JP2001077425A - 発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 屈折率の大きい発光素子からの外部放射
効率が高く、かつ製造が容易な構造の発光素子を提供す
る。 【解決手段】 光取り出し面１ａは、発光部である点状
のｐ−ｎ接合層１０４に面方向をもつ複数の平面あるい
は軸方向が前記発光素子の中心軸に対し垂直な方向とな
る柱面の一部によって形成された多面形状のコーナー部
を除き丸みをつけた凸形状に形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発光素子が発する
光を有効に発光素子外へ放射できる構造で、且つ、量産
性に適した形状の発光素子の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１４は第１の従来例の発光素子の概略
構造断面図である。図１４に示す発光素子は、基板１０
１と、ｐ型材料層１０２と、ｎ型材料層１０３と、ｐ型
材料層１０２とｎ型材料層１０３の接合層のｐ−ｎ接合
層１０４と、ｐ側電極１０５ａと、ｎ側電極１０５ｂと
を有するものである。

【０００３】かかる構造の発光素子では、ｐ側電極１０
５ａと、ｎ側電極１０５ｂとの間に電圧をかけることに
より、ｐ−ｎ接合層１０４から光を発する。しかし、こ
の種の材料は屈折率が大きいため、臨界角が小さく、ｐ
−ｎ接合層１０４から発した光のうちの大半は、発光素
子と発光素子外部の空気層などとの界面で反射され、直
接外部放射されない。そして、発光素子内に残った光
は、吸収が大きい発光素子材料内で減衰し、熱に変換さ
れる。このため、発光素子の外部放射効率が低く、発熱
により発光素子の特性にも悪影響を及ぼすという問題が
あった。

【０００４】かかる欠点を解消するために、以下に説明
する発光素子が案出されている。図１５に示す発光素子
は、図１５は従来例の発光素子の概略構造断面図であ
る。

【０００５】図１５に示す発光素子は、基板１０１と、
基板１０１を半球状に切削し表面研磨した光取り出し面
１０１ａと、ｐ型材料層１０２と、ｎ型材料層１０３
と、ｐ型材料層１０２とｎ型材料層１０３の接合層のｐ
−ｎ接合層１０４と、ｐ側電極１０５ａと、ｎ側電極１
０５ｂと、電気絶縁部１０６とを有するものである。ｐ
型材料層１０２と、ｎ型材料層１０３と、ｐ型材料層１
０２とｎ型材料層１０３の接合層のｐ−ｎ接合層１０４
とは、電気絶縁部１０６により仕切られ、点状とみなさ
れるような狭い領域に形成されている。半球状の光取り
出し部１０１ａは、ｐ−ｎ接合層１０４を原点とするよ
うに形成されている。

【０００６】かかる発光素子では、ｐ側電極１０５ａ
と、ｎ側電極１０５ｂとの間に電圧をかけることによ
り、ｐ−ｎ接合層１０４から光を発する。点状のｐ−ｎ
接合層１０４から発した光は、発光素子界面である光取
り出し面１０１ａに略垂直入射するために、界面反射の
影響を大幅に軽減でき、外部放射効率を大幅に向上でき
る。ＧａＰやＧａＡｓなどを含む一般に広く用いられて
いる発光素子材料の屈折率は、３ないし４である。例え
ば、屈折率：ｎ＝３．５では、臨界角が１７度であり、
限られた角度で界面に入射した光しか、発光素子から外
部へは放射されない。このため、大半の光は発光素子中
に閉じこめられたままで、減衰してしまう。これに対
し、発光部から発した光の大半が、界面へ垂直入射でき
るのであれば、直接、界面反射なしに、外部放射する効
率を約１０倍に向上できる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、かかる
構造の発光素子は製造に非常に手間がかかるという問題
があった。即ち、半球形状の作成は、図１４の発光素子
を作成するように、結晶成長済みのウエハーを縦横等間
隔に格子状にカットするだけでは不可能であり、各発光
素子に対応した半球形状をウエハー面に対し垂直な方向
に回転軸がある切削機によって削り出し、かつ、発光波
長に対して、十分滑らかな表面研磨加工が必要である。

