JP6033249B2 - Ｌｅｄ用低光学損失電極構造体 - Google Patents

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Description

本発明は、概して発光ダイオード（ＬＥＤ）に関する。より具体的には、本発明は、光学的損失を低減し、よってＬＥＤの明るさ及び／または効率を高め得る電極構造体に関する。
インジケータとしての発光ダイオード（ＬＥＤ）の使用は周知である。ＬＥＤは、家庭用電化製品においてこの目的で広く使用されている。例えば、赤色ＬＥＤは一般に、ラジオ、テレビ、ビデオレコーダ（ＶＣＲ）等のデバイスへ電力が印加されていることを示すために使用される。
このような当代のＬＥＤは、概してその意図される目的に適していることを証明しているが、その全体の有効性及び望ましさを低下させる特有の欠陥を有している。例えば、このような当代のＬＥＤの光出力は、望まれるものほど充分ではない場合がある。これは、当代のＬＥＤが、例えば周囲照明である全般照明を設ける等の幾つかの用途において機能する能力を制限する。このような目的に対しては、当代の高出力ＬＥＤでも充分な照明を提供できない。
明るさが不十分であるというこの問題の少なくとも一部は、当代のＬＥＤの非効率に起因する。ＬＥＤの効率は、消費される電力に対するもたらされる光量の尺度である。当代のＬＥＤは、発する光の幾分かが内部吸収によって失われることから、本来備わっている効力を充分に発揮していない。このような内部吸収は、ＬＥＤから抽出することができる光量を制限し、よって望ましくなくその効率を下げる。
このように、当代のＬＥＤは、概してその意図される目的に適していることを証明してはいるが、その全体の有効性及び望ましさを低下させる特有の欠陥を有している。従って、高められた明るさ及び／または効率を有するＬＥＤを提供することが望ましい。
本明細書では、より明るく、かつ／またはより効率的なＬＥＤを提供するシステム及び方法を開示する。例えば、本発明の一実施の形態によれば、ＬＥＤは、金属電極を含む反射電極構造体を備えることができる。
より具体的には、電極は、中心波長λを有する光を発する半導体材料上に形成されることが可能である。この光は、全方向へ放射される。半導体材料上には、比較的厚い、光透過性の誘電体材料を形成することができる。電極の一部は、この比較的厚い誘電体材料上で形成されることが可能である。この電極の別の部分は、半導体材料と電気接触していてもよい。電極は、厚い誘電体と協働して、電極方向へ放射される光が反射されて半導体材料内に戻り、よってＬＥＤから抽出される別の機会を有するように反射を高める。
本明細書で使用する波長（λ）という用語は、光が通過している材料の内部における光の波長をいう。従って、例えば半導体材料内部の光が言及されている場合、この光の波長はその半導体材料内での波長である。
厚い誘電体の厚さは、１／２λを超えてもよく、λは厚い誘電体材料の内部での光の波長である。厚い誘電体材料は、半導体材料の屈折率より小さい屈折率を有してもよく、そ
の値は１．０以上である。発光半導体材料としては、例えば、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＮ及び／またはＧａＡｓＰが含まれてもよい。他の材料が同様に適切である可能性もある。
光透過性の厚い誘電体層は、例えば二酸化珪素、一酸化珪素、ＭｇＦ２及びシロキサン重合体等のような材料及び／または空気による比較的厚い層であってもよい。他の材料が同様に適切である可能性もある。
金属電極と半導体との間には、オーム接触層が存在してもよい。オーム接触層としては、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化ニッケル及び／またはＲｕＯ２が含まれてもよい。他の材料が同様に適切である可能性もある。オーム接触層は、重ドープ層を含む半導体デバイスの一部であってもよい。
金属電極と半導体との間には、電流拡散層が存在してもよい。電流拡散層としては、例えば、酸化インジウムスズ、酸化ニッケル及びＲｕＯ２から構成される。他の材料が同様に適切である可能性もある。
厚い誘電層と金属電極との間には、一連の１つまたは複数の対のＤＢＲ誘電体層は、この対の各ＤＢＲ誘電体層が光透過性を有し、また、互いに異なる屈折率を有し、さらに／または約１／４λの奇数倍数の厚さを有するように形成されてもよい。
対のＤＢＲ誘電体材料の各層としては、例えば、二酸化チタンＴｉＯ２、Ｔｉ３Ｏ５、Ｔｉ２Ｏ３、ＴｉＯ、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２ＺｒＯ２Ｎｂ２Ｏ５、ＣｅＯ２、ＺｎＳ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＮ、五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、シロキサン重合体、ＳｉＯ、ＳｉＯ２及び／またはＭｇＦ２が含まれてもよい。他の材料が同様に適切である可能性もある。
金属電極は１つまたは複数の金属層で構成されてもよく、各金属層は、Ａｌ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｔ、ニッケル／金合金、クロム／金合金、銀／アルミニウム混合物及びこれらの組合せからなるグループから選択されてもよい。他の材料が同様に適切である可能性もある。
ＬＥＤは、縦または横の何れの構造を有してもよい。金属電極の一部は、ワイヤボンディングのための領域を形成してもよい。金属電極の一部は、厚い誘電体材料の端部で半導体材料と電気接触することができる。金属電極の一部は、厚い誘電体材料における開口を介して半導体材料と電気接触する。
本発明の一実施の形態によれば、ＬＥＤ用反射電極構造体は金属電極を備える。ＧａＮ材料は、ある中心波長λの辺りで発光する。ＧａＮ材料上には、比較的厚い二酸化珪素材料が形成されてもよい。電極の一部は、この厚い誘電体材料上に形成されてもよい。該電極の別の部分は、半導体材料とオーム接触していてもよい。厚い誘電体は、１／２λを超える厚さを有してもよい。誘電体材料及び金属電極は共に、ＩＴＯ層または同様に適切である可能性のある他の材料を介して半導体に物理的に接触することができる。
本発明の一実施の形態によれば、反射電極構造体は金属電極を備え、ＧａＮ材料はある中心波長λの辺りで発光する。ＧａＮ材料上には、厚い二酸化珪素材料が形成されてもよい。厚い二酸化珪素材料上には、一連の少なくとも１つのＤＢＲ対が形成されてもよい。
電極の一部は、厚い誘電体及びＤＢＲ対の双方の上に形成されてもよい。該電極の別の部分は、半導体材料とオーム接触していてもよい。厚い誘電体の厚さは、１／２λを超え
てもよい。
ＤＢＲ対の各層は光透過性であってもよく、また、互いに異なる屈折率を有してもよく、かつ厚さは約１／４λの奇数倍であってもよい。厚い誘電体及び金属電極は共に、ＩＴＯ層を介して半導体と物理的に接触することができる。
従って、本発明の１つ以上の実施の形態によれば、より明るいかつ／またはより効率的なＬＥＤを提供することができる。ＬＥＤの明るさ及び／または効率の増大は、全般照明を含むより広範な用途に対してＬＥＤをより適切なものにし、その有用性を高める。
本発明は、添付の図面を参照して行われる以下の詳細な説明によって、より充分に理解されるであろう。
本発明の実施の形態及びその利点は、以下の詳細な説明を参照することによって最もよく理解される。１つまたは複数の図に示されている類似の参照符号は類似の要素を識別するために使用されていることは認識されるべきである。
