(57)【要約】ルミネセンスダイオード（１）は活性層（３）の上方に鋸歯状のプロフィルを備えた出力リッジ（６）を有している。出力リッジ（６）の上方には周辺線路（１１）が延在しており、この周辺線路を介して電流が活性層（３）内へ誘導される。本発明のルミネセンスダイオード（１）は高い出力効率を特徴としている。
2004514295.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光子を放出する活性層（３）と放出される光子の少なくとも一部を透過するウィンドウ層（４）とを備えており、
該ウィンドウ層上に活性層（３）への電流供給のための電気コンタクトが設けられている
ルミネセンスダイオードにおいて、
ウィンドウ層は長く延在する出力リッジ（６）を有しており、
該出力リッジ上に長く延在するコンタクト線路（１１，１９）が設けられており、
出力リッジはコンタクト線路（１１，１９）に沿って延在する少なくとも１つの側面（１２）を有しており、
該側面はコンタクト線路（１１，１９）に対して横断方向に延在する突出部（１３）を備えたプロフィルで構成されている
ことを特徴とするルミネセンスダイオード。
【請求項２】
突出部（１３）は先端の尖った形状である、請求項１記載のルミネセンスダイオード。
【請求項３】
突出部（１３）は三角形の底面を有する、請求項１または２記載のルミネセンスダイオード。
【請求項４】
突出部（１３）の側面（１２）は鋸歯状のプロフィルを有する、請求項１から３までのいずれか１項記載のルミネセンスダイオード。
【請求項５】
先端の尖った突出部（１３）の対頂角γは１０°より小さい、請求項１から３までのいずれか１項記載のルミネセンスダイオード。
【請求項６】
少なくとも部分的に側面を形成する突出部（１３）のエッジ（１４）の面法線（１５）と活性層（３）の面法線（１６）とのなす角は４５°〜８８°である、請求項１から４までのいずれか１項記載のルミネセンスダイオード。
【請求項７】
側面（１２）は活性層（３）内へ続いている、請求項１から４までのいずれか１項記載のルミネセンスダイオード。
【請求項８】
突出部（１３）はプリズム状に構成されている、請求項７記載のルミネセンスダイオード。
【請求項９】
所定のプロフィルを与えられたウィンドウ層の出力リッジ（６）の隘部（１７）の高さと幅との比は０．１〜１０である、請求項１から８までのいずれか１項記載のルミネセンスダイオード。
【請求項１０】
前記比は１以上３以下である、請求項９記載のルミネセンスダイオード。
【請求項１１】
コンタクト線路（１１，３９）はルミネセンスダイオードの縁部を包囲する導体路として構成されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載のルミネセンスダイオード。
【請求項１２】
コンタクト線路（１１，３９）はウィンドウ層（４）に対して電気的に絶縁された少なくとも１つの接続線路（９）を介してコンタクト位置（８）へ接続されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載のルミネセンスダイオード。
【請求項１３】
１つまたは複数のコンタクト位置（８）はウィンドウ層（４）に対して電気的に絶縁されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載のルミネセンスダイオード。
【請求項１４】
出力リッジ（６）はウィンドウ層（４）の隆起部によって形成されている、請求項１から１３までのいずれか１項記載のルミネセンスダイオード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、光子を放出する活性層と放出される光子の少なくとも一部を透過するウィンドウ層とを備えており、このウィンドウ層上に活性層への電流供給のための少なくとも１つのコンタクトが設けられているルミネセンスダイオードに関する。
【０００２】
この種のルミネセンスダイオードは米国特許第５２３３２０４号明細書から公知である。周知のルミネセンスダイオードは吸収性の基板上に設けられた光形成領域を有している。この光形成領域の上方にウィンドウ層が設けられており、このウィンドウ層の厚さはウィンドウ層の表面で全反射した光ビームが基板へ向かわず、ウィンドウ層の側面へ入射してそこから外へ出射されるように選定されている。ウィンドウ層はさらにコンタクト位置を介してウィンドウ層へ供給される電流を活性領域全体にわたって均一に分布させる役割も有している。
