JP2013526073A - 波長変換基板上に成長した発光装置 - Google Patents
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Abstract
本発明のある実施例では、装置は、基板および半導体構造を有する。基板は、透明材料内に配置された波長変換材料を有する波長変換素子（30）と、III族−窒化物材料が上部で核生成する材料を有するシード層（34）と、前記波長変換素子と前記シード層の間に配置された結合層（32）とを有する。半導体構造は、n型領域とp型領域の間に配置された、III族−窒化物発光層を有し、シード層の上部に成長する。
Description
本発明は、波長変換複合基板上に成長した半導体発光装置に関する。
に関する。
に関する。
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）、および端面発光レーザを含む半導体発光装置は、現在利用できる最も効率的な光源である。可視スペクトルにわたって作動可能な高輝度発光装置の製造において、現在注目されている材料システムは、III−V族半導体を含み、特にガリウム、アルミニウム、インジウム、および窒素の2元系、3元系、および4元系の合金を含み、後者は、III族−窒化物材料と称される。通常、III族−窒化物発光装置は、金属有機化学気相成膜法（MOCVD）、分子ビームエピタキシー（MBE）、また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、または他の適当な基板上に、組成およびドーパント濃度の異なる半導体層のスタックをエピタキシャル成長させることにより製作される。スタックは、しばしば、基板の上部に形成された、例えば、シリコンでドープされた、1または2以上のn型層、1または2以上のn型層の上部に形成された活性領域における1または2以上の発光層、および活性領域の上部に形成された、例えばMgでドープされた1または2以上のp型層を有する。n型領域とp型領域の上に、電気的コンタクトが形成される。
図1には、本願の参照として取り入れられている米国特許第7514721号に詳しく示されているLEDを示す。「発光セラミック52は、結合56により、核生成構造部58と発光セラミックの間の界面で、ウェハ結合法によって直接、または中間結合層（図示されていない）を介して、核生成構造部58と結合される。結合層を使用する場合、結合層は、該結合層が設置されるIII族−窒化物層の屈折率の間の屈折率を有することが好ましい。屈折率の低い結合層を介して、発光セラミックが使用される。次に、n型領域10とp型領域12の間に設置された発光領域14を有するエピタキシャル層が、核生成構造部上に成長する。」n型およびp型領域10、12には、n型およびp型コンタクト18、20が形成される。
本発明のある実施例では、装置は、基板および半導体構造を有する。基板は、透明材料内に配置された波長変換材料を有する波長変換素子と、III族−窒化物材料が上部で核生成する材料を有するシード層と、前記波長変換素子と前記シード層の間に配置された結合層と、を有する。半導体構造は、n型領域とp型領域の間に配置され、シード層上に成長したIII族−窒化物発光層を有する。
本発明のある実施例では、半導体構造は、基板上に成長し、該基板は、波長変換素子と、III族−窒化物材料が上部で核生成する材料を有するシード層と、前記波長変換素子と前記シード層の間に配置されたダイクロイックフィルタとを有する。
本発明のある実施例では、装置は、基板、半導体構造、および散乱構造を有する。基板は、波長変換素子と、III族−窒化物材料が上部で核生成する材料を有するシード層と、前記波長変換素子と前記シード層の間に配置された結合層と、を有する。半導体構造は、シード層上に成長し、n型領域とp型領域の間に配置された、III族−窒化物発光層を有する。散乱構造は、III族−窒化物発光層および波長変換素子の少なくとも一つによって放射された光を散乱するように構成される。
本発明の実施例では、III族−窒化物発光装置は、波長変換素子に結合されたシード層を含む波長変換複合基板上で成長する。
以下の例では、半導体発光装置は、青色またはUV光を放射するIII族−窒化物LEDであるが、レーザダイオードのようなLED以外の半導体発光装置、および他のIII−V族材料、III族−リン化物、III族−ヒ化物、II−VI材料、またはSi系材料のような他の材料系で構成された半導体発光装置を使用しても良い。
図2には、本発明の実施例による波長変換基板を示す。波長変換素子30は、シード層34に結合されている。
シード層34は、波長変換素子30に直接結合されても良く、あるいはシード層34と波長変換素子30の間には、任意の結合層32が配置されても良い。結合層は、例えば、SiOx、SiO2、ホウリンケイ酸塩ガラス（BPSG）、SiNx、Si3N4、HfO2、これらの混合物、Mo、Ti、TiN、他の合金のような金属、ならびに他の半導体もしくは誘電体である。
