JP2008305971A

JP2008305971A - Light-emitting element

Info

Publication number: JP2008305971A
Application number: JP2007151737A
Authority: JP
Inventors: Kuniyoshi Okamoto; 國美岡本; Hiroaki Ota; 裕朗太田
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2007-06-07
Filing date: 2007-06-07
Publication date: 2008-12-18

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light-emitting element suppressing the deterioration of the output efficiency of a polarized light generated in an active layer. SOLUTION: The light-emitting element comprises: a light-emitting section 100 comprising a group III nitride semiconductor using a non-polar surface or a semi-polar surface as a main surface, wherein a first conductivity type first semiconductor layer 110, an active layer 120 and a second conductivity type second semiconductor layer 130 are laminated in the order and the polarized light is emitted from the active layer 120; and an output section 10 arraying a plurality of striped trenches extending in the vertical direction to the polarizing direction of the polarized light in the polarizing direction and being formed in a sawtooth-wave shaped output surface 11, and the polarized light is transmitted through the output section 10 from the light-emitting section 100 and output from the output surface 11. COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、III族窒化物半導体からなる発光素子に関する。 The present invention relates to a light emitting device made of a group III nitride semiconductor.

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、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-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。 For example, a light emitting element made of a group III nitride semiconductor is used for a semiconductor laser, a light emitting diode (LED), or the like. Examples of group III nitride semiconductors include aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), and indium nitride (InN). A typical group III nitride semiconductor is represented by Al _x In _y Ga _1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). Gallium nitride (GaN) is a well-known group III nitride semiconductor among hexagonal compound semiconductors containing nitrogen.

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。
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 A light emitting device using GaN generally has a structure in which an n-type GaN layer, an active layer (light emitting layer) and a p-type GaN layer are stacked on a GaN substrate, and outputs light generated in the active layer to the outside. In recent years, use of a light-emitting element whose output light is polarized light has been promoted (see, for example, Non-Patent Document 1). If a light emitting element that outputs polarized light is used as a liquid crystal backlight or projector light source, it is expected that the light component cut by the polarizing plate is reduced, and the efficiency of the liquid crystal backlight or projector light source is improved.
T. Takeuchi, et al., “Japanese Journal of Applied Physics vol.39”, 2000, p. 413-416

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。 However, the ratio of the light output to the outside of the light emitting element with respect to the generated light is reflected by the light output from the active layer on the surface from which the light of the light emitting element is extracted (hereinafter referred to as “output surface”). There is a problem that the output efficiency of the light emitting element is lowered. Until now, in order to suppress the above-mentioned decrease in output efficiency, there has been a technique of making the output surface rough, but there has been a problem that the polarized light is disturbed when the polarized light passes through this output surface.

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。 In view of the above problems, the present invention provides a light emitting element that suppresses a decrease in output efficiency of polarized light generated in an active layer.

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。 According to one aspect of the present invention, (a) a group III nitride semiconductor having a nonpolar plane or a semipolar plane as a main surface, the first conductivity type first semiconductor layer, the active layer, and the second conductivity type A second semiconductor layer is laminated in this order, and a light emitting part that generates polarized light from the active layer, and (b) a stripe-shaped groove extending in a direction perpendicular to the polarization direction of polarized light (the direction in which the linearly polarized light component is large) There is provided a light emitting device including a plurality of arranged in the polarization direction and having an output surface having a sawtooth-shaped output surface, which transmits the output portion from the light emitting portion and outputs polarized light from the output surface. The present invention is based on an optical phenomenon and utilizes the fact that the P wave component has a reflectance = 0, thereby increasing the transmittance of polarized light. Further, the polarized light is not disturbed to random polarized light. In particular, by making the angle formed between the output surface and the slope of the groove a Brewster angle, the optical axis of the light output from the output surface is perpendicular to the output surface, which is preferable for improving the output efficiency of the light emitting element. .

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。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the light emitting element which suppresses the fall of the output efficiency of the polarized light which generate | occur | produced in the active layer can be provided, without disturbing the polarization of polarized light (while maintaining a polarization ratio).

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。 Next, the first or second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.

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。 The first or second embodiment shown below exemplifies an apparatus or method for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention is the component parts. The material, shape, structure, arrangement, etc. are not specified below. The technical idea of the present invention can be variously modified within the scope of the claims.

