JP5150036B2 - 発光ダイオードチップ - Google Patents

Description

本発明は、エピタキシャル成長させた半導体層列を有する半導体を備えた、発光ダイオードチップであって、前記半導体層列が活性層と放射出力結合面とを有しており、前記活性層が発光ダイオードの動作中に電磁放射を発し、該電磁放射の大部分が前記放射出力結合面を介して出力結合される形式の発光ダイオードチップに関する。

本特許出願はドイツ特許出願第１０３５１３９７．３号の優先権を主張するものであり、このドイツ特許出願の開示内容は参照として取り込まれる。

発光ダイオードチップは通常カプセルコンパウンドにより包まれている。このことは、とりわけ、電磁放射の周囲への放射出力結合の改善をもたらす。このために、しばしば発光ダイオードチップはハウジング内に取り付けられ、導電接触させられた後、シーリング材が注入される。これにより、形成される構成素子は発光ダイオードチップに比べて比較的大きくなる。

さらに、発光ダイオードチップに対して発光変換材を放射方向に後置することも公知である。ここで、発光変換材とは、発光ダイオードチップの動作中に半導体層列から放射された電磁放射を波長の変化した放射に変換することのできる構成成分を有する材料を意味する。

発光変換材はたいてい発光ダイオードチップを包むカプセルコンパウンドに混合される。さらに、例えば特許文献１には、発光変換材を有する発光半導体素子が記載されており、この発光半導体素子では、発光変換材は半導体本体の少なくとも１つの表面に直に堆積させられる。これにより、カプセルコンパウンド内における沈殿の形成に起因する発光変換材の不均一な分布を広範囲にわたって防ぐことができる。
ＷＯ ０１／６５６１３

本発明の課題は、放射出力結合を改善するため及び／又は電磁放射の変換のための素子をすでに有しており、それゆえ特に発光素子の小型化を可能にする発光ダイオードチップを提示することである。

この課題は、エピタキシャル成長させた半導体層列を有する半導体を備えた発光ダイオードチップであって、前記半導体層列が活性層と放射出力結合面とを有しており、前記活性層が発光ダイオードの動作中に電磁放射を発し、該電磁放射の大部分が前記放射出力結合面を介して出力結合される形式の発光ダイオードチップにおいて、前記発光ダイオードは放射を透過させる被覆体を有しており、該被覆体は、前記発光ダイオードチップの放射方向において前記放射出力結合面に後置されており、かつ前記放射出力結合面の方を向いた第１の主平面、前記放射出力結合面とは逆の方を向いた第２の主平面、及び前記第１の主平面と前記第２の主平面とを接合する側面を有しており、前記放射出力結合面と前記被覆体との間に接合層が配置されており、該接合層は前記被覆体を前記半導体層列に直接接合し、前記被覆体を前記半導体層列に固定し、前記接合層が発光変換材を有する少なくとも１つの変換層を含んでいるように構成することにより解決される。

本発明によれば、発光ダイオードチップは放射を透過させる被覆体を有しており、この被覆体は、発光ダイオードチップの放射方向において放射出力結合面に後置されており、かつ放射出力結合面の方を向いた第１の主平面、放射出力結合面とは逆の方を向いた第２の主平面、及び前記第１の主平面と前記第２の主平面とを接合する側面を有している。放射出力結合面と被覆体との間には接合層が配置されており、接合層は被覆体を半導体層列に直に接合し、被覆体を半導体層列に固定している。さらに、接合層は発光変換材を有する少なくとも１つの変換層を含んでいる。

発光ダイオードチップはそれ自体、有利には、放射出力結合の改善と放射変換のための素子をすでに有している。従来の変換素子と比べると、発光ダイオードチップのサイズは比較的小さい。というのも、被覆体及び接合層が半導体本体の上に直に配置され、取り付けられているからである。言い換えると、被覆体は接合層に自由に隣接しており、接合層によって半導体本体に直接接合しており、例えばハウジングなどの付加的な保持及び／又は支持部材によって半導体本体に固定されているのではない。

