(57)【要約】【課題】デバイスの光抽出効率を改善する。【解決手段】本発明の実施例によれば、発光デバイスは、発光領域と１以上の層により前記発光領域から分離された反射接点とを含んでいる。第１の実施例では、前記発光領域と前記反射接点との間の仕切りは、約０．５λｎと約０．９λｎの間にあり、λｎは前記発光領域及び反射接点を分離する装置の領域において前記反射領域から放射する放射線の波長である。第２の実施例では、前記発光領域と前記反射接点との間の仕切りは、約λｎと約１．４λｎの間にある。前記発光領域は、例えば、ＩＩＩ−窒化物、ＩＩＩ−燐化物、又は他の適当な材料であってもよい。【選択図】　　　　　図６ａ
2004006893.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射線を放射可能な発光領域と、
前記放射線を反射し、間隙により前記発光領域から分離されている反射体とを備え、
前記間隙は、前記放射された放射線の直接ビームと反射ビーム間の干渉が前記発光ダイオードの最上部の逃し円錐部に放射線を集中させるようになっていることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
前記放射線は前記発光デバイスの最上部の逃し円錐部に集中されているが、前記発光領域の中央垂直軸にはない請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項３】
放射線を放射可能な発光領域と、
前記放射線を反射する反射体とを備え、
前記反射体は約０．５λｎと約０．９λｎの間の範囲の間隙により前記発光領域から分離されており、λｎは前記発光領域を前記反射体から分離する領域内の放射線の波長である発光ダイオード。
【請求項４】
前記反射体は銀及びニッケルを含んでいる請求項３に記載の発光ダイオード。
【請求項５】
前記発光領域はＡｌｘＩｎｙＧａｚＮを含み、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１で、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である請求項４に記載の発光ダイオード。
【請求項６】
前記間隙は約０．６λｎと約０．７５λｎの間にある請求項４に記載の発光ダイオード。
【請求項７】
前記放射線は真空で４５０ｎｍの波長を有し、
前記間隙は約９３．８ｎｍと約１５０．０ｎｍの間にある請求項４に記載の発光ダイオード。
【請求項８】
前記放射線は真空で５０５ｎｍの波長を有し、
前記間隙は約１１１．５ｎｍと約１７４．６ｎｍの間にある請求項４に記載の発光ダイオード。
【請求項９】
前記放射線は真空で５３０ｎｍの波長を有し、
前記間隙は約１２１．５ｎｍと約１８７．７ｎｍの間にある請求項４に記載の発光ダイオード。
【請求項１０】
前記反射体は銀を含んでいる請求項３に記載の発光ダイオード。
【請求項１１】
前記発光領域はＡｌｘＩｎｙＧａｚＮを含み、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１で、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である請求項１０に記載の発光ダイオード。
【請求項１２】
前記間隙は約０．６５λｎと約０．７５λｎの間にある請求項１０に記載の発光ダイオード。
【請求項１３】
前記反射体は金と金合金のうちの１つを含んでいる請求項３に記載の発光ダイオード。
【請求項１４】
前記発光領域はＡｌｘＩｎｙＧａｚＮを含み、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１で、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である請求項１３に記載の発光ダイオード。
【請求項１５】
前記間隙は約０．６λｎと約０．７５λｎの間にある請求項１３に記載の発光ダイオード。
【請求項１６】
前記反射体は８０％以上の反射率を有している請求項３に記載の発光ダイオード。
【請求項１７】
前記反射体は９０％以上の反射率を有している請求項３に記載の発光ダイオード。
【請求項１８】
前記発光領域は複数の量子井戸を備えている請求項３に記載の発光ダイオード。
【請求項１９】
前記間隙は前記複数の量子井戸の輝度の中心から前記反射体まである請求項１８に記載の発光ダイオード。
【請求項２０】
前記発光領域の第１の側近くの第１の伝導性タイプの領域と、
前記発光領域の第２の側近くの第２の伝導性タイプの領域と、
前記第１の伝導性タイプの領域に電気的に接続された第１の接点と、
前記第２の伝導性タイプの領域に電気的に接続された第２の接点と、
前記第１及び第２の接点に電気的に接続されたサブマウントと、
をさらに備えている請求項３に記載の発光ダイオード。
【請求項２１】
前記発光領域に重なるレンズをさらに備えている請求項２０に記載の発光ダイオード。
【請求項２２】
放射線を放射可能な発光領域と、
前記放射線を反射する反射体とを備え、
前記反射体は約λｎと約１．４λｎの間の範囲の間隙により前記発光領域から分離されており、λｎは前記発光領域を前記反射体から分離する領域内の放射線の波長である発光ダイオード。
【請求項２３】
前記反射体は銀及びニッケルを含み、
前記発光領域はＡｌｘＩｎｙＧａｚＮを含み、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１で、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、
前記間隙は約１．０５λｎと約１．４λｎの間にある請求項２２に記載の発光ダイオード。
【請求項２４】
前記間隙は約１．１５λｎと約１．３λｎの間にある請求項２３に記載の発光ダイオード。
【請求項２５】
前記放射線は真空で４５０ｎｍの波長を有し、
前記間隙は約１９６．９ｎｍと約２５３．１ｎｍの間にある請求項２３に記載の発光ダイオード。
【請求項２６】
前記放射線は真空で５０５ｎｍの波長を有し、
前記間隙は約２２７．３ｎｍと約２９０．４ｎｍの間にある請求項２３に記載の発光ダイオード。
【請求項２７】
前記放射線は真空で５３０ｎｍの波長を有し、
前記間隙は約２４２．９ｎｍと約３０９．２ｎｍの間にある請求項２３に記載の発光ダイオード。
【請求項２８】
前記反射体は銀を含んでおり、
前記発光領域はＡｌｘＩｎｙＧａｚＮを含み、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１で、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、
前記間隙は約１．１５λｎと約１．３８λｎの間にある請求項２２に記載の発光ダイオード。
【請求項２９】
前記反射体は金と金合金のうちの１つを含んでおり、
前記発光領域はＡｌｘＩｎｙＧａｚＮを含み、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１で、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、
前記間隙は約１．１λｎと約１．２５λｎの間にある請求項２２に記載の発光ダイオード。
【請求項３０】
前記発光領域は複数の量子井戸を備えている請求項２２に記載の発光ダイオード。
【請求項３１】
前記間隙は前記複数の量子井戸の輝度の中心から前記反射体まである請求項３０に記載の発光ダイオード。
【請求項３２】
放射線を放射可能な発光領域と、
前記放射線を反射する反射体とを備え、
前記反射体は約１．５５λｎと約１．９５λｎの間の範囲の間隙により前記発光領域から分離されており、λｎは前記発光領域を前記反射体から分離する領域内の放射線の波長である発光ダイオード。
【請求項３３】
前記反射体は銀及びニッケルを含み、
前記発光領域はＡｌｘＩｎｙＧａｚＮを含み、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１で、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、
前記間隙は約１．６５λｎと約１．８λｎの間にある請求項３２に記載の発光ダイオード。
【請求項３４】
前記反射体は銀を含み、
前記発光領域はＡｌｘＩｎｙＧａｚＮを含み、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１で、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、
前記間隙は約１．７３λｎと約１．８５λｎの間にある請求項３２に記載の発光ダイオード。
【請求項３５】
前記反射体は金と金合金のうちの１つを含み、
前記発光領域はＡｌｘＩｎｙＧａｚＰを含み、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１で、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、
前記間隙は約１．６λｎと約１．８λｎの間にある請求項３２に記載の発光ダイオード。
【請求項３６】
発光ダイオードを作り出す方法であって、
放射線を放射可能な発光領域のための材料を選択し、
前記放射線を反射する反射体のための材料を選択し、
前記発光ダイオードの最上部の逃し円錐部を計算し、
前記反射体から外れて反射した時に前記反射体の移相を決定し、
前記移相を使用して少なくとも１つの距離のため放射パターンを決定し、
少なくとも１つの放射パターンを使用して距離の関数として抽出効率を表示し、
距離の関数として抽出効率の表示の最大値に対応する間隙の距離を決定することを含むことを特徴とする方法。
【請求項３７】
前記間隙の距離により反射体から分離された活性領域を有する発光ダイオードを作ることをさらに含む請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
発光ダイオードの上側から光を抽出する方法であって、
放射線を放射可能な発光領域を供給し、
前記放射線を反射し、約０．５λｎと約０．９λｎの間の範囲の間隙により前記発光領域から分離された反射体を供給し、λｎは前記発光領域を前記反射体から分離する領域内の前記発光領域により放射された放射線の波長であることを特徴とする方法。
【請求項３９】
前記反射体は銀及びニッケルを含み、
前記発光領域はＡｌｘＩｎｙＧａｚＮを含み、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１で、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、
