(57)【要約】本明細書に説明される実施形態は、光子トンネル現象を促進するＬＥＤを含む。ＬＥＤ素子の一実施形態は、ある波長を有する光を生成するように適合される量子井戸層と、量子井戸層の第１の側にあるｐ−ドープ合金層と、量子井戸層の他方の側にあるｎ−ドープ合金層とを有し得る。また、素子は、ｐ−ドープ合金層に電気的に接続される電極と、ｎ−ドープ合金層に電気的に接続される電極とを含み得る。一実施形態によると、ｎ−ドープ合金層の厚さは、量子井戸層によって生成される光の波長未満であって、量子井戸層によって生成される光を媒体（例えば、空気）へと通過させる。別の実施形態では、層構造全体は、波長未満である厚さを有し得る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬＥＤ素子であって、
ＬＥＤ層構造であって、ある波長を有する光を生成するように適合される量子井戸層、該量子井戸層の第１の側にあるｐ−ドープ合金層、および該第１の側の反面の、該量子井戸層と媒体との間にある、該量子井戸層の第２の側にあるｎ−ドープ合金層とを備える、ＬＥＤ層構造と、
該ｐ−ドープ合金層に電気的に接続されている電極と、
該ｎ−ドープ合金層に電気的に接続されている電極と
を備えており、
該ｎ−ドープ合金層の厚さは、該量子井戸層によって生成される光を、該媒体を通過させるように、該波長より薄い、ＬＥＤ素子。
【請求項２】
前記量子井戸層と前記媒体との間にある、前記第２の側にある１つ以上の付加的な層をさらに備え、該１つ以上の付加的な層と前記ｎ−ドープ合金層との全体厚は、該量子井戸層が生成するように適合されている前記光の波長未満である、請求項１に記載のＬＥＤ素子。
【請求項３】
前記ｐ−ドープ合金層は、ｐ−ＧａＮであって、前記ｎ−ドープ合金層は、ｎ−ＧａＮである、請求項２に記載のＬＥＤ素子。
【請求項４】
前記量子井戸層の第２の側にある前記１つ以上の付加的な層は、前記ｎ−ＧａＮの表面上に配置される実質的に透明な金属層を備える、請求項３に記載のＬＥＤ素子。
【請求項５】
前記ＬＥＤ層構造は、前記量子井戸層の第１の側にある１つ以上の付加的な層をさらに備える、請求項３に記載のＬＥＤ素子。
【請求項６】
前記量子井戸層の第１の側にある前記１つ以上の付加的な層は、前記ｐ−ＧａＮ上に配置されるｐ−金属層を備える、請求項５に記載のＬＥＤ素子。
【請求項７】
前記ＬＥＤ層構造は、前記量子井戸層が生成するように適合されている光の波長より薄い、請求項６に記載のＬＥＤ素子。
【請求項８】
前記媒体は、空気である、請求項３に記載のＬＥＤ素子。
【請求項９】
前記ＬＥＤ層構造は、４６０ナノメートル未満の厚さである、請求項８に記載のＬＥＤ素子。
【請求項１０】
前記ＬＥＤ層構造に接合される基板をさらに備える、請求項３に記載のＬＥＤ素子。
【請求項１１】
前記ＬＥＤ層構造を支持し、前記電極を提供するサブマウントをさらに備える、請求項１に記載のＬＥＤ素子。
【請求項１２】
前記ｎ−ドープ合金層の表面上に配置される１つ以上の電気接点をさらに備える、請求項１に記載のＬＥＤ素子。
【請求項１３】
ＬＥＤ素子であって、
第１の電極および第２の電極を備えるサブマウントと、
ｎ−ＧａＮ層とｐ−ＧａＮ層との間に挟着される量子井戸層であって、ある波長を有する光を生成するように適合され、該ｎ−ＧａＮ層は、該波長未満の厚さを有する、量子井戸層と、
ＬＥＤ層構造であって、
該ｐ−ＧａＮ層上に配置され、該第１の電極に電気的に接続されているｐ−金属層と、
該ｎ−ＧａＮ層上に配置され、該第２の電極に電気的に接続されている１つ以上のｎ−金属接点と、
該ｎ−ＧａＮ層上に配置される実質的に透明な金属層と
を備える、ＬＥＤ層構造と
を備えており、
該ＬＥＤ層構造は、該量子井戸層によって生成される光を、該ｎ−ＧａＮ層および該実質的に透明な金属層によって該量子井戸層から分離される空中へと通過させるように適合される、ＬＥＤ素子。
