CN101351900A - Led半导体本体和led半导体本体的应用 - Google Patents

Led半导体本体和led半导体本体的应用 Download PDF

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Abstract

描述了一种LED半导体本体，具有产生射线的第一活跃层和产生射线的第二活跃层，其中第一活跃层和第二活跃层在垂直方向上重叠地设置。

Description

LED半导体本体和LED半导体本体的应用
技术领域
本发明涉及一种LED半导体本体和LED半导体本体的应用。
背景技术
本专利申请要求德国专利申请102005063105.3以及德国专利申请102006039369.4的优先权，它们的公开内容通过引用合并于此。
传统的LED半导体本体通常具有含有pn结的层结构。在该pn结的区域内存在LED的活跃层，在运行时在该活跃层中产生射线。所产生的射线量取决于驱动该LED半导体本体的电流强度。
但是活跃层中的电流密度不应当超过取决于所采用的各材料系统的最大电流密度，否则就存在过度的老化效应缩短LED半导体本体的寿命的危险。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种提高了射线密度的LED半导体本体。
该技术问题通过权利要求1的LED半导体本体解决。
此外本发明还要解决的技术问题是提供提高了射线密度的LED半导体本体的应用。
该技术问题通过权利要求20至22的应用解决。
本发明的优选扩展是从属权利要求的内容。
本发明的LED半导体本体具有产生射线的第一活跃层，和产生射线的第二活跃层，其中第一活跃层和第二活跃层在垂直方向上重叠地设置。
在此，活跃层应理解为产生射线的pn结。该pn结在最简单的情况下可以借助一个p导电和一个n导电的半导体层形成，这些半导体层直接相邻。优选的，在p导电的活跃层和n导电的活跃层之间形成真正的产生射线的层，例如以掺杂或不掺杂的量子层的形式。量子层可以形成为单量子罐形结构(SQW，Single Quantum Well，单量子阱)或多量子罐形结构(MQW，Multiple Quantum Well，多量子阱)，或形成为量子连接或量子点结构。
优选的，在具有重叠设置的活跃层的LED半导体本体中，与开头所述的传统LED半导体本体相比提供两个或更多的活跃层同时用于产生射线，从而所产生的总射线量提高或射线密度提高。
与另一种用于提高射线量的可能性相比，即与增大LED半导体本体横向方向上的横截面积相比，具有重叠堆积的pn结的LED半导体本体其特点是有利地减小了制造费用以及由此导致每LED半导体本体的制造成本降低。相反，增大LED半导体本体的横截面积可能导致高得多的每LED半导体本体的成本。
此外，具有垂直重叠设置的活跃层的LED半导体本体可以简单地与预定的供电电压如12V或24V匹配。当活跃层pn结同方向地相互紧靠排列时，在运行时活跃层上的电压降增大，从而通过LED半导体本体的活跃层的数量可以匹配预定的供电电压如12V或24V。
优选的，第一和第二活跃层单块地集成在半导体本体中。由此省掉了制造第一层堆与第二层堆的例如借助结合(Bond)的连接的步骤。
在此，LED半导体本体是指用于发光二极管、即发射不相干射线的半导体器件的半导体本体，其中尤其是第一和第二活跃层分别产生不相干的射线。
在该LED半导体本体的第一变形中，第一和第二活跃层发射具有相同波长的射线。从而相对于传统LED半导体本体有利地提高了射线量，尤其是提高了具有预定波长的射线密度。
在该LED半导体本体的第二变形中，第一和第二活跃层产生不同波长的射线。该变形具有以下优点：该LED半导体本体的发射频谱总的来说加宽了。这尤其有利于产生混合颜色的光，优选白色光。
在该LED半导体本体的有利扩展中，在第一活跃层和第二活跃层之间形成隧道结(Tunnelübergang)。该隧道结用作第一和第二活跃层之间的电连接。例如，这样的隧道结可以借助具有第一导电类型的高掺杂层和具有第二导电类型的高掺杂层形成。要注意这些半导体层不一定非要均匀掺杂，因为在与各另一个半导体层的边界面上的高掺杂就足以形成隧道结。
优选的，在该扩展中第一和第二活跃层同方向地设置，从而它们的pn结形成pn-pn结构或np-np结构，其中这些pn结借助位于其间的隧道结串联地电连接。在本发明的范围内可以按照类似方式将3个或更多的活跃层垂直重叠地设置在LED半导体本体内，这些活跃层以相应的方式通过分别形成在两个相邻活跃层之间的隧道结相互连接。
此外，还可以由第一导电类型的第一导电层和第二导电类型的第二导电层形成隧道结，其中在第一层和第二层之间设置中间层，该中间层可以不掺杂，或者以第一或第二导电类型低掺杂。
此外，还可以考虑在第一层和第二层之间设置两个中间层，其中与该第一层接壤的中间层具有与第一层相同的导电类型，与第二层接壤的中间层具有与第二层相同的导电类型。
在LED半导体本体的另一个实施方式中，在第一和第二活跃层之间设置第一导电类型的连接层，并分别在第一和第二活跃层的背向连接层的面上设置第二导电类型的层。
