(57)【要約】  半導体材料層中に３次元パターンを構成するためにレーザを利用して半導体材料層の表面を形成することによって、基板と、この基板上の半導体発光素子を有する発光デバイスに光抽出構造が設けられる。半導体材料層は基板である。半導体材料層の表面は、半導体材料層から物質を除去するのに十分なエネルギーでレーザ光を半導体材料層に照射することによって形成される。レーザ光は、また、ブランケット方式で融蝕閾値を下回る水準で照射される。半導体材料層に対するレーザ光の照射に続いて基板のエッチングが行われる。半導体材料層は異方性エッチングされる。レーザ光を利用してマスクもパターン形成され、さらにマスクを使用して半導体材料層がエッチングされる。デバイスの半導体材料層中に３次元パターンを有する発光デバイスも提供される。
2007537581.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上に設けられた半導体発光素子を有する発光デバイスのための光抽出構造を形成するようにした発光デバイスの製造方法であって、
前記発光デバイスの半導体層中に３次元幾何学パターンを形成するために、レーザを利用して前記半導体層の表面を形成するステップを含むことを特徴とする発光デバイスの製造方法。
【請求項２】
前記半導体層は、前記半導体発光素子の層を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項３】
前記半導体層は、前記半導体発光素子のコンタクト層を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項４】
前記半導体層は、前記発光デバイスの前記基板を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項５】
前記基板は、炭化珪素基板を含むことを特徴とする請求項４に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項６】
前記基板は、サファイヤ基板を含むことを特徴とする請求項４に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項７】
前記半導体層の表面を形成するステップは、前記半導体層から物質を除去するのに十分なエネルギーでレーザ光を前記半導体層に照射するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項８】
前記レーザ光を前記半導体層に照射するステップに続いて、前記半導体層をエッチングするステップを行うことを特徴とする請求項２に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項９】
前記半導体層をエッチングするステップは、前記半導体層を異方性エッチングするステップを含むことを特徴とする請求項８に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項１０】
前記レーザ光を前記半導体層に照射するステップは、
既定のマスクパターンのレーザ光を前記半導体層に照射するマスク投影光学素子を使用して前記光を前記半導体層に照射するステップと、
複数の前記３次元幾何学パターンを設けるために、前記マスクパターンを前記半導体層の異なる領域へ段階的に移動するステップと
を含むことを特徴とする請求項７に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項１１】
前記レーザ光は、約３０８ｎｍで動作するエキシマレーザからの光を含むことを特徴とする請求項７に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項１２】
複数の前記３次元幾何学パターンが前記半導体層の前記表面中に設けられ、前記３次元幾何学パターンは、前記半導体層中に達し、かつ前記半導体層の同じ水準に連続的な周辺部を有することを特徴とする請求項１に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項１３】
前記基板の前記表面は、前記発光素子に対向する前記基板の側にあることを特徴とする請求項４に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項１４】
前記基板の前記表面は、前記発光素子と前記基板の同じ側にあることを特徴とする請求項４に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項１５】
前記半導体層の表面を形作るステップは、前記基板を個々の発光デバイスに単体化する前に行われることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項１６】
前記３次元幾何学パターンは、放物構造を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項１７】
複数の前記３次元幾何学パターンが前記半導体層の前記表面中に作製され、前記複数の３次元幾何学パターンは複数の異なる幾何学パターンを含むことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項１８】
前記３次元幾何学パターンは、湾曲基板を設けることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項１９】
前記３次元幾何学パターンは、前記半導体層中に形成されたレンズを含むことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項２０】
前記３次元幾何学パターンは、前記半導体層中に複数の正弦波状の溝を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項２１】
前記３次元幾何学パターンは、前記半導体層中に形成された無作為化構造を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項２２】
前記半導体層の中に３次元幾何学パターンを構成するためにレーザを利用して前記半導体層の表面を形作るステップは、
レーザを使用してマスク層を前記半導体層上にパターン形成するステップと、
前記３次元幾何学パターンを構成するために前記パターン形成されたマスク層を使用して前記半導体層をエッチングするステップと
を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項２３】
前記マスクは、重合体マスクであることを特徴とする請求項２２に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項２４】
レーザを使用してマスク層を前記半導体層上にパターン形成するステップは、マスク材料を除去するためにレーザを使用してマスク層を前記半導体層上にパターン形成するステップを含むことを特徴とする請求項２２に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項２５】
レーザを使用してマスク層を前記半導体層上にパターン形成するステップは、
レーザによってマスターテンプレートをパターン形成するステップと、
前記マスターテンプレートを使用して前記マスク層を浮き出しするステップと
を含むことを特徴とする請求項２２に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項２６】
前記発光素子を前記基板上に形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項２７】
前記発光素子を形成するステップは、前記基板の前記表面を形成するステップに引き続いて実行されることを特徴とする請求項２６に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項２８】
少なくとも１つの表面を有する炭化珪素基板を含み、前記少なくとも１つの表面は、そこから前記基板の中に達する３次元幾何学パターンを有し、該３次元幾何学パターンは、少なくとも１つの湾曲構造を有し、かつ前記少なくとも１つの表面に連続的な周辺部を有し、さらに
前記基板上に設けられた発光素子を含むことを特徴とする発光デバイス。
【請求項２９】
前記湾曲構造は、該湾曲構造の外周の一部であることを特徴とする請求項２８に記載の発光デバイス。
【請求項３０】
前記湾曲構造は、放物構造であることを特徴とする請求項２８に記載の発光デバイス。
【請求項３１】
前記湾曲構造は、レンズ設けることを特徴とする請求項２８に記載の発光デバイス。
【請求項３２】
前記発光素子は、前記基板の前記少なくとも１つの表面上に設けられることを特徴とする請求項２８に記載の発光デバイス。
【請求項３３】
前記発光素子は、前記基板の前記少なくとも１つの表面に対向する、前記基板の表面上に設けられることを特徴とする請求項２８に記載の発光デバイス。
【請求項３４】
複数の３次元幾何学パターンを内部に有する少なくとも１つの表面を有する基板を備え、前記複数の３次元幾何学パターンは異なる幾何学パターンを含み、さらに
前記基板上に設けられた発光素子を備えることを特徴とする発光デバイス。
