JP6150998B2 - 内部および外部光学要素による光取出しを向上させた発光ダイオード - Google Patents

内部および外部光学要素による光取出しを向上させた発光ダイオード Download PDF

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Description

以下の出願は、1999年12月3日に出願された、Thibeault他の仮出願No.60/168,817の特典を主張する。
(発明の分野)
本発明は、発光ダイオード、より詳細にはそれらの光取出し(light extraction)を向上させる新規な構造に関する。
(関連技術の説明)
発光ダイオード(LED)は、電気的エネルギーを光に変換する固体デバイスの重要な一種であり、通常、逆にドープされた2つの層に挟まれる半導体材料からなる活性層を備える。バイアスをドープ層の間に加えると、正孔と電子が活性層に注入され、そこでこれらは再結合して発光する。活性領域で発生した光はあらゆる方向に放出され、光はすべての露出表面を通して半導体チップから出て行く。通常、LEDのパッケージが出て行く光を望ましい放出光出力プロフィールへと方向づけるために用いられている。
半導体材料が改良されたとき、半導体デバイスの効率も改良されてきた。最新のLEDは、InAlGaNなどの材料で製造されており、これは紫外から琥珀色(amber)までのスペクトルの効率的なイルミネーションを可能にする。電気エネルギーの光への変換で、最新のLEDの多くは従来の光源に比べて効率がよく、また通常それらは信頼性がより高い。LEDが進歩するにつれて、交通信号、屋外および屋内ディスプレイ、自動車のヘッドライトおよびテイルライト、通常の屋内照明などの多くの応用で従来の光源を置き換えることが期待されている。
しかし、活性層で発生する光のすべてを放出させることができないために、従来のLEDの効率には限界がある。LEDに電圧が加えられたとき、その活性層から(あらゆる方向に)放出される光は、様々な角度で放出面に到達する。代表的な半導体材料の屈折率(n≒2.2〜3.8)は、周辺空気(n=1.0)あるいは封止エポキシ(n≒1.5)に比べて高い。スネルの法則に従って、ある臨界角(表面に垂直な方向に対する)以内で屈折率の大きい領域から屈折率の小さい領域に入る光は、低屈折率領域を横切るであろう。この臨界角を超えて表面に達する光は横切らず、内部全反射(total internal reflection;TIR)をするであろう。LEDの場合、TIR光は通常、それが吸収されるまでLED内で反射され続ける。この現象のために、従来のLEDで発生する光の多くは放出されず、その効率を低下させている。
TIR光の割合を少なくする1つの方法は、LEDの表面にランダムなテキスチャの形態で光散乱源を作り出すことである。[「30% External Quantum Efficiency From Surface Textured,Thin Film Light Emitting Diodes(表面がテキスチャ化された薄膜発光ダイオードからの30%外部量子効率)」、Shnitzer、et al.、Appliied Physics Letters 63、Pgs.2174〜2176(1993)]。ランダムなテキスチャは、反応性イオンエッチングの間のマスクとして、LED表面に直径がサブミクロンのポリスチレン球を用いることにより表面にパターン化される。テキスチャ化された表面は、ランダムな干渉効果によりスネルの法則では予測されない仕方で光を屈折させ反射する光の波長のオーダーの凹凸を有する。この手法は、光放出効率を9〜30%向上させることが示された。
表面テキスチャ化の1つの欠点は、テキスチャ化された電極層、例えば、p型GaNで電気伝導性が悪いLEDにおいて、効果的な電流の広がり(current spreading)を妨げることがあるということである。比較的小さなデバイスあるいは電気伝導性のよいデバイスでは、p型層およびn型層のコンタクト(contact)による電流は、各層の全体に広がるであろう。比較的大きなデバイスあるいは電気伝導性の悪い材料でつくられたデバイスでは、電流はコンタクトから層全体に広がることができない。結果として、活性層の一部分は電流が流れず発光しないであろう。ダイオード領域全体に渡り均一に電流が注入されるように、導電性材料からなるスプレッダ層を表面に堆積させることが可能である。しかし、このスプレッダ層は、光がこの層を透過できるように、光学的に透明でなければならないことが多い。ランダムな表面構造をLED表面に導入するとき、実際上薄くまた光学的に透明な電流スプレッダ(spreader)を容易に堆積させることができない。
