(57)【要約】  本発明は、α−Ａｌ２Ｏ３又はＳｉＣから成る半透明の基板と、この基板の第１の側に成長させた発光半導体材料から成る第１の層と、第１の電極及び第２の電極とを有する発光ダイオード（ＬＥＤ）であって、この基板が多結晶体であるＬＥＤに関する。多結晶基板の平均粒径サイズは、好ましくは、ＬＥＤの使用時に半導体材料によって発せられる光の波長と同じオーダーである。
2008501234.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性の又は半透明の基板と、前記基板の第１の側に成長させた発光半導体材料から構成される第１の層と、第１の電極及び第２の電極とを有する発光ダイオードであって、前記基板が多結晶体であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
前記基板が、多結晶α−Ａｌ２Ｏ３又は多結晶ＳｉＣである、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項３】
前記半導体材料が、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウム又はこれらの窒化物ＡｌＧａＩｎＮの組み合わせを有するグループから選択される、請求項１又は２に記載の発光ダイオード。
【請求項４】
前記多結晶基板の平均粒径が、発光ダイオードの使用時に前記半導体材料によって発せられる光の波長の２倍を下回り、好ましくは、１．５倍を下回り、より好ましくは、１．２倍を下回る、請求項１、２又は３に記載の発光ダイオード。
【請求項５】
前記多結晶基板の平均粒径が、４００ｎｍを下回り、好ましくは、３００ｎｍを下回り、より好ましくは、２００ｎｍを下回る、請求項１乃至４の何れか一項に記載の発光ダイオード。
【請求項６】
発光半導体材料から構成される前記第１の層がｎ型である、請求項１乃至５の何れか一項に記載の発光ダイオード。
【請求項７】
ｐ型の発光半導体材料から構成される第２の層が、前記ｎ型層の上に成長される、請求項６に記載の発光ダイオード。
【請求項８】
前記ｐ型層が、前記ｎ型層の表面の一部のみを覆う、請求項７に記載の発光ダイオード。
【請求項９】
前記第１の電極が、前記ｐ型層の表面に取り付けられ、前記第２の電極が、前記ｎ型層の前記表面に取り付けられる、請求項８に記載の発光ダイオード。
【請求項１０】
透光性の又は半透明の基板が供給され、発光半導体材料から構成される第１の層が、前記基板の第１の側に成長され、第１の電極及び第２の電極が、発光ダイオードに取り付けられる当該発光ダイオードを作製する方法であって、前記基板が多結晶体であることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透光性の又は半透明の基板と、この基板の第１の側に成長させた発光半導体材料から成る第１の層と、第１の電極及び第２の電極とを有する発光ダイオード（ＬＥＤ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
このようなＬＥＤは、特開２００２−３１９７０８号公報に記述される。従来技術では、ＧａＮ（窒化ガリウム）又は他の誘導体のような半導体材料は、半導体材料の格子定数に比較的近い格子定数をもつサファイア（単結晶のα−Ａｌ２Ｏ３）から成る基板上にエピタキシャル成長される。格子不整合が依然として大きいので、堆積された材料は、小さい（１０〜１００ｎｍ（ナノメートル））高品質のドメインを形成しがちであり、これらは、互いに対してねじれ傾いている。高密度の転位は、近隣の微粒子間における方向のずれを調節（accommodate，緩和）する。ＧａＮが高温で直接サファイアに堆積される場合、幾つかの粒子の優先的な成長のために、転位密度は非常に高く、表面形態は粗くなる。高温のＧａＮ層に続いて、低温のＧａＮ層が基板上に直接堆積される場合、この低温層は、高温薄膜のための核生成サイトを供給する。この低品質の低温層は、非常に大きい欠陥をもつので、高品質のＧａＮと基板との間における不整合のほとんどを調節し、より良好な高温のＧａＮ薄膜をもたらす。このような低温層は、バッファ層と呼ばれることが多い。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
