【特許請求の範囲】
【請求項１】 放射線を所定の波長にて発するデバイスであって、該デバイスは、電荷キャリアの再結合によって該放射線が生じる活性層を備えるキャビティを含み、該キャビティは、放射線閉じ込め空間を有し、該キャビティは、実質的にランダムな回折格子構造を有するエッジを少なくとも１つ含み、およびミラーを含む反射性エッジであって、該実質的にランダムな回折格子構造を有するエッジと異なるまたは同じである反射性エッジを少なくとも１つ有する、デバイス。
【請求項２】 前記デバイスは、異なる屈折率を有するデバイスの材料間に形成されており、かつキャビティのエッジの少なくとも１つから横方向に延在している導波路を含む、請求項１に記載の放射線を発するデバイス。
【請求項３】 前記デバイスへの少なくとも１つの電気コンタクトは前記反射性エッジを通る、請求項１または２に記載の放射線を発するデバイス。
【請求項４】 透明支持体に設けられている、請求項１〜３のいずれかに記載のデバイス。
【請求項５】 実質的にランダムな回折格子構造が、ランダムな回折格子の規則的な繰返しである、請求項１〜４のいずれかに記載のデバイス。
【請求項６】 実質的にランダムな回折格子構造を有する前記エッジが、該デバイスの前記導波路形成部分の少なくとも１つのエッジとして延在し、ここで、該エッジは、前記活性層または前記キャビティまたは前記放射線閉じ込め空間に隣接するかあるいは延在する、請求項２に記載のデバイス。
【請求項７】 前記キャビティが、前記放射線閉じ込め空間を規定するための少なくとも１つのメサ・エッジを含む、請求項１〜６のいずれかに記載のデバイス。
【請求項８】 前記放射線閉じ込め空間が、前記電荷キャリアについての閉じ込め特徴を含む、請求項１〜７のいずれかに記載のデバイス。
【請求項９】 前記放射線閉じ込め空間が、前記キャビティ内で放射線閉じ込め空間よりも小さいサブ空間を含み、前記電荷キャリアは該サブ空間に閉じ込められる、請求項８に記載のデバイス。
【請求項１０】 前記電荷キャリアは前記サブ空間に電気的に閉じ込められる、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】 リングの形態を有する誘電性材料からなる電荷キャリア閉じ込め特徴を有する、請求項８〜１０のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１２】 前記デバイスが支持体基板に取り付けられており、該支持体基板は、前記放射線に対して透明であり、および光ファイバ・フェース・プレートを含む、請求項１〜１１のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１３】 前記キャビティは、少なくとも２つのエッジを含み、該２つのエッジは断面において実質的に三角形を形成し、該２つのエッジ間の角度は４５°よりも小さく、該２つのエッジの少なくとも１つは透明部分を有する、請求項１〜１２のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１４】 前記キャビティの２つのエッジの一方は、前記放射線に対して透明であり、該２つのエッジのもう一方は反射性であり、該２つのエッジは互いに少なくとも近接または隣接している、請求項１３に記載のデバイス。
【請求項１５】 ２つのエッジの少なくとも一方は、凸凹の表面状態を有する、請求項１３に記載のデバイス。
【請求項１６】 アレイの個々のデバイスが、形態および機能の点で閉じ込められている、請求項１〜１５のいずれかに記載のデバイスからなるアレイ。
【請求項１７】 前記アレイの個々のデバイスがメサ・エッジで規定され、ここで、個々のデバイス間にある溝が、実質的にランダムな回折格子構造を有する、請求項１６に記載のデバイスからなるアレイ。
【請求項１８】 共通アノードコンタクトおよび共通カソードコンタクトを有する、請求項１７に記載のデバイスからなるアレイ。
【請求項１９】 各デバイスが、その上にマイクロレンズを本質的に有する、請求項１６に記載のデバイスからなるアレイ。
【請求項２０】 ポリマー性薄膜支持体に取り付けられている、請求項１６に記載のデバイスからなるアレイ。
【請求項２１】 前記ポリマー性薄膜に燐光体が含まれており、これにより、前記デバイスが、デバイスの支持体側にてデバイスの前側と比較して異なる波長の光を放出する、請求項２０に記載のデバイスからなるアレイ。
[Claims]
1. A device that emits radiation at a predetermined wavelength, the device comprising a cavity comprising an active layer in which the radiation is generated by recombination of charge carriers., ReleaseIt has a line-of-sight confinement space,cavityHas a substantially random grating structureRueJudgeAt least oneIncludingIt has at least one reflective edge that is different from or the same as the edge having the substantially random grating structure.,device.