（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。 (First embodiment)
The light-emitting element 1 according to the first embodiment of the present invention is made of a group III nitride semiconductor having a nonpolar plane or a semipolar plane as a main surface. As shown in FIG. The semiconductor layer 110, the active layer 120, and the second conductivity type second semiconductor layer 130 are stacked in this order, and the light emitting unit 100 that generates polarized light from the active layer 120 extends in a direction perpendicular to the polarization direction of the polarized light. A plurality of stripe-shaped grooves are arranged in the polarization direction, and an output section 10 forming a sawtooth-shaped output surface 11 is provided. The polarized light transmitted through the output unit 10 from the light emitting unit 100 is output from the output surface 11 to the outside of the output unit 10. Here, the polarized light indicates that the linearly polarized light component is not uniform (random) but biased, but it may not be 100% linearly polarized light. The direction with the largest linearly polarized light component is defined as the polarization direction of the polarized light.

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。 The light emitting unit 100 includes a first conductivity type first semiconductor layer 110, an active layer 120, and a second conductivity type second semiconductor with a nonpolar (nonpolar) or semipolar (semipolar) surface of a GaN crystal as a crystal growth surface. Layers 130 are formed in this order by stacking in the normal direction of the crystal growth surface. For example, when the growth surface is a non-polar m-plane, the light-emitting element 1 is a group III nitride semiconductor having the m-plane as a main surface.

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。 The active layer 120 is supplied with carriers of the first conductivity type from the first semiconductor layer 110 and carriers of the second conductivity type from the second semiconductor layer 130. When the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type, electrons supplied from the first semiconductor layer 110 and holes supplied from the second semiconductor layer 130 are recombined in the active layer 120. Then, polarized light is generated from the active layer 120. The active layer 120 can employ, for example, a quantum well structure in which a well layer (well layer) is sandwiched between barrier layers (layer barrier layers) having a larger band gap than the well layer. In this quantum well structure, the number of well layers may be multiplexed instead of one, and the active layer 120 can have a multiple quantum well structure (MQW) structure.

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。 Normally, light extracted from an active layer made of a group III nitride semiconductor having a c-plane, which is a polar plane of a GaN crystal, as a crystal growth surface is in a randomly polarized (non-polarized) state. On the other hand, the active layer 120 formed using a group III nitride semiconductor having a non-polar or semipolar plane such as a-plane and m-plane other than the c-plane as a crystal growth surface can emit light in a strongly polarized state. . For example, when the active layer 120 is formed with the m-plane as the main surface, the active layer 120 generates polarized light containing a large amount of polarized light components parallel to the m-plane, more specifically, polarized light components in the a-axis direction. Details of the nonpolar plane and the semipolar plane will be described later.

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。 The light emitting unit 100 is formed on the output unit 10 by crystal growth. That is, in the light emitting device 1 illustrated in FIG. 1, the first semiconductor layer 110, the active layer 120, and the second semiconductor layer 130 are formed in this order on the output unit 10. The output unit 10 is composed of, for example, a GaN single crystal substrate. In the case where the output surface 10 has an m-plane that is a nonpolar surface as a main surface that is a crystal growth surface, the light emitting unit 100 is formed by crystal growth on the main surface. In this case, the light emitting unit 100 is made of GaN having the m-plane as the crystal growth main surface, and the light-emitting element 1 is a group III nitride semiconductor having the m-plane as the main surface. That is, the main surface of the output unit 10 and the main surface of the light emitting unit 100 are the same.

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。 The light emitting element 1 further includes a first electrode 101 that applies a voltage to the first semiconductor layer 110 and a second electrode 102 that applies a voltage to the second semiconductor layer 130. As shown in FIG. 1, the first electrode 101 is disposed on the exposed surface of the first semiconductor layer 110 by mesa-etching a part of the second semiconductor layer 130, the active layer 120, and the first semiconductor layer 110. The The second electrode 102 is disposed on the second semiconductor layer 130. The first electrode 101 is made of, for example, aluminum (Al) metal, and the second electrode 102 is made of, for example, a palladium (Pd) -gold (Au) alloy. The first electrode 101 is ohmically connected to the first semiconductor layer 110, and the second electrode 102 is ohmically connected to the second semiconductor layer 130. A first conductivity type contact layer may be disposed between the first semiconductor layer 110 and the first electrode 101. Further, a second conductivity type contact layer may be disposed between the second semiconductor layer 130 and the second electrode 102.

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。 In the light emitting element 1, a surface facing the surface in contact with the first semiconductor layer 110 of the output unit 10 is an output surface 11, and output light L which is polarized light generated in the active layer 120 is output from the output surface 11 to the light emitting element 1. Output to the outside. Therefore, the light-emitting element 1 can be flip-chip mounted so that the second electrode 102 is directly connected to a printed circuit board or the like on which the light-emitting element 1 is mounted.

