(57)【要約】  変換要素（１）であって、半導体材料によって形成されておりかつ複数の障壁（１３１）および量子井戸（１３２）を含む活性領域（１３）と、変換要素（１）の上面（１ａ）における複数の第１の構造要素（１４）と、複数の第１の構造要素（１４）とは反対の活性領域（１３）の側に配置されている複数の第２の構造要素（１５）および／または複数の第３の構造要素（１６）と、を備えている、変換要素（１）、を開示する。さらに、このタイプの変換要素を製造する方法を開示する。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
変換要素（１）であって、
−  半導体材料によって形成されており、かつ、複数の障壁（１３１）および量子井戸（１３２）を備えた活性領域（１３）と、
−  前記変換要素（１）の上面（１ａ）に配置されている複数の第１の構造要素（１４）と、
−  前記複数の第１の構造要素（１４）とは反対の前記活性領域（１３）の側に配置されている複数の第２の構造要素（１５）および／または複数の第３の構造要素（１６）と、
を有する、変換要素（１）。
【請求項２】
電気接続部が存在しない、
請求項１に記載の変換要素（１）。
【請求項３】
キャリア（１１）が存在しない、
請求項１または請求項２のいずれかに記載の変換要素（１）。
【請求項４】
−  放射に対して透過性の材料によって形成されているキャリア（１１）、
を有し、
−  前記複数の第２の構造要素（１５）が、前記活性領域（１３）の側の前記キャリア（１１）の外面に配置されている、および／または、
−  前記複数の第３の構造要素（１６）が、前記活性領域（１３）とは反対側の前記キャリア（１１）の外面に配置されている、
請求項１または請求項２のいずれかに記載の変換要素（１）。
【請求項５】
前記複数の第１の構造要素（１４）が、前記変換要素（１）から電磁放射が放出される確率を高め、かつ、前記複数の第２の構造要素（１５）および前記複数の第３の構造要素（１６）が、前記活性領域（１３）内に電磁放射が入射する確率を高める、
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の変換要素（１）。
【請求項６】
前記複数の第２の構造要素（１５）および／または前記複数の第３の構造要素（１６）が、前記変換要素（１）から電磁放射が放出される確率を高め、かつ、前記複数の第１の構造要素（１４）が、前記活性領域（１３）内に電磁放射が入射する確率を高める、
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の変換要素（１）。
【請求項７】
前記複数の第２の構造要素（１５）および前記複数の第３の構造要素（１６）を備えている、
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の変換要素（１）。
【請求項８】
前記活性領域（１３）が、少なくとも１０個、特に、少なくとも３５個の量子井戸（１３２）を備えている、
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の変換要素（１）。
【請求項９】
前記複数の第１の構造要素（１４）が、前記活性領域（１３）におけるＶ欠陥によって形成されている、
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の変換要素（１）。
【請求項１０】
前記複数の第１の構造要素（１４）および／または前記複数の第２の構造要素（１５）および／または前記複数の第３の構造要素（１６）が、少なくとも１回のエッチング工程によって形成されている、
請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の変換要素（１）。
【請求項１１】
キャリア（１１）が、前記活性領域（１３）の側の成長面（１１ａ）を有する、前記活性領域（１３）のための成長基板、の一部であり、
前記複数の第２の構造要素（１５）が、前記活性領域（１３）の側の前記キャリア（１１）の前記成長面（１１ａ）に配置されている複数の凸部（１５２）を有する水平面（１５１）、を備えている、
請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の変換要素（１）。
【請求項１２】
前記複数の第３の構造要素（１６）が、前記活性領域（１３）とは反対側のキャリア（１１）の前記外面を粗面化することによって形成されている、
請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の変換要素（１）。
【請求項１３】
放射放出半導体装置であって、
−  動作時に一次放射を生成する励起光源（２）と、
−  請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の変換要素（１）と、
を有し、
−  前記励起光源（２）が前記変換要素（１）に機械的に結合されており、
−  前記変換要素（１）の前記複数の第１の構造要素（１４）が、前記励起光源（２）の側の前記活性領域（１３）の面に配置されており、
−  前記複数の第１の構造要素（１４）が、前記励起光源（２）と、前記複数の第２の構造要素（１５）または前記複数の第３の構造要素（１６）との間に配置されており、
−  前記変換要素（１）の前記活性領域（１３）において、前記一次放射によって励起されたときに二次放射が生成される、
放射放出半導体装置。
【請求項１４】
放射放出半導体装置であって、
−  動作時に一次放射を生成する励起光源（２）と、
−  請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の変換要素（１）と、
