JP2009539234A - 多重量子井戸構造体、発光半導体ボディ、および発光構成素子 - Google Patents

Abstract

第１の波長（６）のビームを形成するための少なくとも１つの第１の量子井戸構造体（２ａ）と、第２の波長（７）のビームを形成するための少なくとも１つの第２の量子井戸構造体（２ｂ）とを有し、前記第２の波長（７）は前記第１の波長（６）よりも大きく、主波長（１４）のビームを放射するために設けられている多重量子井戸構造体（１）が記載されている。ここで前記第２の波長（７）は、前記第１の波長（６）と前記第２の波長（７）がシフトしても前記主波長（１４）は所定の最大値しか変化しないように前記第１の波長（６）から異なっている。さらに発光半導体ボディと発光構成素子も記載されている。

Description

本発明は、多重量子井戸構造体、および多重量子井戸構造体を有する発光半導体ボディに関する。さらに本発明は、発光半導体ボディを有する発光構成素子に関する。

本願は、ドイツ連邦共和国特許出願第１０ ２００６ ０２５ ９６４．５号の優先権を主張するものであり、その開示内容は参照により本願に取り入れられる。

公開公報ＵＳ ２００４／００９０７７０ Ａ１に記載されたＬＥＤは、量子井戸構造体として構成された第１の発光層と、量子井戸構造体体として構成された第２の発光層によって混色ビームを形成することができる。２つの層の間にはトンネルバリヤが配置されている。２つの発光層の波長が固定されていると仮定すると、混色ビームの色彩は、トンネルバリヤの厚さを変化することによって可変となる。

Ｌｉａｎｇらによる刊行物（Dual wavelength InGaN/GaN multi-quantum well LEDs grown by metalorganic vapor phase epitaxy, Journal of Crystal Growth 272 (2004) 333-339）から、青色と緑色の光を形成する量子井戸構造体を有するＬＥＤでは、ＬＥＤから放射されるビームのスペクトル分布は量子井戸構造体の数と配置、およびＬＥＤの通電に依存していることが知られている。例えば成長方向に青色光を形成する３つの量子井戸構造体と緑色光を形成する量子井戸構造体を有するＬＥＤを流れる電流が大きくなると、強度マキシマムが青色スペクトル領域から緑色スペクトル領域に偏移する。

多数の適用では意図的にビーム強度を高めることが通電の増大によって行われるので、色彩の不所望の変化が発生する。電流強度の増大により、波長が短い波長方向にシフトすることが知覚される。これはとりわけ窒化物半導体材料、例えばＩｎＧａＮベースのＬＥＤに顕著である。

本発明の課題は、波長の安定した動作に適する多重量子井戸構造体を提供することである。

この課題は、請求項１記載の多重量子井戸構造体により解決される。

本発明のさらなる課題は、波長の安定した動作に適する発光半導体ボディを提供することである。

この課題は、請求項１８記載の発光半導体ボディによって解決される。

本発明のさらなる課題は、波長の安定した動作に適する発光構成素子を提供することである。

前記課題は、請求項２１記載の発光構成素子によって解決される。

本発明の有利な実施形態および構成は従属請求の対象である。

本発明の多重量子井戸構造体は、第１の波長のビームを形成するための少なくとも１つの第１の量子井戸構造体と、第２の波長のビームを形成するための少なくとも１つの第２の量子井戸構造体とを有し、前記第２の波長は前記第１の波長よりも大きく、主波長のビームを放射するために設けられている。ここで第２の波長は、第１の波長と第２の波長がシフトしても主波長は所定の最大値しか変化しないように第１の波長から異なっている。

有利には前記最大値は約３％である。特に有利には前記最大値は３％以下である。

ここで主波長とは次のように理解すべきである。色彩学によれば、観察者が多色ビームで知覚する色調に主波長または優勢波長が割り当てられる。この主波長または優勢波長は、観察者が同じ色調を知覚することとなる単色ビームの波長に相当する。

多重量子井戸構造体から放射されるビームは有利には、第１の量子井戸構造体で形成されるビームと、第２の量子井戸構造体で形成されるビームとから合成される。２つ以上の量子井戸構造体が設けられている場合、放射されるビーム全体は個々の量子井戸構造体で形成されたビームから合成される。典型的には量子井戸構造体のビームは、メイン再結合センタがある領域で比較的高い強度を有する。

