JP2008536294A - パターニングされた基板上の成長による単色またはマルチカラーの高性能な発光ダイオード（ｌｅｄ） - Google Patents

Abstract

高い抽出効率を有する単色またはマルチカラーの発光ダイオード（ＬＥＤ）は、基板と、基板上に形成されたバッファ層と、バッファ層の上部に堆積された１つ以上のパターニングされた層と、パターニングされた層の上または層の間に形成された１つ以上のアクティブ層から構成される。上記発光ダイオードは、例えば、横方向エピタキシャル成長（ＬＥＯ）によるものであり、１つ以上の発光種（例えば、量子井戸）を含む。パターニングされた層は、パターニングされ穿孔または貫通されたマスク（絶縁材料または半導性材料または金属材料から構成されている）と、マスク内のホールを充填する材料とを備えている。パターニングされた層は、アクティブ層との屈折率のコントラストに起因して光閉じ込め層として機能し、かつ／またはマスクと上記マスク内のホールを充填する材料との間の屈折率の変化に起因して埋め込み回折格子として機能する。

Description

（関連出願の引用）
本出願は、同一出願人による以下の同時継続出願の優先権を主張する：
米国特許出願第１１／０６７，９１０号、２００５年２月２８日出願、Ｃｌａｕｄｅ Ｃ．Ａ．Ｗｅｉｓｂｕｃｈ、Ａｕｒｅｌｉｅｎ Ｊ．Ｆ．Ｄａｖｉｄ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、およびＳｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、題名「ＳＩＮＧＬＥ ＯＲ ＭＵＬＴＩ−ＣＯＬＯＲ ＨＩＧＨ ＥＦＦＩＣＩＥＮＣＹ ＬＩＧＨＴ ＥＭＩＴＴＩＮＧ ＤＩＯＤＥ（ＬＥＤ） ＢＹ ＧＲＯＷＴＨ ＯＶＥＲ Ａ ＰＡＴＴＥＲＮＥＤ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥ」、代理人管理番号第３０７９４．１２２−ＵＳ−０１（２００４−１４５−１）号
上記出願は、参考のために本明細書に援用される。

本出願はまた、同一出願人による以下の同時継続出願にも関連する：
米国特許出願第１０／９３８，７０４号、２００４年９月１０日出願、Ｃａｒｏｌｅ Ｓｃｈｗａｃｈ、Ｃｌａｕｄｅ Ｃ．Ａ．Ｗｅｉｓｂｕｃｈ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｈｅｎｒｉ Ｂｅｎｉｓｔｙ、およびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ、題名「ＷＨＩＴＥ、ＳＩＮＧＬＥ ＯＲ ＭＵＬＴＩ−ＣＯＬＯＲ ＬＩＧＨＴ ＥＭＩＴＴＩＮＧ ＤＩＯＤＥＳ ＢＹ ＲＥＣＹＣＬＩＮＧ ＧＵＩＤＥＤ ＭＯＤＥＳ」、代理人管理番号第３０７９４．１１５−ＵＳ−０１（２００４−０６４−１）号、
米国特許出願第１１／０６７，９５７号、２００５年２月２８日出願、Ｃｌａｕｄｅ Ｃ．Ａ．Ｗｅｉｓｂｕｃｈ、Ａｕｒｅｌｉｅｎ Ｊ．Ｆ．Ｄａｖｉｄ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、およびＳｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、題名「ＨＯＲＩＺＯＮＴＡＬ ＥＭＩＴＴＩＮＧ、ＶＥＲＴＩＣＡＬ ＥＭＩＴＴＩＮＧ、ＢＥＡＭ ＳＨＡＰＥＤ、ＤＩＳＴＲＩＢＵＴＥＤ ＦＥＥＤＢＡＣＫ（ＤＦＢ） ＬＡＳＥＲＳ ＢＹ ＧＲＯＷＴＨ ＯＶＥＲ Ａ ＰＡＴＴＥＲＮＥＤ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥ」、代理人管理番号第３０７９４．１２１−ＵＳ−０１（２００５−１４４−１）号；ならびに
米国特許出願第１１／０６７，９５６号、２００５年２月２８日出願、Ｃｌａｕｄｅ Ｃ．Ａ．Ｗｅｉｓｂｕｃｈ、Ａｕｒｅｌｉｅｎ Ｊ．Ｆ．Ｄａｖｉｄ、およびＳｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、題名「ＨＩＧＨ ＥＦＦＩＣＩＥＣＹ ＬＩＧＨＴ ＥＭＩＴＴＩＮＧ ＤＩＯＤＥ（ＬＥＤ） ＷＩＴＨ ＯＰＴＩＭＩＺＥＤ ＰＨＯＴＯＮＩＣ ＣＲＹＳＴＡＬ ＥＸＴＲＡＣＴＯＲ」、代理人管理番号第３０７９４．１２６−ＵＳ−０１（２００５−１９８−１）号
上記出願は、参考のために本明細書に援用される。

（委託研究開発に関する陳述）
本発明は、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ、Ｓａｎｔａ Ｂａｒｂａｒａ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｌｉｇｈｔｉｎｇ ａｎｄ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｃｅｎｔｅｒのメンバーカンパニーからの支援のもとでなされたものであり、上記メンバーカンパニーは、Ｓｔａｎｌｅｙ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏ．、Ｌｔｄ．、Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｒｐ．、Ｒｏｈｍ Ｃｏ．、Ｌｔｄ．、Ｃｒｅｅ、Ｉｎｃ．、Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗｏｒｋｓ、Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｏ．、およびＳｅｏｕｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｃｏ．、Ｌｔｄを含む。

