JP2001511956A

JP2001511956A - Ａ▲上ｉｉｉ▼ナイトライドチャネル状ｌｅｄ

Info

Publication number: JP2001511956A
Application number: JP53224199A
Authority: JP
Inventors: ニキールタスカル; ピオトルエムメンス
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1997-12-16
Filing date: 1998-12-03
Publication date: 2001-08-14
Also published as: EP0966766A2; WO1999031738A3; WO1999031738A2

Abstract

(57)【要約】基板と、上側コンタクト層及び前記基板と隣接する下側コンタクト層と、上側コンタクト層と下側コンタクト層との間に介在する光放出領域とを具えるチャネル状半導体ＬＥＤを開示する。１個又はそれ以上のチャネルが上側コンタクト層及び光放出領域を貫いて延在し、これら１個又はそれ以上のチャネルがＬＥＤサブ構造体を規定し、ＬＥＤの発光効率を改善する。

Description

【発明の詳細な説明】Ａ^IIIナイトライドチャネル状ＬＥＤ本発明は半導体光放出ダイオード（「ＬＥＤ」）、特にこのデバイスの光出力に関するものである。Ａ^IIIナイトライドＬＥＤが知られている。例えば、ＧａＩｎＮ又はＧａＮ活性層を有するＬＥＤはサファイア又は６Ｈ−ＳｉＣのような透明基板上に形成されている。高い発光効率を有するＡ^IIIナイトライドＬＥＤが望まれている。市販できるようにするためには、ＬＥＤが通常の白熱光源又はハロゲン光源に匹敵する発光効率を有する必要があり、３０ルーメン／ワット程度又はそれ以上の効率を有する必要がある。黄色、アンバ及び赤のＬＥＤについてはＡｌＩｎＧａＰ材料系を用い、ＬＥＤをデバイスの内部で発生した光の取り出しを増強するように設計することにより３０及び４０ルーメン／ワット程度の効率が達成されている。ＡｌＩｎＧａＰ材料系を用いる黄色、アンバ及び赤のＬＥＤについての増強された光の取り出しは、ＬＥＤを特有な方法で設計することにより、特に厚いＧａＰ層を用いることにより達成されている。一般的に、これらの既知のＬＥＤの層の屈折率はエポキシ封止材の屈折率よりも大きい。従って、全内部反射（「ＴＩＲ」）の臨界角（「Ｐ_C」）よりも小さい角度でＬＥＤの表面に達した内部発生光はＬＥＤチィップから取り出すことができる。勿論、臨界角の値はデバイスのコンタクト層の屈折率とこのコンタクト層を包囲するエポキシの屈折率とにより決定される。既知の（黄色、アンバ及び赤）のＬＥＤに関して、ＡｌＩｎＧａＰ材料系からの十分な光の取り出しは厚いＧａＰコンタクト層を用いることにより達成される。ＧａＰ層は他の層（クラッド層及び活性層）の屈折率に接近した屈折率を有し、放出波長に対して透明である。これらの厚いコンタクト層は、臨界角コーン内の光をチィップの側方を通過させることにより「ウインドウ」層として作用する。このＡｌＩｎＧａＰ材料系の既知のＬＥＤ及び厚いＧａＰコンタクト層の例を図１に示す。ＡｌＩｎＧａＰ材料系はＩｎＧａＰ又はＡｌＩｎＧａＰ活性層１２を含む光発生領域１０を具え、この光発生領域は上側のｐ型不純物が添加されたＡｌＩｎＰのクラッド層１４及び下側のｎ型の不純物が添加されたＡｌＩｎＰクラッド層１６により包囲する。（ＡｌＩｎＧａＰの活性層１２及びＡｌＩｎＰのクラッド層１４，１６はそれぞれ１μｍ程度の厚さとする）。光発生領域１０は上側のｐ型不純物が添加されたＧａＰコンタクト層１８及び下側のｎ不純物が添加されたＧａＰコンタクト層２０により包囲される。これらコンタクト層１８，２０の厚さは、後述するように、このデバイスの光取り出しと関連する。（図面のｘ及びｙの寸法は一般的にスケール通りではない。）上述したように、このＬＥＤはエポキシ２４により包囲される。ＬＥＤ層１２，１４，１６，１８，２０の屈折率はほぼ等しく、周囲のエポキシ２４の屈折率よりも大きい。スネルの屈折の法則により、光発生層１０から放出した光がＴＩＲを生ずることなくＬＥＤの外部に出射しエポキシに入射する６個の円錐領域２６ａ〜ｆが存在する。