(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光デバイスであって、
複数の穴を有する基板であり、該穴が当該基板の表面から伸びている、基板と、
前記複数の穴内部に位置された非III−窒化物材料の反射防止被覆層であり、前記基板の表面には当該非III−窒化物材料がない、非III−窒化物材料の反射防止被覆層と、
前記基板の表面上に成長された半導体構造体であり、ｎ型領域とｐ型領域との間に位置された発光層を含む半導体構造体と、
を含み、
前記半導体構造体の一部が前記穴内に位置されている、発光デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の発光デバイスであり、前記複数の穴が三角形断面を有する、発光デバイス。
【請求項３】
請求項１に記載の発光デバイスであり、前記非III−窒化物材料が、前記半導体構造体と前記基板との間の屈折率勾配光学境界部を形成する層の積み重ねである、発光デバイス。
【請求項４】
請求項１に記載の発光デバイスであり、前記複数の穴が、表面において、１μｍと２μｍとの間の幅を有する、発光デバイス。
【請求項５】
請求項１に記載の発光デバイスであり、前記複数の穴が、１μｍと２０μｍとの間の深さで、前記基板中へと伸びている、発光デバイス。
【請求項６】
請求項１に記載の発光デバイスであり、最も近接した隣り合う穴の中心間の間隔が、２μｍと５０μｍとの間である、発光デバイス。
【請求項７】
請求項１に記載の発光デバイスであり、前記複数の穴がアレイ状に配列されている、発光デバイス。
【請求項８】
請求項１に記載の発光デバイスであり、前記基板の３μｍ×３μｍ面積当たり、平均１個と２個との間の穴が形成されている、発光デバイス。
【請求項９】
発光デバイスであって、
複数の穴を有するサファイア基板であり、該穴が当該基板の平坦表面から伸びており、当該基板の前記平坦表面に関して傾斜した側壁を有する、基板と、
前記傾斜した側壁上に位置されており、前記基板の前記平坦表面上には位置されていない誘電材料の反射防止被覆層と、
前記基板の前記平坦表面上に成長された半導体構造体であり、ｎ型領域とｐ型領域との間に位置されたIII−窒化物発光層を含む半導体構造体と、
を含み、
前記半導体構造体の一部が前記穴内に位置されている、発光デバイス。
【請求項１０】
請求項９に記載の発光デバイスであり、前記半導体構造体が前記複数の穴を充填している、発光デバイス。
【請求項１１】
請求項９に記載の発光デバイスであり、前記複数の穴が三角形断面を有する、発光デバイス。
【請求項１２】
請求項９に記載の発光デバイスであり、前記複数の穴がアレイ状に配列されている、発光デバイス。
【請求項１３】
請求項９に記載の発光デバイスであり、前記基板の３μｍ×３μｍ面積当たり、平均１個と２個との間の穴が形成されている、発光デバイス。
【請求項１４】
請求項９に記載の発光デバイスであり、前記誘電材料が、前記半導体構造体と前記基板との間で、前記複数の穴内に位置されている、発光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光取出を改良し得る造作を有する基板上に成長された発光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（LEDs）、共振空洞発光ダイオード（RCLEDs）、垂直共振器レーザダイオード（VCSELs）及び端面発光レーザ（edge  emitting  lasers）を含む半導体発光デバイスは、現在入手できる最大効率光源に属する。可視スペクトルにわたり動作可能な高輝度発光デバイスの製造において現在興味ある材料系は、III−V属半導体、特に、III−窒化物材料とも呼ばれる、ガリウム、アルミニウム、イリジウム及び窒素の二元、三元及び四元合金を含む。代表的には、サファイア、シリコンカーバイド、III−窒化物その他の好適な基板上に、金属有機化学蒸着（MOCVD）、分子ビームエピタキシ（MBE）その他のエピタキシャル技法によって、異なる混合物及びドーパント濃度の半導体層の積み重ねをエピタキシャル成長させることにより、III−窒化物発光デバイスが製造される。該積み重ねはしばしば、基板上に形成した、例えばシリコンでドーピングした１層以上のｎ型層と、ｎ型単一層又複数層の上に形成した、活性領域内の１層以上の発光層と、該活性領域上に形成した、例えばMgでドーピングした１層以上のｐ型層とを含む。ｎ型及びｐ型領域上に、電気的接続が形成される。
【０００３】
