JP2021521644A - ミクロンサイズの発光ダイオード設計 - Google Patents
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Abstract
Description
エピタキシャル構造であって、
マイクロLEDの発光表面を画定するベースであり、第1の型のドーピングを伴う電流拡がり層を含むベースと、
ベース上のメサであり、
第1の型のドーピングを伴う第1の閉込め層と、
光を発する第1の閉込め層上の光発生領域と、
第1の型のドーピングと反対の第2の型のドーピングを伴う光発生領域上の第2の閉込め層と、
第2の閉込め層上の第2の型のドーピングを伴うコンタクト層であり、コンタクト層がメサの上部を画定し、第2の閉込め層およびコンタクト層が第1の閉込め層より薄い、コンタクト層と
を含むメサとを画定する、エピタキシャル構造と、
光発生領域から発される光の一部分を発光表面に反射するコンタクト層上の反射コンタクトとを備えてもよい。
電流拡がり層上の第2のコンタクトと、
反射コンタクト上の第1のバンプと、
第2のコンタクト上の第2のバンプと
を含んでもよい。
メサの上部が切頭上部を画定する放物面形状か、
メサの上部が切頭上部を画定する円筒形状か、
メサの上部が切頭上部を画定する円錐形状か、
垂直メサ形状か
のうちの1つとして形成されてもよい。
基板上に、第1の型のドーピングを伴う電流拡がり層、第1の型のドーピングを伴う第1の閉込め層、第1の型のドーピングと反対の第2の型のドーピングを伴う第2の閉込め層、第1の閉込め層と第2の閉込め層との間の光発生領域、および第2の型のドーピングを伴うコンタクト層を含み、第2の閉込め層およびコンタクト層が第1の閉込め層より薄い、エピタキシャル構造を成長させることと、
エピタキシャル構造にベースおよびベース上のメサを形成することであって、ベースがマイクロLEDの発光表面を画定し、かつ電流拡がり層を含み、メサが第2の閉込め層、光発生領域、およびメサの上部を画定するコンタクト層を含む、ベースおよびベース上のメサを形成することと、
光発生領域から発される光の一部分を発光表面に反射するコンタクト層上の反射コンタクトを形成することとを含んでもよい。
図1は、一実施形態に従う、マイクロLED100(以下「μLED」と称される)の断面の概要図である。μLED100は、他の構成要素の中で、厚いクラッド104、薄いクラッド106、および厚いクラッド104と薄いクラッド106との間の光発生領域108を含む半導体構造を含んでもよい。μLED100は、半導体構造上の誘電体層114、誘電体層114上のpコンタクト112、および厚いクラッド104上のnコンタクト116を更に含む。半導体構造は、エッチプロセスを介してなど、メサ120およびメサ120のベース124へ成形される。光発生領域108は、メサ120の構造に含まれる活性光発生領域である。活性光発生領域は、量子井戸、量子ドット、量子細線、ナノワイヤ、またはナノフィン−ウォールを含んでもよい。メサ120は、μLED100の発光表面118に反対の側に画定される切頭上部を含んでもよい。一部の実施形態において、厚いクラッド104、光発生領域108および薄いクラッド106を含む半導体構造は、基板上に成長されるエピタキシャル構造を画定する。薄いクラッド106および厚いクラッド104は異なるドープ半導体材料層を含む。例えば、薄いクラッド106はpドープ半導体材料層を含んでもよく、そして厚いクラッド104はnドープ半導体材料層を含んでもよい。
図2は、一実施形態に従う、μLEDを製造するための工程200のフローチャートである。工程200は、成長基板が非透過性であり(例えば、GaAs基板上に製作される赤色LEDなどのμLEDによって発される光に対して)、そしてエピタキシャル構造の発光表面を露出させるために除去される、μLEDを製造するために行われてもよい。非透過性基板の一部の例が、赤色LED用のヒ化ガリウム(GaAs)基板、または窒化ガリウム(GaN)−on−Si系青および緑色LED用のシリコン(Si)基板を含む。
