JP5122033B1 - 窒化物系半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

本発明の窒化物系半導体発光素子は主面が半極性面または非極性面である窒化物半導体から形成された活性層３０６を含み、凹部および凸部の少なくとも一方が形成された凹凸面３１０を有する半導体積層構造と、半導体積層構造の凹凸面３１０の側を覆い、活性層３０６から放射された光の少なくとも一部を反射する電極３０８と、半導体積層構造の凹凸面３１０とは反対側に配置され、活性層３０６から放射された光および電極３０８によって反射された光を透過する複屈折性基板３０４とを備える。
【選択図】図９

Description

本願は、偏光特性を有する窒化物系半導体発光素子に関する。

Ｖ族元素として窒素（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。そのなかでも、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）、緑色ＬＥＤ、および青色半導体レーザも実用化されている。

以下、窒化ガリウム系化合物半導体を窒化物半導体と呼ぶ。窒化物半導体には、ガリウム（Ｇａ）の一部または全部を、アルミニウム（Ａｌ）およびインジウム（Ｉｎ）の少なくとも一方で置換した化合物半導体が含まれる。このため、窒化物半導体は、組成式Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される。

ＧａをＡｌやＩｎで置換することによって、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、青色や緑色などの短波長の光のみならず、オレンジ色や赤色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、窒化物系半導体発光素子は、画像表示装置や照明装置へ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）、（ｂ）、（ｃ）は、ウルツ鉱型結晶構造の面を４指数表記（六方晶指数）で示している。４指数表記では、ａ１、ａ２、ａ３およびｃで示される基本ベクトルを用いて結晶面や方位が表される。基本ベクトルｃは、［０００１］方向に延びており、この方向は「ｃ軸」と呼ばれる。ｃ軸に垂直な面（ｐｌａｎｅ）は「ｃ面」または「（０００１）面」と呼ばれている。図１（ａ）には、ｃ面の他、ａ面、ｍ面が図示されている。ｃ面、ａ面、およびｍ面は、互いに垂直な関係にある。また、図１（ｂ）には、ｒ面が図示され、図１（ｃ）には、（１１−２２）面が図示されている。

図２（ａ）は、窒化物半導体の結晶構造を棒球モデルで示している。図２（ｂ）は、ｍ面表面付近の原子配列を、ａ面に垂直なａ軸方向、すなわち［１１−２０］方向から観察したものである。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ものである。ｃ面は、図２（ｃ）の紙面に垂直である。図２（ｂ）からわかるように、ｍ面に平行な平面上にＮ原子およびＧａ原子が位置している。これに対して、ｃ面では、図２（ｃ）からわかるように、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。

一般的に、窒化物半導体を用いて半導体素子を作製する場合、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）面を主面に有する基板が使用される。この場合、Ｇａ原子および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」とも呼ばれている。分極の結果、窒化物系半導体発光素子の活性層におけるＩｎＧａＮの量子井戸には、ｃ軸方向に沿ってピエゾ電界が発生する。この電界により、活性層内における電子およびホールの分布に位置ずれが生じるため、キャリアの量子閉じ込めシュタルク効果により、活性層の内部量子効率が低下する。

そこで、非極性面と呼ばれるｍ面やａ面、または半極性面と呼ばれる−ｒ面や（１１−２２）面を表面に有する基板を使用して、発光素子を製造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、（０−１１０）面がある。ここで、ミラー指数を表すカッコ内の数字の左に付された「−」は、「バー」を意味する。

ｍ面においては、図２（ｂ）に示されるように、Ｇａ原子および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。そのため、ｍ面上に形成した半導体積層構造を用いて発光素子を作製すれば、活性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課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面や（１１−２２）面でも類似の効果を得ることが可能である。

さらに、ｍ面やａ面、またはｒ面や（１１−２２）面に形成された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。ｃ面を主面とする活性層からｃ軸方向に出射される光は偏光していないが、ｃ面から傾斜した面を主面とする活性層からは偏光した光を取り出すことができる。

特許文献１では、非極性面または半極性面を主面とするＩＩＩ族窒化物系半導体発光素子において、偏光を維持したまま光取り出しを高める方法として、窒化物系半導体発光素子の光取り出し面にのこぎり波形状のストライプ状の溝を形成する構造が開示されている。ストライプ状の溝の延伸方向は、偏光方向に対して垂直である。

また、非特許文献１では、ストライプ状の凹凸が形成されたａ面サファイア上に、結晶性が良好なｍ面ＧａＮ層を形成した構造が開示されている。ストライプ状の凹凸の延伸方向は、サファイアのｍ軸方向、すなわちＧａＮのａ軸方向に対応する。

特許文献２では、窒化物系半導体発光素子の面内方位角の違いによる発光強度の差が低減されるように構成された発光ダイオード装置が提案されている。特許文献２の第５実施形態では、パッケージから出射される光のチップ配置面の面内方位角の違いによる強度の差を低減するために、発光強度の小さい方位角の方へ光の向きを変えるようにパッケージの光の出射面を構成している。

特開２００８―３０５９７１号公報 特開２００８−１０９０９８号公報

Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ２ （２００９）０３１００２

上述した従来の技術では、さらなる発光の品質向上が求められていた。本発明の実施形態は、発光の品質を向上させることができる。

本発明の実施形態において、窒化物系半導体発光素子は、光取り出し面を有する窒化物系半導体発光素子であって、主面が半極性面または非極性面である窒化物半導体から形成された活性層を含む半導体積層構造と、前記活性層から放射された光の少なくとも一部を前記光取り出し面の方向に反射する電極と、前記光取り出し面と前記電極との間に配置され、前記活性層から放射された光および前記電極によって反射された光を透過する複屈折性基板と、前記活性層と前記電極との間に位置する凹凸面とを備え、当該基板の複屈折率をΔｎ、当該基板の厚さをｄ、発光波長をλ、ａを自然数とした場合、以下の関係を満たし、

前記凹部または凸部の各々の側面と、前記活性層の主面の法線とがなす角度をθ１とすると、θ１は１０度以上５８度以下である。

本発明の実施形態において、光源は、上記の窒化物系半導体発光素子と、前記窒化物系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。

本発明の実施形態において、窒化物系半導体発光素子の製造方法は、複屈折性基板を用意する工程と、主面が半極性面または非極性面である窒化物半導体から形成された活性層を含む半導体積層構造を前記複屈折性基板上に形成する工程と、凹部および凸部の少なくとも一方を含む凹凸面を前記半導体積層構造または前記複屈折性基板に形成する工程と、前記活性層から放射された光の少なくとも一部を反射する電極を、前記凹凸面に対向するように形成する工程とを含む。

本発明の実施形態によれば、偏光度が低減され、配光分布特性が改善し、発光品質が向上する。

ウルツ鉱型結晶構造を示す図 窒化物半導体の結晶構造を棒球モデルで示した図 複屈折材料の特徴を説明する図 ｃ面ＧａＮ基板の光学異方性を評価する方法を説明する図 ｍ面ＧａＮ基板の光学異方性を評価する方法を説明する図 偏光方向とＧａＮのａ軸がなす角度をパラメータとした場合の、規格化偏光度の変化を示す図 ｍ面ＧａＮ基板上に作製された窒化物系半導体発光素子の構造を示す図 ｍ面ＧａＮ基板上に作製された窒化物系半導体発光素子の発光波長と偏光度の関係を示す図 偏光度の測定系を説明する図 実施形態１における凹凸面３１０の形状が円柱の窒化物半導体チップがフリップチップ実装された構造を示す図 実施形態１における凹凸面３１０の形状が円柱の窒化物半導体チップがワイヤボンディング実装された構造を示す図 実施形態１における凹凸面３１０の形状が四角柱の場合の構造を示す図 実施形態１における凹凸面３１０の形状が上面図において四角形、断面図において台形の場合の構造を示す図 実施形態１における凹凸面３１０の形状が四角錐の場合の構造を示す図 実施形態１における凹凸面３１０の形状が円錐の場合の構造を示す図 実施形態１における凹凸面３１０の形状が上面図において四角形、断面図において円の一部、または楕円の一部を切り取った形状の場合の構造を示す図 実施形態１における凹凸面３１０の形状が上面図において円形、断面図において円の一部、または楕円の一部を切り取った形状の場合の構造を示す図 実施形態１におけるドット形状が凹形状に窪んでいる場合の構造を示す図 実施形態１における凹凸面３１０の形状が上面図においてストライプ形状、断面形状が矩形の場合の構造を示す図 実施形態１における凹凸面３１０の形状が上面図においてストライプ形状、断面形状が台形の場合の構造を示す図 実施形態１における凹凸面３１０の形状が上面図においてストライプ形状、断面形状が三角形の場合の構造を示す図 実施形態１における凹凸面３１０の形状が上面図においてストライプ形状、断面形状が円の一部、または楕円の一部を切り取った形状の場合の構造を示す図 ｍ面ＧａＮ基板上に作製された直径１０μｍの複数の円錐形状のＳＥＭ像を示す図 実施形態１における偏光の向きが変わる現象を説明する図 実施形態１におけるθ１と、偏光方向の回転角度の計算結果を示す図 実施形態２における凹凸面３１０の形状が円柱の場合の構造を示す図 実施形態２における凹凸面３１０の形状が四角柱の場合の構造を示す図 実施形態２における凹凸面３１０の形状が上面図において四角形、断面図において台形の場合の構造を示す図 実施形態２における凹凸面３１０の形状が四角錐の場合の構造を示す図 実施形態２における凹凸面３１０の形状が円錐の場合の構造を示す図 実施形態２における凹凸面３１０の形状が上面図において四角形、断面図において円の一部、または楕円の一部を切り取った形状の場合の構造を示す図 実施形態２における凹凸面３１０の形状が上面図において円形、断面図において円の一部、または楕円の一部を切り取った形状の場合の構造を示す図 実施形態２におけるドット形状が凹形状に窪んでいる場合の構造を示す図 実施形態２における凹凸面３１０の形状が上面図においてストライプ形状、断面形状が矩形の場合の構造を示す図 実施形態２における凹凸面３１０の形状が上面図においてストライプ形状、断面形状が台形の場合の構造を示す図 実施形態２における凹凸面３１０の形状が上面図においてストライプ形状、断面形状が三角形の場合の構造を示す図 実施形態２における凹凸面３１０の形状が上面図においてストライプ形状、断面形状が円の一部、または楕円の一部を切り取った形状の場合の構造を示す図 実施形態２における変形例を示す図 実施形態２における楕円偏光化の現象を説明する図 実施形態２におけるθ１と、ｓ偏光とｐ偏光の相対位相差の計算結果を示す図 電流密度と規格化ＥＱＥの関係を示す図 実施例における複数の凹凸を有する窒化物系半導体発光素子の光学顕微鏡写真 実施例における複数の凹凸を有する窒化物系半導体発光素子の光学顕微鏡写真 実施例におけるＬｐと規格化偏光度の関係を示す図 実施例における配光分布特性を示す図 フェイスダウン構造およびフェイスアップ構造を示す断面図 白色光源の実施形態を示す断面図 複屈折率の測定方法を示す光学系（透過軸平行）を示す図 複屈折率の測定方法を示す光学系（透過軸垂直）を示す図

本発明の実施形態において、窒化物系半導体発光素子は、光取り出し面を有する窒化物系半導体発光素子であって、主面が半極性面または非極性面である窒化物半導体から形成された活性層を含む半導体積層構造と、前記活性層から放射された光の少なくとも一部を前記光取り出し面の方向に反射する電極と、前記光取り出し面と前記電極との間に配置され、前記活性層から放射された光および前記電極によって反射された光を透過する複屈折性基板と、前記活性層と前記電極との間に位置する凹凸面とを備え、当該基板の複屈折率をΔｎ、当該基板の厚さをｄ、発光波長をλ、ａを自然数とした場合、以下の関係を満たし、

