JP2006135360A - 半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】全光抽出効率が高くコスト効率高く大量生産できる半導体発光素子を提供する。
【解決手段】側部表面の向が、発光層面の垂線方向に対してオフセットした角度をなすように、半導体発光素子（ＬＥＤ）を整形することによって、全光抽出量が増大する。注入効率が高くなるように、ｐ−ｎヘテロ構造を用い、また、上部表面と側部表面の両方からの光抽出の損失が少なくなるように、透明な窓を用いることによって、高い全外部量子効率が得られる。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体発光素子の設計及び製作プロセスに関するものである。とりわけ、本発明は、光抽出効率の改善及び該発光素子の全光出力の増大に関するものである。

半導体発光素子（ＬＥＤ）の抽出効率は、半導体材料の光学屈折率（ｎ_s≒２．２〜３．６）と、一般的には空気である周囲媒体の屈折率（ｎ_a≒１．０）または光学的に透明なエポキシ樹脂の屈折率（ｎ_e≒１．５）との大きな相違によって制限を受ける。この屈折率の大きな相違のために、素子内のフォトンは、半導体と周囲媒体の間の界面に入射して全内部反射（ＴＩＲ）を生じる可能性が高い。

エポキシで包囲されたＧａＰ（５５５ｎｍ以上の波長の光に透明である）の立方体の場合、エポキシ（ｎ_e≒１．５）との６つの界面の１つに入射するＧａＰ（ｎ_s≒３．３）内のフォトン（波長λ＞５５５ｎｍ）は、ＴＩＲを回避するため、界面の垂線に対してθ_c≒２７゜未満の角度で入射しなければならない。透過が可能なこの制限された角度範囲によって、フォトンの「脱出円錐（エスケープ・コーン）」が決定される。フォトンが、４πステラジアン内のどの方向においても放出確率が等しくなるように、ＧａＰ内から放出される場合、脱出円錐内における界面のどの１つに当たる確率も３３％になる。フレネル反射を考慮すると、フォトンが実際に透過して、エポキシに入り込む確率は、２８．４％になる。

市販のＬＥＤは、例えば、活性層再吸収、内部エピタキシャル層内における吸収、オーム性接触部の有限な反射率、ドーピング領域内における自由キャリヤ吸収といった、多くの光学損失メカニズムを含む非理想的素子である。とりわけ、内部量子効率の低い発光層を備えた素子の場合、活性層による損失メカニズムによって、抽出される光が、発光後に活性層を再度通過することなく抜け出すフォトンだけに制限される可能性がある。このことは、こうした素子で実現可能な抽出効率が、上記計算の結果、せいぜい２８．４％に制限されることを表している。例えば、発光波長におけるバンド間プロセスの吸光係数は、ほぼ１０⁴ｃｍ^-1程度である。フォトンが典型的な１μｍの厚さの発光層を１回通ると、吸収される確率は６３％に等しくなる。低量子効率材料の場合、フォトンとして再放出される確率は比較的低く、例えば、≒１０％である。従って、初期フォトンが吸収され、非放射プロセスに変換される一次確率は、５７％である。この問題は、他の損失メカニズムによって、及び、フォトンの軌道の大部分が、活性層の垂直厚さのみにとどまらず、それ以上にわたるという事実によって悪化する。従って、該素子から抜け出す光の大部分は、こうした界面に最初に入射した途端すぐに半導体／周囲界面を透過する光である。この光は、「第一経路」光である。図１には、第一経路光と、前述のフォトン損失メカニズム及び透過経路を表した概略図が示されている。「多重経路」光は、ＬＥＤチップの表面に何回も当たった後初めてチップを抜け出す光である。

損失の一部は、発光活性領域及び他の任意の吸収層の厚さを薄くすることによって減少させることが可能である。しかし、材料の成長及び発光素子の物理的現象（例えば、キャリヤの閉じ込め、界面再結合）における基本的制限によって、妥当な放射効率を実現することが可能な活性層の最小厚が制限される。活性層の厚さの選択（低放射効率の材料の場合）は、内部放射効率と抽出効率との間のトレード・オフである。最高の抽出効率が得られる素子は、内部放出光の大部分を第一経路光にすることが可能な半導体ＬＥＤ構造設計から得られる。実際、比較的内部量子効率の高い構造においてさえ、オーム性接触部及び自由キャリヤ吸収による損失のため、やはり、第一経路光抽出をもたらす設計を行わざるを得ない。光抽出を改善するためのアプローチの１つが、チップの形状すなわち幾何学形状の修正である。

