JP2011205114A - 発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】発光素子は複数の材料から成る多層積層体を含む。
【選択図】 図1
Description
反射材料層をp型材料層に接着させる工程を備え、
前記発光素子は複数の材料から成り、かつp型材料層、光発生領域、及び第1層を含む多層積層体を備え、
前記第1層はパターンに従って空間的に変化する誘電関数を有する表面を有し、及び
前記反射材料は、前記光発生領域によって生成される光の少なくとも50%の光であって、反射材料層に衝突する光を反射する機能を備える、方法が提供される。
さらに、前記基板を取り外した後に、ラッピング工程及び研磨工程をさらに備え、または、前記基板は前記反射材料層を前記第1層に接着させた後に取り外すものであってもよい。基板を取り外す工程は、前記第1層と前記基板との間に配置される接着層を加熱する工程を含むものであってもよい。
前記基板を取り外す工程は、基板をレーザリフトオフ法を使用してレーザ光に曝露する工程を含むこともできる。
λが前記第1層が放出することができる光の波長である場合、第1層の表面を平坦化することによって、前記第1層の表面の粗さを約λ/5を超える粗さにまで低減する構成であってもよい。
前記発光素子は、発光ダイオード、レーザ、光増幅器、及びこれらの組合せから成るグループから選択されるものであってもよい。あるいは、前記発光素子は、OLED,面発光LED,HBLED、及びこれらの組合せから成るグループから選択されるものであってもよい。
第1層に接着している基板を取り外す工程を備え、
前記第1層は、複数の材料から成り、かつ光発生領域を含む多層積層体の一部を形成し、及びこの方法によって第1層の表面がパターンに従って空間的に変化する誘電関数を有する表面を有する構成の発光素子が形成される、方法が提供される。
基板を取り外す工程は、前記第1層と前記基板との間に配置される接着層を加熱する工
程を含むものであってもよく、前記接着層を加熱する工程は、前記接着層の少なくとも一部を分解する、または、前記接着層をレーザが放出する光に曝露することを含んでいてもよい。
前記基板を取り外すことによって、前記第1層の表面がほぼ平坦になる構成であっても、前記基板を取り外した後に、前記第1層の表面を平坦化する構成であってもよい。前記第1層の表面を平坦化する工程は、前記第1層の表面を化学機械研磨することによって行ってもよい。
一の実施形態では、本発明は複数の材料から成る多層積層体を含む発光素子を特徴とする。複数の材料から成る多層積層体は、光発生領域、及び光発生領域に支持される第1層を含む。第1層の表面は、光発生領域が生成する光を発光素子から第1層の表面を通して放出することができるように構成される。第1層の表面は、パターンに従って空間的に変化する誘電関数を有し、そしてパターンは理想的な格子定数及びゼロよりも大きい値の微調整(detuning)パラメータを有する。
る誘電関数を有し、そしてパターンは、光発生領域が生成し、かつ発光素子から第1層の表面を通して放出される光が、ランバート分布の場合よりも平行度が高くなるように構成される。ウェハは、1平方センチメートル当たり少なくとも約5個(例えば少なくとも約25個、少なくとも約50個)の発光素子を有する。
複数の材料から成る多層積層体は、複数の半導体材料から成る多層積層体により形成することができる。第1層はn型半導体材料層とすることができ、そして多層積層体は更に、p型半導体材料層を含むことができる。光発生領域は、n型半導体材料層とp型半導体材料層との間に設けることができる。
発光素子は更に、光発生領域によって生成される光の少なくとも50%の光であって、反射材料層に衝突する光を反射する機能を備える反射材料層を含むことができる。反射材料層は、支持体と、複数の材料から成る多層積層体との間に設けることができる。p型半導体材料層と反射材料層との間の距離は、n型半導体材料層と反射材料層との間の距離よりも短くすることができる。発光素子は更に、p型オーミックコンタクト層をp型半導体材料層と反射材料層との間に含むことができる。
複数の材料から成る多層積層体は、例えばIII−V族半導体材料、有機半導体材料、及び/又はシリコンのような半導体材料により形成することができる。
或る実施形態では、パターンは第1層を超えて延びることがない。
或る実施形態では、パターンは第1層を超えて延びる。
