JP2011192880A - 半導体発光素子及び液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】特定の回折光を効率良く取り出すことができる半導体発光素子を提供する。
【解決手段】半導体発光素子１１０は、第１導電型の第１半導体層２１、第２導電型の第２半導体層２２及び第１半導体層２１と第２半導体層２２との間に設けられた発光部２３を含む積層体２０と、積層体２０における発光部２３で発生した光の出射面ｓ側に設けられ、発光部２３で発生した光の回折光を発生させる回折格子５０と、を備える。回折格子５０は、第１半導体層２１や、支持基板や、透光性電極に設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子及び液晶表示装置に関する。

近年、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の半導体発光素子では、基板の上に、発光部を含む積層体を形成して製造する技術が用いられている。この半導体発光素子においては、光の取り出し効率を向上させるため、基板の表面や素子の光出射面にディンプル加工（凹凸加工）を施すことが考えられている（例えば、特許文献１参照。）。しかしながら、このような半導体発光素子では、凹凸がランダムに配置されているため、特定の回折光を効率良く取り出すには不十分である。

特開２００９−２１６４２号公報

本発明は、特定の回折光を効率良く取り出すことができる半導体発光素子及び液晶表示装置を提供する。

本発明の一態様によれば、第１導電型の第１半導体層、第２導電型の第２半導体層及び前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられた発光部を含む積層体と、前記積層体における前記発光部で発生した光の出射面側に設けられ、前記発光部で発生した光の回折光を発生させる回折格子と、を備えたことを特徴とする半導体発光素子が提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、駆動側基板と、対向側基板と、前記駆動側基板と前記対向側基板との間に設けられた液晶部と、を有する液晶構造体と、上記半導体反抗素子を含み、前記液晶構造体に光を供給する発光部と、を備えたことを特徴とする液晶表示装置が提供される。

本発明によれば、特定の回折光を効率良く取り出すことができる半導体発光素子及び液晶表示装置が提供される。

第１の実施の形態に係る半導体発光素子１１０を例示する模式的断面図である。 回折格子を例示する模式的斜視図である。 比較例に係る半導体発光素子１９０を例示する模式的断面図である。 回折格子の他の例（その１）を説明する模式的斜視図である。 Ｐ偏光光及びＳ偏光光における入射角度θ２と透過率との関係を計算した結果を示すグラフ図である。 回折格子の他の例（その２）を説明する模式図である。 ストライプ状の回折格子を例示する模式図である。 回折格子の他の例（その２）の構成例を示す模式的断面図である。 回折格子の他の例（その２）を備えた半導体発光素子を例示する模式的断面図である。 回折格子の他の構成を例示する模式的断面図である。 第２の実施の形態に係る半導体発光素子を例示する模式図である。 第３の実施の形態に係る半導体発光素子を例示する模式図である。 具体例（その１）を説明する模式的断面図である。 具体例（その２）を説明する模式的断面図である。 具体例（その１）に係る回折格子の適用例を説明する模式的平面図である。 具体例（その２）に係る回折格子の適用例を説明する模式的平面図である。 具体例（その２）に係る回折格子の他の適用例を説明する模式図である。 強発光領域及び弱発光領域における凸部の間隔の設定例について説明する模式的断面図である。 本実施の形態に係る半導体発光素子の液晶表示装置への適用例を説明する模式的断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る半導体発光素子１１０を例示する模式的断面図である。
図２は、回折格子を例示する模式的斜視図である。
図１に表したように、第１の実施の形態に係る半導体発光素子１１０は、積層体２０と、回折格子５０と、を備える。

積層体２０は、第１導電型の第１半導体層２１と、第２導電型の第２半導体層２２と、第１半導体層２１と第２半導体層２２との間に設けられた発光部２３と、を含む。なお、本実施の形態においては、第１導電型をｎ形、第２導電型をｐ形として説明する。

積層体２０の第１半導体層２１及び第２半導体層２２は、例えば窒化物半導体を含む。
発光部２３は、例えば多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造を有する。すなわち、発光部２３は、複数の障壁層及び複数の井戸層が、交互に繰り返し積層された構造を含んでいる。なお、発光部２３は、単一量子井戸（ＳＱＷ：Single Quantum Well）構造であってもよい。
半導体発光素子１１０は、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）である。このような積層体２０の構造により、発光部２３は、例えば、緑色光、青色光、紫色光等を放射する。

回折格子５０は、積層体２０における発光部２３で発生した光の出射面ｓ側に設けられる。ここで、出射面ｓは、積層体２０に対する光の出射側で、発光部２３の主面２３ａに沿った面である。本実施の形態に係る半導体発光素子１１０では、回折格子５０は、積層体２０の第１半導体層２１における出射面ｓに設けられる。

