(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する第１及び第２の面と、その間に傾斜した側壁であって、前記第１及び第２面に対して傾斜した角度で延びる側壁とを有する炭化シリコン基板と、
前記第１の面上の、窒化ガリウムを含むダイオード領域と、
前記炭化シリコン基板とは反対側の前記ダイオード領域上のアノード・コンタクト及びカソード・コンタクトと、
前記ダイオード領域とは反対側の炭化シリコン基板上にあり、前記炭化シリコン基板より低い屈折率を有する透明層と、前記基板とは反対側の、前記透明層上の反射層とを有する、ハイブリッド・リフレクタと、
を含み、
前記透明層及び前記反射層は、前記炭化シリコン基板の前記傾斜した側壁の上に延出してないことを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
前記炭化シリコン基板とは反対側の、前記ハイブリッド・リフレクタ上のダイ・アタッチ層をさらに含み、
前記ダイ・アタッチ層は、前記炭化シリコン基板の前記傾斜した側壁の上に延出していないことを特徴とする、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項３】
前記ハイブリッド・リフレクタと前記ダイ・アタッチ層との間のバリア層をさらに含み、前記バリア層は、前記炭化シリコン基板の前記傾斜した側壁の上に延出していないことを特徴とする、請求項２に記載の発光ダイオード。
【請求項４】
前記透明層は二酸化シリコンを含み、前記反射層はアルミニウムを含み、前記ダイ・アタッチ層は金−スズ合金を含み、前記バリア層は白金を含むことを特徴とする、請求項３に記載の発光ダイオード。
【請求項５】
前記透明層及び前記反射層の両方とも、前記発光ダイオードのための統合された背面リフレクタを提供するための、前記炭化シリコン基板上の薄膜層で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。
【請求項６】
前記透明層、前記反射層、前記ダイ・アタッチ層及び前記バリア層の全てが、前記発光ダイオードのための統合された背面リフレクタ及びダイ・アタッチを提供するための、炭化シリコン基板上の薄膜層であることを特徴とする、請求項３に記載の発光ダイオード。
【請求項７】
前記炭化シリコン基板は２．７５の屈折率を有し、前記透明層は１．５の屈折率を有することを特徴とする、請求項１に記載の発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光デバイスに関し、より具体的には、半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ＬＥＤは、電圧の印加時に光を生じることができる、広く知られている固体発光素子である。ＬＥＤは、一般に、ｎ型層、ｐ型層及びｐ−ｎ接合を内部に含むダイオード領域を含む。アノード・コンタクトはｐ型層にオーム接触し、カソード・コンタクトはｎ型層にオーム接触する。ダイオード領域は、サファイア、シリコン、炭化シリコン、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム等の成長基板のような基板上にエピタキシャル形成され得るが、完成したデバイスは基板を含まないことがある。ダイオード領域は、例えば、炭化シリコン、窒化ガリウム、ガリウムリン、窒化アルミニウム、及び／又は、ヒ化ガリウムベースの材料から、及び／又は、有機半導体ベースの材料から製造することができる。最後に、ＬＥＤにより放射される光は、可視領域又は紫外線（ＵＶ）領域にあることができ、ＬＥＤは、蛍光体のような波長変換材料を含むことができる。
【０００３】
幾つかのＬＥＤは、上部アノード・コンタクト及びカソード・コンタクトを含み、底面マウント用に構成されている。より具体的には、幾つかの市販のＬＥＤは、対向する第１及び第２の面を有する炭化シリコン基板と、第１の面上のダイオード領域と、炭化シリコン基板とは反対側の、ダイオード領域上のアノード及びカソード・コンタクトとを含むことができる。これらのＬＥＤの例は、ＣＲＥＥ（登録商標）社により製造されるＬＥＤのＥＴＣ（商標）ファミリーである。図１は、非特許文献１からのチップ・ダイアグラムの再現である。図１のダイ断面に示されるように、これらのＬＥＤは、相対的に薄いダイオード領域と、側壁を通る光の放出を増大するための傾斜した側壁を含む相対的に厚い炭化シリコン基板とを含む。図１の平面図は、アノード及びカソードのボンドパッドを示し、底面図は、底面を示す。このデータシートの１ページ目に記されるように、「この設計は、透明エポキシによるダイ・アタッチが可能であり、業界標準のパッケージングと一致する２つの上部コンタクトを有するため、業界標準のサイドビュー・パッケージに適合させることができる」。
【０００４】
