WO2010087062A1 - 半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法 Download PDF

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WO2010087062A1
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light emitting
semiconductor
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semiconductor light
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弘之 北林
秀樹 松原
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住友電気工業株式会社
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    • H01L33/46—Reflective coating, e.g. dielectric Bragg reflector

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the semiconductor light emitting device. More specifically, the present invention relates to a semiconductor light emitting device capable of improving the efficiency of outputting emitted light and a method for manufacturing the semiconductor light emitting device.
  • the semiconductor light-emitting element takes out the energy released by recombination of the holes supplied by the p-type semiconductor layer constituting the semiconductor layer and the electrons supplied by the n-type semiconductor layer as light.
  • Such semiconductor light emitting devices LEDs are used in a wide range of applications such as optical displays and traffic lights.
  • various devices have been conventionally made.
  • Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 a semiconductor layer that emits light and a conductive support substrate are bonded using an adhesive layer made of a metal that has a high reflectance with respect to the light.
  • a method for manufacturing a semiconductor light emitting device is disclosed. Light emitted from the semiconductor element is reflected in a specific direction with a high reflectance in the adhesive layer made of metal, so that the output intensity of the light can be increased.
  • Patent Document 2 semiconductor light-emitting elements that form a periodic structure of a two-dimensional diffraction grating on the outermost surface of a semiconductor layer are disclosed.
  • the semiconductor light emitting element the light emitted inside the semiconductor layer is diffracted by the two-dimensional diffraction grating and emitted at a high rate in a specific direction, so that the light output intensity can be increased.
  • a periodic structure of a two-dimensional diffraction grating is formed on the outermost surface of the semiconductor layer of the semiconductor light emitting element (device).
  • the electrode is formed on the outermost surface of the semiconductor layer, the area of the region where the two-dimensional diffraction grating can be disposed is reduced by the amount of the electrode disposed.
  • the two-dimensional diffraction grating has an action of emitting light emitted from the semiconductor layer in a specific direction. Therefore, when the area of the region where the periodic structure of the two-dimensional diffraction grating can be arranged is limited, the efficiency and output intensity of outputting light emitted from the semiconductor light emitting element may be reduced.
  • An object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device with improved efficiency of outputting emitted light and a method for manufacturing the semiconductor light emitting device.
  • a semiconductor light emitting device includes a semiconductor layer including a light emitting layer, a support substrate for supporting the semiconductor layer, and an adhesive layer for joining the main surface of the semiconductor layer and the main surface of the support substrate. .
  • a two-dimensional diffraction grating is formed in a bonding interface region with at least one of the main surface of the semiconductor layer facing the pasting layer or the main surface of the supporting substrate facing the pasting layer. Yes. In the two-dimensional diffraction grating, at least two kinds of substances having different refractive indexes are periodically arranged.
  • the two-dimensional diffraction grating is not formed on the outermost surface of the laminated structure including the semiconductor layer, the support substrate, and the pasting layer constituting the semiconductor light emitting device.
  • the bonding interface region refers to a region having a certain depth from the bonded main surface.
  • the main surface means a main surface having the largest area among the surfaces.
  • the region excluding the region where the electrode is formed on the outermost surface of the laminated structure can be performed. Therefore, the efficiency with which the semiconductor light emitting element outputs light can be further improved by performing this process.
  • the substance forming the two-dimensional diffraction grating includes a semiconductor material constituting the semiconductor layer and a filling material filling a plurality of recesses periodically formed on the surface of the semiconductor layer. It is preferable. As described above, the semiconductor material and the filling material are periodically arranged on the main surface (bonding interface region) of the semiconductor layer facing the pasting layer. The light incident on the two-dimensional diffraction grating is diffracted by the period of these arrangements and the difference in refractive index between the semiconductor material and the filling material, so that it can be output in a desired direction.
  • the above-mentioned filling material is preferably a transparent material that is in ohmic contact with the semiconductor material, transmits light emitted from the light emitting layer, and has conductivity.
  • transmitting light means transmitting incident light with a transmittance of 80% or more.
  • transparent means that, for example, when light having a certain wavelength is incident on an object and the incident light is transmitted with a transmittance of 80% or more, the object is transparent to the incident light. That's it.
  • having conductivity means that the conductivity is 10 Siemens / cm or more.
  • the transparent material is, for example, at least one selected from the group consisting of a mixture of indium oxide and tin oxide, zinc oxide containing aluminum atoms, tin oxide containing fluorine atoms, zinc oxide, zinc selenide, and gallium oxide. It is preferable to be comprised from the material containing a seed.
  • Examples of light emitted from the light emitting layer include infrared rays and visible light. The wavelength of infrared rays is about 0.7 ⁇ m or more and 1000 ⁇ m or less, and the wavelength of visible light is about 0.36 ⁇ m or more and 0.7 ⁇ m or less.
  • the conductivity as a semiconductor light emitting device and a two-dimensional diffraction grating can be obtained. And the action of emitting the emitted light.
  • the above-described materials are preferably used as the filling material (transparent material).
  • the filling material may be a dielectric film. Specifically, it is preferably made of a material including at least one selected from the group consisting of silicon oxide, magnesium fluoride, calcium fluoride, barium fluoride, and lithium fluoride.
  • a transparent material having conductivity is used as the filling material, it is necessary to select a material to be used as the filling material from a very limited range of materials.
  • the light emitting layer emits light due to the difference in refractive index between the dielectric and the semiconductor material.
  • the light to be diffracted under desired conditions can be output with high efficiency under desired conditions. For this reason, the range of selection of the material used as a filling material can be expanded by using a dielectric material as a filling material.
  • the semiconductor light emitting device preferably includes a reflective film made of a metal material that reflects light emitted from the light emitting layer, in a region sandwiched between the two-dimensional diffraction grating and the support substrate. If it does in this way, it can be made to radiate
  • the reflective film is preferably made of a material including at least one selected from the group consisting of aluminum, gold, platinum, silver, copper, and chromium. In this way, light can be reflected at a higher rate, and the intensity of outputting light in a specific direction can be increased.
  • air may be used as the filling material. Even in a two-dimensional diffraction grating formed on the main surface of the semiconductor layer in which air and a semiconductor material are periodically arranged, the light emitted from the light-emitting layer is desired depending on the refractive index difference between the air and the semiconductor material. It can be diffracted under conditions and output with high efficiency under desired conditions.
  • the support substrate is preferably a conductive support substrate having conductivity. Specifically, it is preferably made of a material containing at least one selected from the group consisting of silicon, gallium arsenide, and silicon carbide.
  • the conductive support substrate described above is used as the support substrate, when electrodes are formed on one and the other of the outermost surfaces of a pair of opposed main surfaces of the laminated structure, by applying a voltage between both electrodes, Electric power can be smoothly supplied to the semiconductor light emitting device.
  • the filling material may be a transparent adhesive material that has adhesiveness to the semiconductor layer and the support substrate and transmits light emitted from the light emitting layer.
  • the transparent adhesive material is preferably composed of a material including at least one selected from the group consisting of polyimide (PI), epoxy, silicone, and perfluorocyclobutane (PFCB).
  • PI polyimide
  • PFCB perfluorocyclobutane
  • the transparent support substrate is made of a material including at least one selected from the group consisting of sapphire, gallium phosphide, quartz, and spinel.
  • the composition of the light emitting layer included in the semiconductor layer is Al x Ga y In (1-xy) As (where 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ x + y ⁇ 1), Al x Ga y In (1-xy) P (where 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ x + y ⁇ 1), Al x In y Ga (1-xy) N (where 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ x + y ⁇ 1), In x Ga (1-x) As y P (1-y) (where 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ It is preferably at least one selected from the group consisting of 1).
  • the composition of the light-emitting layer is Al x Ga y In (1-xy) As or In x Ga (1-x) As y P (1-y) , infrared light is emitted, and the composition of the light-emitting layer is Al If xGa y In (1-xy) P is used, red visible light can be emitted. Further, when the composition of the light emitting layer is Al x In y Ga (1-xy) N, visible light from purple to blue to green can be emitted.
  • the two-dimensional diffraction grating described above may be arranged so that two kinds of substances having different refractive indexes form a square grating, or two kinds of the above substances having different refractive indices may be arranged. You may arrange
  • the semiconductor material and the filler material may be disposed so as to form a square lattice or may be disposed so as to form a triangular lattice.
  • the two-dimensional diffraction grating can bring about an effect of emitting light emitted from the light emitting layer in a desired intensity and direction.
  • ⁇ is the wavelength of light emitted from the light emitting layer
  • a is the lattice constant on the main surface of the semiconductor layer of the square lattice or triangular lattice. if, It is preferable that the relationship of 0.2 ⁇ ⁇ a ⁇ 10 ⁇ is satisfied.
  • the thickness of the two-dimensional diffraction grating in the direction perpendicular to the main surface of the semiconductor layer is d, it is preferable that the relationship of 0.1 ⁇ ⁇ d ⁇ 5 ⁇ is established.
  • the light emitting layer emits light when the wavelength ⁇ of light emitted from the light emitting layer is from 400 nm to 2 ⁇ m, the lattice constant a is from 80 nm to 20 ⁇ m, and the thickness d is from 40 nm to 10 ⁇ m. Light can be output with extremely high efficiency.
  • the method for manufacturing a semiconductor light emitting device includes a step of forming a semiconductor layer on a surface of a semiconductor substrate, a step of preparing a support substrate for supporting the semiconductor layer, and a surface of the semiconductor layer or a support thereof. It is preferable to include a step of forming a two-dimensional diffraction grating on at least one of the surfaces of the substrate, a step of bonding the surface of the semiconductor layer and the surface of the support substrate, and a step of removing the semiconductor substrate.
  • the semiconductor light emitting device according to the present invention which is formed using the manufacturing method including the above steps, can improve the efficiency of outputting the emitted light and increase the intensity of the output light as described above. .
  • the present invention it is possible to provide a semiconductor light emitting device capable of improving the efficiency of outputting emitted light and a method for manufacturing the semiconductor light emitting device.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a stacked structure of a semiconductor light emitting element according to a first embodiment. It is a flowchart which shows the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device based on this Embodiment. It is a schematic sectional drawing which shows the board
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor light emitting element 200 in which a light emitting surface 2b of the semiconductor light emitting element 100 is subjected to a roughening process.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a stacked structure of a semiconductor light emitting element according to a second embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an aspect in which the reflective film 16 is formed and bonded in the process of forming the semiconductor light emitting device 300. It is a schematic sectional drawing which shows the laminated structure of the semiconductor light-emitting device concerning this Embodiment 3.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing an aspect in which a transparent conductive film 5 is formed in the process of forming a semiconductor light emitting device 400.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an aspect in which a semiconductor layer 2 and a support substrate 11 are bonded together in the process of forming a semiconductor light emitting device 400.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing a stacked structure of a semiconductor light emitting element according to a fifth embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing an aspect in which the semiconductor layer 2 and the support substrate 11 are bonded together in the step (S40) in the method for manufacturing the semiconductor light emitting device 600.
  • S40 the step in which the semiconductor layer 2 and the support substrate 11 are bonded together in the step (S40) in the method for manufacturing the semiconductor light emitting device 600.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing an aspect in which a reflective film 16 is formed and bonded in the process of forming a semiconductor light emitting element 800. It is a schematic sectional drawing which shows the laminated structure of the semiconductor light-emitting device based on Embodiment 8 of this invention.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an aspect in which a semiconductor layer 2 and a transparent support substrate 12 are bonded together in the process of forming a semiconductor light emitting device 900. It is a schematic sectional drawing which shows the laminated structure of the semiconductor light-emitting device concerning Embodiment 9 of this invention. 6 is a schematic cross-sectional view showing an aspect in which a semiconductor layer 2 and a transparent support substrate 12 are bonded together in the process of forming a semiconductor light emitting device 999.
  • a semiconductor light emitting device 100 shown in FIG. 1 includes a semiconductor layer 2 including a light emitting layer, a support substrate 11 that supports the entire semiconductor light emitting device 100, and one main surface of the semiconductor layer 2 (the lower side of the semiconductor layer 2 in FIG. 1). And a sticking layer 15 that joins one main surface of the support substrate 11 (the main surface on the upper side of the support substrate 11 in FIG. 1).
  • the bonding surface region of the lower main surface of the semiconductor layer 2 (the main surface facing the bonding layer 15) with the bonding layer 15 has a two-dimensional diffraction grating.
  • a semiconductor material constituting the semiconductor layer 2 and a transparent conductive film 4 filled in the recesses 3 are periodically arranged and formed in a direction along the main surface of the semiconductor layer 2.
  • a p-side electrode 21 and an n-side electrode 22 are formed on the outermost main surface of the laminated structure.
  • the semiconductor layer 2 includes the above-described two-dimensional diffraction grating in the junction interface region, and includes, for example, an n-type cladding layer, a p-type cladding layer, a light emitting layer, an electron block layer, a photonic crystal layer, and the like (not shown). These are stacked in the same manner as the stacked structure of the semiconductor light emitting device 100.
  • the n-type cladding layer is a region for supplying electrons as an n-type semiconductor layer.
  • the p-type cladding layer is a region that supplies holes as a p-type semiconductor layer.
  • the n-type cladding layer and the p-type cladding layer are made of, for example, a III-V group compound semiconductor, more specifically, for example, an AlGaAs-based or AlGaInP-based compound semiconductor.
  • the light emitting layer is a region that takes out energy released as light by recombination of electrons and holes supplied when a voltage is applied to the semiconductor light emitting device 100 as light.
  • the composition of the light emitting layer varies depending on the wavelength of light to be extracted. For example, when it is desired to emit infrared light, the composition of the light emitting layer is made of Al x Ga y In (1-xy) As or In x Ga (1-x) As y P (1-y) , and red visible light is emitted.
  • the composition of the light emitting layer is Al x Ga y In (1-xy) P, and in the case where visible light from purple to blue to green is emitted, the composition of the light emitting layer is Al x In y Ga (1- xy) N is preferable.
  • the electron blocking layer is a layer disposed to suppress electrons supplied to the light emitting layer from leaking into the p-type cladding layer without recombining with holes in the light emitting layer. For this reason, if an electron block layer is arrange
  • the two-dimensional diffraction grating includes a filling material filling a plurality of recesses 3 periodically formed by a certain depth from one main surface of the photonic crystal layer, and a semiconductor layer 2 (photonic layer in the junction interface region).
  • the semiconductor material constituting the crystal layer is periodically arranged in the direction along the main surface of the semiconductor layer 2.
  • a transparent conductive film 4 is disposed as a filling material.
  • the depth means the depth in the vertical direction of FIG. 1 in the direction perpendicular to the main surface.
  • the transparent conductive film 4 as a filling material is preferably a transparent material that is in ohmic contact with a semiconductor material, transmits light emitted from the light emitting layer, and has conductivity. In this way, the transparent conductive film 4 becomes conductive with the semiconductor material constituting the semiconductor layer, and the transparent conductive film 4 is used to diffract the light emitted from the light emitting layer with the two-dimensional diffraction grating. It is possible to allow light to enter inside or to transmit diffracted light.
