JP2004501507A - 発光ダイオードチップおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、ビーム発光アクティブ領域（３２）とウインドウ層（２）を備えた発光ダイオードチップ（１）に関している。この場合はビーム効率の向上のためにビーム発光アクティブ領域（３２）の横断面積が、光出力結合のために可用なウインドウ層（２）の横断面積よりも小さい。さらに本発明は、ビーム発光素子の表面にレンズ構造部を作製するための方法に関している。
Description
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念による発光ダイオードチップ並びにその製造方法に関している。
【０００２】
発光ダイオードチップのための半導体材料の一部は、明らかに３以上の屈折率を有している。従来の発光ダイオード構成素子のもとでチップに当接している媒体（通常は空気やプラスチック）は、明らかに低い屈折率を有している。それに伴って発光ダイオードチップと当接する媒体の間の境界面における屈折率の跳躍的変化（屈折率ジャンプ）は、全反射のうちの比較的小さな臨界角に結び付き、そのためチップのアクティブ領域内で誘起される電磁ビームの大半が当該の境界面からチップ内へフィードバック反射される。
【０００３】
このような理由からアクティブ領域内で誘起されたビームの非常に僅かな成分のみが直接チップから出力結合される。従来の発光ダイオードチップのもとではフラットな出力結合面毎に僅かなパーセントの出力結合成分が算出される。
【０００４】
米国特許出願 ＵＳ ５ ２３３ ２０４ 明細書では、発光ダイオードチップからの光出力結合の改善のために分厚い透過層が提案されている。これは発光層に対して付加的にエピタキシャルに被着され、光出力結合成分をチップのフロント側によって高めている。
【０００５】
さらに高屈折で透過性の注形コンパウンドの適用も公知であるが、しかしながらこれはとりわけ予算の関係で発展的利用が困難である。その上さらにこれまでに入手可能な最良の注形コンパウンドも最大でｎ＝１．６の屈折率しか有さず、このことはさらに発光性半導体素子の出力結合面における過度に高い跳躍的変化と反射ロスを引き起こす。さらに高透過性の注形コンパウンドは、不所望な化学的特性と機械的特性を有しており、このこともその技術の汎用的な利用に対する制約になる。
【０００６】
本発明の課題は、生成された出力結合すべきビームの特性を従来方式のチップよりも向上させ、かつ従来形のＬＥＤケーシング構造の中にも十分に組み込める、発光ダイオードチップを提供することである。またそれと同時にその製造方法についても従来の発光ダイオードチップの製造方法に比べて技術的に増える手間がごく僅かで済むように改善を行うことである。
【０００７】
前記課題は、請求項１の特徴部分に記載の本発明の発光ダイオードチップによって並びに請求項２２の特徴部分に記載の本発明の方法によって解決される。
【０００８】
本発明の発光ダイオードチップの別の有利な実施例は、従属請求項２〜２１に記載されており、本発明の方法の別の有利な実施例は、従属請求項２３〜２５に記載されている。
【０００９】
本発明によれば、発光ダイオードチップにおけるビーム効率（歩留まり）が、発光領域を発光ダイオードチップの横断面積よりも小さい面積に狭めることによって高められる。さらに、発光面が発光ダイオードチップの全横断面に亘る通常構成に比べて出力結合の向上は３０％以上である。
【００１０】
本発明によれば、横断面積がＦＬのビーム発光アクティブ領域と、照射方向で該ビーム発光アクティブ領域に後置接続されている屈折率ｎｓのビーム透過性ウインドウ層を有し、該ウインドウ層は光出力結合のためにＦｃの横断面積を有し、さらに屈折率ｎＭの媒体が接している出力結合面を有している、発光ダイオードチップが設けられており、この場合、前記ビーム発光アクティブ領域の横断面積ＦＬは、出力結合面の横断面積ＦＣよりも小さく、以下の式、
【００１１】
【数５】
【００１２】
であらわされる関係を充たしている。この場合の横断面積ＦＣは、ウインドウ層における光出力結合のために可用な領域かまたは光出力結合のために設けられている領域を指している。またウインドウ層とはこの場合個々の層も、全体で１つのウインドウ層の機能を充たしている多層も指しているものと理解されたい。
【００１３】
本発明の特に有利な構成によれば、発光制限装置が次のように構成されている。すなわち発光ダイオードチップ内部の電流通流、特にアクティブ層内および／またはアクティブ層を通る電流通流が発光領域に限定される。これにより本発明によれば非常に簡単に光の発光をより小さな領域に限定することができる。
【００１４】
本発明の別の構成によれば、ウインドウ層の厚さＨが以下の式
【００１５】
【数６】
【００１６】
に当て嵌められる。この場合前記Ｃは、ウインドウ層ないし光出射面の横断面長であり、前記ｎｓは、アクティブ層ないしウインドウ層の屈折率であり、前記ｎＭは、ウインドウ層に接している材料の屈折率である。この場合に得られる利点は、出力結合される光量のさらなる増加である。
【００１７】
前記横断面長とは、ここおよび以下では、相応する横断面の特徴的な広がりの長さを意味するものと理解されたい。例えばそれが正方形の面ならば辺の長さを指し、円形の面ならば直径を意味する。その他の面形状の場合には、横断面長として次のような値が用いられる。すなわち面の重心を通る直径の最大値と最小値の間の値である。
