JP2009537996A - 波長変換物質を有する光電子半導体素子、半導体素子を有する光電子半導体コンポーネント、および光電子半導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、波長変換物質を有する光電子半導体素子、そのような半導体素子を有する光電子半導体コンポーネント、および光電子半導体素子の製造方法を提供する。
本発明の半導体素子は、第１波長範囲の光を正面から発することに適した半導体層積層体を有する半導体ボディと、前記半導体ボディの正面の少なくとも１つの第１部分領域に配置され、第１波長変換物質を含む第１波長変換層と、を有し、前記第１波長変換物質は、前記第１波長範囲の光を、前記第１波長範囲とは異なる第２波長範囲の光に変換する、光電子半導体素子であって、前記半導体ボディの正面の少なくとも１つの第２部分領域は、前記第１波長変換層によって覆われていない。
【選択図】図１Ｃ

Description

本発明は、波長変換物質を有する光電子半導体素子、半導体素子を有する光電子半導体コンポーネント、および光電子半導体素子の製造方法に関する。

波長変換物質を有する光電子半導体素子は、例えば国際公開第９７／５０１３２号パンフレットに記載されている。この文献では、例えば層状の波長変換物質を発光半導体（radiation-emitting semiconductor）の表面全体に配置することが提案されている。波長変換物質の層は発光半導体から放射される電磁波（光）の一部を、他の波長の光に変換する。これにより、半導体素子は、混色光（例えば白色の可視光）を発する。さらに、上記文献には、例えば、半導体素子から発せられた光の色度座標をより設定しやすくするために、一つの波長変換物質だけでなく二つの波長変換物質を用いることが記載されている。

しかしながら、光電子半導体に２以上の波長変換物質を用いると、相互吸収（mutual absorption）が起こることがある。例えば、半導体ボディが、青色スペクトル領域の光を発し、その光の一部が第１波長変換物質によって赤色スペクトル領域の光に変換され、一部が第２波長変換物質によって緑色スペクトル領域の光に変換される場合、第２波長変換物質によって緑色スペクトル領域の光に変換された光は、赤色光を発する波長変換物質（第２波長変換物質）によって吸収されうる。これにより光電子半導体素子における損失が増大し、効率が低下する。さらに、波長変換物質による光の吸収は、一般的に波長選択的であり、通常、上述した影響によって半導体素子の発光スペクトルの好ましくないシフトが生じる。

一つの波長変換物質のみが用いられる場合、計測精度の限界（limited metering accuracy）により、通常、波長変換層の厚さにばらつきが生じる。波長変換層の厚さの数μｍのレベルのばらつきは、光電子半導体素子から発せられた光の色度座標をかなり変化させる。半導体素子の表面全面に、再現可能な一定の厚さの波長変換層を配置するためには、さらなる製造コストが求められる。

本発明の目的の一つは、色度座標を簡便かつ再現可能に設定することができる、波長変換層を有する光半導体素子を提供することである。本発明の他の目的は、そのような半導体素子を有する光電子半導体コンポーネントおよび光電子半導体素子の製造方法を提供することである。

本発明の光電子半導体素子は、特に、第１波長範囲の光を正面から発することに適した半導体積層体を有する半導体ボディと、前記半導体ボディの正面にある第１部分領域の少なくとも一つに配置され、第１波長変換物質を含む第１波長変換層とを有し、前記第１波長変換物質は、前記第１波長範囲の光を、前記第１波長範囲の光とは異なる、第２波長範囲の光に変換し、前記半導体ボディの正面にある第２部分領域の少なくとも一つは、前記第１波長変換層によって覆われていない。

第１部分領域と第２部分領域との面積の比率は、１０：１〜１：１０であることが好ましい。半導体ボディの正面全体における第２部分領域の割合はおよそ３０％であることが特に好ましい。

本発明の製造方法の異なるステップにおける半導体素子の略図を示す。 図１Ｃに示された半導体素子のＡＡ’線断面図の略図を示す。 実施の形態２の半導体素子の断面図の略図を示す。 実施の形態３の半導体素子の平面図の略図を示す。 図２Ａに示された半導体素子のＢＢ’線断面図の略図を示す。 実施の形態４の半導体素子の平面図の略図を示す。 図３Ａに示された半導体素子のＣＣ’線断面図の略図を示す。 実施の形態５の半導体素子の平面図の略図を示す。 図４Ａに示された半導体素子のＤＤ’線断面図の略図を示す。 実施の形態６の半導体素子の平面図の略図を示す。 図５Ａの半導体素子を含む半導体コンポーネントの第１の実施の形態の断面図の略図を示す。 様々な波長変換物質の表を示す。

好ましい実施の形態では、第１波長範囲の光を、第３波長範囲（第１波長範囲とも第２波長範囲とも異なる波長範囲）の光に変換し、第２波長変換物質を含む第２波長変換層が、半導体ボディの正面の第２部分領域に配置されるか、または第３部分領域（第１部分領域とは異なる領域）の少なくとも一つに配置される。本実施の形態では、半導体ボディから発せられた第１波長範囲の光をそれぞれ別の波長範囲の光に変換する二つの異なる波長変換物質が、半導体ボディの正面（発光領域）の異なる部分領域に配置されている。この２つの異なる波長変換物質の空間的な分離によって、変換された光が他の波長変換物質に吸収されることが、著しく抑制される。本実施の形態では、第１部分領域および第３部分領域は、互いに直接接合されてもよい。すなわち、第１部分領域および第３部分領域は、少なくとも一つの共通の界面（common interface）を有する。また、代替的に、第１部分領域と第３部分領域との間に、波長変換層が配置されない部分領域を設けることも可能である。

半導体素子のさらに好ましい実施の形態では、第１波長変換層は、半導体ボディの第１部分領域から発せられた第１波長範囲の光を完全に第２波長範囲の光に変換する。このように第１波長範囲の光を完全に他の波長範囲の光に変換する波長変換層を、以後「飽和膜（saturated coating）」とも称する。