【０００３】
周知のルミネセンスダイオードの欠点は、コンタクト位置の直下の活性領域で形成された光を容易に出力することができないということである。特に活性領域からコンタクト位置への方向へ向かう光ビームはその大部分がコンタクト位置で反射されて吸収性の基板のほうへ戻ってしまう。
【０００４】
欧州特許出願公開第０５４４５１２号明細書では、ウィンドウ層を省略して、その代わりにツリー状にパターニングされた導体路を発光ダイオードの表面に設ける構成が提案されている。ここで特徴的なのは、導体路分岐の頂点へいたる導体路が下方の層から電気的に絶縁されている点である。したがって電流は下方の層の光形成領域へ点状に供給されるのみである。この位置はルミネセンスダイオードの表面全体にわたって均一に分布している。また光効率を上昇させるために、発光点の近傍に斜めの光出射面が設けられており、これにより形成された光は短い移動区間でルミネセンスダイオードから外部へ出射される。斜めの光出射面は導体路の下方に存在する層をメサ状に構成することにより得られる。この層はダブルへテロ構造を構成するため、ドープされたカバー層のあいだにドープされない光形成層を配置しなければならない。こうした手段によっても光効率はそれ以前の技術と比べて係数１．５ほどしか上昇しない。
【０００５】
こうした従来の技術から出発して、本発明の課題となるのは、改善された光効率を有するルミネセンスダイオードを提供するということである。
【０００６】
この課題は本発明の請求項１記載の特徴を有するルミネセンスダイオードを構成して解決される。
【０００７】
本発明の主たる特徴は、コンタクトが導体路から形成されており、導体路は有利にはこれに沿って長く延びたウィンドウ層の隆起部上に設けられており、隆起部の側面はコンタクト線路に対して横断方向に延在する突出部を備えたプロフィルで構成されている点である。
【０００８】
コンタクトを導体路として構成することにより、電流は活性層内を点状に誘導されるばかりでなく、長く延びた大きな面積にわたって誘導される。活性層内で形成される光子の大部分はウィンドウ層の隆起部の側面を介してルミネセンスダイオードから出射される。このことはウィンドウ層内の経路をほぼ導体路に沿って（つまり隆起部の延在方向に沿って）走る光子の大部分にも相当する。これに対してきちんとしたプロフィルを与えられていないウィンドウ層であれば外側の界面で全反射してしまう。側面のプロフィルを導体路に対して横断方向に延在する突出部が生じるように定めることにより、これらの光子は側面の所定のセクションに全反射角よりも小さい所定の角度で入射する。したがって光子の損失は生じず、光効率は上昇する。実験では、従来の技術から周知の単純なウィンドウ層を備えたルミネセンスダイオードに比べて、ほぼ係数２にいたる光効率の上昇が得られた。
【０００９】
本発明の有利な実施形態では突出部は角錐台状に構成されており、その側面のなす角度は延在する光子軌道が発生後に突出部のエッジに所定の鋭角をなすように選定されている。これは後にエッジに達したときに全反射の限界角を下回り、光子がウィンドウ層から出射される角度である。
【００１０】
別の有利な実施形態は従属請求項の対象となっている。
【００１１】
以下に本発明を添付図に則して詳細に説明する。
【００１２】
図１にはルミネセンスダイオードの斜視図が示されている。ここでルミネセンスダイオードは鋸歯状プロフィルの側面を備えたウィンドウ層上に導体路トラックを有している。図２には図１のルミネセンスダイオードの側面のプロフィルの拡大図が示されている。図３には図１のルミネセンスダイオードの平面図が示されている。図４には図３の切断線ＩＶ−ＩＶに沿って切断したルミネセンスダイオードの断面図が示されている。図５には切断線ＩＶ−ＩＶに沿って切断した断面での光形成の様子がダイアグラムで示されている。図６には基板、活性層、付加的なウィンドウ層の順に設けられた従来のルミネセンスダイオードの断面図が示されている。図７には図６の断面での活性層における光形成の様子がダイアグラムで示されている。