(57)【要約】【課題】内部量子効率ＩＱＥ及び光取り出し効率ＬＥＥの両方が向上されることで半導体発光素子の発光効率が極大化され、さらに上方への出力比が向上された半導体発光素子を提供すること。【解決手段】半導体発光素子（１００）は、少なくとも光学基材（１０）、第１半導体層（３０）、発光半導体層（４０）及び第２半導体層（５０）を下から順に積層してなり、光学基材（１０）の上面の一部又は全面には第１微細凹凸構造（２０）が形成されており、発光半導体層（４０）の上面、及び／又は、発光半導体層（４０）よりも上方に位置する面の一部あるいは全面には第２微細凹凸構造（６０）が形成され、第２微細凹凸構造（６０）のデューティが第１微細凹凸構造（２０）のデューティよりも小さい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも光学基材、第１半導体層、発光半導体層及び第２半導体層を下から順に積層してなり、
前記光学基材の上面の一部又は全面には第１微細凹凸構造が形成されており、
前記発光半導体層の上面、及び／又は、前記発光半導体層よりも上方に位置する面の一部あるいは全面には第２微細凹凸構造が形成され、
前記第２微細凹凸構造のデューティが前記第１微細凹凸構造のデューティよりも小さいことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記第２微細凹凸構造の側面傾斜角が前記第１微細凹凸構造の側面傾斜角よりも大きい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】
前記第２微細凹凸構造の平均ピッチＰａｖ＿２と、前記発光半導体層が放出した発光光の第２光学波長λ２との比（Ｐａｖ＿２／λ２）が１．５以上５．５以下であり、前記第２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請求項１又は請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記第２光学波長λ２は、前記発光光の真空波長λ０を、上面に前記第２微細凹凸構造を有する層の屈折率ｎ２で除したものであ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】
前記第１微細凹凸構造の平均ピッチＰａｖ＿１と、前記発光半導体層が放出した発光光の第１光学波長λ１との比（Ｐａｖ＿１／λ１）が１．５以上５以下であり、前記第１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】
前記第１光学波長λ１は、前記発光光の真空波長λ０を、前記第１半導体層の屈折率ｎ１で除したものであることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
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６のいずれか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、半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発光ダイオード（ＬＥＤ）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（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）と内部量子効率ＩＱＥ（Ｉｎｔｅｒｎａｌ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）、或いは、光取り出し効率ＬＥＥと電子注入効率ＥＩＥ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）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ＩＱＥ、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（Ｅｘｔｅｒｎａｌ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）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ＬＥＥが下がり、結果として外部量子効率ＥＱＥ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ＩＱＥが低下し、且つ導波モード形成により光取り出し効率ＬＥＥ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ＬＥＥ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）。
【０００９】
加えて、更なる光取り出し効率ＬＥＥの向上の為に、特にフェイスアップ実装で、凹凸構造を有する成長基材上に半導体層を積層し、上面の光取り出し面に相当する半導体層をエッチングすることで凹凸構造を２層設ける手法も公開されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−３１８４４１号公報
【特許文献２】特開２００７−２９４９７２号公報
【特許文献３】特開２０１３−１６８４９３号公報
【非特許文献】
【００１１】
【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）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
一般に、ＬＥＤの発光効率を示す外部量子効率ＥＱＥを決定する要因としては、上述した電子注入効率ＥＩＥ、内部量子効率ＩＱＥ及び光取り出し効率ＬＥＥが挙げられる。このうち、内部量子効率ＩＱＥは、（１）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、（２）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。
【００１３】
しかしながら、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構造により転位欠陥が減少する理由は、凹凸構造により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、凹凸構造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。
【００１４】
また、凹凸構造のサイズがナノオーダーとなることで、真空波長を媒質の屈折率で除した光学波長の数倍程度の波長となり、光の波動性が強調される。成長基材にナノオーダーの凹凸構造を設けることによっても導波モードを崩すことで光取り出し効率ＬＥＥが向上するが、光の波動性が強調される領域では、光は指向性を有していると観察され、その指向性を好適に制御することで、光取り出し効率ＬＥＥについては更なる改善の余地が残されている。
【００１５】
またＬＥＤの代表的な用途である、車のヘッドライトやプロジェクターに代表される投光器といった用途では、デバイスとした際の配光特性は、発光素子光源の配光特性に大きく依存する。上記用途ではチップの上方向に配光していることが有利である。
【００１６】
特許文献３では、光取り出し効率ＬＥＥの向上の為に、成長基材と半導体層上面の光取り出し面に凹凸構造を設けているが、半導体層上面の凹凸構造は欠陥をエッチングすることで形成されており、その配置は全く制御されていない。即ち、ＬＥＤの効率を高く保ったまま、上記配光特性を制御する為には好適な凹凸構造ではなかった。
【００１７】
本発明は上記課題を鑑みて行われたものであり、内部量子効率ＩＱＥ及び光取り出し効率ＬＥＥの両方を向上させた上で、上方への出力比を向上させた半導体発光素子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】
【００１８】
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と、その上方に設けられる第２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の両方が向上されることで半導体発光素子の発光効率が極大化され、さらに上方への出力比が向上されることを見出した。即ち、本発明は以下の通りである。
【００１９】
本発明の半導体発光素子は、少なくとも光学基材、第１半導体層、発光半導体層及び第２半導体層を下から順に積層してなり、前記基材の上面の一部又は全面には第１微細凹凸構造が形成されており、前記発光半導体層の上面、及び／又は、前記発光半導体層よりも上方に位置する面の一部あるいは全面には第２微細凹凸構造が形成され、前記第２微細凹凸構造のデューティが前記第１微細凹凸構造のデューティよりも小さいことを特徴とする。
【００２０】
この構成により第２微細凹凸構造のデューティが第１微細凹凸構造のデューティよりも小さいことで、光取り出し効率ＬＥＥが高いまま、半導体発光素子の上方向への配光制御が可能となる。
【００２１】
本発明の半導体発光素子においては、前記第２微細凹凸構造の側面傾斜角が前記第１微細凹凸構造の側面傾斜角よりも大きいことが好ましい。
【００２２】