【請求項１４】
前記ＬＥＤ層構造は、前記波長未満の全体厚を有する、請求項１３に記載のＬＥＤ素子。
【請求項１５】
前記ＬＥＤ層構造は、４６０ナノメートル未満の厚さである、請求項１３に記載のＬＥＤ素子。
【請求項１６】
ＬＥＤを形成する方法であって、
量子井戸層を備えるＬＥＤ層構造を提供することであって、該量子井戸層は、ある波長を有する光を生成するように適合され、ｎ−ＧａＮ層とｐ−ＧａＮ層との間に配置され、該ＬＥＤ層構造はその上に基板が配置されている、ことと、
ｐ−金属層を該ｐ−ＧａＮ層に適用することと、
該ＬＥＤ層構造をサブマウントに連結することと、
該基板を除去することと、
該ｎ−ＧａＮ層を選択された厚さに薄化することと、
実質的に透明な金属層を該薄化されたｎ−ＧａＮ層に適用することと
を含み、
該結果として得られたＬＥＤ層構造は、該波長未満の厚さを有し、該量子井戸領域によって生成される光を空中へと通過させる、方法。
【請求項１７】
前記ＬＥＤ層構造を前記サブマウントに載置することに先立って、前記ｐ−ＧａＮ層を薄化することをさらに備える、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記ｐ−ＧａＮ層およびｎ−ＧａＮ層を電極に電気的に接続することをさらに備える、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、米国仮特許出願第６１／０８５，７１７号（名称「Ｐｈｏｔｏｎ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ」、２００８年８月１日出願、代理人整理番号）の米国特許法第１１９条第（ｅ）項の優先権の利益を主張し、この出願は、その全体が本明細書に参考として援用される。
【０００２】
（発明の分野）
本開示は、光学素子に関し、特に、発光ダイオード（「ＬＥＤ」）に関する。より具体的には、本開示は、光子トンネル現象を促進するＬＥＤに関する。  
【背景技術】
【０００３】
発光ダイオード（「ＬＥＤ」）は、電子機器のいたるところに見られる。それらは、デジタル表示、照明システム、コンピュータ、テレビ、携帯電話、およびその他の様々な素子において使用されている。ＬＥＤ技術の発展により、１つ以上のＬＥＤを使用した白色光の生成のための方法およびシステムがもたらされた。ＬＥＤ技術の発展により、従来よりも多くの光子、ひいてはより多くの光を生成するＬＥＤがもたらされた。これら２つの技術的発展の最たるものは、コンピュータにおいて真空管がトランジスタに置き換わったことと同様に、ＬＥＤが多くの従来型の光源、例えば白熱電球、蛍光灯、ハロゲン球等を補完するか、または置き換えるように使用されていることである。
【０００４】
ＬＥＤの構築に対する現在の業界の慣行は、基板（典型的には、単結晶サファイアまたは炭化ケイ素のいずれか）を使用するものであって、その上に、ＧａＮまたはＩｎＧａＮ等の材料の層が蒸着される。１つ以上の層（例えば、ＧａＮまたはＩｎＧａＮ）は、光子生成および電流伝導を可能にし得る。典型的には、窒化ガリウム（ＧａＮ）の第１の層が基板の表面に適用されることにより、基板の結晶構造からドープ層の結晶構造への遷移領域を形成し、それは光子生成または電流電導を可能する。これに、典型的には、ＧａＮのＮ−ドープ層が続く。次の層は、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、または他の化合物の半導体材料層であり得、これは、光子を生成し、所望の光の波長を産生するために必要とされる材料によってドープされる。次の層は、典型的には、ＧａＮのＰドープ層である。この構造は、素子への電気接続のための金属部位をもたらすために、エッチングおよび蒸着することによってさらに修飾される。
