JP2009522755A - Ｌｅｄ半導体本体及びｌｅｄ半導体本体の使用 - Google Patents

Abstract

第１放射生成活性層と第２放射生成活性層とを備え、第１放射生成活性層と第２放射生成活性層とが垂直方向に重なり合って配置されるＬＥＤ半導体本体について説明する。
【選択図】図１

Description

本発明はＬＥＤ半導体本体及びＬＥＤ半導体本体の使用に関する。

本特許出願は、ドイツ国特許出願１０２００５０６３１０５．３とドイツ国特許出願１０２００６０３９３６９．４の優先権を主張する。これらの特許出願の開示内容は参照することによって本特許出願に組み込まれる。

従来のＬＥＤ半導体本体は一般的にｐｎ接合の層構造を有する。作動中に放射生成が起こるＬＥＤの活性層は、前記ｐｎ接合の領域に位置する。放射生成された量は、ＬＥＤ半導体本体を作動させる電流の強さに依存する。

しかし、活性層の電流密度は、それぞれに使用している材料系に依存している最大電流密度を超えるべきでない。さもなければ、不都合にＬＥＤ半導体本体の寿命を縮める過度のエージング効果の危険性があるからである。

本発明の目的は、増加した放射密度を有するＬＥＤ半導体本体の仕様を定めることである。

この目的は、請求項１に記載のＬＥＤ半導体本体を用いることによって達成される。

さらに、本発明の目的は、増加した放射密度を有するＬＥＤ半導体本体の使用に関する仕様を定めることである。

この目的は、請求項２０ないし２２に記載の使用によって達成される。

従属項は本発明の有利な発展に関する。

本発明によるＬＥＤ半導体本体は、第１放射生成活性層及び第２放射生成活性層を有し、第１活性層と第２活性層とは垂直方向に互いに重なり合って配置される。

この場合、活性層は、放射生成するｐｎ接合であると理解される。最も簡単な場合には、前記ｐｎ結合は、互いに直接接合されるｐ型導電の半導体層及びｎ型導電の半導体層を用いて形成される。例えばドープ又はアンドープ量子層の形状で、実際の放射生成層はｐ型導電の活性層とｎ型導電の活性層との間に形成されるのが好ましい。量子層は単一量子井戸構造（ＳＱＷ）又は多重井戸構造（ＭＱＷ）として、あるいは量子細線構造又は量子ドット構造として形成されてもよい。

有利な方法で、互いに重なり合って配置される活性層を有するＬＥＤ半導体本体の場合、導入部で述べたタイプの従来のＬＥＤ半導体本体と比較して、２つまたはそれ以上の活性層は放射生成に同時に利用可能であるので、全体で生成される放射量又は放射密度は有利に増加する。

放射量を増加する他の可能性、すなわち横方向に半導体本体の断面積を拡大する場合と比較して、互いに重なり合ったｐｎ接合を有するＬＥＤ半導体本体は、ＬＥＤ半導体本体ごとに有利に減少した生成支出と、それ故により低い生成コストとによって区別される。これに対して、半導体本体の断面積を拡大するとＬＥＤ半導体本体ごとに著しく高いコストがかかる可能性がある。

さらに、垂直に互いに重なり合って配置される活性層を有するＬＥＤ半導体本体は、簡易な方法で、例えば１２Ｖ又は２４Ｖのような所定の供給電圧に適応し得る。同じ方向に一列に並べられた活性層のｐｎ接合を有し、活性層の電圧降下は作動中に積み重ねられるので、活性層の数によってＬＥＤ半導体本体は所定の供給電圧、例えば１２Ｖ又は２４Ｖに適応させることができる。

第１及び第２活性層はモノリシックに半導体本体に集積されるのが好ましい。これは、例えばボンディングを用いることによって、第１層スタックを第２層スタックに接続する製造段階を取り除く。

この場合、ＬＥＤ半導体本体は発光ダイオードの半導体本体、すなわち、インコヒーレント放射を放出する、特に第１活性層及び第２活性層は各層においてインコヒーレント放射を生成する半導体部品を意味する。

