(57)【要約】支持構造（２１）と、支持構造（２１）上にＩＩＩ族窒化物発光活性構造（２２）のメサ（２３）とを含む発光ダイオード（２０）が開示される。メサ（２３）はＩＩＩ族窒化物の指数結晶面に沿ってその側壁（２４）を有する。基板（４３）の反対側にあるＩＩＩ族窒化物発光活性構造（４４）上にサブマウント構造（４５）を含むＩＩＩ族窒化物発光構造から基板（４３）を除去することと、その後に異方性エッチングによって基板（４３）が除去されたＩＩＩ族窒化物の表面（５３）をエッチングし、ファセットがＩＩＩ族窒化物の指数面に沿う表面（５３）上に結晶ファセットを形成することとを含む、ダイオード（２０）を形成する方法も開示される。本方法は、異方性エッチングによって発光活性構造（４４）をエッチングし、ＩＩＩ族窒化物の指数面に沿って端を有するメサ（２３，５１）を形成することも含むことができる。
2009525596.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＩＩ族窒化物発光活性構造のメサを含み、
該メサは、該ＩＩＩ族窒化物の指数結晶面に沿ってその側壁を有する、発光ダイオード。
【請求項２】
前記ダイオードの発光面は、前記活性構造のＩＩＩ族窒化物表面である、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項３】
前記メサの支持構造をさらに含み、該支持構造は、金属、半導体基板、およびサブマウント構造から成る群から選択される、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項４】
前記発光活性構造は、少なくとも１つのｐ型窒化ガリウム層および少なくとも１つのｎ型窒化ガリウム層を含む、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項５】
前記窒化ガリウム層は、前記メサの前記指数結晶面の端で終端する、請求項４に記載の発光ダイオード。
【請求項６】
前記メサ側壁は、窒化ガリウムの（ｈｋｉｌ）結晶面に沿っている、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項７】
前記メサ側壁は、六方晶窒化ガリウムの｛１０―１１｝族結晶面に沿っている、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項８】
前記発光活性構造と前記支持構造との間に鏡をさらに含む、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項９】
共通のウエハ上にある、請求項１に記載の複数の発光ダイオード。
【請求項１０】
前記ＩＩＩ族窒化物の指数面を示す複数の結晶学的特徴から形成される粗面をさらに含む、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１１】
前記粗面の前記指数面は、前記メサ側壁の指数面と一致する、請求項１０に記載の発光ダイオード。
【請求項１２】
前記支持構造とのオーム接触および前記活性構造とのオーム接触を含む、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１３】
前記粗面とのオーム接触を含む、請求項１０に記載の発光ダイオード。
【請求項１４】
前記側壁は、前記支持構造に対して約５８度〜６２度の角度を形成する、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１５】
前記メサは、２つの側壁部分を有し、第１の主要部分は前記指数面に沿っており、第２の主要部分は該第１部分に対して鈍角を成す、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１６】
改良された光抽出を有する発光ダイオードを形成する方法であって、
ＩＩＩ族窒化物層の表面を異方性エッチングして該ＩＩＩ族窒化物表面上に結晶ファセットを形成することを含み、該ファセットは、該ＩＩＩ族窒化物の指数面に沿っている、方法。
【請求項１７】
前記異方性エッチングに先立って、前記基板の反対側にあるＩＩＩ族窒化物発光構造上にサブマウント構造を含む該ＩＩＩ族窒化物発光構造から基板を除去することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
異方性エッチングによって前記発光構造をエッチングして前記ＩＩＩ族窒化物の指数面に沿って端を有するメサを形成することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記メサを最初にエッチングし、その後に、前記ＩＩＩ族窒化物表面をエッチングして個別のファセット特性のない指数メサ側壁を形成することを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記ＩＩＩ族窒化表面を最初にエッチングし、その後に、前記メサ側壁をエッチングして複数の個別の指数面ファセットを含む指数面メサ側壁を形成することを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
共通のウエハ上に複数のメサを形成することを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記異方性エッチングによって互いに分離される前記ウエハ上の装置間に個別の接合を有する前記メサを形成し、それにより、前記発光活性構造を形成する前記層が該メサの残りの部分と同一の指数端で終端することを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
ＩＩＩ族窒化物の発光メサ構造から炭化ケイ素基板を除去し、その後に、該メサ構造をエッチングして、該ＩＩＩ族窒化物の指数面に沿う結晶ファセットであるメサ側壁を形成することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２４】
前記メサ側壁と同一の指数面に沿って該メサ側壁を形成することを含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
窒化ガリウム発光構造から前記基板を除去することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２６】
