(57)【要約】  発光素子及びそれを作製する方法が開示される。本素子は、第１の層と第２の層との間に配置される活性層を有する。第１の層は上面及び底面を有する。上面は、第１の導電型の第１の材料を含み、実質的に平面状の表面に複数のピットを有する。活性層は、第１の層の上面の上に重なり、上面に一致し、内部で正孔及び電子が再結合するときに波長によって特徴付けられる光を生成する。第２の層は、第２の導電型の第２の材料を含み、第２の層は活性層の上に重なり、活性層に一致する。この素子は、第１の層にピットを形成するために用いられる転位を生じさせるように、第１の材料の格子定数とは十分に異なる格子定数を有する基板上に構成することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面及び底面を有する第１の層であって、該上面は第１の導電型の第１の材料を含み、実質的に平面状の表面に複数のピットを有する第１の層と、
前記第１の層の前記上面の上に重なり、前記上面に一致する活性層であって、正孔及び電子が内部で再結合するときに波長によって特徴付けられる光を生成する活性層と、
第２の導電型の第２の材料を含む第２の層であって、上面及び底面を備え、該底面は、前記活性層の上に重なり、前記活性層に一致し、該上面は、前記ピット内に延在する窪みを有する第２の層と、
を備える素子。
【請求項２】
前記ピットは、前記活性層によって生成される光の前記波長よりも大きい寸法を有する、請求項１に記載の素子。
【請求項３】
上面及び底面を有する導電性材料の層であって、該導電性材料の層の該上面は、前記第２の層の前記上面の上に重なり、かつ前記第２の層の前記上面に一致する、導電性材料の層を更に備える、請求項１に記載の素子。
【請求項４】
前記導電性材料の層は、前記活性層に生成される前記光を透過する、請求項３に記載の素子。
【請求項５】
前記導電性材料の前記層の前記上面は前記ピット内に延在する、請求項４に記載の素子。
【請求項６】
前記第１の層が構成される基板であって、前記第１の層に転位を生じさせるように前記第１の材料の格子定数とは十分に異なる格子定数を有し、前記第１の層の前記底面は前記基板の上に重なる基板を更に備える請求項１に記載の素子。
【請求項７】
前記基板は、サファイア、ＳｉＣ、シリコン、ＡｌＮからなる群から選択され、前記第１の材料は、ＧａＮ系の材料からの材料を含む、請求項６に記載の素子。
【請求項８】
前記転位は、１０７個／ｃｍ２よりも大きい転位密度で存在する、請求項６に記載の素子。
【請求項９】
前記導電性材料の前記上層は、前記ピットの間が実質的に平面である、請求項２に記載の素子。
【請求項１０】
発光素子を製造する方法であって、
上面及び底面を有する基板を設けるステップと、
前記基板の上に第１の導電型の第１の層を堆積させるステップと、
前記第１の層の露出面にピットを生成するステップと、
前記第１の層の上に、内部で正孔及び電子が再結合するときに光を生成する活性層を堆積させるステップと、
前記活性層の上に、前記活性層に隣接する底面と該底面の上に重なる上面とを有し、該上面は前記ピット内に延在する第２の導電型の第２の層を堆積させるステップと、
を含む、発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記ピットは、前記活性層によって生成される光の前記波長よりも大きい寸法を有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記第２の層の上に重なる導電性材料の層を堆積させるステップを更に含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記導電性材料の層は、前記活性層に生成される前記光を透過し、前記導電性材料の層は、前記第２の層と接触する底面と前記ピット内に延在する上面とを有する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の層は、該第１の層において転位を生じさせるように、前記第１の材料の格子定数とは十分に異なる格子定数を有する基板の上に堆積し、前記ピットは、前記転位によって決まる位置において、前記第１の層を優先的にエッチングするエッチング液を利用して前記第１の層をエッチングすることによって生成される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記基板は、サファイア、ＳｉＣ、シリコン、ＡｌＮからなる群から選択され、前記第１の材料は、ＧａＮ系