JP2004128445A - 発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発光部にて発光した光を外部に効率よく取り出すことが可能な発光素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】発光素子本体Ａは、サファイア基板からなる基板１の一表面側にｎ形ＧａＮ層２ａとｐ形ＧａＮ層２ｂとからなる発光部２が形成され、ｎ形ＧａＮ層２ａおよびｐ形ＧａＮ層２ｂそれぞれに電極３ａ，３ｂが形成されている。発光素子本体Ａは基板１の他表面側に、発光部２に平行な面内で屈折率の異なる２種類の媒質４ａ，４ｂからなり屈折率を規則的に変化させた構造を有する屈折率調整部４が形成されている。屈折率調整部４は、基板１の上記他表面側に、レーザ照射部分周辺への熱損傷を生じないパルス幅（１ｐｓ以下のパルス幅）のパルスレーザを集光照射してレーザ照射部分を改質加工することで形成している。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光素子およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、化合物半導体材料からなる発光部を基板の一表面側に形成した発光素子本体を備えた発光素子が提供されており、化合物半導体材料として窒化ガリウム系材料を採用するとともに基板としてサファイア基板を採用した発光素子本体を備えた発光素子が知られていた。しかしながら、このような発光素子では、発光部にて発光した光が発光部、サファイア基板、発光素子本体周囲の空気の屈折率の違いによって界面で反射されてしまうので、発光部にて発光した光を外部に効率良く取り出すことができないという不具合があった。
【０００３】
そこで、光の取り出し効率を向上させるために、図２７に示すような構成の発光素子本体Ａ’を備えた発光素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。図２７に示す構成の発光素子本体Ａ’は、サファイア基板からなる基板１の一表面（図２７における下面）側にｎ形ＧａＮ層２ａとｐ形ＧａＮ層２ｂとからなる発光部２が形成されており、発光部２の表面（図２７における下面）を非鏡面として発光部２の表面での多重反射を抑制することによって外部への光取り出し効率を向上させている。なお、発光部２のｎ形ＧａＮ層２ａおよびｐ形ＧａＮ層２ｂそれぞれには電極３ａ，３ｂが形成されている。
【０００４】
ところで、上記公報には、発光部２の表面を非鏡面とする方法として以下の２つの方法が提案されている。まず、第１の方法としては、基板１であるサファイア基板の上記一表面の面方位をＣ軸から０．２〜１．５°だけずらし、発光部２をエピタキシャル成長により形成する方法が提案されている。すなわち、第１の方法では、基板１として所謂オフ基板を用いることで、エピタキシャル成長により形成する発光部２の表面を非鏡面とする方法が提案されている。次に、第２の方法としては、エピタキシャル成長により表面が鏡面となるように形成された発光部２の表面を、エッチングまたは研磨することで発光部２の表面を非鏡面とする方法が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−２９１３６８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記第１の方法により発光部２の表面を非鏡面とした発光素子では、発光部２の表面の粗面化の度合いが低く、外部へ取り出される光の強度は発光部２の表面が鏡面の場合と比べて１０％程度の向上にとどまってしまい、外部への光取り出し効率の更なる向上が望まれている。
【０００７】
一方、上記第２の方法により発光部２の表面を非鏡面とした発光素子では、発光部２の表面近傍に残留応力やクラックなどが発生し、発光素子本体Ａ’の機械的強度の信頼性が低下してしまうという不具合があった。また、発光素子本体Ａ’がチップの状態では上記第２の方法を採用することは難しかった。
【０００８】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、発光部にて発光した光を外部に効率よく取り出すことが可能な発光素子およびその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、上記目的を達成するために、半導体材料からなる発光部が発光部にて発光する光に対して透明な基板の厚み方向の一表面側に形成された発光素子本体を備え、基板の厚み方向から光が取り出される発光素子であって、発光部に平行な面内で屈折率の異なる２種類の媒質からなり屈折率を変化させた構造を有する屈折率調整部が発光素子本体の厚み寸法内に設けられてなることを特徴とするものであり、発光素子本体内での多重反射が起こりにくくなり、外部への光取り出し効率が向上する。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記屈折率調整部は、前記発光部に平行な面内で屈折率の異なる２種類の媒質の周期構造もしくは準周期構造を有し、周期構造もしくは準周期構造の周期が発光部にて発光する光の波長の１／４〜４倍程度の値に設定されているので、光の進行方向における屈折率の変化を小さくすることができ、発光素子本体内での多重反射が起こりにくくなり、外部への光取り出し効率が向上する。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記屈折率調整部は、前記発光部に平行な面内で屈折率の異なる２種類の媒質の周期構造もしくは準周期構造を有し、周期構造もしくは準周期構造の周期が発光部にて発光する光の波長の１／４〜１倍程度の値に設定され、且つ、有効屈折率が前記厚み方向における屈折率調整部の両側の媒質の中間の値であるので、光の進行方向における屈折率の変化を小さくすることができ、発光素子本体内での多重反射が起こりにくくなり、外部への光取り出し効率が向上する。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記屈折率調整部は、前記発光部の表面側に形成されているので、前記発光部にて発光した光が前記発光部の表面側で全反射されにくくなる。
【００１３】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記屈折率調整部の表面側に前記光に対して透明な材料からなる透明層が形成され、透明層の表面に当該表面を含む界面での前記発光部からの光の全反射の発生を抑制する多数の微細な凹凸が形成されているので、前記屈折率調整部の表面側での反射を抑制することができ、外部への光取り出し効率がさらに向上できる。
【００１４】
請求項６の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記屈折率調整部は、前記基板の前記他表面側に形成されているので、前記発光部にて発光した光が前記基板の他表面側で全反射されにくくなる。
【００１５】
請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６の発明において、前記屈折率調整部は、前記２種類の媒質の一方が前記発光素子本体の構成材料であり他方が前記発光素子本体の構成材料が改質された材料からなるので、前記発光素子本体にレーザによる改質加工を施すことで前記屈折率調整部を形成することが可能となる。
【００１６】
請求項８の発明は、請求項１ないし請求項６の発明において、前記屈折率調整部は、前記２種類の媒質の一方が前記発光素子本体の構成材料であり他方が前記発光素子本体に形成された凹部内の空気からなるので、前記発光素子本体にレーザによる除去加工を施すことで前記屈折率調整部を形成することが可能となる。
【００１７】
請求項９の発明は、請求項１ないし請求項６の発明において、前記屈折率調整部は、前記２種類の媒質の一方が前記発光素子本体の構成材料が改質された材料からなり他方が前記発光素子本体に形成された凹部内の空気からなるので、前記発光素子本体にレーザによる改質加工および除去加工を施すことで前記屈折率調整部を形成することが可能となる。
【００１８】
請求項１０の発明は、請求項８または請求項９の発明において、前記凹部は前記厚み方向に沿った深さ方向において開口幅が一様であるので、前記凹部を容易に加工することができる。
【００１９】
請求項１１の発明は、請求項８または請求項９の発明において、前記凹部は前記厚み方向に沿った深さ方向において開口幅が徐々に狭くなっているので、前記凹部を容易に加工することができる。
【００２０】
請求項１２の発明は、請求項１ないし請求項１１の発明において、前記基板とは屈折率の異なる多数の微細な柱状領域が前記発光部にて発光した光を前記基板の他表面側へ反射するように前記厚み方向を長手方向として前記光の波長程度の間隔で規則的に配列された反射部を前記基板内に有するので、前記発光部にて発光した光を前記基板の他表面側へ反射させることができ、前記基板の側面から光が放射されるのを防止することができるとともに前記基板の他表面側へ効率良く光を導くことができ、前記発光部に平行な面から外部へ効率良く光を取り出すことができる。
【００２１】
請求項１３の発明は、請求項１ないし請求項１１の発明において、前記発光素子本体の光取り出し面の面積を調整し且つ前記発光部からの光を光取り出し面側へ反射するフォトニック結晶が前記基板内に形成されているので、前記基板の側面から光が放射されるのを防止することができるとともに前記基板の光取り出し面側へ効率良く光を導くことができ、前記発光部に平行な面から外部へ効率良く光を取り出すことができる。
【００２２】
請求項１４の発明は、請求項１ないし請求項１１の発明において、前記発光部にて発光した光を前記基板側へ反射するように前記光の波長の１／２程度の間隔で規則的に配列された反射部を前記発光部内に有するので、前記発光部にて発光した光を前記基板側へ反射させることができて前記基板の他表面側へ効率良く光を導くことができ、前記発光部に平行な面から外部へ効率良く光を取り出すことができる。
【００２３】
請求項１５の発明は、請求項８ないし請求項１０の発明において、所望の配光が得られるように前記凹部の配列方向における前記凹部それぞれの開口幅が調整されているので、外部への光取り出し効率の向上と光の配光制御とを実現できる。
【００２４】
請求項１６の発明は、半導体材料からなる発光部が発光部にて発光する光に対して透明な基板の厚み方向の一表面側に形成された面発光型の発光素子本体を備えた発光素子であって、発光素子本体の光取出し面に沿った面内で屈折率の異なる２種類の媒質からなり屈折率を変化させた構造を有する屈折率調整部が発光素子本体の厚み寸法内に設けられ、基板は、一表面が平面で且つ他表面が発光部の中心から放射された光線束に対して臨界角以下となる複数の平面の集合からなることを特徴とするものであり、発光素子本体の光取出し面に沿った面内で屈折率の異なる２種類の媒質からなり屈折率を変化させた構造を有する屈折率調整部が発光素子本体の厚み寸法内に設けられていることにより、発光素子本体内での多重反射が起こりにくくなり、外部への光取り出し効率が向上し、しかも、基板の一表面が平面で且つ他表面が発光部の中心から放射された光線束に対して臨界角以下となる複数の平面の集合からなることにより、発光部の中心から放射された光線束が基板の他表面で全反射されるの防止することができ、外部へ効率良く光を取り出すことができる。
【００２５】
請求項１７の発明は、半導体材料からなる発光部が発光部にて発光する光に対して透明な基板の厚み方向の一表面側に形成された面発光型の発光素子本体を備えた発光素子であって、発光素子本体の光取出し面に沿った面内で屈折率の異なる２種類の媒質からなり屈折率を変化させた構造を有する屈折率調整部が発光素子本体の厚み寸法内に設けられ、基板は、一表面が平面で且つ他表面が球面の一部からなる平凸レンズ状の形状に形成され、発光部の中心と球面の中心とを一致させてなることを特徴とするものであり、発光素子本体の光取出し面に沿った面内で屈折率の異なる２種類の媒質からなり屈折率を変化させた構造を有する屈折率調整部が発光素子本体の厚み寸法内に設けられていることにより、発光素子本体内での多重反射が起こりにくくなり、外部への光取り出し効率が向上し、しかも、基板の形状を一表面が平面で且つ他表面が球面の一部からなる平凸レンズ状に形成して発光部の中心と球面の中心とを一致させてあることにより、発光部の中心から放射された光線束が基板の他表面で全反射されるの防止することができ、外部へ効率良く光を取り出すことができる。
