(57)【要約】  【課題】  発光素子で生じた光の外部放射効率を向上させることができるとともに、一旦外部放射された光の再入射を生じることのない発光素子およびこれを用いた発光装置を提供する。  【解決手段】  ＬＥＤ素子２のＧａＮ系半導体層２００側面に半円状をなす曲面で構成された凹状側面２００Ａを設ける。このことにより、ＧａＮ系半導体層２００から外部放射される光を増やすことができる。また、凹状をなすように半円状をなす曲面で凸部を形成することで、一旦外部放射された光が隣接する凸部に再入射しにくくなる。  【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光する層を含む半導体層の側面に傾きの変化した傾斜面と、前記傾斜面の先端に設けられる尖状凸部とからなる複数の凹状光取出し部を有することを特徴とする発光素子。
【請求項２】
発光する層を含む半導体層の側面に曲面からなる傾斜面と、前記傾斜面の先端に設けられる尖状凸部とからなる複数の凹状光取出し部を有することを特徴とする発光素子。
【請求項３】
前記傾斜面は、略放物線状の曲線で形成される請求項１または２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記傾斜面は、一部が曲面で形成される請求項1または２に記載の発光素子。
【請求項５】
発光する層を含む半導体層の側面に略放物線状の直線で形成される傾斜面と、前記傾斜面の先端に設けられる尖状凸部とからなる複数の凹状光取出し部を有することを特徴とする発光素子。
【請求項６】
前記凹状光取出し部は、前記尖状凸部の先端と底部にかけての高さと、隣接する前記尖状凸部との幅との比が０．１２５から２の範囲で形成される請求項１から５のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項７】
発光する層を含む半導体層の側面に傾きの変化した傾斜面と、前記傾斜面の先端に設けられる尖状凸部とからなる複数の凹状光取出し部を有する発光素子と、
前記発光素子を搭載する基板と、
前記発光素子を封止する封止部とを有することを特徴とする発光装置。
【請求項８】
前記発光素子は、前記基板にフリップ実装される請求項７に記載の発光装置。
【請求項９】
前記封止部は、ガラスからなる封止材料によって構成される請求項７に記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体材料からなる発光素子およびこれを用いた発光装置に関し、特に、発光素子で生じた光の外部放射効率を向上させることができるとともに、一旦外部放射された光の再入射を生じることのない発光素子およびこれを用いた発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、サファイア等の下地基板上にIII族窒化物系化合物半導体からなる半導体結晶を成長させることによって発光素子を製造する方法が知られている。このような発光素子において、発光層で生じた光が光吸収係数の高い層に閉じ込められ、層内を横伝搬する横伝搬光となることが問題となっている。特に、III族窒化物系化合物半導体のように光吸収係数が大の層内に閉じ込められた光は、横伝搬の距離が大になるにつれて減衰し、外部放射が不可能となる。
【０００３】
上記した発光素子において生じる横伝搬光を効率良く外部放射させるものとして、発光素子の側面を凹凸形状に形成し、この凹凸形状に基づいて側面の臨界角を分散させるようにした発光素子が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
特許文献１の発光素子では、側面を三角波状、波状等の凹凸形状に形成することにより側面の法線方向の分散させて臨界角を分散させ、発光領域に閉じこめられた光、特に横方向に閉じこめられた光をより効率的に取り出すようにしている。
【特許文献１】特開２００３−１１０１３６号公報（［００１１］、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載された発光素子によると、側面に凹凸を設ける際、その形状によっては一旦発光素子外部に放射された光が隣接する凹凸形状に再入射してしまうため、外部放射効率を向上させることができないという問題がある。
【０００６】
