(57)【要約】  支持体部材(2)に配置されたエピタキシャル層列(6)と、反射層(3)を有する薄膜発光ダイオード(5)であって、前記エピタキシャル層列は電磁放射を形成するアクティブゾーン(8)を有しており、前記反射層(3)は前記支持体部材(2)に向いた側のエピタキシャル層列(6)の主面に配置されており、エピタキシャル層列(6)で形成された電磁放射の少なくとも一部を当該エピタキシャル層列に反射する形式の薄膜発光ダイオードにおいて、支持体部材(2)とは反対の側のエピタキシャル層列(6)の放射出力結合面(7)に構造化層(1)が配置されており、該構造化層はガラス材料を含み、さらに該構造化層は放射出力結合面(7)から離れる方向に先細であり、かつ並置された構造化部を有しており、該構造化部はエピタキシャル層列(6)から発する電磁放射の波長よりも小さい側方ラスタを有することを特徴とする薄膜発光ダイオード。構造化層(1)は有利にはスピン-オン-ガラスとして被着され、グレースケールリソグラフによって構造化される。
2007504640.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持体部材(2)に配置されたエピタキシャル層列(6)と、反射層(3)を有する薄膜発光ダイオード(5)であって、前記エピタキシャル層列は電磁放射を形成するアクティブゾーン(8)を有しており、前記反射層(3)は前記支持体部材(2)に向いた側のエピタキシャル層列(6)の主面に配置されており、エピタキシャル層列(6)で形成された電磁放射の少なくとも一部を当該エピタキシャル層列に反射する形式の薄膜発光ダイオードにおいて、
支持体部材(2)とは反対の側のエピタキシャル層列(6)の放射出力結合面(7)に構造化層(1)が配置されており、該構造化層はガラス材料を含み、さらに該構造化層は放射出力結合面(7)から離れる方向に先細であり、かつ並置された構造化部を有しており、該構造化部はエピタキシャル層列(6)から発する電磁放射の波長よりも小さい側方ラスタを有することを特徴とする薄膜発光ダイオード。
【請求項２】
請求項１記載の薄膜発光ダイオードにおいて、層(1)の屈折率が、エピタキシャル層列(6)の放射出力結合面(7)に接する側の材料の屈折率と薄膜発光ダイオード(5)の周囲に対して設けられている媒体の屈折率との間にある薄膜発光ダイオード。
【請求項３】
請求項１または２記載の薄膜発光ダイオードにおいて、構造化部はほぼ周期的に配置された突起(5)を有する薄膜発光ダイオード。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか一項記載の薄膜発光ダイオードにおいて、突起(5)は外から見て凸状に湾曲している薄膜発光ダイオード。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか一項記載の薄膜発光ダイオードにおいて、ガラス材料はスピン-オン-ガラスである薄膜発光ダイオード。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか一項記載の薄膜発光ダイオードにおいて、突起(5)の高さは、放射出力結合面(7)から離れる方向でエピタキシャル層列(6)から発する電磁放射の波長よりも小さい薄膜発光ダイオード。
【請求項７】
支持体部材(2)に配置されたエピタキシャル層列(6)と、反射層(3)を有する薄膜発光ダイオード(5)の製造方法であって、前記エピタキシャル層列は電磁放射を形成するアクティブゾーン(8)を有しており、前記反射層(3)は前記支持体部材(2)に向いた側のエピタキシャル層列(6)の主面に配置されており、エピタキシャル層列(6)で形成された電磁放射の少なくとも一部を当該エピタキシャル層列に反射する形式の薄膜発光ダイオードの製造方法において、
支持体部材(2)に配置されたエピタキシャル層列(6)を作製し、該エピタキシャル層列(6)の支持体部材(2)とは反対の側の放射出力結合面(7)に、ガラス材料を含む層(1)を被着し、該層(1)の少なくとも一部に構造化部を取り付け、該構造化部は前記放射出力結合面から離れる方向に先細になっており、かつ並置された突起(5)を有し、該突起の側方ラスタ寸法はエピタキシャル層列(6)から発する電磁放射の波長よりも小さいことを特徴とする製造方法。
