(57)【要約】【課題】発光層で発生した光を基板から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こと。【解決手段】透光性を有する基板１０と、前記基板１０の入射面１１側に設けられ、通電により発光する発光層２３と、前記基板１０の入射面１１側あるいは出射面１２側に設けられ、前記発光層２３を通電させる一対のＮ電極２２及びＰ電極２５とを備え、前記基板１０の出射面１２には、前記発光層２３からの光を取り出す溝部１３が形成されている。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性を有する基板と、
前記基板の一面側に設けられ、通電により発光する発光層と、
前記基板の一面側あるいは他面側に設けられ、前記発光層を通電させる一対の電極と、
を備え、
前記基板の他面側には、前記発光層からの光を取り出す溝部が形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記基板の他面側の外縁部には、前記発光層からの光を取り出す切欠き部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記溝部は、前記発光層に対して斜角をなす傾斜面により構成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記切欠き部は、前記発光層に対して斜角をなし、且つ前記発光層と対向する傾斜面により構成されていることを特徴とする請求項２記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記発光層は、前記基板の他面側から見て、前記溝部及び切欠き部が存在する領域から外れた位置に設けられていることを特徴とする請求項２記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記傾斜面の前記発光層に対する斜角は、４０度〜７０度であることを特徴とする請求項３または４記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記一対の電極は、いずれも前記基板の一面側に設けられていることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光層で発生した光を、基板を介して取り出す半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１１は従来からある一般的な半導体発光素子の側面図である。
【０００３】
図１１に示すように、この半導体発光素子は、透光性を有する基板１００と、Ｎ型半導体層１０１、発光層１０２、及びＰ型半導体層１０３からなる多層構造体１０４とを備え、Ｐ型半導体層１０３上に設けられたＰ電極１０５と基板１００上に設けられたＮ電極１０６から電圧を印加することで、発光層を通電させて発光させるものである。
【０００４】
一般的に、半導体発光素子に使用される基板１００とその外部との間には、大きな屈折率の差が存在する。そのため、発光層１０２から発生した光は、基板１００内で全反射を繰り返し、矢印で示すように、基板１００中にて長い距離を進むことになる。
【０００５】
しかしながら、基板１００の光吸収率は０ではないので、光が基板１００中にて長い距離を進むと、大きなエネルギーロスとなり、光の取り出し効率が低下する。そこで、この問題を解決するために、基板の形状を工夫して、光の一部を基板中で全反射させることなく取り出す半導体発光素子が開示された（例えば、特許文献１、及び特許文献２を参照。）。
【０００６】
図１２は特許文献１に記載された半導体発光素子の側面図である。
【０００７】
図１２に示すように、この半導体発光素子では、基板１００の側面に、発光層１０２（図１２では省略）に対して斜角をなす傾斜面１００ａを設けている。そのため、発光層１０２からの光は、矢印で示すように、基板から出射し易くなり、光の取り出し効率を向上させることができる。
【０００８】
図１３は特許文献２に記載された半導体発光素子の側面図である。
【０００９】
図１３に示すように、この半導体発光素子では、多層構造体１０４を挟んで両側に基板１００を設け、これら基板の側面を発光層１０２（図１３では省略）に対して斜角をなす傾斜面１００ｂとしている。そのため、発光層１０２からの光は、矢印で示すように、基板１００から出射し易くなり、光の取り出し効率を向上させることができる。
【００１０】
しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載された半導体発光素子では、基板上にＮ電極が設けられているため、発光層からの光がＮ電極で全反射あるいは吸収され、光の取り出し効率を低下させる。そこで近年、Ｎ電極を多層構造体側、すなわち発光層側に設けた半導体発光素子が開示された（例えば、特許文献３を参照。）。
【００１１】
図１４は特許文献３に記載された半導体発光素子の側面図である。
【００１２】
図１４に示すように、この半導体発光素子では、基板１００に多層構造体１０４を形成した後、エッチング等によりＰ型半導体層１０３及び発光層１０２の一部を除去し、Ｎ型半導体層１０１の一部を露出させ、そこにＮ電極１０６を形成している。そのため、基板上に光を反射あるいは吸収するものが存在しないから、光の取り出し効率を向上することができる。
【００１３】
更に、特許文献３には、Ｐ型電極を短冊状に形成し、これらをＰ型半導体層上に配列することで、発光層全体に効果的に電流を流し、発光効率を向上させる技術も開示されている。
【特許文献１】特開平１０−３４１０３５号公報
【特許文献２】特表２００３−５２３６３５号公報
【特許文献３】特開２００３−２４３７０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
前述のように、特許文献１、２に記載された半導体発光素子は、基板上にＮ電極が設けられているため、発光層からの光がＮ電極で反射あるいは吸収され、光の取り出し効率が低下する。
【００１５】
一方、特許文献３に記載された、Ｐ型電極を短冊状に形成し、これらをＰ型半導体層上に配列する技術は、発光層からの発光量そのものを上昇させるものであって、発光層からの光を効率良く取り出すことはできない。
【００１６】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、発光層で発生した光を基板から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ことにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の半導体発光素子は、一態様として、透光性を有する基板と、前記基板の一面側に設けられ、通電により発光する発光層と、前記基板の一面側あるいは他面側に設けられ、前記発光層を通電させる一対の電極とを備え、前記基板の他面側には、前記発光層からの光を取り出す溝部が形成されている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、発光層で発生した光を基板から効率良く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】
【００１９】
以下、図面を参照しながら本発明の一実施形態について説明する。  
（半導体発光素子の構成）  
図１は本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の斜視図、図２は同実施形態に係る半導体発光素子の側面図、図３は同実施形態に係る半導体発光素子の平面図である。
【００２０】
図１に示すように、この半導体発光素子は、透光性のある基板１０を有している。基板１０の材料としては、ＧａＰ（屈折率：３．２３）等の単結晶が使用される。この基板１０は、扁平な矩形ブロック状をしており、その一方の主面は後述する発光層２３から基板１０内に光を入射させる入射面１１をなし、他方の主面は基板１０内に入射した光を出射させる出射面１２をなしている。なお、本実施形態では、基板１０のサイズを約８００μｍ×８００μｍ×２３０μｍとしている。
【００２１】
基板１０の出射面１２には、基板１０から光を効率よく取り出すために、溝部１３と切欠き部１４が設けられている。このうち、溝部１３は、発光層２３から離れるにつれて基板１０の外側に傾斜する２つの傾斜面１５により構成され、基板１０の中央部に平面十字状に形成されている。また、切欠き部１４は、発光層２３から離れるにつれて基板１０の中心側に傾斜する傾斜面１６により構成され、基板１０の外縁部に平面枠状に形成されている。そして、これら傾斜面１５と傾斜面１６は、発光層２３と略平行な非傾斜面１７により連結されている。
【００２２】
なお、本実施形態では、溝部１３と切欠き部１４の深さを約１６５μｍとし、傾斜面１５、１６の角度を発光層２３と直角な面に対して約３５度、すなわち発光層２３に対して約５５度（３５度の余角）としている。
【００２３】