図１は、半導体発光デバイスから取り出される光の光取出効率を改良した、米国特許出願公開第2013/0086028号公報に詳述された、基板を示す。サファイア基板１０上に、第１方向（ｘ軸に沿った方向）に伸張している複数の溝１１が平行ストライプパターンに形成されている。残余の溝のない表面は、基板の頂部表面１０ａである。各溝１１の幅はｙ軸方向に1.5μｍであり、ｙ軸方向の溝のない各ストライプの幅は、ｙ軸方向に1.5μｍである。各溝１１の深さは0.1μｍである。各溝１１の深さは、１００Å〜３μｍの範囲内であってよい。
【０００４】
複数のSiO2  誘電ストライプ１５が、溝１１の底部表面及び側部表面に平行に、かつサファイア基板１０の上に形成される。各誘電ストライプ１５は、第２方向（ｙ軸に沿った方向）に伸張している。各誘電ストライプ１５の幅は、ｘ軸方向に1.5μｍである。各誘電ストライプ１５の厚さは、１００Å〜１μｍの範囲内であってよい。図１に示す配置・形状を有するサファイア基板１０の上に、膜厚１０nmを有するアルミニウム窒化物（AlN）バッファ層が堆積される。バッファ層（図１には示さず）は、溝１１の底部表面１１ａ及び側部表面１１、表面１０ａ並びに誘電ストライプ１５の頂部表面１５ａ及び側部表面１５ｂの上に形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第2013/0086028号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の一目的は、光取出を改良した発光デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の数実施形態に従った発光デバイスは基板を含み、該基板は基板の頂部から伸びる複数の穴を備える。非III−窒化物材料が複数の穴内部に位置される。基板の表面には、非III−窒化物材料がない。半導体構造体が基板の表面上に成長される。半導体構造体は、ｎ型領域とｐ型領域との間に位置される発光層を含む。
【０００８】
以下の説明では基板はサファイアであるが、サファイア、SiC、シリコン、GaN、III−窒化物その他の複合基板などの如何なる適切な基板材料をも用いることができる。ある実施形態において、基板は、基板上に成長されたIII−窒化物材料の屈折率よりも小さな屈折率を有する。例えば、サファイアは１．７の屈折率を有するが、GaNは２．４の屈折率を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】半導体発光デバイスから取り出す光の光取出効率を改良した従来技術の基板である。
【図２】本発明の実施形態に従った、造作を有する基板の一部の平面図である。
【図３】本発明の実施形態に従った、造作を有する基板の一部の断面図である。
【図４】造作の表面上に１層以上の被覆層を形成した後の図３の構造体の断面図である。
【図５】図４の基板上に形成した半導体デバイス構造体を示す。
【図６】フリップチップデバイスを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１に示す基板の上に、半導体発光デバイス構造体を形成することができる。滑らかな基板を有するデバイスにおいて、基板と半導体材料との間に導波路が形成される。基板の屈折率と半導体材料の屈折率とが異なることにより、導波路がデバイス内の光を捕捉する。図１の基板を有するデバイスにおいて、基板上の溝１１及び誘電ストライプ１５が導波路を遮り、それによりデバイスからの光取出を改良することができる。基板の方向に出射された光が、溝１１及び／又は誘電ストライプ１５により散乱され、それによりデバイスから光がより多く取り出される。
【００１１】
図１に示す構造において、平坦表面（溝１１間の表面１０ａ及び溝１１の底部表面１１ａ）と非平坦表面（溝１１の垂直側壁１１ｂ）との両表面の上に誘電ストライプ１５が形成される。平坦表面上の誘電材料は光取出について最小の効果を有し、基板上に成長した半導体デバイス構造の結晶成長品質を損ねる可能性がある。
【００１２】
本発明のある実施形態において、基板上に造作（features）が形成され、１層以上の反射防止性、散乱性及び／又は屈折率分布型の被覆層で被覆され、その後基板上に半導体デバイス構造体のエピタキシャル成長がなされる。上記の１層以上の被覆層は、基板表面内に形成された造作を完全に或いは部分的に埋める。造作及び被覆層の主要な機能は、二つある。（ｉ）III−窒化物材料から基板への光の伝搬を増大する。（ｉｉ）光の方向を制御して、デバイスからの遠方場放出（far-field  emission）を調節する。
