DE102005041095A1

DE102005041095A1 - Lichtemissionsvorrichtung und Lichtemissionselement

Info

Publication number: DE102005041095A1
Application number: DE102005041095A
Authority: DE
Inventors: Yoshinobu Nishikasugai Suehiro; Koji Nishikasugai Tasumi
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2004-08-31
Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2006-05-11
Also published as: US20060043402A1; JP2006100787A; US7453092B2

Abstract

Eine Lichtemissionsvorrichtung umfasst eine vorbestimmte optische Form, die auf einer Oberfläche eines auf einer Basis angebrachten LED-Elementes bereitgestellt ist, wobei die vorbestimmte optische Form ausgebildet ist, um einen Anstieg bei der Effizienz zum Herausführen von Licht aus dem Inneren des LED-Elementes zu erlauben; sowie ein Versiegelungsmaterial, das die vorbestimmte optische Form versiegelt. Das Versiegelungsmaterial weist einen Brechungsindex von 1,6 oder mehr auf, die vorbestimmte optische Form ist in eine Oberfläche eines Substrats des LED-Elementes ausgebildet, und das Substrat weist einen Brechungsindex nahezu gleich dem der Lichtemissionsschicht des LED-Elementes auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtemissionsvorrichtung und ein Lichtemissionselement, und sie betrifft insbesondere eine Lichtemissionsvorrichtung, aus der Licht, das aus einem Lichtemissionselement emittiert wurde, effizient herausgeführt werden kann, sowie ein Lichtemissionselement.
Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung eines LED-Elementes (einer Lichtemissionsdiode) durch Aufwachsen eines Halbleiterkristalls aus einem Halbleiter auf der Basis einer Verbindung aus einem Element der Hauptgruppe III und Stickstoff auf einem Basissubstrat wie etwa Saphir ist bekannt. Bei einem derartigen LED-Element entsteht das Problem, dass Licht, das in einer Lichtemissionsschicht erzeugt wurde, in einer Schicht mit einem hohen optischen Absorptionskoeffizienten eingefangen oder innerhalb der Schicht absorbiert wird, und dadurch die Strahlungseffizienz nach außen verringert ist.

Zur Lösung dieses Problems wird auf der Oberfläche von einigen Arten von LED-Elementen eine Unebenheit bereitgestellt, so dass die Effizienz der Lichtherausführung erhöht wird (vgl. beispielsweise die Druckschrift JP-A-2003-69075, 1, Absatz [0011]).

Bei dem in der Druckschrift JP-A-2003-69075 (vgl. 1, Absatz [0011]) beschriebenen LED-Element wird eine Galliumnitrid-basierte Verbindungshalbleiterschicht (nachstehend als GaN-basierte Halbleiterschicht bezeichnet) auf einem Saphirsubstrat geschichtet, so dass ein GaN-Substrat ausgebildet wird, und nachfolgend werden andere GaN-basierte Halbleiterschichten sequenziell oben aufgeschichtet. Das Saphirsubstrat wird von diesem geschichteten Körper entfernt, und ein Ätzvorgang wird auf der Rückoberfläche (der Oberfläche gegenüber der Oberfläche, auf der das Element geschichtet ist) des GaN-Substrats ausgeführt, und dadurch wird eine Grube in Stufenform ausgebildet.

Bei dem in dieser Druckschrift beschriebenen LED-Element weist die Rückoberfläche des GaN-Substrats eine spezifische Form auf, bei der eine Grube in Stufenform erzeugt wurde, und daher kann Licht effektiv nach außen herausgeführt werden, indem eine durch Mehrfachreflexion innerhalb der GaN-basierten Halbleiterschichten verursachte Lichtinterferenz vermieden wird.

Bei dem in dieser Druckschrift beschriebenen LED-Element hängt jedoch die Befähigung zum Herausführen von dem innerhalb einer GaN-basierten Halbleiterschicht eingesperrten Licht (dem innerhalb einer Schicht eingesperrten Licht) von der Differenz im Brechungsindex gegenüber dem Versiegelungselement um das Element ab, und eine ausreichende Befähigung zum herausführen von Licht kann nicht in einem Zustand erzielt werden, bei dem die Reflexion von der Grenzfläche auf der Basis der Differenz im Brechungsindex gegenüber dem Versiegelungselement auftritt, selbst wenn eine Unebenheitsverarbeitung auf der Oberfläche des Elements ausgeführt wurde. Obwohl ein Anstieg bei der Effizienz zum Herausführen von Licht durch Streulicht erzielt werden kann, das innerhalb einer GaN-basierten Halbleiterschicht eingesperrt wurde, ist dies zudem kein Idealzustand, nicht einmal annähernd. Außerdem tritt bezüglich dieses innerhalb einer Schicht eingesperrten Lichtes das Problem auf, dass die Lichtmenge reduziert wird, wenn sie sich über eine lange Distanz innerhalb einer Schicht mit einem großen optischen Absorptionskoeffizienten ausbreitet, so dass sie gedämpft wird, und zudem steigt die innerhalb des Elementes erzeugte Wärmemenge.

Folglich liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Lichtemissionsvorrichtung, aus der von einem Lichtemissionselement emittiertes Licht effektiv herausgeführt werden kann, und ein Lichtemissionselement bereitzustellen.

Erfindungsgemäß wird eine Lichtemissionsvorrichtung bereitgestellt, bei der eine vorbestimmte optische Form, die einen Anstieg in der Effizienz zum Herausführen von Licht aus dem Inneren eines LED-Elementes ermöglicht, auf einer Oberfläche des auf einer Basis angebrachten LED-Elementes bereitgestellt wird, welches in einem Versiegelungsmaterial versiegelt ist, dessen Brechungsindex nicht kleiner als 1,6 ist, und die vorstehend angeführte vorbestimmte optische Form ist in einem Substrat ausgebildet, das einen Brechungsindex aufweist, der ungefähr derselbe wie der der Lichtemissionsschicht des vorstehend beschriebenen LED-Elementes ist.

Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung umfasst eine Lichtemissionsvorrichtung eine vorbestimmte optische Form, die auf einer Oberfläche eines auf einer Basis angebrachten LED-Elementes bereitgestellt ist, wobei die vorbestimmte optische Form zur Ermöglichung eines Anstiegs bei der Effizienz zum Herausführen vom Licht aus dem Inneren des LED-Elementes ausgebildet ist; und ein Versiegelungsmaterial, das die vorbestimmte optische Form versiegelt, wobei das Versiegelungsmaterial einen Brechungsindex von 1,6 oder mehr aufweist, die vorbestimmte optische Form in einer Oberfläche eines Substrats des LED-Elementes ausgebildet ist, und das Substrat einen Brechungsindex nahezu gleich zu dem einer Lichtemissionsschicht des LED-Elementes aufweist.

Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung umfasst eine Lichtemissionsvorrichtung: eine vorbestimmte optische Form, die auf einer Oberfläche eines auf einer Basis angebrachten LED-Elementes bereitgestellt ist, wobei die vorbestimmte optische Form zum Ermöglichen eines Anstiegs bei der Effizienz zum Herausführen von Licht aus dem Inneren des LED-Elementes ausgebildet ist; und ein Versiegelungsmaterial, das die vorbestimmte optische Form versiegelt, wobei das Versiegelungsmaterial einen Brechungsindex von 1,6 oder mehr aufweist, und die vorbestimmte optische Form in einer Oberfläche einer Halbleiterschicht ausgebildet ist, die durch Abschälen eines Substrats des LED-Elementes freigelegt ist.

Gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung umfasst ein Lichtemissionselement: eine Halbleiterschicht, die eine Lichtemissionsschicht aufweist, eine vorbestimmte optische Form, die auf einer Oberfläche der Halbleiterschicht bereitgestellt ist, wobei die vorbestimmte optische Form zum Ermöglichen eines Anstiegs bei der Effizienz zum Herausführen von Licht aus dem Inneren des LED-Elementes ausgebildet ist, und einen Elektrodenteil aufweist, der auf der anderen Oberfläche der Halbleiterschicht bereitgestellt ist, wobei die vorbestimmte optische Form eine unebene Oberfläche mit einer Stufenform ist, deren Neigungswinkel nicht größer als sin^–1 (n2/n1) in Relation zu der normalen Richtung der Lichtemissionsschicht ist, wobei n1 den Brechungsindex der Lichtemissionsschicht des LED-Elementes und n2 den Brechungsindex des Versiegelungsmaterials bezeichnet.