半導体発光素子１１０は、積層体２０の第１半導体層２１に接続された第１電極（ｎ側電極）３０と、積層体２０の第２半導体層２２に接続された第２電極（ｐ側電極）４０と、をさらに備える。
半導体発光素子１１０は、積層体２０の積層方向に沿って電流が流れる、いわゆる垂直構造型である。

図２に表したように、回折格子５０は、間隔ｄで配置された凹凸部５１を有する。凹凸部５１は、凸部５１０と凹部５２０とが交互に配置されている。図２に例示する凹凸部５１では、出射面ｓに沿ってストライプ状に凸部５１０及び凹部５２０が設けられている。凸部５１０の形状としては、三角形のほか、矩形、台形など、各種の形状が用いられる。ここで、凹凸部５１において、複数の凸部５１０及び複数の凹部５２０の間隔ｄは一定である。

回折格子５０において、発光部２３で発生した光（発光光ｃ１０）の波長をλ、出射面ｓに垂直な方向に対する発光光ｃ１０の入射角度をθ_ｉｎ、出射面ｓに対する回折光ｃ２０の角度（回折角度）をθ_ｍ、発光光ｃ１０の入射側の媒体の屈折率をｎ、回折次数をｍとした場合、間隔ｄは、式１のように表される。
ｓｉｎθ_ｍ−ｎ・ｓｉｎθ_ｉｎ＝ｍ・λ／ｄ …（式１）

回折格子５０の間隔ｄは、上記式１の関係を満たすように設けられている。これにより、半導体発光素子１１０では、発光部２３で発生した発光光ｃ１０の回折光ｃ２０を出射面ｓから放出するようになる。

例えば、１次の回折光ｃ２０を出射面ｓに対して垂直な方向に向けて出射する場合、回折格子５０の間隔ｄは、上記式１の回折角度θｍを９０°、回折次数ｍを−１、にして求められる。一例として、発光光ｃ１０の波長λが５５５ｎｍ、媒体の屈折率ｎが２．４（ＧａＮ）の場合、間隔ｄを２３１ｎｍより大きくすると、入射角度θ_ｉｎが約２４．５°以上、９０°未満の発光光ｃ１０の１次の回折光ｃ２０は、出射面ｓに対して垂直な方向に向けて出射される。

なお、式１によって所望の回折次数ｍについての間隔ｄを求め、回折格子５０の間隔ｄにすれば、半導体発光素子１１０では、発光光ｃ１０のｍ次の回折光ｃ２０を、出射面ｓに対して垂直な方向に出射できるようになる。

このような回折格子５０は、第１半導体層２１をエッチングすることで形成される。回折格子５０の凹凸部５１の間隔ｄや、凸部５１０の傾斜面の角度などは、エッチングの条件によって適宜設定可能である。

（比較例）
図３は、比較例に係る半導体発光素子１９０を例示する模式的断面図である。
比較例に係る半導体発光素子１９０は、積層体２０、第１電極３０及び第２電極４０を備える。積層体２０は、第１導電型の第１半導体層２１と、第２導電型の第２半導体層２２と、第１半導体層２１と第２半導体層２２との間に設けられた発光部２３と、を含む。

この半導体発光素子１９０では、光の取り出し面になる第１半導体層２１の主面２１ａに、凹凸部７０が設けられている。凹凸部７０は、例えば第１半導体層２１の主面をエッチング加工することによって設けられている。エッチング加工には、例えばＫＯＨ（水酸化カリウム）が用いられる。

このように、光の取り出し面に凹凸部７０が設けられていると、半導体発光素子１９０では、凹凸部７０が設けられていない場合に比べて、広い範囲で光の取り出し効率が向上する。しかし、凹凸部７０の凹凸の間隔や高さが不規則であるため、第１の実施の形態に係る半導体発光素子１１０のように、特定の回折光を十分に得ることはできない。

（回折格子の他の例）
図４は、回折格子の第１の他の例を説明する模式的斜視図である。
第１の他の例に係る回折格子５０ａは、偏光光の透過率が考慮された凹凸部５１を含む形状である。
すなわち、回折格子５０ａは、例えば、直線偏光性の強い発光光ｃ１１を出射する発光部２３を備えた半導体発光素子に適用される。例えば、ＧａＮを含む積層体２０は、ＧａＮ基板の上に結晶成長して設けられる。ＧａＮ基板を用いる場合、半極性面や無極性面に積層体２０を結晶成長させると、直線偏光性の強い発光光ｃ１１を発生する発光部２３が形成される。
回折格子５０ａは、このような発光部２３で発生した直線偏光性の強い発光光ｃ１１を効率良く透過させる。

図４に表したように、回折格子５０ａでは、入射される発光光ｃ１１の偏光方向に対して垂直な方向に沿って、くさび型の凸部５１０が設けられている。凸部５１０の頂点の角度θ１は、次の式２を満たす。
角度θ１＝（９０°−ブリュースター角度×２） …（式２）

