JP5409366B2 - Ｌｅｄ半導体ボディ - Google Patents

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。

本特許願は、ドイツ連邦共和国特許出願第102006046039.1号およびドイツ連邦共和国特許出願第102006051745.8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。

プロジェクタ適用またはディスプレイバックグランド照明のような光学的適用のためには、高い輝度が望まれる。従来のＬＥＤ半導体ボディでは、形成されるビーム量がＬＥＤ半導体ボディをドライブする電流強度に依存する。とりわけアクティブ層の電流密度は、それぞれ使用される材料システムに依存する最大電流密度を上回ってはならない。なぜならそうでないと、過度の老化作用が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。

ドイツ連邦共和国特許出願第102006046039.1号 ドイツ連邦共和国特許出願第102006051745.8号

本発明の課題は、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。

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ＬＥＤ半導体ボディは、少なくとも１つの第１のビーム形成アクティブ層と、少なくとも１つの第２のビーム形成アクティブ層とを有し、第２のアクティブ層は垂直方向に第１のアクティブ層の上に積層されており、第１のアクティブ層と直列に接続されており、第１のアクティブ層と第２のアクティブ層はコンタクトゾーンによって導電接続されている。

ここでコンタクトゾーンとは、比較的良好な導電性を備える領域であると理解すべきであり、このコンタクトゾーンは有利にはトンネルコンタクトなしで構成されており、したがってトンネル接合を示さない。さらに本発明のＬＥＤ半導体ボディでは、第１のアクティブ層と第２のアクティブ層との間の電荷担体移動のためにトンネル接合部を必要としない。このことの利点は、ＬＥＤ半導体ボディを、トンネル接合部をエピタキシャルに実現するのが比較的困難である材料から作製できることである。確かにアクティブ層を並列に接続することによりトンネル接合部が不要になるが、しかし並列接続の欠点は、直列抵抗が種々異なる場合、同じ電流を両方のアクティブ層に注入することが不可能であるか、または格別の付加コストを掛けないと不可能なことである。有利には本発明により、コンタクトゾーンによって第１のアクティブ層と第２のアクティブ層との間で十分な電荷担体移動が行われ、さらに直列回路によって同じ電流が両方のアクティブ層に注入される。

この直列回路では、アクティブ層のｐｎ接合部が有利には同じように配置され、これらのｐｎ接合部はｐｎ−ｐｎ構造ないしはｎｐ−ｎｐ構造を形成する。アクティブ層が３つ以上の場合、ｐｎ−...−ｐｎ構造ないしはｎｐ−...−ｎｐ構造が有利であることは理解できよう。

単純なｐｎ接合部の他にアクティブ層は、ダブルヘテロ構造、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有することができる。例えばＭＱＷ構造については刊行物 WO 01/39282, WO 98/31055, US 5,831,277, EP 1 017 113 および US 5,684,309 に記載されており、ＭＱＷ構造に関するこれらの文献の開示内容を参照されたい。

本発明の枠内では、とりわけコンタクトゾーンの２つ構成が有利である。第１の配置構成によれば、コンタクトゾーンは半導体ボディの側面に配置される。第２の配置構成によれば、第１のアクティブ層と第２のアクティブ層との間のコンタクトゾーンがＬＥＤ半導体ボディに組み込まれる。

第１のアクティブ層と第２のアクティブ層は直列に接続されているから、コンタクトゾーンは２つのアクティブ層が同じように配置されている場合、第１の導電形式の半導体層を第２の導電形式の半導体層と接続する。有利には第１のアクティブ層には垂直方向に第１の導電形式の半導体層が後置されており、第２の導電形式の半導体層が垂直方向に第１の導電形式の半導体層と第２のアクティブ層との間に配置されている。例えば第１の導電形式の半導体層はｐドープされた半導体層であり、第２の導電形式の半導体層はｎドープされた半導体層であることができる。択一的に、第１の導電形式の半導体層がｎドープされた半導体層であり、第２の導電形式の半導体層がｐドープされた半導体層であっても良い。このことはアクティブ層のｐｎ接合部の配置構成に依存する。

コンタクトゾーンが側面に配置されている半導体ボディでの電荷担体移動を改善するために、第１の導電形式の半導体層と第２の導電形式の半導体層がトンネル接合部を形成することができ、このトンネル接合部はコンタクトゾーンに加えて電荷担体移動を支援する。とりわけこのために、第１の導電形式の半導体層と第２の導電形式の半導体層を強くドープすることができる。

