説明

LED半導体本体及びLED半導体本体の使用

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。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
従属項は本発明の有利な発展に関する。
【課題を解決するための手段】
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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(AlGaInl−n−mAs、ここで0≦n≦1、0≦m≦1、n+m≦1)、InGaAlP(AlGaInl−n−mP、ここで0≦n≦1、0≦m≦1、n+m≦1)、及び/又はInGaAlN(AlGaInl−n−mN、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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
半導体本体1はキャリア要素7の上で成長する。
【0055】
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。
【0056】
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。
【0057】
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。
【0058】
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。
【0059】
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。
【0060】
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。
【0061】
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。
【0062】
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。
【0063】
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。
【図面の簡単な説明】
【0064】
【図1】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。
【図2】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。
【図3】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。
【図4】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。

【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公表番号】特表2009−522755(P2009−522755A)
【公表日】平成21年6月11日(2009.6.11)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−547845(P2008−547845)
【出願日】平成18年12月13日(2006.12.13)
【国際出願番号】PCT/DE2006/002228
【国際公開番号】WO2007/076796
【国際公開日】平成19年7月12日(2007.7.12)
【出願人】(599133716)オスラム オプト セミコンダクターズ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング (586)
【氏名又は名称原語表記】Osram Opto Semiconductors GmbH
【住所又は居所原語表記】Leibnizstrasse 4, D−93055 Regensburg, Germany
【Fターム(参考)】