JP5189106B2 - 複数の波長の光を放出するように構成された半導体発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体発光装置のための成長技術及び装置構造に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）、共振空洞発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）、垂直空洞レーザダイオード（ＶＣＳＥＬ）、及びエッジ発光レーザを含む半導体発光装置は、現在利用可能な最も効率的な光源のうちの１つである。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時点で関連する材料システムは、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、特に、ＩＩＩ族窒化物材料とも呼ばれるガリウム、アルミニウム、インジウム、及び窒素の二元、三元、及び四元合金を含む。典型的には、ＩＩＩ族窒化物発光装置は、有機金属化学気相蒸着法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）、又は他のエピタキシャル技術によって適切な基板上に異なる組成及びドーパント濃度の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って製作される。スタックは、多くの場合、基板の上に形成された例えばＳｉでドープされた１つ又はそれよりも多くのｎ型層、１つ又は複数のｎ型層の上に形成された発光又は活性領域、及び活性領域の上に形成された例えばＭｇでドープされた１つ又はそれよりも多くのｐ型層を含む。導電基板上に形成されたＩＩＩ族窒化物装置は、装置の両側に形成されたｐ−及びｎ−接点を有することができる。多くの場合、ＩＩＩ族窒化物装置は、装置の同じ側に両接点を有する絶縁基板上に製作される。

米国特許第６、２７４、９２４号

本発明の実施形態によると、ＩＩＩ族窒化物構造体は、マスク層の開口部に対応する半導体材料の複数のポストを含む。各ポストは、発光層を含む。各発光層は、ｎ型領域とｐ型領域の間に配置される。第１のポストに配置された第１の発光層は、第２のポストに配置された第２の発光層とは異なる波長で発光するように構成される。一部の実施形態では、各発光層によって放出された波長は、蛍光変換なしに白色光を放出する装置を形成することができるように、ポストの直径を制御することによって制御される。

テクスチャ層上に成長した歪緩和発光層を有する発光装置の一部分を示す図である。 テクスチャ層上に成長した歪緩和層の上に成長した発光層を有する発光装置の一部分を示す図である。 マスクの上に成長した発光層を有する発光装置の一部分を示す図である。 半導体材料の１群のポスト内で成長した発光層を有する発光装置の一部分を示す図である。 半導体材料の１群のポストの上に成長した合体層の上に成長した発光層を有する発光装置の一部分を示す図である。 半導体材料のポストの群の上に成長した発光層とｎ型及びｐ型材料の領域を電気的に隔離する抵抗材料とを有する発光装置の一部分を示す図である。 半導体材料のポストの群の上に成長した発光層とｎ型及びｐ型材料の領域を電気的に隔離する抵抗材料とを有する発光装置の一部分を示す図である。 成長基板が除去されたフリップチップ発光装置の一部分を示す図である。 パッケージ発光装置の分解組立図である。 マスクの開口部の上に成長した多面体の上に成長した共形発光層を有する発光装置の一部分を示す図である。 マスクの開口部の上に成長した多面体の上に成長した共形発光層を有する発光装置の一部分を示す図である。

半導体発光装置の性能は、装置に供給された電子当たりの装置で発生した光子の数を測定する内部量子効率を測定することによって評価することができる。従来のＩＩＩ族窒化物発光装置に印加された電流密度が増加する時に、装置の内部量子効率は最初に高くなり、次に、低下する。電流密度がゼロを超えて増加する時に、内部量子効率は高くなり、所定の電流密度においてピークに到達する（例えば、一部の装置に対して約１０Ａ／ｃｍ²において）。電流密度がピークを超えて増加する時に、内部量子効率は、最初に急速に低下し、次に、低下はより高い電流密度で遅くなる（例えば、一部の装置に対して２００Ａ／ｃｍ²を超えて）。

高電流密度において量子効率の低下を低減するか又は元に戻す１つの技術は、より厚い発光層を形成することである。例えば、４５０ｎｍで発光するように構成された発光層は、５０Åよりも厚いことが好ましい。より厚い発光層における電荷担体密度は、量子井戸の電荷担体密度よりも小さくすることができ、これは、非発光再結合に対して損失した担体の数を低減し、それによって外部量子効率を高めることができる。しかし、厚いＩＩＩ族窒化物発光層の成長は、ＩＩＩ族窒化物装置層の歪みのために困難である。