在该变形中，第一和第二活跃层的pn结彼此反向地构成，从而形成pn-np结构或np-pn结构，其中两个pn结借助n导电或p导电的连接层连接。优选的，借助并联电路，正向电压相对于传统LED保持不变。
优选的，设置和形成连接层，使得可以借助接触(Kontakt)与该连接层电连接。为了形成第一和第二活跃层的电并联电路，可以借助优选外部的、也就是设置在半导体本体之外的接触将外面的第二导电类型的层电连接。
合适的，LED半导体本体设置在载体元件上。优选的，为此采用导电的载体元件。这使得可以形成垂直的导电器件，其中电流基本上在垂直方向上流动。这种器件的特点是LED半导体本体内的电流分布比较均匀。为了接触，合适的是在该导电的载体元件的背向LED半导体本体的面上设置背面接触。
替换或附加的，载体元件对所产生的射线来说是可穿透的，从而可以实现射线通过衬底的射出。
LED半导体本体可以在载体元件上外延地生长。生长衬底同时用作载体元件。为了外延的生长，可以采用公知和已确定的外延技术，例如用于AlGaAs或InAlGaAs的材料系统。
可替换的，LED半导体本体安装在与生长衬底不同的载体元件上，其中优选生长衬底已从该半导体本体上去掉。由此该半导体本体还可以称为薄膜半导体本体。
薄膜半导体本体的特征尤其是在于以下特征性特征的至少一个：
-在产生射线的外延层序列的朝向载体元件的第一主面上敷设或形成反射层，该反射层将在该外延层序列中产生的电磁射线的至少一部分反射回该外延层序列中；
-外延层序列具有在20μm或更少的范围内的厚度，尤其是在10μm的范围内的厚度；
-外延层序列包括至少一个具有至少一个面的半导体层，该至少一个面具有混匀结构，该混匀结构在理想情况下导致光在取向附生的外延层序列中的近似各态历经的分布，即该结构具有尽可能各态历经的随机散射行为。
薄膜发光二极管芯片的基本原理描述在例如I.Schnitzer等人的Appl.Phys.Lett.63(16)，18.Oktober 1993，2174-2176中，其公开内容通过引用合并于此。
薄膜发光二极管芯片非常近似于郎伯表面辐射器，并且尤其适于在聚光灯中使用。
在实施为薄膜半导体本体的LED半导体本体中，射出射线的强度得到了有利的提高。
根据不同的材料系统可以机械地、热地或借助激光消融方法去掉生长衬底。薄膜半导体本体的特征在于小的正向电压和在产生射线时的高效率。此外，薄膜半导体本体在选择载体元件方面不会受限于取向附生所需要的边界条件，从而该载体元件例如就其热导能力或其成本来说可能是最佳的。上述类型的薄膜半导体本体尤其适用于InGaAlP或InGaAln材料系统。
作为半导体材料，对于LED半导体本体以及必要时对于上面设置该半导体本体的载体元件适用的是InAlGaAs(AlnGamIn1-n-mAs，其中0≤n≤1，0≤m≤1，n+m≤1)、InGaAlP(AlnGamIn1-n-mP，其中0≤n≤1，0≤m≤1，n+m≤1)、和/或InGaAlN(AlnGamIn1-n-mN，其中0≤n≤1，0≤m≤1，n+m≤1)，其中包括各二元以及三元连接如GaAs，AlGaAs，GaP，InP，GaAlP，GaN或InGaN。
在此，相应的材料不必具有按照上述公式的精确的数学关系式，而是可以具有一种或多种掺杂物质以及附加的成分，这些掺杂物质和附加的成分基本上不会改变该材料的物理特性。为简单起见，上述公式只含有结晶点阵的主要成分(Al，Ga，In，P)，即使这些成分部分被少量的其它物质所代替。
优选的，LED半导体本体在运行时在垂直方向上发射射线，其中从第一和第二活跃层发射的射线典型的混合在一起。
具有重叠设置的活跃层的LED半导体本体可用于普通照明。通过提高射线密度，这种半导体尤其适用于普通照明。
此外，该LED半导体本体可用于背景照明，例如显示器的背景照明。
优选的，LED半导体本体用于投影应用。
附图说明
本法明的其他特征、优点和合适的地方通过下面结合附图1至4中描述的实施例给出。
图1示出本发明LED半导体本体的第一实施例的示意截面图，
图2示出本发明LED半导体本体的第二实施例的示意截面图，
图3示出本发明两个在可见光区域发射射线的LED半导体本体的电流/功率特征曲线，
图4示出本发明两个在红外光区域发射射线的LED半导体本体的电流/功率特征曲线。
相同或作用相同的元件在附图中用相同的附图标记表示。
具体实施方式
图1所示的第一实施例的LED半导体本体1具有产生射线的第一活跃层2和产生射线的第二活跃层3，其中活跃层在垂直方向上，也就是在垂直于活跃层的主延伸方向上重叠地设置。在活跃层2、3之间形成隧道结4，该隧道结借助第一导电类型的第一半导体层5，如n导电的半导体层以及第二导电类型的第二半导体层6，如p导电的半导体层形成。优选的，这两个半导体层5、6实施为高掺杂的，从而在运行时形成具有小的结电阻的更为高效的隧道结。