例えば、ＧａＮのブリュースター角度は６９°である。回折格子５０ａとしてＧａＮが用いられている場合、角度θ１は、式２より、４２°になる。

図５は、Ｐ偏光光及びＳ偏光光における入射角度θ２と透過率ＴＲとの関係を計算した結果を示すグラフ図である。
ここで、入射角度θ２とは、図４（ａ）に表した回折格子５０ａの凸部５１０の傾斜面５１０ａの垂線に対する角度のことをいう。図５に表される関係は、凸部５１０がＧａＮであり、ＧａＮの屈折率を２．４、空気の屈折率を１．０とした場合の計算結果を示している。

この関係から、凸部５１０の傾斜面５１０ａに、２２°の入射角度θ２でＰ偏光光（発光光ｃ１１）が入射されると、約９９．８％のＰ偏光光ｃ２１が透過する。つまり、入射角度θ２が２２°では、傾斜面５１０ａの出射側の角度がブリュースター角度になる。したがって、回折格子５０ａでは、Ｐ偏光光ｃ２１が、出射面ｓに対して垂直な方向に効率良く透過する。

直線偏光性の強い発光光ｃ１１を発生する発光部２３を備えた半導体発光素子では、この回折格子５０ａを用いることで、出射面ｓに対して垂直な方向に効率良くＰ偏光光ｃ２１を出射できるようになる。

図６は、回折格子の第２の他の例を説明する模式図である。同図（ａ）は、模式的断面図、同図（ｂ）は、模式的平面図である。
図７は、回折格子の第２の他の例の構成を例示する模式的断面図である。
図６に表したように、第２の他の例に係る回折格子５０ｂは、第１凹凸部５１ａと、第２凹凸部５１ｂと、を備える。

第１凹凸部５１ａは、図６において二点鎖線で表したように、複数の第１凸部５１１と、複数の第１凹部５２１と、が、出射面ｓの方向に沿って交互に配置される。複数の第１凸部５１１は、出射面ｓに沿って第１間隔ｄ１で配置される。図６に例示した回折格子５０ｂでは、第１凸部５１１が、出射面ｓに沿ってマトリクス状に配置されている。

第２凹凸部５１ｂは、第１凹凸部５１ａにおける、第１凸部５１１及び第１凹部５２１の少なくともいずれかに設けられる。図６及び図７に例示した第２凹凸部５１ｂでは、第２凸部５１２及び第２凹部５２２が、第１凹凸部５１ａにおける第１凸部５１１及び第１凹部５２１の両方に設けられている。

また、第２凹凸部５１ｂでは、複数の第２凸部５１２と、複数の第２凹部５２２と、が、出射面ｓの方向に沿って交互に配置される。複数の第２凸部５１２は、出射面ｓに沿って、第１間隔ｄ１よりも狭い第２間隔ｄ２で配置される。図６に例示した回折格子５０ｂでは、第２凸部５１２が、出射面ｓに沿ってマトリクス状に配置されている。

なお、回折格子５０ｂでは、第１凸部５１１及び第２凸部５１２の少なくとも一方が、出射面ｓに沿ってストライプ状に設けられていてもよい。

図７は、ストライプ状に設けられた回折格子を例示する模式図である。
図７に表したように、回折格子５０ｂにおいては、第１凹凸部５１ａにおける複数の第１凸部５１１及び第２凹凸部５１ｂにおける複数の第２凸部５１２が、出射面ｓの一方向に沿ってストライプ状に設けられている。複数の第１凸部５１１は、ストライプの方向と垂直な方向に沿って第１間隔ｄ１で配置される。また、複数の第２凸部５１２は、第１凹凸部５１０の第１凸部５１１及び第１凹部５２１の少なくとも一方に、第１間隔ｄ１よりも狭い第２間隔ｄ２で配置される。

なお、図７に例示した回折格子５０ｂでは、第１凸部５１１及び第２凸部５１２の両方ともストライプ状に設けられているが、いずれか一方のみストライプ状に設けられていてもよい。また、第１凸部５１１及び第２凸部５１２の一方がストライプ状、他方がマトリクス状に設けられていてもよい。

このような回折格子５０ｂは、第１間隔ｄ１で配置される大きな第１凹凸部５１ａの内側に、第２間隔ｄ２で配置される小さな第２凹凸部５１ｂを備える。

図８は、回折格子の第２の他の例の構成を例示する模式的断面図である。
図８に表したように、回折格子５０ｂは、第１間隔ｄ１を有する第１凹凸部５１ａによって、第１入射角θ_ｉｎ１の発光光ｃ１３の回折光ｃ２３を生成する。また、回折格子５０ｂは、第２間隔ｄ２を有する第２凹凸部５１ｂによって、第２入射角θ_ｉｎ２の発光光ｃ１４の回折光ｃ２４を生成する。ここで、第１入射角θ_ｉｎ１及び第２入射角θ_ｉｎ２は、発光光ｃ１３及びｃ１４の出射面ｓに垂直な方向に対する角度である。

