(57)【要約】発光ダイオード（１）に、本発明に従い無機固体材料から作られたレンズ（３）を設ける。レンズ（３）には光放射（１８）を生ずる半導体チップ（２）が固定されている。更に、発光ダイオード（１）はケース（２０）を備え、このケースはネジ部（２１）を介して従来の電球ソケットに捩じ込み可能である。レンズを無機固体材料から作ったことにより、従来の合成樹脂製のレンズに比べて耐久性を向上できると共に、半導体チップの冷却能力を高められる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（４）上に形成された光子を放射する活性層（５）と、基板（４）から見て活性層（５）の後に置かれた接触層（８）とを有する半導体チップ（２）を備えた発光ダイオードにおいて、
放射される光子に対して透過性であり、耐放射性の固体材料から形成されていて、かつ活性層（５）からの損失熱を放散するレンズ（３）を接触層（８）に配置したことを特徴とするダイオード。
【請求項２】
レンズ（３）が、接触層（８）に接触する導体帯（１２）を備えることを特徴とする請求項１記載のダイオード。
【請求項３】
レンズ（３）が、球部分の形を有することを特徴とする請求項１又は２記載のダイオード。
【請求項４】
レンズ（３）が、出射面（１１）に反射防止層（１５）を有することを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載のダイオード。
【請求項５】
レンズ（３）の出射面（１１）の層（１５）が、光学的変換物質を含むことを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載のダイオード。
【請求項６】
半導体チップ（２）が、レンズ（３）の凹部（１４）に取り付けられたことを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載のダイオード。
【請求項７】
活性層（５）の横方向放射範囲（６）から出る光子（１７ｂ）がレンズ（３）へ入射するように、活性層（５）の横方向放射範囲（６）が凹部（１４）内にあることを特徴とする請求項６記載のダイオード。
【請求項８】
半導体チップ（２）に向かうレンズ（３）の背面が、少なくとも部分的に反射性であることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載のダイオード。
【請求項９】
レンズ（３）が、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３又はガーネット結晶からなることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載のダイオード。
【請求項１０】
レンズ（３）に冷却体（１３，２４）が取り付けられたことを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載のダイオード。
【請求項１１】
活性層（５）が、ＧａｘＡｌｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（但し０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１およびｘ＋ｙ≦１）を基にして作られたことを特徴とする請求項１乃至１０の１つに記載のダイオード。
【請求項１２】
多数の半導体チップ（２）が、レンズ（３）に相並べて配置されたことを特徴とする請求項１乃至１０の１つに記載のダイオード。
【請求項１３】
発光ダイオードがケース（２０）を備え、該ケースが電球ソケットにネジ込むためのネジ部（２２）を有することを特徴とする請求項１乃至１２の１つに記載のダイオード。
【請求項１４】
発光ダイオードが、レンズ（３）の背面に、電気配線板表面に組み込み可能な表面組込式ケースを備えることを特徴とする請求項１乃至１２の１つに記載のダイオード。
【請求項１５】
半導体チップ（２）が、紫外線スペクトル範囲の放射を送出することを特徴とする請求項１乃至１４の１つに記載のダイオード。
【請求項１６】
半導体チップ（２）が、レンズ（３）と反対の面に反射層（７）を持つことを特徴とする請求項１乃至１５の１つに記載のダイオード。
【請求項１７】
全半導体チップ（２ａ，２ｂ）が、凹部（１４）内に配置されたことを特徴とする請求項１２乃至１６の１つに記載のダイオード。