前記間隙は約０．６λｎと約０．７５λｎの間にある請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記反射体は銀を含み、
前記発光領域はＡｌｘＩｎｙＧａｚＮを含み、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１で、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、
前記間隙は約０．６５λｎと約０．７５λｎの間にある請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
前記反射体は金と金合金のうちの１つを含み、
前記発光領域はＡｌｘＩｎｙＧａｚＰを含み、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１で、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、
前記間隙は約０．６λｎと約０．７λｎの間にある請求項３８に記載の方法。
【請求項４２】
製品としての発光ダイオードから放射された光の強度の遠距離電磁界パターンであって、請求項３８の方法により作られたパターン。
【請求項４３】
前記発光領域は複数の量子井戸を備え、前記間隙は前記複数の量子井戸の輝度の中心から前記反射体まである請求項３８に記載の方法。
【請求項４４】
製品としての発光ダイオードから放射された光の強度の遠距離電磁界パターンであって、請求項４３の方法により作られたパターン。
【請求項４５】
発光ダイオードの上側から光を抽出する方法であって、
放射線を放射可能な発光領域を供給し、
前記放射線を反射し、約λｎと約１．４λｎの間の範囲の間隙により前記発光領域から分離された反射体を供給し、λｎは前記発光領域を前記反射体から分離する領域内の前記発光領域により放射された放射線の波長であることを特徴とする方法。
【請求項４６】
前記反射体は銀及びニッケルを含み、
前記発光領域はＡｌｘＩｎｙＧａｚＮを含み、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１で、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、
前記間隙は約１．１５λｎと約１．３λｎの間にある請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記反射体は銀を含み、
前記発光領域はＡｌｘＩｎｙＧａｚＮを含み、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１で、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、
前記間隙は約１．２λｎと約１．３λｎの間にある請求項４５に記載の方法。
【請求項４８】
前記反射体は金と金合金のうちの１つを含み、
前記発光領域はＡｌｘＩｎｙＧａｚＰを含み、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１で、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、
前記間隙は約１．１２λｎと約１．２２λｎの間にある請求項４５に記載の方法。
【請求項４９】
製品としての発光ダイオードから放射された光の強度の遠距離電磁界パターンであって、請求項４５の方法により作られたパターン。
【請求項５０】
前記発光領域は複数の量子井戸を備え、前記間隙は前記複数の量子井戸の輝度の中心から前記反射体まである請求項４５に記載の方法。
【請求項５１】
製品としての発光ダイオードから放射された光の強度の遠距離電磁界パターンであって、請求項５０の方法により作られたパターン。
【請求項５２】
放射線を放射可能な発光領域と、
前記放射線を反射し、金と金合金のうちの１つを含む反射体とを備え、
前記反射体は約２．１２λｎと約２．３λｎの間の範囲の間隙により前記発光領域から分離されており、λｎは前記発光領域を前記反射体から分離する領域内の放射線の波長である発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（関連出願のクロスレファレンス）
この出願は、１９９９年１２月２２日に出願された「光生成能力の向上したＩＩＩ−窒化物発光デバイス」という表題の出願番号Ｎｏ．０９／４６９，６５７の一部継続出願であり、ここにインコーポレイテッドバイリファレンスされている。
【０００２】
（発明の属する技術分野）
この出願は半導体発光デバイスに関し、より詳細にはフリップチップ発光デバイスの量子井戸の配置に関する。
【０００３】
（発明の背景）
発光ダイオードのような発光半導体デバイスは、ＩＩＩ−燐化物、ＩＩＩ−窒化物、及びＩＩ−ＩＶ材料を含む、幾つかの材料システムから作られてもよい。「ＩＩＩ−窒化物」材料システムはグループＩＩＩとグループＩＶの要素の組み合わせであり、窒素は主要なグループＩＶの要素であり、電子又は光電子デバイスの製造で使用される半導体を形成する。この材料システムは、ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＡｌＮ，ＧａＩｎＮ，ＡｌＧａＩｎＮ，ＩｎＮ，ＧａＩｎＡｓＮ，ＧａＩｎＰＮを含むが、これらに限定されるものではない。ＩＩＩ−窒化物材料システムは紫外線から赤色のスペクトル波長領域の光子エネルギーの光を発生する発光デバイス（ＬＥＤ）の製造に適している。これらのＬＥＤは発光ダイオード及びレーザーダイオードを含んでいる。
【０００４】
ＩＩＩ−窒化物ＬＥＤは、通常、適切な成長基板に沈積されたエピタキシャル層を含み、成長技術、例えば、有機金属の気相エピタクシーを介して、ｐ−ｎ接合を形成する。後述する例は成長基板近くにｎ型層、そして接点の近くにｐ型層を有しているが、装置がｐ型及びｎ型層の配列を有していてもよいことは理解されるべきである。ＩＩＩ−窒化物半導体デバイスの製造に幾つかの独特の挑戦がある。安価なＩＩＩ−窒化物基板は商業的に入手できないので、エピタキシャル成長は非格子整合基板、例えば、サファイア又はＳｉＣに発生させる。従来のＬＥＤダイのエピタクシー方位は、光が最上面、すなわち、接点層を通って抽出されることを必要とする。しかし、ｐ型のＩＩＩ−窒化物の接点層、すなわち、ＧａＮの高抵抗率は金属被覆がｐ型材料表面に沈積し、十分な電流拡散を供給することを必要とする。そのような金属は光を吸収するので、非常に薄いｐ電極の金属被覆（例えば、Ｎｉ／Ａｕ）は、通常、最上面を通って光を逃させるのに使用されている。しかし、これらの薄い半透明層でさえ十分な量の光を吸収する。１００Åの典型的な厚さのＡｕを仮定し、（酸化され、透明なＮｉＯｘを形成する）Ｎｉを無視すると、この半透明ｐ電極に吸収される光量は、λ＝５００ｎｍで工程当り〜２５％である。高電流密度では、金属被覆の厚さは一定電流の活性領域への投入を維持するため、そしてワイヤボンドパッドの近くでほとんどの光を発生させるのを避けるために増加されることが必要なことがある。金属厚の増加は光の吸収を増加させ、デバイスの抽出効率を減少させる。明らかに、この代償は、高電流密度（＞４０Ａ／ｃｍ２で、〜０．３５×０．３５ｍｍ２の接合領域に〜５０ｍＡ）での動作のためのＩＩＩ−窒化物ＬＥＤの設計では回避されるべきである。
【０００５】
図１では、Ｎａｋａｍｕｒａらは、Ｕ．Ｓ．Ｐ．Ｎ．５，５６３，４２２において、サファイア基板を用いる典型的な従来のＩＩＩ−窒化物ＬＥＤを開示している。ドープされていないＩＩＩ−窒化物層とドープされたＩＩＩ−窒化物層が活性領域を取り囲んでいる。非平面のデバイス結合構造が必要であり、基板が電気的に絶縁しているから、ｐとｎの両方の領域への接触がＬＥＤの同一側（最上部）で起こる。また、２つのワイヤボンドパッドはデバイスの最上部で必要とされる。ｎ側のワイヤボンドパッドはまたオーム電極であり、ＩＩＩ−窒化物エピ層に電気的に接続させる。ｐ型のＩＩＩ−窒化物層の高抵抗率は電流の拡散を必要とし、ｐ型のＩＩＩ−窒化物層に電気的に接続される薄い半透明な（一部分吸収する）ＮｉＡｕオーム電極により供給される。光抽出効率はこのオーム電極及びボンディングパッドにより覆われた表面領域の量により制限される。オーム及びボンドパッドの金属層に関連した光損失は、サファイア基板（ｎ〜１．８）のＩＩＩ−窒化物材料（ｎ〜２．４）の光ガイド特性により一段と悪化される。
【０００６】
Ｉｎｏｕｅらは、ＥＰ　０　９２１　５７７　Ａ１において、光がスーパー基板、すなわち、サファイア成長基板を通って主に上方に逃れる、エピタクシーサイドダウン又は反転構造を有する従来のＩＩＩ−窒化物ＬＥＤを開示している。デバイス設計は活性接合領域を維持し、可能な最小ダイ寸法を与える。ｐ電極はＮｉ及びＡｕ製であり、それは可視光にかなり吸収する。このデバイスは非常に反射するｐ電極の金属被覆を欠いているので、光抽出効率に関して制限されており、従来の（エピタクシーサイドアップ）デバイスにかなりの改善を与えることはない。また、デバイスは小さく（＜４００×４００μｍ２）、パッケージへの小さい半田接続領域を使用しているので、それらは光生成能力において制限されている。最終的には、このデバイスは、低屈折率のサファイアスーパー基板のためＩＩＩ−窒化物エピ層内に閉じ込められた誘導光により効率が損なわれる。
【０００７】
Ｋｏｎｄｏｈらは、ＥＰ　０　９２６　７４４　Ａ２において、サファイアスーパー基板を使用する従来の反転のＩＩＩ−窒化物ＬＥＤを開示している。ｐ型電極は銀であり、可視光で非常に反射し、Ｉｎｏｕｅらにより開示されたデバイスと比較してより高い光抽出効率を生じる。しかし、ＩＩＩ−窒化物材料に対するＡｇの付着性は非常に悪い。アニール化により、Ａｇはシートのオーム接点特性及び反射力の完全性を固めると共に破壊する。デバイスは比較的小さく（＜４００×４００μｍ２）、パッケージへの小さい半田接続領域を使用しているので、その光生成能力において制限される。最終的に、このデバイスは、低屈折率のサファイアスーパー基板のためＩＩＩ−窒化物エピ層内に閉じ込められた誘導光により効率が損なわれる。
【０００８】
