(57)【要約】  放出光の界面内の伝播を向上させる表面変化面が提供される。表面変化面は、目標波長よりもおおよそ１オーダー大きな特徴的な寸法を有する第１の変化を表面変化面に与える一組の大形粗度部材を備えている。表面変化面は、一組の大形粗度部材に積層される一組の小形粗度部材を備えており、一組の小形粗度部材は、目標波長のオーダーの特徴的な寸法を有する第２の変化を表面変化面に与える。
2014519722.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の側及び第２の側を有する少なくとも部分的に透過性の層であって、放出光が前記第１の側から前記少なくとも部分的に透過性の層に入射し、前記第２の側から前記少なくとも部分的に透過性の層から出射し、前記第１の側と前記第２の側のうち少なくとも１つが表面変化面を有する少なくとも部分的に透過性の層を有する装置であり、前記表面変化面は、
前記放出光の目標波長よりもおおよそ１オーダー大きな特徴的な寸法を有する第１の変化を前記表面変化面に与える一組の大形粗度部材と、
前記放出光の前記目標波長のオーダーである特徴的な寸法を有する第２の変化を前記表面変化面に与える一組の小形粗度部材とを有しており、前記一組の小形粗度部材は、前記一組の大形粗度部材に積層されることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記第１の変化及び前記第２の変化のうち少なくとも１つは、非周期的な不規則な変化であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記一組の大形粗度部材は、角錐台及び円錐台のうち少なくとも１つの一続きの形状を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記放出光の収束を促進させるために、前記一続きの形状は逆台形（inversely truncated）であることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記一続きの形状のそれぞれの円錐体の頂角は直角未満であることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項６】
前記一続きの形状のそれぞれの辺が前記形状の底面への法線と４５度未満の角度を形成することを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項７】
前記一組の小形粗度部材はフォトニック結晶を形成することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記少なくとも部分的に透過性の層は前記装置の基板であり、前記表面変化面は前記基板の外側面であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記装置は発光ダイオード、半導体レーザー、高輝度発光ダイオードのうち１つとして作動するよう構成されており、前記放出光の前記目標波長は、前記装置の活性領域において生成される放出光のピーク波長に対応することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
装置の少なくとも部分的に透過性の層に表面変化面を設計する工程を有する方法であり、前記装置の作動中に放出光が前記表面変化面を透過するようにし、前記表面変化面は、
前記放出光の目標波長よりもおおよそ１オーダー大きな特徴的な寸法を有する第１の不均一な変化を前記表面変化面に与える一組の大形粗度部材と、
前記放出光の前記目標波長のオーダーである特徴的な寸法を有する第２の不均一な変化を前記表面変化面に与える一組の小形粗度部材と、を有しており、前記一組の小形粗度部材は前記一組の大形粗度部材に積層されることを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記少なくとも部分的に透過性の層を含む装置を製造する工程をさらに含み、前記製造工程が前記表面変化面を加工する工程を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記表面変化面の加工工程が、ナノドットの選択析出及び選択エッチングのうち少なくとも１つを用いて、前記一組の大形粗度部材及び前記一組の小形粗度部材のうち少なくとも１つを形成する工程を含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記表面変化面の加工工程が、ナノロッドの選択析出及び選択エッチングのうち少なくとも１つを用いて、前記一組の大形粗度部材及び前記一組の小形粗度部材のうち少なくとも１つを形成する工程を含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記一組の大形粗度部材は、角錐台及び円錐台のうち少なくとも１つの一続きの形状を含み、前記一組の小形粗度部材は、前記少なくとも部分的に透過性の層を形成する材料からなる複数の頂部と谷部を含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
ピーク波長を有する放出光を生成するように構成された活性領域と、
前記活性領域の第１の側にある少なくとも部分的に透過性の層と、を有する発光装置であり、前記活性領域で生成された放出光は前記少なくとも部分的に透過性の層を透過し、前記少なくとも部分的に透過性の層が少なくとも１つの表面変化面を有し、前記少なくとも１つの表面変化面が、
前記放出光の目標波長よりもおおよそ１オーダー大きな特徴的な寸法を有する第１の変化を前記表面変化面に与える一組の大形粗度部材と、
