JP2014517544A - 大型の逆さ光取り出し構造付の装置 - Google Patents

Abstract

放出光の界面内の伝播を向上させるための粗度部材を有する界面が提供される。界面は第１の層の第１の表面変化面と第２の層の第２の表面変化面とを有しており、この第１の表面変化面は、第１の特徴的な寸法を有する第１の変化を第１の表面変化面に与える一組の大形粗度部材を備え、第２の表面変化面は、第２の特徴的な寸法を有する第２の変化を第２の表面変化面に与える一組の小型粗度部材を備えている。第１の特徴的な寸法は、第２の特徴的な寸法よりもおおよそ１オーダー大きい。表面同士は接着剤を用いて接合でき、フィラー材も界面に存在する。

Description

関連出願の参照

本出願は、２０１１年６月１５日に出願された同時係属中の米国特許仮出願番号６１／４９７，４８９（発明の名称は「光の取り出し性が向上した発光ダイオード（Light Emitting Diodes with Improved Extraction）」）の優先権を主張するものであり、２０１１年７月２２日に出願された同時係属中の米国特許仮出願番号６１／５１０，６０３（発明の名称は「大型の逆さ光取り出し構造付の発光ダイオード（Light Emitting Diodes with Inverted Large Scale Extraction Structures）」）の優先権を主張するものであり、この両方の仮出願は参照により本明細書に取り込まれる。

本開示は、一般に発光装置に関し、特に光の取り出し性が向上した発光装置に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザー（ＬＤ）等の半導体発光装置には、ＩＩＩ−Ｖ族の半導体からなるソリッドステート発光装置が含まれている。ＩＩＩ−Ｖ族の半導体の一部として、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、窒素（Ｎ）の二元、三元、四元合金を含むＩＩＩ族窒化物合金が挙げられる。例示的なＩＩＩ族窒化物系のＬＥＤ及びＬＤは、Ｉｎ_ｙＡｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎの組成とすることができ、ここでｘ及びｙは特定の元素のモル分率を示しており、０≦ｘ、ｙ≦１であり、０≦ｘ＋ｙ≦１である。その他の説明用のＩＩＩ族窒化物系のＬＥＤ及びＬＤは、窒化ホウ素（ＢＮ）に基づいており、Ｇａ_ｚＩｎ_ｙＡｌ_ｘＢ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｎの組成とすることができ、ここで０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１であり、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１である。

ＬＥＤは一般に半導体層を有する。ＬＥＤの作動中に、バイアスがドープ層に印加されると、電子と正孔が活性層に注入され、電子・正孔の再結合により光が生成される。光は均一な角度分布にて生成されて半導体層を全方向に横切るようにしてＬＥＤチップから放出される。それぞれの半導体層は、異なる元素の特定の組み合わせのモル分率（例えば、ｘ、ｙ、ｚ）となっており、この組み合わせが層の光学特性に影響を与える。特に、層の屈折率や吸収特性は半導体合金のモル分率に左右される。

２層間の接合は半導体ヘテロ接合と定義される。界面において、モル分率の組み合わせは個別の量（ｄｉｓｃｒｉｔｅ ａｍｏｕｎｔ）で変化すると推定される。モル分率の組み合わせが連続的に変化する層は、傾斜している（ｇｒａｄｅｄ）と言われる。半導体合金のモル分率の変化によりバンドギャップ制御が可能となるが、材料の光学特性に急変をもたらしうるので、光閉じ込めをもたらす。層間での屈折率の変化や基板とその外界との間の屈折率の変化が大きくなれば、全反射（ＴＩＲ）角度が小さくなる（光が高屈折率材料からそれより低い屈折率の材料へと進行する場合）。ＴＩＲ角度が小さい場合、多くの量の光線が界面の境界で反射することとなり、光閉じ込めや、さらに層又はＬＥＤ金属コンタクトへの光の吸収につながってしまう。

界面の粗さにより、光が界面に全反射されずに抜け出せる面が追加され、光閉じ込めを部分的に軽減できる。ところが、光がＴＩＲにならない場合であっても、フレネル損失のために光は界面を部分的にしか透過できない。フレネル損失は、光の全入射角の界面での部分的な反射に関連している。界面の両面における材料の光学特性によりフレネル損失の大きさが決まるが、この損失量は透過光のかなりの割合になりうる。

本発明の側面は、放出光の界面内の伝播を向上させるための粗度部材を有する界面を提供する。界面は第１の層の第１の表面変化面と第２の層の第２の表面変化面とを有しており、この第１の表面変化面は、第１の特徴的な寸法を有する第１の変化を第１の表面変化面に与える一組の大形粗度部材を備え、この第２の表面変化面は、第２の特徴的な寸法を有する第２の変化を第２の表面変化面に与える一組の小型粗度部材を備えている。第１の特徴的な寸法は、第２の特徴的な寸法よりもおおよそ１オーダー大きい。表面同士は接着剤を用いて接合でき、フィラー材も界面に存在する。

本発明の第１の側面は、第１の表面変化面を有する第１の少なくとも部分的に透過性の層であって、第１の特徴的な寸法を有する第１の変化を前記第１の表面変化面に与える一組の大形粗度部材を前記第１の表面変化面が備える第１の少なくとも部分的に透過性の層と、前記第１の表面変化面に隣接する第２の表面変化面を有する第２の少なくとも部分的に透過性の層とを備える装置であって、前記第２の表面変化面は、第２の特徴的な寸法を有する第２の変化を第２の表面変化面に与える一組の小型粗度部材を有しており、前記第１の特徴的な寸法は、前記第２の特徴的な寸法よりもおおよそ１オーダー大きいことを特徴とする装置を提供する。