天然ＩＩＩ族窒化物成長基板は、一般的には高価であり、広範にわたっては利用できず、かつ市販の装置の成長に対しては実用的ではないので、ＩＩＩ族窒化物装置は、多くの場合、サファイア又はＳｉＣ基板上に成長させる。そのような非天然基板は、基板上に成長したＩＩＩ族窒化物装置層のバルク格子定数とは異なる格子定数を有し、基板上に成長したＩＩＩ族窒化物層に歪を生じる。本明細書で用いられる場合、「面内」格子定数は、装置内の層の実格子定数を意味し、「バルク」格子定数は、所定の組成の弛緩した独立材料の格子定数を意味する。層の歪の量は、特定の層を形成する材料の面内格子定数と、層のバルク格子定数によって分けられた装置内の層のバルク格子定数との間の差である。

ＩＩＩ族窒化物装置が、通常Ａｌ₂Ｏ₃上に成長する時に、基板上に成長した第１の層は、一般的には約３．１８８５Åの面内格子定数を有するＧａＮバッファ層である。ＧａＮバッファ層は、それが、ＩｎＧａＮ発光層を含むバッファ層の上に成長した装置層の全てに対して格子定数を設定するという点で、発光領域に対して格子定数テンプレートとしての機能を果たす。ＩｎＧａＮのバルク格子定数は、ＧａＮバッファ層テンプレートの面内格子定数よりも大きいので、発光層は、ＧａＮバッファ層の上に成長した時に歪む。例えば、約４５０ｎｍの光を放出するように構成された発光層は、３．２４２Åのバルク格子定数を有する組成Ｉｎ_0.16Ｇａ_0.84Ｎを有することができる。より長い波長で発光する装置におけるように、発光層中のＩｎＮ組成が増大する時に、発光層の歪も増大する。
歪層の厚みが臨界値を超えて増加する場合に、転位又は他の欠陥が層内に形成されて、歪に関連するエネルギを低減する。欠陥は、装置の量子効率を大幅に低下させる場合がある非発光再結合中心になる。その結果、発光層の厚みは、この臨界厚みよりも下に保つ必要がある。ＩｎＮ組成及びピーク波長が増大する時に、発光層の歪は増大し、すなわち、発光層の臨界厚みは減少する。

例え発光層の厚みが臨界厚みよりも下に保たれても、ＩｎＧａＮ合金は、ある一定の組成及び温度において熱力学的には不安定である。例えば、典型的には、ＩｎＧａＮ成長に用いる温度において、合金は、スピノーダル分解を示す場合があり、この場合、組成的に均一なＩｎＧａＮ層は、平均より高いＩｎＮ組成の領域と、平均より低いＩｎＮ組成の領域とを有する層に変形する。ＩｎＧａＮ発光層におけるスピノーダル分解は、装置の量子効率を低下させる場合がある非発光再結合中心を作成する。スピノーダル分解の問題は、発光層の厚みが増加する時に、発光層中の平均ＩｎＮ組成が増大する時に、及び／又は発光層の歪が増大する時に悪化する。例えば、［０００１］サファイア基板の上に成長した４５０ｎｍで発光するように構成された発光層の場合では、１６％のＩｎＮ組成と５０Åよりも大きな好ましい厚みとの組合せは、スピノーダル分解の限界を超える。

従って、上述のように、発光層の厚みを増加させて、電流密度が増加した時に起こる量子効率の低下を低減するか又は排除することが望ましい。より厚い発光層を成長させるために発光層の歪を低減し、臨界厚みを増加させることによって許容範囲の欠陥の数を保ち、層がスピノーダル分解なしに成長することができる厚みを増加させる必要がある。本発明の実施形態は、ＩＩＩ族窒化物装置の装置層の特に発光層の歪を低減するように設計される。

本発明の実施形態によると、ＩＩＩ族窒化物発光装置の発光層の少なくとも部分的歪緩和は、層が横方向に拡張し、すなわち、少なくとも部分的に弛緩するように、装置の少なくとも１つの層が成長する表面を構成することによってもたらされる。この層は、歪緩和層と呼ばれる。従来の装置では、装置内の全ての層は、これらが歪むほど十分に薄く成長し、すなわち、成長基板の上に成長した第１の単一結晶層が、装置内の各歪層に対して格子定数を設定する。本発明の実施形態では、歪緩和層は、歪緩和層の格子定数が、歪緩和層の前に成長した層の格子定数よりも大きくなるように、少なくとも部分的に弛緩する。歪緩和層は、こうして歪緩和層の後に成長した層に対して格子定数を拡大させる。

一部の実施形態では、発光層自体は歪緩和層であり、これは、発光層が横方向に拡張して歪を緩和することを可能にする表面上に発光層が成長することを意味する。一部の実施形態では、発光層の前に成長した層は、歪緩和層である。実施形態の第１の群では、歪緩和層は、テクスチャ表面上に成長する。実施形態の第２の群では、歪緩和層は、多くの場合にナノワイヤ又はナノコラムと呼ばれるＩＩＩ族窒化物材料のポスト内又はその上に成長する。