【請求項８】
請求項７記載の製造方法において、層(1)は、まだ流体であるスピン-オン-ガラスを放射出力結合面(7)に被着し、該スピン-オン-ガラスが硬化するように熱的に処理することによって作製する製造方法。
【請求項９】
請求項８記載の製造方法において、スピン-オン-ガラスをスピンオンデポジットおよび/またはプリントによって被着する製造方法。
【請求項１０】
請求項７から９までのいずれか一項記載の製造方法において、構造化部を層(1)に、グレースケールリソグラフ(6)によって取り付けら製造方法。
【請求項１１】
請求項７から１０までのいずれか一項記載の製造方法において、構造化部を、これが周期的に配置された突起(5)を有するように取り付ける製造方法。
【請求項１２】
請求項７から１１までのいずれか一項記載の製造方法において、層(1)の屈折率は、エピタキシャル層列(6)の放射出力結合面(7)に接する側の材料の屈折率と薄膜発光ダイオード(5)の周囲に対して設けられている媒体の屈折率との間にある製造方法。
【請求項１３】
請求項７から１２までのいずれか一項記載の製造方法において、構造化部は、突起(5)の高さが、放射出力結合面(7)から離れる方向でエピタキシャル層列(6)から発する電磁放射の波長よりも小さくなるように取り付ける製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、支持体部材に配置されたエピタキシャル層列と、反射層とを有する薄膜発光ダイオードに関するものであり、前記エピタキシャル層列は電磁放射を形成するアクティブゾーンを有しており、前記反射層は前記支持体部材に向いたエピタキシャル層列の主面に配置されており、エピタキシャル層列で形成された電磁放射の少なくとも一部を当該エピタキシャル層列に反射する。
【０００２】
本発明はさらにこの形式の薄膜発光ダイオードの製造方法に関する。
【０００３】
薄膜発光ダイオードは以下の特徴を有する：
−放射を発生するエピタキシャル層列において支持体部材の方に向いた側に位置する第１の主表面のところに反射層が被着されており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において発生した電磁放射の少なくとも一部分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またはそれ以下の領域の厚さ、とりわけ１０μｍの厚さを有する。
−エピタキシャル層列には、混合構造をもつ少なくとも１つの面を備えた少なくとも１つの半導体層が含まれており、理想的なケースではこの面によりエピタキシャル層列内にほぼエルゴード的な光分布を生じさせ、つまりこの光分布はできるかぎりエルゴード的な確率分散特性を有している。
【０００４】
この種の薄膜発光ダイオードチップの原理については、たとえばI. Schnitzer等によるAppl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 0.2174-2176に記載されており、この刊行物を本願の参考文献とする。
【０００５】
電磁放射を発する半導体チップからの放射出力結合には、とりわけ半導体チップの境界面でその周囲への反射が生じ、その際に屈折率が跳躍的に変化するため損失が伴う（フレネル損失）。
【０００６】
GaNベースの発光ダイオードチップ(nGaN=2.67)と空気(n=1)との境界面での反射は、プラスチックカバーが直接設けられていない薄膜発光ダイオードチップの場合のように、半導体チップ／空気の境界面において計算的に約２０％である。
【０００７】
放射出力結合を改善するための公知の手段は、半導体チップ表面を構造化することである。チップ表面での透過率上昇のための表面構造化は例えばUS 5779924 Aから公知である。そこに記載された発光ダイオードは、最外部の半導体層が３次元構造を有する半導体チップを含んでいる。これにより半導体チップからの光出力結合自体が容易になり、チップで形成された光は半導体チップから周囲のエポキシ樹脂へさらに達することができるようになる。
【０００８】
この手段の欠点は、半導体チップの表面構造を作製するために面倒なエッチング方法を使用しなければならないことである。このことはとりわけGaNベースの半導体チップに当てはまる。
【０００９】