前記凹部または凸部の各々の側面と、前記活性層の主面の法線とがなす角度をθ１とすると、θ１は１０度以上５８度以下である。

ある実施形態において、前記凹凸面は前記半導体積層構造の主面に形成されている。

ある実施形態において、前記半導体積層構造の前記凹凸面を構成する凹部は、前記活性層に達している。

ある実施形態において、前記凹凸面は前記複屈折性基板に形成されている。

ある実施形態において、前記活性層は、主面に対して平行な方向に電界強度が偏った光を出射する。

ある実施形態において、前記複屈折性基板は、主面が半極性面または非極性面である窒化物半導体から形成されている部分を含む。

ある実施形態において、前記複屈折性基板の光学軸は、当該基板の主面に対して０度と９０度を含まない角度だけ傾いている。

ある実施形態において、前記複屈折性基板は、主面がｍ面であるＧａＮから形成された基板、主面がａ面であるＧａＮから形成された基板、主面が−ｒ面であるＧａＮから形成された基板、主面がａ面であるＧａＮ層を表面に有するｒ面サファイア基板、主面がｍ面であるＧａＮ層を表面に有するｍ面サファイア基板、主面がｍ面であるＧａＮ層を表面に有するａ面サファイア基板、および主面がｍ面であるＧａＮ層を表面に有するｍ面ＳｉＣ基板の１つである。

ある実施形態において、前記複屈折性基板は、主面がｍ面であるＧａＮ基板である。

ある実施形態において、前記凹凸面を構成する凹部または凸部の各々を前記活性層の主面の法線方向から見た形状は、円形もしくは四角形またはこれらの組み合わせであり、前記凹凸面を構成する凹部または凸部の各々は前記半導体積層構造の主面または前記複屈折性基板の裏面の面内に二次元的に配置されている。

ある実施形態において、前記凹凸面を構成する凹部または凸部の各々における前記活性層の主面に垂直な断面の形状は、台形、三角形、または、円もしくは楕円の一部を切り取った形状、またはこれらの組み合わせであり、前記凹部または凸部の各々のうち前記活性層に最も近い点における接線と、前記活性層の主面の法線とがなす角度をθ１とすると、θ１は１０度以上５８度以下である。

ある実施形態において、前記凹凸面を構成する凹部または凸部の各々を前記活性層の主面の法線方向から見た形状はストライプ形状であり、前記ストライプ形状の延伸方向が前記活性層から出射される光の偏光方向に対してなす角度をθ２とした場合、θ２は３０以上６０度以下である。

ある実施形態において、前記凹凸面を構成する凹部または凸部のうち、隣り合う凹部または隣り合う凸部の中心の間隔をＬｐとした場合、Ｌｐは４０μｍ以下である。

ある実施形態において、前記半導体積層構造の前記凹凸面と前記電極との間に透光性領域が配置されている。

ある実施形態において、前記透光性領域は、前記半導体積層構造の前記凹凸面を構成する凹部内に形成されている。

ある実施形態において、前記透光性領域は、通過する光を楕円偏光化する。

ある実施形態において、前記半導体積層構造の前記凹凸面を構成する凹部は、前記活性層に達している。

ある実施形態において、前記半導体積層構造は、前記活性層を挟むｐ型半導体層とｎ型半導体層と含む。

ある実施形態において、前記電極は、前記凹凸面を被覆するように形成されており、偏光方向を回転させて光を反射する。

本発明の実施形態において、光源は、上記のいずれかの窒化物系半導体発光素子と、前記窒化物系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。

本発明の実施形態において、窒化物系半導体発光素子の製造方法は、複屈折性基板を用意する工程と、主面が半極性面または非極性面である窒化物半導体から形成された活性層を含む半導体積層構造を前記複屈折性基板上に形成する工程と、凹部および凸部の少なくとも一方を含む凹凸面を前記半導体積層構造または前記複屈折性基板に形成する工程と、前記活性層から放射された光の少なくとも一部を反射する電極を、前記凹凸面に対向するように形成する工程とを含む。

ある実施形態において、前記電極と前記凹凸面との間に透光性材料を配置する工程を含む。

ある実施形態において、実装基板を用意する工程と、前記実装基板に前記電極を対向するように前記半導体積層構造および前記複屈折性基板を前記実装基板上に実装する工程とを更に含む。

半導体発光素子が偏光特性を持つ場合、偏光方向に対して垂直な方向に出射される光の強度は、偏光方向に平行な方向に出射される光の強度よりも高くなる。後述するように、例えば、ｍ面上に形成された活性層を有する窒化物系半導体発光素子は、ａ軸方向に偏光した光を主として出射する。ｃ軸方向に偏光した光やｍ軸方向に偏光した光も出射するが、ｃ軸方向に偏光した光とｍ軸方向に偏光した光は、ａ軸方向に偏光した光と比較し、その強度は弱い。主面が半極性面または非極性面の窒化物半導体層構造を有する窒化物系半導体発光素子は、一般に、このような特異な偏光特性を有するため、ａ軸方向に対して垂直な方向に出射される光の強度が他の方向に出射される光の強度に比べて高くなり、その結果、放射パターン（配光分布）が不均一になる。

本発明の実施形態によれば、ｍ面を主面とする窒化物半導体結晶の光学的な性質を利用することにより、偏光度が低減され、配光分布の不均一さを緩和することが可能である。以下、本発明の実施形態を説明する前に、偏光光および物質の複屈折を説明する。

本明細書では、窒化物半導体結晶を成長させる基板表面を基板の主面と呼ぶ。また、窒化物半導体からなる層または領域において、成長方向の表面を成長面または主面と呼ぶ。また、特定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Ｘ軸に平行な方向に電界強度が偏った光を「Ｘ軸方向の偏光光」と称し、このときのＸ軸に平行な方向を「偏光方向」と称する。なお、「Ｘ軸方向の偏光光」とは、Ｘ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、他の方向に偏光した直線偏光光を含んでいても良い。より詳細には、「Ｘ軸方向の偏光光」とは、「Ｘ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、「Ｘ軸方向の偏光光」は、Ｘ軸方向に偏光した直線偏光光およ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や楕円偏光光が混在した非コヒーレント光を広く含む。

偏光子の偏光透過軸を光軸の周りに回転させたとき、その偏光子を透過する光の電界強度が最も強くなるときの強度をＩｍａｘ、電界強度が最も弱くなるときの強度をＩｍｉｎとするとき、偏光度は、以下の式で定義される。
｜Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎ｜／｜Ｉｍａｘ＋Ｉｍｉｎ｜ ・・・（式１）

「Ｘ軸方向の偏光光」では、偏光子の偏光透過軸がＸ軸に平行なとき、その偏光子を透過する光の電界強度がＩｍａｘとなり、偏光子の偏光透過軸がＹ軸に平行なとき、その偏光子を透過する光の電界強度がＩｍｉｎとなる。完全な直線偏光光では、Ｉｍｉｎ＝０となるため、偏光度は１に等しくなる。一方、完全な非偏光光では、Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎ＝０になるため、偏光度は０に等しくなる。

つぎに、物質の複屈折について説明する。複屈折は、物質中を光が通過する際に電界ベクトル振動面（以下、単に「振動面」と称する）の向きによって光の伝播速度が異なる現象である。このような複屈折の現象は光学異方性とも呼ばれる。また、複屈折を有する材料を複屈折率材料とよぶ。複屈折の大きさは複屈折率と呼ばれ、以下の式によって定量的に表現される。

ここで、ｎ_oは通常光線（ｏｒｄｉｎａｒｙ ｒａｙ）の屈折率、ｎ_eは異常光線（ｅｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒｙ ｒａｙ）の屈折率である。

すなわち、「振動面の向きによって光の伝播速度が異なる」とは、「振動面の向きによって屈折率が異なる」ということを意味している。これは、物質中の光の速度が１／屈折率に比例するためである。ｎ_oは、入射光と物質の光学軸がなす角度に依存しない。一方、ｎ_eは入射光と物質の光学軸がなす角度によって変化し、入射光と物質の光学軸がなす角度が９０度のときに最大となる。ここで光学軸（ｏｐｔｉｃ ａｘｉｓ）とは、複屈折を有する結晶において、複屈折率が発生しない方向、または複屈折率が最も小さくなる方向である。

図３において、物質は複屈折率材料であり、Ｙ軸を位相が進む軸（進相軸）、Ｘ軸を位相が遅れる軸（遅相軸）とする。このとき、Ｙ軸の屈折率をｎ_y、Ｘ軸の屈折率をｎ_xとすると、ｎ_y＜ｎ_xとなっている。このような複屈折率材料に対して、左側から直線偏光した光を入射させる。だだし、入射光の偏光方向は、Ｙ軸およびＸ軸に対して４５度傾いているとする。この場合、入射光はＹ軸成分およびＸ軸成分に分解して考えることができる。物質への入射前において、分解された光の位相は揃っていることになる。この入射光は、複屈折率材料中を通過中、Ｙ軸成分は光の速度が速く、位相が進む。一方、Ｘ軸成分は光の速度が遅いため、位相が遅れることになる。結果として、物質通過後の光は、Ｙ軸成分とＸ軸成分に位相差が発生することになる。また、位相差が発生することで、入射光が直線偏光であったとしても、複屈折率材料を通過した後の光は、楕円偏光化または円偏光化することになる。位相差の量はレタデーションと呼ばれ、複屈折率Δｎと、複屈折率材料の厚さｄと、入射光の波長λを用いて、以下の式で表される。

透過光が円偏光化するのは特殊な条件の場合であり、入射光の偏光方向がＹ軸およびＸ軸に対して４５度傾いており、かつ、レタデーションが９０度（１／４波長）または２７０度（３／４波長）に相当する場合である。入射光の偏光方向がＹ軸もしくはＸ軸に一致する場合には、直線偏光は保たれる。それ以外の場合には楕円偏光化することになる。また、入射光の偏光方向がＹ軸およびＸ軸に対して４５度傾いている場合、透過光の偏光度は最も小さくなる。

結晶が複屈折を有するかどうかは、その結晶構造に依存する。複屈折を有する結晶には、一軸性結晶と二軸性結晶がある。一軸性結晶は、正方晶系、六方晶系、三方晶系があり、光学軸は１つである。二軸性結晶は、斜方晶系、単斜晶系、三斜晶系があり、光学軸は２つである。

窒化物半導体は立方晶系と六方晶系のどちらの結晶構造もとることができる材料である。一般に用いられている窒化物半導体結晶は六方晶系であり、一軸性結晶と考えられる。しかしながら、窒化物半導体の複屈折率はほとんど報告例がないのが現状である。そこで、まず、ｍ面ＧａＮ基板の複屈折率を調べた。

図４６Ａおよび図４６Ｂは、複屈折率の測定方法を示す光学系を示す図である。光源には波長６３５ｎｍの半導体レーザを用いた。レーザ光が、偏光板１、ｍ面ＧａＮ基板、および偏光板２を、この順序で通過するように各部材を配置する。偏光板１、ｍ面ＧａＮ基板および偏光板２を通過したレーザ光はレーザーパワーメーター（金門光波製ＰＭ−１００）に入射する。ｍ面ＧａＮ基板は、レーザ光の進行方向とｍ軸が同じ方向を向くように配置されている。

図４６Ａの光学系において、偏光板１および偏光板２の透過軸は同じ方向を向くように配置されている。また、偏光板１の透過軸とｍ面ＧａＮ基板のａ軸がなす角度をθとする。θを０°から１８０°まで回転させたときのレーザーパワーメーターの値をＩｐ（θ）とする。図４６Ｂの光学系において、偏光板１および偏光板２の透過軸は直交するように配置されている。また、偏光板１の透過軸とｍ面ＧａＮ基板のａ軸がなす角度をθとする。θを０°から１８０°まで回転させたときのレーザーパワーメーターの値をＩｏ（θ）とする。Ｉｐ（θ）の規格化値Ｉｐ（θ）バーおよび Ｉｏ（θ）の規格化値Ｉｏ（θ）バーは、近似的に以下で与えられる。