ＬＥＤ半導体本体の第１の別形態において、第１活性層及び第２活性層は類似の波長を有する放射を放出する。従って、有利な方法で、放射量及び、特に所定の波長に対する放射密度は、従来のＬＥＤ半導体本体と比較して、有利に増加する。

ＬＥＤ半導体本体の第２の別形態において、第１活性層及び第２活性層は異なる波長を有する放射を生成する。この別形態は、ＬＥＤ半導体本体の放射スペクトルが全体に広がるという利点を有する。これは特に混合色の光、好ましくは白色光を生成することに対して有利である。

ＬＥＤ半導体本体の有利な発展において、第１活性層と第２活性層との間にトンネル接合が形成される。前記トンネル接合は第１活性層と第２活性層との間の電気的接続に役立つ。一例として、そのようなトンネル接合は、第１導電型の高ドープ層及び第２導電型の高ドープ層を用いて形成されてもよい。注目すべきは、他の各半導体層の接合部分における高ドーピングはすでにトンネル接合の形成に十分であるかもしれないので、半導体層は必ずしも均一にドープされる必要はない。

この発展において、第１活性層及び第２活性層は同じ方向に配置され、従ってその結果、
それらのｐｎ接合は、ｐｎ−ｐｎ又はｎｐ−ｎｐ構造を作り、介在するトンネル接合によってｐｎ接合は連続して電気的に接続される。本発明の内容において、類似の方法で、３つ又はそれ以上の、ＬＥＤ半導体本体の活性層を互いに垂直に配置することも可能であり、活性層は、２つの隣接する活性層間に形成される各トンネル接合によって対応する方法で接続される。

さらに、トンネル接合は第１導電型の第１導電層と第２導電型の第２導電層とから形成されることが可能であり、第１層と第２層との間には中間層が配置され、中間層はアンドープされるか軽微に第１導電型又は第２導電型にドープされてもよい。

さらに、２つの中間層は第１層と第２層との間に配置されると考えられ、それら２つの中間層は、第１層と同じ導電型を有する第１層に隣接する中間層と、第２層と同じ導電型を有する第２層に隣接する中間層である。

ＬＥＤ半導体本体の別の実施形態において、第１導電型の接続層は第１活性層と第２活性層との間に配置され、第２の導電型の層は、接続層から離れた第１活性層及び第２活性層のそれぞれの側面に配置される。

この別形態において、第１活性層及び第２活性層のｐｎ接合は互いに対して反対方向に形成され、従って、結果としてｐｎ−ｎｐ又はｎｐ−ｐｎ構造が生まれ、ｎ型導電層又はｐ型導電層を用いて２つのｐｎ接合を接続させることが可能である。有利な方法として、順電圧は並列接続を用いた従来のＬＥＤと比較して荷電されていないままである。

接続層は、コンタクトを用いて電気的に接続可能な方法で、配置される及び形成されるのが好ましい。第１活性層及び第２活性層を電気的に並列接続するために、第２導電型の外側の層は、好ましくは外部コンタクト接続、つまり半導体本体の外側に配置されたコンタクト接続を用いて、電気的に接続されてもよい。

ＬＥＤ半導体本体は便宜上キャリア要素の上に配置される。電気的に伝導性のあるキャリア素子はこの目的に使用されるのが好ましい。これは、電流の流れが基本的に垂直方向に流れる垂直に伝導性のある構成要素を形成することが可能である。このタイプの部品は、ＬＥＤ半導体本体内の比較的均一な電流分布によって区別される。コンタクト接続に関して、後側コンタクトは便宜上、ＬＥＤ半導体本体から離れている伝導性のあるキャリア要素の側面上に配置される。

別の方法として、又は付加的に、キャリア要素は生成された放射に対して透過可能でもよく、結果として放射は基板を通って結合され得る。

ＬＥＤ半導体本体はキャリア要素上にエピタキシャルに成長してもよい。その際に成長基板もまたキャリア要素として役に立つ。周知の及び確立された、例えばＡｌＧａＡｓ又はＩｎＡｌＧａＡｓ材料系に対する、エピタキシー技術は、エピタキシャル成長のために使用してもよい。