例えば、光発生領域１０からの光線２８は、上側ＧａＰコンタクト層１８の上側表面とエポキシ２４との間の平坦な上側界面に対してＰｃ以下の角度で出射する。従って、光線２８は法線から離れるように屈折し、全内部反射することなくエポキシ２４内を通過する。ＬＥＤを封止するエポキシ２４は一般的に十分な厚さを有し粗い表面に形成されるので、エポキシ２４と空気との界面に入射した光線２８はこの界面にほぼ垂直になり、僅かに屈折し又はほとんど屈折することなく空気中に伝播する。同様な分析を行なうことにより、上側のハッチングで図示した臨界角円錐領域２６ａ内の全ての光線が空気中を通過する。上側ＧａＰコンタクト層１８の側部表面とエポキシ２４との平坦な界面に対してＰｃ以下の角度で放出された光線３０についても同様な分析を行なうことができる。従って、ハッチングで図示した臨界角円錐領域２６ｃ及び２６ｆ内に放出された光は空気中に出射する。対称性により、下側の側部臨界角円錐領域２６ｄ及び２６ｅ内に放出された光も同様に出射する。従って、６個の円錐領域２６ａ〜ｆ内に放出されＬＥＤから取り出された光はＬＥＤの潜在的な輝度に寄与することになる。例えば円錐領域２６ｂ，２６ｄ，２６ｅ内に下向きに放出された光については、反射層（図示せず）が一般に用いられこれらの光は上向きに方向転換する（例えば、光線２８，３０の方向に）。図１及び図２は、厚い上側ＧａＰコンタクト層１８がいかにしてＬＥＤの発光効率を増大させるかを図示す。図１において、上側のＧａＰコンタクト層１８の厚さｄは十分に広いので、側部円錐領域２６ｃ，２６ｄは臨界角Ｐｃの範囲内で放出された全ての光を含む。同様に、以下において説明すると共に図１から明らかなように、下側のＧａＰコンタクト層２０は通常十分に厚く下側の側部臨界角円錐領域２６ｄ，２６ｅを形成する。換言すれば、側方に放出され取り出すことのできる全ての光、すなわち臨界角Ｐｃの範囲内に放出された全ての光は側部界面に入射し取り出されることになる。図２は、上側ＧａＰコンタクト層１８’の厚さｄ’が薄くなった場合、同一のチィップ幅Ｌの場合に取り出される光量がいかに減少するかを示す。図２に示すように、側部円錐領域２６ｃ’，２６ｆ’は臨界角Ｐｃではなく、厚さｄ’（又は、等価的には角度＾）により制限される。角度＾とＰｃとの間の角度で放出された光は内部全反射する。厚さｄ’が薄くなることにより、その光は上側のＧａＰコンタクト層１８’の上側表面に入射する。この光はエポキシ又は基板との界面において臨界角円錐領域２６ａ’内に入射しないので、この光は内部全反射する。（この光が上側ＧａＰコンタクト層１８’の上側表面に入射する領域を「ＴＩＲ」で図示する。）従って、チィップダイの特有の幅Ｌの上側ＧａＰコンタクト層の厚さの寸法ｄを選択することにより、図１に示すように、臨界角の範囲内で側方に放出される全ての光を取り出すことができる。（図２の下側コンタクト層２０’の厚さをｄ以下に薄くする場合、下側の側部円錐領域２６ｄ’，２６ｅ’の部分においても内部全反射が生ずる。従って、厚さについての考えは両方のコンタクト層に適用される。一方、後述するように、下側コンタクト層の厚さは、既知のＧａＰを主体とする材料系の場合一般的に厚いので、通常は制限因子とはならない。）これらの層及びエポキシの屈折率が同一の場合、臨界角円錐領域の範囲内の全ての光を取り出すのに必要なコンタクト層の最小の厚さは、チィップダイの幅Ｌに線形に増大する。図１に示す既知の（青、緑、黄及び赤）の高効率ＬＥＤの典型的な寸法は、例えば３００μｍ程度のチィップダイの幅Ｌを含む。図１に基づいて説明した材料系（すなわち、ＧａＰを主体とする材料系）を有するＬＥＤデバイスの屈折率（「ｎ」）は、典型的には３．５程度である。（各個々の層の屈折率は「整合」しているが、他の層の屈折率と僅かに相違する場合もある。この理由は、層の組成を例えば光の発生を最適にするように選択するためである。）厚い下側のＧａＰコンタクト層２０は、典型的には１５０μｍ程度の厚さを有する。エポキシの屈折率が空気の屈折率にほぼ等しい、すなわちｎ＝１．０の場合、上述したＬＥＤは約１７°の臨界角の側部円錐領域２６ｃ〜ｆを有する。３００ μｍの幅Ｌを有するＬＥＤの場合、側部臨界角円錐領域２６ｃ，２６ｆ全体について適合するためには、厚さｄは約４５μｍとする。