(57)【要約】【課題】  反射器を有する発光装置を提供する。【解決手段】  第１の導電型の領域、第２の導電型の領域、活性領域、及び電極を含む発光装置。活性領域は、第１導電型の領域と第２導電型の領域の間に配置され、第２導電型の領域は、活性領域と電極の間に配置される。活性領域は、約０．２５λnに等しいか又はそれ以下の全厚を有し、また、電極から約０．６λnと０．７５λnの間に位置する部分を有し、ここで、λnは、第２導電型の領域の活性領域により放射された光の波長である。いくつかの実施形態においては、活性領域は複数のクラスタを含み、第１クラスタの一部分は、電極から約０．６λnと０．７５λnの間に位置し、第２クラスタの一部分は、電極から約１．２λnと１．３５λnの間に位置する。【選択図】      図１
2004207742.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導電型の領域と、
第２の導電型の領域と、
該第１導電型の領域と該第２導電型の領域との間に配置され、該第２導電型の領域における波長λnを有する光を放射することができる活性領域と、
該活性領域により放射された光を反射する表面と、
を含み、
前記第１導電型の領域と前記第２導電型の領域のうちの一方は、前記活性領域と前記反射表面との間に配置され、
前記活性領域は、約０．２５λnに等しいか又はそれ以下の全厚を有し、
前記活性領域の一部分は、前記反射表面から０．６λnと０．７５λnの間に位置する、
ことを特徴とする発光装置。
【請求項２】
前記活性領域は、障壁層により分離された２つの量子井戸層を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記量子井戸層の各々は、約１０と約６０オングストロームの間の範囲の厚みを有し、
前記障壁層は、約５０から約２００オングストロームの範囲の厚みを有する、
ことを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
【請求項４】
前記活性領域は、２つの障壁層により分離された３つの量子井戸層を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項５】
前記活性領域は、約０．１５λnに等しいか又はそれ以下の全厚を有することを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項６】
前記活性領域の物理的中心は、抽出効率の極大値から０．０５λn以内に対応する電極の表面からの距離に位置することを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項７】
前記活性領域の輝度の中心は、抽出効率の極大値から０．０５λn以内に対応する電極の表面からの距離に位置することを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項８】
電極は、前記活性領域により放射された光に対して８０％よりも大きい反射率を有することを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項９】
前記活性領域は、少なくとも１つのＩＩＩ族窒化物層を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項１０】
前記活性領域は、少なくとも１つのＩＩＩ族燐化物層を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項１１】
電極は、銀を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項１２】
電極は、金を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項１３】
電極は、アルミニウムを含むことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項１４】
電極は、第１の電極であり、
該第１の電極は、前記第２導電型の領域に電気的に結合され、
前記第１導電型の領域に電気的に結合された第２の電極と、
該第１及び第２の電極に電気的に結合されたサブマウントと、
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項１５】
前記サブマウントに電気的に結合された複数のリード線と、
前記活性領域の上に重なるレンズと、
を更に含むことを特徴とする請求項１４に記載の発光装置。
【請求項１６】
電極の表面から０．６λnと０．７５λnの間に位置する前記活性領域の前記部分は、該活性領域の第１の部分を含み、
該活性領域の第２の部分は、前記電極の表面から１．２λnと１．３５λnの間に位置する、
ことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項１７】
前記反射表面は、金属電極の表面であることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項１８】
前記反射表面は、分散型ブラッグ反射器の表面であることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項１９】
第１の導電型の領域と、
