(57)【要約】本発明は出力構造体を有するＬＥＤに関する。表面上にパターン化された、エッジ（１６）を有する出力層（６）が設けられている。このエッジは層平面に対して６０°〜８８°の角度で調整されており、ビームの出射に対して設けられ、かつ相互に離された再結合領域の制限部が構成される。再結合領域に設けられた出力層の部分は平坦な円錐台を形成し、エッジは溝が付けられているかまたは切り込みが入れられている。これによって形成されたビームが全反射の臨界角より急峻に出力層の外側の境界面上に生じる確率が高くなる。
2004503095.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互に反対の導電型に導電性にドープされた層の間の、ビーム形成に対して設けられた活性層（４）と、電気的な接続に対する２つのコンタクト（７、１１）とを有するＬＥＤにおいて、
ビームの出射に対して設けられている表面上に出力層（６）が設けられており、当該出力層は側面のエッジ（１６）によって制限されて、当該出力層の相互に離されている少なくとも２つの部分が、予め定められた再結合領域（６０）と相応に設けられており、
前記エッジが出力層の平面と形成する角度は常に４５°〜８８°である、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
ビーム形成を制限する手段が、予め定められた再結合領域と相応に設けられている、請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
ビーム形成を制限する手段は、前記活性層（４）を、相互に別個にされた少なくとも２つのビーム形成領域に側方で制限することを含む、請求項２記載の半導体発光素子。
【請求項４】
ビーム形成を制限する手段は、前記出力層（６）上に配置された各コンタクト７を、相互に別個にされた少なくとも２つの各再結合領域に側方で制限することを含む、請求項２記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記ビーム形成を制限する手段は、相互に別個にされた少なくとも２つの領域の間で遮断された、予め定められた電流方向において阻止作用を有するｐｎ接合部を含む、請求項２記載の半導体発光素子。
【請求項６】
ビーム形成を制限する手段は、相互に別個にされた少なくとも２つの領域の間で遮断された電気的絶縁層を含む、請求項２記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記再結合領域における出力層は、円錐台の形を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記再結合領域における出力層（６）のエッジ（１６）は、星形に配置されており、テーパ状に先が細くなる切り込みを有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記エッジが出力層の平面と形成する角度は常に６０°〜８８°のあいだである、請求項１から８までのいずれか１項記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、効率を高める出力構造体を有する半導体発光素子（ＬＥＤ）に関する。
【０００２】
従来のＬＥＤでは通常、ビーム形成領域は活性層として層平面全体または層平面のストリップ状の領域にわたって延びる。素子の前面には、電流を注入する接続コンタクト（ｂｏｎｄｐａｄ）が存在するのが通常である。対抗電極をサブストレートの背面に完全に平坦なコンタクトメタライジング層として被着することもできるし、またはビーム形成ストリップに対してラテラル方向に前面上に取り付けられたコンタクトによって形成することもできる。このコンタクトは、適切に配置され、導電性にドープされた領域を介して活性層の裏面と接続される。面発光ＬＥＤまたは縁部および面発光ＬＥＤでは前面にチップからの光の出力を改善する出力構造体を配置することができる。
【０００３】
形成されたビームは、できるだけ直接的にＬＥＤから出力されるべきである。半導体材料は周辺空気または、半導体に接続する他の透明な材料（例えば屈折率が典型的に１． ５である樹脂）よりも高い屈折率（典型的には３． ５）を有するので、境界面上に充分に急峻でないビームが出現した場合には全反射が生じる。ビームは半導体材料内で何度か反射され、ビーム出力が著しく低減した後でようやくＬＥＤから離れる。通常扱われるＬＥＤの平行６面体（Ｑｕａｄｅｒｆｏｒｍ）では、示した数字の例の範囲内で約２５． ３８°である垂直線に対する全反射の臨界角のもとで境界面に生じないビームは、相互に向かい合う境界面で何度か同じ角度で反射され、最後にコンタクトまたは活性ゾーンの領域において、またはサブストレートにおいて吸収される。厚い半導体層をＬＥＤの表面上に被着することによって、ビームがより高い確立で素子の側面（縁部）に、半導体材料からの出射に対して充分に急峻な角度で生じる構造が得られる。
【０００４】
ＧＢ２３２６０２３Ａでは、外側の側面が活性層の平面に対して傾斜した角度を形成する、ビーム形成半導体素子が記載されている。これによって、形成されたビームは側面での全反射時に、素子の平坦な表面に対してほぼ垂直のビーム方向に方向を変え、これによってビームがここで出射される。それ故に形成されたビームの大部分は多くても１回の全反射の後にＬＥＤから出力される。これによって発光効率が高まる。