サファイアは、可視光を透過させる特性をもち、ＧａＮ格子定数に適度に整合するので、基板材料として使用される。但し、その格子不整合は、依然として、（ある方向において）３０％を上回る量に達する。サファイアの使用に関する問題は、その価格、及び基板を所望の形態に形作る際の困難さである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明によれば、この基板は、多結晶材料から作製され、好ましくは、多結晶α−Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）又はＳｉＣ（シリコンカーバイド：Silicon Carbide）から作製される。このような多結晶材料は、比較的安価なやり方で準備され、いかなる所望の形態にでも容易に形作られることができる。従来技術によれば、単結晶の材料のみが、半導体層を成長させるのに適した出発点を提供すると信じられていたのにもかかわらず、驚くべきことに、許容可能なｎ型及びｐ型の半導体層が、多結晶アルミナ又はＳｉＣにおいても成長し得ることが分かった。更に、多結晶α−Ａｌ２Ｏ３又はＳｉＣの準備プロセスにより、基板に対する他のセラミック成分の組み合わせが可能になり、例えば、発光を操作することができるセラミックレンズ、又は高出力ＬＥＤにおけるヒートシンクとして使用されるべき高熱伝導率をもつセラミックス、金属若しくはサーメットなどが可能になる。
【０００５】
この半導体材料は、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウム又はこれらの窒化物（ＡｌＧａＩｎＮ）の組み合わせを有するグループから選択される。
【０００６】
多結晶基板の平均粒径は、好ましくは、ＬＥＤの使用時に半導体材料によって発せられる光の波長の２倍を下回り、より好ましくは、１．５倍を下回り、より一層好ましくは、１．２倍を下回る。多結晶基板の平均粒径は、好ましくは、４００ｎｍを下回り、より好ましくは、３００ｎｍを下回り、より一層好ましくは、２００ｎｍを下回る。多結晶α−Ａｌ２Ｏ３及びＳｉＣは、多結晶材料の平均粒径サイズが光の波長と同等である場合、又は少なくとも多結晶材料の平均粒径サイズが約２００ｎｍを下回る場合に、透明である特性をもつ。
【０００７】
発光半導体材料から成る第１の層は、好ましくは、ｎ型であり、ｐ型の発光半導体材料から成る第２の層は、好ましくは、このｎ型層の上に成長される。このｐ型層は、好ましくは、ｎ型層の表面の一部のみを覆い、このような構成では、第１の電極が、ｐ型層の表面に取り付けられ、第２の電極が、ｎ型層の覆われていない表面に取り付けられることができる。ある実施形態では、ｐ型層が、好ましくは、透光性のＮｉ−Ａｕ（ニッケル−金）ベースの層によって形成され、この層は第１の電極の一部になり得る。このＮｉ−Ａｕベースの層は、正孔拡散層としてだけでなく、ｎ型層との正孔注入接触部としての役割も果たす。更に、透光性のＮｉ−Ａｕベースの層によって形成されるＬＥＤの前方側に光を反射させるために、好ましくは、ミラーが基板の第２の側に取り付けられる。他の実施形態では、第１の電極が、透光性基板によって形成されるＬＥＤの前方側に光を反射させるミラーを形成する。
【０００８】
本発明は、更に、透光性の又は半透明の基板が供給され、発光半導体材料から成る第１の層が、この基板の第１の側に成長され、第１の電極及び第２の電極が、ＬＥＤに取り付けられる当該発光ダイオード（ＬＥＤ）を作製する方法であって、この基板が多結晶体である方法にも関する。
【０００９】
本発明は、図面を参照して実施形態の実施例によって示される。
【００１０】
但し、本発明の範囲内に入る多くの異なる構造及び変形形態が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
多結晶アルミナ（α−Ａｌ２Ｏ３）の準備自体は、「透明アルミナ：光散乱モデル」（J.Am.，セラミックス協会、第８６巻（第３号）、４８０〜４８６ページ、２００３年）という題名の文献に記述され、更に、国際公開第２００４／００７３９７号パンフレット及び国際公開第２００４／００７３９８号パンフレットにも記述され、これらの文献は本願明細書に参照によって組み込まれる。多結晶ＳｉＣの準備もそれ自体が知られており、本発明は多結晶アルミナが使用される実施例によって示されているけれども、多結晶Ｓｉｃが同じように使用されてもよい。
【００１２】
細かく（即ち、体積の平均直径が１５０ｎｍ以下の）及び十分にディスペンサブルな（dispensable）アルミナ微粒子から構成される粉末（例えば、大明化学工業のＴＭ−ＤＡＲ，住友化学のＡＫＰ５０）は、好ましくは、アルミナ微粒子のデアグロメレーション（例えば、湿式ボールミリング、超音波など）及び（例えば、硝酸（ＨＮＯ３）、ポリアクリル酸による）スタビリゼーションによって、水中に分散される。このアルミナ懸濁液は、（例えば、スリップキャスティング、ゲルキャスティングによって）予め決められた形状をもつ型に流し込まれ鋳造される。この成型技術は、非常に用途が広く、２次元及び３次元の複雑な形状の準備を可能にする。
