特許 5887069 電流閉じ込め構造および粗面処理を有するＬＥＤ

(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】5887069

(24)【登録日】2016年2月19日

(45)【発行日】2016年3月16日

(54)【発明の名称】電流閉じ込め構造および粗面処理を有するＬＥＤ

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/14 20100101AFI20160303BHJP

   H01L 33/22 20100101ALI20160303BHJP

【ＦＩ】

   H01L33/00 150

   H01L33/00 172

【請求項の数】17

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2011-117144(P2011-117144)

(22)【出願日】2011年5月25日

(62)【分割の表示】特願2007-552114(P2007-552114)の分割

【原出願日】2005年9月15日

(65)【公開番号】特開2011-160007(P2011-160007A)

(43)【公開日】2011年8月18日

【審査請求日】2011年6月24日

【審判番号】不服2014-25366(P2014-25366/J1)

【審判請求日】2014年12月11日

(31)【優先権主張番号】11/042,030

(32)【優先日】2005年1月24日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】592054856

【氏名又は名称】クリー インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＣＲＥＥ ＩＮＣ．

(74)【代理人】

【識別番号】100092093

【弁理士】

【氏名又は名称】辻居 幸一

(74)【代理人】

【識別番号】100082005

【弁理士】

【氏名又は名称】熊倉 禎男

(74)【代理人】

【識別番号】100067013

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 文昭

(74)【代理人】

【識別番号】100086771

【弁理士】

【氏名又は名称】西島 孝喜

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100109335

【弁理士】

【氏名又は名称】上杉 浩

(74)【代理人】

【識別番号】100120525

【弁理士】

【氏名又は名称】近藤 直樹

(72)【発明者】

【氏名】スティーブン ピー．デンバーズ

(72)【発明者】

【氏名】ナカムラ シュウジ

(72)【発明者】

【氏名】マックス バトレス

【合議体】

【審判長】 河原 英雄

【審判官】 山口 裕之

【審判官】 近藤 幸浩

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−１９３３３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平２−７８２８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平２−１８１９８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−４７７６０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

H01L 33/00 - 33/64

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

発光ダイオード（ＬＥＤ）であって、
関連した第１のコンタクト（１１０）を有する第１のドープ層（１０２）と、
第２のドープ層（１０６）と、
前記第１のドープ層（１０２）と前記第２のドープ層（１０６）との間の活性領域（１０８）と、
前記第１のコンタクト（１１０）と軸方向に並んだ電流閉じ込め層（１１４）と、
コンタクト層（１１２）と
を備え、
前記電流閉じ込め層（１１４）及び前記コンタクト層（１１２）は、いずれも前記第２のドープ層（１０６）に接し、前記コンタクト層（１１２）は、前記電流閉じ込め層（１１４）を取り囲み、
前記コンタクト層（１１２）は、前記電流閉じ込め層（１１４）の表面まで延出しておらず、
前記コンタクト層（１１２）及び前記電流閉じ込め層（１１４）の外側の面は、同一平面上にあることを特徴とするＬＥＤ。

【請求項2】

前記電流閉じ込め層（１１４）は、前記第２のドープ層（１０６）に接することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ。

【請求項3】

前記電流閉じ込め層（１１４）が絶縁材料を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のＬＥＤ。

【請求項4】

前記電流閉じ込め層（１１４）は、前記第１のコンタクト（１１０）及び前記電流閉じ込め層（１１４）と並んでいる前記活性領域（１０８）の面積と一致する前記活性領域（１０８）からの光の放射を妨げることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のＬＥＤ。

【請求項5】

前記電流閉じ込め層（１１４）は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）および窒化ケイ素（ＳｉＮ）からなる群から選ばれる材料を含むことを特徴とする請求項３に記載のＬＥＤ。

【請求項6】

前記電流閉じ込め層（１１４）は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）を含むことを特徴とする請求項３に記載のＬＥＤ。

【請求項7】

前記第１のドープ層（１０２）と前記第２のドープ層（１０６）とは反対にドープされていることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ。

【請求項8】

前記電流閉じ込め層（１１４）は、前記第１のコンタクト（１１０）と同じ面積を有することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ。