臨界角の概念を示す概略図である。 当代の横型ＬＥＤ構造体を示す半概略的斜視図である。 当代の縦型ＬＥＤ構造体を示す半概略的斜視図である。 当代のＧａＮ／Ｃｒ／Ａｕ境界面における光反射を示す半概略図である。 異なる入射角に関する、図４ＡのＧａＮ／ＣｒＡｕ境界面における反射率を示すチャートである。 オーム接触層を有する当代の電極構造体を示す半概略図である。 オーム接触層／電流拡散層を有する当代の電極構造体を示す半概略図である。 ボンドパッドとしても機能できる円形接続を示す、当代のＬＥＤダイの一部の半概略的平面図である。 円形のボンドパッドを有する十字形接続を示す、当代のＬＥＤダイの一部の半概略的平面図である。 より大きいＬＥＤとの使用に適しかつボンドパッドとしても機能できる円形接続を有する例示的な接続幾何学形状を示す、当代のＬＥＤダイの一部の半概略的平面図である。 当代の低アスペクト比の電極構造体を示す半概略的側面図である。 高アスペクト比の電極構造体を示す半概略的側面図である。 当代のＡｇ境界面における光反射を示す半概略図である。 異なる入射角に関する、図８ＡのＡｇ境界面における反射率を示すチャートである。 当代の縦型ＬＥＤ構造体のＧａＮ／ＳｉＯ２／Ａｇ境界面における光反射を示す半概略図である。 異なる入射角に関する、図９ＡのＧａＮ／ＳｉＯ２／Ａｇ境界面における反射率を示すチャートである。 当代のＧａＮ／空気境界面における光反射を示す半概略図である。 異なる入射角に関する、図１０ＡのＧａＮ／空気境界面における反射率を示すチャートである。 ＧａＮ／ＳｉＯ２境界面における光反射を示す半概略図であり、厚い誘電体は本発明の一実施の形態によるものである。 異なる入射角に関する、図１１ＡのＧａＮ／ＳｉＯ２境界面における反射率を示すチャートである。 本発明の一実施の形態によるＧａＮ／ＳｉＯ２／Ａｌ境界面における光反射を示す半概略図である。 異なる入射角に関する、図１２ＡのＧａＮ／ＳｉＯ２／Ａｌ境界面における反射率を示すチャートであり、ＳｉＯ２層の厚さは、本発明の一実施の形態による入射光の波長の１と３／４倍以下である。 異なる入射角に関する、図１２ＡのＧａＮ／ＳｉＯ２／Ａｌ境界面における反射率を示すチャートであり、ＳｉＯ２層の厚さは、本発明の一実施の形態による入射光の波長の１と３／４倍より大きい。 本発明の一実施の形態による、ＳｉＯ２及びＴｉＯ２の交互層から構成される分布型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）における光反射を示す半概略図である。 本発明の一実施の形態による、異なる入射角に関する図１３ＡのＤＢＲ層における反射率を示すチャートである。 本発明の一実施の形態による、異なる入射角に関する幾つかの材料の反射率を示すチャートである。 本発明による懸垂電極の第１の例示的な実施の形態を示す半概略図である。 本発明による懸垂電極の第２の例示的な実施の形態を示す半概略図である。 本発明による懸垂電極の第３の例示的な実施の形態を示す半概略図である。 本発明による懸垂電極の第４の例示的な実施の形態を示す半概略図である。 本発明による懸垂電極の第５の例示的な実施の形態を示す半概略図である。 本発明による懸垂電極の第６の例示的な実施の形態を示す半概略図である。 本発明によるオーム接触層を有する懸垂電極の第１の例示的な実施の形態を示す半概略図である。 本発明によるオーム接触層を有する懸垂電極の第２の例示的な実施の形態を示す半概略図である。 本発明によるオーム接触層を有する懸垂電極の第３の例示的な実施の形態を示す半概略図である。 本発明によるオーム接触層を有する懸垂電極の第４の例示的な実施の形態を示す半概略図である。 本発明によるオーム接触層を有する懸垂電極の第５の例示的な実施の形態を示す半概略図である。 本発明によるオーム接触層を有する懸垂電極の第６の例示的な実施の形態を示す半概略図である。 当代の横型ＬＥＤ構造体を示す断面図である。 図１７ＡのＬＥＤの製造プロセスにおける幾つかの工程を示す半概略的斜視図である。 図１７ＡのＬＥＤの製造プロセスにおける幾つかの工程を示す半概略的斜視図である。 図１７ＡのＬＥＤの製造プロセスにおける幾つかの工程を示す半概略的斜視図である。 本発明の一実施の形態による横型ＬＥＤ構造体を示す断面図である。 図１８ＡのＬＥＤの製造プロセスにおける幾つかの工程を示す半概略的斜視図である。 図１８ＡのＬＥＤの製造プロセスにおける幾つかの工程を示す半概略的斜視図である。 図１８ＡのＬＥＤの製造プロセスにおける幾つかの工程を示す半概略的斜視図である。 図１８ＡのＬＥＤの製造プロセスにおける幾つかの工程を示す半概略的斜視図である。 本発明の一実施の形態による横型ＬＥＤ構造体を示す断面図である。 図１９ＡのＬＥＤの製造プロセスにおける幾つかの工程を示す半概略的斜視図である。 図１９ＡのＬＥＤの製造プロセスにおける幾つかの工程を示す半概略的斜視図である。 図１９ＡのＬＥＤの製造プロセスにおける幾つかの工程を示す半概略的斜視図である。 図１９ＡのＬＥＤの製造プロセスにおける幾つかの工程を示す半概略的斜視図である。 本発明の一実施の形態による懸垂構造の別の実施形態を示す半概略的斜視図である。 本発明の一実施の形態による懸垂構造の別の実施形態を示す半概略的斜視図である。 細長いＬＥＤにおける本発明の例示的な一実施の形態を示す半概略図である。 細長いＬＥＤにおける本発明の例示的な一実施の形態を示す半概略図である。 細長いＬＥＤにおける本発明の例示的な一実施の形態を示す半概略図である。 細長いＬＥＤにおける本発明の例示的な一実施の形態を示す半概略図である。 細長いＬＥＤにおける本発明の例示的な一実施の形態を示す半概略図である。 細長いＬＥＤにおける本発明の例示的な一実施の形態を示す半概略図である。 細長いＬＥＤにおける本発明の例示的な一実施の形態を示す半概略図である。 細長いＬＥＤにおける本発明の例示的な一実施の形態を示す半概略図である。 細長いＬＥＤにおける本発明の例示的な一実施形態を示す半概略図である。
発光デバイス（ＬＥＤ）は、電流による励起に応答して光を発する。ある典型的なＬＥＤは、有機金属気相成長法またはこれに類似する技術によって基板に成長したヘテロ構造体を有する。ＬＥＤのヘテロ構造体は、間に光生成層、即ち活性領域を挟むｎ型及びｐ型半導体層を含む。例示的な活性領域は、バリア層に包囲される量子井戸であり得る。典型的には、電気接続はｎ型及びｐ型半導体層へ付着される。電気接続に順方向バイアスが印加されると、ｎ型及びｐ型層から電子及び正孔が流れ、活性領域に光が生成される。光は、これらの電子及び正孔が活性領域において互いに再結合することにより周知の原理に従って生成される。
ＬＥＤが電気を光に変換する効率は、内部量子効率と、光抽出効率と、電気抵抗に起因する損失との積によって決定される。内部量子効率は、半導体層の品質及びデバイスのエネルギー帯構造によって決定される。これらは共に、半導体層の堆積中に決定される。
光抽出効率は、活性層内で発生する光に対してＬＥＤチップを出る光の割合である。光抽出効率は、ＬＥＤの幾何学的形状、半導体層における光の自己吸収、電気接続による光の吸収、及びＬＥＤに接触してデバイスをパッケージに搭載するために使用される材料による光の吸収によって決定される。
半導体層は、比較的高い屈折率を有する傾向がある。その結果、ＬＥＤの活性領域内で生成される光の大部分は、チップの複数の表面により内部反射を繰り返してから該活性領域を出て行く。高い光抽出効率を達成するためには、半導体層、及びチップへの電気接続部による光の吸収を最小限に抑えることが重要である。これらの層が、透明または高反射性であることによって極めて低い光吸収性を有するように製造されれば、ＬＥＤにおける全体的な光抽出はかなり高められる。
ここで図１を参照すると、高屈折率の媒体１１の内部の光は、より低い屈折率の媒体１２との境界面へ入射する。光は、異なる角度で入射し得る。高屈折率媒体１１からの光は、より低い屈折率の媒体１２との境界面に当たると、より低い屈折率の媒体１２内へ透過されるか、より高い屈折率の媒体１１内へ反射されて戻るかの何れかである可能性がある。
スネルの法則により、屈折率ｎ１を有する材料からより低い屈折率ｎ２を有する材料へ向かって臨界角θｃより小さい角度で進入する光の一部は、より低い屈折率の材料内へ入る。これは、図左側の、より高い屈折率ｎ１を有する材料からより低い屈折率ｎ２を有する材料内へ続く矢印によって示される。
