(57)【要約】【課題】  本発明は、光の取出効率の向上を図った発光ダイオードなどの発光素子を提供するものである。【解決手段】  かゝる本発明は、発光部の外周で少なくとも光の取出領域部分に異なる屈折率の透明材料を重ねて被覆した立方体形状の発光素子において、少なくとも内外で隣接する両透明材料Ａ１、Ａ２の屈折率をその内側からｎ1 、ｎ2 としたとき、両透明材料Ａ１、Ａ２間の比屈折率（ｎ2 ／ｎ1 ）が、（ｎ2 ／ｎ1 ）≧約０．８２を満足するように、両透明材料Ａ１、Ａ２を選定する発光素子にあり、これにより、発光部からの光を殆ど全反射させることなく、外部に無駄なく取り出すことができる。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光部の外周で少なくとも光の取出領域部分に異なる屈折率の透明材料を重ねて被覆した立方体形状の発光素子において、
少なくとも内外で隣接する両透明材料Ａ１、Ａ２の屈折率をその内側からｎ1 、ｎ2 としたとき、前記両透明材料Ａ１、Ａ２間の比屈折率（ｎ2 ／ｎ1 ）が、
（ｎ2 ／ｎ1 ）≧約０．８２を満足するように、前記両透明材料Ａ１、Ａ２を選定することを特徴とする発光素子。
【請求項２】
発光部の外周で少なくとも光の取出領域部分に異なる屈折率の透明材料を重ねて被覆した直方体形状の発光素子において、
少なくとも内外で隣接する両透明材料Ａ１、Ａ２の屈折率をその内側からｎ1 、ｎ2 とし、前記発光部から前記直方体形状の隅部に至る光の透明材料Ａ１から透明材料Ａ２への入射角をθ１としたとき、前記両透明材料Ａ１、Ａ２間の比屈折率（ｎ2 ／ｎ1 ）が、
（ｎ2 ／ｎ1 ）≧ｓｉｎθ１を満足するように、前記透明両材料Ａ１、Ａ２を選定することを特徴とする発光素子。
【請求項３】
前記（ｎ2 ／ｎ1 ）≧約０．８２、又は（ｎ2 ／ｎ1 ）≧ｓｉｎθ１の条件を満足するように、内側から外側に掛けて順次屈折率の小さくなる複数の透明材料を重ねて被覆したことを特徴とする請求項１又は２記載の発光素子。
【請求項４】
前記発光部が発光ダイオードの発光部であることを特徴とする請求項１、２又は３記載の発光素子。
【請求項５】
前記発光ダイオードの発光部が、ＡｌＧａＰ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＺｅＳｅ系の材料から選ばれる１つであることを特徴とする請求項４記載の発光素子。
【請求項６】
前記発光ダイオードの基板がＧａＰ系、ＧａＮ系、ＳｉＣ系の材料から選ばれる１つであることを特徴とする請求項４又は５記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオードなどの発光素子において、光の取出効率の向上を図ったものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、光を放出する発光素子として、発光ダイオード（ＬＥＤ）などが提案されている。ＬＥＤは、活性層からなる発光部を、種々の薄膜被覆層（クラッド層など）で挟み込む形で基板上に形成してなる。通常、大きな面積のベース基板上に多数のＬＥＤを作り込み、後で、このベース基板を細断して、立方体形状や直方体形状などの種々の形状のＬＥＤチップ片として提供している。そして、用途によっても異なるが、例えば砲弾型発光ダイオードの場合（特許文献１）、このチップ片をリードフレームなどの部材に取り付けた後、最終的にチップ片の外周を封止材である樹脂などで被覆してある。
【特許文献１】特開２００１−２０３３９３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このようなＬＥＤチップ片の場合、特に立方体形状や直方体形状などの矩形体形状のものの場合、その内部量子効率が、例えば発光部材料がＡｌＧａＡｓ系の場合、１００％近くであるのに対して、発光部からの光の取出効率が３０％程度、又はそれ以下の低い水準に留まっているという問題点があった。
【０００４】
このため、近年、発光部の基板と電極の配置を工夫したり、基板を可視光吸収のない材料に張り替えたり、上記封止材として特性の優れたエポキシ樹脂を用い、この樹脂により半球状の被覆層を形成したりして、光の取出効率をどうにか３３％程度のところまで引き上げてきているのが現状である。
【０００５】