本発明による発光ダイオードチップによれば、放射出力結合及び／又は放射変換に関して従来の素子となんら実質的な違いがなく、しかも従来の素子より明らかに小型化された、比較的小さな素子が製造されうる。もちろん、従来のチップと同様に発光ダイオードチップを例えばハウジング内に取り付けること及び／又はカプセルコンパウンドで包むことも可能である。関連する素子のハウジングは変換要素を有していなくてもよく、変換の必要性とは無関係に最適化されうる。例えば、この素子に別の光学素子を配置することもできる。

接合層は有利には最大で２００μｍの厚さ、特に有利には最大で８０μｍの厚さを有する。

放射出力結合を改善するための素子としての機能に加えて、被覆体は特に有利には放射を成形する光学素子として形成されている。これにより、被覆体の具体的な構成に応じて、例えば、発光ダイオードチップからの放射出力結合をさらに高め、又は、発光ダイオードチップにより出力結合された放射のビームの開きを小さくすることができる。

このために、被覆体は有利には被覆板として形成されており、この被覆板の側面は少なくとも部分的に被覆板の主平面の延長に対して垂直でない。このような被覆板は簡単に製造及び加工することができる。

被覆体の側面は、有利には、実質的に放物線状、双曲線状、又は楕円状に曲がっている。

１つの特別な実施形態では、被覆体は有利にはＣＰＣ、ＣＥＣ、又はＣＨＣ集光器として形成されている。ＣＰＣ、ＣＥＣ、又はＣＨＣ集光器とは、ここでは、及び以下においても、反射性の側面が少なくとも部分的に及び／又は少なくとも広範囲にわたって複合放物面集光器（Compound Parabolic Concentrator，ＣＰＣ）、複合楕円面集光器（Compound Elliptic Concentrator，ＣＥＣ）及び／又は複合双曲面集光器（Compound hyperbolic Concentrator，ＣＨＣ）の形態を有する集光器を意味している。なお、被覆体の第１の主平面は本来、集光器出力部であり、したがって、通常のように集束のために集光器を使用する場合に比べると、放射は前記集光器を逆方向に通過するため、集束せずに小さなビームの開きで第２の主平面を通って被覆体から出る。

被覆体の第２の主平面は少なくとも部分的に屈折性及び／又は回折性レンズのように曲がっている又は構造化されている。

択一的又は付加的に、被覆体は有利にはホログラフィック構造又はホログラフィック素子を有する。これにより、発光ダイオードチップによってパターン又は図版を投影することが可能となる。

発光ダイオードチップの別の有利な実施形態では、発光ダイオードチップから発した放射を反射する１つの層又は層列、有利には金属層が、少なくとも被覆体の側面に、少なくとも部分的に設けられている。これにより、放射の大部分を発光ダイオードチップから所望の方向に発することが可能となる。

有利には、被覆体は発光変換材で置き換えられる。この発光変換材は変換層内以外にあってよい。

被覆体は有利には、実質的に、半導体層列の材料の膨張係数に実質的に等しい膨張係数を有する材料から成る。有利には、被覆体は実質的にホウケイ酸ガラスから成る材料又はホウケイ酸ガラスをベースとした材料を有する。

利点として、接合層は接着剤を、有利にはシリコンをベースとした接着剤を有する。シリコンをベースとした接着剤の利点は、紫外線に対する感度が比較的低いことである。

特に有利には、発光ダイオードチップは、以下の特徴を有する薄膜発光ダイオードチップである：
−半導体層列内に形成された電磁放射の少なくとも一部を半導体層列に反射し返す反射層が、支持部材の方を向いた半導体層列の第１の主平面に堆積又は形成されている；
−半導体層列は２０μｍ以下の範囲の厚さ、特に１０μｍの厚さを有する；
−半導体層列は、完全混合構造を有する少なくとも１つの平面をもつ少なくとも１つの半導体層を含む。完全混合構造は、理想的なケースでは、エピタキシャル成長させたエピタキシー層列内に近似的に光のエルゴード分布を生じる。すなわち、完全混合構造は可能な限りエルゴード的な統計的分散特性を有している。

