特許 5763261 ディスプレイおよびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5763261

(24)【登録日】2015年6月19日

(45)【発行日】2015年8月12日

(54)【発明の名称】ディスプレイおよびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/10 20100101AFI20150723BHJP

   H01L 33/50 20100101ALI20150723BHJP

   G09F 9/33 20060101ALI20150723BHJP

【ＦＩ】

   H01L33/00 130

   H01L33/00 410

   G09F9/33

【請求項の数】12

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2014-500298(P2014-500298)

(86)(22)【出願日】2012年1月30日

(65)【公表番号】特表2014-510411(P2014-510411A)

(43)【公表日】2014年4月24日

(86)【国際出願番号】EP2012051446

(87)【国際公開番号】WO2012130499

(87)【国際公開日】20121004

【審査請求日】2013年9月24日

(31)【優先権主張番号】102011015726.3

(32)【優先日】2011年3月31日

(33)【優先権主張国】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】599133716

【氏名又は名称】オスラム オプト セミコンダクターズ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング

【氏名又は名称原語表記】Ｏｓｒａｍ Ｏｐｔｏ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ＧｍｂＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100105050

【弁理士】

【氏名又は名称】鷲田 公一

(72)【発明者】

【氏名】フォン マルム ノーヴィン

(72)【発明者】

【氏名】リンコフ アレクサンダー

(72)【発明者】

【氏名】リンダー ノルベルト

【審査官】 佐藤 俊彦

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００７−５３３１４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０７９５９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０５６０１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２７７６５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表平１１−５１０９６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１１６１３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０６０２４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０８８２９９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３３／００−３３／６４

Ｈ０１Ｓ ５／００−５／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

互いに横方向に隣り合って配置されている複数のオプトエレクトロニクス半導体チップ（１００）を有するディスプレイ（１０００）であって、
− 前記オプトエレクトロニクス半導体チップ（１００）がそれぞれ、半導体材料の半導体ボディ（６）と、放出方向において前記半導体ボディ（６）の下流に配置されている取り出し面（９）と、ミラー層（１）とを備えており、
− 前記半導体ボディ（６）が、放射を生成することを目的とする活性層（２）を備えており、
− 前記ミラー層（１）が、前記取り出し面（９）とは反対側の前記半導体ボディ（６）の面に配置されており、
− 前記半導体チップ（１００）から放出される放射のパターンが順方向における好ましい方向を有するように、前記活性層（２）によって前記取り出し面（９）の方に放出された放射と前記ミラー層（１）において反射された放射とが干渉するように、前記活性層（２）と前記ミラー層（１）との間の隙間（ｄ_３）が設定されており、
− 前記半導体ボディ（６）の前記取り出し面（９）の上にポッティング材料（７）が配置されており、前記ポッティング材料（７）が、前記半導体材料の屈折率より低い屈折率を有し、
− 動作時に通電される、隣り合う半導体チップ（１００）の前記活性層（２）の領域の間それぞれに、前記ポッティング材料（７）とは反対の前記活性層（２）の側に、吸収体層（１３）が配置されている、
ディスプレイ（１０００）。

【請求項2】

前記取り出し面（９）が、前記半導体ボディ（６）の横方向範囲より小さい横方向範囲を有し、
前記活性層（２）と前記ミラー層（１）との間の前記隙間（ｄ_３）が９０ｎｍであり、公差が最大で１０％である、
請求項１に記載のディスプレイ。

【請求項3】

共振器型発光ダイオードである、
請求項１または請求項２のいずれかに記載のディスプレイ。

【請求項4】

前記半導体ボディ（６）にはミラーが存在せず、前記活性層（２）と前記取り出し面（９）との間には、反射するように設計された中間層が存在せず、
前記半導体ボディ（６）の前記取り出し面（９）の反射率は、前記ポッティング材料（７）において２５％〜５０％の範囲内（両端値を含む）であり、
前記取り出し面（９）の横方向範囲は、２μｍ〜１０μｍの範囲内（両端値を含む）であり、
前記取り出し面（９）は、前記半導体ボディ（６）の横方向範囲より小さい横方向範囲を有する、
請求項１から請求項３のいずれかに記載のディスプレイ。

【請求項5】

前記活性層（２）と前記取り出し面（９）との間にブラッグミラー（１１）が配置されている、
請求項１から請求項３のいずれかに記載のディスプレイ。

【請求項6】

前記ブラッグミラー（１１）がＡｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層およびＧａＮ層を備えている、
請求項５に記載のディスプレイ。

【請求項7】

前記半導体ボディ（６）とは反対側の前記ポッティング材料（７）の面、または前記半導体ボディ（６）に、変換層（８）が形成されている、
請求項１から請求項６のいずれかに記載のディスプレイ。

