(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型領域とｐ型領域との間に配される光放射層と、半導体構造の面内又は面上に形成される屈折率の変動部とを有する前記半導体構造と、前記光放射層により放射される光の通路に配される、剛性の凝集蛍光体粒子を有する発光セラミック層と、
前記光放射層により放射される光の通路に配される誘電体集光器とを有し、前記半導体構造からの光は、前記誘電体集光器の側面により反射されて、前記誘電体集光器の下部の大きな領域から前記誘電体集光器の上部の狭い領域を通って放射され、前記大きな領域から前記狭い放射領域へ光を放射するように前記屈折率の変動部を合わせることにより当該狭い放射領域からの光の輝度を増大させ、前記発光セラミック層は前記誘電体集光器により前記半導体構造から離隔されている、デバイス。
【請求項２】
前記デバイスの半導体層の全体の厚さが約１μｍより小さい、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記半導体構造と前記セラミック層との間に配される光バルブを更に有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記光バルブが誘電体積層、配布されたブラッグリフレクタ、ダイクロイックフィルタ、２次元光結晶及び３次元光結晶のうちの一つを有する、請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
屈折率の前記変動部が、あらかじめ決められた角度放射プロフィール内の光を放射し、前記光バルブが、前記あらかじめ決められた角度放射プロフィール内で放射されて前記光バルブに入射する主要な部分の光を透過する、請求項３に記載のデバイス。
【請求項６】
前記半導体構造から出る光の６０％より多い光が前記半導体構造の主表面に対する法線から円錐４５°内で放射され、前記円錐４５°内で放射される光の９０％より多い光が前記光バルブにより透過される、請求項５に記載のデバイス。
【請求項７】
前記セラミック層により放射される光の１０％より少ない光が前記光バルブにより透過される、請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記誘電体集光器がガラスレンズである、請求項１に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
これは、ここに参照により組み込まれるゲルド・オー・ミューラー等により２００４年６月３日に「光放射デバイスのための発光セラミック」というタイトルで出願された米国の出願番号１０／８６１，１７２の一部継続出願である。
【０００２】
本発明は、波長変換半導体光放射デバイスに関する。
【背景技術】
【０００３】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、光スペクトルの特定の領域にピーク波長を持つ光を生成できる良く知られた固体デバイスである。ＬＥＤは代表的には発光体、インジケータ及びディスプレイとして用いられる。伝統的に、最も効率的なＬＥＤは、光スペクトルの赤い領域にピーク波長を持つ光、すなわち赤い光を放射する。しかしながら、スペクトルの緑からＵＶまでの領域にピーク波長を持つ光を効率的に放射できるＩＩＩ価の窒化物ＬＥＤが開発されてきた。ＩＩＩ価の窒化物ＬＥＤは、従来のＬＥＤより著しく明るい出力光を出力できる。
【０００４】
加えて、ＩＩＩ価の窒化物デバイスからの光が、赤い光より短い波長を一般に持つので、ＩＩＩ価の窒化物ＬＥＤにより生成される光は、より長い波長を持つ光を生じるために容易に変換できる。第１のピーク波長（「主要な光」）を持つ光が、発光／蛍光として知られるプロセスを使用して、より長いピーク波長（「第２の光」）を持つ光に変換できることは、公知技術である。蛍光プロセスは、蛍光体のような波長変換物質により主要な光を吸収し、蛍光体物質の発光中心を刺激して、第２の光を放射することに関する。第２の光のピーク波長は、蛍光体物質に依存する。蛍光体物質のタイプは、特定のピーク波長を持つ第２の光を得るように選ばれる。
【０００５】
図１を参照して、米国特許６，３５１，０６９に記載されている従来技術の蛍光体ＬＥＤ１０が示される。ＬＥＤ１０は、活性するとき青い主要な光を生成するＩＩＩ価の窒化物ダイ１２を含む。ＩＩＩ価の窒化物ダイ１２は、リフレクタカップ・リードフレーム１４に配され、導線１６及び１８に電気的に結合される。導線１６及び１８は、電力をＩＩＩ価の窒化物ダイ１２へ伝える。ＩＩＩ価の窒化物ダイ１２は、波長変換物質２２を含む、しばしば透明な樹脂である、層２０によりカバーされる。層２０を形成するために利用される波長変換物質のタイプは、蛍光物質２２により生成される第２の光の所望のスペクトル分布に依存して、変えられる。ＩＩＩ価の窒化物ダイ１２及び蛍光層２０は、レンズ２４により封入される。レンズ２４は、透明なエポキシ又はシリコンで典型的にできている。
【０００６】
動作時、電力が、ダイを活性させるためにＩＩＩ価の窒化物ダイ１２に供給される。活性されるとき、ダイ１２はダイの上面から離れる主要な光を放射する。放射された主要な光の一部は、層２０の波長変換物質２２により吸収される。その後、波長変換物質２２は、主要な光の吸収に応じて第２の光、すなわちより長いピーク波長を持つ変換光を放射する。放射された主要な光の残りの吸収されていない部分は、第２の光とともに、波長変換層を通って伝送される。レンズ２４は、出力光として矢印２６により示される通常の方向に、吸収されていない主要な光及び第２の光を導く。よって、前記出力光は、ダイ１２から放射される主要な光と、波長変換層２０から放射される第２の光とから成る複合光である。可視の第２の光を放射する一つ以上の波長変換物質と結合する、ＵＶの主要な光を放射するダイの場合の様に、波長変換物質は主要な光がデバイスをほとんど又は全く出ないように構成される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＩＩＩ価の窒化物ＬＥＤは、高い電力及びより高い温度で動作されるので、層２０に使用される有機封入剤の透明度が劣化する傾向があり、デバイスの光取出効率を望ましくなく減少し、デバイスから放射される光の外観を潜在的に望ましくなく変えてしまう。米国特許６，６３０，６９１に説明されているような単一の結晶発光の基板上のＬＥＤデバイスの成長、米国特許６，６９６，７０３に説明されているような薄膜蛍光物質層、及び米国特許６，５７６，４８８に説明されているような電気泳動付着又は米国特許６，６５０，０４４に説明されているようなステンシル印刷により堆積する共形の層のような、波長変換物質の幾つかの択一的構造が提案されてきた。しかしながら、従来の解決案の１つの大きな不利な点は、蛍光体／封入剤システムの光学異質性であり、これは散乱を導き、潜在的に変換効率の損失を生じてしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施例によると、ｎ型領域とｐ型領域との間に配される光放射層と、半導体構造の面上又は内に形成される光結晶とを含む半導体構造が、光放射層により放射される光の経路に配されているセラミック層と結合される。前記セラミック層は、蛍光体のような波長変換物質から構成されるか又は当該物質を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、従来技術の蛍光物質変換半導体光放射デバイスを例示する。
【図２】図２は、セラミック蛍光物質層を含むフリップチップ半導体光放射デバイスを例示する。
【図３】図３は、結合されたホスト基板及びセラミック蛍光物質層を含む半導体光放射デバイスを例示する。
【図４】図４は、セラミック蛍光物質層のドーピング・プロフィールの例を示す。
【図５】図５は、複数のセラミック層を含む半導体光放射デバイスを例示する。
【図６】図６は、成形されたセラミック蛍光物質層を含む半導体光放射デバイスを例示する。
【図７】図７は、当該デバイス内のエピタキシャル層より広いセラミック蛍光物質層を含む半導体光放射デバイスを例示する。
【図８】図８は、セラミック蛍光物質層及び熱取出構造を含む半導体光放射デバイスを例示する。
【図９】図９は、成長基板を欠いている光結晶光放射デバイスの実施例の断面図である。
【図１０】図１０は、図９のデバイスの平面図である。
【図１１】図１１は、本発明の別の実施例を例示する。
【図１２】図１２Ａ〜１２Ｄは、図１１のデバイスの切り離された平面図である。
【図１３】図１３は、穴の平面格子を有する光結晶構造の平面図である。
【図１４】図１４は、図９のデバイスを組み立てる方法を例示する。
【図１５】図１５は、ホスト基板に結合する前のエピタキシャル構造を例示する。
【図１６】図１６は、ホスト基板にエピタキシャル構造を結合する方法を例示する。