水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、ヘキサシアノ鉄酸カリウム、およびそれらの組み合わせから成る群から選択されるエッチング液を用いて、前記ＩＩＩ族窒化物表面をエッチングすることを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２７】
水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、ヘキサシアノ鉄酸カリウム、およびそれらの組み合わせから成る群から選択されるエッチング液を用いて、前記メサをエッチングすることを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２８】
前記メサ側壁の少なくとも一部をドライエッチングすることをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２９】
前記側壁を異方性エッチングする前に、前記メサ側壁をドライエッチングすることを含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記側壁を異方性エッチングした後に、前記メサ側壁をドライエッチングすることを含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
向上された光抽出特性を有する発光ダイオードであって、
サブマウント構造と、
該サブマウント構造上にあり、印加電圧下でキャリアを再結合およびフォトンを放射するためのｐ―ｎ接合を形成する、少なくとも１つのｎ型および１つのｐ型のＩＩＩ族窒化物層であって、
該ＩＩＩ族窒化物層は、該サブマウント構造上にメサを形成し、そこにおいて該メサの側壁が該ＩＩＩ族窒化物の指数面によって画定され、
該ダイオードは、該ＩＩＩ族窒化物層の１つで終端し、該終端のＩＩＩ族窒化物層は、該ダイオードの発光面を形成しており、
該発光面は、該ＩＩＩ族窒化物の指数面を示す複数の結晶構造で形成されている、
少なくとも１つのｎ型および１つのｐ型のＩＩＩ族窒化物層と、
該発光面とのオーム接触と、
該サブマウント構造とのオーム接触と
を含む、発光ダイオード。
【請求項３２】
前記メサ内の前記ＩＩＩ族窒化物層を電気的に絶縁し、かつ環境的に保護するために、前記メサ側壁上、および前記サブマウント構造の上部に保護層をさらに含む、請求項３１に記載の発光ダイオード。
【請求項３３】
前記保護層は、二酸化ケイ素、化学量論の窒化シリコン、非化学量論の窒化シリコン、およびそれらの組み合わせから成る群から選択される、請求項３２に記載の発光ダイオード。
【請求項３４】
前記サブマウント構造は、前記ＩＩＩ族窒化物層を前記サブマウント構造に結合し、該サブマウント構造から前記ＩＩＩ族窒化物層へのドーパントまたはその他の材料の不要な移行を防ぐ、複数の金属および半導体の層を含む、請求項３１に記載の発光ダイオード。
【請求項３５】
前記ダイオードからの前記光抽出を向上させるために、前記サブマウント構造と前記ＩＩＩ族窒化物層との間に鏡層をさらに含む、請求項３１に記載の発光ダイオード。
【請求項３６】
前記ＩＩＩ族窒化物層は、窒化ガリウム、アルミニウム窒化ガリウム、およびアルミニウムインジウム窒化ガリウムから成る群から選択される、請求項３１に記載の発光ダイオード。
【請求項３７】
化学的に発現した側壁を有するＩＩＩ族窒化物発光活性構造のメサを含む、発光ダイオード。
【請求項３８】
前記ダイオードの前記発光面は、前記活性構造のＩＩＩ族窒化物表面である、請求項３７に記載の発光ダイオード。
【請求項３９】
前記メサの支持構造をさらに含み、前記支持構造は、金属、半導体基板、およびサブマウント構造から成る群から選択される、請求項３７に記載の発光ダイオード。
【請求項４０】
前記発光活性構造は、少なくとも１つのｐ型窒化ガリウム層および少なくとも１つのｎ型窒化ガリウム層を含む、請求項３７に記載の発光ダイオード。
【請求項４１】
前記窒化ガリウム層は、前記メサの前記指数結晶面端で終端する、請求項４０に記載の発光ダイオード。
【請求項４２】
前記メサ側壁は、窒化ガリウムの（ｈｋｉｌ）結晶面に沿っている、請求項３７に記載の発光ダイオード。
【請求項４３】
前記メサ側壁は、六方晶窒化ガリウムの｛１０―１１｝族結晶面に沿っている、請求項３７に記載の発光ダイオード。
【請求項４４】
前記発光活性構造と前記支持構造との間に鏡をさらに含む、請求項３７に記載の発光ダイオード。
【請求項４５】
共通のウエハ上にある、請求項３３に記載の複数の発光ダイオード。
【請求項４６】
前記ＩＩＩ族窒化物の指数面を示す複数の結晶学的特徴から形成される粗面をさらに含む、請求項３７に記載の発光ダイオード。
【請求項４７】
前記粗面の前記指数面は、前記メサ側壁の指数面と一致する、請求項４６に記載の発光ダイオード。
【請求項４８】
前記支持構造とのオーム接触および前記活性構造とのオーム接触を含む、請求項３７に記載の発光ダイオード。
【請求項４９】
前記粗面とのオーム接触を含む、請求項４６に記載の発光ダイオード。
【請求項５０】
前記側壁は、前記支持構造に対して約５８度〜６２度の角度を形成する、請求項３７に記載の発光ダイオード。
【請求項５１】
ＩＩＩ族窒化物発光活性構造のメサと、
複数の結晶学的特徴から形成される該メサ上の発光面と、
該結晶学的特徴と幾何学的に一致する側壁を該発光面上に有するメサと
を含む、発光ダイオード。
【請求項５２】
前記メサの支持構造、および金属、半導体基板、およびサブマウント構造から成る群から選択される前記支持構造をさらに含む、請求項５１に記載の発光ダイオード。
【請求項５３】
前記発光活性構造は、少なくとも１つのｐ型窒化ガリウム層および少なくとも１つのｎ型窒化ガリウム層を含む、請求項５１に記載の発光ダイオード。
【請求項５４】
前記メサ側壁および前記表面結晶学的特徴は、窒化ガリウムの（ｈｋｉｌ）結晶面に沿う、請求項５１に記載の発光ダイオード。
【請求項５５】
前記メサ側壁は、六方晶窒化ガリウムの前記｛１０―１１｝族結晶面に沿っている、請求項５１に記載の発光ダイオード。
【請求項５６】
共通のウエハ上にある、請求項５１に記載の複数の発光ダイオード。
【請求項５７】
前記支持構造とのオーム接触および前記活性構造とのオーム接触を含む、請求項５１に記載の発光ダイオード。
【請求項５８】
