JP2012514848A - 光の取り出しが改善された反転ｌｅｄ構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】光源［３０］および同を製作する方法が開示される。光源［３０］は基板および発光構造体を含む。基板［２４］は第一の表面および第二の表面を有し、第二の表面は基板の第一の表面を基準として湾曲した凸面状表面［３９］を含む。発光構造体は、第一の表面の上に置かれた第一の導電性型の材料の第一の層［２１］、第一の層の上に置かれた活性層であってその中で正孔と電子とが再結合すると発光する活性層［２２］、ならびに活性層の上に置かれた第二の導電性型の材料および第一の表面とは反対側の第二の表面を含む第二の層［２３］、を含む。鏡面層［２５］が発光構造体の上に置かれる。
【選択図】図２

Description

発光ダイオード（ＬＥＤ）は、電気エネルギーを光に変換する重要な部類の固体デバイスである。これらのデバイスの改善は、従来の白熱灯および蛍光灯光源を置き換えるべく設計された照明設備にこれらのデバイスが用いられる結果をもたらした。ＬＥＤは、有意に、より長い寿命、およびある場合には電気エネルギーを光に変換するための有意に、より高い効率を有する。

ＬＥＤのコストおよび変換効率は、この新しい技術が従来の光源を置き換え、大電力用途に用いられていく速さを測る上で重要な因子である。多くの大電力用途は、必要な電力レベルを達成するために複数のＬＥＤを必要とする。というのは、個々のＬＥＤは数ワットが限界だからである。その上、ＬＥＤは比較的狭いスペクトル帯の光を発する。したがって、特定の色の光源を必要とする用途では、異なる光学帯のスペクトルを放射する多数のＬＥＤからの光が組み合わされる。したがって、ＬＥＤに基づいた多数光源のコストは、個々のＬＥＤのコストのその多数倍になる。

個々のＬＥＤの変換効率は、大電力ＬＥＤ光源のコスト問題に取り組む際の重要な因子である。ＬＥＤの変換効率は、ＬＥＤから放射される光の強さと消費された電力との比であると定義される。ＬＥＤ中で光に変換されない電力は熱に変換され、これはＬＥＤの温度を上げる。熱放散はＬＥＤが発する光の強さのレベルに限界を設ける。その上、ＬＥＤは熱放散を担う構造体の上に設けられなければならず、このことは次なる結果として光源のコストをさらに増加させる。したがって、ＬＥＤの変換効率を増加することができるならば、単一ＬＥＤが提供することができる光の最大量も増加することができ、したがって所与の光源に必要なＬＥＤの数を低減することができる。加えて、ＬＥＤの使用コストも変換効率に逆比例する。したがって、ＬＥＤの変換効率を改善することに多大な労力が向けられている。

ここでの検討の目的のためには、ＬＥＤは活性層が2の他の層の間に挟まれた３層を有し、これらがｐ−ｉ−ｎダイオード構造を形成するものであると見なされることができる。これらの層は典型的にはサファイアのような基板の上に堆積される。これらの層のそれぞれは典型的には多数の副層を含むことに留意しなければならない。

材料の改善は活性層における光の生成効率の改善をもたらした。ＧａＮに基づいたＬＥＤは、活性層に関する光変換効率の増加の点でとりわけて将来性を示している。残念なことに、これらの材料は非常に高い屈折率を有し、したがって高い屈折率の材料中を移動する光がそれよりも低い屈折率の材料に出会うところである空気−ＬＥＤ境界面または他の境界面における内部反射によって、ＬＥＤ内に光が捕捉されることがある。捕捉された光のうちの有意の割合がＧａＮ材料中での吸収によって消滅する。従来のサファイア基板上のＧａＮに基づいたＬＥＤの場合、簡単な平面層のＬＥＤ構造が変えられない限り、活性層によって放射された光の約７０％がＬＥＤ内に捕捉されたままになる。