【００１８】
有利には、アクティブ層に接するウインドウ層の厚さＨに対しては、以下の式
【００１９】
【数７】
【００２０】
が有効である。この場合、前記Ｃはウインドウ層の横断面長であり、前記Ｄは、アクティブ層のビーム発光領域の横断長であり、前記ｎｓは、照射されるウインドウ層の屈折率であり、前記ｎＭは、ウインドウ層に接している材料の屈折率である。この高さ（厚さ）までは、ウインドウ層の側面における全反射が十分に避けられ、そのため側面による生成ビームの出力結合が可能である。
【００２１】
本発明のさらに別の有利な実施形態によれば、発光領域は、アクティブ層の、相互に規則的な間隔をおいて配置された多数の部分発光領域からなり、この場合部分発光領域の全体面積ＦＬに対しては以下の式、
【００２２】
【数８】
【００２３】
が有効であり、この場合前記Ｆｃは、ウインドウ層の横断面積ないし基準面積すなわち光出射面積であり、前記ＦＬｉは、個々の部分発光領域の面積であり、前記ｎｓは、アクティブ層ないしウインドウ層の屈折率であり、前記ｎＭは、ウインドウ層に接している材料の屈折率である。これによって中央のアクティブ層発光領域と同じように有利な形態で、発光ダイオードチップからの光出力結合が最適化される。それに続いてさらに有利には、ウインドウ層の厚さＨに対して、以下の式、
Ｈ＝ｐ・Ａ
が有効である。この場合前記Ａは、個々の部分発光領域の規則的な間隔であり、前記ｐは、０．５〜５の間で選択可能な係数である。
【００２４】
有利には、発光ダイオードチップから出射する光を収束させる光学装置が設けられ、この装置はウインド層の表面に構成される。これにより、出射される光束の形状が定められ、ひいては出力結合が適切な材料選択と形状選択によってさらに向上される。
【００２５】
本発明の有利な実施形態によれば、前記光学装置が１つまたは複数の有利には球面レンズｎによって構成され、その中心点は発光領域の重心上かまたは個々の部分発光領域のそれぞれの重心上に存在する。
【００２６】
同様に有利には、前記光学装置は１つまたは複数のフレネルレンズによって構成されており、それらの中心点は発光領域の重心上かまたは個々の部分発光領域のそれぞれの重心上に存在する。
【００２７】
有利には前記光学装置は、ウインドウ層の表面に載置されるかまたは成形される、あるいはウインドウ層自体から構成されるかまたは成形されている。
【００２８】
本発明のさらに別の構成によれば、発光制限装置がアクティブ層の制限によって形成され、この場合アクティブ層の発光能力は、発光領域に限定される。
【００２９】
本発明の有利な実施形態によれば、発光制限装置が、アクティブ層上またはアクティブ層において形成された、アクティブ層の発光を少なくとも部分的に不透過にさせる材料および／または限定的にしか透過させない材料からなる絶縁層によって形成されている。これによりアクティブ層は、これまでの通常のように貫通層としてさらに多くの個別の発光半導体素子を含んだウエハ内を延在し得る。
【００３０】
本発明のさらに別の有利な実施形態によれば、前記発行制限装置は、アクティブ層上またはアクティブ層において並びにアクティブ層と給電部の間において形成される絶縁層によって形成されており、該絶縁層は、アクティブ層に対する給電ないしアクティブ層を通る通電を、発光領域外の領域において最小化する。これによってもアクティブ層は、貫通層としてさらに多くの個別の発光半導体素子を含んだウエハ内を延在し得る。
【００３１】
有利には、前記絶縁層は、非導電性の酸化膜からなり、これはウインドウ層の光出射面の対向側に被着されている。これにより、給電ないし通電のマスキングが特に簡単にかつ低コストに実現できる。この利点は、酸化被膜が既存の材料の酸化によって形成可能なことである。
【００３２】
同様に有利には、発光制限装置が給電部ないし通電部の形状構成によって次のように形成される。すなわち当該給電部がコンタクト領域においてのみ、アクティブ層と導電接続されるように形成される。
【００３３】
本発明の別の有利な実施形態によれば、第２の給電ないし給電部が光出射面または光学装置上でこれを不完全に覆った電気的コンタクトによって形成される。この上では通常の手法のようにコンタクト用のボンディングワイヤで固定されてもよい。
【００３４】
同様に有利には、第２の給電部が、アクティブ層と光出射面の間のウインドウ層に接続する電気的コンタクトによって形成される。
【００３５】
さらに別の構成例によれば、第２の給電部が、アクティブ層に接続する電気的コンタクトによって形成される。
【００３６】
有利には前記給電部および／または絶縁層は、発光ビームに対して反射的である。これにより、発光効率がさらに損失の回避によって高められる。
【００３７】
有利には、光出射面とは離れているアクティブ層側におけるウインドウ層またはアクティブ層の層内または層面に、発光ビームに対する反射装置が形成される。これにより光効率もさらなるロスの回避によって高まる。さらに有利には反射装置はブラッグ格子である。
【００３８】
さらに本発明の別の構成例によれば、前記ウインドウ層および／または光学装置は、少なくとも部分的に発光ビームを透過させる被覆を備える。これにより、発光半導体素子は、環境の影響から保護される。それにより多岐にわたる適用に応じた対外的な形状構成が可能となる。
【００３９】
発光ダイオードチップの表面にレンズ構造部を作製するための本発明による方法によれば、光の出射ないし透過のために設けられた発光素子の外側表面に、レンズ構造部がフライスツールまたはエッチング手法を用いて、発光素子から外側表面に成形される。
