特表 2023-528194 光学デバイス、及び光学デバイスを製造する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-07-04

(54)【発明の名称】光学デバイス、及び光学デバイスを製造する方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/10 20100101AFI20230627BHJP

   H01L 33/46 20100101ALI20230627BHJP

   H01L 33/20 20100101ALI20230627BHJP

   H01L 33/32 20100101ALI20230627BHJP

【ＦＩ】

H01L33/10

H01L33/46

H01L33/20

H01L33/32

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022568541

(86)(22)【出願日】2021-05-28

(85)【翻訳文提出日】2022-11-10

(86)【国際出願番号】 GB2021051327

(87)【国際公開番号】W WO2021245386

(87)【国際公開日】2021-12-09

(31)【優先権主張番号】2008329.1

(32)【優先日】2020-06-03

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】520445406

【氏名又は名称】プレッシー・セミコンダクターズ・リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＰＬＥＳＳＥＹ ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲＳ ＬＩＭＩＴＥＤ

(74)【代理人】

【識別番号】110002860

【氏名又は名称】弁理士法人秀和特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ホワイトマン，ジョン ライル

(72)【発明者】

【氏名】メゾウアリ，サミル

【テーマコード（参考）】

5F241

【Ｆターム（参考）】

5F241AA03

5F241CA04

5F241CA05

5F241CA13

5F241CA22

5F241CA40

5F241CA74

5F241CB11

5F241CB14

5F241CB15

5F241CB22

5F241FF01

(57)【要約】

光学デバイスは、ほぼ垂直な側壁を有する発光構造であって、発光構造は活性層を含み、活性層は電流がデバイスへ印加されると光を発射するように構成される、発光構造；発光構造の側壁に面する内面及び対向する外面を有する電気的絶縁且つ光学的透明スペーサ層であって、活性層からの光抽出を強化するように構成されたスペーサ層；及びスペーサ層の外面上に配置される反射性且つ電気的導電性ミラー層を含む。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光学デバイスであって、
ほぼ垂直な側壁を有する発光構造であって、前記発光構造は活性層を含み、前記活性層は電流が前記デバイスへ印加されると光を発射するように構成される、発光構造；
前記発光構造の前記側壁に面する内面及び対向する外面を有する電気的絶縁及び光学的透明スペーサ層であって、前記活性層からの光抽出を強化するように構成された光学的透明スペーサ層；並びに
前記スペーサ層の前記外面上に配置される反射性及び電気的導電性ミラー層
を含む光学デバイス。

【請求項2】

前記発光構造と前記スペーサ層との間にパッシベーション層をさらに含む、請求項１に記載の光学デバイス。

【請求項3】

前記パッシベーション層は二酸化シリコン、酸化アルミニウム又は立方窒化アルミニウムのうちの１つである、請求項２に記載の光学デバイス。

【請求項4】

前記ミラー層はＲａ＝５０ｎｍの表面粗度を有する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光学デバイス。

【請求項5】

前記ミラー層はＲａ＝１０ｎｍの表面粗度を有する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学デバイス。

【請求項6】

前記発光構造は第１の発光面を有し、前記光学デバイスはさらに、前記発光面上の光抽出特徴を含む、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光学デバイス。

【請求項7】

前記光抽出特徴は凸レンズの形式である、請求項６に記載の光学デバイス。

【請求項8】

前記凸レンズは２．３マイクロメートル又は３マイクロメートルのうちの１つの曲率半径を有する、請求項７に記載の光学デバイス。

【請求項9】

前記スペーサ層の前記外面は疑似放物線プロファイル又は放物線プロファイルを有する、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光学デバイス。

【請求項10】

前記スペーサ層の前記外面のプロファイルは、０．５のＢｅｚｉｅｒ係数を有する２つの制御点を有するＢｅｚｉｅｒ曲線を近似する、請求項９に記載の光学デバイス。

【請求項11】

前記スペーサ層は二酸化シリコン、窒化シリコン又は酸化チタンのうちの任意の１つで形成される、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の光学デバイス。