前記側壁は、前記支持構造に対して約５８度〜６２度の角度を形成する、請求項５１に記載の発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、米国特許出願第１０／８４８，９３７号（２００４年５月１８日出願、名称「Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ  Ｇｒｏｕｐ−Ｉｌｌ  Ｎｉｔｒｉｄｅ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  ａｎｄ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  Ｕｓｉｎｇ  Ｍｅｔｈｏｄ」）の一部係属出願である。
【０００２】
本発明は、バンドギャップの広い材料で形成される発光ダイオード（ＬＥＤ）に関し、特にそのようなＬＥＤからの光抽出の向上に関する。
【背景技術】
【０００３】
発光ダイオードは、半導体材料または半導体材料システムにおいて電子と空孔との再結合時に発光する半導体光素子である。この再結合は、一般にｐ−ｎ接合を形成するｐ型およびｎ型の材料を横切る電圧バイアスによって駆動される。この再結合は、量子力学的ステップであるため、生成される光子、そのエネルギ、よって光子の周波数および波長（色として認識される）は、許容される再結合相互作用の最大エネルギに依存する。
【０００４】
電磁スペクトルの紫外線部分に加えて、視認できる色の緑、青、および紫は、一層高い周波数、よって一層高いエネルギ光子を表す。その結果、青色光は、少なくとも約２．６電子ボルト（ｅＶ）のバンドギャップを有する材料によってのみ生じさせられ得る。さらに、青色は原色であり、特にフルカラー素子および（赤、緑、および青の組み合わせとして）白色を生じる素子に特に好適であるため、最近の関心は、炭化ケイ素、ダイアモンド、およびＩＩＩ族窒化物などの材料で形成する広いバンドギャップの発光ダイオードの改良に集中している。特に、ＩＩＩ族窒化物活性領域から形成された発光ダイオードは、さらに商業的に受け入れられて、日常的な用途において一般的になっている。
【０００５】
多くの因子が統合されることによって、発光ダイオードの可視発光を生じる。しかし、潜在的な限定因子として、再結合により生成されたすべての光子が物理的ダイオードから外に出るわけではない。つまり、所定の電圧は所定数の再結合イベントを生じ、それによって所定数の光子を生成する（同数である必要はない）。しかし、生成された光子のすべてが可視光として外に放出されるわけではない。代わりに、光子は再吸収および内部反射を含む競合因子の影響を受けやすい。したがって、その他のすべての因子が同一ならば、発光ダイオードの可視出力を増加するためには、ダイオードから標的の照射方向に物理的に脱出する光子の部分（パーセント、比率）を増加させることである。
【０００６】
Ｓｎｅｌｌの法則の効果は、ＬＥＤの外部発光における別の因子、例えば、光が２つの異なる材料の間の界面に当たる場合の光の動作を表す。特に、光波がそのような界面に到達した場合、光波は反射するか、または屈折する。その違いは（屈折の任意の角度と同様に）、隣接する材料の屈折指数および光の入射角に依存する。ＬＥＤにおいて、隣接する材料の１つは半導体であり、もう１つは隣接する環境である。一部の例においてこれは空気であり、その他の例においてはレンズ材料、可視範囲内の周波数に対し透明である高分子であることが多い。放出された光子が境界に到達する異なる角度の数を増加させると、それに対応して、より多くの光子が内部反射ではなく放出される統計的確率が高まる。したがって、ＩＩＩ族窒化物ベースのダイオードの電子効率が増加するにつれて、境界に基づく効率を高める機会が一層魅力的となった。これらの試みとしては、一般に本発明と同一出願人による特許文献１、特許文献２および特許文献３が挙げられるが、それらに限定されない。
【特許文献１】米国特許第６７９１１１９号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００４／００４１１６４号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００５／０２４７９５０号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一側面において、本発明は、支持構造、および支持構造上にＩＩＩ族窒化物発光活性構造のメサを含む発光ダイオードである。メサは、ＩＩＩ族窒化物の指数結晶面に沿ってその側壁を有する。
【０００８】
別の側面において、本発明は、改良された光抽出を有する発光ダイオードを形成する方法である。この側面において、本方法は、基板の反対側にあるＩＩＩ族窒化物発光構造上にサブマウント構造を含むＩＩＩ族窒化物発光構造から基板を除去した後、異方性エッチングによって基板が除去されたＩＩＩ族窒化物の表面をエッチングし、ファセットがＩＩＩ族窒化物の指数面に沿う表面上に結晶ファセットを形成するステップを含む。また本方法は、異方性エッチングによって発光構造をエッチングし、ＩＩＩ族窒化物の指数面に沿って端を有するメサを形成するステップを含む。
【０００９】
本発明において前述の物体および利点、ならびに本発明のその他の物体および利点、またそれらを達成する方法は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明に基づいて明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、本発明に基づく発光ダイオード２０の概略断面図である。当然のことながら、図１は、本発明の特定の側面を説明し、当技術分野において通常の知識を有する者は、本文中においてそれらを理解し、またＬＥＤに関するその他の様々な詳細も検討され得るが、明確にするために図１から省略されていることを理解するであろう。
【００１１】
広義において、発光ダイオード２０は、図１において括弧でくくった矢印で示される支持構造２１、および同様に支持構造２１上の括弧でくくった矢印２２で示されるＩＩＩ族窒化物発光活性構造を含む。活性構造は、２３で広く示されるメサを形成している。メサ２３は、活性構造を形成するＩＩＩ族窒化物の指数結晶面に沿ってその側壁２４を有する。
【００１２】