【００４０】
別の有利な方法ステップによれば、前記レンズ構造部として球面レンズまたはフレネルレンズが作製される。
【００４１】
特に有利な方法ステップによれば、ウエハ帯内にまだ存在している発光素子の分断のために適切に成形された装置を用いて、発光素子の分離のもとで、レンズ構造部が個別化されると同時に作製される。
【００４２】
さらに本発明のさらなる利点、特性、別の有利な構成例は従属請求項に記載されている。
【００４３】
実施例
以下の明細書では本発明を図面に基づいて詳細に説明する。この場合、
図１は、本発明によるアクティブ層に発光領域を有する発光ダイオードの有利な実施例の概略的な断面図であり、
図１ａは、図１の実施例の符号Ｘの方向から見た横断面図であり、
図２は、フレネルレンズ構造部を備えた本発明による発光ダイオードの別の有利な実施例の概略的な断面図であり、
図３は、フレネルレンズ構造部を備えた本発明による発光ダイオードのさらに別の有利な実施例の概略的な断面図であり、
図４は、多数の部分発光領域と多重のレンズ構造部を備えた本発明による発光ダイオードの別の有利な実施例の概略的な断面図であり、
図５は、既に分離された発光半導体素子とまだこれから分離される発光半導体素子を有するウエハの断面とこれに用いるソーイングプレートを概略的に示した図である。
【００４４】
なお図１から図５において同じ構成要素ないし同じ作用の構成要素には同じ参照符号が付されている。
【００４５】
図１には、本発明による発光ダイオードチップ１が断面図で示されている。この半導体素子は、発光ビームを透過させるウインドウ層２と、この光を発光するアクティブ層３と、出射光束を成形するレンズ４１の形態の光学装置と、発光制限装置としての絶縁層５と、第１の給電ないし通電部７１と第２の給電ないし通電部６で構成されている。この場合ウインドウ層２は、同時に当該発光ダイオードチップ１の基板としても用いられている。
【００４６】
アクティブ層３の発光領域３２は、絶縁層５のマスキングによってその形状とサイズに制限され規定されている。この電気的な絶縁部の形状によって、光出射面８に対向する、発光半導体素子１の下側でフラットに形成された給電部６のコンタクトが、チップないしアクティブ層との接触箇所上方に発光領域３２が存在することを可能にしている。例えば絶縁層の材料として酸化被膜が用いられる。この場合給電部６は、絶縁層５の上にフラットに被着された金属膜で構成されてもよい。これによりアクティブ層３の発光のために設けられているのではない領域３１には電流が流れない。従ってこの領域では発光が生じない。第２の給電は、導電性レンズ４１の上に電気的なコンタクト（パッド）の形状で形成された第１の給電部７１によって行われる。この給電部の上にはボンディングワイヤが通常の形態で固定されていてもよい。
【００４７】
アクティブ層３の発光領域３２から発光される光ビームは、その総面積ＦＬが以下の式、
【００４８】
【数９】
【００４９】
で表わされる関係を充たしており、これは屈折率ｎｓで厚さＨのウインドウ層２を透過する。これに関しては以下の式、
【００５０】
【数１０】
【００５１】
が有効とされる。
【００５２】
それに続いて発光ビームは、光出射面８からレンズ体４１内部へ入力結合され、その出射光束はこのレンズ形状に応じて形成される。
【００５３】
前記ウインドウ層の厚さに対しては例えば、側面長Ｃ＝３００μｍ、ｎｓ／ｎＭ＝３．５のチップの場合、理想的にはＤ＝１００μｍでＨ＝３０μｍである。あるいは以下の条件式
【００５４】
【数１１】
【００５５】
に従えば、Ｈ＝５００μｍであり、これは最大限の許容値を表わす。
【００５６】
この場合有利には、ウインドウ層２とレンズ体４１の材料の屈折率は、前述した反射ロスを避けるためにできるだけ類似させられる。最もベストなのは光学装置がウインドウ層２自体から作製されることである。
【００５７】
図１ａには、図１の発光半導体素子１が符号Ｘの方向からみた断面図で示されている。この場合アクティブ層３は、半導体素子の総横断面積Ｆｃ（前述の計算式の例では９０．０００μｍ２）をとる。発光領域３２は、総面積ＦＬ（前述の計算例では１０．０００μｍ２）を有する。
【００５８】
図２には、ボード１０上にろう付けされた本発明による発光半導体素子１の断面が示されている。この場合給電部６と７２の双方は、当該半導体素子１の下側に被着されている。これにより、発光半導体素子１と、ボード１０上に形成されたろう付け面１０１，１０２との間のろう９を用いた簡単なろう付けが可能となる。これによって光源は、いわゆるＳＭＤ構造形式で可能となる。その場合発光半導体素子１はチップ自体よりも大きくなることはほとんどない。アクティブ層３はフラットに形成されており発光領域３２は、発光制限装置としての絶縁層５によって規定される。図１におけるレンズ４１の代わりに、ここでは出射光束を変形させる光学装置としていわゆるフレネルレンズ４２が適用されている。これは、本発明による方法を用いて、高速回転するフライスツールか適切なエッチング技法によって発光領域３２の上方でウインドウ層２の光出射表面に形成される。
【００５９】
図３には、ろう付けされたさらなる発光ダイオードチップ１の断面が示されている。この場合は、給電部７３を用いてアクティブ層３内で電流給電が行われる。光学装置としてここでは追加構成されたフレネルレンズ４３が用いられている。
【００６０】