有利な実施形態によれば、第１の導電形式の半導体層は、半導体材料により覆われない第１の露出領域を有する。さらに有利には、第２の導電形式の半導体層は、半導体材料により覆われない第２の露出領域を有する。とりわけ第２の導電形式の半導体層は残りの半導体ボディに対して突出することができ、第１の導電形式の半導体層は第２の導電形式の層に対して突出している。したがって第１のアクティブ層と第２のアクティブ層との間の半導体ボディの横断面形状は、少なくとも側面において階段形状に相応する。ＬＥＤ半導体ボディは層からなる層列を有し、これらの層の少なくとも一部は半導体材料を含むことを述べておく。半導体材料により覆われていない露出領域とは、層列の層に対して使用されない半導体材料により覆われていない領域であると理解されたい。

とくに有利な変形実施例では、コンタクトゾーンが第１の露出領域から第２の露出領域へ伸長している。コンタクトゾーンはコンタクト層であっても良い。例えばコンタクト層は、第１の露出領域と第２の露出領域を少なくとも部分的に覆うことができる。

コンタクトゾーンに対して使用される材料ないしはコンタクトゾーンの寸法は、コンタクトゾーンを導電接続する層の横方向導電率に依存して選択される。例えばｐドープされたＧａＮ層は比較的小さい横方向導電率を有する。したがってこの場合コンタクトゾーンは、比較的大きな面積で構成すべきであり、ないしは導電率の大きい材料を含有すべきである。

ＬＥＤ半導体ボディの有利な実施形態では、コンタクトゾーンが金属材料を含有する。この種のコンタクトゾーンは、比較的良好な導電性を特徴とする。有利にはこのことは、第１のアクティブ層と第２のアクティブ層との間の電荷担体移動を容易にする。

ＬＥＤ半導体ボディの択一的構成または別の構成では、コンタクトゾーンがＴＣＯ（Transparent Conductive Oxide、透明導電酸化物）、例えば酸化インジウム、酸化錫、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）または酸化亜鉛から形成される。有利には、ＴＣＯを含有するコンタクトゾーンはビーム透過性であり、したがってコンタクトゾーンの下方の領域で形成されたビームはコンタクトゾーンを通って半導体ボディから出力結合することができる。

有利な構成によれば第１と第２のアクティブ層は半導体ボディ内にモノリシックに集積されている。ここでは第１のアクティブ層と第２のアクティブ層は、１つの共通の製造ステップで作製される。

さらに本発明の半導体ボディは、薄膜半導体ボディとすることができる。波導体ボディが予作製された層積層体から組み立てられる場合、個々の層積層体は薄膜半導体ボディとすることができる。
薄膜半導体ボディは、以下の構成の少なくとも１つを特徴とする。
・支持エレメントに向いた側のビーム形成エピタキシャル層列の第１の主面には反射層が被着されているか、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で形成された電磁ビームの少なくとも一部をこのエピタキシャル層列に反射して戻す。
・エピタキシャル層列は２０μｍ以下の領域の厚さ、とりわけ２μｍから１０μｍの間の領域の厚さを有する。
・エピタキシャル層列は、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、この混合構造は理想的には、エピタキシャル層列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している。

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、プロジェクタでの適用に非常に適している。

すでに述べたように第２の配置構成によれば、第１のアクティブ層と第２のアクティブ層との間のコンタクトゾーンがＬＥＤ半導体ボディに集積される。

有利な構成によれば半導体ボディは、第１のアクティブ層を含む第１の層積層体と、第２のアクティブ層を含む第２の層積層体とを有する。とくに有利にはこの構成においてコンタクトゾーンは第１の層積層体と第２の層積層体との間に埋め込まれる。

第１の層積層体は第１のアクティブ層に加えて第１の導電形式の半導体層を有し、第２の層積層体は第２のアクティブ層に加えて第２の導電形式の半導体層を有する。有利には第１と第２の層積層体は２つの個別のウェハから作製される。ウェハは本発明の半導体ボディを作製するために相互にボンディングすることができ、このとき第１の導電形式の半導体層と第２の導電形式の半導体層とが相互に向き合うようにする。

別の有利な構成によれば、コンタクトゾーンは第１の導電形式の半導体層と第２の導電形式の半導体層との間に配置される。したがってコンタクトゾーンは半導体ボディの主ビーム路中に配置される。一方、第１の構成ではコンタクトゾーンは主ビーム路の外に配置される。有利な実施形態によれば、コンタクトゾーンはコンタクト層である。