【０００５】
近年、ＬＥＤ製造業者は、薄膜ＬＥＤを製造している。薄膜ＬＥＤでは、基板が除去され、ＧａＮ層は約２−３μｍまで薄化される。ある場合には、代用の基板が、薄化されたＧａＮに適用される。光は、ＧａＮ層内で生成され、周囲媒体に脱出しなければならない。しかしながら、光は、ＧａＮ内の内部反射のためにＧａＮ層内に捕捉された状態になり得、脱出錐体内にある光だけが、実際に、空中または基板まで進む。残りの光子は、材料内に捕捉され、最終的に熱として吸収される。この問題を軽減するための現在の解決策は、ＧａＮを粗化することにより、導波路効果を妨害することである。  
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書に説明される実施形態は、空気または他の媒体への光子トンネル現象を促進するＬＥＤを提供する。光子は、直接、空中へと通過するので、光子は、ＧａＮまたは基板等のバルク材料の中に捕捉されない。その結果、それぞれの層内に捕捉された光を抽出するためには、ＧａＮおよび／または基板の幾何学的な修飾が必要ではない。
【０００７】
ＬＥＤ素子の一実施形態は、ある波長を有する光を生成するように適合される量子井戸層と、量子井戸層の第１の側にあるｐ−ドープ合金層と、量子井戸層の他方の側にあるｎ−ドープ合金層とを有し得る。また、素子は、ｐ−ドープ合金層に電気的に接続される電極と、ｎ−ドープ合金層に電気的に接続される電極とを含み得る。
【０００８】
一実施形態によると、厚さｎ−ドープ合金層の厚さは、量子井戸層によって生成される光の波長未満であって、量子井戸層によって生成される光を媒体（例えば、空気）へと通過させる。実際、層構造全体は、波長未満の厚さを有し得る。
【０００９】
別の実施形態は、電極を提供するサブマウントを有するＬＥＤ素子と、サブマウントに搭載されるＬＥＤ層構造とを含み得る。ＬＥＤ層構造は、ｎ−ＧａＮ層とｐ−ＧａＮ層との間に挟着される量子井戸層と、ｐ−ＧａＮ層上に配置されるｐ−金属層と、ｎ−ＧａＮ層上に配置される透明金属層と、ｎ−ＧａＮ層上に配置される１つ以上のｎ−金属接点とを含み得る。量子井戸層は、ある波長を有する光を生成するように適合され得る。ＬＥＤ層構造は、量子井戸層によって生成される光を周囲の空気へと通過させるように構成され得る。  
【図面の簡単な説明】
【００１０】
実施形態およびその利点のより完全なる理解は、添付の図面（同一参照番号は、類似特徴を示す）に関連してなされる、以下の説明を参照することによって得られるであろう。
【図１】図１は、光子トンネル現象の概略図である。
【図２】図２は、ＬＥＤ層構造および基板の一実施形態の概略図である。
【図３】図３は、指定の厚さに薄化されたｐ−ＧａＮ層を伴う、ＬＥＤ層構造のある実施形態を例示する。
【図４】図４は、ｐ−金属層を伴う、ＬＥＤ層構造の一実施形態の概略図である。
【図５】図５は、サブマウントに接合される、ＬＥＤ層構造の一実施形態の概略図である。
【図６】図６は、薄化されたｎ−ＧａＮ層を伴う、ＬＥＤ層構造の一実施形態の概略図である。
【図７】図７は、透明金属層を伴う、ＬＥＤ層構造の一実施形態の概略図である。
【図８】図８は、接点を伴う、ＬＥＤ層構造の一実施形態の概略図である。
【図９】図９は、基板を伴う、ＬＥＤ層構造の一実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本開示、ならびにその様々な特徴および有利な詳細は、添付の図面に示され、以下の説明において詳述される例示的な、したがって非限定的な実施形態を参照して、より完全に説明される。既知の出発材料およびプロセスの説明は、開示の詳細を不必要に不明確化しないように省略され得る。しかしながら、好ましい実施形態を示している詳細な説明および具体例は、例示のみを目的として記載され、限定を目的として記載されない。元となる本発明の概念の精神および／または範囲内での様々な置換、修正、追加および／または再配列は、本開示から当業者に明らかとなる。