回折格子５０ｂは、第１凹凸部５１ａによって第１入射角θ_ｉｎ１の発光光ｃ１３の回折光ｃ２３を第１出射角度の方向に向ける。また、回折格子５０ｂは、第２凹凸部５１ｂによって第２入射角θ_ｉｎ２の発光光ｃ１４の回折光ｃ２４を第１出射角度の方向に向ける。すなわち、回折格子５０ｂは、それぞれ異なる第１入射角θ_ｉｎ１及び第２入射角θ_ｉｎ２の発光光ｃ１３及びｃ１４を、同じ第１出射角度の回折光ｃ２３及びｃ２４にして出力する。

ここで、回折格子５０ｂは、以下の式３及び式４を満足する第１間隔ｄ１及び第２間隔ｄ２によって、所定次数の回折光ｃ２３及びｃ２４を出射面ｓに対して所望の角度で出射できる。
ｓｉｎθ_ｍ−ｎ・ｓｉｎθ_ｉｎ１＝ｍ・λ／ｄ１ …（式３）
ｓｉｎθ_ｍ−ｎ・ｓｉｎθ_ｉｎ２＝ｍ・λ／ｄ２ …（式４）
ここで、θ_ｍは出射面ｓに対する回折光ｃ２３及びｃ２４の角度（回折角度）、ｍは回折次数、ｎは発光光ｃ１３及びｃ１４の入射側の媒体の屈折率、λは発光光ｃ１３及びｃ１４の波長、ｄは回折格子の間隔である。

例えば、１次の回折光ｃ２３及びｃ２４を出射面ｓに対して垂直な方向に出射するには、まず、式３におけるθ_ｍ＝９０°、ｍ＝１で、各第１入射角θ_ｉｎ１及び第２入射角θ_ｉｎ２についての間隔ｄ（ｄ１及びｄ２）を求める。そして、回折格子５０ｂとして、求めた間隔ｄ１及びｄ２になる第１凹凸部５１ａ及び第２凹凸部５１ｂを設ける。これにより、回折格子５０ｂは、第１入射角θ_ｉｎ１及び第２入射角θ_ｉｎ２の発光光ｃ１３及びｃ１４について、１次の回折光ｃ２３及びｃ２４を出射面ｓに対して垂直な方向に出射できるようになる。

回折格子５０ｂは、式３を用いて設定した間隔ｄ１及びｄ２を有する第１凹凸部５１ａ及び第２凹凸部５１ｂを設けることで、各々異なる入射角度の発光光について、他の次数の回折光を、他の回折角度で、出射できることになる。

なお、同様に、式３を満たす３つ以上の間隔を有する凹凸部を設けることで、回折格子５０ｂは、それぞれの間隔に対応した入射角の発光光の回折光を、出射面ｓに対して所望の方向に出射できるようになる。

また、回折格子５０ｂは、第１凸部５１１の側面５１１ａの角度及び第２凸部５１２の側面５１２ａの角度の少なくともいずれかについて、ブリュースター角度に基づいた角度になっていてもよい。
すなわち、出射面ｓと垂直な方向に対する側面５１１ａ及び５１２ａの角度θ１２として、式５に基づいた値に設定されると、回折格子５０ｂを透過するＰ偏光光の透過率が高まる。
角度θ１２＝９０°−ブリュースター角度 …（式５）
これにより、回折格子５０ｂから効率良く偏光光を出射できるようになる。

図９は、回折格子５０ｂを備えた半導体発光素子１１１を例示する模式的断面図である。
図９に表したように、半導体発光素子１１１は、積層体２０と、回折格子５０ｂと、を備える。
積層体２０は、第１導電型の第１半導体層２１と、第２導電型の第２半導体層２２と、第１半導体層２１と第２半導体層２２との間に設けられた発光部２３と、を含む。
回折格子５０ｂは、積層体２０の第１半導体層２１における出射面ｓに設けられる。

回折格子５０ｂは、第１凹凸部５１ａと、第２凹凸部５２ｂと、を備えている。第１凹凸部５１ａ及び第２凹凸部５２ｂは、例えば第１半導体層２１をエッチングすることで形成される。