従って、本発明の目的は、発光素子で生じた光の外部放射効率を向上させることができるとともに、一旦外部放射された光の再入射を生じることのない発光素子およびこれを用いた発光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記目的を達成するため、発光する層を含む半導体層の側面に傾きの変化した傾斜面と、前記傾斜面の先端に設けられる尖状凸部とからなる複数の凹状光取出し部を有することを特徴とする発光素子を提供する。
【０００８】
また、本発明は、上記目的を達成するため、発光する層を含む半導体層の側面に曲面からなる傾斜面と、前記傾斜面の先端に設けられる尖状凸部とからなる複数の凹状光取出し部を有することを特徴とする発光素子を提供する。
【０００９】
また、本発明は、上記目的を達成するため、発光する層を含む半導体層の側面に略放物線状の直線で形成される傾斜面と、前記傾斜面の先端に設けられる尖状凸部とからなる複数の凹状光取出し部を有することを特徴とする発光素子を提供する。
【００１０】
また、本発明は、上記目的を達成するため、発光する層を含む半導体層の側面に傾きの変化した傾斜面と、前記傾斜面の先端に設けられる尖状凸部とからなる複数の凹状光取出し部を有する発光素子と、前記発光素子を搭載する基板と、前記発光素子を封止する封止部とを有することを特徴とする発光装置を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、発光する層を含む半導体層の側面に傾きの変化した傾斜面からなる複数の凹状光取出し部を設けることにより、発光素子で生じた光の外部放射効率を向上させることができる。また、傾きの変化した傾斜面によって尖状凸部が形成されるように凹状光取出し部を形成することにより、一旦外部放射された光の再入射を生じることがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る発光装置を示し、（ａ）は発光装置の縦断面図、（ｂ）は発光装置に搭載されるＬＥＤ素子の拡大した縦断面図である。
【００１３】
この発光装置１は、図１（ａ）に示すようにフリップチップ型のＬＥＤ素子２と、ＬＥＤ素子２を搭載する無機基板としてのＡｌ２Ｏ３基板３と、無機封止材料としてのガラス封止部４と、ＬＥＤ素子２の電極とＡｌ２Ｏ３基板３の実装面にタングステン（Ｗ）で形成される回路パターン３０とを電気的に接続するＡｕスタッドバンプ５とを有する。
【００１４】
Ａｌ２Ｏ３基板３は、断面内にビアホール３Ａを有し、このビアホール３Ａに設けられるＷからなるビアパターン３２によって実装面の回路パターン３０と裏面の回路パターン３１とを電気的に接続している。
【００１５】
ガラス封止部４は、ＳｉＯ２‐Ｎｂ２Ｏ５系（屈折率ｎ＝１．８）の低融点ガラスによって形成されており、平坦な側面４１と、平坦な上面４０とを有する。
【００１６】
ＬＥＤ素子２は、図１（ｂ）に示すように、サファイア基板２０上にＧａＮバッファ層２１と、ｎ−ＧａＮ層２２、発光層２３、ｐ−ＧａＮ層２４とを順次結晶成長させることによって形成されており、ｎ−ＧａＮ層２２、発光層２３、およびｐ−ＧａＮ層２４によってＧａＮ系半導体層２００を形成している。このＧａＮ系半導体層２００の側面には、曲面からなる複数の凹部を連続的に設けた凹状側面２００Ａが設けられており、さらに、ｐ−ＧａＮ層２４からｎ−ＧａＮ層２２をエッチングによって除去することにより露出させたｎ−ＧａＮ層２２に設けられるｎ−電極２５と、ｐ−ＧａＮ層２２の表面に電流拡散層および光反射層としてのロジウム（Ｒｈ）からなるｐコンタクト電極２６とを有する。
【００１７】
ＬＥＤ素子の製造方法については、特に限定されないが、周知の有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等によって形成することができる。なお、ＬＥＤ素子の構成としては、ホモ構造、ヘテロ構造若しくはダブルへテロ構造のものを用いることができる。さらに、量子井戸構造（単一量子井戸構造若しくは多重量子井戸構造）を採用することもできる。
【００１８】
（ＬＥＤ素子２の構成）
図２は、第１の実施の形態に係るＬＥＤ素子の構成を示し、（ａ）は電極形成面の平面図、（ｂ）はＧａＮ系半導体層に設けられる凹状側面の部分拡大図である。
【００１９】