そこで、本発明者が、この光の取出効率について種々の検討したところ、各部の配置の工夫や基板の無色化、封止材の球形加工などを採用しても、発光部からの放出光が、クラッド層などの基板材料と封止材のエポキシ樹脂との境界部分に入射した際、両材料間の比屈折率によっては、光の全反射により、外部に取り出せなくなる光の割合がかなりあって、光の取出効率が改善されない大きな原因があるのではと着目した。
【０００６】
例えば、図４に示すような、立方体形状のＬＥＤチップ片１００において、内部の発光部（活性層）１１０を点光源と想定して、この発光部１１０からの光ｒが基板部分１２０を通じて外周の封止材１３０に入射される場合、光ｒの挙動は、以下のようになる。
【０００７】
先ず、このＬＥＤチップ片１００の立方体形状において、一つの面の対角線同士を結んだ断面を考えると、同図中の実線の如くで、発光部１１０の上面側からの光ｒに着目すれば、基板部分１２０と封止材１３０との境界部分に達する光路の場合、立方体の隅部（コーナ部）に達する光路が最も長く、その入射角θ１が最も大きくなる。なお、これより大きい角度の光線（図中破線）は、基板部分１２０の上面側ではなく、図中右側の側面に入射されるようになる。
【０００８】
一方、光の入反射に対しては、スネルの法則により、基板部分１２０の屈折率ｎ1 、封止材１３０の屈折率ｎ２、基板部分１２０から封止材１３０への入射角θ１、境界部分での屈折角（入射角）θ２とすれば、
（ｓｉｎθ１／ｓｉｎθ２）＝（ｎ２／ｎ1 ）                    ・・・（１）
が成立する。この関係式において、もしθ２＝９０°を満足するようになると、ｓｉｎθ２＝１となるため、以下の式が成立する。
ｓｉｎθ１＝（ｎ２／ｎ1 ）                                  ・・・（２）
つまり、比屈折率（ｎ２／ｎ1 ）によっては、基板部分１２０側から入射された光ｒは、封止材１３０との境界部分で透過して屈折するか、この境界部分で全反射して、封止材１３０の外部に取り出すことができなくなる。このときのθ１が臨界角で、この角度より大きい場合には、入射された光ｒは封止材１３０側に戻る形となる。
【０００９】
一方、立方体形状のＬＥＤチップ片１００の隅部における、ｓｉｎθ１を幾何学的に求めて見ると、図５から明らかなように、
ｓｉｎθ１＝（√２／２）／（√３／２）＝√６／３＝０．８１６３・・・（３）
となる。このため、このＬＥＤチップ片１００の場合、上記式（２）から、比屈折率（ｎ２／ｎ1 ）＝約０．８２であれば、立方体の隅部に達する光路により内側の光ｒは、全反射されることなく、封止材１３０側に取り出せることになる。
【００１０】
言い換えれば、比屈折率（ｎ２／ｎ1 ）≧約０．８２を満足するように、基板部分１２０と封止材１３０における材料の各屈折率ｎ1 、ｎ２を適宜選定すれば、発光部１１０からの放出光で、基板部分１２０の上面側に達する光ｒは、効果的に封止材１３０側から取り出すことができるようになる。ただし、基板部分１２０と封止材１３０との両材料のみで、上記条件の比屈折率（ｎ２／ｎ1 ）≧約０．８２を満たすことができないときには、両材料の間に順次複数の屈折率の異なる材料を重ねることで、この条件を満たすようにすれば、同様の結果が得られることになる。
【００１１】
本発明は、このような観点に立ってなされたものであり、基本的には、チップ片形状、基板などの各種透明材料の屈折率、このときの全反射の条件を考慮して、各透明材料を適宜選定することで、光の取出効率の向上を図った発光素子を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１記載の本発明は、発光部の外周で少なくとも光の取出領域部分に異なる屈折率の透明材料を重ねて被覆した立方体形状の発光素子において、
少なくとも内外で隣接する両透明材料Ａ１、Ａ２の屈折率をその内側からｎ1 、ｎ2 としたとき、前記両透明材料Ａ１、Ａ２間の比屈折率（ｎ2 ／ｎ1 ）が、
（ｎ2 ／ｎ1 ）≧約０．８２を満足するように、前記両透明材料Ａ１、Ａ２を選定することを特徴とする発光素子にある。
【００１３】
請求項２記載の本発明は、発光部の外周で少なくとも光の取出領域部分に異なる屈折率の透明材料を重ねて被覆した直方体形状の発光素子において、
