(57)【要約】【課題】化合物半導体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】発光領域中央部からの光取出し効率を改善することに加え、発光領域外辺部からの光取出し効率も改善することで、従来よりも大幅に光取出し効率を向上させる半導体発光素子を提供する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
任意の箇所に凸部を備える化合物半導体と、
前記化合物半導体に埋設される発光部と、
で構成される半導体発光素子であって、
前記凸部に孔部を有する
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
任意の箇所に凹部を備えた化合物半導体と、
前記化合物半導体に埋設される発光部と、
で構成される半導体発光素子であって、
前記凹部の底部に、孔部を有する凸部を備え、
前記化合物半導体の表面における前記凹部の開口部の輪郭が、
前記凸部の底の輪郭と相似である
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、
前記孔部は、前記凸部の天頂部に形成される
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項４】
請求項１から請求項３の何れか一項に記載の半導体発光素子であって、
前記孔部が、空気の屈折率に略等しい屈折率を備えた材料で充填されている
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の何れか一項に記載の半導体発光素子であって、
前記化合物半導体に埋設される反射構造をさらに備え、
当該反射構造は、前記発光部の近傍、且つ、前記凸部から見て前記発光部の背後に配置される
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、
前記反射構造と前記凸部とで囁き回廊モード共振器を構成する
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項７】
請求項５又は請求項６の何れかに記載の半導体発光素子であって、
前記凸部の底の輪郭を含む平面の法線方向から見て、
前記発光部は前記凸部の形成領域内に形成され、
且つ、前記凸部は前記反射構造の形成領域内に形成されており、
前記孔部の少なくとも一部が、前記囁き回廊モード共振器の共振領域に含まれている
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項８】
請求項５から請求項７の何れか一項に記載の半導体発光素子であって、
前記反射構造は、前記化合物半導体と、前記化合物半導体よりも屈折率が小さい材料と、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９】
請求項２に記載の半導体発光素子であって、
前記凹部の内壁面は、一方の端部が前記開口部の輪郭であり、
他方の端部が前記凸部の底の輪郭である
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１０】
請求項２から請求項４、及び請求項９の何れか以降に記載の半導体発光素子であって、
前記凹部が、空気の屈折率に略等しい屈折率を備えた材料で充填されている
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０の何れか一項に記載の半導体発光素子であって、
前記凸部の底の輪郭を含む平面に垂直、
且つ、前記凸部の天頂部を通る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当該半導体発光素子の断面の少なくとも１つにおいて、
前記凸部の稜線が曲線である
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１２】
請求項１１に記載の半導体発光素子であって、
前記凸部が、前記半導体発光素子の中心軸上に中心点を有する球体の一部である
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１３】
請求項１１に記載の半導体発光素子であって、
前記凸部が、楕円体の一部であり、
前記楕円体は、前記半導体発光素子の中心軸上、或いは、前記凸部の底の輪郭を含む平面上、何れか一方に焦点を有し、
前記中心軸と、前記凸部の底の輪郭を含む平面との交点が、当該楕円体の中心である
