JP2013515364A - 放射放出半導体部品 - Google Patents
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Abstract
本発明は、放射放出半導体部品に関し、動作時に第１の波長λ１の電磁放射を主放射方向（１３）に放出する活性層（３）を備えた半導体ボディ（１）と、放出される放射の少なくとも一部分を、第１の波長λ１よりも長い第２の波長λ２の放射に変換するルミネセンス変換層（５）と、を備えている。主放射方向（１３）において活性層（３）の後ろに機能層（６）が存在しており、この機能層（６）は、放射の取り出し、色の混合、放出される放射の角度依存性、の少なくとも１つを改善し、ガラス、セラミック、ガラスセラミック、またはサファイアを含んでいる。
Description
本発明は、放射放出半導体部品、詳細には、ルミネセンス変換層を備えたＬＥＤに関する。
ルミネセンス変換の原理に基づくＬＥＤは、放射放出半導体チップにルミネセンス変換層を形成することによって製造することができ、ルミネセンス変換層は、半導体チップによって放出される、第１の波長を有する放射の一部分を、第１の波長よりも長い第２の波長を有する放射に変換する。ルミネセンス変換層は、ルミネセンス変換物質を含んでいることができ、ルミネセンス変換物質は、例えば、半導体チップによって放出される紫外線または青色光の少なくとも一部分を黄色光に変換し、したがって、放出された紫外線または青色放射と、変換された黄色放射とが重なり合う結果として、白色の混合光が生成される。
ルミネセンス変換の原理に基づくＬＥＤと、好適なルミネセンス変換物質は、例えば特許文献１から公知である。
ルミネセンス変換物質は、一般には、有機材料（例えばエポキシ樹脂やシリコーン）の中に組み込まれ、ルミネセンス変換層が、ポッティング化合物として半導体チップに形成される。
ルミネセンス変換の原理に基づくＬＥＤの場合、色度座標（color locus）の、望ましくない角度依存性（angle dependence）が生じることがある。この理由は、大きな射出角で放出される放射がルミネセンス変換層の中をより長い距離だけ伝わり、したがって、放出される紫外線放射または青色放射のより大きな比率が黄色光に変換されるためである。
特定の用途において望ましくないさらなる影響として、ＬＥＤのオフ状態において、ルミネセンス変換層が黄色に見える。
本発明の目的は、ルミネセンス変換層を備えた放射放出半導体部品であって、放射の取り出し、色の混合、放出される放射の方向性、の少なくとも１つが改善されることを特徴とする放射放出半導体部品、を開示することである。
この目的は、請求項１の特徴を備えた放射放出半導体部品によって達成される。従属請求項は、本発明の有利な構造形態および発展形態に関する。
少なくとも一実施形態によると、放射放出半導体部品は、活性層を含んでいる半導体ボディ、を備えており、活性層は、動作時、第１の波長λ１を有する電磁放射を主放射方向に放出する。放射放出半導体部品は、特に、ＬＥＤとすることができる。活性層は、例えば、ｐｎ接合、ダブルヘテロ構造、単一量子井戸構造、または多重量子井戸構造として具体化することができる。この場合、量子井戸構造という表現は、閉じ込めの結果として電荷キャリアにおいてエネルギ状態の量子化が起こる任意の構造を包含する。特に、量子井戸構造という表現は、量子化の次元について何らかの指定を行うものではない。したがって、量子井戸構造には、特に、量子井戸、量子細線、および量子ドットと、これらの構造の任意の組合せが含まれる。
半導体ボディは、特に、窒化物化合物半導体をベースとすることができる。この場合、「窒化物化合物半導体をベースとする」とは、半導体積層体またはその少なくとも１層が、ＩＩＩ族窒化物化合物半導体材料、好ましくはＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）を備えていることを意味する。この場合、この材料は、上の化学式による数学的に正確な組成を有する必要はない。そうではなく、この材料は、１種類または複数のドーパントと、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ材料の特徴的な物理特性を実質的に変化させることのない追加の構成成分とを含んでいることができる。しかしながら、説明を簡潔にする目的で、上の化学式は、結晶格子の本質的な構成成分（Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｎ）を含んでいるのみであり、これらの構成成分は、その一部を少量のさらなる物質によって置き換えることができる。
半導体ボディの活性層は、半導体部品の動作時、紫外線放射または青色放射を放出することが好ましい。