【図１７】図１７は、ＩＩＩ価の窒化物エピタキシャル構造からサファイア基板を除去する方法を例示する。
【図１８】図１８は、成長基板除去の後に、エピタキシャル層を薄くするためのフォト電気化学的エッチングを例示する。
【図１９】図１９は、光結晶構造を形成する方法を例示する。
【図２０】図２０は、光結晶構造を形成する方法を例示する。
【図２１】図２１は、光結晶構造を形成する方法を例示する。
【図２２】図２２は、光結晶構造を形成する方法を例示する。
【図２３】図２３Ａ及び２３Ｂは、光結晶構造を形成する方法を例示する。
【図２４】図２４は、光結晶を含む半導体構造から離れて間隔を置く光バルブ及び発光セラミックを含むデバイスを例示する。
【図２５】図２５は、光結晶を含む半導体構造に付着した光バルブ及び発光セラミックを含むデバイスを例示する。
【図２６】図２６は、光結晶を含む半導体構造から離れて間隔を置く光バルブ、発光セラミック及びレンズを含むデバイスを例示する。
【図２７】図２７は、光結晶を含む半導体構造から離れて間隔を置くレンズとして成形される光バルブ及び発光セラミックを含むデバイスを例示する。
【図２８】図２８は、レンズにより光結晶を含む半導体構造から離れて間隔を置く光バルブ及び発光セラミックを含むデバイスを例示する。
【図２９】図２９は、レンズにより離された光バルブ及び発光セラミックを含み、光結晶を含む半導体構造に接続されたデバイスを例示する。
【図３０】図３０は、幾つかの入射角度で光バルブに当たる光に対する透過パーセント対波長のプロットである。
【図３１】図３１は、光結晶を含む半導体光放射デバイスから例えば放射される狭い放射パターンを例示する。
【図３２】図３２は、粗い面を含む半導体光放射デバイスから例えば放射されるランバート放射パターンを例示する。
【図３３】図３３は、ランバート光源から、及び狭い放射パターン源から光バルブに当たる光に対する透過パーセント対波長のプロットである。
【図３４】図３４は、さまざまな狭い放射パターンの光を放射する幾つかの光源から光バルブに当たる光に対する透過パーセント対波長のプロットである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
薄膜又は共形の蛍光物質層を持つ上述のデバイスは、蛍光物質層が壊れやすい傾向があるので、処理するのが困難である。本発明の実施例によると、蛍光体のような波長変換物質は、以下に「発光セラミック」と呼ばれるセラミックスラブに形成される。セラミックスラブは、一般に、半導体デバイスとは別に形成されて、その後完成した半導体デバイスに取り付けられるか、又は半導体デバイスのための成長基板として使われる、自立層である。セラミック層は、半透明であるか又は透明であり、共形の層のような不透明な波長変換層と関連する散乱損失を減らす。発光セラミック層は、薄膜又は共形の蛍光物質層より頑強である。加えて、発光セラミック層は固体であるので、レンズ及び２次の光学系のような固体の追加の光学素子と光学的接触を容易になす。
【００１１】
発光セラミック層へ形成される蛍光体の例は、黄緑色の範囲の光を放射するＬｕ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋及びＹ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋のような一般式（Ｌｕ１−ｘ−ｙ−ａ−ｂＹｘＧｄｙ）３（Ａｌ１−ｚＧａｚ）５Ｏ１２：ＣｅａＰｒｂ、ここにおいて、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ≦０．１、０＜ａ≦０．２及び０＜ｂ≦０．１と、赤の範囲の光を放射するＳｒ２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ２＋のような（Ｓｒ１−ｘ−ｙＢａｘＣａｙ）２−ｚＳｉ５−ａＡｌａＮ８−ａＯａ：Ｅｕｚ２＋、ここにおいて、０≦ａ＜５、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１及び０＜ｚ≦１とを持つアルミニウム・ガーネット蛍光体を含む。適切なＹ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋のセラミックスラブは、シャーロット、ＮＣのＢａｉｋｏｗｓｋｉインターナショナル社から購入される。例えば、ＳｒＳｉ２Ｎ２Ｏ２：Ｅｕ２＋を含む（Ｓｒ１−ａ−ｂＣａｂＢａｃ）ＳｉｘＮｙＯｚ：Ｅｕａ２＋（ａ＝０．００２−０．２、ｂ＝０．０−０．２５、ｃ＝０．０−０．２５、ｘ＝１．５−２．５、ｙ＝１．５−２．５、ｚ＝１．５−２．５）、例えばＳｒＧａ２Ｓ４：Ｅｕ２＋を含む（Ｓｒ１−ｕ−ｖ−ｘＭｇｕＣａｖＢａｘ）（Ｇａ２−ｙ−ｚＡｌｙＩｎｚＳ４）：Ｅｕ２＋、Ｓｒ１−ｘＢａｘＳｉＯ４：Ｅｕ２＋、例えば、ＣａＳ：Ｅｕ２＋及びＳｒＳ：Ｅｕ２＋を含む（Ｃａ１−ｘＳｒｘ）Ｓ：Ｅｕ２＋を含む、他の緑、黄色、及び赤の放射蛍光体もまた適している。
【００１２】
発光セラミックは、蛍光体粒子の面が軟化して溶解し始めるまで高圧で粉蛍光体を加熱することにより形成される。部分的に溶解する粒子は、粒子の剛性凝集物を形成するように一緒に固着される。光学的に不連続のない単一の大きな蛍光体粒子として光学的にふるまう薄膜と異なって、発光セラミックは、異なる蛍光体粒子の間のインターフェースに小さな光学不連続があるような、きつくパックされた個々の蛍光体粒子としてふるまう。よって、発光セラミックは、光学的にほぼ均質であって、発光セラミックを形成する蛍光体物質と同じ屈折率を持つ。樹脂のような透明な物質に配されている蛍光物質層又は共形の蛍光物質層とは異なり、発光セラミックは、蛍光体自体以外の（有機樹脂又はエポキシのような）結合剤物質を通常必要とせず、個々の蛍光体粒子の間で異なる屈折率のごくわずかな空間又は物質がほとんどない。結果として、発光セラミックは、共形の蛍光物質層とは異なり、透明又は半透明である。
【００１３】
発光セラミック層は、例えば、ウェハー結合、焼結、エポキシ又はシリコンのような既知の有機接着剤の薄い層で接着、高いインデックスの無機接着剤で接着、ゾルゲルガラスで接着することにより光放射デバイスに取り付けられる。
【００１４】
高いインデックスの接着剤の例は、ショットガラスＳＦ５９、ショットガラスＬａＳＦ３、ショットガラスＬａＳＦＮｌ８及びこれらの混合物のような高いインデックスの光学ガラスを含む。これらのガラスは、ＤｕｒｙｅａＰａのショットガラステクノロジー社から入手可能である。他の高いインデックス接着剤の例は、（Ｇｅ，Ｓｂ，Ｇａ）（Ｓ，Ｓｅ）カルコゲニドガラスのような高いインデックスのカルコゲニドガラス、限定はしないがＧａＰ、ＩｎＧａＰ、ＧａＡｓ及びＧａＮを含むＩＩＩ〜Ｖ半導体、限定はしないがＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ及びＣｄＴｅ（グループＩＶ半導体を含むＩＩ―ＶＩ半導体、限定はしないがＳｉ及びＧｅを含むグループＩＶ半導体及び化合物、有機半導体、限定はしないが酸化タングステン、酸化チタン、酸化ニッケル、酸化ジルコニウム、酸化インジウムスズ及び酸化クロムを含む金属酸化物、限定はしないがフッ化マグネシウム及びフッ化カルシウムを含む金属フッ化物、限定はしないがＺｎ、Ｉｎ、Ｍｇ及びＳｎを含む金属、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）、リン化物合成物、ヒ化物合成物、アンチモン化合物合成物、窒化物合成物、高いインデックスの有機化合物及びこれらの混合物又は合金を含む。高いインデックスの無機接着剤で接着することは、２０００年９月１２日に出願の出願シリアル番号第０９／６６０３１７号及び２００１年６月１２日に出願の第０９／８８０２０４号において更に詳細に説明されていて、これら両方とも参照によりここに組み込まれる。
【００１５】
ゾルゲルガラスで接着することは、米国特許６，６４２，６１８に更に詳細に説明されていて、これは参照によりここに組み込まれる。発光セラミックがゾルゲルガラスによりデバイスに取り付けられる実施例において、チタン、セリウム、鉛、ガリウム、ビスマス、カドミウム、亜鉛、バリウム又はアルミニウムの酸化物のような一つ以上の物質は、発光セラミック及び光放射デバイスのインデックスとガラスのインデックスとをより近接に整合するように、ガラスの屈折率を増大するために、ＳｉＯ２ゾルゲルガラスに含まれる。例えばＹ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋セラミック層は、約１．７５と１．８との間の屈折率を持ち、半導体光放射デバイスのサファイア成長基板に取り付けられ、このサファイア基板は約１．８の屈折率を持つ。接着剤の屈折率を、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋セラミック層及びサファイア成長基板の屈折率と合わせることが望ましい。