飽和膜の波長変換層では、波長変換層内には過量の波長変換物質が含まれる。飽和膜における波長変換物質の量は、製造上の許容誤差によって決定される範囲内の厚さを有する波長変換層が常に飽和膜になるように調整されることが好ましい。

飽和膜は、半導体ボディの正面の波長変換層が配置された部分領域から発せられた光を好ましくは、５％以下、さらに好ましくは１％以下透過させる。

ここで、上記透過性は波長変換層のエッジ領域には適用されない。波長変換層のエッジ領域は、製造上の許容誤差によって、例えば、波長変換層の他の領域よりも薄いことから、半導体ボディから発せられた光をより多く透過させてしまうからである。波長変換層の厚さが波長変換層の内側の部分と異なるエッジ領域の幅は、通常、波長変換層の厚さ以下である。

半導体ボディからの発光は、通常、正面から一方向ではなく、様々な角度で発せられることから、波長変換層のエッジ領域では、正面から発せられた光は、波長変換層の厚さ全体を通過するのではなく、ショートパスする。このため、飽和膜の波長変換層のエッジでは、波長変換層の内側の領域よりも多くの未変換の光が透過されうる。

同様に、半導体ボディの正面の波長変換層が配置された領域に隣接する領域から発せられた光も、波長変換層のエッジを通過することができる。この光も、波長変換層のエッジが波長変換層の内側の領域とは異なる発光特性を有することの一因となる。

上述したエッジの効果は、以下の波長変換層およびその構造（例えば、飽和膜など）の説明では、考慮しない。

第２波長変換層を用いる場合、１の実施の形態では、半導体ボディの正面の第２波長変換層によって覆われている部分領域から発せられた、第１波長範囲の光は、完全に第３波長範囲の光に変換される。したがって、本実施の形態では、第２波長変換層は飽和膜であることが好ましい。

一つの飽和膜の波長変換層のみが用いられる場合、半導体素子から発せられた光の色度座標は、半導体ボディの正面の、波長変換層によって覆われた面積（以下「コートされた面積」という）と覆われていない面積（以下「コートされていない面積」という）との比率を調節することで、設定されることができる。発光半導体ボディの正面の異なる部分領域を覆う複数の（例えば２つの）飽和膜の波長変換層が用いられる場合、光電子半導体素子から発せられた光の色度座標は、異なる波長変換層の同士の面積の比率および半導体ボディの正面の、コートされた面積とコートされていない面積との比率を調節することで、設定されることができる。

光電子半導体素子の他の実施の形態では、第３波長変換物質を含む第３波長変換層が、半導体ボディの正面を覆うように、好ましくは、第１波長変換層および、場合によっては第２波長変換層上に直接配置される。第３波長変換物質は、第１波長範囲の光を、第４波長範囲（第１波長範囲ならびに場合によっては第２波長範囲および第３波長範囲とも異なる波長範囲）の光に変換する。１の実施の形態では、第３波長変換層は、光電子半導体素子の正面を覆うように、好ましくは第１波長変換層および場合によっては、第２波長変換層上に直接配置される。

さらに他の実施の形態では、第３波長変換層は、半導体ボディの正面の１の部分領域にのみ配置される。第３波長変換層が配置される部分領域は、第１、第２もしくは第３部分領域または、部分領域間の領域（interspaces of these partial regions）もしくは部分領域の共通領域（intersections of these partial regions）でもありうる。

第１波長変換層、第２波長変換層または第３波長変換層は、それぞれの波長変換物質の粒子がバインダ内に分散された構造を有しうる。バインダは、例えば、熱可塑性材料、ポリスチレン、ラテックス、透明なゴム類、ガラス、ポリカーボネート、アクリレート、テフロン（登録商標）、ケイ酸塩、水ガラス、ポリビニル、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、ポリメタクリル酸メチル樹脂ならびにシリコン樹脂、エポキシ樹脂およびリメタクリル酸メチル樹脂を含むハイブリッド材料からなる群から選択されることができる。

代替的に,波長変換層がバインダを含まず、実質的にそれぞれの波長変換物質のみからなることもありうる。

さらに好ましい実施の形態では、第１波長変換層、第２波長変換層および第３波長変換層のうちの少なくとも一つは、フィルム状であるか、またはそれぞれの波長変換物質を含有するフィルムに内包される。それぞれの波長変換層が、半導体ボディの正面の少なくとも１の部分領域にのみ配置される場合、フィルムは、半導体ボディの正面のそれぞれの部分領域にのみ配置されてもよいし、または、予め部分領域にのみ波長変換物質が配置されるように、フィルムをパターニングしてもよい。後者の形態では、フィルム片は、部分領域のみ、または半導体ボディの正面全体に波長変換層を配置するために、波長変換層が配置されるそれぞれの部分領域よりも大きくてもよく、また、例えば半導体ボディの正面の全体がフィルムによって覆われてもよい。

さらに、１のフィルム片が２つの異なる波長変換物質を含むことも可能である。この場合、それぞれの波長変換物質はそれぞれ異なる部分領域に配置される。例えば、第１波長変換層はフィルムの第１部分領域に配置され、第２波長変換層は、フィルムの第２部分領域に配置される。本形態は、第１波長変換層および第２波長変換層を同一のステップで半導体ボディの正面に配置することができるというメリットを有する。

フィルムの厚さは、例えば１０〜１００μｍでありうる。フィルムは、例えば、接着剤で、半導体ボディの正面に接着することで固定されてもよい。

ここで、それぞれの波長変換層は、半導体ボディの正面のそれぞれの１の部分領域だけでなく複数の部分領域に配置されてもよい。

１の実施の形態では、第１および／または第３部分領域は、ストライプ状（strip-type fashion）である。第１波長変換物質は、例えば、１本のラインとして（as a single strip）正面に配置されてもよいし、または、複数の互いに平行なラインとして配置されてもよい。

第２波長変換層が、同様に正面のストライプ状の部分領域に配置される場合、ストライプ状の第１部分領域と、ストライプ状の第３部分領域とが交互に配置されてもよい。つまり、第１波長変換層を有する第１部分領域と第２波長変換層を有する第３部分領域とは, 常に互いに平行にかつ交互に配置され、波長変換層がストライプ状になる。
この場合、第１部分領域と第３部分領域との間のストライプ状の第２部分領域は波長変換層によって覆われない。または、隣接する部分領域同士が共通の界面を形成する。