の材料からの材料を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記転位は、１０７個／ｃｍ２よりも大きい転位密度で存在する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記ピットは、前記第１の層をフォトリソグラフィによってエッチングすることにより生成される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１の層は第１の結晶ファセット上に堆積し、転位は第２の結晶ファセットを露出させ、前記第１の材料は、前記第１の結晶ファセットにおける成長が前記第２の結晶ファセットにおける成長よりも高速である条件の下で堆積する、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、電気エネルギーを光に変換する重要な部類の固体素子である。これらの素子は、改良により、従来の白熱光源及び蛍光光源に取って代わるように設計された照明器具で使用されるようになった。ＬＥＤは、寿命が著しく長く、場合によっては、電気エネルギーを光に変換する効率が著しく高い。
【０００３】
ＬＥＤのコスト及び変換効率は、この新たな技術が従来の光源に取って代わり高出力の用途で利用されるようになるペースを決める重要な要素である。個々のＬＥＤが数ワットに限られるため、多くの高出力の用途では、必要な出力レベルに達成するために複数のＬＥＤが必要である。さらに、ＬＥＤは、比較的狭いスペクトル帯域の光を発生する。したがって、特定の色の光源を必要とする用途では、異なる光帯域のスペクトル発光を有する複数のＬＥＤからの光が結合される。このため、ＬＥＤに基づく多くの光源のコストは、個々のＬＥＤのコストの何倍にもなる。
【０００４】
個々のＬＥＤの変換効率は、高出力ＬＥＤ光源のコストに対処する際の重要な要素である。ＬＥＤの変換効率は、ＬＥＤによって放出される単位光あたりに放散される電力であると定義される。ＬＥＤにおいて光に変換されない電力は、熱に変換され、この熱がＬＥＤの温度を上昇させる。熱放散は、ＬＥＤが動作する電力レベルを制限する。さらに、ＬＥＤは、熱放散を提供する構造体に取り付けなければならず、それにより、光源のコストが更に増大する。このため、ＬＥＤの変換効率を増大させることができる場合、単一ＬＥＤによって提供することができる光の最大量もまた増大させることができ、したがって、所与の光源に必要なＬＥＤの数を低減することができる。さらに、ＬＥＤの動作のコストもまた、変換効率に反比例する。したがって、ＬＥＤの変換効率を向上させることに多大な努力が向けられてきた。
【０００５】
この説明において、ＬＥＤは、３つの層、すなわち活性層とそれを介装する他の２つの層とを有するものとして見ることができる。これらの層は、通常、サファイア等の基板の上に堆積される。これらの層の各々は、通常、複数の副層（sub-layers）を有していることに留意すべきである。ＬＥＤの全体的な変換効率は、活性層において電気が光に変換される効率と、活性層において生成された光がＬＥＤから脱出する効率とによって決まる。
【０００６】
材料の改良により、活性層で生成される光の効率が改善された。しかしながら、ＬＥＤから光が脱出することができるようになる前に、活性層で生成される光のかなりの部分が損失する。この光の大部分は、ＬＥＤを構成するために用いられるさまざまな層における吸収によって損失する。この光損失モードは、ＬＥＤ構造内に光の多くが閉じ込められることによって悪化する。
【０００７】
３層ＬＥＤ構造は、通常、底部及び上部が、ＬＥＤのそれらの層よりも屈折率が大幅に低い材料によって境界が画定されている。その結果、これらの境界にぶつかる光のかなりの部分が、反射されて層状構造に戻る。境界のうちの一方は、ＬＥＤにおいて生成される光が脱出する透明な表面を有している。他方の境界は、通常、その境界にぶつかる光を透明な境界に向かうように向け直す反射体によって覆われている。上述したように、透明な境界は、通常、ＬＥＤ構造体よりも屈折率がはるかに低い材料によって覆われている。境界における法線に対する臨界角よりもはるかに大きい角度でこの境界にぶつかる光は、反射されてＬＥＤ構造体に戻る。臨界角は、ＬＥＤ層の屈折率と、通常空気又はプラスチック等の材料である周囲の媒体の屈折率との差によって決まる。ＧａＮ又は同様の材料から構成されるＬＥＤの場合、差は、光のかなりの部分が反射される結果となるのに十分である。この反射光は、ＬＥＤの平坦な境界の間に閉じ込められ、そこで、光が吸収によって損失するまで連続的に反射される。サファイア基板上の従来のＧａＮベースのＬＥＤの場合、活性層によって放出される光のおよそ７０％がＬＥＤ内に閉じ込められたままである。