2. SaidThe device is, Formed between the materials of devices with different indices of refraction, and extend laterally from at least one of the edges of the cavity.Including waveguideMu,Emit the radiation according to claim 1.device.
3. SaidAt least one electrical contact to the deviceSaidThrough the reflective edge,Emit the radiation according to claim 1 or 2.device.
4. A claim provided on the transparent support.Any of 1-3The device described in.
5. Substantially randomdiffractionThe lattice structure is randomdiffractionClaims 1 to 5, which are regular repetitions of the grid.4The device described in any of.
6. Substantially randomdiffractionThe edge having a lattice structure extends as at least one edge of the waveguide forming portion of the device, where the edge is,BeforeThe active layer or the above-mentioned caviteImaClaims that are adjacent to or extend to the radiation confinement space.2The device described in.
7. The cavities include at least one mesa edge for defining the radiation confinement space, claims 1-.6The device described in any of.
8. The device of any of claims 1-7, wherein the radiation confinement space comprises confinement features for the charge carriers.
9. A subspace in which the radiation confinement space is smaller than the radiation confinement space in the cavity.IncludingThe charge carrierIn the subspaceConfinementBeClaim8The device described in.
10. The device of claim 9, wherein the charge carriers are electrically confined in the subspace.
11. Has the form of a ringClaims having a charge carrier confinement feature made of a dielectric material.8-10The device described in any of.
12. BeforeThe device is attached to a support substrate, and the support substrate is,BeforeIt is transparent to radiation andandClaims 1 to include an optical fiber face plate.11The device described in any of.
13.cavityAt least two edgesIncluding,The two edgesVirtually forms a triangle in cross sectionShi, TheTwoThe angle between the edges is less than 45 °TwoClaims 1 to that at least one of the edges has a transparent portion.12The device described in any of.
14. One of the two edges of the cavity is transparent to the radiation.TheTwo edgesAlreadyOne is reflective,The twoClaim that the edges are at least close to or adjacent to each other13The device described in.
15. At least one of the two edges has an uneven surface condition.13The device described in.
16. The individual devices of the array are confined in terms of form and function, claims 1-.15An array consisting of the devices described in any of.
17. The individual devices of the array are defined by mesa edges, where the grooves between the individual devices have a substantially random diffraction grating structure.16An array consisting of the devices described in.
18. A common anode contact and a common cathode contact.17An array consisting of the devices described in.
19. Claim that each device essentially has a microlens on it.16An array consisting of the devices described in.
20. Polymeric.Thin filmClaims attached to the support16An array consisting of the devices described in.
21. The polymeric property.The thin film contains phosphors, This allows the device, DeClaim that the support side of the vise emits light of a different wavelength than the front side of the device.20An array consisting of the devices described in.
【０００２】
【従来の技術】
非コヒーレントまたはコヒーレントな光を発することができる半導体デバイスが、当該分野において知られている。半導体に基づく発光素子についての多数の刊行物は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、微小共振器型（Ｍｉｃｒｏｃａｖｉｔｙ）ＬＥＤまたは微小共振器型レーザー、あるいは垂直共振器型面発光レーザーに関する。そのような刊行物の例を以下に示す：
・Ｈ． Ｄｅ Ｎｅｖｅ、Ｊ． Ｂｌｏｎｄｅｌｌｅ、Ｒ． Ｂａｅｔｓ、Ｐ． Ｄｅｍｅｅｓｔｅｒ、Ｐ． Ｖａｎ Ｄａｅｌｅ、Ｇ． Ｂｏｒｇｈｓ、ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｌｅｔｔ． ７ 第２８７頁（１９９５年）；
・Ｅ． Ｆ． Ｓｃｈｕｂｅｒｔ、Ｎ． Ｅ． Ｊ． Ｈｕｎｔ、Ｒ． Ｊ． Ｍａｌｉｋ、Ｍ． Ｍｉｃｏｖｉｃ、Ｄ． Ｌ． Ｍｉｌｌｅｒ、「空洞共振器型発光ダイオードの温度および変調特性（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｒｅｓｏｎａｎｔ−Ｃａｖｉｔｙ Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ）」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、１４（７）、第１７２１〜１７２９頁（１９９６年）；