さらには、本放射放出半導体部品は、ルミネセンス変換層を含んでおり、このルミネセンス変換層は、第１の波長λ１を有する放出される放射の少なくとも一部分を、第１の波長λ１よりも長い第２の波長λ２を有する放射に変換する。ルミネセンス変換層は、特に、青色光または紫外線光の少なくとも一部分を黄色光に変換するのに適したルミネセンス変換物質を備えていることができる。好適なルミネセンス変換物質は、例えば、冒頭に引用した特許文献１から公知であり、この点に関するこの文書の内容は参照によって本出願に組み込まれている。ルミネセンス変換層は、活性層によって放出される放射を、少なくとも１つのさらなる波長を有する放射に変換する少なくとも１種類のさらなるルミネセンス変換物質、を備えていることができる。特に、混合光の色度座標を所望の座標に設定する（例えば暖白色光を生成する）目的で、複数の変換物質を使用することができる。
さらには、放射放出半導体部品は、放射の取り出し、色の混合、放出される放射の角度依存性、の少なくとも１つを改善する機能層、を含んでいる。機能層は、主放射方向において活性層より後に位置しており、ガラス、セラミック、ガラスセラミック、またはサファイアを含んでいることが好ましい。これらの材料のうちの１種類からなる機能層は、特に、さらなる層のための機械的に安定したキャリアの役割を有利に果たすことができる自立性の（self-supporting）層とすることができる。機能層は、後から半導体ボディもしくはルミネセンス変換層またはその両方に結合する目的で、半導体ボディとは独立して作製および構造化することのできる寸法的に安定した層であることが好ましい。
機能層は、主放射方向においてルミネセンス変換層より後に位置していることが好ましい。特に、機能層は、ルミネセンス変換層に直接隣接していることができる。機能層は、放射放出半導体部品の放射取り出し領域を備えていることが好ましく、すなわち機能層は、主放射方向に見たとき放射放出半導体部品の最も外側の層であることが有利である。
好ましい一実施形態によると、ルミネセンス変換層は屈折率ｎ１を有し、機能層は屈折率ｎ２を有し、ｎ２≦ｎ１が成り立つ。
一構造形態においては、機能層の屈折率ｎ２は、ルミネセンス変換層の屈折率ｎ１に基づいて決定されている。この場合、屈折率ｎ１および屈折率ｎ２は、同じである、またはΔｎ＝｜ｎ２−ｎ１｜≦０．３だけ、好ましくはΔｎ≦０．１だけ、互いにわずかに異なっているのみであることが有利である。特に好ましくは、ｎ２＝ｎ１−Δｎ（０≦Δｎ≦０．１）である、すなわち、ｎ２はｎ１よりわずかに小さいかまたは等しい。
このようにすることで、放出された放射がルミネセンス変換層から下流の機能層に伝搬するときの反射損失が回避され、これは有利である。このことは、放射の取り出しを改善するための表面構造が、ルミネセンス変換層とは反対側の機能層の面に形成されているときに、特に有利である。この場合、機能層の屈折率がルミネセンス変換層の屈折率に基づいて決定されている結果として、ルミネセンス変換層と機能層との間の界面における反射損失が最小化され、その一方で、機能層と周囲の媒体との間の界面における反射損失が、機能層の表面構造化（surface structuring）によって減少する。
代替の構造形態においては、機能層の屈折率ｎ２がルミネセンス変換層の屈折率ｎ１よりも小さい。この場合、機能層と周囲の媒体との間の界面における反射損失は、ルミネセンス変換層の屈折率から周囲の媒体（特に、空気など）の屈折率に直接遷移する場合よりも小さく、これは有利である。
さらに、機能層が２層以上の部分層を備えており、部分層の屈折率が主放射方向に部分層ごとに減少していく構造も可能である。さらには、機能層が、主放射方向に連続的に変化する材料組成を有し、したがって主放射方向に屈折率が連続的に減少する屈折率勾配を機能層が有する構造も考えられる。これらの構造形態においては、屈折率が急激に変化する結果としての反射損失が減少し、したがって放射放出半導体部品の取り出し効率が向上する。
好ましい一実施形態においては、ルミネセンス変換層はセラミックを備えている。セラミックは、特に、ＹＡＧ：ＣｅまたはＬｕＡＧ：Ｃｅとすることができる。さらには、Ｅｕによってドープされた窒化物または酸窒化物も適している。これに代えて、ルミネセンス変換層は、ルミネセンス変換物質が組み込まれたガラスまたはガラスセラミックを備えていることもできる。
機能層に適するセラミックは、特に、酸化アルミニウム（ｎ２＝１．７６〜１．７７）、アルミニウム酸窒化物（ｎ２＝１．７７〜１．８０）、マグネシウム−アルミニウム・スピネル（ｎ２＝１．７３）、二酸化ケイ素（ｎ２＝１．４６）、または酸窒化ケイ素（ｎ２＝１．４７）である。機能層に適するガラスは、特に、石英ガラス（ｎ２＝１．４６）、アモルファス酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２、ｎ２＝１．６１）、ソーダライムガラス（ｎ２＝１．５２）、ケイ酸塩ガラス（ｎ２＝１．５０）、またはホウケイ酸ガラス（ｎ２＝１．４７）である。ここに挙げたセラミックおよびガラスそれぞれは、例えばルミネセンス変換層に適するセラミックＹＡＧ：Ｃｅの屈折率（ｎ１＝１．８１）にほぼ等しい、またはこれより小さい屈折率を有する。ガラスは、スピンオンガラスとすることもできる。セラミックおよびガラス以外には、ガラスセラミックも機能層に適している。