Gemäß einer vierten Ausgestaltung der Erfindung umfasst ein Lichtemissionselement: eine Halbleiterschicht, die eine Lichtemissionsschicht, eine vorbestimmte optische Form, die auf einer Oberfläche der Halbleiterschicht bereitgestellt ist, wobei die vorbestimmte optische Form zum Ermöglichen eines Anstiegs bei der Effizienz zum Herausführen von Licht aus dem Inneren des LED-Elementes ausgebildet ist, und einen Elektrodenteil aufweist, der auf der anderen Oberfläche der Halbleiterschicht bereitgestellt ist; und eine Lichtübertragungsmaterialschicht, die auf einer Oberfläche der Halbleiterschicht bereitgestellt ist, wobei die vorbestimmte optische Form in einer Oberfläche der Lichtübertragungsmaterialschicht ausgebildet ist.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Die 1A bis 1C eine Lichtemissionsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; wobei 1A eine vertikale Schnittansicht, 1B eine Schnittansicht eines vergrößerten Abschnitts eines LED-Elementes, und 1C ein Diagramm eines vergrößerten Abschnitts der Oberfläche des LED-Elementes auf der Seite, aus der Licht herausgeführt wird, zeigen;
2 eine vertikale Schnittansicht der Konfiguration des LED-Elementes;
Die 3A bis 3D Diagramme zur Darstellung eines Herstellungsablaufs für eine Lichtemissionsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
4 eine Schnittansicht einer Lichtemissionsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
Die 5A bis 5C ein LED-Element gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel; wobei 5A eine Draufsicht des LED-Elementes von der Seite, aus der Licht herausgeführt wird, 5B eine Schnittansicht entlang der Linie A-A aus 5A, und 5C ein Diagramm eines vergrößerten Abschnitts in unebener Form zeigt, der auf der Oberfläche ausgebildet ist, aus der Licht herausgeführt wird;
Die 6A bis 6C ein LED-Element gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel; wobei 6A eine Draufsicht des LED-Elementes von der Seite, aus der Licht herausgeführt wird, 6B eine Schnittansicht entlang der Linie B-B aus 6A, und 6C ein Diagramm eines vergrößerten Abschnitts in unebener Form zeigen, der auf der Oberfläche ausgebildet ist, aus der Licht herausgeführt wird;
Die 7A bis 7C ein LED-Element gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel; wobei 7A eine Draufsicht des LED-Elementes von der Seite, aus der Licht herausgeführt wird, 7B eine Schnittansicht entlang der Linie C-C aus 7A, und 7C ein Diagramm eines vergrößerten Abschnitts in unebener Form zeigen, der auf der Oberfläche ausgebildet ist, aus der Licht herausgeführt wird;
Die 8A und 8B ein LED-Element gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel, wobei 8A eine Draufsicht des LED-Elementes, von der Seite, aus der Licht herausgeführt wird, und 8B ein Diagramm zur Darstellung, wie Licht aus einem Vorsprung aus 8A herausgeführt wird, zeigen;
Die 9A und 9B ein LED-Element gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel; wobei 9A eine Draufsicht des LED-Elementes von der Seite, aus der Licht herausgeführt wird, und 9B eine Schnittansicht entlang der Linie D-D aus 9A zeigen;
10 eine vertikale Schnittansicht einer Lichtemissionsvorrichtung gemäß einem achten Ausführungsbeispiel;
11 eine vertikale Schnittansicht eines LED-Elementes in Chipwendebauart gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel;
12 eine vertikale Schnittansicht eines LED-Elementes in Chipwendebauart gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel;
13 eine vertikale Schnittansicht eines LED-Elementes in Chipwendebauart gemäß einem elften Ausführungsbeispiel;
14 eine vertikale Schnittansicht eines LED-Elementes in Chipwendebauart gemäß einem zwölften Ausführungsbeispiel;
Die 15A und 15B eine LED-Lampe gemäß einem dreizehnten Ausführungsbeispiel; wobei 15A eine vertikale Schnittansicht einer LED-Lampe, und 15B eine vertikale Schnittansicht des LED-Elementes zeigen, das auf der LED-Lampe angebracht ist; und
16 eine graphische Darstellung von Kurvenverläufen, welche den Zusammenhang zwischen dem Brechungsindex des Versiegelungsmaterials und dem Verhältnis der Effizienz der Lichtabstrahlung nach außen bei dem LED-Element angeben.
(Erstes Ausführungsbeispiel)
(Konfiguration der Lichtemissionsvorrichtung 1)
Die 1A bis 1C zeigen eine Lichtemissionsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; 1A zeigt eine vertikale Schnittansicht, 1B zeigt eine Schnittansicht eines vergrößerten Abschnitts des LED-Elementes, und 1C zeigt ein Diagramm eines vergrößerten Abschnitts der Oberfläche des LED-Elementes auf der Seite, aus der Licht herausgeführt wird.
Gemäß 1A ist diese Lichtemissionsvorrichtung 1 aus einem Verbindungshalbleiter aus einem Element der Hauptgruppe III und Stickstoff ausgebildet, und weist ein LED-Element 2 in Chipwendebauart mit einem Abschnitt in unebener Form 20A auf der Oberfläche auf der Seite, aus der Licht herausgeführt wird, ein Al₂O₃-Substrat 3, das ein anorganisches Substrat ist, auf dem das LED-Element 2 angebracht ist, ein Glasversiegelungsteil 4, das aus einem anorganischen Versiegelungsmaterial ausgebildet ist, und Goldkontaktbolzen 5 zum elektrischen Verbinden der Elektroden des LED-Elementes 2 mit Schaltungsmustern 30 auf, die aus Wolfram (W) auf dem Al₂O₃-Substrat ausgebildet sind.
Das Al₂O₃-Substrat 3 weist durchgehende Löcher 31 im Querschnitt auf, und Schaltungsmuster 30 auf den beiden Seiten des Substrats sind durch leitende Teile aus Wolfram elektrisch verbunden, die in diesen durchgehenden Löchern 31 bereitgestellt sind.
Ein Glasversiegelungsteil 4 ist aus einem Glas mit niedrigem Schmelzpunkt auf der Basis SiO₂-Nb₂O₅ (mit einem Brechungsindex von n = 1,8) ausgebildet, und weist flache Seiten 41 und eine flache Oberfläche 40 auf.
Das LED-Element 2 ist gemäß 1B in flacher Form ausgebildet, so dass es eine Breite W₁ = 300 μm und eine Höhe H₁ = 10 μm gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aufweist. Dabei ist die Wellenlänge des Lichtes, die von diesem LED-Element emittiert wird, 460 μm.
Zudem sind bei dem LED-Element 2 gemäß 1C Vorsprünge 20A (w₁ = 4 μm, h₁ = 2 μm) und flache Abschnitte 20B (w₂ = 8 μm) auf der Oberfläche auf der Seite angeordnet, aus der Licht herausgeführt wird, so dass ein Abschnitt in unebener Form 20A ausgebildet wird. Dieser Abschnitt wird als Abschnitt in unebener Form 20A bezeichnet, weil die benachbarten Vorsprünge 20A über einen flachen Abschnitt 20B eine Vertiefung ausbilden.
(Konfiguration des LED-Elementes 2)
2 zeigt eine vertikale Schnittansicht der Konfiguration des LED-Elementes. Das LED-Element 2 ist durch sequentielles Schichten einer n-GaN:Si-Schicht 20, einer InGaN-Schicht 21, einer GaN-Schicht 22, einer AlGaN-Schicht 23, einer Mehrfachquantentopfschicht (MQW) 24, einer p-AlGaN-Schicht 25, einer p-GaN-Schicht 26 und einer p⁺-GaN-Schicht 27 als eine GaN-basierte Halbleiterschicht 100 auf einem nicht gezeigten Saphirsubstrat ausgebildet. Zudem weist das LED-Element eine p-Elektrode 28 auf der p⁺-GaN-Schicht 27 und eine n-Elektrode 29 auf einem freigelegten Abschnitt der n-GaN:Si-Schicht 20 auf, wo die Schichten durch einen Ätzvorgang beginnend mit der p⁺-GaN-Schicht 27 bis zu der n-GaN:Si-Schicht 20 entfernt sind. Ein Abschnitt in unebener Form 20A beinhaltet die vorstehend beschriebenen Vorsprünge 20a und flachen Abschnitte 20b, die auf der Oberfläche der n-GaN:Si-Schicht 20 ausgebildet sind.
Obwohl das Verfahren zum Ausbilden der GaN-basierten Halbleiterschicht 100 nicht besonders beschränkt ist, kann sie mittels eines gut bekannten metallorganischen Gasphasenabscheidungsverfahrens (MOCVD-Verfahren), eines Molekularstrahlepitaxieaufwachsverfahrens (MBE-Verfahren), eines halogenidbasierten chemischen Gasphasenabscheidungsverfahrens (HVP-Verfahren), eines Zerstäubungsverfahrens, eines Ionenplattierungsverfahrens, eines Elektronenduschverfahrens oder dergleichen ausgebildet werden. Dabei kann die Konfiguration des LED-Elementes eine Homostruktur, eine Heterostruktur oder eine Doppelheterostruktur sein. Zudem kann eine Quantentopfstruktur (eine Einzelquantentopfstruktur oder eine Mehrfachquantentopfstruktur) verwendet werden.
(Herstellungsablauf für die Lichtemissionsvorrichtung 1)
Die 3A bis 3D zeigen Diagramme zur Darstellung eines Herstellungsablaufs für eine Lichtemissionsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Nachstehend ist ein Ablauf zum Herstellen einer Lichtemissionsvorrichtung unter Verwendung eines LED-Elementes 2 beschrieben, das im Voraus in einem getrennten Vorgang ausgebildet wurde.
(Anbringungsvorgang für das LED-Element 2)
Zunächst werden gemäß der 3A das LED-Element 2 und das Al₂O₃-Substrat 3 vorbereitet, und Schaltungsmuster 30 werden auf dem Al₂O₃-Substrat 3 und die Elektroden werden auf dem LED-Element 2 positioniert, so dass das LED-Element 2 mit den Schaltungsmustern 30 über Goldkontaktbolzen 5 elektrisch verbunden ist, und gleichzeitig auf dem Al₂O₃-Substrat 3 angebracht ist. Dann wird die Lücke zwischen dem LED-Element 2 und dem Al₂O₃-Substrat 3 mit einem nicht gezeigten Lückenfüllmaterial aufgefüllt. Für dieses Lückenfüllmaterial wird ein kleiner Wärmeausdehnungskoeffizient bevorzugt.
(Abschälvorgang für das Saphirsubstrat S)
Gemäß 3B wird sodann das LED-Element 2 mit einem Laserstrahl auf der Seite des Saphirsubstrats S bestrahlt. Die Grenzfläche zwischen dem Saphirsubstrat und der GaN-basierten Halbleiterschicht 100 wird durch die Bestrahlung durch den Laserstrahl geschmolzen. Als Folge davon wird das von der GaN-basierten Halbleiterschicht 100 abgeschälte Saphirsubstrat S entfernt. Dabei können Reste auf der Oberfläche der GaN-basierten Halbleiterschicht 100 verbleiben, und daher wird ein Waschvorgang mit einer Säure ausgeführt, so dass die Reste entfernt werden, und dadurch wird die n-GaN:Si-Schicht 20 freigelegt.
(Ausbildungsvorgang für einen Abschnitt in unebener Form 20A)
Danach wird ein Abschnitt in unebener Form 20A auf der Oberfläche des LED-Elementes 2 ausgebildet, aus dem Licht herausgeführt wird, indem eine Unebenheitsverarbeitung unter Einschluss eines Ätzvorgangs durch Bestrahlung mit einem Laser ausgeführt wird. Eine Unebenheit mit annähernd senkrechten Stufen wird als Abschnitt in unebener Form 20A ausgebildet.
(Glasversiegelungsvorgang unter Verwendung eines Glases mit geringem Schmelzpunkt)
Dann wird eine Heißdruckverarbeitung mit dem LED-Element 2, auf dem ein Abschnitt in unebener Form 20A ausgebildet wurde, und der Lücke zwischen dem LED-Element 2 und dem Al₂O₃-Substrat 3 unter Verwendung eines Glases auf der Basis SiO₂-Nb₂O₅ ausgeführt. Als Folge dieser Heißdruckverarbeitung haftet das Glas mit der Oberfläche des Abschnitts in unebener Form 20A an. Zudem wird das Glas dazu gebracht, an der Oberfläche des Al₂O₃-Substrats 3 anzuhaften, und dadurch ist das LED-Element 2 insgesamt in Glas versiegelt. Nach der Glasversiegelung werden die Gehäuse in individuelle Stücke durch einen Trennvorgang getrennt, und somit wird eine Lichtemissionsvorrichtung 1 mit einer oberen Oberfläche 40 und Seiten 41 erhalten. Dabei ist die Trennung der Gehäuse ebenfalls durch ein Verfahren zur Trennung wie etwa Ritzen zusätzlich zu dem Schneidevorgang möglich.
(Betrieb der Lichtemissionsvorrichtung 1)
Wenn die Schaltungsmuster 30, die am Boden des Al₂O₃-Substrats 3 der vorstehend beschriebenen Lichtemissionsvorrichtung 1 freigelegt sind, mit einer nicht gezeigten Energiezufuhreinheit verbunden werden, wird eine Spannung in Vorwärtsrichtung zwischen der n-Elektrode und der p-Elektrode des LED-Elementes 2 über die leitenden Teile der durchgehenden Löcher 31 angelegt, und eine Rekombination von Ladungsträgern, Löchern und Elektronen, tritt in der MQW-Schicht 24 des LED-Elements 2 auf, so dass Licht emittiert wird. Von der Oberfläche abzustrahlendes Licht, aus der Licht aus dem bei diesem Lichtemissionsvorgang in der MQW-Schicht 24 erzeugten Licht herauszuführen ist, dringt in das Glasversiegelungsteil 4 aus dem Abschnitt in unebener Form 20A ein, breitet sich durch das Glasversiegelungsteil 4 aus, und wird nach außen abgestrahlt.
(Wirkungen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel)
Die nachstehend wiedergegebenen Wirkungen werden gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erhalten.

