(57)【要約】  Ａｒレーザーの２倍高調波、または、ＮｄドープＹＡＧレーザーの４倍高調波を光源とし、エタロンと半波長板による極めて均質でコヒーレンスの高いレーザービームを生成できる２光束干渉露光装置を実現する。また上記２光束干渉露光によってフォトレジストマスクに周期パターンの露光を行い、フォトレジストマスクの現像を行い、レジストパターンをマスクとして半導体層エッチング用マスクのパターン形成を行い、レジスト除去後、光取り出し面をエッチングする工程により、極めて低コストでエネルギー変換効率の高い半導体発光素子を製造することができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー共振器内に備えられるレーザー光源と、
上記レーザー共振器内に備えられ、上記レーザー光源にて出力されたレーザー光を高調波に変換するＳＨＧ素子と、
狭帯域波長フィルタとして上記レーザー共振器内に備えられるエタロンと、
上記レーザー共振器の外部に出力されたレーザー光を２光束に分割するビームスプリッタと、
上記ビームスプリッタにて分割された２光束を露光ターゲット上にて干渉させる干渉光学系とを備える２光束干渉露光装置。
【請求項２】
上記レーザー光源はＡｒレーザー光源であり、上記ＳＨＧ素子は同レーザー光源にて出力されたレーザー光を２倍高調波に変換することを特徴とする請求項１に記載の２光束干渉露光装置。
【請求項３】
上記レーザー光源はＮｄドープＹＡＧレーザー光源であり、上記ＳＨＧ素子は同レーザー光源にて出力されたレーザー光を４倍高調波に変換することを特徴とする請求項１に記載の２光束干渉露光装置。
【請求項４】
上記レーザー共振器の外部に出力されたレーザー光の直交偏光成分を低減する半波長板と、
上記レーザー共振器の外部に出力されたレーザー光を所定幅の平行光に変換するビームエキスパンダーとを具備することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の２光束干渉露光装置。
【請求項５】
レーザー共振器内においてレーザー光源にて出力したレーザー光をＳＨＧ素子にて高調波に変換しつつ狭帯域波長フィルタとしてのエタロンにて狭帯域化させた後に、同レーザー共振器から出力し、
上記レーザー共振器の外部に出力されたレーザー光をビームスプリッタにて２光束に分割し、この２光束を干渉光学系によって露光ターゲット上にて干渉させて露光を行う２光束干渉露光方法。
【請求項６】
発光層にて発光された光を表面の光取り出し面から外部に出力する半導体発光素子の製造方法において、
上記光取り出し面上に薄膜状のエッチングマスクを形成し、
上記エッチングマスク上に薄膜状のフォトレジストマスクを形成し、
レーザー共振器内においてレーザー光源にて出力したレーザー光をＳＨＧ素子にて高調波に変換しつつ狭帯域波長フィルタとしてのエタロンにて狭帯域化させた後に、同レーザー共振器から出力し、上記レーザー共振器の外部に出力されたレーザー光をビームスプリッタにて２光束に分割し、この光束を干渉光学系によって露光ターゲット上にて干渉させて露光を行う２光束干渉露光方法により、光取り出し面上の上記フォトレジストマスクを露光し、
上記フォトレジストマスクの未露光部分を除去し、
未露光部分を除去した上記フォトレジストマスクをレジストマスクとして上記エッチングマスクにパターンを形成し、
パターンが形成された上記エッチングマスクをレジストマスクとして上記光取り出し面のエッチングを行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
上記エッチングマスクは複数の薄膜層から構成され、各薄膜層はそれぞれエッチングをする際のエッチング速度が異なる異種の素材によって形成されることを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
露光方向を変えつつ複数回露光を行うことを特徴とする請求項６または請求項７のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
発光層にて発光された光を表面の光取り出し面から外部に出力する半導体発光素子であって、
上記光取り出し面上に薄膜状のエッチングマスクを形成し、
上記エッチングマスク上に薄膜状のフォトレジストマスクを形成し、
レーザー共振器内においてレーザー光源にて出力したレーザー光をＳＨＧ素子にて高調波に変換しつつ狭帯域波長フィルタとしてのエタロンにて狭帯域化させた後に、同レーザー共振器から出力し、上記レーザー共振器の外部に出力されたレーザー光をビームスプリッタにて２光束に分割し、この光束を干渉光学系によって露光ターゲット上にて干渉させて露光を行う２光束干渉露光方法により、光取り出し面上の上記フォトレジストマスクを露光し、
