特許 5965095 内部および外部光学要素による光取出しを向上させた発光ダイオード

(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】5965095

(24)【登録日】2016年7月8日

(45)【発行日】2016年8月10日

(54)【発明の名称】内部および外部光学要素による光取出しを向上させた発光ダイオード

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/32 20100101AFI20160728BHJP

【ＦＩ】

   H01L33/00 186

【請求項の数】3

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2001-542397(P2001-542397)

(86)(22)【出願日】2000年11月28日

(65)【公表番号】特表2004-511080(P2004-511080A)

(43)【公表日】2004年4月8日

(86)【国際出願番号】US2000042525

(87)【国際公開番号】WO2001041225

(87)【国際公開日】20010607

【審査請求日】2007年6月26日

【審判番号】不服2013-15609(P2013-15609/J1)

【審判請求日】2013年8月12日

(31)【優先権主張番号】60/168,817

(32)【優先日】1999年12月3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】100141553

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 信彦

(72)【発明者】

【氏名】ブライアン シビュールト

(72)【発明者】

【氏名】マイケル マック

(72)【発明者】

【氏名】スティーブン ピー．デンバーズ

【合議体】

【審判長】 小松 徹三

【審判官】 近藤 幸浩

【審判官】 河原 英雄

(56)【参考文献】

【文献】 特開平６−２６８２５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平５−１６７１０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−１６３５２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−２７４５６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−２７０７５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平９−２６０７２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−６５２２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６４−３０２７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−１７２２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平８−２２２７６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平６−１２５１１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平７−１７６７８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−３１２９７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 Ｓｃｈｎｉｔｚｅｒ Ｉ． ｅｔ ａｌ．，”３０％ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｑｕａｎｔｕｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｆｒｏｍ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｘｔｕｒｅｄ， ｔｈｉｎ‐ｆｉｌｍ ｌｉｇｈｔ‐ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ”，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９９３，Ｖｏｌ．６３， ｎｏ．１６，ｐｐ．２１７４−２１７６

(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】

光取出しを向上させる構造体を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）であって、
エピタキシャル成長させたｐ型層と、エピタキシャル成長させたｎ型層と、前記ｐ型層および前記ｎ型層の間のエピタキシャル成長させた活性層とを備えた発光ダイオード構造体と、
該発光ダイオード構造体の下に隣接するスプレッダ層と、
前記発光ダイオードと一体化された光取出し構造体を備え、前記光取出し構造体が、前記発光ダイオード内に捕捉された光が反射および／または屈折して前記発光ダイオードから出て行くことを可能にする表面を備え、
前記光取出し構造体は、２０ｎｍから１μｍのサイズの粒子を含む分散体層を含むことを特徴とする発光ダイオード。

【請求項2】

前記光取出し構造体が前記各層に平行な面にあることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。

【請求項3】

前記光取出し構造体が、前記発光ダイオード構造体と基板との間にあり、更に、III族窒化物光取出し要素（ＬＥＥ）のアレイを含むことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。

【発明の詳細な説明】

【0001】

以下の出願は、１９９９年１２月３日に出願された、Ｔｈｉｂｅａｕｌｔ他の仮出願Ｎｏ．６０／１６８，８１７の特典を主張する。

【0002】

（発明の背景）
（発明の分野）
本発明は、発光ダイオード、より詳細にはそれらの光取出し（ｌｉｇｈｔ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ）を向上させる新規な構造に関する。

【0003】

（関連技術の説明）
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、電気的エネルギーを光に変換する固体デバイスの重要な一種であり、通常、逆にドープされた２つの層に挟まれる半導体材料からなる活性層を備える。バイアスをドープ層の間に加えると、正孔と電子が活性層に注入され、そこでこれらは再結合して発光する。活性領域で発生した光はあらゆる方向に放出され、光はすべての露出表面を通して半導体チップから出て行く。通常、ＬＥＤのパッケージが出て行く光を望ましい放出光出力プロフィールへと方向づけるために用いられている。

【0004】

半導体材料が改良されたとき、半導体デバイスの効率も改良されてきた。最新のＬＥＤは、ＩｎＡｌＧａＮなどの材料で製造されており、これは紫外から琥珀色（ａｍｂｅｒ）までのスペクトルの効率的なイルミネーションを可能にする。電気エネルギーの光への変換で、最新のＬＥＤの多くは従来の光源に比べて効率がよく、また通常それらは信頼性がより高い。ＬＥＤが進歩するにつれて、交通信号、屋外および屋内ディスプレイ、自動車のヘッドライトおよびテイルライト、通常の屋内照明などの多くの応用で従来の光源を置き換えることが期待されている。

【0005】

しかし、活性層で発生する光のすべてを放出させることができないために、従来のＬＥＤの効率には限界がある。ＬＥＤに電圧が加えられたとき、その活性層から（あらゆる方向に）放出される光は、様々な角度で放出面に到達する。代表的な半導体材料の屈折率（ｎ≒２．２〜３．８）は、周辺空気（ｎ＝１．０）あるいは封止エポキシ（ｎ≒１．５）に比べて高い。スネルの法則に従って、ある臨界角（表面に垂直な方向に対する）以内で屈折率の大きい領域から屈折率の小さい領域に入る光は、低屈折率領域を横切るであろう。この臨界角を超えて表面に達する光は横切らず、内部全反射（ｔｏｔａｌ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ；ＴＩＲ）をするであろう。ＬＥＤの場合、ＴＩＲ光は通常、それが吸収されるまでＬＥＤ内で反射され続ける。この現象のために、従来のＬＥＤで発生する光の多くは放出されず、その効率を低下させている。