メイン再結合センタとは、電子とホールの多数が放射性に再結合されるゾーンである。

有利な変形実施例では、第１の量子井戸構造体はｎ側に配置されており、第２の量子井戸構造体はｐ側に配置されている。メイン再結合センタは多重量子井戸構造体の通電が増大すると、典型的には多重量子井戸構造体の、第２の量子井戸構造体が配置されているｐ側に向かう方向にシフトするから、第２の量子井戸構造体は、通電が比較的に強くなると第１の量子井戸構造体よりもビーム形成により大きく関与するようになる。

別の有利な変形実施例では、第１と第２の波長のシフトは比較的波長の短い方向に行われる。この種のシフトはとりわけ、多重量子井戸構造体の通電が増大するときに発生する。ここでシフトの大きさは波長に依存する。波長が大きければ大きいほどシフトも顕著になる。

本発明は、第２の波長は第１の波長に対して、通電が増大する際に発生する第１と第２の波長のシフトがさらに主波長のシフトを引き起こすこととなるように離調しているが、このシフトはビーム形成により大きく関与する第２の量子井戸構造体によって補償することができるという技術思想に基づくものである。有利には前記２つの「シフト作用」（量子井戸構造体の波長シフトと、メイン再結合センタのシフト）は本発明により次のように結合される。すなわち通電が増大しても、前記のような多重量子井戸構造体を有する発光構成素子が安定した波長で動作することができるように結合される。

とりわけ第１の波長は最初は主波長にほぼ相当することができ、メイン再結合センタは第１の量子井戸構造体の領域にある。通電が増大すると、一方ではメイン再結合センタが第２の量子井戸構造体の方向にシフトし、他方では第２の波長が比較的波長の短い方向にシフトする。特に有利には、メイン再結合センタが第２の量子井戸構造体の領域内にある場合、第２の波長は第１の波長ないしは主波長に対して、波長シフトによって第２の波長が第１の波長ないしは主波長の最初の値に近似するように離調している。この場合、第２の波長のシフトは主波長のシフトにほぼ相当することができる。

有利な変形実施例によれば、第２の波長は一桁のナノメータ領域だけ、有利には約５ｎｍだけ第１の波長から異なっている。このことはとりわけ５２０ｎｍから５４０ｎｍの主波長に対して当てはまる。主波長が比較的に大きくなると、第１の波長と第２の波長とのさも有利には大きくなる。

例えば多重量子井戸構造体は４つの量子井戸構造体を有することができ、最初の３つの量子井戸構造体は第１の波長に相当するバンドギャップを有し、第４の量子井戸構造体は第２の波長に相当するバンドギャップを有し、この第２の波長は第１の波長から約５ｎｍだけ異なっている。動作時には４つすべての量子井戸構造体がビーム形成に関与する必要はない。最初の３つの量子井戸構造体がｎ側に配置されていれば、メイン再結合センタは、通電が増大する際に、第１の量子井戸構造体から第４の量子井戸構造体の方向にシフトする。この場合、主波長は実質的に変化せずに留まることができる。

多重量子井戸構造体から放射されるビームは、所定の主波長に設定されていない。とりわけ主波長は有利には短波長のスペクトル領域、例えば緑色スペクトル領域にあり、主波長は５１０ｎｍから５６０ｎｍの間の領域の値をとることができる。この種の多重量子井戸構造体は短波長のビームを放射するのに適しており、とりわけ窒化物ベースの半導体材料を含有することができる。

有利な実施形態によれば、多重量子井戸構造体は、第１の量子井戸構造体と第２の量子井戸構造体に所属する層シーケンスをそれぞれ１つ有し、これらの層シーケンスの間にバリヤ層が配置されている。電荷担体はバリヤ層を通って第１の量子井戸構造体から第２の量子井戸構造体へ達することができ、その反対も同様である。例えば電子は、第１の量子井戸構造体が配置されている多重量子井戸構造体の側からメイン再結合センタへ通り抜けることができ、ホールは第２の量子井戸構造体の側からメイン再結合センタに達する。

電荷担体はバリヤ層を通って拡散するか、バリヤ層をトンネルすることができる。

バリヤ層の厚さは、有利にはメイン再結合センタのシフトに適合されている。バリヤ層が薄ければ薄いほど、メイン再結合センタは容易にシフトする。

別の有利な実施形態では、バリヤ層の厚さは、一桁から二桁のナノメータ領域までの値をとる。とりわけ厚さは４ｎｍから２５ｎｍである。適切な物質を混合することによって、バンドエッジを効果的に低下することができ、ひいては電荷担体がバリヤ層を通って良好に搬送されるようになる。これによりバリヤ層を数ナノメータだけ厚く構成することができる。バンドエッジを低下するのに適する物質は例えばＩｎである。

