(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光層を含む半導体層と、
前記発光層から間隔を隔てて配置された２次元回折格子と、
前記半導体層と接合された、前記半導体層を構成する材料とは異なる材料からなる基礎基板とを備え、
前記２次元回折格子は前記半導体層と前記基礎基板との接合部に配置されており、
前記２次元回折格子では、前記２次元回折格子を構成する格子点パターンが２回の回転対称性のみを有し、３回以上の回転対称性を有さず、
前記２次元回折格子は、３回以上の回転対称性を有する基礎２次元回折格子を、前記基礎２次元回折格子が延在する平面内の一方向について引き伸ばした構成を有する、発光素子用基板。
【請求項２】
前記２次元回折格子は、前記半導体層において前記基礎基板と接合された表面層に形成されている、請求項１に記載の発光素子用基板。
【請求項３】
前記半導体層と前記基礎基板とは中間層を介して接合されている、請求項２に記載の発光素子用基板。
【請求項４】
前記２次元回折格子は、前記半導体層の前記表面層に形成された空孔と、前記空孔の周囲の前記表面層の部分とを含む、請求項２または３に記載の発光素子用基板。
【請求項５】
前記２次元回折格子は、前記基礎基板において前記半導体層と接合された表面層に形成されている、請求項１に記載の発光素子用基板。
【請求項６】
前記半導体層と前記基礎基板とは中間層を介して接合されている、請求項５に記載の発光素子用基板。
【請求項７】
前記２次元回折格子は、前記中間層を貫通するとともに前記基礎基板の前記表面層に到達するように形成された空孔と、前記空孔の周囲の前記中間層および前記表面層の部分とを含む、請求項６に記載の発光素子用基板。
【請求項８】
前記基礎基板を構成する材料は、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、スピネル、石英、窒化アルミニウム、炭化シリコン、セレン化亜鉛、酸化亜鉛、カーボン、ダイヤモンド、ガラスからなる群から選択される１種からなる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の発光素子用基板。
【請求項９】
前記基礎基板は透明基板である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の発光素子用基板。
【請求項１０】
前記２次元回折格子を構成する前記格子点パターンにおいて、ある任意の格子点を中心点として前記中心点を囲む最近接格子点群からなる多角形を考えたときに、
前記中心点を基点とし前記多角形の辺上の任意の１点を終点とするベクトルの集合のうち長さが最も短いベクトルの任意の一つを第１基本ベクトルと規定し、前記第１基本ベクトルの方向に一致するようにＸ軸を、前記２次元回折格子が延在する平面において前記Ｘ軸方向と直交するようにＹ軸をそれぞれ規定し、
前記中心点を基点とし、前記中心点を通るとともに前記Ｙ軸方向に平行な直線と前記多角形との交点を終点とするベクトルの任意の一つを第２基本ベクトルと規定し、前記第１基本ベクトルの長さを前記Ｘ軸方向での格子ピッチ，前記第２基本ベクトルの長さをＹ軸方向での格子ピッチと定義した場合、
前記Ｘ軸方向での格子ピッチが１６０ｎｍ以上３９０ｎｍ以下、前記Ｙ軸方向での格子ピッチが０．５μｍ以上２μｍ以下である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の発光素子用基板。
【請求項１１】
前記２次元回折格子を構成する前記格子点パターンにおいて、ある任意の格子点を中心点として前記中心点を囲む最近接格子点群からなる多角形を考えた場合、前記中心点を基点とし前記多角形の辺上の任意の１点を終点とするベクトルの集合のうち長さが最も短いベクトルの任意の一つを第１基本ベクトルと規定したときに、前記第１基本ベクトルの長さは、前記発光層から前記半導体層の光出射面までの距離と、前記半導体層の屈折率と、前記半導体層の前記光反射面と接する外部媒体の屈折率と、前記発光層から出射する光の真空中における中心波長とに基づいて決定される、請求項１〜９のいずれか１項に記載の発光素子用基板。
【請求項１２】
前記第１基本ベクトルの方向に一致するようにＸ軸を、前記２次元回折格子が延在する平面において前記Ｘ軸方向と前記平面において直交するようにＹ軸をそれぞれ規定し、
前記中心点を基点とし、前記中心点を通るとともに前記Ｙ軸方向に平行な直線と前記多角形との交点を終点とするベクトルの任意の一つを第２基本ベクトルと規定し、前記第１基本ベクトルの長さを前記Ｘ軸方向での格子ピッチ、前記第２基本ベクトルの長さをＹ軸方向での格子ピッチと定義し、
前記半導体層は窒化ガリウムからなり、
前記Ｘ軸方向での格子ピッチをａ１（ｎｍ）、前記発光層から前記半導体層の光出射面までの距離をｄ（ｎｍ）、前記半導体層の屈折率を２．５、前記外部媒体の屈折率を１．０、前記発光層から出射する光の真空中における中心波長を４５０ｎｍとすると、
距離ｄが２００ｎｍ未満のとき、
ａ１＝（５．０４×１０−１１ｎｍ−５）×ｄ６−（４．４８×１０−８ｎｍ−４）×ｄ５＋（１．５９×１０−５ｎｍ−３）×ｄ４−（２．８５×１０−３ｎｍ−２）×ｄ３＋（０．２７４ｎｍ−１）×ｄ２−１３．７ｄ＋４７９ｎｍ
距離ｄが２００ｎｍ以上のとき、
ａ１＝１８３ｎｍ
という式で表される中央値の±１０％以内の範囲に前記格子ピッチａ１が設定され、
前記Ｙ軸方向での格子ピッチが０．５μｍ以上２μｍ以下に設定されている、請求項１１に記載の発光素子用基板。
【請求項１３】
前記第１基本ベクトルの方向に一致するようにＸ軸を、前記２次元回折格子が延在する平面において前記Ｘ軸方向と前記平面において直交するようにＹ軸をそれぞれ規定し、
前記中心点を基点とし、前記中心点を通るとともに前記Ｙ軸方向に平行な直線と前記多角形との交点を終点とするベクトルの任意の一つを第２基本ベクトルと規定し、前記第１基本ベクトルの長さを前記Ｘ軸方向での格子ピッチ、前記第２基本ベクトルの長さをＹ軸方向での格子ピッチと定義し、
前記半導体層はガリウム砒素からなり、
前記Ｘ軸方向での格子ピッチをａ１（ｎｍ）、前記発光層から前記半導体層の光出射面までの距離をｄ（ｎｍ）、前記半導体層の屈折率を３．５、前記外部媒体の屈折率を１．０、前記発光層から出射する光の真空中における中心波長を８５０ｎｍとすると、
距離ｄが２００ｎｍ未満のとき、
ａ１＝（３．２６×１０−１０ｎｍ−５）×ｄ６−（２．３７×１０−７ｎｍ−４）×ｄ５＋（６．８８×１０−５ｎｍ−３）×ｄ４−（１．０３×１０−２ｎｍ−２）×ｄ３＋（０．８３１ｎｍ−１）×ｄ２−３５．７ｄ＋９４３ｎｍ
距離ｄが２００ｎｍ以上４００ｎｍ未満のとき、
ａ１＝−（３．７１×１０−７ｎｍ−２）×ｄ３＋（４．５６×１０−４ｎｍ−１）×ｄ２−１．９８×１０−１ｄ＋２７５ｎｍ
距離ｄが４００ｎｍ以上のとき、
ａ１＝２４４ｎｍ
という式で表される中央値の±１０％以内の範囲に前記格子ピッチａ１が設定され、
前記Ｙ軸方向での格子ピッチが０．５μｍ以上２μｍ以下に設定されている、請求項１１に記載の発光素子用基板。
【請求項１４】
前記半導体層の厚みは２μｍ以上１００μｍ以下である、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の発光素子用基板。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の発光素子用基板を用いた、発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、発光素子用基板および発光素子に関し、より特定的には、２次元回折格子を備える発光素子用基板および発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（たとえば窒化ガリウム（ＧａＮ）など）は、発光素子の材料として近年応用が進んでいる。たとえば、当該発光素子を構成する基板としてＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板（たとえばＧａＮ基板）を用いれば、当該基板の主表面上に格子定数が等しいもしくは非常に近い構成でＩＩＩ−Ｖ族化合物からなる発光層を形成することができる。これにより、発光層と基板との間の応力の発生を抑制し、結晶品質の良い発光層を形成できる。しかし、ＧａＮ基板などのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板は、一般的に高価である。このため、発光層の結晶品質は若干低下するが、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの発光素子には安価なサファイア基板などが多く使用されている。