【００１６】
幾つかの実施例において、発光セラミックは、半導体光放射デバイスのための成長基板として役立つ。これは特にＩｎＧａＮのようなＩＩＩ価の窒化物光放射層でもっともらしく、これは格子不一致基板（例えば、サファイア又はＳｉＣ）上で成長でき、高めのずれ密度となるが、まだＬＥＤの高い外部量子効率を示している。よって、半導体光放射デバイスは、同様の態様で発光セラミック上で成長してもよい。例えば、金属有機化学気相成長又は他のエピタキシャル技術を使用して、ＩＩＩ価の窒化物核生成層は、概して低温（〜５５０°Ｃ）で、発光セラミック基板上に直接堆積される。その後、ＧａＮ（「バッファ」層）の厚めの層が、概して高めの温度で、ＩＩＩ価の窒化物核生成層上に堆積され、単一の結晶膜へと合体される。前記バッファ層の厚みを増大することは、全体のずれ密度を低減でき、層品質を改善できる。最後に、ｎ型及びｐ型層が堆積され、これらの間に光放射ＩＩＩ価の窒化物活性層が含まれる。ＩＩＩ価の窒化物成長環境（例えば、１，０００°Ｃより高い温度及びＮＨ３環境）に耐える能力は、成長基板として発光セラミックの選択を決定する。セラミックが多結晶であり、結果として生じるＩＩＩ価の窒化物層は単一の結晶であるべきなので、特別な追加の成長要件が適用されてもよい。例えば、上記の状況に対して、ＧａＮ成長を「リセット」し、セラミック粒配向効果がＩＩＩ価の窒化物デバイス層に広がることを回避するために、ＧａＮバッファ層内に複数の低温中間層を挿入することが必要である。これら及び他の技術は、格子不一致基板上の成長のための従来技術から知られている。例えば、適切な成長技術は、ゲッツ等の米国特許６，６３０，６９２に説明されていて、これは本願の譲受人に譲渡され、参照によりここに組み込まれる。
【００１７】
下記の例はＩＩＩ価の窒化物光放射ダイオードを参照するが、本発明の実施例が、ＩＩＩ価のリン化物及びＩＩＩ価のヒ化物のような他の物質システム並びに共振キャビティＬＥＤ、レーザダイオード及び縦型キャビティ面放出レーザのような他の構造のデバイスを含む他の光放射デバイスまで拡張してもよいことは理解されるべきである。
【００１８】
図２及び図３は、発光セラミック層を含むＩＩＩ価の窒化物デバイスを例示する。図２のデバイスにおいて、ｎ型領域４２は適切な成長基板４０の上で成長され、活性領域４３及びｐ型領域４４により後続される。成長基板４０は、例えば、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ又は他の適切な成長基板でもよい。ｎ型領域４２、活性領域４３及びｐ型領域４４の各々は、異なる組成物、厚み及びドーパント濃度の複数の層を含む。例えば、ｎ型領域４２及びｐ型領域４４は、活性領域４３内にキャリアを含むために最適化されるクラッド層と、オーミック接触のために最適化されるコンタクト層とを含む。活性領域４３は、単一の光放射層を含むか、又は障壁層により分離される複数の量子井戸光放射層を含んでもよい。
【００１９】
図２に図示されるデバイスにおいて、ｐ型領域４４及び活性領域４３の一部は、ｎ型領域４２一部を露わにするために、エッチング除去される。ｐコンタクト４５は、ｐ型領域４４の残りの部分上に形成され、ｎコンタクト４６はｎ型領域４２の露出部上に形成される。図２に図示される実施例において、光がデバイスから基板４０の裏面を通って取り出されるように、コンタクト４５及び４６は反射する。あるいは、コンタクト４５及び４６は、透明であるか又はｐ型領域４４及びｎ型領域４２の面の大きな部分がコンタクトによりカバーされないまま残るような態様で形成される。斯様なデバイスにおいて、光は、エピタキシャル構造の一番上の面、コンタクト４５及び４６が形成される面を通ってデバイスから取り出される。
【００２０】
図３に図示されるデバイスにおいて、エピタキシャル層は、ｐコンタクト４５を通ってホスト基板４９に接着される。結合を容易にする補助層（図示せず）が、ｐ型領域４４とホスト４９との間に含まれてもよい。エピタキシャル層がホスト４９に接着された後、成長基板はｎ型領域４２の面を露出させるために除去される。活性領域のｐ側に対するコンタクトは、ホスト４９を通じて供給される。ｎコンタクト４６は、ｎ型領域４２の一部の露出面上に形成される。光は、ｎ型領域４２の上面を通ってデバイスから取り出される。成長基板除去は、「光結晶光放射デバイス」というタイトルで、２００４年３月１９日に出願の出願シリアル番号第１０／８０４，８１０号において更に詳細に説明されていて、当該出願は本発明の譲受人に譲渡され、参照によりここに組み込まれる。
【００２１】
図２及び図３に図示されるデバイスにおいて、上述のセラミック層のような発光セラミック層５０は、光が取り出されるデバイスの面、図２の基板４０の後部及び図３のｎ型領域４２の上部に取り付けられる。セラミック層５０は、光がデバイスから取り出される面の上に形成されるか又は取り付けられてもよい。例えば、セラミック層５０は、図２に図示されるデバイスの側にわたって延在してもよい。図３は、活性領域４３からの光がセラミック層５０へ通ることができるが、セラミック層５０により放射される光を反射するフィルタ３０であって、セラミック層５０により放射される光が、デバイス５２に入力することを妨げられ、当該光がここでおそらく吸収されて失われるような、フィルタ３０を例示する。好適なフィルタの例としては、リヒテンシュタインのＵｎａｘｉｓＢａｌｚｅｒｓ社又はサンタローザ（カリフォルニア）のＯｐｔｉｃａｌＣｏａｔｉｎｇＬａｂｏｒａｔｏｒｙ社から入手可能なダイクロイックフィルタがあげられる。
【００２２】
発光セラミック層５０は、単一の蛍光体又は一緒に混ぜ合わせられる複数の蛍光体を含む。幾つかの実施例において、セラミック層のドーパントを活性させる量が、段階分けされる。図４は、発光セラミック層の段階的なドーピング・プロフィールの例を示す。図４の点線は、デバイス面を表す。デバイス面に最も近いセラミック層の部分の蛍光体は、最高のドーパント濃度を持つ。デバイス面からの距離が増大するにつれて、蛍光体のドーパント濃度は減少する。一定のドーパント濃度の領域を持つ線形ドーパントプロフィールが図４に示されるが、段階的なプロフィールが、例えば、ステップ段階的なプロフィール又はべき乗プロフィールを含む何れかの形状をとってもよいし、一定のドーパント濃度の領域がなくてもよいし複数含んでもよいことは理解されるべきである。そのほかに、幾つかの実施例では、デバイス面に最も近い領域が小さなドーパント濃度を持ち、デバイスからの距離が増大するにつれて濃度が増大するような、段階的プロフィールを逆転させることは有利であろう。幾つかの実施例では、デバイス面から最も遠いセラミック層の部分は、蛍光体又はドーパントを含まなくてもよいし、光取り出し用に成形されてもよい（以下に示すように）。
【００２３】
幾つかの実施において、デバイスは、図５に図示されるデバイスのように複数のセラミック層を含む。セラミック層５０ａは、例えば、図２及び図３に図示されるデバイスの何れかでもよいデバイス５２に取り付けられる。セラミック層５０ｂは、セラミック層５０ａに取り付けられる。幾つかの実施例では、２枚のセラミック層５０ａ及び５０ｂのうちの一方が、当該デバイスで使用されるすべての波長変換物質を含み、２枚のセラミック層のうちの他方は、透明でありデバイス５２に隣接するセラミック層である場合スペーサ層として使用され、デバイス５２から最も遠いセラミック層である場合光取り出し層として使用される。幾つかの実施例では、セラミック層５０ａ及び５０ｂの各々は、異なる蛍光体又は複数の蛍光体を含む。２つのセラミック層が図５に図示されているが、２つより多いセラミック層及び／又は２つより多い蛍光体を含むデバイスが本発明の範囲内であることは理解されるべきである。セラミック層５０ａ及び５０ｂの異なる蛍光体又はセラミック層５０ａ及び５０ｂ自体の取り合わせは、デバイスの複数の蛍光体間の相互作用を制御するように選ばれ、このことは、２００４年２月２３日に出願された出願シリアル番号Ｎｏ．１０／７８５，６１６にて説明されていて、当該出願は参照によりここに組み込まれる。セラミック層５０ａ及び５０ｂが図５のデバイス５２の上に積み重なって示されているが、他の配置も可能であって、本発明の範囲内である。幾つかの実施例では、一つ以上のセラミック層を含むデバイスは、図１に示される波長変換物質のような他の波長変換層、又は薄膜、共形の層、及び背景技術で説明された発光基板と組み合わされてもよい。発光でない透明なセラミック層は、例えば、活性ドーパントがない、発光セラミック層と同じホスト材料でもよい。
【００２４】
