(57)【要約】【課題】化合物半導体中に発光領域が埋設されて構成される半導体発光素子では、化合物半導体と外部空気との界面での反射が大きく、光の取出し効率が悪くなるという問題があった。【解決手段】発光領域からの発光を光取出し方向に直交する面方向に伝搬させて光取出し構造に導入し、半導体発光素子の光取出し方向に光を出射させることができる。光取出し構造によって光取出し方向に出射された光は半導体発光素子の中心軸上において位相が揃うことで互いに強めあった光ビームを形成するので、光取出し効率を向上することができる。【選択図】        図１（ａ）
2019067882.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化合物半導体と、
前記化合物半導体の表面に形成される光取出し構造と、
前記化合物半導体に埋設される発光部、第１の反射構造及び第２の反射構造と、
で構成される半導体発光素子であって、
当該半導体発光素子から発せられた光を取出す方向を光取出し方向として、
前記光取出し方向に沿った前記半導体発光素子の中心軸上の、離間した２点を同時に含む任意の平面である前記半導体発光素子の断面の少なくとも１つにおいて、
前記発光部、前記第１の反射構造及び前記第２の反射構造は、
前記光取出し方向に、前記第２の反射構造、前記発光部、前記第１の反射構造の順に、
且つ、それぞれの前記光取出し方向に沿った中心軸と、前記半導体発光素子の中心軸とが略等しくなるように配置され、
前記半導体発光素子の中心軸から前記発光部、前記第１の反射構造及び前記第２の反射構造のそれぞれの端部までの距離は、前記発光部＜前記第１の反射構造＜前記第２の反射構造であり、
前記光取出し構造は、前記半導体発光素子の中心軸に対して対称である２つの領域に形成され、
前記領域は、
前記半導体発光素子の前記光取出し方向の最表面と、
前記第２の反射構造の前記光取出し方向の表面と、
前記中心軸と平行、且つ、前記中心軸からの距離が前記第１の反射構造の端部までの距離以上である第１の直線、
及び、前記中心軸と平行、且つ、前記中心軸からの距離が前記第２の反射構造の端部までの距離未満である第２の直線によって囲われる領域である
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
化合物半導体と、
前記化合物半導体の表面に形成される第１の反射構造及び光取出し構造と、
前記化合物半導体に埋設される発光部及び第２の反射構造と、
で構成される半導体発光素子であって、
当該半導体発光素子から発せられた光を取出す方向を光取出し方向として、
前記光取出し方向に沿った前記半導体発光素子の中心軸上の、離間した２点を同時に含む任意の平面である前記半導体発光素子の断面の少なくとも１つにおいて、
前記発光部、前記第１の反射構造及び前記第２の反射構造は、
前記光取出し方向に、
前記第２の反射構造、前記発光部、前記第１の反射構造の順に、
且つ、それぞれの前記光取出し方向に沿った中心軸と、前記半導体発光素子の中心軸とが略等しくなるように配置され、
前記半導体発光素子の中心軸から前記発光部、前記第１の反射構造及び前記第２の反射構造のそれぞれの端部までの距離は、前記発光部＜前記第１の反射構造＜前記第２の反射構造であり、
前記光取出し構造は、前記半導体発光素子の中心軸に対して対称である２つの領域に形成され、
前記領域は、
前記半導体発光素子の前記光取出し方向の最表面と、
前記第２の反射構造の前記光取出し方向の表面と、
前記中心軸と平行、且つ、前記中心軸からの距離が前記第１の反射構造の端部までの距離以上である第１の直線、
及び、前記中心軸と平行、且つ、前記中心軸からの距離が前記第２の反射構造の端部までの距離未満である第２の直線によって囲われる領域である
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
請求項１又は請求項２の何れかに記載の半導体発光素子であって、
前記光取出し構造は、
当該半導体発光素子の前記光取出し方向の最表面から、前記第２の反射構造に向かって形成されたグレーティングであり、
当該グレーティングの形成周期Λは、前記発光部の発光波長をλ、前記光取出し構造が形成される領域の等価屈折率をｎｅとして、Λ＝λ／ｎｅを満たす
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項４】
請求項１又は請求項２の何れかに記載の半導体発光素子であって、
前記光取出し構造は、