ここでδはレタデーション（位相差）を表しており、上述の式３で与えられる。

以上のことから、Ｉｏ（θ）およびＩｐ（θ）を測定することにより、ｍ面ＧａＮ基板のレタデーションδが求められる。レタデーションδが求められると、式３を用いてｍ面ＧａＮ基板の複屈折率Δｎを導出することが可能である。厚さ１００μｍの六方晶ｍ面ＧａＮ基板を測定したところ、その複屈折率Δｎは０．００１２２であった。厚さ３３０μｍの六方晶ｍ面ＧａＮ基板を測定したところ、その複屈折率Δｎは０．００１３４であった。これらの平均値は０．００１２８となる。以上の測定結果から、六方晶ＧａＮ結晶は複屈折率材料であることが分かった。

次に、六方晶ＧａＮ結晶の光学軸を明らかにするために、厚さ１００μｍの六方晶ｃ面ＧａＮ基板と、厚さ１００μｍの六方晶ｍ面ＧａＮ基板を準備し、これに波長４５０ｎｍの直線偏光光を入射させ、入射光の偏光方向とＧａＮ結晶のａ軸がなす角度（θ）をパラメータとして、透過光の偏光度を調べた。先の測定から、Δｎを０．００１２８とすると、波長４５０ｎｍの光に対して、厚さ１００μｍの六方晶ｍ面ＧａＮ基板のレタデーションは１０２．４度に相当する。この値は９０度に比較的に近いため、厚さ１００μｍの六方晶ｍ面ＧａＮ基板は、１／４波長板に相当する働きをすると考えられる。

図４Ａおよび図４Ｂは測定方法を説明するための図である。図４Ａに示した厚さ１００μｍのｃ面ＧａＮ基板の場合、波長４５０ｎｍの直線偏光した光をＧａＮのｃ軸方向に入射させ、透過光の偏光度を測定した。図４Ｂに示した厚さ１００μｍのｍ面ＧａＮ基板の場合、波長４５０ｎｍの直線偏光した光をＧａＮのｍ軸方向に入射させ、透過光の偏光度を測定した。入射光の偏光の向きとＧａＮ結晶のａ軸がなす角度θをパラメータとした。ここで、透過光の偏光度を測定しているのは、複屈折率によって位相差が発生した場合、先に説明したように、透過光が楕円偏光化することで偏光度が低下するためである。

図５は偏光度の測定結果でを示すグラフである。グラフの縦軸は規格化偏光度、横軸は偏光方向とａ軸とがなす角度（θ）である。グラフ中の□がｃ面ＧａＮ基板の測定結果、◆がｍ面ＧａＮ基板の測定結果を示している。ｃ面ＧａＮ基板では、θに対して透過光の偏光度がほぼ一定である。従って、ＧａＮ結晶の光学軸はＧａＮのｃ軸方向と考えることができる。これはＧａＮ六方晶系であり、ｃ軸に対して六回対称な結晶構造を有するため、ｃ軸に方向に対して光学的に対称性が高いためと考えられる。一方、ｍ面ＧａＮ基板の結果では、θが大きくなるほど偏光度が低下し、４５度付近で偏光度は最小になる。以上の結果から、六方晶ＧａＮ結晶は複屈折材料であり、その光学軸はｃ軸であることが分かる。

本発明者は、六方晶ＧａＮ結晶自身がもつ複屈折に注目し、この複屈折を利用して、主面が非極性面または半極性面である半導体積層構造を有する窒化物系半導体発光素子の偏光度を減少させ得ることを発見した。

図６は、主面がｍ面である窒化物系半導体発光素子（参考例）の構造図を示す。図６（ａ）は主面がｍ面である窒化物系半導体発光素子を上面より見た構造図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）におけるＸ−Ｘ'線断面構造図を、図６（ｃ）は図６（ａ）におけるＹ−Ｙ'線断面構造図を示したものである。

図６に示される例では、窒化物半導体発光チップ３００が、実装基板３０１上の配線３０２にバンプ３０３を介して電気的に接続されている。窒化物半導体発光チップ３００は、ｍ面ＧａＮ基板３０４と、ｍ面ＧａＮ基板３０４上に形成されたｎ型窒化物半導体層３０５と、窒化物半導体活性層３０６と、ｐ型窒化物半導体層３０７と、ｐ型窒化物半導体層３０７に接するように形成されたｐ型電極３０８と、ｎ型窒化物半導体層３０５に接するように形成されたｎ型電極３０９とを含んでいる。

ここで、窒化物半導体とは、ＧａＮ系からなる半導体、より具体的には、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｘ≧０、ｙ≧０、ｚ≧０）半導体である。窒化物半導体活性層３０６はｍ面にほぼ平行に形成されており、ａ軸方向に電界強度が偏った光（偏光光）を放出する。窒化物半導体活性層３０６から放出し、光取り出し面３２１から外部に取り出される光は、大きく３つに分けられる。すなわち、図６（ｂ）、（ｃ）に示される第１の出射光３５１、第２の出射光３５２、第３の出射光３５３に大別される。

第１の出射光３５１は、ｎ型窒化物半導体層３０５、ｍ面ＧａＮ基板３０４を通過して、光取り出し面３２１から取り出される光である。窒化物半導体活性層３０６から放出した光の全体量（全光量）に対する、この経路で取り出される光の量（光量）の比率は、ｍ面ＧａＮ基板３０４の屈折率を２．５、ｍ面ＧａＮ基板３０４の光取り出し面３２１が大気（屈折率１．０）の場合において８．３％程度である。この比率は、ｍ面ＧａＮ基板３０４の光取り出し面３２１を屈折率１．４の材料で被覆した場合において１７．１％程度上昇する。

第２の出射光３５２は、ｐ型窒化物半導体層３０７を通過し、ｐ型電極３０８で反射した後、ｐ型窒化物半導体層３０７、窒化物半導体活性層３０６、ｎ型窒化物半導体層３０５、ｍ面ＧａＮ基板３０４を通過して、光取り出し面３２１から取り出される光である。窒化物半導体活性層３０６から放出した光の全体量（全光量）に対する、この経路で取り出される光の量（光量）の比率は、ｐ型電極３０８の反射率を９０％、ｍ面ＧａＮ基板３０４の屈折率を２．５、ｍ面ＧａＮ基板３０４の光取り出し面３２１が大気（屈折率１．０）の場合において７．５％程度である。ｍ面ＧａＮ基板３０４の光取り出し面３２１を屈折率１．４の材料で被覆した場合において１５．４％程度である。

第３の出射光３５３は、光取り出し面３２１とｐ型電極３０８の間を複数回反射した後に光取り出し面３２１から外部に取り出される光である。簡略化のため、図中では、光取り出し面３２１とｐ型電極３０８において１回ずつ反射した場合の例を示している。第１の出射光３５１および第２の出射光３５２で取り出される光量は、窒化物半導体活性層３０６から放出した全光量に対し３０％程度であるから、残りの７０％の光量は、第３の出射光３５３の経路のように、光取り出し面３２１とｐ型電極３０８間を複数回（１０から１５回程度）反射し外部に取り出されるか、または窒化物半導体発光チップ３００の内部で吸収されてしまう。

第１の出射光３５１、第２の出射光３５２および第３の出射光３５３は、いずれも複屈折率を有するｍ面ＧａＮ基板３０４を通過して、光取り出し面３２１から外部に取り出される。第１の出射光３５１に注目すると、窒化物半導体活性層３０６から出射した偏光光はａ軸方向に偏光しており、偏光方向が窒化物半導体の光学軸（ｃ軸）に対して９０度傾いているため、偏光を維持した状態で窒化物半導体を通過し外部に取り出される。第２の出射光３５２に注目すると、窒化物半導体活性層３０６から出射した偏光光は、ｐ型電極３０８において偏光方向を維持したまま反射する。結果として、偏光方向が窒化物半導体の光学軸（ｃ軸）に対して９０度傾いた状態で窒化物半導体を通過するため、偏光を維持した状態で光が外部に取り出される。第３の出射光３５３に注目すると、窒化物半導体活性層３０６から出射した偏光光は、光取り出し面３２１およびｐ型電極３０８において偏光方向を維持したまま反射する。結果として、偏光方向が窒化物半導体の光学軸（ｃ軸）に対して９０度傾いた状態で窒化物半導体を通過するため、偏光を維持した状態で光が外部に取り出される。すなわち、上記構成では、窒化物系半導体発光素子が複屈折を有していながら、偏光が維持される。

図７は、図６に示したｍ面上に形成された活性層を有する窒化物系半導体発光素子について、発光波長と偏光度の測定結果との関係を示したグラフである。窒化物半導体活性層３０６にはＩｎＧａＮを用い、Ｉｎの組成を変化させることで発光波長の制御を行った。図７に示したように、図６の構造では発光波長に依存して０．３から０．８程度の偏光度を示す。

上記の偏光度の測定は、図８に示した光学系で実施した。具体的には、図６の構造を有するＬＥＤ１を電源６で発光させた。ＬＥＤ１の発光は、実体顕微鏡３で確認された。実体顕微鏡３にはポートが２つあり、片方のポートにシリコンフォトディテクタ４が取り付けられ、もう一方のポートにはＣＣＤカメラが取り付けられていた。実体顕微鏡３とＬＥＤ１との間には偏光板２が挿入されていた。偏光板２を回転させて、シリコンフォトディテクタ４で発光強度の最大値と最小値を測定した。

本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子は、例えば図６に示されるｐ型電極３０８のような電極によって反射される光が窒化物半導体を通過するとき、窒化物半導体が有する複屈折性によって偏光度を低下させることのできる新規な構造を有している。偏光度を低下させることにより、物体の見え方に優れた照明光を発する光源を得ることが可能になる。

偏光特性を有する発光素子を光源とする場合、偏光の向き、すなわちＬＥＤの設置方向によって物体表面での反射量が異なる。このため、照明光が偏光していると、物体の見え方が変わるという課題が発生する。これは、Ｐ偏光光とＳ偏光光によって反射率が異なる（Ｓ偏光のほうが物体表面での反射率が高い）ためである。ここでＰ偏光光とは、入射面に対して平行な電界成分を有する光である。また、Ｓ偏光光とは、入射面に対して垂直な電界成分を有する光である。従って、一般的な照明用途では、偏光特性が邪魔になる。

なお、窒化物半導体発光素子の偏光光を積極的に利用する用途が存在する。特許文献１では、そのような用途に供される窒化物系半導体発光素子を開示している。そのため、特許文献１の窒化物半導体発光素子では、偏光特性を維持するため、偏光方向に対して垂直な方向に延伸するストライプ状の凹凸が光取り出し面に形成されている。

本発明の実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、光取り出し面を有する窒化物系半導体発光素子であって、主面が半極性面または非極性面である窒化物半導体から形成された活性層を含む半導体積層構造と、活性層から放射された光の少なくとも一部を前記光取り出し面の方向に反射する電極とを備える。また、窒化物系半導体発光素子は、光取り出し面と電極との間に配置された複屈折性基板を備える。この複屈折性基板は、活性層から放射された光および前記電極によって反射された光を透過する。本発明の実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、更に、活性層と電極との間に位置する凹凸面とを備える。この凹凸面は、活性層から放射された光の偏光方向を変化させる働きを有する。凹凸面によって偏光方向が変化した偏光光は、光取り出し面が素子外部に出射されるまでに、基板の複屈折により偏光度を低下させる。

