JP5511114B2 - 光抽出を向上させた微小発光ダイオードアレイ - Google Patents

Description

本出願は１９９９年１２月３日に出願され、Ｔｈｉｂｅａｕｌｔらに付与された仮出願第６０／１６８８１７号の利益を主張する。

（発明の背景）
[発明の分野]
本発明は発光ダイオードに関し、さらに詳細には、発光ダイオードの光抽出を向上するための新しい構造に関する。

[関連技術の説明]
発光ダイオード（ＬＥＤ）は電気エネルギを光に変換する重要な部類の固体デバイスで、一般に、逆極性にドープされた（ｏｐｐｏｓｉｔｅｌｙ ｄｏｐｅｄ）２つの層間に挟まれた半導体材料の活性層を備える。これらのドープされた層間にバイアスが印加されると、正孔および電子が活性層に注入され、そこで正孔および電子が再結合して光を発する。活性領域で発生した光はあらゆる方向に放出され、光はすべての露出面を通ってこのデバイスから流出する。この流出する光を誘導して所望の出力放射プロフィールにするために、ＬＥＤのパッケージング（ｐａｃｋａｇｉｎｇ）化が一般に用いられる。

半導体材料の改良に伴って、半導体デバイスの効率も改良された。現在、紫外から黄色（ａｍｂｅｒ）のスペクトルにおいて効率的な放射をもたらすＧａＮのような材料から新しいＬＥＤが作られつつある。新しいＬＥＤの多くは従来の光源に比べて電気エネルギの光への変換がより効率的であり、また、より信頼性がある。ＬＥＤが改良されているので、それらが、交通信号、戸外および室内ディスプレイ、自動車のヘッドライトおよびテールランプ、および、従来の室内照明等の多くの用途で従来の光源に取って代わることが期待される。

しかしながら、従来のＬＥＤは、ＬＥＤの活性層で発生した光の全てを放出することができないことによりその効率が制限されている。ＬＥＤに通電がされると、その活性層から（あらゆる方向に）放出される光は、多くの異なる角度で発光面に到達する。代表的な半導体材料は、大気（ｎ＝１．０）または封止エポキシ（ｎ≒１．５）に比べて高い屈折率（ｎ≒２．２〜３．８）をもつ。スネルの法則によれば、（表面法線方向に対して）ある臨界角以内で屈折率の高い領域から屈折率の低い領域へと伝搬する光はこの屈折率の低い領域へと移る。臨界角を越えて表面に達した光は屈折率の低い領域へは移らずに全内部反射（ｔｏｔａｌ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｒｅｆｒｅｃｔｉｏｎ：ＴＩＲ）を起こす。ＬＥＤの場合には、ＴＩＲ光はＬＥＤ内部で吸収されるまで反射を続けることが可能であるし、さもなければ、発光面以外の面から外へと放出されることもあり得る。この現象のために、従来のＬＥＤで発生した光の多くが放出されず、効率を低下させる。

ＴＩＲ光の割合を低減する方法の１つは、表面にランダムにテクスチャリング（ｔｅｘｔｕｒｉｎｇ）する態様で光散乱中心を作ることである。［Ｓｈｎｉｔｚｅｒら、「３０％ Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｆｒｏｍ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｔｅｘｔｕｒｅｄ、Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ６３、２１７４〜２１７６頁（１９９３）］。このランダムなテクスチャリングは、ＬＥＤ表面上のサブミクロンの直径のポリスチレン球を反応性イオンエッチング加工時のマスクとして使用することによって表面内にパターン化される。この凹凸加工面は、ランダムな干渉作用のため、スネルの法則では予測できないような光を屈折および反射する、光の波長程度の形状を有している。この方法は発光効率を９〜３０％向上させることが示されている。

表面テクスチャリングの１つの欠点は、ｐ型ＧａＮの場合のように、凹凸加工した電極層に対して電気伝導度が劣るＬＥＤ内での有効な電流の広がりを妨げる可能性があることである。より小型のデバイスまたは電気伝導度の良いデバイスにおいては、ｐ型層およびｎ型層のコンタクトからの電流が各層を通って広がる。より大きなデバイスまたは電気伝導度が低い材料から作られるデバイスについては、電流がコンタクトから層を通って広がることができない。この結果、活性層の一部は電流が流れず光を発することがない。ダイオード領域の全面に渡って均一な電流注入を生み出すために、導電性材料の広がり層（ｓｐｒｅａｄｉｎｇ ｌａｙｅｒ）がその表面上に堆積されている。しかしながらこの広がり層は、多くの場合、光がこの層を透過できるように光学的に透明であることが必要である。ＬＥＤの表面にランダムな表面構造を導入した場合、効果的に薄くかつ光学的に透明な電流スプレッダ（ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｐｒｅａｄｅｒ）を簡単には堆積することができない。

ＬＥＤからの光抽出を増加させる他の方法は、光の向きを内部に閉じ込められる角度から表面の形状や周期によって決定される限定されたモードに変える規則的なパターンを発光面または内部境界面内に設けることである。Ｋｒａｍｅｓらに付与された米国特許第５，７７９，９２４号を参照のこと。この手法は、表面をランダムに凹凸加工したものの特別なケースに該当し、そこでは干渉効果はもはやランダムではなく、表面が特定の状態または方向に光を結び付けている。この方法の１つの欠点は、表面の形状およびパターンが、ＬＥＤの光の１波長のオーダーで、均一かつ微小でなければならないために、この構造を製造することが困難になる可能性があることである。このパターンは、上記で説明したように光学的に透明な電流広がり層を堆積するときにも、同様に問題になる可能性がある。

