JP2011508414A - 光抽出構造体を有する半導体発光装置 - Google Patents

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Abstract

構造は、視射入射角において発された光の抽出を増大させることができる半導体発光装置内に組み込まれている。幾つかの実施例において、当該装置は、全内面反射によって、前記金属コンタクトから外方に前記光を指向する低屈折率材料を含んでいる。幾つかの実施例において、当該装置は、視射角光を直接的に抽出することができる又は前記視射角光を当該装置から更に容易に抽出されるより小さい入射角に指向することができる半導体構造内のキャビティのような、抽出フィーチャを含んでいる。

Description

発光ダイオード（ＬＥＤ）、共振キャビティ発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）、垂直キャビティレーザダイオード（ＶＣＳＥＬ）及び側部発光レーザを含む半導体発光装置は、現在利用可能な最も効率的な光源の１つである。
可視スペクトル全体における動作をすることができる高輝度発光装置の製造において現在興味がある材料系は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、詳細には、ガリウム、アルミニウム、インジウム及び窒素の二元、三元及び四元の合金（ＩＩＩ族窒化物材料とも称される）を含んでいる。典型的には、ＩＩＩ族窒化物発光装置は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）又は他のエピタキシャル技術によってサファイア、シリコンカーバイド、ＩＩＩ族窒化物又は他の適切な基板上に異なる組成及びドーパント濃度の半導体層の積層をエピタキシャル成長させることによって、作製される。
前記積層は、しばしば、前記基板上に形成されている、例えば、Ｓｉをドーピングされている１つ以上のｎ型層と、（複数の）前記ｎ型層又は層上に形成される活性領域における１つ以上の発光層と、前記活性領域上に形成される、例えば、Ｍｇをドーピングされている１つ以上のｐ型層とを含んでいる。電気的コンタクトは、前記ｎ型及びｐ型領域上に形成される。
本発明の実施例によれば、構造は、視射入射角（glancing incidence angle）において発される光の抽出を増大させることができる発光装置に組み込まれる。前記発光装置は、例えば、ＩＩＩ族窒化物薄膜フリップチップ発光ダイオードであっても良い。
幾つかの実施例において、当該装置は、全内反射によって金属コンタクトから外方に光を指向する構造を含んでいる。例えば、当該装置は、ｎ型領域とｐ型領域との間に配された発光層を有する半導体構造を含んでいても良い。反射性金属コンタクトは、前記半導体構造の底側に配されると共に前記ｐ型領域に電気的に接続されている。低屈折率材料（low index material）は、反射性金属コンタクトの少なくとも一部と前記ｐ型領域との間に配されている。前記低屈折率材料と前記ｐ型領域との間の屈折率の差と、前記低屈折率層の厚さとは、視射角光の全内反射を保証するように選択される。例えば、前記低屈折率材料の屈折率と、前記ｐ型領域の屈折率との間の差は、少なくとも０．４であり得る。前記半導体構造と前記低屈折率材料との間の界面は、視射角、即ち前記発光層の主平面に対する法線に対して７０°よりも大きい角度において前記界面上に入射する光を効率的に反射するように構成されている。
幾つかの実施例において、当該装置は、視射角光を直接的に抽出することができる抽出フィーチャを含んでおり、前記視射角光を、当該装置からより容易に抽出されるより小さい入射角内に指向することができる。例えば、このフィーチャは、前記半導体構造の上部又は底部表面から延在する前記半導体構造内のキャビティであっても良い。前記キャビティは、前記発光層の主表面に対して３５°と５５°との間の角度において配向されている側壁を有していても良い。前記キャビティの側壁は、誘電材料によって完全に又は部分的に被覆されている。前記キャビティは、金属を充填されていても良い。幾つかの実施例において、前記金属は、前記ｎ型領域との電気的な接触を作っている。
ＩＩＩ族窒化物薄膜フリップチップ発光装置を示している。 上部表面において形成されるフォトニック結晶を備えるＩＩＩ族窒化物装置を示している。 前記半導体構造と金属コンタクトとの間に配されている非導電性の低屈折率層を備える装置を示している。 前記半導体構造と金属コンタクトとの間に配された伝導性の低屈折率層を備える装置を示している。 前記半導体構造の一部において形成される酸化されている低屈折率層を備える装置を示している。 ｐ型コンタクトが形成されている表面から半導体構造内に延在している光抽出フィーチャを含んでいる装置を示している。 光が当該装置を出る表面から前記半導体構造内に延在している光抽出フィーチャを含んでいる装置を示している。 入射角の関数としての抽出のプロットであり、ＧａＮ／空気フォトニック結晶（この期間及び深さは、波長のオーダである）に当たる平面波のためのワンパス抽出効率を示している。 入射角の関数としての抽出のプロットであって、図８と同じ構造に関するワンパス鏡面反射（例えば、自身の入射角と同じ角度によって後方散乱される光の一部）を示している。 