LEDからの光取出しを増加させる他の方法は、その内部捕捉角から表面の形状および周期により決まる一定のモードへと光の方向を向け直す、放出面あるいは内部境界面の周期的パターン化を含めることである。Krames他の米国特許第5,779,924号明細書を参照のこと。この技術はランダムにテキスチャ化された表面の特殊なケースで、干渉効果はもはやランダムではなく、またその表面は、光をカップリングさせて特定のモードあるいは方向へと導く。この手法の1つの欠点は、LEDの光の波長のオーダーで、表面の形状およびパターンが均一で微細でなればならないために、通常、この構造を作り上げることが困難であるということである。このパターンも通常、前記のように、光学的に透明な電流スプレッダを堆積させるのに困難を生じる。
光取出しの増加は、また、LEDの光放出面を、中心に光放出層をもつ半球形に形作ることにより実現された。この構造は放出される光を増加させるが、その作製は困難である。ScifresおよびBurnhamの米国特許第3,954,534号明細書は、各LED上にそれぞれ半球があるLEDアレイを形作る方法を開示する。この半球体は基板内に形作られ、そしてダイオードアレイはそれらの上に成長する。次に、このダイオードとレンズの構造体は基板からエッチングにより外される。この方法の1つの欠点は、それが基板の界面での構造の形成に制限され、また基板から構造体を取出すことが結果として製造コストを増加させるということである。また、各半球の真上に光放出層があり、これは精密な製造法を必要とする。
米国特許第5,793,062号
米国特許第5,793,062号明細書は、光をコンタクトなどの吸収領域からそらし、また光をLED表面に向け直すための、光学的に非吸収性の層を含めることにより、LEDからの光取出しを増加させるための構造を開示する。この構造の1つの欠点は、通常多くの材料系で製造が困難なアンダーカットの平角層の形成を、非吸収層が必要とすることである。
光取出しを増加させる他の方法は、フォトンを、再放出され放射モードに戻るLEDの光放出面上の薄膜金属層内の表面プラズモン(plasmon)モードにカップリングさせることである。[「Strongly Directional Emission From AlGaAs/GaAs Light Emitting Diodes(AlGaAs/GaAs発光ダイオードからの指向性の強い光放出)」、Knock et al.、Applied Physics Letters 57、Pgs.2327〜2329(1990)]。これらの構造は半導体から放出されるフォトンを金属層の表面プラズモンとカップリングさせ、これらは最終的には取出されるフォトンとさらにカップリングすることを想定している。このデバイスの1つの欠点は、周期的構造が溝深さの浅い(<0.1μm)1次元線状格子であるために、その製造が困難であるということである。また、おそらくフォトンから表面プラズモンならびに表面プラズモンから外部フォトンへの変換機構の非効率性のために、全外部量子効率が小さい(1.4〜1.5%)。この構造もスプレッダ層に関して前記と同様の困難を生じる。
LEDチップの側面に角度をつけて逆角錐台を形作ることにより、光取出しを向上させることも可能である。角度をつけられた表面は、基板材料に捕捉されたTIR光に放出面を提供する[「High Power Truncated Inverted Pyramid(AlxGa1-x0.5In0.5P/GaP Light Emitting Diodes Exhibiting >50% External Qauntum Efficiency(>50%の外部量子効率を示す高出力逆角錐台(AlxGa1-x0.5In0.5P/GaP発光ダイオード)、Krames、et al.、Applied Physics Letters 75(1999)]。この手法を用いて、外部量子効率は、InGaAlP系に対して35%から50%増加することが示された。この手法は、かなりの量の光が基板に捕捉されるデバイスで機能する。サファイア基板上に成長するGaNデバイスでは、光の多くがGaN膜に捕捉されるので、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であろう。
光取出しを増加させるさらに他の手法は、フォトンリサイクリングである[「Ultrahigh Spontaneous Emission Qauntum Efficiency、99.7% Internally and 72% Externally、From AlGaAs/GaAs/AlGaAs Double Heterostructures(AlGaAs/GaAs/AlGaAsダブルヘテロ構造からの、内部で99.7%、外部で72%の、自然放出超高量子効率、Shnitzer、et al.、Applied Physics Letters 62、Pgs.131〜133(1993)]。この方法は、電子と正孔を光に、またその逆に容易に変換する高効率活性層をもつLEDを想定している。TIR光は、LED表面で反射されて戻り活性層に当たり、そこで電子−正孔対に逆変換される。活性層の効率が高いために、電子−正孔対は、再びランダムな方向に放出される光にほとんど直ぐに再変換されるであろう。ある割合のリサイクル光は、臨界角以内でLEDの光放出面に当たり、そして出て行く。反射されて活性層に戻る光は同じプロセスを繰返す。
