(57)【要約】  ３９０−４１５ｎｍの波長で発光する発光ダイオードデバイスは、活性領域を有したバルクガリウム及び窒素含有基板を有している。このデバイスは約１７５Ａｍｐｓ／ｃｍ２を超える電流密度を有している。また、このデバイスは、ロールオフが約５％未満の絶対効率である外部量子効率を有している。【選択図】図６
2013505588.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面領域を有するバルクガリウム及び窒素含有基板と；
前記表面領域上に形成された少なくとも１つの活性領域と；
前記活性領域を特徴付ける約１７５Ａｍｐｓ／ｃｍ２を越える電流密度と；
５０％を越える外部量子効率（ＥＱＥ）と
を含んだ発光ダイオードデバイス。
【請求項２】
前記バルクガリウム及び窒素含有基板は非極性配向における成長によって特徴付けられる請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記バルクガリウム及び窒素含有基板は少なくとも（１０−１−１）及び（１１−２２）を含む複数の半極性結晶面のうち少なくとも１つにおける成長配向によって特徴付けられる請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
３８５ｎｍ〜４２０ｎｍの発光波長によって更に特徴付けられる請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
４２０ｎｍ〜４６０ｎｍの発光波長によって更に特徴付けられる請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
４６０ｎｍ〜５２０ｎｍの発光波長によって更に特徴付けられる請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
５２０ｎｍ〜６００ｎｍの発光波長によって更に特徴付けられる請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
６００ｎｍ〜７００ｎｍの発光波長によって更に特徴付けられる請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
白色光発光を照明するように前記少なくとも１つの活性領域に動作可能に接続された少なくとも１つの蛍光体を更に含んだ請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記デバイスを特徴付ける２００Ａ／ｃｍ２を越える電流密度を更に含んだ請求項１に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記デバイスを特徴付ける２００〜４００Ａ／ｃｍ２の電流密度を更に含んだ請求項１に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記デバイスを特徴付ける４００〜１０００Ａ／ｃｍ２の電流密度を更に含んだ請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記デバイスを特徴付ける１０００〜２０００Ａ／ｃｍ２の電流密度を更に含んだ請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記デバイスを特徴付ける２０００Ａ／ｃｍ２以上の電流密度を更に含んだ請求項１に記載のデバイス。
【請求項１５】
０．０００２〜０．０１ｍｍ２の接合領域を更に含んだ請求項１に記載のデバイス。
【請求項１６】
０．０１〜０．１ｍｍ２の接合領域を更に含んだ請求項１に記載のデバイス。
【請求項１７】
０．１〜０．２５ｍｍ２の接合領域を更に含んだ請求項１に記載のデバイス。
【請求項１８】
０．２５〜１ｍｍ２の接合領域を更に含んだ請求項１に記載のデバイス。
【請求項１９】
１ｍｍ２より大きい接合領域を更に含んだ請求項１に記載のデバイス。
【請求項２０】
連続波動作下において非冷却状態で動作する請求項１に記載のデバイス。
【請求項２１】
１００Ｃを越える接合温度を更に含んだ請求項１に記載のデバイス。
【請求項２２】
１５０Ｃを越える接合温度を更に含んだ請求項１に記載のデバイス。
【請求項２３】
２００Ｃを越える接合温度を更に含んだ請求項１に記載のデバイス。
【請求項２４】
前記バルクガリウム及び窒素含有基板は約１０６ｃｍ−２を下回る表面転位密度を有し、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｆ及びＣｌのうち少なくとも１つの不純物濃度が約１０１４ｃｍ−１を越える請求項１に記載のデバイス。
【請求項２５】
前記バルクガリウム及び窒素含有基板は、約３８５ナノメートル〜約７５０ナノメートルの波長において約２ｃｍ−１以下の光吸収係数を有する請求項１に記載のデバイス。
【請求項２６】
前記バルクガリウム及び窒素含有基板は約０．０５０Ωｃｍ未満の抵抗を有している請求項１に記載のデバイス。
【請求項２７】
前記少なくとも１つの活性領域の第１の側部上に形成されたｎ型接点と、前記少なくとも１つの活性領域の第２の側部上に形成されたｐ型接点とを更に含み、これにより垂直導電型特性を形成する請求項１に記載のデバイス。
【請求項２８】
ｎ型接点領域を更に含み、前記ｎ型接点領域は、前記少なくとも１つの活性領域上に形成されたｐ型接点領域を形成するように空間的に配置されている請求項１に記載のデバイス。
【請求項２９】
前記少なくとも１つの活性領域に少なくとも合わせて構成されたフリップチップパッケージを更に含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項３０】
前記バルクガリウム及び窒素含有基板は薄型構成内に配置される請求項１に記載のデバイス。
【請求項３１】
前記少なくとも１つの活性領域においては除去された部分の成長が実質的に無い請求項１に記載のデバイス。
【請求項３２】
前記１つ以上の活性領域上に形成されたｐ型エピタキシャル領域を更に含み、前記ｐ型エピタキシャル領域は前記ｐ型エピタキシャル領域がパッケージの上側領域に対向するように前記パッケージ内に構成され、前記ガリウム及び窒素含有基板は実質的な除去部分と共に構成される請求項１に記載のデバイス。
【請求項３３】
前記１つ以上の活性領域上に形成されたｐ型エピタキシャル領域を更に含み、前記ｐ型エピタキシャル領域は前記ｐ型エピタキシャル領域がパッケージの上側領域に対向するように前記パッケージ内に構成され、前記ガリウム及び窒素含有基板は実質的な無傷部分と共に構成される請求項１に記載のデバイス。
【請求項３４】
前記電流密度が１７５ａｍｐｓ／ｃｍ２以上であるときの動作寿命が約５０００時間を越えることによって特徴付けられ、前記動作寿命は相対的光束が初期値の７０％を下回ったときに測定される請求項１に記載のデバイス。
【請求項３５】
非極性配向表面領域を有するバルクガリウム及び窒素含有基板と；
前記表面領域上に形成された少なくとも１つの活性領域と；
少なくとも前記少なくとも１つの活性領域を特徴付ける約５００Ａ／ｃｍ２を越える電流密度と；
３８５〜４１５ｎｍの波長によって特徴付けられる発光と；
白色光源を提供するように前記発光に動作可能に接続された少なくとも１つの蛍光体材料と
を含んだ発光ダイオードデバイス。
【請求項３６】
非極性配向表面領域を有するバルクガリウム及び窒素含有基板と；
前記表面領域上に形成された少なくとも１つの活性領域と；
前記少なくとも１つの活性領域を特徴付ける約５００Ａ／ｃｍ２を越える電流密度と；
３８５〜４１５ｎｍの波長によって特徴付けられる発光と；
少なくとも１つのＲＧＢ又は他の色の蛍光体材料であって、白色光源を提供するように前記発光に動作可能に接続される蛍光体材料と
を含んだ発光ダイオードデバイス。
【請求項３７】
非極性配向表面領域を有するバルクガリウム及び窒素含有基板と；
前記表面領域上に形成された少なくとも１つの活性領域と；
前記少なくとも１つの活性領域を特徴付ける約５００Ａ／ｃｍ２を越える電流密度と；
３８５〜４１５ｎｍの波長によって特徴付けられる発光と
を含んだ発光ダイオードデバイス。
【請求項３８】
白色光源を提供するように前記発光に動作可能に接続されたＲＧＢ又は他の色の蛍光体材料を更に含んだ請求項３７に記載のデバイス。
【請求項３９】
少なくとも前記バルクガリウム及び窒素含有基板及び前記少なくとも１つの活性領域を封入するパッケージを更に含み、前記パッケージはワットあたりの熱抵抗が１５度以下である点によって特徴付けられる請求項３７に記載のデバイス。
【請求項４０】
発光ダイオードデバイスを動作させる方法であって、
表面領域を有するバルクガリウム及び窒素含有基板と前記表面領域上に形成された少なくとも１つの活性領域とを含む発光デバイスを提供することと；
前記少なくとも１つの活性領域の接合領域の電流密度が約２００Ａｍｐｓ／ｃｍ２を越えるように前記光学デバイスを電流に供することと；
波長が３８５〜４１５ｎｍである電磁放射を出力することと
を含んだ方法。
【請求項４１】
５０％以上の外部量子効率（ＩＱＥ）を提供することを更に含んだ請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
４０％以上のＥＱＥを更に含んだ請求項４０に記載の方法。
【請求項４３】
約１００Ｃを越える温度において前記少なくとも１つの活性領域を維持することを更に含んだ請求項４０に記載の方法。
【請求項４４】
約１５０Ｃを越える温度において前記少なくとも１つの活性領域を維持することを更に含んだ請求項４０に記載の方法。
【請求項４５】
約１０００時間を越える期間にわたって前記発光ダイオードを動作させることを更に含んだ請求項４０に記載の方法。
【請求項４６】
約５０００時間を越える期間にわたって前記発光ダイオードを動作させることを更に含んだ請求項４０に記載の方法。
【請求項４７】
約１０，０００時間を越える期間にわたって前記発光ダイオードを動作させることを更に含んだ請求項４０に記載の方法。
【請求項４８】
表面領域を有するバルクガリウム及び窒素含有基板と；
前記表面領域上に形成された少なくとも１つの活性領域と；
前記１つ以上の活性領域を特徴付ける約１７５Ａｍｐｓ／ｃｍ２を越える電流密度と；
５０％以上の内部量子効率（ＩＱＥ）と；
約１７５Ａｍｐｓ／ｃｍ２を越える前記電流密度において約５０００時間を越える期間にわたって動作可能な寿命と
を含んだ発光ダイオードデバイス。
【請求項４９】
約４０％を越えるＥＱＥを更に含んだ請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
発光ダイオードデバイスを製造する方法であって、
表面領域を有するバルクガリウム及び窒素含有基板を提供することと；
前記表面領域上に第１のエピタキシャル材料を形成することと；
前記エピタキシャル材料上に少なくとも１つの活性領域を形成することであって、前記少なくとも１つの活性領域は電流密度が約１７５Ａｍｐｓ／ｃｍ２を越えように構成されることと；
前記少なくとも１つの活性領域上に第２のエピタキシャル材料を形成することと；
接触領域を形成することと
を含んだ方法。
【請求項５１】
表面領域を有するバルクガリウム及び窒素含有基板と；
前記表面領域上に形成された少なくとも１つの活性領域と；
前記少なくとも１つの活性領域を特徴付ける約１７５Ａｍｐｓ／ｃｍ２を越える電流密度と；
ロールオフが絶対効率において約５％未満である点によって特徴付けられる外部量子効率であって、最大値から動作電流密度が増加して前記最大値から所定の値へと変化する値として測定される外部量子効率と；
３９０〜４１５ｎｍの波長によって特徴付けられる発光と
を含んだ発光ダイオードデバイス。
【請求項５２】
前記所定の値は１７５Ａｍｐｓ／ｃｍ２である請求項５１に記載のデバイス。
【請求項５３】
前記所定の値は２００Ａｍｐｓ／ｃｍ２以上である請求項５１に記載のデバイス。
【請求項５４】
前記所定の値は３００Ａｍｐｓ／ｃｍ２以上である請求項５１に記載のデバイス。
【請求項５５】
前記所定の値は４００Ａｍｐｓ／ｃｍ２以上である請求項５１に記載のデバイス。
【請求項５６】
前記所定の値は６００Ａｍｐｓ／ｃｍ２以上である請求項５１に記載のデバイス。
【請求項５７】
表面領域を有するバルクガリウム及び窒素含有材料と；
前記表面領域上に形成された活性領域と；
前記活性領域を特徴付ける活性エリアと；
前記活性エリアを特徴付ける活性エリア利用と
を含み、前記活性エリア利用は５０％を越える光学デバイス。
【請求項５８】
前記利用は８０％を越える請求項５７に記載のデバイス。
【請求項５９】
表面領域を含むガリウム及び窒素含有基板と；
前記表面領域上に形成された活性領域と；
活性領域と；
発光外面領域と
を含み、前記発光外面領域の活性領域に対する比は１を越える光学デバイス。
【請求項６０】
前記比は５を越える請求項５９に記載のデバイス。
【請求項６１】
ＬＥＤを含む装置であって、前記ＬＥＤの累積ダイ表面積は約１ｍｍ２未満であり、少なくとも３００ルーメンを発光するように構成されている装置。
【請求項６２】
前記ＬＥＤはガリウム及び窒素含有材料から作製される請求項６１に記載の装置。
【請求項６３】
前記ガリウム及び窒素含有材料は半極性又は非極性配向において構成される請求項６２に記載のデバイス。