他の実施の形態では、第１および／または第２部分領域は、円状（round fashion）である。この実施の形態では、第１および／または第２部分領域は、例えば、円状、楕円状（elliptical fashion）または長円状（oval fashion）であってもよい。

ストライプ状の部分領域と比較して、円状の部分領域は、より簡便に規則的に（statistical）半導体ボディの正面に配置することができる。円状の部分領域を含む規則的パターン（statistical pattern）は、例えば、半導体素子の拡散放射特性（diffuse emission characteristic）に寄与する。規則的なパターン（例えば、規則的にストライプ状に配置された部分領域、規則的に円状に配置された部分領域）は、回折光学素子と同様に半導体素子の放射特性に影響を及ぼす。

第１波長変換物質の、場合によっては第２波長変換物質および／または第３の波長変換物質は、例えば、希土類金属でドープされたガーネット、希土類金属でドープされた硫化アルカリ土類金属、希土類金属でドープされたセレン化アルカリ土類金属、希土類金属でドープされた硫セレン化アルカリ土類金属、希土類金属でドープされたチオガレート（thiogallate）またはチオメタル（thiometal）、希土類金属でドープされたアルミン酸塩、バリウム含有アルミン酸塩、 希土類金属でドープされたオルトケイ酸塩、希土類金属でドープされたクロロシリカ（chlorosilicates）、希土類金属でドープされたニトリドシケート（nitridosilicates）、希土類金属でドープされたオキシ窒化物、希土類金属でドープされたアルミニウム酸窒化物、および希土類金属でドープされたハロりん酸塩（halophosphate）からなる群から選択される。

ＣｅでドープされたＹＡＧ（ＹＡＧ：Ｃｅ）は、第１、第２または第３波長変換物質として特に好ましく用いられる。

さらに上述した半導体素子は、光電子半導体コンポーネントに含まれてもよい。光電子半導体コンポーネントでは、半導体素子の発光方向下流に第４波長変換物質を含むキャスティング材料（casting material）が備えられる。第４波長変換物質は、第１波長範囲の光を第５波長範囲（第１波長範囲とは異なり、場合によっては、第２、第３および第４波長範囲とも異なる波長範囲）の光に変換する。この場合、半導体素子は例えば、コンポーネントハウジングの凹部に配置されうる。キャスティング材料はコンポーネントハウジングの凹部を全部満たしてもよいし、一部のみ満たしてもよい。

本発明の光電子半導体素子の製造方法は、具体的には、第１波長範囲の光を発することに適した半導体積層体（semiconductor layer sequence）を有する半導体ボディを準備するステップ、第１波長変換物質（第１波長範囲の光を、第１波長範囲とは異なる第２波長範囲の光に変換する物質）を含む第１波長変換層を半導体ボディの正面にある第１部分領域の少なくとも一つに配置するステップ、を有し、半導体ボディの正面にある第２部分領域の少なくとも一つは、第１波長変換層によっては覆われない。

好ましい本方法の実施の形態では、第２波長変換物質（第１波長範囲の光を、第１および第２波長範囲とは異なる第３波長範囲の光に変換する物質）を含む第２波長変換層が、少なくとも１の第３部分領域に配置される。第３部分領域は、第１部分領域とは異なる。

第１波長変換層ならびに場合によっては第２波長変換層および／または第３波長変換層は、例えば、スクリーン印刷やインクジェット印刷、凸版印刷、凹版印刷など印刷法の手段を用いて配置されることができる。スクリーン印刷法の分解能は、通常、およそ７０μｍである。したがって、１０μｍ〜１ｍｍの寸法を有する波長変換層は、印刷法によって作製されることが特に好ましい。この印刷法は、技術的に簡便かつ低コストで実施することができ、再現性が高いという利点を有する。

第１波長変換層ならびに場合によっては第２波長変換層および／または第３波長変換層は、フォトリソグラフィ法によって配置されることもできる。波長変換層がフォトリソグラフィ法で配置される場合、光を放射する半導体ボディの正面は、最初にフォトレジストによってコートされる。フォトレジストは通常１００ｎｍ以下の分解能でパターニングが可能である。フォトレジストは、露光ステップによって所望のパターンにパターニングされる。その後のステップでは、表面はそれぞれの波長変換層によって覆われる。波長変換層がバインダを有する場合、波長変換物質とバインダとの混合物がフォトレジスト層上に例えば、スピンコート法によって塗布される。その後フォトレジストの残渣は、除去されフォトレジストとは逆のパターンの波長変換層が得られる。フォトリソグラフィ法によって、通常、例えば１００ｎｍ以下という高い分解能を達成することができる。

印刷法によれば、所望にパターニングされた波長変換層を、１つの工程で、簡便に配置することができる。また、印刷法では、フォトリソグラフィ法と異なり、フォトレジストマスクも必要ない。しかし、フォトリソグラフィ法によれば、高い分解能が得られる。

さらに、第１波長変換層ならびに場合によっては第２波長変換層および／または第３波長変換層は、電着塗装（electrophoretic）法によって配置されることもできる。波長変換層が電着塗装法で配置される場合、半導体ボディは、部分的に絶縁体によって覆われる。絶縁体は例えばフォトレジストであり、上述したフォトリソグラフィ法によって配置される。その後、電場の影響によって、波長変換物質が液相の状態から半導体ボディの正面のレジストによって覆われていない部分領域に直接配置される。このように、波長変換層をバインダを用いずに作製することも可能である。