発光セラミック層の利点は、例えば増大した光取り出しのための所望な形状にセラミック層を、モールドし、グラインドし、機械加工し、ホットスタンプし、又は研磨する能力である。発光セラミック層は、一般に高い屈折率、例えばＹ３Ａｌ５Ｏ１２Ｃｅ３＋セラミック層に対して１．７５〜１．８を持つ。高いインデックスのセラミック層と低いインデックスの空気との間のインターフェースで全内反射を避けるために、前記セラミック層は、図６及び図７に図示されるように成形される。図６に図示されるデバイスにおいて、発光セラミック層５４は、ドームレンズのようなレンズに成形される。デバイスからの光取り出しは、図７にて図示されるように、ランダムに、又は例えばフレネルレンズ形状にセラミック層の上部を加工（テクスチャ）することにより、更に改善される。幾つかの実施例において、セラミック層の上部は、セラミック内に形成される穴の周期的な格子のような光結晶構造で加工されてもよい。成形されたセラミック層は、取り付けられるデバイス５２の面より小さいか又は同じサイズでもよいし、図６及び図７に図示されるように、取り付けられるデバイス５２の面より大きくてもよい。図７のようなデバイスにおいて、セラミック層がマウントされるデバイス５２の面より少なくとも２倍の長さの底部長を持つ成形されたセラミック層に対して、好ましい光取り出しが予期される。幾つかの実施例において、波長変換物質は、デバイス５２に最も近いセラミック層の部分に限られている。他の実施例において、図７に図示されるように、波長変換物質は、第１のセラミック層５０ａに供給され、その後第２の成形された透明なセラミック層５０ｂが取り付けられる。
【００２５】
幾つかの実施例において、一番上のセラミック層の面は、例えば、光放射デバイス及び一つ以上の波長変換層からの光が白色の光を形成するために混合するデバイスにおいて、光を混合するために必要な散乱を増大するために粗くされている。他の実施例では、充分な混合は、従来から知られているように、レンズ又は光ガイドのような２次的光学系により達成されてもよい。
【００２６】
発光セラミック層の他の利点は、セラミックの好ましい熱特性である。発光セラミック層及び熱取り出し構造を含むデバイスが、図８に図示される。図７のように、図８は、光取り出しのために成形される、透明な又は発光セラミック層５０ｂを含む。オプションの付加的な透明な又は発光セラミック層５０ａは、層５０ｂとデバイス５２との間に配される。デバイス５２は、例えば図２に図示されるようなフリップチップとしてサブマウント５８にマウントされる。図３のサブマウント５８及びホスト基板４９は、例えば、Ｃｕフォイル、Ｍｏ、Ｃｕ／Ｍｏ及びＣｕ／Ｗのような金属、オーミックコンタクトを持つＳｉ、及び例えばＰｄ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇの一つ以上を含むオーミックコンタクトを持つＧａＡｓのような金属コンタクトを持つ半導体、並びに圧縮されたダイヤモンドのようなセラミックでもよい。層５６は、セラミック層５０ｂをサブマウント５８に接続する熱伝導性材料であり、発光セラミック層５０ａ及び／又は５０ｂの温度を潜在的に低下させ、これにより光出力を増大する。層５６に適する物質は、上述のサブマウント物質を含む。図８に図示される配列は、ＳｉＣのような導電基板を持つフリップチップ・デバイスから熱を取り出すために特に有効である。
【実施例】
【００２７】
サファイア基板に結合されるセリウム・ドープ・イットリウム・アルミニウム・ガーネット・セラミック・スラブ拡散の例が、以下に挙げられる。
【００２８】
拡散結合されたＹＡＧサファイア複合物は、高い機械的強度及び優れた光学品質のため有利である。組成物範囲Ａｌ２Ｏ３及び３Ｙ２Ｏ３５Ａｌ２Ｏ３内のフェーズ線図イットリア―アルミナによると、他のいかなるフェーズも３３％のＡｌを持つ共晶（ｅｕｔｅｃｔｉｃｕｍ）を除いて存在しない。従って、焼結結合されたＹＡＧサファイア複合物は、ＹＡＧセラミック（ｎｉ＝１．８４）とサファイア基板（ｎｉ＝１．７６）との間の（共晶の）インターフェースで平均屈折率を持ち、よって、高品質光学的コンタクトが得られる。加えて、ＹＡＧ及びサファイアの同様の膨張係数（ＹＡＧ：６．９×１０−６Ｋ−１、Ａｌ２Ｏ３：８．６×１０−６Ｋ−１）のため、低い機械応力を持つ焼結結合されたウェハーが作られる。
【００２９】
拡散結合されたＹＡＧ：Ｃｅセラミックサファイア・ウェハーは、以下の通りに形成される。
【００３０】
ａ）ＹＡＧ：Ｃｅセラミックの製造：４０ｇのＹ２Ｏ３（９９．９９８％）、３２ｇのＡｌ２Ｏ３（９９．９９９％）及び３．４４ｇのＣｅＯ２が、１２時間、ローラーベンチ上でイソプロパノールの１．５ｋｇの高純度アルミナ・ボール（２ｍｍの直径）で粉に砕かれる。その後、乾燥前駆体粉が、ＣＯ雰囲気の下で２時間、１３００°Ｃで焼成される。その後、得られたＹＡＧ粉は、エタノールの下、プラネットボールミル（研磨器ボール）で塊が分解される。その後、乾燥した後にセラミック素地を得るために、セラミック泥漿がスリップキャストされる。その後、前記セラミック素地は、２時間１７００°Ｃで、黒鉛板間で焼結される。
【００３１】
ｂ）サファイア揺動及びＹＡＧ：Ｃｅセラミックの拡散結合：挽いて磨かれたサファイア及びＹＡＧウェハーは、単軸のホットプレス装置（ＨＵＰ）において拡散結合される。この目的のために、サファイア及びＹＡＧウェハーは、タングステン・フォイル（０．５ｍｍ厚）の間に積み重なって、黒鉛加圧ダイに置かれる。処理する速度を増大するため、幾つかのサファイア／ＹＡＧ：Ｃｅセラミック／タングステンフォイルスタックが同時に積み重ねて処理できる。
【００３２】
ＨＵＰ装置の排気の後、温度は、最初、外圧を印加することなく４時間以内に１７００°Ｃまで増大される。その後、３００バールの単軸の圧力が印加されて、２時間一定に保たれる。ドウェル時間の後、温度は、圧力を一定に保ちながら、２時間以内に１３００°Ｃまで下げられる。最後に、システムは、前記圧力を解除した後に、６時間以内に室温にクールダウンされる。
【００３３】
ｃ）焼結結合されたサファイアＹＡＧ：Ｃｅウェハーのポスト処理：焼結結合されたウェハーの表面の粉砕及び研摩の後、サンプルは、空気中１３００°Ｃで、２時間焼き戻され（加熱率：３００Ｋ／時間）、その後１２時間以内に室温にクールダウンされる。
【００３４】
本発明の幾つかの実施例において、光結晶は、ホスト基板に付着されるＩＩＩ価の窒化物デバイスのｎ型層に形成され、そこから成長基板が除去された。斯様なデバイスは、約２８０ｎｍと約６５０ｎｍとの間の光を放射し、また、通常約４２０ｎｍと約５５０ｎｍとの間の光を放射する。図９は、本発明の実施例の断面図である。図１０は、図９のデバイスの平面図である。図９に図示されるように、光結晶１２２は、ｐ型領域１１６よりもむしろｎ型領域１０８に形成される。他の実施例においてｎコンタクト６０がｎ型領域１０８の光結晶領域上に形成されるが、ｎコンタクト６０は、光結晶で加工されないｎ型領域１０８の領域上に形成される。光結晶がｎ型領域に形成されるので、ｎ型材料はコンタクト６０から光結晶１２２まで側面から電流を注入できる。光は、デバイスから光結晶１２２を通って取り出せ、よって、ｎコンタクト６０の配置は、光結晶の領域を最大にするように選択される。例えば、図１０に図示されるように、ｎコンタクト６０は、光結晶領域１２２−ｉを囲む。ｎコンタクト６０は、リングコンタクトに限られず、適当な電流拡散を促進する格子又は他の構造でもよい。光がｎコンタクト６０により吸収されることを回避するために、注入又は誘電体がｎコンタクト６０下のエピタキシャル物質上に用いられ、その領域の電流の流れ及び光発生を防止する。反射のｐコンタクト６２は、ｐ型領域１１６に形成される。図９のデバイスは、当該デバイスの対向し合う側に形成されるｐ及びｎコンタクトを持つ。ｐコンタクト６２は、直接、又はオプションの結合層６４を介して、エピタキシャル層７０をホスト基板６６に接続する。オプションのコンタクト６８は、デバイス層７０とは反対側のホスト基板６６の面上に形成される。
【００３５】
図１１及び図１２Ａ―１２Ｄは、本発明の別の実施例を例示する。図１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、及び１２Ｄは、それぞれ、図１１の断面図に図示される軸９０、９１、９２、及び９３に沿って切り離された平面図である。図１１のデバイスにおいて、ｐ及びｎコンタクト６２及び６０は、図９及び１０のデバイスのようなデバイスのホスト基板側にあり、一番上側のｎコンタクトによる光の吸収を排除する。一つ以上のバイア穴は、ｎコンタクト６０を作るために、ｐ型領域１１６及び活性領域１１２を通ってｎ型領域１０８までエッチングされる。ホスト基板構造４９は、ｐ及びｎコンタクトを電気的に絶縁するために、層構造で作られる。層構造の例は、図１２Ａ〜１２Ｄにより例示され、これらは図１１の軸９０、９１、９２、及び９３に沿ったホスト基板の平面図スライスを示す。前記ホスト基板の底部で正及び負のコンタクトが分離され、他の構造に容易にはんだ付けできるように、ｎ金属３０１及びｐ金属３０３は経路を定められる。ｎ金属３０１及びｐ金属３０３は、誘電体３０５により電気的に絶縁される。ＬＥＤの領域に依存して、一つ以上のｎコンタクトバイア穴は、充分な電流拡散を供給する必要がある。パターン化されたＬＥＤをパターン化されたホストに結合することは、フリップチップ結合機を使用して達成できる。