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。 As shown in FIG. 2, the output surface 11 has a plurality of stripes extending in the direction perpendicular to the polarization direction of the output light L (the direction of linearly polarized light having the largest component) and arranged in the polarization direction of the output light L. The cut surface along the direction perpendicular to the direction in which the stripe extends has a sawtooth wave shape. FIG. 2 illustrates the output unit 10 with the output surface 11 facing upward. The output light L generated in the active layer 120 passes through the slope of the groove formed on the output surface 11 and is output to the outside of the light emitting element 1.

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。 When the output light L is polarized light, when the output light L is incident on the output surface 11, the reflectance of the output light 11 on the output surface 11 of the output light L within a certain range between the incident direction and the output surface 11. Can be lowered and the transmittance can be increased. The relationship between the direction in which the polarized light enters the output surface and the reflectance and transmittance of the polarized light on the output surface will be described below. In the following, referring to FIG. 3, the incident light L1 having two types of polarized light is incident on the glass plate 20 placed in the air, and the incident light L1 is incident on the glass plate 20 in the direction and incident. The relationship with the transmittance | permeability in the glass plate 20 of the light L1 is demonstrated.

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。 FIG. 3A shows the reflected light L1r reflected from the surface 201 when the incident light L1 enters the surface 201 of the glass plate 20 from the air, the passing light L2 passing through the inside of the glass plate 20, and the glass of the passing light L2. A state of reflected light L2r reflected by the back surface 202 of the plate 20 and transmitted light L3 emitted from the back surface 202 into the air is shown. In FIG. 3A, the incident surface of the incident light L1 is a surface (on the paper surface) including the incident optical axis and the surface normal of the incident light L1, and the linearly polarized light of the incident light L1 is a component parallel to the incident surface ( 3 (a) and a component perpendicular to the incident surface (indicated by the symbol “●” in FIG. 3 (a)) (the same applies hereinafter). ). In the following, as shown in FIG. 3B, the component parallel to the incident surface of the polarized light of the incident light L1 is referred to as “P wave”, and the component perpendicular to the incident surface is referred to as “S wave”.

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。 The reflectance when the incident light L1 is incident on the surface 201 of each of the P wave component and the S wave component is Rp, Rs, and the ratio of refraction at the surface 201 and entering the glass plate 20 is Tp as the transmittance at the surface 201. , Ts, the following formulas (1) to (4) called Fresnel formulas are obtained:

Rp = {tan (ir) / tan (i + r)} ² (1)

Rs = {sin (i−r) / sin (i + r)} ² (2)

Tp = [2 sin (r) cos (i) / {sin (i + r) cos (ir)}] ² (3)

Ts = [2 sin (r) cos (i) / sin (i + r)] ² (4)

In Expressions (1) to (4), i is an angle (incident angle) formed by the incident optical axis of the incident light L1 and the surface normal of the surface 201, and r is the incident optical axis of the passing light L2 and the back surface 202. It is an angle (outgoing angle) formed with the surface normal.

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。 When the refractive index of air is 1 and the refractive index n of the glass plate 20 is 1.5, the incident angle i and the P wave of the incident light L1 as shown in FIG. 4 are obtained from the equations (1) to (4). A graph representing the relationship between the reflectances Rp and Rs of the surface 201 of the component and the S wave component and the transmittances Tp and Ts of the surface 201 of the P wave component and the S wave component is obtained. FIG. 4 shows the behavior that occurs on the front surface 201, but the same occurs on the back surface 202.

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。 As shown in FIG. 4, when i = 0 °, the reflectances Rp and Rs of the surface 201 of the P wave component and the S wave component are both about 4%. As the angle i increases, the reflection of the S wave component increases, but the P wave component decreases, and the P wave component hardly reflects near i = 56 °. In particular, FIG. 5 shows a P wave component and an S wave component when i = 56.3 °. FIG. 5 shows a state where the reflectance of the P wave component is Rp = 0, and this state occurs when the condition of i + r = 90 ° is satisfied. At this time, the P wave component is not reflected by the front surface 201 and the back surface 202, and the total amount of light is transmitted. On the other hand, the reflected lights L1r and L2r are only the S wave component and become linearly polarized light in a strong polarization state.

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。 The angle i when satisfying the condition of i + r = 90 ° as described above is referred to as “Brewster angle”. The Brewster angle is determined by the refractive index of the incident material and the refractive index of the material through which the incident light has propagated. Is given by tan (i) = n.

