JP5509394B2 - 半導体発光素子、その製造方法及び光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、非極性面又は半極性面を主面とし、偏光光を発光する活性層を含む窒化物系半導体積層構造を備えた半導体発光素子及びその製造方法、並びに半導体発光素子を用いた光源装置に関する。

Ｖ族元素に窒素（Ｎ）を含む窒化物半導体は、そのバンドギャップの大きさから、短波長発光素子の材料として有望視されている。なかでも、窒化ガリウム系化合物半導体の研究が盛んに行われており、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた青色発光ダイオード（ＬＥＤ）素子及び緑色ＬＥＤ素子、並びに青色半導体レーザ素子も実用化されている。

窒化ガリウム系化合物半導体は、ガリウム（Ｇａ）の一部を、アルミニウム（Ａｌ）及びインジウム（Ｉｎ）の少なくとも一方で置換した化合物半導体を含む。このような窒化物半導体は、一般式Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（但し、０≦ｘ，ｚ＜１、０＜ｙ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である。）で表される。以下、窒化ガリウム系化合物半導体をＧａＮ系半導体と呼ぶ。

ＧａＮ系半導体は、ＧａをＡｌ及びＩｎの少なくとも一方で置換することにより、そのバンドギャップをＧａＮのバンドギャップよりも大きくすることも小さくすることも可能である。これにより、青色又は緑色等の短波長の光のみならず、オレンジ色又は赤色等の長波長の光を発光させることも可能となる。このような特徴から、窒化物半導体発光素子は、画像表示装置及び照明装置等に応用することも期待されている。

窒化物半導体はウルツ鉱型結晶構造を有している。図１（ａ）、図１（ｂ）及び図１（ｃ）は、ウルツ鉱型結晶構造の面方位を４指数表記（六方晶指数）で表している。４指数表記では、ａ１、ａ２、ａ３及びｃで表される基本ベクトルを用いて結晶面及びその面方位が表される。基本ベクトルｃは、［０００１］方向に延びており、この方向の軸は「ｃ軸」と呼ばれる。ｃ軸に垂直な面（ｐｌａｎｅ）は「ｃ面」又は「（０００１）面」と呼ばれる。図１（ａ）には、ｃ面の他に、ａ面「＝（１１−２０）面」及びｍ面「＝（１−１００）面」を示している。また、図１（ｂ）には、ｒ面「＝（１−１０２）面」を示し、図１（ｃ）には、（１１−２２）面を示している。なお、本明細書においては、ミラー指数を表すカッコ内の数字の左側に付された符号「−」は、その指数の反転を便宜的に表しており、図中の「バー」と対応する。

図２（ａ）はＧａＮ系半導体の結晶構造を棒球モデルで表している。図２（ｂ）はｍ面表面付近の原子配列をａ軸方向から観察した棒球モデルである。ｍ面は、図２（ｂ）の紙面に垂直である。図２（ｃ）は、＋ｃ面表面の原子配列をｍ軸方向から観察した棒球モデルである。ｃ面は、図２（ｃ）の紙面に垂直である。図２（ａ）及び図２（ｂ）から分かるように、ｍ面に平行な平面上にＮ原子及びＧａ原子が位置している。これに対して、ｃ面では、図２（ａ）及び図２（ｃ）から分かるように、Ｇａ原子のみが配置される層と、Ｎ原子のみが配置される層とが形成される。

従来から、ＧａＮ系半導体を用いて半導体素子を作製する場合は、窒化物半導体結晶を成長させる基板として、ｃ面基板すなわち（０００１）面を主面とする基板が用いられている。この場合、Ｇａ原子及びＮ原子の配置に起因して、窒化物半導体にはｃ軸方向に自発的な分極（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）が形成される。このため、「ｃ面」は「極性面」とも呼ばれる。分極の結果、窒化物半導体発光素子の発光層を構成するＩｎＧａＮからなる量子井戸層には、ｃ軸方向に沿ってピエゾ電界が発生する。発生したピエゾ電界により、発光層内における電子及びホールの分布に位置ずれが生じ、キャリアの量子閉じ込めシュタルク効果によって、発光層の内部量子効率が低下するという問題がある。この発光層における内部量子効率の低下を抑制するため、（０００１）面に形成される発光層の厚さは３ｎｍ以下となるように設計されている。

さらに近年、非極性面と呼ばれるｍ面若しくはａ面、又は半極性面と呼ばれる−ｒ面若しくは（１１−２２）面を主面とする基板を用いて、発光素子を作製することが検討されている。図１に示すように、ウルツ鉱型結晶構造におけるｍ面はｃ軸に平行であり、ｃ面と直交する６つの等価な面である。例えば、図１において［１−１００］方向に垂直な（１−１００）面がｍ面に該当する。（１−１００）面と等価な他のｍ面には、（−１０１０）面、（１０−１０）面、（−１１００）面、（０１−１０）面及び（０−１１０）面がある。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、ｍ面においては、Ｇａ原子及びＮ原子は同一原子面上に存在するため、ｍ面に垂直な方向に分極は発生しない。このため、ｍ面を成長面とする半導体積層構造を用いて発光素子を作製すれば、発光層にピエゾ電界が発生せず、キャリアの量子閉じ込めシュタルク効果による内部量子効率の低下という問題を解決することができる。このことは、ｍ面以外の非極性面であるａ面でも同様であり、また、半極性面と呼ばれる−ｒ面、（１１−２２）面、(２０−２１)面及び（２０−２−１）面でも同等の効果を得ることができる。

非極性面又は半極性面を成長面（主面）とする活性層を有する窒化物系半導体発光素子は、その価電子帯の構造に由来した偏光特性を有している。

特許文献１に記載された発光ダイオード装置は、チップ配置面の面内の方位角の違いによる光の強度の差を低減することを目的としており、主面を有する発光層を含む発光ダイオードチップと、発光ダイオードチップが配置されるチップ配置面を有するパッケージとを備える。発光層の主面から出射される光は、発光層の主面の面内の方位角に依存して複数の異なる発光強度を有し、発光ダイオードチップ及びパッケージの少なくとも一方は、パッケージから出射される光のチップ配置面の面内の方位角の違いによる強度の差を低減する構造を有する。

特許文献２に記載された半導体発光素子は、光取り出し側の表面からの光取り出し効率が高く、且つ、配光性を良好とすることを目的としており、ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に発光層を有する半導体積層体の基板に実装される側の面とは反対側の光取り出し面に複数の凹部が設けられる。凹部は、凹部の開口部から底部に向かって縮径する方向に傾斜角の異なる２段の傾斜面を有し、傾斜角の緩やかな傾斜面が凹凸を有する面であり、傾斜角の急な傾斜面が平坦な面である。

特許文献３に記載された発光素子は、活性層で発生した偏光光の出力効率の低下を抑制することを目的としており、非極性面又は半極性面を主面とするIII族窒化物半導体からなり、第１導電型の第１半導体層、活性層及び第２導電型の第２半導体層がこの順に積層され、活性層から偏光光を発生する発光部と、偏光光の偏光方向に対して垂直方向に延伸するストライプ状の溝が偏光方向に複数配列され、のこぎり波形状の出力面をなす出力部とを備える。発光部から出力部を透過して、出力面から偏光光が出力される。

特許文献４に記載された窒化物半導体素子は、窒化物半導体基板の裏面の平坦性を保ちながら、オーミック接触性、密着性や耐熱性に優れた基板裏面電極を有する、長寿命で信頼性の高い窒化物半導体素子を目的とし、互いに対向する第１面及び第２面を有する窒化物半導体基板と、第１面に設けられた素子構造と、第２面に設けられた電極とを備える窒化物半導体素子であって、第２面には、底部に凹凸を有する溝部と、窒素極性の平坦部とが設けられ、電極は溝部を覆って設けられている。

特開２００８−１０９０９８号公報 特開２０１０−０７４００８号公報 特開２００８−３０５９７１号公報 特開２０１０−１７７４５５号公報

しかしながら、上述した特許文献１及び特許文献３に記載されたような、従来の非極性面又は半極性面を主面とした窒化物半導体を備えた発光素子では、発光動作の性能の向上が求められていた。

本発明は、上記の課題に鑑み、発光動作の性能を向上することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、非極性面又は半極性面を主面とし、偏光光を発光する活性層を含む窒化物系半導体積層構造を備えた半導体発光素子であって、偏光光の出射経路を横切る位置に設けられ、互いに並行して延びる複数の凹部を含むストライプ構造を有し、凹部の延伸方向と偏光光における偏光方向とがなす角度は、０°以上且つ４５°以下であり、複数の凹部は、該複数の凹部の表面の少なくとも一部に凹部の深さよりも浅いテクスチャを有している。

本発明によれば、発光強度の異方性をより適切に制御することができる。

図１（ａ）はウルツ鉱型結晶構造の基本ベクトルａ１、ａ２、ａ３及びｃと、ａ面、ｃ面及びｍ面とを示す斜視図である。図１（ｂ）はウルツ鉱型結晶構造のｒ面を示す斜視図である。図１（ｃ）はウルツ鉱型結晶構造の（１１−２２）面を示す斜視図である。 図２（ａ）〜図２（ｃ）はＧａＮ系半導体の結晶構造を棒球モデルで示した図である。 図３（ａ）は第１の実施形態に係る半導体発光素子に設けたストライプ構造の凸部及び凹部を示す模式平面図である。図３（ｂ）は図３（ａ）のIIIｂ−IIIｂ線における模式断面図である。図３（ｃ）及び図３（ｄ）は図３（ｂ）に示す凸部及び凹部を示す部分的な拡大断面図である。 図４（ａ）〜図４（ｈ）は第１の実施形態に係る半導体発光素子に設けたストライプ構造の延伸方向を示す模式平面図と、ストライプ構造のＸ−Ｘ線における模式断面図である。 図５（ａ）は第１の実施形態に係る半導体発光素子における、シミュレーションの計算に用いたストライプ構造の延伸方向を示す模式平面図である。図５（ｂ）〜図５（ｄ）は図５（ａ）に示すストライプ構造のＸ−Ｘ線及びＹ−Ｙ線における模式断面図である。 図６は第１の実施形態に係る半導体発光素子に設けたストライプ構造の凹部に対する凸部の幅の比率と、凸部の上面に入射する光の割合との関係を示すグラフである。 図７は第１の実施形態に係る半導体発光素子に設けたストライプ構造の凸部の上面から活性層までの距離に対する凹部の幅の割合と、凸部の上面に入射する光の割合との関係を示すグラフである。 図８（ａ）は比較用であって、半導体発光素子の光の出射面におけるストライプ構造の凹部に微細な凹凸構造を設けない従来の凹部の表面に入射した光の光路の一例を示す模式断面図である。図８（ｂ）は第１の実施形態に係る半導体発光素子のストライプ構造の凹部の表面に入射した光の光路の一例を示す模式断面図である。 図９（ａ）は比較用であって、光の出射面にストライプ構造を有さない半導体発光素子における配光特性分布の計算結果を示すグラフである。図９（ｂ）は比較用であって、ストライプ構造の凹部に微細な凹凸構造を設けない半導体発光素子における配光特性分布の計算結果を示すグラフである。図９（ｃ）は第１の実施形態に係る半導体発光素子における配光特性分布の計算結果を示すグラフである。 図１０は第１の実施形態に係る半導体発光素子におけるストライプ構造の凹部の表面の面積に対する凸部の上面の面積比の値と、光取り出し比率との関係を示すグラフである。 図１１は第１の実施形態の第１変形例に係る半導体発光素子を示す模式断面図である。 図１２は第１の実施形態の第２変形例に係る半導体発光素子を示す模式断面図である。 図１３は第２の実施形態に係る半導体発光素子を示す模式断面図である。 図１４は第２の実施形態の第１変形例に係る半導体発光素子を示す模式断面図である。 図１５は第２の実施形態の第２変形例に係る半導体発光素子を示す模式断面図である。 図１６は第２の実施形態の第３変形例に係る半導体発光素子を示す模式断面図である。 図１７は第２の実施形態の第４変形例に係る半導体発光素子を示す模式断面図である。 図１８は第２の実施形態の第５変形例に係る半導体発光素子を示す模式断面図である。 図１９は第２の実施形態の第６変形例に係る半導体発光素子を示す模式断面図である。 図２０は第２の実施形態の第７変形例に係る半導体発光素子を示す模式断面図である。 図２１は第３の実施形態に係る半導体発光素子を示す模式断面図である。 図２２は実施例１に係る半導体発光素子の製造方法における高密度パルスレーザ光の走査速度と角度αとの関係を示すグラフである。 図２３は実施例１に係る半導体発光素子の製造方法における高密度パルスレーザ光の走査速度と表面粗さＲａとの関係を示すグラフである。 図２４は実施例１に係る半導体発光素子の製造方法における高密度パルスレーザ光による加工を施した後の顕微鏡写真像である。 図２５は実施例２に係る半導体発光素子における光の偏光方向からのストライプ構造の延伸方向の角度と非対称度との関係を示すグラフである。 図２６は実施例２に係る半導体発光素子における光の偏光方向からのストライプ構造の延伸方向の角度とｍ軸方向の放射強度の向上度との関係を示すグラフである。 図２７は実施例２に係る半導体発光素子におけるｍ軸からの角度と、ａ軸方向とｃ軸方向との発光波長差との関係を示すグラフである。 図２８は第４の実施形態に係る白色光源を示す模式断面図である。