このタイプの内部捕捉を最少化することによってＬＥＤからの光の取り出しを改善するためのいくつかの手法が開示されている。1の種類の手法は、内部反射する境界面に突き当たった光線がその境界面から反射される角度をランダム化することによって機能する。ＬＥＤが平行な平面層から構築されているならば、異なる屈折率の2の層の接触面における臨界角よりも大きい角度で第一の境界面に突き当たる光線は、第二の境界面に向かって内部反射されることになる。この光線はその光線が第一の境界面に突き当たったのと同じ角度で第二の境界面に突き当たることになり、したがって同じ角度で第一の境界面に向かって再反射されることになる。したがって、この光線はこれらの境界面の間に捕捉され、最終的に該材料によって吸収されるか、あるいはＬＥＤの側面を通って外に出て行くことになる。これらの境界面のうちの1を粗面化することによって、光線が第一の反射において境界面に突き当たる角度と、その光線が第二の反射においてその境界面に突き当たる角度との間の相関関係は有意に低減され、または解消される。したがって、光線が境界面に突き当たる度に、たとえその光線がその光線の前回の反射において内部反射されていたとしても、その光線は逃げていく有限の機会を有する。

しかし、他の作用機構によってＬＥＤの効率に影響を及ぼす他の問題を持ち込まないで達成することができる粗面化の程度には限界がある。ＬＥＤの上面の形状付与によって得られることができる粗面化の程度はｐ層の厚さによって制限される。ｐ層は通常、諸層が製作された後、露出される層である。ｐ層材料は他の材料よりも有意に高い成長温度を有し、したがってこの層の厚さはエピタキシャル成長の間、下にある活性層の劣化を防止するために最低限に抑えられなければならない。しかし、この層に突き当たる光を散乱するのに十分なほどこの層を粗面化することが可能であるためには、この層は十分に厚くなければならない。散乱構造体は、有効な散乱をもたらすためには、散乱される光の波長とほぼ同程度の寸法を有さなければならない。したがって、粗面化されて、活性層において生成された光の波長とほぼ同程度の表面造作を与えそれでもなお損傷を受けないままでいることができる厚さを、ｐ層は有さなければならない。この二律背反は、内部反射の問題がＬＥＤの表面の粗面化によって対処されることができる程度に限界を設ける。

光の捕捉問題に取り組む他の一連の手法は、光が通って外に出て行くＬＥＤの表面に曲面を付与することに係るものである。曲面がＬＥＤに比較して大きければ、任意の角度でＬＥＤを離れる光は、臨界角よりも小さい角度でその表面に出会い、そして逃げて行くだろう。この解決策は、典型的には実装レベルで、凸面状表面を有する材料の層でＬＥＤを被覆することで当てはめられる。しかし、この材料の層は、ＬＥＤを構成しているＧａＮ層の屈折率よりも有意に小さい屈折率を有する材料から構築される。したがって、この界面層中に放射された光は非常に効率的に逃げて行くけれども、該界面層とＬＥＤとの境界面における内部反射の故に、光は依然としてＬＥＤ中に捕捉される。

その上、この解決策はＬＥＤよりもはるかに大きい表面が必要となり、したがって光源のサイズを増加する。さらにその上、光源製造業者がこの界面構造体を実装作業の一部としてモールド成形しなければならないという点で、この界面構造体はＬＥＤの実装を複雑化する。

本発明は、光源および同を製作する方法を含む。光源は基板および発光構造体を含む。基板は第一の表面および第二の表面を有し、第二の表面は基板の第一の表面を基準として湾曲した凸面状表面を含む。発光構造体は、第一の表面の上に置かれた第一の導電性型の材料の第一の層、第一の層の上に置かれた活性層であってその中で正孔と電子とが再結合すると発光する活性層、ならびに活性層の上に置かれた第二の導電性型の材料および第一の表面とは反対側の第二の表面を含む第二の層、を含む。鏡面層が発光構造体の上に置かれる。

本発明の１の側面では、湾曲した凸面状表面は、活性層中で生成された光線が最初は内部反射によって該湾曲した凸面状表面から反射され、そのあと、該表面上の突き当たり点における該表面の臨界角よりも小さい角度で該表面に突き当たるように選択される。

本発明の他の側面では、湾曲した凸面状表面はフォトレジスト層を当該基板上にパターニングすることによって生成され、該パターニングによってフォトレジスト層は当該湾曲した凸面状表面に類似した表面プロファイルを有する。フォトレジスト層および基板は次に、両表面を攻撃するエッチング系を用いてエッチングされる。

