(57)【要約】【課題】固体発光素子において、発光媒質内の自己吸収による光のロスを抑制し、速やかに発光媒質から光を射出する。【解決手段】本発明は格子構造を有する発光素子に関する。本発明によれば、発光素子の光吸収媒質における光の伝播距離を短くすることで、水平方向の光伝導効果を最小限とすることにより、発光層からの光射出の効率を増強することができる。当該格子構造は、光吸収媒質が複数の領域ユニットに分割されるように、光吸収媒質に埋め込まれた側壁及び/又は柱状体を含む。これらの領域ユニットの間は側壁により完全又は部分的に仕切られている。さらに、本発明は、光吸収媒質が複数の領域ユニットに分割されるように、光吸収媒質に埋め込まれた側壁及び/又は柱状体を含む格子構造を有する発光素子の製造方法を提供する。【選択図】図16
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、当該基板と一体となり、かつ基板の上表面から上に向けて延伸する格子構造と、当該基板に形成されたN型層と、N型層に形成された発光層と、発光層に形成されたP型層とを備える発光素子において、格子構造はN型層及び発光層を突き抜けていることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
当該格子構造はN型層と発光層を突き抜ける柱状体を複数含み、当該柱状体はP型層まで延伸するかあるいはP型層内に延伸することを特徴とする請求項1記載の発光素子。
【請求項３】
当該格子構造はN型層と発光層を突き抜けるシート状の側壁を含み、当該側壁はP型層まで延伸するかあるいはP型層内に延伸し、N型層と発光層を複数の領域ユニットに分割することを特徴とする請求項1記載の発光素子。
【請求項４】
当該格子構造は徐々に変化する屈折率を有し、屈折率は発光層からP型層までの方向に沿って次第に小さくなることを特徴とする請求項1記載の発光素子。
【請求項５】
格子構造をN型層と発光層から分けるように、格子構造に形成された被覆層を更に含むことを特徴とする請求項1記載の発光素子。
【請求項６】
N型層と、
P型層と、
N型層とP型層との間に挟まれた発光層と、
発光層を突き抜け、かつ発光層を複数の領域ユニットに分割したシート状の側壁を含む格子構造と、を備える発光素子。
【請求項７】
各領域ユニットは、互いに格子構造のシート状の側壁により完全に隔てられていることを特徴とする請求項6記載の発光素子。
【請求項８】
当該格子構造は更にN型層を突き抜け、かつN型層を複数の領域ユニットに分割することを特徴とする請求項7記載の発光素子。
【請求項９】
N型層のすぐ近傍に堆積した導電層を更に含み、当該導電層はN型層の各領域ユニットと電気的に接続されていることを特徴とする請求項8記載の発光素子。
【請求項１０】
格子構造はP型層内に延伸していることを特徴とする請求項6記載の発光素子。
【請求項１１】
各領域ユニット同士は、互いに部分的に隔てられ、領域ユニットの密閉度は20%以上であることを特徴とする請求項6記載の発光素子。
【請求項１２】
N型層のすぐ近傍にあり、かつ発光層と対向する側に形成された別のN型層を有し、前記別のN型層には別の格子構造が設置されていることを特徴とする請求項6記載の発光素子。
【請求項１３】
前記別の格子構造は、垂直の状態で前記別のN型層に内設されたシート状の側壁を備えることを特徴とする請求項12記載の発光素子。
【請求項１４】
前記別の格子構造は垂直の状態で前記別のN型層に内設された複数の柱状体を含むことを特徴とする請求項12記載の発光素子。
【請求項１５】
基板であって、当該基板と一体となり、かつ基板の上表面から上に向けて延伸する第1の格子構造を備える基板と、
当該基板に形成された第1のN型層と、
当該基板に形成された第2のN型層と、
第2のN型層に形成された発光層と、
発光層に形成されたP型層と、
垂直方向において第1の格子構造から離間した第2の格子構造と、を備える発光素子において、
第1の格子構造は第1のN型層に埋め込まれ、かつ第2の格子構造は第2のN型層及び発光層を突き抜けることを特徴とする発光素子。
【請求項１６】
第1の格子構造は垂直の状態で第1のN型層に埋め込まれたシート状の側壁を含むことを特徴とする請求項15記載の発光素子。
【請求項１７】
第1の格子構造は垂直の状態で第1のN型層に埋め込まれたた複数の柱状体を含むことを特徴とする請求項15記載の発光素子。
【請求項１８】
第2の格子構造は複数の柱状体を含み、当該柱状体は第2のN型層及び発光層を突き抜け、かつP型層まで延伸するかあるいはP型層内に延伸することを特徴とする請求項15記載の発光素子。
【請求項１９】
第2の格子構造はシート状の側壁を含み、当該側壁は第2のN型層及び発光層を突き抜け、かつP型層まで延伸するかあるいはP型層内に延伸し、第2のN型層と発光層を複数の領域ユニットに分割することを特徴とする請求項15記載の発光素子。
【請求項２０】
基板に対して、パターンニング及びエッチングを行うことにより、基板から上に向けて延伸する格子構造を形成し、
基板に、格子構造がN型層を突き抜けるようにN型層を形成し、
N型層に、格子構造が発光層が突き抜けるように発光層を形成し、
発光層に、格子構造がP型層まで延伸するか又はP型層内に延伸するようにP型層を形成する、ことを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項２１】
更に、N型層、発光層及びP型層の形成前に、格子構造に被覆層を形成するステップを更に含むことを特徴とする請求項20記載の方法。
【請求項２２】
更にN型層及び発光層の形成後に、格子構造とN型層と発光層との間に隙間が形成されるように被覆層を除去するステップを含むことを特徴とする請求項21記載の方法。
【請求項２３】
格子構造はN型層と発光層を突き抜け、かつP型層まで延伸するかP型層内に延伸する複数の柱状体を含むことを特徴とする請求項20記載の方法。
【請求項２４】
基板に材料層を形成し、
当該材料層に対してパターンニング及びエッチングを行い、当該材料層により、基板から上に向けて延伸する格子構造を形成し、
基板に、格子構造がN型層を突き抜けるようにN型層を形成し、
N型層に、格子構造が発光層を突き抜けるように発光層を形成し、
発光層に、格子構造がP型層まで延伸するか又P型層内に延伸するようにP型層を形成する、ことを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項２５】
材料層は、複数の異なる屈折率を有する層を含むことを特徴とする請求項24記載の方法。
【請求項２６】
材料層は基板に対して垂直方向で変化する反射率を有することを特徴とする請求項24記載の方法。
【請求項２７】
材料層に対してパターンニング及びエッチングを行う前に、材料層と基板との間に導電層を形成するステップを更に含み、材料層に対してパターンニング及びエッチングを行うステップによって、導電層の頂部の一部も除去されることを特徴とする請求項24記載の方法。
【請求項２８】
基板に対してパターンニング及びエッチングを行うことにより、基板から上に向けて延伸する第1の格子構造を形成し、
基板に、第1の格子構造が第１のN型層に埋め込まれるように第1のN型層を形成し、
第1のN型層に材料層を形成し、
材料層に対してパターンニング及びエッチングを行い、当該材料層から第2の格子構造を形成し、
第1のN型層に、第2の格子構造が第2のN型層を突き抜けるように第2のN型層を形成し、
第2のN型層に、第2の格子構造が発光層を突き抜けるように発光層を形成し、
発光層に、第2の格子構造がP型層まで延伸するか又はP型層内に延伸するようにP型層を形成する、ことを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項２９】
基板に第1の材料層を形成し、