【請求項12】

前記発光構造はさらにｎ型クラッド層を含み、前記ミラー層は、前記光学デバイスの第１の電極を形成するように前記ｎ型クラッディング層と電気的に接触している、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の光学デバイス。

【請求項13】

前記発光構造はさらに、前記光学デバイスの第２の電極と電気的に接触したｐ型クラッディング層を含む、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の光学デバイス。

【請求項14】

前記第２の電極は前記第１の発光面に対向する前記発光構造の第１の表面上に形成され、前記第２の電極は反射材料で作られる、請求項１３に記載の光学デバイス。

【請求項15】

前記発光構造はさらに緩衝層及び超格子を含む、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の光学デバイス。

【請求項16】

前記発光構造はインジウム窒化ガリウムを含む、請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の光学デバイス。

【請求項17】

前記発光構造は四角形、円形、三角形、五角形断面のうちの１つを有する、請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の光学デバイス。

【請求項18】

前記発光構造は粗側壁を有する、請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の光学デバイス。

【請求項19】

前記スペーサ層の前記内面は第１の材料で形成され、前記スペーサ層の前記外面は第２の材料で形成される、請求項１乃至１８のいずれか一項に記載の光学デバイス。

【請求項20】

前記第１の材料は前記第２の材料より高い屈折率を有する、請求項１９に記載の光学デバイス。

【請求項21】

請求項１乃至２０のいずれか一項に記載の光学デバイスの、２つ以上のアレイ。

【請求項22】

請求項１乃至２０のいずれか一項に記載の光学デバイスを製造する方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発光デバイスのアレイと発光デバイスのアレイを形成する方法とに関する。特に、しかし排他的でなく、本発明は最適化された光抽出を有する発光デバイスのアレイに関する。

【背景技術】

【0002】

発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイスは広範囲のアプリケーションのための効率的光源を提供するということが知られている。より小さなＬＥＤ（より小さな発光表面面積を有する）の生産と様々な波長ＬＥＤエミッタのアレイ内への集積化に伴うＬＥＤ発光効率及び抽出の増加は、高品質カラーアレイを複数のアプリケーション（特にディスプレイ技術における）に提供する結果となった。

【0003】

拡張現実（Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）、マージ現実（Ｍｅｒｇｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）、仮想現実（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ）、並びにスマート時計及びモバイルデバイスなどの直視ディスプレイを含む様々なアプリケーションおける使用のためのマイクロＬＥＤディスプレイのためのいくつかのディスプレイ技術が考えられており使用されている。ディジタルマイクロミラー（ＤＭＤ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏ Ｍｉｒｒｏｒ）及び液晶・オン・シリコン（ＬＣｏＳ：Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）などの技術は反射技術に基づき、ここでは、外部光源が赤色光子、緑色光子、及び青色光子を時系列モードで生成するために使用され、そして画素は、画像を形成するために画素の輝度を調整するために光を光学素子から離れる方向に向ける（ＤＭＤ）か又は光を吸収する（ＬＣｏＳ）かのいずれかである。液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）は通常、画像を生成するためにバックライト、アドレス指定可能背面上のＬＣＤパネル及びカラーフィルタを使用する。背面は、映像の各フレームの個々の画素の輝度を調整するために個々の画素をオン／オフすることが要求される。有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ：Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）又はアクティブマトリクスＯＬＥＤ（ＡＭＯＬＥＤ：Ａｃｔｉｖｅ Ｍａｔｒｉｘ ＯＬＥＤ）及び最近のマイクロＬＥＤなどの発射型ディスプレイ技術は、無接続マイクロディスプレイアプリケーション及びより高い画像コントラストのための低電力消費量を提示するのでますます増加している。特にマイクロＬＥＤは、マイクロＯＬＥＤ及びＡＭＯＬＥＤディスプレイより高い効率及びより良い信頼性を提供する。