当該半導体発光素子の前記光取出し方向側の最表面から前記第２の反射構造に到達するまで形成された溝であり、
当該溝は、前記半導体発光素子の中心軸に直交する面に対して、当該中心軸から見て前記光取出し方向に仰角に形成され、
当該溝を形成する側壁の内、前記半導体発光素子の中心軸側の側壁が前記発光部からの光の反射面である
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項５】
請求項１から請求項４の何れかに記載の半導体発光素子であって、
前記光取出し方向から見て、前記光取出し構造は、前記半導体発光素子の中心軸からの距離が異なる内径と外径とを有するリング状であり、
前記半導体発光素子の中心軸から前記内径までの距離は、当該中心軸から前記第１の反射構造の端部までの距離以上であり、
且つ、前記半導体発光素子の中心軸から前記外径までの距離は、当該中心軸から前記第２の反射構造の端部までの距離未満である
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項６】
請求項５に記載の半導体発光素子であって、
前記半導体発光素子の中心軸から、前記光取出し構造の内径と外径の中点までの距離をＤ、
前記半導体発光素子の中心軸から、前記発光部の端部までの距離をｄ、
前記半導体発光素子の中心軸に対する出射光の広がり角度をΔθとして、
前記発光部と前記光取出し構造とが、Δθ＝Ｓｉｎ−１（ｄ／Ｄ）を満たす
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項７】
請求項４に記載の半導体発光素子であって、
前記溝の前記面に対する仰角が略４５度である
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項８】
請求項４に記載の半導体発光素子であって、
前記溝が１つ以上の屈曲点を有し、前記溝が前記面に対してなす仰角が２つ以上の角度を含む
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項９】
請求項１から請求項８の何れかに記載の半導体発光素子であって、
前記第１の反射構造及び前記第２の反射構造のそれぞれは、
前記化合物半導体と、当該化合物半導体よりも屈折率が小さい低屈折率材料とを交互に積層した回折格子である
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１０】
請求項２に記載の半導体発光素子であって、
前記第１の反射構造は、前記半導体発光素子の前記光取出し方向の最表面に形成されたグレーティングであり、
当該グレーティングの形成周期Λ‘は、前記発光部の発光波長をλ、前記第１の反射構造が形成される領域の等価屈折率をｎｈとして、Λ＝λ／ｎｈを満たし、
前記第２の反射構造は、前記化合物半導体と、当該化合物半導体よりも屈折率が小さい低屈折率材料とを交互に積層した回折格子である
ことを特徴とする半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体材料を使用した発光素子、特に発光ダイオードに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体で形成した発光素子として、レーザダイオード（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）や発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）がある。ＬＤは、出力がコヒーレント光であるので、光通信用の光源として多く用いられる。ＬＥＤは、出力がインコヒーレント光であるので、照明や表示装置の光源、或いはプリンタ等の画像形成装置における露光用の光源として多く用いられる。
【０００３】
上記した用途における性能向上のため、これら半導体発光素子には光量の増大が求められる。特にＬＥＤの出力は、インコヒーレント光であるため、ＬＥＤを構成する半導体と外部空気との界面での反射が大きい。このため、ＬＥＤでは、発光の取り出し効率が低くなる欠点がある。一般的にこの取出し効率は数パーセントに留まるといわれており、改善するために様々な取り組みがなされている。
【０００４】