図１０は、回折格子５０ｂの他の構成を例示する模式的断面図である。
図１０（ａ）は、第２凹凸部５１ｂが、第１凹凸部５１ａにおける第１凸部５１１に設けられた構成を例示している。
すなわち、第２凹凸部５１ｂは、第１凹凸部５１ａの第１凸部５１１における出射面ｓに沿った主面に設けられている。第２凹凸部５１ｂの第２凸部５１２は、第２間隔ｄ２で第１凸部５１１の主面に沿って配置される。
この回折格子５０ｂは、第１凹凸部５１ａによって、第１入射角θ_ｉｎ１の発光光ｃ１３の回折光ｃ２３を生成する。また、回折格子５０ｂは、第１凸部５１１に設けられた第２凹凸部５１ｂによって、第２入射角θ_ｉｎ２の発光光ｃ１４の回折光ｃ２４を生成する。

図１０（ｂ）は、第２凹凸部５１ｂが、第１凹凸部５１ａにおける第１凹部５２１に設けられた構成を例示している。
すなわち、第２凹凸部５１ｂは、第１凹凸部５１ａの第１凹部５２１における出射面ｓに沿った主面に設けられている。第２凹凸部５１ｂの第２凸部５１２は、第２間隔ｄ２で第１凹部５２１の主面に沿って配置される。
この回折格子５０ｂは、第１凹凸部５１ａによって、第１入射角θ_ｉｎ１の発光光ｃ１３の回折光ｃ２３を生成する。また、回折格子５０ｂは、第１凹部５２１に設けられた第２凹凸部５１ｂによって、第２入射角θ_ｉｎ２の発光光ｃ１４の回折光ｃ２４を生成する。

このような回折格子５０ａ及び５０ｂは、第１半導体層２１をエッチングすることで形成される。回折格子５０ａ及び５０ｂの凹凸部５１や、凸部５１０の傾斜面の角度、第１凸部５１１及び第２凸部５１２の傾斜面の角度などは、エッチングの条件によって適宜設定可能である。

（第２の実施の形態）
図１１は、第２の実施の形態に係る半導体発光素子を例示する模式図である。
同図（ａ）は、第２の実施の形態に係る半導体発光素子の模式的断面図、同図（ｂ）は、回折格子の模式的斜視図である。
図１１（ａ）に表したように、第２の実施の形態に係る半導体発光素子１２０には、積層体２０の支持及び成長のための基板としてＧａＮ基板１１が用いられている。半導体発光素子１２０では、ＧａＮ基板１１側に出射面ｓが設けられている。一方、第１電極３０及び第２電極４０（接続用電極４１）は、出射面ｓとは反対側に設けられている。このような構造の半導体発光素子１２０は、いわゆるフリップチップ型である。

半導体発光素子１２０では、ＧａＮ基板１１に回折格子５０が設けられている。図１２（ｂ）に表したように、回折格子５０は、間隔ｄ１で配置された凹凸部５１を有する。凹凸部５１は、凸部５１０と凹部５２０とが交互に配置されている。図１２（ｂ）に例示する凹凸部５１では、出射面ｓに沿ってストライプ状に凸部５１０及び凹部５２０が設けられている。ここで、凹凸部５１において、複数の凸部５１０及び複数の凹部５２０の間隔ｄ１は一定である。

回折格子５０の間隔ｄ１は、上記式１の関係を満たすように設けられている。これにより、半導体発光素子１２０では、発光部２３で発生した光の回折光を出射面ｓから放出するようになる。

回折格子５０は、例えばＧａＮ基板１１に対し、塩素ガスを用いたドライエッチング法によってエッチングすることで形成される。ここで、エッチングのマスクとしては、例えば酸化シリコンやレジストが用いられる。

また、半導体発光素子１２０は、ＧａＮ基板１１に回折格子５０ａを備えていてもよい。ＧａＮ基板１１は、屈折率２．４、ブリュースター角度約６９°である。このＧａＮ基板１１に、回折格子５０ａを備える場合、式２より、くさび型の凸部５１０の頂点の角度θ１１は約４２°である。この凸部５１０を備える回折格子５０ａでは、入射角θ２１が約２２°のとき、Ｐ偏光光の透過率が９９％になる。

また、半導体発光素子１２０は、ＧａＮ基板１１に回折格子５０ｂを備えていてもよい。すなわち、回折格子５０ｂを設けた半導体発光素子１２０では、各々異なる入射角度の発光光ｃ１５について、それぞれ第１出射方向に回折光ｃ２５を出射できるようになる。

（第３の実施の形態）
図１２は、第３の実施の形態に係る半導体発光素子を例示する模式図である。
同図（ａ）は、第３の実施の形態に係る半導体発光素子の模式的断面図、同図（ｂ）は、回折格子の模式的斜視図である。
図１２（ａ）に表したように、第３の実施の形態に係る半導体発光素子１３０には、積層体２０の支持及び成長のための基板としてＧａＮ基板１１が用いられている。一方、第１電極３０は、ＧａＮ基板１１とは反対側に設けられている。また、第２半導体層２２に接する電極には、透光性電極４０ａが用いられている。透光性電極４０には、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）が用いられる。透光性電極４０ａの一部には、接続用電極４１が設けられている。すなわち、第１電極３０及び接続用電極４１は、ＧａＮ基板１１とは反対側に設けられている。この半導体発光素子１３０では、透光性電極４０ａの側に出射面ｓが設けられている。このような構造の半導体発光素子１２０は、いわゆるフェイスアップ型である。

