(57)【要約】作動時に或るスペクトル分布の光線（６０）を放射する活性層（３２）を含む層状構造（３０）、及び電流を前記層状構造（３０）に印加するためのコンタクト（３６；５６，３８，４０）を有する発光半導体素子であって、放射光線（６０）の短波長成分を抑える、前記活性層（３２）を少なくとも部分的に包囲するコーティング層（３４；４４；５４）を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光半導体素子であって、
作動時に或るスペクトル分布の光線（６０）を放射する活性層（３２）を含んだ層状構造（３０）と
前記層状構造（３０）に電流を印加するためのコンタクト（３６；５６，３８，４０）とを有する形式の発光半導体素子において、
前記活性層（３２）を少なくとも部分的に包囲するコーティング層（３４；４４；５４）を有しており、該コーティング層が放射光線（６０）の短波長成分を抑える、ことを特徴とする発光半導体素子。
【請求項２】
前記コーティング層（３４）は放射光線（６０）の短波長成分を吸収する、請求項１記載の発光半導体素子。
【請求項３】
前記コーティング層（４４；５４）は放射光線（６０）の短波長成分を反射する、請求項１又は２記載の発光半導体素子。
【請求項４】
前記コーティング層（４４；５４）は、干渉エッジフィルタを形成する誘電体層（５４ａ，５４ｂ）の層スタックを含んでいる、請求項３記載の発光半導体素子。
【請求項５】
放射光線の主な部分は前記層スタック（３０）の主表面（３１）を通して放射され、
前記コーティング層（３４）は前記層スタック（３０）の主表面（３１）を実質的に完全に覆っている、請求項１から４のいずれか１項記載の発光半導体素子。
【請求項６】
前記層スタック（３０）は上面（３１）及び側面とを有しており、
前記コーティング層（３４）は前記層スタック（３０）の上面（３１）及び側面を実質的に完全に覆っている、請求項１から５のいずれか１項記載の発光半導体素子。
【請求項７】
前記層スタック（３０）は透過性基板（１４）上に配置されており、
前記コーティング層（３４）は、前記層スタック（３０）及び前記基板（１４）をコンタクト位置（３６，３８）まで実質的に完全に覆っている、請求項１から６のいずれか１項記載の発光半導体素子。
【請求項８】
前記コーティング層（３４）は導電性であり、電流印加のための前記コンタクトのうちの第１のものにより包囲されている、請求項５記載の発光半導体素子。
【請求項９】
前記活性層（３２）は青色及び紫外線スペクトル領域の光線を放射し、
前記コーティング層（３４；４４；５４）は紫外線スペクトル領域の光線を抑える、請求項１から８のいずれか１項記載の発光半導体素子。
【請求項１０】
前記コーティング層（３４；４４；５４）はおよそ４３０ｎｍ未満の波長の光線を、有利にはおよそ４２０ｎｍ未満の波長の光線を抑える、請求項１から９のいずれか１項記載の発光半導体素子。
【請求項１１】
前記コーティング層は、１００ｎｍから１５００ｎｍまでの範囲の、有利には３００ｎｍから１０００ｎｍまでの範囲の厚さのＩＴＯ層により形成されている、請求項１から１０のいずれか１項記載の発光半導体素子。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか１項記載の発光半導体素子を備えた発光光学素子において、
前記半導体素子は放射光線（６０）の長波成分に対して透過性のある材料（２８）により包まれており、
前記半導体素子の活性層（３２）と前記透過性被覆材料（２８）との間にコーティング層（３４；４４；５４）が配置されている、ことを特徴とする発光光学素子。
【請求項１３】
前記透過性材料（２８）は、エキポシ樹脂、エキポシ成形材料及びアクリレートから成るグループから選択されている、請求項１２記載の発光光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光光学素子、とりわけ、透過性材料で包まれた発光半導体素子を備えた発光光学素子に関する。
【０００２】
背景技術