当該材料層に対してパターンニング及びエッチングを行い、当該材料層により、基板から上に向けて延伸する第1の格子構造を形成し、
基板に、第1の格子構造が第１のN型層に埋め込まれるように第1のN型層を形成し、
第1のN型層に第2の材料層を形成し、
第2の材料層に対してパターンニング及びエッチングを行い、当該材料層により第2の格子構造を形成し、
第1のN型層に、第2の格子構造が第２のN型層を突き抜けるように第2のN型層を形成し、
第2のN型層に、第2の格子構造が発光層を突き抜けるように発光層を形成し、
発光層に、第2の格子構造がP型層まで延伸するか又はP型層内に延伸するようにP型層を形成する、ことを特徴とする発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概していうと、発光素子に関し、特に、自己吸収を低下させ、かつ光射出を増強することができる発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光の出射角度からみれば、以下のメカニズムによって、媒質内を伝播する光はロスを受ける。
【０００３】
（１）界面での屈折率が一致しないことと、界面に沿うエバネッセント波の存在による界面ロス。
【０００４】
（２）媒質内の全反射：光線は、光学密度の高い媒質から光学密度の低い媒質へ入射された場合、臨界角より入射角のほうが大きければ、界面で全反射が発生する。仮に光学密度の高い媒質の屈折率をn2とし、 光学密度の低い媒質の屈折率をn1とすれば、臨界角θcはsinθc =n1/n2と定義される。全反射の存在のため、出射円錐体（当該円錐体の立体角が2π(1-cosθc)である）の範囲内にある光のみは、光学密度の高い媒質から光学密度の低い媒質へ伝播できる。光射出率は(1-cosθc)/2に等しく、又は略θc2/4に近く、あるいはより簡単に言えば略(n1/n2)2/4に近い。当該近似はθcが小さい場合に成立する。
【０００５】
（3）媒質の吸収:媒質には0ではない吸収係数αが存在していれば、光度は媒質における伝播距離に伴って指数が減衰し、exp(-αt)となる。
【０００６】
近年、技術及び価格の優位性を持つため、固体光源、例えば発光ダイオード（Light-Emitting Diode、LEDと略称）は、次第に電球型蛍光灯および蛍光ランプなどの従来の光源に取って代わりつつある。現在、すでに数社のメーカにより製造される、1ワットあたり100ルーメンを超える高効率の白色LEDランプが市場に出回っている。従来の光源と異なり、固体光源の光は固体材料自身から生成し、これらの材料はすべて屈折率nが2以上であり、空気又は自由空間の屈折率（n=1）より遥かに大きい。たとえば、窒化ガリウム（GaN）を基礎とした可視光LEDにおいて、発光媒質InGaNの屈折率は、インジウム成分によって異なるが、いずれも2.46以上である。これは、InGaNから生成された光のうち、わずかな部分のみが光学密度の高い媒質から射出されることを意味する。上述したロスメカニズム2）によれば、薄膜の窒化ガリウムの可視光LEDについて、光線は二つの射出円錐体を有する。これは、InGaNから生成される光のうち、約8%しか射出されないことに相当する。全反射による低発光効率に対して、従来技術ではすでに改善法が提案されている。たとえば、表面粗化（例えば、米国特許7，422，962；7，355，210、全反射の低下を目的とする）、LEDチップチャンファー角（例えば米国特許7，652，299、光射出円錐の増加を目的とする）、及びフォトニック結晶（例えば米国特許5，955，749；7，166，870；7，615，398；7，173，289；7，642，108；7，652，295；7，250，635；特定の波長に対する光の自然放射率及び光射出の増強を目的とする）が挙げられる。
【０００７】
今まで、従来技術では、LED内の全反射による光ロスの問題の一部は解決したが、媒質の自己吸収による光ロスに関する技術はほとんどない。窒化物LED又はその他の、異種基板にヘテロエピタキシャル体積したLEDについて、基板とエピタキシャル層との間は屈折率が一致しないことにより、横向きの光伝導効果が生じるため、アクティブエリアから生成される光の一部（可視光）あるいは大部分（深紫外光）がエピタキシャル層を横向きに伝播する距離は長くなる。LED構造を形成するエピタキシャル層は、限られた又は大きな吸収係数を有し、このような横向きの光伝導効果により、大量の光ロスは生じる。文献によると、GaNとInGaNは可視光に対する吸収係数がそれぞれ300 cm-1および105 cm-1である。上述した数字は、GaN材料中を伝播する青、緑の可視光が5μmの距離伝播する毎に、GaN吸収による光ロスは14％にまで達する。一方、アクティブエリアのInGaN量子井戸中を伝播する青、緑の可視光は10nm伝播する毎に、InGaNの自己吸収による光ロスは10%にまで達する。媒質の自己吸収による大量の光ロスが生じるため、光をできるだけ速やかに発光媒質から射出させることの必要性は高い。
【発明の概要】
【０００８】
上述の課題を解決するために、本発明は、固体発光素子内における上述した自己吸収を解決する解決策を提供する。すなわち、一つのメカニズムを導入し、発光素子の損耗媒質内における光の伝播距離を短縮することにより、横向きの光伝導効果を邪魔するか又は遮断する。さらに、発光層に略直交し、あるいは垂直方向の最短経路を通して光の射出を促し高める。本発明は、発光媒質に垂直に設けられた格子状の光伝導メッシュ又は柱状体を含む。この格子構造は、グリッドまたはロッド格子の形態で、光を射出し、最短のパスを経由して（実質的に、発光層とほぼ直交して）射出した光を発光媒体から、種々の適用のために自由空間へ誘導する。このような格子構造によれば、光の発光媒質における伝播距離を顕著に低下させることができるので、発光媒質による光の自己吸収は顕著に低下し、かつ全反射による光ロスも効果的に抑制される。
【０００９】
本発明の一つの実施態様は、基板と、当該基板と一体となり、かつ基板の上表面から上に向けて延伸する格子構造と、当該基板に形成されたN型層と、N型層に形成された発光層と、発光層に形成されたP型層とを備える発光素子において、格子構造はN型層及び発光層を突き抜ける発光素子を提供するものである。
【００１０】
好ましくは、当該格子構造はN型層と発光層を突き抜ける複数の柱状体を含み、当該柱状体はP型層まで延伸するかあるいはP型層に入る。
【００１１】
好ましくは、当該格子構造はN型層と発光層を突き抜けるシート状の側壁を含み、当該側壁はP型層まで延伸するかあるいはP型層に入り、N型層と発光層を複数の領域ユニットに分割する。
【００１２】
このような格子構造は漸進的に変化する屈折率を有していてもよく、屈折率は発光層からP型層へ向かう方向において次第に小さくなる。
【００１３】
さらに、このような格子構造に、当該格子構造を、N型層と発光層と分けるように、被覆層を塗布することが可能である。
【００１４】
また、当該格子構造とN型層と発光層との間には隙間があってもよい。
【００１５】
本発明の別の実施態様は、N型層と、P型層と、N型層とP型層との間に挟まれた発光層と、発光層を突き抜け、かつ発光層を複数の組の領域ユニットに分割したシート状の側壁を含む格子構造とを備える発光素子を提供するものである。
【００１６】
これらの領域ユニットを、互いに上述した格子構造のシート状の側壁によりお互いに完全に隔てられる。好ましくは、この格子構造は更にN型層を横きり、かつN型層を複数の領域ユニットに分割する。N型層のすぐ近傍に導電層を堆積させてもよく、当該導電層はN型層における領域ユニットの領域のそれぞれと電気的接続され得る。
【００１７】
また、これらの領域ユニットは、部分的に互いに隔てられていてもよく、領域ユニットの密閉度は20%以上でとすることができる。
【００１８】