【００３６】
デバイスのエピタキシャル層をホスト基板に結合して、その後、成長基板を除去することによって、デバイスの光結晶構造がｎ型領域に形成できる。ｐ型領域よりはむしろｎ型領域の光結晶構造をエッチングすることは、ｐ型ＩＩＩ価の窒化物をエッチングすることに関連した型変換を回避する。また、エッチングからｎ型領域に導かれる空所は、物質の伝導率に影響を及ぼさない。加えて、ｎ型領域１０８の光子的構造がｐ型領域１１６及び活性領域１１２から離隔されるので、前記光子的構造をエッチングすることにより生じるこれらの領域への損傷が回避される。露出された一番上のｎ型層は、活性領域に最も近い光結晶の形成を可能にする。表面再結合が低い別の実施例において、光結晶は、活性領域及びｐ型領域に侵入してもよい。
【００３７】
別法として、エピタキシャル層をホストに結合して、その後、成長基板を除去するよりはむしろ、露出された一番上のｎ型領域を持つデバイスが、成長基板上に最初にｐ型領域を成長させ、その後活性領域及びｎ型領域を成長させることにより形成されてもよい。成長の困難さを無視すると、これは、エッチング損傷が懸念されないような、ちょうど図９のような面上のｎ型層を呈示するだろう。ｐ−ＧａＮ層に対するコンタクトは、メサをエッチングすることにより最初にｐ型層を露出させることにより、表面上に形成されなければならない。従って、電流は抵抗性ｐ型層に沿って横に広がらなければならず、高い動作電圧を持つデバイスを作成し、多くのアプリケーションで望ましくない結果となる。代わりに、基板がこの構造から除去できるので、動作電圧が高くない。これは、最初にホストに一番上のｎ型層を結合して、その後成長基板を除去することによりなされる。次に、最初の成長層を除去し、ｐ型領域を露出させるためにエッチングが実行される。その後、第２のホストとの第２の結合ステップが、現在露出されているｐ型層上に実行される。最初のホストは、光結晶形成のためｎ型領域を再露出させるために除去される。結果として生じる構造は、図９と同じである。
【００３８】
光結晶構造は、最大及び最低を交替させることで、ｎ型領域１０８の厚みの周期的変化を含むことができる。例は、穴１２２の平面格子（二次元の格子）又は格子（一次元の格子）である。前記格子は、穴の直径ｄ、最も近い隣同士の中心の間の距離を計量する格子定数ａ、穴の深さｗ、及び穴に配される誘電体の誘電率εｈにより特徴づけられる。パラメータａ、ｄ、ｗ及びεｈは、バンドの状態の密度、特に光結晶のスペクトルのバンドエッジでの状態の密度に影響する。よって、パラメータ、ｄ、ｗ及びεｈは、デバイスにより放射される放射パターンに影響して、デバイスから取出効率を強化するように選択できる。あるいは、適当な光結晶パラメータが選択されるとき、放射される光の放射パターンは狭くでき、ＬＥＤの放射輝度を増大する。これは、特定の角度だけの光が有効であるアプリケーションで有効である。一つの実施例において、光結晶パラメータは、デバイスを出る５０％を超える放射線がデバイスの面に対する法線に４５度の角度により定められる出口円錐内に放射されるように選択される。
【００３９】
穴１２２−ｉは、三角形、正方形、六角形、ハニカム、又は他の良く知られた二次元の格子のタイプを形成するように配列できる。幾つかの実施例では、異なる格子のタイプが、デバイスの異なる領域に形成される。穴１２２−ｉは、円形、正方形、六角形、又は他の横断面を持つことができる。幾つかの実施例では、格子間隔ａは、約０．１λと約１０λとの間、好ましくは約０．１λと約４λとの間であり、ここでλは、活性領域により放射される光のデバイスの波長である。幾つかの実施例では、穴１２２は、約０．１ａと約０．５ａとの間の直径ｄを持ち、ここでａは格子定数である。穴１２２−ｉは、空気、又はしばしば約１と約１６との間にある誘電率εｈのオプショナルの誘電体１１（図９）で満たされる。あり得る誘電体は、シリコン酸化物を含む。
【００４０】
光結晶１２２と反射ｐコンタクト６２からの光結晶の反射とは、ＧａＮ共振キャビティを形成する。前記共振キャビティは、光の優れた制御を提供する。ＧａＮキャビティが薄くなるにつれ、光学モードボリュームは低減される。光がデバイスを出る機会を増大するより小さい導波モードが、キャビティにトラップされる。これは、以下の考察で説明できる。光結晶は、当該結晶から導波モードを散乱させることにより、導波モードに影響を及ぼすことができる。導波モードの数が低減されるにつれて、ＬＥＤの光取り出しは、より効率的になる。例えば、エピタキシャル層が１つの導波モード（ｍ）だけをサポートするのに十分薄い場合、その時、まず最初に、５０％の光がＧａＮを出て（Ｌｏｕｔ）、５０％の光がエピタキシャル層に導波されるだろう（Ｌｉｎ）。この議論のために、この導波光（Ｓｅｆｆ）のさらに４０％を取り出すことができる光結晶を形成すると仮定する。取り出し効率（Ｃｅｘｔ）は、以下のように書ける：
Ｃｅｘｔ＝Ｌｏｕｔ＋ｍ＊（Ｌｉｎ＊Ｓｅｆｆ）
従って、この構造の取り出し効率は、５０％＋１＊（５０％＊４０％）＝７０％である。これを再びＳｅｆｆ＝４０％を持つ光結晶での４導波モードをサポートするエピタキシャル構造と比較する。光が等しくすべてのモードに入る場合、１つの出口モードを含む各モードは２０％の光を持つ。この構造は、２０％＋４＊（２０％＊４０％）＝５２％の取り出し効率を持つだけである。この議論において、光結晶は、１００％効率的に光を散乱して出すわけではない。幾つかの実施例において、光結晶は十分に深くエッチングされ、適当な格子の寸法を持つので、光子的バンド・ギャップが、導波モード（Ｓｅｆｆ＝１００％）を阻害するＬＥＤの面に作成される。エピタキシャル層が薄くなるほど、光子的バンドギャップを作ることが容易になる。キャビティの厚さ（すなわちエピタキシャル層７０の厚み）は、エピタキシャル層が導波モードの数を低減するためにできるだけ薄いが、効率的に電流を拡散するには十分厚いように選択される。多くの実施例において、エピタキシャル層７０の厚みは、約１μｍ未満、好ましくは約０．５μｍ未満である。
【００４１】
幾つかの実施例において、エピタキシャル層７０の厚みは約λと約５λとの間であり、４５０ｎｍの光を放射するデバイスに対しては約０．１８μｍと約０．９４μｍとの間である。穴１２２は、約０．０５λとｎ型領域１０８の全体の厚さとの間の深さを持つ。通常、穴１２２は、完全にｎ型領域１０８内で形成され、活性領域にまで入りこまない。ｎ型領域１０８は、約０．１ミクロン以上の厚さを通常持つ。穴１２２の深さは、活性領域に侵入することなく、できるだけ活性領域に近く穴１２２の底部を配置するように選択される。別の実施例において、光結晶は、活性層及びＰ型層に侵入する。
【００４２】
デバイスから放射される放射パターンは、格子のタイプ、活性領域と光結晶との間の距離、格子定数ａ、直径ｄ、深さｗ及びエピタキシャル厚み（７０）を変えることにより調整できる。格子定数ａ及び直径ｄは、図１３に図示される。幾つかの実施例において、放射パターンは、選択された方向に優先して光を放射するように調整される。
【００４３】
幾つかの実施例において、周期構造は、一つ以上の選択された半導体層の厚みの変化である。前記周期構造は半導体層の面内の一方向に沿った厚さの変化を含むが、変化のない第２の方向に沿って延在し、本質的に一組の平行溝を形成する。厚さの２次元の周期的変化は、くぼみのさまざまな格子を含む。
【００４４】
図９及び１０に図示されるデバイスは、図１４に図示される方法により組み立てられる。ステージ３１において、図９のエピタキシャル層７０は、従来の成長基板上で成長する。その後、前記エピタキシャル層は、ステージ３５で成長基板が除去できるように、ステージ３３でホスト基板に取り付けられる。エピタキシャル層はオプショナルのステージ３７において薄くされてもよく、その後光結晶構造が、ステージ３９でエピタキシャル層の露出面上に形成される。
【００４５】