別の有利な実施形態によれば、コンタクトゾーンは少なくとも１つの第１領域と少なくとも１つの第２領域を有する。有利には第２領域は導電性である。第１領域は導電性または絶縁性とすることができる。例えばコンタクトゾーンは第２領域を、コンタクトパッドの形態でまたは長手に伸長するコンタクトウェブの形態で有することができる。ここでは第２領域を取り囲む材料が第１領域を形成する。第２領域は有利には、これが第１と第２の層積層体間の電気接続を行うように配置されている。とりわけ第２領域は金属材料を含むことができる。第２領域は有利には、対向する層積層体に向いた側の第１と第２の層積層体の表面に取り付けられる。択一的に各層積層体は少なくとも１つの第２領域を有することができ、この第２領域はそれぞれ２つの第２領域が、２つの層積層体を相互に積層する際に当接するように配置されている。

有利にはコンタクトゾーンは、第１および／または第２のアクティブ層により形成されたビームに対して透明な材料を含有する。したがって主ビーム路に配置されたコンタクトゾーンによって格別のビーム損失は引き起こされない。

コンタクトゾーンはＴＣＯを含有することができ。さらにコンタクトゾーンは付着物質を含有することができる。

さらに第１の導電形式の半導体層の上には第１の接続層を、第２の導電形式の半導体層の上には第２の接続層を取り付けることができる。接続層はとりわけ、層積層体間の電荷担体移動をさらに改善するために設けることができる。有利には接続層はビーム透過性かつ導電性の材料、例えばＴＣＯを含有する。とくに有利にはコンタクトゾーンは第１の接続層と第２の接続層との間に配置される。

さらに第１と第２の層積層体の間のコンタクトゾーンによって、有利には機械的接続が形成される。

有利には第１と第２のアクティブ層は同じ波長を形成する。有利には従来のＬＥＤ半導体ボディに対してビーム量が増大される。

さらに有利にはＬＥＤ半導体ボディの主放射は垂直方向で行われる。とりわけ主放射は比較的小さな空間角内で行われ、これにより光密度が有利に上昇する。光密度は、半導体ボディの放射面積と空間角要素当たりの光出力である。

とくに有利には、第１のアクティブ層により形成されたビームは第２のアクティブ層を通過する。このことはとりわけ、アクティブ層により形成されたビームを垂直方向に反射するために設けることのできる反射層と組み合わせると有利である。波長の異なるビームを形成するアクティブ層とは異なり、ここでは反射されたビームをそれぞれ他方のアクティブ層により吸収するのが、放射ビーム全体に対して不利な作用がなく有利である。

変形実施例によれば、半導体ボディ、有利には２つのアクティブ層の一方または両方はＡｌ_nＧａ_mＩｎ_l-n-mＰを含有し、ここで０≦ｎ≦１、０≦ｍ≦０、ｎ＋ｍ≦１である。

別の変形実施例によれば、半導体ボディ、有利には２つのアクティブ層の一方または両方はＡｌ_nＧａ_mＩｎ_l-n-mＡｓを含有し、ここで０≦ｎ≦１、０≦ｍ≦０、ｎ＋ｍ≦１である。

別の変形実施例によれば、半導体ボディ、有利には２つのアクティブ層の一方または両方はＡｌ_nＧａ_mＩｎ_l-n-mＮを含有し、ここで０≦ｎ≦１、０≦ｍ≦０、ｎ＋ｍ≦１である。

本発明のＬＥＤ半導体ボディは有利にはビーム放射性構成素子に使用される。なぜなら本発明のＬＥＤ半導体ボディによって高い光密度を、比較的小さな構造寸法で達成することができるからである。

さらに本発明のＬＥＤ半導体ボディ、ないしは本発明のＬＥＤ半導体ボディを有するビーム放射性構成素子は、とりわけ全般照明、例えばディスプレイの背景照明、またはプロジェクタ適用に使用することができる。

本発明のさらなる特徴、利点および発展形態は、以下で図１から４に関連して説明する実施例から明らかとなる。

本発明によるＬＥＤ半導体ボディの第１実施例の概略断面図である。 本発明によるＬＥＤ半導体ボディの第２実施例の概略断面図である。 本発明によるＬＥＤ半導体ボディの第３実施例の概略断面図である。 本発明によるＬＥＤ半導体ボディの第４実施例の概略断面図である。