ＬＥＤの発光取り出し効率を改善するため、散乱体を利用してより多くの光を取り出す試みがなされている（特許文献１参照）。ＬＥＤの発光取出し効率改善方法として最も多く検討されている方法は、前記した半導体と外部空気との界面に凹凸構造を設けるものであり（特許文献２参照）、一方で発光部上部には凹凸を設けない変形例もある（特許文献３参照）。また、発光部を基準として発光の取出し面とは反対側にミラーを設け、捨て光となっていた反対側へ放射される光を利用すること（特許文献４参照）、或いは、ＬＥＤの側面から放射される光を上部に反射して利用すること（特許文献５参照）、も試みられている。さらに、前記した界面の屈折率を工夫して取出し効率を上げる試み（特許文献６参照）や、レンズを組み込んで取出し効率を上げる試み（特許文献７参照）もなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特許文献１：特開２０１０−０９８３３５号公報
特許文献２：特開２００６−２８７１１３号公報
特許文献３：特開２００３−１７４１９１号公報
特許文献４：特開２００２−１８５０３７号公報
特許文献５：特開２００２−０２６３８２号公報
特許文献６：特開２０１４−１７０８１５号公報
特許文献７：特開２００８−０１６６４７号公報
【０００６】
特許文献１には、ＬＥＤの封止樹脂に金属酸化物の微粒子と蛍光体を添加し、蛍光体による散乱の抑制と、ＬＥＤと封止樹脂との界面における全反射を抑制してより多くの光を取り出す発光装置が開示されている。
【０００７】
特許文献２には、実装面の反対側で、発光層を含む半導体層と当該半導体層よりも屈折率の低い物質との界面において、略錘面状の光取出し面を有する半導体発光素子が開示されている。
【０００８】
特許文献３には、面発光型半導体発光素子の、発光層を含む半導体多層膜の最上層、即ち基板と反対側の光取出し面に、複数の錘体状の突起物を備える半導体発光素子が開示されている。
【０００９】
特許文献４には、発光装置の発光層と基板、或いはバッファ層との間に、バンドギャップが発光層よりも大きい層の下部に金属薄膜からなる反射層を設け、ＬＥＤの発光層から基板側へ進行する発光を反射する発光装置が開示されている。
【００１０】
特許文献５には、化合物半導体の単結晶ウエハ上に形成したＰＮ接合からなる発光ダイオードで、素子側面が光の取出し方向に向かって広がった形状をなし、当該側面の外側に光反射材料からなる光反射部を密着させた発光ダイオードが開示されている。
【００１１】
特許文献６には、基板上にｐ型半導体層、発光層、ｎ型半導体層が順次積層された窒化物半導体ＬＥＤ素子であって、基板反対側の光取り出し面に導電性の第１透光層が形成され、第１透光層上に電極を形成し、電極の非形成領域の少なくとも一部に第１透光層よりも屈折率の低い第２透光層が形成されているＬＥＤ素子が開示されている。
【００１２】
特許文献７には、発光素子から発光された光を集光させるレンズ面を含む第１透光性部材と、当該レンズ面状に設けられ第１透光性部材より屈折率の大きい第２透光性部材を備える発光装置が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１〜３、及び５〜７に記載のＬＥＤでは、１０％程度の光取出し効率が実現されているにすぎず、十分な効果を得られているわけではない。また、特許文献４に記載のＬＥＤでは、反射光と直接取り出し光との干渉により、光出力は必ずしも大きくなるとは限らない。
【００１４】
本発明は、発光領域中央部からの発光に加え、発光領域外辺部からの発光の取出し効率も改善することで、従来よりも大幅に光の取出し効率を向上させるとともに、光ビームを形成するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の半導体発光素子は、化合物半導体と化合物半導体の表面に形成される光取出し構造と、化合物半導体に埋設される発光部、第１の反射構造及び第２の反射構造とで構成される。半導体発光素子から発せられた光を取出す方向を光取出し方向とする。光取出し方向に沿った半導体発光素子の中心軸上の、離間した２点を同時に含む任意の平面である半導体発光素子の断面の少なくとも１つにおいて、発光部、第１の反射構造、及び、第２の反射構造は、光取出し方向に向かって、第２の反射構造、前記発光部、前記第１の反射構造の順に、且つ、それぞれの光取出し方向に沿った中心軸と、半導体発光素子の光取出し方向に沿った中心軸とが略等しくなるように配置される。また、前記した半導体発光素子の中心軸から発光部、第１の反射構造及び第２の反射構造それぞれの端部までの距離は、発光部＜第１の反射構造＜第２の反射構造である。