バリヤ層は有利にはｎドープされている。このことにより有利には、比較的良好な電荷担体トランスポートが可能になり、完成した構成素子での順バイアス電圧が減少する。しかし択一的にバリヤ層をドープしないこともできる。これはとりわけ、バリヤ層がすでに非ドープ状態で十分に良好な電荷担体トランスポートを可能にする場合である。ドーピングは０から１０^１８／ｃｍ^３の間の値をとり得る。

特に有利にはバリヤ層はＳｉドープされている。典型的にはＳｉドーピングは１０^１７／ｃｍ^３から１０^１８／ｃｍ^３の間である。本発明によれば、Ｓｉドーピングは有利には約３〜４＊１０^１７／ｃｍ^３より小さい。有利には低いドーピングによってメイン再結合センタの広がりを拡大することができる。これによって複数の量子井戸構造体が放射性の再結合に寄与する。

さらにバリヤ層は、窒化物ベースの半導体材料を含有することができる。

前記「窒化物ベースの半導体材料」は、本発明に関連して、窒化物ＩＩＩ／Ｖ化合物半導体材料であると理解すべきである。この半導体材料は有利にはＡｌ_ｎＧａ_ｍＩｎ_{１−ｎ−ｍ}Ｎからなり、ここで０≦ｎ≦１、０≦ｍ≦１、かつｎ＋ｍ≦１である。その際、この材料は必ずしも上述の式に従った数学的に正確な組成を有していなくてもよい。つまりこの材料は、Ａｌ_ｎＧａ_ｍＩｎ_{１−ｎ−ｍ}Ｎ材料の物理的特性を実質的に変化させない１つまたは複数のドーパントならびに付加的な成分を含有していてよい。ただしわかりやすくするため、部分的に微量の他の材料によって置換可能であるにしても、上述の式には結晶格子の主要な構成要素Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｎだけを表してある。

有利にはバリヤ層は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮを含有する。

第１と第２の量子井戸構造体に属する層シーケンスは有利にはＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎを含有する。ここで０≦ｘ＜１である。この種の多重量子井戸構造体は緑から紫のスペクトル領域にある短波長のビームを形成するのに適する。短波長のビームは例えば変換物質によって長波長のビームに変換することができるから、多重量子井戸構造体は有利には長波長のビームを形成するためのアクティブ層としても使用することができる。

第１と第２の層シーケンスはそれぞれ１つの井戸層を有する。この井戸層の厚さは有利には１ｎｍから５ｎｍの間である。井戸層の厚さによって量子井戸の深さが調節される。井戸層の厚さが厚ければ厚いほどビームはより長波長になる。種々の井戸層が異なる厚さを有することも考えられる。

本発明の多重量子井戸構造体は、一桁から二桁のミリアンペア領域の通電、遊離には０ｍＡから１５ｍＡの間の通電に特に適する。電流密度は有利には、０ｍＡ／ｍｍ^２から約１６０ｍＡ／ｍｍ^２の間である。

有利にはこの領域でビーム強度は電流強度に比例して上昇し、その際に主波長のシフトは発生しない。

有利には多重量子井戸構造体はエピタキシャルに作製される。温度、ガス濃度などのエピタクシーを決定するプロセスパラメータは、多重量子井戸構造体の特性に対して決定的である。第２の量子井戸構造体でバンドギャップを小さくするためには種々の手段がある。１つには、プロセス温度を低下することにより、Ｉｎがより良好に打ち込まれる。このことはバンドギャップを小さくする。また、プロセスガスにおけるＩｎ濃度を高めると、これもＩｎの良好な打込みにつながり、バンドギャップが小さくなる。２つのプロセスパラメータ変化を組み合わせることも可能である。量子井戸の深さはＩｎの割合によって調整することができ、Ｉｎの割合が高ければ高いほどビームは長波長になる。

本明細書において量子井戸構造の概念には、電荷担体が閉じこめによってそのエネルギー状態が量子化されるあらゆる構造を含む。ことに、量子井戸構造の概念には量子化の次元数に関する規定は含まれない。したがって、量子化にはとりわけ、量子箱、量子細線、量子点およびこれらの構造の各組み合わせが含まれる。