(1) Das Saphirsubstrat 1 wird von dem LED-Element 2 entfernt, das auf dem Al₂O₃-Substrat 3 angebracht wurde, auf dem ein Abschnitt in unebener Form 20A mit einer annähernd senkrechten Stufe bereitgestellt ist, und dadurch kann Licht, das in die Richtung abgestrahlt wird, in der Licht in das Saphirsubstrat aus GaN in einem Winkel eindringt, der nicht größer als der kritische Winkel ist, aus dem LED-Element auf dieselbe Weise wie bei einem bekannten LED-Element 2 herausgeführt werden, bei dem GaN auf einem flachen Saphirsubstrat ausgebildet ist. Zudem kann außerdem Licht, das in eine Richtung abgestrahlt wird, in der das Licht in das Saphirsubstrat von GaN in einem Winkel eindringt, der nicht kleiner als der kritische Winkel ist, und das zu Licht wird, das innerhalb einer Schicht in dem LED-Element 2 eingesperrt ist, aus dem Element herausgeführt werden, wenn das Licht in einen unebenen Abschnitt des Abschnitts in unebener Form 20A eindringt. Licht, das von einer flachen Oberfläche der unebenen Oberfläche nach außen abgestrahlt wird, benimmt sich auf dieselbe Weise, wie das, das von einer unebenen Oberfläche abgestrahlt wird, wo keine Stufe ausgebildet ist, und zudem wird Licht, das innerhalb einer Schicht eingesperrt ist, von einer vertikalen Stufenoberfläche der unebenen Oberfläche nach außen abgestrahlt. Daher kann die Lichtmenge, die von der GaN-Schicht nach oben abgestrahlt wird, ausnahmslos erhöht werden. Ferner ist der vertikale Querschnitt nicht relativ zu der Normalen der Lichtemissionsschicht der GaN-Schicht geneigt, und wird daher in der Richtung bereitgestellt, das den Raumwinkel mit dem innerhalb einer Schicht eingesperrten Licht maximal macht, und dies ist ein Faktor beim Erhöhen der Wirkung. Zudem ändert das Licht, das von der Grenzfläche im vertikalen Querschnitt reflektiert wurde, nicht die Größe des Winkels mit der Normalenrichtung der Lichtemissionsschicht.
(2) Ferner wird gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel das Saphirsubstrat S entfernt und anstatt dessen ein Glas auf der Basis SiO₂-Nb₂O₅ mit einem Brechungsindex n = 1,8 verwendet, und dadurch wird der kritische Winkel θc mit dem LED-Element 2 ungefähr 50°C. das Versieglungsmaterial kann so ausgewählt werden, dass der kritische Winkel θc zwischen diesem LED-Element 2 und dem Glasversiegelungsteil 4 nicht kleiner als 45°C wird, und dadurch kann die innerhalb einer Schicht eingesperrte Lichtmenge, die sich lateral durch die GaN-basierte Halbleiterschicht 100 ausbreitet, im Vergleich zu dem Saphirsubstrat S mit einem Brechungsindex n = 1,7 reduziert werden, und weiterhin wird die Wahrscheinlichkeit, dass das innerhalb einer Schicht der GaN-basierten Halbleiterschicht 100 eingesperrte Licht aus dem Element heraus abgestrahlt wird, wenn es in den Abschnitt mit unebener Form 20A eindringt, hoch. Zusätzlich dazu weist die GaN-basierte Halbleiterschicht 100 eine Dicke von 10 μm auf, und die Wahrscheinlichkeit, dass das Licht den Abschnitt in unebener Form 20A erreicht, ist hoch, und daher kann Licht auf einem idealen Niveau mit extrem hoher Effizienz nach außen abgestrahlt werden. Selbst wenn die Flachheit der unebenen Oberflächen aufgrund von Beschränkungen bei der Verarbeitung nicht ausreicht, wird dies ferner durch das Versiegelungsmaterial mit einem hohen Brechungsindex kompensiert, und die Eigenschaften, die eine Effizienz bereitstellen, die nahe der Grenze sind, was theoretisch verwirklicht werden kann, können somit erzielt werden. Dabei wird die Ausbildung einer Unebenheit auf einer p-GaN:Si-Schicht 20 ausgeführt, die sich in einem Abstand von der MQW-Schicht 21 befindet, welche die Lichtemissionsschicht in der GaN-basierten Halbleiterschicht 100 ist, und daher kann eine Beschädigung der Lichtemissionsschicht zum Zeitpunkt der Ausbildung der Unebenheit vermieden werden. Deswegen kann die interne Quanteneffizienz aufrechterhalten werden, und die Effizienz der Lichtabstrahlung nach außen kann bei dem LED-Element 2 stark erhöht werden.
(3) Das LED-Element 2 ist in einem Glasversiegelungsteil 4 versiegelt, welches stabil gegenüber der emittierten Lichtwellenlänge ist, und ausgezeichnete Lichtübertragungseigenschaften aufweist, und dadurch wird eine Lichtemissionsvorrichtung 1, deren Eigenschaften zum Herausführen von Licht für eine lange Zeitdauer stabil sind, und die eine ausgezeichnete Beständigkeit aufweist, selbst dann erhalten, wenn ein LED-Element 2 in einer Bauart mit hoher Ausgangsleistung verwendet wird, die eine große Lichtmenge emittiert. Insbesondere, wenn die interne Quanteneffizienz so hoch wie das Idealniveau ist, kann bei dem LED-Element 2 die Abstrahlungseffizienz von Licht nach außen auf einem flachen Saphirsubstrat S von 25% auf 75% erhöht werden. Dabei wird die Wärmeemission auf nicht mehr als ein 1/3 reduziert. Zudem wird es möglich, die Strommenge zu verdoppeln, die fließen darf, da die Wärmemission sinkt, und dadurch kann die Lichtmenge als Resultat eines Synergieeffektes zwischen einem Anstieg bei der Effizienz des LED-Elementes 2 und einem Anstieg der erlaubten Strommenge erhöht werden. Zudem werden stabile Lichtübertragungseigenschaften für eine hochdichte Lichtabstrahlung gesichert. Selbst wo die Flachheit der unebenen Oberflächen aufgrund von Beschränkungen bei der Verarbeitung nicht ausreichend ist, kompensiert das Versiegelungsmaterial mit hohen Brechungsindex dies, und somit können Eigenschaften erzielt werden, die eine Effizienz bereitstellen, die nahe der Grenze dessen liegen, was theoretisch verwirklicht werden kann. Zudem ist die Vorrichtung stabil gegenüber Licht mit einer Wellenlänge von nicht mehr als 470 nm, beispielsweise einer Wellenlänge von 365 nm, und kann somit verwendet werden, um ein LED-Element zur Emission von ultravioletten Strahlen zu enthalten. Ferner beträgt der Brechungsindex von Epoxydharz oder Silikonharz, die sich derzeit in allgemeiner Verwendung befinden, ungefähr 1,5. Viele existierende Glasmaterialien stellen jedoch hohe Übertragungseigenschaften und einen hohen Brechungsindex von nicht weniger als 1,6 bereit. Unter Verwendung eines derartigen Glasmaterials kann ein LED-Element 2 ausgeführt werden, das in einem Material mit hohem Brechungsindex versiegelt ist, und somit kann die Effizienz zum Herausführen von Licht aus dem LED-Element 2 erhöht werden.
(4) Weiterhin sind die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Al₂O₃-Subtrats 3 und des Glasversiegelungsteils 4, die das Gehäuse bilden, ungefähr dieselben, und daher kann eine Struktur bereitgestellt werden, bei der Unannehmlichkeiten wie durch Wärmeverspannungen verursachte Risse nicht leicht auftreten. Folglich werden Effekte erhalten, dass zusätzlich zu der Zuverlässigkeit gegenüber Wärmebelastungen der erlaubte Stromwert erhöht werden kann. Die bekannte Epoxydharzversiegelung begrenzt den erlaubten Stromfluss aufgrund der Glasübergangstemperatur (Tg-Punkt) des Epoxydharzes. Der Grund hierfür ist, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient bei einer Temperatur oberhalb des Tg-Punktes hoch wird, und an elektrischen Verbindungsabschnitten leicht eine Verbindungstrennung auftritt. Der Tg-Punkt des Glasversiegelungsteils 4 ist um 300°C oder mehr höher als der von Epoxydharzen, und der Wärmeausdehnungskoeffizient ist nicht größer als 1/7 der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Epoxydharzen bei einer Temperatur unterhalb des Tg-Punktes.
(5) Die Materialien für das Al₂O₃-Substrat 3 und das Glasversiegelungsteil 4 werden so ausgewählt, dass sie denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, und das LED-Element 2 wird so ausgebildet, dass es von der Wendeanbringungsbauart ist, wo keine Golddrähte verwendet werden, und dadurch wird eine Glasversiegelung mit einem hochstabilen LED-Element mit einem hohen Brechungsindex implementiert. Genauer wird Glas im Zustand hoher Viskosität durch Aufbringen von Hochdruck derart verarbeitet, dass kein Reißen oder Abschälen durch eine Differenz zwischen der Verarbeitungstemperatur und der Raumtemperatur verursacht wird, und an dem LED-Element 2 verursachte Wärmeschäden können zum Verarbeitungszeitpunkt vermieden werden. Das Al₂O₃-Substrat 3 und das Glasversiegelungsteil 4 kombinieren chemisch über ein Oxid, und stellen daher eine Anhaftung mit hoher Intensität bereit. Zudem wird ein LED-Element 2 in Wendeanbringungsbauart verwendet, was Platz für eine Verdrahtung unnötig macht, womit die Bereitstellung eines kleinen Gehäuses ermöglicht wird.
(6) Schaltungsmuster werden auf der Rückoberfläche des Al₂O₃-Substrats 3 von der Oberfläche ausgelesen, auf der das LED-Element 2 angebracht ist, und dadurch können die Erzeugnisse mit einer ausgezeichneten Produktivität ausgebildet werden. Genauer wird eine große Anzahl von LED-Elementen 2 auf einem Al₂O₃-Subtrat angebracht, und eine Glasversiegelung kann als kollektiver Vorgang unter Verwendung eines Glasüberzugs ausgeführt werden.