図４には、さらに別の発光ダイオードチップ１の断面図が示されている。この場合は多数の発光領域３３〜３５が設けられており、それらの個々の面積ＦＬｉの総面積は、発光領域の総面積ＦＬを示している。これも前述した、チップ基準面積Ｆｃ、すなわち光出射面の面積とＦＬの比に対する条件式を充たす。
【００６１】
透過されるウインドウ層２の高さＨは、この場合個々の部分発光領域３３〜３５の間隔距離Ａの０．５〜５倍の値で選択される。図示の例では、光束特性を変更させる光学装置として多数の球面レンズ４４が設けられており、それらの中心それぞれ部分発光領域３３〜３５の重心上に存在している。ここではレンズ４４の代わりに多数のフレネルレンズも可能である。
【００６２】
ウインドウ層２は有利には、光透過性の材料からのエピタキシャル成長層であってもよい。個々のエピタキシャル成長層も、その元の材料も（これは狭義のエピタキシャル技法においては“基板”とも称される）エッチング技法などの公知の手法で完全にあるいは部分的に除去できる。同じように、処理技術的に可能な様々な材料層を機械的にそしてとりわけ光学的な“ギャップ”なしで相互に結合させることも可能である（例えば非常に平らな表面のアノードボンディングや相互プレスなど）。
【００６３】
これまでに前述してきた構造は、非常に様々な手法で形成可能である。
【００６４】
図５には、既に分離された発光ダイオードチップ５０２〜５０４とまだこれから分離される発光ダイオードチップ５０５〜５０７を有するウエハの概略的な断面図が示されている。これらの光学レンズ４１は、軸５１１を中心に回転する相応に成形されたソーイングプレート５１０によって、ウエハ５０１の表面５０８内で同時に分離される。
【００６５】
ソーイングプレート５１０は、その断面構造において先端に向けた薄肉部分５１２と、作製すべきレンズ形状（ネガティブ）に相応した拡幅部分５１３を有している。このソーイングプレートは、先端に向けた部分５１２を短めに構成してもよい。それにより発光ダイオードチップの表面内へ多重レンズ構造を設けることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明によるアクティブ層に発光領域を有する発光ダイオードの有利な実施例の概略的な断面図である。
【図１ａ】
図１の実施例の符号Ｘの方向から見た横断面図である。
【図２】
フレネルレンズ構造部を備えた本発明による発光ダイオードの別の有利な実施例の概略的な断面図である。
【図３】
フレネルレンズ構造部を備えた本発明による発光ダイオードのさらに別の有利な実施例の概略的な断面図である。
【図４】
多数の部分発光領域と多重のレンズ構造部を備えた本発明による発光ダイオードの別の有利な実施例の概略的な断面図である。
【図５】
既に分離された発光半導体素子とまだこれから分離される発光半導体素子を有するウエハの断面とこれに用いるソーイングプレートを概略的に示した図である。
本発明は、請求項１の上位概念による発光ダイオードチップ並びにその製造方法に関している。
【０００２】
発光ダイオードチップのための半導体材料の一部は、明らかに３以上の屈折率を有している。従来の発光ダイオード構成素子のもとでチップに当接している媒体（通常は空気やプラスチック）は、明らかに低い屈折率を有している。それに伴って発光ダイオードチップと当接する媒体の間の境界面における屈折率の跳躍的変化（屈折率ジャンプ）は、全反射のうちの比較的小さな臨界角に結び付き、そのためチップのアクティブ領域内で誘起される電磁ビームの大半が当該の境界面からチップ内へフィードバック反射される。
【０００３】
このような理由からアクティブ領域内で誘起されたビームの非常に僅かな成分のみが直接チップから出力結合される。従来の発光ダイオードチップのもとではフラットな出力結合面毎に僅かなパーセントの出力結合成分が算出される。
【０００４】
米国特許出願 ＵＳ ５ ２３３ ２０４ 明細書では、発光ダイオードチップからの光出力結合の改善のために分厚い透過層が提案されている。これは発光層に対して付加的にエピタキシャルに被着され、光出力結合成分をチップのフロント側によって高めている。
【０００５】
さらに高屈折で透過性の注形コンパウンドの適用も公知であるが、しかしながらこれはとりわけ予算の関係で発展的利用が困難である。その上さらにこれまでに入手可能な最良の注形コンパウンドも最大でｎ＝１．６の屈折率しか有さず、このことはさらに発光性半導体素子の出力結合面における過度に高い跳躍的変化と反射ロスを引き起こす。さらに高透過性の注形コンパウンドは、不所望な化学的特性と機械的特性を有しており、このこともその技術の汎用的な利用に対する制約になる。
【０００６】
本発明の課題は、生成された出力結合すべきビームの特性を従来方式のチップよりも向上させ、かつ従来形のＬＥＤケーシング構造の中にも十分に組み込める、発光ダイオードチップを提供することである。またそれと同時にその製造方法についても従来の発光ダイオードチップの製造方法に比べて技術的に増える手間がごく僅かで済むように改善を行うことである。
【０００７】
前記課題は、請求項１の特徴部分に記載の本発明の発光ダイオードチップによって並びに請求項２２の特徴部分に記載の本発明の方法によって解決される。
【０００８】
本発明の発光ダイオードチップの別の有利な実施例は、従属請求項２〜２１に記載されており、本発明の方法の別の有利な実施例は、従属請求項２３〜２５に記載されている。
【０００９】