本発明の発光半導体ボディは、上記のような多重量子井戸構造体を含む。この多重量子井戸構造体は有利には、発光半導体ボディのアクティブ層として用いられる。多重量子井戸構造体を形成するこの層ないし層シーケンスは、基板の上に配置することができる。とりわけ第１の層シーケンスは、基板に向いた側にｎ導電性の層を有し、第２の層シーケンスは、基板とは反対の側にｐ導電性の層を有する。半導体ボディはさらなる層、例えば外套層を含むことができることも自明である。さらに多重量子井戸構造体から放射されたビームを出力結合側の方向に反射する反射層も考えられる。

別の有利な実施形態においては半導体ボディが薄膜半導体ボディとして構成されている。

薄膜発光ダイオードチップは、特に以下の特徴の少なくとも１つによって特徴付けされている：
・ビームを発生するエピタキシャル層シーケンスの、支持部材の方に向いた側にある第１の主面に反射層が被着または形成されており、この反射層はエピタキシャル層シーケンスに発生した電磁ビームの少なくとも一部分をこのエピタキシャル層シーケンスに反射して戻す。
・エピタキシャル層シーケンスは、２０μｍまたはそれ以下の領域、とりわけ１０μｍの領域にある厚さを有している。
・エピタキシャル層シーケンスは、混合構造をもつ少なくとも１つの面を備えた少なくとも１つの半導体層を含んでおり、理想例ではこの混合構造がエピタキシャル層シーケンス内に近似的に光のエルゴード分布を生じさせる。つまりこの分布は、可能な限りエルゴード的に確率論的な散乱特性を有する。

薄膜発光ダイオードチップの原理については、例えばI. Schnitzer等によるAppl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174-2176に記載されている。この刊行物の開示内容は、引用によって本願の開示内容とする。薄膜発光ダイオードチップは良好な近似ではランベルト表面放射器である。

典型的には薄膜発光ダイオードチップでは成長基板が剥離される。このことの利点は、成長基板によって電気接続されたり、形成されたビームが成長基板を通過して出力結合する従来の発光ダイオードとは異なり、成長基板が特別の導電性や特別のビーム透過性を有する必要がないことである。

本発明の発光構成素子は、上記のような発光半導体ボディを有する。この種の構成素子は、とりわけ電流強度が上昇し、これと結び付いてビーム強度が上昇した際に波長の安定した動作に適する。

変形実施例によれば、発光半導体ボディはケーシング体の中に配置されている。さらに半導体ボディはカバーに埋め込むことができる。適切なカバー材料によって、例えばビーム損失を低減することができる。このビーム損失は屈折率境界での全反射によって発生し得る。

別の変形実施例によれば、発光半導体ボディには出力結合側で光学素子が後置されている。とりわけビーム整形のための光学素子が適し、これは例えばレンズとして構成することができる。

有利には発光構成素子は調光可能である。すなわち有利には電流強度によって、発光構成素子のビーム強度を調整することができる。

本発明による多重量子井戸構造体ならびに発光半導体ボディまたは発光構成素子のさらなる有利な特徴、有利な構成および改善形態と利点は、図１から９に関連する以下の詳細な実施例の説明から明らかとなる。
図１は、電流強度に依存する、従来の青色発光ダイオードの主波長を示す線図である。
図２は、電流強度に依存する、従来の緑色発光ダイオードの主波長を示す線図である。
図３は、多重量子井戸構造体のモデルを示す概略図である。
図４は、本発明の多重量子井戸構造体の実施例の概略図である。
図５は、多重量子井戸構造体のスペクトル分布を示す線図である。
図６は、電流強度に依存する、種々の発光半導体ボディの主波長を示す線図である。
図７は、電流強度に依存する、種々の発光半導体ボディのビーム強度を示す線図である。
図８は、本発明の発光半導体ボディの実施例の概略的断面図である。
図９は、本発明の発光構成素子の実施例の概略的断面図である。

すでに一般的説明の際に述べたように、とりわけ窒化物ベースの半導体材料を含有する発光ダイオードでは、通電が増大すると波長が比較的短い波長方向にシフトする。
図１から分るように、青色スペクトル領域で発光する従来の発光ダイオードの主波長は、電流強度が０ｍＡから１００ｍＡに増大すると約４７３．５ｎｍから４６８．２５ｎｎｍにシフトする。

図２に示された曲線は、図１に示された曲線と同様に、電流強度が０ｍＡから１００ｍＡに増大すると、主波長が変化することを示している。この測定は、緑色で発光する従来の発光ダイオードで実施された。０ｍＡから１００ｍＡに上昇すると、波長は約５４５ｎｍから約５１２．５ｎｍにシフトする。