ＳｉＯ２の３つの異なる厚みに関する、ＧａＮｐ型領域、ＳｉＯ２低屈折率層及びＡｇコンタクトを備える装置のための入射角の関数としての反射率のプロットである。 薄い誘電層によって被覆されていると共に金属を充填されている光抽出フィーチャを示している。 誘電層によって部分的に被覆されていると共に、ｎ型コンタクトとして働く光抽出フィーチャを含む装置を示している。 装置内の光抽出フィーチャ及びｎ型コンタクトのレイアウトの上面図である。 ＧａＮ／低屈折率材料／金属界面上に入射する光線を示しており、薄い低屈折率層内を伝搬する２つの光線を示している。 ＧａＮ／低屈折率材料／金属界面上に入射する光線を示しており、厚い低屈折率層内を伝搬する光線を示している。 入射角と、ＧａＮ／ＳｉＯ２／Ａｇ構造に関する前記ＳｉＯ２層の厚さｔとの関数として、反射率を示している。
図１は、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第７，２５６，４８３号において更に詳細に記載されているＩＩＩ族窒化物フリップチップの、薄膜ＬＥＤを示している。ｎ型層１６、活性層１８及びｐ型層２０は、何らかの適切な基板（例えば、サファイア又はＳｉＣ）上で成長される。ｐ型層表面は、ダイメタライゼーション層２４（例えば、Ａｇ）とのオーム接触を形成するように高度にドーピングされている。メタライゼーション２４は、前記活性層によって発される光に対して高度に反射性のものであっても良い。ｐ型層２０及び活性層１８の一部は、前記ＬＥＤの形成工程の間、エッチングされて外され、金属５０（メタライゼーション層及びボンディング金属）は、当該装置のｐ型コンタクト金属２４と同じ側においてｎ型層１６と接触している。
ｎ型金属５０及びｐ型金属２４は、パッケージ基板１２上のパッド２２に結合されている。アンダーフィル材料５２は、機械的強度を付着部に付加すると共に、汚染物質が前記ＬＥＤ材料に接触するのを防止するように、前記ＬＥＤ全体における熱勾配を減少するために前記ＬＥＤの下の空隙内に堆積されても良い。前記結合技術は、はんだ、熱圧着、相互拡散、又は超音波溶接によって結合される金のスタッドバンプアレイであっても良い。前記ダイメタライゼーション及び結合材料の組合せが、金属２４及び５０として示されており、前記半導体材料に隣接して前記メタライゼーション層の光学特性を保護するように拡散バリヤ又は他の層を含んでいても良い。パッケージ基板１２は、バイア２８及び／又は金属トレースを使用しているはんだ付け可能な電極２６に接続されている金コンタクトパッド２２を有する電気的絶縁材料Ａｌから形成されても良い。代替的には、パッケージ基板１２は、陽極処理（anodize）されたＡｌＳｉＣのように、短絡するのを防止するように不動態化されている場合、伝導性材料から形成されていても良い。パッケージ基板１２は、ヒートシンクとして振る舞う又は熱をより大きいヒートシンクへ伝道するために熱伝導性を有していても良い。
成長基板は、エキシマレーザビームを使用して除去されることもできる。前記レーザビームは、ＧａＮ材料を前記成長基板との界面において溶解させ、次いで、前記成長基板がリフトオフされるのを可能にする。代替的には、前記成長基板は、ＲＩＥエッチングのような、エッチングによって、前記成長基板と前記ＬＥＤ層との間の層のエッチングによる取り除きのような、リフトオフ技術によって、又はラッピングによって、取り除かれることができる。
露出された、比較的厚いＧａＮ層１６は、ＲＩＥのような、乾式エッチングを使用したエッチングによって、オプションとして薄くされる。一例において、エッチングされているＧａＮ層１６の厚さは、７μｍであり、このエッチングは、ＧａＮ層１６の厚さをほぼ１μｍまで減少する。全ての前記エピタキシャルＬＥＤ層の最初の厚さが９μｍである場合、この場合、当該エッチングは、前記ＬＥＤ層の全体の厚さを３μｍにする。仕上げられた装置における当該半導体構造の全体の厚さは、幾つかの実施例において１０μｍ以下であり得て、幾つかの実施例において５μｍであり得て、幾つかの実施例において２μｍであり得て、幾つかの実施例において１μｍであり得る。薄化工程は、前記レーザーリフトオフ工程によって生じる損傷を取り除き、低温ＧａＮ核生成層及び隣接する層のような、もはや必要でない光学的吸収層の厚さを減少する。活性領域に隣接したｎ型クラッディング層の全て又は一部は、不活性（inact）のままにされている。
前記ＬＥＤ（ｎ型層１６）の上部表面は、増大された光抽出のためにテクスチャリングされる（textured）。一実施例において、層１６は、ＫＯＨ溶液４６を使用して、光電気化学的にエッチングされる。このことは、ＧａＮ表面（ｎ型Ｓｉドーピングを有する）の「白い」粗さを形成する。このエッチング工程は、更に薄いｎ型層１６に使用されることもでき、ＬＥＤ形成工程の間に成長されたエッチング停止層を使用して所定の厚さにおいて停止し、滑らかな表面を残す。この後者の取り組みは、共振装置の設計に便利である。このような装置のために、ミラースタック（例えば、ブラッグ反射体）が、今、前記ＬＥＤの上部表面上に堆積されていても良い。付加的な光抽出技術は、ミクロン又はナノメートルスケールのパターニングされたエッチング（ディンプル又はフォトニック結晶）を含んでいても良い。
