JP5232592B2

JP5232592B2 - 光取出率を改善するための発光デバイスにおける光学エレメントの形成

Info

Publication number: JP5232592B2
Application number: JP2008267869A
Authority: JP
Inventors: ダブリューポーシャスダグラス; ディーキャムラスマイケル; イーホフラーグロリア
Original assignee: フィリップスルミレッズライティングカンパニーリミテッドライアビリティカンパニー
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2008-10-16
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2022-04-01
Also published as: JP2009010435A; JP5542871B2; US6987613B2; JP4260411B2; DE10213611A1; JP2012156566A; US20020141006A1; TW541719B; JP2003017740A

Description

本発明は、発光デバイス一般に、より詳しくは、光取出率が改善された発光デバイスに関する。

図１は、従来からの半導体発光素子１００であり、基板２０、多層構造２６、最上層２４から構成されている。半導体発光素子１００としては、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）又は半導体レーザーが考えられる。ＬＥＤは、電気エネルギーの入力流を電磁放射の出力流に変換するよう設計されたｐｎ接合デバイスである。ＬＥＤは、電磁スペクトルの紫外領域、可視領域、赤外領域の電磁放射を発することができる。可視ＬＥＤは通常、照明及びディスプレーに用いられ、また、電子機器とそのユーザーとの間の情報リンクとしての応用もある。赤外ＬＥＤは、オプトアイソレータ及び光ファイバー通信において有用である。半導体レーザーは、ＬＥＤと同様の方法で作製される。

多層構造２６は、ここでは下部封止層（confining layer）２１、上部封止層２３、光子が発せられる活性層２２を含んでいるが、この構造に限られるものではない。上部封止層２３は、最上層２４を含んでいてもよい。半導体発光素子１００が分離した最上層２４を有していない場合は、上部封止層２３が最上層となる。

多層構造２６の封止層２１，２３及び活性層２２は、通常、III-V半導体、III-窒化物半導体、II-VI半導体から形成される。最上層２４は、上部封止層２３上にエピタキシャル成長させることができるが、これもまた普通はIII-V半導体、III-窒化物半導体、II-VI半導体、あるいはこれらの化合物である。しかしながら、最上層２４は、封止層２１又は封止層２３を形成する材料とは異なる半導体化合物とすることもできる。最上層２４は、活性層２２によって発せられた光に対して透明となるよう、活性層２２よりも大きなバンドギャップを有する材料とすることが望ましい。ここでは「透明」という用語は、特定の半導体発光素子の放射波長において、吸収又は散乱による単光路損失が約５０％より少ない、より望ましくは約１０％より少ない状態で、光学エレメントが光を透過することを意味する。最上層２４は、上部封止層２３にウェハ・ボンディングされた透明なサブストレート（スーパーストレート）とすることができる。最上層２４はまた、その上にエピタキシャル層を成長させたサブストレートとしてもよい。

下部封止層２１及び上部封止層２３は、活性層２２に、そしてコンタクト３１及びコンタクト３２に電気的に接続されている。通常、一方の封止層にはドナーがドープされてｎ型の封止層とされ、他方の封止層にはアクセプタがドープされてｐ型の封止層とされる。したがって、コンタクト３１と３２との間に適当な電圧を印加すると、ｎ型封止層からの電子とｐ型封止層からのホールが活性層２２内で結合して、等方的に光を発する。ＬＥＤとしての半導体発光素子１００についてのより詳細な説明については、Michael R. Kramesらに付与された「AlGaInN-based LED Having Thick Epitaxial Layer for Improved Light Extraction」と題された米国特許第６，１３３，５８９号、Fred A. Kish, Jr.らに付与された、いずれも「Transparent Substrate Light Emitting Diode with Directed Light Output」と題された米国特許第５，７９３，０６２号及び第６，０１５，７１９号を参照することができる。これらすべての特許を、参考としてここに援用する。

半導体発光素子１００をＬＥＤ１００とすることができる。ＬＥＤについての問題は、光の取出効率が低いことである。この光の取出効率が低い原因は、ＬＥＤ１００から出ようとする光が、活性層２２によって発せられた光エネルギーのうちのわずかのみ（例えば透明基板を有するAlGaAsＬＥＤの場合、大体３０％程度）だということである。光の取出効率が低い結果、消費される電気的な入力のうちのわずかの部分だけが、外部から観測できる光に寄与する。光の取出効率は、ＬＥＤにおいて生成される光子の数に対する、ＬＥＤから出てくる光子の数の比として定義される。

図１の経路３は、活性層２２の点光源２７から放射される光子の方向を示している。経路３によって示されるように、コンタクト３１，３２の吸収特性が、低い光の取出率に寄与する。経路３に沿って進む光子は、ＬＥＤ１００の内側面で反射されコンタクト３１によって吸収される。コンタクト３１及び３２は、金、ニッケル、アルミニウム、チタン、クロム、パラジウム、そしてこれらの合金又は化合物などの金属から形成することができる。

