特許 7390258 半導体発光素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-11-22

(45)【発行日】2023-12-01

(54)【発明の名称】半導体発光素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/22 20100101AFI20231124BHJP

   C30B 29/20 20060101ALI20231124BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20231124BHJP

【ＦＩ】

H01L33/22

C30B29/20

H01L21/205

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020106772

(22)【出願日】2020-06-22

(65)【公開番号】P2022002264

(43)【公開日】2022-01-06

【審査請求日】2022-12-28

(73)【特許権者】

【識別番号】000226242

【氏名又は名称】日機装株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002583

【氏名又は名称】弁理士法人平田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松倉 勇介

(72)【発明者】

【氏名】稲津 哲彦

(72)【発明者】

【氏名】ペルノ シリル

【審査官】村井 友和

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－１０１５６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１９５０６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－００９３１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０２８００６９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ３３／００－３３／４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

サファイア基板と、前記サファイア基板上の結晶成長面上に形成されたｎ型半導体層、深紫外光を出射する発光層及びｐ型半導体層を含む半導体積層構造体と、を備える半導体発光素子であって、
前記サファイア基板は、前記結晶成長面から厚み方向の内側に向かって開口寸法が徐々に小さくなる形状の複数の凹部を前記結晶成長面に含み、
前記複数の凹部は、底面と、該底面に対して第１のテーパ角で傾斜する第１の内周面と、により形成された第１の穴部と、該第１の穴部と前記半導体積層構造体側で連通し、前記底面に対して第２のテーパ角で傾斜する第２の内周面により形成された第２の穴部と、により構成されており、
前記第２の穴部の深さは、前記第１の穴部の深さよりも深い、
半導体発光素子。

【請求項2】

前記第２のテーパ角は、前記第１のテーパ角よりも大きい、
請求項１に記載の半導体発光素子。

【請求項3】

前記第１のテーパ角は、９０°以上１５０°以下であり、
前記第２のテーパ角は、１００°以上１６０°以下である、
請求項２に記載の半導体発光素子。

【請求項4】

前記第１の穴部の深さに対する前記凹部の深さの比率は、２．５を超える、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。

【請求項5】

前記第１の穴部の深さは、５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。

【請求項6】

前記複数の凹部のうち隣接する凹部間の距離は、２２６．０ｎｍよりも大きく、５００ｎｍよりも小さい、
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。

【請求項7】

前記複数の凹部は、前記サファイア基板の前記結晶成長面において、千鳥状に配置されている、
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体発光素子。

【請求項8】

前記複数の凹部の開口形状は、円形である、
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の半導体発光素子。

【請求項9】

前記サファイア基板の前記結晶成長面は、オフ角を０．２°以上１．５°以下とした複数のテラス面が段差を介して連続した形状を備える、
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の半導体発光素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体発光素子に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の半導体発光素子として、例えば、サファイア基板上にＡｌＧａＮにより形成され、深紫外光を発光する発光層を含む半導体積層構造体を形成したものがある（特許文献１参照）。

【0003】

特許文献１に記載の半導体発光素子によれば、サファイア基板の表面には、複数の凹部が形成されている。この凹部は、断面多角形状であり、その側面は、底面に対して９０°以上１４０°以下の角度を有して形成されている。この半導体発光素子は、サファイア基板の表面に形成された凹部が発光層から出射される深紫外光を反射するため、深紫外光の光取出し効率が向上するとされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００３－３１８４４１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に記載の半導体発光素子によれば、サファイア基板側から光を取り出すフリップチップ型の場合、凹部の側面の底面に対する傾斜角度が９０°以上１４０°以下であっても発光効率が十分に得られない場合がある。発明者らは、発光効率を向上させることができる凹部の形状を鋭意検討した結果、発光効率の向上に対してより適した形状を特定し、本発明をなすに至った。