基板１０の入射面１１には、多層構造体２０が形成されている。この多層構造体２０は、基板１０側から順に、Ｎ型半導体層２１、及びＰ型半導体層２４を備え、Ｎ型半導体層２１とＰ型半導体層２４の接合部分は発光層２３をなしている。
【００２４】
このうち、Ｐ型半導体層２４は、基板１０の出射面１２側から見て、溝部１３と切欠き部１４に重合しない４つの領域に、前述の非傾斜面１７の内側に収まるように形成されている。これにより、発光層２３は、Ｐ型半導体層２４と同じく、基板１０の出射面１２側から見て、溝部１３と切欠き部１４が存在する領域外に形成されることになる。
【００２５】
なお、本実施形態では、発光層２３のサイズを１５５μｍ×１５５μｍとしている。また、Ｎ型半導体層２１とＰ型半導体層２４の材料としては、例えばＩｎＧａＡｌＰ（屈折率：３．１〜３．５）が使用される。
【００２６】
Ｎ型半導体層２１の基板１０と反対側の面には、Ｐ型半導体層２４が存在する領域を除いてＮ電極２２が形成され、Ｐ型半導体層２４の基板１０と反対側の面には、Ｐ電極２５が形成されている。
【００２７】
前記構成の半導体発光素子において、Ｎ電極２２とＰ電極２５に電圧を印加すると、発光層２３が通電し、発光層２３全体から放射状に光が発生する。発光層２３からの光は、基板１０の入射面１１から基板１０内に入射し、基板１０内を各方向に進んだのち、基板１０の出射面１２、具体的には、傾斜面１５、傾斜面１６、及び非傾斜面１７から出射する。
【００２８】
このとき、傾斜面１５、傾斜面１６、及び非傾斜面１７は、発光層２３と対向しているので、発光層２３から放射状に発生した光の多くは、基板１０の出射面１２に対して全反射角以外の角度で入射する。そのため、発光層２３から発生した光に占める、基板１０内で全反射する光の割合が減ることになり、基板１０内に入射した光を効率良く取り出すことができる。
【００２９】
（他の基板形状との比較）  
図４は溝部と切欠き部を備えていない第１の半導体発光素子モデルの側面図、図５は溝部を備えていない第２の半導体発光素子モデルの側面図、図６は本実施形態に係る半導体発光素子の側面図である。なお、図４〜図６において、矢印ａ〜ｅは発光層からの光を示している。
【００３０】
なお、第１、第２の半導体発光素子モデルは、シリコン樹脂（屈折率：１．４３）に封入されており、基板のサイズが８００μｍ×８００μｍ×２３０μｍ、発光層のサイズが３１０μｍ×３１０μｍである。また、発光層は基板の略中央部に形成されている。
【００３１】
第１の半導体発光素子モデルでは、図４に示すように、光の多くが基板３１内で全反射している。それに対し、第２の半導体発光素子モデルでは、切欠き部１４ａの影響により、図５に示すように、基板４１内で全反射する光が少し減り、殆んど反射せず基板４１から出射する光（矢印ａや矢印ｂ）が増えている。しかしながら、依然として、基板４１内で全反射する光が多く存在する。それに対し、本実施形態に係る半導体発光素子では、溝部１３の影響により、図６に示すように、基板１０内で全反射する光が更に減り、第２の半導体発光素子モデルでは全反射していた光（矢印ｃや矢印ｄ）も反射することなく出射している。
【００３２】
図７は第１の半導体発光素子モデル、第２の半導体発光素子モデル、及び本実施形態に係る半導体発光素子における光の取り出し効率を示すグラフである。なお、グラフの縦軸は、第１の半導体発光素子モデルにおける光の取り出し効率を１とした取り出し効率比である。
【００３３】
図７に示すように、本実施形態に係る半導体発光素子における光の取り出し効率は、第１、第２の半導体発光素子モデルと比較して、かなり大きな値となっている。この比較により、基板１０の出射面１２に溝部１３と切欠き部１４を設けることで、光の取り出し効率が飛躍的に大きくなることが確認された。
【００３４】
（傾斜面１５、１６の角度による比較）  
図８は同実施形態に係る傾斜面１５、１６の発光層２３と直角な面に対する角度と光の取り出し効率との関係を示すグラフである。なお、グラフの横軸は傾斜面１５、１６の角度であり、縦軸は傾斜面１５、１６の角度が３５度であるときの光の取り出し効率を１とした取り出し効率比である。
【００３５】
図８に示すように、傾斜面１５、１６の発光層２３と直角な面に対する角度が２０度〜５０度の範囲では、大きい取り出し効率が得られることがわかる。ところで、この傾斜面１５、１６の発光層２３と直角な面に対する角度は、傾斜面１５、１６の発光層２３に対する角度の余角に相当する。従って、傾斜面１５、１６の発光層２３に対する角度が４０度〜７０度（２０度〜５０度の余角）の範囲では、大きい光の取り出し効率が得られる、ということができる。
