(57)【要約】【課題】発光した光が全反射してチップ内に閉じ込められたり、対向する電極で吸収されたりする割合を減少させることで高効率な発光を実現できる半導体発光素子を提供することを目的としている。【解決手段】外壁面に上底面側にかけてその外形が狭まるテーパ部１１ａが形成された柱状のＧａＰ基板１１と、ＧａＰ基板１１の上底面に設けられた上面電極１４と、ＧａＰ基板１１基板の下底面に設けられた発光層１２と、発光層１２のＧａＰ基板１１とは反対側の面に設けられるとともに、上面電極１４に対向した領域から外側の環状領域に配置された下面電極１３とを備えている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外壁面に上底面側にかけてその外形が狭まるテーパ部が形成された柱状の基板と、
この基板の上底面に設けられた上面電極と、
上記基板の下底面に設けられた発光層と、
この発光層の上記基板とは反対側の面に設けられるとともに、上記上面電極に対向した領域から外側の環状領域に配置された下面電極とを備えていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
上記下面電極はさらに、上記基板の高さをＨ、上記テーパ部の傾き角をθ、上記基板の下底面の外周から上記上面電極外周までの距離をＷ、上記基板の屈折率をｎ１、基板外部の屈折率をｎ２、α＝ｓｉｎ−１（ｎ２／ｎ１）としたとき、上記基板の下底面の外周から、（Ｈ／２）ｔａｎθ−（Ｈ／２）ｔａｎ（θ＋α−９０°）を超え、（Ｈ／２）ｔａｎθ＋（Ｈ／２）ｔａｎ（−θ＋α＋９０°）とＷのいずれも超えない範囲に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
上記下面電極は、細線状に形成されており、上記下面電極の外側に反射膜がさらに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
上記発光層は、上記下面電極と同一領域に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
外壁面に上底面側にかけてその外形が狭まるテーパ部が形成された柱状の基板と、
この基板の上底面に設けられた上面電極と、
上記基板の下底面に設けられた発光層と、
この発光層の上記基板とは反対側の面に設けられた下面電極を備え、
上記発光層は、上記上面電極に対向した領域から外側の環状領域に配置されることを特徴とする半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子に関し、特に光取り出し効率の改善及び発光素子の全光出力増大を図ることができる構造を有するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
図５は、ジャンクションダウン型のＬＥＤチップ（半導体発光素子）１００の構造を模式的に示す説明図である。ＬＥＤチップ１００は、四角錘台状のＧａＰ基板１０１と、このＧａＰ基板１０１の下面に設けられた発光層１０２と、さらに発光層１０２の下面に設けられた下面電極１０３と、ＧａＰ基板１０１の上面に設けられた上面電極１０４とを備えている。ＧａＰ基板１０１は発光波長に対して透明な性質を有している。ＧａＰ基板１０１は発光した光をチップ外へ取り出しやすいようにテーパがつけられている。
【０００３】
下面電極１０３は、面内で均一に発光させるため、下面全面に電極を形成するか、複数の細線電極１０３ｂ〜１０３ｄから形成されている。また、上面電極１０４はワイヤをボンディングするため中央部に形成されている。
【０００４】
このようなＬＥＤチップ１００では、図５に示すように、下面電極１０３と上面電極１０４との間に通電することで、発光層１０２が発光する。図６はこのときの発光強度分布を示す図である。発光層１０２で発光した光のうちＧａＰ基板１０１の各面に対して全反射角以内の光α１，α２はチップ外部に取り出されるが、全反射角を越える光α３は全反射してチップ内に閉じ込められる。さらに、上面電極１０４に向かう光α４は上面電極１０４に吸収される。このため、光取り出し効率が低いという問題があった。
【０００５】
このため、上部電極の直下部分を除く領域に発光層を選択的に形成することにより、発光した光を上部電極が形成されていない部分を通過させ、光取り出し効率を向上させる方法が開示されている（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
また、光出射面に対向する他方の対向面に反射膜を形成することにより、光出射面に対向する他方の対向面に向かって発光した光を反射して光出射面に向かわせ、光取り出し効率を向上させる方法を提案している（例えば特許文献２参照）。
【特許文献１】特許第２７９２７８１号明細書
