(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子の底面側には、吸収率の高い結晶層からなる発光層から発せられた光を上方へ反射する断面形状を楔形に形成した反射溝が分断された電極間に形成されると共に、前記発光層の発光エリアが前記反射溝の箇所を避けた分割発光エリアとなっており、前記発光層より屈折率の小さい基板が前記発光層の上方に位置し、かつ、前記発光層は前記基板より吸収率が高いことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記反射溝が、前記発光層内にまで達していることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に発光層を形成して電圧を印加することによって発光層から発光するＬＥＤチップ（以下、「発光素子」という。）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発光素子は、例えば、ＧａＡｓ等の結晶基板の上にＧａＡｓ系等の結晶層をエピタキシャル成長させて発光層を形成し、アノードとカソードの電極を設けて電圧を印加することによって、発光層から光が発せられて上面（発光面）から光が放射されるものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、一般に発光素子の発光層を含む結晶層は屈折率が高く、発光した光の吸収率も高いため、発光素子からの光の取り出し効率が低いという問題点があった。即ち、発光層で光が発生するが、上面（発光面）に臨界角以内で入射する光だけが効率良く外部放射される。ところが発光層の屈折率が高いため、この臨界角は非常に小さく、一部の光しか外部放射されず、それ以外の光は吸収率の高い結晶層中で吸収されて、大部分が熱に変換されてしまう。
【０００４】
そこで、本発明は、発光層で発した光のうち発光層に対し水平な方向成分の大きい伝播光を反射させることにより上面に臨界角以内で入射させ、結晶からの光の取り出し効率を増して光出力を向上できる発光素子を提供することを課題とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明にかかる発光素子は、発光素子の底面側には、吸収率の高い結晶層からなる発光層から発せられた光を上方へ反射する断面形状を楔形に形成した反射溝が分断された電極間に形成されると共に、前記発光層の発光エリアが前記反射溝の箇所を避けた分割発光エリアとなっており、前記発光層より屈折率の小さい基板が前記発光層の上方に位置し、かつ、前記発光層は前記基板より吸収率が高いものである。
【０００６】
発光層内の発光点から斜め横方向に放射される光は結晶界面までの距離が長く、吸収率の高い結晶層中で吸収されて熱変換される。しかも、横方向は立体角が大きく、この範囲へ放射される光量は大きい。この従来外部放射されなかった光を、発光素子の底面に光を上方へ反射する反射溝を形成することによって外部放射することができ、光の取り出し効率を増大させることができる。また、屈折率の小さい基板が屈折率の大きい発光層の上にあることによって、発光層から横方向に放射される光は高い屈折率の結晶層内に閉じ込められるので、横方向に放射される光のうち上成分を有する光についても、底面に形成された反射溝によって上方への反射がなされる。この結果、上方へ反射される光の割合が増大して、外部放射効率がさらに向上する。また、屈折率の大きい発光層から直接空気中に光が放射される場合に比べて、各界面における臨界角が大きくなって光が取り出しやすくなる。
【０００７】
このようにして、発光層で発した光のうち発光層に対し水平な方向成分の大きい伝播光を反射させることにより上面に臨界角以内で入射させ、結晶からの光の取り出し効率を増して光出力を向上できる発光素子となる。また、屈折率の大きい結晶層に閉じ込められた光を上方へ反射すると共に、各界面における臨界角が大きくなって光が取り出しやすくなり、より光の取り出し効率を増して光出力を向上できる発光素子となる。