本発明の第２の側面は、第１及び第２の少なくとも部分的に透過性の層の間に界面を設計する工程を含む方法であって、前記界面は、前記第１の少なくとも部分的に透過性の層の第１の表面変化面であって、第１の特徴的な寸法を有する第１の変化を前記第１の表面変化面に与える一組の大形粗度部材を備える第１の表面変化面と、前記第１の表面変化面に隣接する、前記第２の少なくとも部分的に透過性の層の第２の表面変化面とを備えており、前記第２の表面変化面は、第２の特徴的な寸法を有する第２の変化を前記第２の表面変化面に与える一組の小型粗度部材を備え、前記第１の特徴的な寸法は、前記第２の特徴的な寸法よりもおおよそ１オーダー大きいことを特徴とする方法を提供する。

本発明の第三の側面は、放出光を生成する活性領域と、第１の表面変化面を有する第１の少なくとも部分的に透過性の層であって、第１の特徴的な寸法を有する第１の変化を前記第１の表面変化面に与える一組の大形粗度部材を前記第１の表面変化面が備える第１の少なくとも部分的に透過性の層と、前記第１の表面変化面に隣接する第２の表面変化面を有する第２の少なくとも部分的に透過性の層とを備える発光装置であって、前記第２の表面変化面が、第２の特徴的な寸法を有する第２の変化を前記第２の表面変化面に与える一組の小型粗度部材を備え、前記第１の特徴的な寸法が前記第２の特徴的な寸法よりおおよそ１オーダー大きく、前記活性領域において生成された放出光が前記第１の少なくとも部分的に透過性の層に入射する前に前記第２の少なくとも部分的に透過性の層を通過することを特徴とする発光装置を提供する。

例示的な本発明の側面は、本明細書で説明される１つ以上の課題及び／又は検討されていない１つ以上のその他の課題の解決のために設計されている。

本開示のこれら特徴とその他の特徴は、以下にある本発明の様々な側面の詳細な説明を、本発明の様々な側面を説明する付属の図面と関連させることで容易に理解できる。

一実施形態における説明用の発光装置の概略の構造を示す図。 一実施形態における説明用の界面の分解図を示す図。 一実施形態における説明用の界面の概略図を示す。 一実施形態における説明用の大形粗度部材と、対応する説明用の強度の極座標プロットを示す図。 一実施形態における説明用の大形粗度部材と、対応する説明用の強度の極座標プロットを示す図。 一実施形態における説明用の大形粗度部材と、対応する説明用の強度の極座標プロットを示す図。 一実施形態における回路を製造するための例示的なフロー図。

なお、図面は一定の縮尺ではないこともありうる。図面は、発明の典型的な側面のみを示すことを意図しているため、発明の範囲を制限するものとして考慮されるべきではない。図面においては、同じ番号は、複数の図面での同じ構成要素を示す。

上述の通り、本発明の側面は、放出光の界面内の伝播を向上させるための粗度部材を有する界面を提供する。界面は第１の層の第１の表面変化面と第２の層の第２の表面変化面とを有しており、この第１の表面変化面は、第１の特徴的な寸法を有する第１の変化を第１の表面変化面に与える一組の大形粗度部材を備え、この第２の表面変化面は、第２の特徴的な寸法を有する第２の変化を第２の表面変化面に与える一組の小型粗度部材を備えている。第１の特徴的な寸法は、第２の特徴的な寸法よりもおおよそ１オーダー大きい。表面同士は接着剤を用いて接合でき、フィラー材も界面に存在し得る。大形粗度部材及び小型粗度部材は、光を反射したり屈折したりさせ、界面からの光の取り出しを促進させるための表面を追加できる。本明細書においては、特に断りがない限りは、「組」という用語は、１つ以上（すなわち、少なくとも１つ）を意味し、「任意の方策」というフレーズは現在知られる任意の方策や今後開発される任意の方策を意味する。

図面に戻ると、図１は実施形態における説明用の発光装置１０の概略の構造を示す。さらに特定の実施形態においては、発光装置１０は発光ダイオード（ＬＥＤ）、例えば、従来のＬＥＤや高輝度ＬＥＤ等、として作動するよう構成される。代わりに、発光装置１０は半導体レーザー（ＬＤ）として作動するように構成されてもよい。いずれの場合においても、発光装置１０の作動中にバンドギャップに相当するバイアスを印加することで、発光装置１０の活性領域１８から電磁波放出光が放射される。発光装置１０から放射された電磁波放出光は任意の波長範囲にピーク波長を有してもよく、可視光、紫外線放射、遠紫外線放射、赤外光、などであってもいい。

発光装置１０は、基板１２と、基板１２に隣接するバッファ層１４と、バッファ層１４に隣接するｎ型クラッド層１６（例えば、電子供給層）と、ｎ型クラッド層１６に隣接するｎ型面１９Ａを有する活性領域１８とからなるヘテロ構造を有している。さらに、発光装置１０のヘテロ構造は、活性領域１８のｐ型面１９Ｂに隣接するｐ型層２０（例えば、電子ブロック層）と、ｐ型層２０に隣接するｐ型クラッド層２２（例えば、正孔供給層）とを有する。