【００１３】
被覆層は、基板の表面領域に限定され、成長中にIII−窒化物材料の核形成に著しくは寄与しない。これらの表面領域は、基板の平面に関して（ｘ軸及びｙ軸で記述され、ｚ軸に垂直な平面に関して）形成された造作のうち、大体傾斜した及び／又は垂直な領域である。基板上の非平坦表面上の誘電層などの非III−窒化物被覆層を形成することは、基板上の結晶成長に著しくは影響しないが、デバイスからの光取出を増大することができる。
【００１４】
以下の例では、半導体発光デバイスは、青色光又は紫外光を放出するIII−窒化物LED  であるが、LED以外の半導体発光デバイスも用いることができる。例えば、他のIII−Ｖ属材料、III−燐化物材料、III−ヒ化物材料、II−VI属材料、ZnO又はシリコンベース材料などの他の材料から作られた半導体発光デバイス及びレーザーダイオードなどを用いることができる。
【００１５】
図２は、本発明の実施形態に従った、造作２２を有する基板２０の一部の平面図である。
【００１６】
図２に示した造作２２は、基板２０内に形成した複数の穴であり、基板の頂部表面から下方に伸びている。これらの穴は、基板の全厚を貫通してはいない。これらの穴は、例えば、垂直側部及び平坦底部を有する穴、傾斜側部及び平坦底部を有する穴、切頭倒立ピラミッド型、切頭倒立円錐型、倒立ピラミッド型、倒立円錐型その他の適切な形状を含む、如何なる適切な形状であってもよい。これらの穴は、基板の頂部表面に垂直な軸に沿って、又はある実施形態においては他の軸に沿って回転対称であるが、それが必須であるわけではない。これらの穴は、例えば、三角形、正方形、六角形その他の適切なアレイなどのアレイを含む如何なる適切なパターンに、ランダム配置に、又はアルキメデス格子（Archimedean  lattice）などの準ランダム配置にアレンジされても良い。
【００１７】
これらの穴は、エッチング、ドリリングなどの機械的技法その他の適切な技法により形成することができる。例えば、これらの穴は、例えばリン酸又は硫酸の化学浴内での湿式化学エッチングによって、或いは誘導結合したプラズマ（ICP）エッチャー内での乾式エッチング技法によって、形成することができる。
【００１８】
図３は、代表的な造作２２を含む基板２０の一部の断面図である。図1のｘ軸及びｙ軸により形成される基板の平面は、例えば、図３に示した構造の頂部又は底部のようである。図３に示した造作２２の実施形態は、各穴の軸が基板平面に垂直な方向である倒立三角形断面を有する。造作は、如何なる適切な断面を有しても良い。例えば、造作は平坦底部又は丸い底部を有しても良い。造作は、垂直側部、傾斜側部、曲面側部、又は異なる区分が異なる傾斜若しくは形状を有する分割側部を有しても良い。ある実施形態において、造作の傾斜側部は、発光層の最大角放射の方向に対して直交又は実質的に直交する。例えば、もし発光層により放射される光が、デバイスの主平面の法線から６０度においてローブ最大点を伴うパターンで放射されるならば、造作の傾斜側部はデバイスの主平面の法線から角度３０度に方向付けられて良い。
【００１９】
基板２０の頂部表面２４は、図３に示すように、造作２２の間において平坦であって良いが、必須ではない。例えば、頂部表面２４は、パターン付け、粗面化又は織り目化（textured）されて良く、或いは穴の方向に関して傾斜されても良い。
【００２０】
複数の穴の全部又は大部分の軸が基板の平面に垂直となるように、穴を方向付けても良い。変形的には、複数の穴の全部又は大部分の軸が、基板の平面に関して角度付けられても良く、或いは、ランダムに方向付けられても良い。
【００２１】
基板２０は、ある実施形態において少なくとも１００μｍの厚さを有しても良く、ある実施形態において５００μｍを越えない厚さ、ある実施形態において少なくとも２００μｍ、ある実施形態において４００μｍを越えない厚さを有しても良い。
【００２２】
造作２２の開口部において、つまり基板の頂端部において、造作２２は、ある実施形態において少なくとも１μｍの幅２６、ある実施形態において２０μｍを越えない幅２６、ある実施形態において少なくとも５μｍの幅２６、ある実施形態において１５μｍを越えない幅２６を有しても良い。造作２２は、ある実施形態において少なくとも１μｍの深さ３０、ある実施形態において２０μｍを越えない深さ３０、ある実施形態において少なくとも５μｍの深さ３０、ある実施形態において１５μｍを越えない深さ３０を有しても良い。最も近接する隣り合う造作の中心間の間隔（spacing）３２は、ある実施形態において少なくとも２μｍの間隔、ある実施形態において５０μｍを越えない間隔、ある実施形態において少なくとも２０μｍの間隔、ある実施形態において４０μｍを越えない間隔であって良い。隣り合う造作２２間における基板２０の頂部表面２４の幅２８は、ある実施形態において少なくとも１００ｎｍの幅、ある実施形態において５０μｍを越えない幅、ある実施形態において少なくとも５μｍの幅、ある実施形態において２５μｍを越えない幅であって良い。図３に示すように、穴は、基板の全厚を貫通しない。変形的には、幾つかの又は全ての穴が基板の全厚を貫通しても良い。