本発明の半導体発光素子においては、前記第２微細凹凸構造の平均ピッチＰａｖ＿２と、前記発光半導体層が放出した発光光の第２光学波長λ２との比（Ｐａｖ＿２／λ２）が１．５以上５．５以下であり、前記第２微細凹凸構造のアスペクト比が０．２以上１以下であることが好ましい。
【００２３】
本発明の半導体発光素子においては、前記第２光学波長λ２は、前記発光光の真空波長λ０を、上面に前記第２微細凹凸構造を有する層の屈折率ｎ２で除したもの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は、前記第１微細凹凸構造の平均ピッチＰａｖ＿１と、前記発光半導体層が放出した発光光の第１光学波長λ１との比（Ｐａｖ＿１／λ１）が１．５以上５以下であり、前記第１微細凹凸構造のアスペクト比が０．２以上１以下であることが好ましい。
【００２５】
本発明の半導体発光素子においては、前記第１光学波長λ１は、前記発光光の真空波長λ０を、前記第１半導体層の屈折率ｎ１で除したものであることが好ましい。
【００２６】
本発明の半導体発光素子においては、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。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、内部量子効率ＩＱＥ及び光取り出し効率ＬＥＥの両方が向上されることで半導体発光素子の発光効率が極大化され、さらに上方への出力比が向上され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】
【００２８】
【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の他の例を示す断面概略図である。
【図３】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４】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５】本実施の形態に係る第２微細凹凸構造の側面傾斜角の配光制御を説明するための説明図である。
【図６】第２微細凹凸構造の側面傾斜角の効果を説明するための説明図である。
【図７】本実施の形態に係る半導体発光素子の第１半導体層を第１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第１半導体層を第１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９】本実施の形態に係る半導体発光素子の第１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１０】図９に示したピッチＰに相当する線分位置における第１微細凹凸構造を示す断面模式図である。
【図１１】本実施の形態に係る半導体発光素子の第１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１２】図１１に示したピッチＰに相当する線分位置における第１微細凹凸構造を示す断面模式図である。
【図１３】本実施の形態に係る第１微細凹凸構造の側面傾斜角の測定方法を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
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。
【００３０】
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、その上面に第１微細凹凸構造２０を形成している。光学基材１０の第１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が下から順次積層されている。なお、図１において、第１微細凹凸構造２０は、光学基材１０の上面の一部に設けることもできる。
【００３１】
ここで、発光半導体層４０にて発生した発光光は、上方の第２半導体層５０側又は下方の光学基材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、第１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が第１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。
【００３２】
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が第１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。
【００３３】
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、第１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、第１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により第１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が第１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は第１微細凹凸構造２０の表面を覆うように配置されているが、第１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、第１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。
【００３４】
さらに、発光半導体層４０の上面に形成された第２半導体層５０の上面、換言すれば、第２半導体層５０の発光半導体層４０と対向している面と逆の面上には第２微細凹凸構造６０が形成されている。なお、第２微細凹凸構造６０は、前記第２半導体層５０の上面の全面あるいは一部に形成される。例えば、図１において、第２微細凹凸構造６０は、アノード電極７０との接触面にも設けられているが、第２微細凹凸構造６０を、電極部との接触面を除く第２半導体層５０の上面の一部に設けることもできる。
【００３５】
さらに、第２半導体層５０の上面にアノード電極７０を、そして第１半導体層３０の上面にカソード電極８０を、それぞれ設けることができる。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。
【００３６】
図２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。第２半導体層５０上に透明導電膜９０を設けた場合である。第２半導体層５０上に透明導電膜９０を、透明導電膜９０上にアノード電極７０を、そして第１半導体層３０上にカソード電極８０を、それぞれ設けることができる。透明導電膜９０、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２に例示するように設けられる。なお、図２において、透明導電膜９０が、第２微細凹凸構造６０の全てを覆っているが、一部の第２微細凹凸構造６０が覆われないように設けることもできる。
【００３７】
図３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３では、発光半導体層４０の上面に第２微細凹凸構造６０が設けられる場合である。また、図３にあるように、この第２微細凹凸構造６０を第２半導体層５０の上面、或いは透明導電膜９０の上面まで引き継ぐこともできる。なお、図３において第２微細凹凸構造６０は発光半導体層４０の上面の一部に設けることもできる。また、第２微細凹凸構造６０は第２半導体層５０、及び透明導電膜９０で覆われているが、一部が覆われず露出していてもよい。
【００３８】
図４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４では、透明導電膜９０の上面に第２微細凹凸構造６０が設けられる場合である。なお、図４において第２微細凹凸構造６０は透明導電膜９０の上面の全面あるいは一部に形成される。また、第２微細凹凸構造６０はアノード電極７０との接触面にも設けられているが、第２微細凹凸構造６０は、電極部との接触面を除いた透明導電膜９０の上面の一部に形成される構成にしてもよい。
【００３９】
図１から図４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。
【００４０】
本実施の形態に係る半導体発光素子１００は、光学基材１０の上面の全面あるいは一部に形成された第１微細凹凸構造２０と、発光半導体層４０の上面又は発光半導体層４０よりも上方に位置する面の全面あるいは一部に形成された第２微細凹凸構造６０において、第２微細凹凸構造６０のデューティが、第１微細凹凸構造２０のデューティよりも小さいことを特徴とする。
【００４１】
第２微細凹凸構造６０のデューティが第１微細凹凸構造２０のデューティよりも小さいことで、光取り出し効率ＬＥＥが高いまま、半導体発光素子１００の上方向への配光制御が可能となる。
【００４２】
本実施の形態に係る半導体発光素子１００において、第２微細凹凸構造６０の側面傾斜角Θが第１微細凹凸構造２０の側面傾斜角Θよりも大きいことが好ましい。
【００４３】