以下で説明する実施形態では、ＩＩＩ族窒化物発光装置は、典型的には最初に適切な成長基板の上に成長したｎ型領域を含む。ｎ型領域は、例えば、ｎ型か又は意図的にドープしない場合があるバッファ層又は核生成層のような準備層と、成長基板のその後の剥離又は基板除去後の半導体基板の肉薄化を容易にするように設計された剥離層と、発光領域が効率的に発光するのに望ましい特定の光学的又は電気的特性のために設計されたｎ型装置層とを含む異なる組成及びドーパント濃度の複数の層を含むことができる。
発光領域は、ｎ型領域の上に成長する。以下の実施形態は、単一発光層を意味する場合があるが、以下の実施形態のいずれも、１つ又はそれよりも多くの厚い又は薄い発光層を有する発光領域を含むことができると理解されるものとする。適切な発光領域の例は、単一の厚い又は薄い発光層と、障壁層によって分離された複数の薄い又は厚い量子井戸発光層を含む多重量子井戸発光領域とを含む。

一部の実施形態では、装置内の発光層の各々の厚みは、５０Åよりも厚いことが好ましい。一部の実施形態では、装置の発光領域は、５０から６００Å、より好ましくは、１００から２５０Åの厚みを有する単一の厚い発光層である。最適な厚みは、発光層内の欠陥の数に依存する場合がある。発光領域の欠陥の濃度は、好ましくは、１０⁹ｃｍ^-2未満に制限され、より好ましくは、１０⁸ｃｍ^-2未満に制限され、より好ましくは、１０⁷ｃｍ^-2未満に制限され、より好ましくは、１０⁶ｃｍ^-2未満に制限される。

一部の実施形態では、装置内の少なくとも１つの発光層は、１×１０¹⁸ｃｍ^-3から１×１０²⁰ｃｍ^-3のドーパント濃度に対してＳｉのようなドーパントでドープされる。Ｓｉドーピングは、発光層の面内格子定数に影響を与える場合があり、場合によっては発光層の歪を更に低減する。
ｐ型領域は、発光領域の上に成長する。ｎ型領域と同様に、ｐ型領域は、異なる組成、厚み、及びドーパント濃度の複数の層を含むことができ、意図的にドープされない層又はｎ型層を含む。

図１は、歪緩和発光層が、半導体層のテクスチャ層の上に成長した本発明の実施形態を示している。図１の装置では、面内格子定数ａ₁を有するｎ型領域１１は、成長基板２０の上に成長する。例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、又はＡｌＩｎＧａＮとすることができるｎ型領域１１の上面は、テクスチャ加工される。面内格子定数ａ₂を有する歪緩和発光層１２が、次に、テクスチャ表面の上に成長する。同じく面内格子定数ａ₂を有するｐ型領域１３は、発光層１２の上に成長する。

ｎ型領域１１の表面は、例えば、谷間と交互に現れるピークの断面プロフィールを有する形態を有するような制御された粗面でテクスチャ加工される。隣接ピーク間の距離は、５０から２００ｎｍ、より好ましくは、５０から１００ｎｍとすることができる。ピークの上部から谷間の下部までの深さは、２００ｎｍ未満、より好ましくは、１００ｎｍ未満とすることができる。適切なサイズ、深さ、及び間隔の特徴は、例えば、従来のフォトリソグラフィックエッチング、スパッタエッチング、光電気化学エッチングにより、又は高圧での成長によるような結晶材料がテクスチャ加工された状態で成長する原位置処理によって形成することができる。特徴が適切な大きさにされる時に、発光層１２のＩｎＧａＮ材料は、アイランドの群としてピーク上に選択的に成長する。最初は、アイランドは、テクスチャｎ型領域１１の表面全体を覆わないので、アイランドは、発光層１２が少なくとも部分的に弛緩するように横方向に拡張することができる。歪緩和発光層１２の面内格子定数ａ₂は、ｎ型領域１１の面内格子定数ａ₁よりも大きい。

