JP2005503043A - エレクトロルミネセンス体 - Google Patents
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Abstract
簡単な構造で高い外部効率を有するエレクトロルミネセンス体(1)、例えばLEDチップを提供する。エレクトロルミネセンス体(1)は基板(2)と、この基板上に相互に間隔を置いて配置された複数の放射出力素子(4)と、各放射出力素子上に配置されたコンタクト素子(9)とを有しており、放射出力素子は発光ゾーン(8)を含む活性層スタック(7)を有している。本発明によれば、コンタクト素子(9)は放射出力素子(4)の中央に配置され、その幅b’は放射出力素子の幅bよりも小さく選定されており、放射出力素子(4)の幅bは高さhが定められているとき発光ゾーン(8)から放出される光(11)の大部分が直接に放射出力素子の側面(12)を通って出力されるように小さく選定されている。
Description
【技術分野】
【0001】
本発明は請求項1の上位概念記載のエレクトロルミネセンス体、例えばLEDチップに関する。本発明は特に、活性層スタックとしてAlxGayIn1−x−yNベースの半導体材料を有するLEDチップに関する。ここで0≦x≦1,0≦y≦1,x+y≦1である。
【0002】
従来のLEDチップは一般的に、基板の成長面全体にわたって延在する唯一の活性層スタックを有している。こうしたLEDチップは電流印加のためにフロント面にいわゆるボンディングパッドを有しており、リア面には全面にわたってコンタクトメタライゼーション部を有している。ここではLEDチップを通る電流が活性層スタックのラテラル方向にできるだけ広がって流れるように意図されている。
【0003】
活性層スタックがサンドウィッチ状に2つのコンタクトのあいだに配置されているLEDチップで垂直方向に電流を印加することに代えて、p側のコンタクトもn側のコンタクトもチップのフロント面から行うチップ構造を採用する手法も知られている。これはたいてい基板が活性層スタックに対して電気的に絶縁されているケースで行われる。
【0004】
この種のLEDチップでは、活性層内の光形成プロセスの効率がほぼ100%ときわめて高いことに比べて、外部効率は相対的に低い。その原因となる問題点は、平面として成長した屈折率の高い活性の半導体層で光が形成され、この光が屈折率の低い成形材料内へ結合されることである。この場合通常は比較的小さい角度で生じた1次光しか外部へは達せず、残りは半導体と成形材料との境界層で全反射されて半導体内へ戻り、その大部分が活性層や基板などで吸収されることにより、基板表面や電気コンタクト素子またはボンディングパッドなどの個所で失われてしまう。
【0005】
光出力の改善されたエレクトロルミネセンス体は例えば独国出願公開第19911717号明細書から公知である。この刊行物に示されているモノリシックなエレクトロルミネセンスコンポーネントは、放射主方向に対して相互に並列に配置された複数の放射出力素子を基板上に有する。有利には円筒状に構成されている放射出力素子は発光ゾーンを備えた活性層の列を有している。発光ゾーンは少なくとも1つのエレクトロルミネセンスを形成するpn接合部を有しており、ここに発光ゾーンを区切る電流開口となるいわゆる電流アパーチャ層とコンタクト層とが後置されている。円筒状の放射出力素子のコンタクト層上に複数の環状のコンタクト素子が設けられており、各コンタクト素子は相互に導電性のスタブを介して接続されている。各環状コンタクトは放射出力素子の表面のそれぞれ所定の領域をカバーしているだけであるが、放射出力素子と周囲の媒体とのあいだの界面での全反射のために放射は全く出力されないか、または僅かしか出力されない。
【0006】
こうした従来技術に基づいて、本発明の課題は、できる限り簡単な構造で高い出力効率の保証されるエレクトロルミネセンス体を提供することである。
【0007】
この課題は本発明の請求項1の特徴を有するエレクトロルミネセンス体により解決される。本発明の有利な実施形態および改善形態は従属請求項2〜15の対象となっている。
【0008】
本発明のエレクトロルミネセンス体は基板と、この基板上に相互に間隔を置いて配置された複数の放射出力素子と、各放射出力素子上に配置されたコンタクト素子とを有しており、放射出力素子はラテラル方向で区切られた発光ゾーンを備えた発光層から成る活性層スタックである。有利には、コンタクト素子は放射出力素子の中央に配置され、その幅(または径)は放射出力素子の幅(または径)よりも小さく選定されている。また放射出力素子の幅はその高さが定められているとき発光ゾーンの側方へ放出される光の主成分が直接に放射出力素子の側面を通って出力されるように小さく選定されている。
【0009】
発光ゾーンのラテラル方向の広がりはほぼコンタクト素子のラテラル方向の広がりに相応している。このことから、活性層の電荷担体が発光ゾーンからコンタクト素子のほうへ運動する運動能が小さいとき、有利には電流の伝搬面積が小さくなり光がコンタクト層の下部の狭い領域内でのみ形成される。ここで活性層は例えばp型にドープされたAlxGayIn1−x−yNから成り、ここで0≦x≦1,0≦y≦1,x+y≦1である。本発明の放射出力素子の寸法設計によれば活性層スタック内の反射損失がほぼ回避される。なぜなら放射されてくる光の最大成分が直接に放射出力素子の側面を介して出力されるからである。
