(57)【要約】発光チップ（３）がレンズ状の出力結合窓（４）を有し、その基面（５）にはミラー面（６）が設けられている。出力結合窓（４）の出力結合面（７）には層シーケンス（９）が配置されており、この層シーケンスは光子を放射するｐｎ接合部（１０）を備えている。ｐｎ接合部から放射された光子はミラー面（６）で反射され、出力結合窓（４）を出力結合面（７）を通って去ることができる。
2004513519.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電用チップ、とりわけＬＥＤチップであって、光子を放射するアクティブ領域（８）と、少なくとも１つの出力結合面（７，１５，１７）を備える出力結合窓（４）とを有する形式のチップにおいて、
アクティブ領域（８）は、チップの主ビーム放射方向（１８）を基準にして出力結合窓（４）に後置されており、
アクティブ領域（４）に対向する出力結合窓（４）の側には、ミラー面（６）が構成されており、
出力結合面（７，１５，１７）は側方でアクティブ領域（８）の側面を越えて突出している、
ことを特徴とするチップ。
【請求項２】
アクティブ層（８）は、出力結合窓（４）の上に形成された層シーケンス（９）である、請求項１記載のチップ。
【請求項３】
チップは、アクティブ領域（８）を通って延在するチップ軸を有する、請求項１または２記載のチップ。
【請求項４】
出力結合窓（４）はドーム形状、とりわけ円形キャップ形状を有し、出力結合窓はアクティブ領域に向かって先細になっている、請求項３記載のチップ。
【請求項５】
出力結合面（７）の曲率半径Ｒ２は、２Ｈ−Ｒ２（ｎＡ／ｎｉ）より大きいかまたは等しく、２Ｈ＋Ｒｓ（ｎＡ／ｎｉ）より小さいかまたは等しく、ここでＨはチップの高さである、請求項４記載のチップ。
【請求項６】
出力結合面に沿った層シーケンス（９）の最大寸法Ｒ１の半分に対して：
Ｒ１＜Ｒ２　ｎＡ／ｎｉ
が成立する、請求項５記載のチップ。
【請求項７】
出力結合窓（４）は少なくとも部分的にプらミッド切株状に構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のチップ。
【請求項８】
少なくとも部分的にピラミッド切株状に構成された出力結合窓（４）は、球欠形を取り囲む、請求項７記載のチップ。
【請求項９】
少なくとも部分的にピラミッド切株状に構成された出力結合窓（４）は、アクティブ領域（８）を通って延在する長手軸を有する回転楕円形を取り囲む、請求項７記載のチップ。
【請求項１０】
出力結合窓（４）はフレネルレンズとして構成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のチップ。
【請求項１１】
ミラー面（６）は、アクティブ領域（８）の下方に、光子を横方向に偏向する隆起部（２１）を有する、請求項１から１０までのいずれか１項記載のチップ。
【請求項１２】
ミラー面（６）は湾曲している、請求項１から１１までのいずれか１項記載のチップ。
【請求項１３】
ミラー面（６）は、アクティブ領域（８）から見て凹面に構成されている、請求項１２記載のチップ。
【請求項１４】
ミラー面（６）は放物面として構成されている、請求項１３記載のチップ。
【請求項１５】
ミラー面（６）はフレネルミラーとして構成されている、請求項１から１４までのいずれか１項記載のチップ。
【請求項１６】
ミラー面（６）はコンタクト面として用いられる、請求項１から１５までのいずれか１項記載のチップ。
【請求項１７】
ミラー面（６）はコンタクト面の横に形成されている、請求項１から１５までのいずれか１項記載のチップ。
【請求項１８】
接触接続部はストライプ状に構成されている、請求項１７記載のチップ。
【請求項１９】
接触接続部はネット状に構成されている、請求項１７記載のチップ。
【請求項２０】
コンタクト面はアクティブ領域（８）に対向している、請求項１７から１９までのいずれか１項記載のチップ。
【請求項２１】
アクティブ領域（８）と出力結合窓（４）との間にはコンタクト層が形成されている、請求項１から２０までのいずれか１項記載のチップ。
【請求項２２】
出力結合窓の材料は、アクティブ領域の材料よりも大きな屈折率を有している、請求項１から２１までのいずれか１項記載のチップ。
【請求項２３】
窒化酸化物ベースのアクティブ領域が設けられており、出力結合窓はＳｉＣ材料またはＳｉＣベースの材料を有する、請求項１から２２までのいずれか１項記載のチップ。
【請求項２４】