薄膜発光ダイオードチップの基本原理は、例えば、I. Schnitzer et al. , Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174-2176に記載されており、その開示内容はこの点で参照として取り入れられる。

択一的実施形態では、発光ダイオードチップはフリップチップマウンティングに使用されている。このことの結果として、放射出力結合面は半導体本体の基板の、半導体層列に向かい合った外面のうちの１つとなる。フリップチップの場合には、放射出力結合面には電気的な接触材がないので、被覆体は放射出力結合面の全体にわたって平面的に堆積させることができる。

発光ダイオードチップの別の利点、有利な実施形態、及び発展形態は、以下において、図１〜６に関連して説明される実施例から明らかとなる。

実施例及び図面において、同一の又は同じ作用をする構成部材にはそれぞれ同じ参照番号が付されている。図示されている構成部材、及び、構成部材間のサイズの比は、縮尺通りであると見なしてはならない。かえって、図のいくつかの細部はより理解し安いように誇張して大きく表示してある。

図１に示されている発光ダイオードチップは、基板１４とこの基板１４の上に堆積させたエピタキシャル成長半導体層列１を有する半導体本体２０を有している。基板１４とは逆の方を向いた、半導体層列１の外面が、半導体本体２０の放射出力結合面２である。放射出力結合面２の上には接合層３０が配置されている。接合層３０は、接合層３０の上に配置された被覆体６を半導体本体２０に接合し、半導体本体２０に固定させる。実施例では、接合層３０は放射出力結合面２と平行に広がっており、ほぼ放射出力結合面の広がりと相当している。

基板１４は成長基板であってよい。つまり、半導体層列１は直接に基板１４上で成長させられる。択一的に、基板１４は、例えば薄膜発光ダイオードチップの場合にそうであるように、支持基板であってもよい。その場合には、半導体本体２０を製造するために、半導体層列１がまず成長基板上に堆積させられ、続いて成長基板とは逆の方を向いた主平面が支持基板上に堆積させられる。成長基板は少なくとも部分的に半導体層列１から離される。薄膜発光ダイオードチップの別の特徴は、本明細書の全般において挙げられる。

薄膜発光ダイオードチップはほぼランベルトの法則に従った放射特性を有している。このことは、放射出力結合面２が薄い変換層３で覆われている場合に、特に有利である。というのも、ほぼすべての放射は放射出力結合面２を通して出力結合され、側方から出力結合される放射は低い割合でしかないからである。

半導体層列１は、例えば窒化物接合半導体材料をベースとしている。すなわち、半導体層列の少なくとも１つの層が、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ系から成る材料を有している。ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１である。さらに、半導体層列１は例えば多重量子井戸構造を有している。これについては、例えばＷＯ ０１／３９２８２ Ａ２に記載されており、その開示内容はその限りにおいて参照としてここに取り入れられる。

多重量子井戸構造の代わりに、単量子井戸構造、ダブルヘテロ構造、又はシングルヘテロ構造を使用してもよい。

被覆体６は、第１の主平面７、第２の主平面８、並びに、第１及び第２の主平面７，８を接合する側面９を有している。第１の主平面７は接合層３０の変換層３に隣接している。

発光ダイオードチップを製造する際に、例えば、変換層３を被覆体６の上に配置してよい。つぎに、変換層は、今度は例えばシリコンをベースとした接着剤５を用いて放射出力結合面２の上に配置される。被覆体の第１の主平面は適切に滑らかに形成されており、発光変換材は層内に高い均一性で存在している。これは、放射出力結合面が例えば粗面仕上げされており、そのため変換層の均一性が限られている場合に、有利である。