この手法の1つの欠点は、光学損失が極めて低い材料でできたLEDに用いることができるだけであり、そして表面に吸収性のスプレッダ層をもつLEDには用いることができないということである。
本発明は、露出表面上あるいはLED内に配置されて、LEDから光が出て行く確率を増加させる光取出し構造をもち、それによりLEDの光取出しおよび全効率を増大させる新規なLEDを提供することである。この新規なLEDは製造が容易であり、また光取出しのための多くの新規な選択肢と組合せを提供する。
この新規のLEDは、通常、p型層、n型層、ならびにp型とn型層の間の活性層をもつLED構造体を備える。このLED構造体は、第1スプレッダ層と第2スプレッダ層の間に挟まれている。スプレッダ層は、電流が効率的に活性層に注入されるように、デバイス面全体に広く電流を分布させる半導体あるいは導体層である。新規なLED(または基板)の上あるいは内部にある光取出し構造体が含められる。この構造体は、場所により屈折率が変わるようにして、LED内に捕捉された光が屈折し反射してそして出て行くことができるようにする表面を提供する。ほとんどの実施形態において、LED構造体とスプレッダ層は、第1スプレッダ層に隣接してLED構造体の反対側にある基板の上に形成される。それぞれのコンタクトは、第1および第2のスプレッダ層に含められ、コンタクト間に加えられるバイアスがLED構造体の活性層に光を放出させる。光取出し構造体は、好ましくは、LED層に平行な面内に配置され、また実質的にLEDの範囲を覆う。
光取出し構造体は、好ましくは、光取出し要素(light extraction element;LEE)アレイ、あるいは分散体層(disperser layer)のいずれかである。露出表面にLEEアレイをもつ実施形態においては、このアレイはLED封止材料より屈折率の大きい材料で形成される。様々な方法を用いてこのLEEを形作ることができ、これがなければ捕捉される光が出て行ける様々な表面を提供する。
他の方法として、この新規のLEDでは、LEEアレイをLED自体の内部に配置することができる。この内部LEEアレイもまた場所により屈折率が変わるように形成される。このLEEアレイは、LED成長プロセスの間に形成されて、いったんアレイが形成されると、LED構造体の残りの層をエピタキシャル堆積技術により、このアレイの上に成長させて、LEEアレイをLED内に埋め込む。これがなければエピタキシャル層あるいは基板に捕捉されるであろう光線がLEEアレイと相互作用して屈折および/または反射し、LEDを出て行くことができる光線となる。
新規のLEDの他の実施形態では、LEDの1つの露出面上にある分散体層が含まれ、その層はLED封止材料より大きな屈折率をもつ材料で形成される。LED上の分散体層に当たる光は、出て行ける方向に散乱される機会が増加する。光分散体層を形成するために表面材料を用いることにより、半導体表面に粗さをパターン化する問題は解消され、Schnitzerの成果を超える利点がもたらされる。
他の方法として、新規のLEDは、LED自体の内部に配置された分散体層を備えることができる。LEDのエピタキシャル成長の前に基板の中もしくは上に、あるいはLEDのエピタキシャル構造自体の中に、この分散体層を形成することができる。光の散乱が起るように、基板および/またはエピタキシャル材料と異なる屈折率の材料で分散体層はつくられる。
フリップ−チップ実装技術を用いて、ほとんどの前記実施形態を実装することもでき、基板がLEDの主な光放出面となる。
本発明のこれらおよび他のさらなる特徴と利点は、添付図と合わせて考慮すれば以下の詳細な説明により当業者には明らかとなるであろう。
第2スプレッダ層上にLEEアレイをもつ新規のLEDの断面図である。 基板表面上にLEEアレイをもつ新規のLEDの断面図である。 新規のLEDと一体化させるアレイにすることができる、LEEの基本形状の断面を示す図である。 基板と第1スプレッダ層の間の境界面に形成された内部LEEアレイをもつ新規のLEDの断面図である。 第1スプレッダ層内に形成されたLEEアレイをもつ新規のLEDの断面図である。 空孔で形成されたLEEアレイをもつ新規のLEDの断面図である。 第1スプレッダ層との境界面で、基板内に形成されたLEEアレイをもつ新規のLEDの断面図である。 第2スプレッダ層上に形成された表面分散体層をもつ新規のLEDの断面図である。 基板上に形成された表面分散体層をもつ新規のLEDの断面図である。 基板との境界面で、第1スプレッダ内に形成された内部分散体層をもつ新規のLEDの断面図である。 第1スプレッダ層内に形成された内部分散体層をもつ新規のLEDの断面図である。 内部分散体層がエピタキシャル成長の間にin−situに形成された、新規のLEDの断面を示す図である。 内部分散体層がエピタキシャル成長の間に自然位(in−situ)に形成された、新規のLEDの断面を示す図である。 基板表面上にLEEアレイをもつフリップ−チップを実装した新規のLEDの断面図である。 LEDの一層内に形成された表面分散体層をもつフリップ−チップを実装した新規のLEDの断面図である。
