(57)【要約】【課題】  簡易な構成で予め定める向きの光を増加させ、かつ光の取出し効率を向上させることができる発光ダイオードを提供する。【解決手段】  ＬＥＤ１は、発光部１１と、透光性基板１２とを含んで構成される。発光部１１は、複数の半導体層が積層して形成され、複数の半導体層の積層方向一方Ｚ１側および積層方向他方Ｚ２側に光を出射する。透光性基板１２は、一表面１５上に発光部１１が配置される。透光性基板１２は、発光部１１から積層方向他方Ｚ２側に出射される光を反射して一表面１５に導く反射面２７を有する。透光性基板１２は、透光性の材料によって形成される。したがって、反射面２７によって反射された光は、透光性基板１２の一表面１５から積層方向一方Ｚ１側に出射される。ＬＥＤ１は、積層方向一方Ｚ１側に出射する光の取出し効率を高めることができる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体層が積層して形成される発光部であって、前記複数の半導体層の積層方向一方側および他方側に光を出射する発光部と、
透光性の材料によって形成される透光性基板であって、積層方向一方側に臨む一表面上に前記発光部が配置され、前記発光部から積層方向他方側に反射された光を反射して積層方向一方側に導く反射面を有する透光性基板とを含むことを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
前記反射面は、反射方向が異なる複数の反射面からなることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項３】
前記透光性基板は、前記一表面のうち前記発光部が配置されない残余の領域に、前記反射面によって反射された光を外部に出射する凹凸部が形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明、露光などに用いられる発光ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオードは、低消費電力、長寿命および小型であるので、レーザプリンタの感光用光源、ディスプレイのバックライト、信号機の表示部および高輝度の照明装置などとして広く用いられている。発光ダイオードの発光効率は、蛍光管に比較すると低いので、更なる高効率化が求められている。
【０００３】
特許文献１には、従来の技術の発光ダイオードである発光素子を有する発光装置が開示されている。発光ダイオードは、透光性基板であるサファイア基板と、サファイア基板に積層される発光部である窒化ガリウム系化合物半導体層とを含む。発光ダイオードは、サファイア基板を上にして、すなわち窒化ガリウム系化合物半導体層が積層される面を下にしてプリント回路基板上に設置される。サファイア基板の上面は、窒化ガリウム系化合物半導体層の表面に対して傾斜して形成される。サファイア基板の上面および側面は、空気などとの界面において、サファイア基板内で臨界角を超える角度で入射する光を全反射する。
【０００４】
窒化ガリウム系化合物半導体層の発光光は、サファイア基板に入射する。サファイア基板に入射した光の少なくとも一部は、サファイア基板内で上面または側面によって反射される。反射された光の少なくとも一部は、サファイア基板の上面および側面から外部に取出される。
【０００５】
また、サファイア基板の側面に対して傾斜する反射板を、サファイア基板の側面付近に設けたときには、反射板は、発光ダイオードの側面から出る光、すなわちサファイア基板の側面から出た光を反射して、予め定める向きの光に変えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１２８０５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１の発光ダイオードは、上面から外部に取出す光を増加させるには、別途反射板が必要となり、発光ダイオード単体で予め定める向きの光を増加させ、かつ光の取出し効率を向上させることができなかった。
【０００８】