他の市販のＬＥＤは、対向する第１及び第２の面と、第１の面上のダイオード領域と、サファイア基板とは反対側の、ダイオード領域上のアノード及びカソード・コンタクトとを含むことができる。これらのサファイアベースのＬＥＤの一例は、ＢＲＩＤＧＥＧＥＬＵＸ（登録商標）により販売されているＮＬＸ−５  Ｂｌｕｅ  Ｐｏｗｅｒ  Ｄｉｅであり、非特許文献２において説明されている。これらのＬＥＤは、薄い金を有する底面リフレクタを含む。より具体的には、デバイスの底面は、サファイア基板上に二酸化シリコン層（約０．５μｍ厚）を含み、続いて二酸化シリコン層上に、二酸化チタンと二酸化シリコンの交互層があり、続いて二酸化チタンと二酸化シリコンの交互層上に積層された、アルミニウム、チタン、クロム、白金層及び金層がある。サファイア基板を含むＬＥＤの別の例は、Ｎｉｃｈｉａ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（日亜化学工業株式会社）により販売されるＮＳ６Ｌ０８３ＢＴ  ＬＥＤであり、非特許文献３において説明されている。これらのデバイスにおいて、アルミニウム及びタングステンの交互層は、サファイア基板上に直接設けられ、続いて白金層及び金−スズ層がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５，７１８，７６０号明細書
【特許文献２】米国特許第６，１７７，６８８号明細書
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｃｒｅｅ社、「Ｃｒｅｅ（登録商標）ＴＲ２４３２（商標）ＬＥＤｓ  Ｄａｔａ  Ｓｈｅｅｔ  ＣｘｘｘＴＲ２４３２−Ｓｘｘ００」
【非特許文献２】ＢＲＩＤＧＥＧＥＬＵＸ社、「ＮＬＸ−５  Ｂｌｕｅ  Ｐｏｗｅｒ  Ｄｉｅ  ３８  ｘ  ３８  ｍｉｌ  ＢＸＣＡ３８３８ＸＸＸ−ＹＹ−Ｚ」、仕様書番号ＢＣＤＳ  ＢＸＣＡ３８３８  ０２０５０９  Ｒｅｖ．３
【非特許文献３】Ｎｉｃｈｉａ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（日亜化学工業株式会社）、「日亜チップ型ウォームホワイトＬＥＤモデルの仕様書（Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ  ｆｏｒ  Ｎｉｃｈｉａ  Ｃｈｉｐ  Ｔｙｐｅ  Ｗａｒｍ  Ｗｈｉｔｅ  ＬＥＤ  Ｍｏｄｅｌ）：ＮＳ６Ｌ０８３ＢＴ」、日亜仕様書番号ＳＴＳ−ＤＡ１−０１８１Ｃ
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
種々の実施形態による発光ダイオードは、対向する第１及び第２の面を有する炭化シリコン基板と、第１の面上のダイオード領域と、炭化シリコン基板とは反対側の、ダイオード領域上のアノード・コンタクト及びカソード・コンタクトと、ダイオード領域とは反対側の、炭化シリコン基板上のハイブリッド・リフレクタとを含む。ハイブリッド・リフレクタは、炭化シリコン基板より低い屈折率を有する透明層（炭化シリコン基板についての約２．７５の屈折率と比較して、約１．５の屈折率）と、基板とは反対側の、透明層上の反射層とを含む。他の実施形態においては、ダイ・アタッチ層を、炭化シリコン基板とは反対側の、ハイブリッド・リフレクタ上に設けることができる。さらに他の実施形態においては、バリア層を、ハイブリッド・リフレクタとダイ・アタッチ層との間に設けることができる。幾つかの実施形態においては、透明層は二酸化シリコンを含み、反射層はアルミニウムを含み、ダイ・アタッチ層は金−スズ合金を含み、バリア層は白金を含む。さらに、幾つかの実施形態においては、透明層、反射層、ダイ・アタッチ層、及びバリア層は全て炭化シリコン基板上の薄膜層であり、発光ダイオードのための統合された背面リフレクタ及びダイ・アタッチを提供する。
【０００８】
材料の観点から見ると、種々の実施形態による発光ダイオードが、対向する第１及び第２の面を有する炭化シリコン基板と、第１の面上にあり、ｎ型層及びｐ型層を内部に含むダイオード領域と、ｐ型層にオーム接触し、炭化シリコン基板とは反対側のダイオード領域上に延びるアノード・コンタクトと、ｎ型層にオーム接触し、同じく炭化シリコン基板とは反対側のダイオード領域上に延びるカソード・コンタクトとを含む。二酸化シリコンを含む層が、炭化シリコン基板の第２の面上に設けられ、アルミニウムを含む層が、炭化シリコン基板とは反対側の、二酸化シリコンを含む層上に設けられる。他の実施形態においては、金を含む層が、二酸化シリコンを含む層とは反対側の、アルミニウムを含む層上に設けられる。
【０００９】
幾つかの実施形態において、金を含む層は金−スズ合金を含む。他の実施形態において、金を含む層は、炭化シリコンを含む層とは反対側の、アルミニウムを含む層上の金とスズの合金を含む第１の層と、アルミニウムを含む層とは反対側の、金−スズ合金を含む第１の層上の元素状金を含む第２の層とを含む。また、さらに他の実施形態は、アルミニウムを含む層と金を含む層との間の、白金を含む層を含む。さらに他の実施形態は、白金を含む層とアルミニウムを含む層との間のチタンを含む層と、白金を含む層と金を含む層との間のニッケルを含む層とを含む。これらの実施形態のいずれかにおいて、これらの層は炭化シリコン上の薄膜層であり、発光ダイオードのための統合された背面リフレクタ及びダイ・アタッチを提供する。