(発明の詳細な説明)
[第1の実施形態]
図1は、本発明に従って構成された新規のLED10の一実施形態を示す図である。この新規のLEDは、逆にドープされた2つの層14、15に挟まれた活性層13からなるLED構造体12を有する。好ましいLED構造体12では、層14、15を逆にドープしても機能するであろうが、最上層14がp型であり、最下層15はn型である。新規のLEDは、第1コンタクトパッド18からLED構造体の最下層15に電流を広げる導体材料からなる第1スプレッダ層16を有する。第1コンタクトパッド18は、好ましい実施形態において最下層15はn型であるために、n−コンタクトパッドとも呼ばれる。導電性材料からなる第2スプレッダ層20も、LED構造体の最上層14上に含められて、第2コンタクト22から最上層14に電流を拡散させる。第2コンタクト22は、好ましいLED構造体12では最上層14はp型であるために、p−コンタクトとも呼ばれる。LED構造体、スプレッダ層およびコンタクトは、第1スプレッダ層を基板24に隣接させて基板24の上に形成される。
多くの材料で基板24をつくることができ、また基板24は電気伝導体でありうる。導電性である場合、基板24は第1スプレッダ層として機能し、そしてn−コンタクト28を基板に直接堆積させることができる。電流は基板24を通してLED構造体12の最下層に広がるであろう。
表面LEEアレイ26は、第2スプレッダ層20の上に標準的な半導体加工技術により形成される。LEE26は、普通は捕捉されるTIR光が透過するかあるいは屈折して出て行く表面を提供して、LED10の効率を増加させる。それらの有効性を増すために、LEE26の屈折率(n2)をLED封止材料(n1)より大きくすべきである。より大きいn2は、普通は封止材料に入るであろう光がより多くLEEに入ることを可能にする。次にLEEの形状をもつ表面は、より多くの光が封止材料に出て行くことを可能にする。新規のLED10の1つの利点は、LEDを分割する前にLEDウェーハ上に標準的な加工技術によりLEEを形成できるために、製造が容易なことである。
新規のLED10は、好ましくはAlInGaN材料でつくられる。第2スプレッダ20は、好ましくは、LED構造体の最上層14の上に堆積させた薄い半透明の金属、例えば、Pd、Pt、Pd/Au、Pt/Au、Ni/Au、NiO/Auあるいはこれらの何らかの合金などであり、最上層14は、好ましくはp型AlInGaNである。多くの通常の方法により第2スプレッダ20を新規のLED10上に堆積させることができるが、好ましい方法は蒸着あるいはスパッタリングである。第1スプレッダ層16は、好ましくはn型AlInGaNでつくられ、コンタクトのために反応性イオンエッチングを行うことにより露光することができる。Ni、Al/Ni/Au、Al/Ti/Au、あるいはAl/Pt/Auが、基板24あるいは第1スプレッダ層16へのn−コンタクト18あるいは28として用いられる。
基板24として、サファイア、AlN、SiC、あるいはGaNを用いることができ、SiCおよびGaNは導電性であり、AlNおよびサファイアは絶縁体である。SiCはGaNなどのIII族窒化物にかなりよく合致する結晶格子をもつため、高品質のIII族窒化物膜を生成する。また炭化ケイ素の熱伝導率は非常に大きいので、炭化ケイ素上のIII族窒化物デバイスの全出力は、基板の熱散逸により制限されない(サファイア上に形成されたいくつかのデバイスの場合と同様に)。SiC基板は、Cree Reseach,Inc.、(Durham、North Carolina)から市販されており、その製造方法は、科学文献および米国特許第Re.34,861号明細書、4,946,547号明細書、および5,200,022号明細書に記載されている。
LEE26は、好ましくは、以下の方法を用いてデバイス上に形成される。蒸着、化学気相堆積(CVD)、あるいはスパッタリングでLEE材料を堆積させる。好ましいLEE材料は、SiC、SiNx、AlN、SiOxy、Si34、ZnSe、TiO2、Ta25、GaN、あるいはSiOであり、ZnSe、TiO2、SiNx、AlN、およびGaNが最も好ましい。好ましいLEEの厚さは、100nmから10μmの範囲にある。LEE材料を堆積させた後、フォトレジストなどの感光性ポリマーをまず露光してマスクとする。