さらに、コートを予定する正面の部分領域に、フォトレジスト層の代わりに導電膜（電極）が配置されてもよい。電着塗布中、導電膜上には、それぞれの波長変換物質がパターニングされる。導電層は、半導体ボディから発せされた光に対して透明であることが好ましい。導電膜は、例えば、透明な導電性酸化物（transparent conductive oxide (TCO)）を含む膜、または、透明な導電性酸化物からなる膜でありうる。透明な導電性酸化物（以下「ＴＣＯ」と略する）は、透明な導電性の材料であり、通常、例えば、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化カドミニウム、酸化チタン、酸化インジウム、または、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）のような金属酸化物である。例えば、ＺｎＯ、ＳｎＯ_２またはＩｎ_２Ｏ_３のような２元系金属−酸素化合物（binary metal-oxygen compound）に加えて、例えばＺｎ_２ＳｎＯ_４、ＣｄＳｎＯ_３、ＺｎＳｎＯ_３、ＭｇＩｎ_２Ｏ_４、ＧａＩｎＯ_３、Ｚｎ_２Ｉｎ_２Ｏ_５またはＩｎ_４Ｓｎ_３Ｏ_１２のような３元系金属−酸素化合物および異なるＴＣＯの混合物が、ＴＣＯの一群に含まれる。また、ＴＣＯは、必ずしも化学量論的組成に対応しなくともよく、ｐ型またはｎ型にドープされてもよい。

上述したように、第１波長変換層、場合によっては第２波長変換層および／または第３の波長変換物質をフィルムとして配置することも可能である。フィルム状の波長変換層を配置するには、接着剤を用いることが好ましい。この方法は、特にコストパフォーマンスがよいというメリットを有する。

フィルムの材料は、熱可塑性材料、ポリスチレン、ラテックス、透明なゴム類、ガラス、ポリカーボネート、アクリレート、テフロン、ケイ酸塩、水ガラス、ポリビニル、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、ポリメタクリル酸メチル樹脂およびシリコン樹脂、エポキシ樹脂またはポリメタクリル酸メチル樹脂を含むハイブリッド材料からなる群から選択されることができる。

半導体ボディとしては、薄膜半導体ボディを用いることが好ましい。

薄膜半導体ボディは、以下に示す特徴のうち少なくとも一つ有する点で特徴づけられる。
・反射層が光を発生する半導体積層体としてのエピタキシャル層積層体の主表面（キャリア素子（carrier element）に対向する面）上に配置または形成される。反射層は、エピタキシャル層積層体で発生した光の少なくとも一部をエピタキシャル層積層体に反射する。
・薄膜半導体ボディは、成長基板（エピタキシャル層積層体がエピタキシャル成長する基板（growth substrate））でないキャリア素子を有する。薄膜半導体ボディが有するキャリア素子は、エピタキシャル層積層体に後発的に固定される別個の（separate）キャリア素子である。
・エピタキシャル層積層体の成長基板は、エピタキシャル層積層体から除去されるか、またはエピタキシャル層積層体が無ければ保持できない程度に薄くされる。
・または、エピタキシャル層積層体の厚さは、２０μｍ以下、より具体的には１０μｍ以下である。

キャリア素子は、半導体素子から放射された光に対して透明であることが好ましい。

さらにエピタキシャル層積層体は、少なくとも一つの半導体層を含むことが好ましい。半導体層は、少なくとも一つの混合構造（intermixing structure）の領域を有する。理想的には混合構造の領域は、エピタキシャル層積層体内の光を略エルゴード分布とする。つまり、半導体層は、可能な限りエルゴード的確率分散（ergodically stochastic scattering）特性を有する。

薄膜半導体ボディの基本原理は例えば、I. Schnitzer et al. Appl. Phys. Lett. 63 (16), October 18, 1993, 2174 - 2176に記載されている。上記文献に開示された内容は本明細書に援用される。

薄膜半導体ボディは、ほぼ均等拡散面を有する発光体であることから、ヘッドライトへの適用に特に適している。薄膜半導体ボディを用いることで、光放射する正面に、波長変換層を、例えば、上述したスクリーン印刷法などによって簡便に配置することができるという利点がある。

以下、図１Ａ〜６Ｂに示された実施の形態を参照して、本発明をより詳細に説明する。

実施の形態および図面では、同一のまたは同一の機能を有する構成要素には同一の参照記号が付される。図に示された構成要素は、実際の大きさであるとみなされてはならない。例えば構造サイズや膜厚などの個々の構成要素のサイズは、発明の理解を容易にするために、誇張して表現されている。

図１Ａにおける半導体ボディ１は、発光正面２上に電気的接触のための接着パッド３および半導体ボディ１へ電流の流入を向上させるための導電線４を有する。半導体ボディ１は、例えば、発光ダイオードでありうる。

また、半導体ボディ１は、活性発光領域（active radiation-generating zone）を含む半導体積層体を有する。活性発光領域は、光を発生させるために、例えば、ｐｎ接合、ダブルへテロ構造、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を有する。半導体積層体は、例えば成長基板上にエピタキシャル成長されうる。量子井戸構造の例は、国際公開第０１／３９２８２号パンフレット、国際公開第９８／３１０５５号パンフレット、米国特許出願公開第５，８３１，２７７号明細書、欧州特許出願公開第１，０１７，１１３号明細書および米国特許出願公開第５，６８４，３０９号明細書に記載されている。上記文献に開示された内容は本明細書に援用される。

半導体ボディ１の基礎材料は（is based on）例えば、ヒ化物系化合物半導体材料、リン化物系化合物半導体材料または窒化物系化合物半導体材料のようなIII−V族化合物半導体材料である。すなわち、半導体積層体の少なくとも一つの層（好ましくは活性領域）は、ヒ化物系化合物半導体材料、リン化物系化合物半導体材料または窒化物系化合物半導体材料を含むか、ヒ化物系化合物半導体材料、リン化物系化合物半導体材料または窒化物計化合物半導体材料からなる。

窒化物系化合物半導体材料とは、例えば、式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）で表せるような、窒素を含む化合物半導体材料である。リン化物系化合物半導体材料とは、例えば、式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）で表せるような、リンを含む化合物半導体材料である。ヒ化物系化合物半導体材料とは、例えば式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）で表せるような、ヒ素を含む化合物半導体材料である。