前記放出光の前記目標波長のオーダーである特徴的な寸法を有する第２の変化を前記表面変化面に与える一組の小形粗度部材と、を有しており、前記一組の小形粗度部材は、前記一組の大形粗度部材に積層されることを特徴とする発光装置。
【請求項１６】
前記一組の大形粗度部材は角錐台及び円錐台のうち少なくとも１つの一続きの形状を有することを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記一組の小形粗度部材は、前記少なくとも部分的に透過性の層を形成する材料からなる複数の頂部と谷部を有することを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記活性領域の前記第１の側とは反対側にある第２の側に、少なくとも部分的に反射性の層をさらに有する請求項１５に記載の装置。
【請求項１９】
前記装置は、ＩＩＩ族窒化物系ヘテロ構造を用いて形成されることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項２０】
前記少なくとも部分的に透過性の層は前記装置のサファイア基板であり、前記少なくとも１つの表面変化面は、前記基板の外側面であることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の参照】
【０００１】
本出願は、２０１１年６月１５日に出願された同時係属中の米国特許仮出願番号６１／４９７，４８９（発明の名称は「光の取り出し性が向上した発光ダイオード（Light Emitting Diodes with Improved Extraction）」）の優先権を主張するものであり、この仮出願は参照により本明細書に引用される。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、一般に発光装置に関し、特に光の取り出し性が向上した発光装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザー（ＬＤ）等の半導体発光装置には、ＩＩＩ−Ｖ族の半導体を含むソリッドステート発光装置が含まれている。ＩＩＩ−Ｖ族の半導体の一部として、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、窒素（Ｎ）の二元、三元、四元合金を含むＩＩＩ族窒化物合金が挙げられる。説明用のＩＩＩ族窒化物系のＬＥＤ及びＬＤは、ＩｎｙＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＮの組成でもよい。ここでｘ及びｙは特定の元素のモル分率を示しており、０≦ｘ、ｙ≦１であり、０≦ｘ＋ｙ≦１である。その他の説明用のＩＩＩ族窒化物系のＬＥＤ及びＬＤは、ホウ素（Ｂ）窒化物（ＢＮ）に基づいており、ＧａｚＩｎｙＡｌｘＢ１−ｘ−ｙ−ｚＮの組成でもよい。ここで０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１であり、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１である。
【０００４】
ＬＥＤは一般に半導体層を有する。ＬＥＤの作動中に、バイアスがドープ層に印加されると、電子と正孔が活性層に注入され、活性層における電子・正孔の再結合により光が生成される。光は均一な角度分布にて生成されて半導体層を全方向に横切るようにしてＬＥＤチップから放出される。それぞれの半導体層は、異なる元素の特定の組み合わせのモル分率（例えば、ｘ、ｙ、ｚ）となっており、この組み合わせが層の光学特性に影響を与える。特に、層の屈折率や吸収特性は半導体合金のモル分率に左右される。
【０００５】
２層間の接合は半導体ヘテロ接合と定義される。界面において、モル分率の組み合わせは不連続なの量で変化すると推定される。モル分率の組み合わせが連続的に変化する層は、傾斜（ｇｒａｄｅｄ）していると言われる。半導体合金のモル分率の変化によりバンドギャップ制御が可能となるが、材料の光学特性に急変をもたらし、光を閉じ込め得る。層間での屈折率の変化や基板とその外界との間の屈折率の変化が大きくなれば、全反射（ＴＩＲ）角度が小さくなる（光が高屈折率材料からそれより低い屈折率の材料へと進行する場合）。ＴＩＲ角度が小さい場合、多くの量の光線が界面の境界で反射することとなり、光の閉じ込めや、さらに層又はＬＥＤ金属コンタクトへの光の吸収につながってしまう。
【０００６】
界面の粗さにより、光が界面に全反射されずに抜け出せる面が追加され、光の閉じ込めを部分的に軽減できる。ところが、光は、ＴＩＲにならない場合であっても、フレネル損失のために、界面を部分的にしか透過することができない。フレネル損失は、光の全入射角の界面での部分的な反射に関連している。界面の両面における材料の光学特性によりフレネル損失の大きさが決まるが、この損失量は透過光のかなりの割合になりうる。
【発明の概要】
【０００７】
本発明の側面において、放出光の界面内の伝播を向上させる表面変化面（ｐｒｏｆｉｌｅｄ  ｓｕｒｆａｃｅ）を提供する。表面変化面は、目標波長よりもおおよそ１オーダー大きな特徴的な寸法を有する第１の変化を表面変化面に与える一組の大形粗度部材を備えている。表面変化面は、一組の大形粗度部材に積層される一組の小形粗度部材も備えており、一組の小形粗度部材は、目標波長のオーダーの特徴的な寸法を有する第２の変化を表面変化面に与える。
【０００８】
本発明の第１の側面において、第１の側及び第２の側を有する少なくとも部分的に透過性の層であって、放出光が前記第１の側から前記少なくとも部分的に透過性の層に入射し、前記第２の側から前記少なくとも部分的に透過性の層を出射し、前記第１の側と前記第２の側のうち少なくとも１つが表面変化面を有する少なくとも部分的に透過性の層を有する装置であり、前記表面変化面は、前記放出光の目標波長よりもおおよそ１オーダー大きな特徴的な寸法を有する第１の変化を前記表面変化面に与える一組の大形粗度部材と、前記放出光の前記目標波長のオーダーである特徴的な寸法を有する第２の変化を前記表面変化面に与える一組の小形粗度部材とを有しており、前記一組の小形粗度部材は、前記一組の大形粗度部材に積層されることを特徴とする装置を提供する。