半導体発光素子１３０では、透光性電極４０ａに回折格子５０が設けられている。図１２（ｂ）に表したように、回折格子５０は、間隔ｄ２で配置された凹凸部５１を有する。凹凸部５１は、凸部５１０と凹部５２０とが交互に配置されている。図１２（ｂ）に例示する凹凸部５１では、出射面ｓに沿ってストライプ状に凸部５１０及び凹部５２０が設けられている。ここで、凹凸部５１において、複数の凸部５１０及び複数の凹部５２０の間隔ｄ２は一定である。

回折格子５０の間隔ｄ２は、上記式１の関係を満たすように設けられている。これにより、半導体発光素子１２０では、発光部２３で発生した光の回折光を出射面ｓから放出するようになる。

回折格子５０は、透光性電極４０ａとしてＩＴＯが用いられている場合、例えば塩酸及び硝酸を混合したエッチング液によってウェットエッチングすることで形成される。

また、半導体発光素子１３０は、透光性電極４０ａに回折格子５０ａを備えていてもよい。透光性電極４０ａは、屈折率２．０、ブリュースター角度約６５°である。この透光性電極４０ａに、回折格子５０ａを備える場合、式２より、くさび型の凸部５１０の頂点の角度θ１２は約５０°である。この凸部５１０を備える回折格子５０ａでは、入射角θ２２が約２７°のとき、Ｐ偏光光の透過率が９９％になる。

また、半導体発光素子１２０は、透光性電極４０ａに回折格子５０ｂを備えていてもよい。すなわち、回折格子５０ｂを設けた半導体発光素子１２０では、各々異なる入射角度の発光光ｃ１６について、それぞれ第１出射方向に回折光ｃ２６を出射できるようになる。

（具体例）
図１３は、具体例（その１）を説明する模式的断面図である。
図１３では、凹凸部５１が単一の周期構造になる回折格子５０について例示している。
具体例（その１）における回折格子５０では、入射角θ_ｉｎが４５°の発光光ｃ１０について、１次の回折光ｃ２０を出射面ｓに対して９０°に出射する。凸部５１０の高さは、例えば５００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下程度である。

回折格子５０は、第１半導体層２１として用いられたＧａＮに設けられている。この回折格子５０において、発光光ｃ１０の波長を５５５ｎｍとした場合、凸部５１０の間隔ｄは、式１によって、次のように求められる。
ｓｉｎ９０°−２．４×ｓｉｎ４５°＝−１×（５５５／ｄ）
ｄ＝７９６ｎｍ

通常、ＧａＮの出射面ｓが平坦面の場合、入射角４５°の発光光を出射面ｓに対して垂直に取り出すことはできない。本具体例のように、回折格子５０の凸部５１０の間隔ｄを７９６ｎｍにすることで、半導体発光素子１１０では、入射角４５°の発光光ｃ１０を出射面ｓに対して垂直に取り出すことができるようになる。

図１４は、具体例（その２）を説明する模式的断面図である。
図１４では、第１凹凸部５１ａと、第２凹凸部５１ｂと、を備える回折格子５０ｂについて例示している。
具体例（その２）における回折格子５０ｂでは、入射角θ_ｉｎ１が３０°の発光光ｃ１３及び入射角θ_ｉｎ２が６０°の発光光ｃ１４について、１次の回折光ｃ２３及びｃ２４を出射面ｓに対して９０°に出射する。

回折格子５０ｂは、第１半導体層２１として用いられたＧａＮに設けられている。この回折格子５０ｂにおいて、発光光ｃ１３及びｃ１４の波長を５５５ｎｍとした場合、第１凸部５１１の間隔ｄ１及び第２凸部５１２の間隔ｄ２は、式３及び式４によって、以下のように求められる。
ｓｉｎ９０°−２．４×ｓｉｎ３０°＝−１×（５５５／ｄ１）
ｓｉｎ９０°−２．４×ｓｉｎ６０°＝−１×（５５５／ｄ２）
ｄ１＝２７７５ｎｍ
ｄ２＝５１４ｎｍ

本具体例のように、回折格子５０ｂの第１凸部５１１の間隔ｄ１を２７７５ｎｍ、第２凸部５１２の間隔ｄ２を５１４ｎｍにすることで、半導体発光素子１１０では、入射角３０°及び６０°の発光光ｃ１３及びｃ１４を出射面ｓに対して垂直に取り出すことができるようになる。