【０００３】
上記の問題に対して結晶品質の良い発光層を形成するための基板を安価に提供するために、特開２００６−２１０６６０号公報（特許文献１）は、シリコン（Ｓｉ）基板などにＧａＮ膜などの窒化物半導体膜を形成するため、Ｓｉ基板の表面にＧａＮ膜を接合する半導体基板の製造方法を開示する。
【０００４】
上述のように適用が進められている、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の一つであるＧａＮは、屈折率が約２．５であり、空気（屈折率が１．０）に比べて屈折率が高いため、全反射角が小さくなる。このため、発光層から発した光が発光素子の外に出射しにくいという問題がある。すなわち、発光素子の表面で反射した光は、全反射を繰り返しながら発光素子の側面から出射するが、その多くは、全反射を繰り返すうちに、発光素子の電極および半導体層内での吸収により減衰してしまう。
【０００５】
上記の問題に対して、発光素子からの光の取り出し効率を向上させるとともに、発光素子から出射する光の指向性を変更するために、J. J. Wierer, 他４名,“InGaN/GaN quantum-well heterostructure light-emitting diodes employing photonic crystal structures”, Applied Physics Letters, 84, 19, May 10, 2004, pp3885-3887（非特許文献１）や、K. McGroddy, 他８名, “Directional emission control and increased light extraction in GaN photonic crystal light emitting diodes”, Applied Physics Letters, 93, 103502, 2008（非特許文献２）は、半導体デバイスの表面にフォトニック結晶構造を形成することを開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２１０６６０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】J. J. Wierer, 他４名, “InGaN/GaN quantum-well heterostructure light-emitting diodes employing photonic crystal structures”, Applied Physics Letters, 84, 19, May 10, 2004, pp3885-3887
【非特許文献２】K. McGroddy, 他８名, “Directional emission control and increased light extraction in GaN photonic crystal light emitting diodes”, Applied Physics Letters, 93, 103502, 2008
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、非特許文献１および非特許文献２においては、発光素子から出射する光は等方的であり（ここでは，出射する光による照射面の形状が当該照射面の中央を中心として、３回以上の回転対称性をもつ、あるいは任意の微小回転に対して回転対称性をもつことを「等方的である」あるいは「等方性を持つ」と呼ぶこととする）、出射する光のプロファイルを変更する場合にも、基本的に出射する光の等方性は維持されている。
【０００９】
一方、上述のような発光素子の適用分野としては、液晶表示装置などの表示装置におけるバックライトが挙げられる。当該バックライトでは、ほぼ板形状の導光板の端面に形成された光入射面に、光を入射するための光源として発光素子が用いられる。しかし、上述した導光板の光入射面は、一般に幅が数ｍｍ〜数１０ｃｍ、高さが数１０μｍ〜数ｍｍ程度と、細長い形状を有している。そのため、発光素子から出射した等方的な光をそのまま上記光入射面に照射しても、当該光入射面から導光板の内部に取り込まれる光の割合（結合効率）は低いという問題があった。
【００１０】
このような課題に対応するため、発光素子と光入射面との間にレンズなどの光学系部品を配置することも考えられるが、表示装置の省スペース化の要請や、たとえば携帯電話などの携帯機器のように表示装置自体のサイズが小さいことから、光学系部品を配置することが難しい場合もある。また、このような光学系部品の追加は表示装置の部品数や製造工程数の増加を招き、結果的に表示装置の製造コストの増大に繋がり好ましくない。
【００１１】
この発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、この発明の目的は、光学系部品を追加することなく、導光板との十分な結合効率を得ることが可能な発光素子用基板及び発光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明に従った発光素子用基板は、発光層を含む半導体層と、発光層から間隔を隔てて配置された２次元回折格子と、半導体層と接合された、半導体層を構成する材料とは異なる材料からなる基礎基板とを備える。２次元回折格子は半導体層と基礎基板との接合部に配置されている。２次元回折格子では、２次元回折格子を構成する格子点パターン、すなわち、個々の格子点の形状を無視した格子点の並び方のパターン（たとえば個々の格子点の中心点の並び方のパターン）が２回の回転対称性のみを有し、３回以上の回転対称性を有さないようになっている。２次元回折格子は、３回以上の回転対称性を有する基礎２次元回折格子を、当該基礎２次元回折格子が延在する平面内の一方向について引き伸ばした構成を有する。
【００１３】
なお，このような形状（上述のように、格子点パターンが２回の回転対称性のみをもち３回以上の回転対称性を有さない構成，また異なる観点から言えば、３回以上の回転対称性を有する通常の２次元回折格子を、当該２次元回折格子が延在する平面内のある方向についてのみ引き伸ばしたような構成）の２次元回折格子を本明細書では複機能２次元フォトニック結晶と呼ぶことにする。  
【００１４】
上述した複機能２次元フォトニック結晶を用いることにより、発光層から出射する光の指向性を、ある特定の軸方向について相対的に高めることができる。このため、発光素子用基板を用いて形成された発光素子から出射する光の照射領域の形状を円形状ではなく、所定の軸方向に延びるような楕円形状あるいは線状にすることができる。加えて、上記複機能２次元フォトニック結晶は２次元回折格子であるため、本発明による発光素子用基板を用いて形成された発光素子内部においてあらゆる方向に伝搬する光を取出すことができる（たとえば、１次元回折格子では、回折格子の溝方向に沿って伝搬する光は取出せない）。この結果、導光板の細長い光入射面に対して、特別な光学系部品を追加することなく、十分な光を入射させることができる（つまり、結合効率を高めることができる）。そのため、当該導光板を含む表示装置の製造コストが増大することを防止できるとともに、十分な光量の（導光板を含む）バックライトを備えた表示装置を実現できる。
【００１５】