【００１０】
さらに他の実施形態は、発光ダイオードのための統合された背面リフレクタ及びダイ・アタッチを提供する。統合された背面リフレクタ及びダイ・アタッチは、ダイオード領域とは反対側の、炭化シリコン基板上のハイブリッド・リフレクタを含む。ハイブリッド・リフレクタは、炭化シリコン基板より低い屈折率を有する透明層と、基板とは反対側の、透明層上の金属を含む反射層とを含む。金属を含むダイ・アタッチ層が、透明層とは反対側の、反射層上に与えられる。他の実施形態においては、バリア層をハイブリッド・リフレクタとダイ・アタッチ層との間に与えることができる。これらの層のための材料は上述の通りとすることができ、これらの層は全て、炭化シリコン基板上の薄膜層とすることができる。
【００１１】
炭化シリコンの屈折率（約２．７５）は窒化ガリウムの屈折率（約２．５）より高く、窒化ガリウムのダイオード領域により放出される光の多くが炭化シリコン基板に入るので、ここに説明される種々の実施形態は、炭化シリコン基板上の窒化ガリウムベースの発光ダイオードの光学性能を高めるのに特に有効であり得る。このことは、そもそも、サファイアの屈折率（約１．８）が窒化ガリウムの屈折率（約２．５）より低く、必然的に、より少ない光がサファイア基板に入る、サファイア基板上の窒化ガリウムのダイオード領域とは極めて対照的である。従って、本発明の実施形態は、ダイオード領域が基板より高くない屈折率を有する、すなわち、ダイオード領域が基板のものと等しいか又はそれより少ない屈折率を有する、窒化ガリウム基板のような他の基板と共に用いることができる。従って、ここに説明される種々の実施形態は、炭化シリコン基板上の窒化ガリウムのダイオード領域を含む実施形態に加えて、窒化ガリウム基板上の窒化ガリウムのダイオード領域を含む発光ダイオードと共に用いることができる。
【００１２】
さらに、炭化シリコン又は窒化ガリウム基板が用いられるとき、炭化シリコン（約２．７５の屈折率）又は窒化ガリウム（約２．５の屈折率）と比べると、二酸化シリコンの透明層（約１．５の屈折率）との屈折率の差異が大きいため、二酸化シリコンの透明層は、炭化シリコン又は窒化ガリウム基板からの光のほとんど全部を反射するのに、極めて有効であり得る。従って、これらの実施形態においては、透明層及び反射層を含むハイブリッド・リフレクタを用いる必要はない。むしろ、二酸化シリコンを含む透明層のような、基板より低い屈折率を有する透明層を用いることができ、ダイ・アタッチ層を、透明層上に直接設けることができる。これらの実施形態においては、アルミニウムのような反射層を用いる必要がないため、バリア層を設ける必要もほとんど又は全くない。これにより、単純化された構造体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】市販の発光ダイオードのデータシートからのチップ図の再現である。
【図２】種々の実施形態による発光ダイオードの断面図である。
【図３】種々の実施形態による発光ダイオードの断面図である。
【図４】種々の実施形態による発光ダイオードの断面図である。
【図５】種々の実施形態による発光ダイオードの断面図である。
【図６】種々の実施形態による発光ダイオードの断面図である。
【図７】種々の実施形態による発光ダイオードの断面図である。
【図８Ａ】ハイブリッド・リフレクタの光の作用を示す、種々の実施形態による発光ダイオードの一部の断面図である。
【図８Ｂ】種々の入射角における図８Ａの発光ダイオードの光の反射及び透過を図示する。
【図９】種々の他の実施形態による発光ダイオードの断面図である。
【図１０】種々の他の実施形態による発光ダイオードの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
ここで、種々の実施形態が示される添付図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で具体化することができ、ここに述べられる実施形態に限定されると解釈すべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が十分かつ完全なものになるように与えられ、本発明の範囲を当業者に十分に伝えるものである。図面において、層及び領域のサイズ及び相対的サイズは、明確にするために誇張されている場合がある。全体を通して、同様の番号は、同様の要素を指す。
【００１５】