を有し、
−  前記励起光源（２）が前記変換要素（１）に機械的に結合されており、
−  前記変換要素（１）の前記複数の第１の構造要素（１４）が、前記励起光源（２）とは反対側の前記活性領域（１３）の面に配置されており、
−  少なくとも、前記複数の第２の構造要素（１５）、または少なくとも、前記複数の第３の構造要素（１６）が、前記励起光源（２）と前記複数の第１の構造要素（１４）との間に配置されており、
−  前記変換要素（１）の前記活性領域（１３）において、前記一次放射によって励起されたときに二次放射が生成される、
放射放出半導体装置。
【請求項１５】
結合領域（３）が、前記変換要素（１）と前記励起光源（２）との間に直接配置されており、かつ、前記変換要素（１）と前記励起光源（２）との間の機械的結合をもたらす、
請求項１３および請求項１４に記載の放射放出半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
変換要素に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、混合光を生成する装置および方法が記載されている。この装置では、緑色光を生成する目的に、酸窒化物系またはケイ酸塩系のルミネセンス変換要素が使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２００８／０９２４３７号
【特許文献２】国際公開第２０１１／０８０２１９号
【特許文献３】独国特許出願公開第１０２０１５１０９７６１．３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
解決するべき１つの課題は、変換要素を光励起することによって有色光を特に効率的に生成することのできる変換要素を開示することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
特に、励起光源によって変換要素を光励起する変換要素を提供する。すなわち本変換要素においては、一次放射によって励起することにより、励起放射より長い波長を有する二次放射が生成されることが好ましい。例えば、変換要素を紫外線または青色光によって励起することができ、変換要素は、より長い波長の光（特に、緑色光または赤色光）を二次放射として放出する。この場合、変換要素は、二次放射および一次放射から混合放射を生成するように設ける、または、主として二次放射を放出するように設けることができる。後者の場合、変換要素は、一次放射のいわゆる完全な変換が行われるように構成されている。
【０００６】
本変換要素の少なくとも一実施形態によれば、変換要素は、半導体材料によって形成されている活性領域を備えている。活性領域は、さまざまな障壁および量子井戸を含む。
【０００７】
活性領域は、例えば、緑色の二次放射を生成する場合には材料系ＩｎＧａＮで形成されており、赤色の二次放射を生成する場合には材料系ＩｎＧａＡｌＰで形成されている。活性領域は、複数の障壁および複数の量子井戸を有する量子井戸構造を備えている。動作時に本変換要素によって放出される二次放射は、量子井戸内で電荷キャリアが再結合することによって生成される。これらの電荷キャリアは、二次放射より短い波長の一次放射が例えば障壁に吸収されることによって生成される。
【０００８】
例えば、活性領域は、例えばＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法：Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）システムにおいてエピタキシャル成長によって作製することができる。すなわち活性領域は、エピタキシャル成長層を備えている、またはエピタキシャル成長層からなることができる。
【０００９】
本変換要素の少なくとも一実施形態によれば、変換要素は、変換要素の上面に配置されている複数の第１の構造要素を備えている。第１の構造要素は、変換要素の上面に配置されている例えば凹部および凸部である。第１の構造要素は、例えば、活性領域の上、または活性領域内に形成することができる。この場合、第１の構造要素は、変換要素において動作時に生成される二次放射が散乱によって影響されることを可能にする構造サイズを有することが好ましい。第１の構造要素の構造サイズは、好ましくは少なくとも１００ｎｍ〜最大１０μｍの範囲内、特に、少なくとも０．５μｍ〜１．５μｍの範囲内である。構造サイズは、例えば、第１の構造要素の２つの凸部の間の距離、凸部の直径、凹部の直径、２つの凹部の間の距離、凸部の高さ、および／または、凹部の深さ、とすることができる。
【００１０】
本変換要素の少なくとも一実施形態によれば、変換要素は、複数の第１の構造要素とは反対の活性領域の側に配置されている複数の第２の構造要素、および／または、複数の第３の構造要素、を備えている。
【００１１】
第２の構造要素および第３の構造要素は、例えば、同様に凹部および／または凸部とすることができる。第２の構造要素および／または第３の構造要素は、変換要素に入射する一次放射を構造要素が散乱させることを可能にする構造サイズを有することが好ましい。例えば、第２の構造要素および／または第３の構造要素の構造サイズは、少なくとも１００ｎｍ〜最大１０μｍの範囲内、特に、少なくとも０．５μｍ〜５μｍの範囲内である。構造サイズは、例えば、２つの凸部の距離、凸部の直径、凹部の直径、２つの凹部の間の距離、凸部の高さ、および／または、凹部の深さ、とすることができる。
【００１２】