図１５は、具体例（その１）に係る回折格子５０の適用例を説明する模式的平面図である。
図１６は、具体例（その２）に係る回折格子５０ｂの適用例を説明する模式的平面図である。
回折格子５０及び５０ｂは、例えば第１半導体層２１の出射面ｓ側に設けられる。

第１半導体層２１には、第１電極３０が設けられている。第１電極３０は、パッド電極部３０ａと、パッド電極部３０ａから延出する細線電極部３０ｂと、を有する。
回折格子５０の凹凸部５１や、回折格子５０ｂの第１凹凸部５１ａ及び第２凹凸部５１ｂは、第１電極３０のパッド電極部３０及び細線電極部３０ｂが配置される領域以外の領域に配置される。発光光は、第１半導体層２１の第１電極３０以外の領域から出射される。この領域に回折格子５０及び５０ｂが設けられる。これにより、回折格子５０及び５０ｂを介して回折光を出射する。

図１７は、具体例（その２）に係る回折格子５０の他の適用例を説明する模式図である。
図１７に例示する回折格子５０では、発光光の発光分布に応じて回折格子５０の間隔ｄが設定されている。

半導体発光素子１１０の発光分布は、例えば第１電極３０のレイアウトによって変化する。図１７に例示する半導体発光素子１１０では、第１電極３０の細線電極部３０ｂの近傍で発光強度が高くなる。図１７では、発光強度が相対的に高い部分をハッチングで示している。一方、ハッチング以外の領域は、発光強度が相対的に低い部分である。

このような半導体発光素子１１０において、回折格子５０では、発光強度の相対的に高い部分（強発光領域Ｓ１）と、低い部分（弱発光領域Ｓ２）とで、凸部５１０の間隔ｄが相違している。例えば、強発光領域Ｓ１に配置される凸部５１０の間隔をｄ１０、弱発光領域Ｓ２に配置される凸部５１０の間隔をｄ２０とする。ここで、弱発光領域Ｓ２に配置される凸部５１０の間隔ｄ２０としては、強発光領域Ｓ１から弱発光領域Ｓ２に進む入射角の大きい光を出射面ｓから垂直な方向に取り出せるような間隔に設定される。

図１８は、強発光領域及び弱発光領域における凸部の間隔の設定例について説明する模式的断面図である。
一例として、弱発光領域Ｓ２に配置される凸部５１０に対し、出射面ｓに沿って２００μｍ程度離れ、出射面ｓに垂直な方向に沿って１μｍ程度の深さの強発光領域Ｓ１から発光光ｃ１７が入射する場合を想定する。この場合、凸部５１０に対する発光光ｃ１７の入射角θは、次ように近似される。
ｔａｎθ＝２００μｍ／１μｍ
よって、入射角θ≒９０°

弱発光領域Ｓ２に配置される凸部５１０の間隔ｄ２０は、近似された入射角θを用い、式１によって得られる間隔に設定される。
例えば、回折格子５０が、第１半導体層２１として用いられたＧａＮに設けられ、発光光の波長が５５５ｎｍであるとすると、式１より、間隔ｄ２０は、次のように求められる。
ｓｉｎ９０°−２．４×ｓｉｎ９０°＝−１×（５５５／ｄ２０）
ｄ２０＝３９６ｎｍ

したがって、弱発光領域Ｓ２に配置される凸部５１０の間隔ｄ２０を３９６ｎｍに設定すれば、強発光領域Ｓ１から弱発光領域Ｓ２に入射する入射角９０°の発光光ｃ１７を、出射面ｓに対して垂直な方向に沿った１次の回折光ｃ２７として取り出すことができる。
なお、実際には、強発光領域Ｓ１から弱発光領域Ｓ２に向かう発光光１７の入射角θは９０°未満である。したがって、実際の凸部５１０の間隔ｄ２０としては、３９６ｎｍよりもやや大きい４００ｎｍ程度にするとよい。

図１８に例示する回折格子５０では、強発光領域Ｓ１と弱発光領域Ｓ２とで凸部５１０の間隔ｄ１０及びｄ２０を変えているが、さらに細かく凸部５１０の間隔を変えるようにしてもよい。例えば、発光強度の分布に従い、徐々に凸部５１０の間隔を変化させるように設定してもよい。この際、発光強度の高い領域から低い領域にかけて、凸部５１０の間隔は徐々に狭くなる。なお、凸部５１０の間隔の下限は、入射角θとして９０°の場合の間隔（例えば、３９６ｎｍ）である。

また、図１７に例示する半導体発光素子１１０として、図６〜図１０に例示する回折格子５０ｂを用いてもよい。この場合、発光強度の分布に応じて、第１凸部５１１及び第２凸部５１２の間隔ｄ１及びｄ２を設定すればよい。