Ｍｅｎｓｚらは、エレクトロニクスレターズ３３（２４）の２０６６〜２０６８ページにおいて、サファイアスーパー基板を使用する従来の反転のＩＩＩ−窒化物ＬＥＤを開示している。このデバイスは二層金属のｐ型電極、Ｎｉ／ＡｌとＮｉ／Ａｇを用い、それはＮｉ／Ａｕと比べて改善された反射率を提供する。しかし、これらのデバイスは３５０×３５０μｍ２デバイスにおいて２０ｍＡで４．９〜５．１Ｖの順電圧を示した。これは〜１００Ωの直列抵抗を作り、それは良好なオーム電極のデバイスより３倍以上高い。高い直列抵抗は、厳しく電力変換効率を制限する。これらのデバイスは小さく（＜４００×４００μｍ２）、低い熱抵抗のため取り付けられないので、それらは光生成能力において制限される。最終的に、これらのデバイスは、低屈折率のサファイアスーパー基板のためＩＩＩ−窒化物エピ層内に閉じ込められた誘導光により効率が損なわれる。
【０００９】
Ｅｄｍｏｎｄらは、ＷＩＰＯ　ＷＯ９６／０９６５３において、図２に示すような、伝導性ＳｉＣ基板に垂直注入のＩＩＩ−窒化物ＬＥＤを開示している。伝導バッファ層はＩＩＩ−窒化物層からＳｉＣ基板へのオーム伝導のために必要とされる。伝導バッファ層に必要とされる成長条件は次の層に利用可能な成長条件を制限し、したがって、ＩＩＩ−窒化物の活性領域層の品質を制限する。また、伝導バッファ層は光抽出効率を制限する光学損失機構を導入してもよい。その上さらに、ＳｉＣ基板は、低い直列抵抗のため高い電導性（ρ＜０．２Ω−ｃｍ）を与えるようにドープされなければならない。ＳｉＣ基板のドープ剤から生じる光の吸収はデバイスの光抽出効率を制限する。これらの条件は直列抵抗と光抽出効率との間の交換条件となり、図２のＬＥＤの光電出力変換効率を制限するようになる。
【００１０】
（発明の概要）
本発明の実施例によれば、発光デバイスは、発光領域と１以上の層により発光領域から分離された反射接点とを含んでいる。第１の実施例では、発光領域と反射接点の間の間隙は約０．５λｎと約０．９λｎの間にあり、λｎは材料の屈折率で割られた発光領域から放射された放射線の波長である。第２の実施例では、発光領域と反射接点の間の間隙は約λｎと約１．４λｎの間である。第３の実施例では、発光領域と反射接点の間の間隙は約１．５５λｎと約１．９５λｎの間である。
【００１１】
（発明の実施の形態）
ＬＥＤ動作の１つの基本的な限定条件は最大接合温度である。最大接合温度、ＴｊｍａｘはＬＥＤ又はそのハウジングの幾つかの部分で破損又は故障が起こるｐ−ｎ接合領域の温度である。この破損は、封じ込められたエポキシ又はレンズのガラスへの遷移温度が近づくに連れてしばしば起こり、これらの材料の透明度の損失及び結果として生じる溶解を引き起こす。そのような確立された限度により、周囲からＴｊｍａｘへの温度上昇ΔＴｊは、（現在のＩＩＩ−窒化物デバイスにとって事実である、電力変換効率＜＜１００％と仮定すると、）
【数１】
2004006893.tif 000003
と表される。
Ｔａは周囲温度であり、Ｉｍａｘは最大動作電流であり、Ｖｆはその電流での順電圧であり、θｊ−ａはｐ−ｎ接合から周囲への熱抵抗である。Ｖｆの簡略式を挿入すると、
【数２】
2004006893.tif 000004
と書き直され、Ｖ０はターンオン電圧（ほぼＩＩＩ−窒化物半導体のバンドギャップ電圧）であり、ＲＳはデバイスの電気直列抵抗である。Ｉｍａｘのために分解すると、
【数３】
2004006893.tif 000005
式３は（波長、λ〜５００ｎｍのエネルギーバンドキャップに対応する）Ｖ０＝２．５Ｖの場合の図３に示され、ＲＳ及びθｊ−ａの値を変えるためＴｊｍａｘ＝１３０℃である。これらのパラメータの値の範囲は、〜１ｍｍ２のダイ寸法及び熱除去のためによく設計されたシステムと矛盾しない。ＲＳ及びθｊ−ａの間の重要性の順位は、図３のグラフの部分が適用を管理するものにより決定される。しかし、図３のほとんどの場合、熱抵抗のａ〜５℃／Ｗの減少は直列抵抗のａ〜０．５Ωの降下より有効にＩｍａｘ（したがって、光出力）を増加させる。直列抵抗は有限接点及び実際の降下レベルから得るので、任意に低レベルに減少させるのは困難である。したがって、熱抵抗がＩｍａｘを増加するための重要なレバーアームであり、それは光生成能力を最大にするために最小化されなければならないことは明らかである。
【００１２】
Ｉｍａｘは接合部温度の制限により固定され、最大の光生成能力は式４で説明される。
【数４】
2004006893.tif 000006
Ｌｍａｘはワットの最大光出力であり、ηはＷ／ＡのＬＥＤの傾斜効率である。傾斜効率は外部の量子効率に比例し、
【数５】
2004006893.tif 000007
ηｉｎｔは内部の量子効率であり、ＣｅｘｔはＬＥＤの光抽出効率である。したがって、一定の活性領域の効率（ηｉｎｔ）により、最大の光生成能力は抽出効率を最大にすることにより得られる。
【００１３】
ＬＥＤダイの直列抵抗と熱抵抗の両方が接合領域に反比例するので、ダイ寸法を増やし、Ｉｍａｘを増やすのが望ましい。ダイ外形の増加は照明システム内のＬＥＤパッケージの第１及び第２光学寸法及び出力消散能力の実質的な制限に至る。代わりに、ダイ寸法はＬＥＤパッケージにより供給される許容可能な出力消散を有効に使用させるために選択されるべきである。典型的なシステムでは、Ｈｏｆｌｅｒらによりエレクトロニクスレターズ３４，１（１９８８）に記載されているように、接合部と周囲間の熱抵抗は、ほぼ〜６０℃／Ｗである。短時間の計算ではＬＥＤパッケージの出力消散に上限を置いている。４０℃の周囲温度で１３０℃のＴｊｍａｘと仮定すると、最大の入力電力は、（１３０−４０）／６０＝１．５Ｗとなる。最大入力電力は、
【数６】
2004006893.tif 000008
と書かれる。ＪｍａｘはＡ／ｃｍ２の最大順電流密度であり、ρＳはΩ−ｃｍ２のダイ直列抵抗率であり、Ａｄｉｅは（ｃｍ２の）ダイ領域である。効率的で費用効果の高い動作のため、合理的に高い順電流密度が要求される。適当な順電流密度は５０Ａ／ｃｍ２である。３５０×３５０μｍ２のデバイスのため、典型的な直列抵抗は〜３０Ωであり、ρＳ〜４×１０−２Ωｃｍ２の程度のデバイス抵抗率に相当する。式６のためこの同じ抵抗率を仮定すると、（波長、λ〜５００ｎｍのエネルギーバンドギャップに相当する）Ｊｍａｘ＝５０Ａ／ｃｍ２及びａＶ０＝２．５Ｖで、パッケージにより許容される最大入力電力を達成するために要求されるダイ領域は６．７×１０−３ｃｍ２、又は〜８００×８００μｍ２である。この同じ電力レベルでのより小さいデバイスは順電圧を増加させ、したがって、同じ電流にとって低効率となる。同様に、より小さいデバイスは、増加したダイの熱抵抗のため、より高い温度で作動する。
【００１４】
ｐ型のＩＩＩ−窒化物層の高抵抗率のため、ＬＥＤ設計はｐ型層に沿った金属被覆を使用し、ｐ側に電流を拡散させる。そのため、絶縁基板のため、ｎ側の電流の拡散はｎ型のＩＩＩ−窒化物層を通って起こらなければならない。これらの層は、通常、〜２μｍの厚みであり、〜１０−３Ω−ｃｍの抵抗率を有する。通常のデバイスの抵抗率の無視できる部分を説明するには、ｎ型層による電流拡散のために要求される距離は〜２００μｍ以下に保たれるべきである。そのため、４００×４００μｍ２以上のデバイスはデバイスの直列抵抗を低く保つためにｐ電極を挿入する複数のｎ電極のフィンガーを必要とする。上に示したように、高い光生成能力のためのデバイスは、例えば、＞４００×４００μｍ２のように大きくなければならない。そのため、これらのデバイスは挿入するｎ電極の設計を使用すべきである。この設計は、ｎ及びｐ電極がサブマウントに関して電気的に絶縁し続けられなければならないので、反転の構造のための重要な意味合いを有している。
【００１５】
反転設計のため、非常に反射する電極の金属被覆を使用することは抽出効率を向上させるために重要である。図４は、従来の（エピタクシーサイドアップ）デバイスと比較して反転のダイ設計のためのｐ電極吸収に対するＬＥＤ抽出効率を示している。図４に示された抽出効率はＬＥＤダイ構造（１×１ｍｍ２）の光学レイトレースモデリングにより決定され、すべてのＬＥＤ材料の測定された光学特性を含んでいる。従来の（反転されていない）デバイスはサファイア基板を使用しているが、モデル化されたすべての反転デバイスはサファイアスーパー基板を使用している。ｐ電極の吸収（ｘ軸）は、関心の波長のｐ電極近くのＩＩＩ−窒化物エピ層内の等方性の点光源からの照射を仮定して工程当りに吸収される光の割合として定義される。ｐ電極は、それが活性領域に渡ってほとんど完全に延び、一定の電流投入をｐ−ｎ接合部にするので、光抽出のための主要因となる。その上さらに、サファイア（ｎ〜１．８）とＩＩＩ−窒化物エピタキシャル層（ｎ〜２．４）との間の屈折率は、活性領域から生じる大部分の光をサファイア／ＩＩＩ−窒化物境界面で完全に内部反射させることとなる。この導波管に閉じ込められた光量は、活性領域からの等方性放射のため、全体の生成光の〜ｃｏｓ（（１．８／２．４）−１）＝６６％となる。図５に示されているように、この光は閉じ込められ、ダイの側部の方にデバイスに沿って横の方に誘導される。図５は従来の（エピタクシーアップ）構造を示しているが、導波管効果はダイがエピタクシーアップ又は反転されているかどうかにある。しかし、ｐ電極による吸収のため、ほとんどの導波管光はデバイスを出る前に消滅する。このため、抽出効率は図４に示されたデータにより示されているようにｐ電極吸収に非常に敏感である。漏れが非常に大きくなる前のｐ電極での工程数から、これは、特に、例えば、＞４００×４００μｍ２の大領域で重要である。ｎ電極はまた光損失の機構でもあるが、それはデバイス領域をほとんど覆わないのであまり重要ではない。
【００１６】
図４に示されたレイトレースモデリングの結果はＮｉ及び又はＡｕ電極を有する反転ダイ設計が３８〜４７％（λ＝５０５ｎｍ）の抽出効率を与えることを示している。半透明なＮｉＡｕ電極を有する従来のエピタクシーサイドアップデバイスは４３％の抽出効率を有している。したがって、反転デバイスのＮｉ及び又はＡｕのｐ電極は従来の設計に対して非常に改善した抽出効率を提供することはない。しかし、Ａｇのｐ電極にとって、反転したダイは従来のデバイスに関して抽出効率で〜１．７×の増大を示す。図４に明確に示されているように、従来技術のデバイスを超えた増大した光抽出を与えるため、反転のデバイスのｐ電極の吸収は３５％以下とすべきである。好ましくは、ｐ電極の吸収は２５％以下である。図４は５０５ｎｍの場合のために示されているが、ｐ電極の吸収に対する抽出効率の傾向は波長に拘らず事実である。反射率が重要な問題だが、また接点抵抗でもあることを示すこともまた重要である。ｐ電極の低い接触抵抗は、過度に高い直列抵抗、すなわち、式３により記載されているように光生成能力の減少したデバイスとなることがある。３５０×３５０μｍ２のデバイスにとって、４×１０−２Ωｃｍ２の程度のデバイス抵抗率に対応して、通常の直列抵抗は〜３０Ωである。ｐ接点抵抗は直列抵抗への負担を最小にするためこれより非常に小さくすべきである。本発明では、ｐの特定の接点抵抗は、好ましくは、１０−２Ωｃｍ２以下である。