本変換要素の少なくとも一実施形態によれば、変換要素は、半導体材料によって形成されており、かつ、複数の障壁および量子井戸を備えた活性領域と、変換要素の上面に配置されている複数の第１の構造要素と、複数の第１の構造要素とは反対の活性領域の側に配置されている複数の第２の構造要素および／または複数の第３の構造要素と、を備えている。
【００１３】
本明細書に記載されている変換要素においては、本変換要素の動作時に二次放射が生成される活性領域は、少なくとも、第１の構造要素と、第２の構造要素または第３の構造要素との間に配置されている。第１の構造要素は、変換要素から出射する放射（特に二次放射）を散乱させるように意図されている。第２の構造要素および第３の構造要素は、変換要素に入射する放射（特に一次放射（この放射によって動作時に変換要素が励起される））を散乱させるように主として意図されている。このようにすることで、変換要素から電磁放射が放出される確率を、複数の第１の構造要素によって高めることが可能である。複数の第２の構造要素および／または複数の第３の構造要素は、変換要素を光励起する目的で供給される一次放射が活性領域に入射する確率を高める。
【００１４】
本明細書に記載されている変換要素は、特に、以下の考察に基づく。例えば、緑色光を生成するためには、緑色光を生成するＩｎＧａＮ系の発光ダイオードを直接使用することが可能である。しかしながら、このような発光ダイオードは、物理的バンドギャップに関連する高い順方向電圧を有する。これに加えて、このような発光ダイオードは、光がほぼ直線状に流れることに強く依存する。両方の問題点の結果として、青色光を放出する発光ダイオードと比較して効率が約５０〜６０％まで低下する。さらに、このような緑色光を放出する発光ダイオードは、電荷キャリアの閉じ込めが極めて不十分であり、結果として活性ゾーンにおいて電荷キャリアが失われる。このことに起因して、緑色光を直接放出する発光ダイオードは、特に高温において低い効率を有する。
【００１５】
原理的には、青色以外の色の光（例えば緑色光）を、リン変換を介して生成することが可能である。この場合には例えば、有機または無機（特にセラミック）の蛍光体（リン）を含む変換要素が使用される。これにより、例えば緑色光を高い効率で生成することが可能になるが、発光スペクトルが極めて広く、このことは、良好な演色性が望ましい用途において不利である。
【００１６】
本明細書に記載されている変換要素の場合、活性領域として半導体材料が使用され、活性領域は多数の障壁および量子井戸を含み、活性領域の光励起が提供される。活性領域の光励起では、電荷キャリアの電気的注入と比較して量子井戸あたりの電荷キャリア密度が大幅に低下する。結果として、蛍光体変換と比較して、良好な高電流効率と、ずっと狭いスペクトル半値幅の両方を実現することができる。したがって、本明細書に記載されている変換要素は、特に高い効率と、生成される光の特に狭い線幅とを特徴とする。
【００１７】
驚くべきことに、活性領域が半導体材料によって形成されており、かつ、複数の障壁および量子井戸を含む変換要素の効率は、入力結合構造および出力結合構造の組合せによって大幅に高めることができることが判明した。一方の側における複数の第１の構造要素と、他方の側における複数の第２の構造要素および／または複数の第３の構造要素との間に活性領域を配置することによって、何らの構造要素も含まない（例えば外面が製造公差の範囲内で滑らかである）変換要素と比較して、驚くべきことに効率を３０％以上高めることができることが判明した。
【００１８】
本変換要素の少なくとも一実施形態によれば、変換要素には電気接続部が存在しない。すなわち本変換要素は、電気的に不活性な部品であり、電気的な動作を意図していない。特に、本変換要素は、電気接触層や電気接続面を備えていない。したがって、本変換要素の動作においては、電荷キャリアが活性領域内に電気的に注入されるのではなく、変換要素の（特に活性領域の）光励起のみによって電荷キャリアが生成される。
【００１９】
少なくとも一実施形態によれば、本変換要素にはキャリアが存在しない。例えば変換要素の半導体ボディを成長させるために使用されるキャリアは、この場合、半導体ボディから分離することができる。キャリアは、例えば、機械的方法および／または化学的方法および／またはレーザ分離法によって、半導体ボディから分離される。この場合、特にキャリアに、不透明な材料を使用することができる。キャリアが存在しないこのような変換要素は、例えば、エピタキシャル成長させた半導体材料からなる。
【００２０】
本変換要素の少なくとも一実施形態によれば、変換要素は、放射に対して透過性の材料によって形成されているキャリアを備えている。キャリアは、特に、電気絶縁材料によって形成されている。この実施形態の場合にこれが可能であるのは、本変換要素が特に電気的に不活性であり、電気的な動作を意図していないためである。
【００２１】
キャリアは、例えば、活性領域を作製した後にその活性領域に取り付けられるキャリアとすることができる。この場合、キャリアは、例えば、放射に対して透過性の材料（ガラス、サファイア、またはＡｌＮなど）からなる、またはこれらの材料のうちの少なくとも１種類を含むことができる。
【００２２】
さらには、キャリアが、変換要素の活性領域を作製するのに使用された成長基板の一部であることも可能である。この場合、活性領域が成長基板上にエピタキシャル成長しており、キャリアと活性領域とが互いに一体に結合されている。
【００２３】