本発明の目的は、簡易な構成で予め定める向きの光を増加させ、かつ光の取出し効率を向上させることができる発光ダイオードを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、複数の半導体層が積層して形成される発光部であって、前記複数の半導体層の積層方向一方側および他方側に光を出射する発光部と、
透光性の材料によって形成される透光性基板であって、積層方向一方側に臨む一表面上に前記発光部が配置され、前記発光部から積層方向他方側に出射される光を反射して積層方向一方側に導く反射面を有する透光性基板とを含むことを特徴とする発光ダイオードである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、発光ダイオードは、発光部と、透光性基板とを含んで構成される。発光部は、複数の半導体層が積層して形成される。発光部は、複数の半導体層の積層方向一方側および他方側に光を出射する。透光性基板は、透光性の材料によって形成される。透光性基板は、積層方向一方側に臨む一表面上に発光部が配置される。透光性基板は、発光部から積層方向他方側に出射される光を反射して積層方向一方側に導く反射面を有する。
【００１１】
したがって、透光性基板の反射面は、異なる屈折率を有する物質、たとえば空気に接し、この界面に透光性基板内で臨界角を超えて入射した光を全反射することができる。これによって、透光性基板の一表面上の発光部から積層方向他方側に出射される光は、反射面によって反射され、一表面に導かれる光を増加することができる。一表面に導かれた光の少なくとも一部は、一表面から外部に出射される。したがって、発光ダイオードは、反射板を別途設けることなく、積層方向一方側へ出射される光を増加させることができる。また、発光ダイオードは、反射面によって光を反射するときの光の損失を抑えて、光の取出し効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態におけるＬＥＤ１を示す平面図である。
【図２】本発明の第１実施形態におけるＬＥＤ１を示す断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態におけるＬＥＤ１の発光部１１を拡大して示す断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態におけるＬＥＤ１から出射される光の進路を説明するための断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態におけるＬＥＤ２を示す断面図である。
【図６】実施例のＬＥＤ３を示す外観図である。
【図７】実施例のＬＥＤ３の発光部３１を拡大して示す断面図である。
【図８】比較例１のＬＥＤ４を示す外観図である。
【図９】比較例１のＬＥＤ４の発光部３２を拡大して示す断面図である。
【図１０】比較例２のＬＥＤ５を示す外観図である。
【図１１】比較例２のＬＥＤ５の発光部３３を拡大して示す断面図である。
【図１２】実施例のＬＥＤ３と比較例のＬＥＤ４，５との光の取出し効率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら本発明の発光ダイオード（Light Emitting Diode：以下「ＬＥＤ」という）を実施するための形態を、複数の形態について説明する。以下の説明においては、各形態に先行する形態ですでに説明している事項に対応している部分には同一の参照符を付し、重複する説明を略す場合がある。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、先行して説明している形態と同様とする。各実施形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施形態同士を部分的に組合せることも可能である。また、それぞれの実施形態は、本発明における技術を具体化するために例示するものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。本発明における技術内容は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることが可能である。