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ｉ_Bを考えると、ブリュースタ角ｉ_B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：

ｉ_B＝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ｉ_B＝６８．２°であり、このとき、ｉ_B＋ｒ_B＝９０°の関係から、ｒ_B＝２１．８°である。 Here, considering the Brewster angle i _B of the output light L when the output light L of the light emitting device 1 shown in FIG. 1 is incident on the output face 11, Brewster angle i _B is the output portion 10 of the material It is determined by the refractive index n1 and the refractive index n2 of the substance with which the output surface 11 is in contact, and is represented by the following formula (5):

i _B = tan ⁻¹ (n1 / n2) (5)

Here, when the output unit 10 is made of GaN and the output light L is output from the output surface 11 to the air, assuming that the refractive index of GaN is n1 = 2.5 and the refractive index of air is n2 = 1, the equation (5 ) Brewster angle i _B = 68.2 °, and at this time, r _B = 21.8 ° from the relationship of i _B + r _B = 90 °.

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ｉ_B＝６８．２°である。 FIG. 6 shows the output of the P wave component and S wave component of the output light L with respect to the angle i formed by the incident optical axis of the output light L in the air and the surface normal of the groove on the surface of the output surface 11 made of GaN. The reflectances Rp and Rs on the output surface 11 when entering the surface 11 and the transmittances Tp and Ts on the output surface 11 are shown. FIG. 7 shows the reflectivity Rp, Rs and the transmittance Tp, Ts with respect to the angle r formed by the incident optical axis of the output light L in GaN and the surface normal of the slope of the groove on the surface of the output surface 11. . The reflectances Rp and Rs and the transmittances Tp and Ts are calculated from the equations (1) to (4). In FIG. 6, the angle i at which the reflectance Rp becomes 0% is the Brewster angle i _B = 68.2 °.

出力光ＬがＰ波成分のみの偏光光である場合、ｒ＝ｒ_B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≠ｒ_B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。 When the output light L is polarized light having only a P-wave component, the output light L incident on the output surface 11 so that r = r _B has no component reflected by the output surface 11, and the total amount of light is output from the output surface 11 11 to the outside. Further, as shown in FIG. 7, even if r ≠ r _B , for example, if 17 ° <r <22 °, the reflectance Rp can be reduced to 10% or less.

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。 Therefore, in the light emitting element 1 shown in FIG. 1, when the grooves formed on the output surface 11 are arranged in the polarization direction in a stripe shape extending in the direction perpendicular to the polarization direction of the output light L, Increasing the transmittance of the output light L output from the output surface 11 to the outside when the angle between the inclined surface and the optical axis of the output light L output to the outside is the Brewster angle or near the Brewster angle. Can do. That is, the transmittance of polarized light is increased by utilizing the fact that the reflectance of the P wave component is 0%.

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。 FIG. 8 shows a state of transmission of the output light L on the slope of the groove formed on the output surface 11 when the output light L transmitted through the output unit 10 is output from the output surface 11 into the air. FIG. 8 shows a cut surface along the polarization direction of a part of the groove formed in the output unit 10 with the output surface 11 facing upward. As shown in FIG. 8, the output light L transmitted through the output unit 10 is incident on the groove slope 11a formed on the output surface 11 at an angle r with the normal direction of the groove slope, and the groove slope 11a. Is output to the air at an angle i with the surface normal. In particular, the angle i formed between the direction in which the output light L is output from the output surface 11 and the surface normal of the groove slope 11a is the refractive index of the material of the output unit 10 and the material with which the output surface 11 is in contact. When the Brewster angle is fixed or near the Brewster angle, the reflectance Rp of the output light L on the output surface 11 is 0% or close to 0%, and the transmittance of the output light L on the output surface 11 is increased. Get higher.

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。 A plane in contact with each bottom portion of the groove formed on the output surface 11 assuming that the depth of the groove is constant, that is, a surface parallel to the output surface 11 when it is assumed that no groove is formed on the surface is described below. This is referred to as “bottom surface” 12. The angle i shown in FIG. 8 is equal in size to an angle (hereinafter referred to as “slope angle”) θ formed by the bottom surface 12 and the slope 11a of the groove. Therefore, the slope angle θ is output in the direction perpendicular to the bottom surface 12 by selecting the reflectance Rp to be small based on the relationship between the angle i and the reflectance Rp as shown in FIG. Since the component of the output light L that is reflected by the output surface 11 can be reduced, a decrease in the output efficiency of the light emitting element 1 can be suppressed. This is because the output light L output from the light emitting element 1 is normally incident on an optical element such as a light guide plate arranged in the surface normal direction of the output surface 11. In particular, by setting the slope angle θ to the Brewster angle, the optical axis of the output light L output from the output surface 11 is completely perpendicular to the bottom surface 12, which is preferable for improving the output efficiency of the light emitting element 1.