【請求項9】

発光ダイオード（ＬＥＤ）であって、
関連した第１のコンタクト（１１０）を有する第１のドープ層（１０２）と、
第２のドープ層（１０６）と、
前記第１のドープ層（１０２）と前記第２のドープ層（１０６）との間の活性領域（１０８）と、
前記第１のドープ層（１０２）の上にあって、前記第１のドープ層（１０２）の一部のみを覆っている第１のコンタクト（１１０）と、
前記第２のドープ層（１０６）に接し、前記第２のドープ層（１０６）の一部のみを覆っている絶縁性の電流閉じ込め層（１１４）であって、前記第１のコンタクト（１１０）の下にある前記活性領域（１２２）からの光の放射を妨げる、絶縁性の電流閉じ込め層（１１４）と、
コンタクト層（１１２）と
を備え、
前記絶縁性の電流閉じ込め層（１１４）及びコンタクト層（１１２）は、いずれも前記第２のドープ層（１０６）に接し、前記コンタクト層（１１２）は、前記閉じ込め層（１１４）を取り囲み、
前記コンタクト層（１１２）は、前記絶縁性の電流閉じ込め層（１１４）の表面まで延出しておらず、
前記コンタクト層（１１２）及び前記電流閉じ込め層（１１４）の外側の面は、同一平面上にあることを特徴とするＬＥＤ。

【請求項10】

前記コンタクト層（１１２）は、前記絶縁性の電流閉じ込め層（１１４）によって覆われていない前記第２のドープ層（１０６）を全て覆っていることを特徴とする請求項９に記載のＬＥＤ。

【請求項11】

前記絶縁性の電流閉じ込め層（１１４）と前記第１のコンタクト（１１０）とは、軸方向に並んでいることを特徴とする請求項９に記載のＬＥＤ。

【請求項12】

前記第１のドープ層（１０２）と前記第２のドープ層（１０６）とは反対にドープされていることを特徴とする請求項９に記載のＬＥＤ。

【請求項13】

前記絶縁性の電流閉じ込め層（１１４）は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）を含むことを特徴とする請求項９に記載のＬＥＤ。

【請求項14】

前記絶縁性の電流閉じ込め層（１１４）は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）および窒化ケイ素（ＳｉＮ）からなる群から選ばれる材料を含むことを特徴とする請求項９に記載のＬＥＤ。

【請求項15】

前記絶縁性の電流閉じ込め層（１１４）は、前記第１のコンタクト（１１０）と同じ面積を有することを特徴とする請求項９に記載のＬＥＤ。

【請求項16】

関連した第１のコンタクト（１１０）を有する第１のドープ層（１０２）と、第２のドープ層（１０６）と、前記第１のドープ層（１０２）と前記第２のドープ層（１０６）との間の活性領域（１０８）を製造するステップと、
前記第２のドープ層（１０６）の上にコンタクト層（１１２）を形成するステップと、
前記第１のコンタクト（１１０）と軸方向に並んだ、前記コンタクト層（１１２）の一部分をエッチング除去するステップと、
前記エッチング除去された一部分に、電流閉じ込め層（１１４）を形成するステップであって、前記コンタクト層（１１２）が前記電流閉じ込め層（１１４）を取り囲むように、前記電流閉じ込め層（１１４）を形成するステップと
を備え、
前記コンタクト層（１１２）及び前記電流閉じ込め層（１１４）の外側の面は、同一平面上にあることを特徴とする方法。

【請求項17】

第１のドープ層（１０２）と、第２のドープ層（１０６）と、前記第１のドープ層（１０２）と前記第２のドープ層（１０６）との間の活性領域（１０８）とを含むＬＥＤを製造するステップと、
前記第１のドープ層（１０２）の上にあって、前記第１のドープ層（１０２）の一部のみを覆っている第１のコンタクト（１１０）を形成するステップと、
前記第２のドープ層（１０６）に接するコンタクト層（１１２）を形成するステップと、
前記コンタクト層（１１２）の一部分をエッチング除去するステップと、
前記エッチング除去された一部分に、絶縁性の電流閉じ込め層（１１４）を形成するステップであって、前記コンタクト層（１１２）が前記絶縁性の電流閉じ込め層（１１４）を取り囲むように、前記絶縁性の電流閉じ込め層（１１４）を形成するステップと
を備え、
前記絶縁性の電流閉じ込め層（１１４）は、前記第１のコンタクト（１１０）の下にある前記活性領域（１２２）からの光の放射を妨げ、
前記コンタクト層（１１２）及び前記絶縁性の電流閉じ込め層（１１４）の外側の面は、同一平面上にあることを特徴とする方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）に関し、より詳細には、ＬＥＤからの光抽出を向上させる新しい構造に関する。

【背景技術】

【0002】

発光ダイオード（ＬＥＤ）は、電気エネルギーを光に変換する重要な部類の固体デバイスであり、一般に、２つの反対にドープされた層の間にサンドイッチ状に挟まれた半導体材料の活性層を備える。ドープ層の両端間にバイアスが加えられたとき、正孔と電子が活性層に注入され、そこで再結合して光を発生する。光は、活性層から全方向に放射され、ＬＥＤのすべての表面から放射される。