【００２３】
図４は、造作２２及び１層以上の被覆層を伴う基板を示す。被覆層３６は、造作２２の傾斜側壁２２ａの上のみに形成されている。被覆層３６は、当技術分野で知られる在来のフォトマスキングプロセスにより形成することができる。例えば、基板をマスクして、次に被覆層を形成し、次にマスクを除去することができ；  或いは被覆層を形成し、次にマスキング及びエッチングによりパターン付けをすることができ；  或いは造作の側壁上のみに選択的に被覆層を形成することができる。造作２２の間の基板２０の、しばしば平坦である頂部表面２４は、変更せずに（すなわち被覆層３６により被覆せずに）残すことができ、後述するようにIII−窒化物デバイス構造体の成長の間、結晶化プロセスの正しい核形成を保証することができる。III−窒化物結晶は被覆層３６上方で基板表面２４上で優先的に核形成するので、造作２２の側壁２２ａはエピタキシャル成長の間III−窒化物結晶の核形成に著しくは貢献しない。
【００２４】
被覆層３６は、エピタキシャルプロセスに互換な如何なる適切な材料を含んでも良い。好適な材料の例としては、非III−窒化物材料、誘電材料、付着などのエピタキシャル成長以外の技法により形成される材料、SiN、SiO2、TiO2、酸化物及び窒化物が含まれる。被覆層３６の屈折率は、ある実施形態において、基板の屈折率とGaNの屈折率との間であって良い（例えば、１．５及び２．５の間の範囲の屈折率を有する層を形成するためのSiN並びにSiO2及びTiO2の複合材料など）。
【００２５】
多重被覆層３６を用いることができる。層の好適な組み合わせを選択することができ、それによりIII−窒化物材料から基板への光伝搬又は特定角度方向への放出光の方向付けの何れか又は両方である意図した効果を増大させることができる。反射防止被覆の原理に基づき、或いは高屈折率から低屈折率へと光を滑らかに移行させる屈折率勾配材料をエミュレーティングすることにより、多重被覆層を選択することができる。ある実施形態において、基板に最も近く典型的には接触している被覆層（最初に付着した被覆層３６）の屈折率は、最低の屈折率、すなわち基板の屈折率に最も近い屈折率を有する。基板から最も遠い被覆層（最後に付着した被覆層）は、最高の屈折率、すなわちIII−窒化物層の屈折率に最も近い屈折率を有する。こうして、被覆層の積み重ねは、ある実施形態において、III−窒化物材料と基板との間で屈折率勾配（GRIN）光学境界部（interface）を形成することができる。
【００２６】
ある実施形態において、被覆層３６は、穴の深さの少なくとも２０％を、穴の深さの５０％までを充填するSiNの単一層である。例えば、２μｍ深さの穴の場合には、被覆層３６は、１μｍまでの厚さを有することができる。
【００２７】
被覆層３６は、造作２２を部分的に或いは完全に充填することができる。特に、ある実施形態において、被覆層３６の頂部表面が造作２２間の基板の頂部表面２４と同一平面になるように、被覆層３６が造作２２を充填しても良い。造作２２の充填は、非核形成表面を最小化する。
【００２８】
被覆層３６を形成した後に、図５に示すように、半導体デバイス構造体が成長される。半導体構造体は、ｎ型領域とｐ型領域とに挟まれた発光領域又は活性領域を含む。
【００２９】
ｎ型領域３８は、最初に成長されることができ、異なる混合物であり異なるドーパント濃度の多重層を含むことができる。該多重層は、例えば、バッファ層若しくは核形成層などの準備層、接触層及び閉じ込め層を含み、これらは、発光領域にとって効率的に発光するのに望ましい、特定の光学特性、材料特性若しくは電気的特性のために設計されたｎ型層、又は故意にはドーピングしてないｎ型若しくはｐ型デバイス層であって良い。
【００３０】
ｎ型領域の第１部分は、造作内を充填し合体することができ、デバイス層を成長させるために十分な高品質の表面を形成することができる。ｎ型領域のこの部分は、ある実施形態において少なくとも２μｍ厚であり、ある実施形態において５μｍを越えない厚さであって良い。初期的に成長したIII−窒化物材料は、造作間の基板の頂部表面２４上で優先的に核形成し、造作２２内の被覆層３６上では優先的には核形成しない。