上記フォトレジストマスクの未露光部分を除去し、
未露光部分を除去した上記フォトレジストマスクをレジストマスクとして上記エッチングマスクにパターンを形成し、
パターンが形成された上記エッチングマスクをレジストマスクとして上記光取り出し面のエッチングを行うことにより製造されることを特徴とする半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２光束干渉露光装置、２光束干渉露光方法、半導体発光素子の製造方法、および、半導体発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体ｐｎ接合による半導体発光素子として、発光ダイオードが広く実用化され、主に光伝送、表示や特殊照明用途に用いられている。近年、窒化物半導体と蛍光体を用いた白色発光ダイオードも実用化され、今後は一般照明用途への展開が大いに期待されている。しかし、特に白色発光ダイオードにおいてはエネルギー変換効率が既存の蛍光灯と比較して不十分のため、これら一般照明用途に対しては大幅な効率改善が必要である。発光ダイオードのエネルギー変換効率が低い最大の原因は、半導体自身の発光効率が低いわけではなく、発光ダイオードから外部への光取り出し効率が低いことである。半導体は一般に屈折率が２．５〜４程度と高いため、発光層の内部で生じた光は外部へ取り出される際に、光取出し面において２０〜３０％程度のフレネル反射と放射角の屈折が生じる。放射角の屈折によって、ある臨界角を越えると全反射が生じ、全ての光は素子内部に閉じ込められる。閉じ込められた光は素子内部で反射を繰り返しながら半導体層や電極などで吸収されて減衰し、熱に変化する。一般的な発光ダイオードでは、光取り出し効率は２０％程度であり、８０％もの光が素子内部で失われている。【０００３】
このような問題を解決するために、半導体表面に凹凸加工した構造が提案されている（例えば、特許文献１、参照。）。光を取り出す側の半導体表面にこのような凹凸構造を設けると、光散乱の効果により全反射は消失し、広い放射角にわたって５０％程度の透過率を得ることができる。裏面電極の反射率を１００％と仮定すると、光取り出し効率は５０％近くまで高められる。さらに本願発明者は、この凹凸構造の周期を発光ダイオードの光学波長程度まで小さくすると、光取り出し効率はさらに７０−８０％まで向上できることを確認している。凹凸構造の周期を発光ダイオードの光学波長程度まで小さくすることにより、同凹凸構造における光の波動性が顕在化するため、回折の効果によって透過率が向上するからである。なお、この周期的な凹凸構造の形によってフォトニック結晶やモスアイ構造と名称が異なるが、光取出し効率向上の原理は同じである。
【特許文献１】特開２００３−８６８３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、フォトニック結晶やモスアイ構造に用いられる波長オーダーの周期構造を作製することは容易ではなく、作成コストも高いという課題があった。例えば窒化物による青色発光ダイオードの場合、発光波長を４６０ｎｍとし窒化物結晶の屈折率を２．５とすると、光学波長が１８４ｎｍとなり、凹凸構造の凸部の幅を約９０ｎｍ程度としなければならない。現在のＡｒＦエキシマレーザーを用いた最先端のフォトリソグラフィー技術でも作製が困難となるサイズである。しかもこのような極めて高価な製造装置を発光ダイオードに使用することはコスト的に不可能であるし、基板口径の小さい化合物半導体用の装置は存在しない。また、現在のフォトニック結晶やモスアイ構造の作製に用いられている電子線リソグラフィーは、極めて量産性が低く、低コストの発光ダイオードには使用できない。
本発明は、上記の課題にかんがみてなされたもので、容易、かつ、低コストで高エネルギー効率の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】
【０００５】
上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明では、レーザー共振器内において、レーザー光源とＳＨＧ素子とエタロンとが備えられる。レーザー光源は外部からエネルギーを受け取り、レーザー光を発生させる。ＳＨＧ素子は、上記レーザー光源にて出力されたレーザー光を上記レーザー共振器内において高調波に変換する。すなわち、上記レーザー光源にて出力されたレーザー光が短波長となるように変換する。なお、ＳＨＧ(Second-Harmonic Generation）素子は、レーザー光を入射することにより、入射した光の倍数の周波数の光を発生させる光学結晶によって構成される。【０００６】