【００１４】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態におけるＬＥＤ１を示す平面図である。ＬＥＤ１は、発光部１１と、透光性基板１２とを含んで構成される。発光部１１は、複数の半導体層が積層して形成され、複数の半導体層の積層方向一方側および積層方向他方側に光を出射する。半導体層の積層方向Ｚのうち、積層方向Ｚの一方の向きを積層方向一方Ｚ１といい、積層方向一方Ｚ１の反対の向きを積層方向他方Ｚ２という。積層方向Ｚに直交する一方向を第１水平方向Ｘとし、積層方向Ｚおよび第１水平方向Ｘに直交する方向を第２水平方向Ｙとする。
【００１５】
発光部１１は、積層方向Ｚに見て矩形に形成され、本実施形態においては、正方形に形成される。発光部１１は、一辺の寸法が０．３〜１ミリメートル（millimeters：略号「ｍｍ」）に形成され、厚み寸法が２〜５マイクロメートル（micrometers：略号「μｍ」）に形成される。
【００１６】
透光性基板１２は、積層方向Ｚに見て矩形に形成され、本実施形態においては、正方形に形成される。透光性基板１２は、発光部１１よりも面積が大きくかつ共通な中心を有する相似形の正方形に形成され、一辺の寸法が１〜２ｍｍに形成され、厚み寸法が０．２〜０．６ｍｍに形成される。
【００１７】
透光性基板１２は、透光性を有し、高抵抗または絶縁性を有する材料によって形成される。本実施形態においては、透光性基板１２は、たとえばサファイア（Ａｌ２Ｏ３）によって形成され、少なくとも発光部１１から出射される波長の光を透過可能である。
【００１８】
図２は、本発明の第１実施形態におけるＬＥＤ１を示す断面図である。図２は、図１の切断面線Ａ１−Ａ１から見た断面を示す。図３は、本発明の第１実施形態におけるＬＥＤ１の発光部１１を拡大して示す断面図である。
【００１９】
図３に示す発光部１１は、第１導電型半導体層２１と、活性層２２と、第２導電型半導体層２３と、第１電極２４と、第２電極２５とを含んで構成される。
【００２０】
発光部１１は、窒化ガリウム系半導体層、すなわちＩＩＩＢ族窒化物半導体からなる層を含む。ここで、ＩＩＩＢ族窒化物半導体とは、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意味する。発光部１１の一部を構成するＩＩＩＢ族窒化物半導体は、化学式ＡｌａＧａｂＩｎ（１−ａ−ｂ）Ｎ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、ａ＋ｂ≦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）が挙げられる。
【００２１】
第１導電型半導体層２１は、透光性基板１２上の積層方向一方Ｚ１に形成される。第１導電型半導体層２１は、ｎ型半導体層であり、ＩＩＩＢ族窒化物半導体からなる。第１導電型半導体層２１をｎ型とするには、元素周期律表においてＩＶＢ族の元素であるシリコン（Ｓｉ）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２１の厚み寸法は、１〜４μｍ程度である。
【００２２】
活性層２２は、第１導電型半導体層２１上の積層方向一方Ｚ１に形成される。活性層２２は、積層方向Ｚに見て第１導電型半導体層２１よりも面積が小さく形成される。活性層２２は、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を用いることができ、たとえば化学式ＩｎｃＧａ１−ｃＮ（０≦ｃ＜１）で表わされる材料によって形成される。活性層２２の厚み寸法は、１０〜２００ナノメートル（nanometers：略号「ｎｍ」）程度である。
【００２３】
第２導電型半導体層２３は、活性層２２上の積層方向一方Ｚ１に形成される。第２導電型半導体層２３は、ｐ型半導体層であり、ＩＩＩＢ族窒化物半導体からなる。第２導電型半導体層２３をｐ型とするには、元素周期律表においてＩＩＡ族の元素であるマグネシウム（Ｍｇ）などをドーパントとして層中に混入させればよい。第２導電型半導体層２３の厚み寸法は、１００〜３００ｎｍ程度である。
【００２４】
第１電極２４は、第１導電型半導体層２１上の端部に形成される。第１電極２４は、導電性を有する材料によって形成され、第１導電型半導体層２１に電気的に接続される。第１電極２４の厚み寸法は、１００〜５００ｎｍ程度である。
【００２５】