第２の導電型の領域と、
該第１導電型の領域と該第２導電型の領域との間に配置され、該第２導電型の領域における波長λnを有する光を放射することができる活性領域と、
該活性領域により放射された光を反射する電極と、
を含み、
前記第２導電型の領域は、前記活性領域と前記電極との間に配置され、
該活性領域は、第１のクラスタ及び第２のクラスタを含み、
該第１のクラスタの一部分は、前記電極の表面から０．６λnと０．７５λnの間に位置し、
該第２のクラスタの一部分は、前記電極の表面から１．２λnと１．３５λnの間に位置する、
ことを特徴とする発光装置。
【請求項２０】
前記第１のクラスタ及び前記第２のクラスタの各々は、少なくとも１つの障壁層により分離された複数の量子井戸を含むことを特徴とする請求項１９に記載の発光装置。
【請求項２１】
前記第１のクラスタ及び前記第２のクラスタの各々の厚みは、約０．３５λnに等しいか又はそれ以下であることを特徴とする請求項２０に記載の発光装置。
【請求項２２】
前記第１のクラスタ及び前記第２のクラスタの各々の厚みは、約０．１５λnに等しいか又はそれ以下であることを特徴とする請求項２０に記載の発光装置。
【請求項２３】
前記第１のクラスタ及び前記第２のクラスタは、障壁層により分離されることを特徴とする請求項１９に記載の発光装置。
【請求項２４】
前記活性領域は、少なくとも１つのＩＩＩ族窒化物層を含むことを特徴とする請求項１９に記載の発光装置。
【請求項２５】
前記活性領域は、少なくとも１つのＩＩＩ族燐化物層を含むことを特徴とする請求項１９に記載の発光装置。
【請求項２６】
第１の導電型の領域と、
第２の導電型の領域と、
該第１導電型の領域と該第２導電型の領域との間に配置され、該第２導電型の領域における波長λnを有する光を放射することができる活性領域と、
該活性領域により放射された光を反射する電極と、
を含み、
前記第２導電型の領域は、前記活性領域と前記電極との間に配置され、
該活性領域は、約０．２５λnに等しいか又はそれ以下の全厚を有し、
該活性領域の一部分は、前記電極の表面から０．１λnと０．３λnの間に位置する、
ことを特徴とする発光装置。
【請求項２７】
第１及び第２の絶縁領域と、
該第１及び第２の絶縁領域の間に配置された蛍光体層と、
該蛍光体層により放射された光を反射する表面と、
を含み、
前記第１及び第２の絶縁領域のうちの一方は、前記蛍光体層と前記反射表面との間に配置され、
該蛍光体層の中心は、抽出効率の極大値に対応する該反射表面からの距離に位置する、
ことを特徴とする有機発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、この引用により本明細書において組み込まれる、２００２年１２月２０日出願の米国特許仮出願第６０／４３５，８３８号の恩典を請求する。
本発明は、反射器を有する発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）のような半導体発光装置は、現在入手可能な最も効率的な光源の中に入る。可視スペクトル全体に亘って作動することができる高強度ＬＥＤの製造において現在関心のある材料システムは、ＩＩＩ−Ｖ族半導体を含み、特に、ＩＩＩ族窒化物材料とも称されるガリウム、アルミニウム、インジウム、及び窒素の二元、三元、及び四元合金と、ＩＩＩ族燐化物材料とも称されるガリウム、アルミニウム、インジウム、及び燐の二元、三元、及び四元合金と含む。多くの場合、ＩＩＩ族窒化物装置は、サファイア、シリコンカーバイド、又はＩＩＩ族窒化物基板上にエピタキシャル成長させられ、ＩＩＩ族燐化物装置は、金属有機化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）、又は他のエピタキシャル技術によってガリウム砒化物上にエピタキシャル成長させられる。多くの場合、１つ又は複数のｎ型層が基板上に堆積され、次に、活性領域がｎ型層上に堆積され、次に、１つ又は複数のｐ型層が活性領域上に堆積される。層の順番は、ｐ型層が基板に隣接するように逆にすることもできる。
【０００３】
【特許文献１】米国特許仮出願第６０／４３５，８３８号
【特許文献２】米国特許出願一連番号第１０／１５８，３６０号
【非特許文献１】「半導体及び半金属」第６５巻、ゲルト・ミューラー編「エレクトロルミネッセンスＩＩ」第４章、クリスチアン・ネイツ著「エレクトロルミネッセント装置のための微小空洞」
【非特許文献２】マックス・ボルン及びエミール・ウォルフ著「光学の原理」、６２８−６３０ページ、１９８０年
【非特許文献３】Ｐ・マースカント他著「ＧａＮベースの共振空洞ＬＥＤの製造」、「Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔ．Ｓｏｌ．」、２００２年２月１９日提出
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
当業技術で必要とされているのは、装置から抽出される光の量を増大させるＬＥＤ構造である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態によれば、発光装置は、第１の導電型の領域、第２の導電型の領域、活性領域、及び電極を含む。活性領域は、第１導電型の領域と第２導電型の領域の間に配置され、第２導電型の領域は、活性領域と電極の間に配置される。活性領域は、約０．２５λnに等しいか又はそれ以下の全厚を有し、また、電極から約０．６λnと０．７５λnの間に位置する部分を有し、ここで、ｎを第２導電型の領域の屈折率とすると、λn＝λ真空／ｎである。