図２は、図１の装置の変形を示し、この場合、歪緩和をもたらすためにテクスチャ表面上に成長した層は、発光層１２ではなく、それは、発光層１２の前にｎ型領域１１の上に成長したｎ型層２１である。図１の装置におけるように、面内格子定数ａ₁を有するｎ型領域１１は、成長基板２０の上に成長する。ｎ型領域１１の上面は、図１を参照して説明したようにテクスチャ加工される。ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、又はＡｌＩｎＧａＮとすることができる第２のｎ型領域２１は、ｎ型領域１１のテクスチャ表面の上に成長する。ｎ型領域２１が成長し始める時に、ｎ型領域２１のＩＩＩ族窒化物材料は、アイランドの群としてｎ型領域１１のテクスチャ表面のピーク上に選択的に成長する。材料のアイランドは、ｎ型領域２１の面内格子定数ａ₂がｎ型領域１１の面内格子定数ａ₁よりも大きくなるように、横方向に拡張して少なくとも部分的に弛緩することができる。発光層１２及びｐ型領域１３を含む歪緩和領域２１の上に成長した層は、歪緩和領域２１のより大きな面内格子定数ａ₂を複製する。

図３は、歪緩和層がマスクの上に成長した本発明の実施形態を示している。図３の装置では、格子定数ａ₁を有するｎ型領域１４は、成長基板２０の上に成長する。ｎ型領域１４の表面は、表面が窒化珪素材料ＳｉＮ_Xで部分的に覆われて窒化珪素の小さな開口部に部分的に露出されるように、シランのようなシリコン前駆体で処理され、マスクを作成する。露出領域は、１０から２００ｎｍ、より好ましくは、５０から１５０ｎｍ、より好ましくは、１００ｎｍよりも小さな横方向の範囲を有することができる。

発光領域１７は、マスクの上に成長する。発光領域１７の材料は、ｎ型領域１４の露出された表面上のマスク材料１５の開口部１６上に選択的に成長する。発光層材料のアイランドは、発光領域１７の面内格子定数ａ₂が、ｎ型領域１４の面内格子定数ａ₁よりも大きくなるように、横方向に拡張して少なくとも部分的に弛緩することができる。同じく面内格子定数ａ₂を有するｐ型領域１８が、発光領域１７の上に成長する。図１及び２に示す装置におけるように、発光領域１７は、マスクの上に直接成長する必要はなくて、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、又はＡｌＩｎＧａＮの第２のｎ型領域は、最初にマスク上に成長することができ、その後発光領域１７が続く。
発光層が、図１及び２のテクスチャ層又は図３のマスク層のようなテクスチャインタフェースの上に成長した図１、２、及び３に示す実施形態では、テクスチャインタフェースは、一般的には発光層の近くに位置する。一部の実施形態では、テクスチャ表面は、発光層の少なくとも一部分の１０００Å内にある。

図４、５、６、及び７は、半導体材料のポストを含む装置を示している。図４では、ｎ型領域２２は、基板２０の上に成長する。平面ｎ型領域２２の上に、上述のＳｉＮ_Xマスクのようなマスク層２４が形成される。マスク材料のアイランド間の開口部では、半導体材料のポストが成長する。一部の実施形態では、半導体材料のポストの成長温度は、マスク材料のアイランド間のＧａＮ材料が分解し始める温度、一部の用途では１０００℃よりも低く保たれる。半導体材料のポストは、図３におけるようにマスクの上に成長した平面層よりも狭い温度範囲内で、及び図３の実質的に平面層ではなくて半導体材料のポストを形成するために遅い成長を好む条件下で成長することができる。例えば、ポストは、９００から１０００℃の成長温度で、０．５Å／秒未満の成長速度で、及び４０００よりも大きいＶ族前駆体対ＩＩＩ族前駆体の比率で成長することができる。平面材料は、１０００℃よりも高くて９００℃よりも低い温度で、より速い成長速度で、及び異なる前駆体比率で成長することができる。ｎ型材料のポスト２６が最初に成長し、その後発光領域材料のポスト２８、その後ｐ型材料のポスト３０が続く。

ｐ型ポスト３０が成長した後に、成長条件は、ピラミッドが最後に合体してポストの上に平面層３２とポスト間の空間２５とを形成する、ポストの上に逆ピラミッド型が形成されるように、例えば、ＭＧドーパント前駆体のようなドーパント前駆体の流れを導入又は増加させることにより、窒素前駆体（一般的にはアンモニア）の流れを増加させることにより、かつ成長速度を増大させることによって変化する。

ＩＩＩ族窒化物材料のポストの寸法は、ポストが横方向に拡張してポスト内の異なる組成の層間の格子定数の差に対応することができるように選択される。例えば、ポストの直径は、５００ｎｍ未満、より好ましくは、２００ｎｍ未満に制限することができる。１０ｎｍのような小さな直径も可能な場合がある。５０から１５０ｎｍの直径は、例えば、１００ｎｍの区域において可能である。直径は、ポスト内の材料が少なくとも部分的に弛緩することができるほど十分に小さく、かつ満足できる発光層材料の高充填係数があるほど十分に大きくなるように選択される。ポストは、図４に示すように一定の直径を有する必要はない。例えば、ポストは、角錐台とすることができる。一部の実施形態では、充填係数は、少なくとも９０％であり、これは、成長する時にポストが装置の半導体構造の横方向の範囲の少なくとも９０％を占めることを意味する。充填係数は、ポストの直径及びポスト間の間隔の両方によって判断される。ポストの直径が短くなると、ポストの数密度は、所定の充填係数を維持するために増加すべきである。一部の実施形態では、ポストの数密度は、少なくとも１０¹⁰ｃｍ^-2である。