本発明によれば、発光ダイオードチップにおけるビーム効率（歩留まり）が、発光領域を発光ダイオードチップの横断面積よりも小さい面積に狭めることによって高められる。さらに、発光面が発光ダイオードチップの全横断面に亘る通常構成に比べて出力結合の向上は３０％以上である。
【００１０】
本発明によれば、横断面積がＦＬのビーム発光アクティブ領域と、照射方向で該ビーム発光アクティブ領域に後置接続されている屈折率ｎｓのビーム透過性ウインドウ層を有し、該ウインドウ層は光出力結合のためにＦｃの横断面積を有し、さらに屈折率ｎＭの媒体が接している出力結合面を有している、発光ダイオードチップが設けられており、この場合、前記ビーム発光アクティブ領域の横断面積ＦＬは、出力結合面の横断面積ＦＣよりも小さく、以下の式、
【００１１】
【数５】
であらわされる関係を充たしている。この場合の横断面積ＦＣは、ウインドウ層における光出力結合のために可用な領域かまたは光出力結合のために設けられている領域を指している。またウインドウ層とはこの場合個々の層も、全体で１つのウインドウ層の機能を充たしている多層も指しているものと理解されたい。
【００１３】
本発明の特に有利な構成によれば、発光制限装置が次のように構成されている。すなわち発光ダイオードチップ内部の電流通流、特にアクティブ層内および／またはアクティブ層を通る電流通流が発光領域に限定される。これにより本発明によれば非常に簡単に光の発光をより小さな領域に限定することができる。
【００１４】
本発明の別の構成によれば、ウインドウ層の厚さＨが以下の式
【００１５】
【数６】
に当て嵌められる。この場合前記Ｃは、ウインドウ層ないし光出射面の横断面長であり、前記ｎｓは、アクティブ層ないしウインドウ層の屈折率であり、前記ｎＭは、ウインドウ層に接している材料の屈折率である。この場合に得られる利点は、出力結合される光量のさらなる増加である。
【００１７】
前記横断面長とは、ここおよび以下では、相応する横断面の特徴的な広がりの長さを意味するものと理解されたい。例えばそれが正方形の面ならば辺の長さを指し、円形の面ならば直径を意味する。その他の面形状の場合には、横断面長として次のような値が用いられる。すなわち面の重心を通る直径の最大値と最小値の間の値である。
【００１８】
有利には、アクティブ層に接するウインドウ層の厚さＨに対しては、以下の式
【００１９】
【数７】
が有効である。この場合、前記Ｃはウインドウ層の横断面長であり、前記Ｄは、アクティブ層のビーム発光領域の横断長であり、前記ｎｓは、照射されるウインドウ層の屈折率であり、前記ｎＭは、ウインドウ層に接している材料の屈折率である。この高さ（厚さ）までは、ウインドウ層の側面における全反射が十分に避けられ、そのため側面による生成ビームの出力結合が可能である。
【００２１】
本発明のさらに別の有利な実施形態によれば、発光領域は、アクティブ層の、相互に規則的な間隔をおいて配置された多数の部分発光領域からなり、この場合部分発光領域の全体面積ＦＬに対しては以下の式、
【００２２】
【数８】
が有効であり、この場合前記Ｆｃは、ウインドウ層の横断面積ないし基準面積すなわち光出射面積であり、前記ＦＬｉは、個々の部分発光領域の面積であり、前記ｎｓは、アクティブ層ないしウインドウ層の屈折率であり、前記ｎＭは、ウインドウ層に接している材料の屈折率である。これによって中央のアクティブ層発光領域と同じように有利な形態で、発光ダイオードチップからの光出力結合が最適化される。それに続いてさらに有利には、ウインドウ層の厚さＨに対して、以下の式、
Ｈ＝ｐ・Ａ
が有効である。この場合前記Ａは、個々の部分発光領域の規則的な間隔であり、前記ｐは、０．５〜５の間で選択可能な係数である。
【００２４】
有利には、発光ダイオードチップから出射する光を収束させる光学装置が設けられ、この装置はウインド層の表面に構成される。これにより、出射される光束の形状が定められ、ひいては出力結合が適切な材料選択と形状選択によってさらに向上される。
【００２５】
本発明の有利な実施形態によれば、前記光学装置が１つまたは複数の有利には球面レンズｎによって構成され、その中心点は発光領域の重心上かまたは個々の部分発光領域のそれぞれの重心上に存在する。
【００２６】
同様に有利には、前記光学装置は１つまたは複数のフレネルレンズによって構成されており、それらの中心点は発光領域の重心上かまたは個々の部分発光領域のそれぞれの重心上に存在する。
【００２７】
有利には前記光学装置は、ウインドウ層の表面に載置されるかまたは成形される、あるいはウインドウ層自体から構成されるかまたは成形されている。
【００２８】
本発明のさらに別の構成によれば、発光制限装置がアクティブ層の制限によって形成され、この場合アクティブ層の発光能力は、発光領域に限定される。
【００２９】
本発明の有利な実施形態によれば、発光制限装置が、アクティブ層上またはアクティブ層において形成された、アクティブ層の発光を少なくとも部分的に不透過にさせる材料および／または限定的にしか透過させない材料からなる絶縁層によって形成されている。これによりアクティブ層は、これまでの通常のように貫通層としてさらに多くの個別の発光半導体素子を含んだウエハ内を延在し得る。
【００３０】
本発明のさらに別の有利な実施形態によれば、前記発行制限装置は、アクティブ層上またはアクティブ層において並びにアクティブ層と給電部の間において形成される絶縁層によって形成されており、該絶縁層は、アクティブ層に対する給電ないしアクティブ層を通る通電を、発光領域外の領域において最小化する。これによってもアクティブ層は、貫通層としてさらに多くの個別の発光半導体素子を含んだウエハ内を延在し得る。