いくつかの実施形態においては、活性領域は複数のクラスタを含み、第１クラスタの一部分は、電極から約０．６λnと０．７５λnの間に位置し、第２クラスタの一部分は、電極から約１．２λnと１．３５λnの間に位置する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下に説明する実施例は、半導体発光装置に関する。本発明の実施形態は、有機発光装置又は他の任意の適切なフリップチップ装置に適用可能である。
図１は、本発明の実施形態による発光装置を示す。ｎ型領域３、発光活性領域１、及びｐ型領域５を含む半導体層のグループは、基板２の上に形成される。半導体層は、例えば、ＩＩＩ族窒化物層、ＩＩＩ族燐化物層、ＩＩ−ＶＩ族層、又は任意の他の適切な材料とすることができる。ｎ型領域３、活性領域１、及びｐ型領域５の各々は、同一又は異なる組成、厚み、及びドーパント濃度の多重層を含むことができる。ｐ型領域５及び活性領域１の一部分は、ｎ型領域３の一部分を露出させるために除去される。ｎ電極１０は、ｎ型領域３上に堆積され、ｐ電極４は、ｐ型領域５上に堆積される。ｐ及びｎ電極のうちの少なくとも１つは、活性領域１によって放射された光を強く反射する。装置は、相互接続８によってサブマウント９上に物理的に装着されると共に電気的に結合される。
図８は、半導体発光装置の代替実施形態を示す。図８の装置においては、ｐ型領域５は、分散型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）のような反射面５０によりｐ電極４から分離される。
【０００７】
図１０は、本発明の実施形態による有機発光ダイオードのような薄膜ルミネッセント装置を示す。蛍光体発光層３０４は、２つの絶縁体３０３及び３０５の間に挟まれる。金属層３０６及び透明電極３０２を通じて、装置に対する接点が作られる。光は、ガラス上層板３０１を通じて抽出される。有機発光ダイオードは、「半導体及び半金属」第６５巻のゲルト・ミューラー編「エレクトロルミネッセンスＩＩ」第４章のクリスチアン・ネイツ著「エレクトロルミネッセント装置のための微小空洞」においてより詳細に説明されている。
光抽出効率は、装置における反射層に対する発光層の配置を制御することにより改善することができる。図１の装置においては、活性領域１の配置は、高度に反射性のｐ電極４に対して制御される。図８の装置においては、活性領域１の配置は、「ＤＢＲ」５０に対して制御される。図１０の装置においては、蛍光体層３０４の配置は、金属層３０６に対して制御される。
【０００８】
図１の装置に戻り、ｐ電極が完全に導電性金属であると仮定すると、活性領域の中心が、材料内において反射性のｐ電極から光の１／４波長のほぼ奇数倍内に置かれた場合（ｉ＝０，１，２，・・・の時に（２ｉ＋１）λn／４）、下方及び上方に伝播する光の建設的干渉は、出力を脱出円錐（図１に示すようにθ〜０°）中へ選択的に放射する放射パターンをもたらす。この増強は、半導体層／基板に対する法線に近い方向であり、半導体層の中に戻る全内部反射の影響を受けにくい。代替的に、活性領域をｐ電極反射器に対して僅かに近く（又は、それから僅かに遠く）移動させることによる共振条件の僅かな同調ズレは、脱出円錐中への光の放射、従ってチップからの全上面抽出を最適化するのに好ましい場合がある。ほとんどの用途における最大効率のためには、活性領域と完全に導電性の金属ｐ電極との間の距離は、ほぼ１／４波長であるべきである。
【０００９】
非理想金属接点を有する装置において、最大抽出のために共振条件を更に再同調することは、金属から反射する光の移相に依存する。実際の反射接点の移相を判断する方法、次いで、その移相に基づいてその接点に関連した活性領域の最適配置を判断する方法を以下に説明する。以下の説明は、多くの場合、サファイア基板上に形成されたＩＩＩ族窒化物装置の実施例を使用するが、当業者には、説明された方法が他の材料システム、他の接点金属、及び他の成長基板に対して容易に適用可能であることが明らかであろう。
【００１０】
ＬＥＤから放射された光の全量（すなわち、全積分光束）は、装置の側面から放射された積分光束に、装置の上側から放射された（基板に向かって）積分光束を加えたものである。側面放射光は、一般に、反射面及び異なる屈折率を有する様々なデバイス層により作りだされた導波路により装置の側面に案内される。導波された光は、一般に、装置の側面に至るその経路上でいくつかの反射を行い、各反射毎に強度を失う。更に、活性領域を通過する光は、吸収される場合がある。従って、初回通過において可能な限り多くの光を装置の上側から抽出し、それにより内部損失を減少させて全積分光束を増大させる傾向を与えることは有利である。
【００１１】