【請求項8】

前記複数の半導体チップ（１００）が共通の半導体ボディ（６）を備えている、
請求項１から請求項７のいずれかに記載のディスプレイ。

【請求項9】

隣り合う半導体チップ（１００）の、動作時に通電される前記活性層（２）の領域と、前記取り出し面（９）が、いずれも、それぞれ互いに横方向に距離をおいて配置されている、
請求項１から請求項８のいずれかに記載のディスプレイ。

【請求項10】

隣り合う半導体チップ（１００）のポッティング材料（７）の間それぞれに、気体で満たされた凹部（１２）が配置されている、
請求項１から請求項９のいずれかに記載のディスプレイ。

【請求項11】

前記半導体ボディ（６）とは反対側の前記ポッティング材料（７）の面に、変換層（８）が形成されており、前記変換層（８）が、前記活性層（２）によって放出される放射を異なる波長の放射に変換するのに適している複数の領域を備えている、
請求項１から請求項１０のいずれかに記載のディスプレイ。

【請求項12】

請求項１から請求項１１のいずれかに記載のディスプレイを製造する方法であって、
− 放射を生成することを目的とする活性層（２）を備えている、半導体材料の半導体ボディ（６）、を形成するステップと、
− 前記半導体ボディ（６）の上にミラー層（１）を配置するステップと、
を含んでおり、
前記半導体チップ（１００）から放出される放射の放出パターンが順方向における好ましい方向を有するパターンとして生成されるように、前記活性層（２）によって前記取り出し面（９）の方に放出された放射と前記ミラー層（１）において反射された放射とが干渉するように、前記活性層（２）と前記ミラー層（１）との間の隙間が設定される、
方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複数の半導体チップを備えたディスプレイと、その製造方法とに関する。

【背景技術】

【0002】

例えばビーマー（beamer）やプロジェクタ（画像生成要素に接続される）において使用するための半導体チップはすでに公知であり、画像生成要素としては例えばＬＣＤ（液晶ディスプレイ）またはＤＬＰ（デジタルライトプロセッサ）が使用されている。しかしながら、このような半導体チップと画像生成要素との組合せは、光損失のため非効率的であり、ビーム経路の方向に大きな部品高さが要求される。

【0003】

より効率的かつコンパクトな方法は、半導体チップと画像生成要素を１つの部品において具体化することである。しかしながら、この場合の不利な点として、放出する半導体チップからの放射が、場合によっては切断されている隣接する半導体チップに入ってそのチップから取り出されるという問題がある。これにより、そのような部品のコントラストが低下し、これは不利である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本出願の目的は、横方向における放射の取り出しが防止され、結果として順方向における効率が有利に高まる半導体チップを提供することである。さらに、本出願の目的は、複数の半導体チップを備えたディスプレイであって、１つの半導体チップから放出された放射が隣接する半導体チップに取り込まれることが防止され、したがって改善されたコントラストを特徴とする、ディスプレイ、を提供することである。本出願のさらなる目的は、そのような半導体チップおよびそのようなディスプレイの製造方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

これらの目的は、特に、請求項１の特徴を有するディスプレイと、請求項１２の特徴を有する、ディスプレイの製造方法と、によって達成される。ディスプレイ、およびこれらの製造方法のさらなる有利な発展形態は、従属請求項の主題を構成している。

【0006】

実施形態においては、本半導体チップは、半導体材料の半導体ボディと、放出方向において半導体ボディの下流に配置されている取り出し面と、ミラー層とを備えており、半導体ボディは、放射を生成することを目的とする活性層を備えている。ミラー層は、取り出し面とは反対側の半導体ボディの面に配置されている。半導体チップから放出される放射のパターンが順方向における好ましい方向を有するように、活性層によって取り出し面の方に放出された放射とミラー層において反射された放射とが干渉するように、活性層とミラー層との間の隙間が設定されている。ミラー層は、金属層（例えば銀の層）とすることができる。取り出し面もしくはミラー層またはその両方は、平坦な形状とすることができる。

【0007】

オプトエレクトロニクス半導体チップとは、特に、電子的に生成されるデータまたはエネルギを光放出に変換する、またはこの逆に変換することのできる半導体チップである。オプトエレクトロニクス半導体チップは、例えば、放射放出半導体チップである。

【0008】

放射パターンとは、主放出方向における光強度を基準としたときの光強度の角度依存性を記述するものである。主放出方向とは、活性層または半導体チップの横方向範囲（lateral extent）に対して垂直な方向である。

【0009】

この場合、活性層とミラー層との間の隙間は、半導体チップによって放出される放射が、順方向に、すなわち主放出方向に、特に、活性層の横方向範囲に対して垂直に、より強く導かれるようにされている。活性層とミラー層との間の隙間は、放射強度が順方向において最大であるように設定されていることが好ましい。設定されている隙間によって、活性層または半導体チップの側面に放出される放射が減少し、好ましくは防止される。したがって、本半導体チップは、ランバート放射パターンを有さない。このような調整は、当業者には「ビーム整形」としても公知である。