第２微細凹凸構造６０の側面傾斜角Θが、第１微細凹凸構造２０の側面傾斜角Θよりも大きいことにより、光取り出し効率ＬＥＥが高いまま、半導体発光素子１００の上方向への配光制御が可能となる。図５は、本実施の形態に係る第２微細凹凸構造の側面傾斜角の配光制御を説明するための説明図である。図５の矢印は、光の挙動を示す。図５に示すように、第２微細凹凸構造６０の側面傾斜角Θが、第１微細凹凸構造２０の側面傾斜角Θよりも大きいことで、第１微細凹凸構造２０での回折及び散乱によって半導体発光素子１００内の光を鉛直方向に立ち上げることができる。加えて、第２微細凹凸構造６０の側面傾斜角Θが大きいために、第１微細凹凸構造２０側から入射する光のうち、鉛直方向と一定以上の角度をなす成分をさらに回折及び散乱によって角度変化させ、半導体発光素子１００の上方向の輝度向上が可能となる。
【００４４】
本実施の形態に係る半導体発光素子１００において、第１微細凹凸構造２０の平均ピッチＰａｖ＿１と、発光半導体層４０が放出した発光光の第１光学波長λ１との比（Ｐａｖ＿１／λ１）が１．５以上５以下であり、第１微細凹凸構造２０のアスペクト比が０．２以上１以下であることが好ましい。
【００４５】
光学基材１０の表面上に設けられた、第１微細凹凸構造２０の平均ピッチＰａｖ＿１と発光半導体層４０が放出した発光光の第1光学波長λ１との比（Ｐａｖ＿１／λ１）と、第１微細凹凸構造２０のアスペクト比が所定の範囲にあることより、内部量子効率ＩＱＥ、及び光取り出し効率ＬＥＥの向上が可能となる。
【００４６】
まず、内部量子効率ＩＱＥの向上が可能となる。具体的には、第１微細凹凸構造２０の平均ピッチＰａｖ＿１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。
【００４７】
また、平均ピッチＰａｖ＿１と発光光の第1光学波長λ１との比（Ｐａｖ＿１／λ１）が１．５以上５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。これにより、第２微細凹凸構造６０を設けることによる出射方向の制御がより行いやすくなる。さらに、アスペクト比が所定の範囲内にあることで、光から見た第１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。
【００４８】
本実施の形態に係る半導体発光素子１００において、第２微細凹凸構造６０の平均ピッチＰａｖ＿２と、発光半導体層４０が放出した発光光の第２光学波長λ２との比（Ｐａｖ＿２／λ２）が１．５以上５．５以下であり、第２微細凹凸構造６０のアスペクト比が０．２以上１以下であることが好ましい。
【００４９】
第２微細凹凸構造６０の平均ピッチＰａｖ＿２と発光光の第２光学波長λ２との比（Ｐａｖ＿２／λ２）と、第２微細凹凸構造６０のアスペクト比が所定の範囲にあることで、更なる光取り出し効率ＬＥＥの向上に加えて、波動性が強調されるために、第１微細凹凸構造２０で指向性を有する半導体発光素子１００内の光を、さらに上方向へ制御することが可能となる。さらに、アスペクト比が所定の範囲内にあることで、光から見た第２微細凹凸構造６０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】
本実施の形態に係る半導体発光素子１００において、発光光の第１光学波長λ１は、発光光の真空波長λ０を第１半導体層３０の屈折率ｎ１で除したものとすることができる。
【００５１】
ここで、発光光とは、半導体発光素子１００の発光半導体層４０が放出する光をいう。
【００５２】
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、発光光の第１光学波長λ１は、第１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、即ち第１半導体層３０中での波長である。このように、発光光の第１光学波長λ１は、第１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。この層は「光媒質層」と呼ばれ、ここでは、第１半導体層３０を、第１光媒質層とする。従って、発光光の第１光学波長λ１は、真空波長λ０及び第１光媒質層（第１半導体層３０）の屈折率ｎ１から算出可能である。
【００５３】
なお、発光光の真空波長λ０は、発光半導体層４０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。
【００５４】
本実施の形態に係る半導体発光素子１００において、発光光の第２光学波長λ２は、発光光の真空波長λ０を、上面に第２微細凹凸構造６０を有する層の屈折率ｎ２で除したものとすることができる。上面に第２微細凹凸構造６０を有する層とは、第２微細凹凸構造６０を有する第２光媒質層として定義される。
【００５５】
第２光媒質層は、例えば図１、或いは図２のような構成であれば第２半導体層５０であり、図３のような構成であれば発光半導体層４０であり、図４のような構成であれば、透明導電膜９０である。
【００５６】
なお、一般的には、第１半導体層３０と発光半導体層４０、第２半導体層５０は同種の元素よりなっており、そのドープ核種、濃度が異なっているが、前記ドープによる屈折率の実部への影響は小さい。また、発光半導体層４０、或いは第２半導体層５０は一般的に第１半導体層３０よりも非常に薄く、正確な値を測定することが実質的に困難である。従って、発光半導体層４０、或いは第２半導体層５０に第２微細凹凸構造６０が設けられている場合、光媒質層の屈折率の実部として、第１半導体層３０の屈折率の実部と等しいとすることもできる。
【００５７】
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。
【００５８】
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、ナノオーダー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、の両立が必要となる。特に、導波モードを崩すために、従来は成長基材にマイクロオーダーの凹凸構造を設けることによって光散乱させて光取り出し効率ＬＥＥの向上を行っていたが、我々はナノオーダーの微細凹凸構造で生じる光回折、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、成長基材１０に設けられた第１微細凹凸構造２０による、半導体層を成膜する際の結晶欠陥の低減と、２つの微細凹凸構造による回折によって導波モードを効果的に崩す作用が得られ、さらに前記２つの微細凹凸構造を特徴づけるパラメータの大小関係から、内部量子効率ＩＱＥ、光取り出し効率ＬＥＥの向上の両立による高効率化に加えて、上方向への配光が強めることが可能となった。
【００５９】
まず、第１微細凹凸構造２０におけるデューティの影響について述べる。後述する定義より、デューティが小さいことは、第１微細凹凸構造２０の平坦部、例えば第１微細凹凸構造２０が後述するドット構造の配列であれば、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、回折に寄与しない平坦部は少ない方が好ましい。また、第２微細凹凸構造６０が第１微細凹凸構造２０の上部にある為、半導体発光素子１００の上方からの光取り出しを多くするためには、回折効率を上げて、崩された導波モードがなるべく多く上方に向かうようにする必要がある。つまり、第１微細凹凸構造２０のデューティは結晶成長を阻害しない範囲で大きいことが好ましい。
【００６０】
次に、第２微細凹凸構造６０におけるデューティの影響について述べる。発光半導体層４０にて発生した発光光は、半導体発光素子１００の上方である第２半導体層５０側又は光学基材１０から取り出される。ここで、第２微細凹凸構造６０があることで、半導体発光素子１００の上方から取り出させる光成分の増加、及び配光特性の制御が可能となる。ここで、第２微細凹凸構造６０では光の経路は発光半導体層４０から半導体発光素子１００の外部への一方向のみとなり、第２微細凹凸構造６０の平坦面から取り出される成分も存在する。また、デューティが１に近い場合、平坦部が少なく凸部間距離が小さいことを意味し、第２微細凹凸構造６０のある凸部に入射した光は、隣接した凸部に入射し易くなるために、チップの内部へ戻る成分が増加することで、光取り出し効率ＬＥＥの向上の程度は小さくなる。即ち、半導体発光素子１００の上方から取り出せる成分の増加という観点から、平坦部を一定比率有していることが好ましい。
【００６１】
さらに、第２微細凹凸構造６０のデューティが第１微細凹凸構造２０のデューティより小さいことにより、更なる光取り出し効率ＬＥＥの向上と、半導体発光素子１００の上方向の輝度向上が可能となる。これは以下の理由による。
【００６２】
光取り出し効率ＬＥＥの更なる向上のためには、発光光の経路を考えた際、発光半導体層４０で発光した光が、直接第２微細凹凸構造６０を通って素子外部へ取り出されるか、或いは素子下部へ向かい、第１微細凹凸構造２０での回折、散乱によって、第２微細凹凸構造で透過しやすい角度範囲に入る経路であることが好ましい。ここで、第２微細凹凸構造６０のデューティが第１微細凹凸構造２０のデューティよりも小さいことで、第１微細凹凸構造２０での高い回折効率によって鉛直方向の成分を増やし、且つ第２微細凹凸構造６０で平坦面が一定範囲の面積比を有することにより、半導体発光素子１００の上方向の輝度向上が可能となる。また、光取り出しの点から、デューティの差は、０．０５以上あれば好ましく、０．１以上あればより好ましい。一方、第２微細凹凸構造の平坦面の割合が広くなりすぎ、光取り出しに寄与しにくくなることを防ぐため、デューティの差は０．４以下が好ましく、０．３５以下がより好ましい。