低い光の取出効率を生じさせる損失の機構には、半導体発光素子内における吸収、光が一つの材料から屈折率の異なる別の材料へ入るときの反射損失、発光デバイス内で吸収されることになる全反射が含まれる。しかしながら、全反射は、活性層２２によって発せられた光子が発光デバイス１００とその周囲の材料との境界に臨界角（θｃ）よりも大きい角度で到達したときのみ、光子が半導体発光素子１００から出ることを妨げる。本実施例に関連する臨界角（図１にθｃで示す）は、
θｃ＝ａｒｃｓｉｎｅ（ｎ_surrounding／ｎ_LED）
によって定義される。ここで、ｎ_surrounding及びｎ_LEDはそれぞれ、発光デバイスの周囲の材料と発光デバイスの屈折率を示している。ＬＥＤはしばしばエポキシ内に封入されるが、その屈折率（ｎ_epoxy）は大体１．５程度である。前述のIII-V半導体材料の一つで作られたＬＥＤでは、その屈折率は約２．４から約４．１までの範囲である。平均的な屈折率（ｎ_LED）を約３．５とすると、θｃの典型的な値は約２５°である。したがって、活性層２２内の点光源２７から発せられる光子のうち半角が２５°の「取出円錐」内の任意の表面を通るものは、ＬＥＤから外部へ放射される。ＬＥＤ１００と取出円錐の外側の材料との間の境界面に当たる光子は、全反射を繰り返し受け、例えば半導体層（活性層２２を含む）又はコンタクト３１及び３２によって吸収されることになる。すなわち、表面に垂直な軸に対して２５°よりも大きい角度で表面に当たる多くの光子は、最初の段階でＬＥＤから外部へは放射されない。発せられた光子のうちのより多くの部分が取り出される高い光の取出効率を有するＬＥＤが必要とされている。

本発明は、半導体発光素子の光取出率を改善するとともに、所望の放射パターンを得るために光を導き、フォーカスし、そして散乱させるのに用いられる。本発明には、例えばフレネルレンズ、ホログラフィックディフューザなどの一又は二以上の光学エレメントに適合するようにされた半導体発光素子、そして半導体発光素子の表面をスタンピング（stamping）して光学エレメントに形成する方法が含まれる。半導体発光素子１００の一又は二以上の表面を、フレネルレンズ又はホログラフィックディフューザに形成することができる。フレネルレンズは、活性層２２から発せられたより多くの光子が垂直に近い入射角で半導体発光素子１００の表面に当たるようにし、全反射による光の損失を最小限に抑えることができるので、表面をフレネルレンズにすることは望ましい。さらに、フレネルレンズに形成された半導体発光素子の表面は、半導体発光素子を構成する材料とは異なる屈折率を有するレンズの材料によって通常引き起こされる光の反射損失を低減する。フレネルレンズ及びホログラフィックディフューザの一方又は両方を、フォトリソグラフィー、電子ビームリソグラフィー、イオンビームリソグラフィー、Ｘ線リソグラフィー、ホログラフィックリソグラフィーなどを含む（ただし、これらに限定されるものではない）リソグラフィー技術に関連したエッチングによって形成することができる。プラズマエッチング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、及び化学的手段を援用したイオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ）などの化学的ウェットエッチング又はドライエッチング技術を用いることができる。あるいは、イオンビーム削り加工（ion beam milling）又はフォーカスされたイオンビーム削り加工（ＦＩＢ）を用いてフレネルレンズを表面に刻印し、走査させた電子又はレーザービームを用いて表面にフレネルレンズをアブレーション加工し、または削り加工やスクライビング加工を行って機械的に半導体発光素子１００の表面にフレネルレンズを形成することもできる。

スタンピングは、発光デバイスの表面上に光学エレメントを形成する別の方法である。スタンピングプロセスは、スタンピングを行うとする半導体材料の延性遷移点（ductile transition point）よりも高い温度で実行される。一つの実施例では、スタンピングは、ウェハ・ボンディングプロセスと統合される。ウェハ・ボンディングプロセスは通常６００℃近傍又はこれよりも高温で行われるので、ウェハ・ボンディングプロセスを容易にウェハ・ボンディングプロセスと統合することができ、これによって生産効率を向上させることができる。ウェハ・ボンディングプロセスでは、所望の品質のエピタキシャル層を成長させるためのテンプレートとして用いられた最初の吸収性のサブストレートを除去すること、そして光の取出率を改善するためにこれを透明なサブストレートと置き換えることを伴う。オプションとして、透明なサブストレートを半導体発光素子１００の第一の表面にボンディングする時点において、所望の光学エレメントの形状又はパターンの逆の形状又はパターンを有するスタンピングブロックを、半導体発光素子１００の第二の表面、透明サブストレートの表面、又はこれらの両方に対してプレスしてもよい。圧力を開放したときに、所望の光学エレメントに形作られた表面を有する発光デバイスが形成される。スタンピングに用いられるスタンピングブロックは、通常、光学エレメントの形成時に適用されるプロセス温度よりも高い融点を有する。スタンピングブロックに適する材料としてモリブデン合金、グラファイト、シリコンカーバイド、そしてサファイアなどがあるが、これらに限定されるものではない。半導体発光素子の一又は二以上の表面上に、光学エレメントを形成することができる。スタンピングプロセスは独立したプロセスであるが、ウェハ・ボンディングプロセスの前、後、あるいは同時に行うことも可能である。あるいはまた、スタンピングプロセスを、後に半導体発光素子１００に対してボンディングされる材料をスタンピングするのに用いてもよい。