【請求項３５】
前記発光素子は、前記基板の前記少なくとも１つの表面上に設けられることを特徴とする請求項３４に記載の発光デバイス。
【請求項３６】
前記発光素子は、前記基板の前記少なくとも１つの表面に対向する、前記基板の表面上に設けられることを特徴とする請求項３４に記載の発光デバイス。
【請求項３７】
前記基板は、炭化珪素基板であることを特徴とする請求項３４に記載の発光デバイス。
【請求項３８】
前記基板は、サファイヤ基板であることを特徴とする請求項３４に記載の発光デバイス。
【請求項３９】
超小型電子基板の中に光抽出３次元幾何学パターンを構成するためにレーザを利用して前記基板から物質を除去するステップを含むことを特徴とする超小型電子基板の製造方法。
【請求項４０】
前記基板から前記物質の除去に続いて、レーザを利用して前記基板をエッチングするステップをさらに含むことを特徴とする請求項３９に記載の超小型電子基板の製造方法。
【請求項４１】
前記エッチングするステップは、異方性エッチングを利用することを特徴とする請求項３９に記載の超小型電子基板の製造方法。
【請求項４２】
前記超小型電子基板は、炭化珪素及び／又はサファイヤを含むことを特徴とする請求項３９に記載の超小型電子基板の製造方法。
【請求項４３】
前記超小型電子基板上に発光素子を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項３９に記載の超小型電子基板の製造方法。
【請求項４４】
前記発光素子は、前記３次元幾何学パターンを有する前記基板の表面上に形成されることを特徴とする請求項４３に記載の超小型電子基板の製造方法。
【請求項４５】
湾曲炭化珪素基板と、
前記基板上の発光素子と
を備えることを特徴とする発光デバイス。
【請求項４６】
レーザを使用してマスク層を前記炭化珪素基板上にパターン形成するステップと、
前記３次元幾何学パターンを構成するために前記パターン形成されたマスク層を使用して前記炭化珪素基板をエッチングするステップと
を含むことを特徴とする炭化珪素基板の表面形成方法。
【請求項４７】
前記マスクは、重合体マスクであることを特徴とする請求項４６に記載の炭化珪素基板の表面形成方法。
【請求項４８】
前記基板上に発光素子を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項４６に記載の炭化珪素基板の表面形成方法。
【請求項４９】
前記マスク層の前記パターンの形状が、前記炭化珪素基板のエッチング率と前記マスク層のエッチング率との間の差に基づくことを特徴とする請求項４６に記載の炭化珪素基板の表面形成方法。
【請求項５０】
前記マスク層と前記炭化珪素基板との間に超微細マスクを形成するステップをさらに含み、前記超微細マスクは、エッチング中に前記基板の表面を粗面化するように構成されることを特徴とする請求項４６に記載の炭化珪素基板の表面形成方法。
【請求項５１】
前記超微細マスクは、前記マスク層と前記基板との間にアルミニウム層を含むことを特徴とする請求項５０に記載の炭化珪素基板の表面形成方法。
【請求項５２】
前記３次元幾何学パターンは、複数の異なる幾何学パターンを含むことを特徴とする請求項４６に記載の炭化珪素基板の表面形成方法。
【請求項５３】
前記複数の異なる幾何学パターンは、１回のエッチング及び前記マスク層の１回のパターン形成で設けられることを特徴とする請求項５２に記載の炭化珪素基板の表面形成方法。
【請求項５４】
前記レーザを使用してマスク層を前記炭化珪素基板上にパターン形成するステップは、前記マスク層から物質を除去するためにレーザを使用してマスク層を前記炭化珪素基板上にパターン形成するステップを含むことを特徴とする請求項４６に記載の炭化珪素基板の表面形成方法。
【請求項５５】
前記レーザを使用してマスク層を前記半導体層上にパターン形成するステップは、
レーザによってマスターテンプレートをパターン形成するステップと、
前記マスターテンプレートを使用して前記マスク層を浮き出しするステップと
を含むことを特徴とする請求項４６に記載の炭化珪素基板の表面形成方法。
【請求項５６】
基板と、該基板上に設けられた半導体発光素子を有する発光デバイスのための光抽出構造を形成するようにした発光デバイスの製造方法であって、
前記基板中に３次元構造を構成するために、レーザを利用して前記基板の表面をブランケットアニーリングするステップを含むことを特徴とする発光デバイスの製造方法。
【請求項５７】
前記基板の表面をブランケットアニーリングするステップは、前記基板の融蝕閾値を下回るエネルギーでレーザ光を前記基板に照射するステップを含むことを特徴とする請求項５６に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項５８】
前記基板の前記表面は、前記発光素子に対向する前記基板の側にあることを特徴とする請求項５６に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項５９】
前記基板は、炭化珪素基板であることを特徴とする請求項５６に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項６０】
前記基板は、サファイヤ基板であることを特徴とする請求項５６に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項６１】
前記ブランケットアニーリングするステップは、
前記基板の第１の領域をブランケットアニーリングするステップと、次いで
前記基板の前記第１の領域とは異なる、前記基板の第２の領域をブランケットアニーリングするステップと
を含むことを特徴とする請求項５６に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項６２】
前記３次元構造は、実質的に無作為パターンの状態にあることを特徴とする請求項５６に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項６３】
塊状化した表面を有する基板と、
前記基板上の発光素子と
を備えることを特徴とする発光デバイス。
【請求項６４】
前記基板は、炭化珪素基板を含むことを特徴とする請求項６３に記載の発光デバイス。
【請求項６５】
前記基板は、サファイヤ基板を含むことを特徴とする請求項６３に記載の発光デバイス。
【請求項６６】
基板と、該前記基板上に設けられた半導体発光素子を有し、前記発光素子は、複数の半導体材料の層を有する発光デバイスの製造方法であって、
レーザを利用して半導体材料の前記層の少なくとも１つの層の表面をパターン形成するステップを含むことを特徴とする発光デバイスの製造方法。
【請求項６７】
前記半導体材料の前記層の少なくとも１つはコンタクト層であることを特徴とする請求項６６に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項６８】
表面をパターン形成するステップは、半導体材料の前記少なくとも１つの層から物質を除去するのに十分なエネルギーでレーザ光を半導体材料の前記少なくとも１つの層に照射するステップを含むことを特徴とする請求項６６に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項６９】
表面をパターン形成するステップは、
レーザを使用してマスク層を半導体材料の前記少なくとも１つの層の上にパターン形成するステップと、
前記パターン形成されたマスク層を使用して半導体材料の前記少なくとも１つの層をエッチングするステップと
を含むことを特徴とする請求項６６に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項７０】
レーザを使用してマスク層を半導体材料の前記少なくとも１つの層の上にパターン形成するステップは、マスク層から物質を除去するためにレーザを使用して前記マスク層を半導体材料の前記少なくとも１つの層の上にパターン形成するステップを含むことを特徴とする請求項６９に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項７１】
マスク層をパターン形成するステップは、
レーザによってマスターテンプレートをパターン形成するステップと、
前記マスターテンプレートを使用して前記マスク層を浮き出しするステップと
を含むことを特徴とする請求項６９に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項７２】
表面をパターン形成するステップは、半導体材料の少なくとも１つの層の表面をレーザブランケットアニーリングするステップを含むことを特徴とする請求項６６に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項７３】
前記レーザブランケットアニーリングするステップは、半導体材料の前記少なくとも１つの層の融蝕閾値を下回るエネルギーで実行されることを特徴とする請求項７２に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項７４】
基板と、