【００３１】
有利には、前記絶縁層は、非導電性の酸化膜からなり、これはウインドウ層の光出射面の対向側に被着されている。これにより、給電ないし通電のマスキングが特に簡単にかつ低コストに実現できる。この利点は、酸化被膜が既存の材料の酸化によって形成可能なことである。
【００３２】
同様に有利には、発光制限装置が給電部ないし通電部の形状構成によって次のように形成される。すなわち当該給電部がコンタクト領域においてのみ、アクティブ層と導電接続されるように形成される。
【００３３】
本発明の別の有利な実施形態によれば、第２の給電ないし給電部が光出射面または光学装置上でこれを不完全に覆った電気的コンタクトによって形成される。この上では通常の手法のようにコンタクト用のボンディングワイヤで固定されてもよい。
【００３４】
同様に有利には、第２の給電部が、アクティブ層と光出射面の間のウインドウ層に接続する電気的コンタクトによって形成される。
【００３５】
さらに別の構成例によれば、第２の給電部が、アクティブ層に接続する電気的コンタクトによって形成される。
【００３６】
有利には前記給電部および／または絶縁層は、発光ビームに対して反射的である。これにより、発光効率がさらに損失の回避によって高められる。
【００３７】
有利には、光出射面とは離れているアクティブ層側におけるウインドウ層またはアクティブ層の層内または層面に、発光ビームに対する反射装置が形成される。これにより光効率もさらなるロスの回避によって高まる。さらに有利には反射装置はブラッグ格子である。
【００３８】
さらに本発明の別の構成例によれば、前記ウインドウ層および／または光学装置は、少なくとも部分的に発光ビームを透過させる被覆を備える。これにより、発光半導体素子は、環境の影響から保護される。それにより多岐にわたる適用に応じた対外的な形状構成が可能となる。
【００３９】
発光ダイオードチップの表面にレンズ構造部を作製するための本発明による方法によれば、光の出射ないし透過のために設けられた発光素子の外側表面に、レンズ構造部がフライスツールまたはエッチング手法を用いて、発光素子から外側表面に成形される。
【００４０】
別の有利な方法ステップによれば、前記レンズ構造部として球面レンズまたはフレネルレンズが作製される。
【００４１】
特に有利な方法ステップによれば、ウエハ帯内にまだ存在している発光素子の分断のために適切に成形された装置を用いて、発光素子の分離のもとで、レンズ構造部が個別化されると同時に作製される。
【００４２】
さらに本発明のさらなる利点、特性、別の有利な構成例は従属請求項に記載されている。
【００４３】
実施例
以下の明細書では本発明を図面に基づいて詳細に説明する。この場合、
図１は、本発明によるアクティブ層に発光領域を有する発光ダイオードの有利な実施例の概略的な断面図であり、
図１ａは、図１の実施例の符号Ｘの方向から見た横断面図であり、
図２は、フレネルレンズ構造部を備えた本発明による発光ダイオードの別の有利な実施例の概略的な断面図であり、
図３は、フレネルレンズ構造部を備えた本発明による発光ダイオードのさらに別の有利な実施例の概略的な断面図であり、
図４は、多数の部分発光領域と多重のレンズ構造部を備えた本発明による発光ダイオードの別の有利な実施例の概略的な断面図であり、
図５は、既に分離された発光半導体素子とまだこれから分離される発光半導体素子を有するウエハの断面とこれに用いるソーイングプレートを概略的に示した図である。
【００４４】
なお図１から図５において同じ構成要素ないし同じ作用の構成要素には同じ参照符号が付されている。
【００４５】
図１には、本発明による発光ダイオードチップ１が断面図で示されている。この半導体素子は、発光ビームを透過させるウインドウ層２と、この光を発光するアクティブ層３と、出射光束を成形するレンズ４１の形態の光学装置と、発光制限装置としての絶縁層５と、第１の給電ないし通電部７１と第２の給電ないし通電部６で構成されている。この場合ウインドウ層２は、同時に当該発光ダイオードチップ１の基板としても用いられている。
【００４６】
アクティブ層３の発光領域３２は、絶縁層５のマスキングによってその形状とサイズに制限され規定されている。この電気的な絶縁部の形状によって、光出射面８に対向する、発光半導体素子１の下側でフラットに形成された給電部６のコンタクトが、チップないしアクティブ層との接触箇所上方に発光領域３２が存在することを可能にしている。例えば絶縁層の材料として酸化被膜が用いられる。この場合給電部６は、絶縁層５の上にフラットに被着された金属膜で構成されてもよい。これによりアクティブ層３の発光のために設けられているのではない領域３１には電流が流れない。従ってこの領域では発光が生じない。第２の給電は、導電性レンズ４１の上に電気的なコンタクト（パッド）の形状で形成された第１の給電部７１によって行われる。この給電部の上にはボンディングワイヤが通常の形態で固定されていてもよい。
【００４７】
アクティブ層３の発光領域３２から発光される光ビームは、その総面積ＦＬが以下の式、
【００４８】
【数９】
で表わされる関係を充たしており、これは屈折率ｎｓで厚さＨのウインドウ層２を透過する。これに関しては以下の式、
【００５０】
【数１０】
が有効とされる。
【００５２】
それに続いて発光ビームは、光出射面８からレンズ体４１内部へ入力結合され、その出射光束はこのレンズ形状に応じて形成される。
