JP2024070034A - 半導体発光素子及び発光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】深紫外光の取り出し効率がさらに高められた半導体発光素子を提供する。【解決手段】半導体発光素子（１００，２００，３００）は、基板（１０）と、半導体層２０とを備えている。基板は、第１主面（１０ａ）と、第１主面の反対面である第２主面（１０ｂ）とを有している。半導体層は、第１主面上に配置されているｎ型半導体層（２１）と、ｎ型半導体層上に配置されており、かつ、深紫外光を発生させる活性層（２２）と、活性層上に配置されているｐ型半導体層（２３）とを有している。半導体層は、メサ構造（２４）を有する。第２主面は、メサ構造と対向している第１領域（１０ｂａ）と、第１領域の周囲にある第２領域（１０ｂｂ）とを有している。第１領域は、平坦面で構成されている。第２領域には、凹凸構造（１０ｃ，１０ｄ）が形成されている。平面視において、第１領域の幅は、メサ構造の幅の０．１倍以上３．０倍以下である。【選択図】図１

Description

本開示は、半導体発光素子に関する。

例えば特開２０１８－１７４２３８号公報（特許文献１）には、半導体発光素子が記載されている。特許文献１に記載の半導体発光素子は、基板と、半導体層とを有している。基板は、第１主面と、第１主面の反対面である第２主面とを有している。半導体層は、第１主面上に配置されているｎ型半導体層と、ｎ型半導体層上に配置されている活性層と、活性層上に配置されているｐ型半導体層とを有している。半導体層は、メサ構造を有している。活性層からは、深紫外光が発生される。第２主面の全面に、凹凸構造が形成されている。

特開２０１８－１７４２３８号公報

特許文献１に記載の半導体発光素子ではメサ構造と対向している第２主面の部分からの出射光の強度が弱くなっているとの知見が、新たなに見い出された。本開示は、このような知見に基づいて、深紫外光の取り出し効率がさらに高められた半導体発光素子を提供するものである。

本開示の半導体発光素子は、基板と、半導体層とを備えている。基板は、第１主面と、第１主面の反対面である第２主面とを有している。半導体層は、第１主面上に配置されているｎ型半導体層と、ｎ型半導体層上に配置されており、かつ深紫外光を発生させる活性層と、活性層上に配置されているｐ型半導体層とを有している。半導体層は、メサ構造を有する。第２主面は、メサ構造と対向している第１領域と、第１領域の周囲にある第２領域とを有している。第１領域は、平坦面で構成されている。第２領域には、凹凸構造が形成されている。平面視において、第１領域の幅は、メサ構造の幅の０．１倍以上３．０倍以下である。

本開示の半導体発光素子によると、深紫外光の取り出し効率をさらに高めることが可能である。

半導体発光素子１００の平面図である。 図１とは反対側から見た半導体発光素子１００の平面図である。 図１中のＩＩＩ－ＩＩＩにおける断面図である。 変形例に係る半導体発光素子１００の断面図である。 半導体発光素子１００の製造工程図である。 準備工程Ｓ１を説明する断面図である。 半導体層形成工程Ｓ２を説明する断面図である。 メサ構造形成工程Ｓ３を説明する断面図である。 第１電極形成工程Ｓ４を説明する断面図である。 第２電極形成工程Ｓ５を説明する断面図である。 基板裏面加工工程Ｓ６を説明する断面図である。 マスク形成工程Ｓ７を説明する第１断面図である。 マスク形成工程Ｓ７を説明する第２断面図である。 マスク形成工程Ｓ７を説明する第３断面図である。 マスク形成工程Ｓ７を説明する第４断面図である。 柱状構造体形成工程Ｓ８を示す断面図である。 半導体発光素子１００Ａ及び半導体発光素子１００Ｂにおける電流と光出力との関係を示すグラフである。 半導体発光素子１００及び半導体発光素子１００Ａにおける電流と光出力との関係を示すグラフである。 半導体発光素子１００及び半導体発光素子１００Ｂの例示的な断面ＳＥＭ画像である。 半導体発光素子１００Ａ及び半導体発光素子１００Ｂにおける電流と外部量子効率との関係を示すグラフである。 半導体発光素子１００及び半導体発光素子１００Ｂにおける電流と外部量子効率との関係を示すグラフである。 半導体発光素子１００における幅Ｗ２とエンハンスメントとの関係を示すグラフである。 半導体発光素子１００Ｂにおける厚さＴとエンハンスメントとの関係を示すグラフである。 半導体発光素子２００の平面図である。 図１８とは反対側から見た半導体発光素子２００の平面図である。 図１８中のＸＸ－ＸＸにおける断面図である。 変形例１に係る半導体発光素子２００の断面図である。 変形例２に係る半導体発光素子２００の平面図である。 図２２とは反対側から見た変形例２に係る半導体発光素子２００の平面図である。 半導体発光素子２００Ａ及び半導体発光素子２００Ｂにおける電流と光出力との関係を示すグラフである。 半導体発光素子２００Ａ及び半導体発光素子２００Ｃにおける電流と光出力との関係を示すグラフである。 半導体発光素子２００及び半導体発光素子２００Ａにおける電流と光出力との関係を示すグラフである。 半導体発光素子２００Ａ及び半導体発光素子２００Ｂにおける電流と外部量子効率との関係を示すグラフである。 半導体発光素子２００Ａ及び半導体発光素子２００Ｃにおける電流と外部量子効率との関係を示すグラフである。 半導体発光素子２００及び半導体発光素子２００Ｂにおける電流と外部量子効率との関係を示すグラフである。 半導体発光素子２００ＢにおけるＮＦＰ（Near Field Pattern）解析の結果である。 直径Ｄ２が５０μｍとされた場合の半導体発光素子２００におけるＮＦＰ解析である。 直径Ｄ２が８０μｍとされた場合の半導体発光素子２００のＮＦＰ解析の結果である。 直径Ｄ２が１００μｍとされた場合の半導体発光素子２００のＮＦＰ解析の結果である。 直径Ｄ２が１２０μｍとされた場合の半導体発光素子２００のＮＦＰ解析の結果である。 直径Ｄ２が１５０μｍとされた場合の半導体発光素子２００のＮＦＰ解析の結果である。 直径Ｄ２が３００μｍとされた場合の半導体発光素子２００のＮＦＰ解析の結果である。 半導体発光素子２００ＣのＮＦＰ解析の結果である。 半導体発光素子２００における直径Ｄ２とエンハンスメントとの関係を示すグラフである。 メサ構造２４の数が複数である場合の半導体発光素子２００Ａ及び半導体発光素子２００Ｂにおける電流と光出力との関係を示すグラフである。 メサ構造２４の数が複数である場合の半導体発光素子２００Ａ及び半導体発光素子２００Ｃにおける電流と光出力との関係を示すグラフである。 メサ構造２４の数が複数である場合の半導体発光素子２００及び半導体発光素子２００Ａにおける電流と光出力との関係を示すグラフである。 メサ構造２４の数が複数である場合の半導体発光素子２００Ａ及び半導体発光素子２００Ｂにおける電流と外部量子効率との関係を示すグラフである。 メサ構造２４の数が複数である場合の半導体発光素子２００Ａ及び半導体発光素子２００Ｃにおける電流と外部量子効率との関係を示すグラフである。 メサ構造２４の数が複数である場合の半導体発光素子２００及び半導体発光素子２００Ｂにおける電流と外部量子効率との関係を示すグラフである。 半導体発光素子３００の平面図である。 図３０とは反対側から見た半導体発光素子３００の平面図である。 図３０中のＸＸＸＩＩ－ＸＸＸＩＩにおける断面図である。 変形例に係る半導体発光素子３００の平面図である。 図３３とは反対側から見た変形例に係る半導体発光素子３００の平面図である。 直径Ｄ３が２１０μｍである場合の半導体発光素子３００及び半導体発光素子３００Ａにおける第２主面１０ｂから取り出される深紫外光の出射角度と強度との関係を示すグラフである。 直径Ｄ３が２５０μｍである場合の半導体発光素子３００及び半導体発光素子３００Ａにおける第２主面１０ｂから取り出される深紫外光の出射角度と強度との関係を示すグラフである。 直径Ｄ３が３３３μｍである場合の半導体発光素子３００及び半導体発光素子３００Ａにおける第２主面１０ｂから取り出される深紫外光の出射角度と強度との関係を示すグラフである。 直径Ｄ３が５００μｍである場合の半導体発光素子３００及び半導体発光素子３００Ａにおける第２主面１０ｂから取り出される深紫外光の出射角度と強度との関係を示すグラフである。 直径Ｄ３が１０００μｍである場合の半導体発光素子３００及び半導体発光素子３００Ａにおける第２主面１０ｂから取り出される深紫外光の出射角度と強度との関係を示すグラフである。 直径Ｄ３が２０００μｍである場合の半導体発光素子３００及び半導体発光素子３００Ａにおける第２主面１０ｂから取り出される深紫外光の出射角度と強度との関係を示すグラフである。 半導体発光素子３００における直径Ｄ３とエンハンスメントとの関係を示すグラフである。 基板１０の構成材料がサファイアである場合の半導体発光素子３００における第２主面１０ｂから取り出される深紫外光の出射角度と強度との関係を示すグラフである。 基板１０の構成材料が窒化アルミニウムである場合の半導体発光素子３００における第２主面１０ｂから取り出される深紫外光の出射角度と強度との関係を示すグラフである。 半導体発光素子３００及び半導体発光素子３００Ａにおける電流と外部量子効率との関係を示すグラフである。 半導体発光素子３００及び半導体発光素子３００Ａにおける電流と光出力との関係を示すグラフである。 発光モジュール４００の断面図である。 変形例に係る発光モジュール４００の断面図である。

