JP2010505250A - オプトエレクトロニクス素子 - Google Patents

Abstract

本発明は、オプトエレクトロニクス素子に関する。このオプトエレクトロニクス素子は、電磁放射を生成する活性領域（２）を有する少なくとも１つの半導体ボディ（１）と、電磁放射の放出方向において活性領域（２）の後段に配置されており、所定の一次放射特性を有する一次放射部分（７）を選択的に透過させるフィルタ素子（５）を備えたケーシング（４）とを有する。

Description

本願は、ドイツ連邦共和国特許出願第10 2006 046 277.7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。

本発明は、電磁放射を生成するための活性領域を有する少なくとも１つの半導体ボディを備えたオプトエレクトロニクス素子に関する。この種の素子を例えば発光ダイオードとして構成することができる。従来の発光ダイオードは通常の場合、非コヒーレントで偏光されていない放射を放出する。

本発明の課題は、冒頭で述べたような素子、例えばＬＥＤから放出される放射を所定の放射特性に関して選択することである。殊に、所定の放射特性を有する放射が可能な限り多く生成されるべきである。

この課題は、請求項１に記載されているオプトエレクトロニクス素子によって解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

本発明によれば、電磁放射を生成する活性領域を有する少なくとも１つの半導体ボディを備えたオプトエレクトロニクス素子が設けられており、この素子は活性領域の後段に配置されているフィルタ素子を備えたケーシングを有し、このケーシングは所定の一次放射特性を有する一次放射部分を選択的に透過させる。

一次放射特性は例えば一次放射部分の偏光、波長および／または方向でよい。

オプトエレクトロニクス素子の有利な実施形態においては、さらにフィルタ素子によって一次放射特性とは異なる二次放射特性を有する二次放射部分が反射される。有利には、この二次放射部分の反射は、二次放射部分が半導体ボディに向かって反射されるように行われ、反射された二次放射部分はこの半導体ボディにおいて偏向プロセスおよび／または吸収プロセスおよび再放出プロセスを受け、偏向または再放出された放射は再びフィルタ素子に入射する。有利には前述のプロセスによって、所定の一次放射特性を有する放射の割合、したがってフィルタ素子を透過する一次放射の全体の割合が高まる。

有利には、一次放射特性と二次放射特性は相補関係にある。これは一次放射特性および二次放射特性が同じ物理的な特性、例えば偏光に関係づけられているが、相互に一致しないこと、例えば線形に偏光された放射において偏光方向が相互に直交していることを意味している。

オプトエレクトロニクス素子においてフィルタ素子をダイクロイックフィルタとして構成することができる。この種のダイクロイックフィルタにおいては、所定の波長領域の波長を有する一次放射部分が透過され、他方では前述の所定の波長領域外の波長を有する二次放射部分が吸収されるか、有利には反射される。

オプトエレクトロニクス素子の別のヴァリエーションにおいては、フィルタ素子が偏光フィルタとして構成されているので、所定の偏光特性を有する一次放射部分が透過され、その偏光特性とは異なる偏光、例えば相補的な偏光を有する二次放射部分が吸収されるか、有利には反射される。

オプトエレクトロニクス素子のさらに別のヴァリエーションにおいては、フィルタ素子が方向選択性フィルタとして構成されているので、所定の放出方向を有する一次放射部分はフィルタ素子を透過し、その所定の放出方向とは異なる伝播方向を有する二次放射部分はフィルタ素子において吸収されるか、フィルタ素子によって反射される。

さらには、オプトエレクトロニクス素子におけるフィルタの例示したヴァリエーションを組み合わせることもできる。つまり、例えば方向選択性フィルタを偏光フィルタと組み合わせることによって、透過された一次放射部分が所定の伝播方向および所定の偏光を有するようにすることができる。

有利には、上述の全てのフィルタヴァリエーションにおいて、二次放射部分は発光半導体ボディに向かって反射され、半導体ボディにおいて偏向プロセスまたは吸収プロセスおよび再放出プロセスを受けるので、有利には出力結合される一次放射部分を全体として高めることができる。