ポストの高さは、５０ｎｍから３μｍに及ぶ場合がある。単一発光層を有する装置では、５０から１５０ｎｍ、例えば、１００ｎｍの高さとすることができる。多重量子井戸発光領域を有する装置では、２００ｎｍから１μｍ、例えば、５００ｎｍの高さとすることができる。ポスト内の発光領域２８は、少なくとも部分的に弛緩することができる。
一部の実施形態では、図４に示す装置において、単一装置内の異なるポストの発光領域は、異なる光の波長を放出するように形成することができる。組み合わせた赤色、緑色、及び青色光が白色に見えるように、例えば、装置内のポストの一部は赤色を帯びた光を放出するように構成することができ、装置内のポストの一部は緑色を帯びた光を放出するように構成することができ、かつ装置内のポストの一部は青色を帯びた光を放出するように構成することができる。

発光領域の発光波長は、ＩｎＮ組成に依存し、ＩｎＧａＮ発光層中のＩｎＮが多くなればなるほど発光波長は長くなる。平面連続発光層を有する従来の装置では、発光層の歪は、発光層に組み込むことができるＩｎＮの量を制限する。一般的に、青色光を放出する平面ＩｎＧａＮ発光層は、緑色光を放出する平面ＩｎＧａＮ発光層よりも高品質で成長させることができる。緑色よりも長い波長で発光する十分高品質の平面ＩｎＧａＮ発光層を成長させるのは非常に困難である。図４に示すように、ポスト内で成長した発光領域は、少なくとも部分的に弛緩することができるので、従来の歪平面層におけるよりも多くのＩｎＮを成長中に組み込むことができる。ポスト内の材料を弛緩すればするほど、多くのＩｎＮを発光層に組み込むことができる。

本発明者は、少なくとも１つのＩｎＧａＮ層を含むポストを有する構造体を成長させた。この構造体は、ＩｎＧａＮ材料からの発光波長が従来の平面成長から著しく赤方偏移したことを示すフォトルミネセンスによって特徴付けられた。緑色及び黄色を含む、青色から赤色までの色を表す４３０ｎｍから７５０ｎｍの発光波長が達成されている。
一部の実施形態では、個々のポスト中のＩｎＮ組成は、ポストの直径を制御することによって制御される。ポストの直径が小さくなればなるほどポスト中の材料は弛緩し、すなわち、より多くのＩｎＮが、発光領域の成長中に組み込まれる。例えば、約１０ｎｍから約１５０ｎｍまで直径の異なるポストを有する装置では、１０ｎｍの範囲の直径を有するポストは、最も弛緩すると期待され、最高のＩｎＮ組成を有する発光領域を有し、かつ最も長い波長の最も赤色光を放出する。１５０ｎｍの範囲の直径を有するポストは、殆ど弛緩することは期待されず、より低いＩｎＮ組成を有する発光領域を有し、かつより短い波長のより青色光を放出する。

白色光を放出する装置を作るために、可視スペクトルの各領域で発光するポストの数の制御があるはずである。上述のように、各ポストによって放出された光の波長は、ポストの直径を制御することによって制御することができる。所定の直径及び対応する発光波長の各ポストの十分な数があることを保証するために、マスク層２４は、例えば、ナノ刷り込みリソグラフィ技術によってパターン化し、望ましい直径を有する複数の開口部を形成することができる。白色光を放出する装置を例示的に用いるが、装置からの発光スペクトルは、適切なサイズの開口部を有するパターン形成マスク２４によって他の光の色に合わせることができることは理解されるものとする。

組み合わせた光が白色に見えるように、異なるポストが異なる色の光を放出する装置は、従来の白色光装置に勝る利点を提供することができ、この場合、青色発光半導体発光装置は、蛍光変換光が蛍光体を通して漏れる非変換青色光と結合して白色光を形成するために、蛍光体のような１つ又はそれよりも多くの波長変換材料と結合される。異なる光の色を放出するポストを有する装置は、それが、装置を形成した後に波長変換層を形成する必要がないので、製造の複雑性を低減することができ、発光スペクトルが場合によってはより簡単に制御されるので色度、色温度、及び演色の制御の改良を提供することができ、例えば、波長変換材料に関連する非効率性を排除することによってより効率的にすることができ、高価な波長変換材料がもはや必要ないのでより廉価に製造することができ、かつ発光スペクトルを調整する上でより大きな自由度を提供することができる。