公知の発光半導体素子は層状構造を有しており、この層状構造に含まれる活性層が、作動時にある特定のスペクトル分布で光線を放射する。コンタクトは層状構造内への電流の印加に使用される。
【０００３】
この種の発光半導体素子を、適切な有効波長に対して透過性である注型材に埋め込むことは慣用となっている。しかしながら、とりわけ、青色及び白色の発光ダイオードの場合、発光ダイオードの明るさが比較的長い作動時間の後著しく低下するという問題が生じる。
【０００４】
この場合、光の損失は注型樹脂の経時劣化に基づいている。注型樹脂は、発光ダイオードのある一定の作動時間の後には茶色に変色してしまう。この作用は青色及び白色発光ダイオードの寿命を著しく縮める。
【０００５】
注型樹脂の経年劣化を遅らせることは原則的には可能である。例えば、公開されていない出願人によるテストでは、注型材として使用されるエキポシ樹脂に安定剤を添加することが茶変色を遅らせることを確認した。青色及び白色の発光ダイオードの寿命は安定剤の添加によりほぼ２倍となる。
【０００６】
他のアプローチは、注型材のエキポシ樹脂をより安定したポリマーに替えることから成っている。その際、特に、シリコンが推奨される。シリコンのポリマー格子は主に非常に安定したＳｉ−Ｏ結合から成っている。しかし、シリコンは他の一連の欠点も有している。シリコンは接着力が弱く、非常に高い膨張係数を有しており、加熱及び冷却の際に著しい応力を生じる。
【０００７】
接着力の弱さのため、境界面に容易に不純物が入り込み、ひいては信頼性に問題が生じる。そのうえ、シリコンは軟度が高く、いわゆるピック・アンド・プレイス・プロセスにおいて問題を生じる可能性がある。最後に、シリコンは炭化水素ベースのポリマーよりも低い屈折率を有しており、発光ダイオードにおいて使用すると、発光効率が低くなる。
【０００８】
ここで、本発明が投入される。本発明は、請求項にその特徴が記載されているように、長い寿命を有する冒頭で述べたような形式の発光光学素子を実現することを課題としている。この課題は請求項１による発光半導体素子及び請求項９による発光光学素子により解決される。有利な実施形態は従属請求項の対象である。
【０００９】
本発明による発光半導体素子は、作動時にある特定のスペクトル分布で光線を放射する活性層を含んだ層状構造と層状構造に電流を印加するためのコンタクトとの他に、活性層を少なくとも部分的に包囲するコーティング層を有している。このコーティング層は、放射光線の短波長成分を抑えるためのものである。
【００１０】
本発明の枠内では、コーティング層は、短波長スペクトル領域、とりわけ、４３０ｎｍ未満の波長域において吸収及び／又は反射する実質的に光学的に透過性の層と解される。
【００１１】
したがって、本発明は、活性層により放射された光線の短波長成分からの高エネルギーフォトンが注型材の経年劣化に実質的に関与しているという思想に立脚している。それゆえ、放射光線の短波長成分を抑えるコーティング層が設けられており、そのため、短波長成分は僅かな量しか又はまったく注型材に到達しない。
【００１２】
コーティング層は活性層を完全に包囲してもよい。しかしながら、多くの用途に対しては、コーティング層が活性層を部分的に包囲するだけで既に十分である。例えば、短波長光線は、コーティング層への入射の際に、既に幾つかの方向においてボンディングパッド、吸収性基板、取付ベース、ハウジングの一部分などにより妨げることができる。
【００１３】
そのうえ、活性層のある特定の領域を包囲しない、又は少なくとも直接的には包囲しないことが必要な場合さえありうる。これは、例えば、直接層状構造上に配置された導電性コーティング層において、ｐ／ｎ接合の電気的短絡を防ぐために必要な場合がありうる。
【００１４】
特定の説明に束縛されることなく、光の作用による損傷の前提条件は、照射される材料の経年劣化プロセスにおいて関連する結合を分裂させる能力をもつ高エネルギーフォトンの吸収であると仮定される。
【００１５】