本変換要素の少なくとも一実施形態によれば、複数の第２の構造要素が、活性領域の側のキャリアの外面に配置されている、および／または、複数の第３の構造要素が、活性領域とは反対側のキャリアの外面に配置されている。例えば、変換要素が第１の構造要素および第２の構造要素のみを備えている場合、第２の構造要素はキャリアと活性領域との間に配置される。この場合、第２の構造要素は、例えば、キャリアの材料の構造化部とすることができる、または、活性領域の側のキャリアの外面にさらなる材料を堆積させて第２の構造要素を形成し、したがってキャリアと活性領域との間に配置される。これに代えて、またはこれに加えて、変換要素が複数の第３の構造要素を備えている場合、第３の構造要素は、活性領域とは反対側のキャリアの外面に配置される。この場合も、第３の構造要素はキャリアの材料から形成することができる、または、別の材料をキャリアに堆積させて第３の構造要素を形成することができる。
【００２４】
本変換要素の少なくとも一実施形態によれば、変換要素は、放射に対して透過性の材料によって形成されているキャリアを備えており、複数の第２の構造要素が、活性領域の側のキャリアの外面に配置されている、および／または、複数の第３の構造要素が、活性領域とは反対側のキャリアの外面に配置されている。
【００２５】
本変換要素の少なくとも一実施形態によれば、変換要素の動作においては、複数の第１の構造要素が、変換要素から電磁放射が放出される確率を高め、かつ、複数の第２の構造要素および複数の第３の構造要素が、変換要素の活性領域内に電磁放射が入射する確率を高める。すなわち第１の構造要素は、特に、電磁放射を変換要素から外に、特に効率的に導くように構成されている放射取り出し構造である。第２の構造要素および第３の構造要素は、特に、高い効率で（すなわち特に、外面または変換要素内での励起放射の全反射を回避することによって）励起放射を活性領域内に導く目的で設けられている放射取り込み構造である。
【００２６】
本変換要素の少なくとも一実施形態によれば、変換要素の動作においては、複数の第２の構造要素および複数の第３の構造要素が、変換要素から電磁放射が放出される確率を高め、かつ、複数の第１の構造要素が、変換要素の活性領域内に電磁放射が入射する確率を高める。すなわち第２の構造要素および第３の構造要素は、特に、電磁放射を変換要素から外に、特に効率的に導くように構成されている放射取り出し構造である。第１の構造要素は、特に、高い効率で（すなわち特に、外面または変換要素内での励起放射の全反射を回避することによって）励起放射を活性領域内に導く目的で設けられている放射取り込み構造である。第１の構造要素が励起光源を対象としており、放射取り込み構造の役割を果たす場合、この形態のさらなる利点として、活性領域を例えば励起光源に間接的に接触させることができ、このようにすることで動作時に変換要素の冷却が極めて効率的に行われる。
【００２７】
本変換要素の少なくとも一実施形態によれば、変換要素は、複数の第２の構造要素および複数の第３の構造要素を備えている。すなわち、この実施形態の変換要素は、電磁放射を取り込む目的で設けられる構造要素の両方のタイプが、変換要素に存在する。これにより、第２の構造要素のみ、または、第３の構造要素のみを有する従来の変換要素と比較して、本変換要素の効率がさらに高められる。
【００２８】
少なくとも一実施形態によれば、活性領域は、少なくとも１０個、特に、少なくとも３５個の量子井戸を備えている。このような多数の量子井戸によって、活性領域における一次放射の特に良好な吸収が可能になることが判明し、したがって本変換要素は、一次放射を二次放射に完全に変換するのに適している。
【００２９】
本変換要素の少なくとも一実施形態によれば、複数の第１の構造要素は、活性領域におけるＶ欠陥によって形成されている。Ｖ欠陥は、例えば六角形の端面を有する漏斗形状の凹部および／または逆角錐形状の凹部である。これらのＶ欠陥は、例えば、活性領域を作製するときに、成長条件を調整することによって（例えば成長温度を下げることによって）生成することができる。特に、厚い障壁を作製することと、厚い活性領域を作製することは、Ｖ欠陥を形成するうえで有利である。Ｖ欠陥の生成は、別の文脈において、例えば特許文献２に記載されており、この文書の開示内容は、参照により本明細書に明示的に組み込まれている。
【００３０】
本変換要素の少なくとも一実施形態によれば、キャリアは、活性領域のための成長基板の一部であり、複数の第２の構造要素が、活性領域の側のキャリアの成長面に配置されている複数の凸部を有する水平面によって形成されている。水平面および凸部は、キャリアの材料を構造化することによって生成することができる。この場合、キャリアは、例えばあらかじめ構造化されたサファイアキャリアとすることができる。このようなキャリアは、別の文脈において、特許文献３に記載されており、この文書の開示内容は、参照により本明細書に明示的に組み込まれている。
【００３１】
これに代えて、凸部が、例えばＥＬＯＧ（エピタキシャル横方向成長：epitaxial lateral over growth）法のマスクまたは島状マスクとして生成されていることが可能である。この場合、凸部は、例えば二酸化珪素または窒化珪素などの材料によって形成される。
【００３２】
本変換要素の少なくとも一実施形態によれば、複数の第３の構造要素は、活性領域とは反対側のキャリアの外面を粗面化することによって形成されている。キャリアの粗面化部は、例えばラッピングによって作製することができる。さらには、エッチングマスクあり、または、エッチングマスクなしでのエッチングによって、粗面化部を作製することが可能である。
【００３３】
さらには、放射放出半導体装置を開示する。本放射放出半導体装置の場合、特に、本明細書に記載されている変換要素を使用することができる。すなわち、変換要素に関して開示されているすべての特徴は、半導体装置に関しても開示され、逆も同様である。
【００３４】