図３にモデルとして図示された多重量子井戸構造体１は、第１の量子井戸構造体２ａと、第２の量子井戸構造体２ｂを有する。有利には第１の量子井戸構造体２ａも第２の量子井戸構造体２ｂも、ＩｎＧａＮ／ＧａＮをベースとする。

第１の量子井戸構造体２ａには電子４が打ち込まれる。この電子は、バリヤ層３を所定の確率で通過することができる。このことが生じると、第２の量子井戸構造体２ｂに打ち込まれた正孔５とのビーム放射性の再結合が可能となる。エネルギーレベルの状態は放射ビーム７の２つの波長を決定する。

電子４と同じように正孔５もバリヤ層３を所定の確率で通過することができる。このようにして第１の量子井戸構造体２ａに達した正孔５は、そこに存在する電子４とビーム放射性に再結合することができる。このようにして形成されたビーム６は、関連するエネルギーレベルの間隔に相応する第１の波長を有する。

第１の量子井戸構造体２ａにおけるエネルギー間隔は、第２の量子井戸構造体２ｂにおける間隔よりも大きいから、第１の波長は第２の波長よりも短波長である。

アクティブ層として多重量子井戸構造体１を有する発光半導体ボディは、混合色ビーム１４を放射する。この混合色ビーム１４は、第１の量子井戸構造体２ａからの放射ビーム６と、第２の量子井戸構造体２ｂからの放射ビーム７とから合成される。典型的にはビーム１４には主波長を割り当てることができる。

図４には、本発明の多重量子井戸構造体１の可能な構成が示されている。有利にはサファイヤ、ＳｉＣ、ＧａＮまたはＧａＡｓを含有する基板８に、ｎ導電性の層９が配置されている。ｎ導電性の層９によって、電子は多重量子井戸構造体１に打ち込まれる。第１の層１０、すなわち第１の層シーケンス２００ａの一部は、ｎ導電層９の、基板とは反対の側に配置されている。第１の層１０には、第１の量子井戸構造体２ａおよび第１の層シーケンス２００ａに所属する井戸層１１が後置されている。この井戸層は有利には１ｎｍから５ｎｍの間の厚さを有する。第１の量子井戸構造体２ａは、層１０、井戸層１１、およびバリヤ層３によって形成される。バリヤ層３には、基板８とは反対の側で、井戸層１２と、第２の層シーケンス２００ｂを形成する層１３とが後置されている。層シーケンス２００ｂとバリヤ層３は共に、第２の量子井戸構造体２ｂを形成する。層シーケンス２００ｂには、ｐ導電性の層１６が後置されている。このｐ導電性の層は、正孔を多重量子井戸構造体１に打ち込むために設けられている。層１０と１３はスペーサ層とみなされ、有利には２ｎｍから２０ｎｍの間の厚さを有する。

層１０，１１，３，１２，１３は有利には窒化物ベースの半導体材料、とりわけＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎを含有する。ここで０≦ｘ＜１である。

２つ以上の量子井戸構造体を含む多重量子井戸構造体を得るために、バリヤ層３と井戸層１２との間に、別の井戸層１１′と１１″ならびに別のバリヤ層３′と３″を配置することができる。どのような物質を層１１′と１１″、またはバリヤ層３′と３″が含有するかは、例えば量子井戸構造体により形成されるビームが有すべき波長に依存する。

層９、１０、１１，１２、３、１３、そして１６は、とりわけエピタキシャルに製作され、基板８は成長基板を形成する。

図５には、５つの量子井戸構造体を有する多重量子井戸構造体のスペクトル分布が示されている。多重量子井戸構造体のｎ導電性の側から始まって４つの量子井戸構造体が順次連続しており、これらの量子井戸構造体はバンドギャップを有する。このバンドギャップは、緑色スペクトル領域の波長、例えば約５００ｎｍの波長に相当する。ｐ導電側に配置された第５の量子井戸構造体は、青色スペクトル領域の波長、例えば約４５０ｎｍの波長に相当するバンドギャップを有する。

曲線Ｉから曲線ＶＩＩＩへ電流強度は次第に増大する（曲線Ｉ：０．１ｍＡ、曲線ＩＩ：０．２ｍＡ、曲線ＩＩＩ：１．０ｍＡ、曲線ＩＶ：２．０ｍＡ、曲線Ｖ：３．０ｍＡ、曲線ＶＩ：５．０ｍＡ、曲線ＶＩＩ：１０．０ｍＡ、曲線ＶＩＩＩ：２０．０ｍＡ）。測定は室温で実行された。