（本発明の背景）
（１．本発明の分野）
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）に関し、より詳細には、パターニングされた基板上の成長による単色またはマルチカラーのＬＥＤに関する。

（２．関連技術の記載）
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、順方向に電気的にバイアスされたときに、誘導放出するように光を放出する半導体デバイスである。この効果は、エレクトロルミネセンスの一形態である。

ＬＥＤは、不純物で含浸またはドープされた半導性材料のチップから構成され、ｐｎ接合と称される構造を形成する。順方向にバイアスされると、ｎ領域から接合に電子が射出され、ｐ領域からはホールが射出される。電子およびホールは、それらが再結合する際に、光子の形態で、エネルギーを解放する。光の波長、そしてその色は、ｐｎ接合を形成する材料のバンドギャップエネルギーに依存する。

半導体材料が改良されるにつれて、半導体デバイスの効率もまた改良されてきており、新しい波長範囲もまた、用いられるようになった。窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースの発光体は、おそらく、様々な用途に対して最も有望である。ＧａＮは、例えば、可変濃度のインジウム（Ｉｎ）と混合されたときに、紫外線（ＵＶ）から黄色スペクトルまでの効率的な照射を提供する。

不都合にも、半導体ＬＥＤ材料内で発光された光は、半導体−空気の界面における全内反射が原因で、ほとんどが損失する。典型的な半導体材料は、高い屈折率を有しているので、Ｓｎｅｌｌの法則にしたがうと、光のほとんどは、材料内に捕獲され得、その結果、効率が低減される。ＬＥＤに対して適切な幾何学的配置を選択することにより、高い抽出効率が達成され得る。

図１は、同質な発光材料１０の断面図を示しており、これは、材料１４内部で発光された光の一部１２が、エスケープコーン１６内に存在し、材料１０から逃げ得る一方で、発光された光の大部分１８が、材料１０内に捕獲され、反射されることを示している。この状況において、反射された光１８は、導波光モード（ｇｕｉｄｅｄ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｅ）または導波モード（ｇｕｉｄｅｄ ｍｏｄｅ）と称される。なぜならば、この光１８は、デバイス１０内に閉じ込められ、材料１０内において横方向にガイドされるからである。

全内反射の影響を低減させるための１つの方法は、デバイスの表面のランダムなテクスチャを介して光の散乱または再分配を形成することであり、これは、デバイスの半導体−空気の界面における、複数の可変角度の入射を引き起こす。このアプローチは、高い内部効率と低い内部損失の結果として、発光効率を９〜３０％向上させることが示されており、これは、光がデバイスから逃げる前に多数の光の経路を与える。

図２は、このコンセプトを示す半導体ＬＥＤ２０の断面図であり、ＬＥＤ２０の上面２２は、テクスチャ加工されており、ＬＥＤ２０の底面２４は、反射体を備えており、空気は、屈折率ｎ＝１を有しており、ＬＥＤ２０の半導体材料は、屈折率ｎ＝３．５を有している。ＬＥＤ２０のテクスチャ加工された上面２２は、幾何光学的アプローチで光の軌道をランダム化するために用いられる。

捕獲される光の割合を低減させるための別の方法は、共振キャビティＬＥＤ（ＲＣＬＥＤ）またはマイクロキャビティＬＥＤ（ＭＣＬＥＤ）を用いることである。ＭＣＬＥＤは、「伝統的な」ＬＥＤを用いる既存のシステムよりも高い効率を有する固体発光システムを形成する機会を提供する。共振キャビティ内に利得媒体を組み込む結果として、ＭＣＬＥＤは、非常にコンパクトで指向性の光線を発光する。これらのデバイスの比較的高い抽出効率と比較的強い明るさは、従来のＬＥＤに対するこれらの技術の主要な利点である。

抽出効率とは、特定のシステムによって生成された光子が「有用」な照射としてシステムから実際に出る能力を意味する。しかしながら、マイクロキャビティ構造はまた、導波モードおよび漏れモードへの非常に有効な放出にもつながるので、この比較的高い抽出効率は、４０％の範囲に制限される。したがって、これらの導波モードが抽出され得るならば、有用であり得る。

上述のように、導波モードは、構造層の間の屈折率の違いに起因してデバイス平面内に導かれるモードである。漏れモードは、層を介して、空気または基板へと放射される。漏れモードは、それらのエネルギーが様々な損失機構（例えば、金属ミラー損失、自由キャリア吸収、アクティブ層による再吸収等）によって消散されるまでに、通常、界面において複数の全内反射を経て、デバイス内であちらこちらに動く際に、損失する。

図３は、放射モード、導波モード、漏れモードを示す半導体ＬＥＤ２６の断面図であり、ＬＥＤ２６は、基板２８、バッファ層３０、およびアクティブ層３２を含んでおり、上記アクティブ層は、量子井戸（ＱＷ）３４を含んでいる。放出された光の一部は、空気に向けて抽出３６され、放射モード３６を形成し、放出された光の一部は、デバイス２６の様々な層を介することにより、基板２８に漏れ３８、漏れモード３８を形成し、放出された光の一部は、アクティブ層３２（またはアクティブ層３２およびバッファ層３０の両方）において反射され４０、導波モード４０を形成する。