図８には活性層がパターニングされ、中央のコンタクト位置が生じたルミネセンスダイオードの断面図が示されている。図９には図８のルミネセンスダイオードの活性層における光形成の様子がダイアグラムで示されている。図１０にはウィンドウ層を備えたルミネセンスダイオードの断面図が示されているが、ここではまだ図１の発光ダイオードの導体路に相応して形成すべき導体路がパターニングされていない。図１１には図１０のルミネセンスダイオードの活性層における光形成の様子がダイアグラムで示されている。図１２には本発明のルミネセンスダイオードの変形例の平面図が示されている。
【００１３】
図１、図３のルミネセンスダイオード１、３は基板２を有しており、この基板上に光子を放出する活性層３が設けられている。この種の活性層３は唯一の層から成っていてもよいし、また複数の個別層を有する層列から成っていてもよい。
【００１４】
活性層３の上方にウィンドウ層４が存在し、このウィンドウ層の上部５には延在する周辺リッジ６のかたちの隆起部が設けられている。これを以下出力リッジ（Ａｕｓｋｏｐｐｅｌｓｔｅｇ）とも称する。上部５の中央には中央隆起部７の個所にコンタクト位置８が存在しており、これはウィンドウ層４に対して電気的に絶縁されている。中央隆起部７と周辺リッジ６とのあいだのウィンドウ層４の隆起部によって形成されている接続リッジ１０上に延在する接続線路９を介して、コンタクト位置８は周辺リッジ６上の周辺線路１１に接続されている。接続線路９もウィンドウ層４に対して電気的に絶縁されている。したがって電流は活性層３へは少なくともほぼ周辺線路１１を介してしか達しない。
【００１５】
周辺リッジ６はウィンドウ層４の表面５と自身の表面５０とを接続する側面１２を有しており、この側面は周辺線路１１の延在方向に対して横断方向に延在する突出部１３を備えた鋸歯状のプロフィルを有している。突出部１３は角錐台状に構成されており、少なくとも部分的に表面５に対して斜めに立ち上がるエッジ１４を有している。
【００１６】
図２には突出部１３が拡大図で示されている。エッジ１４の傾角は、エッジ１３の法線１５と活性層３の法線１６とのなす角φが４５°〜８８°となるように選定されている。突出部１３の第１のエッジと周辺線路１１の延在方向とのなす角α、突出部１３の第２のエッジと周辺線路１１の延在方向とのなす角β、突出部１３の第１のエッジと第２のエッジとのなす角γは、有利には、これらの角度が１０°より小さくなるように選定されている。またいずれの角も４５°〜６０°であってはならない。なぜならこれらの角度が高い対称性を有する場合、出力効率が低下してしまうからである。さらに有利には、周辺リッジ１６の隘部１７の幅ｂと高さとの比は０．１＜Ｖ＜１０であり、特に１＜Ｖ＜３である。
【００１７】
図４には図３に示されている切断線ＩＶ−ＩＶに沿って切断した断面図が示されている。図５には切断線ＩＶ−ＩＶに沿って見た光形成率が示されている。光形成率とはここでは活性層３内で形成される光子のレートであると解されたい。これはほぼ電流密度、ひいてはそのつどの電流注入の特性を反映している。
【００１８】
光形成率はコンタクト位置８の直下では圧倒的に小さくなっている。相応に光形成率はそこで最小値１８を有する。周辺リッジ６の領域で光形成率は最大値１９を有する。なぜならそこでは、この周辺線路がコンタクト位置８および接続線路９とは異なってウィンドウ層に対して電気的に絶縁されていないために、周辺線路１１からの電流がウィンドウ層４内へ注入されるからである。効率的な光出力のためには所定のプロフィルを有する周辺リッジ６が光形成率の最大値１９の直接近傍に位置することが重要である。というのは、電流の局所的な注入とウィンドウ層４の表面のパターニングとの組み合わせの効果によって高い光効率が得られるからである。以下にこれを図６〜図１１に示した比較例に則して詳細に説明する。
【００１９】
以下の考察は、底面積３００μｍ×３００μｍの吸収性基板を備えたルミネセンスダイオードを用いて行った。活性層の厚さは２００ｎｍ、吸収係数は１００００／ｃｍである。ウィンドウ層の厚さは１０μｍ、コンタクトの反射率は３０％、活性層の屈折率は３．２、半導体内の屈折率は３．５、周囲の媒体の屈折率は１．５である。
【００２０】
比較例１