次に、以下に示す2つの方法でLEE材料内にLEE26を形成することができる。まず第1に、ウェット化学エッチングによりマスクを用いてLEE材料をエッチングで除くことができる。このエッチングは、マスク層をアンダーカットしてLEE構造体を形成するであろう。第2に、オーブンでマスクを再処理し、曲線あるいは直線の傾斜をマスクにつけることができる。次に反応性イオンエッチングを用いてパターンをマスクからLEE材料に転写し、最終的なLEE構造体を形成する。アレイパターンは規則的あるいは不規則的なものでありうるし、個々のLEEの間の好ましい間隔は1μmから50μmの範囲にある。
LEE構造体を形成するために他の方法を用いることもでき、この技術はあらゆるLED材料系に適用できる。また、記載されたLEEの形成を、LEEアレイが形成される以下のいずれの実施形態においても用いることができる。
[第2の実施形態]
図2は、本発明に従って構成された新規のLED30からなる第2の実施形態を示す図である。それは図1のLED10に類似しており、同じLED構造体12、第1スプレッダ16、基板24、第2スプレッダ20、およびn−p−コンタクトパッド18およびp−コンタクトパッド22を有する。基板が導電性の場合、基板24上にn−コンタクト28をもつこともできる。
しかし、この実施形態においては、LEE32は、基板24の表面上、第1スプレッダ層16の反対側に形成されている。LED10と同様、デバイスの製造の間にあるいは後でLEE32は形成されるが、ダイ分割の前である。光取出しを増すために、LEEの屈折率(n2)をLEE封止材料の屈折率(n1)より大きくすべきである。図1の新規のLED10で用いられた好ましい材料および製造プロセスを本実施形態でも用いることができる。
他の方法として、基板24内にLEE32を形成することができる。これはAlInGaN系LED構造体をもつSiC基板に対して特に適切である。エッチングマスクを用いて反応性イオンエッチングにより、あるいは基板のレーザまたはソーによるカッティングにより基板に直接LEEが形成される。この場合のLEEの深さは、好ましくは1μmから200μmの範囲にあり、また要素間の距離は、好ましくは1μmから200μmの範囲にある。
この新規のLED20は、SiC基板上のGaN系LEDの場合などの、基板部分に大部分の光が補足されるLEDに対して特に適切である。LEE32をアレイとして形成することにより、新規のLED10および20は、Krames他(前記参照)により開示された逆角錐台プロセスに比べてより大きなLEDチップサイズにスケールを拡大できるという利点がある。
最大の光取出しを得るために、新規のLEDのすべての実施形態で異なる形状を用いることができる。図3は、アレイLEEとして用いることができる形状の様々な例の横断面図である。LEE42、44、46の表面は曲がっており、一方、LEE48、50、52、54の表面は区分的にリニアである。特定の実施形態に対して最大の光取出しが得られるように、形状を選択し調整することができる。標準的なウェット化学、ドライエッチング、レーザもしくはウェーハソーイング技術により、LEE材料および/またはマスク層の様々な組合せを用いることにより、様々な形状が形成される。図3に示された形状は、可能な形状の極少数を表示しており、本発明の範囲は示された形状に限定されるべきではない。
[第3の実施形態]
図4は、本発明に従って構成された新規のLED60からなる第3の実施形態を示す図である。それはまたLED構造体62、第1スプレッダ層64、基板66、n−コンタクト68、第2スプレッダ70、およびp−コンタクト72をもち、これらはLED10および20と同様に配置されている。しかし、この実施形態においては、LEE74はLEDデバイスの内部に、好ましくは基板66と第1スプレッダ64の間の境界面にアレイとして形成されている。このLEE材料の屈折率(n2)は、普通は補足される光をLED60から光が出て行くことができる方向へ向け直すことができる反射と屈折が起こるように、第1スプレッダ材料(n1)と異なっていなければならない。
LEE74は、好ましくは、フォトレジストマスクを用いてLEE材料のウェット化学エッチングにより形成される。次に、内部LEEアレイを形成するために、エピタキシャル材料をLEEの上に再成長させねばならない。これは、好ましくは有機金属化学気相堆積(MOCVD)、気相エピタキシ(VPE)、あるいは分子線エピタキシ(MBE)で実施され、MOCVDが最も好ましい。好ましいマスク材料は、SiO2、SiN2、Si34、TiO2、AlN、およびSiOである。LEEマスク材料の好ましい厚さは、0.1μmから10μmであり、LEE間の好ましい間隔は1μmから50μmである。さらに、LED構造内の異なる位置に、内部LEEを置くこともできる。