ルミネセンス変換層と機能層は、特に、焼結もしくは溶融またはその両方によって、互いに結合することができる。この場合、結合は、接着促進剤を使用せずに行われることが有利であり、すなわち、機能層とルミネセンス変換層との間に結合層（例えば接着層など）が配置されていないことが有利である。このようにすることで、ルミネセンス変換層と機能層との間に接着層が配置されている場合に起こり得る反射や拡散の結果としての放射損失が、防止される。
しかしながら、これに代えて、ルミネセンス変換層と機能層とを、化学化合物によって、特に、透明な材料（例えば、シリコーン、またはその他の透明な注型樹脂）からなる結合層によって、互いに結合することもできる。このようにすることで、例えばルミネセンス変換層を半導体ボディに結合することもできる。
好ましい一実施形態によると、機能層は、表面構造化を有する。表面構造化は、ルミネセンス変換層とは反対側の機能層の面であって、放射放出半導体部品の放射出口領域を構成している面、に形成されていることが有利である。表面構造化によって、特に、機能層と周囲の媒体との間の界面における反射損失を低減することが可能であり、この結果として、放射の取り出し、したがって放射放出半導体部品の効率が向上する。
表面構造化は、１００ｎｍ〜１０μｍの範囲内の深さを有することが好ましい。一例として、機能層の表面に切欠きを形成することができ、この切欠きは、１００ｎｍ〜１０μｍの範囲内で機能層の中に達していることが好ましい。
好ましい１つのバリエーションにおいては、表面構造化は、周期的な構造を有する。この周期的な構造は、１次元の周期性または２次元の周期性を持つことができるが、３次元の周期性も可能である。特に、周期的な構造は、放出される放射の波長の大きさのオーダーである周期ｄを有することができる。この場合、周期的な構造は、いわゆるフォトニック結晶を形成している。
周期的な構造が周期ｄを有し、機能層が屈折率ｎ２を有し、π／λ２＜Ｇ＜ｎ２・２π／λ２が成り立つならば、特に有利である。この場合、λ２は、変換後の放射の波長であり、Ｇは、１次元の格子構造の場合にはＧ＝２π／ｄ、２次元の格子構造、特に六角格子構造の場合にはＧ＝４π／√３ｄである。
周期構造の周期ｄが上記の条件で選択された場合、機能層の面に垂直な主放射方向における方向性の放射を得ることが可能であることが判明した。
これに代えて、表面構造化を粗面化とすることもできる。この場合、表面構造化は、非周期的な構造を有する。この場合、表面構造化は、特に、エッチング工程によって形成することができる。
さらなる好ましい実施形態においては、機能層は、散乱粒子（scattering particles）、または細孔を備えている。
機能層における散乱粒子または細孔において光が散乱する結果として、半導体ボディによって放出される放射と、変換物質によって放出される放射との色の混合が改善され、このようにすることで、特に、色度座標の角度依存性が減少する。
ルミネセンス変換層自体は、散乱粒子を含んでいないことが有利である。したがって、光の散乱が望ましい場合、散乱粒子もしくは光散乱構造またはその両方は、機能層のみに配置または形成されていることが好ましい。この構造の利点として、ルミネセンス変換層におけるルミネセンス変換の効率が、散乱粒子によって損なわれない。
有利な一構造形態においては、機能層が、２層以上の部分層を備えており、部分層の散乱粒子または細孔の濃度が、主放射方向において部分層ごとに減少している。さらには、機能層における散乱粒子または細孔の濃度が、主放射方向に連続的に減少する構造も考えられる。
さらなる実施形態においては、機能層は、ルミネセンス変換層の部分層である。この場合、機能層は、活性層とは反対側のルミネセンス変換層の面に形成されていることが好ましい。特に、活性層とは反対側のルミネセンス変換層の面に、上述した表面構造化を設けることができる。機能層とルミネセンス変換層とが個別の層である、前述したバリエーションとは異なり、ルミネセンス変換層の面に機能層を形成する利点として、これら２つの個別の要素を互いに結合する必要がない。
これに対して、機能層とルミネセンス変換層とが異なる層である利点として、ルミネセンス変換層の材料とは異なる材料を機能層に選択することが可能であり、したがって、材料のパラメータ（特に機能層の屈折率）を所望の値に選択することができる。
以下では、本発明について、例示的な実施形態に基づき図１〜図１３を参照しながらさらに詳しく説明する。
図面において、同じ構成要素または同じ機能の構成要素には、同じ参照数字を付してある。構成要素の大きさと、構成要素の大きさの互いの関係は、正しい縮尺ではないものとみなされたい。
図１は、放射放出半導体部品の例示的な実施形態を示しており、この放射放出半導体部品は、放射を放出する活性層３を含んだ半導体ボディ１を備えている。活性層３は、特に、ｐｎ接合、単一量子井戸構造、または多重量子井戸構造とすることができる。活性層は、特に、紫外線または青色のスペクトル領域の放射を放出することができる。活性層は、特に、窒化物化合物半導体材料から形成することができる。活性層は、例えば、ｐ型の半導体領域２とｎ型の半導体領域４との間に配置されている。