【００１７】
製造工程における低い光吸収と低い接点抵抗との組合せをＩＩＩ−窒化物デバイスのために達成することは困難である。例えば、Ａｇは良好なｐ型オーム接点を作り、非常に反射するが、ＩＩＩ−窒化物層への弱い接着性及び湿った環境における電子移動への磁化をこうむり、破滅的なデバイス故障に至ることがある。Ａｌは適度に反射するが、ｐ型のＩＩＩ−窒化物材料に良好なオーム接点を作らず、また、他の構成要素の金属は適切に吸収する（可視波長領域で工程当り２５％未満の吸収）。可能な解決法は電流の拡散層として作用する薄い反射層と関連する非常に薄い半透明なオーム接点を含む多層接点を使用することである。任意の障壁層はオーム層と反射層の間に含まれている。ｐ型多層接点の一例はＡｕ／ＮｉＯｘ／Ａｌである。この金属被覆組織のための通常の厚さは３０／１００／１５００Åである。同様に、適切なｎ型ＧａＮ多層接点は通常の厚さが３０／１５００ÅのＴｉ／Ａｌである。
【００１８】
ｐ電極の反射率は抽出効率において主要な要素であるから、それは製造性のため設計において妥協されてはならない。たとえ、反転ＩＩＩ−窒化物ＬＥＤのウェーハ上でのテストが不透明なシート金属により困難にされたとしても、そのような試験方法はｐ電極の反射性を低下させることを要求してはならない。例えば、ウェーハ上での試験の間、光を上方に逃させるためにｐ電極に挿入された開口部又は半透明領域は、ｐ電極の反射力を有効に減少させることにより、完成デバイスの効率を低下させるのに役立つだけである。ｐ接点の反射力を妥協しない他の方法が使用されるべきである。
【００１９】
本発明は、光抽出を増加させている間、ｐ−ｎ接合部からランプパッケージへの熱抵抗を減少させることにより、最大の光生成能力を有する、大領域、例えば、＞４００×４００μｍ２の高出力ＬＥＤを提供する。これを達成するため、本発明は低抵抗で、不透明な非常に反射するｐ電極を使用する反転構造を使用する。第１の実施例は図６ａ−ｂに示されている。
【００２０】
図６ｂに示された断面図において、デバイスはＩＩＩ−窒化物のエピタキシャルへテロ構造のｎ型及びドープされていない層１１及びｐ型層１２を含み、それぞれ活性領域１３と接触している。ＩＩＩ−窒化物層１１は、任意に透明スーパー基板１０に取り付けられる。スーパー基板１０はＩＩＩ−窒化物層の沈積のため成長基板とすることができる。図６ａに示されたＬＥＤダイの底部の平面図では、デバイスの大領域（＞４００×４００μｍ２）は、デバイス中に均等に電流を広げるためにｐ電極の金属被覆２０を挿入するｎ電極２２の「フィンガー」を必要とする。そのような電極構成は大領域デバイスで必要とされ、（低伝導率のＩＩＩ−窒化物層を克服するため）低い直列抵抗を与え、したがって、式３に特定されるように高い最大駆動電流を与える。したがって、挿入されたｎ電極構成は全体の光生成能力を最大にするため大領域デバイスに必要とされる。デバイスは反転され、光が側壁と同様に透明スーパー基板１０を通って取り出されるようになっており、非常に反射する、薄いｐ電極の金属被覆２０を使用することにより、良好な抽出効率を提供する。上述したように、ｐ電極の反射率はＬＥＤ放射波長でのその吸収が工程当り２５％以下になるようになっている。電極の金属被覆は連結部７６０を介してサブマウント基板５０のサブマウント電極５２に接続する。連結部は、動作中にＬＥＤから熱を除去するための熱流路を提供しつつ、ＬＥＤとサブマウントの間に電気接続を作り出す。上記した実施例は半田に言及しているが、連結部は構成要素の金属、金属合金、半導体−金属合金、半田、熱的及び電気的伝導性ペースト又は合成物（例えば、エポキシ樹脂）、ＬＥＤダイとサブマウント間の非同類金属間の共融接合（例えば、Ｐｂ−Ｉｎ−Ｐｄ）、Ａｕスタッドバンプ、又は半田バンプから作られてもよい。
【００２１】
連結部は伝導性境界面４１，５４を介してＬＥＤ及びサブマウントに取り付けられている。半田は連結部として使用されると、導電性境界面は湿潤性金属である。適用プロセスは最初、連結部の厚さ及び領域を決定する。１つの適用可能な技術はペーストがサブマウントのウェーハ又はＬＥＤの領域を選択するように塗布されるスクリーン印刷プロセスである。他の技術は、電子めっき、リフトオフ、及びリフローを含んでいる。連結部として半田を使用する実施例として、ＬＥＤダイの湿潤性金属４１及びサブマウントの５４と同様の半田容量により、最終的な連結部の厚さ及び領域が決定される。ＬＥＤの半田可能領域は湿潤金属のパターンにより、又はＬＥＤダイに供給されたパターン化された誘電体の不活性化層４２のバイアにより規定される。誘電体の不活性化層４２は、ｐ電極とｎ電極間の電気的絶縁層として作用し、半田層４１がｐ電極とｎ電極の両方に延びているので、必要とされる。サブマウントの半田可能な領域は、同様に、半田可能な金属５４をパターン化することにより規定される。別の実施例では、金属被覆５４の湿潤領域はパターン化された誘電層により規定されていてもよい。半田可能な金属層５５の第２のセットはパッケージへの取り付けのためサブマウントの背面に沈積されてもよい。任意に、適切な半田はサブマウントの背面に直接沈積されることもできる。ＬＥＤとサブマウントの間のアンダーフィル材料の熱伝導率は非常に低く、例えば、２．０Ｗ／ｍＫ未満であり、接合部とパッケージ間の熱抵抗はダイ／サブマウントの半田接合部とサブマウント材料と結合構造により大きく支配される。ｐ電極の金属被覆と一次元流れでの熱発生を仮定すると共に、薄い層及びサブマウントパッケージの半田接合部の熱抵抗を無視すると、接合部とパッケージの熱抵抗は、
【数７】
2004006893.tif 000009
（誘電体を無視）
と書かれる。
【００２２】
ｔｓ及びｔｓｍはそれぞれ半田及びサブマウントの厚さであり、ρｓ及びρｓｍはそれぞれ半田及びサブマウントの熱伝導率であり、Ａｓは半田の全体断面積である。式６に示されているように、半田領域Ａｓは熱抵抗を制御する。そのため、ＬＥＤダイの全面を半田で覆うことが好ましい。これは電気的絶縁がＬＥＤのｐ電極領域とｎ電極領域との間で必要とされるので可能ではない。また、ｎ及びｐの半田可能金属の間のこの隙間の幅はサブマウントに取り付けるダイの公差を考慮に入れなければならない。たとえそうでも、図６ａの実施例は（ｐ電極領域２０に対する半田可能金属領域４１の割合として規定される）〜８５％の半田範囲を与える。
【００２３】
図６ａ−ｂに示された別の実施例は、ｐ電極２０の一部分を備え、ｎ電極２２の下方に延びるシート反射体を含んでいる。２種以上の金属からなる誘電体はｎ電極とシート反射体のこれらの領域の間に形成される。２種以上の金属からなる誘電体はこれらの領域においてｎ電極とｐ電極との間に電気的絶縁を供給する。ｎ電極の他の部分は誘電体により覆われておらず、サブマウントへの電気接続を許容する。この実施例は、この光を上方に反射することにより、図６ａ−ｂに示された実施例と比べて、ＬＥＤ金属被覆の隙間を通って下方への光の漏れを減少させる。
【００２４】
ＬＥＤとサブマウントの間の連結部は、半田が半田合金の固体温度以上の温度でリフロー炉に置かれたときに作られる。リフローの間、毛細管力と表面張力は半田可能な金属領域を半田シートに整列させる傾向がある。これはサブマウントのウェーハへのＬＥＤダイの幾つかの自己再整列を許容する。この自己再整列は高速のダイ取付け機械の使用を通して利用可能であり、速度のため最初のダイ取付け精度を犠牲にさせる。それぞれのｐ及びｎ半田シートを複数のシートにさらに分解することは自己再整列を向上させることができる。図７では、実施例は２つ１組のｐ及びｎ半田パッド４１を示している。半田シート間の隙間はダイ取付け機会の精度により決定される。図６ａの実施例は主にｙ方向に自己再整列特性を有しているが、図７の実施例はｘ及びｙ方向に優れた自己再整列特性を有している。
【００２５】
図８では、別の実施例が等しい領域の半田「棒」として半田可能な金属４１を示している。この設計は、リフローの間、半田可能な金属の均一な湿気と共に良好な自己再整列の利点を有している。一定のウェッティングはダイとサブマウントとの間に作用する力が半田の湿潤領域に比例するので起こる。一定のウェッティングは等しい面積の領域からなる湿潤可能な金属パターンを使用することにより達成される。一定のウェッティングはリフロー及びその後の冷却の間にＬＥＤダイが傾くのを防止する。平面のＬＥＤ取付けプロセスを維持するすることは、ＬＥＤダイが故障機構、例えば、ＬＥＤダイの部分がサブマウントの金属被覆領域に極めて近接している場合に現れる、ｐ−ｎ接合の不足をほとんど経験しそうにないことを意味している。また、傾斜していないＬＥＤダイの方向はＬＥＤランプ又はシステムの他の光学構成要素への改善した光結合を与える。
【００２６】
図９では、別の実施例が半田「バンプ」のためのパッドに変化したｎ領域の半田可能な金属を示している。ウェーハの製造プロセスは、ｎ電極とｐ電極間の絶縁がｎ半田パッドの付近にもはや必要とされないので、簡略化され、このため、誘電体の不活性化層４２のための必要性を排除する。半田バンプの製造は業界標準の実施であり、よく確立された製造技術を通して供給されるｎ電極での半田接合を可能にする。
【００２７】
別の実施例では、平面及び断面図がそれぞれ図１０ａ及び１０ｂに示されているが、全体の半田取付け境界面はバンプのため半田パッドにより供給されている。熱抵抗を最小にするため、最終の半田の厚さを最小にしているが、バンプの数は最終断面の半田接合領域を増加させるために最大にされる。バンプの数は所定のバンプの直径のため半田バンプのピッチに制限を置く半田バンプの形成において最先端技術により規定される。通常のピッチは１００μｍの直径のバンプに対して２００μｍである。１ｍｍ２のダイにとって、５列の１００μｍの直径のバンプが可能である。図１０ａでは、１列はｎ個のパッドに対して２個のバンプである。ｎ電極のフィンガーはｐ電極の金属被覆に沿ったバンプの列数を４個に制限している。この設計では、半田領域の断面はｐ電極領域の少なくとも１５％に維持されている。半田領域の範囲は個々のバンプのために要求される小さいバイアを超えて湿潤可能な金属表面を広げることにより増加されてもよい。例えば、サブマウントの半田バンプはまだｎ電極ためｐ電極プラス２個の４×４配列の形をしているが、ＬＥＤダイの湿潤可能な金属パターンは、図８に示されている、棒状の塊から構成されていてもよい。図１１ａ及び１１ｂはこの実施例の断面図を示している。図１１ａはＬＥＤダイに半田パッド４１のためのパターン化された誘電体４２内のバイアを含む実施例を示している。同様に、パターン化された誘電体５３はサブマウントの半田パッド５４のためバイアで供給されている。図１１ｂに示された実施例では、ＬＥＤダイの半田可能な金属４１は半田を広げさせるため半田バンプより大きくさせ、それらの個々の直径が与えるより非常に大きい領域を湿潤させる。これにより図１１ａの個々のバンプの合計のそれより広い半田領域範囲となる。また、半田の厚さは効果的に減少される。これらの両方の効果は半田接合部の熱抵抗を減少させ、光出力を増加させるためＬＥＤダイを高い電流密度に押しやる。
