(57)【要約】【課題】活性層で発生した偏光光の出力効率の低下を抑制する発光素子を提供する。【解決手段】非極性面又は半極性面を主面とするIII族窒化物半導体からなり、第１導電型の第１半導体層１１０、活性層１２０及び第２導電型の第２半導体層１３０がこの順に積層され、活性層１２０から偏光光を発生する発光部１００と、偏光光の偏光方向に対して垂直方向に延伸するストライプ状の溝が偏光方向に複数配列され、のこぎり波形状の出力面１１をなす出力部１０とを備え、発光部１００から出力部１０を透過して、出力面１１から偏光光が出力される。【選択図】図１
2008305971.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非極性面又は半極性面を主面とするIII族窒化物半導体からなり、第１導電型の第１半導体層、活性層及び第２導電型の第２半導体層がこの順に積層され、前記活性層から偏光光を発生する発光部と、
前記偏光光の偏光方向に対して垂直方向に延伸するストライプ状の溝が前記偏光方向に複数配列され、のこぎり波形状の出力面をなす出力部
とを備え、前記発光部から前記出力部を透過して、前記出力面から前記偏光光が出力されることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記溝の各底部に接する平面と前記溝の斜面とのなす角が、前記出力部を構成する物質と前記出力面に接する物質の屈折率から定まるブリュースタ角または該ブリュースタ角の近傍であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記出力面の表面の凹凸の大きさが、前記出力部を構成する物質の屈折率に対する前記偏光光の波長の比以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記出力部が、前記発光部の主面と同一の非極性面又は半極性面を主面とし、ガリウムを含むIII族窒化物半導体の単結晶基板であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項５】
前記発光部と前記出力部の間に配置された透明電極を更に備えることを特徴と
する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物半導体からなる発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば半導体レーザや発光ダイオード（ＬＥＤ）等に、III族窒化物半導体からなる発光素子が使用されている。III族窒化物半導体の例としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）等がある。代表的なIII族窒化物半導体は、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される。窒化ガリウム（ＧａＮ）は、窒素を含む六方晶化合物半導体の中でもよく知られたIII族窒化物半導体である。
【０００３】
ＧａＮを用いた発光素子は、一般にＧａＮ基板上に、ｎ型ＧａＮ層、活性層（発光層）及びｐ型ＧａＮ層を積層した構造を有し、活性層で発生した光を外部に出力する。近年、出力する光が偏光光である発光素子の利用が進められている（例えば非特許文献１参照。）。偏光光を出力する発光素子を液晶バックライトやプロジェクタ光源として使用すれば、偏光板でカットされる光の成分が少なくなり、液晶バックライトやプロジェクタ光源の効率が向上すると期待されている。
【非特許文献１】タケウチ（T. Takeuchi）、他  著、「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス、第３９巻 (Japanese Journal of Applied Physics vol.39) 」、２０００年、ｐ．４１３−４１６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、発光素子の光を外部に取り出す面（以下において、「出力面」という。）において活性層から出力された光が反射されて、発生した光に対する発光素子の外部に出力される光の割合が減少し、発光素子の出力効率が低下するという問題があった。これまでは、上記の出力効率低下を抑制するために、出力面を粗面とする技術があったが、この出力面を偏光光が通過すると偏光を乱してしまうという問題があった。