半導体ボディ１は、いわゆる薄膜半導体ボディであり、半導体層２，３，４の成長に使用された成長基板は、半導体ボディ１から除去されている。半導体ボディ１は、元の成長基板とは反対側に位置する面において、キャリアボディ１０に結合されている。
ミラー層９は、半導体ボディ１とキャリアボディ１０との間に配置されていることが好ましく、このミラー層は、半導体ボディ１との電気的接続を形成する役割も同時に果たすことができる。ミラー層９は、特に、ＡｇまたはＡｌを含んでいることができる。例えばキャリアボディ１０とは反対側の半導体ボディ１の面１２の部分領域に、さらなる電気コンタクト層（図示していない）を形成することができる。さらには、キャリアボディ１０と半導体ボディ１との間に、さらなる層（図示していない）、特に、半導体ボディ１をキャリアボディ１０に結合するはんだ層を、配置することができる。
キャリアボディ１０とは反対側の半導体ボディ１の面１２は、半導体ボディ１からの放射の取り出しを改善するための表面構造化を有することが有利である。
半導体ボディ１の活性層３から、波長λ１において最大輝度を有する電磁放射が主放射方向１３に放出される。ルミネセンス変換層５は、主放射方向１３において活性層の下流に配置されており、放出された放射の少なくとも一部分を、波長λ１よりも長い第２の波長λ２において最大輝度を有する放射に変換する。特に、ルミネセンス変換層５は、活性層３によって放出される青色光または紫外線光を黄色光に変換し、したがって補色が重なり合うことによって、白色光が生成される。
ルミネセンス変換層５は、自立性の層であることが好ましく、特に、無機材料から形成することができる。ルミネセンス変換層５は、ガラス、セラミック、またはガラスセラミックを備えていることが好ましい。特に、ルミネセンス変換層５は、Ｃｅによってドープされたガーネット（例えばＹＡＧ：ＣｅまたはＬｕＡＧ：Ｃｅ）を備えていることができる。さらには、Ｅｕによってドープされた窒化物または酸窒化物（例えば、Ｓｒ２Ｓｉ５Ｎ８、Ｂａ２Ｓｉ５Ｎ８、Ｃａ２Ｓｉ５Ｎ８、Ｓｒ−ＳｉＯＮ、Ｂａ−ＳｉＯＮ、またはＣａ−α−ＳｉＡｌＯＮ）も適している。
ルミネセンス変換層５は、例えば結合層１１によって半導体ボディ１に結合されている。結合層１１は、特に、シリコーンまたは他の注型樹脂（例：エポキシ樹脂）からなる透明な層とすることができる。
ルミネセンス変換層５は、好ましくは無機材料からなる自立性の層であるため、さらなる層のためのキャリアとしての役割を果たすことができ、これは有利である。主放射方向１３においてルミネセンス変換層５の下流には、機能層６が配置されている。機能層６は、特に、ルミネセンス変換層５からの放射の取り出しを改善する役割を果たす。機能層６は、ルミネセンス変換層５と同様に、無機材料、特に、セラミック、ガラス、またはガラスセラミックから形成されていることが有利である。機能層６に適するセラミックは、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、アルミニウム酸窒化物（ＡｌＯＮ）、マグネシウム−アルミニウム・スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ３）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、または酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）である。機能層６に適するガラスは、特に、石英ガラス、アモルファス酸化ゲルマニウム（溶融したゲルマニウム）、ソーダライムガラス、ケイ酸塩ガラス、またはホウケイ酸ガラスである。これらのセラミックおよびガラスは、特に、ルミネセンス変換層の材料として特に適しているＹＡＧ：Ｃｅよりも屈折率が低いことを特徴とする。
ルミネセンス変換層５に形成されている機能層６は、１００μｍ未満の厚さ、例えば、１０μｍ〜１００μｍの範囲内の厚さを有することが有利である。ルミネセンス変換層５と機能層６は、互いに直接隣接しており、接着促進剤を使用せずに互いに結合されていることが好ましく、すなわち、ルミネセンス変換層５と機能層６との間には結合層が含まれていないことが有利である。この場合、機能層６とルミネセンス変換層５を、例えば焼結または溶融によって、互いに結合することができる。
機能層６の屈折率ｎ２は、ルミネセンス変換層５の屈折率ｎ１に基づいて決定されているならば有利であり、この場合、Δｎ＝｜ｎ２−ｎ１｜≦０．３が成り立つことが好ましい。特に好ましくは、Δｎ≦０．１が成り立つ。ルミネセンス変換層５の屈折率と機能層６の屈折率が少なくともほぼ同じであるならば、ルミネセンス変換層５と機能層６との間の界面に反射損失が発生しない、またはわずかに発生するのみである。この場合、機能層６と周囲の媒体（特に空気）との間の界面では、周囲の媒体に対する屈折率の急激な変化が生じる。反射損失を低減する目的で、したがって機能層６からの放射の取り出しを改善する目的で、機能層６は表面構造化７を有する。表面構造７は、１００ｎｍ〜１０μｍの範囲内の深さを有することが好ましい。