波長変換素子30、任意の結合層32、およびシード層34の全ては、III族−窒化物発光装置の成長に要求される条件に耐性を有するように選択され、この条件は、例えば、H2雰囲気下、少なくとも800℃の温度で5時間である。ある実施例では、波長変換素子30は、例えば量子効率、時間に対する量子効率の維持、放射スペクトル、吸収スペクトル、および温度にわたる量子効率の維持などを含む波長変換素子の発光特性が、N2雰囲気下、800℃よりも高温の温度に少なくとも2時間暴露された際に、20％未満の劣化率、または好ましくは10％未満の劣化率となるように選定される。
ある実施例では、波長変換素子30、任意の結合素子32、およびシード層34は、III族−窒化物材料と合理的に適正に整合する熱膨張係数（CTE）を有するように選定される。ある実施例では、波長変換素子30のCTEは、5ppm／Kから9ppm／Kの間である。
ある実施例では、波長変換素子30、任意の結合層32、およびシード層34は、特定の屈折率を有するように選定される。例えば、屈折率は、III族−窒化物層から空気に、光が効率的に抽出されるように選定されても良い。
ある実施例では、波長変換素子30は、例えば、粉末蛍光体を焼結することにより形成された発光セラミックである。これは、本願の参照文献として取り入れられている米国特許第7341878号、第7361938号、および第7521862号に詳しく示されている。
図2に示した実施例では、波長変換素子30は、透明材料38の上に配置された波長変換材料36である。波長変換材料36は、例えば、粉末蛍光体、色素、半導体材料、または量子ドットの1または2以上である。透明材料または発光セラミックには、TiOxのような非波長変換材料が含まれても良く、これにより、例えば、光に散乱が生じ、または装置のオフ状態での白色外観が改善される。透明材料38は、例えば、ガラス、ホウリンケイ酸塩ガラス（BPSG）、石英、またはSiO2であっても良い。
1または2以上の波長変換材料を含む波長変換基板を有するLEDを使用して、白色光または他の色の単色光を形成しても良い。LEDによって放射される光の一部または全てが、波長変換基板によって変換されても良い。必ずしも必要ではないが、LEDによって放射された未変換光は、光の最終スペクトルの一部になっても良い。共通の組み合わせの一例は、黄色放射蛍光体と組み合わされた青色放射LED、緑放射および赤放射の蛍光体と組み合わされた青色放射LED、青色放射、および黄色放射の蛍光体組み合わされたUV放射LED、ならびに青色放射、緑色放射、および赤色放射の蛍光体と組み合わされたUV放射LEDである。装置から放射される光のスペクトルを調整するため、他の色の光を放射する波長変換材料を添加しても良い。
単一の波長変換素子において、別個の各層として形成された複数の波長変換材料を、単一の波長変換素子において混合しても良い。あるいは相互に結合もしくはのり付けされる複数の波長変換素子において、混合されたもしくは別個の層として形成されても良い。ある実施例では、波長変換素子は、相互に積層された2つの発光セラミック板を有し、発光セラミック板は、透明材料に配置された波長変換材料、透明材料に配置された波長変換材料の混合物、または透明材料の異なる領域に配置された複数の波長変換材料に取り付けられる。
図9には、複数の波長変換素子30aおよび30bを有する基板22を示す。波長変換素子30aには、結合層32を介して、シード層34が取り付けられる。ある実施例では、波長変換素子30bよりもシード層34上に成長する半導体構造42に近い波長変換素子30aは、赤色放射の波長変換素子である。半導体構造42から遠い波長変換素子30bは、黄色または緑色放射波長変換素子である。半導体構造上には、1または2以上の反射コンタクトが形成され、光は、波長変換素子30a、30ｂを介して、装置から抽出される。波長変換素子30a、30bは、基板22を形成する前後に、さらには半導体構造42を成長させるおよび／または処理する前後に、接着剤によって接続される。
波長変換素子における波長変換材料の量は、装置の所望のスペクトルによって定められる。ある実施例では、図2に示した波長変換素子において、波長変換材料36は、波長変換素子の厚さの一部分のみに制限される。図2の波長変換素子において、波長変換材料は、シード層に最近接の波長変換素子の領域35に配置される。シード層から離れた波長変換素子の領域37は、いかなる波長変換材料も含まない。波長変換材料のない領域が、シード層34と波長変換材料の間に配置されるように、あるいは波長変換材料を有する領域が、波長変換材料を有しない2つの領域の間に挟まれるように、2つの領域は、逆にされても良い。同様に、波長変換素子が発光セラミックである装置において、セラミックスラブの厚さの一部分のみが、活性ドーパントを含んでも良い。これは、本願の参照として取り入れられている「発光装置用のマルチグレイン発光セラミクス」という題目の米国特許出願第2008／0149956号により詳しく記載されている。活性ドーパントを有する発光セラミックの一部のみが、波長変換する。