【０００８】本発明は上記事情に基づいてなされたもの
で、外部放射効率が高く、かつ製造が容易な構造の発光
素子を提供することを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明に係る発光素子は、略点状の発光部と、該発
光部が発する光を外部へ放射する光取り出し面とを有す
る発光素子において、前記発光部、及び前記発光部と前
記光取り出し面との間は、屈折率が２以上の材料であ
り、前記光取り出し面は、前記発光部に面方向をもつ複
数の平面あるいは軸方向が前記発光素子の中心軸に対し
垂直な方向となる柱面の一部によって形成された多面形
状のコーナー部を除き丸みをつけた凸形状であることを
特徴とするものである。本発明では、容易に製造できる
凸形状の光取り出し面を設けたことにより、発光素子界
面の反射の影響を大幅に軽減でき、外部放射効率を大幅
に向上でき、かつ、製造を容易にできる。また、上記の
目的を達成するための本発明に係る発光素子は、略点状
の発光部と、該発光部が発する光を外部へ放射する光取
り出し面とを有する発光素子において、前記発光部は屈
折率が２以上の材料であり、前記発光部と前記光取り出
し面との間に、前記発光部が発した光を光取り出し面に
深い角度で入射するよう、屈折率の勾配、あるいは段階
的な屈折率の変化を形成した光学制御部を備えているこ
とを特徴とするものである。本発明では、前記発光部と
前記光取り出し面との間に、屈折率の勾配、あるいは段
階的な屈折率の変化を形成した光学制御部を備えたこと
により、発光素子界面の反射の影響を大幅に軽減でき、
外部放射効率を大幅に向上できる。かつ、製造を容易に
できる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に本発明の第１の実施形態に
ついて図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の
実施形態の発光素子の概略構造正面図、図２はその発光
素子のＡ−Ａ矢視方向概略断面図、図３はその発光素子
のＢ−Ｂ矢視方向概略断面図、図４は本発明の第１の実
施形態の発光素子の光路説明断面図、図５は本発明の第
１の実施形態の発光素子の製造工程説明概略断面図、図
６は本発明の第１の実施形態の発光素子の製造工程説明
概略正面図である。

【００１１】図１乃至図４に示す発光素子は、基板１
と、基板１を加工した光取り出し面１ａと、ｐ型材料層
２と、ｎ型材料層３と、ｐ型材料層２とｎ型材料層３の
接合層のｐ−ｎ接合層４と、ｐ側電極５ａと、ｎ側電極
５ｂと、電気絶縁部６とを有するものである。ｐ型材料
層２と、ｎ型材料層３と、ｐ型材料層２とｎ型材料層３
の接合層のｐ−ｎ接合層からなる発光部４とは、電気絶
縁部６により仕切られ、点状とみなされるような狭い領
域に形成されている。半球状の光取り出し面１ａは、発
光部である点状のｐ−ｎ接合層４に面方向をもつ複数の
平面あるいは軸方向が前記発光素子の中心軸に対し垂直
な方向となる柱面の一部によって形成された多面形状の
コーナー部を除き丸みをつけた凸形状に形成されてい
る。

【００１２】この発光素子を作成するには、基板１とな
るウエハー上の狭い範囲に、ｐ型材料層２と、ｎ型材料
層３とを順次形成するとともに、電気絶縁部６を形成
し、点状のｐ−ｎ接合層からなる発光部４を形成する。
次に、ｐ側電極５ａと、ｎ側電極５とを形成する。量産
対応のためには、基板１となるウエハー上の等間隔位置
に、これらを形成する。そして、この結晶成長、電極形
成済のウエハーを、図５のような断面形状の円盤状の砥
石１０ａを用いて、プレダイシングを行う。プレダイシ
ングで、まず、図５の紙面に対し、垂直な方向へ走査、
切削し、その後、図５の左右方向へ走査、切削すること
により、図６に示す、各発光部に対応した四つの曲面に
より形成される凸形状を形成する。さらに、エッチング
処理を行い、多角形状のコーナー部を除き丸みをつけた
凸形状とすると同時に、発光波長に対して十分滑らかな
表面状態とする。そして最後に、薄い平板形状の円盤状
の砥石を用いて、再度ダイシングを行うことによって各
発光素子を切り離し、図１乃至３の発光素子を得る。