【００２８】
図１２ａ−ｂに示されているように、半田をバンプ以外の任意の形状に形成し、ＬＥＤの湿潤金属パターンと調和させ、優れた熱接点を有するデバイスをサブマウントに供給することがさらに可能である。図１２ａはＬＥＤの底面の平面図を示している。半田可能な金属４１はｐ電極２０とｎ電極２２の金属被覆にパターン化され、リフローの間、半田のための湿潤領域を規定する。代わりに、湿潤領域は、図６−８に示されているように、誘電体の不活性化層４２により規定されてもよい。図１２ｂはサブマウントの平面図を示している。サブマウントの外形は任意であるが、六辺形のデザインが示されている。サブマウントは基板５０、例えば、Ｓｉを含んでいる。任意の誘電層５１、例えば、ＳｉＯ２はＬＥＤダイとサブマウント基板との間に電気的絶縁のため含まれていてもよい。代わりに、サブマウント基板はサブマウント基板に作られた電子回路との統合のためＬＥＤダイに電気的に接続されてもよい。金属被覆５２、例えば、Ａｇ又はＡｌはワイヤボンディングのためと同様にＬＥＤダイから光を下方に放射するための反射体として供給されている。金属被覆５２の裂け目は取付け後にＬＥＤダイのｐ領域とｎ領域を電気的に絶縁するために供給されている。半田可能な金属５４はワイヤボンド金属被覆５２の最上部でパターン化され、リフローの間、半田のための湿潤領域を規定する。これらのパターンはＬＥＤダイの半田可能な金属被覆４１のそれらと調和する。ＬＥＤダイに関して、サブマウントの湿潤領域は図１０ｂに示されているように誘電体の不活性化層５３により規定されてもよい。半田材料６０はサブマウントの半田可能な金属被覆５４に沈積されている。代わりに、半田材料６０はＬＥＤダイに沈積されていてもよい。半田の端部は半田可能な金属パターン５４の端部から僅かに凹んでいてもよい。湿潤領域４１及び５４と半田パターン６０により規定される半田の配置の制御は半田の適用プロセスによる。可能な限りｐ電極２０の多くがリフロー後に半田で覆われているのが好ましい。図１２ａ−ｂの湿潤領域は半田でｐ電極２０の〜６６％の範囲を供給する。図１２ａ−ｂの半田配置は棒状の塊から成っているが、任意のパターンが確かに可能であり、ｐ電極の半田領域範囲のさらなる増加を可能にする。
【００２９】
ＬＥＤとサブマウントとの間の適切な連結部はＬＥＤの最大動作温度を、通常の最大等級の１３０℃を超えて増加させる。これは連結部が１３０℃以上の温度で熱的に安定しているときの場合である。そのため、半田の場合、この境界面のため、高温半田、例えば、９５／５Ｐｂ／Ｓｎ，ＡｕＳｎ，ＡｕＳｉ，及びＡｌＳｉを使用することが望ましい。高温の連結部はＬＥＤの最大接合部温度を上昇させ、最大駆動電流、すなわち、光生成能力を著しく増加させる。
半田リフローの間、ｐ電極の完全性を維持することが重要である。すなわち、この層の反射率及び接点抵抗は半田可能な金属層又は半田それ自体の存在により低下されるべきではない。そのような低下はｐ電極と半田可能な金属層の間の金属混合により、又は層間剥離のような緊張誘導効果により引き起こされる。このため、ｐ電極と半田可能金属間に障壁層を供給することが必要である。適切な障壁層は、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｕ，及びＴｉを含むが、それらに限定されるものではない。
【００３０】
大きいＬＥＤダイ寸法にとって、ＬＥＤダイとサブマウントとケーシングとの間の熱伝導係数（ＣＴＥ）の差は、熱サイクリングの応力状態の下、ＬＥＤ／サブマウント取付け境界面において、疲労及び結果として起こる故障を引き起こすことがある。ＣＴＥの問題は、小さいシート（又は棒状の塊又はバンプ）のためより大きいシートと半田の取付けデザインのために最も起こりそうである。そのため、小さい半田形状は大きいＬＥＤダイを取付ける好ましい方法であってもよい。また、厚い半田シート又は高い半田バンプはＬＥＤとサブマウントの間でコンプライアンスを供給し、故障の危険性を減少させる。熱抵抗を最小にすることとＣＴＥの問題の開始との間の折り合いは所定のＬＥＤダイ寸法のための最適の半田取付けデザインとなる。１ｍｍ２のダイ及び１５％の半田領域範囲のため、半田の厚さは温度サイクリングの応力状態の間に故障を引き起こすことなく２０μｍと同じ程小さくてもよい。
【００３１】
ＬＥＤの光抽出はＩＩＩ−窒化物のヘテロ構造の境界面の１つに粗い表面を供給することにより増加可能である。粗くするのは任意又は命令であってもよい。これは図１３ａ−ｃに示されている。図１３ａはサファイアスーパー基板を使用する反転デバイスを示している。サファイアスーパー基板とＩＩＩ−窒化物のエピタキシャル層の間の大きい屈折率のずれ（ｎ〜０．６）は活性領域から発生した光の大部分に起こり、その光はサファイア／ＩＩＩ−窒化物境界面で完全に内部で反射される。この光は閉じ込められ、ダイの側部方向のデバイスに沿って外側に案内される。しかし、ＩＩＩ−窒化物のエピ層及び電極にある多くの損失機構のため、ほとんどの導波管の光はデバイスを逃げる前に失われる。図１３ｂでは、ＩＩＩ−窒化物のへテロ構造とサファイアスーパー基板との間の境界面はＩＩＩ−窒化物層から光を散乱させるため粗くされている。これはヘテロ構造内の中間光子路長を減少させ、内部吸収の効果を減少させ、したがって、光抽出を向上させる。同様の効果は、ＩＩＩ−窒化物のヘテロ構造の底面、又はヘテロ構造内の境界面の１つにおいて粗くすることにより達成可能である。光抽出をさらに増加することと組合せて、複数の境界面を粗くしてもよい。
【００３２】
別の実施例では、サファイア（ｎ〜１．８）よりＩＩＩ−窒化物層（ｎ〜２．４）に近い率の整合を有する高屈折率（ＨＲＩ）（ｎ＞１．８）を含む反転ダイ構成を与えることにより光抽出が改善される。光生成領域を作るＩＩＩ−窒化物層へのより近い率の整合は、ＩＩＩ−窒化物エピタキシャル層に又はその周りにある多数の損失機構の１つでの吸収の前に、光を厚いス−パー基板にもっと結合させると共に、光を周囲に漏らさせる。図１３ｃはそのような実施例を示しており、ＳｉＣスーパー基板が使用されている。ＳｉＣの屈折率は〜２．６であり、サファイアよりＧａＮに非常に近く整合する。したがって、全部が内部反射する可能性はほとんどなく、その結果として、導波管はＩＩＩ−窒化物層内に形成されない。実質的には、活性領域から発生したすべての光はスーパー基板に結合され、５つの露出したスーパー基板の表面の１つを通って漏れる可能性が高い。ＨＲＩスーパー基板でさえ、光抽出のさらなる改善はＩＩＩ−窒化物のヘテロ構造の１以上の境界面を粗くすることにより得ることができる。
【００３３】
ＨＲＩスーパー基板の十分な利点を得るため、スーパー基板は、実質的に、透明で、吸収は非常に少なくなければならない。したがって、ＳｉＣにとって、スーパー基板は僅かにドープされるか又はまったくドープされないようにすべきであり、その成長方法は、比較的不純物のないスーパー基板を供給し、ＬＥＤデバイスのため非常に低い損失の光窓を供給すべきである。６ＨＳｉＣにとって、これは、通常、抵抗率が０．５Ωｃｍ以上である場合である。ＳｉＣ内の吸収損失の効果は図１４に表されており、（サファイアスーパー基板を使用するデバイスに標準化された）抽出効率はＳｉＣスーパー基板内の分配損失（ｃｍ−１での吸収率）の関数として描かれている。これらの結果はＬＥＤデバイス構造のレイトレースモデリングにより得られる。ＳｉＣの３つの異なる厚さが示されている。ＳｉＣスーパー基板の〜１００μｍの厚さのため、吸収率は、３ｃｍ−１以下とすべきである。厚い基板のため、吸収率はより低くしなければならない。損失のないＳｉＣスーパー基板の場合、抽出効率は本発明における初期の実施例の１．２倍以上となる。
【００３４】
ＩＩＩ−窒化物ＬＥＤの光抽出効率を改善するのに適した多くのＨＲＩスーパー基板がある。その多くの異なるポリタイプ（２Ｈ，４Ｈ，６Ｈ，ｃとａの両軸，３Ｃ等）のＳｉＣに加えて、ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＹＡＧ，又はＺｎＯのような他の材料が使用されてもよい。ＨＲＩスーパー基板はＩＩＩ−窒化物エピ層のための成長基板として有用であり、ボンディング又は第２成長段階によりＩＩＩ−窒化物エピ層に取り付けられてもよい。
【００３５】
抽出効率の重要な利点は、ＩＩＩ−窒化物のヘテロ構造又はその内と同様にＨＲＩスーパー基板の１以上の表面に光ランダム化表面を供給することにより得られてもよい。そのような表面は、鋸で切断することによりデバイス側壁に自然に供給され、例えば、他の手段、例えば、エッチングにより達成されてもよい。また、スーパー基板は、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７５の２３６５−２３６７ページでＫｒａｍｅｓらにより示されたような改善された抽出効率を提供するように形成されてもよい。１つのそのような形状は逆ピラミッドデザインであり、スーパー基板の最上面がその底面より大きい表面領域有するようになっている。この実施例は図１５に示されている。
【００３６】
サブマウントは機能性を与えると共に性能に影響を与えることがある。それはＬＥＤからの熱除去のための熱経路にあるので、サブマウント材料は高い熱伝導率を有している。適切な材料はＳｉ，ＡｌＮ，又はＢｅＯを含んでいる。サブマウントは比較的薄く、熱抵抗を減少させる。例えば、Ｓｉサブマウントは２５０μｍの厚さ以下とすべきである。Ｓｉはその良好な熱伝導率、〜１００Ｗ／ｍＫ、及び集積電子性能のためサブマウント材料として魅力的である。サブマウントはＬＥＤとパッケージとの間に電気的絶縁を供給してもよい。この場合には、アノードとカソードのための２つの接続部はパッケージの導線へのサブマウントの最上面に必要とされる。代わりに、パッケージの電気的絶縁が不必要な場合及びサブマウントが導体の場合、１つの電極はサブマウントを通ってパッケージに接触可能である。その後、１つの連結部だけがサブマウントの最上部から反対の導線に必要とされる。サブマウントの最上面の金属被覆はワイヤボンドされ、また、反射し、下方に移動する光を高効率で上方に向け直す。したがって、Ａｇ及びＡｌはサブマウントの最上面の金属被覆に適した選択である。