【０００９】
本発明の第２の側面において、装置の少なくとも部分的に透過性の層に表面変化面を設計する工程を有する方法であり、前記装置の作動中に放出光が前記表面変化面を透過するようにし、前記表面変化面は、前記放出光の目標波長よりもおおよそ１オーダー大きな特徴的な寸法を有する第１の不均一な変化を前記表面変化面に与える一組の大形粗度部材と、前記放出光の前記目標波長のオーダーである特徴的な寸法を有する第２の不均一な変化を前記表面変化面に与える一組の小形粗度部材とを有しており、前記一組の小形粗度部材は前記一組の大形粗度部材に積層されることを特徴とする方法を提供する。
【００１０】
本発明の第３側面において、ピーク波長を有する放出光を生成するように構成された活性領域と、前記活性領域の第１の側にある少なくとも部分的に透過性の層とを有する発光装置であり、前記活性領域で生成された放出光は前記少なくとも部分的に透過性の層を透過し、前記少なくとも部分的に透過性の層が少なくとも１つの表面変化面を有し、前記少なくとも１つの表面変化面が、前記放出光の目標波長よりもおおよそ１オーダー大きな特徴的な寸法を有する第１の変化を前記表面変化面に与える一組の大形粗度部材と、前記放出光の前記目標波長のオーダーである特徴的な寸法を有する第２の変化を前記表面変化面に与える一組の小形粗度部材とを有しており、前記一組の小形粗度部材は、前記一組の大形粗度部材に積層されることを特徴とする発光装置を提供する。
【００１１】
説明に用いられる本発明の側面において、本明細書で説明される１つ以上の課題及び／又は検討されていない１つ以上のその他の課題の解決のために設計されている。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
本開示のこれら特徴とその他の特徴は、以下にある本発明の様々な側面の詳細な説明を、本発明の様々な側面を説明する付属の図面と関連させることで容易に理解できる。
【００１３】
【図１】実施形態における説明用の発光装置の概略の構造を示す図。
【図２Ａ】実施形態における説明用の粗度エレメント及び粗度エレメントの説明用のモデルを示す図。
【図２Ｂ】実施形態における説明用の粗度エレメント及び粗度エレメントの説明用のモデルを示す図。
【図３】実施形態における、小形粗度部材の特定範囲の入射角における透過率への効果を示す図。
【図４】実施形態における、小形粗度部材の寸法の傾斜屈折率への影響を示す図。
【図５Ａ】実施形態における一定屈折率の粗度エレメントの説明用の概略図と、傾斜屈折率の粗度エレメントの説明用の概略図と、を示す図。
【図５Ｂ】実施形態における一定屈折率の粗度エレメントの説明用の概略図と、傾斜屈折率の粗度エレメントの説明用の概略図と、を示す図。
【図６Ａ】実施形態における一定屈折率の円錐体の説明用の光の分布と対応する光取出し効率（ＬＥＥ）と、傾斜屈折率の円錐体の説明用の光の分布と対応する光取出し効率（ＬＥＥ）と、を示す図。
【図６Ｂ】実施形態における一定屈折率の円錐体の説明用の光の分布と対応する光取出し効率（ＬＥＥ）と、傾斜屈折率の円錐体の説明用の光の分布と対応する光取出し効率（ＬＥＥ）と、を示す図。
【図７Ａ】実施形態における説明用の大形粗度部材と、説明用の対応する強度の極座標プロットと、を示す図。
【図７Ｂ】実施形態における説明用の大形粗度部材と、説明用の対応する強度の極座標プロットと、を示す図。
【図７Ｃ】実施形態における説明用の大形粗度部材と、説明用の対応する強度の極座標プロットと、を示す図。
【図８】実施形態における回路を製造するための説明用のフロー図。
【００１４】
なお、図面は一定の縮尺ではないこともありうる。図面は、発明の典型的な側面のみを示すことを意図しているため、発明の範囲を制限するものとして考慮されるべきではない。図面においては、同じ番号は、複数の図面での同じ構成要素を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
上述の通り、発明の側面により、界面の放出光の伝播を向上させるための表面変化面が提供される。表面変化面は、目標波長よりもおおよそ１オーダー大きな特徴的な寸法を有する第１の変化を表面変化面に与える一組の大形粗度部材を備えている。表面変化面は、一組の大形粗度部材に積層される一組の小形粗度部材を備えており、一組の小形粗度部材は、目標波長のオーダーの特徴的な寸法を有する第２の変化を表面変化面に与える。本明細書においては、特に断りがない限りは、「組」という用語は、１つ以上（すなわち、少なくとも１つ）を意味し、「任意の方策」というフレーズは現在知られる任意の方策や今後開発される任意の方策を意味する。
【００１６】
図面に戻ると、図１は実施形態における説明用の発光装置１０の概略の構造を示す。さらに特定の実施形態においては、発光装置１０は発光ダイオード（ＬＥＤ）（例えば、従来のＬＥＤや高輝度ＬＥＤ等）として作動するよう構成される。あるいは、発光装置１０は半導体レーザー（ＬＤ）として作動するように構成されてもよい。いずれの場合においても、発光装置１０の作動中にバンドギャップに相当するバイアスを印加することで、発光装置１０の活性領域１８から電磁波放出光が放射される。発光装置１０から放射された電磁波放出光は任意の波長範囲にピーク波長を有してもよく、可視光、紫外線放射、遠紫外線放射、赤外光、などであってもいい。
【００１７】