【0004】

本明細書において説明される発明は、内部量子効率（ＩＱＥ：Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）及び光抽出効率（ＬＥＥ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を改善して効率及び輝度性能指数を改善するためにいくつかの技術を組み合わせる、高効率マイクロＬＥＤアレイを作製する方法に関する。

【0005】

疑似放物線状ＭＥＳＡの使用を含む、多量子井戸（ＭＱＷ：ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）内で生成された光子を発射面へ向けるために光抽出効率を増加するように設計された構造は、ＬＥＤ業界ではよく知られている。

【0006】

このような形状を有するＭＥＳＡを製作するために使用される技術は、反応性イオンエッチ（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈ）又は誘導結合エッチ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｅｔｃｈ）などの技術に関与する。このようなエッチ技術では、ＲＦ、高電圧（ＤＣバイアス）及び反応性ガス（遊離基をしばしば含む）を含む高エネルギープラズマが、半導体材料を選択的にエッチングするために使用される。いくつかの特徴は、エッチプロセスに晒されることになるエリア及び未エッチ状態の
ままとなるエリアを定義するために写真感光材料を使用するフォトリソグラフィプロセスを使用することにより定義される。ＭＥＳＡの精密形状は、パターンを定義するために使用される写真感光材料のプロファイルにより、並びにエッチ圧、電力、ガス流及びガス種により制御され得る。

【0007】

これは製造プロセスを複雑化するだけでなく、このエッチプロセスの結果、マイクロＬＥＤのＩＱＥに影響を与えるＭＥＳＡの縁も破損され得る。

【0008】

図１に示すように、直流バイアス及びプラズマ密度が増加するにつれ、より大きな損傷が、特徴の縁に対してなされ、結晶損傷、窒素空孔及びダングリングボンドにより形成される表面漏れ経路に至る。乾式エッチングは、表面における高エネルギーイオン爆撃（ｂｏｍｂａｒｄｍｅｎｔ）に起因して、多くの結晶欠陥を生成する。ダングリングボンドは容易に酸化され、そして結晶損傷はエネルギー帯内に多くの欠陥レベルを生成し、この欠陥レベルは表面におけるキャリア再結合中心として働き、非放射性再結合に至る。

【0009】

表面再結合速度（非放射性再結合速度）はバルクＭＱＷ内の放射性再結合速度より速く、したがって、小さなマイクロＬＥＤは表面再結合とＩＱＥの結果的低下とに対して脆弱である。

【0010】

ＭＥＳＡエッチ中に引き起こされる損傷の広範に報告された結果は、図２に示すような、より小さなマイクロＬＥＤ寸法による効率低下である。外部量子効率（ＥＱＥ：Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）はＩＱＥの産物（電子の数に対する生成された光子数の比）である。この傾向を駆動する機構は、マイクロＬＥＤの面積に対する周縁の比である。マイクロＬＥＤのサイズが低下するにつれ、側壁の面積はＭＱＷの面積に対して増加するので、マイクロＬＥＤの縁における表面漏れ経路が非放射性再結合の増加を引き起こす。

【0011】

拡張現実及び頭部装着型ディスプレイに使用されるマイクロＬＥＤディスプレイは１Ａ／ｃｍ^２～１０Ａ／ｃｍ^２の電流密度で動作することになる。これは、大きなＬＥＤと比較して、小さなＬＥＤの効率が２０倍低下することを意味し得る。

【0012】

マイクロＬＥＤの効率は、図３に示すように、ＭＥＳＡエッチにより引き起こされる損傷を修理することにより著しく増加され得る。最適化された損傷修理体制を実行することによりＥＱＥの１０倍の改善を行うことが通常は可能である。ピークＥＱＥは損傷修理後に増加し、そしてピークＥＱＥは低電流密度において発生するので、その結果、典型的動作条件では、効率の１０倍増加が取得され得る。しかし、このような体制は、図４に示すように、修理プロセスがＭＥＳＡエッチにより損傷された半導体材料を除去するので、高ＬＥＥのために最適化されたＭＥＳＡ形状を保つことと両立しない。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0013】