エタロンは上記レーザー共振器内において狭帯域波長フィルタとして機能し、特定の波長のレーザー光のみを抽出する。エタロン(etalon)は、例えば一定間隔を隔てて平行に向かい合った二つの平面ガラスから形成することができ、この場合、同平面ガラスの間隔に応じた波長のレーザー光のみを透過させることができる。以上の構成により、上記レーザー共振器内において共振するレーザー光の波長を厳密に単波長化することができる。これにより、２光束干渉に適したコヒーレンスの良好なレーザー光を上記レーザー共振器の外部に出力することができる。従って、上記レーザー光源から露光ターゲットまでの光路が長くしても、２光束干渉を生じさせることができる。また、２光束干渉露光において生じる干渉縞の周期は、レーザー光の波長に依存するため、ＳＨＧ素子によってレーザー光を高調波化しておくことにより、微細な干渉縞を形成することができる。【０００７】
ビームスプリッタは、上記レーザー共振器の外部に出力されたレーザー光を２光束に分割する。干渉光学系は上記ビームスプリッタにて分割された２光束を露光ターゲット上に集光させつつ、適度な角度で２光束を干渉させることにより上記露光ターゲット上にて干渉縞を生じさせることができる。以上のようにして生成した干渉縞を上記露光ターゲット上のフォトレジストに作用させることにより、同干渉縞と同様のパターン形状にフォトレジストを感光させることができ、半導体発光素子に微細パターンを容易に形成することができる。【０００８】
また、半導体発光素子において極めて微細なパターンを形成するための好適なレーザー光源の一例として、請求項２にかかる発明では、上記レーザー光源がＡｒレーザー光源とされる。Ａｒレーザー光源によれば波長が約４８８ｎｍのレーザー光を発振させることができるため、上記ＳＨＧ素子にてレーザー光を２倍高調波に変換することにより、波長が約２４４ｎｍの高調波を得ることができる。従って、半導体発光素子に極めて微細なパターンを形成することができる。【０００９】
さらに、半導体発光素子において極めて微細なパターンを形成するための好適なレーザー光源の別の一例として、請求項３にかかる発明では、上記レーザー光源がＮｄドープＹＡＧレーザー光源とされる。ＮｄドープＹＡＧレーザー光源によれば、上記ＳＨＧ素子にてレーザー光を４倍高調波に変換することにより、波長が約２６６ｎｍの高調波を得ることができる。【００１０】
さらに、屈折率の高い媒質にレーザー光を透過させる透過型の光学系を適用した場合における本発明の好適な構成として、請求項４にかかる発明では、半波長板が備えられ、同半波長板にて上記レーザー共振器の外部に出力されたレーザー光の直交偏光成分が低減させられる。半波長板(half-wave plate)は、複屈折結晶で構成された薄板状の素子であり、レーザー光の偏光面を回転させる特性を有している。上記レーザー共振器の外部に出力されたレーザー光が半波長板を経由することにより、レーザー光の直交偏光成分を低減することができる。レーザー光の直交偏光成分を低減することにより、透過型の光学系にレーザー光を透過する際の同レーザー光の光速に対する同直交偏光成分の影響を抑えることができる。すなわち、レーザー光に透過型の光学系を適用しても、直交偏光成分のばらつきに起因してレーザー光の光速にばらつきが生じることが防止できる。従って、透過型の光学系であるビームエキスパンダーによって、上記レーザー共振器の外部に出力されたレーザー光を所定幅の平行光に変換しても、変換後の平行光の位相にばらつきが生じることが防止でき、良好なコヒーレンスを維持することができる。【００１１】
上述した２光束干渉露光装置にかかる技術的思想は、同技術的思想を実現するための方法の発明として把握することもでき、請求項５にかかる発明も、上記と同様の作用、効果を有する。むろん、請求項５の２光束干渉露光方法に、請求項２から請求項４の技術的思想を取り入れることも可能である。さらに、請求項６のように上記方法にしたがって半導体発光素子を製造する方法においても、本発明の技術的思想を具現化することができる。すなわち、２光束干渉露光方法は半導体の半導体発光素子の製造方法の一部であると捉えることができ、本発明の２光束干渉露光方法の各工程を半導体発光素子の製造方法の工程に組み入れるも可能である。また、請求項６の半導体発光素子の製造方法に、請求項２から請求項４の技術的思想を取り入れることも可能である。【００１２】