波長変換素子30は、シード層およびシード層上に成長するIII族−窒化物層を機械的に支持する上で十分な厚さを有する。例えば、ある実施例では、波長変換素子は、20から500ミクロンの間の厚さであっても良い。ある実施例では、厚さは、50から200ミクロンの間であり、ある実施例では、厚さは、80から120ミクロンの間である。発光セラミック波長変換素子は、半導体構造による発光の全てが変換される装置に、極めて適している。シード層およびIII族−窒化物層を機械的に支持する上で十分な厚さの、活性ドーパントが均一にドープされた発光セラミックは、半導体構造によって放射される、実質的に全ての光を変換する。そのような装置の一例は、緑色放射またはアンバー色放射の発光セラミック波長変換素子を含む基板上に成長した、青色放射またはUV放射の半導体装置を含む。装置は、使用発光セラミックに応じて、緑色またはアンバー色に見える光を放射する。
波長変換素子は、光取り出しを改善するため、例えば、粗くしたり、フォトニック結晶のようなパターンを形成したりすることにより、形状化または構成される。波長変換素子は、複合基板を形成する前後、III族−窒化物構造を成長させる前後、ならびに例えば、メサをエッチングし、n型およびp型コンタクトを形成することにより、III族−窒化物構造を装置内に処理する前後に、形状化されまたは構成されても良い。波長変換素子は、半導体装置が成長し評価された後、例えば、レーザアブレーションにより薄膜化されても良く、これにより、半導体装置および波長変換素子によって放射される組み合わせ光の所望の色点が得られる。
ある実施例では、波長変換素子30は、粗い表面を有する。結合層32は、波長変換素子30の上に形成された後、例えば、化学機械研磨法により、平坦化されても良い。
シード層34は、上部にIII族−窒化物材料が核生成するための、いかなる好適な材料であっても良い。シード層34は、通常、単結晶材料であり、例えば、サファイア、SiC、ScMgAlO4、GaN、InGaN、AlGaN、AlN、InN、AlInGaN、または他のIII族−窒化物もしくはIII−V族材料である。
図2に示した基板は、以下のように形成されても良い。通常、基板は、ウェハに同時に形成された複数の基板を有する、ウェハスケールの上に形成される。次に、ウェハは、個々の基板にダイスカットされる。以下に示す特定の材料および方法以外にも、米国特許出願第2007／0072324号に記載されている材料および方法を利用しても良い。
まず、波長変換素子30のウェハが形成される。例えば、米国特許第7361938号に記載の粉末蛍光体の焼結により、発光セラミックウェハが形成されても良い。透明材料中に配置された波長変換材料のウェハは、本願の参照として取り入れられている米国特許出願第2005／0274967号に記載されている方法によって、形成されても良い。例えば、蛍光体、例えば約10乃至20vol％のYAG、n、およびBPSGもしくは石英のような粉末状ガラスの均一混合物が、適当なるつぼに投入される。るつぼは、例えば、予備加熱された電気炉、または高周波炉もしくはマイクロ波炉のような他の種類の炉に入れられる。透明材料混合物が溶融すると、溶融物は、炉内で均一化される。約10乃至30分、溶融および均一化させた後、溶融物は、例えば、ステンレス鋼板のような板上に注がれる。溶融物は、シート上で圧縮され、ガラスまたは石英に埋没された蛍光体のシートが形成する。
シートに埋没される蛍光体材料または他の波長変換材料は、第2次光の所望の波長に基づいて選定される。例えば、白色光の形成のため、青色発光装置に使用され得る、ある適当な蛍光体は、Y3Al5O12：Ce（YAG：Ce）である。他の所望の蛍光体を使用する場合、これに限られるものではないが、Gd3Ga5O12：Ce、（Lu，Y）3Al5O12：Ce、SrS：Eu、SrGa2S4：Eu、（Sr，Ca、Ba）（Al，Ga）2S4：Eu、（Ca，Sr）S：Eu、（Ca，Sr）S：Eu，Mn、（Ca，Sr）S：Ce、（Sr，Ba，Ca）2Si5N8：Eu、（Ba，Sr，Ca）2SiO4：Eu、および（Ca，Sr，Ba）Si2O2N2：Euがある。
ガラスおよび蛍光体の注入溶融物は、平坦シート内で硬化されても良い。あるいは、シートは、所望の特徴部を有するように成形されても良い。例えば、シートは、多数のレンズ素子を含むように成形されても良い。
別の実施例では、シートは、ゾルゲルプロセスを用いて製造される。形成の間、ゾルゲルガラス中に、所望の蛍光体が分散される。ゾルゲルガラスプロセスは、本願の参照として取り入れられている米国特許第6642618号に記載されている。
次に、波長変換素子30のウェハ上に、結合層32が形成される。結合層32は、例えば、SiO2、ホウリンケイ酸ガラス（BPSG）、または、例えば、蒸着、スパッタリング、および沈殿法によって成膜された他の市販のガラスであっても良い。