上述の問題の少なくともいくつかを緩和するために、添付の特許請求の範囲による光学デバイスが提供される。さらに、添付の特許請求の範囲による光学デバイスのアレイと、１つ又は複数の光学デバイスを形成する方法とが提供される。

【0014】

本発明の第１の態様では、ほぼ垂直な側壁を有する発光構造であって、発光構造は活性層を含み、活性層は電流がデバイスへ印加されると光を発射するように構成される、発光構造；発光構造の側壁に面する内面及び対向する外面を有する電気的絶縁及び光学的透明スペーサ層であって、活性層からの光抽出を強化するように構成された光学的透明スペーサ層；並びに、スペーサ層の外面上に配置される反射性及び電気的導電性ミラー層を含む
光学デバイスが提供される。

【0015】

有利には、スペーサ材料は発光構造の活性層からの光抽出を強化するための光学部品として働き、金属材料は光抽出をさらに強化するスペーサの側面上のミラー層として働く。

【0016】

好適には、光学デバイスはさらに、発光構造とスペーサ層との間にパッシベーション層を含む。

【0017】

好適には、パッシベーション層は二酸化シリコン、酸化アルミニウム又は立方窒化アルミニウムのうちの１つである。

【0018】

パッシベーション層は、本デバイスの電気的特性をそうでなければ劣化させる表面準位を低下するように働く。

【0019】

好適には、発光構造は第１の発光面を有し、光学デバイスはさらに、発光面上に光抽出特徴を含む。光抽出特徴は、本デバイスの光学特性にさらなる強化を提供する。

【0020】

好適には、光抽出特徴は凸レンズの形式である。

【0021】

好適には、凸レンズは３マイクロメートルの曲率半径を有する。これは最大光抽出を提供するということが分かった。

【0022】

好適には、スペーサ層の外面は疑似放物線プロファイル又は放物線プロファイルを有する。放物線形状は、臨界角未満の入射角で前記表面に入射しそしてこれにより光子が高周波数において大気内へ抽出されることを可能にするように、発射された光子を本デバイスの発光面の方へ向けるように働く。

【0023】

好適には、スペーサ層の外面のプロファイルは、０．５のＢｅｚｉｅｒ係数を有する２つの制御点を有するＢｅｚｉｅｒ曲線を近似する。これは最大光抽出を提供するということが分かった。

【0024】

好適には、スペーサは二酸化シリコン、窒化シリコン又は酸化チタンのうちの１つである。

【0025】

好適には、発光構造はｎ型クラッド層をさらに含み、ミラー層は、光学デバイスの第１の電極を形成するようにｎ型クラッディング層と電気的に接触している。有利には、ミラー層はさらに、光学デバイスの電流拡散層として働く。

【0026】

好適には、発光構造はさらに、光学デバイスの第２の電極と電気的に接触したｐ型クラッディング層を含む。

【0027】

好適には、第２の電極は、発光構造の第１の表面に対向する第２の表面上に形成され、第２の電極は反射材料で作られる。発光面に対向する反射面の配置は、光学デバイスの光抽出及びしたがって効率を改善する。

【0028】

好適には、活性層は１つ又は複数の量子井戸を含む。

【0029】

好適には、発光構造はさらに緩衝層及び超格子を含む。

【0030】

好適には、発光構造はインジウム窒化ガリウムを含む。

【0031】

好適には、発光構造は四角形、円形、三角形、五角形断面のうちの１つを有する。

【0032】

好適には、発光構造は粗側壁を有する。これは輝度均一性を改善し、及び光抽出をさらに強化するということが分かった。

【0033】

好適には、スペーサ層の内面は第１の材料で形成され、スペーサ層の外面は第２の材料で形成される。これは、発射された光子が発光面の方へより良好に向けられ得るように様々な屈折率を有する材料の使用を可能にする。