この発明に従った発光素子は、上記発光素子用基板を用いている。このようにすれば、出射する光の照射領域の形状を円形状ではなく、所定の軸方向に延びるような楕円形状にすることが可能な発光素子を実現できる。この結果、当該発光素子を導光板へ入射する光の光源として用いることで、導光板の細長い光入射面に対して、特別な光学系部品を追加することなく、十分な光を入射させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、発光素子用基板を用いて形成された発光素子から出射する光の照射領域の形状を円形状ではなく、所定の軸方向に延びるような楕円形状あるいは線状にすることができるので、光学系部品を追加することなく、導光板との十分な結合効率を得ることが可能な発光素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に従った発光素子の実施の形態１を示す断面模式図である。
【図２】図１に示した発光素子の複機能２次元フォトニック結晶層の平面形状を説明するための模式図である。
【図３】図１に示した発光素子の複機能２次元フォトニック結晶層の平面形状の変形例を説明するための模式図である。
【図４】ｐ型半導体層の厚みと複機能２次元フォトニック結晶層における開口部のＸ軸方向でのピッチ（ａ1）との関係の一例を示すグラフである。
【図５】本発明による発光素子から出射される光の照射領域を示す模式図である。
【図６】本発明による発光素子を適用した電子機器を示す模式図である。
【図７】図６に示した発光素子と導光板とを示す斜視模式図である。
【図８】図１に示した発光素子の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図９】図８に示した製造工程を説明するためのフローチャートである。
【図１０】図９に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図１１】図９に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図１２】図９に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図１３】図９に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図１４】図９に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図１５】図９に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図１６】図９に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図１７】本発明による発光素子の実施の形態２を示す断面模式図である。
【図１８】図１７に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図１９】図１７に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図２０】図１７に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図２１】本発明による発光素子の実施の形態３を示す断面模式図である。
【図２２】図２１に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図２３】図２１に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図２４】本発明による発光素子の実施の形態４を示す断面模式図である。
【図２５】図２４に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図２６】図２４に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図２７】図２４に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図２８】半導体としてＧａＮを用いた場合の、複機能２次元フォトニック結晶層での格子ピッチと半導体層の部分（ｐ−ＧａＮ層）の厚みとの関係を示すグラフである。
【図２９】半導体としてＧａＡｓを用いた場合の、複機能２次元フォトニック結晶層での格子ピッチと半導体層の部分（ｐ−ＧａＡｓ層）の厚みとの関係を示すグラフである。
【図３０】半導体としてＧａＡｓを用いた場合の、複機能２次元フォトニック結晶層での格子ピッチと半導体層の部分（ｐ−ＧａＡｓ層）の厚みとの関係を示すグラフである。
【図３１】本発明の実施例の発光素子から出射した光の平面パターンを示す模式図である。
【図３２】比較例の発光素子から出射した光の平面パターンを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
【００１９】
（実施の形態１）
図１および図２を参照して、本発明による発光素子の実施の形態１を説明する。
【００２０】
図１を参照して、発光素子１は、基礎基板２と、基礎基板２上に配置された半導体からなる基板４と、基板４上に形成されたｎ型半導体層５と、発光層６と、ｐ型半導体層７と、ｎ電極８と、ｐ電極９とを備える。基板４は、基礎基板２の主表面上に接続されている。基板４と基礎基板２との接合部には２次元回折格子としての複機能２次元フォトニック結晶層３が形成されている。具体的には、この複機能２次元フォトニック結晶層３は、２次元方向に屈折率が周期的に変化する構造であり、基板４の下部表面（基礎基板２と接合された表面）に、図２に示すような開口部３ｂが複数形成されている。複機能２次元フォトニック結晶層３においては、内部が空気により充填された状態あるいは内部が真空状態になった開口部３ｂと、この開口部３ｂの間に位置し、基板４の一部からなるベース部３ａとにおいて、屈折率が異なることにより、フォトニック結晶構造が構成されている。
【００２１】
基板４の上部表面（基礎基板２と接合された表面とは反対側に位置する表面）上にはｎ型半導体層５が形成されている。ｎ型半導体層上には発光層６が形成されている。発光層６上にはｐ型半導体層７が形成されている。発光素子１の端部においては、ｐ型半導体層７、発光層６およびｎ型半導体層５の一部を除去することにより段差部１０が形成されている。この段差部１０内において露出しているｎ型半導体層５上にｎ電極８が形成されている。また、ｐ型半導体層７の上部表面上には透明性の導電体からなるｐ電極９が形成されている。
【００２２】
発光素子１は、たとえば窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いたＬＥＤである。この場合、基礎基板２としては、たとえばサファイア基板を用いることができる。なお、基礎基板２としてはたとえば透明性の材料からなる基板を用いてもよいが、他の材料、たとえば金属からなる基板を用いてもよい。たとえば、基礎基板２としてスピネル製の基板、ＧａＮ製の基板、炭化シリコン（ＳｉＣ）製の基板、あるいは石英製の基板を用いることができる。なお、基礎基板２としては表面を平滑に仕上げておくことが好ましい。また、基板４としてはＧａＮ基板を用いることができる。また、ｎ型半導体層５としては、ｎ型のＧａＮエピタキシャル層を用いることができる。発光層６としては、たとえば多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する発光層を用いることができる。具体的には、たとえばＧａＮ層とＩｎＧａＮ層との組合せを６組積重ねた積層構造を発光層６として用いることができる。
【００２３】
また、ｐ型半導体層７としては、たとえばｐ型のＧａＮエピタキシャル層を用いることができる。ｐ型半導体層７の厚みｄは、たとえば９０ｎｍとすることができる。このｐ型半導体層７の厚みｄと、複機能２次元フォトニック結晶層３より上側（発光層６側）の領域における基板４およびｎ型半導体層５の屈折率などにより決定される。図２からもわかるように、複機能２次元フォトニック結晶層３においては、一の方向（図２におけるＸ軸方向）における開口部３ｂの中心間の距離（格子ピッチ）ａ１は、上記方向とは交差する他の方向（図２におけるＹ軸方向）における開口部３ｂの中心間の距離（格子ピッチ）ａ２よりも小さくなっている。
【００２４】