【0006】

本発明は、発光効率を向上させることができる半導体発光素子を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、上記課題を解決することを目的として、サファイア基板と、前記サファイア基板上の結晶成長面上に形成されたｎ型半導体層、深紫外光を出射する発光層及びｐ型半導体層を含む半導体積層構造体と、を備える半導体発光素子であって、前記サファイア基板は、前記結晶成長面から厚み方向の内側に向かって開口寸法が徐々に小さくなる形状の複数の凹部を前記結晶成長面に含み、前記複数の凹部は、底面と、該底面に対して第１のテーパ角で傾斜する第１の内周面と、により形成された第１の穴部と、該第１の穴部と前記半導体積層構造体側で連通し、前記底面に対して第２のテーパ角で傾斜する第２の内周面により形成された第２の穴部と、により構成されており、前記第２の穴部の深さは、前記第１の穴部の深さよりも深い、半導体発光素子を提供する。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、発光効率を向上させることができる半導体発光素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の一実施の形態に係る半導体発光素子の構成の一例を概略的に示す断面図である。

【図2】図１に示す半導体発光素子を構成するサファイア基板の表面の状態を模式的に示す図である。

【図3】図１に示す半導体発光素子を構成するサファイア基板に形成された凹部を説明する図であり、（ａ）は、凹部をサファイア基板の結晶成長面の上方向から視た平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ－Ａ切断の端面図である。

【図4】凹部の配置の一例を模式的に示す図である。

【図5】バッファ層に生じたエアボイドの一例を説明する図である。

【図6】本発明の実施例に係る半導体発光素子を構成するサファイア基板に形成された凹部の断面形状を示す図である。

【図7】本発明の実施例に係る半導体発光素子の光出力の測定結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を実施する上での好適な具体例として示すものであり、技術的に好ましい種々の事項を具体的に例示している部分もあるが、本発明の技術的範囲は、この具体的態様に限定されるものではない。

【0011】

［実施の形態］
（半導体発光素子の構成）
図１は、本発明の一実施の形態に係る半導体発光素子の構成の一例を概略的に示す断面図である。なお、図１に示す各構成要素の厚さの比は、必ずしも実際の半導体発光素子の寸法比と一致するものではない。この半導体発光素子１（以下、単に「発光素子１」ともいう）には、例えば、レーザダイオードや発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）が含まれる。本実施の形態では、発光素子１として、中心波長が２５０ｎｍ～３６０ｎｍの深紫外光を発する発光ダイオード（ＬＥＤ）を例に挙げて説明する。

【0012】

図１に示すように、発光素子１は、サファイア基板１０と、サファイア基板１０上の結晶成長面１０ａ上に形成された、ＡｌＮやＡｌＧａＮからなるバッファ層１１、ｎ型のＡｌＧａＮを含むｎ型クラッド層１２、ＡｌＧａＮを含み、深紫外光を出射する発光層１３、及びｐ型のＡｌＧａＮやｐ型のＧａＮを含むｐ型半導体層１４を含む半導体積層構造体と、を備えている。ｎ型クラッド層は、ｎ型半導体層の一例である。

【0013】

また、発光素子１は、ｐ型半導体層１４上に設けられたアノード側電極（「ｐ側電極」ともいう。）１５と、ｎ型クラッド層１２側に設けられたカソード側電極（「ｎ側電極」ともいう。）１６と、をさらに備えている。ｐ側電極１５には、例えば、Ａｌ、Ｒｈ等で形成された反射電極が用いられる。

【0014】

発光素子１は、発光層１３から出射された光がサファイア基板１０側から取り出される、フリップチップ型の構成を有する発光素子である。具体的には、発光素子１は、ｐ側電極１５及びｎ側電極１６が金バンプ等を介して実装基板の電極に電気的に接続されることにより、フリップチップ実装される。以下、各構成要素について説明する。

【0015】

（サファイア基板１０）
図２は、サファイア基板１０の表面の状態を模式的に示す図である。図２に示すように、サファイア基板１０の結晶成長面１０ａは、サファイア基板１０の基面１０ｂに対して所定の大きさのオフ角θ_０で傾斜するテラス幅Ｗ_０の複数のテラス面Ｔが段差Ｓを介して連続した形状を備えている。

【0016】

オフ角θ_０は、好ましくは、０．２°以上１．５°以下であり、より好ましくは、０．６°以上１．５°以下である。一例として、オフ角θ_０が１．０°の場合、段差Ｓは、０．２１ｎｍであり、テラス幅Ｗ_０は、１２ｎｍである。以下、表１にオフ角θ_０及びテラス幅Ｗ_０の例をまとめる。