或る実施形態では、パターンは非周期パターン、準結晶パターン、ロビンソン(Robinson)パターン、及びアムマン(Amman)パターンから選択することができる。或る実施形態では、パターンはペンローズ(Penrose)パターンである。
微調整パラメータは、例えば理想格子定数の少なくとも約1%、そして/または理想格子定数の最大約25%とすることができる。或る実施形態では、パターンはほぼランダムに微調整された理想パターンに対応させることができる。
或る実施形態では、発光素子はパッケージングされる(例えば、パッケージチップの形で)。或る実施形態では、パッケージングされた発光素子には封止材料が不要となる。
或る実施形態では、第1層の表面に接触する材料は少なくとも約1の屈折率を有する。
ウェハを形成する方法では、リン材料を配置して約20%未満だけ変化する厚さを有する層を形成することができる。本方法では、リン材料層の厚さが約20%未満だけ変化するようにリン材料層を平坦化することができる。本方法ではまた、リン材料を第1層の表面の上に配置した後に、リン材料を平坦化することができる。リン材料は、例えばスピン塗布により第1層の表面の上に形成することができる。本方法では、ウェハから複数の発光素子を形成し、そしてこれらの発光素子の内の少なくとも幾つかの発光素子を互いから分離することができる。
発光素子を形成する方法では更に、反射材料層をp型材料層に接着させる前に、第1層を基板に接着させることができ、この場合、複数の材料から成る多層積層体は基板と反射材料層との間に位置する。本方法ではまた、接着層を第1層と基板との間に形成することができる。本方法ではまた、基板を取り外すことができる。本方法は更に、基板を取り外す工程の後に、ラッピング工程及び研磨工程を含むことができる。基板は、反射材料層を第1層に接着させた後に取り外すことができる。基板を取り外す工程においては、第1層と基板との間に配置される接着層を加熱することができる。接着層を加熱する工程においては、接着層の少なくとも一部を分解することができる。接着層を加熱する工程において
は、接着層をレーザからの放射線に晒すことができる。基板を取り外す工程においては、基板をレーザリフトオフ法を使用してレーザ光に晒すことができる。基板を取り外すことにより、第1層の表面をほぼ平坦にすることができる。本方法では更に、パターンを第1層の表面に形成する前に、かつ基板を取り外した後に、第1層の表面を平坦化することができる。第1層の表面を平坦化する工程においては、第1層の表面に化学機械研磨を施すことができる。第1層の表面を平坦化することによって、第1層の表面の粗さを、約λ/5超にまで小さくすることができ、この場合、λは第1層が放出することができる光の波長である。パターンを形成する工程では、ナノリソグラフィを使用することができる。本方法ではまた、基板を反射材料層の上に配置することができる。本方法では更に、電流拡散層を第1層と光発生領域との間に配置することができる。
或る実施形態では、LED及び/又は非常に大きなLEDチップは、非常に大きな表面輝度、非常に大きな平均表面輝度を示し、熱放散の必要性が非常に小さい、または熱放散の速度が非常に大きく、エテンデュー(etendue:利用できる光源の面積×立体角)を大きく減らすことができ、そして/または電力効率を非常に高くすることができる。
種々の図における同様の参照符号は同様の構成要素を指す。
図1は、パッケージチップ(packaged die)構成のLED100の側面図を示している。LED100は、サブマウント120上に配置される多層積層体122を含む。多層積層体122は320nm厚さのシリコン添加(n型)GaN層134を含み、このGaN層は複数の開口150から成るパターンをその上側表面110に有する。多層積層体122はまた、接着層124、100nm厚さの銀層126、40nm厚さのマグネシウム添加(p型)GaN層128、複数のInGaN/GaN量子井戸により形成される120nm厚さの光発生領域130、及びAlGaN層132を含む。n側コンタクトパッド136は層134の上に配置され、そしてp側コンタクトパッド138は層126の上に配置される。封止材(屈折率が1.5のエポキシ)144は層134とカバー
スリップ140と支持体142との間に設けられる。層144は複数の開口150の内部には延在しない。