【0034】

好適には、第１の材料は、光が発光構造の発光面の方向へますます後方反射されるように、第２の材料より高い屈折率を有する。

【0035】

本発明の第２の態様では、上述の光学デバイスのアレイが提供される。

【0036】

本発明の第３の態様では、上述の光学デバイスを製造する方法が提供される。

【0037】

本発明の別の態様は、本明細書及び添付の特許請求の範囲から明白になる。

【0038】

本発明の実施形態の詳細な説明
本発明の実施形態の詳細な説明は、以下の添付図面を参照して、単に一例としてなされる。

【図面の簡単な説明】

【0039】

【図1】プラズマ電力及び直流バイアスの増加によるＩｎＧａＮ材料に対する結晶損傷を示す。

【図2】Ａ１（２５６μｍ）からＡ９（１μｍ）まで低減するマイクロＬＥＤサイズの外部量子効率（ＥＱＥ）対電流密度を示す。

【図3】ＭＥＳＡ損傷低下及び修理有り及び無しのマイクロＬＥＤのＥＱＥを示す。

【図4】エッチングされたＭＥＳＡの断面（損傷修理プロセス前（ａ）及び損傷修理プロセス後（ｂ））を示す。

【図5】本発明の態様による光学デバイスを示す。

【図6】曲率半径Ｒ及びＢｅｚｉｅｒ係数Ｂに応じた様々な形状の凸レンズ及びスペーサを有する一連の光学デバイスを示す。

【図7】２つの異なるスペーサ材料を使用する実施形態を示す。

【図8】粗側壁を有する実施形態を示す。

【図9】発光構造が四角形（ａ）、円形（ｂ）、三角形（ｃ）及び五角形（ｄ）断面を有する実施形態を示す。

【図10】光学デバイスのモノリシック製造プロセスの段階を示す。

【図11】光学デバイスのモノリシック製造プロセスの段階を示す。

【図12】光学デバイスのモノリシック製造プロセスの段階を示す。

【図13】光学デバイスのモノリシック製造プロセスの段階を示す。

【図14】曲率半径Ｒ及びＢｅｚｉｅｒ係数Ｂを有する半値全幅での（ａ）光抽出効率（ＬＥＥ）及び（ｂ）発射角の変動を示す。

【図15】曲率半径Ｒ及びＢｅｚｉｅｒ係数Ｂを有するＦ／３投影レンズの結合効率の変動を示す。

【発明を実施するための形態】

【0040】

図５は、発光上面１１１及び対向底面１１２及びほぼ垂直な側壁１１３、１１４を有する発光構造１１０により形成される光学デバイス１００を示す。代替実施形態では、発光
構造１１０は、光学デバイス１００の輝度均一性を改善しそして光抽出を強化するように働く図７に示すような粗側壁を有する。

【0041】

一実施形態では、発光構造１１０は図９に示すよう四角形、円形、三角形、五角形断面のうちの１つを有する。

【0042】

発光構造１１０は、電極を形成する反射性導電層（ｐ型コンタクト層）１２０上に位置し、そしてさらに、ｎ型領域（又はｎ型クラッド層）１６０及びｐ型領域（又はｐ型クラッド層）１７０間に位置する１つ又は複数の量子井戸を含む活性層１５０を含み、ｐ型領域は電極／反射性導電層１２０に接している。一実施形態では、ｎ型領域１６０及びｐ型領域１７０はそれぞれｎドープ及びｐドープ窒化ガリウムである。別の実施形態では、インジウム窒化ガリウムが使用される。発光構造１１０は典型的ＬＥＤ構造に基づく。別の実施形態では、代替層及び／又は追加層を有する代替発光構造が使用される。当業者は、以下に述べるように動作すると仮定して、任意数のあり得る発光構造が使用され得るということを理解するだろう。特定の実施形態では、発光構造１１０はｐ型領域１７０と活性層１５０との間に位置する電子阻止層を含む。別の実施形態では、発光構造１１０は１つ又は複数の緩衝層を含む。