さらに特定の例示的な実施形態においては、発光装置１０は、各種の層のうちの一部かすべてが、ＩＩＩ−Ｖ族の材料系からなる群から選択される元素により形成されたＩＩＩ−Ｖ族の材料に基づく装置である。またさらに特定の例示的な実施形態においては、発光装置１０の各種の層がＩＩＩ族窒化物系の材料により形成されている。ＩＩＩ族窒化物材料は、１つ以上のＩＩＩ族元素（例えば、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ））と窒素（Ｎ）からなり、０≦Ｗ、Ｘ、Ｙ、Ｚ≦１で、Ｗ＋Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１となるようなＢ_ＷＡｌ_ＸＧａ_Ｙｌｎ_ＺＮなどがある。例示的なＩＩＩ族窒化物材料として、ＩＩＩ族元素の任意のモル分率におけるＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＢＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＢＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＢＮ、ＡｌＩｎＢＮ、ＡｌＧａＩｎＢＮがあげられる。

ＩＩＩ族窒化物系発光装置１０の説明用の実施形態は、Ｉｎ_ｙＡｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ、Ｇａ_ｚＩｎ_ｙＡｌ_ｘＢ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｎ、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮの半導体合金等からなる活性領域１８（例えば、量子井戸とバリアとが交互に連続したもの）を有している。同様に、ｎ型クラッド層１６とｐ型層２０の両方がＩｎ_ｙＡｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ合金やＧａ_ｚＩｎ_ｙＡｌ_ｘＢ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｎ合金等で構成されてもよい。ｘ、ｙ、ｚで示されるモル分率は、各種の層１６、１８、２０により異なる。基板１２は、サファイア、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ケイ素（Ｓｉ）、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＯＮ、ＬｉＧａＯ_２、又は他の適切な材料であってもよく、バッファ層１４は、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ／ＡｌＮの超格子等から構成されてもよい。

発光装置１０に関して示されるように、ｐ型メタル２４はｐ型クラッド層２２に接合されてもよく、ｐ型コンタクト２６はｐ型メタル２４に接合されてもよい。同様に、ｎ型メタル２８はｎ型クラッド層１６に接合されてもよく、ｎ型コンタクト３０はｎ型メタル２８に接合されてもよい。ｐ型メタル２４及びｎ型メタル２８はそれぞれ対応する層２２、１６に対するオーミックコンタクトを形成してもよい。ある実施形態において、ｐ型メタル２４及びｎ型メタル２８のそれぞれは、導電性及び反射性のいくつかの金属層を有しており、ｎ型コンタクト３０及びｐ型コンタクト２６のそれぞれは、伝導性が高い金属を有している。ある実施形態において、ｐ型クラッド層２２及び／又はｐ型コンタクト２６は、活性領域１８により生成された電磁波放出光に対して少なくとも部分的に透過性（例えば、半透過性又は透過性）を有してもよい。例えば、ｐ型クラッド層２２及び／又はｐ型コンタクト２６は、例えば、少なくとも部分的に透過性であるマグネシウム（Ｍｇ）をドープしたＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮの短周期超格子構造（ＳＰＳＬ）等の短周期超格子の格子構造であってもよい。ある実施形態において、少なくとも部分的に透過性のｐ型コンタクト２６は開口部のある周期的金属構造を用いて形成されてもよく、この構造はフォトニック結晶を形成してもよい。さらに、ｐ型コンタクト２６及び／又はｎ型コンタクト３０は、活性領域１８により生成された電磁波放出光に対して、少なくとも部分的に反射性を有してもよい。他の実施形態においては、ｎ型クラッド層１６及び／又はｎ型コンタクト３０は、活性領域１８により生成された電磁波放出光に対して少なくとも部分的に透過性である、ＡｌＧａＮのＳＰＳＬ等の、短周期超格子により形成されてもよい。

ここで使用されているように、放出光波長が対応する範囲にある電磁波放出光の少なくとも一部が層を透過できる場合に、層は少なくとも部分的に透過性であるという。例えば、層は活性領域１８から放射される光（紫外光や遠紫外光等）のピーク放射波長（例えば、ピーク放射波長±５ナノメートル）に対応する放出光波長に対して少なくとも部分的に透過性があるように構成されてもよい。本明細書においては、放出光のうちおおよそ０．５パーセントより多く層を透過できる場合に、層は放出光に対して少なくとも部分的に透過性を有するとされる。さらに特定の実施形態において、少なくとも部分的に透過性の層は、放出光のうちおおよそ５パーセントより多くが層を透過するように構成される。同様に、層が関連した電磁波放出光（例えば、波長が活性領域のピーク放射に近い光）の少なくとも一部を反射する場合に、層は少なくとも部分的に反射性があるとされる。ある実施形態において、少なくとも部分的に反射性の層は、放出光の少なくともおおよそ５パーセントを反射するように構成される。

発光装置１０に関してさらに示されるように、装置１０はコンタクト２６、３０を介してサブマウント３６に搭載される。この場合、基板１２は、発光装置１０の上部に位置する。このように、ｐ型コンタクト２６及びｎ型コンタクト３０は両方が、それぞれコンタクトパッド３２、３４を介してサブマウント３６に接合される。サブマウント３６は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）等により形成されてもよい。