図5は、一実施形態に従う、基板開口を伴うμLEDを製造するための工程500のフローチャートである。μLEDの発光表面を露出させるために非透過性基板全体を除去するよりむしろ、μLEDまたはμLEDアレイの発光表面上の発光部にわたる基板の一部分が除去されて、光が発光部から伝達されることを可能にする基板開口を画定してもよい。薄化された(50〜150μmにまで)基板はμLEDに取り付けられたままであり、μLEDをテストするウエハのためになど、機械的に安定したキャリアを提供する。工程500は図6を参照しつつ述べられるが、同図は、一実施形態に従う、基板開口602を含むμLED600を図示する。
図7は、一実施形態に従う、拡張基板反射体を伴うμLEDを製造するための工程700のフローチャートである。μLEDは、基板に形成される拡張基板反射体を含んでもよい。例えば、μLEDから発される光のビーム成形のための拡張放物面(例えば、狭/集束ビーム用)または傾斜(例えば、広幅ランバートビーム用)ミラーなどの反射体を形成する形状で基板に開口がエッチングされてもよい。工程700は図8Aおよび8Bを参照しつつ述べられるが、同図は、一実施形態に従う、拡張基板反射体802を含むμLED800およびμLED850をそれぞれ図示する。工程700は図9A、9Bおよび9Cも参照しつつ述べられるが、同図は、一実施形態に従う、拡張基板反射体を含むμLED900の断面側面図、上面図および下面図をそれぞれ図示する。
図10は、一実施形態に従う、μLED1000である。μLED1000は、電流拡がり層306上に形成される厚い閉込め層310を有する。図3Cに図示されるなどのESL308は省略され、そして半導体構造が製造されるとき、厚い閉込め層310は電流拡がり層306上にある。メサ1002およびベース1004を形成するために、半導体構造がエッチングされる。ESL308がないので、深さ制御のために時限エッチが使用されてもよい。nコンタクト116は、ESL308よりむしろ電流拡がり層306上に形成される。
工程200で述べたように、μLEDは、基板上にエピタキシャル層を形成することによって製造されることができ、エピタキシャル構造は、基板上の厚いクラッド、厚いクラッド上の光発生領域、および光発生領域上方の薄いクラッドを含む。基板と反対の薄いクラッド側のエピタキシャル構造が、次いでメサおよびベースを形成するためにエッチングされる。基板は次いで除去されてもよい。他の実施形態において、基板上方に薄いクラッドがあり、光発生領域は薄いクラッド上方にあり、そして光発生領域上方に厚いクラッドがある。基板はエピタキシャル構造の形成後に除去され、次いで基板が除去された薄いクラッド側からメサおよびベースがエピタキシャル構造内へエッチングされる。工程200で述べたように、μLEDを形成するために使用される半導体構造300はp型薄いクラッドおよびn型厚いクラッドを含む。他の実施形態において、薄いクラッドはn型であり、そして厚いクラッドはp型である。
図13は、一実施形態に従う、μLED1300の断面図である。μLED1300は、メサ1320およびベース1324を含む。メサ1320は、5と10μmの間の高さを有し、かつ5と20μmの間の幅を有する。メサ1320では、光発生領域108は、光発生領域108の中央に画定される量子井戸(QW)活性部1306、およびメサ1320の外端へ活性部1306の外に画定されるQW端部1308を含む。QW活性部1306は正面発光円錐1302の直接光を発し、そして端部1308は端発光円錐1304の間接光を発する。
μLEDの設計は、所望の電流密度に基づいて異なってもよい。低電流密度(例えば、2DμLED表示アーキテクチャ)の場合、青または縁色μLEDに対して1つと3つとの間の量子井戸が使用されてもよく、そして赤色μLEDに対して1つおよび5つの量子井戸が使用されてもよい。更には、大きな量子井戸厚さが使用されてもよい。例えば、緑色μLEDが2.2と3.2nmの間の量子井戸厚さを含んでもよく、青色μLEDが2.5と4.5nmの間(例えば、最高効率のために3.5nm)の量子井戸厚さを含んでもよく、そして赤色μLEDが最高効率のために(例えば、電流密度およびオーガ損失を最小化するために)8と15nmの間の量子井戸厚さを含んでもよい。
赤外μLED(例えば、λ=940nm)は、GaAs基板302の上面に約300nmに配置される中央量子井戸を含んでもよい。赤外μLEDは、圧縮歪InGaAs量子井戸の歪補償のために引張歪GaAsP量子バリアのない活性部を含んでもよい。エピタキシャル構造320は、オフ方位のない<100>でGaAs基板302上に成長されてもよい。