本開示の実施形態の詳細を、図面を参照しながら説明する。以下の図面では、同一又は相当する部分に同一の参照符号を付し、重複する説明は繰り返さないものとする。

（第１実施形態）
第１実施形態に係る半導体発光素子（半導体発光素子１００とする）を説明する。

＜半導体発光素子１００の構成＞
以下に、半導体発光素子１００の構成を説明する。

図１は、半導体発光素子１００の平面図である。図２は、図１とは反対側から見た半導体発光素子１００の平面図である。図２中では、パッド電極３３及びパッド電極３４の図示が省略されている。図３は、図１中のＩＩＩ－ＩＩＩにおける断面図である。図１から図３に示されるように、半導体発光素子１００は、基板１０と、半導体層２０と、ｎ電極３１と、ｐ電極３２と、パッド電極３３と、パッド電極３４とを有している。

基板１０は、第１主面１０ａと、第２主面１０ｂとを有している。第１主面１０ａ及び第２主面１０ｂは、基板１０の厚さ方向における端面である。第２主面１０ｂは、第１主面１０ａの反対面である。基板１０の厚さを、厚さＴとする。厚さＴは、例えば、３０μｍ以上である。厚さＴは、５０μｍ以上であることが好ましく、９０μｍ以上であることがさらに好ましい。厚さＴは、後述する凹凸構造１０ｃが形成されていない第２主面１０ｂの部分と第１主面１０ａとの間の距離である。

基板１０の構成材料は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の単結晶である。基板１０の構成材料は、好ましくは、昇華法（ＰＶＴ：Physical Vapor Transport）により製造された窒化アルミニウムの単結晶である。基板１０の構成材料は、サファイアの単結晶であってもよい。深紫外光に対する基板１０の吸収係数は、１ｃｍ^－１以上５０ｃｍ^－１以下であってもよい。深紫光とは、波長が１００ｎｍ以上３５０ｎｍ以下の光であり、より狭義には波長が２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の光である。

半導体層２０は、ｎ型半導体層２１と、活性層２２と、ｐ型半導体層２３とを有している。ｎ型半導体層２１は、第１主面１０ａ上に配置されている。活性層２２は、ｎ型半導体層２１上に配置されている。ｐ型半導体層２３は、活性層２２上に配置されている電子ブロック層２３ａと、電子ブロック層２３ａ上に配置されているクラッド層２３ｂと、クラッド層２３ｂ上に配置されているコンタクト層２３ｃとを有している。

ｎ型半導体層２１の構成材料は、例えばＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮである。ｎ型半導体層２１の構成材料には、ｎ型不純物がドープされている。ｎ型不純物は、例えば、珪素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、酸素（Ｏ）、炭素（Ｃ）等である。

活性層２２は、例えば、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造を有している。より具体的には、活性層２２は、交互に積層されている井戸層及び障壁層を有している。井戸層の構成材料は、例えばＡｌＩｎＧａＮである。障壁層の構成材料は、例えばＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮである。活性層２２からは、深紫外光が発生する。

電子ブロック層２３ａの構成材料は、例えばＡｌＧａＮ又はＡｌＮである。クラッド層２３ｂの構成材料は、例えばＡｌＧａＮである。コンタクト層２３ｃの構成材料は、例えばＧａＮである。ｐ型半導体層２３の構成材料には、ｐ型不純物がドープされている。ｐ型不純物は、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）等である。

半導体層２０は、メサ構造２４を有している。メサ構造２４の周囲では、ｎ型半導体層２１が露出するように活性層２２及びｐ型半導体層２３が除去されている。メサ構造２４は、平面視において第１方向ＤＲ１に沿って延在している複数の直線部２４ａを有している。複数の直線部２４ａは、第２方向ＤＲ２において間隔を空けて並んでいる。第２方向ＤＲ２は、平面視において第１方向ＤＲ１に直交している方向である。メサ構造２４は、例えば、平面視において櫛歯状になっている。直線部２４ａの第２方向ＤＲ２における幅を、幅Ｗ１とする。

第２主面１０ｂは、第１領域１０ｂａと、第２領域１０ｂｂとを有している。第１領域１０ｂａは、メサ構造２４と対向している。より具体的には、第１領域１０ｂａは、直線部２４ａと対向している部分を有している。平面視において、第１領域１０ｂａの第２方向ＤＲ２における中央は、直線部２４ａの領域と重なっていることが好ましい。平面視において、第１領域１０ｂａの第２方向ＤＲ２における中央と直線部２４ａの第２方向ＤＲ２における中央との間の距離は、幅Ｗ１の０．２倍以下であることが好ましく、幅Ｗ１の０．０５倍以下であることがさらに好ましい。平面視において、第１領域１０ｂａの第２方向ＤＲ２における中央は、直線部２４ａの第２方向ＤＲ２における中央と一致していることが最も好ましい。第１領域１０ｂａは、平坦面で構成されている。

直線部２４ａと対向している第１領域１０ｂａの第２方向ＤＲ２における幅を、幅Ｗ２とする。幅Ｗ２は、幅Ｗ１の０．１倍以上であることが好ましく、０．４倍以上１．８倍以下であることがさらに好ましい。幅Ｗ２の下限値は、幅Ｗ１の０．８倍又は１．０倍であることが好ましい。幅Ｗ２の上限値は、幅Ｗ１の１．５倍又は１．２５倍であることが好ましい。

第２領域１０ｂｂには凹凸構造１０ｃが形成されている。凹凸構造１０ｃは、例えば、円錐状、多角錐状、円錐台状、多角錐台状、円柱状若しくは多角柱状等の突起又は穴が並んでいる構造である。好ましくは、凹凸構造１０ｃに含まれている突起又は穴は、平面視において周期的に配列されている。より具体的には、凹凸構造１０ｃに含まれている突起又は穴は、平面視において格子状（正方格子状、千鳥格子状、正三角格子状等）に配列されていることが好ましい。凹凸構造１０ｃに含まれている突起又は穴は、平面視においてランダムに配列されていてもよい。凹凸構造１０ｃに含まれている突起又は穴のアスペクト比は、例えば０．６以上である。凹凸構造１０ｃに含まれている突起又は穴のアスペクト比の下限値は０．８、１．０又は１．５であってもよく、凹凸構造１０ｃに含まれている突起又は穴のアスペクト比の上限値は３、５又は１０であってもよい。凹凸構造１０ｃに含まれている突起又は穴のアスペクト比は、凹凸構造１０ｃの突起又は穴の高さを凹凸構造１０ｃの突起又は穴の底部における幅（例えば、凹凸構造１０ｃに含まれている突起が円錐状である場合、当該突起の底部における直径）で除した値である。凹凸構造１０ｃの周期は、例えば１０００ｎｍ以下である。凹凸構造１０ｃの周期は、凹凸構造１０ｃに含まれている隣り合う２つの突起又は穴の間の間隔である。

ｎ電極３１は、平面視においてメサ構造２４の間から露出しているｎ型半導体層２１上に配置されている。ｐ電極３２は、ｐ型半導体層２３（より具体的には、コンタクト層２３ｃ）上に配置されている。ｎ電極３１の構成材料及びｐ電極３２の構成材料は、例えば金属材料である。ｎ電極３１は、例えば、チタン（Ｔｉ）の層、アルミニウムの層及び金（Ａｕ）の層をｎ型半導体層２１側からこの順に積層することで構成されている。ｐ電極３２は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）の層及び金の層をｐ型半導体層２３側からこの順に積層することで構成されている。

パッド電極３３は、ｎ電極３１上に配置されている。パッド電極３３の構成材料は、例えば金属材料である。パッド電極３３は、チタンの層、ニッケルの層及び金の層をｎ電極３１側からのこの順に積層することで構成されている。パッド電極３４は、ｐ電極３２上に配置されている。パッド電極３４の構成材料は、例えば金属材料である。パッド電極３４は、チタンの層、ニッケルの層及び金の層をｐ電極３２側からのこの順に積層することで構成されている。