【0010】
放射出力素子は有利には上述の幅の条片状の構造を有するか、または上述の径の点状の構造を有する。以下では解りやすくするために、点状の構造を有する放射出力素子における径について云う場合であっても‘放射出力素子の幅’または‘コンタクト素子の幅’と称することにする。
【0011】
特に有利には活性層スタックの発光ゾーンは半導体表面の直接下方には設けられず、放射出力素子は有利には円錐状に構成されている。ここで円錐状の放射出力素子は基板に向かう側がコンタクト素子に向かう側よりも大きい。
【0012】
放射出力素子の寸法は0<(b+b’)/h<2cot(αT)の条件を満足する。ここでbは放射出力素子の幅であり、b’はコンタクト素子の幅であり、hは放射出力素子の高さであり、αTは活性層スタックから周囲の媒体へ入射する光の全反射の限界角である。
【0013】
活性層スタックの発光ゾーンが放射出力素子の基板に向かう側とコンタクト素子に向かう側とのあいだに位置している場合(つまり基板に向かう表面またはコンタクト面に向かう表面に直接に接していない場合)には、放射出力素子の寸法は0<(b+b’)/h<cot(αT)の条件を満足する。ここでbは放射出力素子の幅であり、b’はコンタクト素子の幅であり、hは放射出力素子の高さであり、αTは活性層スタックから周囲の媒体へ入射する光の全反射の限界角である。
【0014】
本発明の他の特徴および利点を以下に種々の実施例に則して図を参照しながら詳細に説明する。図1には本発明のエレクトロルミネセンス体の第1の実施例の断面図が示されている。図2のA〜Cには図1のエレクトロルミネセンス体で使用される各放射出力素子の断面図が示されている。図3には図1のエレクトロルミネセンス体で使用される各放射出力素子のさらなるバリエーションの断面図が示されている。図4のA,Bには点状構造の放射出力素子を備えた本発明のエレクトロルミネセンス体の平面図が示されている。図5のA〜Cには条片状構造の放射出力素子を備えた本発明のエレクトロルミネセンス体の平面図が示されている。
【0015】
図1の実施例のエレクトロルミネセンス体はLEDチップ1であり、このチップで形成された電磁放射11の大部分が放射主方向6へ放射される。放射主方向6はLEDチップ1の延在主平面に対してほぼ垂直に配向されている。
【0016】
LEDチップ1は例えばAlxGayIn1−x−yNベースでSiCまたはサファイアを含む基板2を有している。ここで0≦x≦1,0≦y≦1,x+y≦1である。基板2にはここでは付加的にブラッグリフレクタ層3が被着されている。この層は後に説明する発光ゾーン8から基板2の方向へ放射される光を反射して戻す。こうしたブラッグリフレクタ層3は当該の技術分野の技術者には周知であるので、ここではこれ以上説明しない。
【0017】
ブラッグリフレクタ層3上にはそれぞれ所定の間隔を置いて複数の放射出力素子4が被着されている。後に図4、図5に則して詳細に説明するが、これらの放射出力素子は平面で見て点状の構造(例えば円形、楕円形または四角形の横断面を有する点)または条片状の構造(例えば矩形の横断面を有する条片)を有している。放射出力素子4の長手方向の中心軸線5はLEDチップ1の放射主方向6に対して平行に配向されている。
【0018】
放射出力素子4は付加的に設けられているブラッグリフレクタ層3上に活性層スタック7を有している。この活性層スタックは発光層8aとラテラル方向で区切られた発光ゾーン8とを有している。発光ゾーンは少なくとも1つのpn接合部を有している。
【0019】
特に有利な実施例では、活性層スタック7はドープされたおよび/またはドープされていない複数のAlxGayIn1−x−yN層から形成される。ここで0≦x≦1,0≦y≦1,x+y≦1である。ただし本発明の構造体は基本的にはAlxGayIn1−x−yPまたはAlxGa1−xAsまたは他の適切なIII族−IV族化合物半導体またはII族−VI族化合物半導体をベースとした活性層スタックにも適している。ここで0≦x≦1,0≦y≦1,x+y≦1である。
【0020】
コンタクト素子9と発光ゾーン8とのあいだの領域は、p導電型を生じさせるためにMgおよび/またはZn(特に有利にはMg)ドープされたAlxGayIn1−x−yN材料から成っている。ここで0≦x≦1,0≦y≦1,x+y≦1である。この層に平行な方向での導電性は充分に小さく、電流がチップを流れるとき、コンタクト素子9と発光ゾーン8とのあいだの領域の電流の伝搬面積が20μmよりも小さく、特に有利には0.1μm〜10μmの範囲となる。これにより発光ゾーン8の横断面積はコンタクト素子9の垂直方向の投影面に対して充分に制限される。
【0021】
活性層スタック7の発光ゾーン8で形成された放射11は主として側方の伝搬方向で放射出力素子4の側面12を通って活性層スタック7から周囲の媒体へ入射する。周囲の媒体とは例えば放射出力素子を包囲する図示しないプラスティックカバーであり、例えばエポキシ樹脂、シリコン樹脂または他の適切な反応性樹脂から形成され、このなかにLEDチップが埋め込まれている。放射出力素子4のあいだの空間には適切な電気絶縁性かつ放射透過性の充填材料が存在していてもよい。
【0022】