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ｉ_B＝６８．２°であり、ｒ_B＝２１．８°である。斜面角θがブリュースタ角ｉ_B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。 As already described, when the output unit 10 is GaN, the Brewster angle i _B = 68.2 ° and r _B = 21.8 °. Even when the slope angle θ does not completely match the Brewster angle i _B , the closer the slope angle θ is to the Brewster angle, the closer the optical axis of the output light L output from the output surface 11 is to be perpendicular to the bottom surface 12. Become. That is, by setting the slope angle θ in the vicinity of the Brewster angle, the component of the output light L in the surface normal direction of the bottom surface 12 increases. For example, from FIG. 6, it is preferable that the slope angle θ is 30 ° to 80 ° in order to make the reflectance Rp 0.15 or less, but the component in the surface normal direction of the bottom surface 12 of the output light L is increased. Therefore, the slope angle θ is more preferably 60 ° to 80 °. More preferably, the reflectance Rp can be made 0.1 or less by setting the slope angle θ to 60 ° to 75 °.

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。 For example, as shown in FIG. 9A, when the slope angle θ = 67.5 °, the output light L incident on the slope 11a of the groove formed on the output surface 11 at an angle r = 22.5 ° Since the angle θ is close to the Brewster angle, it is output in a direction substantially perpendicular to the bottom surface 12. Further, in the case of the slope angle θ = 67.5 °, as shown in FIG. 9B, the output light L transmitted through the output unit 10 perpendicular to the bottom surface 12 is almost entirely on the slope 11a of the groove. The reflected light L is output to the outside from the inclined surface 11b facing the inclined surface 11a. At this time, the angle formed by the optical axis of the output light L incident on the slope 11b and the surface normal of the slope 11b is 22.5 °. Therefore, similarly to FIG. 9A, the optical axis of the output light L output from the inclined surface 11 b is nearly perpendicular to the bottom surface 12. As a result, the amount of the entire output light L output from the output surface 11 is increased, and the output efficiency of the light emitting element 1 is improved.

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。 FIG. 10 shows a detailed structure example of the light emitting unit 100. The light emitting unit 100 illustrated in FIG. 10 includes a first semiconductor layer 110, an active layer 120, and a second semiconductor layer 130 formed in this order on the output unit 10. The output unit 10 is composed of, for example, a GaN single crystal substrate. As already described, for example, when the output surface 10 has a non-polar m-plane as a main surface that is a crystal growth surface, the light emitting unit 100 is formed by crystal growth on the main surface of the output unit 10. In that case, the light emitting unit 100 is GaN having an m-plane as a crystal growth main surface.

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。 Hereinafter, structural examples of the first semiconductor layer 110, the active layer 120, and the second semiconductor layer 130 in the case where the first semiconductor layer 110 illustrated in FIG. 10 is an n-type semiconductor and the second semiconductor layer 130 is a p-type semiconductor. Will be explained.

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。 The first semiconductor layer 110 has a configuration in which a first contact layer 111 is stacked on the output unit 10. The first contact layer 111 is, for example, a first conductivity type (n-type) GaN layer having a thickness of 2 μm. The first electrode 101 is disposed on the first contact layer 111 where a partial region of the first semiconductor layer 110 is exposed by mesa etching.

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。 The second semiconductor layer 130 has a configuration in which an electron blocking layer 131 and a second contact layer 132 are stacked in this order on the active layer 120. The electron block layer 131 is a second conductivity type (p-type) AlGaN layer having a thickness of 20 nm, for example, and the second contact layer 132 is a p-type GaN layer having a thickness of 0.3 μm, for example. The second electrode 102 is disposed on the second contact layer 132.

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。 The first contact layer 111 and the second contact layer 132 are low resistance layers for making ohmic contact with the first electrode 101 and the second electrode 102, respectively. When the first contact layer 111 is an n-type semiconductor, the GaN layer is doped with, for example, silicon (Si) ions as an n-type dopant at a high concentration of about 3 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ . When the second contact layer 132 is a p-type semiconductor, the GaN layer is doped with magnesium (Mg) as a p-type dopant at a high concentration of 3 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ , for example.