また、発光層から横方向に放射される光は高い屈折率の結晶層内に閉じ込められることによって、発光層内の各発光点から水平方向に、上方へ反射される光の割合を増大することができる。これによって、光量の大きい横方向への放射光の外部放射効率をさらに向上させることができる。このようにして、屈折率の小さい基板が発光層の上方に位置していることによって、屈折率の大きい発光層に閉じ込められた光を上方へ反射すると共に、各界面における臨界角が大きくなって光が取り出しやすくなり、より光の取り出し効率を増して光出力を向上できる発光素子となる。
そして、前記発光層の発光エリアが前記反射溝の箇所を避けて分割発光エリアとなっているものであるから、発光層内に反射溝が形成されていないので、反射溝形成時の発光層への影響を小さくすることができ、物理的に弱い発光層にも対応できる。また、反射溝を発光層の発光エリアを超える高さまで形成することによって、反射溝を発光層内に達して形成した場合と同様に、発光層内の各発光点から水平方向に放射される光は勿論、やや斜め上方へ放射される光をも反射溝によって上方へ反射することができる。これによって、光量の大きい横方向への放射光の殆ど全てを外部放射することができる。故に、物理的に弱い発光層にも対応することができると共に、発光層内の各発光点から横方向に放射される光の殆ど全てを上方へ反射させることによって光の取り出し効率をさらに増して光出力をより向上できる発光素子となる。
更に、前記反射溝が、その断面形状を楔形に形成するものであるから、水平に近い斜め下方向に放射される光をも反射溝によって上方に反射することができる。これによって、光量の大きい横方向への放射光の外部放射効率を向上させることができる。故に、発光層内の各発光点から横方向に放射される光を上方へ反射させることによって光の取り出し効率をさらに増して光出力を向上できる発光素子となる。
【０００８】
請求項２の発明にかかる発光素子は、請求項１の構成において、前記反射溝が前記発光層内にまで達しているものである。
【０００９】
かかる構成の発光素子においては、発光層内の各発光点から水平方向に放射される光は勿論、やや斜め上方へ放射される光をも発光層内に達して形成された反射溝によって上方へ反射することができる。これによって、光量の大きい横方向への放射光の殆ど全てを外部放射することができる。
【００１０】
このようにして、発光層内の各発光点から横方向に放射される光の殆ど全てを上方へ反射させることによって光の取り出し効率をさらに増して光出力をより向上できる発光素子となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明するための説明事例を使用して、実施の形態を説明する。
【００１２】
説明事例１
まず、本発明の実施の形態を説明するための説明事例１について、図１を参照して説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態を説明するための説明事例１にかかる発光素子の構成を示す縦断面図、（ｂ）は底面図、（ｃ）は反射溝と発光層の位置関係を説明する図である。
【００１３】
図１（ａ）に示されるように、本実施の形態を説明するための説明事例１の発光素子１においては、ＧａＡｓ基板３（屈折率ｎ＝３．０）上にＧａＡｓ系の結晶層７をエピタキシャル成長させて、発光層４を形成している。そして、基板３側を上面、結晶層７側を底面として基板３の中央部に一方の電極２を設け、結晶層７の底面全体にもう一方の電極５を設けた後に、底面側に一定の間隔で楔形の反射溝６を形成している。図１（ｂ）に示されるように、この楔形の反射溝６は発光素子１の底面に格子状に形成されており、底面側の電極５は縦横に分断されている。
【００１４】
図１（ｃ）に示されるように、反射溝６の楔形の角度は約９０度であり、本実施の形態を説明するための説明事例１の発光素子１においては発光層４が底面側にあるために、水平に近い斜め下方向に放射される光をも反射溝６で上方に反射することができる。反射溝６上の発光点４ａから隣接する反射溝６へ放射される光の角度θ１は、結晶層７から外部への臨界角θｃよりもずっと大きなものである必要がある。また、一方で反射溝６上の発光点と隣接する反射溝６の頂部とのなす角θ２はできるだけ大きい方が望ましい。即ち、発光層４と反射溝６の頂部とはできるだけ近い方が望ましい。これによって、反射溝６がない場合には結晶層７の底面で横方向に反射されて結晶層７の内部に閉じ込められて吸収されてしまう光が、反射溝６によって上方へ反射されて基板３から外部放射される。
【００１５】