つまり、このように複機能２次元フォトニック結晶層３における開口部３ｂのピッチ（格子ピッチ）をＸ軸方向とＹ軸方向とで異なるものとすることにより、発光素子１から出射される光の照射領域の形状をほぼ円形状ではなく、特定の方向において延びたような扁平な（たとえば楕円形状あるいは線状の）形状へと変更することができる。また、複機能２次元フォトニック結晶層３における開口部３ｂの配置としては、図２に示すような三角格子状の配置ではなく、図３に示すような長方格子状の配置を用いてもよい。この場合においても、Ｘ軸方向における開口部３ｂの間の距離ａ1と別の方向であるＹ軸方向での開口部３ｂの中心間の距離ａ2とは異なる値となるように設定される。なお、複機能２次元フォトニック結晶層３における開口部３ｂの平面形状は、図２や図３に示すような楕円形状に限られず、たとえば円形状、あるいは四角形状をはじめとする任意の形状でかまわない。
【００２５】
ここで、複機能２次元フォトニック結晶層３におけるＸ軸方向での開口部３ｂの中心間の距離（格子ピッチ：以下ピッチとも言う）ａ1は、ｐ型半導体層７の厚みｄ（図１参照）やｎ型半導体層５およびｐ型半導体層７の屈折率に基づいて決定されることが好ましい。以下、ピッチａ1の決定方法について説明する。
【００２６】
まず、２次元面内と厚み方向に無限の広がりを持つとともに、１つの平坦な表面を有する半導体を考える。当該半導体の表面近傍に、表面と平行に延在する発光層（活性層）が形成されているとする。当該半導体（図１に示した基板４、ｎ型半導体層５およびｐ型半導体層７に相当）の屈折率をｎ1、発光層から半導体表面までの距離（ｐ型半導体層の厚み）をｄ、半導体外部（半導体の表面より外側の媒体）の屈折率(例えば空気や樹脂などの屈折率)がｎ2であるとする。取出したい光の(狙い)中心波長が真空中に於いてλ0であるとする。
【００２７】
ここで、評価用の関数Φ（θ）を以下のように定義する。
【００２８】
【数１】
0005504966.tif 000002
【００２９】
上記関数Φ（θ）を示す式において、θは取出したい光の半導体内部での伝搬角度であり，半導体表面の法線ベクトルとなす角として定義する。具体的には、角度θについて、発光層から半導体の表面の法線ベクトルと平行に当該表面を介して光が出射する場合を０°とする。角度θの範囲は０°≦θ＜９０°とする。また、上記式においてｅｘｐ（ｘ）は自然対数の底ｅのｘ乗を、ｉは虚数単位を示し、ｋ１＝２π／λ０×ｎ1である。また、ｒ（θ）はＳ偏波の光の半導体表面における複素振幅反射係数であり、簡単には、
【００３０】
【数２】
0005504966.tif 000003
【００３１】
という式で与えられる。ここで、ｓｑｒｔ（ｘ）はｘの平方根を意味する。なお、より正確を期す場合(たとえば、半導体の表面にＩＴＯなどの透明電極を用いる場合に、ｒ（θ）をより正確に規定した場合など)は，転送行列法などの手法を用いてｒ（θ）を計算しても良い。
【００３２】
次に、上記関数Φ（θ）における極大値を与えるθの集合のうち，最大の値を選定し、これをθmaxとする。θmaxから，求めるべき複機能２次元フォトニック結晶層のピッチａ１は、
ａ1＝λ0／（ｎ1・sinθmax）
として求められる。ここで、上記ピッチａ1を示す式では、屈折率ｎ1および半導体外部の屈折率ｎ2について、発光素子の構成が決まれば具体的な数値が決定できる。そのため、上記ピッチａ1は、半導体層から半導体表面までの距離ｄの関数として図４に示すように表すことができる。図４では、半導体層の材料としてＧａＮを用い、半導体層の外部は空気である場合の例を示している。
【００３３】
図４に示すグラフにおいては、横軸はｐ型半導体層の厚みｄを示し、縦軸が、Ｘ軸方向における複機能２次元フォトニック結晶層３における開口部３ｂの中心間の距離ａ1を示している。なお厚みｄおよびピッチａ1の単位はそれぞれｎｍである。また、図４に示したグラフはピッチａ1についての中央値を示しており、ｐ型半導体層７の厚みｄのそれぞれの値に対して、図４で示したピッチａ1の値の±１０％以内の範囲であればピッチａ1は変更してもよい。なお、図２に示すＹ軸方向での開口部３ｂの中心間の距離（格子ピッチ：以下ピッチとも言う）ａ2は、光の指向性をあまり高めることなく光の取出し効率を向上させる観点から、たとえば０．５μｍ以上２μｍ以下といった数値範囲の値とすることができる。
【００３４】
上記のようにピッチａ1、ａ2が決定された複機能２次元フォトニック結晶層３を備える発光素子に電力を投入すると、図５に示すように、ｐ型半導体層７の上部表面から出射される光の照射領域１１（ｐ型半導体層７の上部表面と対向し、当該上部表面と同じ方向に延びる平面に当該光を照射した場合の照射領域）は、矢印１２に示す方向に延び、矢印１３に示す方向においては幅が狭くなったような扁平な形状（楕円形状）となる。
【００３５】
このような本発明による発光素子１を、たとえば液晶表示装置を備える電子機器２０に適用する場合を考える。図６および図７に示すように、本発明による電子機器２０は、本発明による発光素子１と、この発光素子１から出射される光を受けて、液晶表示装置のバックライトとして機能する導光板２１と、当該導光板２１の光出射面上に配置された液晶パネル（図示せず）とを備えている。図６および図７に示すように、導光板２１の光入射面２２に対向する位置に発光素子１が配置されている。発光素子１から出射される光は、図７の矢印１２に示す方向に長く延び、矢印１２に示す方向と直交する方向（図５に示す矢印１３に示す方向）においてはその広がり方が小さくなっている。このため、従来のように照射領域１１の形状がほぼ円形状である場合に比べて、導光板２１の光入射面２２に直接入射する光の量をより多くすることができる。このため、特別なレンズ系統などの光学部材を追加することなく、導光板２１における光入射面２２に入射する光量を増大させることができる。この結果、液晶表示装置のバックライトの輝度を向上させることができる。
【００３６】
また、上述のように出射する光（可視光や赤外線など）の照射領域の形状が楕円形状または帯状となる発光素子は、たとえば光学式タッチパネルの位置検出用のエネルギー線投光器（たとえば赤外線投光器）に適用することもできる。この場合、タッチパネルの表面に沿って光を広い領域に効率的に出射することができる。
【００３７】
図８〜図１６を参照して、図１に示した発光素子の製造方法を説明する。
図８を参照して、図１に示した発光素子の製造方法においては、まず仕様決定工程（Ｓ１０）を実施する。具体的には、基板４やｎ型半導体層５として用いられる材料の屈折率やｐ型半導体層７の厚みｄなどに基づいて複機能２次元フォトニック結晶層３における開口部３ｂ（図２参照）のＸ軸方向におけるピッチａ１やＹ軸方向におけるピッチａ２（図２参照）を決定する。なお、具体的なピッチａ１の算出方法については後述する。
【００３８】
次に、製造工程（Ｓ２０）を実施する。具体的には、図９に示すような工程を実施する。製造工程（Ｓ２０）として、図９に示すように、まず成膜工程（Ｓ２１）を実施する。具体的には、基板４の上部表面上に、ｎ型半導体層５、発光層６、ｐ型半導体層７を順次たとえばエピタキシャル成長法などを用いて形成する。たとえば、発光素子としてＧａＮを用いた青色ＬＥＤを形成する場合、基板４としてＧａＮ基板（あるいは、サファイア基板）を用いてもよい。
【００３９】
次に、図９に示すように、デバイス加工工程（Ｓ２２）を実施する。具体的には、図１１に示すように、フォトリソグラフィ法を用いてｐ型半導体層７、発光層６およびｎ型半導体層５の一部をエッチングにより除去することにより、段差部１０を形成する。そして、ｐ型半導体層７の上部表面上および段差部１０において露出したｎ型半導体層５の表面上にそれぞれｐ電極９およびｎ電極８を形成する。これらのｐ電極９およびｎ電極８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。たとえば、まずフォトリソグラフィ法により電極が形成されるべき領域に開口部を有するマスクを形成する。当該マスク上および開口部の内部に電極を構成する金属膜を真空加熱蒸着法などの物理蒸着法により形成する。その後、マスク層を除去する（リフトオフ）ことにより、ｐ電極９およびｎ電極８を形成する。
【００４０】
次に、図９に示す支持基板貼付け工程（Ｓ２３）を実施する。具体的には、図１２に示すように、ｐ電極９が形成された側の基板表面上に接着剤２６を介して支持基板２５を貼付ける。支持基板２５としてはたとえばシリコン基板を用いることができる。
【００４１】