表面構造化７は、機能層６の表面の粗面化とすることができ、粗面化は、例えばエッチング工程によって形成される。この構造形態の場合、表面構造化７は、非周期的な構造である。
好ましい一構造形態においては、機能層６の表面構造化７は、周期的な構造である。図２および図３は、このような周期的な構造７を有する機能層６の例を示している。周期的な構造７は、周期ｄを有する１次元または多次元の格子状に配置された構造要素８を有する。構造要素８は、例えば、凸部または凹部（例：突起、溝、孔など）とすることができる。構造要素８は、例えば、機能層６の表面におけるフォトリソグラフィによって形成することができる。構造要素８は、１００ｎｍ〜１０μｍの範囲内の高さｈを有することが好ましい。周期的な構造７の周期ｄは、放出される放射の波長の大きさのオーダーであることが好ましく、したがって、周期的な構造７は、いわゆるフォトニック結晶を形成している。
周期的な構造７が周期ｄを有し、機能層６が屈折率ｎ２を有し、π／λ２＜Ｇ＜ｎ２・２π／λ２が成り立つならば、特に有利である。この場合、λ２は、変換後の放射の波長であり、Ｇは、１次元の格子構造の場合にはＧ＝２π／ｄ、２次元の格子構造、特に六角格子構造の場合にはＧ＝４π／√３ｄである。
周期ｄがこの範囲内である場合、方向性の放射を得ることが可能であり、すなわち、例えば非周期的に構造化された機能層６の場合よりも、放出される放射の角度分布が主放射方向１３付近に高い割合で集中することが判明した。
これに代えて、表面構造化７をマイクロプリズムまたはマイクロレンズによって形成するともできる。この場合、構造要素８は、一般には放出される放射の波長λ２よりも大きい。
図４に示した放射放出半導体部品の例示的な実施形態は、図１に示した例示的な実施形態と異なる点として、ルミネセンス変換層５がＰＶＤ（物理的気相成長）法によって形成される層である。特に、ルミネセンス変換層５は、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ）によって形成される層とすることができる。ルミネセンス変換層５は、特に、機能層６の上に堆積させることができ、すなわち、機能層６は、ＰＶＤ法によってルミネセンス変換層５を堆積させるための基板としての役割を果たす。これを目的として、機能層６は、自立性の基板として使用できるように十分な機械的安定性を有する好ましくは無機材料から形成されている。特に、機能層６は、サファイア基板とすることができる。これに代えて、図１に記載した例示的な実施形態の場合と同様に、機能層６を、ガラス、セラミック、またはガラスセラミックから形成するとも可能である。機能層６は表面構造化７を有し、表面構造化７は、特に、放射の取り出しを改善する役割を果たし、図１〜図３に関連して上述したように構成することができる。
本半導体部品を製造するための製造方法においては、一例として、最初に、機能層６の表面に表面構造化７を設けることができ、次いで、この表面構造化７とは反対側の面の上にルミネセンス変換層５を堆積させることができる。あるいは、これらの方法ステップを逆の順序で行うこともできる。（このように個別に形成される）機能層６とルミネセンス変換層５の組合せを、さらなる方法ステップにおいて、放射放出半導体部品の半導体ボディ１に、例えば結合層１１によって結合することができる。
図４に示した例示的な実施形態のそれ以外の細部および有利な構造形態は、図１に関連して上述した例示的な実施形態と同様であり、したがって詳しい説明は繰り返さない。
図５に示した例示的な実施形態の場合には、図１に示した例示的な実施形態の場合と同様に、ルミネセンス変換層５が、放射放出半導体部品の半導体ボディ１に結合層１１によって結合されている。ルミネセンス変換層５は自立性の層であり、ガラス、セラミック、またはガラスセラミックから形成されていることが好ましい。ルミネセンス変換層５は、その表面に表面構造化７を有し、この表面構造化７は、特に、ルミネセンス変換層５からの放射の取り出しを改善する。この場合、ルミネセンス変換層５の表面構造化７は、機能層６としての役割を果たす。したがってこの場合、機能層６は個別の層として形成されるのではなく、ルミネセンス変換層５における表面構造化７の形で具体化されている。
それ以外の細部および有利な構造形態に関して、図５に示した例示的な実施形態は、図１に示した例示的な実施形態と同様である。
図６に示した放射放出半導体部品は、放射を放出する活性層３を含んだ半導体ボディ１を備えているルミネセンスダイオードである。活性層３は、例えば、ｎ型の半導体領域４とｐ型の半導体領域２との間に配置されている。半導体ボディ１の半導体層２，３，４は、成長基板１４の上に成長させた層とすることができる。これに代えて、半導体ボディ１を薄膜半導体ボディとすることも可能であり、この場合、図１における例示的な実施形態と同様に、成長基板１４が除去され、代わりに、成長基板１４とは異なるキャリアボディの上に半導体ボディ１が配置されている。
