JP2006108600A

JP2006108600A - 半導体発光素子

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Publication number: JP2006108600A
Application number: JP2004322917A
Authority: JP
Inventors: Nathan F Gardner; エフガードナーナサン; Jonathan J Wierer Jr; ジェイウィーラージュニアジョナサン; Gerd O Mueller; オーミューラーゲルド; Michael R Krames; アールクレイムスマイケル
Original assignee: Lumileds LLC
Current assignee: Lumileds LLC
Priority date: 2004-10-07
Filing date: 2004-10-07
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2024-10-07
Also published as: JP4833537B2

Abstract

【課題】トンネル接合と散乱構造とを組み込むＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】第１のｎ型層、第１のｐ型層、及び第１のｐ型層と第１のｎ型層とを分離する活性領域を含むＩＩＩ族窒化物素子。素子は、第２のｎ型層と、第１及び第２のｎ型層を分離するトンネル接合とを含むことができる。第１及び第２接点は、第１及び第２のｎ型層と電気的に接続される。第１及び第２接点は、活性領域によって放射された光に対する反射率が７５％よりも大きい同じ材料で形成される。素子は、第２ｎ型層と第２接点との間に配置されるか又は素子層と反対の成長基板表面上に形成されたテクスチャ層を含むことができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体発光素子に関し、より詳細には、トンネル接合と散乱構造とを組み込むＩＩＩ族窒化物半導体発光素子に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）、共振空胴発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）、垂直空洞レーザダイオード（ＶＣＳＥＬ）、及びエッジ発光レーザを含む半導体発光素子は、現在入手可能なものの中で最も効率の良い光源である。可視スペクトルに亘って作動可能な高輝度発光素子の製造分野で最近関心が持たれている材料システムは、ＩＩＩ族窒化物材料とも呼ばれるＩＩＩ−Ｖ族半導体、特に、ガリウム、アルミニウム、インジウム、及び窒素の二元、三元、及び四元合金を含む。一般的に、ＩＩＩ族窒化物発光素子は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）、又は他のエピタキシャル技術を使用して、サファイア、炭化珪素、ＩＩＩ族窒化物、又は他の適切な基板上に組成とドーパント濃度が異なる半導体層のスタックをエピタキシャル成長させることよって製造される。スタックは、例えばＳｉでドープされて基板の上に形成された１つ又はそれ以上のｎ型層と、１つ又は複数のｎ型層の上に形成された発光又は活性領域と、例えばＭｇでドープされて活性領域の上に形成された１つ又はそれ以上のｐ型層とを含む場合が多い。導電性基板上に形成されたＩＩＩ族窒化物素子は、素子の各反対側面上に形成されたｐ及びｎ接点を有する場合がある。多くの場合、ＩＩＩ族窒化物素子は、サファイアのような絶縁性基板上に作られ、素子の同じ側面に両方の接点を有する。そのような素子は、光が接点を通して抽出されるか（エピタキシ−アップ素子として公知）、又は接点と反対の素子の表面を通して抽出されるか（フリップチップ素子として公知）のいずれかであるように装着される。

米国特許第６，１２２，１０３号米国特許第６，２８８，８４０号

生成された光の量を有効に抽出して効率の良い光源をもたらす発光素子の必要性が存在する。

本発明の実施形態によると、ＩＩＩ族窒化物素子は、第１のｎ型層、第１のｐ型層、及び第１ｐ型層と第１ｎ型層とを分離する活性領域を含む。いくつかの実施形態では、素子は、第２のｎ型層と、第１及び第２ｎ型層を分離するトンネル接合とを含む。第１及び第２接点は、第１及び第２ｎ型層と電気的に接続される。第１及び第２接点は、活性領域から放射された光に対する反射率が少なくとも７５％の同じ材料で形成される。いくつかの実施形態では、素子は、テクスチャ層を含む。テクスチャ層及びトンネル接合の両方を含む素子では、テクスチャ層は、第２ｎ型層と第２接点との間に配置することができる。トンネル接合のない素子では、素子は基板を含むことができ、テクスチャ層は、素子層と反対の基板表面上に形成することができる。

図１は、サファイア基板１、ｎ型領域２、活性領域３、及びｐ型領域４を含むＩＩＩ族窒化物フリップチップ発光素子の例を示す。ｐ型領域及び活性領域の一部分がエッチングで除去され、ｎ型領域２の一部を露出する。ｎ型接点１０は、ｎ型領域２の露出部分に形成される。ｐ型接点９は、ｐ型領域４の残りの部分に形成される。