さらにUS 5779924 Aに記載された表面構造は薄膜発光ダイオードの混合構造と組み合わせるのが困難である。この混合構造の目的は、エピタキシャル層列内で電磁放射を少なくとも近似的にエルゴード的に分布させることである。
【００１０】
本発明の課題は、放射出力結合が改善された薄膜発光ダイオードを提供することである。
【００１１】
さらなる課題はこのような放射発生薄膜発光ダイオードチップの製造方法を提供することである。
【００１２】
この課題は、請求項１の特徴を備える薄膜発光ダイオードによって、また請求項７の特徴を備える製造方法によって解決される。
【００１３】
薄膜発光ダイオードの有利な実施形態および改善例は従属請求項２から６に、薄膜発光ダイオード製造方法の有利な実施形態および改善例は従属請求項８から１３に記載されている。
【００１４】
本発明によれば、冒頭に述べた形式の薄膜発光ダイオードにおいて、支持体部材とは反対の側のエピタキシャル層列の放射出力結合面に構造化層が配置されており、該構造化層はガラス材料を含み、かつ放射出力結合面から離れる方向に先細になり、並置された突起を有しており、当該突起はエピタキシャル層列から発する電磁放射の波長よりも小さい側方ラスタを有する。ここでラスタの配置は必ずしも規則的なラスタを意味しない。突起が少なくとも部分的に不規則なラスタとして配置されていれば、ラスタの大きさは有利には平均でもその最大寸法でもエピタキシャル層列から発する電磁放射の波長よりも小さい。
【００１５】
このことにより放射に対して構造化層の構造は光学的に分解されない。構造化層の非構造化モノリシック領域の屈折率は、放射出力結合面からもっとも離れた構造化層の部分の屈折率へ、すなわち周囲媒体の屈折率に近似する屈折率まで仮想的に滑らかに移行する。従って構造化層の構造によって、周囲媒体と構造化層との境界面における屈折率は緩やかに移行するようになる。構造化層とこれに隣接するエピタキシャル層列の半導体材料との屈折率が同じような大きさの場合、エピタキシャル層列で形成された放射が受けなければならない屈折率勾配は、本発明の構造化層がない場合のエピタキシャル層列と比較して小さい。エピタキシャル層列／構造化層／周囲への移行の際にエピタキシャル層列へ反射される電磁放射の割合は、構造化層がない場合と比較して格段に小さい。
【００１６】
本発明はとりわけInGaAlN,ベースの薄膜発光ダイオードチップ、例えばGaN薄膜発光ダイオードチップに対してとりわけ適する。InGaAlNベースのビーム放射性および／またはビーム感知性チップの群としては、エピタキシャル成長された半導体層列（これは通常種々異なる個別層の層列を有する）が少なくとも１つの個別層を含み、この個別層がINｘAlyGa１−ｘ−ｙNただし０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１である材料系から成るＩＩＩ／Ｖ族化合物半導体材料を有するチップがある。
【００１７】
この種の半導体層列をたとえば慣用のｐｎ接合、ダブルヘテロ構造、単一量子井戸構造（ＳＱＷ構造）あるいは多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）とすることができる。この種の構造は当業者に周知であり、したがってここではこれ以上詳細に説明しない。基本的に本発明の他の半導体材料系ベースのビーム放射性半導体チップ、例えばInｘAlｙGa１−ｘ−ｙP、ただし０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１である材料系および他のIII-V族またはII-VI族化合物半導体系ベースのチップにも適用することができる。
【００１８】
有利には突起の幅および直接隣接する突起の間隔は、エピタキシャル層列から発する電磁放射の波長よりも小さい。
【００１９】
有利には突起の高さはエピタキシャル層列から発する電磁放射の波長よりも小さい。
【００２０】
特に有利にはこれらはラスタの大きさに相応する。
【００２１】
薄膜発光ダイオードの有利な実施例では、層の屈折率が、エピタキシャル層列の放射出力結合面に接する側の材料の屈折率と薄膜発光ダイオードの周囲に対して設けられている媒体の屈折率との間にある。
【００２２】
構造化は有利にはほぼ周期的に配置された突起を有する。
【００２３】