光取出し構造は、半導体発光素子の中心軸に対して対称である２つの領域に形成される。この領域は、半導体発光素子の光取出し方向の最表面と、第２の反射構造の光取出し方向の表面と、前記した中心軸と平行、且つ、中心軸からの距離が第１の反射構造の端部までの距離以上である第１の直線、及び、前記した中心軸と平行、且つ、中心軸からの距離が第２の反射構造の端部までの距離未満である第２の直線によって囲われる領域であることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の半導体発光素子は、化合物半導体と、化合物半導体と化合物半導体の表面に形成される第１の反射構造及び光取出し構造と、化合物半導体に埋設される発光部及び第２の反射構造とで構成される。半導体発光素子から発せられた光を取出す方向を光取出し方向とする。光取出し方向に沿った半導体発光素子の中心軸上の、離間した２点を同時に含む任意の平面である半導体発光素子の断面の少なくとも１つにおいて、発光部、第１の反射構造、及び、第２の反射構造は、光取出し方向に向かって、第２の反射構造、前記発光部、前記第１の反射構造の順に、且つ、それぞれの光取出し方向に沿った中心軸と、半導体発光素子の光取出し方向に沿った中心軸とが略等しくなるように配置される。また、前記した半導体発光素子の中心軸から発光部、第１の反射構造及び第２の反射構造それぞれの端部までの距離は、発光部＜第１の反射構造＜第２の反射構造である。光取出し構造は、半導体発光素子の中心軸に対して対称である２つの領域に形成される。この領域は、半導体発光素子の光取出し方向の最表面と、第２の反射構造の光取出し方向の表面と、前記した中心軸と平行、且つ、中心軸からの距離が第１の反射構造の端部までの距離以上である第１の直線、及び、前記した中心軸と平行、且つ、中心軸からの距離が第２の反射構造の端部までの距離未満である第２の直線によって囲われる領域であることを特徴とする。
【００１７】
前記した光取出し構造は、半導体発光素子の光取出し方向の最表面から前記第２の反射構造に向かって形成されるグレーティングである。グレーティングの形成周期Λは、発光部の発光波長をλ、光取出し構造の形成領域の等価屈折率をｎｅとして、Λ＝λ／ｎｅを満たすことを特徴とする。
【００１８】
また、光取出し構造は、半導体発光素子の光取出し方向の最表面から第２の反射構造に到達するまで形成された溝である。当該溝は、前記した半導体発光素子の中心軸に直交する面に対して当該中心軸から見て仰角に形成され、当該溝を形成する側壁の内、前記した半導体発光素子の中心軸側の側壁が発光部からの光の反射面を成すことを特徴とする。
【００１９】
また、光取出し構造は、光取出し方向から見て、前記した半導体発光素子の中心軸からの距離が異なる内径と外径とを有するリング状であり、前記した半導体発光素子の中心軸から内径までの距離は、当該中心軸から第１の反射構造の端部までの距離以上であり、前記した半導体発光素子の中心軸から外径までの距離は、当該中心軸から第２の反射構造の端部までの距離未満であることを特徴とする。
【００２０】
本発明の半導体発光素子は、前記した半導体発光素子の中心軸から、光取出し構造の内径と外径の中点までの距離をＤ、前記した半導体発光素子の中心軸から、発光部の端部までの距離をｄ、前記した半導体発光素子の中心軸に対する出射光の広がり角度をΔθとして、発光部と光取出し構造とが、Δθ＝Ｓｉｎ−１（ｄ／Ｄ）を満たすことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の半導体発光素子によれば、第１の反射構造と第２の反射構造で発光部を挟み込むことで、発光部からの発光は前記した半導体発光素子の中心軸に直交する面方向に伝搬され、光取出し構造に導入されて半導体発光素子の光取出し方向に光を出射させることができる。光取出し構造によって光取出し方向に出射された光は、概ね前記した半導体発光素子の中心軸上において位相が揃うことで互いに強めあった光ビームを形成するので、光の取出し効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１（ａ）】本発明の実施形態における半導体発光素子１００の構成概要図の上面図
【図１（ｂ）】図１（ａ）に示した半導体発光素子１００の断面図
【図２】光取出し構造１５の一例としてグレーティング２０を形成した半導体発光素子１００の概観斜視図
【図３】図２に示した半導体発光素子１００の断面における、発光部１２近傍の拡大図