【００２６】
請求項１８の発明は、請求項１６または請求項１７の発明において、前記屈折率調整部は、前記光取出し面に沿った面内で屈折率の異なる２種類の媒質の周期構造もしくは準周期構造を有し、周期構造もしくは準周期構造の周期が前記発光部にて発光する光の波長の１／４〜４倍程度の値に設定されているので、光の進行方向における屈折率の変化を小さくすることができ、発光素子本体内での多重反射が起こりにくくなり、外部への光取り出し効率が向上する。
【００２７】
請求項１９の発明は、請求項１６または請求項１７の発明において、前記屈折率調整部は、前記光取出し面に沿った面内で屈折率の異なる２種類の媒質の周期構造もしくは準周期構造を有し、周期構造もしくは準周期構造の周期が前記発光部にて発光する光の波長の１／４〜１倍程度の値に設定され、且つ、有効屈折率が前記光取出し面に直交する方向における前記屈折率調整部の両側の媒質の中間の値であるので、光の進行方向における屈折率の変化を小さくすることができ、発光素子本体内での多重反射が起こりにくくなり、外部への光取り出し効率が向上する。
【００２８】
請求項２０の発明は、半導体材料からなる発光部が発光部にて発光する光に対して透明な基板の厚み方向の一表面側に形成された発光素子本体を備え、基板の厚み方向から光が取り出される発光素子であって、発光部の表面側に前記光に対して透明な材料からなる透明層が形成され、透明層の表面に当該表面を含む界面での前記発光部からの光の全反射の発生を抑制する多数の微細な凹凸が形成されてなることを特徴とするものであり、発光素子本体を加工することなく発光部の表面側での全反射を抑制することができ、外部への光の取り出し効率を向上できる。
【００２９】
請求項２１の発明は、半導体材料からなる発光部が発光部にて発光する光に対して透明な基板の厚み方向の一表面側に形成された発光素子本体を備え、基板の厚み方向から光が取り出される発光素子であって、基板の他表面側に前記光に対して透明な材料からなる透明層が形成され、透明層の表面に当該表面を含む界面での前記発光部からの光の全反射の発生を抑制する多数の微細な凹凸が形成されてなることを特徴とするものであり、発光素子本体を加工することなく基板の他表面側での全反射を抑制することができ、外部への光の取り出し効率を向上できる。
【００３０】
請求項２２の発明は、請求項２０または請求項２１の発明において、前記透明層の構成材料は、前記発光素子本体との界面近傍における前記発光素子本体の構成材料よりも屈折率が高いので、前記発光素子本体と前記透明層との界面での反射を抑制することができ、外部への光の取り出し効率をさらに向上できる。
【００３１】
請求項２３の発明は、請求項２０または請求項２１の発明において、前記透明層の構成材料は、前記発光素子本体との界面近傍における前記発光素子本体の構成材料よりも屈折率が低く、前記透明層と前記発光素子本体との界面近傍には、前記発光部に平行な面内で屈折率の異なる２種類の媒質の周期構造を有する屈折率調整部が設けられ、周期構造の周期が発光部にて発光する光の波長程度の値に設定され、且つ、屈折率調整部の有効屈折率が前記厚み方向における屈折率調整部の両側の媒質の中間の値であるので、前記透明層と前記発光素子本体との界面での反射を抑制することができ、外部への光の取り出し効率をさらに向上できる。
【００３２】
請求項２４の発明は、請求項１ないし請求項１９のいずれかに記載の発光素子の製造方法であって、前記屈折率調整部を形成する工程では、前記発光素子本体におけるレーザ照射部分周辺への熱損傷を生じないパルス幅のパルスレーザを集光照射してレーザ照射部分を加工することを特徴とし、前記屈折率調整部を非接触で組成の変化なしに形成することができ、しかも、前記屈折率調整部の形成時に前記発光素子本体に熱損傷が生じるのを防止することができ、前記屈折率調整部の形成に伴う機械的強度の低下を防止できるから、信頼性を損なうことなく外部への光の取り出し効率の向上を図った発光素子を提供することができる。
【００３３】
請求項２５の発明は、請求項１ないし請求項１９のいずれかに記載の発光素子の製造方法であって、前記屈折率調整部を形成する工程では、前記発光素子本体におけるレーザ照射部分周辺への熱損傷を生じないパルス幅のパルスレーザを前記発光素子本体における前記屈折率調整部の形成予定領域に複数方向から同時に照射して照射光同士を互いに干渉させて加工することを特徴とし、前記屈折率調整部を非接触で組成の変化なしに形成することができ、しかも、前記屈折率調整部の形成時に前記発光素子本体に熱損傷が生じるのを防止することができ、前記屈折率調整部の形成に伴う機械的強度の低下を防止できるから、信頼性を損なうことなく外部への光の取り出し効率の向上を図った発光素子を提供することができる。また、前記屈折率調整部を一括して形成することが可能であり、請求項２４の発明に比べて生産性を向上させることができる。
【００３４】
請求項２６の発明は、請求項８ないし請求項１１のいずれかに記載の発光素子の製造方法であって、前記屈折率調整部を形成する工程では、前記発光素子本体におけるレーザ照射部分周辺への熱損傷を生じないパルス幅のパルスレーザを集光照射してレーザ照射部分を改質してから、改質された部分を他の部分に対して選択的にエッチング可能な溶液を用いて改質された部分をエッチングすることを特徴とし、前記屈折率調整部の形成時に前記発光素子本体に熱損傷が生じるのを防止することができ、前記屈折率調整部の形成に伴う機械的強度の低下を防止できるから、信頼性を損なうことなく外部への光の取り出し効率の向上を図った発光素子を提供することができる。
【００３５】
請求項２７の発明は、請求項１２記載の発光素子の製造方法であって、前記反射部を形成する工程では、前記基板内にレーザ照射部分周辺への熱損傷の発生を生じないパルス幅のパルスレーザを集光照射して前記レーザ照射部分を改質することにより前記各柱状領域を形成することを特徴とし、前記基板内に非接触で前記反射部を容易に形成することができ、しかも、前記反射部の形成に伴って熱損傷が生じるのを防止することができる。
【００３６】
請求項２８の発明は、請求項１３記載の発光素子の製造方法であって、前記フォトニック結晶を形成する工程では、前記基板内にレーザ照射部分周辺への熱損傷の発生を生じないパルス幅のパルスレーザを集光照射して前記レーザ照射部分を改質することを特徴とし、前記基板内に非接触で前記フォトニック結晶を容易に形成することができ、しかも、前記フォトニック結晶の形成に伴って熱損傷が生じるのを防止することができる。
【００３７】
請求項２９の発明は、請求項１４記載の発光素子の製造方法であって、前記反射部を形成する工程では、前記発光部内にレーザ照射部分周辺への熱損傷の発生を生じないパルス幅のパルスレーザを集光照射して前記レーザ照射部分を改質することを特徴とし、前記発光部内に非接触で前記反射部を容易に形成することができ、しかも、前記反射部の形成に伴って熱損傷が生じるのを防止することができる。
【００３８】
請求項３０の発明は、請求項１６記載の発光素子の製造方法であって、前記基板の前記他表面を構成する複数の平面をレーザ加工により形成することを特徴とし、前記基板の前記一表面側に前記発光部を形成した後で、前記基板の前記他表面を構成する複数の平面を非接触で形成することができ、当該複数の平面の形成に伴う機械的強度の低下を防止できるから、信頼性を損なうことなく外部への光の取り出し効率の向上を図った発光素子を提供することができる。
【００３９】
請求項３１の発明は、請求項２０ないし請求項２３のいずれかに記載の発光素子の製造方法であって、前記微細な凹凸を形成する工程では、前記透明層におけるレーザ照射部分周辺への熱損傷を生じないパルス幅のパルスレーザを集光照射してレーザ照射部分を加工することを特徴とし、前記微細な凹凸を非接触で形成することができ、しかも、前記微細な凹凸の形成時に前記発光素子本体に熱損傷が生じるのを防止することができ、信頼性を損なうことなく外部への光の取り出し効率の向上を図った発光素子を提供することができる。
【００４０】
請求項３２の発明は、請求項２０ないし請求項２３のいずれかに記載の発光素子の製造方法であって、前記凹凸を形成する工程では、前記透明層におけるレーザ照射部分周辺への熱損傷を生じないパルス幅のパルスレーザを前記透明層における前記凹凸の形成予定領域に複数方向から同時に照射して照射光同士を互いに干渉させて加工することを特徴とし、前記微細な凹凸を非接触で形成することができ、しかも、前記微細な凹凸の形成時に前記発光素子本体に熱損傷が生じるのを防止することができ、信頼性を損なうことなく外部への光の取り出し効率の向上を図った発光素子を提供することができる。また、前記微細な凹凸をを一括して形成することが可能であり、請求項３１の発明に比べて生産性を向上させることができる。
【００４１】
請求項３３の発明は、請求項２１記載の発光素子の製造方法であって、前記透明層の前記表面へレーザを用いた型転写法により前記凹凸を形成することを特徴とし、前記凹凸の形成時に前記発光素子本体に熱損傷が生じるのを防止することができ、信頼性を損なうことなく外部への光の取り出し効率の向上を図った発光素子を提供することができる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本実施形態の発光素子は、図１（ａ）に示す構成の発光素子本体Ａを備えている。発光素子本体Ａは、サファイア基板（α−Ａｌ_２Ｏ_３基板）からなる基板１の一表面（図１（ａ）における下面）側にｎ形ＧａＮ層２ａとｐ形ＧａＮ層２ｂとからなる発光部２が形成され、ｎ形ＧａＮ層２ａおよびｐ形ＧａＮ層２ｂそれぞれに電極３ａ，３ｂが形成されている。ここに、基板１の上記一表面はＣ面であり、発光部２は、基板１の上記一表面側にエピタキシャル成長された上記ｎ形ＧａＮ層２ａと上記ｐ形ＧａＮ層２ｂとで構成されているが、発光部２の構造は特に限定するものではなく、例えば、周知のシングルへテロ構造やダブルへテロ構造などの構造を採用してもよい。
【００４３】
なお、発光部２の材料についてもＧａＮに特に限定するものではなく、ＧａＮ以外の半導体材料を採用してもよいことは勿論である。また、基板１の材料についてもＡｌ_２Ｏ_３に限定するものではなく、例えば、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＳｉＣなどを採用してもよい。ここに、基板１の屈折率は、サファイア基板を採用した場合には１．７６８、ＧａＮ基板を採用した場合には２．００、ＧａＡｓ基板を採用した場合には３．３〜３．８、ＧａＰ基板を採用した場合には３．３１、ＳｉＣ基板を採用した場合には３．１〜４．１となる。いずれにしても、発光部２および基板１の屈折率は光が取り出される側の媒質である空気の屈折率よりも大きな値となっている。
【００４４】
本実施形態では、発光素子本体Ａに用いている基板１が発光部２にて発光する光に対して透明なので、発光部２にて発光した光はｐ形ＧａＮ層２ｂおよび基板１を通して外部へ取り出すことができる。すなわち、本実施形態の発光素子では、発光部２にて発光した光を基板１の厚み方向（図１（ａ）における上方方向）の両側から外部へ取り出すことができる。なお、本実施形態では、ｐ形ＧａＮ層２ｂの表面および基板１の他表面（図１（ａ）における上面）が光取出し面を構成している。
【００４５】