【０００５】
ＵＳ５０８７９４９号には、エッジが傾斜している半導体基体を有するＬＥＤが記載されている。ｎ型にドープされた半導体基体はビーム（Ｓｔｒａｈｌｕｎｇ）用に透明で、背面にはｐ型にドープされた層が設けられる。ｐｎ接合部への電流注入は、前面コンタクトおよび背面コンタクトによって行われる。背面コンタクトは小さい中央領域においてｐ型にドープされた層と隣接し、その他ではこの層と絶縁層によって分けられている。このようにして電流経路はダイオードの中央領域に制限される。それ故この中央領域上で形成されたビームだけがＬＥＤの前面に達し、半導体基体に形成された傾斜したエッジ上に、それぞれ極めて急峻な角度で生じる。これは半導体材料からのビームの即時の出力を可能にする。
【０００６】
本発明の課題は、ビームの出力が改善されたＬＥＤを提供することである。
【０００７】
上記の課題は独立請求項の特徴部分の構成を有するＬＥＤによって解決される。本発明の実施形態は従属請求項に記載されている。
【０００８】
本発明のＬＥＤでは、表面上にパターン化された出力層（Ａｕｓｋｏｐｐｅｌｓｃｈｉｃｈｔ）が設けられる。この出力層の側面の端部はエッジを形成する。ここでこのエッジは層平面に対して４５°〜８８°、有利には６０°〜８８°の角度に調整されている。ビームの出射に対して設けられた、出力層の複数の再結合領域（Ａｕｓｋｏｐｐｅｌｂｅｒｅｉｃｈｅ）が存在する。これらの再結合領域は相互に離されている。再結合領域はそれぞれほぼ円形に制限されていて、出力層の平坦な上部の境界面と下部の境界面とともに平らな円錐台（Ｋｅｇｅｌｓｔｕｅｍｐｆｅ）を形成する。活性層のビーム形成領域は有利には次のような領域に制限される。すなわち層平面に関して垂直な投影においてそれぞれ該当する再結合領域の円形の制限部内に位置する領域である。ビーム形成領域がこのようにまたはこれと類似したようには制限されていない場合、出力層のエッジは再結合領域の端で、有利には交互に鋭角と鈍角で延在するか、またはテーパ状に先が細く切り込まれるか、または外側への湾曲と窪みが設けられる。
【０００９】
以下で図示された実施例に基づき、上述のＬＥＤをより詳細に説明する。
【００１０】
図１には上述のＬＥＤの実施例が簡易な断面図であらわされており、
図２には別の実施例が平面図であらわされており、
図３には出力効率のエッジ角度への依存性をあらわすダイヤグラムが示されている。
【００１１】
図１には、例えばＧａＡｓから成るサブストレート１上に層構造体が設けられているＬＥＤが示されている。本実施例ではこの層構造体は電流制限層２とジャケット層３と活性層４とカバー層５と出力層６とを含む。サブストレートの背面には電流注入を行う背面コンタクト１１が設けられている。出力層６の表面上には、各再結合領域に配属された個々のコンタクト７に対する各リード線８を有する接続面９が設けられる。
【００１２】
コンタクト７と活性層４のあいだの半導体材料は少なくとも、ビームの形成および再結合に対して設けられた所定の領域において、第１の導電型の導電性にドープされる。活性層４と背面コンタクト１１のあいだの半導体材料は、反対の第２の導電型の導電性にドープされる。活性層４はドープされなくてもよいし、また２つの導電型のうちのそれぞれの導電型にドープされてもよい。サブストレート１は例えばｎ型に、カバー層５は少なくとも再結合領域６０内でｐ型にドープされる。カバー層５は、再結合領域外で絶縁性に構成されていてもよい。さらなる、図示されていないパッシベーション層をＬＥＤの表面にカバー層上の再結合領域に対して側方に被着することもできる。出力層６が活性層４の上部の制限部として設けられる場合、カバー層５をなくすこともできる。さらに出力層６は層２〜５の全部または一部を含んでもよい。
【００１３】
出力層６は、少なくともコンタクト７が設けられた領域において第１の導電型（例えばｐ＋型）に高濃度にドープされ、良好な金属−半導体接続が得られる。場合によっては出力層６と各コンタクト７とのあいだに薄い、高濃度にドープされたコンタクト層が配置されてもよい。
【００１４】
出力層６は複数（図１の実施例では８個）の相互に離されている再結合領域を有する。この再結合領域内でエッジ１６は星形に切り込みが入れられる。ここで出力層６は、各突出部でテーパ状に先が細くなっている。このような切り込みが入れられた、または溝が付けられた構造によって、ビームは殆どの場合に多くとも１回の全反射の後にエッジの面のうちの１つの面上に、半導体材料から出射するのに充分に急峻な角度で出現する。
【００１５】
有利には活性層４におけるビーム形成は再結合領域内または再結合領域近を中心とする狭い領域に制限される。これは活性層が領域的にのみ形成されて、ビームが再結合領域の層平面に関して垂直の投影内でのみ形成される。ビーム形成の制限は図１に示された実施例では完全に平坦な活性層４によっても、次のことによって実現される。すなわち活性層への電流注入に対して設けられたコンタクト７が小さいラテラル方向の寸法を有することである。さらにカバー層が各再結合領域６０外で（例えば適切なインプランテーション）によって絶縁されるかまたは真性の導電率を有するように（ｉｎｔｒｉｎｓｉｓｃｈ ｌｅｉｔｅｎｄ）構成され、再結合領域においてのみ良好な導電性を有することができる。これは図１に示された断面では、カバー層５を示すストリップにおける垂直な線によって示される。ここに出力層６の星状構造体の下に設けられた再結合領域６０の境界が存在する。