有利な実施形態では、突起は外から見て凸状に湾曲している。このことにより屈折率が構造化層／周囲の境界面でとりわけ穏やかに移行する。
【００２４】
特に有利な実施形態では、ガラス材料がスピン-オン-ガラスである。この材料は硬化ゲル、例えば酸化シリコンを含む。スピン-オン-ガラスの処理特性は当業者には例えばQuenzer et al著,"Anodic Bonding on Glass Layers Prepared by Spin-on Glass Process : Preparation Process and Experimental Results"、Proceedings of Transducers 01/Eurosensors XV, June 2001から公知であり、ここに参考文献とする。
【００２５】
冒頭に述べた形式の本発明の方法では、支持体部材に配置されたエピタキシャル層列を作製し、該エピタキシャル層列の支持体部材とは反対の側の放射出力結合面に、ガラス材料を含む層を被着し、該層の少なくとも一部に構造化部を取り付け、該構造化部は前記放射出力結合面から離れる方向に先細になっており、かつ並置された突起を有し、該突起の側方ラスタ寸法はエピタキシャル層列から発する電磁放射の波長よりも小さい。
【００２６】
有利にはこの層は、まだ流体であるスピン-オン-ガラスを放射出力結合面に被着し、該スピン-オン-ガラスが硬化するように熱的に処理することによって作製する。この措置は有利にはウェハ結合で実行することができる。
【００２７】
この方法の有利な実施形態では、スピン-オン-ガラスをスピンオンデポジットおよび／またはプリントによって被着する。とりわけスピンオンデポジットは有利には小さな技術的コストによりウェハ結合で実行することができる。
【００２８】
本発明の方法の有利な実施形態では、構造化部は層に、グレースケールリソグラフによって取り付けられる。
【００２９】
グレースケールリソグラフは通常、グレースケールマスクによって層を露光するステップを含む。グレースケールマスクによっていわゆる「アナログマスク」として種々異なる放射強度が可能となり、これによりただ１つの露光ステップで３次元のアナログ構造、例えば湾曲面を形成することができる。基本原理は例えばSven Warnck著、"RELIEF-Massenfertigung von Low-Cost-Produkten mit Mikrorelief-Oberflaechen mittels CD-Spritzguss"、VDI/VDE-Technologiezentrum Informationstechnik GmbHのインフォメーションシリーズ、Nr.362002に記載されており、その開示内容を参考文献とする。
【００３０】
層の構造化はさらに有利にはウェハ結合で実行することができ、これによりスピン-オン-ガラスの被着と構造化を比較的小さな技術コストにより実行することができる。これにより安価な製造が可能となる。
【００３１】
薄膜発光ダイオードおよびその製造方法のさらなる利点、有利な実施形態および改善例は、図１ａから１ｄに関連する以下の実施例の説明から明らかとなる。
【００３２】
図１ａから１ｄは、実施例による薄膜発光ダイオードの製造方法の経過を４つの方法段階で薄膜発光ダイオードの概略的断面図で示す。
【００３３】
実施例で同じ構成部材または同じように作用する構成部材にはそれぞれ同じ参照符号が付してある。図示の層厚は縮尺通りではない。これらはよりよく理解するために過度に厚く図示されており、相互に実際の厚さ関係にはない。
【００３４】
実施例では、支持体部材２に配置されたエピタキシャル層列６と、反射層３を有する薄膜発光ダイオード５が作製される（図１ａ参照）。前記エピタキシャル層列は電磁放射を形成するアクティブゾーン８を有しており、前記反射層３は前記支持体部材２に向いた側のエピタキシャル層列６の主面に配置されており、エピタキシャル層列で形成された電磁放射の少なくとも一部を当該エピタキシャル層列に反射する。簡単にするため、１つの個別の薄膜発光ダイオード５を基準にすることに注意されたい。チップ大量生産では、薄膜発光ダイオードが通常はまだ個別化されない状態で、すなわち基本的に同種の多数の薄膜発光ダイオードを備えるウェハ結合で作製され、さらに処理され、後の段階で相互に分離された薄膜発光ダイオードに個別化される。