フリップチップＬＥＤは、ＬＥＤ内部から上側に衝突して脱出円錐内にある光が装置の上側から直接出て行くように、活性領域近くに「上部脱出円錐」を有する。用語を簡単にするために、この上部脱出円錐を単に「脱出円錐」と呼び、それにより最大の上側光放射が重要なＬＥＤ性能の目標であると理解するものとする。脱出円錐は、スネルの法則により、装置内部の様々な層の屈折率を含むいくつかの装置パラメータにより判断される。脱出円錐の外側で上側に衝突する光ビームは、全内部反射を受ける。このような内部反射された光は、一般に装置の側面から出るか、又は、装置内で更なる内部反射及び強度損失を受ける。従って、ＬＥＤの上側から出る強度を増大させる１つの手法は、脱出円錐内にある上側に衝突する光束を増大させることである。
【００１２】
図２は、図１に示す装置の一部分から逃げる光を示す。反射性の正のオーム接触４は、活性領域１からｄだけ分離したところに位置し、活性領域１と接点４との間に位置するｐ型領域５を有する。領域５は、１つの層を含むことができるか、又は、ｐ型領域５の厚みを通して個別の組成、ドーピング特性、及び副層間の屈折率を有するか又は組成、電気的特性、及び光学的特性の漸次的変化を有する多層副層を含むことができる。
【００１３】
説明が明快であるように、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、及び、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であって、ＧａＮ基部層３及び単一ｐ型層５を含み、基部層３及びｐ型層５の各々が全体に亘って実質的に均一な屈折率を有する、ＡｌxＩｎyＧａzＮ層を有するＩＩＩ族窒化物装置の場合を詳細に考える。不均一な屈折率を有する層（異なる材料の多層や光学特性の漸次的変化などから生じるような）に対する一般化は、基部層材料の様々な層全体に亘って（層ｉの物理的な厚み）／（層ｉの屈折率）を加算又は積分することにより得られる光学距離を使用すると簡単である。従って、均一な屈折率を有する層に対してここに提示する実施例は、例示的であり限定的ではない。
【００１４】
活性領域１において発生され、ＬＥＤの上側から出る光は、ｎ型領域３、基板２、及び密封ゲル７を通過し、図２においてビーム８により描かれるように、その各々において屈折を受ける。ＧａＮ基部層３は、屈折率ｎ1＝２．４を有する。サファイア基板２は、ｎ2＝１．８を有し、通常の密封ゲル７は、ｎ3＝１．５を有する。従って、法線から離れる屈折が図２に描写されるように発生し、光８を基板２から密封ゲル７中へ法線からの角度θ3で出現させる。
【００１５】
光がその形成の位置から密封ゲル７中へ低屈折率の連続領域（３、２、及び７）を通って伝播すると、全内部反射の可能性が各境界面で発生する。つまり、ビーム８が高い屈折率側から斜め過ぎる角度で３−２又は２−７境界面に当る場合、如何なる光も密封ゲル７に入らないことになる。
スネルの法則を図２に適用すると、ｎ1ｓｉｎθ1＝ｎ2ｓｉｎθ2＝ｎ3ｓｉｎθ3が得られる。脱出円錐は、θ3＝９０°又はｓｉｎθ1（脱出）＝（ｎ3／ｎ1）によって判断される。ＧａＮ、サファイア、及び密封ゲルに対する上記屈折率値を使用すると、θ1（脱出）≒３８．７°を得る。従って、ｎ1側からｎ1−ｎ2境界面に当る光は、入射角がθ1（脱出）である約３８．７°を超える場合には装置の上側から決して現れない。
【００１６】
活性領域１において発生する電子正孔再結合から放射された光は、ビーム６ｄのように直接的に、又は、ビーム６ｒのようにオーム接触４からの反射に従って透明基板の中に方向付けすることができる。活性領域１において放射された光に対するコヒーレンス長は、一般にＧａＮにおいては約３ミクロンである。従って、分離ｄがコヒーレンス長の約５０％よりも小さい（ＧａＮにおいては、ｄが約１．５ミクロンに等しいか又はそれ以下）場合、直接のビーム（６ｄ）と反射されたビーム（６ｒ）との間で強力な干渉が発生すると予想される。この干渉縞は、活性領域１と反射性接点４との間の距離によって影響される。
【００１７】
反射光６ｒは、それが反射性接点４に当って跳ね返る場合に強度の損失と移相とを受ける。フリップチップからの光出力を増大させるために、及び、接点４に対する強度損失を減少させるために、接点４は、高い反射率を有するように選択することができる。例えば、接点４は、５０％を超える反射率を有することができ、通常は８０％を超える反射率を有し、いくつかの実施形態においては、好ましくは９０％を超える反射率を有する。反射光６ｒの移相は、反射性接点４において使用された金属又は金属合金のｎ及びｋ値に依存し、従って、移相は、金属の種類に依存して変化することになる。この移相はまた、干渉縞に影響を与える。完全な導電性金属に対しては、移相は１８０°であることになる。概して、実際の装置上の接点は、完全な導電性金属ではない。
【００１８】
反射性接点４から反射された光の移相が判断された状態で、装置を脱出する光の干渉縞は、活性領域１と反射性接点４との間の距離の関数として計算することができる。上述のように、ＧａＮ／サファイア／密封ゲル境界面から脱出する光に対する臨界角は、約３９度であり、従って、この３９度の範囲内に方向付けされたＧａＮ中の光部分のみが基板２の上側を通って脱出することができる。発光装置からの光抽出を増大させる１つの方法は、脱出円錐内に光の強度を集中させることである。活性領域から現れる干渉縞は、所定の接点材料に対して活性領域１と反射性接点４との間の距離により制御されることから、脱出円錐内の光強度は、活性領域１と反射性接点４との間の距離を適切に選択することにより最大にすることができる。
【００１９】
単一量子井戸活性領域から直接的に放射された光６ｄの電界は、以下のようになる。