（上述したように、下側コンタクト層２０の厚さは１５０μｍ程度であるので、下側の側部臨界角円錐領域２６ｄ，２６ｅは円錐領域全体について適合する。）、エポキシの屈折率がｎ＝１．５の場合、側部臨界角円錐領域２６ｃ，２６ｆは約２５°の臨界角Ｐｃを有し、その厚さｄは約７１μｍとなる。他方において、幅Ｌが５００μｍの場合、ｎ＝１．０を有するエポキシについて厚さｄは約７５μｍにする必要がある。エポキシがｎ＝１．５を有する場合、厚さｄは約１１８μｍとする必要がある。（１５０μｍ程度の厚いコンタクト層２０は、これらの場合下側の側部円錐領域全体について適合する。）従って、ＧａＰを主体とする既知の高効率ＬＥＤの設計の欠点は、コンタクト層の厚さが比較的厚くなり、典型的なＬＥＤチィップダイの場合１００μｍ程度に厚くする必要があることである。このような厚いウインドウコンタクト層を成長させるためには、成長速度が１０〜１００μｍ／時間の範囲のハイドライド気相エピタキシ（「ＨＶＰＥ」）が必要である。従って、この厚いウインドウコンタクト層の形成には比較的長時間かかってしまう。さらに、異なる層構造体を考慮した場合、このような厚いコンタクト層構造には障害が存在する。例えば、類似する仮のＧａＮを主体とする層構造体について考える。このような系は、ＡｌＩｎＧａＮ活性層、ＡｌＧａＮクラッド層及びＧａＮコンタクト層を有する。この層構造体の基板は透明なＳｉＣ又はサファイアとなる。ＧａＮを主体とする層の屈折率の公称値は約２．５である。このＧａＮを主体とする構造体に関し、周囲のエポキシの屈折率が１．０の場合、このＬＥＤは約２４°の臨界角を有する側部円錐領域（図１のＧａＰ系の２６ｃ〜ｆとして示す円錐領域と類似する）を有する。３００μｍのチィップ幅の場合、側部臨界角円錐領域内に放出された光全体について適合させるためには上側及び下側コンタクト層の厚さは約６５μｍ（又はそれ以上）にする必要がある。エポキシの屈折率が１．５の場合、その厚さは約１１０μｍにしなければならない。５００μｍのチィップ幅の場合、１．０及び１．５の屈折率を有するエポキシについては厚さをそれぞれ１１０μｍ及び１８０μｍにする必要がある。従って、ＧａＮを主体とする材料系の場合、上側及び下側ＧａＮコンタクト層は数１００μｍ程度に厚くする必要がある。しかしながら、この厚いｐ型不純物が添加されたＧａＮ層の成長はＨＶＰＥを用いて行なうことができない。さらに、１００μｍを超える厚さを有するｎ型不純物が添加されたＧａＮ層の成長は、ＨＶＰＥを用いてサファイア基板（このようなＬＥＤについての基板の１つである）上に行なうことができない。従って、ＧａＰを主体とする材料系について説明した厚いコンタクト層の設計をサファイア基板上のＡｌＩｎＧａを主体とするＬＥＤについて実施しなければならない。さらに、ＧａＮを主体とする材料系についてこの厚い層をたとえ形成することができても、デバイスへの電気的コンタクトに関して種々の困難性が存在する。ｎ型の不純物が添加されたＧａＰコンタクト層が直接電気的コンタクトを形成するＧａＰデバイスとは異なり、ＧａＮを主体とする材料系のサファイア又はＳｉＣ基板は導電性ではない。従って、側部金属接点を用いる必要がある。この厚いコンタクト層の形成は困難であり、その作業効率は低いものとなってしまう。発明の概要本発明の目的は、厚いコンタクト層を用いる高効率ＬＥＤによる欠点及び材料系の制約を解消することにある。本発明は、比較的薄い透明コンタクト層を有する超紫外（「ＵＶ」）又は可視ＬＥＤ構造体にある。このＬＥＤ構造体は「チャネル状」(channeled)とする。ＬＥＤチィップダイに形成されるＬＥＤの内部には、「ＬＥＤ」内に延在する１個又はそれ以上のチャネルが存在する。このチャネルはチィップダイの寸法の範囲内において多数ＬＥＤ「サブ構造体」を形成する。従って、ＬＥＤサブ構造体の幅はチィップダイの幅以下とする。上述したように、側部臨界角円錐領域全体を満たすコンタクト層の必要な厚さは、ＬＥＤの幅に線形に比例する。このＬＥＤアイランド部を形成することにより、それらの幅は適切に短くなる。従って、側方放出の臨界角円錐領域全体を満たすために必要なコンタクト層の厚さは比例的に減少する。