(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
混色の可視光（Ｓ）を発生させる半導体コンポーネントであって、
基板（Ａ）と、第１の半導体層（Ｒ）およびそれに隣り合って配置された第２の半導体層（Ｅ）を備えた半導体チップ（Ｃ）とが設けられており、該第２の半導体層（Ｅ）は波長λEをもつ第１の色の可視光を送出するエレクトロルミネセンス領域（Ｂ）を有し、
前記第１の半導体層（Ｒ）は、前記基板（Ａ）と前記第２の半導体層（Ｅ）との間に配置されている、または、
前記第１の半導体層（Ｒ）は、前記第２の半導体層（Ｅ）において前記基板（Ａ）とは反対側の面に配置されており、且つ、前記第２の半導体層（Ｅ）は前記基板（Ａ）上に被着されており、
前記第１の半導体層（Ｒ）は前記エレクトロルミネセンス領域（Ｂ）のバンドギャップよりも小さいバンドギャップをもち、第１の色の光の一部分を吸収し、第１の色とは異なりそれよりも長い波長λRをもつ第２の色の可視光を再放出し、該第２の色の可視光は第１の色の可視光と合わさって半導体コンポーネントから放出される、混色の可視光（Ｓ）を発生させる半導体コンポーネントにおいて、
前記基板（Ａ）は成長基板とは異なり、且つ、前記基板（Ａ）は前記半導体チップの一部であることを特徴とする、
混色の可視光を発生させる半導体コンポーネント。
【請求項２】
前記第１の半導体層（Ｒ）は、前記第２の半導体層（Ｅ）から放出された放射の波長λEよりも長い波長λabsに対応するエネルギーレベルの吸収率をもつ材料を有しており、該材料はλabsよりも短い波長の放射により励起されたとき、λabsよりも長い波長λRの放射を再放出する、請求項１記載の半導体コンポーネント。
【請求項３】
前記第１の半導体層（Ｒ）はドーピングされたＺｎＳｅを、前記第２の半導体層（Ｅ）はＣｄxＺｎ1-xＳｅ／ＺｎＳｅ（ただし０≦ｘ≦１）を含む活性化領域を有する、請求項１または２記載の半導体コンポーネント。
【請求項４】
前記半導体チップ（Ｃ）はパラボラミラー内におかれている、請求項１から３のいずれか１項記載の半導体コンポーネント。
【請求項５】
前記第１の半導体層（Ｒ）または前記第２の半導体層（Ｅ）と前記基板（Ａ）とのコンタクトはウェファボンディングにより製造されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の半導体コンポーネント。
【請求項６】
混色の可視光は白色光である、請求項１から５のいずれか１項記載の半導体コンポーネント。
【請求項７】
バンドギャップ内の状態が再放出に関与している、請求項１から６のいずれか１項記載の半導体コンポーネント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、混色の電磁放射たとえば白色光を発生させるための半導体コンポーネントに関する。このコンポーネントの半導体チップには、第１の半導体層およびこの層に隣り合って配置されエレクトロルミネセンス領域をもつ第２の半導体層が設けられている。
【０００２】
白色光は今日、主として白熱電球や蛍光管によって発せられており、それらは幅の広い波長スペクトルをもつ光を放出する。
【０００３】
これに対し発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザダイオードなど光を発する半導体コンポーネントは、典型的には１０〜２５ｎｍの幅しかない発光スペクトルをもっており、つまりこれはほとんど単色である。しかしこのような半導体コンポーネントのもつ格別な利点は、白熱電球や蛍光管が必要とする電流のほんの一部分しか必要としないことである。しかもその寿命は白熱電球や蛍光管よりもずっと長い。大面積の発光装置が必要とされる場合には、単に複数のＬＥＤまたはレーザダイオードをまとめてアレイとすればよい。
【０００４】