ところで、発光素子本体Ａは、基板１の他表面（図１（ａ）における上面）側に図１（ｂ）および図２に示すように、発光部２に平行な面内で屈折率の異なる２種類の媒質４ａ，４ｂからなり屈折率を規則的に変化させた構造を有する屈折率調整部４が形成されている。ここにおいて、屈折率調整部４は、発光部２に平行な面内で屈折率の異なる２種類の媒質４ａ，４ｂの周期構造を有している。なお、媒質４ａは円柱状の形状であって、発光部２に平行な面内で２次元周期構造を有するように規則的に配列されている。すなわち、媒質４ａは、図２における上下方向および左右方向それぞれに周期性を有している。
【００４６】
また、屈折率調整部４は、基板１の上記他表面側にパルスレーザを集光照射して基板１の一部を改質加工することにより媒質４ａが形成されており、発光素子本体Ａの厚み寸法内に設けられている。屈折率調整部４を形成する工程では、サファイア基板からなる基板１におけるレーザ照射部分周辺への熱損傷を生じないパルス幅のパルスレーザを集光照射してレーザ照射部分を組成変化なしに改質加工している。ここに、パルス幅が１ｐｓ以下のパルスレーザを採用すれば、レーザ照射部分周辺への熱損傷の発生を防止できる。したがって、屈折率調整部４は２種類の媒質４ａ，４ｂのうちの一方の媒質４ｂが基板１の構成材料（つまり、発光素子本体Ａの構成材料）であり他方の媒質４ａが基板１の構成材料が改質された材料となっている。
【００４７】
屈折率調整部４の具体的なプロセス条件としては、レーザ光の波長が８００ｎｍ、パルス幅が１５０ｆｓのパルスレーザ（所謂フェムト秒レーザ）を用い、１パルス当たりの加工エネルギを１μＪ程度以下（加工エネルギを１μＪ／ｐｕｌｓｅ程度以下）とすることにより、サファイア基板からなる基板１の上記他表面側において平面視形状が円形で直径が略１００ｎｍの領域に媒質４ａを形成することができる。なお、パルス幅が１ｐｓ以下と非常に短い場合には、レーザ照射部分周辺への熱影響を抑制した加工が可能であり、しかも、光の回折限界以下のサイズで加工することも可能である。さらに説明すれば、通常、レーザにより除去加工を行う場合、レーザ照射部分周囲に熱が伝搬するにはｎｓオーダの時間が必要なのに対して、本実施形態では、１ｐｓ以下でレーザの照射が終了するので、レーザ照射部分の周辺に熱が伝搬する以前に加工が終了することとなり、結果的にレーザ照射部分の周辺への熱損傷の発生を防止することができる。ただし、パルスレーザを用いた場合にレーザ照射部分周辺への熱損傷を生じないパルス幅はパルスレーザが照射される対象の材料により異なることは勿論である。
【００４８】
しかして、本実施形態では、基板１におけるレーザ照射部分周辺への熱損傷を生じないパルス幅のパルスレーザを基板１の上記他表面側へ集光照射してレーザ照射部分を改質（改質加工）することで屈折率調整部４を形成しているので、屈折率調整部４の形成に伴ってレーザ照射部分の周辺へ熱損傷が生じたり機械的な損傷が生じたりすることがなく、屈折率調整部４を形成したことによる発光素子本体Ａの機械的強度の低下を防止でき、信頼性を高めることができる。
【００４９】
また、レーザは非接触で被処理物（ここでは、基板１）を加工することが可能であり、しかも微細なビーム径に集光することも可能なので、発光素子本体Ａに非接触で屈折率調整部４を形成することができ、発光素子本体Ａを図示しない実装基板などに実装した後でも屈折率調整部４を形成することが可能となる。
【００５０】
上述のようにして製造した発光素子本体Ａを備えた発光素子では、屈折率調整部４を設けたことにより、発光素子本体Ａ内での多重反射が起こりにくくなり、外部への光取り出し効率が向上する。
【００５１】
なお、本実施形態では、上述の媒質４ａの平面形状が円形状となっているが、図３に示すような矩形状の平面形状としてもよいし、図４に示すような直線状の平面形状としてもよい。ここに、媒質４ａの平面形状を図３に示すような矩形状の形状とすることは、レーザのビームプロファイルを矩形状とすることで容易に実現でき、媒質４ａの平面形状を図４に示すような直線状の形状とすることは、レーザのビームプロファイルを矩形状とし、基板１における集光点の位置を走査することにより容易に実現できる。
【００５２】
（実施形態２）
本実施形態の発光素子の基本構成は実施形態１と略同じであって、図５（ａ）に示す構成の発光素子本体Ａを備えており、図５（ｂ）に示すように基板１の他表面（図５（ａ）における上面）側に形成した屈折率調整部４の構造が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００５３】
実施形態１における屈折率調整部４は２種類の媒質４ａ，４ｂのうちの一方の媒質４ｂが基板１の構成材料（つまり、発光素子本体Ａの構成材料）であり他方の媒質４ａが基板１の構成材料が改質された材料となっているが、本実施形態における屈折率調整部４は２種類の媒質４ａ，４ｂのうちの一方の媒質４ｂが基板１の構成材料であり他方の媒質４ａが基板１の上記他表面側に周期的に形成された凹部１ａ内の空気となっている点が相違する。なお、凹部１ａの形成領域は実施形態１における媒質４ａの形成領域と同じである。
【００５４】
ところで、屈折率調整部４は、基板１の上記他表面側にパルスレーザを集光照射して基板１の一部を除去加工することにより形成されており、発光素子本体Ａの厚み寸法内に設けられている。屈折率調整部４を形成する工程では、サファイア基板からなる基板１におけるレーザ照射部分周辺への熱損傷を生じないパルス幅のパルスレーザを集光照射してレーザ照射部分を除去加工している。ここに、実施形態１と同様に、１ｐｓ以下のパルス幅のパルスレーザを採用すれば、レーザ照射部分周辺への熱損傷の発生を防止できる。また、パルス幅が１ｐｓ以下のパルスレーザを採用することで、多光子吸収が生じて処理対象物が局所的に加熱され処理対象物の加工が可能となり、１光子のエネルギでは除去することが困難な物質でも、多光子吸収により除去することができる。また、レーザビームを集光した場合、レーザの波長以下のビーム径に集光することは困難であり、一般的にはレーザの波長以下のサイズの加工はできないが、多光子吸収を利用することによりビームの集光径以下の加工が可能となる。つまり、多光子吸収による加工閾値以上のビームサイズの部分のみ加工することが可能である。
【００５５】
例えば、上述のパルスレーザとしてレーザ光の波長が８００ｎｍ、パルス幅が１５０ｆｓのＴｉ：サファイアレーザを用いた場合、１パルス当たりの加工エネルギを１μＪ程度（加工エネルギを１μＪ／ｐｕｌｓｅ程度）とし、１パルス加工で、サファイア基板からなる基板１の上記他表面側において平面視形状が円形で直径が略１００ｎｍの領域に凹部１ａを形成することができる（穴加工を行うことができる）。また、紫外レーザであるエキシマレーザを用いれば、Ｔｉ：サファイアレーザに比べて波長が短いので、光子エネルギが高く、かつ、レーザ光のビーム径よりも小径に集光することが可能となり、より微細な加工が可能となる。
【００５６】
ところで、凹部１ａは基板１の厚み方向に沿った深さ方向において開口幅が一様であり、上述の除去加工によって加工可能な凹部１ａのアスペクト比は１０程度なので、凹部１ａの深さ寸法は、凹部１ａの深さ寸法と凹部１ａの開口幅（開口寸法）との比からなるアスペクト比が１〜１０程度となるように設定すればよい。例えば、凹部１ａの開口幅を０．０５〜２．０μｍの範囲で設定する場合には、凹部１ａの深さ寸法は０．０５μｍ〜２０μｍの範囲で設定すればよい。
【００５７】
しかして、本実施形態では、基板１におけるレーザ照射部分周辺への熱損傷を生じないパルス幅のパルスレーザを集光照射してレーザ照射部分を除去加工することで屈折率調整部４を形成しているので、屈折率調整部４の形成に伴ってレーザ照射部分の周辺へ熱損傷が生じたり機械的な損傷が生じたりすることがなく、発光素子本体Ａの信頼性を高めることができる。
【００５８】
また、本実施形態の発光素子においても、実施形態１と同様、屈折率調整部４を設けたことにより、発光素子本体Ａ内での多重反射が起こりにくくなり、外部への光取り出し効率が向上する。
【００５９】
（実施形態３）
本実施形態の発光素子の基本構成は実施形態２と略同じであって、図６（ａ）に示す構成の発光素子本体Ａを備えており、図６（ｂ）および図６（ｃ）に示すように、屈折率調整部４の構造が相違する。本実施形態における屈折率調整部４は、凹部１ａが縞状に形成された１次元周期構造となっている点が相違する。すなわち、図６（ｃ）における上下方向に走る凹部１ａが図６（ｃ）における左右方向に周期的に配列されている点が相違する。なお、実施形態２と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００６０】
ところで、本実施形態の発光素子を製造する場合、屈折率調整部４を形成する工程において、発光素子本体Ａにおけるレーザ照射部分周辺への熱損傷を生じないパルス幅のパルスレーザを用いる点は実施形態２と同じであるが、実施形態２では発光素子本体Ａの基板１へパルスレーザを集光照射する過程を凹部１ａ毎に繰り返す必要があるのに対して、本実施形態では、ビームスプリッタ（図示せず）や多穴マスクなどを用いて図７に示すように２分岐されたレーザビーム９，９をそれぞれレンズ１０，１０を介して発光素子本体Ａにおける屈折率調整部４の形成予定領域に２つの方向から同時に照射して照射光同士を互いに干渉させて全ての凹部１ａを１度に加工している点が相違する。ここに、２分岐されたレーザビーム９，９のビームサイズは発光素子本体Ａの処理対象面のサイズと同等にしてある。また、発光素子本体Ａの被処理面における加工エネルギ密度は、２つのレーザビーム９，９の合計の加工エネルギ密度で１００ＭＪ／ｍ^２程度以下となるように設定している。
【００６１】
しかして、本実施形態の発光素子では、実施形態２と同様、屈折率調整部４を設けたことにより、発光素子本体Ａ内での多重反射が起こりにくくなり、外部への光取り出し効率が向上する。
【００６２】
また、本実施形態の発光素子の製造方法では、レーザビームを走査したり発光素子本体Ａを移動させたりすることなくレーザによる面加工を行うことができ、屈折率調整部４の形成工程のスループットが高くなって、生産性を向上させることが可能となる。
【００６３】
なお、屈折率調整部４を形成する方法は、上述のように照射光同士を互いに干渉させて加工する方法に限らず、例えば、位相シフトマスクを利用した結像加工を採用してもよい。位相シフトマスクを利用すれば、隣り合った開口部を透過したレーザ光の位相が１８０°ずれるので、微細結像時に発生する回折像を隣り合ったレーザ光により打ち消すことができ、その結果、微細な開口幅の凹部を形成することが可能となる。
【００６４】
また、本実施形態の製造方法では、発光素子本体Ａにおける被処理面に２つの方向からレーザビーム９，９を照射しているが、被処理面に例えば４つの方向から照射するようにすれば屈折率調整部４に格子状の凹部を形成することも可能である。
【００６５】
（実施形態４）
本実施形態の発光素子の基本構成は実施形態２と略同じであって、図８（ａ）に示す構成の発光素子本体Ａを備えており、図８（ｂ）に示すように屈折率調整部４の構造が相違する。すなわち、本実施形態における屈折率調整部４では、凹部１ａの形状が、基板１の厚み方向に沿った深さ方向において開口幅が徐々に狭くなったＶ溝状の形状に形成されている。ここに、凹部１ａの最大開口幅は実施形態２における凹部１ａの開口幅と同じ設定であり、深さ寸法も実施形態２における凹部１ａの深さ寸法と同じ設定である。ここに、Ｖ溝状の凹部１ａは、レーザのビームプロファイルを三角形状の分布あるいはガウス分布とすることで容易に加工することができる。なお、実施形態２と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００６６】
しかして、本実施形態の発光素子では、実施形態２と同様、屈折率調整部４を設けたことにより、発光素子本体Ａ内での多重反射が起こりにくくなり、外部への光取り出し効率が向上する。
【００６７】
ところで、屈折率調整部４の周期構造の周期は発光部２にて発光する光の波長の１／４〜１倍程度の値に設定すれば、屈折率調整部４の有効屈折率が基板１の厚み方向における屈折率調整部４の両側の媒質の中間の値となるので、基板１の上記他表面側での全反射が起こりにくくなって、結果的に、発光素子本体Ａ内での多重反射が起こりにくくなり、外部への光取り出し効率が向上する。ここに、本実施形態では、基板１の厚み方向において有効屈折率が徐々に変化することになるので、全反射がより一層起こりにくくなり、結果的に外部への光取り出し効率が向上する。