【００３１】
発光領域又は活性領域４０が、ｎ型領域上に成長される。好適な発光領域の例として、単一の厚い若しくは薄い発光層、又はバリア層により分離された薄い若しくは厚い多重発光層を含む多重量子ウェル発光領域が含まれる。
【００３２】
ｐ型４２が次に発光領域上に成長されることができる。ｎ型領域と同様に、ｐ型は、故意にはドーピングしていない或いはｎ型層を含む、異なる混合物、異なる厚さ及び異なるドーパント濃度の多重層を含む。
【００３３】
成長後に、ｐ型領域の表面上にｐコンタクト４４が形成される。ｐコンタクト４４はしばしば、反射性金属及び反射性金属の電子マイグレーションを防止或いは減少させ得るガードメタルなどの多重導電層を含む。反射性金属はしばしば、銀であるが、如何なる適切な材料又は複数の材料を用いることができる。
【００３４】
図５は、デバイス内の光の振る舞いを示す。光線４６ａなどのある視射角で基板２０の表面２４を打つ光は、基板とIII−窒化物材料との間の導波路により全反射され、光線４６ｂで示されるようにデバイス内部で光が捕捉されうる。造作２２は導波路を遮断し、それにより、光線４８などのある視射角で造作２２内へ放出される光が半導体材料から取り出される。表面２４により反射されるある光線は、コンタクト４４により再度反射され、次に造作２２上に入射し、そこで、最終的には半導体材料から光線が取り出される。造作２２が無いと、光線は、同一角度で多重表面により反射され続け、光エネルギーが熱に変換されるまで、半導体構造体中に捕捉されたままになる。
【００３５】
図５に示す構造体は、如何なる適切なデバイスに形成することもできる。一般に、上述のような光取出造作を有する基板を伴うデバイスにおいて、主として基板を通じてデバイスから光が取り出される。基板はデバイスの部分として残るが、必須ではない。図６にフリップチップを示すが、図５の構造体を如何なる適切なデバイスへと形成することもできる。
【００３６】
図６に示すように、ｐコンタクト４４の形成後に、ｐコンタクト４４、ｐ型領域４２及び活性領域４０の一部が除去され、ｎ型領域３８の一部を露出させ、その上にｎコンタクト５０を形成する。ｎコンタクト５０及びｐコンタクト４４は、シリコンの酸化物その他の適切な材料などの誘電体５２で充填されたギャップによって、互いに電気的に絶縁される。多重ｎコンタクトビアを形成することができ、ｎコンタクト５０及びｐコンタクト４４は、図６に示す構成に限定されない。ｎコンタクト及びｐコンタクトを再分配して、当技術分野で知られているように、誘電／金属スタックを伴うボンドパッド（図６には図示せず）を形成することができる。
【００３７】
デバイスへの電気的接続を形成するために、ｎコンタクト５０及びｐコンタクト４４の上に直接に、或いはそれらに電気的に接続されて、１つ以上の相互接続部５４および５６が形成される。図６において、相互接続部５４はｎコンタクト５０に電気的に接続される。相互接続部５６は、ｐコンタクト４４に電気的に接続される。相互接続部５４および５６は、誘電層５２及びギャップ５８によって、ｐコンタクト４４及びｎコンタクト５０からそれぞれ電気的に絶縁され、かつ互いに電気的に絶縁されている。相互接続部５４および５６は、例えば、ハンダ、スタッドバンプス、金層その他の如何なる適切な材料であって良い。
【００３８】
多数の個々のLEDが、単一の基板ウェハ上に形成され、次にウェハから各デバイスへとダイシングされる。ダイシングの前、最中又は後に、基板２０を薄化することができる。ある実施形態において、薄化に加えて、或いは薄化の代わりに、基板２０の裏側表面６０をパターン付け、織り目化又は粗面化して、基板から包囲空気中への光取出を改良することができる。
【００３９】
図６に示すデバイスは、例えば、側部が約１mm長であって良い。したがって、単一デバイスの基板は、ある実施形態において、数十又は数百の造作を含み得る。一実施例において、３μｍ×３μｍ分の基板面積当たり、平均１〜２個の造作が存在しうる。
【００４０】
本発明の実施形態を詳細に説明してきたが、本開示により、ここで説明した発明の概念の真意から逸脱することなく、実施形態に対して多くの変更がなされ得ることが当業者に理解される。ゆえに、本発明の範囲を上述の特定実施形態に限定す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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