(57)【要約】【課題】  素子から効率良く光を取り出すことのできる発光装置および発光素子を提供することにある。【解決手段】Ａｌ２Ｏ３基板３に搭載されたＬＥＤ素子２からサファイア基板Ｓを除去して略垂直に段差のある凹凸形状部２０Ａを設けたことにより、平坦なサファイア基板に形成されたＧａＮであるＬＥＤ素子２と比較すると、ＧａＮからサファイア基板に対して臨界角以内で入射する方向に放射されていた光は、これまでと同様に素子外部に取り出すことができる。さらに、ＧａＮからサファイア基板に対し臨界角以上で入射する方向に放射されて、ＬＥＤ素子２内部で層内閉込光となっていた光も凹凸形状部２０Ａの凹凸部分に入射することで素子外部に取り出すことができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部に搭載されたＬＥＤ素子の表面に素子内部からの光取り出し効率向上を可能にする所定の光学形状を施して屈折率が１．６以上の封止材料により封止し、前記所定の光学形状は、前記ＬＥＤ素子の発光層と略同等の屈折率を有する基板に形成されていることを特徴とする発光装置。
【請求項２】
基部に搭載されたＬＥＤ素子の表面に素子内部からの光取り出し効率向上を可能にする所定の光学形状を施して屈折率が１．６以上の封止材料により封止し、
前記所定の光学形状は、前記ＬＥＤ素子の基板を剥離して露出させた半導体層に形成されていることを特徴とする発光装置。
【請求項３】
前記所定の光学形状は、前記ＬＥＤ素子の発光層と封止材料との中間以上の屈折率を有する透光性材料層によって形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
【請求項４】
前記所定の光学形状は、前記ＬＥＤ素子の基板を剥離して露出させた半導体層に設けられて前記ＬＥＤ素子の発光層と同等の屈折率を有する透光性材料層に形成されていることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
【請求項５】
前記所定の光学形状は、発光層の法線方向に対し、
ｓｉｎ−１（ｎ２／ｎ１）以内の傾き角度
（但し、ｎ１：ＬＥＤ素子の発光層の屈折率、ｎ２：封止材料の屈折率）
の段差形状部を有する凹凸面であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の発光装置。
【請求項６】
前記所定の光学形状は、略垂直の段差形状を有する凹凸面であることを特徴とすることを特徴とする請求項５記載の発光装置。
【請求項７】
前記凹凸面は、凹凸部周囲に溝形成された形状であることを特徴とする請求項５または６に記載の発光装置。
【請求項８】
前記段差形状部は、互いに隣接する側面が異なる角度で接している形状であることを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載の発光装置。
【請求項９】
前記段差形状部は、ひし形状に形成されていることを特徴とする請求項８記載の発光装置。
【請求項１０】
前記所定の光学形状は、異なる形状、異なる深さの凹凸形状を組み合わせて形成したことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の発光装置。
【請求項１１】
前記所定の光学形状は、前記透光性材料層の厚さｔが
ｔ≧Ｗ／（２ｔａｎ（ｓｉｎ−１（ｎ１／ｎ２）））
但し、Ｗ：素子幅
で形成されている請求項３に記載の発光装置。
【請求項１２】
前記透光性材料層は、角部が傾斜面となるようにカットされたカット部を有する請求項３に記載の発光装置。
【請求項１３】
前記封止材料の屈折率が、前記発光層の屈折率に対し、０．６８〜０．８５の範囲である請求項３、１１又は１２に記載の発光装置。
【請求項１４】
前記所定の光学形状は、複数の錐状面が形成されたものであることを特徴とする請求項１、１１又は１２に記載の発光装置。
【請求項１５】
前記封止材料は、外形がＬＥＤ素子から放射される光が、前記封止材料との屈折率比による臨界角以外の角度で入射する光学面形状に形成されたものであることを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載の発光装置。
【請求項１６】
前記封止材料は、
ｎ１・ｓｉｎ４５°＜ｎ２
（但し、ｎ１：ＬＥＤ素子の発光層の屈折率、ｎ２：封止材料の屈折率）
となる屈折率の光透過性材料であることを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項に記載の発光装置。
【請求項１７】
前記発光素子は、前記基部にフリップ実装されていることを特徴とする請求項１から１６のいずれか１項に記載の発光装置。
【請求項１８】
前記封止材料は、光透過性を有する無機材料であることを特徴とする請求項１６に記載の発光装置。
【請求項１９】
前記無機材料は、ガラスであることを特徴とする請求項１８に記載の発光装置。
【請求項２０】
前記基部は、前記発光素子に対して電力の供給を行う導電パターンを形成された、前記封止材料と同等の熱膨張率の無機材料基板であることを特徴とする請求項１８又は１９に記載の発光装置。
【請求項２１】
前記導電パターンは、前記発光素子をマウントする側のパターン、その裏面側のパターン、およびその両面を電気的に接続するパターンを有することを特徴とする請求項２０に記載の発光装置。
【請求項２２】
前記ＬＥＤ素子は、ＧａＮ系であることを特徴とする請求項１から２１のいずれか１項に記載の発光装置。
【請求項２３】
前記封止材料は、１．７以上の屈折率を有することを特徴とする請求項２２に記載の発光装置。
【請求項２４】
発光層を含み、前記発光層に対し一方の表面に設けられて素子内部から光取り出しを可能にする所定の光学形状と、前記発光層に対し他方の表面に設けられる電極部とを有する半導体層を備え、
所定の光学形状は、発光層の法線方向に対し、
ｓｉｎ−１（ｎ２／ｎ１）以内の傾き角度（但し、ｎ１：ＬＥＤ素子の発光層の屈折率、ｎ２：封止材料の屈折率）
の段差形状を有する凹凸面であることを特徴とする発光素子。
【請求項２５】
前記所定の光学形状は、前記ＬＥＤ素子の発光層と同等の屈折率を有する基板に形成されていることを特徴とする請求項２４に記載の発光素子。
【請求項２６】
前記所定の光学形状は、前記ＬＥＤ素子の基板を剥離して露出させた半導体層に形成されていることを特徴とする請求項２４に記載の発光素子。
【請求項２７】
前記所定の光学形状は、略垂直の段差形状を有する凹凸面であることを特徴とする請求項２４から２６のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項２８】
前記段差形状は、互いに隣接する側面が異なる角度で接している形状であることを特徴とする請求項２４から２７のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項２９】