本開示の一実施形態は、非極性面又は半極性面を主面とし、偏光光を発光する活性層を含む窒化物系半導体積層構造を備えた半導体発光素子であって、偏光光の出射経路を横切る位置に設けられ、互いに並行して延びる複数の凹部を含むストライプ構造を有し、凹部の延伸方向と偏光光における偏光方向とがなす角度は、０°以上且つ４５°以下であり、複数の凹部は、該複数の凹部の表面の少なくとも一部に凹部の深さよりも浅いテクスチャを有している。

半導体発光素子は、窒化物系半導体積層構造を保持する基板をさらに備え、ストライプ構造は、基板に形成されていてもよい。

また、凹部の深さは、基板の厚さの２分の１以下であってもよい。

半導体発光素子は、透光性部材をさらに備え、ストライプ構造は、透光性部材に形成されていてもよい。

半導体発光素子は、前期窒化物系半導体積層構造を成長させる基板をさらに備え、透光性部材は、基板における窒化物系半導体積層構造と反対側の面上に設けられていてもよい。

基板は、窒化ガリウム、サファイア又は炭化シリコンにより構成されていてもよい。

互いに隣接する凹部同士の間の領域は平坦であってもよい。

凹部における延伸方向と偏光光における偏光方向とがなす角度は、０°以上且つ２５°以下であってもよい。

偏光光の波長をλとすると、凹部の深さはλ／０．６２８以上であってもよい。

互いに隣接する凹部同士の間隔をＬ２とし、凹部の幅をＬ１とすると、Ｌ２／Ｌ１の値は、１．７以下であってもよい。

偏光光の波長をλとすると、テクスチャにおける凹部の延伸方向の線断面粗さＲａは、λ／３０以上且つλ×５以下であってもよい。

窒化物系半導体積層構造における主面はｍ面であり、偏光方向はａ軸方向であってもよい。

また、本開示の他の実施形態は、半導体発光素子の製造方法であって、凹部及び該凹部の表面のテクスチャは、熱融解によって形成する。

熱融解は、レーザ照射によって生じさせてもよい。

レーザ照射に用いるレーザ光の走査速度は、２００ｍｍ／ｓ以上であってもよい。

また、本開示の他の実施形態は、半導体発光素子と、半導体発光素子から放射された光の波長を変換する蛍光物質を含む波長変換部とを備える、光源装置である。

ところで、ｍ面を主面（成長面）とする窒化物半導体活性層は、主としてａ軸方向に電界強度が偏った光を出射する。発光素子が偏光特性を有する場合は、偏光方向と垂直な方向に対して発光強度が大きくなるような配光分布を示すことが理論的に予測される。すなわち、発光素子の放射（配光分布）パターンが不均一となる。また、−ｒ面、（２０−２１）面、（２０−２−１）面、（１０−１−３）面及び（１１−２２）面等の半極性面、並びにａ面等の他の非極性面においても、窒化物半導体の特定の結晶方向に電界強度が偏った光を出射し、偏光方向に垂直な方向に対して発光強度が大きくなるような配光分布を示すことが理論的に予測される。

ａ面を主面とする窒化物半導体活性層からの光の偏光方向は、ｍ軸であることが知られている。従って、ｍ軸に垂直な方向に対して発光強度が大きくなるような配光分布を示すと予測される。

半極性面である（２０−２−１）面及び（２０−２１）面を主面とする窒化物半導体活性層からの光の偏光方向は、（−１２−１０）方向であることが知られている。従って、（−１２−１０）方向に垂直な方向に対して発光強度が大きくなるような配光分布を示すと予測される。

半極性面である（１０−１−３）面を主面とする窒化物半導体活性層からの光の偏光方向は、窒化物半導体活性層のＩｎの組成が大きい場合には（−１２−１０）方向であり、窒化物半導体活性層のＩｎの組成が小さい場合には（−１−１２３）方向であることが知られている。従って、活性層のＩｎの組成が大きい場合には（−１２−１０）に垂直な方向に対して発光強度が大きくなり、活性層のＩｎの組成が小さい場合には（−１２−１０）に垂直な方向に対して発光強度が大きくなるような配光分布を示すと予測される。

半極性面である（１１−２２）面を主面とする窒化物半導体活性層からの光の偏光方向は、窒化物半導体活性層のＩｎの組成が大きい場合には、ｍ軸方向であり、窒化物半導体活性層のＩｎの組成が小さい場合には（−１−１２３）方向であることが知られている。従って、活性層のＩｎの組成が大きい場合には、ｍ軸に垂直な方向に対して発光強度が大きくなり、活性層のＩｎの組成が小さい場合には、（−１−１２３）方向に垂直な方向に対して発光強度が大きくなるような配光分布を示すと予測される。

本明細書においては、特定の方向に電界強度が偏った光を「偏光光（Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ Ｌｉｇｈｔ）」と称する。例えば、Ｖ軸方向に電界強度が偏った光を「Ｖ軸方向の偏光光」と称し、このときのＶ軸方向を「偏光方向」と称する。なお、「Ｖ軸方向の偏光光」とは、Ｖ軸方向に偏光した直線偏光光のみを意味するものではなく、他の軸方向に偏光した直線偏光光を含んでもよい。より詳細には、「Ｖ軸方向の偏光光」とは、「Ｖ軸方向に偏光透過軸を有する偏光子」を透過する光の強度（電界強度）が「他の軸方向に偏光透過軸を有する偏光子」を透過する光の電界強度よりも高くなる光を意味する。従って、「Ｖ軸方向の偏光光」は、Ｖ軸方向に偏光した直線偏光光及び楕円偏光光のみならず、種々の方向に偏光した直線偏光光及び楕円偏光光が混在した非コヒーレント光を広く含む。

なお、上記の特許文献１に記載されているように、窒化物半導体発光素子は、偏光特性に起因して主面の面内の方位角による発光強度に異方性を有することが考えられる。このため、発光素子の特性として、高い光出力に加えて、偏光特性の適切な制御と、発光強度の異方性の適切な制御とが望まれている。

特許文献１に記載の発光ダイオード装置は、チップ配置面の面内の方位角の違いによる光の強度の差を低減することを目的としており、偏光度に関してなんら考慮されていない。

特許文献２に記載の半導体発光素子は、光出力の向上を目的としており、光取り出し面にドライエッチングによって傾斜面を形成し、結晶異方性を利用したウェットエッチングにより、微細な凹凸を有する構造が記載されている。しかしながら、上記のウェットエッチング法は、−ｃ面に対して有効であるものの、非極性面及び半極性面への適用は難しい。

特許文献３に記載の発光素子は、偏光度を維持した状態で光取り出しを高めることを目的としており、活性層からの光の偏光方向に対して垂直な方向に延びるストライプ状の溝を有している。しかしながら、本発明者が詳細に検討したところ、ブリュースター角で出射面に入射する光の密度は非常に小さく、偏光光の透過率の向上に対する効果は極めて限定的である。

特許文献４に記載の窒化物半導体素子は、−ｃ面に形成されたｎ電極の密着性及び耐熱性の向上を目的としており、パルスレーザ光を用いて−ｃ面に深さが２μｍから１０μｍ程度の溝を形成した後、ｎ電極を形成している。溝の内部には、段差が０．１μｍから０．３μｍで、周期が３μｍから５μｍの凹凸が形成されているものの、溝の全体を電極で覆った構造であり、溝の内部に形成された凹凸が光出力に与える影響は考慮されていない。

本発明者は、偏光光を含む窒化物半導体発光素子の出射面の面形状（断面形状）を最適化することにより、出射する光の偏光特性及び配光特性の改善と、光取り出し効率の向上とを同時に実現できることを見出した。

以下、図面を参照しながら本開示による実施形態を説明する。以下の図面においては、説明の簡略化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す場合がある。なお、本開示は、以下の実施形態に限定されない。

（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図３（ａ）〜図３（ｄ）は第１の実施形態に係る半導体発光素子を模式的に示している。図３（ａ）は平面構成を示し、図３（ｂ）は図３(ａ)のIIIｂ−IIIｂ線における断面構成を示し、図３（ｃ）及び図３（ｄ）はストライプ構造５０を拡大して示している。

図３(ａ)及び図３（ｂ）に示すように、本実施形態に係る半導体発光素子１０１は、基板１０と、該基板１０の上に形成された、活性層２２を含む半導体積層構造２０とを備えている。

以下に、第１の実施形態に係る半導体発光素子１０１の詳細な構成を説明する。

第１の実施形態に係る半導体発光素子１０１は、窒化物系半導体の非極性面又は半極性面を主面とする活性層２２を含む半導体積層構造２０を有している。活性層２２からは、上述したように、偏光光を出射する。

半導体積層構造２０は、窒化物半導体、より具体的にはＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_ｚＮ（但し、ｘ＋ｙ＋Ｚ＝１、ｘ≧０、ｙ≧０、ｚ≧０である。）半導体から形成されている。また、半導体積層構造２０は、活性層２２を挟むｎ型窒化物半導体層２１及びｐ型窒化物半導体層２３を含む。なお、活性層２２とｎ型窒化物半導体層２１との間及び活性層２２とｐ型窒化物半導体層２３との間の少なくとも一方には、アンドープのＧａＮ層を設けてもよい。

半導体発光素子１０１は、ｎ型窒化物半導体層２１と電気的に接続されたｎ側電極３０と、ｐ型窒化物半導体層２３と電気的に接続されたｐ側電極４０とを有している。本実施形態においては、半導体積層構造２０からｎ型窒化物半導体層２１の一部が露出するように凹部３１を設けている。ｎ側電極３０は、露出したｎ型窒化物半導体層２１の上に設けられている。ｎ側電極３０は、例えば、チタン（Ｔｉ）層及び白金（Ｐｔ）層からなる積層構造（Ｔｉ／Ｐｔ）等により形成されている。これに代えて、ｎ側電極３０には、チタン（Ｔｉ）層及びアルミニウム（Ａｌ）層からなる積層構造（Ｔｉ／Ａｌ）を用いることができる。

ｐ型窒化物半導体層２３の上にはｐ側電極４０が設けられている。ｐ側電極４０は、ｐ型窒化物半導体層２３の表面のほぼ全体を覆っていてもよい。ｐ側電極４０は、例えば、パラジウム（Ｐｄ）層及び白金（Ｐｔ）層からなる積層構造（Ｐｄ／Ｐｔ）等により形成される。これに代えて、ｐ側電極４０には、銀（Ａｇ）層を用いてもよい。