本明細書で用いられる用語は、特定の実施形態を説明するためだけのものであり、本発明を限定することを意図するものではない。本明細書で用いられる単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」及び「その（ｔｈｅ）」は、そうではないことを文脈が明確に示さない限り、同様に複数形も含むことが意図されている。さらに、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」及び／又は「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、本明細書で用いられる場合、記述された特徴、ステップ、動作、要素、及び／又は成分の存在を指定するが、１つ又はそれ以上の他の特徴、ステップ、動作、要素、成分、及び／又はそれらの群の存在又は追加を除外するものではないことが理解されるであろう。対照的に、「から成る（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ）」という用語は、本明細書で用いられる場合、記述された特徴、ステップ、動作、要素、及び／又は構成成分を指定し、付加的な特徴、ステップ、動作、要素、及び／又は成分を除外する。
【００１６】
層、領域又は基板のような要素が別の要素「上に（ｏｎ）」あるものとして言及される場合、これは、他の要素の上に直接あってもよく、或いは介在する要素が存在してもよいことが理解されるであろう。さらに、「真下に（ｂｅｎｅａｔｈ）」、「上に重なる（ｏｖｅｒｌｉｅ）」、「上面（ｔｏｐｓｉｄｅ）」及び「背面（ｂａｃｋｓｉｄｅ）」のような相対語は、本明細書では、図に示されるような基板又は基部層に関する、別の層又は領域に対する１つの層又は領域の関係を説明するために用いることができる。これらの用語は、図に描かれた向きに加えて、異なる向きのデバイスを包含するように意図されることが理解されるであろう。最後に、「直接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ）」という用語は、介在する要素がないことを意味する。本明細書で用いられる「及び／又は」という用語は、関連した列挙項目のうちの１つ又はそれ以上のありとあらゆる組み合わせを含み、「／」と略することができる。
【００１７】
第１及び第２等という用語は、本明細書では、種々の要素、成分、領域、層及び／又は区域を説明するために用いることができるが、これらの要素、成分、領域、層及び／又は区域は、これらの用語により限定されるべきではないことが理解されるであろう。これらの用語は、１つの要素、成分、領域、層又は区域を別の要素、成分、領域、層又は区域と区別するために用いられているにすぎない。従って、本発明の教示から逸脱することなく、以下で論じられる第１の要素、成分、領域、層又は区域を、第２の要素、成分、領域、層又は区域と呼ぶこともでききる。
【００１８】
本発明の実施形態は、ここでは、本発明の理想化された実施形態の概略図である断面図及び／又は他の図を参照して説明される。従って、例えば、製造技術及び／又は公差の結果として、図の形状からの変形が予想される。従って、本発明の実施形態は、本明細書で示される特定の領域の形状に限定されると解釈されるべきではなく、例えば製造の結果生じる、形状における偏差を含むものと解釈されるべきである。例えば、矩形として示され又は説明された領域は、典型的には、通常の製造公差のために、丸い又は湾曲した構造部を有する。従って、図中に示される領域は、本質的に概略的なものであり、それらの形状は、デバイスの領域の正確な形状を示すことを意図するものではなく、特に断りのない限り、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。
【００１９】
本明細書で特に断りのない限り、本明細書で用いられる全ての用語（技術用語及び科学用語を含む）は、本発明が属する技術分野における当業者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。通常用いられる辞書において定義されるような用語は、関連技術本明細書の文脈の中でのその意味と一致する意味を有するものと解釈されるべきであり、本明細書で明確にそのように定義されない限り、理想化された意味又は過度に形式的な意味で解釈されるものではないことが、さらに理解されるであろう。
【００２０】
本明細書で用いられる場合、透明な層又は領域上に当たるＬＥＤからの放射の少なくとも８０％、及び幾つかの実施形態においては少なくとも９０％が、透明領域に吸収されない、又は透明領域から反射される場合、ＬＥＤの層又は領域は「透明」であるとみなされる。例えば、窒化ガリウムベースの材料から製造される青色及び／又は緑色ＬＥＤの文脈においては、サファイア基板上の透過した又は反射した成分の考慮により測定されたとき、二酸化シリコンは、透明な絶縁層（例えば、少なくとも９０％透明）を与えることができ、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）は透明な導電層（例えば、少なくとも９０％透明）を与えることができ、炭化シリコンは透明な基板を与えることができる。さらに、本明細書で用いられる場合、ＬＥＤから反射層又は領域上に当たる角度平均放射の少なくとも８０％、及び幾つかの実施形態においては少なくとも９０％が、層又は領域から離れるようにＬＥＤに跳ね返るとき、ＬＥＤの層又は領域は「反射性である」と考えられる。例えば、窒化ガリウムベースの青色及び／又は緑色ＬＥＤの文脈においては、アルミニウム（例えば、少なくとも９０％反射性）は反射材料であると考えることができる。紫外線（ＵＶ）ＬＥＤの場合においては、幾つかの実施形態においては所望の高い反射性、及び／又は、幾つかの実施形態においては、所望の低い吸収性を与えるように、適切な材料を選択することができる。