これらアイランド部の適切な幅は、例えば１０μｍ以下とすることができる。これらアイランド部に関して、側部臨界角円錐領域全体を満たすためには、コンタクト層の厚さは４〜５μｍ程度とする。このＬＥＤアイランド部への側部電気的コンタクトは容易に形成することができ、コンタクト層の厚さ薄くできることにより高い作業効率が達成される。図面の簡単な説明本発明の特徴は添付図面に基づき以下の詳細な説明を参照することにより一層良好に理解され容易に明らかなものとなる。ここで、図１は従来のコンタクト層の厚いＬＥＤ構造体の断面図であり、図２はコンタクト層の厚さを薄くした図１デバイスの断面図であり、図３は本発明によるチャネル状ＬＥＤ構造体の実施例の断面図並びに多数のＬＥＤサブ構造体及びチャネルの拡大図であり、図４は図３に示す１個のＬＥＤサブ構造体及び隣接するチャネルの断面図であり、図４ａは図４の４ａ−４ａ線で切った図４のＬＥＤサブ構造体の断面図であり、図５は本発明によるチャネル状ＬＥＤ構造体の別の実施例の断面図であり、多数のＬＥＤサブ構造体及びチャネルを示し、図５ａは図５の５ａ−５ａ線で切った図５の１個のＬＥＤサブ構造体の断面図であり、図６は本発明によるチャネル状ＬＥＤ構造体の部分的上面図であり、図７は図６の破線内に示すＬＥＤ構造体及び隣接するチャネルの一部分の拡大図であり、図８は図６及び図７のチャネル状ＬＥＤ構造体の変形例であり、図９は図６及び図７のチャネル状ＬＥＤ構造体の変形例である。好適実施例の詳細な説明図３に示すように、基板１００上のＬＥＤチィップ９８は幅Ｌ（チィップのダイにより決定される）及び多数のサブ構造体１０２を有する。図３の拡大された部分は各サブ構造体の構造を詳細に示す。この説明のために、全てのサブ構造体は同一の特性を有するものとする。サブ構造体１０２は、図１について説明したものと同様に、ＡｌＩｎＧａＮ材料系及びＧａＮコンタクト層をそれぞれ有する。ＡｌＩｎＧａＮ材料系はＩｎＧａＮ活性層で構成される光発生領域１０４を具え、この光発生領域は上側のｐ型不純物が添加されたＡｌＧａＮクラッド層と下側のｎ型の不純物が添加されたＧａＮのクラッド層とにより包囲する。活性層は、典型的には３０〜１０００オングストローム程度の厚さとし、クラッド層は典型的には１０００オングストローム程度の厚さとする。各サブ構造体１０２の光発生領域１０４は上側のｐ型不純物が添加されたＧａＮコンタクト層及び下側のｎ型不純物が添加されたＧａＮのコンタクト層により包囲する。サブ構造体１０２を支持する基板１００はサファイアとすることができる。上側ＧａＮコンタクト層１０６の厚さをｔ_pで示し、下側ＧａＮコンタクト層１０６の厚さをｔ_nで示す。各サブ構造体１０２の幅をｗとし、各サブ構造体１０２は幅ｓのチャネルで分離する。図４を参照するに、臨界角円錐領域を１個のサブ構造体１０２のについてハッチングを付した部分として示す。上述したように、図１の従来技術の説明に関して、側部臨界角円錐領域全体を満たすために必要なコンタクト層の厚さは、ＬＥＤチィップの幅に線形に比例する。同様な分析により、側部臨界角円錐領域を満たすために必要な上側及び下側のＧａＮコンタクト層１０６，１０８の厚さｔ_p 及びｔ_nは、ＬＥＤサブ構造体１０２の幅ｗに比例する。一方、以下に詳細に説明するように、サブ構造体１０２の幅ｗはＬＥＤチィップ９８の幅（或いは、等価的に、ＬＥＤチィップダイＬ）よりも相当小さいので、コンタクト層１０６，１０８の厚さは図１のデバイスの層厚よりも顕著に薄くなる。図３の拡大部分に戻ると、ＬＥＤサブ構造体１０２間のチャネルの金属ミラー層１１０は側部臨界角円錐領域から下向きに放出された光を上向きにエポキシ− 空気の界面に向けて反射する。以下において詳細に説明するように、チャネルの幅に関して、下向きに放出された光の大部分を隣接するＬＥＤサブ構造体の側部により阻止されることなく反射させることが好ましい。しかしながら、後述するように、サブ構造体１０２とチャネルとの相対的な幅ｗ，ｓは、活性層領域中の動作電流密度が定格動作電流値における電流密度に対する光出力特性の線形な関係に維持されるようにする必要がある。例えば、上述した材料系についてのＬＥＤサブ構造体及びチャネルの個々の寸法並びにＬＥＤの得られる光出力は以下の通りである。