このようにして、本実施の形態を説明するための説明事例１の発光素子１においては、発光層４が底面側にあるために、水平に近い斜め下方向に放射される光をも反射溝６で上方に反射することができ、光の取り出し効率が増して光出力を向上することができる。
【００１６】
説明事例２
次に、本発明の実施の形態を説明するための説明事例２について、図２を参照して説明する。図２は本実施の形態を説明するための説明事例２にかかる発光素子の構成を示す縦断面図である。なお、実施の形態を説明するための説明事例１と同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。
【００１７】
図２に示されるように、本実施の形態を説明するための説明事例２の発光素子１１が実施の形態を説明するための説明事例１の発光素子１と異なるのは、反射溝１２が発光層４を突き抜けて発光層４の上まで達して形成されている点である。これによって、発光層４内の各発光点から水平方向に放射される光は勿論、やや斜め上方へ放射される光をも発光層４を突き抜けて形成された反射溝１２によって上方へ反射することができる。これによって、光量の大きい横方向への放射光の殆ど全てを外部放射することができる。
【００１８】
このようにして、本実施の形態を説明するための説明事例２の発光素子１１においては、発光層４内の各発光点から横方向に放射される光の殆ど全てを上方へ反射させることによって、光の取り出し効率をさらに増して光出力をより向上させることができる。
【００１９】
実施の形態１
次に、本発明の実施の形態１について、図３を参照して説明する。図３（ａ）は本発明の実施の形態１にかかる発光素子の構成を示す縦断面図、（ｂ）は底面図である。なお、実施の形態を説明するための説明事例１，２と同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。
【００２０】
図３に示されるように、本実施の形態１の発光素子２１が実施の形態を説明するための説明事例１，２の発光素子１，１１と異なるのは、発光層１４の発光エリアが、反射溝１２が形成される箇所を避けて分割発光エリアとなって形成されている点である。そして、反射溝１２は、結晶層１３内のこの発光層１４の形成されていない部分を突き抜けて、発光層１４の上まで達して形成されている。これによって、反射溝１２を形成する際の発光層１４への影響を小さくすることができるので、物理的に弱い発光層１４にも対応することができる。この効果は、本実施の形態１の発光素子２１のように反射溝１２が発光層１４の上まで達して形成される場合のみならず、実施の形態を説明するための説明事例１の発光素子１のように反射溝６が発光層４まで達しない場合にも同様に得ることができる。
【００２１】
そして、反射溝１２が発光層１４の上まで達して形成されていることによって、発光層１４内の各発光点から水平方向に放射される光は勿論、やや斜め上方へ放射される光をも反射溝１２によって上方へ反射することができる。これによって、光量の大きい横方向への放射光の殆ど全てを外部放射することができる。
【００２２】
このようにして、本実施の形態１の発光素子２１においては、物理的に弱い発光層１４にも対応することができるとともに、発光層１４内の各発光点から横方向に放射される光の殆ど全てを上方へ反射させることによって、光の取り出し効率をさらに増して光出力をより向上させることができる。
【００２３】
説明事例３
次に、本発明の実施の形態を説明するための説明事例３について、図４を参照して説明する。図４（ａ）は本発明の実施の形態を説明するための説明事例３にかかる発光素子の構成を示す縦断面図、（ｂ）は底面図である。
【００２４】
図４（ａ）に示されるように、本実施の形態を説明するための説明事例３の発光素子３１においては、Ａｌ2Ｏ3 基板３３（屈折率ｎ＝１．７）上にＧａＮ系の結晶層３７（ｎ＝２．４）をエピタキシャル成長させて、発光層３４を形成している。そして、基板３３側を上面、結晶層３７側を底面として、結晶層３７の一角を取り除いて基板３３の底面に一方の電極３２を設け、結晶層３７の底面全体にもう一方の電極３５を設けている。即ち、発光素子３１においては、両極の電極が底面側に形成されている。そして、結晶層３７の底面側に一定の間隔で楔形の反射溝３６を形成している。図４（ｂ）に示されるように、この楔形の反射溝３６は発光素子３１の底面に格子状に形成されており、結晶層３７の底面側の電極３５は縦横に分断されている。