ＬＥＤの発光面の形状を、中心に発光層がある半球体にしたことにより、光抽出の増加も実現した。この構造は放出される光の量を増加させるが、その製造は難しい。ＳｃｉｆｒｅｓおよびＢｕｒｎｈａｍに付与された米国特許第３，９５４，５３４号は、各ＬＥＤの上に各半球体を備えたＬＥＤのアレイを形成する方法を開示している。この半球体は基板内に形成され、その上にダイオードアレイを成長させる。その後、このダイオードおよびレンズ構造はエッチングによって基板から除去される。この方法の１つの欠点はこの構造の形成が基板境界面に限定されることであり、この構造を基板から除去することが製造コストの増加につながることである。また、各半球対はその真上に発光層を有し、このため正確な製造作業が要求される。

米国特許第５，７９３，０６２号は、光の向きを変えることでコンタクトなどの吸収領域から離し、また、同様に光の向きを変えてＬＥＤの表面に向けるための、光学的非吸収層を設けることによりＬＥＤからの光抽出を高める構造を開示している。この構造の１つの欠点は、この非吸収層が、多くの材料系において製造が困難であるところの、アンダーカット平角層（ｕｎｄｅｒｃｕｔ ｓｔｒａｉｔ ａｎｇｌｅ ｌａｙｅｒｓ）の形成を必要とすることである。

光抽出を高める他の方法は、光子をＬＥＤ発光面上の薄膜金属層内の表面プラズモンモードに結合させることであり、これらは放出されて放射モードに戻る。［Ｋｎｏｃｋら、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ５７、２３２７〜２３２９頁（１９９０）］。これらの構造は、半導体から放出された光子の金属層内の表面プラズモンへの結合に依拠しているが、これらは最終的に取り出される光子にさらに結合される。このデバイスの１つの欠点は、この規則的な構造が、浅い深さ（＜０．１μｍ）の溝をもつ一次元方向に規定された格子であるために製造が難しいことである。また、恐らく光子の表面プラズモンへの変換および表面プラズモンの周囲光子への変換機構の非効率性のせいで全体的な外部量子効率が低い（１．４〜１．５％）。この構造は、電流広がり層に関して上に説明したのと同様の困難を引き起こす。

光抽出は、ＬＥＤチップの側面に角度をつけて逆さにしたピラミッドを作ることによって改良することもできる。この角度をつけた表面は、基板材料内に閉じ込められたＴＩＲ光に臨界角以内の発光面を与える［Ｋｒａｍｅｓら、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ７５（１９９９）］。この方法を用いると、ＩｎＧａＡｌＰ材料系に対して外部量子効率が３５％から５０％へ増加することが示された。この方法は、相当量の光が基板内に閉じ込められているようなデバイスに対して機能する。サファイア基板上のＧａＮの場合は、大部分の光がＧａＮ膜内に閉じ込められているので、ＬＥＤチップの側面に角度をつけても望ましい向上は得られない。

光抽出を高めるさらに別の方法は光子再循環（ｐｈｏｔｏｎ ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ）である。［Ｓｈｎｉｔｚｅｒら、「Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｑｕａｎｔｕｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ、９９．７％ ｉｎｔｅｒｎａｌｌｙ ａｎｄ ７２％ ｅｘｔｅｒｎａｌｌｙ、ｆｒｏｍ ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ｄｏｕｂｌｅ ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ６２、１３１〜１３３頁（１９９３）］。この方法は、電子および正孔を容易に光にまたその逆に変換する、高効率活性層を有するＬＥＤに依拠している。ＴＩＲ光はＬＥＤの表面で反射して活性層にぶつかり、そこで光が変換されて電子−正孔対に戻る。この活性層が高効率なために、電子−正孔対はほとんどすぐに光に再変換し、再びランダムな方向に放出される。この再生した光（ｒｅｃｙｃｌｅ ｌｉｇｈｔ）の一部が臨界角以内でＬＥＤの発光面の１つにぶつかり、漏れ出る。反射されて活性層へ戻る光は再度同じ過程を辿る。しかしながら、この方法は光学損失が極度に低い材料で作られるＬＥＤのみで使用でき、興味ある電流広がり層を表面に有するＬＥＤでは使用できない。

（発明の要約）
本発明は、光抽出の改良をもたらす微小発光ダイオードを相互に接続したアレイを有する新規な発光ダイオード（ＬＥＤ）を提供する。微小ＬＥＤは、より小さな、１から２５００平方μｍの範囲の活性層を有するが、本発明にとって大きさは重大なことではない。微小ＬＥＤのアレイとは、電気的に相互接続した微小ＬＥＤをなんらかの形で配置したものである。このアレイは各微小ＬＥＤから流出する光に大きな表面積を与え、これによって使用できるＬＥＤからの光を増加させる。この新しいＬＥＤは多くの異なった形状にすることができ、また、標準の加工方法で形成されるので非常に生産性が高い。