高性能なＬＥＤを得るためには、構造の外への光の放射３６を最適化し、漏れモード３８および導波モード４０の放出を最小化し、そして出来る限り、導波モードの放出４０を再放出し、さらには漏れモード３８の放出の一部を再放出することが必要である。本発明は、容易に製造可能な構造により、この目的を満たすことを目標としている。

図４Ａ〜図４Ｂおよび図５Ａ〜図５Ｂは、マイクロキャビティ放出の構造（図４Ａおよび図５Ａ）およびシミュレーション（図４Ｂおよび図５Ｂ）を、窒化ガリウム（ＧａＮ）材料システムにおける、底部の金属または分布型ブラッグ反射体（ＤＢＲ）ミラーと、上部における空気との単一の界面とによって、示している。図４Ｂおよび図５Ｂは、半導体内部の対数目盛りの角放出図（ａｎｇｕｌａｒ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｄｉａｇｒａｍ）であり、図４Ｂは、図４Ａの構造の放出を示しており、図５Ｂは、図５Ａの構造の放出を示している。図４Ｂおよび図５Ｂの両方に対し、図の左半分は、ＴＭ（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ）放出を示しており、右半分は、ＴＥ（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ）偏向放出を示している。平面内のモノクロのダイポールのみが仮定されている。

図４Ａにおいて、構造は、金属ミラー４２およびアクティブ層４４を含んでおり、上記アクティブ層は、量子井戸４６を含んでおり、上記構造は、３λ／４のキャビティであり、量子井戸４６は、金属ミラー４２のλ／４（４８）に配置されている。図４Ｂにおいて、矢印５０は、空気に向けての放出を示しており、その一方で、矢印５２は、基板に向けての放出を示している。また、図４Ｂにおいて、ブレース３６は、抽出された光を示しており、ブレース４０は、導波モードを示している。

図５Ａにおいて、構造は、バッファ５４、７周期ＤＢＲミラー５６、およびアクティブ層５８を含んでおり、上記アクティブ層は、量子井戸６０を含んでいる。ここで、構造は、λのキャビティであり、量子井戸６０は、７周期ＤＢＲミラー５６のλ／２（６２）に配置されている。図５Ｂにおいて、矢印６４は、空気に向けての放出を示しており、その一方で、矢印６６は、基板に向けての放出を示している。また、図５Ｂにおいて、ブレース３６は、抽出された光を示しており、ブレース３８は、漏れモードを示しており、ブレース４０は、導波モードを示している。

これらの構造からの抽出効率は、それぞれ、図４Ａにおいて、空中で３１％および２４％であり、図５Ａにおいて、エポキシ内で４４％および２７％である。

ＬＥＤのマイクロキャビティ抽出に関し、大幅な改善を得ようと試みるときに、ほとんどの材料システムでは、困難に直面する。図４Ｂおよび図５Ｂは、放出図を示しており、最適化されたＧａＮマイクロキャビティＬＥＤの期待される効率がこれらから抽出されるが、以下の問題点を示している：
（ｉ）エピタキシャルに成長された材料に対する屈折率コントラストは、特に、非常に重要な窒化物材料に対し、かなり制限されている。これは、図５ＡのＤＢＲミラー５６の構造において多数の漏れモードへの放出が見られるからであり、これは、図５ＡのＤＢＲミラー５６の構造の効率を、図４Ａの金属ミラー４２の効率よりも低くする。
（ｉｉ）表示された効率は、非常に薄い構造が考えられ、下位キャビティ（以下では、参照番号１０で記載されている）をもたらすからこそ可能である。そのような薄いアクティブ層を得ることは、困難である。例えば、通常は、アクティブ層のための良い品質の材料を成長させる前に、窒化物の薄い（数ミクロンの）バッファ層を基板上に成長させる必要がある。窒化物材料（バッファ層およびアクティブ層）を基板からリフトオフすることは、既にデリケートな操作であるが、それに加え、図４Ａに示されている薄い金属ミラー構造の優れた性能をもたらし得る良好な金属ミラーによって囲まれた薄い層を得ることが（すなわちバッファ層の一部または全部をさらに除去することが）、極めて困難だからである。

したがって、当該技術においては、増大された光抽出効率を提供する改良されたＬＥＤ構造を提供することに対する必要性が存在する。加えて、当該技術においては、構造の外への直接または放射モードの放出を最適化し、漏れモード放出を最小化し、導波モード放出を再放出する、改良されたＬＥＤ構造に対する必要性が存在する。さらに、そのような改良されたＬＥＤを提供する一方で、そのような構造を容易に製造できるようにするために、平面状の構造を維持することに対する必要性が存在する。本発明は、これらの必要性を満たす。

（本発明の概要）
本発明は、高い抽出効率を有する単色またはマルチカラーの発光ダイオード（ＬＥＤ）を開示し、上記発光ダイオードは、基板、基板上に成長されたバッファ層、バッファ層の上部に堆積されたパターニングされた層、パターニングされた層の上に形成されたアクティブ層から構成され、例えば、横方向エピタキシャル成長（ＬＥＯ；Ｌａｔｅｒａｌ Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）によるものであり、１つ以上の発光種を含む。パターニングされた層は、パターニングされ穿孔または貫通されたマスク（絶縁材料または半導性材料または金属材料から構成されている）と、マスク内のホールを充填する材料とを備えている。パターニングされた層は、アクティブ層との屈折率の差、および／またはマスクとマスク内のホールを充填する材料との間の屈折率の変化に起因して、光閉じ込め層としてと、埋め込み回折格子としてとの両方で機能する。このようにして、放出モードおよび導波モードへのアクティブ層の放出を制御し、その後これらは、抽出される。