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１４】
請求項１から請求項１０の何れか一項に記載の半導体発光素子であって、
前記凸部の底の輪郭を含む平面に垂直、
且つ、前記凸部の天頂部を通る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当該半導体発光素子の断面の少なくとも１つにおいて、
前記凸部の稜線が階段状であり、当該階段部分の幅及び高さのそれぞれが、当該半導体発光素子の発光波長の半分より小さい
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光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光取出し効率を改善することに加え、発光領域外辺部からの光取出し効率も改善することで、従来よりも大幅に光取出し効率を向上させるものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１の半導体発光素子は、任意の箇所に凸部を備える化合物半導体と、化合物半導体に埋設される発光部とで構成され、凸部に孔部を有することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の第２の半導体発光素子は、任意の箇所に凹部を備えた化合物半導体と、化合物半導体に埋設される発光部とで構成される。凹部の底部に、孔部を有する凸部を備え、化合物半導体の表面における凹部の開口部の輪郭が、凸部の底の輪郭と相似であることを特徴とする。
【００１７】
本発明の第１及び第２の半導体発光素子は、前記した孔部が凸部の天頂部に形成されることを特徴とする。
【００１８】
本発明の第１及び第２の半導体発光素子は、化合物半導体に埋設される反射構造をさらに備え、この反射構造と前記した凸部とで囁き回廊モード共振器を構成することを特徴とする。
【００１９】
本発明の第１及び第２の半導体発光素子は、凸部の底の輪郭を含む平面の垂直方向から見て、発光部が凸部の形成領域内に形成され、且つ、当該凸部が反射構造の形成領域内に形成されており、前記した孔部の少なくとも一部が、前記した囁き回廊モード共振器の共振領域内に形成されていることを特徴とする。
【００２０】
本発明の半導体発光素子は、前記した反射構造が化合物半導体と、化合物半導体よりも屈折率が小さい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。
本発明の第１及び第２の半導体発光素子は、前記した凸部の底の輪郭を含む平面に垂直、且つ、凸部の天頂部を通る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、前記した凸部の稜線が曲線であって、特に、前記した半導体発光素子の中心軸上に中心点を有する球体の一部であることを特徴とする。
【００２１】
また、本発明の第１及び第２の半導体発光素子は、前記し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、前記した凸部の稜線が階段状であり、当該階段部分の幅及び高さのそれぞれが、当該の半導体発光素子の発光波長の半分よりも小さいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の半導体発光素子によれば、発光部の近傍に凸部を設けることで、発光部外辺部からの光を囁き回廊モード共振させ、凸部の天頂部に設けた孔部で散乱させることによって発光部外辺部からの光を取り出すので、光取出し効率を向上させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１の実施形態における半導体発光素子１０の概観斜視図
【図２】第１の実施形態における半導体発光素子１０の断面図
【図３】第１の実施形態における半導体発光素子１０の、凸部１３の直径による取出し光強度の計算結果
【図４】第１の実施形態における半導体発光素子１０の、ノッチ１４の有無による取出し光強度の計算結果
【図５】第２の実施形態における半導体発光素子２０の概観斜視図
【図６】第２の実施形態における半導体発光素子２０の側面透視図
【図７】第２の実施形態における半導体発光素子２０の断面図
【図８】第２の実施形態における半導体発光素子２０の上方図
【図９（ａ）】第１の実施形態における半導体発光素子１０において、凸部１３を階段状に形成した例
【図９（ｂ）】第２の実施形態における半導体発光素子２０において、凸部１３を階段状に形成した例