本発明は、容易に、別の応用に合うよう適合させることができる。例えば、照明用に光をコリメートするように光学エレメントを作ったり、あるいは光ファイバーに光をフォーカスするように作ることもできる。さらに、ＬＥＤの任意の表面を一又は二以上の光学エレメントに形作ったり、二以上の表面を一又は二以上のフレネルレンズに形作ったりもできる。コリメートされた光又はフォーカスされた光を所望の方向に導くために、反射コーティングを用いることもできる。半導体発光素子１００上に多数の光学エレメントを形成することによって作られるダイオードアレーを、高出力の応用目的に用いることもできる。

光学エレメントの予め決められた部分に向かって放射される光子の割合を増大させることによって、本発明の有用性はさらに高まる。例えば、フレネルレンズが存在してもその縁部に到達する光子は有益性が小さいので、放射されたより多くの割合の光子がフレネルレンズの中心に向かって放射されるような制限放射スポット（confined-emission spot）ＬＥＤを作ることができる。光子の放射を活性層の選択した領域へ閉じ込める方法には、イオンの注入又は拡散、酸化物不活性化（oxide passivation）、選択領域成長（selective area growth）、選択領域ボンディング（selective area bonding）が含まれる。あるいは、半導体発光素子１００又は活性層２２の外側の縁部を、エッチングで取り除いてもよい。外側の縁部をエッチングで取り除くことによって、傾斜した側面を有する発光デバイスを作ることができる。

本明細書で参照する図面は、縮尺通りには描かれていない。

本明細書において「取出面」とは、光出力面となるよう意図した発光デバイスの面を指す。発光デバイスは、二以上の取出面を備えることもできる。図示を簡単にするために、図では取出面を一番上の面としている。発光デバイスはＬＥＤとすることができる。ここで説明するＬＥＤの光を生成する部分は、ＬＥＤの通常の活性層である。ここで用いている「発光デバイス」は、少なくとも一つの半導体発光素子１００を有するデバイスを含んでいる。本発明は、発光デバイスの表面をスタンピングして光学素子にすることと、発光デバイスの表面にスタンピングを含む任意の方法を用いてフレネルレンズ又はホログラフィックディフューザを形成することの両方を含んでいる。本発明はまた発光デバイスの表面上に形成されたホログラフィックディフューザを含んでいるが、この例及び説明では、分かり易い例示とするために、主としてフレネルレンズを参照する。同じく分かり易い例示のために、半導体発光素子１００を発光ダイオード１００として説明する。異なる図で同じ符号を有する要素は、同じものである。

図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、図５Ｂに示したように、フレネルレンズ２８は、収束レンズの単一の曲面とは対照的に、表面上に一連の同心のグルーブが形成されて構成されている。グルーブ１は、屈折面として作用する湾曲した、あるいは角度をつけた面を有している。グルーブ１は、図２Ａ及び図３Ａに示すように、一定間隔とすることができる。図２Ｂ及び３Ｂに示すように、フレネルレンズ２８のグルーブが一定間隔のときは、フレネルレンズ２８を希望の焦点距離とするようにグルーブの高さを変えることができる。グルーブの形状は、例えば光線を集束させるために図２Ｂのように、または光線を発散させるために図３Ｂに示すように変えることができる。あるいは、フレネルレンズ２８のグルーブが図４Ｂ、図５Ｂに示すように同じ高さのときは、グルーブ１間の間隔を調整して、希望の焦点距離のフレネルレンズ２８とすることができる。図４Ａ及び図５Ａに示すフレネルレンズ２８は、レンズの縁に近づくにつれてグルーブの間隔が狭くなる。図４Ｂ及び図５Ｂは、光を希望する通りに導くためにグルーブ１の形状を調整できることを示している。図４Ｂのフレネルレンズは光線を集束させ、図５Ｂのフレネルレンズは光線を発散させる。フレネルレンズ２８のグルーブ１は、レンズ中心の周囲に同心的に配置することは必要ではない。例えば図６には、同心でないグルーブ１を有するフレネルレンズ２８が示してある。フレネルレンズは、非球面に基づくものとすることも、球面に基づくものとすることもできる。さらに、フレネルレンズが形成される表面は平面である必要もない。フレネルレンズを任意の形状のＬＥＤ上、例えば長方形のＬＥＤ上、楕円形のＬＥＤ上、ピラミッド型のＬＥＤ上、そして円柱形のＬＥＤ上に形成することもできる。フレネルレンズ２８を半導体発光デバイス上に形成するときは、オプションとして、図２Ｂ、図３Ｂのフレネルレンズ２８の縁の近傍の高いグルーブ、および図４Ｂ、図５Ｂのフレネルレンズ２８の縁の近傍の間隔の狭いグルーブを省くことができる。