【0006】

ＴＩＲ光の割合を少なくする１つの方法は、ＬＥＤの表面にランダムなテキスチャの形態で光散乱源を作り出すことである。［「３０％ Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｆｒｏｍ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｔｅｘｔｕｒｅｄ，Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ（表面がテキスチャ化された薄膜発光ダイオードからの３０％外部量子効率）」、Ｓｈｎｉｔｚｅｒ、ｅｔ ａｌ．、Ａｐｐｌｉｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ６３、Ｐｇｓ．２１７４〜２１７６（１９９３）］。ランダムなテキスチャは、反応性イオンエッチングの間のマスクとして、ＬＥＤ表面に直径がサブミクロンのポリスチレン球を用いることにより表面にパターン化される。テキスチャ化された表面は、ランダムな干渉効果によりスネルの法則では予測されない仕方で光を屈折させ反射する光の波長のオーダーの凹凸を有する。この手法は、光放出効率を９〜３０％向上させることが示された。

【0007】

表面テキスチャ化の１つの欠点は、テキスチャ化された電極層、例えば、ｐ型ＧａＮで電気伝導性が悪いＬＥＤにおいて、効果的な電流の広がり（ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｐｒｅａｄｉｎｇ）を妨げることがあるということである。比較的小さなデバイスあるいは電気伝導性のよいデバイスでは、ｐ型層およびｎ型層のコンタクト（ｃｏｎｔａｃｔ）による電流は、各層の全体に広がるであろう。比較的大きなデバイスあるいは電気伝導性の悪い材料でつくられたデバイスでは、電流はコンタクトから層全体に広がることができない。結果として、活性層の一部分は電流が流れず発光しないであろう。ダイオード領域全体に渡り均一に電流が注入されるように、導電性材料からなるスプレッダ層を表面に堆積させることが可能である。しかし、このスプレッダ層は、光がこの層を透過できるように、光学的に透明でなければならないことが多い。ランダムな表面構造をＬＥＤ表面に導入するとき、実際上薄くまた光学的に透明な電流スプレッダ（ｓｐｒｅａｄｅｒ）を容易に堆積させることができない。

【0008】

ＬＥＤからの光取出しを増加させる他の方法は、その内部捕捉角から表面の形状および周期により決まる一定のモードへと光の方向を向け直す、放出面あるいは内部境界面の周期的パターン化を含めることである。Ｋｒａｍｅｓ他の米国特許第５，７７９，９２４号明細書を参照のこと。この技術はランダムにテキスチャ化された表面の特殊なケースで、干渉効果はもはやランダムではなく、またその表面は、光をカップリングさせて特定のモードあるいは方向へと導く。この手法の１つの欠点は、ＬＥＤの光の波長のオーダーで、表面の形状およびパターンが均一で微細でなればならないために、通常、この構造を作り上げることが困難であるということである。このパターンも通常、前記のように、光学的に透明な電流スプレッダを堆積させるのに困難を生じる。

【0009】

光取出しの増加は、また、ＬＥＤの光放出面を、中心に光放出層をもつ半球形に形作ることにより実現された。この構造は放出される光を増加させるが、その作製は困難である。ＳｃｉｆｒｅｓおよびＢｕｒｎｈａｍの米国特許第３，９５４，５３４号明細書は、各ＬＥＤ上にそれぞれ半球があるＬＥＤアレイを形作る方法を開示する。この半球体は基板内に形作られ、そしてダイオードアレイはそれらの上に成長する。次に、このダイオードとレンズの構造体は基板からエッチングにより外される。この方法の１つの欠点は、それが基板の界面での構造の形成に制限され、また基板から構造体を取出すことが結果として製造コストを増加させるということである。また、各半球の真上に光放出層があり、これは精密な製造法を必要とする。

【0010】

米国特許第５，７９３，０６２号明細書は、光をコンタクトなどの吸収領域からそらし、また光をＬＥＤ表面に向け直すための、光学的に非吸収性の層を含めることにより、ＬＥＤからの光取出しを増加させるための構造を開示する。この構造の１つの欠点は、通常多くの材料系で製造が困難なアンダーカットの平角層の形成を、非吸収層が必要とすることである。

【0011】

光取出しを増加させる他の方法は、フォトンを、再放出され放射モードに戻るＬＥＤの光放出面上の薄膜金属層内の表面プラズモン（ｐｌａｓｍｏｎ）モードにカップリングさせることである。［「Ｓｔｒｏｎｇｌｙ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｆｒｏｍ ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ（ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ発光ダイオードからの指向性の強い光放出）」、Ｋｎｏｃｋ ｅｔ ａｌ．、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ５７、Ｐｇｓ．２３２７〜２３２９（１９９０）］。これらの構造は半導体から放出されるフォトンを金属層の表面プラズモンとカップリングさせ、これらは最終的には取出されるフォトンとさらにカップリングすることを想定している。このデバイスの１つの欠点は、周期的構造が溝深さの浅い（＜０．１μｍ）１次元線状格子であるために、その製造が困難であるということである。また、おそらくフォトンから表面プラズモンならびに表面プラズモンから外部フォトンへの変換機構の非効率性のために、全外部量子効率が小さい（１．４〜１．５％）。この構造もスプレッダ層に関して前記と同様の困難を生じる。