・Ｔ． ＹａｍａｕｃｈｉおよびＹ． Ａｒａｋａｗａ、２種の量子井戸を備えるＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ垂直微小共振器型レーザーにおける増強的および禁止的な自然放出（Ｅｎｈａｎｃｅｄ ａｎｄ ｉｎｈｉｂｉｔｅｄ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｉｎ ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｃａｖｉｔｙ ｌａｓｅｒｓ ｗｉｔｈ ｔｗｏ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌｓ）、Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ５８（２１）、第２３３９頁（１９９１年）；
・Ｔ． Ｊ． ｄｅ Ｌｙｏｎ、Ｊ． Ｍ． Ｗｏｏｄａｌｌ、Ｄ． Ｔ． ＭｃＩｎｔｕｒｆｆ、Ｒ． Ｊ． Ｓ． Ｂａｔｅｓ、Ｊ． Ａ． Ｋａｓｈ、Ｐ． Ｄ． Ｋｉｒｃｈｎｅｒ、およびＦ． Ｃａｒｄｏｎｅ、「ガスソースの分子線エピタキシーによって成長した炭素ドープしたＧａ0.1Ｉｎ0.49Ｐ／ＧａＡｓ発光ダイオードにおけるラジアンスおよび光変調帯域幅のドーピング濃度依存性（Ｄｏｐｉｎｇ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｒａｄｉａｎｃｅ ａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｉｎ ｃａｒｂｏｎ−ｄｏｐｅｄ Ｇａ0.1Ｉｎ0.49Ｐ／ＧａＡｓ ｌｉｈｇｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ ｇｒｏｗｎ ｂｙ ｇａｓ ｓｏｕｒｃｅ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）」、Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ６０（３）、第３５３〜３５５頁（１９９２年）；
・Ｄ． Ｇ． Ｄｅｐｐｅ、Ｊ． Ｃ． Ｃａｍｐｂｅｌｌ、Ｒ． Ｋｕｃｈｉｂｈｏｔｌａ、Ｔ． Ｊ． Ｒｏｇｅｒｓ、Ｂ． Ｇ． Ｓｔｒｅｅｔｍａｎ、「光学的に結合されたミラー量子井戸ＩｎＧａＡｓ−ＧａＡｓ発光ダイオード（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｍｉｒｒｏｒ−ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ ＩｎＧａＡｓ−ＧａＡｓ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）」、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｌｅｔｔ． ２６（２０）、第１６６５頁（１９９０年）；
・Ｍ． Ｅｔｔｅｎｂｅｒｇ、Ｍ． Ｇ． Ｈａｒｖｅｙ、Ｄ． Ｒ． Ｐａｔｔｅｒｓｏｎ、「線形で、高速、ハイパワーの歪量子井戸ＬＥＤ（Ｌｉｎｅａｒ， Ｈｉｇｈ−Ｓｐｅｅｄ， Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ Ｓｔｒａｉｎｅｄ Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ ＬＥＤ’ｓ）」、ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｌｅｔｔ． ４（１）、第２７頁（１９９２年）；
・米国特許第５，０８９，８６０号公報（Ｄｅｐｐｅら、１９９２年２月１８日）「自然光子放出に関する制御を備える量子井戸デバイスおよびその製造方法（Ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ ｄｅｖｉｃｅ ｗｉｔｈ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｐｈｏｔｏｎ ｅｍｉｓｓｉｏｎ， ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｓａｍｅ）」。
0002.
[Conventional technology]
Semiconductor devices capable of emitting non-coherent or coherent light are known in the art. Numerous publications on semiconductor-based light emitting devices relate to light emitting diodes (LEDs), microcavity LEDs or microcavity lasers, or vertical resonator type surface emitting lasers. Examples of such publications are shown below:
・ H. De Neve, J.M. Blondelle, R.M. Baets, P.M. Demeester, P.M. Van Daele, G.M. Borghs, IEEE Photon. Technol. Lett. 7 Page 287 (1995);
・ E. F. Schubert, N. et al. E. J. Hunt, R.M. J. Malik, M.M. Micovic, D.M. L. Miller, "Temperature and Modulation Charactics of Resonant-Cavity Light-Emitting Diodes", Journal of Lightwave Technology, pp. 19 (19)
・ T. Yamauchi and Y.M. Arakawa, Enhanced and inhibited spontaneous emission in GaAs / AlGaAs vertical microcavity lasers with two types of quantum wells. Phys. Lett. 58 (21), p. 2339 (1991);
・ T. J. de Lyon, J. et al. M. Woodall, D.M. T. McInturff, R.M. J. S. Bates, J. et al. A. Kash, P.M. D. Kirchner, and F.M. Cardone, "Doping concentration and optical modulation bandwidth in carbon-doped Ga 0.1 In 0.49 P / GaAs light-emitting diodes grown by molecular beam epitaxy of gas sources. Ga 0.1 In 0.49 P / GaAs light-emitting diodes ground by gas source molecular beam epitaxy) ”, Appl. Phys. Lett. 60 (3), pp. 353-355 (1992);
・ D. G. Deppe, J. et al. C. Campbell, R.M. Kuchibotla, T.M. J. Rogers, B.I. G. Streetman, "Optically-coupled mirror-quantum well InGaAs-GaAs light emtting mode", Electron. Lett. 26 (20), p. 1665 (1990);
・ M. Ettenberg, M. et al. G. Harvey, D.M. R. Patterson, "Linear, High-Speed, High-Power Straightened Quantum-Well LED's", IEEE Photon. Technol. Lett. 4 (1), page 27 (1992);
U.S. Pat. No. 5,089,860 (Deppe et al., February 18, 1992) "Quantum well device having control over natural photon emission and its manufacturing method (Quantum well device with control of spontaneous photon motion, and" of manufacturing same) ".
