JP2010505245A - Led半導体ボディおよびled半導体ボディの使用法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、放射を発生する少なくとも1つの第1の活性層(31)と、放射を発生する少なくとも1つの第2の活性層(32)を備えたLED半導体ボディ(1)に関する。本発明によればLED半導体ボディ(1)にはフォトニック結晶(6)が設けられている。さらに本発明は、LED半導体ボディの使用法にも関する。
Description
本発明は、LED半導体ボディおよびLED半導体ボディの使用法に関する。
本願は、ドイツ連邦共和国特許出願第102006046037.5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って本願に取り込まれるものとする。
プロジェクト用途のためには、発光密度ないしは輝度の高い放射源が必要とされる。しかも30°以下の放射角度が望ましく、その理由は、光学システムは一般に0.5以下の開口数を有しており、したがってこの放射角度内の放射しか利用できないことによる。
薄膜発光ダイオードチップの基本原理は、たとえばI. Schnitzer等著Appl. Phys. Lett. 63 (16)、1993年10月18日、第2174〜2176頁に記載されている。薄膜発光ダイオードチップは良好な近似によればランベルト表面放射器である。たしかに薄膜発光ダイオードチップは放射特性ゆえにプロジェクション用途に適しているが、慣用の薄膜発光ダイオードチップは放射量が電流強度により制限されている活性層を備えた層構造を有している。それというのも活性層における電流密度は最大電流密度を上回ってはならないからであり、その理由は、そうでないと過度のエージング作用によりLED半導体ボディの寿命を不利に短縮するおそれがあるからである。
本発明の課題は、発光密度ないしは輝度の高いLED半導体ボディを提供することである。
この課題は、請求項1記載のLED半導体ボディによって解決される。
さらに本発明の課題は、発光密度ないしは輝度の高いLED半導体ボディの使用法を提供することである。
この課題は、請求項31および32記載の使用法によって解決される。
従属請求項には本発明の有利な実施形態が示されている。
本発明によるLED半導体ボディには、放射を発生する少なくとも1つの第1の活性層と、放射を発生する少なくとも1つの第2の活性層が含まれており、さらにフォトニック結晶が設けられている。
ここで活性層とは、放射を発生するpn接合部のことである。最も単純な事例ではこのpn接合部を、互いにじかに接し合うp導電形とn導電形の半導体層により形成することができる。有利であるのは、p導電形の活性層とn導電形の活性層の間に、たとえばドーピングされたまたはドーピングされていない量子層の形態で、本来の放射発生層を形成することである。この量子層を、単一量子井戸構造(SQW, Single Quantum Well)または多重量子井戸構造(MQW, Multiple Quantum Well)として形成することができるし、あるいは量子ワイヤまたは量子ドット構造として形成することもできる。
慣用のLED半導体ボディの場合、半導体ボディの半導体材料と周囲の媒体たとえば空気との間における屈折率差がかなり大きいことに起因して、特定の限界角度から全反射の発生する可能性があり、その結果、出射される放射の割合がきわめて僅かになってしまう。
有利なことに、全反射に起因する放射損失をフォトニック結晶により低減することができる。
半導体ボディから到来する光の放射が、屈折率n1をもつ光学的に比較的密度の高い半導体材料と、屈折率n2をもつ光学的に比較的密度の低い周囲媒体たとえば空気との間の界面で全反射するのは、この放射が全反射の限界角度θよりも大きいかまたはこれと等しい角度で界面に向けて当射される場合であり、ここで次式が成り立つ:
sin (θ) = n2/n1
ここで角度の記載は、光の放射の発生点における界面の垂線に関連づけられたものである。
sin (θ) = n2/n1
ここで角度の記載は、光の放射の発生点における界面の垂線に関連づけられたものである。