前記段差形状は、ひし形状に形成されていることを特徴とする請求項２８記載の発光素子。
【請求項３０】
前記所定の光学形状は、異なる形状、異なる深さの凹凸形状を組み合わせて形成したことを特徴とする請求項２４から２９のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項３１】
前記ＬＥＤ素子は、ＧａＮ系であることを特徴とする請求項２４から３０のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項３２】
前記封止材料は、１．７以上の屈折率を有することを特徴とする請求項３１に記載の発光素子。
【請求項３３】
発光層を含み、前記発光層に対し一方の表面に設けられて素子内部から光取り出しを可能にする所定の光学形状と、前記発光層に対し他方の表面に設けられる電極部とを有する半導体層を備え、
所定の光学形状は、前記ＬＥＤ素子の発光層と同等の屈折率を有する透光性材料層に形成されていることを特徴とする発光素子。
【請求項３４】
前記透光性材料層は、表面が粗面状の薄膜である請求項３３に記載の発光素子。
【請求項３５】
前記透光性材料層は、ＧａＮからなることを特徴とする請求項３３に記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光装置および発光素子に関し、特に、発光素子の発光に基づく光を効率良く光を取り出すことのできる発光装置および発光素子に関する。
【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ＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子を製造する方法が知られている。このようなＬＥＤ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、また層内で吸収されることによって外部放射効率が低下することが問題となっている。
【０００３】
このような問題を解決するものとして、ＬＥＤ素子の表面に光取り出し効率を高めるための凹凸を設けたものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
特許文献１に記載されるＬＥＤ素子は、サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体層（以下、ＧａＮ系半導体層という。）を積層してＧａＮ基板を形成し、さらにその上に順次ＧａＮ系半導体層を積層する。この積層体からサファイア基板を除去してＧａＮ基板の裏面（素子を積層する面に対向する面）にエッチングを施すことによりステップ状のピットを形成している。
【０００５】
特許文献１に記載されるＬＥＤ素子によれば、ＧａＮ基板の裏面にステップ状のピットを形成した特定形状としているので、ＧａＮ系半導体層内の多重反射による光の干渉を抑え、光を外部に有効に取り出すことができるとしている。
【特許文献１】特開２００３−６９０７５号（図１、［００１１］）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に記載されたＬＥＤ素子によれば、ＧａＮ系半導体層内に閉じ込められた光（層内閉込光）についての光取り出し性は、素子周囲の封止部材等との屈折率差に依存するため、素子表面に凹凸加工を施したとしても、封止部材等との屈折率差に基づいて界面反射が生じる状態では充分な光取り出し性を得ることができない。また、ＧａＮ系半導体層内に閉じ込められた光を散乱させることで光取り出し効率の向上を図るものではあっても、理想形態、あるいはそれに近づけるものではなかった。この層内閉込光については、光吸収係数の大なる層内を伝搬する距離が長くなると減衰し、光量低下だけでなく素子の発熱量増大をもたらすといった問題もある。
【０００７】
従って、本発明の目的は、発光素子の発光に基づく光を効率良く光を取り出すことのできる発光装置および発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記の目的を達成するため、基部に搭載されたＬＥＤ素子の表面に素子内部からの光取り出し効率向上を可能にする所定の光学形状を施して屈折率が１．６以上の封止材料により封止し、前記所定の光学形状は、前記ＬＥＤ素子の発光層と略同等の屈折率を有する基板に形成されている発光装置を提供する。
【０００９】
また、本発明は、上記の目的を達成するため、基部に搭載されたＬＥＤ素子の表面に素子内部からの光取り出し効率向上を可能にする所定の光学形状を施して屈折率が１．６以上の封止材料により封止し、
前記所定の光学形状は、前記ＬＥＤ素子の基板を剥離して露出させた半導体層に形成されている発光装置を提供する。
【００１０】
また、本発明は、上記の目的を達成するため、発光層を含み、前記発光層に対し一方の表面に設けられて素子内部から光取り出しを可能にする所定の光学形状と、前記発光層に対し他方の表面に設けられる電極部とを有する半導体層を備え、所定の光学形状は、発光層の法線方向に対し、ｓｉｎ−１（ｎ２／ｎ１）以内の傾き角度（但し、ｎ１：ＬＥＤ素子の発光層の屈折率、ｎ２：封止材料の屈折率）の段差形状を有する凹凸面である発光素子を提供する。
【００１１】
また、本発明は、上記の目的を達成するため、発光層を含み、前記発光層に対し一方の表面に設けられて素子内部から光取り出しを可能にする所定の光学形状と、前記発光層に対し他方の表面に設けられる電極部とを有する半導体層を備え、所定の光学形状は、前記ＬＥＤ素子の発光層と同等の屈折率を有する透光性材料層に形成されている発光素子を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、素子表面に設けた所定の光学形状に基づいて素子内部からの光取り出しを可能にすることにより、素子から効率良く光を取り出すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（第１の実施の形態）
（発光装置１の構成）
図１は、第１の実施の形態に係る発光装置を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）はＬＥＤ素子について拡大した部分断面図、（ｃ）はＬＥＤ素子の光取り出し側の表面を示す部分拡大図である。
【００１４】
この発光装置１は、（ａ）に示すようにIII族窒化物系化合物半導体からなり、光取り出し側の表面に凹凸形状部２０Ａを有する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。
【００１５】
Ａｌ２Ｏ３基板３は、断面内にビアホール３１を有し、このビアホール３１に設けられるＷからなる導電部によって基板両面の回路パターン３０を電気的に接続している。
【００１６】
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。
【００１７】