図２Ｂ、図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂは、通常の収束又は発散レンズ２の厚さを、フレネルレンズ２８と比較している。図示のように、フレネルレンズ２８は、ほぼ同じ焦点距離を有する通常のレンズ２よりも薄くなっている。レンズ材料（すなわち半導体材料）は本来的にいくぶんかの光を吸収するので、ＬＥＤへの応用目的では、厚い普通のレンズよりも薄いフレネルレンズ２８は好ましい。

図７Ａは、フレネルレンズ２８として示した、表面上に形成された光学エレメント２８を有する発光デバイスを例示している。半導体発光素子１００の取出面に形成されたフレネルレンズ２８は半導体発光素子１００からの光の取り出しを助けるが、これは、取出面が平坦でなくグルーブ１を有している場合には、放射されたより多くの光子が垂直に近い入射角で取出面に当たるからである。垂直に近い入射角で表面に当たる光子は全反射を受けず、したがってより取り出しやすくなる。反射材４０で底面をコーティングすると、底面における反射損失又は吸収損失による光の損失を軽減するのを助ける。経路５に沿って進む光子も、減衰及び最終的な吸収を受ける。後述のように、経路５に沿って進む光子を取り出すために、底面に設けたフレネルレンズを用いることもできる。

図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃは、フレネルレンズ２８の高さ、グルーブの間隔、焦点距離と同様に、距離δによって、どのように発光デバイスの放射パターンを操作するかを例示している。距離δは、活性層２２とフレネルレンズ２８の距離を示している。距離δ、フレネルレンズ２８の水平位置、そしてフレネルレンズ２８の焦点距離は、発光デバイスの発光パターンに影響する。光源を実質的に収束レンズの焦点距離近くに置いたときは、図７Ａに示すように、出て行く光線は実質的に並行になる。距離δを変えることによって、光線を実質的に図７Ｂに示すように収束させたり、図７Ｃに示すように発散させることができる。図７Ｂに示すような光を収束させるような実施例は、光ファイバーへの応用に用いることができる。

フレネルレンズ又はホログラフィックディフューザを表面に形成する方法は数多くある。「彫刻法」は、まず、例えば多層構造２６上に最上層２４を形成し、そしてプラズマエッチング、反応性イオンエッチング、化学的手段を援用したイオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ）などの化学的ウェットエッチング又はドライエッチング技術によって、最上層２４に希望のパターンを形作ることが必要となる。オプションとして、エッチング技術については、リソグラフィー技術を用いることもできる。リソグラフィー技術には、フォトリソグラフィー、電子ビームリソグラフィー、イオンビームリソグラフィー、Ｘ線リソグラフィー、ホログラフィックリソグラフィーが含まれる（ただし、これらに限定されるものではない）。さらに、イオンビーム削り加工又はフォーカスされたイオンビーム削り加工を用いて表面に刻印し、走査させた電子又はレーザービームを用いて表面をアブレーション加工し、放電加工（ＥＤＭ）によって表面に加工し、または削り加工やスクライビング加工を行って、機械的に半導体発光素子１００の表面に、希望の光学エレメントを形成することができる。

フレネルレンズ又はホログラフィックディフューザを、ボンディング法を用いて形成することもできる。ボンディング法には、多層構造２６に、通常ボンディング材料を用いて光学エレメントをボンディングする必要がある。ボンディング材料は、スピニング、スパッタリング、蒸着、化学気相成長、金属・有機化学気相成長、気相エピタキシャル、液相エピタキシャル、分子ビームエピタキシャルなどの一般的な堆積技術を用いて堆積させることができる。図７Ａに示した実施例ではボンディング材料を示していないが、ボンディング材料は、光学エレメント２８と上部導電層２３の間の境界２５ａにある。しかし、発光デバイスが最上層２４を含んでいる場合には、ボンディング材料は、光学エレメント２８と最上層２４の間にあってもよい。

ボンディング法を用いるときは、境界２５ａ又は２５ｂにおける反射光損失を最小限に抑えるために、ボンディング材料がｎ_LED又はｎ_lens（ｎ_LEDとｎ_lensが異なる場合）に非常に近い屈折率（ｎ_bonding）を有することが望ましい（図７Ａ）。デバイスが温度変化を受けたときのひずみを最小限に抑えるために、半導体発光素子とフレネルレンズ２８の両方と同等の熱膨張係数を持つボンディング材料とすることができる。さらに、ボンディング材料を、活性層２２によって発せられる光の波長に対して透明にすることもできる。例えば、レンズとボンディング材料を、以下に列挙するもののうちの一つとすることができる（ただしこれらに限定されるものではない）：屈折率の大きい光学ガラス、ＧａＰ（６００ｎｍで、ｎ〜３．３）ＩｎＧａＰ（６００ｎｍで、ｎ〜３．７）、ＧａＡｓ（５００ｎｍで、ｎ〜３．４）、ＧａＮ（５００ｎｍで、ｎ〜２．４）などのIII-V半導体、ＺｎＳ（５００ｎｍで、ｎ〜２．４）、ＺｎＳｅ（５００ｎｍで、ｎ〜２．６）、ＣｄＳ（５００ｎｍで、ｎ〜２．６）、ＣｄＴｅ（５００ｎｍで、ｎ〜２．７）、ＺｎＴｅ（５００ｎｍで、ｎ〜３．１）などのII-VI半導体、IV族の半導体、そしてＳｉ（５００ｎｍで、ｎ〜３．５）及びＧｅ（５００ｎｍで、ｎ〜４．１）などの化合物、屈折率の大きい有機半導体、屈折率の大きい有機化合物、そしてこれらの混合物又は合金。ｎ_bondingがｎ_LED及びｎ_lensと異なる場合には、半導体発光素子とボンディング材料の境界、そしてボンディング材料とフレネルレンズ２８の境界の両方において反射光損失が生じる。