【００１３】ところで、屈折率の異なる媒質の界面では
反射が生じる。偏光を考慮しない場合のこの反射率は、
垂直入射から臨界角に近づくまで、多少入射角が大きく
なっても、あまり変化がなく、入射角が臨界角に近づい
たときに急激に大きくなり、臨界角を超えると全反射と
なる。このため、発光部４に対する凸形状の光取り出し
面１ａは、発光部４からの光が発光素子界面である光取
り出し面１ａに垂直入射する半球形状でなくても、入射
角が臨界角よりある程度小さい範囲であれば、半球形状
とした発光素子と同じ外部放射効率とできる。そして、
一般には、発光素子はエポキシ樹脂に封止されて用いら
れるため、例えば、屈折率：ｎ＝３．５の発光素子材料
から空気中への臨界角は約１７度であるが、屈折率：ｎ
＝３．５の発光素子材料から屈折率：ｎ＝１．５のエポ
キシ樹脂への臨界角は約２５度となり、半球形状に対
し、２０度以内の範囲で凸形状の傾きが半球形状の傾き
が異なっていても、半球形状の光取り出し面としたのと
同等の効率で外部放射できる。

【００１４】発光素子内の光を外部放射できることは、
単に外部放射効率を向上させる効果だけではなく、発光
素子内に残った光が、熱に変換され、発光素子の温度上
昇が生じるのを軽減させる効果もある。これにより、一
般に、温度に対し負の光出力依存性がある発光素子の外
部放射効率向上や、寿命特性の向上を図ることができ
る。さらに、電気エネルギーから光エネルギーへ変換す
る内部量子効率が数十％を超えるような発光素子では、
従来、消費電力の大半が熱になっており、発熱の関係で
一定の電力しか入力できなかった発光素子により大きな
電力を入力することができ、発光効率の向上との相乗効
果で、これまでに実現されていなかった光出力を実現で
きる。

【００１５】また、屈折率：ｎ＝３．５の発光素子材料
の発光素子上面を半球形状に加工することで、直接、外
部放射する効率を約１０倍にできることを考慮すれば、
必ずしも、半球形状に加工した発光素子と同じ外部放射
効率とできなくても、発光素子内からの光取り出しのた
めの光学制御を行っていない発光素子に対しては、十分
な効果を得る発光素子を提供することができる。

【００１６】但し、屈折率の小さい材料の場合、凸形状
の光取り出し面１ａの効果はあまり得られない。例え
ば、屈折率：ｎ＝２．０の発光素子材料から空気中への
臨界角は３０度であり、屈折率：ｎ＝２．０の発光素子
材料から屈折率：ｎ＝１．５のエポキシ樹脂への臨界角
は約４９度である。つまり、発光素子を気体中で使用す
る場合、多少の効果を期待できるが、発光素子をエポキ
シ樹脂封止して使用する場合、立方体形状の発光素子で
も、十分に外部放射されるので、凸形状の光取り出し面
１ａを形成する効果を得ることができない。

【００１７】かかる発光素子は、結晶成長済みのウエハ
ーを縦横等間隔に格子状にカットするだけで、製造可能
であり、各発光素子に対応した凸形状の光取り出し面を
ウエハー面に対し垂直な方向に回転軸がある切削機によ
って削り出す必要がなく、かつ、発光波長に対して、十
分滑らかな表面研磨加工とともに凸形状を適当な形状と
できるので、光取り出し面の形成が容易である。

【００１８】本発明の第１の実施形態の発光素子では、
光取り出し面が、点状のｐ−ｎ接合層からなる発光部に
面方向をもつ複数の平面あるいは軸方向が前記発光素子
の中心軸に対し垂直な方向となる柱面の一部によって形
成された多面形状のコーナー部を除き丸みをつけた凸形
状としてあるので、発光部から発する光を高い効率で外
部放射できる構造の発光素子を得ることができ、且つ、
製造が容易なものとできる。