フィルタ素子が方向選択性フィルタである実施形態ヴァリエーションでは、フィルタ素子が複数の構造素子を有することができ、これらの構造素子は放出される放射を放出方向に関してフィルタリングする。これらの構造素子を例えば円錐状、角錐状またはプリズム状に構成することができ、さらには二次元の格子の形で配置することができる。

有利には、オプトエレクトロニクス素子において発光半導体ボディが薄膜半導体ボディとして実施されている。

薄膜半導体ボディは殊に以下の特徴のうちの少なくとも１つを有する：
−放射を生成するエピタキシ層列の支持体側の第１の主面には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層列内で生成された電磁放射の少なくとも一部をこのエピタキシ層列に戻すように反射させる；
−エピタキシ層列は２０μｍまたはそれ以下の範囲、殊に１０μｍの範囲の厚さを有する；
−エピタキシ層列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つの半導体層を含み、理想的な場合にはこの面によりエピタキシ層列内にほぼエルゴード的な光分布が生じる。すなわち、この光分布は可能な限りエルゴード的な確率分散特性を有する。

薄膜発光ダイオードチップの原理は、例えばI. Schnitzer等によるAppl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174-2176に記載されており、その開示内容は参照により本明細書の引用文献とする。

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、また殊に前照灯およびプロジェクタへの使用に適している。

有利には、オプトエレクトロニクスにおいて反射層が、活性層列のフィルタ素子側とは反対側に配置されている。反射層は例えば金属性の材料および／または透明な導電性酸化物、例えば金属酸化物を含有することができる。有利には、反射層は半導体ボディの外側に配置されている。

半導体ボディは有利には支持体素子上に固定されている。上述の反射層の場合には、この反射層が半導体ボディと支持体素子との間に配置されている。

半導体ボディ、有利には活性領域はリン化物を基礎とする化合物半導体材料を含有することができる。この化合物半導体材料は殊に組成Ａｌ_nＧａ_mＩｎ_1-n-mＰを有し、ここで０≦ｎ≦１，０≦ｍ≦１およびｎ＋ｍ≦１である。

択一的に、半導体ボディ、有利には活性領域はヒ化物を基礎とする化合物半導体材料を含有することができる。この化合物半導体材料は殊に組成Ａｌ_nＧａ_mＩｎ_1-n-mＡｓを有し、ここで０≦ｎ≦１，０≦ｍ≦１およびｎ＋ｍ≦１である。

別の可能性によれば、半導体ボディ、有利には活性領域は窒化物を基礎とする化合物半導体材料を含有することができる。この化合物半導体材料は殊に組成Ａｌ_nＧａ_mＩｎ_1-n-mＮを有し、ここで０≦ｎ≦１，０≦ｍ≦１およびｎ＋ｍ≦１である。

択一的に、半導体ボディは酸化亜鉛を基礎とする半導体材料を含有することができ、殊に有利には半導体ボディはＭｇＺｎＣｄＯを含有する。

フィルタ素子は有利にはガラス材料を含有する。

択一的にフィルタ素子はサファイア、透明なクリスタルまたは石英を含有することができる。

別の可能性によれば、フィルタ素子は透明なセラミック、例えばＡｌ₂Ｏ₃を含有することができる。

択一的に、フィルタ素子はＳｉＣまたはダイヤモンドを含有することができる。オプトエレクトロニクス素子の有利な実施形態においては、フィルタ素子は半導体ボディから距離を置いて配置されている。有利には、フィルタ素子と半導体ボディとの間の距離は０．５ｍｍよりも短い、殊に有利には０．１ｍｍよりも短い。有利には、フィルタ素子と半導体ボディとの間の距離は０μｍより大きく、且つ１０μｍ以下である。

オプトエレクトロニクス素子の別の実施形態においては、半導体ボディとフィルタ素子との間に変換素子が配置されており、この変換素子は半導体ボディから放出された放射を別の波長の放射に変換する。このようにして混色光、殊に白色光を生成することができる。半導体ボディによって生成された放射の色変換、例えば紫外線光から緑色光への変換も可能である。