発光装置１０の各種の層のいずれも、実質的に均一組成又は傾斜（ｇｒａｄｅｄ）組成であってもよい。例えば、層は他の層とのヘテロ界面にて傾斜組成であってもよい。ある実施形態において、ｐ型層２０は、傾斜組成のｐ型ブロック層であってもよい。傾斜組成は、例えば、応力の低減、キャリア注入の向上等のために用いてもよい。同様に、層は応力等を低減するよう構成されうる、複数の周期を有する超格子を含んでもよい。この場合、それぞれの周期の組成及び／又は幅は、その周期ごとに周期的に又は非周期的に変わりうる。

本明細書で説明される発光装置１０の層構造は、単に例示的であることが理解される。この点において、発光装置／ヘテロ構造は、他の代わりの層構造や１つ以上の追加層等を有してもよい。そのため、各種の層が互いに直接的に隣接するよう（例えば、互いに接するよう）図示されてはいるが、１つ以上の中間層が発光装置／ヘテロ構造に存在してもよいことが理解される。例えば、ある例示的な発光装置／ヘテロ構造は、活性領域１８と、ｐ型クラッド層２２及び電子供給層１６の１つ又は両方との間にアンドープ層を設けてもよい。

さらに、発光装置／ヘテロ構造は分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）構造を有してもよい。ＤＢＲ構造は、特定の波長の光、例えば、活性領域１８から放射された光、を反射するように構成することができ、そのために装置／ヘテロ構造の出力を向上できる。例えば、ＤＢＲ構造は、ｐ型クラッド層２２と活性領域１８との間に位置させることができる。同様に、装置／ヘテロ構造は、ｐ型クラッド層２２と活性領域１８との間にｐ型層を配置させることもできる。ＤＢＲ構造及び／又はｐ型層は、装置／ヘテロ構造により生成される光の所望の波長に基づき、任意の組成にしてもよい。一実施形態において、ＤＢＲ構造はＭｇや、Ｍｎや、Ｂｅをドープしたｐ型組成、またはＭｇとＳｉとをドープしたｐ型組成であってもよい。ｐ型層はｐ型のＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等を含んでもよい。装置／ヘテロ構造は、ＤＢＲ構造とｐ型層（ｐ型層はＤＢＲ構造とｐ型クラッド層２２との間に位置している）の両方を含んでもよいことや、ＤＢＲ構造とｐ型層との片方を含んでもよいことが理解される。ある実施形態において、ｐ型層は電子ブロック層の代わりに装置／ヘテロ構造に含まれてもよい。他の実施形態においては、ｐ型層がｐ型クラッド層２２と電子ブロック層との間に含まれてもよい。

いずれにしろ、装置１０は、活性領域１８の第１の側に、１つ以上の少なくとも部分的に反射性の層を有し、活性領域１８の反対側に、１つ以上の少なくとも部分的に透過性の層を有してもよく、活性領域１８において生成された放出光が、この１つ以上の少なくとも部分的に透過性の層を介して装置１０を出ることができる。ある実施形態において、２つの隣接する層の間の、界面４０Ｂ、４０Ｃのうち１つ以上の界面等、の界面、及び／又は基板１２等の層と周辺環境との間の界面４０Ａは、実質的に滑らかというよりは不均一又は粗い表面変化面を有してもよい。表面変化面は、界面４０Ａ〜４０Ｃ内の放出光の伝播を促進するように構成されてもよい。

さらに、ヘテロ構造の比較的厚い、基板１２等の層は、層内の放出光の伝播を促進するために表面変化面が埋め込まれた界面４０Ｄを有してもよい。特に、表面変化面は、界面４０Ｄへの垂直方向に近い方向に伝播する放出光の量を増加するように構成されてもよい。ある実施形態において、界面４０Ｄの厚さは、放出光の目標波長よりも大きい。一般的に、界面４０Ｄは層（例えば、基板１２）内の任意の場所に位置していてもよい。ある実施形態において、界面４０Ｄは、層の端（例えば、界面４０Ａ、４０Ｂ）から、放出光の目標波長の少なくとも２倍の距離の場所に位置する。

表面変化面を有する界面４０Ａ〜４０Ｄは、例えば、２つ以上の材料の界面の間に含まれてもよく、この界面における屈折率はかなり大きい（例えば、屈折率の差はおおよそ５パーセント以上である）。例えば、本明細書で説明されるように、基板１２はサファイアから形成されてもよく、バッファ層１４はＡｌＮから形成されてもよく、クラッド層１４は、ＡｌＧａＮから形成されてもよい。放出光の例示的な目標波長に対して、これらの材料のそれぞれは、１．８、２．３、２．５の屈折率を有してもよい。この点において、装置１０は、基板１２と周囲（これは、おおよそ１である屈折率を有する）との間の界面４０Ａ、バッファ層１４と基板１２との間の界面４０Ｂ、及び／又はｎ型クラッド層１６とバッファ層１４との間の界面４０Ｃに表面変化面を備えてもよい。この場合、バッファ層１４は２つの異なる屈折率を有する２つの材料の間に挿入された光取出し層として作用し、屈折率をより緩やかに変遷させることができる。

装置１０の様々な実施形態は、本明細書で説明されるように、任意の組み合わせの１つまたはそれ以上の界面に表面変化面を形成してもよいことが理解される。この点において、表面変化面は任意のタイプの、ＡｌＩｎＧａＮやＡｌＢＧａＮの半導体合金等のＩＩＩ族窒化物系半導体表面に形成されてもよい。さらに、表面変化面は、例えば、紫外線透過ガラスや、ＩＩＩ族窒化物系半導体表面に蒸着させた対応する屈折率のポリマー等に形成されてもよい。