図１Ｃおよび図１Ｄに示された、実施の形態１の半導体素子１８（詳細に後述する）を製造するためには、図１Ａに示された半導体ボディ１を準備した後、第１波長変換物質７を含む第１波長変換層６を、半導体ボディ１の発光正面２の第１部分領域５に配置すればよい。一方、発光正面２の第２部分領域８には、第１波長変換層６は配置されない（図１Ｂ参照）。この場合、第１波長変換層６は、第１波長変換物質７の粒子以外に、例えば、バインダ（例えば、上述した材料のうちの一つ）を有する。さらに、本実施の形態では、半導体ボディ１の発光正面２の第１部分領域５および第２部分領域８は、ストライプ状に形成されている。

さらなるステップでは、第２波長変換層１０を発光正面２の第３部分領域９に配置する。実施の形態１では、第３部分領域９は、発光正面２の第２部分領域８と同一である。第２波長変換層は、第１波長変換層と同様に、第２波長変換物質１１以外にバインダを含む（図１Ｃおよび図１Ｄ参照）。

第１波長変換層６および第２波長変換層１０は、例えばスクリーン印刷またはインクジェット印刷などの印刷法によって配置されうる。

スクリーン印刷によって、例えば、第１波長変換層６および第２波長変換層１０としての波長変換物質とバインダとの混合物を配置することも可能である。第１波長変換層６および第２波長変換層１０は、第１波長変換物質７および第２波長変換物質１１としてガーネット、窒化酸化物、または窒化物−珪酸塩を含む。第１波長変換物質７および第２波長変換物質１１における、固形物の割合は、５０〜７０％（ｖｏｌ％）である。用いられる第１波長変換物質７および第２波長変換物質１１のＤ５０（メディアン）の値は、１５μｍ以下であることが好ましい。

代替的に、二つの波長変換層６および波長変換層１０のうちの一つ（例えば第１波長変換層６）は、リソグラフィー法によって半導体ボディ１の発光正面２に配置されてもよい。第１波長変換層６をリソグラフィー法によって半導体ボディ１の発光正面２に配置するには、フォトレジスト層を半導体ボディ１の発光正面２に配置する。半導体ボディ１の発光正面２に配置されたフォトレジスト層は、露光ステップによって、第１部分領域５および第２部分領域８に細分される。現像ステップによって、半導体ボディ１の発光正面２の第１部分領域５上のフォトレジストが除去され、発光正面２の第１部分領域は、フォトレジスト層によって覆われなくなる。その後のステップで、第１波長変換層６が、予めパターニングされた半導体ボディ１の発光正面２全体に配置され、その後フォトレジストが除去される。発光正面２の第２部分領域のフォトレジストを除去することにより、フォトレジスト上の第１波長変換層６も同様に除去される。これにより、第１波長変換層６は、発光正面２の第１部分領域５にのみ形成され、発光正面２の第２波長変換層８は、第１波長変換層６によって覆われない。

上述した第１波長変換層６がさらに第１波長変換物質７の粒子以外に、バインダを含む場合は、例えば予めフォトレジスト層がパターニングされた発光正面２にバインダと波長変換物質との混合溶液を、スピンコート法、ブレード塗工法またはスプレー法によって塗布すればよい。

一方、実質的に第１波長変換物質７または第２波長変換物質１１の粒子のみからなる第１波長変換層６または第２波長変換層１０を配置する場合、波長変換層は、例えば、半導体ボディ１の発光正面２上の電極に配置されてもよい。電極は、半導体ボディ１から発せられた光に対して透明である。この場合、電極は、波長変換層が配置される予定の発光正面の部分領域に配置される。電極は、上述したように、例えばＴＣＯ膜でありうる。その後、予め電極がパターニングされた半導体ボディ１を、配置される波長変換層の波長変換物質を含むサスペンション内に入れ、例えば５０〜２００Ｖの電圧を印加し、波長変換物質の粒子を半導体ボディ１の発光正面２に付着させる。

さらに、フィルム状の第１波長変換層６および／または第２波長変換層１０を半導体ボディ１の発光正面２に、例えば接着することも可能である。この場合、コートされる個々の部分領域の寸法を有するフィルム片をそれぞれの部分領域に配置するか、または、第１波長変換物質７が第１部分領域５に配置されるようにパターニングされたフィルムを発光正面２全体を覆うように配置する。２つの異なる波長変換層（第１波長変換層６および第２波長変換層１０）を第１部分領域５および第３部分領域９に配置する場合、例えば、第１波長変換物質７は第１部分領域５に配置されるようにパターニングされ、第２波長変換物質１１は第３部分領域９に配置されるようにパターニングされたフィルムを用いてもよい。

このようなパターニングされたフィルムは、以下の工程によって製造されうる。例えばテフロンからなる作業面（working surface）上に、それぞれの所望の波長変換物質を、例えば印刷法によって、パターニングする。その後のステップで、フィルムの材料が、塗布され、第３ステップで、フィルム材料が架橋される。フィルムの材料は例えば、シリコンでありうる。フィルムは、その後、作業面から分離される。

フィルムの材料は、熱可塑性材料、ポリスチレン、ラテックス、透明なゴム類、ガラス、ポリカーボネート、アクリレート、テフロン、ケイ酸塩、水ガラス、ポリビニル、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、ポリメタクリル酸メチル樹脂ならびにシリコン樹脂、エポキシ樹脂およびポリメタクリル酸メチル樹脂を含むハイブリッド材料からなる群から選択されることができる。