この新しいＬＥＤは、導電性の第１のスプレッダ層（ｓｐｒｅａｄｅｒ ｌａｙｅｒ）を備え、その１つの表面上に複数の微小ＬＥＤが配置されている。各微小ＬＥＤは、ｐ型層、ｎ型層、および、これらのｐ型層とｎ型層の間に挟まれた活性層とを有する。これらのｐ型層またはｎ型層の何れか一方が最上層（ｔｏｐ ｌａｙｅｒ）になり残りの層が底層（ｂｏｔｔｏｍ ｌａｙｅｒ）になる。第１のスプレッダ層に印加された電流は各微小ＬＥＤの底層中に広がる。第２のスプレッダ層が微小ＬＥＤの上に備わっており、前記第２のスプレッダ層からの電流はこの最上層中に広がる。第１および第２のスプレッダ層間にバイアスが印加されると微小ＬＥＤが発光する。

第２のスプレッダ層の１つの実施形態が、微小ＬＥＤの上で導電性の経路を有し、微小ＬＥＤの最上層と接触している相互接続された導電性グリッド状構造（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｇｒｉｄ−ｌｉｋｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）である。絶縁層がアレイの上に備えられ、この絶縁層の上にグリッドがあり、これによって第１のスプレッダ層をグリッドと電気的に絶縁している。

別法として、微小ＬＥＤを相互に接続するためにフリップチップによる接着を使用することができる。この方法を使用すると、先ず電気的に接続されていない微小ＬＥＤのアレイが形成され、その後導電性材料に接着されてアレイ相互接続を形成する。第３の実施形態では、微小ＬＥＤの上をグリッドが通り、ｐ型材料、活性材料およびｎ型材料は微小ＬＥＤ間のグリッドの導電性経路の下にあって、このグリッドを第１のスプレッダ層と電気的に分離している。このグリッド状構造は、放出された光が短い距離を伝搬した後側壁と相互に影響し合うように設計することができる。

この新しいＬＥＤは、光抽出をさらに向上させるために、この微小ＬＥＤの間に配置されるかまたは微小ＬＥＤの側面上に形成される光抽出素子（ＬＥＥ：ｌｉｇｈｔ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｅｌｅｍｅｎｔ）を有することができる。このＬＥＥは光の向きを変えるかまたは光を集束させる作用があり、これが無いとこの光は標準的なＬＥＤにおいてＴＩＲにより閉じ込められるかまたは吸収されてしまう。ＬＥＥの形状は、光抽出と光の最終的な出力方向に影響を与える構造の形であれば湾曲（凸形または凹形）していてもよく、あるいは区分的に直線でもよい。微小ＬＥＤの間に配置されるＬＥＥは、微小ＬＥＤの側面から脱出する光と相互に影響し合う。この相互作用は、光が反射されてＬＥＤ内に戻り吸収されるのを防ぐのに役立ち、これによってＬＥＤの外へ出る有効な光を増加させる。

本発明のこれらおよびその他の特徴および利点は、添付図を参照した以下の詳細な説明から当業者に明らかとなろう。

（発明の詳細な記述）
図１および２は、本発明によって構成される新しいＬＥＤ１０の１つの実施形態を示す。これは、各微小ＬＥＤ１２が絶縁され、逆極性にドープされた２つの層１６と１８の間に挟まれたそれ自体の半導体材料の活性層１４を有する微小ＬＥＤ１２のアレイを備えている。好ましい微小ＬＥＤにおいては、最上層１６がｐ型であり底層１８はｎ型であるが、この層１６、１８においてドーピングを逆極性にしても作動する。

この新しいＬＥＤは、ｎコンタクトパッド２２から各微小ＬＥＤの底層１８へ電流を広げる第１のスプレッダ層２０も備えている。好ましい実施形態では、底層１８がｎ型であるのでこのコンタクトパッド２２はｎコンタクトパッドと呼ばれる。絶縁層２３が微小ＬＥＤのアレイの上に堆積され、各微小ＬＥＤおよび微小ＬＥＤ間の隙間にある第１のスプレッダ層の表面を覆っている。相互接続された電流広がりグリッド２４の形状が好ましい第２のスプレッダ層が、この絶縁層上に堆積され、このグリッドの導電性経路が微小ＬＥＤの上を通る。ｐコンタクト２６がグリッド２４上に堆積され、このコンタクトからの電流がグリッドを通って各微小ＬＥＤ１２の最上層１６へ広がる。好ましい実施形態では最上層１６がｐ型であるので、このコンタクト２６はｐコンタクトと呼ばれる。

各微小ＬＥＤ上部の上の絶縁層を通して孔が形成され、微小ＬＥＤコンタクト２９が各絶縁層の孔内に設けられてグリッド２４と微小ＬＥＤの最上層１６の間のコンタクトを与えている。（この孔を除いた）微小ＬＥＤおよび第１のスプレッダ層の表面は、絶縁層２３によって電流広がりグリッドと電気的に分離されている。全体の構造は基板２８の上に形成され、コンタクト２２と２６の間にバイアスが印加されると各微小ＬＥＤが光を発するアレイを形成する。他の実施形態においては、第２のスプレッダ層としてグリッド２４の代わりに透明な導電性シートが使用される。

この新しいＬＥＤ１０は、この絶縁された微小ＬＥＤによってもたらされた発光面面積の増加により発光を高めた。各微小ＬＥＤの活性層から発生した光は、非常に短い距離だけ伝搬した後に微小ＬＥＤの端部と相互作用し合う。この光が臨界角以内であれば、微小ＬＥＤから射出してこのＬＥＤの発光に寄与する。この新しいＬＥＤは、電流スプレッダと基板の境界面における全内部反射（ＴＩＲ）のために放出された光の一部を基板へ伝えられないようなＬＥＤ構造に対して特に有効である。この状況は、サファイア、ＡｌＮまたはＭｇＯ基板上のＧａＮ系ＬＥＤについて言えることである。