【請求項１８】
基板が導電性であり、該基板で活性層の電気接続の一方が形成されたことを特徴とする請求項１１乃至１７の１つに記載のダイオード。
【請求項１９】
基板が、ドーピングされたＳｉＣ基板であることを特徴とする請求項１８記載のダイオード。
【請求項２０】
半導体チップ（２）が、青又は短波長の緑のスペクトル範囲の光を放射することを特徴とする請求項１乃至１９の１つに記載のダイオード。
【請求項２１】
レンズ（３）から活性層（５）迄の距離が、基板（４）の厚みに比べて小さいことを特徴とする請求項１乃至２０の１つに記載のダイオード。
【請求項２２】
半導体チップ（２）を、レンズ（３）を経たレーザろう付けで、特にレンズ（３）上にある導体帯（１２）を経てレンズ（３）と接続することを特徴とする請求項１乃至２１の１つに記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項２３】
次の工程（ａ）乃至（ｄ）を含む請求項２２記載の方法。
（ａ）ウエハボンディング体内に多数のレンズを製造する工程、
（ｂ）後で半導体チップが形成されるウエハ面の上に多数の半導体チップのため
の電気導体帯を形成する工程、
（ｃ）レーザろう付けによるウエハボンディングにより導体帯に多数の半導体チ
ップを固定する工程、および
（ｄ）ウエハボンディング体を半導体チップと共に小さなレンズ単位又は個別の
レンズに分割する工程。
【請求項２４】
工程（ｃ）と（ｄ）の間に、半導体チップ（２）の背面接触（７）の電気接続のための電気導体帯（２２）をウエハボンディング体上に形成することを特徴とする請求項２３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、基板上に形成された光子を放射する活性層と、その後に置かれ少なくとも光子の一部に対し透過性の接触層とを持つ半導体チップを備えた発光ダイオードに関する。更に、本発明はその発光ダイオードの製造方法に関する。
【０００２】
この種の発光ダイオードは、米国特許第５４３２８０８号明細書から知られている。発光ダイオードは半導体チップを有し、該チップはＳｉＣからなり、ドーピングされた導電性の基板を持つ。基板上に、ＧａｘＡｌｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（但し０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）なる組成を持った層が形成されている。半導体チップは支持体上に載せられ、ボンディング線を経て外部リード線と接続されている。更に半導体チップは、同時にレンズとして役立つ合成樹脂製の保護ケース内に埋設されている。この公知の発光ダイオードの欠点は、高い光子エネルギーを持つ放射に対する保護ケースの耐久性不足にある。というのは、ＧａＡｌＩｎＮを基礎とする半導体チップは、短波長の緑波長範囲迄の赤外線範囲の光を放射するからである。公知の発光ダイオードの場合、大出力用では、合成樹脂が一般に熱不良導体であることから、熱放散の問題も解決されていない。
【０００３】
本発明の課題は、従来技術から出発して、パワー用に適した赤外線範囲の光を放射する発光ダイオードを提供することにある。更に、その発光ダイオードの製造方法を提供しようとするものである。
【０００４】
上記課題は、請求項１又は２２の特徴事項により解決される。種々の好ましい展開および実施形態は下位請求項による追加特徴事項により示してある。本発明によれば、活性層からの損失熱を放出し、かつ放射される光子に対して透過性であり、しかも赤外線と光に対し耐久性のある固体材料からなるレンズを半導体チップの放射透過性の接触層に配置する。
【０００５】
本発明による発光ダイオードでは、透光性のレンズを特に光に対し耐久性のある無機固体材料から作る。この種の固体材料は、例えばＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、ガラスおよびガーネット結晶である。これら材料の特性は紫外線の照射によっても変化しない。更に、これら材料は合成樹脂に比べ良好な熱伝導性を有し、従って高い電力、光出力でのパワー運転時にも半導体チップの冷却を可能にする。
【０００６】
本発明による方法の場合、半導体チップは、レンズを通したレーザろう付けによって、レンズ上にある導体帯を介してレンズに接続される。
【０００７】
次の工程（ａ）乃至（ｄ）を実行するとよい。