Das Saphirsubstrat S wird abgeschält, nachdem das LED-Element 2 auf dem Al₂O₃-Subtrat 3 als Basis angebracht ist, und dann wird ein Abschnitt in unebener Form 20A bereitgestellt, und daher wird es möglich, ein Gehäuse aus einer Vielzahl von Versiegelungsmaterialien leicht auszubilden, die andere Versiegelungsmaterialien als das Glasversiegelungsteil 4 sind, wie etwa beispielsweise Epoxydharzmaterialien, Lichtübertragungsharzmaterialien enthaltende Fluorophore und Glasmaterialien, die ein Fluorophor enthalten. Zudem ist es außerdem leicht, einen Abschnitt in unebener Form 20A herzustellen, dessen unebene Form der Differenz im Brechungsindex gegenüber dem Versiegelungsmaterial entspricht.
Dabei ist der vorstehend beschriebene Abschnitt in unebener Form 20A zum Verbessern der Eigenschaften zum Herausführen von Licht effektiv, wenn er mit der Konfiguration zum Erhöhen der Fläche zur Lichtemission des LED-Elementes 2 kombiniert wird. Die Fläche zur Lichtemission kann beispielsweise durch Erhöhen des Verhältnisses der durch die p-Elektrode für die Zufuhr eines Stroms an die GaN-basierte Halbleiterschicht 100 eingenommenen Fläche zu der Fläche des Elementes vergrößert werden. Zudem kann die Anbringung unter Verwendung von Silberpaste oder eines Lötmittelüberzugs anstelle von Kontaktbolzen ausgeführt werden. Dabei werden die Kontaktelektroden der GaN-Halbleiterschicht 100 und der externen Anschlusselektroden über eine Isolationsschicht getrennt bereitgestellt.
Zudem kann die P-Elektrode aus ITO (Indiumzinnoxid) mit Lichtübertragungseigenschaften und einer Metallreflexionsschicht ausgebildet sein. Innerhalb einer Schicht eingesperrtes Licht, das sich durch die GaN-basierte Halbleiterschicht 100 lateral ausbreitet, wird von dem ITO reflektiert, und dadurch wird es möglich, die durch die Metallabsorption verursachten Verluste zu reduzieren, wenn das innerhalb einer Schicht eingesperrte Licht auf die Metallreflexionsschicht trifft, und die von dem LED-Element 2 nach außen abgestrahlte Lichtmenge kann erhöht werden.
Ferner weisen ITO und Al₂O₃ ungefähr denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, und ITO und GaN werden relativ stark aneinander anhaftend ausgebildet, und daher können die Elektroden vor einem Abschälen aufgrund von Wärmeverspannung zum Zeitpunkt der Verarbeitung für die Glasversiegelung bewahrt werden.
Obwohl das Versiegelungsmaterial bei der vorstehenden Beschreibung ein Glas ist, kann das Versiegelungsmaterial ein Glas sein, das zum Zeitpunkt der Verarbeitung teilweise kristallisiert ist, oder ein anorganisches Material, das sich nicht in einem Glaszustand befindet, aber dieselben Effekte bereitstellt.
(2. Ausführungsbeispiel)
(Konfiguration der Lichtemissionsvorrichtung 1)
4 zeigt eine Schnittansicht einer Lichtemissionsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Diese Lichtemissionsvorrichtung 1 ist eine Vorrichtung in Oberflächenanbringungsbauart unter Verwendung eines LED-Elementes 2 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, und umfasst ein Harzgehäuseteil 10 aus einem weißen Harzmaterial wie etwa Nylon, welches einen Behälterabschnitt 10A zur Aufnahme des LED-Elements 2, eine Unterhalterung 6 aus AlN, auf der das LED-Element 2 angebracht ist, einen Silikonharzversiegelungsteil 7 zum integrierenden Versiegeln des LED-Elementes 2, das in dem Behälterabschnitt 10A des Harzgehäuseteils 10 und des. Unterträgers 6 enthalten ist, Zuleitungsteile 9 für die Zufuhr von Strom an das LED-Element 2, an dem die Unterhalterung 6 angebracht ist, und einen Draht 8 zum elektrischen Verbinden des Zuleitungsteils 9 mit der Unterhalterung 6. Dabei sind in der nachstehenden Beschreibung die Teile mit denselben Bezugszeichen versehen, welche dieselben Konfigurationen und Funktionen wie jene bei dem ersten Ausführungsbeispiel aufweisen.
Das LED-Element 2 wird auf der Unterhalterung 6 als Basis angebracht, und danach wird ein Abschnitt in unebener Form 20A durch Abschälen des Saphirsubstrats S auf dieselbe Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel bereitgestellt. Dabei wird der Raum zwischen dem LED-Element 2 und der Unterhalterung 6 mit einem nicht gezeigten Raumfüllmaterial aus SiO₂ gefüllt.
Die Unterhalterung 6 weist Schaltungsmuster 60 aus Wolfram auf der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche auf. Die Schaltungsmuster 60 auf der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche sind durch einen leitenden Teil aus Wolfram elektrisch verbunden, der in einem durchgehenden Loch 61 bereitgestellt ist. Ferner ist ein mit der p-Elektrodenseite des LED-Elementes 2 verbundenes Schaltungsmuster 6 der Schaltungsmuster 60 mit einem Zuleitungsteil 9 durch einen Draht 8 aus Gold elektrisch verbunden.
Das Silikonharzversiegelungsteil 7 weist einen Brechungsindex von n = 1,5 auf, und hat die Funktion zum Versiegeln des LED-Elementes 2 und der Unterhalterung 6, und des Abstrahlens des von dem LED-Element 2 emittierten Lichts nach außerhalb des Harzgehäuseteils 10. Dabei kann das Silikonharzversiegelungsteil 7 ein Fluorophor enthalten, das durch Licht angeregt wird, das von dem LED-Element 2 abgestrahlt wird, und es ist außerdem möglich, eine Lichtemissionsvorrichtung 1 in einer Wellenlängenumwandlungsbauart zur Emission von Licht einer vorbestimmten Farbe auf der Grundlage der Mischung von Licht auszubilden, das von dem angeregten Fluorophor abgestrahlt wird, sowie dem Licht, das von dem LED-Element 2 abgestrahlt wird.
(Wirkungen des zweiten Ausführungsbeispiels)
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist das LED-Element 2 mit einem Abschnitt in unebener Form 20A auf der Oberfläche, aus der Licht herausgeführt wird, in einem Silikonharzversiegelungsteil 7 versiegelt, und dadurch kann eine Lichtemissionsvorrichtung 1 in Oberflächenanbringungsbauart mit großer Helligkeit erhalten werden, bei der sich durch das innere LED-Elementes 2 lateral ausbreitendes Licht als innerhalb einer Schicht eingesperrtes Licht effektiv nach außen abgestrahlt werden kann.
Dabei kann ein Glas auf der Basis von SiO₂-Nb₂O₅ mit einem Brechungsindex von n = 1,8 gemäß der Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels in Schichtform durch eine Heißpressverarbeitung mit einem Abschnitt in unebener Form 20A des LED-Elements 2 gemäß der Beschreibung des zweiten Ausführungselementes integriert werden, und ein LED-Element 2, in dem dieses Glas integriert ist, und die Unterhalterung 6 können in dem Silikonharzversiegelungsteil 7 versiegelt sein. Dabei dringt Licht in das Silikonharzversiegelungsteil 7 mit einem Brechungsindex von n = 1,5 von dem LED-Element 2 mit einem Brechungsindex von n = 2,4 über das Glaselement mit einem Brechungsindex von n = 1,8 ein, und daher kann das Auftreten einer durch die Differenz in den Brechungsindices zwischen den Materialien verursachte Totalreflexion reduziert werden, so dass die Abstrahlung von durch das LED-Element 2 emittiertem Licht nach außen erhöht werden kann.
(Drittes Ausführungsbeispiel)
(Konfiguration des LED-Elementes 2)
Die 5A bis 5C zeigen ein LED-Element gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel; 5A zeigt eine Draufsicht des LED-Elementes von der Seite, aus der Licht herausgeführt wird, 5B zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie A-A aus 5A, und 5C zeigt ein Diagramm eines vergrößerten Abschnitts in unebener Form, der auf der Oberfläche ausgebildet ist, aus der Licht herausgeführt wird. Bei diesem LED-Element 2 wird ein Abschnitt in unebener Form 20A als eine mikroskopische Form mit Vorsprüngen 20A und flachen Abschnitten 20B mit geringem Maß ausgebildet, wie es in den 5A und 5B gezeigt ist. Das LED-Element 2 weist eine Breite W₁ von 300 μm auf, und ist in quadratischer Form ausgebildet. Die Dicke H₁ des LED-Elementes 2 beträgt 6 μm, und die Oberfläche auf der Seite, aus der Licht herausgeführt wird, weist den Abschnitt in unebener Form 20A auf.
Der Abschnitt in unebener Form 20A ist durch Anordnen von Vorsprüngen 20A (w₁ = 2 μm, h₁ = 1 μm) und flachen Abschnitten 20B (w₂ = 2 μm) auf der Oberfläche auf der Seite ausgebildet, aus der Licht herausgeführt wird, wie es in 5C gezeigt ist.
(Wirkungen des dritten Ausführungsbeispiels)
Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ist der Abschnitt in unebener Form 20A auf der Seite, aus der Licht aus dem LED-Element 2 herausgeführt wird, in flacher und mikroskopischer Form bereitgestellt, und dadurch kann eine an der MQW-Schicht verursachte Beschädigung zum Zeitpunkt der Unebenheitsverarbeitung vermieden werden, und ein zuverlässiges LED-Element 2 kann erhalten werden, dessen Lichtemissionseigenschaften stabil sind. Zudem kann durch eine flache Ausbildung der Tiefe der Unebenheit ein Verbleiben von Blasen in der Unebenheit nach dem Vorgang zum Versiegeln des Abschnitts in unebener Form 20A mit einem Versiegelungsmaterial vermieden werden, indem ein Druck zum Zeitpunkt der Herstellung der Lichtemissionsvorrichtung aufgebracht wird. Dabei befinden sich die Oberflächen der Vorsprünge in quadratischer Form und weisen einen umgebenden Graben auf, weswegen die Luft zum Zeitpunkt der Druckaufbringung leicht entweichen kann.
(Viertes Ausführungsbeispiel)
(Konfiguration des LED-Elementes 2)
Die 6A bis 6C zeigen ein LED-Element gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel; 6A zeigt eine Draufsicht des LED-Elementes von der Seite, aus der Licht herausgeführt wird, 6B zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie B-B aus 6A, und 6C zeigt ein Diagramm eines vergrößerten Abschnitts in unebener Form, der auf der Oberfläche ausgebildet ist, aus der Licht herausgeführt wird. Dieses LED-Element 2 ist ein LED-Element 2 von umfangreicher Größe, und ist in rechteckiger Form mit einer Breite W₁ von 1000 μm ausgebildet, wie es in 6B gezeigt ist. Das LED-Element 2 weist eine Dicke H₁ von 6 μm und einen Abschnitt in unebener Form 20A auf der Oberfläche der Seite auf, aus der Licht herausgeführt wird.
Gemäß 6C sind Vorsprünge 20A (w₁ = 2 μm, h₁ = 1 μm) und flache Abschnitte 20B (w₂ = 2 μm), sowie tiefe Gräben 20C (w₃ = 5 μm, h₂ = 4 μm), welche den Bereich neunfach unterteilen, wo Vorsprünge 20A und flache Abschnitte 20B ausgebildet sind, auf der Oberfläche auf der Seite angeordnet, aus der Licht herausgeführt wird, und dadurch wird ein Abschnitt in unebener Form 20A ausgebildet.
Ferner umfasst das LED-Element 2 eine n-Elektrode 20n, die so bereitgestellt ist, dass sie in dem Abschnitt positioniert ist, wo die tiefen Gräben 20C ausgebildet sind, eine p-Elektrode 20p, die auf der Oberfläche auf der Seite gegenüber den Abschnitten in unebener Form 20A bereitgestellt ist, und eine MQW-Schicht 20d, die eine Lichtemissionsschicht ist, welche durch Energiezufuhr über die n-Elektrode 20n und die p-Elektrode 20p Licht emittiert.