次に、シード層となる材料が準備される。III族−窒化物シード層の場合、シード層材料は、従来の方法で、ドナー基板上に成長し、これは、例えば、サファイア、SiまたはSiCであっても良い。シード層材料は、犠牲半導体層上に成長しても良く、これは、H+のような注入化学種によって注入され、これにより、後のシード層からのドナー基板の分離が容易となる。サファイア、ScMgAlO4、またはSiCのような非III族−窒化物シード層の場合、所望のシード層の厚さに対応する深さで、サファイア、ScMgAlO4、またはSiCウェハが注入処理される。ある実施例では、犠牲層は、GaNであり、シード層は、ゼロよりも大きく、最大12％のInN組成を有するInGaNである。
III族−窒化物シード層は、III族の面で成長しても良い。これは、ガリウム面とも称される。装置層は、シード層のガリウム面上で成長することが好ましい。すなわち、ガリウム面III族−窒化物シード層は、最初に一時的な基板と結合され、V族または窒素面が暴露し、その後、波長変換素子30と結合される。非III族−窒化物シード層または窒素面III族−窒化物シード層の場合、シード層は、以下に示すように、波長変換素子30と直接結合されても良い。一時的な基板上に、任意の結合層および従属層が形成される。ドナー基板上に成長するシード層は、従属層を介して一時的な基板に結合される。ある実施例では、任意の結合層は、シリコン、アルミニウム、ボロン、リン、亜鉛、ガリウム、ゲルマニウム、インジウム、スズ、アンチモン、鉛、ビスマス、チタン、タングステン、マグネシウム、カルシウム、カリウム、ニッケル、イットリウム、ジルコニウム、ハフニウム、ネオジム、およびタンタルの酸化物、窒化物、炭化物、またはフッ化物の1または2以上である。ある実施例では、従属層は、SiO2、ホウリンケイ酸ガラス（BPSG）、または、例えば、蒸着法、スパッタリング法、および堆積法によって成膜された、他の市販のガラスである。
シード層は、例えば、加熱により注入種を活性化させ、犠牲層を分離することにより、ドナー基板から分離される。犠牲層の注入、および注入種の活性化によるドナー基板からのシード層の分離方法は、本願の参照として取り入れられている米国特許出願第2005／0026394号および米国特許第5374564号に、より詳しく記載されている。あるいは、ドナー基板は、犠牲層のレーザ溶融法により、除去されても良い。
いかなる残留犠牲層も、シード層から除去され、シード層に溝がエッチングされる。この構造が処理され、変形（strained）シード層材料の領域は、例えば、従属層を加熱することにより、膨脹および緩和され、シード層材料の領域は、従属層の上で滑るようになる。ある実施例では、溝は、シード層において最初にエッチングされ、構造が処理され、変形シード層材料の領域は、（例えば加熱により）膨脹および緩和され、その後、いかなる残りの犠牲層も、シード層から除去される。
次に、シード層と波長変換素子30は、例えば、2つの構造の間に熱および／または圧力を印加することにより、結合される。一時的な基板は、例えば、一時的な基板とシード層とを結合する結合層をエッチング除去することにより除去される。また、従属層も除去され、図2に示した完成後の複合基板に示すように、シード層のガリウム面が露出される。
図3には、本発明の実施例による装置を示す。図3の装置では、半導体構造42は、シード層34が取り付けられた波長変換素子30を含む波長変換基板の上部に成長する。図3に示す装置では、シード層34と波長変換素子30の間の結合層32は、ダイクロイックフィルタ40である。例えば、結合層32は、ダイクロイックフィルタとして機能する誘電体層のスタックであっても良い。ダイクロイックフィルタ40は、例えば、半導体構造の活性領域によって放射される波長の光を透過し、波長変換素子30によって放射される波長の光を反射するように構成されても良く、これにより、半導体装置に向かって逆散乱する波長変換光が、半導体装置によって吸収されることを抑制することができる。例えば、ダイクロイックフィルタは、HfO2とSiO2の10組の層を有し、厚さは、それぞれ、66.75および94.5nmであっても良い。そのようなフィルタは、図8に示すように、波長変換素子30により放射される、波長が500nmよりも大きく、620nmよりも小さい光の95％以上を反射する。図8は、前述のような、10組のHfO2およびSiO2を有するダイクロイックフィルタの波長の関数としての反射率のプロットである。ある実施例では、ガラスのような追加の結合層が、ダイクロイックフィルタとシード層の間、ダイクロイックフィルタとホストの間、およびその両方に配置される。