第１電極２４の材料は、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）合金の薄膜を好適に用いることができる。第１電極２４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。
【００２６】
第２電極２５は、第２導電型半導体層２３上の積層方向一方Ｚ１に形成される。第２電極２５は、透光性を有し、導電性を有する材料によって形成される。第２電極２５は、第２導電型半導体層２３に電気的に接続される。第１電極２４の厚み寸法は、１００〜５００ｎｍ程度である。本実施形態においては、第２電極２５は、酸化インジウム錫によって形成される。
【００２７】
発光部１１は、第１電極２４と第２電極２５との間に電圧を印加することによって、発光する。発光部１１は、面発光型であり、積層方向一方Ｚ１側および積層方向他方Ｚ２側に光を出射する。発光部１１が出射する光の波長は、０．３５〜０．４６μｍである。
【００２８】
図２に示したＬＥＤ１は、透光性基板１２の一表面１５上に発光部１１が配置される。透光性基板１２の一表面１５は、透光性基板１２の積層方向一方Ｚ１に臨む面である。発光部１１は、透光性基板１２の一表面１５上の中央に配置される。
【００２９】
透光性基板１２のおおまかな外形は、角錘台に形成される。この角錘台は、２つの平行な底面が正方形である。以後、底面が正方形の角錘台を「四角錘台」という。四角錘台は、２つの底面のうち、積層方向一方Ｚ１側の底面が、積層方向他方Ｚ２側の底面よりも面積が大きい。透光性基板１２は、第１水平方向Ｘおよび第２水平方向Ｙに見て台形に形成される。
【００３０】
四角錘台の積層方向他方Ｚ２の底面を仮想底面１７とする。仮想底面１７は、透光性基板１２の一表面１５と平行である。透光性基板１２は、仮想底面１７に凹部１４が形成される。凹部１４の形状は、四角錘であり、四角錘の底面の一辺の寸法と仮想底面１７の一辺の寸法とは、一致する。四角錘の頂点は、積層方向Ｚに見て、透光性基板１２の一表面１５の対角線の交点と一致する。さらに、透光性基板１２は、一表面１５の端部において、第１水平方向Ｘに垂直な面および第２水平方向Ｙに垂直な面によって、切欠かれて形成される。
【００３１】
透光性基板１２を第２水平方向Ｙから見たとき、一表面１５の第１水平方向Ｘの寸法をＷとし、Ｗの半分の寸法をＷ１とし、仮想底面１７から凹部１４の四角錘の頂点までの寸法をＨとする。透光性基板１２の断面は、二等辺三角形が２つ形成される。この二等辺三角形の寸法は、底辺がＷ１、高さがＨである。二等辺三角形の頂角の半分の角度を、「傾斜角度」θとする。透光性基板１２の傾斜角度θは、０°よりも大きく９０°未満である。本実施形態のＬＥＤ１は、傾斜角度θが６０°で形成される。
【００３２】
光の屈折率は、物質によって異なり、たとえばサファイアによって形成される透光性基板１２の屈折率は、約１．７７であり、空気の屈折率は、約１である。屈折率が異なる物質の界面においては、それぞれの屈折率に基づいて臨界角が定まる。「臨界角」は、屈折率が異なる物質が接する界面において、屈折率の大きい物質から屈折率の小さい物質に光が入るとき、全反射が起きる最も小さな入射角のことである。光が透光性基板１２内から空気へ向かうときの界面の臨界角は、約３５度である。
【００３３】
光は、臨界角を超える角度で界面に入射すると、界面で全反射される。したがって、透光性基板１２と空気との間の界面は、一定条件下で光を反射する面として機能する。このように、透光性基板１２と透光性基板１２の屈折率より低い屈折率の媒体との界面は反射面として機能することができる。
【００３４】
透光性基板１２は、発光部１１から積層方向他方Ｚ２側に反射された光を反射して、積層方向一方Ｚ１側に導く反射面２７を有する。反射面２７は、透光性基板１２に設けられた斜面と、透光性基板１２の屈折率より低い屈折率の樹脂などの媒体と、が接触した界面に構成される。また、反射面２７としては、斜面と媒体との間の界面に金属膜が設けられた構成のものでもよい。反射面としては、作製が簡易であるという観点からは後者が好ましい。反射面２７は、反射方向が異なる複数の反射面からなる。本実施形態においては、反射面２７は、第１反射面２８および第２反射面２９からなる。第１反射面２８と第２反射面２９とを合わせて、単に反射面２７ともいう。