有利なことに、LED半導体ボディのために設けられているフォトニック結晶によって、限界角度θ以上の角度でフォトニック結晶に当射する放射の一部分を偏向させて、それが限界角度θよりも小さい角度で放射出射面に当射して出射していくようにすることができる。さらにフォトニック結晶を用いることで、本来の放射角度を狭めることができる。
有利にはフォトニック結晶は、第1の屈折率をもつ複数の第1の領域と第2の屈折率をもつ複数の第2の領域を有している。殊に有利であるのは、これらの領域が規則的に配置されていることである。このような規則的な配置が、1次元の格子または2次元の格子あるいは3次元の格子に相応するように構成することができる。本発明においてたとえば、フォトニック結晶に2次元の格子構造をもたせることができる。この場合、隣り合う2つの第1の領域間の間隔もしくは隣り合う2つの第2の領域間の間隔が格子定数に対応する。フォトニック結晶によってその作用が最も良好に達成されるのは、格子定数が半導体ボディから発せられる放射の波長に整合されている場合である。有利であるのは、隣り合う2つの第1の領域間の間隔もしくは隣り合う2つの第2の領域間の間隔が、LED半導体ボディから発せられる放射の波長にほぼ対応していることである。この間隔が10-9m〜10-6mであると格別有利である。
1つの有利な実施形態によれば、複数の第2の領域がつながっている。つまり、それぞれ2つの第2の領域がたとえば2つ以上の接触ポイントたとえば接触面を有している。この場合、接触ポイントもしくは接触面とは物理的な構成部分を意味するものではなく、フォトニック結晶が等しく構成された「結晶セル」に分割されているものとして考えた場合に生じる概念である。
典型的には、フォトニック結晶には誘電材料が含まれている。本発明によれば第1の領域は殊に有利には、LED半導体ボディの半導体層における充填された凹部または充填されていない凹部である。第1の領域を、凹部として周期的な配置で半導体層に取り込むことができる。択一的に可能であるのは、第1の領域を格子状に配置することであり、その際、第1の領域はアイランド状に形成されていて、適切な中間スペースたとえばつながった凹部によって互いに分離されている。したがってこの第2のオプションは第1のオプションの反転形態を成すものであり、つまり領域と凹部が互いに入れ替えられている。これら2つのケースにおいてともに有利であるのは、凹部もしくは中間スペースを、第1の領域の屈折率とは異なる屈折率をもつ充填材料たとえば誘電材料または他の半導体材料で充填できることである。たとえば第1の領域は100nm〜500nmの幅および/または深さを有している。
1つの有利な実施形態によれば、第1の活性層と第2の活性層は垂直方向で上下に配置されている。有利なことに、冒頭で述べた形式の慣用のLED半導体ボディと対比すると、活性層が上下に配置されているLED半導体ボディの場合、2つまたはそれよりも多くの活性層を放射発生のために同時に使用することができるので、発生される放射量全体もしくは発光密度が高められることになり有利である。発光密度は、半導体ボディの放射面積と空間角要素あたりの光出力である。
その際に有利であるのは、第1の活性層と第2の活性層が同じ波長を発生することである。このことはとりわけ、あとで説明するように活性層により発せられた放射を反射するために設けられている反射層との組み合わせにおいて有利である。なぜならば波長の異なる放射を発生する活性層とは異なり、この場合、反射された放射がそれぞれ他方の活性層により吸収されることは、送出される放射全体に対し不利な作用を及ぼさないからである。
さらに第1の活性層と第2の活性層を、半導体ボディにモノリシックに集積することができる。このようにすることで、第1の積層体と第2の積層体をたとえばボンディングなどにより接続する製造ステップが省かれる。
好適には、LED半導体ボディは支持部材上に配置されている。この目的で有利には、導電性の支持部材が用いられる。これにより垂直方向で導電性のコンポーネントを形成することができ、これによれば電流は実質的に垂直方向に流れる。この種のコンポーネントが優れている点は、LED半導体ボディ内で比較的均一な電流分布が得られることである。接触接続のために好適であるのは、導電性の支持部材においてLED半導体ボディとは反対側に背面接点を配置することである。