【００１９】ダイシングの際には、断面が曲率のついた
円盤状の砥石を用い、一回の走査で形状形成するのに限
らず、図７及図８に示すように、テーパーの異なる砥石
を用いて、複数回に分けて形状作成するなどとしてもよ
い。図７ａは最初の走査、図７ｂは２度目の走査であ
り、砥石の断面形状はそれぞれ、１０ｂ、１０ｃで示さ
れている。このように、ウエハーを直線状に走査し、凸
形状を作成するものであれば生産性の向上を図ることが
できる。

【００２０】発光素子に樹脂封止を行わない場合や、光
取り出し面１ａの表面に反射軽減を目的とする多層誘電
体膜を形成する場合など、半球形状に近いことが望まし
い場合には、歩留まりは悪くなるが、図９のようにウエ
ハーを６角形の形状にカットしたものでもよい（図９で
は正三角形部は発光素子として用いられない箇所とな
る）。

【００２１】次に本発明の第２の実施形態について説明
する。尚、第２の実施形態において、第１の実施形態の
ものと同一の機能を有するものには、同一の符号を付す
ことによりその詳細な説明を省略する。

【００２２】第２の実施形態が第１の実施形態と異なる
のは、第１の実施例では、結晶成長されたウエハーを切
削することにより、凸形状の光取り出し面１ａを作成し
たのに対し、第２の実施例では、結晶成長されたウエハ
ーに、別途作成した凸形状の光取り出し面１ａを接着し
た点である。

【００２３】凸形状の光取り出し面１ａの作成方法は第
１の実施形態と同様、ウエハーを直線状に切削していく
ことによる。これによって得た複数の凸形状の光取り出
し面１ａが形成されたウエハーを発光部を作成したウエ
ハーにホットプレスにより接着する。この方法は、Ｇａ
Ａｓ基板上に４元系材料を結晶成長させた後、ＧａＡｓ
基板を除去し、ＧａＰ基板を接着する技術として知られ
ている。この際、凸形状の光取り出し面１ａと発光部と
の位置あわせが必要であり、また、結晶方向を合わせ、
接着の発光部への影響を小さなものとする配慮を行うの
が望ましい。

【００２４】尚、接着はホットプレスに限らず、バイン
ダーを介するなどしてもよい。この際には、バインダー
の屈折率が凸形状の光取り出し面１ａを形成したウエハ
ーと発光部を形成したウエハーと同等の屈折率の材料を
用いることが望ましい。また、発光波長の透過率が高い
ものとする配慮が必要である。これによれば、凸形状の
光取り出し面１ａを作成する際に生じる、発光部へのダ
メージをなくすることができる。さらに、発光部作成に
適した材料という制限条件がなくなり、凸形状の光取り
出し面１ａを作成する材料の自由度が増すので、透過率
の高い材料、切削加工が容易な材料の選択範囲を広くで
きる。

【００２５】また、発光部４を作成したウエハーの基板
を除去した後に、別途作成した凸形状の光取り出し面１
ａを接着してもよい。これによって、基板の光吸収など
を考慮する必要がなくなるため、発光部を作成するのに
最も適した基板材料を選択する際の自由度が高まる。

【００２６】次に本発明の第３の実施形態について説明
する。図１０は本発明の第３の実施形態のＬＥＤの構造
断面図、第１１図は本発明の第３の実施形態のＬＥＤの
構造断面図である。尚、第２の実施形態において、第１
の実施形態のものと同一の機能を有するものには、同一
の符号を付すことによりその詳細な説明を省略する。

【００２７】第３実施形態が第１実施形態や第２実施形
態と異なるのは、第１実施形態や第２実施形態では、発
光部に対し、凸形状の光取り出し面を備えるのに代え
て、第３実施形態では、発光部に対し、セルフォックレ
ンズを備えた点である。