【００２１】
ここで、炭化シリコンベースの基板上の窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースの発光ダイオードに関して、幾つかの実施形態を一般的に説明する。しかしながら、当業者であれば、本発明の他の実施形態は、炭化シリコンベースの基板上の種々の異なるダイオード領域に基づくものにできることを理解するであろう。幾つかの実施形態において、発光ダイオードは、上述したＬＥＤのＥＴＣファミリーのような、ノースカロライナ州Ｄｕｒｈａｍ所在のＣｒｅｅ，Ｉｎｃ．社が販売する窒化ガリウムベースのＬＥＤデバイスとすることができる。
【００２２】
図２は、種々の実施形態による発光ダイオードの断面図である。図２を参照すると、これらの発光ダイオード１００は、炭化シリコン（ＳｉＣ）基板１２０の第１の面１２０ａ上にあるダイオード領域１１０を含む。ダイオード領域１１０は、ｎ型層１１６及びｐ型層１１８を内部に含む。量子井戸、バッファ層等を含むことができる他の層又は領域を設けることができるが、それらは本明細書で説明する必要がない。ダイオード領域１１０はまた、典型的には、炭化シリコン基板１２０の第１の面１２０ａ上にエピタキシャル形成されるので、「ＬＥＤエピ領域」と呼ぶこともできる。例えば、ＩＩＩ族窒化物ベースのＬＥＤエピ１１０を、炭化シリコン成長基板１２０上に形成することができる。
【００２３】
図２の説明を続けると、「ｐ−コンタクト」とも呼ばれるアノード・コンタクト１１２が、ｐ型層にオーム接触し、炭化シリコン基板１２０とは反対側のダイオード領域１１０上に延びる。アノード・コンタクト１１２は、図２に示されるより多く又は少なくダイオード領域１１０上に延びることができる。「ｎコンタクト」とも呼ばれるカソード・コンタクト１１４は、ｎ型層１１６に電気的に接触し、同じく炭化シリコン基板１２０とは反対側のダイオード領域１１０上に延びる。カソード・コンタクト１１４もまた、図２に示されるより多く又は少なくダイオード領域１１０上に延びることができる。このように、上面のアノード・コンタクト及びカソード・コンタクトが設けられる。アノード・コンタクト１１２及びカソード・コンタクト１１４はそれぞれ、ｐ型層１１８及びｎ型層１１６に直接オーム接触することができ、又は、これらのコンタクトは、実際のオーム接触を与える１つ又は複数の中間層を含むことができることが理解されるであろう。
【００２４】
炭化シリコン基板１２０は、ダイオード領域１１０から放出された光放射を通すことができ、第２の面１２０ｂが第１の面１２０ａより狭い面積を有し、幾つかの実施形態においては、第１の面１２０ａのもの約３８％を有するように、傾斜した側壁を含むことができる。ダイオード領域から放出される光放射を通す炭化シリコン基板を製造するための１つの技術が特許文献１に説明されており、その開示全体を、完全に本明細書に説明されているかのように、引用により本明細書に組み入れる。炭化シリコン基板１２０は、２Ｈ、４Ｈ、６Ｈ、８Ｈ、１５Ｒ、及び／又は３Ｃポリタイプを含むことができる。６Ｈ及び／又は４Ｈポリタイプは、種々の光電子工学の用途において用いることができる。他の実施形態においては、炭化シリコン基板１２０は、補償型無色炭化シリコン基板である。
【００２５】
特許文献１に説明されるように、無色の炭化シリコンは、補償量のｐ型及びｎ型ドーパントの存在下で、炭化シリコンの昇華により製造することができる。天然発生の炭化シリコンは、不純物レベルが高いため、典型的には黒色である。通常の超小型電子技術の炭化シリコン・ウエハは、制御される結晶のドーピング・レベルに応じて、半透明の青色、琥珀色、又は緑色の色相を有する。特許文献１に説明されるように、低いドーピング濃度における補償レベルのｎ型及びｐ型ドーパントにより炭化シリコン結晶のドーピングを慎重に制御することによって、無色単結晶の炭化シリコンを得ることができることが見出された。他の実施形態においては、ドープされていない炭化シリコンを用いることができる。
【００２６】
幾つかの実施形態によると、例えば特許文献１及びそこで引用される参考文献に説明されるプロセスによる、成長された炭化シリコンの無色ボウルを、処理のために切断してウエハにすることができる。窒化ガリウムベースのエピタキシャル層は、例えば特許文献２に説明されるようにウエハ上に形成することができ、次にこれを処理して、図２に示されるような構造体を製造することができる。
【００２７】
図２の説明を続けると、ハイブリッド・リフレクタ１３０が、ダイオード領域１１０とは反対側の、炭化シリコン基板１２０上に設けられる。ハイブリッド・リフレクタは、炭化シリコン基板１２０より低い屈折率を有する透明層１３２と、基板１２０とは反対側の、透明層１３２上の金属を含む反射層１３４とを含む。透明層１３２及び反射層１３４の両方とも、炭化シリコン基板１２０上の薄膜層であり、発光ダイオード１００のための統合された背面リフレクタ１３０を提供することができる。