「指数結晶面」という用語は、有理指数の法則に一致して十分理解される意味において使用される。例えば、任意の結晶種には、すべての自然発生面が小整数に比例して逆数切片を有するという点において一組の軸が存在する。これらの整数は、六方晶（窒化ガリウムを含む）の場合、一般に「（ｈｋｌ）」または（ｈｋｉｌ）の形式で示される。結晶面の説明において、選択される整数の組は、多くの可能な選択肢の中で最も簡素な組である必要があり、その最も簡素な組は、結晶面のＭｉｌｌｅｒ指数と呼ばれる。結晶中で自然に発生または成長する平面は、表面密度の高い格子サイトを有し、これらの格子サイトは、結晶科学および用語において十分に理解される方法で、三次元に規則的に反復する。
【００１３】
結晶構造に精通する者は、当然のことながら、Ｍｉｌｌｅｒ指数システムを使用して、任意の結晶平面（面）を説明できることを認識するであろう。そのため、結晶を鋸で切る、または結晶をエッチングしてプラズマにするといった機械処理によって形成された結晶面は、適切な（ｈｋｌ）または（ｈｋｉｌ）指数の組を有し、平面を適切に説明する。しかし、そのような機械的に形成された平面は、小整数に比例する逆数切片を表さないため、指数結晶面と呼ばれることは稀であり、本明細書ではそのようには呼ばない。代わりに、そのような平面は、特定結晶の自然発生する面に関連しない大整数（「１７、１３、７」）に比例してもよい逆数切片を有する。本明細書で使用されるように、マイナス記号（「−」）は、負軸上の切片を示す「バー」記号の代わりに使用される。
【００１４】
本発明の指数結晶面を区別するため、本明細書においてそれらは「化学的に成長した」という形容詞句とともに呼ばれ、面が湿式化学エッチングを使用して形成されたことを表す。湿式エッチングの性質は、自然発生結晶の非例示的な面ではなく、自然発生する指数結晶面を形成する。例えば、図１７として本明細書に含まれる写真は、六方晶系ＧａＮにおいて｛１０−１１｝族面に含まれるメサ側壁を示し、特に図１７は、［−１２−１０］および［−１０１０］方向に沿って、（１０−１１）、（１−１０１）および（０−１１１）平面を示す。本発明に基づいて、支持構造に対する角度は、得られた指数面によって特定される。本角度は、成長基板の方向性、成長基板に対するメサの方向性（例えば、成長面におけるメサの回転）、および／またはエッチング処理に応じて異なっても良い。メサが（０００１）平面のＳｉＣ基板上に成長したＧａＮで形成される図１７の実施形態において、メサ側壁は一方で約５８°、隣接側で約６２°を成す。本角度は、ほぼ左右対称にすることが可能であり、非対称性は、上述のパラメータのうちの１つ以上を変えることによって増加できる。本方法において、その他の角度（例えば、４２°以上）を得ることができる。当業者であれば、立方ＧａＮのメサ、またはその他の結晶対称性を有するその他の材料が、その他の角度において同様の特性を示すことを認識するであろう。その他の結晶面角度（メサまたは側壁）は、その他の材料またはその他の結晶構造を用いて得られる。一般に、メサ側壁は、メサ材料の指数結晶面に沿って形成し、図示される実施形態において、側壁は支持構造に対し約５８°〜６２°の角度を形成する。
【００１５】
特性の点において、化学的に成長した面は、（部分的または二次反応とは対照的に）エッチング組成と窒化ガリウムとの化学反応によって主に形成される。そのため、水酸化カリウム湿式エッチングは、化学的に成長した面を形成する。窒化ガリウムが適切なガスによって化学的にエッチングされる「逆ＣＶＤ」処理によって化学的に発生した面が形成される場合がある。これらの化学的に発生した面は、原子スケール上で自然に滑らかである。
【００１６】
比較すると、一部の化学反応は、プラズマエッチング組成と下層結晶との間で生じる場合もあるが、化学的に成長した面は、鋸切断またはプラズマエッチングによって形成された面を含まない。さらに、乾式（プラズマ）エッチングは、自然発生する指数面を生成しない。また乾式エッチングは、窒化ガリウムにおいて不利に損傷を誘引する。そうした損傷の一部は、物理的に光を吸収し、その他の損傷は、結晶および結果として生じる素子の電子特性に影響する点欠陥を生じる。
【００１７】
例示的な実施形態において、支持構造２１は、複数の導電層で形成されるか、またはダイオード２０が例えばリードフレームに載置された場合に、垂直方向性を有するように導電パスを含む。例えば、ダイオードを駆動する電流が水平ではなく、ダイオードを横切って軸方向に流れるようにする。多くの場合、垂直ダイオードは、一般に同一の発光領域を有する水平ダイオードより小さい設置面積を有するという点で、「水平」ダイオードに勝る利点を提供する。例示的な実施形態において、支持構造２１は、複数の要素を含むことができる。これらは、（図示されるように）基板２５、バリア層２６および３１、および金属結合層２７および３０を含んでもよい。そのようなサブマウント構造は、同一出願人による米国特許第６，７４０，９０６号において詳述されており、その内容は参照することによって本明細書に組み込まれる。
【００１８】
これらの複数の層は、「フリップチップ」配向と呼ばれるものに調整および載置されるダイオードの典型例である。本発明は、フリップチップとの関連において本明細書に記載されるが、本発明はフリップチップ配向に限定されない。
【００１９】
図１に示される実施形態において、ダイオード２０の発光面３２は、活性構造２２のＩＩＩ族窒化物表面である。これは、炭化ケイ素またはサファイアなどの透明材料がダイオードの発光面を形成する一部の電流素子と比較される。
【００２０】
図示される発光構造２２は、窒素面に露出するｎ型窒化ガリウム３３の上部（終端）層、およびｐ型窒化ガリウム３５層で形成される。反対の導電層３３および３５は、再結合のためのｐ−ｎ接合を形成する。
【００２１】
当然のことながら、発光構造は、例えば、複数の量子井戸または超格子構造などの構造を含む、様々な用途の追加層および／または介在層などの多数の要素を含むことができる。図１に示されるこれらの複雑な構造および基本的な構造は、どちらも本発明に基づいて使用可能であるため、その他の構造については、詳述しない。その他のエッチング液は、ガリウム面または非極性あるいは半極性面に対して開発されてもよい。
【００２２】
また当然のことながら、図１は窒化ガリウム（ＧａＮ）に関して記載されるが、構造は、例えば、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、およびＡｌＩｎＧａＮなどの三元および四元ＩＩＩ族窒化物と一致する。本発明の特性に関して、これらの材料系は十分に理解される。
【００２３】
既に参照した米国特許第６，７４０，９０６号に記載されるように、支持構造２１は一般に、金属、半導体、および金属と半導体との組み合わせを含む群から選択される。