該基板上に設けられた半導体発光素子とを含み、前記発光素子は半導体材料の複数の層を含み、半導体材料の前記層の少なくとも１つは、半導体材料の前記層の前記少なくとも１つの中に光抽出構造を設けるためにパターン形成されることを特徴とする半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体材料層中に３次元パターンを構成するためにレーザを利用して半導体材料層の表面を形成することによって、基板と、この基板上に設けられた半導体発光素子を有する発光デバイスに光抽出構造が設けるようにした発光デバイス及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）又はレーザダイオードのような半導体発光デバイスが数多くの用途に広く使用されている。当業者にはよく知られているように、半導体発光デバイスは、１つ又は複数の半導体層を有する半導体発光素子（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｅｌｅｍｅｎｔ）を含むが、これらの半導体層は、それらが励起されるとコヒーレント光及び／又は非コヒーレント光を放出するように構成される。当業者にはよく知られているように、発光ダイオード又はレーザダイオードは、一般に超小型電子基板上にダイオード領域を含んでいる。この超小型電子基板は、例えば、ガリウム砒素、ガリウム燐、それらの合金、炭化珪素、及び／又はサファイヤであり得る。ＬＥＤの持続的な開発によって、可視スペクトル及びそれを超えるスペクトルの範囲を含む高度に効率的でかつ機械的に丈夫な光源がもたらされた。これらの特質は、固体デバイスの潜在的に長い耐用年数と結合して、新たな表示器の多様な用途を可能にし、ＬＥＤを十分に確立された白熱灯及び蛍光に匹敵する位置に据え得る。
【０００３】
ＬＥＤの効率の１つの尺度は、１ルーメン当たりの費用である。ＬＥＤに関する１ルーメン当たり費用は、ＬＥＤチップ１個当たりの製造費、ＬＥＤ材料の内部量子効率、及びデバイスから発生した光を結合又は抽出する能力の関数であり得る。光抽出（ｌｉｇｈｔ  ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ）問題の概論がテキストに見られる（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
これらのＬＥＤは、可視スペクトルの青／緑部分の放射を発するので、多くの開発意欲及び商業活動が炭化珪素の中に又はその上に製造されるＬＥＤに集中されてきた。例えば、本出願の譲受人に譲渡され、参照により本明細書に完全に記載されているものとして、その全体が本明細書に組み込まれる文献を参照されたい（例えば、特許文献１参照）。炭化珪素基板上にガリウム窒素系ダイオード領域を含むＬＥＤも高い効率で発光するので、これらのデバイスにも多くの関心が寄せられてきた。例えば、参照により本明細書に完全に記載されているものとして、その全体が本明細書に組み込まれる文献を参照されたい（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
従来のＬＥＤの効率は、それらの活性層によって生成される光のすべてを放出するそれらの能力によって限定される。ＬＥＤが励起されるとき、その活性層から発する光（すべての方向における）が数多くの様々な角度で放出表面に到達する。典型的な半導体材料は、周囲空気（ｎ＝１．０）又は封入用エポキシ（ｎ〜１．５）に比べて、高い屈折率（ｎ〜２．２から３．８）を有する。スネルの法則によれば、高い屈折率を有する領域から、ある一定の臨界角（表面法線方向に対して）の範囲内にある低い屈折率を有する領域に進む光は、より低い屈折率の領域を横切って進む。この臨界角を超えて表面に到達する光は横切るのではなく、全反射（ＴＩＲ）を経る。ＬＥＤの場合では、ＴＩＲ光は、それが吸収されるまでＬＥＤ内部で反射し続け得る。このような現象のために、従来のＬＥＤによって生成された光の多くは放出されることがなく、その効率を低下させる。
【０００６】
光抽出（ｌｉｇｈｔ  ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ）は、例えば、ダイオード領域及び基板を製造するために使用される材料に応じて、数多くの方法で行われてきた。例えば、ガリウム砒素及びガリウム燐材料系では、光抽出に厚いｐ−型上面窓層（ｔｏｐｓｉｄｅ  ｗｉｎｄｏｗ  ｌａｙｅｒ）が使用可能である。液相及び／又は蒸気相エピタキシーを使用して、高いエピタキシャル成長率がガリウム砒素／ガリウム燐材料系において可能となるので、このようなｐ−型窓層を成長させることができる。しかも、電流拡張（ｃｕｒｒｅｎｔ  ｓｐｒｅａｄｉｎｇ）が、ｐ−型上面窓層の導電性により実現可能である。高いエッチング率及び高いエッチング選択性を有する化学的エッチングを使用して、基板の少なくとも一部（それが光吸収性であれば）を除去することも可能である。分散ブラッグ反射体（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）も、放出及び吸収領域を分離するために吸収基板とダイオード領域との間に成長させた。
【０００７】
ＴＩＲ光の比率を低め、それによってＬＥＤの効率を高める１つの方法は、ＬＥＤの表面上に無作為な質感の形態で光散乱中心を創出することである（例えば、非特許文献２参照）。無作為の質感は、反応性イオンエッチング中にサブミクロンの直径のポリスチレン球をＬＥＤ表面上でマスクとして使用することによって、この表面の中にパターン形成される。質感を与えられた表面は、無作為な干渉効果によりスネルの法則によって予測されない様態で光を屈折又は反射する、ほぼ光の波長の大きさの構造（ｆｅａｔｕｒｅ）を有する。
【０００８】
ＬＥＤからの光抽出を増大させる他の方法は、光をその内部閉込め角から表面の形状及び周期によって決まる構成されたモードの中へ再誘導する放出表面又は内部境界面の周期パターン形成を含むことである（例えば、特許文献３参照）。
【０００９】
光抽出の増大は、中心に放出層を有するように半球の中にＬＥＤ放出表面を形作ることによっても実現されてきた。それぞれのＬＥＤの上方にそれぞれの半球を有するＬＥＤアレイを形成する方法が開示されている（例えば、特許文献４参照）。これらの半球は基板の中に形成され、それらの上にダイオードのアレイを成長させる。次いで、ダイオード及びレンズ構造がエッチングによって基板から除去される。
【００１０】
光をコンタクトのような吸収領域から遠ざけるように再誘導し、さらに光をＬＥＤの表面に向かっても誘導するために、光学的に非吸収性の層を含むことによってＬＥＤからの光抽出を高める構造も開示されている（例えば、特許文献５参照）。
【００１１】
光抽出を高める他の方法は、ＬＥＤの放出表面上の薄膜金属層の内部の表面プラズモンモード（これらは放射されたモードの中へ再び放出される）の中へ光子を結合することである（例えば、非特許文献３参照）。これらの構造は、半導体から放出された光子を金属層中の表面プラズモン（これらは最終的に抽出される光子の中へさらに結合される）の中へ結合することに依存する。
【００１２】
光抽出は、ＬＥＤチップの側面に角度を付けて逆切頭ピラミッドを創出することによっても向上可能である。これらの角度付き表面は、基板材料の中に閉じ込められたＴＩＲ光に放出表面を与える（例えば、非特許文献４参照）。
【００１３】
光抽出を高めるためのさらに他の方法は、光子再循環（ｐｈｏｔｏｎ  ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ）である（例えば、非特許文献５参照）。この方法は、電子及び正孔を光へ及びその逆へ容易に変換する高効率活性層を有するＬＥＤに依存する。ＴＩＲ光はＬＥＤの表面から反射して活性層に当たるが、そこでそれは電子／正孔対に再び変換される。活性層は高効率であるので、この電子／正孔対は、再び無作為の方向に放出される光へほとんど即時に再変換される。一定比率の再循環光は、臨界角以内でＬＥＤ放出表面の１つに当たって抜け出す。反射されて活性層に戻ってきた光は再び同じ過程を経る。
【００１４】
記載されたものとして本明細書に全体が組み込まれている開示（例えば、特許文献６参照）が、ＬＥＤの効率を高めるために、その上に又は中に光抽出構造（ｌｉｇｈｔ  ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を使用することを説明する。この光抽出構造は、光がパッケージの中へ抜け出すのにより好都合な方向へ光を反射、屈折、又は散乱するための表面を設ける。これらの光抽出構造は、光抽出素子又は分散体層のアレイである。この光抽出素子は、従来のＬＥＤを上回ってＬＥＤの効率を高めるために、数多くの異なる形状を有することが可能であり、かつ数多くの箇所に配置される。分散体層は光に散乱中心を与え、数多くの箇所に配置されることも可能である。光抽出素子のアレイを有するＬＥＤは、標準的な処理方法を使って製造される。分散体層を有するＬＥＤの製造方法も説明されている。
【００１５】