半導体構造42は、n型領域とp型領域の間に挟まれた、光放射または活性領域を有する。シード層34と隣接する半導体構造42の層の組成は、その格子定数もしくは他の特性、および／またはシード層34の材料の上での核生成能によって、選定される。通常、最初に、n型領域44が成長し、この領域は、組成およびドーパント濃度の異なる複数の層、例えば、バッファ層または核生成層のような準備層を含む。これらの層は、n型または意図的に未ドープであっても良く、あるいは発光領域が効率的に光を放射するために望ましい、特定の光学的または電気的特性用に設計された、n型もしくはp型装置層であっても良い。発光または活性領域46は、n型領域の上に成長する。適当な発光領域の一例は、単一の厚いもしくは薄い発光層、あるいは、バリア層によって分離された、複数の薄いもしくは厚い発光層を含む、複数の量子井戸発光領域を含む。p型領域48は、発光領域の上に成長する。n型領域と同様、p型領域は、意図的にドープされていない層、またはn型層を含む、組成、厚さ、およびドーパント濃度の異なる複数の層を含んでも良い。
図3に示す装置において、p型領域および活性領域の部分は、エッチング除去され、pコンタクト54およびnコンタクト50が装置の同じ側となるように、金属化用のn型層が露出される。コンタクトがある程度限定され、透明にされるものの、コンタクトは、通常、反射性であり、装置は、通常、波長変換基板を介して光が抽出されるように取り付けられる。装置は、コンタクトが形成された表面を介して、光が抽出されるように取り付けられても良い。図3に示した装置では、複数のn型コンタクト領域は、p型コンタクト領域によって分離される。垂直接合LEDでは、nコンタクトは、半導体構造の一方の側に形成され、pコンタクトは、半導体構造の他方の側に形成される。例えば、pコンタクトは、p型領域上に形成され、波長変換基板の一部は、除去され、nコンタクトは、基板の一部を除去することにより露出された、n型領域の表面に形成されても良い。nコンタクトに対する電気的接触は、配線または金属ブリッジによって成されても良い。pコンタクトは、しばしば、マウント上のコンタクトパッドに結合される。
ある実施例では、構造が装置に含まれ、例えば、散乱の増加により、装置からの光抽出が高められる。図4乃至7には、波長変換素子30とpコンタクト54の間に設置された散乱構造を示す。図4乃至7に示す散乱構造は、垂直装置において、または装置の同じ側に形成されたコンタクトを介して光が抽出される装置において、図3に示したような反射性コンタクトを有するフリップチップ装置に含まれても良い。
図4に示す構造では、p型領域48の後、粗いp型層60が成長する。例えば、p型領域48が成長した後、成長条件が、例えば400mbarを超える、より高い周囲圧力のような、粗い表面を形成するのに適した条件に切り替えられる。粗いp型層60の部分、p型領域48、および発光領域46は、エッチング除去され、上部にn型コンタクトが形成されるn型領域44の部分が露出される。残留する粗いp型表面60の少なくとも一部にわたって、インジウムスズ酸化物、銅アルミニウム酸化物、亜鉛酸化物、またはルテニウム酸化物のような、透明導電性酸化物62が形成される。透明導電性酸化物層は、10nm乃至10μmの厚さを有し、より好ましくは、100nm乃至1μmの厚さを有しても良い。透明導電性酸化物62上には、1または2以上のp型コンタクト54が形成される。導電性酸化物上に形成されるp型金属は、ある程度限定され、装置は、透明導電性酸化物を介して、光が抽出されるように取り付けられる。あるいはp型金属が装置の大きな面積割合（fractional area）を覆う場合、装置は、波長変換素子30を介して光が抽出されるように、フリップチップとして取り付けられても良い。粗いp型層60と透明導電性酸化物62の間の屈折率の差によって、光が散乱する。
ある実施例では、SiO2または他の酸化物のような透明材料は、粗いp型表面上に配置され、その後、例えば、化学機械研磨法により平坦化される。透明材料には、開口が形成され、p型領域が露出される。透明材料の上および孔内に、反射性金属pコンタクトが設置され、p型領域との電気的接触が可能となる。透明材料層は、pコンタクトの反射率を改善し、これにより装置の効率が改善される。開口を有する透明材料を含むコンタクトの一例は、以下の図5に示されている。
図5に示す構造において、n型領域44、発光領域46、およびp型領域48は、前述のように成長する。p型領域48の上部に、トンネル接合64が成長する。III族−窒化物LEDのトンネル接合は、本願の参照として取り入れられている米国特許第6822991号および米国特許第6878975号に詳しく示されている。トンネル接合64は、p++層とも称される、高ドープp型層と、n++層とも称される、高ドープn型層と、を含む。p++層は、例えば、約1018cm-3から約5×1020cm-3の濃度のMgもしくはZnのようなアクセプタでドープされた、InGaNまたはGaNである。ある実施例では、p++層は、約2×1019cm-3から約2×1020cm-3の濃度までドープされても良い。n++層は、例えば、約1018cm-3から約5×1020cm-3の濃度のSiもしくはGeのようなアクセプタでドープされた、InGaNまたはGaNである。ある実施例では、n++層とp++層の間に、AlNのような中間半導体層が挟まれても良い。