【００５３】
前記ウインドウ層の厚さに対しては例えば、側面長Ｃ＝３００μｍ、ｎｓ／ｎＭ＝３．５のチップの場合、理想的にはＤ＝１００μｍでＨ＝３０μｍである。あるいは以下の条件式
【００５４】
【数１１】
に従えば、Ｈ＝５００μｍであり、これは最大限の許容値を表わす。
【００５６】
この場合有利には、ウインドウ層２とレンズ体４１の材料の屈折率は、前述した反射ロスを避けるためにできるだけ類似させられる。最もベストなのは光学装置がウインドウ層２自体から作製されることである。
【００５７】
図１ａには、図１の発光半導体素子１が符号Ｘの方向からみた断面図で示されている。この場合アクティブ層３は、半導体素子の総横断面積Ｆｃ（前述の計算式の例では９０．０００μｍ２）をとる。発光領域３２は、総面積ＦＬ（前述の計算例では１０．０００μｍ２）を有する。
【００５８】
図２には、ボード１０上にろう付けされた本発明による発光半導体素子１の断面が示されている。この場合給電部６と７２の双方は、当該半導体素子１の下側に被着されている。これにより、発光半導体素子１と、ボード１０上に形成されたろう付け面１０１，１０２との間のろう９を用いた簡単なろう付けが可能となる。これによって光源は、いわゆるＳＭＤ構造形式で可能となる。その場合発光半導体素子１はチップ自体よりも大きくなることはほとんどない。アクティブ層３はフラットに形成されており発光領域３２は、発光制限装置としての絶縁層５によって規定される。図１におけるレンズ４１の代わりに、ここでは出射光束を変形させる光学装置としていわゆるフレネルレンズ４２が適用されている。これは、本発明による方法を用いて、高速回転するフライスツールか適切なエッチング技法によって発光領域３２の上方でウインドウ層２の光出射表面に形成される。
【００５９】
図３には、ろう付けされたさらなる発光ダイオードチップ１の断面が示されている。この場合は、給電部７３を用いてアクティブ層３内で電流給電が行われる。光学装置としてここでは追加構成されたフレネルレンズ４３が用いられている。
【００６０】
図４には、さらに別の発光ダイオードチップ１の断面図が示されている。この場合は多数の発光領域３３〜３５が設けられており、それらの個々の面積ＦＬｉの総面積は、発光領域の総面積ＦＬを示している。これも前述した、チップ基準面積Ｆｃ、すなわち光出射面の面積とＦＬの比に対する条件式を充たす。
【００６１】
透過されるウインドウ層２の高さＨは、この場合個々の部分発光領域３３〜３５の間隔距離Ａの０．５〜５倍の値で選択される。図示の例では、光束特性を変更させる光学装置として多数の球面レンズ４４が設けられており、それらの中心それぞれ部分発光領域３３〜３５の重心上に存在している。ここではレンズ４４の代わりに多数のフレネルレンズも可能である。
【００６２】
ウインドウ層２は有利には、光透過性の材料からのエピタキシャル成長層であってもよい。個々のエピタキシャル成長層も、その元の材料も（これは狭義のエピタキシャル技法においては“基板”とも称される）エッチング技法などの公知の手法で完全にあるいは部分的に除去できる。同じように、処理技術的に可能な様々な材料層を機械的にそしてとりわけ光学的な“ギャップ”なしで相互に結合させることも可能である（例えば非常に平らな表面のアノードボンディングや相互プレスなど）。
【００６３】
これまでに前述してきた構造は、非常に様々な手法で形成可能である。
【００６４】
図５には、既に分離された発光ダイオードチップ５０２〜５０４とまだこれから分離される発光ダイオードチップ５０５〜５０７を有するウエハの概略的な断面図が示されている。これらの光学レンズ４１は、軸５１１を中心に回転する相応に成形されたソーイングプレート５１０によって、ウエハ５０１の表面５０８内で同時に分離される。
【００６５】
ソーイングプレート５１０は、その断面構造において先端に向けた薄肉部分５１２と、作製すべきレンズ形状（ネガティブ）に相応した拡幅部分５１３を有している。このソーイングプレートは、先端に向けた部分５１２を短めに構成してもよい。それにより発光ダイオードチップの表面内へ多重レンズ構造を設けることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明によるアクティブ層に発光領域を有する発光ダイオードの有利な実施例の概略的な断面図である。
【図１ａ】
図１の実施例の符号Ｘの方向から見た横断面図である。
【図２】
フレネルレンズ構造部を備えた本発明による発光ダイオードの別の有利な実施例の概略的な断面図である。
【図３】
フレネルレンズ構造部を備えた本発明による発光ダイオードのさらに別の有利な実施例の概略的な断面図である。
【図４】
多数の部分発光領域と多重のレンズ構造部を備えた本発明による発光ダイオードの別の有利な実施例の概略的な断面図である。
【図５】
既に分離された発光半導体素子とまだこれから分離される発光半導体素子を有するウエハの断面とこれに用いるソーイングプレートを概略的に示した図である。
Claims (25)
- 横断面積がＦＬのビーム発光アクティブ領域（３２）と、照射方向で該ビーム発光アクティブ領域（３２）に後置接続されている屈折率ｎｓのビーム透過性ウインドウ層（２）を有し、該ウインドウ層は光出力結合のためにＦｃの横断面積を有し、さらに屈折率ｎＭの媒体が接している出力結合面を有している、発光ダイオードチップにおいて、
前記ビーム発光アクティブ領域（３２）の横断面積ＦＬが、出力結合面の横断面積ＦＣよりも小さく、以下の式