図１５は、更に詳細に図１４のステージ３１を例示する。図２のデバイスのエピタキシャル層７０は、サファイア、ＳｉＣ又はＧａＮのような基板８０上で成長する。例えば、バッファ層又は核生成層を含むオプショナルの予備層８１は、適切な成長基板を供給するために、最初に基板８０上で成長する。その後、一つ以上のオプショナルのエッチストップ層８２が成長してもよい。エッチストップ層８２は、後述するように、成長基板の解除を容易にするか、又はエピタキシャル層を薄くすることを容易にする。エピタキシャル層７０は、エッチストップ層８２上で成長し、ｎ型領域１０８、活性領域１１２及びｐ型領域１１６を含む。通常、ｎ型領域が最初に成長し、活性領域及びｐ型領域が後続して成長する。しばしば反射タイプのｐコンタクト６２は、ｐ型領域１１６の面上に形成される。ｐコンタクト６２は、単一の層でもよいし、又はオーミックコンタクト層、反射層及びガード金属の層のような複数の層を含んでもよい。前記反射層は、通常銀又はアルミニウムである。前記ガード金属は、例えば、ニッケル、チタン又はタングステンを含む。前記ガード金属は、特に銀の反射層の場合、反射金属層が移動するのを防止し、エピタキシャル構造をホスト基板に結合するために用いられる接着層を結合層６４Ａに供給するように選ばれる。
【００４６】
図１６は、エピタキシャル層をホスト基板に取り付ける図１４のステージ３３を更に詳細に例示する。典型的には金属の結合層６４Ａ及び６４Ｂは、エピタキシャル構造とホスト基板との間の熱圧着又は共晶結合のための適合材料として役立つ。好適な結合層の金属の例には、金及び銀を含む。ホスト基板６６は、成長基板が除去された後、機械的支持をエピタキシャル層に供給し、電気的コンタクトをｐコンタクト６２に供給する。ホスト基板６６は、電気伝導性であって（すなわち約０．１Ωｃｍ未満）、熱伝導性であり、エピタキシャル層の熱膨張係数と整合する熱膨張係数（ＣＴＥ）を持ち、強いウェハー結合を形成するために十分に平坦（すなわち約１０ｎｍ未満の最小二乗平均粗さを持つ）であるように選択される。適切な物質には、例えば、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｃｕ／Ｍｏ及びＣｕ／Ｗのような金属、オーミックコンタクトを持つＳｉ、例えばＰｄ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇの一つ以上を含むオーミックコンタクトを持つＧａＡｓのような金属コンタクトを持つ半導体（図１６の層８６及び６８）、及び圧縮ダイヤモンドのようなセラミックを含む。下の表は、比較のためのＡｌ２Ｏ３及びＧａＮの特性だけでなく、幾つかの適切なホスト基板の特性をリストする。
0005746505.tif 000002
【００４７】
ホスト基板構造８９及びエピタキシャル構造８８は、結合層６４Ａと６４Ｂとの間の耐久性のある金属結合を形成するために、高い温度及び圧力で一緒にプレスされる。幾つかの実施例において、結合は、エピタキシャル構造を持つウェハーが個々のデバイスにダイスカットされる前に、ウェハー・スケールでなされる。結合のための温度及び圧力範囲は、結果として生じる結合の強さにより下限が、ホスト基板構造及びエピタキシャル構造の安定性により上限が制限される。例えば、高温及び／又は高圧は、構造８８のエピタキシャル層の分解、ｐコンタクト６２の層間剥離、例えばｐコンタクト６２における拡散バリヤの失敗、又はエピタキシャル層の部品物質のガス放出を生じ得る。適切な温度範囲は、例えば約２００°Ｃ〜約５００°Ｃである。適切な圧力範囲は、例えば約１００ｐｓｉ〜約３００ｐｓｉである。
【００４８】
図１７は、図１４のステージ３５で、サファイア成長基板を除去する方法を例示する。サファイア基板８０とＩＩＩ価の窒化層８５との間のインターフェースの部分が、ステップ及び繰り返しのパターンで高い流束量のパルス化された紫外レーザー７００に、サファイア基板を通って曝される。レーザーの光子エネルギーは、サファイア（幾つかの実施例ではＧａＮ）に隣接するＩＩＩ価の窒化層のバンドギャップを超え、よって、パルスエネルギーがサファイアに隣接するエピタキシャル物質の最初の１００ｎｍ以内で効率的に熱エネルギーに変換される。ＧａＮのバンド・ギャップより上で、サファイアの吸収端より下の光子エネルギー（すなわち約３．４４と約６ｅＶとの間）及び十分に高い流束量（すなわち約１．５Ｊ／ｃｍ２を超える）で、最初の１００ｎｍの範囲内の温度は、ナノセカンドのスケールで、１０００°Ｃまで上昇し、当該温度はＧａＮがガリウム及び窒素ガスに分離するために十分に高く、基板８０からエピタキシャル層８５を解放する。結果として生じる構造は、ホスト基板構造８９に結合されるエピタキシャル層８５を含む。
【００４９】
レーザパルスへの露出は、露出領域から外へ進む機械的衝撃波及び大きい気温勾配となり、エピタキシャル物質の割れ及びウェハー結合６４の失敗が生じるのに十分なエピタキシャル物質内の熱及び機械応力の結果となり、このことは基板除去プロセスの収率を制限してしまう。熱及び機械応力により生じる損傷は、ウェハー上の個々のデバイスの間に溝を形成するために、エピタキシャル構造を、サファイア基板まで又はエピタキシャル構造の適切な深さまでパターン化することにより低減される。前記溝は、ウェハーがホスト基板構造に結合される前に、従来のマスキング及び乾燥エッチング技術により形成される。その後、レーザー露出領域が、ウェハー上の溝のパターンと整合される。前記溝は、露出される半導体領域へのレーザパルスの影響を絶縁する。
【００５０】
サファイア以外の成長基板は、通常の化学腐食液で除去されてもよく、よって、上述のレーザー露出基板除去手順を必要としない。例えば、適切な成長基板は、Ｓｉ又はＳｉＯｘの厚い層上に成長又は処理されるＳｉＣの薄い層を含む。Ｓｉ基層及び／又は酸化物層は、従来のシリコン処理技術により容易に除去される。残っているＳｉＣ層は、既知のエッチング技術により完全に取り除かれるほど十分薄い。その後、ｎコンタクト６０が、エピタキシャル層の露出面上に形成される。あるいは、ｎコンタクト６０は、ＳｉＣ層の穴に形成されてもよい。
【００５１】
成長基板が除去された後、残っているエピタキシャル層は、光結晶とｐコンタクト６２との間に、最適な深さ及び均一な厚み、通常約２０ｎｍ未満の厚みバリエーションを持つキャビティを形成するために、オプションで薄くされてもよい。前記エピタキシャル層は、例えば、ケミカルメカニカルポリシング、従来のドライエッチング又はフォト電気化学的エッチング（ＰＥＣ）により薄くされてもよい。ＰＥＣが、図１８に図示される。
【００５２】
図１８にて図示されるように、ホスト基板及びエピタキシャル層（構造５３０）は、塩基性溶液５００に浸漬される。多くの他の適切な塩基性溶液が使用されてもよく、典型的にはエッチングされるべき物質の組成物に依存するが、適切な塩基性溶液の例は０．１ＭのＫＯＨである。構造５３０、しばしばｎ型ＧａＮ層のエピタキシャル面は、面層のバンド・ギャップより大きいエネルギーを持つ光を浴びる。図１８に図示される例では、約３６５ナノメートルの波長及び約１０と約１００ｍＷ／ｃｍ２との間の強度を持つ紫外線光が使用される。光への露出は、面半導体層の電子正孔対を生成する。ホールは、ｎ型半導体の電界の影響の下、エピタキシャル層の面を移動する。その後、ホールは、２ＧａＮ＋６ＯＨ−＋６ｅ＋＝２Ｇａ（ＯＨ）３＋Ｎ２という式にしたがって、ＧａＮ結合を断つために、塩基性溶液５００及び面でＧａＮと反応する。外部電位が、エッチング・プロセスを加速し制御するために、電極５１０と５２０との間に印加される。
【００５３】
幾つかの実施例において、図１４で上述されたように、エッチストップ層は、エピタキシャル層に組み込まれる。前記エッチストップ層は、エッチングされるべき層より大きいバンド・ギャップを持ってもよい。例えば、エッチングされた層はＧａＮであり、エッチストップ層はＡｌＧａＮである。構造５３０を露出させるために使用される光源は、エッチングされるべき層のバンド・ギャップより大きいが、エッチストップ層のバンド・ギャップより小さいエネルギーを持つように選択される。従って、光への露出は、エッチストップ層内の電子正孔対を生成せず、一旦エッチストップ層に達すると、エッチングを効果的に停止させる。幾つかの実施例において、ＩｎＧａＮが、エッチストップ層として使われる。ＩｎＧａＮが分解するにつれて形成されるインジウム酸化物は、エッチング液に不溶性で、エッチングされた層の面をコーティングして、エッチングを終わらせる。
【００５４】
図９に図示される実施例は光結晶領域及びコンタクト６０の下の領域内で同じ厚さを持つｎ型領域を示すが、幾つかの実施例において、三次元構造が、薄層化の間、ｎ型領域１０８上に形成されてもよい。例えば、コンタクト６０の下の部分がキャビティの厚さを最小化するために、光結晶を形成する部分より厚いようにｎ型領域１０８がパターン化される一方、適切な電流拡散、最適コンタクト抵抗及び機械的強度のためコンタクト６０の下に十分なｎ型物質を供給する。
【００５５】