それぞれの表面変化面は、それぞれ対応する少なくとも部分的に透過性の層１２、１４、１６からの放出光の取り出し性を向上させるために構成してもよい。例えば、装置１０の作動中、放出光は活性領域１８にて生成され、前述の少なくとも部分的に透過性の層１６、１４、１２内を進行した後に、装置１０から放射される。界面４０Ｃ、４０Ｂのそれぞれは、第１の層１６、１４から出射して隣接する層１４、１２に入射する放出光の量を、層１２、１４、１６間の界面４０Ｃ、４０Ｂが実質的に滑らかな装置と比べて増加させるよう表面形状が加工されてもよい。同様に、界面４０Ａは装置１０から、例えば基板１２を介して、周辺環境に入る光の量を、実質的に滑らかな外側面を有する装置と比べて増加させるように構成されてもよい。さらに、界面４０Ｄのない基板と比べて、基板１２全体を介して伝播する放出光の量を増加させるように界面４０Ｄを構成してもよい。

図２は、実施形態における例示的な界面４０の分解図を示し、図３は、実施形態における界面４０の概略図を示す。図２と図３を参照すると、一組の大形粗度部材４４を備える第１の層４２の表面は、一組の小型粗度部材４８を備える第２の層４６の表面に接合される。大形粗度部材４４と小型粗度部材４８は、光を反射し屈折させる面を追加できるように構成されてもよく、こうすれば界面４０を介した光の取り出しを促進できる。一組の粗度部材４４、４８のそれぞれが、特定の数の粗度部材を含むように図示されているが、一組の粗度部材４４、４８のそれぞれが様々な構造の任意の組み合わせとなる粗度部材を任意の数用いて構成されてもよいことが理解される。

一組の大形粗度部材４４は、特徴的な寸法を有する変化を第１の層４２の表面変化面に与え、この特徴的な寸法は、一組の小型粗度部材４８が第２の層４６の表面変化面に与える変化よりもおおよそ１オーダー大きい。ある実施形態において、大形粗度部材４４は第１の層４２の表面変化面に目標波長よりも大きな特徴的な寸法を有する変化を与える。目標波長は装置１０の作動中に放出光が界面４０を透過するのに必要となる放出光のピーク波長に基づいて選択されてもよく、可視光、紫外線放射、遠紫外線放射、赤外光等を含む波長の幅内であってもよい。ある実施形態において、目標波長は、装置の活性領域１８（図１）で生成された放出光のピーク波長に対応する。さらに特定の実施形態において、大形粗度部材４４が与える変化の特徴的な寸法は、目標波長よりもおおよそ１オーダー（例えば、１０倍）大きく、大形粗度部材４４の平均の高さ及び／又は幅に基づいて決めてもよい。ある実施形態において、大形粗度部材４４は、例えば、おおよそ２〜数十マイクロメートルの高さと幅を有する。大形粗度部材４４が備えられているため、ＴＩＲに関連した損失を減らすことができる。

一組の小型粗度部材４８は、高さや位置が不規則に変化する材料からなる連続した頂部と谷部として例示される。ある実施形態において、小型粗度部材４８は、第２の層４６の表面変化面に目標波長のオーダーである特徴的な寸法を有する変化を与える。この点において、小型粗度部材４８が与える変化の特徴的な寸法は、目標波長のおおよそ１０〜２００パーセントの間としてもよく、小型粗度部材４８の平均高さに基づいて決めてもよい。実施形態において、小型粗度部材４８の高さは、おおよそ１０ナノメートルから数ミクロンの間である。小型粗度部材４８が備えられているため、フレネル損失を低減できる。さらに、小型粗度部材４８はフォトニック結晶を形成してもよく、フォトニック結晶は、第２の層４６からの放出光の取り出しを促進するために目標波長の放出光をガイドするように構成されている。

界面４０を形成するために、接着剤５０を用いて第１の層４２を第２の層４６に固定してもよい。接着剤５０の目標波長に対する屈折率は、第１の層４２及び／又は第２の層４６の材料の屈折率と実質的に釣り合わせてもよい。代わりに、接着剤５０の目標波長に対する屈折率は、第１の層４２の材料の屈折率と第２の層４６の材料の屈折率との間にあるようにしてもよく、こうすれば接着剤５０は２つの屈折率間をつなぐことができる。例えば、層４２、４６が異なる屈折率を持つ場合、接着剤５０の屈折率は、層４２、４６の屈折率の積の平方根にほぼ等しくてもよい。説明用の接着剤５０として、硬化ポリマー膜等がある。

例示されるように、一組の大形粗度部材４４は、それぞれの形状が台形断面（truncated triangular cross-section）となる複数の形状を有しており、この断面は円錐台や任意の数の辺がある角錐台に対応する。放出光が装置（装置１０（図１）等）に入ると、放出光は（例えば、図２及び図３にて略上向き方向に）第２の層４６を介し、界面４０を横切り、第１の層４２を介して伝播する。その結果、それぞれの大形粗度部材４４は、逆台形のエレメント（inverse truncated element）であり、放出光が入射する（例えば、底部）大形粗度部材４４の端部は、放出光が出射する（例えば、上部）大形粗度部材４４の端部よりも小さい。この点において、フィラー材５２が第１の層４２と第２の層４６との間に配置され、大形粗度部材４４の小さい方の端部の間の隙間を埋める。例示されるように、フィラー材５２を第２の層４６に配置し、大形粗度部材４４間にある隙間の一部を埋めるだけでもよい。フィラー材５２は、目標波長の放出光に対して少なくとも部分的に透過性であり、不規則な形状を有しており、放出光の界面４０内の伝播を促進するようにしてもよい。ある実施形態において、フィラー材５２は接着剤５０と同様の材料でもよい。代わりに、フィラー材５２は接着剤５０よりも透過性の高い材料でもよい。ある実施形態において、フィラー材５２は、層４２、４６の屈折率の積の平方根におおよそ等しい屈折率を有してもよい。説明用のフィラー材５２として、硬化ポリマー膜等がある。