【００６３】
次に、２つの微細凹凸構造の側面傾斜角Θの大小関係について述べる。
【００６４】
まず、第２微細凹凸構造６０の側面傾斜角Θの効果について述べる。半導体発光素子１００の上方向に配光するためには、鉛直方向と大きな角度をなす光が鉛直方向に回折及び散乱されることが必要になる。図６は、第２微細凹凸構造の側面傾斜角の効果を説明するための説明図である。図６の矢印は、第２微細凹凸構造６０に入射した光の挙動を示す。なお、光の軌跡を矢印で図示しているが、これは第２微細凹凸構造６０が幾何光学で記述できることを意味しておらず、光の波面と垂直な方向を図示しているに過ぎない。
【００６５】
図６Ａに示すように、第２微細凹凸構造６０の側面傾斜角Θが小さい場合、鉛直方向と大きな角度をなす光は、効果的に鉛直方向に回折及び散乱されない。一方、図６Ｂに示すように、第２微細凹凸構造６０の側面傾斜角Θが大きい場合、鉛直方向と大きな角度をなす光は、効果的に鉛直方向に回折及び散乱される。特に、上面に第２微細凹凸構造６０を有する下層（第２光媒質層）は、一般的に薄膜で用いられるため、図６Ｂのようにアスペクト比の高い形状を作ることは困難である。その為、側面傾斜角Θを大きくできる図６Ｃにあるような錐台、或いは図６Ｄに示す柱状の形状が好ましい。
【００６６】
次に、２つの微細凹凸構造の側面傾斜角Θの大小関係について述べる。本実施の形態に置いて、第２微細凹凸構造６０の側面傾斜角Θが、第１微細凹凸構造２０の側面傾斜角Θよりも大きいことが好ましい。これは、以下の理由と推定される。
【００６７】
光取り出しの経路を考えると、第２微細凹凸構造６０が第１微細凹凸構造２０の上部にある為、半導体発光素子１００の上方からの光取り出しを多くするためには、第１微細凹凸構造２０の回折効率を上げて、崩された導波モードがなるべく多く上方に向かうようにする必要がある。これは、図５に示すように、第２微細凹凸構造６０の側面傾斜角Θが、第１微細凹凸構造２０の側面傾斜角Θよりも大きいことで、第１微細凹凸構造２０での回折及び散乱によって半導体発光素子１００内の光を鉛直方向に立ち上げ、且つ第２微細凹凸構造６０の側面傾斜角Θが大きいために、第１微細凹凸構造２０側から入射する光のうち、鉛直方向と一定以上の角度をなす成分をさらに回折及び散乱によって角度変化させ、上方向の輝度向上が可能となったと推定される。なお、図５は、上面に第２微細凹凸構造６０を有する下層（第２光媒質層）が第２半導体層５０である、即ち第２半導体層５０の上面に第２微細凹凸構造６０が設けられているが、他の図にあるように、第２微細凹凸構造６０が、発光半導体層４０の上面、及び／又は、発光半導体層４０よりも上方に位置する面の少なくとも一部あるいは全面に、第２微細凹凸構造６０が形成されていればよい。即ち、第２微細凹凸構造６０の側面傾斜角Θが、第１微細凹凸構造２０の側面傾斜角Θよりも大きいことにより、光取り出し効率ＬＥＥが高いまま、上方向への配光制御が可能となる。
【００６８】
本実施の形態に係る半導体発光素子１００において、第１微細凹凸構造２０の平均ピッチＰａｖ＿１と、発光半導体層４０が放出した発光光の第１光学波長λ１との比（Ｐａｖ＿１／λ１）が１．５以上５以下であり、第１微細凹凸構造２０のアスペクト比が０．２以上１以下であることが好ましい。
【００６９】
次に、第１微細凹凸構造２０が上記の条件を満たすことが好ましい理由を説明する。
【００７０】
上述したように、第１微細凹凸構造２０の平均ピッチＰａｖ＿１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、内部量子効率ＩＱＥの向上が可能となる。
【００７１】
次に、第１微細凹凸構造２０で導波モードを乱すに当たり、上記の条件が好ましい理由を説明する。
【００７２】
一般に、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光学波長λと微細凹凸構造が有する大きさとの関係で決まる。
【００７３】
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光学波長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オーダーとなると、半導体発光素子中の発光光の光学波長λの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。
【００７４】
光回折を特徴づける要因としては、回折後の強め合う方向の数であるモード、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、凹凸構造での反射及び透過によって強め合う方向が複数生成される。
【００７５】
光回折のモード数は、平均ピッチと光学波長との比が小さいと少なく、平均ピッチと光学波長との比が大きい程多くなる。つまり、平均ピッチと光学波長の比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。
【００７６】
一方、光回折のモード数は、平均ピッチと光学波長との比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。
【００７７】
第１微細凹凸構造２０及び第２微細凹凸構造６０によって導波モードを好適に崩し、光取り出しに寄与させるためには、半導体発光素子１００内部での光は指向性を有していることが好ましい。しかしながら平均ピッチと光学波長との比が小さすぎると、回折によって生じるモード数及びモードの出光角度が著しく限定され、効果的に光取り出し効率を向上させることが難しい。何故ならば、第１微細凹凸構造２０を通過する光は、半導体層から光学基材へ入射する成分と、逆に光学基材の底面や側面で反射し、再び半導体層へ入射する成分とが混在するため、凹凸構造はその両方向に対して好適である必要がある。このため、モード数及びモードの出光角度が限定されていると、真に光取り出しを最大とし得る構造とすることが困難である。ゆえに、指向性を有した条件で且つ、光取り出しに寄与するモードとすることから、第１微細凹凸構造２０の平均ピッチＰａｖ＿１と第１光学波長λ１との比は１．５以上が好ましく、１．６以上がより好ましい。上限は、５以下が好ましい。
【００７８】
本実施の形態に係る半導体発光素子１００において、第２微細凹凸構造６０の平均ピッチＰａｖ＿２と、発光半導体層４０が放出した発光光の第２光学波長λ２との比（Ｐａｖ＿２／λ２）が１．５以上５．５以下であり、第２微細凹凸構造６０のアスペクト比が０．２以上１以下であることが好ましい。
【００７９】
同様に、第２微細凹凸構造６０の平均ピッチＰａｖ＿２と第２光学波長λ２との比は上記の範囲にあることが好ましい。第１微細凹凸構造２０及び第２微細凹凸構造６０によって導波モードを好適に崩し、光取り出しに寄与させるためには、半導体発光素子１００内部での光は指向性を有していることが好ましい。第２微細凹凸構造６０では、光は半導体発光素子１００内部より外部へ向かう一方向のみであり、また第２微細凹凸構造６０が設けられる界面は出光面に相当する為、モード数が限定されていても、外部へ向かう光のうち半導体発光素子１００の上方向へ回折する光成分の強度を向上させるような形状、高さ、側面傾斜角Θとすることで、上方向への輝度を向上させることができる。モード数の観点から、第２微細凹凸構造６０の平均ピッチＰａｖ＿２と、発光半導体層４０が放出した発光光の第２光学波長λ２との比（Ｐａｖ＿２／λ２）は、１．５以上が好ましく、２以上がより好ましい。モード数が多すぎると散乱的と観察されることから、比（Ｐａｖ＿２／λ２）は、５．５以下が好ましい。
【００８０】
本実施の形態で設けられる第１微細凹凸構造２０及び第２微細凹凸構造６０は、複数の凸部或いは凹部から構成される。微細凹凸構造は、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、内部量子効率ＩＱＥ及び、光取り出し効率ＬＥＥを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。
【００８１】
第１微細凹凸構造２０及び第２微細凹凸構造６０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。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±１５％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。また、第１微細凹凸構造２０及び第２微細凹凸構造６０の配列がそれぞれ異なっていてもよい。
【００８２】
次に、第１微細凹凸構造２０及び第２微細凹凸構造６０で用いられるパラメータの定義を行う。以下では第１微細凹凸構造２０について説明するが、特に断りのない限り第２微細凹凸構造６０についても同様に定義される。また、パラメータの測定方法については、パラメータの説明後に述べる。
【００８３】