ＬＥＤ素子２は、（ｂ）に示すように平坦状に形成されており、本実施の形態においてはＷ１＝３００μｍ、Ｈ１＝１０μｍで形成されている。なお、このＬＥＤ素子２の発光波長は４６０ｎｍである。
【００１８】
また、ＬＥＤ素子２は、（ｃ）に示すように、凹凸形状部２０Ａとして凸部２０ａ（ｗ１＝４μｍ、ｈ１＝２μｍ）および平坦部２０ｂ（ｗ２＝８μｍ）を光取り出し側の表面に配置しており、凹凸形状部２０Ａと称するのは、凸部２０ａが平坦部２０ｂを介して隣接する凸部２０ａとの間に凹面を形成することによる。
【００１９】
（ＬＥＤ素子２の構成）
図２は、ＬＥＤ素子の構成を示す縦断面図である。ＬＥＤ素子２は、図示しないサファイア基板上にＧａＮ系半導体層１００として、ｎ−ＧａＮ：Ｓｉ層２０、ＩｎＧａＮ層２１、ＧａＮ層２２、ＡｌＧａＮ層２３、ＭＱＷ２４、ｐ−ＡｌＧａＮ層２５、ｐ−ＧａＮ層２６、ｐ＋−ＧａＮ層２７を順次積層することによって形成されている。また、ｐ＋−ＧａＮ層２７上にｐ電極２８、ｐ＋−ＧａＮ層２７からｎ−ＧａＮ：Ｓｉ層２０にかけてエッチングにより除去されたｎ−ＧａＮ：Ｓｉ層２０の露出部にｎ電極２９を有する。凹凸形状部２０Ａは前述した凸部２０ａおよび平坦部２０ｂを含み、ｎ−ＧａＮ：Ｓｉ層２０の表面に形成されている。
【００２０】
ＧａＮ系半導体層１００の形成方法については、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。
【００２１】
（発光装置１の製造工程）
図３（ａ）から（ｄ）は、第１の実施の形態の発光装置の製造工程を示す説明図である。以下の説明では、予め別工程で形成されたＬＥＤ素子２を用いて発光装置を製造する工程について説明する。
【００２２】
（ＬＥＤ素子２の搭載工程）
まず、（ａ）に示すようにＬＥＤ素子２とＡｌ２Ｏ３基板３とを用意し、Ａｌ２Ｏ３基板３の回路パターン３０とＬＥＤ素子２の電極との位置決めを行い、Ａｕスタッドバンプ５を介してＬＥＤ素子２を回路パターン３０に電気的に接続するとともにＡｌ２Ｏ３基板３上に搭載する。そして、ＬＥＤ素子２とＡｌ２Ｏ３基板３との隙間に図示しないアンダーフィル材を充填する。このアンダーフィル材は、熱膨張率の小なるものを用いることが好ましい。
【００２３】
（サファイア基板Ｓの剥離工程）
次に、（ｂ）に示すようにＬＥＤ素子２のサファイア基板Ｓ側からレーザ光を照射する。レーザ光の照射に基づいてサファイア基板とＧａＮ系半導体層１００との界面が溶融する。このことによりＧａＮ系半導体層１００から剥離したサファイア基板Ｓを除去する。このとき、ＧａＮ系半導体層１００表面に残留物が残ることがあるので、酸洗浄を行って除去することによりｎ−ＧａＮ：Ｓｉ層２０を露出させる。
【００２４】
（凹凸形状部２０Ａの形成工程）
次に、ＬＥＤ素子２の光取り出し表面に、レーザ照射を用いたエッチングによる凹凸加工を施すことにより凹凸形状部２０Ａを形成する。凹凸形状部２０Ａには、略垂直に段差のある凹凸が形成されている。
【００２５】
（低融点ガラスによるガラス封止工程）
次に、凹凸形状部２０Ａを形成されたＬＥＤ素子２およびＡｌ２Ｏ３基板３に対してＳｉＯ２‐Ｎｂ２Ｏ５系ガラスをホットプレス加工する。このホットプレス加工に基づいて凹凸形状部２０Ａの表面にガラスが密着する。また、Ａｌ２Ｏ３基板３の表面にガラスが密着することによってＬＥＤ素子２全体がガラス封止される。ガラス封止後、ダイシングすることによって個々のパッケージに分離することにより上面４０、側面４１を有する発光装置１が得られる。なお、パッケージの分離は、ダンシング以外にスクライブ等の分離方法で行うことも可能である。
【００２６】
（発光装置１の動作）
上記した発光装置１のＡｌ２Ｏ３基板３の底面に露出した回路パターン３０に図示しない電源部に接続して通電すると、ビアホール３１の導電部を介してＬＥＤ素子２のｎ電極およびｐ電極に順方向の電圧が印加され、ＬＥＤ素子２のＭＱＷ２４においてホールおよびエレクトロンのキャリア再結合が発生して発光する。この発光に基づいて生じた光のうち、ＭＱＷ２４から光取り出し面側に放射される光は凹凸形状部２０Ａからガラス封止部４に入射し、ガラス封止部４を透過して外部放射される。
【００２７】
（第１の実施の形態の効果）
第１の実施の形態によると、以下の効果が得られる。
（１）Ａｌ２Ｏ３基板３に搭載されたＬＥＤ素子２からサファイア基板Ｓを除去して略垂直に段差のある凹凸形状部２０Ａを設けたことにより、平坦なサファイア基板に形成されたＧａＮであるＬＥＤ素子２と比較すると、ＧａＮからサファイア基板に対して臨界角以内で入射する方向に放射されていた光は、これまでと同様に素子外部に取り出すことができる。さらに、ＧａＮからサファイア基板に対し臨界角以上で入射する方向に放射されて、ＬＥＤ素子２内部で層内閉込光となっていた光も凹凸形状部２０Ａの凹凸部分に入射することで素子外部に取り出すことができる。凹凸面の平坦面から外部放射される光は凹凸面に段差形成していないものと同等であり、さらに、層内閉込光が凹凸面の垂直面の垂直段差面から外部放射される。このため、ＧａＮ層から上方に放射される光を確実に増すことができる。
【００２８】
そして垂直断面は、ＧａＮ層の発光層の法線方向に対し、傾きをもたないものであるため、層内閉込光のうちでも最も立体角が大きくなる方向に設けられていることも効果増大の要因である。また、垂直断面において界面反射した光は、発光層の法線方向に対して角度の大きさを変えない。
【００２９】
（２）さらに、第１の実施の形態では、サファイア基板Ｓを除去し、ｎ＝１．８のＳｉＯ２‐Ｎｂ２Ｏ５系ガラスを用いることにより、ＬＥＤ素子２との臨界角θｃは約５０度となる。このＬＥＤ素子２とガラス封止部４との臨界角θｃについては４５度以上となるように封止材料を選択することで、ｎ＝１．７のサファイア基板ＳよりもＧａＮ系半導体層１００を横伝搬する層内閉込光を減ずることができ、さらにＧａＮ系半導体層１００の層内閉込光が凹凸形状部２０Ａに入射した際に素子外部へ放射される可能性が高くなる。これに加え、ＧａＮ系半導体層１００は１０μｍの厚さであり、凹凸形状部２０Ａに光が到達できる確率が高いので、極めて高い、理想レベルの効率で外部放射させることができる。また、凹凸面の平坦性が加工制約十分でなくとも、高屈折率封止材料がこれを補うため、理論上の効率実現に近い特性を実現することができる。なお、凹凸形成は、ＧａＮ系半導体層１００のうちでも発光層であるＭＱＷ２４から離れたｐ−ＧａＮ：Ｓｉ層２０に施すため、発光層への凹凸形成時のダメージが生じないものとできる。このため内部量子効率を維持し、ＬＥＤ素子２からの外部放射効率を飛躍的に高めることができる。
【００３０】