（本発明の詳細な説明）
好適な実施形態に関する以下の記載では、本明細書の一部を形成する添付の図面に対する参照がなされる。図中では、例示のために、本発明が実施され得る特定の実施形態が示されている。その他の実施形態もまた用いられ得、本発明の範囲から逸れることなしに、構造の変更がなされ得ることが、理解されるべきである。

（概説）
本発明は、新しいＬＥＤ構造を記載し、上記新しいＬＥＤ構造は、平面状の構造を維持しながらも、増加された光抽出効率を提供する。平面状の構造は、新しいＬＥＤが低コストで製造されることを可能にする。

好適には、上記構造は、基板、上記基板上に成長されたバッファ層、バッファ層上に
堆積されたパターニングされた層、パターニングされた層の上に形成された１つ以上の発光種（そのうちの一部は電流注入される）を含んでいるアクティブ層を備えており、例えば、横方向エピタキシャル成長（ＬＥＯ）によるものである。パターニングされた層は、パターニングされたマスク（絶縁性材料、半導性材料、または金属材料から構成される）と、マスク内のホールを充填する材料とを備えている。構造の上部には、単一の界面、または幾何学的構造（例えばエポキシドーム）、またはＤＢＲミラー、または金属ミラーのいずれかが存在する。

アクティブ層とパターニングされた層との間の屈折率の差が大きいことに起因して、アクティブ層における種の放出パターンは、変化され得、例えば、導光モード、放射モード、または漏れモードにおいて放出される光の相対的な量を増加または減少させる。マスクと上記マスク内のホールを充填する材料との間の屈折率の変化に起因して、パターニングされた層は、回折格子として機能し得、それにより、導波光がＬＥＤの外で放出されることを可能にする。

（技術的記載）
図６Ａは、デバイス６８の断面側面図であり、図６Ｂは、デバイス６８の水平断面図である。上記デバイスは、ＧａＮから構成された３００ｎｍのアクティブ層７０を有しており、上記アクティブ層は、ＳｉＯ_２から構成されたパターニングまたは貫通または穿孔されたマスク７４を含む３００ｎｍのパターニングされた層７２の上に形成されている。上記マスクは、ＧａＮから構成された５ミクロンのバッファ層７６の上に堆積されており、上記バッファ層は、サファイアから構成された基板７８の上に成長されている。パターニングされた層７２は、主要なコンポーネントとしてＳｉＯ_２のマスク７４を用いており、放射モードおよび導波モードへのアクティブ層７０の放出を制御する。このようにして、デバイス６８は、パターニングされた層７２の特定の設計を要求し、正確に成長された例えば量子井戸（ＱＷ）のような発光種８０を含む薄いアクティブ層７０を要求する。最大の効率が必要とされる場合、これらの発光種８０は、アクティブ層７０内に最適に配置され得る。

そのような構造の直接的な利点は、成長マスクとしてパターニングされた層を用いることにより、アクティブ層がＬＥＯによって成長される場合に、成長材料が、優れた光電性能を有するものになり得るということである（ＬＥＯ成長に関する従来の研究から公知である）。図７は、ＧａＮ材料から構成されたＬＥＯ成長されたマイクロキャビティＬＥＤの放出特性の簡略化されたシミュレーションを示している。３００ｎｍの薄いパターニングされた層は、表面の５０％をカバーするパターニングされたＳｉＯ_２のマスクと、マスク内のホールを充填するＧａＮとから構成されている。そして、公知な指標を用いることにより、空中に放出される光の一部、導光モードまたは漏れモードは、アクティブ層の厚さと、アクティブ層に配置された発光体（すなわち、ＱＷ）との関数として、計算され得る。簡略化されたシミュレーションは、そのような構造の上手く制御された放出特性を示している：光の１５〜２０％のみが漏れモードで放出されるが、このことは光の少なくとも８０％が回収され得ることを意味している。

図７にはまた、相対的な全放出率（ｒｅｌａｔｉｖｅ ｔｏｔａｌ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｒａｔｅ；パーセル効果）が示されている。効率およびパーセル効果は、ＳｉＯ_２の上部の上のＧａＮ層の厚さ（横軸）と、ＳｉＯ_２層の上部に対するその層における放出量子井戸の相対的な位置（縦軸）とを対照して、グレースケールとしてプロットされている。

光のほとんどが直接的または導波モードで放出される（すなわち、漏れモードが１５％未満である）場所に、領域が見出され得（すなわち、層の厚さが２７０ｎｍ、ＱＷがその値の７０％に位置する）、直接抽出効率は、導波モードにおける発光の３０％から５５％の範囲にある。

図８は、回折による導波モードの抽出を示しており、回折格子としてパターニングされた層７２を用いている。シミュレーションは、８０％範囲の抽出効率が可能であるということを示している。パターニングされたマスク内のホールのパターンおよびサイズに依存して、さらにはデバイス構造の上部または底部に配置される金属ミラーの使用にもまた依存して、デバイスの上部または底部に、放出が発生し得る。

