JP2006287113A - 発光素子およびこれを用いた発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＧａＮから放射された光の再入射を生じることなく、更なる光取り出し効率の向上を図ることのできる発光素子およびこれを用いた発光装置を提供する。
【解決手段】 ＬＥＤ素子２のサファイア基板２０に、４面の第１傾斜部２０１からなる四角錘状凹部である複数の錘状部２００Ａを格子状に配列して錘状加工部２００を形成したので、ｎ−ＧａＮ層２１を介して入射する青色光がＧａＮとサファイアとの臨界角に基づいて全反射されることを低減できる。また、ＧａＮとサファイアとの界面で全反射された青色光についても反射方向にある他の第１傾斜部２０１の臨界角範囲に入射すればサファイア基板２０に入射することができるので、光取り出し効率を向上させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体材料からなる発光素子およびこれを用いた発光装置、発光素子形成用基板に関し、特に、ＧａＮから放射された光の再入射を生じることなく更なる光取り出し効率の向上を図ることのできる発光素子およびこれを用いた発光装置に関する。

従来、青色や短波長領域の発光素子材料としてＧａＮ系半導体を用いたものが知られている。ＧａＮは融点が極めて高く、また、窒素の平衡蒸気圧が極めて高いことにより、高品質、大面積でバルク状の単結晶基板を製造することが難しいことから、例えば、下地基板としてのサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板上に結晶成長させる方法が取られている。

Ａｌ_２Ｏ_３基板上にＧａＮ系半導体層を形成すると、ＧａＮの屈折率（ｎ＝２．４）に対してＡｌ_２Ｏ_３の屈折率（ｎ＝１．７）が小であるため、ＧａＮ層からＡｌ_２Ｏ_３に入射する光の入射角によっては屈折率差による全反射が生じて光取り出し効率が低下する。実際にはＧａＮ層で発する光のうち、約３０％の立体角に相当する方向の光しか外部放射させることができない。

このような屈折率差による光取り出し効率の低下を解消するものとして、半導体層が積層される側の基板の表面に側面が傾斜した凹凸を設けた発光装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に記載される発光装置は、基板表面にストライプ状にＶ字型溝を形成させたもの、六角錘型で断面が台形状のピットを形成させたもの、あるいは三角形状の突起をストライプ状に形成することで、ＧａＮとＡｌ_２Ｏ_３基板の界面に入射する光の入射角が全反射角を超えないものとしており、特に、凹凸の傾斜側面の角度範囲を３０°＜θ＜６０°の範囲とすることで十分な光取り出し効率向上の効果が得られるとしている。

また、窒化物半導体をエピタキシャル成長させる主面にストライプ型の溝を６０°から９０°の角度で設けたサファイア基板が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特許文献２に記載されるサファイア基板によれば、主面に窒化物半導体をエピタキシャル成長させると、窒化物半導体の縦方向の成長と横方向の成長が合体して平坦な表面を有する窒化物半導体膜が形成される。これによりサファイア基板本体の主面での転位密度が、１０^６ｃｍ^−２に低減され、発光効率の高い発光素子を形成できるとしている。
特開２００４−２００５２３号公報（〔００１５〕、図３） 特開２００３−２８２５５１号公報（〔００１９〕）

しかし、特許文献１および２に記載された発光装置によると、溝に対して平行に発せられる光は溝の側面に入射しないことになる。そのため、サファイア基板とＧａＮとの界面で反射される光が多くなる。このようにストライプの溝の角度制御だけではＧａＮから十分に光を取り出すことができない。また、ピットを設ける場合についても、ピット形状によっては一度ＧａＮから放射された光が隣接するピットに再入射してしまうといった問題がある。

従って、本発明の目的は、ＧａＮから放射された光の再入射を生じることなく、更なる光取り出し効率の向上を図ることのできる発光素子およびこれを用いた発光装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、実装面の反対側に略錘面状の光取り出し面を有し、発光層を含む半導体層を有する発光素子において、前記略錘面状の光取り出し面は、前記発光層を含む半導体層と、前記発光層を含む半導体層より屈折率の低い媒質との界面で形成され、前記錘面の傾斜角は、前記発光層を含む半導体層から前記屈折率の低い媒質への臨界角より大なる角度であることを特徴とする発光素子を提供する。