（３）ＬＥＤ素子２を発光波長に対して安定で、かつ光透過性に優れるガラス封止部４で封止することにより、大光量、高出力型のＬＥＤ素子２を用いる場合であっても、長期にわたって光取り出し性の安定した耐久性に優れる発光装置１が得られる。特に、内部量子効率が高く、理想レベルの場合、平坦なサファイア基板Ｓ上のＬＥＤ素子２の外部放射効率２５％を７５％以上に高めることができる。その際、発熱は１／３以下に減少する。また、発熱の減少に伴って許容通電電流の倍増が可能となることにより、ＬＥＤ素子２の効率向上と許容通電電流増大の相乗効果で光量をより増大させることができる。さらに、このような高光密度照射に対しても安定な光透過性が確保される。また、加工制約上、凹凸面の平坦性が充分でなくとも高屈折率封止材料がこれを補うことから、理論上の効率に近い特性を実現することができる。また、４７０ｎｍ以下の波長の光、例えば、３６５ｎｍの波長の光に対しても安定であり、紫外線発光のＬＥＤ素子対応とすることができる。
【００３１】
また、現在一般に使用されているエポキシ樹脂やシリコン樹脂では、屈折率は１．５程度である。しかし、ガラス材料であれば高光透過性と１．６以上の高屈折率とを備えるものが多く現存する。これを用いることで高屈折率材料によるＬＥＤ素子２の封止を具現化でき、ＬＥＤ素子２からの光取り出し効率を向上させることができる。
【００３２】
（４）また、パッケージを構成するＡｌ２Ｏ３基板３およびガラス封止部４の熱膨張率がほぼ同等であることにより、熱ストレスによるクラック等の不具合が生じにくい構造とすることができる。これにより、熱衝撃に対する信頼性だけでなく、許容通電電流値を上げることができるという効果を奏する。従来のエポキシ樹脂封止では、許容通電電流がエポキシ樹脂のガラス転移点温度（Ｔｇ点）によって制約を受けていた。これはＴｇ点以上では熱膨張率が大きくなるため、電気接続部の断線が生じやすくなることによる。ガラス封止部４のＴｇ点はエポキシ樹脂より３００℃以上高く、熱膨張率は、Ｔｇ点以下のエポキシ樹脂の１／７以下である。
【００３３】
（５）Ａｌ２Ｏ３基板３およびガラス封止部４の熱膨張率が同等の材料を選択し、Ａｕワイヤを用いないフリップ実装タイプのＬＥＤ素子２を用いることで、ガラス封止を具現化し、高安定性、高屈折率のＬＥＤ素子封止を実現している。すなわち、加工温度と常温との温度差によってもクラックや剥離の生じないものとでき、加工時にＬＥＤ素子２への熱ダメージを極力加えないよう高粘度状態のガラスの加圧加工を行っている。また、Ａｌ２Ｏ３基板３およびガラス封止部４は、酸化物を介して化学結合することから、接着強度が大である。また、フリップ実装タイプのＬＥＤ素子２を用いているので、ワイヤスペースが不要になり、小型パッケージとすることが可能である。
【００３４】
（６）Ａｌ２Ｏ３基板３のＬＥＤ素子２実装面からの裏面へ回路パターンが引き出されていることで、量産性に優れたものとできる。すなわち、Ａｌ２Ｏ３基板３上への多数個のＬＥＤ素子２を実装し、平板ガラスを用いて一括処理によるガラス封止を行うことができる。
【００３５】
（７）基部としてのＡｌ２Ｏ３基板３にＬＥＤ素子２を搭載した後にサファイア基板Ｓを剥離して凹凸形状部２０Ａを設けているので、ガラス封止部４以外の他の封止材料、例えば、エポキシ樹脂材料、蛍光体含有光透過性樹脂材料、蛍光体を含むガラス材料等の種々の封止材料によるパッケージを容易に形成することが可能になる。また、封止材料との屈折率差に応じた凹凸形状の凹凸形状部２０Ａを作成することも容易である。
【００３６】
なお、上記した光取り出し性を高める凹凸形状部２０Ａは、ＬＥＤ素子２の発光面積を大にする構成と組み合わせるとより効果的である。例えば、ＧａＮ系半導体層１００に給電するｐ電極の素子面積に占める割合を大にして、発光面積を拡大しても良い。また、バンプによる実装ではなく、Ａｇペーストや半田めっき等による実装でも良い。これらの際、ＧａＮ系半導体層１００のコンタクト電極と外部端子電極とを絶縁層を介して別個に設ける。
【００３７】
また、ｐ電極を光透過性を有するＩＴＯ（Indium Tin Oxide）と金属反射膜とで形成しても良い。ＧａＮ系半導体層１００を横伝搬する層内閉込光をＩＴＯで反射させることで金属反射膜に層内閉込光が接触することによる金属吸収損失を低減することが可能になり、ＬＥＤ素子２から外部に放射される光を増大させることができる。
【００３８】
また、ＩＴＯとＡｌ２Ｏ３とは略同等の熱膨張率で、かつＩＴＯとＧａＮとは比較的密着性が高いため、ガラス封止加工時の熱による応力に起因する電極剥離を防止することができる。
【００３９】
なお、封止材料をガラスとして説明したが、加工時に一部ガラスが結晶化したものでも良いし、ガラス状態ではない無機材料によって同等の効果を出せるものであっても良い。
【００４０】
（第２の実施の形態）
（発光装置１の構成）
図４は、第２の実施の形態に係る発光装置の断面図である。この発光装置１は、第１の実施の形態のＬＥＤ素子２を用いた表面実装型の発光装置１であり、ＬＥＤ素子２を収容する収容部１０Ａを有するナイロン等の白色樹脂材料からなる樹脂ケース部１０と、ＬＥＤ素子２を搭載するＡｌＮからなるサブマウント６と、樹脂ケース部１０の収容部１０Ａに収容されたＬＥＤ素子２およびサブマウント６を一体的に封止するシリコン樹脂封止部７と、サブマウント６を固定されるとともにＬＥＤ素子２に給電するためのリード部９と、リード部９とサブマウント６とを電気的に接続するワイヤ８とを有する。なお、以下の説明では、第１の実施の形態と同一の構成および機能を有する部分に共通する引用数字を付している。
【００４１】
ＬＥＤ素子２は、基部となるサブマウント６に搭載後、第１の実施の形態と同様にサファイア基板Ｓを剥離して凹凸形状部２０Ａを設けている。なお、ＬＥＤ素子２とサブマウント６との間にはＳｉＯ２からなる図示しないアンダーフィルが充填されている。
【００４２】
サブマウント６は、上面および下面にＷで形成される回路パターン６０を有しており、この上面および下面の回路パターン６０をビアホール６１に設けられるＷの導電部によって電気的に接続している。また、回路パターン６０のうち、ＬＥＤ素子２のｐ電極側と接続される回路パターン６０は、Ａｕからなるワイヤ８によってリード部９と電気的に接続されている。
【００４３】
シリコン樹脂封止部７は、ｎ＝１．５の屈折率を有し、ＬＥＤ素子２およびサブマウント６の封止とＬＥＤ素子２から放射される光を樹脂ケース部１０の外部に放射させる機能を有する。なお、シリコン樹脂封止部７は、ＬＥＤ素子２から放射される光によって励起される蛍光体を含んでも良く、励起された蛍光体から放射される光とＬＥＤ素子２から放射される光との混合に基づいて所定の発光色の光を生じる波長変換型の発光装置１を形成することも可能である。
【００４４】
（第２の実施の形態の効果）
第２の実施の形態によると、光取り出し面に凹凸形状部２０Ａを有するＬＥＤ素子２をシリコン樹脂封止部７で封止することで、ＬＥＤ素子２の内部に層内閉込光として横伝搬する光についても効率良く外部放射させることのできる高輝度の表面実装型発光装置１が得られる。
【００４５】