【０００５】
上記問題点を鑑み、本発明は、活性層で発生した偏光光の出力効率の低下を抑制する発光素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、（イ）非極性面又は半極性面を主面とするIII族窒化物半導体からなり、第１導電型の第１半導体層、活性層及び第２導電型の第２半導体層がこの順に積層され、活性層から偏光光を発生する発光部と、（ロ）偏光光の偏光方向（直線偏光成分の大きい方向）に対して垂直方向に延伸するストライプ状の溝が偏光方向に複数配列され、のこぎり波形状の出力面をなす出力部とを備え、発光部から出力部を透過して、出力面から偏光光が出力される発光素子が提供される。本発明は、光学現象に基づき、Ｐ波成分が反射率＝０になることを利用し、偏光光の透過率を高めるものである。また、偏光をランダム偏光に乱すことはない。特に、出力面と溝の斜面とのなす角をブリュースタ角にすることにより、出力面から出力される光の光軸が出力面と垂直になり、発光素子の出力効率を向上させる上で好ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、偏光光の偏光を乱すことなく（偏光比を保ったまま）、活性層で発生した偏光光の出力効率の低下を抑制する発光素子を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に、図面を参照して、本発明の第１又は第２の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【０００９】
又、以下に示す第１又は第２の実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１０】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る発光素子１は、非極性面又は半極性面を主面とするIII族窒化物半導体からなり、図１に示すように、第１導電型の第１半導体層１１０、活性層１２０及び第２導電型の第２半導体層１３０がこの順に積層され、活性層１２０から偏光光を発生する発光部１００と、偏光光の偏光方向に対して垂直方向に延伸するストライプ状の溝が偏光方向に複数配列され、のこぎり波形状の出力面１１をなす出力部１０とを備える。発光部１００から出力部１０を透過した偏光光は、出力面１１から出力部１０の外部に出力される。ここで、偏光光とは、直線偏光成分が均等（ランダム）ではなく偏りがあるものを示すが、１００％の直線偏光でなくてもよい。最も直線偏光成分の大きい方向を偏光光の偏光方向とする。
【００１１】
発光部１００は、ＧａＮ結晶の非極性（ノンポーラ）面又は半極性（セミポーラ）面を結晶成長表面として、第１導電型の第１半導体層１１０、活性層１２０及び第２導電型の第２半導体層１３０をこの順に、結晶成長表面の法線方向に積層して形成される。例えば、成長面を非極性面であるｍ面とすると、発光素子１は、ｍ面を主面とするIII族窒化物半導体となる。
【００１２】
活性層１２０に、第１半導体層１１０から第１導電型のキャリア、第２半導体層１３０から第２導電型のキャリアがそれぞれ供給される。第１導電型がｎ型、第２導電型がｐ型である場合は、第１半導体層１１０から供給される電子と第２半導体層１３０から供給される正孔が活性層１２０において再結合し、活性層１２０から偏光光が発生する。活性層１２０は、例えば、井戸層（ウェル層）を井戸層よりもバンドギャップの大きなバリア層（層障壁層）でサンドイッチ状に挟んだ量子井戸(quantum well)構造を採用可能である。なお、この量子井戸構造は、井戸層が１つではなく多重化してもよく、活性層１２０を多重量子井戸構造（ＭＱＷ）構造にできる。
【００１３】
通常、ＧａＮ結晶の極性面であるｃ面を結晶成長表面とするIII族窒化物半導体からなる活性層から取り出される光は、ランダム偏光（無偏光）状態である。一方、ｃ面以外のａ面、ｍ面等の非極性面又は半極性面を結晶成長表面とするIII族窒化物半導体を用いて形成した活性層１２０は、強い偏光状態の発光が可能である。例えば、ｍ面を主面として活性層１２０を形成した場合、活性層１２０はｍ面に平行な偏光成分、より具体的にはａ軸方向の偏光成分を多く含む偏光光を発生する。非極性面及び半極性面の詳細については後述する。
【００１４】