少なくとも内外で隣接する両透明材料Ａ１、Ａ２の屈折率をその内側からｎ1 、ｎ2 とし、前記発光部から前記直方体形状の隅部に至る光の透明材料Ａ１から透明材料Ａ２への入射角をθ１としたとき、前記両透明材料Ａ１、Ａ２間の比屈折率（ｎ2 ／ｎ1 ）が、
（ｎ2 ／ｎ1 ）≧ｓｉｎθ１を満足するように、前記透明両材料Ａ１、Ａ２を選定することを特徴とする発光素子にある。
【００１４】
請求項３記載の本発明は、前記（ｎ2 ／ｎ1 ）≧約０．８２、又は（ｎ2 ／ｎ1 ）≧ｓｉｎθ１の条件を満足するように、内側から外側に掛けて順次屈折率の小さくなる複数の透明材料を重ねて被覆したことを特徴とする請求項１又は２記載の発光素子にある。
【００１５】
請求項４記載の本発明は、前記発光部が発光ダイオードの発光部であることを特徴とする請求項１、２又は３記載の発光素子にある。
【００１６】
請求項５記載の本発明は、前記発光ダイオードの発光部が、ＡｌＧａＰ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＺｅＳｅ系の材料から選ばれる１つであることを特徴とする請求項４記載の発光素子にある。
【００１７】
請求項６記載の本発明は、前記発光ダイオードの基板がＧａＰ系、ＧａＮ系、ＳｉＣ系の材料から選ばれる１つであることを特徴とする請求項４又は５記載の発光素子にある。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の立方体形状とする発光素子（請求項１）では、上述したように、両透明材料Ａ１、Ａ２間の比屈折率（ｎ2 ／ｎ1 ）が（ｎ2 ／ｎ1 ）≧約０．８２を満足するように、両透明材料Ａ１、Ａ２を選定するため、発光部からの光を殆ど全反射させることなく、外部に無駄なく取り出すことができる。
【００１９】
本発明の直方体形状の発光素子（請求項２）の場合、その具体的な形状に基づいて、発光部から直方体形状の隅部に至る光の透明材料Ａ１から透明材料Ａ２への入射角θ１を、上記図４〜図５の場合と同様に演算して求め、両透明材料Ａ１、Ａ２間の比屈折率（ｎ2 ／ｎ1 ）が、（ｎ2 ／ｎ1 ）≧ｓｉｎθ１を満足するように、透明両材料Ａ１、Ａ２を選定するため、上記と同様、発光部からの光を殆ど全反射させることなく、外部に無駄なく取り出すことができる。
【００２０】
本発明の発光素子において（請求項３）、上記条件を、基板部分と封止材などの両透明材料Ａ１、Ａ２だけで満足させることができないときには、これらの間に適宜数の中間被覆材料を、即ち、内側から外側に掛けて順次屈折率の小さくなる複数の透明中間被覆材料を介在させて、上記条件を満足させることが可能である。これにより、透明材料の選定にあたって、大きな自由度が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、本発明に係る発光素子の実施の形態になる全体の一例を示し、図２は図１の断面を示したものである。この発光素子２００は、上記図４〜図５の場合と同様の立方体形状のチップ片である。図中、２１０は発光部（活性層）、２２０は発光部２１０の回りの基板部分、２３０は外周に被覆された封止材である。
【００２２】
この発光素子２００において、発光部２１０は、特に限定されないが、例えばＬＥＤの場合、ＡｌＧａＰ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＺｅＳｅ系などの材料で形成する。基板部分２２０は、通常クラッド層などの積層された薄膜被覆層やベース基板などからなり、少なくとも光の取出領域部分、例えば発光部２１０の上面側や側面側などにあっては、透明材料で形成してある。より具体的には、例えばＬＥＤの場合、基板部分を、ＧａＰ系、ＧａＮ系、ＳｉＣ系などの材料で形成する。また、外周の封止材２３０にあっても、透明材料で形成してある。必要によりベース基板や電極層なども透明材料とすることができる。透明な電極材料としてはＩＴＯなどが挙げられる。
【００２３】
そして、基板部分２２０側の透明材料Ａ１、封止材２３０側の透明材料Ａ２とし、これらの両透明材料Ａ１、Ａ２の屈折率をその内側からｎ1 、ｎ2 としたとき、両透明材料Ａ１、Ａ２間の比屈折率（ｎ2 ／ｎ1 ）が、（ｎ2 ／ｎ1 ）≧約０．８２を満足するように、両透明材料Ａ１、Ａ２を選定してある。