図１に示されている装置において、一般に、ランダムなテクスチャリングか又は順序づけられたテクスチャリングかの何れかを備える表面における表面テクスチャリングの特徴的な大きさは、前記活性領域によって発される光の１波長のオーダにある。このような装置の性能は、前記活性領域による及び前記金属コンタクトによる吸収のような、当該装置の光抽出工程及び吸収工程の相対的な効率に依存している。吸収工程は、典型的には、バウンス当たり数パーセント（１〜１０％）の量になる。装置からの光抽出は、バウンス当たりの光抽出率がバウンス当たりの吸収率よりも大きい場合、効率的である。
テクスチャリングされた表面からの光抽出は、光の入射角に強く依存することができる。光３０として図２に示されているように、上部表面に対する法線に対して小さい角度でこの表面に当たる光は、容易に抽出される。前記上部表面に対する法線に対して大きい角度においてこの表面に当たる光（視射角光として本願明細書において称される）は、光３２として図２に示されているように、抽出するのがより困難である。前記視射角光の殆どは、図２に示されているような後方散乱か又は鏡面反射かの何れかによって、前記ＬＥＤの後ろに反射される。反射された光は、吸収の影響を受けやすい。視射角光（例えば、当該装置の前記上部表面に対する法線に対して７０°と９０°との間の角度の範囲における入射）の抽出効率は、僅か数パーセントである。このことは、図８に示されており、角度に対するフォトニック結晶に当たる平面波に関するワンパス抽出を示している（０°は、光抽出表面の平面、即ちｎ型領域１６の上部に対して垂直である）。大きい角度（視射角）において、前記抽出は、小さい角においてより少なく、従って、抽出のための更なるバウンドを必要としている。
視射角において後方散乱される光は、大部分は、（拡散散乱とは対照的に）鏡面反射を受けており、同じ入射角を保持している。これは図９において示されており、図９は、図８と同じ構造に関する角度に対するワンパス鏡面反射を示している（０°は、前記光抽出表面の平面に対して垂直である）。視射角において、前記光の大部分は、鏡面反射を受ける。従って、テクスチャリングされた表面は、視射角光を、容易に抽出される小さい角度において伝搬する光に変換する良好なメカニズムでなはない。視射入射角において発される光が、当該装置によって発される光のかなりの部分（幾つかの装置において約４０％）を表わしているので、当該装置の抽出効率を改良するために視射角光を抽出するのが、望ましい。図８及び９に示されている結果は、当該装置のパターニングされた上部表面の特定の幾何学的配置のために算出されたものであるが、これらが示している傾向（即ち視射角における乏しい抽出及び大きい後方散乱）は、パターニングされた表面の様々な幾何学的配置に関して保持されている。
本発明の実施例によれば、構造は、視射入射角において発される光の抽出を増加させることができるＩＩＩ族窒化物薄膜フリップチップ発光装置内に組み込まれる。幾つかの実施例において、当該装置は、全内反射によって前記金属コンタクトから外方に光を指向する構造を含んでいる。幾つかの実施例において、当該装置は、視射角光を直接的に抽出することができる又は当該装置からより容易に抽出される小さい入射角内に前記視射角光を指向することができる半導体構造内の抽出フィーチャを含んでいる。
図３及び４は、前記半導体構造の少なくとも一部と前記金属ｐ型コンタクトとの間に配されている低屈折率の屈折層を備える装置を示している。図３及び４に示されている装置の両方において、この低屈折率層は、好ましくは、光学損失を殆ど生じない又は光損失を生じない。幾つかの実施例において、前記ｐ型領域、低屈折率層及びｐ型コンタクトは、前記低屈折率層と、前記ｐ型領域上の反射性ｐ型コンタクト金属との合成屈折率が、ｐ型領域のみにおける反射性ｐ型コンタクト金属の反射率よりも大きいように構成される。
低屈折率層の付加は、このコンタクトの前記反射率を向上することができる。低屈折率層の種類及びこの厚さは、便利な角度における光の全反射が最大化されるように、選択され、結果として、低屈折率層を有さない反射性金属コンタクトよりも優れている反射をもたらす。図１４Ａ及び１４Ｂは、異なる角度における光が前記低屈折率層／金属反射性コンタクトからどのように反射されるかを示している。図１４Ａの光線６６は、公式θｃ＝ｓｉｎ―１（ｎｌｏｗ／ｎＧａＮ）によって与えられる、ＧａＮ２０（ｎ＝ｎＧａＮ）と低屈折率層３６、４０（ｎ＝ｎｌｏｗ）との間の臨界角θｃ未満の入射角を有する。光線６６の小さい割合は、損失を伴わずに低屈折率層３６、４０から直ちに反射することができる。光線６６の大部分は、低屈折率層３６、４０に透通し、金属２４から反射する。光線６６の場合、低屈折率層３６、４０内の往復の損失（即ち、光が前記低屈折率層を通って進行し、前記金属層の中で反射され、次いで、前記低屈折率層を通って後ろに進行するときの損失）は、好ましくは、（介在する低屈折率層を有することなく）半導体構造２０からの金属層２４から直接的に反射する光線の損失にすぎない。この損失は、前記低屈折率層のための最大厚さを規定し、これは、前記低屈折率層における吸収に依存しており、この結果、前記半導体／低屈折率層／金属リフレクタの反射率は、半導体／金属リフレクタの反射率より良好である。