第３の方法は、発光デバイスの半導体表面を、生じた放射線のより多くが半導体−空気界面に臨界角内で到達するような形状とすることである。半導体−空気界面についての最適な形状は半球体面であり、この場合、発光エリアは、半球体が切り取られる仮想全球体の中心にある小さいスポットに限られる。他の形状が提案されていた。ＵＳ−Ａ−５ ０８７ ９４９においてＨａｉｔｚは、半球体より作製が実際的な構造、すなわち、Ｖ−グローブ（ｇｒｏｖｅ）のファセットに対する法線が発光領域に対して実質的に垂直に向き決めされるように基板内に形成されたＶ−グローブの組を提案している。ＵＳ−Ａ−５ ３４９ ２１１においてＫａｔｏは、基板の側壁またはエッジが、通常の光出力インターフェースから反射される光子のいくらかがこれらの側壁を通って放出されるような形状にされている構造を提案している。ＥｇａｌｏｎおよびＲｏｇｏｗｓｋｉは、正規の光出力面を通って出射できる角度に光子のいくらかを向け直すような（メサだけに対するのではなく）基板に対する側壁の形状を提案している。これらの全ての提案された構造は、ＬＥＤ基板がかなり厚く、ダイオードによって放出される光子に対して透明であると仮定している。
The third method is to shape the semiconductor surface of the light emitting device so that more of the generated radiation reaches the semiconductor-air interface within a critical angle. The optimal shape for the semiconductor-air interface is the hemispherical surface, where the light emitting area is limited to a small spot in the center of the virtual global body from which the hemisphere is cut. Other shapes have been proposed. In US-A-5 087 949, Haitz has a structure that is more practical to make than a hemisphere, i.e. the normal to the facet of the V-grove is oriented substantially perpendicular to the light emitting region. We are proposing a set of V-gloves formed in the substrate. In US-A-5 349 211, Kato proposes a structure in which the sidewalls or edges of the substrate are shaped such that some of the photons reflected from a normal light output interface are emitted through these sidewalls. doing. Egalon and Rogoski have proposed a side wall shape for the substrate (not just for the mesas) that directs some of the photons at an angle that allows them to exit through a regular light output surface. All these proposed structures assume that the LED substrate is fairly thick and transparent to the photons emitted by the diode.
この方法はまた、実質的にランダムに分布した粒子を該表面に適用する工程；該粒子のサイズを減少させる工程；ならびにその後に、該粒子をエッチングマスクとして用いながら該表面をエッチングする工程を包含してもよい。従って、これは、使用するエッチング技術が粒子を侵食しない（または劣化させない）こと、あるいは、この粒子は、使用するエッチャントに対して耐性を有するか、または使用するエッチャントに対して粒子に耐性を与えるための処理が施されたような粒子であることを意味する。
The method also includes applying substantially randomly distributed particles to the surface; reducing the size of the particles; and then etching the surface using the particles as an etching mask. You may. Thus, this means that the etching technique used does not erode (or degrade) the particles, or the particles are resistant to the etchant used, or impart resistance to the etchant used. It means that the particles have been treated for this purpose.