本発明は、さらに、N型層のすぐ近傍にあり、かつ発光層と反対側に形成された別のN型層を有し、異なる層に二つの格子構造を配置するために、当該N型層に別の格子構造を埋め込んでもよい。別の格子構造は、上記別のN型層に垂直に埋め込まれたシート状の側壁を備えてもよい。別の格子構造は、上記別のN型層に垂直に埋め込まれた複数の柱状体を備えてもよい。
【００１９】
本発明の別の態様は、基板と、当該基板と一体となり、かつ基板の上表面から上に向けて延伸する第1の格子構造と、当該基板に形成された第1のN型層と、当該基板に形成された第2のN型層と、N型層に形成された発光層と、発光層に形成されたP型層と、垂直方向において第1の格子構造と分離した第2の格子構造とを備える発光素子において、第1の格子構造は第1のN型層に埋め込まれ、第2の格子構造は第2のN型層及び発光層を突き抜ける発光素子を提供するものである。
【００２０】
好ましくは、第1の格子構造は垂直の状態で第1のN型層にあるシート状の側壁又は複数の柱状体を含む。
【００２１】
好ましくは、第2の格子構造は複数の柱状体を含み、当該柱状体は第2のN型層及び発光層を突き抜け、かつP型層まであるいはＰ型層内に延伸する。
【００２２】
好ましくは、第2の格子構造はシート状の側壁を含み、当該側壁は第2のN型層及び発光層を突き抜け、かつP型層まであるいはP型層内に延伸し、第2のN型層と発光層を複数の領域ユニットに分割する。
【００２３】
さらに、本発明の別の実施態様は、発光素子の製造方法を提供するものである。当該方法は、基板に対して、パターンニング行って、基板から上に向けて延伸する格子構造を形成し、基板に、格子構造がＮ型層を突き抜けるようにN型層を形成し、N型層に、格子構造が発光層を突き抜けるように発光層を形成し、発光層に、格子構造がＰ型層まであるいはＰ型層内に延伸するようにP型層を形成することを含む。
【００２４】
当該方法は、更に、N型層、発光層及びP型層の形成前に、格子構造に被覆層を形成することを含んでもよい。当該被覆層はエピタキシャル成長及び再エッチング、スパッタリング、あるいは酸化により形成できる。なお、当該方法は更にN型層及び発光層の形成後に当該被覆層を除去するステップを含んでもよい。これにより、格子構造とN型層と発光層との間に隙間がされる。
【００２５】
さらに、本発明の別の実施態様は、発光素子の製造方法を提供するものである。当該方法は、基板に材料層を形成し、当該材料層に対してパターンニング及びエッチングを行って、当該材料層により、基板から上に向けて延伸する格子構造を形成し、基板に、格子構造がN型層を突き抜けるようにN型層を形成し、N型層に、格子構造が発光層を突き抜けるように発光層を形成し、発光層に、格子構造がP型層まであるいはP型層内に延伸するようにP型層を形成することを含む。
【００２６】
上述した材料層は、単層であってもよく、異なる屈折率を含む多層であってもよい。当該材料層は垂直基板の方向において変化する反射率を有していてもよい。
【００２７】
さらに、上述した方法は、材料層に対してパターンニング及びエッチングを行う前に、材料層と基板との間に導電層を形成するステップを含んでもよい。また、材料に対してパターンニング及びエッチングを行うステップによって、導電層の頂部の一部も除去される。
【００２８】
さらに、本発明の別の実施態様は、発光素子の製造方法を提供するものである。当該方法は、基板に対してパターンニングを行って、基板から上に向けて延伸する第1の格子構造を形成し、基板に、第1の格子構造が第1のN型層に埋め込まれるように第1のN型層を形成し、第1のN型層に材料層を形成し、当該材料層に対してパターンニング及びエッチングを行って、当該材料層により第2の格子構造を形成し、第1のN型層に、第2の格子構造が第2のN型層を突き抜けるように第2のN型層を形成し、第2のN型層に、第2の格子構造が発光層を突き抜けるように発光層を形成し、発光層に、第2の格子構造がP型層まであるいはP型層内に延伸するようにP型層を形成することを含む。
【００２９】
さらに、本発明の別の実施態様は、発光素子の製造方法を提供するものである。当該方法は、基板に第1の材料層を形成し、当該材料層に対してパターンニング及びエッチングを行い、材料層により、基板から上に向けて延伸する第1の格子構造を形成し、基板に、第1の格子構造が第1のN型層に埋め込まれるように第1のN型層を形成し、第1のN型層に第2の材料層を形成し、当該材料層に対してパターンニング及びエッチングを行って、当該材料層から第2の格子構造を形成し、第1のN型層に、第2の格子構造が第2のN型層を突き抜けるように第2のN型層を形成し、第2のN型層に、第2の格子構造が発光層を突き抜けるように発光層を形成し、発光層に、第2の格子構造がP型層まであるいはP型層内に延伸するようにP型層を形成することを含む。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
上述したように、異種基板に形成された従来の発光素子は、素子の材料と基板材料の屈折率が一致しないため、横向きの光伝導効果に悩まされている。当該横向き光伝導効果により、二つの面で光射出の効果は低下する。第１の面として、端にある発光素子以外のほとんどの発光素子は、頂部（エピタキシャル層）及び/又は底部（基板）側から発光する。横向き光伝導効果により大きな入射角度が生じるため、全反射を引き起こすことにより、光射出効率は低下する。第２の面として、横向きまたは水平方向の光伝導効果により、最終的に、エピタキシャル層内での光の伝播距離は長くなり、これにより、光に対する材料の自己吸収による大量の光ロスが生じることとなる。
【００３１】
したがって、本発明は、横向き光伝導効果を低下させ、光射出率を増加することができる方法を提供するものである。水平方向又は横向きの光伝導効果の発生は、材料の屈折率が垂直方向（エピタキシャル層成長方向）において一致しないことに起因する。一方では、本発明の一態様では、水平方向（エピタキシャル層成長方向に垂直な方向）において、屈折率の不一致を導入する。この水平方向における不一致によって、垂直の光伝導効果が導入されるので、光の伝播距離及び全反射を大いに低下させ、光射出効率を高めることができる。
【００３２】
光学密度の低い媒質である基板、例えば、サファイア、石英、尖晶石等に堆積する例えばGaN系LEDのような実施例では、予め形状が形成されたマスク板を用いて、基板に対して一定の深さとなるようにエッチングを行うことにより、基板の表面に、基板材料からなる柱状体の格子又はシート状の側壁格子を形成する。そして、このように処理された基板に、再びLEDを成長させる。残ったシート状の側壁又は柱状体は十分に小さい断面を有するので、エピタキシャル成長温度の下での、表面の原子を吸着する拡散長に起因して、層の基板上の成長は、実質的に柱状体又は側壁の頂部で行われず、エッチングされた箇所で行われるだけである。エッチングの深さ又は柱状体/側壁の高さは、柱状体/側壁がちょうどLEDアクティベーションエリア（発光区）近傍にあるように設定される。また、ある実施例において、柱状体/側壁はぎりぎり発光層まで突き抜け、その後のP型層成長が構造全体を平坦化する。さらに、ある実施例において、基板は、発光層の屈折率（例えば、GaNの屈折率はn=2.46である）と比べて比較的低い屈折率を有する（例えば、サファイアの屈折率はn=1.76である）。発光層と柱状体/側壁との屈折率の差により、垂直方向の光伝導効果は実現し、光は、構造内において垂直方向に沿って表面まで伝播するように制限される。これらの垂直方向への光伝導用の柱状体/側壁により、エピタキシャル層と基板との屈折率の不一致による水平方向の光伝導効果は阻害される。従来のLEDにおいて、水平方向のサイズは垂直方向のサイズより遥かに大きい。たとえば、LEDの垂直方向の厚さは僅か数ミクロンであるが、水平チップのサイズは数ミリメートルあるいはそれ以上となる。水平方向への光伝導を垂直方向への光伝導に転換すれば、材料吸収によるロスを大いに減少することができる。さらに、垂直方向の光伝導効果により、光は小さい入射角で異なる層の界面又は媒質及び空気の界面を通過することができる。これにより、全反射は除去され、光射出効率は高くなる。