Claims (41)
- 発光ダイオード(LED)であって、
エピタキシャル構造を備え、前記エピタキシャル構造が、
前記マイクロLEDの発光表面を画定し、かつ第1の型のドーピングを伴う電流拡がり層を含むベースと、
前記ベース上のメサであって、
前記第1の型のドーピングを伴う第1の閉込め層と、
光を発する、前記第1の閉込め層上の光発生領域と、
前記第1の型のドーピングと反対の第2の型のドーピングを伴う、前記光発生領域上の第2の閉込め層と、
前記第2の閉込め層上の前記第2の型のドーピングを伴うコンタクト層であって、前記メサの上部を画定し、前記第2の閉込め層および前記コンタクト層が前記第1の閉込め層より薄い、コンタクト層と
を含むメサとを画定し、前記LEDが更に
前記光発生領域から発される前記光の一部分を前記発光表面に反射する、前記コンタクト層上の反射コンタクト
を備える、LED。 - 前記第1の型のドーピングがn型ドーピングであり、かつ前記第2の型のドーピングがp型ドーピングであるか、または
前記第1の型のドーピングがp型ドーピングであり、かつ前記第2の型のドーピングがn型ドーピングである、
請求項1に記載のLED。 - 前記ベースが、前記電流拡がり層上の前記第1の型のドーピングを伴うエッチストップ層を更に含み、前記第1の閉込め層が前記エッチストップ層上にあり、
前記マイクロLEDが、前記エッチストップ層上の第2のコンタクトを更に含む、
請求項1に記載のLED。 - 前記マイクロLEDが、
前記電流拡がり層上の第2のコンタクトと、
前記反射コンタクト上の第1のバンプと、
前記第2のコンタクト上の第2のバンプと
を更に含む、請求項1に記載のLED。 - 前記ベースが、前記発光表面を画定する前記第1の型のドーピングを伴うエッチストップ層を更に含み、前記電流拡がり層が前記エッチストップ層上にある、請求項1に記載のLED。
- 前記第1の閉込め層が前記電流拡がり層より厚く、
前記電流拡がり層が前記光発生領域より厚い、
請求項1に記載のLED。 - 前記メサが、
前記メサの前記上部が切頭上部を画定する放物面形状、
前記メサの前記上部が切頭上部を画定する円筒形状、
前記メサの前記上部が切頭上部を画定する円錐形状、または
垂直メサ形状
のうちの1つとして形成される、請求項1に記載のLED。 - 前記ベースを通して導かれる前記光の一部分を反射してコリメートするために前記ベースに形成される拡張反射体を更に備える、請求項1に記載のLED。
- 前記拡張反射体が、前記ベースの前記発光表面の発光部周りに画定される複数のエアギャップまたは反射充填材料を含む、請求項8に記載のLED。
- 基板を更に備え、前記エピタキシャル構造が前記基板上に形成される、請求項1に記載のLED。
- 前記基板が前記光に対して非透過性であり、かつ前記発光表面での光の伝達を許容する開口を含む、請求項10に記載のLED。
- 前記基板が、前記発光表面を通して伝達される光の一部分を反射してコリメートする拡張基板反射体を含む、請求項10に記載のLED。
- 前記拡張基板反射体が、前記基板において画定される開口の表面上の反射材料を含む、請求項12に記載のLED。
- 前記拡張基板反射体の前記開口が、放物面形状または傾斜形状の1つを含む、請求項13に記載のLED。
- 前記メサが、高さが1から400μmの間でかつ幅が30から1500μmの間である、請求項1に記載のLED。
- 前記コンタクト層および前記第2の閉込め層が第2のクラッドを形成し、前記第2のクラッドが580nm未満であり、かつ、
前記電流拡がり層および前記第1の閉込め層が第1のクラッドの少なくとも一部分を形成し、前記第1のクラッドが2μmより大きい、
請求項1に記載のLED。 - 前記第2のクラッドが55から580nmの間であり、かつ、
前記第1のクラッドが2から12μmの間である、
請求項16に記載のLED。 - 前記光発生領域が前記メサの放物面焦点に配置される、請求項1に記載のLED。
- 前記光発生領域が、前記反射コンタクトによって反射される前記光の波腹に配置される、請求項1に記載のLED。
- 前記光が赤色光または赤外光を含み、