また、本発明は、上記目的を達成するため、実装面の反対側に略錘面状の光取り出し面を有し、発光層を含む半導体層を有する発光素子と、前記発光素子を搭載する基板と、前記発光素子とともに前記基板を封止する封止部とを有する発光装置において、前記発光素子は、前記発光層を含む半導体層と、前記発光層を含む半導体層より屈折率の低い媒質との界面に形成される前記略錘面状の光取り出し面を有し、前記錘面の傾斜角は、前記発光層を含む半導体層から前記屈折率の低い媒質への臨界角より大なる角度であることを特徴とする発光装置を提供する。

本発明によると、半導体層の実装面と反対側に錘面状の光取り出し面を設け、錘面の傾斜角を発光層を含む半導体層から屈折率の低い媒質への臨界角より大なる角度で設けることにより、どの方向に光が発せられたとしても素子外部に効率的に外部放射させることができるとともに、一度外部放射された光がＧａＮに再入射することを防ぐことができる。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るＬＥＤ（Light Emitting Diode）を示し、（ａ）はＬＥＤの縦断面図、（ｂ）はＬＥＤの光源であるＬＥＤ素子の拡大した側面図である。

（ＬＥＤ１の構成）
このＬＥＤ１は、図１（ａ）に示すように基板側を光取り出し面とするフリップチップ型のＬＥＤ素子２と、ＬＥＤ素子２を素子搭載面に搭載する素子搭載基板であるＡｌ_２Ｏ_３基板３と、Ａｌ_２Ｏ_３基板３の表面である素子搭載面および裏面である外部実装面に所定のパターンで設けられる回路パターン４と、ＬＥＤ素子２の第１および第２の電極とＡｌ_２Ｏ_３基板３の回路パターン４とを電気的に接合するＡｕからなるパッド電極５と、ＬＥＤ素子２およびＡｌ_２Ｏ_３基板３とを一体的に封止する低融点ガラスからなるガラス封止部６とを有する。

（ＬＥＤ素子２の構成）
ＬＥＤ素子２は、図１（ｂ）に示すように、下地基板であるサファイア基板２０上にＳｉドープのｎ−ＧａＮ層２１と、発光層２２と、Ｍｇドープのｐ−ＧａＮ層２３とを順次結晶成長させることによって形成されたＧａＮ系半導体層を有し、ｐ−ＧａＮ層２３の表面にはロジウム（Ｒｈ）からなるｐ側コンタクト電極２４が設けられている。このｐ側コンタクト電極２４は、パッド電極５を介して図１（ａ）に示すように素子搭載側の回路パターン４上にフリップ実装される。また、ｐ−ＧａＮ層２３からエッチングを施すことにより露出させたｎ−ＧａＮ層２１には、Ａｌからなるｎ側電極２５が設けられており、ｎ側電極２５についてもパッド電極５を介して回路パターン４に電気的に接続される。

サファイア基板２０は、ｎ−ＧａＮ層２１との界面に四角錘状の突起を整列させてなる錘状加工部２００を有したサファイア加工基板である。

図２は、第１の実施の形態にかかるＬＥＤ素子を部分的に示す部分断面図である。図３は、ＬＥＤ素子の各部について部分的に示し、（ａ）はサファイア基板錘状加工部を含むＬＥＤ素子の部分断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ部における断面図、（ｃ）は光取り出し面側から見た錘状突起の平面図、（ｄ）は錘状突起の斜視図である。

錘状加工部２００は、図３（ａ）に示すように、サファイア基板２０上にエッチング加工に基づいて４面の第１傾斜部２０１からなる四角錘状凹部である錘状部２００Ａを格子状に複数設けることによって形成されており、錘状加工部２００の表面に図示しないＧａＮバッファ層を設けてＧａＮの結晶成長を行うことでｎ−ＧａＮ層２１と、発光層２２と、ｐ−ＧａＮ層２３とが順次形成される。基板面に対する錘状加工部２００の傾斜角はＧａＮからサファイアへの光入射における臨界角（４５°）より大なる７０°とし、深さ１μｍ、幅０．７２μｍで形成されて１μｍ間隔で配置されている。

ｎ−ＧａＮ層２１は、加工されたサファイア基板２０上にエピタキシャル成長されるため、上記した錘状加工部２００の形状に基づいて図３（ｃ）に示すように錘状突起２１０Ａが形成される。この錘状突起２１０Ａは、図３（ａ）に示す第１傾斜部２０１の形状に応じた第１傾斜面２１１を４面に有して図３（ｄ）に示すように四角錐状に形成されており、サファイア基板２０との界面に格子状に複数設けられる。

Ａｌ_２Ｏ_３基板３は、表面から裏面に貫通状に設けられるビアホール３Ａを有し、ビアホール３Ａには素子搭載面の回路パターン４と外部実装面の回路パターン４とを電気的に接続するビアパターン４Ａが設けられている。