【００３６】
このように、本実施形態に係る基板サイズでは、傾斜面１５、１６の角度を３５度（すなわち、発光層２３に対して約５５度）にすることで、大きな取り出し効率を得られることが確認された。ただし、本比較では、本実施形態に係る基板サイズに基づいて計算しているため、基板サイズが変われば角度の範囲に若干の差が生じることになる。
【００３７】
（本実施形態による作用）
本実施形態に係る半導体発光素子では、基板１０の出射面１２に、発光層２３と直交する面に対して３５度（すなわち、発光層２３に対して約５５度）の斜角をなす傾斜面１５、１６により、溝部１３と切欠き部１４を設けている。そして、基板１０の出射面１２側から見て、溝部１３と切欠き部１４が存在する領域外に発光層２３を設けている。
【００３８】
そのため、各発光層２３から出射した光の多くが、基板１０の出射面１２に設けられた各傾斜面１５、１６に対して、全反射角以外の角度で入射することになるから、基板１０内での反射量が減少し、光の取り出し効率を向上させることができる。
【００３９】
また、傾斜面１５、１６の角度を約３５度としているため、大きな角度のダイシングブレードを使用する必要が無いから、すなわち７０度のダイシングブレードでよいから、溝部１３と切欠き部１４を容易に形成することができる。
【００４０】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、例えば図９と図１０に示すように、基板１０の出射面１２に縦横２つずつ溝部１３ａを形成し、溝部１３ａと前記切欠き部１４が存在する領域外に発光層２３ａを配置するようにしてもよい。
【００４１】
また、本実施形態では、溝部１３の形状をＶ字状としているが、これに限定されるものではなく、例えば曲面と傾斜面とを組み合わせて構成しても良いし、角度の異なる複数の傾斜面を組み合わせて構成しても良い。
【００４２】
更に、本実施形態では、基板１０の材料としてＧａＰを使用しているが、これに限定されるものではない。また、Ｎ型半導体層２１、及びＰ型半導体層２４の材料としてＩｎＧａＡｌＰを使用しているが、これに限定されるものではなく、半導体層として使用可能な材料であれば、どんなものであっても良い。
【００４３】
また、本実施形態では、１つの基板１０に溝部１３と切欠き部１４を形成することで前記基板形状を得ているが、これに限定されるものではなく、半導体発光素子を発光層２３ごとに分割し、これらを並べることで前記基板形状としても良い。このようにすれば、使用者の用途に応じて半導体発光素子の大きさを変えることができる。
【００４４】
本発明は、前記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、前記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の斜視図。
【図２】同実施形態に係る半導体発光素子の側面図。
【図３】同実施形態に係る半導体発光素子の平面図。
【図４】溝部と切欠き部を備えていない第１の半導体発光素子モデルの側面図。
【図５】溝部を備えていない第２の半導体発光素子モデルの側面図。
【図６】本実施形態に係る半導体発光素子の側面図。
【図７】第１の半導体発光素子モデル、第２の半導体発光素子モデル、及び本実施形態に係る半導体発光素子における光の取り出し効率を示すグラフ。
【図８】同実施形態に係る傾斜面の発光層と直角な面に対する角度と光の取り出し効率との関係を示すグラフ。
【図９】同実施形態の変形例に係る半導体発光素子の側面図。
【図１０】同実施形態の変形例に係る半導体発光素子の平面図。
【図１１】従来からある一般的な半導体発光素子の側面図。
【図１２】特許文献１に記載された半導体発光素子の側面図。
【図１３】特許文献２に記載された半導体発光素子の側面図。
【図１４】特許文献３に記載された半導体発光素子の側面図。
【符号の説明】
【００４６】
１０…基板、１１…入射面、１２…出射面、１３…溝部、１３ａ…溝部、１４…切欠き部、１５…傾斜面、１６…傾斜面、１７…非傾斜面、２２…Ｎ電極、２３…発光層、２３ａ…発光層、２５…Ｐ電極、１４…傾斜面、１５…傾斜面。
【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】
2006324587.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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