図４Ａ〜４Ｃは、実施形態における説明用の大形粗度部材４４Ａ、４４Ｂと、対応する説明用の強度の極座標プロットをそれぞれ示す。図４Ａでは、大形粗度部材４４Ａが円錐台の形状を有しており、一方、図４Ｂの大形粗度部材４４Ｂは、角錐台の形状を有している。それぞれの大形粗度部材４４Ａ、４４Ｂは、逆台形のエレメントを有しており、ここで、大形粗度部材４４Ａ、４４Ｂの端部であり放出光の大部分が入射する底部Ｂは、大形粗度部材４４Ａ、４４Ｂの端部であり放出光が経由して出射ことが望まれる上部Ｔよりも小さい。大形粗度部材４４Ｂの角錐台には４辺のある底部と上部を備えることが示されるが、角錐体の底部と上部は、任意の数の辺を有する多角形であってもよいことがわかる。

例えば、目標波長となる放出光の出射円錐角を定めるように大形粗度部材４４Ａ、４４Ｂを設計することで、大形粗度部材４４Ａ、４４Ｂのこのような構造を例えば光の収束のために用いて、界面４０（図２および３）からの光の取り出しを促進させることができる。この点において、大形粗度部材４４Ａの円錐台形状の辺は、９０度未満である角度Θを形成してもよい。同様に、大形粗度部材４４Ｂの角錐台形状の辺と大形粗度部材４４Ａの円錐台形状の辺は、法線に対する角度を４５度未満となるように形成してもよい。このように、光の反射の量を増加すると、界面４０から外に向かう光となる。図４Ｃは、大形粗度部材４４Ａに対する説明用の強度分布の極座標プロットを示している。

図１に戻ると、表面変化面を有する１つ以上の界面４０Ａ〜４０Ｄを備える装置１０又は装置１０を形成するために用いられるヘテロ構造は、任意の方策を用いて製造されうることが理解される。例えば、発光装置／ヘテロ構造は、基板１２を取得し（例えば、形成し、準備し、獲得し、等）、その上にバッファ層１４を形成し（例えば、成長させ、蒸着させ、固着させ、等）、バッファ層１４上にｎ型クラッド層１６を形成して製造してもよい。さらに、例えば、量子井戸とバリアを有する活性領域１８を、任意の方策を用いてｎ型クラッド層１６上に形成してもよい。任意の方策を用いて、ｐ型層２０を活性領域１８上に形成し、ｐ型クラッド層２２をｐ型層２０上に形成してもよい。さらに、１つ以上の金属層、コンタクト、及び／又は追加層を任意の方策を用いて形成してもよい。さらに、ヘテロ構造／装置を、コンタクトパッドを介してサブマウントに取り付けてもよい。発光装置／ヘテロ構造の製造には、一時的な層（マスク層等）の蒸着と除去、１つ以上の層のパターニング、１つ以上の追加層（図示省略）の形成等が含まれてもよいことが理解される。

ある実施形態において、装置１０の製造工程は、蒸着及び／又はエッチングの任意の組み合わせを用いて、表面変化面を備える界面４０Ａ〜４０Ｄを形成する工程を含む。図２を参照すると、例えば、任意の方策を用いて、層４２、４６を取得することができる。例えば、それぞれの層４２、４６は、成長させたり、購入したりできる。層４２、４６が同様の材料で作られている場合（例えば、サファイア）、層４２、４６は大きな方の層を切断することで形成できる。いずれにしても、一組の粗度部材４４、４８のそれぞれが、層４２、４６の対応する表面に形成されてもよい。一組の粗度部材４４、４８の形成方法として、本明細書で説明される大形粗度部材４４及び／又は小型粗度部材４８を形成する材料からなる、ナノドット及び／又はナノロッド等の、ナノスケールの対象物の選択析出及び／又はエッチングが挙げられる。このような蒸着及び／又はエッチングを用いて、周期的なパターン及び／又は非周期的な不規則なパターンを層４２、４６の対応する表面に形成できる。続いて、フィラー材５２を第１の層４２及び／又は第２の層４６に蒸着して、例えば、接着剤５０を第１の層４２及び／又は第２の層４６に塗布して層４２、４６を１つになるように押し付けることで、一組の粗度部材４４、４８を、接着剤５０を用いて接合してもよい。図１に示される界面４０Ａのように界面４０が装置１０と周辺環境との間の界面である場合、形成方法として、第１の層４２から（例えば、エッチングを介して）材料を取り除き、一組の大形粗度部材４４を露出／ほぼ露出させることを含んでもよい。

発光装置からの光の取り出し性の向上のための設計方法及び／又は製造方法としてここに示され説明されており、本発明の側面はさらに様々な代替実施形態を提供できることが理解される。例えば、本発明の側面を、例えば、レーザー光生成構造の光励起や、レーザーパルスを用いたキャリアガスの励起等の一部として実施することで、装置内の光の透過を促進できる。同様に、本発明の実施形態は検出装置（光センサや光検出器等）と連携して実施することができる。それぞれの場合において、所望の方向に光が界面を透過することを促進するために、装置の外側の表面及び／又は装置の２つの隣接する層の界面に、表面変化面を備えてもよい。