回路パターン４は、タングステン（Ｗ）−ニッケル（Ｎｉ）−金（Ａｕ）によって所定の配線パターンを有するように形成されている。また、ビアパターン４Ａについても回路パターン４と同様に形成されている。

ガラス封止部６は、Ｂ_２Ｏ_３−Ｆ系の低融点ガラス（熱膨張率：６．９×１０^−６／℃、屈折率：ｎ＝１．７５）からなり、板状のＢ_２Ｏ_３−Ｆ系ガラスをホットプレス加工することによって凸半球状の光学形状面６Ａを形成されるとともにＡｌ_２Ｏ_３基板３の表面に接着される。

（ＬＥＤ１の動作）
上記したＬＥＤ１を図示しない外部実装基板に実装して通電すると、ｐ側コンタクト電極２４及びｎ側電極２５に順方向の電圧が印加され、そのことにより発光層２２においてホールとエレクトロンのキャリア再結合が発生して発光中心波長４８０ｎｍの青色光を発する。この青色光は、ｎ−ＧａＮ層２１とサファイア基板２０との界面に設けられる錘状突起２１０Ａに入射する。

ここで、錘状突起２１０Ａへの入射光が、ＧａＮとサファイアの臨界角の範囲にあるときは第１傾斜面２１１を透過してサファイア基板２０に入射し、サファイア基板２０から屈折率が略同等のガラス封止部６を透過して表面の光学形状面６Ａから光学形状に応じた所定の方向に外部放射される。

また、錘状突起２１０Ａへの入射光が、ＧａＮとサファイアの臨界角の範囲外であるときは第１傾斜面２１１で全反射されるが、四角錘を構成する他の第１傾斜面２１１に入射したときにＧａＮとサファイアの臨界角の範囲にあるときは、第１傾斜面２１１を透過してサファイア基板２０に入射することができる。このことによりＧａＮからサファイアへ青色光が入射できる確率が大になり、光取り出し効率の向上を図れる。

（第１の実施の形態の効果）
上記した第１の実施の形態によると、ＬＥＤ素子２のサファイア基板２０に、４面の第１傾斜部２０１からなる四角錘状の複数の錘状部２００Ａを格子状に配列して錘状加工部２００を形成したので、ｎ−ＧａＮ層２１を介して入射する青色光がＧａＮとサファイアとの臨界角に基づいて全反射されることを低減できる。また、ＧａＮとサファイアとの界面で全反射された青色光についても反射方向にある他の第１傾斜部２０１の臨界角範囲に入射すればサファイア基板２０に入射することができるので、光取り出し効率を向上させることができる。

（第１の実施の形態の変形例）
図４は、サファイア基板に形成された錘状加工部の他の構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ部における断面図である。

この錘状加工部２００は、図４（ａ）に示すように、４面の第１傾斜部２０１からなる四角錘状凹部である錘状部２００Ａが、隣接する錘状部２００Ａに対して平坦部２００Ｃを介して配置された構成を有する点で図３（ａ）で説明した錘状加工部２００と相違している。

上記した錘状加工部２００によると、発光層面積に対し、錘状突起形成面積が５０％余となるが、サファイア基板２０に平坦面を残すことで、エピタキシャル成長の結晶性を保つことが容易となる。但し、平坦面割合が大きいと、光取り出し効果が低下するので、錘状突起の形成面積は４０％以上とすることが望ましい。

（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態に係るＬＥＤ素子を部分的に示す断面図であり、（ａ）は錘状加工部を含むＬＥＤ素子の部分断面図、（ｂ）は錘状加工部にＧａＮ層側から入射する光の光路を示す説明図である。図６は、ＬＥＤ素子の各部について部分的に示し、（ａ）はサファイア基板の錘状加工部を含むＬＥＤ素子の部分断面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ部における断面図、（ｃ）は光取り出し面側から見た錘状突起の平面図、（ｄ）は錘状突起の斜視図である。なお、以下の説明では、第１の実施の形態と同一の構成および機能を有する部分に同一の引用数字を付して説明している。

第２の実施の形態では、サファイア基板２０上にエッチング加工によって３面の第１傾斜部２０１からなる三角錘状凹部である錘状部２００Ａを複数設けることによって形成されており、錘状部２００Ａは底部に平坦部２１０Ｃを介して設けられている点と三角錐状である点とで第１の実施の形態と相違している。