【0017】

【表1】

【0018】

図３は、サファイア基板１０に形成された凹部を説明する図であり、（ａ）は、凹部をサファイア基板１０の結晶成長面１０ａの上方向から視た平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ－Ａ切断の端面図である。図３（ａ）に示すように、サファイア基板１０は、結晶成長面１０ａに、この結晶成長面１０ａから厚み方向の内側（図１の下方向）に向かって開口寸法が徐々に小さくなる形状の凹部２を含む。

【0019】

すなわち、このサファイア基板１０は、結晶成長面１０ａに凹凸パターンが形成されたＰＳＳ（Patterned Sapphire Substrate）である。なお、以下、「凸」は、結晶成長面１０ａのうち凹部２が形成されていない領域の表面形状を指すものとする。この凹部２は、発光層１３から出射された深紫外光を散乱又は回折させる機能を有している。

【0020】

凹部２は、それぞれ、底面２ａに対して異なるテーパ角で傾斜する複数の内周面により形成されている。本実施の形態では、凹部２は、それぞれ、底面２ａに対して異なるテーパ角で傾斜する２つの内周面２ｂにより形成されている。換言すれば、凹部２の内周面２ｂは、底面２ａに対して２段階の角度を有している。

【0021】

具体的には、図３（ｂ）に示すように、底面２ａに対して第１のテーパ角θ_１で傾斜する第１の内周面２１ａと、この第１の内周面２１ａと半導体積層構造体側で接続し、底面２ａに対して第２のテーパ角θ_２で傾斜する第２の内周面２２ａと、を含む複数の内周面２ｂにより形成されている。

【0022】

より具体的には、凹部２は、底面２ａと、この底面２ａに対して第１のテーパ角θ_１で傾斜する第１の内周面２１ａと、により形成された第１の穴部２１と、この第１の穴部２１と半導体積層構造体側で連通し、底面２ａに対して第１のテーパ角θ_１よりも大きい第２のテーパ角θ_２で傾斜する第２の内周面２２ａにより形成された第２の穴部２２と、により構成されている。また、凹部２は、第１の穴部２１と第２の穴部２２との境界に変曲点２３を有している。

【0023】

第１の穴部２１及び第２の穴部２２は、それぞれ結晶成長面１０ａから厚み方向の内側に向かって開口寸法が徐々に小さくなる円錐台形の形状を有している。第１のテーパ角θ_１は、９０°以上１５０°以下であり、好ましくは、１００°以上１３０°以下である。なお、第１の内周面２１ａは、湾曲していてもよい。第１の内周面２１ａが湾曲している場合、第１のテーパ角θ_１は、図３（ｂ）に示す凹部２の切断の端面視において、第１の内周面２１ａの底面２ａ側の端部と変曲点２３とを結ぶ直線と、底面２ａと、のなす角として定義してよい。

【0024】

また、第１の穴部２１の深さｈ_１は、５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下であり、好ましくは、１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。

【0025】

第２のテーパ角θ_２は、第１のテーパ角θ_１よりも大きい（θ_２＞θ_１）。具体的には、第２のテーパ角θ_２は、１００°以上１６０°以下であり、好ましくは、１１０°以上１４０°以下である。なお、第２の内周面２２ａは、湾面していてもよい。第２の内周面２２ａが湾曲している場合、第２のテーパ角θ_２は、図３（ｂ）に示す凹部２の切断の端面視において、第２の内周面２２ａの上側の端部と変曲点２３とを結ぶ直線と、底面２ａと、のなす角として定義してよい。

【0026】

第２の穴部２２の深さは、第１の穴部２１の深さｈ_１よりも深い。つまり、凹部２の深さをｈ_２とすると、第２の穴部２２の深さ（ｈ_２－ｈ_１）は、以下の式（１）
ｈ_１＜ｈ_２－ｈ_１・・（１）
を満たしている。

【0027】

凹部２の深さｈ_２は、２５ｎｍ以上３／４×ｄｎｍ以下である。ここで、ｄは、ｎ型クラッド層１２の膜厚である。十分に光を散乱又は回折させるために、凹部２は、λ／４ｎ（ここで、λは発光波長であり、ｎは、半導体層の屈折率）以上の深さを有する。