  • the transparent conductive film 4 is a mixture of indium oxide and tin oxide, an oxide containing aluminum atoms. It is preferably made of a material containing at least one selected from the group consisting of zinc, tin oxide containing fluorine atoms, zinc oxide, zinc selenide, and gallium oxide.
  • the support substrate 11 is preferably a conductive support substrate having conductivity. In this way, when a voltage is applied between the p-side electrode 21 and the n-side electrode 22, the entire semiconductor light emitting element 100 including the support substrate 11 can be conducted. The electric power can be smoothly supplied to the semiconductor light emitting device 100.
  • the support substrate 11 is preferably made of a material including at least one selected from the group consisting of silicon (Si), gallium arsenide (GaAs), and silicon carbide (SiC).
  • the support substrate 11 is assumed to be a support substrate made of p-type Si.
  • the main surface of the photonic crystal layer on which the two-dimensional diffraction grating is formed and one main surface of the support substrate 11 are attached layers. 15 is joined.
  • the affixing layer 15 it is preferable to use a solder that can be melt-bonded at a relatively low temperature.
  • AuSn or AuIn is preferably used.
  • the pasting layer 15 is assumed to be AuSn.
  • the semiconductor layer 2 and the support substrate 11 can be bonded with high strength, and the p-side electrode 21 and the n-side are bonded. The state of conduction with the electrode 22 can be further improved.
  • the main surface of the photonic crystal layer on which the two-dimensional diffraction grating is formed is disposed so as to face the pasting layer 15. That is, the two-dimensional diffraction grating is arranged in a region having a certain depth from the outermost surface of the stacked structure of the semiconductor light emitting device 100. Therefore, a two-dimensional diffraction grating is not formed on the light emitting surface 2 b which is the main surface of the outermost surface of the semiconductor layer 2. With this configuration, no electrode is disposed on the main surface of the photonic crystal layer forming the two-dimensional diffraction grating. Therefore, the two-dimensional diffraction grating can be formed on the entire main surface.
  • the two-dimensional diffraction grating can further increase the effect of increasing the efficiency of outputting light emitted from the light emitting layer in a desired direction.
  • the semiconductor light emitting device 100 When the semiconductor light emitting device 100 is operated, light emitted from the light emitting layer included in the semiconductor layer 2 proceeds toward the bonding interface region. Then, the wavelength of the light, the period (lattice constant) of the two-dimensional diffraction grating in which the semiconductor material and the filling material having different refractive indexes are periodically arranged, the depth in the direction perpendicular to the main surface, If a certain condition is satisfied with a parameter such as a difference in refractive index of the material, the light is diffracted in the two-dimensional diffraction grating, and the intensity of output in a desired direction is increased.
  • the light may be absorbed by an opaque support substrate or may not be output to the outside of the light emitting element due to total reflection.
  • the two-dimensional diffraction grating is arranged in the semiconductor light emitting device 100, the light is diffracted by the two-dimensional diffraction grating, and the light travels in the direction of the n-side electrode 22, so that the light emission surface 2b is highly efficient, that is, Output with high intensity.
  • the two-dimensional diffraction grating is arranged as shown in FIG.
  • the light emitting surface 2b which is the outermost surface is not formed with a plurality of concave portions constituting a two-dimensional diffraction grating.
  • the surface roughening treatment of the light emitting surface 2b which is difficult in the semiconductor light emitting devices disclosed in Patent Document 2 and Non-Patent Document 2 can be easily performed.
  • the roughening process is a process for increasing the surface roughness.
  • the light that is diffracted by the two-dimensional diffraction grating and is about to be emitted from the light emitting surface 2b with high efficiency causes total reflection on the light emitting surface 2b, resulting in a phenomenon that the output efficiency is lowered. Can be suppressed. Therefore, by increasing the surface roughness of the light emitting surface 2b, the light extraction efficiency can be increased and the output intensity can be increased.
  • An arbitrary method can be used as the roughening treatment. For example, the surface roughness of the light emitting surface 2b may be increased by wet etching using a predetermined etching solution (for example, dilute nitric acid).
  • the semiconductor layer 2 of the semiconductor light emitting device 100 has the n-type cladding layer disposed on the upper side and the p-type cladding layer disposed on the lower side with the light emitting layer interposed therebetween.
  • the semiconductor light emitting device 100 in FIG. 1 has the n-side electrode 22 disposed on the upper side (semiconductor layer 2 side) and the p-side electrode disposed on the lower side (support substrate 11 side). The electrode 21 is used.
  • a step of forming a semiconductor layer is performed. Specifically, this is a step of forming a semiconductor layer composed of an n-type cladding layer, a p-type cladding layer, a light emitting layer, etc. on the main surface of the substrate, particularly the semiconductor substrate.
  • the material of the substrate 1 used as the semiconductor substrate for forming the semiconductor layer 2 shown in FIG. 3 is preferably n-type GaAs, but other examples include n-type GaN.
  • a substrate or an InP substrate may be used. In the following, a case where n-type GaAs is used as the substrate 1 will be described.
  • the semiconductor layer 2 which is a region that emits light, is formed on one main surface (the upper main surface in FIG. 3) of the substrate 1.
  • the semiconductor layer 2 preferably has a laminated structure in which an n-type cladding layer, a light emitting layer, an electron blocking layer, a p-type cladding layer, and a layer to be a photonic crystal layer are formed in this order from the side closer to the substrate 1.
  • the layer to be the photonic crystal layer and the electron blocking layer are preferably made of, for example, AlGaAs having a larger band gap than the light emitting layer.
  • Each layer constituting the stacked structure of the semiconductor layer 2 described above is preferably formed using a metal organic vapor phase epitaxy method (MOVPE method).
  • MOVPE method metal organic vapor phase epitaxy method
  • VPE method vapor phase epitaxy method
  • H-VPE method A method (H-VPE method) may be used.
  • a step of preparing a support substrate (S20) is performed.
  • the support substrate 11 for supporting the semiconductor layer 2 is assumed to be a support substrate made of p-type Si.
  • a step of forming a two-dimensional diffraction grating (S30) is performed. Specifically, this is a step of forming a two-dimensional diffraction grating for diffracting the light emitted from the light emitting layer in a layer to be the photonic crystal layer constituting the semiconductor layer 2.
  • the schematic perspective view of the triangular lattice shown in FIG. 6 also shows a cross-sectional aspect intersecting with the main surface of the semiconductor layer.
  • 1 in the direction along the main surface of the outermost surface 2a formed by one main surface of the photonic crystal layer farthest from the substrate 1 in the stacked structure constituting the semiconductor layer 2.
  • a plurality of cylindrical recesses 3 are formed periodically in a two-dimensional direction along the direction and the direction along the main surface and the other direction intersecting the one direction. In this way, the plurality of recesses 3 periodically formed in the two-dimensional direction on the main surface of the laminated outermost surface 2a form a two-dimensional diffraction grating.
  • a mask layer is formed using a photolithography method, and the semiconductor layer 2 is formed using the mask layer as a mask.
  • a method of partially removing the outermost surface 2a can be used.
  • the two-dimensional diffraction grating is formed so as to form a triangular grating in which a plurality of recesses 3 are arranged so as to form a plurality of triangles in the direction along the outermost surface 2a. Also good.
  • a plurality of recesses 3 may be formed so as to form a square lattice arranged so as to form a plurality of squares in the direction along the laminated outermost surface 2 a.
  • the wavelength of the light emitted from the light emitting layer, the lattice constant indicating the period of the square lattice or the triangular lattice, and the main surface of the semiconductor layer 2 of the recess 3 where the filling material is formed are formed.
  • the two-dimensional diffraction grating emits light emitted from the light emitting layer to a desired intensity and direction. It is possible to bring about an action of radiating to.
  • the wavelength of the light emitted from the light emitting layer is ⁇
  • the main surface of the semiconductor layer 2 is a square lattice or a triangular lattice formed by the plurality of recesses 3 (stacked) If the distance (lattice constant) between the centers of the adjacent recesses 3 on the outermost surface 2a) is a (see FIG. 6), the relationship of 0.2 ⁇ ⁇ a ⁇ 10 ⁇ is preferably established. As shown in FIG.
  • ⁇ is 400 nm to 2 ⁇ m
  • a is 80 nm to 20 ⁇ m
  • d is 40 nm to 10 ⁇ m.
  • the plurality of recesses 3 in FIG. 5 to FIG. 9 are made of a material (transparent conductive material) that has a conductivity that satisfies the desired condition of the difference in refractive index between the semiconductor material and the filling material and is transparent to the light emitted from the light emitting layer. Fill with membrane 4).
  • a material of the transparent conductive film 4 for example, ITO (indium tin oxide) is used.
  • ITO indium tin oxide
  • any conventionally known method such as film formation by an EB vapor deposition apparatus can be used. In this manner, as shown in FIG. 10, an ITO contact layer in which the recess 3 is filled with the transparent conductive film 4 is formed.
  • a step of bonding the surface of the semiconductor layer 2 and the surface of the support substrate 11 is performed as a bonding step (S40).
  • AuSn solder is applied to the outermost surface 2 a on which the two-dimensional diffraction grating of the semiconductor layer 2 is formed or one main surface facing the semiconductor layer 2 of the support substrate 11. Feed on. Further, the AuSn solder is applied to either the Au thin film layer on the laminated outermost surface 2a where the two-dimensional diffraction grating of the semiconductor layer 2 is formed or on one main surface of the supporting substrate 11 facing the semiconductor layer 2. Supply to those who did not supply. Then, by heating up to the melting point of AuSn or higher, a eutectic reaction is caused between the supplied AuSn and Au, and both are joined. If it does in this way, as shown in FIG.
  • the thickness of the affixing layer 15 in the direction perpendicular to the main surface of the semiconductor layer 2 is preferably 1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less, more preferably 3 ⁇ m or more and 6 ⁇ m or less. In this way, the bonding between the semiconductor layer 2 and the support substrate 11 can be strengthened.
  • a step of removing the semiconductor substrate (S50) is performed.
  • the substrate 1 used to form the semiconductor layer 2 is removed by using a method called selective wet etching using, for example, a mixture of ammonia water and hydrogen peroxide solution.
  • the step of forming electrodes (S60) the p-side electrode 21 and the n-side electrode 22 which are ohmic electrodes of a metal thin film are formed by, for example, vacuum deposition.
  • the semiconductor light emitting device 100 the light emitting surface 2b shown in FIG.
  • the semiconductor light emitting device 100 shown in FIG. 1 is formed.
  • the semiconductor light emitting device 200 shown in FIG. 12 has basically the same mode as the semiconductor light emitting device 100 shown in FIG. However, the semiconductor light emitting element 200 is different from the semiconductor light emitting element 100 in that the light emitting surface 2c is subjected to a roughening treatment.
  • the roughening treatment can be performed, for example, by etching using dilute nitric acid. Further, it is preferable to perform the roughening treatment so that the surface roughness Ra of the light emitting surface 2c is 0.05 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less. In this way, the occurrence of total reflection on the light emitting surface 2c can be effectively suppressed.
  • a semiconductor light emitting device 300 shown in FIG. 13 has basically the same mode as the semiconductor light emitting device 100 shown in FIG. However, the semiconductor light emitting device 300 is formed in a region between the semiconductor layer 2 and the support substrate 11, more specifically, in a region between the two-dimensional diffraction grating formed in the semiconductor layer 2 and the pasting layer 15. Includes a reflective film 16 made of a metal material that reflects light emitted from the light source. The semiconductor light emitting element 300 is different from the semiconductor light emitting element 100 in the above points.
  • “reflecting” refers to reflecting light having a wavelength that is incident on the reflecting film 16 and emitted from the light emitting layer with a reflectance of 80% or more.
  • the semiconductor light emitting device 300 includes the reflective film 16 on the lower side of the two-dimensional diffraction grating of the semiconductor layer 2 (the support substrate 11 side), the light emitting layer emits light. If the light that has entered the direction attempts to enter the support substrate 11 from the adhesive layer 15 by diffraction, the light can be reflected by the reflective film 16. In order to change the light traveling direction from the downward direction to the upward direction in FIG. 13 by reflection, the efficiency with which light is emitted from the light emitting surface 2b can be increased, and the intensity with which light is output from the light emitting surface 2b in a specific direction can be further increased. .
  • the reflective film 16 is preferably made of a material including at least one selected from the group consisting of aluminum, gold, platinum, silver, copper, and chromium.
  • the reflective film 16 made of these metal materials can reflect, for example, infrared rays or visible light emitted from the light emitting layer with a high reflectance of 80% or more.
  • the manufacturing method of the semiconductor light emitting device 300 is basically the same as the manufacturing method of the semiconductor light emitting device 100 shown in FIG. However, as described above, since the semiconductor light emitting device 300 includes the reflective film 16, the manufacturing method of the semiconductor light emitting device 300 includes a step of forming the reflective film 16 in addition to the method of manufacturing the semiconductor light emitting device 100.
  • the manufacturing method of the semiconductor light emitting device 300 is basically the same as the manufacturing method of the semiconductor light emitting device 100 shown in FIG. However, in the method for manufacturing the semiconductor light emitting device 300, the step of forming the two-dimensional diffraction grating in FIG. 2 (S30) is performed, and after the formation of the embodiment shown in FIG. A reflective film 16 made of a material containing at least one selected from the group consisting of aluminum, gold, platinum, silver, copper, and chromium is formed on 2a using, for example, vacuum deposition.
  • the thickness of the reflective film 16 in the direction perpendicular to the main surface of the semiconductor layer 2 is preferably 0.05 ⁇ m or more and 2 ⁇ m or less. In this way, light can be effectively reflected by the reflective film 16.
  • the bonding layer 15 is formed on the main surface that does not face the semiconductor layer 2 of the formed reflective film 16 or on the main surface that faces the semiconductor layer 2 of the support substrate 11, similarly to the above-described bonding step (S 40), the bonding layer 15 is formed.
  • the AuSn solder was not supplied either on the main surface of the reflective film 16 formed on the main surface not facing the semiconductor layer 2 or on the main surface facing the semiconductor layer 2 of the support substrate 11.
  • the main surface of the reflective film 16 formed on the main surface of the semiconductor layer 2 and the main surface of the support substrate 11 are bonded together via AuSn solder, and the solder is melted by heating. Then, the support substrate 11 and the semiconductor layer 2 are connected.
  • the affixing layer 15 made of AuSn solder is formed.
  • the semiconductor light emitting device 300 shown in FIG. 13 is formed by performing a process of removing the substrate 1 and forming electrodes. In the above points, the method for manufacturing the semiconductor light emitting device 300 is different from the method for manufacturing the semiconductor light emitting device 100.
  • the second embodiment is different from the first embodiment only in each point described above. That is, the configuration, conditions, procedures, effects, and the like that have not been described above for the second embodiment are all in accordance with the first embodiment.
  • a semiconductor light emitting device 400 shown in FIG. 15 has basically the same mode as the semiconductor light emitting device 100 shown in FIG. However, in the semiconductor light emitting device 400, the same material as the transparent conductive film 4 filling the plurality of recesses 3 constituting the semiconductor layer 2 (two-dimensional diffraction grating) is formed on the outermost surface 2a on which the two-dimensional diffraction grating is formed. A transparent conductive film 5 is formed throughout. In this respect, the semiconductor light emitting device 400 is different from the semiconductor light emitting device 100.