図１ａは、本発明のデバイスの実施態様による発光ダイオード（ＬＥＤ）の層構造を示す。この層構造は、この発明の詳細な説明で説明されるデバイスを想定している。層構造を示すが、層は半導体材料（好ましくはIII−Ｖ族半導体材料）で形成され、異なる層は異なる半導体から形成されていてもよい。層を、基板上に蒸着してもよく、エピタキシャル成長してもよい。層が形成されている基板を取り除き、層構造を支持体基板１７に配置する。支持体基板は透明であってもよい。別の実施態様においては、層構造をまず基板上に蒸着し、その後にオリジナルの基板を取り除いてもよい。活性層１０は、クラッド層１１および１２により、ならびに大量にドープされたコンタクト層１３および１４により取り囲まれる。層１１および１３は同じドーピング型であり、層１２および１４も同様である。層１１および１３のドーピング型は、層１３および１４間に適切なバイアスが与えられた場合に両方の型の電荷キャリア（電子および正孔）が活性層中に注入され得るように、層１２および１４のドーピング型と反対である。層１１および１２が形成される材料のバンドギャップエネルギーは、活性層で放出される光子のエネルギーよりも通常は大きい。よって、生じた光子の吸収は、薄いコンタクト層に限定され、コンタクト層の表面１５および１６における吸収に限定される。層１０、１１、１２、１３、および１４からなる半導体構造の全膜厚は薄く、代表的には０．５〜５ミクロンであり、従ってこれらのＬＥＤは薄膜ＬＥＤと呼ばれる。薄い半導体膜を支持するために、透明支持体１７が取り付けられる。好ましい支持体は、ガラス基板よりもむしろ光ファイバ・フェイス・プレートである。取り付けに好ましい手段は、熱的に安定で透明なエポキシ１８（ＥＰＯＸＹ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓからのＥＰＯ−ＴＥＫ ３５３ＮＤなど）または透明なポリイミドである。ＬＥＤ内の電流を層１２および１４を通る横方向の流れのみによって活性層へ流さなければならない（これは禁止的な直列抵抗をもたらす）ことを回避するために、表面１６の部分を金属層１９で覆う。この金属層は、半導体層１４へのコンタクト層として機能し、同時に、電流に対する低抵抗導電層として機能する。金属シートは、光を出力するための開口部を有する。ホスト基板に取り付けられる薄い半導体膜からなる構造を形成する方法は、文献を参照することができる。例えば、本明細書において参照するために援用される同時係属特許出願ＥＰ−９８８７０１６４．５（１９９８年７月２８日出願）は、適切な方法を開示している。ＵＳ−Ａ−５ ３５８ ８８０は、もう１つの適切な方法を開示している。
FIG. 1a shows a layered structure of a light emitting diode (LED) according to an embodiment of the device of the present invention. This layered structure envisions the devices described in the detailed description of the invention. Although the layer structure is shown, the layer may be formed of a semiconductor material (preferably a group III-V semiconductor material), and different layers may be formed of different semiconductors. The layer may be deposited on the substrate or epitaxially grown. The substrate on which the layer is formed is removed, and the layer structure is arranged on the support substrate 17. The support substrate may be transparent. In another embodiment, the layered structure may be deposited first on the substrate and then the original substrate may be removed. The active layer 10 is surrounded by clad layers 11 and 12 and by heavily doped contact layers 13 and 14. Layers 11 and 13 are of the same doping type, as are layers 12 and 14. Doping types of layers 11 and 13 allow both types of charge carriers (electrons and holes) to be injected into the active layer when appropriate bias is applied between layers 12 and 14. It is the opposite of the 14 doping types. The bandgap energy of the material on which the layers 11 and 12 are formed is usually greater than the energy of the photons emitted in the active layer. Thus, the absorption of the resulting photons is limited to the thin contact layer and the absorption at the surfaces 15 and 16 of the contact layer. The overall film thickness of the semiconductor structure consisting of layers 10, 11, 12, 13, and 14 is thin, typically 0.5-5 microns, so these LEDs are referred to as thin film LEDs. A transparent support 17 is attached to support the thin semiconductor film. A preferred support is a fiber optic face plate rather than a glass substrate. Preferred means of attachment are thermally stable and transparent epoxy 18 (such as EPO-TEC 353ND from EPOXY Technologies) or transparent polyimide. A portion of the surface 16 is made of a metal layer 19 to avoid having to flow current in the LED to the active layer only by lateral flow through layers 12 and 14 (which results in forbidden series resistance). Cover with. This metal layer functions as a contact layer to the semiconductor layer 14, and at the same time, functions as a low resistance conductive layer against an electric current. The metal sheet has an opening for outputting light. References can be made to the literature for a method of forming a structure composed of a thin semiconductor film attached to a host substrate. For example, co-pending patent application EP-9887164.5 (filed July 28, 1998), incorporated herein by reference, discloses a suitable method. US-A-5 358 880 discloses another suitable method.