図１４Ｂの光線７０も、臨界角内にあるが、低屈折率層３６、４０はより厚く、一部の光線は、前記層内で共振的にトラップされ、（金属２４によって、又は低屈折率層３６、４０によって）自身の吸収を増大させる。この効果は、半導体２０、低屈折率層３６、４０及び金属２４の屈折率と厚さとが適切に選択されていない場合、コンタクトの効果的な反射率を低下させ得る。光線６６及び７０の振る舞いは、ＳｉＯ２低屈折率層に関して図１０に示されている。図１０は、ＧａＮｐ型領域２０、ＳｉＯ２低屈折率層３６及びＡｇ ｐ型コンタクト２４を有する装置のための入射角の関数としての反射率のプロットである。０ｎｍ（即ち低屈折率層がない）、７０ｎｍ及び４００ｎｍのＳｉＯ２の３つの厚さが、図１０に示されている。薄いＳｉＯ２層（７０ｎｍ）に関して、臨界角（＜４０°）未満の共振はなく、前記反射率は、角度の滑らかな関数である。反射率は、Ａｇのみよりも高い。より厚いＳｉＯ２層（４００ｎｍ）に関して、臨界角未満の２つの共振がＳｉＯ２内にトラップされていると共に、反射率が損なわれる。これらの共振を避けるために、前記低屈折率層の厚さは、（前記ミラー位相シフトを考慮に入れて）前記低屈折率層内の半波長の厚さよりも小さいものである必要がある。大部分の実施例のために、前記誘電層の厚さは、共振（例えば、１００ｎｍ未満）を回避するのに十分薄い。他の実施例において、前記誘電体は、厚く、共振を支持することができるが、前記半導体層の厚さは、これらの好適でない角度における光放出を最小化する又は除去するように選択される。
図１４Ａの光線６８は、前記入射角が前記臨界角よりも大きい状況を示しており、この視射角光の全内反射を生じる。全内反射によって前記光を遠くへ指向することによって前記金属コンタクト上に入射する光の量を減少させることは、前記臨界角よりも大きい角度における前記コンタクトの反射率を向上させる。最大値の反射率が達成されることができるような、低屈折率層に関する最小の厚さが存在する。全内反射のための角度よりも大きい角度において、光は、前記低屈折率層内のエバネッセント波であり、指数関数的減衰長Ｌｄｅｃａｙ＝λ／［２π√（ｎＧａＮ ２ｓｉｎ２θ―ｎｌｏｗ ２）］）であって、ここで、λは（真空における）波長、θは光の角度、ｎＧａＮ及びｎｌｏｗは、それぞれ、前記ｐ型材料及び前記低い屈折率層の前記光学的屈折率（optical indices）である。前記低屈折率層の厚さが、Ｌｄｅｃａｙと比較して十分に大きい場合、光はミラー損失を受けない。一般に、θ及びｎｌｏｗの値に依存して、Ｌｄｅｃａｙ〜４０―８０ｎｍである。幾つかの実施例において、前記低屈折率層の厚さは、少なくともＬｄｅｃａｙの二倍である。他の実施例において、前記厚さは、少なくともＬｄｅｃａｙである。
当該装置の抽出効率は、前記臨界角よりも小さい入射角における進行している光（上述の図１４Ａ及び１４Ｂにおける光線６６及び７０）又は前記臨界角よりも大きな角度におけるに進行している光（上述の図１４Ａにおける光線６８）の反射率の何れか又は両方を改善することによって、改善される。図１５は、ＧａＮ／ＳｉＯ２／Ａｇ構造の場合において上述される効果を要約する。ＳｉＯ２の厚さｔ＜１００ｎｍの場合、ｔに関して、共振及び反射率の増大は存在しない。より大きいｔの場合、共振が現れ、幾つかの角度において反射率を減少させる。２つの実施例は、２本の破線によって表され、ｔ＝１００ｎｍ及びｔ＝２００ｎｍ に対応している。これらの厚さは、無共振と、ＳｉＯ２層内の１つの共振とにそれぞれ対応しており、両方とも、非常に高い反射率（５０°よりも大きい角度に対して、＞９９．９％）を保証している。
前記低屈折率層との界面における前記半導体材料は、典型的にはｐ型ＧａＮであり、約２．４の屈折率を有する。幾つかの実施例において、前記低屈折率層は、２以下の、又は更に好ましくは１．７以下の屈折率を有する。低屈折率層に関して２以下の屈折率を有することにより、前記臨界角は、５５°よりも大きくならないように制限される。従って、前記臨界角より大きい角度における全ての光は、最大反射率によって内部的に反射される。このことは前記視射角光を含んでおり、図８に示されているように、抽出するのが最も難しい。前記低屈折率層は、視射角光の全内反射を生じるのに必要とされているのと同じだけ厚い必要があるのみである。
図３に示されている装置において、非伝導性の低屈折率層の領域３６は、ｐ型領域２０とｐ型コンタクト２４との間に堆積されている。適切な低屈折率層の例は、ＳｉＯ２（ｎ＝１．５）、ＳｉＮ、ＴｉＯ２又はＡｌ２Ｏ３及び半導体（例えばＺｎＯ）のような誘電体を含んでいる。誘電低屈折率層は、（上述されたような）視射角の反射を保証するのに十分厚くなければならず、例えば、少なくとも８０ｎｍでなければならない。幾つかの実施例において、前記誘電低屈折率層は、上述のように共振を回避するのに十分薄いものであり、例えば、１００ｎｍ未満であり、又は１つの共振のみを支持するのに十分な薄さ（たとえば２５０ｎｍ未満）である。他の実施例において、前記低屈折率層は、より厚く、共振を支持しているが、前記半導体構造の厚さは、前記低屈折率層によって支持される前記共振に対応する角度において光を発するのを回避するように調整される。幾つかの実施例において、前記臨界角未満において入射する光の反射率は、９５％よりも大きい。幾つかの実施例において、臨界角よりも大きい角度において入射する光の反射率は、９８％よりも大きい。