記載されたものとして本明細書に全体が組み込まれている開示（例えば、特許文献７参照）が、第１の表面及び第２の対向表面を有する基板を含む発光ダイオードを説明するが、この基板は、所定の波長域の光放射に透過性であり、かつこの基板の中へ第１の面から第２の面に向かって延びる複数の脚を断面の中に構成するようにパターン形成される。第２の面上のダイオード領域は、ダイオード領域の両端に電圧を印加すると、所定波長域の光を基板の中へ放出するように構成される。基板に対向するダイオード領域上の取付け支持体が、ダイオード領域の両端に電圧を印加すると、ダイオード領域から基板の中へ放出される光が第１の面から放出されるように、ダイオード領域を支持するように構成される。基板の第１の面は、複数の三角形の脚を基板の中に構成する複数の溝を内部に含み得る。これらの溝は、テーパ側壁及び／又は傾斜床面を含んでいる。基板の第１の面は、バイアホールのアレイも内部に含んでいる。これらのバイアホールはテーパ付き側壁及び／又は床面を含んでいる。
【００１６】
【特許文献１】米国特許第５４１６３４２号明細書（Edmondら、「Blue Light-Emitting Diode With High External Quantum Efficiency」）
【特許文献２】米国特許第６１７７６８８号明細書（Linthicumら、「Pendeoepitaxial Gallium Nitride Semiconductor Layers On Silicon Carbide Substrates」）
【特許文献３】米国特許第５７７９９２４号明細書（Kramesら）
【特許文献４】米国特許第３９５４５３４号明細書（Scifres及びBurnham）
【特許文献５】米国特許第５７９３０６２号明細書
【特許文献６】米国特許第６６５７２３６号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２００２／０１２３１６４号明細書
【特許文献８】米国特許第６２０１２６２号明細書
【特許文献９】米国特許第６１８７６０６号明細書
【特許文献１０】米国特許第６１２０６００号明細書
【特許文献１１】米国特許第５９１２４７７号明細書
【特許文献１２】米国特許第５７３９５５４号明細書
【特許文献１３】米国特許第５６３１１９０号明細書
【特許文献１４】米国特許第５６０４１３５号明細書
【特許文献１５】米国特許第５５２３５８９号明細書
【特許文献１６】米国特許第５４１６３４２号明細書
【特許文献１７】米国特許第５３９３９９３号明細書
【特許文献１８】米国特許第５３３８９４４号明細書
【特許文献１９】米国特許第５２１００５１号明細書
【特許文献２０】米国特許第５０２７１６８号明細書
【特許文献２１】米国特許第５０２７１６８号明細書
【特許文献２２】米国特許第４９６６８６２号明細書
【特許文献２３】米国特許第４９１８４９７号明細書
【特許文献２４】米国特許出願公開第２００３／０００６４１８号（Ａ１）明細書（２００３年１月９日公開「Group III Nitride Based Light Emitting Diode Structures With a Quantum Well and Superlattice, Group III Nitride Based Quantum Well Structures and Group III Nitride Based Superlattice Structures」）
【特許文献２５】米国特許出願公開第２００２／０１２３１６４号（Ａ１）明細書（「Light Emitting Diodes Including Modifications for Light. Extraction and Manufacturing Methods Therefor」）
【特許文献２６】米国特許出願第１０／６５９２４１号明細書（２００３年９月９日出願「Phosphor-Coated Light Emitting Diodes Including Tapered Sidewalls and Fabrication Methods Therefor」）
【非特許文献１】the textbook entitled High Brightness Light. Emitting Diodes to Stringfellow et al., Academic Press, 1997, and particularly Chapter 2, entitled Overview of Device Issues in High-Brightness Light Emitting Diodes, to Craford, at pp. 47-63
【非特許文献２】Shnitzer, et al., “30% External Quantum Efficiency From Surface Textured, Thin Film Light Emitting Diodes”, Applied Physics Letters 63, Pgs. 2174-2176 (1993)
【非特許文献３】Koeck et al., Strongly Directional Emission From AIGaAs/GaAs Light Emitting Diodes, Applied Physics Letter 57, Pgs. 2327-2329 (1990)
【非特許文献４】Krames, et. al., “High Power Truncated Inverted Pyramid (Alx Ga1-x)0.5 In0.5 P/GaP Light Emitting Diodes Exhibiting>50% External Qauntum Efficiency”, Applied Physics Letters 75 (1999)
【非特許文献５】Shnitzer, et al., “Ultrahigh Spontaneous Emission Quantum Efficiency, 99.7% Internally and 72% Externally, From AIGaAs/GaAs/AlGaAs Double Heterostructures”, Applied Physics Letters 62, Pgs. 131-133 (1993).
【非特許文献６】“Laser micro-machining of high density optical structures on large substrates” by Boehlen et al. of Exitech Ltd.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、半導体材料層中に３次元パターンを形成するためにレーザを利用して半導体材料層の表面を形成することによって、基板と、この基板上に設けられた半導体発光素子を有する発光デバイスに光抽出構造が設けるようにした発光デバイス及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の幾つかの実施形態は、基板と、この基板上に設けられた半導体発光素子を含む発光デバイスの半導体材料層の中に３次元幾何学パターンを構成するためにレーザを利用して半導体材料層の表面を形成することによって、この発光デバイスのための光抽出構造（ｌｉｇｈｔ  ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ  ｆｅａｔｕｒｅ）を形成することを提供する。本発明の特定の実施形態では、半導体材料層の表面は、半導体材料層から物質を除去するのに十分なエネルギーでレーザ光を半導体材料層に照射することによって形成される。半導体材料層に対するレーザ光の照射に続いて半導体材料層のエッチングが行われ得る。半導体材料層は異方性エッチングされる。
【００１９】
本発明の特定の実施形態では、半導体材料層は基板である。本発明の他の実施形態では、半導体材料層は発光素子の層、例えば、コンタクト層である。
【００２０】
本発明の他の実施形態では、レーザ光は、既定のマスクパターンの光を半導体材料層に照射するマスク投影光学素子を使用して半導体材料層に照射される。マスクパターンは、複数の３次元幾何学パターンを設けるために半導体材料層の異なる領域へ段階的に移動される。
【００２１】
本発明の特定の実施形態では、レーザ光は約３０８ｎｍで動作するエキシマレーザからの光を含んでいる。
【００２２】
本発明の幾つかの実施形態では、複数の幾何学パターンが半導体材料層の表面の中に設けられる。幾何学パターンは、基板の中に達し、かつ基板の同じ水準に連続的な周辺部を有する。本発明の他の実施形態では、基板の表面は発光素子に対向する基板側にある。基板の表面は、発光素子と同じ基板側にあってもよい。基板の表面を形成することは、基板を個々の発光デバイスに単体化（ｓｉｎｇｕｌａｔｉｏｎ）する前に行われ得る。基板の表面を形成することは、発光素子を基板上に形成する前に行われる。
【００２３】
本発明の特定の実施形態では、３次元幾何学パターンは放物構造を含んでいる。複数の異なる幾何学パターンも半導体材料層の表面中に作製され得る。幾何学パターンは湾曲基板（ｃｕｒｖｅｄ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）も設ける。半導体材料層が基板である本発明の実施形態では、基板は炭化珪素基板及び／又はサファイヤ基板である。幾何学パターンは、半導体材料層中に形成されたレンズを含み得る。幾何学パターンは、半導体材料層中に形成された無作為化構造（ｒａｎｄｏｍｉｚａｔｉｏｎ  ｆｅａｔｕｒｅ）でもある。幾何学パターンは溝の正弦波パターンでもある。