本発明の実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、実装基板に実装されるとき、「フェイスダウン」および「フェイスアップ」のいずれの向きを取ることもできる。フェイスダウンで実装されるとき、複屈折性基板と実装基板との間に、活性層を含む半導体積層構造が配置される。一方、フェイスダウンで実装されるとき、活性層を含む半導体積層構造と実装基板３０１との間に複屈折性基板が配置される。以下、主として、「フェイスダウン」で実装される実施形態を説明するが、本発明の実施形態における実装構造は「フェイスダウン」に限定されない。

（実施形態１）
図９を参照しながら、本発明による窒化物系半導体発光素子の第１の実施形態を説明する。

まず、図９（ａ）から（ｃ）を参照する。図９（ａ）は、本発明の実施形態における窒化物系半導体発光素子を模式的に示した上面図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）のＸ−Ｘ’線断面図、図９（ｃ）は、図９（ａ）のＹ−Ｙ’線断面図である。

本実施形態における窒化物半導体発光チップ３００を備える発光装置は、フリップチップ構造を有する。窒化物半導体発光チップ３００は、実装基板３０１上の配線３０２にバンプ３０３を介して電気的に接続されている。

窒化物半導体発光チップ３００は、例えば、ｍ面ＧａＮ層を有する基板３０４と、ｍ面ＧａＮ基板上に形成された半導体積層構造とを備えている。この半導体積層構造は、ｎ型窒化物半導体層３０５と、ｎ型窒化物半導体層３０５上に形成された窒化物半導体活性層３０６と、窒化物半導体活性層３０６上に形成されたｐ型窒化物半導体層３０７とを含む。窒化物半導体発光チップ３００は、更に、ｐ型窒化物半導体層３０７に接するｐ型電極３０８と、ｎ型窒化物半導体層３０５に接するｎ型電極３０９とを含んでいる。ｐ型電極３０８とｎ型電極３０９との間に電圧を印加し、電流を流すことにより、活性層３０６に電荷（電子および正孔）を注入することができる。活性層３０６に注入された電子および正孔は結合し、光を生成する。この光の一部は、後に説明するように、活性層３０６から光取り出し面を通過して素子外部に出射される。その際、光の一部はｐ型電極３０８で反射される。

基板３０４は、ｍ面ＧａＮ層のみから構成されていてもよいし、ｍ面ＧａＮ層と他の層（例えば、サファイア層、ＳｉＣ層など）とから構成されていてもよい。基板３０４がｍ面ＧａＮ層と他の層とを含む場合、ｍ面ＧａＮ層は、例えば、基板３０４の主面側（窒化物半導体層が成長する側）に配置される。すなわち、ｍ面ＧａＮ層の主面が基板３０４の主面であってもよい。また、ｍ面ＧａＮ層に代えて、他の非極性面ＧａＮ層または半極性面ＧａＮ層を用いても良い。また、ＧａＮ層に代えて、他の窒化物半導体層を用いても良い。ここで、窒化物半導体とは、ＧａＮ系からなる半導体、より具体的には、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｘ≧０、ｙ≧０、ｚ≧０）半導体である。

ｎ型窒化物半導体層３０５、窒化物半導体活性層３０６およびｐ型窒化物半導体層３０７は、積層の順番が逆であってもよい。すなわち、基板３０４側からｐ型窒化物半導体層３０７、窒化物半導体活性層３０６、ｎ型窒化物半導体層３０の順で形成されていてもよい。さらに、ｐ型窒化物半導体層３０７およびｎ型窒化物半導体層３０を含む半導体積層構造は、不純物を含まないノンドープ層を含んでいても良い。窒化物半導体活性層３０６はｍ面にほぼ平行に形成されており、ａ軸方向に電界強度が偏った光（偏光光）を放出する。

図１０に示すように、窒化物半導体発光チップ３００は、ワイヤボンディングによって実装基板３０１と接続されていてもよい。図１０の例において、ｎ型電極３０９は基板３０４の主面とは反対側の面（光取り出し面３２１）上に設けられている。ｐ型電極３０８は、実装基板３０１上の配線３０２に電気的に接続され、ｎ型電極３０９はＡｕワイヤ３２２を用いて実装基板３０１上の配線３０２に電気的に接続される。フリップチップ構造とワイヤボンディング構造は、ｐ型電極３０８およびｎ型電極３０９と、実装基板３０１上の配線３０２との接続の方法について異なる。しかし、フリップチップ構造とワイヤボンディング構造のその他の構成は、同一または類似であり、本実施の形態の作用効果が同様に得られる。以下、ワイヤボンディング構造の場合の説明は省略し、図９を用い、フリップチップ構造の場合について本願発明の実施形態１を説明する。

本明細書において、「ｍ面」、「ａ面」、「ｒ面」、「−ｒ面」および「非極性面」とは、それぞれ、ｍ面、ａ面、ｒ面、−ｒ面および非極性面に対して完全に平行な面のみだけでなく、ｍ面、ａ面、ｒ面、−ｒ面および非極性面から±５°以下の角度だけ傾斜した面を含む。ｍ面、ａ面、ｒ面、−ｒ面および非極性面から僅かに傾斜する程度では、自発分極の影響・変化は非常に小さい。したがって、ｍ面、ａ面、ｒ面、−ｒ面および非極性面から±５°以下の角度だけ傾斜した面は、ｍ面、ａ面、ｒ面、−ｒ面および非極性面とほぼ同じ特性を持つと考えられる。一方、結晶成長技術では結晶方位が厳密に一致した基板よりも僅かに傾斜した基板上の方が半導体層をエピタキシャル成長させやすい場合がある。したがって、自発分極の影響を十分に抑制させながら、エピタキシャル成長させる半導体層の質を向上させたり、結晶成長速度を高めたりするために結晶面を傾斜させることが有用な場合もある。

本実施形態における基板３０４は複屈折を有する複屈折性基板であり、基板３０４の光学軸は、光取り出し面３２１の法線方向に対して０度ではない角度をなしている。このことは、本実施形態における基板３０４の光取り出し面３２１が基板３０４のｃ面から傾斜した面であることを意味し、光取り出し面３２１の法線方向から基板３０４のｃ軸（光学軸）が傾斜していることに対応している。基板３０４の光学軸は、光取り出し面３２１の法線方向に対して９０度傾いていても良い。基板３０４の主面および裏面がｍ面である場合、基板３０４の光学軸は光取り出し面３２１の法線方向に対して９０度傾いている。

窒化物半導体活性層３０６から放射される光が、窒化物半導体活性層３０６の層内方向（Ｉｎ−ｐｌａｎｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）に電界強度が偏った光を放出するように、基板３０４を選ぶ。このような条件を満足する基板３０４は、六方晶のｍ面ＧａＮ基板でも良いし、六方晶のａ面ＧａＮ基板でもよいし、六方晶の−ｒ面ＧａＮ基板でもよい。また、表面にｍ面ＧａＮ層が形成された六方晶のｍ面ＳｉＣ基板であってもよい。また、ａ面ＧａＮ層が形成されたｒ面サファイア基板であってもよい。また、ｍ面ＧａＮ層が形成されたｍ面サファイア基板またはａ面サファイア基板であってもよい。

ある実施形態において、基板３０４は１／４波長板として機能し得るように、その厚さが設定され得る。具体的には、基板３０４の厚さをｄ、基板３０４の厚さ方向に対する複屈折率をΔｎ、窒化物半導体活性層３０６の発光波長をλ、自然数をａとした場合において、レタデーションδは以下の式を満足するように設定され得る。

実際の発光素子では、基板３０４の厚さ方向のレタデーションが完全に１／４波長（９０度）に一致する必要はなく、１／４波長（９０度）を中心値として±１／８波長（４５度）程度のずれがあったとしても本願の効果が得られるため、以下の式を満足するように設定され得る。

発光波長がブロードな幅を有する場合、波長λは、そのピーク波長の値またはブロードな幅の中心値であり得る。

より具体的に、ｍ面ＧａＮ基板の厚さｄの設定値は、Δｎを０．００１２８、発光波長を４５０ｎｍとするとき、以下の式を満足するように設定され得る。

なお、前述したように、基板３０４の全てが窒化物半導体から形成されている必要はない。重要な点は、活性層から出た光が窒化物半導体中を伝播して発光素子の外部に出るまでの経路において、レタデーションが式５の関係を満足するように構成されていればよい。

ｎ型窒化物半導体層３０５は、例えばｎ型のＡｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１、ｕ≧０、ｖ≧０、ｗ≧０）から形成されている。ｎ型ドーパントとして例えば、シリコン（Ｓｉ）を用いることができる。

窒化物半導体活性層３０６は、例えば、厚さ３〜２０ｎｍ程度のＧａ_1-xＩｎ_xＮ井戸層と、厚さ５〜３０ｎｍ程度のＧａ_1-yＩｎ_yＮ井戸層（０≦ｙ＜ｘ＜１）バリア層とが交互に積層されたＧａＩｎＮ／ＧａＩｎＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有している。窒化物半導体発光チップ３００から出射される光の波長は、上記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。ｍ面上に形成された窒化物半導体活性層３０６にはピエゾ電界が発生しない。このため、Ｉｎ組成を増加させても発光効率の低下が抑制される。

窒化物半導体活性層３０６の面方位はｍ面に限定されず、非極性面や半極性面であればよい。ｍ面以外の非極性面の例はａ面であり、半極性面の例は、−ｒ面や（１１−２２）面である。前述したように、ｍ面上に形成された窒化物半導体活性層は、ａ軸に平行な方向に電界強度が偏った光を主として出射する。また、ａ面上に形成された窒化物半導体活性層は、ｍ軸に平行な方向に電界強度が偏った光を主として出射する。半極性面である（１１−２２）面上に形成された窒化物半導体活性層は、窒化物半導体活性層のＩｎの組成が小さい場合には、ｍ軸に平行な方向に電界強度が偏った光を主として出射し、窒化物半導体活性層のＩｎの組成が大きい場合には〔−１−１２３〕方向に平行な方向に電界強度が偏った光を主として出射する。このような半極性面上の窒化物半導体活性層３０６の偏光特性は、価電子帯の上部２つのバンド（ＡバンドおよびＢバンド）の振る舞いによって決まり、窒化物半導体活性層３０６に印加される歪量や、量子閉じ込め効果によって左右される場合がある。

ｐ型窒化物半導体層３０７は、例えばｐ型のＡｌ_sＧａ_tＮ（ｓ＋ｔ＝１、ｓ≧０、ｔ≧０）半導体からなる。ｐ型ドーパントとして、例えばＭｇが添加されている。Ｍｇ以外のｐ型ドーパントとして、例えばＺｎ、Ｂｅなどを用いてもよい。ｐ型窒化物半導体層３０７において、Ａｌの組成比率ｓは、厚さ方向に一様であってもよいし、Ａｌの組成比率ｓが厚さ方向に連続的または階段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３０７の厚さは、例えば、０．０５〜２μｍ程度である。ｐ型窒化物半導体層３０７の上面近傍、すなわち、ｐ型電極３０８との界面近傍はＡｌの組成比率ｓがゼロである半導体、つまり、ＧａＮから形成されていても良い。また、この場合、ＧａＮはｐ型の不純物が高濃度で含まれており、コンタクト層として機能し得る。

ｐ型窒化物半導体層３０７の表面には、複数の凹部もしくは凸部、または、複数の凹部および凸部が形成されている。平坦な表面に凹部および／または凸部が形成されていることを、本明細書では、簡単に凹凸面３１０が形成されていると表現する。この凹凸面３１０は、そこを透過または反射する光の偏光を変化させる得る表面粗さを有している。この表面粗さの範囲は、波長λに比べて極端に小さすぎたり、大きすぎたりせず、表面における最高点と最低点との間にある高低差は、例えばλ／２以上１００・λ以下の範囲に設定され得る。本明細書において、このような凹凸が形成された窒化物半導体層の表面を、「パターンド・サーフェス」または「テクスチャード・サーフェス」と呼ぶことができる。