＜変形例＞
図４は、変形例に係る半導体発光素子１００の断面図である。図４に示されるように、半導体発光素子１００は、さらに、反射防止膜４０を有していてもよい。反射防止膜４０は、第１領域１０ｂａ上に配置されている。反射防止膜４０の構成材料は、例えば、二酸化珪素（ＳｉＯ２）又は酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）である。

＜半導体発光素子１００の製造方法＞
以下に、半導体発光素子１００の製造方法を説明する。

図５は、半導体発光素子１００の製造工程図である。図５に示されているように、半導体発光素子１００の製造方法は、準備工程Ｓ１と、半導体層形成工程Ｓ２と、メサ構造形成工程Ｓ３と、第１電極形成工程Ｓ４と、第２電極形成工程Ｓ５と、基板裏面加工工程Ｓ６と、マスク形成工程Ｓ７と、柱状構造体形成工程Ｓ８と、凹凸構造形成工程Ｓ９と、個片化工程Ｓ１０とを有している。

半導体発光素子１００の製造方法では、まず準備工程Ｓ１が行われる。図６は、準備工程Ｓ１を説明する断面図である。図６に示されるように、準備工程Ｓ１では、基板１０が準備される。準備工程Ｓ１で準備された基板１０は、第１主面１０ａ上に半導体層２０が形成されておらず、第２主面１０ｂに凹凸構造１０ｃが形成されていない。また、準備工程Ｓ１で準備された基板１０の厚さは、厚さＴよりも大きい。

半導体層形成工程Ｓ２は、準備工程Ｓ１の後に行われる。図７は、半導体層形成工程Ｓ２を説明する断面図である。図７に示されるように、半導体層形成工程Ｓ２では、半導体層２０が形成される。半導体層２０を構成している各層は、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法で形成される。なお、半導体層２０が形成された後、アニールが行われることにより、ｐ型半導体層２３が活性化される。

メサ構造形成工程Ｓ３は、半導体層形成工程Ｓ２の後に行われる。図８は、メサ構造形成工程Ｓ３を説明する断面図である。図８に示されているように、メサ構造形成工程Ｓ３では、半導体層２０にメサ構造２４が形成される。メサ構造形成工程Ｓ３では、第１に、半導体層２０上にマスクが形成される。マスクは、例えば、ニッケル等の金属材料で形成される。第２に、上記のマスクを用いて、異方性エッチングが行われる。これにより、メサ構造２４が形成される。第３に、上記のマスクが除去される。

第１電極形成工程Ｓ４は、メサ構造形成工程Ｓ３の後に行われる。図９は、第１電極形成工程Ｓ４を説明する断面図である。図９に示されているように、第１電極形成工程Ｓ４では、ｎ電極３１及びｐ電極３２が形成される。第１電極形成工程Ｓ４では、例えば真空蒸着法により、ｎ電極３１及びｐ電極３２が順次形成される。なお、ｎ電極３１が形成された後及びｐ電極３２が形成された後には、アニールが行われる。

第２電極形成工程Ｓ５は、第１電極形成工程Ｓ４の後に行われる。図１０は、第２電極形成工程Ｓ５を説明する断面図である。図１０に示されるように、第２電極形成工程Ｓ５では、パッド電極３３及びパッド電極３４が形成される。第２電極形成工程Ｓ５では、例えば真空蒸着法により、パッド電極３３及びパッド電極３４が形成される。

基板裏面加工工程Ｓ６は、第２電極形成工程Ｓ５の後に行われる。図１１は、基板裏面加工工程Ｓ６を説明する断面図である。図１１に示されるように、基板裏面加工工程Ｓ６では、第２主面１０ｂに対する機械加工（研削及び研磨）が行われる。これにより、基板１０の厚さが小さくなる。

マスク形成工程Ｓ７は、基板裏面加工工程Ｓ６の後に行われる。図１２Ａは、マスク形成工程Ｓ７を説明する第１断面図である。図１２Ａに示されるように、マスク形成工程Ｓ７では、第１に、第２主面１０ｂ上に、第１層５０、第２層５１及び第３層５２が順次形成される。すなわち、第１層５０が第２主面１０ｂ上に形成され、第１層５０上に第２層５１が形成され、第２層５１層上に第３層５２が形成される。

第１層５０の構成材料は、例えばレジストである。第１層５０は、例えば第１層５０の構成材料をスピンコート法で第２主面１０ｂ上に塗布するとともに塗布された第１層５０の構成材料をベークして硬化させることで形成される。第２層５１の構成材料は、例えば二酸化珪素等の無機材料を含んでいる。第２層５１は、例えば第２層５１の構成材料をスピンコート法で第１層５０上に塗布するとともに塗布された第２層５１の構成材料をベークして硬化させることで形成される。第２層５１は、スピンオングラス（ＳＯＧ：Spin On Glass）層であってもよい。

第３層５２の構成材料は、例えばレジストである。第３層５２は、例えば第３層５２の構成材料をスピンコート法で第２層５１上に塗布するとともに塗布された第３層５２の構成材料をベークして硬化させることで形成される。第１層５０の厚さは、例えば、第２層５１の厚さ及び第３層５２の厚さよりも大きい。第３層５２の厚さは、例えば、第２層５１の厚さよりも大きい。

図１２Ｂは、マスク形成工程Ｓ７を説明する第２断面図である。図１２Ｂに示されているように、マスク形成工程Ｓ７では、第２に、凹部５２ａが形成される。凹部５２ａは、例えば、第３層５２に、凹部５２ａと対応する位置に突起を有するモールドを押し当てることにより形成される。その際、モールドの突起の位置（凹部５２ａが形成される位置）は、第１主面１０ａ側にあるメサ構造２４に対して位置合わせが行われる。この位置合わせは、両面アラインメントが可能な装置を用いて、第２主面１０ｂ側からメサ構造２４の形状やアライメントマークを透視することにより行われる。この位置合わせは、基板１０のエッジを基準として行われてもよい。図１２Ｃは、マスク形成工程Ｓ７を説明する第３断面図である。図１２Ｃに示されているように、マスク形成工程Ｓ７では、第３に、例えば異方性エッチングが行われることにより、エッチング第２層５１に開口部５１ａが形成される。異方性エッチングにより、凹部５２ａの底部にある第３層５２の部分が除去されて凹部５２ａが開口部５２ｂになるとともに、開口部５２ｂから露出している第２層５１の部分が除去されて開口部５１ａとなる。

図１２Ｄは、マスク形成工程Ｓ７を説明する第４断面図である。図１２Ｄに示されているように、マスク形成工程Ｓ７では、第４に、例えば異方性エッチングが行われることにより、開口部５０ａが形成される。異方性エッチングが行われることにより、開口部５１ａから露出している第１層５０の部分が除去されて開口部５０ａとなる。また、異方性エッチングにより、第３層５２も除去される。以上により、開口部５０ａを有する第１層５０と開口部５１ａを有する第２層５１とからなるマスクが形成される。

柱状構造体形成工程Ｓ８は、マスク形成工程Ｓ７の後に行われる。図１３は、柱状構造体形成工程Ｓ８を示す断面図である。図１３に示されているように、柱状構造体形成工程Ｓ８では、柱状構造体６０が形成される。柱状構造体６０の構成材料は、例えばニッケル等の金属材料である。柱状構造体６０は、凹凸構造１０ｃに対応する形状になっている。

柱状構造体形成工程Ｓ８では、第１に、真空蒸着法により、開口部５０ａ及び開口部５１ａから露出している第２主面１０ｂ上に柱状構造体６０が形成される。この際、第２層５１上にも柱状構造体６０と同一材料で構成されている層が形成される。第２に、第１層５０が、第２層５１及び第２層５１上にある柱状構造体６０と同一材料で構成されている層とともに、第２主面１０ｂからリフトオフされる。リフトオフは、基板１０をアセトンやＮＭＰ（Ｎ－メチル－２－ピロリドン）等の有機溶剤中に浸漬するとともに基板１０に対して超音波を印加することにより行われる。

凹凸構造形成工程Ｓ９はマスク形成工程Ｓ７の後に行われる。凹凸構造形成工程Ｓ９では、柱状構造体６０をマスクとして、異方性エッチングが行われる。これにより、第２主面１０ｂに凹凸構造１０ｃの形状が転写されて、第２主面１０ｂに凹凸構造１０ｃが形成される。個片化工程Ｓ１０は、凹凸構造形成工程Ｓ９の後に行われる。個片化工程Ｓ１０では、ダイシング加工が行われることにより、複数の半導体発光素子１００へと個片化される。以上により、図１から図３に示される構造の半導体発光素子１００が製造される。

