JP2002353497A - 発光素子 - Google Patents
発光素子Info
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Abstract
効率を増して光出力を向上できること。 【解決手段】 発光素子1においては、GaAs基板3
上にGaAs系の結晶層7をエピタキシャル成長させ
て、発光層4を形成している。そして、基板3側を上
面、結晶層7側を底面として基板3の中央部に一方の電
極2を設け、結晶層7の底面全体にもう一方の電極5を
設けた後に、底面側に一定の間隔で楔形の反射溝6を形
成している。発光素子1においては発光層4が底面側に
あるために、発光層4から水平に近い斜め下方向に放射
される光をも反射溝6で上方に反射することができる。
これによって、反射溝6がない場合には結晶層7の底面
で横方向に反射されて結晶層7の内部に閉じ込められて
吸収されてしまう光が、反射溝6によって上方へ反射さ
れて基板3から外部放射される。
Description
形成して電圧を印加することによって発光層から発光す
るLEDチップ(以下、「発光素子」という。)に関す
るものである。
基板の上にGaAs系等の結晶層をエピタキシャル成長
させて発光層を形成し、アノードとカソードの電極を設
けて電圧を印加することによって、発光層から光が発せ
られて上面(発光面)から光が放射されるものである。
子の発光層を含む結晶層は屈折率が高く、発光した光の
吸収率も高いため、発光素子からの光の取り出し効率が
低いという問題点があった。即ち、発光層で光が発生す
るが、上面(発光面)に臨界角以内で入射する光だけが
効率良く外部放射される。ところが発光層の屈折率が高
いため、この臨界角は非常に小さく、一部の光しか外部
放射されず、それ以外の光は吸収率の高い結晶層中で吸
収されて、大部分が熱に変換されてしまう。
ち発光層に対し水平な方向成分の大きい伝播光を反射さ
せることにより上面に臨界角以内で入射させ、結晶から
の光の取り出し効率を増して光出力を向上できる発光素
子を提供することを課題とするものである。
発光素子は、発光素子の底面に発光層から発せられた光
を上方へ反射する反射溝及び/または反射孔が形成され
ているものである。
れる光は結晶界面までの距離が長く、吸収率の高い結晶
層中で吸収されて熱変換される。しかも、横方向は立体
角が大きく、この範囲へ放射される光量は大きい。この
従来外部放射されなかった光を、発光素子の底面に光を
上方へ反射する反射溝または反射孔あるいはその両方を
形成することによって外部放射することができ、光の取
り出し効率を増大させることができる。
発光層に対し水平な方向成分の大きい伝播光を反射させ
ることにより上面に臨界角以内で入射させ、結晶からの
光の取り出し効率を増して光出力を向上できる発光素子
となる。
項1の構成において、前記発光層が前記底面側に形成さ
れているものである。
の差が殆どなくなるため、発光層内の発光点からほぼ水
平方向に放射された光をも底面に形成された反射溝また
は反射孔によって上方へ反射して外部放射することがで
きるので、光量の大きい横方向への放射光の大部分を外
部放射することができる。また、発光層が底面の電極に
近接して設けられるので、発光層の熱を底面の電極を介
して逃がすことができ、放熱性が向上するため発光効率
も増大する。
ら放射される光をも上方へ反射させることによって光の
取り出し効率をさらに増すとともに、放熱性の向上によ
って発光効率も増大して、光出力をより向上できる発光
素子となる。
項1または請求項2の構成において、両極の電極が前記
底面側に形成されているものである。
ないので、発光素子を小チップ化しても、本発明にかか
る底面に形成された反射溝または反射孔によって光を上
方へ反射して外部放射効率を向上させる効果は維持され
る。そして、発光素子が小チップ化されることによっ
て、発光素子の結晶層内で何回か反射されて外部放射さ
れる光の経路が短くなるため、光の吸収率が高い結晶層
中で吸収される割合が減少して外部放射効率が一段と向
上する。