【００３５】
反射面２７は、透光性基板１２の積層方向他方Ｚ２に臨む面であり、第１水平方向Ｘおよび第２水平方向Ｙに対して角度を成す面である。発光部１１の対角線が交わる点を通りかつ積層方向Ｚに平行な線を「軸線」とする。第１反射面２８は、透光性基板１２の凹部１４によって形成される面、すなわち発光部１１から積層方向他方Ｚ２に離間するにつれて、発光部１１の軸線から離れる面である。第２反射面２９は、四角錘台の側面、すなわち発光部１１から積層方向他方Ｚ２に離間するにつれて、発光部１１の軸線に近づく面である。
【００３６】
図４は、本発明の第１実施形態におけるＬＥＤ１から出射される光の進路を説明するための断面図である。発光部１１から出射される光は、積層方向一方Ｚ１に出射される光と、積層方向他方Ｚ２に出射される光とがある。発光部１１から積層方向一方Ｚ１に出射される光の一部を、矢符Ｌ１〜Ｌ３で示し、発光部１１から積層方向他方Ｚ２に出射される光の一部を、矢符Ｌ４〜Ｌ６で示す。
【００３７】
矢符Ｌ１〜Ｌ３で示す光は、反射面２７に反射されることなく、ＬＥＤ１の光取出し方向、すなわち発光部１１から積層方向一方Ｚ１側に出射される。矢符Ｌ４，Ｌ５で示す光は、まず第１反射面２８によって反射される。第１反射面２８によって反射された光は、第２反射面２９によって反射されて、透光性基板１２の一表面１５から外部に出射される。矢符Ｌ６で示す光は、第１反射面２８によって反射されて、透光性基板１２の一表面１５から外部に出射される。
【００３８】
反射面２７によって反射された光は、透光性基板１２の一表面１５のうち発光部１１が配置されていない残余の領域から出射される。透光性基板１２の一表面１５のうち発光部１１が配置されていない残余の領域を、以後「反射光出射領域」２０という。一表面１５と第１反射面２８との角度、および一表面１５と第２反射面２９との角度は、発光部１１から積層方向他方Ｚ２に反射された光が、反射光出射領域２０に多く導かれる角度に設定することが好ましい。
【００３９】
ＬＥＤ１の作成は、まず透光性基板１２の基となる板状のサファイア基板上に、第１導電型半導体層２１、活性層２２、第２導電型半導体層２３、第１電極２４および第２電極２５を積層して、発光部１１が形成される。発光部１１が形成されたサファイア基板は、予め定める間隔で、第１水平方向Ｘに垂直な面および第２水平方向Ｙに垂直な面によって切断される。切断されたサファイア基板は、掘削加工、レーザ加工、エッチングなどによって、四角錘台の形状に形成され、さらに、凹部１４が形成されて透光性基板１２が作成される。
【００４０】
他の実施形態において、透光性基板１２に形成される凹部１４の形状は、たとえば四角錘以外の角錐、角錘台、円錐、円錐台、半球、球の一部、または楕円体の一部によって実現されてもよい。さらに、透光性基板１２に形成される凹部１４は、複数によって実現されてもよい。
【００４１】
（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態におけるＬＥＤ２を示す断面図である。透光性基板１３は、反射光出射領域２０に凹凸部１６が形成される。凹凸部１６は、反射光出射領域２０の全面に形成される。凹凸部１６は、第１反射面２８または第２反射面２９によって反射された光を外部に出射する。
【００４２】
凹凸部１６は、複数の円錐状の突起によって構成される。第１水平方向Ｘおよび第２水平方向Ｙに隣接する円錐間の軸線の距離を、「ピッチ」という。円錐の寸法は、底面の直径が０．１〜２μｍ、高さが０．１〜２μｍ、ピッチが０．１〜４μｍに形成される。ピッチは、発光部１１が出射する光の波長の値と同じ長さ、または発光部１１が出射する光の波長の値以下の長さに形成されることが好ましい。凹凸部１６は、掘削加工、レーザ加工、エッチングなどによって形成される。
【００４３】
他の実施形態において、凹凸部１６は、反射光出射領域２０の一部のみに形成されることによって実現されてもよい。凹凸部１６の形状は、円錐に限らず、たとえば円錐台、円柱、角錘、角錘台、角柱、半球、球の一部、または楕円体の一部によって実現されてもよい。また、凹凸部１６は、一表面１５上において予め定める方向に沿って延びる溝を一定の間隔で形成することによって実現されてもよい。予め定める方向に沿って延びる溝は、Ｖ字溝またはＵ字溝などによって実現される。