横軸には第４と第５の量子井戸構造体から放射されるビームの波長λ［ｎｍ］がプロットされており、縦軸は放射されたビームの強度Ｉｖ（単位なし）を表わす。第５の量子井戸構造体に対する強度最大値は約４５０ｎｍにあり、第４の量子井戸構造体に対する強度最大値は約５００ｎｍにある。

図５から読み取ることのできる相応の情報は、第５の量子井戸構造体により形成されるビームの強度Ｉｖは、通電の増大と共に、第４の量子井戸構造体により形成されるビームの強度よりも強く上昇することである。これは、メイン再結合センタが、通電の増大で第５の量子井戸構造体の方向にシフトするためである。

図６には、それぞれ４つの量子井戸構造体を含む、４つの異なる多重量子井戸構造体で実施された測定曲線が示されている。

測定曲線ＩＶを示す多重量子井戸構造体は、Ｓｉドープされたバリヤ層を有する。個々の量子井戸構造体の層シーケンスは、バンドギャップに関しては格段には相互に異ならない。したがってこの測定曲線は、第４の量子井戸構造体が最初の３つの量子井戸構造体とは異なるバンドギャップを有する多重量子井戸構造体によって求められた曲線Ｉ、ＩＩおよびＩＩＩに対する基準曲線として用いられる。

基準曲線ＩＶは、通電が増大すると、主波長λｄｏｍは比較的波長の短い方向にシフトすることを示す。曲線ＩとＩＩＩもこの特性を示す。しかし曲線ＩＩだけは、少なくとも電流強度が約１０ｍＡまでは、多重量子井戸構造体の波長の安定した特性を示す。

曲線Ｉでは、第４の量子井戸構造体のバンドギャップが別の量子井戸構造体のバンドギャップとは、差が約１０ｎｍの短い波長に相当するように異なっている。このことは例えば、第４の量子井戸構造体の層シーケンスが、他の量子井戸構造体の層シーケンスの場合よりもプロセス温度が比較的高いときに成長されることによって達成することができる。とりわけプロセス温度は７Ｋだけ高い。有利にはすべてのバリヤ層がＳｉドープされている。

曲線ＩＩＩでは、第４の量子井戸構造体のバンドギャップが別の量子井戸構造体のバンドギャップとは、差が約１０ｎｍの長い波長に相当するように異なっている。このことは例えば、第４の量子井戸構造体の層シーケンスが、他の量子井戸構造体の層シーケンスの場合よりもプロセス温度が比較的低いときに成長されることによって達成することができる。とりわけプロセス温度は７Ｋだけ低い。有利にはすべてのバリヤ層がＳｉドープされている。

曲線ＩＩでは、第４の量子井戸構造体のバンドギャップが別の量子井戸構造体のバンドギャップとは、差が約５ｎｍの長い波長に相当するように異なっている。このことは例えば、第４の量子井戸構造体の層シーケンスが、他の量子井戸構造体の層シーケンスの場合よりもプロセス温度が比較的低いときに成長されることによって達成することができる。とりわけプロセス温度は３Ｋだけ低い。さらに成長方向で第４の量子井戸構造体の層シーケンスの前に配置されたバリヤ層はドープされない。

したがい結果として、第４の量子井戸構造体を最初の３つの量子井戸構造体に対してわずかに波長を離調させることによって波長の安定した動作が可能であることが分る。

図７には、ビームの強度Ｉｖ（単位なし）が、電流強度Ｉ［ｍＡ］に依存して示されている。この測定は、すでに図６に関連して説明した多重量子井戸構造体で実施された。

図７から、曲線ＩＩの経過は、他の曲線よりもより線形の経過に近似することが分かる。

したがって有利には、第４の量子井戸構造体が最初の３つの量子井戸構造体に対してわずかに波長離調していることによって、波長の安定した動作も、電流強度が均一に上昇する際にビーム強度の近似的に線形の増加も達成される。

図８に示された発光半導体ボディ１８は、アクティブ層として多重量子井戸構造体１を有する。この多重量子井戸構造体１は、少なくとも第１の量子井戸構造体２ａと、第２の量子井戸構造体２ｂを有する。有利には、半導体ボディ１８は多重量子井戸構造体１を有し、この多重量子井戸構造体は通電が増大するときに、ビーム強度が同時に上昇しても波長の安定した動作を可能にする。とりわけこのことは、多重量子井戸構造体１が、図６と７で測定曲線ＩＩを示した多重量子井戸構造体に相応して形成されていることによって達成される。例えば多重量子井戸構造体１は、４つの量子井戸構造体を有し、ここで第４の量子井戸構造体のバンドギャップは別の量子井戸構造体のバンドギャップとは、差が約５ｎｍの長い波長に相当するように異なっている。ここで第１の量子井戸構造体は、ｎ導電側に配置されており、第４の量子井戸構造体は、ｐ導電側に配置されている。