要がないので小チップ化が可能となり、光の取り出し効
率を一段と向上させることができる発光素子となる。
項1乃至請求項3のいずれか1つの構成において、前記
反射溝及び/または反射孔が前記発光層内にまで達して
いるものである。
内の各発光点から水平方向に放射される光は勿論、やや
斜め上方へ放射される光をも発光層内に達して形成され
た反射溝または反射孔によって上方へ反射することがで
きる。これによって、光量の大きい横方向への放射光の
殆ど全てを外部放射することができる。
横方向に放射される光の殆ど全てを上方へ反射させるこ
とによって光の取り出し効率をさらに増して光出力をよ
り向上できる発光素子となる。
項1乃至請求項3のいずれか1つの構成において、前記
発光層の発光エリアが前記反射溝及び/または反射孔の
形成されている箇所以外に形成された分割発光エリアと
なっているものである。
内に反射溝または反射孔が形成されていないので、反射
溝または反射孔形成時の発光層への影響を小さくするこ
とができ、物理的に弱い発光層にも対応できる。そし
て、反射溝または反射孔を発光層の発光エリアを超える
高さまで形成することによって、反射溝または反射孔を
発光層内に達して形成した場合と同様に、発光層内の各
発光点から水平方向に放射される光は勿論、やや斜め上
方へ放射される光をも反射溝または反射孔によって上方
へ反射することができる。これによって、光量の大きい
横方向への放射光の殆ど全てを外部放射することができ
る。
対応することができるとともに、発光層内の各発光点か
ら横方向に放射される光の殆ど全てを上方へ反射させる
ことによって光の取り出し効率をさらに増して光出力を
より向上できる発光素子となる。
項1乃至請求項5のいずれか1つの構成において、前記
発光層より屈折率の小さい基板が前記発光層の上方に位
置しているものである。
大きい発光層の上にあることによって、発光層から横方
向に放射される光は高い屈折率の結晶層内に閉じ込めら
れるので、横方向に放射される光のうち上成分を有する
光についても、底面に形成された反射溝によって上方へ
の反射がなされる。この結果、上方へ反射される光の割
合が増大して、外部放射効率がさらに向上する。また、
屈折率の大きい発光層から直接空気中に光が放射される
場合に比べて、各界面における臨界角が大きくなって光
が取り出しやすくなる。
閉じ込められた光を上方へ反射するとともに、各界面に
おける臨界角が大きくなって光が取り出しやすくなり、
より光の取り出し効率を増して光出力を向上できる発光
素子となる。
て図面を参照しながら説明する。
説明する。図1(a)は本発明の実施の形態1にかかる
発光素子の構成を示す縦断面図、(b)は底面図、
(c)は反射溝と発光層の位置関係を説明する図であ
る。
態1の発光素子1においては、GaAs基板3(屈折率
n=3.0)上にGaAs系の結晶層7をエピタキシャ
ル成長させて、発光層4を形成している。そして、基板
3側を上面、結晶層7側を底面として基板3の中央部に
一方の電極2を設け、結晶層7の底面全体にもう一方の
電極5を設けた後に、底面側に一定の間隔で楔形の反射
溝6を形成している。図1(b)に示されるように、こ
の楔形の反射溝6は発光素子1の底面に格子状に形成さ
れており、底面側の電極5は縦横に分断されている。
楔形の角度は約90度であり、本実施の形態1の発光素
子1においては発光層4が底面側にあるために、水平に
近い斜め下方向に放射される光をも反射溝6で上方に反
射することができる。反射溝6上の発光点4aから隣接
する反射溝6へ放射される光の角度θ1は、結晶層7か
ら外部への臨界角θcよりもずっと大きなものである必
要がある。また、一方で反射溝6上の発光点と隣接する
反射溝6の頂部とのなす角θ2はできるだけ大きい方が
望ましい。即ち、発光層4と反射溝6の頂部とはできる
だけ近い方が望ましい。これによって、反射溝6がない
場合には結晶層7の底面で横方向に反射されて結晶層7
の内部に閉じ込められて吸収されてしまう光が、反射溝
6によって上方へ反射されて基板3から外部放射され
る。
子1においては、発光層4が底面側にあるために、水平