誘電低屈折率層は、ｐ型領域２０の表面に堆積され、ｐ型コンタクト２４の形成の前にパターニングされる。半導体低屈折率層は、ｐ型領域２０の表面上で成長される又は堆積されることができる。電流は、低屈折率材料の領域間の間隙３８の半導体構造内に注入され、ｐ型コンタクト２４が、ｐ型領域２０と直接的に接触している。間隙３８は、電流が、ｐ型領域２０内で、ｐ型コンタクト２４に接触している前記領域から低屈折率材料３６によってｐ型コンタクトから遮蔽されている領域まで広がるのに、十分大きく、かつ、十分近くにおいて離間されている。ｐ型ＧａＮ内の電流の拡散は、自身の抵抗率が高い（〜１Ω−ｃｍ）ので、困難である。前記コンタクトが効果的であるように、前記間隙は、電流が、非伝導性の低屈折率層の下で拡散することができるように、十分に一緒に近くにあることを必要とする。ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤにおけるｐ型ＧａＮ層は、薄い（例えば、０．５μｍ未満）傾向があり、前記層の電流拡散機能も制限する。幾つかの実施例において、間隙３８は、少なくとも１００ｎｍの幅であり、幾つかの装置において２μｍ未満だけ間隔を置かれており、幾つかの装置において０．５μｍ未満だけ間隔をおかれている。一般に、コンタクト領域全体に対する前記間隙の面積の割合は、高い反射率のためには低く保持されるが、効率的な電流の拡散を提供するのに十分に高く保持される。幾つかの実施例において、低屈折率層は、前記ｐ型領域の表面の全面積の５０％以上を被覆している。前記低屈折率層内の開口３８は、例えば、インプリンティング、ホログラフィ又はステッパー／スキャナリソグラフィ技術によって形成されることができる。
図３に示されている装置において、及び本願明細書に記載されている他の装置において、前記成長基板は、当該装置から取り除かれても良い。前記成長基板が取り除かれる実施例において、前記基板を取り除くことによって露出される当該装置の上部表面３４は、例えば、フォトニック結晶によって、パターニングされていても良く、又はランダムに粗くされていても良い。幾つかの実施例において、間隙３８のパターンは、上部表面３４に形成されているフォトニック結晶の光抽出効果を増大させる又は引き立てるような周期的な様式において組織化されることができる。例えば、間隙３８のパターンのパラメータ（例えば、水晶又は準結晶格子の種類、間隙のピッチ、充填因子、深さ及び形状）は、上部表面３４において形成されるフォトニック結晶によって良好に抽出されない光を抽出するように調整されることができる。更に、前記パラメータは、これが前記フォトニック結晶の指向的な光抽出を付加するように、この抽出された光の指向性を強調するように調整されることができる。一実施例において、間隙３８のパターンのピッチ及び格子の種類は、前記フォトニック結晶のものと同じであり、例えば、前記ピッチは、２００〜６００ｎｍのオーダである。
図４に示されている装置において、伝導性の低屈折率層４０は、ｐ型領域２０とｐ型コンタクト２４との間に配されている。低屈折率層４０が導電性のものであるので、ｐ型領域２０とｐ型コンタクト２４との間の界面全体は、低屈折率層４０によって被覆されることができる。前記低屈折率層は、ｐ型層２０との良好な接触も作る。特定の接触抵抗は、好ましくは、１ｘ１０―２Ω―ｃｍ２未満である。
幾つかの実施例において、低屈折率層４０は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ、ｎ＝１．５）、ＩｎＯ、ＺｎＯ、ＧａｘＯｙ又はＣｕＯのような、ドーピングされている酸化物である。前記酸化物は、ｐ型ドーピングされているものであるか又はｎ型ドーピングされているものであるかの何れかであり、この場合、前記ｐ型領域へのトンネル接合が使用されることができる。幾つかの実施例において、前記ドーパントは、酸化物（例えば、ＩＴＯ内のスズ）の構成要素のうちの１つであり、他のドーパントは、付加的な要素（例えば、ｐ型ＺｎＯのためのＰ）である。前記ドーパントの濃度は、低い接触抵抗及び適当な電気的な注入を確実にするのに十分に高いものであるが、光学的吸収を回避するのに十分に低い。例えば、ＩＴＯ層内のスズの量は、０％と１０％の間で変化し得る。
幾つかの実施例において、他の材料の薄い層（例えば、Ｎｉのような金属の数オングストローム）が、前記半導体構造に対する前記低屈折率層の粘着性を向上すると共に、前記酸化物と前記ｐ型半導体材料との間の界面における特定の接触抵抗を改善するように、前記半導体構造と低屈折率層４０との間に配される。
前記屈折率を減少させ、従って、前記半導体との界面における屈折率コントラストを増大させるために、酸化物低屈折率層は、例えば、電気的な、化学的な又は電気化学的なウエットエッチングによって、多孔性にされても良い。代替的には、多孔性の低屈折率層は、斜めにおける蒸着によって形成されても良く、この結果、円柱間に空気の間隙を有する円柱の成長をもたらす。低屈折率層４０は薄いので、これは、抵抗性のものであっても良い。例えば、低屈折率層４０は、ｐ型ＧａＮの抵抗に相当する１Ω−ｃｍまでの抵抗を有しても良い。