多重量子井戸構造体１は、ｎ導電性の層９とｎ導電性の層１６との間に配置されている。有利には半導体ボディ１８の層９、１０、１１、３、１２、１３、１６はエピタクシャルに基板８の上に成長されている。とりわけ基板８は導電性である。したがって基板８の、層シーケンスとは反対の側にｎ電極１５を配置することができる。半導体ボディ１８のこれに対向する側にはｐ電極１７が配置されている。２つの電極１５と１７によって、半導体ボディ１８は電気接続することができる。

択一的に成長基板を剥離することができ、この場合は半導体ボディが薄膜半導体ボディとして構成される。

図９は、発光半導体ボディ１８を有する発光構成素子１９を示す。発光半導体ボディ１８は、例えば図８に示したように構成することができる。

半導体ボディ１８はヒートシンク２０の上に配置されており、このヒートシンクａｈ半導体ボディ１８を冷却するために設けられている。構成素子１９の動作寿命がこれにより有利には延長される。

ヒートシンク２０は、半導体ボディ１８が配置されている側で中央を窪ませることができる。これにより半導体ボディ１８は反射器凹部２１に取り付けられる。反射器凹部２１の側壁は、ケーシング体２３によって延長されている。このケーシング体２２にヒートシンク２０は埋め込まれている。このようにして形成された反射器２３によって、主放射方向２４でのビーム強度を有利に高めることができる。

保護のために半導体ボディ１８はジャケット２５に埋め込まれている。このジャケット２５は、例えばエポキシ樹脂またはアクリル樹脂のような反応樹脂を含むことができる。鮭と２５は有利には反射器２３を完全に充填する。半導体ボディ１８により形成されるビームを集束するために、ジャケット２５は有利にはビーム出射側に湾曲した表面を有することができる。これによりレンズ作用を得ることができる。択一的に、発光構成素子１９にビ―ム出射側で光学素子を後置することもできる。

発光半導体ボディ１８は、導電性のヒートシンク２０と電気接続されており、とりわけ半導体ボディ１８の裏面でハンダ付け、または接着されている。さらにヒートシンク２０は、第１の接続ストリップ２６ａと電気的に接続されている。さらに半導体ボディ１８は、例えばワイヤ接続（図示せず）によって、前側で第２の接続ストリップ２６ｂと電気的に接続されている。２つの接続ストリップ２６ａと２６ｂによって、半導体ボディ１８は電気接続することができる。

なお、本発明は実施例に基づいたこれまでの説明によって限定されるものではない。むしろ本発明はあらゆる新規の特徴ならびにそれらの特徴のあらゆる組み合わせを含むものであり、これには殊に特許請求の範囲に記載した特徴の組み合わせ各々が含まれ、このことはそのような組み合わせ自体が特許請求の範囲あるいは実施例に明示的には記載されていないにしてもあてはまる。

図１は、電流強度に依存する、従来の青色発光ダイオードの主波長を示す線図である。 図２は、電流強度に依存する、従来の緑色発光ダイオードの主波長を示す線図である。 図３は、多重量子井戸構造体のモデルを示す概略図である。 図４は、本発明の多重量子井戸構造体の実施例の概略図である。 図５は、多重量子井戸構造体のスペクトル分布を示す線図である。 図６は、電流強度に依存する、種々の発光半導体ボディの主波長を示す線図である。 図７は、電流強度に依存する、種々の発光半導体ボディのビーム強度を示す線図である。 図８は、本発明の発光半導体ボディの実施例の概略的断面図である。 図９は、本発明の発光構成素子の実施例の概略的断面図である。

Claims (24)