支持部材がLED半導体ボディのための成長基板と異なるものであると有利である。格別有利には、成長基板は半導体ボディとは分離されている。半導体ボディはたとえば薄膜半導体ボディである。
薄膜半導体ボディは、以下の特徴のうち少なくとも1つの特徴を有する点で優れている。
−放射を発生するエピタキシャル層列において支持部材に向かう側の第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列内で生じた電磁放射の少なくとも一部をエピタキシャル層列内に反射して戻す;
−エピタキシャル層列は20μm以下の範囲内の厚さたとえば10μmの範囲内の厚さを有する;
−エピタキシャル層列には、混合構造を有する少なくとも1つの面を備えた少なくとも1つの半導体層が含まれており、この混合構造により理想的なケースでは、エピタキシャル層列内でほぼエルゴード的な光の分布が生じ、つまりこの光の分布は可能な限りエルゴード的な確率論的散乱特性を有する。
−放射を発生するエピタキシャル層列において支持部材に向かう側の第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列内で生じた電磁放射の少なくとも一部をエピタキシャル層列内に反射して戻す;
−エピタキシャル層列は20μm以下の範囲内の厚さたとえば10μmの範囲内の厚さを有する;
−エピタキシャル層列には、混合構造を有する少なくとも1つの面を備えた少なくとも1つの半導体層が含まれており、この混合構造により理想的なケースでは、エピタキシャル層列内でほぼエルゴード的な光の分布が生じ、つまりこの光の分布は可能な限りエルゴード的な確率論的散乱特性を有する。
薄膜発光ダイオードチップの原理は、たとえばI. Schnitzer等によるAppl. Phys. Lett. 63 (16), 18. October 1993, 2174-2176に記載されており、その開示内容はこれを引用することで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り、前照灯およびプロジェクタへの使用に殊に適している。
薄膜半導体ボディとして形成されたLED半導体ボディの場合に有利であるのは、発光面あたりで出射される放射の強度が殊に狭い放射角度内で高められることである。
材料系に応じて、成長基板の除去を機械的または熱的に、あるいはレーザカット法により行うことができる。薄膜半導体ボディは、有利なことに順方向電圧が低い点および放射発生時の効率が高い点で優れている。さらに薄膜半導体ボディは支持部材の選択に関して、エピタキシに必要とされる境界条件によっても制約されておらず、したがって支持部材をたとえばそれらの熱的導電性についてもそれらのコストについても最適化することができる。
1つの有利な実施形態によればLED半導体ボディと支持部材との間に、LED半導体ボディにおいて発せられる放射をフォトニック結晶の方向で反射させる反射層が配置されている。有利にはこのことによっても発光密度が高められる。
本発明によるLED半導体ボディによれば、反射層は有利には金属を含んでいる。殊に有利には、反射層にはAu,Al,Zn,Agのうち少なくとも1つの材料が含まれている。反射層を金属層または金属層とTCO(Transparent Conductive Oxide)層の複合体として形成することができ、ここでTCO層にはたとえば酸化インジウム、酸化スズ、酸化インジウムスズ(ITO)または酸化亜鉛を含めることができる。さらに反射層を金属層と構造形成ないしはパターニングされた層の複合体として構成することができる。この場合、構造形成された層には殊に電気的に絶縁性の材料たとえば窒化ケイ素または酸化ケイ素が含まれており、さらにこれにはたとえば開口部が設けられており、この開口部は有利には金属層の材料によって充填されている。さらに既述の実施形態によれば反射層は十分な導電性を有しており、したがって反射層全体に電流を流すことができる。
1つの実施形態によれば、フォトニック結晶はLED半導体ボディにおいて支持部材とは反対側に配置されている。フォトニック結晶に対し、光学的な機能のほかに電気的な機能も担わせることができ、電流の拡開ないしは拡大のために用いられるよう構成することができる。