【００２８】図１０に示す発光素子は、発光部４の上部
にセルフォックレンズ７を備えている。図１０のセルフ
ォックレンズ７において、点が多いのはセルフォックレ
ンズ中の屈折率が大きいことを示し、セルフォックレン
ズ７は前記発光素子の中心軸付近に対し、周辺部の屈折
率が小さいものとしてある。セルフォックレンズ７は、
第２実施形態同様、発光部を形成したウエハーとは別に
形成したものを接着してある。

【００２９】尚、セルフォックレンズ７は前記発光素子
の中心軸付近の屈折率が、発光部の屈折率と同等である
ことが望ましい。また、発光部の屈折率が２程度であれ
ば、このような構造としても効果がないことは第１実施
形態に記述したことと同じである。

【００３０】第３実施形態の発光素子では、発光部４に
対し、セルフォックレンズ７を備えたことにより、図１
１のように、発光素子内で発光部４から発し、光取り出
し面１ａへ至る光路を直線ではなく、曲線として発光素
子内での光学制御を行うことができる。これによって、
ダイシング以外の特別な切削工程のないものとして、外
部放射効率の向上を図ることができる。

【００３１】尚、セルフォックレンズは、第３実施形態
のように発光部を形成する基板に局所的なドーピング処
理を行うなどして形成してもよい。

【００３２】また、発光部から発した光を図１１の上方
へ導くセルフォックレンズに限らず、発光素子の上面に
近づくにつれて屈折率が大きくなるものであってもよ
い。これによれば、発光部から発した光を図１１の横方
向へ光を導くため、発光素子の側面への入射角を深く
し、外部放射効率の向上を図ることができる。また、こ
れら以外にも、屈折率の勾配や、段階的な屈折率の変化
を発光素子内に形成し、発光部が発した光を光取り出し
面に深い角度で入射するよう光学制御されているもので
あれば効果を得ることができる。。

【００３３】さらに、セルフォックレンズ図１３のよう
に切削やエッチング処理によってコーナー部を除き丸み
をつけたものとして、屈折率の勾配や、段階的な屈折率
の変化を発光素子内に形成するとともに、光取り出し面
を適した形状として形成してもよい。

【００３４】尚、本発明は上記の各実施形態に限定され
るものではなく、その要旨の範囲内において種々の変形
が可能である。

【００３５】上記の各実施形態では、発光部をｐ−ｎ接
合として説明したが、ＭＩＳ型の発光を含む他の発光機
構でも構わない。また、発光部を点状とするために、ｐ
−ｎ接合部を局所的に作成するものとして説明したが、
これに限らず、ｐ−ｎ接合部の一部をドーピングなどで
抵抗率を下げる、あるいは電極を点状とし、電極の直下
だけに電子あるいはホールが流れる構成とするなどし
て、点状の発光部としてもよい。

【００３６】また、ｐ側電極、ｎ側電極を発光素子の同
一面に形成したものとして説明したが、ｐ側電極、ｎ側
電極を発光素子の上側と下側のそれぞれ異なる面に形成
してもよい。これによれば、片面に両電極を形成しなく
て済むので、発光素子の製造工程を簡略化できる。ま
た、発光素子を一方のリード上に銀ペーストを介して接
着し、ワイヤにより発光素子上面の電極と他方のリード
とを接続するという最も多く用いられている発光素子の
実装、結線方法を用いることができる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光取り出し面は、点状の発光部に面方向をもつ複数の平
面あるいは軸方向が前記発光素子の中心軸に対し垂直な
方向となる柱面の一部によって形成された多面形状のコ
ーナー部を除き丸みをつけた凸形状とすることにより、
発光部から発する光を高い効率で外部放射できる構造の
発光素子を得ることができ、且つ、製造が容易なものと
できる。また、本発明によれば、前記発光部と前記光取
り出し面との間に、屈折率の勾配、あるいは段階的な屈
折率の変化を形成した光学制御部を備えたことにより、
発光素子界面の反射の影響を大幅に軽減でき、外部放射
効率を大幅に向上できる。かつ、製造を容易にできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の発光素子の概略構造
正面図である。