【0010】

順方向における好ましい方向は、特に、共振によって形成される。半導体ボディに形成される強度分布は、半導体チップの放射が、順方向に、すなわち半導体チップの横方向範囲に対して垂直に、特に主放出方向に、有利に放出されるような分布である。

【0011】

さらなる発展形態においては、半導体ボディの上にポッティング材料が配置されており、この材料は、半導体材料の屈折率より低い屈折率を有する。したがって、半導体ボディの取り出し面における屈折率の差異が比較的小さい。

【0012】

少なくとも一実施形態によると、本半導体チップはレーザではなく発光ダイオード、特に、「共振器型発光ダイオード（Resonant Cavity Light-emitting Diode）」（略してＲＣ−ＬＥＤ）である。したがって、放出される放射のコヒーレンス長が比較的小さい。

【0013】

半導体チップから放出される放射は、実質的に半導体チップの取り出し面を通じて取り出されることが好ましい。好ましくは活性層において放出される放射の８０％、特に好ましくは活性層によって放出される放射の９０％が、取り出し面を通じて半導体チップから取り出される。

【0014】

ミラー層は、さらに半導体チップのｐ側コンタクトとしての役割を果たすことが好ましい。半導体チップのｎ側の接触も、取り出し面とは反対側の半導体チップの面において同様に形成することができる。例えば、ｎ側コンタクトは、半導体チップとは反対側のミラー層の面に、電気的に絶縁された状態で配置されており、電気的に絶縁されたホール（すなわち「ビア」）によってミラー層を貫いて半導体チップのｎ側まで延びる。これに代えて、半導体チップの取り出し側、半導体ボディとポッティング材料との間にｎ側コンタクトを配置することができる。この場合、ｎ側コンタクトは、放射に対して透過性の層（例えばＴＣＯを含んだ層）である、または金属格子コンタクト（metal grid contact）として構成されていることが好ましい。

【0015】

さらなる発展形態においては、取り出し面は、半導体ボディの横方向範囲より小さい横方向範囲を有する。半導体ボディは、特に、ミラー層とは反対側に配置されている主面を備えており、主面はその一部に取り出し面を備えている。取り出し面は、主面の中央に配置されていることが好ましい。すなわち、特に、主面の周辺領域（取り出し面の横に配置されている）においては、実質的にまったく放射が取り出されない。周辺領域において取り出される放射は、活性層によって放出される放射の最大で１０％であることが好ましい。

【0016】

したがって、半導体チップの平面視において、半導体チップは、複数の領域（すなわち「ピクセル」）を有する主面を備えている。ピクセルは例えば取り出し面を備えており、隣接するピクセルは取り出し面に横方向に隣接して配置されており、これらのピクセルを通じて放射はまったく、またはほとんど取り出されず、これは有利である。

【0017】

さらなる発展形態においては、次の式が成り立つ。

【0018】

【数1】

式中、ｐ_１は、通電される活性層の半値（half value）、ｐ_２は、取り出し面の半値、ｄ_１は、半導体ボディの高さ、ｄ_２は、ポッティング材料の高さ、ｄ_３は、活性層とミラー層との間の隙間、ｎ_１は、半導体材料の屈折率、ｎ_２は、ポッティング材料の屈折率であり、０≦α_２＜９０°である。

【0019】

ここで、半値とは、横方向範囲の半分に対応する。

【0020】

通電される活性層が半値ｐ_１を有する場合、対応する取り出し面の理想的な最小半値ｐ_２は、上記の式を使用して計算することができる。半導体チップのコントラストは、特に、ｄ_２＊ｔａｎ（α_２）の不確定性によって制限され、なぜなら、角度α_２が大きいとｔａｎ（α_２）は無限に近づくためである。このことは、コントラストを望ましい大きさとすることはできないことを意味し、なぜなら、つねに放射の一部が取り出し面に隣接する領域から取り出されるためである。さらに、半導体ボディの材料とポッティング材料との間の境界面においてフレネル反射が発生し、したがって、反射された光が半導体ボディの中に戻り、ミラー層において反射され、したがって、取り出し面に隣接する領域を通じて取り出される。

【0021】

さらなる発展形態においては、活性層と取り出し面との間にブラッグミラーが配置されている。ブラッグミラーは、λ／４層（例えば５つのλ／４層）からなることが好ましい。ブラッグミラーは、Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層およびＧａＮ層を備えていることが好ましい。このように配置されたブラッグミラーは、ビーム整形効果と、したがって半導体チップの効率を大幅に高め、これは有利である。特に、ブラッグミラーは、順方向における放射の放出を増幅する。