【００６８】
例えば発光部２の発光波長を２００〜５００ｎｍとした場合、屈折率調整部４の周期構造の周期は、発光波長の１／４〜４倍程度の値に設定することが好ましい。ここに、周期構造の周期を発光波長の４倍の値とした場合には、幾何学的な効果、つまり、基板１の表面の広面積化と散乱による採用により光の取り出し効率が向上するとともに、波動光学的な効果、つまり、回折光を用いることにより全反射角以上の反射される光を取り出すことができ光の取り出し効率が向上する。また、周期構造の周期を発光波長の１／４〜１倍の値にした場合には、媒質４ｂの屈折率（本実施形態では、基板１の屈折率）をｎ_２、媒質４ａの屈折率をｎ_１とし、図８（ｂ）の左右方向における媒質４ｂの幅をａ、媒質４ａの幅をｂ、ＴＥ波に対する屈折率調整部４の有効屈折率を＜ｎ_Ｅ＞とすれば、有効屈折率＜ｎ_Ｅ＞は下記の式で表すことができる。
【００６９】
【数１】

【００７０】
同様に、ＴＭ波に対する屈折率調整部４の有効屈折率を＜ｎ_Ｍ＞とすれば、有効屈折率＜ｎ_Ｍ＞は下記の式で表すことができる。
【００７１】
【数２】

【００７２】
ところで、上述の屈折率調整部４は、基板１の上記他表面側にレーザを集光照射してレーザ照射部分を除去加工することにより凹部１ａを形成してあり、媒質４ｂの屈折率ｎ_２は基板１であるサファイア基板の屈折率と等しく、媒質４ａの屈折率は媒質４ｂの屈折率ｎ_１よりも小さな値となっている。
【００７３】
したがって、上述の２つの式から分かるように、屈折率調整部４の有効屈折率は基板１の厚み方向における屈折率調整部４の両側の媒質の中間の値となる。ここに、屈折離調整部４の両側の媒質の一方は基板１のサファイアであり、他方は空気である。
【００７４】
なお、上述の各実施形態や後述の各実施形態においても、屈折率調整部４の周期構造の周期を発光部２にて発光する光の波長の１／４〜４倍程度の値に設定すれば、光の進行方向における屈折率の変化を小さくすることができ、発光素子本体Ａ内での多重反射が起こりにくくなり、外部への光取り出し効率が向上する。ここに、屈折率調整部４の周期構造の周期を発光部２にて発光する光の波長の１／４〜１倍程度の値に設定すれば、屈折率調整部４の有効屈折率を基板１の厚み方向における屈折率調整部４の両側の媒質の中間の値とすることができる。例えば、実施形態１における屈折率調整部４は、媒質４ｂがサファイア基板からなる基板１の一部であり、媒質４ａが基板１において改質した部分であるが、基板１の厚み方向における屈折率調整部４の両側の媒質は一方がサファイア、他方が空気であり、上記数式は適用できないものの、有効屈折率としてはサファイアの屈折率と空気の屈折率との間の値になる。
【００７５】
（実施形態５）
本実施形態の発光素子の基本構成は実施形態２と略同じであって、図９（ａ）に示す構成の発光素子本体Ａを備えており、図９（ｂ）に示すように、屈折率調整部４における媒質４ｂが基板１の一部を改質加工することにより形成されている点が相違する。なお、実施形態２と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００７６】
本実施形態における屈折率調整部４を形成するには、実施形態２と同様に、例えば波長が８００ｎｍ、パルス幅が１５０ｆｓのフェムト秒レーザの加工エネルギを１μＪ／ｐｕｌｓｅ程度としてサファイア基板からなる基板１の他表面（図９（ａ）における上面）側に集光照射して除去加工を行うことで内径が１００ｎｍ程度の凹部１ａを形成し、その後、上記フェムト秒レーザの加工エネルギを１μＪ／ｐｕｌｓｅ程度以下として媒質４ｂに対応する部分に集光照射して改質加工を行うことで基板１とは屈折率の異なる媒質４ｂを形成している。ただし、媒質４ｂの組成は基板１から変化していない。
【００７７】
しかして、本実施形態の発光素子では、実施形態２と同様、屈折率調整部４を設けたことにより、発光素子本体Ａ内での多重反射が起こりにくくなり、外部への光取り出し効率が向上する。
【００７８】
ところで、実施形態２〜５では、屈折率調整部４を形成する工程において、基板１の上記他表面側にフェムト秒レーザを集光照射して除去加工を行うことで基板１の上記他表面側に凹部１ａを形成しているが、発光素子本体Ａにおけるレーザ照射部分周辺への熱損傷を生じないパルス幅のパルスレーザを基板１の他表面側に集光照射してレーザ照射部分（上記凹部１ａの形成予定領域）を改質してから、改質された部分を他の部分に対して選択的にエッチング可能な溶液を用いて改質された部分をエッチングするようなプロセスを採用してもよく、このようなプロセスを採用した場合にも、屈折率調整部４の形成時に発光素子本体Ａに熱損傷が生じるのを防止することができ、屈折率調整部４の形成に伴う機械的強度の低下を防止できるから、信頼性を損なうことなく外部への光の取り出し効率の向上を図った発光素子を提供することができる。なお、上記改質された部分を他の部分に対して選択的にエッチングする際のエッチング液としては、例えば、５％のフッ酸を用いればよく、凹部１ａの深さ寸法を例えば５００ｎｍに設定してあって上記エッチング液として５％のフッ酸を用いる場合のエッチング時間は５分程度に設定すればよい。
【００７９】
（実施形態６）
本実施形態の発光素子の基本構成は実施形態１と略同じであって、図１０（ａ）に示す構成の発光素子本体Ａを備えており、発光部２にて発光した光を図１０（ａ）中に矢印で示すように基板１の他表面（図１０（ａ）における上面）側へ反射する反射部２０を基板１内に有している点が相違する。ここにおいて、反射部２０は、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、基板１とは屈折率の異なる多数の微細な柱状領域２１が基板１の厚み方向を長手方向として光の波長程度の間隔（例えば、波長の１／２程度の間隔）で規則的に配列されており、多数の柱状領域２１と柱状領域２１の周辺部分とで所謂フォトニック結晶を構成している。また、基板１の上記他表面側には実施形態１と同様に屈折率調整部４が形成されている。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００８０】
上述の柱状領域２１は、長手方向に直交する断面が円形であって、屈折率調整部４の形成工程と同様、発光素子本体Ａにおけるレーザ照射部分周辺への熱損傷を生じないパルス幅のパルスレーザを集光照射して改質加工することによって形成することが可能である。つまり、フォトニック結晶からなる反射部２０における柱状領域２１の屈折率は基板１の屈折率とは異なり、柱状領域２１の周辺部分２２の屈折率は基板１の屈折率と等しくなっており、しかも、柱状領域２１の周辺部分２２には熱損傷が発生していない。
【００８１】
しかして、本実施形態の発光素子では、基板１内に反射部２０を設けたことによって、発光部２にて発光した光が基板１の側面（端面）を通して外部へ放射されることによる光損失を低減でき、発光部２にて発光した光がより効率良く屈折率調整部４へ導かれるので、結果的に光の取り出し効率が向上する。
【００８２】
なお、本実施形態において説明した反射部２０を上記各実施形態に設けてもよいことは勿論である。
【００８３】
（実施形態７）
本実施形態の発光素子の基本構成は実施形態１と略同じであって、図１１および図１２に示すように、発光素子本体Ａの上記他表面側の光取り出し面の面積を調整し且つ発光部２からの光を図１１中の矢印で示したように光取り出し面側へ反射するフォトニック結晶３０がサファイア基板よりなる基板１内に形成されている点が相違する。
【００８４】
フォトニック結晶３０は、基板１とは屈折率の異なる多数の微細な球状領域３１が光の波長程度の間隔（例えば、波長の１／２程度の間隔）で３次元的に配列されて３次元周期構造を有しており、多数の球状領域３１と球状領域３１の周辺部分３２とでフォトニック結晶３０を構成している。また、発光素子本体Ａは、基板１の上記他表面側においてフォトニック結晶３０で囲まれた領域に、実施形態１と同様の屈折率調整部４が形成されている。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００８５】
上述の球状領域３１は、屈折率調整部４の形成工程と同様、発光素子本体Ａにおけるレーザ照射部分周辺への熱損傷を生じないパルス幅のパルスレーザを各球状領域３１の形成予定部分それぞれに集光照射して改質加工することによって形成することが可能である。つまり、フォトニック結晶３０における球状領域３１の屈折率は基板１の屈折率とは異なり、球状領域３１の周辺部分の屈折率は基板１の屈折率と等しくなっており、しかも、球状領域３１の周辺部分３２には熱損傷が発生していない。
【００８６】
しかして、本実施形態の発光素子では、発光部２にて発光した光が基板１の側面（端面）を通して外部へ放射されることによる損失を低減でき、より効率良く屈折率調整部４へ導かれるので、結果的に光の取り出し効率が向上する。
【００８７】
なお、本実施形態において説明した反射部２０を上記各実施形態に設けてもよいことは勿論である。
【００８８】
（実施形態８）
本実施形態の発光素子の基本構成は実施形態７と略同じであって、図１３に示すように、発光部２にて発光した光を図１３中の矢印で示したように光取り出し面側へ反射するフォトニック結晶３０が発光部２内に形成されている点が相違する。なお、本実施形態では、フォトニック結晶３０が発光部２にて発光した光を基板１の上記他表面側へ反射させる反射部を構成している。
【００８９】
フォトニック結晶３０は、基板１とは屈折率の異なる多数の微細な球状領域３１が光の波長程度の間隔（例えば、波長の１／２程度の間隔）で３次元的に配列されて３次元周期構造を有しており、多数の球状領域３１と球状領域３１の周辺部分３２とでフォトニック結晶３０を構成している。ここに、上記３次元周期構造における周期数は４周期以上であることが望ましい。なお、実施形態７と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００９０】
上述の球状領域３１は、屈折率調整部４の形成工程と同様、発光素子本体Ａにおけるレーザ照射部分周辺への熱損傷を生じないパルス幅のパルスレーザを各球状領域３１の形成予定部分それぞれに集光照射して改質加工することによって形成することが可能である。つまり、フォトニック結晶３０における球状領域３１の屈折率はＧａＮの屈折率とは異なり、球状領域３１の周辺部分の屈折率はＧａＮの屈折率と等しくなっており、しかも、球状領域３１の周辺部分３２には熱損傷が発生していない。なお、本実施形態のように発光部２の構成材料がＧａＮである場合、上述のパルスレーザとしてレーザ光の波長が８００ｎｍ、パルス幅が１５０ｆｓのＴｉ：サファイアレーザを用いるときには、球状領域３１の形成予定領域での加工エネルギ密度（つまり、レーザ光の焦点における加工エネルギ密度）を１０〜５００μＪ／ｍｍ^２とすれば、周辺部分３２に熱損傷を発生させることなく、球状領域３１を形成することができる。
【００９１】
しかして、本実施形態の発光素子では、発光部２にて発光してｐ形ＧａＮ層２ｂの表面側へ向かって放射された分を効率良く屈折率調整部４へ導くことができるので、結果的に基板１を通して取り出される光の取り出し効率が向上する。
【００９２】
なお、本実施形態において説明した反射部２０を上記各実施形態に設けてもよいことは勿論である。
【００９３】
（実施形態９）
本実施形態の発光素子の基本構成は実施形態２と略同じであって、図１４に示すように、所望の配光が得られるように凹部１ａの配列方向における各凹部１ａそれぞれの開口幅および隣り合う凹部１ａ間の媒質４ｂの幅を調整している点が相違する。すなわち、本実施形態の発光素子では、屈折率調整部４が出射する光の配光制御を可能なバイナリ光学素子などの回折光学素子として機能することになる。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００９４】