【図２】その発光素子のＡ−Ａ矢視方向概略断面図であ
る。

【図３】その発光素子のＢ−Ｂ矢視方向概略断面図であ
る。

【図４】本発明の第１の実施形態の発光素子の光路説明
断面図である。

【図５】本発明の第１の実施形態の発光素子の製造工程
説明概略断面図である。

【図６】本発明の第１の実施形態の発光素子の製造工程
説明概略正面図である。

【図７】（ａ）は本発明の第１の実施形態の発光素子の
製造工程説明概略断面図、（ｂ）は本発明の第１の実施
形態の発光素子の製造工程説明概略断面図である。

【図８】本発明の第１の実施形態の発光素子の製造工程
説明概略正面図である。

【図９】本発明の第１の実施形態の発光素子の製造工程
説明概略正面図である。

【図１０】本発明の第３の実施形態の発光素子の概略断
面図である。

【図１１】本発明の第３の実施形態の発光素子の光路説
明断面図である。

【図１２】本発明の第３の実施形態の発光素子の概略断
面図である。

【図１３】従来の発光素子の概略断面図である。

【図１４】従来の発光素子の概略断面図である。

【符号の説明】

１ 基板 １ａ 光取り出し面 ２ ｐ型材料層 ３ ｎ型材料層 ４ ｐ−ｎ接合層 ５ａ ｐ側電極 ５ｂ ｎ側電極 ６ 電気絶縁部 ７ セルフォックレンズ １０ａ 砥石 １０ｂ 砥石 １０ｃ 砥石

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】略点状の発光部と、該発光部が発する光を
   外部へ放射する光取り出し面とを有する発光素子におい
   て、 前記発光部、及び前記発光部と前記光取り出し面との間
   は、屈折率が２以上の材料であり、 前記光取り出し面は、前記発光部に面方向をもつ複数の
   平面あるいは軸方向が前記発光素子の中心軸に対し垂直
   な方向となる柱面の一部によって形成された多面形状の
   コーナー部を除き丸みをつけた凸形状であることを特徴
   とする発光素子。
2. 【請求項２】前記光取り出し面は、前記発光部が形成さ
   れた基板を切削、表面加工することによって形成されて
   いることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
3. 【請求項３】前記発光部が形成された基板と、前記発光
   部が形成された基板とは別の前記光取り出し面が形成さ
   れた基板とを接着することによって形成されていること
   を特徴とする請求項１記載の発光素子。
4. 【請求項４】前記光取り出し面は、該光取り出し面の方
   向と発光部との方向のなす角が、発光素子内の屈折率と
   発光素子外の媒質の屈折率とによる臨界角以内であるこ
   とを特徴とする請求項１乃至３記載の発光素子。
5. 【請求項５】略点状の発光部と、該発光部が発する光を
   外部へ放射する光取り出し面とを有する発光素子におい
   て、 前記発光部は屈折率が２以上の材料であり、前記発光部
   と前記光取り出し面との間に、前記発光部が発した光を
   光取り出し面に深い角度で入射するよう、屈折率の勾
   配、あるいは段階的な屈折率の変化を形成した光学制御
   部を備えていることを特徴とする発光素子。
6. 【請求項６】前記光学制御部はセルフォックレンズであ
   り、該セルフォックレンズは、前記発光部が形成された
   基板に形成されていることを特徴とする請求項５記載の
   発光素子。
7. 【請求項７】前記光学制御部はセルフォックレンズであ
   り、前記発光部が形成された基板と、該発光部が形成さ
   れた基板とは別に形成された前記セルフォックレンズと
   を接着することによって形成されていることを特徴とす
   る請求項５記載の発光素子。
8. 【請求項８】前記光学制御部はセルフォックレンズであ
   り、前記セルフォックレンズの中心軸付近の屈折率は、
   前記発光部の屈折率と同等であることを特徴とする請求
   項５乃至７記載の発光素子。
9. 【請求項９】前記光取り出し面が、凸面形状であること
   を特徴とする請求項５乃至８記載の発光素子。