【００１２】
本明細書で使用される場合、「備える」、「備えている」、「含む」、「含んでいる」、「有する」、「有している」またはこれらの他の任意の変化形は、非排他的な含有を含むように意図される。例えば、列挙された要素を備えるプロセス、生成物、物品、または装置は、必ずしもこれらの要素のみに限定されず、明示的に列挙されていない他の要素、またはそのようなプロセス、プロセス、物品、または装置に内在する要素を含み得る。さらに、逆の意味で明示的に述べられていない限り、「または」は、包含的論理和を指し、排他的論理和ではない。例えば、ＡまたはＢという条件は、Ａが真（または存在する）およびＢが偽（または存在しない）、Ａが偽（または存在しない）およびＢが真（または存在する）、ならびにＡとＢの両方が真（または存在する）、のうちのいずれか１つにより充足される。
【００１３】
さらに、本明細書に記載されるいかなる実施例または例示も、それらとともに使用される用語（複数を含む）の限定、制限、または明示的な定義として解釈されないものとする。そのかわり、それらの実施例または例示は、具体的な一実施形態に関して、および例示としてのみ記載されているものと解釈されたい。当業者には、それらとともにこれらの実施例または例示が使用されるいかなる用語（複数を含む）も、それとともに、または本明細書の別の場所で示されていても示されていなくてもよい他の実施形態ならびにそれらの実装および適応を包含し、そのような実施形態はすべてその用語（複数を含む）の範囲内に含まれることが意図されることが理解される。そのような非限定的な実施例および例示を指定する言語には、「例えば」、「例として」、「例」、「一実施形態において」等が含まれるが、これらに限定されない。
【００１４】
ここで本開示の例示的実施形態を詳細に参照するが、その例が付随する図面に示されている。可能な限り、様々な図面の同様および対応する部分（要素）を示すために、図面を通して同様の数字が使用される。
【００１５】
光子トンネル現象は、粒子が無限ポテンシャル障壁に衝突する時に生じる効果を指す。粒子の波動関数がポテンシャル範囲を上回る場合、粒子がポテンシャル障壁を越えて存在する確率がある。ポテンシャル範囲の縮小に伴って、ポテンシャル障壁の他方の側に出現する粒子の確率が増す。図１は、ＧａＮ障壁３５の一方の側に存在する光子の確率振幅を示す粒子波動関数３０を例示する。障壁の薄化に伴って、障壁３５を越えて存在する光子の確率が増すことに留意されたい。
【００１６】
ＬＥＤの種々の実施形態によると、量子井戸層と空気との間の距離の減少に伴って、空気を通過する光子の確率が増す。ｎ−ＧａＮおよびｐ−ＧａＮ層が、十分に薄い場合、量子層内に生成される光子が、空気中に出現する確率論的可能性が高まるであろう。
【００１７】
図２は、ＬＥＤ層構造１００および基板１１０の一実施形態の概略図である。基板１１０、ｐ−ＧａＮ層１３０、ｎ−ＧａＮ層１２０、および量子井戸層１４０が示される。一実施形態では、ＧａＮおよびＡｌ２Ｏ３は、それぞれ、ドープ層ならびに基板のために使用される。しかしながら、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＡｓＰ、ＧａＰ、ＩｎＧａＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＳｅ、ダイヤモンド、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮを含むが、それらに限定されない、他の好適なドープ層および基板材料も使用され得る。
【００１８】