請求項６にかかる発明では、半導体発光素子の表面に光取り出し面が設けられ、同光取り出し面から発光層にて発光された光が外部に出力される。上記光取り出し面上に薄膜状のエッチングマスクを形成し、さらに同エッチングマスク上に薄膜状のフォトレジストマスクを形成する。そして、上述した２光束干渉露光方法によって、光取り出し面上の上記フォトレジストマスクを露光する。次に、いわゆる現像処理を行うことにより、上記フォトレジストマスクの未露光部分を除去する。さらに、未露光部分を除去した上記フォトレジストマスクをレジストマスクとして上記エッチングマスクにパターンを形成する。これにより、２光束干渉における干渉縞に対応したパターンを上記エッチングマスクに形成することができる。パターンが形成された上記エッチングマスクをレジストマスクとして上記光取り出し面のエッチングを行う。これにより、上記光取り出し面において２光束干渉における干渉縞に対応したパターンを形成することができ、上記光取り出し面に極めて微細な凹凸構造を形成することができる。例えば、上記レーザー光源としてＡｒレーザー光源を適用すると、凹凸構造の形成周期を光学波長程度まで小さくすることができ、極めて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。【００１３】
また、凹凸構造の形状を制御するための好適な構成の一例として、請求項７にかかる発明では、上記エッチングマスクを複数の薄膜層によって構成する。なお、各薄膜層はそれぞれエッチングをする際のエッチング速度が異なる異種の素材によって形成される。これにより、各薄膜層のエッチング量を任意にコントロールすることができ、エッチングマスクの形状を任意にコントロールすることができる。従って、サイドエッチング(アンダーカット)量が多くなるようなエッチングマスクの形状とすることもできるし、サイドエッチングを抑制するようなエッチングマスクの形状とすることもできる。サイドエッチング量が多くすることにより、先端が尖った形状の凹凸構造を形成することができる。【００１４】
さらに、光取り出し面方向について凹凸構造の形状を制御するための好適な構成の一例として、請求項８にかかる発明では、露光方向を変えつつ複数回露光を行う。一度の露光では縞模様の凹凸構造が形成されるが、例えば露光方向を９０度変えて２度露光を行うことにより、正方形のマスクパターンを形成することができる。上述した半導体発光素子の製造方法にかかる技術的思想は、その製造方法によって製造された半導体発光素子においても具現化することができ、請求項９にかかる発明も、上記と同様の作用、効果を有することはいうまでもない。【００１５】
以上説明したように請求項１と請求項５と請求項６と請求項９の発明によれば、容易、かつ、低コストで高エネルギー効率の半導体発光素子を提供することができる。
請求項２と請求項３の発明によれば、極めて微細なパターンを形成することができる。
請求項４の発明によれば、コヒーレンスの良好な平行光を得ることができる。
請求項７と請求項８の発明によれば、周期構造の形状を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】２光束干渉露光装置の概略構成図である。
【図２】干渉縞を示す図である。
【図３】青色発光ダイオードの構造模式図である。
【図４】凹凸構造の形成工程を説明する図である。
【図５】フォトレジストマスクが露光される様子を示す図である。
【図６】変形例にかかる青色発光ダイオードの構造模式図である。
【図７】変形例にかかる凹凸構造の形成工程を説明する図である。
【符号の説明】
【００１７】
１…２光束干渉露光装置、１０…レーザー共振器、１１…Ａｒレーザー光源、１２…ＳＨＧ素子、１３…エタロン、１４ａ，１４ｂ…共振ミラー、２０…半波長板、３０…ビームエキスパンダー、４０…ビームスプリッタ、５０ａ，５０ｂ…ＮＤフィルタ、６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄ，６０ｅ，６０ｆ…ミラー、１００…青色発光ダイオード、１１１…基板、１１２…低温堆積緩衝層、１１３…クラッド層、１１４…発光層、１１５…障壁層、１１６…コンタクト層、１１７…ｐ−電極、１１８…ｎ−電極、１３０…エッチングマスク、１３０ａ…ＳｉＯ2層、１３０ｂ…Ｔｉ層、１３０ｃ…Ａｕ層、１３１…フォトレジストマスク、１３１ａ…感光部、１３１ｂ…未露光部、２００…青色発光ダイオード、２１１…基板、２１１ａ…反射ミラー、２１２…低温堆積緩衝層、２１３…クラッド層、２１４…発光層、２１５…障壁層、２１６…コンタクト層、２１７…半透明電極、２１８…ｐ−電極、２１９…ｎ−電極、２３０…エッチングマスク、２３１…フォトレジストマスク、θ…入射角、Ａ，Ｂ…凹凸構造、Ｐ…周期、Ｔ…露光ターゲット
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
下記の順序に従って本願発明の実施形態について説明する。
（１）２光束干渉露光装置の構成：
（２）半導体発光素子およびその製造方法：