図５の装置では、歪低減発光層は、１群の半導体ポストの上で合体した層の上に成長する。面内格子定数ａ₁を有するｎ型領域２２は、基板２０の上に成長する。平面ｎ型領域２２の上に、上述のＳｉＮ_Xマスクのようなマスク層２４が形成される。マスク材料のアイランド間の開口部では、ｎ型材料２６のポストが成長する。ポストは、ポストが上述のように横方向に拡張し、すなわち、少なくとも部分的に弛緩することができるほど直径が十分に小さくなるように成長する。ｎ型領域３４がポスト２６の上で合体するように成長条件が変化する時に、ｎ型領域３４は、少なくとも部分的に弛緩したポストの面内格子定数を保持し、すなわち、ｎ型領域２２の面内格子定数ａ₁よりも大きな面内格子定数ａ₂を有する。その両方が面内格子定数ａ₂を複製する発光領域３６及びｐ型領域３８は、ｎ型領域３４の上に成長する。

ｎ型領域３４がポスト２６の上で合体する時に、２つのポストの上に成長した材料が一緒になる場所に縫合欠陥２７が形成される場合がある。欠陥２７は、発光領域３６及びｎ型領域３８により複製される場合があり、かつ効率を低下させるか又は信頼性問題を引き起こす場合がある。図６及び７は、縫合欠陥を排除するか又は縫合欠陥の数を低減するように設計された本発明の実施形態を示している。

図６の装置では、ｎ型領域２２は、基板２０の上に成長し、次に、マスク２４が形成されて、ｎ型ポスト２６は、ポスト２６が少なくとも部分的に弛緩するように上述のように成長する。抵抗材料４０の共形層が、ポスト２６の上に形成される。抵抗層４０は、例えば、亜鉛又は鉄でドープされたＧａＮのようなエピタキシャル成長した抵抗ＧａＮ、又はＳｉの酸化物のような抵抗酸化物とすることができる。ポスト２６の上部の上に形成された抵抗層は、次に、抵抗材料４０がポスト２６間の空間内にのみ残るように、従来のリソグラフィによって除去される。発光領域４２は、次に、ポスト２６の露出上部の上にポストとして成長し、その後に発光領域４２の上で合体するｐ型領域４４が続く。抵抗領域４０は、ｎ型領域２２及び２６をｐ型領域４４から電気的に分離する。

図７の装置では、ｎ型領域２２は、基板２０の上に成長し、次に、マスク２４が形成されて、ｎ型ポスト２６は、ポスト２６が少なくとも部分的に弛緩するように上述のように成長する。非ドープＩｎＧａＮ４６の共形層は、ポスト２６の上に成長し、次に、成長条件は、ポスト２６の上の共形層４６の領域の上部の上にドープ発光領域４８のポストを成長させるために、ポスト成長を好む条件に切り換えられる。ｐ型領域５２が、次に成長し、それは、発光領域４８の上で合体する。発光領域アイランド４８のドーピングは、ポスト２６間の非ドープＩｎＧａＮ領域４６よりも低い降伏電圧を生じ、すなわち、ｎ型領域２２及び２６は、ｎ型領域５２から電気的に分離される。
一部の実施形態では、発光領域アイランド４８の成長後に、イオン注入段階が、ポスト２６間の領域５０を非導電性にする。注入後に、ポスト２６の上部の上のイオン損傷ＩｎＧａＮ領域４６は、エッチングによって除去することができる。そのような実施形態では、発光領域アイランド４８は、直接にポスト２６の上に成長する。

図１０及び１１に示す実施形態では、図４におけるように、ｎ型領域２２が、基板２０の上に成長する。平面ｎ型領域２２の上に、上述のＳｉＮ_Xマスクのようなマスク層２４が形成される。マスク材料のアイランド間の開口部８０では、半導体材料の多面体８２が成長する。図４及び５に示すポストと同様に、多面体８２は、マスク材料のアイランド間の開口部８０において成長するので、多面体８２は、横方向に拡張することができ、従って、少なくとも部分的に弛緩する。多面体８２は、従って、平面層２２の格子定数ａ₁よりも大きな格子定数ａ₂を有する。一部の実施形態では、開口部８０の直径は、５０ｎｍ未満、より好ましくは、２００ｎｍ未満に制限することができる。１０ｎｍほどの小さな直径にすることが可能である。５０から１５０ｎｍの直径は、例えば、１００ｎｍの区域において可能である。開口部８０の直径は、多面体８２の材料が少なくとも部分的に弛緩することができるほど十分に小さく選択される。図４におけるように、マスク２４は、充填係数が少なくとも９０％であるように形成することができ、これは、多面体８２の基部が、装置の半導体構造の横方向の範囲の少なくとも９０％を占める成長を意味する。