【0028】

また、本実施の形態においては、発光波長λの下限を２５０ｎｍと想定し、半導体層の屈折率の上限を２．５と想定しているため、凹部２は、２５ｎｍ以上の深さを有することになる。これに対して、凹部２の深さｈ_２が深くなりすぎると、凹凸パターンが形成された結晶成長面１０ａ上に、表面が平坦となるようにＡｌＧａＮ系半導体結晶を成長させて、高品質な発光素子構造を形成することが難しくなるため、凹部２の深さは、ｎ型クラッド層１２の膜厚ｄの３/４倍以下にする。

【0029】

なお、上記の半導体層の屈折率は、半導体層を構成する各層が、一律に同一の屈折率を有するとみなした場合における屈折率とした。また、各層の屈折率が異なる場合、半導体層の屈折率としては、各層の屈折率の平均値を用いてよい。一例として、発光波長が２５０ｎｍ～３５０ｎｍの場合、屈折率は、２．３～２．５である。

【0030】

なお、上述したように、テラス面Ｔの段差Ｓは、凹部２の深さｈ_２と比較して無視できる程度に小さい。したがって、凹部２がテラス面Ｔの段差Ｓを跨いで形成される場合でも、テラス面Ｔの段差Ｓは、凹部２の深さｈ_２に影響を与えない点に留意されたい。

【0031】

また、凹部２の開口径は、０．９±０．１μｍである。また、隣接する凹部２間の距離Ｌは、５００ｎｍよりも小さい（Ｌ＜５００ｎｍ）。ここで、隣接する凹部２間の距離Ｌとは、隣接する凹部２の縁部間の最短の距離、具体的には、図３（ａ）に示す平面視において、凹部２の中心軸Ｏを結ぶ直線（図３（ａ）の破線参照）上における隣接する凹部２の縁部間の距離をいう。

【0032】

凹部２は、一定のピッチ間隔Ｐで形成されている。ピッチ間隔Ｐは、好ましくは、１５００ｎｍ以下である。ここで、ピッチ間隔Ｐとは、図３（ａ）に示す平面視における凹部２の中心軸Ｏ間の距離をいう。

【0033】

図４は、凹部２の配置の一例を模式的に示す図である。なお、図４では、説明の便宜上、凹部２の外縁のみ円枠で示した。図４に示すように、凹部２は、凹凸パターンの一例として、サファイア基板１０の結晶成長面１０ａにおいて、千鳥状に配置されている。サファイア基板１０の結晶成長面１０ａにできるだけ多くの凹部２が形成された状態、いわゆる最密充填を実現するためである。

【0034】

なお、図４では、凹部２の開口形状を平面視において円形として描いたが、凹部２の開口形状は、必ずしも円形でなくてもよく、例えば、楕円形でもよい。また、円形は、必ずしも真円でなくてもよく、略円形を含む。すなわち、凹部２の形状は円錐台に限定されることなく、他の錐台であってもよい。

【0035】

（２）バッファ層１１
バッファ層１１は、ＡｌＮやＡｌＧａＮにより形成されている。バッファ層１１は、凹部２の深さの２倍～１５０倍程度の厚みを有している。バッファ層１１を平坦にするため、バッファ層１１の厚みは、１．５μｍ以上４．５μｍ以下が好ましい。バッファ層１１は、単層でも多層構造でもよい。

【0036】

図５は、バッファ層１１に生じたエアボイドの一例を説明する図である。図５に示すように、バッファ層１１は、空気を含む空洞（以下、「エアボイド」ともいう。）１１０を含んでもよい。エアボイド１１０は、円錐状の形状を有する。エアボイド１１０は、バッファ層１１内の凹部２の底面２ａ上に形成される。また、エアボイド１１０は、底面が凹部２の底面２ａ側を向くように形成される。

【0037】

エアボイド１１０の底面は、凹部２の底面２ａの直径の１／１０以上４／５以下の直径ｘを有する。好ましくは、エアボイド１１０の底面の直径ｘは、凹部２の底面２ａの直径の１／１０以上１／３以下である。また、エアボイド１１０は、バッファ層１１の膜厚の１／２０以上４／５以下の高さｙを有する。好ましくは、エアボイド１１０の高さｙは、バッファ層１１の膜厚の１／４以上３／４以下である。また、エアボイド１１０の底面と凹部２の底面２ａとの距離ｚは、凹部２の深さｈ_２の１／２０以上３／４以下である。好ましくは、この距離ｚは、凹部２の深さｈ_２の１／２０以上１／２以下である。