放射出力素子4の表面中央にコンタクト素子9が配置されている。放射出力素子4のコンタクト素子9と活性層スタック7とのあいだ、少なくともコンタクト素子9の下方に付加的に図示しない別のコンタクト層を被着することもできる。図4、図5に示されているように、個々のコンタクト素子9は相互に接続され、また導電性スタブ14を介してLEDチップ1のフロント面のボンディングパッド15へ接続されている。放射出力素子4が点状の構造または条片状の構造のどちらを有するかに応じて、コンタクト素子4はコンタクト点または幅の狭いコンタクト条片として構成される。
【0023】
基板2のうち放射出力素子4とは反対側の例えば全面にわたってコンタクトメタライゼーション部10が被着される。またこの場合に、相互に分離されそれぞれ放射出力素子4に対応するコンタクト面となるようにコンタクトメタライゼーション部をパターニングしてもよい。
【0024】
各放射出力素子4のあいだで、基板2上または基板2に設けられたブラッグリフレクタ層3上に有利には反射層13が被着され、放射出力素子4から出力され下方の基板2へ向かう放射11が反射される。反射層13は非吸収性の基板2が用いられるケースでも有利である。なぜなら基板材料への入射時または出射時に発生する反射損失および伝達損失を低減できるからである。
【0025】
放射出力素子4は、例えば全面にわたってエピタキシャルにブラッグリフレクタ層3および活性層スタック7を基板2上に被着し、続いてフォトリソグラフィ技術やエッチングプロセスを行うことにより形成される。これに代えてまずブラッグリフレクタ層3の上にマスク層を被着し、ここに放射出力素子4の構造に相応する開口をエッチングし、続いて活性層7をエピタキシャル成長させ、その後マスク層を例えばエッチングにより除去してもよい。
【0026】
次に本発明のエレクトロルミネセンス体の放射出力素子4の構造および機能を図2のA〜Cに示された実施例に則して詳細に説明する。
【0027】
図2のAに示されている実施例では、活性層スタック7の発光ゾーン8はコンタクト素子9の直接下方に設けられている。活性層スタック7の高さが与えられているとき、パターニングされる放射出力素子4の幅bは本発明によればできるかぎり小さく選定されている。図2のAの実施例では、活性層7の幅bは有利には0<(b+b’)/h<2cot(αT)の条件を満足する。ここでここでbは放射出力素子4の幅であり、b’はコンタクト素子9の幅であり、αTは活性層スタック7から周囲の媒体へ入射する光11の全反射の限界角である。GaNではαTは例えば37゜であり、したがって比(b+b’)/hは2.65よりも小さくしなければならない。
【0028】
例えばAlxGayIn1−x−yNなどの幾つかの化合物半導体では電荷担体の運動能が小さいために電流の伝搬面積が小さく、そもそも発光ゾーン8のラテラル方向の広がり(幅)がコンタクト素子9のラテラル方向の広がり(幅)より大きくなければ、発光ゾーン8は主としてコンタクト素子9の下方、発光層8aを垂直方向に投影した領域のみで延在することになる。活性層をこのように寸法設計することにより、発光ゾーン8から側方へ放射される光11の最大成分は直接に側面12を通って出力される。側面12での全反射はほとんど生じない。
【0029】
また発光ゾーン8から1次光として生じた放射の大部分、すなわちcos(αT)=60%が当該の角度領域へ出射され、この放射は直接に、つまり活性層スタック7の上方および下方の界面での反射プロセスなしで発光層8aおよび側面12を介して周囲の媒体へ出力される。このことは反射損失および他の伝搬損失が生じないということを意味する。従来のシステムでは、発光ゾーンで形成された放射は通常、活性層スタックと基板とのあいだまたは活性層スタックの表面と周囲の媒体とのあいだの界面で複数回反射されてから側面へ出力される。本発明によれば表面での再結合による非放射の損失も大幅に回避される。
【0030】
周知のモジュール、例えば独国出願公開第19911717号明細書に記載のLEDチップとは異なり、本発明のエレクトロルミネセンス体では、電流アパーチャ層や酸化物アパーチャ絞りの導入などの付加的なパターニング処置なしで放射出力の外部効率の上昇が達成される。
【0031】
放射出力素子4の寸法が最適な放射出力のための上述の限界値内に入っていなくても、放射出力素子4の幅bをできるかぎり小さく選定することにより、いずれの場合にも従来のシステムよりは有利な効率が達成される。なぜなら本発明では少なくとも放射損失をともなう出力結合前の反射吸収プロセスの回数が低減されるからである。
【0032】
放射出力素子4の寸法が同じであるなら、図2のCの実施例にしたがって、発光ゾーン8を基板2または場合により設けられるブラッグリフレクタ層3の直接上方に設けると有利である。つまりこのとき、放射出力素子の幅bは、発光ゾーン8で形成された放射の大部分が直接に放射出力素子4の側面12を介して出力されるように、0<(b+b’)/h<2cot(αT)の領域に定められる。
【0033】
図2のBには、発光ゾーン8が活性層スタック7の上縁または下縁に接して設けられるのではなく、活性層スタック7の中央に配置されている放射出力素子4が示されている。図2のAの構造を有する放射出力素子4のときと同様の考察に基づいて、活性層スタック7の幅bはこの場合、前述の場合と同じ効果を得るためにいっそう厳しい条件0<(b+b’)/h<cot(αT)を満足しなければならない。