  • the material constituting the transparent conductive film 5 may be disposed only as the transparent conductive film 4 filling the recesses 3 of the two-dimensional diffraction grating, like the semiconductor light emitting device 100. However, like the semiconductor light emitting device 400, in addition to the transparent conductive film 4 filling the recess 3 of the two-dimensional diffraction grating, the transparent conductive film 5 may be disposed so as to cover the entire surface of the laminated outermost surface 2a. If it does in this way, since it joins so that the main surface of the affixing layer 15 and the main surface of the transparent conductive film 5 may oppose, the main surface of the affixing layer 15 is only the main surface of the transparent conductive film 5 in the said area
  • the manufacturing method of the semiconductor light emitting device 400 is basically the same as the manufacturing method of the semiconductor light emitting device 100 shown in FIG. However, in the method for manufacturing the semiconductor light emitting device 400, a process for forming the transparent conductive film 5 is added to the method for manufacturing the semiconductor light emitting device 100.
  • the transparent conductive film 4 and the transparent conductive film 5 are formed as shown in FIG.
  • the transparent conductive film 5 is preferably formed so as to cover the entire surface of the laminated outermost surface 2a, that is, both the region where the recess 3 is filled with the transparent conductive film 4 and the region where the recess 3 is not formed.
  • the material constituting the transparent conductive film 5 is preferably the same as the material constituting the transparent conductive film 4 filling the recess 3. Therefore, the transparent conductive film 5 forms the transparent conductive film 4 by filling the plurality of concave portions 3 arranged on the laminated outermost surface 2a with the filling material in the step (S30) of FIG. Of these, the same material as the filling material is simultaneously disposed in the region where the recess 3 does not exist, so that the embodiment shown in FIG.
  • the support substrate 11 is bonded to the semiconductor layer 2 using the bonding layer 15 to form the embodiment shown in FIG.
  • the semiconductor light emitting element 400 shown in FIG. 15 is formed by removing the substrate 1 and forming an electrode.
  • the manufacturing method of the semiconductor light emitting device 400 is different from the manufacturing method of the semiconductor light emitting device 100 in the above points.
  • the third embodiment is different from the first embodiment only in each point described above. In other words, all the configurations, conditions, procedures, effects, and the like that have not been described above in the third embodiment are the same as those in the first embodiment.
  • a semiconductor light emitting device 500 shown in FIG. 18 has basically the same mode as the semiconductor light emitting device 400 shown in FIG. However, the semiconductor light emitting device 500 is sandwiched between the semiconductor layer 2 and the support substrate 11, more specifically between the transparent conductive film 5 and the adhesive layer 15, as in the semiconductor light emitting device 300 shown in FIG. 2.
  • the region includes a reflective film 16 made of a metal material that reflects light emitted from the light emitting layer.
  • the semiconductor light emitting element 500 is different from the semiconductor light emitting element 400 in the above points.
  • the semiconductor light emitting device 500 is provided with the reflective film 16 to increase the efficiency of light emitted from the light emitting surface 2b and to increase the intensity of outputting light from the light emitting surface 2b in a specific direction. Can be increased.
  • the manufacturing method of the semiconductor light emitting device 500 is basically the same as the manufacturing method of the semiconductor light emitting device 400 described above. However, as described above, since the semiconductor light emitting element 500 includes the reflective film 16, the manufacturing method of the semiconductor light emitting element 500 includes a step of forming the reflective film 16 in addition to the method of manufacturing the semiconductor light emitting element 400.
  • the step (S30) of forming the two-dimensional diffraction grating in FIG. 2 was performed to form the embodiment shown in FIG.
  • the reflective film 16 composed of: is formed using, for example, vacuum deposition.
  • the bonding layer 15 is formed on the main surface that does not face the semiconductor layer 2 of the formed reflective film 16 or on the main surface that faces the semiconductor layer 2 of the support substrate 11, similarly to the above-described bonding step (S 40), the bonding layer 15 is formed.
  • AuSn solder is supplied.
  • the AuSn solder is not supplied either on the main surface of the reflective film 16 that does not oppose the semiconductor layer 2 or on the main surface of the support substrate 11 that opposes the semiconductor layer 2. To supply. Then, by heating up to the melting point of AuSn or higher, a eutectic reaction is caused between the supplied AuSn and Au, and both are joined. In this way, an adhesive layer 15 as shown in FIG. 19 is formed.
  • the semiconductor light emitting device 500 shown in FIG. The manufacturing method of the semiconductor light emitting device 500 is different from the manufacturing method of the semiconductor light emitting device 400 in the above points.
  • the fourth embodiment is different from the third embodiment only in each point described above. That is, the configuration, conditions, procedures, effects, and the like that have not been described above for the fourth embodiment are all in accordance with the third embodiment.
  • a semiconductor light emitting device 600 shown in FIG. 20 has basically the same mode as the semiconductor light emitting device 100 shown in FIG. However, in the semiconductor light emitting device 600, the plurality of recesses 3 constituting the two-dimensional diffraction grating form the air holes 6 filled with air. The semiconductor light emitting device 600 is different from the semiconductor light emitting device 100 in the above points.
  • the semiconductor light emitting device 600 constitutes a two-dimensional diffraction grating in which air and a semiconductor material are periodically arranged on the main surface of the semiconductor layer 2. Even in this case, with respect to the direction along the main surface of the semiconductor layer 2, the light emitted from the light emitting layer is diffracted under a desired condition due to the difference in refractive index between air and the semiconductor material. Can be output. Note that, in the region along the main surface where the two-dimensional diffraction grating is arranged in the photonic crystal layer of the semiconductor light emitting device 600, the n-side electrode 22 and the p-side electrode 21 are formed in the portion where the air holes 6 exist. Conduction between them is interrupted.
  • the region between the n-side electrode 22 and the p-side electrode 21 is formed in a region made of a semiconductor material constituting the photonic crystal layer (a region other than the region where the air holes 6 are present). It is possible to conduct. For this reason, the semiconductor light emitting device 600 as a whole can conduct between the n-side electrode 22 and the p-side electrode 21. From the above, even if the plurality of recesses 3 are filled with the dielectric film 7, the normal operation of the semiconductor light emitting device 600 is not hindered.
  • step (S30) of forming the two-dimensional diffraction grating in the method for manufacturing the semiconductor light-emitting element 100 for example, by forming the air holes 6 in which the plurality of concave portions 3 of the two-dimensional diffraction grating are filled with air as in the semiconductor light-emitting element 600.
  • the manufacturing method of the semiconductor light emitting device 600 can shorten the tact time of production and reduce the material cost as compared with the manufacturing method of the semiconductor light emitting device 100, for example. Therefore, the manufacturing method of the semiconductor light emitting device 600 can reduce the processing cost.
  • the manufacturing method of the semiconductor light emitting device 600 is basically the same as the manufacturing method of the semiconductor light emitting device 100 shown in FIG. However, in the manufacturing method of the semiconductor light emitting device 600, the manufacturing method of the semiconductor light emitting device 100 is slightly different in the step of preparing the support substrate shown in FIG. 2 (S20) and the step of forming the two-dimensional diffraction grating (S30). There is a difference. In the step of preparing the support substrate (S20), as shown in FIG. 21, the ohmic layer capable of being in ohmic contact with the support substrate 11 on one main surface of the support substrate 11, and the semiconductor light emitting device 100 described above. And a layer made of AuSn similar to the above.
  • an ohmic layer that can be ohmically connected to the semiconductor layer 2 in a region where the concave portion 3 is not formed in the stacked outermost surface 2a of the semiconductor layer 2, and Au similar to the semiconductor light emitting device 100 described above.
  • a thin film layer is formed. After these are formed, as shown in FIG. 21, the support substrate 11 and the semiconductor layer 2 are bonded together in the same manner as the semiconductor light emitting device 100 described above.
  • the ohmic layer in contact with the semiconductor layer 2 it is preferable to use a thin film having a laminated structure of, for example, Au / Zn / Ti / Au, but a thin film made of, for example, an AuBe alloy may be formed.
  • the bonding layer 17 is made of an ohmic layer composed of two metal layers. By forming the junction, it is possible to sufficiently conduct the p-side electrode 21 and the n-side electrode 22 in the region of the semiconductor material constituting the two-dimensional diffraction grating.
  • the plurality of recesses 3 having the mode shown in FIG. 5 are formed, but no filling material is introduced into the recesses 3. .
  • the bonding step (S40) the outermost surface 2a of the semiconductor layer 2 shown in FIG. 5 and the main surface of the bonding layer 17 formed on the support substrate 11 are shown in FIG. 21 in the air. Join. In this way, the inside of the plurality of recesses 3 covered with the bonding layer 17 can be filled with air.
  • the semiconductor light emitting device 600 shown in FIG. 20 is formed by performing a process of removing the substrate 1 and forming electrodes. The manufacturing method of the semiconductor light emitting device 600 is different from the manufacturing method of the semiconductor light emitting device 100 in the above points.
  • the fifth embodiment is different from the first embodiment only in each point described above. In other words, all the configurations, conditions, procedures, effects, and the like that have not been described above in the fifth embodiment are the same as those in the first embodiment.
  • the semiconductor light emitting device 700 shown in FIG. 22 has basically the same mode as the semiconductor light emitting device 100 shown in FIG. However, in the semiconductor light emitting device 700, the filling material filling the plurality of recesses 3 constituting the two-dimensional diffraction grating is the dielectric film 7. The semiconductor light emitting device 700 is different from the semiconductor light emitting device 100 in the above points.
  • the dielectric film 7 is preferably made of a material including at least one selected from the group consisting of silicon oxide, magnesium fluoride, calcium fluoride, barium fluoride, lithium fluoride, and zirconium oxide. Since these materials are transparent to light having a wavelength emitted by the light emitting layer, if these materials are used as materials constituting the two-dimensional diffraction grating, light can be diffracted smoothly in the two-dimensional diffraction grating. Can do.
  • the transparent conductive film 4 is used as a filling material for filling the plurality of recesses 3 as in the above-described embodiments
  • the light-emitting layer is transparent to infrared rays and visible light emitted and has conductivity. Is preferably used. For this reason, the selection range of the material which can be used for the transparent conductive film 4 and the transparent conductive film 5 is narrow. Therefore, as in the semiconductor light emitting device 700 of the sixth embodiment, the plurality of recesses 3 are filled with a dielectric film 7 made of a dielectric material. In this way, the range of selection of the material that fills the plurality of recesses 3 can be expanded.
  • the presence of the dielectric film 7 causes a gap between the n-side electrode 22 and the p-side electrode 21. Is interrupted.
  • conduction can be established between the n-side electrode 22 and the p-side electrode 21 in a region made of a semiconductor material constituting the photonic crystal layer. For this reason, the semiconductor light emitting device 700 as a whole can be electrically connected between the n-side electrode 22 and the p-side electrode 21. From the above, even if the plurality of recesses 3 are filled with the dielectric film 7, the normal operation of the semiconductor light emitting device 700 is not hindered.
  • the manufacturing method of the semiconductor light emitting device 700 is basically the same as the manufacturing method of the semiconductor light emitting device 100 described above. However, as described above, the semiconductor light emitting device 700 is different from the semiconductor light emitting device 100 in that the dielectric film 7 is filled in the plurality of recesses 3 as shown in FIG. Therefore, in the method of manufacturing the semiconductor light emitting device 700, after forming the above-described embodiment shown in FIG. 5 in the step (S30) of forming the two-dimensional diffraction grating in FIG. By filling the body film 7, the structure of the embodiment shown in FIG. 23 is formed. When filling the dielectric film 7 into the plurality of recesses 3, any conventionally known arbitrary method can be used as a method of forming the dielectric film 7.
  • the semiconductor layer 2 and the support substrate 11 are bonded using the bonding layer 15 made of AuSn, as in FIG. 11 in the method for manufacturing the semiconductor light emitting device 100.
  • the semiconductor light emitting device 700 shown in FIG. 22 is formed by performing the process of removing the substrate 1 and forming electrodes. The manufacturing method of the semiconductor light emitting device 700 is different from the manufacturing method of the semiconductor light emitting device 100 in the above points.
  • the sixth embodiment is different from the first embodiment only in the points described above. That is, the configuration, conditions, procedures, effects, and the like that have not been described above for the sixth embodiment are all in accordance with the first embodiment.
  • a semiconductor light emitting device 800 shown in FIG. 25 has basically the same mode as the semiconductor light emitting device 700 shown in FIG. However, like the semiconductor light emitting device 300 shown in FIG. 2, the semiconductor light emitting device 800 is sandwiched between the semiconductor layer 2 (two-dimensional diffraction grating) and the support substrate 11, more specifically, the transparent conductive film 5 and the bonding layer. 15 includes a reflective film 16 made of a metal material that reflects light emitted from the light emitting layer. The semiconductor light emitting element 800 is different from the semiconductor light emitting element 700 in the above points.
  • the semiconductor light emitting device 800 is provided with the reflective film 16, thereby improving the efficiency of light emitted from the light emitting surface 2b and increasing the intensity of outputting light from the light emitting surface 2b in a specific direction. Can be increased.
  • the manufacturing method of the semiconductor light emitting device 800 is basically the same as the manufacturing method of the semiconductor light emitting device 700 described above. However, as described above, since the semiconductor light emitting element 800 includes the reflective film 16, the manufacturing method of the semiconductor light emitting element 800 includes a process of forming the reflective film 16 in addition to the method of manufacturing the semiconductor light emitting element 700.
  • the reflective film 16 made of a material containing at least one selected from the group consisting of copper and chromium is formed using, for example, vacuum deposition. Thereafter, on the main surface of the formed reflective film 16 that does not face the semiconductor layer 2 or on the main surface that faces the semiconductor layer 2 of the support substrate 11, similarly to the above-described bonding step (S 40), the sticking layer 15. A AuSn solder is supplied to form the film.
  • the AuSn solder was not supplied either on the main surface of the reflective film 16 formed on the main surface not facing the semiconductor layer 2 or on the main surface facing the semiconductor layer 2 of the support substrate 11. To supply. Then, as shown in FIG. 26, the main surface of the reflective film 16 formed on the main surface of the transparent conductive film 5 and the main surface of the support substrate 11 are bonded together with AuSn solder, and the bonding layer 15 is formed by heating. Form.
  • the semiconductor light emitting device 800 shown in FIG. 25 is formed by performing a process of removing the substrate 1 and forming electrodes. The manufacturing method of the semiconductor light emitting device 800 is different from the manufacturing method of the semiconductor light emitting device 700 in the above points.
  • the seventh embodiment is different from the sixth embodiment only in each point described above. That is, the configuration, conditions, procedures, effects, and the like that have not been described above for the seventh embodiment are all in accordance with the sixth embodiment.
  • a semiconductor light emitting device 900 shown in FIG. 27 includes a transparent support substrate 12 that is transparent to the wavelength of light emitted from the light emitting layer, as a support substrate for supporting the semiconductor layer 2.
  • the laminated outermost surface 2 a of the semiconductor layer 2 and the main surface of the transparent support substrate 12 are joined by a transparent adhesive layer 8.