(Wirkungen des vierten Ausführungsbeispiels)
Gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel ist die Unebenheit des Abschnitts in unebener Form 20A so ausgebildet, dass er in dem Anschnitt in unebener Form 20A flach ist, der auf der Seite bereitgestellt ist, aus der Licht aus dem LED-Element 2 herausgeführt wird, und dadurch kann die MQW-Schicht 20D davor bewahrt werden, zum Zeitpunkt der Verarbeitung der Unebenheit beschädigt zu werden, wie es bei dem dritten Ausführungsbeispiel der Fall ist, und somit kann ein LED-Element 2 erhalten werden, das homogenes Licht emittiert. Ferner kann durch die flache Ausbildung der Unebenheit ein Verbleiben von Blasen in der Unebenheit nach dem Vorgang der Versiegelung des Abschnitts in unebener Form 20A mit einem Versiegelungsmaterial vermieden werden, indem zum Zeitpunkt der Herstellung der Lichtemissionsvorrichtung 1 ein Druck aufgebracht wird, und eine Verschlechterung der Versiegelungseigenschaften und eine Streuung der optischen Eigenschaften kann vermieden werden.
Durch Bereitstellung von tiefen Gräben 20C in dem Abschnitt in unebener Form 20A dringt zudem das Licht, das innerhalb einer Schicht eingesperrt ist, und das sich durch die GaN-basierte Halbleiterschicht 100 des LED-Elementes 2 lateral ausbreitet, in die Seiten der Gräben 20C ein, und dadurch wird das Licht nach außen abgestrahlt. Als Folge davon verbessern sich die Eigenschaften zum Herausführen von Licht bei dem LED-Element 2 mit umfangreicher Größe. Obwohl das LED-Element 2 von umfangreicher Größe gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel beschrieben ist, kann die Erfindung hierbei auf ein LED-Element von Standardgröße (ein Quadrat mit Seiten von 300 μm), welches bei dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben ist, angewendet werden.
Zudem wurden die Bereiche, wo p-Kontaktelektroden ausgebildet sind, welche zu einer Lichtemissionsfläche werden, neunfach unterteilt, wie es in 6A gezeigt ist, dabei ist jede p-Kontaktelektrodenfläche in der Draufsicht von tiefen Gräben 20C umgeben. Als Folge daraus wird Licht, das sich durch die GaN-basierte Halbleiterschicht 100 zu den Umgebungen ausbreitet, von jeder p-Kontaktelektrode nach außerhalb der GaN-basierten Halbleiterschicht 100 abgestrahlt. Die n-Kontaktelektrode ist unmittelbar unter den tiefen Gräben 20C ausgebildet, wo die MQW-Schicht, die zur Lichtemissionsschicht wird, nicht vorliegt, und daher beeinflussen die ausgebildeten tiefen Gräben nicht die unmittelbar davor liegende Lichtemissionsschicht.
(Fünftes Ausführungsbeispiel)
(Konfiguration des LED-Elementes 2)
Die 7A bis 7C zeigen ein LED-Element gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel; 7A zeigt eine Draufsicht des LED-Elementes von der Seite, aus der Licht herausgeführt wird, 7B zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie C-C aus 7A, und 7C zeigt ein Diagramm eines vergrößerten Abschnitts in unebener Form, der auf der Oberfläche ausgebildet ist, aus der Licht herausgeführt wird. Dieses LED-Element 2 ist ein LED-Element 2, das durch Schichten einer AlInGaP-basierten Halbleiterschicht 201 (dessen Brechungsindex ähnlich zu dem eines GaAs-Substrats (n = 3,5) ist) auf dem GaAs-Substrat gemäß 7B und Entfernen des GaAs-Substrats durch einen Poliervorgang, sowie anschließendes Anhaften eines GaP-Substrats 200 (n = 3,5) mit der Halbleiterschicht ausgebildet ist, und es ist in quadratischer Form mit einer Breite W₁ von 300 μm ausgebildet. Das LED-Element 2 ist so ausgebildet, dass es eine Dicke H₁ von 100 μm durch Polieren des GaP-Substrats 200 aufweist. Die Oberfläche auf der Seite, aus der Licht herausgeführt wird, weist einen Abschnitt in unebener Form 20A auf.
Gemäß 7C ist der Abschnitt in unebener Form 20A durch Bereitstellen von Vorsprüngen 20A (w₁ = 50 μm, h₁ = 25 μm) und flachen Abschnitten 20B (w₂ = 50 μm) auf der Oberfläche der Seite, aus der Licht herausgeführt wird, durch einen Schneidevorgang mit einer Chipschneidevorrichtung, und anschließendes Bereitstellen einer mikroskopischen Flachheit auf der Oberfläche durch chemisches Ätzen ausgebildet.
(Wirkungen des fünften Ausführungsbeispiels)
Gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel wird ein GaP-Substrat 200 auf eine gewünschte Dicke auf der Seite poliert, aus der Licht herausgeführt wird, und zusätzlich wird ein Abschnitt in unebener Form 20A durch einen Schneidevorgang mit einer Chipschneidevorrichtung bereitgestellt, und dadurch wird ein LED-Element 2 mit ausgezeichneten Eigenschaften für das Herausführen von Licht gewonnen. Zudem kann hierbei die Lichtemissionsschicht vor einer Beschädigung während der Verarbeitung auf der Seite des GaP-Substrats 200 bewahrt werden. Im Falle eines GaP-Substrats 200 mit einem Brechungsindex von n = 3,5 wird ein Versiegelungsmaterial mit einem Brechungsindex von ungefähr n = 2,4 verwendet, um dem von einem Endabschnitt des LED-Elementes 2 emittiertem Licht eine Abstrahlung aus dem LED-Element 2 heraus ohne eine Totalreflexion des Lichtes zu ermöglichen, das sich lateral ausbreitet, wenn es in den Abschnitt in unebener Form 20A eindringt, wenn der Abschnitt in unebener Form 20A so ausgebildet ist, dass er die vorstehend beschriebene Größe aufweist. In der Praxis ist es schwierig, ein Versiegelungsmaterial für ein LED-Element 2 zu implementieren, das einen Brechungsindex von n = 2 überschreitet, was das momentane Niveau wiedergibt. Selbst wenn die Abstrahlung von Licht nach außen nicht auf einem idealen Niveau implementiert werden kann, kann jedoch Licht nicht dazu gebracht werden, von der unebenen Seite in annähernd vertikaler Stufenform nach außen mit einem Raumwinkel in einem großen Winkelbereich abzustrahlen, der die Richtung von 90° – sin^–1 (n1/n2) bis 90° relativ zu der Richtung der Normalenlinie der Lichtemissionsschicht abdeckt, wobei n1 den Brechungsindex der Lichtemissionsschicht des LED-Elementes 2 und n2 den Brechungsindex des Versiegelungsmaterials bezeichnen. Insbesondere wird diese Form sowie ein Versiegelungsmaterial mit dem Brechungsindex n = 1,6 oder größer kombiniert, und dadurch ein Ertrag erhalten, der sehr viel größer als in dem Falle ist, wenn die Form nicht verarbeitet wird, und eine Epoxydharzversiegelung mit dem Brechungsindex n = 1,5 verwendet wird.
Dabei können Abschrägungen (geneigte Winkel) mit der Grenze des kritischen Winkels zwischen der Lichtemissionsschicht und dem Versiegelungsmaterial des LED-Elementes in den unebenen Stufenabschnitten ausgebildet sein. Innerhalb dieser Grenze kann eine effektive unebene Seite in Stufenform bereitgestellt werden. Die Neigungen werden sozusagen so bereitgestellt, dass Licht dazu gebracht wird, in 90°-Richtung bezüglich der Normalenrichtung der Lichtemissionsschicht nach außen abgestrahlt zu werden, was den Raumwinkel maximal macht. Ferner kann das LED-Element durch Kombination einer Lichtemissionsschicht des LED-Elementes 2 und eines Substrats mit demselben Brechungsindex wie das Lichtemissionselement ausgebildet sein, beispielsweise einem GaN-Substrat und einer GaN-basierten Halbleiterschicht, oder einem SiC-Substrat und einer GaN-basierten Halbleiterschicht, anstelle einer geschichteten Struktur, die aus einem GaP-Substrat 200 und einer AlInGaP-basierten Halbleiterschicht 201 ausgebildet ist.
(Sechstes Ausführungsbeispiel)
(Konfiguration des LED-Elementes 2)
Die 8A und 8B zeigen ein LED-Element gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel; 8A zeigt eine Draufsicht des LED-Elementes von der Seite, aus der Licht herausgeführt wird, und 8B zeigt ein Diagramm zur Darstellung, wie Licht in dem Abschnitt in Form von Vorsprüngen nach 8A herausgeführt wird. Dieses LED-Element 2 weist einen Abschnitt in unebener Form 20A auf, wo kollektive Körper in hexagonaler Form über flache Abschnitte 20B (mit Intervallen von 10 μm) versetzt angeordnet sind, und wobei bei jedem dieser kollektiven Körper drei Vorsprünge 20A (mit einer Höhe von 2 μm) in Diamantform (bei denen benachbarte Stufenseiten 60°- oder 120°-Winkel ausbilden) auf der Oberfläche einer n-GaN:Si-Schicht kombiniert sind, aus der Licht herausgeführt wird, wie es in 8A gezeigt ist.
Wenn in einer (nicht gezeigten) MQW-Schicht des nicht gezeigten LED-Elementes 2 erzeugtes Licht L in einen Abschnitt 20A gemäß 8B eindringt, wird es von einer ersten Seite 210 total reflektiert, so dass es in eine zweite Seite 211 eindringt. Die zweite Seite 211 bildet einen spitzen Winkel mit der ersten Seite 210 aus, und in die zweite Seite 211 eindringendes Licht L wird nach außen abgestrahlt, wenn der Einfallswinkel kleiner als der kritische Winkel θc wird. Der Grund hierfür ist, dass der Vorsprung 20A so ausgebildet ist, dass er Seiten mit einem Winkel dazwischen aufweist, der zweimal so groß wie der kritische Winkel θc oder noch größer ist.
(Wirkungen des sechsten Ausführungsbeispiels)
Gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel sind Vorsprünge 20A so ausgebildet, dass sie Seiten mit einem Winkel dazwischen aufweisen, der zweimal so groß wie der kritische Winkel θc oder noch größer ist, und daher kann in die Vorsprünge 20A eindringendes Licht L davor bewahrt werden, zu Licht in einem Zustand zu werden, das nicht aus den Vorsprüngen 20A nach außen abgestrahlt wird, und somit kann innerhalb einer Schicht eingesperrtes Licht, das in die Vorsprünge 20A eingedrungen ist, ausnahmslos nach außen abgestrahlt werden.
Zudem ist der Abschnitt in unebener Form 20A aus den kollektiven Körpern der Vorsprünge 20A ausgebildet, und daher wird es möglich, innerhalb einer Schicht eingesperrtes Licht effektiv nach außen abzustrahlen. Obwohl vorliegend bei dem sechsten Ausführungsbeispiel eine Konfiguration beschrieben ist, bei der sieben Abschnitte in unebener Form 20A in versetzter Form angeordnet sind, ist die Anordnung von Vorsprüngen in unebener Form 20A nicht auf die gezeigte Konfiguration beschränkt, sondern es kann vielmehr eine willkürliche Anzahl von Abschnitten in unebener Form 20A bereitgestellt werden.
(Siebtes Ausführungsbeispiel)
(Konfiguration des LED-Elementes 2)
Die 9A und 9B zeigen ein LED-Element gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel; 9A zeigt eine Draufsicht des LED-Elementes von der Seite, aus der Licht herausgeführt wird, und 9B zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie D-D aus 9A. Gemäß 9A umfasst dieses LED-Element 2 Abschnitte in unebener Form 20A, die jeweils einen hexagonalen Vorsprung 20D aufweisen, deren Oberflächen, aus denen Licht aus einer n-GaN:Si-Schicht herausgeführt wird, eine hexagonale Form ausbilden, und Gräben 20e, die in der oberen Oberfläche dieser hexagonalen Vorsprünge 20d erzeugt sind, so dass sie einander in einem Winkel von 60° kreuzen, und diese Abschnitte in unebener Form 20A sind auf einem flachen Abschnitt 20b in versetzter Form angeordnet.