【請求項６４】
前記ＬＥＤの活性接合領域は約１ｍｍ２未満である請求項６１に記載のデバイス。
【請求項６５】
前記ＬＥＤ（単数又は複数）の活性接合領域は約０．７５ｍ２未満である請求項６１に記載のデバイス。
【請求項６６】
前記ＬＥＤ（単数又は複数）の活性接合領域は約０．５ｍｍ２未満である請求項６１に記載のデバイス。
【請求項６７】
前記ＬＥＤ（単数又は複数）の活性接合領域は約０．３ｍｍ２未満である請求項６１に記載のデバイス。
【請求項６８】
前記発光は少なくとも３００ルーメンである請求項６１に記載のデバイス。
【請求項６９】
前記発光は少なくとも５００ルーメンである請求項６１に記載のデバイス。
【請求項７０】
前記発光は少なくとも７００ルーメンである請求項６１に記載のデバイス。
【請求項７１】
前記発光は実質的に白色光である請求項６１に記載のデバイス。
【請求項７２】
前記ＬＥＤは３９０〜４１５ｎｍの範囲における発光を含んでいる請求項６１に記載のデバイス。
【請求項７３】
前記ＬＥＤは４１５〜４４０ｎｍの範囲における発光を含んでいる請求項６１に記載のデバイス。
【請求項７４】
前記ＬＥＤは４４０〜４７０ｎｍの範囲における発光を含んでいる請求項６１に記載のデバイス。
【請求項７５】
前記ＬＥＤは、入力電力／活性接合領域が２ワット／ｍｍ２を越えることによって特徴付けられる請求項６１に記載のデバイス。
【請求項７６】
前記ＬＥＤは、入力電力／活性接合領域が３ワット／ｍｍ２を越えることによって特徴付けられる請求項６１に記載のデバイス。
【請求項７７】
前記ＬＥＤは、入力電力／活性接合領域が５ワット／ｍｍ２を越えることによって特徴付けられる請求項６１に記載のデバイス。
【請求項７８】
前記ＬＥＤは、入力電力／活性接合領域が１０ワット／ｍｍ２を越えることによって特徴付けられる請求項６１に記載のデバイス。
【請求項７９】
前記ＬＥＤは、入力電力／活性接合領域が１５ワット／ｍｍ２を越えることによって特徴付けられる請求項６１に記載のデバイス。
【請求項８０】
前記ＬＥＤは、入力電力／活性接合領域が２０ワット／ｍｍ２を越えることによって特徴付けられる請求項６１に記載のデバイス。
【請求項８１】
前記ＬＥＤは、ＣＣＴが約５０００Ｋ未満であり且つＣＲＩが約７５を越える温白色発光において、ルーメン／活性接合領域が３００ｌｍ／ｍｍ２を越えることによって特徴付けられる請求項６１に記載のデバイス。
【請求項８２】
前記ＬＥＤは、ＣＣＴが約５０００Ｋ未満であり且つＣＲＩが約７５を越える温白色発光において、ルーメン／活性接合領域が４００ｌｍ／ｍｍ２を越えることによって特徴付けられる請求項６１に記載のデバイス。
【請求項８３】
前記ＬＥＤは、ＣＣＴが約５０００Ｋ未満であり且つＣＲＩが約７５を越える温白色発光において、ルーメン／活性接合領域が６００ｌｍ／ｍｍ２を越えることによって特徴付けられる請求項６１に記載のデバイス。
【請求項８４】
前記ＬＥＤは、ＣＣＴが約５０００Ｋ未満であり且つＣＲＩが約７５を越える温白色発光において、ルーメン／活性接合領域が８００ｌｍ／ｍｍ２を越えることによって特徴付けられる請求項６１に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、本発明の譲受人に譲渡された米国シリアル番号第６１／２４３，９８８号（出願日：２００９年９月１８日；アトーニードケット番号第０２７３６４−００７１００ＵＳ）に対する優先権を主張する。本明細書中、同文献を参考のため援用する。
【０００２】
発明の背景
本発明は主に照明技術に関し、詳細には、バルクガリウム及び窒素を含有する極性材料、半極性材料又は非極性材料上に作製される高電流密度ＬＥＤデバイスの技術に関する。本発明は、白色照明、多色照明、フラットパネルディスプレイ用照明、他の光電子デバイス及び類似の製品などの用途に適用することが可能である。
【０００３】
１８００年代後半にトーマスエジソンが電球を発明した。従来の電球は一般的に「エジソン電球」と呼ばれ、百年を超える期間にわたって利用されてきた。従来の電球の場合、タングステンフィラメントがガラス球中に封入され、ガラス球がベース中に密封され、ベースがソケットにねじ込まれている。前記ソケットは、ＡＣ電力又はＤＣ電源に接続される。従来の電球は、広く家庭、建物及び屋外照明、並びに他の照明又はディスプレイを必要とするエリアにおいて見出され得る。残念なことに、従来の電球において用いられるエネルギーのうち９０％を越えるエネルギーが熱エネルギーとして消散する。更に、従来の電球の場合、フィラメント要素が熱収縮するため、定期的に故障する。
【０００４】
蛍光灯は、従来の電球の欠陥のうちいくつかを解消する。蛍光灯においては、希ガス及び水銀が充填された、光学的に透明な管構造が用いられる。一対の電極がハロゲンガス間において接続され、バラストを通じて交流電源へと接続される。前記ガスが励起されると、その結果得られた水銀蒸気が放出されて、ＵＶ光が発光される。通常、前記管は、ＵＶ発光によって励起可能な蛍光体でコーティングされ、これにより白色光が得られる。多くの建物構造において蛍光灯が用いられ、より最近では、蛍光灯はベース構造上に取り付けられており、前記ベース構造は標準ソケット内に接続される。
【０００５】
ソリッドステート照明技術も知られている。ソリッドステート照明は、発光ダイオード（一般的にＬＥＤと呼ばれる）を生成する際に半導体材料に依存している。初期においては、赤色ＬＥＤが実証され、商用化された。赤色ＬＥＤにおいては、アルミニウムインジウムガリウムリン化物又はＡｌＩｎＧａＰ半導体材料が用いられる。最近では、中村修二により、青色発光ＬＥＤの青色範囲のＬＥＤ発光を製造するためのＩｎＧａＮ材料の使用が開発された。この青色ＬＥＤをきっかけにして、ステート白色照明及び他の開発などの革新に繋がった。他の色のＬＥＤも提案されているが、ソリッドステート照明には未だに制約がある。このような制約の更なる詳細について、本明細書全体において記載し、以下により詳細に説明する。
【０００６】
ソリッドステート照明の不利点として、ＬＥＤベース照明は高コストである点がある。コストは、所与の量の光を得るために用いられる半導体材料の値段に直接比例することが多い。コスト低減のために、半導体材料の単位面積に対してより多数のルーメンを生成する必要が出てくる。しかし、従来のＩｎＧａＮＬＥＤの場合、効率「降下」が問題になっており、電流密度の上昇と共に、内部量子効率が低下する。最大効率Ｊｍａｘにおける電流密度は典型的には１〜１０Ａ／ｃｍ２であり、極めて低い電流密度である。また、出力密度がより高くなると、電流集中及び温度勾配が発生し、その結果、性能低下及び信頼性の問題に繋がり得る。これらの現象に起因して、電流密度の増加によるコスト低減が困難になる。なぜならば、ＬＥＤにおいて従来のアプローチ（例えば、蛍光灯照明及び白熱電球照明）を越えるエネルギー節約を得るためには、最低効率が必要であるからである。上記及び他の制約について、本明細書全体において更に詳述し、以下により詳細に説明する。
【０００７】
上記から、光学デバイスの向上のための技術が強く望まれていることが分かる。
【０００８】
発明の概要
本発明によれば、主に照明に関する技術が提供される。詳細には、ＧａＮ系半導体材料の単位面積あたりの光出力をより高くする技術について記載する。より詳細には、本発明の実施形態は、高電流密度ＬＥＤデバイスを含む。前記高電流密度ＬＥＤデバイスは、高活性領域（即ち、活性領域の面積のダイシングピッチに対するの比）を用いており、バルクガリウムと、窒素含有極性、半極性又は非極性材料との上に作製される。
【０００９】
従来のＧａＮ系ＬＥＤは、サファイア、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、又はケイ素（Ｓｉ）などの他種基板上にデバイス層をエピタキシャル成長させることにより作製される。サファイアの場合、サファイアの電気絶縁特性に起因して、横方向注入ジオメトリが必要になる。横方向ジオメトリは、半透明の抵抗接点メタライゼーションを通じたトップ発光型であってもよいし、或いは、ボトム発光型（即ち、「フリップチップ又はＦＣジオメトリ）であってもよい。他の場合、サファイア基板が除去され得るが、薄膜アプローチが用いられ、エピタキシャルデバイス層はキャリア基板又はパッケージ要素上へと移動される。Ｓｉの場合、高光抽出効率を得るためには、Ｓｉ基板の除去が必要となり、薄膜アプローチが必要となる。ＳｉＣの場合、横方向アプローチ又は薄膜アプローチが実行可能である。
【００１０】
光出力レベルが固定されている場合、主なコスト低減策は、照明製品に必要なＬＥＤ半導体面積を低減することである。合計ＬＥＤチップ面積を低減すると、半導体製造工場のアウトプットが有効に増加し、かつ、最終製品アセンブリにおいて用いられる光学素子及び他の構成要素のサイズが低下する。チップサイズが低減すると電流密度が増加するが、以下に説明する本発明のエピタキシャル技術を用いれば、高電流密度において高い外部量子効率を維持することが可能になる。チップ設計も重要な役割を果たす。横方向チップ（トップ発光型又は基板発光型の何れでもよい）においてチップサイズ低減を行うと、問題が発生する。なぜならば、チップサイズの低減に起因して、作製公差によって活性領域の利用が低下し得るからである。
【００１１】
この効果を図１に示す。横方向注入デバイス（上接触型又は下接触型を問わない）の場合、デバイスの同一側に陽極接続部及び陰極接続部を設けるための領域が必要になる。その結果、活性領域の利用が根本的に低下し（ダイフットプリントの部分が陰極に必要となり）、ダイサイズが実際に制限される。リソグラフィー公差が５ｕｍであり、ダイ取り付け公差が２５ｕｍであり、バンプ直径が７５ｕｍであると仮定すると、活性領域利用対チップ幅は図に示すようになる。ＳｉＣの場合、導電性バッファ層アプローチにより、垂直注入設計の利用が可能になる。しかし、ＳｉＣとＧａＮとの間の格子不整合に起因して高転位密度（＞１ｘ１０８ｃｍ−２）が発生し、その結果、高出力密度における信頼性が失われる。また、ＳｉＣはＧａＮよりも屈折率が高いため、光抽出がより困難となる。
【００１２】
本発明が提供する発光ダイオードは、表面領域を備えたバルクガリウム及び窒素含有基板を含む。前記表面領域上に１つ以上の活性領域が形成され、前記１つ以上の活性領域は、約１７５Ａｍｐｓ／ｃｍ２を越える電流密度によって特徴付けられる。前記デバイスの外部量子効率（ＥＱＥ）は、４０％（又は５０％、６０％、７０％、８０％、９０％）及びそれ以上である。
【００１３】
別の実施形態において、本発明は、別の種類の発光ダイオードデバイスを提供する。しかし、この発光ダイオードデバイスも、バルクガリウム及び窒素含有基板と、表面領域上に形成された１つ以上の活性領域とを含む。前記デバイスはまた、前記活性領域を特徴付ける約２００Ａ／ｃｍ２を越える電流密度と、３８５〜４８０ｎｍの波長によって特徴付けられる発光とを有する。特定の実施形態において、前記デバイスは、所望の赤色、緑色、青色又は他の発光蛍光体材料を有する。前記所望の赤色、緑色、青色又は他の発光蛍光体材料は、一次デバイス発光に動作可能に接続されて、白色光源を提供する。
【００１４】
別の実施形態において、本発明は、発光ダイオードデバイスを提供する。前記発光ダイオードデバイスは、非極性配向を有するバルクガリウム及び窒素含有基板を備える。前記デバイスはまた、活性領域を有する。前記活性領域は、前記表面領域上に形成され、前記活性領域を特徴付ける約５００Ａ／ｃｍ２を越える電流密度を有する。前記デバイスの発光部は、３８５〜４１５ｎｍの波長及び１つ以上のＲＧＢ又は他の色の蛍光体材料によって特徴付けられる。前記１つ以上のＲＧＢ又は他の色の蛍光体材料は、前記発光部に動作可能に接続されて、白色光源を提供する。更なる特定の実施形態において、前記デバイスの電流密度は約５００Ａ／ｃｍ２を越え、前記活性領域を特徴付ける。前記デバイスの発光部は、３８５〜４１５ｎｍの波長によって特徴付けられる。
【００１５】
更なる実施形態において、本発明は、上記した種類の発光ダイオードデバイスを動作させる方法を提供する。前記方法により、前記光学デバイスが電流へと晒されて、前記活性領域の接合領域は、約２００Ａｍｐｓ／ｃｍ２を越える電流密度を提供し、３８５〜４８０ｎｍの波長の電磁放射を出力する。前記デバイスは、好適には、少なくとも前記バルクガリウム及び窒素含有基板及び活性領域を封入するパッケージを含む。好適には、前記パッケージは、１５又は１０又は５又は１度／ワット以下の熱抵抗によって特徴付けられる。
【００１６】
別の実施形態において、前記発光ダイオードデバイスの電流密度は約１７５Ａｍｐｓ／ｃｍ２よりも高く、前記１つ以上の活性領域を特徴付ける。更に、前記デバイスの内部量子効率（ＩＱＥ）は少なくとも５０％であり、前記デバイスの寿命については、前記電流密度において少なくとも約５０００時間動作可能である。
【００１７】
更に、本発明は、発光ダイオードデバイスの製造方法を提供する。前記方法は、表面領域を有するバルクガリウム及び窒素含有基板を提供することと、前記表面領域上に第１のエピタキシャル材料を形成することとを含む。前記デバイスは、前記エピタキシャル材料上に形成された１つ以上の活性領域も含む。前記１つ以上の活性領域は、好適には、約１７５Ａｍｐｓ／ｃｍ２を越える電流密度が得られるように構成される。前記方法はまた、前記活性領域上に第２のエピタキシャル材料を形成することと、接触領域を形成することとを含み得る。