発光部１００は、出力部１０上に結晶成長により形成される。即ち、図１に示した発光素子１は、出力部１０上に第１半導体層１１０、活性層１２０、第２半導体層１３０をこの順に形成する。出力部１０は、例えばＧａＮ単結晶基板で構成される。出力部１０が非極性面であるｍ面を結晶成長表面である主面とした場合は、この主面上における結晶成長によって発光部１００が形成される。この場合、発光部１００は、ｍ面を結晶成長主面とするＧａＮからなり、発光素子１は、ｍ面を主面とするIII族窒化物半導体となる。つまり、出力部１０の主面と発光部１００の主面は同一である。
【００１５】
発光素子１は、更に、第１半導体層１１０に電圧を印加する第１電極１０１と、第２半導体層１３０に電圧を印加する第２電極１０２を備える。図１に示すように、第２半導体層１３０、活性層１２０、及び第１半導体層１１０の一部領域がメサエッチングされて第１半導体層１１０の露出した面に、第１電極１０１が配置される。第２電極１０２は、第２半導体層１３０上に配置される。第１電極１０１は、例えばアルミニウム（Ａｌ）金属からなり、第２電極１０２は、例えばパラジウム（Ｐｄ）−金（Ａｕ）合金からなる。そして、第１電極１０１は第１半導体層１１０に、第２電極１０２は第２半導体層１３０に、それぞれオーミック接続される。なお、第１半導体層１１０と第１電極１０１の間に、第１導電型のコンタクト層を配置してもよい。また、第２半導体層１３０と第２電極１０２の間に、第２導電型のコンタクト層を配置してもよい。
【００１６】
発光素子１は、出力部１０の第１半導体層１１０に接する面に対向する面を出力面１１とし、活性層１２０で発生した偏光光である出力光Ｌを、出力面１１から発光素子１の外部に出力する。そのため、発光素子１は、発光素子１が実装されるプリント基板等に第２電極１０２が直接接続するように、フリップチップ実装することができる。
【００１７】
図２に示すように、出力面１１は、出力光Ｌの偏光方向（最も成分の大きい直線偏光の方向）に対して垂直方向に延伸するストライプ状で出力光Ｌの偏光方向に配列された複数の溝を有し、かつストライプが延伸する方向に垂直な方向に沿った切断面はのこぎり波形状である。図２は、出力面１１を上方に向けた状態の出力部１０を図示している。活性層１２０で発生した出力光Ｌは、出力面１１に形成された溝の斜面を透過して、発光素子１の外部に出力される。
【００１８】
出力光Ｌが偏光光である場合、出力光Ｌが出力面１１に入射する際に、入射方向と出力面１１とのなす角が一定の範囲にある出力光Ｌの、出力面１１における反射率を低くし、透過率を高くすることができる。以下に、偏光光が出力面に入射する方向と、出力面における偏光光の反射率及び透過率との関係を説明する。以下では、図３を参照して、２種の偏光を有する入射光Ｌ１が空気中に置かれたガラス板２０に入射する場合を例に、入射光Ｌ１がガラス板２０に入射する方向と入射光Ｌ１のガラス板２０における透過率との関係を説明する。
【００１９】
図３（ａ）は、入射光Ｌ１が空気中からガラス板２０の表面２０１に入射したときに表面２０１から反射する反射光Ｌ１ｒ、ガラス板２０内部を通過する通過光Ｌ２、通過光Ｌ２のガラス板２０の裏面２０２で反射する反射光Ｌ２ｒ、及び裏面２０２から空気中に出る透過光Ｌ３の様子を示す。図３（ａ）において、入射光Ｌ１の入射面を、入射光Ｌ１の入射光軸と面法線を含む面（紙面上）とし、入射光Ｌ１の直線偏光を、入射面に平行な成分（図３（ａ）中に記号「／」で示す。）と、入射面に垂直な成分（図３（ａ）中に記号「●」で示す。）に分けて示している（以下において同様。）。以下で、図３（ｂ）に示すように、入射光Ｌ１の偏光の入射面に平行な成分を「Ｐ波」、入射面に垂直な成分を「Ｓ波」とする。
【００２０】
入射光Ｌ１のＰ波成分、Ｓ波成分それぞれの表面２０１に入射したときの反射率をＲｐ、Ｒｓとし、表面２０１で屈折してガラス板２０内部に入る割合を表面２０１での透過率としてＴｐ、Ｔｓとすると、以下のフレネルの式と呼ばれる式（１）〜式（４）が得られる：
Ｒｐ＝｛ｔａｎ（ｉ−ｒ）／ｔａｎ（ｉ＋ｒ）｝2    ・・・（１）
Ｒｓ＝｛ｓｉｎ（ｉ−ｒ）／ｓｉｎ（ｉ＋ｒ）｝2    ・・・（２）
Ｔｐ＝［２ｓｉｎ（ｒ）ｃｏｓ（ｉ）／｛ｓｉｎ（ｉ＋ｒ）ｃｏｓ（ｉ−ｒ）｝］2  ・・・（３）
Ｔｓ＝［２ｓｉｎ（ｒ）ｃｏｓ（ｉ）／ｓｉｎ（ｉ＋ｒ）］2  ・・・（４）
式（１）〜式（４）において、ｉは入射光Ｌ１の入射光軸と表面２０１の面法線とのなす角（入射角）であり、ｒは通過光Ｌ２の入射光軸と裏面２０２の面法線とのなす角（出射角）である。
【００２１】