基板１０は、非極性面又は半極性面を主面とする半導体積層構造２０の形成に適した材料が選ばれる。具体的には、窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いることができる。ＧａＮに代えて、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）又はサファイア等を用いることができる。例えば、基板１０の主面上に、ｍ面を主面とする活性層２２を含む半導体積層構造２０をエピタキシャル成長する場合には、ｍ面ＧａＮ基板を用いることができる。また、（２０−２−１）面を主面とする活性層２２を含む半導体積層構造２０をエピタキシャル成長する場合には、（２０−２−１）面ＧａＮ基板を用いればよい。また、ｍ面ＳｉＣ基板又はｍ面サファイア基板を用いることもできる。但し、ｒ面サファイア基板上にａ面ＧａＮが成長すること報告されているように、ｍ面を主面とする活性層２２を成長させるために、基板１０の表面がｍ面であることは必須ではない。また、基板１０以外の他の基板の上に半導体積層構造２０を形成し、その後、半導体積層構造２０を他の基板から剥がし、さらに半導体積層構造２０を基板１０に貼り付けてもよい。

ｎ型窒化物半導体層２１は、例えばｎ型のＡｌ_ｕＧａ_ｖＩｎ_ｗＮ（但し、ｕ＋ｖ＋ｗ＝１、ｕ≧０、ｖ≧０、ｗ≧０である。）半導体から形成されている。ｎ型ドーパントとして、たとえばシリコン（Ｓｉ）を用いることができる。ｎ型ドーパントには、Ｓｉに代えて、例えば酸素（Ｏ）等を用いてもよい。

ｐ型窒化物半導体層２３は、例えば、ｐ型のＡｌ_ｓＧａ_ｔＮ（但し、ｓ＋ｔ＝１、ｓ≧０、ｔ≧０である。）半導体から形成されている。ｐ型ドーパントとして、例えばマグネシウム（Ｍｇ）を用いることができる。ｐ型ドーパントには、Ｍｇに代えて、例えば亜鉛（Ｚｎ）又はベリリウム（Ｂｅ）等を用いてもよい。ｐ型窒化物半導体層２３において、Ａｌの組成ｓは、厚さ方向に一様であってもよく、Ａｌの組成ｓが厚さ方向に連続的又は段階的に変化していてもよい。具体的には、ｐ型窒化物半導体層２３の厚さは、例えば、０．１μｍ〜２μｍ程度である。

また、ｐ型窒化物半導体層２３は、ｐ側電極４０との界面の近傍におけるＡｌの組成ｓが０、すなわちＧａＮであってもよい。また、この場合に、ＧａＮにはｐ型の不純物が高濃度で含まれており、ｐ型コンタクト層として機能してもよい。従って、図示はしないが、ｐ型窒化物半導体層２３とｐ側電極４０との間にはｐ^＋−ＧａＮからなるコンタクト層が設けられていてもよい。

活性層２２は、例えば、厚さが３ｎｍ〜２０ｎｍ程度のＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＮ井戸層（但し、０＜ｘ＜１である。）と、厚さが５ｎｍ〜３０ｎｍ程度のＧａＮバリア層とが交互に積層されたＧａＩｎＮ／ＧａＮからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有している。半導体発光素子１０１が出射する光の波長は、活性層２２を構成する窒化物半導体のバンドギャップの大きさ、具体的には井戸層の半導体組成であるＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＮ半導体におけるＩｎの組成ｘによって決まる。

基板１０は、互いに対向する第１主面及び第２主面を有し、第１主面は、半導体積層構造２０のｎ型窒化物半導体層２１と接している。第２主面は、活性層２２で発光した偏光光を取り出す出射面となる。本実施形態においては、光の出射面である第２主面に、複数の凸部と複数の凹部とが互いに並行してストライプ状に延びるストライプ構造５０が形成されている。

図３（ａ）に示すように、ストライプ構造は、平面視における延伸方向が、活性層２２からの光の偏光方向に対して角度θを有している。また、図３（ｂ）に示すように、ストライプ構造５０は、凸部５０ａと凹部５０ｂから構成される。さらに、本実施形態の特徴は、図３（ｃ）及び図３（ｄ）に示すように、凹部５０ｂの表面に、微細な凹凸構造５１が設けられている点である。この微細な凹凸構造５１は、基板１０の第２主面に形成された凹部５０ｂと比べて十分に小さい断面形状を持つ。なお、本明細書においては、凹部５０ｂの少なくとも表面に形成された微細な凹凸構造５０を「テクスチャ」とも呼ぶ。

凸部５０ａは、出射面である第２主面とほぼ平行な上面５０ｄを有している。凹部５０ｂは、上面５０ｄと非平行な少なくとも１つの斜面５０ｃと底面５０ｅとを含む。以下、本明細書においては、凹部５０ｂの斜面５０ｃと底面５０ｅとを併せて、内面と呼ぶ場合がある。また、図３（ｄ）に示すように、斜面５０ｃは複数の斜面により構成されていてもよい。また、ストライプ構造５０は、上面５０ｄ又は底面５０ｅを有さない構成であってもよい。また、斜面５０ｃ及び底面５０ｅが曲線で構成されていてもよい。また、ストライプ構造５０は、第２主面の全面に形成されている必要はなく、その一部に形成されていてもよい。

図４（ａ）〜図４（ｈ）に示すように、ストライプ構造５０における凸部５０ａ及び凹部５０ｂは、種々の形態を取り得る。図４（ａ）〜図４（ｈ）は、ストライプ構造５０における平面形状及び断面形状の例示である。ここでは、ストライプ構造５０にのみ注目し、凹部５０ｂに設けられた微細な凹凸構造（テクスチャ）５１は省略している。

例えば、図４（ａ）は、凸部５０ａの断面形状が台形状であり、凹部５０ｂの断面形状が三角形状の例である。この場合は、底面５０ｅを有さない構造である。

図４（ｂ）は、凸部５０ａの断面形状が三角形状であり、凹部５０ｂの断面形状が台形状の例である。この場合は、上面５０ｄを有さない構造である。

図４（ｃ）は、凸部５０ａの断面形状及び凹部５０ｂの断面形状が共に方形状の例である。

図４（ｄ）は、凹部５０ｂの断面形状が曲面状であり、凸部５０ａに上面５０ｄを有する場合の例である。

図４（ｅ）は、凹部５０ｂの断面形状が曲面状であり、凸部５０ａに上面５０ｄを有さない場合の例である。

図４（ｆ）は、凹部５０ｂが、第２主面の一部に形成されている例である。

図４（ｇ）は、凸部５０ａが、第２主面の一部に形成されている例である。

図４（ｈ）は、ストライプ状の凹部５０ｂが、不連続に形成された場合の例である。

以上は、ストライプ構造５０における断面形状及び平面形状の例示である。本開示においては、基板１０の第２主面に設けられるストライプ構造５０は、平面視において所定の方向に延伸して配置された凹凸構造体であり、凹部に微細な凹凸構造（テクスチャ）５１を含んでいればよい。

以下に、ストライプ構造５０の特徴について詳細に説明する。

光は偏光方向に対して垂直な方向に伝播するという性質に注目すると、ストライプ構造５０の延伸方向と活性層２２からの光の偏光方向とがなす角度θは、重要な意味を持つ。ここで、図５及び図６を用いてその説明を行う。

図５は、配光特性を評価するシミュレーションの計算に用いたストライプ構造５０の構成を示す。図５（ａ）はストライプ構造５０の平面構成を示す。図５（ｂ）は角度θが０°の場合のＸ−Ｘ方向における断面構成を示す。図５（ｃ）は角度θが０°の場合のＹ−Ｙ方向における断面構成を示す。図５（ｄ）は角度θが９０°の場合のＸ−Ｘ方向の断面構成を示す。図５（ｅ）は角度θが９０°の場合のＹ−Ｙ方向の断面構成を示す。図中に記した破線による矢印は、ある発光点からの光の放出の様子を示している。

ここで、凹凸状のストライプ構造５０を簡略化して示すために、凹部５０ｂは深さがＬ１とし、幅がＬ１の断面方形状とする。凸部５０ａの上面の幅はＬ２とし、凸部５０ａの上面５０ｄから活性層２２までの距離をＴとする。ここで、Ｌ１とＴとの比の値をＡ（Ａ＝Ｌ１／Ｔ）とし、Ｌ２とＬ１との比の値をＢ（Ｂ＝Ｌ２／Ｌ１）とすると、ストライプ構造５０は、θ、Ａ及びＢの３つのパラメータで記述できる。Ａの値が小さい場合は、半導体発光素子の大きさに対して小さい凹部５０ｂを形成した場合に相当する。また、Ａは１未満の値となる。Ｂの値が小さい場合は、上面５０ｄの面積を小さくした場合に相当する。Ｂの値が０の場合には、凸部５０ａの上面５０ｄを有さない構造に相当する。また、Ｂの値が小さい場合は、凹部５０ｂを高密度で形成した場合ともいえる。

図５（ｂ）に示すように、角度θ＝０°の場合のＸ−Ｘ方向においては、活性層２２から放出した光は、ある発光点から扇状に広がる。この場合、着目した発光点の上部に位置する凸部５０ａの上面５０ｄに光は進入するものの、それ以外の上面５０ｄには、凹部５０ｂによって遮られる。これに対し、図５（ｄ）に示すように、角度θ＝９０°の場合のＸ−Ｘ方向においては、活性層２２から放出した光は、ストライプ構造５０に対して垂直な方向に入射する。 図６は、Ａ＝０．１と固定し、角度θを０°、２５°、４５°及び９０°と変化させ、Ｂの値と凸部５０ａの上面５０ｄに入射する光の割合との関係を計算により算出した結果を表している。破線は、凸部５０ａの上面５０ｄの面積と、凹部５０ｂの表面の面積との比の値を表す。すなわち、破線は、単純に表面積から凹部５０ｂの影響を算出した場合に相当する。ここで、縦軸である凸部５０ａの上面５０ｄに入射する光の割合は、１を最大値として規格化している。また、この値を１から引いた値は、凹部５０ｂ表面に入射する割合を意味する。計算を行ったＢ＝０．１から３．０の広い範囲において、角度θを大きくするほど、凸部の上面５０ｄに入射する光の割合を大きくできることが分かる。言い換えれば、偏光特性を有する活性層２２を含む窒化物半導体発光素子の光出射面にストライプ構造５０を形成する場合には、角度θを小さく、すなわち０°以上且つ４５°以下に設定することにより、凹部５０ｂの表面に多くの光を入射させることができる。Ｂの値が１．７以下の範囲においては、θ＝０°の値は、破線が示す値よりも十分に小さい値である。すなわち、このような偏光特性を有する活性層２２の場合には、凹部５０ｂの表面の影響は、単純に表面積から推定することはできず、角度θを考慮する必要がある。特に、角度θが０°以上且つ２５°以下の範囲では、凸部５０ａの上面に入射する光を十分に抑制することが可能であり、単純に表面積から推定することはできない特性を有しているといえる。

図７は、θ＝０°に固定し、Ｂの値を、０．２、０．５、０．７、１．０、１．５及び２．０と変化させ、Ａの値と凸部５０ａの上面５０ｄに入射する光の割合との関係を計算により算出した結果を表している。Ａの値は、凹部５０ｂの大きさを示すパラメータであり、Ａ＝０．５は、基板の厚さの２分の１に相当し、Ａ＝０．１は、基板の厚さの１０％に相当する凹部５０ｂであることを意味する。

図７に示すように、凸部５０ａの上面５０ｄに入射する光の割合は、Ａの値に対する依存性は小さく、０．４程度までは比較的に安定している。また、Ｂの値が１．０よりも大きくなると、Ａの値が０．４から０．５の範囲において極小値を有する特性を示す。従って、Ｂの値が大きい場合には、Ａの値を適切に設定することにより、凸部５０ａの上面５０ｄに入射する光の割合を、ある程度は制御することが可能である。