【0038】

（３）ｎ型クラッド層１２
ｎ型クラッド層１２は、バッファ層１１上に形成されている。ｎ型クラッド層１２は、ｎ型のＡｌＧａＮにより形成された層であり、例えば、ｎ型の不純物としてシリコン（Ｓｉ）がドープされたＡｌＧａＮ層である。なお、ｎ型の不純物としては、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）等を用いてもよい。ｎ型クラッド層１２は、１μｍ～４μｍ程度の厚みを有しており、好ましくは２μｍ以上３μｍ以下である。ｎ型クラッド層１２は、単層でもよく、多層構造でもよい。

【0039】

（４）発光層１３
発光層１３は、ｎ型クラッド層１２上に形成されている。発光層１３は、ｎ型クラッド層１２側からＡｌＧａＮやＡｌＮからなる障壁層１３０、ＡｌＧａＮやＧａＮからなる井戸層１３１とを交互に積層した層である。発光層１３は、波長３５０ｎｍ以下の深紫外光を出力するためにバンドギャップが３．４ｅＶ以上となるように構成されている。なお、本実施の形態では、発光層１３に障壁層１３０及び井戸層１３１を各３層ずつ設けた多重量子井戸構造としたが、障壁層１３０及び井戸層１３１は、必ずしも３層に限定されるものではなく、２層でもよく、４層以上でもよい。また、障壁層１３０及び井戸層１３１をそれぞれ１層ずつ設けた単一量子井戸構造でもよい。

【0040】

（５）ｐ型半導体層１４
ｐ型半導体層１４は、発光層１３上に形成されている。ｐ型半導体層１４は、発光層１３側からｐ型のＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層１４０、ｐ型のＡｌＧａＮやＧａＮからなるｐ型コンタクト層１４１を有する。なお、ｐ型クラッド層１４０は、必須の構成ではない。また、発光層１３上にＡｌＮやＡｌＧａＮからなる電子ブロック層を積層した後、ｐ型半導体層１４を積層してもよい。ｐ型の不純物としてはマグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）等を用いてよく、マグネシウム（Ｍｇ）を用いるのが好ましい。ｐ型半導体層１４は、１０ｎｍから１０００ｎｍ程度の厚みを有しており、好ましくは３０ｎｍ以上８００ｎｍ以下である。

【0041】

（発光素子１の製造方法）
次に、発光素子１の製造方法について説明する。まず、サファイア基板１０の結晶成長面１０ａに凹部２を形成する。以下、サファイア基板１０の結晶成長面１０ａに凹部２を形成する一例を説明する。サファイア基板１０の結晶成長面１０ａに、凹凸パターンに対応する形状を有するマスク（以下、「第１のマスク」ともいう。）を形成する。第１のマスクは、例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）で形成された膜を用いてよい。

【0042】

次に、ＳｉＯ_２膜とサファイア基板１０とを反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching; RIE)等のドライエッチングでエッチングした後、ＳｉＯ_２膜を除去すると、第１のマスクに被覆されていない部分が凹状の形状として除去される。このようにして、除去された凹状の形状が凹部２を形成する。凹部２を形成する方法は、一例であり、必ずしも上記の方法に限定されるものではない。

【0043】

次に、サファイア基板１０上の結晶成長面１０ａ上に、バッファ層１１、ｎ型クラッド層１２、発光層１３、ｐ型クラッド層１４０、及びｐ型コンタクト層１４１を順に積層して、所定の直径（例えば、５０ｍｍ程度）を有する略円板状のウエハを形成する。これらバッファ層１１、ｎ型クラッド層１２、発光層１３、ｐ型クラッド層１４０、及びｐ型コンタクト層１４１は、有機金属化学気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ法（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）、ハイドライド気相エピタキシ法（Hydride Vapor Phase Epitaxy：ＨＶＰＥ）等の周知のエピタキシャル成長法を用いて形成してよい。