【0022】

ブラッグミラーは、順方向に放出される光線の強度を増大させ、横方向に放出される光線の強度を減少させることができ、これは有利である。

【0023】

取り出し面および半導体ボディは、垂直な対称軸線を有し、活性層の対称軸線と取り出し面の対称軸線は互いに重なり合っていることが好ましい。ブラッグミラーは、自身の対称軸線が活性層の対称軸線および取り出し面の対称軸線に一致するように配置されていることが有利である。ブラッグミラーは、半導体ボディの中に組み込まれていることが好ましい。

【0024】

さらなる代替発展形態においては、半導体ボディにブラッグミラーなどのミラーが存在しない。特に、活性層と取り出し面との間には、反射するように設計された中間層が存在しない。この場合、取り出し面の反射率は、例えば２０％〜６０％の範囲内（両端値を含む）または２５％〜５０％の範囲内（両端値を含む）とすることができる。このような低い反射率は、特に、ポッティング材料によって達成することができる。

【0025】

さらなる発展形態においては、半導体ボディとは反対側のポッティング材料の面に、変換層が形成されている。変換層は、透明なセラミック材料または半導体材料（例えばＩＩ−ＶＩ族半導体材料）を含んでいることが好ましい。

【0026】

変換層は、例えば変換粒子などの散乱中心を備えていないことが好ましい。これに代えて、変換層は、変換粒子が埋め込まれたマトリックス材料を備えており、変換粒子の屈折率とマトリックス材料の屈折率が同じであり、したがって変換粒子によって散乱中心が形成されない。

【0027】

変換層は、活性層によって放出される放射を別の波長の放射に変換するのに適している。変換層は、完全な変換が行われるように構成することができる。完全な変換とは、特に、活性層によって放出される放射の大部分を変換層が別の波長の放射に変換し、したがってチップが、変換された放射のみを実質的に放出することを意味するものと理解されたい。これに代えて、部分的な変換が行われる。部分的な変換とは、特に、活性層によって放出される放射の一部のみが別の波長の放射に変換されるように変換層が構成されており、したがってチップが、変換された放射と活性層によって放出される放射とからなる混合放射を放出することを意味するものと理解されたい。

【0028】

変換層は、ポッティング材料とは異なる屈折率を有する。変換層の屈折率は、半導体材料の屈折率に適合するようにされていることが好ましい。すなわち、変換層の屈折率は、半導体ボディの屈折率とほぼ同じである。変換層の屈折率と半導体ボディの屈折率との差は、できる限り小さく、好ましくは１０％未満である。したがって、ポッティング材料と変換層との間の境界面においても、フレネル反射が同様に生じ、これにより、反射された光が半導体ボディの中に戻り、ミラー層において反射されて主面を介して取り出される。

【0029】

さらなる発展形態においては、本半導体チップはＬＥＤであり、好ましくは薄膜ＬＥＤである。本出願の目的においては、ＬＥＤの製造中に、上に半導体ボディをエピタキシャル成長させた成長基板が好ましくは完全に剥離されている場合、そのＬＥＤを薄膜ＬＥＤとみなす。

【0030】

半導体ボディ、特に半導体材料は、ＩｎＧａＮ系、ＩｎＧａＡｌＰ系、またはＩｎＡｌＧａＡｓ系であることが好ましい。

【0031】

一実施形態において、本半導体チップはポッティング材料を含んでいない。この場合、変換層は、例えば半導体ボディと変換層のダイレクトボンディングによって、半導体ボディに直接接合されている。

【0032】

取り出し面は、１００ｎｍ〜１００μｍの範囲内（両端値を含む）の横方向範囲を有する。取り出し面の横方向範囲は、２μｍ〜１０μｍの範囲内（両端値を含む）であることが好ましい。

【0033】

実施形態において、ディスプレイは、上述した半導体チップを複数備えており、これらの半導体チップは互いに横方向に隣り合って配置されている。半導体チップは、例えば、共通のキャリア基板上に互いに横方向に隣り合って配置されている。半導体チップは、間隔なしで互いに横方向に隣り合って配置されていることが好ましい。これに代えて、動作時に活性層が通電されない領域を半導体チップの間に配置することができ、したがって、これらの領域では動作時に放射が生成されない。

【0034】

半導体チップに関連して記載されている特徴は、ディスプレイにもあてはまり、逆も同様である。

【0035】

このような半導体チップを備えたディスプレイは、特に、高いコントラストを特徴とする。この高いコントラストを達成できるのは、ディスプレイの個々の半導体チップそれぞれが順方向における好ましい方向を有する放出パターンを有し、したがって、放出される放射のうち、隣接する半導体チップに入ってそこから取り出される放射が最大でもわずかな割合であることによる。

【0036】

本ディスプレイのさらなる発展形態においては、複数の半導体チップは、共通の半導体ボディを備えている。半導体ボディは活性層を備えており、活性層は、動作時に通電される、横方向に隔置された領域を備えている。動作時に通電される活性層の領域の間それぞれに１つの領域が配置されており、この領域においては、半導体ボディが、動作時に通電されない半導体材料を含んでいる。