と)、微調整パラメータΔaは通常、理想格子定数aの少なくとも約1%(例えば、少なくとも約2%、少なくとも約3%、少なくとも約4%、少なくとも約5%)であり、そして/または理想格子定数aの最大約25%(例えば、最大約20%、最大約15%、最大約10%)である。或る実施形態では、最近接開口間隔は、(a−Δa)と(a+Δa)との間でほぼランダムに変化して、パターン150をほぼランダムに微調整することができるようにする。
Raton, FL, 1993)、A. Tafloveによる「計算電気力学:有限差分時間領域法」と題する非特許文献2(Artech House, London, 1995)を参照されたく、これらの文献の両方を本明細書において参照することにより、これらの文献の内容が本発明の開示に含まれる。特定パターン150を有するLED100の光動作を説明するために、FDTD計算の入力パラメータは、光発生領域130の点双極子放射源が放出する光の中心周波数及び帯域幅、多層積層体122内の各層の寸法及び誘電特性、及びパターン150の開口の直径、深さ、及び最近接開口間距離(NND)を含む。
内の放射モード及びガイドモードの密度のこの変化によって、この変化が無い場合にパターン150が無い状態でガイドモードの方向に放出される光の或る部分が、放射モードの方向にリークすることができるモードの方向に散乱される(例えばブラッグ散乱)と考えられる。或る実施形態では、パターン150(例えば、上に議論したパターン、または以下に議論する複数のパターンの内の一つのパターン)によってLED100内のガイドモードの全てを無くすことができると考えられる。
示すLED100に与えられるパラメータを使用して計算されるが、これらのパラメータの中で、放出光が450nmのピーク波長を有し、かつNND(最近接開口間距離)が個々のセル内部の開口の間の距離として定義される点が異なる。
University Press, Cambridge, England 1996)に記載されており、この文献を本明細書において参照することによりこの文献の内容が本発明の開示に含まれる。数値計算によって、取り出し効率が8重準周期構造(class of 8−fold based quasi−periodic structure)が変化するとともにどのように変化するかが分かる。準結晶パターンは、このような構造によって可能になる面内回転対称性が高いので高い取り出し効率を示すと考えられる。光取り出し効率を高くする方法、該当する数値計算を行なう方法、及び図11に示すパターンを有する発光素子の光取り出し効率を高めることに関する物理的説明は概して上述の説明と同じである。図11に示すFDTD計算による結果は、準結晶構造の取り出し効率が約82%に達することを示している。図11に示すデータは、図1に示すLED100に与えられるパラメータを使用して計算されるが、これらのパラメータの中で、放出光が450nmのピーク波長を有し、かつNND(最近接開口間距離)が個々のセル内部の開口の間の距離として定義される点が異なる。
な断面(例えば、(少なくとも約1ミリメートル)×(少なくとも約1ミリメートル))を有することができる。
ら、格子定数が更に大きくなると、全ての角度方向の総合取り出し効率が高くなる場合でも、封止材における高次モードの方向への回折によって狭い角度での取り出し効率が低くなる。格子定数が460nmの場合、計算によれば、30度の受光半値角方向への取り出し効率が25%超になる。すなわち、取り出し光の約半分が立体角の上側半球の約13.4%のみの範囲内で収集され、パターンがコリメート効果を有することを示している。材料の光ライン内部のG点の数を大きくし、同時に封止材の光ライン内部のG点の数をk=0のG点のみに限定するパターンであれば必ず、法線方向を中心とする立体角方向への取り出し効率を高くすることができると考えられる。
。