【0003】

高い降伏電界、広い禁制帯幅（ＧａＮでは室温で３．３６ｅＶ）、大きな伝導帯オフセット、および大きな電子飽和ドリフト速度を含む材料特性の特異な組合せのために、ＩＩＩ族窒化物ベースの材料系から形成されたＬＥＤに対する関心が最近非常に大きい。ドープされた活性層は一般に、シリコン（Ｓｉ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、およびサファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）等の様々な材料から作製することができる基板の上に形成される。ＳｉＣウェハが多くの場合に好まれるが、それはＳｉＣウェハがＩＩＩ族窒化物に非常に近い結晶格子整合を有し、その結果、より高い品質のＩＩＩ族窒化物膜をもたらすためである。また、ＳｉＣは非常に高い熱伝導率を有するので、ＳｉＣ上のＩＩＩ族窒化物デバイスの全出力パワーは（サファイアまたはＳｉに形成された一部のデバイスの場合にそうであるように）ウェハの熱抵抗により制限されない。また、半絶縁性ＳｉＣウェハを利用できることで、商業デバイスを可能にするデバイス分離および寄生キャパシタンス減少の能力が与えられる。ＳｉＣ基板は、ノースカロライナ州ダラムのＣｒｅｅ Ｉｎｃ．から入手可能であり、この基板を製造する方法は、特許文献１、２、および３や科学文献で明らかにされている。

【0004】

ＬＥＤからの効率のよい光抽出は、高効率ＬＥＤの製造において大きな問題である。単一の出力結合面（ｏｕｔ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ）を有する従来のＬＥＤでは、外部量子効率は、基板を通過するＬＥＤの放射領域からの光の内部全反射（ＴＩＲ）によって制限される。ＴＩＲは、ＬＥＤの半導体と周囲環境との間の屈折率の大きな差によって生じることがある。エポキシ（ほぼ１．５）などの周囲材料の屈折率に比べてＳｉＣ（ほぼ２．７）の屈折率が高いために、ＳｉＣ基板を有するＬＥＤの光抽出効率は比較的低い。この差のために、活性部分からの光線がＳｉＣ基板からエポキシの中に伝播し最終的にはＬＥＤパッケージから脱出することができる脱出円錐（ｅｓｃａｐｅ ｃｏｎｅ）が小さくなる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】米国特許第Ｒｅ３４，８６１号明細書

【特許文献2】米国特許第４，９４６，５４７号明細書

【特許文献3】米国特許第５，２００，０２２号明細書

【特許文献4】米国特許第６，４１０，９４２号明細書

【特許文献5】米国特許第６，６５７，２３６号明細書

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】Windisch et al., “Impact of Texture-Enhanced Transmission on High-Efficiency Surface Textured Light Emitting Diodes,” Appl. Phys. Lett., Vol. 79, No. 15, Oct. 2001, Pgs. 2316-2317

【非特許文献2】Schnitzer et al. “30% External Quantum Efficiency From Surface Textured, Thin Film Light Emitting Diodes,” Appl. Phys. Lett., Vol. 64, No. 16, Oct. 1993, Pgs. 2174-2176

【非特許文献3】Windisch et al., “Light Extraction Mechanisms in High-Efficiency Surface Textured Light Emitting Diodes,” IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 8, No.2, March/April 2002, Pgs. 248-255

【非特許文献4】Streubel et al., “High Brightness AlGaNInP Light Emitting Diodes,” IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 8, No., March/April 2002

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ＴＩＲを減少させ全体的な光抽出を改善するために様々な方法が開発されており、比較的一般的な方法の１つは、表面テクスチャリングである。表面テクスチャリングは、脱出円錐を見出す多数の機会を光子に与える多様な表面を実現することによって、光の脱出確率を高める。脱出円錐を見出さない光は、ＴＩＲを経験し続け、脱出円錐を見出すまで様々な角度でテクスチャ面（ｔｅｘｔｕｒｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ）から反射する。表面テクスチャリングの利点はいくつかの論文で述べられている。［非特許文献１、２、３、および４を参照されたい。］。

【0008】

Ｃｒｅｅ Ｉｎｃ．に譲渡された特許文献４は、第１および第２の広がり層（ｓｐｒｅａｄｉｎｇ ｌａｙｅｒ）の間に形成された、電気的に相互接続された微小ＬＥＤのアレイを備えるＬＥＤ構造を開示している。これらのスプレッダ（ｓｐｒｅａｄｅｒ）の両端間にバイアスが加えられたとき、微小ＬＥＤは光を放射する。微小ＬＥＤの各々からの光は、ほんの短い距離を進んだ後で表面に達し、それによってＴＩＲが減少される。