通过在一个LED半导体本体中设置两个活跃层，有利的提高了所产生的总射线量。由于该LED半导体本体的尺寸相对于仅具有唯一的一个活跃层的LED半导体本体来说发生的改变不大，尤其是该LED半导体本体的横截面与活跃层的数量无关，因此还有利地提高了射线密度。
半导体本体1设置在载体元件7上。半导体本体1的朝向载体元件7的表面优选地具有反射层15。尤其优选的是，反射层15以及载体元件7都可以导电。此外，载体元件7在其背向半导体本体1的面上具有背面接触8。相应的，在LED半导体本体1的与载体元件7相对的面上形成正面接触9。由此形成垂直导电的器件，该器件的特点在于LED半导体本体内比较均匀的电流分布。
LED半导体本体1生长在另外的生长衬底上，然后再例如借助焊接、结合或粘接安装到载体元件上，其中优选将生长衬底从LED半导体本体上融掉。反射层15例如可以实施为布拉格镜、金属层、TCO(透明导电氧化物)层，如I TO层或ZnO层或金属层和TCO层的组合。在载体元件7的方向上发射的射线分量，由此可以在射线射出面的方向上被反射回来。
在射线射出面上，LED半导体本体为了提高射线射出量而具有打毛(Aufrauhung)、例如以微棱镜形式的表面结构化或其它用于减小射线射出面上的(总)反射损耗的装置。
图2所示的实施例示出LED半导体本体1，其与图1的实施例一样具有产生射线的第一活跃层2和产生射线的第二活跃层3并且设置在载体元件7上，该载体元件7具有背面接触8。
与图1的实施例不同，在该第一活跃层2和第二活跃层3之间设置了第一导电类型的连接层12，例如p导电的半导体层。隧道结的形成在此不是一定需要的。分别在第一活跃层2和第二活跃层3的背向该连接层12的面上设置第二导电类型的半导体层13、14，例如n导电的半导体层。与图1的实施例不同的是，在图2的LED半导体本体1中活跃层2、3的pn结相反方向地设置，从而形成np-pn结构。
当然在本发明的范围内所有导电类型都可以相互交换，从而例如在图2的实施例中连接层12是n导电的，设置于外的层13、14是p导电的，由此形成pn-np结构。
为了形成接触，在上面的第二导电类型的半导体层13中，如在n导电的半导体层中形成凹陷，这些凹陷一直到达连接层12。在这些凹陷内设置正面接触9，通过该正面接触可以与连接层12电连接。
第二导电类型的相对于连接层12位于外部的半导体层13、14通过外部连接10，例如通过金属化或导电的TCO涂层，以及通过载体元件7而相互导电连接，并与背面接触8连接。
在外部连接10和半导体本体1之间设置隔离层11。由此可以防止外部连接10将活跃层2和3短路。
半导体本体1生长到载体元件7上。
在射线射出面上，LED半导体本体又为了提高射线射出量而具有打毛(Aufrauhung)、例如以微棱镜形式的表面结构化或其它用于减小射线射出面上的(总)反射损耗的装置。
在图3中示出第一、第二和第三LED半导体本体的特征曲线I、II和III。这些半导体本体在活跃层数量方面是不同的。具有特征曲线I的第一半导体本体包括一个活跃层。具有特征曲线II的第二半导体本体包括两个活跃层，在这两个活跃层之间设置隧道结。具有特征曲线III的第三半导体本体包括三个活跃层，在两个活跃层之间分别设置一个隧道结。
半导体本体包含InGaAlP，并发射在可见光区域的射线，优选具有波长λ＝630nm。
从图中看出，半导体本体的射线功率P随着输入电流的电流强度If增大而增大。此外还可以看出，第三半导体本体，至少在If＞10mA的区域内，在电流强度相同的情况下具有比第一和第二半导体本体更大的射线功率。由于半导体本体具有大致相同的大小，因此射线密度在第三半导体本体中最大。此外，第二半导体本体的射线密度大于用作参考的第一半导体本体的射线密度。
图4示出第一、第二和第三LED半导体本体的特征曲线IV、V和VI。这些半导体本体在活跃层数量方面是不同的。具有特征曲线IV的第一半导体本体包括一个活跃层。具有特征曲线V的第二半导体本体包括两个活跃层，在这两个活跃层之间设置隧道结。具有特征曲线VI的第三半导体本体包括五个活跃层，在两个活跃层之间分别设置一个隧道结。
半导体本体发射在红外光区域的射线，尤其具有波长λ＝950nm。优选的，活跃层具有GaAs/AlGaAs异质结。特别优选的，该半导体本体实施为薄膜半导体本体。
此外，该半导体本体是高电流半导体本体。
对应于图3，从图4所示的示意图中看出，半导体本体的射线功率P随着输入电流的电流强度If增大而增大。此外还可以看出，第三半导体本体，至少在If＞10mA的区域内，在电流强度相同的情况下具有比第一和第二半导体本体更大的射线功率。由于这些半导体本体具有大致相同的大小，因此射线密度在第三半导体本体中最大。此外，第二半导体本体的射线密度大于第一半导体本体的射线密度。
本发明不限于借助实施例描述的说明书。尤其是在本发明的范围内不仅可以垂直叠加地设置两个产生射线的活跃层，还可以垂直叠加地设置三、四个或更多产生射线的活跃层，它们优选分别借助隧道结或连接层电连接。
此外，本发明包括每个新特征以及这些特征的任意组合，尤其是权利要求中的每个特征组合，即使这些特征或特征组合本身并没有在权利要求书或实施例中显性公开。