いくつかの因子が、図１の素子によって生成して有効に抽出することができる光の量を制限する。
第１に、銀のｐ接点の使用は、図１の素子が作動することができる最大接合温度を制限する。ｎ接点の形成は、活性領域の一部分のエッチングを必要とするので、素子の発光領域を最大にするためのｐ接点の接触領域は、通常はｎ接点よりも大きい。接点９及び１０は、素子に印加されるべき電圧を最小にするために低接触抵抗用に、及び、接点に入射する光を素子内に反射して戻し、それによって図１のフリップチップの基板１を通してそれを抽出することができるように高反射率用に選択される。一般的に、ｐ接点はｎ接点よりも大きいので、ｐ接点の反射性が高いことが特に重要である。図１に示す素子のようなＩＩＩ族窒化物素子のｐ接点に対しては、高反射と低接触抵抗を組み合わせるのは困難なことであった。例えば、アルミニウムは適度に反射性であるが、ｐ型ＩＩＩ族窒化物材料に対して良好なオーム接点を作らない。銀は、良好なｐ型オーム接点を作り、非常に反射性があるので使用される場合が多いが、ＩＩＩ族窒化物層に対する接着性が劣り、破滅的な素子の障害をもたらす可能性がある電子移動を受けやすいという問題がある。銀接点での電子移動の問題を回避するために、１つ又はそれ以上の金属の層によって接点を保護することができる。素子の光出力を増加させるためには、素子を通る電流を増加させる必要がある。電流が増加すると、素子の作動温度が上昇する。２５０℃を超える温度では、銀ｐ接点の上の保護層と銀ｐ接点自体との間の熱膨張係数の差は、ｐ接点を素子の半導体層から剥離させる可能性があり、許容できない高い順方向電圧及び不均一な光出力をもたらす。これは、最大電流密度と最終的には素子の光出力とを制限する。

第２に、高い屈折率のＩＩＩ族窒化物層（ｎ〜２．４）は、屈折率が大きく対比するいくつかのインタフェース、例えば、サファイア基板（ｎ〜１．８）とＩＩＩ族窒化物層との間のインタフェースを作り出す。屈折率の対比が大きなインタフェースは、素子内に光を閉じ込める傾向がある。
本発明の実施形態によると、素子の最大作動温度を上げ、素子内に光を閉じ込めるインタフェースを妨害し、それによって素子内で生成されて素子から有効に抽出される光の量を潜在的に増加させることができる構造が提供される。以下に説明する例は、ＩＩＩ族窒化物発光素子である。ＩＩＩ族窒化物素子の半導体層の一般化学式は、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮであり、ここで、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である。ＩＩＩ族窒化物素子層は、ホウ素及びタリウムのようなＩＩＩ族元素を更に含有することができ、又は、窒素のいくつかをリン、ヒ素、アンチモン、又はビスマスで置換させてもよい。以下の例はＩＩＩ族窒化物素子を説明するが、本発明の実施形態は、ＩＩＩ族燐化物やＩＩＩ族ヒ化物、ＩＩ−ＶＩ族材料システム、及び発光素子を作るのに適する任意の他の材料システムを含む他のＩＩＩ−Ｖ族材料システムにおいても製造することができる。

図２と図３は、本発明の第１の実施形態を示す。図２の素子では、ｎ型領域２、活性領域３、及びｐ型領域４が適切な基板１上に形成された後に、トンネル接合１００が形成され、次に別のｎ型層７が形成される。図３は、トンネル接合を含む素子の代替の実施例を示す。図３のトンネル素子１００は、活性領域の上部に配置される図２の実施例と異なり、活性領域の下部に配置される。図３のトンネル接合１００は、ｎ型層２とｐ型層４の間に配置される。従って、図３の素子の極性は、図２の素子の極性と反対である。トンネル接合１００は、トンネル接合の下の材料と比較して、トンネル接合の上方に成長する材料の導電率の変化を可能にする。

トンネル接合１００は、ｐ＋＋層とも呼ばれる強くドープされたｐ型層５と、ｎ＋＋層とも呼ばれる強くドープされたｎ型層６とを含む。ｐ＋＋層５は、例えば、Ｍｇ又はＺｎのようなアクセプタを使用して約１０¹⁸／立方センチメートルから約５ｘ１０²⁰／立方センチメートルの濃度までドープされた、青色放射素子用のＩｎＧａＮ又はＧａＮ、又は紫外線放射素子用のＡｌＩｎＧａＮ又はＡｌＧａＮとすることができる。いくつかの実施形態では、ｐ＋＋層５は、約２ｘ１０²⁰／立方センチメートルから約４ｘ１０²⁰／立方センチメートルの濃度までドープされる。ｎ＋＋層６は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、又はＴｅのようなドナーを使用して約１０¹⁸／立方センチメートルから約５ｘ１０²⁰／立方センチメートルの濃度までドープされた、青色放射素子用のＩｎＧａＮ又はＧａＮ、又は紫外線放射素子用のＡｌＩｎＧａＮ又はＡｌＧａＮとすることができる。いくつかの実施形態では、ｎ＋＋層６は、約７ｘ１０¹⁹／立方センチメートルから約９ｘ１０¹⁹／立方センチメートルの濃度までドープされる。トンネル接合１００は、一般的に非常に薄く、例えば、トンネル接合１００の全厚は、約２ナノメートルから約１００ナノメートルの範囲とすることができ、ｐ＋＋層５及びｎ＋＋層６の各々の厚さは、約１ナノメートルから約５０ナノメートルの範囲とすることができる。いくつかの実施形態では、ｐ＋＋層５及びｎ＋＋層６の各々の厚さは、約２５ナノメートルから約３５ナノメートルの範囲とすることができる。ｐ＋＋層５及びｎ＋＋層６の厚さは、必ずしも同じである必要はない。一実施形態では、ｐ＋＋層５は、１５ナノメートルのＭｇドープされたＩｎＧａＮであり、ｎ＋＋層６は、３０ナノメートルのＳｉドープされたＧａＮである。ｐ＋＋層５及びｎ＋＋層６は、段階的ドーパント濃度を有する場合がある。例えば、下に重なるｐ層４に隣接するｐ＋＋層５の一部分は、下に重なるｐ型層のドーパント濃度からｐ＋＋層５の目標とするドーパント濃度まで段階的に変わるドーパント濃度を有することができる。同様に、ｎ＋＋層６は、ｐ＋＋層５に隣接する最大からｎ型層７に隣接する最小まで段階的に変化するドーパント濃度を有することができる。トンネル接合１００は、トンネル接合１００が逆バイアスされた時にほぼオーミックであるように、すなわち、トンネル接合１００が電流を逆バイアスモードで導電する時に低い直列電圧降下及び低い抵抗を示すように、十分に薄くかつ十分にドープされるように製造される。いくつかの実施形態では、逆バイアスされた時のトンネル接合１００に亘る電圧降下は、電流密度が２００Ａ／ｃｍ²の時に約０．１Ｖから約１Ｖである。