ｎ−ＧａＮ層２１は、上記した錘状加工部２００の形状に基づいて図６（ｃ）に示すように錘状突起２１０Ａが形成される。この錘状突起２１０Ａは、図６（ａ）に示す第１傾斜部２０１の形状に応じた第１傾斜面２１１を３面に有して図６（ｄ）に示すように三角錐状に形成されており、その底部に平坦面２１０Ｃを有し、錘状突起２１０Ａが異なる向きで交互に配列された状態でサファイア基板２０との界面に複数設けられる。

ＧａＮ層側から錘状加工部２００に入射する光は、図５（ｂ）に示すようになる。平坦部２１０Ｃに対して法線方向に入射する光ａについては全反射、屈折を生じることなくサファイア基板２０に入射する。また、平坦部２１０Ｃの臨界角内に入射する光ｂについては、サファイア基板２０との界面で屈折して入射する。また、第１傾斜部２０１の臨界角より大なる角度で入射した光ｃは、第１傾斜部２０１で全反射して平坦部２１０Ｃに至り、平坦部２１０Ｃからサファイア基板２０に入射する。また、第１傾斜部２０１の臨界角内に入射した光ｄは、第１傾斜部２０１で屈折してサファイア基板２０に入射する。また、光ｅおよびｆに示すように、錘状部２００Ａへは、ＧａＮからサファイアへの光入射における臨界角である４５°より入射角の大なる光について入射が可能である。また、錘状部２００Ａが三角錐状であることより、光ｇに示すように隣接する錘状部２００Ａに入射したとしても、閉込モードの光とはならずにサファイア基板２０に入射する。

（第２の実施の形態の効果）
上記した第２の実施の形態によると、ＬＥＤ素子２のサファイア基板２０に、３面の第１傾斜部２０１からなる三角錘状の複数の錘状部２００Ａを交互に配列して錘状加工部２００を形成したので、第１の実施の形態の好ましい効果に加えて、平坦部２１０Ｃを設けたことにより、エピタキシャル成長の結晶性を保つことが容易となる。そしてなおかつ、発光層から直接平坦部２１０Ｃに至る光は、すべてＧａＮからサファイア基板２０への臨界角以内で入射する光なので、平坦部を設けたことによる錘状突起形成効果は減じない。このため、結晶性を良好に保ちつつ全面に錘状突起形成した光取り出し効果効果を得ることができる。また、７０°の角度を有して配置される第１傾斜部２０１による光取り出し形状が構成される。このため、ＧａＮ内で閉込モードとなる光を低減でき、光取り出し効率を向上させることができる。

なお、必ずしも発光層からの１次光が平坦部２１０Ｃへ臨界角以上の入射光が全くない形状にしなくても、平坦部２１０Ｃがやや広い場合でも、同等の効果を得ることができる。また、傾斜面がＧａＮからサファイア基板２０への臨界角以上の角度であれば、効果を得ることができる。錘状突起形状は、三角錐に限らず、四角錘や円錐であっても構わない。

図７は、サファイア基板に錘状突起を設けることによる光学特性の変化を示す図であり、（ａ）は加工形状を示す概略図、（ｂ）はＧａＮ層表面の加工面積に対する光出力比の変化を示す特性図、（ｃ）は結晶成長面Ｗと加工深さＨの関係に基づく外部放射効率を示す特性図である。

ここでは、ＧａＮ層表面に（ａ）に示すような錘状突起を設けることで、外部放射効率に対してどのような影響があるかを分析した。この検討に用いたＬＥＤ素子のサイズは３００μｍ角で、発光層は２９０μｍ角のサイズを有し、その厚さは０．９μｍである。また、錘状突起が表面に施されるＧａＮ層の厚さは６μｍである。錘状突起加工の条件は、錘状突起加工面の法線に対して有する傾斜角θ＝２０°、結晶成長面をＷ、加工深さをＨとしている。また、分析にあたってはサファイア同等の屈折率（ｎ＝１．７７）を有する封止媒体で覆われたＧａＮ層を形成して行った。

図７（ｂ）は、ＧａＮ層の表面における錘状突起の割合を変化させたときの光出力比の変化を示す。２本のグラフは□が四角錐の錘状突起を設けたもの、△が三角錐の錘状突起を設けたものについてである。