リフトオフ法は、例えば特許文献1(米国特許第6,420,242号)及び特許文献2(米国特許第6,071,795号)に開示されており、これらの文献を本明細書において参照することによりこれらの文献の内容が本発明の開示に含まれる。或る実施形態では、248nmのレーザビームを基板502を通して照射して、n型Si:GaN層506をこの層のサファイア基板502との境界近傍を局部的に加熱してn型層506の一部の層厚に渡って分解させる。次に、ウェハサンドイッチをガリウムの融点を超える温度にまで加熱し、この融点では、サファイア基板502を、この基板に横方向の力を加える(例えば、綿棒を使用して)ことによって取り外すことができる。次に、露出したGaN表面をクリーニングして(例えば、塩酸溶液を使用して)液体ガリウムを表面から除去する。多くの場合、サファイア基板502をGaNエピタキシャル層積層体から取り外すと、積層体に内在していた歪み(基板502と積層体との間の格子不整合による)が積層体から取り除かれる。これによって、積層体は、積層体が基板502に接着したときに有していた、曲がった、またはそった形状から解放され、かつn型層506の露出表面の上で非常に平坦な形状を有することができる。熱膨張係数は、サブマウントを選択するときに考慮に入れてサブマウントがレーザリフトオフ法においてクラックを生じないようする。更に、レーザリフトオフの間のクラックは、工程及び繰り返しプロセスにおいてほぼ重なった場によって低減することができる。
一例として、発光素子及び関連する層の或る厚さは上に議論したものであるが、他の厚さを採用することも可能である。一般的に、発光素子はどのような所望の厚さを有することもでき、そして発光素子内の個々の層はどのような所望の厚さを有することもできる。通常、多層積層体122内部の層の厚さは、光発生領域130との光モードの空間的重なりを大きくして領域130において生成される光の出力が大きくなるように選択される。発光素子の或る層の例示としての厚さは次の如くである。或る実施形態では、層134は少なくとも約100nm(例えば、少なくとも約200nm、少なくとも約300nm、
少なくとも約400nm、少なくとも約500nm)及び/又は最大約10ミクロン(例えば、最大約5ミクロン、最大約3ミクロン、最大約1ミクロン)の厚さを有することができる。或る実施形態では、層128は少なくとも約10nm(例えば、少なくとも約25nm、少なくとも約40nm)及び/又は最大約1ミクロン(例えば、最大約500nm、最大約100nm)の厚さを有することができる。或る実施形態では、層126は少なくとも約10nm(例えば、少なくとも約50nm、少なくとも約100nm)及び/又は最大約1ミクロン(例えば、最大約500nm、最大約250nm)の厚さを有することができる。或る実施形態では、光発生領域130は少なくとも約10nm(例えば、少なくとも約25nm、少なくとも約50nm、少なくとも約100nm)及び/又は最大約500nm(例えば、最大約250nm、最大約150nm)の厚さを有することができる。
或る実施形態では、リン材料を含有するカバー層140を含むことができる。このような実施形態では、表面110はパターニングすることができる、またはパターニングしなくてもよい。
Claims (8)
- 発光素子を形成するための方法であって、
反射材料層、該反射材料層の上方に設けられるp型材料層、該p型材料層の上方に設けられる光発生領域、該光発生領域の上方に設けられるn型材料層、及び該n型材料層の上方に設けられる基板を備え、前記n型材料層は前記基板との界面近傍の部分層を含んでいる、多層積層体を形成する工程と、
前記n型材料層の部分層を加熱することによって前記基板を前記多層積層体から取り外す工程と、
パターンに従って空間的に変化する誘電関数を有する表面を前記n型材料層に設けるために前記n型材料層の表面に複数の開口からなるパターンを形成する工程とを備え、
前記反射材料は、前記光発生領域によって生成され、かつ反射材料層に衝突する光のうちの少なくとも50%の光を反射する機能を備える、方法。 - 前記n型材料層と前記基板との間に前記部分層を形成する工程をさらに備える、請求項2に記載の方法。
- 基板を取り外す工程は、前記n型材料層と前記基板との間に配置される前記部分層を加熱する工程を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記部分層を加熱することによって、前記部分層の少なくとも一部を分解する、請求項3に記載の方法。
- 前記部分層の加熱は、レーザが放出する光に前記部分層を曝露する工程を含む、請求項3に記載の方法。
- 前記パターンを形成する工程においてナノリソグラフィを用いる、請求項1に記載の方法。
- 前記発光素子は発光ダイオードからなる、請求項1に記載の方法。
- 前記発光素子は、OLED,面発光LED,HBLED、及びこれらの組合せから成るグループから選択される、請求項1に記載の方法。
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