レンズ材料は、ボンディング材料なしで、高温環境でレンズと多層構造とをプレスすることで接着されるものを選択するのがよい。ボンディング材料を使わなければ、ボンディング材料の屈折率がｎ_LEDと異なることによって増える光の損失を低減させることができる。接着については、「LED with Improved Light Extraction Efficiency」と題された米国特許出願第０９／６６０，３１７号においてさらに詳しく説明されており、その内容は、参考としてここに援用する。

本発明に用いることができるさらに別の方法は、スタンピング法である。図８Ａは、半導体発光素子１００を含む発光デバイスと、光学エレメント２８が形成された表面を示している。図８Ｂは、図８Ａの光学エレメント２８として用いることのできるホログラフィックディフューザの概略図を示す。ホログラフィックディフューザの表面には、ランダムで非周期的な多数の小型レンズ（microlenslet）が含まれている。ホログラフィックディフューザは光を発散させ、ノイズ及び色回折（color diffraction）を取り除く。図８Ｂはホログラフィックディフューザとして光学エレメント２８を示しているが、光学エレメント２８は、通常のレンズ、フレネルレンズ、あるいは反射部なと、他の任意の光学エレメントであってもよい。

図９に例示した典型的なプロセスでは、光学エレメント２８のパターンとは逆のパターンを有するスタンピングブロック７０によって、最上層２４がスタンピングされる。図９は、光学エレメント２８としてフレネルレンズ２８を示している。このスタンピング法は、半導体発光素子１００の任意の表面に光学レンズ２８を形成するのに用いることができる。図９は、スタンピングと同時に実行されるウェハーボンディングプロセスを示しているが、スタンピングはウェハーボンディングの前又は後、あるいは完全に別な独立したプロセスとして実行することも可能であることが理解されるだろう。例えば、ウェハーボンディングされていない半導体発光素子１００上に、光学エレメントをスタンピングしてもよい。あるいはまた、最初に材料の上で光学エレメントをスタンピングし、後に材料を半導体発光素子１００に接着することもできる。

スタンピング法では、フレネルレンズ２８が形成されるのがＬＥＤの最上層２４であることから、フレネルレンズ２８の屈折率とＬＥＤの最上層２４の屈折率が同じくなる蓋然性は高い。スタンピングプロセスでは、半導体発光素子１００を少なくとも最上層２４の延性遷移点（ductile transition point）まで加熱し、そしてスタンピングブロック７０をプレスする。必要であれば、スタンピングを容易にするために、１００ｐｓｉ又はそれ以上の圧力を加えてもよい（正確な圧力は、使用する材料及びプロセス温度に依存する）。半導体発光素子１００の最上層２４にスタンピングしたあとは、スタンピングブロック７０を得られた発光デバイスから離し易くするために、圧力を開放し温度を下げることができる。半導体発光素子１００上に正確なフレネルレンズのパターンをスタンピングするためには、スタンピングブロックの材料は、加えられる温度及び圧力に耐えられるものでなければならない。このため、スタンピングブロックの材料は、表面にスタンピングがなされる材料（例えば半導体材料）の延性遷移点よりも高い延性遷移点を有していることが適当である。スタンピングブロックとして適当な材料の例には、ＴＺＭ（モリブデン、チタン、ジルコン、そしてカーボンの化合物）などのモリブデン合金、グラファイト、シリコンカーバイド、そしてサファイア、ステンレススチール、Hastalloy（商標）、Kovar（商標）、Nichrome（商標）、タングステン及びタングステン合金、タンタル、ニオブ、チタン合金などが含まれる。

製造プロセスにおいて通常は別個のステップであるボンディングプロセスと異なり、スタンピングは、ウェハーボンディングと同時に実行することも（図９参照）、あるいはウェハーボンディングプロセスとは別にその前又は後に行うことも可能である。ウェハーボンディングプロセスの目的は、まず通常は光を吸収する第一のサブストレート２０．１を取り除き、そしてこれを、より多くの光が外部へ到達できる新しいサブストレート２０．２と置き換えることによって、光の取出率を改善することである。第一のサブストレート２０．１は、所望の機械的特性を持った半導体発光層を製造するのに適合する材料である。例えば、高品質のエピタキシャル成長を達成し、確実な格子整合を得るために、標準的な吸収性のサブストレート材料を利用することができる。これらの吸収性の成長サブストレートは通常、半導体発光素子の放射エネルギーより小さいか又は同等のバンドギャップを有している。多層構造２６を成長させた後、第一のサブストレート２０．１を取り除く。第一のサブストレート２０．１は、化学エッチング及びラップ仕上げ／研磨を含む方法（たたし、これらには限定されない）によって取り除くことができる。