【００２８】
幾つかの実施形態において、透明層１３２は、炭化シリコンのもの（約２．７５の屈折率）よりずっと低い約１．５の屈折率を有する二酸化シリコン（ＳｉＯ2）を含む。さらに、反射層１３４は、アルミニウム（Ａｌ）及び／又は銀（Ａｇ）を含むことができる。他の実施形態においては、透明層１３２は、例えば、二酸化シリコン及び二酸化チタンの交互層を含む、分布ブラッグ・リフレクタ（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）を含むことができる。透明層１３２及び反射層１３４は、ハイブリッド・リフレクタ又はハイブリッド・ミラー１３０を与えることができ、基礎をなす透明層１３２は、透明層１３２が存在しない場合と比較して、基板１２０の全反射（ＴＩＲ）を高めるために、屈折率の不一致又は屈折率の段差をもたらす。付加的な詳細な説明が以下に与えられる。
【００２９】
図３は、さらに他の実施形態によるＬＥＤを示す。これらのＬＥＤ２００は、透明層１３２とは反対側の、反射層１３４上に、金のような金属を含むダイ・アタッチ層１３２をさらに含むことができる。ハイブリッド・リフレクタ１３０及びダイ・アタッチ層２３２は全て薄膜層を含み、発光ダイオード２００のための統合された背面リフレクタ及びダイ・アタッチ２３０を与えることができる。
【００３０】
図４は、さらに他の実施形態によるＬＥＤを示す。これらのＬＥＤにおいて、ダイ・アタッチ層２３２は、透明層１３２とは反対側の、反射層１３４上に金−スズ（Ａｕ−Ｓｎ）合金を含む第１の層と、アルミニウムを含む層１３４とは反対側の、金−スズ合金を含む第１の層３３２上に、元素状金を含む第２の層３３４とを含む、多層構造体を含むことができる。幾つかの実施形態において、金−スズ層３３２は、相対的に低い融点のダイ・アタッチをもたらすように、共晶８０−２０の金−スズ層とすることができる。金層３３４は、金−スズ層３３２のための抗酸化キャップを与えることができ、図７に関連して説明されるように、リフロー時に、金−スズ層３３２内に吸収され得る。しかしながら、他の実施形態においては、金キャップ３３４を用いない場合もある。層１３２、１３４、３３２及び３３４は全て薄膜層であり、ＬＥＤ３００のための統合された背面リフレクタ及びダイ・アタッチ３３０を与えることができる。
【００３１】
図５は、さらに他の実施形態を示す。これらのＬＥＤ４００において、例えば白金（Ｐｔ）を含むバリア層４３２が、反射層１３４と金−スズ層３３２との間に設けられる。以下にさらに詳細に説明されるように、バリア層４３２は、層３３２内のスズと層１３４内のアルミニウムとの間の相互作用を低減する又はなくすことができる。層１３２、１３４、４３２、３３２及び３３４は全て、炭化シリコン基板１２０上の薄膜として与えられ、発光ダイオード４００のための統合された背面リフレクタとダイ・アタッチ４３０を与えることができる。
【００３２】
図６はさらに他の実施形態を示す。これらの発光ダイオード５００において、バリア層４３２は、白金を含む層４３４と、チタン（Ｔｉ）を含む層４３２と、ニッケル（Ｎｉ）を含む層５３６とを含む、複数の層を含むことができる。チタン層５３２は、白金層５３４のための接着層を与えることができる。ニッケルを含む層５３６は、白金を含む層５３４及びニッケルを含む層５３６が多層バリア構造体を与えるように、付加的なバリア層を与えることができる。層１３２、１３４、５３２、５３４、５３６、３３２及び３３４は全て、炭化シリコン基板１１０上の薄膜層であり、発光ダイオード５００のための統合された背面リフレクタ及びダイ・アタッチ５３０を与えることができる。
【００３３】
図７は、マウント基板７００上にマウントされた図６のＬＥＤの断面図である。マウント基板７００は、プリント回路基板、メタルクラッド・プリント回路基板、固体金属ブロック、セラミック基板、ヘッダ、バックライト・ユニット、照明器具、及び／又はＬＥＤのための他のいずれかの通常のマウント基板とすることができる。ＬＥＤ６００は、ＬＥＤ６００をパッド、トレース、又はマウント基板７００上の他のマウント構造部に接触させながら、図６の共晶の金−スズ層３３２のリフロー温度より上で加熱することによって、マウント基板７００に取り付けることができる。リフロー中、図７の金−スズ層７３２が図６の金−スズ層３３２より高い金の割合を有するように、金キャップ３３４を金−スズ層３３２の中に吸収させ、図７のマウント基板７００に直接接触させることができる。リフロー中、他の場合には、バリア層５３４／５３６は、例えば３００℃及びそれを上回るダイ・アタッチ温度などの、共晶金−スズの２９０℃のリフロー温度を上回る温度で起こり得る、金−スズ層３３２内のスズと反射層１３４内のアルミニウムとの間の相互作用を低減する又は防ぐことができる。
【００３４】
ろう付けのような他のダイ・アタッチ技術も、他の実施形態において用いることができる。さらに、他の実施形態において、エポキシ又は他のシリコーンベースの材料のような他の材料を、ダイ・アタッチに用いることができる。