【0012】

ＬＥＤチップの側面に角度をつけて逆角錐台を形作ることにより、光取出しを向上させることも可能である。角度をつけられた表面は、基板材料に捕捉されたＴＩＲ光に放出面を提供する［「Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒｕｎｃａｔｅｄ Ｉｎｖｅｒｔｅｄ Ｐｙｒａｍｉｄ （Ａｌ_xＧａ_1-x）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ／ＧａＰ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ Ｅｘｈｉｂｉｔｉｎｇ ＞５０％ Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｑａｕｎｔｕｍ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ（＞５０％の外部量子効率を示す高出力逆角錐台（Ａｌ_xＧａ_1-x）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ／ＧａＰ発光ダイオード）、Ｋｒａｍｅｓ、ｅｔ ａｌ．、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ７５（１９９９）］。この手法を用いて、外部量子効率は、ＩｎＧａＡｌＰ系に対して３５％から５０％増加することが示された。この手法は、かなりの量の光が基板に捕捉されるデバイスで機能する。サファイア基板上に成長するＧａＮデバイスでは、光の多くがＧａＮ膜に捕捉されるので、ＬＥＤチップの側面に角度をつけても望ましい向上は得られないであろう。

【0013】

光取出しを増加させるさらに他の手法は、フォトンリサイクリングである［「Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｑａｕｎｔｕｍ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ、９９．７％ Ｉｎｔｅｒｎａｌｌｙ ａｎｄ ７２％ Ｅｘｔｅｒｎａｌｌｙ、Ｆｒｏｍ ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ Ｄｏｕｂｌｅ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ（ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓダブルヘテロ構造からの、内部で９９．７％、外部で７２％の、自然放出超高量子効率、Ｓｈｎｉｔｚｅｒ、ｅｔ ａｌ．、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ６２、Ｐｇｓ．１３１〜１３３（１９９３）］。この方法は、電子と正孔を光に、またその逆に容易に変換する高効率活性層をもつＬＥＤを想定している。ＴＩＲ光は、ＬＥＤ表面で反射されて戻り活性層に当たり、そこで電子−正孔対に逆変換される。活性層の効率が高いために、電子−正孔対は、再びランダムな方向に放出される光にほとんど直ぐに再変換されるであろう。ある割合のリサイクル光は、臨界角以内でＬＥＤの光放出面に当たり、そして出て行く。反射されて活性層に戻る光は同じプロセスを繰返す。

【0014】

この手法の１つの欠点は、光学損失が極めて低い材料でできたＬＥＤに用いることができるだけであり、そして表面に吸収性のスプレッダ層をもつＬＥＤには用いることができないということである。

【0015】

（発明の概要）
本発明は、露出表面上あるいはＬＥＤ内に配置されて、ＬＥＤから光が出て行く確率を増加させる光取出し構造をもち、それによりＬＥＤの光取出しおよび全効率を増大させる新規なＬＥＤを提供することである。この新規なＬＥＤは製造が容易であり、また光取出しのための多くの新規な選択肢と組合せを提供する。

【0016】

この新規のＬＥＤは、通常、ｐ型層、ｎ型層、ならびにｐ型とｎ型層の間の活性層をもつＬＥＤ構造体を備える。このＬＥＤ構造体は、第１スプレッダ層と第２スプレッダ層の間に挟まれている。スプレッダ層は、電流が効率的に活性層に注入されるように、デバイス面全体に広く電流を分布させる半導体あるいは導体層である。新規なＬＥＤ（または基板）の上あるいは内部にある光取出し構造体が含められる。この構造体は、場所により屈折率が変わるようにして、ＬＥＤ内に捕捉された光が屈折し反射してそして出て行くことができるようにする表面を提供する。ほとんどの実施形態において、ＬＥＤ構造体とスプレッダ層は、第１スプレッダ層に隣接してＬＥＤ構造体の反対側にある基板の上に形成される。それぞれのコンタクトは、第１および第２のスプレッダ層に含められ、コンタクト間に加えられるバイアスがＬＥＤ構造体の活性層に光を放出させる。光取出し構造体は、好ましくは、ＬＥＤ層に平行な面内に配置され、また実質的にＬＥＤの範囲を覆う。

【0017】

光取出し構造体は、好ましくは、光取出し要素（ｌｉｇｈｔ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｅｌｅｍｅｎｔ；ＬＥＥ）アレイ、あるいは分散体層（ｄｉｓｐｅｒｓｅｒ ｌａｙｅｒ）のいずれかである。露出表面にＬＥＥアレイをもつ実施形態においては、このアレイはＬＥＤ封止材料より屈折率の大きい材料で形成される。様々な方法を用いてこのＬＥＥを形作ることができ、これがなければ捕捉される光が出て行ける様々な表面を提供する。

【0018】

他の方法として、この新規のＬＥＤでは、ＬＥＥアレイをＬＥＤ自体の内部に配置することができる。この内部ＬＥＥアレイもまた場所により屈折率が変わるように形成される。このＬＥＥアレイは、ＬＥＤ成長プロセスの間に形成されて、いったんアレイが形成されると、ＬＥＤ構造体の残りの層をエピタキシャル堆積技術により、このアレイの上に成長させて、ＬＥＥアレイをＬＥＤ内に埋め込む。これがなければエピタキシャル層あるいは基板に捕捉されるであろう光線がＬＥＥアレイと相互作用して屈折および／または反射し、ＬＥＤを出て行くことができる光線となる。