ある面に対して光が入射するとき、ある面の法線方向と入射方向とがなす角度を入射角θiとした場合に、該入射角θｉが大きくなると、入射面における凹凸の影響を受け難くなるという特性がある。これはレイリー基準と呼ばれ、入射光の発光波長をλとし、ある面の表面における凹凸の標準偏差をｈとした場合に、
h ＜ λ／８ｃｏｓ（θi）
の条件下において、入射光は面の凹凸の影響を受け難い。ｈはＬ１にほぼ等しいと考えると、ストライプ構造５０に入射する光のうち９５％が凹部５０ｂ及び凸部５０ａの影響を受けるには、
Ｌ１ ≧ λ／０．６２８
となる。波長が４５０ｎｍの場合には、凹部５０ｂの深さＬ１は、７１７ｎｍ以上が必要である。

ストライプ構造５０に入射する光のうち９９％が凹部５０ｂと凸部５０ａとの影響を受けるには、
Ｌ１≧λ／０．１２６
となる。波長が４５０ｎｍの場合には、凹部５０ｂの深さＬ１は、３５８１ｎｍ以上が必要である。

但し、実際には、Ｌ１の値は、基板の厚さ以上の高さは実現できない。Ｌ１の値を基板の厚さの２分の１程度以下とすることにより、ストライプ構造５０を形成した後も、基板の剛性を保つことが可能となるため、取扱い上の問題は生じない。また、Ｌ１の値を基板の厚さの３分の１程度以下とすることにより、発光素子を小片化する際に、所望の箇所以外の領域で分割されるという問題を回避することができる。

以上の結果から、ストライプ構造５０における凸部５０ａ及び凹部５０ｂに関して、凹部５０ｂの影響を大きくするには、ストライプ構造５０の延伸方向と活性層２２からの光の偏光方向とがなす角度θは、０°以上且つ４５°以下としてもよい。また、角度θは、０°以上且つ２５°以下の範囲であってもよい。

凸部５０ａの上面５０ｄの幅Ｌ２と凹部５０ｂの幅Ｌ１との比Ｂ（Ｂ＝Ｌ２／Ｌ１）の値は、１．７以下であってもよい。Ｌ１の値は、７１７ｎｍ以上であってもよい。また、Ｌ１の値は、３５８１ｎｍ以上であってもよい。また、Ｌ１の値は、基板の厚さの２分の１程度以下であってもよい。また、Ｌ１の値は、５分の２程度以下であってもよく、３分の１程度以下であってもよい。

次に、凹部５０ｂの表面に形成された微細な凹凸構造（テクスチャ）５１について詳しく説明する。

上述したように、凹部５０ｂを設けることが、光の取り出し効率の向上に支配的であるため、凹部５０ｂの表面の状態が外部に放出される光の特性に大きな影響を与える。

図８（ａ）は、比較用であって、凹部５０ｂの表面に微細な凹凸構造５１を設けない従来の構造の場合において、凹部５０ｂの表面に入射した光の光路を表している。図８（ｂ）は、凹部５０ｂの表面に微細な凹凸構造５１を設けた本実施形態の場合において、凹部５０ｂの表面に入射した光の光路を表している。

図８（ａ）に示すように、微細な凹凸構造５１を設けない従来の構造の場合には、透過光は正透過光が支配的である。すなわち、透過光は、凸部５０ａの屈折率と、凹部５０ｂの内部に存在する物質の屈折率と、入射光の入射角とによって決まる方向に出射する。凸部５０ａ及び凹部５０ｂを有する構造が繰り返し形成される周期構造の場合は、特定の方向で光が強められる場合があり、配光分布特性が振幅を持つ歪んだ特性を示す。

これに対し、図８（ｂ）に示すように、凹部の表面（内面）に微細な凹凸構造５１を設ける本実施形態の場合は、透過光は、正透過光の成分と拡散透過光の成分とを有するため、光は種々の方向に拡散された状態で外部に取り出される。その結果、配光分布特性を無指向性の、いわゆるランバーシアン形状に近づけることが可能となる。さらに、凹部５０ｂの表面における全反射成分を抑制することが可能となる。このため、光取り出しの効率が向上して、高出力化が可能となる。この効果を確認するため、光線追跡法を用いた計算を行った。

図９（ａ）〜図９（ｃ）は、配光分布特性の計算結果を示している。図９（ａ）は、比較用であって、鏡面状の光取出し面を有する発光素子に対して行った、光線追跡法を用いた配光分布特性の計算結果を表している。ここで、発光素子のチップサイズは４５０μｍ角であり、基板１０の厚さは１００μｍである。図９（ａ）に示すように、チップの側面から出射する光の影響を受けて、チップの主面の方向から±７０°付近にピークを有する放射形状となる。

図９（ｂ）は、比較用であって、ストライプ状の凹部５０ｂの表面（内面）を鏡面とする発光素子に対して行った、光線追跡法を用いた配光分布特性の計算結果を表している。ここで、凸部５０ａの上面の幅はほぼ０μｍ、凹部５０ｂの幅は２０μｍ、及び凹部５０ｂの深さは２５μｍである。発光素子のチップサイズは４５０μｍ角であり、基板１０の厚さは１００μｍである。この場合は、図９（ｂ）に示すように、断面凹凸状のストライプ構造５０による影響のため、複数のピークを有する放射形状となる。

図９（ｃ）は、本実施形態に相当する発光素子に対して行った、光線追跡法を用いた配光分布特性の計算結果を表している。ここで、凸部５０ａの上面の幅はほぼ０μｍ、凹部５０ｂの幅は２０μｍ、及び凹部５０ｂの深さは２５μｍである。さらに、凹部５０ｂの表面（内面）にのみ理想的なランバート拡散面を定義し、凸部５０ａの上面は鏡面として定義して計算を行った。 発光素子のチップサイズは４５０μｍ角であり、基板１０の厚さは１００μｍである。この場合は、図９（ｃ）に示すように、凹部５０ｂの表面による拡散によって、放射形状はランバート形状に近づいていることが分かる。このように、凹部５０ｂの表面、すなわち内面に拡散面（テクスチャ）を設けることにより、放射形状をランバート形状に近づけることが可能であることが分かる。

図１０は、本実施形態に係る半導体発光素子における光取り出しの計算による評価結果を示している。縦軸は、光取出し面が鏡面の場合を１として規格化している。図中の破線は、凸部５０ａ及び凹部５０ｂからなるストライプ構造５０を設けない比較用の構造において、光取出し面にランバート拡散面を定義した場合の計算結果を示す。比較用の光取出しの比率の値は１．２５であった。

図中の印□は、光取出し面にストライプ構造５０を設けた場合の計算結果を示し、凹部５０ｂの表面は鏡面とした。横軸は、凹部５０ｂの表面の面積に対する凸部５０ａの上面の面積の比の値を示す。凹部５０ｂの断面形状は、幅及び深さが共に２０μｍのＶ字状とした。この場合の光取出し比率の値は、１．５程度であった。

図中の印◆は、凹部５０ｂの断面形状が、幅及び深さが共に２０μｍのＶ字状であり、凹部５０ｂの表面にランバート拡散面を定義した場合の計算結果を示す。すなわち、本実施形態に相当する。この場合は、光取出し比率の値は２．０以上を示した。なお、印□と破線とから想定できる光取出し比率（印□の結果と破線の結果との積）の値は、１．９程度である。従って、本実施形態に係る光取出し比率の値は、印□と破線とから想定できる光取出し比率の値よりも大きいことが分かる。また、凹部５０ｂの表面の面積に対する凸部５０ａの上面５０ｄの面積比の値が小さくなるほど、より高い光取出し比率を示している。

本実施形態においては、凸部５０ａと凹部５０ｂとからなるストライプ構造５０と、凹部５０ｂの表面に形成された微細な凹凸構造（テクスチャ）５１との相乗効果によって、容易には想定できない、光取出し効率の向上が実現できることが分かる。

微細な凹凸構造５１の表面粗さＲａは、λ／３０以上且つλ×５以下であってもよい。また、λ／３０以上且つλ×３以下であってもよい。また、λ／４以上且つλ×３以下であってもよい。ここで、λは、活性層２２から出射される光の波長である。Ｒａがλ／３０≦Ｒａ≦λ×３の範囲にある場合は、凹部５０ｂの表面から透過する光は、レイリー散乱・ミー散乱と呼ばれる散乱の効果を受ける。表面粗さがλ／２以上になると、拡散成分が増えていく。

具体的には、活性層２２で発生する偏光光の波長を４５０ｎｍとすると、表面粗さＲａは、１５ｎｍ以上且つ２．２５μｍ以下であってもよい。また、表面粗さＲａは、１５ｎｍ以上且つ１．３５μｍ以下であってもよい。また、表面粗さＲａは、１１３ｎｍ以上且つ１．３５μｍ以下であってもよい。但し、表面粗さＲａは、Ｌ１の値よりも小さくする必要がある。

ここで、表面粗さＲａは、レーザ顕微鏡（Ｋｅｙｅｎｃｅ社製ＶＫ−Ｘ２００）等によって測定可能である。測定する面を断面で見た場合、「ＪＩＳ Ｂ０６０１」で規定されている算術平均粗さによって求めることができる。「ＪＩＳ Ｂ０６０１」に従って測定面の断面曲線を測定し、断面曲線からうねり曲線を求め、断面曲線からうねり曲線を差し引く。すなわち、断面曲線から粗さのみを抽出する操作を行うことにより、粗さ曲線を得ることができる。「ＪＩＳ Ｂ０６０１」で定義された座標系に従って、測定面方向をＸ軸とし、測定断面方向をＺ軸とする。

うねりとは、粗さよりも大きい間隔で起こる表面の周期的な起伏であり、本開示においては、凹部５０ｂがうねりに相当する。ここで、説明を簡略化するために、凹部５０ｂが延びる方向に測定断面を採ることにより説明する。

このように測定断面を適用した場合、ストライプ構造５０の大きな凹凸形状によるうねりを考慮する必要がなくなる。その結果、うねり曲線は直線となるため、測定誤差が低減して、正確な表面粗さＲａを求めることができる。Ｘ軸方向に基準長さｌだけを抜き取り、この抜き取り部分において最小二乗法を適応させることにより、以下の式（１）によって表すことができる。

ここで、ａ_ｋは、以下の式（２）を満たす。

但し、ｃ、ｂは任意の値である。

このとき、算術平均粗さＲａは、Ｚ（ｘ）とｆ（ｘ）との偏差の絶対値を平均した値であり、以下の式（３）によって求めることができる。

具体的には、レーザ顕微鏡等の高倍率の観察が可能な顕微鏡を用いて、測定面を上述したような断面で観察し、断面曲線からうねり曲線と粗さ曲線とを得る。但し、「ＪＩＳ Ｂ０６０１」に規定された基準長さｌを満たす程の長さを得ることができない場合は、できるだけ長くｌを選択することにより、算術平均粗さＲａを高い精度で測定することができる。選択した領域内において、一定の間隔で１００個のＸ値（Ｘ_１〜Ｘ_１００）を取り、それぞれのＸ値におけるＺ値（Ｚ（Ｘ_１）〜Ｚ（Ｘ_１００））を測定する。測定したＺ値から最小二乗法を用いてｆ（ｘ）を求めることができる。求めたｆ（ｘ）を用いて、表面粗さＲａは、以下の式（４）によって求めることができる。

（製造方法）
以下、第１の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法について図３（ａ）〜図３（ｄ）を参照しながら説明する。