【0044】

次に、ｎ型クラッド層１２を露出させ、当該露出面上にｎ側電極１６を形成するために、ｐ型半導体層１４を部分的に被覆するマスク（以下、「第２のマスク」ともいう。）をｐ型半導体層１４上に形成する。続いて、ｎ型クラッド層１２の一部、発光層１３、ｐ型クラッド層１４０、及びｐ型コンタクト層１４１において第２のマスクが形成されていないそれぞれの露出領域を除去する。これらの層の除去は、例えば、プラズマエッチングにより行ってよい。

【0045】

次に、第２のマスクを除去したｐ型コンタクト層１４１上にｐ側電極１５を形成し、ｎ型クラッド層１２の露出面上にｎ側電極１６を形成する。ｐ側電極１５及びｎ側電極１６は、例えば、電子ビーム蒸着法やスパッタリング法などの周知の方法により形成してよい。このウエハを所定の寸法に切り分けることにより、図１に示す発光素子１が形成される。

【0046】

（実施例）
発明者らは、上述した製造方法を用いて、本発明の実施の形態に係る３つの発光素子１（以下、「実施例１～３」ともいう。）を作製した。以下、図６（ａ）～（ｃ）に、実施例１～３に対して原子間力顕微鏡法（Atomic Force Microscope）により得られた凹部２の断面形状を示す。なお、図６各図の縦軸は、１２４．５ｎｍを１単位として規格化して示している。また、ピッチ間隔Ｐは、いずれも１０００．０ｎｍであった。

【0047】

図６（ａ）は、実施例１に係る発光素子１の凹部２の断面形状を示す図である。図６（ａ）に示す実施例１に係る発光素子１の凹部２のデータを表２にまとめる。

【表2】

【0048】

図６（ｂ）は、実施例２に係る発光素子１の凹部２の断面形状を示す図である。実施例２に係る発光素子１の凹部２は、実施例１に係る発光素子１の凹部２と比較して、第１の穴部２１の深さｈ_１が第２の穴部２２の深さ（ｈ_２－ｈ_１）に対して相対的に低い（すなわち、凹部２の深さｈ_２に対して第１の穴部２１の深さｈ_１が占める割合が小さい）点で相違している。表３に実施例２に係る発光素子１の凹部２のデータをまとめる。

【表3】

【0049】

図６（ｃ）は、実施例３に係る発光素子１の凹部２の断面形状を示す図である。実施例３に係る発光素子１の凹部２は、実施例１に係る発光素子１の凹部２と比較して、隣接する凹部２間の距離Ｌが長い点で相違している。表４に実施例３に係る発光素子１の凹部２のデータをまとめる。

【表4】

【0050】

また、発明者らは、上述した実施例１～３に係る発光素子１の光出力（μＷ）を測定した。光出力（μＷ）は、種々の公知の方法で測定することが可能であるが、本測定では、一例として、上述したｐ側電極１５及びｎ側電極１６の間に一定の電流（例えば、１００ｍＡ）を流し、サファイア基板１０の底面と対向するように設置した光検出器（不図示）により測定した。また、比較例として、上述の凹部２を有しないサファイア基板を備える発光素子の光出力を測定した。以下、表５に、比較例及び実施例１～３の測定データをまとめる。

【表5】

【0051】

図７各図は、上述の実施例１～３に係る発光素子１の光出力の測定結果を示す図であり、（ａ）は、比較例に係る発光素子の光出力と実施例１～３に係る発光素子１の光出力とを並べて示した図であり、（ｂ）は、横軸を第１の穴部２１の深さｈ_１として示した図であり、（ｃ）は、横軸を凹部２の深さｈ_２として示した図である。表５及び図７（ａ）に示すように、実施例１～３に係る発光素子１は、いずれも比較例に係る発光素子よりも大きい光出力を得ることが確認できる。

【0052】

また、図７（ｂ）に示すように、光出力が第１の穴部２１の深さｈ_１に応じて変化することが確認できる。具体的には、光出力は、第１の穴部２１の深さｈ_１が１００ｎｍから２００ｎｍの範囲で安定となり、ｈ_１が約２００ｎｍの付近からｈ_１が大きくなるに連れて降下し、約２３０ｎｍ付近で実線（すなわち、比較例に係る発光素子の光出力）と交差している。したがって、安定的な光出力を得るために、第１の穴部２１の深さｈ_１は、上述したように、１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることが好ましい。