【００２５】
このように、本実施の形態を説明するための説明事例３の発光素子３１においては、両極の電極が底面側に形成されているために上面に電極を形成する必要がないので、発光素子３１を小チップ化しても、結晶層３７の底面に形成された反射溝３６によって発光層３４からの光を上方へ反射して外部放射効率を向上させる効果は維持される。そして、発光素子３１が小チップ化されることによって、結晶層３７内で何回か反射されて外部放射される光の経路が短くなるため、光の吸収率が高い結晶層３７中で吸収される割合が減少して外部放射効率が一段と向上する。勿論、発光素子３１を大チップ化した場合でも、結晶層３７の底面に形成された反射溝３６によって発光層３４からの光を上方へ反射して外部放射効率を向上させる効果は得ることができる。
【００２６】
さらに、発光層３４を含むＧａＮ系の結晶層３７の屈折率（ｎ＝２．４）より屈折率の小さいＡｌ2Ｏ3 基板３３（ｎ＝１．７）が発光層３４の上方に位置しているため、発光層３４から横方向に放射される光は高い屈折率の結晶層３７内に閉じ込められるので、横方向に放射される光のうち上成分を有する光についても、結晶層３７の底面に形成された反射溝３６によって上方への反射がなされる。この結果、上方へ反射される光の割合が増大して、外部放射効率がさらに向上する。
【００２７】
このようにして、本実施の形態を説明するための説明事例３の発光素子３１においては、上面に電極を形成する必要がないので小チップ化が可能となり、外部放射効率が一段と向上する。また、屈折率の小さい基板３３が発光層３４の上方に位置していることによって、屈折率の大きい発光層３４に閉じ込められた光を上方へ反射するとともに、各界面における臨界角が大きくなって光が取り出しやすくなり、より光の取り出し効率を増して光出力を向上することができる。
【００２８】
上記各説明においては、反射溝を縦横の格子状に形成した例について説明したが、反射溝は発光素子の底面の輪郭に対して斜めに形成しても良いし、縦横と斜めが入り混じったパターンに形成しても良い。また、反射溝の断面形状を約９０度の楔形とした場合について説明したが、発光層からの光を効率良く上方へ反射できる形状であれば、どのような断面形状であっても構わない。さらに、反射溝を一定間隔で形成した場合について説明したが、必ずしも一定間隔でなくても良い。
【００２９】
また、上記各説明においては、発光層からの光を上方へ反射するものとして反射溝を形成した場合について説明したが、反射溝の代わりに円錐形等の反射孔を発光素子の底面一面に亘って形成しても良い。さらには、反射溝と反射孔の両方を発光素子の底面に形成することもできる。
【００３０】
また、基板に対し発光層を底面側とした場合について説明したが、この限りではなく、例えば発光素子サイズの大きいもの（厚みは同じ）では、上側を発光層としても有効である。
【００３１】
発光素子のその他の部分の構成、形状、数量、材質、大きさ、接続関係等についても、上記実施の形態に限定されるものではない。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明にかかる発光素子は、発光素子の底面側には、吸収率の高い結晶層からなる発光層から発せられた光を上方へ反射する断面形状を楔形に形成した反射溝が分断された電極間に形成されると共に、前記発光層の発光エリアが前記反射溝の箇所を避けた分割発光エリアとなっており、前記発光層より屈折率の小さい基板が前記発光層の上方に位置し、かつ、前記発光層は前記基板より吸収率が高いものである。
【００３３】
発光層内の発光点から斜め横方向に放射される光は結晶界面までの距離が長く、吸収率の高い結晶層中で吸収されて熱変換される。しかも、横方向は立体角が大きく、この範囲へ放射される光量は大きい。この従来外部放射されなかった光を、発光素子の底面に光を上方へ反射する反射溝を形成することによって外部放射することができ、光の取り出し効率を増大させることができる。また、屈折率の小さい基板が屈折率の大きい発光層の上にあることによって、発光層から横方向に放射される光は高い屈折率の結晶層内に閉じ込められるので、横方向に放射される光のうち上成分を有する光についても、底面に形成された反射溝によって上方への反射がなされる。この結果、上方へ反射される光の割合が増大して、外部放射効率がさらに向上する。また、屈折率の大きい発光層から直接空気中に光が放射される場合に比べて、各界面における臨界角が大きくなって光が取り出しやすくなる。