本実施形態の発光素子では、基板１の上記他表面の中心を通り且つ基板１の厚み方向に沿った直線が光軸Ｍとなり光軸Ｍ上に光の集光点が形成される配光が得られるように、図１４（ｂ）の左右方向における各凹部１ａそれぞれの幅および各媒質４ｂそれぞれの幅を調整してある。具体的には、隣り合う凹部１ａと媒質４ｂとを１組として各組の幅（凹部１ａの開口幅と媒質４ｂの幅とを加算した値）を一定とし、光軸Ｍに近づくほど媒質４ｂの幅を大きくした構造を、発光部２の発光波長以上の周期で繰り返してある。その結果、屈折率調整部４での回折光を光軸Ｍに向かわせることができる。
【００９５】
しかして、本実施形態の発光素子では、所望の配光が得られるように屈折率調整部４の凹部１ａの配列方向における各凹部１ａそれぞれの開口幅および各媒質４ｂそれぞれの幅が調整されているので、所望の配光を得ることができる。
【００９６】
（実施形態１０）
本実施形態の発光素子の基本構成は実施形態４と略同じであって、図１５に示すように、屈折率調整部４を発光部２の表面側に形成している点が相違する。すなわち、屈折率調整部４は、発光部２を構成するｐ形ＧａＮ層２ｂの表面において電極３ｂが形成されていない領域に形成されている。ここに、屈折率調整部４は、実施形態４と同様のパルスレーザを利用して発光素子本体Ａの厚み寸法内に設けられており、２種類の媒質の周期構造の一方の媒質がＧａＮで他方の媒質が空気となっている。なお、実施形態４と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００９７】
しかして、本実施形態の発光素子においても、実施形態４と同様、屈折率調整部４を設けたことにより、発光素子本体Ａ内での多重反射が起こりにくくなり、外部への光取り出し効率が向上する。
【００９８】
（実施形態１１）
本実施形態の発光素子の基本構成は実施形態４と略同じであって、図１６に示すように、発光部２を構成するｐ形ＧａＮ層２ｂの表面に形成する電極３ｂが、ｐ形ＧａＮ層２ｂの表面を略全面にわたって覆うように形成され、発光部２にて発光した光を基板１側へ反射する反射膜に兼用されている点が相違する。なお、実施形態４と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００９９】
しかして、本実施形態の発光素子においても、実施形態４と同様、屈折率調整部４を設けたことにより、発光素子本体Ａ内での多重反射が起こりにくくなり、外部への光取り出し効率が向上する。また、本実施形態の発光素子では、発光素子本体Ａの厚み方向において発光部２側から光が放射されるのを防止して放射光の大部分が基板１側から放射されるようにすることができる。
【０１００】
（実施形態１２）
本実施形態の発光素子の基本構成は実施形態２と略同じであって、図１７に示すように、半導体材料からなる発光部２が発光部２にて発光する光に対して透明な基板１の厚み方向の一表面側に形成された面発光型の発光素子本体Ａを備え、発光素子本体Ａの光取出し面に沿った面内で屈折率の異なる２種類の媒質からなり屈折率を変化させた構造を有する屈折率調整部４が発光素子本体１の厚み寸法内に設けられており、基板１の形状が実施形態１とは相違する。すなわち、本実施形態における基板１は、一表面が平面で且つ他表面が発光部２の中心から放射された光線束に対して臨界角以下となる複数の平面の集合により構成されており、当該他表面の全体に亘って実施形態１と同様の屈折率調整部４が形成されている（つまり、基板１の他表面を構成する複数の平面それぞれに屈折率調整部４が形成されている）。ここに、本実施形態のように基板１の断面形状を台形状に形成する場合には、上記複数の平面のうち上記一表面とのなす角度が９０°よりも小さな平面と、上記一表面とのなす角度が９０°となる仮想平面とのなす角度θを２０〜５０°の範囲で設定すればよい。
【０１０１】
しかして、本実施形態の発光素子では、発光素子本体Ａの光取出し面に沿った面内で屈折率の異なる２種類の媒質からなり屈折率を変化させた構造を有する屈折率調整部４が発光素子本体Ａの厚み寸法内に設けられていることにより、発光素子本体Ａ内での多重反射が起こりにくくなり、外部への光取り出し効率が向上し、しかも、基板１の一表面が平面で且つ他表面が発光部２の中心から放射された光線束に対して臨界角以下となる複数の平面の集合からなることにより、発光部２の中心から放射された光線束が基板１の他表面で全反射されるの防止することができ、外部へ効率良く光を取り出すことができる。
【０１０２】
ところで、本実施形態の発光素子における基板１は、矩形板状のサファイア基板に対して図１８に示すようにレーザビーム９を複数方向から照射して除去加工を行うことにより上記複数の平面を有する形状に形成されており、上述のパルスレーザとしてレーザ光の波長が８００ｎｍ、パルス幅が１５０ｆｓのＴｉ：サファイアレーザを用いるときには、基板１の形状加工に対する加工エネルギ密度を２Ｊ／ｍｍ^２以上とすればよい。また、基板１の上記他表面を構成する複数の平面それぞれに屈折率調整部４を形成する場合には、図１９に示すようにレーザビーム９を所望の平面に集光照射して除去加工を行いレーザビーム９を図１９中に矢印Ｂで示すように基板１の他表面に沿って走査すればよい。なお、屈折率調整部４を形成するために基板１の他表面側に実施形態２にて説明した凹部１ａを形成する加工を行う際の加工エネルギ密度は、上述のパルスレーザとしてレーザ光の波長が８００ｎｍ、パルス幅が１５０ｆｓのＴｉ：サファイアレーザを用いるときには、例えば２〜１５Ｊ／ｍｍ^２の範囲で設定すればよい。なお、本実施形態では、基板１の他表面側に除去加工を施すことにより凹部１ａを形成し凹部１ａ内の空気を媒質４ａとしているが、実施形態１と同様に基板１の一部を改質加工することにより媒質４ａを形成するようにしてもよい。
【０１０３】
（実施形態１３）
本実施形態の発光素子の基本構成は実施形態１２と略同じであって、図２０に示すように、基板１の形状が相違するだけである。なお、本実施形態における基板１は、一表面が平面で且つ他表面が球面の一部からなる平凸レンズ状の形状に形成され、発光部２の中心と球面の中心とを一致させてある。要するに、本実施形態における基板１は、半球状の形状に形成されている。なお、実施形態１２と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【０１０４】
しかして、本実施形態では、基板１の形状を一表面が平面で且つ他表面が球面の一部からなる平凸レンズ状に形成して発光部２の中心と球面の中心とを一致させてあることにより、発光部２の中心から放射された光線束が基板１の他表面で全反射されるの防止することができ、外部へ効率良く光を取り出すことができる。
【０１０５】
ところで、本実施形態の発光素子における基板１は、サファイア基板に対して図２１中に矢印Ｃで示すようにレーザビーム９を走査しながら除去加工を行うことにより半球状の形状に形成されており、上述のパルスレーザとしてレーザ光の波長が８００ｎｍ、パルス幅が１５０ｆｓのＴｉ：サファイアレーザを用いるときには、基板１の形状加工に対する加工エネルギ密度を２Ｊ／ｍｍ^２以上とすればよい。また、基板１の上記他表面に屈折率調整部４を形成する場合には、図２２に示すようにレーザビーム９を所望の領域に集光照射して除去加工を行いレーザビーム９を図２２中に矢印Ｂで示すように基板１の他表面に沿って走査すればよい。なお、屈折率調整部４を形成するために基板１の他表面側に実施形態２にて説明した凹部１ａを形成する加工を行う際の加工エネルギ密度は、上述のパルスレーザとしてレーザ光の波長が８００ｎｍ、パルス幅が１５０ｆｓのＴｉ：サファイアレーザを用いるときには、例えば２〜１５Ｊ／ｍｍ^２の範囲で設定すればよい。なお、本実施形態では、基板１の他表面側に除去加工を施すことにより凹部１ａを形成し凹部１ａ内の空気を媒質４ａとしているが、実施形態１と同様に基板１の一部を改質加工することにより媒質４ａを形成するようにしてもよい。
【０１０６】
（実施形態１４）
本実施形態の発光素子の基本構成は実施形態１と略同じであって、図２３に示すように、発光部２の表面側に発光部２からの光に対して透明な材料からなる透明層５が形成され、透明層５の表面に当該表面を含む界面（透明層５表面と空気との界面）での発光部２からの光の全反射の発生を抑制する多数の微細な凹凸が形成されている点に特徴がある。ここに、透明層５は、発光部２の表面において電極３ｂが形成されていない部分の表面に設けてある。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【０１０７】
ところで、透明層５の材料としては屈折率が発光部２において接する部分（ｐ形ＧａＮ層２ｂ）の屈折率と同等か或いは小さい材料を採用すればよく、例えば石英ガラスやポリカーボネイトなどを採用すれば、透明層５の表面への微細な凹凸の形成が容易になる。ここに、微細な凹凸は実施形態４と同様に、パルスレーザを利用して透明層５の一部を除去加工することにより形成することができ、レーザ照射部分の周辺へ熱損傷が発生するのを防止することができる。なお、ＧａＮの屈折率は２．０程度、石英ガラスの屈折率は１．４６程度、ポリカーボネイトの屈折率は１．５９程度である。また、透明層５は、発光素子本体Ａの実装後に封止する樹脂により形成してもよい。
【０１０８】
しかして、本実施形態の発光素子では、発光部２の表面側での全反射が起こりにくくなって、結果的に、発光素子本体Ａ内での多重反射が起こりにくくなり、外部への光取り出し効率が向上するのである。しかも、発光部２の表面側からより多くの光を取り出すことができ、外部への光取り出し効率をより一層向上させることができる。また、発光素子本体Ａを加工することなく外部への光取り出し効率を向上できるという利点がある。
【０１０９】
なお、本実施形態の発光素子において、発光素子本体Ａに実施形態１と同様の屈折率調整部４を設け、屈折率調整部４に透明層５を積層するようにすれば、外部への光の取り出し効率をさらに向上させることができる。
【０１１０】
（実施形態１５）
本実施形態の発光素子の基本構成は実施形態１と略同じであって、図２４に示すように、サファイア基板からなる基板１の他表面（図２４における上面）側に発光部２からの光に対して透明な材料からなる透明層５が形成され、透明層５の表面に当該表面を含む界面（透明層５表面と空気との界面）での発光部２からの光の全反射の発生を抑制する多数の微細な凹凸が形成されている点に特徴がある。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【０１１１】
ところで、透明層５の材料としては屈折率が基板１の屈折率と同等か或いは小さい材料を採用すればよく、例えば石英ガラスやポリカーボネイトなどを採用すれば、透明層５の表面への微細な凹凸の形成が容易になる。ここに、微細な凹凸は実施形態４と同様に、パルスレーザを利用して透明層５の一部を除去加工することにより形成することができ、レーザ照射部分の周辺へ熱損傷が発生するのを防止することができる。なお、Ａｌ_２Ｏ_３の屈折率は１．７６８、石英ガラスの屈折率は１．４６程度、ポリカーボネイトの屈折率は１．５９程度である。また、透明層５は、発光素子本体Ａの実装後に封止する樹脂により形成してもよい。
【０１１２】
また、実施形態１０と同様に、発光部２を構成するｐ形ＧａＮ層２ｂの表面に形成する電極３ｂが、ｐ形ＧａＮ層２ｂの表面を略全面にわたって覆うように形成され、発光部２にて発光した光を基板１側へ反射する反射膜に兼用されている点が相違する。
【０１１３】
しかして、本実施形態の発光素子では、発光素子本体Ａ内での多重反射が起こりにくくなり、外部への光取り出し効率が向上するのである。しかも、発光素子本体Ａの厚み方向において発光部２側から光が放射されるのを防止して放射光の大部分が基板１側から放射されるようにすることができる。また、発光素子本体Ａを加工することなく外部への光取り出し効率を向上できるという利点がある。
【０１１４】
なお、本実施形態の発光素子において、発光素子本体Ａに実施形態１と同様の屈折率調整部４を設け、屈折率調整部４に透明層５を積層するようにすれば、外部への光の取り出し効率をさらに向上させることができる。