【００２０】
2004207742.tif 000003
【００２１】
単一量子井戸活性領域から反射された光６ｒの電界は、以下のようになる。
【００２２】
2004207742.tif 000004
【００２３】
ここで、ｗ0は放射光６ｄの振幅、ｗRは反射光６ｒの振幅、ｋは方向ベクトル、ｘは位置ベクトル、Φは反射性接点４から反射する際の移相、Φ’は光路長差に起因する移相である。
装置における強度は、従って、角度θの関数として以下のようになる。
【００２４】
2004207742.tif 000005
【００２５】
光路長差Φ’に起因する移相は、λn＝λ／ｎとすると方程式（４）により、単一量子井戸活性領域１と反射性接点４との間の距離ｄ、角度θ、波長λ、及びｎ（上述の例においてはＧａＮであるデバイス層の屈折率）に依存する。
Φ’＝２π（Δｘ／λn）＝２π（２ｄ＊ｃｏｓθ／λn）      （４）
【００２６】
反射性接点４からの反射に起因する移相Φは、金属が既知である場合は、反射性接点４における金属のｎ及びｋ値から計算することができる。例えば、本明細書において引用により組み込まれる、マックス・ボルン及びエミール・ウォルフ著「光学の原理」の６２８−６３０ページ（１９８０年）を参照することができる。反射性接点４のｎ及びｋ値が既知でない場合は、移相Φは、例えば、以下の方法で判断することができる。試験中の装置に対して直角の基板を通って放射される光を集めるために、小さな収集円錐（θ〜６°）に検出装置が置かれる。活性領域１と反射性接点４との間の様々な距離を有する一連の装置が、反射性接点４として未知の移相を有する材料を含んで製造される。放射光の波長が一定である場合、一連の装置の抽出効率は、活性領域１と反射性接点４との間の距離ｄの関数として単に変化することになる。
【００２７】
方程式（３）によれば、抽出効率における極小値は、Φ＋Φ’＝ｍ＊π（ｍは奇数の整数）の点に位置し、ここで、Φ’は、直接的な放射光６ｄと反射光６ｒとの間の光路差に起因する位相差である。各々が反射性接点４から異なる距離に配置された単一量子井戸を有する一連の装置を使用することで、反射性接点４の外部量子効率は、検出装置により、単一量子井戸活性領域１と反射性接点４との間の距離の関数として計測することができる。既知移相を有する第２の反射性接点４を使用すれば、同一の活性領域対反射性接点距離を使用して、外部量子効率対距離の別の曲線を第２の組の装置に対して計測又は計算することができる。外部量子効率は、内部量子効率と抽出効率との積、つまり、ＥＱＥ＝Ｃ抽出＊ＩＱＥであり、従って、内部量子効率におけるウェーハ間の差を除去して抽出効率の比を得るために、以下になるように第１曲線上の点を第２曲線上の点で割算することができる。
ＥＱＥ未知／ＥＱＥ既知＝Ｃ抽出,未知／Ｃ抽出,既知      （５）
【００２８】
Ｃ抽出,未知及びＣ抽出,既知は、方程式（３）で置換することができ、ＥＱＥ未知及びＥＱＥ既知は、両装置に対する外部量子効率の計測値で置換することができ、従って、方程式（５）は、Φ未知金属について解くことができる。ｄ、θ、λ、ｍ、Φ既知金属、及び反射率は既知であるから、Φ未知金属は、全ての未知の反射性接点４について計算することができる。Φを判断するために、他の方法を使用してもよい。例えば、「Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔ．Ｓｏｌ．」（２００２年２月１９日提出）に掲載のＰ・マースカント他著「ＧａＮベースの共振空洞ＬＥＤの製造」を参照することができる。
【００２９】
反射Φに起因する移相が既知になった状態で、強度は、距離ｄ及び角度θの関数として上述の方程式３を使用して計算することができる。図３は、図２で定められたθ3であるＬＥＤの法線に対するシリコーン内への放射方向の関数としてコンピュータが発生させた上側遠視野放射光強度（又は光束）の例を示す。図３の曲線は、密封ゲル７としてシリコーンを使用するサファイア基板上に組立てられた単一量子井戸ＩＩＩ族窒化物装置に基づいている。ｄ＝０．５λnを有する図３の曲線ａからｄ＝１．３λnを有する図３の曲線ｉまで様々な値のｄが描かれており、ここで、λnは、活性領域と反射性接点とを分離する半導体材料中の光の波長である。角度に対する光束の変化だけが重要であるから、光束の単位は任意である。放射パターンは、他の要因のうちでもとりわけ、距離ｄ、放射光の波長、光がＬＥＤから出る場合に通過する材料の有効屈折率に依存する。放射パターンは、ｄが変化すると明らかに変化し、３８．７°の脱出円錐内にある光束を変化させる。
【００３０】
図３に示すように、全放射光束の極大は、発光領域の中心垂直軸線付近にピークがない放射パターンに対して発生する場合がある。つまり、光束強度が表面に対して主として直角（図３においては０度、又は「軸線上」）に方向付けされるように反射平面を発光領域から間隔を空けて配置しても、必ずしも全放射光束の最大化をもたらすわけではない。図３の曲線「ｆ」は、放出された放射の顕著な軸線上ピークをもたらすが、全放射光束をかなり犠牲にする。従って、軸線上の光放射強度を最大にするために発光領域を反射器から間隔を開けて配置しても、最大のＬＥＤ全光束を得るためには次善であろう。
【００３１】