【００２４】
本発明の他の実施形態では、半導体材料層中に３次元幾何学パターンを構成するためにレーザを利用して基板の表面を形成することが、例えば、マスク材料を除去するためにレーザを利用して半導体材料層上にマスク層をパターン形成し、かつ３次元幾何学パターンを構成するためにパターン形成されたマスク層を使用して半導体材料層をエッチングすることによって行われる。マスクは重合体マスクである。レーザを使用してマスク層を半導体層の上にパターン形成することが、レーザによってマスターテンプレートをパターン形成し、かつマスターテンプレートを使用してマスク層を浮き出しすることによっても行われる。
【００２５】
本発明の追加的な実施形態では、超小型電子基板が、基板中に光抽出３次元幾何学パターンを構成するためにレーザを利用して物質を超小型電子基板から除去することによって製造される。基板は、また、物質の除去に続いてレーザを利用してエッチングされる。エッチングは異方性エッチングである。超小型電子基板は炭化珪素及び／又はサファイヤである。発光素子が超小型電子基板上に形成される。発光素子は、基板から物質を除去した後に形成される。幾つかの実施形態では、発光素子は３次元幾何学パターンを有する基板の表面上に形成される。
【００２６】
本発明の追加的な実施形態では、発光デバイスは少なくとも１つの表面を有する炭化珪素基板を含み、この少なくとも１つの表面はそれから基板中に達する３次元幾何学パターンを有し、この幾何学パターンは、少なくとも１つの湾曲断面構造を有し、かつこの少なくとも１つの表面に連続的な周辺部を有する。発光素子は基板上に設けられる。
【００２７】
本発明の幾つかの実施形態では、湾曲構造（ｃｕｒｖｅｄ  ｆｅａｔｕｒｅ）は、炭化珪素基板中に達する領域の床面及び／又は側壁である。湾曲構造は、この構造の周辺部の一部でもある。湾曲構造は放物構造である。湾曲構造はレンズを設ける。発光素子は、基板の少なくとも１つの表面上に設けられる。発光素子は、基板の少なくとも１つの表面に対向する基板表面でもあり得る。
【００２８】
本発明の他の実施形態は湾曲基板を提供することである。  
本発明の追加的な実施形態では、発光デバイスが、複数の３次元幾何学パターンを内部に有する少なくとも１つの表面を有する基板を含み、複数の幾何学パターンは基板上に異なる幾何学パターン及び発光素子を含んでいる。発光素子は、基板の少なくとも１つの表面の上に設けられる。発光素子は、基板の少なくとも１つの表面に対向する基板表面上に設けられる。基板は炭化珪素又はサファイヤ基板である。
【００２９】
本発明の他の実施形態は、マスク材料を除去するためにレーザを利用して炭化珪素基板上にマスク層をパターン形成し、かつ３次元幾何学パターンを構成するためにパターン形成されたマスク層を使用して炭化珪素基板をエッチングすることによって、炭化珪素基板の表面形成方法を提供する。マスクは重合体マスクであり得る。発光素子は基板上に形成される。マスク層のパターンの形状は、炭化珪素基板のエッチング率とマスク層のエッチング率との間の差に基づく。
【００３０】
本発明のさらに他の実施形態では、超微細マスクがマスク層と炭化珪素基板との間に形成される。超微細マスクは、エッチング中に基板の表面を粗面化するように構成される。超微細マスクは、マスク層と基板との間のアルミニウム層を含んでいる。
【００３１】
３次元幾何学パターンは複数の異なる幾何学パターンを含んでいる。複数の異なる幾何学パターンは、１回のエッチング及びマスク層の１回のパターン形成で設けられる。
【００３２】
本発明のさらに他の実施形態では、基板と、この基板上に設けられた半導体発光素子を有する発光デバイスのための光抽出構造が、基板中に３次元構造を構成するためにレーザを利用して基板の表面をブランケットアニーリング（ｂｌａｎｋｅｔ  ａｎｎｅａｌｉｎｇ）することによって形成される。基板の表面をブランケットアニーリングすることは、基板の融蝕閾値を下回るエネルギーでレーザ光を基板に照射することを含んでいる。基板の表面は、発光素子に対向する基板側にあり得る。基板は炭化珪素基板及び／又はサファイヤ基板である。
【００３３】
ブランケットアニーリングは、基板の第１の領域をブランケットアニーリングし、次いで、基板の第１の領域とは異なる、基板の第２の領域をブランケットアニーリングすることを含んでいる。得られる３次元構造は実質的に無作為パターンの状態にある。
【００３４】
本発明の他の実施形態は、塊状化した表面を有する基板及びこの基板上の発光素子を有する発光デバイスを提供する。本発明の特定の実施形態では、基板は炭化珪素基板である。本発明の幾つかの実施形態では、基板はサファイヤ基板である。
【００３５】
本発明のさらに他の実施形態では、基板と、この基板上に設けられた半導体発光素子を有する発光デバイスの製造方法が提供され、複数の半導体材料層を有する発光素子は、レーザを利用して半導体材料層の少なくとも１つの層の表面をパターン形成することを含んでいる。半導体材料層の少なくとも１つはコンタクト層である。
【００３６】
表面をパターン形成することは、半導体材料の少なくとも１つの層から物質を除去するのに十分なエネルギーでレーザ光を半導体材料の少なくとも１つの層に照射することを含んでいる。表面をパターン形成することは、マスク材料を除去するためにレーザを使用して半導体材料の少なくとも１つの層の上にマスク層をパターン形成し、かつパターン形成されたマスク層を使用して半導体材料の少なくとも１つの層をエッチングすることを含んでいる。表面をパターン形成することは、半導体材料の少なくとも１つの層の表面をレーザブランケットアニーリングすることを含んでいる。レーザブランケットアニーリングは、半導体材料の少なくとも１つの層の融蝕閾値を下回るエネルギーで実行される。
【００３７】
本発明の追加的な実施形態では、半導体デバイスが、基板と、この基板上に設けられた半導体発光素子を含んでいる。発光素子は、複数の半導体材料層を含み、半導体材料層の少なくとも１つは、この半導体材料層の少なくとも１つの中に光抽出構造を設けるためにパターン形成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
ここで本発明の実施形態が示されている添付の図面を参照して、以下に本発明をより完全に説明する。しかし、本発明は、数多くの異なる形態で実施可能であり、したがって、本明細書に記載の実施形態に限定されるものと見なすべきではない。より正確に言えば、これらの実施形態は、本発明による開示が完璧かつ完全であるように、さらに当業者に本発明の技術的範囲が完全に伝わるように提示されている。図面では、明瞭化のために層及び領域のサイズ及び相対サイズが誇張され得る。全体を通じて同様の数字が同様の要素を示している。
【００３９】
層、領域、又は基板などの要素が、別の要素の「上に」あると言及されるとき、それは、当該の他の要素の上に直接的に存在し得るか、又は介在する要素が存在し得ることも理解されよう。表面など、要素の一部が「内部の」と言及される場合、それは当該要素の他の部分よりも装置の外側から離れていることが理解されよう。さらには、「下に」又は「上に重なる」などの相対的な用語は、本明細書では、図面に例示した基板又は基層を基準にして、１つの層もしくは領域が別の層もしくは領域に対する関係を説明するために使用され得る。これらの用語は、図示された配向に加えて、装置の異なる配向も包含しようとするものであることが理解されよう。最後に、「直接的に」という用語は、介在する要素が存在しないことを意味する。本明細書で使用するように、「及び／又は」という用語は、列挙された関連項目の１つもしくは複数のいずれか、又はそれらのすべての組合せを含んでいる。
【００４０】
本明細書では、様々な要素、構成要素、領域、層、及び／又は区分を説明するために、第１の、第２の等の用語が使用される場合があるが、これらの要素、構成要素、領域、層、及び／又は区分は、これらの用語によって限定されるべきではないことが理解されよう。これらの用語は、１つの要素、構成要素、領域、層、又は区分を別の領域、層、又は区分から区別するためのみに使用される。したがって、以下で説明する第１の領域、層、又は区分を第２の領域、層、又は区分と呼ぶことも可能であり、同様に、本発明の開示から逸脱することなく、第２のものを第１のものと呼ぶことも可能である。
【００４１】
本発明の実施形態は、発光デバイス用の基板をパターン形成する方法及びそのような基板を提供するものである。パターン形成は、レーザを利用して行われる。レーザパターン形成は、１回又は段階的な様態で行われ得る。基板をパターン形成することによって、例えば、基板中に無作為化パターンを施すことによって光の抽出が向上し得る。本発明の実施形態は、デバイスの表面積のために基板の角度付き側壁の効果が低下する比較的大きな面積のデバイスに特に優れて適切である。基板のパターン形成は、基板上に発光デバイスを形成する前に及び／又は後に行われる。さらには、基板の両面の一方又は両方がパターン形成される。パターン形成される基板の面は、発光素子の反対側又は発光素子が形成される基板の面である。本発明の特定の実施形態は、超小型電子基板のレーザパターン形成を提供する。本明細書で使用するように、「超小型電子基板」という用語は、デバイスが引き続いて上に装着される基板ではなく、超小型電子デバイスが上に作り出される材料の基板を示している。