変換層３を配置するために被覆体を使用することによって、この配置は、状況によっては、例えば圧力が比較的高い及び／又は温度が比較的高い場合のような、半導体層列の機能を損ない兼ねない条件下でも実行しうる。

図１に示されている発光ダイオードチップでは、被覆体６の側面９及び隣接する変換層３には、例えば銀からなる金属層のような反射層又は層列１２が設けられている。択一的に、被覆体６の側面９だけを完全に又は部分的にコーディングしてもよい。

反射コーティング１２により、反射コーディング１２がなければ被覆体６から側方に出力結合されたであろう電磁放射（図１では矢印により表示）が反射し返される。被覆体６の傾斜した側面９は、内部多重全反射によって被覆体６と変換層３の中に保持された電磁放射の大部分が放射出力結合面８において被覆体６から出力結合面するように、電磁放射を放射出力結合面８へと反射するという作用をする。

変換層３は、例えば少なくとも１つの蛍光体から成る発光変換材を有している。このためには、例えば、希土類元素（特にＣｅ）がドープされたガーネットのような無機蛍光体、又は、ペリレン蛍光体のような有機蛍光体が適している。他の適当な蛍光体は例えばＷＯ ９８／１２７５７において実施されており、その内容はその限りにおいて参照としてここに取り入れられる。

発光変換材はマトリックス材の中に埋め込んでもよい。このマトリックス材は、例えば、被覆体６を形成している材料と同じ材料であってよい。材料が同じであること、したがってまた屈折率が同じであることにより、変換層３と被覆体６との間の境界面での電磁放射の反射が大幅に防止される。

被覆体６及び／又は変換層３のマトリックス材の材料としては、例えばホウケイ酸ガラスなどのガラスが適している。ホウケイ酸ガラスは、構造が緻密なため、半導体本体２０の膨張係数に合った熱膨張係数を有している。すなわち、変換層３のマトリックス材は半導体本体２０の層と同じ又は少なくとも近似した膨張係数を有している。

半導体層列１は表面に導電性コンタクトとボンディングパッド１０を有している。ボンディングパッド１０にはボンディングワイヤ１１がはんだ付けされており、このボンディングワイヤ１１により、半導体層列１は側面から電圧源に電気的に接続されることが可能となる。しかし、ボンディングワイヤ１１は発光ダイオードチップそのものには属していない。

被覆体６を配置するためのできるだけ大きな中断のない平面を半導体層列１上に確保するために、ボンディングパッド１０は放射出力結合面２の縁部に配置されている。択一的に、被覆体６と接合層３０を孔の中央に設け、ボンディングパッド１０を、通常そうであるように、放射出力結合面２の中央に配置することも可能である。これにより、半導体本体２０に対称的に電流を印加することができるようになる。

別の方式は、発光ダイオードチップをフリップチップマウンティングに使用することである。これにより、すべての電気的接続面は半導体層列上に形成され、反対側にある半導体本体２０の基板面が放射出力結合面となる。フリップチップでは、放射出力結合面にはどんな接触材も存在しない。フリップチップを備えた構成素子は例えばＷＯ ０１／４７０３９ Ａ１に開示されており、その開示内容はその限りにおいて参照としてここに取り入れられる。

図１〜５に示されている発光ダイオードチップは、被覆体６の構成が異なることでそれぞれ区別される。

図２に示されている発光ダイオードチップの被覆体６は、図１に示されている発光ダイオードチップの被覆体６と同様に、被覆体６の主平面の延長に対して傾斜した側面９を有している。これらの被覆体の間の違いは、図２に示されている被覆体の方は、被覆体６の主平面の延長に対して平行でなくレンズ状に外側に向かって曲がった第２の主平面８を有していることである。これにより、放射出力結合の改善と別様の放射成形とが達成される。

図３には、被覆体６の第２の主平面８の択一的形態が示されている。第２の主平面８はここではＴＩＲレンズ（内部全反射レンズ）の形態を有しており、このレンズの構造が内部全反射により放射を成形する。