【０００８】
ＬＥＤからの光抽出を改善し、したがってこれらの素子の光変換効率を向上させるいくつかの技術が述べられてきた。１つの部類の技術では、光が内部反射を受けるＬＥＤの外面のうちの１つが、平滑な平面状表面から粗い面に変えられる。閉じ込められた光がＬＥＤを通過する際にこの粗面化された表面に遭遇する度に、その閉じ込められた光の一部は、表面からの次の反射時に光が出口表面の臨界角よりも小さい角度で表面にぶつかるように、向け直される。このため、閉じ込められた光の一部はこの時に脱出し、プロセスは、ＬＥＤを通る往復の度により多くの光を抽出し続けることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
光抽出を改善するように粗面化することに基づく従来技術によるＬＥＤは、通常、ＬＥＤの上面に、又はＬＥＤ層が堆積する基板に隣接して、粗い表面を採用する。これらの方法は、活性層で生成された光が活性層自体から脱出すると、その光のうちのＬＥＤから脱出する部分を改善するものである。しかしながら、活性層内で生成される光のかなりの部分が、活性層と該活性層の両側のクラッド層との間の境界における内部反射により、活性層内に閉じ込められる。これらの反射は、活性層を構成する材料とクラッド層を構成する材料との屈折率の差によってもたらされる。ＧａＮベースのＬＥＤの場合、活性層は、クラッド層よりも屈折率が著しく高い材料から構成される。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、発光素子及び発光素子を作製する方法を含む。発光素子は、第１の層と第２の層との間に配置された活性層を含む。第１の層は上面及び底面を有する。上面は、第１の導電型の第１の材料を含み、実質的に平面状の表面に複数のピットを含む。活性層は、第１の層の上面の上に重なり、上面に一致し、正孔及び電子が内部で再結合するときに波長によって特徴付けられる光を生成する。第２の層は、第２の導電型の第２の材料を含み、活性層の上に重なり、活性層に一致する。本発明の一態様では、ピットは、活性層によって生成される光の波長よりも大きい寸法を有する。本発明の別の態様では、素子は、第１の層が構成される基板を有し、基板は、第１の層に転位が生じるように第１の材料の格子定数とは十分に異なる格子定数を有する。本発明の更に別の態様では、ピットの少なくとも一部は、こうした転位の上に位置する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】従来技術によるＧａＮベースのＬＥＤの概略断面図である。
【図２】ＬＥＤの光抽出効率を向上させるために粗い面を利用する従来技術によるＬＥＤの概略断面図である。
【図３】本発明の一実施形態によるＬＥＤの一部の断面図である。
【図４Ａ】ｎクラッド層を通るＧａＮ層の一部の断面図である。
【図４Ｂ】ｎクラッド層を通るＧａＮ層の一部の断面図である。
【図５】本発明によるＬＥＤの別の実施形態の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明がその利点を提供する方法は、従来技術によるＧａＮベースのＬＥＤの概略断面図である図１を参照してより容易に理解することができる。ＬＥＤ２０は、サファイア基板２４上に３つの層を成長させることによって構成される。第１の層２１はｎ型ＧａＮ材料である。第２の層はｐ型ＧａＮ層２３である。第３の層２２は、内部で層２１及び２３からの正孔及び電子が結合するときに光を放出する活性層である。上述したように、これらの層の各々は、複数の副層を有することができる。これらの副層の機能は、本技術分野において既知であり本開示には主要ではないため、これらの副層の詳細は図面及び以下の説明から省略している。
【００１３】
上述したように、層２２で生成される光は、層２２から可能なすべての角度で離れる。光の一部は、層２３の上面２５に向かう方向に放出され、２６に示すように、臨界角よりも小さい角度で表面２５にぶつかり、表面２５を通って脱出する。同様に、光の一部は、基板２４に向けられ、反射されて表面２５に戻る前に、表面２９ａ又は表面２９ｂのいずれかから反射される。この光も、臨界角よりも小さい角度で表面２５にぶつかる場合、２８に示すように表面２５を通って脱出する。残りの光は、２７ａ及び２７ｂに示すように臨界角よりも大きい角度で表面２５にぶつかり、層内に閉じ込められる。閉じ込められた光は、ＬＥＤを通過中に吸収されるか、又はＬＥＤの側面から出る。実際には、閉じ込められた光の大部分は吸収され、そのため損失する。その結果、電気を光に変換するＬＥＤ２０の効率は不十分である。