図９および図１０の例では、ｐ型窒化物半導体層３０７の表面に形成された複数の凹凸面３１０が円柱形状の凸部によって構成されている。窒化物半導体活性層３０６から放出された偏光光は、ｐ型電極３０８で反射される際に、ｐ型窒化物半導体層３０７の表面に形成された複数の凹凸面３１０によって、偏光の向きが変えられ、反射されることになる。これにより、出射光３５１〜３５３全体としての偏光度が低減される。さらに、反射光の偏光方向が、基板３０４の光学軸に対して、０度と９０度を含まない角度を有している場合、反射光は基板３０４を通過する際に楕円偏光化、または円偏光化するため、光取り出し面３２１から取り出される光の偏光度が低減することになる。このような楕円偏光化または円偏光化は、窒化物半導体の構成が式４を満足するときに特に顕著になる。

ｐ型電極３０８は概ねｐ型窒化物半導体層３０７の表面全体を覆っていることができる。ｐ型電極３０８はＰｄ層およびＰｔ層の積層構造（Ｐｄ／Ｐｔ）などから形成され得る。また、反射率を高めるためにＡｇ層およびＰｔ層の積層構造（Ａｇ／Ｐｔ）、またはＰｄ層、Ａｇ層およびＰｔ層の積層構造（Ｐｄ／Ａｇ／Ｐｔ）を用いてｐ型電極３０８を形成しても良い。

ｎ型電極３０９は、例えば、Ｔｉ層およびＰｔ層の積層構造（Ｔｉ／Ｐｔ）などで形成される。反射率を高めるためにＴｉ層、Ａｌ層およびＰｔ層の積層構造（Ｔｉ／Ａｌ／Ｐｔ）を用いても良い。

図９および図１０の例では、凹凸面３１０を構成する円柱形状の凸部が等間隔で２次元的に配列されている。隣り合う凸部の中心の間隔をＬｐとした場合、Ｌｐが４０μｍ以下を満足すれば、凹凸面３１０を構成する凸部はランダムに２次元的に配列されていても良い。また、Ｌｐは１８０ｎｍ以上にするとよい。光の波長に比べて凹凸面３１０を構成する凸部が小さくなりすぎると、光は凹凸面３１０の影響を受けにくくなる。凹凸面３１０の高低差、すなわち凹部の深さまたは凸部の高さは０．０５〜２μｍ程度であり得る。ｐ型窒化物半導体層３０７の表面に複数の凹部を形成することによって凹凸面３１０を形成する場合、その凹部の深さはｐ型窒化物半導体層３０７の厚さより小さくし得る。ただし、ｐ型窒化物半導体層３０７と活性層３０６との間の他の層が介在する場合は、凹凸面３１０の凹部がｐ型窒化物半導体層３０７を貫通するような深さを有していてもよい。

ｐ型窒化物半導体層３０７の表面に形成された複数の凹凸面３１０は、様々な形状を取りえる。以下に説明する例において、凹凸面３１０を構成する基本要素の形状は、ドット形状（図１１から図１７）と、ストライプ形状（図１８から図２１）に分類される。以降、図１１から図２１を用いて凹凸面３１０の形状に関して説明する。図１１から図２１では、窒化物半導体チップに注目し、実装基板３０１、配線３０２、バンプ３０３、Ａｕワイヤ３２２などの記載は省略し図示している。各図の（ａ）は窒化物半導体チップの上面図、（ｂ）は上面図のｂ−ｂ'線面図である。また、（ａ）は断面図（ｂ）においてａ−ａ'線での上面を図示していることになる。

＜ドット形状（図１１から図１７）＞
ドット形状を有する凹凸面３１０は、ある特定の方向に偏光方向を変える働きをするわけではなく、反射の際に光を散乱する。図２２は、ｍ面ＧａＮ基板の表面に、各々の直径が８μｍ、高さが５μｍの円錐型に近い形状の複数の凸部から形成した凹凸面３１０のＳＥＭ像である。また比較のために、凹凸面３１０が形成されていない表面が平坦なｍ面ＧａＮ基板を準備した。基板の厚さは、どちらも１００μｍにした。これら２種類のサンプルに対して、日本分光株式会社製の分光光度計（ＵＶ−ＶＩＳ）を用いて、直線反射率と直線透過率を測定した。表面が平坦なｍ面ＧａＮ基板において、反射率は１８．４％、透過率は６９．５％であった。反射率１８．４％は、ＧａＮの屈折率から求められる反射率によく一致している。一方、凹凸面３１０が形成されたｍ面ＧａＮ基板では、反射率は１４．０％、透過率は５４．０％であり、どちらも表面が平坦なｍ面ＧａＮ基板よりも小さい値を示した。これは、ｍ面ＧａＮ基板表面の凹凸面３１０によって光が散乱されているため、散乱された光が測定の光軸から外れてしまい、小さな値を示していると考えられる。以上のように、ドット形状は光を散乱させる性質を持つ。

図１１は凹凸面３１０を構成する凸部の形状が四角柱の場合の例を示す。上面図である図１１（ａ）に示されように、凹凸面３１０を構成する凸部の四角形の辺と、窒化物半導体活性層３０６の偏光方向３２５がなす角度をθ２とすると、θ２は、３０度から６０度、より好ましくは４０度から５０度に設定すると良い。このように、偏光方向３２５に対して凹凸面３１０を構成する凸部の側面が横切るように配置することで、光はより散乱しやすくなる。図９、図１０で示した凹凸面３１０を構成する凸部の形状が円柱の形状の場合は、偏光方向３２５の向きを考慮する必要がない。

図１２は凹凸面３１０の形状が上面図において四角形、断面図において台形の場合の例を示す。上面図において、凹凸面３１０がなす四角形の辺と、窒化物半導体活性層３０６の偏光方向３２５がなす角度をθ２とすると、θ２は３０度から６０度、より好ましくは４０度から５０度に設定すると良い。断面図において、凹凸面３１０を構成する凸部の側面と、主面の法線方向がなす角度をθ１とすると、θ１は１０度から５８度、より好ましくは２０度から４８度に設定するとよい。このように、凹凸面３１０の側面が主面に対して傾くことで、この傾いた面（斜面）に対して入射する光は、ｓ偏光成分と、ｐ偏光成分を有することになる。結果として、反射時にｓ偏光成分と、ｐ偏光成分に相対位相差が発生することで、偏光方向がより傾くことになる。

図１３は凹凸面３１０を構成する凸部の形状が四角錐の場合の例を示す。上面図において、凹凸面３１０がなす四角形の辺と、窒化物半導体活性層３０６の偏光方向３２５がなす角度をθ２とすると、θ２は、３０度から６０度、より好ましくは４０度から５０度に設定すると良い。断面図において、凹凸面３１０を構成する凸部の側面と、主面の法線方向がなす角度をθ１とすると、θ１は１０度から５８度、より好ましくは２０度から４８度に設定するとよい。図１２に図示した断面が台形形状の場合よりも、凹凸面３１０を構成する凸部の側面の面積を広くすることができるため、結果としてより偏光面を変えることができる。

図１４は凹凸面３１０を構成する凸部の形状が円錐の場合の例を示す。断面図において、凹凸面３１０を構成する凸部の側面と、主面の法線方向がなす角度をθ１は１０度から５８度、より好ましくは２０度から４８度に設定するとよい。図９および図１０に図示した円柱形状の場合よりも、凹凸面３１０を構成する凸部の側面の面積を広くすることができるため、結果としてより偏光面を変えることができる。さらに、図１３に図示した四角錐形状では、偏光方向３２５を考慮する必要があったが、円錐形状では、偏光方向３２５を考慮する必要がなくなり、設計が容易になる。

図１５は凹凸面３１０を構成する凸部の形状が上面図において四角形、断面図において円の一部、または楕円の一部を切り取った形状の場合の例を示す。凹凸面３１０を構成する凸部がなす四角形の辺と、窒化物半導体活性層３０６の偏光方向３２５がなす角度をθ２とすると、θ２は、３０度から６０度、より好ましくは４０度から５０度に設定すると良い。断面図において、凹凸面３１０を構成する凸部のうち窒化物半導体活性層３０６に最も近い点における接線と、主面の法線方向がなす角度をθ１とすると、角度をθ１は１０度から５８度、より好ましくは２０度から４８度に設定するとよい。

図１６は凹凸面３１０を構成する凸部の形状が上面図において円形、断面図において円の一部、または楕円の一部を切り取った形状の場合の例を示す。断面図において、凹凸面３１０を構成する凸部のうち窒化物半導体活性層３０６に最も近い点における接線と、主面の法線方向がなす角度をθ１とすると、角度をθ１は１０度から５８度、より好ましくは２０度から４８度に設定するとよい。図１５に図示した形状では、偏光方向３２５を考慮する必要があったが、図１６の形状では、偏光方向３２５を考慮する必要がなくなり、設計が容易になる。

図１１から図１６までは、ドット形状が凸の例を示したが、図１７の例においてドット形状は凹形状に窪んでいる。このように凹凸面３１０を構成する要素は、凸部に限定されず、凹部であってもよいし、凹部と凸部との組み合わせであってもよい。図１７の凹凸面３１０は、基板３０４の主面に平行な平面に関して、図１１の凹凸面３１０を反転した形状を有している。図１７の上面図において、凹部３１１がなす四角形の辺と、窒化物半導体活性層３０６の偏光方向３２５がなす角度をθ２とすると、θ２は、３０度から６０度、より好ましくは４０度から５０度に設定すると良い。

以上、図１１から図１７まで示した例において、凹凸面３１０を構成する凸部または凹部の間隔をＬｐとした場合、Ｌｐが４０μｍ以下を満足すれば、凹凸面３１０を構成する凸部または凹部はランダムに２次元に配列されていても良い。また、Ｌｐは１８０ｎｍ以上にするとよい。凹凸面３１０を構成する凸部または凹部が小さくなりすぎると、光は凹凸面３１０の影響を受けにくくなる。凹凸面３１０を構成する凸部の高さおよび凹部の深さは０．０５〜２μｍ程度であり得るが、ｐ型窒化物半導体層３０７の厚さよりも小さくし得る。θ１の数値範囲の根拠は、つぎのストライプ形状に関するθ１に言及する際、あわせて説明する。

＜ストライプ形状（図１８から図２１）＞
ストライプ形状を有する凹凸面３１０での光反射は、凹凸面３１０におけるストライプの側面が主面の法線方向に対して傾いていることによって、特定の方向に偏光方向を回転させる。この点を、図２３を用いて説明する。図２３は、図２０に示した構造図に、入射光と反射光のｓ偏光成分Ｅｓとｐ偏光成分Ｅｐを記入したものである。ストライプの延伸方向と、窒化物半導体活性層３０６の偏光方向３２５がなす角度θ１を０度と９０度を含まない角度に設定することで、窒化物半導体活性層３０６から出射し凹凸面３１０に入射する光は、凹凸面３１０におけるストライプの側面に対して、ｓ偏光成分と、ｐ偏光成分を有することになる。凹凸面３１０におけるストライプの側面においてｓ偏光成分Ｅｓと、ｐ偏光成分Ｅｐは反射率が異なり、ｓ偏光成分の反射率のほうがｐ偏光成分の反射率よりも大きい。結果として、反射後のｓ偏光成分Ｅｓとｐ偏光成分Ｅｐの合成光の偏光方向は、ストライプの延伸方向に揃う方向に、向きが回転することになる。