【００４２】
レーザを使用すると、ソーイング技法に伴う大きな機械的な力を加えずに基板をパターン形成することができる。さらには、レーザパターン形成は、ソーイングシステムを使用してベベル切断（ｂｅｖｅｌ  ｃｕｔｔｉｎｇ）するよりも迅速である。同様に、レーザが材料に貫入するときに、それはテーパ付き構造を自然に作り出すので、そのような構造を容易に設けることができる。構造の深さも、レーザシステムを使用することによって容易に変更することができる。
【００４３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。  
図１は、本発明の実施形態に係るレーザパターン形成システムを示すブロック図である。このレーザパターン形成システム１０において、高出力のレーザ光源１２が、テーブル１６上に搭載される超小型電子基板２０の上方にレーザ光のパターンを付与するように制御装置１４によって制御される。この制御装置１４は、基板２０の中に３次元パターンを付与するために、レーザ１２及びテーブル１６を制御してレーザ光を基板２０に反復照射する。３次元パターンは、基板２０の中に無作為化パターンを付与する。この３次元パターンは、対称的であっても又は非対称的であってもよい。また、他の実施形態では、３次元パターンが既定のパターンであることもあり、３次元パターンが既定ではないこともある。
【００４４】
基板２０は、デバイスの単体化された基板であってもよいし、かつ／又は単体化前の多デバイスの基板を含むウェーハであってもよい。レーザ光のパターンはマスク投影光学素子によって付与されてもよいし、かつステップアンドリピート手順で基板２０に付与してもよい。したがって、テーブル１６及び／又はレーザ１２は、基板２０の異なる区域をパターン形成するためにレーザ光を連続的に照射するときに移動可能である。マスクパターンは、基板２０のそれぞれの領域に対して同じであってもよいし、又はそれが基板２０の異なる箇所に対して異なってもよい。平型視野レンズを備えるガルバノスキャン（ｇａｌｖｏ  ｓｃａｎｎｉｎｇ）システムを使用して、基板及び／又はウェーハを動かさないで基板を完全にパターン形成することも可能である。
【００４５】
レーザ光のパターンの照射に続いて、基板２０は、レーザ処理によって生成された光吸収物質をいずれも除去するためにエッチングされる。レーザによって誘発された形態学的な変化を維持するように、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）のような異方性エッチングが利用可能である。他の方法として、レーザによって基板の中に設けられたパターンにエッチングの特徴が考慮される場合には、当業者に知られた他のエッチングも利用可能である。例えば、エッチングは、誘導結合高周波プラズマ（ＩＣＰ）エッチングでもよいし、又は等方性エッチングでもよい。このようなエッチングは、例えば、ラップ仕上げ（ｌａｐｐｉｎｇ）作業に続く製造過程の一部として行うことが可能であり、コンタクトを基板上に形成する前に行うことができる。例えば、２μｍエッチングが、ラップ仕上げ及びパターン形成に続いて、かつコンタクト形成の前に行うことが可能である。
【００４６】
本発明の本実施形態では、レーザ１２はエキシマパルスレーザであるが、基板２０から物質を除去するのに適切な任意のレーザシステムが使用可能である。例えば、レーザシステムは、振動数３倍及び／又は４倍のヤグレーザである。また、レーザ１２は３０８ｎｍの波長を有するが、２４８ｎｍ、１９３ｎｍ、１５７ｎｍ、３５５ｎｍ、又は２６６ｎｍのような他の波長も使用可能である。さらには、水霧及び／又は補助ガスのような当業者には知られた補助処理を利用して表面の損傷を軽減しかつ／又はレーザの吸収を高めることができよう。レーザの逓倍パルス（ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｐｕｌｓｅｓ）を使用して基板から物質を除去することができる。基板から物質を制御的に除去するのに適切な任意のエネルギーが使用可能である。例えば、約４．２ジュール／パルスの３０８ｎｍパルスレーザが使用可能である。
【００４７】
基板２０は任意適切な基板材料でよい。基板２０が超小型電子基板である。例えば、基板２０は、炭化珪素基板、サファイヤ基板、窒化ガリウム基板、又は同様物でもよい。
【００４８】
図２は、本発明の様々な実施形態に係るレーザパターン形成された基板を有する半導体発光デバイスを示す断面図である。図３は、図２に示した半導体発光デバイスの等角図である。上述したように、基板２０のような基板１００は、その表面上に形成された発光素子１１０を有する。３次元パターン１２０が、図１を参照して上述したレーザを使用して基板１００の第１の表面１０２の中に形成される。図２及び図３に例示した実施形態では、半導体発光素子１１０は、第１の表面１０２に対向する、基板１００の第２の表面１０４上に形成される。また、パターン１２０は、基板１００の第１の表面１０２において連続的な周辺部１３０によって包囲されている。
【００４９】
半導体発光素子１１０には、発光ダイオード、レーザダイオード、及び／又は他の半導体デバイスが含まれるが、このような他の半導体デバイスは、珪素、炭化珪素、窒化ガリウム、及び／又は他の半導体材料を含み得る１つもしくは複数の半導体層；サファイヤ、珪素、炭化珪素、及び／又は他の超小型電子基板を含み得る基板；ならびに金属及び／又は他の導電層を含み得る１つもしくは複数のコンタクト層を含んでいる。幾つかの実施形態では、紫外、青、及び／又は緑のＬＥＤを設けることができる。半導体発光デバイスの設計及び製造は当業者にはよく知られており、したがって本明細書で詳細に説明する必要はない。
【００５０】
例えば、半導体発光素子１１０は、窒化ガリウム系ＬＥＤ又は米国ノースカロライナ州（Ｎｏｒｔｈ  Ｃａｒｏｌｉｎａ）ダーラム市（Ｄｕｒｈａｍ）のクリーインコーポレーテッド社（Ｃｒｅｅ，Ｉｎｃ．）によって製造及び販売されているそれらのデバイスのような、炭化珪素基板上に製造されたレーザでよい。本発明は、本明細書に記載されているものとして参照により本明細書に組み込まれている開示に説明されているＬＥＤ及び／又はレーザに使用するのに適切であり得る（例えば、特許文献８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、及び／又は２３参照）。他の適切なＬＥＤ及び／又はレーザも説明されている（例えば、特許文献２４及び特許文献２５参照）。さらには、全体が記載されたものとして参照により本明細書に組み込まれている開示（例えば、特許文献２６参照）に説明されているような燐塗布ＬＥＤも本発明の実施形態で使用するのに適切である。ＬＥＤ及び／又はレーザは、発光が基板を介して行われるように動作するように構成される。このような実施形態では、基板は、デバイスの光出力を高めるようにパターン形成される（例えば、先に引用した特許文献２５に説明されている）。
【００５１】
図４は、本発明の他の実施形態に係るレーザパターン形成された基板を有する発光デバイスを示す断面図である。半導体発光素子１１０は、基板１００のパターン形成された表面１０２上に形成されている。
【００５２】
図５及び図６は、本発明の他の実施形態に係るレーザパターン形成された基板を示す断面図である。基板１００の中へ延びる湾曲表面２００及び基板１００から突出する湾曲表面２１０が、レーザパターン形成によって設けられている。湾曲表面２００，２１０は放物曲線を含んでいる。このような曲線は、例えば、放物構造を設けるために、一連のマスクを使用して基板材料を選択的に除去するレーザ光を制御することによって設けられている。湾曲表面は基板の中にレンズを設けることができる。また、湾曲表面は正弦波パターンの溝を設けることができる。
【００５３】
図５及び図６には、複数の湾曲表面が例示されているが、基板１００は、単一の湾曲部を形成して湾曲基板を設けることもできる。湾曲基板は、基板の面の一方又は両方に設けることが可能である。また、発光素子を基板の婉曲表面の上に設けることも可能である。
【００５４】
図７及び図８は、本発明のさらに他の実施形態に係るレーザパターン形成された基板を示す断面図である。湾曲構造２２０と非湾曲構造２３０，２４０との組合せが単一の基板１００の中に設けられている。したがって、単一の基板の中に複数の異なる３次元幾何学的パターンを含んでいる。
【００５５】
図９乃至図１１は、本発明の実施形態に係るレーザパターン形成方法を説明するための断面図である。図９に示されているように、重合体マスク層３００が基板１００の上に設けられている。図１０では、重合体マスク層３００は、基板１００の中に設けるべき構造に対応する３次元構造３２０を有する重合体マスク３１０を設けるためにレーザパターン形成される。図１１では、マスク３１０がエッチングマスクとして使用され、基板１００は３次元構造３３０を設けるためにエッチングされる。このエッチングは、例えば、ドライエッチングでよい。従来の重合体マスク及び重合体マスクを使用するエッチング技法が利用可能である。さらには、レーザパターン形成可能な他のマスク材料も使用可能である。