  • the main surface of the transparent support substrate 12 that does not face the semiconductor layer 2 is defined as a main surface 12b.
  • Both the p-side electrode 21 and the n-side electrode 22 are formed on the surface of the semiconductor layer 2 (p-type semiconductor layer surface 2d, n-type semiconductor layer surface 2e).
  • any of the semiconductor light emitting devices in the first to seventh embodiments described above a material that is opaque to the light emitted as the support substrate 11 is used. Therefore, the main surface (the upper main surface in each figure) of the semiconductor layer 2 that does not face the support substrate 11 is used as the light emitting surface 2b.
  • the semiconductor light emitting device 900 a material transparent to light emitted as the support substrate is used. Therefore, the n-type semiconductor layer surface 2e that does not face the transparent support substrate 12 can be a light emitting surface, or the main surface 12b of the transparent support substrate 12 can be a light emitting surface. For this reason, the freedom degree of design of a semiconductor light-emitting device can be increased.
  • the main surface 12b of the transparent support substrate 12 is fixed to the lead frame with silver paste. In this way, light traveling from the light emitting layer to the main surface 12b side is reflected by the silver paste and output from the n-type semiconductor layer surface 2e, so that the intensity of light output can be increased. Since the material constituting the transparent support substrate 12 is poor in conductivity, both the p-side electrode 21 and the n-side electrode 22 are formed on the semiconductor layer 2 side in the semiconductor light emitting device 900.
  • the light emitted from the light emitting layer of the semiconductor layer 2 may reach the transparent support substrate 12 through the transparent adhesive layer 8 and be output from the main surface 12b. Moreover, it is good also as a structure reflected by the silver paste apply
  • the transparent adhesive layer 8 is transparent to the light emitted from the light emitting layer, and at the same time has an adhesive property capable of joining the outermost surface 2a of the semiconductor layer 2 and the main surface of the transparent support substrate 12. It is preferable to use the material which has. In this way, the transparent adhesive layer 8 can have a role of transmitting the light emitted from the light emitting layer and a role of joining the semiconductor layer 2 and the transparent support substrate 12.
  • the plurality of recesses 3 constituting the two-dimensional diffraction grating of the semiconductor light emitting device 900 are filled with the same material as that constituting the transparent adhesive layer 8. Thereby, the emitted light can be diffracted in the transparent adhesive layer 8 filling the concave portions 3 of the two-dimensional diffraction grating, and the light traveling method can be guided in a desired direction (direction of the transparent support substrate 12).
  • the transparent adhesive material used as the transparent adhesive layer 8 is composed of a material including at least one selected from the group consisting of polyimide (PI), epoxy, silicone, and perfluorocyclobutane (PFCB). preferable.
  • PI polyimide
  • PFCB perfluorocyclobutane
  • the above-mentioned transparent adhesive material is used only as a filling material for the plurality of recesses 3, and other materials are used for the layer that joins the outermost surface 2 a of the semiconductor layer 2 and the main surface of the transparent support substrate 12. Also good.
  • the transparent support substrate 12 is preferably made of a material including at least one selected from the group consisting of sapphire, gallium phosphide, quartz, and spinel. If these materials are used for the transparent support substrate 12, the light emitted from the semiconductor layer 2 can be transmitted to the transparent support substrate 12 beyond the transparent adhesive layer 8, and the light can be output from the main surface 12b with high efficiency. it can. Further, when silver paste is applied and fixed to the lead frame, light can be reflected by the silver paste and the light can be output from the n-type semiconductor layer surface 2e with high efficiency.
  • the transparent support substrate 12 is a support substrate made of sapphire. Since the semiconductor light emitting device 900 is operated by conducting between the p-side electrode 21 and the n-side electrode 22, the transparent adhesive layer 8 and the transparent support substrate 12 may be made of a material having no conductivity. Good.
  • the light emitted from the light emitting layer travels toward the main surface 12b of the transparent support substrate 12. Therefore, as shown in FIG. 27, the two-dimensional diffraction grating having the function of diffracting the emitted light has a bonding interface region on the semiconductor layer 2 side (from the main surface bonded to the transparent adhesive layer 8 of the semiconductor layer 2 to the semiconductor). You may form in the area
  • the main surface on which the two-dimensional diffraction grating is formed in the semiconductor layer 2 is the transparent adhesive layer 8 as in the semiconductor light emitting devices of the first to seventh embodiments. Are arranged to face each other. Therefore, the two-dimensional diffraction grating is not formed on the main surface 12b which is the main surface of the transparent support substrate 12, the p-type semiconductor layer surface 2d and the n-type semiconductor layer surface 2e where the electrodes are arranged. For this reason, a two-dimensional diffraction grating can be formed on the entire main surface.
  • the manufacturing method of the semiconductor light emitting device 900 also basically follows the procedure shown in FIG. In the step of forming a semiconductor layer (S10), the semiconductor layer 2 shown in FIG. 4 described above is formed. In the step of preparing the support substrate (S20), as described above, in the case of the semiconductor light emitting device 900, the transparent support substrate 12 made of sapphire is prepared.
  • a plurality of recesses 3 are formed on the main surface of the laminated outermost surface 2a of the semiconductor layer 2.
  • the plurality of recesses 3 may be formed on one main surface of the transparent support substrate 12.
  • the concave portion 3 is filled with the transparent adhesive layer 8 after forming the above-described embodiment shown in FIG.
  • a transparent adhesive material for forming the transparent adhesive layer 8 is disposed so as to cover the outermost surface of the two-dimensional diffraction grating including the recess 3.
  • the following uses the transparent adhesive layer 8 disposed so as to cover the entire surface of the two-dimensional diffraction grating in place of the adhesive layer 15 in the attaching step (S40) in the same manner as in the method for manufacturing each semiconductor light emitting element described above. Then, the semiconductor layer 2 and the transparent support substrate 12 are joined. In this way, the embodiment shown in FIG. 28 is formed.
  • the substrate 1 is removed.
  • the semiconductor layer 2 is partially removed as shown in FIG. 27 before the p-side electrode 21 and the n-side electrode 22 are formed by, for example, vacuum deposition. .
  • the transparent support substrate 12 does not have conductivity, and thus an electrode needs to be formed on the surface of the semiconductor layer 2.
  • the side close to the transparent support substrate 12 is separated from the transparent support substrate 12, a region made of a p-type semiconductor material such as a p-type cladding layer.
  • the side (the upper side in FIG. 27) is a region made of an n-type semiconductor material such as an n-type cladding layer.
  • etching is performed so that the p-type cladding layer is exposed in a part of the semiconductor layer 2 (on the right side in FIG. 27).
  • the p-side electrode 21 can be formed on the surface of the exposed region (p-type semiconductor layer surface 2d) by, for example, vacuum deposition, and the etching is performed on the outermost surface of the semiconductor layer 2.
  • the n-side electrode 22 can be formed by, for example, vacuum deposition on the surface (n-type semiconductor layer surface 2e) of the region that has not been present.
  • the semiconductor light emitting device 900 shown in FIG. 27 is formed by the above procedure.