このように両透明材料Ａ１、Ａ２間の比屈折率（ｎ2 ／ｎ1 ）を選定することにより、発光部２１０からの光ｒを、両透明材料Ａ１、Ａ２間の境界部分で全反射させることなく、効果的に外部に取り出すことができる。
【００２４】
しかし、この発光素子２００がＬＥＤチップ片であって、例えば発光部材料がＡｌＧａＰ系材料、基板材料がＧａＰ系材料（屈折率＝３．３）、封止材がエポキシ樹脂（屈折率＝１．５）の場合、（ｎ2 ／ｎ1 ）＝１．５／３．３＝約０．４５となって、上記条件である、（ｎ2 ／ｎ1 ）≧約０．８２は満たされない。
【００２５】
従って、この場合には、基板材料と封止材の間に、内側から外側に掛けて順次屈折率の小さくなる複数の透明材料を重ねて被覆する必要が生じる。
図３は、このような場合の一例を示したもので、基板部分２２０の側から封止材２３０の間に掛けて、順次屈折率の小さくなる複数の透明材料１４１〜１４４、即ち、ルチル（屈折率＝２．９）、チタン酸ストロンチウム（屈折率＝２．４）、鉛などの混合により屈折率を調整した２層のガラス（屈折率＝２．０及び１．７）の各材料を介在させてある。これにより、２層や３層の材料間では、ちょうどよい屈折率のものがなくとも、種々の組み合わせが可能となり、透明材料の選定にあたって、大きな自由度が得られる。
【００２６】
この場合、表１に示すように、基板部分２２０の側から隣接する材料の間の比屈折率は、いずれも０．８２以上であるため、どの境界部分でも、全反射が効果的に抑えることとなり、光の取出効率が大幅に改善される。
因みに、各材料の境界部分における比屈折率は、即ち、基板部分２２０とルチル間の比屈折率＝２．９／３．３＝０．８８、ルチルとチタン酸ストロンチウム間の比屈折率＝２．４／２．９＝０．８３、チタン酸ストロンチウムと１層めのガラス間の比屈折率＝２．０／２．４＝０．８３、１層めと２層めのガラス間の比屈折率＝１．７／２．０＝０．８５、２層めのガラスと封止材（エポキシ樹脂）間の比屈折率＝１．５／１．７＝０．８８であった。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
以上の説明は、発光素子が立方体形状のチップ片の場合であったが、本発明は、この立方体形状のチップ片と同様の観点に立って、直方体形状のチップ片にも適用することができる。ただし、直方体形状の場合、種々の形状が考えられるため、隣接する両透明材料Ａ１、Ａ２の屈折率を、その内側からｎ1 、ｎ2 とし、発光部から直方体形状の隅部に至る光の透明材料Ａ１から透明材料Ａ２への入射角θ１を、その都度幾何学的な図形処理による計算によって求める必要がある。この直方体形状の隅部に至る光の入射角θ１を、臨界角として、両透明材料Ａ１、Ａ２間の比屈折率（ｎ2 ／ｎ1 ）が、
（ｎ2 ／ｎ1 ）≧ｓｉｎθ１を満足するように、透明両材料Ａ１、Ａ２を選定すれば、上記と同様、発光部からの光を殆ど全反射させることなく、外部に無駄なく取り出すことができる。
【００２９】
勿論、この直方体形状のチップ片においても、基板材料と封止材だけで、（ｎ2 ／ｎ1 ）≧ｓｉｎθ１の条件を満足させることができないときには、上記立方体形状のチップ片の場合と同様、基板材料と封止材の間に、内側から外側に掛けて順次屈折率の小さくなる複数の透明材料を重ねて被覆すればよい。
【００３０】
なお、上述の説明では、発光素子がＬＥＤチップ片であったが、本発明は、これに限定されるものではない。例えば有機ＥＬなどにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る発光素子の実施の形態の一例を示した斜視図である。
【図２】図１の発光素子の縦断面図である。
【図３】本発明に係る発光素子の実施の形態を他例を示した断面図である。
【図４】立方体形状の発光素子における光の光路を示した概略説明図である。
【図５】図４の発光素子における光の光路を解析した概略解析図である。
【符号の説明】
【００３２】
２００・・・発光素子、２１０・・・発光部、２２０・・・基板部分（透明材料Ａ１）、２３０・・・封止材（透明材料Ａ２）、ｒ・・・レーザー光、
【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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