図１Ｃおよび図１Ｄに示された、実施の形態１の半導体素子１８では、第１波長変換層６および第２波長変換層１０は、隣接する層同士が共通の界面を形成するように配置される。実施の形態１では、作動中、青色スペクトル領域の第１波長範囲の光を発する窒化物ベースの半導体ボディ１が用いられる。この半導体ボディ１から発せられた光の一部は、第１波長変換層６の第１波長変換物質７によって、第２波長範囲の光に変換される。実施の形態１では、第２波長範囲は、緑色スペクトル領域であり、第１波長範囲と異なる。それ以外の半導体ボディ１から発せられた青色の光は、波長を変換されること無く第１波長変換層を通過する。したがって、図１Ｂ〜図１Ｄに示された実施の形態の第１波長変換層６は、飽和膜ではない。実施の形態１では、第２波長変換層２も飽和膜ではない。したがって半導体ボディ１から発せられた青色スペクトル領域の光の一部は、変換されることなく第２波長変換層１０を通過する。一方、それ以外の半導体ボディ１から発せられた光は、第２波長変換層１０の第２波長変換物質１１によって赤色光に変換される。第１波長変換物質および第２波長変換物質に適した波長変換物質は、図６Ａに示される。図１Ｃおよび図１Ｄに示された、実施の形態１の半導体ボディ１は、第１スペクトル領域、第２スペクトル領域および第３スペクトル領域の光を含む混色光を発する。混色光の色度座標は、例えば、ＣＩＥ標準色度図の白色領域内に位置する。

図１Ｅに示された、実施の形態２の半導体素子１８では、図１Ｃおよび図１Ｄに示された半導体素子１８と異なり、第３波長変換物質１３を含む第３波長変換層１２が配置されている。第３波長変換物質１３は、半導体ボディ１から発せられた第１波長範囲の光の一部を第４波長範囲（第１波長範囲および第２波長範囲とは異なる波長範囲）に変換するために適している。図１Ｅに示された半導体素子１８では、第３波長変換層１２は、半導体ボディ１の発光正面２全体を覆うように、第１波長変換層６および第２波長変換層１０上に直接配置される。第３波長変換層１２は、例えば、スピンコートまたはブレード印刷によって配置されうる。さらに、第３波長変換層１２を部分領域のみに（パターニングして）配置することも可能である。この場合、例えば上述した第１波長変換層６および第２波長変換層１０の配置方法が適切である。

このような第３波長変換層１２は、特に、紫外線を含む第１波長範囲の光を発する半導体ボディ１とともに用いられるために適している。この場合、第１波長変換層６は、例えば、第１波長範囲の光の一部を赤色スペクトル領域の第２波長範囲の光に変換するために適している第１波長変換物質７を含みうる。そして、第２波長変換層１０は、第１波長範囲の光を緑色スペクトル領域の第３波長範囲の光に変換することに適した第２波長変換物質１１を含みうる。第３波長変換層１２は、第１波長範囲の紫外線を青色スペクトル領域の第４波長範囲の光に変換することに適した第３波長変換物質１３を含むことが好ましい。この場合、半導体素子１８は、赤色、緑色および青色スペクトル領域の光を含む混色の光を発する。紫外線スペクトル領域の光を青色スペクトル領域の光に変換するために適し、第３波長変換物質として用いられることができる波長変換物質は、図６Ｂに示される。

第３波長変換層１２が、例えば、青色スペクトル領域の第１波長範囲の光を発する半導体ボディ１と併せて用いられる場合、第３波長変換層１２の第３波長変換物質１３は、青色スペクトル領域の第１波長範囲の光を青色〜緑色スペクトル領域の第４波長範囲の光に変換するために適していることが好ましい。この場合、上述したように、第２波長範囲および第３波長範囲も同様に選択されうる。例えば、上述したように、第２波長範囲を赤色スペクトル領域とし、第３波長範囲を緑色スペクトル領域としてもよい。実施の形態２の半導体素子１８は、赤色、緑色および青色スペクトル領域の光を含む混色光を発する。混色光の色度座標は、ＣＩＥ標準色度図の白色領域内に位置することが好ましい。

図１Ｃおよび図１Ｄに示された半導体素子１８と異なり、図２Ａおよび図２Ｂに示された実施の形態３の半導体素子１８では、第１波長変換層６だけが半導体ボディ１の発光正面２のストライプ状の第１部分領域５に配置され、第２波長変換層１０は用いられない。したがって、発光正面の第２部分領域８は、いかなる波長変換層によっても覆われない。図１Ｃおよび図１Ｄに示された第１波長変換層６と異なり、図２Ａおよび図２Ｂに示された、実施の形態３の第１波長変換層６は、飽和膜である。すなわち、発光正面の第１部分領域から発せられた半導体ボディ１からの光は完全に第２波長範囲の光に変換される。実施の形態３では、半導体ボディ１は、青色スペクトル領域の第１波長範囲の光を発し、そして第１波長変換物質７は、第１波長範囲の青色の光を、黄色スペクトル領域の第２波長範囲の光に変換する。実施の形態３では、例えばＹＡＧ：Ｃｅが第１波長変換物質として適している。実施の形態３では、コートされてない領域に対するコートされた領域の割合、すなわち、第２部分領域８に対する第１部分領域５の割合は、半導体素子１８が、ＣＩＥ標準色度図の白色領域の混色光を発するように選択されればよい。

バインダ内の第１波長変換物質の濃度がおよそ７５ｗｔ％で、かつ第１波長変換層の厚さがおよそ５０μｍである場合、第１波長変換物質としてＹＡＧ：Ｃｅを含む第１波長変換層は、飽和膜となる。第１波長変換層の厚さおよび／または第１波長変換物質の濃度がそれよりも小さい場合、第１波長変換層は飽和膜でなくなる。

図２Ａおよび図２Ｂに示された半導体素子１８と異なり、図３Ａおよび図３Ｂに示された実施の形態４の半導体素子１８は、発光半導体ボディ１の発光正面２の円状の第１部分領域５に第１波長変換層６を有する。実施の形態４では、半導体ボディ１は、青色スペクトル領域の第１波長範囲の光を発する。第１波長範囲の光は、第１波長変換層６によって黄色スペクトル領域の第２波長範囲の光に変換される。この目的として、例えば、ＹＡＧ：Ｃｅが波長変換物質として適している。図２Ａおよび図２Ｂに示された実施の形態３と同様に、実施の形態４では、第１波長変換層６は飽和膜である。すなわち、半導体ボディの第１部分領域５から発せられた光は、第１波長変換層６によって完全に第２波長範囲（本実施の形態では黄色スペクトル領域）の光に変換される。実施の形態４では、発光正面２のコートされていない領域に対するコートされた領域の割合は、例えば、半導体素子１８が、ＣＩＥ標準色度図の白色領域の混色光を発するように設定されればよい。