【００５６】
重合体層をレーザパターン形成する方法は当業者によく知られている。このような方法が説明されている（例えば、非特許文献６参照）。エッチングマスクが重合体エッチングマスクである本発明の実施形態では、この重合体は２４８ｎｍレーザを使ってパターン形成可能である。エッチング処理の特徴は、基板１００の中に所望の３次元幾何学パターンを設けるためにマスク３１０の特徴を設計する際に考慮される。例えば、マスクがパターン形成されるときに、マスク材料と炭化珪素基板との間のエッチング率の差が考慮される。エッチングマスクのパターン形成はレーザパターン形成によって行われるので、エッチングマスクの形状は、レーザマスクを制御することによって容易に調整可能である。したがって、例えば、エッチングマスクの形状は炭化珪素に対するエッチングマスクの６から１のエッチング率を考慮し、それに従って構造が調整され得る。このようなマスク特徴の調整は、エッチングマスクのレーザパターン形成を利用することなく行うことは困難である。さらには、レーザパターン形成を利用することによって、複数の幾何学的形状、例えば、ピラミッド及びレンズは、レーザマスクの中へそれらを設計することによって、走査描画技法を使って１回のステップでこれらの形状を形成することができる。
【００５７】
さらには、エッチング後の基板の表面が粗面又は円滑面であってもよい。粗面化された表面は、例えば、アルミニウムのような物質の薄層をエッチングマスクと基板との間に配置して超微細マスクを作り出すことによって設けられる。この超微細マスクは、エッチングされるとき、基板の表面を粗面化するように作用する。
【００５８】
図１２Ａ乃至図１２Ｃは、本発明の他の実施形態に従って処理された炭化珪素基板の一部の走査顕微鏡画像を示す図である。図１２Ａは、炭化珪素基板のほぼ５０μｍ部分を映す図である。図１２Ｂは、炭化珪素基板のほぼ５μｍ部分を映す図である。図１２Ｃは、炭化珪素基板のほぼ１μｍ部分を映す図である。
【００５９】
図１２Ａ乃至図１２Ｃに示した炭化珪素基板は、無作為化パターンを与えるために基板の表面をブランケットレーザアニールによって処理された図である。ブランケットレーザアニールは、基板をレーザ光に実質的に均一に露光する。基板は、ブランケットアニールのために、この基板の一部分のみが所与の回数露光されるようにステップアンドリピート方式で被覆される。レーザのエネルギーは、炭化珪素の融蝕閾値を下回るべきである。図１２Ａ乃至図１２Ｃに示したブランケットレーザパターン形成の特定の実施例では、試料が、水補助を使用して約２ジュール／ｃｍ２で、２４８ｎｍレーザによって１ｍｍずつのステップで照射された。しかし、他の波長及び／又はエネルギーも使用可能である。
【００６０】
図１２Ａ乃至図１２Ｃで理解されるように、ブラケット露光は、炭化珪素基板の中に無作為化構造を与えることができる。基板のブラケット露光によって得られる構造は、典型的には予め構成されることはないが、得られる構造の実質的に無作為な配置を与えることができる。さらには、基板の塊状化した表面を設け得る。上述したように、このような構造は、基板からの光抽出を向上させ得る。例えば、図１２Ａ乃至図１２Ｃのデバイスに関する光出力は、ブランケットアニールを伴わない対照に対して約１３％から１５％増加した。
【００６１】
発光デバイス基板のレーザパターン形成に関して、本発明の実施形態を以上に説明してきた。しかし、本発明の実施形態は、コンタクト層又は同様物など、発光デバイスのエピタキシャル層又は他の層をパターン形成する際にも適切である。
【００６２】
図１３は、本発明の他の実施形態に係る半導体発光デバイスを示す断面図で、レーザパターン形成されたエピタキシャル層を有する半導体発光デバイスを示している。この半導体発光デバイスは、１つ又は複数の活性／緩衝層５００と、半導体材料層５１０と、コンタクト５２０を備えた発光素子１１０を有している。半導体材料層５１０は、基板１００に関して以上に説明したようにパターン形成され、さらに図１乃至図１１を参照して以上に説明したように、物質の直接的な除去ならびに／又はマスクの形成及びエッチングによってパターン形成される。半導体材料層５１０は、例えば、ｐ−型ＧａＮコンタクト層のようなコンタクト層でよい。コンタクト５２０が、半導体材料層５１０上に設けられ、さらに半導体材料層５１０のパターンがコンタクト５２０の表面に転写されるように、この半導体材料層５１０と共形（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ）である。コンタクト５２０も、例えば、図１乃至図１１の基板に関して上述したレーザを使用してパターン形成される。
【００６３】
図１３は、半導体材料層５１０の中に既定のパターンを例示するが、光抽出構造は、レーザによるブランケットアニールを利用することによっても、図１２Ａ乃至図１２Ｃを参照して上述したように作り出される。さらには、図１３は、基板と半導体層の両方の構造を例示するが、本発明の実施形態は、基板の中に構造を作り出すことなく、半導体層の中に構造を作り出すことを含んでいる。さらには、発光デバイスの他の層も、同様に又は他の方法によって、レーザを利用して作り出された構造を有している。したがって、例えば、１つ又は複数の活性／緩衝層５００は、レーザによって作り出された構造を同様に又は他の方法によって有することが可能である。
【００６４】
引き続いてエッチング用に使用されるマスクをパターン形成するように、マスク層の材料を除去するレーザに関連して、本発明の実施形態を説明してきた。他の方法として又は追加的に、次にマスク中のパターンを半導体材料層上に浮き出し／複製するために使用されるマスターから材料を除去するためにレーザが使用可能である。このマスターの中に形成されたパターンは、例えば、マスク用パターンの陰画である。上述したように、このマスク材料は、重合体材料でよく、マスターによってパターンがマスク材料中に刻印されると、加熱硬化又は他の方法で固めることが可能である。マスターは、浮き出しテンプレートの役目を果たすために十分に丈夫であり、悪影響をもたらすようにマスク材料と反応することがなく、さらにレーザパターン形成が可能な任意の材料であり得る。
【００６５】
以下の実施例は、例示目的のために提示されており、したがって、本発明の技術的範囲を限定しようとするものではない。
【実施例】
【００６６】
３０８ｎｍで動作し、かつ２ｍｍ×２ｍｍ域を投影するマスク投影光学素子を使用するエキシマレーザがウェーハ上で使用された。ステップアンドリピート手順を用いて、幾何学的パターンが、約４．２ジュール／パルスで５パルスを使用して炭化珪素ＬＥＤウェーハの裏面の中へ約１μｍの深さでレーザ描画された。接地制御領域がウェーハのレーザ描画領域間に残された。レーザ処理に引き続いて、レーザ処理によって生成された光吸収物質をいずれも除去するために、ウェーハはＲＩＥツールの中でアグレッシブにエッチングされた。ＲＩＥ処理は異方性なので、レーザによって誘発された形態学的変化は維持された。最初のテストパターンは、１０μｍの正方形、１５μｍの円形、２０μｍの十字形、及び２０μｍの星形であった。正方形パターン領域からのダイが、制御領域からのダイに対して最大の光出力の増加を示した。２回透過交互配置（ｄｏｕｂｌｅ  ｐａｓｓ  ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ）の正方形パターンによって、制御領域からのダイに対して約２０％の増加が見られた。
【００６７】
図１４Ａ及び図１５Ａは、図９乃至図１１を参照して上述した、パターン形成及びエッチング処理で使用された重合体マスクの画像を示す図である。図１４Ａは、複数の非対称的なピラミッドを示す、図１５Ａは、複数の超小型レンズを示している。図１５Ａでは、マスクはレンズの一部として平坦表面を設けたが、除去深さが小さくなると、平坦表面は排除及び／又は減少される。図１４Ｂ及び図１５Ｂは、図１４Ａ及び図１５Ａの対応するマスクを使用してエッチングした後の炭化珪素基板の画像を示す図である。図１４Ｂ及び図１５Ｂで理解されるように、エッチングマスクの幾何学的形状は炭化珪素基板に転写されている。
【００６８】
本発明の様々な実施形態が図１乃至図１５Ｂに関連して個々に説明されてきたことが当業者には理解されよう。しかし、図１乃至図１５Ｂの実施形態の組合せ及び部分的な組合せが、本発明の様々な実施形態に従って提供される。さらには、本発明の実施形態は、特定の３次元パターンに関連して説明されたが、他の３次元パターンも使用可能であり、依然として本発明の教示から利益を受けるものである。
【００６９】
図面及び明細書では、本発明の実施形態が開示されており、特定の用語が用いられているが、それらは一般的かつ説明的な意味でのみ使用されており、したがって、限定目的のためではなく、本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の範囲の中に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザパターン形成システムを示すブロック図である。
【図２】本発明の様々な実施形態に係るレーザパターン形成された基板を有する半導体発光デバイスを示す断面図である。
