JP2013009002A - 半導体発光装置に成長させたフォトニック結晶 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】n型領域とp型領域の間に配置された発光領域を含むIII族窒化物構造のような半導体構造内にフォトニック結晶を成長させる。フォトニック結晶は、半導体材料の複数の領域とすることができ、これらの領域は、この半導体材料とは屈折率が異なる材料によって分離されている。例えば、フォトニック結晶は、構造内に成長して空隙又はマスク材料の領域によって分離された半導体材料のポストとすることができる。フォトニック結晶を既に成長した半導体層内にエッチングするのではなくフォトニック結晶を成長させることは、効率を低下させることがあるエッチングが原因の損傷を回避し、電気接点がその上に形成される、割り込まれていない平坦な表面を提供する。
【選択図】図2
Description
損失の更に別の原因は、LEDと周囲媒体の間の屈折率の不整合によって引き起こされる反射である。反射防止コーティングによりそのような損失を低減することができるであろうが、特定のフォトンエネルギと1つの入射角度でのみ反射を完全に相殺することができることになる。
図1のPXLED100では、n型領域108は、例えば、サファイア、SiC、又はGaNとすることができる成長基板102の上に形成され、活性領域112は、n型領域108の上に形成され、p型領域116は、活性領域112の上に形成される。領域108、112、及び116の各々は、単一の層、又は組成、厚み、又はドーパント濃度が異なるか又は同じ複数の層とすることができる。p型領域116と活性領域112の一部分は、n型領域108の一部分を露出するためにエッチングで除去することができ、次に、p型領域116上にp接点120が形成され、n型領域108の露出された部分上にn接点104が形成される。装置は、図1に示すようにひっくり返すことができ、接点104と120を通じてマウント(図示しない)に接続することができる。
一部の実施形態では、装置の異なる領域に異なる格子型が形成される。例えば、全放射パワー(放射効率)を最適化するように設計された1つのフォトニック結晶構造を、装置の1つの領域に形成することができ、光抽出(抽出効率)を最適化するように設計された別のフォトニック結晶構造を、装置の別の領域に形成することができる。
図4の装置は、図2に関連して上述したように、半導体ポストがホスト基板46に金属結合されたこと(44)以外は図3の装置と同様である。成長基板20は、図2に関連して上述したように除去することができる。
代替的に、図9のマスク70は、マスク開口部に成長した材料72とピラミッド74がn型になるようにn型領域22の上に堆積させることができる。割り込まれていない平面p型領域、活性領域、及び任意的なn型領域は、別の成長基板上に成長させ、次にn型ピラミッド74に結合することができる。
22 n型領域
24 マスク層
26、28、30 ポスト
Claims (49)
- n型領域とp型領域の間に配置されて順方向バイアスされた時に波長λの光を放出するように構成された発光領域を含む半導体構造の内部にフォトニック結晶を成長させる段階、
を含み、
前記フォトニック結晶は、
第1の屈折率を有する半導体材料の複数の領域と、
前記第1の屈折率とは異なる第2の屈折率を有する材料の複数の領域と、
を含み、
前記第2の屈折率を有する材料の領域は、前記半導体材料の領域の間にアレイの形に配置され、第2の屈折率を有する材料の各領域の中心は、第2の屈折率を有する材料の最も近い隣りの領域の中心から5λ未満に位置している、
ことを特徴とする方法。 - 前記半導体構造は、III族窒化物構造であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記第2の屈折率を有する材料は、空気であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記第2の屈折率を有する材料は、空気、シリコンの酸化物、シリコンの窒化物、シリコンのオキシ窒化物、及び誘電体のうちの1つ又はそれよりも多くを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- フォトニック結晶を成長させる段階は、
複数の開口部を有するマスクを半導体表面上に形成する段階と、
前記開口部を通して半導体材料を成長させる段階と、
を含む、
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記開口部を通して成長させた前記半導体材料は、複数の半導体ポストを含むことを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 前記半導体材料は、前記マスクの厚みよりも大きな厚みを有することを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 前記半導体材料は、前記マスクの厚みと実質的に同じ厚みを有することを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 前記半導体材料の複数のポストを成長させる前に、前記複数の開口部に金属触媒を準備する段階を更に含むことを特徴とする請求項6に記載の方法。