【００３３】
さらに、別の実施例において、たとえば、サファイアの基板に堆積されるGaN系のLEDの場合、予め形状が形成されたマスク板で、基板に対して一定の深さとなるようにエッチングを行うことにより、基板材料からなる柱状体の格子又はシート状の側壁格子を形成する。そして、エッチングされた基板上に、エピタキシャル成長のように基板全体に渡って絶縁窒化物（GaN、AlGaN又はInGaN）を形成する。さらに、このように処理された基板に対して、予め形状が形成された第2のマスク板を用いて、第2のエッチングを行う。このとき、すでに形成された柱状体/側壁の格子を、絶縁窒化物の塗布層を被覆した状態とし、絶縁窒化物の厚さを、当該媒質を伝導する光の波長と同一するか又はそれ以上とする。このようにすることで、複合柱状体またはシート状の側壁の１つの格子が得られる。その後、エッチングされた、複合柱状体又はシート状の側壁の格子を有する基板にLEDを成長させる。上から見れば、これらの複合柱状体又は側壁は十分に小さい断面を有するため、エピタキシャル成長温度の下での原子を吸着する表面の拡散長は十分に大きいので、成長は柱状体又は側壁の頂部で行われにくく、基板における各層の成長は、エッチングされた箇所で行われるだけである。エッチングの深さ又は格子構造の高さは、柱状体または側壁がちょうどLEDアクティベーションエリア近傍、即ち発光区域の媒質近傍にあるように設定される。また、ある実施例において、柱状体または側壁はぎりぎり発光層を突き抜け、その後のP型層の成長が構造全体を平坦化する。このような実施例において、柱状体/側壁とその上の被覆層との間には大きな屈折率の差があるが、発光層と被覆層との間には小さい屈折率の差がある。したがって、光は被覆層内に制限され、垂直に光表面に導出される。このように、光は生成媒質において生成されてから直ちに導出される。これにより、発光層の媒質による吸収及び水平方向の光伝導効果は避けられる。
【００３４】
さらに、別の実施例において、例えば、サファイアの基板にエピタキシャル成長するGaN系のLEDの場合、予め形状が形成されたマスク板で、基板に対して一定の深さとなるようにエッチングを行うことにより、基板材料からなる柱状体又はシート状の側壁格子を形成する。そして、これらの柱状体/側壁に、例えばスパッタリングの方法により、絶縁透明、かつGaNの屈折率に類似するか又はそれ以上の屈折率を有する材料を被覆する。この被覆材料は、絶縁のIII族窒化物（GaN、InN、AlN又は上述した材料の任意の三元又は四元合金）、窒化珪素（n=2.1乃至2.3）、TiO2（n=2.6）などであってもよく、被覆層の厚みを当該媒質を伝播する光の波長以上とすべきである。このようにして、1つの複合柱状体/側壁の格子は得られる。その後、エッチングされた、当該複合柱状体を有する基板にLEDを成長させる。これらの複合柱状体/側壁は上から見れば十分に小さい断面を有するので、エピタキシャル成長の温度の下で、原子を吸着する表面拡散長は十分に大きい。このため、層の成長は、柱状体/側壁の頂部ではなく、エッチングされた箇所で行われるだけである。
【００３５】
もう一つの実施例において、発光素子構造は、例えば、窒化物（GaN）基板、珪素基板、ガリウム砒素基板、炭化珪素基板等の材料にエピタキシャル成長したGaN基のLEDのような発光構造と類似するか又はそれより高い屈折率を有する基板に形成される。そのとき、予め形状が形成されたマスク板で、基板に対して一定の深さとなるようにエッチングを行うことにより、基板材料からなる柱状体又はシート状の側壁の１つの格子を形成する。その後、これらの柱状体または側壁に、例えばスパッタリング又は酸化の方法により、絶縁透明材料を被覆する。当該被覆材料は、発光媒質より小さい屈折率を有する。この被覆材料は空気（n=１）であってもよく、これは発光構造と側壁又は柱状体との間に明確な隙間があることを意味する。被覆材料はエポキシ樹脂（n=1.4）又はSiO2（n=1.46）であってもよく、被覆層の厚みを当該媒質を伝播する光の波長に近くするか又はそれ以上とすべきである。これにより、複合シート状の側壁/柱状体の格子は得られる。そして、エッチングされた、複合シート状の側壁/柱状体を有する基板にLEDを成長させる。これらの複合シート状の側壁/柱状体は、十分に小さい断面を有する。エピタキシャル成長の温度の下での、原子を吸着する表面拡散長は十分に大きいので、成長は、柱状体/側壁の頂部ではなく、エッチングされた箇所のみで行われる。これらの実施例において、発光媒質と複合シート状の側壁/柱状体の被覆物との間には大きな屈折率の差がある。したがって、光は垂直の状態で発光構造内に制限され、垂直に光射出表面に導出される。これにより、水平光伝導効果による大きな媒質の自己吸収は避けられる。また、上述の実施例によれば、光射出効率は増強できる。
【００３６】
垂直方向の光伝導用のシート状の側壁又は柱状体の格子構造は、四角形、菱形、又は他の適用できる一次元又は二次元の格子であってもよい。これらの柱状体の断面は円形、長方形、三角形、六辺形又は他の適用可能な形状であってもよい。これらのシート状の側壁/柱状体の側面は垂直であってもよく、傾斜であってもよく、また滑らかであっても又は粗化されたものであってもよい。製造工程の複雑さ及び光射出の有効性を総合的に考慮すれば、格子の周期が最適値となるように最良化することができる。さらに、光射出の有効性と発光媒質の体積損失を総合的に考慮すれば、これらのシート状の側壁/柱状体の充填率、即ち発光層にある側壁又は柱状体の総体積と発光層の総体積との比を、最良化することができる。充填率の範囲は1%乃至30%、例えば10%未満であってもよい。しかし、充填率は必ずしもある特定の範囲に制限されるわけではなく、重要なのは、このような格子構造を有する素子の光射出率がこのような格子構造を有しない素子の光射出率より大きいことを確保することである。
【００３７】
本発明の特異性は、LEDエピタキシャル層を成長させる前に、シート状の側壁/柱状体の格子を作製することにある。これにより、光射出率を増強させるための他の方法の欠陥を排除する。たとえば、先行技術において、光子結晶体の方法は光射出率を増強させるために有効な方法であるとされている。通常、光子結晶体の方法は、エッチングにより、LEDの屈折率を調節するための光波長量に相当する穴を形成し、光子結晶体の物理的特性により光射出率を増強させることが期待されている。しかし、このような光子結晶体の製造工程は、LEDの表面に大面積の損傷した領域を残し、表面、特にこれらの損傷を受けた表面は非輻射複合経路として作用する。これらの表面は量子井戸（MQW）近傍に位置するとき、量子井戸の内部量子効率を急激に低下させる。
【００３８】
図1A-1Eは異種基板に成長された発光素子、例えばダイアモンド基板に成長された窒化物系の発光素子（LED）に、垂直光伝導効果を導入する方法を示している。基板の屈折率は発光素子におけるエピタキシャル層の屈折率より小さくてもよい。当該方法は、基板10を用意し、基板10上にフォトレジスト保護マスク板15を形成し、そして、イオン結合プラズマ反応性イオンエッチング（Ion-Coupled Plasma Reactive Ion Etching、ICP-RIEと略称）又は他の適用されている既知のエッチング方法により、マスク板15付きの基板10に対してエッチングを行うことで、格子構造は得られる。該格子構造は基板材料10からなる複数の柱状体12を含む。これらの柱状体12は、顕著に垂直方向において上方（エピタキシャル成長方向）に向けて延伸する。このような格子構造は、図5-11に示すように、大体垂直の方向において延伸する複数のシート状の側壁12’であってもよい。その後、このように製造された基板10を成長室に置き、例えば有機金属化学気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition,  MOCVDと略称）、分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy,  MBEと略称）、水素化気相エピタキシー（Hydride Vapor Phase Epitaxy,  HVPEと略称）又は類似するエピタキシャル成長炉により、素子のエピタキシャル成長を行う。エピタキシャル成長により形成された素子構造は、絶縁バッファ層21、N型電子注入層22、発光層23及びP型正孔注入層24を含む。電子素子の機能を実現するために、最終的にN型電極31とP型電極32は形成される。P型電極が透明であることが好ましい。