（ａ）ウエハボンディング体に多数のレンズを製造する工程、
（ｂ）後で半導体チップが形成されるウエハボンディング体の面の上に多数の半
導体チップのための電気導体帯を形成する工程、
（ｃ）レーザろう付けによるウエハボンディングにより導体帯に多数の半導体チ
ップを固定する工程、および
（ｄ）ウエハボンディング体を半導体チップと共に小さなレンズ単位又は個別の
レンズに分割する工程。
更に、好ましくは工程（ｃ）と（ｄ）の間に、半導体チップの背面接触の電気接続のための電気導体帯をウエハボンディング体上に形成する。
【０００８】
以下、図１乃至図６を参照しながら説明する実施例から、本発明の更なる利点および好ましい構成展開を明らかにする。これらの図において、実施例の同じ構成要素又は同じ働きをする構成要素には各々同じ参照番号が付している。
【０００９】
図１の発光ダイオードは、半導体チップ２とこれに取り付けられたレンズ３を有する。半導体チップ２は基板４を有し、基板上に単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造のｐｎ接合６を備えた活性層５が形成されている。活性層５は、例えばＧａｘＡｌｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を基礎にしている。基板４の背面にはｎ側接触層が形成されていて、この層は特に反射するように形成されている。半導体チップ２の前面に、活性層５から発せられた光子に対し透過性のｐ側接触層８が配置されている。レンズ３は、このｐ側接触層８に境を接するか、ｐ側接触層８に対し物理的な接触を有する。ｐ側接触層８は、例えば約６ｎｍの厚みの白金膜、島状又は網状の金属構造、インジウム・錫酸化物（ＩＴＯ）或いはＺｎＯからなる。
【００１０】
ここでレンズ３は平凸面レンズであり、その平坦面に半導体チップ２を、これから放射される光子がレンズ３に入射するよう配置している。レンズ３は耐光性の無機固体材料からなり、活性層５からの損失熱を放散する。
【００１１】
ここで耐光性とは、発光ダイオードの寿命期間を越えてなお、固体の吸収係数が１０％以上変化しないことを意味する。かかる素材は、例えばＳｉＣ、酸化アルミニウムＡｌ２Ｏ３、ガラスおよびガーネット結晶である。
【００１２】
活性層５から放射された光子が半導体チップとレンズを通過する経路を、図１に線９、１０で示す（屈折効果は無視）。活性層５から放射された光子は、ｐ側接触層８とレンズ３を通り抜けて出射面１１に達する。レンズ３の光学的特性が、発光ダイオード１の寿命期間にわたり僅かしか変化しないので、発光ダイオード１の寿命期間を超えてすら良好な出射効率を保証できる。
【００１３】
レンズ３の面の内、半導体チップ２に向う面に導体帯１２を形成している。更にレンズ３の下面に冷却体１３を配置しており、該冷却体は半導体チップ２からレンズ３に伝わる熱をレンズ３から放出するのに役立つ。
【００１４】
図２に示す発光ダイオード１の実施例では、レンズ３が平坦面の側に凹部１４を有し、活性層６の大部分が凹部１４内にあるよう、凹部１４内に半導体チップ２を取り付けている。特に凹部１４を、ｐｎ接合６がその中にあるよう形成したので、半導体チップ２から横方向に出る光１７ｂをレンズ３が受容できる。
【００１５】
更に、レンズ３の出射面１１に反射防止層１５を設けてある。該層１５は出射面１１における屈折率の跳ね上がりを減らし、その結果レンズ３からの光の出射を容易にする。反射防止層１５は誘電体から作るとよい。該防止層１５は、所定の波長の光を、より長い波長の光に変換する１つ以上の、光学的に活性な変換物質を含む。この物質はレンズ３自体に埋めることもできる。
【００１６】
更に図３に示す如く、図２の実施例による発光ダイオード１の底面側に反射層１６を設けている。反射層１６は導体帯１２で覆われていないレンズ３の底面上に広がっている。代替的に、この層１６をレンズの平らな面の内、凹部１４の外側の平面上に全面的に施してもよい。この場合、導体帯１２とレンズ３との間に反射層があり、その結果導体帯１２における吸収が大幅に減少する。
【００１７】
レンズ３の凸面に最初に突き当たった際、反射層１６により、図２に示す光線１７ａ，１７ｂの如く出射面１１から出射せず、出射面１１で後方へ反射させられた光線は反射層１６からレンズ３へ反射されるので、それらの光線は、場合により出射面１１に２回目に衝突した際にレンズ３から出射する。