【図４】光取出し構造１５の他の例として溝１８を形成した半導体発光素子１００の概観斜視図
【図５】図４に示した半導体発光素子１００の断面における、発光部１２近傍の拡大図
【図６】本発明の他の実施形態の一例である半導体発光素子１００の断面における発光部１２近傍の拡大図
【図７】本発明の他の実施形態の他の例である半導体発光素子１００の断面における発光部１２近傍の拡大図
【図８】図４及び図５に示した半導体発光素子１００における、出射光の状態の計算結果
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、各図は本発明を十分に理解できる程度に概略的に示してあるに過ぎない。よって、本発明は、図示例のみに限定されるものではない。また、各図において共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。
【００２４】
図１を参照して、本発明の実施形態における半導体発光素子（以下、半導体発光素子と称す）１００の構成を説明する。図１（ａ）は、半導体発光素子１００の上面図である。図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線における断面図であり、半導体発光素子１００から発せられた光を取出す方向である光取出し方向１６に沿った中心軸上の、離間した２点を同時に含む任意の平面である半導体発光素子１００の断面を表す。
【００２５】
半導体発光素子１００は、化合物半導体１１、化合物半導体１１に埋設される発光部１２、第１の反射構造１３及び第２の反射構造１４によって構成される。
【００２６】
図１（ｂ）に示した半導体発光素子１００において、発光部１２、第１の反射構造１３、第２の反射構造１４は、光取出し方向１６に向かって、第２の反射構造１４、発光部１２、第１の反射構造１３の順に配置される。さらに、発光部１２、第１の反射構造１３、及び、第２の反射構造１４それぞれの光取出し方向１６に沿った中心軸と、半導体発光素子１００の光取出し方向１６に沿った中心軸とが略等しくなるように配置される。また、前記した半導体発光素子１００の中心軸から発光部１２、第１の反射構造１３、及び、第２の反射構造１４それぞれの端部までの距離は、発光部１２＜第１の反射構造１３＜第２の反射構造１４である。光取出し構造１５は、前記した半導体発光素子１００の中心軸に対して対称である２つの領域に形成される。この領域は、半導体発光素子１００の光取出し方向１６の最表面と、第２の反射構造１４の光取出し方向１６の表面と、前記した中心軸と平行、且つ、中心軸からの距離が前記した第１の反射構造の端部までの距離以上である第１の直線、及び、前記した中心軸と平行、且つ、中心軸からの距離が前記した第２の反射構造の端部までの距離未満である第２の直線によって囲われる領域である。
【００２７】
より具体的に説明すると、光取出し構造１５は、図１（ａ）に示したように、光取出し方向１６側から見て、前記した半導体発光素子１００の中心軸からの距離が異なる内径と外径とを有するリング状である。また、光取出し構造１５は、図１（ｂ）に示したように、半導体発光素子１００の光取出し方向１６の最表面と第２の反射構造１４との間に形成される。前記した半導体発光素子１００の中心軸から内径までの距離は、当該中心軸から第１の反射構造１３の端部までの距離以上であり、且つ、前記した半導体発光素子１００の中心軸から外径までの距離は、当該中心軸から第２の反射構造１４の端部までの距離未満である。
【００２８】
化合物半導体１１は、ＬＥＤの一般的な構成におけるバッファ層、ｎ型クラッド層、及びｐ型クラッド層などを含むものである。本実施形態においては、具体的な組成の違いや層構造の積層順序などは適宜好ましい組み合わせが選択される。図１においても特に層構造を表現せず、化合物半導体１１総体として表現している。
【００２９】
発光部１２は、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）層、ガリウム砒素りん（ＧａＡｓＰ）層、及びガリウムアルミ砒素（ＧａＡｌＡｓ）層などのＧａＡｓ系半導体材料を用いた、ＬＥＤの発光層である。発光部１２は、複数の量子井戸層を有する多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）構造とすることが望ましいが、これに限定されず、単一量子井戸（ＳＱＷ：Ｓｉｎｇｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）構造や、単一材料で構成するバルク型等、他の構造であっても何ら問題はない。なお、図１には、発光部１２への電流注入用の電極などは図示していないが、例えば発光部１２の表面に透明導電膜等で電極を形成することも可能であり、その配置や接続、及び引き回し等は、適宜選択される。