３原色の赤、緑、青または２つの補色である青と黄のＬＥＤを用いて加法混色により、人間の目には白色に見える光を発生させることができる。しかしながらこれによる著しい欠点は、３つもしくは２つの発光ダイオードを個別に電気的に制御しなければならず、そのことで煩雑な制御エレクトロニクスが必要となること（それぞれ異なるＬＥＤのためには一般にそれぞれ異なる制御電圧が必要とされる）、組み立てる手間が非常にかかること、さらにはコンポーネントの小型化がかなり制約されてしまうことである。
【０００５】
W097/50132 には白色光を発する発光ダイオードコンポーネントについて記述されており、このコンポーネントの場合、青色の光を発する発光ダイオードチップにたとえばＹＡＧりんを含むルミネセンス変換層が被着されている。このルミネセンス変換層は、青色光またはＵＶ放射によって励起されると黄色のスペクトル領域で発光する。その際、青色の１次光と黄色の２次光から成る混色を目は白色として知覚する。この場合の欠点は、ルミネセンス変換層を製造するために付加的なプロセスステップが必要とされることである。
【０００６】
本発明の課題は、製造のために技術的に僅かな手間しかかからない混色光を発する半導体コンポーネントを開発することである。
【０００７】
この課題は基本的に、請求項１の特徴部分に記載の半導体コンポーネントによって解決される。従属請求項２から６の構成はこの半導体コンポーネントの有利な実施形態である。
【０００８】
これによれば冒頭で述べた形式の半導体コンポーネントにおいて、第１の半導体層は有利には、第２の半導体層から放出された放射の波長λＥ よりも長い波長λａｂｓ に対応する吸収率の状態をもつ材料を有している。そしてこの材料はλａｂｓ よりも短い波長の放射により励起されたとき、λａｂｓ よりも長い波長λＲ の放射を再放出する。
【０００９】
１つの有利な実施形態によれば、第１の半導体層として第２の半導体層のエピタキシャル成長のための基板が使用される。
【００１０】
１つの別の有利な実施形態によれば、第１の半導体層も第２の半導体層も成長基板上のエピタキシャルにより被着される。
【００１１】
さらに１つの有利な実施形態によれば、第１の半導体層ＲにはＺｎＳｅが、第２の半導体層ＥにはＣｄｘＺｎ１-ｘＳｅ／ＺｎＳｅ量子井戸系（ただし０≦ｘ≦１）たとえば多重量子井戸系が、活性化ゾーンとして含まれている。
【００１２】
ここで半導体層という用語は、同種の半導体材料から成る単一の層だけを表すのではなく、異なる複数の層および／または段階づけられた複数の層から成る層系または層列のことも表すことができる。
【００１３】
次に、図１から図５を参照しながら３つの実施例に基づき本発明について詳しく説明する。
【００１４】
図１は、発光ダイオードチップの第１の基本構造図である。
【００１５】
図２は、発光ダイオードチップの第２の基本構造図である。
【００１６】
図３は、発光ダイオードチップの第３の基本構造図である。
【００１７】
図４は、本発明による発光ダイオードチップの基本的な波長スペクトルである。
【００１８】
図５は、本発明による発光ダイオードの基本的なバンドパターンである。
【００１９】
図１による発光ダイオードチップＣの基本構造の場合、基板Ｒ上に機能的半導体層Ｅが取り付けられている。
【００２０】
一般に基板Ｒは単結晶であり、溶解物からの引き上げ、薄いウェハへの切断ならびに研磨によって製造される。
【００２１】
以下ではたいてい略してエミッション層Ｅと称する機能的半導体層Ｅとは、チップに電流を流したときにエレクトロルミネセンス領域Ｂに電磁放射を発生させるために用いられる１つまたは複数の半導体層から成る装置のことである。
【００２２】
基板Ｒは安定した機械的な土台として数１００μｍの厚さをもち、その上にエピタキシャル成長されるエミッション層Ｅよりもほぼ係数１００だけ厚い。
【００２３】
発光ダイオードチップの典型的な機能的半導体層Ｅは周知のようにたいてい、厚さ、組成、ドーピングがそれぞれ異なる複数の半導体層から成る。また、エレクトロルミネセンス領域Ｂとして、量子膜をもつｐｎ接合部がしばしば使用される。システム全体の厚さは通常、μｍの領域である。
【００２４】