この新しいＬＥＤ１０は、最初に第１のスプレッダ層２０を基板２８上に堆積させて製造する。次いで、ｎ型層、ｐ型層および活性層をエピタキシャル成長させて備えたＬＥＤ構造がこの第１のスプレッダ層２０の上に形成される。微小ＬＥＤは、湿式化学エッチング、ＲＩＥ、イオンミリングまたは半導体材料を除去するために使用されるその他の手法などの半導体エッチング手法を使用してこの構造のいくつかの部分をエッチンで取り去ることによりこのＬＥＤ構造から形成される。

エッチングして残った各微小ＬＥＤは、逆極性にドープされた層１６および１８によって囲まれる活性層を有する独立かつ電気的に分離されたデバイスを形成する。微小ＬＥＤ１２の形状と位置は変えることができるが、各微小ＬＥＤの好ましい形は円筒形である。上から見た場合、各微小ＬＥＤは直径が１と５０μｍの間の円形にみえる。この微小ＬＥＤは、用いられる微小ＬＥＤ空間を最大にするためにびっしりと詰まったパターンで形成することが好ましい。隣接する各微小ＬＥＤ間の分離は、本発明にとって決定的なものではないが、１から５０μｍの範囲が好ましい。絶縁層２３は、蒸着法、ＣＶＤ法またはスパッタリング法などの種々の方法でその構造全体上に堆積される。次いで、各微小ＬＥＤ１２の上の絶縁層２３内に開口部がエッチングによりあけられる。その後、微小ＬＥＤコンタクトおよび導電性グリッドが標準的な堆積手法によって堆積される。

第１のスプレッダ層２０は、基板が導電性であれば、基板上に堆積された導電層または基板それ自体のどちらでもよい。ＧａＮ系ＬＥＤに対する好ましい導電性基板には、ＧａＮまたはシリコンカーバイド（ＳｉＣ）がある。ＳｉＣはＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物に非常に近い結晶格子整合を有し、高品質のＩＩＩ族窒化物膜をもたらす。シリコンカーバイドはまた非常に高い熱伝導度を有し、その結果、シリコンカーバイド上のＩＩＩ族窒化物デバイスの全出力は（サファイア上に形成されたいくつかのデバイスの場合のように）基板の熱散逸（ｔｈｅｒｍａｌ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ）による制約を受けない。ＳｉＣ基板はノースカロライナ州ダラムのＣｒｅｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｉｎｃ．から入手することができ、またそれらの作成方法は科学的な文献ならびに米国特許第３４８６１号、同４９４６５４７号、５２０００２２号に記載されている。

基板が電流広がり層である場合は、底層コンタクトはメタリゼーションによってどのような基板露出面にも堆積させることができる。好ましいＬＥＤは、ＡｌＧａＩｎＮを主成分とし、最上層１６としてｐ型面を持つ微小ＬＥＤ１２を有する。この基板はサファイア、第１のスプレッダ層はｎ型ＡｌＧａＩｎＮ（またはその合金）、コンタクトメタリゼーションはＡｌ／Ｎｉ／Ａｕ、Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ、またはＡｌ／Ｐｔ／Ａｕである。絶縁層２３は、これに限定するものではないが、ＳｉＮ、ＳｉＯ_２、またはＡｌＮなど多くの材料から作成することができる。

グリッド２４は、金属、半金属、および半導体を含むすべての導電性材料が使用可能である。これはＡｌ、Ａｇ、Ａｌ／Ａｕ、Ａｇ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ、Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ、Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕまたはこれらの組み合わせで作成することができる。別法としては、グリッドをＰｄ、Ｐｔ、Ｐｄ／Ａｕ、Ｐｔ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、ＮｉＯ／Ａｕ、またはこれらの任意の合金のような薄い半透明の金属から作成することができる。グリッド２４は従来の多くの方法によってこの新しいＬＥＤ上に堆積させることができるが、好ましい方法は蒸発法またはスパッタリング法である。好ましい実施形態では、電流広がりグリッド２４の経路は１から１０μｍの幅を持つ。微小ＬＥＤコンタクト２９は、Ｐｔ、Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｄ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、ＮｉＯ、またはＮｉＯ／Ａｕから作成することができる。ｐコンタクト２６は、コンタクトからの電流がグリッド全体に広がることができるように、相互接続されたグリッド２４上の種々の場所に堆積させることができる。

図３は、フリップチップ実装を用い本発明によって構成されたＬＥＤ３０の第２の実施形態を示す。上記のように、完全なＬＥＤ構造の半導体材料をエッチングで取り除くことにより微小ＬＥＤ３２が配列して形成される。各微小ＬＥＤ３２は、逆極性にドープされた２つ層によって囲まれた活性層を有する。この微小ＬＥＤの配置や大きさは、上で説明した実施形態と同様である。しかしながら、この実施形態では、各微小ＬＥＤは角度をつけた側面を有し、その最上層は底層より狭くなっている。上記と同じように、この微小ＬＥＤのアレイは基板３６上に形成された第１のスプレッダ層３４の上に形成される。絶縁層３８は、微小ＬＥＤおよび隣接する微小ＬＥＤ間の第１のスプレッダの表面を覆っている。各微小ＬＥＤ３２の上の絶縁層内に、上部コンタクト４０用に孔が設けられている。第２のスプレッダ層４２がこの微小ＬＥＤアレイ全体を被覆して、この各上部コンタクト４０を相互に接続している。