幾つかの実施例において、低屈折率層４０は、エピタキシャルに成長された半導体層である。典型的には、このような低屈折率層は、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＮのような、ＩＩＩ族窒化物層であるが、ＺｎＯのような非ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル材料も可能である。低屈折率半導体層は、ｐ型コンタクト２４から低屈折率層を通ってｐ型領域２０まで直接的に注入される電流のために十分にドーピングされたものであっても良い。代替的には、薄い軽くドーピングされている又はドーピングされていない低い屈折率半導体層の場合、電流は、トンネル効果によって注入されても良い。トンネル注入の場合、前記低屈折率半導体層に隣接したｐ型領域の表面は、注入を容易にするように高度にドーピングされることができる。
幾つかの実施例において、低屈折率半導体層が、屈折率を減少するように、酸化される。図５は、酸化された低屈折率層を有する装置の一部を示している。ｎ型領域１６、発光領域１８及びｐ型領域２０は、基板上で成長される。酸化されることができる半導体層４２（例えば、ＧａＮに格子整合されることができるＡｌＩｎＮ）は、ｐ型領域２０上で成長され、高度にドーピングされたｐ型層４６が後続する。高度にドーピングされた層４６の一部は、下にある酸化されるべき層の一部を露出させるように取り除かれる。高度にドーピングされた層４６の残部は、高度にドーピングされた層４６をパターニングするのに使用されるマスクによって保護されている。
次いで、半導体層４２の一部は、例えば、前記ウェハ（Ｉｎの小さい部分が、電流のアクセスのために合金にされても良い）を、８．５のｐＨ値に到達するように水酸化カリウムの０．３Ｍ水溶液に溶かされたニトリロ三酢酸の電解溶液に露出させることによって酸化される。２０μＡ／ｃｍ２の小さい電流密度が、約３Ｖのしきい値電圧において供給される。この酸化は、例えば、毎時５μｍと２０μｍとの間のレートで横に進行する。高度にドーピングされた層４６をパターニングすることによって露出される半導体層４２の前記一部のみが、酸化される。酸化の後、酸化物領域４４は、ＡｌｘＯｙ又はＡｌｘＩｎｙＯｚのような、アモルファス酸化物層である。ＡｌＩｎＮ層内の前記Ｉｎの少なくとも一部は、一般に、酸化の後、前記酸化物層内に留まる。前記Ｉｎは、酸化しても良く、又は酸化しなくても良い。非酸化の半導体材料４２は、酸化物領域４４間に留まる。例えば、ＧａＮに格子整合されているＡｌＩｎＮの屈折率は、約２．２（ＧａＮに関する８％の屈折率コントラスト）であり、同じ酸化された材料の屈折率は、約１．８である。
ｐ型コンタクト２４は、前記構造上に堆積される。電流は、所々でｐ型コンタクト２４から、発光領域１８内に注入され、高度にドーピングされた層４６の残部は、伝導性の半導体領域４２に位置合わせされる。酸化物領域４４は、伝導性のものではないが、酸化物領域４４とｐ型領域２０との間の界面上に入射する光の全反射を生じる。伝導性の半導体領域４２は、少なくとも１００ｎｍ幅であっても良く、ｐ型領域２０内に広がる充分な電流を供給するように、１μｍ未満の間隔をあけられている。図３に示されている装置のように、酸化物領域４４の前記パターンは、ｎ型領域１６の前記上部表面内に形成されるフォトニック結晶の効果を増加させる又は引き立てるように周期的な様式で組織化されていても良い。
反射性ｐ型コンタクト２４と発光領域１８との間の距離は、前記半導体内の放出ダイアグラムと担体の寿命とを制御するように、従って、当該装置の遠視野パターン及び抽出効率に影響を与えるように、最適化されることができる。前記発光領域の配置は、参照によって本願明細書に組み込まれる米国特許第６，９０３，３７６号において更に詳細に記載されている。低い屈折率層の付加は、前記発光層から前記リフレクタまでの光路長を増大させることができる。最適化された放出ダイアグラムを達成するために、共振キャビティＬＥＤ内のように、発光領域１８の中心から金属ミラー２４までの光の位相シフト（金属位相シフトを含む）は、共振することを必要とする。幾つかの実施例において、発光領域１８の中心と金属リフレクタ２４との間の光路長は、反射金属２４の位相を引いて、発光領域１８によって発される光の４分の１の波長の奇数倍である。
図６、７、１１及び１２は、視射角光を直接的に抽出することができる、又は視射角光を自身から容易に抽出される小さい入射角内に指向する抽出フィーチャを含んでいる装置を示している。図６、７、１１及び１２の装置は、前記半導体構造の前記上部又は底部表面から延在している肉巨視的な光抽出フィーチャを含んでいる。前記光抽出フィーチャは、例えば、前記半導体構造を中断するバンプ又はコーンであっても良い。図６、１１及び１２に示されているこのフィーチャは、この上にｎ型コンタクトが形成されるメサと同時に、前記半導体構造内でエッチングされたキャビティであっても良い。
図６に示されている装置において、２つの光抽出フィーチャ４８及び５４が、示されている。前記光抽出フィーチャの大きさ、形状及び間隔は、光線６０で示されているように、又はより容易に抽出されることができるより小さい入射角に、当該装置からの視射角光を指向するように選択される。前記光抽出フィーチャは、フィーチャ４８で示されているように、厚さ全体を通して延在していても良いが、フィーチャ５４で示されているように、厚さ全体を通して延在していなくても良い。幾つかの実施例において、より高いフィーチャは、再指向されることなく、前記フィーチャより上方を伝搬し得る前記視射角光の部分が少ないので、より効率的に視射角光を再指向する。図６に示されている前記フィーチャは、誘電材料又は空気を充填されている。誘電材料は、誘電層５６と同時に前記フィーチャ内に形成されることができ、前記発光領域及びｐ型領域からｎ型コンタクト５０を電気的に絶縁するように、堆積され、パターニングされる。