【００１６】
電流経路を制限する別の方法は、必要ではないが設けられた電流制限層２によって行われる。電流制限層２は、電流経路の設けられた境界２１の外に配置された阻止領域２０を有する。この阻止領域は非導電性に構成されているか、または第１の導電型にドープされる。後者の場合、第２の導電型にドープされた下方のジャケット層３とともに電流方向において遮断作用を有するｐｎ接合部が形成される。
【００１７】
電流経路を制限することによって、ビーム形成は出力層６のパターン部分の下方の領域に制限される。例えばこのために示されたのは、ａ）活性層４を側方で制限すること、ｂ）出力層上に被着されたコンタクト７を側方で制限すること、ｃ）再結合領域外に絶縁層を設けること、ｄ）再結合領域外で阻止作用を有するｐｎ接合部を設けること、である。絶縁層として構造化された酸化層が構成されてもよい。この酸化層は、例えば半導体層を領域的に酸化することによって得られる。従来の素子でそれ自体公知の、電流を制限する他の手段を、本発明のＬＥＤでも同じように有利に使用することができ、ビーム形成は再結合領域に限定される。
【００１８】
図２には、有利にはビーム形成が局部的に制限された実施例が平面図で示されている。ここでは再結合領域が４つだけ設けられている。これらの再結合領域にはそれぞれコンタクト７が設けられている。このコンタクトは、それぞれのリード線８を介して中央の接続面９と接続される。ビーム形成の領域は、出力層６の急峻なエッジ１６が設けられている部分に制限される。これは活性層および／または電流経路が示された領域１０に制限されていることによって行われる。再結合領域はここでほぼ円形であり、これによって出力層の該当部分は円錐台を形成する。このような円錐台のジャケット面は層平面に対して４５°〜８８°、有利には６０°〜８８°の傾斜を有する。
【００１９】
再結合領域のそれぞれの数は定められていない。複数の接続面９を１つのＬＥＤに設け、これによってより多くの再結合領域を１つのＬＥＤに一体化することができる。これは、出力層をより微細かつ複雑にパターン化することができ、ビームの出力時により高い効率を得ることができるという利点を有する。出力層６の縁部でテーパ状に先が細くなるように切り込みが入れられた図１の実施例に示された構造の代わりに、エッジが連続して凸状および凹状の、角がとられて形成された類似の構造体が設けられていてもよい。本発明の構成で重要なのは、出力層のエッジが層平面とともに形成する角度が４５°〜８８°、有利には６０°〜８８°であり、少なくとも２つの相互に離されている再結合領域が設けられるということである。その他の点では、ＬＥＤの構造は従来の素子に相応する。とりわけ背面コンタクトの代わりに別のコンタクトをＬＥＤの表面に被着することができる。ここでこのコンタクトは、導電性にジャケット層３または相応する層と接続される。
【００２０】
出力層のエッジが層平面と構成する角度の作用を明らかにするために、図３にダイヤグラムを示す。このダイヤグラムは、出力層のエッジが層平面とともに形成する角度に対する出力効率ηの依存性を９０°〜７０°の範囲で示す。
【００２１】
出力層のエッジが層平面と形成する角度は、図３ではφで示される。出力効率には任意の単位がつけられる。
【００２２】
図３には、図１の実施例に基づいて実行された計算の結果が示されている。もっとも図３には、９０°〜７０°の角度範囲しか示されていない。図３に基づいて、７０°より小さい角度φに対する外挿によって、８８°〜６０°のあいだの角度φに対して特別に高い出力効率が生じているのが分かる。しかし出力効率は、角度φが４５°〜８８°の範囲にある場合、依然として高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】
上述したＬＥＤの実施例の簡易な断面図である。
【図２】
別の実施例の平面図である。
【図３】
出力効率のエッジ角度への依存性をあらわすダイヤグラムである。
【国際公開パンフレット】
2004503095.tif 000003
2004503095.tif 000004
2004503095.tif 000005
2004503095.tif 000006
2004503095.tif 000007
2004503095.tif 000008
2004503095.tif 000009
2004503095.tif 000010
2004503095.tif 000011
2004503095.tif 000012
2004503095.tif 000013
2004503095.tif 000014
2004503095.tif 000015
2004503095.tif 000016
2004503095.tif 000017
【国際調査報告】
2004503095.tif 000018
2004503095.tif 000019
2004503095.tif 000020
2004503095.tif 000021
2004503095.tif 000022
2004503095.tif 000023