図２４は、θ１と偏光方向の回転角度の関係を示した計算結果である。計算では、ＧａＮの屈折率を２．５とし、ｐ型電極３０８にＡｇを想定し、Ａｇの屈折率を複素屈折率で与えることで計算を行った。図２４から、θ１が１０度から５８度の範囲において、偏光方向を５度傾けることができる。また、θ１が２０度から４８度の範囲において、偏光方向を８度傾けることができる。楕円偏光化によって偏光度を低減する観点から、凹凸面３１０での偏光方向の回転角度は４５度になることが望ましい。しかしながら、回転角度は最大でも９．２度程度である。この点は特に問題にはならない。なぜならば、先に説明したように、凹凸面３１０で１回反射して外部に取り出される光は第２の出射光３５２に対応し、窒化物半導体活性層３０６から放出した全光量に対して、ｐ型電極３０８の反射率を９０％、ｍ面ＧａＮ基板３０４の屈折率を２．５とした場合で７．５％程度、ｍ面ＧａＮ基板３０４の表面を屈折率１．４の材料で被覆した場合において１５．４％程度しかない。実際には、窒化物半導体活性層３０６から放出した光は、光取り出し面３２１とｐ型電極３０８間を複数回反射されるため、反射回数が増えるほど、偏光方向はストライプの延伸方向に近づくことになる。従って、ストライプの延伸方向と、窒化物半導体活性層３０６の偏光方向３２５がなす角度θ２を４５度に近づけておけばよいことになる。

図１８は、凹凸面３１０を構成するストライプの断面形状が矩形の場合の例を示す。上面図において、ストライプの延伸方向と、窒化物半導体活性層３０６の偏光方向３２５がなす角度をθ２とすると、θ２は、３０度から６０度、より好ましくは４０度から５０度に設定すると良い。

図１９は、凹凸面３１０を構成するストライプの断面形状が台形の場合の例を示す。上面図において、ストライプの延伸方向と、窒化物半導体活性層３０６の偏光方向３２５がなす角度をθ２とすると、θ２は、３０度から６０度、より好ましくは４０度から５０度に設定すると良い。断面図において、凹凸面３１０を構成するストライプの側面と、主面の法線方向がなす角度をθ１とすると、θ１は１０度から５８度、より好ましくは２０度から４８度に設定するとよい。

図２０は、凹凸面３１０を構成するストライプの断面形状が三角形の場合の例を示す。図１９の凹凸面３１０を構成するストライプの断面形状が台形の場合の例に対して、凹凸面３１０を構成するストライプの側面の面積を広くすることができるため、より偏光の向きを変えることができる。上面図において、ストライプの延伸方向と、窒化物半導体活性層３０６の偏光方向３２５がなす角度をθ２とすると、θ２は、３０度から６０度、より好ましくは４０度から５０度に設定すると良い。断面図において、凹凸面３１０を構成するストライプの側面と、主面の法線方向がなす角度をθ１とすると、θ１は１０度から５８度、より好ましくは２０度から４８度に設定するとよい。

図２１は凹凸面３１０を構成するストライプの、断面形状が円の一部、または楕円の一部を切り取った形状の例を示す。断面図において、凹凸面３１０を構成するストライプのうち窒化物半導体活性層３０６に最も近い点における接線と、主面の法線方向がなす角度をθ１とすると、角度をθ１は１０度から５８度、より好ましくは２０度から４８度に設定するとよい。

以上、図１８から図２１に示した例において、凹凸面３１０において隣りあうストライプの間隔をＬｐとした場合、Ｌｐが４０μｍ以下を満足すれば、ストライプの間隔は不規則であっても構わない。また、Ｌｐは１８０ｎｍ以上にするとよい。凹凸面３１０が小さくなりすぎると、光は凹凸面３１０の影響を受けにくくなる。凹凸面３１０の高さは０．０５〜２μｍ程度であり得るが、ｐ型窒化物半導体層３０７の厚さよりも小さくし得る。

以上、図９から図２１を用いて凹凸面３１０の形状について説明したが、これらの図面に示される凹凸面３１０の形状は組み合わせて用いることができる。

次に、本実施の形態１の製造方法について、図９を用いて説明する。

Ｍ面を主面とするｎ型ＧａＮ基板３０４上に、ＭＯＣＶＤ法などを用いてｎ型窒化物半導体層３０５をエピタキシャル成長させる。例えば、ｎ型不純物としてシリコンを用い、ＴＭＧ（Ｇａ（ＣＨ₃）₃）、およびＮＨ₃を原料として供給し、９００℃以上１１００℃以下程度の成長温度で、ＧａＮからなる厚さ１〜３μｍ程度のｎ型窒化物半導体層３０５を形成する。

次に、ｎ型窒化物半導体層３０５上に、窒化物半導体活性層３０６を形成する。窒化物半導体活性層３０６は、例えば、厚さ１５ｎｍのＧａ_1-xＩｎ_xＮ井戸層と、厚さ３０ｎｍのＧａＮバリア層が交互に積層されたＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有している。Ｇａ_1-xＩｎ_xＮ井戸層を形成する際には、Ｉｎの取り込みを行うために、成長温度を８００℃に下げることができる。窒化物系半導体発光素子３００の用途に応じて発光波長を選択し、波長に応じたＩｎ組成ｘを決定する。波長を４５０ｎｍ（青色）にする場合にはＩｎ組成ｘを０．１８〜０．２に決定する。５２０ｎｍ（緑色）であればｘ＝０．２９〜０．３１であり、６３０ｎｍ（赤色）であればｘ＝０．４３〜０．４４となる。

窒化物半導体活性層３０６の上に、ｐ型窒化物半導体層３０７を形成する。例えば、ｐ型不純物としてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、ＴＭＧおよびＮＨ₃を原料として供給し、９００℃以上１１００℃以下程度の成長温度で、厚さ５０〜５００ｎｍ程度のｐ型ＧａＮからなるｐ型窒化物半導体層３０７を形成する。ｐ型窒化物半導体層３０７の内部に、厚さ１５〜３０ｎｍ程度のｐ−ＡｌＧａＮ層を含んでも良い。ｐ−ＡｌＧａＮ層を設けることで、動作時に電子のオーバーフローを抑制することができる。

次に、ｐ−ＧａＮ層の活性化のため、８００〜９００度程度の温度で、２０分程度熱処理を行う。

その後、塩素系ガスを用いてドライエッチングを行うことにより、ｐ型窒化物半導体層３０７、窒化物半導体活性層３０６およびｎ型窒化物半導体層３０５の一部を除去して凹部３１２を形成し、ｎ型窒化物半導体層３０５の一部を露出させる。

次に、ｐ型窒化物半導体層３０７の表面に凹凸面３１０を形成する。凹凸面３１０の形成には、フォトリソグラフィと、ドライエッチングを用いる。フォトリソグラフィを用いることにより、凹凸面３１０を上面方向から見た場合の形状、配置を任意に決定できる。凹凸面３１０の断面形状は、ドライエッチングの条件によって制御することが可能である。例えば、エッチング圧力を下げ、イオンの引き出し電圧を高めた物理的エッチング性が高い条件を用いた場合、主面の法線方向に近い側面（θ１が０度に近い側面）を形成できる。一方、プラズマ密度が高いＩＣＰプラズマ源を用い、イオンの引き出し電圧を小さくした化学的エッチング性が高い条件を用いた場合、主面の法線方向から傾いた側面（θ１が０度よりも大きい側面）を形成できる。

次いで、露出したｎ型窒化物半導体層３０５の一部に接するように、ｎ型電極３０９を形成する。例えば、ｎ型電極３０９としてＴｉ／Ｐｔ層を形成する。さらにｐ型窒化物半導体層３０７に接するように、ｐ型電極３０８を形成する。例えば、ｐ型電極３０８として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３０５、および、Ｐｄ／Ｐｔ層とｐ型窒化物半導体層３０７を合金化させる。

その後、ｎ型ＧａＮ基板３０４を研磨し薄膜化する。この際、ｎ型ＧａＮ基板３０４の厚さを調節することにより、レタデーションＤが設定値になるように研磨を実施する。この設定値は、式４に示される範囲内から選択され得る。

このようにして作製された窒化物系半導体発光素子３００をチップ状態に小片化する。小片化工程はレーザーダイシング、壁開などの手法を用いる。小片化された窒化物系半導体発光素子３００は、実装基板３０１に実装される。ここでは、フリップチップ実装を行う方法の例について説明する。

まず、実装基板３０１を用意する。実装基板３０１には、あらかじめ配線３０２が形成されている。実装基板の主材料としては、アルミナ、ＡｌＮなどの絶縁物、Ａｌ、Ｃｕなどの金属、ＳｉやＧｅなど半導体、またはこれらの複合材料を用いることができる。金属や半導体を実装基板３０１の主材料として用いる場合には、表面を絶縁膜で覆うことができる。配線３０２は、窒化物系半導体発光素子３００の電極形状に合わせて配置すればよい。配線３０２には、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌなどを用いることができる。配線３０２は、窒化物系半導体発光素子３００の電極形状に合わせて配置すればよい。配線３０２には、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌなどを用いることができる。これらの材料は、スパッタやメッキなどによって実装基板３０１上に形成される。

配線３０２上に、バンプ３０３を形成する。バンプにはＡｕを用いると良い。Ａｕバンプの形成には、バンプボンダを用いて、直径５０〜７０μｍ程度のＡｕバンプを形成することができる。また、Ａｕメッキ処理によってＡｕバンプを形成することもできる。このように、バンプ３０３が形成された実装基板３０１に、超音波接合を用いて窒化物系半導体発光素子３００を接続する。このようにして、本実施の形態の半導体発光素子が完成する。

以上説明したように、実施形態１では、ｐ型電極３０８で光が反射される際に、ｐ型窒化物半導体層３０７の表面に形成された凹凸を用いて、複屈折を有する基板の光学軸に対して０度と９０度を含まない角度になるように、反射光の少なくとも一部の成分について偏光の向きを変化させる。こうして、窒化物半導体活性層３０６から放出された偏光光が基板を通過するときに楕円偏光化させ、偏光度の低減を実現している。さらに、偏光度が低減できることから、配光分布特性を改善することができる。

（実施形態２）
図２５から図３７を参照しながら、本発明による窒化物系半導体発光素子の第２の実施形態を説明する。実施形態１と実施形態２との間で対応する構成要素には同一の参照符号を付与している。実施形態２の構成と共通する構成について説明は省略し、異なる点を詳細に説明する。また、図２５から図３７では、窒化物半導体チップに注目し、実装基板３０１、配線３０２、バンプ３０３、Ａｕワイヤ３２２などの記載は省略して図示してある。各図において、（ａ）は窒化物半導体チップの上面図、（ｂ）は上面図のｂ−ｂ'線面図である。また、（ａ）は断面図（ｂ）においてａ−ａ'線での上面を図示していることになる。窒化物半導体チップ以外の構造に関しては、図９に図示したフリップチップ構造、または図１０に図示したワイヤボンディング構造を用いることができる。

まず、図２５（ａ）および（ｂ）を参照する。窒化物半導体発光チップ３００は、例えば少なくとも表面にｍ面ＧａＮ層を有する基板３０４と、ｍ面ＧａＮ基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層３０５と、窒化物半導体活性層３０６と、ｐ型窒化物半導体層３０７と、ｐ型窒化物半導体層３０７に接するように形成されたｐ型電極３０８と、ｎ型窒化物半導体層３０５に接するように形成されたｎ型電極３０９とを含んでいる。本実施形態では、ｐ型窒化物半導体層３０７の表面に形成された凹凸面３１０の少なくとも一部を覆うように、透光性領域３２２が形成されている。