空気の屈折率を１、ガラス板２０の屈折率ｎを１．５とすると、式（１）〜式（４）から、図４に示すような、入射角ｉと、入射光Ｌ１のＰ波成分及びＳ波成分の表面２０１における反射率Ｒｐ及びＲｓ、及びＰ波成分及びＳ波成分の表面２０１における透過率Ｔｐ、Ｔｓの関係を表すグラフが得られる。図４は表面２０１で生じる挙動であるが、同じことが裏面２０２でも生じている。
【００２２】
図４に示したように、ｉ＝０°の場合は、Ｐ波成分、Ｓ波成分の表面２０１における反射率Ｒｐ、Ｒｓは共に約４％である。そして、角ｉが大きくなるに従ってＳ波成分の反射は増大するが、Ｐ波成分は減少していき、ｉ＝５６°付近ではＰ波成分はほとんど反射しなくなる。特に、ｉ＝５６．３°のときのＰ波成分、Ｓ波成分の様子を図５に示す。図５は、Ｐ波成分の反射率Ｒｐ＝０の状態であり、この状態は、ｉ＋ｒ＝９０°の条件を満足する場合に発生する。このとき、Ｐ波成分は表面２０１、裏面２０２で反射せず全光量は透過することになり、一方、反射光Ｌ１ｒ、Ｌ２ｒはＳ波成分のみとなり、強い偏光状態の直線偏光となる。
【００２３】
上記のようにｉ＋ｒ＝９０°の条件を満足する時の角ｉを、「ブリュースタ角」という。ブリュースタ角は入射する物質の屈折率と、入射光の伝搬してきた物質の屈折率とで定まり、空気中を伝搬してきた入射光Ｌ１が屈折率ｎの物質に入射する場合のブリュースタ角ｉは、ｔａｎ（ｉ）＝ｎで与えられる。
【００２４】
ここで、図１に示した発光素子１の出力光Ｌが出力面１１に入射した場合の出力光Ｌのブリュースタ角ｉBを考えると、ブリュースタ角ｉBは、出力部１０の物質の屈折率ｎ１と、出力面１１が接する物質の屈折率ｎ２とで定まり、以下の式（５）で表される：
ｉB＝ｔａｎ-1（ｎ１／ｎ２）  ・・・（５）
ここで、出力部１０がＧａＮからなり、出力面１１から空気中に出力光Ｌが出力される場合、ＧａＮの屈折率ｎ１＝２．５、空気の屈折率ｎ２＝１とすると、式（５）からブリュースタ角ｉB＝６８．２°であり、このとき、ｉB＋ｒB＝９０°の関係から、ｒB＝２１．８°である。
【００２５】
図６に、空気中の出力光Ｌの入射光軸とＧａＮからなる出力面１１表面の溝の斜面の面法線とのなす角ｉに対する、出力光ＬのＰ波成分、Ｓ波成分の出力面１１に入射したときの出力面１１での反射率Ｒｐ、Ｒｓ、及び出力面１１での透過率Ｔｐ、Ｔｓを示す。また、図７に、ＧａＮ中の出力光Ｌの入射光軸と出力面１１表面の溝の斜面の面法線とのなす角ｒに対する、反射率Ｒｐ、Ｒｓ、及び透過率Ｔｐ、Ｔｓを示す。反射率Ｒｐ、Ｒｓ、及び透過率Ｔｐ、Ｔｓは、式（１）〜式（４）から算出される。図６において反射率Ｒｐが０％になる角ｉは、ブリュースタ角ｉB＝６８．２°である。
【００２６】
出力光ＬがＰ波成分のみの偏光光である場合、ｒ＝ｒBとなるように出力面１１に入射した出力光Ｌは、出力面１１で反射される成分が無く、全光量が出力面１１から外部に出力される。また、図７に示すように、ｒ≠ｒBであっても、例えば、１７°＜ｒ＜２２°であれば、反射率Ｒｐを１０％以下と小さくすることができる。
【００２７】
したがって、図１に示した発光素子１において、出力面１１に形成される溝が、出力光Ｌの偏光方向に対して垂直方向に延伸するストライプ状で偏光方向に配列されている場合、溝の斜面と外部に出力された出力光Ｌの光軸とのなす角がブリュースタ角或いはブリュースタ角近傍である場合に、出力面１１から外部に出力される出力光Ｌの透過率を高くすることができる。つまり、Ｐ波成分の反射率が０％になることを利用して、偏光光の透過率を高めている。
【００２８】
図８に、出力部１０を透過した出力光Ｌが出力面１１から空気中に出力される場合の、出力面１１に形成された溝の斜面における出力光Ｌの透過の状態を示す。図８は、出力面１１を上方に向けた状態の、出力部１０に形成された溝の一部の、偏光方向に沿った切断面を示している。図８に示すように、出力部１０を透過した出力光Ｌは、溝の斜面の法線方向と角ｒをなして出力面１１に形成された溝の斜面１１ａに入射し、溝の斜面１１ａの面法線と角ｉをなして空気中に出力される。特に、出力光Ｌが出力面１１から出力される方向と、溝の斜面１１ａの面法線とのなす角である角ｉが、出力部１０の物質及び出力面１１が接する物質の屈折率で定まるブリュースタ角、或いはブリュースタ角付近の角度である場合に、出力面１１における出力光Ｌの反射率Ｒｐが０％、或いは０％近くになり、出力光Ｌの出力面１１における透過率が高くなる。
【００２９】