別の方法として、ＬＥＤ半導体本体は成長基板とは異なるキャリア要素の上に実装され、成長基板は半導体本体から取り除かれているのが好ましい。その際、その半導体本体もまた薄膜半導本体と呼んでもよい。

薄膜半導体本体は、特に、少なくとも以下の特性の１つによって区別される：
−反射層はキャリア要素の方を向いている放射生成エピタキシャル層シークエンスの第１主領域において適用又は形成され、前記反射層はエピタキシャル層シークエンスにおいて生成された電磁放射の少なくとも１部分において、後者に反射する、
−エピタキシャル層シークエンスは、２０μｍかそれより小さい範囲において、特に１０μｍの範囲において、厚さを有する、そして
−エピタキシャル層シークエンスは、エピタキシャル層シークエンスにおける光の略エルゴード分布を理想的に起こす、すなわち出来る限りエルゴード的に確率的な散乱挙動をなす、混合構造を有する、少なくとも１つの領域を有する、少なくとも１つの半導体層を含む。

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 Ｏｃｔｏｂｅｒ １９９３、 ２１７４−２１７６、で説明されており、この点における文献の開示された内容は参照することにより組み込まれる。

薄膜発光ダイオードチップは、ランバート面放射体の良い近似である。特にヘッドライトの用途に適している。

薄膜半導体本体として形成されたＬＥＤ半導体本体の場合、結合した放射の強度は有利に成長する。

材料系によって、成長基板は機械的に、熱的に、又はレーザリフトオフ法によって取り除かれてもよい。薄膜半導体本体は放射生成における低順電圧と高効率によって有利に区別される。さらに、薄膜半導体本体は、キャリア要素の選択に関して、エピタキシーを要求する境界条件によって制限されないので、キャリア要素は例えば熱的導電性又はコストに関して最適化され得る。前述のタイプの薄膜半導体本体は、特にＩｎＧａＡｌＰ又はＩｎＧａＡｌＮ材料系に適している。

ＬＥＤ半導体本体、及び適当であれば、半導体本体が配置されるキャリア要素に対して半導体材料として適しているものは、一例としてはＩｎＡｌＧａＡｓ（Ａｌ_ｎＧａ_ｍＩｎ_{ｌ−ｎ−ｍ}Ａｓ、ここで０≦ｎ≦１、０≦ｍ≦１、ｎ＋ｍ≦１）、ＩｎＧａＡｌＰ（Ａｌ_ｎＧａ_ｍＩｎ_{ｌ−ｎ−ｍ}Ｐ、ここで０≦ｎ≦１、０≦ｍ≦１、ｎ＋ｍ≦１）、及び／又はＩｎＧａＡｌＮ（Ａｌ_ｎＧａ_ｍＩｎ_{ｌ−ｎ−ｍ}Ｎ、ここで０≦ｎ≦１、０≦ｍ≦１、ｎ＋ｍ≦１）、であり、例えばＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＧａＡｌＰ、ＧａＮ又はＩｎＧａＮのような二元化合物及び三元化合物が含まれる。

この場合、各材料は必ずしも上記の式による数学的に正確な組成を必要としない。むしろ、１つ又はそれ以上のドーパント及び基本的に材料の物理的性質を変化させない付加的構成物質を有してもよい。しかし単純化するために、基本構成物質は少量の別の物質によって部分的に置き換える可能であるけれども、上記の式は結晶格子の基本構成物質（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｐ）のみを有する。

ＬＥＤ半導体本体は作動中垂直方向に放射を放出するのが好ましく、第１活性層及び第２活性層より放出された放射は一般的に混合する。

互いに重なり合って配置された活性層を有するＬＥＤ半導体本体は一般的な照明に使用されてもよい。このタイプの半導体本体は、増加した放射密度のため、特にこれに適している。