図１に示された第１実施例によるＬＥＤ半導体ボディ１は、第１のビーム形成アクティブ層２と、第２のビーム形成アクティブ層３を有し、これらのアクティブ層は垂直方向に、すなわち放射方向に対して平行に、かつアクティブ層の主伸長方向に対して直角に上下に配置されている。アクティブ層２，３の間には、第１の導電形式の第１の半導体層５、例えばｐ導電形の半導体層と、第２の導電形式の第２の半導体層６、例えばｎ導電形の半導体層が配置されている。

２つのアクティブ層２，３をＬＥＤ半導体ボディ１に配置することによって、有利には形成される全体ビーム量が増大する。ＬＥＤ半導体ボディ１の寸法は、ただ１つのアクティブ層しか備えていないＬＥＤ半導体ボディに対してほとんど変化せず、とりわけＬＥＤ半導体ボディの横断面はアクティブ層の数には依存しないから、輝度が十分に有利に向上される。

半導体ボディ１はコンタクトゾーン４を有し、このコンタクトゾーンは半導体層５を半導体層６と導電接続する。有利には半導体ボディ１の少なくとも側面は、半導体層５と半導体層６の一部が露出されるように処理されている。これにより半導体材料に覆われない第１の露出領域９と、半導体材料により覆われない第２の露出領域１０が形成される。コンタクトゾーン４は第１の露出領域９から第２の露出領域１０へ伸長しており、これらの露出領域を少なくとも部分的に覆う。コンタクトゾーン４は金属、金属化合物、またはビーム透過性酸化物（ＴＣＯ）、例えばＩＴＯを含有することができる。さらに電気接続を改善するために、２つの半導体層５，６を高濃度にドーピングすることができ、これにより動作時には電気接合抵抗の小さい効率的なトンネル接合部が発生する。

ＬＥＤ半導体ボディ１は裏面接点７を有し、この裏面接点はアクティブ層２と３に垂直方向で前置されているさらにＬＥＤ半導体ボディ１は前面接点８を有し、この前面接点はアクティブ層２と３に垂直方向で後置されている。このようにして垂直方向に導電性の構成素子が形成され、この構成素子はＬＥＤ半導体ボディ１内での電流分布の均一性が比較的高いことを特徴とする。

さらに半導体ボディ１は、裏面接点７の側で支持素子（図示せず）上に配置することができる。ここで支持素子は有利には導電性材料を含有する。例えば半導体ボディ１は、薄膜半導体ボディとすることができる。この場合、ＬＥＤ半導体ボディ１は支持素子とは異なる成長基板上で成長され、続いて支持素子に取り付けられる。この取り付けは例えば、はんだ付け、ボンディング、または接着により行うことができ、有利には成長基板はＬＥＤ半導体ボディから剥離される。裏面接点７は同時にミラーとして用いることができる。したがって裏面接点７に当たるビーム成分は垂直方向に、すなわちこの場合はＬＥＤ半導体ボディ１のビーム出力結合側の方向に反射される。

図１に示された実施例では、アクティブ層２と３が半導体ボディ１に有利にはモノリシックに集積されている。これに対して図２に示された実施例では、アクティブ層２を含む個別の第１の層積層体Ｉと、アクティブ層３を含む個別の第２の層積層体ＩＩが相互に結合され、これによりＬＥＤ半導体ボディ１が形成されている。２つの層積層体ＩとＩＩの結合を行う製造ステップは矢印により示されている。

層積層体Ｉにはコンタクト層が配置されている。このコンタクト層は、２つの層積層体ＩとＩＩの結合後にコンタクトゾーン４を形成する。択一的にコンタクト層を層積層体ＩＩの上に配置することもできる。続いてコンタクトゾーン４は第１のアクティブ層２と第２のアクティブ層３との間でＬＥＤ半導体ボディ１に集積される。コンタクト層は導電性材料を含有する。さらにコンタクト層は、アクティブ層２および／またはアクティブ層３のビームに対して透明である。有利にはコンタクト層は接着剤を含んでおり、２つの層積層体ＩとＩＩはコンタクト層により機械的に接合される。

層積層体Ｉ上には裏面接点７を取り付けることができ、層積層体ＩＩには前面接点８を形成することができる。コンタクトの取り付けは、２つの層積層体ＩとＩＩの接合の前または後に行うことができる。