【００２４】
図１に示される例示的な実施形態において、窒化ガリウム層３３および３５は、メサ２３の指数結晶面側壁２４において終端する。メサ側壁は、本明細書で詳述されるように、ダイオードが製造される方法に基づいて、窒化ガリウムの（ｈｋｉｌ）結晶面に沿う。
【００２５】
また図１は、発光構造２２に隣接するが、発光面とは反対に配置され、ダイオード２０からの光抽出を向上させる鏡３６を示す。
【００２６】
さらに図１は、ダイオード２０の発光面３２が同様に結晶学的である例示的な実施形態を示す。例えば、ＩＩＩ族窒化物の指数面を示す複数の結晶学的特性から形成される。特に、図１に示されるように、結晶学的表面３２の結晶面は、例えば同一または同様のエッチング液および／またはプロセスを使用して形成される場合、メサ側壁２４の結晶面に対応する（例えば、幾何学的意味において一致する）。図１３および１７に関して見られるように（以下に記載）、結晶面の１つが優性であるように見えるが、その他の面も同様である。
【００２７】
発光ダイオード２０は、支持構造２１とのオーム接触３７および活性構造２２とのオーム接触４０も含む。一部の実施形態において、オーム接触４０は、結晶学的織り目加工表面３２（例えば、図１）に対して形成されるが、その他の実施形態では平坦な表面（図示せず）が接触４０用に提供される。結晶学的織り目加工表面３２などの粗面にオーム接触４０を形成することによって、接触４０と活性構造２２との間の物理的および電気的接続が向上する場合がある。保護層２８は、一般に電気的絶縁および環境保護の目的で含まれる。この保護層は、一般に二酸化ケイ素、化学量論の窒化ケイ素、非化学量論の窒化ケイ素、またはそれらの組み合わせで形成される。
【００２８】
サイズが小さいため（この種のＬＥＤチップは、一般に片側に沿って約２００〜１０００ミクロンである）、例示的な製造技術において、図示されるダイオード２０のようなダイオードは、個別ではなく、共通のウエハ上に複数のメサ構造として形成される。
【００２９】
別の側面において、本発明は、改良された光抽出特性を有する発光ダイオードを形成する方法を含む。この側面において、本発明は、図２〜７によって説明される。図２は、半導体基板４３、発光活性構造４４、および２つの要素４６および４７（４７は結合金属を表す）を有するものとして示されるサブマウント構造４５で形成される前駆体構造４２を示す。
【００３０】
この方法において、ＧａＮ窒化物ガリウムまたはその他のＩＩＩ族窒化物層を保護するという利点から例示的な実施形態では炭化ケイ素である基板４３を除去し、図３（基板４３以外は図２と同一の要素を含む）に示される前駆体構造５０をさらに形成する。ＳｉＣ基板を除去するための例示的な技術は、既に組み込まれている米国特許出願公開第２００５／０２４７９５０号において説明されている。サファイア、Ａ１Ｎ、ＳｉまたはＩＩＩ族窒化物の成長に好適なその他の基板などを使用することもできる。
【００３１】
図４〜７は次の２つの方法ステップを示すが、図４および５に示されるステップを図６および７に示されるステップを逆順にすることによって、わずかに異なる実施形態の完成構造が形成される。図３から図４に進行する際に、本方法は、異方性エッチングによって発光構造４４をエッチング（およびマスキング）し、図１に関して説明された方法と同様に、活性構造４４のＩＩＩ族窒化物の指数面に沿って端５２を有するメサ５１を少なくとも１つ、一般に複数形成するステップを含む。
【００３２】
その後、図４から図５に進行する際に、ＩＩＩ族窒化物活性部分４４の表面を異方性エッチングによってエッチングし、ファセットがＩＩＩ族窒化物の指数面に沿う各表面５３上に結晶ファセットを成長させる。図５におけるメサ５１は、表面エッチングに先立ってエッチングされたため、指数側壁を有するが、主に個別のファセット特性を欠く。特定の実施形態において、保護層２８（図１）は、メサ５１の側壁５２および／または上面に配置できる。次に、保護層の一部を上面から除去することによって、特性を有する表面５３の選択的形成が可能になる。保護層は、ＳｉＮまたはダイオードの構造および操作に適合し、残りの方法ステップのいずれをも干渉しない任意のその他の好適な材料であってもよい。この実施形態において、保護層はマスクとして作用し、特性５３を含む上面の一部を画定する。マスクは、その他の従来のフォトリソグラフィー技術、例えば、ＳｉＮを除去するための湿式または乾式フッ化物ベースのエッチングを使用し、要望に応じて開くことができる。
【００３３】
図３から図６および７へ相補的に進行する際に、発光（活性）部分４４の表面は、最初に異方性エッチングを用いてエッチングされ、表面５３に結晶ファセットを成長させる。次に、図６から図７に進行する際に、メサをマスキングおよびエッチングし、わずかに異なるが相補的な構造を形成する。特に、図７に示される結果として生じる構造において、メサ５１は、指数面側壁５２およびファセット表面５３を含むが、側壁５２は複数のライン５４によって示されるように、追加でファセット処理される。側壁ファセット５４は、第２ステップではなく、第１ステップ−エッチングする前−においてファセット処理された表面５３から生じる。相補的ステップを使用して、図７におけるメサ５１は、複数の個別の指数面ファセット５４を含む指数面メサ側壁５２を有する。図５および７の両方が示すように、例示的な実施形態において、複数のメサが共通ウエハ上に形成される。
【００３４】
例えば、表面およびメサに対するエッチングステップは、どちらも一般に水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、ヘキサシアノ鉄酸カリウム（Ｋ２［Ｆｅ（ＣＮ）６］）、およびそれらの組み合わせから成る群から選択される異方性湿式エッチングによって行なわれる。本発明の特性を形成するその他のプロセスも可能である。約０．０１および０．０４モル（Ｍ）のＫＯＨ溶液は、適切な速度でエッチングし、メサまたはファセット処理された発光面のいずれか、または両方を形成する。光化学電気的（「ＰＥＣ」）技術において、ＧａＮ（またはその他のＩＩＩ族窒化物）は、紫外線照射され（例えば、３６５ナノメータで５〜１０ｍＷ／ｃｍ２）、エッチング速度を増す。
【００３５】
両エッチング（表面およびメサ）に同一のエッチング液が使用される場合、メサ側壁は、表面ファセットと同一の（例えば、幾何学的に一致する）指数面を有する。本明細書で使用されるように、「同一の指数面」という用語は、同一の指数を有するが、空間に同一の平面を持たない平面を示す。