こうした形状の１つに、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｖｏｌ．３５，１１５３（１９６４）においてＦｒａｎｋｌｉｎ他によって開示されているように、ｐ−ｎ接合が切頭平面またはその近くに（数μｍ以内）配置された、逆円錐台素子がある。該素子は、順方向発光特性が強化され、外部効率が向上する。円錐部分の整形側壁は、この壁面に入射する光の向きを変え上部表面にほぼ垂直に入射させる。Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ６，１（１９６６）におけるＣａｒｒの結論によれば、それを超えると、効率がもはや向上しなくなる最低上部窓高が存在する。さらに、Ｃａｒｒはθ_cを最大効率に関する全内部反射の臨界角としたとき、最適角度がβ_m＝（π／２−θ_c）／２であることを示唆している。この解析は、内部吸収及び二次反射を無視したものである。また測定された光は、該素子の上部表面から放出されたものだけである。Ｆｒａｎｋｌｉｎ他及びＣａｒｒによる素子は、ＬＥＤからの全抽出光の４０％以上になる可能性のある側方光を利用しないので、高光束用途の場合、次善のものである。また、この素子は、ヘテロ接合を利用しておらず、Ｔ＝７７Ｋにおける公表データに対して、室温における注入効率が低下する。さらに、このホモ接合素子の上部抽出窓は、ｐ−ｎ接合活性領域内において発生するフォトンのかなりの部分に対して透明ではない。ＧａＡｓ−ＬＥＤの内部量子効率が一般に１００％に近い場合（Ｔ＝７７Ｋにおいて）、外部量子効率の比較的低い測定値（空気中において＜１０％）は、側方光の集光の省略及び不十分な透明性が、該素子設計における抽出効率の大幅な低下の一因をなしていることを表している。

「Ｓｏｖ．Ｐｈｙｓ．Ｔｅｃｈ．Ｐｈｙｓ．２３，４７６（１９７８）」には、Ａｌｆｅｒｏｖ他によって、多重経路光が活性領域及び素子の背面を回避するように跳ね返り光路を設けて抽出効率を高める二重メサ構造を利用した、もう１つの整形ＬＥＤが開示されている。側壁表面にメサ・エッチングを施すと、光抽出及びダイ・コストにとって重要なパラメータである側壁の角度に対する制御が不可能になる。また、二重メサ素子は、上部表面から活性領域への領域比がほぼ９以上になる。この領域比は、ウェーハにおける単位面積当たりに得ることが可能な素子数を表している。領域歩留まりの低下（≒９倍）が抽出効率において観測される利得（≒３倍）に比べて大幅に低下するので、この素子形成法は、コスト効率の良い大量生産には適さない。

１９９２年２月１１日に発行された米国特許第５，０８７，９４９号には、Ｈａｉｔｚによって、光の抽出を改善するため斜面を備えたＬＥＤが開示されている。ＬＥＤにおける活性層は、より面積の広い底面（角錐の仮想頂点から遠い）に近接して配置されている。従って、活性層の周縁に近い発光領域は、活性層の中心領域ほど十分には角度付き側部による恩恵が得られない。従って、こうした素子における有効抽出効率は制限を受けることになる。

したがって、本発明が解決すべき課題は全光抽出効率が高くコスト効率高く大量生産できる半導体発光素子の提供である。

側部表面の向が、発光層面の垂線方向に対してオフセットした角度をなすように、半導体発光素子（ＬＥＤ）を整形することによって、全光抽出量が増大する。注入効率が高くなるように、ｐ−ｎヘテロ構造を用い、また、上部表面と側部表面の両方からの光抽出の損失が少なくなるように、透明な窓を用いることによって、高い全外部量子効率が得られる。最後に、該素子の設計及び製作技法は、大量生産に適している。ウェーハ・ボンディング及びエピタキシャル再成長を介して透明窓を設ける方法によって、ｐ−ｎ接合の精密な位置決め、及び、素子特性と歩留まりの両方に対する有効な制御が可能になる。望ましい発光素子設計によれば、全抽出効率が向上し、同時に、ウェーハの単位面積当たりに得られる素子数が妥当な程度に保たれる。

素子形状によって、素子内に存在する光学損失メカニズムとの遭遇を最小限にとどめる活性領域から周囲媒体への光路が得られる。この機能は、整形側壁が発光素子の上部表面に向かって光を反射し、周囲への透過の臨界角内で入射するようにし、さらに、上部表面からのＴＩＲ光が整形側壁を脱出可能にすることで発揮される。従って、第一経路光の抽出が増大する。また、この整形側壁によって、周囲に透過するように光の方向づけが行なわれる一方で、フォトンが吸収活性層またはオーム性接触部に遭遇することなく、数回にわたって通過することが可能な比較的体積の大きい低損失材料が本質的に得られる、すなわち、活性層及びオーム性接触部の立体角断面が従来のチップの場合と比較して減少したことになる。さらに、該整形素子は、脱出までに、素子内における過剰な多重経路またはフォトンにとって法外に長い平均光路長を必要とせず、自由キャリヤ吸収による損失は大きくない。