ルミネセンス変換層５は、主放射方向１３において放射放出活性層３の下流に配置されている。ルミネセンス変換層５は、ガラス、セラミック、またはガラスセラミックから形成されていることが有利である。ルミネセンス変換層５は、ルミネセンス変換物質を備えており、ルミネセンス変換物質は、活性層３によって放出される、第１の波長λ１において最大輝度を有する放射の一部分を、第２の波長λ２において最大輝度を有する放射に変換する（波長λ２は波長λ１より長い）。ルミネセンス変換層は、特に、Ｃｅによってドープされたガーネット（例えばＹＡＧ：ＣｅまたはＬｕＡＧ：Ｃｅ）、あるいはＥｕによってドープされた窒化物または酸窒化物を備えていることができる。ルミネセンス変換層５は、自立性の層であることが好ましく、例えば結合層１１によって半導体ボディ１に結合することができる。
機能層６は、主放射方向１３においてルミネセンス変換層５の後ろに位置している。機能層６は、ルミネセンス変換層５の屈折率ｎ１より小さい屈折率ｎ２を有することが好ましい。これによって、少なくとも１つの中間段階によって、ルミネセンス変換層５の屈折率ｎ１から周囲の媒体への屈折率の急激な変化が緩和され、このようにすることで、放射放出半導体部品からの放射の取り出しが改善される。
有利な一構造形態においては、機能層６は、散乱粒子１５を備えている。機能層６は、自身の周囲の物質よりも高い屈折率を有する散乱粒子１５の代わりに、特に、自身の周囲の物質よりも低い屈折率を有する細孔を備えていることもできる。機能層６における散乱粒子１５または細孔によって光が散乱し、これにより、放出される放射の色度座標の角度依存性が減少し、これは有利である。さらには、散乱粒子１５によって、外側から放射放出半導体部品に入射する放射を散乱させることもでき、このようにする効果として、オフ状態において放射放出半導体部品の表面が白色に見え、これは有利である。すなわち、放射放出半導体部品のオフ状態においてルミネセンス変換層５が黄色がかって見えることがあるが、このようにすることで低減する。
機能層６は、基材として、ガラス、セラミック、またはガラスセラミックを備えており、この基材に、例えば散乱粒子１５が埋め込まれていることが好ましい。機能層６は、特に、焼結または溶融によって、ルミネセンス変換層５に結合することができる。この場合、ルミネセンス変換層５と機能層６との間に追加の結合層（例えば接着層）が含まれていないことが有利である。このようにすることで、放射の取り出しにマイナスに影響しうる光学的に活性な界面の数が減少する。
しかしながら、これに代えて、透明な結合層１１によって機能層６をルミネセンス変換層５に結合することも考えられる。図７は、この構造形態を示している。この場合、機能層６とルミネセンス変換層５との間の結合層１１は、例えばシリコーンまたはエポキシ樹脂の層とすることができる。ルミネセンス変換層５は、さらなる結合層１１（同様にシリコーンまたはエポキシ樹脂の層とすることができる）によって、半導体ボディ１に結合されている。それ以外の細部については、図７に示した例示的な実施形態は、図６に示した例示的な実施形態と同様である。
ここまでに説明した例示的な実施形態の場合、機能層６は、いずれも放射放出半導体部品の放射取り出し領域に配置されている。しかしながら、放射放出半導体部品のバリエーションとして、機能層６が放射放出半導体部品の放射取り出し領域に配置されていない、または放射放出半導体部品の放射取り出し領域以外の位置にも存在する形態が考えられる。
図８に概略的に示した例示的な実施形態の場合、機能層６は、ルミネセンス変換層の第１の部分層５ａと第２の部分層５ｂとの間に配置されている。この場合、機能層６は、特に、散乱粒子１５を含んでいることができ、この散乱粒子１５は、活性層３とルミネセンス変換層５の第１の部分層５ａから放出される光を散乱させ、これによって、色の混合が改善され、色度座標の角度依存性が減少する。それ以外の細部については、図８に示した例示的な実施形態は、図６に示した例示的な実施形態と同様である。
図９に概略的に示した、放射放出半導体部品の例示的な実施形態の場合、機能層６は、半導体ボディ１とルミネセンス変換層５との間に配置されている。この構造形態の場合、機能層６は、半導体ボディ１の屈折率とルミネセンス変換層５の屈折率との間の屈折率を有することが好ましい。このようにすることで、放射が半導体ボディ１からルミネセンス変換層５に伝搬するとき、機能層６によって、反射損失が減少し、これは有利である。機能層６は、前の例示的な実施形態の場合と同様に、例えば、活性層３によって放出される放射の角度分布を変化させる目的で、散乱粒子１５を含んでいることができる。