なお、第２の実施の形態で説明したＬＥＤ素子２の凹凸形状部２０Ａに、第１の実施の形態で説明した屈折率ｎ＝１．８のＳｉＯ２‐Ｎｂ２Ｏ５系ガラスをホットプレス加工に基づいて層状に一体化し、このガラスの一体化されたＬＥＤ素子２およびサブマウント６をシリコン樹脂封止部７で封止するようにしても良い。この場合、ｎ＝２．４のＬＥＤ素子２からｎ＝１．８のガラス部材を介してｎ＝１．５のシリコン樹脂封止部７に光が入射することから、材料の屈折率差に基づく全反射の発生を低減してＬＥＤ素子２で生じた光の外部放射性を向上させることができる。
【００４６】
（第３の実施の形態）
（ＬＥＤ素子２の構成）
図５は、第３の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示し、（ａ）は光り取り出し面側から見
た平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ部における断面図、（ｃ）は光取り出し面に形成される凹凸形状部の拡大図である。このＬＥＤ素子２は、（ａ）および（ｂ）に示すように凸部２０ａおよび平坦部２０ｂのピッチが小なる微細形状の凹凸形状部２０Ａを構成している。ＬＥＤ素子２の幅Ｗ１は３００μｍで四角形状に形成されている。ＬＥＤ素子２の厚さＨ１は６μｍであり、光取り出し面側の表面に凹凸形状部２０Ａを有する。
【００４７】
凹凸形状部２０Ａは、（ｃ）に示すように、凸部２０ａ（ｗ１＝２μｍ、ｈ１＝１μｍ）および平坦部２０ｂ（ｗ２＝２μｍ）を光取り出し側の表面に配置して形成されている。
【００４８】
（第３の実施の形態の効果）
第３の実施の形態によると、ＬＥＤ素子２の光取り出し側に設けられる凹凸形状部２０Ａを浅く微細に形成することで、凹凸加工時にＭＱＷに損傷を与えることを防ぐことができ、信頼性も含めて発光特性の安定したＬＥＤ素子２が得られる。また、凹凸の深さを浅く形成することで、発光装置の製造時に凹凸形状部２０Ａを封止材で加圧封止する工程において凹凸に残留気泡が生じることを防ぐことができる。なお、凸面が□形状となり、その周囲に溝のある形状であるので、空気はプレス時に逃げやすいものとしてある。
【００４９】
（第４の実施の形態）
（ＬＥＤ素子２の構成）
図６は、第４の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示し、（ａ）は光取り出し面側から見た平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ部における断面図、（ｃ）は光取り出し面に形成される凹凸形状部の拡大図である。このＬＥＤ素子２は、ラージサイズのＬＥＤ素子２であり、（ｂ）に示すように幅Ｗ１が１０００μｍの四角形状に形成されている。ＬＥＤ素子２の厚さＨ１は６μｍであり、光取り出し面側の表面に凹凸形状部２０Ａを有する。
【００５０】
凹凸形状部２０Ａは、（ｃ）に示すように、凸部２０ａ（ｗ１＝２μｍ、ｈ１＝１μｍ）と、平坦部２０ｂ（ｗ２＝２μｍ）と、凸部２０ａおよび平坦部２０ｂの形成領域を９分割する深溝２０ｃ（ｗ３＝５μｍ、ｈ２＝４μｍ）を光取り出し側の表面に配置して形成されている。
【００５１】
また、ＬＥＤ素子２は、深溝２０ｃの形成部分に位置するように設けられるｎ電極２０ｎと、凹凸形状部２０Ａの反対側の面に設けられるｐ電極２０ｐと、ｎ電極２０ｎおよびｐ電極２０ｐを介して通電されることにより発光する発光層であるＭＱＷ２０ｄを有している。
【００５２】
（第４の実施の形態の効果）
第４の実施の形態によると、凹凸形状部２０ＡにＬＥＤ素子２の光取り出し側に設けられる凹凸形状部２０Ａを浅く形成することで、第３の実施の形態と同様に凹凸加工時にＭＱＷ２０ｄに損傷を与えることを防ぐことができ、発光むらのないＬＥＤ素子２が得られる。また、凹凸の深さを浅く形成することで、発光装置１の製造時に凹凸形状部２０Ａを封止材で封止する工程において凹凸に残留気泡が生じることを防ぐことができ、封止性の低下や光学特性のばらつきを抑えることができる。
【００５３】
また、凹凸形状部２０Ａに深溝２０ｃを設けたことにより、ＬＥＤ素子２のＧａＮ系半導体層１００を横伝搬する層内閉込光が深溝２０ｃの側面に入射することによって外部に放射されるようになる。このことによりラージサイズのＬＥＤ素子２における光取り出し性が向上する。なお、第４の実施の形態では、ラージサイズのＬＥＤ素子２について説明したが、第１の実施の形態で説明した標準サイズ（３００μｍ角）のＬＥＤ素子２に適用することもできる。
【００５４】
さらにここで、発光エリアとなるｐコンタクト電極が形成される領域は９分割され、図６（ａ）に示すように正面から見てｐコンタクト電極エリアが深溝２０ｃによって囲まれるものとしてある。これによって、各ｐコンタクト電極からＧａＮ系半導体層１００内において周囲へ横伝搬する光をＧａＮ系半導体層１００から外部へ放射する。深溝２０ｃの直下にはｎコンタクト電極が形成され、発光層となるＭＱＷは存在せず、深溝形成しても直下の発光層への影響はない。
【００５５】
（第５の実施の形態）
（ＬＥＤ素子２の構成）
図７は、第５の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示し、（ａ）は光取り出し面側から見た平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ部における断面図、（ｃ）は光取り出し面に形成される凹凸形状部の拡大図である。このＬＥＤ素子２は、（ｂ）に示すようにＧａＡｓ基板（ｎ＝３．５）上に同様の屈折率のＡｌＩｎＧａＰ系半導体層２０１を積層し、ＧａＡｓ基板を研磨によって除去した後、ＧａＰ基板２００（ｎ＝３．５）を貼り付けて形成したＬＥＤ素子２であり、幅Ｗ１が３００μｍの四角形状に形成されている。ＬＥＤ素子２の厚さＨ１はＧａＰ基板２００を研磨することによって１００μｍに形成されている。光取り出し面側の表面に凹凸形状部２０Ａを有する。
【００５６】
凹凸形状部２０Ａは、（ｃ）に示すように、光取り出し側の表面に凸部２０ａ（ｗ１＝５０μｍ、ｈ１＝２５μｍ）および平坦部２０ｂ（ｗ２＝５０μｍ）をダイサーで切削し、その後ケミカルエッチングで表面のミクロ的な平坦性を出すことによって形成されている。
【００５７】
（第５の実施の形態の効果）
第５の実施の形態によると、光取り出し面側のＧａＰ基板２００を研磨して所望の厚さとし、さらに凹凸形状部２０Ａをダイサーの切削によって形成することで、光取り出し性に優れるＬＥＤ素子２が得られる。また、この際、ＧａＰ基板２００側への加工のため、発光層へのダメージが生じないものとできる。ｎ＝３．５のＧａＰ基板２００の場合、ｎ＝２．４程度の封止材料とすれば、ＬＥＤ素子２の端部で発せられた光であっても上記したサイズで凹凸形状部２０Ａを形成すれば、横伝搬する光が凹凸形状部２０Ａに入射した際に全反射されることなくＬＥＤ素子２の外部に光を放射させることが可能になる。実際には現状ｎ＝２を超えるＬＥＤ素子２の封止材料の実現は困難である。しかし、理想レベルの外部光放射が実現できないにせよ、略垂直な段差形状の凹凸側面により発光層の法線