第２のスプレッダ層４２の微小ＬＥＤと反対側の表面は、接着媒体によってサブマウント４６上の反射性の金属層４８に接着されている。ｐコンタクト４４がこの金属層４８上に設けられ、この第２のコンタクトに印加された電流は第２のスプレッダを通って上部コンタクト４０と微小ＬＥＤ３２の最上層へ広がっていく。金属層４８には分断された個所があり、ｐコンタクトを有する部分と電気的に分離された金属層４８のその部分の上にｎコンタクト５０が形成されている。フィンガ（ｆｉｎｇｅｒ）４９がサブマウントと第１のスプレッダの間に接着され、コンタクト５０からの電流を金属層４８およびこのフィンガを通して第１のスプレッダ３４へ伝える。この電流はその後第１のスプレッダを通り微小ＬＥＤの底層へ広がっていく。

このフリップチップの実施形態では、ＬＥＤ５０から出た光は主に基板３６を通って放出される。この第２のスプレッダ４２は光を反射することができ、その結果、微小ＬＥＤ３２から第２のスプレッダ４２の方向に放出された光は、このＬＥＤの基板３６に向けて反射される。第２のスプレッダとしてはＡｌまたはＡｇが好ましく使用され、各微小ＬＥＤ３２はＡｌＧａＩｎＮを主成分としｐ型の最上層を備える。各上部コンタクト４０は、Ｐｔ、Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｄ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、ＮｉＯまたはＮｉＯ／Ａｕが好ましい。

この実施形態は、微小ＬＥＤを分離した結果、側壁と放出された光の相互作用の増加をもたらしている。微小ＬＥＤの間に配置される第２のスプレッダ４２のこの部分は、微小ＬＥＤから出て基板に向かう光を反射することによってＬＥＥとして機能する。この形状もまた、サブマウントを介して、新しいＬＥＤチップから出る熱の伝達の改良をもたらす。

図４および５は、第１のスプレッダを第２のスプレッダと分離する絶縁層を持たない新しいＬＥＤ５１の他の実施形態を示す。代わりに、微小ＬＥＤ５２は、相互接続されたグリッド５４の導電性経路５３によって隣接する微小ＬＥＤに接続され、この経路の下には半導体材料がある。グリッド５４内の各開口部５５は、このＬＥＤ５０を製造するときに半導体材料をエッチングによってＬＥＤ構造から取り除いた部分である。この構造の各部が微小ＬＥＤ５２としてグリッド５４の下に残り、また、微小ＬＥＤ間のグリッド経路５３の下に半導体材料として残っている。この経路の下の微小ＬＥＤおよび半導体材料は、逆極性にドープされた２つ層によって囲まれた活性層を含み、この構造全体が第１のスプレッダ層５６および基板５８の上に形成されている。

第１のコンタクト６０が第１のスプレッダ上に堆積されて微小ＬＥＤの底層へ電流を印加し、第２のコンタクト６２が電流広がりグリッド上に設けられて微小ＬＥＤの最上層へ電流を広げている。これらのコンタクト６０および６２間にバイアスを印加すると、導電性経路の下の微小ＬＥＤと半導体材料へ電流が供給され、これらが両方とも光を発する。光は、この経路の下にある微小ＬＥＤ材料の側面から射出して全内部反射を避けている。したがってこの手法は一般に任意の基板上のどのようなＬＥＤ構造にも応用でき、標準的な加工方法で実施される。

このＬＥＤ５１は、最初に第１のスプレッダ層５６を基板５８上に堆積させ、次いでこの電流広がり層５６を覆う連続するＬＥＤ構造を形成することによって製造する。グリッド５４がこのＬＥＤ構造上に堆積され、このグリッドの開口部内に見えるＬＥＤ構造の部分が、湿式化学エッチング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、イオンミリングまたは半導体材料を取り除くために使用されるその他の手法などのさまざまな方法によりエッチングされて取り除かれる。ＬＥＤ構造のいくつかの部分はまた、コンタクトパッド６０用の区域を設けるために同様にエッチングされ、コンタクトパッド６０および６２が付着される。グリッド５４は、これに限定するものではないが、金属、半金属、および半導体またはこれらの組み合わせを含むどのような導電性材料からでも作成することができる。好ましい微小ＬＥＤは、ＧａＮを主成分とし、各微小ＬＥＤの最上層５５がｐ型ＡｌＧａＩｎＮまたはその任意の合金であり、グリッド５４はＮｉ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｐｔまたはこれらの任意の合金などの薄い金属から作成することが好ましい。

図４の破線は、１つの微小ＬＥＤと、以下においてさらに十分に説明するように、ＬＥＥを設けて光抽出をさらに向上できるこの微小ＬＥＤのまわりの区域とを示している。

図６および７は、異なる微小ＬＥＤとグリッドパターン７２および８２を備えた、新しいＬＥＤの別の２つの実施形態７０および８０を示すが、別の多くのパターンが使用可能である。各実施形態は、各底部広がりコンタクト７３および８３を有する。図６において、微小ＬＥＤ７４は十字形が相互に接続されたもので、電流がさまざまな経路を通って各微小ＬＥＤへ広がっている。各経路の下はこの経路を第１のスプレッダ層と分離する半導体材料である。グリッド７２は、光の相互作用ために、正方形配列パターンの開口部を形成している。