【００３７】
サブマウントの頂上の反射する金属被覆の鏡面と同様に、サブマウントの形状はＬＥＤの見かけの光源サイズに影響を与えることによりＬＥＤ照射システムの光学特性に強い影響を与えることがある。ほとんどのＬＥＤは反射カップを必要とし、ダイから主に外側に放射する光を下方及び有用な放射パターン内に向き直させる。この反射カップが大きくなればなる程、第１及び第２のレンズは大きくしなければならない。光学上のコストは必要とされる材料の量に比例するので、反射カップの半径を最小にすることが望ましい。ワイヤボンド接続のために必要な余分な空間のため、サブマウントを含むことはＬＥＤダイのサイズを有効に増加させる。通常のワイヤボンドの許容は、信頼あるワイヤボンドのためには〜４００μｍの材料がＬＥＤダイ以上に延びることを必要とする。また、サブマウントのウェーハの切断は、隣接するＬＥＤダイの間に〜１００μｍの空間を必要とする。これらの許容はＬＥＤダイ寸法に非常に有効な増加をもたらす。例えば、１×１ｍｍ２のＬＥＤダイはサブマウントのため長方形外形を使用して１．８×１．１ｍｍ２の領域を必要とするだろう。このサブマウントの最大範囲は（１．８２＋１．１２）１／２＝２．１１ｍｍに等しい対角線であり、反射カップのため下限値を直径に置く。代わりに、サブマウントがディスクのように形成された場合、サブマウントの最大範囲は単に１．８ｍｍとなる。したがって、ディスク形状のサブマウントは反射カップの直径を非常に減少させる。円形の切り込みは製造するのが難しいので、円形のディスクに近い他の外形形状が好ましい。例えば、六辺形のサブマウントは複数工程の切断（２工程の代わりに３工程）により製作されてもよく、三角形又は矩形のサブマウントとするのが好ましい。これらの考えは図１６に示されている。サブマウントの最上部の反射する金属被覆は、ＬＥＤダイより大きいサブマウントの平面に虚像の光源を作らないように、できるだけ鏡面にすべきである。ＬＥＤダイより大きい虚像の光源寸法はＬＥＤの放射パターンに有害な影響を与えると共に修正のためにより大きい光学器械を必要とするだろう。
【００３８】
図６ｂ，９ｂ，及び１２ｂに示されているサブマウントはＬＥＤ内に電子機能を可能にする。ＩＩＩ−窒化物デバイスは静電気放電（ＥＳＤ）の損傷を受けやすく、Ａｎｔｌｅらによる米国特許Ｎｏ．５，９４１，５０１に記載されているように、ＬＥＤに電気的に接続される電力分路エレメントにより保護されていてもよい。本発明のため、Ｓｉサブマウントは集積されたＥＳＤ保護回路を埋め込んでいてもよい。この場合、保護回路、例えば、ツェナーダイオードがＬＥＤダイと並列に接続されている。代わりに、バックツーバック（ｂａｃｋ−ｔｏ−ｂａｃｋ）ツェナーダイオードはＬＥＤダイと並列に作られ、交流電源によりＬＥＤを駆動させてもよい。他の電子デバイスはサブマウント内に含まれていてもよく、例えば、電流及び又は電圧を監視するため光出力又は抵抗器を監視する光検出器であってもよい。これらのデバイスは一定の光出力動作を維持するため、統合システムに閉ループのフィードバック制御を行わせるだろう。
【００３９】
サブマウントは図１７ａに示されているようなモノリシック構造の複数の直列接続の発光ダイオードに基づくＬＥＤを供給する。アセンブリは４つの連続的に接続されたＬＥＤを有し、それらはエッチングを介して電気的に絶縁され、ＩＩＩ−窒化物材料を除去し、それらの間にトレンチ８０を形成する。エッチングは少なくともドープされていないＩＩＩ−窒化物層に移る。電気接続はサブマウント（図示せず）に配置された金属トレース８１により供給される。半田金属被覆はダイオードが半田を介してサブマウントの金属トレースに電気的に接続されるように設計されている。結果として生じるデバイスは図１７ｂに示されている電子回路により示されていてもよい。したがって、このデバイスは、同じ活性接合領域の従来のＬＥＤの４倍の電圧と４倍以下の電流で動作する。例えば、１ｍｍ２の従来のＩＩＩ−窒化物ＬＥＤは、３．０Ｖ及び３５０ｍＡで動作する。この同じ活性接合領域は、図１７ａに示されているように、４つの直列接続されたＬＥＤに分解され、１２．０Ｖ及び８７．５ｍＡで動作するデバイスを供給する。この高電圧、低電流の動作はＬＥＤのための電子駆動回路に要求をあまり出さない。実際、電子駆動回路は高電圧において高効率で稼動することができ、ＬＥＤ照射システムの全体効率を改善する。この実施例である、モノリシックデバイスは直列に個々のＬＥＤダイを取り付ける従来のアプローチと比較して好ましい。従来のアプローチでは、ＬＥＤダイにより取られる全体領域は、ダイ取付け機械により要求される許容のため増やされる。これは、望ましいことではないが、全ＬＥＤの光源サイズを増加させ、ＬＥＤシステムの次の光学サイズの増加を必要とする。好適な実施例では、ダイオードは電気絶縁のためトレンチのエッチングにより許容されるのと同じように共に接近して間隔を置いていてもよい。トレンチの幅は数ミクロンのように小さくてもよく、実施例のダイオードの装填密度が非常に高くなるようになっている。図１８に示されているように、４つの１ｍｍ２のＬＥＤダイは一体的に製作され、単一のスーパー基板及びサブマウントを共有する。サブマウントの金属トレース８１は４つのＬＥＤに電気的に直列接続している。それぞれの１ｍｍ２のＬＥＤは、通常、３Ｖで動作し、図１８の４つ直列接続されたＬＥＤモジュールは１２Ｖで動作する。サブマウントのデザインは六辺形であり、モジュールの有効な光源サイズを減少させる。トレース金属被覆８１は外部接続のためのワイヤボンディングとして使用され、反射する金属被覆、例えば、Ａｇ又はＡｌから成る。
【００４０】
光抽出効率は非常に反射するｐ電極近くに活性領域を配置することによりさらに改善される。ｐ電極が完全に伝導金属であると仮定すると、活性領域の中心が反射するｐ電極から材料（〜λ／４ｎ）内に４分の１波長の光のほぼ奇数倍内に持ってこられたとき、下方及び上方に移動する光の構造的干渉が好ましくは上方向に出力を放射する放射パターンとなる。この増加はＩＩＩ−窒化物／基板に対して垂直に近い方向にあり、ＩＩＩ−窒化物エピ層への内部の全反射を受けにくい。代わりに、ｐ電極の反射体にわずかに近い（又はそれから遠い）活性領域を動かすことによる共振条件のわずかな離調は、全方向の全流れのため光抽出の向上を最適化するのが好ましい。ほとんどの適用での最大効率のため、活性領域と完全に伝導金属のｐ電極との間の距離はほぼ１／４波長とすべきである。
【００４１】
非理想の金属接点を有するデバイスの最大抽出のための共振条件のさらなる再同調は金属から外れて反射する光の移相による。実際に反射する接点の移相を決定し、その後、移相に基づいたその接点に対する活性領域の最適配置を決定するための方法が後述される。以下の説明はサファイア基板に形成されたＩＩＩ−窒化物デバイスの例をしばしば使用しているが、当業者であれば、説明される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容易に適用可能であることは明らかであろう。
【００４２】
ＬＥＤから放射された光の全量（すなわち、全体の統合光束）は、デバイスの側部から放射された統合光束に付加されたデバイスの（基板方向の）上側から放射された統合光束である。側部に放射された光は、通常、反射表面により作られる導波管によりデバイスの側部及び異なる屈折率を有する各種デバイス層に導かれる。導波管の光は、通常、デバイスの側部へのその経路でいくつかの反射を経験し、それぞれの反射により強度を損失する。さらに、活性領域を通過する光は吸収されることがある。したがって、第１経路でデバイスの上側からできるだけ多くの光を抽出することは好都合であり、それにより、内部損失を減少させ、全体の統合光束を増加させる結果につながる。
【００４３】
フリップチップＬＥＤは活性領域近くに「最上部の逃し円錐部」を有しており、ＬＥＤ内から上側に衝突し、逃し円錐部内にある光ビームはデバイスの上側から直接出るようになっている。言語の効率的使用のため、最上部の逃し円錐部を単に「逃し円錐部」と呼び、それにより、最大の上側の光放射が重要なＬＥＤ性能の目的であることを理解する。逃し円錐部はデバイス内の各種層の屈折率を含むいくつかのデバイスのパラメータにより決定される。逃し円錐部の外側の上側に衝突する光ビームは内部の全反射を経験する。そのように内部で反射した光は、通常、デバイスの側部から出、又はさらなる内部反射を経験し、デバイス内の強度を損失する。したがって、ＬＥＤの上側から出る強度の増加へのアプローチは逃し円錐部内にある上側に衝突する光束を増加させることである。
【００４４】
図２１は、発光活性領域１と基層３により分けられた透明基板２とを備えた典型的なフリップフロップＬＥＤの一部分を示している。基層３は、１以上の成分の副層の単一層を備え、通常、基板と発光活性領域１との間の遷移領域のように基板２にエピタキシャル成長される。有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）は、他の沈積技術が公知であり、当技術分野で使用されているが、基層を備えた１以上の副層を成長するために使用されてもよい。
【００４５】
反射する正のオーム接点４は活性領域１から間隙ｄにあり、活性領域１と接点４との間にある１以上の層５を有している。層５は１つの層を備え、又は別個の構成物、ドーピング特性及び副層間の屈折率又は構成物の等級、層５の厚み中の電気特性及び光学特性を有する複数の副層を備えることができる。
【００４６】
説明を具体的にするため、ＧａＮの基層３及び単一のｐ型層５を有するＩＩＩ−窒化物デバイスで、それぞれの基層３及びｐ型層５が終始実質的に一定の屈折率を有する場合を詳細に考える。（異なる材料の複数の層、光学特性の等級等から生じるような）不均一な屈折率を有する層への普遍化は基層材料の各種層の合計又は統合（層ｉの物理的厚さ）／（層ｉの屈折率）により得られる光学距離の使用により明白である。そのため、一定の屈折率を有する層のためにここにある例が示されているが、限定するものではない。
【００４７】
活性領域１で発生し、ＬＥＤの上側から現れた光は基層３、基板２及びカプセル化されたゲル７を通過し、図２１のビーム８により示されたようにそれぞれの境界面で屈折を経験する。ＧａＮ基層３は屈折率ｎ１＝２．４を有している。サファイア基板２はｎ２＝１．８を有し、通常のカプセル化されたゲル７はｎ３＝１．５を有している。したがって、図２１に示されているように、標準から離れた屈折が起こり、θ３の標準からの角度で光８を基板２からカプセル化されたゲル７に出現させる。
【００４８】