本放射放出半導体装置の少なくとも一実施形態によれば、放射放出半導体装置は、動作時に一次放射を生成する励起光源を備えている。励起光源は、例えば、発光ダイオードチップまたはレーザダイオードチップとすることができる。励起光源の一次放射は、好ましくは紫外線および／または青色光のスペクトル領域内の電磁放射である。
【００３５】
本放射放出半導体装置の少なくとも一実施形態によれば、放射放出半導体装置は、本明細書に記載されている変換要素を備えており、励起光源が変換要素に機械的に結合されている。例えば、励起光源において励起光源の放射出口面に変換要素が取り付けられている。例えば、励起光源の上に変換要素を配置してそこに固定することができる。
【００３６】
本放射放出半導体装置の少なくとも一実施形態によれば、変換要素の複数の第１の構造要素は、励起光源とは反対側の活性領域の面に配置されており、少なくとも、複数の第２の構造要素、または、少なくとも、複数の第３の構造要素が、励起光源と複数の第１の構造要素との間に配置されている。すなわち、第２の構造要素、および、オプションとして第３の構造要素が励起光源と活性領域との間に配置されるように、変換要素が励起光源に被着されている。このようにすることで、第２の構造要素および第３の構造要素が放射取り込み構造として機能するのに対して、第１の構造要素が放射取り出し構造として機能する。
【００３７】
これに代えて、複数の第１の構造が放射取り込み構造として機能し、励起光源に面していることが可能である。すなわち、この場合、複数の第１の構造要素が励起光源とさらなる構造要素との間に配置されている。第１の構造要素が励起光源を対象としており、放射取り込み構造としての役割を果たす場合、この形態のさらなる利点として、活性領域を励起光源に例えば間接的に接触させることができ、このようにすることで動作時に変換要素の冷却が極めて効率的に行われる。
【００３８】
本放射放出半導体装置の少なくとも一実施形態によれば、一次放射によって励起されたとき活性領域において二次放射が生成される。二次放射は、一次放射より低いエネルギであり、例えば緑色光と赤色光との間のスペクトル領域を含む。
【００３９】
本放射放出半導体装置の少なくとも一実施形態によれば、放射放出半導体装置は、動作時に一次放射を生成する励起光源と、本明細書に記載されている変換要素とを備えている。励起光源は変換要素に機械的に結合されており、変換要素の複数の第１の構造要素が、励起光源とは反対側の活性領域の面に配置されており、少なくとも、複数の第２の構造要素、または、少なくとも、複数の第３の構造要素が、励起光源と複数の第１の構造要素との間に配置されている。動作時に、本放射放出半導体装置が一次放射によって励起されたとき、変換要素の活性領域において二次放射が生成される。
【００４０】
本放射放出半導体装置の少なくとも一実施形態によれば、変換要素と励起光源との間の機械的結合をもたらす結合領域が、変換要素と励起光源との間に直接配置されている。結合領域は、例えば放射に対して透過性の接着剤によって形成されており、接着剤は、励起光源を変換要素に機械的に結合すると同時に、変換要素と励起光源との間の光結合を生じさせる。
【００４１】
以下では、ここまでに説明した変換要素と、ここまでに説明した放射放出半導体装置について、例示的な実施形態および関連する図面に基づいてさらに詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１Ａ】本明細書に記載されている変換要素の例示的な実施形態を示す概略断面図である。
【図１Ｂ】本明細書に記載されている変換要素の例示的な実施形態を示す概略断面図である。
【図２Ａ】本明細書に記載されている放射放出半導体装置の例示的な実施形態を示す概略断面図である。
【図２Ｂ】本明細書に記載されている放射放出半導体装置の例示的な実施形態を示す概略断面図である。
【図３Ａ】本明細書に記載されている変換要素の別の例示的な実施形態を示す概略図である。
【図３Ｂ】本明細書に記載されている変換要素の別の例示的な実施形態を示す概略図である。
【図３Ｃ】本明細書に記載されている変換要素の別の例示的な実施形態を示す概略図である。
【図４Ａ】本明細書に記載されている変換要素の別の例示的な実施形態を示す概略図である。
【図４Ｂ】本明細書に記載されている変換要素の別の例示的な実施形態を示す概略図である。
【図４Ｃ】本明細書に記載されている変換要素の別の例示的な実施形態を示す概略図である。
【図４Ｄ】本明細書に記載されている変換要素の別の例示的な実施形態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
同じ要素、類似する要素、または等価の要素には、図面において同じ参照数字を付してある。図面と、図面に示した要素の互いの間の比率は、正しい縮尺ではないものとみなされたい。むしろ、便宜上、および／または、深く理解できるようにする目的で、個々の要素の大きさを誇張してあることがある。
【００４４】
図１Ａは、本明細書に記載されている変換要素の第１の例示的な実施形態の概略断面図を示している。変換要素１は、放射に対して透過性である（特に、透明である）キャリア１１を備えている。キャリア１１は、例えば、以降の層が上にエピタキシャル成長しているサファイア成長基板の一部である。したがってキャリア１１は、本変換要素１の他の構成要素に一体に結合されている。さらに、変換要素１は、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、またはＩｎＡｌＧａＮによって形成されている中間領域１２を備えている。電子バンドギャップは、例えば活性領域１３の量子井戸よりも中間領域１２において大きい。中間領域１２は、例えば第１の部分領域１２１を含み、第１の部分領域１２１は、厚さ３μｍの名目上ドープされていないＧａＮ層とすることができる。