  • the eighth embodiment is different from the first embodiment only in each point described above. That is, the configuration, conditions, procedures, effects, and the like that have not been described above for the eighth embodiment are all in accordance with the first embodiment.
  • a semiconductor light emitting device 999 shown in FIG. 29 has basically the same mode as the semiconductor light emitting device 900 shown in FIG. However, in the semiconductor light emitting device 999, a plurality of concave portions 3 constituting a two-dimensional diffraction grating form air holes 6 filled with air. The semiconductor light emitting element 999 is different from the semiconductor light emitting element 900 in the above points.
  • the area where the transparent adhesive layer 8 is disposed can be reduced as compared with the semiconductor light emitting element 900, so that the processing cost can be reduced. it can.
  • an adhesive layer 15 may be used in place of the transparent adhesive layer 8 as a material for joining the laminated outermost surface 2a of the semiconductor layer 2 and the main surface of the transparent support substrate 12.
  • the light emission surface is the outermost surface side of the semiconductor layer 2 on which the n-side electrode 22 and the like are formed.
  • the manufacturing method of the semiconductor light emitting device 999 is basically the same as the manufacturing method of the semiconductor light emitting device 900 described above.
  • the plurality of recesses 3 constituting the two-dimensional diffraction grating of the semiconductor light emitting device 999 form air holes 6. Therefore, in the step of forming the two-dimensional diffraction grating (S30), the step of bonding (S40) in the air without performing the process of filling the plurality of recesses 3 with the transparent adhesive material for forming the transparent adhesive layer 8 is performed. To do. In this way, what has the aspect as shown in FIG. 30 is formed. Thereafter, the same processing as in the method for manufacturing the semiconductor light emitting device 900 is performed.
  • FIG. 30 differs from FIG. 28 only in that the recess 3 forms the air hole 6.
  • the manufacturing method of the semiconductor light emitting device 999 is different from the manufacturing method of the semiconductor light emitting device 900.
  • the ninth embodiment is different from the eighth embodiment only in each point described above. That is, the configuration, conditions, procedures, effects, and the like that have not been described above for the ninth embodiment are all in accordance with the eighth embodiment.
  • a roughening process is performed on the light emitting surface to obtain a rough surface.
  • a process of increasing the degree Ra may be performed.
  • the present invention is particularly excellent as a technique capable of improving the efficiency of outputting light emitted from a semiconductor light emitting device.

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Abstract

　半導体発光素子１００は、発光層を含む半導体層２と、半導体層２を支持するための支持基板１１と、半導体層２の主表面と支持基板１１の主表面とを接合する貼付け層１５とを備えている。半導体層２の貼付け層１５と対向する主表面または支持基板１１の貼付け層１５と対向する主表面の少なくともいずれか一方の、貼付け層１５との接合界面領域に、屈折率の異なる少なくとも２種類の物質が周期的に配置されることによる２次元回折格子が形成されている。

Description

半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法
　本発明は、半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法に関するものである。より特定的には、本発明は発光した光を出力する効率を向上することができる半導体発光素子および当該半導体発光素子の製造方法に関するものである。
　半導体発光素子は半導体層を構成するｐ型半導体層が供給する正孔と、ｎ型半導体層が供給する電子とが、発光層において再結合することにより放出されるエネルギーを光として取り出す。このような半導体発光素子（ＬＥＤ）は、光学ディスプレイ、信号機など幅広い用途で用いられている。この半導体発光素子が発光する光を出力する効率を向上して、出力する光の強度を高めるために、従来から様々な工夫がなされている。
　たとえば以下の特許文献１および非特許文献１においては、光を放出する半導体層と、導電性を有する支持基板とを、当該光に対して高い反射率を有する金属からなる接着層を用いて接合する半導体発光素子の製造方法が開示されている。当該半導体素子が発光する光は、金属からなる接着層において高い反射率で特定の方向に反射されるため、光の出力強度を高めることができる。
　また、以下の特許文献２および非特許文献２においては、半導体層の最表面に２次元回折格子の周期構造を形成する半導体発光素子が開示されている。当該半導体発光素子では、半導体層の内部において発光された光が、２次元回折格子により回折され、特定の方向に高い割合で放出されるため、光の出力強度を高めることができる。
特開２００５－１７５４６２号公報 特開２００５－１２９９３９号公報
R.H.Horng、S.H.Huang and D.S.Wuu、C.Y.Chiu、「AlGaInP/mirror/Si light-emitting diodes with vertical electrodes by wafer bonding」、Applied Physics Letters、米国、２００３年６月９日、８２巻、２３号、ｐ．４０１１－４０１３ Hiroyuki Ichikawa and Toshihiko Baba、「Efficiency enhancement in a light-emitting diode with a two-dimensional surface grating photonic crystal」、Applied Physics Letters、米国、２００４年１月２６日、８４巻、４号、ｐ．４５７－４５９
　しかしながら、たとえば特許文献２の図８に示すように、２次元回折格子の周期構造を半導体発光素子（デバイス）の半導体層の最表面に形成する。この場合、半導体層の最表面の表面上には電極を形成することから、電極が配置される分だけ当該２次元回折格子を配置することができる領域の面積が小さくなる。２次元回折格子は、半導体層において発光された光を特定の方向に放出する作用を有する。したがって当該２次元回折格子の周期構造を配置することができる領域の面積が制限されることにより、当該半導体発光素子が発光する光を出力する効率や出力強度が低下する可能性がある。
　本発明は、以上の問題に鑑みなされたものである。本発明の目的は、発光した光を出力する効率を向上させた半導体発光素子および当該半導体発光素子の製造方法を提供することである。
　本発明に係る半導体発光素子は、発光層を含む半導体層と、半導体層を支持するための支持基板と、半導体層の主表面と支持基板の主表面とを接合する貼付け層とを備えている。上記半導体層の上記貼付け層と対向する主表面または上記支持基板の上記貼付け層と対向する主表面の少なくともいずれか一方の、上記貼付け層との接合界面領域に、２次元回折格子が形成されている。前記２次元回折格子には屈折率の異なる少なくとも２種類の物質が周期的に配置されている。
　本発明に係る半導体発光素子は、２次元回折格子が、半導体発光素子を構成する半導体層と支持基板と貼付け層とからなる積層構造の最表面に形成されているわけではなく、接合界面領域に形成されている。なお、ここで接合界面領域とは、接合された主表面から一定の深さの領域のことをいう。また、ここで主表面とは、表面のうち最も面積の大きい主要な面のことをいう。このように２次元回折格子の周期構造が積層構造の接合界面領域に形成されていれば、積層構造の最表面には２次元回折格子の周期構造が配置されないことになる。このため、積層構造の最表面上に電極を形成しても、２次元回折格子が、積層構造の主表面に沿った方向において占める面積に影響を及ぼさない。したがって、半導体層において発光された光が２次元回折格子により回折され、所定の方向に出力する効率を向上することができる。
　また、積層構造の最表面の面粗度を増大させる処理、すなわち積層構造の最表面を粗面化する処理を行なうことにより、当該積層構造の最表面から出力する光が、当該最表面において全反射を起こす現象が発生することを抑制することができる。したがって、積層構造の最表面から出力する光の強度を高めることができる。しかしながら、仮に積層構造の最表面に２次元回折格子の周期構造が配置されていれば、２次元回折格子の周期構造が配置された領域に対して粗面化処理を行なうことは困難である。ところが、本発明に係る半導体発光素子のように積層構造の最表面上に２次元回折格子の周期構造を配置しない場合には、積層構造の最表面上の、電極が形成された領域を除く領域に対して上述した粗面化処理を行なうことができる。したがって、当該処理を行なうことにより、半導体発光素子が光を出力する効率をさらに向上することができる。
　本発明に係る半導体発光素子において、２次元回折格子を形成する物質は、半導体層を構成する半導体材料と、半導体層の表面において周期的に形成された複数の凹部を充填する充填材料とを含むことが好ましい。このように、半導体材料と充填材料とが、半導体層のうち貼付け層と対向する主表面（接合界面領域）において周期的に配置される。これら配置される周期や、半導体材料と充填材料との屈折率の差により、２次元回折格子に入射した光は回折されるため、所望の方向に出力することができる。
　上述した充填材料は、半導体材料とオーミック接触し、上記発光層が発光する光を透過するとともに導電性を有する透明材料であることが好ましい。なお、ここで光を透過するとは、入射した光を８０％以上の透過率で透過することをいう。また透明とは、たとえばある波長を有する光を対象物に入射したときに、入射した光を８０％以上の透過率で透過する場合、当該対象物は入射した波長の光に対して透明であるという。さらに、導電性を有するとは、導電率が１０ジーメンス／ｃｍ以上であることをいう。ここで上記透明材料とは、たとえば酸化インジウムと酸化スズとの混合物、アルミニウム原子を含む酸化亜鉛、フッ素原子を含む酸化スズ、酸化亜鉛、セレン化亜鉛、酸化ガリウムからなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成されることが好ましい。上記発光層が発光する光としては、赤外線や可視光が挙げられる。赤外線の波長はおよそ０．７μｍ以上１０００μｍ以下であり、可視光の波長はおよそ０．３６μｍ以上０．７μｍ以下である。すなわち、これらの波長の光を８０％以上の透過率で透過するとともに、導電率が１０ジーメンス／ｃｍ以上である材料を充填材料として用いれば、半導体発光素子としての導電性と、２次元回折格子として発光した光を発光する作用とを備えることができる。充填材料（透明材料）として具体的には上述した材質を用いることが好ましい。
　本発明に係る半導体発光素子における上記充填材料は誘電体膜であってもよい。具体的には、酸化シリコン、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化リチウムからなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成されることが好ましい。上述したように充填材料として導電性を有する透明材料を用いようとすれば、非常に限られた範囲の材料から、充填材料として用いる材料を選択する必要が生じる。ここで、半導体層の主表面に形成された誘電体膜と半導体材料とが周期的に配置された２次元回折格子においても、誘電体と半導体材料との屈折率の差により、発光層が発光する光を所望の条件で回折させ、所望の条件で高効率に出力することができる。このため、充填材料として誘電体の材料を用いることにより、充填材料として用いる材料の選択の範囲を広げることができる。
　本発明に係る半導体発光素子は、２次元回折格子と支持基板とに挟まれた領域に、発光層が発光する光を反射する金属材料からなる反射膜を含むことが好ましい。このようにすれば、半導体発光素子が発光する光を反射させることにより、特定の方向に高い割合で放射させることができる。したがって、発光層が発光する光を出力する強度を高めることができる。具体的には当該反射膜は、アルミニウム、金、白金、銀、銅、クロムからなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成されることが好ましい。このようにすれば、より高い割合で光を反射することができ、特定の方向に光を出力する強度を高めることができる。
　本発明に係る半導体発光素子においては、上記充填材料として空気を用いてもよい。半導体層の主表面に形成された、空気と半導体材料とが周期的に配置された２次元回折格子においても、空気と半導体材料との屈折率の差により、発光層が発光する光を所望の条件で回折させ、所望の条件で高効率に出力することができる。
　以上に述べた本発明に係る半導体発光素子において、支持基板は導電性を有する導電性支持基板であることが好ましい。具体的にはシリコン、ガリウム砒素、炭化珪素からなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成されることが好ましい。支持基板として上述した導電性支持基板を用いれば、積層構造の対向する１対の主表面の最表面の一方と他方とに電極を形成した場合、両電極間に電圧を印加することにより、当該半導体発光素子にスムーズに電力を供給することができる。
　本発明に係る半導体発光素子においては、充填材料は、半導体層および支持基板に対して接着性を有し、発光層が発光する光を透過する透明接着性材料であってもよい。具体的には、当該透明接着性材料としてポリイミド（ＰＩ）、エポキシ、シリコーン、過フルオロシクロブタン（ＰＦＣＢ）からなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成されることが好ましい。充填材料が透明でありかつ接着性を有する透明接着性材料である場合、当該透明接着性材料を、２次元回折格子を構成するための材料として用いるのに加えて、半導体層と支持基板とを接合するのに用いる。これにより、発光層が発光する光を透過して支持基板側に入射させることができる。
　すなわち、上述したように透明接着性材料を用いて半導体層と支持基板とを接合する場合、支持基板として発光層が発光する波長の光を８０％以上透過する透明な材料を用いればよい。これにより半導体層が発光する光を、透明接着性材料を超えて支持基板に伝播し、たとえば支持基板の一方の主表面とリードフレームとを固定するために塗布された銀ペーストにより反射され、再び発光層を通過して積層構造の最表面から当該光を出力することができる。ここで、上記透明な支持基板は、サファイア、ガリウムリン、石英、スピネルからなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成されることが好ましい。
　本発明に係る半導体発光素子において、半導体層に含まれる発光層の組成は、ＡｌｘＧａｙＩｎ（１－ｘ－ｙ）Ａｓ（ただし０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）、ＡｌｘＧａｙＩｎ（１－ｘ－ｙ）Ｐ（ただし０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１）、ＡｌｘＩｎｙＧａ（１－ｘ－ｙ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１）、ＩｎｘＧａ（１－ｘ）ＡｓｙＰ（１－ｙ）（ただし０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）からなる群から選択される少なくとも１種であることが好ましい。たとえば発光層の組成がＡｌｘＧａｙＩｎ（１－ｘ－ｙ）ＡｓまたはＩｎｘＧａ（１－ｘ）ＡｓｙＰ（１－ｙ）であれば赤外線を発光させ、発光層の組成がＡｌｘＧａｙＩｎ（１－ｘ－ｙ）Ｐであれば赤色可視光を発光させることができる。また、発光層の組成がＡｌｘＩｎｙＧａ（１－ｘ－ｙ）Ｎであれば紫色から青色、緑色までの可視光を発光させることができる。