【００１４】
上述したように、ＬＥＤの抽出効率を向上させるために利用されてきた１つの方法は、光がＬＥＤ層内に閉じ込められないように散乱中心を導入することを含む。例えば、表面にぶつかり反射してＬＥＤ内に戻る光のランダムな再配向を提供する散乱中心を、表面２５に設けることができる。次に、ＬＥＤの光抽出効率を向上させるために粗い面を利用する従来技術によるＬＥＤの概略断面図である図２を参照する。ＬＥＤ３０は、上述したＬＥＤ２０と同様に基板２４上に層２１〜２３を堆積させることによって構成される。層２３の上面３１は、表面上に散乱中心を導入するように変更されている。例示的な散乱中心を３２及び３３に示すが、表面３１はこうした散乱中心でカバーされることが理解されるべきである。層２２を出る光が表面３１にぶつかるとき、光の一部は、臨界角よりも大きい角度で表面にぶつかり、脱出する。残りの光は、散乱して複数の異なる角度で層２３内に戻り、境界２９ａ又は２９ｂから反射されて表面３１に向かって戻る。こうした光線の１つを３４で示す。光線３４が散乱中心３３で表面３１にぶつかると、光は再び散乱してその一部は表面３１から出て、一部は散乱して境界２９ａに向かって戻る。このため、各反射において、表面３１にぶつかる光の一部が抽出される。したがって、光抽出効率の著しい向上を得ることができる。
【００１５】
こうした従来技術による素子では、散乱中心は、活性層のいずれかの側の領域に配置されている。例えば、散乱特徴部が界面２９ａに又は電流拡散層２１内に導入される素子が提案されている。
【００１６】
本発明は、ＧａＮベースのＬＥＤでは、ＬＥＤの活性領域が、活性層を介装するｎクラッド層及びｐクラッド層よりも屈折率の高い材料から構成される、という知見に基づいている。その結果、光は、活性層とクラッド層との境界における内部反射により活性層内に閉じ込められる。閉じ込められかつ最終的に吸収される光の量は、光のかなりの部分である。活性領域の外側のＬＥＤの部分のテクスチャー処理により、こうした閉じ込められた光はテクスチャー処理された表面と決して相互作用しないので、その光の抽出を改善することはできない。
【００１７】
次に、本発明の一実施形態によるＬＥＤの一部の断面図である図３を参照する。ＬＥＤ４０は、基板４１上に複数のｎ型層４２を堆積させることによって構成される。ｎ型層は、ｎクラッド層４３で終端する。クラッド層４３は、ピット４７等の複数のピットを含む。これらのピットが生成される方法については、後により詳細に説明する。ピットが形成された後、活性層４４及びｐクラッド層４５が堆積する。これらの層は、ピットの輪郭に従い、そのため、活性層４４及びｐクラッド層４５の両方は、活性層又はクラッド層のいずれかに閉じ込められた光を抽出する特徴部を有している。
【００１８】
そして、ｐクラッド層４５の上に電極４６が堆積することにより、ＬＥＤに電力を供給するために用いられる電極のうちの１つが提供される。光がｐクラッド層を通して抽出される場合、電極４６は、酸化インジウムスズ等の透明材料から構成される。光が基板４１を通して抽出される場合、電極４６は、該電極４６にぶつかる光を基板４１に向かって向け直す反射層を含む。
【００１９】
ＬＥＤ４０を、ピットに形成された傾斜部分によって遮られる平面部分を含む層状構造を有するものと見ることができる。本発明の一態様では、活性層の上方の層はピット内に延在している。平面部分に閉じ込められる光は、臨界角よりも大きい角度で平面部分のうちの１つにぶつかるため、臨界角よりも小さい角度でピットの領域にぶつかり、そのため、層４６が透明である場合、層４６を通って脱出する。層４６が反射体である場合、光は、臨界角よりも小さい角度で基板４１に向かって向け直され、そのため、基板を通って脱出する。活性層の平面領域に閉じ込められた光も同様に向け直され、したがって本発明はまた、活性層からの光の抽出を改善することに留意すべきである。
【００２０】