前記メサが、10μm未満の前記ベースでの直径を有する放物面形状を含み、かつ、
前記第2の閉込め層および前記コンタクト層が合わせて300nm未満である、
請求項1に記載のLED。 - 発光ダイオード(LED)を製造するための方法であって、
基板上に、第1の型のドーピングを伴う電流拡がり層、前記第1の型のドーピングを伴う第1の閉込め層、前記第1の型のドーピングと反対の第2の型のドーピングを伴う第2の閉込め層、前記第1の閉込め層と前記第2の閉込め層との間の光発生領域、および前記第2の型のドーピングを伴うコンタクト層を含むエピタキシャル構造であって、前記第2の閉込め層および前記コンタクト層が前記第1の閉込め層より薄い、エピタキシャル構造を成長させることと、
前記エピタキシャル構造にベースおよび前記ベース上のメサを形成することであって、前記ベースが前記マイクロLEDの発光表面を画定し、かつ前記電流拡がり層を含み、前記メサが前記第2の閉込め層、前記光発生領域、および前記メサの上部を画定する前記コンタクト層を含む、ベースおよび前記ベース上のメサを形成することと、
前記光発生領域から発される光の一部分を前記発光表面に反射する、前記コンタクト層上の反射コンタクトを形成することと
を含む、方法。 - 前記第1の型のドーピングがn型ドーピングであり、かつ前記第2の型のドーピングがp型ドーピングであるか、または
前記第1の型のドーピングがp型ドーピングであり、かつ前記第2の型のドーピングがn型ドーピングである、
請求項21に記載の方法。 - 前記エピタキシャル構造から前記基板を分離して前記発光表面を露出させることを更に含む、請求項21に記載の方法。
- 前記光発生領域が、前記メサの放物面焦点に配置される量子井戸を含む、請求項21に記載の方法。
- 前記光発生領域が、前記反射コンタクトによって反射される前記光の波腹に配置される量子井戸を含む、請求項21に記載の方法。
- 前記光が赤色光または赤外光を含み、
前記メサが、10μm未満の直径を有する放物面形状を含み、かつ、
前記第2の閉込め層および前記コンタクト層が合わせて300nm未満である、
請求項21に記載の方法。 - 発光ダイオード(LED)であって、
エピタキシャル構造を備え、前記エピタキシャル構造が、
前記マイクロLEDの発光表面を画定し、かつ第1の型のドーピングを伴う電流拡がり層を含むベースと、
前記ベース上のメサであって、
前記第1の型のドーピングを伴う第1の閉込め層と、
光を発する、前記第1の閉込め層上の光発生領域と、
前記第1の型のドーピングと反対の第2の型のドーピングを伴う、前記光発生領域上の第2の閉込め層と、
前記第2の閉込め層上の前記第2の型のドーピングを伴うコンタクト層であって、前記メサの上部を画定し、前記第2の閉込め層および前記コンタクト層が前記第1の閉込め層より薄い、コンタクト層と
を含むメサとを画定し、前記LEDが更に
前記光発生領域から発される前記光の一部分を前記発光表面に反射する、前記コンタクト層上の反射コンタクト
を備える、LED。 - 前記第1の型のドーピングがn型ドーピングであり、かつ前記第2の型のドーピングがp型ドーピングであるか、または
前記第1の型のドーピングがp型ドーピングであり、かつ前記第2の型のドーピングがn型ドーピングである、
請求項27に記載のLED。 - 前記ベースが、前記電流拡がり層上の前記第1の型のドーピングを伴うエッチストップ層を更に含み、前記第1の閉込め層が前記エッチストップ層上にあり、
前記マイクロLEDが、前記エッチストップ層上の第2のコンタクトを更に含む、
請求項27または28に記載のLED。 - 前記マイクロLEDが、
前記電流拡がり層上の第2のコンタクトと、
前記反射コンタクト上の第1のバンプと、
前記第2のコンタクト上の第2のバンプと
を更に含む、請求項27から29のいずれか一項に記載のLED。 - 前記ベースが、前記発光表面を画定する前記第1の型のドーピングを伴うエッチストップ層を更に含み、前記電流拡がり層が前記エッチストップ層上にある、請求項27から30のいずれか一項に記載のLED。
- 前記第1の閉込め層が前記電流拡がり層より厚く、
前記電流拡がり層が前記光発生領域より厚い、
請求項27から31のいずれか一項に記載のLED。 - 前記メサが、
前記メサの前記上部が切頭上部を画定する放物面形状、