発光装置１０は、基板１２と、基板１２に隣接するバッファ層１４と、バッファ層１４に隣接するｎ型クラッド層１６（例えば、電子供給層）と、ｎ型クラッド層１６に隣接するｎ型面１９Ａを有する活性領域１８とからなるヘテロ構造を有している。さらに、発光装置１０のヘテロ構造は、活性領域１８のｐ型面１９Ｂに隣接するｐ型層２０（例えば、電子ブロック層）と、ｐ型層２０に隣接するｐ型クラッド層２２（例えば、正孔供給層）とを有する。
【００１８】
さらに特定の説明に用いる実施形態においては、発光装置１０は、各種の層のうちの一部かすべてが、ＩＩＩ−Ｖ族の材料系からなる群から選択される元素により形成されたＩＩＩ−Ｖ族の材料系の装置である。またさらに特定の説明に用いる実施形態においては、発光装置１０の各種の層がＩＩＩ族窒化物系材料により形成されている。ＩＩＩ族窒化物材料は、１つ以上のＩＩＩ族元素（例えば、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ））と窒素（Ｎ）からなり、０≦Ｗ、Ｘ、Ｙ、Ｚ≦１で、Ｗ＋Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１となるようなＢＷＡｌＸＧａＹｌｎＺＮなどがある。説明に用いるＩＩＩ族窒化物材料として、ＩＩＩ族元素の任意のモル分率におけるＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＢＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＢＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＢＮ、ＡｌＩｎＢＮ、ＡｌＧａＩｎＢＮがあげられる。
【００１９】
ＩＩＩ族窒化物系発光装置１０の説明に用いる実施形態は、ＩｎｙＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＮ、ＧａｚＩｎｙＡｌｘＢ１−ｘ−ｙ−ｚＮ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮの半導体合金等からなる活性領域１８（例えば、量子井戸とバリアとが交互に連続したもの）を有している。同様に、ｎ型クラッド層１６とｐ型層２０の両方がＩｎｙＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＮ合金やＧａｚＩｎｙＡｌｘＢ１−ｘ−ｙ−ｚＮ合金等で構成されてもよい。ｘ、ｙ、ｚで示されるモル分率は、各種の層１６、１８、２０により異なる。基板１２は、サファイア、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ケイ素（Ｓｉ）、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＯＮ、ＬｉＧａＯ２、又は他の適切な材料であってもよく、バッファ層１４は、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ／ＡｌＮの超格子等から構成されてもよい。
【００２０】
発光装置１０に関して示されるように、ｐ型メタル２４はｐ型クラッド層２２に接合されてもよく、ｐ型コンタクト２６はｐ型メタル２４に接合されてもよい。同様に、ｎ型メタル２８はｎ型クラッド層１６に接合されてもよく、ｎ型コンタクト３０はｎ型メタル２８に接合されてもよい。ｐ型メタル２４及びｎ型メタル２８はそれぞれ対応する層２２、１６に対するオーミックコンタクトを形成してもよい。ある実施形態において、ｐ型メタル２４及びｎ型メタル２８のそれぞれは、導電性及び反射性のいくつかの金属層を有しており、ｎ型コンタクト３０及びｐ型コンタクト２６のそれぞれは、伝導性が高い金属を有している。ある実施形態において、ｐ型クラッド層２２及び／又はｐ型コンタクト２６は、活性領域１８により生成された電磁波放出光に対して少なくとも部分的に透過性（例えば、半透過性又は透過性）を有してもよい。例えば、ｐ型クラッド層２２及び／又はｐ型コンタクト２６は、例えば、少なくとも部分的に透過性であるマグネシウム（Ｍｇ）を添加したＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮの短周期超格子構造（ＳＰＳＬ）等の短周期超格子の格子構造であってもよい。さらに、ｐ型コンタクト２６及び／又はｎ型コンタクト３０は、活性領域１８により生成された電磁波放出光に対して、少なくとも部分的に反射性を有してもよい。他の実施形態においては、ｎ型クラッド層１６及び／又はｎ型コンタクト３０は、活性領域１８により生成された電磁波放出光に対して少なくとも部分的に透過性である短周期超格子（ＡｌＧａＮのＳＰＳＬ等）により形成されてもよい。
【００２１】
本明細書においては、放出光波長が対応する範囲にある電磁波放出光の少なくとも一部が層を透過できる場合、その層は少なくとも部分的に透過性であるという。例えば、層は活性領域１８から放射される光（紫外光や遠紫外光等）のピーク放射波長（例えば、ピーク放射波長±５ナノメートル）に対応する放出光波長に対して少なくとも部分的に透過性があるように構成されてもよい。本明細書においては、放出光のおおよそ０．５パーセントが層を透過できるならば、層は放出光に対して少なくとも部分的に透過性を有するとされる。さらに特定の実施形態において、少なくとも部分的に透過性の層は、放出光のうちおおよそ５パーセントより多くが層を透過するように構成される。同様に、層が関連した電磁波放出光（例えば、波長が活性領域のピーク放射に近い光）の少なくとも一部を反射する場合に、層は少なくとも部分的に反射性があるとされる。ある実施形態において、少なくとも部分的に反射性の層は、放出光の少なくともおおよそ５パーセントを反射するように構成される。
【００２２】