【0034】
本発明の基礎とするコンセプトは、活性層スタック7によって定められる高さhのもとではこのスタックの幅nを制限して、発光ゾーン8から側方へ放射される光の大部分が直接に側面12を介して出力されるようにするということである。このために放射が周囲の媒体への界面に当たるときの入射角が全反射の限界角よりも小さくなるようにする。したがって当該技術分野の技術者には、発光ゾーン8が活性層スタック7の上方界面と下方界面とのあいだの任意の高さに位置しているとき、放射出力素子4の最適な寸法の上限はcot(αT)から2cot(αT)のあいだに来ることが容易に理解されるであろう。
【0035】
活性層スタック7の発光ゾーン8がコンタクト素子9の直接下方に位置している(図2のAの実施例)のでない場合、放射出力素子4を円錐状に構成しても有利である。この実施例は図3に示されている。
【0036】
放射出力素子4の側面12はこの実施例では斜めのエッジとして構成されている。ここで活性層スタック7の基板2に向かう側はコンタクト素子9に向かう側よりも大きい。放射出力素子4が点状の構造を有するケースではこれは例えば円錐台の構造となる。
【0037】
活性層スタック7内部での発光ゾーン8の位置を示す高さh1,h2は通常はエピタキシャル成長された層8により定められる。またこれらを加算することにより放射出力素子4の高さが得られ、すなわちh1+h2=hである。構造幅bおよび斜めの側面12の基本角βは側面12からの最適な光出力を達成するために、角度比が有利には0<(b+b’)/h<cot(αT)を満足するように適合化される。ただしここでは全反射の限界角αTが発光ゾーン8の中心点と側面12とを垂直に結んだところに生じることに注意されたい。
【0038】
図4、図5に則してLEDチップ1の種々の構成を説明する。図4のA,Bには平面図で点状構造を有する放射出力素子4の実施例が示されており、図5のA〜Cにはやはり平面図で条片状構造を有する放射出力素子4の実施例が示されている。
【0039】
円筒状または多面体状に形成された放射出力素子4はその表面中央にそれぞれコンタクト点9を有している。コンタクト点9は導電性スタブ14を介して例えばLEDチップ1の中央に配置されたボンディングパッド15に接続されている。放射出力素子4はここでは例えば六角形の構造の頂点に位置しているか(図4のA)、または矩形の頂点に位置している(図4のB)。図4のA,Bには白丸でまっすぐな側面または斜めの側面を有する放射出力素子の上部が示されている。
【0040】
放射出力素子4が条片状構造を有している場合、この素子は例えばLEDチップ1の中央に配置されたボンディングパッド15からビーム状に規則的なジオメトリで延在する(図5のA)。解りやすくするために、図5にはコンタクト素子9および相応の接続スタブ14のみが示されている。それぞれ電気接続素子9、14の下方に条片状に延在する放射出力素子4は省略してある。
【0041】
これに代えて条片状に構成された放射出力素子4を矩形に配置したり(図5のB)、六角形状に配置したり(図5のC)することもできる。各放射出力素子4をこのように配置すると全ての放射出力素子4への給電の観点から有利である。
【図面の簡単な説明】
【0042】
【図1】本発明のエレクトロルミネセンス体の第1の実施例の断面図である。
【0043】
【図2】図1のエレクトロルミネセンス体の各放射出力素子の断面図である。
【0044】
【図3】各放射出力素子の別のバリエーションの断面図である。
【0045】
【図4】点状構造の放射出力素子を備えた本発明のエレクトロルミネセンス体の平面図である。
【0046】
【図5】条片状構造の放射出力素子を備えた本発明のエレクトロルミネセンス体の平面図である。
【0001】
本発明は請求項1の上位概念記載のエレクトロルミネセンス体、例えばLEDチップに関する。本発明は特に、活性層スタックとしてAlxGayIn1−x−yNベースの半導体材料を有するLEDチップに関する。ここで0≦x≦1,0≦y≦1,x+y≦1である。
【0002】
従来のLEDチップは一般的に、基板の成長面全体にわたって延在する唯一の活性層スタックを有している。こうしたLEDチップは電流印加のためにフロント面にいわゆるボンディングパッドを有しており、リア面には全面にわたってコンタクトメタライゼーション部を有している。ここではLEDチップを通る電流が活性層スタックのラテラル方向にできるだけ広がって流れるように意図されている。
【0003】
活性層スタックがサンドウィッチ状に2つのコンタクトのあいだに配置されているLEDチップで垂直方向に電流を印加することに代えて、p側のコンタクトもn側のコンタクトもチップのフロント面から行うチップ構造を採用する手法も知られている。これはたいてい基板が活性層スタックに対して電気的に絶縁されているケースで行われる。
【0004】
この種のLEDチップでは、活性層内の光形成プロセスの効率がほぼ100%ときわめて高いことに比べて、外部効率は相対的に低い。その原因となる問題点は、平面として成長した屈折率の高い活性の半導体層で光が形成され、この光が屈折率の低い成形材料内へ結合されることである。この場合通常は比較的小さい角度で生じた1次光しか外部へは達せず、残りは半導体と成形材料との境界層で全反射されて半導体内へ戻り、その大部分が活性層や基板などで吸収されることにより、基板表面や電気コンタクト素子またはボンディングパッドなどの個所で失われてしまう。