（３）変形例にかかる半導体発光素子：
（４）まとめ：【００１９】
（１）２光束干渉露光装置の構成：
図１は、本発明の一実施形態にかかる２光束干渉露光装置の構成を示している。なお、同図においては、レーザー光の行路を波線によって示している。２光束干渉露光装置１は、レーザー共振器１０と半波長板２０とビームエキスパンダー３０とビームスプリッタ４０とＮＤフィルタ５０ａ，５０ｂとミラー６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄ，６０ｅ，６０ｆとから構成されている。レーザー共振器１０は、Ａｒレーザー光源１１とＳＨＧ素子１２とエタロン１３と１対の共振ミラー１４ａ，１４ｂとから構成されている。【００２０】
Ａｒレーザー光源１１はＡｒガスの励起により波長が約４８８ｎｍの光を生成することが可能な光源であり、同Ａｒレーザー光源１１にて発光した光を互いに平行に向かい合う共振ミラー１４ａ，１４ｂの間で繰り返して反射させることによりレーザー光を出力することができる。Ａｒレーザー光源１１によれば比較的高いレーザー光の出力を得ることができる。レーザー光が共振する共振ミラー１４ａ，１４ｂの間において、ＳＨＧ素子１２が備えられている。ＳＨＧ素子１２は、レーザー光を入射することにより、入射した光の倍数の周波数の光を発生させる特性を有しており、約４８８ｎｍの波長で入射したレーザー光を約２４４ｎｍに高調化することができる。従って、レーザー共振器１０では波長が約２４４ｎｍのレーザー光を生成することが可能となっている。【００２１】
ＳＨＧ素子１２は、高調化したレーザー光の波長スペクトルのピークが約２４４ｎｍとなるものの、波長スペクトルにある程度の幅を生じさせる。すなわち、ＳＨＧ素子１２にて高調化した時点のレーザー光には種々の波長成分が含まれることとなる。一方、レーザー光が共振する共振ミラー１４ａ，１４ｂの間において、エタロン１３が備えられている。エタロン１３は、本発明の狭帯域波長フィルタであり、一定の波長のレーザー光のみを透過させることが可能となっている。本実施形態においてエタロン１３は、一定間隔を隔てて平行に向かい合った二つの平面ガラスと、これらに挟まれた透過板とから形成されており、同平面ガラスの間隔と同透過板の屈折率に応じた波長のレーザー光のみを透過させることができる。この透過板は入射した光の波長に応じて異なる屈折率を有しており、波長が約２４４ｎｍの光が入射した場合にのみ、エタロン１３を透過することが可能な屈折角の屈折を生じさせる。【００２２】
かかる構成としたレーザー共振器１０によれば波長が約２４４ｎｍに狭帯域化された単波長レーザー光を出力することができ、そのコヒーレンス長が１０ｍを超えるようにすることができる。従って、レーザー共振器１０から露光ターゲットに至るまでのレーザー光の経路が長くなる場合でも、良好な２光束干渉を生じさせることができる。これに対して、エタロン１３を備えない場合には、レーザー共振器１０から出力されるレーザー光に幅広い波長成分が含まれてしまい、結果として数十ｃｍ程度のコヒーレンス長しか得ることができない。【００２３】
ミラー６０ａ，６０ｂは、レーザー共振器１０から出力されたレーザー光を反射させ、半波長板２０にレーザー光を入射させる。半波長板２０においては、偏光比の増大が図られる。レーザー光は基本的には直接偏光であるが、主偏光成分に直交する直交偏光成分を数％以上含んでいる。図１にて波線で示した方向に直交する方向の偏光成分がレーザー光には少量含まれている。半波長板２０ではこの直交偏光成分を低減することにより、主偏光成分の直交偏光成分に対する偏光比を増大させている。【００２４】
そして、半波長板２０にて直交偏光成分が低減された上で、レーザー光がビームエキスパンダー３０に入射させられている。レーザー光に直交偏光成分が多く含まれる場合には、ビームエキスパンダー３０のように屈折を生じさせる透過型の光学部品の複屈折率性によって、主偏光成分のビームとの行路差すなわち位相差を生じさせることとなる。本実施形態においては半波長板２０にて直交偏光成分を低減してからレーザー光をビームエキスパンダー３０に入射させているため、直交偏光成分による複屈折率性の影響が少なく、位相が揃った平行光をビームエキスパンダー３０にて生成することができ、良好なコヒーレントを維持することができる。ビームエキスパンダー３０は、例えば２枚の屈折レンズによって構成することができ、所定の幅の平行光を生成することができる。【００２５】