【００１８】
本発明は、活性領域の利用によるＬＥＤ光学デバイスを提供する。前記ＬＥＤ光学デバイスは、５０％を越える前記活性領域を特徴としている。他の実施形態において、前記利用は、＞８０％、＞９０％又は＞９５％である。また、本発明により、発光外面領域の活性領域に対する比が１を越えるデバイスが可能となり、他の実施形態において、前記比は、＞５、＞１０、又は＞１００である。
【００１９】
更に、本発明は、電球又は取付具などの装置を提供する。前記装置は、１つ以上のＬＥＤを有する。前記１つ以上のＬＥＤが有する累積ダイ表面積は、約ｌｍｍ２未満であり、少なくとも３００ルーメンを発光するように構成される。特定の実施形態において、前記ＬＥＤは、単一のＬＥＤからなる。前記単一のＬＥＤは、ガリウム及び窒素含有材料から作製される。前記ガリウム及び窒素含有材料は、半極性配向、極性配向又は非極性配向を有する。１つよりも多くのＬＥＤが提供される場合、これらのＬＥＤは、好適にはアレイ状に構成される。
【００２０】
典型的には、前記ＬＥＤは、約１ｍｍ２未満、約０．７５ｍｍ２未満、約０．５ｍｍ２未満、又は約０．３ｍｍ２未満のサイズの活性接合領域を有している。特定の実施形態において、前記装置からの発光は、少なくとも３００ルーメン、少なくとも５００ルーメン、又は少なくとも７００ルーメンである。特定の実施形態において、前記発光は、実質的に白色光であるか、又は、３９０〜４１５ｎｍ、４１５〜４４０ｎｍ、４４０〜４７０ｎｍなどの範囲である。他の実施形態において、前記ＬＥＤは、活性接合当たりの入力電力によって特徴付けられ、その値は、例えば、２ワット／ｍｍ２よりも高く、３ワット／ｍｍ２よりも高く、５ワット／ｍｍ２よりも高く、１０ワット／ｍｍ２よりも高く、１５ワット／ｍｍ２よりも高く、２０ワット／ｍｍ２よりも高い。実施形態に応じて、前記ＬＥＤは、活性接合当たりのルーメンによって特徴付けられ、その値は、暖白色発光の場合に３００ｌｍ／ｍｍ２を越え、ＣＣＴは約５０００Ｋ未満であり、ＣＲＩは約７５を越える。或いは、前記ＬＥＤは、活性接合当たりのルーメンによって特徴付けられ、その値は、暖白色発光の場合に４００ｌｍ／ｍｍ２を越え、ＣＣＴは約５０００Ｋを越え、ＣＲＩは約７５を越える。或いは、前記ＬＥＤは、活性接合当たりのルーメンによって特徴付けられ、その値は、暖白色発光の場合に６００ｌｍ／ｍｍ２’を越える。ＣＣＴは約５０００Ｋを越え、ＣＲＩは約７５を越える。或いは、前記ＬＥＤは、活性接合当たりのルーメンによって特徴付けられ、その値は、暖白色発光の場合に８００ｌｍ／ｍｍ２’を越え、ＣＣＴは約５０００Ｋを越え、ＣＲＩは約７５を越える。
【００２１】
本明細書中に記載のＬＥＤは、約１７５Ａｍｐｓ／ｃｍ２を越える前記活性領域を特徴付ける電流密度と、動作電流密度の所定の上昇における値と比較したときの最大値から測定された絶対効率において約５％未満のロールオフによって特徴付けられる外部量子効率と、３９０〜４８０ｎｍの波長によって特徴付けられる発光とを有し得る。
【００２２】
本ＬＥＤが動作することが可能な接合温度は、１００Ｃを越え、１５０Ｃを越え、及び／又は２００Ｃを越え、更にはこれ以上の温度であってもよい。。好適な実施形態において、本デバイスは、非冷却状態において連続波動作下において動作可能である。また、本ＬＥＤデバイスの電流密度は、約１７５Ａ／ｃｍ２〜約１ｋＡ／ｃｍ２以上である。１つ以上の好適な実施形態において、前記電流密度は約４００Ａ／ｃｍ２〜８００Ａ／ｃｍ２である。
【００２３】
本明細書中のデバイス及び方法は、ＬＥＤ作製における従来技術と比較してより高い歩留まりを提供する。他の実施形態において、本方法及びその結果得られる構造は、従来技術と、極性配向、非極性配向又は半極性表面配向を有するガリウム及び窒素含有基板材料とを用いて容易に形成される。本発明によれば、その結果得られる高電流密度ＬＥＤデバイスのためのデバイス及び方法は、より小さなフィーチャサイズを有し且つ実質的に「ドループ（Droop）」を有しない。好適な実施形態において、前記デバイスによれば、その結果得られる白色光取付具は、従来デバイスと比較して実質的に低減したＬＥＤ半導体面積を用いる。好適な実施形態において、本ＬＥＤ活性領域の設計は、ドループを低減するように構成され、これにより、高電流密度において効率的に動作するチップアーキテクチャが可能となる。
【００２４】
本明細書及び添付図面を参照すれば、本発明の本質及び利点の更なる理解が得られ得る。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１−Ａ】図１−Ａは、本発明の一実施形態による横方向注入（例えば、図示のフリップチップ）ＬＥＤのチップサイズの簡略化された図である。
【図１−Ｂ】図１−Ｂは、本発明の一実施形態による垂直薄膜ＬＥＤのチップサイズの簡略化された図である。
【図１−Ｃ】図１−Ｃは、本発明の一実施形態によるバルク基板ベースのＬＥＤのチップサイズの簡略化された図である。
【００２６】
【図２】図２は、活性領域利用（活性領域のデバイスフットプリントに対する比）を本発明と比較して横方向チップ設計のチップ幅の関数として示している。この際、リソグラフィー公差は５ｕｍ、ダイ取り付け公差は２５ｕｍ、バンプ直径は７５ｕｍと仮定している。
【００２７】
【図３】図３は、従来ＬＥＤ（ＣｒｅｅＸＰ−Ｅ白色ＬＥＤ；接合温度は２５℃）の場合に、相対的光束を注入電流の関数としてサンプルプロットした結果を示している。
【００２８】
【図４】図４は、以下の場合における外部量子効率を電流密度の関数として示している。（ａ）２．５ナノメートル井戸を２つ有する複数の量子井戸ＬＥＤ、（ｂ）２．５ナノメートル井戸を６つ有する複数の量子井戸ＬＥＤ、及び（ｃ）１３ナノメートル活性領域を有する二重ヘテロ構造ＬＥＤ。前記ＬＥＤはそれぞれ〜４３０ｎｍの発光を示した。
【００２９】
【図４−Ａ】図４−Ａは、本発明の実施形態によるＬＥＤデバイスにおいて、量子効率を電流密度に対してプロットした結果を示している。
【００３０】
【図５】図５は、本発明の一実施形態による高電流密度エピタキシャル成長ＬＥＤ構造の簡略化された図である。
【００３１】
【図５−Ａ】図５−Ａは、本発明の１つ以上の実施形態によるエピタキシャル堆積プロセスの簡略化されたフロー図である。
【００３２】
【図６】図６は、本発明の一実施形態による電気接続部を備えた高電流密度ＬＥＤ構造を示す簡略化された図である。
【００３３】
【図７】図７は、本発明の一実施形態によるボトム発光型の横方向導電型高電流密度ＬＥＤデバイスの簡略化された図である。
【００３４】
【図８】図８は、本発明の特定の実施形態によるボトム発光型の垂直導電型高電流密度ＬＥＤの簡略化された図である。
【００３５】
【図９】図９は、本発明の実施形態による高電流密度ＬＥＤデバイスを含んだパッケージされた白色ＬＥＤの簡略化された例を示している。
【００３６】
【図１０】図１０は、１つ以上の実施形態による発光波長が〜４０５ｎｍである非極性ＧａＮ上に作製されたＬＥＤについてのパルス出力対電流密度と外部量子効率対電流密度とを示す簡略化された図である。
【００３７】
【図１１】図１１は、本発明の実施形態によるＬＥＤデバイスの実験結果である。
【図１２】図１２は、本発明の実施形態によるＬＥＤデバイスの実験結果である。
【図１３】図１３は、本発明の実施形態によるＬＥＤデバイスの実験結果である。
【図１４】図１４は、本発明の実施形態によるＬＥＤデバイスの実験結果である。
【図１５】図１５は、本発明の実施形態によるＬＥＤデバイスの実験結果である。
【００３８】
発明の詳細な説明
本発明は、主に照明技術に関し、詳細には、バルクガリウム及び窒素含有極性材料、半極性材料又は非極性材料上に作製された高電流密度ＬＥＤデバイスの技術に関する。本発明が適用可能な用途を挙げると、白色照明、多色照明、フラットパネルディスプレイ用照明、他の光電子デバイス及び類似の製品がある。
【００３９】
本発明者らによれば、ＧａＮ系光電子分野における最近の飛躍的進歩により、バルク極性、非極性及び半極性ＧａＮ基板上に作製されたデバイスには大きな可能性があることが分かった。詳細には、非極性配向及び半極性配向において高い分極が無い場合、電界発生に起因してｃ面ＧａＮ上の従来デバイスにおいて問題が発生し、発光ＩｎＧａＮ層における放射再結合効率が大幅に向上する。極性材料の場合、活性領域のＩｎＮ内容物の低減及び／又は多量子井戸（ＭＱＷ）活性領域構造内のバリア厚さの低減により、分極場の悪影響を低減することができる。また、任意の表面配向において、バルクネーティブ基板により、簡単なデバイスジオメトリが得られる。この簡単なデバイスジオメトリは縮小することが可能であり、これにより、他種基板（例えば、サファイアＳｉＣ又はＳｉ）に基づいたアプローチと比較して、コスト（ルーメンあたりのドル）の削減が可能になる。更に、バルクＧａＮによって転位密度の低減が可能になるため、他種基板によるアプローチの場合は保証されない高電流密度における高信頼性が得られる。
【００４０】
照明分野において特に重要であるのは、非極性ＧａＮ基板及び半極性ＧａＮ基板上に作製された発光ダイオード（ＬＥＤ）の進展である。ＩｎＧａＮ発光層を用いたこのようなデバイスの場合、より高い動作波長における出力が紫色領域（３９０〜４３０ｎｍ）、青色領域（４３０〜４９０ｎｍ）、緑色領域（４９０〜５６０ｎｍ）及び黄色領域（５６０〜６００ｎｍ）へと延びている。例えば、ピーク発光波長が４０２ｎｍである紫色ＬＥＤをｍ面（１−１００）ＧａＮ基板上に作製した場合、光抽出向上フィーチャが無いのにもかかわらず、外部量子効率が４５％を越えることが判明し、また、高電流密度における性能も優れており、ロールオーバーも最小であった[Ｋ．Ｉｓｏ，Ｈ．Ｙａｍａｄａ，Ｈ．Ｈｉｒａｓａｗａ，Ｎ．Ｆｅｌｌｏｗｓ，Ｍ．Ｓａｉｔｏ，Ｋ．Ｆｕｊｉｔｏ，Ｓ．Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ，Ｊ．Ｓ．Ｓｐｅｃｋ，及び  Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ，「Ｈｉｇｈ  ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ  ｂｌｕｅ  ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ  ｏｎ  ｎｏｎｐｏｌａｒ  ｍ−ｐｌａｎｅ  ｂｕｌｋ  ＧａＮ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ」、Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ４６、Ｌ９６０（２００７）]。同様に、ピーク発光波長が４６８ｎｍである青色ＬＥＤの場合も、高出力密度において高効率を示し、ｃ面ＬＥＤにおいて多く見られるロールオーバーが大幅に低下した[Ｋ．Ｉｓｏ，Ｈ．Ｙａｍａｄａ，Ｈ．Ｈｉｒａｓａｗａ，Ｎ．Ｆｅｌｌｏｗｓ，Ｍ．Ｓａｉｔｏ，Ｋ．Ｆｕｊｉｔｏ，Ｓ．Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ，Ｊ．Ｓ．Ｓｐｅｃｋ，及び  Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ，「Ｈｉｇｈ  ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ  ｂｌｕｅ  ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ  ｏｎ  ｎｏｎｐｏｌａｒ  ｍ−ｐｌａｎｅ  ｂｕｌｋ  ＧａＮ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ」、Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ４６、Ｌ９６０（２００７）]。２つの有望な半極性配向は、（１０−１−１）面及び（１１−２２）面である。これらの面は、ｃ面に対して６２．０度及び５８．４度だけ傾斜している。カリフォルニア大学サンタバーバラ校（ＵＣＳＢ）によって製造された、（１０−１−１）ＧａＮ上に作製された高効率ＬＥＤは、青色発光デバイスにおいて１００ｍＡにおいて６５ｍＷ出力が可能であり[Ｈ．Ｚｈｏｎｇ，Ａ．Ｔｙａｇｉ，Ｎ．Ｎ．Ｆｅｌｌｏｗｓ，．Ｂ．Ｃｈｕｎｇ，Ｍ．Ｓａｉｔｏ，Ｋ．Ｆｕｊｉｔｏ，Ｊ．Ｓ．Ｓｐｅｃｋ，Ｓ．Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ，及び  Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ，ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔ．４３，８２５（２００７）]、緑色発光デバイスにおいて１００ｍＡにおいて１５ｍＷを越える出力が可能であり[Ｈ．Ｓａｔｏ，Ａ．Ｔｙａｇｉ，Ｈ．Ｚｈｏｎｇ，Ｎ．Ｆｅｌｌｏｗｓ，Ｒ．Ｂ．Ｃｈｕｎｇ，．Ｓａｉｔｏ，Ｋ．Ｆｕｊｉｔｏ，Ｊ．Ｓ．Ｓｐｅｃｋ，Ｓ．Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ，及び  Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ，「Ｈｉｇｈ  ｐｏｗｅｒ  ａｎｄ  ｈｉｇｈ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｇｒｅｅｎ  ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ  ｏｎ  ｆｒｅｅ−ｓｔａｎｄｉｎｇ  ｓｅｍｉｐｏｌａｒ  （１１２２）  ｂｕｌｋ  ＧａＮ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ」、Ｐｈｙｓｉｃａｌ  ��ｔａｔｕｓ  Ｓｏｌｉｄｉ−Ｒａｐｉｄ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  １，１６２（２００７）]、黄色デバイスにおいて１５ｍＷを越える出力が可能であり[Ｈ．Ｓａｔｏ，Ｒ．Ｂ．Ｃｈｕｎｇ，Ｈ．Ｈｉｒａｓａｗａ，Ｎ．Ｆｅｌｌｏｗｓ，Ｈ．Ｍａｓｕｉ，Ｆ．Ｗｕ，Ｍ．Ｓａｉｔｏ，Ｋ．Ｆｕｊｉｔｏ，Ｊ．Ｓ．Ｓｐｅｃｋ，Ｓ．Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ，及び  Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ，「Ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ｙｅｌｌｏｗ  ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅｓ  ｇｒｏｗｎ  ｏｎ  ｓｅｍｉｐｏｌａｒ（１１２２）ｂｕｌｋ  ＧａＮ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ９２，２２１１１０（２００８）]。前記ＵＣＳＢグループによれば、半極性（１１−２２）ＧａＮ上のインジウムは、ｃ面ＧａＮのものに匹敵するか又はｃ面ＧａＮのもの以上であり、その結果、高結晶品質の高波長発光ＩｎＧａＮ層を達成できる可能性が更に高まっている。
【００４１】
非極性ＬＥＤ又は半極性ＬＥＤは、バルク窒化ガリウム基板上に作製され得る。前記窒化ガリウム基板は、当該分野において公知の方法に従って、水素化物気相エピタキシーによって又は熱アンモニア的に成長されたブールからスライスされ得る。１つの特定の実施形態において、前記窒化ガリウム基板は、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第６１／０７８，７０４号に開示されるように、水素化物気相エピタキシー及び熱アンモニア成長の組み合わせによって作製される。本明細書中、同文献を参考のため援用する。前記ブールは、単結晶種晶上のｃ方向、ｍ方向、ａ方向又は半極性方向に成長され得る。半極性面は、（ｈｋｉｌ）ミラー指数によって設計され得、ここでｉ＝−（ｈ＋ｋ）であり、ｌ非ゼロであり、ｈ及びｋのうち少なくとも１つは非ゼロである。前記窒化ガリウム基板に対し、切断、ラッピング、研磨、及び化学機械的研磨が行われ得る。前記窒化ガリウム基板の配向は、｛１−１００｝ｍ面、｛１１−２０｝ａ面、｛１１−２２｝面、｛２０−２±１｝面、｛１−１０±１｝面、｛１０−１±１｝面、｛１−１０−±２｝面又は｛１−１０±３｝面の±５度、±２度、±１度又は±０．５度であり得る。前記窒化ガリウム基板の大領域表面の面内の転位密度は、１０６ｃｍ−２未満、１０５ｃｍ−２未満、１０４ｃｍ−２未満、又は１０３ｃｍ−２未満である。前記窒化ガリウム基板のｃ面における転位密度は、１０６ｃｍ−２未満、１０５ｃｍ−２未満、１０４ｃｍ−２未満、又は１０３ｃｍ−２未満である。
【００４２】
当該分野において公知の方法により（例えば米国特許第７，０５３，４１３号（同文献全体を参考のため援用する）中に開示された方法に従って）、ホモエピタキシャルの非極性ＬＥＤ又は半極性ＬＥＤを窒化ガリウム基板上に作製する。例えば米国特許第７，３３８，８２８号及び第７，２２０，３２４号に開示の方法（同文献全体を参考のため援用する）に従って、少なくとも１つのＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ層（０＜ｘ＜ｌ、０＜ｙ＜ｌ、及び０＜ｘ＋ｙ＜１）を前記基板上に堆積させる。前記少なくとも１つのＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ層は、有機金属化学蒸着、分子線エピタキシー、水素化物気相エピタキシー又はこれらの組み合わせにより堆積可能である。一実施形態において、前記ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ層は、活性層を含む。前記活性層内部を電流が通過すると、前記活性層は、優先的に発光する。１つの特定の実施形態において、前記活性層に含まれる単一の量子井戸の厚さは、約０．５ｎｍ〜約４０ｎｍである。特定の実施形態において、前記活性層に含まれる単一の量子井戸の厚さは、約１ｎｍ〜約５ｎｍである。他の実施形態において、前記活性層に含まれる単一の量子井戸の厚さは、約５ｎｍ〜約１０ｎｍ、約１０ｎｍ〜約１５ｎｍ、約１５ｎｍ〜約２０ｎｍ、約２０ｎｍ〜約２５ｎｍ、約２５ｎｍ〜約３０ｎｍ、約３０ｎｍ〜約３５ｎｍ、又は約３５ｎｍ〜約４０ｎｍである。別の１組の実施形態において、前記活性層は、複数の量子井戸を含む。更に別の実施形態において、前記活性領域に含まれる二重ヘテロ構造の厚さは、約４０ｎｍ〜約５００ｎｍである。１つの特定の実施形態において、前記活性層はＩｎｙＧａ１−ｙＮ層を含み、０≦ｙ≦１である。もちろん、他にも変更、改変及び代替があり得る。
【００４３】
更に、発光ダイオード内における入力電流の増加と共に、前記関連付けられたより多数の注入電子が光子に変換されるため、光学出力が増加する。「理想的な」ＬＥＤにおいては、前記光出力は、電流増加と共に連続的に直線的に増加し、これにより、小型ＬＥＤを極めて高い高電流密度まで駆動して、高出力を達成することが可能となる。しかし、実際には、この光出力対発光ダイオードの電流入力特性は、従来の発光ダイオードの放射効率が電流密度上昇と共に低下する現象に起因して、根本的に制限される。このような現象に起因して、ロールオーバー又は出力対電流のほぼ直線状の増加が発生することが分かっている。その結果、入力電流の増加と共に、全光束の限界増加が発生する。
【００４４】
図３は、従来ＬＥＤ（ＣｒｅｅＸＰ−Ｅ白色ＬＥＤ（接合温度：２５℃）について相対的光束を注入電流の関数としてサンプルプロットした図である。このプロットによれば、３５０ｍＡ（約３０〜５０Ａ／ｃｍ）における相対的光束は１００％であるのに対し、７００ｍＡにおける相対的光束は約１７０％しかならない。即ち、従来のＬＥＤの場合、約３０〜５０Ａ／ｃｍ２から６０〜１００Ａ／ｃｍ２の動作範囲におけるＬＥＤの効率ロールオフは約１５％である。加えて、このダイオードのピーク効率は、更により低い電流密度で発生しており、即ち、ピーク値からの効率ロールオフは、ダイオードを７００ｍＡにおいて動作させるべき１５％よりも更に高い。
【００４５】
この現象に起因して、従来の発光ダイオードは、典型的には、本方法及びデバイスにおいて可能な電流密度よりもより低い電流密度（１０Ａ／ｃｍ２〜１００Ａ／ｃｍ２）において動作する。この動作電流密度の制約に起因して、単一の従来の発光ダイオードから可能な全光束が実際に制約を受ける。ＬＥＤパッケージからの全光束を増加させるための一般的なアプローチとして、ＬＥＤの活性領域を増加させ（これにより、適切な低い電流密度を維持しつつＬＥＤの動作電流を増加させ）、いくつかのＬＥＤダイをＬＥＤアレイ内にパッケージし、これにより合計電流を前記パッケージ内のＬＥＤ間で分割するというアプローチがある。これらのアプローチの場合、適切な低い電流密度を維持しつつＬＥＤパッケージあたりの発生全光束を増加させる効果はあるものの、ＬＥＤダイ領域全体の増加が必要となるため、コスト増加が避けられない。１つ以上の実施形態において、本発明者らは、１つ以上の小型チップ型高輝度ＬＥＤに基づいた照明のための方法及びデバイスを提案し、これにより、動作寿命を長く保ちつつ、従来ＬＥＤよりも電流密度における動作効率が高くなる。
【００４６】
ＬＥＤを高電流密度で効率的動作させる際の制約について、一連の従来からの知識の蓄積がある。このような知識を挙げると、最大のＬＥＤ製造業者によって商品化されている高輝度ＬＥＤにおける動作電流密度の類似性があり、多くの文献において、「ＬＥＤドループ」現象が言及されている。商用ＬＥＤの例を挙げると、ＣｒｅｅのＸＰ−Ｅ、ＸＲ−Ｅ及びＭＣ−Ｅパッケージ並びにＬｕｍｉｌｅｄｓ２及びＲｅｂｅｌパッケージがあり、その一例を図１に示す。類似の高輝度ＬＥＤは、Ｏｓｒａｍ、Ｎｉｃｈｉａ、Ａｖａｇｏ、Ｂｒｉｄｇｅｌｕｘなどの企業から入手可能であり、これらのＬＥＤは全て、合計電流の制限、ダイサイズの１ｍｍ２を越えたサイズへの増加、又は複数のＬＥＤチップのパッケージングによるＬＥＤ接合領域の有効増加のいずれかを通じて、本発明において提案されている電流密度範囲よりもずっと低い電流密度範囲で動作する。ＬＥＤ「ドループ」現象について言及及び記載している文献の例について、Ｓｈｅｎら（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、９１、１４１１０１（２００７））及びＭｉｃｈｉｕｅら（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＳＰＩＥ
Ｖｏｌ．７２１６、７２１６１Ｚ−１（２００９））中に例示的に記載がある。加えて、Ｇａｒｄｎｅｒら（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、９１、２４３５０６（２００７））において、この現象についての明示的言及があり、二重ヘテロ構造ＬＥＤをサファイア基板上に成長させたＬＥＤの典型的な電流密度を２０〜４００Ａ／ｃｍ２とし、ピーク効率を約２００Ａ／ｃｍ２とし、この動作点を超えた値をロールオフすることにより、この現象の解消を試みている。高電流密度における動作を可能にしつつデバイス効率を維持することへの制約に加えて、発光デバイス内における電流密度の上昇と共に、デバイスの寿命が受容可能なレベルを下回り、この寿命低下は材料中の転位と相関することが分かっている。Ｔｏｍｉｙａら（ＩＥＥＥＪ．ｏｆＱｕａｎｔｕｍＥｌｅｃ，Ｖｏｌ．１０，Ｎｏ．６（２００４））によれば、より低い転位密度の材料上に発光デバイスを作製した場合、高転位材料上に作製されたデバイスにみられるような寿命低下無く、より高電流の動作が可能となる。Ｔｏｍｉｙａらの研究によれば、ヘテロエピタキシャル的に成長された材料上の横方向エピタキシャル過成長により、転位低減が達成された。今日まで、発光ダイオードに関連する従来の方法は、ドループ現象の軽減又は最小化に関連しており、バルク基板上に成長及び作製された発光ダイオードの成長及びデバイス設計に対処していなかった。従来ＬＥＤデバイス及びその量子効率の更なる説明について、更に以下に詳述する。
【００４７】
図４は、Ｎ．Ｆ．Ｇａｒｄｎｅｒら（「Ｂｌｕｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ＩｎＧａＮ−ＧａＮ  ｄｏｕｂｌｅ−ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅｓ  ｒｅａｃｈｉｎｇ  ｍａｘｉｍｕｍ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ａｂｏｖｅ  ２００Ａ／ｃｍ２，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ９１，２４３５０６）からのものであり、先行技術において公知の他の２種類の外部量子効率を電流密度の関数として示す。図４の参照文字（ａ）及び２（ｂ）で示す挙動は、従来のＬＥＤのものを示す。１つ以上の相対的に薄い量子井戸（例えば、厚さが約４ナノメートル未満のもの）の場合、外部量子効率は、電流密度が約１０アンペア／平方センチメートル未満であるときにピークになり、電流密度が高くなるにつれて比較的急速に低下する。より高い電流密度における外部量子効率は、図２（ｃ）に示すように活性層厚さを例えば約１３ナノメートルまで増加させることにより、増加させることができる。しかし、この場合、電流密度が約３０アンペア／平方センチメートル（Ａ／ｃｍ２）を下回るとき及び電流密度が約３００Ａ／ｃｍ２を越えるときに外部量子効率が極めて低くなり、これらの間で比較的大きな差がある。理想的なのは、ＬＥＤの外部量子効率を約２０Ａ／ｍｏｔの電流密度から約２００Ａ／ｃｍ２を越える電流密度、約３００Ａ／ｃｍ２を越える電流密度、約４００Ａ／ｃｍ２を越える電流密度、約５００Ａ／ｃｍ２を越える電流密度又は約１０００Ａ／ｃｍ２を越える電流密度までほぼ一定にすることである。
【００４８】