溝の深さが一定であるとして出力面１１に形成された溝の各底部に接する平面、即ち、表面に溝が形成されていないと仮定した場合の出力面１１に平行な面を、以下において「底面」１２という。図８に示す角ｉは、底面１２と溝の斜面１１ａとのなす角（以下において、「斜面角」という。）θと大きさが等しい。したがって、斜面角θを、図６に示したような角ｉと反射率Ｒｐとの関係に基づいて反射率Ｒｐが小さくなるように選択することにより、底面１２に対して垂直方向に出力される出力光Ｌの、出力面１１で反射する成分を小さくできるため、発光素子１の出力効率の低下を抑制できる。通常、発光素子１から出力された出力光Ｌは、出力面１１の面法線方向に配置された導光板等の光学素子に入射されるためである。特に、斜面角θをブリュースタ角にすることにより、出力面１１から出力される出力光Ｌの光軸が底面１２と完全に垂直になり、発光素子１の出力効率を向上させる上で好ましい。
【００３０】
既に説明したように、出力部１０がＧａＮの場合は、ブリュースタ角ｉB＝６８．２°であり、ｒB＝２１．８°である。斜面角θがブリュースタ角ｉBと完全に一致しない場合でも、斜面角θがブリュースタ角に近いほど、出力面１１から出力された出力光Ｌの光軸は底面１２に対して垂直に近くなる。つまり、斜面角θをブリュースタ角近傍にすることにより、出力光Ｌの底面１２の面法線方向の成分が増大する。例えば、図６から、反射率Ｒｐを０．１５以下にするために斜面角θが３０°〜８０°であることが好ましいが、出力光Ｌの底面１２の面法線方向の成分を増大させるために、斜面角θが６０°〜８０°であることがより好ましい。更に好ましくは、斜面角θを６０°〜７５°にすることにより、反射率Ｒｐを０．１以下にできる。
【００３１】
例えば図９（ａ）に示すように、斜面角θ＝６７．５°とすると、出力面１１に形成された溝の斜面１１ａに角ｒ＝２２．５°で入射する出力光Ｌは、斜面角θがブリュースタ角に近いため、底面１２に対してほぼ垂直方向に出力される。更に、斜面角θ＝６７．５°の場合は、図９（ｂ）に示すように、底面１２に対して垂直に出力部１０を透過してきた出力光Ｌは、溝の斜面１１ａにおいてほぼ全反射し、出力光Ｌは斜面１１ａに対向する斜面１１ｂから外部に出力される。このとき、斜面１１ｂに入射する出力光Ｌの光軸と斜面１１ｂの面法線とのなす角は２２．５°となる。そのため、図９（ａ）と同様に、斜面１１ｂから出力される出力光Ｌの光軸は、底面１２に対して垂直に近くなる。その結果、出力面１１から出力される出力光Ｌ全体の光量が増大し、発光素子１の出力効率は向上する。
【００３２】
図１０に、発光部１００の詳細な構造例を示す。図１０に示した発光部１００は、出力部１０上に第１半導体層１１０、活性層１２０、第２半導体層１３０をこの順に形成してなる。出力部１０は、例えばＧａＮ単結晶基板で構成される。既に説明したように、例えば出力部１０が非極性面であるｍ面を結晶成長表面である主面とした場合は、出力部１０の主面上における結晶成長によって発光部１００が形成される。その場合、発光部１００は、ｍ面を結晶成長主面とするＧａＮとなる。
【００３３】
以下に、図１０に示した第１半導体層１１０をｎ型半導体、第２半導体層１３０をｐ型半導体とする場合の、第１半導体層１１０、活性層１２０及び第２半導体層１３０の構造例を説明する。
【００３４】
第１半導体層１１０は、出力部１０上に第１コンタクト層１１１を積層した構成である。第１コンタクト層１１１は、例えば膜厚２μｍの第１導電型（ｎ型）のＧａＮ層である。第１半導体層１１０の一部領域がメサエッチングされて露出される第１コンタクト層１１１上に、第１電極１０１が配置される。
【００３５】
第２半導体層１３０は、活性層１２０上に、電子ブロック層１３１及び第２コンタクト層１３２をこの順で積層した構成である。電子ブロック層１３１は、例えば膜厚２０ｎｍの第２導電型（ｐ型）のＡｌＧａＮ層であり、第２コンタクト層１３２は、例えば膜厚０．３μｍのｐ型ＧａＮ層である。第２電極１０２は、第２コンタクト層１３２上に配置される。
【００３６】
第１コンタクト層１１１及び第２コンタクト層１３２は、それぞれ第１電極１０１及び第２電極１０２とのオーミックコンタクトを取るための低抵抗層である。第１コンタクト層１１１をｎ型半導体にする場合は、ＧａＮ層に、例えばｎ型ドーパントとしてのシリコン（Ｓｉ）イオンを、３×１０18ｃｍ-3程度の高濃度でドープする。また、第２コンタクト層１３２をｐ型半導体にする場合は、ＧａＮ層にｐ型ドーパントとしてのマグネシウム（Ｍｇ）を、例えば３×１０19ｃｍ-3の高濃度でドープする。