図３Ａおよび図３Ｂに示された半導体素子１８と異なり、図４Ａおよび図４Ｂに示された実施の形態５の半導体素子では、半導体ボディ１の発光正面２の第１部分領域５の第１波長変換層６の飽和膜に加えて、第２波長変換層１０の飽和膜が用いられる。実施の形態５では、第２波長変換層１０は、発光正面２の第３部分領域９に配置される。第３部分領域９は第１部分領域５と同様に円状であり、第１波長変換層によって覆われていない第２部分領域８内に位置する。第３部分領域９は、第１部分領域５よりも小さい半径を有する。実施の形態５でも、半導体ボディ１は、青色スペクトル領域の第１波長範囲の光を発する。第１部分領域から発せられた第１波長範囲の青色の光は、第１波長変換層６の第１波長変換物質７によって完全に黄色スペクトル領域の第２波長範囲の光に変換される。また、半導体ボディの発光正面の第２波長変換層が配置された部分領域から発せられた第１波長範囲の青色の光は、完全に緑色スペクトル領域の第３波長範囲の光に変換される。適切な波長変換物質は、例えば、図６Ａに示される。実施の形態５の半導体素子１８は、変換されていない青色光ならびに変換された黄色光および緑色光を含む混色光を発する。第１部分領域と第３部分領域との割合および、コートされた領域と、コートされていない領域との割合は、半導体素子１８から発せられた光の色度座標を決定する。半導体素子１８から発せられた光の色度座標は、好ましくはＣＩＥ標準色度図の白色領域に位置する。

上述した実施の形態と異なり、図５Ａに示された実施の形態６の半導体素子では、一つの第１波長変換層６のみが半導体ボディ１の発光正面２の第１部分領域に配置されている。実施の形態６では、部分領域は円状に形成されている。第１波長変換層６は、飽和膜であり、半導体ボディ１から発せられた青色スペクトル領域の第１波長範囲の光の一部を赤色スペクトル領域の第２波長範囲の光に変換する。

図５Ａに示された半導体素子は、上述した他の半導体素子１８と同様に、例えばコンポーネントの部品として用いられることができる。図５Ｂに示されたコンポーネントでは、図５Ａに示された半導体素子１８が、コンポーネントハウジング１４の凹部１５に実装されている。第４波長変換物質１７を含むキャスティング化合物（casting compound）１６は、コンポーネントハウジング１４の凹部１５に注入されている。本実施の形態では、第４波長変換物質１７はマトリクス材（例えばシリコンまたはエポキシ樹脂）内に分散される。第４波長変換物質１７は、半導体素子１８から発せられた第１波長範囲の青色の光を、第４波長範囲（本実施の形態では黄色スペクトル領域）の光に変換するために適している。本実施の形態では、変換された黄色光のごく一部が第１波長変換層によって吸収される。第１波長変換層６によって覆われる面積の割合（好ましくは３０％以下）は非常に少ないからである。

図６Ａおよび図６Ｂは、実験によって選択された、例えば上述した実施の形態に使用されうる波長変換物質のリストである。図６Ａの全ての波長変換物質は少なくとも青色スペクトル領域の光によって励起される。また、図６Ｂに示された波長変換物質は少なくとも紫外線スペクトル領域の光によって励起される。括弧によって囲まれた元素は、広く混合して用いられうるが、原子の総数は括弧に記された数値と同じでなければならない。括弧に数値が示されていない場合、原子の総数は１でなければならない。

ここで、「第２部分領域は、第１波長変換層によって覆われていない」とは、発光正面の少なくとも一つの必須（essential）の第２部分領域が、第１波長変換層によって覆われていないことを意味する。その結果、第１波長変換層によって覆われていない半導体ボディの部分領域から発せられた光の大部分（essential proportion）は、変換された光と混ざり合い、混色光が発生する。または、第１波長変換層によって覆われていない半導体ボディの部分領域から発せられた光の大部分は、さらなる波長変換物質によって少なくとも部分的に変換され、同様に混色光が発生する。特に「第２部分領域は、第１波長変換層によって覆われていない」とは、副次的効果による産物としての部分領域（半導体素子の機能に寄与しない）であると理解されてはならない。

本発明の範囲は、実施の形態の説明の範囲に限定されない。本発明は、請求項または実施の形態では具体的に特定されていない、新たな特徴および新たな特徴の組み合わせ（特に、請求項の特徴の組み合わせ）を含む。本出願は、独国特許出願１０２００６０２４１６５．７号に基づく優先権を主張する。当該出願明細書に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。

Claims (25)