さらに、ＬＥＤ半導体本体は、バックライティング、例えばディスプレイのバックライティングに使用されても良い。

ＬＥＤ半導体本体は映写用途として使用されるのが好ましい。

本発明のさらなる特徴、利点、有用性は図１ないし図４に関連して以下に記載した例示的実施形態から明らかになる。

同一の又は同様に動作する要素は、図において同じ参照記号が与えられている。

図１に示されたように第１の例示的実施形態のＬＥＤ半導体本体１は、第１の放射生成活性層２と第２の放射生成活性層３を有し、それらの活性層は互いに垂直方向に、すなわち活性層の領域の主方向に垂直に、配置される。トンネル接合４は活性層２、３の間に形成され、前記トンネル接合は、第１導電型の第１半導体層５、例えばｎ型導電の半導体層と、第２導電型の第２半導体層６、例えばｐ型導電の半導体層とを用いて形成される。これらの２つの半導体層５、６は高ドープされた状態で実施されるのが好ましく、従って作動中に低い電気接合抵抗を有する効率の良いトンネル接合を生じさせる。

ＬＥＤ半導体本体における２つの活性層の配置は、有利に全体の放射生成量を増やす。ＬＥＤ半導体本体の寸法は、単一活性層だけから成るＬＥＤ半導体本体と比較して、ほんのわずかに変形し、そして特に、ＬＥＤ半導体本体の断面は、活性層の数に対して独立なので、より広範囲に、放射密度もまた有利に増加する。

半導体本体１はキャリア要素７の上に配置される。キャリア要素７に面している半導体本体１の表面は反射層１５を備えるのが好まし。反射層１５及びキャリア要素７の両方は電気的に伝導性があるのが特に好ましい。より広範囲に、キャリア要素７は半導体本体１から離れている側面にある後側コンタクト８を備える。前側コンタクト９は、キャリア要素７の反対側のＬＥＤ半導体本体１の側面に同様に形成される。従って、ＬＥＤ半導体本体内の比較的均一な電流分布によって区別される垂直に伝導性のある部品が形成される。

ＬＥＤ半導体本体１は別個の成長基板の上で成長し、その後、例えばはんだ付け、ボンディング、又は接着によって、キャリア要素の上に実装され、成長基板はＬＥＤ半導体本体からはぎ取られるのが好ましい。反射層１５は、例えば、ブラッグ鏡、金属層、例としてＩＴＯ又はＺｎＯのようなＴＣＯ層（透明導電性酸化物）、又は金属層とＴＣＯ層の合成物、として形成されてもよい。キャリア要素７の方向に放出された放射部分は、従って、放射結合した側面の方向に後方反射し得る。

放射結合した側面において、ＬＥＤ半導体本体は、放射効率増加のために、粗さや、例えばマイクロプリズムの形状で表面構造化や、又は放射結合領域の（全）反射損失を減少させる他の方法を備える。

図２に示された例示的実施例は、図１による例示的実施例のように第１放射性生成活性層２と第２放射性生成活性層３を有し、後側コンタクト８を備えたキャリア要素７の上に配置された、ＬＥＤ半導体本体１を示す。

図１による例示的実施例に比べて、第１導電型の接続層１２、例えばｐ型導電の半導体層は、第１活性層２と第２活性層３との間に配置される。トンネル接合の形成はこの場合絶対的に必要ではない。第２導電型半導体層１３、１４、例えばｎ型導電半導体層はそれぞれ、第１活性層２及び第２活性層３の、前記接続層１２から離れた側面の上に形成される。図１による例示的実施例に比べて、図２によるＬＥＤ半導体本体の場合、活性層２および活性層３のｐｎ接合は、従って、ｎｐ−ｐｎ構造が生じる結果をふまえ、反対方向に配置される。

本発明において全ての導電型は互いに置き換え得るので、一例として、図２による実施形態において、接続層１２はｎ型導電であり、外側の層１３、１４はｐ型導電である。従って、ｐｎ−ｎｐ構造が生じる。

コンタクト接合用に、接続層１２の所まで伸びる空洞は、第２導電型、例えばｎ型導電半導体層の上部の半導体層１３に形成される。前側コンタクト９は前記空洞の中に配置され、接続層１２は前側コンタクトを経由して電気的に接続可能である。