トンネル接合64は、通常、極めて薄く、例えば、トンネル接合64は、約2nmから約100nmの範囲の全厚を有しても良い。p++層とn++層の各々は、約1nmから約50nmの範囲の厚さを有しても良く、中間層が存在する場合、中間層は、約1nmから約50nmの範囲の厚さを有しても良い。p++層およびn++層は、約25nmから約35nmの範囲の厚さを有しても良い。p++層およびn++層は、必ずしも同じ厚さである必要はない。
ある実施例では、p++層は、15nmのMgドープされたInGaNであり、n++層は、30nmのSiドープされたGaNである。p++およびn++は、傾斜ドーパント濃度を有しても良い。例えば、下側のp型領域48に隣接するp++層の部分は、下側のp型領域のドーパント濃度から、p++層内の所望のドーパント濃度まで、傾斜されたドーパント濃度を有しても良い。同様に、n++層は、p++層に隣接する最大値から、トンネル接合上に成長したn型領域に隣接する最小値まで、傾斜されたドーパント濃度を有しても良い。
トンネル接合64は、逆バイアスモードでの通電の際に、トンネル接合64が低直列電圧低下を示すように、十分に薄く製造され、十分にドープされる。ある実施例では、トンネル接合64にわたる電圧低下は、約0.1Vから約1Vである。
トンネル接合64のn++層の上部には、粗いn型層65が配置される。n型層65は、粗い表面が生じるような条件下で成長し、あるいは平坦に成長した後、例えば光電気化学的エッチング処理等により、粗くされる。n型層65の上部には、SiO2または他の酸化物のような透明材料66が形成される。透明材料66には、下方のn型層65に向かって、1または2以上の開口67が形成される。透明材料66の上部および開口67の内部には、コンタクト540が形成される。前述の図4に示したように、透明材料66および開口67の代わりに、コンタクト540とn型層65の間には、透明導電性酸化物が形成されても良い。
n型領域44の一部の上には、例えば、発光領域46、p型領域48、トンネル接合64、n型層65、および透明材料66の一部を除去することにより、またはこの部分を形成しないことにより、あるいは波長変換素子30、結合層32、およびシード層34の一部を除去することにより、nコンタクトが形成される。装置は、nコンタクトおよびコンタクト540に電流を供給することにより、フォワードバイアス化され、これにより、トンネル接合64にブレークダウンが生じる。
ある実施例では、III族−窒化物構造の表面に埋設もしくは形成された格子、またはフォトニック結晶によって、散乱が生じる。そのような構造では、周期的態様で、材料中の発光領域によって放射される光の波長に近い間隔で、屈折率の変化が生じる。周期および振幅のような周期的屈折率変化のパラメータが選定され、所望の放射パターンへの光の取り出し量が増大する。例えば、格子またはフォトニック結晶の寸法および間隔は、半導体構造の上部表面に対する法線方向において、光取り出し量が最大となるように選定される。フォトニック結晶用のパラメータの選定、およびフォトニック結晶の形成は、本願の参照として取り入れられている米国特許第7642108号、7442965号、7442964号、7294862号、7279718号、7012279号、および6956247号に詳しく説明されている。
図6および7には、フォトニック結晶または他の格子を含む装置を示す。図6に示した装置では、前述のように、波長変換素子30、結合層32、およびシード層34を含む基板が形成される。シード層34上には、SiO2のような透明材料68が設置され、その後、例えば、ナノプリントリソグラフィー法により、パターン化され、フォトニック結晶または他の屈折率バリエーションが形成される。例えば、透明材料68は、パターン化されて開口70の格子、または透明材料68のポストの格子を形成しても良い。次に、透明材料68の上に、半導体構造が成長する。半導体構造は、n型領域44が透明材料68の上に即座に一体化されるように、または透明材料68の領域同士の間もしくは上に、空気ポケットが形成されるように成長しても良い。その後、半導体材料は、実質的に平坦なn型領域44と一体化される。次に、前述のように、発光領域およびp型領域が成長し、前述のように、装置が形成される。
図7に示す装置では、前述のように、波長変換素子30を有する複合基板上に、n型領域44が成長する。n型領域44の上に透明材料72が設置され、その後、図6を参照して示したように、パターン化される。透明材料72の上には、追加のn型層76が成長する。n型層76は、透明材料72の領域の間の開口74が、透明材料72の上部に一体化されるn型材料で充填されるような条件下で成長し、または透明材料72の領域の間もしくは上部に、空気ポケットが生じる条件下で成長する。その後、実質的に平坦なn型領域76となるように、半導体材料が一体化される。発光領域46およびp型領域48は、前述のように、n型領域76の上部に成長する。n型領域44またはn型領域76のいずれか上には、nコンタクトが形成される。