トンネル接合１００は、活性領域３とｐ型層４の間のｐ−ｎ接合が順バイアスされるように接点９及び１０に亘って電圧が印加された時に、トンネル接合１００がすぐに壊れて最小限の電圧降下で逆バイアス方向に導通されるように製造される。トンネル接合１００内の各層は、同じ組成、厚さ、又はドーパント組成である必要はない。トンネル接合１００は、ｐ＋＋層５とｎ＋＋層６の間にｐ及びｎ型のドーパントを含有する追加の層を含むことができる。

トンネル接合を組み込む発光素子は、両方の接点がｎ型層である層２及び７上に形成されるので、異なるｎ及びｐ接点ではなく、２つのｎ接点の使用を可能にする。２つのｎ接点の使用は、上述の銀のｐ接点を除去し、最大作動温度を制限する結果となる。活性領域から放射された光に対する反射率が７５％を超える任意のｎ接点をフリップチップ素子に使用することができる。ｎ接点に適する例は、アルミニウムである。アルミニウムは、エッチングされた又はエッチングされていないｎ型ＩＩＩ族窒化物の両方に対して低抵抗接触を作る。図６は、波長が２５０と５５０ナノメートルの間でのアルミニウム対銀の反射率の計算値を示す。図６は、アルミニウムが図示の領域に亘って高い反射率を有し、ＵＶ波長の領域では銀よりも高い反射率を有することを明らかにしている。両方の接点が同じ材料なので、素子のｐ及びｎ領域に異なる接点材料を堆積するために必要ないくつかの堆積及びエッチング段階は、潜在的に除外することができる。

トンネル接合１００はまた、ｐ型層４で正の電荷キャリアを分配する正孔拡張層としても作用する。ｎ型ＩＩＩ族窒化物材料内のキャリアは、ｐ型ＩＩＩ族窒化物材料内のキャリアよりも遥かに長い拡散長さを有するので、電流は、ｐ型層よりもｎ型層で簡単に波及する可能性がある。ｐ−ｎ接合のｐ側の電流波及がｎ型層７で発生するので、図２及び図３に示す素子は、トンネル接合のない素子よりも良好なｐ側電流波及を有することができる。

図４は、アルミニウム接点を備えた試験素子の性能を示す。両方とも同じｎ層上に堆積した２つの接点の間で電流対電圧の測定が行われ、抵抗値と障壁電圧（ゼロでない電流を通過させるのに必要な最小の電圧）が記録された。図４に示すように、温度が６００℃まで上昇する時に抵抗値と障壁電圧の両方がほとんど変化せず、安定した接触を示している。
図２及び図３に示されている接点は、単一又は多層接点とすることができる。単層接点は、約０．５と約５ミクロンの間の範囲の厚さを有することができる。多層接点の例は、図５に示されている。図５に示す接点９は、２つの層、すなわち、厚さが約７５０オングストロームと約５０００オングストロームの間の高品質反射器を形成するアルミニウム層９Ａと、厚さが約０．５ミクロンと約５ミクロンの間のアルミニウム合金層９Ｂとを有する。合金層９Ｂは、層９Ａ内の高電流密度でのアルミニウムの電子移動を防止する。合金層９Ｂ内のアルミニウム以外の元素は、アルミニウムの粒界を充填するのにちょうど十分なだけの大きさの少ない量、例えば５％よりも少ない量で存在することができる。適切な合金の例は、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｔｉ、Ａｌ−Ｃｕ、及びＡｌ−Ｃｕ−Ｗである。層９Ａ及び９Ｂの組成は、温度上昇による応力に起因する層の剥離を防止するために、熱膨張係数が同じになるように選択することができる。