目的に合わせた不純物注入（ドーピング）または混合による所期の特性変化、ならびに機能的半導体層Ｅ内部での原子的に滑らかな界面の製造を達成する目的で、これはたとえばＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy, 分子線エピタキシャル成長）および／またはＭＯＶＰＥ（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy, 有機金属気相成長）によって製造される。
【００２５】
図１による実施例の場合、機能的半導体層Ｅのエミッション波長λＥ は、基板Ｒの吸光率に対応する波長λａｂｓ よりも短い。
【００２６】
室温もしくは動作温度では基板Ｒにおいて、λａｂｓ よりも短い波長の放射によって励起されたとき、高い効率をもつ波長λＲ （リエミッション波長もしくは再エミッション波長）における放射再結合が優勢となる。したがって基板Ｒのバンドギャップは、発光を行うエミッション層Ｅの接合部よりも小さい。基板Ｒにおいて発光ダイオードチップの動作中、エミッション層Ｅから基板Ｒの方向に放出される放射の少なくとも一部分が吸収される。ついで、λａｂｓ よりも大きいリエミッション波長λにおいて基板Ｒからのリエミッションが行われ、その際、これには基板Ｒのバンドギャップの状態が関与している。
【００２７】
したがって、著しく異なる２つの波長の放射Ｓを放出するコンパクトなチップが実現される。光を発生する両方のボリュームは互いにすぐ近くに配置されているので、人間の目には混色光の印象を与えることができ、特別な事例では白色の印象を与えることもできる。ＬＥＤでは一般的であり図１に略示されているように、発光ダイオードチップを小さいパラボラミラーＰ内に収めると、この効果がさらに強められる。
【００２８】
図２による実施例が図１による実施例と基本的に異なる点は、吸収およびリエミッションが成長基板Ａ内で行われるのではなく、図２では別個のリエミッション層Ｒが設けられていることである。この別個のリエミッション層Ｒは成長基板Ａとエミッション層Ｅとの間に配置されていて、これは図１の実施例の基板と同じ特性を有している。この場合、成長基板Ａは透過性または吸収性として形成されていて、もっぱら成長基板としてしか用いられない。
【００２９】
図３による実施例は図２による実施例と基本的には同じであり、その相違点は、図３ではリエミッション層Ｒが成長基板Ａと機能的半導体層Ｂとの間ではなく、エミッション層Ｅにおいて成長基板Ａとは反対側の面に配置されていることである。
【００３０】
たとえば量子井戸構造をもつ機能的半導体層Ｅの量子井戸の厚さまたは機能的半導体層Ｅにおける組成を変化させることにより、エミッション波長を所定の限界内に収めることができ、ここで条件λＥ ＜λａｂｓ に留意されたい。基板もしくはリエミッション層Ｒの吸収率の位置は、基板材料もしくはリエミッション材料の選択によって決められる。（吸収率Ａに対し相対的な）リエミッション波長λＲ は、バンドギャップ状態を形成するやり方に依存する。
【００３１】
（基板Ｒもしくはリエミッション層Ｒから放出された放射の強度）／（機能的半導体層Ｅから放出された放射の強度）の比は、所期のように以下のことにより制御することができる。すなわち、
ａ）基板もしくはリエミッション層Ｒつまりは吸収およびリエミッションを行うボリュームの厚さ（これはたとえば薄くすることにより達成できる）；
ｂ）基板もしくはリエミッション層Ｒにおける放射再結合の率（これは（非）放射再結合チャネルを設けることにより所期のように行うことができる）；
ｃ）導波体の効率（極度に明るいＬＥＤはいわゆるダブルへテロ構造として構成されている。この場合、層の相応の屈折率の跳躍的変化により成長方向に対し垂直に導波効果が得られる。この導波効果が良好になればなるほど、基板もしくはリエミッション層Ｒに到達する光子は僅かになり、基板もしくはリエミッション層Ｒから放出される放射に対しその成分が多くなる）；
ｄ）基板もしくはリエミッション層Ｒに対し相対的なエミッション波長λＥ の位置（エミッション波長λＥ が基板もしくはリエミッション層Ｒの吸収率に近づけば近づくほど、基板もしくはエミッション層Ｒはいっそう透過性になり、そこにおける吸収／リエミッションはいっそう僅かになる。基板成分もしくはリエミッション層成分を僅かに抑える目的で、λＥ  ＞λａｂｓ についても十分に吸収が生じるならば、条件λＥ ＜λａｂｓ とは異ならせることも必要となる可能性がある。