＜半導体発光素子１００の効果＞
以下に、半導体発光素子１００の効果を、比較例に係る半導体発光素子と対比しながら説明する。比較例１に係る半導体発光素子を、半導体発光素子１００Ａとする。比較例２に係る半導体発光素子を、半導体発光素子１００Ｂとする。

半導体発光素子１００Ａでは、第２主面１０ｂの全面が平坦面で構成されている。この点を除いて、半導体発光素子１００Ａの構成は、半導体発光素子１００の構成と共通している。なお、半導体発光素子１００Ａでは、第２主面１０ｂが平坦面で構成されているとともに第２主面１０ｂ上に反射防止膜４０が配置されている。半導体発光素子１００Ｂでは、第２主面１０ｂの全面に、凹凸構造１０ｃが形成されている。これらの点を除いて、半導体発光素子１００Ｂの構成は、半導体発光素子１００の構成と共通している。

図１４Ａは、半導体発光素子１００Ａ及び半導体発光素子１００Ｂにおける電流と光出力との関係を示すグラフである。図１４Ａに示されるように、半導体発光素子１００Ｂの光出力は、半導体発光素子１００Ａの光出力よりも大きくなっている。より具体的には、２００ｍＡの電流が流される際、半導体発光素子１００Ｂでは、光出力が、半導体発光素子１００Ａの１．１８倍になっている。図１５Ａは、半導体発光素子１００Ａ及び半導体発光素子１００Ｂにおける電流と外部量子効率との関係を示すグラフである。図１５Ａに示されるように、半導体発光素子１００Ｂの外部量子効率（ＥＱＥ：External Quantum Efficiency）は、半導体発光素子１００Ａの外部量子効率よりも高くなっている。より具体的には、２００ｍＡの電流が流される際、半導体発光素子１００Ｂでは、外部量子効率が、半導体発光素子１００Ａの１．１８倍になっている。

これらの比較から、半導体発光素子１００Ａではメサ構造２４と対向している第２主面１０ｂの部分からしか深紫外光を取り出すことができない一方で、半導体発光素子１００Ｂでは第２主面１０ｂに凹凸構造１０ｃが形成されることによりメサ構造２４と対向していない第２主面１０ｂの部分からも深紫外光を取り出すことができるため、半導体発光素子１００Ｂでは、半導体発光素子１００Ａと比較して、深紫外光の取り出し効率が改善される。

しかしながら、半導体発光素子１００Ｂでは、凹凸構造１０ｃが第１領域１０ｂａを含む第２主面１０ｂの全面に形成されている結果、第１領域１０ｂａから取り出される深紫外光の一部が第１領域１０ｂａにある凹凸構造１０ｃにより回折又は散乱されてしまい、第１領域１０ｂａにおける深紫外光の取り出し効率が低下するとの知見が、新たに明らかになった。

半導体発光素子１００では、この知見に基づいて、第１領域１０ｂａが平坦面で構成されている。すなわち、半導体発光素子１００では、第１領域１０ｂａに凹凸構造１０ｃが形成されていない。そのため、半導体発光素子１００では、第２領域１０ｂｂに凹凸構造１０ｃが形成されることでメサ構造２４と対向していない第２主面１０ｂの部分からの深紫外光の取り出しを可能にしつつ、第１領域１０ｂａを平坦面で構成することでメサ構造２４と対向している第２主面１０ｂの部分における深紫外光の回折・散乱を抑制することにより、光紫外光の取り出し効率が高められている。

図１４Ｂは、半導体発光素子１００及び半導体発光素子１００Ａにおける電流と光出力との関係を示すグラフである。図１５Ｂは、半導体発光素子１００及び半導体発光素子１００Ｂにおける電流と外部量子効率との関係を示すグラフである。図１４Ｂ及び図１５Ｂに示されるように、半導体発光素子１００では、半導体発光素子１００Ｂと比較して、深紫外光の取り出し効率（光出力、外部量子効率）が改善されている。より具体的には、２００ｍＡの電流が流された際に、半導体発光素子１００では、光出力及び外部量子効率が半導体発光素子１００Ａの１．４２倍になっている。このことからも、半導体発光素子１００によると深紫外光の取り出し効率が高められることが裏付けられる。

なお、図１４Ａ、図１４Ｂ、図１５Ａ及び図１５Ｂでは、幅Ｗ１が９０μｍとされ、半導体発光素子のチップサイズが１ｍｍ×１ｍｍとされ、平面視におけるメサ構造２４の面積が０．３０ｍｍ^２とされている。また、図１４Ｂ及び図１５Ｂでは、半導体発光素子１００において、幅Ｗ２が１１０μｍとされ、第１領域１０ｂａ上に反射防止膜４０が配置されている。図１４Ｃは、半導体発光素子１００及び半導体発光素子１００Ｂの例示的な断面ＳＥＭ画像である。図１４Ｂ及び図１４Ｃでは、図１４Ｃに示されるように、半導体発光素子１００及び半導体発光素子１００Ｂにおいて、凹凸構造１０ｃにアスペクト比が１．０となる円錐状の突起が含まれ、凹凸構造１０ｃの周期が６００ｎｍとされており、凹凸構造１０ｃに含まれている突起が平面視において三角格子状に配列されている。

図１６は、半導体発光素子１００における幅Ｗ２とエンハンスメントとの関係を示すグラフである。なお、図１６では、半導体発光素子１００において、幅Ｗ１が９０μｍとされ、第１領域１０ｂａ上に反射防止膜４０が配置され、厚さＴが１００μｍとされ、基板１０の吸収係数が２８ｃｍ^－１又は１９ｃｍ^－１とされている。図１６において、半導体発光素子１００のエンハンスメントは、半導体発光素子１００Ａを基準とした光出力の向上率、すなわち光取り出し効率の向上率である。図１６に示されるように、幅Ｗ２が４０μｍ以上１６０μｍ以下である場合（すなわち、幅Ｗ２が幅Ｗ１の０．４倍以上１．８倍以下である場合）に、深紫外光の取り出し効率の向上率（エンハンスメント）が特に改善されている。

また、半導体発光素子１００では、幅Ｗ２が６０μｍ以上１４０μｍ以下（幅Ｗ２が幅Ｗ１の０．８倍以上１．５倍以下）である場合に深紫外光の取り出し効率がさらに改善され、幅Ｗ２が９０μｍ以上１１０μｍ以下（幅Ｗ２が幅Ｗ１の１．０倍以上１．２５倍以下）である場合に深紫外光の取り出し効率がより一層改善されることが分かる。

図１７は、半導体発光素子１００Ｂにおける厚さＴとエンハンスメントとの関係を示すグラフである。図１７に示されるように、ＰＶＴ法で形成された窒化アルミニウムの基板のように吸収係数が大きい基板１０を用いる際、半導体発光素子１００Ｂでは、厚さＴが小さければ深紫外光の取り出し効率を高めることができるが、厚さＴが大きくなると（例えば１００μｍ）深紫外光の取り出し効率が低くなる。他方で、半導体発光素子１００では、吸収係数の大きい基板１０を用い、かつ厚さＴが大きくなっても（例えば、１００μｍ）、高い深紫外光の取り出し効率を維持することができる（図１６参照）。なお、厚さＴが大きい基板１０を用いることが可能であることは、製造時における基板１０のハンドリング性が高まることを意味する。

（第２実施形態）
第２実施形態に係る半導体発光素子（半導体発光素子２００とする）を説明する。ここでは、半導体発光素子１００と異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さないものとする。

＜半導体発光素子２００の構成＞
以下に、半導体発光素子２００の構成を説明する。

図１８は、半導体発光素子２００の平面図である。図１９は、図１８とは反対側から見た半導体発光素子２００の平面図である。図１９中では、パッド電極３３及びパッド電極３４の図示が省略されている。図２０は、図１８中のＸＸ－ＸＸにおける断面図である。図１８から図２０に示されているように、半導体発光素子２００は、基板１０と、半導体層２０と、ｎ電極３１と、ｐ電極３２と、パッド電極３３と、パッド電極３４とを有している。この点に関して、半導体発光素子２００の構成は、半導体発光素子１００の構成と共通している。

半導体発光素子２００では、平面視において、メサ構造２４が円形になっているとともに第１領域１０ｂａが円形になっている。平面視において、第１領域１０ｂａの中心は、メサ構造２４の領域と重なっていることが好ましい。平面視におけるメサ構造２４の直径を、直径Ｄ１とする。平面視において、第１領域１０ｂａの中心は、メサ構造２４の中心と第１領域１０ｂａとの間の距離は、直径Ｄ１の０．２倍以下であることが好ましく、直径Ｄ１の０．０５倍以下であることがさらに好ましい。平面視において、メサ構造２４の中心は、第１領域１０ｂａの中心と一致していることが最も好ましい。平面視における第１領域１０ｂａの直径を、直径Ｄ２とする。直径Ｄ２は、直径Ｄ１の０．１倍以上であることが好ましく、直径Ｄ１の０．５倍以上３．０倍以下であることが好ましい。直径Ｄ２の下限は、好ましくは直径Ｄ１の０．９倍又は１．０倍である。直径Ｄ２の上限は、好ましくは直径Ｄ１の２．５倍、１．５倍又は１．２５倍である。これらの点に関して、半導体発光素子２００の構成は、半導体発光素子１００の構成と異なっている。