【００３４】
このようにして、底面に向かって放射される光を上方へ反射させることによって光の取り出し効率を増して光出力を向上できる発光素子となる。また、屈折率の大きい結晶層に閉じ込められた光を上方へ反射すると共に、各界面における臨界角が大きくなって光が取り出しやすくなり、より光の取り出し効率を増して光出力を向上できる発光素子となる。
また、発光層から横方向に放射される光は高い屈折率の結晶層内に閉じ込められることによって、発光層内の各発光点から水平方向に、上方へ反射される光の割合を増大することができる。これによって、光量の大きい横方向への放射光の外部放射効率をさらに向上させることができる。
そして、屈折率の小さい基板が発光層の上方に位置していることによって、屈折率の大きい発光層に閉じ込められた光を上方へ反射すると共に、各界面における臨界角が大きくなって光が取り出しやすくなり、より光の取り出し効率を増して光出力を向上できる発光素子となる。
更に、前記発光層の発光エリアが前記反射溝の形成されている箇所以外に形成された分割発光エリアとなっており、発光層内に反射溝が形成されていないので、反射溝形成時の発光層への影響を小さくすることができ、物理的に弱い発光層にも対応できる。そして、反射溝を発光層の発光エリアを超える高さまで形成することによって、反射溝を発光層内に達して形成した場合と同様に、発光層内の各発光点から水平方向に放射される光は勿論、やや斜め上方へ放射される光をも反射溝によって上方へ反射することができる。これによって、光量の大きい横方向への放射光の殆ど全てを外部放射することができる。故に、物理的に弱い発光層にも対応することができるとともに、発光層内の各発光点から横方向に放射される光の殆ど全てを上方へ反射させることによって光の取り出し効率をさらに増して光出力をより向上できる発光素子となる。
更にまた、前記反射溝がその断面形状を楔形に形成するものであるから、反射溝の断面形状が楔形に形成されているため、水平に近い斜め下方向に放射される光をも反射溝によって上方に反射することができ、光量の大きい横方向への放射光の外部放射効率を向上させることができる。故に、発光層内の各発光点から横方向に放射される光を上方へ反射させることによって光の取り出し効率をさらに増して光出力を向上できる発光素子となる。
【００３５】
請求項２の発明にかかる発光素子は、請求項１の構成において、前記反射溝が前記発光層内にまで達しているものである。
【００３６】
かかる構成の発光素子においては、請求項１に記載の効果に加えて、発光層内の各発光点から水平方向に放射される光は勿論、やや斜め上方へ放射される光をも発光層内に達して形成された反射溝によって上方へ反射することができる。これによって、光量の大きい横方向への放射光の殆ど全てを外部放射することができる。
【００３７】
このようにして、発光層内の各発光点から横方向に放射される光の殆ど全てを上方へ反射させることによって光の取り出し効率をさらに増して光出力をより向上できる発光素子となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１（ａ）は本発明の実施の形態を説明するための説明事例１にかかる発光素子の構成を示す縦断面図、（ｂ）は底面図、（ｃ）は反射溝と発光層の位置関係を説明する図である。
【図２】  図２は本発明の実施の形態を説明するための説明事例２にかかる発光素子の構成を示す縦断面図である。
【図３】  図３（ａ）は本発明の実施の形態１にかかる発光素子の構成を示す縦断面図、（ｂ）は底面図である。
【図４】  図４（ａ）は本発明の実施の形態を説明するための説明事例３にかかる発光素子の構成を示す縦断面図、（ｂ）は底面図である。
【符号の説明】
１，１１，２１，３１  発光素子
３，３３  基板
４，１４，３４  発光層
６，１２，３６  反射溝
３２，３５  両極の電極
【図１】
0003767420.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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