反対に、スネルの法則により、より高い屈折率ｎ１を有する材料からより低い屈折率ｎ２を有する材料へ向かって臨界角θｃより大きい角度で進む光は全て、より高い屈折率の材料内へ反射して戻される。このメカニズムは内部全反射（ＴＩＲ）として知られ、図右側の、より高い屈折率ｎ１を有する材料からより低い屈折率を有する材料内へ続いていない矢印によって示され、この矢印は、より高い屈折率を有する材料内へ戻って延伸する。
材料の外側に存在する屈折率より高い屈折率を有する材料内の光（空気または封入用エポキシが外側材料である場合の半導体材料内の光等）は、θｃより大きい角度で境界面に入射すると内部全反射になる。典型的な半導体材料は、周囲空気（屈折率１．０を有する）または封入用エポキシ（約１．５の屈折率を有し得る）より高い屈折率を有する。
ＬＥＤでは、この光は反射されてＬＥＤチップに戻り、ここで他の材料による望ましくないさらなる吸収が発生する。この望ましくない吸収は、ＬＥＤが供給する光量を低減してＬＥＤの効率を下げる。
従来のＬＥＤでは、構造体内で生成される光の大部分が半導体チップを出る前に内部全反射によって失われる。従来のサファイア基板上の窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースＬＥＤの場合、放出される光の約７０％がサファイア基板とＧａＮの外表面との間に閉じこめられ得る。この光は内部全反射によって繰返し反射され、そして、金属電極及び他の材料による多重の吸収により失われる。従って、この吸収を最小限に抑える傾向のある構造体を製作することが望ましい。
本明細書で使用している電極という用語は、ＬＥＤの半導体材料へ電流を供給する導体（金属導体等）をいうことができる。従って、電極は半導体材料と電気接触していてもよい。しかしながら、必ずしも電極の全ての部分が半導体材料に接触する必要はない。実際に、本発明の１つまたは複数の実施の形態によれば、電極の一部は半導体材料に接触し、電極の他の部分は半導体に電気接触していない。
次に図２を参照すると、当代の横型ＬＥＤ構造体が示されている。ＬＥＤ２０のｐ層２１及びｎ層２２の表面の領域は、電極２３及び２４を形成すべく金属化されることが可能である。ｐｎ接合部または活性領域２６は、ｐ層２１とｎ層２２との間に存在する。電極２３及び２４は、ＬＥＤ２０へ電力を供給する手段を提供する。半導体がサファイア等の材料で構成される光透過性の非導電性基板２３により支持されているデバイス構造体の場合、ｐ層２１及びｎ層２２への電気接点は上面から形成される必要がある。
図２に示す構成では、ｐ層２１は既に上面に露出されていて、ｐ層２１との電気接点を容易に形成することができる。しかしながら、ｎ層２２はｐ層２１及び活性領域２６の双方の下に埋められている。ｎ層２２への電気接点を形成するために、ｐ層２１及び活性層２６の一部を除去して（除去された部分は点線で示されている）下にあるｎ層２２を露出させる。これにより切欠き領域２８が形成される。切欠き領域２８の形成後、ｎ層電気接続または電極２４を形成することができる。
図２に示すようなデバイス構造体により、結果的に電流は概して横方向へ流れる。これは横型構造体と称される所以である。このような横型構造体における１つの欠点は、ｎ電極２４を形成できるように、光を生成する活性領域の一部を除去して切欠き領域２８を形成する必要があることにある。当然ながら、これは、活性領域の面積を減少し、結果的にＬＥＤ２０の光を生成する能力を下げてしまう。
次に図３を参照すると、ＬＥＤ３０は、（協働して活性領域３６を画定するｐ層３１及びｎ層３２から構成される）半導体が導電性基板３７によって支持される構造体を代替的に備えることができる。基板３７は、炭化珪素等の光透過性導電性材料で形成されても、銅またはモリブデン等の光不透過性導電性基板で形成されてもよい。このようなＬＥＤは、基板に接触するｎ層またはｐ層の何れかを有するように構成されることが可能である。
このようなＬＥＤでは、導電性基板３７が一方の電極として機能し、他方の電極３３は、例えばｐ層３１である上面に容易に形成されることが可能である。接続または電極はＬＥＤ３０の反対する両面に存在することから、電流の流れは概して垂直方向になる。従って、このようなデバイスは縦型構造体と称される。
金属電極が使用されるＬＥＤが縦型構造体であるか横型構造体であるかに関わらず、金属電極は類似の要件を満たす必要がある。これらの要件には、優れた接着性、半導体へオーム接触する能力、優れた導電性、及び高い信頼性が含まれる。これらの要件は、２つ以上の層を使用することによって満たされる場合が多い。例えば、クロムまたはチタン等の第１の金属層は、優れた接着性及びオーム接触をもたらすことができ、銀または金等の第２の金属層は優れた導電性をもたらすことができる。
クロムは優れた接着性を有し、かつ金は優れた導電体ではあるが、これらの材料は何れも可視領域において優れた光反射性を有していない。光反射性及び対応する光吸収性は、これらの構造体の屈折率及び対応する厚さから計算されることが可能である。
本明細書において材料の厚さが明記されていない場合、その厚さは、光干渉効果が問題とならない程度厚いと想定することができる。例えば、その場合の反射率計算は、典型的には、入射及び出射の媒体が半無限であることを想定する。厚さが明記されていない金属反射層の場合、これらの層は、金属の反対面にさほど光が届かないほど厚く、典型的には数千ナノメートルであると想定される。表１は、本開示において全ての反射率曲線の計算に使用されている屈折率の値を示す。
Figure 0006033249
 本開示において参照されている材料の厚さは、μｍ（μｍ）またはナノメートル（ｎｍ）等の絶対単位ＴＡＢＳで表すことができる。或いは、材料の厚さは、媒体内の波長数に対する相対値ＴλＲｅｌで与えられてもよい。波長数（λ）として表される場合、そのパラメータは、特に材料自体内の光の波長をいう。これは、下記の式１が示すように、材料の屈折率（Ｎ）で乗算されることによって絶対厚さに変換されてもよい。例えば、４５０ｎｍの波長に対して１／４λのＳｉＯ２は、７６．８ｎｍである（０．２５／１．４６５×４５０）。
ＴＡＢＳ＝（ＴλＲｅｌ／Ｎ）・λ （式１）
入射角の関数としての光反射率曲線は、２つの成分、即ちP偏光の光とS偏光の光とを有する。P偏光の光はブルースターの角を経験し、S偏光の光より低い全体反射率を有する。
次に図４Ａを参照すると、半導体４１内で発生する光に対する電極４４の反射を示す当代の半導体及び電極構造体の図が示されている。電極は、典型的なクロム４２／金４３電極構造を使用し、ＧａＮ半導体４１上に形成されている。入射角４５度での反射の場合、P偏光及びS偏光の光の平均僅か２５％が反射され、光の７５％は吸収される。従って、この当代の構造は吸収性が高く、望ましくない。
図４ＡはＧａＮ上に形成された金／クロム金属電極構造体を示しているが、他の金属及び半導体材料が代わりに使用されることも可能である。
次に図４Ｂを参照すると、異なる入射角に関する、図４ＡのデバイスのＧａＮ／Ｃｒ／Ａｕ境界面における反射率がチャートで示されている。
次に図５Ａを参照すると、当代のより一般的な接続構造体が示されている。このより一般的な接続構造体によれば、金属接続５３と半導体材料５１との間にオーム接触及び／または電流拡散層５２が存在し得る。金属接続５３は、接着、拡散バリア、はんだ、導電性、及びオーム接触を目的とする複数の層を有してもよい。これらの層は、ニッケル、白金、チタン、銀、アルミニウム、金、錫、鉛及びクロムを含む様々な金属及びこれらの金属の組合せから製造されることが可能である。半導体材料５１は、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＮ、及びＧａＡｓＰ等の材料製であってもよい。オーム接触層は、酸化ニッケル等の金属電極層の一部であってもよい。