一実施形態において、本発明はここで説明されたように設計し製造された装置を１つ以上含む回路の設計及び／又は製造の方法を提供する。この点について、図５は、実施形態に係る回路１２６を製造する例示的なフロー図を示す。まず、ユーザーは、本明細書で説明される半導体装置のための装置設計（ｄｅｖｉｃｅ ｄｅｓｉｇｎ）１１２を生成する装置設計システム１１０を用いてもよい。装置設計１１２は、装置設計１１２により定義された機能に基づき、装置製造システム１１４が一組の物理的な装置１１６を生成するために用いられるプログラムコードを有する。同様に、装置設計１１２は回路設計システム１２０に（例えば、回路での使用に有効な部材として）提供されてもよく、ユーザーは回路設計システム１２０を（例えば、１つ以上の入力と出力とを回路内の様々な装置に接続することで）回路設計１２２を生成するために用いてもよい。回路設計１２２は本明細書で説明されるように設計された装置を含むプログラムコードを有する。いずれにしても、回路設計１２２及び／又は１つ以上の物理的な装置１１６が、回路設計１２２に基づき物理的な回路１２６を生成可能な回路製造システム１２４に提供されてもよい。物理的な回路１２６は、本明細書で説明されるように設計された１つ以上の装置１１６を含んでもよい。

他の実施形態においては、本発明は、本明細書で説明されるように半導体装置１１６を設計するための装置設計システム１１０及び／又は製造するための装置製造システム１１４を提供する。この場合、システム１１０、１１４は、本明細書で説明されるような半導体装置１１６の設計及び／又は製造をする方法を実施するようプログラムされた一般用の計算装置を含んでもよい。同様に、本発明の実施形態は、本明細書で説明されるように設計及び／又は製造された少なくとも１つの装置１１６を含む回路１２６を設計する回路設計システム１２０及び／又は製造する回路製造システム１２４を提供する。この場合、システム１２０、１２４は、少なくとも１つの半導体装置１１６を含む回路１２６を本明細書で説明されるように設計及び／又は製造する方法を実行するようにプログラムされた一般用の計算装置を含んでもよい。

さらに他の実施形態において、本発明は、少なくとも１つのコンピュータ可読媒体に固定されたコンピュータプログラムを提供し、このプログラムは実行されると、本明細書で説明されるように半導体装置を設計及び／又は製造する方法をコンピュータシステムに実施させることができる。例えば、コンピュータプログラムは、装置設計システム１１０に、本明細書で説明されるように装置設計１１２を生成させることができる。この点において、コンピュータ可読媒体は、コンピュータシステムにより実行されると、本明細書で説明される工程の一部又はすべてを実施するプログラムコードを有する。「コンピュータ可読媒体」という用語は、１つ以上の任意のタイプの有形の表現媒体（現在知られているものや今後開発されるもの）を含み、「コンピュータ可読媒体」から、プログラムコードの保存されたコピーを認識でき、複製でき、又は他にも、計算装置を通じた通信もできることが理解される。

他の実施形態においては、本発明は、コンピュータシステムに実行された場合に本明細書で説明される工程の一部又はすべてを実施できるプログラムコードのコピーを提供する方法を提供する。この場合、コンピュータシステムはプログラムコードのコピーを処理して、第２の別の場所にて受け取るために一組のデータ信号を生成し送信でき、ここにおいて、この一組のデータ信号は、プログラムコードのコピーを一組のデータ信号内にエンコードできるように設定及び／又は変更された１つ以上のそのコピーの特性を含む。同様に、本発明の実施形態は、本明細書で説明される工程の一部又はすべてを実施するプログラムコードのコピーを取得する方法を提供し、ここで、この方法は、本明細書で説明される一組のデータ信号を受信し、この一組のデータ信号を変換して少なくとも１つのコンピュータ可読媒体に固定されたコンピュータプログラムのコピーにするコンピュータシステムを含んでいる。いずれの場合においても、一組のデータ信号が任意のタイプの通信リンクを用いて、送信／受信されてもよい。

さらに他の実施形態において、本発明は、本明細書で説明されるように半導体装置を設計するための装置設計システム１１０及び／又は製造するための装置製造システム１１４を生成するための方法を提供する。この場合、コンピュータシステムが取得されて（例えば、作成されて、整備されて、使えるようになって等）、本明細書で説明される工程を実行するための１つ以上の部材が取得されて（例えば、作成されて、購入されて、使われて、改修されて等）コンピュータシステムに設置されてもよい。この点において、この場合の設置には、（１）プログラムコードを計算装置にインストールする、（２）１つ以上の計算装置及び／又はＩ／Ｏ装置をコンピュータシステムに追加する、（３）コンピュータシステムを組み込む及び／又は改修して本明細書で説明される工程を実行できるようにする、等のうち１つ以上を含んでもよい。

本発明の様々な側面の前述の説明は、例示や説明を目的として示した。網羅することも意図しておらず、また、開示したそのままの形態に本発明を限定することも意図しておらず、多くの変形例や変更例がありうることは明らかである。当業者にとって明らかであろうそのような変形例や変更例は、本明細書の請求項にて定義される本発明の範囲に含まれている。

Claims (22)