図３における曲線は、装置側面から放射された光に対して積分及び加算することができ、図４の曲線を発生させる。図４は、４つの装置に対して、コンピュータが発生させた１ｍｍ×１ｍｍフリップチップの全光束の抽出効率のプロットを、λnで割算された活性領域１と反射性接点４との間の距離の関数として示す。図４における曲線ａは、サファイア基板、シリコーン密封ゲル、及び銀／ニッケル接点を有する反射性接点を使用するＩＩＩ族窒化物単一量子井戸装置に対する結果を示す。図４は、第２及び第３の極大値を示す。抽出効率の第２極大値は、約０．６λnと約０．７５λnの間で発生し、抽出効率の第３極大値は、約１．２λnと約１．３５λnの間で発生する。従って、（薄いニッケル）／銀接点を使用するＩＩＩ族窒化物装置の最大抽出効率に対しては、単一量子井戸活性領域１の中心は、反射性接点４から約０．５λnと約０．８λnの間、又は、約１．１λnと約１．４λnの間に配置されるべきである。
【００３２】
抽出効率対距離の曲線における極大値の位置は、光の波長が変化するとずれる場合がある。光の波長は、金属からの反射Φに起因する移相に影響する。Φが既知のｎ及びｋ値から計算される場合、計算は波長を考慮に入れる。Φが上述のように計測される場合、Φは、活性領域と反射性接点との間の距離の適正な選択を保証するために特定の波長について計測されるべきである。以下の表は、３つの異なる波長の装置に対する抽出効率対ｄのプロットにおける第２、第３、及び第４極大値に対応する単一ＩＩＩ族窒化物量子井戸とニッケル／銀接点との間の間隔の範囲ｄを列挙したものである。
【００３３】
【表１】
2004207742.tif 000006
【００３４】
第１極大値は、概して、約０．１λnと約０．３λnの間に位置する。
上述の実施例は、ニッケル／銀接点、シリコーン密封ゲル、及びサファイア基板を使用するＩＩＩ族窒化物装置に関するが、活性領域と反射性接点との間の間隔を選択する方法は、以下に限定されるものではないが、ＩＩＩ族燐化物、ＩＩＩ族砒化物、及びＩＩ−ＶＩ族を含む他の材料システムに対して、他の接点材料に対して、他の密封材料に対して、及び、他の基板に対して適用することができることが当業者には明らかであろう。例えば、純銀接点を使用する４５０ｎｍＩＩＩ族窒化物装置は、抽出効率の第２極大値を約０．６５λnと約０．７５λnの間、抽出効率の第３極大値を約１．１５λnと約１．３８λnの間、及び、抽出効率の第４極大値を約１．７３λnと約１．８５λnの間に有する。金接点を使用する６２５ｎｍＩＩＩ族燐化物装置（ｎ＝３．４）は、抽出効率の第１極大値を約０．１λnと約０．３λnの間、抽出効率の第２極大値を約０．６λnと約０．７５λnの間、抽出効率の第３極大値を約１．１λnと約１．２５λnの間、抽出効率の第４極大値を約１．６λnと約１．８λnの間、及び、抽出効率の第５極大値を約２．１８λnと約２．２８λnの間に有する。
【００３５】
図５は、活性領域と反射性接点との間の間隔を判断する方法を示す。最初に、段階２０２において、半導体材料、基板、及び、密封材料又は密封材料が何も使用されない場合は空気の屈折率を使用して脱出円錐が計算される。段階２０４において、光路長に起因する移相及び反射に起因する移相が、次いで上述のように計算又は計測される。光路長に起因する移相及び反射に起因する移相は、反射器に使用された材料及び光の波長に依存する。段階２０６において、段階２０４で判断された移相を使用して、放射パターンが活性領域と反射性接点との間の様々な間隔について計算され、図３のようなグラフをもたらす。この放射パターンは、光の波長に依存する。段階２０８において、活性領域と反射性接点との間の距離ｄの関数として抽出効率が計算される。この抽出効率は、段階２０６において計算された放射パターンと段階２０２において計算された脱出円錐とに依存する。ｄの関数としての抽出効率の実施例を図４に示す。ｄの関数としての抽出効率のプロットの極大値は、段階２１０において識別され、それは、活性領域とほとんどの光を出力する反射性接点との間の間隔を判断する。図５において示す方法は、本明細書において引用により組み込まれる、２００２年５月２９日出願の「改善された光抽出のためのフリップチップ発光ダイオードにおける量子井戸の選択的配置」という名称の米国特許出願一連番号第１０／１５８，３６０号でより詳細に説明されている。
【００３６】
図５で説明した方法は、ＩＩＩ族燐化物装置の反射性接点と活性領域との間の分離を判断するために使用することができ、その場合、デバイス層は、ＡｌxＩｎyＧａzＰであり、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、及び、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である。ＩＩＩ族燐化物装置は、多くの場合、活性領域に隣接したＡｌＩｎＰ層と、反射性接点に隣接したＧａＩｎＰ接点層とを有する。反射性接点は、ＧａＩｎＰとのオーム接触に関して選択される。適切な反射性接点材料の例は、Ａｌ、Ａｇ、及びＡｕである。反射性接点金属は、合金にしてＧａＩｎＰにすることができ、それは接点の反射率を減少させることができる。オーム特性と反射特性との間の妥協点を軽減するために２点接点を使用することができる。２点接点を形成するために、最初に適切なオーム金属層が堆積され、合金にしてＧａＩｎＰにされる。次いで、この金属は、精細な線のパターンにエッチングされ、それによりＧａＩｎＰのほとんどの表面区域が露出され、この精細な線は、装置内へ電流を伝える役割を果たす。ＧａＩｎＰの露出された区域は、次に化学的にエッチングされて除去され、下のＡｌＩｎＰクラッド層を露出し、それにより吸収ＧａＩｎＰの大部分を光路から除去する。最後に、適切な反射器が、ＡｌＩｎＰに対してそれが作る接点の抵抗性と無関係にその光学特性に関して選択され、最初の金属の精細な線と露出ＡｌＩｎＰとの両方を覆って堆積される。このようにして、最初の金属と鏡として機能する高度に反射性の第２の金属とにより、電流は装置内へ伝導される。