従来技術のＧａＮに基づいた反転ＬＥＤ構造体の簡略断面図である。 従来技術のＧａＮに基づいた反転ＬＥＤ構造体の簡略断面図である。 本発明の１の側面に従うＬＥＤ３０を含むウエハーの一部の簡略断面図である。 本発明に従う製作方法の流れ図である。 製作方法の様々な点におけるウエハーの一部の断面図である。 製作方法の様々な点におけるウエハーの一部の断面図である。 製作方法の様々な点におけるウエハーの一部の断面図である。 製作方法の様々な点におけるウエハーの一部の断面図である。 製作方法の様々な点におけるウエハーの一部の断面図である。 製作方法の様々な点におけるウエハーの一部の断面図である。

本発明がその利点を提供する様式は、図１Ａおよび１Ｂを参照することによってより容易に理解することができ、これらの図は従来技術のＧａＮに基づいた反転ＬＥＤ構造体の簡略断面図である。ＬＥＤ１０はサファイア基板２４の上に三つの層を成長させることによって構築される。第一の層２１はｎ型ＧａＮ材料である。第二の層はｐ型ＧａＮ層２３である。第三の層２２は活性層であり、層２１および２３からの正孔および電子がその中で結合すると発光する。これらの層のそれぞれは多数の副層を含んでいてもよい。これらの副層の機能は当該技術分野で周知であり本発明の説明の中心ではないので、これらの副層の詳細は図面および以下の説明から省かれている。

層２２中で生成された光はすべてのあり得る角度で層２２から出て行く。境界面２８および２９を貫通した後ＬＥＤから出て行くことに成功した光の例が２７Ａに示される。図１Ａの２７Ｂに示された、層２２から出て行く光の一部は、ＬＥＤ層２１と基板２４との間の境界面２８に全内部反射を被るのに十分なほど大きい角度で出会い、そして境界面２８と鏡面２５との間に捕捉されてしまう。図１Ａの２７Ｃに示された、層２２から出て行く光の他の一部は、境界面２８についての臨界角よりも下の角度でその境界面に出会い、それを貫通するが、次に基板２４と空気との間の境界面２９に全内部反射を被るのに十分なほど大きい角度で出会い、そして境界面２９と鏡面２５との間に捕捉されてしまう。

光が二つの境界面の間に捕捉されてしまうのは、光が最初の反射の際に境界面に突き当たる角度と、その次の反射でその境界面に突き当たる角度との間に相関関係があるからである。たとえば、光が境界面２９にその臨界角よりも大きい角度で突き当たることによって、その光がその境界面から反射されるならば、その光は鏡面２５に向かって戻り、次に境界面２９に向かって再反射される。これらの境界面は平行であるので、この光が境界面２９との前回の出会いにおいてその境界面に突き当たったのと同じ角度で、再びその光は境界面２９に突き当たる。したがって、この光は境界面２９によって再び反射される。したがって、この光は２の境界面の間に捕捉され、ＬＥＤの材料中に吸収されるか、あるいはＬＥＤの末端から外に出て行く。

鏡面２５と、境界面２８か、あるいは２９との間に捕捉される光の量は、図１Ｂに示されたように粗面２６を付与することによって低減されることができる。ＬＥＤ２０は、層２３の上面が２６に示されたように粗面化されていることを除いてＬＥＤ１０に類似した様式で構築される。粗面２６は、面２６への入射光がその後に境界面２８および２９に突き当たる角度をランダム化する。境界面２８を考える。臨界角よりも大きい角度で境界面２８に突き当たる光は、鏡面２５に向かって再反射される。粗面は、その光が鏡面２５を離れる角度をランダム化する。すなわち、鏡面２５に突き当たる光の反射角に広がりが生じる。したがって、鏡面２５を離れる光のうちのある割合は、今度は臨界角よりも小さい角度で境界面２８に突き当たり、２７Ｄおよび２７Ｅに示されたように該境界面を貫通する。残りの光は再び鏡面２５に向かい、そして広い範囲にわたる角度で境界面２９に向かって反射される。したがって、図１Ｂの従来技術の構造体において、粗面２６はＬＥＤの光取り出し効率を改善する。