次に図５Ｂを参照すると、酸化インジウムスズまたは酸化ニッケル等の導電性金属酸化物は半導体５５の表面全体に堆積されて、金属電極５７を形成できるオーム接触／電流拡散層５６を画定することができる。このような場合、層５６はオーム接触及び電流拡散層の双方として機能する。重ドープ領域等のＬＥＤ半導体材料の直上には、オーム接触を可能にする層が存在し得る。
厳密な金属電極構造、半導体材料またはＬＥＤ構造体にも関わらず、当代の金属電極は望ましくないことに幾分かの光を吸収する。さらに、金属接続は光透過的ではなく、光が逃げるために利用可能な表面領域をブロックする。従って、このような当代の電極は二重の影響を与え、つまり、入射光の一部を直接吸収するだけでなく、反射される残りの光をデバイス内へ戻る方向へ向けさせ、他の材料による吸収によってさらに失わせている。全吸収量は電極の厳密な構造に強く依存し、電極の接続領域のサイズに比例して増減する傾向がある。
次に、図６Ａ〜６Ｃを参照して、電流集中問題を緩和する電流拡散の原理について論じる。当代のＬＥＤのｐ層及びｎ層は薄く、比較的低い導電性を有する。これらの層は、自力では電流をｐｎ接合部の全領域、即ち活性領域全体へ一様に分布しない。活性領域の複数の部分が電極から遠くに存在しているより広い領域の場合、これらの遠い領域に存在する電流フローは金属接続に近い領域よりも少ない。その結果、電流分布は一様でなくなり、結果として発光も一様でなくなる。電流集中を低減するために、金属電極の幾何学的形状は半導体表面全体に拡張される。しかしながら、これらの拡張は、望ましくないさらなる光吸収に繋がる。
特に図６Ａに示されるように、円形接続または電極６２は半導体６１上に形成されることが可能であり、ワイヤボンドパッドとして機能することができる。また、特に図６Ｂに示されるように、十字形接続６３は、電流拡散を高めるために電極６２と組み合わせることが可能である。さらに、特に図６Ｃに示されるように、他の様々な幾何学的形状の構造体６３も同様にして、電流拡散を促進するために、特により大きいＬＥＤダイ上で電極６２と組み合わせることが可能である。
典型的には、ワイヤボンドはＬＥＤに電力を供給するための手段として使用される。しかしながら、ワイヤボンドパッド面積は、約１００μｍ×１００μｍのほぼ最小サイズである必要がある。各ワイヤボンドパッドのサイズはデバイスサイズに関わらず一定であることから、吸収性で不透明なワイヤボンド領域は、表面積全体、従って、該ＬＥＤデバイスにとってはかなりの部分になる可能性がある。
電極による望ましくない光吸収を減らすための一方法は、電極の接続面積または幅を最
小限に抑えることである。ＬＥＤ半導体材料への電気接続が唯一の考慮事項であれば、接続の幅は約数ミクロンオーダーの極めて狭いものにすることができる。しかしながら、重要な考慮事項は、断面積の低減によって生じる望ましくない電気抵抗の上昇がある。高電力用途では、電極は１アンペア以上の電流を運ぶ場合がある。これは、電気抵抗を最小化するために、幅（Ｗ）×厚さ（Ｔ）の断面積がほぼ最小値になることを必要とする。従って、他の方法で電極の抵抗増加を補償することなく単に電極の接続面積または幅を減らすことはできない。
次に図７Ａに示すように、合計断面積が４０μｍ２である場合の金電極の典型的なサイズは、Ｗ＝２０μｍ及びＴ＝２μｍである。理論上は、図７Ｂを参照して後述するように、幅の縮小に比例して厚さを増大させることにより、一定の断面積、従って一定の電気抵抗を保つことができる。
図７Ｂを参照すると、本発明の一実施の形態により、電極７７のアスペクト比は増大されることが可能である。即ち、電極７７の高さは、その幅との比較で増大されてもよい。例えば、高さは、２．５μｍよりも大きい厚さをもたらすべく増大されてもよい。このようにして、半導体７５に接触している（よって光吸収に利用可能である）電極７４の面積は低減され、必然的に光吸収も同様に低減される。電極７７の高さの増大は、望ましくはその導電性を維持する。所望される導電性を維持するために、接続面積は低減されていると同時に、電極の厚さは増大されている。しかしながら、製造コスト及び実際的プロセスの考慮から、電極の厚さは、典型的には２．５μｍ以下に制限される。従って、電極の接続面積は、電極が単に半導体材料への電気接触に使用された場合に必要となるものを遙かに超えて大きくなる。電極の接続面積に付随する吸収も同様に遥かに大きくなる。
電極の光吸収を減らすための別の方法は、電極の反射率を高めることである。先行技術による幾つかのアプローチは、ＬＥＤ用反射電極を生成するために使用されている。最も単純な方法は、高い反射率を有する金属の使用である。これらの金属としては、Ａｌ、Ａｇ、Ｒｅ及び当業者に知られる他の金属が含まれる。
選択される金属は、高い反射率を有する必要があるだけでなく、容認できるほど低抵抗で半導体材料に対してオーム接触することが必要である。ｐ型のＡｌＩｎＧａＮの場合、Ａｇのみが低い電気抵抗と高い反射率とを兼ね備える。
次に図８Ａを参照すると、Ａｇを含む電極構造体が示されている。即ち、半導体基板８１上にＡｇ電極８２が形成されている。残念ながら、Ａｇは、曇りやすくかつデバイス動作中にエレクトロマイグレーションに陥りやすいという理由で信頼性に懸念がある。また、Ａｇベースの接続の接触抵抗は、デバイス動作中に経時的に増大する場合がある。
次に図８Ｂを参照すると、異なる入射角に関する、図８ＡのＡｇ電極の反射率が示されている。高反射性の金属電極である銀であっても、垂直入射に近い場合の反射当たりの吸収は約１０％である。吸収はさらに、１０％より遙か下まで下げることが望ましい。
次に図９Ａを参照すると、縦型構造ＬＥＤにおいて反射率を高めるために、１／４λの誘電体１０３、即ちＳｉＯ２層を使用することが知られている。誘電体１０３は、共に導電性ホルダ１０１上に形成されるＧａＮ半導体１０４とＡｇ金属層１０２との間に形成される。しかしながら、後に論じるように、１／４λの誘電体の使用は反射率をさほど高めない。
次に図９Ｂを参照すると、１／４λの誘電体層の使用は、曲線１５３が示すように、入射するＳ偏光の光の反射率を高めることが分かる。しかしながら、この誘電体層上に入射
するＰ偏光の光は、曲線１５２が示すように、４７゜付近で反射率曲線に深い窪みを有する。この窪みは、Ｓ偏光及びＰ偏光の光の平均を表す曲線１５１が示すように、全体的な反射率を大きく下げる。従って、１／４λの誘電体層の使用は、ＬＥＤ電極による光吸収という課題に対する適切な解決策ではない。
本発明の一実施の形態によれば、反射性の電極構造体は、電極とＬＥＤ半導体材料との間の接触面積を最小化する。導電性電極と半導体材料との間には、電極の一部を電気的に絶縁する一方で他の部分は電気接触が可能であるように、比較的厚い誘電体が配置される。誘電体は、半導体より低い屈折率を有し得、かつ後に論じるように、臨界角θｃより大きい入射角の場合に内部全反射が発生するほど十分に厚い。
誘電体の内部全反射は、ほぼ１００％の反射率のために望ましい機能を与える。内部全反射は、臨界角θｃを超えたところで発生する。ＧａＮ対空気の境界面の場合、臨界角は約２４゜である。ＧａＮ対ＳｉＯ２の境界面の場合、臨界角は約３７゜である。
次に図１０Ａを参照すると、ＧａＮ／空気境界面における光反射が半概略図で示されている。光線は、入射角が臨界角θｃより大きいことに起因して、境界面からもとのＧａＮ半導体材料１２１内へ反射されて示されている。
次に図１０Ｂを参照すると、異なる入射角に関する、図１０ＡのＧａＮ／空気境界面における反射率がチャートで示されている。
次に図１１Ａを参照すると、本発明の一実施の形態によるＧａＮ／ＳｉＯ２境界面における光反射が半概略図で示されている。光線は、入射角が臨界角θｃより大きいことから、ＧａＮ半導体材料１３１とＳｉＯ２層１３２との境界面からＧａＮ半導体材料１３１内へ反射されて示されている。
次に図１１Ｂを参照すると、本発明の一実施の形態による、異なる入射角に関する、図１１ＡのＧａＮ／ＳｉＯ２境界面における反射率がチャートで示されている。