方向に対し、９０°−ｓｉｎ−１（ｎ１／ｎ２）から９０°の方向（但し、ｎ１：ＬＥＤ素子２の発光層の屈折率、ｎ２：封止材料の屈折率）の立体角の大きな角度範囲へ放射される光を外部に放射させることができる。特に、この形状とｎ＝１．６以上の封止材料との組み合わせにより、形状加工なし、ｎ＝１．５のエポキシ樹脂封止のものに比べて大幅な利得を得ることができる。
【００５８】
なお、凹凸の段差部は、ＬＥＤ素子の発光層と封止材料との臨界角の範囲でテーパー（傾斜角）形成したものでも良い。この範囲であれば、効果的な段差形状の凹凸側面とできる。すなわち、発光層の法線方向に対し、最も立体角が大になる９０°方向の光を外部に放射できる傾きとできる。また、ＧａＰ基板２００とＡｌＩｎＧａＰ系半導体層２０１とで形成した積層構造についても、ＧａＮ基板とＧａＮ系半導体層、あるいはＳｉＣ基板とＧａＮ系半導体層等、ＬＥＤ素子２の発光層と同等の屈折率を有する基板の組み合わせによって形成しても良い。
【００５９】
（第６の実施の形態）
（ＬＥＤ素子２の構成）
図８は、第６の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示し、（ａ）は光取り出し面側から見た平面図、（ｂ）は（ａ）の凸形状部における光取り出しを示す説明図である。このＬＥＤ素子２は、（ａ）に示すようにｎ−ＧａＮ：Ｓｉ層の光取り出し面にひし形状（隣接する段差面が６０°あるいは１２０°）の凸部２０ａ（高さ２μｍ）を３つ組み合わせて六角形状の集合体とし、この集合体を平坦部２０ｂを介して（１０μｍ間隔で）千鳥状に配置することにより凹凸形状部２０Ａとしている。
【００６０】
凸部２０ａは、例えば、（ｂ）に示すように図示しないＬＥＤ素子２のＭＱＷ（図示せず）で生じた光Ｌが入射すると、第１側面２１０で全反射されて第２側面２１１に入射する。第２側面２１１は第１側面２１０に対して鋭角を成し、第２側面２１１に入射する光Ｌの入射角が臨界角θｃより小になることによって外部放射される。これは、臨界角θｃの２倍以上の角度を有する側面を有するように凸部２０ａを形成することによる。
【００６１】
（第６の実施の形態の効果）
第６の実施の形態によると、臨界角θｃの２倍以上の角度を有する側面を有するように凸部２０ａを形成したので、凸部２０ａに入射した光Ｌが凸部２０ａから外部放射されないモードの光となることを防ぐことができ、凸部２０ａに入射した層内閉込光を確実に外部放射させることができる。
【００６２】
また、凸部２０ａの集合体で凹凸形状部２０Ａを形成したので、層内閉込光をより効率良く外部放射させることが可能になる。なお、第６の実施の形態では、７個の凹凸形状部２０Ａを千鳥状に配置した構成を説明したが、凹凸形状部２０Ａの配置は図示した構成に限定されず、任意の数の凹凸形状部２０Ａを設けることができる。
【００６３】
（第７の実施の形態）
（ＬＥＤ素子２の構成）
図９は、第７の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示し、（ａ）は光取り出し面側から見た平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ部における断面図である。このＬＥＤ素子２は、（ａ）に示すようにｎ−ＧａＮ：Ｓｉ層の光取り出し面に六角形状の外形を有する六角凸部２０ｄと、この六角凸部２０ｄの上面に６０度で交差するように形成される溝２０ｅとを有する凹凸形状部２０Ａを有し、この凹凸形状部２０Ａを平坦部２０ｂ上に千鳥状に配置している。
【００６４】
（第７の実施の形態の効果）
第７の実施の形態によると、ＬＥＤ素子２の光取り出し面に六角凸部２０ｄと溝２０ｅとからなる凹凸形状部２０Ａを設けたことにより、入射確率の高い形状の六角凸部２０ｄへ入った光を凹凸形状部で高い効率で外部放射し、六角凸部２０ｄの側面および溝２０ｅの側面に入射する層内閉込光に対して外部放射効率を高めることができる。
【００６５】
（第８の実施の形態）
（発光装置１の構成）
図１０は、第８の実施の形態に係る発光装置を示す縦断面図である。この発光装置１は、発光装置１のガラス封止部４が半球状の光学形状面４２を有する点において第１の実施の形態と相違している。ＬＥＤ素子２の搭載される回路パターン３０Ｂは、ビアホール３１に設けられるビアパターン３０Ｃを介してＡｌ２Ｏ３基板３底面の回路パターン３０Ａに接続されている。また、同図に示すガラス封止部４の屈折率ｎは１．９であり、ＬＥＤ素子２はＷ＝３００μｍの正方形状に形成されている。
【００６６】
半球状のガラス封止部４を設けるにあたって、ＬＥＤ素子２に対する光学形状面４２はＬＥＤ素子２から放射される光が垂直入射する光学形状が理想形となる。ここで、空気の屈折率ｎ０＝１．０、ガラス封止部４の屈折率ｎ２＝１．９とすると、光学形状面４２の臨界角θはｓｉｎ−１（ｎ０／ｎ２）＝３１．８°となり、この臨界角θの範囲に入射する光については全反射が生じないものの、臨界角θの−５°付近から界面反射率が大になる傾向があり、好ましくは界面反射率の小なる範囲の角度へ入射する光を増やすことのできる光学形状とすることが好ましい。
【００６７】
（第８の実施の形態の効果）
第８の実施の形態によると、ＬＥＤ素子２を原点としたときの半径（高さ）Ｌと、素子幅Ｗと、光学形状面４２に対する臨界角θとの間にはθ＝ｔａｎ−１（Ｗ／２Ｌ）の関係が成り立つことにより、第８の実施の形態の場合には上記したＬＥＤ素子２のサイズと臨界角θから光取出し効率は半径Ｌが０．２４ｍｍ以上のとき、界面反射の影響を小さく抑えることができる。このように半径がＬ以上となる半球状の光学形状面４２が形成されるようにガラス封止部４を設けることで、界面反射を抑えて光取出しに優れる発光装置１が得られる。
また、Ｌを大きくとることで、直方体形状のようにコーナーエッジがなく、Ｃ面取された形状であれば、半球状から形状がずれても、界面反射を抑えることができる。
【００６８】
（第９の実施の形態）
（ＬＥＤ素子２の構成）
図１１は、第９の実施の形態に係るフリップチップ型のＬＥＤ素子を示す縦断面図である。
【００６９】
このＬＥＤ素子２は、ＧａＮ半導体化合物によって形成されるｎ−ＧａＮ層１１３と、ｎ−ＧａＮ層１１３に積層される発光層１１４と、発光層１１４に積層されるｐ−ＧａＮ層１１５と、ｐ−ＧａＮ層１１５からｎ−ＧａＮ層１１３にかけてエッチングにより除去されたｎ−ＧａＮ層１１３に設けられるｎ側電極１１６と、ｐ−ＧａＮ層１１５上に設けられるｐ側電極１１８とを有し、ｎ−ＧａＮ層１１３の光取出し側に第１の実施の形態で説明したＬＥＤ素子２の凹凸形状部２０Ａに代えて酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）からなる透光性の高屈折率材料層１１９を設けた点において第１の実施の形態と相違している。
【００７０】
高屈折率材料層１１９は、電子ビーム蒸着法により原材料であるＴａ２Ｏ５を加熱蒸気化させてｎ−ＧａＮ層１１３の表面に膜厚１μｍとなるように形成される。Ｔａ２Ｏ５は、屈折率ｎ＝２．２であり、ｎ−ＧａＮ層１１３との屈折率比に基づく臨界角θｃは６６°となる。また、高屈折率材料層１１９の光取出し側となる面には、電子ビーム蒸着法に基づく粗面部１１９Ａが形成される。