- 前記ビーム発光アクティブ領域（３２）は、当該ビーム発光アクティブ領域（３２）の面積ＦＬに対する通流制限を用いて規定される、請求項１記載の発光ダイオードチップ。
- 前記ウインドウ層（２）の厚さＨは、以下の式
- 前記ウインドウ層（２）の厚さＨは、以下の式
- 前記ビーム発光アクティブ領域は、相互に規則的な間隔をおいて配置された多数のアクティブな部分領域からなり、この場合部分領域の全体面積ＦＬに対しては以下の式、
- 前記ウインドウ層（２）の厚さＨに対して、以下の式、
Ｈ＝ｐ・Ａ
が当て嵌まり、この場合前記Ａは、個々の部分領域の規則的な間隔であり、０．５〜５の間で選択可能な係数である、請求項５記載の発光ダイオードチップ。 - 前記ウインドウ層（２）上に電磁ビームを集束させるための光学装置（４１，４２，４３，４４）が設けられている、請求項１から６いずれか１項記載の発光ダイオードチップ。
- 前記光学装置は、その重心がビーム発光アクティブ領域（３２）上に存在する１つのレンズ（４１）によって構成されるか又は、その中心点がそれぞれの対応するアクティブ部分領域（３３〜５５）の重心上に存在する複数のレンズ（４４）によって構成されている、請求項７記載の発光ダイオードチップ。
- 前記レンズ（４１，４４）は、少なくとも部分的にフレネルレンズ（４２，４３）または球面レンズとして構成される、請求項８記載の発光ダイオードチップ。
- 前記ビーム発光アクティブ領域（３２，３３〜３５）の面積Ｆｌないし面積ＦＬｉは、アクティブ層（３）の発光能力を当該ビーム発光アクティブ領域（３２，３３〜３５）の面積Ｆｌないし面積ＦＬｉに絞ることによって定められている、請求項１から９いずれか１項記載の発光ダイオードチップ。
- 前記ビーム発光アクティブ領域（３２，３３〜３５）の面積Ｆｌないし面積ＦＬｉは、アクティブ層（３）上またはアクティブ層（３）において形成される絶縁層によって定められ、該絶縁層は、アクティブ層の発光を部分的に不透過にさせる材料および／または限定的にしか透過させない材料から形成されている、請求項１から９いずれか１項記載の発光ダイオードチップ。
- 前記ビーム発光アクティブ領域（３２，３３〜３５）の面積Ｆｌないし面積ＦＬｉは、アクティブ層（３）上またはアクティブ層（３）において並びにアクティブ層（３）と給電部（６）の間において形成される絶縁層（５）によって定められ、該絶縁層は、アクティブ層（３）に対する給電ないしアクティブ層（３）を通る通電を、前記発光領域（３２，３３〜３５）外の領域（３１）において最小化する、請求項１から９いずれか１項記載の発光ダイオードチップ。
- 前記絶縁層（５）は、非導電性の酸化膜からなり、当該チップの光出射面（８）の対向側に被着されている、請求項１２記載の発光ダイオードチップ。
- 第２の給電部（７１）が、光出射面（８）または光学装置（４１，４２，４３，４４）上でこれを不完全に覆っている電気的コンタクトによって形成されている、請求項１から１３いずれか１項記載の発光ダイオードチップ。
- 第２の給電部（７２）は、ウインドウ層（２）に接続しかつ該ウインドウ層（２）の光出射面（８）とは離れている側に配置された電気的なコンタクトによって形成されている、請求項１から１４いずれか１項記載の発光ダイオードチップ。
- 第２の給電部（７３）は、アクティブ層と接続する電気的なコンタクトによって形成されている、請求項１から１５いずれか１項記載の発光ダイオードチップ。
- 前記給電部（６，７１，７２，７３，７４）および／または絶縁層（５）は、発光ビームに対して反射的である、請求項１から１６いずれか１項記載の発光ダイオードチップ。
- 光出射面（８）とは離れているアクティブ層（３）側におけるウインドウ層（２）またはアクティブ層（３）の層内または層面に、発光ビームに対する反射装置が形成されている、請求項１から１７ずれか１項記載の発光ダイオードチップ。
- 前記反射装置は、ブラッグ格子である、請求項１８記載の発光ダイオードチップ。
- 前記ウインドウ層（２）および／または光学装置（４１，４２，４３，４４）は、少なくとも部分的に発光ビームを透過させる被覆を備えている、請求項１から１９いずれか１項記載の発光ダイオードチップ。
- 前記チップは、発光ダイオード（ＬＥＤ）である、請求項１から２０いずれか１項記載の発光ダイオードチップ。
- 発光素子、特に請求項１〜２１に記載の発光素子表面にレンズ構造部を作製するための方法において、
光の出射ないし透過のために設けられた、発光素子（１）の外側表面（８）に、レンズ構造部（４２，４３）をフライスないしソーイングツールまたはエッチング手法を用いて、発光素子（１）から外側表面（８）に成形するようにしたことを特徴とする方法。 - 前記レンズ構造部として球面レンズ（４１）またはフレネルレンズ（４２，４３）を作製する、請求項２２記載の方法。
- 前記レンズ構造部は、ソーイングツール（５１０）またはフライスツールを用いたウエハ帯内にまだ存在している個々の発光素子の分離のもとで作製される、請求項２２または２３記載の方法。
- 前記ソーイングツール（５１０）またはフライスツールは、ウエハ帯（５０１）からの個々の半導体素子（５０２〜５０７）の分離ための狭幅部（５１２）と、作製すべきレンズ（４１）形状に相応して成形されたレンズ（４１）作製用成形部（５１３）を有している、請求項２４記載の方法。
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