＜変形例＞
図２１は、変形例１に係る半導体発光素子２００の断面図である。図２１に示されるように、半導体発光素子２００は、第１領域１０ｂａ上に配置されている反射防止膜４０をさらに有していてもよい。図２２は、変形例２に係る半導体発光素子２００の平面図である。図２３は、図２２とは反対側から見た変形例２に係る半導体発光素子２００の平面図である。図２２及び図２３に示されるように、半導体発光素子２００では、メサ構造２４の数及び第１領域１０ｂａの数が、複数であってもよい。

＜半導体発光素子２００の効果＞
以下に、半導体発光素子２００の効果を、比較例３に係る半導体発光素子、比較例４に係る半導体発光素子及び比較例５に係る半導体発光素子と対比しながら説明する。比較例３に係る半導体発光素子を半導体発光素子２００Ａとし、比較例４に係る半導体発光素子を半導体発光素子２００Ｂとし、比較例５に係る半導体発光素子を半導体発光素子２００Ｃとする。

半導体発光素子２００Ａ及び半導体発光素子２００Ｃでは、第２主面１０ｂが全面にわたって平坦面で構成されている。この点を除いて、半導体発光素子２００Ａの構成及び半導体発光素子２００Ｃの構成は、半導体発光素子２００の構成と共通している。なお、半導体発光素子２００Ｃでは、第２主面１０ｂ上に、反射防止膜４０が配置されている。半導体発光素子２００Ｂでは、第２主面１０ｂの全面に凹凸構造１０ｃが形成されている。この点を除いて、半導体発光素子２００Ｂの構成は、半導体発光素子２００の構成と共通している。

図２４Ａは、半導体発光素子２００Ａ及び半導体発光素子２００Ｂにおける電流と光出力との関係を示すグラフである。図２４Ａに示されているように、半導体発光素子２００Ｂの光出力は、半導体発光素子２００Ａの光出力よりも大きくなっている。より具体的には、８ｍＡの電流が流される際、半導体発光素子２００Ｂでは、光出力が、半導体発光素子２００Ａの１．３３倍になっている。図２４Ｂは、半導体発光素子２００Ａ及び半導体発光素子２００Ｃにおける電流と光出力との関係を示すグラフである。図２４Ｂに示されているように、半導体発光素子２００Ｃの光出力は、半導体発光素子２００Ａの光出力よりも高くなっている。より具体的には、８ｍＡの電流が流される際、半導体発光素子２００Ｃでは、光出力が、半導体発光素子２００Ａの１．２７倍になっている。

図２５Ａは、半導体発光素子２００Ａ及び半導体発光素子２００Ｂにおける電流と外部量子効率との関係を示すグラフである。図２５Ａに示されているように、半導体発光素子２００Ｂの外部量子効率は、半導体発光素子２００Ａの外部量子効率よりも大きくなっている。より具体的には、８ｍＡの電流が流される際、半導体発光素子２００Ｂでは、外部量子効率が、半導体発光素子２００Ａの１．３３倍になっている。図２５Ｂは、半導体発光素子２００Ａ及び半導体発光素子２００Ｃにおける電流と外部量子効率との関係を示すグラフである。図２５Ｂに示されているように、半導体発光素子２００Ｃの外部量子効率は、半導体発光素子２００Ａの外部量子効率よりも高くなっている。より具体的には、８ｍＡの電流が流される際、半導体発光素子２００Ｃでは、外部量子効率が、半導体発光素子２００Ａの１．２７倍になっている。

これらの比較から、半導体発光素子２００Ａ及び半導体発光素子２００Ｃではメサ構造２４と対向している第２主面１０ｂの部分からしか深紫外光を取り出すことができない一方で、半導体発光素子２００Ｂでは第２主面１０ｂに凹凸構造１０ｃが形成されることによりメサ構造２４と対向していない第２主面１０ｂの部分からも深紫外光を取り出すことができるため、半導体発光素子２００Ｂでは、半導体発光素子２００Ａ及び半導体発光素子２００Ｃと比較して、深紫外光の取り出し効率が改善される。

しかしながら、半導体発光素子２００Ｂでは、凹凸構造１０ｃが第１領域１０ｂａを含む第２主面１０ｂの全面に形成されている結果、第１領域１０ｂａから取り出される深紫外光の一部が第１領域１０ｂａにある凹凸構造１０ｃにより回折又は散乱されてしまう。半導体発光素子２００では、第２領域１０ｂｂに凹凸構造１０ｃが形成されることでメサ構造２４と対向していない第２主面１０ｂの部分からの深紫外光の取り出しを可能にしつつ、第１領域１０ｂａを平坦面で構成することでメサ構造２４と対向している第２主面１０ｂの部分における深紫外光の回折・散乱を抑制することにより、光紫外光の取り出し効率が高められている。

図２４Ｃは、半導体発光素子２００及び半導体発光素子２００Ａにおける電流と光出力との関係を示すグラフである。図２５Ｃは、半導体発光素子２００及び半導体発光素子２００Ｂにおける電流と外部量子効率との関係を示すグラフである。図２４Ｃ及び図２５Ｃに示されるように、半導体発光素子２００では、半導体発光素子２００Ｂと比較して、深紫外光の取り出し効率（光出力、外部量子効率）が改善されている。より具体的には、８ｍＡの電流が流された際に、半導体発光素子１００では、光出力及び外部量子効率が半導体発光素子２００Ａの１．７８倍になっている。この比較から、半導体発光素子２００によると深紫外光の取り出し効率が高められることが裏付けられる。

なお、図２４Ａ、図２４Ｂ、図２４Ｃ、図２５Ａ、図２５Ｂ及び図２５Ｃでは、直径Ｄ１が１００μｍとされている。また、図２４Ｃ及び図２５Ｃでは、半導体発光素子２００において、直径Ｄ２が１２０μｍとされ、第１領域１０ｂａ上に反射防止膜４０が配置されている。図２４Ａ、図２４Ｃ，図２５Ａ及び図２５Ｂでは、半導体発光素子２００及び半導体発光素子２００Ｂにおいて、凹凸構造１０ｃにアスペクト比が１．０の円錐状の突起が含まれ、凹凸構造１０ｃの周期が６００ｎｍとされており、凹凸構造１０ｃに含まれている突起が平面視において三角格子状に配列されている。

図２６Ａは、半導体発光素子２００ＢにおけるＮＦＰ（Near Field Pattern）解析の結果である。図２６Ｂは、直径Ｄ２が５０μｍとされた場合の半導体発光素子２００におけるＮＦＰ解析である。図２６Ｃは、直径Ｄ２が８０μｍとされた場合の半導体発光素子２００のＮＦＰ解析の結果である。図２６Ｄは、直径Ｄ２が１００μｍとされた場合の半導体発光素子２００のＮＦＰ解析の結果である。図２６Ｅは、直径Ｄ２が１２０μｍとされた場合の半導体発光素子２００のＮＦＰ解析の結果である。図２６Ｆは、直径Ｄ２が１５０μｍとされた場合の半導体発光素子２００のＮＦＰ解析の結果である。図２６Ｇは、直径Ｄ２が３００μｍとされた場合の半導体発光素子２００のＮＦＰ解析の結果である。図２６Ｈは、半導体発光素子２００ＣのＮＦＰ解析の結果である。なお、図２６Ａから図２６Ｇでは、直径Ｄ１が１００μｍとされている。

図２６Ｈに示されるように、半導体発光素子２００Ｃでは、メサ構造２４と対向している第２主面１０ｂの部分のみからしか深紫外光が取り出されていない（図２６Ｈ中の中央部にある黒色の領域参照）。図２６Ａに示されるように、半導体発光素子２００Ｂでは、メサ構造２４と対向していない第２主面１０ｂの部分からも深紫外光を取り出すことができているが、メサ構造２４と対向している第２主面１０ｂの部分から取り出される深紫外光の強度が弱い（図２６Ａ中では、図２６Ｈ中と異なり、中央部に黒色の領域がない）。なお、図２６Ａから図２６Ｈでは、中央部以外にも黒色の領域があるが、中央部以外の黒色の領域においては、深紫外光の強度が最も弱くなっている。