次に図１２Ａを参照すると、本発明の一実施の形態によるＧａＮ／ＳｉＯ２／Ａｌ境界面における光反射が半概略図で示されている。電極１７３の一部はＧａＮ基板１７１上に懸垂され、且つ、それらの間に形成されている厚い誘電体ＳｉＯ２層１７２を有する。電極１７３の別の部分は、ＧａＮ基板１７１上に直接形成されている。
次に図１２Ｂを参照すると、本発明の一実施の形態による、異なる入射角に対する、図１２ＡのＧａＮ／ＳｉＯ２／Ａｌ境界面におけるP偏光の反射率がチャートで示されてい
る。但し、ＳｉＯ２層の厚さは１と３／４λ以下である。１／１６λのＳｉＯ２では、内部全反射の影響はなく、反射率はＳｉＯ２層が無い場合より僅かに悪い。１／４λのＳｉＯ２でもまだＴＩＲの影響はなく、反射率は劇的に悪くなる。１／２λのＳｉＯ２では大きい入射角で内部全反射が発生するが、約３８゜で反射率に非常に深い窪みが発生する。１と３／４λでは、大きい入射角で内部全反射が発生し、反射率に著しい窪みは生じない。ＴＩＲは１／２λのＳｉＯ２で始まることから、「厚い」誘電体という用語は１／２λ以上の厚さの全ての誘電体を指す。
次に図１２Ｃを参照すると、本発明の一実施の形態による、異なる入射角に対する、図１２ＡのＧａＮ／ＳｉＯ２／Ａｌ境界面における反射率がチャートで示されている。但し、ここのＳｉＯ２層の厚さは入射光の波長の１と３／４倍より大きい。
一旦誘電体層が内部全反射のためのこの最小厚さを超えると、その厳密な厚さは、干渉
を基礎とする従来の光コーティングの場合のように決定的に重要ではなくなる。これは、製造プロセスにおいてより大きい許容度をもたらす。図１２Ｃはこれを示す。図１２Ｃは、一方が１．７５λであり他方が１．８５λである２つの異なる厚さの厚い誘電体の反射率曲線を示している。内部全反射の角度は、変わらない。
次に図１３Ａを参照すると、本発明の一実施の形態による、厚い誘電体ＳｉＯ２基層１８５上のＳｉＯ２１８２及びＴｉＯ２１８３の交互層から構成される分布型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）における光反射が半概略図で示されている。電極１８４は半導体材料１８１と電気接触し、かつＤＢＲ積層上の最上層である。厚い誘電層１８５は、ＤＢＲ積層と半導体材料１８１との間に形成される。
厚い誘電体は、大きい角度において効果的な反射体を形成する。しかしながら、これは、臨界角より小さい角度では反射率をさほど高めない。これらの小さい角度では、分布型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を追加して光を反射させることが可能である。ＤＢＲは、典型的には、一連の交互的な高指数／低指数の誘電体を使用して製造される。図１３Ａに示すように、より小さい角度では、１と３／４λの厚いＳｉＯ２層上の１／４λのＳｉＯ２及び１／４λのＴｉＯ２による２対の連なりが反射率を高める。ＤＢＲは、光干渉を使用して反射率に影響を与えているため、その厚さが厚いＳｉＯ２基層の厚さに比べてより決定的に重要である。
下記の表２は、本発明の１つまたは複数の実施の形態に従って使用される電極材料に関するさらなる情報を提供する。コーティング厚さの基準波長は、０．４５００ミクロンである。相及び遅延特性の値の単位は度である。コーティングは、６層を有する。入射媒体はＧａＮである。使用される光の波長は、０．４５００ミクロンである。
Figure 0006033249
 次に図１３Ｂを参照すると、本発明の一実施の形態による、異なる入射角に関する、図１３ＡのＤＢＲ層における反射率と、厚い誘電体のみの設計及び厚い誘電体もＤＢＲもない設計との比較がチャートで示されている。
次に図１４を参照すると、本発明の一実施形態による、異なる入射角に関する幾つかの材料の反射率が先行技術と比較されてチャートで示されている。Ｃｒ下層を有するＡｕ金属層は、最下の曲線１９５１が示すように最悪の反射率を有する。Ａｌは、曲線１９５２が示すように実質的に良い。Ａｇは、曲線１９５３が示すようにさらに良い。厚いＳｉＯ２誘電下層を有するＡｇ金属層は概してＡｇより良い反射率を有するが、曲線１９５４は所々で曲線１９５３を下回る。２対のＤＢＲ及びこれに続く厚いＳｉＯ２を有するＡｇ金
属層は、曲線１９５５が示すように最良の反射率を有する。
次に図１５Ａを参照すると、本発明による懸垂電極の第１の例示的な実施の形態が半概略図で示されている。電極１４２ａはＧａＮ基板１４１上に、間に厚い空気の間隙１４３ａが形成されるように懸垂されている。電極１４２ａは、自身の両側で支持されている。
次に図１５Ｂを参照すると、本発明による懸垂電極の第２の例示的な実施の形態が半概略図で示されている。電極１４２ｂはＧａＮ基板１４１上に、間に複数の厚い空気の間隙１４３ｂが形成されるように懸垂されている。電極１４２ｂは、自身の両側と中間部とで支持されている。
次に図１５Ｃを参照すると、本発明による懸垂電極の第３の例示的な実施の形態が半概略図で示されている。電極１４２ｃはＧａＮ基板１４１上に、間に厚い空気の間隙１４３ｃが形成されるように懸垂されている。電極１４２ｃは、自身の片側のみで支持されている。
次に図１５Ｄを参照すると、本発明による懸垂電極の第４の例示的な実施の形態が半概略図で示されている。電極１４２ｄはＧａＮ基板１４１上に懸垂され、間に厚いＳｉＯ２層１４３ｄが形成されている。電極１４２ｄは、自身の両側で支持されている。
次に図１５Ｅを参照すると、本発明による懸垂電極の第５の例示的な実施の形態が半概略図で示されている。電極１４２ｅはＧａＮ基板１４１上に懸垂され、間に厚いＳｉＯ２層１４３ｅの複数のセクションが形成されている。電極１４２ｅは、自身の両側と中間部とで支持されている。
次に図１５Ｆを参照すると、本発明による懸垂電極の第６の例示的な実施の形態が半概略図で示されている。電極１４２ｆはＧａＮ基板１４１上に、間に厚いＳｉＯ２層１４３ｆが形成されるように懸垂されている。電極１４２ｆは、自身の片側のみで支持されている。
次に図１６Ａを参照すると、本発明によるオーム接触層を有する懸垂電極の第１の例示的な実施の形態が半概略図で示されている。図１６Ａの電極の構造は図１５Ａの構造に類似するが、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）層１４４が追加されている点が異なる。
次に図１６Ｂを参照すると、本発明によるオーム接触層を有する懸垂電極の第２の例示的な実施の形態が半概略図で示されている。図１６Ｂの電極の構造は図１５Ｂの構造に類似するが、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）層１４４が追加されている点が異なる。
次に図１６Ｃを参照すると、本発明によるオーム接触層を有する懸垂電極の第３の例示的な実施の形態が半概略図で示されている。図１６Ｃの電極の構造は図１５Ｃの構造に類似するが、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）層１４４が追加されている点が異なる。
次に図１６Ｄを参照すると、本発明によるオーム接触層を有する懸垂電極の第４の例示的な実施の形態が半概略図で示されている。図１６Ｄの電極の構造は図１５Ｄの構造に類似するが、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）層１４４が追加されている点が異なる。
次に図１６Ｅを参照すると、本発明によるオーム接触層を有する懸垂電極の第５の例示的な実施の形態が半概略図で示されている。図１６Ｅの電極の構造は図１５Ｅの構造に類似するが、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）層１４４が追加されている点が異なる。