関連する結合として、まずポリマー格子を構成するインクリメントの結合（例えば、Ｃ−Ｃ，Ｃ−Ｈ，Ｃ−Ｏ，Ｃ−Ｎ）が問題となる。関連する結合エネルギーは３３０〜３８０ｋＪ／ｍｏｌである。このことは、これらの結合がおよそ３５０ｎｍ未満の波長のフォトンによってしか分裂させ得ないことを意味する。しかしながら、このような高エネルギーフォトンは、通常の青色発光ダイオードチップのスペクトル内には実質的に存在しない。
【００１６】
それゆえ、損傷の決定的な影響はおよそ４３０ｎｍ未満の波長のフォトン、特におよそ４２０ｎｍ未満の波長のフォトンに起因することが推測される。このようなフォトンは経年劣化の連鎖において生じるヒドロペルオキシドを分裂させる。ヒドロペルオキシドの結合エネルギーはおよそ２７０〜３００ｋＪ／ｍｏｌである。
【００１７】
およそ４６０から４７０ｎｍまでの主波長（すなわち、放射特性と視感度曲線の畳み込みから得られるピーク波長）を有する一般的な青色発光ダイオードは、４００ｎｍ未満のスペクトル領域では、全出力の僅かな部分、通常は全出力の数パーセントしか放射しない。
【００１８】
青色発光ダイオードを用いて白色光を生成するためには、青色スペクトル領域においては吸収し、黄色スペクトル領域においては放射する変換物質が使用される。一般に使用されている変換物質では、吸収率が最大となるのはおよそ４５０〜４７０ｎｍであり、一方、３５０ｎｍから４３０ｎｍまでの範囲の光線はほとんど吸収されない。
【００１９】
それゆえ、高エネルギーでしたがってまた短波長のフォトンを引き留めること、青色又は白色発光ダイオードの場合では、４３０ｎｍ未満の波長、とりわけ４２０ｎｍ未満の波長のフォトンを引き留めることによる不利な作用は取るに足らない。
【００２０】
その一方で、青色及び白色発光ダイオードの寿命は高エネルギーフォトンの引き留めにより著しく延長されることが明らかとなる。
【００２１】
発光半導体素子の或る有利な実施形態は、放射光線の短波長成分を吸収するコーティング層を有している。しかし、完全な吸収が起こる訳ではない。多くの適用ケースにおいて、寿命を十分延ばすためには、通過する光線を減少させることで既に十分である。
【００２２】
むしろ通常重要なのは、有効放射として使用される活性層の長波放射領域におけるコーティング層の高い透過率と、短波長放射領域における高い吸収率との間の平衡である。
【００２３】
コーティング層はこの実施形態においてはエッジマスフィルタとして作用するが、しかし通常は吸収係数が飛躍的に変化することはないので、比較的平坦な吸収エッジを有するフィルタとして作用する。これに関して、吸収性コーティング層の使用は、フィルタの動作にとって層の厚さの厳密な調整が不可欠ではないという利点を提供する。このため、相応する層の敷設は簡単かつコスト安となる。さらに、透過する光線は顕著な角度依存性又は偏光を示さない。
【００２４】
発光半導体素子の別の有利な実施形態は、放射光線の短波長成分を反射するコーティング層を有している。とりわけ、コーティング層が層のスタックにより誘電体層を形成するのが適当である。ただし、反射性コーティング層として、金属層スタック及び半導体層スタックは問題となる。
【００２５】
この種の干渉フィルタは、層の材料及び厚さを適切に選択することにより、エッジの急峻な干渉エッジフィルタとして形成される。その際、吸収エッジの位置は、構成部材の所望の放射領域における透過率がフィルタ素子により事実上損なわれず、しかし同時に、不所望の短波長成分が効果的に抑えられるように、うまく決定される。
【００２６】
さらに、短波長の光線を活性層内に反射し返すことは、反射されたフォトンがフォトンの再利用を介して再び放射に貢献し、したがって、吸収性コーティング層の場合のようにコーティング層が加熱されることがないという利点を有している。
【００２７】
この解決手段の別の利点は、現行の製造プロセスに容易に組み込めることにある。それゆえ、干渉エッジフィルタシステムは、例えば通常の不活性化層とともに、完成された安定した方法によって取り付け、構造化することができる。
【００２８】