また、以下の説明では、第１微細凹凸構造２０がドット構造の場合について説明するが、ホール構造の場合について説明においても、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。
【００８４】
＜ピッチＰ及び平均ピッチＰａｖ＿１＞
図７は、本実施の形態に係る半導体発光素子の第１半導体層を第１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。第１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７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＿１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（１≦Ｍ≦Ｎ）と凸部ＡＭ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＿１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＿１を定義することができる。第２微細凹凸構造６０についても同様に定義される。
【００８５】
また、図８は、本実施の形態に係る半導体発光素子の第１半導体層を第１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に示すように、第１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８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＿１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（１≦Ｍ≦Ｎ）と凸ラインＡＭ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〜ＰＡＮＢＮ−２の相加平均値を平均ピッチＰａｖ＿１として定義する。但し、Ｎは５以上１０以下とする。第２微細凹凸構造６０についても同様に定義される。
【００８６】
＜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９は、本実施の形態に係る半導体発光素子の第１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は、第１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９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。第２微細凹凸構造６０についても同様に定義される。図９中に示したピッチＰに相当する線分位置における第１微細凹凸構造２０の断面模式図を示したのが図１０Ａ及び図１０Ｂである。図１０は、図９に示したピッチＰに相当する線分位置における第１微細凹凸構造を示す断面模式図である。
【００８７】
図１０Ａ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。第２微細凹凸構造６０についても同様に定義される。
【００８８】
図１０Ｂ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。第２微細凹凸構造６０についても同様に定義される。
【００８９】
図１１は、本実施の形態に係る半導体発光素子の第１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は、第１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１１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。第２微細凹凸構造６０についても同様に定義される。図１１中に示したピッチＰに相当する線分位置における第１微細凹凸構造２０の断面模式図を示したのが図１２Ａ及び図１２Ｂである。図１２は、図１１に示したピッチＰに相当する線分位置における第１微細凹凸構造を示す断面模式図である。
【００９０】
図１２Ａ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。第２微細凹凸構造６０についても同様に定義される。
【００９１】
図１２Ｂ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。第２微細凹凸構造６０についても同様に定義される。
【００９２】
＜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ｌｃｃｂとピッチＰの比率（ｌｃｃｂ／Ｐ）で定義される。
【００９３】
まず、第１微細凹凸構造２０におけるデューティの影響について述べる。前記定義より、デューティが小さいことは、凹凸構造の平坦部、即ちドット構造の配列であれば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、回折に寄与しない平坦部は少ない方が好ましい。
【００９４】
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。光学基材の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。
【００９５】
また、回折は凸部２０ａの体積によって特徴づけられる。独立した凸部２０ａ、或いは凹部２０ｂ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２０ａの体積に対して２乗で効く。以上を考慮すると、第１微細凹凸構造２０において、ドット構造の凸部２０ａの配列に対しては、デューティは０．３以上が好ましく、０．５以上がより好ましい。上限は、０．９１以下が好ましく、０．８６以下がより好ましい。
【００９６】
さらに、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第１微細凹凸構造２０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、０．８３以下が好ましく、０．７４以下がより好ましい。
【００９７】
続いて、第２微細凹凸構造６０におけるデューティの影響について述べる。既に説明した通り、発光半導体層４０にて発生した発光光は、半導体発光素子１００の上方である第２半導体層５０側又は光学基材１０から取り出される。ここで、第２微細凹凸構造６０があることで、半導体発光素子１００の上方から取り出させる光成分の増加、及び配向特性の制御が可能となる。ここで、第２微細凹凸構造６０では光の経路は発光半導体層４０から半導体発光素子１００の外部への一方向のみとなり、第２微細凹凸構造６０の平坦面から取り出される成分も存在する。即ち、半導体発光素子１００の上方から取り出せる成分の増加という観点から、平坦部を一定比率有していることが好ましい。
【００９８】
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、デューティは凸部或いは凹部の体積に対して２乗で効く。以上を考慮すると、第２微細凹凸構造６０において、ドット構造の凸部２０ａの配列に対しては、デューティは０．３以上が好ましく、０．５以上がより好ましい。上限は、０．８以下が好ましく、０．７以下がより好ましい。
【００９９】
さらに、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第２微細凹凸構造６０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、０．６以下が好ましく、０．５以下がより好ましい。
【０１００】
＜高さＨ＞
第１微細凹凸構造２０の高さＨは、第１微細凹凸構造２０の凹部２０ｂ底部の平均位置と凹凸構造の凸部２０ａ頂点の平均位置と、の最短距離として定義する。第２微細凹凸構造６０についても同様に定義される。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。
【０１０１】
高さＨが大きい程、平均ピッチＰａｖ＿１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が小さい場合には、平均ピッチＰａｖ＿１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第１微細凹凸構造２０を介して入射光が作用するが、高さＨが大きい場合には、平均ピッチＰａｖ＿１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が大きい程、入射光と第１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、光取り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。よって、第１微細凹凸構造２０は、過剰に高い形状である必要はない。
【０１０２】
また、特に微細凹凸構造が第１微細凹凸構造２０の場合について、凸部２０ａがナノメートルオーダーであることより、平坦化に要する第１半導体層３０の厚みを薄くできる。ゆえに、光学基材１０と半導体層の格子定数の差、或いは熱膨張係数の差に由来する半導体発光素子１００の反りやクラックを抑制できる。上記の観点から、第１微細凹凸構造２０の高さＨは、平均ピッチＰａｖ＿１の１倍以下が好ましく、０．７倍以下がより好ましい。