量子井戸層１４０は、特定の波長の光を生成するように構成される単一の量子井戸（ＳＱＷ）または複数の量子井戸（ＭＱＷ）層を含み得、および材料の複数層を含んでもよい。ＬＥＤ層構造１００は、緩衝層または他の層等の付加的な層を含んでもよい。
【００１９】
光子がＧａＮ層内に出現し、基板１１０を通して抽出される、典型的ＬＥＤとは異なり、本明細書に説明されるＬＥＤの実施形態は、光子の少なくとも一部を直接空気または他の媒体中を通過させ得る。一実施形態によると、量子井戸層を囲繞する層の１つ以上は、光子が空気中に確率的に出現するように、十分に薄化され得る。
【００２０】
一実施形態によると、ＬＥＤは、指定の厚さに薄化される既存層を有するウエハから形成され得る。別の実施形態では、ウエハは、最初に、指定の厚さを伴う層を有するように形成され得る。図３は、ｐ−ＧａＮ層１３０が指定の厚さに薄化された、ＬＥＤ層構造１００のある実施形態を例示する。ｐ−ＧａＮ層１３０からの材料が、レーザ除去、機械的研削、誘導結合プラズマエッチング、化学エッチング、光電気化学エッチング、および／または研磨、あるいは他の技術を使用して、エッチングによって除去され得る。ｐ−ＧａＮ層が、所望の厚さに設定されると、ｐ−金属が電気接続を提供するように、ｐ−ＧａＮ層１３０に添加され得る。図４の実施形態では、例えば、ｐ−金属層１４５は、ｐ−ＧａＮ層１３０上に蒸着され得る。任意の好適なｐ−金属層が使用され得る。限定としてではなく、一例として、ｐ−金属層１４５の一実施形態として、銀に続いて、ＮｉまたはＷ等の障壁金属、Ａｕ等の接合金属の層を含み得る。一実施形態では、ｐ−金属層１４５は、反射層であり得る。
【００２１】
図５は、サブマウント１５０に接合されるＬＥＤ層構造１００の一実施形態の概略図である。ＬＥＤの構造的支持および／または電気接続を提供するためのサブマウントは、当技術分野において周知であって、当技術分野において周知または開発された任意の好適なサブマウントが使用され得る。一実施形態によると、サブマウント１５０は、ｐ−金属層１４５と接触するか、またはそれに接続される、１つ以上の電極１５１を含み得る。また、サブマウント１５０は、後述のように、ｎ−金属接点に接続される電極１５２を有し得る。サブマウント１５０は、一実施形態によると、伝導性材料から構築され得る。ＬＥＤ層構造１００は、ウエハ接合または他の技術を使用して、サブマウント１５０に接合され得る。
【００２２】
図６は、薄化されたｎ−ＧａＮ層１２０を伴うＬＥＤ層構造１００のある実施形態の概略図である。基板１１０は、ｎ−ＧａＮ層１２０を露出させるために、レーザリフトオフ、機械的研削、化学除去、または他の技術を使用して、ｎ−ＧａＮ層１２０の薄化に先立って、あるいはその際に除去され得る。一実施形態によると、例えば、ｎ−ＧａＮ層１２０は、基板１１０が除去されるように、レーザを使用して加熱されて、Ｇａを液化させ得る。次いで、ＧａＮ層１２０は、レーザリフトオフ、機械的研削、化学除去、誘導結合プラズマエッチング、化学エッチング、光電気化学エッチング、および／または研磨、あるいは他の技術を使用して、所望の厚さに薄化され得る。ｎ−ＧａＮ層１２０は、導波路として作用しないので、粗化される必要がない。
【００２３】
一実施形態によると、ｐ−ＧａＮ層１３０、量子井戸層１４０、およびｎ−ＧａＮ層１２０の全体厚は、量子井戸層が生成する光の波長以下である。例えば、青色ＬＥＤの場合、厚さは、全体厚が、４６０ナノメートルまたは他の選択された青色光の波長未満となるように選択され得る。引き続き、本実施例の場合、ｎ−ＧａＮ層１２０は、３００ナノメートル、２００ナノメートル、１００ナノメートル、５０ナノメートル、または他の厚さであり得る。上述の実施例では、ｐ−ＧａＮとｎ−ＧａＮと量子井戸との積層全体が波長未満であるが、別の実施形態では、片側のみが波長未満となるように薄化される。一実施形態では、例えば、ｎ−ＧａＮ層１２０および量子井戸層１４０と空気（または、他の媒体）との間の任意の層の厚さは、媒体内に生成される光の波長未満である一方、ｐ−ＧａＮ層はより厚くてもよい。