択一的な実施形態によれば、フォトニック結晶は反射層とLED半導体ボディとの間に配置されている。このケースでもフォトニック結晶を、LED半導体ボディにおける電気的な特性の向上に寄与させることができる。
LED半導体ボディの1つの有利な実施形態によれば、第1の活性層と第2の活性層との間にトンネル接合部が形成されている。このトンネル接合部は、第1の活性層と第2の活性層との間の電気的接続部として用いられる。たとえばこの種のトンネル接合部を、第1の導電形をもつ高濃度でドーピングされた層と、第2の導電形をもつ高濃度でドーピングされた層により形成することができる。とりわけ有利には、第1の活性層と第2の活性層は同じように配置されており、つまりこれらの活性層のpn接合部はpn−pn構造もしくはnp−np構造を成しており、この場合、pn接合部はそれらの間に位置するトンネル接合部によって電気的に直列に接続されている。同様に本発明において3つまたはそれよりも多くの活性層をLED半導体ボディにおいて垂直方向で上下に配置させることができ、これらの活性層は同様のやり方で、2つの隣り合う活性層の間に形成されたそれぞれ1つのトンネル接合部を介して接続されている。
択一的な実施形態によれば、第1の活性層と第2の活性層のpn接合部が互いに同じように形成されており、つまりpn−np構造もしくはnp−pn構造が生じるように形成されている。この場合、活性層を並列に接続することができる。
LED半導体ボディに、有利には両方の活性層のうち一方の活性層または両方の活性層に、リン化物をベースとする化合物半導体材料を含めることができる。この化合物半導体材料はたとえば組成AlnGamIn1-n-mPを有しており、ここで0≦n≦1,0≦m≦1およびn+m≦1である。
択一的にLED半導体ボディに、有利には両方の活性層のうち一方の活性層または両方の活性層に、ヒ化物をベースとする化合物半導体材料を含めることができる。この化合物半導体材料はたとえば組成AlnGamIn1-n-mAsを有しており、ここで0≦n≦1,0≦m≦1およびn+m≦1である。
さらに別のオプションによれば、LED半導体ボディに、有利には両方の活性層のうち一方の活性層または両方の活性層に、窒化物をベースとする化合物半導体材料を含めることができる。この化合物半導体材料はたとえば組成AlnGamIn1-n-mNを有しており、ここで0≦n≦1,0≦m≦1およびn+m≦1である。
LED半導体ボディは有利には垂直方向で放射を送出する。
本発明によるLED半導体ボディによれば、放射角度α≦30°を達成することができる。このような狭い放射角度をもつLED半導体ボディは、プロジェクション用途に殊に適している。
本発明によるLED半導体ボディは、有利には放射送出コンポーネントの放射源として利用される。放射送出コンポーネントもLED半導体ボディもプロジェクション用途に殊に適している。
図面を参照しながら以下で説明する実施例には、本発明のその他の特徴、利点ならびに有効性について示されている。
図面に示されているLED半導体ボディ1は放射を発生する3つの活性層31,32,33を有しており、これらの活性層は垂直方向で互いに上下に配置されており、つまり活性層31,32,33の主延在方向に対し垂直な方向で上下に配置されている。これらの活性層31,32,33はそれぞれ1つの積層体I,II,IIIに属している。積層体I,II,IIIはさらに、第1の導電形をもつそれぞれ1つの層21,22,23と、第2の導電形をもつそれぞれ1つの層41,42,43を有している。典型的には、第1の導電形をもつ層21,22,23と第2の導電形をもつ層41,42,43の間に、それぞれ活性層31,32,33が配置されている。
積層体I,IIと積層体II,IIIは、トンネル接合部5を介して互いに接続されている。たとえばこのトンネル接合部5が、第1の導電形をもつ高濃度でドーピングされた層と、第2の導電形をもつ高濃度でドーピングされた層を含むようにすることができる。このようにすることで、動作中の接合抵抗が低い効率的なトンネル接合を形成することができる。
3つの活性層31,32,33をLED半導体ボディ1に配置することによって有利には、全体として発せられるビーム量が高められる。LED半導体ボディ1のサイズは、ただ1つの活性層しか設けられていないLED半導体ボディとほとんど変わらず、殊にLED半導体ボディ1の発光面は活性層の個数には左右されないことから、有利には発光密度も十分に高められる。