他方で、図２６Ｂから図２６Ｇに示されるように、半導体発光素子２００では、メサ構造２４と対向していない第２主面１０ｂの部分から深紫外光を取り出すことができているとともに、メサ構造２４と対向している第２主面１０ｂの部分から取り出される深紫外光の強度が強い。これらの比較からも、メサ構造２４と対向していない第２主面１０ｂの部分からの深紫外光の取り出しを可能にしつつ、メサ構造２４と対向している第２主面１０ｂの部分における深紫外光の回折・散乱を抑制可能であることが裏付けられている。

図２７は、半導体発光素子２００における直径Ｄ２とエンハンスメントとの関係を示すグラフである。なお、図２７では、半導体発光素子２００において、幅Ｗ１が１００μｍとされ、第１領域１０ｂａ上に反射防止膜４０が配置され、厚さＴが１００μｍとされ、基板１０の吸収係数が２８ｃｍ^－１又は１９ｃｍ^－１とされている。図２７において、半導体発光素子２００のエンハンスメントは、半導体発光素子２００Ａを基準とした光出力の向上率、すなわち光取り出し効率の向上率である。図２７に示されているように、直径Ｄ２が５０μｍ以上３００μｍ以下である場合（すなわち、直径Ｄ２が直径Ｄ１の０．５倍以上３．０倍以下である場合）に、深紫外光の取り出し効率（エンハンスメント）が特に改善されている。

また、半導体発光素子２００では、直径Ｄ２が８０μｍ以上１５０μｍ以下（幅Ｗ２が幅Ｗ１の０．８倍以上１．５倍以下）である場合に深紫外光の取り出し効率がさらに改善されており、直径Ｄ２が１００μｍ以上１２５μｍ以下（直径Ｄ２が直径Ｄ１の１．０倍以上１．２５倍以下）である場合に深紫外光の取り出し効率がより一層改善されていることが分かる。

図２８Ａは、メサ構造２４の数が複数である場合の半導体発光素子２００Ａ及び半導体発光素子２００Ｂにおける電流と光出力との関係を示すグラフである。図２８Ａに示されているように、メサ構造２４の数が複数である場合に、半導体発光素子２００Ｂの光出力は、半導体発光素子２００Ａの光出力よりも大きくなっている。より具体的には、１００ｍＡの電流が流される際、半導体発光素子２００Ｂでは、光出力が、半導体発光素子２００Ａの１．２９倍になっている。図２８Ｂは、メサ構造２４の数が複数である場合の半導体発光素子２００Ａ及び半導体発光素子２００Ｃにおける電流と光出力との関係を示すグラフである。図２８Ｂに示されているように、メサ構造２４の数が複数である場合に、半導体発光素子２００Ｃの光出力は、半導体発光素子２００Ａの光出力よりも高くなっている。より具体的には、１００ｍＡの電流が流される際、半導体発光素子２００Ｃでは、光出力が、半導体発光素子２００Ａの１．１８倍になっている。

図２９Ａは、メサ構造２４の数が複数である場合の半導体発光素子２００Ａ及び半導体発光素子２００Ｂにおける電流と外部量子効率との関係を示すグラフである。図２９Ａに示されているように、メサ構造２４の数が複数である場合に、半導体発光素子２００Ｂの外部量子効率は、半導体発光素子２００Ａの外部量子効率よりも大きくなっている。より具体的には、１００ｍＡの電流が流される際、半導体発光素子２００Ｂでは、外部量子効率が、半導体発光素子２００Ａの１．２９倍になっている。図２９Ｂは、メサ構造２４の数が複数である場合の半導体発光素子２００Ａ及び半導体発光素子２００Ｃにおける電流と外部量子効率との関係を示すグラフである。図２９Ｂに示されているように、メサ構造２４の数が複数である場合に、半導体発光素子２００Ｃの外部量子効率は、半導体発光素子２００Ａの外部量子効率よりも高くなっている。より具体的には、１００ｍＡの電流が流される際、半導体発光素子２００Ｃでは、外部量子効率が、半導体発光素子２００Ａの１．１８倍になっている。

図２８Ｃは、メサ構造２４の数が複数である場合の半導体発光素子２００及び半導体発光素子２００Ａにおける電流と光出力との関係を示すグラフである。図２９Ｃは、メサ構造２４の数が複数である場合の半導体発光素子２００及び半導体発光素子２００Ｂにおける電流と外部量子効率との関係を示すグラフである。図２８Ｃ及び図２９Ｃに示されるように、半導体発光素子２００では、メサ構造２４の数が複数である場合に、半導体発光素子２００Ｂと比較して、深紫外光の取り出し効率（光出力、外部量子効率）が改善されている。より具体的には、１００ｍＡの電流が流された際に、半導体発光素子１００では、光出力及び外部量子効率が半導体発光素子２００Ａの１．６８倍になっている。この比較から、半導体発光素子２００によると、メサ構造２４の数及び第１領域１０ｂａの数が複数である場合にも深紫外光の取り出し効率が高められることが裏付けられる。

なお、図２８Ａ、図２８Ｂ、図２８Ｃ、図２９Ａ、図２９Ｂ及び図２９Ｃでは、直径Ｄ１が１００μｍとされ、半導体発光素子のチップサイズが２ｍｍ×２ｍｍとされ、隣り合う２つのメサ構造２４の間のピッチが１７５μｍとされ、基板１０として厚さＴが１００μｍ、吸収係数が１１ｃｍ^－１の窒化アルミニウムの単結晶基板が用いられ、平面視におけるメサ構造２４の面積の合計が０．７７８ｍｍ^２とされている。また、図２８Ｃ及び図２９Ｃでは、半導体発光素子２００において、直径Ｄ２が１２０μｍとされ、第１領域１０ｂａ上に反射防止膜４０が配置されている。

（第３実施形態）
第３実施形態に係る半導体発光素子（半導体発光素子３００とする）を説明する。ここでは、半導体発光素子２００と異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さないものとする。

図３０は、半導体発光素子３００の平面図である。図３１は、図３０とは反対側から見た半導体発光素子３００の平面図である。図３１中では、パッド電極３３及びパッド電極３４の図示が省略されている。図３２は、図３０中のＸＸＸＩＩ－ＸＸＸＩＩにおける断面図である。図３０から図３２に示されているように、半導体発光素子３００は、基板１０と、半導体層２０と、ｎ電極３１と、ｐ電極３２と、パッド電極３３と、パッド電極３４とを有している。この点に関して、半導体発光素子３００の構成は、半導体発光素子２００の構成と共通している。

半導体発光素子３００では、凹凸構造１０ｃとして、第２主面１０ｂに複数の円環突起部１０ｄが形成されている。複数の円環突起部１０ｄは、間隔を空けて同心状に配置されている。複数の円環突起部１０ｄは、フレネルゾーンプレート構造１１を構成していることが好ましい。内側からｋ（ｋは自然数）番目にある円環突起部１０ｄの側壁面の平面視における半径を半径ｒ_ｋとする。例えば、内側から３番目にある円環突起部１０ｄの内周側の側壁面の半径がｒ_５であり、内側から３番目にある円環突起部１０ｄの外周側の側壁面の半径がｒ_６となる。

フレネルゾーンプレート構造１１では、ｒ_ｋ＝（ｋλｆ＋ｋ^２λ^２／４）^１／２との関係が満たされている。ここで、λは活性層２２から発生する深紫外光の波長であり、ｆは焦点距離である。ｆは、厚さＴと等しいことが好ましい。

平面視において、フレネルゾーンプレート構造１１の中心（円環突起部１０ｄの中心）とメサ構造２４の中心との間の距離が直径Ｄ１の０．０５倍以下であることが好ましい。平面視において、フレネルゾーンプレート構造１１の中心は、メサ構造２４の中心と一致していることがさらに好ましい。円環突起部１０ｄの高さを、高さＨとする。高さＨは、ｎ_ａｉｒλ／２（ｎ_ｓｕｂ－ｎ_ａｉｒ）との関係を満たしていることが好ましい。ｎ_ａｉｒは空気中における深紫外光の屈折率であり、ｎ_ｓｕｂは基板中における深紫外光の屈折率である。なお、ｎ_ａｉｒは、１である。また、基板１０の構成材料が窒化アルミニウムである場合のｎ_ｓｕｂは２．２９であり、基板１０の構成材料がサファイアである場合のｎ_ｓｕｂは１．８３である。そのため、λが２６５ｎｍであり、かつ基板１０の構成材料が窒化アルミニウムである場合、高さＨは１０３ｎｍであることが最も好ましい。