1. 第１波長範囲の光を正面（２）から発することに適した半導体積層体を有する半導体ボディ（１）と、
   前記半導体ボディ（１）の正面（２）にある第１部分領域（５）の少なくとも一つに配置され、第１波長変換物質（７）を含む第１波長変換層（６）と、を有する光電子半導体素子（１８）であって、
   前記第１波長変換物質（７）は、前記第１波長範囲の光を、前記第１波長範囲とは異なる第２波長範囲の光に変換し、
   前記半導体ボディ（１）の正面（２）にある第２部分領域（８）の少なくとも一つは、前記第１波長変換層（６）によって覆われていない、光電子半導体素子（１８）。
2. 前記正面（２）の第２部分領域に配置されるか、または、前記正面（２）にある第３部分領域（９）の少なくとも一つに配置され、第２波長変換物質（１１）を含む第２波長変換層（１０）をさらに有し、
   前記第３部分領域（９）は、前記第１部分領域（５）とは異なり、
   前記第２波長変換物質（１１）は、前記第１波長範囲の光を前記第１波長範囲および前記第２波長範囲とは異なる第３波長範囲の光に変換する、請求項１に記載の光電子半導体素子（１８）。
3. 前記第１波長変換層（６）は、前記第１部分領域（５）から発せられた前記第１波長範囲の光を完全に前記第２波長範囲の光に変換する、請求項１または請求項２に記載の光電子半導体素子（１８）。
4. 前記第２波長変換層（１０）は、前記半導体ボディ（１）の正面（２）の前記第２波長変換層（１０）が配置された部分領域から発せられた前記第１波長範囲の光を、完全に前記第３波長範囲の光に変換する、請求項２または請求項３に記載の光電子半導体素子（１８）。
5. 第３波長変換物質（１３）を含み、前記半導体ボディ（１）の正面（２）を覆う第３波長変換層（１２）を有し、
   前記第３波長変換層（１２）は、前記第１波長範囲の光を、第４波長範囲の光に変換し、
   前記第４波長範囲は、前記第１波長範囲とは異なり、場合によっては、前記第２波長範囲および前記第３波長範囲とも異なる、請求項１または請求項２に記載の光電子半導体素子（１８）。
6. 前記第１波長変換層（６）は、前記第１波長変換物質（７）の粒子が分散したバインダを含む、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の光電子半導体素子（１８）。
7. 前記第２波長変換層（１０）は、前記第２波長変換物質（１１）の粒子が分散したバインダを含む、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の光電子半導体素子（１８）。
8. 前記第３波長変換層（１２）は、前記第３波長変換物質（１３）の粒子が分散したバインダを含む、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の光電子半導体素子（１８）。
9. 前記バインダは、熱可塑性材料、ポリスチレン、ラテックス、透明なゴム類、ガラス、ポリカーボネート、アクリレート、テフロン、ケイ酸塩、水ガラス、ポリビニル、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、ポリメタクリル酸メチル樹脂ならびにシリコン樹脂、エポキシ樹脂およびポリメタクリル酸メチル樹脂を含むハイブリッド材料からなる群から選択される、請求項６〜請求項８のいずれか一項に記載の光電子半導体素子（１８）。
10. 前記第１波長変換層（６）は、フィルム状であるか、または前記第１波長変換物質（７）を含むフィルムを包含する、請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の光電子半導体素子（１８）。
11. 前記第２波長変換層（１０）は、フィルム状であるか、または前記第２波長変換物質（１１）を含むフィルムを包含する、請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の光電子半導体素子（１８）。
12. 前記第３波長変換層（１２）は、フィルム状であるか、または前記第３波長変換物質（１３）を含むフィルムを包含する、請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載の光電子半導体素子（１８）。
13. 前記フィルムの少なくとも一つは、前記正面（２）に接着結合される、請求項１０〜請求項１２のいずれか一項に記載の光電子半導体素子（１８）。
14. 前記第１部分領域（５）はストライプ状である、請求項１〜請求項１３のいずれか一項に記載の光電子半導体素子（１８）。
15. 前記第３部分領域（９）はストライプ状である、請求項１〜請求項１４のいずれか一項に記載の光電子半導体素子（１８）。
16. 前記第１部分領域（５）は円状である、請求項１〜請求項１５のいずれか一項に記載の光電子半導体素子（１８）。
17. 前記第３部分領域（９）は円状である、請求項１〜請求項１６のいずれか一項に記載の光電子半導体素子（１８）。
18. 請求項１〜請求項１７のいずれか一項に記載の半導体素子（１８）を含む光電子半導体コンポーネントであって、
    前記半導体素子（１８）の、発光方向の下流に配置され、第４波長変換物質（１７）を含むキャスティング材料（１６）（casting material）を有し、
    前記第４波長変換物質（１７）は、前記第１波長範囲の光を、第５波長範囲の光に変換し、
    前記第５波長範囲は、前記第１波長範囲とは異なり、場合によっては、前記第２波長範囲、前記第３波長範囲および前記第４波長範囲とも異なる、光電子半導体コンポーネント。
19. 第１波長範囲の光を発するために適した半導体層積層体を有する半導体ボディ（１）を準備するステップ、および
    前記半導体ボディ（１）の正面（２）にある第１部分領域（５）の少なくとも一つに、第１波長変換物質（７）を含む第１波長変換層（６）を配置するステップ、を有する光電子半導体素子の製造方法であって、
    前記第１波長変換物質（７）は、第１波長範囲の光を、前記第１波長範囲とは異なる第２波長範囲の光に変換し、前記半導体ボディ（１）の正面（２）にある第２部分領域（８）の少なくとも一つは、前記第１波長変換層（６）によって覆われない、光電子半導体素子の製造方法。
20. 前記半導体ボディ（１）の正面（２）にある第３部分領域（９）の少なくとも一つに、第２波長変換物質（１１）を含む第２波長変換層（１０）を配置するステップをさらに有し、
    前記第３部分領域（９）は、前記第１部分領域（５）とは異なり、
    前記第２波長変換物質（１１）は、前記第１波長範囲の光を前記第１波長範囲および前記第２波長範囲とは異なる第３波長範囲の光に変換する、請求項１８に記載の光電子半導体素子の製造方法。
21. 前記第１波長変換層（６）は、印刷法によって配置され、場合によっては前記第２波長変換層（１０）および／または前記第３波長変換層（１２）も印刷法によって配置される、請求項１８または請求項１９に記載の光電子半導体素子の製造方法。
22. 前記印刷法は、スクリーン印刷法、インクジェット印刷法、凸版印刷法または凹版印刷法である、請求項２１に記載の光電子半導体素子の製造方法。
23. 前記第１波長変換層（６）は、フォトリソグラフィ法によって配置され、場合によっては、前記第２波長変換層（１０）および／または前記第３波長変換層（１２）もフォトリソグラフィ法によって配置される、請求項１８〜請求項２２のいずれか一項に記載の光電子半導体素子の製造方法。
24. 前記第１波長変換層（６）は、フィルムとして配置され、場合によっては、前記第２波長変換層（１０）および／または前記第３波長変換層（１２）もフィルムとして配置される、請求項１８〜請求項２３のいずれか一項に記載の光電子半導体素子の製造方法。
25. 前記第１波長変換層（６）は、電着塗装法によって配置され、場合によっては前記第２波長変換層（１０）および／または前記第３波長変換層（１２）も電着塗装法によって配置される、請求項１８〜請求項２４いずれか一項に記載の光電子半導体素子の製造方法。
    
    
    

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