【0019】

新規のＬＥＤの他の実施形態では、ＬＥＤの１つの露出面上にある分散体層が含まれ、その層はＬＥＤ封止材料より大きな屈折率をもつ材料で形成される。ＬＥＤ上の分散体層に当たる光は、出て行ける方向に散乱される機会が増加する。光分散体層を形成するために表面材料を用いることにより、半導体表面に粗さをパターン化する問題は解消され、Ｓｃｈｎｉｔｚｅｒの成果を超える利点がもたらされる。

【0020】

他の方法として、新規のＬＥＤは、ＬＥＤ自体の内部に配置された分散体層を備えることができる。ＬＥＤのエピタキシャル成長の前に基板の中もしくは上に、あるいはＬＥＤのエピタキシャル構造自体の中に、この分散体層を形成することができる。光の散乱が起るように、基板および／またはエピタキシャル材料と異なる屈折率の材料で分散体層はつくられる。

【0021】

フリップ−チップ実装技術を用いて、ほとんどの前記実施形態を実装することもでき、基板がＬＥＤの主な光放出面となる。

【0022】

本発明のこれらおよび他のさらなる特徴と利点は、添付図と合わせて考慮すれば以下の詳細な説明により当業者には明らかとなるであろう。

【0023】

（発明の詳細な説明）
[第１の実施形態]
図１は、本発明に従って構成された新規のＬＥＤ１０の一実施形態を示す図である。この新規のＬＥＤは、逆にドープされた２つの層１４、１５に挟まれた活性層１３からなるＬＥＤ構造体１２を有する。好ましいＬＥＤ構造体１２では、層１４、１５を逆にドープしても機能するであろうが、最上層１４がｐ型であり、最下層１５はｎ型である。新規のＬＥＤは、第１コンタクトパッド１８からＬＥＤ構造体の最下層１５に電流を広げる導体材料からなる第１スプレッダ層１６を有する。第１コンタクトパッド１８は、好ましい実施形態において最下層１５はｎ型であるために、ｎ−コンタクトパッドとも呼ばれる。導電性材料からなる第２スプレッダ層２０も、ＬＥＤ構造体の最上層１４上に含められて、第２コンタクト２２から最上層１４に電流を拡散させる。第２コンタクト２２は、好ましいＬＥＤ構造体１２では最上層１４はｐ型であるために、ｐ−コンタクトとも呼ばれる。ＬＥＤ構造体、スプレッダ層およびコンタクトは、第１スプレッダ層を基板２４に隣接させて基板２４の上に形成される。

【0024】

多くの材料で基板２４をつくることができ、また基板２４は電気伝導体でありうる。導電性である場合、基板２４は第１スプレッダ層として機能し、そしてｎ−コンタクト２８を基板に直接堆積させることができる。電流は基板２４を通してＬＥＤ構造体１２の最下層に広がるであろう。

【0025】

表面ＬＥＥアレイ２６は、第２スプレッダ層２０の上に標準的な半導体加工技術により形成される。ＬＥＥ２６は、普通は捕捉されるＴＩＲ光が透過するかあるいは屈折して出て行く表面を提供して、ＬＥＤ１０の効率を増加させる。それらの有効性を増すために、ＬＥＥ２６の屈折率（ｎ２）をＬＥＤ封止材料（ｎ１）より大きくすべきである。より大きいｎ２は、普通は封止材料に入るであろう光がより多くＬＥＥに入ることを可能にする。次にＬＥＥの形状をもつ表面は、より多くの光が封止材料に出て行くことを可能にする。新規のＬＥＤ１０の１つの利点は、ＬＥＤを分割する前にＬＥＤウェーハ上に標準的な加工技術によりＬＥＥを形成できるために、製造が容易なことである。

【0026】

新規のＬＥＤ１０は、好ましくはＡｌＩｎＧａＮ材料でつくられる。第２スプレッダ２０は、好ましくは、ＬＥＤ構造体の最上層１４の上に堆積させた薄い半透明の金属、例えば、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｐｄ／Ａｕ、Ｐｔ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、ＮｉＯ／Ａｕあるいはこれらの何らかの合金などであり、最上層１４は、好ましくはｐ型ＡｌＩｎＧａＮである。多くの通常の方法により第２スプレッダ２０を新規のＬＥＤ１０上に堆積させることができるが、好ましい方法は蒸着あるいはスパッタリングである。第１スプレッダ層１６は、好ましくはｎ型ＡｌＩｎＧａＮでつくられ、コンタクトのために反応性イオンエッチングを行うことにより露光することができる。Ｎｉ、Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ、Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ、あるいはＡｌ／Ｐｔ／Ａｕが、基板２４あるいは第１スプレッダ層１６へのｎ−コンタクト１８あるいは２８として用いられる。