【０１０３】
＜アスペクト比＞
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ｌｃｖｂとの比、即ち（Ｈ／ｌｃｖｂ）である。一方、ホール構造の場合、凹部深さＨと凹部底部幅ｌｃｃｂとの比、即ち（Ｈ／ｌｃｃｂ）である。
【０１０４】
第１微細凹凸構造２０及び第２微細凹凸構造６０について、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０．２以上が好ましく、０．３以上がより好ましい。凸部が高すぎて、過剰に回折及び散乱されてしまうことを防ぐため、アスペクト比は１以下が好ましく、０．９以下がより好ましい。
【０１０５】
＜側面傾斜角Θ＞
凸部２０ａの側面の傾斜角Θは、上記説明した第１微細凹凸構造２０の形状パラメータより決定される。特に微細凹凸構造が第１微細凹凸構造２０の場合において、成長基材１０と半導体結晶層の材質により、凸部２０ａ側面の傾斜角Θを、凸部２０ａ側面に出る結晶面より選定することもできる。
【０１０６】
なお、大小関係で比較する際の凸部２０ａ側面傾斜角Θについて、測定方法を図１３で示す。図１３は、本実施の形態に係る第１微細凹凸構造の側面傾斜角の測定方法を説明するための説明図である。凸部２０ａ側面傾斜角Θは、傾斜角が多段階で変化している場合、例えば凸部２０ａが半球状の場合、単純には定まらない。そこで、本明細書中で用いる凸部２０ａ側面傾斜角Θとは、「底部径に相当する部分（ｌｃｖｂ）と、凸部２０ａの高さＨの３分の１付近、高さＨの３分の２付近の合計３点で測定し、その平均の値を凸部１個に対する測定値とする」ことによって定めることとする。
【０１０７】
例えば、図１３Ａに示した円錐形状、或いは図１３Ｂの円錐台であれば、一つの凸部２０ａについて測定した傾斜角α、β、γはほぼ等しく、１点の凸部２０ａ側面傾斜角Θはその３つの平均となる。例えば、図１３Ｃに示すように凸部２０ａが半球状の場合も、一つの凸部２０ａについて傾斜角α、β、γを測定し、その平均が凸部２０ａ１点の側面傾斜角となる。例えば、図１３Ｄに示すように、凸部２０ａに傾斜角が２つあるような場合でも、同様にα、β、γを測定し、その平均が凸部２０ａ１点の側面傾斜角となる。第２微細凹凸構造６０についても同様に定義される。
【０１０８】
第１微細凹凸構造２０については、光回折で取り出しに寄与する成分を大きくする点から、凸部２０ａ側面傾斜角Θは３０度以上が好ましく、３５度以上がより好ましい。一方、光学基材１０上に結晶成長させる際、凸部２０ａの裾にボイドが発生し易くなり、欠陥が生じやすくなることを防ぐため、凸部２０ａ側面傾斜角Θは６５度以下が好ましく、６０度以下がより好ましい。
【０１０９】
第２微細凹凸構造６０については、半導体発光素子１００の上方向の輝度を向上させるために、側面傾斜角Θは４５度以上が好ましく、５５度以上がより好ましい。一方、第２微細凹凸構造６０上に成膜や樹脂の充填を行う際、空隙が生じやすくなることを防ぐため、側面傾斜角Θは８５度以下が好ましく、８０度以下がより好ましい。
【０１１０】
次に、前記パラメータの測定方法について述べる。前記パラメータ、例えばデューティや側面傾斜角Θ、高さＨは、微細凹凸構造を観察、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮像することによって、前記の定義から個々の凹凸構造に対して求めることができる。本明細書中では、以下に記した局所的範囲で相加平均を取り、得られた値を微細凹凸構造が有するパラメータの値とすることとする。
【０１１１】
（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（１）にて定義される。
【０１１２】
【数１】
2016012684.tif 000003
【０１１３】
相加平均を算出する際のサンプル点数Ｎは、２０として定義する。２０としたのは、下記局所的範囲内で任意に個々の凹凸構造を選んだ際、十分な統計平均を取るためである。
【０１１４】
ここで、観察に使用する局所的範囲とは、微細凹凸構造の平均ピッチの５倍〜５０倍程度の範囲として定義する。例えば、平均ピッチＰａｖ＿１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の視野像を微細凹凸構造を有する領域内の、例えば中央の位置で撮像し、該撮像を使用して相加平均を求める。前記視野像の撮像には、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いることができる。また、第１微細凹凸構造の撮像位置と、第２微細凹凸構造の撮像位置は、微細凹凸構造を有する面内方向で異なる位置でもよい。
【０１１５】
また、半導体発光素子１００となったものから、第１微細凹凸構造２０及び第２微細凹凸構造６０のパラメータを測定する場合、封止材などのパッケージ材料を除去して半導体発光素子１００を取り出し、断面像を撮像し、第２微細凹凸構造６０を有する面を確認した後、必要に応じて第２微細凹凸構造６０を覆っている層、例えば、第２半導体層５０上に透明導電膜９０が設けられ、第２半導体層５０の上面に第２微細凹凸構造６０が設けられている場合は、透明導電膜９０、を除去した後、第２微細凹凸構造６０の表面像、断面像を撮像し、その後、第１半導体層３０とその上の層を除去することで、第１微細凹凸構造２０を有する光学基材１０が得られ、同様に第１微細凹凸構造２０の表面像、断面像を撮像することで、第１微細凹凸構造２０及び第２微細凹凸構造６０が有するパラメータの大小関係を求めることができる。
【０１１６】
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の上面に設けられた第１微細凹凸構造２０、及び発光半導体層４０の上面、及び／又は、発光半導体層４０よりも上方に位置する面の一部あるいは全面（半導体発光素子１００の上方の光取り出し面）に形成された第２微細凹凸構造６０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１００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。
【０１１７】
上面に第１微細凹凸構造２０を形成した光学基材１０の、第１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が下から順次積層され、発光半導体層４０の上面、及び／又は、発光半導体層４０よりも上方に位置する面の一部あるいは全面に第２微細凹凸構造６０が設けられ、半導体発光素子１００を構成する。ここで、本実施の形態に係る半導体発光素子１００は、発光半導体層４０にて発生した発光光を、第２微細凹凸構造６０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、第１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が第１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。
【０１１８】
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９０を、透明導電膜９０の上面にアノード電極７０を、そして第１半導体層３０上面にカソード電極８０を、それぞれ設けることができる。透明導電膜９０、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、図２に例示するように設けられるのが一般的である。なお、図２において、透明導電膜９０が、第２微細凹凸構造６０の全体を覆っているが、一部が覆われないように設けることもできる。また、図１に例示するように、透明導電膜９０は設けなくともよい。
【０１１９】
・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。
【０１２０】
第１半導体層３０と後述する第１微細凹凸構造２０が形成された光学基材１０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。第１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、第１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第１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。
【０１２１】
また、第１微細凹凸構造２０がナノオーダーであることより、第１半導体層３０で第１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１００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。
【０１２２】
・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。
【０１２３】
・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。
【０１２４】