次に、図９に示すように裏面研磨工程（Ｓ２４）を実施する。具体的には、図１２に示すように、基板４の裏面２７を研磨する。この結果、基板４の厚みを所定の厚み（たとえば８０μｍ程度）とすることができる。研磨方法としては任意の方法を用いることができる。また、研磨後の基板４の裏面２７については鏡面仕上げを行なう。そして、当該研磨加工によるダメージ層を除去するため、たとえば塩素ガスを用いた反応性イオンエッチングによって、裏面２７の表面層を所定の厚さ（たとえば２００ｎｍ程度）だけ除去する。その結果、上述した研磨工程により発生していたダメージ層を除去することができる。
【００４２】
次に、図９に示すように、２次元回折格子を形成する工程（Ｓ２５）を実施する。具体的には、まず図１３に示すように、基板４の裏面２７上に複機能２次元フォトニック結晶層３の開口部３ｂの平面形状と同様の開口パターンを有するレジスト膜２８を、電子線描画法を用いて形成する。
【００４３】
次に、図１４に示すように、たとえば塩素ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、レジスト膜２８をマスクとして用いて基板４の裏面２７の一部を除去する。この結果、開口部３ｂが形成される。開口部３ｂの深さはたとえば２５０ｎｍとすることができる。この後レジスト膜２８を除去し、さらに基板４の裏面２７側をアセトンで洗浄する。このようにして、開口部３ｂと、当該開口部３ｂの間に位置し、基板４の一部からなるベース部３ａからなる複機能２次元フォトニック結晶層３が形成される。なお、複機能２次元フォトニック結晶層３の開口部３ｂのパターンはたとえば図２に示したような三角格子状とすることができる。このとき、図２のＸ軸方向における格子ピッチａ１はたとえば０．１９５μｍ、Ｙ軸方向における格子ピッチａ２はたとえば１．６０μｍとする。また、開口部３ｂの平面形状はだ円形状とし、当該開口部３ｂの短軸直径は０．１４μｍ，長軸直径は１．１μｍとする。このとき，短軸方向はＸ軸方向に，長軸方向はＹ軸方向に一致させる。
【００４４】
なお、複機能２次元フォトニック結晶層３を形成するため、上述のような電子線描画法ではなく、他の方法を用いてもよい。たとえば、ＡｒＦなどを光源とするフォトリソグラフィ法やナノインプリント法を用いてパターンを有するレジスト膜を形成してもよい。
【００４５】
次に、図９に示すように、基礎基板との貼り合せ工程（Ｓ２６）を実施する。具体的には、図１５に示すように、たとえばサファイアからなる基礎基板２を準備し、当該基礎基板２を基板４の裏面側（複機能２次元フォトニック結晶層３が形成された側の面）に接合する。接合方法としては任意の方法を用いることができるが、たとえば基礎基板２としてサファイア基板を用いた場合には、高真空中で基板４の裏面と基礎基板２とを貼り合せ、加圧接合するといった方法を用いることができる。このように基礎基板２を基板４の裏面側に貼り合せることにより、内部が真空の開口部３ｂと、ベース部３ａとからなる複機能２次元フォトニック結晶層３が基礎基板２と基板４との境界部に形成される。
【００４６】
次に、図９に示すように、支持基板除去工程（Ｓ２７）を実施する。具体的には、図１６に示すように、基礎基板２が貼り付けられた貼り合せ基板をホットプレートなどで加熱することで、接着剤２６（図１５参照）を軟化させる。その状態で、支持基板２５を基板４の主表面に沿った方向にスライドさせて当該支持基板２５を貼り合せ基板から除去する（スライドオフ）。その後、貼り合せ基板の表面に残存する接着剤２６を薬液（リムーバ）などで溶解・除去する。このようにして、図１６に示すような構造のエピタキシャル層からなるＬＥＤ構造を有する貼り合せ基板３０を得ることができる。
【００４７】
この後、図９に示すように、後処理工程（Ｓ２８）を実施する。具体的には、上述した貼り合せ基板３０を発光素子となるべき領域ごとにダイヤモンドソーなどを用いてダイシングする、あるいはスクライブすることによりチップ化する。そして、得られたチップ(発光素子）をステムなどの上に固定し必要な配線を形成することで、発光装置を形成することができる。たとえば、ｐ型半導体層７が上に向くように、基礎基板２を銀ペーストによりステムに貼り付ける。そして、発光素子のｐ電極９およびｎ電極８にそれぞれ金ワイヤを接続することで、発光装置（ＬＥＤ）を形成できる。
【００４８】
（実施の形態２）
図１７を参照して、本発明による発光素子の実施の形態２を説明する。
【００４９】
図１７に示す発光素子１は、基本的には図１に示した発光素子と同様の構造を備えるが、複機能２次元フォトニック結晶層３の配置が異なっている。すなわち、図１７に示した発光素子１においては、複機能２次元フォトニック結晶層３が基礎基板２の上部表面（基板４との接合面）に形成された開口部３ｂ（図１９参照）と、当該開口部３ｂの周囲に位置する基礎基板２の部分とにより構成される。異なる観点から言えば、図１７に示した発光素子における複機能２次元フォトニック結晶層３は、空気が内部に充填されたあるいは内部が真空状態の開口部３ｂと、開口部３ｂの間において、基礎基板２と同じ材質からなるベース部３ａ（図２０参照）とからなっている。開口部３ｂの配置（Ｘ軸方向およびＹ軸方向での格子ピッチ）は、図１に示した発光素子１の複機能２次元フォトニック結晶層３と同様である。このような構造の発光素子によっても、図１に示した発光素子と同様の効果を得ることができる。
【００５０】
図１８〜図２０を参照して、図１７に示した発光素子の製造方法を説明する。
まず、図９に示した成膜工程（Ｓ２１）〜裏面研磨工程（Ｓ２４）までを実施の形態１における発光素子の製造方法と同様に実施する。その後、図１８に示すように、基礎基板２を準備し、当該基礎基板２において基板４（図１７参照）の裏面と接続される表面上に所定のパターンを有するレジスト膜２８を形成する。レジスト膜２８における開口パターンは、実施の形態１において図１３に示したレジスト膜２８における開口パターンと同様である。
【００５１】
次に、当該レジスト膜２８をマスクとして用いて基礎基板２の表面の一部をエッチングにより除去することにより、図１９に示すように開口部３ｂを形成する。この結果、開口部３ｂと、この開口部３ｂの間に位置し、基礎基板２と同じ材質からなるベース部３ａ（図２０参照）とによって構成される複機能２次元フォトニック結晶層３が得られる。このようにして、２次元回折格子を形成する工程（Ｓ２５）が実施される。この後、レジスト膜２８を除去する。
【００５２】
次に、図９に示すように、基礎基板との貼り合せ工程（Ｓ２６）を実施する。具体的には、図２０に示すように、複機能２次元フォトニック結晶層３が形成された基礎基板２を、基板４の裏面２７に接合する。基板４と基礎基板２との接合方法は、任意の方法を用いることができる。
【００５３】
この後、図９に示した支持基板除去工程（Ｓ２７）および後処理工程（Ｓ２８）を実施することにより、図１７に示した発光素子を得ることができる。
【００５４】
（実施の形態３）
図２１を参照して、本発明による発光素子の実施の形態３を説明する。
【００５５】
図２１を参照して、発光素子１は基本的には図１に示した発光素子１と同様の構造を備えるが、複機能２次元フォトニック結晶層３と基礎基板２との間に中間層３５が配置されている点が異なる。中間層３５としては、たとえばシリコン酸化膜やＩＴＯ膜を用いることができる。中間層３５の厚みは、たとえば数十〜数百ｎｍの厚さとすることができる。開口部３ｂの配置（Ｘ軸方向およびＹ軸方向での格子ピッチ）は、図１に示した発光素子１の複機能２次元フォトニック結晶層３と同様である。このような構造の発光素子１によっても、図１に示した発光素子１と同様の効果を得ることができる。さらに、シリコン酸化膜などからなる中間層３５を配置することで、基礎基板２と基板４との間の接続強度をより高めることができる。
【００５６】
図２２および図２３を参照して、図２１に示した発光素子の製造方法を説明する。