【００４５】
さらに中間領域１２は、例えば、キャリア１１とは反対側の第１の部分領域１２１の面に直接続く第２の部分領域１２２を備えている。第２の部分領域１２２は、例えば、厚さ２μｍのｎ型ドープＧａＮ層であり、例えばシリコンによってドープされている。キャリア１１とは反対側の中間領域１２の面に、活性領域１３が直接続いている。活性領域１３は、複数のＩｎＧａＮ系の量子井戸１３２を備えており、これらの量子井戸１３２は、ＧａＮ系、ＩｎＧａＮ系、またはＩｎＡｌＧａＮ系の障壁１３１によって互いに隔てられている。活性領域１３は、例えば名目上ドープされていない。活性領域１３は、少なくとも１０個、特に、少なくとも３５個、例えば、ちょうど４０個の量子井戸１３２を備えている。このような多数の量子井戸１３２によって、活性領域における一次放射の特に良好な吸収が可能になることが判明し、したがって本変換要素１は、一次放射を二次放射に完全に変換するのに適している。
【００４６】
キャリア１１とは反対側の変換要素１の面（底面１ｂの反対側である上面１ａ）に、第１の構造要素１４が形成されている。第１の構造要素１４は、例えば、エッチングによって形成される粗面化部であり、この場合、エッチングは、マスクあり、または、なしで、あるいは自己組織成長によって形成される構造（例えばＶ欠陥）あり、または、なしで、行うことができる。第１の構造要素１４は、変換要素１において動作時に生成される二次放射が放出される確率を高めるための放射取り出し構造の役割を果たす。
【００４７】
本変換要素１は、キャリア１１と中間領域１２との間に配置されている第２の構造要素１５をさらに備えている。第２の構造要素１５は、例えば、ＥＬＯＧ法のマスクまたはＥＬＯＧ法の島状マスク、あるいは、構造化された基板表面の凹部および凸部である。
【００４８】
さらに、変換要素１は、その底面１ｂ（活性領域１３とは反対の中間領域１２側）の側に、第３の構造要素１６を備えており、第３の構造要素１６は、例えば、ラッピングによって形成される粗面化部、周期的な構造化部、または自己組織化された構造化部である。
【００４９】
図１Ａに概略的に示した変換要素１の例示的な実施形態とは異なり、変換要素１が第２の構造要素１５または第３の構造要素１６のいずれかを含まないことも可能である。
【００５０】
図１Ｂの概略断面図には、キャリア１１が例えば化学的方法、機械的方法、および／またはレーザ分離法によって除去されている変換要素１を示している。変換要素１は、この実施形態では、エピタキシャルに形成される層のみからなる。複数の第２の構造要素１５は、あらかじめ構造化されたキャリア１１によって、またはキャリア除去工程によって、有利に生成することができる。さらに、この実施形態では、不透明な材料によってキャリア１１を形成することが可能であり、これは有利である。これにより、キャリア１１を選択するときの選択肢が広がる。
【００５１】
本明細書に記載されている放射放出半導体装置の例示的な実施形態を、図２Ａの概略断面図に関連してさらに詳しく説明する。この放射放出半導体装置は、変換要素１に加えて励起光源２を備えており、励起光源２は、結合領域３を介して変換要素１に機械的に固定的に結合されている。この実施形態の場合、励起光源２は、例えば、放出される放射の少なくとも大部分を、変換要素１の側の外面を通じて放射する青色発光ダイオードチップである。
【００５２】
結合領域３は、例えば、放射に対して透過性の（特に、透明な）接着剤であり、この接着剤は、機械的な結合に加えて、さらに励起光源２を変換要素１に光結合させる。
【００５３】
変換要素１は、例えば、図１Ａまたは図１Ｂに関連してさらに詳しく説明した変換要素とする、または本明細書に記載されている任意の別の変換要素とすることができる。
【００５４】
本明細書に記載されている放射放出半導体装置の例示的な実施形態を、図２Ｂの概略断面図に関連してさらに詳しく説明する。この放射放出半導体装置は、変換要素１に加えて励起光源２を備えており、励起光源２は、結合領域３を介して変換要素１に機械的に固定的に結合されている。この実施形態の場合、励起光源２は、例えば、放出される放射の少なくとも大部分を、変換要素１の側の外面を通じて放射する青色発光ダイオードチップである。
【００５５】
結合領域３は、例えば、放射に対して透過性の（特に、透明な）接着剤であり、この接着剤は、機械的な結合に加えて、さらに励起光源２を変換要素１に光結合させる。
【００５６】
図２Ａの実施形態とは異なり、第１の構造要素１４が励起光源２の側である状態で変換要素１が配置されている。このようにすることで、活性領域１３が励起光源２にできる限り近くに配置される。この結果として、活性領域１３の冷却が改善され、また、活性領域１３に向かう途中での励起放射の吸収が減少する。第１の構造要素１４は、励起放射に対する放射取り込み構造の役割を果たす。第２の構造要素１５、および、オプションとして第３の構造要素１６は、放射取り出し構造の役割を果たす。第１の構造要素１４は、例えば、直径０．５μｍのＶ欠陥として設計されている。第２の構造要素１５は、キャリア１１を構造化することによって形成することができ、例えば直径２．８μｍを有する。例えば、この実施形態における第１の構造要素１４の直径は、第２の構造要素１５および／または第３の構造要素１６の直径より一般に小さくすることができる。例えば、第２の構造要素１５および／または第３の構造要素１６の直径は、第１の構造要素１４の直径の少なくとも２倍、特に、少なくとも５倍の大きさである。
【００５７】
さらに変換要素１は、図１Ａまたは図１Ｂに関連してさらに詳しく説明した変換要素とする、または、本明細書に記載されている任意の別の変換要素とすることができる。