に近い斜め下方向に放射される光をも反射溝6で上方に
反射することができ、光の取り出し効率が増して光出力
を向上することができる。
説明する。図2は本発明の実施の形態2にかかる発光素
子の構成を示す縦断面図である。なお、実施の形態1と
同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。
発光素子11が実施の形態1の発光素子1と異なるの
は、反射溝12が発光層4を突き抜けて発光層4の上ま
で達して形成されている点である。これによって、発光
層4内の各発光点から水平方向に放射される光は勿論、
やや斜め上方へ放射される光をも発光層4を突き抜けて
形成された反射溝12によって上方へ反射することがで
きる。これによって、光量の大きい横方向への放射光の
殆ど全てを外部放射することができる。
子11においては、発光層4内の各発光点から横方向に
放射される光の殆ど全てを上方へ反射させることによっ
て、光の取り出し効率をさらに増して光出力をより向上
させることができる。
説明する。図3(a)は本発明の実施の形態3にかかる
発光素子の構成を示す縦断面図、(b)は底面図であ
る。なお、実施の形態1,2と同一の部分には同一の符
号を付して説明を省略する。
発光素子21が実施の形態1,2の発光素子1,11と
異なるのは、発光層14の発光エリアが、反射溝12が
形成される箇所を避けて分割発光エリアとなって形成さ
れている点である。そして、反射溝12は、結晶層13
内のこの発光層14の形成されていない部分を突き抜け
て、発光層14の上まで達して形成されている。これに
よって、反射溝12を形成する際の発光層14への影響
を小さくすることができるので、物理的に弱い発光層1
4にも対応することができる。この効果は、本実施の形
態3の発光素子21のように反射溝12が発光層14の
上まで達して形成される場合のみならず、実施の形態1
の発光素子1のように反射溝6が発光層4まで達しない
場合にも同様に得ることができる。
達して形成されていることによって、発光層14内の各
発光点から水平方向に放射される光は勿論、やや斜め上
方へ放射される光をも反射溝12によって上方へ反射す
ることができる。これによって、光量の大きい横方向へ
の放射光の殆ど全てを外部放射することができる。
子21においては、物理的に弱い発光層14にも対応す
ることができるとともに、発光層14内の各発光点から
横方向に放射される光の殆ど全てを上方へ反射させるこ
とによって、光の取り出し効率をさらに増して光出力を
より向上させることができる。
説明する。図4(a)は本発明の実施の形態4にかかる
発光素子の構成を示す縦断面図、(b)は底面図であ
る。
態4の発光素子31においては、Al2O3 基板33
(屈折率n=1.7)上にGaN系の結晶層37(n=
2.4)をエピタキシャル成長させて、発光層34を形
成している。そして、基板33側を上面、結晶層37側
を底面として、結晶層37の一角を取り除いて基板33
の底面に一方の電極32を設け、結晶層37の底面全体
にもう一方の電極35を設けている。即ち、発光素子3
1においては、両極の電極が底面側に形成されている。
そして、結晶層37の底面側に一定の間隔で楔形の反射
溝36を形成している。図4(b)に示されるように、
この楔形の反射溝36は発光素子31の底面に格子状に
形成されており、結晶層37の底面側の電極35は縦横
に分断されている。
1においては、両極の電極が底面側に形成されているた
めに上面に電極を形成する必要がないので、発光素子3
1を小チップ化しても、結晶層37の底面に形成された
反射溝36によって発光層34からの光を上方へ反射し
て外部放射効率を向上させる効果は維持される。そし
て、発光素子31が小チップ化されることによって、結
晶層37内で何回か反射されて外部放射される光の経路
が短くなるため、光の吸収率が高い結晶層37中で吸収
される割合が減少して外部放射効率が一段と向上する。
勿論、発光素子31を大チップ化した場合でも、結晶層
37の底面に形成された反射溝36によって発光層34