【００３９】
通常、窒化物の可視光線LEDの場合、基板10は透明のサファイアウェーハであってもよい。絶縁バッファ層21は非ドープのGaN又はAlGaNにより製造され、厚みが0.1乃至1μmであるものであってもよい。層21の抵抗率が100Ω/cmを超えることが好ましい。N型電子注入層22は珪素をドープした窒化ガリウム層であってもよく、その厚さは1乃至5μmの範囲にあり、シート抵抗が30Ω以下であることが好ましい。N型電子注入層22は、発光層23への高い電子注入効率を得るために、単層であってもよく、バンドギャップが異なる多層のInAlGaN（Al,In,Gaの異なる組成成分）により製造されたN型層を含んでもよい。発光層23はバンドギャップがN型電子注入層22及びP型正孔注入層24より小さい材料により構成される。発光層23は単層InGaNであるか又は他の適用できる従来の発光材料であってもよく、単一又は多数の、井戸と障壁を含む量子井戸を含んでもよい。通常、P型正孔注入層24はマグネシウムドープの窒化ガリウム(GaN)であり、その厚みは50乃至500ナノメターであり、抵抗率は0.2乃至2Ω.cmである。P型正孔注入層24は、発光層23への高い正孔注入効率を得るために、単層であるか、又はバンドギャップが異なる多層のP型のAlInGaN層（Al,In,Gaの異なる組成）を含んでもよい。N型電極31は薄Ti/Al合金及びAuなどの厚金属から構成されてもよく、P型電極32は、薄Ni/Au合金及びAuなどの厚金属、又はインジウムにスズ酸化物（ITO）などの透明導電酸化物（Transparent Conducting Oxide、TCOと略称）から構成されてもよい。
【００４０】
総じていえば、本発明におけるN型層、発光層及びP型層は、任意の従来の発光素子又は発光ダイオードにおけるN型層、P型層及び量子井戸層であってもよい。
【００４１】
本発明の一態様は、光を吸収する基板にエピタキシャル成長した発光素子用の垂直方向の光伝導を作成する解決策を提供する。通常、光を吸収する基板は、その上に成長する発光素子より高い屈折率を有する。たとえば、この場合、珪素、ガリウム砒素又は炭化珪素の基板に成長した窒化物系可視LEDを含む。
【００４２】
本発明のいくつかの実施例に示されている格子構造は、垂直方向の光伝導効果を実施する複数の柱状体を含む。それは、柱状体はLED（例えば、GaN、n=2.46）のN型層、P型層及び発光層と比べて低い屈折率（例えばサファイアの場合、n=1.76）を有するからである。これらの垂直方向の光伝導用の柱状体により、エピタキシャル層（例えばLEDのN型層、P型層及び発光層）と基板の屈折率が一致しないことによる水平方向の光伝導効果は抑制される。従来のLED構造において、水平方向の長さは垂直方向の長さより遥かに大きい。たとえば、１つのLEDは垂直方向の厚みが数ミクロンであるが、水平方向のチップの大きさはミリメートルにまで達する。水平方向の光伝導効果から垂直方向の光伝導効果への転換により、自己吸収によるロスは大いに減少できる。また、垂直方向の光伝導効果により、光は小さい入射角で媒質/空気の界面到達することができ、全反射を無くし、光射出効率は向上する。
【００４３】
エッチング深さ又は柱状体12あるいは側壁12’の高さは、1〜10μmの範囲であり得、柱状体/側壁が発光層近傍にあるように、選択され得る。ある実施例において、柱状体/側壁は、ぎりぎり発光層を突き抜け、かつP型正孔注入層を突き抜けることはない。その後、P型層の成長は構造全体に渡る。別の実施例において、柱状体/側壁もP型正孔注入層を突き抜ける。上から見れば、柱状体12/側壁12’の断面を十分に小さく、これにより、エピタキシャル成長の温度の下で、原子を吸着する表面の拡散長さに起因して、N型層と発光層は、柱状体/側壁の頂面ではなく、エッチングされた区域のみに成長することを確実にする。さらに、本発明のある実施例において、垂直方向の光伝導は、垂直柱状体12（図1、12及び13を参照）により形成されている場合、柱状体12の断面のサイズ（d）は典型的に500ナノメター乃至5ミクロンの範囲にあるが、この範囲には限られない。特に、当該断面のサイズ（d）をできる限り小さくすることができ、例えば200乃至400ナノメターの範囲にすることができる。ただし、サイズ（d）が小さければ、製造コストは高くなる。柱状体12の断面の形状は円形、四角形、三角形、五辺形、六辺形又はその他の多辺形であってもよい。柱状体12の断面のサイズ（d）は、垂直方向においてほぼ完全に同じであってもよく、垂直方向において、基板から上に行くにつれて次第に増加するか又は減少してもよい。図16〜18に示すように、更に柱状体12は垂直方向において、変化する組成、例えば柱状体12の底部から頂部まで次第に増加する又は減少するという可変な屈折率を有してもよい。
【００４４】
格子構造の柱状体12の側面は大体基板に垂直であるか、又は基板の垂直線に対して小さい角度で傾斜してもよい。傾斜の角度が-15乃至15度であることは好ましく、柱状体12の表面が光学的に平滑面であることが好ましいが、ある実施例において、粗い面であってもよい。
【００４５】
柱状体12の格子構造は、任意の二次元の格子又はランダムの配列であってもよく、例えば四角形の格子であってもよい（図12を参照）。図12において、円柱体12は四角形の格子を形成し、柱状体の断面の直径dは500ナノメータないし5ミクロンの範囲にあり、格子の結晶格子定数aは2d乃至10dの範囲、即ち1乃至50ミクロンの範囲にある。格子構造は一般的な菱形であってもよい。図13には特別の菱形、正六辺形の格子が示されている。ここで、格子の結晶格子定数と断面の直径の大きさはちょうど上述した範囲に含まれている。また、柱状体12はランダムの配列であってもよい。
【００４６】
本発明の別の実施態様において、格子構造はシート状の側壁12’からなる（図5-11を参照）。側壁12’はN型電子注入層と発光層を突き抜ける。本発明のある実施例において、側壁12’の厚さ（d）は200ナノメター乃至2ミクロンであるが、200ナノメターより薄くなっても、2ミクロンより厚くなってもよい。側壁12’の格子構造の周期（a）は5乃至50ミクロンの範囲にあるが、この範囲に限らない（図5、6、10及び11）。側壁12’の格子構造は大体基板10に垂直であるか、又は基板に垂直な線に対して小さい角度で傾斜してもよい。傾斜の角度が-15乃至15度の範囲にある。側壁12’の表面は光学的に平滑面であることは好ましいが、ある実施例において、粗い面であってもよい。側壁12’の厚さ（d）は、図16〜18に示すように、垂直方向において大体同じであるか、又は基板から上に行くにつれて次第に増加するか又は減少してもよい。側壁12’は、垂直方向において、更に変化する組成、例えば側壁12’の底部から頂部まで次第に増加し又は減少する変化する屈折率を含んでもよい。
【００４７】