【図３】本発明の様々な実施形態に係るレーザパターン形成された基板を有する半導体発光デバイスを示す等角図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係るレーザパターン形成された基板を有する発光デバイスを示す断面図である。
【図５】本発明の他の方法による実施形態に係るレーザパターン形成された基板を示す断面図（その１）である。
【図６】本発明の他の方法による実施形態に係るレーザパターン形成された基板を示す断面図（その２）である。
【図７】本発明のさらに他の実施形態に係るレーザパターン形成された基板を示す断面図（その１）である。
【図８】本発明のさらに他の実施形態に係るレーザパターン形成された基板を示す断面図（その２）である。
【図９】本発明の実施形態に係るレーザパターン形成方法を説明するための断面図（その１）である。
【図１０】本発明の実施形態に係るレーザパターン形成方法を説明するための断面図（その２）である。
【図１１】本発明の実施形態に係るレーザパターン形成方法を説明するための断面図（その３）である。
【図１２Ａ】本発明の他の実施形態に従って処理された炭化珪素基板の一部を示すＳＥＭ画像（その１）を示す図である。
【図１２Ｂ】本発明の他の実施形態に従って処理された炭化珪素基板の一部を示すＳＥＭ画像（その２）を示す図である。
【図１２Ｃ】本発明の他の実施形態に従って処理された炭化珪素基板の一部を示すＳＥＭ画像（その３）を示す図である。
【図１３】本発明の他の実施形態に係る半導体発光デバイスを示す断面図である。
【図１４Ａ】本発明の幾つかの実施形態に係る重合体マスクの画像を示す図である。
【図１４Ｂ】図１４Ａの重合体マスクを使用してエッチングされた基板の画像を示す図である。
【図１５Ａ】本発明の幾つかの実施形態に係る重合体マスクの画像を示す図である。
【図１５Ｂ】図１５Ａの重合体マスクを使用してエッチングされた基板の画像を示す図である。
【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１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
2007537581.tif 000020
【図１５Ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年9月13日(2006.9.13)
【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】
基板と、該基板上に設けられた半導体発光素子を有する発光デバイスのために光抽出構造を形成するようにした発光デバイスの製造方法であって、
前記発光デバイスの半導体層の表面中に複数の３次元幾何学パターンを形成するためにレーザを利用して前記表面を形成するステップを含み、前記半導体層中に前記３次元幾何学パターンを形成するためにレーザを利用して前記半導体層の表面を形成するステップは、
マスク材料を除去するためにレーザを使用してマスク層を前記半導体層上にパターン形成するステップと、
前記３次元幾何学パターンを形成するために前記パターン形成されたマスク層を使用して前記半導体層をエッチングするステップと
を含むことを特徴とする発光デバイスの製造方法。
【請求項２】
前記半導体層は、前記発光素子の層を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項３】
前記半導体層は、前記発光素子のコンタクト層を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項４】
前記半導体層は、前記発光デバイスの前記基板を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項５】
前記基板は、炭化珪素基板を含むことを特徴とする請求項４に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項６】
前記基板は、サファイヤ基板を含むことを特徴とする請求項４に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項７】
前記複数の３次元幾何学パターンが前記半導体層の前記表面中に設けられ、前記３次元幾何学パターンは、前記半導体層中に達し、かつ前記半導体層の同じ水準に連続的な周辺部を有することを特徴とする請求項１に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項８】
前記基板の前記表面は、前記発光素子に対向する前記基板の側にあることを特徴とする請求項４に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項９】
前記基板の前記表面は、前記発光素子と前記基板の同じ側にあることを特徴とする請求項４に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項１０】
前記半導体層の表面を形作るステップは、前記基板を個々の発光デバイスに単体化する前に行われることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項１１】
前記３次元幾何学パターンは、放物構造を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項１２】
前記複数の３次元幾何学パターンは、複数の異なる幾何学パターンを含むことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項１３】
前記３次元幾何学パターンは、湾曲基板を設けることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項１４】
前記３次元幾何学パターンは、前記半導体層中に形成されたレンズを含むことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項１５】
前記３次元幾何学パターンは、前記半導体層中に複数の正弦波状の溝を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項１６】
前記３次元幾何学パターンは、前記半導体層中に形成された無作為化構造を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項１７】
前記マスクは、重合体マスクであることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項１８】
前記レーザを使用してマスク層を前記半導体層上にパターン形成するステップは、
レーザによってマスターテンプレートをパターン形成するステップと、
前記マスターテンプレートを使用して前記マスク層を浮き出しするステップと
を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項１９】
マスク層から物質を除去するためにレーザを使用して前記マスク層を前記炭化珪素基板上に超微細加工するステップと、
３次元幾何学パターンを形成するために前記パターン形成されたマスク層を使用して前記炭化珪素基板をエッチングするステップと
を含むことを特徴とする炭化珪素基板の表面形成方法。
【請求項２０】
前記マスクは、重合体マスクであることを特徴とする請求項１９に記載の炭化珪素基板の表面形成方法。
【請求項２１】
前記基板上に発光素子を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１９に記載の炭化珪素基板の表面形成方法。
【請求項２２】
前記マスク層の前記パターンの形状が、前記炭化珪素基板のエッチング率と前記マスク層のエッチング率との間の差に基づくことを特徴とする請求項１９に記載の炭化珪素基板の表面形成方法。
【請求項２３】
前記マスク層と前記炭化珪素基板との間に超微細マスクを形成するステップをさらに含み、前記超微細マスクは、エッチング中に前記基板の表面を粗面化するように構成されることを特徴とする請求項１９に記載の炭化珪素基板の表面形成方法。
【請求項２４】
前記超微細マスクは、前記マスク層と前記基板との間にアルミニウム層を含むことを特徴とする請求項２３に記載の炭化珪素基板の表面形成方法。
【請求項２５】
前記３次元幾何学パターンは、複数の異なる幾何学パターンを含むことを特徴とする請求項１９に記載の炭化珪素基板の表面形成方法。
【請求項２６】
前記複数の異なる幾何学パターンは、１回のエッチング及び前記マスク層の１回のパターン形成で設けられることを特徴とする請求項２５に記載の炭化珪素基板の表面形成方法。
【請求項２７】
前記レーザを使用してマスク層を前記半導体層の上にパターン形成するステップは、
レーザによってマスターテンプレートをパターン形成するステップと、
前記マスターテンプレートを使用して前記マスク層を浮き出しするステップと
を含むことを特徴とする請求項１９に記載の炭化珪素基板の表面形成方法。
【国際調査報告】
2007537581.tif 000022
2007537581.tif 000023
2007537581.tif 000024
2007537581.tif 000025