【0037】

さらなる発展形態においては、隣り合う半導体チップの活性層の通電される領域と、取り出し面は、いずれも、それぞれ互いに横方向に距離をおいて配置されている。取り出し面それぞれは、通電される活性層の垂直上方に対称的に配置されていることが好ましい。

【0038】

さらなる発展形態においては、隣り合う半導体チップのポッティング材料の間それぞれに凹部が配置されており、この凹部は、約１の屈折率を有する気体を備えていることが好ましい。この場合、各半導体チップ、または半導体チップの各領域はポッティング材料を備えており、個々の半導体チップの間の領域における半導体材料の上にはポッティング材料が配置されておらず、代わりにこの領域には気体が封入されている。

【0039】

さらなる発展形態においては、動作時に通電される、隣り合う半導体チップの活性層の領域の間それぞれに、ポッティング材料とは反対の活性層の側に、吸収体層が配置されている。したがって、半導体ボディは、活性層の通電される領域の間に組み込まれている吸収体材料を備えており、この材料は、活性層の通電される領域によって放出される放射を吸収するのに適している。吸収体層と、気体で満たされた凹部は、垂直方向に互いに上下に位置するように配置されており、吸収体層と凹部との間には半導体ボディの半導体材料が配置されている。この半導体材料は、動作時に通電されない。凹部および吸収体層は、隣接する半導体チップの方向に半導体チップによって放出される放出光を排除し、これは有利である。隣接するチップの方向に放出される光線は、半導体材料の屈折率と気体の屈折率とが大きく異なる結果として、凹部において全反射され、次いで吸収体層に吸収される。これにより、これらの光線は隣接するチップからもはや取り出され得ず、これは有利であり、したがって、このようなディスプレイのコントラストが高まり、これは有利である。

【0040】

さらなる発展形態においては、変換層は、活性層によって放出される放射を異なる波長の放射に変換するのに適している複数の領域を備えている。したがって、変換層の平面視において、変換層は、活性層によって放出される放射を異なる波長の放射に変換するのに適している複数の領域を備えている。例えば、第１の領域は、活性層によって放出される放射が赤色放射に変換されるように構成されており、第２の領域は、活性層によって放出される放射が緑色放射に変換されるように構成されており、第３の領域は、活性層によって放出される放射が変化することなく通過できるように構成されている、または黄色放射に変換されるように構成されている。

【0041】

変換層の領域それぞれは、半導体チップの下流に配置されていることが好ましく、したがって、ディスプレイの平面視において、例えば、変換層の複数の異なる領域の行列状の配置が形成される。

【0042】

半導体チップのビーム経路に変換層を導入することによって、チップによって放出される放射の色を修正することができる。特に、異なる色が生成される領域を有する変換層によって、フルカラーのディスプレイを達成することができる。このようにして、例えば、ＲＧＢ（赤、緑、青）ディスプレイを得ることができる。さらに、白色光に変換されるディスプレイは、ピクセル型ヘッドライトにおいて使用される。

【0043】

半導体チップを製造する方法は、以下の方法ステップ、すなわち、
− 放射を生成することを目的とする活性層を備えている、半導体材料の半導体ボディ、を形成するステップと、
− 半導体ボディの上にミラー層を配置するステップであって、半導体チップから放出される放射の放出パターンが順方向における好ましい方向を有するパターンとして生成されるように、活性層によって取り出し面の方に放出された放射とミラー層において反射された放射とが干渉するように、活性層とミラー層との間の隙間が設定される、ステップと、
を含んでいる。

【0044】

さらなる発展形態においては、本方法は、以下のステップ、すなわち、
− ミラー層とは反対側の半導体ボディの面にポッティング材料を配置するステップであって、ポッティング材料が、半導体材料の屈折率より低い屈折率を有する、ステップ、
を含んでいる。

【0045】

半導体チップに関連して記載されている特徴は、本方法にもあてはまり、逆も同様である。

【0046】

さらなる発展形態においては、上述した方法を使用して製造される半導体チップを複数備えているディスプレイが製造される。

【0047】

本発明のさらなる利点およびさらなる有利な発展形態は、図１〜図５を参照しながら以下に説明する例示的な実施形態によって明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0048】

【図1】本発明による半導体チップの例示的な実施形態の概略的な断面図

【図2A】活性層とミラー層との間の隙間の関数としての取り出し効率と、放出角度の関数としての放出パターンに関連する概略図

【図2B】活性層とミラー層との間の隙間の関数としての取り出し効率と、放出角度の関数としての放出パターンに関連する概略図

【図2C】活性層とミラー層との間の隙間の関数としての取り出し効率と、放出角度の関数としての放出パターンに関連する概略図

【図3】本発明によるディスプレイの例示的な実施形態の概略的な断面図

【図4】本発明によるディスプレイの例示的な実施形態の概略的な断面図

【図5】本発明による、半導体チップの製造方法に関連する流れ図

【発明を実施するための形態】

【0049】

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、それぞれ同じ参照数字を付してある。図示した構成要素と、構成要素間の互いのサイズの比率は、正しい縮尺ではないものとみなされたい。むしろ、便宜上、または深く理解できるようにする目的で、例えば層、パターン、構成要素、領域などの個々の要素を誇張した厚さまたは大きさで示してある。