次に図１６Ｆを参照すると、本発明によるオーム接触層を有する懸垂電極の第６の例示的な実施の形態が半概略図で示されている。図１６Ｆの電極の構造は図１５Ｆの構造に類似するが、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）層１４４が追加されている点が異なる。
次に図１７Ａ〜１７Ｄを参照すると、例示的な当代の横型ＬＥＤ構造体及びその製造プロセスが示されている。
特に図１７Ａを参照すると、ワイヤボンドパッドの対１０９１及び１０９２は、半導体１０９３への電流の印加を容易にする。半導体１０９３は、基板１０９６上へ形成される。半導体１０９３は、ｐ層１０９７と、ｎ層１０９８とを備える（ｎ層１０９８及びｐ層１０９７は本論考の目的に沿って概して互換可能である）。電流は、周知の原理に従って活性領域１０９４に光を生成させる。
特に図１７Ｂを参照すると、図９Ａに示すＬＥＤの製造は、基板１０９６上へ半導体層１０９３を形成することを含む。半導体層１０９３は、（図１７Ａに示すように）ｎ層１０９８と、ｐ層１０９７とを備える。
特に図１７Ｃを参照すると、ｐ層１０９７の一部はエッチング等によって除去される。ｐ層１０９７は、下にあるｎ層１０９８の一部を露出するのに十分な量が除去される。ｐ層１０９７のこの一部の除去は、切欠き部分１０９９を画定する。切欠き１０９９の形成により、ｎ層１０９８は露出された状態におかれる。
特に図１７Ｄを参照すると、ｐ層１０９７上にワイヤボンドパッド１０９１が形成され、かつｎ層１０９８上にワイヤボンドパッド１０９２が形成される。ワイヤボンドパッド１０９１及び１０９２は、半導体１０９３の表面積の比較的大きい部分を覆う。例えば、当代のＬＥＤの電極ワイヤボンドパッドは１００μｍ×１００μｍである可能性がある。従って、これらは、残念ながら、活性領域１０９４によって生成される光の多くを吸収してしまう。さらに、ワイヤボンドパッド１０９２のために必要とされる比較的大きな切欠き領域１０９９も活性領域１０９４のサイズを望ましくなく低減し、よってこのような当代のＬＥＤによって生成される光の量はさらに減らされる。各電極のサイズはデバイスサイズに関わりなく固定されることから、特により小型のＬＥＤでは、望ましくない光吸収は全表面積のかなりの部分で発生する可能性がある。
一部は切欠きの内部に存在しかつ一部は切欠きの外側に存在するような電極構造体の形成は、電極が反射性でないとしても実質的な利点を提供する点を認識することには価値がある。例えば、図１８Ａ〜図１８Ｂに関連して後述する電極構造体は、除去する活性領域を少なくしてより多い量の光を生成できるように切欠きのサイズを最小限に抑えながら充分なボンディング面積をもたらす。
次に図１８Ａ〜１８Ｅを参照して、本発明の一実施の形態による例示的な横型ＬＥＤ構造体及びその製造プロセスを示す。厚い誘電体層１１０１及び１１０２は各々、ワイヤボンドパッド１０９１ａ及び１０９２ａの下に形成される。厚い誘電体層１１０１及び１１０２は、ワイヤボンドパッド１０９１ａ及び１０９２ａの反射率を、それらによる望ましくない光吸収が実質上低減されるように高める。各ワイヤボンドパッド１０９１ａ及び１０９２ａの一部は、電流フローを容易にするために半導体１０９３と接触したままにされる。
本明細書で言及される厚い誘電体層は、干渉効果を重大なものにしないような充分な厚さを有する層である。さらに、本明細書で言及される厚い誘電体層は１／４λより大きい厚さを有することが可能である。例えば、厚い誘電体層は、１／２λ以上、約１．５λ、
約１．７５λまたは１．７５λを超える厚さを有してもよい。
特に図１８Ｂ及び１８Ｃを参照すると、図１７Ｂ及び１７Ｃの場合と同様に、基板１０９６上に半導体１０９３が形成され、半導体１０９３内に切欠き１０９９が形成される。
特に図１８Ｄを参照すると、厚い誘電体層１１０１及び１１０２が各々ｐ層１０９７及びｎ層１０９８上に形成される。厚い誘電体層１１０１及び１１０２は、周知の原理に従って製造されることが可能である。
特に図１８Ｅを参照すると、ワイヤボンドパッド１０９１ａは厚い誘電体層１１０１を少なくとも部分的に覆うように形成され、かつワイヤボンドパッド１０９２ａは厚い誘電体層１１０２を少なくとも部分的に覆うように形成される。先に述べたように、ワイヤボンドパッド１０９１ａ及び１０９２ａのそれぞれの一部はそれぞれの下側の面で半導体１０９３に接触する。
次に図１９Ａ〜図１９Ｅを参照して、本発明の一実施の形態による例示的な横型ＬＥＤ構造体及びその製造プロセスを示す。
特に図１９Ａを参照すると、厚い誘電体層１１０１及び１１０２ａは各々、ワイヤボンドパッド１０９１ａ及び１０９２ｂの下に形成される。厚い誘電体層１１０１及び１１０２ａは、ワイヤボンドパッド１０９１ａ及び１０９２ｂの反射率を、それらによる望ましくない光吸収が実質上低減されるように高める。各ワイヤボンドパッド１０９１ａ及び１０９２ｂの一部は、電流フローを容易にするために半導体１０９３と接触したままにされる。
特に図１９Ｂ及び図１９Ｃを参照すると、図１７Ｂ及び１７Ｃの場合と同様に、基板１０９６上に半導体１０９３が形成され、半導体１０９３内に切欠き１０９９ａが形成される。しかしながら、この実施形態における切欠き１０９９ａは、その表面積の大きさの減少を低減するようにＬ字形構成で形成されている。この方法では、切欠き１０９９ａの形成で犠牲にされる活性領域が減り、必然的にＬＥＤの明るさが強まる。
特に図１９Ｄを参照すると、厚い誘電層１１０１は、ｐ層１０９７上に形成される。他の厚い誘電体層１１０２ａは、一部がｐ層１０９７の上、一部がｎ層１０９８の上に形成される。厚い誘電体層１１０１及び１１０２ａは、この場合もやはり周知の原理に従って製造されることが可能である。この例では、厚い誘電体層１１０２ａはｐ層１０９７及び活性層１０９４の側面に沿って下へ形成され、よってワイヤボンドパッド１０９２ｂをこれらの層から電気的に絶縁する。即ち、厚い誘電体層１１０２ａは、ｐ層１０９７及びｎ層１０９８の双方の上、並びにこれらの間の境界面、即ち活性層１０９４上に形成される。厚い誘電体層１１０２ａは、ｐ層１０９７からｎ層１０９８へ階段的に下降する。厚い誘電体層１１０２ａのこの構造は、図１９Ａの断面図において最もよく分かる。
特に図１９Ｅを参照すると、ワイヤボンドパッド１０９１ａは厚い誘電体層１１０１を少なくとも部分的に覆うように形成され、かつワイヤボンドパッド１０９２ｂは厚い誘電体層１１０２ａを少なくとも部分的に覆うように形成される。先に述べたように、ワイヤボンドパッド１０９１ａの一部はｐ層１０９７に接触し、かつワイヤボンドパッド１０９２ｂの一部はｎ層１０９８に接触する。この例では、ワイヤボンドパッド１０９２ｂは下方へ形成され、厚い誘電体層１１０２ａにより絶縁されかつ厚い誘電体層１１０２ａを覆い、ｎ層１０９８に電気接触する。ワイヤボンドパッド１０９２ｂのこの構造は、図１９Ａにおいて最もよく分かる。
この実施形態では、厚い誘電体層１１０１及び１１０２ａは、ボンドパッド１０９１ａ及び１０９２ｂによる光の吸収を減らし、ＬＥＤの明るさを強める。低減されたサイズの切欠き１０９９ａはより大きい活性領域１０９４をもたらし、よってＬＥＤの明るさはさらに強まる。
本発明によれば、各ボンドパッド及び／または電極の少なくとも一部と半導体材料との間に厚い誘電体を形成することができる。厚い誘電体は、ボンドパッド及び／または電極による望ましくない光吸収が実質的に減らされるように反射率を高める。
次に図２０Ａを参照すると、本発明の一実施の形態による懸垂電極構造が半概略的な斜視図で示されている。半導体１６１上には金属電極１６２が形成され、金属電極１６２と半導体１６１との間に厚い誘電体１６３が形成される。電極１６２の一部は厚い誘電体１６３上へ形成され、電極１６２の一部は、電極１６２が半導体１６１と電気接触状態であるように半導体１６１に接触する。