1. 第１の表面変化面を有する第１の少なくとも部分的に透過性の層であって、第１の特徴的な寸法を有する第１の変化を前記第１の表面変化面に与える一組の大形粗度部材を前記第１の表面変化面が備える第１の少なくとも部分的に透過性の層と、
   前記第１の表面変化面に隣接する第２の表面変化面を有する第２の少なくとも部分的に透過性の層とを備える装置であって、
   前記第２の表面変化面は、第２の特徴的な寸法を有する第２の変化を第２の表面変化面に与える一組の小型粗度部材を有しており、前記第１の特徴的な寸法は、前記第２の特徴的な寸法よりもおおよそ１オーダー大きいことを特徴とする装置。
2. 前記第１の変化及び前記第２の変化のうち少なくとも１つは非周期的な不規則な変化であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記一組の大形粗度部材は、角錐台及び円錐台のうち少なくとも１つの形状が並んでいることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記放出光の収束を促進させるために、前記並んでいる形状は逆台形（inversely truncated）であることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記連続した形状のそれぞれの円錐体の頂角は直角未満であることを特徴とする請求項３に記載の装置。
6. 前記連続した形状のそれぞれの面が前記形状の底面への法線と４５度未満の角度を形成することを特徴とする請求項３に記載の装置。
7. 前記一組の大形粗度部材の間の少なくともいくつかの空間に配置されるフィラー材をさらに有することを特徴とする請求項３に記載の装置。
8. 第１及び第２の表面変化面に付着する接着剤をさらに備え、前記接着剤は、前記第１の少なくとも部分的に透過性の層の材料及び前記第２の少なくとも部分的に透過性の層の材料のうち少なくとも１つの反射率に基づいて選択される反射率を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 前記一組の小型粗度部材はフォトニック結晶を形成することを特徴とする請求項１に記載の装置。
10. 前記装置は発光ダイオード、半導体レーザー、高輝度発光ダイオードのうち１つとして作動するよう構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
11. 第１及び第２の少なくとも部分的に透過性の層の間に界面を設計する工程を含む方法であって、前記界面は、
    前記第１の少なくとも部分的に透過性の層の第１の表面変化面であって、第１の特徴的な寸法を有する第１の変化を前記第１の表面変化面に与える一組の大形粗度部材を備える第１の表面変化面と、
    前記第１の表面変化面に隣接する、前記第２の少なくとも部分的に透過性の層の第２の表面変化面と、を備えており、前記第２の表面変化面は、第２の特徴的な寸法を有する第２の変化を前記第２の表面変化面に与える一組の小型粗度部材を備え、前記第１の特徴的な寸法は、前記第２の特徴的な寸法よりもおおよそ１オーダー大きいことを特徴とする方法。
12. 前記第１及び第２の少なくとも部分的に透過性の層を含む装置を製造する工程をさらに含み、前記製造工程が前記界面を加工する工程を含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記界面の加工工程が、選択析出及び選択エッチングのうち少なくとも１つを用いて、前記一組の大形粗度部材及び前記一組の小型粗度部材のうち少なくとも１つを形成する工程を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記一組の大形粗度部材は、角錐台及び円錐台のうち少なくとも１つの形状を連続して含み、前記一組の小型粗度部材は、前記第２の少なくとも部分的に透過性の層を形成する材料からなる複数の頂部と谷部を有することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
15. 前記界面の加工工程は、
    前記第１の少なくとも部分的に透過性の層の材料及び前記第２の少なくとも部分的に透過性の層の材料のうち少なくとも１つの反射率に基づいて接着剤を選択する工程と、
    前記接着剤を用いて前記第１の表面変化面を前記第２の表面変化面に接合する工程と、を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
16. 前記界面の加工工程は、前記第１及び第２の表面変化面のうち少なくとも１つの少なくとも一部にフィラー材を配置する工程を含み、前記フィラー材は、前記一組の大形粗度部材の間の空間の少なくともいくつかを少なくとも部分的に充填することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
17. 放出光を生成する活性領域と、
    第１の表面変化面を有する第１の少なくとも部分的に透過性の層であって、第１の特徴的な寸法を有する第１の変化を前記第１の表面変化面に与える一組の大形粗度部材を前記第１の表面変化面が備える第１の少なくとも部分的に透過性の層と、
    前記第１の表面変化面に隣接する第２の表面変化面を有する第２の少なくとも部分的に透過性の層と、を備える発光装置であって、
    前記第２の表面変化面が、第２の特徴的な寸法を有する第２の変化を前記第２の表面変化面に与える一組の小型粗度部材を備え、前記第１の特徴的な寸法が前記第２の特徴的な寸法よりおおよそ１オーダー大きく、前記活性領域において生成された放出光が前記第１の少なくとも部分的に透過性の層に入射する前に前記第２の少なくとも部分的に透過性の層を通過することを特徴とする発光装置。
18. 前記一組の大形粗度部材は角錐台及び円錐台のうち少なくとも１つの形状が並んでいることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
19. 前記一組の小型粗度部材は、前記少なくとも部分的に透過性の層を形成する材料からなる複数の頂部と谷部を有することを特徴とする請求項１７に記載の装置。
20. 前記活性領域における前記第１及び第２の少なくとも部分的に透過性の層から反対側に配置される少なくとも部分的に反射性の層をさらに備えることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
21. 前記装置は、ＩＩＩ族窒化物系ヘテロ構造を用いて形成されることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
22. 前記第１及び第２の少なくとも部分的に透過性の層はサファイアであることを特徴とする請求項１７に記載の装置。