半導体ボディ1は支持部材9に取り付けられている。支持部材9と半導体ボディ1との間に反射層8が配置されていると有利である。反射層8も支持部材9も導電性であると殊に有利である。さらに支持部材9には、半導体ボディ1とは反対側の面に背面接点が設けられている。同様に、LED半導体ボディ1において支持部材9とは反対側の面には前面接点10が形成されている。このようにして垂直方向に導電性であるコンポーネントが形成され、このコンポーネントが優れている点は、LED半導体ボディ1内部における電流分布の均一性が比較的高いことである。
LED半導体ボディ1は別個の成長基板上で成長させられ、ついで支持部材に取り付けられる。この取り付けはたとえば、はんだ付け、ボンディングまたは接着により行われ、その際に有利には、成長基板がLED半導体ボディから剥離される。反射層8をたとえばブラッグミラー、金属層または金属層とTCO層の複合体として形成することができ、ここでTCO層にはたとえば酸化インジウムスズまたは酸化亜鉛を含めることができる。さらに反射層8を金属層と構造形成ないしはパターニングされた層の複合体として構成することができる。この場合、構造形成された層には殊に電気的に絶縁性の材料たとえば窒化ケイ素または酸化ケイ素が含まれており、さらにこれにはたとえば開口部が設けられており、この開口部は有利には金属層の材料によって充填されている。このようにすることで、支持体部材9の方向に放出される放射成分を、放射出射面の方向に反射させることができる。放射出射面においてLED半導体ボディ1は、放射効率ないしは発光効率を高めるためフォトニック結晶6を有している。フォトニック結晶6は、第1の屈折率をもつ第1の領域6aと第2の屈折率をもつ第2の領域6bを有している。第2の領域6bは有利には半導体ボディ1に使用される半導体材料から成るのに対し、第1の領域6aは第2の導電形の層43の後に続く半導体層に凹部として取り込まれている。これらの凹部を充填されていない状態もしくは空気で充填された状態とすることができ、あるいはこれに対する代案として、たとえば半導体材料とは異なる屈折率を有する充填材料によって充填された状態とすることもできる。この実施例によれば、第2の領域6bはつながっている。さらにこの場合、第1の領域6aは第2の領域6bによって取り囲まれている。また、第1の領域6aはシリンダ状に形成されている。とはいうものの本発明はこの形状に規定されるものではない。第1の領域6aは半導体層において規則的に配置されているので、この配置構成ゆえに2次元の格子が形成されている。
本発明は既述の実施例に限定されるものではない。そうではなくむしろ本発明は新規のあらゆる特徴ならびにその組み合わせを含むものであって、このことはたとえそれらの特徴またはそれらの組み合わせが特許請求の範囲または実施例に明示的に示されていない場合であっても該当する。
Claims (32)
- LED半導体ボディ(1)において、
放射を発生する少なくとも1つの第1の活性層(31)と、放射を発生する少なくとも1つの第2の活性層(32)を備えており、フォトニック結晶(6)が設けられていることを特徴とするLED半導体ボディ。 - 前記フォトニック結晶(6)は、第1の屈折率をもつ複数の第1の領域(6a)と、第2の屈折率をもつ複数の第2の領域(6b)を有する、請求項1記載のLED半導体ボディ。
- 前記第1および第2の領域(6a,6b)は規則的に配置されている、請求項2記載のLED半導体ボディ。
- 前記第1および第2の領域(6a,6b)は、1次元の格子または2次元の格子または3次元の格子を成している、請求項2または3記載のLED半導体ボディ。
- 前記第2の領域(6b)はつながっている、請求項2から4のいずれか1項記載のLED半導体ボディ。
- 前記第1の領域(6a)は前記第2の領域(6b)に囲まれている、請求項2から5のいずれか1項記載のLED半導体ボディ。
- 前記第1の領域(6a)は、LED半導体ボディ(1)の半導体層における充填された凹部または充填されていない凹部である、請求項2から6のいずれか1項記載のLED半導体ボディ。