グリッド５４はグリッド７２を凌ぐ利点を持っている。ＬＥＤ７０においては、ＴＩＲ光はグリッドの多数の導電性経路の１つの下で反射する可能性があり、各微小ＬＥＤの１つの表面と相互に影響し合うこともなくＬＥＤ内部で反射する可能性がある。このグリッドまたはその下にある層に存在する光学的損失のために、光が新しいＬＥＤの最終端の外へと射出する前に、このＴＩＲ光の一部が吸収される状況が引き起こされる。グリッド５４の場合は、微小ＬＥＤから放出された光は短い距離（せいぜい微小ＬＥＤ長の２倍）だけ伝搬した後に側面へ達するのでこの問題を抑制し、これによってデバイスの外へ出て行く光が増加する。

図７において、微小ＬＥＤはランダムな形状をしており、ランダムに相互接続する経路を有している。これも同様に、この経路の下に半導体材料がある。ランダムなパターンにすることで、ＴＩＲが１つのグリッド開口部内で微小ＬＥＤの１つと出会うまでに伝搬する行路の数が減少する。上記と同様に、図６および７の微小ＬＥＤまわりの各破線は、以下においてさらに十分に説明するように、周辺にＬＥＥがある微小ＬＥＤ７６および８６を例示している。

開口部の寸法および開口部間の間隔は１から３０μｍの間が好ましいが、もっと大きくあるいは小さくできる。光の微小ＬＥＤ端との相互作用の性質はいかなる条件も必要としないので、この開口部のパターンは不規則なものでよく、あるいは規則的なものでもよい。ｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層についての好ましい実施形態においては、グリッド開口部は１から２０μｍの間であり、微小ＬＥＤの幅は１から３０μｍの間である。

前述の３つの実施形態はすべて、発光をさらに増加させるために各微小ＬＥＤの間のＬＥＥと一体化することができる。このＬＥＥは、第１のスプレッダ層を持たないこれらの実施形態において、微小ＬＥＤの側面、または、第１のスプレッダ層か導電性基板の表面のどちらにも形成することができる。

図８は、本発明における実施形態として包含されるＬＥＥの別のいくつかの形状を示すが、他の形状を使用することができ、本発明の範囲は図示した形状に限定されない。ＬＥＥ８２、８４、８６は湾曲した面を有し、一方、ＬＥＥ８８、９０、９２、９４は区分的に直線な面を有している。別法としては、ＬＥＥは光分散体（ｌｉｇｈｔ ｄｉｓｐｅｒｓｅｒ）として作用するランダムに粗くした層でもよい。

ＬＥＥは、湿式の化学エッチング、ＲＩＥ、またはイオンミリングなどの標準的なエッチング法で形成することができる。好ましい実施形態において、ＬＥＥは、市販のポリマー（紫外線または電子ビーム感光性フォトレジストなど）をアブレーション用エッチングマスクとして用いて形成することができる。このポリマーが最初に堆積され、そして角張った刃でパターンを形成される。このポリマーは、そのへりを徐々に直線のまたは湾曲した形状にするために、ある温度に加熱されてガラスのようにリフローされる。ポリマーの厚み、パターンの形状、加熱温度および加熱時間がこのへりの形状を決定することになる。このパターンは、ＲＩＥによってＡｌＧａＩｎＮ系の微小ＬＥＤに転写される。直線のまたは湾曲したＬＥＥはこの方法によって容易に作成され、また区分的に直線なＬＥＥは多数のアブレーション用エッチングマスクを使用して容易に形成することができる。

ＬＥＥを形成する２番目の方法は、負極性（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｐｏｌａｒｉｔｙ）の紫外線に露光可能なフォトレジストを使用する方法である。最初に、フォトレジストは特定の露光時間の間露光され、負極性を生じるように処理される。次に、このフォトレジストは現像されて、そのプロフィールが、アンダーカット湾曲または直線の形状を生じる。このパターンは、その後の乾燥エッチング手法によって半導体材料に転写することができる。両方の実施形態において、乾燥エッチング条件は半導体材料中のレンズの最終的な形状にも影響を及ぼす。

図９〜１５は、光抽出を向上させるためにＬＥＥをさまざまなやり方で微小ＬＥＤのアレイ内に一体化した新しいＬＥＤの実施形態を示す。これらの実施形態は本発明によってＬＥＥを使用することができる実行可能な方法のうちのごく一部を示したもので、本発明の範囲は説明したこの実施形態に限定されない。

図９は、図４および５のＬＥＤ５０と同様であるが、微小ＬＥＤ１０４の間にＬＥＥ１０１、１０２、１０３を有する新しいＬＥＤ１００を示す。このＬＥＥ１０１、１０２、１０３によって、微小ＬＥＤの側面を通るように向いた光がＬＥＥで反射し、基板から離れてパッケージ内に入るように向きを変えることが可能になる。ＴＩＲによって基板１０８と第１のスプレッダ層１０６の間の界面で反射する光線もまた、ＬＥＥ１０１、１０２、１０３と相互に影響し合いパッケージ内へと脱出し、高い光出力をもたらす。図８に描いたＬＥＥはその上に堆積させることができ、あるいは加工して新しいＬＥＤ内へ組み込むこともできる。上記したように、このＬＥＥの深さは変えることができるが、好ましい深さは０．５μｍから１０μｍの範囲にある。