ミラー６０ｃ，６０ｄはビームエキスパンダー３０から出力されたレーザー光を所定方向に反射させ、同レーザー光をＮＤフィルタ５０ａに入射させる。ＮＤフィルタ(Neutral Density Filer)５０ａは、いわゆる減光フィルタであり、減光率を調整することによりレーザー光の光量を適度に調整することができる。なお、本実施形態においては透過型のＮＤフィルタ５０ａ，５０ｂを使用したが、反射型であってもよい。ＮＤフィルタ５０ａにて減光されたレーザー光はビームスプリッタ４０にて互いに略直交した２光束に分割される。【００２６】
ビームスプリッタ４０を透過したレーザー光はＮＤフィルタ５０ｂにて減光され、ミラー６０ｆにて反射されてから所定の入射角θで露光ターゲットＴに入射する。一方、ビームスプリッタ４０にて反射したレーザー光は、そのままミラー６０ｅにて反射され、入射角θで露光ターゲットＴに到達する。本実施形態のビームスプリッタ４０においては、透過光量の方が反射光量よりも多いため、ビームスプリッタ４０を透過したレーザー光がＮＤフィルタ５０ｂを通過することにより、双方のレーザー光を均等にすることができる。なお、ＮＤフィルタ５０ａ，５０ｂとビームスプリッタ４０は透過型の光学機器であるが、予め半波長板２０によって直交偏光成分が低減されているため、良好なコヒーレントを維持することができる。【００２７】
以上の構成により２光束を露光ターゲットＴに入射させることにより、同露光ターゲットＴ上おいて図２に示すような干渉縞を生じさせることができる。ここで、レーザー光の波長をλとすると、露光ターゲットＴ上に生じる干渉縞の周期Ｐは下記式（１）で与えられる。
Ｐ＝λ／２ｓｉｎθ    ・・・（１）【００２８】
例えば、入射角θが６０度で波長λが２４４ｎｍである場合には、干渉縞の周期Ｐは約１４１ｎｍとなる。露光ターゲットＴに本実施形態のレーザー光に対して感光性を有するフォトレジストを形成した場合には、同フォトレジストにおいて図２と同様の干渉縞模様に感光させることができる。市販の高出力Ａｒレーザーを用いた場合、本実施形態の２光束干渉露光装置１ではレーザー光の実効的なパワーとして５０ｍＷ程度を得ることが可能である。例えば、レーザービームを１０ｃｍ径まで拡大したときの平均レーザーパワー密度は０．６４ｍＷ／ｃｍ2となる。この場合に、フォトレジストとして適正露光量が２５ｍＪ／ｃｍ2程度のものを適用すると、２０秒程度で露光を完了させることができる。すなわち、化合物半導体のパターン形成でよく使用される２インチや３インチの基板の露光が一般的なフォトリソグラフィーと同様の簡便さで実現することができる。【００２９】
上記式（１）において干渉縞の周期Ｐは入射角θに依存しているため、入射角θを調整することにより、干渉縞の周期Ｐを調整することができる。露光ターゲットＴに対して適切な入射角θでレーザー光を入射させるミラー６０ｅ，６０ｆは本発明の干渉光学系に相当する。なお、本実施形態のようにＡｒレーザーの２倍高調波によって露光する場合、理論限界周期は１２２ｎｍであり、それ以上大きな周期Ｐの周期パターンであれば形成することができるといえる。また、干渉縞の太さ、すなわち露光部分と未露光部分とのデューティー比は露光時間の調整によって調整することができるため、２光束干渉によって形成される周期構造の形状の自由度も大きい。上述したとおりレーザー光のコヒーレントは露光ターゲットＴに至るまで良好に維持されている。従って、露光ターゲットＴにおいて良好な干渉縞を生じさせることができる。【００３０】
本実施形態においては、Ａｒレーザーを光源として使用したが、ＮｄドープＹＡＧレーザー光源を使用してもよい。ＮｄドープＹＡＧレーザーによれば出力されるレーザー光の波長が１０．６μｍであるため、ＳＨＧ素子によって４倍高調波に変換することにより、２６６ｎｍのレーザー光を得ることができる。従って、本実施形態とほぼ同様の周期Ｐの干渉縞を生じさせることができる。【００３１】
（２）半導体発光素子およびその製造方法：
図３は、本発明の一実施形態にかかる半導体発光素子としての青色発光ダイオード１００の構成を模式的に示している。同図において青色発光ダイオード１００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。図において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（３族窒化物半導体）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上に板状のｐ−電極１１７が積層されており、クラッド層１１３上にｎ−電極１１８が積層されている。基板１１１の裏側には周期的な凹凸構造Ａが形成されている。【００３２】