まず、図３（ｂ）に示すように、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法等により、例えば、ｍ面を主面とするｎ型ＧａＮからなる基板１０の主面上に、ｎ型窒化物半導体層２１をエピタキシャル成長する。ここで、基板１０の主面は、半極性面及び非極性面のいずれかを選ぶことにより、偏光特性を有する活性層の作製が可能である。ｎ型窒化物半導体層２１の成長には、ｎ型ドーパントとして、例えばシリコン（Ｓｉ）を用い、ガリウム源であるトリメチルガリウム（ＴＭＧ：Ｇａ（ＣＨ_３）_３）及び窒素源であるアンモニア（ＮＨ_３）を供給し、成長温度を９００℃以上且つ１１００℃以下程度とする。これにより、厚さが１μｍ〜３μｍ程度のＧａＮからなるｎ型窒化物半導体層２１を形成する。なお、基板１０はウエハ状態であり、一度に複数の半導体発光素子となる発光構造体を作製することができる。

次に、ｎ型窒化物半導体層２１の上に、窒化物半導体からなる活性層２２を成長する。活性層２２は、例えば、厚さが１５ｎｍのＩｎ_１−ｘＧａ_ｘＮからなる井戸層と、厚さが１０ｎｍのＧａＮからなるバリア層とを交互に積層して、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造とする。Ｉｎ_１−ｘＧａ_ｘＮからなる井戸層を形成する際には、成長中の井戸層にＩｎが確実に取り込まれるように、成長温度を７００℃〜８００℃程度に下げてもよい。半導体発光素子の用途に応じて発光波長を選択し、波長に応じたＩｎの組成ｘを決定する。例えば、波長を４５０ｎｍ（青色）とする場合には、Ｉｎの組成ｘを０．２５〜０．２７程度に決定する。また、波長を５２０ｎｍ（緑色）とする場合には、Ｉｎの組成ｘを０．４０〜０．４２程度に決定する。また、波長を６３０ｎｍ（赤色）とする場合には、Ｉｎの組成ｘを０．５６〜０．５８程度に決定する。

次に、活性層２２の上に、ｐ型窒化物半導体層２３をエピタキシャル成長する。ｐ型窒化物半導体層２３の成長には、ｐ型不純物として、例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を用い、ＴＭＧ及びＮＨ_３を原料として供給し、成長温度を９００℃以上且つ１１００℃以下程度とする。これにより、活性層２２上に厚さが５０ｎｍ〜５００ｎｍ程度のｐ型ＧａＮからなるｐ型窒化物半導体層２３を形成する。ｐ型窒化物半導体層２３には、厚さが１５ｎｍ〜３０ｎｍ程度のｐ型ＡｌＧａＮ層を含んでいてもよい。ｐ型ＡｌＧａＮ層を設けることにより、キャリアである電子のオーバフローを抑制することができる。また、活性層２２とｐ型窒化物半導体層２３との間にアンドープＧａＮ層を設けてもよい。

次に、ｐ型窒化物半導体層２３にドープされたＭｇの活性化を図るために、８００℃〜９００℃程度の温度で２０分間程度の熱処理を行う。これにより、基板１０の主面上に順次エピタキシャル成長してなる半導体積層構造２０が形成される。

次に、リソグラフィ法及び塩素（Ｃｌ_２）系ガスを用いたドライエッチング法により、ｐ型窒化物半導体層２３まで形成された半導体積層構造２０に対して選択的にエッチングを行う。これにより、ｐ型窒化物半導体層２３、活性層２２及びｎ型窒化物半導体層２１の一部が除去された凹部３１を形成して、ｎ型窒化物半導体層２１の一部を露出する。

次に、ｎ型窒化物半導体層２１における凹部３１から露出した領域の上に接するように、ｎ側電極３０を選択的に形成する。ここでは、ｎ側電極３０として、例えばチタン（Ｔｉ）と白金（Ｐｔ）との積層膜（Ｔｉ／Ｐｔ層）を形成する。

次に、ｐ型窒化物半導体層２３の上に接するように、ｐ側電極４０を選択的に形成する。例えば、ｐ側電極４０として、例えばパラジウム（Ｐｄ）と白金（Ｐｔ）との積層膜（Ｐｄ／Ｐｔ層）を形成する。その後、熱処理を行って、Ｔｉ／Ｐｔ層とｎ型窒化物半導体層２１との間、及びＰｄ／Ｐｔ層とｐ型窒化物半導体層２３との間をそれぞれ合金化する。なお、ｎ側電極３０及びｐ側電極４０の成膜の順序は特に問われない。

次に、基板１０におけるｎ型窒化物半導体層２１と反対側の面（裏面）に対して研磨を行って、該基板１０を薄膜化する。ここでは、基板１０は、５０μｍ以上且つ１５０μｍ以下程度の厚さとなるまで薄膜化する。

次に、ストライプ構造５０を形成する。ストライプ構造５０の形成には、例えば、コンタクト露光装置を用いる方法、電子線描画装置を用いる方法又はステッパ装置を用いる方法等によって、ストライプ状のレジストパターニングを行う。その後、ドライエッチング法により、レジストパターンの各開口部に凹部５０ｂをそれぞれ形成すればよい。微細な凹凸構造（テクスチャ）５１の形成には、例えば、ナノインプリントを用いる方法又は電子線描画装置を用いる方法によって、微細なレジストパターンニングを行う。その後、ドライエッチング法により、各凹部５０ｂの表面（内面）に微細な凹凸構造５１を形成してもよい。

また、ストライプ構造５０の形成には、例えばダイシングブレードを用いる研削法、又は高密度パルスレーザ光による熱融解法等を用いることができる。これらの方法によると、凸部５０ａ及び凹部５０ｂを有するストライプ構造５０と、凹部５０ｂの表面の微細な凹凸構造５１とを同時に形成することができる。さらに、レジストパターニング工程が不要となるので、工程が簡略化するという利点もある。

例えば、ダイシングブレードを用いる研削法においては、ストレートタイプのブレードを用いることにより、断面方形状の凹部を形成することが可能である。また、側面にテーパを有するブレードを用いれば、断面Ｖ字状又は断面台形状の凹部を形成することが可能となる。凹部５０ｂの幅は、用いるブレードの厚さで決まる。凹部５０ｂの深さは、研削表面とブレードの設定位置とによって決まる。凸部５０ａの幅は、ダイシングブレードの送り量で決まる。微細な凹凸構造５１におけるストライプ構造５０が延びる方向の線断面粗さＲａは、ブレード表面における研磨面の目の粗さによって制御が可能である。このようなダイシングブレードを用いて研削を行うと、研削面に１００ｎｍ以上且つ１μｍ以下程度の微細な凹凸構造５１を形成することが可能となる。

高密度パルスレーザ光による熱融解法においては、レーザ光が走査された領域に凹部５０ｂが形成される。また、パルスによってレーザ光の強度が変調されているため、凹部５０ｂの表面には、レーザ光の強度変調に伴う微細な凹凸構造５１が凹部５０ｂの形成時に同時に形成される。凹部５０ｂの断面形状及び微細な凹凸構造５１の表面粗さＲａは、レーザ光の焦点位置と走査速度とによって制御が可能である。

例えば、微細な凹凸構造５１におけるストライプ構造５０が延びる方向における線断面粗さＲａを大きくする場合には、レーザ光の走査速度を遅くするか、又はレーザ光の焦点位置を基板１０から遠ざけるとよい。逆に、線断面粗さＲａを小さくする場合には、レーザ光の走査速度を速くするか、又はレーザ光の焦点位置を基板１０に近づけるとよい。

基板１０の主面に対する法線方向と凹部５０ｂの斜面５０ｃとがなす角度を小さくする場合には、レーザ光の走査速度を速くするか、又はレーザ光の焦点位置を基板１０から遠ざけるとよい。逆に、基板１０の主面に対する法線方向と凹部５０ｂの斜面５０ｃとがなす角度を大きくする場合には、レーザ光の走査速度を遅くするか、又はレーザ光の焦点位置を基板１０に近づけるとよい。

具体的には、レーザ光の走査速度は、例えば５０ｍｍ／ｓ以上且つ３００ｍｍ／ｓ以下であってもよい。この場合、基板１０の主面に対する法線方向と凹部５０ｂの斜面５０ｃとがなす角度は、１５°以上且つ７５°以下の範囲で制御することが可能である。また、レーザ光の走査速度が、例えば５０ｍｍ／ｓ以上且つ３００ｍｍ／ｓ以下の範囲においては、微細な凹凸構造５１におけるストライプ構造５０が延びる方向の線断面粗さＲａは、２０ｎｍ以上且つ１μｍ以下程度の範囲で制御が可能である。高密度パルスレーザ光による熱融解を用いてストライプ構造５０を形成した場合には、熱溶融によって付着した残渣をウェットエッチングによって取り除くとよい。ウェットエッチングに用いる溶液には、例えば、塩酸（ＨＣｌ）、硝酸（ＨＮＯ_３）又は水酸化カリウム（ＫＯＨ）を用いることができる。

次に、レーザ溶融装置を用いて、ウエハ状の半導体発光素子１０１に分離溝を形成し、その後、ブレーキング装置を用いてウエハ状の半導体発光素子１０１を小片（チップ）に分割する。これにより、図３（ａ）〜図３（ｃ）に示すように、ストライプ構造５０と凹部５０ｂの表面に微細な凹凸構造５１を有する半導体発光素子１０１を得ることができる。

なお、半導体積層構造２０には、主面がｍ面であるｎ型ＧａＮからなる基板１０上に成長した窒化物半導体層に代えて、例えば、ＳｉＣ基板、サファイア基板、ＬｉＡｌＯ_２基板、Ｇａ_２Ｏ_３基板又はＳｉ基板の上に成長したｍ面窒化物半導体層を用いてもよい。この場合、ＳｉＣ基板等のヘテロ基板の上部に、窒化物半導体層をエピタキシャル成長するよりも前にストライプ構造５０を形成しておく。その後、エピタキシャル成長し、さらにレーザリフトオフ法等を用いてヘテロ基板を剥離すれば、エピタキシャル成長する前に形成したヘテロ基板のストライプ構造５０が、窒化物半導体である半導体積層構造２０に転写される。このため、ヘテロ基板を剥離した後には、ストライプ構造５０を有する半導体発光素子１０１を得ることができる。以上の方法によっても、半導体発光素子１０１を作製することができる。

ここで、基板１０の上に、ｍ面からなる窒化物半導体からなる半導体積層構造２０をエピタキシャル成長するには、基板１０に用いるＳｉＣ基板又はサファイア基板の主面の面方位もｍ面であってもよい。但し、ｒ面を主面とするサファイア基板の上に、ａ面ＧａＮが成長することが報告されているように、ｍ面を主面とする窒化物半導体層を成長させるためには、ｎ型ＧａＮからなる基板１０の主面がｍ面であることは必須ではない。少なくとも活性層２２の主面（成長面）がｍ面と平行であり、その結晶成長の成長方向がｍ面と垂直であればよい。

（第１の実施形態の第１変形例）
図１１に第１の実施形態の第１変形例を示す。以下の変形例では、構造上の違い及び製法上の違いについて説明する。

図１１は第１変形例に係る半導体発光素子１０１の、図４（ａ）等のＸ−Ｘ方向に相当する方向の断面構成を示している。図１１に示すように、本変形例に係るストライプ構造５０における凸部５０ａの上面５０ｄにも、凹部５０ｂの内面と同様の微細な凹凸構造（テクスチャ）５１が形成されている。

このように、ストライプ構造５０の凸部５０ａの上面５０ｄにも、微細な凹凸構造５１が形成されているため、凸部５０ａの上面５０ｄからも出射光を拡散させることが可能となる。従って、出射光の配光分布特性を改善することができる。また、凸部５０ａの上面５０ｄからの光取出し効率が高まるので、半導体発光素子１０１における光出力を高めることができる。

凸部５０ａの上面５０ｄに微細な凹凸構造５１を形成する方法の一例を示す。

まず、ナノインプリント又は電子線描画装置を用いる方法によって、基板１０の第２主面に微細なレジストパターニングを行う。その後、ドライエッチング法により、凸部５０ａの上面５０ｄに微細な凹凸構造５１を形成する。続いて、ダイシングブレードを用いた研削法又は高密度パルスレーザ光を用いた熱融解法等によって、複数の凹部５０ｂとその表面に微細な凹凸構造５１を形成する。