図２には、半導体発光素子（ＬＥＤ）の望ましい実施例の側面図が示されている。ＬＥＤには、例えば、ＧａＡｓ、ＧａＰ、または、サファイアといった基板上に成長させられた複数のｐタイプ及びｎタイプのドーピングを施したエピタキシャル層からなるヘテロ構造が含まれている。ｐタイプ層及びｎタイプ層は、活性領域１１またはその近くにｐ−ｎ接合領域が形成されるように配置される。結果得られるヘテロ接合は、室温における光注入効率をもたらすので、高パワー用途には不可欠である。ｐ−ｎ接合領域の面積限度によって、活性素子の面積が決まる。高光束用途の場合、活性素子の面積は、１５０平方ミルを超えることが望ましい。

成長基板は、例えば、１９９４年１２月２７日に発行されたＫｉｓｈの米国特許第５，３７６，５８０号におけるように、成長後除去しウェーハ・ボンディングで置き換えたり、あるいは、再成長により好ましい特性を備えた新たな基板を形成することも可能である。この方法は、成長基板が、活性領域から放出される波長の光を吸収する場合に望ましい。本発明の場合、ウェーハ・ボンディングを利用して、任意の厚さの透明窓層の取り付けを容易にすることが可能である。ある層の吸光係数が、活性領域における材料のバルク・エネルギ・バンドギャップに対応する波長で２０ｃｍ^-1未満になる場合、その層は透明である。

透明基板または層１２、すなわち、光抽出（及び電流拡散）のための窓は、該素子の上部窓層である。同様に、ウェーハ・ボンディング、エピタキシャル成長、または、再成長によって、上部窓層とは反対側のエピタキシャル層に光抽出（及び電流拡散）のための窓層１３を取り付けることによって、底部窓層が得られる。この融通性によって、素子内において活性層の任意の配置が可能になり、光出力対ウェーハの単位面積当たり活性領域歩留まりの按配を容易に行うことが可能になる。

窓層に上部及び底部電気的オーム性接触部を取り付けることによって、ｐ−ｎ接合領域に電子及び正孔を注入し、その再結合及びそれに続く活性領域からの光の発生を可能にする。高パワー用途の場合、オーム性接触部の任意の一方の抵抗は、２オーム未満が望ましい。オーム性接触部の任意の一方の固有接触抵抗は、より小さい領域との低抵抗接触を可能にするため、５×１０^-5オーム-ｃｍ²が望ましい。これによって、オーム性接触部によって生じる閉塞及び吸収を最小限に抑えることが可能になる。ワイヤ・ボンド接続を最小限にとどめ、上部接触部によって生じる光の閉塞を減少させるため、ｐタイプ及びｎタイプのオーム性接触部は、発光素子にある単一表面側に形成することが可能である。

上部窓層は、導電性である必要はなく、適合する特性を備えたアンドープ半導体材料、結晶、多結晶、または、アモルファス材料から構成することもできるし、あるいは、部分的にはそうして、異なる特性を備えた多層から構成することも可能である。材料及び発光層は、同様の屈折率を備えていることが望ましい。さらに、素子の側部表面の任意の１つまたは全てにオーム性接触部の一方または両方を形成することも可能である。

望ましい実施例の場合、一次窓の側壁１６は、上部表面１７の領域範囲が、活性素子領域範囲よりも広くなるように、垂直方向に対して１つの（または複数の）角度βをなす配向が施される。側壁は、ヘテロ構造に対して斜角をなす。βは、素子の高さの関数として一定である必要はなく（図２に示すように）、素子の高さに応じて連続的に変化し、部分的または全体的に、凹状または凸状の側壁形状を形成する可能性がある。側壁の配向によって、図２の光線１８によって示されるように、側壁に当たる光が、全内部反射して、素子の上部表面における脱出円錐内に送り込まれる。上部表面において全内部反射する光の大部分は、光線１９によって示されるように、向きを変えて側壁における脱出円錐に送り込まれる。側面からの光は、全外部放出光の≒４０％以上の割合を占める。この結果、第一経路光の抽出が増大する。