平面部分を、光を抽出するために「粗面化する」必要はないことに留意すべきである。これにより、ＬＥＤから出力される光がさらに増大し、ＬＥＤを作製するコストが更に低減する。光抽出を改善するためにｐコンタクト層の粗面化を用いる場合、散乱特徴部は、活性層を通して粗面化された表面にわたって堆積する上部電極からの電流の、一様な拡散を妨げる。このため、粗面化された表面によって提供される利益の一部は、光生成が低減するために損失する。上部電極がミラーであり、光が基板４１を通して抽出される場合、粗面化されたｐコンタクト層により、通常、ｐコンタクト層の上に堆積する金属の層であるミラーにおける反射率が不十分になる。さらに、ｐコンタクト層又はｐクラッド層を粗面化する必要のあるステップがなくなり、製造コストが更に低減する。
【００２１】
本発明の上述した実施形態は、ピットが形成されるとともに活性層及びｐクラッド層を提供するようにコーティングされた基板として機能する、ｎクラッド層を必要とする。本発明の一態様では、ピットが形成された基板は、ＧａＮ層と、ＧａＮ層が堆積するサファイア基板との間の格子定数の差からもたらされる、ｎ−ＧａＮ層の転位を利用することによって作製される。
【００２２】
次に、上述したｎクラッド層を通してのＧａＮ層の一部の断面図である図４Ａを参照する。ＧａＮ層は、格子定数がＧａＮ層とは異なるサファイア基板４１上に堆積する。格子定数の差は、層が堆積する際にさまざまな層を通して伝搬する転位を生じさせる。例示的な転位を５１に示す。こうした転位の密度は、通常、サファイア基板の上に堆積するＧａＮ  ＬＥＤにおいて１０７個／ｃｍ２〜１０１０個／ｃｍ２である。本発明は、これらの転位を利用して、ｎクラッド層４３の表面内にピット５２等のピットを選択的に形成する。
【００２３】
次に、ｎクラッド層の成長中のｎクラッド層６２におけるピット６１の拡大断面図である図４Ｂを参照する。成長段階中、矢印６４によって示すように層６２の結晶ファセットに材料が追加される。ピット６１により、ファセット６３に加えて更なるファセットが露出される。種々のファセットにおける成長の速度は、成長条件によって調整することができる。種々のファセットにおける成長の速度は、ピットに露出されるファセット６５の成長の速度がファセット６３の成長よりも大きくなるか又は小さくなるような成長の条件によって調整することができる。ファセット６５の成長の速度をファセット６３の成長の速度よりも小さくなるように調整することにより、別個のエッチングステップを必要とすることなく、かつ成長チャンバから基板を取り除くことなく、ピットのサイズを増大させることができる。
【００２４】
一実施形態では、ＬＥＤ層の平面状表面は、ＧａＮ結晶のｃ面に対応する。ＬＥＤの主な層（すなわち、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ活性領域、ｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロック層及びｐＧａＮコンタクト層）に対する成長条件を、材料が堆積する際に表面を平滑化するこれらの材料の自然な傾向が抑制されるように、表面移動度を抑制するように調整することができる。例えば、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ活性領域では、ＧａＮバリア層を、Ｖ／ＩＩＩ比、成長速度、及びファセットにおける成長速度を最小にする成長温度の組合せを用いて成長させることができる。これにより、ｃ面成長速度がファセット成長速度よりもはるかに高いため、ピットは、層が成長するにつれて直径を増大させ続ける。これらの３つのパラメータの各々は、成長表面における原子の表面移動度に対して強い影響を与え、したがって、それらのパラメータを、層が成長するにつれてピットサイズを増大させるように操作することができる。同様に、ｐＡｌＧａＮ層及びｐＧａＮ層に材料を充填するのとは対照的に、これらの層が堆積するにつれて、ピットがサイズを増大させ続けるように、上記３つのパラメータを更に最適化することができる。
【００２５】
ファセット６５をファセット６３の速度よりも高い速度でエッチングするエッチング液を用いることによって、ピットを形成することも可能である。例えば、ｎクラッド層の成長が完了した後に成長チャンバ内にＨ２を導入することにより、エッチング動作を同じ成長チャンバで達成することができる。ＮＨ３及びＨ２を含む雰囲気を用いて、９５０℃以上の成長温度を利用することによって、ファセットのエッチングを促進するように成長条件を設定することができる。ＩＩＩ族材料がない場合、この周囲雰囲気は、ｃ面材料よりもはるかに高速でファセットをエッチングする。経時的に、ファセットとｃ面材料とのエッチング速度の差のために、ピットが広がる。
【００２６】