【図１０】第２の実施形態における半導体発光素子２０の、凸部１３の直径及び内壁面２３の高さによる取出し光強度の計算結果
【図１１】第２の実施形態における半導体発光素子２０の、発光部１２の中央部からの発光の伝搬イメージ図
【図１２】第２の実施形態における半導体発光素子２０の、ノッチ１４の大きさによる取出し光強度の計算結果
【図１３】第２の実施形態における半導体発光素子２０の、発光部１２の発光点位置による取出し光強度の計算結果
【図１４】第２の実施形態における半導体発光素子２０の、発光部１２の外辺部からの発光の伝搬イメージ図
【図１５（ａ）】第１の実施形態における半導体発光素子１０を用いた、本発明の他の利用形態の例
【図１５（ｂ）】第２の実施形態における半導体発光素子２０を用いた、本発明の多の利用形態の例
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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。
【第１の実施形態】
【００２５】
図１は本発明の第１の実施形態における半導体発光素子（以下、第１の半導体発光素子という）１０の概観斜視図である。図２は第１の半導体発光素子１０の断面図である。
【００２６】
第１の半導体発光素子１０は、化合物半導体１１、化合物半導体１１に埋設された発光部１２と反射構造１５によって構成される。第１の半導体発光素子１０からの光を主に取出す方向を光取出し方向１７として、化合物半導体１１は、光取出し方向１７に凸形状である凸部１３を備える。光取出し方向１７に沿った第１の半導体発光素子１０の中心軸と交わる凸部１３の天頂部には、円柱状の孔部（以下、ノッチと称す）１４が形成される。反射構造１５は、発光部１２の近傍、且つ、光取出し方向１７の反対側に構成される。
【００２７】
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及び図２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。
【００２８】
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及び図２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。
【００２９】
凸部１３は、化合物半導体１１の光取出し方向１７側の表面に、当該光取出し方向１７に凸形状である。凸部１３の底の輪郭を含む平面の垂直方向は、前記した光取出し方向１７と略等しい。凸部１３は、例えばエッチング等の手段によって、凸部１３以外の領域が除去されることで形成される。
【００３０】
ノッチ１４は、凸部１３が形成された後、エッチング等によって形成される。ノッチ１４は、光取出し方向１７に沿った第１の半導体発光素子１０の中心軸と交わる凸部１３の天頂部に形成されることが望ましい。ノッチ１４は、その直径と深さが等しく形成され、その値を以ってノッチ１４の大きさと称することもある。また、ノッチ１４は、前記のように光取出し方向１７に沿った第１の半導体発光素子１０の中心軸と交わる凸部１３の天頂部にエッチング等によって形成された後、空気の屈折率に略等しい屈折率を備えた材料で充填されても良い。
【００３１】
本実施形態における凸部１３は、第１の半導体発光素子１０の光取出し方向１７に沿った中心軸上に中心点を有する球面の一部として図示、説明しているが、これに限定されるわけではない。例えば図９（ａ）に示すように、第１の導体発光素子１０の光取出し方向１７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第１の半導体発光素子１０の断面において、凸部１３の稜線が階段状となるように形成することも可能である。但し、凸部１３の稜線を階段状に形成する場合には、第１の半導体発光素子１０の発光の伝搬への干渉を抑制するため、階段部分の幅方向、高さ方向の何れも、第１の半導体発光素子１０の発光波長の半分よりも小さくなるようにすれば良い。
【００３２】
反射構造１５は、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１６とを、交互に積層した回折格子として構成される。反射構造１５における化合物半導体１１と低屈折率材料１６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１６との屈折率差などをパラメータとして、反射構造１５が必要な反射率となるように適宜設計される。