【００３６】
特にエッチング状態は、単一の平面（ｈｋｉｌ）ではなく、一群の平面｛ｈｋｉｌ｝を確立する。特に、水酸化カリウムエッチングは、複数群の平面を形成してもよく、また恐らく形成するが、これらは特定の結晶（ＧａＮ）上での特定のエッチング組成（ＫＯＨ）の使用に基づいて一定である。比較例として、シリコン技術において、選択された望ましい平面を化学的に発生する特定のエッチング液を購入してもよい。ＩＩＩ族窒化物に関しても同様であると考えられるが、まだ確立されていない。しかし、水酸化カリウムの濃度および温度は、得られる平面の群においてほとんど差を生じないことが観察されている。
【００３７】
当技術分野において一般に理解されるように、水酸化カリウムは、多くの半導体材料に対する異方性エッチング液である。したがって、異なる結晶面に関して著しく異なる速度でエッチングするため、窒化ガリウムなどの材料を好ましくエッチングし、特定の結晶面を形成する。例えば、米国特許第５，９０９，４５８号３段５１〜５６行および第５，９２３，４８１号３段１２〜２５行を参照されたい。
【００３８】
本発明において、水酸化カリウムは、窒化ガリウムの（ｈｋｌ）平面に沿って面を形成する傾向がある。さらに、当技術分野において、ＫＯＨは、好ましい結晶面を比較的広い範囲のエッチング時間および状態で形成することも理解される。
【００３９】
実験的観察として、ＫＯＨエッチングは、主要群の｛ｈｋｉｌ｝面のみでなく、異なる｛ｈｋｉｌ｝指数を有する二次群の面も形成する。
【００４０】
比較において、メサ側壁を形成する機械的または乾式エッチング（例えば、プラズマ）処理を使用してメサを形成する従来の処理は、必ずしも指数結晶面に沿うわけではないが、構造画定技術の製品である。これらの処理は、一般に素子絶縁または接合描写のための垂直な側壁メサを形成する。
【００４１】
本発明の方法は、代わりに、個別の接合および素子を絶縁し、異方性エッチングによってそれらを互いに分離するための手段を提供して、発光活性構造を形成する層が、メサの残りの部分と同一の指数端で終端するようにする。
【００４２】
相補の目的で望ましい場合、この方法は、メサ側壁の少なくとも一部を乾式エッチングするステップを含んでもよい。また、この方法は、側壁を異方性エッチングする前、または側壁を異方性エッチングした後のいずれかに実施できる。
【００４３】
図８、９、および１０は、３つの可能な結果を要約する。図８は、指数面側端５２を有するメサ５１を示す。図９は、指数側端５２および結晶ファセット処理された上面５３を有するメサ５１を示す。図１０は、結晶ファセット処理された発光面５３、指数面側壁５２、およびファセット５４を側壁５２に有するメサ５１を示す。
【００４４】
図１１〜１７は、本発明に基づくダイオードの選択された部分の写真であり、その方法および結果として生じる構造の特性の実例を示す。
【００４５】
図１１および１２は合成写真である。大きい写真は、ダイオードの結晶ファセット面の上面図（例えば、図５、７、および８〜１０におけるアイテム５３）であり、差込図は、同一表面の断面または斜視図である。特に、この差込写真は、表面の結晶指数面の方向を強調する。
【００４６】
図１３は、結晶面上の特性の角度がメサ側壁の角度と一致するメサの部分を示す。また図１３は、保護層２８を示す。この実施形態において、保護層２８は、側壁上、およびメサの上面の周囲に沿って残ることによって、ファセット面を制限する。
【００４７】
図１４は、表面オーム接触の上面図であり、図１５は、結晶ファセット面との表面接触を示す断面図である。
【００４８】
図１６は、表面が形成される前に形成（エッチング処理）されたメサの端を示す。これは、結果として、結晶面に従うが、主にファセット処理されない側壁を生じる。
【００４９】
図１７は、類似するメサの端を示す。ここで、結晶面はメサの前に形成され、メサが成長された場合にファセット処理された側壁を示す。図１６および１７は、メサの一方の側壁角度がメサの隣接側の側壁角度と異なってもよいことを示す。
【００５０】
本発明に基づくファセット構造は、湿式エッチング処理において自然に成長されるため、本発明は、レンズ状表面を形成または取得する複数の複雑な方法、または光抽出の増加を試みるその他の技術の必要性を回避する。
【００５１】
図１８、１９および２０は、化学的エッチングに先立って、乾式またはプラズマ異方性エッチング（例えば、反応性イオンエッチング）を用い、２つのエッチングを連続的に使用する場合に形成できるメサの形状を概略的に示す。図１８は、プラズマにおいて異方性エッチングされた場合に、垂直またはほぼ垂直（図１９）であるが、本明細書において使用される意味において指数結晶面を表さない側壁６１を生成する窒化ガリウム層６０の断面を概略的に示す。次に、窒化ガリウム結晶６０が湿式化学的エッチングでエッチングされると、図２０に示されるように、第２の自然発生する面６２を生成する。
【００５２】
図２１、２２および２３は、湿式エッチングが乾式またはプラズマエッチングに先行する場合に成長させられる形状を概略的に示す。したがって、図２１において、窒化ガリウム層６０は、最初に化学的に成長させられ、指数面６２を形成し、次に図２２から図２３に進行する際に、プラズマエッチングによって図２０において見られる位置と反対の位置に一層垂直な側壁６１を生成する。
【００５３】
図２４〜２７は、その表面に平面および化学的に形成された特徴を有するメサの形成を概略的に示す。図２４において、窒化ガリウム結晶は、６０で再度指定され、好適なマスク６４とともに示される。例えば、ＳｉＮ、または湿式エッチングに耐え得るその他の商業的に入手可能な高分子フィルムである。マスク６４を適切な位置に配置し、図２４から図２５への進行は、指数結晶面６２を再度形成する湿式エッチングを概略的に示す。図２５から図２６への進行において、マスク６４の一部を除去（開放）し、例えば、第２の湿式エッチングが図２６から図２７への進行時に行なわれた後、結果として生じる特性面３２を画定する。これによって、指数側壁６２、複数の平面部分６５（一般に周辺であるが、必ずしも排他的にそうでなくてもよい）、および例えば図１において同一番号の特性と同一の結晶特性３２、または図５〜７、９および１０において５３で表示される特性を有するメサを形成する。
【００５４】