（液晶表示装置への適用例）
図１９は、本実施の形態に係る半導体発光素子の液晶表示装置への適用例を説明する模式的断面図である。
液晶表示装置２００は、駆動側基板２１１と、対向側基板２１２と、駆動側基板２１１及び対向側基板２１２の間に配置される液晶部２１３と、を有する液晶構造体２１０を備える。また、液晶表示装置２００は、液晶構造体２１０に光を供給する発光装置２２０を備えている。
この発光装置２２０として、本実施の形態に係る半導体発光素子１１０が適用される。

液晶表示装置２００では、液晶構造体２１０の光の出射側に、カラーフィルタ２１４及び偏光板２１５が設けられている。液晶部２１３は、駆動側基板２１１に画素ごとに設けられたＴＦＴ（Thin Film Transistor）によって駆動され、画素ごとに変調光を透過させる。

ここで、液晶構造体２１０の光の入射側にも、必要に応じて偏光板２１６が設けられている。発光装置２２０から無偏光光が出射される場合、この偏光板２１６によって直線偏光が液晶部２１３に入射される。発光装置２２０として、本実施の形態に係る半導体発光素子１１０を適用することで、発光装置２２０の発光面から垂直な方向の光を効率良く液晶構造体２１０に照射でき、良好な輝度の表示が行われる。

さらに、発光装置２２０として、図４に例示した回折格子５０ａを備えた半導体発光素子１１０を適用すると、入射側の偏光板２１６が不要になる。すなわち、回折格子５０ａを備えた半導体発光素子１１０では、直線偏光性の強い発光光を効率良く透過させる。したがって、発光装置２２０にこの半導体発光素子１１０を適用すれば、発光装置２２０から直線偏光性の強い光を液晶構造体２１０に供給でき、偏光板２１６を設けなくても液晶部２１３に直線偏光光を入射できるようになる。これにより、液晶表示装置２００の部品点数の削減及び薄型化を達成できる。

以上、本発明の実施の形態およびその変形例を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、前述の各実施の形態および各変形例においては、第１の導電型をｎ形、第２の導電型をｐ形として説明したが、本発明は第１の導電型をｐ形、第２の導電型をｎ形としても実施可能である。

また、例えば、半導体発光素子１１０から放出される光信号を処理できる電子回路を同じ基板の上に集積された光電子集積回路（Opto Electronic Integrated Circuit）も本実施の形態に含まれる。

また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて複合させることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

１１…ＧａＮ基板、２０…積層体、２１…第１半導体層、２１ａ…主面、２２…第２半導体層、２３…発光部、２３ａ…主面、３０…第１電極、４０…第２電極、４０ａ…透光性電極、４１…接続用電極、５０，５０ａ，５０ｂ…回折格子、５１，５１ａ，５１ｂ…凹凸部、６０…接合層、１１０，１２０，１３０…半導体発光素子、２００…液晶表示装置、２１０…液晶構造体、２１１…駆動側基板、２１２…対向側基板、２１３…液晶部、２１４…カラーフィルタ、２２０…発光装置、５１０…凸部、５１０ａ…傾斜面、５１１…第１凸部、５１１ａ，５１２ａ…側面、５１２…第２凸部、５１２ａ…側面、５２０…凹部、５２１…第１凹部、５２２…第２凹部、ｓ…出射面

Claims (8)

1. 第１導電型の第１半導体層、第２導電型の第２半導体層及び前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられた発光部を含む積層体と、
   前記積層体における前記発光部で発生した光の出射面側に設けられ、前記発光部で発生した光の回折光を発生させる回折格子と、
   を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記回折格子は、
   第１間隔で配置された第１凹凸部と、
   前記第１凹凸部の凹部及び凸部の少なくともいずれかに、前記第１間隔よりも狭い第２間隔で配置された第２凹凸部と、
   を有し、
   前記第１凹凸部は、前記発光部で発生した光のうち第１入射角度の光の回折光を前記出射面に対して第１出射角度の方向に向け、
   前記第２凹凸部は、前記発光部で発生した光のうち前記第１入射角度とは異なる第２入射角度の光の回折光を前記出射面に対して前記第１出射角度の方向に向けることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記回折格子は、前記発光部で発生した光の１次の回折光を、前記出射面に対して垂直な方向に向けることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 前記回折格子は、前記第１半導体層に設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
5. 前記積層体を支持する支持基板をさらに備え、
   前記回折格子は、前記支持基板に設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
6. 前記積層体における前記出射面側の主面に設けられた透光性電極をさらに備え、
   前記回折格子は、前記透光性電極に設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
7. 前記回折格子の間隔は、前記発光部で発光した光の前記出射面側での強度分布によって異なることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
8. 駆動側基板と、対向側基板と、前記駆動側基板と前記対向側基板との間に設けられた液晶部と、を有する液晶構造体と、
   請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体発光素子を含み、前記液晶構造体に光を供給する発光部と、
   を備えたことを特徴とする液晶表示装置。

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