円環突起部１０ｄは、円環突起部１０ｄの延在方向に直交する断面視において、台形状であることが好ましい。円環突起部１０ｄは、円環突起部１０ｄの延在方向に直交する断面視において、矩形状、三角形状又は矩形や台形が重なった形状であってもよい。円環突起部１０ｄの延在方向に直交する断面視において、円環突起部１０ｄの側面と円環突起部１０ｄが形成されていない第２主面１０ｂの部分とがなす角度（テーパ角）は、好ましくは５０°以上であり、さらに好ましくは６５°以上であり、特に好ましくは８０°以上である。フレネルゾーンプレート構造１１の直径を、直径Ｄ３とする。直径Ｄ３は、好ましくは、直径Ｄ１の３倍以上、５倍以上、１０倍以上又は２０倍以上である。これらの点に関して、半導体発光素子３００の構成は、半導体発光素子２００の構成と異なっている。なお、図示されていないが、半導体発光素子３００でも、第１領域１０ｂａ上に反射防止膜４０が配置されていてもよい。

＜変形例＞
図３３は、変形例に係る半導体発光素子３００の平面図である。図３４は、図３３とは反対側から見た変形例に係る半導体発光素子３００の平面図である。図３３及び図３４に示されるように、半導体発光素子３００では、メサ構造２４の数、第１領域１０ｂａの数及びフレネルゾーンプレート構造１１の数が、複数であってもよい。

＜半導体発光素子３００の効果＞
以下に、半導体発光素子３００の効果を、比較例６に係る半導体発光素子に係る半導体発光素子と対比しながら説明する。比較例６に係る半導体発光素子を、半導体発光素子３００Ａとする。半導体発光素子３００Ａの構成は、第２主面１０ｂが平坦面で構成されている（第２主面１０ｂにフレネルゾーンプレート構造１１が形成されていない）点を除いて、半導体発光素子３００の構成と共通している。

図３５Ａは、直径Ｄ３が２１０μｍである場合の半導体発光素子３００及び半導体発光素子３００Ａにおける第２主面１０ｂから取り出される深紫外光の出射角度と強度との関係を示すグラフである。図３５Ｂは、直径Ｄ３が２５０μｍである場合の半導体発光素子３００及び半導体発光素子３００Ａにおける第２主面１０ｂから取り出される深紫外光の出射角度と強度との関係を示すグラフである。図３５Ｃは、直径Ｄ３が３３３μｍである場合の半導体発光素子３００及び半導体発光素子３００Ａにおける第２主面１０ｂから取り出される深紫外光の出射角度と強度との関係を示すグラフである。

図３５Ｄは、直径Ｄ３が５００μｍである場合の半導体発光素子３００及び半導体発光素子３００Ａにおける第２主面１０ｂから取り出される深紫外光の出射角度と強度との関係を示すグラフである。図３５Ｅは、直径Ｄ３が１０００μｍである場合の半導体発光素子３００及び半導体発光素子３００Ａにおける第２主面１０ｂから取り出される深紫外光の出射角度と強度との関係を示すグラフである。図３５Ｆは、直径Ｄ３が２０００μｍである場合の半導体発光素子３００及び半導体発光素子３００Ａにおける第２主面１０ｂから取り出される深紫外光の出射角度と強度との関係を示すグラフである。なお、図３５Ａから図３５Ｆでは、半導体発光素子３００において、直径Ｄ１が１００μｍとされ、基板１０として厚さＴが１００μｍの窒化アルミニウムの単結晶基板が用いられ、λが２６５ｎｍとされ、高さＨが１０３ｎｍとされ、テーパ角が８２°とされ、フレネルゾーンプレート構造１１の最内周の第１領域１０ｂａの直径が１０．３μｍ（直径Ｄ１の０．１倍）とされた。

図３５Ａから図３５Ｆに示されるように、半導体発光素子３００では、第２主面１０ｂから取り出される深紫外光の出射角度が０°からずれていくに伴って、深紫外光の強度が急峻に低下する。直径Ｄ３が５００μｍ以上（直径Ｄ３が直径Ｄ１の５倍以上）である場合、第２主面１０ｂから取り出される深紫外光の出射角度が０°からずれていくに伴い、深紫外光の強度が特に急峻に低下する。他方で、半導体発光素子３００Ａでは、第２主面１０ｂから取り出される深紫外光の出射角度が０°からずれていくに伴って深紫外光の強度が急峻に低下しない。このように、半導体発光素子３００によると、複数の円環突起部１０ｄにより構成されているフレネルゾーンプレート構造１１がコリメートレンズとして機能し、第２主面１０ｂから取り出される深紫外光の指向性を高めることが可能になる。すなわち、半導体発光素子３００によると、光学レンズを使用することなく（オプティクスフリーで）制第２主面１０ｂから取り出される深紫外光の配光特性を御することができる。

図３６は、半導体発光素子３００における直径Ｄ３とエンハンスメントとの関係を示すグラフである。図３６では、直径Ｄ１が１００μｍとされ、電流が５ｍＡとされ、基板１０として厚さＴが１００μｍの窒化アルミニウムの単結晶基板が用いられている。図３６に示されるように、半導体発光素子３００では、直径Ｄ３が大きくなるにつれて、深紫外光の取り出し効率（エンハンスメント）が上昇する。より具体的には、直径Ｄ３が５００μｍ（直径Ｄ３が直径Ｄ１の５倍）以上となると、深紫外光の取り出し効率が特に改善されることになる。

図３７Ａは、基板１０の構成材料がサファイアである場合の半導体発光素子３００における第２主面１０ｂから取り出される深紫外光の出射角度と強度との関係を示すグラフである。図３７Ｂは、基板１０の構成材料が窒化アルミニウムである場合の半導体発光素子３００における第２主面１０ｂから取り出される深紫外光の出射角度と強度との関係を示すグラフである。図３７Ａでは、厚さＴが３３０μｍとされ、直径Ｄ３が２５００μｍとされている。図３７Ｂでは、厚さＴが３９２μｍとされ、直径Ｄ３が２５００μｍとされている。

基板１０の構成材料がサファイアである場合、基板１０の構成材料が窒化アルミニウムと比較して、半導体層２０と基板１０との間の屈折率差が大きくなる。そのため、図３７Ａ及び図３７Ｂに示されるように、基板１０の構成材料がサファイアである場合、基板１０の構成材料が窒化アルミニウムである場合と比較して、基板１０と半導体層２０との間における散乱・回折に起因したゴーストピーク（エアリーディスク）強度が強く発生し、第２主面１０ｂから取り出される深紫外光の指向性が低下することが新たに分かった。そのため、半導体発光素子３００では、この知見に基づき基板１０の構成材料を窒化アルミニウムとすることにより、第２主面１０ｂから取り出される深紫外光の指向性をさらに高めることが可能である。

図３８Ａは、半導体発光素子３００及び半導体発光素子３００Ａにおける電流と外部量子効率との関係を示すグラフである。図３８Ｂは、半導体発光素子３００及び半導体発光素子３００Ａにおける電流と光出力との関係を示すグラフである。図３８Ａ及び図３８Ｂでは、直径Ｄ１が１００μｍとされ、厚さＴが１００μｍとされ、隣り合う２つのメサ構造２４の間のピッチが２１０μｍとされ、λが２６７ｎｍとされ、半導体発光素子のチップサイズが２ｍｍ×２ｍｍとされている。

図３８Ａ及び図３８Ｂに示されているように、メサ構造２４の数が複数である場合、半導体発光素子３００では、半導体発光素子３００Ａと比較して、第２主面１０ｂからの深紫外光の取り出し効率（外部量子効率、光出力）が高められている。より具体的には、半導体発光素子３００では、２０ｍＡの電流が流れる際の外部量子効率が半導体発光素子３００Ａの１．５３倍となり、２０ｍＡの電流が流れる際の外部量子効率が半導体発光素子３００Ａの１．５３倍となる。また、半導体発光素子３００では、１００ｍＡの電流が流れる際の光出力が、半導体発光素子３００Ａの１．４７倍となる。このように、半導体発光素子３００では、複数のメサ構造２４、複数の第１領域１０ｂａ及び複数のフレネルゾーンプレート構造１１を有することにより、第２主面１０ｂからの深紫外光の取り出し効率を高めることが可能である。

（第４実施形態）
第４実施形態に係る発光モジュール（発光モジュール４００）を説明する。

＜発光モジュール４００の構成＞
以下に、発光モジュール４００の構成を説明する。

図３９は、発光モジュール４００の断面図である。図３９に示されているように、発光モジュール４００は、基台７０と、サブマウント７１と、絶縁層７２と、配線７３及び配線７４と、接続パッド７５及び接続パッド７６と、ボンディングワイヤ７７及びボンディングワイヤ７８と、接続材７９及び接続材８０と、透明部材８１と、液体８２とを有している。

基台７０の構成材料は、例えば金属材料、樹脂材料、セラミック材料等である。基台７０の構成材料は、熱伝導率が高いことが好ましい。この場合、基台７０がヒートシンクとして機能する。サブマウント７１は、基台７０上に配置されている。サブマウント７１の構成材料は、例えば窒化アルミニウム、珪素、炭化珪素（ＳｉＣ）、ダイヤモンド等の熱伝導率が高い材料であることが好ましい。