ＬＥＤ素子２は、ｎ−電極２５の形成領域を除くＧａＮ系半導体層２００の側面に光取出し部としてエッチングによって形成された凹状側面２００Ａを有する。この凹状側面２００Ａは、図２（ｂ）に示すように、半円状をなす曲面によって形成されており、曲面からなる尖状の凸部は、隣接する尖状の凸部と所定の間隔を有して形成されている。第１の実施の形態では、幅Ｗに対して凹状側面２００Ａは凸部の高さＨが大になるように形成されている。
【００２０】
凹状側面２００Ａに入射する光Ｌは、図２（ｂ）に示すように、曲面部２０２に入射する光Ｌ１、Ｌ３のように法線方向については界面反射を生じることなくＧａＮ系半導体層２００から外部放射される。また、曲面部２０２に入射する光Ｌ３のように凹状側面２００Ａの臨界角内にあるものについては界面で屈折して外部放射される。このように、いずれの光Ｌ１、Ｌ３、およびＬ３についても一旦外部放射された光は隣接する凸部に再入射することはない。
【００２１】
図３は、凹状側面を構成する形状に基づくＬＥＤ素子の側面放射率を示す特性図である。図３においては、（ａ）に示すジャギー形状、（ｂ）に示す曲面の凸形状からなるラウンド形状、（ｃ）に示す曲面の凹形状からなる逆ラウンド形状、（ｄ）に示す先丸ジャギー形状の４種の側面形状について、凹凸の高さＨおよび幅Ｗを変化させたものである。本発明者によれば、Ｈ／Ｗ比が大になるにつれて、（ａ）のジャギー形状および（ｃ）の逆ラウンド形状を有する凹状側面を設けたＬＥＤ素子２の側面放射率が大になることを確認しており、特に、逆ラウンド形状の凹状側面を設けたＬＥＤ素子２では、側面放射率がジャギー形状のものより向上することを確認している。
【００２２】
凹状側面２００Ａについては、Ｈ／Ｗ比が０．１２５であると５％の光取出し効果があり、それより大になると光取出し効果は向上するものの、２以上になると発光する層の面積が小さくなって発光量が減少するため、０．１２５〜２の範囲が適している。
【００２３】
（第１の実施の形態の効果）
上記した第１の実施の形態によると、以下の効果が得られる。
（１）ＬＥＤ素子２のＧａＮ系半導体層２００側面に半円状をなす曲面で構成された凹状側面２００Ａを設けたので、ＧａＮ系半導体層２００から外部放射される光を増やすことができる。また、凹状をなすように半円状をなす曲面で凸部を形成することで、一旦外部放射された光が隣接する凸部に再入射しにくくなる。
【００２４】
（２）凹状側面２００Ａを有するＬＥＤ素子２をガラス封止部４で封止して発光装置１を形成したので、ＬＥＤ素子２からの光取出し性に優れ、かつＬＥＤ素子２への光の再入射を生じることなく、高輝度で、優れた耐湿性を有し、長期にわたって安定した発光特性を有する発光装置１を提供できる。
【００２５】
なお、上記した第１の実施の形態では、ＬＥＤ素子２をガラス封止したガラス封止型発光装置を説明したが、ＬＥＤ素子２を封止する封止部が他の材料で形成されていても良い。他の材料として、例えば、エポキシ樹脂、シリコン樹脂等の樹脂材料を用いることが可能である。
【００２６】
また、第１の実施の形態では、フリップチップタイプのＬＥＤ素子２を用いた発光装置について説明したが、フェイスアップタイプのＬＥＤ素子２に上記した凹状側面２００Ａを設けたものとすることも可能である。
【００２７】
（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態に係るＬＥＤ素子の構成を示し、（ａ）は電極形成面の平面図、（ｂ）はＧａＮ系半導体層に設けられる凹状側面の部分拡大図、（ｃ）は凹状側面の他の構成を示す部分拡大図である。
【００２８】
このＬＥＤ素子２は、略放物線状の曲面からなる逆ラウンド状の凹状側面２００ＡをＧａＮ系半導体層２００の側面にエッチングによって設けた構成において第１の実施の形態と相違している。
【００２９】
凹状側面２００Ａは、図４（ｂ）に示すように、凸部２０２Ａの高さＨが隣接する凸部２０２Ａとの幅Ｗより大（Ｈ／Ｗ比＝１．５）に形成されている。例えば、曲面部２０２に入射する光Ｌ１は、曲面部２０２から出射する際に屈折し、隣接する凸部２０２Ａに達するが、この凸部２０２Ａの表面で反射されて凹部の外側に放射される。また、光Ｌ３は、曲面部２０２から出射する際に屈折しながら凹部の外側に放射される。また、光Ｌ３は、ＧａＮ系半導体層２００からの出射時には屈折せず、曲面部２０２の表面で反射して外部放射される。このように、いずれの光Ｌ１、Ｌ３、およびＬ３についても一旦外部放射された光は隣接する凸部に再入射することはない。
【００３０】