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。 The active layer 120 can employ a multiple quantum well structure including, for example, indium gallium nitride (InGaN). Light is generated by recombination of electrons and holes, and a layer for amplifying the generated light. It is. The active layer 120 is configured, for example, by laminating an InGaN layer with a thickness of 3 nm and a GaN layer with a thickness of 9 nm alternately and repeatedly for a plurality of periods. In this case, the InGaN layer has a relatively small band gap when the composition ratio of indium (In) is 5% or more, and constitutes a quantum well layer. On the other hand, the GaN layer functions as a barrier layer (barrier layer) having a relatively large band gap. The InGaN layer and the GaN layer are alternately stacked repeatedly for 2 to 7 periods to form an active layer 120 having an MQW structure. The emission wavelength can be set to, for example, 400 nm to 550 nm by adjusting the In composition ratio in the quantum well layer (InGaN layer).

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。 The electron blocking layer 131 is formed as a p-type semiconductor by doping an aluminum gallium nitride (AlGaN) layer with Mg as a p-type dopant at a doping concentration of 5 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , for example. The electron blocking layer 131 prevents electrons from flowing out of the active layer 120 and increases the recombination efficiency of electrons and holes.

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。 When the output unit 10 is, for example, a GaN single crystal substrate having an m-plane as a main surface, it can be produced by cutting out from a GaN single crystal having a c-plane as a main surface. The m-plane of the cut substrate (output unit 10) is polished by a chemical mechanical polishing (CMP) process or the like, and the azimuth error in both the c-plane {0001} direction and the a-plane {11-20} direction is ± It is formed within 1 ° (preferably within ± 0.3 °). In this way, a GaN single crystal substrate having the m-plane as the main surface and free from crystal defects such as dislocations and stacking faults can be obtained. There is only an atomic level step on the surface of such a GaN single crystal substrate. On the GaN single crystal substrate thus obtained, the light emitting unit 100 is grown by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method or the like.

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。 The output surface 11 of the output unit 10 is obtained by, for example, performing anisotropic etching using a resist film, a silicon nitride (SiN) film, or the like formed in a stripe shape on the surface of the output surface 11 by photolithography technology as a mask. A plurality of grooves arranged in the polarization direction in a stripe shape extending in a direction perpendicular to the polarization direction are formed so that the cut surface along the direction perpendicular to the direction in which the stripe extends is in a sawtooth wave shape. . When the output unit 10 is a GaN single crystal substrate having an m-plane as a main surface, the stripe extends in the c-axis direction as shown in FIG.

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。 In order to suppress scattering of the output light L on the output surface 11, the surface of the groove is preferably as smooth as possible. Therefore, for example, the size of the unevenness of the surface of the groove formed on the output surface 11 is preferably less than or equal to the ratio of the wavelength of the output light L to the refractive index of the substance constituting the output unit 10. Thereby, the transmittance | permeability of polarized light can be increased and polarization | polarized-light can be maintained.

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。 Furthermore, the size of the irregularities on the surface of the slope can be considered to be valley to peak. That is, for the refractive index n of the substance constituting the output unit 10 and the wavelength λ of the output light L, the size d of the unevenness of the slope is preferably d ≦ λ / n. Since the refractive index n of GaN is about 2.5, for example, when the wavelength λ of the output light L is 400 to 500 nm, the size d of the irregularities on the surface of the groove slope is set to 100 nm or less, whereby the output surface The surface 11 has a flatness that hardly affects the polarization state of the output light L generated by the light emitting unit 100.

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。 The predetermined angle of the slope formed on the output surface 11 can be obtained by controlling the etching conditions (when processing GaN, the temperature of the Cl-based gas plasma, the gas pressure, the bias, etc.).

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。 The nonpolar plane and the semipolar plane will be described below with reference to FIG. FIG. 11 is a schematic diagram showing a unit cell having a crystal structure of a group III nitride semiconductor. As shown in FIG. 11A, the crystal structure of the group III nitride semiconductor can be approximated by a hexagonal system. The hexagonal c-axis is along the axial direction of the hexagonal column, and the plane (the top surface of the hexagonal column) having the c-axis as a normal line is the c-plane {0001}. When a group III nitride semiconductor crystal is cleaved by two planes parallel to the c-plane, the + c-axis side plane (+ c plane) becomes a crystal plane in which group III atoms are arranged, and the −c-axis side plane (−c plane) ) Is a crystal plane with nitrogen atoms. For this reason, the c-plane is called a polar plane because it exhibits different properties on the + c-axis side and the −c-axis side.