図１１に示されている装置において、フィーチャ５７は、（波長以下のオーダにおける厚さを有する）薄い誘電層に沿って並べられており、ｐ型コンタクト２４と同時に堆積される反射金属を充填されている。上述されたように、前記誘電層は薄く保持され、自身の正確な厚さは、光学共振（例えば、図１０に示されているもの）を回避するために調整され、従って、良好な反射率を保証する。
図１２に示されている装置において、前記誘電層は、抽出フィーチャの上部に設けられておらず、こうして、電気的コンタクトは、前記フィーチャに沿って並んでいる金属とｎ型領域１６との間に作られている。この場合、前記フィーチャは、ｎ型コンタクトとして使用されることができ、当該装置の従来のｎ型コンタクトと置き換わるか又はこれらを補足するかの何れかである。このような実施例において、抽出フィーチャは、例えば、前記フィーチャをコーティングするために使用される前記誘電層と同時に堆積された誘電層によって、当該装置の層よりも下方のｐ型コンタクトから電気的に絶縁されている。
隣接するフィーチャ間の距離は、視射角光が、当該構造内に吸収されることなく、前記フィーチャに到達するのに十分に短い。これらのフィーチャは、例えば、当該装置の上部表面３４のフォトニック結晶内に形成されているフィーチャ（例えば、１μｍ未満の間隔を置かれている）よりも、はるかに更に間隔を置かれている（例えば、１０μｍと３００μｍとの間の間隔）。より大きい吸収を有する装置は、より短い距離を必要とする。当該吸収は、当該装置内の前記ミラー及び金属の反射率に依存し、活性領域にも依存する。例えば、より活性な材料を備える装置は、一般に、より吸収する。前記フィーチャ間の距離は、当該装置の発光領域の面積の少ない部分（例えば、僅か５０％）が、前記フィーチャに失われるのに十分なだけ大きい。例えば、前記フィーチャが２μｍと５μｍとの間の幅を有する場合、フィーチャ間の５０〜２００μｍの平均的な分離は、１０％のオーダにおける発光領域内の損失に対応する。幾つかの実施例において、前記フィーチャは、視射角光の全ての軌跡が十分に短い距離（例えば、大きくても５０μｍ）においてフィーチャに当たるように、大きさを決定される及び間隔を置かれている。図１３は、実施例の上面図を示しており、図６、１１及び１２に付随する文において記載されているように、フィーチャ４８、５４、５７、及び６２は、視射光が当該装置における大きくても数十ミクロンの進行の後に当たるキャビティを形成しており、前記フィーチャによって使用される前記表面の一部は、ｐ型コンタクトに費やされる前記表面よりも小さい。フィーチャ間の間隔６４は、例えば、５０μｍと１５０μｍとの間であっても良く、しばしば、１００μｍである。一般に、抽出フィーチャは、当該装置の外部及び内部に位置されている。これらは、（影付きの領域が、ｐ型コンタクト２４と前記ｐ型コンタクトの下方のｐ型領域（例えば、図６のｐ型領域２０）とを表している、図１３に示されているように、当該装置を２つ以上の装置に電気的に分離するのに使用されるのではない。前記フィーチャは、ｐ型コンタクトが、１つの連続的な部分であるように設計されており、当該装置の全体にわたって分離されないように設計されている。幾つかの実施例において、前記フィーチャの一部は、前記ｎ型領域に対するコンタクトとしても機能する。コンタクト面積として機能しているフィーチャの数は、これらのフィーチャの反射率を増大させるように最小化されていても良い。
一般に、これらのフィーチャの寸法は大きく（例えば光の波長の数倍）、この結果、これらは幾何学的な仕方において光を反射する。前記フィーチャの側壁角は、これらの効率を最大化するために選択される。視射角光が、前記材料内をほぼ９０°において伝播するので、ほぼ４５°（例えば、３５°と５５°との間）の側壁角を有するフィーチャが視射角光を効率的に抽出することが期待される。上部表面３４に形成されるフォトニック結晶の場合、前記フィーチャの特性は、優先方向の光を抽出するように、これらの側壁角及びこれらの平面方向の分布を最適化することによって、当該装置の指向性を向上するように更に最適化されることができる。
図７に示される装置において、フィーチャ５８は、成長基板が除去された後、例えば、上部表面３４が粗くされる又はフォトニック結晶構造によってテクスチャリングされるのと同時に、形成される。キャビティ５８は、図６に記載されているフィーチャと同じ形状、大きさ及び間隔を有していても良い。キャビティ５８の側壁は、図７に示されているように、粗くされている又はテクスチャリングされていても良いが、これらは必要ではない。キャビティ５８の側壁は、材料（例えば、金属、誘電体又はこれら２つの組合せ）によって被覆されていても良い。
本発明を詳細に記載したが、当業者にとって、本開示を前提として、本明細書に記載されている本発明の概念の精神を逸脱することなく、本発明に対する変形がなされることができることは明らかである。例えば、図３、４、６及び７において、１つのｎ型コンタクトビアだけが示されているが、装置は、複数のｎ型コンタクトビアを有していても良い。同様に、図３、４及び５に示されている装置の前記フィーチャは、図６、７、１１、１２及び１３に示されている装置の前記フィーチャと組み合わされることもできる。従って、本発明の範囲は、示されて記載されている特定の実施例に限定されるものであるとは意図されていない。