発光装置１０に関してさらに示されるように、装置１０はコンタクト２６、３０を介してサブマウント３６に搭載される。この場合、基板１２は、発光装置１０の上部に位置する。このように、ｐ型コンタクト２６及びｎ型コンタクト３０は両方が、それぞれコンタクトパッド３２、３４を介してサブマウント３６に接合される。サブマウント３６は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）等により形成されてもよい。
【００２３】
発光装置１０の各種の層のいずれも、実質的に均一組成（ｕｎｉｆｏｒｍ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）又は傾斜組成（ｇｒａｄｅｄ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）であってもよい。例えば、層は、他の層とのヘテロ界面において傾斜組成であってもよい。実施形態において、ｐ型層２０は、傾斜組成のｐ型ブロック層であってもよい。傾斜組成は、例えば、応力の低減、キャリア注入の向上等のために用いてもよい。同様に、層は応力等を低減するよう構成されうる、複数の周期を有する超格子を含んでもよい。この場合、それぞれの周期の組成及び／又は幅は、その周期ごとに周期的に又は非周期的に変わりうる。
【００２４】
本明細書で説明される発光装置１０の層構造は、単に説明に用いられていることが理解される。この点において、発光装置／ヘテロ構造は、他の代わりの層構造や１つ以上の追加層等を有してもよい。そのため、各種の層が互いに直接的に隣接するよう（例えば、互いに接するよう）図示されてはいるが、１つ以上の中間層が発光装置／ヘテロ構造に存在してもよいことが理解される。例えば、説明用の発光装置／ヘテロ構造は、活性領域１８と、ｐ型クラッド層２２及び電子供給層１６の１つ又は両方との間にアンドープ層を設けてもよい。
【００２５】
さらに、発光装置／ヘテロ構造は分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）構造を有してもよく、ＤＢＲ構造は、特定の波長の光（例えば、活性領域１８から放射された光）を反射するように構成することができ、そのために装置／ヘテロ構造の出力を向上できる。例えば、ＤＢＲ構造は、ｐ型クラッド層２２と活性領域１８との間に位置させることができる。同様に、装置／ヘテロ構造は、ｐ型クラッド層２２と活性領域１８との間にｐ型層を配置させることもできる。ＤＢＲ構造及び／又はｐ型層は、装置／ヘテロ構造により生成される光の所望の波長に基づき、任意の組成にしてもよい。一実施形態において、ＤＢＲ構造はＭｇや、Ｍｎや、Ｂｅを添加したｐ型組成、またはＭｇとＳｉとを添加したｐ型組成であってもよい。ｐ型層はｐ型のＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等を含んでもよい。装置／ヘテロ構造は、ＤＢＲ構造とｐ型層（ｐ型層はＤＢＲ構造とｐ型クラッド層２２との間に位置している）の両方を含んでもよいことや、ＤＢＲ構造とｐ型層との片方を含んでもよいことが理解される。ある実施形態において、ｐ型層は電子ブロック層の代わりに装置／ヘテロ構造に含まれてもよい。他の実施形態においては、ｐ型層がｐ型クラッド層２２と電子ブロック層との間に含まれてもよい。
【００２６】
いずれにしても、図１に示されるように、装置１０は活性領域１８の第１の側に１つ以上の少なくとも部分的に反射性の層を有しており、活性領域１８の反対側に表面変化面４０Ａ〜４０Ｃを備える１つ以上の層を有しており、活性領域１８において生成された放出光は、上記反対側から装置１０を出ることができる。図示されるように、それぞれの表面変化面４０Ａ〜４０Ｃは２つの隣接する層間の界面の境界となるように構成され、及び／又は装置１０と周辺環境との間の界面の境界となるように構成される。ここで、界面は実質的に滑らかではなく不均一で粗い。実施形態において、装置１０はそれぞれの界面において表面変化面４０Ａ〜４０Ｃを有しており、界面では屈折率が急激に変化する（例えば、屈折率の差はおおよそ５パーセント以上になる）。例えば、本明細書で説明されるように、基板１２はサファイアから作られてもよく、バッファ層１４はＡｌＮでもよく、クラッド層１４はＡｌＧａＮでもよい。説明に用いる目標波長に対しては、これらの材料の屈折率はそれぞれ１．８、２．３および２．５であってもよい。この点において、装置１０は、基板１２と外部環境（これは、おおよそ１となる屈折率を有する）との間の界面に表面変化面４０Ａを有し、バッファ層１４と基板１２との間の界面に表面変化面４０Ｂを有し、及び／又はｎ型クラッド層１６とバッファ層１４との間の界面に表面変化面４０Ｃを有するように図示されている。この場合、バッファ層１４は、２つの異なる屈折率を有する２つの材料間に挿入された光取出しフィルムとして作用し、屈折率をより緩やかに遷移させることができる。
【００２７】
装置１０の様々な実施形態は、本明細書で説明されるように、任意の組み合わせの１つ以上の界面に表面変化面を形成してもよいことが理解される。この点において、表面変化面は任意のタイプのＩＩＩ族窒化物系半導体表面（ＡｌＩｎＧａＮやＡｌＢＧａＮの半導体合金等）に形成されてもよい。さらに、表面変化面は、例えば、紫外線透過ガラスや、ＩＩＩ族窒化物系半導体表面に蒸着させた対応する屈折率のポリマー等に形成されてもよい。
【００２８】