同図において、横軸の加工面積が０％の状態は、錘状突起が設けられていない状態であり、加工面積が１００％の状態は、全面に錘状突起が設けられた状態である。図７（ｂ）に示すように、加工面積が大、つまり、光取り出し面としてのＧａＮ層表面に占める錘状突起の形成量が大になるほど光出力比は大になり、四角錐をＧａＮ層表面の全面に設けたものでは、錘状突起を設けないものと比較して１．６倍の光出力比が得られることを確認している。特に、加工面積が０から４０％にかけては四角錘の形成量に応じた光出力比の向上を確認している。また、加工面積が５５％以上では、光出力比が緩やかに上昇する傾向を示すが、これは、隣接する錘状突起の距離が近接することにより、一旦ＧａＮ層から外部放射された光が隣接する錘状突起に再入射し易くなることによる。

このことから、ＧａＮ層表面の加工面積が３５％から１００％となるように錘状突起を設けることで、光出力比を最大利得の５０％以上の特性とできる。あるいは結晶成長、加工性を加味すると４０％から８０％となるように錘状突起を設けることで十分な光出力比と安定した特性を得ることができる。また、錘状突起の形状については四角錐と三角錐とで光出力比の変化に大きな差は生じない。

図７（ｃ）は、四角錐をＧａＮ層表面に形成するにあたってＷ／Ｈを変化させたときの外部放射効率の変化を示し、錘状突起の平坦面に臨界角以上の光が入射することのないＷ／Ｈは０．６３６となり、このときの外部放射効率は約１６０％と最大になる。しかしながら、Ｗ／Ｈ＝１程度であっても外部放射効率の大きな変化はなく、Ｗ／Ｈ＝５でも約１４０％と外部放射効率の改善を確認している。

（第３の実施の形態）
図８は、本発明の第３の実施の形態に係るＬＥＤ素子を部分的に示す断面図であり、（ａ）は錘状加工部を含むＬＥＤ素子の部分断面図、（ｂ）は光取り出し面側から見た錘状突起の平面図、（ｃ）は錘状突起の斜視図である。

第３の実施の形態では、サファイア基板２０上に四角錘状の錘状部２００Ａを有する構成に加えて、四角錘状の錘状部２００Ａが異なる傾斜角を有した第１傾斜部２０１と第２傾斜部２０２を４面に配置して形成されている点で第１の実施の形態と相違している。第１傾斜部２０１は、基板面に対して７０°の傾斜角を有して形成されており、第２の傾斜部２０２は、基板面に対して４０°の傾斜角を有して形成されている。そのため、錘状部２００Ａは先端方向に向かって傾斜が急峻になる形状を有している。

ｎ−ＧａＮ層２１は、上記した錘状加工部２００の形状に基づいて錘状突起２１０Ａが形成される。この錘状突起２１０Ａは、図８（ｂ）に示す第１傾斜部２０１および第２傾斜部２０２の形状に応じた第１傾斜面２１１および第２傾斜面２１２を４面に有して図８（ｃ）に示すように傾斜の異なる２種の斜面からなる四角錐状に形成されており、錘状部２００Ａの形状とは逆に先端方向に向かって傾斜が急峻となる形状を有してサファイア基板２０との界面に格子状に複数設けられる。

（第３の実施の形態の効果）
上記した第３の実施の形態によると、ＬＥＤ素子２のサファイア基板２０に、傾斜の異なる２種の斜面からなる四角錐状の複数の錘状部２００Ａを格子状に配列して錘状加工部２００を形成したので、隣接する錘状部２００Ａにおける第１傾斜面２１１間の距離を大にでき、そのことによってＧａＮからなる錘状部２００Ａから一度放射された青色光が隣接する錘状部２００Ａに再入射することを防ぐことができる。また、先端部が急峻であることから、錘状部２０１に入射した光のうち、第１傾斜面２１１で全反射する光も、複数反射によって略全光量を外部放射できる。これらによって、光取り出し効率の更なる向上を図ることができる。

（第４の実施の形態）
図９は、本発明の第４の実施の形態に係るＬＥＤ素子を部分的に示す断面図であり、（ａ）は錘状加工部を含むＬＥＤ素子の部分断面図、（ｂ）は光取り出し面側から見た錘状突起の平面図、（ｃ）は錘状突起の斜視図である。

第４の実施の形態では、サファイア基板２０上に傾斜の異なる２種の斜面からなる三角錐状の複数の錘状部２００Ａを有した錘状加工部２００を設けた点で第３の実施の形態と相違しており、そのことによって図９（ｂ）に示すようにｎ−ＧａＮ層２１の表面には第１傾斜面２１１と第２傾斜面２１２とを有した、図９（ｃ）に示す三角錐状の錘状突起２１０Ａが互いに異なる向きで交互に配列された状態でサファイア基板２０との界面に複数設けられる。