Claims (22)

1.一种LED半导体本体，具有产生射线的第一活跃层和产生射线的第二活跃层，其中第一活跃层和第二活跃层在垂直方向上重叠地设置。
2.根据权利要求1所述的LED半导体本体，其中第一和第二活跃层单块地集成在所述半导体本体中。
3.根据权利要求1或2所述的LED半导体本体，其中第一和第二活跃层分别产生不相干的射线。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的LED半导体本体，其中第一和第二活跃层分别产生具有相同波长的射线。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的LED半导体本体，其中第一和第二活跃层产生不同波长的射线。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的LED半导体本体，其中在第一活跃层和第二活跃层之间形成隧道结。
7.根据权利要求6所述的LED半导体本体，其中所述隧道结借助具有第一导电类型的高掺杂层和具有第二导电类型的高掺杂层形成。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的LED半导体本体，其中在第一和第二活跃层之间设置第一导电类型的连接层，并分别在第一和第二活跃层的背向该连接层的面上设置第二导电类型的层。
9.根据权利要求8所述的LED半导体本体，其中可借助接触电连接到所述连接层。
10.根据权利要求8或9所述的LED半导体本体，其中借助外部的接触将设置于外围的第二导电类型的层电连接。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的LED半导体本体，其中该LED半导体本体设置在载体元件上。
12.根据权利要求11所述的LED半导体本体，其中所述载体元件是导电的和/或可被所产生的射线穿透。
13.根据权利要求11或12所述的LED半导体本体，其中在所述载体元件的背向LED半导体本体的面上设置背面接触。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的LED半导体本体，其中所述LED半导体本体在载体元件上生长。
15.根据权利要求11至13中任一项所述的LED半导体本体，其中LED半导体本体在与载体元件不同的生长衬底上生长。
16.根据权利要求15所述的LED半导体本体，其中所述生长衬底从该半导体本体上去掉。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的LED半导体本体，其中该半导体本体，优选两个活跃层之一或两个活跃层包含InAlGaAs或InGaAlP。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的LED半导体本体，其中该半导体本体，优选两个活跃层之一或两个活跃层包含InGaAlN。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的LED半导体本体，其中该LED半导体本体在垂直方向上发射射线。
20.一种根据权利要求1至19中任一项所述的LED半导体本体在普通照明上的应用。
21.一种根据权利要求1至19中任一项所述的LED半导体本体在背景照明上的应用，例如显示器的背景照明。
22.一种根据权利要求1至19中任一项所述的LED半导体本体在投影应用上的应用。
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