それぞれの表面変化面４０Ａ〜４０Ｃは、それぞれ対応する少なくとも部分的に透過性の層１２、１４、１６からの放出光の取り出し性を向上させるために構成してもよい。例えば、装置１０の作動中、放出光は活性領域１８にて生成され、少なくとも部分的に透過性の層１６、１４、１２内を進行した後に、装置１０から放射される。表面変化面４０Ｃ、４０Ｂのそれぞれは、第１の層１６、１４から出射して隣接する層１４、１２に入射する放出光の量を、層１２、１４、１６間の境界が実質的に滑らかな装置と比べて増加させるよう構成されてもよい。同様に、表面変化面４０Ａは装置１０から、例えば基板１２を介して、出射し周辺環境に入る放射光の量を、実質的に滑らかな外側面を有する装置と比べて増加させるように構成されてもよい。
【００２９】
図示されるように、表面変化面４０Ａ〜４０Ｃは、表面変化面４０Ａの一部を形成する粗度エレメント４２Ａ、４２Ｂ等の、複数の粗度エレメントを用いて形成してもよい。それぞれの粗度エレメント４２Ａ、４２Ｂは、光を反射し屈折させ、対応する層（例えば、基板１２）からの光の取り出しを促進させるための表面を追加できるよう構成されてもよい。実施形態において、粗度エレメント４２Ａ、４２Ｂは大形粗度部材に形成され、本明細書で説明されるように、大形粗度部材に小形粗度部材が積層される。それぞれの表面変化面４０Ａ〜４０Ｃは、それぞれが互いに実質的に類似するように構成される特定の数の粗度エレメント４２Ａ、４２Ｂを有するように図示されるが、それぞれの表面変化面４０Ａ〜４０Ｃは、様々な構造の任意の組み合わせとなる粗度エレメントを任意の数用いて形成されてもよいことが理解される。
【００３０】
実施形態において、粗度エレメント４２Ａ、４２Ｂの大形粗度部材は、目標波長よりも大きな特徴的な寸法を有する変化を表面変化面４０Ａに与える。目標波長は装置１０の作動中に放出光が界面を透過するのに必要となる放出光のピーク波長に基づいて選択されてもよく、可視光、紫外線放射、遠紫外線放射、赤外光等を含む波長の幅内であってもよい。ある実施形態においては、目標波長は活性領域１８で生成された放出光のピーク波長に対応する。さらに特定の実施形態においては、大形粗度部材が与える変化の特徴的な寸法は、目標波長よりもおおよそ１オーダー（例えば、１０倍）大きく、大形粗度部材の平均の高さ及び／又は幅に基づいて決めてもよい。実施形態において、大形粗度部材は、例えばおおよそ２〜４マイクロメートルの、高さと幅を有する。大形粗度部材が備えられているため、ＴＩＲに関連した損失を減らすことができる。
【００３１】
また、粗度エレメント４２Ａ、４２Ｂの小形粗度部材は、目標波長のオーダーである特徴的な寸法を有する変化を表面変化面４０Ａに与える。この点において、小形粗度部材が与える変化の特徴的な寸法は、目標波長のおおよそ１０〜２００パーセントの間としてもよく、小形粗度部材の平均高さに基づいて決めてもよい。実施形態において、小形粗度部材の高さは、おおよそ１０〜１００ナノメートルの間である。小形粗度部材が備えられているため、フレネル損失を低減できる。さらに、小形粗度部材はフォトニック結晶を形成してもよく、フォトニック結晶は、層からの放出光の取り出しを促進するために目標波長の放出光をガイドするように構成されている。
【００３２】
図２Ａ及び図２Ｂはそれぞれ、ある実施形態において説明に用いる粗度エレメント４２と説明に用いる粗度エレメントモデル５０を示している。図２Ａに示されるように、粗度エレメント４２は、小形粗度部材４６が積層された大形粗度部材４４を有している。大形粗度部材４４は台形断面（truncated triangular cross section）を有するように示されており、この断面は円錐台や任意の数の辺がある角錐台に対応する。小形粗度部材４６は、高さや位置が不規則に変化し、大形粗度部材４４の台状にされた部分（truncated portion）４５から延設する材料からなる連続した頂部と谷部として図示される。小形粗度部材４６はフレネル損失を低減できる。図２Ｂに示されるように、粗度エレメントモデル５０は、大形粗度部材モデル５２と小形粗度部材モデル５４とから構成されてもよい。大形粗度部材モデル５２は、例えば、円錐台や角錐台の形状であってもよい。小形粗度部材モデル５４は、厚さＬを有する中間層として小形粗度部材４６に倣って作られてもよく、ここで、厚さとは、小形粗度部材４６の特徴的な寸法に対応し、粗度エレメント４２の最低谷部と最高頂部との間の距離として計測される。
【００３３】
小形粗度部材４６により、粗度エレメント４２に傾斜屈折率（ｇｒａｄｅｄ  ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ  ｉｎｄｅｘ）を導入できる。特に、小形粗度部材モデル５４の中間層の厚さＬに応じた、ある特定の高さｈに対して、粗度エレメント４２を形成する材料の屈折率と粗度エレメント４２に隣接する材料（例えば、放出光が粗度エレメント４２から出射した後に入射する層／環境）の屈折率との平均値を計算することで、対応する屈折率を見積もることができ、ここで、この平均値は、ある特定の高さｈでの小形粗度部材４６の部分的な断面積により重み付けがされる。
【００３４】
図３は、実施形態において、特定範囲の入射角（Θ）における、小形粗度部材４６（図２Ａ）の透過率（Ｔ）への影響を示す。この場合、屈折率ｎが１．８２５であるサファイア基板１２（図１）と、真空においてある特定波長λ０となる放出光に対する屈折率がおおよそ１である周囲の空気との間の界面に粗度エレメントが形成されている。図示されるように、小形粗度部材４６が形成されていない場合（すなわち、Ｌ＝０λ０）、透過率はおおよそ０．９２の最大値となり、入射角がおおよそ２０度を超えると透過率は著しく低下し始める。小形粗度部材４６の厚さＬがおおよそ０．２５λ０である場合、最大透過率はおおよそ０．９８にまで増加し、入射角がおおよそ２８度を超えるまでは透過率が維持される。小形粗度部材４６の厚さＬがおおよそ０．５λ０〜１λ０の間又はそれより大きい場合、入射角がおおよそ２８度を超えるまでは、透過率は０．９９を超えている。その結果、小形粗度部材４６はフレネル損失を低減でき、その結果、サファイア基板１２からの放出光の取り出し量が、小形粗度部材４６のない界面と比べて増加する。