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。 As shown in FIG. 11B, four nitrogen atoms are bonded to one group III atom. The four nitrogen atoms are located at the four vertices of a regular tetrahedron with a group III atom arranged in the center. Of these four nitrogen atoms, one nitrogen atom is located in the + c axis direction with respect to the group III atom, and the other three nitrogen atoms are located on the −c axis side with respect to the group III atom. Due to such a structure, in the group III nitride semiconductor, the polarization direction is along the c-axis.

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。 In the hexagonal system, the side surfaces of the hexagonal columns are each m-plane {10-10}, and the plane passing through a pair of ridge lines that are not adjacent to each other is the a-plane {11-20}. Since these are crystal planes perpendicular to the c-plane and orthogonal to the polarization direction, they are nonpolar planes, that is, nonpolar planes. Furthermore, as shown in FIG. 11 (c), the crystal plane inclined with respect to the c-plane (not parallel to the c-plane nor perpendicular) intersects the polarization direction obliquely. It is a plane with a polarity, that is, a semipolar plane. Specific examples of the semipolar plane include {10-1-1} plane, {10-1-3} plane, {11-22} plane, and the like.

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ｉ_B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。 In the above description, the case where the output surface 11 is in contact with air has been described as an example. As already described, the Brewster angle i _B is determined by the refractive index n1 of the substance of the output unit 10 and the refractive index n2 of the substance in contact with the output surface 11, and is expressed by Expression (5). Therefore, when the output surface 11 is in contact with a substance other than air, for example, when the light emitting element 1 is protected and sealed with a resin, the Brewster angle of the output light L is equal to the refractive index n1 of the output unit 10. It is determined by the ratio with the refractive index n2 of the resin.

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。 As described above, according to the light emitting element 1 according to the first embodiment of the present invention, the stripe formed in the output surface 11 extending in the direction perpendicular to the polarization direction of the output light L is formed. If the output light L, which is polarized light incident on the output surface 11, is transmitted without being reflected by the output surface 11, the ratio can be increased. In particular, the component perpendicular to the bottom surface 12 of the output light L is increased by setting the angle formed by the bottom surface 12 and the slope 11a of the groove formed on the output surface 11 to be the Brewster angle or in the vicinity of the Brewster angle. The decrease in the amount of light incident on the external optical element of the output light L output from the light emitting element 1 is suppressed, the light emission efficiency of the light emitting element can be improved, and the polarization can be maintained.

（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。 (Second Embodiment)
As shown in FIG. 12, the light emitting device 1 A according to the second embodiment of the present invention includes a transparent electrode 140 disposed on the second semiconductor layer 130 and a second electrode 102 disposed on the transparent electrode 140. 1 and the cap layer 150 is different from the light emitting device 1 shown in FIG. 1 in that the cap layer 150 is used as an output unit from which the output light L is output. That is, in the light emitting element 1 A, the surface facing the surface of the cap layer 150 in contact with the transparent electrode 140 is the output surface 151. Further, the first electrode 101 is disposed in contact with the main surface opposite to the main surface in contact with the light emitting unit 100 of the substrate 10A. Other configurations are the same as those of the first embodiment shown in FIG.

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。 As the transparent electrode 140, for example, a zinc oxide (ZnO) electrode can be employed, and as the cap layer 150, for example, a silicon oxide (SiO ₂ ) film can be employed. The second electrode 102 is joined to the transparent electrode 140 for wiring connection between the transparent electrode 140 and a printed board or the like. Note that the first electrode is formed on the surface of the first semiconductor layer 110 exposed by mesa etching of the cap layer 150, the transparent electrode 140, the second semiconductor layer 130, the active layer 120, and a partial region of the first semiconductor layer 110. 101 may be arranged.

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。 The light emitting element 1 shown in FIG. 1 outputs the output light L using the substrate on which the light emitting part 100 is grown on the main surface as the output part 10, but the light emitting element 1A shown in FIG. Then, the output light L transmitted through the transparent electrode 140 is output from the output surface 151 of the cap layer 150.

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。 Therefore, as shown in FIG. 12, the output surface 151 of the cap layer 150 from which the output light L is output to the outside is arranged in the polarization direction in a stripe shape extending in the direction perpendicular to the polarization direction of the output light L. The cut surface along the direction perpendicular to the direction in which the plurality of grooves are formed and the stripe extends is a sawtooth wave shape.