薄層化の後、光結晶構造は、エピタキシャル層の露出面上に形成される。図１９−２２は、図９のデバイスの光結晶構造を製造する方法を例示する。図１９に図示されるように、一つ以上のレジスト、金属又は誘電層２０２は、エピタキシャル層の上面の上に形成される。レジスト層２０２は、電子ビーム・リソグラフィー、ナノインプリントリソグラフィー、深部Ｘ線リトグラフィ、干渉法リソグラフィー、ホットエンボシング又はミクロコンタクト印刷のような高解像度リソグラフィー技術を用いて、図２０の穴の格子を形成するためにパターン化される。図２１において、エピタキシャル層２００は、既知のエッチング技術を使用してエッチングされる。ドライエッチングにより生じる損傷は、後続の短い湿式化学エッチング、アニール、これらの組み合わせ又は他の面不動態化技術により緩和できる。その後、図２２において、残っているレジスト層２０２が取り除かれる。エピタキシャル横方向への過成長のような他の技術が、光結晶を形成するために用いられてもよい。図９に図示されるように、露出されたｎ形層の一部の面は、光結晶で加工されなくてもよく、ｎコンタクト６０が平坦層上に形成されてもよい。前記光結晶が形成された後、ｎコンタクト６０は従来の技術により堆積される。
【００５６】
図２３Ａ及び図２３Ｂは、光結晶を形成するための代替方式を例示する。成長基板を除去した後に光結晶をエッチングするよりはむしろ、埋設された光結晶が、エピタキシャル成長の間に形成される。図２３Ａでは、活性層が成長する前に、エピタキシャル成長は止められる。その後、光結晶は、例えば図１９―２２において上述されたようなエッチングにより、ｎ型領域１０８に形成される。その後、物質が成長反応器に入れ戻され、最初に、平坦化ｎ型層３１０、しばしばＧａＮが成長される。光結晶穴の深さは、当該穴の直径より大きい。平坦化層３１０の成長パラメータは、横方向の成長が垂直成長より急速であるように選択され、光結晶穴が埋められないことを確実にする。平坦化層３１０がｎ型領域１０８の光結晶穴の上に閉じられると、活性領域１１２及びｐ型領域１１６が成長される。その後、コンタクトがｐ型領域１１６上に形成され、成長基板が上述のように除去される。
【００５７】
図１７に図示されるプロセスにおいて、デバイスのウェハーはマウントのウェハーに接続され、その後、基板は取り除かれ、ウェハーは個々のデバイスへダイスカットされる。あるいは、基板が取り除かれる前に、デバイスのウェハーは個々のデバイスにダイスカットされてもよい。その後、各デバイスは成長方向に関係して反転され、マウントにマウントされ、その後、基板は個々のデバイスから取り除かれる。このような場合、前記マウントは、デバイスのものより大きい側方限界を持ってもよい。デバイスは、はんだ又は金のスタッドバンプのような相互接続により、前記マウント上にマウントされる。半導体層を支持し、基板除去の間にひびが入るのを妨げるためにマウントする前か後に、剛性のアンダーフィルが前記デバイスと前記マウントとの間に供給されてもよい。成長基板を除去した後に、光結晶は、半導体の露出面に形成される。光結晶を形成する前に、半導体構造は、例えばドライ又はウェットエッチングにより薄くされてもよい。
【００５８】
幾つかの実施例において、発光セラミックは、半導体構造の面上に、又は半導体構造内に屈折率の変動部を組み込んでいるデバイスと結合される。幾つかの実施例において、屈折率の変動部は、フィーチャのランダムな配列であり、各フィーチャの側方範囲は光放射層のピークの発光波長のだいたい２倍である。幾つかの実施例において、屈折率の変動部は、光放射層のピークの発光波長の２倍より大きな周期を持つフィーチャの周期的な配置である。幾つかの実施例において、屈折率の変動部は、光結晶である。例えば図９に示されるように、例えば光結晶は図３のｎ型領域４２に形成される。発光セラミック５０は、領域４２の光結晶に直接隣接して配されるか、又はオプショナルの介在構造３０により光結晶から離隔されてもよい。
【００５９】
図２４、２５、２６、２７、２８、及び２９は、光結晶、発光セラミック及び光バルブ４０６を持つ半導体構造を含むデバイスを例示する。光バルブ４０６は、しばしば、分散されたブラッグ反射体（ＤＢＲ）又はダイクロイックフィルタのような誘電スタック、２次元の光結晶、又は３次元の光結晶である。光バルブは活性領域（図２４の光子６００Ａ及び６００Ｂ）により放射される光子を透過し、発光セラミックにより変換された光子（光子６０１Ａ及び６０１Ｂ）を反射し、変換光子を半導体構造から離れるように向けて、デバイスからこれら（光子６０２Ａ、６０１Ｂ及び６０２Ｂ）を出させる。このように、光バルブは、変換された光子の吸収を半導体構造により防止し、潜在的にシステムの変換効率を増大する。
【００６０】
光バルブの面（０°）に対する法線の近くの角度で、光バルブのインタフェースにぶつかる半導体構造の活性領域により放射される光子（光子６００Ａ及び６００Ｂ）は透過され、光バルブの面に対してより高い角度で光バルブのインタフェースにぶつかる光子（光子６０５Ａ及び６０５Ｂ）は反射される。このように、光バルブの反射及び透過特性は、光バルブにぶつかる各光子の入射角度に依存する。光放射層と発光セラミックとの間に配置されるとき、光バルブは発光セラミックにより変換された光を反射し、半導体構造の方へ進ませる。
【００６１】
上述のように、一般の光バルブは、典型的には、屈折率が変わる交互の物質の複数の層を含む誘電スタックである。適切な誘電スタックの１つの例は、ＳｉＯ２及びＴｉＯ２の６つの対を含む。１つの好ましい実施例では、適切な誘電スタックは、できるだけ広い角度範囲に対して、半導体構造により放射される９０％を超える青い光を透過し、発光セラミックにより放射される９０％を超える黄色の光を反射する。
【００６２】
図３０は、カリフォルニアのサンノゼのＢｏｏｋｈａｍから入手可能な最新型の誘電スタックの角度依存性を例示する。この誘電スタックの透過率は、青い波長に対して、７０°未満の入射角度に対しては９０％より大きい。より高い入射角度では、誘電スタックは、青い波長の透過率が低くなる。黄色の波長の透過率は、７０°未満の入射角度に対して低い。
【００６３】
図３３は、２つのシステムに対する波長の関数として、全体の光（すなわち、全角度で放射される光の合計）の透過パーセントを例示する。図３３の実線は、ランバート・パターンの光を放射する半導体構造と組み合わされるとき、図３０に図示される光バルブを通る透過率を例示する。ランバート・パターンで放射される光の例は、図３２に示される。光が取り出される面が粗いＬＥＤは、ランバート・パターンの光を放射する。図３３に図示されるように、透過率は、透過率がハイからロウへ変化する（４６０−５５０ナノメートル）広範囲にわたる波長で、青（＜４６０ナノメートル）において高く、黄色（＞５５０ナノメートル）において低い。最善のパフォーマンスのために、透過波長（４６０−５５０ナノメートル）範囲の外側の波長で放射する半導体構造及び発光セラミックを選択することが必要である。遷移波長の範囲が広くなるほど、可能な半導体構造及び発光セラミックのプールは小さくなる。半導体放射波長及び発光セラミック放射波長が一緒に間近であることが望ましいので、光バルブの遷移波長範囲を制限することが好ましい。
【００６４】
図３３の点線は、狭い放射パターンの光を放射する半導体構造と組み合わされるときに、図３０に図示される光バルブを通る透過率を例示する。狭い放射パターンで放射される光の例は、図３１に示される。光結晶を含むＬＥＤは、狭い放射パターンの光を放射する。図３３の点線により示されるように、狭い放射パターンを放射するデバイスで透過率は、実線により示されるランバート・パターンの光を放射するデバイスより非常に狭い波長範囲上でハイからロウへ変化する。透過率がランバート・デバイスに対して変化する幅広い波長範囲は、システムの効率を望ましくなく低下させる。狭い放射パターン・デバイスに対する遷移の狭い波長範囲は、半導体放射波長及び発光セラミック放射波長のより大きいプールの効率的利用を許容する。発光セラミックで最高の変換効率を与える半導体放射波長が選択され、これはシステムの効率を増大し、放射波長の可能な範囲を増大する。
【００６５】
半導体構造の面内又は半導体構造内に形成される光結晶４０２からの発光である、角度発光は、特定の光バルブに対して調整できる。例えば、図３４は、４つの可能なＬＥＤデバイス、光が±３０°、±４５°、±６０°の狭い発光円錐内に放射されるデバイス、及び光がランバート・パターン（±９０°の発光円錐に対応する）で放射されるデバイスと組み合わされる誘電スタックからなる光バルブの性能を例示する。図３４から明らかなように、発光円錐が狭くなるほど、伝送がハイからロウへ変化する波長の範囲が小さくなる。伝送がハイからロウへ変化する波長の範囲を低減することは、デバイス、特に発光セラミックのような波長変換物質を含むデバイスの効率を改善する。
【００６６】
図２４−２９に図示されるデバイスの各々において、半導体構造は、図９に図示されるように、半導体構造の上面上の第１のコンタクトと、ホスト基板と半導体構造との間に配される第２のコンタクトとでホスト基板に接続されてもよく、又は図１１に図示されるように、半導体構造とホスト基板との間に配される両方のコンタクトでホスト基板に接続されてもよい。