図２１に示した発光素子の製造方法においては、まず図９に示した成膜工程（Ｓ２１）〜２次元回折格子を形成する工程（Ｓ２５）まで（すなわち図１０〜図１４に示す工程）を実施する。その後、基礎基板との貼り合せ工程（Ｓ２６）を実施する。具体的には、図２２に示すように、まず基礎基板２を準備し、当該基礎基板２の上部表面上（基板４と接合される側の表面）に中間層３５を形成する。中間層３５の形成方法としては、任意の方法を用いることができる。たとえば、中間層３５の形成方法として、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法などを用いることができる。なお、中間層３５を基礎基板２の表面のみではなく、基板４の複機能２次元フォトニック結晶層３が形成された側の面上にも形成してもよい。あるいは、基板４の複機能２次元フォトニック結晶層３が形成された側の面上のみに中間層３５を形成しておいてもよい。
【００５７】
そして、図２３に示すように、中間層３５が形成された基礎基板２を、基板４の複機能２次元フォトニック結晶層３が形成された側の面に接合する。接合方法としては任意の方法を用いることができる。
【００５８】
この後、図９に示した支持基板除去工程（Ｓ２７）および後処理工程（Ｓ２８）を実施する。このようにして、図２１に示す発光素子を得ることができる。
【００５９】
（実施の形態４）
図２４を参照して、本発明による発光素子の実施の形態４を説明する。
【００６０】
図２４に示した発光素子１は、基本的には図１７に示した発光素子１と同様の構造を備えるが、基礎基板２と基板４との間に中間層３５が配置されている点および複機能２次元フォトニック結晶層３が当該中間層３５および基礎基板２の表面層の両方を利用して形成されている点が異なる。具体的には、図２４に示した発光素子１の複機能２次元フォトニック結晶層３では、開口部３ｂが中間層３５を貫通するとともに、基礎基板２の表面層にまで到達するように形成されている。また、ベース部３ａは、中間層３５と基礎基板２の表面層という２層構造となっている。開口部３ｂの配置（Ｘ軸方向およびＹ軸方向での格子ピッチ）は、図１に示した発光素子１の複機能２次元フォトニック結晶層３と同様である。このような構造の発光素子１によっても、図２に示した発光素子と同様の効果を得ることができる。さらに、基礎基板２と基板４との間にシリコン酸化膜などからなる中間層３５が配置されているため、当該中間層によって基礎基板２と基板４との間の接続強度を向上させることができる。
【００６１】
図２５〜図２７を参照して、図２４に示した発光素子１の製造方法を説明する。
まず、図９に示した成膜工程（Ｓ２１）〜裏面研磨工程（Ｓ２４）（すなわち図１０〜図１２に示す工程）を実施する。その後、２次元回折格子を形成する工程（Ｓ２５）として、図２５および図２６に示す工程を実施する。具体的には、基礎基板２を準備し、当該基礎基板２の上部表面上に中間層３５を形成する。そして当該中間層３５上に図２５に示すように所定のパターンを有するレジスト膜２８を形成する。レジスト膜２８の開口パターンは、基本的には形成されるべき複機能２次元フォトニック結晶層の開口部３ｂの平面パターンと同じになっている。そして、図２６に示すように、反応性イオンエッチングなどのエッチングによりレジスト膜２８をマスクとして用いて中間層３５および基礎基板２の表面層の一部を除去する。この結果、中間層３５を貫通するとともに、基礎基板２の表面層にまで到達する開口部３ｂが形成される。このようにして、開口部３ｂと、当該開口部３ｂの周囲に位置する（中間層３５および基礎基板２の一部により構成される）ベース部とからなる複機能２次元フォトニック結晶層３が形成される。この後、レジスト膜２８を除去する。
【００６２】
そして、図９に示した基礎基板との貼り合せ工程（Ｓ２６）を実施する。具体的には図２７に示すように、基礎基板２の複機能２次元フォトニック結晶層３が形成された側（中間層３５の表面）を基板４の裏面２７に接合する。接合方法としては任意の方法を用いることができる。
【００６３】
この後、図９に示した支持基板除去工程（Ｓ２７）および後処理工程（Ｓ２８）を実施することにより、図２４に示した発光素子を得ることができる。
【００６４】
なお、上述した２次元回折格子を形成する工程（Ｓ２５）では中間層３５を形成せず、貼り合せ工程（Ｓ２６）において中間層３５を形成するようにしてもよい。また、上述した各実施の形態において、基礎基板との貼り合わせ工程（Ｓ２６）では、張り合わせる界面となる基板４や基礎基板２あるいは中間層３５の表面の平坦性を向上させておく（たとえば研磨を事前に実施する）ことで、貼り合わせの強度を向上させることができる。
【００６５】
（実施例１）
図１に示した構成の発光素子において、半導体としてＧａＮを用いた場合の、複機能２次元フォトニック結晶層の開口部３ｂのＸ軸方向でのピッチａ1（図２参照）を具体的に求めた。すなわち、上記ピッチａ１と、発光層６から半導体層の光出射面までの距離（つまりｐ型半導体層７の厚みｄ）との関係を、実施の形態１で説明した関数Φ（θ）および関数ｒ（θ）、さらにａ1＝λ0／（ｎ1・sinθmax）という数式に基づいて求めた。その結果を図２８に示す。
【００６６】
図２８に示すグラフでは、横軸がｐ型半導体層７（つまりｐ−ＧａＮ層）の厚みｄを示し、縦軸がＸ軸方向でのフォトニック結晶周期ａ1（つまり図２に示すＸ軸方向での開口部３ｂの中心間の距離であるピッチａ１）を示している。
【００６７】
ここでは、ＧａＮからなる半導体層の屈折率ｎ1を２．５、半導体外部の媒体の屈折率ｎ2を１．０、発光層から出射する光（取出したい光）の真空中における中心波長λ0を４５０ｎｍとして計算した。そして、上述したピッチａ1とｐ−ＧａＮ層の厚みｄとの関係について算出したデータに基づき近似式を求めた。その結果、ｐ−ＧａＮ層の厚みｄが２００ｎｍ未満のとき、
ａ1＝（５．０４×１０−１１ｎｍ−５）×ｄ６−（４．４８×１０−８ｎｍ−４）×ｄ５＋（１．５９×１０−５ｎｍ−３）×ｄ４−（２．８５×１０−３ｎｍ−２）×ｄ３＋（０．２７４ｎｍ−１）×ｄ２−１３．７ｄ＋４７９ｎｍ
という式でピッチａ1が表される。
【００６８】
また、厚みｄが２００ｎｍ以上のときには、ピッチａ1は１８３ｎｍとなる。なお、実際の発光素子においては、このように求められたピッチａ１の値を中央値として、当該中央値の±１０％以内の範囲に入るようにピッチａ1の値を決定することができる。また、図２に示したＹ軸方向でのピッチａ2は０．５μｍ以上２μｍ以下に設定することができる。
【００６９】
（実施例２）
図１に示した構成の発光素子において、半導体としてＧａＡｓを用いた場合の、複機能２次元フォトニック結晶層の開口部３ｂのＸ軸方向でのピッチａ1（図２参照）を具体的に求めた。すなわち、上記ピッチａ１と、発光層６から半導体層の光出射面までの距離（つまりｐ型半導体層７の厚みｄ）との関係を、実施の形態１で説明した関数Φ（θ）および関数ｒ（θ）、さらにａ1＝λ0／（ｎ1・sinθmax）という数式に基づいて求めた。その結果を図２９および図３０に示す。
【００７０】
図２９および図３０に示すグラフでは、横軸がｐ型半導体層７（つまりｐ−ＧａＡｓ層）の厚みｄを示し、縦軸がＸ軸方向でのフォトニック結晶周期ａ1（つまり図２に示すＸ軸方向での開口部３ｂの中心間の距離であるピッチａ１）を示している。
【００７１】
ここでは、ＧａＡｓからなる半導体層の屈折率ｎ1を３．５、半導体外部の媒体の屈折率ｎ2を１．０、発光層から出射する光（取出したい光）の真空中における中心波長λ0を８５０ｎｍとして計算した。そして、上述したピッチａ1とｐ−ＧａＡｓ層の厚みｄとの関係について算出したデータに基づき近似式を求めた。その結果、ｐ−ＧａＡｓ層の厚みｄが２００ｎｍ未満のとき、
ａ1＝（３．２６×１０−１０ｎｍ−５）×ｄ６−（２．３７×１０−７ｎｍ−４）×ｄ５＋（６．８８×１０−５ｎｍ−３）×ｄ４−（１．０３×１０−２ｎｍ−２）×ｄ３＋（０．８３１ｎｍ−１）×ｄ２−３５．７ｄ＋９４３ｎｍ
という式でピッチａ1が表される。
【００７２】
また、ｐ−ＧａＡｓ層の厚みｄが２００ｎｍ以上４００ｎｍ未満のとき、
ａ1＝−（３．７１×１０−７ｎｍ−２）×ｄ３＋（４．５６×１０−４ｎｍ−１）×ｄ２−１．９８×１０−１ｄ＋２７５ｎｍ
という式でピッチａ1が表される。
【００７３】
また、厚みｄが４００ｎｍ以上のときには、ピッチａ1は２４４ｎｍとなる。なお、実際の発光素子においては、上述した実施例１の場合と同様に、求められたピッチａ１の値を中央値として、当該中央値の±１０％以内の範囲に入るようにピッチａ1の値を決定することができる。また、図２に示したＹ軸方向でのピッチａ2は０．５μｍ以上２μｍ以下に設定することができる。