上部接触部または活性領域の表面積に対する半導体／周囲界面の表面積の相対的増大によって、フォトンが該領域において吸収される確率が低下する。この後者の効果は、透明な上部窓層の角度β及び高さｈ_Tが増すにつれて、より顕著になる。光の全抽出量は、理論的にはβ及びｈ_Tの増大につれて増大するが、実際的な限界は、これらのパラメータ値の選択において生じる。

例えば、活性領域の面積が２０ミル×２０ミル（ただし１ミルは0.254mm）、望ましい寸法は、側壁角β＝２０゜〜５０゜で、上部窓高さｈ_T＝２〜１５ミルである。β及びｈ_Tの上限は、ウェーハ当たりの妥当な領域歩留まりの維持を考慮して選択される。この形状寸法内において、活性層から上方へ放出される光の光抽出量を従来の素子に対して約１．８倍に改善することが可能である。当初は同じ効果が見られない、下方に放出される光を考慮すると、光抽出の全体としての効果はほぼ１．４倍になる。活性層及び反射性背面接触部における有限吸収に関して、上部窓の抽出効率の利得が、下方に放出される光によっても観測され、従来の素子に比べた利得は、１．５倍以上に達する可能性がある。そうではあっても、発光層に関連した吸収が、パス毎に５０％を超えると、下方に放出される光が効率よく上部窓に向け方向変換されることを期待することはできない。図２に示すように、光抽出のために底部窓１３を設けることには利点がある。この窓層は、かなりの量の第一経路光が素子の側部から抜け出すのを可能にし、同時に、取り付けの安定性及び放熱のために十分な広い底部表面をもたらすのに十分な厚さを備えているべきである。この層は、２〜１０ミルの厚さにすることが可能であり、活性領域の横幅の１０〜４０％の厚さが望ましい。この設計を選択することによって、底部窓の側部を介したかなりの外部結合が可能になり、且つ機械的安定をもたらす寸法比が維持される。当該技術の実施者には明らかになるように、全ての寸法は、活性領域の面積に比例する。この概念は、他の形状寸法にも敷衍することが可能である。

整形素子から出力される増大した光の実験観測値が図３に示されている。これらの素子は、１つの正方形の活性領域（図５に示す）と、垂線に対して３５゜の角度をなす４つの側部表面（図２に示す）を備えている。上部窓の厚さ（活性領域上部）は、≒２００μｍであり、底部窓の厚さ（活性領域下部）は、≒５０μｍである。これらの整形素子の場合には、従来の素子（矩形の平行六面体形状）に対して、同じウェーハから１．４〜１．８倍の光出力の利得が観測される。全ての素子がエポキシ（ｎ≒１．５）に封止じされた。図３から明らかなように、相対的光出力の利得は、広い波長範囲にわたって観測されるが、絶対効率は、開始材料の選択によってのみ決まる。

素子の底部に近接した（活性領域の幅の２０％以内に近接した）活性層を備える素子の場合、抽出効率の利得を最高にするため、反射率の高い背面接触部を設けることが望ましい。図４には、逆角錐台形素子の光出力に関する実験データが示されている。背面接触部全面に合金ＡｕＺｎを利用すると、光出力は、こうした接触部によって得られる反射率が不十分なために損失を被ることになる。代わりに、反射性のＡｇをベースにしたダイ接着エポキシ（全角度平均反射率約５０％以上）と共に、パターン化されたＡｕＺｎの背面接触部（約２０％の領域被覆度）を利用することによって、全光出力は、約２０％増大する。

図２の側面図は、さまざまな素子幾何学形状に相応のものである。図５には、図２の素子の一つ５０における正方形または矩形の底面図が示されている。この逆角錐台形素子の場合、垂直に対して１つの角度（または複数の角度）βをなす配向が施された、発光素子の別個の側壁が４つ存在する。この発光素子は、斜めの（「Ｖ字形」）切断面を備えた鋸歯を用いて該素子を鋸引きし、側壁に傾斜を形成することによって製作することが可能である。代わりに、該発光素子は、ウェーハの一部にマスキングを施し、サンド・ブラストによって所望の幾何学形状を形成することによって、また、サンド・ブラスト工程のパラメータを変更して、角度を制御することによって製作することが可能である。さらに、指定の結晶面に沿って選択的にスクライビングを施すことによって、角度を決め、望ましい素子幾何学形状を形成することも可能である。