　本発明に係る半導体発光素子において、上述した２次元回折格子は、屈折率の異なる２種類の物質が正方格子をなすように配置されていてもよいし、屈折率の異なる２種類の上記物質が三角格子をなすように配置されていてもよい。たとえば半導体層の主表面に２次元回折格子が配置される場合、半導体材料と充填材料とが正方格子をなすように配置されていても、三角格子をなすように配置されていてもよい。発光層が発光する光の波長と、当該正方格子または三角格子の周期を示す格子定数、充填材料が形成される凹部の、半導体層の主表面に垂直な方向における深さ（厚み）、そして半導体材料と充填材料との屈折率が所定の条件を満たせば、当該２次元回折格子は発光層が発光する光を所望の強度、方向に放射させる作用をもたらすことができる。
　上述した２次元回折格子の正方格子や三角格子などが満たすべき条件としては、発光層が発光する光の波長をλ、正方格子または三角格子の、半導体層の主表面上における格子定数をａとすれば、
０．２λ≦ａ≦１０λの関係が成立することが好ましい。
　さらに、半導体層の主表面に垂直な方向における２次元回折格子の厚みをｄとすれば、０．１λ≦ｄ≦５λの関係が成立することが好ましい。
　本発明に係る半導体発光素子は、発光層が発光する光の波長λが４００ｎｍ以上２μｍ以下、格子定数ａが８０ｎｍ以上２０μｍ以下、厚みｄが４０ｎｍ以上１０μｍ以下である場合に、発光層が発光する光を極めて高効率に出力することができる。
　以上に述べた本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、半導体基板の表面に半導体層を形成する工程と、半導体層を支持するための支持基板を準備する工程と、半導体層の表面または支持基板の表面の少なくともいずれか一方に２次元回折格子を形成する工程と、半導体層の表面と支持基板の表面とを貼り合わせる工程と、半導体基板を除去する工程とを備えることが好ましい。以上の工程を備える製造方法を用いて形成される、本発明に係る半導体発光素子は、上述したように、発光する光を出力する効率を向上させて、出力する光の強度を高めることができる。
　本発明によれば、発光した光を出力する効率を向上することができる半導体発光素子および当該半導体発光素子の製造方法を提供することができる。
本実施の形態１に係る半導体発光素子の積層構造を示す概略断面図である。 本実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法を示すフローチャートである。 工程（Ｓ１０）において半導体層を形成する基板を示す概略断面図である。 工程（Ｓ１０）において基板の主表面上に半導体層を形成した状態を示す概略断面図である。 ２次元回折格子を構成する凹部の態様を示す概略断面図である。 三角格子をなすように２次元回折格子（凹部）が形成された態様の概略斜視図である。 三角格子をなすように２次元回折格子（凹部）が形成された積層最表面２ａを上面から見た概略図である。 正方格子をなすように２次元回折格子（凹部）が形成された態様の概略斜視図である。 正方格子をなすように２次元回折格子（凹部）が形成された積層最表面２ａを上面から見た概略図である。 複数の凹部３に充填材料を充填した態様を示す概略断面図である。 工程（Ｓ４０）において半導体層２と支持基板１１とを貼り合わせた態様を示す概略断面図である。 半導体発光素子１００の発光面２ｂに粗面化処理を施した半導体発光素子２００の概略断面図である。 本実施の形態２に係る半導体発光素子の積層構造を示す概略断面図である。 半導体発光素子３００を形成する過程における反射膜１６を形成して貼り合わせを行なった態様を示す概略断面図である。 本実施の形態３に係る半導体発光素子の積層構造を示す概略断面図である。 半導体発光素子４００を形成する過程における透明導電膜５を形成した態様を示す概略断面図である。 半導体発光素子４００を形成する過程における半導体層２と支持基板１１とを貼り合わせた態様を示す概略断面図である。 本実施の形態４に係る半導体発光素子の積層構造を示す概略断面図である。 半導体発光素子５００を形成する過程における半導体層２と支持基板１１とを貼り合わせた態様を示す概略断面図である。 本実施の形態５に係る半導体発光素子の積層構造を示す概略断面図である。 半導体発光素子６００の製造方法における工程（Ｓ４０）において半導体層２と支持基板１１とを貼り合わせた態様を示す概略断面図である。 本実施の形態６に係る半導体発光素子の積層構造を示す概略断面図である。 本実施の形態６において複数の凹部３に充填材料を充填した態様を示す概略断面図である。 本実施の形態６における工程（Ｓ４０）において半導体層２と支持基板１１とを貼り合わせた態様を示す概略断面図である。 本実施の形態７に係る半導体発光素子の積層構造を示す概略断面図である。 半導体発光素子８００を形成する過程における反射膜１６を形成して貼り合わせを行なった態様を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態８に係る半導体発光素子の積層構造を示す概略断面図である。 半導体発光素子９００を形成する過程における半導体層２と透明支持基板１２とを貼り合わせた態様を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態９に係る半導体発光素子の積層構造を示す概略断面図である。 半導体発光素子９９９を形成する過程における半導体層２と透明支持基板１２とを貼り合わせた態様を示す概略断面図である。
　１　基板、２　半導体層、２ａ　積層最表面、２ｂ，２ｃ，１２ｂ　発光面、２ｄ　ｐ型半導体層表面、２ｅ　ｎ型半導体層表面、３　凹部、４，５　透明導電膜、６　空気孔、７　誘電体膜、８　透明接着層、１１　支持基板、１２　透明支持基板、１２ｂ　主表面、１５　貼付け層、１６　反射膜、１７　接合層、２１　ｐ側電極、２２　ｎ側電極、１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００，８００，９００，９９９　半導体発光素子。
　以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態において、同一の機能を果たす要素には同一の参照符号を付し、その説明は、特に必要がなければ繰り返さない。
　（実施の形態１）
　図１に示す半導体発光素子１００は、発光層を含む半導体層２と、半導体発光素子１００全体を支持する支持基板１１と、半導体層２の一方の主表面（図１における半導体層２の下側の主表面）と支持基板１１の一方の主表面（図１における支持基板１１の上側の主表面）とを接合する貼付け層１５との積層構造となっている。ここで、半導体層２の下側の主表面（貼付け層１５と対向する主表面）の、貼付け層１５との接合界面領域には、２次元回折格子を有する。この２次元回折格子は半導体層２を構成する半導体材料と、凹部３に充填された透明導電膜４とが周期的に配置され、半導体層２の主表面に沿った方向に形成されている。そして、積層構造の最表面の主表面上にはｐ側電極２１およびｎ側電極２２が形成されている。
　半導体層２には、上述した接合界面領域の２次元回折格子が備えられているほか、たとえば図示しないｎ型クラッド層、ｐ型クラッド層、発光層、電子ブロック層、フォトニック結晶層などを含み、これらが半導体発光素子１００の積層構造と同様に積層されている。ここでｎ型クラッド層は、ｎ型半導体層として電子を供給する領域である。ｐ型クラッド層は、ｐ型半導体層として正孔を供給する領域である。ｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層はたとえばＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体、より具体的には、たとえばＡｌＧａＡｓ系、ＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体より構成される。
　発光層とは、半導体発光素子１００に電圧を印加した際に供給される電子や正孔が再結合することにより放出されるエネルギーを光として取り出す領域である。発光層の組成は、取り出したい光の波長によって異なる。たとえば赤外線を発光させたい場合は発光層の組成をＡｌｘＧａｙＩｎ（１－ｘ－ｙ）ＡｓまたはＩｎｘＧａ（１－ｘ）ＡｓｙＰ（１－ｙ）、赤色可視光を発光させたい場合は発光層の組成をＡｌｘＧａｙＩｎ（１－ｘ－ｙ）Ｐ、紫色から青色、緑色までの可視光を発光させたい場合は発光層の組成をＡｌｘＩｎｙＧａ（１－ｘ－ｙ）Ｎとすることが好ましい。また電子ブロック層は、発光層に供給された電子が発光層で正孔と再結合することなくｐ型クラッド層に漏れ出すことを抑制するために配置される層である。このため、電子ブロック層を配置すれば、発光層における電子と正孔との再結合およびこれに伴う発光の効率を高めることができる。
　２次元回折格子は、フォトニック結晶層の一方の主表面から一定の深さ分だけ、周期的に形成された複数の凹部３を充填する充填材料と、接合界面領域における半導体層２（フォトニック結晶層）を構成する半導体材料とが、半導体層２の主表面に沿った方向に周期的に配置されることにより形成されている。そして充填材料として透明導電膜４が配置されている。なお、ここで深さとは主表面に垂直な方向における、図１の上下方向の深さをいう。
　充填材料としての透明導電膜４は、半導体材料とオーミック接触し、発光層が発光する光を透過するとともに導電性を有する透明材料であることが好ましい。なお、このようにすれば、透明導電膜４は、半導体層を構成する半導体材料と導通可能な状態となり、かつ発光層が発光する光を２次元回折格子にて回折させるために透明導電膜４の内部に光を入射させたり、回折した光を透過させることができる。
　半導体発光素子１００の発光層が発光する、赤外線や可視光に対して透明であり、かつ導電性を有する材料として、透明導電膜４は、酸化インジウムと酸化スズとの混合物、アルミニウム原子を含む酸化亜鉛、フッ素原子を含む酸化スズ、酸化亜鉛、セレン化亜鉛、酸化ガリウムからなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成されることが好ましい。
　支持基板１１は導電性を有する導電性支持基板であることが好ましい。このようにすれば、ｐ側電極２１とｎ側電極２２との間に電圧を印加した際に支持基板１１を含む半導体発光素子１００全体を導通することができる。そして半導体発光素子１００にスムーズに電力を供給することができる。具体的には、支持基板１１はシリコン（Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、炭化珪素（ＳｉＣ）からなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成されることが好ましい。半導体発光素子１００においては例として、支持基板１１はｐ型Ｓｉからなる支持基板であるとする。
　半導体層２を含む半導体発光素子１００全体を支持基板１１で支持するために、フォトニック結晶層の、２次元回折格子が形成された主表面と、支持基板１１の一方の主表面とが貼付け層１５により接合されている。貼付け層１５としては、比較的低温で溶融接着できるはんだを用いることが好ましく、たとえばＡｕＳｎやＡｕＩｎを用いることが好ましい。半導体発光素子１００においては例として、貼付け層１５はＡｕＳｎであるとする。貼付け層１５に用いられるＡｕＳｎは導電性に優れることより、当該貼付け層１５を配置すれば、半導体層２と支持基板１１とを高い強度で接合することができるとともに、ｐ側電極２１とｎ側電極２２との導通状態をさらに良好なものとすることができる。
　このように半導体発光素子１００においては、フォトニック結晶層の、２次元回折格子が形成された主表面が貼付け層１５と対向するように配置されている。すなわち半導体発光素子１００の積層構造の最表面から一定の深さを有する領域に２次元回折格子が配置されている。したがって、半導体層２の最表面の主表面である発光面２ｂには２次元回折格子が形成されていない。このような構成とすることにより、フォトニック結晶層の、２次元回折格子を形成する主表面上には電極が配置されない。したがって２次元回折格子は主表面の全面に形成することができる。以上より、２次元回折格子を形成する領域を広く（半導体層２の主表面の全面に）確保することができる。よって当該２次元回折格子は、発光層が発光する光を所望の方向に出力する効率を高める作用をさらに大きくすることができる。
　半導体発光素子１００を動作させると、半導体層２に含まれる発光層から発光した光が接合界面領域の方へ進む。すると、当該光の波長と、屈折率の異なる半導体材料と充填材料とが周期的に配置された２次元回折格子の配置される周期（格子定数）や主表面に垂直な方向の深さ、上記材料の屈折率の差などのパラメータとの間に一定の条件を満たせば、２次元回折格子において当該光は回折を起こし、所望の方向に出力する強度を高める。仮に２次元回折格子が存在しない場合には、当該光は不透明な支持基板で吸収されたり、全反射により発光素子の外部に出力されないことがある。しかし半導体発光素子１００に２次元回折格子が配置されていることにより、当該光は２次元回折格子に回折されてｎ側電極２２の方向へ光が進行し、発光面２ｂから高効率に、すなわち高い強度で出力される。
　半導体発光素子１００においては、たとえば特許文献２や非特許文献２に開示された半導体発光素子と異なり、２次元回折格子が図１のように配置されていることにより、半導体層２の積層構造の最表面である発光面２ｂには２次元回折格子を構成する複数の凹部などが形成されていない。このため、特許文献２や非特許文献２に開示された半導体発光素子においては困難とされる、発光面２ｂの表面の粗面化処理を、半導体発光素子１００においては容易に行なうことができる。なお、ここで粗面化処理とは、表面の面粗度を増大する処理のことである。この粗面化処理を行なうことにより、２次元回折格子において回折され発光面２ｂから高効率に放出されようとする光が発光面２ｂにおいて全反射を起こし、出力される効率を低下させる現象が発生することを抑制することができる。したがって、発光面２ｂの表面の面粗度を増大することにより、光の取り出し効率を高め、出力の強度を高くすることができる。なお、粗面化処理としては、任意の方法を用いることができる。たとえば所定のエッチング液（たとえば希硝酸）を用いたウェットエッチングにより発光面２ｂの表面の面粗度を増大させてもよい。
　なお、上記のように半導体発光素子１００の積層構造は、支持基板１１としてｐ型のＳｉを用いているため、図１における下側にｐ型の半導体材料、図１における上側にｎ型の半導体材料を配置したＬＥＤ（ダイオード）構造とすることが好ましい。したがって、半導体発光素子１００の半導体層２は、上側にｎ型クラッド層を配置し、発光層を挟んで下側にｐ型クラッド層が配置されていることが好ましい。また、上記の事由により、図１における半導体発光素子１００は、上側（半導体層２側）に配置される電極をｎ側電極２２、下側（支持基板１１側）に配置される電極をｐ側電極２１としている。
　次に、上記半導体発光素子１００の製造方法について説明する。図２のフローチャートを参照すれば、上述した図１に示す半導体発光素子１００の製造方法として、まず半導体層を形成する工程（Ｓ１０）を実施する。これは具体的には基板、特に半導体基板の主表面上に、ｎ型クラッド層やｐ型クラッド層、発光層などからなる半導体層を形成する工程である。
　半導体発光素子１００を形成する場合、図３に示す、半導体層２を形成するための半導体基板として用いる基板１の材質は、ｎ型のＧａＡｓとすることが好ましいが、他にたとえばｎ型のＧａＮ基板や、ＩｎＰ基板を用いてもよい。以下においては、基板１としてｎ型のＧａＡｓを用いる場合について説明する。
　基板１の一方の主表面（図３における上側の主表面）に、図４に示すように、半導体発光素子１００として光を発光する領域である半導体層２を形成する。半導体層２は、基板１に近い方からｎ型クラッド層、発光層、電子ブロック層、ｐ型クラッド層、フォトニック結晶層となるべき層の順に形成した積層構造であることが好ましい。ここでフォトニック結晶層となるべき層、および電子ブロック層は発光層よりバンドギャップが大きい、たとえばＡｌＧａＡｓからなることが好ましい。以上に述べた半導体層２の積層構造を構成する各層は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて形成することが好ましいが、たとえば気相成長法（ＶＰＥ法）やハイドライド気相成長法（Ｈ－ＶＰＥ法）を用いて形成してもよい。
　次に図２に示すように支持基板を準備する工程（Ｓ２０）を実施する。上述したように半導体発光素子１００の場合は、半導体層２を支持するための支持基板１１はｐ型Ｓｉからなる支持基板であるとする。
　次に２次元回折格子を形成する工程（Ｓ３０）を実施する。これは具体的には、半導体層２を構成するフォトニック結晶層となるべき層に、発光層が発光した光を回折するための２次元回折格子を形成する工程である。
　図６に示す三角格子の概略斜視図には、半導体層の主表面に交差する断面の態様も示されている。図５～図９に示すように、半導体層２を構成する積層構造のうち基板１から最も離れたフォトニック結晶層の一方の主表面がなす積層最表面２ａの主表面に沿った方向における１方向、および上記主表面に沿った方向であって当該１方向に交差する他の方向との２次元方向に周期的に形成された円柱形状の複数の凹部３を形成する。このように、積層最表面２ａの主表面に２次元方向に周期的に形成された複数の凹部３が、２次元回折格子を形成する。なお、積層最表面２ａに沿った方向に関して円形を有する円柱形状の凹部３を形成する方法としては、たとえばフォトリソグラフィ法を用いてマスク層を形成し、当該マスク層をマスクとして用いて半導体層２の積層最表面２ａを部分的に除去する、といった方法を用いることができる。
　２次元回折格子は、図６および図７に示すように、積層最表面２ａに沿った方向に関して複数の凹部３が複数の三角形を形成するように配置された三角格子をなすように形成してもよい。あるいは、図８および図９に示すように、積層最表面２ａに沿った方向に関して複数の凹部３が複数の正方形を形成するように配置された正方格子をなすように形成してもよい。このようにすれば上述したように、発光層が発光する光の波長と、当該正方格子または三角格子の周期を示す格子定数、充填材料が形成される凹部３の、半導体層２の主表面に垂直な方向における深さ（厚み）、そして半導体材料と充填材料との屈折率が所定の条件を満たすようにすることで、当該２次元回折格子は発光層が発光する光を所望の強度、方向に放射させる作用をもたらすことができる。
　２次元回折格子が上記作用を高効率にもたらすためには、発光層が発光する光の波長をλ、複数の凹部３が構成する正方格子または三角格子の、半導体層２の主表面上（積層最表面２ａ上）において隣り合う凹部３の中心間距離（格子定数）をａ（図６参照）とすれば、０．２λ≦ａ≦１０λの関係が成立することが好ましい。また、図６に示すように、半導体層２の主表面に垂直な方向における２次元回折格子（複数の凹部３）の厚みをｄとすれば、０．１λ≦ｄ≦５λの関係が成立することが好ましい。なお、そのなかでもλが４００ｎｍ以上２μｍ以下、ａが８０ｎｍ以上２０μｍ以下、ｄが４０ｎｍ以上１０μｍ以下であることが特に好ましい。上述した条件を満たすときに、発光層が発光する光を極めて高効率に出力することができる。