【0009】

また、Ｃｒｅｅ Ｉｎｃ．に譲渡された特許文献５は、アレイ状に形成された内部および外部光学要素を使うことによってＬＥＤの光抽出を向上させる構造を開示している。光学要素は、半球および角錐などの多くの異なる形を有し、ＬＥＤの様々な層の表面または層の中に位置付けされることがある。これらの要素は、光が屈折または散乱する表面を実現する。

【課題を解決するための手段】

【0010】

簡単に一般的に言えば、本発明は、光抽出向上の特徴を有するＬＥＤを対象とする。本発明の一態様では、ＬＥＤは、関連したｐコンタクトを有するｐ型材料層と、関連したｎコンタクトを有するｎ型材料層と、前記ｐ型層と前記ｎ型層との間の活性領域とを備える。さらに、ＬＥＤは、前記ｐ型材料層と前記ｎ型材料層のうちの少なくとも１つの中に形成された閉じ込め構造を備える。前記閉じ込め構造は、前記閉じ込め構造の面積と一致する活性領域の面積からの光の放射を実質的に妨げる。また、ＬＥＤは、前記ｐ型材料層および前記ｎ型材料層のうちの１つと関連した粗面を備える。

【0011】

本発明の他の態様では、ＬＥＤは、関連した第１のコンタクトおよび光が放射される第１の表面を有する第１の材料層と、関連した第２のコンタクトを有する第２の材料層と、前記第１の層と前記第２の層との間の活性領域とを備える。ＬＥＤは、さらに、前記第１の層および前記第２の層のうちの１つと一体化された閉じ込め構造を備える。前記閉じ込め構造は、前記第１のコンタクトとほぼ軸方向に一列に並んでおり、前記閉じ込め構造の面積と一致する前記活性領域の面積における光の放射を実質的に妨げる。

【0012】

本発明のさらに他の態様では、ＬＥＤは、関連した第１のコンタクトおよび光が放射される第１の表面を有する第１の材料層と、第２の材料層と、前記第１の層と前記第２の層との間の活性領域と、前記第２の材料層に隣接し、関連した基板コンタクトを有する電導性基板とを備える。ＬＥＤは、さらに、前記第１の層、前記第２の層および前記基板のうちの１つの中にある少なくとも１つの閉じ込め構造を備える。前記閉じ込め構造は、前記第１のコンタクトとほぼ軸方向に一列に並んでおり、さらに、前記活性領域の方に向かって流れる電流を、前記閉じ込め構造の面積と一致する前記活性領域の面積から遠ざけるように方向付ける。

【0013】

本発明のさらに他の態様では、ＬＥＤは、関連した第１のコンタクトおよび光が放射される第１の表面を有する第１の材料層と、関連した第２のコンタクトを有する第２の材料層と、前記第１の層と前記第２の層との間の活性領域とを備える。ＬＥＤは、さらに、前記第２のコンタクトと関連した閉じ込め構造を備える。前記閉じ込め構造は、前記活性領域の方に向かって流れる電流を、前記閉じ込め構造の面積と一致する前記活性領域の面積から遠ざけるように方向付ける。

【0014】

本発明のこれら及び他の態様および利点は、以下の詳細な説明および本発明の特徴を例示する添付図面から明らかになるだろう。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】電導性材料の２つの層間の活性領域と、電導性材料のいずれかの層に位置付けることができる電流閉じ込め構造とを備えるＬＥＤのある概略的実施形態を示す断面図である。

【図2】電導性材料の２つの層間の活性領域と、基板と、粗面処理された上面と、電導性材料のいずれかの層または基板に位置付けることができる電流閉じ込め構造とを備えるＬＥＤの別の概略的実施形態を示す断面図である。

【図3】ｎ型材料の下層に電流閉じ込め構造を備える図１のＬＥＤの構成の断面図である。

【図4】ｐ型材料の上層の電流閉じ込め構造と、粗面処理された上面を有する透明電導性材料の層とを備える図２のＬＥＤの構成の断面図である。

【図5】ｐ型材料の下層の電流閉じ込め構造と、粗面処理された上面を有するｎ型材料の層とを備える図１のＬＥＤの構成の断面図である。

【図6】ｎ型材料の上層の電流閉じ込め構造と、粗面処理された上面を有するｎ型材料の層とを備える図１のＬＥＤの構成の断面図である。

【図7】電導性材料の２つの層間の活性領域と、上側コンタクトと、下側コンタクトと、下側コンタクトの層内に位置付けられた電流閉じ込め構造とを備えるＬＥＤの別の概略的実施形態の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