次に図２０Ｂを参照すると、本発明の一実施の形態による懸垂電極構造の別の構造が半概略的な斜視図で示されている。この構造は、全体としては図２０Ａの構造に類似するが、厚い誘電体１６３が、電極１６２が半導体に接触する部分が図２０Ａとは異なる場所になるように破断される点が異なる。図２０Ｂに示すように、電極１６２と半導体１６１との接点は複数設けられる。当業者には認識されるであろうが、電極１６２が半導体１６１に様々な異なる場所で接触するような電極１６２及び厚い誘電体１６３は、様々な構造が可能である。
図２１Ａ〜図２４は、本発明の１つまたは複数の実施の形態による厚い誘電体を使用する例示的な電極構造体を示す。例えば、１つまたは複数の絶縁誘電体の層をボンドパッドの下に形成することもできる。このような構造の幾つかの利点としては、電流集中が軽減され、よって単純化設計が促進されること、電極の下の誘電体層がミラーとなり得ることから光吸収が最小化されること、切欠き領域の縮小によって達成される発光領域のより効率的な使用、広範囲のダイサイズに合わせたスケーラブル設計がより容易になること、順電圧が比較的低いこと、及び電流拡散がより一様になること、が含まれる。
図２１Ａ〜図２４における例示的な実施の形態は、細長いチップの実施である。このような細長いチップは、高められた明るさをより良い効率でもたらすことができる。
次に図２１Ａを参照すると、細長いチップのための電極設計が示されている。厚い誘電体層１００２及び１００３は、各々、ボンドパッド１００６（例えば、ｐボンドパッド）の下、及び１００７（例えば、ｎボンドパッド）の下に形成されることが可能である。ｎボンドパッド１００７及びｎ電極延設部１００１は、半導体材料１００８のエッチングにより除去された部分または切欠き１００４の上に形成される。
厚い誘電体層１００２及び１００３は、ボンドパッド１００６及び１００７を半導体材料１００８から絶縁して電流集中を低減する。これにより、より一様な電流フローのための改善された幾何学的形状がもたらされる。一様でない明るさの原因となる、かつ結果としてＬＥＤを損傷させる可能性のあるホットスポットは実質的に低減される。
このような厚い誘電体層は、各々ｎ配線及びｐ配線を画定する導電性の延設部１００１及び１００５の下に形成されない。従って、延設部１００１及び１００５は、半導体１００８全体にわたってより一様に電流を分布させる。即ち、本発明の一側面によれば、ＬＥＤへ電流を供給する電極間の距離は、より等しくなる傾向がある。
本発明の１つまたは複数の実施の形態では、内部全反射（ＴＩＲ）が光抽出の向上において実質上の利点をもたらす点を認識することには価値がある。ＤＢＲ構造体の使用は任意で選択的であるが、本発明の少なくとも１つの実施の形態では、光抽出をさらに高めるために使用されることが可能である。
先に述べたようなＴＩＲ及び／またはＤＢＲ構造体の使用は、ボンドパッド１００６及び１００７の下の望ましくない光吸収を実質的に減らすことができる。このような絶縁体（並びに絶縁層１００２及び１００３）は、半導体（及び必然的にその活性領域）を通る電流の流れがより一様に分布するように、延設部１００１及び１００５の下ではなく、ボンドパッド１００６及び１００７の下に形成されることが可能である。
図２１Ａ及び図２１Ｂに示すように、ボンドパッド１００６及び１００７は、正確にワイヤトレースまたは延設部１００１及び１００５の端に配置されているわけではない。これは、ボンドパッド１００６及び１００７がトレースに沿って任意の位置に配置されてもよいことを示している。従って、ボンドパッド１００６及び１００７は、延設部１００１及び１００５の端、端の近く及び／または中間に配置されてもよい。ボンドパッド１００６及び１００７の位置は、所望される通りに任意の位置が使用されてもよい。
次に図２１Ｂを参照すると、図２１Ａの構造に関する潜在的改良が示されている。切欠き１００４の領域は、ｐ表面の上にｎボンドパッドを配置することによって縮小され、かつ厚い誘電体によりｐ表面から分離される。即ち、ｎボンドパッドの少なくとも一部は切欠き１００４内に存在せず、よって切欠き１００４は図２１Ａの場合より遙かに小さくなることができる。また、この誘電体は、ｐ層からのｎボンドパッドの絶縁を確実にするために切欠きの両端を覆う必要がある。即ち、切欠きのこの領域は、活性領域のサイズが増大されるように縮小される。より小さい切欠き１００４の使用により促進される発光エリアの増大化は、より大きい電力出力を可能にすることができる。
用途によっては、ｐ電極とｎ電極との距離が大きすぎて、結果として順電圧が望ましくない高さになる場合がある。このような場合は、複数の電極の使用が有益である場合がある。図２２Ａ〜図２３Ｃは、このような望ましくなく高い順電圧を減らすことができる３電極設計の様々な例示的実施を示す。
次に図２２Ａ〜図２２Ｃを参照すると、ｎボンドパッドが２つの電気絶縁されたパッド１２１７及び１２１８に分割されて示されている。原則的には、これらは接触している（よって互いに電気接触状態にある）可能性があり、よって効果的に単一のパッドを形成することができる。パッド１２１７及び１２１８に至るワイヤボンドは、各々に１つずつの２つが独立に存在してもよい。しかしながら、パッド１２１７及び１２１８間の間隙１２２０が充分に小さいと、単一のボンドパッドを使用してパッド１２１７及び１２１８を互いに電気的に接続することができる。この方法では、所望される任意の数のこのような電極を使用することができる。
特に図２２Ａを参照すると、２つのｎボンドパッド１２１７及び１２１８と、単一のｐボンドパッド１２１９とが使用されてもよい。ボンドパッド１２１９とその下に配置される半導体材料１２８０との間には、２つの厚い誘電体層１２０４及び１２８３を形成することができる。同様に、ｎボンドパッド１２１７及び１２１８と切欠き１２８１の半導体材料１２０１との間には、厚い誘電体層１２０２を形成することができる。先に述べたように、このような構造は、より一様な電流分布をもたらす。これは、より大きい、かつ／またはより高い電流のＬＥＤの場合に特に顕著である。
特に図２２Ｂを参照すると、切欠きの半導体材料の領域１２０１は、図２２Ａに示す領
域に比較して、図２１Ｂの方法に類似する方法で縮小されている。この場合もやはり、ボンドパッド１２１９とその下に配置される半導体材料１２８０との間には、２つの厚い誘電体層１２０４及び１２８３を形成することができる。同様に、ボンドパッド１２１７及び１２１８と切欠き１２８１の半導体材料１２０１との間には、厚い誘電体層１２０２を形成することができる。
特に図２２Ｃを参照すると、ｐ配線延設部１２０３は、ｐ配線延設部の遠位端１２３０が厚い誘電体層１２０２の右側へ延びるようにしてｎボンドパッドの厚い誘電体層１２０２の下に延設される。この場合もやはり、ボンドパッド１２１９とその下に配置される半導体材料１２８０との間には、２つの厚い誘電体層１２０４及び１２８３を形成することができる。同様に、ｎボンドパッド１２１７及び１２１８と切欠き１２８１の半導体材料１２０１との間には、厚い誘電体層１２０２を形成することができる。
特に図２３Ａ〜図２３Ｃを参照すると、図２２Ａ〜図２２Ｃの構造が何れのタイプのデバイスにも適することを示すために、ｐ層及びｎ層の位置が逆転されている（必然的に、ボンドパッド、絶縁体、他も各々逆転されている）。従って、ｎボンド１５０７と厚いｎボンドパッド誘電体１５０３とは切欠き１５０４上に形成され、ｐボンドパッド１５１１及び１５１２と厚いｐボンドパッド誘電体１５０１とは切欠き１５０４上に形成されない（これは、図２２Ａ〜図２２Ｃに示す構造の反対である）。このように、電極も図２２Ａ〜図２２Ｃに示す構成が逆転されている状態になっている。
特に図２４を参照すると、より一様な電流分布を促進する２電極ＬＥＤが示されている。半導体材料２４０１上には、ｎボンドパッド２４０３及びｐボンドパッド２４０４が形成される。ｎボンドパッド２４０３は、それ自体と半導体材料２４０１との間に形成される厚い誘電体層２４０６を有する。同様に、ｐボンドパッド２４０４は、それ自体と半導体材料２４０１との間に形成される厚い誘電体層２４０７を有する。
