JP6410751B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
d・n1・(sinθin−sinθref)=m・λ・・・(1)
である。ここで、n1は入射側の媒質の屈折率、λは入射する光の波長、mは整数である。本実施形態では、n1は、III族窒化物半導体の屈折率となる。図9(a)に示すように、上記(1)式を満たす反射角θrefで、界面へ入射する光は反射される。
d・(n1・sinθin−n2・sinθout)=m’・λ・・・(2)
である。ここで、n2は出射側の媒質の屈折率であり、m’は整数である。本実施形態では、n2は、サファイアの屈折率となる。図9(b)に示すように、上記(2)式を満たす透過角θoutで、界面へ入射する光は透過される。
図10に示すように、発光素子100において活性層114から等方的に放出される光のうち、サファイア基板102へ入射角θinで入射する光は、上記(1)式を満たす反射角θrefで反射するとともに、上記(2)式を満たす透過角θoutで透過する。ここで、全反射臨界角以上の入射角θinでは、強い反射光強度となる。反射光は、p側電極120の反射面122にて反射して、再びモスアイ面102aへ入射するが先に入射したときの入射角θinと異なる入射角θinで入射するため、先の入射条件とは異なる透過特性となる。
図11に示すように、入射角が45°を超えた領域では、上記(1)式の回折条件を満たすm=1,2,3,4での回折モードでの反射が可能である。これらの回折モードで反射した反射光は、p側電極120の反射面122で反射され、再び回折面102aへ入射する。このときの入射角θinは、先に回折面102aで反射された角度を維持しており、2回目の入射によって再び回折されることとなる。
回折面102aに入射する光には、一般的な平坦面と同様に全反射の臨界角が存在する。GaN系半導体層とサファイア基板102との界面では、臨界角は約45°である。図12に示すように、入射角θinが45°を超えた領域では、上記(2)式の回折条件を満たすm’=1,2,3,4での回折モードでの透過が可能である。ただし、発光素子100の光出射面をなすサファイア基板102の裏面が平坦面であると、サファイア基板102と素子外部との全反射臨界角が存在するため、透過角θoutが当該臨界角以内でないと、透過光を発光素子100の外部へ取り出すことはできない。仮に外部が空気である場合、サファイア基板102と空気の界面における臨界角は約±34°となり、この場合における有効な回折モードはm’=2,3である。
図13においては、2回目に入射した光の透過についてのモード指数lを、1回目に入射した際の反射についてのモード指数mと、2回目に入射した際の透過についてのモード指数m’の和として定義しており、l=m+m’である。2回目に入射した光の透過についてのモード指数lは、1回目の反射のモード指数mと、2回目の透過のモード指数m’がいかなる値をとっても、モード指数lが同じであれば同様の透過特性を持っている。1回目に入射する光の透過特性では、m’=0が許容されていないが、2回目に入射する光の透過特性では、l=0が許容される。例えば、l=1の場合、(m,m’)=(2,−1),(3,−2),(4,−3),(−1,2),(−2,3)の5つのモードが存在する。すなわち、l=1で透過する角度の光強度が比較的強いものとなる。回折面102aにおける周期がコヒーレント長よりも無限に小さいと仮定すれば、高反射率のp側電極120の付加によって、回折作用によって取り出される光の増加分は約5倍となる。
2 サファイア基板
2a 回折面
2b 平坦部
2c 凸部
2d 側面
2e 湾曲部
2f 上面
10 バッファ層
12 n型GaN層
14 多重量子井戸活性層
16 電子ブロック層
18 p型GaN層
20 p側電極
20a 回折面
22 反射面
24 n側電極
26 反射膜
28 反射面
30 第1マスク層
30a 開口
32 レジスト層
32a 開口
34 ステンシルマスク
34a 開口
36 第2マスク層
100 発光素子
102 サファイア基板
102a 回折面
102b 平坦部
102c 凹部
110 バッファ層
112 n型GaN層
114 多重量子井戸活性層
116 電子ブロック層
118 p型GaN層
119 半導体積層部
120 p側電極
122 反射面
124 n側電極
130 第1マスク層
130a 開口
132 レジスト層
132a 開口
134 ステンシルマスク
134a 開口
136 第2マスク層
200 発光素子
202 サファイア基板
202a 回折面
210 バッファ層
212 n型GaN層
214 多重量子井戸活性層
216 電子ブロック層
218 p型GaN層
220 p側透明電極
224 n側電極
226 反射膜
228 反射面
300 発光素子
302 導電性基板
310 バッファ層
312 n型GaN層
312a 回折面
314 多重量子井戸活性層
316 電子ブロック層
318 p型GaN層
320 p側電極
322 反射面
400 発光素子
402a 回折面
402c 凸部
Claims (4)
- 窒化物半導体が成長される表面を有するサファイア基板と、
前記サファイア基板の表面に成長され、窒化物半導体からなり発光層を含む半導体積層部と、
前記サファイア基板の表面に形成され、前記発光層から発せられる光が入射し、当該光の光学波長より大きく当該光のコヒーレント長より小さい周期の凹部又は凸部を有し、入射光をブラッグの回折条件に従って複数のモードで反射するとともに、入射光をブラッグの回折条件に従って複数のモードで透過する回折面と、
前記回折面にて回折した複数のモードの光を反射して前記回折面へ再入射させる反射面と、
前記サファイア基板の裏面に形成された光取り出し面と、を備え、
前記サファイア基板の光取り出し面における空気との屈折率の差は、前記回折面の界面における屈折率の差よりも大きく、
前記凹部又は前記凸部の周期は、前記光学波長の1倍を超えて2倍以下、又は、3倍以上5倍以下であり、
前記サファイア基板の表面は、c面であり、
前記サファイア基板の表面には、前記凸部が形成され、
前記窒化物半導体は、前記c面からなる平坦部から横方向成長を利用して成長され、
前記凸部は、錐台状に形成され、
前記凸部は、前記サファイア基板の表面と平行な上面を有し、
前記凸部は、前記サファイア基板の表面から斜め上方へ延びる側面を有し、
前記側面の前記サファイア基板の表面に対する傾斜角は、一定であり、
前記凸部は、前記側面と前記上面の会合部により角が形成される半導体発光素子。 - 前記光取り出し面は、平坦である請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記凸部の周期は、前記光学波長の3倍以上5倍以下である請求項1または2に記載の半導体発光素子。
- 前記凸部の周期は、前記光学波長の1倍を超えて2倍以下である請求項1または2に記載の半導体発光素子。
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