【0027】

基板２４として、サファイア、ＡｌＮ、ＳｉＣ、あるいはＧａＮを用いることができ、ＳｉｃおよびＧａＮは導電性であり、ＡｌＮおよびサファイアは絶縁体である。ＳｉＣはＧａＮなどのＩＩＩ族窒化物にかなりよく合致する結晶格子をもつため、高品質のＩＩＩ族窒化物膜を生成する。また炭化ケイ素の熱伝導率は非常に大きいので、炭化ケイ素上のＩＩＩ族窒化物デバイスの全出力は、基板の熱散逸により制限されない（サファイア上に形成されたいくつかのデバイスの場合と同様に）。ＳｉＣ基板は、Ｃｒｅｅ Ｒｅｓｅａｃｈ，Ｉｎｃ．、（Ｄｕｒｈａｍ、Ｎｏｒｔｈ Ｃａｒｏｌｉｎａ）から市販されており、その製造方法は、科学文献および米国特許第Ｒｅ．３４，８６１号明細書、４，９４６，５４７号明細書、および５，２００，０２２号明細書に記載されている。

【0028】

ＬＥＥ２６は、好ましくは、以下の方法を用いてデバイス上に形成される。蒸着、化学気相堆積（ＣＶＤ）、あるいはスパッタリングでＬＥＥ材料を堆積させる。好ましいＬＥＥ材料は、ＳｉＣ、ＳｉＮ_x、ＡｌＮ、ＳｉＯ_xＮ_y、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＺｎＳｅ、ＴｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、ＧａＮ、あるいはＳｉＯであり、ＺｎＳｅ、ＴｉＯ₂、ＳｉＮ_x、ＡｌＮ、およびＧａＮが最も好ましい。好ましいＬＥＥの厚さは、１００ｎｍから１０μｍの範囲にある。ＬＥＥ材料を堆積させた後、フォトレジストなどの感光性ポリマーをまず露光してマスクとする。

【0029】

次に、以下に示す２つの方法でＬＥＥ材料内にＬＥＥ２６を形成することができる。まず第１に、ウェット化学エッチングによりマスクを用いてＬＥＥ材料をエッチングで除くことができる。このエッチングは、マスク層をアンダーカットしてＬＥＥ構造体を形成するであろう。第２に、オーブンでマスクを再処理し、曲線あるいは直線の傾斜をマスクにつけることができる。次に反応性イオンエッチングを用いてパターンをマスクからＬＥＥ材料に転写し、最終的なＬＥＥ構造体を形成する。アレイパターンは規則的あるいは不規則的なものでありうるし、個々のＬＥＥの間の好ましい間隔は１μｍから５０μｍの範囲にある。

【0030】

ＬＥＥ構造体を形成するために他の方法を用いることもでき、この技術はあらゆるＬＥＤ材料系に適用できる。また、記載されたＬＥＥの形成を、ＬＥＥアレイが形成される以下のいずれの実施形態においても用いることができる。

【0031】

[第２の実施形態]
図２は、本発明に従って構成された新規のＬＥＤ３０からなる第２の実施形態を示す図である。それは図１のＬＥＤ１０に類似しており、同じＬＥＤ構造体１２、第１スプレッダ１６、基板２４、第２スプレッダ２０、およびｎ−ｐ−コンタクトパッド１８およびｐ−コンタクトパッド２２を有する。基板が導電性の場合、基板２４上にｎ−コンタクト２８をもつこともできる。

【0032】

しかし、この実施形態においては、ＬＥＥ３２は、基板２４の表面上、第１スプレッダ層１６の反対側に形成されている。ＬＥＤ１０と同様、デバイスの製造の間にあるいは後でＬＥＥ３２は形成されるが、ダイ分割の前である。光取出しを増すために、ＬＥＥの屈折率（ｎ２）をＬＥＥ封止材料の屈折率（ｎ１）より大きくすべきである。図１の新規のＬＥＤ１０で用いられた好ましい材料および製造プロセスを本実施形態でも用いることができる。

【0033】

他の方法として、基板２４内にＬＥＥ３２を形成することができる。これはＡｌＩｎＧａＮ系ＬＥＤ構造体をもつＳｉＣ基板に対して特に適切である。エッチングマスクを用いて反応性イオンエッチングにより、あるいは基板のレーザまたはソーによるカッティングにより基板に直接ＬＥＥが形成される。この場合のＬＥＥの深さは、好ましくは１μｍから２００μｍの範囲にあり、また要素間の距離は、好ましくは１μｍから２００μｍの範囲にある。

【0034】

この新規のＬＥＤ２０は、ＳｉＣ基板上のＧａＮ系ＬＥＤの場合などの、基板部分に大部分の光が補足されるＬＥＤに対して特に適切である。ＬＥＥ３２をアレイとして形成することにより、新規のＬＥＤ１０および２０は、Ｋｒａｍｅｓ他（前記参照）により開示された逆角錐台プロセスに比べてより大きなＬＥＤチップサイズにスケールを拡大できるという利点がある。

【0035】

最大の光取出しを得るために、新規のＬＥＤのすべての実施形態で異なる形状を用いることができる。図３は、アレイＬＥＥとして用いることができる形状の様々な例の横断面図である。ＬＥＥ４２、４４、４６の表面は曲がっており、一方、ＬＥＥ４８、５０、５２、５４の表面は区分的にリニアである。特定の実施形態に対して最大の光取出しが得られるように、形状を選択し調整することができる。標準的なウェット化学、ドライエッチング、レーザもしくはウェーハソーイング技術により、ＬＥＥ材料および／またはマスク層の様々な組合せを用いることにより、様々な形状が形成される。図３に示された形状は、可能な形状の極少数を表示しており、本発明の範囲は示された形状に限定されるべきではない。