前記メサの前記上部が切頭上部を画定する円筒形状、
前記メサの前記上部が切頭上部を画定する円錐形状、もしくは
垂直メサ形状
のうちの1つとして形成され、かつ/または、
前記メサが、高さが1から400μmの間でかつ幅が30から1500μmの間である、
請求項27から32のいずれか一項に記載のLED。 - 前記ベースを通して導かれる前記光の一部分を反射してコリメートするために前記ベースに形成される拡張反射体を更に備え、
任意選択で、前記拡張反射体が、前記ベースの前記発光表面の発光部周りに画定される複数のエアギャップまたは反射充填材料を含む、
請求項27から33のいずれか一項に記載のLED。 - 基板を更に備え、前記エピタキシャル構造が前記基板上に形成され、
任意選択で、前記基板が前記光に対して非透過性であり、かつ前記発光表面での光の伝達を許容する開口を含み、かつ/または、
任意選択で、前記基板が、前記発光表面を通して伝達される光の一部分を反射してコリメートする拡張基板反射体を含み、
任意選択で、前記拡張基板反射体が、前記基板において画定される開口の表面上の反射材料を含み、
任意選択で、前記拡張基板反射体の前記開口が、放物面形状または傾斜形状の1つを含む、
請求項27から34のいずれか一項に記載のLED。 - 前記コンタクト層および前記第2の閉込め層が第2のクラッドを形成し、前記第2のクラッドが580nm未満であり、かつ、
前記電流拡がり層および前記第1の閉込め層が第1のクラッドの少なくとも一部分を形成し、前記第1のクラッドが2μmより大きく、
任意選択で、
前記第2のクラッドが55から580nmの間であり、かつ、
前記第1のクラッドが2から12μmの間である、
請求項27から35のいずれか一項に記載のLED。 - 前記光発生領域が前記メサの放物面焦点に配置され、かつ/または、
前記光発生領域が、前記反射コンタクトによって反射される前記光の波腹に配置され、かつ/または、
前記光が赤色光または赤外光を含み、
前記メサが、10μm未満の前記ベースでの直径を有する放物面形状を含み、かつ、
前記第2の閉込め層および前記コンタクト層が合わせて300nm未満である、
請求項27から36のいずれか一項に記載のLED。 - 発光ダイオード(LED)を製造するための方法であって、
基板上に、第1の型のドーピングを伴う電流拡がり層、前記第1の型のドーピングを伴う第1の閉込め層、前記第1の型のドーピングと反対の第2の型のドーピングを伴う第2の閉込め層、前記第1の閉込め層と前記第2の閉込め層との間の光発生領域、および前記第2の型のドーピングを伴うコンタクト層を含む、エピタキシャル構造であって、前記第2の閉込め層および前記コンタクト層が前記第1の閉込め層より薄い、エピタキシャル構造を成長させることと、
前記エピタキシャル構造にベースおよび前記ベース上のメサを形成することであって、前記ベースが前記マイクロLEDの発光表面を画定し、かつ前記電流拡がり層を含み、前記メサが前記第2の閉込め層、前記光発生領域、および前記メサの上部を画定する前記コンタクト層を含む、ベースおよび前記ベース上のメサを形成することと、
前記光発生領域から発される光の一部分を前記発光表面に反射する、前記コンタクト層上の反射コンタクトを形成することと
を含む、方法。 - 前記第1の型のドーピングがn型ドーピングであり、かつ前記第2の型のドーピングがp型ドーピングであるか、または
前記第1の型のドーピングがp型ドーピングであり、かつ前記第2の型のドーピングがn型ドーピングである、
請求項38に記載の方法。 - 前記エピタキシャル構造から前記基板を分離して前記発光表面を露出させることを更に含む、請求項38または39に記載の方法。
- 前記光発生領域が、前記メサの放物面焦点に配置される量子井戸を含み、かつ/または、
前記光発生領域が、前記反射コンタクトによって反射される前記光の波腹に配置される量子井戸を含み、かつ/または、
前記光が赤色光または赤外光を含み、
前記メサが、10μm未満の直径を有する放物面形状を含み、かつ、
前記第2の閉込め層および前記コンタクト層が合わせて300nm未満である、
請求項38から40のいずれか一項に記載の方法。
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