少なくとも１つの発光層８４は、発光層８４の材料が多面体８２の拡張格子定数ａ₂を複製するように多面体８２の上に成長する。ｐ型領域は、次に、発光層８４の上に成長する。図１０に示す装置では、ｐ型領域８６は、多面体８２の上に選択的に成長する。成長は、マスク２４によって覆われた隣接多面体間の領域が満たされる前に停止される。厚い金属層（図示せず）は、多面体の上に堆積されて平面を形成することができる。絶縁マスク層２４は、ｐ型金属を含有する金属と開口部８０間の領域の半導体のｎ型領域との間に電気的分離をもたらす。図１１に示す装置では、ｐ型領域８８の成長は、隣接多面体間の領域が満たされるまで続き、結果として実質的に平面ｐ型層が生じる。

上述の実施形態における発光層は、典型的には３．１８８５Åよりも大きくない面内格子定数を有する従来のＧａＮテンプレート上に成長した発光層よりも大きな面内格子定数を有することができる。歪緩和層としての又はその上の発光層の成長は、面内格子定数を３．１８９Åよりも大きく増大させることができ、すなわち、発光層の歪を十分に低減して許容欠陥密度及び低下したスピノーダル分解で成長すべきより厚い発光層を可能にすることができる。一部の実施形態では、発光層の面内格子定数は、少なくとも３．１９５Åまで、より好ましくは、少なくとも３．２Åまで増大させることができる。例えば、青色光を放出するＩｎＧａＮ層は、３．２３Åのバルク格子定数を有する組成Ｉｎ_0.12Ｇａ_0.88Ｎを有することができる。発光層の歪は、発光層の面内格子定数（従来のＧａＮバッファ層上に成長した発光層に対して約３．１８９Å）と発光層のバルク格子定数との間の差であり、すなわち、歪は、（ａ_in-plane−ａ_bulk）／ａ_bulkと表すことができる。従来のＩｎ_0.12Ｇａ_0.88Ｎ層の場合には、歪は、（３．２３Å−３．１８９Å）／３．２３Åの約１．２３％である。同じ組成の発光層が上述の実施形態に従って成長する場合には、歪は、低減するか又は排除することができる。本発明の一部の実施形態では、４３０から４８０ｎｍの光を放出する装置の発光層の歪は、１％未満に、より好ましくは、０．５％未満に低減することができる。青緑色光を放出するＩｎＧａＮ層は、従来のＧａＮバッファ層上に成長する時に約１．７％の歪を有する組成Ｉｎ_0.16Ｇａ_0.84Ｎを有することができる。本発明の一部の実施形態では、４８０から５２０ｎｍの光を放出する装置の発光層の歪は、１．５％未満に、より好ましくは、１％未満に低減することができる。緑色光を放出するＩｎＧａＮ層は、３．２６Åの自立格子定数を有する組成Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎを有することができ、従来のＧａＮバッファ層上に成長する時に約２．１％の歪を生じる。本発明の一部の実施形態では、５２０から５６０ｎｍの光を放出する装置の発光層の歪は、２％未満に、より好ましくは、１．５％未満に低減することができる。

以上図示して説明した半導体構造は、装置の両側に形成された接点を有する装置、又は両接点が装置の同じ側に形成された装置のような発光装置のあらゆる適切な構成に含めることができる。両接点が同じ側に配置される時に、装置は、透明接点で形成されて、接点が形成されるのと同じ側を通って光が取り出されるように取り付けることができ、又は反射接点で形成されて、接点が形成される側と反対の側から光が取り出されるフリップチップとして取り付けることができる。