【００１３】
乾燥及び脱型後に、焼結温度を実質的に下回る温度で（好ましくは、焼結温度を下回る少なくとも５００℃で）全ての望ましくない成分（例えば、スタビライザ）を取り除くために、多孔質アルミナ生成物が酸素内で焼成される。その後、この材料は、最終的に得られる密度が９７％〜９８％の間にあるような温度で、適切な焼結雰囲気（例えば、湿式水素、酸素）において焼結される。プロセスパラメータに依存して、上記温度は１１５０℃〜１３００℃の範囲に及ぶ。焼結後、残余の多孔性は、焼結温度の既述された範囲を僅かに下回るか、又は上記の範囲に等しい温度であって、１００℃を下回らない温度で、（好ましくは、１００ＭＰａ（メガパスカル）を上回る）適切な高圧下において、等温の熱間等方圧プレス（isothermal hot isostatic pressing）によって取り除かれる。
【００１４】
結果として生じる生成物は半透明であり、使用されるプロセスに依存して０．３〜０．８ミクロンにわたる平均粒径によって特徴づけられる。しかしながら、この生成物は、例えば、脱型プロセスのために、依然として粗い。従って、この生成物は、その材料の表面における光の散漫散乱が無視できるほどになるまで、機械的に又は化学機械的に研磨される必要がある。この度合いは、５〜１０ｎｍの範囲にあるＲａに該当する。代替例として、この生成物は、焼成プロセス後に懸濁コーティング又はスプレーされてもよく、それによって、面倒な研磨プロセスを不要にする。研磨ステップ時にもたらされた表面アーチファクトを除去するために、結果的に得られた研磨された透明材料を熱的にエッチングすることが好ましい場合もある。熱的エッチング動作のための温度は、適用された焼結温度を下回る０℃〜１５０℃の範囲にあるべきである。
【００１５】
その後、予め形成された半透明の多結晶アルミナ基板は、ＧａＮのような半電導性の発光材料を堆積させるためにダイとして使用され、この材料が発光ダイオード（ＬＥＤ）において使用される。この堆積プロセスは、２つの堆積モード、（例えば、５００℃の温度における）低温堆積モード及び（例えば、１０００℃の温度における）高温堆積モードから構成される。低温で堆積された材料は、不十分な結晶品質及び高い不純物濃度（例えば、酸素及び炭素）をもち、ＧａＮデバイス品質をもたない。このような材料は、バッファ層として使用される。１０００℃で成長させたＧａＮ薄膜は、たとえ意図的なドーピングを施さなくても、通常、約１０１６ｃｍ３の非常に僅かな不純物濃度をもつ（ｎは、低い１０１７ｃｍ３濃度範囲にある）。
【００１６】
図１及び図２は、上述されたプロセスによって準備されたＬＥＤの２つの実施形態の断面図であり、ここで、ＬＥＤは、ｎ型のＧａＮ半導体層２が成長される多結晶アルミナ基板１を有している。ｐ型のＧａＮ半導体層３は、ｎ型層２の表面の一部の上に成長される。このｐ型層は第１の電極４によって覆われ、ｎ型層２の残りの表面は第２の電極５によって覆われる。双方の電極４，５は、十分な電流拡散を供給するのに適している材料、例えば、Ｎｉ−Ａｕから、更に、ｎ型及びｐ型の半導体材料との適切な電気的接触を可能にする材料から、それぞれ、作製される。必要に応じて、このＬＥＤは、絶縁層６によって覆われる。ソルダーバンプ７が、サブマウント部（sub-mount）に置かれ得る電源の端末への接続のために、各々の電極４，５に取り付けられている。
【００１７】
各図面において、ＬＥＤの発光の経路は、矢印８によって示される。
【００１８】
図１の実施形態では、ｐ型層３によって発せられた光が、ＬＥＤの前方側に向かって電極４によって反射されるように、第１の電極４はミラーとしての役割を果たす。この前方側は、半透明基板１によって形成される。
【００１９】
図２の実施形態では、ｐ型層３によって発せられた光が、ＬＥＤの前方側に向かってミラー９によって反射されるように、ミラー９は基板１の反対側に取り付けられている。この前方側は、第１の電極４の薄い半透明層によって形成される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】ＬＥＤの第１の実施形態の概略的な断面図である。
【図２】ＬＥＤの第２の実施形態の概略的な断面図である。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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