【００７４】
（実施例３）
本発明の効果を確認するために、図１に示した構造の本発明の実施例としての発光素子と、図１に示した発光素子において複機能２次元フォトニック結晶層を形成しない比較例としての発光素子とを作成し、その発光パターンを確認した。
【００７５】
（試料）
実施例の試料：
実施例の試料として、図１に示した構造の発光素子を準備した。具体的には、基礎基板２として厚みが３００μｍのサファイア基板を用い、基板４として厚みが８０μｍのＧａＮ基板を用いた。また、ｎ型半導体層５として厚みが２μｍのｎ−ＧａＮ層を用い、ｐ型半導体層７として厚みが０．０８μｍのｐ−ＧａＮ層を用いた。また、発光層６としてＧａＮ層とＩｎＧａＮ層との組を３組積層したＭＱＷ発光層を用いた。ＭＱＷ発光層のＧａＮ層の厚みは１５ｎｍとし、ＩｎＧａＮ層の厚みを３ｎｍとした。基板４と基礎基板２との界面において、基板４側に形成された複機能２次元フォトニック結晶層３の平面形状は、図２に示すように開口部３ｂが三角格子状に配置されたものであり、図２のＸ軸方向での格子ピッチａ1を２００ｎｍとし、Ｙ軸方向での格子ピッチａ2を１．６μｍとした。また、開口部３ｂの平面形状はだ円形状とし、当該開口部３ｂの短軸直径は０．１４μｍ、長軸直径は１．１μｍとした。このとき，短軸方向はＸ軸方向に，長軸方向はＹ軸方向に一致させた。また、開口部３ｂの深さは２５０ｎｍとした。そして、ｐ電極９としてはＮｉ（ニッケル）／Ａｕ（金）からなり、厚みが合計で０．０１６μｍである透明電極を、またｎ電極８としてはＴｉ（チタン）／Ａｌ（アルミニウム）からなり、厚みが０．３μｍである電極を形成した。この基板を、窒素／酸素雰囲気、加熱温度５００℃の加熱炉でアニールした後、図には記載していないが、金ワイヤを接続するため、ｐ電極およびｎ電極の一部にＴｉ／Ａｕからなり、厚みが０．２μｍである電極パッドを形成した。
【００７６】
比較例の試料：
比較例の試料として、上述した実施例と基本的に同様の構造の発光素子を準備した。ただし、比較例である発光素子では、図１に示した複機能２次元フォトニック結晶層３を形成しなかった。
【００７７】
（実験）
上述した実施例および比較例の発光素子を、それぞれｐ−ＧａＮ層が上に向くように基礎基板であるサファイア基板を銀ペーストによりステムに貼り付け、ｐ電極およびｎ電極に金ワイヤを接続して発光装置（ＬＥＤ）を形成した。当該ＬＥＤに電流を供給することで、発光装置から出射する光のパターンを測定した。
【００７８】
（結果）
実施例および比較例の発光素子から出射した光のパターンを図３１および図３２に示す。図３１および図３２においては、いずれも光の相対強度が高い部分ほど白く、また相対強度が低い部分ほど黒く表示されている。図３１および図３２から分かるように、実施例の試料から出射した光は図３１に示すように所定の方向（図３１では縦方向）に延びるように、光の強度が高い領域が形成されている。つまり、所定の強度以上の光が照射される領域が、円形状ではなく楕円状あるいは線状に延びるように形成されている。一方、図３２に示した比較例の試料については、出射する光の照射領域の形状はほぼ円形状となっている。
【００７９】
図３１に示したようなパターンの光を出射する発光素子を、たとえば細長い光入射面を有する導光板への光源として用い、当該光入射面に上述した所定の強度以上の光が照射される領域が重なるように発光素子を配置すれば、レンズなどの光学部品を追加することなく、従来の発光素子を用いる場合にくらべて、導光板へ入射する光の光量を増やすことができる。
【００８０】
以下、上述した実施の形態および実施例と一部重複する部分もあるが、本発明の特徴的な構成を列挙する。
【００８１】
この発明に従った発光素子用基板である貼り合せ基板３０は、発光層６を含む半導体層（ｎ型半導体層５、発光層６、ｐ型半導体層７、基板４）と、発光層６から間隔を隔てて配置された２次元回折格子（複機能２次元フォトニック結晶層３）とを備える。複機能２次元フォトニック結晶層３では、複機能２次元フォトニック結晶層３が延在する平面における格子点の並び方のパターンが２回の回転対称性のみを有し，３回以上の回転対称性を有さないように構成されている。
【００８２】
このようにすれば、発光層６から出射する光の指向性を、ある特定の軸方向について相対的に高めることができる。このため、貼り合せ基板３０を用いて形成された発光素子１から出射する光の照射領域の形状を円形状ではなく、所定の軸方向に延びるような楕円形状あるいは線状にすることができる。この結果、図７に示すような導光板２１の細長い光入射面２２に対して、特別な光学系部品を追加することなく、十分な光を入射させることができる（つまり、結合効率を高めることができる）。そのため、当該導光板２１を含む表示装置などの電子機器の製造コストが増大することを防止できるとともに、十分な光量の（導光板を含む）バックライトを備えた表示装置を実現できる。
【００８３】
上記貼り合せ基板３０は、半導体層（ｎ型半導体層５、発光層６、ｐ型半導体層７、基板４）と接合された、半導体層を構成する材料とは異なる材料からなる基礎基板２をさらに備えていてもよい。複機能２次元フォトニック結晶層３は半導体層と基礎基板２との接合部（基板４と基礎基板２との接合部）に配置されていてもよい。
【００８４】
この場合、半導体層と基礎基板２との接合部となる、半導体層と基礎基板２のすくなくともいずれかの表面を加工することにより、発光層６と離れた位置に複機能２次元フォトニック結晶層３を容易に形成できる。このため、複機能２次元フォトニック結晶層３の形成により発光層６がダメージを受けるといった問題の発生確率を低減できる。
【００８５】
上記貼り合せ基板３０において、図１に示すように、複機能２次元フォトニック結晶層３は、半導体層において基礎基板２と接合された表面層（基板４の基礎基板２と接合された表面層）に形成されていてもよい。この場合、半導体層の上記表面層を加工することにより、複機能２次元フォトニック結晶層３を容易に形成することができる。
【００８６】
上記貼り合せ基板３０において、図１に示すように、複機能２次元フォトニック結晶層３は、半導体層の表面層（基板４の下部の表面層）に形成された空孔である開口部３ｂと、開口部３ｂの周囲の表面層の部分であるベース部３ａとを含んでいてもよい。この場合、半導体層の上記表面層に開口部３ｂを周期的に形成することで、複機能２次元フォトニック結晶層３を容易に形成することができる。
【００８７】
上記貼り合せ基板３０において、複機能２次元フォトニック結晶層３は、図１７に示すように、基礎基板２において半導体層と接合された表面層に形成されていてもよい。この場合、基礎基板２の表面層を加工することにより、複機能２次元フォトニック結晶層３を容易に形成することができる。
【００８８】
上記貼り合せ基板３０において、図２１または図２４に示すように、半導体層と基礎基板２とは中間層３５を介して接合されていてもよい。中間層３５としては、たとえば酸化シリコンまたは酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などを用いてもよい。この場合、半導体層と基礎基板２との接合強度を向上させることができる。
【００８９】
上記貼り合せ基板３０において、図２４に示すように、複機能２次元フォトニック結晶層３は、中間層３５を貫通するとともに基礎基板２の表面層に到達するように形成された空孔としての開口部３ｂと、開口部３ｂの周囲の中間層３５および基礎基板２の表面層の部分とを含んでいてもよい。この場合、中間層３５および基礎基板２の表面層に開口部３ｂを周期的に形成することで、複機能２次元フォトニック結晶層３を容易に形成することができる。
【００９０】
