JP2008508697A - 反射低減層列を備えたルミネセンスダイオード - Google Patents

Abstract

本発明は、電磁放射を放射主方向（１５）へ発光する活性ゾーン（７）が設けられており、放射主方向で見て活性ゾーンの後方に反射低減層列（１６）が配置されている、ルミネセンスダイオード（１）に関する。本発明の反射低減層列（１６）は、少なくとも１つの層対（１１，１２）から成るＤＢＲミラー（１３）、放射主方向で見てＤＢＲミラー（１３）の後方に配置されたコーティング層（９）、および、ＤＢＲミラー（１３）とコーティング層（９）とのあいだに配置された中間層（１４）を有する。

Description

出願人は本願について独国出願第１０２００４０３７１００．８号明細書および独国出願第１０２００４０４０９８６．４号明細書の優先権を主張する。これらの明細書の内容は本発明の内容に関連する。

本発明は請求項１の上位概念に記載のルミネセンスダイオードに関する。

ルミネセンスダイオードでは効率を増大させるためにしばしばＤＢＲミラー（分散ブラッグ反射鏡）が使用される。ＤＢＲミラーは一般に、それぞれ屈折率および光学厚さが異なるようにエピタキシャルに製造された複数の半導体層から成る層対を含む。層対の各層の屈折率と光学厚さとの積はルミネセンスダイオードから発光される放射の波長の１／４に相応する。このようなＤＢＲミラーをルミネセンスダイオードの基板と活性層とのあいだに配置することにより、基板へ向かった放射が反射されて戻り、基板での吸収に起因する損失が低減される。

ただし光出力側のチップ表面は、射出成形材料、特にエポキシド樹脂である周囲媒体との屈折率の差のために所定の反射率を有するので、ＤＢＲミラーとの共同作用により、レゾネータが形成されてしまう。当該のレゾネータによりルミネセンスダイオードの発光スペクトルに望ましくない共振が発生する。この共振効果からルミネセンスダイオードの発光スペクトルは種々の波長および／または発光角度に複数の強度極大値を有するようになる。このことはルミネセンスダイオードを光学測定プロセスに適用する際に特に障害となる。

レゾネータの共振スペクトルは角度に強く依存するので、広い角度領域にわたって発光スペクトルを積分測定すれば確かに共振効果を均すことはできる。しかし小さな角度領域で発光された光を検出する場合には、共振はどうしても検出に影響する。開口数の小さい測定プロセスでは、ルミネセンスダイオードから発光される放射が小さな角度領域で検出されることになるので、こうした共振の回避が望まれる。

望ましくない共振の問題は、従来のルミネセンスダイオードでは例えば比較的厚い層、いわゆるウィンドウ層を活性ゾーンの上方に成長させることにより、緩和される。こうしたウィンドウ層は電流拡大層および光出力層としても用いられる。当該の層の厚さに基づいて共振スペクトルもともに密になり、適用の際に障害作用を生じなくなる。こうした層は所定のプロセスステップまたは層成長ステップの後に生じることからプレーナでないことが多く、そのことも共振を抑圧する方向へ働く。しかしこうした厚い層を成長させる製造ステップは煩雑であり、高いコストがかかる。

したがって本発明の基礎とする課題は、発光スペクトルにおける共振を小さな製造コストで回避できるルミネセンスダイオードを提供することである。

この課題は請求項１の特徴部分に記載の構成を有するルミネセンスダイオードにより解決される。本発明の有利な実施形態および実施態様は従属請求項の対象となっている。

ルミネセンスダイオードには電磁放射を放射主方向へ発光する活性ゾーンが設けられており、放射主方向で見て活性ゾーンの後方に反射低減層列が配置されている。ここで本発明によれば、反射低減層列は、少なくとも１つの層対から成るＤＢＲミラー、放射主方向で見てＤＢＲミラーの後方に配置されたコーティング層、および、ＤＢＲミラーとコーティング層とのあいだに配置された中間層を有することを特徴とする。

こうした反射低減層列を用いることにより、活性ゾーンの上方に配置された層の反射率が低減され、ルミネセンスダイオードの発光スペクトルにおける望ましくない共振を著しく低減することができる。