【0043】

ｎ型領域１６０はｎドープＧａＮであるが、別の例では、追加的に又は代替的に、ｎ型領域１６０は異なる材料を含む。ｐ型領域１７０はｐドープＧａＮであるが、別の例では、追加的に又は代替的に、ｐ型領域１７０は異なる材料を含む。

【0044】

側壁１１３、１１４と接触するのは、二酸化シリコンで形成されそして屈折率ｎ_１を有するそれぞれの疑似放物線スペーサ２０３、２０４である。代替実施形態では、スペーサは窒化シリコン又は酸化チタンから形成される。スペーサは図示の実施形態では疑似放物線側面を有するが、側面は、２つの制御点及び係数Ｂを有する一連のＢｅｚｉｅｒ曲線により記述される任意の好適なプロファイルを有し得、ここでＢは、図６（ｃ）－（ｆ）それぞれに描写する０．１、０．５、０．２及び０．０５のうちの１つである。好適な実施形態では、Ｂｅｚｉｅｒ係数は０．５であり、図６（ｄ）に示すようなほぼ直線状の側面スペーサを生じる。別の実施形態では、スペーサ２０３、２０４は、図７と図８に示すように屈折率ｎ_１を有する内側スペーサ２０３ａ、２０４ａ及び屈折率ｎ_２を有する外側スペーサ２０３ｂ、２０４ｂで形成され、輝度均一性をさらに改善しそして活性層からの光抽出をさらに強化する。好ましい実施形態ではｎ_１＞ｎ_２、これは、内側スペーサ材料として窒化シリコンをそして第２のスペーサ材料として酸化アルミニウムを使用することにより達成され得る。別の実施形態では、発光構造の側壁から離れる方向に低下する屈折率（すなわち、ｎ_１＞ｎ_２＞ｎ_Ｎ）を有する追加スペーサ層が使用され得る。概略的な図５では２つの別個のスペーサとして描写されるが、スペーサは図９に描写される断面図に示すように実際には連続層である。

【0045】

スペーサ２０３、２０４の外面を被覆するのは、ミラー層３００を形成する反射性金属材料であって光学デバイスの第２の電極を形成するためにｎ型領域１６０とさらに接触する反射性金属材料である。一実施形態では、ミラー層３００はアルミニウムから形成され、そしてＲａ＝５０ｎｍの表面粗度を有する。好ましい実施形態では、ミラー層は、本デバイスの光抽出効率を低減する光の散乱を防止するようにＲａ＜１０ｎｍの表面粗度を有する。

【0046】

発光構造１１０の発光上面１１１上には、凸レンズの形式の光抽出特徴４００がある。図６（ａ）に描写されるレンズは１５μｍの曲率半径を有するが、５μｍ、２μｍそれぞれの曲率半径を有する代替実施形態が図６（ｂ）、（ｃ）に示される。好適な実施形態では、レンズは３μｍの曲率半径を有する。

【0047】

使用中、電流が電極間に印加され、ミラー層３００はさらに電流拡散層として動作する。活性層１５０により発射される光は、発光上面１１１の方向へ、直接向けられる、又はｉ）反射性導電層１２０からの反射を介し、ｉｉ）スペーサ２０３、２０４（及び存在すれば２０３ａ、２０４ａ）における反射及び／又は屈折を介し、ｉｉｉ）反射性金属材料により形成されるミラー層３００を介し、又はｉｖ）上記の組み合わせを含む構造内の多重反射を介し向けられる、のいずれかである。したがって、反射性導電層１２０、スペーサ２０３、２０４、及びミラー層３００は、光の伝達を可能にする臨界角度範囲内で発光面に入射する光の比率を増加するように配置される。

【0048】

図１０～１３は図５～９に示す光学デバイスの生成のプロセスを示す。これらの図はモノリシックアレイを描写するが、説明されるプロセスは個々のデバイスの生成へも適用可能である。