【００３２】
図４に示されている波長スペクトルにおいて横軸には波長λが、縦軸には強度がそれぞれスケーリングなしで書き込まれている。ピーク波長λＥ をもつエミッション層ＥのエミッションスペクトルＥＳは、ピーク波長λＲ をもつリエミッション層ＲのリエミッションスペクトルＲＳよりも短い波長のところにある。エミッションスペクトルＥＳとリエミッションスペクトルＲＳとの間の波長λａｂｓ のところにリエミッション層Ｒの吸収率Ｋがある。
【００３３】
図５のバンド図ではエネルギーが垂直に書き込まれている。左側の部分にはエミッション層Ｅのバンドギャップが示されており、垂直方向の矢印と曲がりくねった矢印とによってエミッション層において放射を行う接合部が示されている。また、バンドギャップ図の右側の部分には、リエミッション層Ｒのバンドギャップがバンドギャップの状態とともに示されている。垂直方向の矢印および曲がりくねった矢印により、やはりリエミッション層において放射を行う接合部が示されている。リエミッション層Ｒにおける再エミッションは、エミッション層Ｅから放出された放射により励起される。
【００３４】
この種の半導体チップの製造のために有利な材料系はたとえば、ＣｄｘＺｎ１-ｘＳｅ／ＺｎＳｅ（ただし０≦ｘ≦１）を含む第２の半導体層Ｅであり、これは第１の半導体層ＲとしてのＺｎＳｅ基板の上に配置されている。
【００３５】
ＺｎＳｅは室温において２．７ｅＶのバンドギャップをもち、これは４６０ｎｍの波長に対応する。ボリューム材料の数多くの成長方法によれば高い温度によりあるいは出発材料の純度が低いことによって、バンドギャップにおける状態を引き起こしかねない不純物が結晶中に意図せずに入り込んでしまう。鉛蒸気中でのあとからの熱処理またはアルミニウムによるドーピングにより生成できるような導電性のＺｎＳｅ基板により、６００ｎｍ付近の格別強い室温ルミネセンスが生じる。
【００３６】
この場合、第２の半導体層Ｅとして適しているのはたとえば、活性化ゾーン（エレクトロルミネセンス領域Ｂ）として（Ｃｄ，Ｚｎ）Ｓｅ／ＺｎＳｅ多重量子井戸システムを備えた簡単なＺｎＳｅ−ｐｎダイオードである。カドミウム含有量に従い、この種の活性ゾーンから発せられる放射の波長λＥ を青（４６０ｎｍ）から緑（５４０ｎｍ）までずらすことができる。
【００３７】
基板の吸収率λａｂｓ は、高いヨード含有量によって約５１５ｎｍまでずらされている。したがって、図１の実施例による半導体コンポーネントに対するすべての条件が満たされるのは、たとえば４８９ｎｍおよび／または５０８ｎｍの発光波長をもつ発光ダイオード構造体を基板上に取り付けたときである。
【００３８】
基板として有利にはＺｎＳｅ：Ｉ基板が用いられ、これはブリッジマン（Bridgeman）成長により製造される。別の基板成長法として挙げられるのは、ヨードトランスポート（Jodtransport）成長および昇華成長である。
【００３９】
上述の基板は必ずしも、層の成長プロセス中は基板として用いられたものでなくてもよい。むしろ層のコンタクトや吸収／リエミッション基板をあとになってはじめてたとえばウェファボンディングにより製造してもよい。
【００４０】
エミッション層（第２の半導体層Ｅ）と基板（第１の半導体層Ｒ）の適切な選択により、所望の混合色を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  発光ダイオードチップの第１の基本構造図である。
【図２】  発光ダイオードチップの第２の基本構造図である。
【図３】  発光ダイオードチップの第３の基本構造図である。
【図４】  本発明による発光ダイオードチップの基本的な波長スペクトルである。
【図５】  本発明による発光ダイオードの基本的なバンドパターンである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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