図３に示したＬＥＤ半導体ボディ１の実施例でも、同様に２つの層積層体ＩとＩＩが上下に配置されている。ここではコンタクトゾーン４が層積層体ＩとＩＩの間でＬＥＤ半導体ボディ１に集積されている。コンタクトゾーン４は第１領域４ａと、複数の第２領域４ｂを有する。第２領域４ｂは第１領域４ａに埋め込まれている。有利には第２領域４ｂは導電性である。第１領域４ａは導電性または絶縁性とすることができる。図示のように第２領域４ｂはコンタクトパッドの形態に構成することができる。ここで一方の第２領域４ｂは層積層体Ｉの上に、他方の第２領域４ｂは層積層体ＩＩの上に配置されている。両方の層積層体ＩとＩＩは、２つの第２領域４ｂが積み重なるように相互に接合される。第２領域４ｂによって層積層体ＩとＩＩは相互に導電接続される。さらにアクティブ層２と３そしてコンタクトゾーン４は、アクティブ層２と３が直列に接続されるように相互に配置される。

両方の層積層体ＩとＩＩは第２領域４ｂによって相互にボンディングすることができる。付加的に第１領域４ａは接着剤を含むことができ、この接着剤は２つの層積層体ＩとＩＩを機械的に結合する。有利には第１領域４ａは、アクティブ層２および／またはアクティブ層３により形成されるビームに対して透明である。

図４に示されたＬＥＤ半導体ボディ１は第１の層積層体Ｉと、第１の層積層体Ｉに垂直方向に後置だれた第２の層積層体ＩＩを有し、第１の層積層体Ｉと第２の層積層体ＩＩの間にはコンタクトゾーン４が配置されている。コンタクトゾーン４は第１領域４ａと、第２領域４ｂを有する。第１領域４ａと第２領域４ｂは、第１の接続層４ｃと第２の接続層４ｄの間に配置されている。有利には第１の接続層４ｃと第２の接続層４ｄは、層積層体ＩとＩＩとの間の電荷担体移動を改善するために用いられる。例えば接続層４ｃと４ｄは、ビーム透過性導電酸化物（ＴＣＯ）、例えばＩＴＯを含有することができる。とくに有利には接続層４ｃと４ｄは、２つの層積層体ＩとＩＩをそれぞれの層積層体に接続する前に取り付ける。２つの層積層体ＩとＩＩの一方にはさらに、とりわけコンタクトパッドまたはコンタクトウェブとして構成された第２領域４ｂが設けられている。第２領域４ｂはとりわけ電気抵抗の低い金属を含有し、これにより比較的良好に電流を、コンタクトゾーン４を介して流すことができる。第１領域４ａは有利には接着剤を含有し、これにより層積層体ＩとＩＩは第１領域４ａによって機械結合される。

本発明は実施例に基づいた説明に制限されるものではない。すなわち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合せを含むものであり、これにはことに特許請求の範囲に記載した特徴の組合せ各々が含まれ、このことはそのような組合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 (1)

1. 少なくとも１つの第１のビーム形成アクティブ層（２）と、少なくとも１つの第２のビーム形成アクティブ層（３）とを備えるＬＥＤ半導体ボディ（１）であって、
   前記第２のアクティブ層（３）は垂直方向に前記第１のアクティブ層（２）の上に積層されており、かつ当該第１のアクティブ層（２）と直列に接続されており、
   前記第１のアクティブ層（２）と前記第２のアクティブ層（３）は、コンタクトゾーン（４）によって導電接続されており、
   前記コンタクトゾーン（４）は、ＬＥＤ半導体ボディ（１）の側面に配置されており、
   前記第１のアクティブ層（２）には垂直方向に、第１の導電形式の半導体層（５）が後置されており、
   前記第１の導電形式の半導体層（５）と前記第２のアクティブ層（３）との間には、第２の導電形式の半導体層（６）が配置されており、
   前記第１の導電形式の半導体層（５）は、半導体材料により覆われない第１の露出領域（９）を有しており、
   前記第２の導電形式の半導体層（６）は、半導体材料により覆われない第２の露出領域（１０）を有しており、
   前記コンタクトゾーン（４）は、前記第１の露出領域（９）から前記第２の露出領域（１０）へ伸長しており、
   前記コンタクトゾーン（４）はＴＣＯを含有し、
   前記ＬＥＤ半導体ボディ（１）はトンネル接合部を有さない、ＬＥＤ半導体ボディ。

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