（第１の実施形態の効果）
図３は、第１の半導体発光素子１０における凸部１３の直径をパラメータとして、取り出される光強度を計算した結果である。なお、凸部１３の底の輪郭における直径を凸部１３の直径として定義し、取り出される光強度の計算には、ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ）法を用いた。図３の横軸は凸部１３の直径［μｍ］であり、縦軸は取出し光強度［ｍＷ］である。計算に用いたモデルでは、凸部１３の直径による影響を調べるため、凸部１３の天頂部にノッチ１４は形成していない。
【００３３】
凸部１３の直径によって取り出される光強度は異なり、直径が大きくなるのに伴って取出し光強度は強くなるが、直径１．５μｍで極大、且つ、最大強度となり、それ以上直径を大きくしても取出し光強度は弱くなる。図３における凸部１３の直径０．５μｍの結果は、凸部１３を形成しない場合に略等しいため、凸部１３の形成による取り出し光強度の向上効果が確認できる。図３に示した結果から、本計算モデルにおける凸部１３では、直径１．５μｍが最適値であると考えられる。
【００３４】
図４は、第１の半導体発光素子１０におけるノッチ１４の有無による取り出し光強度を比較した結果である。なお、図３の結果に基づいて、凸部１３の直径は１．５μｍとし、ノッチの大きさは０．２μｍとした。図４に示した結果から、ノッチ１４の形成による取り出し光強度の向上効果が確認できる。
【第２の実施形態】
【００３５】
図５は本発明の第２の実施形態における半導体発光素子（以下、第２の半導体発光素子という）２０の概観斜視図である。図６は第２の半導体発光素子２０の側面透視図、図７は図６におけるＡ−Ａ線における断面図である。図８は第２の半導体発光素子２０の上面図である。なお、第１の半導体発光素子１０と同様の構成要素には同じ符号を付与し、詳細な説明は省略する。
【００３６】
第２の半導体発光素子２０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と反射構造１５によって構成される。
第２の半導体発光素子２０は面発光型の発光素子であり、第２の半導体発光素子２０からの光を主に取出す方向を光取出し方向１７として、化合物半導体１１の光取出し方向１７側の最上面が光取出し面２１となる。光取出し面２１は、その一部に開口部２２を有し、開口部２２から発光部１２の近傍を底部とする凹形状である凹部２４が形成される。凹部２４の底部には、光取出し方向１７に凸形状である凸部１３を備える。凸部１３に、ノッチ１４が形成される。ノッチ１４は、光取出し方向１７に沿った第２の半導体発光素子１０の中心軸と交わる凸部１３の天頂部に形成されることが望ましい。開口部２２の輪郭は、凸部１３の底の輪郭に相似する。なお、本願発明における相似とは、幾何学的な定義に基づくもので、一方を一様なスケール変換（拡大または縮小）することで他方と合同になることを意味する。凹部２４の内壁面２３は、一方の端部が開口部の輪郭であり、他方の端部が凸部の底の輪郭である。反射構造１５は、発光部１２の近傍、且つ、光取出し方向１７の反対側に形成される。
【００３７】
本実施形態における凸部１３は、第２の半導体発光素子２０の光取出し方向１７に沿った中心軸上に中心点を有する球体の一部として図示、説明しているが、これに限定するわけではない。例えば図９（ｂ）に示すように、第２の導体発光素子２０の光取出し方向１７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当該半導体発光素子の断面において、凸部１３の稜線が階段状となるように形成することも可能である。但し、凸部１３の稜線を階段状に形成する場合には、第２の半導体発光素子２０の発光の伝搬への干渉を抑制するため、階段部分の幅方向、高さ方向の何れも、第２の半導体発光素子２０の発光波長の半分よりも小さくなるようにすれば良い。
【００３８】
本実施形態におけるノッチ１４は、第１の実施形態において説明したのと同様に、光取出し方向１７に沿った第２の半導体発光素子の中心軸と交わる凸部１３の天頂部にエッチング等によって形成された後、空気の屈折率に略等しい屈折率を備えた材料で充填されても良い。また、本実施形態における凹部２４もまた、前記したノッチ１４と同様に、空気の屈折率に略等しい屈折率を備えた材料で充填されても良い。
（第２の実施形態の効果）