かかる構成において、青色発光ダイオード１００のｐ−電極１１７とｎ−電極１１８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１１４にて発光させることができる。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。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の裏面は青色発光ダイオード１００における光取り出し面を構成し、この光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。【００３３】
周期的な凹凸構造Ａ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、周期的な凹凸構造Ａに到達した光の大半は空気と基板１１１の間の屈折率を感じることとなる。従って、空気と基板１１１の間の屈折率の急激な変化は緩和され、発光層１１４にて発光された光が光取り出し面における全反射によって青色発光ダイオード１００の内部に閉じこめられることが防止でき、高い光取り出し効率を実現することが可能となっている。【００３４】
次に、基板１１１に周期的な凹凸構造Ａを形成する方法について説明する。図４は、凹凸構造Ａを形成する工程を模式的に示している。同図（ａ）に示すように、はじめに本発明の光取り出し面に相当する基板１１１の裏面に薄膜状のエッチングマスク１３０を形成する。エッチングマスク１３０は、基板１１１の裏面にＳｉＯ2を素材とする薄膜状のＳｉＯ2層１３０ａを積層し、その上にＴｉを素材とするＴｉ層１３０ｂを積層し、さらにその表面にＡｕを素材とするＡｕ層１３０ｃを積層することにより形成される。すなわち、エッチングマスク１３０はそれぞれ異種の素材による複数の薄膜層によって構成されている。ＳｉＯ2層１３０ａとＴｉ層１３０ｂとＡｕ層１３０ｃを積層するにあたっては、例えば真空蒸着法により堆積させることができる。【００３５】
次に、図４（ｂ）に示すように、エッチングマスク１３０上に薄膜状のフォトレジストマスク１３１が形成されている。フォトレジストマスク１３１の厚みはほぼ一様であり、約０．１μｍとされている。低粘度のフォトレジスト液をスピンコートによってエッチングマスク１３０上に塗布し、プリベークすることにより、膜厚が極めて薄いフォトレジストマスク１３１を形成することができる。次に、図４（ｃ）に示すように、上述した２光束干渉露光装置１を用いてフォトレジストマスク１３１を露光する。露光ターゲットＴに基板１１１をセットし、フォトレジストマスク１３１に２光束を１０秒間入射させることにより、干渉縞模様にフォトレジストマスク１３１を感光させることができる。【００３６】
図５は、露光後のフォトレジストマスク１３１を厚み方向から見て示している。同図（ａ）において、露光によって感光した感光部１３１ａと未露光部１３１ｂがハッチングの有無によって区別して図示されており、これらは図２の干渉縞と同様の縞模様となっている。次に、基板１１１を９０度回転させて同じ条件で２回目の露光を行う。図５（ｂ）は、２回目の露光後のフォトレジストマスク１３１を示している。同図において、１回目の露光による感光部１３１ａと２回目の露光による感光部１３１ａのハッチングをそれぞれ反対向きに示しており、ハッチングが交差している部分は２重露光部に相当している。２重露光部においては積算露光時間が２０秒間となり、露光が完了する。このように、露光方向を９０度回転させることにより、フォトレジストマスク１３１に干渉縞が直交した模様が形成することができ、正方形状の２重露光部を形成することができる。また、複数回露光を行うことにより、２次元のマスクパターンを形成することができる。【００３７】
２回目の露光が完了すると２重露光部以外の部分のフォトレジストマスク１３１を除去するための、現像処理を行う。すると、図４（ｄ）に示すように、露光が完了している正方形状の２重露光部のみを残存させることができる。以上説明したような２光束干渉露光方法によって、２次元の周期的な露光パターンを形成することができる。【００３８】
現像処理が完了すると、残存したフォトレジストマスク１３１をレジストマスクとして、図４（ｅ）に示すようにエッチングマスク１３０のエッチングを行う。エッチングマスク１３０をエッチングするにあたっては、例えば塩素ガスを用いた反応性イオンエッチングによりＳｉＯ2層１３０ａとＴｉ層１３０ｂとＡｕ層１３０ｃをエッチングすることができる。エッチングマスク１３０のエッチングが完了すると、剥膜処理によって、図４（ｆ）に示すように、フォトレジストマスク１３１を完全に除去する。【００３９】