図１０に示した例示的な実施形態の場合、機能層６は、主放射方向１３に見たときルミネセンス変換層５の上と下の両方に配置されている。主放射方向１３においてルミネセンス変換層５の上に配置されている機能層６は、放射放出半導体部品からの放射の取り出しを有利に改善し、好ましくはこの機能層６に散乱粒子１５が含まれている結果として、色度座標の角度依存性が減少し、放射放出半導体部品のオフ状態においてルミネセンス変換層５が白色に見える。したがって、ルミネセンス変換層５の上に配置されている機能層６の有利な特性および動作モードは、図６に示した例示的な実施形態と同様である。主放射方向１３においてルミネセンス変換層５の下に配置されている機能層６は、図９に示した例示的な実施形態の場合と同様に、特に、半導体ボディ１とルミネセンス変換層５との間の界面における反射損失を減少させる役割を果たす。これを目的として、ルミネセンス変換層５の下に配置されている機能層６は、半導体材料の屈折率とルミネセンス変換層５の屈折率との間の屈折率を有することが有利である。結果として、図１０における例示的な実施形態の場合、ルミネセンス変換層５の上の機能層の利点と、ルミネセンス変換層５の下の機能層６の利点の両方が達成される。
図１１に概略的に示した例示的な実施形態の場合には、第１の部分層６ａおよび第２の部分層６ｂを備えた機能層６が、主放射方向１３においてルミネセンス変換層５の下流に配置されている。機能層６の第１の部分層６ａ（主放射方向１３においてルミネセンス変換層５の後ろに位置している）は、ルミネセンス変換層の屈折率ｎ１より小さい屈折率ｎ２を有する。機能層６の第２の部分層６ｂ（主放射方向１３において機能層６の第１の部分層６ａの後ろに位置している）は、第１の部分層６ａの屈折率ｎ２より小さい屈折率ｎ３を有する。したがって、ルミネセンス変換層５の屈折率ｎ１から周囲の媒体の屈折率に急激に遷移するのではなく複数の段階を経て遷移し、これは有利である。このようにすることで、放射放出半導体部品の放射取り出し面における反射損失を、特に効果的に減少させることができる。
機能層６の第１の部分層６ａもしくは第２の部分層６ｂまたはその両方は、散乱粒子１５を備えていることができ、散乱粒子１５は、活性層によって放出される放射と、ルミネセンス変換層５によって変換された放射の色の混合を改善する、もしくは、オフ状態において放射放出半導体部品が外側から白色に見えるようにする、またはその両方を目的とする。
散乱粒子１５の濃度は、機能層６の第１の部分層６ａにおいて第２の部分層６ｂよりも低いことが有利である。したがって、散乱粒子１５の濃度は、主放射方向１３において機能層６の部分層ごとに減少する、または、機能層６の中で、主放射方向１３において連続的に下がる勾配を有する。半導体ボディ１およびルミネセンス変換層５の近傍において、散乱粒子の濃度が低いことの利点として、放出される放射の後方散乱が小さく、この結果として、放射放出半導体部品の効率が向上する。
図１２に示した、放射放出半導体部品の例示的な実施形態の場合、図６に示した例示的な実施形態の場合と同様に、屈折率ｎ２を有する機能層６が、主放射方向１３において、屈折率ｎ１（ｎ２≦ｎ１）を有するルミネセンス変換層５の下流に配置されている。図６に示した例示的な実施形態とは異なり、機能層６には、ルミネセンス変換層５とは反対側の面に、表面構造化７が設けられている。表面構造化７の結果として、特に、放射放出半導体部品の放射取り出し領域における反射損失をさらに低減することができる。
表面構造化７は、特に、エッチング工程によって形成することができる。この場合、機能層６は、使用するエッチング方法においてルミネセンス変換層５よりもエッチング速度が高い材料から形成されていることが有利である。ルミネセンス変換層５は、エッチング方法に対する安定性が最大限に高いことが有利である。表面構造化７は、非周期的な構造、または周期的な構造とすることができる。周期的な構造の場合、例えば図２および図３に関連して説明したように、表面構造化７はフォトニック結晶を形成することができる。
色度座標の角度依存性を低減する、もしくは、放射放出半導体部品がオフ状態であるときルミネセンス変換層５が外側から白色に見えるようにする、またはその両方を目的として、機能層６は散乱粒子１５を備えていることができる。さらには、表面構造化７が散乱特性を有することもでき、したがって、適切な場合に散乱粒子１５を省くことができる。
図１３に示した放射放出半導体部品の例示的な実施形態は、図１２に示した半導体部品と同様に、表面構造化７を有する機能層６ｂを備えており、この機能層６ｂは、主放射方向１３においてルミネセンス変換層５の後ろに位置している。図１２に示した例示的な実施形態と異なる点として、機能層のさらなる部分層６ａが、主放射方向１３に見たときルミネセンス変換層５の下に追加的に配置されている。ルミネセンス変換層５の下に配置されているもう１つの部分層６ａは、図９および図１０に示した例示的な実施形態の場合と同様に、放射が半導体ボディ１からルミネセンス変換層５に伝搬するときの反射損失を実質的に低減する役割を果たす。これを目的として、ルミネセンス変換層５の下に配置されている機能層６の部分層６ａは、半導体ボディ１の屈折率とルミネセンス変換層５の屈折率との間の屈折率を有することが好ましい。