Claims (25)

  1. ｎ型領域とｐ型領域との間に配されている発光層を有する半導体構造と、
    前記半導体構造の底側に配されていると共に、前記ｐ型領域に電気的に接続されている反射性金属コンタクトと、
    前記反射性金属コンタクトの少なくとも一部と前記ｐ型領域との間に配されている材料であって、前記材料の屈折率と前記ｐ型領域の屈折率との間の差が少なくとも０．４である、材料と、
    を有する装置において、
    前記半導体構造の上側の少なくとも一部は、テクスチャリングされており、前記半導体構造の上側のテクスチャリングされている前記一部と前記反射性金属コンタクトとの間の距離は、５μｍ未満である、装置。
  2. 前記材料の屈折率と前記ｐ型領域の屈折率との間の差が少なくとも０．７である、請求項１に記載の装置。
  3. 前記発光層は、ＩＩＩ族窒化物材料を含んでおり、前記反射性金属コンタクトは、銀を含んでいる、請求項１に記載の装置。
  4. 前記材料は、誘電体、酸化物、半導体、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＩＴＯ、ＩｎＯ、ＺｎＯ、ＣｕＯ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌｘＯｙ、ＧａｘＯｙ及びＡｌｘＩｎｙＯｚのうちの１つである、請求項１に記載の装置。
  5. 前記半導体構造と前記材料との間の界面は、前記発光層の主平面に対する法線に対して７０°よりも大きい角度において、前記界面に入射する光を反射する、請求項１に記載の装置。
  6. 前記材料と前記ｐ型領域上の前記反射性金属コンタクトとの合成反射率は、前記ｐ型領域と直接的に接触している前記反射性金属コンタクトの反射率より大きい、請求項１に記載の装置。
  7. 記材料は、前記材料内の往復の損失が、前記ｐ型領域と直接的に接触している前記反射性金属コンタクトから反射される可視スペクトル波の損失よりも少ないように、構成されている、請求項１に記載の装置。
  8. 前記テクスチャリングされている一部は、フォトニック結晶によってパターニングされている及びランダムに粗くされているものである、請求項１に記載の装置。
  9. 前記反射性金属コンタクトは、前記材料内に形成される開口によって前記半導体構造と直接的に接触している、請求項１に記載の装置。
  10. 最近接の開口が、２μｍ未満の間隔を置かれている、請求項９に記載の装置。
  11. 前記材料の厚さが５００ｎｍ未満である、請求項１に記載の装置。
  12. 前記材料の厚さが４０ｎｍよりも大きい、請求項１に記載の装置。
  13. 前記材料の厚さが前記発光層によって発される光の波長の半分よりも小さい、請求項１に記載の装置。
  14. 前記材料の厚さは、入射角の範囲において前記材料に入射する光が前記材料内にトラップされるように、前記発光層によって発される光の波長の半分よりも大きく、前記半導体構造は、前記入射角の範囲において発される光の量を最小化するように構成されている、請求項１に記載の装置。
  15. ｎ型領域とｐ型領域との間に配されているＩＩＩ族窒化物発光層を有する半導体構造と、前記半導体構造内に延在している複数のキャビティとを有する装置であって、前記キャビティは、前記発光層の主平面に対する法線に対して７０°よりも大きい角度において、前記界面上に入射する光を反射するように構成される、装置。
  16. 前記半導体構造の底側に配されている反射性金属コンタクトを更に有する請求項１５に記載の装置であって、前記複数のキャビティは、前記半導体構造の底側から前記半導体構造の上側に向かって延在している、装置。
  17. 前記半導体構造の底部に配されている反射性金属コンタクトを更に有する請求項１５に記載の装置であって、前記複数のキャビティは、前記半導体構造の上側から前記半導体構造の底側に向かって延在している、装置。
  18. 前記キャビティは、前記半導体構造内部を進行する光子が、キャビティと相互作用する前に５０μｍよりも多く進行することができないように、構成されている、請求項１５に記載の装置。
  19. 前記キャビティは、前記発光層の主表面に対して、３５°と５５°との間にある角度において配向されている側壁を有する、請求項１５に記載の装置。
  20. 前記キャビティの側壁は、誘電材料によって被覆されている、請求項１５に記載の装置。
  21. 最近接キャビティが、１０μｍと３００μｍとの間の間隔を置かれている、請求項１５に記載の装置。
  22. 前記キャビティの少なくとも１つは、前記ｎ型領域に電気的コンタクトを作る金属を充填されている、請求項１５に記載の装置。
  23. 前記キャビティの側壁は粗くされている、請求項１５に記載の装置。
  24. 前記キャビティの少なくとも１つは、金属を充填されており、金属を充填されている前記キャビティの側壁は、前記半導体構造から前記金属を電気的に絶縁している誘電体によって被覆されている、請求項１５に記載の装置。
  25. 前記複数のキャビティは、当該装置の如何なる部分の電気的な絶縁も作らない、請求項１５に記載の装置。
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