接続層１２に対して外側の第２導電型半導体層１３、１４は、外部接続１０、例えばメタライゼーション又は電気的に伝導性のあるＴＣＯコーティングとキャリア要素７とを介して、互いに及び後側コンタクト８に電気伝導的に接続される。

絶縁層１１は外部接続１０と半導体本体１との間に備えつけられる。これは、外部接続１０に活性層２、３を電気的にショートさせないようにすること可能にする。

半導体本体１はキャリア要素７の上で成長する。

放射結合側において、ＬＥＤ半導体本体は、放射効率を増加させるため、再度、粗さや、例えばマイクロプリズムの形状で表面構造化や、又は放射結合領域における（全）反射損失を減少させる他の方法を備えてもよい。

図３は、第１、第２及び第３のＬＥＤ半導体本体の特性曲線Ｉ、ＩＩ及びＩＩＩを示す。半導体本体は、活性層の数において互いに異なる。特性曲線Ｉを有する第１の半導体本体は、１つの活性層を有する。特性曲線ＩＩを有する第２の半導体本体は、間にトンネル接合が配置された２つの活性層を有する。特性曲線ＩＩＩを有する第３の半導体本体は、３つの活性層を有し、トンネル接合は２つの活性層の間にそれぞれに配置される。

半導体本体はＩｎＧａＡｌＰを備え、可視範囲の、好ましくは波長λ＝６３０ｎｍの放射を放出する。

供給電流の強さＩｆが増加するに従い、半導体本体の放射電力Ｐは上昇することがグラフから明らかになる。さらに、第３の半導体本体は、少なくともＩｆ＞１０ｍＡの範囲で、同じ電流の強さに対する第１と第２の半導体本体よりも、強い放射電力を有することがわかる。半導体本体はおよそ同じ寸法を有しているので、放射密度は第３の半導体本体の場合において最も大きい。さらに第２半導体本体の放射密度は、参照している第１の半導体本体の放射線密度よりも大きい。

図４は、第１、第２及び第３のＬＥＤ半導体本体の特性曲線ＩＶ、Ｖ及びＶＩを示す。半導体本体は、活性層の数において互いに異なる。特性曲線ＩＶを有する第１の半導体本体は、１つの活性層を有する。特性曲線Ｖを有する第２の半導体本体は、間にトンネル接合が配置された２つの活性層を有する。特性曲線ＶＩを有する第３の半導体本体は、５つの活性層を有し、トンネル接合は２つの活性層の間にそれぞれに配置される。

半導体本体は、赤外領域において、特に波長λ＝９５０ｎｍの放射を放出する。活性層はＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓヘテロ接合を有することが好ましい。半導体本体は薄膜半導体本体として形成されるのが特に好ましい。さらに半導体本体は高電流の半導体である。

図３に対応するように、供給電流の強さＩｆが増加するに従い、半導体本体の放射電力Ｐは上昇することが図４に示されたグラフから明らかになる。さらに、第３の半導体本体は、少なくともＩｆ＞５０ｍＡの範囲で、同じ電流の強さに対する第１と第２の半導体本体よりも、強い放射電力を有することがわかる。半導体本体はおよそ同一の寸法を有するので、放射密度は第３の半導体本体の場合において最も大きい。さらに、第２の半導体本体の放射密度は第１の半導体本体の放射密度よりも大きい。

本発明は例示的実施形態に基づく記述によって制限されない。特に、本発明との関連において、２つの活性放射生成層だけでなく、３つ、４つ又はそれ以上の放射生成層が、好ましくはトンネル接合又は接続層を用いて互いに電気的に接続されており、垂直方向に互いの上に積み重なって配置することが可能である。

さらに、本発明は、いかなる新しい特徴及びいかなる特徴の組み合わせ、特に請求項における特徴のいかなる組み合わせも、これらの特徴又は特徴の組み合わせがそれ自体請求項又は例示的実施形態で明示的に記されていなくても、包含する。