【0005】
光出力の改善されたエレクトロルミネセンス体は例えば独国出願公開第19911717号明細書から公知である。この刊行物に示されているモノリシックなエレクトロルミネセンスコンポーネントは、放射主方向に対して相互に並列に配置された複数の放射出力素子を基板上に有する。有利には円筒状に構成されている放射出力素子は発光ゾーンを備えた活性層の列を有している。発光ゾーンは少なくとも1つのエレクトロルミネセンスを形成するpn接合部を有しており、ここに発光ゾーンを区切る電流開口となるいわゆる電流アパーチャ層とコンタクト層とが後置されている。円筒状の放射出力素子のコンタクト層上に複数の環状のコンタクト素子が設けられており、各コンタクト素子は相互に導電性のスタブを介して接続されている。各環状コンタクトは放射出力素子の表面のそれぞれ所定の領域をカバーしているだけであるが、放射出力素子と周囲の媒体とのあいだの界面での全反射のために放射は全く出力されないか、または僅かしか出力されない。
【0006】
こうした従来技術に基づいて、本発明の課題は、できる限り簡単な構造で高い出力効率の保証されるエレクトロルミネセンス体を提供することである。
【0007】
この課題は本発明の請求項1の特徴を有するエレクトロルミネセンス体により解決される。本発明の有利な実施形態および改善形態は従属請求項2〜15の対象となっている。
【0008】
本発明のエレクトロルミネセンス体は基板と、この基板上に相互に間隔を置いて配置された複数の放射出力素子と、各放射出力素子上に配置されたコンタクト素子とを有しており、放射出力素子はラテラル方向で区切られた発光ゾーンを備えた発光層から成る活性層スタックである。有利には、コンタクト素子は放射出力素子の中央に配置され、その幅(または径)は放射出力素子の幅(または径)よりも小さく選定されている。また放射出力素子の幅はその高さが定められているとき発光ゾーンの側方へ放出される光の主成分が直接に放射出力素子の側面を通って出力されるように小さく選定されている。
【0009】
発光ゾーンのラテラル方向の広がりはほぼコンタクト素子のラテラル方向の広がりに相応している。このことから、活性層の電荷担体が発光ゾーンからコンタクト素子のほうへ運動する運動能が小さいとき、有利には電流の伝搬面積が小さくなり光がコンタクト層の下部の狭い領域内でのみ形成される。ここで活性層は例えばp型にドープされたAlxGayIn1−x−yNから成り、ここで0≦x≦1,0≦y≦1,x+y≦1である。本発明の放射出力素子の寸法設計によれば活性層スタック内の反射損失がほぼ回避される。なぜなら放射されてくる光の最大成分が直接に放射出力素子の側面を介して出力されるからである。
【0010】
放射出力素子は有利には上述の幅の条片状の構造を有するか、または上述の径の点状の構造を有する。以下では解りやすくするために、点状の構造を有する放射出力素子における径について云う場合であっても‘放射出力素子の幅’または‘コンタクト素子の幅’と称することにする。
【0011】
特に有利には活性層スタックの発光ゾーンは半導体表面の直接下方には設けられず、放射出力素子は有利には円錐状に構成されている。ここで円錐状の放射出力素子は基板に向かう側がコンタクト素子に向かう側よりも大きい。
【0012】
放射出力素子の寸法は0<(b+b’)/h<2cot(αT)の条件を満足する。ここでbは放射出力素子の幅であり、b’はコンタクト素子の幅であり、hは放射出力素子の高さであり、αTは活性層スタックから周囲の媒体へ入射する光の全反射の限界角である。
【0013】
活性層スタックの発光ゾーンが放射出力素子の基板に向かう側とコンタクト素子に向かう側とのあいだに位置している場合(つまり基板に向かう表面またはコンタクト面に向かう表面に直接に接していない場合)には、放射出力素子の寸法は0<(b+b’)/h<cot(αT)の条件を満足する。ここでbは放射出力素子の幅であり、b’はコンタクト素子の幅であり、hは放射出力素子の高さであり、αTは活性層スタックから周囲の媒体へ入射する光の全反射の限界角である。
【0014】
本発明の他の特徴および利点を以下に種々の実施例に則して図を参照しながら詳細に説明する。図1には本発明のエレクトロルミネセンス体の第1の実施例の断面図が示されている。図2のA〜Cには図1のエレクトロルミネセンス体で使用される各放射出力素子の断面図が示されている。図3には図1のエレクトロルミネセンス体で使用される各放射出力素子のさらなるバリエーションの断面図が示されている。図4のA,Bには点状構造の放射出力素子を備えた本発明のエレクトロルミネセンス体の平面図が示されている。図5のA〜Cには条片状構造の放射出力素子を備えた本発明のエレクトロルミネセンス体の平面図が示されている。
【0015】
図1の実施例のエレクトロルミネセンス体はLEDチップ1であり、このチップで形成された電磁放射11の大部分が放射主方向6へ放射される。放射主方向6はLEDチップ1の延在主平面に対してほぼ垂直に配向されている。
【0016】