・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。中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。
【０１２５】
・透明導電膜９０
本実施の形態に係る半導体発光素子１００においては、透明導電膜９０の材質は、ＬＥＤに適した透明導電膜９０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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
・微細凹凸構造準備工程
上記説明した第１微細凹凸構造２０及び第２微細凹凸構造６０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、第１微細凹凸構造２０及び第２微細凹凸構造６０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。
【０１２８】
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（第１微細凹凸構造２０を作製する前の光学基材１０又は第２微細凹凸構造６０を設ける層）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。
【０１２９】
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、特に第１微細凹凸構造２０では光学基材１０本体と第１微細凹凸構造２０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。
【０１３０】
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転写材により第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転写材層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転写材層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、エッチング後、残された第１転写材層及び第２転写材層をマスクとして、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。
【０１３１】
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、良好な第１微細凹凸構造２０を具備する光学基材１０或いは第２微細凹凸構造６０を具備する半導体発光素子１００を得ることができる。
【０１３２】
ナノ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、形成される微細凹凸構造の精度が向上するため、好ましい。
【０１３３】
・半導体層及び透明導電膜積層工程
光学基材１０の第１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９０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。
【０１３４】
第１微細凹凸構造２０がナノオーダーの構造であるために、第１半導体層３０で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。
【０１３５】
・第２微細凹凸構造６０形成工程
第２微細凹凸構造６０は、第２微細凹凸構造６０を設ける面によって形成工程が異なる。図１或いは図２にあるように、第２微細凹凸構造６０が第２半導体層５０の上面に設けられる場合、第２半導体層５０まで成膜した後、例えば上記の転写法によって第２半導体層５０の上面に第２微細凹凸構造６０を設けることができる。或いは、図３にあるように発光半導体層４０の上面に第２微細凹凸構造６０を設ける場合、発光半導体層４０まで成膜した後、例えば上記の転写法によって発光半導体層４０の上面に第２微細凹凸構造６０を形成することができる。図４にあるように、第２微細凹凸構造６０を透明導電膜層９０の上面に設ける場合、透明導電膜層９０まで成膜した後に、例えば上記の転写法によって第２微細凹凸構造６０を透明導電膜層９０の上面に設けることができる。
【０１３６】
・電極形成工程
上述の通り成膜したウェハに対して、アノード電極７０及びカソード電極８０を形成する。これらの電極の形成は、公知の方法によって行われる。例えば、フォトレジストを成膜し、フォトリソグラフィを行って半導体発光素子１００をパターニングする。レジストで覆われていない部分を、塩素系ドライエッチングで第１半導体層３０までエッチングした後、レジストを除去する。再度、フォトレジストを成膜し、フォトリソグラフィを行って電極パッド形成部位をパターニングする。次に、真空蒸着法やスパッタなどの公知の方法で電極パッド材料の金属（Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｕ等）を全面に成膜する。その後、レジストとレジスト上に成膜された電極パッド材料をリフトオフ法により除去して、アノード電極７０とカソード電極８０が形成される。
【０１３７】
アノード電極７０及びカソード電極８０の材料は、当該電極が接合する半導体層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。アノード電極７０及びカソード電極８０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。
【０１３８】
・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】
【０１３９】
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（登録商標）  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（信越シリコーン社製  ＫＢＭ５１０３）
・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
・ＰＧＭＥ…１−メトキシ−２−プロパノール
・ＳＲ８３３…トリシクロデカンジメタノールジアクリレート（ＳＡＲＴＯＭＥＲ社製  ＳＲ８３３）
・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（ＳＡＲＴＯＭＥＲ社製  ＳＲ３６８）
【０１４０】
表面に第１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半導体層を下から順次積層し、第２半導体層上に第２微細凹凸構造を形成した後、半導体発光素子（ＬＥＤ）を作製し、ＬＥＤの効率を比較した。この時、第１微細凹凸構造及び第２微細凹凸構造の形状を変化させた。
【０１４１】
以下の検討においては、表面に微細凹凸構造を具備する半導体発光素子を作製するために、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、表面に第１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た。（６）ナノ加工用フィルムを使用し、第２半導体層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、表面に第２微細凹凸構造を具備した積層半導体層を作製した。（７）その後透明導電膜を蒸着し、最後に、電極を取り付けて性能を評価した。
【０１４２】
（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。スパッタリング法を用いて、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、膜厚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。
【０１４３】
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（以下、登録商標）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。
【０１４４】
（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。
【０１４５】
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（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。
材料１…ｋＤＡＣＨＰ：Ｍ３５０：Ｉ．１８４：Ｉ．３６９＝１７．５ｇ：１００ｇ：５．５ｇ：２．０ｇ
【０１４６】
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。
【０１４７】
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。
【０１４８】
（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）
【０１４９】