本発明は、基礎（ｂａｓｅ）ＬＥＤ構造のｐ型材料層およびｎ型材料層のうちの少なくとも１つの中に形成された閉じ込め構造によって、発光ダイオード（ＬＥＤ）の光抽出の改善を実現する。閉じ込め構造は、ＬＥＤの上面の主放射面上のコンタクトとほぼ一列に並んでおり、閉じ込め構造および上面コンタクトの面積と一致する活性領域の面積からの光の放射を実質的に防げる。したがって、そうでなければ上面コンタクトの下で放射し吸収される可能性がある光が、活性層の他の領域と、コンタクトの吸収効果が相当に減少した放射面（ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｓｉｄｅ）とにリダイレクトされる。好ましい実施形態では、電流閉じ込め構造は、イオン注入を使用して基礎ＬＥＤ構造の中に形成される。電流閉じ込め構造は、選択的酸化を使用してＬＥＤ基礎構造に形成してもよい。電流閉じ込め構造は、エピタキシャル再成長を用いてＬＥＤ構造の一部として形成してもよい。

【0017】

さらに、ＬＥＤは、吸収性コンタクトのまわりに粗面（ｒｏｕｇｈｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ）を備えてもよい。粗面は、基礎ＬＥＤ構造の層の表面積のすべて又は一部に含まれてもよく、または、基礎ＬＥＤ構造に付けられた追加の材料層の表面積のすべて又は一部に含まれてもよい。例えば、十分に厚いｎ型材料層を有し、ｎ型側が上であるＬＥＤ構造では、ｎ型層を粗面処理することが好ましいことがある。比較的薄いｐ型材料層を有し、ｐ型側が上である基礎ＬＥＤ構造では、透明材料の層をｐ型層に追加し、その透明材料層を粗面処理することが好ましいことがある。透明材料の層を、ｎ型側が上であるＬＥＤ構造のｎ型層に追加してもよい。いずれの場合にも、粗面と、電流を粗面の方に方向付けて吸収性コンタクトから遠ざける電流閉じ込め構造との組合せは、さらなる光抽出の向上を実現する。そうでなければ内部全反射でＬＥＤ内に捕獲される可能性のある光が脱出し、光放射に寄与することができるようにする多様な表面を実現することによって、粗面は光抽出を改善する。

【0018】

ここで図面、特に図１および２を参照すると、本発明に従ったＬＥＤ１０の一実施形態が示されている。ＬＥＤ１０は、光が放射される第１の表面１４を有する第１の材料層１２と、第２の材料層１６と、第１の層と第２の層との間にサンドイッチ状に挟まれた活性材料の層１８とを備える。第１の層１２、第２の層１６、および活性層１８が、支持構造３６の上に位置付けられた基礎ＬＥＤ構造を形成している。

【0019】

基礎ＬＥＤ構造は、ＩＩＩ族窒化物ベースの材料系等の異なる半導体材料系から作製してもよい。ＩＩＩ族窒化物は、窒素と、周期律表のＩＩＩ族の元素、通常はアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、およびインジウム（Ｉｎ）、との間で形成される半導体化合物を意味する。この用語は、また、ＡｌＧａＮやＡｌＩｎＧａＮのような三元化合物や三次（ｔｅｒｔｉａｒｙ）化合物も意味する。好ましい実施形態では、活性材料の層１８は、第１の層１２および第２の層１６と隣接接触し（ａｄｊａｃｅｎｔ ｃｏｎｔａｃｔ）、第１および第２の層を形成する材料はＧａＮであり、第１の層と第２の層のいずれかがｐ型材料であり他方の層がｎ型材料である。この実施形態では、活性層を形成する材料はＩｎＧａＮである。代替実施形態では、第１および第２の層の材料は、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＡｓ、またはＡｌＧａＩｎＰであることがある。

【0020】

ＬＥＤ構成に応じて、支持構造３６は基板またはサブマウントとすることができる。ｐ型側が上であるＬＥＤ構成では、支持構造３６は基板である可能性があり、適切な基板は４Ｈポリタイプの炭化珪素であるが、３Ｃ、６Ｈおよび１５Ｒポリタイプを含む他の炭化珪素ポリタイプを使用することもできる。炭化珪素は、サファイアよりもＩＩＩ族窒化物に遥かに近い結晶格子整合を有し、その結果、より高い品質のＩＩＩ族窒化物膜をもたらす。炭化珪素は、非常に高い熱伝導率を有するので、炭化珪素上のＩＩＩ族窒化物デバイスの全出力パワーは、（サファイア上に形成された一部のデバイスの場合にそうであるように）基板の熱放散によって制限されない。また、炭化珪素基板を利用できることで、商業デバイスを可能にするデバイス分離および寄生キャパシタンス減少の能力が与えられる。ＳｉＣ基板は、ノースカロライナ州ダラムのＣｒｅｅ Ｉｎｃ．から入手可能であり、この基板を製造する方法は、特許文献１、２、および３や科学文献に明らかにされている。ｎ型側が上であるＬＥＤ構成では、支持構造３６はサブマウントである可能性がある。