図７Ａ及び７Ｂは、素子からの光子の抽出を改善するためにテクスチャ層を含む素子の実施形態を示す。テクスチャ層１２は、第２ｎ層７の上に形成される。テクスチャ層は、一般的に、最も近い下に重なる層と導電型が同じなので、他の実施形態ではｐ型層をテクスチャにする場合もあるが、図７Ａ及び７Ｂに示す実施形態では、テクスチャ層１２はｎ型層である。テクスチャ層１２は、任意のＩＩＩ族窒化物半導体で構成することができるが、活性領域から放射される光に対して透明なＧａＮやＡｌＩｎＧａＮ組成物の場合が多い。テクスチャ層１２は、ＩＩＩ族窒化物層の平滑な表面を妨害し、素子の外に光を散乱させる。テクスチャ層は、当業技術で公知のいくつかの技術によって形成することができる。例えば、テクスチャ層は、様々な被覆率のＳｉＮ_Xの薄い層であるＳｉＮ_X「ナノマスク」をテクスチャ層の成長の前に素子上に堆積することによって形成することができる。素子上のＳｉの存在は、次に成長するＧａＮの成長モードを二次元から三次元に変化させてテクスチャ面をもたらす。テクスチャ層の特性は、「ナノマスク」の厚さを変えることにより、及び、「ナノマスク」の上にＧａＮを堆積するために使用される当業技術で公知の成長条件により調節することができる。

図７Ａに示す実施形態では、テクスチャ層１２は、ＩＩＩ族窒化物材料よりも屈折率が低い空気又は他の材料が充填されたポケット１６によって分離された半導体材料のピラミッド又は柱を含む。例えば、低屈折率材料の屈折率は、約２よりも小さいとすることができる。層１２の厚さは、約２００オングストロームから約１０，０００オングストロームであり、通常は、約５００オングストロームと約４０００オングストロームの間とすることができる。材料に対するポケットの比率は、層１２のポケットとしての容積の約１０％から層１２のポケットとしての容積の約９０％まで変動することができ、層１２のポケットとしての容積は、通常は約５０％と約９０％の間である。

図７Ａ及び７Ｂに示す実施形態では、テクスチャ層１２の上に接点が形成される。接点９は、例えば、図７Ｂに示すようにテクスチャ層１２の上に共形層を形成するために、蒸着又はスパッタリングによってテクスチャ層１２上に堆積させることができる。図７Ａに示す実施形態では、屈折率の低い材料をポケット１６内のテクスチャ層１２上に厚い層として堆積し、次にパターン化して、低屈折率材料内にテクスチャ層１２まで下方に孔を開けることができる。次に、例えば蒸着又はスパッタリングにより、接点１３を堆積させることができる。代替的に、図７Ａの接点１３は、空気をポケット１６に閉じ込めるテクスチャ層１２上に結合された平坦な金属ミラーとすることができる。ミラー１３は、熱特性が素子と類似している、例えば、ＧａＮ、ＧａＡｓ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｃｕ、Ｍｏ、又はＳｉのようなホスト基板上に反射性金属膜を堆積することによって形成することができる。ミラー／ホスト基板の組合せは、次に、高温（例えば、約２００℃と約１，０００℃の間）高圧（例えば、約５０ｐｓｉと約５００ｐｓｉの間）で、金属ミラーがＬＥＤウェーハのテクスチャ面に向くようにＬＥＤウェーハの清浄な表面に結合される。結合の前に、金属の薄膜層又は酸化インジウム錫のような透明な材料の層をテクスチャ面上に堆積することができる。同様に、テクスチャ層１２内の空気ポケットは、ミラーの結合前にＭｇＦのような低屈折率の誘電体で満たすことができる。ミラー材料及び結合方法は、素子の順方向電圧がミラー１３によって実質的に影響されないように選択される。

活性層によって放射された光子を偏光する、ワイヤグリッド偏光器のような任意的な偏光選択層１４は、素子層と反対の基板の側に形成することができる。ワイヤグリッド偏光器は、米国特許第６，１２２，１０３号及び第６，２８８，８４０号で詳細に説明されており、両方とも本明細書において引用により組み込まれている。ワイヤグリッド偏光器は、ワイヤに平行な偏光光子を反射し、ワイヤに垂直な偏光光子を伝達する。光子が活性領域から放射されて、それをワイヤグリッド偏光器から反射させる偏光を有する場合、それは、テクスチャ表面に向けて伝播することになる。テクスチャ表面から反射すると、光子の偏光方向が変えられ、光子に偏光器を通過させる可能性がある。素子の外に放射された光は、次に線形的に偏光されることになる。ワイヤグリッド偏光器と反射テクスチャ表面との組合せは、光子が特定の偏光を達成するまで光子を再循環させる。偏光選択層１４は、処理の任意の段階で形成することができ、多くの場合、ダイスをウェーハから個別化する前の最後の処理段階として形成される。ワイヤグリッド偏光器は、以下の方法で形成することができる。金属の層がウェーハ上に堆積され、次に、金属の上にフォトレジスト層が堆積される。フォトレジスト層は、例えば、既に形成されたワイヤグリッド偏光パターンを用いてフォトマスクを通る短波長の光を照らすことにより、２つのレーザビームからの干渉パターンを使用して様々な輝度の光のラインのアレイをフォトレジスト上に投射することにより、又は、電子ビームを用いてフォトレジスト上にワイヤグリッド偏光パターンを描くことにより、フォトレジストを放射に露出することによってパターン化される。フォトレジストが露出された状態で、それは現像されて水洗いされ、フォトレジストのラインが金属層上に残る結果となる。金属層は、化学薬品（ウェットエッチング）、反応性イオンビーム（ＲＩＥ）、プラズマ強化反応性イオンビーム、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）、又は当業技術で公知の他の適切な技術によってエッチングされる。次に、残りのフォトレジストは、ウェーハから化学的に剥離され、ウェーハ上に残る金属ラインのパターンをもたらす。ワイヤグリッド偏光器のワイヤの周期性は、素子の放射波長に対して最適化することができ、非常に高い反射効率をもたらす。
散乱層１２、結合金属層１３、及び偏光グリッド１４のいずれかを組み込むトンネル接合素子はまた、図３に示すように、図７Ａ及び７Ｂに示す素子とは極性が反対の素子内に形成することができる。