【００６７】
図２４に図示されるデバイスにおいて、当該面に形成される光結晶４０４を含む半導体構造４０２は、ホスト４００に接続されている。光バルブ４０６は、例えば誘電スタック層を発光セラミック上に置くことにより、発光セラミック４０８に接続されている。光バルブ４０６及び発光セラミック４０８の組合せは、光が発光セラミック４０８の前に光バルブ４０６に当たるように、半導体構造４０２の光放射層から放射される光の経路に配される。光バルブ４０６は、例えば、エアギャップ４１０により、光結晶４０４を含む半導体構造４０２の面から離隔されてもよい。例えば、ギャップ４１０を維持するための構造が、光バルブ４０６と半導体構造４０２との間に配されてもよい。あるいは、光バルブ４０６及び発光のセラミック４０８は、第１のパッケージ素子、例えばカバー又はレンズと接続され、半導体構造４０２及びホスト４００は、第２のパッケージ素子、例えばマウントに接続されもよく、２つのパッケージ素子が一緒に接続されるとき、ギャップ４１０は光バルブ４０６と半導体構造４０２との間に維持される。図２４に示される光子６０１Ａ及び６０１Ｂで示されるように、発光セラミック４０８により半導体構造４０２の方へ後方散乱する光は、光バルブ４０６により反射される。
【００６８】
図２５に図示されるデバイスにおいて、光バルブ４０６は、図２４に示されるような発光セラミック４０８に接続されている。光バルブ４０６は、接着剤４１２の層により、半導体構造４０２の光結晶面に接続されている。接着剤４１２は、例えばマイクロメートルのオーダー、例えば約３ミクロンの厚みを持つシリコンの層である。前記シリコンは、接着剤４１２が半導体構造から放射される放射パターンの所望の変化を引き起こすか、又は放射パターンを著しく変えないように、特定の屈折率を持つように選択される。例えば、ＩＩＩ価の窒化物構造４０２は、約２．４の屈折率を持つ。前記構造に形成される光結晶４０４は、約２．０の屈折率を持つ。接着剤４１２は、１．３〜１．７の屈折率を持つように選択される。幾つかの実施例において、接着剤４１２は、少なくとも部分的に穴４０４を埋めるが、他の実施例では、そうではない。幾つかの実施例において、接着材層４１２は、放射パターン上の何れの効果も最小化するために薄く（例えば、１ミクロン未満に）保たれる。
【００６９】
図２５に示されるオプショナルのリフレクタ４０９は、図２４及び２５に示されるデバイスの発光セラミック４０８の上に配される。リフレクタ４０９は、光がデバイスの上部を通って出るのを防止する。リフレクタ４０９及び光バルブ４０６は、光が発光セラミック４０８の側部を通ってデバイスを出るだけであるように、導波路を作成し、側部放射デバイスに結果としてなる。リフレクタ４０９は、鏡面であるか又は拡散的であってもよい。好適な鏡面反射体の例は、酸化チタンのような無機若しくは有機物質の層を有するＤＢＲ、アルミニウム、銀若しくは他の反射する金属の層、又はＤＢＲ及び金属の層の組合せを含む。好適な拡散リフレクタの例は、適切な白色の塗料のような拡散物質又は粗い面上に堆積される金属を含む。他の適切なリフレクタは、上記のようにダイクロイックフィルタ、又は発光セラミック４０８の上面に形成される光結晶を含む。
【００７０】
図２６に図示されるデバイスにおいて、光バルブ４０６及び発光セラミック４０８は、図２４に図示されるように、半導体構造４０２から離隔される。光バルブ４０６及び半導体構造４０２は、図２４を参照して上述されたように振舞う。レンズ４１４は、発光セラミック４０８の上にマウントされてもよい。レンズ４１４の側面は、図２６に示される光線により図示されるように、入射光を反射し、当該入射光は最終的に上部４１５を通っていく。レンズ４１４は、大きな領域Ａ１から小さめの領域Ａ２までデバイスの放射領域を低減する。デバイスにより作られる光の総量は変わらないが、放射領域を低減することは、放射輝度が放射領域により分割されるパワーの関数であるので、より高い放射輝度デバイスとなる。図２６の領域Ａ１とＡ２との間の関係は、入射角θ（空気中で定められる）及びレンズの屈折率ｎとして、
Ａ２＝Ａ１ｓｉｎ２θ１／ｎ２
により決定される。誘電体集光器としても知られるレンズ４１４は、半導体構造により放射される放射パターンに対して最適化されてもよい。例えば、狭い放射円錐へ光を放射するように光結晶を合わせることは、領域Ａ１を低減させてもよくなり、これは領域Ａ２内の輝度を増大させる。
【００７１】
レンズ４１４は、光が全内反射により、又は側面に付与されるオプショナルの反射コーティングからの反射によって、側面から反射するような、ガラスレンズでもよい。代わりに、レンズ４１４は、空気で満たされる空間を閉じる反射側壁を含んでもよい。光は、上部の反射側壁の開口を通って出てもよい。レンズ４１４の上部面４１５は、光取り出しを増大するために、加工されるか粗くされてもよい。レンズ４１４は、エポキシ又はシリコンのような従来の接着剤により発光セラミック４０８と接続されてもよい。
【００７２】
図２７に図示されるデバイスにおいて、光バルブ４０６は、図２４のように、半導体構造４０２から離隔される。光バルブ４０６の上に配される発光セラミック４１６は、小さめの領域から光を放射するように成形される。発光セラミック４１６は、波長を変換し、半導体構造４０２により放射される光の放射領域を変える。代わりに、発光セラミック４１６は、所望の放射パターンを放射するために、例えばドームレンズ、又はフレネルレンズのような異なる形状に成形されてもよい。発光セラミック４１６は、光バルブ４０６に結合される前又は後に、所望の形状に成形されてもよい。
【００７３】
図２８に図示されるデバイスにおいて、光バルブ４０６は、発光セラミック４０８に結合される。前記光バルブ及び発光セラミックは、レンズ４１４により半導体構造４０２内の光結晶４０４から離隔されている。半導体構造４０２により放射される光は、レンズ４１４を介して小さめの領域から発光セラミック４０８へ放射される。図２６を参照して上述されたレンズ４１４は、図２５を参照して上述されたように、高いインデックスの接着剤により半導体構造４０２に接続されてもよい。
【００７４】
図２９に図示されるデバイスにおいて、ＤＢＲ４０６は、図２６を参照して上述されたように、レンズ４１４により発光セラミック４０８から離隔されている。ＤＢＲ４０６は、図２５を参照して上述されたように、高いインデックスの接着剤により半導体構造４０２の光結晶面に結合されてもよい。
【００７５】
好ましい光学システムは、ＬＥＤのような半導体光放射デバイス、誘電体スタックのような光バルブ、及び発光セラミックを持つ。幾つかの実施例において、ＬＥＤは、例えば光結晶、共鳴キャビティ、又は他の適切な表面加工若しくはチップ成形を含むことにより、所望の円錐内で大部分の光を放射するように構成される。発光セラミック波長は、ＬＥＤにより放射される光の少なくともいくらかを変換する。前記光バルブは、ＬＥＤから放射される大部分の光を通し、発光セラミックからの変換された光の大部分を反射する。ＬＥＤの放射パターンは、光がＬＥＤから発光セラミックへ効率的に取り出され、変換された光がＬＥＤから効率よく反射されて離れるように、光バルブの反射及び透過特性に合わせられる。上述の例は青い光を放射する半導体デバイスと、黄色、緑及び／又は赤の光を放射する発光セラミックとを参照するが、本発明の実施例は、白又は他の何れかの色の単色光を放射する何れの組み合わせも含んで、ＵＶからＩＲまでの何れかの色を放射する発光セラミック及び半導体構造まで拡がることは理解されるべきである。光バルブにおいての低い透過から高い透過への遷移は、図３３に図示されるように５００ｎｍぐらいに制限されず、所望の発光セラミック放射波長及び半導体放射波長に依存して、ＵＶからＩＲまでの如何なる波長でも起こり得る。増大した放射輝度のためにレンズは、システムの放射エリアを低減することと相まって使用できる。
【００７６】
本発明を詳細に説明してきたが、当業者は、本開示を与えることによりここで説明された本発明の要旨から逸脱することなく本発明の変形がなされることを理解するだろう。例えば、上述の種々異なるデバイスの異なる特徴が、省略されたり又は他のデバイスからの特徴と組み合わされてもよい。したがって、本発明の範囲は、図示され説明された特定の実施例に制限されることは意図されていない。
【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−１２Ｂ】
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【図１２Ｃ−１２Ｄ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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