実施例図４を参照するに、側部臨界角円錐領域を満たすために必要な上側及び下側ＧａＮ層１０６，１０８の最小厚さｔ_p及びｔ_nはスネルの法則及び幾何学的な思想により決定される。ここで、ｎ₀はＬＥＤパッケージ（すなわち、エポキシ）の屈折率であり、ｎ_LED _GaN はＧａＮコンタクト層１０６，１０８の屈折率であり、コンタクト層１０６の厚さは光放出領域１０４の厚さよりも厚い。ｗ＝１０μｍ、ｎ₀＝１．０及びｎ_{LED GaN}＝２．５の場合、上記式により、約２．２μｍの上側ＧａＮ層１０６の厚さｔ_pが与えられる。ｎ₀＝１．５の場合、ｔ_pは約４．３μｍとなる。従って、上側及び下側ＧａＮコンタクト層１０６，１０８の厚さｔ_p，ｔ_nは２．２〜４．３μｍ程度となる。これらの薄い厚さは、例えば有機金属気相エピタキシー（「ＭＯＶＰＥ」）を用いて容易に達成される。この技術分野で知られているように、ＭＯＶＰＥによりＨＶＰＥよりも一層均一な層厚さ（一層遅い成長速度）及び不純物添加レベルの一層良好な制御がもたらされる。また、ＨＶＰＥはＩｎＧａＮ活性領域を成長させるために用いることができないので、ＭＯＶＰＥを利用することにより成長プロセスの中断も回避される。従って、典型的にはクラッド層及び活性層はＭＯＶＰＥを用いて形成されるので、ＬＥＤ構造体全体をＭＯＶＰＥを用いて形成することができる。サブ構造体１０２間のチャネルは、リアクティブイオンエッチングのような既知の方法を用いてエッチングトレンチにより形成することができる。基板１００上に堆積された上述した層は、エッチング処理の後サブ構造体１０２が形成されるようにマスクする。リアクティブイオンエッチングの代りとして、サブ構造体１０２は、マスクしたエピタキシャル成長により形成することができる。始めに（厚さｔ_c）のｎ型ＧａＮ層を成長した後、ウエハのチャネルとなる部分をマスク層（ＳｉＯ₂のような）で覆う。次に、ＨＶＰＥ又はＭＯＶＰＥのいずれかを用いて下側（ｎ型不純物が添加されている）ＧａＮコンタクト層１０８を成長し、続いて光発生領域１０４をＭＯＶＰＥで成長形成し、続いて上側（ｐ型不純物が添加されている）ＧａＮコンタクト層１０６をＭＯＶＰＥにより成長形成する。該当技術分野において知られているように、適切な条件の下でＳｉＯ₂により覆われていない領域においてこの成長は行なわれる。サブ構造体１０２の幅ｗ及び隣接するチャネルの幅ｓの選択は、接合部のＬ− Ｉ特性がデバイスの電流密度に対して線形になるようにする。幅Ｌが３００μに等しいチャネル状ではないＬＥＤチィップの場合、電流Ｉは２０ｍＡ程度である。Ｌ−Ｉ曲線は、２０ｍＡと４０ｍＡとの間でほぼ線形な挙動を示している。チャネル状ＬＥＤ構造体の電流密度は、ここで、ＬはＬＥＤチィップの幅とする（又は、図３に示すように、等価的に、チィップダイの幅とする）。上述したｗ＝１００μｍでｓ＝１０μｍの場合、また、接合は、一般的なＬＥＤの公称電流密度の２倍の電流密度て動作する。従って、電流密度の倍増がチャネル状ＬＥＤの接合領域の減少（半分になる）を補償することになり、これらの値のＬ−Ｉ特性の線形性により、チャネル状ＬＥＤにより発生する内部パワー出力は一般的なＬＥＤのパワー出力にほぼ等しい。さらに、前述したように、チャネルの幅ｓは側部臨界角円錐領域からの光の全収集を決定する。ｓ＝ｗ＝１０μｍの場合、その幾何学的な形態は、２．２〜４．３μｍ程度の上側及び下側コンタクト層１０８，１０６の場合大部分の光の量が反射し取り出されるようにする。チャネルにおいて光を上向きに反射させるために用いる金属層１１０はアルミニウムで作ることができ、下側のＧａＮコンタクト層１０８に対する電気的接点としても作用する。図３及び図４に示すように、各チャネルの底部におけるサファイア基板１００と金属層１１０との間にｎ型の不純物が添加され幅ｔ_cのＧａＮの薄い層を介在させる。この各チャネルの下側に延在するｎ型不純物が添加されたＧａＮの薄い層は、各アイランド部１０２の下側ＧａＮコンタクト層１０８と連続する。金属層１１０は側部電気的接点となるので、厚さｔ_cは下側のｎ型不純物が添加されたＧａＮコンタクト層１０８における電流拡散を決定し、直列抵抗に寄与する。従って、適切な電流を達成するため、金属層１１０は比較的厚くする。ｔ_c の典型的な値は０．