Ｍ．Ｓｃｈｍｉｄｔ ｅｔ．ａｌ．（Ｊａｐ．Ｊ．ｏｆ Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．４６，Ｎｏ．７，２００７）において、ピーク発光波長が４０８ｎｍであるＬＥＤを、貫通転位密度が１ｘ１０６ｃｍ２であるバルク非極性ｍ面基板上に成長させた例が以前示されている。高品質のバルク基板を非極性配向と共に用いているのにもかかわらず、同文献中に記載のデバイスの場合、ピーク外部量子効率ロールオフが約５％であり、比較的狭い動作電流密度が１１〜１１１Ａ／ｃｍ２であり、本発明において達成される値よりもずっと低い。従来技術の上記及び他の制約は、本方法及びデバイスによって部分的に解消される。本方法及びデバイスについて、本明細書全体及び以下においてより詳細に説明する。
【００４９】
図４−Ａは、本発明の実施形態によるＬＥＤデバイスについて、量子効率を電流密度に対してプロットした図である。図示のように、本デバイスは実質的に電流ドループが無く、公差は約１０パーセント以内であり、これは有意である。本デバイスの更なる詳細について、本明細書全体及び以下により詳細に説明する。
【００５０】
図５は、本発明の実施形態による高電流密度エピタキシャル成長ＬＥＤ構造の簡略化された図である。本図は一例に過ぎず、本明細書中に記載の請求項の範囲を過度に限定するものではない。当業者であれば、他の変更、改変及び代替を認識する。１つ以上の実施形態において、前記ＬＥＤ構造は、少なくとも以下を含む。
１．極性表面配向、半極性表面配向又は非極性表面配向を含むバルクＧａＮ基板。前記バルクＧａＮ基板は、以下に記載の詳細を更に含んでいる。
任意の配向（例えば、極性、非極性、半極性、ｃ面）。
（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ系材料貫通転位（ＴＤ）密度＜１０８ｃｍ−２
積層欠陥（ＳＦ）密度＜１０４ｃｍ−１
ドーピング＞１０１７ｃｍ−３
２．ｎ型（Ａｌ）（Ｉｎ）ＧａＮエピタキシャル層（単数又は複数）であって、厚さが約１μｍ〜約１０μｍであり、ドーパント濃度が約１ｘ１０１６ｃｍ−３〜約５ｘ１０２０ｃｍ−３であり、以下を更に含むｎ型（Ａｌ）（Ｉｎ）ＧａＮエピタキシャル層。
厚さ＜２ｕｍ、＜ｌｕｍ、＜０．５ｕｍ、＜０．２ｕｍ
（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ系材料
成長Ｔ＜１２００Ｃ、＜１０００Ｃ
非意図的ドープ（ＵＩＤ）又はドープ
３．複数のドープ及び／又は非ドープ（Ａｌ）（Ｉｎ）ＧａＮ活性領域層であって、以下の詳細を更に含むもの。
少なくとも１つの（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ系層
１つ以上の井戸を備えた量子井戸（ＱＷ）構造
ＱＷの厚さが＞２０Ａ、＞５０Ａ、＞８０Ａ
ＱＷ及びｎ層及びｐ層成長温度が同一又は類似
発光波長＜５７５ｎｍ、＜５００ｎｍ、＜４５０ｎｍ、＜４１０ｎｍ
４．厚さが約１０ｎｍ〜約５００ｎｍであり、ドーパント濃度が約１ｘ１０１６ｃｍ−３〜約１ｘ１０２１ｃｍ−３のｐ型（Ａｌ）（Ｉｎ）ＧａＮエピタキシャル層（単数又は複数）であって、以下の詳細を更に含むもの。
少なくとも１つのＭｇドープ層
厚さ＜０．３ｕｍ、＜０．１ｕｍ
（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ系
成長Ｔ＜１１００Ｃ、＜１０００Ｃ、＜９００Ｃ
電子ブロッキング層として機能する少なくとも１つの層
接触層として機能する少なくとも１つの層
【００５１】
特定の実施形態において、図５を参照して、前記バルクＧａＮ基板は、当該分野において公知の方法に従って窒化ガリウムブールからスライスされ、その後ラッピング、研磨及び化学的機械研磨が施される。いくつかの実施形態において、前記窒化ガリウムブールは、種晶上にエピタキシャル成長される。いくつかの実施形態において、前記窒化ガリウムブールは、熱アンモニア的に成長される。他の実施形態において、前記窒化ガリウムブールは、水素化物気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）によって成長される。或いは、これらの技術の組み合わせも存在し得る。多結晶窒化ガリウム源材料の形成は、アンモニア、ハロゲン化水素及び不活性ガス（例えばアルゴン）のうち少なくとも１つ含む雰囲気中において少なくともガリウムを含む坩堝を加熱することにより行われ得る。前記坩堝は、前記ガリウムに対して少なくとも約１００ｐｐｍ（１００万分の１）のレベルのゲッターを更に含み得る。前記ゲッターは、少なくともアルカリ土類金属、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、希土類金属、ハフニウム、タンタル及びタングステンから選択され得る。前記坩堝はリアクタ内に配置され得る。前記リアクタは、１つ以上の実施形態によれば、アンモニア及びハロゲン化水素を含む雰囲気中において約３０分〜約７２時間の期間にわたって少なくとも約４００℃の温度まで加熱された後、冷却される。多結晶インジウム窒化ガリウムを合成するプロセスの更なる詳細について、米国特許出願シリアル番号第６１／１２２３３２号に記載があり、同文献全体を参考のため援用する。その結果得られる多結晶窒化ガリウムは、ＩＩＩ族金属酸化物として又は置換型不純物として窒化ガリウム内に発生する酸素含有物を有することができ、前記酸素内容物は、約１０ｐｐｍ（１００万分の１）未満、約１ｐｐｍ未満又は約０．１ｐｐｍ未満である。もちろん、他の変更、改変及び代替も可能である。
【００５２】
特定の実施形態によれば、熱アンモニア結晶成長のために、少なくとも１つの種晶が用いられ得る。いくつかの実施形態において、前記種晶は、窒化ガリウム単結晶である。前記種晶は、ウルツ鉱結晶構造を有し得る。前記種晶の転位密度は、約１０８ｃｍ−２未満、約１０７ｃｍ−２未満、約１０６ｃｍ−２未満、約１０５ｃｍ−２未満、約１０４ｃｍ−２未満、又は約１０３ｃｍ−２未満であり得る。前記種晶の大領域面は、ｃ面（０００１）及び／又は（０００−１）、ｍ面（１０−１０）、ａ面（１１−２０）又は半極性配向（例えば、｛１０−１−１｝又は｛１１−２２｝又はより一般的にブラヴェ−ミラー表記法によって指定されるようなは（ｈｋｉｌ）を持ち得る。ブラヴェ−ミラー表記法において、ｈ及びｋのうち少なくとも１つは非ゼロであり、ｌも非ゼロである。前記種晶は、非窒化ガリウム材料を含み得る（例えば、サファイア、炭化ケイ素、スピネルなど）。前記種晶は、少なくとも１つの窒化ガリウム膜を含み得る。前記少なくとも１つの窒化ガリウム膜は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、水素化物気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）又は液相エピタキシー（ＬＰＥ）によって成長され得る。いくつかの実施形態において、米国特許出願シリアル番号第６１／０９６，３０４号に記載のように、ヘテロエピタキシャルシード材料の前面及び後面双方が窒化ガリウム膜によってコーティングされる。同文献全体を参考のため援用する。好適な実施形態において、前記種晶の大領域表面の格子定数は、前記種晶上に成長されるバルク窒化ガリウム結晶の格子定数の１％、０．３％、０．１％、０．０３％、０．０１％、０．００３％又は０．００１％である。米国特許出願シリアル番号第６１／０８７，１３５号に記載のように、少なくとも２つの種晶がシードラック上に取り付けられ得る。同文献全体を参考のため援用する。
【００５３】
前記多結晶窒化ガリウム及び少なくとも１つの種晶は、内部が加熱された高圧装置内に配置されるオートクレーブ又はカプセルへと提供され得る。適切な高圧装置の例について、米国特許出願シリアル番号第１２／１３３，３６４号、１２／１３３，３６５号、６１／０７３，６８７号及び６１／０８７，１２２号中に記載があり、同文献全体を参考のため援用する。鉱化剤も前記オートクレーブ又はカプセルに提供される。前記鉱化剤は、ベース（例えば、アルカリ金属、アルカリアミド、アルカリイミド、アルカリアミドイミド、アルカリアジド、アルカリ窒化物、アルカリ土類金属、アルカリ土類アミド、アルカリ土類アジド、又はアルカリ土類窒化物のうち少なくとも１つ）を含み得る。前記鉱化剤は、酸（例えば、ハロゲン化アンモニウム、ハロゲン化水素、ハロゲン化ガリウム、又はガリウム金属、インジウム金属、アンモニア及びハロゲン化水素のうちの２つ以上の反応によって形成され得る化合物のうち少なくとも１つ）を含み得る。いくつかの実施形態において、前記鉱化剤は、２つ以上の金属成分、２つ以上のハロゲン成分及び／又は２つ以上の化合物を含む。アンモニアは、約５０％〜約９８％又は約６０％〜約９０％のパーセント充填率で提供されることができ、カプセル又はオートクレーブが封入される。前記カプセル又はオートクレーブを少なくとも約４００℃の温度及び少なくとも約１００メガパスカル（ＭＰａ）の圧力まで加熱して、少なくとも１つの種晶上に結晶成長を発生させる。結晶成長プロセスの更なる詳細について、米国特許出願公開第２００８／００８７９１９中に記載がある。
【００５４】
熱アンモニア的に成長された結晶ＩＩＩ族金属窒化物は、立方晶エンティティを実質的に含まないウルツ鉱構造によって特徴付けられることができ、前記熱アンモニア的に成長された結晶ＩＩＩ族金属窒化物の光吸収係数は、約３８５ナノメートル〜約７５０ナノメートルの波長において約３ｃｍ−１未満である。熱アンモニア的に成長された窒化ガリウム結晶は、長さが約５ミリメートルを越える結晶基板部材を有することができ、ウルツ鉱構造を有し、実質的に他の結晶構造を含まず、その他の構造は、前記実質的ウルツ鉱構造に対して約０．１容量％未満であり、不純物濃度は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｆ及びＣｌのうち少なくとも１つの１０１４ｃｍ−１よりも高いか、１０１５ｃｍ−１よりも高いか、又は１０１６ｃｍ−１よりも高く、約３８５ナノメートル〜約７５０ナノメートルの波長において光吸収係数は約２ｃｍ−１以下である。前記窒化ガリウム結晶の光吸収係数は、約３８５ナノメートル〜約７５０ナノメートルの波長において約０．５ｃｍ−１以下である。前記熱アンモニア的に成長された窒化ガリウム結晶はｎ型半導体であってもよく、キャリア濃度ｎは約１０１６ｃｍ−３〜１０２０ｃｍ−３であり、キャリア移動度η（単位：平方センチメートル／ボルト秒）については、ηの底１０に対する対数は約＝−０．０１８５５７ｎ３＋１．０６７１ｎ２−２０．５９９ｎ＋１３５．４９となる。前記熱アンモニア的に成長された窒化ガリウム結晶の抵抗は、約０．０５０Ω−ｃｍ未満、約０．０２５Ω−ｃｍ未満、又は約０．０１０Ω−ｃｍ未満であり得る。前記熱アンモニア的に成長された窒化ガリウム結晶はｐ型半導体であってもよく、キャリア濃度ｎは約１０１６ｃｍ−３〜１０２０ｃｍ−３であり、キャリア移動度η（単位：平方センチメートル／ボルト秒）については、ηの底１０に対する対数は約−０．６５４６ｎ＋１２．８０９となる。
【００５５】
別の特定の実施形態において、バルクＧａＮ基板を、フラックス法によって成長させてブールから調製する。適切なフラックス法について、米国特許第７，０６３、７４１号及び米国特許出願公開第２００６／００３７５２９号中に記載がある。同文献それぞれ全体を参考のため援用する。多結晶ＩＩＩ族金属窒化物及び少なくとも１つのフラックスを坩堝内に配置し、炉内に挿入する。前記炉を加熱し、前記多結晶ＩＩＩ族金属窒化物を溶融フラックス中において約４００℃を越える温度及び約１気圧を越える圧力にて処理する。処理中、前記多結晶ＩＩＩ族金属窒化物のうち少なくとも一部をエッチ除去し、少なくとも１つのＩＩＩ族窒化物結晶上に再結晶させる。更に別の特定の実施形態において、前記バルクＧａＮ基板を、ハイドライド気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）によって成長されたブールから調製する。もちろん、他の変更、改変及び代替も可能である。成長シーケンスを含む次の工程に関する更なる詳細について、本明細書全体及び以下により詳細に説明する。
【００５６】
特定の実施形態において、前記成長シーケンスは、少なくとも（１）ｎ型エピタキシャル材料と、（２）活性領域と、（３）電子ブロッキング領域と、（４）ｐ型エピタキシャル材料とを含む。もちろん、他の変更、改変及び代替も可能である。同様に、本方法の更なる詳細は、本明細書全体及び以下により詳細に記載される。
【００５７】
特定の実施形態において、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって大気圧においてエピタキシャル層を前記基板上に堆積させる。成長時におけるグループＶ前駆体（アンモニア）の流量のＩＩＩ族前駆体（トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、トリメチルアルミニウム）の流量に対する比は、約３０００〜約１２０００である。特定の実施形態において、厚さ５ミクロン未満及びドーピングレベル約２ｘｌ０１８ｃｍ−３でｎ型接点層（ケイ素ドープ）ＧａＮを前記基板上に堆積させる。
【００５８】