層２３の表面の粗面化はＬＥＤ１０と比較してＬＥＤ２０の光取り出し効率を改善するけれども、粗面化は他の問題を引き起こす。第一に、鏡面は典型的には銀またはアルミニウムのような金属の層を層２３の上面に堆積することによって形成される。層２３の上面が粗であると、該鏡面の反射率はプラズモン効果によって実質的に低減される。したがって、光のうちの実質的な割合が失われる。

第二に、上面の成形によって付与されることができる粗面化の量は、層２３の厚さによって制限される。層２３は典型的にはｐ型半導体層である。ＧａＮのような多くの半導体材料系の場合、ｐ型材料は非常に高い抵抗率を有する。その上、このｐ−ＧａＮ層はその下にある活性層の成長温度よりも有意に高い成長温度を必要とする。活性層の劣化を最小限にするために、ｐ−ＧａＮ層の厚さはできる限り小さくなるように選択される。適当な粗面化をもたらすためには、活性層において生成された光の波長とほぼ同程度である散乱表面造作を与え、それでいて損傷のない連続層を与える厚さを、このｐ−ＧａＮ層は有さなければならない。したがって、内部量子効率と光散乱効率との間には二律背反が存在する。

本発明は、粗面化された表面２３が存在しなくても、その後の表面との出会いにおいて表面に突き当たる光線の、表面の法線を基準とする入射角が、その光線がその前の反射において表面に突き当たった入射角よりも小さくて、したがってその光が逃げることができるように、表面２９の形状を変えることによって、図１Ａおよび１Ｂに示された鏡面２５と表面２９との間に捕捉される光の量が低減されることができるという観察結果に基づいている。

ここで図２を参照する。この図は本発明の１の側面に従うＬＥＤ３０を含むウエハーの一部の簡略断面図である。ＬＥＤ３０は、ＬＥＤ２０についての上記した様式と類似するが、何らかの粗表面を必ずしも含まない様式で、層２１〜２３を基板２４の上に堆積し、そして鏡面層２５を堆積することによって構築される。基板２４の底表面３９は凸面の曲率を有する。光線３１を考える。３３に示されたように基板２４の底表面が平らであるとしたら、光線３１は３２に示されたように層２１中に反射して戻されたであろう。そうならずに、光線３１は基板の曲表面３９に点３４ａで突き当たる。基板２４のこの点における曲率は、臨界角よりも小さい光線３１の入射角を与え、したがって光線３１は逃げて行く。

ここで活性層２２から層２２および２１に対して法線入射で出て行く光線３７を考える。この光線は層２１と平行である平表面を有するＬＥＤからであれば、普通に逃げて行くだろう。しかし、光線３７は、表面３９に点３４ｂにおける臨界角よりも大きい角度３５で突き当たり、したがって反射され、そして表面３９に点３４ｃで突き当たる。この光線が表面３９に突き当たる点における入射角３６が角度３５よりも大きくなるように、表面３９は選択される。したがって、この光線も基板２４から逃げて行く。

一般に、最初は内部反射の故に表面３９から反射される光線がそのあとは表面３９に、表面３９上の突き当たり点における表面３９の臨界角よりも小さい角度で突き当たるように、表面３９は選択される。逃げ出しが起きる反射は、次の反射であるかもしれないしまたは表面３９および／もしくはＬＥＤ３０の他の表面、たとえば鏡面２５もしくは層２１〜２３の最後の表面からの多数の反射の後に生じる反射であるかもしれない。本発明の１の側面では、表面３９は非球面状の凸面状表面である。たとえば、表面３９は近似的に放物線表面であることができる。

ここで図３および４Ａ〜４Ｆを参照する。これらの図は本発明に従うＬＥＤを製作する１の方法を例示する。図３はこの方法の流れ図であり、図４Ａ〜４Ｆはこの製作方法の様々な点におけるウエハーの一部の断面図である。該方法は従来の３層ＬＥＤ構造体４３をサファイア基板４４の上に堆積することから始まる。構造体４３の上層は鏡面層４５で被覆され、次にフォトレジスト層が図４Ａおよび段階３０１に示されたように基板４２の上に堆積される。図４Ｂに示された段階３０２において、フォトレジスト層はパターニングされて、島４２Ａおよび４２Ｂが所望の凸面状構造体に対応する位置に作り出される。示されたウエハーの一部においては、２の隣接するＬＥＤのそれぞれに一つずつ、２の構造体が形成されることになる。