実施形態２の第１の特徴は、基板３０４は複屈折を有しており、基板３０４の光学軸は、光取り出し面３２１の法線方向に対して０度以外の角度をなしていることである。この点は実施形態１と同様である。実施形態２の第２の特徴が、ｐ型窒化物半導体層３０７の表面に複数の凹凸面３１０が形成されていることである。この点は実施形態１と同様である。図２５では、凹凸面３１０の形状が円柱形状の場合の例を図示した。実施形態２の第３の特徴は、ｐ型窒化物半導体層３０７の表面に形成された複数の凹凸面３１０の少なくとも一部を覆うように、透光性領域３２２が形成されていることである。この点が、実施形態１と大きく異なる。

透光性領域３２２は、凹凸面３１０の凸部の間にある凹部に形成することができる。また、ｐ型電極３０８は、透光性領域３２２を覆うように形成することができる。このように、ｐ型窒化物半導体層３０７とｐ型電極３０８の間に透光性領域３２２を配置すると、窒化物半導体活性層３０６から放出し、凹凸面３１０で反射される光を、反射の際に楕円偏光化することができる。実施形態１では、ｓ偏光成分とｐ偏光成分の反射率の違いを利用して偏光の向きを変えていたが、実施形態２では、偏光の向きを変えることに加えて、グースヘンヘェンシフトを積極的に利用して、ｓ偏光成分とｐ偏光成分に位相差を生じさせ、楕円偏光化する。

この点に関して、図３８を用いて説明する。図３８は、後で説明を行う凹凸面３１０が上面図においてストライプ形状であり、凹凸面３１０の断面形状が三角形の例を示す。図３８（ａ）には、入射光の偏光方向と反射光偏光方向とが双方向矢印によって示されている。また、図３８（ａ）には、ｓ偏光成分Ｅｓの方向とｐ偏光成分Ｅｐの方向も示されている。断面図である図３８（ｂ）において、凹凸面３１０を構成するストライプの側面に入射する光（入射光）の光路と、側面で反射される光（反射光）の光路とが示されている。実施形態１に説明したように、ストライプの側面と、主面の法線方向がなす角度をθ１とする。

本実施形態のように、凹凸面３１０を構成するストライプの側面が透光性領域３２２で覆われていると、光の染み出し現象が発生する。これを、グースヘンヘェンシフトと呼ぶ。実施例１のように凹凸面３１０の側面が金属で覆われている場合には、光の染み出し現象は見られない。グースヘンヘェンシフトは光の反射界面における屈折率差に依存し、屈折率差が大きいほど、グースヘンヘェンシフトの量も大きくなる。ここで、凹凸面３１０の斜面に対してｓ偏光成分Ｅｓとｐ偏光成分Ｅｐを有するように光を入射させた場合、ｓ偏光成分Ｅｓとｐ偏光成分Ｅｐでは光の染み出し量が異なるため、反射したｓ偏光成分と反射したｓ偏光成分に位相差を発生する。結果として、合成される反射光は楕円偏光化することになる。図３９は、凹凸面３１０の側面と主面の法線方向がなす角度をθ１として、凹凸面３１０の側面で反射したｓ偏光成分Ｅｓとｐ偏光成分Ｅｐの相対位相差の計算結果を示したものである。計算では、ｐ型窒化物半導体層３０７の屈折率ｎ１を、ＧａＮの２．５とした。相対位相差は透光性領域３２２の屈折率ｎ２に依存し、ｎ２が小さいほど大きな相対位相差を発生する。また、相対位相差はθ１に依存性があり、ある特定の角度で最大値となる。相対位相差が９０度のときに、反射光の偏光度をもっとも小さくすることができる。

透光性領域３２２の材料として、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ、ＳｉＯＮなどを用いることができる。これらの材料系では、透光性領域３２２の屈折率を１．４５から２．００の範囲で制御が可能となる。また、透光性領域３２２の材料として、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂を用いることもできる。例えば、透光性領域３２２の材料がシリコーン樹脂の場合には、透光性領域３２２の屈折率を１．４０から１．５４の範囲で制御が可能となる。例えば透光性領域３２２の材料としてエポキシ樹脂を用いた場合、透光性領域３２２の屈折率を１．４７から１．６０の範囲で制御が可能となる。さらに、透光性領域３２２の材料としてＩＴＯなどの導電性材料を用いることもできる。透光性領域３２２の材料として導電性材料を用いた場合には、抵抗成分を下げる働きをする。透光性領域３２２の材料としてエポキシ樹脂を用いた場合、ｎ２の値は１．４７〜１．６０の値に制御が可能となる。これらの材料は、熱硬化材料、紫外線硬化材料から選定することが可能である。

実施形態１と同様に、実施形態２においても、凹凸面３１０を構成する凸部は、様々な形状を取りえるが、以下に説明する例において、ドット形状（図２５から図３２）と、ストライプ形状（図３３から図３６）に分類される。図２６〜２７に示させる構成は、それぞれ、図１１〜１５に示される構成に対応している。異なる点は、ｐ型窒化物半導体層３０７とｐ型電極３０８との間に透光性材料３２２が配置されていることにある。

＜ドット形状（図２５から図３２）＞
図２６は凹凸面３１０を構成する凸部の形状が四角柱の場合の例を示す。図２７は凹凸面３１０を構成する凸部の形状が上面図において四角形、断面図において台形の場合の例である。図２８は凹凸面３１０を構成する凸部の形状が四角錐の場合の例を示す。図２９は凹凸面３１０を構成する凸部の形状が円錐の場合の例を示す。図３０は凹凸面３１０を構成する凸部の形状が上面図において四角形、断面図において円の一部、または楕円の一部を切り取った形状の場合の例を示す。図３１は凹凸面３１０を構成する凸部の形状が上面図において円形、断面図において円の一部、または楕円の一部を切り取った形状の場合の例を示す。

図２５から図３１までは、ドット形状が凸部の例を示したが、図３２の例においてドット形状は凹形状に窪んでいる。

＜ストライプ形状（図３３から図３６）＞
図３３は凹凸面３１０の形状が上面図においてストライプ形状、断面形状が矩形の場合の例である。図３４は凹凸面３１０の形状が上面図においてストライプ形状、断面形状が台形の場合の例である。図３５は凹凸面３１０の形状が上面図においてストライプ形状、断面形状が三角形の場合の例である。図３６は凹凸面３１０の形状が上面図においてストライプ形状、断面形状が円の一部、または楕円の一部を切り取った形状の場合の例を示す。

以上、図２５から図３６を用いて凹凸面３１０の形状について説明したが、これらの凹凸面３１０の形状は組み合わせて用いることができる。また、図２５から図３６に示したいずれの場合においても、ｐ型窒化物半導体層３０７の表面に形成された複数の凹凸面３１０の少なくとも一部を覆うように、透光性領域３２２が形成されている。透光性領域３２２は、凹凸面３１０の凹部の少なくとも一部を埋めるように形成することができる。また、ｐ型電極３０８は、透光性領域３２２を覆うように形成することができる。各凹凸面３１０の形状における特徴は、実施形態１で説明したため、説明は省略した。

図３７は実施形態２の変形例を示す。凹凸面３１０を構成する凸部が、ｎ型窒化物半導体層３０５の一部、窒化物半導体活性層３０６と、ｐ型窒化物半導体層３０７によって形成されている。透光性領域３２２は、ｎ型窒化物半導体層３０５の一部、窒化物半導体活性層３０６と、ｐ型窒化物半導体層３０７によって形成された凸部の間に存在する凹部を埋め込むように形成されている。透光性領域３２２は絶縁性を有していることができる。透光性領域３２２の材料として、例えば、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ、ＳｉＯＮなどを用いるこ
とができる。

図３７は、凹凸面３１０の形状が上面図において四角形、断面図において台形の場合の例を示すが、凹凸面３１０の形状は図２５から図３６を用いて説明した様々な形状、またはこれらの組み合わせであり得る。実施形態２の変形例においては、凹凸面３１０の作製を凹部３１２の作製と同時に実施することができる。そのため、製造工程が増えないという利点がある。実施形態２の変形例では、窒化物半導体活性層３０６も凹凸面３１０の一部として用いるため、電流密度が大きくなりうる。

図４０は、ｃ面ＧａＮ基板上に作成した窒化物系半導体発光素子およびｍ面ＧａＮ基板上に作成した窒化物系半導体発光素子について、電流密度と外部量子効率（ＥＱＥ）との関係を示すグラフである。ここで、ＥＱＥは最大値で規格化されている。また、ここでの窒化物系半導体発光素子は凹凸を有さない構造である。図４０から明らかなように、ｍ面ＧａＮ基板上に作成した窒化物系半導体発光素子では、電流密度が高くなってもＥＱＥが低下し難い。従って、実施形態２の変形例の構造を用いて電流密度が大きくなったとしても、窒化物系半導体発光素子の効率は低下し難いと言える。

以上説明したように、実施形態２は、ｐ型電極３０８で光が反射される際に、ｐ型窒化物半導体層３０７とｐ型電極３０８の間に配置された透光性領域３２２を用いて、複屈折を有する基板の光学軸に対して０度と９０度を含まない角度になるように偏反射光の偏光の向きを変化させる。実施形態２によれば、ｐ型電極３０８での反射光を楕円偏光化し、この反射光を、複屈折を有する基板を通過させることで、窒化物半導体活性層３０６から放出された偏光光を効率的に楕円偏光化し、偏光度の低減を実現している。さらに、偏光度が低減できることから、配光分布特性を改善することができる。

実施形態２の製造方法は、実施形態１の製造方法とほぼ同じ製造方法を用いることができる以下、透光性領域３２２の形成方法について述べる。

ｐ型窒化物半導体層３０７の表面に凹凸を形成した後、透光性領域３２２の形成を行う。例えば、透光性領域３２２にＳｉＯ₂やＳｉＮを用いる場合には、熱ＣＶＤ法、またはプラズマＣＶＤ法を用いて、ＳｉＯ₂やＳｉＮの成膜を行う。熱ＣＶＤ法またはプラズマＣＶＤ法を用いた場合、凹凸が形成されたｐ型窒化物半導体層３０７の全面に、これらの膜が形成される。次に、フォトリソグラフィとドライエッチングを用いて、凹凸の上部に透光性領域３２２が開口された領域を形成する。次に、ｐ型電極３０８を形成する。以降の製法は、実施形態１と同様である。

上記の各実施形態における発光装置は、いずれも、複屈折を有する基板３０４と実装基板３０１との間に、活性層３０６を含む半導体積層構造が配置されたフェイスダウン構造を有している。しかし、本発明は、このような例に限定されず、本発明の発光装置はフェイスアップ構造を有していてもよい。フェイスアップ構造では、活性層３０６を含む半導体積層構造と実装基板３０１との間に複屈折を有する基板３０４が配置される。図４４（ａ）および図４４（ｂ）は、それぞれ、フェイスダウン構造およびフェイスアップ構造を示している。図４４（ｂ）に示されるように、フェイスアップ構造では、凹凸面３１０は複屈折を有する基板３０４に形成される。なお、図４４（ａ）および図４４（ｂ）に示す例では、光取り出し面３２１側に設けられた電極は、透明導電材料から形成された透明電極である。このように透明電極であれば、光取り出し面３２１を覆っていてもよい。本発明の実施形態では、いずれの例にもおいても、実装基板３０１の側に位置する電極は反射性を有する材料から形成され、反射電極として機能する。反射電極で反射された光は、複屈折性を有する基板３０４を透過して光取り出し面３２１から素子外部に出射される。

（実施例）
実施例として、実施形態２の変形例で示した窒化物系半導体発光素子を作成した。

まず、Ｍ面を主面とするｎ型ＧａＮ基板３０４上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、厚さ１．５μｍのｎ型窒化物半導体層、厚さ９ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層と、厚さ１５ｎｍのＧａＮ障壁層の３層量子井戸からなる窒化物半導体活性層、ｐ型窒化物半導体層を形成した。