特定の実施形態において、複数の非ドープＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸（ＭＱＷ）を活性層として堆積させる。前記ＭＱＷ活性領域は、２〜２０周期を有し、２〜１２ｎｍのＩｎＧａＮ及び１〜２０ｎｍのＧａＮをバリア層として交互に含む。次に、５〜３０ｎｍの非ドープＡｌＧａＮ電子ブロッキング層を前記活性領域上に堆積させる。他の実施形態において、前記複数の量子井戸を若干異なる様態で構成することが可能である。もちろん、他の変更、改変及び代替も可能である。前記基板及びその結果得られるエピタキシャル表面配向は、極性、非極性又は半極性であり得る。１つ以上の他の実施形態において、バルクウエハは軸外構成であってもよく、その場合、１つ以上の平滑な膜が形成される。１つ以上の好適な実施形態において、前記上側を覆うエピタキシャル膜及び構造は、平滑な形態によって特徴付けられ、ピラミッド型ヒロックが比較的少ない。前記軸外構成及び表面形態の更なる詳細については、本明細書全体及び以下により詳細に記載される。しかし、一例として、前記オフカット実施形態の詳細について、「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ  ｏｆ  Ｎｏｎ−Ｐｏｌａｒ  Ｇａｌｌｉｕｍ  Ｎｉｔｒｉｄｅ  Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ」（Ｊａｍｅｓ  Ｒａｒｉｎｇら、米国シリアル番号第１２／４９７，２８９号；出願日：２００９年７月２日）に記載があり、同文献全体を参考のため援用する。
【００５９】
実施形態による、オフカット又はミスカット又は軸外基板を用いて平滑なエピタキシャル膜を形成する方法の概要を以下に示す。
１．ＧａＮ基板又はブールを提供する。
２．ＧａＮ基板に対して軸外ミスカットを行って、所望の表面領域を露出させるか、前記基板又はブールを処理（例えば機械的プロセス）して、軸外配向表面領域を露出させる。
３．ＧａＮ基板をＭＯＣＶＤプロセスチャンバ内に移動させる。
４．窒素ガス、水素ガス又はこれらの組み合わせから選択されたキャリアガスを提供する。
５．窒素支持種（例えばアンモニア）を提供する。
４．ＭＯＣＶＤプロセスチャンバの温度を成長温度（例えば７００〜１２００℃）まで上げる。
５．前記成長温度を所定の範囲内において維持する。
６．前記キャリアガス及び窒素支持種（例えばアンモニア）をＩＩＩ族前駆体（例えば、インジウム前駆体種トリメチルインジウム及び／又はトリエチルインジウム、ガリウム前駆体種トリメチルガリウム及び／又はトリエチルガリウム、及び／又はアルミニウム前駆体トリメチルアルミニウム）と前記チャンバ内において組み合わせる。
７．ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層、ＩｎＡｌＧａＮ層のうち１つ以上を含むエピタキシャル膜を形成する。
８．エピタキシャル窒化ガリウム膜の表面領域を形成させる。前記エピタキシャル窒化ガリウム膜は、ヒロック及び他の表面粗さ構造及び／又はフィーチャを実質的に含まない。
９．他のエピタキシャル膜に対して工程（７）及び（８）を繰り返して、１つ以上のデバイス構造を形成する。
１０．他の所望の処理工程を行う。
【００６０】
１つの特定の実施形態において、非極性配向（１０−１０）について、工程２におけるミスカット基板の表面配向は、（１０−１０）から（０００１）に向かって約０．１度だけ傾斜している。別の特定の実施形態において、工程２におけるミスカット基板の表面配向は、（１０−１０）から（０００１）に向かって約０．１度及び約０．５度だけ傾斜している。更に別の特定の実施形態において、工程２におけるミスカット基板の表面配向は、（１０−１０）から（０００１）に向かって約０．２度だけ傾斜している。更に別の特定の実施形態において、工程２におけるミスカット基板の表面配向は、（１０−１０）から（０００１）に向かって約１度〜約３度だけ傾斜している。
【００６１】
別の特定の実施形態において、工程２におけるミスカット基板の表面配向は、（１０−１０）から（１−２１０）に向かって約０．１度だけ傾斜している。別の特定の実施形態において、工程２におけるミスカット基板の表面配向は、（１０−１０）から（１−２１０）に向かって約０．１度〜約０．５度だけ傾斜している。更に別の特定の実施形態において、工程２におけるミスカット基板の表面配向は、（１０−１０）から（１−２１０）に向かって約０．２度〜約１度だけ傾斜している。更に別の特定の実施形態において、工程２におけるミスカット基板の表面配向は、（１０−１０）から（１−２１０）に向かって約１度〜約３度だけ傾斜している。
【００６２】
上記の一連の工程により、本発明の実施形態による方法が得られる。特定の実施形態において、本発明は、方法及びその結果得られる結晶性エピタキシャル材料を提供する。前記結晶性エピタキシャル材料が有する表面領域は、実質的に平滑でありかつヒロックなどを含まず、これにより向上したデバイス性能が得られる。上記において軸外表面構成について説明したが、本明細書全体及び以下により詳細においてより詳細に説明した１つ以上の選択されたプロセスレシピを用いた軸上構成を含む他の実施形態も可能である。ことの追加、１つ以上のことの省略、又は異なる順序の１つ以上のことにより、本明細書中の請求の範囲から逸脱すること無く他の代替例も可能となる。
【００６３】
単なる一例として、いくつかの実施形態において、大気圧又は低圧において動作可能なＭＯＣＶＤツールを用いて、エピタキシャル成長領域のうち１つ以上の形成において、以下の一連のことが本方法において用いられ得る。
１．開始。
２．結晶性基板部材を提供する。前記結晶性基板部材は、後側領域及び表面領域を含み、オフカット又はミスカット又は軸外である。
３．基板部材をＭＯＣＶＤチャンバ内にロードする。
４．基板部材をサセプタ上に配置する。前記サセプタを前記チャンバ内に配置して、前記基板部材のオフカット又はミスカット又は軸外表面領域を露出させる。
５．前記表面領域を第１のフローへと露出させる（例えば、少なくともアンモニア含有種、ＩＩＩ族種及び第１のキャリアガスを含む１つ以上の前駆体ガスから導出されたもの）。前記露出は、前記表面領域に対して実質的に平行な第１の方向において行う。
６．前記表面領域の近隣において、第１の境界層を形成する。
７．第２のフロー（例えば、少なくとも第２のキャリアガスから導出されたもの）を第２の方向において提供する。前記第２の方向は、前記第１の境界層から第２の境界層への変化を発生させるように構成される。
８．前記結晶性基板部材の表面領域上に形成された結晶性材料の成長速度を増加させる。
９．結晶性材料成長を、ヒロック及び／又は他の欠陥を実質的に含まないように継続する。
１０．前駆体ガスの流れを停止して、結晶性成長を停止させる。
１１．他の工程の実行及び上記の繰り返しを所望に行う。
１２．停止。
【００６４】
上記一連の工程により、本発明の実施形態による方法が得られる。図示のように、前記方法においては、例えば、ＭＯＣＶＤを用いて結晶性材料膜を形成する方法などの工程の組み合わせを用いる。好適な実施形態において、本発明は、高品質の窒化ガリウム含有結晶性の形成のために、大気圧（例えば７００〜８００Ｔｏｒｒ）での成長を含む。前記高品質の窒化ガリウム含有結晶性膜は、平滑であり、かつ、デバイスの電気性能又は光学性能の低下（例えばドループ）の原因となるヒロック、ピラミッド型ヒロック及び他の欠陥を実質的に含まない。いくつかの実施形態において、マルチフロー技術が提供される。
【００６５】
図５−Ａは、本発明の実施形態による改善されたＧａＮ膜の作製方法の簡略化されたフロー図の一例である。本発明によれば、（工程５０３）において、後側領域及び表面領域を有する結晶性基板部材が提供される。前記結晶性基板部材は、窒化ガリウムウエハなどを含み得る。好適な実施形態において、前記基板は、バルク非極性（１０−１０）ＧａＮ基板である。
【００６６】
特定の実施形態において、本方法では、ＧａＮのミスカット又はオフカット結晶性基板部材又はブールが用いられるが、他の材料を用いてもよく、ミスカット又はオフカットを達成するプロセスの利用を暗示しない。本明細書中用いられる「ミスカット」という用語は、当業者が通常理解する意味を持つものとして解釈されるべきである。「ミスカット」という用語は、結晶面（例えば、ｃ面、ａ面）のうち任意の面に対する望ましくない様態でのカットを意味しない。「ミスカット」という用語は、低ミラー指数表面結晶面（例えば、非極性（１０−１０）ＧａＮ面）に対して又は低ミラー指数表面結晶面（例えば、非極性（１０−１０）ＧａＮ面）の近隣において若干傾斜した表面配向を意味する。他の実施形態において、前記ミスカット表面配向は、半極性配向（例えば、（１０−１−１）面のファミリ、（１１−２２）面のファミリ、｛２０〜２１｝面のファミリ又は｛３０−３１｝面のファミリ）の近隣であるが、他のものもあり得る。更に、「オフカット」という用語は、ミスカットと類似の意味を意図するが、他の変更、改変及び代替もあり得る。更に他の実施形態において、前記結晶性表面面は、ミスカット及び／又はオフカットではなく、機械的及び／又は化学的及び／又は物理的プロセスを用いて、本明細書中に明示的及び／又は暗示的に記載される結晶性表面のうち任意の１つを露出させるように、構成され得る。特定の実施形態において、「ミスカット」及び／又は「オフカット」及び／又は「軸外」という用語は、少なくとも１つ以上の方向及び対応する大きさによって特徴付けられるが、他の変更、改変及び代替もあり得る。
【００６７】
図示のように、前記方法は、前記基板部材をＭＯＣＶＤチャンバ内に配置又はロードすること（工程５０５）を含む。特定の実施形態において、前記方法は、１つ以上のキャリアガスを供給し（工程５０７）、１つ以上の窒素支持前駆体ガスを供給する（工程５０９）。以下、これらについてより詳細に説明する。１つ以上の実施形態において、前記結晶性基板部材を後側からサセプタ上に配置して、前記基板部材の表面領域を露出させる。前記サセプタは、好適には、抵抗要素又は他の適切な技術を用いて加熱される。特定の実施形態において、前記サセプタを約７００〜約１２００℃の成長温度まで加熱する（工程５１１）。しかし、他も可能である。
【００６８】
特定の実施形態において、本方法は、前記結晶性基板の表面領域を第１の方向において第１のフローに露出させることを含む。前記第１の方向は、実質的に前記表面領域に平行である。特定の実施形態において、前記方法において、前記表面領域の近隣に第１の境界層を形成する。特定の実施形態において、前記第１の境界層の厚さは約１ミリメートル〜約１センチメートルであるが、他も可能である。本方法の更なる詳細について、以下に説明する。
【００６９】
実施形態に応じて、好適には、１つ以上の前駆体ガス（例えば、少なくともアンモニア含有種、ＩＩＩ族種、第１のキャリアガス、及び可能な他のエンティティ）からフローを導出する（工程５１３）。アンモニアは、特定の実施形態においてグループＶ前駆体である。他のグループＶ前駆体を挙げると、Ｎ２がある。特定の実施形態において、前記第１のキャリアガスは、水素ガス、窒素ガス、アルゴンガス、他の不活性種、又はこれらの組み合わせを含み得る。特定の実施形態において、前記ＩＩＩ族前駆体は、ＴＭＧａ、ＴＥＧａ、ＴＭＩｎ、ＴＭＡｌ、ドーパント（例えば、Ｃｐ２Ｍｇ、ジシラン、シラン、ジエチル亜鉛、鉄、マンガン又はコバルト含有前駆体）及び他の種を含む。単なる一例として、ミスカット／オフカット／基板表面構成、前駆体、及びキャリアガスの好適な組み合わせを以下に示す。
ｃ面（０００１）に向かって−０．６度以上又は好適には−０．８度以上（及び１．２度未満）の大きさで構成された非極性（１０−１０）ＧａＮ基板表面
キャリアガス：Ｎ２及びＨ２の任意の組み合わせ（好適には全てＨ２）
グループＶ前駆体：ＮＨ３；ＩＩＩ族前駆体：ＴＭＧａ及び／又はＴＥＧａ及び／又はＴＭＩｎ及び／又はＴＥＩｎ及び／又はＴＭＡｌ；並びに
任意のドーパント前駆体：ジシラン、シラン、Ｃｐ２Ｍｇ；
又は
非極性ＧａＮ基板（オフカット又はミスカット無し）、
キャリアガス：全てＮ２；グループＶ前駆体：ＮＨ３；ＩＩＩ族前駆体：ＴＭＧａ及び／又はＴＥＧａ及び／又はＴＭＩｎ及び／又はＴＥＩｎ及び／又はＴＭＡｌ；並びに
任意のドーパント前駆体：ジシラン、シラン、Ｃｐ２Ｍｇ。
【００７０】
実施形態に応じて、前記方法はまた、エピタキシャル結晶性材料成長を継続する（工程５１５）。前記エピタキシャル結晶性材料成長は、実質的に平滑であり、ヒロック又は他の欠陥を含まない。特定の実施形態において、前記方法はまた、前駆体ガスのフローを停止して、成長の停止及び／又は他の工程の実行も行い得る。特定の実施形態において、前記方法は、工程５１７において停止する。好適な実施形態において、本方法により、結晶性材料を含む窒化ガリウムが形成される。前記窒化ガリウムの表面領域は、結晶品質の低下及びデバイス性能への悪影響の原因となり得るヒロック及び他の欠陥を実質的に含まない。特定の実施形態において、前記結晶性材料の表面積のうち少なくとも９０％は、ピラミッド型ヒロック構造を含まない。
【００７１】