（第１の実施形態の第２変形例）
図１２に第１の実施形態の第２変形例を示す。以下の変形例では、構造上の違い及び製法上の違いについて説明する。

図１２は第２変形例に係る半導体発光素子１０１の、図４（ａ）等のＸ−Ｘ方向に相当する方向の断面構成を示している。図１２に示すように、本変形例に係る半導体発光素子１０１は、ｎ側電極３０が、ストライプ構造５０を有する基板１０の出射面（裏面）上に形成されている。すなわち、ｎ側電極３０は、半導体積層構造２０のｎ型窒化物半導体層２１には、直接に形成されていない。従って、半導体積層構造２０には、ｎ型窒化物半導体層２１を露出する凹部３１が設けられていない。

本変形例においては、基板１０に導電性を持たせる必要がある。従って、基板１０には、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の半導体基板を用いることができる。ｎ側電極３０は、例えば、Ｔｉ層及びＰｔ層からなる積層構造（Ｔｉ／Ｐｔ）等からなり、ストライプ構造５０の一部を覆うように設けられている。また、ｎ側電極３０としてアルミニウム（Ａｌ）を主成分とする金属積層構造を用いてもよい。

本変形例に係る半導体発光素子１０１によれば、半導体積層構造２０に凹部３１を設ける必要がなく、半導体発光素子１０１の構造が簡単となるので、製造コストを低減することが可能となる。

本変形例に係る半導体発光素子１０１は、例えば、以下の方法で作製することができる。

まず、基板１０の第１主面１０ａの上に半導体積層構造２０をエピタキシャル成長する。その後、基板１０の裏面である第２主面１０ｂに対して、全体の厚さが１００μｍ程度になるまで研磨する。

次に、基板１０の第２主面１０ｂに、前述した方法により、凹部５０ａ及び凸部５０ｂを有するストライプ構造５０を形成する。その後、凹部５０ｂ表面に微細な凹凸構造５１形成する。ここで、凹部５０ｂとその表面の微細な凹凸構造５１とは、ブレードダイシングによる研削法又は高密度パルスレーザ光を用いた熱融解法等によって同時に形成してもよい。その後、ストライプ構造５０が形成された基板の第２主面１０ｂの上に、Ｔｉ／Ｐｔからなる積層膜であるｎ側電極３０を選択的に形成する。一方、ｐ型窒化物半導体層２３の上には、Ｐｄ／Ｐｔからなる積層膜であるｐ側電極４０を形成する。その後、熱処理を行なって、Ｔｉ／Ｐｔ層と基板１０との間、及びＰｄ／Ｐｔ層とｐ型窒化物半導体層２３のｐ型コンタクト層との間で、それぞれ合金化する。これにより、基板１０及びｐ型コンタクト層に、それぞれ電気的に接続されたｎ側電極３０及びｐ側電極４０を得る。

このようにして、図１２に示す第２変形例に係る半導体発光素子１０１を作製できる。

以上説明したように、第１の実施形態においては、偏光光を出射する活性層を有する窒化物半導体発光素子において、光の出射面にストライプ構造５０を形成し、且つ活性層２２からの光の偏光方向とストライプ構造の延伸方向とがなす角度θを０°以上且つ４５°以下の範囲に設定し、さらに、凹部５０ｂの表面に微細な凹凸構造（テクスチャ）５１を形成することにより、配光分布特性の改善と光出力の向上とを図ることができる。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１３は、第２の実施形態に係る半導体発光素子であって、図４（ａ）等のＸ−Ｘ方向に相当する方向の断面構成を示している。以下の説明においては、第１の実施形態と共通部分の説明は省略し、構造上の違い及び製法上の違いについて説明する。

図１３に示すように、第２の実施形態に係る半導体発光素子１０２は、基板１０の第２主面１０ｂと接するように、基板１０とは異なる材料からなる透光性部材１３を、少なくとも１つ備えていることを特徴とする。

本実施形態に係る半導体発光素子１０２において、透光性部材１３における基板１０との対向面である第１主面１３ａは、基板１０における半導体積層構造２０と反対側の面である第２主面１０ｂと接している。また、透光性部材１３における基板１０と反対側の面である第２主面１３ｂには、交互に形成された複数の凸部５０ａ及び凹部５０ｂを有し、各凹部５０ｂの表面に微細な凹凸構造５１が形成されたストライプ構造５０が設けられている。

また、第１の実施形態と同様に、ストライプ構造５０の延伸方向と活性層２２の偏光方向とがなす角度θが０°以上且つ４５°以下である。

各凸部５０ａの形状及び大きさ、各凹部５０ｂの形状及び大きさ、微細な凹凸構造５１におけるストライプ構造５０の延伸方向における線断面粗さＲａ、並びにストライプ構造５０の延伸方向は、第１の実施形態と同等である。

また、基板１０と透光性部材１３との界面は平坦であっても構わない。

第１の実施形態で説明したメカニズムによれば、光取出しの経路を横切る位置に、凹部５０ｂの表面（内面）に微細な凹凸構造５１を有するストライプ構造５０を有し、該ストライプ構造５０の延伸方向と活性層２２の偏光方向とがなす角度θが０°以上且つ４５°以下であれば、配光分布特性の改善と光取出し効率の向上とを実現することができる。

透光性部材１３には、例えば、活性層２２から発光する偏光光を透過する酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、サファイア、酸化リチウムアルミニウム（ＬｉＡｌＯ_２）又は酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）等の、ＧａＮ半導体と異なる材料を用いることができる。また、シリコーン樹脂、アクリル樹脂又はガラス等の透光性材料を用いることも可能である。また、透光性部材１３には、活性層２２から発光した光を吸収して、異なる波長に変換する蛍光体材料を含んでいてもよい。

一般に、ＧａＮのような窒化物系半導体に対して行うドライエッチングは、エッチングレートが遅く、側壁に対する形状の制御が難しい。従って、透光性部材１３にドライエッチング又はウェットエッチングが容易な材料を用いることによって、ストライプ構造５０の形成及び微細な凹凸構造５１の形成が容易となる。

例えば、透光性部材１３に、ＳｉＯ_２又はＳｉＮを用いる場合は、フッ化水素酸（ＨＦ）を含む水溶液等を用いたウェットエッチングによって微細な凹凸構造５１を形成することも可能となる。また、適切な透光性材料を選択することにより、透光性部材１３の屈折率ｎ０は、ストライプ構造５０が設けられた第２主面１３ｂが接している外部の媒体の屈折率ｎｔと、基板１０の屈折率ｎ１に対して、ｎｔ＜ｎ０＜ｎ１を満たすことが可能となる。このように、屈折率がｎ１からｎｔまで段階的に変化するように構成することにより、活性層２２から発光した光を外部に効率良く取り出すことが可能となる。

基板１０と透光性部材１３との界面が平坦な場合には、活性層２２から発光した光は、偏光方向をほぼ維持した状態で透光性部材１３に入射する。透光性部材１３に入射した光は、凹部５０ｂの表面に形成された微細な凹凸構造５１の影響を強く受けるため、第１の実施形態で説明した、配光分布特性の改善及び光出力の向上が可能となる。

（製造方法）
以下、第２の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法について説明する。第１の実施形態で説明した方法と同様の方法を用いて、素子分離前の半導体発光素子１０２を作製する。この段階では、光の出射面にストライプ構造は形成されていない。

次に、基板１０の第２主面１０ｂに透光性部材１３を成膜するか、又は貼り付ける。

透光性部材１３に、ＳｉＯ_２又はＳｉＮを用いる場合には、プラズマ化学気相成長法等によって成膜する。膜厚が大きくなると、膜質が低下して透光性部材１３における光の透過率が低下しやすい。このため、透光性部材１３の膜厚は１０μｍ以下としてよい。その後、上述したように、ブレードダイシングによる研削法又は高密度パルスレーザ光による熱融解法によって、ストライプ構造５０と同時に凹部５０ｂの表面の微細な凹凸構造５１を形成する。ＳｉＯ_２又はＳｉＮは、ＧａＮ又はサファイア等と比べて軟らかいため、研削又は熱融解が容易である。

透光性部材１３に、シリコーン樹脂又はアクリル樹脂を用いる場合には、モールド法を用いることができる。ストライプ構造５０を構成する凹凸形状と、少なくともその表面にさらに微細な凹凸構造を有する金型を準備する。続いて、準備した金型に半導体発光素子１０２を投入した後、金型と基板１０の第２主面１０ｂとの隙間に樹脂材を流し込むことにより、第２主面１０ｂの表面にストライプ構造５０を形成することができる。また、上述したように、シリコーン樹脂又はアクリル樹脂からなる平坦な樹脂層を形成した後に、ブレードダイシングによる研削法又は高密度パルスレーザ光による熱融解法を用いて凹部５０ｂとその表面に微細な凹凸構造５１を同時に形成してもよい。

また、シリコーン樹脂、アクリル樹脂又はガラス等によって、ストライプ構造５０と微細な凹凸構造５１とを有する透光性部材１３を別途形成しておき、基板１０の第２主面１０ｂに貼り合わせてもよい。

また、基板１０にヘテロ基板を用い、さらに該ヘテロ基板を半導体積層構造２０から剥離する構成の半導体発光素子の場合には、ヘテロ基板が剥離された半導体積層構造２０に、本実施形態に係る透光性部材１３を適用することができる。なお、本実施形態に係るストライプ構造５０は、半導体積層構造５０及び透光性部材１３のうちの少なくとも一方に設ける。

（第２の実施形態の第１変形例）
以下、第２の実施形態の第１変形例について図１４を参照しながら説明する。

図１４に示すように、第１変形例に係る半導体発光素子１０２は、透光性部材１３から基板１０の第２主面１０ｂを露出させ、基板１０の露出した領域の上に、ｎ側電極３０を直接に形成している。

この場合、基板１０は導電性を有している必要がある。従って、基板１０には、ＧａＮ、ＳｉＣ又はＺｎＯ等の半導体基板等を用いることができる。半導体積層構造２０に凹部３１を設ける必要がないため、素子構造が簡単となり、製造コストを低減することが可能となる。

（第２の実施形態の第２変形例）
以下、第２の実施形態の第２変形例について図１５を参照しながら説明する。

図１５に示すように、第２変形例に係る半導体発光素子１０２は、ストライプ構造５０及び凹部５０ｂを有する透光性部材１３の上に、ｎ側電極３０を直接に形成している。

この場合、透光性部材１３及び基板１０は、導電性を有している必要がある。透光性部材１３の材料には、ＳｉＣ若しくはＺｎＯ等の半導体材料、又は酸化インジウム錫（ＩＴＯ）等の透明電極を用いることができる。基板１０には、ＧａＮ、ＳｉＣ又はＺｎＯ等の半導体基板等を用いることができる。

このように、本変形例によると、透光性部材１３に導電性を持たせることにより、電流を横方向に拡散しやすくなるので、電流集中等の問題を回避することが可能となる。

また、半導体積層構造２０に凹部３１を設ける必要がないため、素子構造が簡単となり、製造コストを低減することが可能となる。

（第２の実施形態の第３変形例）
以下、第２の実施形態の第３変形例について図１６を参照しながら説明する。

図１６に示すように、第３変形例に係る半導体発光素子１０２は、ストライプ構造５０及び凹部５０ｂを有する基板１０の第２主面１０ｂの上に、該第２主面１０ｂを覆うように透光性部材１３が形成されている。ストライプ構造５０の凹部５０ｂの表面には、微細な凹凸構造５１が形成されている。

透光性部材１３の表面は、図１６に示すように、基板１０の第２主面１０ｂの凹凸形状に沿うように、第２主面１３ｂにストライプ構造５０と対応するストライプ構造５０Ａが形成されていてもよい。