【特許文献２】特許第３３１２０４９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した半導体発光素子であると次のような問題があった。すなわち、特許文献１に記載されたものでは、成長層の中にレーザ光を選択的に照射し部分的な活性層を形成する必要があるが、これは技術的に難易度が高く、製造工程数が増えコストアップとなるという課題がある。
【０００８】
また、特許文献２に記載されたものでは、発光層と反射層を形成する面との距離が離れている場合には効果があるが、発光層の近傍に電極及び反射層を形成する場合には、発光層上ではほぼ電極と同じ形状で発光し、そのまま広がらずに電極に向かって進むため、反射層で反射せずに電極で吸収されてしまうという問題がある。
【０００９】
そこで本発明は、発光した光が全反射してチップ内に閉じ込められたり、対向する電極で吸収されたりする割合を減少させることで高効率な発光を実現できる半導体発光素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上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次のように構成されている。
【００１１】
（１）外壁面に上底面側にかけてその外形が狭まるテーパ部が形成された柱状の基板と、この基板の上底面に設けられた上面電極と、上記基板の下底面に設けられた発光層と、この発光層の上記基板とは反対側の面に設けられるとともに、上記上面電極に対向した領域から外側の環状領域に配置された下面電極とを備えていることを特徴とする。
【００１２】
（２）上記（１）に記載された半導体発光素子であって、上記下面電極はさらに、上記基板の高さをＨ、上記テーパ部の傾き角をθ、上記基板の下底面の外周から上記上面電極外周までの距離をＷ、上記基板の屈折率をｎ１、基板外部の屈折率をｎ２、α＝ｓｉｎ−１（ｎ２／ｎ１）としたとき、上記基板の下底面の外周から、（Ｈ／２）ｔａｎθ−（Ｈ／２）ｔａｎ（θ＋α−９０°）を超え、（Ｈ／２）ｔａｎθ＋（Ｈ／２）ｔａｎ（−θ＋α＋９０°）とＷのいずれも超えない範囲に配置されていることを特徴とする。
【００１３】
（３）上記（１）に記載された半導体発光素子であって、上記下面電極は、細線状に形成されており、上記下面電極の外側に反射膜がさらに設けられていることを特徴とする。
【００１４】
（４）上記（１）に記載された半導体発光素子であって、上記発光層は、上記下面電極と同一領域に形成されていることを特徴とする。
【００１５】
（５）外壁面に上底面側にかけてその外形が狭まるテーパ部が形成された柱状の基板と、この基板の上底面に設けられた上面電極と、上記基板の下底面に設けられた発光層と、この発光層の上記基板とは反対側の面に設けられた下面電極を備え、上記発光層は、上記上面電極に対向した領域から外側の環状領域に配置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、発光した光が全反射してチップ内に閉じ込められたり、対向する電極で吸収されたりする割合を減少させることにより、高効率な発光が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は本発明の第１の実施の形態に係るＬＥＤチップ（半導体発光素子）１０を模式的に示す側面図、図２はＬＥＤチップ１０における発光強度分布を示すグラフである。ＬＥＤチップ１０は、四角錘台状のＧａＰ基板１１と、このＧａＰ基板１１の下面に設けられた発光層１２と、さらに発光層１２の下面に設けられた下面電極１３と、ＧａＰ基板１１の上面に設けられた上面電極１４と、下面電極１３の下面に設けられた反射膜１５とを備えている。ＧａＰ基板１１は発光波長に対して透明な性質を有している。また、発光層１２の材質は例えばＩｎＡｌＧａＰである。
【００１８】
ＧａＰ基板１１には発光した光をチップ外へ取り出しやすいように角度θのテーパ部１１ａが設けられている。なお、ＧａＰ基板１１の高さをＨとする。
【００１９】
上面電極１４は、ワイヤ（不図示）をボンディングするため中央部に形成されている。
【００２０】
一方、下面電極１３は、下記の３条件を満たす位置に配置されている。第１に、上面電極１４に対向しない位置である。これは、発光層１２での発光が上面電極１４に吸収されてしまうのを防止するためである。
【００２１】
第２に、ＧａＰ基板１１の外周縁から式（１）で定めるＬだけ離れた位置にの距離に配置されている。すなわち、ＧａＰ基板１１の下底面の外周から上面電極１４外周までの距離をＷ、ＧａＰ基板１１の屈折率をｎ１、ＧａＰ基板１１外部の屈折率をｎ２とすると、
（Ｈ／２）ｔａｎθ−（Ｈ／２）ｔａｎ（θ＋α−９０°）＜  Ｌ
但し、α＝ｓｉｎ−１（ｎ２／ｎ１）                                  …（１）
となる。式（１）は、最外周側の細線電極１３ｅからの発光が、ＧａＰ基板１１のテーパ面に対して全反射角以内で入射する条件を幾何学的に求めたものである。
【００２２】
第３に、ＧａＰ基板１１の外周縁から式（２）で定めるＬだけ離れた位置にの距離に配置されている。すなわち、