もう１つの方法は、ＬＥＤの一部に適正なマスキングを施し、ドライ・エッチングまたはウェット・エッチングによって幾何学形状を形成することである。こうした場合、基板の結晶の性質が重要になる可能性がある。例えば、（１１１）ＧａＰにエピタキシャル層に対するウェーハ・ボンディングを施すことによって、上部窓層を形成することが可能である。この材料にエッチングを施すか、裂け目を入れて、角度付き結晶ファセットを露出させることによって、発光素子における光抽出を改善するための角度付き側部表面を得ることが可能になる。所望の場合、窓層は、伝導性で適度に透明なウェーハ・ボンディング界面が容易に得られるようにするための媒介材料（例えば、透明なＩＴＯ、極めて薄いＡｕＧｅの層、または、ＡｕＺｎ）を含むことにより、ウェーハ・ボンディングによって取り付けることが可能である。基板の結晶配向は、他の素子性能特性と妥協することなく、チップ整形に対して適度な制御を加えるように選択される。初期「粗」整形プロセスが済むと、「精密」整形プロセスを利用して、所望の最終形状に仕上げたり、適正に機能する発光素子にとって望ましい極めて平滑な側壁を形成したり、あるいは、そのいずれをも行うことが必要になる場合がある。他の実施例の場合、発光素子は、例えば、逆三角錐台形素子の３つの表面といった、異なる数の整形側部表面を備える可能性がある。光電化学エッチングを発光素子の整形に利用することも可能である。発光素子の多くの幾何学形状は、本教示の原理に基づいて作用し、選択される幾何学形状は、発光素子の特定の用途の要件、及び、コスト及び製造上の考慮事項によって決まる。

図６には、代替実施例の素子６０の底面図が示されている。逆円錐台は、円形（一般に楕円形）の底面を備えている。この素子は、前述の方法の任意の１つによって材料に適正な処理を施し形成または近似が可能である。円錐形素子からの放射パターンは、軸方向において対称性であり、パッケージング光学素子または補助光学素子による焦点合わせまたは焦点ぼかしに有利である。

角度付き側部表面を備えた発光素子は、活性領域に対する素子の最大範囲（上部素子領域）の領域比が増大する。所定の選択による活性領域の場合、この結果として、ウェーハの単位面積当たりに得られる素子数が減少する（従来の幾何学形状に対して）。重要なのは、活性層及びｐ−ｎ接合を構成するエピタキシャル層が、一般に、ウェーハの最も高価なコストの決定要因であるという事実である。この領域歩留まりの減少は、上部窓の高さが増すにつれて大きくなる。それは、また、側壁の角度が増すにつれて大きくなる。斜め鋸引き（図７に示す）を利用して、ウェーハにダイシングを施し、逆角錐台形素子にする場合、活性層が、厚さ２５０μｍのウェーハの上部（ダイシング中の）から５０μｍ離れていて（位置１）、ダイシング・インデックスが５００μｍであれば、β＝３０゜の逆角錐台形素子に関するウェーハ当たりの素子歩留まりは、従来の素子に対して約２９％になる。ダイシング中、例えば、ウェーハの底部から２００μｍといったように、ウェーハの底部により近接して（位置２に）活性層を配置すると、活性領域の廃棄部分の量が減少し、素子の領域部留まりは、約７８％に増大する。すなわち、接合が素子の底部から離れるにつれて、領域歩留まりの損失が少なくなる（ウェーハ当たりの素子数が増し、従って、この素子のコスト有効度が向上する）。もちろん、素子の上部窓の高さが実際上低くなるので、素子の抽出効率が低下する可能性もある。しかし、活性層の吸収が減少するので（活性層の内部量子効率の上昇、または、活性層の厚さの減少によって）、フォトンが、再放出されずに、吸収される前に、活性層をさらに多数回にわたって通過する間残存するため、接合の配置に関する効率の低下はそれほど厳しくはない。例えば、活性層の厚さを１．０から０．１μｍに減少させる場合、パス当たりの透過の増大（垂直方向における）は、３７％〜９０％になる。コスト有効性の高い解決方法は、適正な発光素子を設計するために、例えば、吸収性のオーム性接触といった損失メカニズムと共に、接合の配置、側壁の角度、窓の高さ、及び、活性領域の内部効率を考慮しなければならない。これは、本発明の態様の１つである。素子内における接合の配置に対して広範囲にわたる制御を加えることが望ましい。接合場所の位置決めによって、ＬＥＤの設計は、抽出効率が大幅に向上し（＞１．４倍）、活性領域の歩留まり損失による製造コストの増大により厳密に対抗することになる。予測される光出力の利得（＞１．４倍）に基づき、＞３３％の領域歩留まりを維持することが望ましい。