また、図示はしないが、基板１０の凹部５０ｂを埋めて、透光性部材１３の外部の媒体と接する第２主面１３ｂが平坦となるように形成されていてもよい。

基板１０の凹部５０ｂの表面には、微細な凹凸構造５１が形成されている。但し、透光性部材１３の凹部５０ｂの表面には微細な凹凸構造５１は形成されていなくてもよい。

透光性部材１３の屈折率ｎ０は、ストライプ構造５０Ａが設けられた第２主面１３ｂが接している外部の媒体の屈折率ｎｔと、基板１０の屈折率ｎ１とに対して、ｎｔ＜ｎ０＜ｎ１を満たせばよい。

本変形例においては、ｎ側電極３０を、半導体積層構造１０におけるｎ型窒化物半導体層２１の露出領域の上に直接に形成している。従って、基板１０及び透光性部材１３は、導電性を有している必要はない。

（第２の実施形態の第４変形例）
以下、第２の実施形態の第４変形例について図１７を参照しながら説明する。

図１７に示すように、第４変形例に係る半導体発光素子１０２は、ストライプ構造５０及び凹部５０ｂを有する基板１０の第２主面１０ｂの上に、該第２主面１０ｂを覆うように透光性部材１３が形成されている。

透光性部材１３に設けたストライプ構造５０Ａの凹部５０ｂの表面には、微細な凹凸構造５１が形成されている。一方、基板１０に設けたストライプ構造５０の凹部５０ｂの表面には、微細な凹凸構造５１は形成されていない。

本変形例においても、第３変形例と同様に、基板１０及び透光性部材１３は導電性を有している必要はない。

（第２の実施形態の第５変形例）
以下、第２の実施形態の第５変形例について図１８を参照しながら説明する。

図１８に示すように、第５変形例に係る半導体発光素子１０２は、ストライプ構造５０及び凹部５０ｂを有する基板１０の第２主面１０ｂの上に、該第２主面１０ｂを覆うように透光性部材１３が形成されている。

基板１０に設けたストライプ構造５０の凹部５０ｂの表面、及び透光性部材１３に設けたストライプ構造５０Ａの凹部５０ｂの表面には、共に微細な凹凸構造５１が形成されている。

本変形例においても、第３変形例と同様に、基板１０及び透光性部材１３は導電性を有している必要はない。

（第２の実施形態の第６変形例）
以下、第２の実施形態の第６変形例について図１９を参照しながら説明する。

図１９に示すように、第６変形例に係る半導体発光素子１０２は、ストライプ構造５０及び凹部５０ｂを有する基板１０の第２主面１０ｂの上に、該第２主面１０ｂを覆うように透光性部材１３が形成されている。ストライプ構造５０の凹部５０ｂの表面には、微細な凹凸構造５１が形成されている。本変形例では、透光性部材１３の凹部５０ｂの表面には、微細な凹凸構造５１が形成されていないが、微細な凹凸構造５１を形成してもよい。

透光性部材１３は、その一部が選択的に除去されて、基板１０の第２主面１０ｂを露出している。ｎ側電極３０は、基板１０の第２主面１０ｂにおける透光性部材１３から露出した領域の上に直接に形成されている。

なお、透光性部材１３は、基板１０のストライプ構造５０の凹部５０ｂを埋めて、外部の媒体と接する第２主面１３ｂが平坦になっていてもよい。

本変形例の場合、基板１０は、導電性を有している必要がある。従って、基板１０には、ＧａＮ、ＳｉＣ又はＺｎＯ等の半導体基板等を用いることができる。

また、半導体積層構造２０に凹部３１を設ける必要がないため、素子構造が簡単となり、製造コストを低減することが可能となる。

（第２の実施形態の第７変形例）
以下、第２の実施形態の第７変形例について図２０を参照しながら説明する。

図２０に示すように、第７変形例に係る半導体発光素子１０２は、ストライプ構造５０及び凹部５０ｂを有する基板１０の第２主面１０ｂの上に、該第２主面１０ｂを覆うように透光性部材１３が形成されている。透光性部材１３の上には、ｎ側電極３０が選択的に形成されている。また、基板１０におけるストライプ構造５０の凹部５０ｂの表面には、微細な凹凸構造５１が形成されている。本変形例では、透光性部材１３の凹部５０ｂの表面には、微細な凹凸構造５１が形成されていないが、微細な凹凸構造５１を形成してもよい。

なお、透光性部材１３は、基板１０のストライプ構造５０の凹部５０ｂを埋めて、外部の媒体と接する第２主面１３ｂが平坦になっていてもよい。

本変形例の場合、透光性部材１３及び基板１０は、導電性を有している必要がある。透光性部材１３の材料には、ＳｉＣ若しくはＺｎＯ等の半導体材料、又は酸化インジウム錫（ＩＴＯ）等の透明電極を用いることができる。基板１０には、ＧａＮ、ＳｉＣ又はＺｎＯ等の半導体基板等を用いることができる。

また、半導体積層構造２０に凹部３１を設ける必要がないため、素子構造が簡単となり、製造コストを低減することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態及びその変形例においては、偏光光を出射する活性層２２を有する窒化物半導体発光素子において、光取出しの経路を横切る位置にストライプ構造５０、５０Ａを形成し、且つ活性層２２の偏光方向とストライプ構造５０、５０Ａの延伸方向とがなす角度θを０°以上且つ４５°以下の範囲に設定している。その上、ストライプ構造５０、５０Ａを構成する少なくとも一方の凹部５０ｂの表面に微細な凹凸構造５１を形成することによって、配光分布特性の改善及び光出力の向上が可能となる。

また、本実施形態及びその変形例においては、透光性部材１３を１層として例示したが、複数層により形成されていてもよい。この場合、ストライプ構造５０、５０Ａ及びその凹部５０ｂの表面の微細な凹凸構造５１は、基板１０に形成してもよく、透光性部材１３のいずれかの１層又は複数の層に形成されていてもよい。

また、特に図示しないが、ストライプ構造５０、５０Ａの断面形状は、図４（ａ）〜図４（ｈ）に示した各形態を採ることができる。

（第３の実施形態）
以下、第３の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図２１は、第３の実施形態に係る半導体発光素子であって、図４（ａ）等のＸ−Ｘ方向に相当する方向の断面構成を示している。以下の説明においては、第１の実施形態と共通部分の説明は省略し、構造上の違い及び製法上の違いについて説明する。

図２１に示すように、第３の実施形態に係る半導体発光素子１０３は、基板１０の側面が微細な凹凸構造５１を有する斜面５２として形成されている。この点で、第１の実施形態の構成とは異なる。基板１０の側面を斜面５２とし、さらに、該斜面５２に微細な凹凸構造５１を形成することにより、半導体発光素子（半導体チップ）１０３の側面からの光取り出し効率が向上する。

本実施形態に係る半導体発光素子１０３は、例えば、以下の方法によって作製することができる。

まず、図３に示した第１の実施形態に係る半導体発光素子１０１と同様に、ウエハ状態の基板１０の裏面を研磨等によって薄膜化する。その後、ウエハから半導体チップをダイシングにより分離する際に、裏面研磨時と同様のレーザ光の照射条件を用いることによって、基板１０の側面を斜面５２とすることができる。

なお、本実施形態に係る基板１０の側面を斜面５２とし、さらに、該斜面５２に微細な凹凸構造５１を形成することによって得られる光取出しの向上の効果は、第１の実施形態及び第２の実施形態のいずれに適用しても、同様の効果を得ることができる。

上記の各実施形態及びその変形例においては、ストライプ構造５０、５０Ａを構成する複数の凹部５０ｂにおいて、凹部５０ｂの表面（内面）に形成される微細な凹凸構造（テクスチャ）５１は、必ずしも全ての凹部５０ｂの表面の全面に設けられていなくてもよい。例えば、複数の凹部５０ｂのうち一部の凹部５０ｂの表面には、微細な凹凸構造５１が形成されていなくてもよい。

＜実施例１＞
実施例１として、高密度パルスレーザ光を用いた熱融解法によるストライプ構造の形成の検討を行った。

図２２は、高密度パルスレーザの走査速度と角度αとの関係を表している。ここで、角度αは、例えば、基板１０の主面の法線と凹部５０ａの壁面とがなす角度をいう。レーザ光の発振条件を固定し、焦点を基板１０から意図的に離して、レーザ光の径Ｄを大きくすることにより、角度αを０°よりも大きくなるように加工することができる。以下、本実施例においては、焦点位置から離した距離を「ＤＦ距離」と記述する。例えば、「ＤＦ＝０．１ｍｍ」と表記した場合は、レーザ光の焦点距離を基板１０の上面から０．１ｍｍだけ離した状態を指す。

図２２において、それぞれの点▲、■及び◆は、ＤＦ＝０．１ｍｍ、０．２ｍｍ及び０．３ｍｍのときの角度αの値である。角度αは、式（５）に示すように、レーザ光の径Ｄと高さｈにより求めることができる。ここで、高さｈは凹部５０ｂの深さを指す。図２２から、レーザ光の走査速度を遅くするほど、角度αが大きくなることが分かる。角度αを大きくするには、レーザ光の走査速度を遅くするほかに、ＤＦ距離を短くする、又はレーザ光の出力を高めるといった方法がある。レーザ光の出力を高めると、高さｈが大きくなるため、式（５）から、角度αが大きくなることが分かる。

図２３は、レーザ光の走査速度と表面粗さＲａとの関係を表している。各測定点■及び◆は、ＤＦ＝０．２ｍｍ及び０．３ｍｍのときの表面粗さＲａを表す。表面粗さＲａは、レーザ光の走査速度を大きくすることで小さくなるため、滑らかな面に近づく。

図８（ｂ）及び図９（ｃ）より、光取り出し面の内面に微細な凹凸構造５１を設けることにより、拡散透過光を増やすことができると述べた。この微細な凹凸構造５１は、表面粗さが半導体発光素子の発光波長程度であってもよい。これにより、光の散乱が向上するため、拡散透過光が増えて光取り出し効率が向上し、配光の非対称性を改善することができる。

このように、高密度パルスレーザ光を用いたＧａＮ基板の加工においては、レーザ光の走査速度とＤＦ距離とによって、凹部５０ｂの形状とその表面粗さとを制御することが可能である。具体的には、凹部５０ｂの表面粗さＲａを大きくする場合には、レーザ光の走査速度を遅くする、又はレーザ光の焦点位置を基板１０から遠ざけるとよい。凹部５０ｂの表面粗さＲａを小さくする場合には、レーザ光の走査速度を速くする、又はレーザ光の焦点位置を基板１０に近づけるとよい。

基板１０の主面の法線と凹部５０ｂの壁面とがなす角度αを小さくする場合には、レーザ光の走査速度を速くする、又はレーザ光の焦点位置を基板１０から離すとよい。逆に、角度αを大きくする場合には、レーザの走査速度を遅くする、又はレーザ光の焦点位置を基板１０に近づけるとよい。

一例として、レーザ光の走査速度は５０ｍｍ／ｓ以上且つ３００ｍｍ／ｓ以下の範囲に設定することにより、角度αは、１５°以上且つ７５°以下の範囲で制御することが可能である。また、レーザ光の走査速度が５０ｍｍ／ｓ以上且つ３００ｍｍ／ｓ以下の範囲において、凹部５０ｂの表面粗さＲａは、２０ｎｍ以上且つ１μｍ以下程度の範囲で制御が可能である。

図２４に、レーザ光の出力を３Ｗとし、周波数を１００ｋＨｚとし、ＤＦを０．３μｍとし、レーザ光の走査速度を２００ｍｍ／ｓとしたときの、ｍ面ＧａＮ基板の上面顕微鏡像を示す。図２４から、凹部の幅は３０μｍであり、凹部の壁面が荒れていることが分かる。図２４に示すように、凹部の壁面は微細な凹凸構造（テクスチャ）を有しており、その表面粗さＲａは０．１５μｍ程度である。従って、レーザ光の走査速度を２００ｍｍ／ｓ以上とすることにより、光取り出し効率を適切に且つ確実に向上することができる。