【0036】

[第３の実施形態]
図４は、本発明に従って構成された新規のＬＥＤ６０からなる第３の実施形態を示す図である。それはまたＬＥＤ構造体６２、第１スプレッダ層６４、基板６６、ｎ−コンタクト６８、第２スプレッダ７０、およびｐ−コンタクト７２をもち、これらはＬＥＤ１０および２０と同様に配置されている。しかし、この実施形態においては、ＬＥＥ７４はＬＥＤデバイスの内部に、好ましくは基板６６と第１スプレッダ６４の間の境界面にアレイとして形成されている。このＬＥＥ材料の屈折率（ｎ２）は、普通は補足される光をＬＥＤ６０から光が出て行くことができる方向へ向け直すことができる反射と屈折が起こるように、第１スプレッダ材料（ｎ１）と異なっていなければならない。

【0037】

ＬＥＥ７４は、好ましくは、フォトレジストマスクを用いてＬＥＥ材料のウェット化学エッチングにより形成される。次に、内部ＬＥＥアレイを形成するために、エピタキシャル材料をＬＥＥの上に再成長させねばならない。これは、好ましくは有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）、気相エピタキシ（ＶＰＥ）、あるいは分子線エピタキシ（ＭＢＥ）で実施され、ＭＯＣＶＤが最も好ましい。好ましいマスク材料は、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＴｉＯ₂、ＡｌＮ、およびＳｉＯである。ＬＥＥマスク材料の好ましい厚さは、０．１μｍから１０μｍであり、ＬＥＥ間の好ましい間隔は１μｍから５０μｍである。さらに、ＬＥＤ構造内の異なる位置に、内部ＬＥＥを置くこともできる。

【0038】

[第４および第５の実施形態]
図５は、本発明に従って構成された新規のＬＥＤ７０からなる第４の実施形態を示す図である。それは、前記実施形態と同じしＥＤ構造体７２、スプレッダ層７５、７６、基板７０およびコンタクト８０、８２をもつ。しかし、この実施形態では、エピタキシャル材料８４の層を、ＬＥＥ８６の形成の前に基板上に成長させる。ＭＯＣＶＤ、ＶＰＥ、あるいはＭＢＥにより、エピタキシャル層８４を成長させる。次にＬＥＥ８６がエピタキシャル層表面上にアレイとして形成され、そして第２スプレッダ７５の残りの部分がＬＥＥ８６の上に形成される。ＬＥＥアレイの上にＬＥＤ構造体７２を容易に再成長させるためにこの実施形態を用ることができるが、１つの余計なエピタキシャル成長ステップを必要とする。

【0039】

１つの層の内部にＬＥＥがあるＧａＮ系ＬＥＤでは、ＭＯＣＶＤ成長システムにおける横方向エピタキシャルオーバー成長（ｌａｔｅｒａｌ ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ、ＬＥＯ）により、ＬＥＥ材料上での再成長を実施できる。これは標準的な面成長を超える優れた材料特性をもたらし、光取出しに対する副次的利得としてＬＥＤ光放出をさらに増加させる。

【0040】

さらに、このＬＥＯプロセスは、本発明に従って構成されまた図６に示されるＬＥＤ９０からなる他の実施形態を提供する。この実施形態では、マスク材料９４の上にＬＥＥの空孔（ｖｏｉｄ）９２を作り出すように、ＬＥＯ成長条件が調節される。空孔９２は、第１スプレッダ層９６の内部の直線的な（あるいは曲がった）ＬＥＥとして機能する。空孔とＬＥＥは内部に補足された光の方向を変えて、光取出しを増す。半導体材料内の空孔の形成は、Ｆｉｎｉにより実際に示された。〔「Ｈｉｇｈ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｃｏａｌｅｓｃｅｎｃｅ ｏｆ Ｌａｔｅｒａｌｌｙ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｎ ＧａＮ Ｓｔｒｉｐｅｓ ｏｎ ＧａＮ／Ｓａｐｐｉｒｅ Ｓｅｅｄ Ｌａｙｅｒｓ（ＧａＮ／サファイアシード層上で横方向オーバー成長ＧａＮストライプの高品質融合）」Ｆｉｎｉ ｅｔ ａｌ．、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ７５、１２、Ｐｇｓ．１７０６〜１７０８（１９９９）を参照〕。

【0041】

[第６の実施形態]
図７は、前記のＬＥＤと同じ層を有する新規のＬＥＤ１００からなる第６の実施形態を示す図である。この実施形態では、基板１０４と第１スプレッダ１０６の間の境界面ではあるが基板１０４内に、ＬＥＥ１０２がアレイとして配置されている。ＬＥＥ１０２は、マスクを用いてウェット化学あるいはドライエッチング技術により基板をエッチングすることにより、基板１０４に直接形成される。次に、エッチングされた領域にＬＥＥを成長させ、そしてＭＯＣＶＤ、ＶＰＥ、あるいはＭＢＥによりＬＥＤの残りの層をＬＥＥの上に成長させる。ＬＥＥは、エピタキシャル材料の再成長の後に基板に残された空孔、あるいはエッチングされた部分を満たすエピタキシャル材料でありうる。