上記一連の工程により、本発明の実施形態による方法が得られる。図示のように、前記方法は、ＭＯＣＶＤを用いて結晶性材料膜を形成する方法を含む工程の組み合わせを用いる。好適な実施形態において、本発明は、高品質の窒化ガリウム含有結晶性膜の形成のために大気圧において行われるフロー技術を含む。前記高品質の窒化ガリウム含有結晶性膜の表面領域は実質的に平滑であり、ヒロック及び他の欠陥又は不完全性を含まない。上記一連の工程により、本発明の実施形態による方法が得られる。特定の実施形態において、その結果得られる結晶性材料は、実質的にヒロックを含まず、これにより、向上したデバイス性能が得られる。
【００７２】
１つ以上の実施形態において、厚さ約２００ｎｍ及び約５×１０１７ｃｍ−３を越えるホール濃度のｐ型ＧａＮ接触層が堆積される。抵抗接点層がｐ型接点として前記ｐ型接点層上に堆積され、所望の特性が得られるようにアニールされる。抵抗接点層は、Ａｇ系の単一層接点又は多層接点、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）系接点、Ｐｄ系接点、Ａｕ系接点などを含む。サイズが約２５０ｘ２５０μｍ２のＬＥＤ手段が、塩素系誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）技術を用いて、フォトリソグラフィー及びドライエッチングによって形成される。一例として、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕを、前記露出されたｎ−ＧａＮ層上に電子ビーム蒸着させて、ｎ型接点を形成する。Ｔｉ／Ａｕを前記ｐ型接点層の一部上に電子ビーム蒸着させて、ｐ接触パッドを形成し、技術（例えば、レーザースクライブ及びブレーク、ダイヤモンドスクライブ及びブレーク、鋸切断、水ジェット切断、レーザアブレーションなど）を用いて前記ウエハをダイシングして別個のＬＥＤダイを得る。従来のダイ取り付け及びワイヤボンディング工程により、電気接続を形成する。
【００７３】
図６は、本発明の実施形態による電気接続を備えた高電流密度ＬＥＤ構造を示す簡略化された図である。この図は単なる例示であり、本明細書中に記載の請求項の範囲を過度に限定するものではない。当業者であれば、他の変更、改変及び代替を認識する。図示のように、前記ＬＥＤ構造は、特定の実施形態によるトップ発光横方向導電型高電流密度ＬＥＤとして特徴付けられる。好適には、前記ＬＥＤ構造は、少なくとも以下を含む。
１．極性、半極性又は非極性の表面配向を含むバルクＧａＮ基板。
２．厚さが約１ｎｍ〜約１０μｍのｎ型（Ａｌ）（Ｉｎ）ＧａＮエピタキシャル層（単数又は複数）であって、ドーパント濃度が約１×１０１６ｃｍ−３〜約５×１０２０ｃｍ−３のもの。
３．複数のドープ及び／又は非ドープ（Ａｌ）（Ｉｎ）ＧａＮ活性領域層。
４．厚さが約１０ｎｍ〜約５００ｎｍのｐ型（Ａｌ）（Ｉｎ）ＧａＮエピタキシャル層（単数又は複数）であって、ドーパント濃度が約１×１０１６ｃｍ−３〜約１×１０２１ｃｍ−３のもの。
５．インジウムスズ酸化物及び酸化亜鉛などの適切な材料で構成された半透明のｐ型接点であって、厚さが約５ｎｍ〜約５００ｎｍのもの。
６．Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ又はこれらの金属の組み合わせ及びＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ又はこれらの金属の組み合わせなどの適切な材料で構成されたｎ型接点であって、厚さが約１００ｎｍ〜約７μｍのもの。
【００７４】
図７は、本発明の実施形態による基板発光横方向導電型（即ち、「フリップチップ型」）の高電流密度ＬＥＤデバイスの簡略化された図である。本実施形態において、前記ＬＥＤデバイスは、少なくとも以下を含む。
１．バルクＧａＮ基板、
２．ｎ型（Ａｌ）（Ｉｎ）ＧａＮエピタキシャル層（単数又は複数）、
３．複数のドープ及び／又は非ドープ（Ａｌ）（Ｉｎ）ＧａＮ活性領域層、
４．ｐ型（Ａｌ）（Ｉｎ）ＧａＮエピタキシャル層（単数又は複数）、
５．反射ｐ型接点、及び
６．ｎ型接点。
【００７５】
図８は、本発明の特定の実施形態による基板発光垂直導電型高電流密度ＬＥＤの簡略化された図である。。前記ＬＥＤデバイスは、少なくとも以下を含む。
１．バルクＧａＮ基板、
２．ｎ型（Ａｌ）（Ｉｎ）ＧａＮエピタキシャル層（単数又は複数）、
３．複数のドープ及び／又は非ドープ（Ａｌ）（Ｉｎ）ＧａＮ活性領域層、
４．ｐ型（Ａｌ）（Ｉｎ）ＧａＮエピタキシャル層（単数又は複数）、
５．反射ｐ型接点、及び
６．ｎ型接点。
【００７６】
図９は、本発明の実施形態による高電流密度ＬＥＤデバイスを含むパッケージ型白色ＬＥＤの簡略化された例である。特定の実施形態において、前記パッケージ型ＬＥＤデバイスは、少なくとも以下を含む。
１．高電流密度ＬＥＤデバイス、
２．カプセル材料又はレンズ材料であって、構成において赤色、緑色、青色、橙色、黄色発光又は他の色下方変換材料の組み合わせを含んでいても含んでいなくてもよく、これにより、前記下方変換材料が前記カプセル材料又はレンズ中に含まれる場合に白色光が生成されるカプセル材料又はレンズ、
３．前記ＬＥＤへの電気接続と、本発明から周囲環境への熱散逸経路とを提供するＬＥＤパッケージ。
【００７７】
パッケージ型デバイスの他の例について、本発明の譲受人によって共同所有される米国シリアル番号第６１／２４４，４４３号（出願日：２００９年９月２１日、名称「Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  Ｍｏｄｅ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  ｆｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｎｏｎ−Ｐｏｌａｒ  ｏｒ  Ｓｅｍｉｐｏｌａｒ  Ｇａｌｌｉｕｍ  Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」、Ｔｒｏｔｔｉｅｒら）に記載がある（アトーニードケット番号第０２７３６４−００７２００ＵＳ）。同文献を参考のため援用する。他の実施形態において、前記パッケージ型デバイスは、アレイ構成（例えば、本発明の譲受人に譲渡された「Ｗｈｉｔｅ  Ｌｉｇｈｔ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ」（Ｓｈｕｍ、シリアル番号第６１／３０１１９３号、出願日：２０１０年２月２日のもの）を含む。同文献を参考のため援用する。本ＬＥＤデバイスは、基板部材上に形成されたアレイ内に構成され得る。
【００７８】
図１０は、１つ以上の実施形態による発光波長が〜４０５ｎｍである非極性ＧａＮ上に作製されたＬＥＤについてのパルス出力電力対電流密度と外部量子効率対電流密度とを示す簡略化された図である。この図はひとえに例示であり、本明細書中に記載の請求項の範囲を過度に限定するものではない。当業者であれば、他の変更、改変及び代替を認識する。特筆すべきは、従来技術によって作製された従来ＬＥＤに比べて約４倍高い動作電流密度まで外部量子効率の低下が小さくなっている。他の例を図４−Ａに示す。
【００７９】
好適な実施形態において、前記デバイスは、高電流密度において動作するように構成された接触材料としてインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）を用いる。好適な実施形態において、前記高電流密度は２００ａｍｐｓ／ｃｍ２（例えば、５００ａｍｐｓ／ｃｍ２、又は更には１０００ａｍｐｓ／ｃｍ２以上）である。前記ＩＴＯ材料は、実質的に劣化が無く、欠陥も含まない。
【００８０】
動作条件下における前記ＬＥＤの接合温度は約１００℃よりも高く、しばしば約１５０℃よりも高く、又は更には約２００℃よりも高い。いくつかの実施形態において、前記ＬＥＤは、能動冷却の必要無く（また場合によっては受動冷却の必要無く）連続波（ＣＷ）モードで動作することができる。
【００８１】
他の実施形態において、本発明によれば、向上した信頼性のためのバルクガリウム及び窒素含有材料を用いたデバイス及び方法が得られる。即ち、前記バルクＧａＮ基板上での成長により、高電流密度における信頼性が向上する。これとは対照的に、他種基板上に成長された従来のＬＥＤは不完全であり、複数の欠陥を含む。ヘテロエピタキシャル成長に起因するこのような欠陥があると、デバイス寿命が制限され、その結果高電流密度での動作が不可能となると考えられる。１つ以上の実施形態によるＬＥＤは、同一の欠陥が発生しない。好適な実施形態において、寿命ウィンドウは、＞５００ｈｒｓＣＷ、＞１０００ｈｒｓＣＷ、＞２０００ｈｒｓＣＷ、＞５０００ｈｒｓＣＷなどである。
【００８２】
特定の実施形態において、本発明は、ＬＥＤ照明取付具及び交換用ランプも含む。一例として、これらの照明取付具の目的は、受容可能なレベルの光（合計ルーメン）を望ましい外観（色温度及びＣＲＩ）で且つ高効率（ｌｍ／Ｗ）で低コストで製造することである。これらの特性が全てあると望ましいが、典型的には、設計におけるトレードを考える必要が出てくる。その結果、上記要求のうち全てではなくいくつかが満たされない場合がある。本発明において、本発明者が提案するＬＥＤ取付具及びランプは、バルクＩＩＩ窒化物基板（例えばバルク窒化ガリウム基板）上に成長された発光ダイオードである。これらのＬＥＤは、他種基板（例えば、サファイア、炭化ケイ素、ケイ素、酸化亜鉛）上にヘテロエピタキシャル的に成長された従来のＬＥＤと比較したときに、驚くほど異なる性能特性を示す。これらのバルクＩｌｌ窒化物ＬＥＤが示す特性により、従来のＬＥＤにおいては現在不可能と考えられている、極めて異なるランプ／取付具設計が可能となる。
【００８３】
従来の光源、白熱電球、ハロゲン、蛍光灯、ＨＩＤなどは、良好に規定された標準特性を有する。このような標準化により、現在の技術の代替物として用いられることとなる光源を設計する際において、ＬＥＤランプから必要となる動作特性に関する高度の知識が得られる。市場においては極めて多種類の照明製品があるものの、ＬＥＤを用いた代替的ソリューションの盛んな研究対象となっている標準ランプ又は取付具が多く存在する。これらのランプ／取付具の例を非限定的に挙げると、Ａランプ、蛍光灯管、コンパクトＣＦＬ、多様なサイズの金属反射器（ＭＲ）、多様なサイズのパラボラ反射器（ＰＡＲ）、反射器電球（Ｒ）、単一型及び両端型の石英ハロゲン、枝付き照明、グローブ電球、ハイベイ、反射板、及びコブラヘッドがある。所与のランプの特性光出力は、ランプへの入力電力によって決定される。例えば、２０ＷのＭＲ−１６取付具は典型的には約３００ｌｍを発光し、３０ＷＭＲ−１６は４５０ｌｍを発光し、５０ＷＭＲ−１６は７００ｌｍを発光する。これらの取付具をＬＥＤソルーションと適切に交換するために、ランプをＭＲ１６ランプの幾何学的サイジングに適合させ、最低レベルの光束に到達させる必要がある。
【００８４】
これらの具体的指針があるのにも拘らず、エンドユーザが現行技術から乗り換えようという気になるような、所望の光束に到達しかつ匹敵するか又はそれ以上の発光効率に到達している、ＬＥＤによって設計された本当の意味での交換用ランプは相対的に少数である。上記の要求を満たさない製品は、極めて高価であるため、ほとんど採用に至っていない。このようなコストの大部分は、ＬＥＤランプが現行技術の光束及び発光効率に到達するためにに必要なＬＥＤ数に起因している。このような現状は、ＬＥＤにおいて高発光効率が多く報告されていのにも拘らず発生しており、また、このような発光効率は、別個のデバイスとして指定されたＳＳＬランプの場合はずっと低くなる。
【００８５】
図１１は、ＳＳＬユーザがＳＳＬ用途においてＬＥＤを用いた場合を想定して、典型的なＬＥＤの出力を下げた例を示す。これらのＬＥＤは典型的には、動作時の温度上昇、光損失、電気変換損失及び経時的なルーメン下落を考慮して、指定性能から出力を下げる必要がある。温度の関数として有効性及び全光束が低下した場合、極めて問題となる。なぜならば、典型的なランプ取付具における最小ヒートシンク容量と、エンドユーザが出力光束を上げようとして入力電流を上げた場合に発生する更なる熱とに起因して熱が発生するからである。
【００８６】
現在のＬＥＤランプにおける性能の制約の一例として、図１２は、米国エネルギー省によるＭＲ１６光ランプに対するキャリパー試験プログラムの一貫として測定された累積データを示す。図１２は、２０Ｗハロゲン電球の出力を再現するためには、ＬＥＤ相当物は、１３ｌｍ／Ｗを越える発光効率で少なくとも２７０ルーメンの光束を生成する必要があることを示す。結果を見ると、出力低下を行った場合でも、ほとんどの製品が現行ハロゲンの発光効率を越えており、１つの製品のみが、２０Ｗ  ＭＲ１６に相当する十分な全光束を生成している。加えて、この製品は、多数（＞４）の高出力ＬＥＤをＭＲ１６取付具内に取り付けることによってこの光束を達成しており、その結果、取付具のＬＥＤ接合活性領域は４ｍｍ２を越えている。前記ランプのコストは、前記ＬＥＤの接合活性領域の合計の増加と共に、ほぼ直線的に増加する。そのため、所望の全光束及び有効性を維持しつつ、所与のランプ内に設けられる前記ＬＥＤの活性接合領域合計を低減することが極めて望ましい。
【００８７】
ヘテロエピタキシャル的に成長された典型的なＬＥＤの場合、電流及び熱の「ドループ」に起因して、活性領域サイズを低減しつつ高光束を維持することは不可能である。ＬＥＤ内において電流密度が増加すると、相対効率が低下することが分かっている。この効果に起因して、相対放射効率〜１０Ａ／ｃｍ２における１００％から〜１００Ａ／ｃｍ２における５０％まで低下し得る。