- 前記金属触媒は、ニッケルであることを特徴とする請求項9に記載の方法。
- 実質的に平坦で割り込まれていない上面を有する半導体層を前記複数のポストの上に成長させる段階を更に含むことを特徴とする請求項6に記載の方法。
- 前記半導体構造は、第1の半導体構造であり、
第2の半導体構造を前記ポストに結合する段階、
を更に含むことを特徴とする請求項6に記載の方法。 - ホスト基板を前記ポストに該ホスト基板と該ポストの間に配置された金属結合層によって結合する段階を更に含むことを特徴とする請求項6に記載の方法。
- 前記発光領域は、ポスト内に配置されていることを特徴とする請求項6に記載の方法。
- フォトニック結晶を形成するために、複数のポストを成長させる前に前記半導体表面の一部分をエッチングで除去する段階を更に含むことを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 前記発光領域は、前記フォトニック結晶によって割り込まれていないことを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 前記フォトニック結晶は、前記n型領域に形成されていることを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 前記フォトニック結晶は、前記p型領域に形成されていることを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 前記フォトニック結晶は、n型領域に形成された第1のフォトニック結晶であり、
前記p型領域に第2のフォトニック結晶を形成する段階、
を更に含むことを特徴とする請求項5に記載の方法。 - 前記複数のポストの少なくとも1つは、実質的に一定の直径と実質的に真っ直ぐな側壁とを有し、成長基板の表面に対して垂直に成長することを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 前記第2の屈折率を有する材料の領域は、少なくとも(1/4)λの厚みを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記第2の屈折率を有する材料の領域は、前記発光領域の3λ内に位置していることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記半導体材料の複数の領域と前記第2の屈折率を有する材料の複数の領域とは、格子定数が0.1λと3λの間の格子の形に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記半導体材料の複数の領域と前記第2の屈折率を有する材料の複数の領域とは、格子定数が0.1λとλの間の格子の形に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記第2の屈折率を有する材料は、空気であり、
前記半導体材料の複数の領域と前記第2の屈折率を有する材料の複数の領域とは、格子定数が0.35λと0.55λの間の格子の形に配置されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記半導体材料の複数の領域と前記第2の屈折率を有する材料の複数の領域とは、線形回折格子の形に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記半導体材料の複数の領域と前記第2の屈折率を有する材料の複数の領域とは、格子の形に配置され、該格子の少なくとも一部分は、三角形、蜂の巣、アルキメデス、及び準結晶の格子のうちの1つを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記半導体材料の領域のうちの1つの半径は、前記格子定数の0.36倍であることを特徴とする請求項27に記載の方法。
- 前記n型領域の一部分を露出するために前記p型領域と前記発光領域の一部分をエッチングで除去する段階と、
前記p型領域の残りの部分と前記n型領域の前記露出された部分上に電気接点を形成する段階と、
前記電気接点をキャリアに取り付ける段階と、
を更に含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記半導体は、成長基板上に成長させ、
前記キャリアと前記半導体構造の間の空隙を充填する段階と、
前記成長基板を除去する段階と、
を更に含むことを特徴とする請求項29に記載の方法。 - 前記半導体構造は、成長基板上に成長させ、