図１０は、図９のＬＥＤ１００と同様であるが、微小ＬＥＤ１１３の間にランダムに表面を粗くした分散（ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）ＬＥＥ１１２を有する新しいＬＥＤ１１０を示す。光と表面を粗くした層との相互作用によって、ＴＩＲ光は吸収される前に臨界角以内で表面に達し脱出することができる。好ましい実施形態では、粗くした表面は、ポリスチレンまたはシリカの微小球をエッチングマスクとして使用して半導体内に微小尺度の粗さを転写することにより形成される。ランダムな粗さの深さと幅は２０ｎｍ未満から５００ｎｍ以上にすることができるが、ＬＥＤが発生する光の波長程度の寸法が好ましい。

図１１は、図１０のＬＥＤ１１０と同様であるが、微小ＬＥＤ内に電流ブロッキング層を備えた新しいＬＥＤ１２０を示す。このブロッキング層１２２は、電流を分散的（ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ）なＬＥＥ１２４の下に向けて、光がこのＬＥＥと相互に影響し合って脱出する機会を増加させている。

各微小ＬＥＤ間にＬＥＥを形成する別法として、ＬＥＥを微小ＬＥＤの側面上に直接形成することができる。図１２は図９、１０および１１のＬＥＤと同様であるが、種々のＬＥＥ１３１〜１３３が各微小ＬＥＤの側面上に直接形成された新しいＬＥＤ１３０を示す。このＬＥＥは上記で説明したのと同じ方法を使用して形成することができる。微小ＬＥＤ側面に向かって伝搬する光は、第１のスプレッダ層１３５または微小ＬＥＤ１３２を通り基板１３４の表面から外へ光を脱出させる方向に向きが変えられる。基板１３４から反射して戻る光もまた、微小ＬＥＤ端上のＬＥＥによって脱出の機会が増える。

図１３は湾曲した表面のＬＥＥ１４２が微小ＬＥＤ１４４の側面上に形成された新しいＬＥＤ１４０を示す。この湾曲した表面のＬＥＥ１４２はＬＥＤ光をもっとよく限定した方向に集束させるという利点をさらにもたらす。このＬＥＥ１４２の深さと幅は変えることができるが、どれか１つのＬＥＥの好ましい深さは０．１μｍから５０μｍである。

２つの付加的な実施形態が図１４および１５に示される。図１４は微小ＬＥＤ１５４の側面上にある湾曲表面のＬＥＥ１５２と微小ＬＥＤ１５４の間にある完全湾曲表面のＬＥＥ１５６の組み合わせを備えた新しいＬＥＤ１５０を示す。この各ＬＥＥは、光を屈折および反射してＬＥＤパッケージの外へ出すことにより、協働して光抽出を高める。

図１５は、図３に示す実施形態と同様なフリップチップ実施形態の取付を使用し、湾曲した表面のＬＥＥ１６２が微小ＬＥＤ１６４の側面上にある新しいＬＥＤ１６０を示す。第２のスプレッダ１６４が反射性で、基板１６６が主要発光面である。このＬＥＥ１６２および第２のスプレッダ１６４の各部分は、光を屈折および反射して基板を通してＬＥＤパッケージの外へ出すことにより、協働して光抽出を高める。

本発明について本発明のある好ましい形状を参照してかなり詳細に説明してきたが、他の種類が可能である。たとえば、このアレイ中の微小ＬＥＤの底層を接触状態にすることができる。光抽出構造は、いろいろ組み合わせを変えて用いること可能であり、いろいろな形や大きさが可能である。また、以上に説明したＬＥＤ構造は、逆極性にドープされた層の間に挟まれる活性層を複数備えることが可能である。したがって、添付した特許請求の趣旨と範囲は上で説明した好ましい実施形態に限定されるべきではない。

微小ＬＥＤのアレイが、電気絶縁層上に相互接続電流広がりグリッドを有する新しいＬＥＤの平面図である。 図１に示される新しいＬＥＤを線２−２に沿ってみた断面図である。 微小ＬＥＤのアレイがフリップチップ実装を用いてサブマウントに結合された新しいＬＥＤの他の実施形態の断面図である。 導電性の相互接続電流広がりグリッドとこのグリッドの下の半導体材料を備える新しいＬＥＤの第３の実施形態の平面図である。 図４に示されるＬＥＤを線４−４に沿ってみた断面図である。 代わりの相互接続電流広がりグリッドの平面図である。 他の代わりの相互接続電流広がりグリッドの平面図である。 この微小ＬＥＤ内に一体化できる光抽出素子（ＬＥＥ）の基本的な形状の断面図である。 別のＬＥＥがこの微小ＬＥＤの間に形成された新しいＬＥＤの断面図である。 表面をランダムに凹凸加工した形状のＬＥＥを備えた新しいＬＥＤの断面図である。 電流広がりグリッドの直下に電流ブロッキング層を有する図１０の微小ＬＥＤアレイの断面図である。 ＬＥＥが微小ＬＥＤの側面に一体化された新しいＬＥＤの断面図である。 湾曲した表面のＬＥＥが微小ＬＥＤの側面に一体化された新しいＬＥＤの断面図である。 湾曲した表面のＬＥＥが微小ＬＥＤの側面および微小ＬＥＤの間に一体化された新しいＬＥＤの断面図である。 湾曲したＬＥＥを持つ図４の新しいＬＥＤの断面図である。

Claims (14)