【００５８】
本明細書に記載されている変換要素１のさらなる実施形態を、図３Ａ〜図３Ｃの概略図に関連してさらに詳しく説明する。図３Ａの概略断面図に関連して説明する変換要素１では、図１Ａの変換要素１と比較して、第２の構造要素１５が省かれている。すなわちこの変換要素１は、変換要素１の上面１ａにおける第１の構造要素１４と、変換要素の底面１ｂにおける第３の構造要素１６とを備えている。
【００５９】
第１の構造要素１４は、図３Ｂおよび図３Ｃに関連してさらに詳しく説明するように、例えばＶ欠陥である。「Ｕｐ」と記されている矢印は、図３Ａにおいてキャリア１１の上に活性領域１３が堆積される成長方向を示している。キャリア１１は、例えば、サファイア成長基板の一部である。以降の層は、例えば、基板の（０００１）成長面１１ａの上に堆積される。
【００６０】
適切な成長温度（例えば下げた成長温度）を設定することによって、図３Ｂの平面図および図３Ｃの断面図に概略的に示したように、例えば六角形の端面を有する漏斗形状の凹部が活性領域１３に形成される。成長基板とは反対側の活性領域１３の成長側の面において、Ｖ欠陥は放射取り出し構造としての、したがって第１の構造要素１４としての役割を果たす。
【００６１】
Ｖ欠陥のサイズ（例えば直径）は、活性層１３の厚さとの関連があり、この場合には約５００ｎｍである。さらに、Ｖ欠陥は再び閉じられることはなく開いたままである。これとは異なり、従来の発光ダイオードチップにおいてＶ欠陥が使用されるときには、Ｖ欠陥は例えば半導体ボディのｐ側の成長によって（部分的に）再び閉じられ、これに対してこの実施形態の場合には、Ｖ欠陥の上に成長は行われない。
【００６２】
第２の構造要素１５のバリエーションについて、図４Ａ〜図４Ｄの概略図に関連してさらに詳しく説明する。図４Ａは、キャリア１１を断面図で示しており、図４Ｂおよび図４Ｃは、キャリア１１の成長面１１Ａの平面図を示している。図４Ａの断面図に示したように、水平面１５１によって形成されている平面から凸部１５２が突き出している。３次元形状の凸部１５２は、水平面１５１から離れる方向に上向きに延びている。この場合、凸部１５２の断面は、例えば図４Ｂに示したように、丸状、特に、円形とすることができる。この場合、凸部１５２は、例えば、円錐形の凸部として設計することができる。これに代えて、図４Ｃに示したように、凸部１５２が、角のある（例えば六角形または三角形）断面を有することも可能であり（図４Ｄを参照）、したがって凸部１５２は水平面１５１の上の角錐形の凸部として形成される。
【００６３】
キャリア１１は、サファイア成長基板の一部であるサファイアキャリアとすることができる。この場合、水平面１５１は、サファイアの結晶ｃ面によって形成されていることが好ましい。第２の構造要素１５は、例えば、キャリア１１をエッチングすることによって形成することができる。第２の構造要素１５は、光学活性の構造要素として機能するのみならず、変換要素の以降の層の成長における結晶品質を改善し、したがって変換要素の効率を高めるように機能する。
【００６４】
本発明は、本発明の実施形態に基づく説明によって制限されない。むしろ本発明は、任意の新規の特徴および特徴の任意の組合せ（特に特許請求項における特徴の任意の組合せを含む）を包含しており、これらの特徴または特徴の組合せは、それ自体が特許請求項あるいは例示的な実施形態に明示的に開示されていない場合であっても、本発明に含まれる。
【００６５】
本特許出願は、独国特許出願第１０２０１６１０１４４２．７号の優先権を主張し、この文書の開示内容は参照により本明細書に明示的に組み込まれている。
【符号の説明】
【００６６】
１  変換要素
１ａ  上面
１ｂ  底面
１１  キャリア
１１ａ  成長面
１２  中間領域
１２１  第１の部分領域
１２２  第２の部分領域
１３  活性領域
１３１  障壁
１３２  量子井戸
１４  第１の構造要素
１５  第２の構造要素
１５１  水平面
１５２  凸部
１６  第３の構造要素
２  励起光源
３  結合領域
【図１Ａ】
2019508732.tif 000003
【図１Ｂ】
2019508732.tif 000004
【図２Ａ】
2019508732.tif 000005
【図２Ｂ】
2019508732.tif 000006
【図３Ａ】
2019508732.tif 000007
【図３Ｂ】
2019508732.tif 000008
【図３Ｃ】
2019508732.tif 000009
【図４Ａ】
2019508732.tif 000010
【図４Ｂ】
2019508732.tif 000011
【図４Ｃ】
2019508732.tif 000012
【図４Ｄ】
2019508732.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成30年7月20日(2018.7.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変換要素（１）であって、
−  半導体材料によって形成されており、かつ、複数の障壁（１３１）および量子井戸（１３２）を備えた活性領域（１３）と、
−  前記変換要素（１）の上面（１ａ）に配置されている複数の第１の構造要素（１４）と、
−  前記複数の第１の構造要素（１４）とは反対の前記活性領域（１３）の側に配置されている複数の第２の構造要素（１５）および／または複数の第３の構造要素（１６）と、
を有し、
前記複数の第１の構造要素（１４）は、前記活性領域（１３）に形成されている、
変換要素（１）。
【請求項２】
電気接続部が存在しない、
請求項１に記載の変換要素（１）。
【請求項３】
キャリア（１１）が存在しない、