【００３５】
アノード・コンタクト１１２及びカソード・コンタクト１１４を、ＬＥＤ６００のための駆動回路のような外部回路に接続するために、ワイヤボンド７４２、７４４を設けることができる。通常のワイヤボンディング技術を用いることができる。図２−図５の他の実施形態のいずれも、図７に示されるようにマウント基板上にマウントできることもまた理解されるであろう。
【００３６】
ここで、種々の実施形態の付加的な説明が与えられる。特定的には、本明細書で説明される種々の実施形態は、低減した熱抵抗及び増大したアクティブな放射領域を可能にすることによって、金属化されていないダイと比較すると、より高い駆動力及び／又はより高い光出力を可能にすることができる、炭化シリコンベースのＬＥＤのための統合された背面リフレクタ及びダイ・アタッチを提供することができる。金属化されていないダイのために用いられる従来のシリコン又はエポキシ・ダイ・アタッチと比べて増大したダイの剪断強度及びこれに対応して増大したボール剪断強度のために、向上した信頼性をもたらすこともできる。本明細書で説明されるようなダイ・アタッチにおける金属間接合のために、従来の炭化シリコンとエポキシのマウントと比較すると、本明細書で説明される種々の実施形態による背面の金属化により、例えば、最大１０倍強いダイ・アタッチを提供することができる。さらに、裏面の金属化のために、熱抵抗を、例えば２倍だけ低減させることができる。背面の金属化はまた、金属化されていない背面と比較すると、幾分ＬＥＤの厚さを増大させることもできる。
【００３７】
ここで、種々の実施形態による、ハイブリッド・リフレクタ１３０として、二酸化シリコン１３２を含む透明層１３２及び反射金属層１３４の使用を説明する。特に、図８Ａは、炭化シリコン基板１２０と、透明な二酸化シリコン層１３２と、アルミニウムを含む反射層１３４とを示す、種々の実施形態によるＬＥＤの部分断面図である。図示のように、二酸化シリコンの低い屈折率（約１．５の屈折率ｎ）に対する炭化シリコンの高い屈折率（約２．７５の屈折率ｎ）は、反射性を高める。より具体的には、屈折率の差異が大きいために、約３３°の臨界角の外側の（即ち、より大きい角度における）光は、損失の大きいアルミニウム１３４と相互作用することなく反射される。
【００３８】
図８Ｂは、臨界角θcより大きい及び小さい種々の角度におけるこの光についての反射及び透過を示す。図示のように、臨界角より大きいいずれかの角度で入射する光は完全に反射するが、臨界角より小さい角度で界面に当たる光は、少なくとも部分的に反射し、かつ、少なくとも部分的に透過する。この透過した光は、次に、アルミニウム層１３４に反射する。
【００３９】
実際に、種々の実施形態によると、炭化シリコン（約２．７５の屈折率）と二酸化シリコン（約１．５の屈折率）との間の屈折率の差異は大きいので、二酸化シリコンを含む透明層１３２は、炭化シリコン基板１２０の背面１２０ｂから出てくる光のほとんど全部を反射することができ、従って、反射層１３４又はハイブリッド・リフレクタの必要性を低減させる又はなくす。アルミニウムのような反射層１３４の必要性をなくすことにより、ダイ・アタッチ層２３２を直接透明層１３２上に設けることができる。さらに、アルミニウムを用いる必要をなくすことにより、１つ又はそれ以上のバリア層４３２を用いる必要もなくなる。
【００４０】
図９は、これらの実施形態による発光ダイオードを示す。ここで図９を参照すると、これらのＬＥＤ８００は、例えばアルミニウムを含む反射層１３４を用いる必要がないことを除いて、図４のＬＥＤ３００に対応することができる。従って、リフレクタは、透明層１３２で構成することができ、ダイ・アタッチ２３２を直接透明層１３２上に設けることができる。他の実施形態においては、透明層１３２は、分布ブラッグ・リフレクタにより具体化することができる。図４の反射層１３４をなくすことによって、図５−図７に示されるような１つ又はそれ以上のバリア層の必要性も低減させる又はなくすことができる。このようにして、より少ない処理ステップを用いる単純化された構造体を得ることができる。さらに、炭化シリコン基板１２０（約２．７５の屈折率）と二酸化シリコンを含む透明層１３２（約１．５の屈折率）との間の屈折率の不一致が大きいために、透明層１３２は、ほとんど全部の放射を反射して炭化シリコン基板１２０の中に戻すことができる。従って、図９の単純化された構造体は、依然として、十分な光学的性能を提供することができる。
【００４１】
炭化シリコン基板１２０は、窒化ガリウムベースのダイオード領域１１０（約２．５の屈折率）よりも高い屈折率（約２．７５）を有するため、炭化シリコン基板１２０を用いる種々の実施形態がここで説明されたことが理解されるであろう。従って、炭化シリコン基板にとって、反射型背面は非常に望ましいものであり、かつ、非常に有効であり得る。これは、サファイア基板が窒化ガリウムの屈折率（約２．５）より低い屈折率（約１．８）を有する、通常のサファイア上の窒化ガリウムＬＥＤとは非常に対照的である。これらのＬＥＤにおいては、そもそもファイア基板に入る光がより少ないため、低屈折率の層に対する必要性は少ない。実際に、上述したように、幾つかの窒化ガリウム・オン・サファイアＬＥＤは、その背面上に透明層を含むことさえない。