前記半導体構造の表面をキャリアに取り付ける段階と、
前記成長基板を除去する段階と、
を更に含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記フォトニック結晶は平面n型領域と平面p型領域との間に配置され、前記平面n型及びp型領域は前記フォトニック結晶によって割り込まれていない
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - n型領域とp型領域の間に配置されて波長λの光を放出するように構成された発光層を含み、上面と下面を有する半導体構造と、
第1の屈折率を有する半導体材料の複数の領域、及び
前記第1の屈折率とは異なる第2の屈折率を有する材料の複数の領域、
を含み、
前記第2の屈折率を有する材料の領域が、前記半導体材料の領域の間にアレイの形に配置され、第2の屈折率を有する材料の各領域が、第2の屈折率を有する材料の最も近い隣の領域から5λ未満に位置している、
前記半導体構造内に配置されたフォトニック結晶と、
を含み、
前記発光層は、前記フォトニック結晶内に配置され、
前記半導体構造の前記上面と前記下面は、前記フォトニック結晶によって割り込まれていない、
ことを特徴とする装置。 - 前記発光層は、III族窒化物層であることを特徴とする請求項33に記載の装置。
- 前記第2の屈折率を有する材料は、空気であることを特徴とする請求項33に記載の装置。
- 前記第2の屈折率を有する材料は、シリコンの酸化物、シリコンの窒化物、シリコンのオキシ窒化物、及び誘電体のうちの1つを含むことを特徴とする請求項33に記載の装置。
- 前記第2の屈折率を有する材料の領域は、少なくとも(1/4)λの厚みを有することを特徴とする請求項33に記載の装置。
- 前記半導体材料の複数の領域と前記第2の屈折率を有する材料の複数の領域とは、格子定数が0.1λと3λの間の格子の形に配置されていることを特徴とする請求項33に記載の装置。
- 前記半導体構造の下面上に配置された第1の接点と、
前記半導体構造の上面上に配置された第2の接点と、
を更に含むことを特徴とする請求項33に記載の装置。 - 前記上面は、実質的に平坦な表面を含み、
前記発光層の一部分と前記n型領域及び前記p型領域の一方の一部分は、前記下面が該n型領域の露出部分と該p型部分の露出部分を含むように該下面から除去されており、
第1の接点が、前記n型領域の前記露出部分上に形成されており、
第2の接点が、前記p型領域の前記露出部分上に形成されている、
ことを特徴とする請求項33に記載の装置。 - n型領域とp型領域の間に配置されて波長λの光を放出するように構成された発光層を含み、上面と下面を有する半導体構造と、
第1の屈折率を有する半導体材料の複数の領域、及び
前記第1の屈折率とは異なる第2の屈折率を有する材料の複数の領域、
を含み、
前記第2の屈折率を有する材料の領域が、前記半導体材料の領域の間にアレイの形に配置され、第2の屈折率を有する材料の各領域が、第2の屈折率を有する材料の最も近い隣の領域から5λ未満に位置している、
前記p型領域内に配置されたフォトニック結晶と、
を含み、
前記半導体構造の前記上面と前記下面は、前記フォトニック結晶によって割り込まれていない、
ことを特徴とする装置。 - 前記フォトニック結晶は、第1のフォトニック結晶であり、
前記n型領域内に配置された第2のフォトニック結晶、
を更に含むことを特徴とする請求項41に記載の装置。 - 前記発光層は、III族窒化物層であることを特徴とする請求項41に記載の装置。
- 前記第2の屈折率を有する材料は、空気であることを特徴とする請求項41に記載の装置。
- 前記第2の屈折率を有する材料は、シリコンの酸化物、シリコンの窒化物、シリコンのオキシ窒化物、及び誘電体のうちの1つを含むことを特徴とする請求項41に記載の装置。
- 前記第2の屈折率を有する材料の領域は、少なくとも(1/4)λの厚みを有することを特徴とする請求項41に記載の装置。
- 前記半導体材料の複数の領域と前記第2の屈折率を有する材料の複数の領域とは、格子定数が0.1λと3λの間の格子の形に配置されていることを特徴とする請求項41に記載の装置。
- 前記半導体構造の下面上に配置された第1の接点と、
前記半導体構造の上面上に配置された第2の接点と、
を更に含むことを特徴とする請求項41に記載の装置。 - 前記上面は、実質的に平坦な表面を含み、
前記発光層の一部分と前記n型領域及び前記p型領域の一方の一部分は、前記下面が該n型領域の露出部分と該p型部分の露出部分を含むように該下面から除去されており、
第1の接点が、前記n型領域の前記露出部分上に形成されており、
第2の接点が、前記p型領域の前記露出部分上に形成されている、
ことを特徴とする請求項41に記載の装置。
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