【0053】

また、図７（ｃ）に示すように、光出力が凹部２の深さｈ_２に応じて変化することが確認できる。具体的には、光出力は、凹部２の深さｈ_２が３００ｎｍ～５００ｎｍの範囲で安定となり、凹部２の深さｈ_２が約５００ｎｍの付近からｈ_２が大きくなるに連れて降下し、約６００ｎｍ付近で実線と交差している。したがって、安定的な光出力を得るために、凹部２の深さｈ_２は、上述したように、３００ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることが好ましい。

【0054】

（実施形態のまとめ）
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。

【0055】

［１］サファイア基板（１０）と、前記サファイア基板（１０）上の結晶成長面（１０ａ）上に形成されたｎ型半導体層、深紫外光を出射する発光層（１３）及びｐ型半導体層（１４）を含む半導体積層構造体と、を備える半導体発光素子（１）であって、前記サファイア基板（１０）は、前記結晶成長面（１０ａ）から厚み方向の内側に向かって開口寸法が徐々に小さくなる形状の複数の凹部（２）を前記結晶成長面（１０ａ）に含み、前記複数の凹部（２）は、底面（２ａ）と、該底面（２ａ）に対して第１のテーパ角（θ_１）で傾斜する第１の内周面（２１ａ）と、により形成された第１の穴部（２１）と、該第１の穴部（２１）と前記半導体積層構造体側で連通し、前記底面（２ａ）に対して第２のテーパ角（θ_２）で傾斜する第２の内周面（２２ａ）により形成された第２の穴部（２２）と、により構成されている、半導体発光素子（１）。
［２］前記第２のテーパ角（θ_２）は、前記第１のテーパ角（θ_１）よりも大きい、前記［１］に記載の半導体発光素子（１）。
［３］前記第１のテーパ角（θ_１）は、９０°以上１５０°以下であり、前記第２のテーパ角（θ_２）は、１００°以上１６０°以下である、前記［２］に記載の半導体発光素子（１）。
［４］前記第２の穴部（２２）の深さ（ｈ_２－ｈ_１）は、前記第１の穴部（２１）の深さ（ｈ_１）よりも深い、前記［１］乃至［３］のいずれか１つに記載の半導体発光素子（１）。
［５］前記第１の穴部の深さ（ｈ_１）は、５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である、前記［１］乃至［４］のいずれか１つに記載の半導体発光素子（１）。
［６］前記複数の凹部（２）のうち隣接する凹部（２）間の距離（Ｌ）は、５００ｎｍよりも小さい、前記［１］乃至［５］のいずれか１つに記載の半導体発光素子（１）。
［７］前記複数の凹部（２）は、前記サファイア基板（１０）の前記結晶成長面（１０ａ）において、千鳥状に配置されている、前記［１］乃至［６］のいずれか１つに記載の半導体発光素子（１）。
［８］前記複数の凹部（２）の開口形状は、円形である、前記［１］乃至［７］のいずれか１つに記載の半導体発光素子（１）。
［９］前記サファイア基板（１０）の前記結晶成長面（１０ａ）は、オフ角を０．２°以上１．５°以下とした複数のテラス面（Ｔ）が段差（Ｓ）を介して連続した形状を備える、前記［１］乃至［８］のいずれか１つに記載の半導体発光素子（１）。

【符号の説明】

【0056】

１…半導体発光素子（発光素子）
１０…サファイア基板
１０ａ…結晶成長面
１１…バッファ層
１２…ｎ型クラッド層
１３…発光層
１３０…障壁層
１３１…井戸層
１４…ｐ型半導体層
１４０…ｐ型クラッド層
１４１…ｐ型コンタクト層
１５…ｐ側電極
１６…ｎ側電極
２…凹部
２ａ…底面
２ｂ…内周面
２１…第１の穴部
２１ａ…第１の内周面
２２…第２の穴部
２２ａ…第２の内周面
２３…変曲点
θ_０…オフ角
θ_１…第１のテーパ角
θ_２…第２のテーパ角

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】