５μｍであり、金属層１１０の対応する厚さは０．１μｍである。本例の上側ＧａＮコンタクト層１０６は、図１に基づいて説明した厚いコンタクト層デバイスの上側コンタクト層１８よりも薄くする（２〜４μｍ程度）。しかしながら、上側コンタクト層１０６の２〜４μｍの厚さは、それ自身「一般的な」ＬＥＤ（すなわち、図１に基づいて説明したデバイスとは異なり、パワー出力を増強するために厚さコンタクト層を用いない典型的なＬＥＤ）に比べて厚いものである。これ故、上側コンタクト層１０６のシート導電率は一般的なＬＥＤ構造体の１０倍程度である。従って、この層における増強された電流拡散により、上側ＧａＮコンタクト層１０６の上側表面全体を覆うことなく、薄い電気的コンタクト層を用いることができる。従って、図３及び図４の上側電気的接点１１２は、例えば表面の約５０％を覆うと共に１００〜３００オングストローム程度の厚さのＮｉ−Ａｕ合金の薄い部分的に透明な複数の細条とすることができる。これらの細条は上側のＧａＮコンタクト層全体を覆っていないので、サブ構造体１０２の上側の臨界角円錐領域における放出光の吸収損失は減少する。下側のｐ型不純物が添加されたＧａＮコンタクト層及び上側のｎ型不純物が添加されたＧａＮコンタクト層を有する図３に示す構造と同様な構造体もチャネル状ＬＥＤとして製造することができる。この構造体により上側のｎ型不純物が添加されたＧａＮコンタクト層の金属被覆を上側にｐ型不純物が添加されたＧａＮコンタクト層を形成した場合よりも一層減少させることができ、従って上側円錐領域による光の取り出しを増強することができる。しかしながら、ｎ型の不純物が添加されたＧａＮに比べてｐ型の不純物が添加されたＧａＮの導電率が低いため（１／１００程度）、サブ構造体の幅ｗの値を一層小さくして横方向の電圧降下を小さくし接合部において均一な電流注入を確保する必要がある。この幅ｗは典型的には１／１０に小さくし、この幅ｗを１μｍ程度とする。ｔ_p及びｔ_nの寸法も小さくし、１μｍ程度とする。また、下側のｐ型の不純物が添加されたＧａＮコンタクト層の側部接点に起因する電圧降下にかかわらず、この構造体が望ましいパワー変換効率を有するように適合させる必要がある。（例えば、ｐ型ＧａＮの抵抗がｎ型ＧａＮの抵抗の１００倍の場合、この不釣合はｗに対するｔ_cの比率を１００倍に増大することにより補償することができる。図５は本発明によるチャネル状ＬＥＤの変形例を示す。図５は図３と同様な構造を有し、類似する構成要素には２００番台の参照符号が付されている。図５に示すように、下側のｎ型不純物が添加されたコンタクト層２０８は比較的厚い層であり、金属コンタクト層２１０の下側に良好に延在する。下側のコンタクト層２０８は１個の連続する平坦な表面を構成し、この表面上に金属のコンタクト層２１０及びＬＥＤサブ構造体２０２の光放出層２０４が存在する。上側のｐ型の不純物が添加されたコンタクト層２０６は各光放出層２０４の上側に存在する。（上側の金属コンタクト層２１２は１個のサブ構造体２０２について図示し、他のサブ構造体のものは省略する。）従って、図５の構造体は図３と同様なサブ構造体を含むが、厚い下側コンタクト層２０８を有していること明らかである。等価的に、図３のパラメータｔ_nは零に縮小され、パラメータｔ_cは拡大されている。厚い下側コンタクト層２０８はＨＶＰＥを用いて成長させることができる。光放出層２０４及び上側コンタクト層２０６はＭＯＶＰＥを用いて成長させることができる。サブ構造体２０２は、下側コンタクト層２０８をチャネル形成するようにエッチングすることにより形成される。サブ構造体２０２及びチャネルの形成は図４に基づいて説明した方法と同様な方法より行なうことができる。勿論、前述した種々の方法は、ｔ_cの増大した値及びほぼ零に等しいｔ_nの値が達成されるように調整する必要がある。図５の構造体の例示的な寸法としてＬ（ＬＥＤチィップの幅、等価的にはチィップダイの幅）は３００μｍに等しくする。サブ構造体及びチャネルの幅ｗ及びｓはそれぞれ１０μｍ程度とすることができる。ＧａＮ層及びエポキシの屈折率に関連して、ｔ_p（上側ＧａＮコンタクト層２０６の厚さ）は２．２〜４．３μ ｍ程度とし、ｔ_cの値（下側ＧａＮコンタクト層２０８の厚さ）は６５〜１１０程度とする。