【0050】

図１は、半導体チップ１００を示しており、この半導体チップ１００は、半導体ボディ６と、その上に配置されているポッティング材料７とを備えている。半導体チップ１００は、例えばＬＥＤであり、好ましくは薄膜ＬＥＤである。

【0051】

半導体ボディ６は、半導体材料から形成されており、例えば、ＩｎＧａＮ系、ＩｎＧａＡｌＰ系、またはＩｎＡｌＧａＡｓ系である。この半導体ボディは、放射を生成することを目的とする、動作時に通電される活性層２を備えている。動作時に通電される活性層の部分は、半導体ボディ６の横方向範囲の全体にわたり延在しているのではなく、半導体ボディ６の半導体層の中央に位置するように配置されている。すなわち、半導体チップ１００の平面視において、半導体ボディは、動作時に通電されて放射が生成される中央領域と、動作時に通電されない、チップ１００の隣接する周辺領域とを備えている。

【0052】

半導体ボディ６は、半導体ボディを形成するエピタキシャルに堆積された層を備えており、これらの層に活性層２が組み込まれている。

【0053】

半導体ボディ６は主面を備えており、主面の上にポッティング材料７が配置されている。ポッティング材料７とは反対側の半導体ボディ６の面に、ミラー層１が配置されている。

【0054】

ポッティング材料は、半導体ボディ６の半導体材料の屈折率より低い屈折率を有する。ポッティング材料は、例えばシリコーンを含んでいる。ポッティング材料は、半導体ボディ６の主面の上に層として配置されている。半導体ボディ６の側面にはポッティング材料７が存在しないことが好ましい。

【0055】

ミラー層１は、活性層２によって放出された放射を主面の方向に放出するのに適している。したがって、半導体チップ１００から出る光は、活性層２から主面の方に直接取り出される（矢印３のビーム経路を参照）、またはミラー層１によって間接的に反射される（矢印４のビーム経路を参照）。この直接的な光３と反射された光４によって、活性層２とミラー層１との間の隙間ｄ_３の関数としての干渉像（interference image）が生じる。この効果は、半導体チップ１００の内部の放出パターンを修正する。このような半導体チップ１００の効率およびコントラストを高める目的で、半導体チップ１００の最初はランバート型である放出（initially Lambertian emission）を順方向に、より強く導く。この効果は、当業者には「ビーム整形」としても公知である。この効果は、具体的には、順方向における放出強度が共振によって増幅されるように、好ましくはその最大値に達するように、ミラー層１と活性層２との間の隙間ｄ_３を選択することにおいて、達成される。

【0056】

このようにして、半導体チップ１００は取り出し面９を備えており、活性層２において放出される放射の大部分がこの取り出し面９を通じて半導体チップから取り出され、これは有利であり、取り出し面９は、半導体ボディ６の横方向範囲よりも小さい横方向範囲を備えていることが好ましい。取り出し面９は半導体チップ１００の中央に配置されており、したがって半導体チップの平面視において、半導体チップ１００は中央領域に取り出し面９を備えており、取り出し面に隣接する領域１０からは、放射がほとんど、またはまったく半導体チップから取り出されない。

【0057】

通電される活性層が半値ｐ_１を有する場合、対応する取り出し面の理想的な最小半値ｐ_２は、次の式を使用して計算することができる。

【0058】

【数1】

この式において、ｄ_１は、半導体ボディ６の高さ、ｄ_２は、ポッティング材料７の高さ、ｄ_３は、活性層２とミラー層１との間の隙間、ｎ_１は、半導体材料の屈折率、ｎ_２は、ポッティング材料７の屈折率であり、α_２は、０〜９０゜の範囲内または２０゜〜６０゜の範囲内（両端値を含む）である。

【0059】

隙間ｄ_３は、例えば、５０ｎｍ〜１３０ｎｍの範囲内（両端値を含む）または７５ｎｍ〜１０５ｎｍの範囲内（両端値を含む）である。特に、ｄ_３は、０．５ｎ_１λであり、λは半導体チップによって放出される主波長である。屈折率ｎ_１は、例えば２．２〜２．７の範囲内（両端値を含む）であり、屈折率ｎ_２は、例えば１．３〜１．７５の範囲内（両端値を含む）である。