【００３７】
図４Ａの曲線ａは、単一量子井戸活性領域に対するデータを示す。しかし、本明細書に説明する方法は、単一量子井戸装置に限定されるものではなく、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性領域との関連においても使用できるものである。例えば、「ＭＱＷ」活性領域の輝度の中心及び／又は物理的中心は、活性領域と反射性接点との間の距離の関数としての上側光束の抽出効率の適切なプロット上の極大値に対応する分離の点に配置することができる。そのような実施形態を図６Ａ及び図６Ｂに示す。図６Ａで示す活性領域は、障壁層１７により分離された２つの量子井戸層１５を有する。図６Ｂに示すように、活性領域１の中心である障壁層１７の中心は、図４の曲線ｂの第１ピークに位置し、その曲線は、２つの量子井戸の活性領域に対応する。曲線ｂの第１ピークは、抽出効率に対する活性領域中心及びｐ電極間の距離のプロットにおける第２極大値に対応し、約０．６７λnの距離に位置する。
【００３８】
装置の抽出効率は、活性領域と活性領域及び反射電極間の層とを、各量子井戸が抽出効率対反射電極からの距離のプロット上の極大値に可能な限り近く位置するように設計することで改善することができる。図６Ａ、６Ｂ、７Ａ、及び７Ｂは、そのように設計された装置の実施例を示す。
図６Ａ及び６Ｂに示す装置は、例えば、ＵＶから緑色に至る範囲の波長で光を放射するＩＩＩ族窒化物装置とすることができる。量子井戸１５の各々は、約１０オングストロームから約６０オングストロームに至る範囲の厚みを有することができ、通常は、約１５オングストロームから約４０オングストロームに至る間の厚みを有し、好ましくは、約３０オングストロームの厚みを有する。量子井戸１５の組成は、装置により放射される光の色に依存する。量子井戸１５の各々は、同一の厚み及び組成を有する必要はない。障壁層１７は、約５０オングストロームから約２００オングストロームに至る範囲の厚みを有することができ、通常は、約８５オングストロームの厚みを有する。より短い波長の装置の障壁層は、より長い波長の装置の障壁層よりも薄くすることができる。ｐ型領域は、活性領域からｐ電極まで順番に列挙すると、ＡｌＧａＮ閉込め層５ａ、第１ＧａＮ層５ｂ、及び第２ＧａＮ接点層５ｃを含むことができる。いくつかの実施形態においては、閉込め層５ａは、１００オングストロームと１０００オングストロームの間の厚みを有することができ、通常は、約１００オングストロームと約４００オングストロームの間の厚みを有し、第１ＧａＮ層５ｂは、約１００オングストロームと約１０００オングストロームの間の厚みを有することができ、通常は、約４００オングストロームと約９００オングストロームの間の厚みを有し、第２ＧａＮ接点層５ｃは、約５０オングストロームと約５００オングストロームの間の厚みを有することができ、通常は、約５０オングストロームと約２５０オングストロームの間の厚みを有する。図６Ａ及び６Ｂに示す装置における反射性ｐ電極は、例えば、ＧａＮ接点層５ｃとＡｇの厚い層との間に挟まれたＮｉの薄い層を使用する多層電極としてもよい。
【００３９】
図６Ａ及び６Ｂに示す実施形態においては、活性領域全体は、抽出効率対活性領域及びｐ電極間の距離の曲線上のピークの周りに位置する。この活性領域は、図６Ｂの抽出効率対距離の曲線上の第２極大値に対応する距離に配置されるが、活性領域の配置は、第３又はそれ以上の極大値に対応することができる。第１極大値に活性領域を配置すると薄すぎるｐ型領域をもたらす場合があるので、通常は、活性領域は、第１極大値の近くに配置されない。第４又はそれ以上の極大値は、そのような配置がｐ型領域を余りにも厚くして抽出効率を減少させる結果をもたらす場合があるので、通常は使用されない。ｐ型領域は、一般的に量子井戸よりも高温の下で製造され、従って、厚いｐ型領域を製造すると、量子井戸に損傷を与える製造条件をもたらす場合がある。更に、第４極大値を超える抽出効率は、第２、第３、及び第４極大値に対するものよりも著しく低い。
２つの量子井戸が図６Ａに示されているが、活性領域のピークから最も遠い部分がそのピークにかなり近いことを条件として、それよりも多いか又は少ない量子井戸を使用してもよい。２つの障壁層により分離された３つの量子井戸を有する装置においては、中央量子井戸の中心は、ｐ電極から抽出効率対距離の曲線上のピークに対応する距離に最適に位置する。
【００４０】