【００３０】
光取出し構造１５は、図２及び図３を参照して一例を説明する。図２は、光取出し構造１５としてグレーティング２０を備えた、半導体発光素子１００の一例の概観斜視図である。図３は、図２に示したＢ−Ｂ線における断面において、埋設された発光部１２近傍の拡大図である。図３における断面は、図１（ｂ）と同様に、半導体発光素子１００の光取出し方向１６に沿った中心軸上の、互いに離間した２点を同時に含む任意の平面である半導体発光素子１００の断面の少なくとも１つを表す。
【００３１】
グレーティング２０は、半導体発光素子１００の光取出し方向１６の最表面から第２の反射構造に向かって形成される。グレーティング２０の形成周期Λは、発光部１２の発光波長をλ、光取出し構造１５の形成領域の等価屈折率をｎｅとすると、Λ＝λ／ｎｅで表される。
【００３２】
光取出し構造１５について、図４及び図５を参照して他例を説明する。図４は光取出し構造１５として溝１８を備えた、半導体発光素子１００の他例の概観斜視図である。図５は、図４に示したＣ−Ｃ線における断面において、埋設された発光部１２近傍の拡大図である。図５における断面もまた、図１（ｂ）及び図３と同様に、半導体発光素子１００の光取出し方向１６に沿った中心軸上の、互いに離間した２点を同時に含む任意の平面である半導体発光素子１００の断面の少なくとも１つを表す。
【００３３】
溝１８は、半導体発光素子１００の光取出し方向１６側最表面から、第２の反射構造１４に到達するように形成される。溝１８は、前記した半導体発光素子１００の光取り出し方向に沿った中心軸に直交する面に対して、当該中心軸から見て光取出し方向１６側に仰角であり、溝１８を形成する側壁の内、前記した半導体発光素子１００の中心軸側の側壁が反射面１９として作用する。即ち、発光部１２からの光が反射面１９によって反射され、光取出し方向１６に沿って出射される。溝１８が前記面に対してなす仰角は４５度であることが最適であるが、これに限定されない。例えば溝１８が前記面に対してなす仰角を略４５度とすることも可能である。また、図３に示した半導体発光素子１００において、溝１８が１つ以上屈曲点を有し、溝１８が前記面に対してなす仰角が２つ以上の角度を含むことも可能である。
【００３４】
第１の反射構造１３及び第２の反射構造１４について、図３を参照して構成を説明する。第１の反射構造１３と第２の反射構造１４はそれぞれ、化合物半導体１１と、化合物半導体１１よりも屈折率が小さい低屈折率材料１７とを、交互に積層した回折格子として構成される。第１の反射構造１３と第２の反射構造１４それぞれにおける、化合物半導体１１と低屈折率材料１７それぞれの膜厚並びに積層数は、発光部１２による発光波長の他、化合物半導体１１と低屈折率材料１７との屈折率差などをパラメータとして、第１の反射構造１３及び第２の反射構造１４が必要な反射率となるように適宜設計される。
【００３５】
（他の実施形態）
本発明の他の実施形態について、図６を参照して説明する。図６は、本発明の他の実施形態の一例を表す図で、図３或いは図５と同様の半導体発光素子１００の断面における、発光部１２の近傍の拡大図である。上記した実施形態の半導体発光素子１００と比べて、第１の反射構造１３が半導体発光素子１００の光取出し方向１６の最表面から発光部１２側に向けて、グレーティング２１によって構成されている点が異なる。本実施形態では、光取出し構造１５は図４並びに図５に示したようなグレーティング２０としているが、これに限定されない。光取出し構造１５として、図２並びに図３に示したような溝１８とすることも可能である。図６に示した本発明の他の実施形態の一例では、第１の反射構造１３を構成するグレーティング２１の形成周期Λ‘は、グレーティング２０の形成周期Λと等しく設定される。グレーティング２１を形成する凹部の深さは、発光部１２に至るまでの深さにおいて所望の反射率が得られる深さに適宜設定される。
【００３６】
また、第１の反射構造１３を構成するグレーティング２１と、光取出し構造１５を構成するグレーティング２０の深さを等しくすることも、図７に示すように可能である。但し、この場合には、図４や図６と比べてグレーティング２０を形成する凹部の深さが浅くなる分、等価屈折率が大きくなる。このため、グレーティング２１の形成周期Λ‘とグレーティング２０の形成周期Λは、Λ’＞Λとするのが望ましい。