トンネル接合を使用する素子上のテクスチャ層の成長は、いくつかの利点を提供することができる。図７Ａ及び７Ｂの素子のトンネル接合は、ｎ型層上でのテクスチャ層１２の成長を可能にする。ｐ型ＩＩＩ族窒化物層のテクスチャ化には、いくつかの欠点がある。第１に、ｐ型窒化物層にエッチングされた散乱層は、一般的に、電気接点として適する表面を提供しない。そのような散乱層に形成された接点は、多くの場合、素子の順方向電圧を大幅に追加し、信頼性が劣る。また、ＳｉＮ_Xナノマスクによるｐ型層上のｐ型テクスチャ層の形成は、ナノマスク内のドナーＳｉの存在がｐ−ｎ接合の形成をもたらすことが多く、ＬＥＤの順方向バイアス電圧を増加させることになるので問題が多い。更に、ｐ型テクスチャ層内のポケットは、電流波及に利用可能なｐ型材料の量を不必要に低減するであろう。ｎ型層７上のテクスチャ層の形成は、ｐ型ＩＩＩ族窒化物層上に形成されたテクスチャ層の上述の電気的及び信頼性の問題を排除することができる。

図７Ａ及び７Ｂのトンネル接合はまた、テクスチャ層を素子の活性領域の上方に位置させ、テクスチャ層の成長前の活性層の成長を可能にする。テクスチャ化されたＩＩＩ族窒化物層の転位密度は、平滑なＩＩＩ族窒化物層内の転位密度よりも大きい傾向があるので、テクスチャ表面上で高品質の活性領域を成長させるのが困難である。トンネル接合の使用により、ｐ型領域のテクスチャ化、及び活性領域以前に成長した領域のテクスチャ化の両方が回避される。

ミラー１３をテクスチャ層１２に結合することも、素子内の光の抽出を改善することができる。平坦ミラーをテクスチャ層１２へ結合させることにより、ミラーと散乱層との間に空気ポケット１６が生成される。これらの空気ポケットはまた、散乱中心として機能する。接点が、結合による以外のスパッタリング、蒸着、又は電気メッキのような従来の技術によって堆積される場合、そのような空気ポケットを形成することができない。

偏光が必要な場合に偏光選択層１４と共にテクスチャ層１２を使用することにより、正しくない偏光の光を吸収することによって機能する従来の偏光器に付随するいくつかの非能率性を排除することができる。テクスチャ層１２は、偏光ランダム化装置として作用する。望ましくない偏光の光子が偏光選択層１４から反射する時、それらは、光子の偏光方向を変えるテクスチャ層１２から再び反射することができる。偏光選択層１４とテクスチャ層１２との間の１つ又はそれ以上の反射の後で、光子は、偏光器を通過するための正しい偏光を取得することができる。従って、偏光が正しくない活性領域から放射された光子は、正しい偏光を最終的に取得することができる。外部の吸収偏光器が使用された場合、最初に正しくない偏光を有する光子は吸収され、従って失われる。テクスチャ層が存在しない場合、反射された偏光が正しくない光の偏光方向のランダム化はほとんどないことになる。従って、この光は、ＬＥＤ内で行ったり来たりして反射し、最終的に吸収されて失われることになる。

図８は、素子からの光子の抽出を改善するために、テクスチャ構造を含む素子の代替の実施形態を示す。テクスチャ構造１２は、素子層の反対側の基板１の背面に形成される。この実施形態では、活性領域からの大部分の光がテクスチャ表面と相互作用するように、基板は、周囲の媒体よりも実質的に高い屈折率を保持すべきである。基板の屈折率は、１．８よりも大きくなければならない。従って、基板１は、一般的にＳｉＣ（ｎ〜２．５）である。図８に示す素子は、トンネル接合を要求しない。テクスチャ層１２は、例えば、粗いｎ型ＧａＮ層とすることができる。ｐ及びｎ接点は、両方ともテクスチャ化部分と反対の基板の側に形成される。テクスチャ層は、基板の反対側のＬＥＤ素子層の成長の前にエピタキシャル成長によって堆積させることができる。テクスチャ化の特徴的な機能は、図７Ａ及び７Ｂに関連して上述したものと同一である。