発光半導体素子の或る有利な実施形態では、コーティング層が層スタックの主表面を実質的に完全に覆う。注型樹脂に達する短波長の光線を許容可能な値まで減少させるには、例えば活性層の外側を向いた表面の主表面を覆うだけで十分なことがよくある。このことは特に、光線の主要部分が構成部材の表面（主表面）を介して放射される従来の形式の発光半導体素子に関して当てはまる。主表面内の領域で接続パッド及びそれと同様のものが設けられている領域は空けておいてよい。
【００２９】
可能な場合には、活性層の側面にもコーティング層を設けてよい。支持基板を通して放射される光線も使用する実施形態では、基板上にもコーティング層を敷設すると実用的である。この場合、活性層は実質的に完全にコーティング層により包囲されている。
【００３０】
特に実用的な実施形態においては、主表面に敷設されたコーティング層は導電性である。このコーティング層は２重の機能を果たすことができ、短波長の光線を抑える他に、同時に、層状構造内に電流を印化するための第１のコンタクトの一部として、とりわけ電流ソケット層として機能する。これにより、全部で１つの層を省くことができ、構成部材がより容易にかつよりコスト安に製造される。
【００３１】
発光半導体素子のある有利な実施形態では、活性層は青色及び紫外線線スペクトル領域の光線を放射し、コーティング層は紫外線スペクトル領域の光線を抑える。
【００３２】
とりわけ、上で詳述した理由から、コーティング層がおよそ４３０ｎｍ未満の波長、有利には、およそ４２０ｎｍ未満の波長の光線を抑えるのが適当である。
【００３３】
本発明は上記発光半導体素子を備えた発光光学素子にも関しており、この発光光学素子では、半導体素子は放射光線の長波成分を透過させる材料によって包まれており、コーティング層は半導体素子の活性層と透過性被覆材料との間に配置されている。
【００３４】
透過性材料は、有利には、エキポシ樹脂、エキポシ成形材料及びアクリレートから成るグループから選択されている。
【００３５】
本発明は特に青色又は白色発光ダイオードに適している。というのも、青色又は白色発光ダイオードで通常使用されている被覆材料は、しばしば短波長の光線成分によって茶色に変色してしまうからである。
【００３６】
そのうえ、本発明はもちろんインコヒーレント光を放射する発光ダイオードにおいてだけでなく、レーザダイオードにおいても使用することができる。
【００３７】
活性層の材料としては、青色スペクトル領域では、まず窒化物ベースのＩＩＩ−Ｖ族半導体材料系、とりわけ、ＧａＮ，ＩｎＮ及びＡｌＮ、ならびにこれらをベースとした三元又は四元混晶、例えばＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＩｎＮ又はＡｌＧａＩｎＮが考慮される。
【００３８】
成長基板としては、サファイアのような絶縁基板、又は、ＳｉＣ，Ｓｉ，ＺｎＯ，ＧａＡｓもしくはＧａＰのような導電性基板を使用することができる。またここでは、ＧａＮ単結晶も考慮される。
【００３９】
本発明の他の有利な実施形態、特徴及び詳細は、従属請求項、実施例の説明及び図面から明らかとなる。
【００４０】
以下では、実施例に基づいて図面と関連させつつ本発明をより詳細に説明する。そのつど、本発明の理解にとって重要なエレメントだけが図示される。
【００４１】
図１は、本発明による発光光学素子の概略的な断面図を示す；
図２は、コーティング層がｐコンタクト層として機能する、本発明による発光半導体素子の１つの実施例の概略的な断面図を示す；
図３は、ＧａＮ発光ダイオードの放射の相対的強度を波長の関数として示す；
図４は、コーティング層として干渉フィルタを有する本発明による発光半導体素子の他の実施例の概略的な断面図を示す；
図５は、コーティング層として干渉フィルタを有する本発明による発光半導体素子のさらに別の実施例の概略的な断面図を示す；
図６は、図５の干渉フィルタ層の領域の詳細な図を示す。
【００４２】
実施例
図１は、本発明による青色発光ダイオード１０の基礎構造を概略的に示している。発光活性層を含む層スタック１２が、透過性の導電取付ベース１４上に配置されている。