アクティブ領域のビーム放射層はＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮおよび／またはＩｎＧａＡｌＮを有している、請求項２３記載のチップ。
【請求項２５】
アクティブ領域は出力結合窓の上に成長されている、請求項１から２４までのいずれか１項記載のチップ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、光子を放射するアクティブ領域と、該アクティブ層に配属されており、とりわけ該アクティブ層に当接する出力結合窓とを有するビーム放射性チップに関するものであり、前記出力結合窓は出力結合面を有し、該出力結合面を介して、アクティブ領域から放射されるビームの少なくとも一部がチップから出力結合される。
【０００２】
ＵＳ５０８７９４９Ａから、発光ダイオードチップが公知である。この発光ダイオードチップはｎドープされたピラミッド切株状の出力結合窓を有している。ｎ導電性の基体の基面に沿って、ｐ導電性層が形成されている。ｐ導電性層の下には絶縁層があり、絶縁層は中央窓によって遮断されている。この窓では、ｐ導電性層がコンタクト層によりコンタクトされている。ピラミッド切株状の基体の上側に別のコンタクト層がある。絶縁層によって、ｐ導電性層とｎ導電性基体を通って窓の領域へ流れる電流が制限される。電流が流れる際に、窓の領域ではｐ導電層とｎ導電性基体との間の境界面に沿って光子が放射される。基体のピラミッド切株状の構成に基づいて、光子の大部分はピラミッド切株状基体の出力結合面に次のような角度で当たる。すなわち全反射に対する臨界角よりも小さな角度で当たる。このことによりこの公知の構成素子は比較的高い光効率を有する。
【０００３】
公知の発光ダイオードチップの欠点は、ｐｎ接合部がチップの取付け側に存在することである。従って、導電性銀エポキシ接着剤による取付けの際に、側方に大きく流れ出す接着剤がアクティブ領域を電気的に短絡するという危険性がある。このことは構成素子の故障につながる。
【０００４】
この従来技術から出発して、本発明の課題は、冒頭に述べた形式のチップを改善し、アクティブ層ないしその一部の短絡の危険性が十分に回避されるように構成することである。
【０００５】
この課題は、請求項１に記載の構成を有するチップにより解決される。
【０００６】
本発明の有利な改善形態は、請求項２から２５に記載されている。
【０００７】
以下の明細書中で「チップ軸」とはチップの取付け面に対して垂直な、チップを通って延在する直線を意味する。
【０００８】
本発明によれば、チップのアクティブ領域はチップ軸に対して垂直の横断面を有し、アクティブ領域はチップの照射方向で出力結合窓に後置されている。前記アクティブ領域の横断面は、チップ軸に対して垂直の出力窓の横断面よりも小さい。アクティブ領域とは反対側で、従って取付け面に向いた出力結合窓の側にはミラー面が形成されている。このミラー面は有利には上記のアクティブ領域の横断面よりも大きく、有利には金属化層から形成されている。この金属化層は特に有利には同時にチップの電気的接触接続にも使用される。
【０００９】
本発明のチップでは、光子を放射するアクティブ層が、チップ支持体上のチップを固定するための各導電性接続手段から十分に離されており、その結果、アクティブ領域が導電性接続手段によって電気短絡する危険性が十分に回避される。従って本発明のチップは高い信頼性を以て取り付けることができる。
【００１０】
本発明の構成素子の有利な実施形態では、出力結合窓のうち、横方向にアクティブ領域を越えて突出する部分領域の、チップの照射方向に向いた面は例えば円形で外側に向かって弓形の湾曲表面を有する。有利にはこの湾曲表面は完全にアクティブ領域を周回しており、これにより出力結合窓は少なくとも円形キャップ形状に近似する外側輪郭を有する。
【００１１】
ここでアクティブ領域の断面と、出力結合窓の湾曲表面の曲率半径Ｒ２とは、ミラー面でのミラー反射により発生する仮想アクティブ領域が、円の弓形に向いたワイエルショトラウスの球の内側に来るよう選択されている。これの意味するのは、曲率半径Ｒ２は構成素子の高さの２倍より大きいか、または等しいということである。さらにアクティブ領域の最大外側寸法Ｒ１の半分は出力結合面沿って、Ｒ１＜Ｒ２　ｎＡ／ｎｉである。ここでｎｉは出力結合までの材料の屈折率、ｎＡはとりわけチップ注入樹脂により形成される周囲の屈折率である。
【００１２】
この構成により、チップはワイエルショトラウスによる理想形状に近似する。なぜなら、仮想アクティブ領域がワイエルショトラウスの球内にあり、そこで仮想的に形成された光子が基体を去ることができるからである。
【００１３】