[第4および第5の実施形態]
図5は、本発明に従って構成された新規のLED70からなる第4の実施形態を示す図である。それは、前記実施形態と同じLED構造体72、スプレッダ層75、76、基板70およびコンタクト80、82をもつ。しかし、この実施形態では、エピタキシャル材料84の層を、LEE86の形成の前に基板上に成長させる。MOCVD、VPE、あるいはMBEにより、エピタキシャル層84を成長させる。次にLEE86がエピタキシャル層表面上にアレイとして形成され、そして第2スプレッダ75の残りの部分がLEE86の上に形成される。LEEアレイの上にLED構造体72を容易に再成長させるためにこの実施形態を用ることができるが、1つの余計なエピタキシャル成長ステップを必要とする。
1つの層の内部にLEEがあるGaN系LEDでは、MOCVD成長システムにおける横方向エピタキシャルオーバー成長(lateral epitaxial overgrowth、LEO)により、LEE材料上での再成長を実施できる。これは標準的な面成長を超える優れた材料特性をもたらし、光取出しに対する副次的利得としてLED光放出をさらに増加させる。
さらに、このLEOプロセスは、本発明に従って構成されまた図6に示されるLED90からなる他の実施形態を提供する。この実施形態では、マスク材料94の上にLEEの空孔(void)92を作り出すように、LEO成長条件が調節される。空孔92は、第1スプレッダ層96の内部の直線的な(あるいは曲がった)LEEとして機能する。空孔とLEEは内部に補足された光の方向を変えて、光取出しを増す。半導体材料内の空孔の形成は、Finiにより実際に示された。〔「High Quality Coalescence of Laterally Overgrown GaN Stripes on GaN/Sappire Seed Layers(GaN/サファイアシード層上で横方向オーバー成長GaNストライプの高品質融合)」Fini et al.、Applied Physics Letters 75、12、Pgs.1706〜1708(1999)を参照〕。
[第6の実施形態]
図7は、前記のLEDと同じ層を有する新規のLED100からなる第6の実施形態を示す図である。この実施形態では、基板104と第1スプレッダ106の間の境界面ではあるが基板104内に、LEE102がアレイとして配置されている。LEE102は、マスクを用いてウェット化学あるいはドライエッチング技術により基板をエッチングすることにより、基板104に直接形成される。次に、エッチングされた領域にLEEを成長させ、そしてMOCVD、VPE、あるいはMBEによりLEDの残りの層をLEEの上に成長させる。LEEは、エピタキシャル材料の再成長の後に基板に残された空孔、あるいはエッチングされた部分を満たすエピタキシャル材料でありうる。
[第7の実施形態]
図8は、LED構造体114のエピタキシャル側の一番上でまた第2電流スプレッダ層116の上側の分散体層112を用いる新規のLED110からなる第7の実施形態を示す図である。やはり、基板、LED層、およびLEDコンタクトは今までの実施形態で記載されたものと同じタイプである。最も効果的であるために、分散体層の屈折率n2をLED封止材料の屈折率n1より大きくすべきである。一般に、屈折率n2が大きくなる程、光取出しは向上する。分散体層の粒子は隣接粒子間で、20μmから1μmの距離をもつべきである。粒子サイズは20nmから1μmであるべきである。他の方法として、分散体層は異なる屈折率をもつ材料層における一連の空孔でありうる。
いくつかの異なる方法で、分散体112を形成することができる。まず第1の方法は、望ましい屈折率のマイクロスフィアでLED構造体表面を直接コートすることである。好ましいマイクロスフィアは、ZnSeもしくはTiO2、あるいは何らかの高屈折率で低光学吸収材料である。溶剤あるいは水に浸漬したスフィアのスプレあるいはスピンコーティングにより、LEDをコートすることができる。
第2の形成方法では、始めに蒸着、CVD、あるいはスパッタリングによりLED表面上に均一あるいはほぼ均一に分散体材料を堆積させる。好ましい材料は、SiN、AlN、ZnSe、TiO2、およびSiOである。次に、マスク材料を表面上にコートするが、好ましいマスク材料は、シリカもしくはポリスチレンのマイクロスフィア(microsphere)、あるいはスピンコートされたフォトレジストなどの薄いポリマー層である。マスク材料は、分散体材料のウェット化学エッチングのためのマスクとして、あるいはRIEなどのドライエッチングのためのアブレーティブマスク(ablative mask)として用いられる。分散体材料へパターンを転写した後、残りのマスク材料は取り除かれて、LED表面上に分散体が残る。