LEDチップ1は例えばAlxGayIn1−x−yNベースでSiCまたはサファイアを含む基板2を有している。ここで0≦x≦1,0≦y≦1,x+y≦1である。基板2にはここでは付加的にブラッグリフレクタ層3が被着されている。この層は後に説明する発光ゾーン8から基板2の方向へ放射される光を反射して戻す。こうしたブラッグリフレクタ層3は当該の技術分野の技術者には周知であるので、ここではこれ以上説明しない。
【0017】
ブラッグリフレクタ層3上にはそれぞれ所定の間隔を置いて複数の放射出力素子4が被着されている。後に図4、図5に則して詳細に説明するが、これらの放射出力素子は平面で見て点状の構造(例えば円形、楕円形または四角形の横断面を有する点)または条片状の構造(例えば矩形の横断面を有する条片)を有している。放射出力素子4の長手方向の中心軸線5はLEDチップ1の放射主方向6に対して平行に配向されている。
【0018】
放射出力素子4は付加的に設けられているブラッグリフレクタ層3上に活性層スタック7を有している。この活性層スタックは発光層8aとラテラル方向で区切られた発光ゾーン8とを有している。発光ゾーンは少なくとも1つのpn接合部を有している。
【0019】
特に有利な実施例では、活性層スタック7はドープされたおよび/またはドープされていない複数のAlxGayIn1−x−yN層から形成される。ここで0≦x≦1,0≦y≦1,x+y≦1である。ただし本発明の構造体は基本的にはAlxGayIn1−x−yPまたはAlxGa1−xAsまたは他の適切なIII族−IV族化合物半導体またはII族−VI族化合物半導体をベースとした活性層スタックにも適している。ここで0≦x≦1,0≦y≦1,x+y≦1である。
【0020】
コンタクト素子9と発光ゾーン8とのあいだの領域は、p導電型を生じさせるためにMgおよび/またはZn(特に有利にはMg)ドープされたAlxGayIn1−x−yN材料から成っている。ここで0≦x≦1,0≦y≦1,x+y≦1である。この層に平行な方向での導電性は充分に小さく、電流がチップを流れるとき、コンタクト素子9と発光ゾーン8とのあいだの領域の電流の伝搬面積が20μmよりも小さく、特に有利には0.1μm〜10μmの範囲となる。これにより発光ゾーン8の横断面積はコンタクト素子9の垂直方向の投影面に対して充分に制限される。
【0021】
活性層スタック7の発光ゾーン8で形成された放射11は主として側方の伝搬方向で放射出力素子4の側面12を通って活性層スタック7から周囲の媒体へ入射する。周囲の媒体とは例えば放射出力素子を包囲する図示しないプラスティックカバーであり、例えばエポキシ樹脂、シリコン樹脂または他の適切な反応性樹脂から形成され、このなかにLEDチップが埋め込まれている。放射出力素子4のあいだの空間には適切な電気絶縁性かつ放射透過性の充填材料が存在していてもよい。
【0022】
放射出力素子4の表面中央にコンタクト素子9が配置されている。放射出力素子4のコンタクト素子9と活性層スタック7とのあいだ、少なくともコンタクト素子9の下方に付加的に図示しない別のコンタクト層を被着することもできる。図4、図5に示されているように、個々のコンタクト素子9は相互に接続され、また導電性スタブ14を介してLEDチップ1のフロント面のボンディングパッド15へ接続されている。放射出力素子4が点状の構造または条片状の構造のどちらを有するかに応じて、コンタクト素子4はコンタクト点または幅の狭いコンタクト条片として構成される。
【0023】
基板2のうち放射出力素子4とは反対側の例えば全面にわたってコンタクトメタライゼーション部10が被着される。またこの場合に、相互に分離されそれぞれ放射出力素子4に対応するコンタクト面となるようにコンタクトメタライゼーション部をパターニングしてもよい。
【0024】
各放射出力素子4のあいだで、基板2上または基板2に設けられたブラッグリフレクタ層3上に有利には反射層13が被着され、放射出力素子4から出力され下方の基板2へ向かう放射11が反射される。反射層13は非吸収性の基板2が用いられるケースでも有利である。なぜなら基板材料への入射時または出射時に発生する反射損失および伝達損失を低減できるからである。
【0025】
放射出力素子4は、例えば全面にわたってエピタキシャルにブラッグリフレクタ層3および活性層スタック7を基板2上に被着し、続いてフォトリソグラフィ技術やエッチングプロセスを行うことにより形成される。これに代えてまずブラッグリフレクタ層3の上にマスク層を被着し、ここに放射出力素子4の構造に相応する開口をエッチングし、続いて活性層7をエピタキシャル成長させ、その後マスク層を例えばエッチングにより除去してもよい。
【0026】
次に本発明のエレクトロルミネセンス体の放射出力素子4の構造および機能を図2のA〜Cに示された実施例に則して詳細に説明する。
【0027】
図2のAに示されている実施例では、活性層スタック7の発光ゾーン8はコンタクト素子9の直接下方に設けられている。活性層スタック7の高さが与えられているとき、パターニングされる放射出力素子4の幅bは本発明によればできるかぎり小さく選定されている。図2のAの実施例では、活性層7の幅bは有利には0<(b+b’)/h<2cot(αT)の条件を満足する。ここでここでbは放射出力素子4の幅であり、b’はコンタクト素子9の幅であり、αTは活性層スタック7から周囲の媒体へ入射する光11の全反射の限界角である。GaNではαTは例えば37゜であり、したがって比(b+b’)/hは2.65よりも小さくしなければならない。