図４に示されている発光ダイオードチップの被覆体６は平面ではなく放物線状に形成された側面９を有している。全体として、この被覆体６はＣＰＣタイプの集光器の形態を有している。この集光器は、半導体層列１から発した放射のビームの開きを小さくするために、逆方向で使用される。

この場合にも、第２の主平面８の特別な形態によって、別様の放射成形を行うようにすることも可能である。そこで、第２の主平面８は、図５に示されているようにレンズ状に外側に向かって曲げて形成してもよいし、又は、図６に示されているように、内部全反射により放射を成形する構造を有するようにしてもよい。

図６では、被覆体６の側面９はさらに部分的に曲げて形成され、また部分的に平面として形成されている。その上、図６に示されている被覆体の第２の主平面は、破線で表された回折性表面構造１３を有している。この種の回折性構造によって、別様の放射成形及び／又は放射出力結合の改善、ないしは第２の主平面８の反射率の低減が可能となる。被覆体６が例えば適切なプラスチックから作られている場合には、回折性構造は例えば熱型押により形成することができる。

上述した被覆体の可能な形態に加えて又は択一的に、被覆体にホログラフィック構造又はホログラフィック素子を設けてもよい。

図１〜５に示されている発光ダイオードチップとは対照的に、図６に示されている発光ダイオードチップは第２の変換層４を有している。

第２の変換層４の発光変換材は第１の変換層３の発光変換材と同じであってよい。発光ダイオードチップを製造する際に、まず第２の変換層４を配置し、その後で色度を測定するようにすれば、発光変換材のグループを適切に選択することによって、完成時の発光ダイオードチップの色度を微調整することができる。しかし、択一的に、第１及び第２の変換層３，４が、例えば異なった蛍光体を用いた異なった発光変換材を有するようにすることも可能である。

付加的に又は択一的に、被覆体６そのものを、発光変換材で置き換えられた材料から形成してもよい。このように、本発明による方法は、全体として、発光ダイオードチップの完成時の色度を設計するための多数の方策を提供する。

図１〜６に示されている発光ダイオードチップでは、それぞれ被覆体６の第１の主平面７の上に変換層３が配置されている。しかし、半導体本体２０の放射出力結合面２の上に変換層を配置することも可能である。

付加的に、被覆体６の第２の主平面８の上にも変換層を配置してもよい。そうすることにより、この変換層は、被覆体６と半導体本体２０との間ではなく、半導体本体２０とは逆の方を向いた被覆体６の側面に配置される。種々の変換層の発光変換材はそれぞれ少なくとも部分的に同じ又は異なっていてよい。

発光ダイオードチップは、ドイツ特許出願第１０３１４５２４．９号に記載されているように、特に自動車ヘッドライトの製造にも適している。上記ドイツ特許出願の開示内容はその限りにおいて参照としてここに取り入れられる。

本発明の保護範囲は実施例に基づいた本発明の説明によって限定されるものではない。したがって、例えば、第２の変換層が半導体本体の放射出力結合面にだけでなく、半導体本体の側面にも配置され、それにより半導体本体の側方から出力結合した電磁放射も波長の変化した放射に変換されるようにすることが可能である。さらには、被覆体の側面から第２の主平面への移行部がはっきりと確定できず、むしろ第２の主平面が流れるように側面へと移行する、あるいはまた直接的に第１の主平面に隣接するようにすることも可能である。

本発明は各々の新しい特徴ならびに特徴の各組み合わせを包含している。これらは、たとえ明示的に示されていない場合でも、異なる請求項及び異なる実施例の特徴の各組み合わせを含むものである。