【0049】

図１０（ａ）に示す段階では、インジウム窒化ガリウム（ＧａＮ）ＬＥＤにより形成される発光構造１１０が公知の手段を介し＜１１１＞シリコンの基板ウェハ５０１上に成長され、このＬＥＤ構造は、少なくとも１つのｎ型クラッディング層１６０、外側ｐ型クラッディング層１７０、及びその間の活性層１５０を有する。反射性ｐ型コンタクト層１２０がｐ型クラッディング層１７０の上に蒸着され、そして複数の開口５１０（サブ画素毎に１つ）がｐ型コンタクト層１２０及びＧａＮ層で作られ、フォトリソグラフィにより下位ｎ型クラッディング層１６０を露出し、次に、反応性イオンエッチ（ＲＩＥ）又は誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチプロセスが続く。これは、ｐ型コンタクト層１２０の一部により頂部が覆われた個々の発光構造１１０を表す各ＭＥＳＡを備えた概して傾斜された側壁を有するＭＥＳＡのアレイを生成する。一実施形態では、エッチは疑似放物線状側壁を提供するために調節される。シリコンウエハ上に成長されるとして説明されたが、当業者は任意の好適な基板が使用される可能性があるということを認識するだろう。一実施形態では、サファイヤ基板が採用される。別の実施形態では、窒化アルミニウム緩衝層などの追加又は代替介在層が基板とその後成長される層との間の格子不整合を考慮するために使用される。同じように、説明したようなＭＥＳＡのアレイを生じると仮定して代替又は追加エッチ技術が利用される可能性がある。

【0050】

エッチプロセスの結果として、ＭＥＳＡ側壁は、表面漏れ経路に至る破損結晶構造を含む。破損結晶構造を修理するために、低減されたダングリングボンド及び窒素空孔を有する高品質結晶構造を顕示するために破損材料を除去する修理プロセスが適用される。一実施形態では、これは水酸化カリウム湿式エッチを介し実現される。代替実施形態では、修理プロセスはテトラメチルアンモニウムヒドロキシドを使用する湿式エッチを含む。したがって、開放側壁プロファイルは、傾斜又は整形されることから垂直状態へ（５２０）変更される（図４を参照）。

【0051】

任意選択的に、側壁の表面粗度は、別の乾式エッチを行うことにより又は好適なレジストプロファイルを有するフォトリソグラフィレジストを使用することによりのいずれかにより調節され得る。有利には、略垂直且つ粗側壁は輝度均一性を改善しそして光学デバイスからの光抽出を強化するということが分かった。

【0052】

図１０（ｂ）に示す段階では、二酸化シリコンから形成された薄いパッシベーション層５３０が蒸着される。代替実施形態では、パッシベーション層は酸化アルミニウム又は立方窒化アルミニウムのうちの１つである。パッシベーション層は公知の手段により蒸着される。

【0053】

図１１（ａ）に示す段階では、二酸化シリコンの絶縁保護被覆が蒸着され、そして結果
の膜は、一様な疑似放物線スペーサ２０３を形成するためにＲＩＥエッチを使用することによりエッチバックされる。代替実施形態では、窒化シリコン又は酸化チタンの一方がスペーサ材料として使用される。当業者は、任意の好適に高い屈折率且つ非導電性材料が使用され得るということに気付くだろう。スペーサの目的は、スペーサ２０３内への発光構造１１０からの光抽出を強化するための光学部品として働くことである。

【0054】

図１１（ｂ）に示す段階では、アルミニウムの層が、ｎ型クラッディング層１６０に対するオーム性コンタクトを形成するために確立された半導体技術を介し蒸着されそしてパターン化される。この層は、共通オーム性ｎ型コンタクトを形成するが、電流拡散層として、及びスペーサ２０３の側面上のミラー層３００としても働き、画素からの光抽出の強化に至る。