請求項１または請求項２のいずれかに記載の変換要素（１）。
【請求項４】
−  放射に対して透過性の材料によって形成されているキャリア（１１）、
を有し、
−  前記複数の第２の構造要素（１５）が、前記活性領域（１３）の側の前記キャリア（１１）の外面に配置されている、および／または、
−  前記複数の第３の構造要素（１６）が、前記活性領域（１３）とは反対側の前記キャリア（１１）の外面に配置されている、
請求項１または請求項２のいずれかに記載の変換要素（１）。
【請求項５】
前記複数の第１の構造要素（１４）が、前記変換要素（１）から電磁放射が放出される確率を高め、かつ、前記複数の第２の構造要素（１５）および前記複数の第３の構造要素（１６）が、前記活性領域（１３）内に電磁放射が入射する確率を高める、
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の変換要素（１）。
【請求項６】
前記複数の第２の構造要素（１５）および／または前記複数の第３の構造要素（１６）が、前記変換要素（１）から電磁放射が放出される確率を高め、かつ、前記複数の第１の構造要素（１４）が、前記活性領域（１３）内に電磁放射が入射する確率を高める、
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の変換要素（１）。
【請求項７】
前記複数の第２の構造要素（１５）および前記複数の第３の構造要素（１６）を備えている、
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の変換要素（１）。
【請求項８】
前記活性領域（１３）が、少なくとも１０個、特に、少なくとも３５個の量子井戸（１３２）を備えている、
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の変換要素（１）。
【請求項９】
前記複数の第１の構造要素（１４）が、前記活性領域（１３）におけるＶ欠陥によって形成されている、
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の変換要素（１）。
【請求項１０】
前記複数の第１の構造要素（１４）および／または前記複数の第２の構造要素（１５）および／または前記複数の第３の構造要素（１６）が、少なくとも１回のエッチング工程によって形成されている、
請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の変換要素（１）。
【請求項１１】
キャリア（１１）が、前記活性領域（１３）の側の成長面（１１ａ）を有する、前記活性領域（１３）のための成長基板、の一部であり、
前記複数の第２の構造要素（１５）が、前記活性領域（１３）の側の前記キャリア（１１）の前記成長面（１１ａ）に配置されている複数の凸部（１５２）を有する水平面（１５１）、を備えている、
請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の変換要素（１）。
【請求項１２】
前記複数の第３の構造要素（１６）が、前記活性領域（１３）とは反対側のキャリア（１１）の前記外面を粗面化することによって形成されている、
請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の変換要素（１）。
【請求項１３】
放射放出半導体装置であって、
−  動作時に一次放射を生成する励起光源（２）と、
−  請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の変換要素（１）と、
を有し、
−  前記励起光源（２）が前記変換要素（１）に機械的に結合されており、
−  前記変換要素（１）の前記複数の第１の構造要素（１４）が、前記励起光源（２）の側の前記活性領域（１３）の面に配置されており、
−  前記複数の第１の構造要素（１４）が、前記励起光源（２）と、前記複数の第２の構造要素（１５）または前記複数の第３の構造要素（１６）との間に配置されており、
−  前記変換要素（１）の前記活性領域（１３）において、前記一次放射によって励起されたときに二次放射が生成される、
放射放出半導体装置。
【請求項１４】
放射放出半導体装置であって、
−  動作時に一次放射を生成する励起光源（２）と、
−  請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の変換要素（１）と、
を有し、
−  前記励起光源（２）が前記変換要素（１）に機械的に結合されており、
−  前記変換要素（１）の前記複数の第１の構造要素（１４）が、前記励起光源（２）とは反対側の前記活性領域（１３）の面に配置されており、
−  少なくとも、前記複数の第２の構造要素（１５）、または少なくとも、前記複数の第３の構造要素（１６）が、前記励起光源（２）と前記複数の第１の構造要素（１４）との間に配置されており、
−  前記変換要素（１）の前記活性領域（１３）において、前記一次放射によって励起されたときに二次放射が生成される、
放射放出半導体装置。
【請求項１５】
結合領域（３）が、前記変換要素（１）と前記励起光源（２）との間に直接配置されており、かつ、前記変換要素（１）と前記励起光源（２）との間の機械的結合をもたらす、
請求項１３および請求項１４に記載の放射放出半導体装置。
【国際調査報告】
2019508732.tif 000014
2019508732.tif 000015
2019508732.tif 000016
2019508732.tif 000017
2019508732.tif 000018
2019508732.tif 000019