【0060】

半導体ボディ６とは反対側のポッティング材料７の面には変換層８が配置されており、変換層８は、活性層２によって放出される放射を別の波長の放射に変換するのに適している。変換層は、半導体材料の屈折率（すなわち例えば屈折率ｎ_１）とほぼ同じ屈折率を有する。

【0061】

半導体材料６とポッティング材料７との間の境界面と、ポッティング材料７と変換層８との間の境界面とにおいて、フレネル反射が発生し、したがって、反射された光は半導体ボディ６の中に戻り、ミラー層１において取り出し面の方に反射される。

【0062】

このような半導体チップ１００の場合におけるビーム整形効果を高める目的で、オプションとして、半導体ボディ６の中、活性層２と取り出し面９との間に、ブラッグミラー１１を組み込むことができる。ブラッグミラー１１は、例えば、Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}ＮおよびＧａＮの５つのλ／４層を備えている。

【0063】

取り出し面９、ブラッグミラー１１、および活性層２は、半導体チップ１００の中央に配置されていることが好ましい。

【0064】

半導体チップ１００の中の隙間ｄ_３を最適化することによって、このようなチップの放出パターンは、従来のチップと比較して高い効率および改善されたコントラストを有する。ここで、コントラストとは、動作時に取り出し面９から放出される放射と、動作時に隣接する領域１０から放出される放射との比である。この場合、隣接する領域１０においては、半導体チップ１００からほとんど、またはまったく放射が取り出されない。

【0065】

取り出し面９の横方向範囲は、１００ｎｍ〜１００μｍの範囲内（両端値を含む）、好ましくは２μｍ〜１０μｍの範囲内とすることができる。

【0066】

半導体チップ１００は、フルカラーディスプレイにおいて、またはピクセル型ヘッドライトに使用することができる。

【0067】

図２Ａは、取り出し面からの全体的な放出の効率を隙間ｄ_３の関数としてプロットした図を示している。この図は、例えば、図１の例示的な実施形態による半導体チップ１００に関連する。

【0068】

図２Ａの曲線Ａ_１は、取り出し面からの取り出し効率が、活性層とミラー層との間の隙間に直接依存することを示している。特に、取り出し効率は、９０ｎｍの隙間において最大値を有し、公差は好ましくは最大で１０％または最大で５％である。この理想的な隙間より上および下では、取り出し面からの取り出し効率は減少する。すなわち、９０ｎｍの隙間より上および下では、活性層によって放出される放射の一部が、取り出し面に隣接する領域において取り出される。しかしながら、この放射は、このようなチップのコントラストを低下させ、これは不利であり、特に、ディスプレイの用途において不利である。

【0069】

曲線Ａ_１は、図１の例示的な実施形態による半導体チップ１００であって、ただし活性層と取り出し面との間にブラッグミラーが配置されていない半導体チップ１００を示している。活性層と取り出し面との間にブラッグミラーを有する半導体チップに関連するデータ点は、図２Ａの図では点Ｂ_１によって示してある。図に示したように、このように配置されたブラッグミラーを使用することによって、取り出し面の領域における取り出し効率をさらに高めることができる。このようにすることで、特に、「ビーム整形効果」が高まる。

【0070】

図２Ｂは、コントラスト（すなわち取り出し面に隣接する領域における合計出力の割合）を、活性層とミラー層との間の隙間ｄ_３に対してプロットした図を示している。曲線Ａ_２から明らかであるように、コントラストは、隙間ｄ_３が大きいほど有利に高まる。

【0071】

図２Ｂの図の曲線Ａ_２は、図１の例示的な実施形態による半導体チップであって、ただし半導体ボディにブラッグミラーが組み込まれていない半導体チップに関連する。ブラッグミラーが組み込まれている半導体チップに対応するデータ点は、点Ｂ_２に示してある。ブラッグミラーが組み込まれた半導体チップは、平均的なコントラストを示している。

【0072】

図２Ｃは、放出角度に対する放射強度をプロットした図を示しており、個々の曲線Ａ_３〜Ａ_７は、活性層とミラー層との間の間隔ｄ_３が異なる。曲線Ａ_３〜Ａ_７は、ブラッグミラーが組み込まれていない半導体チップに基づいており、曲線Ｂ_３は、ブラッグミラーが組み込まれている半導体チップに基づいている。曲線Ａ_３は１００ｎｍの隙間ｄ_３、曲線Ａ_４は９０ｎｍの隙間ｄ_３、曲線Ａ_５は８０ｎｍの隙間ｄ_３、曲線Ａ_６は７０ｎｍの隙間ｄ_３、曲線Ａ_７は１１０ｎｍの隙間ｄ_３にそれぞれ基づいている。活性層とミラー層との間の隙間の大きい曲線（すなわち曲線Ａ_３およびＡ_４）は、角度０゜における低い効率を特徴とする。これに対して、曲線Ａ_６およびＡ_５は、０゜における高い効率を特徴とする。したがって、このような隙間の場合、順方向（すなわち０゜の方向）における好ましい方向を有する放出パターンが生じる。