【００２４】
ｎ−ＧａＮ層１２０が、所望の厚さである場合、実質的に透明な金属の層１５５が、図７の実施例に例示されるように、ｎ−ＧａＮ層１２０上に蒸着され得る。金属は、光の透過を可能にする金、ＩＴＯ、または他の金属の薄層であり得る。実質的に透明な金属層１５５は、著しく光を吸収しない任意の金属層を含み得る。一実施形態では、高吸収係数を有する金属が、層が光子トンネル現象を過度に妨げない程に薄い厚さである場合、層１５５に使用され得る。
【００２５】
図８は、ＬＥＤ層構造１００の実施形態が、産生される光の波長未満である厚さを有することを示す概略図である。加えて、図８は、ｎ−金属接点１６０を例示する。ｎ−金属接点１６０は、ｎ−ＧａＮ層１２０の一部にわたって蒸着され得る。Ｎｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕ、ＩＴＯ、およびその他を含むが、それらに限定されない、任意の好適な接触金属が使用され得る。電気接続１６５は、接点１６０およびサブマウント１５０の適切な導線に連結され得る。
【００２６】
上述の実施形態では、ＬＥＤ層構造１００は、基板を含まない。他の実施形態では、新しい基板がＬＥＤに接合され得る。図９は、ＬＥＤ層構造１００に接合される基板２００の一実施形態の概略図である。基板２００は、サファイア、ダイヤモンド、鋳造ガラス、または他の基板材料を含むが、それらに限定されない任意の好適な基板材料から作製され得る。基板２００は、光学接着剤を使用して、ｎ−ＧａＮ層１２０または緩衝層等の別の層に接合され得る。
【００２７】
図９の実施形態では、光は、直接空気中ではなく、基板内を通過する。基板内の内部反射のために、一定の効率が損失される場合がある。この損失を削減するために、基板２００が成形され得る。一実施形態によると、基板は、米国特許出願第１１／９０６，１９４号「ＬＥＤ  Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ」（参照することによって本明細書に全体として組み込まれる）に記載のように、成形され得る。
【００２８】
上述の実施形態は、ＧａＮ材料から構成されるＬＥＤの実施例を使用する。しかしながら、また、本発明の実施形態は、他の合金層も採用することが可能である。さらに、図８は、ＬＥＤ層構造全体が、光の波長未満の厚さを有するように例示されるが、他の実施形態では、ＬＥＤ層の片側のみが、生成される光の波長未満の厚さを有する。
【００２９】
上述の明細書において、本開示は、特定の実施形態を参照して説明された。しかしながら、当業者が理解し得るように、本明細書に開示されるＬＥＤの実施形態は、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、多くの方法において、修正または別様に実装され得る。従って、本説明は、例示にすぎないものとして解釈されたい。本明細書に図示および説明される本開示の形態は、例示的な実施形態として捉えられるべきであることを理解されたい。均等な要素または材料が、本明細書に例示および説明されるものと代替されてもよい。さらに、本開示のある特徴は、他の特徴の用途から独立して利用されてもよく、すべて、本開示の説明の利益を享受後に、当業者には明白なるであろう。
【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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【国際調査報告】
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