また、図９（ｂ）に示すように、複数の三角錐の端部には結晶成長用の平坦部２１０Ｃが設けられており、図９（ｂ）のように正面から見た面積が三角錐に対し、約１０％となるように設けられている。

（第４の実施の形態の効果）
上記した第４の実施の形態によると、ＬＥＤ素子２のサファイア基板２０に、傾斜の異なる２種の斜面からなる三角錐状の複数の錘状部２００Ａを互いに異なる向きで交互に配列して錘状加工部２００を形成したので、第３の実施の形態の好ましい効果に加えてＧａＮ内で閉込モードとなる光を低減でき、光取り出し効率を向上させることができる。

また、微小エリアで平坦面を設けたことにより、サファイア加工による光取り出し効果を著しく低下することなく、エピタキシャル成長時の結晶性を保つことができる。

（第５の実施の形態）
図１０は、本発明の第５の実施の形態に係るＬＥＤ素子を部分的に示す断面図である。第５の実施の形態では、サファイア基板２０上にテーパ部２０３と平坦部２００Ｃからなる錘状加工部２００を設け、その表面にＧａＮを結晶成長させたものである。このようなサファイア加工基板を用いた構成としても、ｎ−ＧａＮ層２１から放射された光のｎ−ＧａＮ層２１への再入射を防ぐとともに、サファイア基板２０への入射を促進させて光取り出し効率を向上させることができる。

（第６の実施の形態）
図１１は、本発明の第６の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示し、（ａ）はＬＥＤ素子の側面図、（ｂ）はＬＥＤ素子の光取り出し面側から見た平面図である。

第６の実施の形態では、サファイア基板上にＧａＮ系半導体層を結晶成長後、サファイア基板をレーザリフトオフして露出させたｎ−ＧａＮ層２１表面に切削加工を施すことによって、図１１（ｂ）に示すように第１傾斜面２１１からなる三角錐状の錘状突起２１０Ａを形成し、錘状突起２１０Ａ全体を覆うように低融点ガラスからなるガラス部２７を一体化させた構成を有する。

ガラス部２７は、屈折率ｎ＝１．８のＢｉ系低融点ガラスからなり、ホットプレス加工によって錘状突起２１０Ａ全体を覆うように熱圧着されている。

このＬＥＤ素子２では、ガラス部２７の熱圧着後にｎ側電極２５およびｐ側コンタクト電極２４の形成が行われ、その後の素子分割工程において素子単位に分割される。

（第６の実施の形態の効果）
上記した第６の実施の形態によると、ＧａＮ系半導体層の結晶成長後に下地基板であるサファイア基板をレーザリフトオフし、露出したｎ−ＧａＮ層２１に三角錐状の錘状突起２１０Ａをドライエッチング加工してＡｌ_２Ｏ_３基板より高い屈折率のガラス部２７を熱圧着しているので、ｎ−ＧａＮ層２１からガラス部２７への光入射性が向上する。加えてｎ−ＧａＮ層２１のガラス部２７との界面に設けられた錘状突起２１０ＡによってＧａＮ内で閉込モードとなる光を低減でき、光取り出し効率をより向上させることができる。

なお、有機材料では、高屈折率で、かつ化学的に安定な材料の具現化は困難であるが、無機材料を用いることでこれを実現できる。

また、平坦なサファイア基板上にＧａＮ系半導体層を結晶成長した後に錘状突起２１０Ａを形成するので、結晶成長用の平坦部は不要であり、全面に錘状突起２１０Ａが形成され、かつ結晶性の優れるものとできる。

なお、第６の実施の形態では、ｎ−ＧａＮ層２１に形成された三角錐状の錘状突起２１０Ａにガラス部２７を熱圧着した構成を説明したが、ガラス以外の高屈折率樹脂材料等を用いて錘状突起２１０Ａを覆うようにしても良い。

また、サファイア加工基板上にＧａＮ系半導体層を結晶成長した後に、サファイア基板をリフトオフし、露出した凹凸形成されたｎ−ＧａＮ層２１にさらに形状加工を加えたものでも良い。

（第７の実施の形態）
図１２は、本発明の第７の実施の形態に係るＬＥＤの縦断面図である。このＬＥＤ１は、図１（ｂ）に示す第１の実施の形態で説明したサファイア加工基板上にＧａＮ系半導体層を設けたＬＥＤ素子２をＡｌ_２Ｏ_３基板３に実装後、ＬＥＤ素子２からサファイア加工基板をレーザリフトオフしてｎ−ＧａＮ層２１の錘状突起２１０Ａを露出させた状態とし、その状態で熱膨張率７．２×１０^−６／℃、屈折率ｎ＝１．８５のＢｉ系低融点ガラスでホットプレス加工を行い、表面に凸半球状の光学形状面６Ａを有するようにガラス封止部６を形成したものである。