　図５～図９における複数の凹部３を、半導体材料と充填材料との屈折率の差が所望の条件を満たす導電性を有し、発光層が発光する光に対して透明な材料（透明導電膜４）で充填する。透明導電膜４の材料としては、たとえばＩＴＯ（酸化インジウムスズ）を用いる。ＩＴＯからなる透明導電膜４の成膜方法としては、たとえばＥＢ蒸着装置による成膜など従来周知の任意の方法を用いることができる。このようにして、図１０に示すように、凹部３が透明導電膜４で充填されたＩＴＯコンタクト層が形成される。
　以上の手順にて２次元回折格子が形成されたところで、貼り合わせる工程（Ｓ４０）として、半導体層２の表面と支持基板１１の表面とを接合する工程を実施する。
　図１１に示す貼付け層１５を形成するために、ＡｕＳｎのはんだを、半導体層２の２次元回折格子が形成された積層最表面２ａ上または支持基板１１の半導体層２と対向する一方の主表面上に供給する。また、Ａｕの薄膜層を、半導体層２の２次元回折格子が形成された積層最表面２ａ上または支持基板１１の半導体層２と対向する一方の主表面上のいずれか、上記ＡｕＳｎのはんだを供給しなかった方に供給する。そしてＡｕＳｎの融点以上まで加熱することにより、供給したＡｕＳｎとＡｕとの間で共晶反応を起こさせ、両者を接合させる。このようにすれば、図１１に示すように、半導体層２の積層最表面２ａと支持基板１１の一方の主表面とが、貼付け層１５を介して接合された状態となる。この貼付け層１５の、半導体層２の主表面に垂直な方向における厚みは１μｍ以上１０μｍ以下、より好ましくは３μｍ以上６μｍ以下にすることが好ましい。このようにすれば、半導体層２と支持基板１１との接合を強固なものとすることができる。
　続いて図２に示すように、半導体基板を除去する工程（Ｓ５０）を実施する。ここで半導体層２を形成するために用いた基板１を、たとえばアンモニア水と過酸化水素水とを混合した液を用いた選択ウェットエッチングという方法を用いて除去する。そして、電極を形成する工程（Ｓ６０）において金属薄膜のオーミック電極であるｐ側電極２１およびｎ側電極２２を、たとえば真空蒸着により形成する。半導体発光素子１００の場合、図１に示す発光面２ｂはたとえばＡｌＧａＡｓ系、あるいはＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体なので、ｎ側電極２２としてはたとえばＡｕＧｅＮｉの薄膜を、ｐ側電極２１としてはたとえばＴｉＡｕの薄膜を形成することが好ましい。以上の手順により、図１に示す半導体発光素子１００が形成される。
　図１２に示す半導体発光素子２００は、図１に示す半導体発光素子１００と基本的に同様の態様を備えている。しかし半導体発光素子２００は、発光面２ｃに粗面化処理を施している点において、半導体発光素子１００と異なる。当該粗面化処理は、たとえば希硝酸を用いたエッチングにより行なうことができる。また、発光面２ｃの面粗度Ｒａが０．０５μｍ以上５μｍ以下となるように粗面化処理を行なうことが好ましい。このようにすれば、発光面２ｃにおける全反射の発生を効果的に抑制することができる。
　（実施の形態２）
　図１３に示す半導体発光素子３００は、図１に示す半導体発光素子１００と基本的に同様の態様を備えている。しかし半導体発光素子３００は、半導体層２と支持基板１１とに挟まれた、より具体的には半導体層２に形成された２次元回折格子と貼付け層１５とに挟まれた領域に、発光層が発光する光を反射する金属材料からなる反射膜１６を含んでいる。以上の点において、半導体発光素子３００は半導体発光素子１００と異なる。なお、ここでは反射とは、当該反射膜１６に入射した、発光層が発光する波長の光を８０％以上の反射率にて反射することをいう。
　図１３に示すように、半導体発光素子３００が半導体層２の２次元回折格子の下側（支持基板１１側）に反射膜１６を備えれば、発光層にて発光し、２次元回折格子の方へ進入した光が回折により貼付け層１５から支持基板１１の方へ進入しようとすれば、反射膜１６において当該光を反射させることができる。反射により光の進行方向を図１３における下向きから上向きに転向させるために、発光面２ｂから光が放射される効率を高め、発光面２ｂから光を特定方向へ出力する強度をより高めることができる。
　反射膜１６としては、アルミニウム、金、白金、銀、銅、クロムからなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成されることが好ましい。これらの金属材料からなる反射膜１６は、発光層から発光した、たとえば赤外線や可視光などを８０％以上の高い反射率で反射することができる。
　半導体発光素子３００の製造方法は、基本的に図２に示す半導体発光素子１００の製造方法と同様である。しかし上述したように、半導体発光素子３００には反射膜１６が含まれるため、半導体発光素子３００の製造方法には半導体発光素子１００の製造方法に対して、反射膜１６を形成する工程が加わる。
　半導体発光素子３００の製造方法は、基本的に図２に示す半導体発光素子１００の製造方法と同様である。しかし、半導体発光素子３００の製造方法においては、図２における２次元回折格子を形成する工程（Ｓ３０）を行ない、上述した図１０に示す態様のものを形成した後に、図１０に示す積層最表面２ａ上に、アルミニウム、金、白金、銀、銅、クロムからなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成される反射膜１６を、たとえば真空蒸着を用いて形成する。ここで、当該反射膜１６の、半導体層２の主表面に垂直な方向における厚みは０．０５μｍ以上２μｍ以下とすることが好ましい。このようにすれば、反射膜１６において効果的に光を反射させることができる。
　その後、形成した反射膜１６の半導体層２と対向しない主表面上、または支持基板１１の半導体層２と対向させる主表面上に、上述した貼り合わせる工程（Ｓ４０）と同様に、貼付け層１５を形成するためにＡｕＳｎのはんだを供給する。また、Ａｕの薄膜層を、形成した反射膜１６の半導体層２と対向しない主表面上または支持基板１１の半導体層２と対向させる主表面上のいずれか、上記ＡｕＳｎのはんだを供給しなかった方に供給する。そして図１４に示すように、半導体層２の主表面上に形成した反射膜１６の主表面と支持基板１１の主表面とを、ＡｕＳｎのはんだを介して貼り合わせ、加熱により当該はんだを溶融して支持基板１１と半導体層２とを接続する。このようにして、ＡｕＳｎはんだからなる貼付け層１５を形成する。以下は半導体発光素子１００の製造方法と同様に、基板１を除去して電極を形成する処理を行なうことにより、図１３に示す半導体発光素子３００が形成される。以上の点において、半導体発光素子３００の製造方法は半導体発光素子１００の製造方法と異なる。
　本実施の形態２は、以上に述べた各点についてのみ、本実施の形態１と異なる。すなわち、本実施の形態２について、上述しなかった構成や条件、手順や効果などは、全て本実施の形態１に順ずる。
　（実施の形態３）
　図１５に示す半導体発光素子４００は、図１に示す半導体発光素子１００と基本的に同様の態様を備えている。しかし半導体発光素子４００は、半導体層２（２次元回折格子）を構成する複数の凹部３を充填する透明導電膜４と同一の材料が、２次元回折格子が形成された積層最表面２ａ上の全体に配置され、透明導電膜５を形成している。この点において、半導体発光素子４００は半導体発光素子１００と異なる。
　透明導電膜５を構成する材料は、半導体発光素子１００のように、２次元回折格子の凹部３を充填する透明導電膜４としてのみ配置されていてもよい。しかし半導体発光素子４００のように、２次元回折格子の凹部３を充填する透明導電膜４に加えて、積層最表面２ａの全面を覆うように透明導電膜５として配置されていてもよい。このようにすれば、貼付け層１５の主表面と透明導電膜５の主表面とが対向するように接合されるため、当該領域において、貼付け層１５の主表面が透明導電膜５の主表面のみと接続されることになる。この結果、半導体層２と透明導電膜５とが全面でオーミック接触することとなり、半導体発光素子１００の動作電圧を低くすることができる。
　半導体発光素子４００の製造方法は、基本的に図２に示す半導体発光素子１００の製造方法と同様である。しかし、半導体発光素子４００の製造方法においては、半導体発光素子１００の製造方法に対して、透明導電膜５を形成する工程が加わる。図２の２次元回折格子を形成する工程（Ｓ３０）において、上述した図５に示す態様の構造を形成した後に、図１６に示すように、透明導電膜４および透明導電膜５を形成する。透明導電膜５は、積層最表面２ａの全面、すなわち凹部３が透明導電膜４で充填された領域と、凹部３が形成されていない領域との両方を覆うように形成されることが好ましい。ここで、透明導電膜５を構成する材料は、凹部３を充填する透明導電膜４を構成する材料と同一であることが好ましい。したがって、透明導電膜５は、図２の工程（Ｓ３０）において積層最表面２ａに配置された複数の凹部３を充填材料で充填することにより透明導電膜４を形成しながら、積層最表面２ａのうち凹部３が存在しない領域にも当該充填材料と同一の材料を同時に配置することにより、図１６に示す態様となるように配置することができる。
　以下は半導体発光素子１００の製造方法と同様に、貼付け層１５を用いて支持基板１１を半導体層２と貼り合わせて図１７に示す態様のものを形成する。そして基板１を除去して電極を形成する処理を行なうことにより、図１５に示す半導体発光素子４００が形成される。以上の点において、半導体発光素子４００の製造方法は半導体発光素子１００の製造方法と異なる。
　本実施の形態３は、以上に述べた各点についてのみ、本実施の形態１と異なる。すなわち、本実施の形態３について、上述しなかった構成や条件、手順や効果などは、全て本実施の形態１に順ずる。
　（実施の形態４）
　図１８に示す半導体発光素子５００は、図３に示す半導体発光素子４００と基本的に同様の態様を備えている。しかし半導体発光素子５００は、図２に示す半導体発光素子３００と同様に、半導体層２と支持基板１１とに挟まれた、より具体的には透明導電膜５と貼付け層１５とに挟まれた領域に、発光層が発光する光を反射する金属材料からなる反射膜１６を含んでいる。以上の点において、半導体発光素子５００は半導体発光素子４００と異なる。
　半導体発光素子５００についても、半導体発光素子３００と同様に、反射膜１６を備えることにより、発光面２ｂから光が放射される効率を高め、発光面２ｂから光を特定方向へ出力する強度をより高めることができる。
　半導体発光素子５００の製造方法は、基本的に上述した半導体発光素子４００の製造方法と同様である。しかし上述したように、半導体発光素子５００には反射膜１６が含まれるため、半導体発光素子５００の製造方法には半導体発光素子４００の製造方法に対して、反射膜１６を形成する工程が加わる。
　図２における２次元回折格子を形成する工程（Ｓ３０）を行ない、上述した図１６に示す態様のものを形成した。その後に、図１６に示す透明導電膜５の、半導体層２と対向しない一方の主表面上に、アルミニウム、金、白金、銀、銅、クロムからなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成される反射膜１６を、たとえば真空蒸着を用いて形成する。その後、形成した反射膜１６の半導体層２と対向しない主表面上、または支持基板１１の半導体層２と対向させる主表面上に、上述した貼り合わせる工程（Ｓ４０）と同様に、貼付け層１５を形成するために、ＡｕＳｎのはんだを供給する。また、Ａｕの薄膜層を、反射膜１６の半導体層２と対向しない主表面上、または支持基板１１の半導体層２と対向させる主表面上のいずれか、上記ＡｕＳｎのはんだを供給しなかった方に供給する。そしてＡｕＳｎの融点以上まで加熱することにより、供給したＡｕＳｎとＡｕとの間で共晶反応を起こさせ、両者を接合させる。このようにして図１９に示すような貼付け層１５を形成する。
　以下は半導体発光素子１００の製造方法と同様に、基板１を除去して電極を形成する処理を行なうことにより、図１８に示す半導体発光素子５００が形成される。以上の点において、半導体発光素子５００の製造方法は半導体発光素子４００の製造方法と異なる。
　本実施の形態４は、以上に述べた各点についてのみ、本実施の形態３と異なる。すなわち、本実施の形態４について、上述しなかった構成や条件、手順や効果などは、全て本実施の形態３に順ずる。
　（実施の形態５）
　図２０に示す半導体発光素子６００は、図１に示す半導体発光素子１００と基本的に同様の態様を備えている。しかし半導体発光素子６００においては、２次元回折格子を構成する複数の凹部３が空気で充填された空気孔６を形成している。以上の点において、半導体発光素子６００は半導体発光素子１００とは異なる。
　半導体発光素子６００においては、半導体層２の主表面において空気と半導体材料とが周期的に配置された２次元回折格子を構成することになる。この場合においても、半導体層２の主表面に沿った方向に関しては、空気と半導体材料との屈折率の差により、発光層が発光する光を所望の条件で回折させ、所望の条件で高効率に出力することができる。なお、半導体発光素子６００のフォトニック結晶層の、２次元回折格子が配置されている主表面に沿った領域においては、空気孔６の存在する部分ではｎ側電極２２とｐ側電極２１との間の導通が遮断される。しかし当該２次元回折格子の領域においても、フォトニック結晶層を構成する半導体材料からなる領域（空気孔６が存在する領域以外の領域）においてはｎ側電極２２とｐ側電極２１との間を導通させることが可能である。このため、半導体発光素子６００全体としては、ｎ側電極２２とｐ側電極２１との間を導通させることが可能となる。以上より、複数の凹部３が誘電体膜７で充填されていても半導体発光素子６００の通常の動作を阻害しない。
　半導体発光素子６００のように２次元回折格子の複数の凹部３を空気で充填した空気孔６とすることにより、たとえば半導体発光素子１００の製造方法における２次元回折格子を形成する工程（Ｓ３０）に含まれている透明導電膜４を充填する処理を行なう必要がなくなる。凹部３を空気で充填するためには、空気中にて当該処理を行なう場合には凹部３の内部を充填する処理は何ら必要としない。このため、半導体発光素子６００の製造方法は、たとえば半導体発光素子１００の製造方法に比べて生産のタクトタイムを短縮させ、材料費を削減することができる。したがって、半導体発光素子６００の製造方法は、加工コストを低減することができる。
　半導体発光素子６００の製造方法は、基本的に図２に示す半導体発光素子１００の製造方法と同様である。しかし、半導体発光素子６００の製造方法においては、半導体発光素子１００の製造方法に対して、図２に示す支持基板を準備する工程（Ｓ２０）および２次元回折格子を形成する工程（Ｓ３０）において若干の相違がある。支持基板を準備する工程（Ｓ２０）において、図２１に示すように、支持基板１１の一方の主表面上に、支持基板１１とオーミック接触することが可能なオーミック層と、上述した半導体発光素子１００などと同様の、ＡｕＳｎからなる層とを形成する。また、半導体層２の積層最表面２ａのうち、凹部３が形成されていない領域に、半導体層２とオーミック接続することが可能なオーミック層と、上述した半導体発光素子１００などと同様のＡｕの薄膜層とを形成する。これらを形成した上で、図２１に示すように、上述した半導体発光素子１００などと同様の要領で支持基板１１と半導体層２とを貼り合わせる。半導体層２に接触するオーミック層としてはたとえばＡｕ／Ｚｎ／Ｔｉ／Ａｕの積層構造からなる薄膜を用いることが好ましいが、このほかにたとえばＡｕＢｅの合金からなる薄膜を形成してもよい。このようにすれば、２次元回折格子を構成する空気孔６の領域が、ｐ側電極２１とｎ側電極２２との導通を妨げたとしても、接合層１７が２層の金属層からなるオーミック接合を形成していることにより、２次元回折格子を構成する半導体材料の領域において、ｐ側電極２１とｎ側電極２２との導通を十分に行なうことができる。
　そして半導体発光素子６００の製造方法における、２次元回折格子を形成する工程（Ｓ３０）においては、図５に示す態様の複数の凹部３を形成するが、凹部３の内部には充填材料を導入しない。この状態で、貼り合わせる工程（Ｓ４０）において図５に示す半導体層２の積層最表面２ａと、支持基板１１に形成した接合層１７の主表面とを、空気中にて図２１に示すように接合する。このようにすれば、接合層１７に覆われた複数の凹部３の内部を空気で充填させることができる。以下は半導体発光素子１００の製造方法と同様に、基板１を除去して電極を形成する処理を行なうことにより、図２０に示す半導体発光素子６００が形成される。以上の点において、半導体発光素子６００の製造方法は半導体発光素子１００の製造方法と異なる。
　本実施の形態５は、以上に述べた各点についてのみ、本実施の形態１と異なる。すなわち、本実施の形態５について、上述しなかった構成や条件、手順や効果などは、全て本実施の形態１に順ずる。
　（実施の形態６）
　図２２に示す半導体発光素子７００は、図１に示す半導体発光素子１００と基本的に同様の態様を備えている。しかし半導体発光素子７００においては、２次元回折格子を構成する複数の凹部３を充填する充填材料が誘電体膜７となっている。以上の点において、半導体発光素子７００は半導体発光素子１００とは異なる。
　誘電体膜７は、酸化シリコン、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化リチウム、酸化ジルコニウムからなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成されることが好ましい。これらの材料は、発光層が発光する波長の光に対して透明であるため、これらの材料を２次元回折格子を構成する材料として用いれば、２次元回折格子において光の回折をスムーズに行なうことができる。
　上述した各実施の形態のように、複数の凹部３を充填する充填材料として透明導電膜４を用いる場合、発光層が発光する赤外線や可視光に対して透明であり、かつ導電性を有する材料を用いることが好ましい。このため、透明導電膜４や透明導電膜５に用いることのできる材料の選択の幅が狭い。そこで、本実施の形態６の半導体発光素子７００のように、複数の凹部３を誘電体材料からなる誘電体膜７で充填する。このようにすれば、複数の凹部３を充填する材料の選択の範囲を拡張することができる。
　なお、半導体発光素子７００のフォトニック結晶層の、２次元回折格子が配置されている主表面に沿った領域においては、誘電体膜７の存在によりｎ側電極２２とｐ側電極２１との間の導通が遮断される。しかし当該２次元回折格子の領域においても、フォトニック結晶層を構成する半導体材料からなる領域においてはｎ側電極２２とｐ側電極２１との間に導通させることが可能である。このため、半導体発光素子７００全体としては、ｎ側電極２２とｐ側電極２１との間に導通させることが可能となる。以上より、複数の凹部３が誘電体膜７で充填されていても半導体発光素子７００の通常の動作を阻害しない。
　半導体発光素子７００の製造方法は、基本的に上述した半導体発光素子１００の製造方法と同様である。しかし上述したように、半導体発光素子７００においては、図２３に示すように、複数の凹部３に誘電体膜７を充填する点が半導体発光素子１００と異なる。したがって、半導体発光素子７００の製造方法においては、図２における２次元回折格子を形成する工程（Ｓ３０）において、上述した図５に示す態様のものを形成した後に、複数の凹部３に上述した誘電体膜７を充填することにより、図２３に示す態様の構造を形成する。誘電体膜７を複数の凹部３に充填するに際し、誘電体膜７の形成方法としては従来周知の任意の方法を用いることができる。