ここに与えられた実施形態は、Schnitzer他により記載され例示されたLEDに対する改良形態である。それらは半導体材料をエッチングして分散体層にする必要がないという利点をもたらす。これにより、通常、第1スプレッダ材料が容易には中断できない非常に薄い金属層である、GaN系材料システムで分散体技術を容易に用いることができる。
[第8の実施形態]
図9は、図8のLED110の変形形態である新規のLED120を示す図である。LED120は同じLED層をもつが、この実施形態では分散体層122が基板124の下側表面に付けられている。この方法は、SiC上のAlInGaNエピタキシャル層などのような、基板の屈折率がLEDエピタキシャル層に似ているLEDに特に適切である。
[第9および第10の実施形態]
図10および図11は、それぞれの分散体層134、144が第1スプレッダ層132、142内に配置される、新規のLED130と140を示す図である。これらの実施形態では、光の散乱が起こるように、分散体層の屈折率n2は、第1スプレッダ層の屈折率n1と違っていなければならない。この分散体層にとって好ましい材料は、シリカあるいはTiO2マイクロスフィアである。
図10のLED130では、分散体層134は基板136と第1スプレッダ132の間に配置される。次にLED層を分散体層の上に、MOCVD、VPE、あるいはMBEにより成長させる。図11のLED140では、分散体層144は第1スプレッダ層142の内部にある。第1スプレッダの層を始めに成長させ、次に分散体層144を形成する。次いで第1スプレッダの残りの部分とLED層を分散体層の上に成長させる。
LED構造体および基板を含む、LED130、140の他の層内に、分散体層を形成することもできる。他の方法によってまた他の材料で、分散体を形成することもできる。したがって、本発明は示された分散体層の配置に限定されるべきではない。
[第11の実施形態]
MOCVDをエピタキシャル成長のツールとして用いる場合、in−situな技術を用いて分散体層をLEDに形成することができる。この技術はGaN系LEDに対して特に適切である。図12および図13は、第1スプレッダ層154、164に自然位(in−situ)に形成された分散体層152、162を有する、2つのLED150および160を示す図である。LED150において、その基板155はSiCあるいはサファイアでできており、また第1スプレッダ154がAlxInyGa1-x-yN、0≦x≦1、0≦y≦1からなる材料の融合していない島(uncoalesced island)から形成される。第1スプレッダの成長の初期段階の間に、島156が形成される。島156の融合に先立って成長を止めて、そしてAlGaN、SiO2、あるいはSiNなどの低屈折率材料からなる層152を島の上および/または間に堆積させて、必要な内部屈折率の不連続を作り出す。次に成長は通常のように進んで、第1スプレッダ層とLED構造体を完成する。
LED160では、不連続を形成するのに島を用いないで、第1スプレッダ層の成長初期段階の間に成長条件を変更してその表面を粗くする。AlInGaN系LEDでは、ジシリンの流量を増やすこと、アンモニアの流量を変化させること、あるいは前記第1層が成長する速度を増すことにより、エピタキシャル層を粗く成長させることができる。粗くされた後、低屈折率のAlGaNあるいは他の誘電体層162を堆積させる。次に成長は通常のように進んで、第1スプレッダおよびLED構造体を完成する。
前記と全く同様に、LED構造体層および基板を含む他の層に、記載された分散体層を配置することが可能であり、本発明は示された配置に限定されるべきではない。
[フリップ−チップ実施形態]
最後に、前記に列挙されたすべての実施形態において、フリップ−チップボンディング技術を用いてデバイスを実装することができる。図14は、そのような構成に結合された新規のLED170を示す図である。LED構造体172は、導電性反射層175でコートされており、第2スプレッダ層189は、導電性結合媒体により反射層175に付けられている。次いでサブマウント176が第2スプレッダ層189上に実装されている。p−コンタクト188がサブマウント176上に含められて、第2スプレッダ層189に結合している。p−コンタクト188に流れた電流は第2スプレッダ層に、そしてLED構造体の最上層に広がる。
n−コンタクト層178もまたサブマウント176に含められて、第2導電性結合層182を通じて第1スプレッダ層180と結合する。n−コンタクト178からの電流は層182を通じて第1スプレッダ180に、そしてLED構造体の最下層へと流れる。LEE186は、基板184の下側表面上に形成されている。