光が低い屈折率（３，２及び７）の連続領域を通ってその形成場所からカプセル化されたゲル７に移動するとき、それぞれの境界面で内部全反射の可能性が生じる。すなわち、ビーム８は斜めすぎる角度で高い率の側から３−２又は２−７境界面に突き当たった場合、光はカプセル化されたゲル７に入らないだろう。
【００４９】
図２１にスネルの法則を適用すると、ｎ１ｓｉｎθ１＝ｎ２ｓｉｎθ２＝ｎ３ｓｉｎθ３となる。逃し円錐部はθ３＝９０°、又はｓｉｎθ１（逃し）＝（ｎ３／ｎ１）により決定される。ＧａＮの屈折率の上値を使用すると、サファイア及びカプセル化されたゲルはθ１（逃し）≒３８．７°を与える。したがって、入射角がθ１（逃し）、約３８．７°を超えた場合、ｎ１−ｎ２境界面にｎ１側から突き当たる光はデバイスの上側から出てこないだろう。
【００５０】
活性領域１で起きる空孔の再結合により放射した光は、ビーム６ｄのように、直接透明基板に導かれ、又はビーム６ｒのように、オーム接点４からの次の反射に導かれることがある。活性領域１に放射された光のための干渉長（又はパルス長）は、通常、ＧａＮで約３μｍである。したがって、間隙ｄがコヒーレンス長の約５０％以下の場合（ＧａＮでｄ≦１．５μｍ）、直接（６ｄ）ビームと反射（６ｒ）ビームとの間の境界面が発生すると予想される。境界面のパターンは活性領域１と反射接点４との間の距離により影響を及ぼされることがある。
【００５１】
反射した光６ｒは、それが反射接点４に跳ね返った場合、強度損失及び移相が生じる。フリップフロップからの光出力を増加させると共に接点４への強度損失を減少するため、接点４は高い反射率を有するように選択されてもよい。例えば、接点４は８０％以上の反射率を有してもよいが、通常、９０％以上の反射率を有している。反射光６ｒの移相は反射接点４で使用される金属又は金属合金のｎ及びｋ値に依存し、そのため、移相は金属タイプにより変化するだろう。この移相はまた境界面のパターンに影響を及ぼす。完全な伝導金属のため、移相は１８０°となるだろう。一般的に、真のデバイスの接点は完全な伝導金属ではない。
【００５２】
反射接点４から反射した光の移相が一端決定されると、デバイスから漏れた光の干渉パターンは活性領域１と反射接点４との間の距離の関数として計算可能である。上述したように、ＧａＮ／サファイア／カプセル化したゲルの境界面から漏れた光のための臨界角は〜３９度であり、したがって、この３９度内に導かれた光の部分だけが基板２の上側を通って漏れることができる。発光デバイスからの光抽出を増加させる１つの方法は逃し円錐部内に光強度を集中させることである。活性領域から出てくる境界面のパターンは所定の接点材料のため活性領域１と反射接点４の間の距離により制御されるので、逃し円錐部内の光強度は活性領域１と反射接点４との間の距離をほぼ選択することにより最大化されてもよい。
【００５３】
１つの量子井戸の活性領域から直接放射した光６ｄの電界は、
【数８】
2004006893.tif 000010
で与えられる。
【００５４】
１つの量子井戸の活性領域から反射した光６ｒの電界は、
【数９】
2004006893.tif 000011
で与えられる。ｗ０は放射光６ｄの振幅であり、ｗｒは反射光６ｒの振幅であり、ｋは方向ベクトルであり、ｘは位置ベクトルであり、Φは反射接点４から外れた反射の移相であり、Φ’は光路長の差による移相である。
【００５５】
デバイスの強度は、角度、θの関数として、
【数１０】
2004006893.tif 000012
で与えられる。
【００５６】
光路長の差Φ’による移相は単一の量子井戸の活性領域１と反射接点４との間の距離ｄ、角度θ、波長λ、及びｎ（デバイス層、上記例ではＧａＮの屈折率）に依存し、式（４）によると、λｎ＝λ／ｎであり、
【数１１】
2004006893.tif 000013
となる。
【００５７】
反射接点４、Φからの反射による移相は、金属が公知の場合、反射接点４の金属のｎ及びｋ値から計算可能である。例えば、Ｍａｘ　Ｂｏｒｎ　＆　Ｅｍｉｌ　Ｗｏｌｆの光学の原理の６２８−６３０ページ（１９８０）を見ると、それがインコーポレイテッドバイリファレンスされている。反射接点４のｎ及びｋ値が公知でなければ、移相Φは、例えば、以下の方法により決定されてもよい。検出器は、小さな収集円錐部（θ〜６°）において、試験中のデバイスに垂直に基板を介して放射される光を収集するように配置されている。活性領域１と反射接点４の間に可変距離を有する一連のデバイスは反射接点４として知られていない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の場合、一連のデバイスの抽出効率は活性領域１と反射接点４の間の距離ｄの関数として変わるだけである。
【００５８】
式３によると、抽出効率の最小値は、Φ＋Φ’＝ｍ＊π（ｍは奇数の整数）のところに置かれ、Φ’は直接放射光６ｄと反射光６ｒの間の光路差による位相差である。一連のデバイスはそれぞれ反射接点４からの異なる距離に置かれた１つの量子井戸を有しており、反射接点４の外部の量子効率は単一の量子井戸の活性領域１と反射接点４の間の距離の関数として検出器により測定されてもよい。公知の移相を有する第２の反射接点４を使用すると、距離に対する外部の量子効率の別の曲線は同一の活性領域と反射接点との距離を有する第２セットのデバイスのために測定又は計算可能である。外部の量子効率は内部の量子効率と抽出効率の積、ＥＱＥ＝Ｃｅｘｔ＊ＩＱＥであり、したがって、内部の量子効率においてウェーハとウェーハの差を除去すると共に抽出効率の割合を得、第１曲線の点は第２曲線の点により割られ、
ＥＱＥｕｎｋｎｏｗｎ／ＥＱＥｋｎｏｗｎ＝Ｃｅｘｔ，ｕｎｋｎｏｗｎ／Ｃｅｘｔ，ｋｎｏｗｎ　　　　　　（５）
となるようになっている。
【００５９】
式（３）がＣｅｘｔ，ｕｎｋｎｏｗｎとＣｅｘｔ，ｋｎｏｗｎの代わりに用いられてもよく、両方のデバイスの外部の量子効率の測定値はＥＱＥｕｎｋｎｏｗｎとＥＱＥｋｎｏｗｎの代わりに用いられてもよく、その後、式（５）がΦｕｎｋｎｏｗｎ　ｍｅｔａｌのために解かれてもよい。ｄ，θ，λ，ｍ，Φｋｎｏｗｎ　ｍｅｔａｌ及び反射率が公知であるから、Φｕｎｋｎｏｗｎ　ｍｅｔａｌは知られていない反射接点４のために計算可能である。他の方法がΦを決定するために使用されてもよい。例えば、（２００２年２月１９日に寄託された）Ｐ．ＭａａｓｋａｎｔらによるＧａＮベースの共振空洞ＬＥＤの製作、ＰＨＹＳ．ＳＴＡＴ．ＳＯＬ．を見なさい。
【００６０】
反射Φによる移相が一端公知になると、強度は上式３を使用して距離ｄと角度θの関数として計算可能である。図２２は、図２１で定義したＬＥＤ、θ３への垂線に対する放射方向の関数として上側の遠距離電磁界の放射光の強度（又は光束）のコンピュータの生成例を示している。図２２の曲線はカプセル化したゲル７のようなシリコンを有するサファイア基板に製作された単一の量子井戸のＩＩＩ−窒化物デバイスに基づいている。ｄの各種値は、ｄ＝０．５λｎを有する図２２の曲線ａからｄ＝１．３λｎを有する図２２の曲線ｉまで示されており、λｎは活性領域と反射接点とを分離する半導体材料の光の波長である。角度による光束の変化だけが需要であるので、光束の単位は任意である。放射パターンは、特に、距離ｄ、放射光の波長、ＬＥＤから出るときに光が通る材料の有効屈折率による。放射パターンは、ｄが変化すると、明らかに変化し、３８．７°の逃し円錐部内にある光束を変化させる。
【００６１】
図２２に示されているように、全体の放射光束の最大値は発光領域の中心垂直軸の周りのピークでない放射パターンのために起こる。すなわち、光束強度が表面に第１に垂直に導かれる（図２２で０度又は「軸上」）ように発光領域から反射面を離すことは最大の全放射光束にするために必ずしも必要ではない。図２２の曲線「ｆ」は放射された放射線の目立つ軸上の最高点を与えているが、全放射光束ではかなり犠牲にしている。したがって、軸上の光放射を改善するために反射物から発光領域を空けることは最大のＬＥＤの全体の輝度を得るためには次善の策である。
【００６２】
図２２の曲線は図２３の曲線を生成するために統合されてもよい。図２３は、３つのデバイスのため、λｎにより分割された活性領域１と反射接点４の間の距離の関数として上側の光束の抽出効率のコンピュータで生成された表示を示している。図２３の曲線は、サファイア基板を有する４５０ｎｍのＩＩＩ−窒化物の単一量子井戸デバイス、シリコンのカプセル化ゲル、及び半導体層に近接したニッケルの薄層とニッケルに近接した銀の厚層とを有する反射接点の結果を表している。曲線に示された抽出効率の１番目の最大値は約０．０１λｎと約０．１５λｎの間で起こり、２番目の最大値は約０．６λｎと約０．７λｎの間、抽出効率の３番目の最大値は約１．１５λｎと約１．２５λｎの間、抽出効率の４番目の最大値は約１．６５λｎと約１．７５λｎの間で起こる。したがって、（薄いＮｉ）／Ａｇ接点を有する４５０ｎｍのＩＩＩ−窒化物の最大抽出効率のため、単一の量子井戸の活性領域１の中心は、反射接点４から、約０．０１λｎと約０．１５λｎの間、約０．５λｎと約０．８λｎの間、約１．０５λｎと約１．３５λｎの間、又は約１．６λｎと約１．９λｎの間に配置されるべきである。１番目の最大値は、通常、接点が活性領域から出力を吸収するように反射接点に近い活性領域に１番目の最大値が配置されたときには、使用されず、活性領域が光を放射するのを防止する一過性の波を作る。
【００６３】
距離に対する抽出効率の曲線の最大値の位置は光の波長が変化すると移動する。光の波長は金属Φからの反射により移相に影響を与える。Φが公知のｎ及びｋ値により計算された場合、計算は波長を考慮に入れる。Φが上述したように計算された場合、Φは特定の波長のために測定され、活性領域と反射接点の間の距離の適切な選択を保証しなければならない。下表は、３つの異なる波長のデバイスのためのｄに対する抽出効率の表示の２番目、３番目、及び４番目の最大値に対応する、単一のＩＩＩ−窒化物の量子井戸とＮｉ／Ａｇ接点の間の空間の範囲ｄを列挙している。
【００６４】
2004006893.tif 000014
【００６５】
下表は、光の波長の項で代わりにナノメートルで表現して、同一の情報を列挙している。
2004006893.tif 000015
【００６６】
上記例は、ニッケル／銀接点、シリコンカプセル化ゲル、及びサファイア基板を有するＩＩＩ−窒化物デバイスに向けられているが、当業者であれば、活性領域と反射接点との間隔を選択する方法は、ＩＩＩ−燐化物、ＩＩＩ−砒化物、及びＩＩ−ＩＶを含むがそれらに限定されない他の材料システム、他の接点材料、他のカプセル化材料、及び他の基板に適用可能であることは明らかであろう。
【００６７】