【００３５】
続いて支持体部材２から離れる側のエピタキシャル層列６の放射出力結合面７には、スピン-オン-ガラスが例えばデポジット被覆によって被着される（図１ｂ参照）。
【００３６】
エピタキシャル層列の放射出力結合面７の粗さは、製造に起因して不所望に生じるか、またはエピタキシャル層列から出力結合すべき放射を均質化するために意図的に取り付けることができる。この粗さはスピン-オン-ガラスによってほぼ平坦化される。すなわち凹部を充填することにより平滑化される。
【００３７】
続いてグレースケールリソグラフによって層１がスピン-オン-ガラスから構造化される（図１ｃ、ｄ参照）。
【００３８】
スピン-オン-ガラスの他に別のガラス材料、またはエピタキシャル層列６で形成された放射に対して透明な他の材料をグレースケールリソグラフによって構造化することもできる。しかしスピン-オン-ガラスがこの方法に対して特に適する。
【００３９】
エピタキシャル層列６の放射出力結合面７から離れる方向に先細であり、かつ並置された突起５を備える構造化部が作製される。この突起は、エピタキシャル層列６で形成された電磁放射の波長よりも小さい側方ラスタ寸法を有する。この突起の出力結合面から離れる方向の高さは、エピタキシャル層列から発する電磁放射の波長よりも小さく、有利にはラスタ寸法とほぼ同じである。
【００４０】
ラスタ寸法が小さいので、突起５はエピタキシャル層列６で形成された電磁放射に対して光学的に分解されない。すなわちこの放射に対して突起５の形状中に個別の障害物は存在しない。エピタキシャル層列６から構造化されたスピン-オン-ガラス層１に入力結合された電磁放射は、構造化されたスピン-オン-ガラス層１（これはスピン-オン-ガラス材料自体の屈折率を有する）の非構造化領域の屈折率から、構造化されたスピン-オン-ガラス層１に、エピタキシャル層列６とは反対の側で接する媒体（ここでは空気）の屈折率への穏やかな移行を受ける。構造化されたスピン-オン-ガラス層１の材料は、現在の理解によれば、エピタキシャル層列６から離れる方向で周囲の媒体により次第に「希薄化」され、エピタキシャル層列からもっとも離れた領域で少なくとも近似的に周囲の媒体の屈折率に近似する屈折率を有する。エピタキシャル層列６／構造化されたスピン-オン-ガラス層１／周囲の媒体の系でエピタキシャル層列６に逆反射される電磁放射の割合は、エピタキシャル層列６／周囲の媒体の系に対して格段に小さい。
【００４１】
放射出力結合面７に接する電気接触層９は、構造化されたスピン-オン-ガラス層１の作製プロセス中または作製プロセス後に露出されるか、または構造化されたスピン-オン-ガラス層１の材料によって覆われない。
【００４２】
本発明はもちろん、前記の具体的な実施例に制限されるものではなく、本発明の基本的特徴を備えるすべての方法および装置に拡張される。とりわけ本発明は、種々異なる幾何形状、種々異なる構造、および種々異なる半導体材料系の薄膜発光ダイオードに対して使用することができる。
【００４３】
もちろん本発明により構造化されたスピン-オン-ガラス層１は、プラスチックの充填された発光ダイオードチップにも使用することができる。とりわけ半導体／プラスチック充填物の境界面では、本発明により構造化されたガラス層、とりわけ構造化されたスピン-オン-ガラス層を半導体材料に被着することができる。
【００４４】
さらに本発明により構造化された層は、フレンネル損失を低減するために一連の光学システム、例えばマイクロ光学系で固体／空気の境界面に取り付けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１ａから１ｄは、実施例による薄膜発光ダイオードの製造方法の経過を４つの方法段階で薄膜発光ダイオードの概略的断面図で示す。
【図１Ａ】
2007504640.tif 000003
【図１Ｂ】
2007504640.tif 000004
【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
2007504640.tif 000006
【国際調査報告】
2007504640.tif 000007
2007504640.tif 000008
2007504640.tif 000009
2007504640.tif 000010