なお、図４（ｂ）に示す凸部２０２Ａは、加工精度や制約により加工が安定しないことや、幅Ｗに対し高さＨが大であるので、衝撃や内部応力によって破損を生じることがある。これらを防ぐものとして、図４（ｃ）に示すようにＧａＮ系半導体層２００をエッチングする際に、凸部２０２Ａの先端に未加工部２０４を設けて厚みを付与するようにしても良い。
【００３１】
（第２の実施の形態の効果）
上記した第２の実施の形態によると、ＬＥＤ素子２のＧａＮ系半導体層２００側面に略放物線状の曲面からなる逆ラウンド状の凹状側面２００Ａを設けたので、第１の実施の形態の好ましい効果に加えて、ＧａＮ系半導体層２００から外部放射される光をより増やすことができる。このため、ＧａＮ系半導体層２００のエッチング面積が第１の実施の形態で説明したＬＥＤ素子２より大になっても、側面反射率の向上によって発光装置１の高輝度化を図ることが可能になる。
【００３２】
（第３の実施の形態）
図５は、本発明の第３の実施の形態に係るＬＥＤ素子の構成を示し、（ａ）は電極形成面の平面図、（ｂ）はＧａＮ系半導体層に設けられる凹状側面の部分拡大図である。
【００３３】
このＬＥＤ素子２は、第２の実施の形態で説明した逆ラウンド状の凹状側面２００Ａの底部に直線からなる多角形部２０３を部分的に設けた構成において第２の実施の形態と相違している。
【００３４】
（第３の実施の形態の効果）
上記した第３の実施の形態によると、加工精度や制約により曲線部加工が困難な場合、凹状側面２００Ａの一部を直線部で形成するようにしても、ＧａＮ系半導体層２００から外部放射される光をより増やすことができる。
【００３５】
（第４の実施の形態）
図６は、本発明の第４の実施の形態に係るＬＥＤ素子の構成を示し、（ａ）は電極形成面の平面図、（ｂ）はＧａＮ系半導体層に設けられる凹状側面の部分拡大図である。
【００３６】
このＬＥＤ素子２は、第２の実施の形態で説明した逆ラウンド状の凹状側面２００Ａを全て直線からなる多角形部２０３で設けた構成において第２の実施の形態と相違している。
【００３７】
（第４の実施の形態の効果）
上記した第４の実施の形態によると、加工精度や制約により曲線部加工が困難な場合、凹状側面２００Ａを全て直線部で形成するようにしても、ＧａＮ系半導体層２００から外部放射される光をより増やすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る発光装置を示し、（ａ）は発光装置の縦断面図、（ｂ）は発光装置に搭載されるＬＥＤ素子の拡大した縦断面図である。
【図２】第１の実施の形態に係るＬＥＤ素子の構成を示し、（ａ）は電極形成面の平面図、（ｂ）はＧａＮ系半導体層に設けられる凹状側面の部分拡大図である。
【図３】凹状側面を構成する形状に基づくＬＥＤ素子の側面放射率を示す特性図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係るＬＥＤ素子の構成を示し、（ａ）は電極形成面の平面図、（ｂ）はＧａＮ系半導体層に設けられる凹状側面の部分拡大図、（ｃ）は凹状側面の他の構成を示す部分拡大図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係るＬＥＤ素子の構成を示し、（ａ）は電極形成面の平面図、（ｂ）はＧａＮ系半導体層に設けられる凹状側面の部分拡大図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態に係るＬＥＤ素子の構成を示し、（ａ）は電極形成面の平面図、（ｂ）はＧａＮ系半導体層に設けられる凹状側面の部分拡大図である。
【符号の説明】
【００３９】
１…発光装置、２…ＬＥＤ素子、３…Ａｌ２Ｏ３基板、３Ａ…ビアホール、４…ガラス封止部、５…Ａｕスタッドバンプ、２０…サファイア基板、２１…ＧａＮバッファ層、２２…ｎ−ＧａＮ層、２３…発光層、２４…ｐ−ＧａＮ層、２５…ｎ−電極、２６…ｐコンタクト電極、３０…回路パターン、３１…回路パターン、３２…ビアパターン、４０…上面、４１…側面、２００Ａ…凹状側面、２００…ＧａＮ系半導体層、２０２Ａ…凸部、２０２…曲面部、２０３…多角形部、２０４…未加工部
【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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