パターニングされた層７２のマスク７４におけるパターン、穿孔、または貫通に関し、様々な幾何学的形状が用いられ得る。最も単純な幾何学的形状は、正方形または長方形の配列（例えば、いわゆる周期的なフォトニッククリスタル）であり、それぞれは、図９において、８２および８４として示されている。図９において８６として示されているアルキメデスタイリングのような、より複雑な幾何学的形状もまた、より効率的な光抽出をもたらし得る。最後に、波長に近い特性相関長（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｌｅｎｇｔｈ）を有し得るいくぶんランダムなパターンもまた、効率的な光散乱体として機能し得る。

薄膜マイクロキャビティの幾何学的形状でパターニングされた層７２の上での成長に関するコンセプトについて、多くの可能なインプリメンテーションが存在する。例えば、図１０に示されているように、２つのパターニングされた層７２、２つのマスク７４、および２つのＬＥＯ成長が、アクティブ層７０の材料品質を向上させるために用いられ得る。
パターニングされた層７２の回折によってマイクロキャビティ効果および抽出特性を保持するために、薄い成長（典型的には、２００〜１０００ｎｍの厚さ）において、出来る限り良い材料を取得することに対する挑戦が存在する。

金属または誘電性のミラーが、パターニングされた層７２の上または下に（例えば、構造の上部、パターニングされた層７２の下、または基板７８の下に）配置され得、所望の方向の放出を向上または低減させ、漏れモードに放出された光の一部を基板７８に向けて抽出する。

パターニングされた層７２のマスク７４は、絶縁性材料、半導性材料、または金属材料から構成され得る。パターニングされた層７２のマスク７４の屈折率が、アクティブ層７０の屈折率、および／またはマスク７４内のホールを充填する材料の屈折率から、十分に異なっていることが、要求される。

図１１は、デバイスの断面側面図であり、アクティブ層７０における２つの発光種８０Ａ、８０Ｂ（すなわち、量子井戸）は、異なる波長で放出しており、パターニングされた層７２におけるマスク７４の２つのパターン８８Ａおよび８８Ｂは、導波を放射モード９０Ａおよび９０Ｂに変換している。ここで、９０Ａは８０Ａに関連しており、９０Ｂは８０Ｂに関連している。このようにして、異なる周期を有する、パターニングされた層７２のマスク７４における異なるパターン８８Ａ、８８Ｂは、回折によって様々な波長で９０Ａ、９０Ｂを抽出するために、用いられ得る。パターニングされた層７２におけるマスク７４のその他のパラメータは、空間的に変化され得（例えば、ホールの形状、マスク７４および／またはパターニングされた層７２のサイズまたは深さまたは厚さ）、結果として、構造の異なる領域におけるパターニングされた層７２のマスク７４に関し、異なる性質を有することができる。

さらに、追加的なアクティブな光励起された領域が用いられ得、導波モードを再利用することにより、別の周波数で導波モードの一部を再放出する。例えば、そのような構造は、第１の量子井戸８０の層が青色の波長で放出し、第２の量子井戸８０の層が黄色の波長で放出する場合に、白色光を生成するために用いられ得る。追加的なアクティブ領域は、任意の種類の量子井戸のうちのいずれかであり得、ＩｎＧａＮ（Ｚｎ：Ｓｉ）、複数の量子ドット、複数の蛍光体、色素、重合体、または微粒子を含む。発光種の一部または全部は、電流注入され得る。

別のアーキテクチャは、ＬＥＤ構造の周辺で分離した放出ゾーンと抽出ゾーンとを有しているＬＥＤを提供する。図１２は、ＬＥＤ９２の断面側面図であり、分離した放出領域９４と回折領域９６，９８とを有している。

本発明の変形は、上部における金属ミラーを含み得、上記ミラーは、放出が発生する基板を保持する。あるいは、基板のリフトオフ技術を用いるときには、基板を用いない。図１３は、ＬＥＤ１００の断面側面図であり、分離した放出領域１０４と回折領域１０４，１０６とを有している。ここで、ＬＥＤ１００は、基板を含んでいないが、金属の裏面接触１０８を有している。

本発明はまた、非常に指向性が高い光源としても機能し得、放出は主に、導波モードの構造の適切な調整により、特定の方向で発生し、その結果、指向性ＬＥＤを生成する。上記構造の設計が正しい場合、わずか数個の（理想的には１つの）導波モードが励起され、その後、回折格子によって抽出される。この場合では、各導波モードは正しく定義された角度（これは、回折格子のパラメータを調整することによって選択される）で回折されるので、狭い範囲の方向で発光が発生する。

図１４は、ＬＥＤ１１０の断面側面図を示しており、分離した放出領域１１２と回折領域１１４，１１６とを有している。ここで、ＬＥＤ１１０は、上部の金属ミラー１１８と、底部の粗くされた表面１２０とを含んでおり、不規則的に補助された抽出を提供する。漏れモードを抽出するために、デバイス１１０の裏面の粗くされた表面１２０が用いられ得る。粗くされた表面１２０は、裏面全体または裏面の一部を（例えば、その周辺において）含んでいる。

窒化物ＬＥＤに関連して記載されてきたが、この高性能のＬＥＤの枠組みは、そのような製造技術を受け入れる任意の材料に適用され得る：それは、半導体であり得るが、重合体または有機分子でもあり得る。後者の場合、幅広い発光種が使用されると仮定すると、適切な回折周期を有する特定の回折領域を用いることにより、高性能の白色発光を予見することができ、所与の色の光を放出することができる（さらに、その他の色に対し、キャビティを反共振にすることにより、それらの色での直接放出を抑制することもできる）。あるいは、単色の放出格子を局所アドレス指定に関連付けることにより、単一の重合体を混合したフルカラーディスプレイを得ることができる。