【0028】
例えばAlxGayIn1−x−yNなどの幾つかの化合物半導体では電荷担体の運動能が小さいために電流の伝搬面積が小さく、そもそも発光ゾーン8のラテラル方向の広がり(幅)がコンタクト素子9のラテラル方向の広がり(幅)より大きくなければ、発光ゾーン8は主としてコンタクト素子9の下方、発光層8aを垂直方向に投影した領域のみで延在することになる。活性層をこのように寸法設計することにより、発光ゾーン8から側方へ放射される光11の最大成分は直接に側面12を通って出力される。側面12での全反射はほとんど生じない。
【0029】
また発光ゾーン8から1次光として生じた放射の大部分、すなわちcos(αT)=60%が当該の角度領域へ出射され、この放射は直接に、つまり活性層スタック7の上方および下方の界面での反射プロセスなしで発光層8aおよび側面12を介して周囲の媒体へ出力される。このことは反射損失および他の伝搬損失が生じないということを意味する。従来のシステムでは、発光ゾーンで形成された放射は通常、活性層スタックと基板とのあいだまたは活性層スタックの表面と周囲の媒体とのあいだの界面で複数回反射されてから側面へ出力される。本発明によれば表面での再結合による非放射の損失も大幅に回避される。
【0030】
周知のモジュール、例えば独国出願公開第19911717号明細書に記載のLEDチップとは異なり、本発明のエレクトロルミネセンス体では、電流アパーチャ層や酸化物アパーチャ絞りの導入などの付加的なパターニング処置なしで放射出力の外部効率の上昇が達成される。
【0031】
放射出力素子4の寸法が最適な放射出力のための上述の限界値内に入っていなくても、放射出力素子4の幅bをできるかぎり小さく選定することにより、いずれの場合にも従来のシステムよりは有利な効率が達成される。なぜなら本発明では少なくとも放射損失をともなう出力結合前の反射吸収プロセスの回数が低減されるからである。
【0032】
放射出力素子4の寸法が同じであるなら、図2のCの実施例にしたがって、発光ゾーン8を基板2または場合により設けられるブラッグリフレクタ層3の直接上方に設けると有利である。つまりこのとき、放射出力素子の幅bは、発光ゾーン8で形成された放射の大部分が直接に放射出力素子4の側面12を介して出力されるように、0<(b+b’)/h<2cot(αT)の領域に定められる。
【0033】
図2のBには、発光ゾーン8が活性層スタック7の上縁または下縁に接して設けられるのではなく、活性層スタック7の中央に配置されている放射出力素子4が示されている。図2のAの構造を有する放射出力素子4のときと同様の考察に基づいて、活性層スタック7の幅bはこの場合、前述の場合と同じ効果を得るためにいっそう厳しい条件0<(b+b’)/h<cot(αT)を満足しなければならない。
【0034】
本発明の基礎とするコンセプトは、活性層スタック7によって定められる高さhのもとではこのスタックの幅nを制限して、発光ゾーン8から側方へ放射される光の大部分が直接に側面12を介して出力されるようにするということである。このために放射が周囲の媒体への界面に当たるときの入射角が全反射の限界角よりも小さくなるようにする。したがって当該技術分野の技術者には、発光ゾーン8が活性層スタック7の上方界面と下方界面とのあいだの任意の高さに位置しているとき、放射出力素子4の最適な寸法の上限はcot(αT)から2cot(αT)のあいだに来ることが容易に理解されるであろう。
【0035】
活性層スタック7の発光ゾーン8がコンタクト素子9の直接下方に位置している(図2のAの実施例)のでない場合、放射出力素子4を円錐状に構成しても有利である。この実施例は図3に示されている。
【0036】
放射出力素子4の側面12はこの実施例では斜めのエッジとして構成されている。ここで活性層スタック7の基板2に向かう側はコンタクト素子9に向かう側よりも大きい。放射出力素子4が点状の構造を有するケースではこれは例えば円錐台の構造となる。
【0037】
活性層スタック7内部での発光ゾーン8の位置を示す高さh1,h2は通常はエピタキシャル成長された層8により定められる。またこれらを加算することにより放射出力素子4の高さが得られ、すなわちh1+h2=hである。構造幅bおよび斜めの側面12の基本角βは側面12からの最適な光出力を達成するために、角度比が有利には0<(b+b’)/h<cot(αT)を満足するように適合化される。ただしここでは全反射の限界角αTが発光ゾーン8の中心点と側面12とを垂直に結んだところに生じることに注意されたい。
【0038】
図4、図5に則してLEDチップ1の種々の構成を説明する。図4のA,Bには平面図で点状構造を有する放射出力素子4の実施例が示されており、図5のA〜Cにはやはり平面図で条片状構造を有する放射出力素子4の実施例が示されている。
【0039】
円筒状または多面体状に形成された放射出力素子4はその表面中央にそれぞれコンタクト点9を有している。コンタクト点9は導電性スタブ14を介して例えばLEDチップ1の中央に配置されたボンディングパッド15に接続されている。放射出力素子4はここでは例えば六角形の構造の頂点に位置しているか(図4のA)、または矩形の頂点に位置している(図4のB)。図4のA,Bには白丸でまっすぐな側面または斜めの側面を有する放射出力素子の上部が示されている。