【0021】

第１のコンタクト２２は第１の層１２と関連し、第２のコンタクト２４は第２の層１６と関連している。コンタクト２２、２４のそれぞれの層１２、１６との関連は、直接的である場合があり、間接的である場合もある。第１のコンタクトが第１の層１２と直接に接触し、かつ第２のコンタクト２４が第２の層１６と直接に接触している直接的な関連が、図１に示されている。第２のコンタクト２４では、基板３６が非電導性材料で形成されたとき、この関連が存在する。間接的な関連は図２に示され、第１のコンタクト２２に関してはＬＥＤが透明電導性材料の層２５を備える場合に、また第２のコンタクト２４に関しては支持構造３６が電導性材料から形成された基板である場合に、間接的な関連が存在する可能性がある。直接的接触および間接的接触の両方で光抽出を向上させるために、第２のコンタクトは、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）またはロジウム（Ｒｈ）等の反射性材料から形成してもよい。

【0022】

電流閉じ込め構造２０は、ＬＥＤと一体であり、（図２に示されるように）第１の層１２、第２の層１６、または基板３６のうちの少なくとも１つの中等のＬＥＤ内の異なる位置に形成することができる。いくつかの実施形態では、２以上の電流閉じ込め構造が使用されることがあり、一実施形態では、電流閉じ込め構造２０は、活性材料１８の一部が閉じ込め構造２０の間にあるように第１の層１２および第２の層１６の両方に形成されることがある。いくつかの実施形態では、閉じ込め構造２０は、イオン注入または酸化等の当技術分野で知られたプロセスによって結晶構造または分子特性が変化させられた材料の層の領域であることがある。他の実施形態では、閉じ込め構造２０は、第１または第２の層１２、１６の材料に対して反対にドープされた材料から形成された電流阻止層であってもよい。この電流阻止材料層は、既知のプロセスであるエピタキシャル再成長によって第１および第２の層の１つまたは複数に組み込まれてもよい。

【0023】

電流閉じ込め構造２０は、第１のコンタクトの中心または軸２６が閉じ込め構造の中心または軸２８とほぼ一列に並ぶように、第１のコンタクト２２に対して位置付けされる。閉じ込め構造２０の断面積の大きさは、本質的に第１のコンタクト２２の大きさを反映している。電流閉じ込め構造２０の厚さは、層の全厚さの０．１％から８０％までの範囲にあってもよい。例えば、厚さ１ミクロンのｎ型材料層では、電流閉じ込め構造２０は、厚さ０．００１から０．８ミクロンであってもよい。

【0024】

電流閉じ込め構造２０は、活性領域１８の方に向かって流れている電流３０を、第１のコンタクト２２と実質的に一致し一列に並んだ活性領域の部分３２から遠ざけるように方向付ける。この電流の再方向付けは、第１のコンタクト２２と一列に並んだ活性領域の部分３２における電流電荷、すなわち「正孔」および「電子」の再結合を実質的に妨げ、したがって、この領域を本質的に不活性にする。

【0025】

光３４は、活性材料１８から放射され、ＬＥＤ構造を通って伝播する。光は活性材料１８からすべての方向に放射するが、図示を容易にするために、図中の光はＬＥＤの上面すなわち主放射面の方に向かう上向き方向だけが示されている。図１において、上面は、上部材料層１２の表面１４である。図２では、上面は、粗面処理された材料の層２５である。

【0026】

図３を参照すると、ｐ型材料の第１の層４０およびｎ型材料の第２の層４２を有するｐ型側が上であるＬＥＤを備える、本発明による図１の概略的なＬＥＤの一実施形態が示されている。好ましい実施形態では、材料はＧａＮである。以下でさらに説明されるように、ＬＥＤ製造プロセス中に、電流閉じ込め構造４４はｎ型材料層４２内に組み込まれる。構造４４は、ｎ型材料内に不純物を添加することによって形成される。不純物の添加は、イオン注入によって行ってもよい。例えば、ｎ型ＧａＮ材料の場合には、Ａｌイオン又はＧａイオンのいずれかを注入してもよい。