からの光を上方へ反射して外部放射効率を向上させる効
果は得ることができる。
層37の屈折率(n=2.4)より屈折率の小さいAl
2O3 基板33(n=1.7)が発光層34の上方に位
置しているため、発光層34から横方向に放射される光
は高い屈折率の結晶層37内に閉じ込められるので、横
方向に放射される光のうち上成分を有する光について
も、結晶層37の底面に形成された反射溝36によって
上方への反射がなされる。この結果、上方へ反射される
光の割合が増大して、外部放射効率がさらに向上する。
子31においては、上面に電極を形成する必要がないの
で小チップ化が可能となり、外部放射効率が一段と向上
する。また、屈折率の小さい基板33が発光層34の上
方に位置していることによって、屈折率の大きい発光層
34に閉じ込められた光を上方へ反射するとともに、各
界面における臨界角が大きくなって光が取り出しやすく
なり、より光の取り出し効率を増して光出力を向上する
ことができる。
横の格子状に形成した例について説明したが、反射溝は
発光素子の底面の輪郭に対して斜めに形成しても良い
し、縦横と斜めが入り混じったパターンに形成しても良
い。また、反射溝の断面形状を約90度の楔形とした場
合について説明したが、発光層からの光を効率良く上方
へ反射できる形状であれば、どのような断面形状であっ
ても構わない。さらに、反射溝を一定間隔で形成した場
合について説明したが、必ずしも一定間隔でなくても良
い。
層からの光を上方へ反射するものとして反射溝を形成し
た場合について説明したが、反射溝の代わりに円錐形等
の反射孔を発光素子の底面一面に亘って形成しても良
い。さらには、反射溝と反射孔の両方を発光素子の底面
に形成することもできる。
合について説明したが、この限りではなく、例えば発光
素子サイズの大きいもの(厚みは同じ)では、上側を発
光層としても有効である。
量、材質、大きさ、接続関係等についても、上記各実施
の形態に限定されるものではない。
かかる発光素子は、発光素子の底面に発光層から発せら
れた光を上方へ反射する反射溝及び/または反射孔が形
成されているものである。
れる光は結晶界面までの距離が長く、吸収率の高い結晶
層中で吸収されて熱変換される。しかも、横方向は立体
角が大きく、この範囲へ放射される光量は大きい。この
従来外部放射されなかった光を、発光素子の底面に光を
上方へ反射する反射溝または反射孔あるいはその両方を
形成することによって外部放射することができ、光の取
り出し効率を増大させることができる。
る光を上方へ反射させることによって光の取り出し効率
を増して光出力を向上できる発光素子となる。
項1の構成において、前記発光層が前記底面側に形成さ
れているものである。
えて、発光層と底面との上下方向の差が殆どなくなるた
め、発光層内の発光点からほぼ水平方向に放射された光
をも底面に形成された反射溝または反射孔によって上方
へ反射して外部放射することができるので、光量の大き
い横方向への放射光の大部分を外部放射することができ
る。また、発光層が底面の電極に近接して設けられるの
で、発光層の熱を底面の電極を介して逃がすことがで
き、放熱性が向上するため発光効率も増大する。
ら放射される光をも上方へ反射させることによって光の
取り出し効率をさらに増すとともに、放熱性の向上によ
って発光効率も増大して、光出力をより向上できる発光
素子となる。
項1または請求項2の構成において、両極の電極が前記
底面側に形成されているものである。
載の効果に加えて、上面に電極を形成する必要がないの
で、発光素子を小チップ化しても、本発明にかかる底面
に形成された反射溝または反射孔によって光を上方へ反
射して外部放射効率を向上させる効果は維持される。そ
して、発光素子が小チップ化されることによって、発光
素子の結晶層内で何回か反射されて外部放射される光の
経路が短くなるため、光の吸収率が高い結晶層中で吸収
される割合が減少して外部放射効率が一段と向上する。
要がないので小チップ化が可能となり、光の取り出し効
率を一段と向上させることができる発光素子となる。
項1乃至請求項3のいずれか1つの構成において、前記