第２の半導体発光素子２０における凸部１３の直径と、内壁面２３の高さをパラメータとして、取り出される光強度を計算した結果を図１０に示す。なお、凸部１３の底の輪郭における直径を凸部１３の直径として定義し、凸部１３の底の輪郭から光取出し面２１までの距離を内壁面２３の高さとして定義した。図１０の横軸は凸部１３の直径［μｍ］であり、縦軸は取出し光強度［ｍＷ］である。図１０中に実線で示す結果は、図３に示した第１の半導体発光素子における凸部１３の直径による計算結果と同じである。なお、計算に用いたモデルでは、凸部１３の直径或いは内壁面２３の高さによる影響を調べるため、ノッチ１４は形成していない。
【００３９】
光取出し面２２における取出し光強度は、内壁面２３を形成しない場合の取出し光強度、即ち第１の半導体発光素子１０における取出し光強度を基準光強度とすると、内壁面２３の高さが高くなるほど取出し光強度の最大値は大きくなる。内壁面２３の高さを１．５μｍとした場合の取出し光強度は、基準光強度の２倍の値が得られた。図１０に示した結果では、内壁面２３を高くするほど取出し光強度は大きくなる傾向であるため、内壁面２３の高さを１．５μｍより高くすることで取出し光強度をより大きくできる可能性はある。しかしながら、内壁面２３をより高くするためには、例えば化合物半導体１１をより厚く堆積させたり、凹部２４を形成するためにより深くエッチングしたりするなど、製造プロセスにおける所要時間や加工精度などのデメリットも生じるため、内壁面２３の高さは１．５μｍ以内が好適と考えられる。
【００４０】
取出し光強度は、内壁面２３の高さが異なる何れの場合でも、凸部の直径が１．７５μｍで最大値が得られる。よって、本実施形態における凸部１３の直径は、１．７５μｍが最適値であると考えられる。
【００４１】
図１１は発光部１２の中央部からの発光の伝搬イメージを、本実施形態である第２の半導体発光素子２０の断面において表した図である。発光部１２の中央部からの主な光は、図１１においてＣ１やＣ２で示すように、凸部１３を通って光取出し面２１に直接到達する。さらに、Ｃ３で示すように、内壁面２３で屈折して光取出し面２１に到達する光の伝搬経路が考えられる。図１０において、内壁面２３の高さが高くなるほど取出し光強度の最大値が大きくなったのは、Ｃ３のような光の伝搬によるものと考えられる。
【００４２】
また、光取出し面２１とは反対側に発光が放射されることも考えられるが、Ｃ４で示すように、反射構造１５により光取出し面２１方向に反射されるので、Ｃ１、Ｃ２、及びＣ３と同様に光取出し面２１から発光を得ることが出来る。
【００４３】
図１２は、本実施形態におけるノッチ１４の大きさによる、取出し光強度の計算結果である。図１２の横軸はノッチ１４の大きさ［μｍ］であり、縦軸はノッチ１４の大きさが０［μｍ］、即ちノッチ１４を形成しない場合の取出し光強度を基準とした相対光強度である。なお、図１０で示した結果を考慮し、凸部１３の直径を１．８μｍ、内壁面２３の高さを１．５μｍとしたモデルを用いて計算した。ノッチ１４が形成されている場合には、その大きさに依らずノッチ１４を形成していない場合よりも強い光強度が得られている。このことから、ノッチ１４による取出し光強度の向上効果が確認できる。
【００４４】
図１２では、相対光強度の極大点が周期的に得られている。相対光強度が極大となるノッチ１４の大きさをＳとすると、化合物半導体１１の屈折率ｎと発光部１２の発光波長λを用いて式（１）に示す関係が見出せる。但し、Ｎは０以上の整数である。
【００４５】
【数１】
2019067856.tif 000003
【００４６】
一方、相対光強度が極小となるのは、式（１）と同様のパラメータを用いて、式（２）に示す関係が見出せる。
【００４７】
【数２】
2019067856.tif 000004
【００４８】
前記の通り、ノッチ１４を形成することで、ノッチ１４を形成しない場合よりも強い光強度が得られているため、ノッチ１４の大きさが式（２）に因ったとしても取出し光強度は向上する。しかしながら、より強い効果を得るためには、ノッチ１４の大きさが式（１）に因るようにするのが望ましい。
【００４９】
図１３は、発光部１２の中心から発光点までの距離をパラメータとして、取出し光強度をノッチ１４の大きさ毎に計算した結果である。図１３の横軸は、計算上設定した発光点の位置［μｍ］であり、縦軸は取出し光強度［ｍＷ］である。なお、図１３における計算結果を、ノッチ１４の大きさ毎に積算して相対化した結果が図１２である。
【００５０】