第一のサブストレート２０．１を取り除いたら、続いて、光学的には透明な第２のサブストレート２０．２を半導体発光素子１００に接着する。接着の手順には、新たなサブストレート２０．２を、その組成に依存して２５℃と１０００℃の間の温度に加熱することが含まれる。ウェハーボンディングプロセスについては、Fred A. Kishらに付与された「Wafer Bonding of Light Emitting Diode Layers」と題された米国特許第５，５０２，３１６号においてさらに詳しく説明されており、その内容はここに援用するものとする。新たなサブストレート２０．２とスタンピングブロック７０の両方を半導体発光素子１００に同時にプレスすることによって、スタンピングプロセスをウェハーボンディングプロセスに組み込むことができる。スタンピングブロック７０は、新たなサブストレート２０．２、最上層２４、あるいはこれらの両方に対してフレネルレンズ２８をプレスすることができる。図９では分かり易さと簡単のためにただ一つの光学エレメントを示しているが、スタンピングブロック７０には、二以上の光学エレメントのパターンを含ませることもできる。

図１０は、側面を傾斜させた半導体発光素子１００を示している。側面を傾斜させると、経路３及び経路４の違いとして示すように、光子が反射する角度にすることによって光の取出率が向上する。側面が傾斜しているときは、活性層２２によって放射された光子は、経路３ではなく経路４（実線）に沿って進むことができる。経路３は、側面が傾斜していない半導体発光素子における経路である（図７Ａ参照）。図１０に点線で示した経路３は、側面が傾斜していないときに、活性層２２の点２７から放射される光子が側面で反射されコンタクト３１によって吸収されることを示している。しかしながら、図１０に実線で示した経路４は、傾斜させた発光デバイス内で光源２７から同じ方向に放射された光子がフレネルレンズ２８の方向へ反射され、発光デバイスから取り出されることを示している。このように側面を傾斜させると、傾斜させない場合に発光デバイスからは取り出せない光子のいくらかを取出面へ向けることによって、光の取出効率が改善される。さらに吸収を少なくするために傾斜させた側面を金属（例えば銀）又は誘電体などの反射材４０でコーティングすれば、光の取出率はさらに改善される。

図１１は、活性層２２の断面領域がフレネルレンズ２８の断面領域よりも小さい半導体発光素子１００を含む発光デバイスを示している。ここで断面領域は、半導体発光素子１００の異なる層の境界に平行な面内にある。活性層の縁部からの電流を遮断するために、開口部又は保護リングを用いることができる。あるいは、活性層２２の縁部からの電流を遮断し又は縁部から離れるように電流を流すために、イオンの注入又は拡散を用いることができる。パターン化ウェハボンディング及びパターン化エピタキシャル成長とも呼ばれる選択領域成長（selective area growth）及び選択領域ボンディング（selective area bonding）は、光放射を閉じ込めるための二つのさらに別の方法である。選択領域成長及び選択領域ボンディングについては、米国特許第５，７９３，０６２号において議論されており、その内容は参考としてここに援用する。さらに、活性層２２の縁部に酸化物を形成して不活性化することによって、制限放射スポット（confined-emission spot）ＬＥＤを作ることができる。その一つを図１１に示した制限放射スポットＬＥＤは、ホロニアクプロセス（Holonyak process）を用いて作ることができる。ホロニアクプロセスでは、ＬＥＤを３時間まで３７５℃と５５０℃の間の温度にすることによって、メサ（mesa）３３を形成する必要がある。ホロニアクプロセスは不要なアルミニウム酸化物の形成を防ぐために実行されるが、このプロセスにおいて制限層２３の上部には電気的絶縁性の天然の酸化物３４が形成される。ホロニアクプロセスの詳細及びその応用については、Nick Holonyak, Jr.らに付与された「AlGaAs Native Oxide」と題する米国特許第５，２６２，３６０号及びNick Holonyak, Jr.らに付与された「Semiconductor Devices Fabricated with Passivated High-Aluminum III-V Material」と題された米国特許第５，５１７，０３９号を参照することができる。これらの両特許の内容は、参考としてここに援用する。

図１１に示した制限放射スポットＬＥＤにおいて、最上層２４は、アルミニウムを含んだｐ型の導電層とすることができる（ただしこれには限定されない）。メサ３３は、アルミニウムを含んだ透明なｐ型層とすることができる。最上層２４の体積酸化速度、あるいは特定のＬＥＤ１００が別個の最上層２４を持たない場合には上部制限層２３の体積酸化速度よりも、導電層の横方向の酸化速度の方が速くなるように、導電層（これは、例えば高アルミニウム濃度のIII-V半導体からなる）の組成として高いモル比を有するものを選択する。図１１は、アルミニウムを含む層を露出させたＬＥＤデバイスを示している。アルミニウムを含む層の異方性酸化は、メサ３３及び天然の酸化物３４を形成させる。天然の酸化物３４の絶縁特性は、電流をこれらの領域に制限し、これによって制限放射スポットＬＥＤが得られる。この例におけるアルミニウムを含むｐ型導電層である最上層２４及びメサ３３は、酸化速度においてそれぞれに適切な異方性を有する、アルミニウムを含む任意の透明な化合物から形成することができる。

