(57)【要約】  【課題】  光半導体層から基板へ入射した光の取り出しを向上させた発光素子を提供する。  【解決手段】  発光素子は、主面間に設けられ、一側面から反対側の屈折率の異なる光路変換部を有する透明基板と、前記透明基板上に設けられた光半導体層と、を具備する発光素子であって、前記光路変換部と２点で交差するように前記透明基板の両主面を横切る前記両主面の垂線と交わる前記光路変換部と前記透明基板との界面の少なくとも１つが、曲面、または前記透明基板と前記光半導体層との界面に対して傾斜した平面である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面間に設けられ、屈折率の異なる光路変換部を有する透明基板と、前記透明基板上に設けられた光半導体層と、を具備する発光素子であって、
前記光路変換部と２点で交差する前記両主面の垂線と交わる前記光路変換部と前記透明基板との界面の少なくとも１つが、曲面、または前記透明基板と前記光半導体層との界面に対して傾斜した平面である発光素子。
【請求項２】
前記光路変換部は、前記透明基板と前記光路変換部との界面に対して平行な中心軸を有する柱状である請求項１記載の発光素子。
【請求項３】
前記光路変換部の底面は前記透明基板の側面から露出している請求項２記載の発光素子。
【請求項４】
前記光路変換部は、円柱状である請求項２または３記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（Light Emitting Diode、略称ＬＥＤ）に代表されるような発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、紫外光領域から青色光までの光を発光する発光素子が注目されており、このような発光素子の材料としては例えば、窒化ガリウム系化合物半導体が知られている。
【０００３】
このような発光素子は、蛍光体と組み合わせることにより白色の光を発光することが可能であり、また省エネルギーかつ長寿命であることから、白熱電球や蛍光ランプの代替品として有望視されると共に実用化が始まっている。しかしながら、これらの発光素子の発光効率は、蛍光灯に比較すると低いため、更なる高効率化が求められている。高効率化には、発光素子のみならず、発光素子が設けられた透明基板を調整することも行なわれている。透明基板は、光半導体層および空気と屈折率が異なるため、基板と光半導体層との界面、および基板と空気との界面においてそれぞれ、屈折率差に応じた全反射角が存在する。界面への光の入射角によっては、界面で反射され、基板内または半導体層内で多重反射を繰り返すため、光が取り出されない傾向がある。
【０００４】
例えば、特許文献１には、透明基板の両主面で露出するように、主面間に貫通孔を設けた発光素子が開示されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−２４６６４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、光半導体層と貫通孔中の空気とが直接接することになるため、屈折率差が大きくなり、全反射が起こりやすいため、光の取り出し効率の向上度合いは小さかった。
【０００６】
本発明の目的は、光半導体層から基板へ入射した光の取り出しを向上させた発光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、主面間に設けられ、屈折率の異なる光路変換部を有する透明基板と、前記透明基板上に設けられた光半導体層と、を具備する発光素子であって、前記光路変換部と２点で交差する前記両主面の垂線と交わる前記光路変換部と前記透明基板との界面の少なくとも１つが、曲面、または前記透明基板と前記光半導体層との界面に対して傾斜した平面である発光素子に関する。
【０００８】
前記光路変換部は、前記透明基板と前記光路変換部との界面に対して平行な中心軸を有する柱状であることが好ましい。
【０００９】
前記光路変換部の底面は前記透明基板の側面から露出していることが好ましい。
【００１０】
前記光路変換部は、円柱状であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の発光素子は、光路変換部と２点で交差する両主面の垂線と交わる光路変換部と透明基板との界面の少なくとも１つが、曲面、または透明基板と光半導体層との界面に対して傾斜した平面である。このような光路変換部を有することにより、光路変換部へ入射した光の入射角と、光路変換部から出射した光の出射角と、を大きく変えることができる。これにより、光半導体層から基板へ入射した光の取り出しを向上させることができる。
【００１２】
前記光路変換部は、前記透明基板と前記光路変換部との界面に対して平行な中心軸を有する柱状であることにより、本来基板と空気との界面で全反射する光を基板全面に渡って光路を変換することが可能となるため、光半導体層から基板へ入射した光の取り出しをより向上させることができる。
【００１３】