ルミネセンス変換層５の下に配置されている第１の部分層６ａと、ルミネセンス変換層５の上に配置されている機能層６の第２の部分層６ｂの両方が、それぞれ、散乱粒子１５を備えていることができる。この場合、散乱粒子１５の濃度は、第２の部分層６ｂよりも第１の部分層６ａにおいて低いことが有利である。特に、機能層の第２の部分層６ｂのみが、散乱粒子１５を備えていることが可能である。このようにして達成される利点として、ルミネセンス変換層６の下に配置されている第１の部分層６ｂにおける放射の後方散乱が小さい。
ここまで、本発明について例示的な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されない。本発明は、任意の新規の特徴および特徴の任意の組合せを包含しており、特に、請求項における特徴の任意の組合せを含んでいる。これらの特徴または特徴の組合せは、それ自体が請求項あるいは例示的な実施形態に明示的に記載されていない場合であっても、本発明に含まれる。
関連出願
本特許出願は、独国特許出願第１０２００９０５９８７８．２号および独国特許出願第１０２０１０００５１６９．１号の優先権を主張し、これらの文書の開示内容は参照によって本出願に組み込まれている。
本特許出願は、独国特許出願第１０２００９０５９８７８．２号および独国特許出願第１０２０１０００５１６９．１号の優先権を主張し、これらの文書の開示内容は参照によって本出願に組み込まれている。
Claims (15)
- 放射放出半導体部品であって、
− 活性層（３）を有し、前記活性層（３）が、動作時に第１の波長λ１を有する電磁放射を主放射方向（１３）に放出する、半導体ボディ（１）と、
− 放出される前記放射の少なくとも一部分を、前記第１の波長λ１よりも長い第２の波長λ２を有する放射に変換するルミネセンス変換層（５）と、
− 放射の取り出し、色の混合、放出される前記放射の角度依存性、の少なくとも１つを改善する機能層（６）と、
を備えており、
− 前記機能層（６）が、前記主放射方向（１３）において前記活性層（３）の後ろに位置しており、ガラス、セラミック、ガラスセラミック、またはサファイアを含んでいる、
放射放出半導体部品。 - 前記機能層（６）が前記主放射方向（１３）において前記ルミネセンス変換層（５）の後ろに位置している、
請求項１に記載の放射放出半導体部品。 - 前記ルミネセンス変換層（５）が屈折率ｎ１を有し、前記機能層（６）が屈折率ｎ２を有し、ｎ２≦ｎ１が成り立つ、
請求項１または請求項２に記載の放射放出半導体部品。 - 前記ルミネセンス変換層（５）が屈折率ｎ１を有し、前記機能層（６）が屈折率ｎ２を有し、Δｎ＝｜ｎ２−ｎ１｜≦０．３が成り立つ、
請求項１から請求項３のいずれかに記載の放射放出半導体部品。 - 前記ルミネセンス変換層（５）がセラミックを備えている、
請求項１から請求項４のいずれかに記載の放射放出半導体部品。 - 前記機能層（６）が、酸化アルミニウム、アルミニウム酸窒化物、マグネシウム−アルミニウム・スピネル、二酸化ケイ素、酸窒化ケイ素、石英ガラス、アモルファス酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２）、ソーダライムガラス、ケイ酸塩ガラス、ホウケイ酸ガラス、またはスピンオンガラス、を備えている、
請求項１から請求項５のいずれかに記載の放射放出半導体部品。 - 前記機能層（６）と前記ルミネセンス変換層（５）との間に結合層が配置されていない、
請求項１から請求項６のいずれかに記載の放射放出半導体部品。 - 前記機能層（６）が表面構造化（７）を有する、
請求項１から請求項７のいずれかに記載の放射放出半導体部品。 - 前記表面構造化（７）が、１００ｎｍ〜１０μｍの範囲内の深さを有する、
請求項８に記載の放射放出半導体部品。 - 前記表面構造化（７）が周期的な構造を有する、
請求項８または請求項９に記載の放射放出半導体部品。 - 前記周期的な構造が周期ｄを有し、前記機能層（６）が屈折率ｎ２を有し、
π／λ２＜Ｇ＜ｎ２・２π／λ２
が成り立ち、
１次元の周期構造の場合にはＧ＝２π／ｄであり、２次元の周期構造、特に六角形の周期構造の場合にはＧ＝４π／√３ｄである、
請求項１０に記載の放射放出半導体部品。 - 前記機能層（６）が、細孔または散乱粒子（１５）を備えている、
請求項１から請求項１１のいずれかに記載の放射放出半導体部品。 - 前記ルミネセンス変換層（５）が、細孔および散乱粒子のいずれも備えていない、
請求項１から請求項１２のいずれかに記載の放射放出半導体部品。 - 前記機能層（６）が少なくとも２層の部分層（６ａ，６ｂ）を備えており、前記部分層（６ａ，６ｂ）における前記散乱粒子（１５）の濃度が、前記主放射方向（１３）において部分層ごとに減少している、
請求項１２または請求項１３に記載の放射放出半導体部品。 - 前記機能層（６）が少なくとも２層の部分層（６ａ，６ｂ）を備えており、前記部分層（６ａ，６ｂ）における屈折率が、前記主放射方向（１３）において部分層ごとに小さくなっている、
請求項１から請求項１４のいずれかに記載の放射放出半導体部品。
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