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。 As a result, the ratio of the output light L generated in the active layer 120 reflected by the output surface 151 of the cap layer 150 is suppressed, and the ratio of the output light L generated in the active layer 120 output to the outside is improved. . Therefore, the output efficiency of the light emitting element 1A can be improved. In particular, an angle i formed by the direction in which the output light L transmitted through the cap layer 150 is output from the output surface 151 and the surface normal of the slope of the groove formed in the output surface 151 is an angle of the cap layer 150. By setting the Brewster angle determined by the refractive index of the substance and the refractive index of the substance with which the output surface 151 is in contact, or an angle close to the Brewster angle, the reflectance Rp of the output light L on the output surface 151 is reduced, and the output light L As a result, it is possible to increase the transmittance in the surface normal direction of the output surface 151 of the output light L.

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。 The Brewster angle is changed according to the refractive index of the surface from which light is extracted. As a surface for extracting light, the first embodiment shows an example of processing the surface of GaN, and the second embodiment shows an example of processing the surface of the cap layer 150. The same surface of the transparent electrode 140 itself may be processed. Others are substantially the same as those in the first embodiment, and redundant description is omitted.

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。 As described above, the present invention has been described according to the first or second embodiment. However, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention.

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。
From this disclosure, various alternative embodiments, examples, and operational techniques will be apparent to those skilled in the art. It goes without saying that the present invention includes various embodiments not described herein. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.

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。It is a schematic diagram which shows the structural example of the light emitting element which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 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。It is a schematic diagram which shows the example of a shape of the output surface of the light emitting element which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 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。3A is a schematic diagram for explaining the reflection and transmission of polarized light, and FIG. 3B is a schematic diagram for explaining the P wave and the S wave. 入射角と反射率及び透過率の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between an incident angle, a reflectance, and a transmittance | permeability. 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。It is a schematic diagram for demonstrating the Brewster angle of polarized light. 入射角と反射率及び透過率の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between an incident angle, a reflectance, and a transmittance | permeability. 出射角と反射率及び透過率の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between an output angle, a reflectance, and the transmittance | permeability. 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。It is a schematic diagram for demonstrating transmission of the output light in the output surface of the light emitting element which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 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。It is a schematic diagram for demonstrating transmission of the output light in the output surface of the light emitting element which concerns on the 1st Embodiment of this invention, Fig.9 (a) is the optical axis of output light, and the surface normal of an output surface When the angle formed is 22.5 °, FIG. 9B shows the case where the optical axis of the output light is perpendicular to the bottom surface. 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。It is a schematic diagram which shows the detailed structural example of the light emitting element which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 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。It is a schematic diagram for demonstrating a nonpolar surface and a semipolar surface, Fig.11 (a) is a schematic diagram which shows the crystal structure of a group III nitride semiconductor, FIG.11 (b) is a group III atom and a nitrogen atom FIG. 11C is a schematic diagram for explaining a semipolar plane. 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。It is a schematic diagram which shows the structural example of the light emitting element which concerns on the 2nd Embodiment of this invention.

Explanation of symbols

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 L ... output light 1, 1A ... light emitting element 10 ... output unit 11 ... output surface 11a ... slope 11b ... slope 12 ... bottom surface 100 ... light emitting unit 101 ... first electrode 102 ... second electrode 110 ... first semiconductor layer 111 ... first DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Contact layer 120 ... Active layer 130 ... 2nd semiconductor layer 131 ... Electron block layer 132 ... 2nd contact layer 140 ... Transparent electrode 150 ... Cap layer

Claims

It is made of a group III nitride semiconductor having a nonpolar plane or a semipolar plane as a main surface, and a first conductive type first semiconductor layer, an active layer, and a second conductive type second semiconductor layer are stacked in this order, and the active layer A light emitting section for generating polarized light from the layer;
A plurality of stripe-shaped grooves extending in a direction perpendicular to the polarization direction of the polarized light, and an output section having a sawtooth-shaped output surface, and transmitting the output section from the light emitting section The polarized light is output from the output surface.

The angle formed between the flat surface in contact with each bottom of the groove and the inclined surface of the groove is a Brewster angle determined by the refractive index of the material constituting the output portion and the material in contact with the output surface, or in the vicinity of the Brewster angle. The light-emitting element according to claim 1.

3. The light emitting device according to claim 1, wherein the size of the irregularities on the surface of the output surface is equal to or less than a ratio of a wavelength of the polarized light to a refractive index of a substance constituting the output unit.

The output section is a group III nitride semiconductor single crystal substrate containing a gallium-containing nonpolar plane or semipolar plane that is the same as the main plane of the light emitting section. The light emitting element of any one of these.

The light emitting device according to any one of claims 1 to 3, further comprising a transparent electrode disposed between the light emitting unit and the output unit.