前記光路変換部の底面は前記透明基板の側面から露出していることにより、基板/光路変換部/空気といった光路で進行し、露出部から放出される光が存在することになり、屈折率が徐々に変化することになるため、光半導体層から基板へ入射した光の取り出しをより向上させることができる。
【００１４】
前記光路変換部は、円柱状であることにより、あらゆる角度で光路変換部に入射した光に対して、効果的に光路を変換できることにより光半導体層から基板へ入射した光の取り出しをより向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら本発明の発光素子を詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施形態の一つの発光素子を示す断面図である。
【００１７】
本発明における発光素子において、透明基板１は、図１に示すように、その主面間に屈折率の異なる光路変換部５を有する。図１において符号８は、光路変換部５と２点で交差するように透明基板１の両主面を横切る垂線を示す。そして、図１において、垂線と交わる光路変換部と前記透明基板との界面は曲面である。
【００１８】
光路変換部５は両主面において露出しないことが好ましい。露出しないことにより、露出により生じる凹凸を抑制して主面の平坦性を維持することができる。
【００１９】
光路変換部５は、図１にも示すように透明基板１の側面に露出していることが好ましい。透明基板１の側面に光路変換部５が露出していることにより、基板/光路変換部/空気といった光路で進行し、露出部から放出される光が存在することになり、屈折率が徐々に変化するという効果を得ることができる。
【００２０】
図２は、図１に示す発光素子の概略の斜視図である。図２において光路変換部５は円柱状を示す。図１の光路変換部５は、底面である円が透明基板１の側面に露出した形状をとっている。そして透明基板１の一方の側面から他方の側面まで貫通するように設けられ、得られた柱状の中心軸は透明基板１と光路変換部５との界面に対して平行であることが好ましい。上述の、「平行」とは、「実質的に平行」の意味を含む。「実質的に平行」とは、本発明において得られる効果に影響が出る程度に、平行からずれているものをいい、前記中心軸と透明基板１と光路変換部５との界面とがなす角度が２０°以下、好ましくは１０°以下のものをいう。
【００２１】
このように、得られた柱状の光路変換部５が透明基板１に対して横向きに設けられていることにより、本来基板と空気との界面で全反射する光を基板全面に渡って光路を変換することが可能になる。
【００２２】
図１および図２において光路変換部５が一つの例を示しているが、これに限定されず光路変換部５が複数設けられていてもよい。
【００２３】
図１および図２には、光路変換部５が円柱状である一例を示したが、光路変換部５としては他にも、底面が多角形のものも挙げられる。例えば、図３は、光路変換部５が三角柱である発光素子の斜視図を示す。
【００２４】
ただし、本発明の発光素子において光路変換部５の底面が多角形の場合、光路変換部１５と透明基板１との界面のうち、垂線８と交わる光路変換部５と透明基板１との界面の少なくとも１つが、透明基板１と光半導体層２との界面に対して傾斜した平面である必要がある。例えば、図３のように、光路変換体１５の底面が正方形の三角柱であり、さらに、底面を囲む３つの面のうち、垂線８と交差する２つの面のうち一方が透明基板１と光半導体層２との界面に対して平行であっても、もう一方の面が透明基板１と光半導体層２との界面に対して傾斜している場合は、本発明の発光素子に含まれる。ここで、「傾斜する」とは、本発明において得られる効果が得られる角度をいい、面と面とがなす角度が２°以上、好ましくは５°以上をいう。
【００２５】
一方、図４のように、光路変換体１５の底面が正方形の四角柱であり、さらに、底面を囲む４つの面のうち、垂線８と交差する２つの面１６が、透明基板１と光半導体層２との界面に対して平行なものは、本発明の発光素子から除かれる。
【００２６】
図５は、光路変換部１５近辺を拡大した図４の発光素子の拡大断面図である。図５に示すように、透明基板１に入射した光は、透明基板１中を角度ａにて進行する。次に光路変換部５に入射したのち出射する際、互いに対向する２つの面１６と透明基板１の主面とが平行であるため、出射する光は角度ａとなり、透明基板１に入射した光の角度ａとほとんど差がない。そのため、光路変換が十分に機能しない。
【００２７】
逆に、図３の場合、光路変換部５に出射する光は角度と、透明基板１に入射した光の角度と、はそれぞれ異なるため光路変換は十分に機能する。
【００２８】
透明基板１としては、具体的にサファイア、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＯ、Ｇａ２Ｏ３、ＳｉＣなどが挙げられる。また、透明基板１の厚みは１００〜１０００μｍである。
【００２９】
光路変換部５の材質としては、空気、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ＳｉＯ２などが挙げられる。
【００３０】
光路変換部５を有する透明基板１は、例えば以下に示すようにして作製される。
【００３１】