1. 第１の波長（６）のビームを形成するための少なくとも１つの第１の量子井戸構造体（２ａ）と、第２の波長（７）のビームを形成するための少なくとも１つの第２の量子井戸構造体（２ｂ）とを有し、前記第２の波長（７）は前記第１の波長（６）よりも大きく、主波長（１４）のビームを放射するために設けられている多重量子井戸構造体（１）であって、
   前記第２の波長（７）は、前記第１の波長（６）と前記第２の波長（７）がシフトしても前記主波長（１４）は所定の最大値しか変化しないように前記第１の波長（６）から異なっている多重量子井戸構造体。
2. 請求項１記載の多重量子井戸構造体（１）であって、
   前記第１の量子井戸構造体（２ａ）はｎ側に配置されており、前記第２の量子井戸構造体（２ｂ）はｐ側に配置されている多重量子井戸構造体。
3. 請求項１または２記載の多重量子井戸構造体（１）であって、
   前記シフトは、短波長の方向に行われる多重量子井戸構造体。
4. 請求項１から３までのいずれか一項記載の多重量子井戸構造体であって、
   前記第２の波長（７）は、一桁のナノメータ領域だけ前記第１の波長（６）から異なっている多重量子井戸構造体。
5. 請求項１から４までのいずれか一項記載の多重量子井戸構造体であって、
   前記主波長（１４）は、緑色である短波長のスペクトル領域にある多重量子井戸構造体。
6. 請求項１から４までのいずれか一項記載の多重量子井戸構造体であって、
   該多重量子井戸構造体は、前記第１の量子井戸構造体（２ａ）および前記第２の量子井戸構造体（２ｂ）に所属する層シーケンス（２００ａ、２００ｂ）を有し、
   前記層シーケンス（２００ａ、２００ｂ）の間にはバリヤ層（３）が配置されている多重量子井戸構造体。
7. 請求項６記載の多重量子井戸構造体（１）であって、
   前記バリヤ層（３）の厚さは４ｎｍから２５ｎｍの間である多重量子井戸構造体。
8. 請求項６または７記載の多重量子井戸構造体（１）であって、
   前記バリヤ層（３）はｎドープされている多重量子井戸構造体。
9. 請求項８記載の多重量子井戸構造体（１）であって、
   前記バリヤ層（３）はＳｉドープされている多重量子井戸構造体。
10. 請求項９記載の多重量子井戸構造体（１）であって、
    前記Ｓｉドーピングは、１０^１７／ｃｍ^３から１０^１８／ｃｍ^３の間である多重量子井戸構造体。
11. 請求項６から１０までのいずれか一項記載の多重量子井戸構造体（１）であって、
    前記バリヤ層（３）は、窒化物ベースの半導体材料を含有する多重量子井戸構造体。
12. 請求項１１記載の多重量子井戸構造体（１）であって、
    前記バリヤ層（３）は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮを含有する多重量子井戸構造体。
13. 請求項６から１２までのいずれか１項記載の多重量子井戸構造体（１）であって、
    前記層シーケンス（２００ａ、２００ｂ）は、Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎを含有し、０≦ｘ＜１である多重量子井戸構造体。
14. 請求項６から１３までのいずれか１項記載の多重量子井戸構造体（１）であって、
    前記層シーケンス（２００ａ、２００ｂ）はそれぞれ井戸層（１１，１２）を有し、
    該井戸層の厚さは１ｎｍから５ｎｍの間である多重量子井戸構造体。
15. 請求項１から１４までのいずれか一項記載の多重量子井戸構造体であって、
    一桁から二桁のミリアンペア領域で、すなわち１ｍＡから１５ｍＡの間で通電される多重量子井戸構造体。
16. 請求項１から１５までのいずれか一項記載の多重量子井戸構造体であって、
    ０ｍＡ／ｍｍ^２から約１６０ｍＡ／ｍｍ^２の間の電流密度により通電される多重量子井戸構造体。
17. 請求項１から１６までのいずれか一項記載の多重量子井戸構造体であって、
    エピタクシャルに作製されている多重量子井戸構造体。
18. 請求項１から１７までのいずれか１項記載の多重量子井戸構造体（１）を有する発光半導体ボディ（１８）。
19. 請求項１８記載の発光半導体ボディ（１８）であって、
    前記多重量子井戸構造体（１）はアクティブ層として用いられる発光半導体ボディ。
20. 請求項１８または１９記載の発光半導体ボディ（１８）であって、
    薄膜発光ダイオードチップとして構成されている発光半導体ボディ。
21. 請求項１７から２０までのいずれか１項記載の発光半導体ボディ（１８）を有する発光構成素子（１９）。
22. 請求項２１記載の発光構成素子（１９）であって、
    前記発光半導体ボディ（１８）は、ケーシング体（２２）の内部に配置されている発光構成素子。
23. 請求項２１または２２記載の発光構成素子（１９）であって、
    前記発光半導体ボディ（１８）の出力結合側には、光学素子が配置されている発光構成素子。
24. 調光可能である、請求項２１から２３までのいずれか一項記載の発光構成素子（１９）。

Images