【0055】

図１２（ａ）に示す段階では、酸化シリコンの絶縁層５５０が、トポグラフィを平らにするために蒸着されそして化学機械的に研磨（ＣＭＰ）される。代替実施形態では、窒化シリコンが使用される。複数の開口が、ｐ型コンタクト層１２０の下位部分を露出するためにフォトリソグラフィ及びＲＩＥエッチ技術を使用することにより作られる。次に、金属層５６０が公知の製造技術を介し蒸着される。蒸着された金属は、開口を充填するためにＣＭＰを介しその後研磨され、各光学デバイス１００のｐ型コンタクト層１２０に対するオーム性コンタクトを形成する。

【0056】

図１２（ｂ）に示す段階では、酸化シリコン６５０及び対応金属蒸着６６０の別の層を有する第２のウェハ６０１がウェハ５０１の成長表面へ固着され、そして成長基板は除去される。一実施形態では、第２のウェハはＣＭＯＳ背面である。代替実施形態では、シリコンハンドルウエハが使用される。第２のウェハ６０１の金属蒸着６６０はウェハ５０１の対応金属部５６０と接触する。

【0057】

図１３に示す段階では、複数の光抽出特徴４００がＧａＮ／ｎ型クラッディング層１６０の表面内へパターン化される。一実施形態では、光抽出特徴４００は発光構造１１０の発光面へ塗布される樹脂被覆内に形成される。代替実施形態では、光抽出特徴４００は成長材料自体（すなわちｎ型クラッディング層１６０）により形成される。別の実施形態では、表面は光学デバイスの光学的要件に依存して平坦なままにされる。

【0058】

結果の構造は、高い内部量子効率と高い光抽出効率とを独特に兼ね備える光学デバイスのアレイである。

【0059】

光学シミュレーションが、凸状光抽出特徴４００の曲率半径及びミラー層３００の形状（スペーサ２０３、２０４のプロファイルにより設定される）に応じた光抽出効率を研究するために行われる。これらのシミュレーション毎に、発光構造１１１は３．５μｍ画素ピッチダイとしてモデル化される。

【0060】

窒化シリコンスペーサ材料を使用する、光抽出効率対曲率半径及びＢｅｚｉｅｒ係数の両方が図１４（ａ）に示される。好適には、窒化シリコンがその高い屈折率（４５０ｎｍ波長において２．０５）と半導体工業における普遍性とに起因して使用される。見て分かるように、最大光抽出は、スペーサ２０３、３０４（したがってミラー層３００）が直線的壁形状を形成し及び凸レンズが３μｍの曲率半径を有する場合に達成される。

【0061】

半値全幅（ＦＷＨＭ：ｆｕｌｌ－ｗｉｄｔｈ ｈａｌｆ－ｍａｘｉｍｕｍ）における対応発射角度が図１４（ｂ）に示される。見て分かるように、ＦＷＨＭを有する若干狭い発射パターンに対する最大ＬＥＥ効率（歩留り）は、Ｌａｍｂｅｒｔｉａｎ分布（１２０度）と比較して約１００度である。

【0062】

したがって、説明されたやり方で形成されるマイクロＬＥＤアレイデバイスは、眼により知覚される仮想画像を形成するために投影レンズ系へ結合される仮想システム及び拡張現実システムに特に好適である。通常、この投影レンズは１．５～４のＦ数を有する。この解析では、Ｆ数３（Ｆ／３０）の投影レンズを採用して光線追跡シミュレーションを行った。Ｆ／３投影レンズは、約＋／－９程度の受光角を有するので、この角度範囲外に発射された光は、撮像光路へ結合されなく、したがって本システム内の望ましくない迷光になる。光学シミュレーションの結果が図１５に示される。上記例では、最大システム結合効率は、スペーサ２０３、２０４が（ミラー層３００と共に）、０．５のＢｅｚｉｅｒ係数を有する直線的壁形状を形成し及び凸レンズが２．３μの曲率半径を有する、図１４（ｂ）に示すように最も低いＦＷＨＭ発射角に対応する場合に達成される。

【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】

【国際調査報告】