透明基板１は光半導体層２を形成する前に例えば公知のエッチング方法により光路変換部５となる部分を形成する。円柱状の光路変換部５を形成するためには、まず透明基板に円柱形状の半分となる部分を形成する。形成には透明基板にマスクを形成し、マスク以外の部分を断面形状が半円となるようエッチングする。マスクにはＮｉなどの金属マスク、レジスト、ＳｉＯ２等を使用することができる。エッチングは透明基板の材料により反応性イオンエッチング(ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ)等のドライエッチングや酸によるウェットエッチングにより行う。
【００３２】
または、機械的に断面形状が半円状のブレードにより研磨・切削することで形状を形成することも可能である。機械的に行っても、半導体層２の成長前なので、その後の半導体成長に特に影響を与えることはない。
【００３３】
以上のように円柱形状の半分となる部分が形成された基板を２枚用意し、１枚を半導体層２を形成するため供する。半導体層２を成長後は発光素子とするための電極やプロセスを行った後に、円柱形状の半分の部分にシリコーン樹脂等を埋めこみ、もう１枚の基板と貼り合わせることで透明基板１を製造することができる。
【００３４】
または、フェムト秒レーザーなどを用いて、基板中に空洞部を形成した後に、シリコーン樹脂などを空洞部に注入し、光路変換部５を形成することも可能である。
【００３５】
光半導体層２は、図１に示すように、例えば、第１導電型半導体層２ｂ、発光層２ａおよび第２導電型半導体層２ｃから構成される。
【００３６】
光半導体層２は、例えば、窒化物半導体から形成される。ここで、窒化物半導体とは、例えば、元素周期律表におけるＩＩＩＢ族（１３族）元素の窒化物から構成される半導体をいう。ＩＩＩＢ族窒化物半導体は、化学式ＡｌｘＧａｙＩｎ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）で表すことができる。ＩＩＩＢ族窒化物半導体としては、たとえば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）などが挙げられる。
【００３７】
光半導体層２は、発光層２ａを間に介するように、第１導電型半導体層２ｂと発光層２ａと第２導電型半導体層２ｃとが積層された積層構造を有する。なお、第１導電型半導体層２ｂと発光層２ａとの間と、発光層２ａと第２導電型半導体層２ｃとの間との少なくともいずれか一方の間には、キャリアオーバーフローを抑制するブロック層が配置されてもよい。
【００３８】
第２導電型半導体層２ｃをＩＩＩＢ族窒化物半導体からなるｎ型半導体層とするには、元素周期律表においてＩＶＢ族の元素であるＳｉ（シリコン）などをドーパントとして層中に混入させればよい。ｎ第２導電型半導体層２ｃの厚みは１〜５μｍ程度である。また、第１導電型半導体層２ｂをＩＩＩＢ族窒化物半導体からなるｐ型半導体層とするには、元素周期律表においてＩＩＡ族の元素であるＭｇ（マグネシウム）などをドーパントとして層中に混入させればよい。第１導電型半導体層２ｂの厚みは１５０〜５００ｎｍ程度である。
【００３９】
発光層２ａは、第１導電型半導体層２ｂと第２導電型半導体層２ｃとの間に設けられる。発光層２ａは、禁制帯幅の広い光半導体層側障壁層と禁制帯幅の狭い光半導体層側井戸層とからなる量子井戸構造が複数回（たとえば約３回）繰り返し規則的に積層された多層量子井戸構造（ＭＱＷ）としてもよい。なお、前記光半導体層側障壁層としては、Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ層などが挙げられる。また、前記光半導体層側井戸層としては、Ｉｎ０．１１Ｇａ０．８９Ｎ層などが挙げられる。光半導体層側障壁層の厚みは５〜１５ｎｍ程度、光半導体層側井戸層の厚みは２〜１０ｎｍ程度である。発光層２ａの厚みは２５〜１５０ｎｍ程度である。
【００４０】
光半導体層２の成長方法としては、分子線エピタキシー（ＭＢＥ；Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法、有機金属エピタキシー（ＭＯＶＰＥ；Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ；Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）、パルスレーザデポジション（ＰＬＤ；Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等が用いられる。
【００４１】
図１に示すように、透明基板１と光半導体層２との間にはバッファ層６が設けられていることが好ましい。バッファ層６は、透明基板１がサファイア、光半導体層２がＧａＮの場合のように、透明基板１と光半導体層２との間に応力が発生する場合、その応力を緩和させるために好適に形成される。バッファ層６は、例えば、窒化ガリウム、窒化アルミニウムなどの材料から構成される。バッファ層６の厚みは０．０１〜０．２μｍ程度である。
【００４２】
なお、図１の場合、バッファ層６は、４００℃から７００℃程度の温度で窒化ガリウム、窒化アルミニウムを成長することにより形成される。
【００４３】