【００４４】
（実施例および比較例）
図６は、実施例のＬＥＤ３を示す外観図である。実施例のＬＥＤ３は、第1実施形態のＬＥＤ１に対応し、コンピュータによって作成した数値計算モデルである。ＬＥＤ３は、第１実施形態のＬＥＤ１の光の取出し効率をシミュレーション、すなわち模擬的に実験するためのものである。ＬＥＤ３は、図１〜図４に示したＬＥＤ１の発光部１１に換えて、発光部３１が用いられる。ＬＥＤ３の光の取出し効率を模擬的に実験した結果は、後に詳述する。
【００４５】
ＬＥＤ３は、発光部３１と、透光性基板１２とによって構成される。透光性基板１２は、一表面１５の第１水平方向Ｘおよび第２水平方向Ｙの寸法が１．２ｍｍに形成される。透光性基板１２の第１水平方向Ｘおよび第２水平方向Ｙに臨む面は、積層方向Ｚの寸法が０．１ｍｍに形成される。発光部３１は、第１水平方向Ｘおよび第２水平方向Ｙの寸法が０．６ｍｍに形成される。
【００４６】
図７は、実施例のＬＥＤ３の発光部３１を拡大して示す断面図である。発光部３１は、模擬実験を行うために模擬的に作成されたものである。発光部３１は、発光層４１と、透明電極４５とから構成される。
【００４７】
発光層４１は、厚み寸法が４μｍに形成される。発光層４１は、内部に１６個の光源４４を有する。光源４４は、球形状に形成され、球面に対する法線方向へ等方的に光を出射するものとする。光源４４は、積層方向Ｚに見て発光部３１を第１水平方向Ｘおよび第２水平方向Ｙにそれぞれ４等分した１６個の正方形の中心に配置される。透明電極４５は、材料が酸化インジウム錫によって形成され、透光性を有する。透明電極４５は、厚み寸法が０．２５μｍに形成される。
【００４８】
上述のように構成されるＬＥＤ３について、透光性基板１２の傾斜角度θが異なる実施例１〜５のＬＥＤ３を用いて模擬実験を行った。実施例１のＬＥＤ３は、傾斜角度θが１５°であり、実施例２のＬＥＤ３は、傾斜角度θが３０°であり、実施例３のＬＥＤ３は、傾斜角度θが４５°であり、実施例４のＬＥＤ３は、傾斜角度θが６０°であり、実施例５のＬＥＤ３は、傾斜角度θが７５°である。
【００４９】
図８は、比較例１のＬＥＤ４を示す外観図である。比較例１のＬＥＤ４は、コンピュータによって作成した数値計算モデルである。ＬＥＤ４の光の取出し効率を模擬的に実験した結果は、後に詳述する。
【００５０】
ＬＥＤ４は、発光部３２と透光性基板３６とによって構成される。透光性基板３６は、サファイアによって形成される。透光性基板３６の外形は、第１水平方向Ｘおよび第２水平方向Ｙの寸法が０．６ｍｍに形成され、積層方向Ｚの寸法が０．４ｍｍに形成される。透光性基板３６は、積層方向一方Ｚ１に臨む面に凹部３４が形成される。凹部３４の形状は、四角錘であり、四角錘の底面は、透光性基板３６の積層方向一方Ｚ１に臨む面と等しい。凹部３４の四角錘の頂点と、底面の頂点とを結ぶ線分を「側辺」とする。四角錘は、四角錘の底面の辺と、四角錘の側辺とが交わる角度が、４５°に形成される。発光部３２は、透光性基板３６の積層方向他方Ｚ２に配置される。
【００５１】
図９は、比較例１のＬＥＤ４の発光部３２を拡大して示す断面図である。図９に示す発光部３２は、図６に示した発光部３１と類似する構成である。発光部３２は、透明電極４５の積層方向一方Ｚ１に発光層４１が配置される。
【００５２】
図１０は、比較例２のＬＥＤ５を示す外観図である。比較例２のＬＥＤ５は、コンピュータによって作成した数値計算モデルである。ＬＥＤ５の光の取出し効率を模擬的に実験した結果は、後に詳述する。
【００５３】
ＬＥＤ５は、発光部３３と透光性基板３７とによって構成される。透光性基板３７は、サファイアによって形成される。透光性基板３７の外形は、第１水平方向Ｘおよび第２水平方向Ｙの寸法が１．２ｍｍに形成され、積層方向Ｚの寸法が０．４ｍｍに形成される。
【００５４】
発光部３３は、透光性基板３７の積層方向一方Ｚ１に配置される。発光部３３は、発光層４２と、透明電極４５とによって構成される。発光層４２の外形は、第１水平方向Ｘおよび第２水平方向Ｙの寸法が１．２ｍｍに形成される。透明電極４５の外形は、第１水平方向Ｘおよび第２水平方向Ｙの寸法が０．６ｍｍに形成され、積層方向Ｚの寸法が４μｍに形成される。