ある実施例では、装置のn型層、例えば、シード層の上部に配置された第1のn型GaN層に、ナノポーラスGaN層が配置される。ある実施例では、図7に示した装置において、ナノポーラスIII族−窒化物材料が、透明材料72の領域と置換される。散乱の量は、多孔質層の厚さおよびポロシティによって定められる。通常、多孔質層は、0.5から40ミクロンの厚さを有する。多孔質層は、5％から80%の間のポロシティを有しても良く、しばしば、20％から40％の間のポロシティを有する。ポロシティは、多孔質層の光散乱機能によって、下限が限定され、多孔質層の抵抗率および機械的安定性によって上限が限定される。適当なポロシティは、多孔質領域の厚さに関係する。同じ量の散乱を提供するため、厚い多孔質領域を、薄い多孔質領域よりも低いポーラス度にしても良い。多孔質層によって反射し、散乱される光線は、表面に対して垂直な方向に最大強度を有するランベルト（Lambertian）放射パターンを有する。
III族−窒化物層は、以下のように、多孔質にしても良い：層に接続された白金線を、多孔質にするアノードとして機能させる。白金線の他端は、カソードとして機能する。ウェハおよび白金線は、2MのNaOH溶液に浸漬される。線およびウェハを介して、例えば、10から20mA／cm2の電流密度で、直流電流が印加される。任意で、250Wの水銀ランプにより、UV照射を供給しても良い。適当なポロシティには、10乃至60分間の処理が必要であり、その後、ランプおよび電流源がスイッチオフにされる。あるいは、白金は、ウェハの表面に、直接設置しても良く、または光電気化学的駆動プロセスにおいて、KOH、フッ酸、もしくはCH3OH：HF：H2O2のような異なる溶液が使用される。
ポロシティの密度および寸法は、溶液の濃度を変化させることにより制御される。エッチングは、電解質半導体界面の先端（ポアの端部）で、ほとんど排他的に生じ、従って、エッチング中に溶液を変更することにより、多層化ポロシティが形成される。成長を容易にするため、低モル溶液（0.5％KOH）により、テンプレートの表面に小ポア層が製造される。次に、テンプレートの追随性を高め、これにより緩和を促進するため、高モル溶液（2％KOH）を用いて、表面の下側に大ポア層が生成される。小ポア層は、厚さが30乃至150nmであり、大ポア層は、100乃至40000nmの厚さを有し、これは、多孔質材料の安定性、および多孔質領域の下側の非多孔質材料の厚さによって限定される。導電性SiC基板上に導電性GaNが成長する場合、成長基板にまでエッチングプロセスを継続することにより、多孔質SiC上に、多孔質GaNが形成される。これにより、薄いIII族−窒化物の成長が可能になる。
多孔質領域では、III族−窒化物材料に、空気ボイドが形成される。ボイドは、1／10〜1／100nmの寸法であり、例えば、10から500nmの間の寸法である。最近接のボイド同士は、1／10nm〜1／100nmのオーダーの間隔であっても良く、例えば、10から500nmの間隔であっても良い。多孔質領域は、例えば、0.02から3μmの間の厚さであっても良い。多孔質領域の全体積の百分率として、ボイドの体積によって定められる％ポロシティは、20乃至80％で変化しても良く、しばしば50％よりも大きい。半導体材料の導電型およびドーパント濃度は、多孔質層の特性に影響を及ぼし、例えば、形成されるポアの寸法および間隔に影響を及ぼす。ある実施例では、多孔質領域は、0（意図的ドープなし）から1019cm-3の間のドーパント濃度でドープされた、n型GaN層から形成される。
本発明の実施例による波長変換基板上に形成された装置は、LEDにのり付けもしくは結合された予備形成セラミック蛍光体層、またはステンシル化、スクリーン印刷、スプレー化、沈殿化、揮発化、スパッタ化された有機カプセル材内に配置された粉末蛍光体、またはLEDの上部に分配された粉末蛍光体のような、他の従来の波長変換材料と組み合わされても良い。
図3に示した装置は、マウント、支持基板、またはレンズを必要としないような、機械的に自立式のものであっても良い。従って、図3に示した装置は、ユーザによって、ハンダのような簡単な接続により、印刷回路基盤のような適当な装置に接続される。装置は、機械的に自立式であるため、金−金相互接続または支持アンダーフィル材料のような、III族−窒化物構造を支持する、よりロバスト性のある接続が必要ではなくなる。ある実施例では、図3の装置のn型およびp型コンタクトの上に、n型およびp型コンタクト上のハンダ付け可能領域を定める濡れ性（wettable）金属が形成される。