【0042】

[第７の実施形態]
図８は、ＬＥＤ構造体１１４のエピタキシャル側の一番上でまた第２電流スプレッダ層１１６の上側の分散体層１１２を用いる新規のＬＥＤ１１０からなる第７の実施形態を示す図である。やはり、基板、ＬＥＤ層、およびＬＥＤコンタクトは今までの実施形態で記載されたものと同じタイプである。最も効果的であるために、分散体層の屈折率ｎ２をＬＥＤ封止材料の屈折率ｎ１より大きくすべきである。一般に、屈折率ｎ２が大きくなる程、光取出しは向上する。分散体層の粒子は隣接粒子間で、２０μｍから１μｍの距離をもつべきである。粒子サイズは２０ｎｍから１μｍであるべきである。他の方法として、分散体層は異なる屈折率をもつ材料層における一連の空孔でありうる。

【0043】

いくつかの異なる方法で、分散体１１２を形成することができる。まず第１の方法は、望ましい屈折率のマイクロスフィアでＬＥＤ構造体表面を直接コートすることである。好ましいマイクロスフィアは、ＺｎＳｅもしくはＴｉＯ₂、あるいは何らかの高屈折率で低光学吸収材料である。溶剤あるいは水に浸漬したスフィアのスプレあるいはスピンコーティングにより、ＬＥＤをコートすることができる。

【0044】

第２の形成方法では、始めに蒸着、ＣＶＤ、あるいはスパッタリングによりＬＥＤ表面上に均一あるいはほぼ均一に分散体材料を堆積させる。好ましい材料は、ＳｉＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＴｉＯ₂、およびＳｉＯである。次に、マスク材料を表面上にコートするが、好ましいマスク材料は、シリカもしくはポリスチレンのマイクロスフィア（ｍｉｃｒｏｓｐｈｅｒｅ）、あるいはスピンコートされたフォトレジストなどの薄いポリマー層である。マスク材料は、分散体材料のウェット化学エッチングのためのマスクとして、あるいはＲＩＥなどのドライエッチングのためのアブレーティブマスク（ａｂｌａｔｉｖｅ ｍａｓｋ）として用いられる。分散体材料へパターンを転写した後、残りのマスク材料は取り除かれて、ＬＥＤ表面上に分散体が残る。

【0045】

ここに与えられた実施形態は、Ｓｃｈｎｉｔｚｅｒ他により記載され例示されたＬＥＤに対する改良形態である。それらは半導体材料をエッチングして分散体層にする必要がないという利点をもたらす。これにより、通常、第１スプレッダ材料が容易には中断できない非常に薄い金属層である、ＧａＮ系材料システムで分散体技術を容易に用いることができる。

【0046】

[第８の実施形態]
図９は、図８のＬＥＤ１１０の変形形態である新規のＬＥＤ１２０を示す図である。ＬＥＤ１２０は同じＬＥＤ層をもつが、この実施形態では分散体層１２２が基板１２４の下側表面に付けられている。この方法は、ＳｉＣ上のＡｌＩｎＧａＮエピタキシャル層などのような、基板の屈折率がＬＥＤエピタキシャル層に似ているＬＥＤに特に適切である。

【0047】

[第９および第１０の実施形態]
図１０および図１１は、それぞれの分散体層１３４、１４４が第１スプレッダ層１３２、１４２内に配置される、新規のＬＥＤ１３０と１４０を示す図である。これらの実施形態では、光の散乱が起こるように、分散体層の屈折率ｎ２は、第１スプレッダ層の屈折率ｎ１と違っていなければならない。この分散体層にとって好ましい材料は、シリカあるいはＴｉＯ₂マイクロスフィアである。

【0048】

図１０のＬＥＤ１３０では、分散体層１３４は基板１３６と第１スプレッダ１３２の間に配置される。次にＬＥＤ層を分散体層の上に、ＭＯＣＶＤ、ＶＰＥ、あるいはＭＢＥにより成長させる。図１１のＬＥＤ１４０では、分散体層１４４は第１スプレッダ層１４２の内部にある。第１スプレッダの層を始めに成長させ、次に分散体層１４４を形成する。次いで第１スプレッダの残りの部分とＬＥＤ層を分散体層の上に成長させる。

【0049】

ＬＥＤ構造体および基板を含む、ＬＥＤ１３０、１４０の他の層内に、分散体層を形成することもできる。他の方法によってまた他の材料で、分散体を形成することもできる。したがって、本発明は示された分散体層の配置に限定されるべきではない。

【0050】

[第１１の実施形態]
ＭＯＣＶＤをエピタキシャル成長のツールとして用いる場合、ｉｎ−ｓｉｔｕな技術を用いて分散体層をＬＥＤに形成することができる。この技術はＧａＮ系ＬＥＤに対して特に適切である。図１２および図１３は、第１スプレッダ層１５４、１６４に自然位（ｉｎ−ｓｉｔｕ）に形成された分散体層１５２、１６２を有する、２つのＬＥＤ１５０および１６０を示す図である。ＬＥＤ１５０において、その基板１５５はＳｉＣあるいはサファイアでできており、また第１スプレッダ１５４がＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１からなる材料の融合していない島（ｕｎｃｏａｌｅｓｃｅｄ ｉｓｌａｎｄ）から形成される。第１スプレッダの成長の初期段階の間に、島１５６が形成される。島１５６の融合に先立って成長を止めて、そしてＡｌＧａＮ、ＳｉＯ₂、あるいはＳｉＮなどの低屈折率材料からなる層１５２を島の上および／または間に堆積させて、必要な内部屈折率の不連続を作り出す。次に成長は通常のように進んで、第１スプレッダ層とＬＥＤ構造体を完成する。