反射低減層列の反射率は特にＤＢＲミラーの層対の数に依存して定まる。有利には、ＤＢＲミラーは１個〜１０個、特に有利には1個〜４個の層対から成る。

有利には、中間層の光学厚さは発光される放射の波長の１／２に等しい。また有利には、コーティング層の光学厚さは発光される放射の波長λの１／４の奇数倍、つまり例えば（１／４）λ，（３／４）λまたは（５／４）λに等しい。これらの層厚さにより特に良好な反射低減が達成される。

有利には、中間層は半導体層であり、小さな製造コストで直接にＤＢＲミラーの半導体層上にエピタキシャル成長することができる。

有利には、コーティング層は誘電層であり、特にはケイ素酸化物またはケイ素窒化物を含む。このコーティング層は透光性の導電性酸化物ＴＣＯ（トランスペアレントコンダクティブオキサイド）であり、特にＺｎＯが適している。さらにコーティング層には例えばアルミニウムがドープされていてもよい。特に有利には、コーティング層はこの場合電流拡大層としても機能するので、コーティング層の部分領域に電気コンタクトが設けられる。アルミニウムをドープしたＺｎＯ層はこれに特に適している。また有利には、コーティング層は下方の中間層とのオーミックコンタクトを形成する。

ルミネセンスダイオードは有利には射出成形材料、例えばエポキシド樹脂内に埋め込まれる。これにより一方では周囲媒体に対する屈折率差が低減され、他方ではルミネセンスダイオードが周囲影響から保護される。また射出成形材料はルミネセンスダイオードから発光された放射の波長を大きい波長へシフトするルミネセンス変換材料を含むことができる。適切なルミネセンス変換材料として、例えば国際公開第９８／１２７５７号明細書に記載されているように、ＹＡＧ：ＣＥ（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋）が挙げられる。この明細書の内容は本発明に関連する。

特に有利には、本発明のルミネセンスダイオード用の反射低減層列では、基板と活性ゾーンとのあいだに第２のミラー、特に第２のＤＢＲミラーが配置されている。この場合、ルミネセンスダイオードから発光された放射の基板への入射が第２のミラーによって阻止される。ここで、反射低減層列により、反射防止層のないルミネセンスダイオードまたは従来の反射防止層しか有さないルミネセンスダイオードに比べて、発光スペクトルでの望ましくない共振が発生する危険が低減される。本発明の反射低減層列の作用は反射低減層列から第２のミラーおよび／または活性ゾーンまでの距離には依存しない。

本発明は基板およびその上に被着された第２のミラーを有するルミネセンスダイオードに限定されない。いわゆる薄膜半導体ボディを有し、成長基板上に成長されたエピタキシ層列が成長基板から分離され支持体上に取り付けられる形式のルミネセンスダイオードにも適用可能である。このような薄膜半導体ボディは支持体に近い側に反射層を有し、反対側の光出力面にレゾネータを生じることが多い。

有利には、反射低減層列の全厚さは２０００ｎｍより小さい。これにより製造コストは望ましくない発光スペクトルでの共振を抑圧するためにきわめて厚い層を被着しなければならない従来のルミネセンスダイオードに比べて小さくなる。

本発明を以下に図１〜図６に示した実施例に則して詳細に説明する。図１には本発明のルミネセンスダイオードの断面概略図が示されている。図２にはＳｉＮコーティング層を使用したときのＤＢＲミラーの種々の数の層対の波長λと反射低減層列の反射率Ｒとの関係を表すグラフが示されている。図３にはＺｎＯコーティング層を使用したときのＤＢＲミラーの種々の数の層対の波長λと反射低減層列の反射率Ｒとの関係を表すグラフが示されている。図４には従来の反射防止層および本発明のＳｉＮコーティング層を用いた反射低減層列の波長λと放射強度Ｉとの関係を表すグラフが示されている（ここでは反射損失は考慮されていない）。図５には従来の反射防止層および本発明のＺｎＯコーティング層を用いた反射低減層列の波長λと放射強度Ｉとの関係を表すグラフが示されている（ここでは反射損失は考慮されていない）。図６には従来技術のルミネセンスダイオードの断面概略図が示されている。