柱状体12と側壁12’は、同一又は類似する製造工程で同じ方法により製造できる。したがって、図1A〜1E、図2A〜2C、図3A〜3F、図4A〜4B及び図14〜18に示す柱状体12の代わりに、シート状の側壁12’を用いることができる。
【００４８】
格子構造の側壁12’は、発光層とN型層（側壁12’がP型層を突き抜ける場合、P型層も含めて）を、図5及び6に示すように、任意の又は一定のパターンで領域ユニット12’-iのような複数の領域ユニットに区切られる。
【００４９】
上述した領域ユニットは閉じたユニット、即ち側壁12’により互いに完全に隔てられたユニットであってもよい。したがって、領域ユニット内を水平に伝播する光は、周囲の側壁12’に阻止される。これによって、素子から射出される前の、光の発光層、N型層又はP型層における伝播距離は大いに短くなる。したがって、水平方向の光伝導効果は大いに抑制され、かつ吸収によるロスも低下する。図5は閉じた領域ユニットの例を示す図である。たとえば、側壁12’により囲まれたそれぞれの四角形は、1つの閉じた領域ユニット12’-iを意味し、当該領域ユニットの形状は菱形、五辺形、六辺形又は他の、当該二次元空間に充填できるすべての形状であるか、又はその他の任意の形状であってもよい。
【００５０】
上述したユニットは半閉塞型の領域ユニット、即ち互いに側壁12’により部分的に隔てられるが、依然として互いに直接連通した領域ユニットであってもよい。図6〜11は複数の半閉塞型の領域ユニットの例を示す図である。したがって、領域ユニット内を水平に伝播する光の大部分は、領域ユニットの周囲の側壁12’により阻止される。しかし、一部の光は相変わらず水平に伝播するため、当該領域ユニットから射出され、隣の領域ユニットに入ることとなる。このようになっても、素子から射出される前の、光の発光層、N型層又はP型層における平均伝播距離は極めて短い。このような半閉塞型の領域ユニットの1つの特徴は、領域ユニット同士間、特にN型層の電気的な接続を確保することができることにある。図6は、側壁12’に隙間「s」を加えることにより形成できる半閉塞型の領域ユニットを示す図である。半閉塞型の領域ユニットの格子構造は、側壁12’によりランダムに分割された領域ユニットから構成されてもよい。
【００５１】
もし、各領域ユニット12’-iは円柱体又は皿状体と見なされれば、1つの閉じた領域ユニットに関して、このような円柱体又は皿状体の側壁は格子構造の側壁12’により完全に囲まれる。半閉塞型の領域ユニットに関して、円柱体又は皿状体の側壁の一部のみが側壁12’により囲まれ、側壁12’により円柱体又は皿状体の側壁の一部は覆われていない状態を維持する。領域ユニット12’-iの密閉度は、円柱体又は皿状体の側壁のうち、側壁12’により被覆された面積と円柱体又は皿状体の側壁の総面積との比であると定義される。密閉度は50％以上であることが好ましく、70％以上であることが更に好ましい。本発明のある実施例において、密閉度は20％〜50％の範囲にあるように規定されている。また、本発明の別の実施例において、密閉度は80％〜95％の範囲にあるように規定されている。密閉度は100％となったときは、当該領域ユニットは閉塞領域ユニットとなる。
【００５２】
別の考慮しなければならない要素は、柱状体12/側壁12’の格子構造の充填度であり、それは柱状体12又は側壁12’の発光層に占める体積と発光層の総体積との比であると定義されている。充填度が8〜20％の範囲にあることが好ましい。側壁12’の最低厚さを確保でき、意図されるように機能すれば8%未満であってもよい。
【００５３】
格子構造の柱状体12又はシート状側壁12’は、基板と異なる材料から構成されてもよく、当該材料は発光層と同等または小さく、あるいは発光層より大きい屈折率を有してもよい。用いられる材料は、エポキシ樹脂（n=1.4）、二酸化珪素（SiO2）/ガラス（n=1.46）、サファイア（n=1.76）、ITO（n=1.8）、窒化珪素（SiNX）（n=2.1）、III族窒化物（AlInGaN, n>=2.2）、酸化チタン（TiO2）（n=2.6）、リン化ガリウム（GaP）（n=3.3）、酸化亜鉛（ZnO）及びその他の透明金属酸化物を含むが、それらに限らない。これは図１A〜１Eに示す基板のエッチングの代わりに、基板に単一又は複数の上述した材料層又はその他の適切な材料層を被覆することを意味する。図２Aにおいて、基板10に、厚さが1ミクロンを超える、好ましく4ミクロンを超える単一又は複数の材料層11を被覆する。そして、図2Bに示すように、マスク板15の保護により、ICP-RIEにより材料層11をエッチングし、材料層11の残る部分は柱状体12又は側壁12’あるいは両者の混合を構成する。図1D及び1Eに示す製造ステップと同様に、図2Cに示すように形成されたエピタキシャル層と素子は、絶縁バッファ層21、N型電子注入層22、発光層23、P型正孔注入層24、透明のP型コンタクト電極32及びN型電極31を含む。柱状体12又は側壁12’の垂直高さは1乃至10ミクロンの範囲から選択できる。これにより、柱状体12/側壁12’は発光層23を突き抜ける。ある実施例において、柱状体12/側壁12’はN型層22を突き抜け、かつ発光層23をぎりぎり突き抜ける。このようにすることで、その後、P型正孔注入層24は構造全体に渡って成長できる。ある実施例において、柱状体12/側壁12’はP型層24を突き抜けてもよい。その場合、付加する透明P型コンタクト層32、例えばITOが当該構造全体に渡って成長される。
【００５４】
図2Aに示す層11が複数の材料層から構成される場合、柱状体12/側壁12’は垂直方向において漸進的に変化する屈折率を得ることができる。これにより、光が垂直に射出される効率は更に高くなる。ある実施例において、TiO2又はGaPを堆積させることで、製造される柱状体12/側壁12’の屈折率は、発光層近傍又は発光層23において、2.46超とされ、しかも、AlGaN、SiNx、ITO及びSiO2を順次に堆積させることにより、発光層23から離れるにつれて、次第に小さくなる屈折率が得られる。異なる屈折率を有する多層又は異なる類型のドープ及び異なる濃度を有する単層を選択することにより、発光素子の垂直方向において、望ましい屈折率の分布が得られる。
【００５５】
図3A-3Fは別の垂直方向の光伝導構造の製造法を示す図である。当該方法と図1A-1Eとの相違点は、成長及び再エッチングにより、柱状体12/側壁12’の垂直の側壁に、高質の絶縁層、例えばGaN又はAlGaN層を被覆することである。高質の絶縁層を得るために、基体10にある柱状体12/側壁12’の上に、窒化物又はその他の適用できる材料層をエピタキシャル成長させる。このような高質の被覆層はある情況でLEDに有効である。第１に、柱状体12/側壁12’と、発光領域、N型層およびP型層を含む発光構造との間の界面欠陥は大いに減少される。第２に、光を発光構造から被覆層に射出することができるので、自己吸収による光ロスは更に減少する。図3A〜3Bは図1B〜1Cと完全に一致している。図3Cにおいて、すでにエッチングされた基板10にある柱状体12/側壁12’の上に、高質のGaN、AlGaN又はInGaN絶縁層14はエピタキシャル成長されている。表面の成長は完了した後、更にエッチングを行い、大部分の絶縁層14を除去し、柱状体12/側壁12’の上に、薄い適合層14’のみを残す。当該層の厚さが200ナノメター乃至1000ナノメターであってもよい（図3D）。