図１５は、本発明の好適な実施形態にしたがう、ＬＥＤの断面側面図であり、２つのアクティブ領域１２２および１２４が、パターニングされた層１２６，１２８および１３０の間に配置されている。これらの場合、分離した導波モード１３２および１３４が、各アクティブ領域１２２および１２４内に存在し、その結果、パターニングされた層１２６，１２８および１３０は、モード１３２および１３４の一部で優先的に機能し得る。これは、例えば、２つのアクティブ領域１２２および１２４の発光種が異なる波長を放出する（例えば、この場合では格子が各波長に対して最適化される）場合に、有用であり得る。

最後に、図１６は、本発明の好適な実施形態にしたがって実行される、製造ステップを示すフローチャートである。

ブロック１３６は、基板上にバッファ層を成長させるステップを示しており、上記バッファ層は、ＧａＮベースの材料である。

ブロック１３８は、ＬＥＯを用いてバッファ層の上部に１つ以上のパターニングされた層を成長させるステップを示しており、各パターニングされた層は、マスクと該マスク内のホールを充填する材料とを含んでいる。好適には、上記マスクは、絶縁性材料、半導性材料、または金属材料から構成され、マスク内のホールを充填する材料は、ＬＥＯによって成長されたＧａＮベースの材料を含んでいる。パターニングされた層は、アクティブ層との屈折率のコントラストに起因して、光閉じ込め層として機能するか、あるいはマスクと上記マスク内のホールを充填する材料との間の屈折率の変化に起因して、埋め込み回折格子として機能する。パターニングされた層において、異なるパターンが用いられ、回折によって異なる波長を抽出するか、あるいは回折の方向を変化させる。

ブロック１４０は、パターニングされた層の上またはパターニングされた層の間に、１つ以上のアクティブ層を形成するステップを示しており、上記アクティブ層は、ＧａＮベースの材料であり、１つ以上の発光種を含んでいる。好適には、アクティブ層は、ＬＥＯによって成長される。

これらのステップの最終結果は、ＬＥＤ（アクティブ層との屈折率のコントラストに起因して、光閉じ込め層として機能し、かつ／またはマスクと上記マスク内のホールを充填する材料との間の屈折率の変化に起因して、埋め込み回折格子として機能する）である。

（文献）
以下の文献は、参考のために本明細書に援用される。

１．米国特許第６，５３８，３７１号、２００３年３月２５日公布、Ｄｕｇｇａｌ他、題名「Ｗｈｉｔｅ ｌｉｇｈｔ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｃｏｌｏｒ ｏｕｐｕｔ」
２．米国特許第６，５２５，４６４号、２００３年２月２５日公布、Ｃｈｉｎ、題名「Ｓｔａｃｋｅｄ ｌｉｇｈｔ−ｍｉｘｉｎｇ ＬＥＤ」
３．米国特許第６，５０４，１８０号、２００３年１月７日公布、Ｈｅｒｅｍａｎｓ他、題名「Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｘｔｕｒｅｄ ｈｉｇｈ−ｅｆｆｅｃｉｅｎｃｙ ｒａｄｉａｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ ｄｅｖｉｃｅｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｔｈｅｒｅｆｒｏｍ」
４．米国特許第６，１６３，０３８号、２０００年１２月１９日公布、Ｃｈｅｎ他、題名「Ｗｈｉｔｅ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓａｍｅ」
５．米国特許第５，７７９，９２４号、１９９８年７月１４日公布、Ｋｒａｍｅｓ他、題名「Ｏｒｄｅｒｅｄ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｔｅｘｔｕｒｉｎｇ ｆｏｒ ａ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ」
６．米国特許第５，３６２，９７７号、１９９４年１１月８日公布、Ｈｕｎｔ他、題名「Ｓｉｎｇｌｅ ｍｉｒｒｏｒ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ ｗｉｔｈ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ」
７．米国特許第５，２２６，０５３号、１９９３年７月６日公布、Ｃｈｏ他、題名「Ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ」
８．Ｓｈｎｉｔｚｅｒ他、「３０％ Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｆｒｏｍ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｔｅｘｔｕｒｅｄ、Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ６３、ｐｐ．２１７４−２１７６、１９９３
９．Ｍ．Ｂｏｒｏｄｉｔｓｋｙ、Ｅ．Ｙａｂｌｏｎｏｖｔｉｃｈ、「Ｌｉｇｈｔ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｆｒｏｍ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＳＰＩＥ−Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、ＳＰＩＥ−Ｉｎｔ．Ｓｏｃ．Ｏｐｔ．Ｅｎｇ．、３００２、ｐｐ．１１９−１２２、１９９７
１０．Ｈ．Ｂｅｎｓｉｔｙ、Ｈ．Ｄ．Ｎｅｖｅ、およびＣ．Ｗｅｉｓｂｕｃｈ、「Ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｐｌａｎａｒ ｍｉｃｒｏｃａｖｉｔｙ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｌｉｇｈｔ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ／Ｂａｓｉｃ ｃｏｎｃｅｐｔｓ ａｎｄ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｔｒｅｎｄｓ」、ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、ｖｏｌ．３４、ｐ．１６１２（１９９８）
１１．Ｄ．Ｄｅｌｂｅｋｅ、Ｒ．Ｂｏｃｋｓｔａｅｌｅ、Ｐ．Ｂｉｅｎｓｔｍａｎ、Ｒ．Ｂａｅｔｓ、およびＨ．Ｂｅｎｉｓｔｙ、「Ｈｉｇｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｒｅｓｏｎａｎｔ−Ｃａｖｉｔｙ Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ：Ａ Ｒｅｖｉｅｗ」、ＩＥＥＥ Ｊ．ｏｎ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、ｖｏｌ．８、ｎｏ．２、ｐ．１８９、２００２
１２．Ｍ．Ｒａｔｔｉｅｒ、Ｈ．Ｂｅｎｉｓｔｙ、Ｅ．Ｓｃｈｗｏｏｂ、Ｃ．Ｗｅｉｓｂｕｃｈ、Ｔ．Ｋｒａｕｓｓ、Ｃ．Ｊ．Ｍ．Ｓｍｉｔｈ、Ｒ．Ｈｏｕｄｒｅ、およびＵ．Ｏｅｓｔｅｒｌｅ、「Ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ａｎｄ ｃｏｍｐａｃｔ ｌｉｇｈｔ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ Ａｒｃｈｉｍｅｄｅａｎ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｌａｔｔｉｃｅｓ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８３、１２８３、２００３
１３．Ｍ．Ｒａｔｔｉｅｒ、Ｈ．Ｂｅｎｉｓｔｙ、Ｒ．Ｓｔａｎｌｅｙ、Ｊ．Ｆ．Ｃａｒｌｉｎ、Ｒ．Ｈｏｕｄｒｅ、Ｕ．Ｏｅｓｔｅｒｌｅ、Ｃ．Ｊ．Ｍ．Ｓｍｉｔｈ、Ｃ．Ｗｅｉｓｂｕｃｈ、およびＴ．Ｋｒａｕｓｓ、「Ｔｏｗａｒｄ ｕｌｔｒａｈｉｇｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｏｘｉｄｅ ｍｉｃｒｏｃａｖｉｔｙ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ：Ｇｕｉｄｅｄ ｍｏｄｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｂｙ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌｓ」、ＩＥＥＥ Ｓｅｌ．Ｔｏｐ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒ．８、２３８、２００２
（結論）
本発明の好適な実施形態の記載を終了する。本発明の１つ以上の実施形態に関する上述の記載は、例示および記載を目的として、示されてきた。網羅的であること、あるいは本発明を開示された形に限定することは、意図されていない。上述の教示を踏まえると、多くの改変およびバリエーションが可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によってではなくむしろ、本明細書に添付された請求の範囲によって限定されることが、意図されている。