本発明では、出力結合窓の材料がこれに当接するアクティブ領域（アクティブ領域は通常、アクティブ多層構造体として構成されている）の材料よりも大きな屈折率を有するとチップに対して特に有利である。このことにより有利には、アクティブゾーンから後方へ放射されるビームがアクティブ領域と出力結合窓との境界面で反射するのが緩和され、出力結合窓へ入力結合されるビームが圧縮される。
【００１４】
本発明のチップ幾何形状はとりわけ窒化物ベースのＬＥＤチップで使用すると有利である。この窒化物ベースのＬＥＤチップでは、アクティブ多層構造体がＳｉｃ成長基板またはＳｉｃベースの成長基板状に作製される。この場合、アクティブ層の屈折率＞基板の屈折率が当てはまる。ＧａＮベースのＬＥＤチップは、そのビーム放射層に例えばＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮおよび／またはＩｎＧａｌＮを有する。
【００１５】
「窒化物ベース」には、例えばＧａＮ，ＩｎＮ，ＡｌＮ，ＡｋＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＩｎＡｌＮおよびＡｌＩｎＧａＮのようなＩＩＩ−Ｖ半導体混晶を有するすべての二元、三元、および四元窒素が当てはまる。
【００１６】
これと同様に「Ｓｉｃベース」により、その基本特性が構成成分ＳｉとＣによるものである混晶が意味される。
【００１７】
アクティブ層の層シーケンスは有利にはすでに基板材料上に成長され、これが後で出力結合窓にさらに処理される。
【００１８】
以下、本発明の詳細を添付図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１は、ワイエルショトラウスの原理に従う光を形成する素子の横断面の概略図である。
【００２０】
図２は、本発明によるチップの横断面の概略図である。
【００２１】
図３は、図２のチップの横断面の概略図であるが、ここでは仮想アクティブ領域の位置が示されている。
【００２２】
図４は、本発明によるチップの別の実施例の横断面の概略図である。
【００２３】
図５は、ビームに指向性のある実施例の横断面を示す図である。
【００２４】
図６は、ミラー面がアクティブ層の下方で光子を側方に偏向する隆起部を有する実施例の横断面を示す図である。
【００２５】
図７は、凸状のミラー面を有する実施例を示す。
【００２６】
図８は、アクティブ層が順次配置された構成素子を示し、これらのアクティブ層には出力結合窓のピラミッド切株状部分が配属されている。
【００２７】
図１に示された素子は、ワイエルショトラウスの理想モデルにより形成された横断面を有する。この素子は、内部光を形成する領域１を有し、この領域の半径はＲ１である。光を形成する領域１はスリーブ２によって取り囲まされており、このスリーブの屈折率はｎｉ、半径はＲ２である。スリーブ２は屈折率がｎＡである材料（例えば空気またはプラスチック注入材料）により取り囲まれている。光を形成する領域１中に形成された光が完全にスリーブ２から出力結合できるようにするため（　　　　Ｒ１／Ｒ２）＜（ｎＡ／ｎｉ）が成り立たなければならない。
【００２８】
図２には、発光ダイオード（ＬＥＤ）チップ３の横断面が示されている。このＬＥＤチップは円形キャップ状の出力結合窓４を有し、その基面５にはミラー層６が形成されている。ミラー層に対向して、出力結合窓４の上には光子を放射するアクティブ領域８が設けられている。アクティブ領域８はビーム放射ゾーン１０，とりわけビーム放射性のｐｎ接合部１０の層シーケンス９を有し、コンタクト層１１により覆われている。アクティブ領域８はビーム放射ゾーン１０の層の他に、例えば結晶ラインまたは電気的適合に該当する別の層および／またはいわゆるカバー層も有している。この種の層シーケンスは公知であり、従ってここでは詳細に説明しない。ミラー層６はコンタクト層としても構成することができる。
【００２９】
電流が出力結合窓４とアクティブ領域８を流れるとき、ビーム形成ゾーン１０では電荷担体の再結合によって光子が形成される。このようにして形成された光子の一部は出力結合窓４に向かって放射され、基面５で反射され、大部分が出力結合面７の方向に向かって偏向される。そこで光子が、全反射に対する臨界角（限界角とも称される）よりも小さな角度で衝突すれば、光子は出力結合面７を通過して出力結合窓４を去ることができる。後者に合致する確率が、本発明のチップでは従来のチップ幾何形状と比較して高められている。
【００３０】