ピットを、ｃ面の面に対して結晶ファセットを優先的にエッチングする溶液を用いて化学的にエッチングすることも可能である。化学エッチングの場合、溶融ＫＯＨを用いてファセットをエッチングすることができる。また、Ｈ２ＳＯ４：Ｈ３ＰＯ４の加熱溶液を用いて、２５０℃よりも高い温度で材料をエッチングすることができる。
【００２７】
図３を参照すると、ｎクラッド層４３にピットがエッチングされ、活性層及びｐクラッド層が堆積される。そして、ｐクラッド層の上にｐ電極４６が堆積される。ＬＥＤの上面から光が抽出される実施形態では、電極４６は、ＩＴＯ等の透明電極である。ピットにより、活性層に通常閉じ込められる光を、その本来閉じ込められる光が周囲の層内に向けられるように向け直す特徴が活性層に得られることに留意すべきである。さらに、ピットはランダムに分散され、そのため、活性層に又は電極４６と下にある層のいずれかとの間に閉じ込められる光は、後にその光をピットの上の層によって「処理する」ことができ、かつその後その光の一部を回復させることができる位置に、向け直される。したがって、本発明は、従来の光回復機構を提供するとともに、本来活性層に閉じ込められる光が脱出することができるようにする。
【００２８】
ｎクラッド層のピットは、好ましくは、活性層に生成される光の波長の寸法又はそれよりも大きい寸法を有する。これにより、光が散乱するか又は他の方法でピットに向け直されることが確実になる。ピットが光の波長よりもはるかに小さい場合、光が散乱する効率は大幅に低減する。ピットはまた、好ましくは、ＩＴＯとｐクラッド層との界面において反射される光がピットの上に形成されるＩＴＯ層の表面の一部を通して脱出するように、ＩＴＯ層の上面がピット内に延在することを確実にするのに十分な深さを有している。
【００２９】
本発明の上述した実施形態は、ｎクラッド層及び下にある層における転位を利用して、ピットのエッチングを導く。しかしながら、従来のリソグラフィにより仕向けられるエッチングによってピットが形成される実施形態も構成することができる。次に、本発明によるＬＥＤの別の実施形態の断面図である図５を参照する。ＬＥＤ５０は、リソグラフィによって生成される「ピット」５７を利用する。こうした実施形態では、ｎクラッド層４３が堆積した後にその上にリソグラフィマップが生成される。マスクは、下にあるｎクラッド層を露出させる穴を有している。そして、露出された材料がエッチングされることによりピットが提供される。エッチングの後、マスクが除去され、ウェハーは成長チャンバに戻され、そこで、活性層５４、ｐクラッド層５５及び上部電極５６が堆積する。リソグラフィによって生成されたピットにより、ピットのパターン及び密度をより正確に制御することができるが、この利点は、追加のマスキングステップという犠牲を払って提供される。
【００３０】
再び図３を参照する。ＬＥＤ４０の表面を、ピットによって遮られる平面領域４８を有するものと見ることができる。臨界角よりも小さい角度でこれらの平面領域にぶつかる光は、反射されて基板４１に向かってＬＥＤ内に戻る。この光は、反射されて、ＬＥＤ内の境界層のうちの１つにおいてＬＥＤ４０の表面に向かって戻る。ピット間のピットなし領域４８は、好ましくは、ピットなし領域において平面状表面から反射される光が、他の平面状表面のうちの１つからの後続する反射時に、その同じピットなし領域に戻らないことを確実にするほど、十分小さい。すなわち、この反射光は、複数回の反射に対してピットのうちの１つに遭遇することなくピットなし領域内に閉じ込められないはずである。この条件を満足させるために必要なピットの最小密度は、ＬＥＤの厚さによって決まる。ＬＥＤが厚いほど、必要なピットの密度が低くなる。
【００３１】
ＬＥＤに閉じ込められる光の量もまた、ＬＥＤのピットの密度によって決まる。ピットの密度が増大するにつれて、光抽出の効率も向上するが、ピットの密度を増大させることによって得られる改善は、ピットの密度が何らかの所定レベルに達すると低下する。ピットの密度が増大するにつれて、光がＬＥＤから抽出される前に移動しなければならない吸収材料の量が低減する。吸収が、ＬＥＤから脱出する光の量に比較して小さくなると、更なる改善は有益でなくなる。さらに、ピットが形成された領域における活性層は、平面領域の下にある活性層の部分と同じ効率で光を生成しない可能性があるため、ピットは光出力を低減する可能性がある。したがって、ピットの密度は、好ましくは、ＬＥＤ構造内に吸収される光の量が何らかの所定値を下回るように設定される。実際には、１０７個／ｃｍ２〜１０１０個／ｃｍ２の範囲のピット密度が十分である。
【００３２】