（第７の実施の形態の効果）
上記した第７の実施の形態によると、ＬＥＤ素子２の実装後に下地基板となったサファイア加工基板を除去して錘状突起２１０Ａを露出させた状態で低融点ガラスによるガラス封止を行うようにしたので、第６の実施の形態と同様に光取り出し効率に優れる高輝度のＬＥＤが得られる。また、レーザリフトオフで露出させた錘状突起２１０Ａを水密性、防湿性に優れるガラス材料で封止するので、素子保護性に優れ、かつＬＥＤ素子２の発する光による劣化を生じることがないので、長期にわたって安定した発光特性が得られる。また、ＬＥＤ素子２、実装基板３、ＬＥＤ素子２の封止材料のガラスは全て低熱膨張率、かつ約７×１０^−６／℃の同等の熱膨張率を有することにより、はんだのリフロー炉処理等の高温環境でもＬＥＤ素子２への引張応力による電気的断線を構造上生じることがなく、より優れた信頼性を有する。

図１３（ａ）から（ｃ）は、錘状突起の他の形状を示す平面図である。第１から第７の実施の形態では、三角錐、四角錐、テーパ形状等の錘状突起を説明したが、その他の形状の錘状突起がｎ−ＧａＮ層２１上に設けられても良い。

例えば、図１３（ａ）に示すように、第１傾斜面２１１のサイズに対して第２傾斜面２１２のサイズが大にされた横長状の錘状突起２１０Ａとしても良い。

また、図１３（ｂ）に示すように、横長状の錘状突起２１０Ａの頂部に平坦面２１０Ｃを設けたものとしても良い。

また、図１３（ｃ）に示すように、頂部に平坦面２１０Ｃを設けた四角錐状の錘状突起を２個並べた形状とし、四角錐の隣接する部分に第１傾斜面２１１と形状の異なる第４傾斜面２１４を設けても良い。隣接する四角錘は第３傾斜面２１３を有している。

図１４は、本発明の第８の実施の形態に係るＬＥＤ素子を部分的に示す断面図である。第８の実施の形態では、サファイア基板２０上にＧａＮ系半導体層を結晶成長後、サファイア基板をレーザリフトオフしてＧａＮ基板２８を接合し、ＧａＮ基板２８の表面に切削加工によって錘状突起２８Ａを設けた構成を有する。

（第８の実施の形態の効果）
上記した第８の実施の形態によると、ＧａＮ系半導体層の結晶成長後に下地基板であるサファイア基板をレーザリフトオフし、ＧａＮ基板２８を接合して錘状突起２８Ａを設けたので、発光層２２で生じた光が界面反射等による光ロスを生じることなく錘状突起２８Ａに達することができ、錘状突起２８Ａから効率良く素子外部へ放射させることができる。

なお、第８の実施の形態では、サファイア基板をレーザリフトオフしてＧａＮ基板２８を貼り付けた後に錘状突起２８Ａを切削加工によって設ける構成を説明したが、例えば、ＧａＮ基板２８に予め錘状突起２８Ａを形成しておき、サファイア基板をレーザリフトオフした後に錘状突起２８Ａを形成されたＧａＮ基板２８を一体化するようにしても良い。