【００３７】
活性層１２０は、例えば窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）を含む多重量子井戸構造が採用可能であり、電子と正孔とが再結合することにより光が発生し、その発生した光を増幅させるための層である。活性層１２０は、例えば、膜厚３ｎｍのＩｎＧａＮ層と膜厚９ｎｍのＧａＮ層とを交互に複数周期繰り返し積層して構成される。この場合に、ＩｎＧａＮ層は、インジウム（Ｉｎ）の組成比を５％以上とすることにより、バンドギャップが比較的小さくなり、量子井戸層を構成する。一方、ＧａＮ層は、バンドギャップが比較的大きなバリア層（障壁層）として機能する。ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とは交互に２〜７周期繰り返し積層されて、ＭＱＷ構造の活性層１２０が構成される。発光波長は、量子井戸層（ＩｎＧａＮ層）におけるＩｎの組成比を調整することによって、例えば４００ｎｍ〜５５０ｎｍに設定できる。
【００３８】
電子ブロック層１３１は、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層に、例えば５×１０18ｃｍ-3のドーピング濃度でｐ型ドーパントとしてＭｇをドープすることにより、ｐ型半導体として形成される。電子ブロック層１３１は、活性層１２０からの電子の流出を防いで、電子および正孔の再結合効率を高める。
【００３９】
出力部１０を、例えばｍ面を主面とするＧａＮ単結晶基板とする場合、ｃ面を主面としたＧａＮ単結晶から切り出して作製することができる。切り出された基板（出力部１０）のｍ面は、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）処理等によって研磨され、ｃ面｛０００１｝方向及びａ面｛１１−２０｝方向の両方に関する方位誤差が±１°以内（好ましくは±０．３°以内）で形成される。こうして、ｍ面を主面とし、かつ、転位や積層欠陥といった結晶欠陥のないＧａＮ単結晶基板が得られる。このようなＧａＮ単結晶基板の表面には、原子レベルの段差が生じているにすぎない。このようにして得られるＧａＮ単結晶基板上に、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等によって、発光部１００が成長させられる。
【００４０】
出力部１０の出力面１１は、例えば、フォトリソグラフィ技術によって出力面１１の表面にストライプ状に形成されたレジスト膜、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜等をマスクにした異方性エッチングによって、出力光Ｌの偏光方向に対して垂直方向に延伸するストライプ状で偏光方向に配列された複数の溝が、ストライプが延伸する方向に垂直な方向に沿った切断面がのこぎり波形状になるように形成される。出力部１０がｍ面を主面とするＧａＮ単結晶基板の場合、図１２に示すように、ストライプはｃ軸方向に延伸する。
【００４１】
出力面１１における出力光Ｌの散乱を抑制するため、溝の表面はできるだけ滑らかであることが好ましい。そのため、例えば、出力面１１に形成される溝の斜面の表面の凹凸の大きさは、出力部１０を構成する物質の屈折率に対する出力光Ｌの波長の比以下であることが好ましい。これにより、偏光光の透過率を増大させ、かつ偏光を維持できる。
【００４２】
更に、斜面の表面の凹凸の大きさは、バレー・トゥ・ピーク（valley to peak）とすることも考えられる。即ち、出力部１０を構成する物質の屈折率ｎ、及び出力光Ｌの波長λに対して、斜面の凹凸の大きさｄは、ｄ≦λ／ｎであることが好ましい。ＧａＮの屈折率ｎは２．５程度であるため、例えば出力光Ｌの波長λが４００〜５００ｎｍの場合は、溝の斜面の表面の凹凸の大きさｄを１００ｎｍ以下にすることにより、出力面１１の表面は、発光部１００が発生した出力光Ｌの偏光状態にほとんど影響を与えない程度の平坦度となる。
【００４３】
出力面１１に形成する斜面の所定の角度は、エッチング条件（ＧａＮを加工するときは、Ｃｌ系ガスプラズマの温度、ガス圧、バイアス等）を制御することにより、得ることができる。
【００４４】