【0051】

ＬＥＤ１６０では、不連続を形成するのに島を用いないで、第１スプレッダ層の成長初期段階の間に成長条件を変更してその表面を粗くする。ＡｌＩｎＧａＮ系ＬＥＤでは、ジシリンの流量を増やすこと、アンモニアの流量を変化させること、あるいは前記第１層が成長する速度を増すことにより、エピタキシャル層を粗く成長させることができる。粗くされた後、低屈折率のＡｌＧａＮあるいは他の誘電体層１６２を堆積させる。次に成長は通常のように進んで、第１スプレッダおよびＬＥＤ構造体を完成する。

【0052】

前記と全く同様に、ＬＥＤ構造体層および基板を含む他の層に、記載された分散体層を配置することが可能であり、本発明は示された配置に限定されるべきではない。

【0053】

[フリップ−チップ実施形態]
最後に、前記に列挙されたすべての実施形態において、フリップ−チップボンディング技術を用いてデバイスを実装することができる。図１４は、そのような構成に結合された新規のＬＥＤ１７０を示す図である。ＬＥＤ構造体１７２は、導電性反射層１７５でコートされており、第２スプレッダ層１８９は、導電性結合媒体により反射層１７５に付けられている。次いでサブマウント１７６が第２スプレッダ層１８９上に実装されている。ｐ−コンタクト１８８がサブマウント１７６上に含められて、第２スプレッダ層１８９に結合している。ｐ−コンタクト１８８に流れた電流は第２スプレッダ層に、そしてＬＥＤ構造体の最上層に広がる。

【0054】

ｎ−コンタクト層１７８もまたサブマウント１７６に含められて、第２導電性結合層１８２を通じて第１スプレッダ層１８０と結合する。ｎ−コンタクト１７８からの電流は層１８２を通じて第１スプレッダ１８０に、そしてＬＥＤ構造体の最下層へと流れる。ＬＥＥ１８６は、基板１８４の下側表面上に形成されている。

【0055】

ＬＥＤ１７０から光は、主にその基板１８４を通して放出され、またＬＥＥアレイあるいは用いられる分散体のタイプに応じて、この構造体からの光取出しを従来のボンディング構造体を超えて向上させることができる。ここで、方向を変えられた光は、ＬＥＥ１８６を通して第１の経路でチップを出て行くことができ、方向を変えられた後、基板を通して元に戻らざるを得ない光による光学損失のいかなる発生も低下させている。

【0056】

図１５は、ＬＥＤ１７０に似たフリップ−チップボンディングを用いる新規のＬＥＤ１９０を示す図である。しかし、ＬＥＥを用いる代わりに、それは第２スプレッダ１９４と反射層１９６の境界面に分散体層１９２を有する。

【0057】

本発明がその特定の好ましい実施形態を参照してかなり詳細に記載されたが、他の実施形態も可能である。当分野の技術者は、ＬＥＥアレイを用いる他のＬＥＤ構成を構想することもできる。この新規のＬＥＤは、ＬＥＥアレイと分散体層の様々な組み合わせをもつことができる。ＬＥＥは、様々な形状、寸法、隣接ＬＥＥとの間隔をとることができ、また様々な位置にＬＥＥを配置することができる。同様に、様々な材料で分散体層をつくり、また様々な位置に配置することができる。したがって、添付の特許請求の範囲の精神および範囲は、前記の好ましい実施形態に限定されるべきではない。

【図面の簡単な説明】

【図1】 第２スプレッダ層上にＬＥＥアレイをもつ新規のＬＥＤの断面図である。

【図2】 基板表面上にＬＥＥアレイをもつ新規のＬＥＤの断面図である。

【図3】 新規のＬＥＤと一体化させるアレイにすることができる、ＬＥＥの基本形状の断面を示す図である。

【図4】 基板と第１スプレッダ層の間の境界面に形成された内部ＬＥＥアレイをもつ新規のＬＥＤの断面図である。

【図5】 第１スプレッダ層内に形成されたＬＥＥアレイをもつ新規のＬＥＤの断面図である。

【図6】 空孔で形成されたＬＥＥアレイをもつ新規のＬＥＤの断面図である。

【図7】 第１スプレッダ層との境界面で、基板内に形成されたＬＥＥアレイをもつ新規のＬＥＤの断面図である。

【図8】 第２スプレッダ層上に形成された表面分散体層をもつ新規のＬＥＤの断面図である。

【図9】 基板上に形成された表面分散体層をもつ新規のＬＥＤの断面図である。

【図10】 基板との境界面で、第１スプレッダ内に形成された内部分散体層をもつ新規のＬＥＤの断面図である。

【図11】 第１スプレッダ層内に形成された内部分散体層をもつ新規のＬＥＤの断面図である。

【図12】 内部分散体層がエピタキシャル成長の間にｉｎ−ｓｉｔｕに形成された、新規のＬＥＤの断面を示す図である。

【図13】 内部分散体層がエピタキシャル成長の間に自然位（ｉｎ−ｓｉｔｕ）に形成された、新規のＬＥＤの断面を示す図である。

【図14】 基板表面上にＬＥＥアレイをもつフリップ−チップを実装した新規のＬＥＤの断面図である。

【図15】 ＬＥＤの一層内に形成された表面分散体層をもつフリップ−チップを実装した新規のＬＥＤの断面図である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】