柱状体12/側壁12’を被覆する適合層14’は基板10を被覆しなくてもよい。基板10が適合層14’により被覆される場合、N型電子注入層22又はその他の層のエピタキシャル成長のために絶縁バッファ層として用いられる。もし、一部の適合層14’は除去され、基板10は露出する場合、基板10において、その上にあるN型電子注入層22の成長のために、図1Dに示すバッファ層21のような選択可能なバッファ層を形成することができる。これにより、複合の柱状体12及び/又は側壁12’の格子は得られる。そして、LEDは複合の柱状体12/側壁12’を有する、エッチングされた基板に成長される。当該複合の柱状体12/側壁12’は、上から見れば、十分に小さい断面を有する。このため、エピタキシャル成長の温度下で、原子の十分な表面拡散長に起因して、柱状体12/側壁12’が突き抜けるN型電子注入層22、発光層23及びその他の層の成長は、柱状体12/側壁12’の頂部ではなく、すでにエッチングされた区域のみで行われる。エッチング深さ又は柱状体12/側壁12’の高さは、柱状体12/側壁12’が発光層23を突き抜けるように選択可能である。ある実施例において、柱状体12/側壁12’はN型電子注入層22を突き抜け、かつほぼ発光層23を突き抜ける。この場合、P型層24は当該構造に渡って成長される。ある実施例において、複合の柱状体/側壁内で大きな屈折率の差があるが、発光層23と適合層14’との間には小さい屈折率の差がある。よって、光は適合層14’内に制限され、かつ垂直に光射出面に導出される。したがって、光は生成後すぐに発光層から取り出され、発光層に発生する大きな自己吸収及び水平方向の光伝導効果は避けられる。これらの実施例ではよりよい光射出効率が得られる。
【００５６】
図3A-3Fに示すように絶縁適合層14’を形成する他の方法は、エピタキシャル成長の方法の代わりに、スパッタリングを用いて、柱状体12/側壁12’を、発光層23に同等の又はそれ以上の屈折率を有する一層又は多層の透明層を被覆することである。このようにすれば、当該スパッタリングにより塗布される絶縁適合層は、ガリウム含有ガリウム窒化物、窒化珪素（n=2.3）、TiO2（n=2.3）等より製造できる。
【００５７】
さらに、図3A-3Fを参照すると、この実施例において、発光素子は光吸収基板10に成長される。基板材料はN型層22、発光層23及びP型層24より更に大きい屈折率を有する。たとえば、このような情況は、珪素、ガリウム砒素及び炭化珪素の基板に成長する窒化物系LEDを含む。この実施例において、絶縁層14はN型層22、発光領域23及びP型層24より小さい屈折率を有する。珪素、炭化珪素（SiC）、ガリウム砒素（GaAs）等に成長する窒化物系LEDの場合、絶縁層14はエポキシ樹脂（n=1.4）、SiO2(n=1.46)又はAl2O3(n=1.76)から構成されてもよく、その厚さは媒質で発光する波長（200ナノメター乃至1000ナノメター）に相当してもよい。任意の従来の成長方法により柱状体12/側壁12’に絶縁層14を成長することができ、その後、エッチングにより適合層14’を得る。このようにすれば、複合の柱状体12/側壁12’の格子構造は得られる。そして、エッチングされた、複合の柱状体12/側壁12’を有する基板に、N型層22、発光層23又はP型層24の成長が行われる。適合層14’は、空気（n=1）が充填された隙間により置き換えられてもよい。これは、柱状体12/側壁12’とN型層22および発光層23との間に実質的な隙間があることを意味する。この隙間は、N型層22、発光層23又はP型層24（柱状体12/側壁12’はP型層24も突き抜ける場合）の形成後に、適合層14’を除去することにより得られる。
【００５８】
これらの実施例において、発光媒質と、格子構造の柱状体/側壁上の被覆層との間には大きな屈折率の差が存在し、光は垂直の状態で発光媒質内に制限され、かつ垂直に光射出の界面まで射出されるため、水平方向の光伝導効果による大量の自己吸収は防止される。したがって、これらの実施例によって、光射出の効率は高くなる。
【００５９】
適用層14’は図2A-2Cに示す発光構造にも同様に適用できる。
【００６０】
図4A-4Bは本発明の別の実施例を示す図である。基板10は、任意の適用できる従来の基板材料、例えばサファイア、尖晶石、石英、窒化ガリウム、炭化珪素、珪素、ガリウム砒素及び類似する材料であってもよい。図1A-1Eと同様の薄バッファ層21は、その後のエピタキシャル成長のために、まず基板10に成長される。そして、バッファ層21に厚い導電層26を成長し、導電層26はその上に成長する層又は素子のために優れた導電性を提供しうる。導電層26はエピタキシャル成長又はその他の従来の方法により、バッファ層21に形成されることができる。窒化物系LEDの場合、導電層26は、珪素をドープしたGaNであり、厚さが2ミクロンを超え、シート抵抗が30Ω未満であることが好ましい。また、導電層26はその他の導電材料、例えば珪素をドープしたInGaN又はAlGaNにより作製できる。導電層26に電気絶縁層28が堆積される。層28の厚さはN型層22、発光層23又はP型層24の厚さ及びその他の要素により左右される。たとえば、絶縁層28の厚さは、N型層22と発光層23との厚さの和に等しいか、又はそれより少し大きくしてもよいし、N型層22、発光層23とP型層24との厚さの和に等しいか、又はそれより少し大きくするか、あるいはそれより少し小さくしてもよい。ある実施例において、絶縁層28の厚さは0.5乃至1ミクロンの間にある。ある実施例において、絶縁層28の厚さは1乃至10ミクロンの間にある。さらに、図4Bを参照して、絶縁層28をエッチングすることにより、柱状体12又は側壁12’を形成し、次いで、図1A-1Eと同様の方法により、N型層22、発光層23及びP型層24のエピタキシャル成長を行う。ただし、ここで、エッチングの深さは絶縁層28と導電層26の界面により決められる。エッチングは、導電層26とその後に成長するN型層22との十分な電気的な接触が確保できるように行われなければならない。換言すれば、N型層22又は側壁12’により分割されたN型層22のそれぞれの領域ユニットは、すべて導電層26と電気的に接続されなければならない。ある実施例において、導電層26に対して、0.1〜0.3ミクロンより深くエッチングを行うことで、それとその上にある素子は良好に電気的に接続されることを確保する。導電層26に対して深めにエッチングを行うからといって、導電層26の厚さを超えるわけにはいかない。また、柱状体12/側壁12’に、例えば窒化珪素、TiO2、又はその他の上述した材料を一層被覆することができる。素子は厚い導電層26に位置し、しかもN型層22が導電層26と電気的に接続されるため、N型層22上にある閉じた領域ユニットは、導電層26を介して電気的な接続を実現する。そうでなければ、それらの閉じた領域ユニットは互いに絶縁される。
【００６１】
柱状体12/側壁12’の格子構造は、任意の一次元及び/又は二次元の格子あるいは任意の配列であってもよい。図5乃至図13は格子を例示している。その他の上述した適用可能な格子は図4A-4Bに示す実施例にも用いられる。
【００６２】
図5はシート状の側壁12’により構成された二次元の格子構造を示す平面図である。側壁12’により囲まれた閉じたメッシュは、複数の閉じた領域ユニット12-iを構成している。図4A-4B及び図5から分かるように、発光層23において、すべての閉じた領域ユニット12-iは側壁12’により完全に囲まれている。このようにすれば、発光層23での光の水平方向への伝播は防止できる。したがって、水平方向において、水平方向の光伝導効果を最大限に阻止することができ、よりよい垂直の光射出効果は得られる。また、図10-11は一次元の格子構造を示す図である。位置がずれた一次元の千鳥型の側壁12’により、水平方向の光伝導効果は大幅に低下し、同様に垂直の光射出率は高くなる。図5乃至図11に示す側壁12’の厚さdは200ナノメター乃至5ミクロンの範囲にあり、500ナノメター乃至2ミクロンの範囲は更に好ましい。また、周期aが5乃至50ミクロンの範囲にあることは好ましい。
【００６３】