【0073】

ブラッグミラーが組み込まれたチップによっても、高い効率を達成することができる（曲線Ｂ_３を参照）。

【0074】

図３はディスプレイ１０００を示しており、このディスプレイ１０００は、互いに横方向に隣り合って配置された複数の半導体チップ１００を備えている。これらの半導体チップ１００は、図１の例示的な実施形態による半導体チップに実質的に対応し、図３のチップの場合、半導体ボディ６にブラッグミラーは組み込まれていない。

【0075】

ディスプレイ１０００の半導体チップ１００は、共通の半導体ボディ６を備えている。すなわち、複数の半導体チップ１００は、成長基板の上に複合構造として一緒に成長したものである。この場合、複合構造の中に少なくとも１つの活性層が形成されており、この活性層は、動作時に通電される領域を備えている。動作時に通電される活性層の領域の間それぞれには、横方向の隙間が配置されており、したがって、複合構造は、動作時に放射を生成しない領域を備えている。

【0076】

ディスプレイ１０００は複数の取り出し面９，１０を備えており、これらの取り出し面それぞれは互いに横方向に距離をおいて配置されている。取り出し面は、各活性層の垂直方向下流に配置されている。したがって、このディスプレイは、動作時に放射が放出される領域９，１０を備えるように設計されており、これらの領域は、動作時に放射が放出されない領域によって互いに隔てられている。

【0077】

このようなディスプレイの最大のコントラストを確保するためには、１つの半導体チップから放出される放射が隣接する半導体チップに取り込まれることを防止することが有利である。これを目的として、図１の例示的な実施形態において記載したように、各半導体チップ１００の活性層２とミラー層１との間の隙間それぞれが最適に設定されている。このような方策に加えて、隣接する半導体チップの中に放出される放射を排除し、それによりこのようなディスプレイのコントラストをさらに高める目的で、半導体チップの間、ポッティング材料７に、気体で満たされた凹部１２を配置することができ、さらには、動作時に通電される活性層２の領域の間、半導体ボディ６に、吸収体層１３を配置することができる。隣接する半導体チップの方向に放出される光線１４は、半導体材料の屈折率と気体の屈折率とが大きく異なる結果として、凹部１２において全反射され、吸収体層１３に吸収される。したがって、これらの光線は隣接する半導体チップからもはや取り出され得ず、これにより、このようなディスプレイのコントラストが高まり、これは有利である。

【0078】

これを目的として、吸収体層１３と凹部１２は、互いに垂直方向に上下に位置するように配置されている。吸収体層１３は、半導体ボディ６におけるミラー層１に直接隣接するように配置することができる。

【0079】

それ以外については、図３の例示的な実施形態は、半導体チップ１００に関して図１の例示的な実施形態に対応する。

【0080】

図４におけるディスプレイの例示的な実施形態は、図３の例示的な実施形態と異なる点として、半導体ボディの上にポッティング材料が配置されていない。このディスプレイは、半導体ボディ６の上に直接位置している変換層８を備えており、この変換層はパターニングされている。ディスプレイ１０００の変換層８は複数の領域Ｋ_１，Ｋ_２を備えており、これらの領域は、活性層２によって放出される放射を異なる波長の放射に変換するのに適している。特に、複数の変換領域が取り出し面９の上方に配置されており、複数の変換領域は隙間によって互いに隔てられている。隙間は例えば空気を含んでいる。変換層の領域は、動作時に通電される活性層２の各領域の下流に配置されている。各領域は、他の領域と比較して異なって変換される波長を放出することが好ましく、したがって、例えばＲＧＢディスプレイ１０００を得ることができ、これは有利である。

【0081】

それ以外については、図４の例示的な実施形態は、図３の例示的な実施形態に実質的に対応する。

【0082】

図５は、例えば図１の例示的な実施形態による半導体チップを製造するための流れ図を示している。方法ステップＶ_１において、放射を生成することを目的とする活性層を備えた、半導体材料からなる半導体ボディ、を形成する。次に方法ステップＶ_２において、半導体ボディの上にミラー層を配置する。この場合、半導体チップから放出される放射の放出パターンが順方向における好ましい方向を有するパターンとして生成されるように、活性層によって半導体ボディの取り出し面の方に放出された放射とミラー層において反射された放射とが干渉するように、活性層とミラー層との間の隙間が設定される。

【0083】

次に方法ステップＶ_３において、ミラー層とは反対側の半導体ボディの面にポッティング材料を塗布し、このポッティング材料は半導体材料の屈折率より低い屈折率を有する。

【0084】

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、本発明はこれらの例示的な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。

【0085】

本特許出願は、独国特許出願第１０２０１１０１５７２６．３号の優先権を主張し、こ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。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3】

【図4】

【図5】