【0040】
放射出力素子4が条片状構造を有している場合、この素子は例えばLEDチップ1の中央に配置されたボンディングパッド15からビーム状に規則的なジオメトリで延在する(図5のA)。解りやすくするために、図5にはコンタクト素子9および相応の接続スタブ14のみが示されている。それぞれ電気接続素子9、14の下方に条片状に延在する放射出力素子4は省略してある。
【0041】
これに代えて条片状に構成された放射出力素子4を矩形に配置したり(図5のB)、六角形状に配置したり(図5のC)することもできる。各放射出力素子4をこのように配置すると全ての放射出力素子4への給電の観点から有利である。
【図面の簡単な説明】
【0042】
【図1】本発明のエレクトロルミネセンス体の第1の実施例の断面図である。
【0043】
【図2】図1のエレクトロルミネセンス体の各放射出力素子の断面図である。
【0044】
【図3】各放射出力素子の別のバリエーションの断面図である。
【0045】
【図4】点状構造の放射出力素子を備えた本発明のエレクトロルミネセンス体の平面図である。
【0046】
【図5】条片状構造の放射出力素子を備えた本発明のエレクトロルミネセンス体の平面図である。
Claims (15)
- 基板(2)と、該基板上に相互に間隔を置いて配置された幅bおよび高さhの複数の放射出力素子(4)と、各放射出力素子上に配置されたコンタクト素子(9)とを有しており、放射出力素子は発光ゾーン(8)を含む活性層スタック(7)を有する
エレクトロルミネセンス体(1)において、
コンタクト素子(9)は対応する放射出力素子(4)の幅bよりも小さい幅b’を有しており、
放射出力素子(4)の幅bは高さhが定められているとき発光ゾーン(8)から側方へ放出される光が放射出力素子の側面(12)でほとんど全反射せずここを通って直接に出力されるように選定されている
ことを特徴とするエレクトロルミネセンス体。 - 放射出力素子(4)は幅bの条片状構造を有している、請求項1記載のエレクトロルミネセンス体。
- 放射出力素子(4)は径が幅bに相応する点状構造を有している、請求項1記載のエレクトロルミネセンス体。
- 放射出力素子(4)は円筒状または多面体状に構成されている、請求項3記載のエレクトロルミネセンス体。
- コンタクト素子(9)は放射出力素子(4)上で相互に接続され、さらに当該のエレクトロルミネセンス体(1)のフロント面のボンディングパッド(15)に接続されている、請求項1から4までのいずれか1項記載のエレクトロルミネセンス体。
- 放射出力素子(4)は基板(2)とは反対の方向へ向かって少なくともその高さhの一部について先細になっており、特に有利にはその部分が円錐状に構成されており、特に有利には放射出力素子の基板(2)に向かう側がコンタクト素子(9)に向かう側よりも大きい、請求項1から5までのいずれか1項記載のエレクトロルミネセンス体。
- 放射出力素子(4)の寸法は
0<(b+b’)/h<2cot(αT)
の条件を満足し、ここでαTは活性層スタック(7)から周囲の媒体へ入射する光の全反射の限界角である、請求項1から6までのいずれか1項記載のエレクトロルミネセンス体。 - 活性層スタック(7)の発光ゾーン(8)が放射出力素子(4)の基板に向かう側とコンタクト素子に向かう側とのあいだに位置している場合、放射出力素子(4)の寸法は
0<(b+b’)/h<cot(αT)
の条件を満足し、ここでαTは活性層スタック(7)から周囲の媒体へ入射する光の全反射の限界角である、請求項7記載のエレクトロルミネセンス体。 - 基板(2)上で放射出力素子(4)のあいだに反射層(13)が設けられている、請求項1から8までのいずれか1項記載のエレクトロルミネセンス体。
- コンタクト素子(9)と発光ゾーン(8)とのあいだの領域の少なくとも一部が導電性の小さい材料から形成されており、駆動電流が垂直に印加される場合に当該の領域において電流が大きく広がらないかまたは電流の広がりが最大で20μmまでに抑えられる、請求項1から9までのいずれか1項記載のエレクトロルミネセンス体。
- 活性層スタック(7)は少なくともコンタクト素子(9)と発光ゾーン(8)とのあいだに
AlxGayIn1−x−yN,0≦x≦1,0≦y≦1,x+y≦1
から成る半導体層を有しており、該半導体層の横方向の導電率は駆動電流が垂直に印加された場合に当該の領域において電流が大きく広がらないかまたは電流の広がりが最大で20μmまでに抑えられる程度に小さい、請求項1から10までのいずれか1項記載のエレクトロルミネセンス体。 - 電流の広がりは最大で0.1μm〜10μmである、請求項11記載のエレクトロルミネセンス体。
- 半導体層は特に有利にはMgおよび/またはZnによってp型にドープされたAlxGayIn1−x−yNから成っている、請求項11または12記載のエレクトロルミネセンス体。
- 活性層スタック(7)は全体として
AlxGayIn1−x−yN,0≦x≦1,0≦y≦1
の半導体層から形成されている、請求項11から13までのいずれか1項記載のエレクトロルミネセンス体。 - 基板(2)はサファイア基板である、請求項11から14までのいずれか1項記載のエレクトロルミネセンス体。
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