【００４２】
従って、本発明の種々の実施形態を、ダイオード領域の屈折率が基板より高くない他のＬＥＤにおいて用いることができる。別の方法で述べると、基板の屈折率は、ダイオード領域のものと等しいか又はそれより大きい。従って、例えば、ここで説明されるどのような実施形態も、窒化ガリウムベースの基板上の窒化ガリウム・ダイオード領域と共に用いることができる。図１０は、基板１０２０が炭化シリコンではなく窒化ガリウムを含む、図２と類似する構成で、これらの実施形態の一部を示す。他の実施形態は、図３−図９の全てにおける炭化シリコン基板１２０の代わりに、窒化ガリウムベースの基板１０２０を用いることができる。
【００４３】
さらにより一般的には、ダイオード領域のものと等しいか又はこれより大きい屈折率を有するいずれの基板を用いることもできる。幾つかの実施形態においては、基板の屈折率は約２より大きいものとすることができ、他の実施形態においては、約２．３より大きいものとすることができる。例えば、窒化ガリウムベースの材料は、約２．５から約２．７までの範囲の屈折率を有することができる。他の実施形態においては、基板は、界面において屈折率の変化がほとんどないように、ダイオード材料のものに近い屈折率を有することができる。
【００４４】
基板はまた、熱伝導性及び／又は導電性とすることができる。従って、上述のように、炭化シリコン、窒化ガリウム、並びに窒化アルミニウムガリウム及び／又は窒化アルミニウムインジウムガリウムなどの他の窒化ガリウムベースの材料を用いることもできる。ダイヤモンドのような他の非窒化ガリウムベースの材料を用いることもできる。
【００４５】
さらに、幾つかの実施形態においては、基板を勾配付きＡＴＯＮ又は他の形状に成形すること、及び／又は、テキスチャ加工して比較的小さい表面構造部をもたらすことができるので、光が容易に基板から漏出することがある。ここで説明される種々の実施形態は、成形された基板と共に用いるのが特に有用であり、適切な統合されたダイ・アタッチを有することが特に望ましい。特に、そもそも、ダイ・アタッチのための表面積は潜在的に小さいことがあるため、ダイ・アタッチは、成形されていない基板を用いる場合よりも困難であり得る。ここに説明される種々の実施形態は、成形された基板へのダイ・アタッチを容易にすることができる。
【００４６】
ここに説明される種々の実施形態による統合されたダイ・アタッチ構造体は、ＬＥＤパッケージ業者も楽にする。特に、背面リフレクタが既にダイ・アタッチ材料で覆われているため、パッケージ業者が、背面リフレクタの性能に悪影響を与えることはない。
【００４７】
以下の表は、ここに説明される種々の層についての例証となる最小厚、最大厚及び公称厚さを提供する。これらの値は全て例証及び近似値であり、種々の他の実施形態において、これらの値は、絶対的に及び／又は互いに対して変化し得ることが理解されるであろう。
【００４８】
表
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【００４９】
上記の説明及び図面に関連して、多くの異なる実施形態がここに開示された。これらの実施形態のあらゆる組み合わせ及び下位の組み合わせを完全に説明し、示すのは、必要以上にくどく、分かりにくくなることが理解されるであろう。従って、図面を含む本明細書は、ここに説明される実施形態の全ての組み合わせ及び下位の組み合わせの、並びにこれらを作製し、使用する方法及びプロセスの、完全な書面による説明を構成すると解釈されるべきであり、そうしたいずれの組み合わせ又は下位の組み合わせに対する特許請求の範囲もサポートする。
【００５０】
図面及び明細書において、本発明の実施形態が開示されており、特定の用語が使用されているが、それらは、一般的かつ記述的意味で用いられているに過ぎず、限定のためではなく、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲において述べられる。
【符号の説明】
【００５１】
１００、２００、３０、４００、５００、６００、８００：発光ダイオード
１１０：ダイオード領域
１１２：アノード・コンタクト
１１４：カソード・コンタクト
１１６：ｎ型層
１１８：ｐ型層
１２０：炭化シリコン基板
１２０ａ：第１の面
１２０ｂ：第２の面
１３０：ハイブリッド・リフレクタ
１３２：透明層
１３４：反射層
２３２：ダイ・アタッチ層
３３２、７３２：金−スズ層
３３４：金層
４３０：統合された裏側リフレクタ及びダイ・アタッチ
４３２：バリア層
５３２：チタン層
５３４：白金層
５３６：ニッケル層
７００：マウント基板
７４２、７４４：ワイヤボンド
１０２０：基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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