【００４３】
取付ベース１４は本体１６の凹部に取り付けられており、側壁１８は放物面反射体として形成されている。そのため、層スタックから直接上へ放射される光線２４も、透過性ベース１４を通って下へ放射される光線２６も発光ダイオード１０の発光効率に寄与する。
【００４４】
本体１６はラジアル発光ダイオード１０の電気接続部を形成しており、ラジアル発光ダイオード１０は半導体素子の金属コンタクト３６（図４に明瞭に図示）と接続されている。第２の金属コンタクト３８はボンディングワイヤ２０を介して発光ダイオードの第２の電気接続部２２と接続されている。
【００４５】
構造全体は、安定化のため、保護のため、及び放射光線の良好な出力結合を保証するために、発光ダイオードの青色の光線に対して透過性のあるエキポシ樹脂２８で注型されている。
【００４６】
青色ＧａＮ発光ダイオードの光線のスペクトル分布６０はおよそ４３０ｎｍで最大値を有しており、強度５０％の幅はおよそ６０ｎｍである（図３）。主波長λｄｏｍ、すなわち、放射特性と視感度曲線の畳み込みから得られるピーク波長は、およそ４６０ｎｍである。３５０ｎｍから４００ｎｍまでの短波長領域内に入るのは、放射された出力のおよそ４．６％の割合だけである。
【００４７】
図２は、ＳｉＣ基板上で成長させたＧａｘＡｌｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ発光ダイオードの実施形態を示している。ここで、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ＝１である。層スタック３０は、例えば単一量子井戸（SQW, Single Quantum Well）又は多重量子井戸（MQW, Multiple Quantum Well）である活性層３２を有している。発光ダイオードの所望の特性を得るために、層スタック３０の正確な構造及び構成をどのように選択するかは、従来技術において原則的に公知であり、正確な構造はこの関連においては特に重要性を持たないので、以下では詳細に説明しない。
【００４８】
ＧａｘＡｌｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ発光ダイオードの第１の構造では、放射光線の主な部分は層スタック３０の上面３１を介して放出される。それゆえ、短波長の光線成分の低減のためには、層スタック３０の上面３１をコーティングすれば十分である。
【００４９】
図２の実施形態では、ｐ／ｎ接合を切断するためにＧａｘＡｌｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ層を上面３１上にエッチングした後、３８０ｎｍの厚さのインジウム・スズ・酸化物（ＩＴＯ）から成る層３４が敷設してある。ＩＴＯ層３４は導電性であり、それゆえ、一方では、金属コンタクト３８を介して層状構造内に印加される電流を活性層３２の全面にわたって一様に分布させるためのｐコンタクト層として機能する。
【００５０】
ＩＴＯ層３４は、他方では、青色スペクトル領域の光線に対して透過性である。透過率は４６０ｎｍでおよそ６５％であり、比較的に波長が長い場合には、９０％超まで上昇する。同時に、ＩＴＯ層３４は３５０ｎｍから４２０ｎｍまでの範囲の不所望の光線の相当な割合を吸収する。吸収率は層の厚さを４００ｎｍに選択した場合ですでに５５％である。
【００５１】
ＩＴＯ層３４の層の厚さの正確な値は目下のところ重大ではない。層の厚さの正確な値は、特別な要求に従って、十分な導電性、青色スペクトル領域内の有効波長における高い透過率、及び短波長スペクトル領域における十分に高い吸収率を得るために、広い範囲、特に１００ｎｍから１５００ｎｍまでの範囲で変化しうる。
【００５２】
つまり、図２の実施形態では、ＩＴＯ層は２重の機能を有している。ＩＴＯ層は、導電性コンタクト層としても、また発光ダイオードの光線の短波長成分を吸収し、それにより注型材の経年劣化プロセスを遅らせるコーティング層としても使用される。