２．最良の形態のプロセッシング
３０〜６０ミクロンの直径を有するメサを、Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ層７１およびＧａＡｓ活性層１０を通じてエッチングする。Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ層を、３８０℃で外側を１６〜２４ミクロンまで酸化させる。メサに得られる電流閉じ込め開口部１２７１は、１２〜３０ミクロンの直径を有する。この電流の閉じ込めは、光の発生を上部金属コンタクト１２３の下方よりもむしろ光学窓の下方の領域に局在化する。活性層がＧａＡｓからなるために、ＬＥＤの放出波長は８６５ｎｍである。下部コンタクト１２４は、合金ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕパッドであり、上部コンタクト１２３は、非合金ＴｉＷ／Ａｕパッドである。ボンディングパッドの下方の隔離部は、硬化したポリイミド膜１２５である。これに続いて、デバイスの上部側４１ならびに導波路もまたテクスチャリングされる。４００ｎｍの直径を有するポリスチレン・スフィア（またはポリスチレン球体）の単層が水面に形成され、親水性となるように処理されたデバイス表面に移される。この場合、ビーズによるデバイス表面のカバレッジは、代表的には６０％である。これは、酸素プラズマ中でポリスチレン・スフィアの直径を減少させることによって約５０％までにされる。塩素によって助長されるアルゴン・エッチングによって、このスフィアをマスクとして用いてウェハーをエッチングする。最適なエッチ深さは、１７０ｎｍであることが判明した。最終工程は、デバイスの下方で５０ｎｍのＡｌＡｓ犠牲層を用いるエピタキシャル・リフトオフによって、処理したデバイスをポリイミド１２７で覆われた金のミラー１２８（これはシリコンウェハー１２９に蒸着されている）の上に移すことである。
2. Best Form Processing Mesa with a diameter of 30-60 microns is etched through Al 0.98 Ga 0.02 As layer 71 and GaAs active layer 10. The Al 0.98 Ga 0.02 As layer is oxidized to 16-24 microns on the outside at 380 ° C. The current confinement opening 1271 obtained in the mesa has a diameter of 12-30 microns. This current confinement localizes the generation of light to the region below the optical window rather than below the upper metal contact 123. Since the active layer is made of GaAs, the emission wavelength of the LED is 865 nm. The lower contact 124 is an alloy AuGe / Ni / Au pad and the upper contact 123 is a non-alloy TiW / Au pad. The lower isolation portion of the bonding pad is a cured polyimide film 125. Following this, the top 41 of the device as well as the waveguide are also textured. A single layer of polystyrene spheres (or polystyrene spheres) with a diameter of 400 nm is formed on the surface of the water and transferred to a device surface that has been treated to be hydrophilic. In this case, the coverage of the device surface by the beads is typically 60%. This is up to about 50% by reducing the diameter of the polystyrene spheres in the oxygen plasma. Wafers are etched using this sphere as a mask by chlorine-enhanced argon etching. The optimum etch depth was found to be 170 nm. The final step is to transfer the treated device onto a gold mirror 128 covered with polyimide 127, which is deposited on silicon wafer 129, by epitaxial lift-off with a 50 nm AlAs sacrificial layer below the device. That is.
詳細なプロセス・フローを以下に示す。
１）主要なメサ
・直径３０〜６０μｍの円のリソグラフィーによる画成
・Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ酸化層（層構造の層６〜８）にほぼ達するまでのＨ2ＳＯ4：Ｈ2Ｏ2：ＤＩ（１：８：２００）中でのエッチング（約４分）
・クエン酸：Ｈ2Ｏ2（１０：１）中での下方への酸化物層までの完全なエッチング（約１分）
・Ｈ2ＳＯ4：Ｈ2Ｏ2：ＤＩ（１：８：２００）中での２分間のエッチング（酸化層および活性層の除去）
・アセトン中でのレジストの除去
２）酸化
・直径６０ミクロンのデバイス・メサのための３７５℃（１０分間）、ならびに３０ミクロンのデバイス・メサのための３６５℃での、ウェット窒素中におけるＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ層のウェット熱酸化
・Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ層の約２０μｍの、それぞれ深さ２０ミクロンまたは８ミクロンまでの外側からの酸化
３）ｎ−コンタクト（１２４）
・デバイス・メサから約５０μｍの距離にある６０μｍの開口部のリソグラフィーによる画成
・Ｈ2ＳＯ4：Ｈ2Ｏ2：ＤＩ（１：８：２００）中での自己整合エッチング
・ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ（１２０／１０／６０ｎｍ）の金属コンタクトの蒸着
・アセトン中でのリフトオフ
・３８０℃、３０秒間でのコンタクトのアニール
４）ポリイミド（１２５）
・５０００ＵＰＭ、８０秒間での接着促進剤ＰＩＱカップラー（Ｈｉｔａｃｈｉ）のスピン
・１６０℃、５分間でのベーク
・３０００ＲＰＭ、３０秒間でのＰＩＱ１３ＨＶ１０（Ｈｉｔａｃｈｉ）のスピン
・１分あたり１℃でのランプ（または傾き）での５０℃までのベーク
・オーブン内で、１２０℃、３０分間でのベーク
・フォトリソグラフィーによるポリイミドのパターニング
・ＦＯＧ内での３５０℃までのゆるやかなベーク（ランプ時間：３５分間）、３５０℃での１０分間の保持
５）上部コンタクト（１２３）
・上部ｐ−コンタクト領域（約１０μｍだけデバイス・メサと重なる）のリソグラフィーによる画成
・２分間、１００Ｗでの酸素プラズマ処理
・ＴｉＷ／Ａｕ金属コンタクト（４０／２５０ｎｍ）の蒸着
・アセトン中でのリフトオフ
６）上部ＧａＡｓ層の除去
・クエン酸：Ｈ2Ｏ2（５：１）中での１０秒間の上部層のエッチング（上部ＧａＡｓ層の選択除去）
７）表面の凹凸形成（図１３を参照のこと）
・直径４３０ｎｍのポリスチレン・スフィアのデバイス表面への付着：
・デバイス表面を親水性にするための１分間、１００Ｗでの酸素プラズマ処理
・水面上にあるスフィアからなる単層の形成（図１３ａを参照のこと）
・純水中へのデバイスの浸水（デバイスを水で覆うため）、ならびに続いて
・水面上にあるスフィア層を通過させてのデバイスの浸水、その後（図１３ａを参照のこと）
・スフィアの膜をデバイス上に移すための、水からのデバイスの取り出し（図１３ａおよびｂを参照のこと）
・デバイス上にある水の蒸発（図１３ｂおよびｃ；図１３ｄに示す結果の写真を参照のこと）
・酸素プラズマ中でのスフィアの直径約３５０ｎｍまでの収縮（３分間、１００Ｗ）（図１４ａおよびｂを参照のこと）
・円筒状の柱を形成するための、深さ１７０ｎｍまでのドライ・エッチング（塩素によって助長されるＡｒミリング）（図１５を参照のこと）
・スフィアの除去：
・酸素プラズマを用いる（１５分、１００Ｗ）
・あるいは、接着テープを用いる
・熱アセトン中でのサンプルの超音波洗浄（図１６を参照のこと）
ポリスチレン・スフィアは、Ｄｕｋｅ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＮａｎｏｓｐｈｅｒｅ（商標）の標準サイズのものである。この製品はポリマー・ミクロスフィアの水性懸濁液である。ミクロスフィアは、ポリスチレンからなる。酸素プラズマ処理は、Ｐｌａｓｍａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社のプラズマシステム内で行われる。このシステムの使用手順は、ＩＭＥＣのＩＳＯ−９０００手順：Ｓｔｅｆａｎ ＰｅｅｔｅｒｓによるＮｏ． １１、第６頁の「ＭＭＩＣプロセスにおけるウェット・エッチ（Ｗｅｔ ｅｔｃｈｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ＭＭＩＣ ｐｒｏｃｅｓｓ）」（文書参照番号１７７０３、１９９７年１０月３０日より、Ｖｅｒ． ０．１．００）に示されている。この手順との唯一の差異は、ＲＦパワーおよび時間（ＬＥＤプロセスに対して１００Ｗで３分間）である。
８）エピタキシャル・リフトオフおよびファンデルワールス結合
・サンプルを劈開して約１．５×３ｍｍの小片とすること
・アピエゾン（Ａｐｉｅｚｏｎ）黒色ワックスによるサンプルの上部の被覆
・エピタキシャル層が基板から完全に剥離するまでの、１０％ＨＦ中でのＡｌＡｓ剥離層のエッチング（約４〜６時間を要する）
・以下のようにして形成された、エピタキシャル層のポリイミド／Ａｕミラー上への水中での移し替え
・ポリッシュしたシリコンウェハーへのＴｉ／Ａｕ（４０／２００ｎｍ）の蒸着
・６０秒間、１００００ｒｐｍでのポリイミドＰＩＱ１３のスピン
・上記のポリイミドのハード・ベーク
これにより、金のミラーの上に１７０ｎｍの厚さのポリイミド層を得る。
・ミラーを親水性にするための１分間、１００Ｗでの酸素プラズマ処理
・少なくとも２時間の約２ｇの力でのサンプルのプレス
・クロロホルム中でのワックスの溶解
The detailed process flow is shown below.