チップ整形による３３％を超える領域歩留まりの維持に関して、いくつかの議論がある。一例として、成熟したテクノロジであるＬＥＤの大量生産に関する典型的な歩留まりは、約３０〜５０％の範囲内とするものがある。少なくとも従来のＬＥＤの歩留まりと同等の領域歩留まりを維持して、整形だけが、実現可能な歩留まりの改善に厳しい上限を課すことにならないようにするのが望ましい。次に、我々は、３３％を超える領域歩留まりに対応し、従来の素子に対して１．４倍を超える抽出効率を示す幾何学形状を備える、多くの整形ＬＥＤを製作してきた。最後に、いくつかのシステム応用例に関して、とりわけ、ダイのコストはシステムの全コストのうちほんのわずかな部分しか構成しないので、４０％の効率の利得と引き替えに、ダイのコストを３倍にするのは許容可能である。

歩留まりと抽出効率を按配するコスト効率の高い解決方法は、発光素子の高さ、側壁の角度、及び、接合位置のパラメータを変更することによって可能になる。素子の高さは、例えば、鋸引き、ラッピング、研磨、または、エッチング、または、層成長時間による基板の厚さによって制御される。側壁の角度は、製作技法によって決まり、例えば、斜めの鋸引き、光電化学エッチング、または、結晶エッチングによって、極めて明確に形成することが可能である。接合位置は、ある程度までは成長時間によって制御されるが（エピタキシャル窓）、接合位置の全範囲は、ウェーハ・ボンディング層の厚さを変えることによってより容易に得られる。例えば、活性層は、ただ単に両側に４ミルの基板のウェーハ・ボンディングを施すだけで、高さ８ミルの素子のほぼちょうど中心に配置することが可能になる。

図８には、領域歩留まりを含めて、素子の幾何学形状が全光束に対して及ぼした結果が示されている。この場合、ｙ軸（縦軸）には、活性領域に対する発光素子の上部範囲の領域比によって割った、逆角錐台形ＬＥＤ（β＝３５゜）に関する実験による全光束利得（単位はルーメン）が示されている。この領域比は、ウェーハ当たりに得られる素子数に反比例し、従って、ＬＥＤダイの製造コストに正比例する。従って、ｙ軸は、本質的に、全て１０７．７Ａ／ｃｍ²の同じ電流密度で駆動される、対応する従来の素子（垂直側壁）に対する本整形素子の全光束利得対ダイ・コストの比である。ｘ軸は、角錐ＬＥＤの幾何学形状の形状比（上部窓の高さｈ割る活性領域の幅ｗ）である。図８には、素子の形状比の増大につれて減少する通貨単位（ＭＵ）当たりの光束に関する一般的な傾向が例示されている。活性領域幅が固定されている場合、この傾向の示唆するところによれば、ＭＵ当たりの光束については、より薄い上部窓によってより好ましい状況が得られることになる。上部窓は、この応用例の抽出効率要件を満たすのに十分な厚さがなければならない。例えば、従来の素子の場合、光束／コスト比は、１．０である（我々がこうなるように正規化したのだから、明らかである！）。しかし、従来の素子の場合、抽出効率に利得は生じない。また、従来のＬＥＤの製造に関連した引き目損失が無視されたため、ダイ・コストの増大は悪化した。さらに、ダイ・コストは、仕上がったＬＥＤランプのコストのほんの一部でしかないため、ＭＵ当たりの光束状況は、実際には、整形ＬＥＤに関する図８の例示よりも大幅に良好である（数に関して）。適正な発光素子の設計は、ＭＵ当たりの光束と用途毎に異なる必要な最低抽出効率との間で適正なバランスを実現しなければならない。

図９には、先行技術に対する本発明の改良が示されている。ｘ軸は、活性領域に対する発光素子の上部表面範囲の領域比である（≒ダイ・コスト）。ｙ軸は、抽出効率を領域比で割った値であり、本質的に、素子における光出力効率の測度である（ルーメン／アンペア／ＭＵ）。２つのダイヤモンド形状の黒点は、先行技術によるものであり、抽出効率に関する数として、測定外部量子効率（空気中）を利用して示されている（すなわち、これらの素子及びテスト条件に関して妥当な、１００％の内部量子効率を仮定して）。図９における第３のデータ点（正方形黒点及びエラー・バー）は、本発明に対応し、逆角錐台形ＬＥＤ（β＝３５゜、ｈ_T＝８．５ミル、波長６３６ｎｍのＡｌＩｎＧａＰ ＬＥＤ）に関するものである。ＡｌＩｎＧａＰ ＬＥＤの内部量子効率は、１００％未満（当該技術において既知のように）であるため、抽出効率は、同じ材料から、従来の（矩形の平行六面体）ＡｌＩｎＧａＰ ＬＥＤに対する実験による光出力利得に基づいて推定される。この場合、素子の抽出効率は、約１８〜２２％の範囲内であり、設計によれば、領域比が３を超える。この素子が、先行技術の素子に対して効率とコストとの関係改善を示している点に留意されたい。Ａｌｆｅｒｏｖによって解説された素子は、高外部量子効率を示すが、選択された幾何学形状に基づくダイ・コストは度を超えている（９倍以上）。Ｆｒａｎｋｌｉｎ他の素子は、ダイ・コストに関して許容可能な幾何学形状を用いているが、側光抽出の欠如と窓の不十分な透明性に起因する外部量子効率の低さが不利である。本教示の範囲内の素子設計によれば、効率とコストの関係が大幅に改善されるので、多くの用途に本ＬＥＤが利用されることになるのは明らかである。