図９は、小接合素子（すなわち、面積が１平方ミリメートルよりも少ない）の平面図である。図１０は、軸線ＣＣに沿って取った図９に示す素子の断面図である。図９及び１０は、図２、３、７Ａ、７Ｂ、及び８のエピタキシャル構造２０のいずれともと共に使用することができる接点構成を示す。図９及び１０に示す素子は、活性領域の下のエピタキシャル構造２０のｎ型層に至るまでエッチングされた単一のバイア２１を含む。ｎ接点１０は、バイア２１に堆積される。ｎバイア２１は、素子の中心に位置して電流及び発光の均一性をもたらす。ｐ接点９は、エピタキシャル構造２０の活性領域のｐ側に電気接触をもたらす。トンネル接合を使用する実施形態では、ｐ接点９は、ｎ型層上に形成することができ、構造及び材料は、ｎ接点１０と同じであってもよい。他の実施形態では、ｐ接点９は、ｐ型層上に形成することができ、図７Ａに示すような結合層１３とすることができる。更に他の実施形態では、ｐ接点９は、薄いｐ接点を覆う任意的な保護金属層（図示しない）と、保護金属層の上に堆積した厚いｐ金属層とを含む。ｎ接点１０は、１つ又はそれ以上の誘電体層２２によってｐ接点９から分離される。ｐサブマウント接続２４、例えば、半田と結合するための濡れ性金属は、ｐ接点９と結合し、ｎサブマウント接続２３は、ｎ接点１０に結合する。

図９に示すように、素子は、３つのサブマウント接続、すなわち、２つのｐサブマウント接続２４、及び１つのｎサブマウント接続２３によってサブマウントに接続される。ｎサブマウント接続２３は、ｎ接点領域１０（絶縁層２２によって囲まれた）内のどこにでも位置することができ、バイア２１のすぐ上に位置する必要がない。同様に、ｐサブマウント接続２４は、ｐ接点９上のどこにでも位置することができる。その結果、素子のサブマウントへの接続は、ｐ接点９及びｎ接点１０の形状又は配置によって制約されない。

図１１は、大接合素子（すなわち、面積が１平方ミリメートルに等しいか又はそれ以上）の平面図である。図１２は、図１１に示す素子の軸線ＤＤに沿って取った断面図である。図１１及び１２はまた、図２、３、７Ａ，７Ｂ、及び８に示すエピタキシャル構造２０のいずれと共にも使用することができる接点構成を示す。エピタキシャル構造２０の活性領域は、ｎ接点１０が形成される３つのトレンチによって分離された４つの領域に分割される。各領域は、ｐ接点９上に形成された４つのｐサブマウント接続２４によってサブマウントに接続される。上述のように、トンネル接合を含む素子では、ｐ接点９は、ｎ型層上に形成することができ、ｎ接点１０と構造及び材料が同じであってもよい。他の実施形態では、ｐ接点９は、ｐ型層上に形成することができ、ｎ接点１０とは構造又は材料が異なってもよく、又は、ｐ接点９は、図７Ａに示すような結合層１３であってもよい。ｎ接点１０は、４つの活性領域を取り囲む。ｎ接点１０は、６つのｎサブマウント接続２３によってサブマウントに接続される。ｎ及びｐ接点は、絶縁層２２によって電気的に分離することができる。

図９〜１２に示す素子は、一般的に、素子を出る大部分の光が成長基板１を通って出るようにフリップチップ構成で取り付けられる。図１３及び１４は、上面発光素子を示し、素子を出る大部分の光は、接点が形成される面と同じエピタキシャル層の上面を通って出る。図１３は、上面発光素子の平面図である。図１４は、軸線Ｅに沿って取った図１３の一部分の断面図である。図１４は、テクスチャ化された上部エピタキシャル層を示すが、エピタキシャル層２０は、図２、３、７Ａ、７Ｂ、及び８に示すエピタキシャル構造のいずれであってもよい。ｐ接点９のフィンガーは、ｎ接点１０のフィンガーに割り込む。接点９及び１０が素子の活性領域によって放射された光を吸収する材料から形成される場合は、接点９及び１０によって覆われる領域を最小にすることができる。素子は、パッケージのリードにワイヤ結合することができる。

図１６は、図１３及び１４に示す素子のような２つの素子に対して、１つはトンネル接合の上に形成されたテクスチャ層があり、１つはトンネル接合はあるがテクスチャ層がない場合の相対外部量子効率（任意単位）を電流を関数として示す。図１６の波線は、テクスチャ層を有する素子を表し、実線は、テクスチャ層がない素子を表す。図１６に示すように、テクスチャ層を含む素子の外部量子効率は、テクスチャ層のない素子よりも高く、テクスチャ層が素子から抽出される光の量に寄与することを示す。

図１５は、パッケージ化された発光素子の分解組み立て図である。放熱スラグ１００は、差込成形リードフレーム１０６に入れられる。差込成形リードフレーム１０６は、例えば、電路を形成する金属フレームの周りに成形された充填プラスチック材料である。スラグ１００は、任意的な反射器カップ１０２を含むことができる。上述の素子のいずれでもよい発光素子ダイ１０４は、スラグ１００に直接的又は熱伝導サブマウント１０３を通じて間接的に取り付けられる。光学レンズ１０８を追加することもできる。
本発明を詳細に説明したが、当業者は、本発明の開示に基づいて、本明細書に説明した革新的概念の精神から逸脱することなく本発明に対して修正を行うことができることを認めるであろう。従って、本発明の範囲は、図解及び説明した具体的な実施形態に限定されないものとする。