1) Main mesas ・ Etching of a circle with a diameter of 30 to 60 μm ・ Al 0.98 Ga 0.02 As H 2 SO 4 : H 2 O 2 : DI until almost reaching the oxidized layer (layers 6 to 8 of the layer structure) Etching in (1: 8: 200) (about 4 minutes)
-Citric acid: Complete etching down to the oxide layer in H 2 O 2 (10: 1) (about 1 minute)
-H 2 SO 4 : H 2 O 2 : Etching in DI (1: 8: 200) for 2 minutes (removal of oxide layer and active layer)
-Removal of resist in acetone 2) Oxidation-Al 0.98 in wet nitrogen at 375 ° C. (10 minutes) for 60 micron diameter device mesa and 365 ° C. for 30 micron device mesa. Wet thermal oxidation of the Ga 0.02 As layer-Al 0.98 External oxidation of the Ga 0.02 As layer to a depth of 20 μm or 8 microns, respectively 3) n-contact (124)
・ Imaging by lithography of 60 μm opening at a distance of about 50 μm from the device mesa ・Self-aligned etching in H 2 SO 4 : H 2 O 2 : DI (1: 8: 200) ・ AuGe / Ni / Deposition of Au (120/10/60 nm) metal contacts-Lift-off in acetone-Anching of contacts at 380 ° C for 30 seconds 4) Polygon (125)
-Spin of adhesion accelerator PIQ coupler (Hitachi) at 5000 UPM, 80 seconds-Bake at 160 ° C for 5 minutes-Spin of PIQ13HV10 (Hitachi) at 3000 RPM, 30 seconds-Lamp (or at 1 ° C per minute) Bake up to 50 ° C in (tilt) ・ Bake at 120 ° C for 30 minutes in the oven ・ Polyimide patterning by photolithography ・ Slow bake up to 350 ° C in FOG (lamp time: 35 minutes), 350 Holding at ° C for 10 minutes 5) Top contact (123)
-Etching of the upper p-contact region (overlapping the device mesa by about 10 μm) -Oxygen plasma treatment at 100 W for 2 minutes-Evaporation of TiW / Au metal contacts (40/250 nm) -Lift-off in acetone 6) Removal of upper GaAs layer ・Etching of upper layer in citric acid: H 2 O 2 (5: 1) for 10 seconds (selective removal of upper GaAs layer)
7) Formation of unevenness on the surface (see FIG. 13)
-Adhesion of polystyrene spheres with a diameter of 430 nm to the device surface:
-Oxygen plasma treatment at 100 W for 1 minute to make the device surface hydrophilic-Formation of a single layer of spheres on the water surface (see Figure 13a)
• Inundation of the device into pure water (to cover the device with water), and subsequently • Inundation of the device through a sphere layer above the surface of the water, and then (see Figure 13a).
• Removal of the device from water to transfer the sphere membrane onto the device (see FIGS. 13a and 13b).
-Evaporation of water on the device (see Figures 13b and c; pictures of the results shown in Figure 13d).
Shrinkage of spheres in oxygen plasma to a diameter of about 350 nm (3 minutes, 100 W) (see Figures 14a and b)
Dry etching to a depth of 170 nm (chlorine-enhanced Ar milling) to form cylindrical columns (see Figure 15).
・ Removal of spheres:
-Use oxygen plasma (15 minutes, 100 W)
-Alternatively, use adhesive tape-Ultrasonic cleaning of the sample in hot acetone (see Figure 16)
Polystyrene spheres are of standard size from Nanosphere ™ of Duke Scientific Corporation. This product is an aqueous suspension of polymer microspheres. Microspheres are made of polystyrene. The oxygen plasma treatment is performed in a plasma system manufactured by Plasma Technology. The procedure for using this system is described in IMEC ISO-9000 Procedure: Stephan Peters No. 11, page 6, "Wet etches in the MMIC process" (Document Reference No. 17703, Ver. 0.1.00, October 30, 1997). The only difference from this procedure is RF power and time (3 minutes at 100 W for the LED process).
8) Epitaxy-Lift-off and van der Waals coupling-Cleavage the sample into small pieces of about 1.5 x 3 mm-Coating the top of the sample with Apieson black wax-The epitaxial layer completely peels off the substrate Etching of AlAs release layer in 10% HF (requires about 4 to 6 hours)
-Transfer of the epitaxial layer onto a polyimide / Au mirror formed as follows in water-Evaporation of Ti / Au (40/200 nm) on a polished silicon wafer-Polyimide at 10000 rpm for 60 seconds Spin of PIQ13-Hard bake of polyimide above This gives a polyimide layer 170 nm thick on a gold mirror.
-Oxygen plasma treatment at 100 W for 1 minute to make the mirror hydrophilic-Pressing the sample with a force of about 2 g for at least 2 hours-Dissolving the wax in chloroform