　貼り合わせる工程（Ｓ４０）においては図２４に示すように、半導体発光素子１００の製造方法における図１１と同様に、ＡｕＳｎからなる貼付け層１５を用いて半導体層２と支持基板１１とを接合する。以下についても半導体発光素子１００の製造方法と同様に、基板１を除去して電極を形成する処理を行なうことにより、図２２に示す半導体発光素子７００が形成される。以上の点において、半導体発光素子７００の製造方法は半導体発光素子１００の製造方法と異なる。
　本実施の形態６は、以上に述べた各点についてのみ、本実施の形態１と異なる。すなわち、本実施の形態６について、上述しなかった構成や条件、手順や効果などは、全て本実施の形態１に順ずる。
　（実施の形態７）
　図２５に示す半導体発光素子８００は、図２２に示す半導体発光素子７００と基本的に同様の態様を備えている。しかし半導体発光素子８００は、図２に示す半導体発光素子３００と同様に、半導体層２（２次元回折格子）と支持基板１１とに挟まれた、より具体的には透明導電膜５と貼付け層１５とに挟まれた領域に、発光層が発光する光を反射する金属材料からなる反射膜１６を含んでいる。以上の点において、半導体発光素子８００は半導体発光素子７００と異なる。
　半導体発光素子８００についても、半導体発光素子７００と同様に、反射膜１６を備えることにより、発光面２ｂから光が放射される効率を高め、発光面２ｂから光を特定方向へ出力する強度をより高めることができる。
　半導体発光素子８００の製造方法は、基本的に上述した半導体発光素子７００の製造方法と同様である。しかし上述したように、半導体発光素子８００には反射膜１６が含まれるため、半導体発光素子８００の製造方法には半導体発光素子７００の製造方法に対して、反射膜１６を形成する工程が加わる。
　図２における２次元回折格子を形成する工程（Ｓ３０）を行ない、上述した図２３に示す態様のものを形成した後に、図２３に示す積層最表面２ａ上に、アルミニウム、金、白金、銀、銅、クロムからなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成される反射膜１６を、たとえば真空蒸着を用いて形成する。その後、形成した反射膜１６の、半導体層２と対向しない主表面上、または支持基板１１の半導体層２と対向させる主表面上に、上述した貼り合わせる工程（Ｓ４０）と同様に、貼付け層１５を形成するためにＡｕＳｎのはんだを供給する。また、Ａｕの薄膜層を、形成した反射膜１６の半導体層２と対向しない主表面上または支持基板１１の半導体層２と対向させる主表面上のいずれか、上記ＡｕＳｎのはんだを供給しなかった方に供給する。そして図２６に示すように、透明導電膜５の主表面上に形成した反射膜１６の主表面と支持基板１１の主表面とを、ＡｕＳｎのはんだを介して貼り合わせ、加熱により貼付け層１５を形成する。以下は半導体発光素子１００の製造方法と同様に、基板１を除去して電極を形成する処理を行なうことにより、図２５に示す半導体発光素子８００が形成される。以上の点において、半導体発光素子８００の製造方法は半導体発光素子７００の製造方法と異なる。
　本実施の形態７は、以上に述べた各点についてのみ、本実施の形態６と異なる。すなわち、本実施の形態７について、上述しなかった構成や条件、手順や効果などは、全て本実施の形態６に順ずる。
　（実施の形態８）
　図２７に示す半導体発光素子９００は、半導体層２を支持するための支持基板として、発光層が発光する光の波長に対して透明な透明支持基板１２を備えている。半導体層２の積層最表面２ａと透明支持基板１２の主表面とは、透明接着層８により接合されている。透明支持基板１２の、半導体層２と対向しない側の主表面（図２７における下側の主表面）を主表面１２ｂとする。そして、ｐ側電極２１、ｎ側電極２２ともに、半導体層２の表面上（ｐ型半導体層表面２ｄ、ｎ型半導体層表面２ｅ）に形成されている。
　上述した本実施の形態１～７における半導体発光素子はいずれも、支持基板１１として発光する光に対して不透明な材料を用いている。そのため、半導体層２の、支持基板１１と対向しない主表面（各図における上側の主表面）を発光面２ｂとしている。半導体発光素子９００においては、支持基板として発光する光に対して透明な材料を用いている。そのため、透明支持基板１２と対向しないｎ型半導体層表面２ｅを発光面とすることも、透明支持基板１２の主表面１２ｂを発光面とすることもできる。このため、半導体発光素子の設計の自由度を増加させることができる。透明支持基板１２と対向しないｎ型半導体層表面２ｅを発光面とする場合は、透明支持基板１２の主表面１２ｂを銀ペーストによりリードフレームに固定する形とする。このようにすれば、発光層から主表面１２ｂ側に進行する光は銀ペーストで反射されｎ型半導体層表面２ｅから出力されるため、光出力の強度を高めることができる。なお、透明支持基板１２を構成する材料は導電性に乏しいため、半導体発光素子９００においては、ｐ側電極２１およびｎ側電極２２ともに、半導体層２側に形成されている。
　半導体発光素子９００においては、半導体層２の発光層が発光する光は、透明接着層８を伝って透明支持基板１２に達し、主表面１２ｂから出力される構成としてもよい。また主表面１２ｂに塗布された銀ペーストにより反射され、ｎ型半導体層表面２ｅにより出力される構成としてもよい。したがって、透明接着層８についても透明支持基板１２と同様に、発光層が発光する光に対して透明な材料を用いることが好ましい。
　また、透明接着層８については、発光層が発光する光に対して透明であると同時に、半導体層２の積層最表面２ａと透明支持基板１２の主表面とを接合することができる接着性を有する材料を用いることが好ましい。このようにすれば、当該透明接着層８は発光層が発光する光を透過する役割とともに、半導体層２と透明支持基板１２とを接合する役割を有することができる。
　さらに、透明接着層８を構成する材料と同一の材料を半導体発光素子９００の２次元回折格子を構成する複数の凹部３を充填する。これにより、発光する光を２次元回折格子の凹部３を充填する透明接着層８において回折し、所望の方向（透明支持基板１２の方向）へ当該光の進行方法を誘導することができる。
　具体的には透明接着層８として用いる透明接着性材料は、ポリイミド（ＰＩ）、エポキシ、シリコーン、過フルオロシクロブタン（ＰＦＣＢ）からなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成されることが好ましい。なお、上述した透明接着性材料を複数の凹部３の充填材料にのみ用いて、半導体層２の積層最表面２ａと透明支持基板１２の主表面とを接合する層については他の材料を用いてもよい。
　一方、透明支持基板１２はサファイア、ガリウムリン、石英、スピネルからなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成されることが好ましい。これらの材料を透明支持基板１２に用いれば、半導体層２が発光する光を、透明接着層８を超えて透明支持基板１２に伝播し、主表面１２ｂから当該光を高効率に出力することができる。また、銀ペーストを塗布してリードフレームに固定した場合は、銀ペーストで光を反射し、ｎ型半導体層表面２ｅから当該光を高効率に出力することができる。半導体発光素子９００においては例として、透明支持基板１２はサファイアからなる支持基板であるとする。なお、半導体発光素子９００においてはｐ側電極２１とｎ側電極２２との間で導通することにより動作させるため、透明接着層８や透明支持基板１２は導電性を有さない材料であってもよい。
　なお、本実施の形態８の半導体発光素子においては、発光層が発光した光は、透明支持基板１２の主表面１２ｂの方へ進行する。このため、発光した光を回折する作用を有する２次元回折格子は、図２７に示すように、半導体層２側の接合界面領域（半導体層２の透明接着層８と接合される主表面から半導体層２側へ向かう一定の深さの領域）に形成してもよい。また２次元回折格子を透明支持基板１２側の接合界面領域（透明支持基板１２の透明接着層８と接合される主表面から透明支持基板１２側へ向かう一定の深さの領域）に形成してもよい。
　本実施の形態８の半導体発光素子９００においても、上述した本実施の形態１～７の半導体発光素子と同様に、半導体層２のうち２次元回折格子が形成された主表面が透明接着層８と対向するように配置されている。したがって、透明支持基板１２の最表面の主表面である主表面１２ｂや、電極が配置されているｐ型半導体層表面２ｄ、ｎ型半導体層表面２ｅには２次元回折格子が形成されていない。このため、２次元回折格子を主表面の全面に形成することができる。
　次に、上記半導体発光素子９００の製造方法について説明する。半導体発光素子９００の製造方法も、基本的に図２に示す手順に従う。半導体層を形成する工程（Ｓ１０）において、上述した図４に示す半導体層２を形成する。支持基板を準備する工程（Ｓ２０）において、上述したように半導体発光素子９００の場合は、サファイアからなる透明支持基板１２を準備する。
　２次元回折格子を形成する工程（Ｓ３０）において、上述した図５に示すように半導体層２の積層最表面２ａの主表面に複数の凹部３を形成する。なお、複数の凹部３は、透明支持基板１２の一方の主表面に形成してもよい。
　２次元回折格子を形成する工程（Ｓ３０）において、上述した図５に示す態様のものを形成した後に、凹部３を透明接着層８で充填する。同時に凹部３を含む２次元回折格子の最表面上を覆うように透明接着層８を形成する透明接着性材料を配置する。
　以下は上述した各半導体発光素子の製造方法と同様に、貼り合わせる工程（Ｓ４０）において、貼付け層１５の代わりに２次元回折格子の表面の全面を覆うように配置された透明接着層８を用いて、半導体層２と透明支持基板１２とを接合する。このようにすれば、図２８に示す態様のものが形成される。
　次に、半導体基板を除去する工程（Ｓ５０）において、基板１を除去する。その後、電極を形成する工程（Ｓ６０）において、たとえば真空蒸着によりｐ側電極２１およびｎ側電極２２を形成する前に、図２７に示すように、部分的に半導体層２を除去する処理を行なう。これは、半導体発光素子９００においては透明支持基板１２には導電性を有さないため、電極を半導体層２の表面上に形成する必要があるためである。ここで、図２７の半導体層２の積層構造は、透明支持基板１２に近い側（図２７における下側）がｐ型クラッド層などｐ型の半導体材料からなる領域、透明支持基板１２から離れた側（図２７における上側）がｎ型クラッド層などｎ型の半導体材料からなる領域であるとする。この場合、ｐ側電極２１を形成するため、半導体層２の一部（図２７における右側）の領域に対して、ｐ型クラッド層が露出するようにエッチングを行なう。このようにすれば、当該露出させた領域の表面（ｐ型半導体層表面２ｄ）上にたとえば真空蒸着によりｐ側電極２１を形成することができ、半導体層２の最表面のうち当該エッチングを行なわなかった領域の表面（ｎ型半導体層表面２ｅ）上にはたとえば真空蒸着によりｎ側電極２２を形成することができる。以上の手順により、図２７に示す半導体発光素子９００が形成される。
　本実施の形態８は、以上に述べた各点についてのみ、本実施の形態１と異なる。すなわち、本実施の形態８について、上述しなかった構成や条件、手順や効果などは、全て本実施の形態１に順ずる。
　（実施の形態９）
　図２９に示す半導体発光素子９９９は、図２７に示す半導体発光素子９００と基本的に同様の態様を備えている。しかし半導体発光素子９９９においては、２次元回折格子を構成する複数の凹部３が空気で充填された空気孔６を形成している。以上の点において、半導体発光素子９９９は半導体発光素子９００とは異なる。
　図２９のようにすれば、たとえば上述した半導体発光素子６００と同様に、透明接着層８を配置する領域を半導体発光素子９００に比べて少なくすることができるため、加工のコストを削減することができる。
　また、本発明の実施の形態９において、半導体層２の積層最表面２ａと透明支持基板１２の主表面とを接合する材料として、透明接着層８の代わりにたとえば貼付け層１５を用いてもよい。ただし、この場合貼付け層１５として出射される光に対して透明な材料を用いなければ、光の出射面はｎ側電極２２などが形成された半導体層２の最表面側となる。
　半導体発光素子９９９の製造方法は、基本的に上述した半導体発光素子９００の製造方法と同様である。しかし上述したように、半導体発光素子９９９の２次元回折格子を構成する複数の凹部３は空気孔６を形成する。このため、２次元回折格子を形成する工程（Ｓ３０）においては、複数の凹部３を透明接着層８を形成する透明接着性材料で充填する処理を行なわず、貼り合わせる工程（Ｓ４０）を空気中で行なう。このようにすれば、次の図３０のような態様を有するものが形成される。以下、半導体発光素子９００の製造方法と同様の処理を行なう。図３０は、図２８に対して、凹部３が空気孔６を形成している点のみ異なる。以上の点において、半導体発光素子９９９の製造方法は、半導体発光素子９００の製造方法と異なる。
　本実施の形態９は、以上に述べた各点についてのみ、本実施の形態８と異なる。すなわち、本実施の形態９について、上述しなかった構成や条件、手順や効果などは、全て本実施の形態８に順ずる。
　なお、以上に述べた各実施の形態に示す各半導体発光素子のいずれにおいても、発光面における光の全反射の発生を抑制するため、当該発光面に対して粗面化処理を施し、面粗度Ｒａを増大させる処理を行なってもよい。
　今回開示された各実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上述した説明ではなくて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および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　本発明は、半導体発光素子の発光した光を出力する効率を向上することができる技術として、特に優れている。

Claims (21)

  1. 　発光層を含む半導体層と、
    　前記半導体層を支持するための支持基板と、
    　前記半導体層の主表面と前記支持基板の主表面とを接合する貼付け層とを備え、
    　前記半導体層の前記貼付け層と対向する主表面または前記支持基板の前記貼付け層と対向する主表面の少なくともいずれか一方の、前記貼付け層との接合界面領域に、屈折率の異なる少なくとも２種類の物質が周期的に配置されることによる２次元回折格子が形成された、半導体発光素子。
  2. 　前記２次元回折格子を形成する前記物質は、
    　前記半導体層を構成する半導体材料と、
    　前記半導体層の前記表面において周期的に形成された複数の凹部を充填する充填材料とを含む、請求項１に記載の半導体発光素子。
  3. 　前記充填材料は、前記半導体材料とオーミック接触し、前記発光層が発光する光を透過するとともに導電性を有する透明材料である、請求項２に記載の半導体発光素子。
  4. 　前記透明材料は、酸化インジウムと酸化スズとの混合物、アルミニウム原子を含む酸化亜鉛、フッ素原子を含む酸化スズ、酸化亜鉛、セレン化亜鉛、酸化ガリウムからなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成される、請求項３に記載の半導体発光素子。
  5. 　前記充填材料は誘電体膜である、請求項２に記載の半導体発光素子。
  6. 　前記誘電体膜は酸化シリコン、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化リチウムからなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成される、請求項５に記載の半導体発光素子。
  7. 　前記２次元回折格子と前記支持基板とに挟まれた領域に、前記発光層が発光する光を反射する金属材料からなる反射膜を含む、請求項１～６のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
  8. 　前記反射膜は、アルミニウム、金、白金、銀、銅、クロムからなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成される、請求項７に記載の半導体発光素子。
  9. 　前記充填材料は空気である、請求項２に記載の半導体発光素子。
  10. 　前記支持基板は導電性を有する導電性支持基板である、請求項１～９のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
  11. 　前記導電性支持基板はシリコン、ガリウム砒素、炭化珪素からなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成される、請求項１０に記載の半導体発光素子。
  12. 　前記充填材料は、前記半導体層および前記支持基板に対して接着性を有し、前記発光層が発光する光を透過する透明接着性材料である、請求項２に記載の半導体発光素子。
  13. 　前記透明接着性材料はポリイミド、エポキシ、シリコーン、過フルオロシクロブタンからなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成される、請求項１２に記載の半導体発光素子。
  14. 　前記支持基板はサファイア、ガリウムリン、石英、スピネルからなる群から選択される少なくとも１種を含む材質から構成される、請求項１２または１３に記載の半導体発光素子。
  15. 　前記発光層の組成は、ＡｌｘＧａｙＩｎ（１－ｘ－ｙ）Ａｓ、ＡｌｘＧａｙＩｎ（１－ｘ－ｙ）Ｐ、ＡｌｘＩｎｙＧａ（１－ｘ－ｙ）Ｎ、ＩｎｘＧａ（１－ｘ）ＡｓｙＰ（１－ｙ）からなる群から選択される少なくとも１種である、請求項１～１４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
  16. 　前記２次元回折格子は、屈折率の異なる２種類の前記物質が正方格子をなすように配置されている、請求項１～１５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
  17. 　前記２次元回折格子は、屈折率の異なる２種類の前記物質が三角格子をなすように配置されている、請求項１～１５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
  18. 　前記発光層が発光する光の波長をλ、前記正方格子または前記三角格子の、前記半導体層の主表面上における格子定数をａとすれば、
    ０．２λ≦ａ≦１０λの関係が成立する、請求項１６または１７に記載の半導体発光素子。
  19. 　前記半導体層の主表面に垂直な方向における前記２次元回折格子の厚みをｄとすれば、０．１λ≦ｄ≦５λの関係が成立する、請求項１８に記載の半導体発光素子。
  20. 　前記発光層が発光する光の波長λが４００ｎｍ以上２μｍ以下、前記格子定数ａが８０ｎｍ以上２０μｍ以下、前記厚みｄが４０ｎｍ以上１０μｍ以下である、請求項１６～１９のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
  21. 　半導体基板の表面に半導体層を形成する工程と、
    　前記半導体層を支持するための支持基板を準備する工程と、
    　前記半導体層の表面または前記支持基板の表面の少なくともいずれか一方に２次元回折格子を形成する工程と、
    　前記半導体層の表面と前記支持基板の表面とを貼り合わせる工程と、
    　前記半導体基板を除去する工程とを備える、半導体発光素子の製造方法。
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