図４Ｃに示された段階３０４において、熱がかけられて、フォトレジストが軟化し流動するようにされる。熱が除かれた後、表面張力によってフォトレジスト島の形状の変化が生じる。フォトレジスト島が放置されて完全に溶融してしまうと、図４Ｄの４７Ａおよび４７Ｂに示されたように各島のところに実質的に凸面状の表面が形成される。かけられる熱の大きさおよび時間的プロファイルは、特定の所望の表面プロファイルが得られるように選択されることができる。

段階３０５および図４Ｅに示されたようにフォトレジスト層およびその下にある基板をエッチングすることによって、フォトレジストのパターンが次にその下にある基板に移される。エッチング工程にはイオンビーム削りが用いられることができる。フォトレジストによって被覆されている基板４４の一部は、その上にあるフォトレジスト層がイオンビームによって削られてしまうまでエッチングされない。したがって、凸面状の表面領域４９Ａおよび４９Ｂは図４Ｆに示されたようにエッチング工程の後に残る。

基板中に得られる構造体の高さプロファイルは、フォトレジストのプロファイルおよびイオンビームエッチング工程の相対選択率の双方に依存する。イオンビーム工程が下にある基板をフォトレジストと実質的に同じ速度でエッチングするならば、凸面の区画がフォトレジスト層中の対応する構造体と実質的に同じ高さを有するように、フォトレジストのパターンが基板に移されるだろう。イオンビームエッチングがフォトレジストを基板よりも速く攻撃するならば、同じ形状ではあるが高さの低められたパターンが作り出されるだろう。

凸面状構造体の形成はウエハーの規模で実施され、したがってＬＥＤのコストを実質的に増加させない。この点に関連して、従来の加工装置ではウエハーを個々のダイに分離することを容易にするために、多くの場合基板は薄くされていることに留意しなければならない。サファイア基板の場合、ウエハーに所望の場所で引っかき線を付け、次にウエハーを切断することによってダイは分離される。信頼性のある分離をするために、図３の３０６に示されたスクライビングおよび切断工程の前に、ウエハーは典型的には約１００ミクロンの厚さまで薄くされる。ウエハーはダイとダイとの間の場所、すなわち図４Ｆの５１に示されたように凸面状構造体が最も小さい垂直高さを有する領域でスクライビングされるので、ダイを分けるためにさらに追加して薄くする必要がない。

上記の実施態様では、最終製品ＬＥＤを製造するウエハー加工の最後またはそれに近い段階で、凸面構造体は製作される。しかし、ＬＥＤ層の堆積の前に凸面状光取り出し構造体が製作される実施態様も構成されることができよう。この場合、ウエハーを提供する事業者は光取り出し表面造作をすでに適所に備えたウエハーを提供することになろう。ＬＥＤ製造業者は、ＬＥＤ関連構造体が曲面状構造体と適切にアラインメントされる様式でＬＥＤ関連構造体を作り出すだけでよい。ウエハーは従来の加工の間、より薄いので、加工の間の割れに対する所要の抵抗力を与える担体に、ウエハーは結合されることができる。

凸面状光取り出し表面は基板から構築され、したがって同じ屈折率を有することに留意しなければならない。したがって異なる屈折率を有する層の間に新しい界面が生成されることはない。光を取り出すために凸面状表面を用いる従来技術の考え方は、ＬＥＤに大きい凸面レンズを連結することに依存し、また典型的にはサファイアまたはＬＥＤ層が構築される材料よりも実質的に低い屈折率を有する材料を用いる。有効であるためには、該レンズはＬＥＤからある距離を空けて置かれかつ直径がＬＥＤよりも数倍大きくなければならない。その結果、レンズは個別に作り出されまたは光源の組立ての実装段階で取付けられなければならない。これは得られる光源のコストを増加する。