【0027】

ｐコンタクト４６とｎコンタクト４８との間にバイアスを加えると、（ｐ型材料の「正孔」移動の形の）電流がｐ型材料を通って、活性領域の方へ更に活性領域の中へ流れる。同様に、（ｎ型材料の「電子」移動の形の）電流がｎ型材料４２を通って、活性領域５０の方へ更に活性領域５０の中へ流れる。閉じ込め構造４４の不純物のために、ｎ型材料４２中を流れる電流は、電流閉じ込め構造から遠ざかり、電流閉じ込め構造と実質的に一致し一列に並んだ活性領域の不活性部分５４のまわりの部分５２において活性領域５０に入る。活性領域のこの部分は、活性領域の活性部分５２と呼ばれる。

【0028】

また、ｐ型材料４０中を流れる電流も、電流閉じ込め構造４４から遠ざかって、ｎ型材料からの電流が入った活性領域の部分に流れ込む。ｐ型材料電流のこの動きは、ｎ型材料内に電流閉じ込め構造４４が存在することと、活性領域５０の活性部分５２に存在するｎ型電流「電子」にｐ型電流「正孔」が引き付けられることの両方の組合せの結果である。

【0029】

電流閉じ込め構造４４は、ｎ型層４２の深さに沿ったいくつかの位置のいずれかに位置付けることができる。これは、ｎ型層４２の成長プロセスを中断し、不純物を不完全なｎ型層に注入し、次に、成長プロセスを再開してｎ型層の残りを完成することによって行わうことができる。成長プロセスは、金属酸化物化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、ハイブリッド気相エピタキシ（ＨＶＰＥ）、または分子線エピタキシ（ＭＢＥ）を含む様々な既知のプロセスのいずれかとすることができる。例示的な閉じ込め構造形成プロセスは、ｎ層に、１８０ＫｅＶのアルミニウムイオンを１０¹³、１０¹⁴、および１０¹⁵ｃｍ^-2のドーズで注入することを含む。好ましい実施形態では、ｎ型電流が電流閉じ込め構造を完全に回って、さらに再び不活性領域５４の方に流れるのを効果的に防ぐために、さらに、電流閉じ込め構造４４が活性領域５０の反対側のｐ型層の電流に及ぼす効果を高めるために、電流閉じ込め構造４４は活性領域５０の近くに位置付けられる。

【0030】

図４を参照すると、電流閉じ込め構造４４がｐ型層４０中に位置していることを除いて図３を参照して説明したものと本質的に同一であるｐ型側が上であるＬＥＤを備える、本発明による図２の概略的なＬＥＤ１０の別の実施形態が示されている。また、基板５８は電導性であり、したがってｎコンタクト４８とｎ型層４２との間の間接的関連を可能にしている。透明電導性材料の層５６がｐ型層４０の上に備えられ、この電導性材料層の一部がｐコンタクト４６とｐ型層との間にサンドイッチ状に挟まれている。この材料層は、ＺｎＯ、Ｉｎ₂Ｏ₃、および酸化インジウム錫（ＩＴＯ）から形成さしてもよい。図４に示される電導性材料層の上面のすべては粗面処理されているが、ｐコンタクト４６で覆われていない電導性材料層５６の少なくとも一部が粗面処理される。透明電導性材料５６の層と、電流閉じ込め構造４４によって実現された吸収性コンタクト４６から離れた局部的な光発生との組合せは、ＬＥＤの光抽出効果を高める。

【0031】

図５を参照すると、ｎ型材料の第１の層６０およびｐ型材料の第２の層６２を有するｎ型側が上であるフリップチップＬＥＤを備える、図１の概略的なＬＥＤ１０の別の実施形態が示されている。追加の処理ステップとして、ＬＥＤの上の主放射面を露出させるために、一般に第１のｎ型層６０に隣接している基板が除去される。

【0032】

好ましい実施形態では、ＬＥＤ材料はＧａＮである。ＬＥＤ製造プロセス中に、層６０、６２、６４およびｐコンタクト下部構造（ｓｕｂｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）をサブマウント７８の上に裏返しにする前に、電流閉じ込め構造６４がｐ型材料層６２に組み込まれる。成長中にイオン注入によりｐ型材料に不純物を添加することによって、閉じ込め構造６４が形成される。例えば、ｐ型ＧａＮ材料の場合、Ａｌイオン又はＧａイオンのいずれかを打ち込むことができる。ｎ型層の上面６６は、光抽出粗面を形成するために、粗面処理される。この粗面は、光電気化学（ＰＥＣ）エッチング等の当技術分野で知られたいくつかの方法のいずれかを使用して、エッチングにより実現してもよい。この構成において粗面は、ｐ型側が上であるＬＥＤの場合にｐ層の相対的な薄さのために一般に必要とされるような透明電導性材料の別個の追加層を介してではなく、直接ｎ型層に加えられる。