これらの各シーケンスは、指数平面に沿って第１主要部分（例えば、二次的のみならず）および第１主要部分に対し鈍角で第２主要部分を有する２つの側壁部分を形成する。
【００５５】
図面および明細書において、本発明の好ましい実施形態が説明される。特定の用語が使用されているが、それらは一般的且つ記述的な意味においてのみ使用され、限定を目的としない。本発明の範囲は、請求項において画定される。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】図１は、本発明に基づく発光ダイオードの一実施形態の概略断面図である。
【図２】図２〜７は、本発明の特定の方法側面を説明する概略断面図である。
【図３】図２〜７は、本発明の特定の方法側面を説明する概略断面図である。
【図４】図２〜７は、本発明の特定の方法側面を説明する概略断面図である。
【図５】図２〜７は、本発明の特定の方法側面を説明する概略断面図である。
【図６】図２〜７は、本発明の特定の方法側面を説明する概略断面図である。
【図７】図２〜７は、本発明の特定の方法側面を説明する概略断面図である。
【図８】図８、９および１０は、本発明の特定の構造側面の概略説明図である。
【図９】図８、９および１０は、本発明の特定の構造側面の概略説明図である。
【図１０】図８、９および１０は、本発明の特定の構造側面の概略説明図である。
【図１１】図１１〜１７は、本発明の側面を統合するダイオードの写真および一部である。
【図１２】図１１〜１７は、本発明の側面を統合するダイオードの写真および一部である。
【図１３】図１１〜１７は、本発明の側面を統合するダイオードの写真および一部である。
【図１４】図１１〜１７は、本発明の側面を統合するダイオードの写真および一部である。
【図１５】図１１〜１７は、本発明の側面を統合するダイオードの写真および一部である。
【図１６】図１１〜１７は、本発明の側面を統合するダイオードの写真および一部である。
【図１７】図１１〜１７は、本発明の側面を統合するダイオードの写真および一部である。
【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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年11月27日(2007.11.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＩＩ族窒化物発光活性構造のメサを含み、
該メサは、該ＩＩＩ族窒化物のＭｉｌｌｅｒ指数結晶面に沿ってその側壁を有する、発光ダイオード。
【請求項２】
前記ダイオードの発光面は、前記活性構造のＩＩＩ族窒化物表面である、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項３】
前記メサの支持構造をさらに含み、該支持構造は、金属、半導体基板、およびサブマウント構造から成る群から選択される、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項４】
前記発光活性構造は、少なくとも１つのｐ型窒化ガリウム層および少なくとも１つのｎ型窒化ガリウム層を含む、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項５】
前記窒化ガリウム層は、前記メサの前記Ｍｉｌｌｅｒ指数結晶面の端で終端する、請求項４に記載の発光ダイオード。
【請求項６】
前記メサ側壁は、窒化ガリウムの（ｈｋｉｌ）結晶面に沿っている、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項７】
前記メサ側壁は、六方晶窒化ガリウムの｛１０―１１｝族結晶面に沿っている、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項８】
前記発光活性構造と前記支持構造との間に鏡をさらに含む、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項９】
前記ＩＩＩ族窒化物のＭｉｌｌｅｒ指数面を示す複数の結晶学的特徴から形成される粗面をさらに含む、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１０】
前記支持構造とのオーム接触および前記活性構造とのオーム接触を含む、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１１】
前記粗面とのオーム接触を含む、請求項９に記載の発光ダイオード。
【請求項１２】
前記側壁は、前記支持構造に対して約５８度〜６２度の角度を形成する、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１３】
前記メサは、２つの側壁部分を有し、第１の主要部分は前記指数面に沿っており、第２の主要部分は該第１部分に対して鈍角を成す、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１４】
複数のＭＩｌｌｅｒ指数の結晶学的特徴から形成される前記メサ上の発光面を含み、
該メサは、該Ｍｉｌｌｅｒ指数の結晶学的特徴と幾何学的に一致する側壁を該発光面上に有している、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１５】
前記メサ側壁および前記表面結晶学的特徴は、窒化ガリウムの（ｈｋｉｌ）結晶面に沿う、請求項１４に記載の発光ダイオード。
【請求項１６】
前記メサ側壁および前記表面結晶学的特徴は、六方晶窒化ガリウムの前記｛１０―１１｝族結晶面に沿っている、請求項１４に記載の発光ダイオード。
【請求項１７】
共通のウエハ上にある、請求項１または請求項１４に記載の複数の発光ダイオード。
【請求項１８】
前記支持構造とのオーム接触および前記活性構造とのオーム接触を含む、請求項１４に記載の発光ダイオード。
【請求項１９】
向上された光抽出特性を有する発光ダイオードであって、
サブマウント構造と、
該サブマウント構造上にあり、印加電圧下でキャリアを再結合およびフォトンを放射するためのｐ―ｎ接合を形成する、少なくとも１つのｎ型および１つのｐ型のＩＩＩ族窒化物層であって、
該ＩＩＩ族窒化物層は、該サブマウント構造上にメサを形成し、そこにおいて該メサの側壁が該ＩＩＩ族窒化物の指数面によって画定され、
該ダイオードは、該ＩＩＩ族窒化物層の１つで終端し、該終端のＩＩＩ族窒化物層は、該ダイオードの発光面を形成しており、