ＩＩＩ族窒化物フリップチップ発光素子を示す図である。トンネル接合を含む素子を示す図である。トンネル接合を含む素子を示す図である。ｎ−ＧａＮ上の２つの変位したＡｌ接点に対する直列抵抗及びバリア電圧対温度のプロットを示す図である。多層接点を示す図である。波長の関数としたアルミニウム及び銀の計算反射率のプロットを示す図である。散乱構造を含む素子を示す図である。散乱構造を含む素子を示す図である。散乱構造を含む素子を示す図である。小接合発光素子の平面図である。小接合発光素子の断面図である。大接合発光素子の平面図である。大接合発光素子の断面図である。上面発光素子の平面図である。上面発光素子の断面図である。パッケージ化された発光素子を示す図である。図１３及び図１４による２つの素子に対して、１つはテクスチャ層を使用し、１つはテクスチャ層を使用しない場合の電流の関数とした外部量子効率を示す図である。

符号の説明

１基板
２、７ｎ型領域
３活性領域
４ｐ型領域
９、１０接点
１００トンネル接合

Claims

第１の導電型の第１の層と、
第２の導電型の第１の層と、
活性領域と、
前記第１の導電型の第１の層よりも大きいドーパント濃度を有する第１の導電型の第２の層と前記第２の導電型の第１の層よりも大きいドーパント濃度を有する第２の導電型の第２の層とを含むトンネル接合と、
第１の導電型の第３の層と、
前記第１の導電型の第１の層に電気的に接続した第１の接点と、
前記第１の導電型の第３の層に電気的に接続した第２の接点と、
を含み、
前記第１及び第２接点は、同じ材料を含み、
前記第１及び第２接点の材料は、前記活性領域によって放射された光に対して７５％よりも大きい反射率を有し、
前記活性領域は、第１の導電型の層と第２の導電型の層との間に配置され、
前記トンネル接合は、前記第１の導電型の第１の層と前記第１の導電型の第３の層との間に配置され、
光は、前記第１及び第２接点と反対の素子の表面から抽出される、
ことを特徴とするＩＩＩ族窒化物発光素子。
前記第１の導電型の第２の層のドーパント濃度は、約１０¹⁸／立方センチメートルから約５ｘ１０²⁰／立方センチメートルの範囲であり、
前記第２の導電型の第２の層のドーパント濃度は、約１０¹⁸／立方センチメートルから約５ｘ１０²⁰／立方センチメートルの範囲である、
ことを特徴とする請求項１に記載の素子。
前記第１の導電型の第２の層のドーパント濃度は、約２ｘ１０²⁰／立方センチメートルから約４ｘ１０²⁰／立方センチメートルの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の素子。
前記第２の導電型の第２の層のドーパント濃度は、約７ｘ１０¹⁹／立方センチメートルから約９ｘ１０¹⁹／立方センチメートルの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の素子。
前記トンネル接合は、逆バイアスモードで作動する時に約０Ｖから約１Ｖの範囲の電圧降下を有することを特徴とする請求項１に記載の素子。
前記トンネル接合は、逆バイアスモードで作動する時に約０．１Ｖから約１Ｖの範囲の電圧降下を有することを特徴とする請求項１に記載の素子。
前記第１の導電型の第２の層の厚さは、約１ナノメートルから約５０ナノメートルの範囲であり、
前記第２の導電型の第２の層の厚さもまた、約１ナノメートルから約５０ナノメートルの範囲である、
ことを特徴とする請求項１に記載の素子。
前記トンネル接合の厚さは、約２ナノメートルから約１００ナノメートルの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の素子。
前記第１の導電型の第３の層と前記第２接点との間に配置されたテクスチャ層を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の素子。
前記テクスチャ層は、半導体材料のアイランド及び該アイランド間のポケットを含むことを特徴とする請求項９に記載の素子。
前記半導体材料のアイランドは、前記テクスチャ層の容積の約１０％から約９０％を構成することを特徴とする請求項１０に記載の素子。
前記半導体材料のアイランドは、前記テクスチャ層の容積の約１０％から約５０％を構成することを特徴とする請求項１０に記載の素子。
前記ポケットは、空気で充填されることを特徴とする請求項１０に記載の素子。
前記ポケットは、屈折率が約２よりも小さい材料で少なくとも部分的に充填されることを特徴とする請求項１０に記載の素子。
前記第２接点は、テクスチャ層の上に形成されて前記ポケットを充填することを特徴とする請求項１０に記載の素子。
前記テクスチャ層の厚さは、約２００オングストロームから約１０，０００オングストロームの間であることを特徴とする請求項９に記載の素子。
前記テクスチャ層の厚さは、約５００オングストロームから約４０００オングストロームの間であることを特徴とする請求項９に記載の素子。
前記第２接点は、前記テクスチャ層に結合されることを特徴とする請求項９に記載の素子。
前記テクスチャ層と前記第２接点との間に配置された少なくとも１つの空隙を更に含むことを特徴とする請求項１８に記載の素子。
サブマウントと、