図中、同様の機能を有する素子には同様の参照番号を付してある。

図６に示されている従来技術のルミネセンスダイオード１７は基板２およびその上に被着されたＤＢＲミラー５を有する。ＤＢＲミラー５はエピタキシャルに被着された半導体層３，４の１つまたは複数の層対から形成される。ＤＢＲミラー５により基板２へ向かう放射が反射されて戻る。ルミネセンスダイオードはさらにカバー層６，８のあいだに活性ゾーン７を有し、この活性ゾーンから放射主方向１５へ放射が発光される。

ルミネセンスダイオード１７は射出成形材料１０に埋め込まれている。半導体材料と射出成形材料１０との界面での反射損失を低減するために、コーティング層９が設けられている。しかしコーティング層９を設けても、コーティング層９と射出成形材料１０との界面および／または射出成形材料１０と周囲媒体、例えば空気との界面での残留反射により、ＤＢＲミラー５と結びついてレゾネータが形成されてしまう。これによりルミネセンスダイオードの発光スペクトルに望ましくない共振が生じる。

図１に示されている本発明のルミネセンスダイオード１は例えばＧａＡｓ基板である基板２を有する。基板上にＤＢＲミラー５が被着されており、このＤＢＲミラーはエピタキシャルに被着された半導体層３，４の１つまたは複数の層対から形成されている。層対は例えばそれぞれＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層３およびＡｌ_０．９５Ｇａ_０．０５Ａｓ層４を１つずつ含む。ＤＢＲミラー５の層対の数は例えば約２０個である。

ＤＢＲミラー５により基板２へ向かった放射が反射されて戻る。このようにして放射主方向１５へ向かう放射の強度が高められ、基板２における吸収損失が低減される。

さらにルミネセンスダイオード１は放射を発光する活性ゾーン７を含む。この活性ゾーンは例えば約０．２μｍの厚さのＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｇａ_ｘＡｌ_ｙＰ層［０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１］を含み、発光波長は約６００ｎｍである。これに代えて、他の半導体材料から成り、他の発光波長を有する活性ゾーンを用いてもよい。活性ゾーン７は例えばそれぞれ約０．８μｍの厚さを有するｐ型カバー層６とｎ型カバー層８とのあいだに配置される。

ルミネセンスダイオード１は例えば射出成形材料１０、例えばエポキシド樹脂内に埋め込まれている。

発光スペクトルにおける望ましくない共振を回避するために、本発明のルミネセンスダイオード１は反射低減層列１６を有する。反射低減層列１６は放射主方向１５で見て活性ゾーン７の後方に１つまたは複数の層対から成るＤＢＲミラー１３を有する。ＤＢＲミラー１３は有利にはエピタキシャル成長された半導体層１１，１２から成り、その光学厚さは発光される放射の波長の１／４に相応する。例えばＤＢＲミラー１３はＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ半導体層１１およびＡｌ_０．９５Ｇａ_０．０５Ａｓ半導体層１２を１つずつ含む少なくとも１つの層対から製造することができる。

さらに反射低減層列１６は射出成形材料に接するコーティング層９を含む。このコーティング層の光学厚さは有利には発光される放射の波長λの１／４に相応するか、または波長λの１／４の奇数倍、例えば（３／４）λまたは（５／４）λに相応する。コーティング層は特に窒化ケイ素、酸化ケイ素または酸化亜鉛を含む。

反射低減層列１６はＤＢＲミラー１３とコーティング層９とのあいだに中間層１４を含む。この中間層は例えばＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓを含み、発光される放射の波長の約１／２に相応する光学厚さを有する。反射低減層列はこのようにして反射低減レゾネータを形成する。

本発明の反射低減層列１６による反射の低減はＤＢＲミラー１３の層対の数に依存して定まる。このことを以下に活性ゾーン７の上方に配置される層の反射率のシミュレーションに則して説明する。