【０１１５】
ところで、本実施形態では、パルスレーザを透明層５の表面へ照射して除去加工を行うことにより透明層５の表面へ微細な凹凸を形成しているが、透明層５の表面へパルスレーザを照射せずに、レーザを用いた型転写法により透明層５の表面へ凹凸を形成するようにしてもよく、レーザを用いた型転写法により透明層５の表面へ微細な凹凸を形成するプロセスを採用することによっても、上記凹凸の形成時に発光素子本体Ａに熱損傷が生じるのを防止することができ、信頼性を損なうことなく外部への光の取り出し効率の向上を図った発光素子を提供することができる。
【０１１６】
ここに、レーザを用いた型転写法により透明層５の表面へ凹凸を形成する場合には、例えば、図２５に示すように、透明層５とは別に透明材料で透明層５との対向面に微細な凹凸を有する型４０を形成しておき、透明層５の表面へレーザを照射することで透明層５の表面を加熱してから、型４０を押し当てることにより透明層５の表面へ微細な凹凸を転写することができる。また、型４０を通して透明層５の表面へレーザを照射して透明層５の表面を加熱する過程と透明層５表面への型４０の押し当ての過程とを同時に行うことも可能であり、これら２つの過程を同時に行うことにより生産性が向上する。なお、型４０の材料としては、透明層５の材料よりも融点および軟化点が高い特性を有する材料を採用すればよく、例えば透明層５の材料として石英ガラスを採用した場合には、例えばサファイアを採用すればよい。また、型転写法において使用するレーザとしては、パルス幅が１ｐｓ以下の極短パルスレーザが望ましく、赤外光から紫外光まどの波長範囲で型４０を透過する波長のものを用いれば、型４０を通して透明層５の表面へレーザを照射して透明層５の表面を加熱する過程と透明層５表面への型４０の押し当ての過程とを同時に行うプロセスの採用が可能である。また、型４０を透明層５表面へ押し当てる前に透明層５の表面を加熱するプロセスを採用する場合には、レーザの種類は透明層５の表面を加熱できるものであれば特に限定されず、例えば、Ｔｉ：サファイアレーザやエキシマフェムト秒レーザなどを用いればよい。一例を挙げれば、透明層５の材料が石英ガラスで、加熱用のレーザとしてＴｉ：サファイアレーザを用いる場合、０．１〜０．６Ｊ／ｍｍ^２程度のレーザエネルギ密度で透明層５を軟化させることができる。
【０１１７】
（実施形態１６）
本実施形態の発光素子の基本構成は実施形態１５と略同じであって、実施形態１５における透明層５の材料として、発光素子本体Ａにおいて透明層５と接する部分の材料よりも屈折率の高い材料を採用する点に特徴がある。実施形態１５では透明層５はサファイア基板からなる基板１に接しているので、透明層５の材料としては、例えば、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＰなどを採用すればよい。ここに、透明層５表面の微細な凹凸は実施形態４と同様に、パルスレーザを利用して透明層５の一部を除去加工することにより形成することができ、レーザ照射部分の周辺へ熱損傷が発生するのを防止することができる。なお、Ａｌ_２Ｏ_３の屈折率は１．７６８、ＧａＮの屈折率は２．００、ＳｉＣの屈折率は３．１〜４．１、ＧａＡｓの屈折率は３．３〜３．８、ＧａＰの屈折率は３．３１である。また、透明層５の表面に当該表面を含む界面（透明層５表面と空気との界面）での発光部２からの光の全反射の発生を抑制する多数の微細な凹凸が形成されている点は実施形態１２と同じである。
【０１１８】
しかして、本実施形態の発光素子では、発光素子本体Ａと透明層５との界面における反射が低減され、発光部２にて発光した光を効率良く透明層５へ導くことができ、外部への光の取り出し効率を向上させることができる。また、発光素子本体Ａを加工することなく外部への光取り出し効率を向上できるという利点がある。
【０１１９】
なお、本実施形態の発光素子において、発光素子本体Ａに実施形態１と同様の屈折率調整部４を設け、屈折率調整部４に透明層５を積層するようにすれば、外部への光の取り出し効率をさらに向上させることができる。
【０１２０】
（実施形態１７）
本実施形態の発光素子の基本構成は実施形態１５と略同じであり、図２６に示すように、基板１の厚み方向の両面に屈折率調整部４，４が形成されている点が相違する。ここにおいて、屈折率調整部４，４は上記各実施形態と同様にパルスレーザを用いた加工を行うことで形成することができる。すなわち、基板１と透明層５との界面付近、基板１と発光部２との界面付近それぞれにパルスレーザを集光照射して屈折率調整部４，４を形成することができる。なお、実施形態１５と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【０１２１】
しかして、本実施形態の発光素子では、基板１と透明層５との界面、基板１と発光部２との界面それぞれでの反射を抑制することができ、外部への光の取り出し効率をさらに向上させることができる。
【０１２２】
ところで、上記各実施形態では屈折率調整部４が屈折率の異なる２種類の媒質からなる周期構造を有しているが、一部周期をずらしたり一部周期性をなくした準周期構造であってもよい。
【０１２３】
【発明の効果】
請求項１の発明は、半導体材料からなる発光部が発光部にて発光する光に対して透明な基板の厚み方向の一表面側に形成された発光素子本体を備え、基板の厚み方向から光が取り出される発光素子であって、発光部に平行な面内で屈折率の異なる２種類の媒質からなり屈折率を変化させた構造を有する屈折率調整部が発光素子本体の厚み寸法内に設けられてなるものであり、発光素子本体内での多重反射が起こりにくくなり、外部への光取り出し効率が向上するという効果がある。
【０１２４】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記屈折率調整部は、前記発光部に平行な面内で屈折率の異なる２種類の媒質の周期構造もしくは準周期構造を有し、周期構造もしくは準周期構造の周期が発光部にて発光する光の波長の１／４〜４倍程度の値に設定されているので、光の進行方向における屈折率の変化を小さくすることができ、発光素子本体内での多重反射が起こりにくくなり、外部への光取り出し効率が向上するという効果がある。
【０１２５】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記屈折率調整部は、前記発光部に平行な面内で屈折率の異なる２種類の媒質の周期構造もしくは準周期構造を有し、周期構造もしくは準周期構造の周期が発光部にて発光する光の波長の１／４〜１倍程度の値に設定され、且つ、有効屈折率が前記厚み方向における屈折率調整部の両側の媒質の中間の値であるので、光の進行方向における屈折率の変化を小さくすることができ、発光素子本体内での多重反射が起こりにくくなり、外部への光取り出し効率が向上するという効果がある。
【０１２６】
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記屈折率調整部は、前記発光部の表面側に形成されているので、前記発光部にて発光した光が前記発光部の表面側で全反射されにくくなるという効果がある。
【０１２７】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記屈折率調整部の表面側に前記光に対して透明な材料からなる透明層が形成され、透明層の表面に当該表面を含む界面での前記発光部からの光の全反射の発生を抑制する多数の微細な凹凸が形成されているので、前記屈折率調整部の表面側での反射を抑制することができ、外部への光取り出し効率がさらに向上できるという効果がある。
【０１２８】
請求項６の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記屈折率調整部は、前記基板の前記他表面側に形成されているので、前記発光部にて発光した光が前記基板の他表面側で全反射されにくくなるという効果がある。
【０１２９】
請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６の発明において、前記屈折率調整部は、前記２種類の媒質の一方が前記発光素子本体の構成材料であり他方が前記発光素子本体の構成材料が改質された材料からなるので、前記発光素子本体にレーザによる改質加工を施すことで前記屈折率調整部を形成することが可能となるという効果がある。
【０１３０】
請求項８の発明は、請求項１ないし請求項６の発明において、前記屈折率調整部は、前記２種類の媒質の一方が前記発光素子本体の構成材料であり他方が前記発光素子本体に形成された凹部内の空気からなるので、前記発光素子本体にレーザによる除去加工を施すことで前記屈折率調整部を形成することが可能となるという効果がある。
【０１３１】
請求項９の発明は、請求項１ないし請求項６の発明において、前記屈折率調整部は、前記２種類の媒質の一方が前記発光素子本体の構成材料が改質された材料からなり他方が前記発光素子本体に形成された凹部内の空気からなるので、前記発光素子本体にレーザによる改質加工および除去加工を施すことで前記屈折率調整部を形成することが可能となるという効果がある。
【０１３２】
請求項１０の発明は、請求項８または請求項９の発明において、前記凹部は前記厚み方向に沿った深さ方向において開口幅が一様であるので、前記凹部を容易に加工することができるという効果がある。
【０１３３】
請求項１１の発明は、請求項８または請求項９の発明において、前記凹部は前記厚み方向に沿った深さ方向において開口幅が徐々に狭くなっているので、前記凹部を容易に加工することができるという効果がある。
【０１３４】
請求項１２の発明は、請求項１ないし請求項１１の発明において、前記基板とは屈折率の異なる多数の微細な柱状領域が前記発光部にて発光した光を前記基板の他表面側へ反射するように前記厚み方向を長手方向として前記光の波長程度の間隔で規則的に配列された反射部を前記基板内に有するので、前記発光部にて発光した光を前記基板の他表面側へ反射させることができ、前記基板の側面から光が放射されるのを防止することができるとともに前記基板の他表面側へ効率良く光を導くことができ、前記発光部に平行な面から外部へ効率良く光を取り出すことができるという効果がある。
【０１３５】
請求項１３の発明は、請求項１ないし請求項１１の発明において、前記発光素子本体の光取り出し面の面積を調整し且つ前記発光部からの光を光取り出し面側へ反射するフォトニック結晶が前記基板内に形成されているので、前記基板の側面から光が放射されるのを防止することができるとともに前記基板の光取り出し面側へ効率良く光を導くことができ、前記発光部に平行な面から外部へ効率良く光を取り出すことができるという効果がある。
【０１３６】
請求項１４の発明は、請求項１ないし請求項１１の発明において、前記発光部にて発光した光を前記基板側へ反射するように前記光の波長の１／２程度の間隔で規則的に配列された反射部を前記発光部内に有するので、前記発光部にて発光した光を前記基板側へ反射させることができて前記基板の他表面側へ効率良く光を導くことができ、前記発光部に平行な面から外部へ効率良く光を取り出すことができるという効果がある。
【０１３７】
請求項１５の発明は、請求項８ないし請求項１０の発明において、所望の配光が得られるように前記凹部の配列方向における前記凹部それぞれの開口幅が調整されているので、外部への光取り出し効率の向上と光の配光制御とを実現できるという効果がある。
【０１３８】
請求項１６の発明は、半導体材料からなる発光部が発光部にて発光する光に対して透明な基板の厚み方向の一表面側に形成された面発光型の発光素子本体を備えた発光素子であって、発光素子本体の光取出し面に沿った面内で屈折率の異なる２種類の媒質からなり屈折率を変化させた構造を有する屈折率調整部が発光素子本体の厚み寸法内に設けられ、基板は、一表面が平面で且つ他表面が発光部の中心から放射された光線束に対して臨界角以下となる複数の平面の集合からなるものであり、発光素子本体の光取出し面に沿った面内で屈折率の異なる２種類の媒質からなり屈折率を変化させた構造を有する屈折率調整部が発光素子本体の厚み寸法内に設けられていることにより、発光素子本体内での多重反射が起こりにくくなり、外部への光取り出し効率が向上し、しかも、基板の一表面が平面で且つ他表面が発光部の中心から放射された光線束に対して臨界角以下となる複数の平面の集合からなることにより、発光部の中心から放射された光線束が基板の他表面で全反射されるの防止することができ、外部へ効率良く光を取り出すことができるという効果がある。