図８は、成長基板が除去されたフリップチップ装置の適切な構成の一例の一部分を示している。ｐ型領域６６及び発光領域６４の一部分が除去されて、ｎ型領域６２の一部分を露出するメサを形成する。ｎ型領域６２を露出する１つのビアを図８に示すが、複数のビアを単一の装置に形成することができることは理解されるものとする。ｎ接点、並びにｐ接点７０及び６８は、例えば、蒸発法又はメッキ法によってｎ型領域６２及びｐ型領域６６の露出部分上に形成される。接点６８及び７０は、空気又は誘電体層によって互いに電気的に分離することができる。接触金属６８及び７０が形成された後に、装置のウェーハは、個々の装置にダイスカットすることができ、次に、各装置は、成長方向に対して反転されてマウント７３上に取り付けられ、その場合に、マウント７３は、装置のものよりも大きな横方向の範囲を有することができる。代替的に、装置のウェーハは、マウントのウェーハに接続され、次に、個々の装置にダイスカットすることができる。マウント７３は、例えば、Ｓｉのような半導体、金属、又はＡｌＮのようなセラミックとすることができ、かつｐ接点６８に電気的に接続する少なくとも１つの金属パッド７１と、ｎ接点７０に電気的に接続する少なくとも１つの金属パッド７２とを有することができる。半田又は金スタッドバンプのような相互接続部（図示せず）は、半導体装置をマウント７３に接続する。

取り付けた後に、成長基板（図示せず）は、エッチング又はレーザ溶融のような基板材料に対する適切な処理によって除去される。半導体層を支持して基板除去中の亀裂を防ぐために、剛性アンダーフィルを取付前後に装置とマウント７３の間に設けることができる。半導体構造の一部分は、基板を除去した後に肉薄化によって除去することができる。ｎ型領域６２の露出面は、例えば、光電気化学エッチングのようなエッチング処理によって又は研磨のような機械的処理によって粗面化することができる。光が取り出される表面の粗面化は、装置からの光抽出を改良することができる。代替的に、光結晶構造体は、成長基板を除去することによって露出されたｎ型領域６２の上面に形成することができる。蛍光体層、又は二色光学要素又は偏光子のような当業技術で公知の２次光学要素のような構造体７４を発光面に付加することができる。

図９は、米国特許第６、２７４、９２４号により詳細に記載されているようなパッケージ発光装置の分解組立図である。放熱スラグ１００は、インサート成形リードフレーム内に置かれている。インサート成形リードフレームは、例えば、電気路を設ける金属フレーム１０６の周囲に成形された充填プラスチック材料１０５である。スラグ１００は、任意的な反射器カップ１０２を含むことができる。上述の実施形態で説明した装置のいずれともすることができる発光装置ダイ１０４は、熱伝導サブマウント１０３を通じてスラグ１００に直接又は間接的に取り付けられる。光学レンズとすることができるカバー１０８を追加することができる。
詳細に本発明を説明したが、当業者は、本発明の開示が与えられると、本明細書に説明した本発明の概念の精神から逸脱することなく本発明に修正を加えることができることを認めるであろう。従って、本発明の範囲は、図示して説明した具体的な実施形態に限定されることを意図していない。

１１ ｎ型領域
１２ 歪緩和発光層
１３ ｐ型領域
２０ 成長基板

Claims (13)

1. 複数の開口部を有するマスク層と、
   発光層を含み、かつ絶縁材料によって互いに分離された、前記マスク層の前記開口部に対応する半導体材料の複数のポストを含むＩＩＩ族窒化物構造体と、
   を含み、
   各発光層が、ｎ型領域とｐ型領域の間に配置され、
   第１のポストに配置された第１の発光層が、第２のポストに配置された第２の発光層とは異なる波長で光を放出するように構成され、
   前記第１のポストは、前記第２のポストとは異なる直径を有する、
   ことを特徴とする装置。
2. 前記ＩＩＩ族窒化物構造体は、前記複数のポストの上に配置された半導体材料の平面層を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記マスク層の表面に平行な平面における前記ＩＩＩ族窒化物構造体の断面の少なくとも９０％は、ポストによって占められていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記ポストの一部分は、青色光を放出するように構成され、該ポストの一部分は、緑色光を放出するように構成され、かつ該ポストの一部分は、赤色光を放出するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記第１の発光層は、前記第２の発光層とは異なるＩｎＮ組成を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記マスク層は、シリコン及び窒素を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 前記ポストの各々は、１５０ｎｍ未満の直径を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 前記ポストは、５０ｎｍから３μｍの高さを有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 前記絶縁材料は、空気であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
10. 前記発光層は、５０オングストロームよりも大きい厚みを有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
11. 前記発光層は、シリコンを用いて１×１０¹⁸ｃｍ^-3から１×１０²⁰ｃｍ^-3のドーパント濃度までドープされることを特徴とする請求項１に記載の装置。
12. 前記ｎ型領域及び前記ｐ型領域と電気的に接続した接点、及び
    前記ＩＩＩ族窒化物半導体構造の上に配置されたカバー、
    を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
13. 前記第１の発光層における結晶構造は、前記第２の発光層における結晶構造よりも歪が少ないことを特徴とする請求項１に記載の装置。

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