図６に示されているさいころ状のルミネセンスダイオード２０を参照されたい。このルミネセンスダイオード２０は基板２１を有しており、この基板上に活性層２２が構成され、さらにそれをカバー層２３がカバーしている。ウィンドウ層２３上にはさらに中央コンタクト２４が存在しており、このコンタクトはウィンドウ層２３対しては電気的に絶縁されていない。このようなルミネセンスダイオードは図７に示されているような光形成率の分布曲線２５を有する。
【００２１】
図６、図７の比較から解るように、光形成率の最大値は中央コンタクト２４の直下で得られる。ただしそこで形成される光子の大部分はすぐにコンタクト位置２４への界面で吸収されてしまうか、またはコンタクト位置２４で反射されて吸収性の基板２１へ戻ってしまう。したがってこのルミネセンスダイオード２０からは形成された光子のうち約５％しか出力されない。出射された光子数と形成された光子数との比を以下では簡単に出力効率と称する。以下ではルミネセンスダイオード２０の効率の相対比をパーセント表示する。
【００２２】
比較例２
図８には別のルミネセンスダイオード２６の断面図が示されている。このダイオードのウィンドウ層２７はルミネセンスダイオード１のウィンドウ層４に相応にパターニングされている。ルミネセンスダイオード２６においても活性層２２への電流注入は中央のコンタクト位置２４を介して行われる。
【００２３】
ここでは図９に示されているようなコンタクト位置２４の下方に集中する光形成率の分布２８が得られる。
【００２４】
光形成は当該のルミネセンスダイオード２６でも主としてコンタクト位置２４の直下で生じる。ルミネセンスダイオード２０の出力効率に比べてルミネセンスダイオード２６では出力効率が５０％高められ、１５０％となっている。このことは、たとえ分布曲線２５と同様に光形成がルミネセンスダイオード１の周辺リッジ６に相応する周辺リッジ２９の直下に集中していなくとも、注目に値する。したがってこの考察では、ルミネセンスダイオード１の縁部に設けられた鋸歯状のプロフィルを有する周辺リッジ６が特に有利な作用を有することがわかる。
【００２５】
比較例３
このケースでは、図１０に示されているルミネセンスダイオード３０が使用されている。ここではウィンドウ層２３はルミネセンスダイオード２０と同様にまだパターニングされていない。ルミネセンスダイオード３０には周辺線路３１、接続線路３２、および中央コンタクト位置３３が設けられており、これらはルミネセンスダイオード１の周辺線路１１、接続線路９、およびコンタクト位置８に相応に構成されている。特にコンタクト位置３３および接続線路３２はウィンドウ層２３から電気的に絶縁されている。
【００２６】
これにより図１１に示されている光形成率の分布曲線３４が得られる。この曲線は周辺線路４４の下方に最大値３５を有している。ウィンドウ層２３の電流伝搬機能のために活性層２２内へ注入された電流の一部は中央のコンタクト位置３３内へ流れる。したがって分布曲線３４の最小値３６においても光形成は行われる。ルミネセンスダイオード２０の出力効率に比べてルミネセンスダイオード３０の効率は４０％上昇し、１４０％となっている。
【００２７】
実施例
図１〜図４に則した考察から、以下のことがわかった。周辺リッジ６を介して光形成が付加的に集中されるので、光形成率は最小値でほぼゼロへ近づく。また所定のプロフィルを与えられた周辺リッジ６は光形成率の最大値１９の直接近傍に位置することから、形成された光の大部分がチップ内のきわめて短い移動区間を通った後に出力される。
【００２８】
ルミネセンスダイオード１では、ルミネセンスダイオード２０の出力効率に比べて１７５％の上昇が得られ、その出力効率は２７５％となった。つまり所定のプロフィルを与えられた周辺リッジ６の下方での所望の電流注入が個々の措置の組み合わせから予測される利得を大きく上回る出力効率の利得をもたらしたのである。
【００２９】
角錐台状に構成された突出部１３も出力効率の高い利得に寄与している。角度α、β、γを前述のように選択することにより、光子の入射角はエッジでの反射により小さくなり、全反射の限界角を下回る。これにより光子はルミネセンスダイオード１から出射される。さらにエッジ１４の傾角により、最初に活性層３から上方へ向かう光子が反射するたびに経路を平坦化させて最終的に周辺リッジ６の側方から出射されることが保証される。