ここで図面を参照すると、図中では、複数の図面を通して、同様の参照番号は、対応する部分を表している。
図１は、半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）の断面図である。 図２は、半導体ＬＥＤの断面図である。 図３は、半導体ＬＥＤの断面図である。 図４Ａ〜図４Ｂは、窒化ガリウム（ＧａＮ）材料システムにおける、底部の金属または分布型ブラッグ反射体（ＤＢＲ）ミラーと、上部における空気との単一の界面とによって、マイクロキャビティＬＥＤ放出の構造（図４Ａ）およびシミュレーション（図４Ｂ）を示している。 図５Ａ〜図５Ｂは、窒化ガリウム（ＧａＮ）材料システムにおける、底部の金属または分布型ブラッグ反射体（ＤＢＲ）ミラーと、上部における空気との単一の界面とによって、マイクロキャビティＬＥＤ放出の構造（図５Ａ）およびシミュレーション（図５Ｂ）を示している。 図６Ａは、本発明の好適な実施形態にしたがう、ＬＥＤの断面側面図であり、図６Ｂは、ＬＥＤの水平断面図である。 図７は、横方向エピタキシャル成長（ＬＥＯ）で成長されたマイクロキャビティＬＥＤの放出特性の簡略化されたシミュレーションを示している。パターニングされた層は、表面の５０％をカバーするマスクを備えている。 図８は、本発明の好適な実施形態にしたがう、回折による導波モードの抽出を示しており、パターニングされた層を回折格子として用いている。 図９は、本発明の好適な実施形態にしたがう、パターン、ならびにパターニングされた層における穿孔または貫通に用いられ得る、様々な幾何学的形状を示している。 図１０は、本発明の好適な実施形態にしたがう、デバイスのアクティブ領域の断面側面図であり、２つのパターニングされた層を有している。 図１１は、本発明の好適な実施形態にしたがう、デバイスのアクティブ層の断面側面図であり、２つの種が、異なる波長で放出しており、パターニングされた層における２つのパターンが、導波を放射モードに変換している。 図１２は、本発明の好適な実施形態にしたがう、分離した放出および回折領域を有しているＬＥＤの断面側面図である。 図１３は、本発明の好適な実施形態にしたがう、分離した放出および回折領域を有しているＬＥＤの断面側面図である。 図１４は、本発明の好適な実施形態にしたがう、分離した放出および回折領域を有しているＬＥＤの断面側面図である。 図１５は、本発明の好適な実施形態にしたがう、ＬＥＤの断面側面図であり、２つのアクティブ領域が、パターニングされた層の間に配置されている。 図１６は、本発明の好適な実施形態にしたがって実行される、製造ステップを示すフローチャートである。

Claims (33)