ＬＥＤ層において転位を利用するＬＥＤにおけるピットの密度は、層が堆積する基板を選択することにより、かつこれらの層が堆積するｎ型層及び任意のバッファ層の堆積中に成長条件を変化させることにより制御することができる。転位の密度は、ｎ型層の格子定数との不整合がより大きい基板を選択することにより、かつ／又はｎクラッド層を堆積させる前に基板上に堆積するバッファ層の成長条件を調整することにより、増大させることができる。異なる程度の不整合を提供するように、上述したサファイア基板に加えて、ＳｉＣ基板、ＡｌＮ基板及びシリコン基板を利用することができる。
【００３３】
通常、材料の１つ又は複数の層は、ｎクラッド層内に伝搬する転位の数を低減する条件下で基板上に堆積する。さらに、バッファ層上に堆積する層の成長条件を変化させることによってもまた、転位の密度が変化する。Ｖ／ＩＩＩ比、温度及び成長速度のような成長パラメータはすべて、構造の初期の層において変化する場合に転位密度に著しい影響を与える。通常、これらのパラメータは、転位の密度を低減するように選択されるが、本発明は、これらのパラメータを利用して転位のレベルを増大させることができる。
【００３４】
最適な密度は、概して、ＬＥＤ層の厚さによっても決まる。臨界角度よりも大きい角度でＬＥＤの上面から反射されかつピットに当たり損なう光は、概して、活性層を通過し、活性層の下の層境界のうちの１つから反射される。そして、この光は、上面に戻り再び反射される。このため、経路長は、ＬＥＤ層の厚さとともにピットの密度によって決まる。
【００３５】
本発明の上述した実施形態は、別の層の上にある層を利用する。本出願において、第２の層の上にある第１の層は、第２の層に直接接触する場合もあるし、しない場合もあることが理解されるべきである。同様に、上述した実施形態は、透明材料の層を利用する。本出願において、層は、活性層で生成される波長の光を、９０％よりも大きい透過率で透過する場合、透明であると定義される。ミラー層は、活性層によって生成される波長の光を、９０％よりも大きい反射率で反射する層であると定義される。
【００３６】
上述した実施形態は、ＧａＮ系の材料を利用する。本説明において、ＧａＮ系の材料は、ＧａＮ、ＩｎＮ及びＡｌＮの全合金組成物であると定義される。しかしながら、本発明の教示に従って、他の材料系及び基板を利用する実施形態もまた構成することができる。本発明は、サファイア基板上のＧａＮベースのＬＥＤに特に適しており、その理由は、ＧａＮ系の材料が特に高い屈折率を示し、したがって、光閉じ込めに関連する問題は、特にこのタイプのＬＥＤに深刻であるためである。
【００３７】
本発明の上述した実施形態は、ｎクラッド層の「ピット」に言及している。本説明において、ピットは、表面における空隙であると定義される。ピットは、電流を下にある副層のうちの少なくとも１つに提供するために、深さが活性層の第１の副層よりも大きくなければならない。上述した実施形態では、ピットは副層のスタックを通して延在するが、中間深さのピットも依然として改善を提供する。
【００３８】
本発明を、ｎ型クラッド層が基板の上に最初に堆積する実施形態に関連して説明した。こうした実施形態は、基板上にｐクラッド層を堆積させた後、活性層及びｎクラッド層を堆積させることに関連する技術的問題により、現時点で好ましい。しかしながら、これらの技術的問題が特定の用途に対して決定的ではない場合に、本発明を用いて、ｐクラッド層が最初に堆積するＬＥＤを生成することができることが理解されるべきである。
【００３９】
上述した実施形態を、さまざまな層の「上」面及び「底」面に関連して説明している。概して、それらの層は、説明を簡略化するために底面から上面まで成長する。しかしながら、これらは単に便宜上の標識であり、地球に対していかなる特定の向きも必要とするように解釈されるべきでないことが理解されるべきである。
【００４０】
本発明の上述した実施形態を、本発明のさまざまな態様を例示するために提供した。しかしながら、種々の特定の実施形態に示す本発明の種々の態様を結合して、本発明の他の実施形態を提供することができることが理解されるべきである。さらに、本発明に対するさまざまな変更は、上記説明及び添付図面から当業者には明らかとなろう。したがって、本発明は、以下の特許請求の範囲のみによって特定されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【国際調査報告】
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