図６Ａ及び６Ｂに示す実施形態においては、活性領域の全厚は、全ての活性領域が抽出効率対活性領域及びｐ電極間の距離の曲線上のピークに近いように制限される。例えば、活性領域の全厚は、ピークのいずれの側においても活性領域が０．３５λnよりも大きくなり得ず、通常は０．１５λnよりも大きくなく、通常は０．０５λnを超えて延びないように選択することができる。図４の４つの曲線は、活性領域がよりコンパクトになるにつれて全抽出効率が改善されることを明示する。図４は、４つの装置、単一量子井戸装置（曲線ａ）、薄い障壁を有する２つの量子井戸の装置（曲線ｂ）、厚い障壁を有する２つの量子井戸の装置（曲線ｃ）、及び、４つの量子井戸の装置の抽出効率を示す。図４に示す第１ピークにおいては、量子井戸におけるキャリアの均一な充填を仮定すると、最もコンパクトな活性領域を有する装置（単一量子井戸装置）は、最も高い抽出効率を有し、一方、最も厚い活性領域を有する装置（４つの量子井戸の装置）は、最も低い抽出効率を有する。
【００４１】
少ない（例えば、１〜３）量子井戸を有する実施形態においては、活性領域の輝度の中心は、活性領域の物理的中心であると予想される。異なる組成又は厚みの量子井戸を有するか、又は３を超える量子井戸を有する活性領域においては、輝度の中心は、活性領域の物理的中心ではない場合がある。そのような装置においては、活性領域の輝度の中心は、抽出効率対距離の曲線上のピークに位置することができる。
【００４２】
いくつかの実施形態においては、活性領域における量子井戸は、抽出効率対距離の曲線上のピークの周囲にクラスタを形成することができ、薄い障壁層が、各クラスタにおける量子井戸を分離し、厚い障壁層が、クラスタを分離する。各クラスタの輝度中心は、活性領域及び反射性接点間の距離の関数としての上側光束の抽出効率の適切なプロット上の極大に対応する分離の点に配置することができる。図７Ａ及び７Ｂは、そのような装置を示す。図７Ａに示す装置は、各々が２つの量子井戸を備えた量子井戸の２つのクラスタを有する。第１のクラスタは、障壁層１７ａにより分離された２つの量子井戸１５ａを含み、その中心は、図４に示す第１ピークに位置する（第２極大値）。第２のクラスタは、障壁層１７ｂにより分離された２つの量子井戸１５ｂを含み、その中心は、図４に示す第２ピークに位置する（第３極大値）。この２つのクラスタは、厚い障壁層１７ｃにより分離される。これらのクラスタは、２つよりも多いか又は少ない量子井戸を持つことができ、同数の量子井戸を有する必要はない。
【００４３】
図９は、パッケージ化された発光装置の組立分解図である。放熱スラグ１００は、挿入成形されたリードフレーム１０６の中に配置される。挿入成形リードフレーム１０６は、例えば、電路を形成する金属フレームの周りに成形された充填プラスチック材料である。スラグ１００は、任意選択の反射器カップ１０２を含むことができる。代替的に、スラグ１００は、反射器カップなしにペデスタルを形成してもよい。上述の装置の何れであってもよい発光装置ダイ１０４は、スラグ１００に対して直接的又は熱伝導性サブマウント１０３を通じて間接的に装着することができる。光学レンズ１０８を追加してもよい。
【００４４】
本発明を詳細に説明したが、当業者は、本開示が与えられたので、本明細書に説明した発明概念の精神から逸脱することなく本発明に対して変更を為し得ることを認めるであろう。例えば、本発明は、実施例に説明した接点材料及び半導体材料に限定されない。具体的には、多くの実施例は、銀接点を有するＩＩＩ族窒化物フリップチップ装置に関するものであるが、本発明はまた、ＩＩＩ族燐化物、ＩＩＩ族砒化物、及びＩＩ−ＶＩ族材料のような他の反射性接点及び他の材料システムにも適用可能である。従って、本発明の範囲は、図解及び説明した特定の実施形態に限定するようには意図していない。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施形態による発光装置を示す図である。
【図２】密封ゲルで覆われた図１の発光装置の一部分を示す図である。
【図３】活性領域を反射器から分離する材料の量が波長λnを用いて表される時に、活性領域を反射器から分離する異なる量の材料を有し、サファイア基板上に組立てられてシリコーン密封ゲルを用いてパッケージ化されたＩＩＩ族窒化物単一量子井戸銀／ニッケル接点発光装置から放射された光束の角度分布を示す図である。
【図４】いくつかの装置に対する上部光の抽出効率を活性領域及び反射器間の分離の関数として示す図である。
【図５】発光装置の活性領域及び反射器間の分離を判断する方法を示す図である。
【図６Ａ】図１の活性領域１の一実施形態を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ａに示すデバイス層の位置を示す図である。
【図７Ａ】図１の活性領域１の代替実施形態を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ａに示すデバイス層の位置を示す図である。
【図８】発光装置の代替実施形態を示す図である。
【図９】パッケージ化された発光装置の組立分解図である。
【図１０】本発明の実施形態による薄膜エレクトロルミネッセント装置を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  活性領域
２  基板
３  ｎ型領域
４  ｐ電極
５  ｐ型領域
８  相互接続
９  サブマウント
１０  ｎ電極
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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