【００３７】
なお、本実施形態において第１の反射構造を構成するグレーティング２１は、図６或いは図７に図示したように半導体発光素子１００の光取出し方向１６側の最表面から発光部１２側に向けて凹部を形成することに限定されない。半導体発光素子１００の光取出し方向１６側の最表面から、光取出し方向１６側に向かって凸部を形成することでグレーティング２１を構成することもできる。
【００３８】
本実施形態として挙げたように、第１の反射構造をグレーティング２１で構成すると、第１の反射構造１３（グレーティング２１）と、光取出し構造１５（グレーティング２０）を同一工程で同時に形成することができるので、製造工程を少なくすることに寄与できる。
【００３９】
（実施形態の効果）
発光部１２から出力された発光は、第１の反射構造１３と第２の反射構造１４との間で全反射を繰り返しながら、前記した半導体発光素子１００の中心軸に直交する面方向に伝搬され、光取出し構造１５に導入されて光取出し方向１６側に出射される。光取出し構造１５から光取出し方向１６側に出射される出射光は前記した半導体発光素子１００の中心軸上において位相が揃うことで、互いに強めあった光ビームを形成する。
【００４０】
光取出し構造１５をグレーティング２０とした場合の、射出光の状態を計算した結果を図８に示す。射出光の計算には、ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ）法を用いた。グレーティング２０は形成周期Λ＝３７１ｎｍで６周期形成し、第１及び第２の反射構造は形成周期１３９ｎｍの６層回折格子とした。発光部１２の発光波長λは７５０ｎｍである。図８に示した計算結果では、中央部に光ビームが形成され、強い光を取出せていることが分かる。
【００４１】
前記した半導体発光素子１００の中心軸から発光部１２の端部への距離をｄ、当該半導体発光素子１００の中心軸から光取出し構造１５の中央部への距離をＤとする。発光部１２における発光点が発光部１２の光取り出し方向１６に沿った中心軸上である場合には、光取出し構造１５において光取出し方向１６に出射された光は同位相となるので、前記した半導体発光素子１００の中心軸上において位相が揃うことで強め合って強い光ビームが形成される。
【００４２】
一方、発光部１２における発光点が前記した発光部１２の中心軸上から外れて発光部１２の端部である場合には、光取出し構造１５からの出射光は位相差を持っているため、出射角がΔθだけ傾くことになる。この傾きΔθは、Δθ＝Ｓｉｎ−１（ｄ／Ｄ）で計算される。一例として、この傾きを２０度以内にするのであれば、ｄ＝（１／３）Ｄ、即ち、前記した半導体発光素子１００の中心軸から発光部１２の端部への距離ｄを、当該中心軸から光取出し構造１５の中央部への距離Ｄの１／３程度にすることが必要となる。出射光の傾きに因って生じる光ビームの発散角Θは、Ｓｉｎ（Θ）＝１．３λ／Ｄで計算される。一例として、発散角Θを２０度以内とするのであれば、Ｄは３μｍ程度が必要となる。
【利用形態の説明】
【００４３】
以上説明した本発明の各実施形態では、半導体発光素子１００を単体で構成する例を説明したが、これに限定されるものではない。複数個の半導体発光素子１００を直列に配置し、半導体発光素子アレイを構成しても良い。
【符号の説明】
【００４４】
１１            化合物半導体
１２            発光部
１３            第１の反射構造
１４            第２の反射構造
１５            光取出し構造
１６            光取出し方向
１７            低屈折率材料
１８            溝
１９            反射面
２０、２１  グレーティング
１００          半導体発光素子
【図１（ａ）】
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【図１（ｂ）】
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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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