【００５５】
図１１は、比較例２のＬＥＤ５の発光部３３を拡大して示す断面図である。図１１に示す発光部３３は、図６に示した発光部３１と類似する構成である。透明電極４５は、厚み寸法が０．２５μｍに形成される。透明電極４５は、発光層４２の積層方向一方Ｚ１に配置される。
【００５６】
発光層４２の積層方向一方Ｚ１に臨む面のうち、透明電極４５が配置されない残余の領域は、複数の凹部３５が形成される。凹部３５は、円柱状に形成される。円柱は、底面の直径が２μｍ、高さが４μｍに形成される。第１水平方向Ｘおよび第２水平方向Ｙに隣接する円柱間の軸線の距離を「ピッチ」とする。複数の円柱は、ピッチが４μｍに形成される。凹部３５の内壁は、銀（Ａｇ）が蒸着され、光源４４からの光を反射する。
【００５７】
図１２は、実施例のＬＥＤ３と比較例のＬＥＤ４，５との光の取出し効率を示すグラフである。図１２に示すグラフは、実施例のＬＥＤ３、比較例１のＬＥＤ４および比較例２のＬＥＤ５のそれぞれについて、光線追跡法によって光の取出し効率を模擬的に実験した結果を示す。本模擬実験は、光線追跡シミュレーションソフトウェア（Ｌａｍｂｄａ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ（ラムダリサーチ）社製、製品名：「Ｔｒａｃｅ  Ｐｒｏ（トレースプロ）」）を用いて行った。
【００５８】
ＬＥＤ３〜５において、「光の取出し効率」は、ＬＥＤ３〜５から外部へ出射された光の光エネルギを、光源４４から出射された光の光エネルギで割ることによって求める。また、ＬＥＤ１，２において、「光の取出し効率」は、活性層２２で発光した光エネルギが外部へ取り出される割合を示す。また、「発光効率（外部量子効率）」＝「内部量子効率」×「光の取出し効率」で定義されている。「内部量子効率」は、外部から活性層２２または発光層４１，４２に注入された電気エネルギが、光エネルギに変換される割合を示す。
【００５９】
グラフの縦軸は、各ＬＥＤ３〜５の光の取出し効率を示す。ＬＥＤ３〜５から外部に出射される光の取出し効率を、「合計」としてグラフに示す。光の取出し効率の「合計」うち、ＬＥＤ３〜５から積層方向一方Ｚ１側に出射される光の取出し効率を「表面」としてグラフに示す。同様に、ＬＥＤ３〜５から積層方向他方Ｚ２側に出射される光の取出し効率を「裏面」としてグラフに示し、ＬＥＤ３〜５から積層方向Ｚに垂直な方向に出射される光の取出し効率を「側面」としてグラフに示す。光の取出し効率の合計の値は、光の取出し効率の表面、裏面および側面の値を加算した値に等しい。
【００６０】
グラフの横軸は、第１〜実施例５のＬＥＤ３、比較例１のＬＥＤ４および比較例２のＬＥＤ５を示す。実施例１のＬＥＤ３の光の取出し効率は、合計が１９．４％、表面が４．２％、側面が１２．８％、裏面が２．４％であった。実施例２のＬＥＤ３の光の取出し効率は、合計が１９．８％、表面が５．０％、側面が９．４％、裏面が５．４％であった。実施例３のＬＥＤ３の光の取出し効率は、合計が１９．７％、表面が５．２％、側面が７．３％、裏面が７．２％であった。実施例４のＬＥＤ３の光の取出し効率は、合計が１９．３％、表面が８．３％、側面が５．０％、裏面が６．０％であった。実施例５のＬＥＤ３の光の取出し効率は、合計が１８．１％、表面が７．４％、側面が５．３％、裏面が５．４％であった。
【００６１】
比較例１のＬＥＤ４の光の取出し効率は、合計が１６．０％、表面が６．９％、側面が６．１％、裏面が３．０％であった。比較例２のＬＥＤ５の光の取出し効率は、合計が９．２％、表面が３．１％、側面が３．１％、裏面が３．０％であった。
【００６２】
実施例１〜５のすべてのＬＥＤ３は、合計の値において、比較例１のＬＥＤ４および比較例２のＬＥＤ５よりも光の取出し効率が優れていることが確認された。したがって、第１および第２実施形態のＬＥＤ１，２を照明用の発光源として用いると、発光効率のよい照明を作成することができる。
【００６３】
また、実施例４および５のＬＥＤ３は、表面の値において、比較例１のＬＥＤ４および比較例２のＬＥＤ５よりも光の取出し効率が優れていることが確認された。したがって、第１および第２実施形態のＬＥＤ１，２は、傾斜角度θを少なくとも６０°以上７５°以下に形成することによって、積層方向一方Ｚ１側に出射される光の取出し効率を向上させることができる。傾斜角度θが少なくとも６０°以上７５°以下に形成される第１および第２実施形態のＬＥＤ１，２は、レーザプリンタの感光用光源などとして用いるのに好適である。