(Wirkungen des siebten Ausführungsbeispiels)
Gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel sind Abschnitte in unebener Form 20A, die jeweils aus einem hexagonalen Vorsprung 20d und Gräben 20e ausgebildet sind, auf der Oberfläche des LED-Elementes 2 ausgebildet, aus der Licht herausgeführt wird, und dadurch wird Licht, das in einen hexagonalen Vorsprung 20d mit einer Form eingedrungen ist, bei der die Wahrscheinlichkeit des Lichteindringens hoch ist, von dem Abschnitt in unebener Form mit hoher Effizienz nach außen abgestrahlt, und die Abstrahlungseffizienz des Lichtes nach außen, das innerhalb einer Schicht eingesperrt ist und in eine Seite des hexagonalen Vorsprungs 20d und eine Seite eines Grabens 20e eindringt, kann somit erhöht werden.
(Achtes Ausführungsbeispiel)
(Konfiguration der Lichtemissionsvorrichtung 1)
10 zeigt eine vertikale Schnittansicht einer Lichtemissionsvorrichtung gemäß einem achten Ausführungsbeispiel. Diese Lichtemissionsvorrichtung 1 unterscheidet sich von der des ersten Ausführungsbeispiels dahingehend, dass bei dem achten Ausführungsbeispiel das Glasversiegelungsteil 4 der Lichtemissionsvorrichtung 1 eine Oberfläche in einer optischen Form 42 aufweist, die eine Halbkugelform ist. Ein Schaltungsmuster 30B, auf dem ein LED-Element 2 angebracht ist, wird mit einem Schaltungsmuster 30A auf der Bodenoberfläche eines Al₂O₃-Substrats 3 durch Muster 30C verbunden, die in durchgehenden Löchern 31 bereitgestellt sind. Zudem beträgt der Brechungsindex des in diesem Diagramm gezeigten Glasversiegelungsteils 4 n = 1,9, und das LED-Element 2 ist in quadratischer Form mit W = 300 μm ausgebildet.
Wenn ein Glasversiegelungsteil 4 in Halbkugelform bereitgestellt ist, befindet sich die Oberfläche in optischer Form 42 um das LED-Element 2 idealerweise in einer optischen Form, in der von dem LED-Element 2 abgestrahltes Licht senkrecht eindringen kann. Dabei wird der kritische Winkel θ der Oberfläche bei der optischen Form 42 zu θ = sin^–1 (n0/n2) = 31,8°, wobei der Brechungsindex von Luft n0 = 1,0 und der Brechungsindex des Glasversiegelungsteils 4 n2 = 1,9 ist, und das Reflexionsvermögen von der Grenzfläche in der Nähe von –5° dazu neigt, anzusteigen, was der kritische Winkel θ ist, obwohl eine Totalreflexion nicht bei Licht auftritt, das in einem Winkel eindringt, der innerhalb der Grenze dieses kritischen Winkels θ liegt; mithin wird die Bereitstellung einer optischen Form bevorzugt, welche eine erhöhende Lichtmenge ermöglicht, die in einem Winkel in einem Bereich eindringt, bei dem die Reflexion von der Grenzfläche klein wird.
(Wirkungen des achten Ausführungsbeispiels)
Gemäß dem achten Ausführungsbeispiel wird der Zusammenhang θ = tan^–1 (W/2L) zwischen dem Radius (Höhe) L, deren Ursprung das LED-Element 2 ist, der Breite des Elementes W und dem kritischen Winkel θ relativ zu der Oberfläche bei der optischen Form 42 erhalten, und dadurch können die Wirkungen der Reflexion von der Grenzfläche auf die Effizienz der Lichtherausführung unterdrückt werden, indem die Größe des vorstehend beschriebenen LED-Elementes 2 und der kritische Winkel θ eingestellt werden kann, wenn der Radius L nicht kleiner als 0,24 mm ist. Gemäß vorstehender Beschreibung ist das Glasversiegelungsteil 4 so bereitgestellt, dass die Oberfläche bei der optischen Form 42, die eine Halbkugelform ist, mit einem Radius bereitgestellt ist, der nicht kleiner als L ist, und dadurch kann eine Lichtemissionsvorrichtung 1 erhalten werden, bei der die Reflexion von der Grenzfläche unterdrückt wird und die Lichtherausführungseigenschaften ausgezeichnet sind.
Ferner kann die Reflexion von der Grenzfläche unterdrückt werden, indem L in einer Form erhöht wird, wo die Oberflächen C abgerundet sind, so dass keine Eckenkanten bereitgestellt werden, wie etwa bei einer rechteckigen Parallelepipedform, wenngleich diese Form von einer Halbkugelform verschieden ist.
(Neuntes Ausführungsbeispiel)
(Konfiguration des LED-Elementes 2)
11 zeigt eine vertikale Schnittansicht eines LED-Elementes in Chipwendebauart gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel.
Dieses LED-Element 2 umfasst eine aus einer GaN-Halbleiterverbindung ausgebildete n-GaN-Schicht 113, eine auf der n-GaN-Schicht 113 geschichtete Lichtemissionsschicht 114, eine auf der Lichtemissionsschicht 114 geschichtete p-GaN-Schicht 115, eine n-Seite-Elektrode 166, die auf der n-GaN-Schicht 113 bereitgestellt ist, die durch Entfernen eines von der p-GaN-Schicht 115 zu der n-GaN-Schicht 113 reichenden Abschnitts durch einen Ätzvorgang freigelegt ist, und eine auf der p-GaN-Schicht 115 bereitgestellte p-Seite-Elektrode 118, und es unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass gemäß dem neunten Ausführungsbeispiel eine Lichtübertragungsschicht aus einem Material mit einem hohen Brechungsindex 119 aus Tantaloxyd (Ta₂O₅) anstelle des Abschnitts in unebener Form 20A des LED-Elementes 2, wie es bei dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben ist, auf der Seite der n-GaN-Schicht 113 bereitgestellt ist, aus der Licht herausgeführt wird.
Die Schicht aus einem Material mit einem hohen Brechungsindex 119 ist auf der Oberfläche der n-GaN-Schicht 113 mit einer Schichtdicke von 1 μm durch Erwärmen und Verdampfen von Ta₂O₅ als Rohmaterial mittels eines Elektronenstrahlgasphasenabscheidungsverfahrens ausgebildet. Ta₂O₅ weist einen Brechungsindex von n = 2,2 auf, und der kritische Winkel θc wird auf Basis des Brechungsindexverhältnisses relativ zu der n-GaN-Schicht 113 zu 66°. Zudem ist ein rauer Oberflächenabschnitt 119A auf der Oberfläche der Schicht des Materials mit einem hohen Brechungsindex 119 gemäß einem Elektronenstrahlabscheidungsverfahren auf der Seite ausgebildet, aus der Licht herausgeführt wird.
(Wirkungen des neunten Ausführungsbeispiels)
Gemäß dem neunten Ausführungsbeispiel ist eine Schicht aus einem Material mit einem Brechungsindex 119 aus Ta₂O₅ mit n = 2,2 auf der Oberfläche der n-GaN-Schicht 113 bereitgestellt, und dadurch kann eine Ausweitung im Raumwinkel erzielt werden. Ferner wird ein rauer Oberflächenabschnitt 119A ausgebildet, wenn Ta₂O₅ auf der Oberfläche der n-GaN-Schicht 113 zum Zeitpunkt der Schichtausbildung von Ta₂O₅ rekristallisiert, und daher können Nichtdiffusionseigenschaften in der Grenzfläche zwischen dem LED-Element 2 und der Außenumgebung bereitgestellt werden, und die Lichtherausführungseffizienz kann erhöht werden.
Dabei kann die vorstehend beschriebene Schicht aus einem Material mit einem hohen Brechungsindex 119 aus einem von Ta₂O₅ verschiedenen Material ausgebildet sein, und kann beispielsweise ZnS (n = 2,4), SiC (n = 2,4), HfO₂ (n = 2,0), ITO (n = 2,0), GaN (n = 2,4), TiO₂, ZnO, SiC oder dergleichen sein. Diese Materialien zur Schichtausbildung müssen keine leitenden Materialien sein, und können beliebige Materialien mit einer hohen Anhaftungsstärke und ausgezeichneten optischen Eigenschaften sein.
(Zehntes Ausführungsbeispiel)
(Konfiguration des LED-Elementes 2)
12 zeigt eine vertikale Schnittansicht eines LED-Elementes in Chipwendebauart gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel.
Dieses LED-Element 2 in Chipwendebauart weist eine Konfiguration auf, bei der eine ITO-Kontaktelektrode 120, deren Wärmeausdehnungskoeffizient 7,0 × 10^–6/°C ist, anstelle der p-Seite-Elektrode 118 des LED-Elementes 1 bereitgestellt ist, welche bei dem neunten Ausführungsbeispiel beschrieben ist.
(Wirkungen des zehnten Ausführungsbeispiels)
Gemäß dem zehnten Ausführungsbeispiel wird eine ITO-Kontaktelektrode 120 mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten bereitgestellt, der ungefähr derselbe wie der der GaN-basierten Halbleiterschicht 100 ist, und daher wird ein hoch zuverlässiges LED-Element 2 erhalten, bei dem zusätzlich zu den bevorzugten Wirkungen des neunten Ausführungsbeispiels die Anhaftungsstärke der p-Seite-Elektrode erhöht wird, so dass die p-Seite-Elektrode nicht als Folge der durch die Versiegelungsverarbeitung des LED-Elementes 2 oder der gemeinsam mit der Lichtemission emittierten Wärme erzeugten Hitze abgeschält wird. Zudem kann die Inhomogenität bei der Lichtemission aufgrund der Stromdiffusionseigenschaften von ITO reduziert werden. Dabei kann die p-Seite-Elektrode aus einem von ITO verschiedenen leitenden Oxydmaterial ausgebildet sein.
(Elftes Ausführungsbeispiel)
(Konfiguration des LED-Elementes 2)
13 zeigt eine vertikale Schnittansicht eines LED-Elementes in Chipwendebauart gemäß einem elften Ausführungsbeispiel.
Dieses LED-Element 2 in Chipwendebauart wird erhalten, indem eine GaN-basierte Halbleiterschicht 100 auf einem GaN-Substrat 130 aufgewachsen wird, welches ein Quadrat mit Seiten von 340 μm und einer Dicke von 100 μm ist.
(Wirkungen des elften Ausführungsbeispiels)
Gemäß dem elften Ausführungsbeispiel wird der Zusammenhang t ≥ W/(2tan(sin^–1(n2/n3))) zwischen der Dicke (der Dicke der Seiten) t des GaN-Substrats 130, der Größe W des LED-Elementes 2, dem Brechungsindex n2 des Glasversiegelungsteils 4 und dem Brechungsindex n3 des LED-Elementes 2 erhalten, so dass das gesamte von der GaN-basierten Halbleiterschicht 100 zum GaN-Substrat 130 abgestrahlte Licht an der Grenzfläche zwischen dem GaN-Substrat 130 und dem Glasversiegelungsteil 4 nicht der Totalreflexion unterliegt, und daher bei der Verwendung des GaN-Substrats 130 bei der in 10 gezeigten Lichtemissionsvorrichtung 1 mit beispielsweise W = 300 μm, n2 = 1,9, n3 = 2,4 die Eigenschaften für das Herausführen von Licht aus dem LED-Element 2 auf eine ideale Effizienz erhöht werden können, indem die Dicke des GaN-Substrats 130 auf die t ≥ 116 μm eingestellt wird. Dabei wurde bestätigt, dass die Eigenschaften zum Lichtherausführen steigen, selbst wenn die Dicke t einen Wert von ungefähr der Hälfte der oberen Grenze aufweist. Somit weist das GaN-Substrat 130 in einer rechteckigen Parallelepipedform eine optische Form auf, um optische Verluste in der GaN-basierten Halbleiterschicht 100 mit einem hohen Verhältnis der Lichtabsorption zu vermeiden, und einen Anstieg bei der Effizienz zum Herausführen von Licht aus dem Inneren des Elementes zu ermöglichen.