【0033】

ｎコンタクト６８とｐコンタクト７０との間にバイアスを加えると、電流はｐ型材料を通って活性領域７２の方に流れ、さらに活性領域７２の中に流れ込む。同様に、電流はｎ型材料６０を通って活性領域７２の方に流れ、さらに活性領域７２の中に流れ込む。ｐ型材料６２を流れる電流は、電流閉じ込め構造６４から遠ざかり、不活性部分７６のまわりの活性部分７４の活性領域７２に入る。ｎ型材料６０を流れる電流もまた、電流閉じ込め構造６４から遠ざかって、活性領域の活性部分７４の中に流れ込む。

【0034】

図３の実施形態のように、電流閉じ込め構造６４は、ｐ型層の成長プロセスを中断し、不完全なｐ型層に不純物を注入し、次に、成長プロセスを再開してこの層を完成することによって、ｐ型層６２の深さに沿って様々な位置に位置付けてもよい。好ましい実施形態では、ｐ型電流が電流閉じ込め構造を完全に回って、さらに再び活性領域７６の方へ流れるのを効果的に防ぐために、さらに、電流閉じ込め構造が活性領域７２の反対側のｎ型層の電流に及ぼす効果を高めるために、電流閉じ込め構造６４は活性領域７２の近くに位置付けられる。図６を参照すると、別の実施形態において、図１の概略的なＬＥＤは、電流閉じ込め構造６４がｎ型層６０に位置付けられていることを除いて、図５を参照して説明したものと本質的に同一のｎ型側が上であるＬＥＤである。

【0035】

ここで図７を参照すると、光の大部分が放射される第１の表面１０４を有する第１の材料層１０２、第２の材料層１０６、および第１の層と第２の層との間にサンドイッチ状に挟まれた活性材料の層１０８を備えるＬＥＤ１００が示されている。好ましい実施形態では、活性材料の層１０８は、第１の層１０２および第２の層１０６と隣接接触しており、第１および第２の層を形成する材料はＧａＮであり、活性層を形成する材料はＩｎＧａＮである。代替実施形態では、第１および第２の層の材料は、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＡｓまたはＡｌＧａＩｎＰとすることができる。

【0036】

第１のコンタクト１１０は第１の層１０２と関連し、第２のコンタクト１１２は第２の層１０６と関連する。電流閉じ込め構造１１４は第２のコンタクトの層１１２に備えられ、さらに、第１のコンタクトの中心または軸１１６が閉じ込め構造の中心または軸１１８とほぼ一列に並ぶように、第１のコンタクト１１０に対して位置付けられている。第２のコンタクトの層１１２および閉じ込め構造１１４は、コンタクト材料の層を堆積し、コンタクト材料の層の一部をエッチング除去し、そしてその一部を閉じ込め構造の材料に取り替えることによって形成される。閉じ込め構造１１４は、ＳｉＯ₂、ＡｌＮ、およびＳｉＮなどの絶縁性、非電導性材料から形成され、第１のコンタクト１１０の大きさと本質的に同じ断面積の大きさを有している。

【0037】

電流閉じ込め構造１１４は、活性領域１０８の方に向かって流れている電流１２０を、第１のコンタクト１１０と実質的に一致しかつ一列に並べられた活性領域の部分１２２から遠ざかるように方向付ける。この電流の再方向付けは、第１のコンタクト１１０と一列に並んだ活性領域の部分１２２における電流電荷、すなわち「正孔」および「電子」の再結合を実質的に妨げ、したがって、この領域を本質的に不活性にする。

【0038】

図３から６を参照して説明した実施形態のように、図７の概略的なＬＥＤは、第１の層１０２がｎ型層またはｐ型層のいずれかであり、第２の層１０６が第１の層の型と反対の型の層であるように形成される。ＬＥＤ１００はまた、第１の層１０２の粗面処理された上面か、粗面処理された上面を有する追加の透明電導材料層かのいずれかの態様の粗面処理を含む。

【0039】

当業者によって理解されることであろうが、図１〜７の実施形態で説明したような本発明の概念は、他のＬＥＤ構成に組み込むことができる。例えば、図１〜７のＬＥＤは縦方向に、すなわちＬＥＤの対向する側にコンタクトを有しているが、本発明は横方向に配列されたコンタクト、すなわち共振空洞ＬＥＤ等のＬＥＤの同一側にコンタクトを有するＬＥＤに適用してもよい。

【0040】

本発明の特定の形態を図示して説明してきたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく様々な修正を行うことができることは、上記から明らかであろう。したがって、添付の特許請求の範囲以外によっては、本発明は限定されない意図である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】