図２には、ＤＢＲミラー１３の種々の数の層対について、波長λに依存した反射低減層列の反射率Ｒのシミュレーションが示されている。このシミュレーションでは、コーティング層９は屈折率ｎ＝２．０５のＳｉＮ層であるとする。ここでは、波長λに依存した反射率Ｒに対して、ＤＢＲミラー無しの場合の曲線１８、１つの層対から成るＤＢＲミラーを有する場合の曲線１９、２つの層対から成るＤＢＲミラーを有する場合の曲線２０、３つの層対から成るＤＢＲミラーを有する場合の曲線２１が示されている。図から、最適な反射防止は唯一の層対を有するＤＢＲミラー１３によって達成されることがわかる。

図３には、ＤＢＲミラーの種々の数の層対について、波長λに依存した反射低減層列の反射率Ｒのシミュレーションが示されている。このシミュレーションでは、コーティング層９は屈折率ｎ＝１．８５のＡｌドープされたＺｎＯ層であるとする。ここでは、活性ゾーン７の上方に配置された層の反射率に対して、ＤＢＲミラー無しの場合の曲線２２、１つの層対から成るＤＢＲミラーを有する場合の曲線２３、２つの層対から成るＤＢＲミラーを有する場合の曲線２４、３つの層対から成るＤＢＲミラーを有する場合の曲線２５、４つの層対から成るＤＢＲミラーを有する場合の曲線２６が示されている。図から、最適な反射防止は２つの層対を有するＤＢＲミラー１３によって達成されることがわかる。

一般に、ＤＢＲミラー１３は、対称のファブリ‐ペローレゾネータに類似して、中間層１４からコーティング層９への層移行部およびコーティング層９から射出成形材料１０への層移行部から成る外部のリフレクタとほぼ等しい反射率を有し、残留反射を低減する。このためにＺｎＯから成るコーティング層を用いる実施例では、ＳｉＮから成るコーティング層を用いる実施例に比べて、付加的な層対が必要となる。ＺｎＯはＳｉＮよりも小さな屈折率を有するので、コーティング層９の屈折率とこれに接する中間層１４の屈折率との差が大きく、外部のリフレクタの反射率も大きくなるからである。この場合、ＤＢＲミラー１３に付加的な層対を設けることにより、ＤＢＲミラー１３の反射率を外部のリフレクタへ適合させることができる。

最適な反射防止を達成するために、ＤＢＲミラー１３はλ／４から偏差する光学厚さの層１１，１２を有してもよい。層１１の厚さは１．２×（λ／４）であり、層１２の厚さは０．８×（λ／４）である。このようにしてＤＢＲミラー１３の反射率を外部のリフレクタの反射率に適合させることができる。これに代えて、ＤＢＲミラー１３の層１１，１２の屈折率差を変化させ、最適な反射防止を達成してもよい。これは例えばＡｌＧａＡｓ半導体層でＡＬ含有量を変化させることにより行われる。

図４にはＳｉＮコーティング層を備えたルミネセンスダイオードの発光強度Ｉ［任意の単位］のシミュレーションが示されている。本発明のＤＢＲミラー１３無しのルミネセンスダイオードの発光スペクトルを表す曲線２７は共振の影響を明らかに受けているが、本発明の反射低減層列を備えたルミネセンスダイオードの発光スペクトルを表す曲線２８は外部反射を無視した発光スペクトルを表す曲線２９と比べても遜色ない。

本発明の反射低減層列１６の効果は、ＺｎＯコーティング層９を備えたルミネセンスダイオードの図５の発光スペクトルにいっそうはっきりと現れている。本発明の反射低減層列１６無しのルミネセンスダイオードの発光スペクトルを表す曲線３０は２つの極大値を有しており、一方、本発明の反射低減層列１６を有するルミネセンスダイオードの発光スペクトルを表す曲線３１は、外部影響を無視した活性ゾーン７での発光スペクトルを表す曲線３２と類似した特性を有する。

本発明の反射低減層列１６は特に有利である。なぜなら、ルミネセンスダイオードを精密な光学測定プロセス、特に温度抵抗測定プロセスまたは熱抵抗測定プロセスなどの差分信号を検出する測定プロセスに使用する場合、発光スペクトルに２個以上の極大値が存在するときわめて障害的であることが判明しているからである。