Ｌ  ＜（Ｈ／２）ｔａｎθ＋（Ｈ／２）ｔａｎ（−θ＋α＋９０°），
and   Ｌ＜Ｗ                              …（２）
となる。式（２）は、最内周側の細線電極１３ａからの発光が、ＧａＰ基板１１のテーパ面に対して全反射角以内で入射するか、下面電極１３が上面電極１４に対向しない条件を幾何学的に求めたものである。
【００２３】
このように構成されたＬＥＤ装置１０では、上面電極１４と下面電極１３間に通電することにより、発光層１２のうち、下面電極１３の近傍が発光する。このとき、下面電極１３は、細線電極で構成されているため、細線電極１３ａ〜１３ｅに対応する部分の他、これらの間の部分も発光し、全体的には細線電極１３ａ〜１３ｅが設けられた領域がほぼ均一に発光することになる。図２中実線はこのときの発光強度分布を示す図である。なお、破線は比較例として図５に示すものの発光強度分布を示している。
【００２４】
また、上述した３条件を満たす位置に細線電極１３ａ〜１３ｅが配置されているので、ＧａＰ基板１１の各面に対し、全反射角以内で入射するとともに、上面電極１４に吸収される発光を最小限に抑えることが可能となる。
【００２５】
一方、発光層１２からの発光のうち、図１中下側に漏れる光は反射膜１５により反射し、ＧａＰ基板１１に戻り、チップ外部に取り出されることとなる。この際、下面電極１３が細線化されているので、反射膜１５で効率よく反射させることができる。
【００２６】
このように本第１の実施の形態に係るＬＥＤチップ１０によれば、発光層１２において発光した光は、チップ内に閉じ込められる光や上面電極１１で吸収される光を最小限に抑えることができ、光取り出し効率を高めることができ、発光素子の全光出力増大を図ることができる。また、上述したように、電極構造を決定すれば、コストのかかる活性層の選択的な形成が不要となり、製造コストを低減することが可能となる。
【００２７】
なお、ＧａＰ基板１１、発光層１２は、発光すべき色、目的によって他のものを用いてもよい。例えば、ＧａＰ基板１１の代わりにサファイアを用いた場合には、発光層１２にＧａＮを用いるようにしてもよい。
【００２８】
図３は本発明の第２の実施の形態に係るＬＥＤチップ２０を模式的に示す側面図である。なお、図３において図１と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００２９】
ＬＥＤチップ２０では、ＧａＰ基板１１の下面に設けられた発光層２１が、細線電極１３ａ〜１３ｅの位置に合わせて形成されている。このように構成されたＬＥＤチップ２０においても、上述した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００３０】
図４は本発明の第３の実施の形態に係るＬＥＤチップ３０を模式的に示す側面図である。なお、図４において図１と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３１】
ＬＥＤチップ３０では、上述した細線電極１３ａ〜１３ｅと同じ位置に設けられた発光層２１と絶縁部材３２とが配置され、さらに板状の下面電極３３が配置されている。
【００３２】
このように構成されたＬＥＤチップ３０では、下面電極３３に供給された電力が発光層２１が設けられた部分のみに通電され、その位置のみが発光することになる。したがって、上述した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００３３】
なお、本発明は上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、上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わせにより、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、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るＬＥＤチップを模式的に示す側面図。
【図２】同ＬＥＤチップの発光強度分布を示すグラフ。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係るＬＥＤチップを模式的に示す側面図。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係るＬＥＤチップを模式的に示す側面図。
【図５】従来の半導体発光素子を模式的に示す側面図。
【図６】同ＬＥＤチップの発光強度分布を示すグラフ。
【符号の説明】
【００３５】
１０，２０，３０…ＬＥＤチップ（半導体発光素子），１１…ＧａＰ基板，１２…発光層，１３…下面電極，１３ａ〜１３ｅ…細線電極，１４…上面電極，１５…反射膜。
【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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