16 zeigt die Simulationsergebnisse der Abhängigkeit von dem Verhältnis der Effizienz der Abstrahlung nach außen eines Standard-LED-Elementes vom Brechungsindex des Versiegelungsmaterials. Die Simulationsergebnisse wurden unter Verwendung von Modellen bei vorbestimmten Formen mit physikalischen Werten für die Brechungsindices, den Durchlässigkeitsgraden, den Abständen der Lichtdämpfung für die epitaktischen Schichten, der Substratschicht bzw. dem Versiegelungsmaterial erhalten, so dass eine Million Lichtstrahlen mittels eines Lichtstrahlverfolgungsverfahrens erzeugt wurden. Dabei geben die Brechungsindices die Werte für die Lichtwellenlängen an, die durch das Lichtemissionselement emittiert werden. Der Referenzwert für die Effizienzrate der Strahlung nach außen wird für ein Element erhalten, bei dem ein Saphirsubstrat als Substrat verwendet wird, und das Element mit einem Versiegelungsmaterial mit einem Brechungsindex von 1,58 versiegelt ist.
In 16 zeigt die Kurve A das Verhältnis der Strahlungseffizienz nach außen von einem LED-Element (Standardelement) in rechteckiger Parallelepipedform unter Verwendung eines Saphirsubstrats, Kurve B0 zeigt das Effizienzverhältnis der Strahlung nach außen für ein LED-Element in rechteckiger Parallelepipedform unter Verwendung eines Substrats aus GaN, oder das einen Brechungsindex aufweist, welcher derselbe wie der von GaN ist, und die Kurve B1 zeigt das Effizienzverhältnis der Strahlung nach außen für ein LED-Element in rechteckiger Parallelepipedform unter Verwendung eines Substrats aus GaN, oder das einen Brechungsindex aufweist, welcher derselbe wie der von GaN ist, und auf dem eine Oberflächenverarbeitung ausgeführt wurde. Die Abmessungen aller rechteckiger Parallelepipedformen sind W = 300 μm, die Dicke der Halbleiterschicht ist t = 6 μm, und die Dicke des Substrats beträgt 84 μm (eine Dicke von 72% von 116 μm). Dies ist ein Fall, bei dem die verarbeitete Form auf der Oberfläche ein Prisma mit einem Neigungswinkel von 45° (mit Grundseiten von 2 μm) ist. Dabei verändern sich die charakteristischen Kurven nicht stark, und bleiben ungefähr gleich, selbst wenn der Neigungswinkel innerhalb eines Bereichs von +/–15° geändert wird. Der Grund hierfür ist, dass es leichter wird, dass Licht von dem Lichtemissionselement zum Versiegelungsmaterial abgestrahlt wird, während es ebenfalls leichter wird, dass Licht in die benachbarte Oberfläche in verarbeiteter Form wieder eindringt, wenn der Neigungswinkel ansteigt.
Falls der Brechungsindex des Versiegelungsmaterials nicht kleiner als 1,6 ist, kann ein starker Anstieg bei der Effizienz von nicht weniger als 80% in Relation zum Referenzwert erhalten werden. Für den Brechungsindex des Versiegelungsmaterials ist es wünschenswerter, nicht kleiner als 1,7 und nicht größer als 2,1 zu sein. Wenn der Brechungsindex nicht weniger als 1,7 beträgt, kann die Strahlungseffizienz des LED-Elementes nach außen zu dem Versiegelungsmaterial ungefähr auf idealem Niveau gebracht werden. Wenn andererseits der Brechungsindex des Versiegelungsmaterials zu hoch ist, verursacht dies eine Reduktion bei der Strahlungseffizienz vom Versiegelungsmaterial nach Luft. Eine Beschränkung in der Form, bei der eine Totalreflexion nicht auftritt, wird sozusagen zu groß, und die Reflexion von der Grenzfläche wird groß, wenn Licht senkrecht auf die Grenzfläche einfällt. Daher ist es für das Verhältnis des Brechungsindexes des Versiegelungsmaterials zu dem Brechungsindex der Lichtemissionsschicht der LED wünschenswert, in einem Bereich von 0,68 bis 0,86 zu liegen.
Obwohl dabei gemäß dem elften Ausführungsbeispiel eine Konfiguration beschrieben ist, bei der eine GaN-basierte Halbleiterschicht 100 auf einem GaN-Substrat 130 bereitgestellt ist, kann ein LED-Element 2 bereitgestellt werden, wenn beispielsweise eine GaN-basierte Halbleiterschicht 100 auf einem SiC-Substrat bereitgestellt ist. Zudem kann ein Saphirsubstrat mittels eines Laserabhebungsvorgangs entfernt werden, nachdem eine GaN-basierte Halbleiterschicht 100 auf dem Saphirsubstrat aufgewachsen wurde, und das GaN-Substrat 130 kann zum Anhaften an der Halbleiterschicht als der Schicht aus einem Material mit einem hohen Brechungsindex gebracht werden.
Dabei gibt es keine Beschränkungen für das epitaktische Wachstum in der Schicht aus einem Material mit einem hohen Brechungsindex, die Gitterkonstante muss nicht dieselbe wie die der epitaktisch gewachsenen Schicht sein, und es ist außerdem nicht nötig, dass die Epitaxieschicht aus einem Einkristall ist. Es genügt für die epitaktisch gewachsene Schicht, nur Lichtübertragungseigenschaften für ein optisches Element, einen befriedigenden Brechungsindex und einen Wärmesausdehnungskoeffizienten zur Ausbildung einer Verbindung aufzuweisen. Daher kann die epitaktisch gewachsene Schicht zusätzlich zu Galliumnitrid aus TiO₂, Ga₂O₃, ZnO oder dergleichen oder ein polykristalliner Körper aus einem beliebigen dieser Materialien sein.
(Zwölftes Ausführungsbeispiel)
(Konfiguration des LED-Elementes 2)
14 zeigt eine vertikale Schnittansicht eines LED-Elementes in Chipwendebauart gemäß dem 12 Ausführungsbeispiel.
Dieses LED-Element 2 in Chipwendebauart wird erhalten, indem Schnittabschnitte 130A mit einem Neigungswinkel von 45° in den Ecken des GaN-Substrats 130 (in einer Form, bei der die Oberflächen C in den Ecken des Substrats abgerundet sind) des LED-Elementes 2 gemäß dem elften Ausführungsbeispiel bereitgestellt werden.
(Wirkungen des zwölften Ausführungsbeispiels)
Gemäß dem zwölften Ausführungsbeispiel kann eine Strahlungseffizienz nach außen erhalten werden, welche dieselbe wie die Kurve B1 aus 16 ist, die eine bevorzugte Wirkung des elften Ausführungsbeispiels zeigt, und Licht, das sich lateral durch das LED-Element 2 ausbreitet, kann mit hoher Effizienz in ein Medium mit einem geringen Brechungsindex herausgeführt werden. Zudem kann eine Form des Elementes bereitgestellt werden, wo das von der GaN-basierten Halbleiterschicht 100 in das GaN-Substrat 130 abgestrahlte Licht vollständig nicht an der Grenzfläche zwischen dem GaN-Substrat 130 und dem Glasversiegelungsteil 4 der Totalreflexion unterliegt, selbst wenn die Dicke des GaN-Substrats 130 nicht größer als 116 μm ist. Ferner kann eine Verarbeitung bei der Oberflächenform einfach ausgestaltet werden.
Es wird möglich, ein Verhältnis der Strahlungseffizienz nach außen von 200% zu erzielen, indem eine derartige Verarbeitung bei der Oberflächenform ausgeführt wird, selbst wenn das Element mit einem Versiegelungsmaterial mit beispielsweise einem Brechungsindex von n = 1,7 versiegelt ist. Ein Material mit einem hohen Brechungsindex von n = 1,9 oder höher weist derartige Eigenschaften auf, dass die Absorptionsverluste in dem Bereich von kurzen Wellenlängen dazu neigen, anzusteigen, wohingegen ein Anstieg bei der Strahlungseffizienz nach außen mit einem Versiegelungsmaterial mit einem Brechungsindex von ungefähr n = 1,7 erzielt werden kann, und daher die Anwendung der Erfindung auf LED-Elemente leicht wird, die ultraviolettes Licht mit einer Wellelänge in der Nähe von 370 nm emittieren, zusätzlich zu blauem Licht, blaugrünem Licht und dergleichen.
(Dreizehntes Ausführungsbeispiel)
Die 15A und 15B zeigen eine LED-Lampe gemäß einem dreizehnten Ausführungsbeispiel; 15A zeigt eine vertikale Schnittansicht der LED-Lampe, und 15B zeigt eine vertikale Schnittansicht des LED-Elementes, das auf der LED-Lampe angebracht ist.
Diese LED-Lampe 70 wird erhalten, indem eine Lichtemissionsvorrichtung 1 angebracht wird, bei der ein in 15 gezeigtes LED-Element 2 mit einem Glasversiegelungsteil 4 auf Zuleitungsteilen 9 versiegelt ist, und zudem diese Elemente in einem Überguss aus einem lichtübertragenden Harz integriert sind. Der Überguss 51 weist eine Oberfläche in optischer Form 51A mit halbkugelförmiger Form auf, so dass Licht mit hoher Effizienz aus der Lichtemissionsvorrichtung 1 nach außen angestrahlt werden kann.
Bei dem LED-Element 2 sind Vertiefungen 113A in Grabenform mit einer vorbestimmten Breite und Tiefe in Gitterform auf der Oberfläche der n-GaN-Schicht 113 ausgerichtet, aus der Licht herausgeführt wird, und eine Schicht aus einem Material mit einem Brechungsindex 119 aus Ta₂O₅ ist auf dieser Oberfläche bereitgestellt. Ein rauer Oberflächenabschnitt 119A ist auf der Oberfläche der Schicht aus einem Material mit hohem Brechungsindex 119 mittels eines Elektronenstrahlgasphasenabscheidungsverfahrens ausgebildet.
(Wirkungen des dreizehnten Ausführungsbeispiels)
Gemäß dem dreizehnten Ausführungsbeispiel sind Vertiefungen 13A in Grabenform in Gitterform ausgerichtet, und ein LED-Element 2 mit einer Schicht aus einem Material mit einem hohen Brechungsindex 119 ist auf deren Oberfläche bereitgestellt, und dadurch wird die Fläche des LED-Elementes 2 ausgedehnt, aus der Licht herausgeführt wird, und die Oberfläche, aus der Licht herausgeführt wird, beinhaltet horizontale Oberflächen und vertikale Oberflächen, und dadurch wird die Effizienz zum Herausführen von Licht verbessert. Zudem wird eine Schicht aus einem Material mit einem hohen Brechungsindex 119 mit einem rauen Oberflächenabschnitt 119A auf der Oberfläche der n-GaN-Schicht 113 bereitgestellt, und daher kann innerhalb der n-GaN-Schicht 113 eingesperrtes und sich darin ausbreitendes Licht von einer Vertiefung 113A in Grabenform nach außen abgestrahlt werden, bevor es eine Seite erreicht, und der kritische Winkel kann dabei durch die Schicht aus einem Material mit einem hohen Brechungsindex 119 verbreitert werden. Daher kann eine Lichtemissionsvorrichtung 1 mit großer Helligkeit erhalten werden.
Zudem ist die Lichtemissionsvorrichtung 1 durch Versiegeln des LED-Elementes 2 in Glas ausgebildet, und weist daher eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit auf, so dass die Versiegelungsverarbeitung mittels eines Injektionsvergießens möglich wird, und der Überguss 51 um die Lichtemissionsvorrichtung 1 leicht ausgebildet werden kann, und somit die Produktivität der LED-Lampe 70 ausgezeichnet ist.
Obwohl die Erfindung vorstehend bezüglich spezifischer Ausführungsbeispiele für eine vollständige und klare Offenbarung beschrieben ist, sind die beigefügten Patentansprüche nicht derart beschränkt, sondern sind so zu verstehen, dass sie alle Abwandlungen und alternativen Konstruktionen erfassen, die einem Fachmann innerhalb der vorgestellten Grundlehre ersichtlich sind.
So umfasst gemäß vorstehender Beschreibung eine Lichtemissionsvorrichtung eine vorbestimmte optische Form, die auf einer Oberfläche eines auf einer Basis angebrachten LED-Elementes bereitgestellt ist, wobei die vorbestimmte optische Form ausgebildet ist, um einen Anstieg bei der Effizienz zum Herausführen von Licht aus dem Inneren des LED-Elementes zu erlauben; sowie ein Versiegelungsmaterial, das die vorbestimmte optische Form versiegelt. Das Versiegelungsmaterial weist einen Brechungsindex von 1,6 oder mehr auf, die vorbestimmte optische Form ist in eine Oberfläche eines Substrats des LED-Elementes ausgebildet, und das Substrat weist einen Brechungsindex nahezu gleich dem der Lichtemissionsschicht des LED-Elementes auf.