【００３０】
突出部１３は周辺リッジが活性層内へ延在する場合、三角形の底面を有するプリズムである。
【００３１】
図１２にはルミネセンスダイオード３７の別の実施例が示されている。このルミネセンスダイオードは周辺リッジ６に加えて中間リッジ３８のかたちの別の出力リッジを有している。この中間リッジはそれぞれ突出部１３を備えたプロフィルを有しており、中間線路３９上を延在している。さらにルミネセンスダイオード３７では、コンタクト位置４０は中央でなくこのルミネセンスダイオード３７の縁部に設けられている。
【００３２】
ルミネセンスダイオード１、３０の特に有利な利点として、面積をほぼ任意の大きさに選定することができることが挙げられる。なぜなら面積の大きさはウィンドウ層４の層厚さを相応にスケーリングして定める必要がないからである。本発明のこうした利点は、ウィンドウ層を備えた大面積のチップを製造する際に代替のフレームにかかる技術コストの点で有利である。
【００３３】
本発明のルミネセンスダイオードの構造、特に上述の実施例の構造は、ＧａＰベース、例えばＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｌＰ、ＧａＡｌＰ、ＧａＰなどをベースとした光放出層を備えたルミネセンスダイオードに特に適している。これらの層はＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｌＰ、ＧａＡｌＰ、ＧａＰなどをベースとした活性層を有している。この種のルミネセンスダイオードは周知であるので、ここでは詳細には説明しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】
ルミネセンスダイオードの斜視図である。
【図２】
ルミネセンスダイオードの側面のプロフィルの拡大図である。
【図３】
ルミネセンスダイオードの平面図である。
【図４】
図３の切断線ＩＶ−ＩＶに沿って切断したルミネセンスダイオードの断面図である。
【図５】
断面での光形成の様子を示したダイアグラムである。
【図６】
従来のルミネセンスダイオードの断面図である。
【図７】
図６の断面での活性層における光形成の様子を示したダイアグラムである。
【図８】
活性層がパターニングされ、中央のコンタクト位置が生じたルミネセンスダイオードの断面図である。
【図９】
図８のルミネセンスダイオードの活性層における光形成の様子を示したダイアグラムである。
【図１０】
ウィンドウ層を備えたルミネセンスダイオードの断面図である。
【図１１】
図１０のルミネセンスダイオードの活性層における光形成の様子を示したダイアグラムである。
【図１２】
本発明のルミネセンスダイオードの変形例の平面図である。
【国際公開パンフレット】
2004514295.tif 000003
2004514295.tif 000004
2004514295.tif 000005
2004514295.tif 000006
2004514295.tif 000007
2004514295.tif 000008
2004514295.tif 000009
2004514295.tif 000010
2004514295.tif 000011
2004514295.tif 000012
2004514295.tif 000013
2004514295.tif 000014
2004514295.tif 000015
2004514295.tif 000016
2004514295.tif 000017
2004514295.tif 000018
2004514295.tif 000019
2004514295.tif 000020
2004514295.tif 000021
2004514295.tif 000022
2004514295.tif 000023
2004514295.tif 000024
【国際調査報告】
2004514295.tif 000025
2004514295.tif 000026
2004514295.tif 000027
2004514295.tif 000028
2004514295.tif 000029
2004514295.tif 000030