絶縁層７２は、サブマウント７１の外周を取り囲むように、基台７０上に配置されている。配線７３及び配線７４は、例えば、絶縁層７２に埋め込まれている。配線７３は、一方端においてパッド７３ａを有しており、他方端において外部から給電されている。配線７４は、一方端においてパッド７４ａを有しており、他方端において外部から給電されている。パッド７３ａ及びパッド７４ａは、絶縁層７２から露出している。

接続パッド７５及び接続パッド７６は、サブマウント７１上に配置されている。ボンディングワイヤ７７は、一方端においてパッド７３ａに接続されており、他方端において接続パッド７５に接続されている。ボンディングワイヤ７８は、一方端においてパッド７４ａに接続されており、他方端において接続パッド７６に接続されている。接続パッド７５は、接続材７９により、パッド電極３３に接続されている。接続パッド７６は、接続材８０により、パッド電極３４に接続されている。接続材７９及び接続材８０の構成材料は、例えば金－スズ合金である。このように、パッド電極３３は接続材７９及びボンディングワイヤ７７を介して配線７３に電気的に接続されており、パッド電極３４は接続材８０及びボンディングワイヤ７８を介して配線７４に電気的に接続されているため、配線７３の他方端と配線７４の他方端との間に印加される電流に基づいて、活性層２２から深紫外光が発生することになる。

透明部材８１は、例えば、一方端から他方端に向かって径が大きくなっており、他方端において開口している半球状である。透明部材８１の他方端は、例えば接着剤により絶縁層７２上に接続されている。透明部材８１は、活性層２２から発生する深紫外光に対して透明である。透明部材８１は、活性層２２から発生する深紫外光に対して、例えば６０パーセント以上の透過率を有している。透明部材８１の構成材料は、例えば、無機材料又は樹脂材料である。無機材料の具体例として、合成石英、石英ガラス、無アルカリガラス、サファイア、蛍石（ＣａＦ）等が挙げられる。樹脂材料の具体例として、芳香族環を有しないシリコーン樹脂、非晶質のフッ素含有樹脂、ポリイミド、エポキシ樹脂等が挙げられる。樹脂材料は、無機材料を含有していてもよい。

透明部材８１の内部には、半導体発光素子１００が配置されている。なお、図示されていないが、半導体発光素子１００に代えて、半導体発光素子２００又は半導体発光素子３００が用いられてもよい。透明部材８１の内部には、液体８２が充填されている。そのため、半導体発光素子１００は、液体８２により封止されている。液体８２は、活性層２２から発生する深紫外光に対して透明である。液体８２は、活性層２２から発生する深紫外光に対して、例えば６０パーセント以上の透過率を有している。液体８２は、例えば、純水、液体有機化合物、塩溶液、粒子分散溶液等である。

＜変形例＞
図４０は、変形例に係る発光モジュール４００の断面図である。図４０に示されるように、発光モジュール４００には、貫通穴８３及び貫通穴８４が形成されていてもよい。貫通穴８３及び貫通穴８４は、基台７０及び絶縁層７２を貫通している。発光モジュール４００は、さらに、配管８５及び配管８６と、ポンプ８７とを有していてもよい。配管８５は、一方端において、貫通穴８３に接続されている。配管８６は、一方端において、貫通穴８４に接続されている。配管８５の他方端及び配管８６の他方端は、ポンプ８７に接続されている。ポンプ８７は、配管８５及び配管８６を介して、透明部材８１の内部にある液体８２を循環させる。これにより、液体８２による半導体発光素子１００に対する冷却が促進されることになる。

以上のように本開示の実施形態について説明を行ったが、上述の実施形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は、上述の実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むことが意図される。

１００，１００Ａ，１００Ｂ，２００，２００Ａ，２００Ｂ，２００Ｃ，３００，３００Ａ 半導体発光素子、１０ 基板、１０ａ 第１主面、１０ｂ 第２主面、１０ｂａ 第１領域、１０ｂｂ 第２領域、１０ｃ 凹凸構造、１０ｄ 円環突起部、１１ フレネルゾーンプレート構造、２０ 半導体層、２１ ｎ型半導体層、２２ 活性層、２３ ｐ型半導体層、２３ａ 電子ブロック層、２３ｂ クラッド層、２３ｃ コンタクト層、２４ メサ構造、２４ａ 直線部、３１ ｎ電極、３２ ｐ電極、３３ パッド電極、３４ パッド電極、４０ 反射防止膜、５０ 第１層、５０ａ 開口部、５１ 第２層、５１ａ 開口部、５２ 第３層、５２ａ 凹部、５２ｂ 開口部、６０ 柱状構造体、７０ 基台、７１ サブマウント、７２ 絶縁層、７３ 配線、７３ａ パッド、７４ 配線、７４ａ パッド、７５，７６ 接続パッド、７７，７８ ボンディングワイヤ、７９，８０ 接続材、８１ 透明部材、８２ 液体、８３，８４ 貫通穴、８５，８６ 配管、８７ ポンプ、４００ 発光モジュール、Ｔ 厚さ、Ｗ１，Ｗ２ 幅、ｒ_ｋ 半径、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３ 直径、Ｈ 高さ、ＤＲ１ 第１方向、ＤＲ２ 第２方向、Ｓ１ 準備工程、Ｓ２ 半導体層形成工程、Ｓ３ メサ構造形成工程、Ｓ４ 第１電極形成工程、Ｓ５ 第２電極形成工程、Ｓ６ 基板裏面加工工程、Ｓ７ マスク形成工程、Ｓ８ 柱状構造体形成工程、Ｓ９ 凹凸構造形成工程、Ｓ１０ 個片化工程。

Claims (15)

1. 基板と、
   半導体層とを備え、
   前記基板は、第１主面と、前記第１主面の反対面である第２主面とを有し、
   前記半導体層は、前記第１主面上に配置されているｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層上に配置されており、かつ深紫外光を発生させる活性層と、前記活性層上に配置されているｐ型半導体層とを有し、
   前記半導体層は、メサ構造を有し、
   前記第２主面は、前記メサ構造と対向している第１領域と、前記第１領域の周囲にある第２領域とを有し、
   前記第１領域は、平坦面で構成されており、
   前記第２領域には、凹凸構造が形成されており、
   平面視において、前記第１領域の幅は、前記メサ構造の幅の０．１倍以上３．０倍以下である、半導体発光素子。
2. 前記凹凸構造は、平面視において、周期が１０００ｎｍ以下になるように格子状に形成されている、請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記メサ構造は、平面視において第１方向に沿って延在している直線部を有する、請求項１に記載の半導体発光素子。
4. 前記第１方向に直交する断面視において、前記直線部と対向する前記第１領域の部分の前記第１方向に直交する第２方向における幅は、前記直線部の前記第２方向における幅の０．４倍以上１．８倍以下である、請求項３に記載の半導体発光素子。
5. 平面視において、前記メサ構造の前記第１方向に直交する第２方向における中央と前記直線部と対向する前記第１領域の部分の前記第２方向における中央との間の距離は、前記メサ構造の前記第２方向における幅の０．０５倍以下である、請求項３に記載の半導体発光素子。
6. 前記メサ構造及び前記第１領域は、平面視において円形である、請求項１に記載の半導体発光素子。
7. 前記第１領域の平面視における直径は、前記メサ構造の平面視における直径の０．５倍以上３．０倍以下である、請求項６に記載の半導体発光素子。
8. 平面視において、前記メサ構造の中心と前記第１領域の中心との間の距離は、前記メサ構造の直径の０．０５倍以下である、請求項６に記載の半導体発光素子。
9. 前記第１領域上に配置されている反射防止膜をさらに備える、請求項１に記載の半導体発光素子。
10. 前記基板の構成材料は、単結晶の窒化アルミニウムである、請求項１に記載の半導体発光素子。
11. 前記メサ構造は、平面視において円形であり、
    前記凹凸構造は、フレネルゾーンプレート構造を構成するように平面視において間隔を空けて同心状に配列されている複数の円環突起部である、請求項１に記載の半導体発光素子。
12. 前記基板の構成材料は、単結晶の窒化アルミニウムである、請求項１１に記載の半導体発光素子。
13. 前記メサ構造の数、前記第１領域の数及び前記フレネルゾーンプレート構造の数は、複数である、請求項１１に記載の半導体発光素子。
14. 平面視において、前記メサ構造の中心と前記第１領域の中心との間の距離は、前記メサ構造の直径の０．０５倍以下である、請求項１１に記載の半導体発光素子。
15. 請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の前記半導体発光素子と、
    透明部材と、
    液体とを備え、
    前記半導体発光素子は、前記透明部材の内部に配置されており、
    前記液体は、前記半導体発光素子を封止するように前記透明部材の内部に充填されており、
    前記透明部材及び前記液体は、前記深紫外光に対して透明である、発光モジュール。
    

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