【００５３】
もちろん、インジウム・スズ・酸化物の代わりに、別の導電性又は非導電性の材料を短波長光線成分の吸収のためのマスフィルタとして使用してもよい。ただし、コーティング層の材料は、導電性の場合にのみ、同時にｐコンタクト層としても使用することができる。他の場合には、以下で干渉フィルタ層との関連で説明されるように、電流の配給及び光線の吸収の機能を引き受ける２つの分離した層が必要である。
【００５４】
図４は本発明による発光ダイオードの別の構造を示している。ここでは、ＳｉＣ基板１４は、層スタック３０の下にある基板の側壁が斜めの区間１４ａを有するように挽き切られている。斜めの区間１４ａの上及び下では、基板の側壁が区間１４ｂ及び１４ｃにおいて層スタック３０に対して通常垂直に走っている。挽き切られた基板１４は、図１に示されているように、同時に取付ベースとしても機能する。
【００５５】
この構造では、有効放射の主な部分はＳｉＣ基板１４の斜め区間１４ａを介して放射されるので、層スタック３０と基板１４とから成るアセンブリ全体がコーティング層４４により包囲されている。層スタック３０への電気的コンタクトは、第１の金属コンタクト３８と層上面に接するｐコンタクト層と導電性ＳｉＣ基板１１４の下面に接する第２の金属コンタクト３６とを介して形成される。コーティング層４４と層スタック３０との間には、透過性の不活性化層４２が設けられている。
【００５６】
コーティング層４４はここでは誘電体層を交互に積み重ねた層列から成っており、実施例では、ＴｉＯ２層とＳｉＯ２層の列から成っている（図６も参照）。なお、これらの層は、選択的に、気相成長法、スパッタ法、プラズマを援用した化学堆積法又はイオンビーム被覆法により敷設される。コーティング層４４は、したがって、干渉フィルタ又はいわゆる分布ブラッグ反射体（DBR, distributed Bragg reflector）として作用する。層の厚さ及び交代する層の数は、公知の仕方で、４２０ｎｍ未満の波長の光線がコーティング層により所望のエッジ急峻度において所望の反射率Ｒで反射されるように選択される。
【００５７】
図５は青色発光ダイオードの実施形態を示しており、この実施形態では、従来の構造の発光ダイオードのｐコンタクト層４０上に誘電体の干渉フィルタ−コーティング層５４が敷設されている。コーティング層は、ｐコンタクト層４０の他に、層スタック３０の側面も覆うことができる。というのも、誘電体層は電気的に絶縁作用があり、それゆえ、ｐ／ｎ接合の短絡を引き起こすことがないからである。ｎコンタクトは、この実施形態においては、２つの金属パッド５６により形成されている。
【００５８】
図６の詳細な表示では、干渉フィルタスタック５４が、分布ブラッグ反射体を形成するＴｉＯ２層とＳｉＯ２層の交代列からどのようにして構成されているかが示されている。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明による発光光学素子の概略的な断面図を示す。
【００６０】
【図２】コーティング層がｐコンタクト層として機能する、本発明による発光半導体素子の１つの実施例の概略的な断面図を示す。
【００６１】
【図３】ＧａＮ発光ダイオードの放射の相対的強度を波長の関数として示す。
【００６２】
【図４】コーティング層として干渉フィルタを有する本発明による発光半導体素子の他の実施例の概略的な断面図を示す。
【００６３】
【図５】コーティング層として干渉フィルタを有する本発明による発光半導体素子のさらに別の実施例の概略的な断面図を示す。
【００６４】
【図６】図５の干渉フィルタ層の領域の詳細な図を示す。
【図３】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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2004523922.tif 000026
【国際調査報告】
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