図２４は、本発明による、活性領域と反射接点との間の空間を決定するための一般的な方法を示している。最初、段階２０２において、カプセル化材料が使用されていない場合、逃し円錐部は半導体材料の屈折率、基板、及びカプセル化された材料又は空気を使用して計算される。段階２０４において、光路長による移相及び反射による移相が、その後、上述したように計算又は測定される。光路長による移相及び反射による移相は反射接点に使用される材料及びに光の波長による。段階２０６において、放射パターンは段階２０４で決定された移相を使用して活性領域と反射接点の間の各種空間のため計算され、図２２のようなグラフを作る。放射パターンは光の波長による。段階２０８では、抽出効率が活性領域と反射接点の間の距離ｄの関数として計算される。抽出効率は段階２０６で計算された放射パターン及び段階２０２で計算された逃し円錐部による。ｄの関数としての抽出効率の例は図２３に示されている。ｄの関数としての抽出効率の表示の最大値は段階２１０で明らかにされ、それはほとんどの光を出力する活性領域と反射領域の間の空間を決定する。
【００６８】
図２３の曲線ｂは純銀接点を有する４５０ｎｍのＩＩＩ−窒化物デバイスのため図２４に記載された方法の結果を示している。抽出効率の１番目の最大値は約０．６５λｎと約０．７５λｎの間で起こり、抽出効率の２番目の最大値は約１．１５λｎと約１．３８λｎの間で起こり、抽出効率の３番目の最大値は約１．７３λｎと約１．８５λｎの間、抽出効率の１番目の最小値は約０．９６λｎで起こる。したがって、銀接点を有するＩＩＩ−窒化物デバイスの最大抽出効率のため、単一の量子井戸の活性領域１の中心は、反射接点４から、約０．５λｎと約０．９λｎの間、約１．０λｎと約１．４λｎの間、又は約１．５λｎと約１．９λｎの間に配置されるべきである。
【００６９】
図２４に記載された方法はＩＩＩ−燐化物デバイスの反射接点と活性領域との間の間隙を決定するために使用されてもよく、デバイス層はＡｌｘＩｎｙＧａｚＰであり、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１で、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である。ＩＩＩ−燐化物デバイスは活性領域に近いＡｌＩｎＰ層及び反射接点に近いＧａＩｎＰ層を有していることがよくある。反射接点はＧａＩｎＰを有するオーム接点のために選択される。適切な反射接点材料の例はＡｌ，Ａｇ，及びＡｕである。反射接点の金属はＧａＩｎＰに結合されてもよく、それは接点の反射率を減少させる。オーム特性と反射特性間の交換条件を緩和するため、２部分の接点が使用されてもよい。２部分の接点を形成するため、最初、適切なオーム接点の層がＧａＩｎＰに沈積されると共に結合される。その後、金属は細線のパターンにエッチングされ、それにより、ＧａＩｎＰのほとんどの表面領域が現れ、細線は電流をデバイスに伝えるのに役立つ。ＧａＩｎＰの露出領域は、その後、化学的にエッチングされ、下方のＡｌＩｎＰクラッディング層を露出させ、それにより吸収するＧａＩｎＰの大部分を光路から排除する。最後に、適切な反射体は、それが作る接点のＡｌＩｎＰに対する抵抗率に関係なくその光学特性のために選択され、第１金属と露出したＡｌＩｎＰの両方の細線上に沈積される。この方法では、電流は第１金属によりデバイスに伝えられ、非常に反射する第２金属は鏡として役立つ。
【００７０】
図２３の曲線ｃは金接点を有する６２５ｎｍのＩＩＩ−燐化物デバイス（ｎ＝３．４）のため図２４に記載された方法の結果を示している。抽出効率の１番目の最大値は約０．０５λｎと約０．２λｎの間で起こり、抽出効率の２番目の最大値は約０．６λｎと約０．７５λｎの間で起こり、抽出効率の３番目の最大値は約１．１λｎと約１．２５λｎの間で起こり、抽出効率の４番目の最大値は約１．６λｎと約１．８λｎの間で起こり、抽出効率の５番目の最大値は約２．１８λｎと約２．２８λｎの間で起こる。したがって、金接点を有するＩＩＩ−燐化物デバイスの最大抽出効率のため、単一の量子井戸の活性領域１の中心は、反射接点４から、約０．５２λｎと約０．７８λｎの間、約１．０２λｎと約１．３λｎの間、約１．５５λｎと約１．８２λｎの間、又は約２．０９λｎと約２．３３λｎの間に配置されるべきである。
【００７１】
図２３は単一の量子井戸（ＳＱＷ）の活性領域のためのデータを示している。しかし、ここに記載した方法はＳＱＷデバイスに限定されるものではなく、複数の量子井戸（ＭＱＷ）活性領域と関連させて使用することも可能である。例えば、ＭＱＷの輝度の中心及び又は物理的中心は活性領域と反射接点の間の距離の関数として上側の光束の抽出効率の適当な表示の最大値に対応する間隙に配置されていてもよい。代わりに（又はさらに）、ＭＱＷはクラスターにあって、各クラスターに１つ以上の量子井戸を備えていてもよい。それぞれのクラスターの輝度の中心は、活性領域と反射接点間の距離の関数として上側の光束の抽出効率の適当な表示の最大値に対応した間隙に配置されてもよい。
【００７２】
図１９はＬＥＤダイを製作するための処理フローチャートを示している。ステップ９１では、ＩＩＩ−窒化物のヘテロ構造は成長基板に沈積される。ステップ９２において、接点はＩＩＩ−窒化物のヘテロ構造に加えられ、必要な場合にはエッチングされる。ｐ接点は不透明で、ｐ型層に電気接続され、一方、ｎ接点はｎ型層に電気接続されている。任意のステップ９３と９４において、２種以上の金属からなる誘電体は、それぞれ、ｎ接点がｐ接点を挿入し、シート反射体が適用される領域の少なくともｎ接点に使用される。ステップ９５では、任意の障壁層は半田から接点及び反射体を保護するように使用される。ステップ９６では、半田可能な金属が使用される。任意のステップ９７では、半田可能な金属がパターン化される。ステップ９８では、誘電体が半田可能な領域を規定するために使用される。ステップ９９では、誘電体がパターン化される。ＬＥＤダイはステップ９７又はステップ９９の後にサブマウントに取り付けらてもよい。
【００７３】
図２０はＬＥＤをサブマウントに取り付けるための処理フローチャートを示している。ステップ１００では、半田はサブマウントのウェーハにつけられる。ステップ１０１では、接合部がＬＥＤダイとサブマウントとの間に形成される。任意のステップ１０２では、ＬＥＤダイとサブマウントの間に余盛不足が施される。ステップ１０３では、サブマウントのウェーハが分離される。ステップ１０４では、ダイ及びサブマウントがパッケージに取り付けられる。
【００７４】
代わりに、ステップ１０５はステップ１００，１０１，及び１０２の代わりに完了される。ステップ１０５では、半田はＬＥＤにつけられる。ステップ１０６では、ＬＥＤダイとサブマウントのウェーハとの間に接合部が形成される。任意のステップ１０７では、ＬＥＤダイとサブマウントの間に余盛不足が施される。
【００７５】
本発明は教示の目的のためある特定の実施例に関連させて説明されているが、本発明はそれに限定されるものではない。各種図における各種構造の描写は例示であり、本発明を限定する意図ではない。特許請求の範囲に定義されている本発明の範囲から逸脱することなく、各種変形、適合、及び説明した実施例の各種特徴の組合せが実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のサファイア基板のＩＩＩ−窒化物発光デバイスを示している。
【図２】別の従来のＳｉＣ基板のＩＩＩ−窒化物発光デバイスを示している。
【図３】接合部と周囲の熱抵抗の関数として最大順電流を示している。
【図４】ｐ電極の吸収の関数としてＬＥＤ抽出効率を示している。
【図５】従来の発光デバイスに閉じ込められた光を示している。
【図６ａ】本発明の実施例の平面図を示している。
【図６ｂ】本発明の実施例の断面図を示している。
【図７】本発明の実施例を示している。
【図８】本発明の実施例を示している。
【図９】本発明の実施例を示している。
【図１０ａ】本発明の実施例の平面図を示している。
【図１０ｂ】本発明の実施例の断面図を示している。
【図１１ａ】図１０ａ−ｂに示された実施例の断面図を示している。
【図１１ｂ】図１０ａ−ｂに示された実施例の断面図を示している。
【図１２ａ】本発明の実施例の平面図を示している。
【図１２ｂ】本発明の実施例の平面図を示している。
【図１３ａ】本発明の別の実施例を示している。
【図１３ｂ】本発明の別の実施例を示している。
【図１３ｃ】本発明の別の実施例を示している。
【図１４】ＳｉＣ吸収率の関数としてＧａＮ／ＳｉＣの反転ＬＥＤの抽出効率を示している。
【図１５】スーパー基板のための逆ピラミッドを有する実施例を示している。
【図１６】サブマウントのための別の実施例を示している。
【図１７ａ】本発明による複数の直列接続の発光構造の平面図を示している。
【図１７ｂ】本発明による複数の直列接続の発光構造に対応する概略図を示している。
【図１８】サブマウントに接続された複数の直列接続の発光構造を示している。
【図１９】ＩＩＩ−窒化物ＬＥＤを製造するためのフローチャートを示している。
【図２０】ＩＩＩ−窒化物ＬＥＤをサブマウントに取り付けるためのフローチャートを示している。
【図２１】カプセル化されたゲルで覆われた発光デバイスの一部分を示している。
【図２２】活性領域を反射接点から分離する異なる量の材料を有するＩＩＩ−窒化物の単一量子井戸の銀／ニッケル接点の発光デバイスから放射された光束の角度分布を示している。デバイスはサファイア基板に作られ、シリコンのカプセル化されたゲルでパッケージ化されている。活性領域を反射接点から分離する材料の量は波長λｎにより示されている。
【図２３】３つのデバイスのための活性領域と反射接点の間の間隙の関数として最上部の光の抽出効率を示している。
【図２４】発光デバイスの活性領域と反射接点の間の間隙を決定する方法を示している。
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１３ｃ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７ａ】
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【図１７ｂ】
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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２３】
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【図２４】
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