フィルタ素子の種類および実施形態に応じて、オプトエレクトロニクス素子から放出され、有効放射部分として透過される放射のスペクトル、方向分布および／または偏光を所定のやり方で修正することができる。

オプトエレクトロニクス素子のさらなる特徴、利点および有効性は、以下において図１から７に関連させて説明する７つの実施例から明らかになる。

本発明によるオプトエレクトロニクス素子の第１の実施例の概略的な断面図を示す。 本発明によるオプトエレクトロニクス素子の第２の実施例の概略的な断面図を示す。 本発明によるオプトエレクトロニクス素子の第３の実施例の概略的な断面図を示す。 本発明によるオプトエレクトロニクス素子の第４の実施例の概略的な断面図を示す。 本発明によるオプトエレクトロニクス素子の第５の実施例の概略的な断面図を示す。 本発明によるオプトエレクトロニクス素子の第６の実施例の概略的な斜視図を示す。 本発明によるオプトエレクトロニクス素子の第７の実施例の概略的な斜視図を示す。

図面において同一の素子または同じ作用の素子には同一の参照符号を付している。

図１に示されているオプトエレクトロニクス素子の実施例は、電磁放射を生成する活性領域２を備えた半導体ボディ１を有し、この半導体ボディ１は支持体素子３上に被着されている。支持体素子３はキャップ状のケーシングカバー４と一緒にオプトエレクトロニクス素子のケーシングを形成する。

ケーシングカバー４は放出側においてフィルタ素子５として構成されている。図１による実施例においては、このフィルタ素子は方向選択性フィルタを形成する。このためにフィルタ素子５は複数の構造素子６を有し、この実施例ではこれらの構造素子６を角錐状に構成することができ、さらには横方向において格子状に配置することができる。

フィルタ素子は、所定の放出方向を有する一次放射部分７を透過させ、他方では前述の所定の放出方向とは異なる放出方向を有する二次放射部分８を構造素子６によって半導体ボディ１に向かって反射させるように構成されている。半導体ボディ１においては、この反射された二次放射部分８が活性領域内で吸収プロセスを受け、また続いて再放出プロセスを受ける。再放出プロセスはほぼ等方性に行われるか、顕著な優先方向を有していないので、ある程度の確率で、再放出された放射部分８’は所定の放出特性を有し、続けてフィルタ素子５を透過する。それ以外の場合には、この放射部分が再び半導体ボディに向かって反射され、さらなる吸収プロセスおよび再放出プロセスまたは偏向プロセスを受ける。

図２に示されているオプトエレクトロニクス素子の実施例は半導体ボディ１、放射放出領域２、支持体素子３およびケーシングカバー４に関して図１に示した実施例に実質的に対応している。

図１に示した実施例とは異なり、フィルタ素子５が誘電性の角度フィルタとして構成されている。したがって、誘電性の積層体９を用いて所定の放出方向を有する一次放射部分７が選択される。この所定の放出方向とは異なる放出方向を有する二次放射部分８は半導体ボディに向かって反射され、必要に応じて再放出される。

図３には、オプトエレクトロニクス素子の別の実施例が示されている。この実施例は半導体ボディ１、放射放出領域２、支持体素子３およびケーシングカバー４ならびに放射経過に関して、図１または図２に示した実施例に実質的に対応している。

図１および図２に示した実施例とは異なり、フィルタ素子５は偏光フィルタとして構成されている。この偏光フィルタは所定の偏光を有する一次放射部分を透過させ、他方では前述の偏光とは異なる偏光を有する二次放射部分を反射する。この二次放射部分は必要に応じて続けて半導体ボディから再放出される。

偏光フィルタをフィルタ層１０としてケーシングカバー４の内側または外側（図示せず）に被着させることができる。さらにフィルタ素子をワイヤグリッド偏光子（Wire-Grid-Polarizer）として構成することができる。