図１２及び図１３は、二つの光学エレメント２８，２９を含む本発明の実施例を示しており、二つの光学エレメントのうちの一方には反射材４０がコーティングされて反射部を形成している。図１２は、フレネルレンズ２８を有する表面とは反対の側に設けられた反射部２９としての光学エレメント２９を示している。フレネルレンズ２８と反射部２９の両方のグルーブは、入射光線をコリメートするようになパターンとされている。したがって、光源２７から放射された光子が破線で示した経路に沿って進んで反射部２９に当たると、反射部２９は、光子をコリメートして反射して上のフレネルレンズ２８の方向へ戻す。反射部２９がないと、点光源２７から放射された光子は、図７Ａに示した経路５に沿って進み、発光デバイスからは出られない。経路５に沿った光子は内部で何度も反射され、吸収され、減衰され、あるいは取出面ではない面から取り出される。

図１３は、図１２と同様に、発光デバイスの一つの表面上のフレネルレンズ２８と、反対側の表面の反射部２９を示している。しかし、図１３の反射部２９のグルーブは、図１２のように入射した光子をコリメートするのではなく、代わりに点光源２７上にフォーカスする。図１３の発光デバイスは、図１２では経路６に沿って進んだであろう光子を、図１３の経路７に沿って進ませることによって、軸に沿って取り出される光の強度を高める。図１３の反射部２９は、距離δ、反射部２９の水平位置、グルーブのパターンのうちの一又は二以上を調整することによって、入射した光子をフレネルレンズ２８に向かって戻るようコリメートし、フォーカスし、発散させ、あるいは導くように作ることができる。同様に、光子を、ＬＥＤ内の吸収領域、例えば活性層２２、コンタクト３１及び３２から離れるように導くことができる。この分野の当業者であれば、フレネルレンズを設計し、所望の放射パターンを特定の応用目的に適合するように仕立てることができるだろう。例えば、図１３の実施例は、軸に沿った高い強度を必要とする応用目的については、図１２の実施例よりも好ましい。

図１４及び図１５に示した例では、本発明は、取出面に光学エレメントを必要としない。点光源２７から放射された光子は、図１４ではフォーカスされ、図１５では発散される。いずれの場合も、光子は取出面に向かって上向きに反射される。図１４の実施例は図１３の実施例のように軸に沿った強度が高くなり、例えば光ファイバーへの応用といった軸に沿った高い強度を必要とする応用目的に有用である。

図１６は、フリップチップ構造を用いた発光デバイスを示している。フリップチップ構造では、コンタクト３１と３２を同じ側、この場合の例では底面側に配置することができる。コンタクト３１及び３２はしばしば光を吸収するものであり、また光取出面の一部を占めることになるので、これらを光取出面から無くすことによって、より多くの光を取出面を通してＬＥＤデバイスから取り出すことができる。

図１７は、封止層２１，２３及び活性層２２の向きが、取出面に対して実質的に垂直である発光デバイスを示している。図１７に示した発光デバイスは、図１の半導体発光素子１００を９０度回転させて光が半導体発光素子１００の側面から取り出されるようにしたものである。フリップチップ構造と同様に、図１７に示した構造は、取出面にコンタクトがないという点が有利である。

本発明のＬＥＤを多数一緒にして、高出力の応用に用いることができる。例えば図１８は、図１３に示したタイプの発光デバイス三つをアレー状に配置して、高い光出力を発するようにしたものである。ＬＥＤチップ上又はウェハー上に形成することができるこれらのダイオードアレーは、通常、単一の半導体発光素子のチップに比べてより大きい面積を有する。また、本発明のＬＥＤデバイスは、赤、緑、青のＬＥＤをピクセルエレメントとして用いるカラーディスプレーパネルに適している。このようなディスプレーは周知であり、この例を図１９に示した。ディスプレーパネル５０は、赤（５２）、緑（５４）、青（５６）のＬＥＤをそれぞれ含み、これらを周知の回路によって選択的に光らせることによって画像を表示させる発光デバイスのアレーを有している。図１９では簡単のために三つのピクセルだけを示している。一つの実施例として、発光デバイスをカラム状に配置した。他の実施例として、発光デバイスを別のパターン、例えば三角形などに配置することもできる。高い光取出率を有する発光デバイスを、ＬＣＤディスプレーのバックライト用に使用することもできる。

本発明について、特定の実施例を挙げて例示したが、本発明の範囲を、例示したこれらの特定のあるいは好適な実施例に限定することを意図するものではない。例えば、光検出器や太陽電池などのデバイスについて、ここに開示した実施例は有益なものとなろう。