上記貼り合せ基板３０において、基礎基板２を構成する材料は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３：サファイア）、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）、スピネル（ＭｇＡｌＯ３）、石英（ＳｉＯ２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、カーボン、ダイヤモンド、ガラス（たとえば合成石英、ソーダガラス、低アルカリガラスなど）からなる群から選択される１種からなっていてもよい。これらの材料は半導体層を構成する材料（たとえばＧａＮやＧａＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体）より安価であり、発光素子用の貼り合せ基板３０の全体を当該半導体で形成する場合より貼り合せ基板３０の製造コストを低減できる。
【００９１】
上記貼り合せ基板３０において、基礎基板２は透明基板であってもよい。この場合、基礎基板２側からも光を取出すことが可能になる。なお、ここで透明基板とは、当該基板の単位厚さ（たとえば１ｍｍ）当たりでの可視光の透過率が６０％以上の基板を言う。
【００９２】
上記貼り合せ基板３０において、図２および図３に示すＸ軸方向での格子ピッチａ1が１６０ｎｍ以上３９０ｎｍ以下、Ｙ軸方向での格子ピッチａ2が０．５μｍ以上２μｍ以下であってもよい。ここで、「Ｘ軸方向での格子ピッチ」および「Ｙ軸方向での格子ピッチ」は次のように定義する。ある任意の格子点を中心点として当該中心点を囲む最近接格子点群からなる多角形において、中心点を基点とし多角形の辺上の任意の１点を終点とするベクトルの集合を考える。このうち長さが最も短いベクトルの任意の一つを第１基本ベクトルと呼ぶこととする。この第１基本ベクトルの方向に一致するようにＸ軸を設定する。また、２次元回折格子が延在する平面においてＸ軸方向と直交するようにＹ軸を設定する。さらに、中心点を基点とし、中心点を通るとともにＹ軸方向に平行な直線と上記多角形との交点を終点とするベクトルの任意の一つを第２基本ベクトルと呼ぶことにする。このとき、第１基本ベクトルの長さを「Ｘ軸方向での格子ピッチ」、第２基本ベクトルの長さを「Ｙ軸方向での格子ピッチ」とする。この場合、Ｘ軸方向においては、貼り合せ基板３０を用いて形成された発光素子１から出射する光の指向性を向上させることができる。一方、Ｙ軸方向においては、高次の回折を利用して上記発光素子１から特定の方向に限定的に光が出射することを抑制するとともに、光の取出し効率を向上させることができる。なお、この場合半導体層を構成する材料は窒化ガリウム（ＧａＮ）であってもよく、半導体層中の発光層６から当該半導体層の光出射面までの距離（ｐ型半導体層７の厚さｄ）が１０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であってもよく、発光層６から出射する光の真空中における中心波長が４５０ｎｍであってもよい。
【００９３】
上記貼り合せ基板３０において、上記第１基本ベクトルの長さであるＸ軸方向での格子ピッチａ1は、発光層６から半導体層の光出射面までの距離（ｐ型半導体層７の厚さｄ）と、半導体層の屈折率ｎ1（ｐ型半導体層７、基板４、ｎ型半導体層５を構成する材料の屈折率）と、半導体層の光反射面と接する外部媒体（ｐ型半導体層７の上部表面より外側に位置する媒体、たとえば空気やｐ電極９など）の屈折率ｎ2と、発光層６から出射する光の真空中における中心波長λ0とに基づいて決定されていてもよい。この場合、後述するように光出射面から取出される光に関して、Ｘ軸方向における指向性を高めるように複機能２次元フォトニック結晶層３の格子ピッチを決定することができる。
【００９４】
上記貼り合せ基板３０において、半導体層はＩＩＩ族窒化物半導体からなっていてもよい。
【００９５】
上記貼り合せ基板３０において、半導体層は窒化ガリウム（ＧａＮ）からなっていてもよく、Ｘ軸方向での格子ピッチをａ1、発光層６から半導体層の光出射面（ｐ型半導体層７の上部表面）までの距離（ｐ型半導体層７の厚さ）をｄ、半導体層の屈折率を２．５、外部媒体の屈折率を１．０、発光層６から出射する光の真空中における中心波長を４５０ｎｍとすると、
距離ｄが２００ｎｍ未満のとき、
ａ１＝（５．０４×１０−１１ｎｍ−５）×ｄ６−（４．４８×１０−８ｎｍ−４）×ｄ５＋（１．５９×１０−５ｎｍ−３）×ｄ４−（２．８５×１０−３ｎｍ−２）×ｄ３＋（０．２７４ｎｍ−１）×ｄ２−１３．７ｄ＋４７９ｎｍ
距離ｄが２００ｎｍ以上のとき、
ａ１＝１８３ｎｍ
という式で表される中央値の±１０％以内の範囲に格子ピッチａ１が設定されていてもよい。Ｙ軸方向での格子ピッチは０．５μｍ以上２μｍ以下に設定されていてもよい。
【００９６】
この場合、光出射面（ｐ型半導体層７の上部表面）から取出される光について、Ｘ軸方向については指向性を高める一方、Ｙ軸方向においては相対的に指向性を高くしていない状態とできるので、当該光の照射領域の形状を図３２に示すように楕円形状（あるいはＹ軸方向に延びる線状）にすることができる。
【００９７】
上記貼り合せ基板３０において、半導体層はガリウム砒素（ＧａＡｓ）からなっていてもよく、Ｘ軸方向での格子ピッチをａ１、発光層６から半導体層の光出射面までの距離（ｐ型半導体層７の厚さ）をｄ、半導体層の屈折率を３．５、外部媒体の屈折率を１．０、発光層６から出射する光の真空中における中心波長を８５０ｎｍとすると、
距離ｄが２００ｎｍ未満のとき、
ａ1＝（３．２６×１０−１０ｎｍ−５）×ｄ６−（２．３７×１０−７ｎｍ−４）×ｄ５＋（６．８８×１０−５ｎｍ−３）×ｄ４−（１．０３×１０−２ｎｍ−２）×ｄ３＋（０．８３１ｎｍ−１）×ｄ２−３５．７ｄ＋９４３ｎｍ
距離ｄが２００ｎｍ以上４００ｎｍ未満のとき、
ａ1＝−（３．７１×１０−７ｎｍ−２）×ｄ３＋（４．５６×１０−４ｎｍ−１）×ｄ２−１．９８×１０−１ｄ＋２７５ｎｍ
距離ｄが４００ｎｍ以上のとき、
ａ１＝２４４ｎｍ
という式で表される中央値の±１０％以内の範囲に格子ピッチａ１が設定されていてもよい。Ｙ軸方向での格子ピッチは０．５μｍ以上２μｍ以下に設定されていてもよい。
【００９８】
この場合、光出射面（ｐ型半導体層７）から取出される光について、Ｘ軸方向については指向性を高める一方、Ｙ軸方向においては、相対的に指向性を高くしていない状態とできるので、当該光の照射領域の形状を図３１に示したような楕円形状（あるいはＹ軸方向に延びる線状）にすることができる。
【００９９】
上記貼り合せ基板３０において、半導体層の厚みは２μｍ以上１００μｍ以下であってもよい。この場合、半導体層を厚く（たとえば１００μｍ以上の厚み）形成する場合のように貼り合せ基板３０の製造コストが増大することを抑制できる。
【０１００】
この発明に従った発光素子１は、上記貼り合せ基板３０を用いている。このようにすれば、出射する光の照射領域の形状を円形状ではなく、図３１に示すように所定の軸方向に延びるような楕円形状にすることが可能な発光素子１を実現できる。この結果、当該発光素子１を導光板２１へ入射する光の光源として用いることで、導光板２１の細長い光入射面２２に対して、特別な光学系部品を追加することなく、十分な光を入射させることができる。
【０１０１】
今回開示された実施の形態および実施例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。本発明の範囲は上記した実施の形態及び実施例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。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
この発明は、２次元回折格子を備える発光素子用基板および発光素子であって、導光板へ光を入射する光源や、光学式タッチパネルの赤外線投光器に有利に適用される。
【符号の説明】
【０１０３】
１  発光素子、２  基礎基板、３  複機能２次元フォトニック結晶層、３ａ  ベース部、３ｂ  開口部、４  基板、５  ｎ型半導体層、６  発光層、７  ｐ型半導体層、８  ｎ電極、９  ｐ電極、１０  段差部、１１  照射領域、１２，１３  矢印、２０  電子機器、２１  導光板、２２  光入射面、２５  支持基板、２６  接着剤、２７  裏面、２８  レジスト膜、３０  貼り合せ基板、３５  中間層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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