1. 発光ダイオード（ＬＥＤ）であって、
   （ａ）１つ以上のパターニングされた層であって、各パターニングされた層は、マスクおよび該マスク内のホールを充填する材料を含んでいる、パターニングされた層と、
   （ｂ）該パターニングされた層の上または該パターニングされた層の間に形成された１つ以上のアクティブ層であって、該アクティブ層は、１つ以上の発光種を含んでいる、アクティブ層と
   を備えており、
   （ｃ）各パターニングされた層は、該アクティブ層の該発光種に対し、光閉じ込め層または埋め込み回折格子として機能する、ＬＥＤ。
2. 基板および該基板上に成長されたバッファ層をさらに備えており、前記パターニングされた層は、該バッファ層の上部に堆積される、請求項１に記載のＬＥＤ。
3. 前記バッファ層は、窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースの材料である、請求項２に記載のＬＥＤ。
4. 前記パターニングされた層は、前記アクティブ層との屈折率のコントラストに起因して、光閉じ込め層として機能する、請求項１に記載のＬＥＤ。
5. 前記パターニングされた層は、前記マスクと該マスク内のホールを充填する材料との間の屈折率の変化に起因して、埋め込み回折格子として機能する、請求項１に記載のＬＥＤ。
6. 前記アクティブ層は、窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースの材料である、請求項１に記載のＬＥＤ。
7. 前記アクティブ層は、横方向エピタキシャル成長（ＬＥＯ）によって成長される、請求項１に記載のＬＥＤ。
8. 前記マスクは、絶縁性材料、半導性材料、または金属材料から構成される、請求項１に記載のＬＥＤ。
9. 前記マスク内の前記ホールを充填する前記材料は、窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースの材料を含んでいる、請求項１に記載のＬＥＤ。
10. 前記マスク内の前記ホールを充填する前記材料は、横方向エピタキシャル成長（ＬＥＯ）によって成長される、請求項１に記載のＬＥＤ。
11. 前記パターニングされた層の上または下に配置されたミラーをさらに備えており、所望の方向の放出を向上または低減させる、請求項１に記載のＬＥＤ。
12. 前記パターニングされた層において、異なるパターンが用いられ、回折による異なる波長を抽出するか、あるいは該回折の方向を変化させる、請求項１に記載のＬＥＤ。
13. 追加的なアクティブな光励起された領域が用いられ、導波モードを再利用することにより、別の周波数で該導波モードの一部を再放出する、請求項１に記載のＬＥＤ。
14. 前記ＬＥＤは、分離した放出および抽出ゾーンを有している、請求項１に記載のＬＥＤ。
15. 前記ＬＥＤは、分離した放出および回折領域を有している、請求項１に記載のＬＥＤ。
16. 指向性ＬＥＤを製造するために、放出は主に、前記導波モードの構造の適切な調整により、特定の方向で発生する、請求項１に記載のＬＥＤ。
17. 発光ダイオード（ＬＥＤ）を製造する方法であって、
    （ａ）１つ以上のパターニングされた層を堆積することであって、各パターニングされた層は、マスクおよび該マスク内のホールを充填する材料を含んでいる、ことと、
    （ｂ）該パターニングされた層の上または該パターニングされた層の間に１つ以上のアクティブ層を形成することであって、該アクティブ層は、１つ以上の発光種を含んでいる、ことと
    を包含し、
    （ｃ）該パターニングされた層は、該アクティブ層の該発光種に対し、光閉じ込め層または埋め込み回折格子として機能する、方法。
18. 基板および該基板上に成長されたバッファ層をさらに備えており、前記パターニングされた層は、該バッファ層の上部に堆積される、請求項１７に記載の方法。
19. 前記バッファ層は、窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースの材料である、請求項１８に記載の方法。
20. 前記パターニングされた層は、前記アクティブ層との屈折率のコントラストに起因して、光閉じ込め層として機能する、請求項１７に記載の方法。
21. 前記パターニングされた層は、前記マスクと該マスク内のホールを充填する材料との間の屈折率の変化に起因して、埋め込み回折格子として機能する、請求項１７に記載の方法。
22. 前記アクティブ層は、窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースの材料である、請求項１７に記載の方法。
23. 前記アクティブ層は、横方向エピタキシャル成長（ＬＥＯ）によって成長される、請求項１７に記載の方法。
24. 前記マスクは、絶縁性材料、半導性材料、または金属材料から構成される、請求項１７に記載の方法。
25. 前記マスク内の前記ホールを充填する前記材料は、窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースの材料を含んでいる、請求項１７に記載の方法。
26. 前記マスク内の前記ホールを充填する前記材料は、横方向エピタキシャル成長（ＬＥＯ）によって成長される、請求項１７に記載の方法。
27. 前記パターニングされた層の上または下にミラーを配置することをさらに包含し、所望の方向の放出を向上または低減させる、請求項１７に記載の方法。
28. 前記パターニングされた層において、異なるパターンが用いられ、回折による異なる波長を抽出するか、あるいは該回折の方向を変化させる、請求項１７に記載の方法。
29. 追加的なアクティブな光励起された領域が用いられ、導波モードを再利用することにより、別の周波数で該導波モードの一部を再放出する、請求項１７に記載の方法。
30. 前記ＬＥＤは、分離した放出および抽出ゾーンを有している、請求項１７に記載の方法。
31. 前記ＬＥＤは、分離した放出および回折領域を有している、請求項１７に記載の方法。
32. 指向性のＬＥＤを製造するために、放出は主に、前記導波モードの構造の適切な調整により、特定の方向で発生する、請求項１７に記載の方法。
33. 請求項１７に記載の方法を用いて製造されたデバイス。

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