従来からの半導体発光素子の概略図である。光を収束するよう設計された、高さの異なるグルーブを一様な間隔で設けたフレネルレンズの平面図である。収束レンズと図２Ａのフレネルレンズの断面を示した図である。光を発散するよう設計された、高さの異なるグルーブを一様な間隔で設けたフレネルレンズの平面図である。発散レンズと図３Ａのフレネルレンズの断面を示した図である。一様な高さのグルーブを有し、グルーブ間の間隔をレンズ中心からの距離の関数とした、収束フレネルレンズの平面図である。収束レンズと図４Ａのフレネルレンズの断面を示した図である。一様な高さのグルーブを有し、グルーブ間の間隔をレンズ中心からの距離の関数とした、発散フレネルレンズの平面図である。発散レンズと図５Ａのフレネルレンズの断面を示した図である。レンズ中心について同心でないグルーブを有するフレネルレンズの平面図である。本発明に基づいて一つの取出面上に光をコリメートするフレネルレンズが形成された発光デバイスの概略図である。本発明に基づいて取出面上に光をフォーカスするフレネルレンズが形成された発光デバイスの概略図である。本発明に基づいて取出面上に光を発散するフレネルレンズが形成された発光デバイスの概略図である。表面が光学エレメントに形作られた発光デバイスの概略図である。本発明で用いることができるホログラフィックディフューザの面の平面図である。スタンピングプロセス及びウェハーボンディングプロセスを統合する典型的な例を示した概略図である。表面にフレネルレンズを形成した、傾斜した側面を有するＬＥＤの概略図である。異方性を持つ天然の酸化物を形成した制限放射スポットＬＥＤ上に形成されたフレネルレンズの概略図である。半導体発光素子の対向する二つの面に光をコリメートするフレネルレンズを形成し、一方を反射材でコーティングした発光デバイスの概略図である。半導体発光素子の対向する二つの面にフレネルレンズを形成し、反射材をコーティングしたレンズが光を活性層にフォーカスするようにした発光デバイスの概略図である。軸に沿った強度を高めるために、半導体発光素子の取出面ではない面に形成された、光をフォーカスするフレネルレンズの概略図である。半導体発光素子の取出面ではない面に形成され、反射材でコーティングされた、光を発散するフレネルレンズの概略図である。フリップチップ構造の発光デバイスの概略図である。実質的にフレネルレンズに垂直な活性層を有する発光デバイスの概略図である。単一のサブストレート上のダイオードアレーの概略図である。本発明に基づいた、発光デバイスが組み込まれたディスプレーデバイスの概略図である。

符号の説明

２０…サブストレート、２１…下部封止層、２２…活性層、２３…上部封止層、２４…最上層、２６…多層構造、２７…光源、２８…フレネルレンズ、３１，３２…コンタクト、３３…メサ、３４…酸化物、４０…反射材、７０…スタンピングブロック、１００…半導体発光素子、５０…ディスプレーパネル、５２…赤色ＬＥＤ、５４…緑色ＬＥＤ、５６…青色ＬＥＤ

Claims

半導体発光素子によって放射される光に作用を及ぼすよう、前記半導体発光素子の少なくとも一つの面にフレネルレンズ及びホログラフィックディフューザのうちの少なくとも一つを形成する工程を含み、
前記少なくとも一つの面は、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を含む化合物及びIII-窒化物半導体化合物のうちの一方であり、
前記形成工程は、ウェハーボンディングプロセスと同時に実行され、前記ウェハーボンディングプロセスは、
前記半導体発光素子の第一のサブストレートを取り除く工程と、
第二のサブストレートを前記半導体発光素子にボンディングする工程とを含んでいる、ことを特徴とする、発光デバイスを形成する方法。
前記少なくとも一つの面は光を取り出すことを意図した少なくとも一つの光取出面であり、前記形成工程を、前記半導体発光素子の少なくとも一つの光取出面において行うものである請求項１に記載の方法。
前記光取出面と反対の面に光学エレメントを形成する工程をさらに含んでいる請求項２に記載の方法。
前記半導体発光素子の一又は二以上の側面を傾斜させる工程を含んでいる請求項１に記載の方法。
請求項１に記載の方法において、前記半導体発光素子は発光層を有しており、前記方法は、さらに、前記発光層の予め選択された部分に光放射を制限することを含んでいる方法。
請求項１に記載の方法において、前記半導体発光素子は発光層を有しており、前記方法は、さらに、前記発光層の予め選択された部分に光放射を制限することを含んでおり、前記制限することには、ホロニアクプロセスの適用、選択領域成長の使用、パターン化ウェハボンディングの使用、ディフィージョンの使用、そしてイオン注入の使用の中から選択された少なくとも一つの方法が含まれている方法。
請求項１に記載の方法において、さらに、前記半導体発光素子の一又は二以上の面に反射材をコーティングする工程を含んでいる方法。
請求項１に記載の方法において、さらに、前記フレネルレンズ又は前記ホログラフィックディフューザに反射材をコーティングする工程を含んでいる方法。
前記形成工程は、スタンピングブロックを、前記半導体発光素子の少なくとも一つの面にプレスする工程を含んでおり、前記スタンピングブロックの材料は、ＴＺＭ（モリブデン、チタン、ジルコン、そしてカーボンの化合物）などのモリブデン合金、グラファイト、シリコンカーバイド、そしてサファイア、ステンレススチール、Hastalloy（商標）、Kovar（商標）、Nichrome（商標）、タングステン及びタングステン合金、タンタル、ニオブ、チタン合金のグループから選択されたものである、請求項１に記載の方法。