続いて、四フッ化炭素ガスまたは四フッ化炭素と酸素の混合ガスを用いて再び反応性イオンエッチングを行う。このとき、最下層のＳｉＯ2層１３０ａは四フッ化炭素イオンによってサイドエッチングを生じるために、図４（ｇ）に示すように時間の経過とともに実効的なマスクサイズが縮小する。しかし、上層のＴｉ層１３０ｂとＡｕ層１３０ｃはサイドエッチングの耐性が比較的高く、エッチング速度が遅いため、ＳｉＯ2層１３０ａが完全に除去されることはなく、傾斜したマスク形状を形成することができる。このようなマスク形状とすることにより、基板１１１に平行な方向のサイドエッチングを促進することができ、凸部が四角錐状の周期的な凹凸構造Ａを形成することができる。このような凹凸構造Ａはモスアイ構造と呼ばれ、光の取り出し方向に関する断面積の変動が緩やかであるため、最も高い光取り出し効率を実現することができる。なお、エッチングの後に、エッチングマスク１３０を別工程によって除去してもよいし、凹凸構造Ａのサイドエッチングを継続することによりエッチングマスク１３０を離脱させるようにしてもよい。【００４０】
本実施形態では光取り出し面としてＳｉＣの基板１１１を用いたが、他の半導体材料において凹凸構造Ａを形成することも可能である。例えば、ＧａＡｓやＩｎＰやＧａＰやＧａＮやサファイアなどに対しても、本実施形態と同様のエッチングマスクを使用して、各材料に適したエッチングガスにより、凹凸構造のパターン形成を行うことができる。また、本実施形態ではエッチング後の凹凸構造Ａの凸部の形状が四角錐となるが、エッチングマスク１３０を除去した後にウェットエッチングを行うことにより、正方形の角が選択的に除去され凸部が円錐形状の凹凸構造も形成することができる。【００４１】
（３）変形例にかかる半導体発光素子：
図６は、変形例にかかる半導体発光素子としての青色発光ダイオードの構成を模式的に示している。同図において、青色発光ダイオード２００はサファイアで形成された基板２１１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上に半透明Ｎｉ／Ａｕで形成された半透明電極２１７とｐ−電極２１８が積層されており、クラッド層２１３上にｎ−電極２１９とが積層されている。サファイア基板２１１の裏面には反射ミラー２１１ａが形成されており、同反射ミラー２１１ａにて青色発光ダイオード２００内部にて発光された光を上方に全反射させている。すなわち、本変形例において光の取り出し方向は上方とされており、ＧａＮのコンタクト層２１６の表面が光取り出し面を構成し、コンタクト層２１６上に周期的な凹凸構造Ｂが形成されている。【００４２】
図７は、本変形例にかかる凹凸構造Ｂを形成する工程を模式的に示している。同図において、コンタクト層２１６上にエッチングマスク２３０とフォトレジストマスク２３１が形成されている。ただし、本変形例のエッチングマスク２３０はＳｉＯ2の単層とされている。そして、前実施形態と同様の手法によって露光と、現像処理と、エッチングマスク２３０に対するエッチングと、剥膜処理とを行う。そして、エッチングマスク２３０をエッチングレジストマスクとして、塩素ガスを用いて反応性イオンエッチングを行う。このとき、コンタクト層２１６はマスクの開口部のみが選択的にエッチングされ、図７（ｅ）のような凸部が四角柱状となる周期的な凹凸構造Ｂが形成される。【００４３】
エッチング時間を短くすれば、サイドエッチングを抑制することができ、角柱形状を維持することができる。このような周期構造はフォトニック結晶と呼ばれ、高い光取り出し効率を得ることができる。また、本実施形態ではエッチング後の凹凸構造Ａの凸部の形状が四角柱となるが、エッチングマスク１３０を除去した後にウェットエッチングを行うことにより、正方形の角が選択的に除去され凸部が円柱形状の凹凸構造も形成することができる。【００４４】
（４）まとめ：
Ａｒレーザーの２倍高調波、または、ＮｄドープＹＡＧレーザーの４倍高調波を光源とし、エタロンと半波長板による極めて均質でコヒーレンスの高いレーザービームを生成できる２光束干渉露光装置を実現する。また上記２光束干渉露光によってフォトレジストマスクに周期パターンの露光を行い、フォトレジストマスクの現像を行い、レジストパターンをマスクとして半導体層エッチング用マスクのパターン形成を行い、レジスト除去後、光取り出し面をエッチングする工程により、極めて低コストでエネルギー変換効率の高い半導体発光素子を製造することができる。本発明の好ましい実施形態について詳細に図示しかつ記述したが、添付された請求の範囲に定義された本発明の技術的思想から逸脱することのない範囲で、実施形態の変更が本発明でなされ得ることが、当業者には理解されるであろう。
【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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【国際調査報告】
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