ノッチ１４を形成していない場合、発光点が発光部１２の中心である場合（位置０μｍ）に取出し光強度の最大値が得られている。発光点が発光部１２の中心から離れるのに従って、取出し光強度は減少し、発光点が発光部１２の中心から０．５μｍ以上離れると取出し光強度はほぼ０となってしまう。一方、ノッチ１４が形成してある場合には、ノッチ１４の大きさによって、取出し光強度の最大値が得られる発光点の位置や、発光点の位置変化に伴う取出し光強度の変化傾向などは異なるものの、発光点が発光部１２の中心から０．５μｍ以上離れても取出し光強度は０とはならない。
【００５１】
図１４は、発光部１２の外辺部からの発光の伝搬イメージを、本実施形態である第２の半導体発光素子２０の断面において表した図である。発光部１２の外辺部からの発光は、発光点近傍に凸部１３が設けられているため、図１４中にＥ１で示すように、囁き回廊モードによって凸部１３における発光部１２側の内面に沿って伝搬される。発光点とは反対側に到達すると、反射構造１５で反射され、再度凸部１３における発光部１２側の内面に沿って伝搬される。このように凸部１３発光部１２側の内面と反射構造１５によって、図１４中に二点鎖線で囲んだように囁き回廊モード共振器が構成される。光取出し方向に沿った第２の半導体発光素子の中心軸と交わる凸部１３の天頂部に形成されたノッチ１４の少なくとも一部が、囁き回廊モード共振器の共振領域内に形成されていれば、共振状態にある発光の一部がＥ２或いはＥ３で示すようにノッチ１４で散乱され、光取出し面２１から取り出される。
【００５２】
一方、ノッチ１４が形成されていない場合には、発光部１２の外辺部からの発光は、凸部１３における発光部１２側の内面に沿った伝搬と反射構造１５での反射を繰り返すだけで、Ｅ２或いはＥ３で示すように散乱されることはないので、光取出し面２１から取り出されることはない。Ｅ２或いはＥ３で示すようなノッチ１４での散乱による光取り出しの有無が、図１３において発光点が中心から０．５［μｍ］以上離れた場合の、取出し光強度のレベル差の要因である。
【００５３】
以上説明したように、本実施形態である第２の半導体発光素子２０では、発光部１２の光取出し面２１側の近傍に凸部１３を形成することで、囁き回廊モードによって発光部１２の外辺部からの発光が凸部１３における発光部１２側の内面に沿って伝搬され、更に反射構造１５によって反射されることで囁き回廊モード共振器が構成される。更に、光取出し方向に沿った第２の半導体発光素子の中心軸と交わる凸部１３の天頂部にノッチ１４が形成されることで、共振状態にある発光部１２の外辺部からの発光の一部が散乱されるので、光の取出し効率を向上することが出来る。
【利用形態の説明】
【００５４】
以上説明した本発明の各実施形態では、半導体発光素子１０または２０それぞれ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。例えば、図１５（ａ）、（ｂ）に示すように、複数個の半導体発光素子１０または２０をそれぞれ直列に配置し、半導体発光素子アレイを構成しても良い。
【符号の説明】
【００５５】
１０          第１の半導体発光素子
１１          化合物半導体
１２          発光部
１３          凸部
１４          孔部（ノッチ）
１５          反射構造
１６          低屈折率材料
１７          光取出し方向
２０          第２の半導体発光素子
２１          光取出し面
２２          開口部
２３          内壁面
２４          凹部
【図１】
2019067856.tif 000005
【図２】
2019067856.tif 000006
【図３】
2019067856.tif 000007
【図４】
2019067856.tif 000008
【図５】
2019067856.tif 000009
【図６】
2019067856.tif 000010
【図７】
2019067856.tif 000011
【図８】
2019067856.tif 000012
【図９（ａ）】
2019067856.tif 000013
【図９（ｂ）】
2019067856.tif 000014
【図１０】
2019067856.tif 000015
【図１１】
2019067856.tif 000016
【図１２】
2019067856.tif 000017
【図１３】
2019067856.tif 000018
【図１４】
2019067856.tif 000019
【図１５（ａ）】
2019067856.tif 000020
【図１５（ｂ）】
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