以下に、図１１を参照して、非極性面及び半極性面について説明する。図１１は、III族窒化物半導体の結晶構造のユニットセルを示す模式図である。図１１（ａ）に示すようにIII族窒化物半導体の結晶構造は、六方晶系で近似することができる。六方晶系のｃ軸は六角柱の軸方向に沿い、このｃ軸を法線とする面（六角柱の頂面）がｃ面｛０００１｝である。ｃ面に平行な２つの面でIII族窒化物半導体の結晶を劈開すると、＋ｃ軸側の面（＋ｃ面）はIII族原子が並んだ結晶面となり、−ｃ軸側の面（−ｃ面）は窒素原子が並んだ結晶面となる。そのため、ｃ面は、＋ｃ軸側と−ｃ軸側とで異なる性質を示すので、極性面(Polar Plane)と呼ばれる。
【００４５】
図１１（ｂ）に示すように、一つのIII族原子に対して４つの窒素原子が結合している。４つの窒素原子は、III族原子を中央に配置した正四面体の４つの頂点に位置している。これらの４つの窒素原子は、一つの窒素原子がIII族原子に対して＋ｃ軸方向に位置し、他の三つの窒素原子がIII族原子に対して−ｃ軸側に位置している。このような構造のために、III族窒化物半導体では、分極方向がｃ軸に沿っている。
【００４６】
六方晶系においては、六角柱の側面がそれぞれｍ面｛１０−１０｝であり、隣り合わない一対の稜線を通る面がａ面｛１１−２０｝である。これらは、ｃ面に対して直角な結晶面であり、分極方向に対して直交しているため、極性のない平面、すなわち、非極性面(Nonpolar Plane)である。更に、図１１（ｃ）に示すような、ｃ面に対して傾斜している（ｃ面に平行でもなく直角でもない）結晶面は、分極方向に対して斜めに交差しているため、若干の極性のある平面、すなわち、半極性面(Semipolar Plane)である。半極性面の具体例は、｛１０−１−１｝面、｛１０−１−３｝面、｛１１−２２｝面等である。
【００４７】
以上の説明では、出力面１１が空気に接している場合を例示的に説明した。既に説明したように、ブリュースタ角ｉBは、出力部１０の物質の屈折率ｎ１と、出力面１１が接する物質の屈折率ｎ２とで定まり、式（５）で表される。したがって、出力面１１が空気以外の物質に接している場合、例えば発光素子１がレジンで保護封止されている場合には、出力光Ｌのブリュースタ角は、出力部１０の屈折率ｎ１とレジンの屈折率ｎ２との比で定まる。
【００４８】
以上に説明したように、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子１によれば、出力面１１に形成される溝を、出力光Ｌの偏光方向に対して垂直方向に延伸するストライプ状で偏光方向に配列することによって、出力面１１に入射する偏光光である出力光Ｌの、出力面１１で反射されずに透過する比率を高くできる。特に、底面１２と出力面１１に形成される溝の斜面１１ａとのなす角をブリュースタ角、或いはブリュースタ角近傍に設定することにより、出力光Ｌの底面１２に垂直な成分が増大されて、発光素子１から出力された出力光Ｌの外部光学素子に入射する光量の減少が抑制され、発光素子の発光効率を向上することができ、且つ偏光を維持できる。
【００４９】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る発光素子１Ａは、図１２に示すように、第２半導体層１３０上に配置された透明電極１４０、及び透明電極１４０上に配置された第２電極１０２及びキャップ層１５０を更に備え、キャップ層１５０を出力光Ｌが出力される出力部とする点が、図１に示した発光素子１と異なる。即ち、発光素子１Ａは、キャップ層１５０の透明電極１４０と接する面と対抗する面を出力面１５１とする。また、第１電極１０１が、基板１０Ａの発光部１００と接する主面に対向する主面に接して配置される。その他の構成については、図１に示す第１の実施の形態と同様である。
【００５０】
透明電極１４０としては、例えば酸化亜鉛（ＺｎＯ）電極が採用可能であり、キャップ層１５０としては、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜が採用可能である。第２電極１０２は、透明電極１４０とプリント基板等との配線接続のために透明電極１４０に接合される。なお、キャップ層１５０、透明電極１４０、第２半導体層１３０、活性層１２０、及び第１半導体層１１０の一部領域をメサエッチングして露出させた第１半導体層１１０の表面に、第１電極１０１を配置してもよい。
【００５１】
図１に示した発光素子１は、発光部１００をその主面上に成長させる基板を出力部１０として出力光Ｌを出力したが、図１２に示した発光素子１Ａは、活性層１２０で発生して、透明電極１４０を透過した出力光Ｌを、キャップ層１５０の出力面１５１から出力する。