本発明の第１の実施の形態に係るＬＥＤを示し、（ａ）はＬＥＤの縦断面図、（ｂ）はＬＥＤの光源であるＬＥＤ素子の拡大した側面図である。 第１の実施の形態にかかるＬＥＤ素子を部分的に示す部分断面図である。 ＬＥＤ素子の各部について部分的に示し、（ａ）はサファイア基板錘状加工部を含むＬＥＤ素子の部分断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ部における断面図、（ｃ）は光取り出し面側から見た錘状突起の平面図、（ｄ）は錘状突起の斜視図である。 サファイア基板に形成された錘状加工部の他の構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ部における断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係るＬＥＤ素子を部分的に示す断面図であり、（ａ）は錘状加工部を含むＬＥＤ素子の部分断面図、（ｂ）は錘状加工部にＧａＮ層側から入射する光の光路を示す説明図である。 ＬＥＤ素子の各部について部分的に示し、（ａ）はサファイア基板の錘状加工部を含むＬＥＤ素子の部分断面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ部における断面図、（ｃ）は光取り出し面側から見た錘状突起の平面図、（ｄ）は錘状突起の斜視図である。 サファイア基板に錘状突起を設けることによる光学特性の変化を示す図であり、（ａ）は加工形状を示す概略図、（ｂ）はＧａＮ層表面の加工面積に対する光出力比の変化を示す特性図、（ｃ）は結晶成長面Ｗと加工深さＨの関係に基づく外部放射効率を示す特性図である。 本発明の第３の実施の形態に係るＬＥＤ素子を部分的に示す断面図であり、（ａ）は錘状加工部を含むＬＥＤ素子の部分断面図、（ｂ）は光取り出し面側から見た錘状突起の平面図、（ｃ）は錘状突起の斜視図である。 本発明の第４の実施の形態に係るＬＥＤ素子を部分的に示す断面図であり、（ａ）は錘状加工部を含むＬＥＤ素子の部分断面図、（ｂ）は光取り出し面側から見た錘状突起の平面図、（ｃ）は錘状突起の斜視図である。 本発明の第５の実施の形態に係るＬＥＤ素子を部分的に示す断面図である。 本発明の第６の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示し、（ａ）はＬＥＤ素子の側面図、（ｂ）はＬＥＤ素子の光取り出し面側から見た平面図である。 本発明の第７の実施の形態に係るＬＥＤの縦断面図である。 （ａ）から（ｃ）は、錘状突起の他の形状を示す平面図である。 本発明の第８の実施の形態に係るＬＥＤ素子を部分的に示す断面図である。

符号の説明

１…ＬＥＤ、２…ＬＥＤ素子、３…Ａｌ_２Ｏ_３基板、３Ａ…ビアホール、４…回路パターン、４Ａ…ビアパターン、５…パッド電極、６…ガラス封止部、６Ａ…光学形状面、２０…サファイア基板、２１…ｎ−ＧａＮ層、２２…発光層、２３…ｐ−ＧａＮ層、２４…ｐ側コンタクト電極、２５…ｎ側電極、２６…パッド電極、２７…ガラス部、２８…ＧａＮ基板、２８Ａ…錘状突起、２００Ｃ…平坦部、２００…錘状加工部、２００Ａ…錘状部、２０１…第１傾斜部、２０２…傾斜部、２０３…テーパ部、２１０Ｃ…平坦部、２１０Ａ…錘状突起、２１１…第１傾斜面、２１２…第２傾斜面、２１３…第３傾斜面、２１４…第４傾斜面

Claims (10)

1. 実装面の反対側に略錘面状の光取り出し面を有し、発光層を含む半導体層を有する発光素子において、
   前記略錘面状の光取り出し面は、前記発光層を含む半導体層と、前記発光層を含む半導体層より屈折率の低い媒質との界面で形成され、前記錘面の傾斜角は、前記発光層を含む半導体層から前記屈折率の低い媒質への臨界角より大なる角度であることを特徴とする発光素子。
2. 前記発光層を含む半導体層より屈折率の低い媒質は、前記発光層を含む半導体層を形成する光透過性基板であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 前記略錘面状の光取り出し面は、光取り出し面全体に対して３５％から１００％の面積を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
4. 前記略錘面状の光取り出し面は、先端側の頂部に平坦面を有することを特徴とする請求項２又は３に記載の発光素子。
5. 前記平坦面は、前記発光層を含む半導体層から前記光透過性基板への臨界角以上の角度で、前記発光層からの１次光が入射しない位置に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の発光素子。
6. 前記略錘面状の光取り出し面は、略三角錐状あるいは略四角錘状の錘状突起を複数密配列されて設けられることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の発光素子。
7. 前記錘状突起は、底部側より先端側の傾斜角が大なる形状を有することを特徴とする請求項６項に記載の発光素子。
8. 実装面の反対側に略錘面状の光取り出し面を有し、発光層を含む半導体層を有する発光素子と、前記発光素子を搭載する基板と、前記発光素子とともに前記基板を封止する封止部とを有する発光装置において、
   前記発光素子は、前記発光層を含む半導体層と、前記発光層を含む半導体層より屈折率の低い媒質との界面に形成される前記略錘面状の光取り出し面を有し、前記錘面の傾斜角は、前記発光層を含む半導体層から前記屈折率の低い媒質への臨界角より大なる角度であることを特徴とする発光装置。
9. 前記発光素子を搭載する基板および前記封止部は、無機材料であることを特徴とする請求項８に記載の発光装置。
10. 前記半導体層は、ＧａＮ系半導体材料によって形成されており、前記封止部はサファイア以上の屈折率部材であることを特徴とする請求項８又は９に記載の発光装置。
    

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