1. 光抽出を向上させた発光ダイオード（ＬＥＤ）であって、
   導電性の第１のスプレッダ層（２０）と、
   前記第１のスプレッダ層（２０）の表面上に分離して配置され、それぞれが
   ｐ型層（１６）、
   ｎ型層（１８）、
   前記ｐ型層とｎ型層（１６、１８）との間に挟まれた活性層（１４）を含み、前記ｐ型層またはｎ型層の何れか一方が最上層で他の前記層が底層であり、前記第１のスプレッダ層（２０）からの電流が前記底層に広がるようにした、複数の微小発光ダイオード（微小ＬＥＤ）（１２）と、
   前記微小ＬＥＤ（１２）の上の相互接続された第２のスプレッダ層（２４）とを備え、前記第２のスプレッダ層（２４）からの電流が前記最上層に広がり、前記第１および前記第２のスプレッダ層（２０、２４）の間に印加されたバイアスによって前記微小ＬＥＤ（１２）が発光するようにしたことを特徴とする発光ダイオード（ＬＥＤ）。
   
2. 前記第１のスプレッダ層（２０）の前記微小ＬＥＤ（１２）と反対側の表面に隣接する基板（２８）をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ。
   
3. 前記微小ＬＥＤ（１２）と前記微小ＬＥＤ（１２）間の前記第１のスプレッダ層（２０）の表面とを覆い、前記第２のスプレッダ層（２４）と前記微小ＬＥＤ（１２）との間に配置された前記絶縁層（２３）をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ。
   
4. 前記絶縁層（２３）が前記微小ＬＥＤ（１２）の各々の上に孔を有し、前記第２のスプレッダ層（２４）が前記孔を通じて前記微小ＬＥＤ（１２）の各々と接触することを特徴とする請求項３に記載のＬＥＤ。
   
5. 前記第２のスプレッダ層（２４）が、複数の相互に接続された導電性経路を有する相互接続電流広がりグリッドであり、前記微小ＬＥＤ（１２）の各々が、その上にありかつ前記孔を通じて前記最上層と接触している１つまたは複数の導電性経路を有することを特徴とする請求項４に記載のＬＥＤ。
   
6. 前記微小ＬＥＤ（１２）と一体化され、前記微小ＬＥＤ（１２）から射出する光と相互作用して、前記ＬＥＤからの光抽出をさらに向上させるようにした光抽出素子（ＬＥＥ）（８２、８４、８６、８８、９０、９２、９４）をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ。
   
7. 前記ＬＥＥ（１０１、１０２、１０３）が前記微小ＬＥＤ（１０８）の間の前記第１のスプレッダ層（１０６）の表面に配置されたことを特徴とする請求項６に記載のＬＥＤ。
   
8. 前記第２のスプレッダ層（４２）が前記微小ＬＥＤ（３２）の上に堆積された反射性の金属層であり、前記ＬＥＤが前記第１のスプレッダ（３４）の前記微小ＬＥＤ（３２）と反対側の表面に隣接する基板（３６）と前記金属層（４２）に取り付けられたサブマウント層（４６）とをさらに備え、前記ＬＥＤの前記基板（３６）が主要発光面になることを特徴とする請求項４に記載のＬＥＤ。
   
9. 前記サブマウント層（４６）と前記第１のスプレッダ層（３４）との間の導電性フィンガ（４９）と、前記導電性フィンガ（４９）に接続された前記サブマウント層（４６）の上の第１のコンタクト（５０）と、前記金属層（４８）に接続された前記サブマウント層（４６）の上の第２のコンタクト（４４）とをさらに備え、バイアスが前記電気的コンタクト（４４、５０）の間に印加されると前記微小ＬＥＤ（３２）が発光することを特徴とする請求項８に記載のＬＥＤ。
   
10. 第１のスプレッダ層（５６）と、
    前記第１のスプレッダ層（５６）上に配置され、前記第１のスプレッダ層（５６）に注入された電流が広がっていく微小ＬＥＤ（５２）のアレイと、
    前記微小ＬＥＤ（５２）の上に配置され、前記微小ＬＥＤ（５２）の間に導電性経路（５３）を有し、注入された電流が前記微小ＬＥＤ（５２）に広がっていく相互接続された電流広がりグリッド（５４）と、
    前記導電性経路（５３）の下の微小ＬＥＤ（５２）の間にあって、前記第１のスプレッダ層（５６）を前記導電性経路（５３）と電気的に絶縁している半導体材料と、
    コンタクト（６０、６２）にわたって印加されたバイアスが前記微小ＬＥＤ（５２）のアレイの発光を引き起こす、前記第１および第２のスプレッダ層（５６、５４）のそれぞれの上にある第１および第２のコンタクト（６０、６２）とを備えることを特徴とする発光ダイオード（ＬＥＤ）。
    
11. 前記複数の微小発光ダイオード（微小ＬＥＤ）（１２）は、前記第１のスプレッダ層（２０）の表面上に直接配置される請求項１に記載のＬＥＤ。
    
12. 前記第２のスプレッダ層（２４）は、共に相互接続される複数の導電性経路を備えている請求項１に記載のＬＥＤ。
    
13. 前記微小ＬＥＤ（５２）のアレイは、前記第１のスプレッダ層（５６）の表面上に直接配置される請求項１０に記載のＬＥＤ。
    
14. 複数の前記導電性経路（５３）が共に相互接続される請求項１０に記載のＬＥＤ。

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