図４に示されているオプトエレクトロニクス素子の実施例は半導体ボディ１、放射放出領域２、支持体素子３、ケーシングカバー４、構造素子６を有する方向選択性フィルタならびに放射の経過に関して図１に示した実施例に実質的に対応している。

付加的に、放出側においては構造素子上に偏光フィルタ１０が被着されているので、この実施例においては透過される一次放射部分の放出方向も偏光も選択される。偏光フィルタを例えばワイヤグリッド偏光子として構成することができる。

図５に示されているオプトエレクトロニクス素子の実施例は半導体ボディ１、放射放出領域２、支持体素子３、ケーシングカバー４、誘電性の積層体９を有する誘電性の角度フィルタならびに放射の経過に関して図２に示した実施例に実質的に対応している。フィルタ素子５は角度フィルタ９の他に偏光フィルタ１０、例えばワイヤグリッド偏光子を有する。したがってこの実施例では、透過される一次放射部分の偏光および放出特性を選択することができる。

図６には、別の実施例の斜視図が示されている。

共通の支持体素子３、例えばセラミック基板の上には複数の半導体ボディ１、有利には薄膜半導体ボディが配置されている。薄膜半導体ボディはサブストレートロスで実施されている。すなわち薄膜半導体ボディはエピタキシ成長基板を有していない。さらには活性領域と支持体素子３との間、有利には半導体ボディ１と支持体素子３との間にはそれぞれ反射層が構成されている。

上面側では半導体ボディ１がキャップ状のケーシングカバー４によって覆われている。ケーシングカバー４にはフィルタ素子５が統合されており、このフィルタ素子５を図示されているように、複数の構造素子を有する方向選択性フィルタとして構成することができる。構造素子は角錐断端状に成形されており、横方向において格子状に配置されている。

図７には、別の実施例の斜視図が示されている。

図６と同様に、共通の支持体素子３、例えばセラミック基板の上には複数の半導体ボディ１、有利には薄膜半導体ボディが配置されている。薄膜半導体ボディはサブストレートロスで実施されている。さらに、活性領域と支持体素子３との間、有利には半導体ボディ１と支持体素子３との間にはそれぞれ反射層が構成されている。

上面側では半導体ボディ１がキャップ状の第１のケーシングカバー４によって覆われている。ケーシングカバー４にはフィルタ素子５が統合されており、このフィルタ素子５を図示されているように、複数の構造素子を有する方向選択性フィルタとして構成することができる。構造素子はピラミッド断端状に成形されており、横方向において格子状に配置されている。

第２のケーシングカバー１１が放出方向において第１のケーシングカバー４の後段に配置されている。この第２のケーシングカバーは単に周囲の影響に対する保護作用を有しているものであって、光学的に不活性である。また第２のケーシングカバーには別のフィルタ素子（図示せず）、例えば偏光フィルタを設けてもよい。

本発明においてはフィルタ素子をケーシング、例えばケーシングカバーに統合することもでき、また別個の素子としてケーシング上に被着させることもできる。後者の場合には、フィルタ素子は有利にはフィルタフィルムとして実施されている。これに関しては、偏光構造もしくは反射偏光子を有するＢＥＦフィルム（Brightness Enhancement Film）またはＤＢＥＦフィルム（Dual Brightness Enhancement Film）を使用することができる。この種のフィルムはＶｉｋｕｉｔｉ^(R)フィルム（３Ｍ社製）とも称される。

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。

Claims (29)