【０１３９】
請求項１７の発明は、半導体材料からなる発光部が発光部にて発光する光に対して透明な基板の厚み方向の一表面側に形成された面発光型の発光素子本体を備えた発光素子であって、発光素子本体の光取出し面に沿った面内で屈折率の異なる２種類の媒質からなり屈折率を変化させた構造を有する屈折率調整部が発光素子本体の厚み寸法内に設けられ、基板は、一表面が平面で且つ他表面が球面の一部からなる平凸レンズ状の形状に形成され、発光部の中心と球面の中心とを一致させてなるものであり、発光素子本体の光取出し面に沿った面内で屈折率の異なる２種類の媒質からなり屈折率を変化させた構造を有する屈折率調整部が発光素子本体の厚み寸法内に設けられていることにより、発光素子本体内での多重反射が起こりにくくなり、外部への光取り出し効率が向上し、しかも、基板の形状を一表面が平面で且つ他表面が球面の一部からなる平凸レンズ状に形成して発光部の中心と球面の中心とを一致させてあることにより、発光部の中心から放射された光線束が基板の他表面で全反射されるの防止することができ、外部へ効率良く光を取り出すことができるという効果がある。
【０１４０】
請求項１８の発明は、請求項１６または請求項１７の発明において、前記屈折率調整部は、前記光取出し面に沿った面内で屈折率の異なる２種類の媒質の周期構造もしくは準周期構造を有し、周期構造もしくは準周期構造の周期が前記発光部にて発光する光の波長の１／４〜４倍程度の値に設定されているので、光の進行方向における屈折率の変化を小さくすることができ、発光素子本体内での多重反射が起こりにくくなり、外部への光取り出し効率が向上するという効果がある。
【０１４１】
請求項１９の発明は、請求項１６または請求項１７の発明において、前記屈折率調整部は、前記光取出し面に沿った面内で屈折率の異なる２種類の媒質の周期構造もしくは準周期構造を有し、周期構造もしくは準周期構造の周期が前記発光部にて発光する光の波長の１／４〜１倍程度の値に設定され、且つ、有効屈折率が前記光取出し面に直交する方向における前記屈折率調整部の両側の媒質の中間の値であるので、光の進行方向における屈折率の変化を小さくすることができ、発光素子本体内での多重反射が起こりにくくなり、外部への光取り出し効率が向上するという効果がある。
【０１４２】
請求項２０の発明は、半導体材料からなる発光部が発光部にて発光する光に対して透明な基板の厚み方向の一表面側に形成された発光素子本体を備え、基板の厚み方向から光が取り出される発光素子であって、発光部の表面側に前記光に対して透明な材料からなる透明層が形成され、透明層の表面に当該表面を含む界面での前記発光部からの光の全反射の発生を抑制する多数の微細な凹凸が形成されてなるものであり、発光素子本体を加工することなく発光部の表面側での全反射を抑制することができ、外部への光の取り出し効率を向上できるという効果がある。
【０１４３】
請求項２１の発明は、半導体材料からなる発光部が発光部にて発光する光に対して透明な基板の厚み方向の一表面側に形成された発光素子本体を備え、基板の厚み方向から光が取り出される発光素子であって、基板の他表面側に前記光に対して透明な材料からなる透明層が形成され、透明層の表面に当該表面を含む界面での前記発光部からの光の全反射の発生を抑制する多数の微細な凹凸が形成されてなるものであり、発光素子本体を加工することなく基板の他表面側での全反射を抑制することができ、外部への光の取り出し効率を向上できるという効果がある。
【０１４４】
請求項２２の発明は、請求項２０または請求項２１の発明において、前記透明層の構成材料は、前記発光素子本体との界面近傍における前記発光素子本体の構成材料よりも屈折率が高いので、前記発光素子本体と前記透明層との界面での反射を抑制することができ、外部への光の取り出し効率をさらに向上できるという効果がある。
【０１４５】
請求項２３の発明は、請求項２０または請求項２１の発明において、前記透明層の構成材料は、前記発光素子本体との界面近傍における前記発光素子本体の構成材料よりも屈折率が低く、前記透明層と前記発光素子本体との界面近傍には、前記発光部に平行な面内で屈折率の異なる２種類の媒質の周期構造を有する屈折率調整部が設けられ、周期構造の周期が発光部にて発光する光の波長程度の値に設定され、且つ、屈折率調整部の有効屈折率が前記厚み方向における屈折率調整部の両側の媒質の中間の値であるので、前記透明層と前記発光素子本体との界面での反射を抑制することができ、外部への光の取り出し効率をさらに向上できるという効果がある。
【０１４６】
請求項２４の発明は、請求項１ないし請求項１９のいずれかに記載の発光素子の製造方法であって、前記屈折率調整部を形成する工程では、前記発光素子本体におけるレーザ照射部分周辺への熱損傷を生じないパルス幅のパルスレーザを集光照射してレーザ照射部分を加工するので、前記屈折率調整部を非接触で組成の変化なしに形成することができ、しかも、前記屈折率調整部の形成時に前記発光素子本体に熱損傷が生じるのを防止することができ、前記屈折率調整部の形成に伴う機械的強度の低下を防止できるから、信頼性を損なうことなく外部への光の取り出し効率の向上を図った発光素子を提供することができるという効果がある。
【０１４７】
請求項２５の発明は、請求項１ないし請求項１９のいずれかに記載の発光素子の製造方法であって、前記屈折率調整部を形成する工程では、前記発光素子本体におけるレーザ照射部分周辺への熱損傷を生じないパルス幅のパルスレーザを前記発光素子本体における前記屈折率調整部の形成予定領域に複数方向から同時に照射して照射光同士を互いに干渉させて加工するので、前記屈折率調整部を非接触で組成の変化なしに形成することができ、しかも、前記屈折率調整部の形成時に前記発光素子本体に熱損傷が生じるのを防止することができ、前記屈折率調整部の形成に伴う機械的強度の低下を防止できるから、信頼性を損なうことなく外部への光の取り出し効率の向上を図った発光素子を提供することができるという効果がある。また、前記屈折率調整部を一括して形成することが可能であり、請求項２４の発明に比べて生産性を向上させることができる。
【０１４８】
請求項２６の発明は、請求項８ないし請求項１１のいずれかに記載の発光素子の製造方法であって、前記屈折率調整部を形成する工程では、前記発光素子本体におけるレーザ照射部分周辺への熱損傷を生じないパルス幅のパルスレーザを集光照射してレーザ照射部分を改質してから、改質された部分を他の部分に対して選択的にエッチング可能な溶液を用いて改質された部分をエッチングするので、前記屈折率調整部の形成時に前記発光素子本体に熱損傷が生じるのを防止することができ、前記屈折率調整部の形成に伴う機械的強度の低下を防止できるから、信頼性を損なうことなく外部への光の取り出し効率の向上を図った発光素子を提供することができるという効果がある。
【０１４９】
請求項２７の発明は、請求項１２記載の発光素子の製造方法であって、前記反射部を形成する工程では、前記基板内にレーザ照射部分周辺への熱損傷の発生を生じないパルス幅のパルスレーザを集光照射して前記レーザ照射部分を改質することにより前記各柱状領域を形成するので、前記基板内に非接触で前記反射部を容易に形成することができ、しかも、前記反射部の形成に伴って熱損傷が生じるのを防止することができるという効果がある。
【０１５０】
請求項２８の発明は、請求項１３載の発光素子の製造方法であって、前記フォトニック結晶を形成する工程では、前記基板内にレーザ照射部分周辺への熱損傷の発生を生じないパルス幅のパルスレーザを集光照射して前記レーザ照射部分を改質するので、前記基板内に非接触で前記フォトニック結晶を容易に形成することができ、しかも、前記フォトニック結晶の形成に伴って熱損傷が生じるのを防止することができるという効果がある。
【０１５１】
請求項２９の発明は、請求項１４記載の発光素子の製造方法であって、前記反射部を形成する工程では、前記発光部内にレーザ照射部分周辺への熱損傷の発生を生じないパルス幅のパルスレーザを集光照射して前記レーザ照射部分を改質するので、前記発光部内に非接触で前記反射部を容易に形成することができ、しかも、前記反射部の形成に伴って熱損傷が生じるのを防止することができるという効果がある。
【０１５２】
請求項３０の発明は、請求項１６記載の発光素子の製造方法であって、前記基板の前記他表面を構成する複数の平面をレーザ加工により形成するので、前記基板の前記一表面側に前記発光部を形成した後で、前記基板の前記他表面を構成する複数の平面を非接触で形成することができ、当該複数の平面の形成に伴う機械的強度の低下を防止できるから、信頼性を損なうことなく外部への光の取り出し効率の向上を図った発光素子を提供することができるという効果がある。
【０１５３】
請求項３１の発明は、請求項２０ないし請求項２３のいずれかに記載の発光素子の製造方法であって、前記微細な凹凸を形成する工程では、前記透明層におけるレーザ照射部分周辺への熱損傷を生じないパルス幅のパルスレーザを集光照射してレーザ照射部分を加工するので、前記微細な凹凸を非接触で形成することができ、しかも、前記微細な凹凸の形成時に前記発光素子本体に熱損傷が生じるのを防止することができ、信頼性を損なうことなく外部への光の取り出し効率の向上を図った発光素子を提供することができるという効果がある。
【０１５４】
請求項３２の発明は、請求項２０ないし請求項２３のいずれかに記載の発光素子の製造方法であって、前記凹凸を形成する工程では、前記透明層におけるレーザ照射部分周辺への熱損傷を生じないパルス幅のパルスレーザを前記透明層における前記凹凸の形成予定領域に複数方向から同時に照射して照射光同士を互いに干渉させて加工するので、前記微細な凹凸を非接触で形成することができ、しかも、前記微細な凹凸の形成時に前記発光素子本体に熱損傷が生じるのを防止することができ、信頼性を損なうことなく外部への光の取り出し効率の向上を図った発光素子を提供することができるという効果がある。また、前記微細な凹凸をを一括して形成することが可能であり、請求項３１の発明に比べて生産性を向上させることができる。
【０１５５】
請求項３３の発明は、請求項２１記載の発光素子の製造方法であって、前記透明層の前記表面へレーザを用いた型転写法により前記凹凸を形成するので、前記凹凸の形成時に前記発光素子本体に熱損傷が生じるのを防止することができ、信頼性を損なうことなく外部への光の取り出し効率の向上を図った発光素子を提供することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図である。
【図２】同上の要部平面図である。
【図３】同上の他の構成例の要部平面図である。
【図４】同上の別の構成例の要部説明図である。
【図５】実施形態２を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図である。
【図６】実施形態３を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図、（ｃ）は要部平面図である。
【図７】同上の製造方法の説明図である。
【図８】実施形態４を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図である。
【図９】実施形態５を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図である。
【図１０】実施形態６を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略平面図である。
【図１１】実施形態７を示す概略断面図である。