切欠き２４０２は、ｎボンドパッド２４０３と半導体材料２４０１のｎ層との接触を容易にする。ｎボンドパッド２４０３の一部は切欠き２４０２の外側に（而して半導体材料２４０１のｐ層上に）形成されることが可能であり、ｎボンドパッド２４０３の一部は（ｎ層との電気接触をもたらすために）切欠き２４０２内に形成されることが可能である。同様に、厚い誘電体層２４０６の一部は切欠き２４０２の外側に（而して半導体材料２４０１のｐ層上に）形成されることが可能であり、厚い誘電体層２４０６の一部は切欠き２４０２内に形成されることが可能である。
従って、ｎボンドパッド２４０３及び厚い誘電体層２４０６は、切欠き２４０２の側面を沿って下へ半導体材料２４０１のｐ層からｎ層まで、図２１Ｂに類似する方法で延設される。先に論じたように、このような構造は切欠き２４０２のサイズを最小化する傾向があり、よってＬＥＤの明るさ及び効率を高める傾向がある。
ｐ配線または延設部２４０７は、半導体２４０１の活性領域を通る電流をより一様に分布させるためにｐパッド２４０４から延設される。ｐパッド２４０４の一部及び延設部２４０７の全ては、半導体材料２４０１上に直接（厚い誘電体層の介在なしに）形成されることが可能である。
図１５〜図２４には、単一の厚い誘電体層のみが示されているが、厚い誘電体と電極との間には１つまたは複数のＤＢＲ対の連なりを配置することができる。同様に、図１５〜図２４は半導体材料に直接接触した状態の電極を示しているが、接触はオーム接触層または電流拡散層を介していてよい。
本発明の１つまたは複数の実施の形態によれば、厚い誘電体は穿孔されていなくてもよい。即ち、誘電体の断面は連続的であってもよい。厚い誘電体は、その断面が不連続となって現れる原因となる穴または穿孔を持たないように形成されてもよい。
誘電体材料は、多孔性であってもよい。従って、そうでなければ過密となり得る（よって必然的に屈折率が高まる）厚い誘電体材料も、誘電体材料を多孔性または非連続にして密度（並びに有効な屈折率）を効果的に下げることにより使用が可能となる。
これまでの説明に鑑みて、本発明の１つまたは複数の実施の形態は、より明るい、かつ／またはより効率的なＬＥＤを提供する。ＬＥＤの明るさの増大は、広範な用途における使用をより適したものにすることによってその有用性を高める。例えば、より明るいＬＥＤは、全般照明用途に適する可能性がある。さらに、より効率的なＬＥＤは、（望ましい光量を与えるために必要とされる電気の量を低減すること等により）使用コストを下げるという理由で望ましい。
これまでに説明した実施の形態は本発明を例証するが、限定しない。また、本発明の原理に従って、多くの改変及び変形が可能であることも理解されるべきである。従って、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ画定される。

Claims (20)

  1. 半導体材料と接続する電極構造体であって、
    金属電極と、
    前記金属電極と前記半導体材料の表面との間に配置された、穿孔されていない誘電体材料領域と、
    前記金属電極と前記半導体材料との間にオーム接触を確立する光透過性オーム接触層と、を備え、
    前記金属電極が、一つまたは複数の前記光透過性オーム接触層と前記穿孔されていない誘電体材料領域とによって、前記半導体材料の前記表面から物理的に離隔されており、
    前記穿孔されていない誘電体材料と前記金属電極の周縁部分との両方が、前記光透過性オーム接触層と直接的に接続するように、前記電極構造体と前記穿孔されていない誘電体材料層とが相対的に配置されている、電極構造体。
  2. 第１の平面を有する半導体材料と、
    金属電極と、
    前記金属電極と前記半導体材料の表面との間に配置された、穿孔されていない誘電体材料層と、
    前記金属電極と前記半導体材料との間にオーム接触を確立する光透過性オーム接触層と、を備え、
    前記金属電極が、一つまたは複数の前記光透過性オーム接触層と前記穿孔されていない誘電体材料領域とによって、前記半導体材料の前記表面から物理的に離隔されており、
    前記穿孔されていない誘電体材料と前記金属電極の周縁部分との両方が、前記光透過性オーム接触層と直接的に接続するように、前記電極構造体と前記穿孔されていない誘電体材料層とが相対的に配置されている、発光ダイオードチップ。
  3. 前記光透過性オーム接触層が、酸化インジウムスズ、酸化ニッケル、及びＲｕＯ２から成るグループより選択される少なくとも１つの材料を含む、請求項１に記載の電極構造体。
  4. 前記穿孔されていない誘電体材料領域が、１以上の屈折率であり、前記穿孔されていない誘電体材料領域が形成される部分の前記半導体材料の屈折率よりも小さい屈折率を有する、請求項１に記載の電極構造体。
  5. 前記半導体材料内に形成されたＰＮ接合をさらに備え、
    前記ＰＮ接合が、前記ＰＮ接合全体にわたるポテンシャルに応じた光を生成することが可能であり、前記ＰＮ接合により生成された前記光が、前記光透過性オーム接触層を通じて放出される、請求項１に記載の電極構造体。
  6. 前記金属電極が、前記半導体材料の前記表面に面している反射層を備える、請求項１に記載の電極構造体。
  7. 前記穿孔されていない誘電体材料領域が、多孔性のシリコン酸化物を含み、穿孔されていないシリコン酸化物よりも低い屈折率を有する、請求項１に記載の電極構造体。
  8. 前記穿孔されていない誘電体材料領域が、前記半導体材料から放出される光の波長の少なくとも１／２の厚さを有する、請求項１に記載の電極構造体。
  9. 前記穿孔されていない誘電体材料領域が、前記半導体材料から放出される光の波長の１／２から１と３／４の間の厚さを有する、請求項１に記載の電極構造体。
  10. 前記金属電極が、前記穿孔されていない誘電体材料領域と、金を含む金属ボンディング領域との間に配置されたレニウムの層を含む、請求項１に記載の電極構造体。
  11. 前記光透過性オーム接触層が多孔性の酸化インジウムスズを含む、請求項１に記載の電極構造体。
  12. 前記光透過性オーム接触層が、酸化インジウムスズ、酸化ニッケル、及びＲｕＯ２から成るグループより選択される少なくとも１つの材料を含む、請求項２に記載の発光ダイオードチップ。
  13. 前記穿孔されていない誘電体材料領域が、１以上の屈折率であり、前記穿孔されていない誘電体材料領域が形成される部分の前記半導体材料の屈折率よりも小さい屈折率を有する、請求項２に記載の発光ダイオードチップ。
  14. 前記半導体材料内に形成されたＰＮ接合をさらに備え、
    前記ＰＮ接合が、前記ＰＮ接合全体にわたるポテンシャルに応じた光を生成することが可能であり、前記ＰＮ接合により生成された前記光が、前記光透過性オーム接触層を通じて放出される、請求項２に記載の発光ダイオードチップ。
  15. 前記金属電極が、前記半導体材料の前記表面に面している反射層を備える、請求項２に記載の発光ダイオードチップ。
  16. 前記穿孔されていない誘電体材料領域が、多孔性のシリコン酸化物を含み、穿孔されていないシリコン酸化物よりも低い屈折率を有する、請求項２に記載の発光ダイオードチップ。
  17. 前記穿孔されていない誘電体材料領域が、前記半導体材料から放出される光の波長の少なくとも１／２の厚さを有する、請求項２に記載の発光ダイオードチップ。
  18. 前記穿孔されていない誘電体材料領域が、前記半導体材料から放出される光の波長の１／２から１と３／４の間の厚さを有する、請求項２に記載の発光ダイオードチップ。
  19. 前記金属電極が、前記穿孔されていない誘電体材料領域と、金を含む金属ボンディング領域との間に配置されたレニウムの層を含む、請求項２に記載の発光ダイオードチップ。
  20. 前記光透過性オーム接触層が多孔性の酸化インジウムスズを含む、請求項２に記載の発光ダイオードチップ。
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