【００３５】
図４は、実施形態における、小形粗度部材４６の寸法の傾斜屈折率への影響を示す。図示されるように、大形粗度部材４４（図２Ａ）からの距離ｚが増えるに従い、傾斜屈折率は小形粗度部材４６（例えば、サファイア）の材料の屈折率から、隣接する物質（例えば、空気）の屈折率へと徐々に遷移する。
【００３６】
図５Ａ及び図５Ｂのそれぞれは、実施形態における一定屈折率である粗度エレメント６０Ａの説明用の概略図と、傾斜屈折率である粗度エレメント６０Ｂの説明用の概略図とを示す。それぞれの場合において、隣接するシリンダー６２の一番右側の表面であり円錐体の底に発光源が位置している。シリンダー６２の壁は、典型的な発光ダイオードにおける光の吸収作用に倣って、部分的に吸収ミラーとなるように設定されている。粗度エレメント６０Ａは、滑らかな側面の円錐形状を有している。反対に、粗度エレメント６０Ｂは、側面に小形粗度部材が積層された円錐形状（例えば、大形粗度部材）を有している。その結果、粗度エレメント６０Ｂの側面は、粗度エレメント６０Ａの側面に比べて見かけが不明瞭となっている。
【００３７】
図６Ａと図６Ｂとは、実施形態における、図５Ａと図５Ｂとの円錐体６０Ａ、６０Ｂに対する説明用の光の分布及び対応する光取出し効率（ＬＥＥ）をそれぞれ示している。図示されるように、傾斜屈折率を有する円錐体６０Ｂの光の透過のＬＥＥ（図６Ｂに図示）は、一定屈折率を有する円錐体６０Ａの光の透過のＬＥＥ（図６Ａに図示）よりも明らかに高く、例えば、１０パーセントを超える向上となっている。
【００３８】
図７Ａ〜図７Ｃは、実施形態における、説明用の大形粗度部材７０Ａ、７０Ｂと対応する説明用の強度の極座標プロットをそれぞれ示している。図７Ａでは、大形粗度部材７０Ａが円錐台の形状となっており、図７Ｂの大形粗度部材７０Ｂでは、角錐台の形状となっている。それぞれの大形粗度部材７０Ａ、７０Ｂは、逆台形のエレメント（inverse truncated element）を有しており、対応する層（例えば、基板１２）に隣接する大形粗度部材７０Ａ、７０Ｂの一部である底部Ｂは、上部Ｔよりも小さい。図示は省略されているが、例えば、台形の上部表面に小形粗度部材を積層させることで、それぞれの大形粗度部材７０Ａ、７０Ｂを用いて粗度エレメントを形成できることが理解される。さらに、大形粗度部材７０Ｂの角錐台には４辺のある底部と上部とが備えられることが示されるが、角錐体の底部と上部は、任意の数の辺を有する多角形であってもよいことがわかる。
【００３９】
大形粗度部材７０Ａ、７０Ｂのそのような構造は、例えば、目標波長となる放出光の出射円錐角を定めるように大形粗度部材７０Ａ、７０Ｂを設計する、ことにより、例えば、層からの光の取り出しを促進するために光を収束するために、用いられる。この点において、大形粗度部材７０Ａの円錐台形状の辺は、９０度未満である角度Θを形成してもよい。同様に、大形粗度部材７０Ｂの角錐台形状の辺と大形粗度部材４４Ａの円錐台形状の辺は、法線に対する角度が４５度未満となるように形成してもよい。このように、光の反射の量を増加すると、層から外に向かう光となる。図７Ｃは、大形粗度部材７０Ａに対する説明用の強度分布の極座標プロットを示している。
【００４０】
図１に戻ると、表面変化面（層１２、１４、１６等）を有する１つ以上の層を備える装置１０又は装置１０を形成するために用いられるヘテロ構造は、任意の方策を用いて製造されうることが理解される。例えば、発光装置／ヘテロ構造は、基板１２を、例えば形成し、準備し、獲得する等して取得し、その上にバッファ層１４を、例えば成長させ、蒸着させ、固着させる等して形成し、バッファ層１４上にｎ型クラッド層１６を形成して製造してもよい。さらに、例えば量子井戸とバリアを有する活性領域１８を、任意の方策を用いてｎ型クラッド層１６上に形成してもよい。任意の方策を用いて、ｐ型層２０を活性領域１８上に形成し、ｐ型クラッド層２２をｐ型層２０上に形成してもよい。さらに、１つ以上の金属層、コンタクト、及び／又は追加層を任意の方策を用いて形成してもよい。さらに、ヘテロ構造／装置を、コンタクトパッドを介してサブマウントに取り付けてもよい。
【００４１】
発光装置／ヘテロ構造の製造には、マスク層等の一時的な層の蒸着と除去、１つ以上の層のパターニング、１つ以上の図示しない追加層の形成等が含まれてもよいことが理解される。この点において、表面変化面４０Ａ〜４０Ｃは蒸着及び／又はエッチングの任意の組み合わせを用いて製造してもよい。例えば、製造方法には、大形粗度部材及び／又は小形粗度部材を形成する材料からなるナノスケールの対象物（例えば、ナノドット及び／又はナノロッド等）の選択析出及び／又はエッチングが含まれる。このような蒸着及び／又はエッチングを用いて、周期的なパターン及び／又は非周期的な不規則なパターンを形成できる。
【００４２】
発光装置からの光の取り出し性の向上のための設計方法及び／又は製造方法としてここに示され説明されてはいるが、本発明の側面はさらに様々な代替実施形態を提供できることが理解される。例えば、本発明の側面を、例えば、レーザー光生成構造の光励起や、レーザーパルスを用いたキャリアガスの励起等の一部として実施することで、装置内の光の透過を促進できる。同様に、本発明の実施形態は、光センサや光検出器等の検出装置と連携して、実施することができる。それぞれの場合において、所望の方向に光が界面を透過することを促進するために、装置の外側の表面及び／又は装置の２つの隣接する層の界面に、表面変化面を備えてもよい。
【００４３】