図１０には、もう１つの実施例の素子１００の側面図が示されている。整形側壁には、光が素子の側部表面から抜け出すのを阻止し、光が上部表面から出るのを促進するため、金属または誘電体またはそれらのある組み合わせとすることが可能な、反射率の高い薄膜のコーティングが施されている。全ての光が単一の平坦な表面から放出されるので、パッケージング方式に関する最適な設計はより単純である。該光学パッケージは、向きを直されることになる逆方向に進む光がないので、ＬＥＤのための反射率の高い実装表面を必要としない。さらに、反射性薄膜コーティングの一部を素子に対する電気オーム性接触部の１つとすることにより、素子の上部表面における上部接触部に対するワイヤ・ボンディング接続を排除することも可能である。これによって、ワイヤ・ボンディングに関連した信頼性の問題が軽減され、製造プロセスからワイヤ・ボンディング・ステップが除去され、素子内の光の上部接触部による吸蔵が排除される。この接触方式には、反射率を高くするため、後で誘電体または金属層によってカバーされることになる、オーム性接触部としての透明なＩＴＯを含むことが可能である。代替案として、当該技術において既知のように、あるいは、Ｄｒｉｓｃｏｌｌ他によるＨａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９７８），ｓｅｃｔｉｏｎ ８．１−８．１２４に開示のように、整形側部表面に、一般には、誘電体（例えば、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ａｌ₂Ｏ₃）薄膜、または、誘電体薄膜の多層スタックの反射性コーティングを施すことも可能である。

図１１には、ｐ−ｎ接合の両側に対する電気接触部が、素子の底部実装表面に形成される、もう１つの望ましい実施例が示されている。上部接触部による光の遮蔽がなく、パッケージ素子に電流経路を形成するためのワイヤ・ボンディングの必要がない。接触部の幾何学形状及び電流拡散によって、活性層に対する適度に均一な注入が実現する。上部窓層を通る伝導経路が必要とされないので、上部窓層のドーピングは不要である。この層は、半導体である必要はなく、エピタキシャル層に取り付けることによって、素子の活性領域から光を抽出するための光学界面を形成することが可能になる、任意の透明材料とすることが可能である。

以上、本発明の実施例につき説明したが、本発明の多様な実施に資するため下記に本発明の実施態様を例示する。
（実施態様１）
半導体発光素子であって、
第１の側部を備えた多層ヘテロ構造と、
活性素子領域を形成する、多層ヘテロ構造内のｐ−ｎ接合（１１）と、
ｐ−ｎ接合に電気的に接続する金属接点（１４、１５）と、
上部素子領域、及び、多層ヘテロ構造に対して斜角をなす連続側部表面を備えた、第１の側部に接する一次透明窓とが含まれている、
半導体発光素子。
（実施態様２）
ｐ−ｎ接合領域の活性素子領域が１５０平方ミルを超えることを特徴とする、実施態様１に記載の半導体発光素子。

（実施態様３）
一次透明窓（１２）層の厚さが５０〜２５０μｍであることを特徴とする、実施態様１に記載の半導体発光素子。
（実施態様４）
斜角が２０〜５０度であることを特徴とする、実施態様１に記載の半導体発光素子。
（実施態様５）
上部素子領域が、正方形、円、及び、三角形を含むグループから選択されることを特徴とする、実施態様１に記載の半導体発光素子。
（実施態様６）
上部素子領域対活性素子領域の比が、３未満であることを特徴とする、実施態様１に記載の半導体発光ダイオード。
（実施態様７）
一次透明窓（１２）が基板であることを特徴とする、実施態様１に記載の半導体発光素子。

（実施態様８）
さらに、多層ヘテロ構造の第２の側部に接する二次透明窓（１３）が含まれていることと、第２の側部が第１の側部に対して平行であることを特徴とする、実施態様１に記載の半導体発光素子。
（実施態様９）
さらに、角度平均反射率が５０％を超える、二次透明窓に取り付けられたリフレクタが含まれていることを特徴とする、実施態様８に記載の半導体発光素子。
（実施態様１０）
二次透明窓（１３）の厚さが５０〜２５０μｍであることを特徴とする、実施態様８に記載の半導体発光素子。