レンズはＬＥＤの直径の何倍もの直径を有さなければならず、またＬＥＤから出て行くいずれの光線も臨界角よりも小さい角度で曲面に突き当たるようにレンズはＬＥＤからある距離を空けて置かれなければならないことにも留意しなければならない。このことは光源のサイズに下限を設け、これはある用途には不満足である。

その上、ＬＥＤと曲面との間の空間は、ＬＥＤ層と比較して相対的に低い屈折率を有する材料で満たされる。これはＬＥＤと光取り出しレンズとの間に平面状境界面をもたらし、この境界面は異なる屈折率の2の領域を分ける。したがって、光の一部はこの境界面で反射されてＬＥＤ中に戻る。

本発明は、ＧａＮ同族体の材料または高い屈折率を有する他の材料系、たとえばサファイアもしくは窒化ケイ素から構築されたＬＥＤにとりわけ有用である。本発明の説明の目的のためには、ＧａＮ同族体の材料はＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮおよびＧａＮであると定義される。しかし、本発明は他の同族体の材料から構築されたＬＥＤに適用されてもよい。

本発明の上記の実施態様は、本発明の様々な側面を例示するために提供された。しかし、異なる特定の実施態様に示される本発明の異なる側面が組み合わされて本発明の別の実施態様をもたらすことができることは理解しなければならない。その上、本発明への様々な変形が、上述の記載および添付図面から当業者には明らかであろう。したがって、本発明は以下の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。

Claims (9)

1. 第一の表面および第二の表面を有する基板であって、当該第二の表面が当該基板の当該第一の表面を基準として湾曲した凸面状表面を含む基板；
   当該第一の表面の上に置かれた第一の層であって、当該第一の層が第一の導電性型の材料を含む第一の層；
   当該第一の層の上に置かれた活性層であって、当該活性層中で正孔と電子とが再結合すると、当該活性層が発光する活性層；および
   第二の導電性型の材料を含む第二の層であって、当該第二の層が当該活性層の上に置かれた第一の表面および当該第一の表面とは反対側の第二の表面を有する第二の層
   を含み、当該基板が当該活性層によって生成された光に透明である、デバイス。
2. 当該第一の層、当該第二の層および当該活性層が、ＧａＮ同族体の材料からの材料を含んでいる、請求項１に記載のデバイス。
3. 当該基板がサファイアを含んでいる、請求項１に記載のデバイス。
4. 当該湾曲した凸面状表面が、当該活性層中で生成された光線が最初は内部反射によって当該表面から反射され、該後に、当該表面上の突き当たり点における当該表面の臨界角よりも小さい角度で当該表面に突き当たるように選択されたものである、請求項１に記載のデバイス。
5. 当該湾曲した凸面状表面が非球面状である、請求項１に記載のデバイス。
6. 当該湾曲した凸面状表面が実質的に放物線曲面である、請求項１に記載のデバイス。
7. 実質的に互いに平行である第一の表面および第二の表面を有する基板を用意する工程；
   発光構造体を当該第一の表面の上に製作する工程であって、当該発光構造体が
   当該基板の上に堆積された第一の導電性型の半導体材料の第一の層、
   当該第一の層の上に置かれた活性層、および
   当該活性層の上に置かれた、当該第一の導電性型とは逆の導電性型の半導体材料の第二の層、
   を含む工程；および
   当該基板の当該第二の表面をエッチングして、当該第一の表面を基準として湾曲した凸面状表面を付与する工程
   を含む発光デバイスを製作する方法。
8. 当該基板の当該第二の表面をエッチングする工程が、
   当該第二の表面の上にフォトレジストの層を堆積する工程；
   当該堆積されたフォトレジスト層をパターニングする工程；
   当該フォトレジストを、当該フォトレジスト層の表面が湾曲した凸面形状をとる温度まで加熱する工程；および
   当該フォトレジスト層および当該基板をエッチングする工程
   を含む、請求項７に記載の方法。
9. 当該湾曲した凸面状表面が、当該活性層中で生成された光線が最初は内部反射によって当該湾曲した凸面状表面から反射され、該後に、当該湾曲した凸面状表面上の突き当たり点における当該表面の臨界角よりも小さい角度で当該表面に突き当たるように選択される、請求項７に記載の方法。

Images