一実施形態において、本発明はここで説明されたように設計し製造された装置を１つ以上含む回路の設計及び／又は製造の方法を提供する。この点について、図８は、実施形態に係る回路１２６を製造する説明用のフロー図を示す。まず、ユーザーは、本明細書で説明される半導体装置のための装置設計１１２を生成する装置設計システム１１０を用いることができる。装置設計１１２は、装置設計１１２により定義された機能に基づき、装置製造システム１１４が一組の物理的な装置１１６を生成するために用いられるプログラムコードを有する。同様に、装置設計１１２は回路設計システム１２０に（例えば、回路での使用に有効な部材として）提供されてもよく、ユーザーは回路設計システム１２０を（例えば、１つ以上の入力と出力とを回路内の様々な装置に接続することで）回路設計１２２を生成するために用いてもよい。回路設計１２２は本明細書で説明されるように設計された装置を含むプログラムコードを有する。いずれにしても、回路設計１２２及び／又は１つ以上の物理的な装置１１６が、回路設計１２２に基づき物理的な回路１２６を生成可能な回路製造システム１２４に提供されてもよい。物理的な回路１２６は、本明細書で説明されるように設計された１つ以上の装置１１６を含んでもよい。
【００４４】
他の実施形態においては、本発明は、本明細書で説明されるように半導体装置１１６を設計するための装置設計システム１１０及び／又は製造するための装置製造システム１１４を提供する。この場合、システム１１０、１１４は、本明細書で説明されるような半導体装置１１６の設計及び／又は製造をする方法を実施するようプログラムされた一般用の計算装置を含んでもよい。同様に、本発明の実施形態は、本明細書で説明されるように設計及び／又は製造された少なくとも１つの装置１１６を含む回路１２６を設計する回路設計システム１２０及び／又は製造する回路製造システム１２４を提供する。この場合、システム１２０、１２４は、少なくとも１つの半導体装置１１６を含む回路１２６を本明細書で説明されるように設計及び／又は製造する方法を実行するようにプログラムされた一般用の計算装置を含んでもよい。
【００４５】
さらに他の実施形態において、本発明は、少なくとも１つのコンピュータが読取り可能な媒体に固定されたコンピュータプログラムを提供し、このプログラムは実行されると、本明細書で説明されるように半導体装置を設計及び／又は製造する方法をコンピュータシステムに実行させることができる。例えば、コンピュータプログラムは、装置設計システム１１０に、本明細書で説明されるように装置設計１１２を生成させることができる。この点において、コンピュータ可読媒体は、コンピュータシステムにより実行されると、本明細書で説明される工程の一部又はすべてを実行するプログラムコードを有する。「コンピュータ可読媒体」という用語は、１つ以上の任意のタイプの有形の表現媒体（現在知られているものや今後開発されるもの）を含み、「コンピュータが読取り可能な媒体」から、プログラムコードの保存されたコピーを認識でき、複製でき、又は他にも、計算装置を通じての通信の対象にできることが理解される。
【００４６】
他の実施形態においては、本発明は、コンピュータシステムに実行された場合に本明細書で説明される工程の一部又はすべてを実行できるプログラムコードのコピーを提供する方法を提供する。この場合、コンピュータシステムはプログラムコードのコピーを処理して、第２の別の場所にて受け取るために一組のデータ信号を生成し送信できる。ここにおいて、この一組のデータ信号は、プログラムコードのコピーを一組のデータ信号内にエンコードできるように設定及び／又は変更された１つ以上のそのコピーの特性を含む。同様に、本発明の実施形態は、本明細書で説明される工程の一部又はすべてを実行するプログラムコードのコピーを取得する方法を提供し、ここで、この方法は、本明細書で説明される一組のデータ信号を受信し、この一組のデータ信号を変換して少なくとも１つのコンピュータが読取り可能な媒体に固定されたコンピュータプログラムのコピーにするコンピュータシステムを含んでいる。いずれの場合においても、一組のデータ信号が任意のタイプの通信リンクを用いて、送信／受信されてもよい。
【００４７】
さらに他の実施形態において、本発明は、本明細書で説明されるように半導体装置を設計するための装置設計システム１１０及び／又は製造するための装置製造システム１１４を生成するための方法を提供する。この場合、コンピュータシステムが取得されて（例えば、作成されて、整備されて、使えるようになって等）、本明細書で説明される工程を実行するための１つ以上の部材が取得されて（例えば、作成されて、購入されて、使われて、改修されて等）コンピュータシステムに設置されてもよい。この点において、この場合の設置には、（１）プログラムコードを計算装置にインストールする、（２）１つ以上の計算装置及び／又はＩ／Ｏ装置をコンピュータシステムに追加する、（３）コンピュータシステムを組み込む及び／又は改修して本明細書で説明される工程を実行できるようにする、等のうち１つ以上を含んでもよい。
【００４８】
本発明の様々な側面の前述の説明は、例示や説明を目的として示した。網羅することも意図しておらず、また、開示したそのままの形態に本発明を限定することも意図しておらず、多くの変形例や変更例がありうることは明らかである。当業者にとって明らかであろうそのような変形例や変更例は、本明細書の請求項にて定義される本発明の範囲に含まれている。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図８】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
2014519722.tif 000013
【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【国際調査報告】
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