【００５２】
そのため、図１２に示すように、出力光Ｌが外部に出力されるキャップ層１５０の出力面１５１は、出力光Ｌの偏光方向に対して垂直方向に延伸するストライプ状で偏光方向に配列された複数の溝が形成され、かつストライプが延伸する方向に垂直な方向に沿った切断面がのこぎり波形状である。
【００５３】
その結果、活性層１２０で発生した出力光Ｌの、キャップ層１５０の出力面１５１で反射される割合が抑制され、活性層１２０で発生した出力光Ｌに対する外部に出力される比率が改善される。そのため、発光素子１Ａの出力効率を向上させることができる。特に、キャップ層１５０を透過した出力光Ｌが出力面１５１から出力される方向と、出力面１５１に形成された溝の斜面の面法線とのなす角である角ｉが、キャップ層１５０の物質の屈折率及び出力面１５１が接する物質の屈折率で定まるブリュースタ角、或いはブリュースタ角付近の角度にすることによって、出力面１５１における出力光Ｌの反射率Ｒｐが小さくなって出力光Ｌの出力面１５１における透過率を高くするとともに、出力光Ｌの出力面１５１の面法線方向の成分を増大させることができる。
【００５４】
ブリュースタ角は光が取り出される面の屈折率に応じて変える。なお、光を取り出す面として、第１の実施の形態ではＧａＮの表面を加工する例を示し、第２の実施の形態ではキャップ層１５０の表面を加工する例を示したが、本質的には同じである透明電極１４０そのものの表面を加工してもよい。他は、第１の実施の形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。
【００５５】
上記のように、本発明は第１又は第２の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。
【００５６】
この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の構成例を示す模式図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の出力面の形状例を示す模式図である。
【図３】図３（ａ）は偏光光の反射及び透過を説明するための模式図であり、図３（ｂ）はＰ波及びＳ波を説明するための模式図である。
【図４】入射角と反射率及び透過率の関係を示すグラフである。
【図５】偏光光のブリュースタ角を説明するための模式図である。
【図６】入射角と反射率及び透過率の関係を示すグラフである。
【図７】出射角と反射率及び透過率の関係を示すグラフである。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の出力面における出力光の透過を説明するための模式図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の出力面における出力光の透過を説明するための模式図であり、図９（ａ）は出力光の光軸と出力面の面法線のなす角が２２．５°の場合、図９（ｂ）は出力光の光軸が底面に対して垂直な場合を示す。
【図１０】本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の詳細な構成例を示す模式図である。
【図１１】非極性面及び半極性面について説明するための模式図であり、図１１（ａ）はIII族窒化物半導体の結晶構造を示す模式図であり、図１１（ｂ）はIII族原子と窒素原子の結合を示す模式図であり、図１１（ｃ）は半極性面を説明するための模式図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態に係る発光素子の構成例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５８】
Ｌ…出力光
１、１Ａ…発光素子
１０…出力部
１１…出力面
１１ａ…斜面
１１ｂ…斜面
１２…底面
１００…発光部
１０１…第１電極
１０２…第２電極
１１０…第１半導体層
１１１…第１コンタクト層
１２０…活性層
１３０…第２半導体層
１３１…電子ブロック層
１３２…第２コンタクト層
１４０…透明電極
１５０…キャップ層
【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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