チップの幾何的関係を次のように選択すると特に有利である。すなわち、アクティブ領域８の虚像１２が出力結合面７を基準にして、光出力結合に対するワイエルショトラウスの条件が全反射なしで満たされるような位置に来るよう選択するのである。これは、出力結合面７の曲率半径Ｒ２が、式
２Ｈ−Ｒ２（ｎＡ／ｎｉ）≦Ｒ２≦２Ｈ＋Ｒ２（ｎＡ／ｎｉ）
の満たされるように選択されている場合である。ただし、有利にはＲ２＝２Ｈであり、Ｈはチップ３の高さである。さらにアクティブ領域８の広がりの半分Ｒ１、アクティブ領域８の屈折率ｎ１、および出力結合窓４の屈折率ｎ２に対しては：Ｒ１／Ｒ２＜ｎＡ／ｎｉが当てはまらなければならない。この場合、ミラー面６に当たる光子の大部分が出力結合面７を通って出力結合することができる。前記のことを前提にすれば、ミラー面６とアクティブ領域８との間で往復して反射される光子だけが実質的にアクティブ領域８で再び吸収される。
【００３１】
図４にはチップ３の変形実施例が示されている。このチップの出力結合窓１４は、アクティブ領域８への境界面から出発して、チップ軸から斜めに延在する側面１５によってピラミッド切株状に構成されている。出力結合窓１４の他の側面と共に、斜めに延在する側面１５はドーム状に湾曲した出力結合面を形成し、この出力結合面の包絡線は近似的に円形キャップの形状をしている。後者は図４に破線で示してある。図４に示されたチップは、これを簡単に作製でき、同時にワイエルショトラウスによる理想形状に近似できる点で有利である。
【００３２】
図４に示されたチップ１３とは異なり図５に示されたチップでは、斜めに延在する側面１７が、図４のチップ１３の相応する側面１５の場合よりもチップ軸に対して鋭角に延在している。チップ１３の側面１５は図５では破線で示されている。側面１７が鋭角であることにより、チップ１６から発するビームは放射方向１８に集中する。このことは図２５に実線で示した光子の軌跡により示されている。この光子の軌跡は、図４からのチップ１３の場合として破線で示した光子の軌跡２０よりも放射方向１８に向かってより強く配向されている。
【００３３】
図５に基づき、光子の軌跡１９のいくつかはコンタクト層１１とミラー層６との間で複数回往復して延在することがわかる。このような軌跡を有する光子は一部がアクティブ領域８で吸収され、失われてしまう。図６に示すように、チップ軸に対して斜めに起立する面３０を、出力結合窓１４のアクティブ領域８とは反対の側に設けることにより、この問題を少なくとも緩和することができる。この面３０は有利には反射性に構成される。この斜めに起立する面３０は前記の光子の軌跡１９をチップ軸から側方に向かって偏向する。その結果、光子はアクティブ領域８には向かわず、出力結合窓１４の側面に向かって反射される。
【００３４】
チップ軸に対してこのように斜めに起立するビーム偏向面３０は例えば出力結合窓１４の適切な構造化によって達成される。この構造化は、切欠部２１とその間にある隆起部２２を基面５に、アクティブ領域８の下に設けることにより行われる。
【００３５】
切欠部２１は例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）または切り出しにより作製することができる。
【００３６】
図７に示した別の実施例の断面図では出力結合窓２６が、アクティブ領域８とは反対の側に、パラボラ状の中空ミラーの形態のミラー層６を有する。有利にはミラー層６の焦点はアクティブ領域８に存在する。ミラー面６での反射によって、アクティブ領域８から発する光子の軌跡は、光子が全反射に対する臨界角よりも小さな角度で出力結合窓２６の全面に当たるように反射される。パラボラ状のチップ裏面に加えて、出力結合窓２６の上側２４を図２，４，５のチップのように構成することができる。
【００３７】
図７のチップ幾何形状の利点は、窓層２６の前面における出力結合面が小さくなることである。発光密度が有利には図２のチップの場合よりも高くなる。これにより光を後置された光学系によって容易に結像することができる。
【００３８】
さらに図８に示すように、複数のチップ３，１３または２３を並置して、ただ１つのチップ２７に接合することができる。ここで側面１５は凹部２８により出力結合窓４に形成される。有利には凹部２８はプロフィール切り出しにより出力結合窓４に取り付けられる。
【００３９】
図１から図８に示した実施例では、ミラー面６がそれぞれコンタクト層として構成されている。しかし接触接続を全面で行うのではなく、基面５を部分的に覆うコンタクトの他に、残りの面の鏡面化を行うこともできる。基面５を部分的に覆う接触接続部は例えばネット状またはストライプ状に構成することができる。有利には基面５に沿って形成されたコンタクト層は上側コンタクト層１１に正確に対向すべきである。これは電気損失を小さく保持するためである。