【００６４】
また、実施例１〜３のＬＥＤ３は、側面の値において、比較例１のＬＥＤ４および比較例２のＬＥＤ５よりも光の取出し効率が優れていることが確認された。したがって、第１および第２実施形態のＬＥＤ１，２は、傾斜角度θを少なくとも１５°以上４５°以下に形成することによって、積層方向Ｚに垂直な方向に出射される光の取出し効率を向上させることができる。
【００６５】
したがって、第１および第２実施形態のＬＥＤ１，２は、傾斜角度θを異なる値に設定して透光性基板１２を形成することによって、予め定める向き、たとえば積層方向一方Ｚ１または積層方向Ｚに垂直な方向の光の取出し効率を向上させることができる。第１および第２実施形態のＬＥＤ１，２は、用途に応じて、光を多く取出すことができる向きを設定することができる。
【００６６】
このように、ＬＥＤ１は、発光部１１と、透光性基板１２とを含んで構成される。発光部１１は、複数の半導体層が積層して形成される。発光部１１は、複数の半導体層の積層方向一方Ｚ１側および積層方向他方Ｚ２側に光を出射する。透光性基板１２は、透光性の材料によって形成される。透光性基板１２は、積層方向一方側に臨む一表面１５上に発光部１１が配置される。透光性基板１２は、発光部１１から積層方向他方Ｚ２側に反射された光を反射して積層方向一方Ｚ１側に導く反射面２７を有する。
【００６７】
したがって、透光性基板１２の反射面は、異なる屈折率を有する物質、たとえば空気に接し、この界面に透光性基板１２内で臨界角を超えて入射した光を全反射することができる。これによって、透光性基板１２の一表面１５上の発光部１１から積層方向他方Ｚ２側に反射された光は、反射面２７によって反射され、一表面１５に導かれる光を増加することができる。一表面１５に導かれた光の少なくとも一部は、一表面１５から外部に出射される。したがって、ＬＥＤ１は、反射板を別途設けることなく、積層方向一方Ｚ１側へ出射される光を増加させることができる。また、ＬＥＤ１は、反射面２７によって光を反射するときの光の損失を抑えて、光の取出し効率を向上させることができる。
【００６８】
また、反射面２７は、反射方向が異なる複数の反射面２７からなるので、複数の反射面２７は、発光部１１から反射された光を、複数回繰り返して反射することができる。これによって、ＬＥＤ１は、複数の反射面２７によって、発光部１１から積層方向他方Ｚ２側に出射された光を、光の損失を抑えつつ効率よく積層方向一方Ｚ１側に導くことができる。
【００６９】
また、透光性基板１３は、一表面１５のうち発光部１１が配置されない残余の領域に、反射面２７によって反射された光を外部に出射する凹凸部１６が形成される。したがって、凹凸部１６は、反射面２７によって一表面１５に導かれる光を、透光性基板１３内で臨界角を超えない角度で入射させることができる。これによって、凹凸部１６は、反射面２７によって反射された光が、一表面１５でさらに反射することを抑えることができる。したがって、凹凸部１６が形成される一表面１５は、凹凸部１６が形成されないときに比べて、一表面１５から積層方向一方Ｚ１側に出射する光を増加させることができる。これによって、ＬＥＤ２は、積層方向一方Ｚ１側に出射する光の取出し効率をさらに向上させることができる。
【符号の説明】
【００７０】
１〜５  ＬＥＤ
１１  発光部
１２，１３  透光性基板
１４  凹部
１５  一表面
１６  凹凸部
１７  仮想底面
２０  反射光出射領域
２１  第１導電型半導体層
２２  活性層
２３  第２導電型半導体層
２４  第１電極
２５  第２電極
２７  反射面
２８  第１反射面
２９  第２反射面
３１〜３３  発光部
３４，３５  凹部
３６，３７  透光性基板
４１，４２  発光層
４４  光源
４５  透明電極
【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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