本発明について詳しく説明したが、本開示から、本願に示された発明の概念の思想から逸脱しないで、本発明に対して修正が可能であることは、当業者には明らかである。従って、本発明の範囲は、示された具体的な実施例に限定されることを意図するものではない。
Claims (19)
- 基板を有する装置であって、
前記基板は、
透明材料内に配置された波長変換材料を有する波長変換素子と、
III族−窒化物材料が上部で核生成する材料を有するシード層と、
前記波長変換素子と前記シード層の間に配置された結合層と、
を有し、
当該装置は、さらに、
前記シード層上に成長した半導体構造を有し、
該半導体構造は、n型領域とp型領域の間に配置された、III族−窒化物発光層を有することを特徴とする装置。 - 800℃を超える温度に少なくとも2時間暴露された際の、前記波長変換素子の発光特性の低下は、20％未満であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
- 前記波長変換材料は、蛍光体（phosphor）であり、前記透明材料は、ガラス、石英、およびSiO2のうちの一つであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
- 前記波長変換材料は、前記透明材料の第１の部分に配置され、
前記透明材料の第2の部分は、波長変換材料を有しないことを特徴とする請求項１に記載の装置。 - 前記波長変換素子は、透明材料内に配置された、セラミック蛍光体に結合された波長変換材料を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
- 基板を有する装置であって、
前記基板は、
波長変換素子と、
III族−窒化物材料が上部で核生成する材料を有するシード層と、
前記波長変換素子と前記シード層の間に配置された、ダイクロイックフィルタと、
を有し、
当該装置は、さらに、
前記シード層上に成長した半導体構造を有し、
該半導体構造は、n型領域とp型領域の間に配置された、III族−窒化物発光層を有することを特徴とする装置。 - 前記ダイクロイックフィルタは、前記波長変換素子によって放射された波長の光を反射するように構成されることを特徴とする請求項６に記載の装置。
- 前記波長変換素子は、セラミック蛍光体を有することを特徴とする請求項６に記載の装置。
- 前記波長変換素子は、透明材料内に配置された波長変換材料を有することを特徴とする請求項６に記載の装置。
- さらに、前記ダイクロイックフィルタと前記シード層の間に配置された結合層を有することを特徴とする請求項６に記載の装置。
- 基板を有する装置であって、
前記基板は、
波長変換素子と、
III族−窒化物材料が上部で核生成する材料を有するシード層と、
前記波長変換素子と前記シード層の間に配置された結合層と、
を有し、
当該装置は、さらに、
前記シード層上に成長した半導体構造であって、n型領域とp型領域の間に配置された、III族−窒化物発光層を有する半導体構造と、
前記III族−窒化物発光層および前記波長変換素子の少なくとも一つによって放射された光を散乱するように構成された、散乱構造と、
を有することを特徴とする装置。 - 前記散乱構造は、粗い表面を有するIII族−窒化物層を有することを特徴とする請求項１１に記載の装置。
- さらに、前記粗い表面と金属コンタクトの間に設置された、透明導電層を有することを特徴とする請求項１２に記載の装置。
- さらに、前記粗い表面と金属コンタクトの間に設置された透明絶縁層であって、平坦な上部表面を有する透明絶縁層、および
前記透明絶縁層に形成された少なくとも一つの開口
を有し、
前記開口には、導電性材料が設置されることを特徴とする請求項１２に記載の装置。 - 前記散乱構造は、屈折率の周期的変化を有し、
前記変化は、前記発光層の主表面と平行な方向において生じることを特徴とする請求項１１に記載の装置。 - 前記屈折率の周期的変化は、前記n型領域内に設置されることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
- 前記屈折率の周期的変化は、前記n型領域と前記シード層の間に設置されることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
- 前記波長変換素子は、赤色の光を放射する蛍光体を含むことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
- 前記波長変換素子は、第１の波長変換素子であり、
当該装置は、さらに、第２の波長変換素子を有し、該第２の波長変換素子は、緑色または黄色の光を放射する蛍光体を有し、
前記第１の波長変換素子は、前記半導体構造と前記第２の波長変換素子の間に配置されることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
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