（図３のデバイスに関して、光放出層２０４のクラッド層の厚さは当該技術分野において既知であり、ＡｌＩｎＧａＮ材料構造については１０００オングストローム程度とする。光放出層２０４の活性層の厚さも同様に既知であり、ＡｌＩｎＧａＮ材料構造については３０〜１０００オングストロームとする。）図５の構造体の利点は、１個のサブ構造体２０２について図示した光円錐領域（ハッチングが付されている）から明らかである。上側の側部円錐領域及び上側円錐領域から取り出される光量は、図３の構造体に関して前述した方法と同一の方法である。一方、図５の構造体に関して、下側の側部円錐領域に放出された光は金属層２１０により反射されず、隣接するサブ構造体により阻止されない。ｔ_c がＬＥＤ（又はチィップダイ）の幅に対して十分に大きい場合、下側の側部円錐領域からの光はＬＥＤの側部から完全に放出される（つまり、放出された光全体を集光することができる）。（ｔ_cの幅は以下の式により与えられる。ここでｎ₀はエポキシのようなＬＥＤを包囲する材料の屈折率であり、ｎ_{LED GaN} は下側コンタクト層２０８の屈折率である。従って、ｔ_cはＬに線形に比例する。さらに、１個のサブ構造体のチャネルに平行な断面図である図５Ａに示すように、下側コンタクト層２０８の厚さが増大することは、ＬＥＤチィップの側部である下側の４個の側部臨界角円錐領域から光が取り出されることを意味する。従って、チャネル状ＬＥＤ構造体の発光効率は顕著に増大する。（図４Ａは図５Ａと同様な図であり、各アイランド部１０２が下側の側部臨界角円錐領域を２個だけ有するように示す。下側コンタクト層１０８の厚さが薄いので、側部に向いて放出された下側の光は基板に入射し、チィップダイの側部に入射しない。従って、この光はコンタクト層／基板界面に対して臨界角の範囲外となり内部全反射することになる。前述した実施例において特に図３〜図５Ａの実施例において、本発明のチャネル状ＬＥＤの断面を示す。図３及び図５を参照するに、これらの図面はｘ−ｙ面の断面図である。図６にチャネル状ＬＥＤ構造のｘ−ｚ面の上面を示す。この上面図に示す構造は、図３及び図５に断面として示す両方の実施例に適用することができ、この図６において類似する構成要素には３００番台の符号を用いる。（図面を明瞭にするため、図６は図３及び図５の金属のコンタクト層１１０，１１２，２１０，２１２は省略した。図６に示すように、「サブ構造体３０２」は独立したアイランド部とされておらず、連続するｎ型の不純物が添加されたコンタクト層３０８の上側に連続するｐ型の不純物が添加されたコンタクト層３０６も見えるチャネル間にくし形に形成する。くし形に形成されたサブ構造体３０２及びチャネルにより、連続するｐ型コンタクト層３０６は共通の金属接点を有することができる。「サブ構造体」３０２の個別の「アイランド部」の場合、各ｐ型コンタクト層こどに個別の接点を設ける必要がある。（ｎ型コンタクト層３０８は既にｘ−ｙ面内で連続しているので、図３及び図５参照、ｐ型コンタクト層が個別のアイランド部を形成する場合、金属コンタクト層が１個だけ必要となる。）図７〜図９は、図６の櫛形状チャネル構造体がどうのように動作して本発明のチャネル状ＬＥＤの側部円錐領域から一層多量の光を取り出すかを示す。図３及び図５の断面図において、光放出領域から側部円錐領域に放出された光を２次元的に（ｘ−ｙ面）図示した。一方、図６に示すように、上面から見た場合、側部円錐領域はｘ−ｚ面内においても拡がっている。図７において、図６のサブ構造体３０２及び隣接するチャネルを接近して図示する。光放出層の側部円錐領域からｘ−ｚ面に放出された光をｐ型コンタクト層３０２を介して略図する。この図面の形状的な概念は、各円錐領域からｘ−ｚ面内の角度２θｃにわたって光が取り出されていることを示す。図８及び図９は、図６の櫛形のサブ構造体３０２及びチャネルを一連の多角形形状となるように輪郭形成することにより、ｘ−ｚ面内における側部円錐領域を拡大され、ＬＥＤから取り出される光が増大する状態を示す。図８において、櫛形のサブ構造体及びチャネルは一連の六角形にされ、サブ構造体３０２として形成された六角形の境界を規定する各チャネルの側部はこの六角形の中心に対して角度２θ_cを規定する。