【００１８】
図４は変形した実施例を示す。この実施例ではレンズ３の下面に多数の半導体チップ２を固定している。この際、図４に示す光線１８の如く、内側の半導体チップ２ａから出発する光線は、外側の半導体チップ２ｂから出発する光線１９よりも高い出射確率を持つ。何故なら光線１９は不所望の角度で出射面１１に衝突するからである。しかしこの欠点は、例えばレンズ３の平らな面上の反射層１６により、少なくとも部分的に軽減される。何故なら反射層１６で、これらの光線が再び凸面側のレンズ面に向けて反射されるからである。
【００１９】
図５は、図４による発光ダイオード１を下から見た図を示す。これから導体帯１２上における半導体チップ２の一連の接触が見てとれる。並列接続で半導体チップに一様な運転電圧を保証すべく導体帯１２を網状に形成してもよい。
【００２０】
図１乃至５に示す発光ダイオード１は、例えば図４の実施例に対し、図６に示すように、ケース２０を備えることもでき、このケースは、例えばネジ部２１を介して従来の電球ソケットに捩じ込むことができる。
【００２１】
しかしながら、ケース２０については、例えば半導体技術において広まっている表面実装技術のような他の適当な接続技術を選ぶこともできる。
【００２２】
図６に示す実施例では、ケース２０が導体帯１２を介して半導体チップ２のｐ側接触層８と接続されている。ｎ側の接触層は分離された導線２２を介してケース２０に対し絶縁された接続接触部２３と接続されている。
【００２３】
図６に示す発光ダイオード１の実施例の場合、熱は、レンズ３を経て周囲媒体、一般には空気に放出する。或いはケース２０を介して放出してもよい。この場合、ケース２０に付加的な冷却体２４を設け、この冷却体を接続接触部１２、１７と接続し、付加的なヒートシンクを形成するとよい。
【００２４】
図６に示す発光ダイオードは特に従来の白熱電球の代替用に適し、発光ダイオード１の体積は、同じ光出力なら従来の白熱電球よりも著しく小さくできる。
【００２５】
個々の実施例において具体的に記載した付加的な好ましい技術要素は、当然可能な限り他の全ての実施例で実現できる。例えば、図１の実施例の場合に、図２および図３の実施例による反射層１６の使用も導入可能である。
【００２６】
本発明を実施例に基づき説明したが、本発明がこれら実施例に限定されないことは当然である。むしろ、発光ダイオードのあらゆる構造様式も、特に半導体装置の放熱を狙って用いる無機材料で作ったレンズを使用するという本発明の範囲内に含まれる。
【００２７】
本発明による発光ダイオードの製造に好適な方法では、半導体チップ２を、レンズ３を経たレーザろう付けで電気導体帯１２と接続する。この際、先ず多数のレンズ３をウエハボンディング体内に作るとよい。個別の小さなレンズ単位又は個別のレンズ３へのウエハボンディング体の分割前に、レンズ３の放射側と反対側のウエハボンディング体の面側に、例えば半導体チップ２の接触層８を、例えば金属膜である導体帯１２とウエハを経てレーザろう付けすることで、半導体チップ２をウエハボンディング体上にレーザろう付けにて固定する。ウエハボンディング体の分割前に、半導体チップ２の背面接触部７の接続用に、電気導体帯２２をレンズウエハボンディング体上に形成するとよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は発光ダイオードの実施例の概略断面図を示す。
【図２】
図２は図１の実施例を変形した発光ダイオードの概略断面図を示す。
【図３】
図３は図２の発光ダイオードの概略上面図を示す。
【図４】
図４は発光ダイオードの他の変形された実施例の概略断面図を示す。
【図５】
図５は図４の発光ダイオードの概略底面図を示す。
【図６】
図６はネジ付きケースを備えた発光ダイオードの概略断面図を示す。
【符号の説明】
１  発光ダイオード、２  半導体チップ、３  レンズ、４  基板、５  活性層、６  ｐｎ接合、７、８  接触層、９、１０、１７ａ、１７ｂ、１８、１９  光線、１１  出射面、１２  導体帯、１３  冷却体、１４  凹部、１５  反射防止層、１６  反射層、２０  ケース、２１  ネジ部、２２  分離導体、２３  接続接触部、２４  冷却体
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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