該発光面は、該ＩＩＩ族窒化物のＭｉｌｌｅｒ指数面を示す複数の結晶構造で形成されている、
少なくとも１つのｎ型および１つのｐ型のＩＩＩ族窒化物層と、
該発光面とのオーム接触と、
該サブマウント構造とのオーム接触と
を含む、発光ダイオード。
【請求項２０】
前記メサ内の前記ＩＩＩ族窒化物層を電気的に絶縁し、かつ環境的に保護するために、前記メサ側壁上、および前記サブマウント構造の上部に保護層をさらに含む、請求項１９に記載の発光ダイオード。
【請求項２１】
前記保護層は、二酸化ケイ素、化学量論の窒化シリコン、非化学量論の窒化シリコン、およびそれらの組み合わせから成る群から選択される、請求項２０に記載の発光ダイオード。
【請求項２２】
前記サブマウント構造は、前記ＩＩＩ族窒化物層を前記サブマウント構造に結合し、該サブマウント構造から前記ＩＩＩ族窒化物層へのドーパントまたはその他の材料の不要な移行を防ぐ、複数の金属および半導体の層を含む、請求項１９に記載の発光ダイオード。
【請求項２３】
前記ダイオードからの前記光抽出を向上させるために、前記サブマウント構造と前記ＩＩＩ族窒化物層との間に鏡層をさらに含む、請求項１９に記載の発光ダイオード。
【請求項２４】
前記ＩＩＩ族窒化物層は、窒化ガリウム、アルミニウム窒化ガリウム、およびアルミニウムインジウム窒化ガリウムから成る群から選択される、請求項１９に記載の発光ダイオード。
【請求項２５】
改良された光抽出を有する発光ダイオードを形成する方法であって、
ＩＩＩ族窒化物層の表面を異方性エッチングして該ＩＩＩ族窒化物表面上に結晶ファセットを形成することを含み、該ファセットは、該ＩＩＩ族窒化物のＭｉｌｌｅｒ指数面に沿っている、方法。
【請求項２６】
前記異方性エッチングに先立って、前記基板の反対側にあるＩＩＩ族窒化物発光構造上にサブマウント構造を含む該ＩＩＩ族窒化物発光構造から基板を除去することを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
異方性エッチングによって前記発光構造をエッチングして前記ＩＩＩ族窒化物の指数面に沿って端を有するメサを形成することを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記メサを最初にエッチングし、その後に、前記ＩＩＩ族窒化物表面をエッチングして個別のファセット特性のない指数メサ側壁を形成することを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記ＩＩＩ族窒化表面を最初にエッチングし、その後に、前記メサ側壁をエッチングして複数の個別の指数面ファセットを含む指数面メサ側壁を形成することを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
共通のウエハ上に複数のメサを形成することを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３１】
前記異方性エッチングによって互いに分離される前記ウエハ上の装置間に個別の接合を有する前記メサを形成し、それにより、前記発光活性構造を形成する前記層が該メサの残りの部分と同一の指数端で終端することを含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
ＩＩＩ族窒化物の発光メサ構造から炭化ケイ素基板を除去し、その後に、該メサ構造をエッチングして、該ＩＩＩ族窒化物の指数面に沿う結晶ファセットであるメサ側壁を形成することを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項３３】
前記メサ側壁と同一の指数面に沿って該メサ側壁を形成することを含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
窒化ガリウム発光構造から前記基板を除去することを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項３５】
水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、ヘキサシアノ鉄酸カリウム、およびそれらの組み合わせから成る群から選択されるエッチング液を用いて、前記ＩＩＩ族窒化物表面をエッチングすることを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項３６】
水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、ヘキサシアノ鉄酸カリウム、およびそれらの組み合わせから成る群から選択されるエッチング液を用いて、前記メサをエッチングすることを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３７】
前記メサ側壁の少なくとも一部をドライエッチングすることをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項３８】
前記側壁を異方性エッチングする前に、前記メサ側壁をドライエッチングすることを含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記側壁を異方性エッチングした後に、前記メサ側壁をドライエッチングすることを含む、請求項３７に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
例示的な実施形態において、支持構造２１は、複数の導電層で形成されるか、またはダイオード２０が例えばリードフレームに載置された場合に、垂直方向性を有するように導電パスを含む。例えば、ダイオードを駆動する電流が水平ではなく、ダイオードを横切って軸方向に流れるようにする。多くの場合、垂直ダイオードは、一般に同一の発光領域を有する水平ダイオードより小さい設置面積を有するという点で、「水平」ダイオードに勝る利点を提供する。例示的な実施形態において、支持構造２１は、複数の要素を含むことができる。これらは、（図示されるように）基板２５、バリア層２６および３１、および金属結合層２７および３０を含んでもよい。そのようなサブマウント構造は、同一出願人による米国特許第６，７４０，９０６号において詳述されている。
【国際調査報告】
2009525596.tif 000030
2009525596.tif 000031
2009525596.tif 000032