本発明は前述した実施例のみに限定されない。本発明のそれぞれの特徴は、それが特許請求の範囲および実施例に明示的に表されているか否かにかかわらず、単独でまたは任意に組み合わせて本発明の対象となりうる。

本発明のルミネセンスダイオードの断面概略図である。 ＳｉＮコーティング層を使用したときのＤＢＲミラーの種々の数の層対の波長λと反射低減層列の反射率Ｒとの関係を表すグラフである。 ＺｎＯコーティング層を使用したときのＤＢＲミラーの種々の数の層対の波長λと反射低減層列の反射率Ｒとの関係を表すグラフである。 従来の反射防止層および本発明のＳｉＮコーティング層を用いた反射低減層列の波長λと放射強度Ｉとの関係を表すグラフである。 従来の反射防止層および本発明のＺｎＯコーティング層を用いた反射低減層列の波長λと放射強度Ｉとの関係を表すグラフである。 従来技術のルミネセンスダイオードの断面概略図である。

Claims (17)

1. 電磁放射を放射主方向（１５）へ発光する活性ゾーン（７）が設けられており、前記放射主方向で見て前記活性ゾーンの後方に反射低減層列（１６）が配置されている、
   ルミネセンスダイオード（１）において、
   反射低減層列（１６）は、少なくとも１つの層対（１１，１２）から成るＤＢＲミラー（１３）、放射主方向（１５）で見て該ＤＢＲミラー（１３）の後方に配置されたコーティング層（９）、および、該ＤＢＲミラー（１３）と該コーティング層（９）とのあいだに配置された中間層（１４）を有する
   ことを特徴とするルミネセンスダイオード。
2. 前記ＤＢＲミラー（１３）は１個〜１０個の層対（１１，１２）から成る、請求項１記載のルミネセンスダイオード。
3. 前記中間層（１４）の光学厚さは発光される放射の波長の１／２に等しい、請求項１または２記載のルミネセンスダイオード。
4. 前記コーティング層（９）の光学厚さは発光される放射の波長の１／４の奇数倍に等しい、請求項１から３までのいずれか１項記載のルミネセンスダイオード。
5. 前記コーティング層（９）は誘電層である、請求項１から４までのいずれか１項記載のルミネセンスダイオード。
6. 前記コーティング層（９）はケイ素酸化物またはケイ素窒化物である、請求項５記載のルミネセンスダイオード。
7. 前記コーティング層（９）は透光性の導電性酸化物を含む、請求項１から６までのいずれか１項記載のルミネセンスダイオード。
8. 前記透光性の導電性酸化物はＺｎＯを含む、請求項７記載のルミネセンスダイオード。
9. 前記コーティング層（９）はドープされている、請求項１から８までのいずれか１項記載のルミネセンスダイオード。
10. 前記中間層（１４）は半導体層である、請求項１から９までのいずれか１項記載のルミネセンスダイオード。
11. 前記コーティング層（９）は前記中間層（１４）とのオーミックコンタクトを形成している、請求項１０記載のルミネセンスダイオード。
12. 当該のルミネセンスダイオード（１）は射出成形材料（１０）内へ埋め込まれている、請求項１から１１までのいずれか１項記載のルミネセンスダイオード。
13. 前記射出成形材料（１０）はエポキシド樹脂である、請求項１２記載のルミネセンスダイオード。
14. 前記反射低減層列（１６）の全厚さは２０００ｎｍより小さい、請求項１から１３までのいずれか１項記載のルミネセンスダイオード。
15. 基板（２）が設けられており、該基板（２）と前記活性ゾーン（７）とのあいだに第２のミラー（５）が配置されている、請求項１から１４までのいずれか１項記載のルミネセンスダイオード。
16. 前記第２のミラー（５）はＤＢＲミラーである、請求項１５記載のルミネセンスダイオード。
17. 当該のルミネセンスダイオード（１）は薄膜半導体ボディを含む、請求項１から１４までのいずれか１項記載のルミネセンスダイオード。

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