LED170から光は、主にその基板184を通して放出され、またLEEアレイあるいは用いられる分散体のタイプに応じて、この構造体からの光取出しを従来のボンディング構造体を超えて向上させることができる。ここで、方向を変えられた光は、LEE186を通して第1の経路でチップを出て行くことができ、方向を変えられた後、基板を通して元に戻らざるを得ない光による光学損失のいかなる発生も低下させている。
図15は、LED170に似たフリップ−チップボンディングを用いる新規のLED190を示す図である。しかし、LEEを用いる代わりに、それは第2スプレッダ194と反射層196の境界面に分散体層192を有する。
本発明がその特定の好ましい実施形態を参照してかなり詳細に記載されたが、他の実施形態も可能である。当分野の技術者は、LEEアレイを用いる他のLED構成を構想することもできる。この新規のLEDは、LEEアレイと分散体層の様々な組み合わせをもつことができる。LEEは、様々な形状、寸法、隣接LEEとの間隔をとることができ、また様々な位置にLEEを配置することができる。同様に、様々な材料で分散体層をつくり、また様々な位置に配置することができる。したがって、添付の特許請求の範囲の精神および範囲は、前記の好ましい実施形態に限定されるべきではない。

Claims (9)

  1. 光取出しを向上させた発光ダイオードであって、
    p型層と、
    n型層と、
    前記p型層およびn型層の間の活性層を備え、前記p型あるいはn型層のいずれかが上部層で、他方が下部層であり、
    前記下部層に近接する第1スプレッダ層と、
    前記上部層の上の第2スプレッダ層と、
    前記スプレッダ層上のそれぞれの電気的コンタクトを備え、前記コンタクトの間に加えられたバイアスが前記活性層で発光させ、
    前記第1スプレッダ層に近接する基板と、
    前記第1スプレッダ層に近接し、前記各層に平行に並び、また実質的に前記発光ダイオードを覆う光取出し構造体を備え、前記光取出し構造体が、前記発光ダイオードからの光取出しを増大させ、
    前記光取出し構造体が、表面が曲がっているかあるいは区分的にリニアである光取出し要素からなる不規則なアレイを含むことを特徴とする発光ダイオード。
  2. 前記光取出し構造体が、エピタキシャル材料を含むことを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオード。
  3. 前記光取出し構造体が前記発光ダイオード層内部にあることを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオード。
  4. 前記光取出し構造体が前記基板と前記第1スプレッダ層の間の境界面にあり、前記構造体が実質的に前記第1スプレッダ層内にあることを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオード。
  5. 前記光取出し構造体が前記第1スプレッダ層内にあることを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオード。
  6. 前記光取出し構造体が前記基板と前記第1スプレッダ層の間の境界面にあり、前記構造体が実質的に前記基板内にあることを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオード。
  7. 光取出しが向上した発光ダイオード(LED)であって、
    エピタキシャル成長させたp型層と、エピタキシャル成長させたn型層と、前記p型層およびn型層の間のエピタキシャル成長させた活性層とを有する発光ダイオード構造体と、
    該発光ダイオード構造体上に堆積させた反射層と、
    該反射層上の第2スプレッダ層と、
    該第2スプレッダ層上のサブマウントと、
    前記発光ダイオード構造体に近接し、前記反射層の反対側の第1スプレッダ層を備え、
    前記第1および第2スプレッダ層の間に加えられたバイアスが前記活性層で発光させ、
    前記第1スプレッダ層に近接した光取出し構造体を備え、前記光取出し構造体が前記発光ダイオード構造体に平行に並び、また実質的に前記発光ダイオードの領域を覆っており、
    前記光取出し構造体が、表面が曲がっているかあるいは区分的にリニアである光取出し要素からなる不規則なアレイを含むことを特徴とする発光ダイオード。
  8. 前記光取出し構造体が、エピタキシャル材料を含むことを特徴とする請求項に記載の発光ダイオード。
  9. 前記サブマウント上でまた前記第2スプレッダ層に近接するp−コンタクト、前記サブマウントと前記第1スプレッダ層の間の導電性媒体、および前記サブマウント上でまた前記導電性媒体に近接するn−コンタクトをさらに含み、前記p−およびn−コンタクトの間に加えられたバイアスが前記発光ダイオード構造体を発光させることを特徴とする請求項に記載の発光ダイオード。
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