本発明によるＬＥＤ半導体本体の第１の例示的実施形態の概略断面図である。 本発明によるＬＥＤ半導体本体の第２の例示的実施形態の概略断面図である。 可視領域で放射した、本発明による２つのＬＥＤ半導体本体の電力特性曲線を示したグラフである。 赤外領域で放射した、本発明による２つのＬＥＤ半導体本体の電力特性曲線を示したグラフである。

Claims (22)

1. 第１放射生成活性層及び第２放射生成活性層を有し、
   第１活性層及び第２活性層は互いに垂直に重なり合って配置される、
   ＬＥＤ半導体本体。
2. 前記第１活性層及び前記第２活性層は前記半導体本体においてモノリシックに集積される、
   請求項１に記載のＬＥＤ半導体本体。
3. 前記第１活性層及び前記第２活性層は各層においてインコヒーレント放射を生成する、
   前記請求項のうちの１項に記載のＬＥＤ半導体本体。
4. 前記第１活性層及び前記第２活性層は各層において類似の波長を有する放射を生成する、
   前記請求項のうちの１項に記載のＬＥＤ半導体本体。
5. 前記第１活性層及び前記第２活性層は、異なる波長を有する放射を生成する、
   請求項１ないし３のうちの１項に記載のＬＥＤ半導体本体。
6. トンネル接合は前記第１活性層と前記第２活性層との間に形成される、
   前記請求項のうちの１項に記載のＬＥＤ半導体本体。
7. 前記トンネル接合は第１導電型の高ドープ層と第２導電型の高ドープ層とによって形成される、
   請求項６に記載のＬＥＤ半導体本体。
8. 第１導電型の接続層は前記第１活性層と前記第２活性層との間に配置され、
   第２導電型の層は前記接続層から離れた前記第１活性層及び前記第２活性層の側面にそれぞれに配置される、
   請求項１ないし５のうちの１項に記載のＬＥＤ半導体本体。
9. 前記接続層はコンタクトによって電気的に接続可能である、
   請求項８に記載のＬＥＤ半導体本体。
10. 前記第２導電型の外側の層は外部コンタクト接続によって電気的に接続される、
    請求項８又は９に記載のＬＥＤ半導体本体。
11. 前記ＬＥＤ半導体本体はキャリア要素の上に配置される、
    前記請求項のうちの１項に記載のＬＥＤ半導体本体。
12. 前記キャリア要素は、電気的に伝導性があり、又は生成された放射に対し透過性があり、あるいはその両方である、
    請求項１１に記載のＬＥＤ半導体本体。
13. 後側コンタクトは前記ＬＥＤ半導体本体から離れた前記キャリア要素の側面に配置される、
    請求項１１又は１２に記載のＬＥＤ半導体本体。
14. 前記ＬＥＤ半導体本体は前記キャリア要素上で成長する、
    請求項１１ないし１３のうち１項に記載のＬＥＤ半導体本体。
15. 前記ＬＥＤ半導体本体は前記キャリア要素と異なる成長基板の上で成長する、
    請求項１１ないし１３のうち１項に記載のＬＥＤ半導体本体。
16. 前記成長基板は前記半導体本体から取り除かれる、
    請求項１５に記載のＬＥＤ半導体本体。
17. 前記半導体本体、好ましくは前記２つの活性層のうちの１つ又は両方の活性層はＩｎＧａＡｌＡｓ又はＩｎＧａＡｌＰを含む、
    前記請求項のうちの１項に記載のＬＥＤ半導体本体。
18. 前記半導体本体、好ましくは前記２つの活性層のうちの１つ又は両方の活性層はＩｎＧａＡｌＮを含む、
    前記請求項のうちの１項に記載のＬＥＤ半導体本体。
19. 半導体本体は垂直方向に放射を放出する、
    前記請求項のうちの１項に記載のＬＥＤ半導体本体。
20. 一般的な照明としての、請求項１ないし１９のうちの１項に記載のＬＥＤ半導体本体の使用。
21. 例えばディスプレイの、バックライトとしての、請求項１ないし１９のうち１項に記載のＬＥＤ半導体本体の使用。
22. 映写用途としての、請求項１ないし１９のうち１項に記載のＬＥＤ半導体本体の使用。

Images