反射溝及び/または反射孔が前記発光層内にまで達して
いるものである。
1乃至請求項3のいずれか1つに記載の効果に加えて、
発光層内の各発光点から水平方向に放射される光は勿
論、やや斜め上方へ放射される光をも発光層内に達して
形成された反射溝または反射孔によって上方へ反射する
ことができる。これによって、光量の大きい横方向への
放射光の殆ど全てを外部放射することができる。
横方向に放射される光の殆ど全てを上方へ反射させるこ
とによって光の取り出し効率をさらに増して光出力をよ
り向上できる発光素子となる。
項1乃至請求項3のいずれか1つの構成において、前記
発光層の発光エリアが前記反射溝及び/または反射孔の
形成されている箇所以外に形成された分割発光エリアと
なっているものである。
1乃至請求項3のいずれか1つに記載の効果に加えて、
発光層内に反射溝または反射孔が形成されていないの
で、反射溝または反射孔形成時の発光層への影響を小さ
くすることができ、物理的に弱い発光層にも対応でき
る。そして、反射溝または反射孔を発光層の発光エリア
を超える高さまで形成することによって、反射溝または
反射孔を発光層内に達して形成した場合と同様に、発光
層内の各発光点から水平方向に放射される光は勿論、や
や斜め上方へ放射される光をも反射溝または反射孔によ
って上方へ反射することができる。これによって、光量
の大きい横方向への放射光の殆ど全てを外部放射するこ
とができる。
対応することができるとともに、発光層内の各発光点か
ら横方向に放射される光の殆ど全てを上方へ反射させる
ことによって光の取り出し効率をさらに増して光出力を
より向上できる発光素子となる。
項1乃至請求項5のいずれか1つの構成において、前記
発光層より屈折率の小さい基板が前記発光層の上方に位
置しているものである。
大きい発光層の上にあることによって、請求項1乃至請
求項5のいずれか1つに記載の効果に加えて、発光層か
ら横方向に放射される光は高い屈折率の結晶層内に閉じ
込められるので、横方向に放射される光のうち上成分を
有する光についても、底面に形成された反射溝によって
上方への反射がなされる。この結果、上方へ反射される
光の割合が増大して、外部放射効率がさらに向上する。
また、屈折率の大きい発光層から直接空気中に光が放射
される場合に比べて、各界面における臨界角が大きくな
って光が取り出しやすくなる。
閉じ込められた光を上方へ反射するとともに、各界面に
おける臨界角が大きくなって光が取り出しやすくなり、
より光の取り出し効率を増して光出力を向上できる発光
素子となる。
発光素子の構成を示す縦断面図、(b)は底面図、
(c)は反射溝と発光層の位置関係を説明する図であ
る。
子の構成を示す縦断面図である。
発光素子の構成を示す縦断面図、(b)は底面図であ
る。
発光素子の構成を示す縦断面図、(b)は底面図であ
る。
Claims (6)
- 【請求項1】 発光素子の底面に発光層から発せられた
光を上方へ反射する反射溝及び/または反射孔が形成さ
れていることを特徴とする発光素子。 - 【請求項2】 前記発光層が前記底面側に形成されてい
ることを特徴とする請求項1に記載の発光素子。 - 【請求項3】 両極の電極が前記底面側に形成されてい
ることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の発
光素子。 - 【請求項4】 前記反射溝及び/または反射孔が前記発
光層内にまで達していることを特徴とする請求項1乃至
請求項3のいずれか1つに記載の発光素子。 - 【請求項5】 前記発光層の発光エリアが前記反射溝及
び/または反射孔の形成されている箇所以外に形成され
た分割発光エリアとなっていることを特徴とする請求項
1乃至請求項3のいずれか1つに記載の発光素子。 - 【請求項6】 前記発光層より屈折率の小さい基板が前
記発光層の上方に位置していることを特徴とする請求項
1乃至請求項5のいずれか1つに記載の発光素子。
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