（実施態様１１）
さらに、一次透明窓内の反射率が８０％を超えるように側部表面に設けられた高反射性金属が含まれていることを特徴とする、実施態様１に記載の半導体発光素子。
（実施態様１２）
さらに、一次透明窓の底面に配置された１つ以上の電気接点（１４、１５）が含まれていることを特徴とする、実施態様１に記載の半導体発光素子。
（実施態様１３）
さらに、角度平均反射率が５０％を超える、ヘテロ構造の第２の側部に取り付けられたリフレクタが含まれていることを特徴とする、実施態様１に記載の半導体発光素子。

（実施態様１４）
半導体発光素子であって、
第１の側部を備えた多層ヘテロ構造と、
活性素子領域を形成する、多層ヘテロ構造内のｐ−ｎ接合（１１）と、
ｐ−ｎ接合に電気的に接続する金属接点（１４、１５）と、
上部素子領域、及び、多層ヘテロ構造に対して斜角をなす連続側部表面を備えた、第１の側部に接する一次透明窓（１２）が含まれており、
活性素子領域対上部素子領域の比として定義される領域歩留まりを所定値としたことを特徴とする半導体発光素子。
（実施態様１５）
領域歩留まりが３３％を超えることを特徴とする、実施態様１４に記載の半導体発光素子。
（実施態様１６）
一次窓（１２）の厚さが２５０μｍ未満であることを特徴とする、実施態様１５に記載の半導体発光素子。

（実施態様１７）
斜角が５０゜未満であることを特徴とする、実施態様１５に記載の半導体発光素子。
（実施態様１８）
金属接点の少なくとも１つの固有接触抵抗が５×１０^-5オーム-ｃｍ²未満であることを特徴とする、実施態様１に記載の半導体発光素子。
（実施態様１９）
半導体発光素子の製造方法であって、
ｐ−ｎ接合領域を備え、第１の側部を有する多層ヘテロ構造を作製するステップと、
第１の側部に一次透明窓を取り付けるステップと、
ｐ−ｎ接合と電気的に接触するステップと、
一次窓の側部表面に整形を施して、側部表面が連続し、多層ヘテロ構造に対して斜角をなすようにすることによって、上部素子領域を形成するステップが含まれている、
方法。

（実施態様２０）
一次透明窓の取り付けステップが、ウェーハ・ボンディング・ステップ及びエピタキシャル成長ステップを含むグループから選択されることを特徴とする、実施態様１９に記載の方法。
（実施態様２１）
さらに、二次透明窓を多層ヘテロ構造の第２の側部に取り付けるステップが含まれることと、第２の側部が第１の側部に対して平行であることを特徴とする、実施態様１９に記載の方法。
（実施態様２２）
二次透明窓の取り付けステップが、ウェーハ・ボンディング・ステップ及びエピタキシャル成長ステップを含むグループから選択されることを特徴とする、実施態様２１に記載の方法。

従来の発光素子における光路を表したＬＥＤの概略図である。 本発明の望ましい実施例の発光素子の側面図である。 望ましい実施例の発光素子からの光抽出利得を示す図である。 実験による望ましい実施例の発光素子からのもう１つの光抽出利得を示す図である。 望ましい実施例の発光素子の平面図である。 代替実施例の発光素子の平面図である。 望ましい実施例の発光素子における領域歩留まりの増大方法を示す図である。 いくつかの実施例の発光素子における光束利得とダイ・コストの関係を示す図である。 先行技術による発光素子対する望ましい実施例の発光素子の利点を示すための図である。 もう１つの実施例の発光素子の側面図である。 同じ表面配向をなすｐ電気接触部とｎ電気接触部の両方を備えた代替実施例の発光素子を示す図である。

符号の説明

１１ 活性領域
１２ 透明基板
１３ 底部窓層
１４ オーム性接触部
１５ オーム性接触部
１６ 側壁
１７ 上部表面
１８ 光線
１９ 光線

Claims (1)

1. 第１の側部を備えた多層ヘテロ構造と、
   活性素子領域を形成する、多層ヘテロ構造内のｐ−ｎ接合（１１）と、
   ｐ−ｎ接合に電気的に接続する金属接点（１４、１５）と、
   上部素子領域、及び、多層ヘテロ構造に対して斜角をなす連続側部表面を備えた、第１の側部に接する一次透明窓と、
   が含まれている半導体発光素子。

Images