前記第１接点を前記サブマウントに接続する第１の相互接続と、
前記第２接点を前記サブマウントに接続する第２の相互接続と、
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の素子。
前記サブマウントに接続した複数のリードと、
前記サブマウントの上に重なるレンズと、
を更に含むことを特徴とする請求項２０に記載の素子。
前記リードと前記サブマウントとの間に配置された放熱板、
を更に含むことを特徴とする請求項２１に記載の素子。
前記第１及び第２接点は、アルミニウムを含むことを特徴とする請求項１に記載の素子。
前記第１及び第２接点の少なくとも一方は、多層接点を含むことを特徴とする請求項１に記載の素子。
前記多層接点は、アルミニウムの第１の層と、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｔｉ、Ａｌ−Ｃｕ、及びＡｌ−Ｃｕ−Ｗから成る群から選択された材料を有して該第１の層の上に重なる第２の層とを含むことを特徴とする請求項２４に記載の素子。
第１の導電型の第１の層と、
第２の導電型の第１の層と、
活性領域と、
前記第１の導電型の第１の層よりも大きいドーパント濃度を有する第１の導電型の第２の層と前記第２の導電型の第１の層よりも大きいドーパント濃度を有する第２の導電型の第２の層とを含むトンネル接合と、
前記トンネル接合の上に重なるテクスチャ層と、
を含み、
前記活性領域は、第１の導電型の層と第２の導電型の層との間に配置される、
ことを特徴とするＩＩＩ族窒化物発光素子。
前記第１の導電型の第１の層と電気的に接続した第１の接点と、
前記テクスチャ層と電気的に接続した第２の接点と、
を更に含むことを特徴とする請求項２６に記載の素子。
前記テクスチャ層に隣接する前記第２接点の表面は、実質的に平坦であり、
前記テクスチャ層と前記第２接点との間に配置された少なくとも１つの空隙、
を更に含むことを特徴とする請求項２７に記載の素子。
前記空隙は、空気で充填されることを特徴とする請求項２８に記載の素子。
偏光選択層を更に含むことを特徴とする請求項２６に記載の素子。
第１の表面と該第１の表面の反対側に第２の表面とを有する基板を更に含み、
前記第１の導電型の第１の層は、前記第１の表面の上に重なり、前記偏光選択層は、前記第２の表面上に配置される、
ことを特徴とする請求項３０に記載の素子。
前記偏光選択層は、ワイヤグリッド偏光器を含むことを特徴とする請求項３０に記載の素子。
サブマウントと、
前記第１接点を前記サブマウントに接続する第１の相互接続と、
前記第２接点を前記サブマウントに接続する第２の相互接続と、
を更に含むことを特徴とする請求項２６に記載の素子。
前記サブマウントに接続した複数のリードと、
前記サブマウントの上に重なるレンズと、
を更に含むことを特徴とする請求項３３に記載の素子。
前記リードと前記サブマウントとの間に配置された放熱板、
を更に含むことを特徴とする請求項３４に記載の素子。
前記テクスチャ層は、半導体材料のアイランドとポケットとを含むことを特徴とする請求項２６に記載の素子。
前記半導体材料のアイランドは、前記テクスチャ層の容積の約１０％から約９０％を構成することを特徴とする請求項３６に記載の素子。
前記半導体材料のアイランドは、前記テクスチャ層の容積の約１０％から約５０％を構成することを特徴とする請求項３６に記載の素子。
前記ポケットは、空気で充填されることを特徴とする請求項３６に記載の素子。
前記ポケットは、屈折率が約２よりも小さい材料で少なくとも部分的に充填されることを特徴とする請求項３６に記載の素子。
前記第２接点は、テクスチャ層の上に形成されて前記ポケットを充填することを特徴とする請求項３６に記載の素子。
前記テクスチャ層の厚さは、約２００オングストロームから約１０，０００オングストロームの間であることを特徴とする請求項２６に記載の素子。
前記テクスチャ層の厚さは、約５００オングストロームから約４０００オングストロームの間であることを特徴とする請求項２６に記載の素子。
第１の表面と該第１の表面の反対側に第２の表面とを有する基板と、
前記第１の表面上に形成された第１の導電型の層と、
第２の導電型の層と、
前記第１の導電型の層と前記第２の導電型の層との間に配置された活性領域と、
前記第２の表面上に形成されたテクスチャ層と、
を含むことを特徴とするＩＩＩ族窒化物発光素子。
前記基板は、ＳｉＣであることを特徴とする請求項４４に記載の素子。
前記テクスチャ層は、半導体材料のアイランドとポケットとを含むことを特徴とする請求項４４に記載の素子。
前記半導体材料のアイランドは、前記テクスチャ層の容積の約１０％から約９０％を構成することを特徴とする請求項４６に記載の素子。
前記半導体材料のアイランドは、前記テクスチャ層の容積の約１０％から約５０％を構成することを特徴とする請求項４６に記載の素子。
前記テクスチャ層の厚さは、約２００オングストロームから約１０，０００オングストロームの間であることを特徴とする請求項４４に記載の素子。
前記テクスチャ層の厚さは、約５００オングストロームから約４０００オングストロームの間であることを特徴とする請求項４４に記載の素子。