（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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
（４）光学基材のナノ加工
作製したナノ加工用フィルムを使用し、光学基材の加工を試みた。光学基材としてはｃ面サファイア基板を使用した。
【０１５２】
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。
【０１５３】
得られた積層体（材料２／材料３／基材からなる積層体）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、サファイア基材表面を部分的に露出させた。酸素エッチングとしては、処理ガス圧１Ｐａ、処理電力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、サファイア基材をナノ加工した。ＢＣｌ３を使用したエッチングは、ＩＣＰ：１５０Ｗ、ＢＩＡＳ：５０Ｗ、処理ガス圧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。
【０１５４】
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、第１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、サファイア基材上に作製される第１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、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、リール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。
【０１５５】
（５）積層半導体層の作製
得られたサファイア基材上に、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、積層半導体層を得た。
【０１５６】
（６）第２微細凹凸構造の形成
第２半導体層まで積層した積層半導体層に、作製したナノ加工用フィルムを使用し、第２微細凹凸構造の形成を試みた。即ち、第２半導体層に第２微細凹凸構造を形成した。
【０１５７】
ナノ加工用フィルムの材料３表面を、積層半導体層の第２半導体層に対して貼合した。この時、積層半導体層を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。
【０１５８】
得られた積層体（材料２／材料３／積層半導体層）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、積層半導体層を部分的に露出させた。酸素エッチングとしては、処理ガス圧１Ｐａ、処理電力３００Ｗの条件にて行った。続いて、材料２面側からＣｌ２ガスとＢＣｌ３ガスを混合した反応性イオンエッチングを行い、積層半導体層をナノ加工した。前記ガスを使用したエッチングは、ＩＣＰ：５０〜１５０Ｗ、ＢＩＡＳ：５０〜１００Ｗ、処理ガス圧０．１〜０．２Ｐａ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。ガスの比率は流量比でＣｌ２／（Ｃｌ２＋ＢＣｌ３）の比を０〜０．５とした。
【０１５９】
ドライエッチング後に酸素エッチングを行い、積層半導体層に残留していたマスク及びエッチング堆積物を除去した。酸素エッチングは、処理ガス圧１Ｐａ、処理電力３００Ｗの条件にて行った。なお、積層半導体層に作製される第２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、及び反応性イオンエッチングの条件を適宜変えることにより制御した。
【０１６０】
その後、透明導電膜としてＩＴＯを成膜し、電極形成工程、裁断工程を経て得られた半導体発光素子について、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、発光出力比は第１微細凹凸構造及び第２微細凹凸構造を具備しない半導体発光素子の発光出力を１とした。
【０１６１】
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第１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、第１微細凹凸構造及び第２微細凹凸構造を観察すると、複数の凸部を有していた。また、発光光の真空波長λ０は４５０ｎｍ、第1半導体層の屈折率ｎ１は２．４５であった。第２半導体層の屈折率ｎ２は、第１半導体層の屈折率ｎ１と等しいとした。また、第２微細凹凸構造も同様にドット状の凸部を有していた。
【０１６２】
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。
【０１６３】
出射指向性は、半導体発光素子の発光特性を、２０ｍＡにおける３次元の発光状況を配光分光装置（ＩＭＳ５０００−ＬＥＤ、朝日分光社製）で、極角５度刻みで０度から９０度、方位角１０度刻みで３６０度測定し、放射照度が半導体発光素子の上方向の半分となる極角（以下放射照度基準角δと呼ぶ）を調べた。上方向の放射照度は、放射照度を測定し、極角１５度以内の点で得られた値の平均値とした。放射照度基準角δが小さい程、上方向に配光していることを表している。
【０１６４】
（実施例１から実施例１１）
光学基材に設ける第１微細凹凸構造をほぼ同じものとし、第２微細凹凸構造の、デユーティｄ、側面傾斜角Θ、第２微細凹凸構造の平均ピッチＰａｖ＿２と、発光半導体層が放出した発光光の第２光学波長λ２との比（Ｐａｖ＿２／λ２）、及びアスペクト比Ａを変化させた。第１微細凹凸構造は略円錐形状であり、第２微細凹凸構造は略円錐台形状であった。
【０１６５】
（比較例１から比較例５）
デューティｄについて、第２微細凹凸構造の方が第１微細凹凸構造よりも大きくした以外は、実施例１から実施例１１と同様の条件として、内部量子効率ＩＱＥ、発光出力比、出射指向性を検討した。結果を表１に示す。
【０１６６】
【表１】
2016012684.tif 000004
【０１６７】
実施例１から実施例１１は、第２微細凹凸構造のデューティが第１微細凹凸構造のデューティより小さいことで、光取り出し効率が向上し、半導体発光素子の上方向への配光が強まっていることが確認できた。
【０１６８】
（実施例１２から実施例２４）
光学基材に設ける第１微細凹凸構造及び第２微細凹凸構造の平均ピッチＰａｖ＿１及びＰａｖ＿２を変化させ、内部量子効率ＩＱＥ、発光出力比、出射指向性を検討した。第１微細凹凸構造は略円錐形状であり、第２微細凹凸構造は略円錐台形状であった。
【０１６９】
（比較例６から比較例１２）
デューティｄについて、第２微細凹凸構造の方が第１微細凹凸構造よりも大きくした以外は、実施例１２から実施例２４と同様に平均ピッチＰａｖ＿１及びＰａｖ＿２を変化させ、内部量子効率ＩＱＥ、発光出力比、出射指向性を検討した。結果を表２に示す。
【０１７０】
【表２】
2016012684.tif 000005
【０１７１】
平均ピッチＰａｖ＿１及びＰａｖ＿２の大小関係に寄らず、デューティｄの大小関係によって、光取り出し効率の向上及び半導体発光素子の上方向への配光が強まっていることが確認できた。
【０１７２】
（実施例２５から実施例２７）
実施例１から実施例２４と同様に第１微細凹凸構造は略円錐形状のままとし、第２微細凹凸構造の形状を略円錐台形状から略円錐形状に代えた。
【０１７３】
（比較例１３から比較例１５）
第２微細凹凸構造の側面傾斜角Θを第１微細凹凸構造の側面傾斜角Θよりも小さくした以外は、実施例２５から実施例２７と同様にして、内部量子効率ＩＱＥ、発光出力比、出射指向性を検討した。結果を表３に示す。
【０１７４】
【表３】
2016012684.tif 000006
【０１７５】
実施例２５から実施例２７は、側面傾斜角Θについて、第２微細凹凸構造の方が第１微細凹凸構造よりも大きいために、半導体発光素子の上方向への配光が強まっていることが確認できた。比較例１３から比較例１５では、第２微細凹凸構造の側面傾斜角Θが第１微細凹凸構造の側面傾斜角Θよりも小さいため、光取り出しへの寄与が小さく、また上方向への配光が強められていないと推定される。
【０１７６】
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】
【０１７７】
本発明は、例えば、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】
【０１７８】
１０  光学基材
２０  第１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  第２微細凹凸構造
７０  アノード電極
８０  カソード電極
９０  透明導電膜
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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2016012684.tif 000015
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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