次に、ｐ−ＧａＮ層の活性化のため、８００℃において２０分の熱処理を行った。

その後、フォトリソグラフィを用いてｐ型窒化物半導体層の表面にレジストのパターンニングを行った。パターニングされたレジストで部分的にマスクされたｐ型窒化物半導体層の表面に対して、ＩＣＰをプラズマ源とする塩素系ガスのドライエッチングを行い、ｐ型窒化物半導体層、窒化物半導体活性層およびｎ型窒化物半導体層一部を除去して複数の凹凸を形成した。このドライエッチングは、ｎ型窒化物半導体層の一部が露出するまで行った。

本実施例では、上面図における凸部の形状が正方形の素子（素子１、素子２、素子３、素子４）、円形の素子（素子５、素子６）を作製した。凸部の断面形状は台形形状で、凸部の側面とｍ面の法線方向がなす角度は、約１５度であった。凸部の高さは、約１μｍであった。

次に、凸部の側面を覆うように、透光性領域を形成した。透光性領域は、塗布ガラス（ＳＯＧ）を約１５０ｎｍ形成した後、厚さが約３００ｎｍのプラズマＳｉＯ₂膜を形成した。

次に、ｐ型窒化物半導体層とｐ電極の接続を形成するために、透光性領域の一部に開口を設けた。開口の形成には、フォトリソグラフィとフッ酸によるウェットエッチングを用いた。その後、凹凸および透光性領域を覆うようにＡｇ層およびＰｔ層の積層構造（Ａｇ／Ｐｔ）からなるｐ電極を形成した。

Ｔｉ層、Ａｌ層およびＰｔ層の積層構造（Ｔｉ／Ａｌ／Ｐｔ）を形成した後、ｎ型ＧａＮ基板３０４を１００μｍの厚さに研磨した。この後、ダイシングによって３００μｍ角の小片に分割することで、窒化物半導体チップを作製した。最後に、このように完成した窒化物半導体チップを実装基板にフリップチップ実装することで、窒化物系半導体発光素子を作製した。

また、比較のため、図６に示される複数の凹凸が形成されていない窒化物系半導体発光素子も作製した。これらの素子に１０ｍＡの電流を流したときの発光波長は、いずれの素子も、約４４５ｎｍであった。表１は、作製した素子の凹凸の形状と規格化偏光度の値をまとめたものである。ここで、規格化偏光度とは、凹凸がない場合の偏光度を１として規格化した値である。また、偏光度は、５ｍＡの電流値で測定をおこなった。図４１Ａは、素子２を上面から観察した光学顕微鏡写真である。また、図４１Ｂは、素子６を上面から観察した光学顕微鏡写真である。

図４２は、Ｌｐと規格化偏光度の関係を図示したものである。Ｌｐが小さくなるほど、規格化偏光度は小さくなった。特に、Ｌｐが４０μｍ以下では、偏光度の低減に顕著な効果が見られた。また、上面図における凹凸の形状は、正方形よりも円形のほうが偏光度の低減効果が大きかった。

図４３は、素子２、素子６および比較例におけるｃ軸方向の配光分布特性を示したものである。配光分布特性はＯｐｔｒｏｎｉｃ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ社製のＯＬ７００−３０ ＬＥＤ ＧＯＮＩＯＭＥＴＥＲを用い、国際照明委員会ＣＩＥ発行のＣＩＥ１２７に明記されたｃｏｎｄｉｔｉｏｎ Ａ（ＬＥＤの先端から受光部３１８までの距離が３１６ｍｍ）によって測定した。測定時の電流値は１０ｍＡである。ここで、配光分布の横軸は、−９０度がＧａＮのｃ軸、０度がＧａＮのｍ軸、＋９０度がＧａＮの＋ｃ軸に対応している。また、配光分布の縦軸は測定した出力に対応する。比較例では、偏光特性に起因して、±４０度付近に最大値を有する歪な配光分布特性を示す。一方、素子２および素子６では、偏光度が低減できていることから、配光分布が０度付近を最大値とする特性に改善されている。

（その他の実施形態）
本発明の実施形態に係る上記の発光素子は、そのまま光源として使用されても良い。しかし、本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備える樹脂などと組み合わせれば、波長帯域の拡大した光源（例えば白色光源）として好適に使用され得る。

図４５は、このような白色光源の一例を示す模式図である。図４５の光源は、上記の各実施形態における発光素子の任意の構成を有する発光素子１００と、この発光素子１００から放射された光の波長を、より長い波長に変換する蛍光体（例えばＹＡＧ：Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｎｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）が分散された樹脂層２００とを備えている。発光素子１００は、表面に配線パターンが形成された支持部材２２０上に搭載されており、支持部材２２０上には発光素子１００を取り囲むように反射部材２４０が配置されている。樹脂層２００は、発光素子１００を覆うように形成されている。

なお、非特許文献１では、結晶性が良好なｍ面ＧａＮ層をａ面サファイア上に形成することを目的として、ａ面サファイア基板上にサファイアのｍ軸方向に延伸するストライプ状の凹凸を形成し、ＧａＮの結晶成長を行っている。結果として、ＧａＮのａ軸方向に延伸するストライプ状の凹凸が形成されている。また非特許文献１では、六方晶の窒化物半導体が複屈折を有することは開示されていない。

特許文献２では、偏光方向と垂直な方向に対して発光強度が大きくなるという課題を改善する構造を開示しているが、この構造は配光分布の改善を目的としているため、特許文献２では、パッケージから出射する光の偏光度を考慮されていない。また、特許文献２では、六方晶の窒化物半導体が複屈折を有することは開示されていない。

本発明の実施形態によれば、取り出される光の偏光度が低減される。実施形態によれば、配光分布特性が改善し、発光の品質が向上する。本発明の実施形態は、電飾や照明などの利用に適している。

１ ＬＥＤ
２ 偏光板
３ 実体顕微鏡
４ シリコンフォトディテクタ
５ ＣＣＤカメラ
６ 電源
３００ 窒化物系半導体チップ
３０１ 実装基板
３０２ 配線
３０３ バンプ
３０４ 基板
３０５ ｎ型窒化物半導体層
３０６ 窒化物半導体活性層
３０７ ｐ型窒化物半導体層
３０８ ｐ型電極
３０９ ｎ型電極
３１０ 凹凸面
３１６ 凹部
３２１ 光取り出し面
３２２ 透光性領域
３２３ Ａｕワイヤ
３２５ 偏光方向
３５１ 第１の出射光
３５２ 第２の出射光
３５３ 第３の出射光

Claims (22)

1. 光取り出し面を有する窒化物系半導体発光素子であって、
   主面が半極性面または非極性面である窒化物半導体から形成された活性層を含む半導体積層構造と、
   前記活性層から放射された光の少なくとも一部を前記光取り出し面の方向に反射する電極と、
   前記光取り出し面と前記電極との間に配置され、前記活性層から放射された光および前記電極によって反射された光を透過する複屈折性基板と、
   前記活性層と前記電極との間に位置する凹凸面と、
   を備え、
   当該基板の複屈折率をΔｎ、当該基板の厚さをｄ、発光波長をλ、ａを自然数とした場合、以下の関係を満たし、
   

   

   前記凹部または凸部の各々の側面と、前記活性層の主面の法線とがなす角度をθ１とすると、θ１は１０度以上５８度以下である窒化物系半導体発光素子。
2. 前記凹凸面は前記半導体積層構造の主面に形成されている請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子。
3. 前記半導体積層構造の前記凹凸面を構成する凹部は、前記活性層に達している請求項１または２に記載の窒化物系半導体発光素子。
4. 前記凹凸面は前記複屈折性基板に形成されている請求項１から３のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
5. 前記活性層は、主面に対して平行な方向に電界強度が偏った光を出射する請求項１から４のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
6. 前記複屈折性基板は、主面が半極性面または非極性面である窒化物半導体から形成されている部分を含む、請求項１から５のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
7. 前記複屈折性基板の光学軸は、当該基板の主面に対して０度と９０度を含まない角度だけ傾いている、請求項６に記載の窒化物系半導体発光素子。
8. 前記複屈折性基板は、
   主面がｍ面であるＧａＮから形成された基板、
   主面がａ面であるＧａＮから形成された基板、
   主面が−ｒ面であるＧａＮから形成された基板、
   主面がａ面であるＧａＮ層を表面に有するｒ面サファイア基板、
   主面がｍ面であるＧａＮ層を表面に有するｍ面サファイア基板、
   主面がｍ面であるＧａＮ層を表面に有するａ面サファイア基板、および
   主面がｍ面であるＧａＮ層を表面に有するｍ面ＳｉＣ基板
   の１つである請求項６または７に記載の窒化物系半導体発光素子。
9. 前記複屈折性基板は、主面がｍ面であるＧａＮ基板である請求項６または７に記載の窒化物系半導体発光素子。
10. 前記凹凸面を構成する凹部または凸部の各々を前記活性層の主面の法線方向から見た形状は、円形もしくは四角形またはこれらの組み合わせであり、
    前記凹凸面を構成する凹部または凸部の各々は前記半導体積層構造の主面または前記複屈折性基板の裏面の面内に二次元的に配置されている請求項１から９のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
11. 前記凹凸面を構成する凹部または凸部の各々における前記活性層の主面に垂直な断面の形状は、台形、三角形、または、円もしくは楕円の一部を切り取った形状、またはこれらの組み合わせであり、
    前記凹部または凸部の各々のうち前記活性層に最も近い点における接線と、前記活性層の主面の法線とがなす角度をθ１とすると、θ１は１０度以上５８度以下である請求項１から１０のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
12. 前記凹凸面を構成する凹部または凸部の各々を前記活性層の主面の法線方向から見た形状はストライプ形状であり、
    前記ストライプ形状の延伸方向が前記活性層から出射される光の偏光方向に対してなす角度をθ２とした場合、θ２は３０以上６０度以下である請求項１から１１のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
13. 前記凹凸面を構成する凹部または凸部のうち、隣り合う凹部または隣り合う凸部の中心の間隔をＬｐとした場合、
    Ｌｐは４０μｍ以下である請求項１から１２のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
14. 前記半導体積層構造の前記凹凸面と前記電極との間に透光性領域が配置されている請求項１から１３のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
15. 前記透光性領域は、前記半導体積層構造の前記凹凸面を構成する凹部内に形成されている請求項１４に記載の窒化物系半導体発光素子。
16. 前記透光性領域は、通過する光を楕円偏光化する請求項１４または１５に記載の窒化物系半導体発光素子。
17. 前記半導体積層構造は、前記活性層を挟むｐ型半導体層とｎ型半導体層とを含む請求項１から１６のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
18. 前記電極は、前記凹凸面を被覆するように形成されており、偏光方向を回転させて光を反射する請求項１から１６のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
19. 請求項１から１６のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子と、
    前記窒化物系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。
20. 複屈折性基板を用意する工程と、
    主面が半極性面または非極性面である窒化物半導体から形成された活性層を含む半導体積層構造を前記複屈折性基板上に形成する工程と、
    凹部および凸部の少なくとも一方を含む凹凸面を前記半導体積層構造または前記複屈折性基板に形成する工程と、
    前記活性層から放射された光の少なくとも一部を反射する電極を、前記凹凸面に対向するように形成する工程と、
    を含み、
    当該基板の複屈折率をΔｎ、当該基板の厚さをｄ、発光波長をλ、ａを自然数とした場合、以下の関係を満たし、
    

    

    前記凹部または凸部の各々の側面と、前記活性層の主面の法線とがなす角度をθ１とすると、θ１は１０度以上５８度以下である窒化物系半導体発光素子の製造方法。
21. 前記電極と前記凹凸面との間に透光性材料を配置する工程を含む請求項２０に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
22. 実装基板を用意する工程と、
    前記実装基板に前記電極を対向するように前記半導体積層構造および前記複屈折性基板を前記実装基板上に実装する工程と、
    を更に含む請求項２０または２１に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。

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