【図１２】（ａ）は図１１のＣ−Ｃ’断面図、（ｂ）は図１１のＤ−Ｄ’断面図、（ｃ）は図１１のＥ−Ｅ’断面図である。
【図１３】実施形態８を示す概略断面図である。
【図１４】実施形態９を示し、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は要部断面図である。
【図１５】実施形態１０を示す概略断面図である。
【図１６】実施形態１１を示す概略断面図である。
【図１７】実施形態１２を示す概略断面図である。
【図１８】同上の製造方法の説明図である。
【図１９】同上の製造方法の説明図である。
【図２０】実施形態１３を示す概略断面図である。
【図２１】同上の製造方法の説明図である。
【図２２】同上の製造方法の説明図である。
【図２３】実施形態１４を示す概略断面図である。
【図２４】実施形態１５を示す概略断面図である。
【図２５】同上の製造方法の一例の説明図である。
【図２６】実施形態１７を示す概略断面図である。
【図２７】従来例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１　基板
２　発光部
２ａ　ｎ形ＧａＮ層
２ｂ　ｐ形ＧａＮ層
３ａ，３ｂ　電極
４　屈折率調整部
４ａ　媒質
４ｂ　媒質
Ａ　発光素子本体

Claims (33)

1. 半導体材料からなる発光部が発光部にて発光する光に対して透明な基板の厚み方向の一表面側に形成された発光素子本体を備え、基板の厚み方向から光が取り出される発光素子であって、発光部に平行な面内で屈折率の異なる２種類の媒質からなり屈折率を変化させた構造を有する屈折率調整部が発光素子本体の厚み寸法内に設けられてなることを特徴とする発光素子。
2. 前記屈折率調整部は、前記発光部に平行な面内で屈折率の異なる２種類の媒質の周期構造もしくは準周期構造を有し、周期構造もしくは準周期構造の周期が発光部にて発光する光の波長の１／４〜４倍程度の値に設定されてなることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
3. 前記屈折率調整部は、前記発光部に平行な面内で屈折率の異なる２種類の媒質の周期構造もしくは準周期構造を有し、周期構造もしくは準周期構造の周期が発光部にて発光する光の波長の１／４〜１倍程度の値に設定され、且つ、有効屈折率が前記厚み方向における屈折率調整部の両側の媒質の中間の値であることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
4. 前記屈折率調整部は、前記発光部の表面側に形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項３記載の発光素子。
5. 前記屈折率調整部の表面側に前記光に対して透明な材料からなる透明層が形成され、透明層の表面に当該表面を含む界面での前記発光部からの光の全反射の発生を抑制する多数の微細な凹凸が形成されてなることを特徴とする請求項４記載の発光素子。
6. 前記屈折率調整部は、前記基板の他表面側に形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項３記載の発光素子。
7. 前記屈折率調整部は、前記２種類の媒質の一方が前記発光素子本体の構成材料であり他方が前記発光素子本体の構成材料が改質された材料からなることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の発光素子。
8. 前記屈折率調整部は、前記２種類の媒質の一方が前記発光素子本体の構成材料であり他方が前記発光素子本体に形成された凹部内の空気からなることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の発光素子。
9. 前記屈折率調整部は、前記２種類の媒質の一方が前記発光素子本体の構成材料が改質された材料からなり他方が前記発光素子本体に形成された凹部内の空気からなることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の発光素子。
10. 前記凹部は前記厚み方向に沿った深さ方向において開口幅が一様であることを特徴とする請求項８または請求項９記載の発光素子。
11. 前記凹部は前記厚み方向に沿った深さ方向において開口幅が徐々に狭くなっていることを特徴とする請求項８または請求項９記載の発光素子。
12. 前記基板とは屈折率の異なる多数の微細な柱状領域が前記発光部にて発光した光を前記基板の他表面側へ反射するように前記厚み方向を長手方向として前記光の波長程度の間隔で規則的に配列された反射部を前記基板内に有することを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載の発光素子。
13. 前記発光素子本体の光取り出し面の面積を調整し且つ前記発光部からの光を光取り出し面側へ反射するフォトニック結晶が前記基板内に形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載の発光素子。
14. 前記発光部にて発光した光を前記基板側へ反射するように前記光の波長の１／２程度の間隔で規則的に配列された反射部を前記発光部内に有することを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載の発光素子。
15. 所望の配光が得られるように前記凹部の配列方向における前記凹部それぞれの開口幅が調整されてなることを特徴とする請求項８ないし請求項１０のいずれかに記載の発光素子。
16. 半導体材料からなる発光部が発光部にて発光する光に対して透明な基板の厚み方向の一表面側に形成された面発光型の発光素子本体を備えた発光素子であって、発光素子本体の光取出し面に沿った面内で屈折率の異なる２種類の媒質からなり屈折率を変化させた構造を有する屈折率調整部が発光素子本体の厚み寸法内に設けられ、基板は、一表面が平面で且つ他表面が発光部の中心から放射された光線束に対して臨界角以下となる複数の平面の集合からなることを特徴とする発光素子。
17. 半導体材料からなる発光部が発光部にて発光する光に対して透明な基板の厚み方向の一表面側に形成された面発光型の発光素子本体を備えた発光素子であって、発光素子本体の光取出し面に沿った面内で屈折率の異なる２種類の媒質からなり屈折率を変化させた構造を有する屈折率調整部が発光素子本体の厚み寸法内に設けられ、基板は、一表面が平面で且つ他表面が球面の一部からなる平凸レンズ状の形状に形成され、発光部の中心と球面の中心とを一致させてなることを特徴とする発光素子。
18. 前記屈折率調整部は、前記光取出し面に沿った面内で屈折率の異なる２種類の媒質の周期構造もしくは準周期構造を有し、周期構造もしくは準周期構造の周期が前記発光部にて発光する光の波長の１／４〜４倍程度の値に設定されてなることを特徴とする請求項１６または請求項１７記載の発光素子。
19. 前記屈折率調整部は、前記光取出し面に沿った面内で屈折率の異なる２種類の媒質の周期構造もしくは準周期構造を有し、周期構造もしくは準周期構造の周期が前記発光部にて発光する光の波長の１／４〜１倍程度の値に設定され、且つ、有効屈折率が前記光取出し面に直交する方向における前記屈折率調整部の両側の媒質の中間の値であることを特徴とする請求項１６または請求項１７記載の発光素子。
20. 半導体材料からなる発光部が発光部にて発光する光に対して透明な基板の厚み方向の一表面側に形成された発光素子本体を備え、基板の厚み方向から光が取り出される発光素子であって、発光部の表面側に前記光に対して透明な材料からなる透明層が形成され、透明層の表面に当該表面を含む界面での前記発光部からの光の全反射の発生を抑制する多数の微細な凹凸が形成されてなることを特徴とする発光素子。
21. 半導体材料からなる発光部が発光部にて発光する光に対して透明な基板の厚み方向の一表面側に形成された発光素子本体を備え、基板の厚み方向から光が取り出される発光素子であって、基板の他表面側に前記光に対して透明な材料からなる透明層が形成され、透明層の表面に当該表面を含む界面での前記発光部からの光の全反射の発生を抑制する多数の微細な凹凸が形成されてなることを特徴とする発光素子。
22. 前記透明層の構成材料は、前記発光素子本体との界面近傍における前記発光素子本体の構成材料よりも屈折率が高いことを特徴とする請求項２０または請求項２１記載の発光素子。
23. 前記透明層の構成材料は、前記発光素子本体との界面近傍における前記発光素子本体の構成材料よりも屈折率が低く、前記透明層と前記発光素子本体との界面近傍には、前記発光部に平行な面内で屈折率の異なる２種類の媒質の周期構造を有する屈折率調整部が設けられ、周期構造の周期が発光部にて発光する光の波長程度の値に設定され、且つ、屈折率調整部の有効屈折率が前記厚み方向における屈折率調整部の両側の媒質の中間の値であることを特徴とする請求項２０または請求項２１記載の発光素子。
24. 請求項１ないし請求項１９のいずれかに記載の発光素子の製造方法であって、前記屈折率調整部を形成する工程では、前記発光素子本体におけるレーザ照射部分周辺への熱損傷を生じないパルス幅のパルスレーザを集光照射してレーザ照射部分を加工することを特徴とする発光素子の製造方法。
25. 請求項１ないし請求項１９のいずれかに記載の発光素子の製造方法であって、前記屈折率調整部を形成する工程では、前記発光素子本体におけるレーザ照射部分周辺への熱損傷を生じないパルス幅のパルスレーザを前記発光素子本体における前記屈折率調整部の形成予定領域に複数方向から同時に照射して照射光同士を互いに干渉させて加工することを特徴とする発光素子の製造方法。
26. 請求項８ないし請求項１１のいずれかに記載の発光素子の製造方法であって、前記屈折率調整部を形成する工程では、前記発光素子本体におけるレーザ照射部分周辺への熱損傷を生じないパルス幅のパルスレーザを集光照射してレーザ照射部分を改質してから、改質された部分を他の部分に対して選択的にエッチング可能な溶液を用いて改質された部分をエッチングすることを特徴とする発光素子の製造方法。
27. 請求項１２記載の発光素子の製造方法であって、前記反射部を形成する工程では、前記基板内にレーザ照射部分周辺への熱損傷の発生を生じないパルス幅のパルスレーザを集光照射して前記レーザ照射部分を改質することにより前記各柱状領域を形成することを特徴とする発光素子の製造方法。
28. 請求項１３記載の発光素子の製造方法であって、前記フォトニック結晶を形成する工程では、前記基板内にレーザ照射部分周辺への熱損傷の発生を生じないパルス幅のパルスレーザを集光照射して前記レーザ照射部分を改質することを特徴とする発光素子の製造方法。
29. 請求項１４記載の発光素子の製造方法であって、前記反射部を形成する工程では、前記発光部内にレーザ照射部分周辺への熱損傷の発生を生じないパルス幅のパルスレーザを集光照射して前記レーザ照射部分を改質することを特徴とする発光素子の製造方法。
30. 請求項１６記載の発光素子の製造方法であって、前記基板の前記他表面を構成する複数の平面をレーザ加工により形成することを特徴とする発光素子の製造方法。
31. 請求項２０ないし請求項２３のいずれかに記載の発光素子の製造方法であって、前記微細な凹凸を形成する工程では、前記透明層におけるレーザ照射部分周辺への熱損傷を生じないパルス幅のパルスレーザを集光照射してレーザ照射部分を加工することを特徴とする発光素子の製造方法。
32. 請求項２０ないし請求項２３のいずれかに記載の発光素子の製造方法であって、前記凹凸を形成する工程では、前記透明層におけるレーザ照射部分周辺への熱損傷を生じないパルス幅のパルスレーザを前記透明層における前記凹凸の形成予定領域に複数方向から同時に照射して照射光同士を互いに干渉させて加工することを特徴とする発光素子の製造方法。
33. 請求項２１記載の発光素子の製造方法であって、前記透明層の前記表面へレーザを用いた型転写法により前記凹凸を形成することを特徴とする発光素子の製造方法。

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