【００７１】
（第９の実施の形態の効果）
第９の実施の形態によると、ｎ−ＧａＮ層１１３の表面にｎ＝２．２のＴａ２Ｏ５からなる高屈折率材料層１１９を設けたことにより、立体角の拡大を図ることができる。また、Ｔａ２Ｏ５成膜時においてｎ−ＧａＮ層１１３の表面にＴａ２Ｏ５が再結晶化する際に粗面部１１９Ａが形成されるので、ＬＥＤ素子２と外部との界面における光拡散性を付与することができ、光取出し効率が向上する。
【００７２】
なお、上記した高屈折率材料層１１９は、Ｔａ２Ｏ５以外の他の材料で形成しても良く、例えば、ＺｎＳ（ｎ＝２．４）、ＳｉＣ（ｎ＝２．４）、ＨｆＯ２（ｎ＝２．０）、ＩＴＯ（ｎ＝２．０）、ＧａＮ（ｎ＝２．４）、あるいはＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＳｉＣ等であっても良い。これら成膜材料は導電性材料でなくても良く、付着力に優れ、光学特性に優れるものであれば良い。
【００７３】
（第１０の実施の形態）
（ＬＥＤ素子２の構成）
図１２は、第１０の実施の形態に係るフリップチップ型のＬＥＤ素子を示す縦断面図である。
【００７４】
このフリップチップ型のＬＥＤ素子２は、第９の実施の形態で説明したＬＥＤ素子１のｐ側電極１１８に代えて、熱膨張率が７．０×１０−６／℃のＩＴＯコンタクト電極１２０を設けた構成を有している。
【００７５】
（第１０の実施の形態の効果）
第１０の実施の形態によると、第９の実施の形態の好ましい効果に加えてＧａＮ系半導体層１００と略同等の熱膨張率を有するＩＴＯコンタクト電極１２０を設けたので、ｐ側電極の付着性が向上し、ＬＥＤ素子２の封止加工に伴う熱や、発光に伴って生じる発熱によってｐ側電極の剥離を生じない信頼性の高いＬＥＤ素子２が得られる。また、ＩＴＯの電流拡散性に基づいて発光むらを小にすることができる。なお、ｐ側電極はＩＴＯ以外の他の導電性酸化物材料で形成しても良い。
【００７６】
（第１１の実施の形態）
（ＬＥＤ素子２の構成）
図１３は、第１１の実施の形態に係るフリップチップ型のＬＥＤ素子を示す縦断面図である。
【００７７】
このフリップチップ型のＬＥＤ素子２は、３４０μｍ角で厚さ１００μｍのＧａＮ基板１３０上にＧａＮ系半導体層１００を成長させたものである。
【００７８】
（第１１の実施の形態の効果）
第１１の実施の形態によると、ＧａＮ基板１３０の厚さ（側面高さ）ｔは、ＬＥＤ素子２のサイズＷと、ガラス封止部４の屈折率ｎ２と、ＬＥＤ素子２の屈折率ｎ３との間に、ＧａＮ系半導体層１００からＧａＮ基板１３０へ放射される全ての光が、ＧａＮ基板１３０とガラス封止部４との界面で全反射が生じない、
ｔ≧Ｗ／（２ｔａｎ（ｓｉｎ−１（ｎ２／ｎ３）））の関係を有することから、例えば、図１０に示す発光装置１に用いる場合、Ｗ＝３００μｍ、ｎ２＝１．９、ｎ２＝２．４であることから、ＧａＮ基板１３０はｔ≧１１６μｍの厚さとすることでＬＥＤ素子２からの光取出し性を理想的な光取出し効率まで、向上させることができる。なお、厚さｔが半分程度の値であっても光取出し性が向上することを確認している。この場合、直方体形状のＧａＮ基板１３０が、光吸収率の高いＧａＮ系半導体層１００での光学ロスを避け、素子内部からの光取り出し効率向上を可能にする光学形状となっている。
【００７９】
図１６は、標準ＬＥＤ素子に対する外部放射効率比の封止材料屈折率の依存性を示すシミュレーション結果である。シミュレーションでは、エピ層，基板層，封止材料にそれぞれの屈折率，透過率，光減衰距離の物性値とした所定形状のモデルを用い、光線追尾法により、１００万本の光線を発生させて得た結果である。なお、屈折率は発光素子が発する光の波長での値を示している。ここで、外部放射効率比の基準値は、基板としてサファイア基板を用い、屈折率が１．５８の封止材料で封止されているものとした。
【００８０】
図１６において、曲線Ａはサファイア基板を用いた直方体形状のＬＥＤ素子（標準素子）の外部放射効率比を、曲線Ｂ０はＧａＮあるいはＧａＮと同等の屈折率を有する基板を用いた直方体形状のＬＥＤ素子の外部放射効率比を、また曲線Ｂ１はＧａＮあるいはＧａＮと同等の屈折率を有する基板を用いた基板表面に加工を施したＬＥＤ素子の外部放射効率比をそれぞれ示す。直方体形状の寸法は、いずれも、Ｗ＝３００μｍ，半導体層ｔ＝６μｍ，基板８４μｍ（１１６μｍに対し７２％の厚さ）である。表面の加工形状は、傾斜角４５°の四角錐（底辺が一辺２μｍ）とした場合である。なお、傾斜角を±１５°範囲で変化させても、特性カーブは大差なく、略同等であった。これは、傾斜角を大きくすると、発光素子から封止材料へ光が放射されやすくなるが、一方で隣接する加工形状面へ再入射されやすくなるためである。
【００８１】
封止材料の屈折率が１．６以上であれば、基準値に対し８０％以上の大幅な効率向上を実現できる。さらに望ましくは、封止材料の屈折率が１．７以上２．１以下であることが望ましい。屈折率が１．７以上ではＬＥＤ素子から封止材料への外部放射効率を略理想レベルにできる。一方、封止材料の屈折率が高過ぎると、封止材料から空気への放射効率低下の要因となる。すなわち、全反射が生じない形状の制約が大きくなり、界面への垂直入射でも界面反射率が大きくなる。このため、ＬＥＤの発光層の屈折率に対し、封止材料の屈折率が、０．６８〜０．８５の比となることが望ましい。
【００８２】
なお、第１１の実施の形態では、ＧａＮ基板１３０にＧａＮ系半導体層１００を設けた構成について説明したが、例えば、ＳｉＣ基板上にＧａＮ系半導体層１００を設けたＬＥＤ素子２であっても良い。また、サファイア基板にＧａＮ系半導体層１００を成長させた後にサファイア基板をレーザリフトオフにより除去し、高屈折率材料層としてＧａＮ基板１３０を貼り付けるものとしても良い。
【００８３】
この際には、高屈折率材料層には、エピタキシャル成長するための制約はなく、格子定数がエピタキシャル成長層と同じものである必要はなく、また、単結晶である必要もない。光学部材としての透明性、屈折率と接合のための熱膨張率特性があればよい。このためＧａＮに限らず、ＴｉＯ２、Ｇａ２Ｏ３、ＺｎＯなどでもよく、これらの多結晶体でもよい。
【００８４】
（第１２の実施の形態）
（ＬＥＤ素子２の構成）
図１４は、第１２の実施の形態に係るフリップチップ型のＬＥＤ素子を示す縦断面図である。
【００８５】
このフリップチップ型のＬＥＤ素子２は、第１１の実施の形態のＬＥＤ素子２に対してＧａＮ基板１３０の角部に傾斜角４５°のカット部１３０Ａを設けたもの（基板のコーナーをＣ面取した形状）である。
【００８６】
（第１２の実施の形態の効果）
第１２の実施の形態によると、第１１の実施の形態の好ましい効果である図１６の曲線Ｂ１と同等の外部放射効率を得ることができ、ＬＥＤ素子２内を横伝搬する光をより屈折率の低い媒体としても効率良く取り出すことができる。あるいは、ＧａＮ基板１３０の厚さを１１６μｍ以下としても、ＧａＮ系半導体層１００からＧａＮ基板１３０へ放射される全ての光が、ＧａＮ基板１３０とガラス封止部４との界面で全反射が生じない形状とすることができる。そして、表面形状加工を容易なものとできる。