＜実施例２＞
以下、実施例２に係る半導体発光素子について図３を参照しながら説明する。最初に、実施例２に係る半導体発光素子を構成する半導体発光素子１０１の作製方法の概略を説明する。

まず、例えば、ＭＯＣＶＤ法により、ウエハ状態のｍ面を主面とするｎ型ＧａＮ基板の上に、厚さが２μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体層と、ＩｎＧａＮからなる量子井戸層及びＧａＮからなるバリア層から構成された３周期の量子井戸構造を有する活性層と、厚さが０．５μｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型窒化物半導体層とを形成した。

ｎ側電極としてＴｉ／Ａｌ層を形成し、ｐ側電極としてＡｇ層を形成した。その後、ｎ型ＧａＮ基板の裏面を研磨して１００μｍの厚さにまで薄くした。これにより、半導体発光素子構造を作製した。

その後、実施例１に記載した高密度パルスレーザ光による熱融解により、凸部及び凹部を有するストライプ構造と少なくとも凹部の表面に微細な凹凸構造を形成した。具体的には、レーザ光の送り間隔は２０μｍであり、凹部の深さは１０μｍであり、凹凸部の断面構造は、図４（ｅ）とほぼ同等であった。

続いて、基板（ウエハ）の裏面に、ストライプ構造を形成すると共にチップ分離溝を形成した。ウエハの分離溝に沿って該ウエハをチップ状に分離し、その後、分離したチップをＡｌＮからなる実装基板の上に実装した。以上の方法により、半導体発光素子を作製した。

ここで、ストライプ構造における凸部及び凹部の延伸方向がａ軸方向、すなわち偏光方向に対して０°に設定した半導体発光素子をサンプル１とした。ストライプ構造における凸部及び凹部の延伸方向がａ軸方向に対して４５°、すなわち偏光方向に対して４５°に設定した半導体発光素子をサンプル２とした。ストライプ構造における凸部及び凹部の延伸方向がａ軸方向に対して９０°、すなわち偏光方向に対して９０°に設定した半導体発光素子をサンプル３とした。また、ストライプ構造及び微細な凹凸構造を設けない半導体発光素子を作製し、これをサンプル４とした。すなわち、サンプル４における基板の裏面である光取出し面は鏡面である。

作製した半導体発光素子における配光分布特性の非対称性を評価した。図２５は活性層からの光の偏光方向とストライプ構造の延伸方向とがなす角度と、平均非対称度及び最大非対称度の改善度を表している。図２５において、印□は最大非対称度を表し、印◆は平均非対称度を表している。ここで、非対称度を定義する。非対称度とは、主面であるｍ面の法線方向、すなわち、ｍ軸から共に同一の角度だけ傾いたａ軸方向の光度とｃ軸方向の光度との差を、ｍ軸の光度、すなわち０°における光度を用いて規格化した値である。ここでは、−９０°から＋９０°までの各角度において非対称度を定義している。最大非対称度とは、非対称度の−９０°から＋９０°の範囲における最大値である。平均非対称度とは、非対称度を−９０°から＋９０°の範囲で平均化した値である。図２５においては、光取り出し面が鏡面であるサンプル４の場合を１として規格化することにより、非対称度の改善度を表している。

なお、図２５において、活性層からの光の偏光方向とストライプ構造の延伸方向とがなす角度が９０°の場合は、ストライプ構造と微細な凹凸構造とを設けたことにより、最大非対称度は、鏡面の場合と比べて改善している。しかしながら、活性層からの光の偏光方向とストライプ構造の延伸方向とがなす角度が９０°の場合は、ストライプ構造が偏光方向に対して垂直な方向に設けられているため、偏光方向の非対称性が改善されず、鏡面の場合と同等の非対称性がある。このため、最大非対称度は低く、平均非対称度は高い。

図２５からは、活性層からの光の偏光方向とストライプ構造の延伸方向とがなす角度が０°以上且つ４５°以下であれば、鏡面の場合に対して、非対称度として、最大非対称度と平均非対称度とを半分程度にまで改善できることが分かる。

次に、作製した半導体発光素子におけるｍ軸方向の放射強度を評価した。

図２６は、活性層からの光の偏光方向とストライプ構造の延伸方向とがなす角度と、ｍ軸方向の光の放射強度の向上度との関係を表している。但し、ｍ軸方向の光の放射強度は、光取り出し面が鏡面であるサンプル４の場合を１として規格化している。図２６から、活性層からの光の偏光方向とストライプ構造の延伸方向とがなす角度が０°以上且つ４５°以下であれば、鏡面の場合に対して、光の放射強度を１．８倍から２倍程度にまで高めることができる。また、偏光方向からのストライプ構造の角度が４５°の場合が最も光の放射強度を高められることが分かる。

次に、作製した半導体発光素子の色ずれ量を評価した。

図２７は、ｍ軸から共に同一の角度だけ傾いたａ軸方向の発光波長とｃ軸方向の発光波長との差を数値化して表している。出射面が鏡面であるサンプル４においては、３．５ｎｍ程度の大きな波長差を生じている。従って、サンプル４は、光源として用いるのが難しい。

これに対し、凸部及び凹部を有するストライプ構造とその凹部の表面に微細な凹凸構造を設けたサンプル１、サンプル２及びサンプル３においては、ａ軸方向の発光波長とｃ軸方向の発光波長との差は２ｎｍ程度にまで改善している。

（第４の実施形態）
以下、第４の実施形態について図面を参照しながら説明する。

上述した第１〜第３の各実施形態及びその変形例に係る半導体発光素子は、そのまま光源装置として使用してもよい。

但し、各実施形態に係る発光素子は、波長変換のための蛍光物質を含む樹脂材等と組み合わせれば、波長帯域が拡大した光源装置（例えば、白色光源装置）として好適に使用され得る。

図２８は、このような白色光源装置の一例を模式的に示している。図２８に示す光源装置４００は、上述した第１〜第３の各実施形態及びその変形例に係る半導体発光素子のいずれかに相当する半導体発光素子４０１と、該半導体発光素子４０１から放射された光の波長を、より長波長に変換する蛍光材（例えば、Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｎｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ：ＹＡＧ）が分散された樹脂層４０２とを備えている。

半導体発光素子４０１は、例えば、上面に配線パターンが形成されたパッケージ等の保持部材４０４の上に、その基板を上に向け且つ発光層を下に向ける、いわゆるジャンクションダウン法により固着されている。保持部材４０４の上には発光素子３０１を取り囲むように、例えば金属からなる反射部材４０３が配置されている。

樹脂層４０２は、保持部材４０４の上で且つ反射部材４０３の内側に発光素子４０２を覆うように形成されている。

このように構成された第４の実施形態に係る光源装置４００によると、高効率な白色光源装置を得ることができる。

以上説明したように、本開示に係る半導体発光素子によれば、活性層で発光した光を取り出す出射面に、凸部及び凹部を含むストライプ構造を設けているため、ａ軸方向の偏光光を、ストライプ構造を構成する凹部の壁面及び上面に入射させることができる。さらに、凹部の内面（表面）に微細な凹凸構造を設けることにより、光取り出し効率を向上させることができるので、配光特性の角度分布を改善することができる。すなわち、発光強度の異方性をより適切に制御し、発光の性能を向上させることができる。

なお、本明細書において説明した、窒化物半導体層の結晶面における「ｍ面」は、実際には、ｍ面に対して完全に平行な面である必要はなく、ｍ面から所定の角度だけ傾斜していてもよい。傾斜角度は、窒化物半導体層の主面の法線と傾斜していないｍ面の法線とが形成する角度によって決定される。実際の窒化物半導体層の主面は、傾斜していないｍ面から、ある結晶方位に基づく方向、例えばｃ軸、ａ軸又は＜１１−２２＞軸等の方向によって表されるベクトルの方向に向って傾斜していてもよい。例えば、傾斜角度の絶対値は、ｃ軸方向において５°以下、又は１°以下の範囲であればよい。また、ａ軸方向において５°以下、又は１°以下の範囲であればよい。すなわち、本明細書においては、「ｍ面」は、±５°の範囲内で傾斜していないｍ面から所定の方向に傾斜している面を含む。このような傾斜角度の範囲内であれば、窒化物半導体層の主面（成長面）は全体的にｍ面から傾斜しているが、微視的には多数のｍ面領域が露出していると考えられる。これにより、ｍ面から絶対値で５°以下の角度で傾斜している面は、ｍ面と同様の性質を有すると考えられる。すなわち、窒化物系半導体積層構造の主面は、微視的に多数のｍ面領域が露出している面であってもよい。

本開示は、例えば、一般照明に利用し得る。

１０ 基板
１０ａ 第１主面
１０ｂ 第２主面
１３ 透光性部材
１３ａ 第１主面
１３ｂ 第２主面
２０ 半導体積層構造
２１ ｎ型窒化物半導体層
２２ 活性層
２３ ｐ型窒化物半導体層
３０ ｎ側電極
３１ 凹部
４０ ｐ側型電極
５０、５０Ａ ストライプ構造
５０ａ 凸部
５０ｂ 凹部
５０ｃ 斜面
５０ｄ 上面
５０ｅ 底面
５１ 微細な凹凸構造（テクスチャ）
５２ 斜面
１０１、１０２、１０３ 半導体発光素子
４００ 光源装置
４０１ 半導体発光素子
４０２ 樹脂層
４０３ 反射部材
４０４ 保持部材

Claims (15)

1. 非極性面又は半極性面を主面とし、偏光光を発光する活性層を含む窒化物系半導体積層構造を備えた半導体発光素子であって、
   前記偏光光の出射経路を横切る位置に設けられ、互いに並行して延びる複数の凹部を含むストライプ構造を有し、
   前記凹部の延伸方向と前記偏光光における偏光方向とがなす角度は、２５°以上且つ４５°以下であり、
   前記複数の凹部は、該複数の凹部の表面の少なくとも一部に前記凹部の深さよりも浅いテクスチャを有している、半導体発光素子。
2. 前記窒化物系半導体積層構造を保持する基板をさらに備え、
   前記ストライプ構造は、前記基板に形成されている、請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記凹部の深さは、前記基板の厚さの２分の１以下である、請求項２に記載の半導体発光素子。
4. 透光性部材をさらに備え、
   前記ストライプ構造は、前記透光性部材に形成されている、請求項１に記載の半導体発光素子。
5. 前記窒化物系半導体積層構造を成長させる基板をさらに備え、
   前記透光性部材は、前記基板における前記窒化物系半導体積層構造と反対側の面上に設けられている、請求項４に記載の半導体発光素子。
6. 前記基板は、窒化ガリウム、サファイア又は炭化シリコンにより構成されている、請求項２〜３及び５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
7. 互いに隣接する前記凹部同士の間の領域は平坦である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
8. 前記偏光光の波長をλとすると、前記凹部の深さはλ／０．６２８以上である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
9. 互いに隣接する前記凹部同士の間隔をＬ２とし、前記凹部の幅をＬ１とすると、Ｌ２／Ｌ１の値は、１．７以下である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
10. 前記偏光光の波長をλとすると、前記テクスチャにおける凹部の延伸方向の線断面粗さＲａは、λ／３０以上且つλ×５以下である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
11. 前記窒化物系半導体積層構造における前記主面はｍ面であり、前記偏光方向はａ軸方向である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
12. 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であって、
    前記凹部及び該凹部の表面のテクスチャは、熱融解によって形成する、半導体発光素子の製造方法。
13. 前記熱融解は、レーザ照射によって生じさせる、請求項１２に記載の半導体発光素子の製造方法。
14. 前記レーザ照射に用いるレーザ光の走査速度は、２００ｍｍ／ｓ以上である、請求項１３に記載の半導体発光素子の製造方法。
15. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の半導体発光素子と、
    前記半導体発光素子から放射された光の波長を変換する蛍光物質を含む波長変換部とを備える、光源装置。