【００４０】
基面に沿って接触接続部を設ける代わりに、アクティブ領域８と出力結合窓４ないし２６との間に設け、これを側方から引き出すこともできる。
【００４１】
図２から図８に示された実施例では、アクティブ層８がそれぞれレンズ状の出力結合窓４の上に配置されている。しかし図２から図６に示した実施例で、出力結合窓４をフレンネルレンズの形態に構成することも考えられる。同じように図７に示した実施例で、ミラー面６がフレンネルミラーの形態を有することもできる。
【００４２】
接触接続部はストライプ状またはネット状に構成することができ、ストライプないしネットライン間の中間空間は有利には反射性に構成される。
【００４３】
例１：
基面５が４００μｍ×４００μｍであり、１２０μｍ×１２０μｍの面積のｐｎ接合部１０を有する図５のチップ１６を調査した。ミラー面６での反射は９０％、コンタクト層１１での反射は８０％であった。側面１７は６０゜の傾斜角を有している。出力結合窓４はＳｉＣの上に作製され、アクティブ領域８はＩｎＧａＮベースの上に作製された。この場合、放射された光子の４２％がチップ１６を去ることができた。
【００４４】
例２：
例１のチップ１６とは、側面１７の傾斜角が４５゜である点でのみ異なるチップ１６で出力結合効率は３９％であった。・
比較例１：
基面が４００μｍ×４００μｍ、裏面反射率が９０％、接触接続部での前面反射率が８０％の従来の立方体チップでは、出力結合効率が２８％であって。
【００４５】
比較例２：
基面が４００μｍ×μｍ、前面の吸収性接触接続部が１２０μｍ×１２０μｍ、さらに前面にある電流を拡大するための透明接触接続部の透過率が５０％、裏面反射率が９０％の従来の立方体チップでは、出力結合効率が２５％であった。
【００４６】
調査の結果、図５に示されたチップ１６では光効率が従来の立方体チップに対して係数１．７だけ向上していることが分かった。図１から図４に示した実施例では、光効率はさらに格段に向上している。
【００４７】
光効率の上昇はとりわけ紫外線光を放射するチップで顕著である。なぜなら、チップを充填するのに使用される材料は一般的に紫外線吸収性であり、従って使用することができないからである。しかしここで紹介したチップ３，１３，１６，２３は充填を省略できるほどの出力結合効率を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、ワイエルショトラウスの原理に従う光を形成する素子の横断面の概略図である。
【図２】
図２は、本発明によるチップの横断面の概略図である。
【図３】
図３は、図２のチップの横断面の概略図であるが、ここでは仮想アクティブ領域の位置が示されている。
【図４】
図４は、本発明によるチップの別の実施例の横断面の概略図である。
【図５】
図５は、ビームに指向性のある実施例の横断面を示す図である。
【図６】
図６は、ミラー面がアクティブ層の下方で光子を側方に偏向する隆起部を有する実施例の横断面を示す図である。
【図７】
図７は、凸状のミラー面を有する実施例を示す。
【図８】
図８は、アクティブ層が順次配置された構成素子を示し、これらのアクティブ層には出力結合窓のピラミッド切株状部分が配属されている。
【国際公開パンフレット】
2004513519.tif 000003
2004513519.tif 000004
2004513519.tif 000005
2004513519.tif 000006
2004513519.tif 000007
2004513519.tif 000008
2004513519.tif 000009
2004513519.tif 000010
2004513519.tif 000011
2004513519.tif 000012
2004513519.tif 000013
2004513519.tif 000014
2004513519.tif 000015
2004513519.tif 000016
2004513519.tif 000017
2004513519.tif 000018
2004513519.tif 000019
2004513519.tif 000020
2004513519.tif 000021
2004513519.tif 000022
【国際調査報告】
2004513519.tif 000023
2004513519.tif 000024
2004513519.tif 000025
2004513519.tif 000026