【００８７】
このような表面形状加工を施すことで、例えば、ｎ＝１．７の封止材料を用いて封止した場合でも２００％の外部放射効率比を得ることが可能になる。ｎ＝１．９以上の高屈折率材料は短波長領域で吸収損失が大になる特性傾向を示すが、ｎ＝１．７程度の封止材料でも外部放射効率の向上を図れることから、青色、青緑色等だけでなく発光波長３７０ｎｍ付近の紫外ＬＥＤ素子への適用が容易になる。
【００８８】
（第１３の実施の形態）
図１５は、第１３の実施の形態に係るＬＥＤランプを示し、（ａ）はＬＥＤランプの縦断面図、（ｂ）はＬＥＤランプに搭載されるＬＥＤ素子の縦断面図である。
【００８９】
このＬＥＤランプ７０は、（ｂ）に示すＬＥＤ素子２をガラス封止部４でガラス封止した発光装置１をリード部９に搭載し、さらに光透過性樹脂によるオーバーモールド５１によって一体化したものである。オーバーモールド５１は、発光装置１からの光を効率良く外部放射させるように半球状の光学形状面５１Ａが形成されている。
【００９０】
ＬＥＤ素子２は、ｎ−ＧａＮ層１１３の光取出し面に所定の幅および深さを有した溝状の凹部１１３Ａが格子配列されており、その表面にＴａ２Ｏ５からなる高屈折率材料層１１９が設けられている。高屈折率材料層１１９の表面には、電子ビーム蒸着法に基づく粗面部１１９Ａが形成されている。
【００９１】
（第１３の実施の形態の効果）
第１３の実施の形態によると、溝状の凹部１３Ａを格子配列され、その表面に高屈折率材料層１１９を有するＬＥＤ素子２を設けることで、ＬＥＤ素子２の光取出し面が拡大され、かつ平面と垂直面からなる光取出し面となることで、光取出し性が高められる。さらにｎ−ＧａＮ層１１３の表面に粗面部１１９Ａを有する高屈折率材料層１１９が設けられているので、ｎ−ＧａＮ層１１３閉込伝搬光は側面に至る前に溝状の凹部１１３Ａから外部放射でき、その際の臨界角は高屈折率材料層１１９によって広げられる。このため、高輝度の発光装置１とできる。
【００９２】
また、発光装置１はＬＥＤ素子２をガラス封止して形成されているので、機械的強度に優れ、射出成型による封止加工が可能となり、発光装置１の周囲にオーバーモールド５１を容易に形成でき、ＬＥＤランプ７０の量産性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】第１の実施の形態に係る発光装置を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）はＬＥＤ素子について拡大した部分断面図、（ｃ）はＬＥＤ素子の光取り出し側の表面を示す部分拡大図である。
【図２】ＬＥＤ素子の構成を示す縦断面図である。
【図３】（ａ）から（ｄ）は、第１の実施の形態の発光装置の製造工程を示す説明図である。
【図４】第２の実施の形態に係る発光装置の断面図である。
【図５】第３の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示し、（ａ）は光り取り出し面側から見た平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ部における断面図、（ｃ）は光り取り出し面に形成される凹凸形状部の拡大図である。
【図６】第４の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示し、（ａ）は光り取り出し面側から見た平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ部における断面図、（ｃ）は光取り出し面に形成される凹凸形状部の拡大図である。
【図７】第５の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示し、（ａ）は光取り出し面側から見た平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ部における断面図、（ｃ）は光取り出し面に形成される凹凸形状部の拡大図である。
【図８】第６の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示し、（ａ）は光取り出し面側から見た平面図、（ｂ）は（ａ）の凸形状部における光取り出しを示す説明図である。
【図９】第７の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示し、（ａ）は光取り出し面側から見た平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ部における断面図である。
【図１０】第８の実施の形態に係る発光装置を示す縦断面図である。
【図１１】第９の実施の形態に係るフリップチップ型のＬＥＤ素子を示す縦断面図である。
【図１２】第１０の実施の形態に係るフリップチップ型のＬＥＤ素子を示す縦断面図である。
【図１３】第１１の実施の形態に係るフリップチップ型のＬＥＤ素子を示す縦断面図である。
【図１４】第１２の実施の形態に係るフリップチップ型のＬＥＤ素子を示す縦断面図である。
【図１５】第１３の実施の形態に係るＬＥＤランプを示し、（ａ）はＬＥＤランプの縦断面図、（ｂ）はＬＥＤランプに搭載されるＬＥＤ素子の縦断面図である。
【図１６】封止材料屈折率に依存するＬＥＤ素子の外部放射効率比を示す曲線である。
【符号の説明】
【００９４】
１…発光装置、２…ＬＥＤ素子、３…Ａｌ２Ｏ３基板、４…ガラス封止部、５…スタッドバンプ、６…サブマウント、７…シリコン樹脂封止部、８…ワイヤ、９…リード部、１０Ａ…収容部、１０…樹脂ケース部、２０…ｎ−ＧａＮ：Ｓｉ層、２０Ａ…凹凸形状部、２０ａ…凸部、２０ｂ…平坦部、２０ｃ…深溝、２０ｄ…六角凸部、２０ｅ…溝、２１…ＩｎＧａＮ層、２２…ＧａＮ層、２３…ＡｌＧａＮ層、２４…ＭＱＷ、２５…ｐ−ＡｌＧａＮ層、２６…ｐ−ＧａＮ層、２７…ｐ＋−ＧａＮ層、２８…ｐ電極、２９…ｎ電極、３０，３０Ａ，３０Ｂ…回路パターン、３０Ｃ…ビアパターン、３１…ビアホール、４０…上面、４１…側面、４２…光学形状面、５１…オーバーモールド、５１Ａ…光学形状面、６０…回路パターン、６１…ビアホール、７０…ＬＥＤランプ、１００…ＧａＮ系半導体層、１１３…ｎ−ＧａＮ層、１１３Ａ…凹部、１１４…発光層、１１５…ｐ−ＧａＮ層、１１６…ｎ側電極、１１７…ｐ側電極、１１９…高屈折率材料層、１１９Ａ…粗面部、１２０…ＩＴＯコンタクト電極、１３０…ＧａＮ基板、１３０Ａ…カット部、２００…ＧａＰ基板、２０１…ＧａＡｓ系半導体層、２１０…側面、２１１…側面
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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