【００６０】
また、ｐ型ＧａＮコンタクト層の表面には厚さ４００ｎｍのＩＴＯからなる透明導電膜をｐ型電極としてスパッタリングにより形成した。透明導電膜は、表面の凹部の段差を埋めてほぼ一様に形成された。透明導電膜の一部にＴｉ／Ａｕからなる導線配線用のボンディングパッドを真空蒸着法にて厚さをそれぞれ２０ｎｍ／５００ｎｍとして形成し、ダイス状の素子に分離することにより、図１に示すような発光ダイオードを得た。
【００６１】
本実施例で得られた発光ダイオードは、発光波長が４６０ｎｍで、発光出力は順方向電流２０ｍＡのとき平均で１２ｍＷであった。ｐ型コンタクト層の表面に微細凹凸の表面形状を設けない従来の発光ダイオードの発光出力が４〜８ｍＷなので、約１．５〜３倍の高出力化を達成できた。
【００６２】
また本発明によると、マスター基板からのレプリカを介した転写技術を用いて半導体多層膜表面に表面形状を形成するので、１００枚以上の発光ダイオード用ウェハを短時間で精度良く加工することができた。
【００６３】
実施例２
本実施例では、図２に示すとおりの発光ダイオードを作製した。
実施例１と同様に、発光ダイオードを作製したが、ｐ型コンタクト層の上にはエッチングによる微細凹凸の形成を行わず、さらに厚さ４００ｎｍのＩＴＯからなる透明導電膜をｐ型電極としてスパッタリングにより形成した。このｐ型電極を対して、レジスト膜からなるエッチングマスクを形成し、実施例１と同じエッチングガスを用いた反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ）によりエッチングした。これにより、ｐ型電極の表面に微細凹凸が形成された。ｐ型電極の表面の凹部の深さは１００ｎｍであった。本実施例でも、実施例１と全く同様の性能の発光ダイオードが得られた。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明によれば、発光出力が向上した半導体発光素子、特に窒化ガリウム系半導体発光素子を製造でき、各種照明、表示装置に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の製造方法により製造される、半導体発光ダイオード（LED)素子の１態様の断面図を示す。
【図２】本発明の製造方法により製造される、半導体発光ダイオード（LED)素子の別の態様の断面図を示す。
【図３】マスター基板の１態様の断面図である。
【図４】レプリカ作製の様子を示す断面図である。
【図５】レプリカ上でのレジスト膜２３の作製の様子を示す断面図である。
【図６】レプリカとともにレジスト膜を加工すべき対象物の表面に貼り合わせた様子を示す断面図である。
【図７】レプリカ２２を除去し、加工対象物上にパターン状にレジスト膜を形成した様子を示す。
【図８】エッチング後の加工対象物の様子を示す断面図である。
【図９】レジスト除去後の加工対象物の様子を示す断面図である。
【図１０】円錐状の凹部を格子状に配列した表面の概念図を示す。
【符号の説明】
【００６６】
１００    発光ダイオード
１    基板
２    バッファ層
３    ｎ型コンタクト層
４    ｎ型障壁層
５    発光層
６    ｐ型障壁層
７    ｐ型コンタクト層
８    電極
９    ｐ型透明電極
１０    ボンディングパッド
１１    発光部
２０    マスター基板
２１    マスターパターン
２２    レプリカ
２３    レジスト膜
２４    加工対象物
【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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