- 前記第1の領域(6a)は100nm〜500nmの幅および/または深さを有する、請求項7記載のLED半導体ボディ。
- 前記第1の活性層(31)および前記第2の活性層(32)は同じ波長の放射を発生する、請求項1から8のいずれか1項記載のLED半導体ボディ。
- 前記第1の活性層(31)および前記第2の活性層(32)は垂直方向で上下に配置されている、請求項1から9のいずれか1項記載のLED半導体ボディ。
- 前記第1の活性層(31)および前記第2の活性層(32)は半導体ボディ(1)にモノリシックに集積されている、請求項1から10のいずれか1項記載のLED半導体ボディ。
- 支持部材(9)上に配置されている、請求項1から11のいずれか1項記載のLED半導体ボディ。
- 前記支持部材(9)は導電性である、請求項12記載のLED半導体ボディ。
- 前記支持部材(9)は前記LED半導体ボディ(1)のための成長基板とは異なっている、請求項12または13記載のLED半導体ボディ。
- 前記成長基板は前記半導体ボディ(1)から分離されている、請求項14記載のLED半導体ボディ。
- 前記LED半導体ボディ(1)と前記支持部材(9)の間に、前記LED半導体ボディ(1)において発せられた放射を前記フォトニック結晶(6)の方向に反射させる反射層(8)が配置されている、請求項12から15のいずれか1項記載のLED半導体ボディ。
- 前記反射層(8)にはAu,Al,Zn,Agのうち少なくとも1つの材料を含む、請求項16記載のLED半導体ボディ。
- 前記反射層(8)にはTCOが含まれている、請求項16または17記載のLED半導体ボディ。
- 前記反射層(8)は導電性である、請求項16から18のいずれか1項記載のLED半導体ボディ。
- 前記反射層(8)には窒化ケイ素または酸化ケイ素が含まれている、請求項16記載のLED半導体ボディ。
- 前記フォトニック結晶(6)は、前記LED半導体ボディ(1)において前記支持部材(9)とは反対側に配置されている、請求項12から20のいずれか1項記載の半導体ボディ。
- 前記フォトニック結晶(6)は、前記反射層(8)と前記LED半導体ボディ(1)との間に配置されている、請求項16から20のいずれか1項記載の半導体ボディ。
- 前記第1の活性層(31)と前記第2の活性層(32)との間にトンネル接合部(5)が形成されている、請求項1から22のいずれか1項記載のLED半導体ボディ。
- 前記トンネル接合部(5)は、第1の導電形をもつ高濃度でドーピングされた層と第2の導電形をもつ高濃度でドーピングされた層により形成されている、請求項23記載のLED半導体ボディ。
- 前記半導体ボディ(1)には、有利には前記第1および第2の活性層(31,32)のうちの一方または前記第1および第2の活性層(31,32)の両方には、AlnGamIn1-n-mPが含まれており、ここで0≦n≦1,0≦m≦1,n+m≦1である、請求項1から24のいずれか1項記載のLED半導体ボディ。
- 前記半導体ボディ(1)には、有利には前記第1および第2の活性層(31,32)のうちの一方または前記第1および第2の活性層(31,32)の両方には、AlnGamIn1-n-mAsが含まれており、ここで0≦n≦1,0≦m≦1,n+m≦1である、請求項1から24のいずれか1項記載のLED半導体ボディ。
- 前記半導体ボディ(1)には、有利には前記第1および第2の活性層(31,32)のうちの一方または前記第1および第2の活性層(31,32)の両方には、AlnGamIn1-n-mNが含まれており、ここで0≦n≦1,0≦m≦1,n+m≦1である、請求項1から24のいずれか1項記載のLED半導体ボディ。
- 垂直方向に放射を送出する、請求項1から27のいずれか1項記載のLED半導体ボディ。
- 放射角度はα≦30°である、請求項28記載のLED半導体ボディ。
- 薄膜半導体ボディである、請求項1から29のいずれか1項記載のLED半導体ボディ。
- 放射送出コンポーネントのために使用する、請求項1から30のいずれか1項記載のLED半導体ボディ(1)の使用法。
- プロジェクション用途に使用する、請求項1から30のいずれか1項記載のLED半導体ボディ(1)の使用法。
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