Claims

Lichtemissionsvorrichtung mit: einer vorbestimmten optischen Form, die auf einer Oberfläche eines auf einer Basis angebrachten LED-Elementes bereitgestellt ist, wobei die vorbestimmte optische Form ausgebildet ist, um einen Anstieg bei der Effizienz zum Herausführen von Licht aus dem Inneren des LED-Elementes zu erlauben; und einem Versiegelungsmaterial, das die vorbestimmte optische Form versiegelt, wobei das Versiegelungsmaterial einen Brechungsindex von 1,6 oder mehr aufweist, die vorbestimmte optische Form in einer Oberfläche eines Substrats des LED-Elementes ausgebildet ist, und das Substrat einen Brechungsindex nahezu gleich dem einer Lichtemissionsschicht des LED-Elementes aufweist.
Lichtemissionsvorrichtung, mit: einer vorbestimmten optischen Form, die auf einer Oberfläche eines auf einer Basis angebrachten LED-Elementes bereitgestellt ist, wobei die vorbestimmte optische Form ausgebildet ist, um einen Anstieg bei der Effizienz zum Herausführen von Licht aus dem Inneren des LED-Elementes zu erlauben; und einem Versiegelungsmaterial, das die vorbestimmte optische Form versiegelt, wobei das Versiegelungsmaterial einen Brechungsindex von 1,6 oder mehr aufweist, die vorbestimmte optische Form in einer Oberfläche einer Halbleiterschicht ausgebildet ist, die durch Abschälen eines Substrats des LED-Elementes freigelegt ist.
Lichtemissionsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei: die vorbestimmte optische Form aus einer Lichtübertragungsmaterialschicht mit einem Brechungsindex ausgebildet ist, der nicht kleiner als der Durchschnitt von dem aus der Lichtemissionsschicht und dem Versiegelungsmaterial des LED-Elementes ist.
Lichtemissionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei: die vorbestimmte optische Form in einer Lichtübertragungsmaterialschicht ausgebildet ist, die an einer Halbleiterschicht bereitgestellt ist, die durch Abschälen des Substrats des LED-Elementes freigelegt ist, und die denselben Brechungsindex wie den der Lichtemissionsschicht des LED-Elementes aufweist.
Lichtemissionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: die vorbestimmte optische Form eine unebene Oberfläche mit einem Abschnitt in Stufenform aufweist, bei dem der Neigungswinkel nicht mehr als sin^–1(n2/n1) in Relation zu der Normalenrichtung der Lichtemissionsschicht ist, wobei n1 den Brechungsindex der Lichtemissionsschicht des LED- Elementes und n2 den Brechungsindex des Versiegelungsmaterials bezeichnen.
Lichtemissionsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei: die vorbestimmte optische Form eine unebene Oberfläche mit einer annähernd senkrechten Stufenform ist.
Lichtemissionsvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei: die unebene Oberfläche eine Form ist, bei der ein Graben um einen unebenen Abschnitt ausgebildet ist.
Lichtemissionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei: der Abschnitt in Stufenform eine Form aufweist, bei der zueinander benachbarte Seiten in verschiedenen Winkeln zueinander in Kontakt stehen.
Lichtemissionsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei: der Abschnitt in Stufenform in Diamantform ausgebildet ist.
Lichtemissionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei: die vorbestimmte optische Form durch Kombinieren von unebenen Formen ausgebildet ist, die verschiedene Formen und verschiedene Tiefen aufweisen.
Lichtemissionsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei: bei der vorbestimmten optischen Form die Lichtübertragungsmaterialschicht so ausgebildet ist, dass sie eine Dicke t aufweist, so dass t ≥ W/(2tan(sin^–1(n1/n2))) gilt, wobei W die Breite des Elementes bezeichnet.
Lichtemissionsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei: die Lichtübertragungsmaterialschicht einen Schnittabschnitt aufweist, bei dem eine Ecke abgeschnitten wurde, so dass eine geneigte Oberfläche bereitgestellt ist.
Lichtemissionsvorrichtung nach Anspruch 3, 11 oder 12, wobei: der Brechungsindex des Versiegelungsmaterials im Bereich von 0,68 bis 0,85 relativ zu dem Brechungsindex der Lichtemissionsschicht liegt.
Lichtemissionsvorrichtung nach Anspruch 1, 11 oder 12, wobei: eine Anzahl von konischen Oberflächen in der vorbestimmten optischen Form ausgebildet ist.
Lichtemissionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die äußere Form des Versiegelungsmaterials in einer optischen Oberflächenform ausgebildet ist, bei der von dem LED-Element emittiertes Licht in einem von dem kritischen Winkel verschiedenen Winkel eindringt, der durch das Verhältnis der Brechungsindices in Relation zu dem Versiegelungsmaterial definiert ist.
Lichtemissionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das Versiegelungsmaterial ein Lichtübertragungsmaterial ist, dessen Brechungsindex n1·sin45° < n2 erfüllt, wobei n1 den Brechungsindex der Lichtemissionsschicht des LED-Elementes und n2 den Brechungsindex des Versiegelungsmaterials bezeichnen.
Lichtemissionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das Lichtemissionselement auf der Basis gewendet angebracht ist.
Lichtemissionsvorrichtung nach Anspruch 16, wobei das Versiegelungsmaterial ein anorganisches Material mit Lichtübertragungseigenschaften ist.
Lichtemissionsvorrichtung nach Anspruch 18, wobei das anorganische Versiegelungsmaterial Glas ist.
Lichtemissionsvorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, wobei die Basis ein Substrat aus anorganischem Material mit demselben Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das Versiegelungsmaterial ist, wobei ein leitendes Muster für die Zufuhr von Energie an das Lichtemissionselement ausgebildet ist.
Lichtemissionsvorrichtung nach Anspruch 20, wobei das leitende Muster ein Muster auf der Seite, auf der das Lichtemissionselement angebracht ist, ein Muster auf dessen Rückseite, sowie ein Muster zum elektrischen Verbinden der beiden Seiten aufweist.
Lichtemissionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei das LED-Element aus einem GaN-basierten Halbleiter ausgebildet ist.
Lichtemissionsvorrichtung nach Anspruch 22, wobei das Versiegelungsmaterial einen Brechungsindex von nicht weniger als 1,7 aufweist.
Lichtemissionselement mit: einer Halbleiterschicht, die eine Lichtemissionsschicht, eine vorbestimmte optische Form, die auf einer Oberfläche der Halbleiterschicht bereitgestellt ist, wobei die vorbestimmte optische Form ausgebildet ist, um einen Anstieg bei der Effizienz zum Herausführen von Licht aus dem Inneren des LED-Elementes zu erlauben, und ein Elektrodenteil umfasst, das auf der anderen Oberfläche der Halbleiterschicht bereitgestellt ist, wobei die vorbestimmte optische Form eine unebene Oberfläche mit einer Stufenform ist, deren Neigungswinkel nicht größer als sin^–1(n2/n1) in Relation zu der Normalenrichtung der Lichtemissionsschicht ist, wobei n1 den Brechungsindex der Lichtemissionsschicht eines LED-Elementes und n2 den Brechungsindex des Versiegelungsmaterials bezeichnen.
Lichtemissionselement nach Anspruch 24, wobei die vorbestimmte optische Form in einer Oberfläche eines Substrats des LED-Elementes ausgebildet ist, und das Substrat einen Brechungsindex nahezu gleich dem der Lichtemissionsschicht des LED-Elementes aufweist.
Lichtemissionselement nach Anspruch 24, wobei die vorbestimmte optische Form in einer Oberfläche einer Halbleiterschicht ausgebildet ist, die durch Abschälen eines Substrats des LED-Elements freigelegt ist.
Lichtemissionselement nach einem der Ansprüche 24 bis 26, wobei die vorbestimmte optische Form eine unebene Oberfläche mit einer annähernd vertikalen Stufenform ist.
Lichtemissionselement nach einem der Ansprüche 24 bis 27, wobei die Stufenform eine Form ist, bei der zueinander benachbarte Seiten miteinander in verschiedenen Winkeln in Kontakt stehen.
Lichtemissionselement nach Anspruch 28, wobei die Stufenform eine Diamantform ist.
Lichtemissionselement nach einem der Ansprüche 24 bis 29, wobei die vorbestimmte optische Form durch Kombinieren von unebenen Formen mit verschiedenen Formen und verschiedenen Tiefen ausgebildet ist.
Lichtemissionselement nach einem der Ansprüche 24 bis 30, wobei das LED-Element aus einem GaN-basierten Halbleiter ausgebildet ist.
Lichtemissionselement nach Anspruch 31, wobei das Versiegelungsmaterial eine Brechungsindex von nicht weniger als 1,7 aufweist.
Lichtemissionselement mit: einer Halbleiterschicht, die eine Lichtemissionsschicht, eine vorbestimmte optische Form, die auf einer Oberfläche der Halbleiterschicht bereitgestellt ist, wobei die vorbestimmte optische Form ausgebildet ist, um einen Anstieg bei der Effizienz zum Herausführen von Licht aus dem Inneren des LED-Elementes zu erlauben, und ein Elektrodenteil umfasst, das auf der anderen Oberfläche der Halbleiterschicht bereitgestellt ist; und einer Lichtübertragungsmaterialschicht, die auf einer Oberfläche einer Halbleiterschicht bereitgestellt ist, wobei die vorbestimmte optische Form in einer Oberfläche der Lichtübertragungsmaterialschicht ausgebildet ist.
Lichtemissionselement nach Anspruch 33, wobei die Lichtübertragungsmaterialschicht eine Dünnschicht mit einer aufgerauten Oberfläche ist.
Lichtemissionselement nach Anspruch 33, wobei die Lichtübertragungsmaterialschicht aus Galliumnitrid ist.