1. オプトエレクトロニクス素子において、
   電磁放射を生成する活性領域（２）を有する少なくとも１つの半導体ボディ（１）と、前記電磁放射の放出方向において前記活性領域（２）の後段に配置されており、所定の一次放射特性を有する一次放射部分（７）を選択的に透過させるフィルタ素子（５）を備えたケーシング（４）とを有することを特徴とする、オプトエレクトロニクス素子。
2. 前記一次放射特性は前記一次放射部分（７）の方向、偏光および／または波長である、請求項１記載のオプトエレクトロニクス素子。
3. 前記一次放射特性とは異なる二次放射特性を有する二次放射部分（８）が前記フィルタ素子（５）によって反射される、請求項１または２記載のオプトエレクトロニクス素子。
4. 前記一次放射特性も前記二次放射特性も放射部分（７）の方向、偏光および／または波長である、請求項３記載のオプトエレクトロニクス素子。
5. 前記一次放射特性と前記二次放射特性とは相補関係にある、請求項３または４記載のオプトエレクトロニクス素子。
6. 前記フィルタ素子（５）は前記二次放射部分（８）を前記半導体ボディ（１）に向かって反射させ、前記二次放射部分（８）は前記半導体ボディ（１）において偏向プロセスを受け、偏向された放射（８’）が前記フィルタ素子（５）に入射する、請求項３から５までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス素子。
7. 前記フィルタ素子（５）は前記二次放射部分（８）を前記半導体ボディ（１）に向かって反射させ、前記二次放射部分（８）は前記半導体ボディ（１）において吸収プロセスおよび再放出プロセスを受け、再放出された放射（８’）が前記フィルタ素子（５）に入射する、請求項３から６までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス素子。
8. 前記フィルタ素子（５）はダイクロイックフィルタである、請求項１から７までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス素子。
9. 前記フィルタ素子（５）は偏光フィルタ（１０）である、請求項１から８までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス素子。
10. 前記フィルタ素子（５）は方向選択性フィルタである、請求項１から９までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス素子。
11. 前記フィルタ素子（５）は複数の構造素子（６）を有する、請求項１から１０までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス素子。
12. 前記構造素子（６）は円錐状または角錐状、角錐断端状またはプリズム状に形成されている、請求項１１記載のオプトエレクトロニクス素子。
13. 前記構造素子（６）は二次元の格子状に配置されている、請求項１１または１２記載のオプトエレクトロニクス素子。
14. 前記フィルタ素子（５）は誘電性の積層体（９）を有する、請求項１０記載のオプトエレクトロニクス素子。
15. 前記フィルタ素子（５）はガラス材料を含有する、請求項１から１４までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス素子。
16. 前記フィルタ素子（５）は前記ケーシング（４）内または前記ケーシング（４）上に配置されている、請求項１から１５までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス素子。
17. 前記フィルタ素子（５）は前記ケーシング（４）のカバーとして構成されている、請求項１６記載のオプトエレクトロニクス素子。
18. 前記フィルタ素子（５）は前記半導体ボディ（１）から距離を置いて配置されている、請求項１から１７までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス素子。
19. 前記フィルタ素子（５）と前記半導体ボディ（１）との間の距離は０μｍより大きく、且つ１０μｍ以下である、請求項１８記載のオプトエレクトロニクス素子。
20. 前記活性領域の前記フィルタ素子（５）側とは反対側の面には反射層が配置されている、請求項１から１９までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス素子。
21. 前記反射層は金属を含有する、請求項２０記載のオプトエレクトロニクス素子。
22. 前記反射層は金属層として構成されている、請求項２０または２１記載のオプトエレクトロニクス素子。
23. 前記半導体ボディ（１）は支持体素子（３）上に配置されている、請求項１から２２までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス素子。
24. 前記活性領域（２）と前記フィルタ素子（５）との間に変換素子が配置されており、該変換素子は前記活性領域（２）によって生成された放射の波長を別の波長に変換する、請求項１から２３までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス素子。
25. 前記半導体ボディ（１）は薄膜半導体ボディとして構成されている、請求項１から２４までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス素子。
26. 複数の半導体ボディ（１）を有し、該複数の半導体ボディ（１）は電磁放射を生成する活性領域（２）をそれぞれ１つ有する、請求項１から２５までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス素子。
27. 前記複数の半導体ボディ（１）は共通の支持体素子（３）上に配置されている、請求項２６記載のオプトエレクトロニクス素子。
28. オプトエレクトロニクス素子はＬＥＤである、請求項１から２７までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス素子。
29. オプトエレクトロニクス素子は非コヒーレントな放射を放出する、請求項１から２８までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス素子。

Images