導電層は、第１導電側の導電層３と第２導電側の導電層４とから構成される。第１導電側の導電層３および第２導電側の導電層４の厚みはそれぞれ０．１〜５μｍである。
【００４４】
第１導電側の導電層３および第２導電側の導電層４としては、たとえば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、インジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、白金（Ｐｔ）、鉛（Ｐｂ）、ベリリウム（Ｂｅ）、酸化錫（ＳｎＯ２）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、金−シリコン（Ａｕ−Ｓｉ）合金、金−ゲルマニウム（Ａｕ−Ｇｅ）合金、金−亜鉛（Ａｕ−Ｚｎ）合金、金−ベリリウム（Ａｕ−Ｂｅ）合金などの薄膜を好適に用いることができる。また、第１導電側の導電層３および第２導電側の導電層４は、上記材質の中から選択した層を複数層積層したものとしても構わない。
【００４５】
第１導電側の導電層３および第２導電側の導電層４は、真空蒸着法、スパッタリング法などの方法により作製される。
【００４６】
ワイヤボンディングによる接続を考慮した場合、第１導電側の導電層３および第２導電側の導電層４の上部には、パッド電極７が用いられる。
【００４７】
パッド電極７は、例えば、チタン、またはチタンを下地層として金層を積層したものを用いている。パッド電極７の厚みは約０．５〜５μｍである。パッド電極７は、真空蒸着法、スパッタリング法などの方法により形成される。
【００４８】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことは何等差し支えない。
【実施例】
【００４９】
図２〜図４に示すシミュレーションモデルを規定して、シミュレーションを行なった。なお、シミュレーションには光線追跡法を用いた。
【００５０】
図２〜４に示すシミュレーションモデルにおいて、透明基板１および透明基板１１は、１辺の長さが３４０μｍの立方体形状とした。また、透明基板１および１１は、サファイア基板（屈折率：１．７８６）とした。
【００５１】
また、図２および図３の光路変換部５の形状、ならびに光路変換部１５の形状は、２つの底面がいずれも透明基板１の側面から露出した柱状とした。また、図２〜４に示すように、透明基板１および１１上に光半導体層２および１２、ならびに、第１導電側の導電層３および１３が設けられるようにし、光半導体層２および１２の上に第２導電側の導電層４および１４が設けられるようにした。
【００５２】
図２の光路変換部の形状は円柱（端面の円の直径：１００μｍ）とした。
【００５３】
図３の光路変換部の形状は、底面が直角三角形の三角柱とした。なお、底面の直角三角形の辺のうち、互いに等しい２つの辺ではない辺の長さを１００μｍとした。また、その辺を含む光路変換部の面は、透明基板１の主面と平行とした。
【００５４】
図４の光路変換部の形状は、端面が正方形の四角柱とした。なお、端面の正方形の辺の長さを１００μｍとした。また、底面を囲む４つの面のうち、２つの面は、透明基板１の主面と平行とした。
【００５５】
そして、光路変換部の屈折率を１〜３まで変化させたときの光取り出し効率を導出した。なお、使用した光の波長は３９５ｎｍであった。
【００５６】
結果を図６に示す。
【００５７】
図２に示す光路変換部５および図３に示す光路変換部５の場合では、屈折率を変化させた場合、屈折率が透明基板と同じ屈折率の１．７８６以外において光取り出し効率が向上した。どちらの場合でも、屈折率が１．５の場合、光取り出し効率が最も向上した。
【００５８】
一方、図４に示す光路変換部１５の場合では、屈折率を変化させても光取り出し効率にほとんど変化はみられなかった。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の発光素子の一実施形態を示す断面図である。
【図２】図１に示す発光素子の斜視図である。
【図３】本発明の発光素子の他の実施形態を示す斜視図である。
【図４】本発明の発光素子の比較となる発光素子の実施の形態を示す斜視図である。
【図５】図４の発光素子の要部断面図である。
【図６】光路変換部の屈折率を１〜３まで変化させたときの光取り出し効率を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１、１１：透明基板
２、１２：光半導体層
２ａ：光半導体層
２ｂ：第１導電型半導体層
２ｃ：第２導電型半導体層
３、１３：第１導電側の導電層
４、１４：第２導電側の導電層
５、１５：光路変換部
６：バッファ層
７：パッド電極
８：光路変換部と２点で交差する透明基板の両主面の垂線
１６：光半導体層１２と透明基板１１との界面と平行な光路変換部５と透明基板との界面
【図１】
2010153594.tif 000003
【図２】
2010153594.tif 000004
【図３】
2010153594.tif 000005
【図４】
2010153594.tif 000006
【図５】
2010153594.tif 000007
【図６】
2010153594.tif 000008