【００８８】
ＬＥＤ放射効率は、ＬＥＤ接合温度の関数として低下することも分かっている。ＬＥＤ接合領域の低減と共に、熱流領域の低減に起因して、パッケージボンドに対するＬＥＤ熱抵抗が増加する。これに加えて、電流密度の増加と関連付けられた領域低減に起因して、上述したような放射効率低下が発生し、そのため、熱として散逸される出力よりも多くの出力が必要となる。本技術と比較したときの従来のＬＥＤデバイスの性能特性の更なる詳細について、以下に説明する。図示のように、本技術及びデバイスにより、単位面積あたりの光束が増加する。
【００８９】
本明細書中用いられる「ＧａＮ基板」という用語は、グループＩＩＩ窒化物材料（例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、又は、出発材料として用いられる他のＩＩＩ族含有合金又は組成）と関連付けられる。このような出発材料を挙げると、極性ＧａＮ基板（即ち、基板最大領域表面が名目上（ｈｋｌ）面（ｈ＝ｋ＝０）であり、ｌは非ゼロである基板）、非極性ＧａＮ基板（即ち、最大領域表面が約８０〜１００度の角度で上記した極性配向から約８０〜１００度で（ｈｋｌ）面（ｌ＝０）へと向かって配向され、ｈ及びｋのうち少なくとも１つが非ゼロである基板材料）、又は半極性ＧａＮ基板（即ち、最大領域表面が約＋０．１〜８０度又は１１０〜１７９．９度の角度で上記した極性配向から（ｈｋｌ）面（ｌ＝０）に向かって配向され、ｈ及びｋのうち少なくとも１つは非ゼロである基板材料）。
【００９０】
上記において特定の実施形態を詳しく説明しているが、多様な改変、代替構造及び均等物が用いられ得る。本明細書において、１つ以上の特定のガリウム及び窒素含有表面配向について記載したが、複数の面配向ファミリのうち任意の１つが利用可能であることが認識される。よって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって規定される。
【図１−Ａ】
2013505588.tif 000003
【図１−Ｂ】
2013505588.tif 000004
【図１−Ｃ】
2013505588.tif 000005
【図２】
2013505588.tif 000006
【図３】
2013505588.tif 000007
【図４】
2013505588.tif 000008
【図４−Ａ】
2013505588.tif 000009
【図５】
2013505588.tif 000010
【図５−Ａ】
2013505588.tif 000011
【図６】
2013505588.tif 000012
【図７】
2013505588.tif 000013
【図８】
2013505588.tif 000014
【図９】
2013505588.tif 000015
【図１０】
2013505588.tif 000016
【図１１】
2013505588.tif 000017
【図１２】
2013505588.tif 000018
【図１３】
2013505588.tif 000019
【図１４】
2013505588.tif 000020
【図１５】
2013505588.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成24年5月16日(2012.5.16)
【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】
表面領域を有するバルクガリウム及び窒素含有基板と；
前記表面領域上に形成された少なくとも１つの活性領域と；
前記活性領域を特徴付ける約１７５Ａｍｐｓ／ｃｍ２を越える電流密度と；
４０％を越える外部量子効率（ＥＱＥ）と
を含んだ発光ダイオードデバイス。
【請求項２】
前記バルクガリウム及び窒素含有基板は非極性配向における成長によって特徴付けられる請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記バルクガリウム及び窒素含有基板は少なくとも（１０−１−１）及び（１１−２２）を含む複数の半極性結晶面のうち少なくとも１つにおける成長配向によって特徴付けられる請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
３８５ｎｍ〜４２０ｎｍの発光波長によって更に特徴付けられる請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
４２０ｎｍ〜４６０ｎｍの発光波長によって更に特徴付けられる請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
４６０ｎｍ〜５２０ｎｍの発光波長によって更に特徴付けられる請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
５２０ｎｍ〜６００ｎｍの発光波長によって更に特徴付けられる請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
６００ｎｍ〜７００ｎｍの発光波長によって更に特徴付けられる請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
白色光発光を生成するように前記少なくとも１つの活性領域に動作可能に接続された少なくとも１つの蛍光体を更に含んだ請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
０．０１〜０．１ｍｍ２の接合領域を更に含んだ請求項１に記載のデバイス。
【請求項１１】
１ｍｍ２より大きい接合領域を更に含んだ請求項１に記載のデバイス。
【請求項１２】
連続波動作下において非冷却状態で動作する請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
１００Ｃを越える接合温度を更に含んだ請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記バルクガリウム及び窒素含有基板は約１０６ｃｍ−２を下回る表面転位密度を有し、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｆ及びＣｌのうち少なくとも１つの不純物濃度が約１０１４ｃｍ−１を越える請求項１に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記バルクガリウム及び窒素含有基板は、約３８５ナノメートル〜約７５０ナノメートルの波長において約２ｃｍ−１以下の光吸収係数を有する請求項１に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記バルクガリウム及び窒素含有基板は約０．０５０Ωｃｍ未満の抵抗を有している請求項１に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの活性領域の第１の側部上に形成されたｎ型接点と、前記少なくとも１つの活性領域の第２の側部上に形成されたｐ型接点とを更に含み、これにより垂直導電型特性を形成する請求項１に記載のデバイス。
【請求項１８】
ｎ型接点領域を更に含み、前記ｎ型接点領域は、前記少なくとも１つの活性領域上に形成されたｐ型接点領域を形成するように空間的に配置されている請求項１に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの活性領域に少なくとも合わせて構成されたフリップチップパッケージを更に含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記少なくとも１つの活性領域においては除去された部分の成長が実質的に無い請求項１に記載のデバイス。
【請求項２１】
前記１つ以上の活性領域上に形成されたｐ型エピタキシャル領域を更に含み、前記ｐ型エピタキシャル領域は前記ｐ型エピタキシャル領域がパッケージの上側領域に対向するように前記パッケージ内に構成され、前記ガリウム及び窒素含有基板は実質的な除去部分と共に構成される請求項１に記載のデバイス。
【請求項２２】
前記電流密度が１７５ａｍｐｓ／ｃｍ２以上であるときの動作寿命が約５０００時間を越えることによって特徴付けられ、前記動作寿命は相対的光束が初期値の７０％を下回ったときに測定される請求項１に記載のデバイス。
【請求項２３】
非極性配向表面領域を有するバルクガリウム及び窒素含有基板と；
前記表面領域上に形成された少なくとも１つの活性領域と；
前記少なくとも１つの活性領域を特徴付ける約５００Ａ／ｃｍ２を越える電流密度と；
３８５〜４１５ｎｍの波長によって特徴付けられる発光と
を含み、
少なくとも前記バルクガリウム及び窒素含有基板及び前記少なくとも１つの活性領域を封入するパッケージを更に含み、
前記パッケージはワットあたりの熱抵抗が１５度以下である点によって特徴付けられる発光ダイオードデバイス。
【請求項２４】
発光ダイオードデバイスを動作させる方法であって、
表面領域を有するバルクガリウム及び窒素含有基板と前記表面領域上に形成された少なくとも１つの活性領域とを含む発光デバイスを提供することと；
前記少なくとも１つの活性領域の接合領域の電流密度が約１７５Ａｍｐｓ／ｃｍ２を越えるように前記光学デバイスを電流に供することと；
波長が３８５〜４１５ｎｍである電磁放射を出力することと
を含んだ方法。
【請求項２５】
４０％以上のＥＱＥを更に含んだ請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
約１００Ｃを越える温度において前記少なくとも１つの活性領域を維持することを更に含んだ請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
約１０００時間を越える期間にわたって前記発光ダイオードを動作させることを更に含んだ請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
表面領域を有するバルクガリウム及び窒素含有基板と；
前記表面領域上に形成された少なくとも１つの活性領域と；
前記１つ以上の活性領域を特徴付ける約１７５Ａｍｐｓ／ｃｍ２を越える電流密度と；
４０％以上の内部量子効率（ＩＱＥ）と；
約１７５Ａｍｐｓ／ｃｍ２を越える前記電流密度において約５０００時間を越える期間にわたって動作可能な寿命と
を含んだ発光ダイオードデバイス。
【請求項２９】
発光ダイオードデバイスを製造する方法であって、
表面領域を有するバルクガリウム及び窒素含有基板を提供することと；
前記表面領域上に第１のエピタキシャル材料を形成することと；
前記エピタキシャル材料上に少なくとも１つの活性領域を形成することであって、前記少なくとも１つの活性領域は電流密度が約１７５Ａｍｐｓ／ｃｍ２を越えように構成されることと；
前記少なくとも１つの活性領域上に第２のエピタキシャル材料を形成することと；
接触領域を形成することと
を含んだ方法。
【請求項３０】
表面領域を有するバルクガリウム及び窒素含有基板と；
前記表面領域上に形成された少なくとも１つの活性領域と；
前記少なくとも１つの活性領域を特徴付ける約１７５Ａｍｐｓ／ｃｍ２を越える電流密度と；
ロールオフが絶対効率において約５％未満である点によって特徴付けられる外部量子効率であって、最大値から動作電流密度が増加して前記最大値から所定の値へと変化する値として測定される外部量子効率と；
３９０〜４１５ｎｍの波長によって特徴付けられる発光と
を含み、前記所定の値は少なくとも１７５Ａｍｐｓ／ｃｍ２である発光ダイオードデバイス。
【請求項３１】
ＬＥＤを含む装置であって、前記ＬＥＤの累積ダイ表面積は約１ｍｍ２未満であり、少なくとも３００ルーメンを発光するように構成されている装置。
【請求項３２】
前記ＬＥＤはガリウム及び窒素含有材料から作製される請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記ガリウム及び窒素含有材料は半極性又は非極性配向において構成される請求項３２に記載のデバイス。
【請求項３４】
前記ＬＥＤの活性接合領域は約１ｍｍ２未満である請求項３１に記載のデバイス。
【請求項３５】
前記ＬＥＤは３９０〜４１５ｎｍの範囲における発光を含んでいる請求項３１に記載のデバイス。
【請求項３６】
前記ＬＥＤは４１５〜４４０ｎｍの範囲における発光を含んでいる請求項３１に記載のデバイス。
【請求項３７】
前記ＬＥＤは４４０〜４７０ｎｍの範囲における発光を含んでいる請求項３１に記載のデバイス。
【請求項３８】
前記ＬＥＤは、ＣＣＴが約５０００Ｋ未満であり且つＣＲＩが約７５を越える温白色発光において、ルーメン／活性接合領域が３００ｌｍ／ｍｍ２を越えることによって特徴付けられる請求項３１に記載のデバイス。
【請求項３９】
前記ＬＥＤは、ＣＣＴが約５０００Ｋ未満であり且つＣＲＩが約７５を越える温白色発光において、ルーメン／活性接合領域が４００ｌｍ／ｍｍ２を越えることによって特徴付けられる請求項３１に記載のデバイス。
【国際調査報告】
2013505588.tif 000022
2013505588.tif 000023