この形状的な概念は、この六角形の中心の点光源から放出された光として、各側部円錐領域から放出された光がｘ−ｚ面の４ｐ_cの角度にわたってＬＥＤから取り出されることを示す。同様に、図９において、櫛形のサブ構造体３０２及びチャネルは一連の八角形として規定され、サブ構造体３０２として形成された八角形の境界を規定する各チャネルの側部は八角形の中心に対して角度２θ_cを規定する。この形状的な概念は、この八角形の中心の点光源から放出された光として、各側部円錐領域から放出された光がｘ−ｚ面の６ｐ_cの角度にわたってＬＥＤから取り出されることを示す。図７〜図９の各々の場合において、光は光放出領域の全範囲にわたって放出され点光源として放出されない。従って、上述した図８及び図９の場合、光はサブ構造体の中心から放出されずサブ構造体３０２の全長に沿って（すなわち、ｘ方向に）放出される。それにもかかわらず、図７に示すサブ構造体３０２及びチャネルが直線状の場合よりも一層多量の光が取り出される。図８及び図９のの多角形間の点ａ及びｂのような多角形の中心外の点から放出された光に関して、例えば微量な光が内部全反射により内部的に「捕獲」される。サブ構造体とチャネルとの界面において多角形形状により画成される角度により、サブ構造体３０２の内部で初め内部反射した光がその後臨界角の範囲内で表面に入射しこの結果ＬＥＤから取り出されることが確実にされる。本発明の精神及び範囲から逸脱することなく開示した本発明の実施例について種々の変更が可能である。例えば、チャネル状ＬＥＤ構造体の種々の幾何学的形態及び用いる材料の組成については種々のものが想到される。このような全てのチャネル状ＬＥＤ構造体は本発明の範囲内のものとして想到される。従って、上述した説明は本発明を限定するものではなく、本発明の好適実施例を単に提示したものである。当業者は添付した請求の範囲により規定される本発明の精神及び範囲内において種々の変更が可能である。

Claims

【特許請求の範囲】１．ａ）上側コンタクト層、及び基板と隣接する下側コンタクト層と、ｂ）前記上側コンタクト層と下側コンタクト層との間に介在する光放出領域とを具え、１個又はそれ以上のチャネルが前記上側コンタクト層及び光放出領域を貫いて延在し、これら１個又はそれ以上のチャネルがＬＥＤ構造体を規定する半導体ＬＥＤ。２．請求項１に記載の半導体ＬＥＤにおいて、前記チャネルが前記下側コンタクト層貫いて延在する半導体ＬＥＤ。３．請求項２に記載の半導体ＬＥＤにおいて、半導体ＬＥＤが矩形形状をなし、複数のチャネルが存在し、各チャネルが他のチャネルに対して平行に延在する半導体ＬＥＤ。４．請求項３に記載の半導体ＬＥＤにおいて、前記チャネルの表面が反射性金属層により覆われている半導体ＬＥＤ。５．請求項３に記載の半導体ＬＥＤにおいて、前記光放出領域から上側コンタクト層に側部臨界角円錐領域の範囲内でチャネルの方向に放出された光が、上側コンタクト層とチャネルとの間の側部表面に入射する半導体ＬＥＤ。６．請求項３に記載の半導体ＬＥＤにおいて、前記光放出領域から下側コンタクト層に側部臨界角円錐領域の範囲内でチャネルの方向に放出された光が、下側コンタクト層とチャネルとの間の側部表面に入射する半導体ＬＥＤ。７．請求項２に記載の半導体ＬＥＤにおいて、前記上側及び下側コンタクト層が同一の厚さを有する半導体ＬＥＤ。８．請求項１に記載の半導体ＬＥＤにおいて、前記チャネルが上側コンタクト層及び光放出領域を経て下側コンタクト層の上側表面まで延在する半導体ＬＥＤ。９．請求項８に記載の半導体ＬＥＤにおいて、半導体ＬＥＤが矩形形状をなし、複数のチャネルが存在し、各チャネルが他のチャネルに対して平行に延在する半導体ＬＥＤ。１０．請求項８に記載の半導体ＬＥＤにおいて、前記光放出領域から上側コンタクト層に側部臨界角円錐領域の範囲内でチャネルの方向に放出された光が、上側コンタクト層とチャネルとの間の側部表面に入射する半導体ＬＥＤ。１１．請求項８に記載の半導体ＬＥＤにおいて、前記光放出領域から下側コンタクト層に側部臨界角円錐領域の範囲内でチャネルの方向に放出された光が、下側コンタクト層とチャネルとの間の側部表面に入射する半導体ＬＥＤ。１２．請求項８に記載の半導体ＬＥＤにおいて、前記下側コンタクト層が上側コンタクト層よりも大幅に厚い半導体ＬＥＤ。