発光ダイオードチップの第１の実施例を概略的に示す。

発光ダイオードチップの第２の実施例を概略的に示す。

発光ダイオードチップの第３の実施例を概略的に示す。

発光ダイオードチップの第４の実施例を概略的に示す。

発光ダイオードチップの第５の実施例を概略的に示す。

発光ダイオードチップの第６の実施例を概略的に示す。

符号の説明

１ 半導体層列
２ 放射出力結合面
３ 変換層
４ 変換層
５ 接着剤
６ 被覆体
７ 第１の主平面
８ 第２の主平面
９ 側面
１０ ボンディングパッド
１１ ボンディングワイヤ
１２ 反射層
１３ 回折性表面構造
１４ 基板
２０ 半導体本体
３０ 接合層

Claims (15)

1. エピタキシャル成長させた半導体層列を有する半導体を備えた、発光ダイオードチップであって、前記半導体層列が活性層と放射出力結合面とを有しており、前記活性層が発光ダイオードの動作中に電磁放射を発し、該電磁放射の大部分が前記放射出力結合面を介して出力結合される形式の発光ダイオードチップにおいて、
   前記発光ダイオードは放射を透過させる被覆体を有しており、該被覆体は、前記発光ダイオードチップの放射方向において前記放射出力結合面に後置されており、かつ前記放射出力結合面の方を向いた第１の主平面、前記放射出力結合面とは逆の方を向いた第２の主平面、及び前記第１の主平面と前記第２の主平面とを接合する側面を有しており、
   前記放射出力結合面と前記被覆体との間に接合層が配置されており、該接合層は前記被覆体を前記半導体層列に直に接合し、前記被覆体を前記半導体層列に固定し、
   前記接合層は、発光変換材を有する少なくとも１つの変換層と、該変換層と前記放射出力結合面との間に配置された接着層を含んでおり、
   前記接着層はシリコンをベースとした接着剤を有している、ことを特徴とする発光ダイオードチップ。
2. 前記接合層の厚さは最大で２００μｍである、請求項１記載の発光ダイオードチップ。
3. 前記被覆体は放射を成形する光学素子として形成されている、請求項１又は２記載の発光ダイオードチップ。
4. 前記被覆体は被覆板として形成されており、該被覆板の側面は少なくとも部分的に被覆板の主平面の延長に対して垂直でない、請求項１から３のいずれか１項記載の発光ダイオードチップ。
5. 前記被覆体の側面は実質的に放物線状、双曲線状、又は楕円状に曲がっている、請求項１から４のいずれか１項記載の発光ダイオードチップ。
6. 前記被覆体はＣＰＣ集光器、ＣＥＣ集光器、又はＣＨＣ集光器によって形成されており、ただし、放射は集束せずに小さなビーム開きで前記被覆体から出る、請求項１から５のいずれか１項記載の発光ダイオードチップ。
7. 前記被覆体の第２の主平面は少なくとも部分的に屈折性及び／又は回折性レンズのように曲がっている又は構造化されている、請求項１から６のいずれか１項記載の発光ダイオードチップ。
8. 前記被覆体はホログラフィック構造を有する、請求項１から７のいずれか１項記載の発光ダイオードチップ。
9. 少なくとも前記被覆体の側面に、少なくとも部分的に、前記発光ダイオードチップから発した放射を反射する１つの層又は層列が設けられている、請求項１から８のいずれか１項記載の発光ダイオードチップ。
10. 前記被覆体に発光変換材が混合されている、請求項１から９のいずれか１項記載の発光ダイオードチップ。
11. 前記被覆体が、実質的に、半導体層列の材料の膨張係数に実質的に等しい膨張係数を有する材料から成る、請求項１から１０のいずれか１項記載の発光ダイオードチップ。
12. 前記被覆体が実質的にホウケイ酸ガラスから成る、請求項１１記載の発光ダイオードチップ。
13. 前記接合層の厚さは最大で８０μｍである、請求項２記載の発光ダイオードチップ。
14. 少なくとも前記被覆体の側面に、少なくとも部分的に金属層が設けられている、請求項９記載の発光ダイオードチップ。
15. 前記放射出力結合面は粗面仕上げされている、請求項１から１４のいずれか１項記載の発光ダイオードチップ。

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