また、垂直の光射出率を更に高めるために、本発明はパターンを有するか又は粗面化した基板を有する素子にも適用できる。図14に例示されているように、柱状体12又は側壁12’とパターンを有する基板10’との組み合わせにより、優れた光射出メカニズムは形成されている。パターンを有する基板10’において、発光層と対向する基板の底側は、多数の垂直方向の光伝導構造40を形成している。材料、形状及びサイズから見れば、構造40は柱状体12/側壁12’と類似し、基板10’をエッチングし、かつエッチングされた箇所に固体材料又は空気を充填することにより形成される。構造40は任意の適用できる従来の方法により製造できる。例えば、特許US 7,504,669、US 7,642,108 及びUS 7,250,635が挙げられる。これらの特許内容はその全体が引用される。
【００６４】
ある実施例において、複数の組の柱状体12/側壁12’の垂直に配列された格子構造は、垂直方向の光伝導効果を増強するために用いられる。図15に示すように、2組の格子構造12-1と12-2は垂直の状態で一緒に配列され、そのうち、格子構造12-1は絶縁バッファ層21とN型電子注入層22に埋め込まれるが、格子構造12-2は付加N型電子注入層22’と発光層23を突き抜けて、P型の正孔注入層24まで又はその中まで延伸する。二つの格子構造は垂直の方向において一列に整列されたり、ずれたりすることができる。これらの結晶格子定数は、同じであってもよいし、異なってもよい。二種又は多種の垂直に配列された格子構造の場合、それぞれの格子構造における柱状体12と側壁12’の高さは低くすることができる。これにより、特に柱状体12又は側壁12’が非常に薄い場合、格子構造をより容易に作製することができる。複数組の格子構造において、それぞれの柱状体12又は側壁12’の厚さは0.5乃至1.5ミクロンの範囲にあってもよい。
【００６５】
図15に示す発光素子は以下のように製造することができる。図1A-1E、図2A-2C、図3A-3F及び図4A-4Bに示す任意の方法により、基板10に格子構造12-1を製造する。当該格子構造12-1は基板10から形成されてもよいし、基板10と異なる材料層、例えば図2A-2Cに示す層11及び図4A-4Bに示す層28からなってもよい。絶縁層21とN型電子注入層22をエピタキシャル成長し、格子構造12-1の頂部までN型電子注入層22により被覆される。そして、N型電子注入層22に材料層、例えば図2A-2Cに示す層11及び図4A-4Bに示す層28を成長し、その後、当該材料層をエッチングし、格子構造12-2を形成し、N型電子注入層22を露出させる。さらに、N型電子注入層22に付加N型電子注入層22’、発光層23及びP型正孔注入層24を順番に成長する。付加N型電子注入層22’は、N型電子注入層22と同じ又は異なる材料から構成されることができる。その後、透明のP電極32とN電極31は形成される。この発光素子構造において、N型電子注入層22の厚さは0.5乃至5ミクロンの範囲にあってもよく、付加N型電子注入層22’の厚さは0.5乃至2ミクロンの範囲にあってもよい。垂直に配列された2つ以上の格子構造は、同様に更に柱状体12又は側壁12’の高さを低くすることができる。
【００６６】
当然、格子12-1、12-2は、図16-図18に示すように、基板と一定の角度（製造の便宜上、角度は60度以上であってもよい）をなすことができる。
【００６７】
本発明は、上述した実施例を用いて説明された。しかし、本発明の範囲は上述の例に限られないことは理解されるべきである。さらに、各種の変形又は類似する構造に及ぶことが意図されている。したがって、請求項の範囲は、すべての変形例又は類似する構造及びその等価物を含むように最大限の解釈がされるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
本明細書に添付された各図面は本発明の理解を深めるためのものであり、組み合わせが可能であり、かつ本発明の一部をなすこともできる。また、これらの図面は本発明の実施例を示し、かつ以下の説明とあわせて本発明の趣旨を説明するためのものでもある。図面が異なっても、付した符号が同一であれば同一の構成要件を意味する。1つの層は同一の機能を有する1群の層を含んでもよいと理解されるべきである。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図１Ｅ】図1A-1Eは、垂直の光伝導メカニズムを有する発光素子を製造する工程を示している。当該発光素子は基板に成長し、格子構造はパターンニングにより基板材料に形成されている。
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】図2A-2Cは、垂直の光伝導メカニズムを有する発光素子を製造する工程を示している。格子構造はパターンニングにより基板に成長した材料層に形成されている。
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図３Ｅ】
【図３Ｆ】図3A-3Fは、垂直の光伝導メカニズムを有する発光素子を製造する別の工程を示している。当該発光素子は基板に成長し、格子構造はパターンニングにより基板材料に形成されており、かつ被覆層を有する。
【図４Ａ】
【図４Ｂ】図4A-4Bは、垂直の光伝導メカニズムを有する発光素子を製造する別の工程を示している。格子構造は、パターンニングにより、導電層上に堆積した材料層に形成されている。当該材料層と導電層は順次基板に成長している。
【図５】図5は垂直の光伝導である密閉した四角形の領域ユニットを複数有する二次元の格子構造の俯瞰図である。
【図６】図6は垂直の光伝導である半密閉型の四角形の領域ユニットを複数有する二次元の格子構造の俯瞰図である。
【図７】図7は垂直の光伝導である半密閉型の領域ユニットを複数有する一次元の格子構造の俯瞰図である。
【図８】図8は垂直の光伝導である半密閉型の領域ユニットを複数有する別の二次元の格子構造の俯瞰図である。
【図９】図9は半密閉型の領域ユニットを複数有する一次元の格子構造の俯瞰図である。これらの領域ユニットはジグザグ状を繰り返す側壁に直線状の壁が組み合わされた「Y」型の側壁を備える。
【図１０】図10はジグザグ状を繰り返す側壁を有する一次元の格子構造の俯瞰図である。
【図１１】図11は繰り返すジグザグ状を繰り返す側壁の変形例を有する一次元の格子構造の俯瞰図である。
【図１２】図12は垂直の柱状体からなる二次元の四角形の格子構造の俯瞰図である。
【図１３】図13は垂直の柱状体からなる二次元の菱形又は六辺形の格子構造の俯瞰図である。
【図１４】図14は、一つの格子構造が基板の一つの側に形成し、もう一つの格子構造が基板の別の側に形成した発光素子を示す断面図である。
【図１５】図15は二種の垂直の格子構造からなる二垂直光伝導の発光素子を示す断面図である。
【図１６】図16は図15に示す発光素子を示す断面図である。ただし、当該素子は傾斜の側壁又は柱状体の格子構造を有する。
【図１７】図17は図15に示す発光素子を示す断面図である。ただし、当該素子は傾斜の側壁又は柱状体の格子構造を有する。
【図１８】図18は図15に示す発光素子を示す断面図である。ただし、当該素子は傾斜の側壁又は柱状体の格子構造を有する。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｄ】
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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１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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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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